JP2001136761A

JP2001136761A - アクチュエータ

Info

Publication number: JP2001136761A
Application number: JP31296599A
Authority: JP
Inventors: Shinya Matsuda; 伸也松田; Takashi Matsuo; 隆松尾; Masayuki Kamiyama; 雅之上山
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2001-05-18
Also published as: US6771004B1

Abstract

(57)【要約】【課題】トラス型アクチュエータなどのような被駆動
部材と接触する駆動力伝達部（駆動部材）が１箇所のア
クチュエータにおいて、変位素子の変位量が小さい場合
における駆動効率を向上させる。【解決手段】駆動部材であるチップ部材２０と被駆動
部材であるロータ４０とが間欠的に接触する状態で、か
つ間欠的に接触する状態から常時接触する状態に遷移す
る条件の近傍において、 Nt＝X0(1/(1/k2＋1/k3)−1/(1/k1＋1/k2＋1/k3)) を満足するように圧電素子１０，１０’を駆動する。但
し、ばね４１のばね定数をｋ１、圧電素子１０，１０’
とチップ部材２０の合成のばね定数をｋ２、ロータ４０
のばね定数をｋ３、圧電素子１０，１０’の変位量をＸ
０、ばね４１による加圧力をＮｔとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子等の変位
素子を用いたアクチュエータ、特に被駆動部材に駆動力
を伝達するための駆動力伝達部（駆動部材）が１箇所の
アクチュエータにおいて、変位素子の変位量が小さい場
合におけるアクチュエータの駆動効率の向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、２つの圧電素子などの変位素子を
その変位方向が所定の角度（例えば９０度）をなすよう
に配置し、各変位素子の交点に設けられた駆動部材が楕
円軌道を描くように各変位素子をそれぞれ所定の位相差
を有する交流電圧信号で駆動し、駆動部材が当接する被
駆動部材を所定方向に回転又は移動させるトラス型アク
チュエータが提案されている。

【０００３】一般的なトラス型アクチュエータの動作原
理について説明する。図１５は、トラス型アクチュエー
タをばね（加圧部材）４１によりロータ（被駆動部材）
４０に所定の押し圧力Ｆにより押しつけた状態を示す。
図１５中、μは摩擦係数を表す。また、第１圧電素子
（変位素子）１０及び第２圧電素子（変位素子）１０’
に印加する電圧又はそれらの変位を図１６に示す。第１
圧電素子１０及び第２圧電素子１０’に対してそれぞれ
図１６に示すような位相の異なる正弦波電圧を印加する
と、それに応じて第１圧電素子１０及び第２圧電素子１
０’は正弦波的に変位する。その結果、第１圧電素子１
０及び第２圧電素子１０’にそれぞれ結合されたチップ
部材（駆動部材）２０は、楕円運動（円運動を含む）を
行う。

【０００４】第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’
に印加する正弦波電圧の周波数が所定の値よりも大き
く、チップ部材２０の回転速度が速くなると、ばね４１
の付勢力によってはアクチュエータ自体がチップ部材２
０の変位に追従できなくなり、チップ部材２０がロータ
４０の表面から一時的に離反する（間欠的に接触する）
状態が生まれる。チップ部材２０がロータ４０の表面か
ら離反している間にチップ部材２０を所定方向に移動さ
せ、チップ部材２０がロータ４０の表面に接触している
間に所定方向と反対の方向に移動させることにより、ロ
ータ４０を回転させることができる。この状態を図１７
に示す。

【０００５】図１７において、（ａ）及び（ｅ）は第１
圧電素子１０及び第２圧電素子１０’が共に伸び、チッ
プ部材２０がロータ４０の表面に接触した状態、（ｂ）
は第１圧電素子１０が縮み第２圧電素子１０’が伸び、
チップ部材２０がロータ４０の表面から離反した状態、
（ｃ）は第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’が共
に縮み、チップ部材２０がロータ４０の表面から離反し
た状態、（ｄ）は第１圧電素子１０が伸び第２圧電素子
１０’が縮んでいるが、アクチュエータがチップ部材２
０の動きに追いつき、チップ部材２０がロータ４０の表
面に接触した状態を示す。図１７からわかるように、チ
ップ部材２０がロータ４０の表面から離反することによ
り、ロータ４０を回転させることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、第１圧電素
子１０及び第２圧電素子１０’の変位量が小さく、チッ
プ部材（駆動部材）２０の変位量が数μｍ以下になる
と、チップ部材２０とロータ４０の材料の弾性により、
両者が常時接触する状態が起こり得ることが判明した。
その場合、本来チップ部材２０がロータ４０の表面から
離反し、チップ部材２０が所定方向に復帰しなければな
らないのに、チップ部材２０がロータ４０と接触し、両
者の間に生じる摩擦力によりロータ４０の動きに減速力
がかかったり、あるいはロータ４０がチップ部材２０に
伴って逆方向に戻り、アクチュエータとしての出力が低
下するという問題を生じる。この現象は、ばね４１の付
勢力を強くするほど顕著となる。

【０００７】本発明は、上記従来例の問題点を解決する
ためになされたものであり、変位素子による変位量が小
さい場合であっても、最適な駆動条件で駆動することに
より、駆動効率の高いアクチュエータを提供することを
目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のアクチュエータは、所定の変位を発生させ
る変位素子と、前記変位素子に結合され、前記変位素子
の変位を被駆動部材に伝達する駆動部材と、前記変位素
子の前記駆動部材が結合されていない側の端部を支持す
るための固定部材と、前記駆動部材を被駆動部材に圧接
させるための加圧部材とを具備し、前記駆動部材と前記
被駆動部材とが間欠的に接触する状態で、かつ間欠的に
接触する状態から常時接触する状態に遷移する条件の近
傍の条件で前記変位素子を駆動することを特徴とする。

【０００９】上記構成において、前記加圧部材のばね定
数をｋ１、前記変位部材と前記駆動部材の合成のばね定
数をｋ２、前記被駆動部材のばね定数をｋ３、前記変位
素子の変位量をＸ０、前記加圧部材による加圧力をＮｔ
として、 Nt＝X0(1/(1/k2＋1/k3)−1/(1/k1＋1/k2＋1/k3)) を満足することが好ましい。

【００１０】また、前記変位素子を共振周波数で駆動す
ることが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明のアクチュエータの一実施
形態について説明する。まず、本実施形態において変位
素子として用いる積層型圧電素子の構成を図１に示す。
図１に示すように、積層型圧電素子１０は、ＰＺＴ等の
圧電特性を示す複数のセラミック薄板１１と電極１２，
１３を交互に積層したものであり、各セラミック薄板１
１と電極１２，１３とは接着剤等により固定されてい
る。１つおきに配置された各電極群１２及び１３は、そ
れぞれ信号線１４，１５を介して駆動電源１６に接続さ
れている。信号線１４と１５の間に所定の電圧を印加す
ると、電極１２と１３に挟まれた各セラミック薄板１１
には、その積層方向に電界が発生し、その電界は１つお
きに同じ方向である。従って、各セラミック薄板１１
は、１つおきに分極の方向が同じになる（隣り合う２つ
のセラミック薄板１１の分極方向は逆となる）ように積
層されている。なお、積層型圧電素子１０の両端部に
は、保護層１７が設けられている。

【００１２】駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電
極１２と１３の間に印加すると、全てのセラミック薄板
１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０全体として
伸縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる
領域では、各電極１２と１３の間に発生する電界と圧電
素子１０の変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことがで
きる。この様子を図２に示す。図中、横軸は電界強度
を、縦軸は歪み率を表す。

【００１３】次に、駆動電源１６により交流の駆動電圧
（交流信号）を各電極１２と１３の間に印加すると、そ
の電界に応じて各セラミック薄板１１は同方向に伸縮を
繰り返し、圧電素子１０全体として伸縮を繰り返す。圧
電素子１０には、その構造や電気的特性により決定され
る固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波
数が圧電素子１０の共振周波数と一致すると、インピー
ダンスが低下し、圧電素子１０の変位が増大する。圧電
素子１０は、その外形寸法に対して変位が小さいため、
低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用する
ことが望ましい。

【００１４】次に、本実施形態のトラス型アクチュエー
タ（以下、単にアクチュエータと称する）の構成を図３
に示す。図３に示すように、２つの変位素子（積層型の
第１圧電素子及び第２圧電素子）１０，１０’を略直角
に交差させて配置し、それらの交差側端部にチップ部材
（変位合成部）２０を接着剤により接合している。一
方、第１及び第２圧電素子１０，１０’の他端部をベー
ス部材（固定部）３０に接着剤により接合している。チ
ップ部材２０の材料としては、安定して高い摩擦係数が
得られ、かつ耐摩耗性に優れたタングステン等が好まし
い。ベース部材３０の材料としては、製造が容易で、か
つ強度に優れたステンレス鋼等が好ましい。また、接着
剤としては、接着力及び強度に優れたエポキシ系樹脂等
が好ましい。なお、第１圧電素子１０及び第２圧電素子
１０’は図１に示す圧電素子１０と実質的に同一であ
り、第２圧電素子１０’の各構成要素の符号にをそれぞ
れ（’）をつけて区別する。

【００１５】第１及び第２圧電素子１０，１０’をそれ
ぞれ位相差を有する交流信号で駆動することにより、チ
ップ部材２０を楕円運動させることができる。このチッ
プ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可能なロー
タ４０の円筒面に押しつけると、チップ部材２０の楕円
運動（円運動を含む）をロータ４０の回転運動に変換す
ることが可能となる。または、チップ部材２０を、例え
ば棒状部材（図示せず）の平面部に押しつけることによ
り、チップ部材２０の楕円運動を棒状部材の直線運動に
変換することが可能となる。ロータ４０の材料として
は、アルミニウム等の軽量金属が好ましく、チップ部材
２０との摩擦による摩耗を防止するため、表面にアルマ
イト等の処理を施すことが好ましい。

【００１６】次に、本実施形態における駆動回路のブロ
ック構成を図４に示す。発振器５０は、後述するように
同位相モードと逆位相モードにおいて一致した共振周波
数で正弦波信号を発生（発振）する。位相制御部５１
は、被駆動部材であるロータ４０の回転速度、駆動トル
ク、回転方向等に応じて遅延回路５２を制御し、位相の
ずれた正弦波信号を発生する。振幅制御部５３は第１増
幅器５４及び第２増幅器５５を制御して、互いに位相の
ずれた２つの正弦波信号の振幅を増幅する。第１増幅器
５４及び第２増幅器５５により増幅された正弦波信号
は、それぞれ第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’
に印加される。

【００１７】次に、第１圧電素子１０及び第２圧電素子
１０’を駆動するための駆動信号について説明する。互
いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交
点は楕円振動の式（Lissajousの式）に従った軌跡を描
く。本実施形態のアクチュエータにおいても、第１圧電
素子１０及び第２圧電素子１０’を駆動するための駆動
信号の振幅（電圧）や位相差を変化させることにより、
種々の軌跡を得ることができる。各駆動信号の振幅を等
しくした場合において、各駆動信号間の位相差を０°、
４５°、９０°、１３５°及び１８０°とした場合の軌
跡をそれぞれ図５の（ａ）〜（ｅ）に示す。

【００１８】このように、チップ部材２０の軌跡を制御
することにより、ロータ４０の回転方向、回転速度、回
転力（トルク）等を制御することができる。具体的に
は、ロータ４０に対してその接線方向におけるチップ部
材２０の軌跡の径を大きくすれば回転速度が上昇する。
また、ロータ４０に対してその法線方向におけるチップ
部材２０の軌跡の径を大きくすれば回転力が上昇する。
さらに、位相を反転すれば回転方向を反転させることが
できる。

【００１９】次に、図３に示すアクチュエータを実際に
試作し、最適な駆動条件を求める実験を行った。まず、
アクチュエータを無負荷状態（チップ部材２０とロータ
４０とを接触させず）で駆動した場合における圧電素子
１０，１０’に印加する駆動信号の電圧とチップ部材２
０の軌跡の直径（変位量）との関係を図６に示す。ま
た、ばね４１による加圧力とチップ部材２０とロータ４
０の接触率の関係を図７に示す。

【００２０】図６において、（ａ）は圧電素子１０，１
０’に印加する駆動信号の振幅（電圧）が３０Ｖの場
合、（ｂ）は同４０Ｖの場合、（ｃ）は同５０Ｖの場
合、（ｄ）は同６０Ｖの場合、（ｅ）は同７０Ｖの場合
をそれぞれ示す。また、（ｆ）は電圧−変位量特性（Ｘ
方向の変位量ｄｘ）を示す。図６から明らかなように、
駆動信号の電圧が３０Ｖから７０Ｖの範囲では、圧電素
子１０，１０’の駆動信号の電圧とチップ部材２０の変
位量とがほぼ比例していることがわかる。

【００２１】図７において、電圧（駆動信号の振幅）が
７０Ｖの場合、ばね４１による加圧力に対するチップ部
材２０とロータ４０の接触率がほぼ比例している。これ
は、電圧が７０Ｖの場合、圧電素子１０，１０’の変位
量が大きく、ばね４１の加圧力の反力によるチップ部材
２０及びロータ４０の弾性変形速度（復元速度）よりも
チップ部材２０の速度が速いため、チップ部材２０がロ
ータ４０から完全に離れると考えられる。なお、ばね４
１による加圧力が大きければ大きいほど、チップ部材２
０及びロータ４０の復元速度が速くなり、チップ部材２
０がロータ４０から離れている時間が短くなる。

【００２２】これに対し、電圧が５０Ｖの場合及び３０
Ｖの場合、それぞれ圧電素子１０，１０’の変位量が小
さく、ばね４１の加圧力によっては、その反力によるチ
ップ部材２０及びロータ４０の復元速度の方がチップ部
材２０の速度よりも速くなり、チップ部材２０がロータ
４０と常時接触する状態が生じると考えられる。また、
両者を比較すると、電圧３０Ｖの場合の方が圧電素子１
０，１０’の変位量がより小さく、チップ部材２０の速
度も遅いため、チップ部材２０がロータ４０と常時接触
する範囲が広い。例えば電圧５０Ｖの場合、加圧力２．
５Ｎ近傍に、チップ部材２０とロータ４０とが間欠的に
接触する状態と常時接触する状態の遷移点が存在する。

【００２３】次に、圧電素子１０，１０’の駆動信号の
電圧を５０Ｖ、周波数を２５ｋＨｚに固定し、ばね４１
による加圧力を０．５Ｎ〜５Ｎの間で変化させながら、
ロータ４０の負荷−（回転）速度特性を測定した。その
結果を図８に示す。また、同条件でのアクチュエータの
出力特性（負荷−駆動効率特性）を図９に示す。

【００２４】まず、図８の縦軸（負荷０の場合）に着目
する。ばね４１による加圧力が０．５Ｎ〜５Ｎに増加す
るに従って、無負荷状態における速度Ｖは低下する。し
かしながら、チップ部材２０とロータ４０とが間欠的に
接触する状態、すなわち、ばね４１による加圧力が０．
５Ｎ、１Ｎ、１．５Ｎ及び２Ｎの特性曲線の場合、ばね
４１による加圧力の増加に伴いチップ部材２０とロータ
４０との間に作用する摩擦力が増加し、アクチュエータ
の起動力（加速力）が増加する。また、図７からわかる
ように、ばね４１による加圧力の増加に伴い、チップ部
材２０がロータ４０に接触する時間が長くなる。なお、
チップ部材２０とロータ４０との接触中に減速力が働く
が、この影響よりも起動力の増加による影響の方が大き
い。その結果、アクチュエータの出力が増大する。

【００２５】一方、チップ部材２０とロータ４０とが常
時接触する状態、すなわち、ばね４１による加圧力が３
Ｎ、４Ｎ及び５Ｎの特性曲線の場合、ばね４１による加
圧力の増加に伴いチップ部材２０とロータ４０との間に
作用する摩擦力が増加し、アクチュエータの加速力が増
加するが、同時に減速力も増加する。駆動信号の電圧を
例えば５０Ｖに固定しているため、圧電素子１０，１
０’の変位の振幅は一定であり、加速力と減速力の差
（トルクに相当）はほぼ一定である。しかしながら、ば
ね４１による加圧力を増加させると速度が低下するた
め、結果的にアクチュエータの出力は低下する。

【００２６】以上の条件を考慮に入れて図８及び図９に
おける加圧力２Ｎ及び３Ｎの特性曲線に着目すると、上
記チップ部材２０とロータ４０とが間欠的に接触する状
態と常時接触する状態の遷移点が存在する加圧力２．５
Ｎ近傍において、アクチュエータの最大駆動効率を示し
ていることがわかる。このアクチュエータの場合、電気
的な入力は一定であるので、駆動効率ηが最大となる条
件が、同時にアクチュエータの出力が最大となる条件で
ある。

【００２７】次に、チップ部材２０とロータ４０との接
触部分において弾性変形が生じる弾性接触モデルを用い
て上記実験結果を解析した。弾性接触モデルを図１０に
示す。図１０では、圧電素子１０，１０’とチップ部材
２０及びロータ４０をそれぞれ集中質量を有するばねと
みなしている。なお、圧電素子１０，１０’の質量とチ
ップ部材２０の質量を加算している。ロータ４０及びベ
ース部材３０はそれぞれ一端が固定されており、また圧
電素子１０，１０’は一端がベース部材３０に固定され
ているものとする。ばね４１のばね定数をｋ１、ベース
部材３０の質量をｍ１、圧電素子１０，１０’とチップ
部材２０の合成のばね定数及び質量をｋ２及びｍ２、ロ
ータ４０のばね定数及び質量をそれぞれｋ３及びｍ３と
する。

【００２８】圧電素子１０，１０’の変位とそれらによ
り発生される駆動力の関係を図１１に示す。図中、縦軸
を圧電素子１０，１０’の変位量Ｘ、横軸を圧電素子に
よる発生力Ｆとする。圧電素子１０，１０’に電圧Ｖ０
を印加すると、圧電素子１０，１０’がＸ０だけ変位す
るので、圧電素子１０，１０’の端部にはＦ０＝ｋ２・
Ｘ０の力が発生する。逆に、圧電素子１０，１０’に電
圧を印加していない状態で、その一端に重さＷ＝Ｆ０の
重りを載せると、圧電素子１０，１０’は−Ｘ０だけ変
位する（Ｘ０だけ縮む）。この圧電素子１０，１０’に
さらにばね定数Ｋのばねが自由長の状態で取り付けられ
ていると仮定する。圧電素子１０，１０’に電圧Ｖ０を
印加した場合の変位量をＸ、ばねからの反力をＦとする
と、Ｆ０＝（Ｋ＋ｋ２）・Ｘ、Ｆ＝Ｋ・Ｘの関係とな
る。これらの式からＫを消去すると、Ｘ＝（Ｆ０−Ｆ）
／ｋ２となる。

【００２９】さらに、圧電素子１０，１０’を伸縮させ
た場合の挙動について解析する。図１２中、（ａ）は圧
電素子１０，１０’を組み込む前の状態を示し、（ｂ）
は圧電素子１０，１０’を組み込んだ初期状態を示す。
圧電素子１０，１０’には電圧は印加されておらず、系
には押し圧力Ｎが作用している。各要素はばね定数に応
じて縮んでおり、圧電素子１０，１０’は一端に重りが
載せられた状態と同じである。

【００３０】（ｃ）は、圧電素子１０，１０’に印加す
る電圧を徐々に増加させ、圧電素子１０，１０’を変位
させた状態を示す。圧電素子１０，１０’の伸びに伴
い、ばね４１及びロータ４０（のばね成分）が縮み、圧
力が増加する。圧電素子１０，１０’は、その一端にば
ね定数Ｋ＝ｋ１・ｋ３／（ｋ１＋ｋ３）のばねが取り付
けられた状態と同じである。

【００３１】（ｄ）は、圧電素子１０，１０’に印加す
る電圧を急速に減少又は反転させ、圧電素子を急激に縮
めた状態を示す。この場合、圧電素子１０，１０’の急
激な変位にロータ４０は追従しうるがベース部材３０及
びばね４１は追従できず、ベース部材３０はほとんど変
位しない。従って、（ｄ）ではベース部材３０を静止し
た壁として描いている。

【００３２】圧電素子１０，１０’が縮むと、それに伴
ってロータ４０のばね成分が伸び、ロータ４０と圧電素
子１０，１０’の間に作用する圧力が低下する。この場
合、圧電素子１０，１０’に対向するばねはロータ４０
のばね成分（ばね定数ｋ３）のみであり、（ｃ）に示す
圧電素子１０，１０’が伸びる場合よりもばね定数が大
きい（ｋ３＞Ｋ）。従って、（ｄ）に示す圧電素子１
０，１０’が縮む場合、圧電素子１０，１０’による変
位−発生力特性の傾きが（ｃ）に示す圧電素子１０，１
０’が伸びる場合の変位−発生力特性の傾きに比べて小
さくなる。その結果、２つの圧電素子１０，１０’の交
点に設けられたチップ部材２０の軌跡は円からずれた楕
円となる。

【００３３】次に、図１２と図１３を用いて各定数の関
係を求める。図１２における（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）
における圧力をＮ，Ｎ’，Ｎ”、各要素の変位をΔＸ
ｎ，ΔＸｎ’，ΔＸｎ”（ｎ＝１〜３）とする。各状態
において、系の全長は不変であるので、 ΔX1＋ΔX2＋ΔX3＝ΔX1'−ΔX2'＋ΔX3'＝ΔX1"＋ΔX2"＋ΔX3" ・・・(1) となる。次に、フックの法則より、 N＝ΔX1×k1＝ΔX2×k2＝ΔX3×k3 N'＝ΔX1'×k1＝(X0−ΔX2')×k2＝ΔX3'×k3 N"＝ΔX2"×k2＝ΔX3"×k3 となる。上記式(1)の左側の等式にＮ，Ｎ’，Ｎ”を代
入すると、 N(1/k1＋1/k2＋1/k3)＝N'(1/k1＋1/k2＋1/k3)−X0 N−N'＝X0/(1/k1＋1/k2＋1/k3) ・・・(2) となる。同様に、上記式(1)の右側の等式にＮ，Ｎ’，
Ｎ”を代入すると、 N'(1/k1＋1/k2＋1/k3)−X0＝N'/k1＋N"(1/k2＋1/k3) N'−N"＝X0/(1/k2＋1/k3) ・・・(3) となる。式(2)及び(3)からＮ’を消去すると、 N−N'＝X0(1/(1/k2＋1/k3)−1/(1/k1＋1/k2＋1/k3)) となる。チップ部材２０とロータ４０とが間欠的に接触
する状態から常時接触する状態へ遷移する時のばね４１
による臨界加圧力をＮｔとすると、Ｎ”＝０となるの
で、 Nt＝X0(1/(1/k2＋1/k3)−1/(1/k1＋1/k2＋1/k3)) ・・・(4) となる。

【００３４】一方、チップ部材２０とロータ４０とが常
時接触している状態で、ロータ４０に加わる圧力の振幅
Ｎｗは常に一定となり、上記式(3)から、 Nw＝N'−N"＝X0/(1/k2＋1/k3) ・・・(5) となる。また、このときの圧電素子１０，１０’の変位
Ｘｔも一定となり、その値は、 Xt＝ΔX2'＋ΔX2"＝X0−N'/k2＋N"/k2＝X0・k2/(k2＋k3) ・・・(6) となる。

【００３５】本実施形態のようなトラス型アクチュエー
タの出力を増大させるには、チップ部材２０からロータ
４０に伝達されるロータ４０の接線方向の力、すなわち
加速力と減速力の差を大きくすればよい。この接線方向
の力は、チップ部材２０とロータ４０との間に作用する
摩擦係数μと上記加圧力の振幅Ｎｗの積で表される。摩
擦係数μを増加させる方法は従来より種々提案されてい
るので、その説明を省略する。一方、加圧力の振幅Ｎｗ
を増大させるには、上記式(5)からわかるように、チッ
プ部材２０又は圧電素子１０，１０’の変位量Ｘ０を増
加するか、あるいは圧電素子１０，１０’のばね定数ｋ
２及び／又はロータ４０のばね成分のばね定数ｋ３を大
きくすればよい。

【００３６】変位量Ｘ０を増加させる方法として、単純
に圧電素子１０，１０’に印加する駆動信号の振幅（電
圧）を増加させる方法と、共振現象を利用して圧電素子
１０，１０’をそれぞれ共振周波数で駆動する方法があ
る。前者の場合は、圧電素子の駆動に必要なエネルギー
も増加するため、駆動効率は変わらない。後者の場合
は、少ないエネルギーで大きな変位量が得られるため、
駆動効率の改善には有効である。

【００３７】圧電素子１０，１０’とチップ部材２０の
合成のばね定数ｋ２及びロータ４０のばね定数ｋ３は、
それぞれ部材の形状や特性によって決定される。圧電素
子１０，１０’及びロータ４０の断面積をＳ、その材料
の弾性率をＥ、長さをＬとすると、ばね定数ｋは、ｋ＝
Ｓ・Ｅ／Ｌで表される。従って、圧電素子１０，１
０’、チップ部材２０及びロータ４０の断面積Ｓ及び材
料の弾性率Ｅを大きくし、長さＬを短くすることにより
ばね定数ｋ２及びｋ３を大きくすることができ、結果的
にアクチュエータの出力を増大させることができる。

【００３８】また、ロータ４０のばね定数ｋ３について
は、チップ部材２０との接触面の表面粗さや硬度によっ
ても変化するため、チップ部材２０及びロータ４０の表
面を研磨などによりなめらかにし、窒化処理や参加処理
により表面の硬度を高くすればよい。

【００３９】上記実施形態では、変位素子として圧電素
子を用いているが、一般に圧電素子はセラミックス材料
で作られており、金属材料と比較して振動の減衰が大き
く、共振時の変位拡大率が小さい。また、セラミックス
は圧縮力には強いが引っ張り力には弱く、特に積層型圧
電素子の場合、その接着面で剥がれる可能性もある。そ
こで、変位素子として単層の圧電素子と金属製の弾性体
を直列接続したものを用いることもできる。この変位素
子を用いたトラス型アクチュエータの構成を図１４に示
す。

【００４０】第１変位素子６０及び第２変位素子６０’
は、それぞれ単層の圧電素子（セラミックス薄板）６
１，６１’と及び弾性体６２，６２’で構成され、圧電
素子６１，６１’の両面には電極は設けられていない。
また、第１変位素子６０及び第２変位素子６０’は、そ
れぞれ接着剤を用いずに、ボルト６３，６３’によりチ
ップ部材２０及びベース部材３０に固定されている。弾
性体６２，６２’及びベース部材３０をそれぞれ導電性
材料で形成し、弾性体６２，６２’及びベース部材３０
の間に駆動電源１６，１６’を接続し、第１変位素子６
０及び第２変位素子６０’をそれぞれ上記共振周波数で
駆動する。

【００４１】圧電素子６１，６１’を振動源として弾性
体６２，６２’を共振させることにより変位を拡大する
ことができる。また、金属材料の減衰が小さいため変位
がより拡大し、圧電素子６１，６１’に加わる引っ張り
力が小さくなるため、圧電素子６１，６１’の破壊を防
止することも可能である。弾性体６２，６２’の材料と
しては、アルミニウム、チタン、鉄、銅及びそれらの合
金等を用いる。単層の圧電素子６１，６１’の変位素子
全体に占める長さ方向の割合は非常に小さい。

【００４２】なお、上記実施形態の説明では、チップ部
材２０を駆動するための２つの変位素子１０，１０’又
は６０，６０’をそれぞれ直交するように配置したが、
これに限定されるものではなく、その他の角度、例えば
４５°、１３５°等任意の角度であってもよい。さら
に、変位素子の数は２つに限定されず、変位素子を３
個、あるいはそれ以上用いて、３自由度又は４自由度の
駆動を行うように構成してもよい。さらに、変位素子の
駆動源として、圧電素子だけでなく、磁歪素子等他の電
気的又は機械的変位素子を用いてもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のアクチュ
エータは、所定の変位を発生させる変位素子と、前記変
位素子に結合され、前記変位素子の変位を被駆動部材に
伝達する駆動部材と、前記変位素子の前記駆動部材が結
合されていない側の端部を支持するための固定部材と、
前記駆動部材を被駆動部材に圧接させるための加圧部材
とを具備し、前記駆動部材と前記被駆動部材とが間欠的
に接触する状態で、かつ間欠的に接触する状態から常時
接触する状態に遷移する条件の近傍の条件で前記変位素
子を駆動することを特徴とする。

【００４４】すなわち、駆動部材（例えばチップ部材２
０）と被駆動部材（例えばロータ４０）とが間欠的に接
触する状態では、加圧部材（例えばばね４１）による加
圧力の増加に伴い駆動部材と被駆動部材との間に作用す
る摩擦力が増加し、アクチュエータの起動力（加速力）
が増加する。また、加圧部材による加圧力の増加に伴
い、駆動部材が被駆動部材に接触する時間が長くなる。
駆動部材と被駆動部材との接触中に働く減速力よりも起
動力の増加の方が大きいので、アクチュエータの出力が
増大する。

【００４５】一方、駆動部材と被駆動部材とが常時接触
する状態では、加圧部材による加圧力の増加に伴い駆動
部材と被駆動部材との間に作用する摩擦力が増加し、ア
クチュエータの起動力が増加するが、同時に減速力も増
加する。駆動信号の電圧を固定すると変位素子の変位の
振幅が一定であり、加速力と減速力の差（トルクに相
当）はほぼ一定である。しかしながら、加圧部材による
加圧力を増加させると速度が低下するため、結果的にア
クチュエータの出力は低下する。

【００４６】従って、駆動部材と被駆動部材とが間欠的
に接触する状態で、かつ間欠的に接触する状態から常時
接触する状態に遷移する条件の近傍の条件（臨界条件）
で変位素子を駆動することにより、アクチュエータの駆
動効率が最大となり、同時にアクチュエータの出力が最
大となる。

【００４７】また、前記加圧部材のばね定数をｋ１、前
記変位部材のばね定数をｋ２、前記被駆動部材と前記駆
動部材の合成のばね定数をｋ３、前記変位素子の変位量
をＸ０、前記加圧部材による加圧力をＮｔとして、 Nt＝X0(1/(1/k2＋1/k3)−1/(1/k1＋1/k2＋1/k3)) を満足することにより、上記臨界条件で駆動することが
できる。

【００４８】さらに、前記変位素子を共振周波数で駆動
することにより、変位素子の駆動電圧を増加させること
なく、変位素子の変位量Ｘ０を大きくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のトラス型アクチュエータの一実施形
態において変位素子として用いる積層型圧電素子の構成
を示す図である。

【図２】上記積層型圧電素子における各電極の間に発
生する電界と圧電素子の変位の関係を示す図である。

【図３】上記実施形態におけるトラス型アクチュエー
タの構成を示す図である。

【図４】上記実施形態における駆動回路のブロック構
成を示す図である。

【図５】上記実施形態において、２つの圧電素子に印
加する駆動信号の振幅を等しくし、各駆動信号間の位相
差を変化させた場合の軌跡を示す図である。

【図６】上記実施形態のアクチュエータを無負荷状態
で駆動した場合における圧電素子に印加する駆動信号の
電圧とチップ部材の軌跡の直径（変位量）との関係を示
す図である。

【図７】上記実施形態のアクチュエータにおけるばね
による加圧力とチップ部材とロータの接触率の関係を示
す図である。

【図８】上記実施形態のアクチュエータにおけるロー
タの負荷−（回転）速度特性を示す図である。

【図９】図８の場合と同条件でのアクチュエータの出
力特性（負荷−駆動効率特性）を示す図である。

【図１０】上記実施形態におけるチップ部材とロータ
との接触部分において弾性変形が生じる弾性接触モデル
を示す図である。

【図１１】上記弾性接触モデルにおける圧電素子の変
位とそれにより発生される駆動力の関係を示す図であ
る。

【図１２】上記弾性接触モデルにおける圧電素子を伸
縮させた場合の挙動を示す図である。

【図１３】上記弾性接触モデルにおける圧電素子の変
位と各状態における圧力の関係を示す図である。

【図１４】本発明のトラス型アクチュエータの他の実
施形態の構成を示す図である。

【図１５】上記実施形態のアクチュエータによるロー
タの回転原理を示す図であり、一般的なトラス型アクチ
ュエータをばねによりロータ押しつけた状態を示す。

【図１６】上記実施形態における２つの圧電素子に印
加する電圧又はそれらの変位を示す図である。

【図１７】上記実施形態におけるアクチュエータによ
りロータを回転させる原理を示す図である。

【符号の説明】

１０：第１圧電素子（変位素子）１０’：第２圧電素子（変位素子）１１：セラミックス薄板１６，１６’：駆動電源（駆動部）２０：チップ部材（変位合成部）３０：ベース部材（固定部）４０：ロータ（被駆動部材）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上山雅之大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の変位を発生させる変位素子と、前
記変位素子に結合され、前記変位素子の変位を被駆動部
材に伝達する駆動部材と、前記変位素子の前記駆動部材
が結合されていない側の端部を支持するための固定部材
と、前記駆動部材を被駆動部材に圧接させるための加圧
部材とを具備し、前記駆動部材と前記被駆動部材とが間
欠的に接触する状態で、かつ間欠的に接触する状態から
常時接触する状態に遷移する条件の近傍の条件で前記変
位素子を駆動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】前記加圧部材のばね定数をｋ１、前記変
位部材と前記駆動部材の合成のばね定数をｋ２、前記被
駆動部材のばね定数をｋ３、前記変位素子の変位量をＸ
０、前記加圧部材による加圧力をＮｔとして、 Nt＝X0(1/(1/k2＋1/k3)−1/(1/k1＋1/k2＋1/k3)) を満足することを特徴とする請求項１記載のアクチュエ
ータ。
【請求項３】前記変位素子を共振周波数で駆動するこ
とを特徴とする請求項２記載のアクチュエータ。