JP2009159665A

JP2009159665A - 弾性表面波アクチュエータ

Info

Publication number: JP2009159665A
Application number: JP2007332066A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Amaki; 勉尼木; Yohei Ishigami; 陽平石上; Masahiro Kirigatani; 昌広桐ヶ谷
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-07-16

Abstract

【課題】弾性表面波アクチュエータにおいて、スライダを略直線移動させることを可能とし、小型化と低消費電力化及び高効率化を可能とする
【解決手段】本アクチュエータ１０は、弾性表面波を発生するステータ１５を有するアクチュエータ本体１６と、その表面に配置されたスライダ１４とを備え、ステータ１５の表面に発生させた弾性表面波によりスライダ１４を移動させる。スライダ１４に予圧を付与してステータ１５に密着させる予圧部１１を備え、予圧部１１は、一端がアクチュエータ本体１６に回動自在に軸支され、他端にスライダ１４に接触して押圧する押圧部１１ａを備えた片持ち梁構造である。スライダ１４は、ステータ１５に対し略直線移動自在に保持され、押圧部１１ａは、スライダ１４と滑り合う構造である。これにより、スライダを略直線移動させることができ、アクチュエータ１０を小型化できると共に低消費電力で高効率にできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、弾性表面波アクチュエータに関する。

従来から、弾性体の表面を伝播する弾性表面波（Surface Acoustic Wave: SAW）をステータに生成して、予圧によってステータに密着させたスライダを駆動する弾性表面波アクチュエータが知られている。例えば、特許文献１には、揺動アームに連結したスライダを弾性表面波によって揺動させるアクチュエータが記載されている。

上記特許文献１に示される揺動アームを用いたアクチュエータは、スライダを直線移動させるものではない。図７及び図８は、スライダを直線移動させることができるアクチュエータを示す。アクチュエータ本体（ハウジング）５６は、ステータ５５を有し、高周波電圧をステータ５５上の電極５５Ｔに印加することによってステータ５５に弾性表面波が生成される。アクチュエータ本体５６に固定されたシャフト５７の軸方向に直線移動自在となるようにステージ５８が保持され、ステージ５８に設けれらた貫通穴にスライダ５４が回転しないように勘合される。ステータ５５に生成した弾性表面波の駆動力をスライダ５４に伝えるには、スライダ５４の予圧が必要であり、スライダ５４は、門型バネ５１によって予圧が付与されてステータ５５に密着する。ステータ５５に生成した弾性表面波がスライダ５４を駆動し、シャフト５７の軸方向に直線移動させる。

しかしながら、上述したようなアクチュエータ５０では、門型バネ５１のバネクランプ部５１ｃにスライダ５４の運動を阻害する動作抵抗が発生するので消費電力が大きく、低効率である。また、バネクランプ部５１ｃの動作抵抗によって、スライダ付与される予圧がスライダの接触面に垂直にならず、接触面への予圧に不均等な圧力分布が生じ、アクチュエータ５０が低効率となる。低効率を補償するためにアクチュエータ５０の入力電力を上げるとアクチュエータ５０が大型化する。さらに、アクチュエータ５０は、門型バネ５１の動作空間範囲が大きいので収納体積がさらに大きくなり、小型化が困難である。
特開平９−２３３８６５号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、スライダを略直線移動させることを可能とするアクチュエータにあって、小型化できると共に低消費電力で高効率な弾性表面波アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、弾性表面波を発生するステータを有するアクチュエータ本体と、前記ステータの表面に配置されたスライダと、を備え、前記ステータの表面に発生させた弾性表面波により前記スライダを前記ステータに対して移動させる弾性表面波アクチュエータにおいて、前記弾性表面波アクチュエータは、前記スライダに予圧を付与して該スライダを前記ステータに密着させる予圧部を備え、前記予圧部は、一端が前記アクチュエータ本体に回動自在に軸支され、他端に前記スライダに接触して押圧する押圧部を備えた片持ち梁構造であり、前記スライダは、前記ステータに対し略直線移動自在に保持され、前記押圧部は、前記スライダと滑り合う構造とされているものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の弾性表面波アクチュエータにおいて、前記押圧部と前記スライダとは、互いに球面接触するように形成されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の弾性表面波アクチュエータにおいて、前記予圧部は、無負荷時に曲がった形状であり、前記スライダへの予圧付与時に略平板形状の板バネであるものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の弾性表面波アクチュエータにおいて、前記予圧部は、該予圧部を軸支する回動軸に設けられた軸バネによって該軸方向に付勢され、該付勢力によって前記スライダに予圧を付与するものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の弾性表面波アクチュエータにおいて、前記スライダは、前記予圧部と前記ステータとの間に予圧を発生する押圧バネを備えるものである。

請求項１に記載の発明によれば、スライダを略直線移動自在に保持したので、スライダを略直線移動させることができる。また、スライダに予圧を付与する予圧部は、動作空間範囲が小さい。また、予圧部を回動自在としたので、スライダの動作抵抗が一定かつ小さい。従って、弾性表面波アクチュエータを小型化できると共に低消費電力で高効率にできる。

請求項２に記載の発明によれば、予圧部とスライダが互いに球面接触するので、予圧部からスライダの接触面への押圧力の伝達が均等になり、弾性表面波アクチュエータを高効率にできる。

請求項３に記載の発明によれば、予圧部をスライダへの予圧付与時に略平板形状になる板バネとしたので、スライダ付与される予圧がスライダの接触面に垂直になり、弾性表面波アクチュエータを高効率にできる。

請求項４に記載の発明によれば、スライダ付与される予圧がスライダの接触面に垂直になるので、弾性表面波アクチュエータを高効率にできる。

請求項５に記載の発明によれば、スライダ付与される予圧がスライダの接触面に垂直になるので、弾性表面波アクチュエータをさらに高効率にできる。

以下、本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波アクチュエータ（以下、アクチュエータという）について図１及び図２を参照して説明する。アクチュエータ１０は、弾性表面波を発生するステータ１５が、ハウジングとしてのアクチュエータ本体１６の表面に固定されている。ステータ１５は、圧電材料などから成る基板であり、例えば、ＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム）のような圧電体そのものから成る基板である。また、ステータ１５は、非圧電体の表面に圧電体薄膜、例えば、ＰＺＴ薄膜（鉛、ジルコニウム、チタン合金薄膜）などを形成したものでもよく、その圧電体薄膜の表面部分において、弾性表面波が生成される。ステータ１５は、弾性表面波を生成するため電極１５Ｔを表面に有する。電極１５Ｔは、離間して対向する一対の交差指電極（Interdigital transducer: IDT）であり、外部電源（図示せず）に電気的に接続される。アクチュエータ１０には、ステータ１５の表面にスライダ１４が配置される。

アクチュエータ１０は、スライダ１４に予圧を付与してスライダ１４をステータ１５に密着させる予圧部１１を備える。予圧部１１は、片持ち梁構造であり、例えば、板バネである。アクチュエータ本体１６には、回動軸１８が立設されおり、予圧部１１は、一端が回動軸１８を介してアクチュエータ本体１６に回動自在に軸支される。この回動の回り対偶は、予圧部１１と回動軸１８との間であっても、回動軸１８とアクチュエータ本体１６との間であってもよい。予圧部１１は、他端にスライダ１４に接触して押圧する押圧部１１ａを備える。押圧部１１ａは、スライダ１４と滑り合う構造としている。

スライダ１４は、予圧部１１に接触して予圧が付与されるブロック１４２と、ステータ１５に接触するスライダ本体１４４と、ブロック１４２とスライダ本体１４４との間に力を均等に伝える予圧均等材１４３とを有する。アクチュエータ本体１６には、その表面に対して平行な軸（Ｘ軸方向）を有するシャフト１７が設けられており、シャフト１７には、直線移動自在にステージ１９が設けられている。スライダ１４は、ステージ１９に設けられた貫通穴に貫装され、ステータ１５の表面に対して垂直（Ｚ軸方向）に保持される。スライダ１４とステージ１９との組み合わせにおいて、スライダ１４は、ステータ１５に対する垂直方向（Ｚ軸方向）には変位自在であるが、その垂直軸（Ｚ軸）を回転軸とする回転はしない形状、例えば、四角柱などの多角柱となっている。スライダ１４は、シャフト１７の軸方向（Ｘ軸方向）に移動する際、予圧部１１の回転軌跡分シャフトに直交する方向（Ｙ軸方向）にも移動する。この移動を考慮して、貫通穴の形状が定められる。従って、スライダ１４は、ステータ１５に対しシャフト１７の軸方向（Ｘ軸方向）に略直線移動自在に保持される。

上記構成において、電極１５Ｔに外部電源から高周波（例えば、ＭＨｚ帯）電圧を印加することにより、電気的エネルギーが波の機械的エネルギーに変換されて、ステータ１５の表面にレイリー波と呼ばれる弾性表面波が生成される。スライダ１４に付与された予圧によって、スライダ本体１４４とステータ１５との接触面に摩擦力が発生し、この摩擦力によって弾性表面波の駆動力がスライダ本体１４４に伝達され、スライダ本体１４４が駆動される。スライダ本体１４４に接合されている予圧均等材１４３とブロック１４２は、スライダ本体１４４と共に移動する。スライダ本体１４４は、ステータ１５に密着して動作するので、ステータ１５のうねりや変形を受けるが、このうねりや変形を予圧均等材１４３の変形により吸収する。予圧部１１の押圧部１１ａは、スライダ１４のブロック１４２と滑り合う構造であり、ブロック１４２は、予圧部１１と自在結合される。ブロック１４２が移動すると、予圧部１１は、回動軸１８を中心にＺ軸回転方向に移動する。この移動中も、予圧部１１は、ブロック１４２に予圧を付与している。スライダ１４の移動に従い、ステージ１９は、シャフト１７の軸方向（Ｘ軸方向）に移動する。このようにして、アクチュエータ１０は、ステータ１５の表面に発生させた弾性表面波によりスライダ１４をステータ１５に対して略直線移動させる。

予圧部１１は、上記のように回動軸１８を中心に移動する片持ち梁構造であるので、動作空間範囲が小さい。また、予圧部１１を回動自在としたので、スライダ１４の動作抵抗が一定かつ小さい。従って、アクチュエータ１０を小型化できると共に低消費電力で高効率にできる。

予圧部１１において、スライダ１４を押圧する押圧部１１ａと、スライダ１４とは、互いに球面接触するように形成されていることが好ましい。押圧部１１ａに接触するスライダ１４のブロック１４２に球面１４２ａを設け、それを押圧部１１ａに形成した凹球面形状と合わせることで、スライダ１４と押圧部１１ａが互いに球面接触し、スライダ１４と予圧部１１が自在結合される。

予圧部１１とスライダ１４がこのように球面接触するので、予圧部１１からスライダ１４の接触面への押圧力の伝達が均等になり、弾性表面波アクチュエータ１０をさらに高効率にできる。

次に、本実施形態の変形例に係る弾性表面波アクチュエータについて図３及び図４を参照して説明する。本変形例のアクチュエータ２０は、予圧部である板バネ２１に特徴がある。図４に示すように、板バネ２１は、アクチュエータ２０から取り外した無負荷状態では曲がった形状であり、回動軸１８の軸方向に取り外した場合、スライダ１４の方向に曲がっている。図３に示すように、板バネ２１がアクチュエータ２０に取り付けられた予圧付与時に、板バネ２１は、略平板形状となる。

アクチュエータ２０は、予圧部をスライダ１４への予圧付与時に略平板形状になる板バネ２１としたので、スライダ１４に付与される予圧がスライダ１４のステータ１５との接触面に垂直になり、接触面に大きな圧力分布が生じず、高効率にできる。また、板バネ２１が使用時に平板である分、アクチュエータ２０の厚み（Ｚ軸方向の厚み）を低減して小型化できる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る弾性表面波アクチュエータについて図５を参照して説明する。予圧部３１は、予圧部３１を軸支する回動軸３８に設けられた軸バネ３１Ｓによって該軸方向に付勢される。例えば、回動軸３８は、軸方向に変位自在にアクチュエータ本体１６に支持され、回動軸３８に設けられた軸バネ３１Ｓによってアクチュエータ本体１６に対して付勢される。予圧部３１は、軸バネ３１Ｓによって回動軸３８の軸方向に付勢され、軸バネ３１Ｓによる付勢力によってスライダ１４に予圧を付与する。その他の構成は、第１の実施形態のアクチュエータ１０と同様である。

予圧部３１の片持ち梁構造は、スライダ１４に対して垂直な状態を保って、スライダ１４に予圧を付与するので、スライダ１４に付与される予圧がスライダ１４の接触面に垂直になり、接触面に大きな圧力分布が生じず、アクチュエータ３０を高効率にできる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波アクチュエータについて図６を参照して説明する。本実施形態のスライダ４４は、予圧部４１とステータ１５との間に予圧を発生する押圧バネ４１Ｓを備える。スライダ４４は、予圧部４１に接触するブロック４４２と、ステータ１５に接触するスライダ本体４４４と、ブロック４４２とスライダ本体４４４との間に力を均等に伝える予圧均等材４４３とを有する。予圧部４１は、片持ち梁構造の押え部材として、スライダ４４のブロック４４２を押える。予圧均等材４４３は、例えば、ブロック１４２及びスライダ本体４４４よりも小断面とし、外周に押圧バネ４１Ｓが設けられる。押圧バネ４１Ｓがブロック４４２とスライダ本体４４４との間に弾性力を発生し、予圧部４１とステータ１５との間に予圧を発生する。その他の構成は、第１の実施形態のアクチュエータ１０と同様である。

本実施形態のアクチュエータ４０は、スライダ４４に予圧を付与する押圧バネ４１Ｓを設けたので、スライダ４４に付与される予圧がスライダ４４の接触面に垂直になり、接触面に大きな圧力分布が生じず、高効率にできる。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、第２の実施形態において、軸バネをアクチュエータ本体１６の裏面側に設ける代わりに、回動軸３８の先端部と予圧部３１との間に設ける構成にしてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る弾性表面波アクチュエータの平面図。図１のＡ−Ａ線断面図。同アクチュエータの変形例の断面図。同変形例の板バネを外した状態の断面図。本発明の第２の実施形態に係る弾性表面波アクチュエータの断面図。本発明の第３の実施形態に係る弾性表面波アクチュエータの断面図。門型バネを備えた弾性表面波アクチュエータの平面図。図７のＢ−Ｂ線断面図。

符号の説明

１０、２０、３０、４０弾性表面波アクチュエータ
１１予圧部
１４スライダ
１５ステータ
１６アクチュエータ本体
２１板バネ
３１Ｓ軸バネ
４１Ｓ押圧バネ

Claims

弾性表面波を発生するステータを有するアクチュエータ本体と、
前記ステータの表面に配置されたスライダと、を備え、
前記ステータの表面に発生させた弾性表面波により前記スライダを前記ステータに対して移動させる弾性表面波アクチュエータにおいて、
前記弾性表面波アクチュエータは、前記スライダに予圧を付与して該スライダを前記ステータに密着させる予圧部を備え、
前記予圧部は、一端が前記アクチュエータ本体に回動自在に軸支され、他端に前記スライダに接触して押圧する押圧部を備えた片持ち梁構造であり、
前記スライダは、前記ステータに対し略直線移動自在に保持され、
前記押圧部は、前記スライダと滑り合う構造とされていることを特徴とする弾性表面波アクチュエータ。
前記押圧部と前記スライダとは、互いに球面接触するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波アクチュエータ。
前記予圧部は、無負荷時に曲がった形状であり、前記スライダへの予圧付与時に略平板形状の板バネであることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波アクチュエータ。
前記予圧部は、該予圧部を軸支する回動軸に設けられた軸バネによって該軸方向に付勢され、該付勢力によって前記スライダに予圧を付与することを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波アクチュエータ。
前記スライダは、前記予圧部と前記ステータとの間に予圧を発生する押圧バネを備えることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波アクチュエータ。