JP2012060816A - アクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動作特性が安定し、高速での駆動が可能なアクチュエータ装置を得る。
【解決手段】ベース板１０と、加圧板１５と、平板状の圧電素子２０Ａ，２０Ｂと、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの一端部の表面に貼着された摩擦板３０Ａ，３０Ｂと、圧電素子２０Ｂの他端部裏面側に取り付けた重り４０と、ベース板１０と加圧板１５との間に介在されたスペーサ３６と、を備えたアクチュエータ装置。摩擦板３０Ａ，３０Ｂの表面には微小突部が圧電素子２０Ａ，２０Ｂの伸縮方向と直交する方向に形成される。この微小突部によって摩擦板３０Ａと加圧板１５との摩擦接触及び摩擦板３０Ｂとベース板１０との摩擦接触が安定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、アクチュエータ装置、特に、圧電素子などの振動体を駆動源とするアクチュエータ装置に関する。

従来、圧電素子を駆動源とするアクチュエータ装置として、特許文献１には、電気的作用により伸縮し、該伸縮方向に平行な平面を有する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮方向に平行な平面上に載置され、かつ、前記圧電素子の伸縮方向の前端に固定された第１摩擦部材と、前記第１摩擦部材の上面に当接するように載置され、被駆動体を駆動する駆動部材と、前記第１摩擦部材に対して前記駆動部材を押圧する押圧機構部と、前記圧電素子の伸縮方向の後端を固定する固定部材と、を有する圧電素子を用いた駆動装置が記載されている。

しかし、前記駆動装置において、第１摩擦部材や駆動部材は平面によって対向圧接し、互いに摩擦力を作用させている。平面は微視的には完全な平坦面ではなく、微小な凹凸あるいはうねりを有している。このような平面どうしは、微視的には、平面上の一つあるいは複数の突起（凸部）によって接触することになる。平面の微小な凹凸を完全になくすることは極めて困難である。従って、完成された製品ごとに突起が接触する状態は異なっている。さらに、第１摩擦部材の面上で駆動部材が移動するため、移動状態によっても接触状態が変化する。

このように、摩擦部材とそれに接触する部材とが平面で接触していると、接触状態が安定せず、動作特性が不安定になり、動作特性が製品ごとにもばらつくことになる。

特開２００９−６５７７７号公報

そこで、本発明の目的は、動作特性が安定し、高速での駆動が可能なアクチュエータ装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の一形態であるアクチュエータ装置は、
所定の間隔で互いに対向して配置されたベース板及び加圧板と、
前記ベース板と前記加圧板との間に挟持され、電圧の印加に伴って面方向に伸縮する平板状の振動体と、
前記振動体の上面及び下面に固定されて前記加圧板及び前記ベース板とそれぞれ圧接する摩擦部材と、
を備えたアクチュエータ装置であって、
前記摩擦部材には微小突部が前記振動体の伸縮方向と略直交する方向に形成されており、該微小突部は前記ベース板及び前記加圧板にそれぞれ接触していること、
を特徴とする。

前記アクチュエータ装置において、振動体の平面方向への伸縮に基づいて振動体とベース板及び加圧板との間に摩擦部材が介在することによって、振動体又はベース板が伸縮方向に移動する。摩擦部材には微小突部が振動体の伸縮方向と略直交する方向に形成されているため、摩擦部材と加圧板及びベース板の接触領域が前記微小突部に特定され（いわば伸縮方向と略直交する方向に延在する線接触となり）、接触状態が安定化するとともに動作特性が安定する。しかも、完成された製品ごとに動作特性がばらつくこともなくなる。そして、動作特性が安定することによって高速での駆動が可能になる。

本発明によれば、動作特性が安定し、高速での駆動が可能になる。

基本的な形態であるアクチュエータ装置を示す斜視図である。 前記アクチュエータ装置の分解斜視図である。 前記アクチュエータ装置において振動子を示す斜視図である。図である。 前記アクチュエータ装置において振動子と重りを示す斜視図である。 前記アクチュエータ装置の第１の動作例を示す説明図である。 圧電素子に印加する駆動電圧を示すグラフである。 前記アクチュエータ装置の第２の動作例を示す説明図である。 実施例１である摩擦部材を示す斜視図である。 本発明における摩擦部材の微小突部を示すシミュレーション図である。 比較例における摩擦部材の微小突起を示すシミュレーション図である。 摩擦部材の突出状態を模式的に示す斜視図である。 実施例１での動作特性（駆動周波数特性）を示すグラフである。 実施例２の要部を示す斜視図である。 実施例３の要部を示す斜視図である。

以下、本発明に係るアクチュエータ装置の実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部材、部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（アクチュエータ装置の基本的構成、図１〜図７参照）
アクチュエータ装置は、図１、図２及び図３に示すように、ベース板１０と、加圧板１５と、平板状の圧電素子２０Ａ，２０Ｂと、該圧電素子２０Ａ，２０Ｂの間に挿入された補強板２５と、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの一端部の表面に接合固定（貼着）された摩擦板３０Ａ，３０Ｂと、圧電素子２０Ｂの他端部裏面側に取り付けた重り４０と、ベース板１０と加圧板１５との間に介在されたスペーサ３６と、で構成されている。

圧電素子２０Ａ，２０Ｂは、帯状をなす単板の表裏面に電極を形成したもので、真鍮製の薄板材からなる補強板２５の表裏面に接着されている。補強板２５は電極としても機能し、その端部は圧電素子２０Ａ，２０Ｂの他端部から突出している。

加圧板１５はベース板１０に対して圧電素子２０Ａ，２０Ｂを間に挟んでビスやカシメ、溶接などで固定されている。即ち、圧電素子２０Ａ，２０Ｂはベース板１０と加圧板１５との間に摩擦板３０Ａ，３０Ｂを介して所定の弾性力で挟持されている。加圧板１５は、例えば、図示しないねじ部材を穴１５ａからスペーサ３６の穴３６ａを通じてベース板１０に螺着することにより固定されている。スペーサ３６の厚さは、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの厚さ、補強板２５の厚さ、摩擦板３０Ａ，３０Ｂの厚さを加えた数値より若干薄くされている。

加圧板１５は、両側にスリット１６を形成して所定のばね定数を保持しており、そのばね性で圧電素子２０Ａ，２０Ｂを摩擦板３０Ａ，３０Ｂを介してベース板１０との間で弾性的に挟持している。即ち、加圧板１５は板ばねを構成している。圧電素子２０Ａ，２０Ｂに対する弾性的な圧接力はスペーサ３６の厚さによって調整される。

重り４０は、図４に示すように、角材で構成した構造体からなり、横木４１が圧電素子２０Ｂに接着されている。

圧電素子２０Ａ，２０Ｂは、その分極方向が補強板２５を挟んで互いに逆向きとされており、電圧印加方向と垂直方向に変位するｄ３１モードを利用してアクチュエータとして利用される。即ち、圧電素子２０Ａ，２０Ｂは分極方向に電界が作用すると、厚み方向に伸縮するとともに面方向にも伸縮する。厚み方向に伸びるときは面方向に縮み、厚み方向に縮むときは面方向に伸びる。

以上の構成からなるアクチュエータ装置の第１の動作例を概説すると、図５（Ａ）に示す通常状態から、低速充電すると圧電素子２０Ａ，２０Ｂは緩やかに収縮し、重り４０が摩擦板３０Ａ，３０Ｂに近づく（図５（Ｂ）参照）。次に、逆方向に急速充電すると圧電素子２０Ａ，２０Ｂは急速に伸長し、重り４０は自身の慣性で動くことはなく、摩擦板３０Ａ，３０Ｂがベース板１０と加圧板１５との間で滑りを生じる（図５（Ｃ）参照）。次に、低速充電すると圧電素子２０Ａ，２０Ｂは緩やかに収縮し、重り４０が摩擦板３０Ａ，３０Ｂに近づく（図５（Ｄ）参照）。以上の動作を繰り返すことにより、重り４０が図５中左方に移動することになる。なお、図５において、アクチュエータ装置は模式的に示されている。

圧電素子２０Ａ，２０Ｂを駆動するために印加する電圧は概略図６に示すとおりである。図６は圧電素子２０Ａ，２０Ｂの緩やかな収縮、急速な伸長のプロファイルを示してもいる。

即ち、前記アクチュエータ装置において、圧電素子２０Ａ，２０Ｂ、補強板２５、重り４０、摩擦板３０Ａ，３０Ｂが移動部であり、ベース板１０、加圧板１５、スペーサ３６が固定部である。

以上のごとく、前記アクチュエータ装置においては、圧電素子２０Ａ，２０Ｂのｄ３１モードでの動作によって、圧電素子２０Ａ，２０Ｂ及び重り４０が移動部となるコンパクトで薄型のアクチュエータ装置を得ることができる。特に、圧電素子２０Ａ，２０Ｂは摩擦板３０Ａ，３０Ｂを介してベース板１０及び加圧板１５と圧接しているため、摩擦板３０Ａ，３０Ｂによって圧電素子２０Ａ，２０Ｂが機械的に保護される。摩擦板３０Ａ，３０Ｂを薄くすることで、移動体を構成する質量が重り４０に集中することになり、重り４０の慣性効果を高め、駆動力を大きくしたり、駆動電圧を小さくすることができる。

また、加圧板１５及びベース板１０の主面の面積を摩擦板３０Ａ，３０Ｂの主面の面積よりも大きくすることにより、重り４０の移動量を大きくすることができる。さらに、加圧板１５は自身のばね性で摩擦板３０Ａ，３０Ｂを加圧しているため、別途弾性部材を必要とすることがなく、アクチュエータ装置がさらに小型化、低背化される。

また、圧電素子２０Ａ，２０Ｂは補強板２５に固着されているため、圧電素子２０Ａ，２０Ｂを薄くしても機械的強度を補強することができ、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの割れを未然に防止できる。２枚の圧電素子２０Ａ，２０Ｂを補強板２５の表裏面に固着し、それぞれの分極方向が補強板２５を挟んで互いに逆向きであるため、２枚の圧電素子２０Ａ，２０Ｂに並行して電圧を印加することにより、駆動電圧を低減できる。

さらに、ベース板１０及び／又は加圧板１５の表面であって摩擦板３０Ａ，３０Ｂが圧接する面には硬化処理及び／又は潤滑処理を施すことにより、滑らかな移動を実現でき、耐久性が向上する。さらに、摩擦板３０Ａ，３０Ｂが圧電素子２０Ａ，２０Ｂに接合固定されているので、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの振動が摩擦板３０Ａ，３０Ｂに直接的に伝達され、ベース板１０との間で高速な駆動が可能になる。

前記アクチュエータ装置では、重り４０を設けてこの重り４０を移動部として構成したが、重り４０を固定部とし、ベース板１０、スペーサ３６や加圧板１５を移動部として構成してもよい。この場合を第２の動作例として図７に示す。なお、図７において、アクチュエータ装置は模式的に示されている。

即ち、その移動形態は、図７（Ａ）に示す通常状態から、低速充電すると圧電素子２０Ａ，２０Ｂは緩やかに収縮し、ベース板１０及び加圧板１５が固定部（重り４０）に近づく（図７（Ｂ）参照）。次に、逆方向に急速充電すると圧電素子２０Ａ，２０Ｂは急速に伸長し、ベース板１０及び加圧板１５は自身の慣性で動くことはなく、摩擦板３０Ａ，３０Ｂがベース板１０と加圧板１５との間で滑りを生じる（図７（Ｃ）参照）。次に、低速充電すると圧電素子２０Ａ，２０Ｂは緩やかに収縮し、ベース板１０及び加圧板１５が固定部（重り４０）に近づく（図７（Ｄ）参照）。以上の動作を繰り返すことにより、ベース板１０及び加圧板１５が図７中右方に移動することになる。

なお、固定部（重り４０）は、例えば、電子機器の筺体（図示せず）そのものであってもよい。

（実施例１、図８〜図１２参照）
実施例１は、図８に示すように、摩擦板３０Ａ，３０Ｂの表面に帯状の金属薄片３１（例えば、厚さ１０μｍ程度、幅１ｍｍ程度のステンレス製薄片）を、圧電素子２０Ａ，２０Ｂの伸縮方向と直交する方向に貼着したものである。金属薄片３１が摩擦板３０Ａ，３０Ｂの表面に貼着されることによって、摩擦板３０Ａ，３０Ｂの表面形状を微視的に観察すると、図９に示す形状となる。この微視的形状は、レーザ平面形状測定器で実測したデータに基づいている。図１１に、この微視的形状を模式的に示している。

摩擦板３０Ａ，３０Ｂの表面は、金属薄片３１によって微小突部が圧電素子２０Ａ，２０Ｂの伸縮方向と直交する方向に線状に形成された状態であり、このように線状に並んだ頂上部分が加圧板１５及びベース板１０と接触する。つまり、摩擦板３０Ａと加圧板１５との接触、及び、摩擦板３０Ｂとベース板１０との接触が、線状に延在する微小突部に特定された線接触となり、摩擦板３０Ａ，３０Ｂが加圧板１５やベース板１０に対して相対的に移動した場合であっても、微小突部による線接触状態が安定して維持される。

本実施例１における駆動周波数に対する移動速度を、３０ｇの重りを負荷して実験した。その結果は図１２の曲線Ａに示すように、広い周波数帯域でかつ大きな移動速度を得ることができた。ちなみに、金属薄片３１を設けない場合（比較例）、摩擦板３０Ａ，３０Ｂの表面形状を微視的に観察すると、図１０に示す形状である。このような比較例では、微小な突部がランダムに突出しており、この比較例を用いて前記動作特性の実験をした結果を、図１２の曲線Ｂに示す。移動速度は実施例１よりも全体的に低く、周波数によってはほとんど移動しない場合がある。

また、比較例では微小突部がランダムに突出した状態が個々の摩擦板ごとにばらついており、製品ごとに動作特性がばらつくことになる。しかし、本第１実施例では、摩擦板３０Ａ，３０Ｂと加圧板１５及びベース板１０との接触状態が線接触で安定しているため、動作特性が製品ごとにばらつくことも少なくなる。

（実施例２、図１３参照）
実施例２は、図１３に示すように、前記金属薄片３１に代えて、ステンレスなどからなる金属ワイヤ３２（直径５００μｍ程度）を摩擦板３０Ａ，３０Ｂの表面に貼着もしくは挟着したものである。本実施例２の作用効果は前記実施例１と同様である。

（実施例３、図１４参照）
実施例３は、図１４に示すように、前記金属薄片３１に代えて、ステンレスなどからなる略半円筒状部材３３を摩擦板３０Ａ，３０Ｂの表面に貼着したものである。本実施例３の作用効果は前記実施例１と同様である。

（他の実施例）
なお、本発明に係るアクチュエータ装置は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できる。

特に、アクチュエータ装置としての基本的形態は図１に示したもの以外に種々の形態を採用することができる。例えば、３枚の圧電素子を２枚の補強板を介在させて積層したもので、それぞれの分極方向を補強板を挟んで互いに逆向きにしたものであってもよい。また、圧電素子は１枚であってもよく、この場合には２枚の補強板を圧電素子の表裏面に固着して、補強を行ってもよい。あるいは、他の動作モード（例えば、ｄ３３モード）で動作する圧電素子を使用することもできる。

特に、摩擦部材に微小突部を付与する部材は種々の材料、形状を採用することができる。さらに、圧電素子の駆動回路の構成、印加電圧の形態、重りの取付け形態などは任意である。

以上のように、本発明は、アクチュエータ装置に有用であり、特に、安定した動作を確保できる点で優れている。

１０…ベース板
１５…加圧板
２０Ａ，２０Ｂ…圧電素子
３０Ａ，３０Ｂ…摩擦板
３１…金属薄片
３２…金属ワイヤ
３３…略半円筒状部材
４０…重り（構造体）

Claims (2)

1. 所定の間隔で互いに対向して配置されたベース板及び加圧板と、
   前記ベース板と前記加圧板との間に挟持され、電圧の印加に伴って面方向に伸縮する平板状の振動体と、
   前記振動体の上面及び下面に固定されて前記加圧板及び前記ベース板とそれぞれ圧接する摩擦部材と、
   を備えたアクチュエータ装置であって、
   前記摩擦部材には微小突部が前記振動体の伸縮方向と略直交する方向に形成されており、該微小突部は前記ベース板及び前記加圧板にそれぞれ接触していること、
   を特徴とするアクチュエータ装置。
2. 前記振動体は圧電素子であること、を特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ装置。