JP2012147510A

JP2012147510A - 慣性駆動アクチュエータ

Info

Publication number: JP2012147510A
Application number: JP2011001478A
Authority: JP
Inventors: Masaya Takahashi; 雅矢高橋
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2011-01-06
Filing date: 2011-01-06
Publication date: 2012-08-02

Abstract

【課題】簡単かつ低コストな構成でありながら、摩耗等の影響が少なく、長期に亘って安定して移動体を移動駆動することができる慣性駆動アクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明に係る慣性駆動アクチュエータは、第１の方向または第２の方向への変位を発生する第１の変位手段（１）と、前記第１の変位手段（１）の変位によって往復運動される振動基板（４）と、前記振動基板（４）の平面上に配置され、該振動基板（４）の平面に直交する第３の方向に変位を発生する第２の変位手段（２）を有する移動体（２０）と、を備え、前記第２の変位手段（２）を介して前記移動体（２０）を第３の方向に変位させて前記振動基板（４）と前記移動体（２０）との間の摩擦力を制御する摩擦力制御手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体を慣性駆動により移動させる慣性駆動アクチュエータに関する。

従来において、例えば、駆動軸に結合された電気機械変換素子に鋸歯状波駆動パルスを供給して駆動軸を軸方向に変位させ、この駆動軸に摩擦結合させた移動部材を軸方向に移動させるアクチュエータが知られている（以下、このようなアクチュエータをインパクト駆動アクチュエータ或いは慣性駆動アクチュエータと称する）。

このようなインパクト駆動アクチュエータの一例として、特許文献１に記載されているようなものがある。

図７（Ａ）に、その構成を示す。
振動部材１０３は支持部材１０１の立ち上がり部にあけられた穴に挿入され、振動部材１０３の軸方向に移動可能に配置されている。振動部材１０３の一端は圧電素子１０２の一端と固定され、圧電素子１０２の他端は支持部材１０１に固定されているため、圧電素子１０２の振動に伴い振動部材１０３が軸方向に振動する。移動体１０４にも２つの穴が設けられており、振動部材１０３がその穴に挿入されている。更に移動体１０４には下方からは板ばね１０５が取り付けられており、板ばね１０５に設けられている突起部が振動部材１０３に押し付けられている。このように板ばね１０５による押圧によって、移動体１０４と振動部材１０３は互いに摩擦結合されている。

図７（Ｂ）、（Ｃ）に、このインパクト駆動アクチュエータの駆動波形を示す。図７（Ｂ）は移動体１０４を右に移動させるための波形で、図７（Ｃ）の波形はその逆の左に移動させるための波形である。

図７（Ｂ）の波形を用いて動作原理を説明する。
波形は急峻に立ち上がる部分と緩やかに立ち下がる部分を有しており、急峻な立ち上がり部分では圧電素子１０２が急激に伸び、圧電素子１０２に固定された振動部材１０３が急速に移動する。しかし、移動体１０４はその慣性により振動部材１０３との間の摩擦結合力に打ちかってその位置にとどまり移動しない。

次に、圧電素子１０２が緩やかに縮むときには圧電素子１０２に固定された振動部材１０３もゆっくりと移動する。この場合、板ばね１０５で押圧されている移動体１０４と振動部材１０３との間の摩擦力により移動体１０４は振動部材１０３の移動と共に右へと移動する。

移動体１０４を左に動かす場合には、圧電素子１０２をゆっくり伸ばすことによって振動部材１０３と移動体１０４の摩擦力により移動させ、圧電素子１０２を急激に縮めることにより移動した先に移動体１０４をとどめることによって左への移動ができる。

上記のようにインパクト駆動アクチュエータは、板ばね１０５による移動体１０４と振動部材１０３との摩擦結合と、図７（Ｂ）、（Ｃ）による印加波形で移動体１０４を移動させることができるアクチュエータである。また、板ばね１０５が常に振動部材１０３を押し付けることにより移動体１０４が停止している際にもその位置を保持するよう摩擦支持している。

特開２００７−２８８８２８号公報

上記特許文献１に記載されているインパクト駆動アクチュエータは、板ばねにより振動部材と移動体に摩擦力を与えている。

しかしながら、板ばねは常に振動部材と接触しているため摩耗などの影響で所望の摩擦力が得られなくなり安定した動作ができなくなるおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、簡単かつ低コストな構成でありながら、摩耗等の影響が少なく、長期に亘って安定して移動体を移動駆動することができる慣性駆動アクチュエータを提供することを目的とする。

このため、本発明に係る慣性駆動アクチュエータは、
第１の方向または第２の方向への変位を発生する第１の変位手段と、
前記第１の変位手段の変位によって往復運動される振動基板と、
前記振動基板の平面上に配置され、該振動基板の平面に直交する第３の方向に変位を発生する第２の変位手段を有する移動体と、を備え、
前記第２の変位手段を介して前記移動体を第３の方向に変位させて前記振動基板と前記移動体との間の摩擦力を制御する摩擦力制御手段と、を有し、
前記第２の変位手段の周波数は、前記第１の変位手段の周波数よりも高い周波数で変位を発生することを特徴とする。

本発明において、前記摩擦力制御手段は、第１の方向と第２の方向の何れか一方において、第２の変位手段による第３の方向への変位を発生させ、
前記第２の変位手段の周波数は、前記第１の変位手段の周波数より２倍の周波数で変位を発生することを特徴とすることができる。

本発明において、前記第１の変位手段と前記第２の変位手段が圧電素子であることを特徴とすることができる。

本発明において、前記振動基板の平面に対向する位置に磁気発生手段が配置され、前記移動体が磁気発生手段を有することを特徴とすることができる。

本発明において、前記振動基板の平面に対向する位置に配置した磁気発生手段と、前記移動体が有する磁気発生手段のどちらかひとつが磁性体であることを特徴とすることができる。

本発明において、前記振動基板が磁気発生手段を有し、前記移動体が磁気発生手段を有することを特徴とすることができる。

本発明において、前記振動基板が有する磁気発生手段と、前記移動体が有する磁気発生手段のどちらかひとつが磁性体であることを特徴とすることができる。

本発明において、共通の振動基板の平面上に複数の移動体が配設され、共通の振動基板に対する複数の移動体の全部或いは一部の相対位置が相互独立に変化可能に構成されたことを特徴とすることができる。

本発明は、簡単かつ低コストな構成でありながら、摩耗等の影響が少なく、長期に亘って安定して移動体を移動駆動することができる慣性駆動アクチュエータを提供することができる。

本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施例１の構成を示す断面図である。同上実施例の慣性駆動アクチュエータにおける駆動波形（圧電素子への電圧印加波形）による駆動原理を説明するための図である。本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施例２の構成を示す断面図である。本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施例３の構成を示す断面図である。本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施例４の構成を示す断面図である。同上実施例の慣性駆動アクチュエータにおける駆動波形（圧電素子への電圧印加波形）による駆動原理を説明するための図である。従来のインパクト駆動アクチュエータの一構成例とその駆動を説明するための図である。

以下に、本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

ここにおいて、本発明に係る慣性駆動アクチュエータは、以下で説明するように、位置が微小に移動する振動部材に摩擦係合した移動体の構成において、移動体が振動基板の移動と伴って動く必要があるときは移動体と振動基板の摩擦力を増大させ、移動体が振動基板の移動に伴う必要がないときは移動体と振動基板の摩擦力を低下させるように、移動体に振動基板の変位する周波数よりも高周波で変位する機構を設けて摩擦力を制御する手段を備えた構成を採用することとして、従来のような摩耗などによる影響で所望の摩擦力が得られなくなることを回避することを特徴としている。

図１は、本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施例１の構成を示す断面図である。
図１（ａ）は、実施例１の慣性駆動アクチュエータの断面を示す構成図である。
図１（ａ）に示したように、固定部材７に、圧電素子１、振動基板４を設置し、ばね６で押圧することにより固定部材７に圧電素子１と振動基板４を固定している。

この構成により、圧電素子１が図１（ａ）において水平方向に微小変位（第１の変位手段）したときに、振動基板４も圧電素子１の変位に伴って図１（ａ）において水平方向に微小変位する。

また、本実施例においては、移動体２０は、振動基板４の平面（図１の主面）に載置され、図１（ａ）の垂直方向に微小変位する圧電素子２と接触部材５を有している。

圧電素子２が伸縮を繰り返すことにより生じる振動が、接触部材５内部を伝わり接触部材５の振動基板４と接触する表面が振動する。

この接触部材５の振動基板４との当接表面の振動により、移動体２０の振動基板４と接触している面では、図１（ａ）において上方向の力が働き、また、振動している表面の形状が変化して移動体２０と振動基板４の接触面積が減少することから、移動体２０と振動基板４の摩擦力が減少する。

このようにして、移動体２０と振動基板４との間の摩擦力を減少させることによって摩擦力の制御を行い、慣性駆動を実行する。

なお、圧電素子２の伸縮の周波数を圧電素子１の伸縮の周波数より高く設定することにより、振動基板４の図１（ａ）において左方向の変位運動に対して移動体２０と振動基板４の間に働く摩擦力を制御することが可能となる。

摩擦力の制御により移動体２０が移動する原理については、図２で示す駆動波形を用いて後述する。

本実施例では、移動体２０と振動基板４の摩擦力を制御するための構成に関し、従来のようにバネなどのような摩耗によって力が低下する部材を用いていないため、例えば経時的な摩擦力の低下を抑えることができるため、長期に亘って必要な摩擦力を維持することができ安定した駆動を可能にすることができる。
なお、圧電素子２と接触部材５、圧電素子２と慣性部材５１は、それぞれ機械的に結合されていること、例えば接着されていることが望ましい。

図１（ｂ）は実施例１の移動体２０に接触部材５と比べて同等、あるいは質量が大きい慣性部材５１を配置した場合の構成図である。
移動体２０に慣性部材５１を配置したことにより、圧電素子２が収縮するときに、移動体２０の振動基板４と接触している部位では、図１（ｂ）において上方向の力が働き、移動体２０と振動基板４の摩擦力が減少するため、図１（ａ）と同様の作用効果を得ることができる。

ここで、図２に従って、駆動波形による駆動原理を説明する。
図２は、図１（ａ）に示した実施例１の構成で移動体２０を駆動するときに圧電素子１および圧電素子２に印加する電圧波形の実施例を示す。

図２（ａ）は、図１（ａ）の移動体２０が図１（ａ）の左方向に移動するときの駆動波形を示し、図２（ｂ）は図１（ａ）の移動体２０が図１（ａ）の右方向に移動するときの駆動波形を示す。

図２（ａ）と図２（ｂ）は同等の原理を示すため、ここでは図２（ａ）の説明のみをする。

図２（ａ）のＡ点のとき、圧電素子１に電圧を印加し始める。
Ａ点からＢ点の間に圧電素子１に印加する電圧を増加していく。すなわち、圧電素子１の長さが微小に長くなるため振動基板４は図１（ａ）の左方向（第１の方向）に微小に変位する。
そのとき、移動体２０は振動基板４との摩擦力が滑らない程度に大きいため、移動体２０は振動基板４とともに図１（ａ）の左方向に微小に変位する。

図２（ａ）のＢ点のとき、圧電素子１への印加電圧を減少しはじめ、圧電素子２へ圧電素子１より高い周波数の三角波を印加しはじめる。

Ｂ点からＣ点の間で圧電素子１に印加する電圧をゼロまで下げていき、圧電素子２は三角波を印加し続ける。それによって、圧電素子１の長さがＡ点からＢ点の間で微小に長くなった分が収縮して元の長さに戻るため、これに伴って振動基板４は図１（ａ）の右方向（第２の方向）に微小に変位し、Ａ点のときの位置に戻る。

この一方で、振動基板４が図１（ａ）の右方向に微小変位している間、圧電素子２は伸縮振動し、その振動が接触部材５に伝達して接触部材５の振動基板４に対向した表面が振動することにより、移動体２０は図１（ａ）の上方向の力（第３の方向への変位）を連続的に受けるとともに、接触部材５表面形状の変化から振動基板４との接触面積が小さくなることから、移動体２０と振動基板４の間に働く摩擦力が低下した状態となっている。

したがって、Ｂ点からＣ点の間で振動基板４が、図１（ａ）の右方向に微小変位している間は、移動体２０は振動基板４との間の摩擦力が低下しているため、移動体２０は振動基板４に対して滑る運動をすることによって、移動体２０はその位置にとどまる。

よって、移動体２０の動きで考えた場合、Ａ点からＢ点の間は振動基板４の動きと伴って図１（ａ）の左方向に微小に移動し、Ｂ点からＣ点の間は、振動基板４が右に微小変位するのに伴わず振動基板４上を滑りながら、その位置にとどまるため、結果として移動体２０は振動基板４に対して図１（ａ）の左方向に微小相対変位する。

このＡ点からＣ点の波形パターンを繰り返すことによって、移動体２０は図１（ａ）左方向に移動していくこととなる。

図２（ｂ）については、図２（ａ）のときの逆のことを行うことによって移動体２０が図１（ａ）の右方向に移動することとなる。

本実施例では、比較的簡単な回路で生成できる三角波を用いているため、回路の簡便化が可能となる。また、駆動波形については三角波ではなくても、正弦波でも同様の動きは可能である。

なお、本実施例では、移動体２０が振動基板４に対して、滑る、滑らない状態のときを例示して説明したが、これに限定されるものではなく、Ａ点からＢ点の間と、Ｂ点からＣ点の間で、移動体２０の振動基板４に対する滑る量を異ならせるだけで、移動体２０を振動基板４に対して相対移動させることが可能である。

ところで、図１（ｂ）で示したように、移動体２０に慣性部材５１を配置した場合、圧電素子２が収縮するときに、移動体２０の振動基板４と接触している部位における上方向の力（移動体２０が振動基板４から離れる方向への力）を、図１（ａ）のような慣性部材５１が省略されている場合に比べて大きくできるため、移動体２０と振動基板４の摩擦力をより減少させることができ、例えば移動速度を増加させることなどが可能となる。

なお、例えば、圧電素子２による変位（第３の方向への変位）の発生周波数は、圧電素子１による変位（第１又は第２の方向への変位）の発生周波数の２倍以上とすることができる。

次に、実施例２について説明する。なお、圧電素子１と圧電素子２による移動体２０の移動のメカニズムについては実施例１（図１）と同様のため、ここでの説明は省略する。
図３は、本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施例２の構成を示す断面図である。

図３に示したように、移動体２０は圧電素子２と磁力発生手段として永久磁石５２を有している。また、振動基板４を介して移動体２０と対向する位置に磁力発生手段として永久磁石４１を配置している。
すなわち、永久磁石５２と永久磁石４１の間に磁気吸引力が働くように配置している。

よって、常に移動体２０は振動基板４に対向する方向（振動基板４に接近する方向）に力が働き、移動体２０の位置ズレが防止される。

また、実施例１に対して、前記磁気吸引力が付加されていることから、振動基板４に対向する方向に移動体２０に働く力が大きくなるため、移動体２０と振動基板４の間に働く摩擦力が大きくなり、圧電素子１の伸縮による振動基板４の変位運動の速さをあげても慣性駆動が可能となる。

よって、実施例２においては、実施例１に比べて、移動体２０の移動速度をさらに大きくすることが可能となる。また、永久磁石５２を磁性体に変えても同様の効果を得ることが出来る。

さらに、永久磁石５２を磁性体にすることで、永久磁石５２、永久磁石４１の極性の向きを磁気吸引力が働くように揃える必要がなくなり、また、磁性体は永久磁石に比べて加工性が良いことから、部品の加工、組み立ての簡便化が可能となる。
なお、永久磁石４１を磁性体としても同様の効果を得ることが出来る。

次に、実施例３について説明する。なお、圧電素子１と圧電素子２による移動体２０の移動のメカニズムについては実施例１（図１）と同様のため、ここでの説明は省略する。
図４は、本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施例３の構成を示す断面図である。

図４に示すように、移動体２０が磁気発生手段として永久磁石５２を有し、振動基板４２自体が磁気発生手段として永久磁石により構成されている。

振動基板４２の永久磁石と永久磁石５２は、移動体２０と振動基板４２の間で磁気吸引力が働くように配置されている。

よって、実施例２と同様に、常に移動体２０は、振動基板４２に対向する方向（振動基板４に接近する方向）に力が働き、移動体２０の位置ズレが防止されるなど同様の効果を得ることが出来る。

さらに、実施例３は振動基板４２自身が永久磁石であるため、部品点数を少なくすることができ、サイズを小さくすることができる。

また、振動基板４２を永久磁石ではなく磁性体に変えても同様の効果を得ることが出来る。さらに、振動基板４２を磁性体にすることで、永久磁石５２、振動基板４２の永久磁石の極性の向きを磁気吸引力が働くように揃える必要がなくなり、また、磁性体は永久磁石に比べて加工性が良いことから、部品の加工、組み立ての簡便化が可能となる。
なお、永久磁石５２を磁性体としても同様の効果を得ることが出来る。

次に、実施例４について説明する。なお、移動体が２つであること以外は図３に示した実施例２と同じであるため重複する説明は省略する。
図５は、本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施例４の構成を示す断面図である。

図５に示すように、実施例５は移動体が複数備えられた場合の実施例であり、図５中左側に位置する移動体２１は圧電素子２を有し、図５中右側に位置する移動体２２は圧電素子３を有している。

図５の構成において、駆動する際に圧電素子１、圧電素子２、圧電素子３に印加する電圧波形を示したのが図６である。

図６の電圧波形は、移動体２１と移動体２２がお互い近づくように移動する動きを行う波形である。
言い換えると、移動体２１は図５中右側へ、移動体２２は図５中左側へと移動する。

図６のＡ点からＣ点までの圧電素子１と圧電素子２の電圧パターンの関係をみた場合、図２（ｂ）で示した移動体２０が図中右側に移動する場合の波形になっている。
同様に、圧電素子１と圧電素子３の電圧パターンの関係をみた場合、図２（ａ）で示した移動体２０が図中左側に移動する場合の波形となっている。

これを同時に行うことで、移動体２１と移動体２２が、お互いに近づく動きをすることが可能となる。また、圧電素子２と圧電素子３の電圧パターンを交換すると、移動体２１と移動体２２が互いに対して離れていく動きをする。

なお、圧電素子２、圧電素子３のどちらかに対して、圧電素子１に対して高い周波数の電圧を印加するタイミングを無くすことによって、一方は停止し、他方のみが移動するといった動きも可能であり、ひとつの板状の上で、移動体２１、移動体２２を相互に独立して駆動をすることが出来る。

本実施例では２つの移動体での駆動を説明したが、移動体を３つ以上に増やしても、それぞれ独立した駆動をすることが可能である。

本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得るものである。

以上のように、本発明に係る慣性駆動アクチュエータは、簡単かつ低コストな構成でありながら、摩耗等の影響が少なく、長期に亘って安定して移動体を駆動することができ、駆動アクチュエータの技術分野において有益である。

１圧電素子（本発明に係る第１の変位手段の一部に相当）
２圧電素子（本発明に係る第２の変位手段に相当）
３圧電素子（本発明に係る第２の変位手段に相当）
４振動基板
５接触部材
６ばね（本発明に係る第１の変位手段の一部に相当）
７固定部材
２０移動体
２１第１の移動体
２２第２の移動体
４１永久磁石
４２振動基板
５１慣性部材
５２永久磁石

Claims

第１の方向または第２の方向への変位を発生する第１の変位手段と、
前記第１の変位手段の変位によって往復運動される振動基板と、
前記振動基板の平面上に配置され、該振動基板の平面に直交する第３の方向に変位を発生する第２の変位手段を有する移動体と、を備え、
前記第２の変位手段を介して前記移動体を第３の方向に変位させて前記振動基板と前記移動体との間の摩擦力を制御する摩擦力制御手段と、を有し、
前記第２の変位手段の周波数は、前記第１の変位手段の周波数よりも高い周波数で変位を発生することを特徴とする慣性駆動アクチュエータ。
前記摩擦力制御手段は、第１の方向と第２の方向の何れか一方において、第２の変位手段による第３の方向への変位を発生させ、
前記第２の変位手段の周波数は、前記第１の変位手段の周波数より２倍の周波数で変位を発生することを特徴とする請求項１に記載の慣性駆動アクチュエータ。
前記第１の変位手段と前記第２の変位手段が圧電素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の慣性駆動アクチュエータ。
前記振動基板の平面に対向する位置に磁気発生手段が配置され、前記移動体が磁気発生手段を有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
前記振動基板の平面に対向する位置に配置した磁気発生手段と、前記移動体が有する磁気発生手段のどちらかひとつが磁性体であることを特徴とする請求項４に記載の慣性駆動アクチュエータ。
前記振動基板が磁気発生手段を有し、前記移動体が磁気発生手段を有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
前記振動基板が有する磁気発生手段と、前記移動体が有する磁気発生手段のどちらかひとつが磁性体であることを特徴とする請求項６に記載の慣性駆動アクチュエータ。
共通の振動基板の平面上に複数の移動体が配設され、共通の振動基板に対する複数の移動体の全部或いは一部の相対位置が相互独立に変化可能に構成されたことを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。