JP3753131B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位素子を用いて駆動部を駆動させ、被駆動部に駆動力を摩擦伝達するアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２つの圧電素子などの電気機械変換素子（変位素子）を直交するように構成し、互いに直交する変位素子の交点に設けられた変位合成部を所定の軌跡を描くように駆動することにより、ロータなどの被駆動部を所定の方向に駆動するアクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１９は、従来のアクチュエータを説明するための図である。図１９に示すように、従来のアクチュエータ７００は、２つの電気機械変換素子（積層型の第１圧電素子１０１及び第２圧電素子１０２）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１０３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１０１，１０２の他端部をベース部材１０４に接着剤により接合している。また、第１及び第２圧電素子１０１，１０２、チップ部材１０３及びベース部材１０４などで構成された駆動部１１０は、チップ部材１０３がロータ１２０に接触するように、２つの加圧部１３０により付勢されている。加圧部１３０は、２つの腕を有するねじりコイルばねであり、駆動部１１０は、２つの加圧部１３０のそれぞれの腕により位置が固定されている。
【０００４】
従来のアクチュエータ７００では、第１及び第２圧電素子１０１，１０２にそれぞれ所定の位相差を有する駆動信号を印加することにより、各圧電素子は異なった位相で駆動され、第１及び第２圧電素子１０１，１０２の交点に設けられたチップ部材１０３が所定の楕円軌道を描くように駆動される。また、ベース部材１０４は、剛体ではなく、弾性体であるため、第１圧電素子１０１又は第２圧電素子１０２の振動が、ベース部材１０４を介して第２圧電素子１０２又は第１圧電素子１０１に伝達される。チップ部材１０３が楕円軌道を描くように駆動されている間、一定の区間でチップ部材１０３がロータ１２０に接触し、チップ部材１０３とロータ１２０との間に作用する摩擦力により、ロータ１２０が所定の方向に回転駆動される。そして、ロータ１２０の回転軸１２１を直接出力軸とすることにより、またはロータ１２０の回転軸１２１に垂直な端面にピンを設け、このピンによりリンクレバーなどを係合させることにより、他の装置に駆動力を供給することができる。
【０００５】
また、図２０は、従来のアクチュエータの他の例を説明するための図である。図２０に示すように、従来のアクチュエータ８００は、図１９に示すアクチュエータ７００と同じ構成の駆動部１１０を備えている。また、ベース部材１０４は、チップ部材１０３がロータ１２０に接触するように、加圧部２３０により付勢されている。加圧部２３０は、圧縮コイルばねであり、ベース部材１０４の一端を付勢しており、ベース部材１０４の他端は固定部材２４０で固定されている。したがって、駆動部１１０は、ベース部材１０４の一点を支点とするピボット動作を行い、チップ部材１０３が所定の楕円軌道を描くように駆動される。
【０００６】
なお、アクチュエータ８００の動作は、上記の図１９に示すアクチュエータ７００の動作と同じであるので説明を省略する。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−５４２８９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図１９に示す従来のアクチュエータ７００では、ロータ１２０に過大な外力が働いた場合、摩擦接触している駆動部１１０が大きく揺動してしまい、第１及び第２圧電素子１０１，１０２に通じる配線の断線が生じる可能性があり、さらに、アクチュエータの駆動精度にも影響を及ぼす可能性がある。
【０００９】
また、図２０に示す従来のアクチュエータ８００では、ベース部材１０４も弾性体として振動するため、駆動部１１０全体の振動状態に影響を及ぼす可能性がある。さらに、駆動部１１０及び加圧部２３０の構成が、駆動部１１０の中心軸に対して対称でないため、ロータ１２０の駆動方向によってチップ部材１０３の描く楕円軌道が異なり、結果として回転速度などの特性値に差が生じる可能性がある。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、アクチュエータの駆動部の無用な揺動を防止することができるアクチュエータを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアクチュエータは、所定の変位を発生させる複数の変位部と、前記複数の変位部の一端に各々結合され、前記複数の変位部の変位を合成するための合成部と、前記複数の変位部の他端を固定するための固定部とからなる駆動部と、前記合成部により駆動力が伝達されて駆動する被駆動部と、前記駆動部と前記被駆動部とを加圧接触させる加圧部と、前記固定部の変形量が最小となる位置又はその近傍に配置され、前記駆動部が前記被駆動部の駆動方向へ移動することを規制する規制部と、前記駆動部を保持するホルダとを備え、前記被駆動部の外側に前記駆動部の前記合成部を当接させ、前記ホルダに形成された凸形状の前記規制部が前記固定部に形成された凹形状の溝に嵌合されること、又は前記ホルダに形成された凹形状の前記規制部が前記固定部に形成された凸形状の突起に嵌合される。
【００１２】
この構成によれば、固定部の変形量が最小となる位置又はその近傍に配置される規制部によって、駆動部が被駆動部の駆動方向へ移動することが規制されるため、変位部の駆動に影響を与えることなく、アクチュエータの駆動部の無用な揺動を防止することができる。
【００１３】
また、固定部に凹形状の溝が形成され、この溝に凸形状の突起である規制部が嵌合されることによって、駆動部が被駆動部の駆動方向へ移動することが規制されるため、変位部の駆動に影響を与えることなく、アクチュエータの駆動部の無用な揺動を防止することができる。
【００１４】
さらに、固定部に凸形状の突起が形成され、この突起に凹形状の溝である規制部が嵌合されることによって、駆動部が被駆動部の駆動方向へ移動することが規制されるため、変位部の駆動に影響を与えることなく、アクチュエータの駆動部の無用な揺動を防止することができる。
【００１５】
また、上記のアクチュエータにおいて、前記加圧部は、前記駆動部への加圧を前記被駆動部の駆動方向へも作用させることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、加圧部が、駆動部への加圧を被駆動部の駆動方向へも作用させるため、駆動部が揺動したとしても、元の位置に自己復帰することができ、過大な揺動を防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態であるアクチュエータについて説明する。図１は、第１の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す一部透視図であり、図２は、図１に示すアクチュエータの被駆動部及び押さえ部材を除く構成を示す透視図であり、図３は、図１に示すアクチュエータのＡ−Ａ線断面図である。なお、図２において、ｘ軸はチップ部材との接触部における被駆動部の駆動方向を表し、ｙ軸はチップ部材との接触部と回転軸とを結ぶ方向を表し、ｚ軸は被駆動部の回転軸方向を表す。
【００１９】
図１〜３において、アクチュエータ１００は、被駆動部２０を駆動する駆動部１０と、その駆動部１０を被駆動部２０に加圧接触させる加圧部３０と、駆動部１０が図２に示すｚ軸方向に移動することを規制する押さえ部材４０と、駆動部１０を保持するホルダ５０とからなる。駆動部１０は、例えば９０度の挟み角度で交差された２本の変位素子（変位部に相当する）１，２と、その交点に接着されたチップ部材（合成部に相当する）３と、変位素子１，２の基端に接着されたベース部材（固定部に相当する）４とから構成されている。
【００２０】
変位素子１，２（以下、第１圧電素子１、第２圧電素子２とする。）には、圧電効果により電気信号を変位に変換する積層型の圧電素子が用いられている。チップ部材３には、安定して高い摩擦係数が得られ、摩耗しにくい金属材料が用いられる。ベース部材４には、製造し易く強度が得られる金属材料が用いられる。また、ベース部材４と圧電素子１，２との接着及びチップ部材３と圧電素子１，２との接着には、ベース部材４の材料及びチップ部材３の材料に応じて適宜選択される接着剤が用いられ、特に、接着力や強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。
【００２１】
ここで、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について説明する。圧電素子は、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板と電極を交互に積層したものであり、各セラミック薄板と電極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は、それぞれ信号線を介して駆動電源に接続されている。信号線に所定の電圧を印加すると、２つの電極に挟まれた各セラミック薄板には、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の分極方向は逆となる）ように積層されている。なお、圧電素子の両端部には、保護層が設けられている。
【００２２】
駆動電源により直流の駆動電圧を各電極の間に印加すると、全てのセラミック薄板が同方向に伸び又は縮み、圧電素子全体として伸縮する。駆動電源により交流の駆動電圧（交流信号）を各電極の間に印加すると、その電界に応じて各セラミック薄板は同方向に伸縮を繰り返し、圧電素子全体として伸縮を繰り返す。圧電素子には、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、圧電素子の変位が増大する。圧電素子は、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。
【００２３】
駆動部１０は、ホルダ５０に設けられた規制部５１により摺動可能に保持されている。ベース部材４は、ｘ軸（図２参照）に垂直な２平面を備えており、規制部５１は、その２平面に各々対向して、平行且つ平滑な側面を有している。駆動部１０は、ベース部材４及び規制部５１のそれぞれ２平面が互いに当接し、摺動することによって、ホルダ５０に対してｙｚ平面内（図２参照）での移動のみ可能に保持される。なお、ベース部材４と規制部５１とが当接する各面は、互いに低摩擦で摺動可能なように、必要に応じて摩擦低減材料の塗布が行われる。この摩擦低減材料としては、例えば、グリス等が用いられる。
【００２４】
加圧部３０は、例えばねじりコイルばねなどで構成され、ホルダ５０に設けられたばね案内軸５３にそのコイル部分を貫通させるとともに、２つの腕は、図２に示すベース部材４の下端部に当接しており、ベース部材４を加圧するように配置されている。加圧部３０は、図２に示す矢印７１及び矢印７２に示す方向の力をベース部材４に加える。その結果、駆動部１０は、被駆動部２０の内周面に所定の圧力で押し付けられ、図２に示す矢印７３に示す力を被駆動部２０から受けることとなる。なお、本実施の形態における矢印の向きは、力の働く方向を示し、矢印の長さは、力の大きさを示しており、このことは他の実施の形態においても同様である。
【００２５】
被駆動部２０は、例えば、円筒形状のロータであり、アルミニウムなどの金属で作製され、チップ部材３との接触による摩耗を防ぐため、チップ部材３との接触部位にはアルマイトなどの表面処理が施されている。チップ部材３が描く楕円軌跡８１と、矢印７３に示す押し付け力によって発生する摩擦力とによって、被駆動部２０は、回転軸２１を中心に両矢印８２（図１参照）に示すように正方向又は逆方向に回転する。回転軸２１は、ホルダ５０に設けられた回転軸保持部５２によって回転可能に保持されている。回転軸保持部５２は、滑り軸受又は転がり軸受である。また、駆動部１０は、回転軸方向において、ホルダ５０の当接面５５と、押さえ部材４０とに挟まれるように配置されており、回転軸方向への移動が制限されている。駆動部１０への電源供給は、リード線６１〜６４によって行われる。リード線６１〜６４は、一対の圧電素子１，２の各電極にはんだにより接合され、ホルダ５０に設けられた穴を通って外部に引き出されている。
【００２６】
次に、アクチュエータ１００における被駆動部２０の回転原理について説明する。第１圧電素子１及び第２圧電素子２にそれぞれ所定の位相差を有する駆動信号を印加することにより、各圧電素子１，２は異なった位相で駆動され、各圧電素子１，２の交点に設けられたチップ部材３が所定の楕円軌道（円軌道を含む）を描くように駆動される。チップ部材３が所定の楕円軌道を描くように駆動されている間、一定の区間でチップ部材３が被駆動部２０の内周面に接触し、チップ部材３と被駆動部２０の内周面との間に作用する摩擦力により、被駆動部２０が所定方向に回転される。また、駆動信号の位相のずれ方向を逆にすることによりチップ部材３の軌道の方向が逆転し、被駆動部２０の回転を逆転させることができる。上記アクチュエータ１００において、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。
【００２７】
なお、本実施の形態では、第１圧電素子１及び第２圧電素子２にそれぞれ所定の位相差を有する駆動信号を印加することにより、各圧電素子１，２を異なった位相で駆動する２相駆動であるが、本発明は特にこれに限定されず、第１圧電素子１及び第２圧電素子２のうちのいずれか一方の圧電素子を駆動することにより、他方の圧電素子を従動させる単相駆動であってもよい。例えば、第１圧電素子１のみを駆動させ、その振動をベース部材４を介して第２圧電素子２に伝達させ、第２圧電素子２を所定の位相差を持って共振させる。そうすると、第１圧電素子１と第２圧電素子２との交点に設けられたチップ部材３は楕円軌道（円軌道を含む）を描くように駆動される。
【００２８】
チップ部材３と被駆動部２０とは、図面上では線接触しているが、実際には、所定の幅を有して面接触している。さらに、チップ部材３と被駆動部２０との接触部の位置は、各構成要素の製作誤差、特に、被駆動部２０の芯振れや真円度により、被駆動部２０の回転に伴って変化する。そのため、チップ部材３と被駆動部２０との接触状態を安定して維持しなければ、摩擦力に変動が生じる可能性がある。その結果、被駆動部２０に回転むらが生じ、安定した駆動が困難となる可能性がある。しかしながら、本実施の形態において、規制部５１は、駆動部１０を図２に示すｙｚ平面内のみ移動可能に保持している。したがって、チップ部材３と被駆動部２０との接触部の位置が変化しても、加圧部３０によって追従して接触状態を保つことが可能である。なお、加圧部３０がばねである場合、チップ部材３と被駆動部２０との接触部の位置が変化しても加圧力の変動が小さくなるようにばね定数をできるだけ小さくしたほうがよい。
【００２９】
このように、ベース部材４の変形量が最小となる位置又はその近傍に配置される規制部５１によって、駆動部１０が被駆動部２０の駆動方向へ移動することが規制されるため、アクチュエータ１００の駆動部１０の無用な揺動を防止することができる。
【００３０】
また、アクチュエータ１００では、規制部５１によって駆動部１０のｘ軸方向への移動が規制されているため、駆動方向の逆転により摩擦力の向きが変化した場合や外力が働いた場合でも駆動部１０の無駄な揺動が抑止され、エネルギーのロス、被駆動部２０の停止位置の変動、リード線の屈曲による断線等の不具合を防止することができる。
【００３１】
なお、第１の実施形態において、規制部５１は、回転軸保持部５２と一体に設けられている。すなわち、規制部５１は、回転軸保持部５２を囲むように構成されている。したがって、第１の実施形態のように、回転駆動を行い、なおかつ駆動部１０が被駆動部２０の内部に設置されたアクチュエータにおいては、このような構成にすることによって、所要の機能を損なうことなく、アクチュエータ全体を小型化あるいは高密度化することができる。
【００３２】
さらに、回転軸保持部５２と一体の規制部５１は、チップ部材３とベース部材４との間に配置されるので、駆動部１０の内側のデッドスペースを有効的に利用することができ、さらなる省スペース化を実現することができる。同時に、駆動部１０、特に、第１及び第２圧電素子１，２をアクチュエータ全体に対して相対的に大きくすることができるので、アクチュエータの高速化及び高出力化をも実現することができる。
【００３３】
また、第１の実施形態において、被駆動部２０は多回転可能な円筒形状であるが、本発明は特にこれに限定されず、被駆動部２０が所定角度の回転動作のみを必要とする場合、被駆動部２０は、必要な角度のみ切り出した形状、例えば、円弧形状又は扇形形状でもよい。
【００３４】
また、第１の実施形態では、被駆動部２０の内側から駆動部１０のチップ部材３を当接させる構成であるが、本発明は特にこれに限定されず、被駆動部２０の外側から駆動部１０のチップ部材３を当接させる構成であってもよい。この場合、上述の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態であるアクチュエータについて説明する。図４は、第２の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す一部透視図であり、図５は、図４に示すアクチュエータの被駆動部及び押さえ部材を除く構成を示す透視図であり、図６は、図４に示すアクチュエータのＢ−Ｂ線断面図であり、図７は、図４に示すアクチュエータのＣ−Ｃ線断面図である。なお、図５において、ｘ軸は被駆動部の駆動方向を表し、ｙ軸は駆動部が被駆動部に当接する方向を表し、ｚ軸は駆動部に対して垂直な方向を表す。
【００３６】
第１の実施形態では、被駆動部２０が回転駆動であるのに対し、第２の実施形態では、被駆動部２０がリニア駆動となっている。なお、以下の説明において、第１の実施形態と同じ構成については説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成についてのみ説明する。
【００３７】
駆動部１０は、ホルダ５０に設けられた規制部５１により摺動可能に保持されており、ｙｚ平面内（図５参照）での移動のみ可能である。規制部５１は、ホルダ５０に形成された凸形状の突起（凸部）により構成される。この規制部５１がベース部材４に形成された凹形状の溝（凹部）４１に嵌合されることで駆動部１０のｘ軸方向（図５参照）の移動を規制する。駆動部１０は、ホルダ５０に形成された規制部５１及びベース部材４に形成された溝４１のそれぞれ２平面が互いに当接し、摺動することによって、ホルダ５０に対してｙｚ平面内（図５参照）での移動のみ可能に保持される。
【００３８】
被駆動部２０は、リニアガイド（図示省略）により図４の両矢印８２に示す方向（図５のｘ軸方向）にのみ移動可能に保持されている。チップ部材３が描く楕円軌跡８１と矢印７３に示す方向への押し付け力によって発生する摩擦力により、被駆動部２０は、両矢印８２に示す方向に移動する。
【００３９】
このように、駆動部１０を保持するホルダ５０に形成された凸形状の規制部５１がベース部材４に形成された凹形状の溝４１に嵌合され、駆動部１０が被駆動部２０の駆動方向へ移動することが規制されるため、アクチュエータ２００の駆動部１０の無用な揺動を防止することができる。
【００４０】
なお、第２の実施形態では、駆動部１０を保持するホルダ５０に形成された凸形状の規制部５１がベース部材４に形成された凹形状の溝４１に嵌合されるが、本発明は特にこれに限定されず、ホルダ５０に形成された凹形状の溝をベース部材４に形成された凸形状の突起に嵌合してもよい。この場合、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
また、第２の実施形態では、被駆動部２０の外側から駆動部１０のチップ部材３を当接させる構成である。
【００４２】
第１の実施形態及び第２の実施形態における駆動部１０は、ｙ軸に平行な線に対して線対称な形状であり、規制部５１と当接するベース部材４の２平面は、線対称軸近傍に設けられている。これは、駆動部１０において、線対称軸近傍が最も変形量が小さいためである。駆動部１０は、全ての構成要素が弾性変形しており、第１及び第２圧電素子１，２が発生する変位により、ベース部材４も変形する。アクチュエータの設計にあたり、アクチュエータ全体で振動状態のシミュレーションを行うことが好ましいが、振動状態が非常に複雑となるため、駆動部１０のみで振動状態のシミュレーションを行うほうが現実的である。そこで、駆動部１０の変形の様子についてシミュレーションを行った結果の一例を図８〜１１に示す。
【００４３】
図８は、第１の実施形態において、駆動部１０の或る時点での変形状態を示す図である。図９は、図８より楕円軌道が１／４周期進んだ時点での変形状態を示す図である。図１０は、図８より楕円軌道が１／２周期進んだ時点での変形状態を示す図である。図１１は、図８より楕円軌道が３／４周期進んだ時点での変形状態を示す図である。なお、図８〜１１において、破線は静止時における駆動部１０を示し、実線は駆動時における振動状態の駆動部１０を示す。
【００４４】
ここで、駆動部１０の変形が図８から図１１へと進むに連れて、チップ部材４は、紙面に向かって右回りに楕円軌跡を描くこととなる。図８〜１１に示すように、ベース部材４における駆動部１０の線対称軸Ｊの近傍Ｈのみが、常時変形量が最小（略０）である。したがって、駆動部１０を保持する場合、駆動部１０の変形量が最小（略０）となる位置、すなわち、駆動部１０の線対称軸Ｊにおいて駆動部１０を保持する構成とすれば、駆動部１０の振動状態への影響を最小にすることができる。そして、アクチュエータとしての特性との関係で駆動部１０の振動状態への影響を実質的に無視し得る範囲において、駆動部１０の線対称軸の近傍で駆動部１０を保持する構成としてもよい。逆に、変形量の大きい箇所で駆動部１０を保持した場合、駆動部１０の振動状態への影響を避けることができず、実際の駆動とシミュレーションとの乖離が大きくなる。さらに、駆動部１０を保持する箇所へ振動が伝わることとなり、エネルギーのロスにもつながる。本発明のアクチュエータ１００における規制部５１は、駆動部１０の変形量が最小（略０）となる位置又はその近傍に設けられることで、上述のように駆動部１０が必要な方向のみ移動可能という機能を損なうことなく、かつ駆動部１０の振動をほとんど妨げることなく被駆動部２０に伝達することを可能とし、被駆動部２０の高効率駆動を実現している。
【００４５】
なお、図８〜１１では、図１〜３に示す第１の実施形態の駆動部１０の駆動状態を示しているが、図４〜７に示す第２の実施形態の駆動部１０においても同様の挙動を示すことは言うまでもない。
【００４６】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態であるアクチュエータについて説明する。図１２は、第３の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す透視図であり、図１３は、図１２に示すアクチュエータの駆動時における動作を示す透視図である。なお、図１２及び図１３において、被駆動部２０は、チップ部材３との接触部周辺のみを簡略化して図示している。また、図１２において、ｘ軸は、チップ部材との接触部における被駆動部の駆動方向を表し、ｙ軸は、駆動部が中立位置にある時の上記接触部と回転軸とを結ぶ方向を表し、ｚ軸は被駆動部の回転軸方向を表す。
【００４７】
第３の実施形態におけるアクチュエータ３００と第１の実施形態におけるアクチュエータ１００とはほぼ同じ構成であり、加圧部３０であるねじりコイルばねとその案内軸とが異なっている。そこで、以下の説明において、第１の実施形態と同じ構成については説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成についてのみ説明する。
【００４８】
第３の実施形態における加圧部３０は、２箇所のコイル部分を有するねじりコイルばねである。加圧部３０の２箇所のコイル部分は、駆動部１０を保持するホルダ（図示省略）に一体に設けられたばね案内軸５３，５４に貫通されるとともに、２つの腕は、ベース部材４の両側面付近に当接するように配置されている。図１２に示すように、アクチュエータ３００の静止時（被駆動部２０が外力を受けていない時）において、加圧部３０は、矢印７１，７２に示す方向への力をベース部材４に加える。その結果、駆動部１０は被駆動部２０の内周面に所定の圧力で押し付けられ、矢印７３に示す力を被駆動部２０から受ける。
【００４９】
ここで、加圧部３０によって発生する力７１，７２は、それぞれｘ軸方向及びｙ軸方向（図１２参照）の分力７１ｘ，７１ｙ，７２ｘ，７２ｙに分解される。図１２に示すように、チップ部材３が被駆動部２０を駆動させる際に働く摩擦力の方向（図１２のｘ軸方向）には、分力７１ｘと分力７２ｘとが作用しており、互いに釣り合っている。また、図１２に示すように、チップ部材３が被駆動部２０を押し付ける力の方向（図１２のｙ軸方向）には、分力７１ｙと分力７２ｙとが作用しており、互いに釣り合っている。図１２に示すアクチュエータ３００を駆動させた場合、図１３に示すように、チップ部材３が楕円軌跡８１を描き、被駆動部２０は矢印８２に示す方向に駆動される。その結果、チップ部材３は、矢印７４に示す方向の摩擦力を被駆動部２０から受ける。
【００５０】
この際、第１及び第２の実施形態のように、規制部５１とベース部材４とが略隙間なく嵌合していれば問題はないが、何らかの要因により図１３に示すように嵌合が緩く、規制部５１とベース部材４とのがたつきが大きい場合、上記の摩擦力により、駆動部１０が被駆動部２０の駆動方向（ｘ軸方向）に揺動する可能性がある。あるいは、被駆動部２０に外力を受けた場合でも同様の現象が生じる可能性がある。そこで、第３の実施形態のアクチュエータ３００では、ベース部材４の両側面を加圧部３０の２つの腕によって加圧する。これにより、駆動部１０は、その揺動に伴って加圧部３０の揺動方向の腕のねじれ角が大きくなることで、矢印７２’に示す方向（図１３参照）へのより大きな力を受けることになり、同時に、駆動部１０は、加圧部３０の反対側の腕から矢印７１’に示す方向へのより小さな力を受けることになる。したがって、加圧部３０による加圧力が被駆動部２０の駆動方向へも作用するので、駆動部１０が何らかの要因により揺動した場合、その要因が取り除かれれば駆動部１０は元の中立位置に自己復帰し、さらに駆動部１０が大きく揺動しようとした場合、駆動部１０には元の中立位置に戻ろうとする力がより大きく働き、図１３に示すように、駆動部１０の過大な揺動を防止することができる。
【００５１】
なお、ｘ軸方向の力、あるいは回転軸周りのトルクとしては、他にも規制部５１からの反力（図１３の矢印７５，７６）や、他の分力も受けるものの、これらの力は、加圧部３０から受ける力に比して小さい。
【００５２】
さらに、駆動部１０が大きく揺動した場合、加圧部３０から受ける矢印７１’に示す方向の力は、ばねの腕の先端に働くため、同じねじれ角でも発生力としては小さくなり、加圧部３０から受ける矢印７２’に示す方向の力は、ばねの腕の根元に働くため、より大きな発生力を得ることができる。
【００５３】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態であるアクチュエータについて説明する。図１４は、第４の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す透視図であり、図１５は、図１４に示すアクチュエータの駆動時における動作を示す透視図である。なお、図１４及び図１５において、被駆動部２０は、チップ部材３との接触部周辺のみを簡略化して図示している。また、図１４において、ｘ軸は、チップ部材との接触部における被駆動部の駆動方向を表し、ｙ軸は、接触部と回転軸とを結ぶ方向を表し、ｚ軸は、被駆動部の回転軸方向を表す。
【００５４】
第４の実施形態におけるアクチュエータ４００と第３の実施形態におけるアクチュエータ３００とはほぼ同じ構成であり、加圧部３０であるねじりコイルばねの数が異なっている。そこで、以下の説明において、第３の実施形態と同じ構成については説明を省略し、第３の実施形態と異なる構成についてのみ説明する。
【００５５】
第４の実施形態における加圧部３０は、第１加圧部３１及び第２加圧部３２で構成される。第１加圧部３１及び第２加圧部３２は、それぞれねじりコイルばねである。第１加圧部３１のコイル部分は、ホルダ（図示省略）に一体に設けられたばね案内軸５３に貫通されるとともに、２つの腕のうちの一方は、ベース部材４の側面付近に当接するように配置され、他方は、ベース部材４の下面付近に当接するように配置されている。第２加圧部３２のコイル部分は、ホルダ（図示省略）５０に一体に設けられたばね案内軸５４に貫通されるとともに、２つの腕のうちの一方は、ベース部材４の側面付近に当接するように配置され、他方は、ベース部材４の下面付近に当接するように配置されている。図１４に示すように、アクチュエータ４００の静止時（被駆動部２０が外力を受けていない時）において、第１加圧部３１は、矢印７１，７７に示す方向への力をベース部材４に加え、第２加圧部３２は、矢印７２，７８に示す方向への力をベース部材４に加える。その結果、駆動部１０は被駆動部２０の内周面に所定の圧力で押し付けられ、矢印７３に示す力を被駆動部２０から受ける。
【００５６】
ここで、第１加圧部３１によって発生する矢印７１，７７に示す力の合力は、第２加圧部３２によって発生する矢印７２，７８に示す力の合力と釣り合っている。図１４に示すアクチュエータ４００を駆動させた場合、図１５に示すように、チップ部材３が楕円軌跡８１を描き、被駆動部２０は矢印８２に示す方向に駆動される。その結果、チップ部材３は、矢印７４に示す方向の摩擦力を被駆動部２０から受ける。
【００５７】
この際、第１及び第２の実施形態のように、規制部５１とベース部材４とが略隙間なく嵌合していれば問題はないが、何らかの要因により図１５に示すように嵌合が緩く、規制部５１とベース部材４とのがたつきが大きい場合、上記の摩擦力により、駆動部１０が被駆動部２０の駆動方向（ｘ軸方向）に揺動する可能性がある。あるいは、被駆動部２０に外力を受けた場合でも同様の現象が生じる可能性がある。そこで、第４の実施形態のアクチュエータ４００では、ベース部材４の両側面を第１加圧部３１及び第２加圧部３２によって加圧する。これにより、駆動部１０は、その揺動に伴って加圧部３０の揺動方向の腕のねじれ角が大きくなることで、矢印７２’，７８’に示す方向（図１５参照）へのより大きな力を受けることになり、同時に、駆動部１０は、加圧部３０の反対側の腕から矢印７１’，７７’に示す方向へのより小さな力を受けることになる。したがって、加圧部３０による加圧力が被駆動部２０の駆動方向へも作用するので、駆動部１０が何らかの要因により揺動した場合、その要因が取り除かれれば駆動部１０は元の中立位置に自己復帰し、さらに駆動部１０が大きく揺動しようとした場合、駆動部１０には元の中立位置に戻ろうとする力がより大きく働き、図１５に示すように、駆動部１０の過大な揺動を防止することができる。
【００５８】
なお、ｘ軸方向の力、あるいは回転軸周りのトルクとしては、他にも規制部５１からの反力（図１５の矢印７５，７６）や、他の分力も受けるものの、これらの力は、第１加圧部３１及び第２加圧部３２から受ける力に比して小さい。
【００５９】
さらに、駆動部１０が大きく揺動した場合、第１加圧部３１から受ける矢印７１’に示す力は、ばねの腕の先端に働くため、同じねじれ角でも発生力としては小さくなり、第２加圧部３２から受ける矢印７２’に示す力は、ばねの腕の根元に働くため、より大きな発生力を得ることができる。
【００６０】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態であるアクチュエータについて説明する。図１６は、第５の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す透視図であり、図１７は、図１６に示すアクチュエータの駆動時における動作を示す透視図である。なお、図１６及び図１７において、被駆動部２０は、チップ部材３との接触部周辺のみを簡略化して図示している。また、図１６において、ｘ軸は、チップ部材との接触部における被駆動部の駆動方向を表し、ｙ軸は、接触部と回転軸とを結ぶ方向を表し、ｚ軸は、被駆動部の回転軸方向を表す。
【００６１】
第５の実施形態におけるアクチュエータ５００と第３の実施形態におけるアクチュエータ３００とはほぼ同じ構成であり、加圧部３０であるねじりコイルばねが駆動部１０を加圧する力の数が異なっている。そこで、以下の説明において、第３の実施形態と同じ構成については説明を省略し、第３の実施形態と異なる構成についてのみ説明する。
【００６２】
第５の実施形態における加圧部３０は、ねじりコイルばねであり、加圧部３０のコイル部分は、ホルダ（図示省略）５０に一体に設けられたばね案内軸５３に貫通されるとともに、２つの腕のうちの一方は、ベース部材４の側面付近に当接するように配置され、他方は、同じくホルダに一体に設けられた係止軸５６に引っ掛けられるように配置されている。図１６に示すように、アクチュエータ４００の静止時（被駆動部２０が外力を受けていない時）において、加圧部３０は、矢印７１に示す方向への力をベース部材４に加え、駆動部１０は、常に図面に向かって左上方に押し当てられている。その結果、駆動部１０は被駆動部２０の内周面に所定の圧力で押し付けられ、矢印７３に示す力を被駆動部２０から受ける。
【００６３】
ここで、加圧部３０によって発生する矢印７１に示す方向への力は、それぞれｘ軸方向及びｙ軸方向（図１６参照）の矢印７１ｘ，７１ｙに示す方向の分力に分解される。図１６に示すように、チップ部材３が被駆動部２０を駆動させる際に働く摩擦力の方向（図１６のｘ軸方向）には、矢印７１ｘに示す分力が作用している。駆動部１０は、矢印７１に示す方向への力の分力（矢印７１ｘ）で左側に片寄せされており、規制部５１からは矢印７５に示す反力を受けている。すなわち、アクチュエータ５００では、加圧部３０による加圧力が左右対称でない。図１６に示すアクチュエータ５００を駆動させた場合、図１７に示すように、チップ部材３が楕円軌跡８１を描き、被駆動部２０は矢印８２に示す方向に駆動される。その結果、チップ部材３は、矢印７４に示す方向の摩擦力を被駆動部２０から受ける。
【００６４】
この際、第１及び第２の実施形態のように、規制部５１とベース部材４とが略隙間なく嵌合していれば問題はないが、何らかの要因により図１７に示すように嵌合が緩く、規制部５１とベース部材４とのがたつきが大きい場合、上記の摩擦力により、駆動部１０が被駆動部２０の駆動方向（ｘ軸方向）に揺動する可能性がある。あるいは、被駆動部２０に外力を受けた場合でも同様の現象が生じる可能性がある。そこで、第５の実施形態のアクチュエータ５００では、ベース部材４の下端面を加圧部３０の一方の腕によって加圧する。これにより、駆動部１０は、その揺動に伴って加圧部３０の揺動方向の腕のねじれ角が大きくなることで矢印７１’に示す方向へのより大きな力を受けることになる。したがって、加圧部３０による加圧力が被駆動部２０の駆動方向へも作用するので、駆動部１０が何らかの要因により揺動した場合、その要因が取り除かれれば駆動部１０は元の中立位置に自己復帰し、さらに駆動部１０が大きく揺動しようとした場合、駆動部１０には元の中立位置に戻ろうとする力がより大きく働き、図１７に示すように、駆動部１０の過大な揺動を防止することができる。特に、加圧部３０が駆動部１０を一方向から加圧する構成は、被駆動部２０の回転が一方向（本実施の形態では図１７の矢印８２に示す方向＝反時計回りの方向）のみ使用される場合に有効である。
【００６５】
なお、図１６に示すアクチュエータ５００において、加圧部３０は、ベース部材４の右下端部を左上方に加圧しているが、本実施の形態は特にこれに限定されず、加圧部３０は、ベース部材４の左下端部を右上方に加圧してもよい。この場合、被駆動部２０の回転が時計回りの方向（図１７の矢印８２に示す方向とは逆の方向）のみ使用される場合に有効である。
【００６６】
本発明に係るアクチュエータは、様々な装置に適用可能であるが、例えば、監視カメラに適用した例について以下に説明する。
【００６７】
図１８は、上記の第１，３〜５実施の形態におけるアクチュエータ１００，３００，４００をパン・チルトに用いたカメラの一例を示す図である。
【００６８】
カメラ（監視カメラ）６００は、フォーカスレンズ、ズームレンズ及び透過光量を調節するための絞りを収納する鏡胴６０１と、鏡胴６０１を通して入射する被写体光像を光電変換して画像信号（電気画像）として出力する撮像センサ６０２と、鏡胴６０１及び撮像センサ６０２をチルト方向に駆動するチルト駆動ユニット６０３と、鏡胴６０１及び撮像センサ６０２をパン方向に駆動するパン駆動ユニット６０４とを備えて構成される。被写体を撮像する撮像部６１０は、鏡胴６０１と撮像センサ６０２とで構成される。撮像部６１０は、チルト駆動ユニット６０３を介してカメラ保持台板６０５に保持されており、カメラ保持台板６０５は、パン駆動ユニット６０４を介して基台６０６に保持されている。つまり、撮像部６１０及びカメラ保持台板６０５は、各々チルト駆動ユニット６０３及びパン駆動ユニット６０４の回転軸２１に固定されており、チルト駆動ユニット６０３及びパン駆動ユニット６０４のホルダ５０は、各々カメラ保持台板６０５及び基台６０６に固定されている。
【００６９】
撮像センサ６０２は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）で構成される。チルト駆動ユニット６０３は、被駆動部２０が回転可能なアクチュエータ１００，３００，４００のいずれかで構成され、撮像部６１０をチルト方向に駆動させる。チルト駆動ユニット６０３のホルダ５０はカメラ保持台板６０５に固定されており、被駆動部２０の回転軸２１と鏡胴６０１とは固定されている。アクチュエータ１００，３００，４００の被駆動部２０が所定の方向に回転することによって、撮像部６１０も所定の方向に回転し、チルト方向の視線走査が行われる。パン駆動ユニット６０４は、被駆動部２０が回転可能なアクチュエータ１００，３００，４００のいずれかで構成され、撮像部６１０をパン方向に駆動させる。パン駆動ユニット６０４のホルダ５０は基台６０６に固定されており、被駆動部２０の回転軸２１とカメラ保持板６０５とは固定されている。アクチュエータ１００，３００，４００の被駆動部２０が所定の方向に回転することによって、撮像部６１０も所定の方向に回転し、パン方向の視線走査が行われる。
【００７０】
従来は、パン・チルト方向の視線走査をモータ及びギアによって行っていたが、本実施の形態では、パン・チルト方向の視線走査をカメラの大きさに比して大トルクが得られる上述のアクチュエータによって行うことで、カメラの小型化を実現することができる。
【００７１】
なお、本実施の形態においてカメラ６００は監視カメラであるが、本発明は特にこれに限定されず、例えば、ＷｅｂカメラやＰＣカメラ等のパン・チルトを行うカメラであればよい。また、本発明に係るアクチュエータをパン方向のみに駆動するカメラ又はチルト方向にのみ駆動するカメラに用いてもよい。
【００７２】
また、パン・チルト駆動する対象はカメラに限定されず、例えば、レーザー、ＬＥＤ等の発光素子や、表示装置等としてもよい。
【００７３】
また、本実施の形態では、変位素子として積層型の圧電素子を用いたが、本発明は特にこれに限定されず、単層の圧電素子と金属製の弾性体とを直列接続したものを用いてもよい。この場合、圧電素子を駆動源として弾性体を共振させることにより大きな変位を得ることができる。
【００７４】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
【００７５】
（１）所定の変位を発生させる複数の変位部と、前記複数の変位部の一端に各々結合され、前記複数の変位部の変位を合成するための合成部と、前記複数の変位部の他端を固定するための固定部とからなる駆動部と、前記合成部により駆動力が伝達されて駆動する被駆動部と、前記駆動部と前記被駆動部とを加圧接触させる加圧部と、前記駆動部が前記被駆動部の駆動方向へ移動することを規制する規制部とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
【００７６】
（２）前記固定部は、前記複数の変位部の変位にともなって変形し、前記規制部は、前記固定部の変形量が最小となる位置又はその近傍に配置され、前記駆動部が前記被駆動部の駆動方向へ移動することを規制することを特徴とする上記（１）記載のアクチュエータ。
【００７７】
（３）前記被駆動部の回転軸と、前記回転軸を回転可能に保持する回転軸保持部とをさらに備え、前記規制部は、前記回転軸保持部と一体に設けられていることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
【００７８】
（４）前記規制部は、前記合成部と前記固定部との間に設けられていることを特徴とする上記（３）記載のアクチュエータ。
【００７９】
（５）前記固定部は、凹形状の溝が形成されており、前記規制部は、前記溝に嵌合される凸形状の突起であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
【００８０】
（６）前記加圧部は、前記駆動部への加圧を前記被駆動部の駆動方向へも作用させることを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載のアクチュエータ。（７）被写体を撮像する撮像部と、前記撮像部をチルト方向に駆動するチルト駆動ユニットと、前記撮像部をパン方向に駆動するパン駆動ユニットとを備え、前記チルト駆動ユニット及び前記パン駆動ユニットは、上記付記（１）〜（６）のいずれかに記載のアクチュエータで構成されることを特徴とするカメラ。
【００８１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、前記固定部の変形量が最小となる位置又はその近傍に配置される規制部によって、駆動部が被駆動部の駆動方向へ移動することが規制されるため、変位部の駆動に影響を与えることなく、アクチュエータの駆動部の無用な揺動を防止することができる。
【００８２】
また、固定部に凹形状の溝が形成され、この溝に凸形状の突起である規制部が嵌合されることによって、駆動部が被駆動部の駆動方向へ移動することが規制されるため、変位部の駆動に影響を与えることなく、アクチュエータの駆動部の無用な揺動を防止することができる。
【００８３】
さらに、固定部に凸形状の突起が形成され、この突起に凹形状の溝である規制部が嵌合されることによって、駆動部が被駆動部の駆動方向へ移動することが規制されるため、変位部の駆動に影響を与えることなく、アクチュエータの駆動部の無用な揺動を防止することができる。
【００８４】
請求項２に記載の発明によれば、加圧部が、駆動部への加圧を被駆動部の駆動方向へも作用させるため、駆動部が揺動したとしても、元の位置に自己復帰することができ、過大な揺動を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す一部透視図である。
【図２】 図１に示すアクチュエータの被駆動部及び押さえ部材を除く構成を示す透視図である。
【図３】 図１に示すアクチュエータのＡ−Ａ線断面図である。
【図４】 第２の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す一部透視図である。
【図５】 図１に示すアクチュエータの被駆動部及び押さえ部材を除く構成を示す透視図である。
【図６】 図４に示すアクチュエータのＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】 図４に示すアクチュエータのＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】 第１の実施形態において、駆動部１０の或る時点での変形状態を示す図である。
【図９】 図８より楕円軌道が１／４周期進んだ時点での変形状態を示す図である。
【図１０】 図８より楕円軌道が１／２周期進んだ時点での変形状態を示す図である。
【図１１】 図８より楕円軌道が３／４周期進んだ時点での変形状態を示す図である。
【図１２】 第３の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す透視図である。
【図１３】 図１２に示すアクチュエータの駆動時における動作を示す透視図である。
【図１４】 第４の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す透視図である。
【図１５】 図１４に示すアクチュエータの駆動時における動作を示す透視図である。
【図１６】 第５の実施形態におけるアクチュエータの構成を示す透視図である。
【図１７】 図１６に示すアクチュエータの駆動時における動作を示す透視図である。
【図１８】 上記の第１，３〜５実施の形態におけるアクチュエータをパン・チルトに用いたカメラの一例を示す図である。
【図１９】 従来のアクチュエータを説明するための図である。
【図２０】 従来のアクチュエータの他の例を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 第１圧電素子（変位部）
２ 第２圧電素子（変位部）
３ チップ部材（合成部）
４ ベース部材（固定部）
１０ 駆動部
２０ 被駆動部
２１ 回転軸
３０ 加圧部
４０ 押さえ部材
５０ ホルダ
５１ 規制部
５２ 回転軸保持部
５３ ばね案内軸
６１，６２，６３，６４ リード線
１００ アクチュエータ

Claims (2)

1. 所定の変位を発生させる複数の変位部と、前記複数の変位部の一端に各々結合され、前記複数の変位部の変位を合成するための合成部と、前記複数の変位部の他端を固定するための固定部とからなる駆動部と、
   前記合成部により駆動力が伝達されて駆動する被駆動部と、
   前記駆動部と前記被駆動部とを加圧接触させる加圧部と、
   前記固定部の変形量が最小となる位置又はその近傍に配置され、前記駆動部が前記被駆動部の駆動方向へ移動することを規制する規制部と、
   前記駆動部を保持するホルダとを備え、
   前記被駆動部の外側に前記駆動部の前記合成部を当接させ、
   前記ホルダに形成された凸形状の前記規制部が前記固定部に形成された凹形状の溝に嵌合されること、又は前記ホルダに形成された凹形状の前記規制部が前記固定部に形成された凸形状の突起に嵌合されることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記加圧部は、前記駆動部への加圧を前記被駆動部の駆動方向へも作用させることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。

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