JPH06113564A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 共振・非共振駆動が可能で高効率・薄型のア
クチュエータを提供すること。 【構成】 振動発生源２が固定された振動部材１と、制
御手段に接続されて振動を発生する振動発生部材５ａ
と、この振動発生部材５ａに積層された移動部材６と、
振動部材１と振動発生部材５ａと移動部材６とに圧接力
を与える圧接手段９とによりアクチュエータを形成し、
制御手段によって振動発生部材５ａを振動させて振動部
材１と移動部材６との間に浮力を発生させ、この浮力を
利用して移動部材６に作用する摩擦力を制御すること
で、アクチュエータの効率を高めるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、駆動モータ等に利用さ
れるアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】駆動機構の一種である超音波モータの基
本原理は、振動子が発生した超音波振動を摩擦力を介し
て一方向の運動に変換することによるものであり、この
運動変換は、通常、楕円軌跡の振動による。このような
一方向の運動を行わせる楕円運動は、通常、進行波を発
生させるか、又は、２種の振動子を使用することによっ
て楕円振動を発生させることで生成される。前者の進行
波による楕円運動の例としては、特開昭５８−１４８６
８２号公報に開示されているように、複数の圧電素子を
弾性体に組込み、位相をずらして各々の圧電素子を駆動
することにより、進行波を発生させ、この進行波の発生
した位置に移動体を接触させ駆動するというものがある
（第一の従来例）。

【０００３】また、後者の２種の振動子による楕円運動
の例としては、特開昭６１−１２１７７７号公報に開示
されているように、シアーモードの圧電振動子要素をリ
ング状に積層して構成した圧電ねじり振動子と圧電厚み
振動子とを各々駆動して、回転子の駆動に必要な楕円運
動を発生させるというものがある（第二の従来例）。

【０００４】一方、このような圧電素子を主体とした超
音波モータとは別に、静電力を利用した静電モータ（又
は、アクチュエータ）も近年では多く見られるようにな
ってきている。この静電アクチュエータの一例として
は、日経メカニカル、１９８９、3.20、P.42〜46に「小
型・軽量を目指す新しいアクチュエータ」というタイト
ルで記載されているように、直径１００μｍの回転モー
タや、円筒電極を転がす直動型静電アクチュエータがあ
る（第三の従来例）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかながら、第一の従
来例の場合、弾性体の変位をかせぐために共振を利用し
なければならず、しかも、弾性体の共振状態は温度や負
荷等によって大きく変化するため、共振状態を検出する
手段を設けてフィードバック制御をしているのが実状で
ある。したがって、共振状態の検出手段をはじめとした
フィードバック系を構成するためにコスト高になってい
る。

【０００６】また、第二の従来例の場合、楕円運動を作
り出すために、モータの回転方向に垂直な方向にもある
程度大きな変位が必要であるため、積層圧電素子やラン
ジュバン振動子を使用しており、薄型化が困難となって
いる。

【０００７】さらに、第三の従来例の場合、直径約１０
０μｍの回転モータや直動型静電アクチュエータに共通
していえることは、構造自体は非常に小さくすることが
できる反面、出力が小さく実用の面を考え合わせると今
一歩というのが現状である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、振動発生源が固定された振動部材と、制御手段に接
続されて振動を発生する振動発生部材と、この振動発生
部材に積層された移動部材と、前記振動部材と前記振動
発生部材と前記移動部材とに圧接力を与える圧接手段と
によりアクチュエータを形成し、前記振動発生部材を振
動させて前記移動部材に作用する摩擦力を制御するよう
にした。

【０００９】請求項２記載の発明では、振動発生源が固
定された複数の振動部材と、制御手段に接続されて振動
を発生する複数の振動発生部材と、これらの振動発生部
材に積層された移動部材と、前記振動部材と前記振動発
生部材と前記移動部材とに圧接力を与える圧接手段とに
よりアクチュエータを形成し、前記振動発生部材を各々
振動させて前記移動部材に作用する摩擦力を制御するよ
うにした。

【００１０】請求項３記載の発明では、請求項１又は２
記載の発明において、振動発生部材の振動周波数を変化
させることにより移動部材に作用する摩擦力を制御する
制御手段とした。

【００１１】

【作用】請求項１記載の発明においては、移動部材と振
動部材との間に介在する振動発生部材を制御手段により
振動させて移動部材と振動部材との間に振動による浮力
を発生させ、この浮力を利用して移動部材に作用する摩
擦力を制御することにより、アクチュエータの効率を高
め得るものとなる。また、振動発生部材を高周波で振動
させれば、振動発生部材にそれほど大きな変位は不要と
なるため、振動発生部材は単板の圧電素子で十分とな
り、薄型化を図ることが可能となる。さらに、従来のよ
うに楕円運動を利用するものではなく、摩擦制御方式で
あるため、振動部材に拡大機構を設けることで、非共振
駆動が可能となり、これにより、共振追尾回路が不要と
なり、アクチュエータの小型化、低コスト化を図ること
が可能となる。

【００１２】請求項２記載の発明においては、移動部材
と複数の振動部材との間に介在する各々の振動発生部材
を制御手段により振動させて移動部材と各振動部材との
間に振動による浮力を発生させ、この浮力を利用して移
動部材に作用する摩擦力を制御することにより、各々の
振動発生部材の駆動電圧の位相をずらせば、移動部材に
常に駆動力を与え続けることが可能となり、これによ
り、アクチュエータの効率をさらに高め得るものとな
る。

【００１３】請求項３記載の発明においては、振動発生
部材の振動周波数を制御手段で変化させることによって
移動部材に作用する摩擦力を制御することで、常に振動
発生部材の振動を持続することが可能となり、これによ
り、浮力の発生する立上りがよくなり、アクチュエータ
の効率をより一層高め得るものとなる。

【００１４】

【実施例】本発明の第一の実施例を図１及び図２に基づ
いて説明する。図１に示すように、円盤状のステータ
（振動部材）１の両端には２個の積層圧電素子（振動発
生源）２が互いに反対方向に向けて配置されており、そ
の一端は基台３に固定され、他端はステータホルダ４を
介して前記ステータ１の周面に固定されている。このス
テータ１の上面には、制御手段（図示せず）に接続され
て振動を発生する圧電板（振動発生部材）５ａが積層固
定され、この圧電板５ａの上面には、絶縁体５ｂが積層
固定されている。この絶縁体５ｂの上面には、ロータ
（移動部材）６が接離自在な形で積層され、軸受７によ
り主軸８に回転自在に支持されている。また、前記ロー
タ６は、その上部から前記主軸８上の押えバネ９ａとナ
ット９ｂとよりなる圧接手段９によって適度な力で前記
絶縁体５ｂに圧接されている。ここに、前記制御手段に
は、前記圧電板５ａを振動させて前記ロータ６とステー
タ１との間に作用する摩擦力を制御する働きがある。

【００１５】このような構成において、２個の積層圧電
素子２に同相の周波電圧（交流電圧）を印加することに
より、ステータ１には回転振動が生成される。この時、
圧電板５ａを駆動しなければ、押えバネ９ａ及びナット
９ｂによりロータ６は大きな力でステータ１に圧接され
ているため、ロータ６とステータ１との間には大きな摩
擦力が発生し、ロータ６はステータ１と同様に振動す
る。一方、圧電板５ａに高周波の交流電圧を印加する
と、圧電板５ａは高周波で振動し、ロータ６と絶縁体５
ｂとの間に浮力が発生し、両者の間の摩擦力が著しく減
少するため、ロータ６はステータ１に対して滑るように
なる。よって、図２に示すように、積層圧電素子２の駆
動電圧の位相に合わせて制御手段によって圧電板５ａを
駆動することで、ロータ６を一方向に回転させることが
可能となる。

【００１６】このように、本実施例では、ロータ６とス
テータ１との間に作用する摩擦力を圧電板５ａの振動に
よる浮力を利用して制御することで、アクチュエータの
効率を高め得るものとなる。また、圧電板５ａの振動に
よる浮力を発生させるのみでよいため、この圧電板５ａ
を高周波で駆動すれば、圧電板５ａにそれほど大きな変
位は不要となる。よって、従来の超音波モータのよう
に、縦変位（モータの回転方向に垂直な方向の変位）を
かせぐための手段として積層圧電素子やランジュバン振
動子等が不要となり、圧電板５ａは単板の圧電素子で十
分となり、アクチュエータの薄型化を図ることが可能と
なる。

【００１７】次に、本発明の第二の実施例を図３ないし
図５に基づいて説明する。図３は本実施例の具体的な構
造を示すもので、主軸１０に固定されたステータ１１が
設けられている。このステータ１１は、前記主軸１０を
中心にその両端に延びたアーム１１ａ，１１ｂと、これ
らのアーム１１ａ，１１ｂの各先端部に形成された円盤
状の摩擦部（振動部材）１１ｃ，１１ｄとにより形成さ
れている。また、前記ステータ１１には、前記主軸１０
の近傍の前記各アーム１１ａ，１１ｂに対応させて積層
圧電素子（振動発生源）１２ａ，１２ｂが接着固定され
ている。そして、これらの積層圧電素子１２ａ，１２ｂ
が変位することにより前記各アーム１１ａ，１１ｂ及び
その先端部の前記摩擦部１１ｃ，１１ｄが前記主軸１０
を中心に円周方向に振れるように、前記ステータ１１に
は、前記アーム１１ａ，１１ｂに対応させてヒンジ１３
ａ，１３ｂが組込まれている。さらに、前記ステータ１
１の前記各摩擦部１１ｃ，１１ｄの上面には、制御手段
（図示せず）に接続されて振動を発生する圧電板（振動
発生部材）１４ａ，１４ｂが積層固定され、これらの圧
電板１４ａ，１４ｂの上面には、絶縁体１４ｃ，１４ｄ
が積層固定されている。これらの絶縁体１４ｃ，１４ｄ
の上面には、円盤状のロータ（移動部材）１５が接離自
在な形で積層されている。ここで、このロータ１５の下
面の端部には、下方に突出したドーナツ状の凸面１５ａ
が形成され、この凸面１５ａが前記各絶縁体１４ｃ，１
４ｄの上面に積層されるようになっている。また、前記
ロータ１５は、軸受１６により前記主軸１０に回転自在
に支持されており、押えバネ１７ａとナット１７ｂとよ
りなる圧接手段１７によってステータ１１の前記各摩擦
部１１ｃ，１１ｄに圧接されている。ここに、前記制御
手段には圧電板１４ａ，１４ｂの各々を振動させて前記
ロータ１５に作用する摩擦力を制御する働きがある。

【００１８】このような構成において、２個の積層圧電
素子１２ａ，１２ｂに駆動電圧を印加すると、積層圧電
素子１２ａ，１２ｂが伸縮するため、ステータ１１のヒ
ンジ１３ａ，１３ｂが曲げ変形をし、２個のアーム１１
ａ，１１ｂには主軸１０を中心に互いに反対方向の回転
変位が生成される。即ち、一方のアーム１１ａ（又はア
ーム１１ｂ）が時計回りに変位すると、他方のアーム１
１ｂ（又はアーム１１ａ）は反時計回りに変位する。こ
こで、ステータ１１の上面に固定された圧電板１４ａ，
１４ｂは、前記実施例と同様に、高周波で駆動すること
によって生ずる浮力によりステータ１１の摩擦部１１
ｃ，１１ｄとロータ１５との間に作用する摩擦力を制御
する働きをする。

【００１９】具体的に説明すると、例えば、ロータ１５
を矢印ａ方向（時計方向）に回転させるものとして、２
個の積層圧電素子１２ａ，１２ｂには、同相の交流電圧
を印加する。すると、ステータ１１の両端の摩擦部１１
ｃ，１１ｄは主軸１０回りに互いに逆位相の回転振動を
する。仮に今、ステータ１１のアーム１１ａ先端の摩擦
部１１ｃ（圧電板１４ａ側）が矢印ａ方向に振れている
ものとすると、ステータ１１のアーム１１ｂ先端の摩擦
部１１ｄ（圧電板１４ｂ側）は矢印ｂ方向（反時計方
向）に振れる。ここで、ロータ１５を矢印ａ方向に回転
させるためには、圧電板１４ａ側の摩擦力を大きく、圧
電板１４ｂ側の摩擦力を小さくしなければならないの
で、制御手段によって圧電板１４ｂのみを高周波で駆動
させて絶縁体１４ｄとロータ１５との間に浮力を発生さ
せる。逆に、ステータ１１のアーム１１ａ先端の摩擦部
１１ｃ（圧電板１４ａ側）が矢印ｂ方向に振れ、ステー
タ１１のアーム１１ｂ先端の摩擦部１１ｄ（圧電板１４
ｂ側）が矢印ａ方向に振れている時には、圧電板１４ａ
のみを駆動すればよい。この時の積層圧電素子１２ａ，
１２ｂと圧電板１４ａと圧電板１４ｂとの各印加電圧波
形の一例を図４に示す。よって、図４に示すように、積
層圧電素子１２ａ，１２ｂの印加電圧に対して圧電板１
４ａと圧電板１４ｂとに印加する高周波の交流電圧の位
相を互いにずらして圧電板１４ａ，１４ｂを駆動するこ
とにより、ロータ１５を矢印ａ方向に回転させることが
可能となる。当然、圧電板１４ａと圧電板１４ｂとの位
相関係を逆にすれば、ロータ１５を矢印ｂ方向に回転さ
せることが可能となる。

【００２０】このように、本実施例では、前記実施例と
異なり、特に、摩擦駆動部（ステータ１１の摩擦部１１
ｃ，１１ｄ、圧電板１４ａ，１４ｂ、及び絶縁体１４
ｃ，１４ｄ等）が複数あり、各々独立駆動できるので、
各々の圧電板１４ａ，１４ｂの駆動電圧の位相をずらせ
ば、常にロータ１５に駆動力を与え続けることが可能と
なり、アクチュエータの効率をさらに高め得るものとな
る。また、本実施例では、従来のように楕円運動を利用
するものではなく、摩擦制御方式であるため、ステータ
１１に拡大機構（アーム１１ａ，１１ｂ、摩擦部１１
ｃ，１１ｄ、積層圧電素子１２ａ，１２ｂ及びヒンジ１
３ａ，１３ｂ等）を設けることで、このステータ１１が
積層圧電素子１２ａ，１２ｂの変位をさらに拡大するこ
とになるので、共振駆動により変位を拡大させる必要が
なく、即ち、非共振駆動が可能となる（勿論、共振駆動
も可能である）。これにより、共振追尾回路が不要とな
り、アクチュエータの小型化、低コスト化を図り得るも
のとなる。

【００２１】なお、これまでの説明では、圧電板１４
ａ，１４ｂに印加する交流電圧をオン−オフして、ステ
ータ１１の摩擦部１１ｃ，１１ｄとロータ１５との間に
発生する浮力をオン−オフしているが、この浮力のオン
−オフ手段としては、図５に示すように、積層圧電素子
１２ａ，１２ｂに印加する交流電圧に対して圧電板１４
ａ，１４ｂに印加する交流電圧の周波数を変化させても
よい。この駆動方式によれば、圧電板１４ａ，１４ｂが
常に振動し、停止することがないので、浮力をオンにし
た時の立上りがよくなり、アクチュエータの効率をより
一層高めることが可能となる。

【００２２】また、ステータ１１の形状は、図３に示し
た形状の他にも種々に考えられ、例えば、図６及び図７
に示す形状のものでもよい。即ち、図６の例では、ステ
ータ１１のアーム１１ａ，１１ｂの長さ方向に対して直
角をなす方向に２個の積層圧電素子１２ａ，１２ｂが配
置されている。また、図７に示す例では、ステータ１１
のアーム１１ａ，１１ｂの長さ方向の端部から中心部の
主軸１０に向けて２個の積層圧電素子１２ａ，１２ｂが
配置されている。図６及び図７の何れの場合にも、積層
圧電素子１２ａ，１２ｂが変位することによりアーム１
１ａ，１１ｂ及びその先端部の摩擦部１１ｃ，１１ｄが
主軸１０を中心にロータ１５の円周方向に振れるように
設定されており、前記実施例と同様に実施可能である。

【００２３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、振動発生
源が固定された振動部材と、制御手段に接続されて振動
を発生する振動発生部材と、この振動発生部材に積層さ
れた移動部材と、前記振動部材と前記振動発生部材と前
記移動部材とに圧接力を与える圧接手段とによりアクチ
ュエータを形成し、前記振動発生部材を振動させて前記
移動部材に作用する摩擦力を制御するようにしたので、
移動部材と振動部材との間に介在する振動発生部材を制
御手段により振動させて移動部材と振動部材との間に振
動による浮力を発生させ、この浮力を利用して移動部材
に作用する摩擦力を制御することにより、アクチュエー
タの効率を高めることができ、また、振動発生部材を高
周波で振動させれば、振動発生部材にそれほど大きな変
位は不要となるため、振動発生部材は単板の圧電素子で
十分となり、薄型化を図ることができ、さらに、従来の
ように楕円運動を利用するものではなく、摩擦制御方式
であるため、振動部材に拡大機構を設けることで、非共
振駆動が可能となり、これにより、共振追尾回路が不要
となり、アクチュエータの小型化、低コスト化を図るこ
とができるものである。

【００２４】請求項２記載の発明よれば、振動発生源が
固定された複数の振動部材と、制御手段に接続されて振
動を発生する複数の振動発生部材と、これらの振動発生
部材に積層された移動部材と、前記振動部材と前記振動
発生部材と前記移動部材とに圧接力を与える圧接手段と
によりアクチュエータを形成し、前記振動発生部材を各
々振動させて前記移動部材に作用する摩擦力を制御する
ようにしたので、移動部材と複数の振動部材との間に介
在する各々の振動発生部材を制御手段により振動させて
移動部材と各振動部材との間に振動による浮力を発生さ
せ、この浮力を利用して移動部材に作用する摩擦力を制
御することで、各々の振動発生部材の駆動電圧の位相を
ずらせば、移動部材に常に駆動力を与え続けることがで
き、これにより、アクチュエータの効率をさらに高める
ことができるものである。

【００２５】これらの発明において、請求項３記載の発
明によれば、振動発生部材の振動周波数を変化させるこ
とにより移動部材に作用する摩擦力を制御する制御手段
としたので、常に振動発生部材の振動を持続することが
可能となり、これにより、浮力の発生する立上りがよく
なり、アクチュエータの効率をより一層高めることがで
きるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示すもので、（ａ）は
平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。

【図２】積層圧電素子と圧電板との印加電圧の位相関係
を示す波形図である。

【図３】本発明の第二の実施例を示すもので、（ａ）は
底面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】積層圧電素子と各圧電板との印加電圧の位相関
係を示す波形図である。

【図５】積層圧電素子と各圧電板との別の印加電圧の位
相関係を示す波形図である。

【図６】ステータの変形例を示す底面図である。

【図７】ステータの別の変形例を示す底面図ある。

【符号の説明】

１ 振動部材 ２ 振動発生源 ５ａ 振動発生部材 ６ 移動部材 ９ 圧接手段 １１ｃ，１１ｄ 振動部材 １２ａ，１２ｂ 振動発生源 １４ａ，１４ｂ 振動発生部材 １５ 移動部材 １７ 圧接手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動発生源が固定された振動部材と、制
   御手段に接続されて振動を発生する振動発生部材と、こ
   の振動発生部材に積層された移動部材と、前記振動部材
   と前記振動発生部材と前記移動部材とに圧接力を与える
   圧接手段とよりなり、前記振動発生部材を振動させて前
   記移動部材に作用する摩擦力を制御するようにしたこと
   を特徴とするアクチュエータ。
2. 【請求項２】 振動発生源が固定された複数の振動部材
   と、制御手段に接続されて振動を発生する複数の振動発
   生部材と、これらの振動発生部材に積層された移動部材
   と、前記振動部材と前記振動発生部材と前記移動部材と
   に圧接力を与える圧接手段とよりなり、前記振動発生部
   材を各々振動させて前記移動部材に作用する摩擦力を制
   御するようにしたことを特徴とするアクチュエータ。
3. 【請求項３】 振動発生部材の振動周波数を変化させる
   ことにより移動部材に作用する摩擦力を制御する制御手
   段としたことを特徴とする請求項１又は２記載のアクチ
   ュエータ。