JPH09312983A

JPH09312983A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH09312983A
Application number: JP9065707A
Authority: JP
Inventors: Mina Kobayashi; 三奈小林
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1997-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】振動アクチュエータ用の従来の摺動材では、
金属製の場合には摩耗粉の生成が激しく、樹脂製の場合
には真空中または電子ビーム照射下でガスが放出され
る。【解決手段】振動子１２と、振動子１２との間で相対
運動を行う相対運動部材１６とを備える振動アクチュエ
ータ１１において、振動子１２と相対運動部材１６との
接触部に、全芳香族ポリイミドをマトリックスとする樹
脂により構成された摺動材１７ａ、１７ｂを配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動アクチュエー
タに関する。より具体的には、電気機械変換素子により
弾性体を励振し、複数の振動モードを調和的に発生させ
ることにより振動子の表面に楕円運動を生じさせ、振動
子に加圧接触する相対運動部材との間で相対運動を発生
する振動アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】弾性体に電気機械変換素子を接合し、こ
の電気機械変換素子に交流電圧を印加することにより、
弾性体に縦振動及び屈曲振動を発生させて、弾性体の表
面に楕円運動を発生させる振動アクチュエータが知られ
ている。このような振動アクチュエータとしては、「光
ピックアップ移動を目的とした圧電リニア・モータ」
（富川義朗氏他：第５回電磁力関連のダイナミックスシ
ンポジウム講演論文集第３９３頁〜第３９８頁）によ
り、振動アクチュエータの構成及び負荷特性が詳細に説
明されている。

【０００３】図６は、このような振動アクチュエータ１
の構成を示す説明図である。図６（ａ）は上面図、図６
（ｂ）は正面図、図６（ｃ）は底面図、図６（ｄ）は右
側面図である。この振動アクチュエータ１は、矩形平板
状であって、一方の平面に突起状に駆動力取出部２ａ、
２ｂが形成された弾性体２を有する。また、駆動力取出
部２ａ、２ｂを介して図示しない加圧機構により弾性体
１に加圧接触する相対運動部材３とを有する。駆動力取
出部２ａ、２ｂは、後述するように、弾性体２に発生す
る４次の屈曲振動の腹となる部分の２か所に形成され
る。

【０００４】弾性体２の他方の平面には、矩形薄板状の
電気機械変換素子である圧電体４が接着される。圧電体
４の表面には、互いに独立し、電気的に絶縁された状態
で電極５ａ、５ｂ、５ｐ、５ｐ’が装着される。電極５
ａ、５ｂには、互いに電気的に位相が９０°異なる交流
電圧が印加される。なお、電極５ｐ、５ｐ’は、弾性体
２に発生する振動状態を検出するための電極である。こ
れらの電極５ａ、５ｂ、５ｐ、５ｐ’には、図示しない
リード線がはんだ付けされており、各リード線は、同じ
く図示しない制御回路に接続される。

【０００５】電極５ａ、５ｂにそれぞれ駆動信号である
交流電圧を印加することにより、弾性体２に１次の縦振
動及び４次の屈曲振動が調和的に発生し、駆動力取出部
２ａ、２ｂの先端部に楕円運動が発生する。発生した楕
円運動により、駆動力取出部２ａ、２ｂを介して弾性体
２に加圧接触する相対運動部材３が、弾性体に対して相
対運動を行う。この相対運動を外部に取り出して推力と
して利用する。

【０００６】このような振動アクチュエータ１では、１
次の縦振動及び４次の屈曲振動それぞれの固有振動数
は、互いに非常に近い値又は同じ値となるように設計さ
れる。そのため、電極５ａ、５ｂそれぞれに、２つの固
有振動数に近い周波数の交流電圧を印加することによ
り、１次の縦振動及び４次の屈曲振動を調和的に発生さ
せることができる。

【０００７】突起状に形成された駆動力取出部２ａ、２
ｂの端面には、相対運動部材３との摺動抵抗を低減する
ための摺動材６ａ、６ｂが貼り付けられる。この摺動材
６ａ、６ｂとしては、これまで、樹脂材や金属材等から
なる摺動材が適宜選択されて使用されてきた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この振動ア
クチュエータ１は、磁界を利用しないために電磁誘導に
よる誘導障害のおそれがないという特徴を有する。しか
し、真空中で長時間駆動することができなかった。その
原因は、金属材からなる摺動材６ａ、６ｂを使用する
と、相対運動部材３との摺動によって生じる摩耗粉の生
成が激しくなり、一方、樹脂材からなる摺動材６ａ、６
ｂを使用すると、ガスを放出するためである。

【０００９】振動アクチュエータ１は、本質的に、弾性
体２に貼付した摺動材６ａ、６ｂと相対運動部材３との
間の摩擦駆動によって動作する。そして、得られる駆動
力は、弾性体２と相対運動部材３との間における加圧力
Ｗ及び摩擦係数μとの積（μ×Ｗ）に依存する。加圧力
Ｗを大きくすることにより駆動力（μ×Ｗ）を上げるこ
とは可能であるが、加圧力Ｗが大き過ぎると、弾性体２
に発生する伸縮振動を抑制してしまい反対に駆動力を低
下させてしまう。

【００１０】一方、摺動材６ａ、６ｂの摩擦係数μを高
くすれば駆動力（μ×Ｗ）を上げることは可能である。
しかし、摺動材６ａ、６ｂの耐摩耗性が大きい場合に
は、弾性体２が所定の弾性率を有する材料（例えば、鉄
系、ステンレス鋼、アルミニウム合金等）により構成さ
れた弾性体２や相対運動部材３の摺動面を摩滅させてし
まう。これにより、駆動初期の段階での駆動制御が極め
て難しくなる。また、摩耗粉の発生が問題とならない環
境においてのみしか使用することができなくなってしま
う。

【００１１】さらに、弾性体２や相対運動部材３の摺動
面の摩滅によって摺動面に生じる凹凸が、摺動材６ａ、
６ｂの摩耗に拍車をかけるという問題もあり、振動アク
チュエータ１の寿命をより低下させてしまう。

【００１２】本発明は、前記課題を解決し、摩耗の少な
い安定した振動アクチュエータを提供することを目的と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述した
課題を解決するために鋭意研究した結果、振動子と相対
運動部材との間に、芳香族ポリイミドをマトリックスと
する樹脂からなる摺動材を介在させることにより、極め
て摩耗が少なく、安定して駆動することができる振動ア
クチュエータが得られることを見出し、本発明を完成し
た。また、本発明によれば、真空中出の駆動も可能で、
さらに駆動初期の動作も安定する。

【００１４】請求項１記載の発明では、振動子と、該振
動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、前記振動
子と前記相対運動部材との接触部に配置され、全芳香族
ポリイミドをマトリックスとする樹脂により構成される
摺動材とにより振動アクチュエータを構成した。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１に記載さ
れた振動アクチュエータにおいて、前記樹脂がグラファ
イト及びフッ素樹脂の少なくとも一方を含むことを特徴
とする。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項１に記載さ
れた振動アクチュエータにおいて、前記グラファイトの
含有量が、１０重量％以上４０重量％以下であるととも
に、前記フッ素樹脂の含有量が、１０重量％以上２０重
量％以下であることを特徴とする。

【００１７】請求項４記載の発明は、請求項１から請求
項３までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記摺動材を、前記振動子及び前記相対運
動部材のそれぞれの接触部のいずれか一方に装着したこ
とを特徴とする。

【００１８】請求項５記載の発明は、請求項１から請求
項４までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記相対運動部材または前記振動子は、前
記摺動材と接触してこの摺動材との間で相対運動する部
分の中心線平均粗さが、前記振動子に発生する振動の振
幅よりも小さいことを特徴とする。

【００１９】請求項６記載の発明は、請求項５に記載さ
れた振動アクチュエータにおいて、前記中心線平均粗さ
は、前記摺動材との接触部を形成する面内における各方
向に応じてそれぞれ異なる値を有し、前記中心線平均粗
さが最大となる方向に関する値が０．１μｍ以上０．９
μｍ以下であることを特徴とする。

【００２０】請求項７記載の発明は、請求項１から請求
項６までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記振動子は直方体状に形成されて、縦振
動と屈曲振動とを発生させるとともに、前記摺動材は、
前記振動子のうちの前記屈曲振動の腹の位置に設けられ
ていることを特徴とする。

【００２１】請求項８記載の発明は、請求項１から請求
項６までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記振動子は略円柱状に形成されて、縦振
動とねじり振動とを発生させるとともに、前記摺動材
は、前記振動子および前記相対運動部材のそれぞれの接
触部のうちのいずれか一方に装着されることを特徴とす
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明の実施形態を添付図面を
参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実施形態
の説明は、振動アクチュエータとして超音波の振動域を
利用する超音波アクチュエータを例にとって行う。

【００２３】図１は、本発明にかかる振動アクチュエー
タの第１実施形態を示す説明図である。図１（Ａ）は、
超音波アクチュエータ１１を示す平面図、図１（Ｂ）は
正面図、図１（Ｃ）は底面図、図１（Ｄ）は側面図であ
る。本実施形態の超音波アクチュエータ１１は、直方体
状（ここでは矩形平板状）であって、一方の平面に突起
状に駆動力取出部１２ａ、１２ｂを有する弾性体１２
と、弾性体１２の他方の平面に接着されて装着される電
気機械変換素子である圧電体１３とを有する。弾性体１
２と圧電体１３とにより振動子１４が構成される。本実
施形態では、弾性体１２は、ステンレス鋼、アルミニウ
ム合金等の金属材料やプラスチック材料等の弾性材料に
より形成される。

【００２４】弾性体１２の一方の平面であって、後述す
る屈曲振動の腹になる位置には、弾性体１２の前記平面
の短辺方向に、駆動力発生部である駆動力取出部１２
ａ、１２ｂが突起状に形成される。本実施形態では、駆
動力取出部１２ａ、１２ｂは突起状に形成したが、突起
状に形成せずに弾性体１２の一方の平面と同一面となる
ように平面状に形成してもよい。

【００２５】弾性体１２の他方の平面には、電気機械変
換素子であるＰＺＴからなる矩形の圧電体１３が接着さ
れている。弾性体１２に貼付された圧電体１３の表面に
は、互いに分離され電気的に独立した状態で、電極１５
ａ、１５ｂ、１５ｐ、１５ｐ’が装着される。電極１５
ａ、１５ｂは、駆動信号を入力するための電極である。
電極１５ｐ、１５ｐ’は、弾性体１２に発生する振動状
態を検出するための電極であり、駆動条件決定後は、使
用しない。これらの電極１５ａ、１５ｂ、１５ｐ、１５
ｐ’には図示しないリード線が半田付けされており、各
リード線は同じく図示しない制御回路に接続される。

【００２６】電極１５ａ、１５ｂに、互いに電気的に位
相が９０°異なる交流電圧を駆動信号として印加するこ
とにより、弾性体１２に１次の縦振動及び４次の屈曲振
動が調和的に発生し、駆動力取出部１２ａ、１２ｂの先
端部に楕円運動が発生する。発生した楕円運動により、
駆動力取出部１２ａ、１２ｂを介して弾性体１２に加圧
接触する相対運動部材１６が、弾性体１２に対して相対
運動する。この相対運動を、適宜手段により外部に取り
出して、推力として利用する。

【００２７】この振動アクチュエータ１１では、１次の
縦振動及び４次の屈曲振動それぞれの固有振動数は、互
いに非常に近い値又は同じ値となるように設計される。
そのため、電極１５ａ、１５ｂそれぞれに、２つの固有
振動数に近い周波数の交流電圧を印加することにより、
１次の縦振動及び４次の屈曲振動を調和的に発生させる
ことができる。なお、図示していないが、本実施形態で
は、弾性体１２は、その長手方向中央部を図示しない加
圧機構により相対運動部材１６側へ向けて適切な加圧力
で加圧されている。さらに、本実施形態では、突起状に
形成された駆動力取出部１２ａ、１２ｂの端面のうちの
長手方向の両端部側には、相対運動部材１６との摺動抵
抗を低減するため、矩形で薄板状の摺動材１７ａ、１７
ｂ、１７ｃ、１７ｄが、例えばエポキシ系接着剤により
貼付されている。

【００２８】本実施形態における超音波アクチュエータ
１１では、摺動材１７ａ〜１７ｄが、全芳香族ポリイミ
ドをマトリックスとする樹脂により構成されている。そ
のため、摺動材１７ａ〜１７ｄは、適度な硬度及び耐摩
耗性を備えるようになる。そして、真空中での駆動に耐
え、摩擦面に生じる傷を防止できる。また、摩耗粉の発
生量が少なく、寿命の長い安定した特性を発揮する超音
波アクチュエータ１１が提供される。

【００２９】また、本実施形態の超音波アクチュエータ
１１で用いる摺動材１７ａ〜１７ｄは、グラファイト及
びポリテトラフルオロエチレンの双方を含有する。その
ため、以下に列記する効果が奏せられる。（Ａ）グラファイトを添加することにより、初期摩耗
を軽減させることができる。（Ｂ）ポリテトラフルオロエチレンを添加することに
より、耐摩耗性を向上させることができ、摩耗を減少さ
せることができる。（Ｃ）グラファイトやポリテトラフルオロエチレンを
添加することにより、吸水率を減少させることができ、
摺動材の形状や性質の変化を最小限に抑制し、駆動が安
定する。（Ｄ）グラファイトやポリテトラフルオロエチレンを
添加することにより、表面硬度を適度に減少させること
ができる。そのために、貼付される振動子又は相対運動
部材への摺動材の追尾能力が向上し、駆動力の伝達・耐
摩耗性が向上する。

【００３０】これらの効果は、グラファイトの含有量が
１０重量％以上４０重量％以下の範囲において、ポリテ
トラフルオロエチレンの含有量が１０重量％以上２０重
量％以下の範囲において、特に顕著である。

【００３１】このように、本実施形態の超音波アクチュ
エータ１１では、グラファイト及びポリテトラフルオロ
エチレンをともに含有する全芳香族ポリイミドをマトリ
ックスとする樹脂により摺動材を構成したため、真空中
での駆動が可能となった。また、駆動力が大きくなっ
た。さらに、摩耗量が少なくなり寿命を延ばすことがで
きた。特に、全芳香族ポリイミドを用いたために、化学
的に非常に安定であり、長時間でも極めて安定的に駆動
することが可能である。

【００３２】（第２実施形態）以下、第２実施形態の振
動アクチュエータを、添付図面を参照しながら説明す
る。なお、第２実施形態の超音波アクチュエータの説明
は、第１実施形態と相違する部分についてだけ行い、同
一の部分については同一の図中符号を付すことにより、
重複する説明を省略する。図２〜図５は、それぞれ、本
発明にかかる振動アクチュエータの第１実施形態の変更
例を示す説明図である。図２（ａ）、図３（ａ）、図４
（ａ）は、各変更例の平面図である。図２（ｂ）、図３
（ｂ）、図４（ｂ）及び図５（ａ）は、各変更例の正面
図である。図２（ｃ）、図３（ｃ）、図４（ｃ）は、各
変更例の底面図である。図２（ｄ）、図３（ｄ）、図４
（ｄ）、図５（ｂ）及び図５（ｃ）は各変更例の側面図
である。

【００３３】第１実施形態の超音波アクチュエータ１１
では、突起状に形成された駆動力取出部１２ａ、１２ｂ
の端面のうちの長手方向の両端部側に、矩形薄板状の摺
動材１７ａ〜１７ｄを装着したが、図２〜図５の構成
は、この摺動材を装着する態様を変更した例である。

【００３４】すなわち、図２に示す超音波アクチュエー
タ１１−１では、駆動力取出部１２ａ、１２ｂの端面の
うちの中央部に摺動材１８ａ、１８ｂを貼付する。図３
に示す超音波アクチュエータ１１−２では、駆動力取出
部１２ａ、１２ｂを突起状には形成せずに平面とし、弾
性体１２の短辺方向中央部に直接、摺動材１９ａ、１９
ｂを貼付する。図４に示す超音波アクチュエータ１１−
３では、駆動力取出部１２ａ、１２ｂを突起状には形成
せずに平面とし、弾性体１２の短辺方向の両端部に直
接、摺動材２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを貼付す
る。さらに、図５に示す超音波アクチュエータ１１−４
では、駆動力取出部２１ａ、２１ｂと摺動材２１とを一
体的に形成してある。図５（ｂ）に示すように、駆動力
取出部２１ａ〜２１ｄは、弾性体１２の短辺方向の中央
部に設置してもよいし、図５（ｃ）に示すように両端部
側２か所に設置することも可能である。これらの変更例
は、超音波アクチュエータに求めるトルク等の性能、設
置環境、相対運動部材の形状さらには設置スペース等に
応じて適宜選択して、用いることができる。

【００３５】（第３実施形態）図７は、第３実施形態の
超音波アクチュエータ３１の構成を示す斜視図である。
図８は、図７の側面の拡大図である。本実施形態で用い
る超音波アクチュエータ３１は、円環型（リング型）の
振動子を有する進行波型超音波アクチュエータである。
この超音波アクチュエータ３１は、端面の円周方向に櫛
歯状に多数の突起３２ａが設けられた円環状の振動子３
２と、突起３２ａの端面を介して振動子３２に加圧接触
する円環状の相対運動部材３３とを備える。

【００３６】振動子３２は、金属等の弾性材料により円
環状に形成される。この振動子の一方の平面には、断面
が矩形の溝部３２ｂが多数設けられている。そして、こ
れらの溝部３２ｂによって区切られることにより、断面
矩形の突起部３２ａが多数形成される。この突起部３２
ａは、突起部３２ａの端面に発生される楕円運動の振幅
を大きくして駆動効率の向上を図る機能を有する。ま
た、相対運動部材３３との接触により発生する摩耗粉を
溝部３２ｂ内に落とし込むことにより、接触面に摩耗粉
を存在させないようにしている。

【００３７】振動子３２の突起部３２ａが形成された面
と反対側の面には、電気機械変換素子である圧電体３４
が貼り付けられている。圧電体３４は、振動子３２の周
方向について、例えば２０°ピッチで多数に分割されて
いる。そして、互いに隣接する圧電体同士が逆向きにポ
ーリング（永久分極）されている。

【００３８】一方の向きにポーリングされている圧電体
３４ａ群にフレキシブル基板３６を介して正弦波電圧Ａ
を印加するとともに、他方の向きにポーリングされてい
る圧電体３４ｂ群にフレキシブル基板３６を介して正弦
波電圧Ａとは位相が９０°異なる正弦波電圧Ｂを印加す
ると、振動子３２の突起部３２ａ形成面には、一方向に
伝搬する進行波が発生する。

【００３９】本実施形態では、相対運動部材３３におけ
る弾性体３２との接触面に、第１実施形態と同様に全芳
香族ポリイミドをマトリックスとする樹脂により構成さ
れる円環状の摺動材３５が装着される。圧電体群３４ａ
及び圧電体群３４ｂに駆動電圧を印加することにより振
動子３２に発生する進行波は、摺動材３５を介して相対
運動部材３３に伝搬される。これにより、振動子３２と
相対運動部材３３との間に相対運動が発生する。なお、
本実施形態では、弾性体３２は、圧電体３４が装着され
た面側を、円環状の支持体３８により固定・支持され
る。圧電体３４と支持体３８との間には、円環状の振動
吸収材３７が配置されている。本実施形態の超音波アク
チュエータ３１においても、摺動材３５を、全芳香族ポ
リイミドをマトリックスとする樹脂により構成している
ため、第１実施形態と全く同様の効果が得られる。

【００４０】（第４実施形態）図９は、第４実施形態の
超音波アクチュエータ４１の構成を示す縦断面図であ
る。本実施形態の超音波アクチュエータ４１は、ねじり
振動と縦振動を発生する振動子４２を有する。図９に示
すように、超音波アクチュエータ４１は、円筒状の振動
子４２と、この振動子４２に接触する相対運動部材であ
る円筒状の移動子４３とを有する。さらに、振動子４２
を固定するとともに移動子４３を回転自在に支持する固
定軸４４と、移動子４３を振動子４２に向けて加圧する
加圧機構４５と備える。以下、これらの構成要素を順次
説明する。

【００４１】固定軸４４は棒状の軸であり、一端は固定
面４６に固定される。固定軸４４の中間部には、後述す
る締付け用ボルト５０ａ〜５０ｄが貫通するための貫通
孔４４ａ〜４４ｄが、固定軸４４の中心軸と直交する方
向に形成される。また、固定軸４４の他端にはねじ部４
４ｅが形成される。

【００４２】振動子４２は、固定軸４４を収容し得る中
空部を有する。また、振動子４２は、弾性材料からなる
円筒体を、中心軸を含む平面で縦に２分割することによ
り得られる半円筒体４７ａ、４７ｂを、再び円筒形状に
組み合わせた弾性体４７と、半円筒体４７ａ、４７ｂの
分割面に挟持される電気機械変換素子である圧電体（図
示しない）とにより構成される。

【００４３】弾性体４７の側面には、環状に溝部が形成
されることにより、小径部４８ａ、４８ｂ、４８ｃが形
成されている。そして、これらの小径部４８ａ〜４８ｃ
に区切られることにより、大径部４８Ａ、４８Ｂ、４８
Ｃ、４８Ｄが形成される。小径部４８ａ〜４８ｃは、弾
性体４７に発生する縦振動及びねじり振動それぞれの共
振周波数を一致またはほぼ一致させるために形成され
る。さらに、大径部４８Ａ〜４８Ｄそれぞれの弾性体中
心軸方向略中央部には、貫通孔４９ａ〜４９ｄが形成さ
れる。

【００４４】振動子４２の組立ては、例えば、以下のよ
うに行われる。まず、固定軸４４を中空部に収容した状
態で半円筒体４７ａ、４７ｂを組み合わる。そして、半
円筒体４７ａ、４７ｂの２つの接触面に、後述する配置
で圧電体を装着する。この後、締付け用ボルト５０ａ〜
５０ｄそれぞれを、貫通孔４９ａ〜４９ｄ及び貫通孔４
４ａ〜４４ｄを貫通させ、ナット５１ａ〜５１ｄをネジ
止めする。

【００４５】弾性体４７の小径部４８ｂ及び固定軸４４
には、支持用ピン５２が貫通するための貫通孔９０が設
けられている。この貫通孔９０に支持用ピン５２を貫通
させることで、弾性体４７が固定軸４４に固定・保持さ
れる。

【００４６】圧電体は、半円筒体４７ａ、４７ｂの２つ
の分割面に装着される。圧電体は、弾性体に、軸方向に
関するねじり振動を発生するためのねじり振動発生用圧
電体と、軸方向へ伸縮する縦振動を発生するための縦振
動発生用圧電体との２種類に大別される。ねじり振動発
生用圧電体は、弾性体の軸方向の両端面側の２か所（発
生するねじり振動の節位置）に配置される。縦振動発生
用圧電体は、弾性体軸方向の中央部の１か所（発生する
縦振動の節位置）に配置される。ねじり振動発生用圧電
体は、弾性体の軸方向に関する剪断変位を発生する圧電
体であり、２つの分割面で互いに逆方向に変位するよう
に配置される。一方、縦振動発生用圧電体は、弾性体軸
方向についての変位を発生する圧電体であり、互いに同
方向に変位するように配置される。

【００４７】ねじり振動発生用圧電体に正弦波電圧Ａを
印加するとともに、縦振動発生用圧電体に正弦波電圧Ａ
とは位相が９０°異なる正弦波電圧Ｂを印加すると、二
つの振動は同時に発生し（縮退）、振動子の駆動面Ｄに
はこれらの振動の合成である楕円運動が発生する。

【００４８】相対運動部材である移動子４３は、円筒状
の部材である。そして、一方の端面の内周部には環状の
溝部４３ａが形成されており、この溝部４３ａにボール
ベアリング５３が嵌め込まれて固定される。

【００４９】移動子４３の他方の端面には、環状の摺動
材５４が接着により装着される。この摺動材５４は、前
述した第１実施形態〜第３実施形態と全く同様に、全芳
香族ポリイミドをマトリックスとする樹脂により構成さ
れる。移動子４３は、固定軸４４にボールベアリング５
３を介して装着されており、固定軸４４に対して回動自
在に支持される。このようにして、移動子４３の他方の
平面に接着された摺動材５４が振動子４２の駆動面Ｄに
接触する。

【００５０】ボールベアリング５３における、振動子４
２と反対側の面には、移動子４３を振動子４２に向けて
加圧する加圧機構４５が設置される。この加圧機構４５
は、固定軸４４に装着された、外向きのフランジを有
し、円柱状に形成された加圧力伝達部材５５と、加圧力
伝達部材５５の端部側に装着される加圧用バネ５６と、
固定軸４４のネジ部４４ｅにネジ止めされた加圧用ナッ
ト５７とにより構成される。ボールベアリング５３は弾
性体４７側へ向けて加圧され、これにより、移動子４３
が弾性体４７に加圧接触する。本実施形態の振動アクチ
ュエータ４１は、以上のように構成される。

【００５１】ここで、ねじり振動発生用圧電体に正弦波
電圧Ａを印加するとともに、縦振動発生用圧電体に正弦
波電圧Ｂを印加すると、二つの振動は同時に発生し（縮
退）、振動子の駆動面Ｄにはこれらの振動の合成である
楕円運動が発生する。発生した楕円運動により、振動子
の駆動面Ｄに加圧接触した移動子４３が一方向に回転駆
動される。

【００５２】本実施形態では、移動子４３の振動子４２
との接触面には、全芳香族ポリイミドをマトリックスと
する樹脂により構成した摺動材５４が装着されている。
そのため、第１実施形態〜第３実施形態と全く同様の効
果を得ることができる。

【００５３】（変形形態）以上の各実施形態では、リニ
ア駆動型の超音波アクチュエータ（第１実施形態及び第
２実施形態）、円環型の超音波アクチュエータ（第３実
施形態）および回転型の超音波アクチュエータ（第４実
施形態）について説明した。しかし、本発明の振動アク
チュエータは、このような態様に限定されるものではな
い。振動子と相対運動部材との間で摺動を行う他の形式
の振動アクチュエータにおいても、等しく適用すること
ができる。

【００５４】各実施形態では、超音波の振動波を利用す
る超音波アクチュエータを例にとったが、他の振動域の
振動アクチュエータについても等しく適用することがで
きる。また、電気機械変換素子として圧電体を用いた
が、電気エネルギーを機械的変位に変換することができ
るものであればよい。例えば、電歪素子を用いてもよ
い。さらに、ねじり振動体の振動によって相対運動部材
を駆動する型の振動アクチュエータ等についても等しく
適用することができる。

【００５５】

【実施例】さらに、本発明を実験データとともに詳細に
説明する。（実施例１）グラファイトを１５重量％含有する全芳香
族ポリイミド樹脂（商品名：ベスペルＳＰ−２１：デュ
ポン（株））により、図１に示す形状の摺動材１７ａ〜
１７ｄを製作した。これらの摺動材１７ａ〜１７ｄを、
ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０４）から図１に示す形状に
作製した弾性体１２の駆動力取出部１２ａ、１２ｂに、
エポキシ系接着剤により接着した。このようにして製造
された超音波アクチュエータ１１の圧電体１３に駆動電
圧を印加することにより、弾性体１２に振動を発生さ
せ、相対運動部材である駆動面１６上において駆動した
ところ、以下に列記する（１）〜（５）の結果を確認し
た。なお、相対運動部材と摺動材の接触面は、各方向に
対してそれぞれ異なる値の中心線平均粗さを有する。そ
して、本実施例の場合、前記中心線平均粗さが最大とな
る方向に関する値は、０．１μｍ以上０．９μｍ以下の
範囲に設定した。また、弾性体１２に発生する楕円振動
の振幅は２μｍである。このように、本実施例では、摺
動材１７ａ〜１７ｄが接触する相対運動部材１６の接触
面の中心線平均粗さは、楕円振動の振幅よりも小さくな
る。

【００５６】（１）弾性体１２の形状が変化しないこ
と。（２）超音波アクチュエータ１１の駆動時に、駆動力
取出部１２ａ、１２ｂの端面が摩擦することにより発生
する摩耗量が極めて少なく、長時間安定的に出力トルク
等の性能を維持できること。（３）振動子１４と相対運動部材１６とが加圧接触す
ることにより発生するトルクが大きいこと。（４）超音波アクチュエータ１１の駆動時に騒音が発
生し難いこと。（５）超音波アクチュエータ１１の駆動が安定してい
ること。以上の結果から、本実施例の超音波アクチュエータ１１
は、超音波アクチュエータに要求される諸特性を満足し
ており、十分に実用に供することができるものであるこ
とがわかる。

【００５７】（実施例２）ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０
４）により、図１に示す形状の弾性体１２を製作した。
この弾性体１２の駆動力取出部１２ａ、１２ｂの端面
に、以下に列記する材料〜により所定の形状に作成
した摺動材１７ａ〜１７ｄを、エポキシ系接着剤により
接着した。（本発明例）グラファイトを１５重量％含有する全芳香族ポリイ
ミド樹脂（商品名：ベスペルＳＰ−２１：デュポン
（株））（比較例）ポリエーテルエーテルケトン１００重量％（商品
名：ＶＩＣＴＲＥＸ４５０Ｇ住友化学（株））ポリフェニレンエーテル８０重量％＋ガラス繊維２
０重量％（商品名：ザイロンＸ５４０２旭化成
（株））ポリエーテルスルホン１００重量％（商品名：スミ
カエクセル４１００Ｇ住友化学（株））

【００５８】このようにして得られた４種の超音波アク
チュエータの圧電体１３に駆動電圧を印加することによ
り、弾性体１２に振動を発生させてステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ３０４）からなる相対運動部材１６上において駆動さ
せた。そして、駆動開始直後及び駆動開始から１０時間
経過したときにおける動摩擦係数、摩耗痕（摩擦面に生
じた傷）の深さの平均値及び駆動後におけるモータ効率
をそれぞれ測定した。以下に試験条件を列記する。

【００５９】［試験条件］相手材：ＳＵＳ３０４面圧（加圧力）：３０ｇｆ／ｍｍ² 試験時間：１０時間結果を表１〜表３にまとめて示す。

【００６０】

【表１】

【００６１】

【表２】

【００６２】

【表３】

【００６３】表１から、本発明例は、比較例〜に
対して、動摩擦係数の増加率が小さく、極めて安定した
性能を発揮することがわかる。表２から、本発明例
は、比較例〜に対して、１０時間経過後の摩耗痕の
深さが小さく、極めて優れた耐摩耗性を有することがわ
かる。さらに、表３から、本発明例は、比較例〜
に対して、１０時間経過後のモータ効率が高く、優れた
性能を奏することがわかる。

【００６４】なお、グラファイトを１５重量％以上４０
重量％以下、ポリテトラフルオロエチレンを１０重量％
以上１５重量％以下含有する範囲について、全く同様の
確認実験を行ったところ、表１〜表３の試料と略同等
の実験結果が得られた。

【００６５】（実施例３）ＳＵＳ３０４により図１に示
す形状の弾性体１１２を作成した。また、以下に列記す
る３種の材料からなり、厚さが０．１２μｍの摺動材１
７ａ〜１７ｄを製作した。そして、これらの超音波アク
チュエータを走査型電子顕微鏡中で駆動した。全芳香族ポリイミド樹脂＋グラファイト１５重量％無電解Ｎｉ−ＰメッキＰＥＥＫ（商品名：ＶＩＣＴＲＥＸ４５０Ｇ住友
化学工業（株））

【００６６】一方、相対運動部材１６を、（Ａ）ＳＵＳ
３０４、（Ｂ）硫酸アルマイト、（Ｃ）ＳＵＳ３０４の
３種により構成した。これらの超音波アクチュエータを
６０分間連続して駆動させ、駆動前後における振動子の
重量（弾性体重量＋摩擦材重量）を調査した。結果を表
４にまとめて示す。

【００６７】

【表４】

【００６８】表４に示すように、摺動材を全芳香族ポリ
イミド樹脂＋グラファイトにより構成すると、化学的結
合が安定で重量損失が微量であるために、超音波アクチ
ュエータを真空中かつ電子ビーム照射下で使用すること
ができる。また、摩耗粉の排出も微小である。

【００６９】このように、本実施例によれば、真空中で
の使用が可能であり、極めて摩耗が少ない安定した超音
波アクチュエータを提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る振動アクチュエータの第１実施形
態を示す説明図である。図１（Ａ）は平面図、図１
（Ｂ）は正面図及び側面図、図１（Ｃ）は下面図であ
る。

【図２】本発明に係る振動アクチュエータの第１実施形
態の変更例を示す説明図である。図２（ａ）は変更例の
平面図、図２（ｂ）は変更例の正面図、図２（ｃ）は変
更例の底面図、図２（ｄ）は変更例の側面図である。

【図３】本発明に係る振動アクチュエータの第１実施形
態の変更例を示す説明図である。図３（ａ）は変更例の
平面図、図３（ｂ）は変更例の正面図、図３（ｃ）は変
更例の底面図、図３（ｄ）は変更例の側面図である。

【図４】本発明に係る振動アクチュエータの第１実施形
態の変更例を示す説明図である。図４（ａ）は変更例の
平面図、図４（ｂ）は変更例の正面図、図４（ｃ）は変
更例の底面図、図４（ｄ）は変更例の側面図である。

【図５】本発明に係る振動アクチュエータの第１実施例
の変更例を示す説明図である。図５（ａ）は変更例の正
面図、図５（ｂ）は変更例の側面図である。

【図６】従来の振動アクチュエータの構成を示す説明図
である。図６（Ａ）は上面図、図６（Ｂ）は正面図、図
６（Ｃ）は底面図、図６（Ｄ）は右側面図である。

【図７】第３実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す斜視図である。

【図８】第３実施形態の超音波アクチュエータの側面を
示す拡大図である。

【図９】第４実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す縦断面図である。

【符号の説明】

１１超音波アクチュエータ１２弾性体１２ａ、１２ｂ駆動力取出部１３圧電体１４振動子１５ａ〜１５ｄ電極１６相対運動部材１７ａ〜１７ｄ摺動材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子と、該振動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、前記振動子と前記相対運動部材との接触部に配置され、
全芳香族ポリイミドをマトリックスとする樹脂により構
成された摺動材とを有することを特徴とする振動アクチ
ュエータ。
【請求項２】請求項１に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記樹脂は、フッ素樹脂及びグラファイトの少なくとも
一方を含むことを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】請求項２に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記樹脂は、１０重量％以上４０重量％以下のグラファ
イトと、１０重量％以上２０重量％以下のフッ素樹脂を
含むことを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項４】請求項１から請求項３までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記摺動材は、前記振動子及び前記相対運動部材のそれ
ぞれの接触部のいずれか一方に装着されることを特徴と
する振動アクチュエータ。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記相対運動部材または前記振動子は、前記摺動材と接
触してこの摺動材との間で相対運動する部分の中心線平
均粗さが、前記振動子に発生する振動の振幅よりも小さ
いことを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項６】請求項５に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記中心線平均粗さは、前記摺動材との接触部を形成す
る面内における各方向に応じてそれぞれ異なる値を有
し、前記中心線平均粗さが最大となる方向に関する値が
０．１μｍ以上０．９μｍ以下であることを特徴とする
振動アクチュエータ。
【請求項７】請求項１から請求項６までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記振動子は、直方体状に形成され、縦振動と屈曲振動
とを発生させるとともに、前記摺動材は、前記振動子のうちの前記屈曲振動の腹の
位置に設けられていることを特徴とする振動アクチュエ
ータ。
【請求項８】請求項１から請求項６までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記振動子は、略円柱状に形成され、縦振動とねじり振
動とを発生させるとともに、前記摺動材は、前記振動子および前記相対運動部材のそ
れぞれの接触部のうちのいずれか一方に装着されること
を特徴とする振動アクチュエータ。