JPH09331686A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の振動アクチュエータでは、弾性体に貼
付された摩擦材と相対運動部材との間に滑りが発生し、
滑り音が発生したり、駆動効率が低下する。 【解決手段】 圧電体（電気機械変換素子）４ａ，４ｂ
を装着されて縦振動及び屈曲振動を発生されるととも
に、駆動力取出部２ａ，２ｂを有する直方体状の弾性体
２と，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とを備える振動アクチュエータ
１１であって、駆動力取出部２ａ，２ｂの相対運動部材
３との接触面には、弾性体２における短辺方向の中心部
に、摩擦材５ａ−１，５ｂ−１が装着される。

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
タに関し、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、縦振動及び屈曲振動を調和的に発生させ
ることにより弾性体の表面に楕円運動を生じさせ、弾性
体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】弾性体に少なくとも２つの電気機械変換
素子を接合し、これらの電気機械変換素子にそれぞれ駆
動信号である交流電圧を印加することにより、弾性体に
縦振動及び屈曲振動を調和的に発生させて、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。

【０００３】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
シンポジウム講演論文集，第３９３頁〜第３９８頁）に
より、その構成及び負荷特性が詳細に説明されている。

【０００４】図８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って、図８（ａ）は上面図，図
８（ｂ）は正面図，図８（ｃ）は右側面図，図８（ｄ）
は底面図である。

【０００５】この振動アクチュエータ１は、直方体状で
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（ステンレス鋼，アルミ合金等の金
属材料又はプラスチック材料等の弾性材料により構成さ
れる。）と、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とにより構成される。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
位置の２か所に形成される。

【０００６】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４ａ，４ｂ，４ｐ，４
ｐ’が装着される。

【０００７】圧電体４ａ及び４ｂは、いずれも、屈曲振
動及び縦振動を発生するための駆動用圧電体である。圧
電体４ａ，４ｂには電気的に位相が９０°異なる交流電
圧が印加される。なお、圧電体４ｐ，４ｐ’は、弾性体
２に発生する振動状態を検出するための機械電気変換素
子である圧電体である。これらの圧電体４ａ，４ｂ，４
ｐ，４ｐ’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。

【０００８】圧電体４ａ，４ｂにそれぞれ図示しない駆
動電圧発生装置から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を介して
弾性体２に加圧接触する相対運動部材３に対して相対運
動を生じる。この相対運動を外部に取り出して推力とし
て利用する。

【０００９】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になるように設計さ
れる。そのため、圧電体４ａ，４ｂ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。

【００１０】ここで、突起状に形成された駆動力取出部
２ａ，２ｂの端面は、弾性体２との摺動面であるため、
その全面に、相対運動部材３との摺動抵抗を低減するた
めの摩擦材５ａ，５ｂが貼付される。この摩擦材５ａ，
５ｂは、これまで、プラスチック材を接着したり、金属
メッキや無機材の溶射等を行うこと等により形成されて
きた。なお、図８（ｃ）においては、摩擦材５ａ，５ｂ
は一部を破断した状態で示す。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図８（ａ）〜
図８（ｄ）に示す振動アクチュエータ１では、細心の注
意を払って摩擦材５ａ，５ｂの材質を最適に選択して装
着しても、駆動の際に、摩擦材５ａ，５ｂと相対運動部
材との間に滑りが発生することがある。

【００１２】そのため、駆動に伴って摩擦材５ａ，５ｂ
から滑り音が発生し、振動アクチュエータ１の特徴の一
つである静粛性が著しく阻害される。このような滑り音
の発生は、振動アクチュエータ１の適用範囲を狭めるも
のであって、重要な解決課題の一つである。

【００１３】また、弾性体２に発生する縦振動及び屈曲
振動のエネルギーは、摩擦材５ａ，５ｂを介して相対運
動部材３に伝達されるため、このような滑りの発生は、
振動アクチュエータ１の駆動効率の低下原因にもなる。

【００１４】さらに、摩擦材５ａ，５ｂは、相対運動部
材３との間の摩擦によって、摩擦粉が発生し、その摩擦
粉が摩擦材に付着して、振動アクチュエータの寿命を短
くするという問題があった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、摩擦材の駆動
力取出部への装着位置を、弾性体の短辺方向の一部とす
ることにより、上述した課題の解決を図るものである。

【００１６】請求項１の発明は、直方体状に形成された
弾性体と、前記弾性体の一方の平面に装着されて前記弾
性体に複数種類の振動を発生させる電気機械変換素子
と、前記弾性体の他方の平面に形成される駆動取出部と
を有する振動子と、前記駆動力取出し部を介して前記弾
性体に加圧された状態で接触する相対運動部材と、前記
駆動力取出部に装着された摩擦部材とを備え、前記摩擦
部材は、前記弾性体における前記他方の平面の短辺方向
に対して部分的に配置されていることを特徴とする振動
アクチュエータである。

【００１７】請求項２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、前記摩擦部材の配置位置
は、前記他方の平面の短辺方向の中心部又は両端部であ
ることを特徴とする振動アクチュエータである。

【００１８】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載された振動アクチュエータにおいて、前記複数の
振動は、屈曲振動を含み、前記駆動力取出部は、前記屈
曲振動の腹の位置付近に形成されることを特徴とする振
動アクチュエータである。

【００１９】請求項４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、前記駆動力取出部は、前記他方の平面と同一平
面上にあることを特徴とする振動アクチュエータであ
る。

【００２０】請求項５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、前記駆動力取出部は、前記他方の平面に対して
突起状に形成されていることを特徴とする振動アクチュ
エータである。

【００２１】請求項６の発明は、請求項１から請求項５
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、前記駆動力取出部は、前記弾性体の相対運動方
向に沿って少なくとも２箇所にあり、前記摩擦部材は、
前記相対運動の際の経路が互いに重ならない位置に設け
られていることを特徴とする振動アクチュエータであ
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、第１実施形態の超音波アクチュエ
ータの構成を示す説明図であって、図１（ａ）は上面
図，図１（ｂ）は正面図，図１（ｃ）は右側面図，図１
（ｄ）は底面図である。

【００２４】本実施形態の超音波アクチュエータ１１
が、図８（ａ）〜図８（ｄ）に示す超音波アクチュエー
タ１と相違するのは、摩擦材５ａ，５ｂの装着位置だけ
である。そのため、その他の共通する部分については、
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。

【００２５】本実施形態の超音波アクチュエータ１１で
は、弾性体２に形成された駆動力取出部２ａ，２ｂにお
ける相対運動部材３との接触面の全面ではなく、弾性体
２の短辺方向の略中心部に、略正方形の平面形状の摩擦
材５ａ−１，５ｂ−１を接着することにより、装着し
た。

【００２６】図２は、弾性体２の短辺方向（駆動力取出
部２ａ，２ｂの長手方向）に関して、駆動力取出部２
ａ，２ｂの端面に発生する楕円運動の振幅の一例を、本
発明者らが解析した結果を示す説明図である。

【００２７】同図に示すように、この振幅は、弾性体２
の短辺方向の両端部側では最大となり、弾性体２の短辺
方向の中央部では最小となる曲線状を呈する。そのた
め、振動アクチュエータ１の駆動時には、摩擦材５ａ，
５ｂと相対運動部材３とは均一に接触せず、弾性体中央
部が強く接触するとともに両端部側で滑りが発生する。

【００２８】本実施形態において、摩擦材５ａ−１，５
ｂ−１の装着位置は、図２からも分かるように、駆動力
取出部２ａ，２ｂに発生する楕円運動の振幅が略一定の
範囲である。したがって、図１に示す超音波アクチュエ
ータ１１によれば、駆動力取出部２ａ，２ｂのうちの振
幅が略一定である範囲だけが相対運動部材３に接触し、
接触部の面圧が略一定となる。

【００２９】そのため、駆動力取出部２ａ，２ｂと相対
運動部材との間の滑りが解消又は著しく低減され駆動に
伴う滑り音が発生しなくなって静音化が図られるととも
に、弾性体２から相対運動部材３への振動伝達効率が向
上して駆動効率が向上する。

【００３０】また、摩擦材５ａ−１，５ｂ−１の装着面
積が減少するため、相対運動部材３との接触面積が低減
されて、摩擦材５ａ−１，５ｂ−１の装着面の寸法精度
を確保するための加工（いわゆる平行出し）を極めて容
易に行うことができる。そのため、弾性体２と相対運動
部材３との加圧状態を均一化でき、弾性体２と相対運動
部材３との接触状態が安定し、超音波アクチュエータ１
１の駆動が安定する。

【００３１】このように、第１実施形態の超音波アクチ
ュエータ１１によれば、弾性体２の短辺方向の位置によ
って振幅が異なる駆動力取出部２ａ，２ｂと相対運動部
材３との間における滑りが解消され、滑り音の発生及び
駆動効率の低下がともに解消される。

【００３２】また、第１実施形態の超音波アクチュエー
タ１１によれば、摩擦材５ａ−１，５ｂ−１の幅を弾性
体２の幅よりも小さくするため、駆動力取出部２ａ，２
ｂの接触面の平面度を容易に確保することができるよう
になる。そのため、駆動力取出部２ａ，２ｂと相対運動
部材３との間における滑りの発生に伴う駆動トルク及び
駆動効率それぞれの低下を抑制することができる。

【００３３】このようにして、本実施形態によれば、滑
り音が発生せずに駆動効率が高い超音波アクチュエータ
１１が提供される。

【００３４】（第２実施形態）以下、第２実施形態の超
音波アクチュエータ１１−１を説明する。なお、以降の
各実施形態の説明では、第１実施形態の超音波アクチュ
エータ１１と相違する部分だけを説明することとし、同
一の部分に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。

【００３５】図３は、第２実施形態の超音波アクチュエ
ータ１１−１の構成を示す説明図であって、図３（ａ）
は上面図，図３（ｂ）は正面図，図３（ｃ）は右側面
図，図３（ｄ）は底面図である。

【００３６】本実施形態の超音波アクチュエータ１１−
１が第１実施形態の超音波アクチュエータ１１と相違す
るのは、摩擦材の装着位置である。すなわち、第１実施
形態では装着しなかった駆動力取出部２ａ，２ｂの両端
部側に、略正方形の形状の摩擦材６ａ〜６ｄを装着す
る。

【００３７】第１実施形態の超音波アクチュエータ１１
に比較すると、振幅の変化量の大きな位置であり、安定
的な接触という観点からは不利であるが、駆動力取出部
２ａ，２ｂの長手方向両端部側に装着するため、加圧に
伴う安定性が著しく向上する。

【００３８】本実施形態によっても、従来の駆動力取出
部２ａ，２ｂ全面に摩擦材を装着する場合に比較すれ
ば、滑り量は大幅に低減され、滑り音の発生及び駆動効
率の低下はともに著しく改善される。

【００３９】（第３実施形態）図４は、第３実施形態の
超音波アクチュエータ１１−２の構成を示す説明図であ
って、図４（ａ）は上面図，図４（ｂ）は正面図，図４
（ｃ）は右側面図，図４（ｄ）は底面図である。

【００４０】本実施形態の超音波アクチュエータ１１−
２は、第１実施形態の超音波アクチュエータ１１におい
て、駆動力取出部２ａ，２ｂを突起状に形成せず、換言
すれば高さが零の駆動力取出部を屈曲振動の腹の位置２
か所に設け、これらの駆動力取出部に摩擦材５ａ−１，
５ｂ−１を装着したものである。

【００４１】第１実施形態と全く同様に、滑り音が発生
せずに駆動効率が高い超音波アクチュエータ１１−２
を、弾性体２の一方に突起状の駆動力取出部を形成する
工数を要することなく、得ることができる。

【００４２】（第４実施形態）図５は、第４実施形態の
超音波アクチュエータ１１−３の構成を示す説明図であ
って、図５（ａ）は上面図，図５（ｂ）は正面図，図５
（ｃ）は右側面図，図５（ｄ）は底面図である。

【００４３】本実施形態の超音波アクチュエータ１１−
３は、第２実施形態の超音波アクチュエータ１１−１に
おいて、駆動力取出部２ａ，２ｂを突起状に形成せず、
換言すれば高さが零の駆動力取出部を屈曲振動の腹の位
置２か所に設け、これらの駆動力取出部に摩擦材６ａ〜
６ｄを装着したものである。

【００４４】第２実施形態と全く同様に、滑り音が発生
せずに駆動効率が高い超音波アクチュエータ１１−３
を、弾性体２の一方に突起状の駆動力取出部を形成する
工数を要することなく、得ることができる。

【００４５】（第５実施形態）図６（ａ）及び図６
（ｂ）は、第５実施形態の超音波アクチュエータ１１−
４の製造工程の一部を示す説明図である。本実施形態の
超音波アクチュエータ１１−４では、駆動力取出部を摩
擦材により一体的に構成したものである。

【００４６】すなわち、図６（ａ）に示すように、駆動
力取出部の形成面２ｃが平面状である弾性体２に対し
て、形成面２ｃの全面に、ポリフロン樹脂シート７をエ
ポキシ系接着剤により接着し、図６（ｂ）に示すよう
に、弾性体２に発生する屈曲振動の腹の位置２か所の部
分だけを残し他の部分を切り落とすことにより、駆動力
取出部を摩擦材７により一体的に構成した。

【００４７】なお、前述した他の部分の切断形態を変更
することにより、図６（ｂ）に示すような超音波アクチ
ュエータ１１−４ａ，１１−４ｂが得られる。本実施形
態によれば、弾性体２への摩擦材７の装着作業が極めて
容易となり、超音波アクチュエータ１１−４の生産性を
改善・向上することができる。

【００４８】（第６実施形態）図７（ａ）〜図７（ｄ）
は、第６実施形態の超音波アクチュエータ１１−５の製
造工程を示す説明図である。

【００４９】本実施形態の超音波アクチュエータ１１−
５の構成は、第１実施形態の超音波アクチュエータ１１
と略同一の構成であるが、駆動力取出部２ａ，２ｂへの
摩擦材８の形成方法が異なる。

【００５０】本実施形態では、図７（ａ）に示す弾性体
２に形成された駆動力取出部２ａ，２ｂの底面に、図７
（ｂ）に示すように、塗料を塗布して弾性体２の短辺方
向両端部に塗膜９を形成し、マスキングを行う。なお、
マスキングは、テープの貼付等により行ってもよい。

【００５１】この後、図７（ｃ）に示すように、マスキ
ングを行った弾性体２に、メッキ又は溶射等の適宜手段
により表面処理（例えば、アルマイト処理）を行って、
摩擦材８ａ，８ｂを薄膜状に形成する。その後に、図７
（ｄ）に示すように、マスキングを除去する。

【００５２】このようにして、極めて簡単に、駆動力取
出部２ａ，２ｂの底面に摩擦材８ａ，８ｂを薄膜状に形
成することができる。

【００５３】（第７実施形態）図９は、本発明による振
動アクチュエータの第７実施形態を示す斜視図である。
本実施形態の超音波アクチュエータ１１−６は、第４実
施形態と同様、弾性体２には突起状の駆動力取出部を形
成していない。第７実施形態においては、弾性体２に発
生する屈曲振動の腹の位置２ヶ所に、２個ずつ計４個の
摩擦材６ｅ−１、６ｅ−２、６ｆ−１、６ｆ−２を装着
したものである。これら４個の摩擦材は、弾性体２の短
辺方向に対して互いにずれた位置に配置されており、相
対運動に際して各摩擦材の経路が重ならない位置関係に
ある。各摩擦材は、円形状に形成されている。また、弾
性体２における各摩擦材の設置位置には、円形状の凹部
２ｅ−１、２ｅ−２、２ｆ−１、２ｆ−２が形成されて
おり、これらの凹部にそれぞれ摩擦材がはめ込まれて接
着により固定されている。

【００５４】本実施形態の構成によれば、摩擦材６ｅ−
１の相対運動時の経路と、摩擦材６ｆ−１の相対運動時
の経路とが重ならない。また、摩擦材６ｅ−２の相対運
動時の経路と、摩擦材６ｆ−２の相対運動時の経路とが
重ならない。そのため、ある１個の摩擦材と相対運動部
材との接触によりその摩擦材の経路上に摩耗粉が発生し
ても、他の摩擦材は別の経路上を移動することになり、
その摩耗粉の影響を受け難くなる。その結果、各摩擦材
と相対運動部材との接触面は摩耗粉の付着が少なくな
り、超音波アクチュエータの寿命が延びるという効果が
得られる。なお、弾性体２に凹部２ｅ−１、２ｅ−２、
２ｆ−１、２ｆ−２を形成せず、摩擦材６ｅ−１、６ｅ
−２、６ｆ−１、６ｆ−２を直接弾性体２に接着しても
よい。

【００５５】（変形形態）以上の各実施形態では、摩擦
材５ａ−１，５ｂ−１の材質は、何ら限定を要するもの
ではなく、耐摩耗性，耐久性，さらには起動トルク値等
の観点から、従来より公知である各種の摩擦材や今後新
たに開発される摩擦材を、適宜選択して用いることがで
きる。

【００５６】また、各実施形態では、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
タを例にとったが、本発明はこのような態様のみに限定
されるものではなく、他の振動域を利用した振動アクチ
ュエータに対しても等しく適用することができる。

【００５７】また、各実施形態では、電気機械変換素子
として圧電素子を用いたが、本発明にかかる振動アクチ
ュエータはこのような態様に限定されるものではなく、
他の電気エネルギーを機械的変位へ変換することができ
るものであれば等しく適用することができる。例えば、
圧電素子以外に電歪素子を例示することができる。

【００５８】さらに、第１実施形態及び第２実施形態で
は、駆動力取出部は弾性体の短辺方向の全面に形成する
とともにこの駆動力取出部の長手方向の一部に摩擦材を
設けることにより、弾性体における短辺方向の一部に摩
擦材が装着されるように構成した。しかし、本発明はこ
のような態様に限定されるものではなく、例えば、弾性
体の短辺方向の一部に駆動力取出部を形成するとともに
この駆動力取出部の全面又は一部に摩擦材を装着するよ
うに構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す説明図であって、図１（ａ）は上面図，図１（ｂ）
は正面図，図１（ｃ）は右側面図，図１（ｄ）は底面図
である。

【図２】弾性体の短辺方向（駆動力取出部の長手方向）
に関して、駆動力取出部の端面に発生する楕円運動の一
例の振幅の解析結果を示す説明図である。

【図３】第２実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す説明図であって、図３（ａ）は上面図，図３（ｂ）
は正面図，図３（ｃ）は右側面図，図３（ｄ）は底面図
である。

【図４】第３実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す説明図であって、図４（ａ）は上面図，図４（ｂ）
は正面図，図４（ｃ）は右側面図，図４（ｄ）は底面図
である。

【図５】第４実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す説明図であって、図５（ａ）は上面図，図５（ｂ）
は正面図，図５（ｃ）は右側面図，図５（ｄ）は底面図
である。

【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第５実施形態の
超音波アクチュエータの製造工程の一部を示す説明図で
ある。

【図７】図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第６実施形態の超
音波アクチュエータの製造工程を示す説明図である。

【図８】従来の振動アクチュエータの構成を示す説明図
であって、図８（ａ）は上面図，図８（ｂ）は正面図，
図８（ｃ）は右側面図，図８（ｄ）は底面図である。

【図９】本発明による振動アクチュエータの第７実施形
態を示す斜視図である。

【符号の説明】

２ 弾性体 ２ａ，２ｂ 駆動力取出部 ３ 相対運動部材 ４ａ，４ｂ 駆動用圧電体（電気機械変換素子） ４ｐ，４ｐ’ 振動モニタ用圧電体 ５ａ−１，５ｂ−１ 摩擦材 １１ 超音波アクチュエータ（振動アクチュエータ）

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直方体状に形成された弾性体と、前記弾
   性体の一方の平面に装着されて前記弾性体に複数種類の
   振動を発生させる電気機械変換素子と、前記弾性体の他
   方の平面に形成される駆動取出部とを有する振動子と、 前記駆動力取出し部を介して前記弾性体に加圧された状
   態で接触する相対運動部材と、 前記駆動力取出部に装着された摩擦部材とを備え、 前記摩擦部材は、前記弾性体における前記他方の平面の
   短辺方向に対して部分的に配置されていることを特徴と
   する振動アクチュエータ。
2. 【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、 前記摩擦部材の配置位置は、前記他方の平面の短辺方向
   の中心部又は両端部であることを特徴とする振動アクチ
   ュエータ。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載された振動
   アクチュエータにおいて、 前記複数の振動は、屈曲振動を含み、 前記駆動力取出部は、前記屈曲振動の腹の位置付近に形
   成されることを特徴とする振動アクチュエータ。
4. 【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、 前記駆動力取出部は、前記他方の平面と同一平面上にあ
   ることを特徴とする振動アクチュエータ。
5. 【請求項５】 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、 前記駆動力取出部は、前記他方の平面に対して突起状に
   形成されていることを特徴とする振動アクチュエータ。
6. 【請求項６】 請求項１から請求項５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、 前記駆動力取出部は、前記弾性体の相対運動方向に沿っ
   て少なくとも２箇所にあり、 前記摩擦部材は、前記相対運動の際の経路が互いに重な
   らない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。