JPH1028387A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 接触面が鏡面ラップされた相対運動部材をそ
なえる振動アクチュエータでは、接触面の摩耗や滑り音
が発生し、実用化の障害となる。 【解決手段】 駆動力取出部２ａ，２ｂを有する弾性体
２と，駆動力取出部２ａ，２ｂに装着された摺動材５ａ
〜５ｄを介して弾性体２に加圧接触し、１次元の相対運
動を行う相対運動部材６とを備える超音波アクチュエー
タ１１であって、相対運動部材６の弾性体２との接触面
に、相対運動の方向と平行な方向への研削条痕６が形成
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、複数の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１次元の相対運動を発生
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
複数の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１０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１０（ａ）は上面
図，図１０（ｂ）は正面図，図１０（ｃ）は右側面図，
図１０（ｄ）は底面図である。図１０（ｄ）において
は、摩擦材５ａ，５ｂは一部を破断した状態で示す。

【０００５】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（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，４ｂは駆動用の圧電体であ
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，４
ｂ，４ｐ，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
動が調和的に発生する。発生した縦振動及び屈曲振動は
合成されて、駆動力取出部２ａ，２ｂの端面に弾性体長
手方向に関する楕円状変位を発生し、駆動力取出部２
ａ，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
が、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。摩擦材５ａ，５ｂ
は、樹脂材や金属材等からなるシート材を、例えばエポ
キシ樹脂系接着剤により駆動力取出部２ａ，２ｂの端面
に接着することにより、形成される。なお、摩擦材５
ａ，５ｂの素材としては、有機材（ポリエーテルニトリ
ル等）や無機材（無電解Ｎｉ−Ｐメッキ層等）を用いる
ことも可能である。

【００１１】一方、摩擦材５ａ，５ｂが接触する相手材
である相対運動部材３の表面は、これまで、鏡面ラップ
加工を行うことにより平滑な金属面（中心線平均粗さＲ
ａが０．０１μｍ以下）に仕上げていた。これは、弾性
体２と相対運動部材３との接触状態を安定させて振動ア
クチュエータ１の駆動効率を高めるためには、接触面の
平滑度をできるだけ高くして均一な接触を保つことが有
利であると考えられていたからである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、振動アクチ
ュエータ１では、弾性体２，相対運動部材３それぞれの
接触面の摩擦係数μが高いと、駆動力を上げることがで
きる。しかし、弾性体２及び相対運動部材３の間に介在
させる摩擦材５ａ，５ｂの耐摩耗性が高いと、弾性体２
や相対運動部材３は、通常、鉄系，ステンレス鋼系ない
しはアルミニウム合金系等の弾性率の大きな材料により
構成されているため、それぞれの接触面を摩滅させてし
まう。

【００１３】このため、駆動初期における制御が困難と
なり、また、摩耗粉が発生するためその使用場所が著し
く限定されてしまう。さらに、それぞれの接触面におけ
る摩滅により発生する凹凸がさらに摩耗を促進し、振動
アクチュエータ１の寿命を極めて短くしてしまう。

【００１４】また、振動アクチュエータ１の特徴の一つ
として静粛性があるが、本発明者の検討によれば、相対
運動部材３の表面に鏡面ラップ加工を行うと、異音が発
生することがあった。これは、振動アクチュエータ１の
静粛性を損なう重要な課題である。

【００１５】鏡面ラップ加工を行う代わりに切削加工を
行うことも考えられる。しかし、本発明者の検討によれ
ば、切削加工では表面に大きなうねり成分が残存して接
触面の平滑度が不足するため、摩擦材の接触状態が不安
定になり相対運動部材３の駆動が不安定になってしま
う。

【００１６】さらに、振動アクチュエータ１の駆動に伴
って摩擦材５ａ，５ｂが摩耗する。そのため、切削加工
を行った接触面ではその表面に摩耗粉が堆積し、振動ア
クチュエータ１の駆動が停止したり、一時停止後の再起
動が困難になってしまう。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決するため鋭意研究を行った結果、以下に列記する内
容の新規な知見を得た。

【００１８】（１）弾性体又は相対運動部材の接触面
を、この接触面内における中心線平均粗さが方向性を有
するように形成し、かつ、この中心線平均粗さが最大と
なる方向（以下、「第１の方向」という。）に関する中
心線平均粗さが、中心線平均粗さが最小となる方向（以
下、「第２の方向」という。）に関する中心線平均粗さ
の３倍以上に設定することが、上述した課題の解決に有
効である。

【００１９】（２）前記接触面は、研削加工を行うこと
により、容易、確実に形成される。 （３）前記第１の方向に関する中心線平均粗さが、０．
１μｍ以上１．０μｍ以下の範囲であり、前記第２の方
向に関する中心線平均粗さが、０．０１μｍ以上０．３
μｍ以下の範囲であることが望ましい。

【００２０】本発明者は、これらの新規知見に基づいて
さらに検討を重ねた結果、本発明を完成した。

【００２１】請求項１の発明は、複数種類の振動を発生
する振動子と，前記振動子に加圧された状態で面接触
し、前記振動子との間で１次元の相対運動を行う相対運
動部材とを備える振動アクチュエータであって、前記振
動子の前記相対運動部材との接触面，又は前記相対運動
部材の前記振動子との接触面は、この接触面内における
中心線平均粗さについて方向性を有し、かつ、前記中心
線平均粗さが最大となる第１の方向に関する中心線平均
粗さは、最小となる第２の方向に関する中心線平均粗さ
の３倍以上であることを特徴とする。

【００２２】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、前記第１の方向に関する
中心線平均粗さが、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であ
るとともに、前記第２の方向に関する中心線平均粗さ
が、０．０１μｍ以上０．３μｍ以下であることを特徴
とする。

【００２３】請求項３の発明は、複数種類の振動を発生
する振動子と，前記振動子に加圧された状態で面接触
し、前記振動子との間で１次元の相対運動を行う相対運
動部材とを備える振動アクチュエータであって、前記振
動子の前記相対運動部材との接触面，又は前記相対運動
部材の前記振動子との接触面は、研削加工により形成さ
れていることを特徴とする。

【００２４】請求項４の発明は、請求項３に記載された
振動アクチュエータにおいて、前記研削加工が、前記相
対運動の方向と略平行な方向について行われていること
を特徴とする。

【００２５】請求項５の発明は、請求項３に記載された
振動アクチュエータにおいて、前記研削加工が、前記相
対運動の方向と平行でない方向について行われているこ
とを特徴とする。

【００２６】請求項６の発明は、請求項３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、前記研削加工の際の研削方向と略平行な方向に
関する中心線平均粗さが、０．０１μｍ以上０．３μｍ
以下であるとともに、前記研削方向と略直交する方向に
関する中心線平均粗さが、０．１μｍ以上１．０μｍ以
下であることを特徴とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明にかかる振動アクチュエ
ータを添付図面を参照しながら、詳細に説明する。な
お、以降の本実施形態の説明は、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。

【００２８】図１は、本実施形態における超音波アクチ
ュエータ１１に用いる相対運動部材６を示す説明図であ
り、図１（ａ）は相対運動部材６の平面形状を示す上面
図，図１（ｂ）は接触面に相対運動の方向と略平行な方
向に研削加工が行われた本実施形態の一態様にかかる相
対運動部材６の上面図，図１（ｃ）及び図１（ｄ）は接
触面に相対運動の方向と平行でない方向に研削加工が行
われた本実施形態の他の態様にかかる相対運動部材６の
上面図である。

【００２９】本発明にかかる振動アクチュエータ１１
が、図１６に示す従来の超音波アクチュエータ１と相違
するのは、相対運動部材の表面状態だけであるため、以
降の実施形態の説明は、この相違点を説明することと
し、同一の部分については、説明を省略する。

【００３０】図１（ｂ）〜図１（ｄ）に示すように、本
実施形態の超音波アクチュエータ１１では、相対運動部
材６の表面に、研削加工により形成される研削条痕７，
８又は９がそれぞれ形成される。研削条痕７は相対運動
の方向と平行な方向（Ｂ方向）に、研削条痕８は相対運
動の方向と角度α（ただし、０°＜α＜９０°）をなす
方向に、さらに研削条痕９は相対運動の方向と直交する
方向（Ａ方向）に、それぞれ形成される。

【００３１】図２（ａ）は、研削条痕７，８又は９が形
成された相対運動部材６の表面を、中心線平均粗さが最
小となる第２の方向において拡大した状態の一例を示す
説明図である。図２（ｂ）は、ラップ面の表面状態の一
例を拡大した状態で示す説明図である。なお、図２
（ａ）と図２（ｂ）とは等倍ではなく、表面状態の概略
を示すものである。

【００３２】図２（ａ）から分かるように、研削条痕
７，８又は９が形成された表面には、高周波成分（表面
粗さ）が形成されるとともに、低周波成分（表面うね
り）が形成されている。一方、図２（ｂ）から分かるよ
うに、ラップ面には表面粗さが存在するが、表面うねり
は殆ど存在しない。

【００３３】このような研削面は、中心線平均粗さが最
大となる第１の方向に関する中心線平均粗さが、最小と
なる第２の方向に関する中心線平均粗さの３倍以上であ
るという条件を満足する。

【００３４】図３は、第１の方向について、中心線平均
粗さＲａ（μｍ）と駆動効率との関係を示すグラフであ
る。図４は、第２の方向について、中心線平均粗さＲａ
（μｍ）と駆動効率との関係を示すグラフである。さら
に、図５は、（第１の方向に関する中心線平均粗さＲ
ａ）／（第２の方向に関する中心線平均粗さＲａ）と、
駆動効率との関係を示すグラフである。

【００３５】なお、図３〜図５に示す関係は、ステンレ
ス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる弾性体２の駆動力取出部
２ａ，２ｂに、エポキシ系接着剤により摩擦材５ａ〜５
ｄを接着することにより構成した振動子と、ＳＵＳ３０
４からなる板材の表面を研削砥石ＧＣ４６〜８０，ＳＧ
６０〜１００，周速２２ｍ／ｓにより研削加工した相対
運動部材６とを、所定の加圧力で接触させることによ
り、動特性試験を行って得たものである。

【００３６】図３及び図４に示す関係から、研削面で
は、第１の方向に関して中心線平均粗さＲａが０．１μ
ｍ以上１．０μｍ以下であるとともに、第２の方向に関
して中心線平均粗さＲａが０．０１μｍ以上０．３μｍ
以下であることが、高い駆動効率を安定的に得るために
は望ましいことがわかる。

【００３７】また、図５に示す関係から、（第１の方向
に関する中心線平均粗さＲａ）／（第２の方向に関する
中心線平均粗さＲａ）の値が３以上であることが、同様
の観点からは望ましいことがわかる。

【００３８】以上のように構成された本実施形態の超音
波アクチュエータ１１によれば、弾性体２や相対運動部
材３の接触面における摩耗が抑制され、超音波アクチュ
エータ１１の長寿命化を図ることができる。また、摩耗
量が少ないことから、安定した性能を長期間にわたって
発揮することができる。さらに、接触面における摩耗粉
の堆積量が低減され、摩耗粉の堆積に起因した異常停止
が発生しない。

【００３９】本実施形態の超音波アクチュエータ１１
は、滑り音の発生もなく、極めて静粛である。

【００４０】

【実施例】さらに、本発明を実施例を参照しながら詳細
に説明する。図１に示す超音波アクチュエータ１１にお
いて、相対運動部材６をステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
により構成した。この相対運動部材６に表１に示す６種
の加工を行うことにより、試料 No.１〜試料 No.６の超
音波アクチュエータを得た。

【００４１】試料 No.５、６には、相対運動方向と略平
行な方向に研削加工を施してある。このとき、試料 No.
５、６の上面には、図１（ｂ）の研削条根７と同様な条
痕が形成される。

【００４２】

【表１】

【００４３】なお、本実施形態では、摩擦材５ａ〜５ｄ
として、ポリフロンＭＧ−１４３１Ｆ（ダイキン工業
（株））を用いた。また、弾性体２に発生する縦振動１
次モードの反共振周波数は、４７．２ｋＨｚであった。

【００４４】このような超音波アクチュエータ１１を用
い、弾性体２を相対運動部材６に適当な加圧力で加圧接
触させ、試料 No.１〜試料 No.６の超音波アクチュエー
タ１１を駆動させた。そして、これらの試料について動
特性の測定を行った。

【００４５】以下、評価内容を列記する。図６は、試料
No.１，試料 No.２及び試料 No.５に関する超音波アク
チュエータにおける速度と負荷との関係を示すグラフで
ある。また、図７は、試料 No.１，試料 No.２及び試料
No.５に関する超音波アクチュエータの効率と負荷との
関係を示すグラフである。

【００４６】試料 No.５は、試料 No.１，試料 No.２と
比較して、起動推進力，効率ともに大きく、超音波アク
チュエータから発生する異音は極めて小さかった。これ
に対し、試料 No.１，試料 No.２は、ともに、起動推進
力，効率が小さく、駆動中に異音が発生した。これは、
弾性体２と相対運動部材６との接触面に滑り（いわゆる
付着滑り）が発生していることが原因と考えられる。

【００４７】以上の結果から、研削加工した相対運動部
材を備える超音波アクチュエータ（試料 No.５）は、ラ
ップ処理した相対運動部材を備える超音波アクチュエー
タ（試料 No.１，試料 No.２）に比較すると、起動推進
力，効率がともに大きく、騒音の発生も充分に抑制され
るため、超音波アクチュエータとしての一般的用途を考
えると、試料 No.５が有利である。

【００４８】図８は、試料 No.２，試料 No.３，試料 N
o.５及び試料 No.６に関する超音波アクチュエータにお
ける速度と負荷との関係を示すグラフである。また、図
７は、試料 No.２，試料 No.３，試料 No.５及び試料 N
o.６に関する超音波アクチュエータの効率と負荷との関
係を示すグラフである。図７，図８から、試料 No.２の
起動推進力がかなり小さく、試料 No.６の起動推進力、
効率ともに大きいことがわかる。

【００４９】（摩耗粉の堆積）相対運動部材６の接触面
が、超音波アクチュエータの性能に影響を及ぼす要因の
一つとして、摩耗粉の堆積がある。

【００５０】試料 No.１〜試料 No.６について、相対運
動部材６の接触面を実体顕微鏡（×３．９６）で観察し
た。摩耗粉の堆積量が最も多かったものは、試料 No.４
である。試料 No.４は、いわばやすりのような表面を呈
しており、摩耗粉の堆積が最も著しく、駆動開始から数
時間で性能の急激な低下が認められた。

【００５１】次に、摩耗粉の堆積量が多かったのは試料
No.３であり、最も摩耗粉が付着し易い位置であるモー
タ反転部では、低速モータの場合には停止してしまうほ
どの抵抗となっていた。

【００５２】試料 No.１，２には、肉眼では摩耗粉の付
着は顕著には認められないが、細かい摩耗粉が研磨条痕
に存在し、やはり駆動時の抵抗となっていた。これに対
し、試料 No.５，６は、研削が粗いほど堆積量は増加す
るが、試料 No.１〜試料 No.４に比較すると、堆積量は
少ない。研削面に存在する表面粗さ等が、発生する摩耗
粉が残存し難い程度に形成されているためと考えられ
る。

【００５３】（駆動時における発生音）超音波アクチュ
エータの特徴の一つとして、駆動時に騒音の発生が少な
いことがある。各試料について、発生する騒音を官能評
価した。結果を表１にまとめて示す。

【００５４】表１から、表面粗さの粗い相対運動部材ほ
ど発生する音は小さくなる傾向にあることがわかる。こ
れは、表面粗さが大きいと、加圧力及び接触面積が一定
である場合には、摩擦材と相対運動部材との真の接触面
積が小さくなるため、音の発生が少なくなるものと考え
られる。

【００５５】また、研削方向も前記相対運動方向と平行
な方向に近いものほど、騒音が少ないことを実験によっ
て確認した。

【００５６】（変形形態）各実施形態及び各実施例で
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、本発明にかか
る振動アクチュエータは、このような態様だけに限定さ
れるものではなく、他の振動域を利用した超音波アクチ
ュエータについても適用することができる。

【００５７】また、各実施形態及び各実施例では、電気
機械変換素子として圧電体を用いたが、本発明はこのよ
うな態様に限定されるものでなく、他の電気エネルギー
を機械的変位に変換することができるものあれば等しく
適用することができる。例えば、電歪素子を例示するこ
とができる。

【００５８】また、各実施形態及び各実施例では、弾性
体の駆動力取出部に摩擦材を貼付するとともに相対運動
部材の接触面に研削条痕を形成するようにしたが、この
逆に、相対運動部材に摩擦材を貼付するとともに弾性体
の駆動力取出部に研削条痕を形成するようにしても、全
く同様の効果を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態における超音波アクチュエータに
用いる相対運動部材を示す説明図であり、図１（ａ）は
相対運動部材の平面形状を示す上面図，図１（ｂ）は接
触面に相対運動の方向と略平行な方向に研削加工が行わ
れた本実施形態の一態様にかかる相対運動部材の上面
図，図１（ｃ）及び図１（ｄ）は接触面に相対運動の方
向と平行でない方向に研削加工が行われた本実施形態の
他の態様にかかる相対運動部材の上面図である。

【図２】図２（ａ）は、研削条痕が形成された相対運動
部材の表面を、中心線平均粗さが最小となる第２の方向
において拡大した状態の一例を示す説明図であり、図２
（ｂ）は、ラップ面の表面状態の一例を拡大した状態で
示す説明図である。

【図３】第２の方向について、中心線平均粗さＲａ（μ
ｍ）と駆動効率との関係を示すグラフである。

【図４】第１の方向について、中心線平均粗さＲａ（μ
ｍ）と駆動効率との関係を示すグラフである。

【図５】（第１の方向に関する中心線平均粗さＲａ）／
（第２の方向に関する中心線平均粗さＲａ）と駆動効率
との関係を示すグラフである。

【図６】実施例における速度と負荷との関係を示すグラ
フである。

【図７】実施例における効率と負荷との関係を示すグラ
フである。

【図８】実施例における速度と負荷との関係を示すグラ
フである。

【図９】実施例における速度と負荷との関係を示すグラ
フである。

【図１０】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１０（ａ）は上面図，図１０（ｂ）は正
面図，図１０（ｃ）は右側面図，図１０（ｄ）は底面図
である。

【符合の説明】

２ 弾性体 ２ａ，２ｂ 駆動力取出部 ３ 相対運動部材 ４ａ，４ｂ 圧電体（電気機械変換素子） ４ｐ，４ｐ’ 圧電体（機械電気変換素子） ５ａ〜５ｄ 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】 複数種類の振動を発生する振動子と，前
   記振動子に加圧された状態で面接触し、前記振動子との
   間で１次元の相対運動を行う相対運動部材とを備える振
   動アクチュエータであって、 前記振動子の前記相対運動部材との接触面，又は前記相
   対運動部材の前記振動子との接触面は、この接触面内に
   おける中心線平均粗さについて方向性を有し、かつ、 前記中心線平均粗さが最大となる第１の方向に関する中
   心線平均粗さは、最小となる第２の方向に関する中心線
   平均粗さの３倍以上であ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、 前記第１の方向に関する中心線平均粗さが、０．１μｍ
   以上１．０μｍ以下であるとともに、前記第２の方向に
   関する中心線平均粗さが、０．０１μｍ以上０．３μｍ
   以下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】 複数種類の振動を発生する振動子と，前
   記振動子に加圧された状態で面接触し、前記振動子との
   間で１次元の相対運動を行う相対運動部材とを備える振
   動アクチュエータであって、 前記振動子の前記相対運動部材との接触面，又は前記相
   対運動部材の前記振動子との接触面は、研削加工により
   形成されてい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３に記載された振動アクチュエー
   タにおいて、 前記研削加工は、前記相対運動の方向と略平行な方向に
   ついて行われてい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３に記載された振動アクチュエー
   タにおいて、 前記研削加工は、前記相対運動の方向と平行でない方向
   について行わ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３に記載された振動アクチュエー
   タにおいて、 前記研削加工の際の研削方向と略平行な方向に関する中
   心線平均粗さが、０．０１μｍ以上０．３μｍ以下であ
   るとともに、前記研削方向と略直交する方向に関する中
   心線平均粗さが、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である
   ことを特徴とする振動アクチュエータ。