JPH11285279A

JPH11285279A - 弾性表面波アクチュエータ

Info

Publication number: JPH11285279A
Application number: JP10104074A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shinoura; 治篠浦
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】リニア駆動特性に優れ、外部への漏れ磁束が
少なく応用範囲の広い安価な弾性表面波アクチュエータ
を提供する。【解決手段】圧電基板１の主面に形成された櫛形電極
２Ａ又は２Ｂに電圧を印加することで発生する弾性表面
波を駆動源とし、前記主面に接触する移動子１０が永久
磁石１２を有し、前記主面の反対面となる前記圧電基板
１の裏面側に、前記永久磁石１２との間で磁気吸引力を
発生する軟磁性体リニア駆動ガイドとしての磁気ガイド
２０を配設している。さらに、前記移動子１０は軟磁性
体からなるシールド構造体としての磁気ヨーク１３を有
し、磁気ヨーク１３と磁気ガイド２０が、共に磁気ヨー
クとして作用する少なくとも２列の平行ガイド部を成し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高トルクでかつ高
速移動が可能で位置決め精度の優れた弾性表面波アクチ
ュエータに関する。各種の精密位置決め機構を必要とす
る精密機械に使用されるが、特に磁気ディスク、光ディ
スク等の高密度円盤状の記録媒体に情報の書き込み、読
み出しを行うヘッドのトラック方向位置決めを行うマイ
クロアクチュエータに最適である。

【０００２】

【従来の技術】固体の表面に発生するレイリー波は表面
波であり、その表面の１点は楕円運動を行うため、上に
載せられた物体を移動することが可能である。同様の進
行波を用いた超音波モータは既に実用化されているが駆
動周波数は数ｋＨｚであり、トルクは大きいが移動速度
は小さかった。

【０００３】これに対して「神奈川科学技術アカデミー
樋口プロジェクト報告書」（１９９７年）に記されてい
るような弾性表面波モータとして、ニオブ酸リチウム基
板上に弾性表面波（ＳＡＷ）を発生させ、磁石で荷重を
かけたスチールボールを高速で移動出来ることが報告さ
れている。これらは、従来の超音波モータに比べてはる
かに高い周波数で駆動することにより固定子と移動子の
接触回数を増加させたものである。しかし高周波駆動で
は波の振幅が非常に小さくなる。この問題を解決するた
めに移動体に小さな球を用い、固定子となる基板との接
触面積を減少させることで僅かな高さの弾性表面波振幅
による移動を可能としたものである。また永久磁石によ
る磁力を利用してプレロードをかけることで構造を簡略
化している。そして駆動方向を一方向、すなわちリニア
駆動にするために前記報告書では、幅５mmの永久磁石を
磁気ガイドとして用いている。また支点を中心として円
弧を描く動きや、ベアリングによるリニア駆動ガイドを
用いる方法、さらには２枚の基板を組み合わせたＶ溝ガ
イドを用いることが紹介されている。

【０００４】また、ＭＥＭＳ９８「SURFACE ACOUSTIC W
AVE LINEAR MOTOR USING SILICONSLIDER」アブストラク
ト３９０ページには移動子としてシリコンを微細加工し
凸部を設けたことで球移動子に比べて優れた駆動特性が
得られることが報告されている。

【０００５】図７及び図８は従来の弾性表面波アクチュ
エータの１例であり、これらの図において、１は圧電基
板であり、この主面（上面）の両端部に図８の如く櫛形
電極（ＩＤＴ）２Ａ，２Ｂをそれぞれ形成してある。圧
電基板１の主面上には移動子としての鉄球３が載置さ
れ、圧電基板１の裏面（下面に）リニアガイドとしての
長尺板状の永久磁石４が固定配置されている。なお、鉄
球３は直径１mm、永久磁石４の幅は５mmとした。

【０００６】図８の一方の櫛形電極２Ａに高周波電圧を
印加することで発生する弾性表面波を駆動源としたと
き、移動子としての鉄球３は長尺板状の永久磁石４の配
置方向に沿って矢印Ａの方向（基板長手方向となるＹ方
向）に進行する。反対側の櫛形電極２Ｂに電圧を印加す
ることで発生する弾性表面波を駆動源としたとき、移動
子としての鉄球３の進行方向は逆向きとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図７に示す
ように移動子を１mmφの鉄球３とし、リニアガイドを幅
５mmの永久磁石４で構成したような場合には、永久磁石
の磁界分布から圧電基板１の主面上に１つの安定領域は
存在せず、鉄球３は主面上の位置Ｂ１又はＢ２で安定す
る。このため基板幅方向であるＸ方向にぶれやすい不安
定な駆動しか達成出来なかった。また移動したい長さを
共有する大きな（長尺の）永久磁石４を用いることから
高価であった。

【０００８】また、支点を中心に円弧を描く機構やベア
リングによるリニア駆動ガイドは、その基本的な機構を
作製するための機械的な加工精度に限界があるととも
に、速やかな駆動は困難であった。

【０００９】さらに、２枚の圧電基板を用いる機構は、
もちろん高価なものであった。

【００１０】本発明は、このような事情からなされたも
のであり、リニア駆動特性、すなわち移動の直線性に優
れた安価な弾性表面波アクチュエータを提供することを
目的とする。

【００１１】本発明のその他の目的や新規な特徴は後述
の実施の形態において明らかにする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、圧電体の主面に形成された櫛形電極に電
圧を印加することで発生する弾性表面波を駆動源とする
弾性表面波アクチュエータにおいて、前記主面に接触す
る移動子が永久磁石を有し、前記主面の反対面となる前
記圧電体の裏面側に、前記永久磁石との間で磁気吸引力
を発生する軟磁性体リニア駆動ガイドを配設したことを
特徴としている。

【００１３】前記移動子が軟磁性体からなるシールド構
造体を有する構成にするとよい。

【００１４】前記シールド構造体と前記リニア駆動ガイ
ドが、共に磁気ヨークとして作用する少なくとも２列の
平行ガイド部を有する構成であってもよい。

【００１５】前記シールド構造体が、移動方向の長さＬ
と移動方向に直交する幅Ｗとの比、Ｌ／Ｗが０．５以上
の磁気ヨークを構成していることが望ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る弾性表面波ア
クチュエータの実施の形態を図面に従って説明する。

【００１７】図１は本発明の第１の実施の形態を示す斜
視図、図２は横断面図、図３は図２の断面図における磁
束の流れを示す。これらの図において、１は圧電体とし
ての圧電基板であり、この主面（上面）の両端部に櫛形
電極（ＩＤＴ）２Ａ，２Ｂをそれぞれ形成してあり、櫛
形電極２Ａ，２Ｂの一方に高周波電源より電圧を印加す
ることで圧電基板１上に弾性表面波を発生させるように
なっている。櫛形電極で発生した弾性表面波は基板長手
方向であるＹ方向に進行する。そして、圧電基板１の主
面上に載置されていて、弾性表面波の進行路の上にある
移動子１０を駆動する。

【００１８】移動子１０は弾性表面波駆動面、つまり前
記主面と接触するための微細な凸部を多数有する移動子
基板１１と永久磁石１２そして磁気シールド構造体を兼
ねた軟磁性体のコ字型磁気ヨーク１３とからなってお
り、これらは相互に一体化されている。コ字型磁気ヨー
ク１３は永久磁石１２の上面と両端面を覆う配置であ
り、移動子基板１１上に配置固定されている。

【００１９】そして、圧電基板１の主面の反対面である
裏面側には軟磁性体のリニア駆動ガイドとして図４のコ
字型の磁気ガイド２０が配設されている。ここで、図２
に示すようにコ字型磁気ヨーク１３及びコ字型の磁気ガ
イド２０は共に磁気ヨークとして作用する２列の平行ガ
イド部を有する形状であり、２列の平行ガイド部の対向
面、すなわち磁気ヨーク１３及び磁気ガイド２０の対向
面１３ａ，２０ａ同士はＹ方向の長さ寸法を除いて完全
に合致している（対向する先端面の幅及び配列間隔が一
致している）ことが望ましい。これらのコ字型磁気ヨー
ク１３及びコ字型の磁気ガイド２０は圧電基板１を挟ん
で互いに向かい合う形で設置される。

【００２０】その結果、図３に示すように左右端面に磁
極を有する永久磁石１２のＮ極からの磁束は、磁気ヨー
ク１３を通り、磁気ガイド２０を通過して、そして再び
磁気ヨーク１３を通って永久磁石１２のＳ極に至る。こ
のため磁気ヨーク１３と磁気ガイド２０とが対向する主
面上の位置Ｃ１，Ｃ２において磁束が集中し、強い吸引
力となり移動子１０は圧電基板１に押し付けられる。か
つ駆動される際には位置Ｃ１，Ｃ２が線状磁気的ガイド
領域となるため圧電基板１幅方向であるＸ方向へのぶれ
が小さくなる。さらに永久磁石１２からの磁束は図３の
ように閉磁路を形成しているために外部に漏れにくい。

【００２１】移動子１０に設けられる磁気ヨーク１３
は、移動方向の長さＬと移動方向に直交する幅Ｗとの
比、Ｌ／Ｗが０．５以上であり、さらにＬ／Ｗが１以上
であることが好ましい。Ｌ／Ｗが０．５未満ではリニア
駆動性が悪くなる。Ｌ／Ｗの上限値に特に制限はないが
移動子の小型化を考慮して１０以下が好ましい。

【００２２】この第１の実施の形態において、図１の一
方の櫛形電極２Ａに高周波電圧を印加することで発生す
る弾性表面波を駆動源としたとき、移動子１０はコ字型
の磁気ガイド２０の配置方向に沿って矢印Ｄの方向（基
板長手方向となるＹ方向）に進行する。このとき、図３
で説明したように主面上の位置Ｃ１，Ｃ２において磁束
が集中して磁気吸引力が最大となり、つまりコ字型磁気
ヨーク１３とコ字型の磁気ガイド２０とが正対向してい
るときに磁気吸引力が最大で安定し、圧電基板１の幅方
向であるＸ方向に位置ずれが生じても元に戻す働きがあ
るため、リニア駆動性は図７の従来装置に比較して大幅
に向上することになる。なお、反対側の櫛形電極２Ｂに
電圧を印加することで発生する弾性表面波を駆動源とし
たとき、移動子１０の進行方向は逆向きとなる。

【００２３】この第１の実施の形態によれば、次の通り
の効果を得ることができる。

【００２４】(1) 移動子１０側に永久磁石１２及びコ
字型磁気ヨーク１３を設け、リニア駆動ガイドとしてコ
字型の磁気ガイド２０を圧電基板１を挟んで対向配置し
たので、安定した軌跡を描くリニア駆動が実現可能であ
る。すなわち駆動方向、Ｙ方向に対し面内直角方向、Ｘ
方向のぶれの少ない駆動となる。

【００２５】(2) 永久磁石１２は移動子１０の一部で
あるために小型のもので良く、安価である。圧電基板１
裏面に設けられる軟磁性体のコ字型の磁気ガイド２０は
永久磁石に比べると遥かに安価で加工性にも優れてい
る。軟磁性体としては公知の各種材料、例えばパーマロ
イ、フェライト、ステンレス等を用いることが出来る。

【００２６】(3) 永久磁石１２を用いているが、軟磁
性体のコ字型磁気ヨーク１３で磁気シールドされた構造
となり、外部への磁束の漏れが小さいために多くの用途
に適用可能となる。例えば、各種の精密位置決め機構、
特に磁気ディスク、光ディスク等の記録再生用ヘッドの
トラック方向位置決めを行うマイクロアクチュエータ等
に使用可能である。

【００２７】図５は本発明の第２の実施の形態を示す。
この場合、移動子３０は、圧電基板１の弾性表面波駆動
面、つまり主面と接触するための微細な凸部を多数有す
る移動子基板３１と、上下端面に磁極を持つ永久磁石３
２と、磁気シールド構造体を兼ねた軟磁性体のコ字型磁
気ヨーク３３と、永久磁石３２の下端面と移動子基板３
１間に配置固定された軟磁性体の中央板状磁気ヨーク３
４とからなっており、これらは相互に一体化されてい
る。コ字型磁気ヨーク３３は永久磁石３２の上面と両端
面を覆う配置であり、移動子基板３１上に載置固定され
ている。

【００２８】そして、圧電基板１の主面の反対面である
裏面側には軟磁性体のリニア駆動ガイドとしてＥ型の磁
気ガイド４０が配設されている。

【００２９】図５に示すように、移動子３０側のコ字型
磁気ヨーク３３及び中央板状磁気ヨーク３４の組と、Ｅ
字型の磁気ガイド２０とは共に磁気ヨークとして作用す
る３列の平行ガイド部を有する形状であり、３列の平行
ガイド部の対向面、すなわち移動子側磁気ヨーク３３，
３４及び磁気ガイド４０の対向面同士はＹ方向（圧電基
板長手方向）の長さ寸法を除いて完全に合致している
（対向する先端面の幅及び配列間隔が一致している）こ
とが望ましい。これらの移動子側磁気ヨーク３３，３４
及び磁気ガイド４０は圧電基板１を挟んで互いに向かい
合う形で設置される。

【００３０】この第２の実施の形態においては、移動子
側磁気ヨーク３３，３４及び磁気ガイド４０が共に磁気
ヨークとして作用する３列の平行ガイド部を構成してお
り、圧電基板１の幅方向であるＸ方向へのぶれの小さな
直進性の良好な移動子３０の駆動が可能となる。その他
の構成、作用効果は前述した第１の実施の形態と同様で
ある。

【００３１】図６は本発明の第３の実施の形態を示す。
この場合、移動子５０は、圧電基板１の弾性表面波駆動
面、つまり主面と接触するための微細な凸部を多数有す
る移動子基板５１と、この移動子基板上に固定された上
下端面に磁極を持つ永久磁石５２とからなっている。

【００３２】そして、圧電基板１の主面の反対面である
裏面側には軟磁性体のリニア駆動ガイドとして直線板状
磁気ガイド６０が配設されている。

【００３３】この第３の実施の形態では、直線板状磁気
ガイド６０は１列のガイド部を構成していると考えるこ
とができ、永久磁石５２と直線板状磁気ガイド６０の対
向面同士は幅が一致していることが望ましく、移動子側
永久磁石５２と磁気ガイド６０は圧電基板１を挟んで互
いに向かい合う形で設置される。

【００３４】この第３の実施の形態では、圧電基板１の
主面上に移動子５０の安定領域が１つ存在するから、つ
まり永久磁石下端の磁極面と磁気ガイド上端面とがＸ方
向の位置ずれ無く正対向するときに吸引力は最大となる
ため、圧電基板１の幅方向であるＸ方向へのぶれの比較
的小さな移動子５０の駆動が可能となる。また、移動子
５０及び磁気ガイド６０の構成も極めて簡素で、安価と
なる。その他の構成は前述した第１の実施の形態と同様
である。

【００３５】なお、図５では３列の平行ガイド部を構成
する磁気ヨークを例示したが、さらに多くの列の平行ガ
イド部を設けることも可能である。但し、移動子の小型
化が実現困難となるため、最大でも１０列程度が好まし
い。

【００３６】また、移動子は圧電体（圧電基板）の上面
に設置し、リニア磁気ガイドは圧電体の下面に設置した
ように図示したが、この状態から圧電体ごと傾けたり、
上下を逆にして設置したり、あるいは移動子の移動方向
が上下方向となるように圧電体の設置面を変化させるこ
とも可能である。

【００３７】本発明に用いる圧電体としては、従来弾性
表面波フィルタ用基板として知られているＬｉＮｂＯ₃
（以下ＬＮ）,ＬｉＴａＯ₃，Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀，Ｂｉ₁₂Ｓ
ｉＯ₂₀，ＰＺＴ，ＺｎＯ，ＣｄＳ，Ｌｉ₂ＧｅＯ₃，水晶
等の単結晶材料を用いることが可能である。

【００３８】櫛形電極（ＩＤＴ）材料として薄膜金属を
用いる場合には、アルミニウム、アルミニウム銅合金、
クロム金合金、チタン金合金が用いられる。この金属薄
膜のパターンニングはフォトレジストを用いたフォトリ
ソグラフィ手法によりレジストマスクを形成した後、不
要部分をエッチングすることで容易に形成できる。

【００３９】移動子の駆動面は微細な弾性表面波の振幅
に対応するために、微細な凸部を有することが好まし
い。すなわち多数の球体を貼り付けたり、シリコンによ
り形成された針状の突起を有する構造体とすることであ
る。このシリコンによる針状突起はシリコン基板にフォ
トリソグラフィ手法により保護マスクを形成した後にエ
ッチング処理を行うことで得ることが出来る。

【００４０】

【実施例】以下に本発明の実施例を示し、詳細に説明す
る。

【００４１】実施例１３インチ径、厚さ１mmのＬＮ基板を用い、この上に蒸着
法によりアルミニウムを１８００オングストロームの厚
さで全面に成膜した。その後、ヘキスト社ポジ型フォト
レジスト（ＡＺタイプ）を用いてレジストミリングカバ
ーマスクを形成した。さらにイオンミリング装置により
不要部分のアルミニウムを除去した後、レジスト剥離を
行い所定の櫛形電極を基板上に形成した。櫛形電極のパ
ターンは電極幅１００μｍ、ピッチ４００μｍ、電極交
差幅が８mmで電極本数４０本とし、２本の電極間の距離
は５／４波長とした。すなわち本アクチュエータは波長
４００μｍ、駆動周波数１０ＭＨｚの設計である。

【００４２】移動子のＬＮ基板と接触する面としては厚
さ０.５mmのシリコン基板をフォトレジストにより直径
３０μｍの円を９０個／mm²の密度でパターニングを施
した後に、このパターニング部分以外を反応性ガス中で
ドライエッチング処理を行った。レジスト剥離後には円
形突起の高さは約５μｍであった。このシリコン基板を
４mm角とし、着磁済みの長さ５mm×幅２mm×厚さ２mmの
ＮｄＦｅＢ永久磁石に貼り付けた。さらに、ＰＣパーマ
ロイ厚さ１mmの板をコ字型に加工し内寸２mm×５mmと
し、永久磁石にかぶせる形の磁気シールド兼磁気ヨーク
として固定した。すなわち、図１、図２で説明した移動
子１０の構造とし、磁気ヨークの移動方向の長さＬ＝５
mm、移動方向に直交する幅Ｗ＝４mmで、Ｌ／Ｗ＝１.２
５である。また、平行ガイド部をなす先端部の厚みＴ＝
１mmである。

【００４３】磁気ガイドには移動子と同じＰＣパーマロ
イ板を図４のようにコ字型に加工したものを用いた。こ
の磁気ガイドをＬＮ基板裏面に固定した。移動子をＬＮ
基板上に設置すると、永久磁石とＬＮ基板背面に設けた
磁気ガイド間に吸引力が働き自動的に保持された。な
お、磁気ガイド全長Ｌｇ＝３０mm、高さＨｇ＝４mm、幅
Ｗｇ＝４mm、各平行ガイド部の厚みＴｇ＝１mmであり、
磁気ヨーク及び磁気ガイドの対向面同士はＹ方向の長さ
寸法を除いて完全に合致している（対向する先端面の幅
及び配列間隔が一致している。）。

【００４４】上記の状態で櫛形電極に駆動周波数１０Ｍ
Ｈｚ，電圧１００Ｖで１０ｍＳの間、駆動させ移動量Ｍ
（Ｙ方向）とＸ方向の最大ぶれ量ｄを測定し、さらに規
格化したぶれ量Ｄ＝（ｄ／Ｍ）×１００（％）を求め
た。その結果、Ｍ＝２２.３６mm，Ｄ＝０.０２％であっ
た。また移動子最上面から１mmの距離での磁界強度は２
Ｏｅであった。

【００４５】さらに、Ｌを変化させＬ／Ｗ＝０.２の移
動子を用いた場合にはＭ＝３.３２mm，Ｄ＝０.２４％
で、移動子最上面から１mmの距離での磁界強度は１.３
Ｏｅであった。

【００４６】実施例２次に、実施例２として同様の処理を施したＬＮ基板背面
に幅２mmのＰＣパーマロイ板を磁気ガイドとして設け、
着磁済みの長さ２mm×幅２mm×厚さ２mmのＮｄＦｅＢ永
久磁石に直径１mmの鉄球を４個貼り付け駆動させた（図
６に近い構造とした）。この場合、Ｍ＝１.３４mm，Ｄ
＝０.２３％であった。また移動子最上面から１mmの距
離での磁界強度は７５０Ｏｅであった。

【００４７】比較例比較のために同様の処理を施したＬＮ基板背面に幅５mm
の永久磁石を磁気ガイドとして設け、直径１mmの鉄球を
駆動させた（図７の構造とした）。この場合、Ｍ＝０.
８４mm，Ｄ＝１.４６％であった。さらに、この場合は
数回の駆動を繰り返すとＤ＞１０％となる場合があっ
た。また移動子最上面から１mmの距離での磁界強度は４
５０Ｏｅであった。

【００４８】以上の各実施例及び比較例の結果から本発
明の効果は明確である。

【００４９】以上本発明の実施の形態及び実施例につい
て説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく
請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能
なことは当業者には自明であろう。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単で安価な構造で、リニア駆動特性が良好で位置決め
精度が高く、かつ耐久性に優れた実際に駆動可能な弾性
表面波アクチュエータを実現できる。また、形状も小型
にすることが可能であり、高トルクでかつ高速移動が可
能で位置決め精度の優れたマイクロアクチュエータを構
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る弾性表面波アクチュエータの第１
の実施の形態を示す斜視図である。

【図２】同正断面図である。

【図３】磁束の流れを説明する正断面図である。

【図４】第１の実施の形態で用いる磁気ガイドの斜視図
である。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す正断面図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す正断面図であ
る。

【図７】従来の弾性表面波アクチュエータの正断面図で
ある。

【図８】同平面図である。

【符号の説明】

１圧電基板２Ａ，２Ｂ櫛型電極１０，３０，５０移動子１１，３１，５１移動子基板１２，３２，５２永久磁石１３，３３，３４磁気ヨーク２０，４０，６０磁気ガイド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体の主面に形成された櫛形電極に電
圧を印加することで発生する弾性表面波を駆動源とする
弾性表面波アクチュエータにおいて、前記主面に接触する移動子が永久磁石を有し、前記主面
の反対面となる前記圧電体の裏面側に、前記永久磁石と
の間で磁気吸引力を発生する軟磁性体リニア駆動ガイド
を配設したことを特徴とする弾性表面波アクチュエー
タ。
【請求項２】前記移動子が軟磁性体からなるシールド
構造体を有している請求項１記載の弾性表面波アクチュ
エータ。
【請求項３】前記シールド構造体と前記リニア駆動ガ
イドが、共に磁気ヨークとして作用する少なくとも２列
の平行ガイド部を有している請求項２記載の弾性表面波
アクチュエータ。
【請求項４】前記シールド構造体が、移動方向の長さ
Ｌと移動方向に直交する幅Ｗとの比、Ｌ／Ｗが０．５以
上の磁気ヨークを構成している請求項２又は３記載の弾
性表面波アクチュエータ。