(57)【要約】【課題】  従来の圧電素子を利用したアクチュエータは、リニアアクチュエータ、電動シリンダーのような汎用的な機構要素として使おうとすると、移動方向のガイドがないか拘束が弱いため、移動体の移動方向が変化したり、姿勢が外力で変化し回転したりする問題があった。【解決手段】  一端に圧電素子を取り付けた直方体形状からなる剛性、熱伝導度、潤滑性の高い出力軸を、ガイド部材に対して、拘束部材で自由度を１自由度に限定するように押さえ込むことにより汎用的に使え直進性能の高いリニアアクチュエータ、電動シリンダーや力発生機を実現する。また出力軸の他端に圧電素子の質量に見合う質量を有する出力部材をとりつけ、発生力、堅牢性、使いやすさの向上を実現する。 【選択図】  図１
2015128360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直方体の形状をした出力軸と出力軸のひとつの面に固定された振動子とからなる移動ユ
ニットと、外部機器に固定するためのインターフェースを有するガイド部材と、ガイド部
材に固定されガイド部材とともに、出力軸が出力軸の外面のうちの振動子の固定された面
の中心と振動子の固定された面に対向する面の中心を結んだ線の方向にのみ自由度を持ち
、他の自由度は持たないように出力軸を拘束する拘束部材を持ち、振動子を振動させるこ
とにより出力軸に振動が与えられ、移動ユニットがガイド部材と拘束部材に対して動こう
とする力が発生することを特徴とする駆動機構。
【請求項２】
請求項1記載の駆動機構において、出力軸の振動子と反対側の端に出力部材または先端
ツールの取り付けられた出力部材を固定した駆動機構。
【請求項３】
前記出力部材または先端ツールの取り付けられた出力部材の質量は前記振動子の質量の
４倍以上である請求項２に記載の駆動機構。
【請求項４】
連続駆動することにより、出力軸または出力部材または先端ツールの取り付けられた出
力部材から対象物に対して、設定された力出力モードで継続的に力を作用させ、対象物の
位置が一定の場合も、対象物が出力軸の自由度のどちらかまたは両方の方向に移動する場
合も、出力軸または出力部材または先端ツールの取り付けられた出力部材が対象物に追随
し、設定された力出力モードで力を対象物に作用させる請求項１から３のいずれかに記載
の駆動機構。
【請求項５】
出力軸の自由度を持つ方向に配向された長繊維の炭素繊維を用い、炭素繊維の体積比率
が６０％以上の炭素繊維強化樹脂材料で出力軸が形成されていることを特徴とする、請求
項１から４のいずれかに記載の駆動機構。
【請求項６】
ガイド部材と拘束部材が出力軸と接する部分の、出力軸が力を出す方向の長さが、出力
軸がもっとも突き出した状態での、ガイド部材、拘束部材の外側エッジから出力軸または
出力部材または先端ツールいずれかの先端までの距離の最大のものの十分の一以上である
請求項５に記載の駆動機構。
【請求項７】
出力軸に使用する炭素繊維が、配向性ピッチ系炭素繊維である請求項５に記載の駆動機
構。
【請求項８】
出力軸とガイド部材、拘束部材の間に潤滑剤として、フッ素系の潤滑油のパーフルオロ
ポリエーテルまたはクロロトリフルオロエチレンを介在させる、請求項５に記載の駆動機
構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気エネルギーを駆動力に変換する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を利用して電気エネルギーを機械的仕事に変換する装置として、圧電イ
ンパクト駆動機構がある（たとえば特許文献１、２参照  ）。
【０００３】
特許文献１においては、圧電素子１２の一端に移動体を、他端に慣性体を固定し移動体
を微小ステップ駆動できるようにしている。特許文献２においては圧電素子を固定した移
動体により移動体に接続された微小レンズを動かすようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭  ６３−２９９７８５号  公報
【特許文献２】特開平  ６−３１５２８２号  公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の機構として、移動体に圧電素子の一端を取り付け、圧電素子を急速に変形させる
ことにより移動体に衝撃（インパクト）を与えて移動体を移動させる機構がある。特許文
献１の例では圧電素子の他端には慣性体を取り付けて圧電素子と慣性体により衝撃を発生
させるようにしている。この機構は圧電素子を駆動源としているため小型の直動機構を実
現でき、移動ユニットの移動距離は任意に延長することができる利点があるが、リニアア
クチュエータ、電動シリンダーアクチュエータのような汎用的な機構要素として使おうと
すると、特許文献１の例では移動方向のガイドがないか拘束が弱いため、移動体の移動方
向が変化したり、姿勢が外力で変化し回転したりする可能性がある。
【０００６】
特許文献２の例では移動体は周囲の部材に対して、移動体から突き出した梁や突起を突
っ張って圧接し、適当な摩擦が得られるようにしている。アクチュエータ単体として移動
体の直進性を確保したり移動体の回転を防ぐ特段の対策がなされていず、外力に対して、
移動方向を一定に保ったり姿勢を一定にして回転を防いだりする能力が低い。
【０００７】
これら例は微小ステップの駆動や微小光学系の駆動など特殊用途を目的とするもので、
発生する力により対象物から受ける反力や、外力への対策がなされていない。このため、
反力や外力により移動体の移動の方向が変化しやすかったり、移動体の姿勢が変化し回転
しやすかったりするという課題がある。また移動方向を一定に保ったり姿勢を一定にして
回転を防いだりする能力が低いため、発生力の反作用として力を作用させる対象物から受
ける反力に弱く、発生力も大きくできないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の駆動機構は、一端に圧電素子を取り付けた直方体形状からなる剛性、熱伝導度
、潤滑性の高い出力軸を、ガイド部材に対して、拘束部材で自由度を１自由度に限定する
ように押さえ込むことにより汎用的な機構要素として使え小型であり、少量生産において
も低コストで製造可能で、発生力も大きく、直進性にもすぐれた直進性能の高いリニアア
クチュエータ、電動シリンダーや力発生機を実現する。
【０００９】
ガイド部材にねじ止めされる拘束部材によって出力軸が、ガイド部材に強固に押さえつ
けられ、出力軸とガイド部材、拘束部材が出力軸の力を出す方向に長い四つの平面接触領
域で密着するようにし、出力軸の直進性と姿勢の安定性が単純な構成で確保でき、拘束部
材による押さえ力を大きくすることで発生力を大きくすることができる。
【００１０】
出力軸の出力端に圧電素子の質量に見合う質量を有する出力部材をとりつけ、出力端の
損傷や磨耗を防止したり、先端ツールが取り付けやすくしたりし、本考案の駆動機構の発
生力を高め、さらに出力部材に先端ツールを取り付けたときに、本駆動機構の振動特性に
対する影響を少なくすることができ、先端ツールを取り付けても、本発明の駆動機構を安
定的に動作させることができる。
【００１１】
出力軸には炭素繊維強化樹脂（CFRP）を使用し、ガイド部材と拘束部材には銅合金や
ステンレスを使用することで、潤滑剤なしで使用する場合も耐酸化特性の優れたパーフル
オロポリエーテルやクロロトリフルオロエチレンなどのフッ素系の潤滑剤を使用する場合
も出力軸とガイド部材、拘束部材の間の摩擦を炭素繊維の自己潤滑性や潤滑剤の特性を利
用して低く抑え、さらに平面接触領域を大きくすることで、出力軸がガイド部材、拘束部
材に対して外見上動いていない状態でも、力を作用させる対象物が駆動機構の発生力より
も強い力で動く場合も連続駆動できるようにし、対象物に押し付け力や引張り力を加え続
けることのできる力発生機を実現する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の駆動機構は、小型で堅牢性が高く、駆動力の高い汎用的な機構要素として使用
できる力発生機やリニアアクチュエータ、電動シリンダーを安価な製造コストで提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態を示す駆動機構の側面図
【図２】同駆動機構の平面図
【図３】同駆動機構の底面図
【図４】同駆動機構の正面図
【図５】同駆動機構の背面図
【図６】同駆動機構の側面一部断面図
【図７】同駆動機構の正面一部断面図
【図８】同駆動機構の最も突き出した時の側面一部断面図
【図９】同駆動機構の最も引き込んだ時の側面一部断面図
【図１０】同駆動機構の側面図（カバーなし状態）
【図１１】同駆動機構の側面図（出力部材付）
【図１２】同駆動機構の平面図（出力部材付）
【図１３】同駆動機構の底面図（出力部材付）
【図１４】同駆動機構の正面図（出力部材付）
【図１５】同駆動機構の側面一部断面図（出力部材付）
【図１６】発生力グラフ
【図１７】本発明の実施形態を示す駆動機構のツール装着側面図
【図１８】同駆動機構のツール装着正面図
【図１９】同駆動機構による押し込み作業の例
【図２０】同駆動機構による押し込み作業の変形例
【図２１】同駆動機構によるシート貼り作業例
【図２２】同駆動機構の変形例
【図２３】同駆動機構の変形例
【図２４】同駆動機構の変形例
【図２５】駆動回路
【図２６】駆動波形
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本駆動機構の側面図、図２は平面図、図３は底面図、図４は正面図、図５は背面
図である。図１から５において１は出力軸、２はガイド部材、３、４は側板、５はカバ
ー、６はカバー取り付けねじ、７は底板、８は側板取り付けねじ、９は外部の装置の一
部、１０は外部の装置の取り付けねじ、１１はリード線である。
【００１５】
図６、図７は本駆動機構の側面図と前面図において、一部の部品を断面にした図であ
る。断面にした部品にはハッチングを施している。
【００１６】
図６において、出力軸１の一つの外面に圧電素子１２が接着により取り付けられてい
る。出力軸１は直方体の形状を持ち、駆動機構全体が長細いスリムな形状にできるように
しているため、種々の機械装置に組み込みがしやすいようにできている。圧電素子１２は
正負の電圧を印加されると、出力軸１の出力方向に伸び縮みするように構成されている。
圧電素子のかわりに他の電歪素子や磁歪素子などの振動子を使用してもよい。
【００１７】
出力軸の圧電素子が取り付けられた面の中心と対向する面の中心を結んだ方向が出力軸
の力を出す方向となる。Ｌはガイド部材２、拘束部材１４が出力軸の力を出す方向に出力
軸と接する部分の長さである。ガイド部材２には側板３と底板７が側板取り付けねじ８、
底板取り付けねじ１６によりねじ止めされている。底板には側板取り付けねじ８により側
板４がねじ止めされている。側板３には出力軸よりも大きめの穴があけられ、出力軸が側
板３に接触することなく移動できるようになっている。
【００１８】
図７において、出力軸１はガイド部材２とガイド部材２に拘束部材取り付けねじ１３で
ねじ止めされた拘束部材１４に挟み込まれた状態で保持されている。取り付けねじ１３に
より、拘束部材１４にある傾斜面１４ａはガイド部材２の傾斜面２ａに押し付けられ、傾
斜面２ａの高さの低い側に移動していこうとする。この作用により拘束部材１４とガイド
部材２で囲まれた空間は狭められるため、拘束部材１４は出力軸１をガイド部材２に押し
付ける働きをする。
【００１９】
出力軸の六つの外面のうち、圧電素子が取り付けられる面に隣接する四つの面は隣り合
う二つの面がガイド部材に、残りの隣り合う二つの面が拘束部材に押し付けられる。
【００２０】
拘束部材１４は２つの摩擦平面１４ｂ、１４ｃを持ち、出力軸１の隣り合う二つの平面
との間で摩擦を発生する働きと、出力軸１の残りの隣り合う二つの平面をガイド部材２の
２つの摩擦平面２ｂ、２ｃに押し付けて摩擦を発生する働きと、出力軸の出力方向以外の
自由度を拘束する働きをする。拘束部材取り付けねじ１３の締め付けトルクを調節するこ
とで、所望の力で出力軸をガイド部材に押しつけることができる。Ｗ１、Ｗ２はガイド部
材２と拘束部材１４が出力軸１と接する部分の出力軸が力を出す方向に直角方向の幅であ
る。
【００２１】
拘束部材１４の摩擦平面１４ｂ、１４ｃを出力軸に沿わせやすくするために溝部１４ｄ
を設けてもよい。拘束部材取り付けねじ１３のねじ頭と拘束部材１４の間にスプリングワ
ッシャーや波ワッシャーを挟みこんで、締め付けトルクの調整をしやすくしてもよい。
【００２２】
ガイド部材、拘束部材は出力軸の出力方向にある長さをもって出力軸と接している。こ
の長さが小さすぎると、出力軸の出力方向以外の動きである出力軸のピッチやヨーを防ぐ
効果が出にくくなる。  
【００２３】
出力軸の出す力を有効に作用させるために、対象物は出力軸に対して正対した姿勢に近
い姿勢、形状を持たせるのが望ましいが、対象物と出力軸の接する部分の法線の方向が出
力軸の力ｆを出す方向と４５°の角度までずれがあり得ると考えられる。４５°以上の角
度のずれが生じる場合は、対象物に対して出力軸の向きを変更するのが合理的である。
【００２４】
図８は出力軸が最も突き出た状態での側面図の一部部品を断面にした図である。Ｌは出
力軸が力を出す方向に、出力軸とガイド部材、拘束部材が接触する長さになっている。Ｓ
は出力軸がガイド部材、拘束部材から最も突き出す長さである。出力軸がガイド部材、拘
束部材と接触する出力軸の出力方向の長さＬは、出力軸がガイド部材、拘束部材から突き
出す長さＳに応じて設定するのがよい。
【００２５】
図８に示すように対象物１５と出力軸の接する部分の法線の方向が出力軸の力ｆを出す
方向と４５°のずれがある場合、出力軸には接触部の法線の方向に−ｆ／√２の反力が作
用する。この反力の出力軸が力を出す方向に直角の分力は−ｆ／２となり、出力軸にはガ
イド部財の外側の端部Ｅ１を回転中心として−Ｓｆ／２の回転モーメントが働く。
【００２６】
−Ｓｆ／２の回転モーメントにより出力軸はガイド部財の外側の端部Ｅ１を支点として
拘束部材の内側の端部Ｅ２を持ち上げようとする。持ち上げようとする力は−Ｓｆ／２Ｌ
となる。後述するように、拘束部材は出力軸の出す力の７倍以上の力で出力軸を押さえつ
けているので、７ｆ以上の力で出力軸を押さえつけていることになる。
【００２７】
この押さえつける力は拘束部材が出力軸と接している面全体に分散して働いているが、
拘束部材の内側の端部が持ち上げられようとすると、この端部に集中する。したがって７
ｆ−Ｓｆ／２Ｌ＞０となるようにＬとＳの関係がなっていれば、出力軸が回転することは
ない。この不等式から１４Ｌ＞Ｓであれば出力軸が、対象物からの反力により回転するこ
とはない。ＳがＬの１４倍であると力が釣り合うことになるため回転を防止するための約
３０％の力の余裕分を確保して、ＬをＳの１０分の１以上の長さに設定するのがよい。
【００２８】
出力軸の回転のうちのロールは、長方形または正方形の断面を持つ出力軸の四つの外面
を、ガイド部材と拘束部材で４方向から締め付けられていることで防止されている。ロー
ルの防止については、図７中の出力軸の力を出す方向と直角の方向の幅Ｗ１、Ｗ２が重要
になるが、出力軸の出す力の方向から考えて、実際の作業において出力軸をロールさせる
モーメントは大きくは働きにくいため、ピッチやヨーの防止のためのＬのような大きな長
さにする必要はない。本駆動機構の用途、サイズ、デザイン等に合わせて許容される範囲
で大きな幅を設定する。
【００２９】
図１、図２、図７において、ガイド部材２と側板４にはカバー取り付けねじ６により薄
板を2箇所で曲げて作ったカバー５がねじ止めされている。ガイド部材２、側板３、底板
７、側板４、カバー５が相互にねじ止めされ、箱型構造を形成するため、最小限の肉厚の
部品によって、構造全体を堅牢にすることができる。このことにより本駆動機構を堅牢に
しながら、軽量化、低コスト化を実現することができる。
【００３０】
図６、図７においてガイド部材２は上部が出力軸をガイドする機能をもつガイド部とな
り、下部が外部機器とのインターフェース部になる。ガイド部材のガイド部と拘束部材は
駆動軸の外周の四面のまわりにほぼ均等の厚みのスペースに配置されているため、図４、
図２に示すように本駆動機構を正面や上面からみたときに出力軸は本駆動機構のインター
フェース部を除いた部分の中央部から出入りするように配置され、使いやすく、外観デザ
イン的にも良好な形態にすることができる。
【００３１】
図６において圧電素子１２からは駆動用の２本のリード線１１が引き出されていて、本
駆動機構にらせん状に巻かれた状態で収納され、側板４の中央部にあけられた穴１７から
外部に出されている。リード線は側板４とは穴１７で接着されている。本駆動機構の内部
で圧電素子１２の位置が変わるとリード線のらせん状に巻かれた部分が伸び縮みし、圧電
素子１２がどの位置にあっても、圧電素子１２に駆動信号が印加される。図８に出力軸１
の位置が変化したときのリード線のらせん部分の状態を示す。側板から引き出されたリー
ド線は駆動回路に接続され、圧電素子１２に駆動信号が印加されることにより、出力軸１
がガイド部材２、拘束部材１４に対して動こうとする力が発生する。
【００３２】
図７において、出力軸１は拘束部材１４に押さえつけられ、ガイド部材２の２つの摩擦
平面２ｂ、２ｃに沿って移動するように拘束されるため、出力軸１の動きの直進性を高く
することができる。上記の押し付け力は、拘束部材取り付けねじ１３の締め付けの程度に
より調節することができ、通電時の駆動力、非通電時の出力軸１の保持力や、出力軸１が
外力を受けたときに回転するのを防止する能力を高くしたいときは、拘束部材取り付けね
じ１６の締め付けを強くすることで達成される。出力軸１の移動速度を速くしたいときは
拘束部材取り付けねじ１６の締め付けを弱くすることで達成される。
【００３３】
仕様の一例として本駆動機構で出力軸が出す力を１０Ｎにしようとすると、出力軸の四
つの面の各面で２．５Ｎの力を発生させることになる。後述する本駆動機構に使用する材
料と仕上げ条件では、出力軸１とガイド部材２、拘束部材１４の間の動摩擦係数は潤滑剤
の有無により変化はあるが、０．１から０．１５になる。２．５Ｎの力を発生させるため
には、出力軸１がガイド部材２、押さえ板１４、１５と接触する四つの面の間で２．５Ｎ
を動摩擦係数０．１５で割った１６．７Ｎ以上の押し付け力が作用する必要がある。この
押しつけ力を出すだけの強い力で拘束部材１４はねじ止めされるため、出力軸１の回転な
ど出力方向への移動以外の自由度はなくなっている。
【００３４】
ガイド部材２は本駆動機構を外部の装置に固定するためのインターフェース機能も持
つ。図６、７においてガイド部材２にはねじ穴１８が設けられ、ねじ１０によって外部の
装置９にガイド部材２をねじ止めすることにより、本駆動機構全体を外部の装置に固定す
る。ガイド部材２は本駆動機構の出力軸１の移動の基準となる摩擦平面２ｂ、２ｃを有
し、出力軸１は常に摩擦平面２ｂ、２ｃに押し付けられた状態で作動するためガイド部材
２を保持することで、精度よく出力軸１の位置決めができ、外部装置は出力軸１に発生す
力を正確に対象物に作用させることができる。
【００３５】
出力軸１とガイド部材２、拘束部材の接触部で出力軸１を駆動する力が発生するので、
力の発生場所であるガイド部材２を本駆動機構全体の保持に使うことで、本駆動機構を動
作させたときに外部の装置に加わる回転モーメントを小さくし、外部の装置の変形など外
部の装置への影響を少なくすることができる。
【００３６】
またガイド部材は、本駆動機構の構成部品の中で最も肉厚で、剛性が高く堅牢な部品で
あるので本駆動機構全体の保持に使用することで、本駆動機構の動作時に、外力による構
成部品のひずみの影響からくる性能の低下を防ぐことができる。
【００３７】
図６において出力軸１と圧電素子１２の接合部の近傍で、出力軸１に出力軸１を囲むよ
うに板状のストッパー１９が、底板７、カバー５に対して微小な隙間をもって接着されて
いる。ストッパー１９は出力軸１が最も外側に出たときにガイド部材２に当たって出力軸
１の動きを止める働きをする。底板には棒状の規制部材２０が接着され、出力軸１が最も
板４に当たるのを防止する働きをする。図９にストッパー１８が規制部材２０に当たった
状態を示す。板状の部品は出力軸１と圧電素子１２の両方と接着されるようにして、出力
軸１と圧電素子１２の接着を補強するようにしてもよい。
【００３８】
ストッパー１９は出力軸１に強い衝撃などの外力がかかったときに、ガイド部材２近傍
を回転中心として出力軸１が回転しようとする動きを、底板やカバーに当たることにより
規制し、圧電素子１２が底板やカバーに当たって壊れるのを防止する。
【００３９】
出力軸１には炭素繊維強化樹脂（CFRP）を使用し、ガイド部材２と拘束部材１３、１
には銅合金やステンレスを使用することで、潤滑剤なしでの使用においても出力軸１とガ
イド部材２、拘束部材１４の間の摩擦を炭素繊維の自己潤滑性を利用して低く抑え、さら
に平面接触により圧力を分散することで、出力軸１がガイド部材２、拘束部材１３に対し
て外見上動いていない状態でも連続駆動することで、対象物に押し付け力や引張り力を加
え続けることのできる力発生機を実現できる。
【００４０】
出力軸に使用する炭素繊維強化樹脂は、出力軸が力を出す方向に長繊維の炭素繊維が平
行に配向され、ガイド部材と拘束部材との相対的な運動の方向に長く接触領域が確保され
るため、滑らかに相対運動をさせる効果を高めている。
【００４１】
図１０は出力位置が中間位置にある本駆動機構のカバーを外した状態の側面図である。
ガイド部材２の側面と側板４の側面にはカバー５をねじ止めするためのねじ穴１８が設け
られている。
【００４２】
本駆動機構では、出力軸１の先端にニードルやグリッパー、インジェクターなどの先端
ツールを取り付けて作業する際に、先端ツールを正確に操作できるようにする必要がある
ため、出力軸１がガイド部材２に対して回転しないように構成する。
【００４３】
本駆動機構ではガイド部材２に対して出力軸１が回転しないようにするためと、本駆動
機構の特徴の一つである、対象物が停止した状態でも対象物固有の力で移動する場合でも、
押し付け力や引張り力を対象物に作用させ続けることのできる力発生器としての機能を実
現するために、出力軸１が外見上動いていない状態あるいは出力軸１が対象物固有の力で
強制的に移動させられる状態で連続駆動させても、接触部の局所的な摩耗や表面状態が変
化することにより性能が劣化するのを防げるよう、出力軸１とガイド部材２、拘束部材１
４は精密に仕上げられた平面と平面での摺動をするようする。
【００４４】
本考案の駆動機構は振動子のサブミクロンの振幅の振動を用いた駆動機構であるため、
出力軸１とガイド部材２、拘束部材１３の摺動面は面間のサブミクロンのすべり相対運動
を妨げず、面間の圧力を分散させて局所的な摩耗や表面状態の変化を防止できるレベルの
滑らかな面であることが必要である。このため出力軸１とガイド部材２、拘束部材の摺動
面は研削、ラッピングなどの平面度と面粗さのよい平面が得られる加工法で加工する必要
がある。
【００４５】
加工精度は高ければ高いほど面間圧力の分散に有利であるが、本駆動機構は汎用的な機
械要素として使用するため現実的な製造コストを考慮して、平面度はガイド部材、拘束部
材の一つ一つの摺動面全域にわたって１マイクロメートル以下、面粗さはRａ０．４以下
の精度とする。出力軸はガイド部材、拘束部材の摺動面に対面する部分ごとに平面度が１
マイクロメートル以下、面粗さはRａ０．４以下の精度とする。出力軸の摺動面全体につ
いては、局所的な段差やねじれがないように平滑な仕上げをする。
【００４６】
出力部材１とガイド部材２、拘束部材１４は、必要に応じてすり合わせを行い、出力軸
１の摺動面とガイド部材２、拘束部材１４の摺動面の密着度を上げるようにしてもよい。
本動機構では、出力軸が微小振動すること、出力軸とガイド部材、拘束部材の材料が異種
材料であること、出力軸の材料が摺動性のよい材料であることから、摺動面の平面度、面
粗さを上げ密着度を上げることで摺動面どうしが吸着するような不具合が起きることはな
い。
【００４７】
面粗さ測定の基準長は、ガイド部材、拘束部材については、一つの摺動面を横断するほ
ぼ全長とする。出力軸についてはガイド部材、拘束部材の摺動面に対面する部分部分を横
断するほぼ全長とする。
【００４８】
ガイド部材２、拘束部材１４と平面と平面での摺動をさせるために、出力軸１は三角柱
以上の多角柱の形状をとる必要がある。
【００４９】
三角柱は面の数が少なく、形状の粗取りでは加工コストを下げられる利点があるが、面
と面のなす角が直角でない箇所ができるため、すべての面を加工するときに、ワークの固
定角度を精度よく変える作業に手間と時間がかかり、コスト増の要因となる。5軸フライ
スなどの多軸加工機を使う方法も考えられるが、設備費や加工チャージが大きくなり、少
量生産ではコスト増の要因となる。さらに面を研削やラッピングで仕上げる際も、ワーク
の保持の難しさや2面同時仕上げができないことから、仕上げ加工のコストも大きくなる。
また出来上がった部品の面と面のなす角度の測定も直方体と比べて困難になり、コスト増
の要因となる。
【００５０】
五角柱以上の多角柱は、三角柱の場合と同じように製作、角度検査が直方体と比べて困
難である。摩擦保持をするガイド部材２、拘束部材の構成が複雑になり製作も困難になる。
また五角柱以上であると三角柱や四角柱とくらべて、断面形状が円に近付いていくため出
力軸の回転、特にロールを防止する作用が働きにくくなる欠点がでてくる。
【００５１】
したがって、出力軸１として使用する多角柱は四角柱がよく、さらに製造コストを下げ
るために直方体の形状にするのがよい。
【００５２】
直方体でない一般的な四角柱の場合は底面の形状が長方形や正方形でないため、面と面
のなす角が直角でない箇所がでてくるため、製作、角度検査が直方体と比べて困難でコス
ト増の要因となる。またガイド部材２、拘束部材の製作コストが上がり、機構の構成が複
雑になる。
【００５３】
直方体の出力軸１においては、平面摺動に使われない残りの2面も側面と直角になるた
め、製作が容易になり、角度検査も容易になる効果がある。
【００５４】
これらの面の一つに振動子を固定するが、振動子の振動は面の法線方向に加えられため、
振動は、出力軸１が自由度を持つ軸の方向に、効率的に加えられ、本駆動機構の効率を上
げることができる。振動子を固定するのと反対側の面はそのままで出力端としてしようす
るか、出力部材を固定して使用する。出力端として使用する場合は出力軸１の発生する力
の方向に直角の面が出力端となるが、これは物体を押したりするのに適した形状である。
【００５５】
後述するように出力部材を出力軸の一端に固定して使用する場合も、この面を出力部材
の受け面に当てて接着するなど、固定を容易に確実に行え、出力部材の受け面の法線方向
が、出力軸１の出す力の方向になるため、出力軸１の出す力が効率的に出力部材に伝達さ
れる効果がある。
【００５６】
上記の事情から、低コストで少量生産も可能で、安定した動作が可能なリニアアクチュ
エータ、力発生機を実現するために、出力軸１の形状を直方体にすることが有効である。
【００５７】
出力軸の出力端となる面は、対象物の形状や必要な圧力の大きさあるいは取り付ける出
力部材の形状などに応じて完全な平面ではなく凸部や凹部を持つなどの変形を加えてもよ
い。出力部材を固定する場合も出力部材の受け面が加工都合上平面にできない場合など
は、受け面の加工形状などに応じて変形を加えてもよい。
【００５８】
また直方体のエッジ部は面取りをして、エッジ部の微小な損傷の発生を防いだり、出力
軸１と組み合わせるガイド部材２や拘束部材１４のコーナー部のR形状を許容して加工
を容易にしたりするようにしてもよい。
【００５９】
出力軸は拘束部材とガイド部材による押し付け力によって変形しないためと、発生した
力を対象物に効率的に作用させるために高い剛性を持つ必要がある。また圧電素子による
加振により出力軸が効率的に振動できるためと、駆動機構の軽量化のために軽量であるこ
とが必要である。さらに拘束部材とガイド部材との接触においてサブミクロンの振幅の相
対的な振動を可能にするために、低摩擦の材料であることが必要である。
【００６０】
これらの要求を満たす材料として、炭素繊維強化樹脂が適している。炭素繊維は軽量で
弾性係数が高く、摩擦係数も低いため、前期の要求を満たすことができる。炭素繊維は長
繊維のものを、出力軸の出力方向に配向させた出力軸を用いる。出力軸が力を出す方向の
縦弾性係数が大きくでき、圧電素子からの振動が出力軸に効率よく伝わる。また、炭素繊
維が、出力軸とガイド部材、拘束部材の相対移動方向に配向されるので、繊維の方向に長
い距離にわたってガイド部材、拘束部材が接することになり、炭素繊維の潤滑性のよさを
有効に活用できる。拘束部材とガイド部材の押し付けに対しては、炭素繊維の配向方向と
直角方向の圧力になるが、炭素繊維強化樹脂中の炭素繊維の体積比率を６０％以上にする
ことにより、必要な圧縮剛性を得ることができる。
【００６１】
出力軸１がガイド部材２、拘束部材１３に対して外見上動いていない状態で連続駆動す
る場合には、出力軸１とガイド部材２、拘束部材１３は同じ場所でサブミクロンの振幅の
微小な相対運動を５KHｚ以上の高周波で繰り返すことになるため、継続的に局所的に発
生する摩擦熱の放散も重要になる。
【００６２】
出力軸１の材料として配向性ピッチ系炭素繊維を使用した炭素繊維強化樹脂を使用する
と摩擦熱の放散に有利である。配向性ピッチ系炭素繊維は熱伝導率が８０から８００
W/m・Kであり、１０W/m・K程度のPAN系炭素繊維よりも高く、摩擦熱を発生場所か
ら出力軸１や出力部材を介して放散し、出力軸１とガイド部材２、押さえ板の接触部が摩
擦熱により高温になり、表面状態の劣化から性能劣化につながることを防止する効果が高
い。
【００６３】
また配向性ピッチ系炭素繊維は引っ張り弾性率が６４０から９３５ＧＰａ程度あり、Ｐ
ＡＮ系炭素繊維の２３０から６５０ＧＰａ程度よりも大きく出力軸の剛性を高め、本駆動
機構の性能を上げるのにも有効である。
【００６４】
前述のように、炭素繊維は長繊維のものを用い、出力軸１の出力方向に配向させた炭素
繊維強化樹脂を出力軸１として使用する。こうすることにより、摩擦部からの熱と圧電素
子１２からの熱を炭素繊維の配向している方向に効率的に拡散させ、連続駆動する場合も
熱による性能の低下がないようにすることができる。
【００６５】
後述するように、出力軸１先端に出力部材を取り付けて使用する場合は、出力軸１を伝
わってきた熱を出力部材から放散させる効果ももたせることができる。
【００６６】
ピッチ系炭素繊維の一種である等方性ピッチ系炭素繊維は引っ張り弾性率が40GPaま
でしかなく、短繊維しかないため出力軸１の剛性を高くすることができないので不適当で
ある。
【００６７】
またガイド部材２を保持部材に使っていることにより、保持部から放散が促進され、性
能の劣化を防止する効果が実現されている。
【００６８】
出力軸１のガイド部材２への押し付け力を大きくして出力軸の出す力を大きくする場合
は、潤滑剤を使用することもできる。潤滑剤を使用する場合は強い力で押し付けられた二
つの平面に潤滑剤が介在した状態からの起動が必用になる。このような状態からの起動で
は、潤滑剤の酸化による潤滑剤粘度が増加すると起動がしにくくなる恐れがある。起動を
容易にするために耐酸化特性がよく、酸化による粘度増加の少ないパーフルオロポリエー
テルやクロロトリフルオロエチレンなどのフッ素系の潤滑油を使用する。潤滑油が酸化し
て潤滑特性が低下し、振動子の微小振動で励起される出力軸１とガイド部材２、押さえ板
間の微小な相対運動が阻害され、起動に障害が起きるのを防ぐことができる。潤滑油は綿
棒で出力軸の表面に塗布するなどの方法で使用できる。
【００６９】
増ちょう剤を潤滑油に付加すると増ちょう剤が平面間に強い圧力ではさみこまれ出力軸
１とガイド部材２、押さえ板間の微小な相対運動を阻害することになるため、増ちょう剤
は使用しない。
【００７０】
出力軸１の出力端は、対象物と接触することにより損傷を受けたり、磨耗したりする可
能性があり、使用上の問題となる場合がある。また出力端に用途に応じたロッドや、イン
ジェクタ、グリッパーのような先端ツールを取り付ける必要がある場合もある。
【００７１】
出力端の損傷や磨耗を防止したり、アダプターや先端ツールを取り付けたりするために、
出力端に出力部材を取り付けた場合について説明する。
【００７２】
図１１は出力部材を取り付けた場合の本駆動機構の側面図、図１２は平面図、図１３は
底面図、図１４は正面図である。図１１から図１４において、出力部材２１が出力軸１の
先端部に取り付けられている。図１３において２２は出力部材取り付けねじである。
【００７３】
出力部材は対象物との接触で損傷したり磨耗したりしにくく、アダプターや先端ツール
の取り付けに適した堅牢性の高い材料を用いる。具体的には金属、セラミック、繊維強化
プラスチックなどが適している。出力部材にはアダプターや先端ツール取り付け用のねじ
穴や植え込みボルトを設けてもよい。図１４において出力部材２１の先端部に、ツール取
り付けねじ穴２３が設けられている。
【００７４】
図１５は出力部材を取り付けた本駆動機構の側面図において、一部の部品を断面にした
図である。断面にした部品にはハッチングを施している。出力部材取り付けねじ２２を締
め付けることによって出力部材２１が出力軸１に取り付けられている。出力部材２１は出
力軸１と接触する部分で接着することで、結合強度を高くするようにしてもよい。
【００７５】
出力部材が取り付けることにより、出力端の損傷や磨耗を防止したり、先端ツールが取
り付けやすくなることに加えて、本考案の駆動機構の性能を向上させる効果がある。その
効果のひとつは、出力部材を取り付けることにより、本考案の駆動機構の発生力を高める
ことができることである。
【００７６】
もうひとつの効果は、先端ツールを取り付けたときに、先端ツールの質量が出力軸１、
圧電素子１２、出力部材からなる振動ユニットに追加されることによる振動ユニットの振
動特性に対する影響を少なくすることができ、先端ツールを取り付けても、本発明の駆動
機構を安定的に動作させることができる効果である。
【００７７】
図１６は出力部材の質量を変えたときに、駆動機構の発生力がどう変化するかを測定し
たグラフである。測定に使用した駆動機構は出力軸の長さが３０ｍｍ、ガイド部材と拘束
部材の出力軸の力を出す方向の長さが１０ｍｍ、圧電素子の質量が１．３ｇのものを使用
している。グラフの横軸は出力軸の位置を示す。出力軸が最も引き込まれた状態を１
ｍｍ、最も突き出た状態を１９ｍｍとしている。縦軸は出力軸が出す押し出し力をフォー
スゲージで測定した値である。グラフ中に各条件での測定値と近似曲線を記入している。
【００７８】
質量が０のときは出力部材をつけない場合であり、発生力も小さく、周波数により特性
が変化しやすくなっている。出力部材の質量が振動子の質量の二倍程度の２．５ｇでは、
発生力が小さく力の方向が反対方向になる。出力部材の質量を大きくしていくと発生力が
大きくなり、５ｇ以上になると発生力が大きくなり、出力軸に位置による発生力の変動も
小さくなる。
【００７９】
このように振動子の質量に見合う質量の出力部材を取り付けることにより、駆動機構の
発生力を高くし、安定的に動作させることができる。測定結果から出力部材の質量は振動
子の四倍以上がよい。この条件では先端ツールを取り付けても本駆動装置を安定的に動作
させることができる。
【００８０】
図１７、図１８は出力部材に先端ツールとしてグリッパーを取り付けた場合の側面図と
正面図である。グリッパーユニット２４はツール取り付けねじ２５により出力部材２１に
取り付けられている。グリッパーユニット２４からはグリップ用のアーム２６と駆動信号
を供給するリード線２７が２本ずつ出ていて、駆動信号を入力することによりアームを開
閉して、対象物をつかんだり、離したりすることができる。対象物をつかんでから本駆動
機構を動作させることで、対象物を移動させ、希望の位置で対象物を離すという作業が可
能になる。グリッパーユニットは電磁コイルによるもの、モーターによるものなど種々の
ものが利用できる。
【００８１】
図１９は本駆動機構を部品の押し込みや圧入作業に使用する場合の駆動方法を示す。作
業は棒状部品２８を穴２９に押し込無作業である。
【００８２】
出力部材には押し込みツール３０がツール取り付けねじ２３によりねじ止めされている。
本駆動機構を動作させる前に、穴２９と棒状部品２８と押し込みツール３０の位置を合わ
せる（Ａの状態）。棒状部品は不図示の保持具で穴の上方に位置決めされ、保持されている。
本駆動機構は外部の装置により棒状部品の上方に位置決めされ、保持されている。
【００８３】
この後、本駆動機構は押す力（ｆ）と引く力（−ｆ）を交互に出力し、対象の棒状部品
を間欠的な力で押し込んでいく。引く力を出す時間は押す力を出す時間はよりも短く設定
され、引く力を出す間に押し込みツール３０がわずかに後退し、押し込みツール３０との
間に隙間ができ、次に押す力を出すと押し込みツール３０が棒状部品２８に衝突して押し
込んでいく動作が連続し、押し込みや圧入作業をよりなめらかに行うことができる。
【００８４】
本駆動機構を動作させると出力部材２１が所定の力で押し込みツール３０を動かしてい
き、棒状部品２８は押し込みツールに押されて穴２９の入り口に押し付けられる（Ｂの状
態）。本駆動機構を引き続き動作させると棒状部品２８は、穴２９とのはめあいの抵抗力
に抗して、穴２９の中ごろまで押し込まれる（Ｃの状態）。本駆動機構の動作を継続する
と棒状部品２８は穴２９の底に到達する（Ｄの状態）。押し込み完了後も本駆動機構の動
作は継続され、押し込みの完了を確実にして作業が完了する（Ｅの状態）。作業が完了す
ると本駆動機構の動作を終了する。図１９の下側のグラフは、本駆動機構の出力軸、出力
部材、押し込みツールが出力する力を示す。    
【００８５】
本駆動機構では出力軸１がガイド部材２、拘束部材１４に対して外見上動いていない状
態でも連続駆動することができる、エンコーダーやロードセルで対象物の位置や負荷を測
定して作業の状態を監視しながら、本駆動装置の出力を制御する必要はなく、使いやすい
装置システムが低コストで実現できる。本駆動機構を応用できる作業は押し込みや圧入作
業に限られず、所定の引っ張り力が必要な作業、所定の圧力を保持する作業など広い範囲
に及ぶ。
【００８６】
図２０はＡの状態からＣの状態まではｆの力で押し続け、その後はＥの状態まで押す力
（ｆ）と引く力（−ｆ）を交互に出力し、対象の棒状部品２８を間欠的な力で押し込んで
いく例である。このようにすると、棒状部品２８と穴２９の位置合わせ精度が重要で作業
の負荷が小さい間は一定の力で押して、棒状部品２８の位置合わせがずれないようにし、
棒状部品２８が穴２９に入り込んでからは間欠的に衝撃力を加えることで押し込みを確実
にすることができる。
【００８７】
図２１は本駆動装置を曲面へのシート貼り付けに利用する例である。
【００８８】
出力部材２１には押さえローラーツール３１がツール取り付けねじ２３によりねじ止め
されている。押さえローラーツールは先端に回転するローラーが取り付けられ、ローラー
が回転しながら対象物を押さえていくことができる。シート３２は曲面を持つ台座３３の
表面に貼り付けられる。台座の表面には接着剤が塗布され、シート３２が貼り付け位置に
仮置きされている。
【００８９】
台座は移動台３４に乗せられ本駆動装置の下方に移動させて停止する（Ａの状態）。本
駆動装置を動作させ、出力軸に押しの力を発生させると押さえローラーツール３１はシー
ト３２の端の部分を台座に押さえつける（Ｂの状態）。移動台３４の移動を再開すると、
シート３２と台座は押さえローラーに押さえられながら移動し、シート３２が台座に強固
に接着されるよう、シート３２の全長にわたって台座に押し付けられる（ＣからＥの状態）
。シート全長の押さえつけが完了すると出力軸に−ｆの力を発生させ、押さえローラーは
シート３２から離れる（Ｆの状態）。
【００９０】
この作業では、出力軸は上述したような押し引き交互動作や、一定の力での押しなどの
設定された力出力モードで押さえローラーツールを対象物に押し付けるが、対象物の凹凸
に追従して出力軸が本駆動装置の側板から出たり入ったりして位置を変化させる。この動
作により対象物に凹凸があっても、対象物に一定のモードでの力を加え続けることができ
る。この場合も本駆動機構ではエンコーダーやロードセルで対象物の位置や負荷を測定し
て作業の状態を監視しながら、本駆動装置の出力を制御する必要はなく、使いやすい装置
システムが低コストで実現できる。
【００９１】
出力軸に出力部材を取り付けた場合や、出力部材に先端ツールを取り付けた場合は、出
力軸が最も突き出した状態で、ガイド部材、拘束部材の外側エッジから出力部材や先端ツ
ールの先端までの距離をＳとして、ガイド部材、拘束部材の出力軸の力を出す方向の長さ
ＬがＳの１０分の１以上の長さに設定するのがよい。
【００９２】
図２２は本駆動機構のガイド部材２の別の形態を示す。この形態では、拘束部材がガイ
ド部材に一体化されている。ガイド部材２の内径寸法は出力軸１の外形寸法よりもわずか
に小さめに作成し、出力軸１を挿入することで、ガイド部材の押さえ面２ｄ、２ｅにより
出力軸１の移動の基準となる摩擦平面２ｂ、２ｃに出力軸１が押し付けられガイド部材２
と出力軸１間で摩擦が発生し、出力軸１の出力方向以外の自由度がなくなるように拘束さ
れる。
【００９３】
ガイド部材の一部に溝部２ｆを設け、ガイド部材の拘束部材に相当する部分出力軸に沿
いやすくしてもよい。この形態では、出力軸を挟み込む力を所定の値にするため高精度の
加工が必要で、出力軸との当たり面の加工も難度が高くなるが、部品点数の削減、組み立
て工数の削減が可能になる。
【００９４】
図２３に示すように拘束部材を拘束部材１４と押さえ板３５、３６に分割することも可
能である。出力軸１はガイド部材２とガイド部材２に、拘束部材取り付けねじ１３でねじ
止めされた拘束部材、押さえ板３５、３６に挟み込まれた状態で保持されている。
【００９５】
拘束部材１４は先端が曲がっていて、出力軸１との間に挿入された押さえ板３５、３６
の摩擦平面３５ａ、３６ａを出力軸１に押し付ける。拘束部材は、押さえ板３５、３６と
出力軸１の２つの平面との間で摩擦を発生する働きと、出力軸１の残りの２つの平面をガ
イド部材２の２つの摩擦平面２ｂ、２ｃに押し付けて摩擦を発生する働きと、出力軸の出
力方向以外の自由度を拘束する働きをする。
【００９６】
拘束部材１４と押さえ板３５、３６の接触面は研削やラッピングなど特段の平滑化は施
さないため、拘束部材１４と押さえ板３５、３６の間の摩擦力は、押さえ板３５、３６と
出力軸１の間の摩擦力より２倍以上大きくなり、本駆動機構を動作させたときに、押さえ
板３５、３６と拘束部材１３は相対的に動くことはない。これにより、押さえ板３５、３
６と出力軸１との間に発生する力は、出力軸１がガイド部材２に対して動こうとする力に
加えて、出力軸１から取り出せる力として有効に利用できる。
【００９７】
仕様の一例として本駆動機構で出力軸の出力を１０Ｎにしようとすると、出力軸の四つ
の面の各面で２．５Ｎの力を発生させることになる。出力軸１とガイド部材２、押さえ板
１４、１５の間の動摩擦係数は潤滑剤の有無により変化はあるが、０．１から０．１５程
度になる。２．５Ｎの力を発生させるためには、出力軸１がガイド部材２、押さえ板３５
、３６と接触する四つの面で２．５Ｎを動摩擦係数０．１５で割った１７Ｎ程度以上の押
し付け力が作用する必要がある。
【００９８】
拘束部材１３は押さえ板を１７Ｎ以上の力で押さえつけることになり、押さえ板３５、
３６と拘束部材端面の間には強い摩擦が発生する。鉄系や銅系合金の材料でこのような接
触条件の場合には、摩擦係数は０．５以上になると考えられ、押さえ板３５、３６と拘束
部材端面の間の摩擦力は８Ｎ以上になる。この摩擦力は抑え板と出力軸の間で発生する
２．５Ｎの力よりもはるかに大きく、押さえ板３５、３６と拘束部材１４は相対的に動く
ことはない。
【００９９】
この構成では部品点数が増え、組み立てコストなどコスト増の要因となるが、部品の加
工や仕上げが容易になる。
【０１００】
図７の例と同じように、拘束部材とガイド部材に傾斜面を設け、取り付けねじ１３によ
り拘束部材の傾斜面がガイド部材の傾斜面に押し付けられ、傾斜面の高さの低い側に移動
していこうとするようにしてもよい。
【０１０１】
図２４は、ガイド部材２を二体に分けた例である。ガイド部材をガイド部材２とガイド
部材３７に分割して作成し、ガイド部材の生産コストを下げることができる。分割したガ
イド部材はガイド部材結合ねじ３８で結合され一体の部品として機能する。
【０１０２】
図２５は本発明において圧電素子１２を駆動する駆動回路の一例の回路図である。圧電
素子１２は回路図中に記載している。回路は３つのブロックに分かれていて、それぞれの
ブロックを破線の枠で囲んでいる。左上のブロックはパルスジェネレータ、右上のブロッ
クはワンショットマルチバイブレータ、下部のブロックは圧電素子１２の駆動部になって
いる。以下の回路の説明では圧電素子１２を圧電素子Ｐ１と呼ぶ。
【０１０３】
パルスジェネレータはアナログのコンパレータを利用したもので、抵抗Ｒ１、Ｒ２とコ
ンデンサーＣ１の値に従って一定の周波数とデューティ比のパルスを連続的に出力する。
【０１０４】
図２５においてスイッチＳ１を閉にすると、パルスジェネレータが動作を開始し、圧電
素子Ｐ１を駆動する波形の基本周波数を持つパルス波形を発生する。このパルス波形のデ
ューティ比は0.5〜0.99程度が好ましく、圧電素子Ｐ１を急速充電または急速放電するの
に十分な時間、波形がゼロレベルになるようにする。
【０１０５】
ワンショットマルチバイブレータは、パルスジェネレータの出力がハイレベルからゼロ
レベルに変化すると、所定の時間幅のパルスを一つ発生する。パルスの時間幅は抵抗Ｒ３
とコンデンサーＣ２の値によって決定される。このパルスの時間幅はパルスジェネレータ
から出される連続パルス波形のハイレベルの時間よりも小さく設定する。
【０１０６】
圧電素子１２の駆動部はPchのCMOS  FETＱ１、Ｑ２とNchのCMOS  FETＱ３、
Ｑ４からなるブリッジ回路に、圧電素子Ｐ１を低速で充電または放電させるための抵抗Ｒ
４と、本駆動機構の動作方向を切り替えるための方向切換スイッチＳ２を付加したもので
ある。
【０１０７】
図２６は駆動回路中のA点からＥ点における、電圧波形の説明図である。
【０１０８】
パルスジェネレータ  からの出力波形は図２６中のA点の波形となり、図２５の圧電素
子１２駆動回路の左側のPch  FETＱ１とNch  FETＱ３のゲートに入力される。ワンシ
ョットマルチバイブレータからはパルスジェネレータの出力がハイレベルからゼロレベル
に変化するときに抵抗Ｒ３とコンデンサーＣ２の値によって決定される時間幅のパルスが
出力される。ワンショットマルチバイブレータの出力は圧電素子１２駆動回路の右側の
Pch  FETＱ２とNch  FETＱ４のゲートに入力される。
【０１０９】
パルスジェネレータからの出力がハイレベルからゼロレベルに変化すると、Pch  FET
Ｑ１がオンになり、Nch  FETＱ３がオフになる。このときにワンショットマルチバイブ
レータ  からの出力はゼロレベルからハイレベルに変化するためNch  FETＱ４がオン
になり、Pch  FETＱ２がオフになる。圧電素子Ｐ１はPch  FETＱ１とNch  FETＱ４
を通じて、電源電圧Vで急速に充電される。
【０１１０】
パルスジェネレータからの出力は、圧電素子Ｐ１の急速充電が完了するのに十分な時間
が経過すると、ゼロレベルからハイレベルに変化するようにデューティ比が設定されてい
る。パルスジェネレータからのの出力がゼロレベルからハイレベルに変化すると、Pch  
FETＱ１  がオフになり、Nch  FETＱ３がオンになる。
【０１１１】
急速充電されていた圧電素子Ｐ１の電荷は抵抗Ｒ４とNch  FETＱ３を通して放電を
開始するが、抵抗Ｒ４が介在しているため緩やかに放電が行われる。ワンショットマルチ
バイブレータからのパルスは、パルスジェネレータ出力の１周期の半分程度のあいだハイ
レベルであり、この間に圧電素子１２が放電するように抵抗Ｒ４の値は設定されている。
【０１１２】
ワンショットマルチバイブレータの出力がハイレベルからゼロレベルに変化すると、
Pch  FETＱ２がオンになり、Nch  FETＱ４がオフになる。これにより圧電素子Ｐ１は
Pch  FETＱ２、抵抗Ｒ４、Nch  FETＱ３を通して逆極性での充電が開始される。この
ときも抵抗Ｒ４が介在しているため緩やかに充電が行われる。ワンショットマルチバイブ
レータの出力はパルスジェネレータ出力の１周期の半分程度のあいだゼロレベルであり、
この間に圧電素子１２の逆極性での充電が完了する。
【０１１３】
パルスジェネレータから出される連続パルスの１周期の時間が経過するとパルスジェネ
レータの出力はふたたびハイレベルからゼロレベルに変化し、再びPcn  FETＱ１がオン、
Nch  FETＱ３がオフになる。このときにワンショットマルチバイブレータ  からの出力
も再びゼロレベルからハイレベルに変化するためNch  FETＱ４がオンになり、Pch  
FETＱ３がオフになる。以下、上記の回路動作が繰り返されることにより圧電素子１２は
時間的に非対称な電圧波形で駆動され、本発明の駆動機構が力発生機やリニアアクチュエ
ータ、電動シリンダーとして動作する。
【０１１４】
パルスジェネレータからの波形の1周期分だけ、本発明の駆動機構を動作させることも
可能である。このときには、パルスジェネレータのブロックを修正してワンショットマル
チバイブレータとして動作させればよい。
【０１１５】
スイッチＳ２は、ブリッジ回路のなかで圧電素子Ｐ１の接続を逆にするスイッチで、こ
のスイッチを切り替えることにより本発明の駆動機構の動作方向、力を出す方向を切り替
えることができる。スイッチＳ２を設けるかわりに、電子的なスイッチ素子と抵抗の追加
と駆動波形の調整で方向の切り替えをすることもできる。
【０１１６】
図２６においてAはパルスジェネレータからの出力であり、ブリッジ回路の左半分の
Pch  FETＱ１とNch  FETＱ３のゲートに入力される。Bはワンショットマルチバイブ
レータの出力で、ブリッジ回路の右側のPch  FETＱ２とNch  FETＱ４のゲートに入力
される。Cは圧電素子Ｐ１の一方の電極の電圧で、Dは圧電素子１２のもう一方の電極の
電圧である。EはNch  FETＱ３のソース電圧である。
【０１１７】
D-Cは圧電素子１２の二つの電極間の電圧を計算したもので、圧電素子Ｐ１が＋Vから
-Vの電圧範囲で急速放電と緩やかな充電をされていることがわかる。
【０１１８】
駆動回路により圧電素子Ｐ１が非対称な電圧波形で駆動されると、圧電素子Ｐ１は伸縮
運動をする。この伸縮運動は伸びと縮みの速度が異なるため、出力軸１には非対称な加振
が行われ、出力軸がガイド部材、拘束部材に対して動こうとする力が発生し、対象物を移
動させたり、対象物が駆動機構の発生する力では動かない場合や駆動機構の発生力に抗し
て出力軸を動かす場合にも、対象物に力を加え続けたりすることができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１  出力軸
２  ガイド部材
３  側板
４  側板
５  カバー
７  底板
９  外部の装置
１１  リード線
１２  圧電素子
１４  拘束部材
１５  対象物
１９  ストッパー
２０  規制部材
２１  出力部材
２３  ツール取り付けねじ穴
３０  押し込みツール
３２  押さえローラーツール
３５  押さえ板
３６  押さえ板
【図１】
2015128360.tif 000003
【図２】
2015128360.tif 000004
【図３】
2015128360.tif 000005
【図４】
2015128360.tif 000006
【図５】
2015128360.tif 000007
【図６】
2015128360.tif 000008
【図７】
2015128360.tif 000009
【図８】
2015128360.tif 000010
【図９】
2015128360.tif 000011
【図１０】
2015128360.tif 000012
【図１１】
2015128360.tif 000013
【図１２】
2015128360.tif 000014
【図１３】
2015128360.tif 000015
【図１４】
2015128360.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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