(57)【要約】【課題】被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができるアクチュエータを提供する。【解決手段】アクチュエータ１０は、所定の変位を発生させる複数の圧電素子２，３と、圧電素子２，３に結合され、圧電素子２，３の変位を合成するチップ部材５と、圧電素子２，３の基端を支持するベース部材４とを有する駆動部１と、チップ部材５が当接することにより駆動されるロータ７と、駆動部１とロータ７とを加圧接触させる加圧部６と、圧電素子２，３に駆動信号を出力する駆動信号出力部とを備え、ベース部材４は、チップ部材４との重量比が大きくなる材料で形成される。【選択図】  図１
2004222453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の変位を発生させる複数の変位素子と、前記変位素子に結合され、前記変位素子の変位を合成する変位合成部材と、前記変位素子の基端を支持するベース部材とを有する駆動部と、
前記変位合成部材が当接することにより駆動される被駆動部と、
前記駆動部と前記被駆動部とを加圧接触させる加圧部と、
前記変位素子に駆動信号を出力する駆動信号出力部とを備え、
前記ベース部材は、前記変位合成部材との重量比が大きくなる材料で形成されることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記ベース部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記変位合成部材は、前記被駆動部材と当接する先端部材と、前記変位素子に結合される結合部材とで構成され、
前記先端部材は、前記結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記先端部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることを特徴とする請求項３記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記変位合成部材は、前記変位素子に結合される結合部分から前記被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位素子を用いて駆動部を駆動させ、被駆動部に駆動力を摩擦伝達するアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、２つの圧電素子などの電気機械変換素子（変位素子）をトラス型に構成し、互いに直交する変位素子の交点に設けられた変位合成部を所定の軌跡を描くように駆動することにより、ロータなどの被駆動部材を所定の方向に駆動するトラス型アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
従来のトラス型アクチュエータは、２つの電気機械変換素子（積層型の第１圧電素子及び第２圧電素子）を略直角に交差させて配置し、それらの交差側端部にチップ部材を接着剤により接合している。一方、第１及び第２圧電素子の他端部をベース部材に接着剤により接合している。また、第１及び第２圧電素子、チップ部材及びベース部材などで構成された駆動部は、チップ部材がロータに接触するように、加圧部により付勢されている。
【０００４】
従来のトラス型アクチュエータでは、第１及び第２圧電素子にそれぞれ所定の位相差を有する駆動信号を印加することにより、各圧電素子は異なった位相で駆動され、第１及び第２圧電素子の交点に設けられたチップ部材が所定の楕円軌道を描くように駆動される。チップ部材が楕円軌道を描くように駆動されている間、一定の区間でチップ部材がロータに接触し、チップ部材とロータとの間に作用する摩擦力により、ロータが所定の方向に回転駆動される。そして、ロータの回転軸を直接出力軸とすることにより、またはロータの回転軸に垂直な端面にピンを設け、このピンによりリンクレバーなどを係合させることにより、他の装置に駆動力を供給することができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−５４２９１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のトラス型アクチュエータでは、第１及び第２圧電素子の変位とともにベース部材も振動する。チップ部材の変位（楕円運動）が大きいほど出力は上がるが、トラス型アクチュエータの大きさや構成によってはチップ部材に対してベース部材が比較的大きく振動してしまう場合がある。特に、トラス型アクチュエータの小型化に伴うベース部材の小型化により、チップ部材に対するベース部材の重量比が小さくなり、チップ部材に対してベース部材が比較的大きく振動してしまう傾向にある。そのため、チップ部材の変位が小さくなり、出力が上がりにくくなるという問題が生じる場合がある。
【０００７】
また、チップ部材は、被駆動部材に駆動力を摩擦伝達するため、その材料には耐磨耗性の高い超硬合金などが用いられるが、超硬合金は密度が大きいため、重量が大きくなり、ベース部材に対する重量比が大きくなり、上記と同様の問題が生じる場合がある。
【０００８】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができるアクチュエータを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアクチュエータは、所定の変位を発生させる複数の変位素子と、前記変位素子に結合され、前記変位素子の変位を合成する変位合成部材と、前記変位素子の基端を支持するベース部材とを有する駆動部と、前記変位合成部材が当接することにより駆動される被駆動部と、前記駆動部と前記被駆動部とを加圧接触させる加圧部と、前記変位素子に駆動信号を出力する駆動信号出力部とを備え、前記ベース部材は、前記変位合成部材との重量比が大きくなる材料で形成される。
【００１０】
この構成によれば、ベース部材が、変位合成部材に対する重量比が大きくなる材料で形成されるため、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１１】
また、上記のアクチュエータにおいて、前記ベース部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、ベース部材が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、変位合成部材に対するベース部材の重量比が大きくなり、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１３】
また、上記のアクチュエータにおいて、前記変位合成部材は、前記被駆動部材と当接する先端部材と、前記変位素子に結合される結合部材とで構成され、前記先端部材は、前記結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、変位合成部材は、被駆動部材と当接する先端部材と、変位素子に結合される結合部材とで構成され、先端部材は、結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、変位合成部材を先端部材の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、先端部材は、結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部材側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１５】
また、上記のアクチュエータにおいて、前記先端部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、先端部材が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部材側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１７】
また、上記のアクチュエータにおいて、前記変位合成部材は、前記変位素子に結合される結合部分から前記被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、変位合成部材は、変位素子に結合される結合部分から被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されるため、変位合成部材を先端部分の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、変位合成部材の先端部分は、結合部分の密度よりも大きい密度で形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部分側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
本発明の一実施形態であるアクチュエータについて説明する。図１は、本実施形態におけるアクチュエータの構成を概略的に示す図である。
【００２１】
このアクチュエータ１０は、被駆動部材７を駆動する駆動部１と、その駆動部１をロータ７に加圧接触させる加圧部６とからなる。上記駆動部１は、例えば９０度の挟み角度で交差された２本の変位素子２、３と、その交点に接着されたチップ部材５と、変位素子２、３の基端に接着されたベース部材４とから構成されている。
【００２２】
変位素子２、３（以下、第１圧電素子２、第２圧電素子３とする。）には、圧電効果により電気信号を変位に変換する積層型の圧電素子が用いられている。チップ部材５には、安定して高い摩擦係数が得られ、摩耗しにくい金属材料が用いられる。ベース部材４には、製造し易く強度が得られる金属材料が用いられ、チップ部材５との重量比が大きくなる金属材料で形成される。なお、ベース部材４及びチップ部材５に用いられる金属材料については後述する。また、ベース部材４と圧電素子２，３との接着及びチップ部材４と圧電素子２，３との接着には、ベース部材４の材料及びチップ部材５の材料に応じて適宜選択される接着剤が用いられ、特に、接着力や強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。加圧部６は、コイルばねなどで構成され、ベース部材４を被駆動部材である円板状のロータ７の中心方向（矢印Ａ方向）に加圧する。ロータ７は、アルミニウムなどの金属で作製され、チップ部材５との接触による摩耗を防ぐため、チップ部材５との接触部位にはアルマイトなどの表面処理が施されている。また、被駆動部材であるロータ７をスライダなどに変更すれば、リニア駆動が可能となる。
【００２３】
ここで、本実施形態において変位素子として用いる積層型圧電素子について説明する。圧電素子は、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板と電極を交互に積層したものであり、各セラミック薄板と電極とは接着剤等により固定されている。１つおきに配置された各電極群は、それぞれ信号線を介して駆動電源に接続されている。信号線に所定の電圧を印加すると、２つの電極に挟まれた各セラミック薄板には、その積層方向に電界が発生し、その電界は１つおきに同じ方向である。従って、各セラミック薄板は、１つおきに分極の方向が同じになる（隣り合う２つのセラミック薄板の分極方向は逆となる）ように積層されている。なお、圧電素子の両端部には、保護層が設けられている。
【００２４】
駆動電源により直流の駆動電圧を各電極の間に印加すると、全てのセラミック薄板が同方向に伸び又は縮み、圧電素子全体として伸縮する。駆動電源により交流の駆動電圧（交流信号）を各電極の間に印加すると、その電界に応じて各セラミック薄板は同方向に伸縮を繰り返し、圧電素子全体として伸縮を繰り返す。圧電素子には、その構造や電気的特性により決定される固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波数が圧電素子の共振周波数と一致すると、インピーダンスが低下し、圧電素子の変位が増大する。圧電素子は、その外形寸法に対して変位が小さいため、低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用することが望ましい。
【００２５】
次に、アクチュエータ１０におけるロータ７の回転原理について説明する。第１圧電素子２及び第２圧電素子３にそれぞれ所定の位相差を有する駆動信号を印加することにより、各圧電素子２，３は異なった位相で駆動され、各圧電素子２，３の交点に設けられたチップ部材５が所定の楕円軌道（円軌道を含む）を描くように駆動される。チップ部材５が所定の楕円軌道を描くように駆動されている間、一定の区間でチップ部材５がロータ７の外周面に接触し、チップ部材５とロータ７の外周面との間に作用する摩擦力により、ロータ７が所定方向に回転される。また、駆動信号の位相のずれ方向を逆にすることによりチップ部材５の軌道の方向が逆転し、ロータ７の回転を逆転させることができる。上記アクチュエータ１０において、互いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交点は楕円振動の式（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓの式）に従った軌跡を描く。
【００２６】
図２は、２つの圧電素子２、３を各々駆動する２つの駆動信号の位相を変化させたときに得られるチップ部材５の軌跡形状を示す図であり、図２（ａ）は両駆動信号の位相差が６０゜の場合、図２（ｂ）は両駆動信号の位相差が９０゜の場合、図２（ｃ）は両駆動信号の位相差が１２０゜の場合である。
【００２７】
この図２から理解されるように、このアクチュエータ１０は両駆動信号の位相差を９０°にするとチップ部材５の軌跡が円となり、位相差を９０°より小さくするとチップ部材５の軌跡が被駆動部材の法線方向Ａに長径方向が揃った楕円軌跡となり、位相差を９０°より大きくするとチップ部材５の軌跡が被駆動部（ロータ７）の接線方向Ｂに長径方向が揃った楕円軌跡になる。
【００２８】
ロータ７の速度は、楕円運動の接線方向Ｂの速度によって決まるため、楕円軌跡の接線方向Ｂの径が大きいほど速度が大きくなる。一方、ロータ７の駆動力は加圧部６による加圧力と楕円軌跡のロータ７に対する法線方向Ａの径によって決まるため、楕円軌跡の法線方向Ａの径が大きいほど駆動力が大きくなる。
【００２９】
本実施形態におけるアクチュエータ１０の２つの圧電素子２，３が伸び方向に共振する固有モードとしては、両者が互いに同位相で振動する（振動の位相が一致する）同位相モードと、両者が互いに逆位相で振動する（振動の位相がπずれている）逆位相モードとが存在する。同位相モードと逆位相モードという２つの固有モードを利用することによって共振駆動が可能となる。このような共振を利用することによって変位が１０から数１０倍に拡大するので、低電圧化及び高効率化を図ることができる。２つの圧電素子２，３がそれぞれ同位相モード及び逆位相モードで振動する場合における、圧電素子の変形状態を図３に示す。図３において、（ａ）は同位相モードでの伸び振動状態、（ｂ）は逆位相モードでの伸び振動状態を示す。同位相モードでの振動の場合、例えば第１圧電素子２の振動が位相差０°で第２圧電素子３に伝達されている。また、逆位相モードでの振動の場合、例えば第１圧電素子２の振動が位相差１８０°で第２圧電素子３に伝達されている。
【００３０】
また、上述した２つの固有モードの共振周波数を一致させることで、楕円振動の式に基づいた駆動信号による楕円軌跡の制御が共振でも可能となる（位相差駆動）。さらに、２つの固有モードの共振周波数差を所定値にすることによって、単相の駆動信号を一方の圧電素子に印加するだけで楕円振動を生成して駆動することが可能となる（単相駆動）。同位相モード及び逆位相モードの２つの固有モードの共振周波数はチップ部材５の重量により変化させることができ、両駆動方法とも、チップ部材５の重量を所定値に設定する必要がある。位相差駆動は、２つの圧電素子を駆動するので、出力を大きくすることができ、単相駆動は、１つの圧電素子を駆動するだけでよいので、駆動回路を簡略化することができるという特徴をそれぞれ有しているので、必要に応じて使い分けることが好ましい。
【００３１】
固有モードは、ばね、ダッシュポット及び重りを備えた直交する２つの粘性減衰振動系の振動モデルで表すことができる。第１圧電素子２を駆動する場合の振動モードを図４に示す。なお、図４ではダッシュポットを省略し、ベース部材４を固定している。図４において、同位相モードを第１振動系と呼び、逆位相モードを第２振動系と呼ぶ。本アクチュエータ１０において、第１圧電素子２により発生された力は第１振動系と第２振動系に分解されると考えられる。図４に示すように、１つの圧電素子を駆動すると、両モードの対象軸方向に励振力が加えられる。
【００３２】
次に、位相差駆動について説明する。同位相モードにおける共振周波数が逆位相モードにおける共振周波数に近似する場合における各モードそれぞれの変位と励振力に対する位相遅れの共振周波数付近の周波数特性を図５及び図６に示す。
【００３３】
図５において、特性曲線Ａは、同位相モードにおける第１振動系の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す。また、特性曲線Ｂは、逆位相モードにおける第２振動系の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す。図５に示すように、特性曲線Ａは、周波数が９５ｋＨｚ近傍で振幅（拡大率）がピークとなる曲線であり、特性曲線Ｂは、周波数が１００ｋＨｚ近傍で振幅がピークとなる曲線であり、特性曲線Ａと特性曲線Ｂとは近似している。
【００３４】
図６において、特性曲線Ｃは、同位相モードにおける第１振動系の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｄは、逆位相モードにおける第２振動系の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｅは、第１振動系の振動と第２振動系の振動の位相差を示す。図６に示すように、特性曲線Ｃは、周波数が９５ｋＨｚ近傍で位相遅れが変化する曲線であり、特性曲線Ｄは、周波数が１００ｋＨｚ近傍で位相遅れが変化する曲線であり、特性曲線Ｃと特性曲線Ｄとは近似している。また、特性曲線Ｅは、周波数が９５ｋＨｚと１００ｋＨｚとの間で位相差がピークとなる曲線である。
【００３５】
このような振動系に対して、１つの圧電素子を駆動すると、図５に示す特性に従って各モードの方向に変位が拡大されるとともに、両モード間の位相差により楕円軌跡が形成される。この場合、両モード間の位相差がほとんどない（図６の特性曲線Ｅ参照）ので全ての周波数において素子駆動方向にのみ変位が拡大される（共振周波数で最大となる）。したがって、２つの圧電素子を独立で駆動することが可能であり、駆動信号の振幅、位相差によって楕円軌跡を制御することができる。
【００３６】
図７（ａ）から（ｃ）は、それぞれ駆動信号の周波数が５０、１００及び１５０ｋＨｚにおけるチップ部材５の軌跡を示す。同位相モードにおける第１振動系の共振周波数が逆位相モードにおける第２振動系の共振周波数に近似する場合、両共振周波数の中間の周波数を有する駆動信号による振動の振幅は大きくなり、位相差は０度に近づくことがわかる。そのため、チップ部材５の軌跡は、駆動方向に並行な方向を長軸とする楕円になることがわかる。
【００３７】
図８は、位相差駆動に用いられる駆動信号出力回路の構成を示すブロック図である。駆動信号出力回路（駆動信号出力部）２０は、発振器２１、位相制御部２２、遅延回路２３、振幅制御部２４、第１増幅器２５及び第２増幅器２６を備える。発振器２１は、同位相モードと逆位相モードにおいて一致した共振周波数で正弦波信号を発生（発振）する。位相制御部２２は、ロータ７の回転速度、駆動トルク、回転方向等に応じて遅延回路２３を制御し、位相のずれた正弦波信号を発生する。振幅制御部２４は、第１増幅器２５及び第２増幅器２６を制御して、互いに位相のずれた２つの正弦波信号の振幅を増幅する。第１増幅器２５及び第２増幅器２６により増幅された正弦波信号は、それぞれ第１及び第２圧電素子２，３に印加される。このような駆動信号出力回路２０を用いることによって、駆動信号の振幅や位相差を制御することにより、チップ部材５の軌跡形状や方向を変化させ、出力を制御する。
【００３８】
続いて、単相駆動について説明する。同位相モードにおける共振周波数と逆位相モードにおける共振周波数とが所定値だけ離れた場合における各モードそれぞれの変位と励振力に対する位相遅れの共振周波数付近の周波数特性を図９及び図１０に示す。
【００３９】
図９において、特性曲線Ｆは、同位相モードにおける第１振動系の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す。また、特性曲線Ｇは、逆位相モードにおける第２振動系の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｆは、周波数がｆ１ｋＨｚの場合に振幅（拡大率）がピークとなる曲線であり、特性曲線Ｇは、周波数がｆ２ｋＨｚの場合に振幅がピークとなる曲線である。
【００４０】
図１０において、特性曲線Ｈは、同位相モードにおける第１振動系の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｉは、逆位相モードにおける第２振動系の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す。特性曲線Ｊは、第１振動系の振動と第２振動系の振動の位相差を示す。特性曲線Ｈは、周波数がｆ１ｋＨｚで位相遅れが９０度となる曲線であり、特性曲線Ｉは、周波数がｆ２ｋＨｚで位相遅れが９０度となる曲線であり、特性曲線Ｊは、周波数がｆ３ｋＨｚで位相差がピークとなる曲線である。
【００４１】
同位相モードにおける第１振動系は、その共振周波数ｆ１よりも大きな周波数ｆ３の駆動信号で駆動されているので、その振幅はピークをすぎており、その最大値よりも小さく、またその位相遅れは９０度よりも大きい。一方、逆位相モードにおける第２振動系は、その共振周波数ｆ２よりも小さな周波数ｆ３の駆動信号で駆動されているので、その振幅はピークに達しておらず、その最大値よりも小さく、またその位相遅れは９０度よりも小さい。同位相モードにおける位相遅れが逆位相モードにおける位相遅れよりも大きいため、チップ部材５は反時計方向に回転する。
【００４２】
図１１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ駆動信号の周波数が５０、１００（ｆ３）及び１５０ｋＨｚにおけるチップ部材５の軌跡を示す。駆動信号の周波数が各モードにおける共振周波数の中間の周波数ｆ３からずれると、チップ部材５の軌跡は細長い楕円になることがわかる。
【００４３】
図１２は、単相駆動に用いられる駆動信号出力回路の構成を示すブロック図である。駆動信号出力回路（駆動信号出力部）３０は、発振器３１、増幅器３２及びスイッチング部３３を備える。発振器３１は、同位相モードと逆位相モードにおいて共振周波数付近の所定の周波数で正弦波信号を発生（発振）する。増幅器３２は、発振器３１から出力される正弦波信号の振幅を増幅する。スイッチング部３３は、増幅器３２により増幅された正弦波信号の出力先を第１又は第２圧電素子２，３に切り換える。スイッチング部３３により駆動する圧電素子を切り換えることで駆動方向を反転させることができる。
【００４４】
次に、ベース部材４に使用される材料について説明する。図３に示すモードシェイプからベース部材４も振動に寄与していることがわかる。そこで、ベース部材４を形成する材料の密度を変化させたときの位相差駆動によるチップ部材５の先端の楕円軌跡を有限要素法により解析した結果を図１３に示す。図１３に示す楕円軌跡Ｋはベース部材４を形成する材料の密度が１４×１０３ｋｇ／ｍ３の場合におけるチップ部材５の軌跡を表し、楕円軌跡Ｌはベース部材４を形成する材料の密度が１１×１０３ｋｇ／ｍ３の場合におけるチップ部材５の軌跡を表し、楕円軌跡Ｍはベース部材４を形成する材料の密度が８×１０３ｋｇ／ｍ３の場合におけるチップ部材５の軌跡を表す。なお、楕円軌跡Ｋにおける黒丸点、楕円軌跡Ｌにおける黒四角点、楕円軌跡Ｍにおける黒三角点は、それぞれ測定点を表す。
【００４５】
図１３に示すように、ベース部材４を形成する材料の密度が大きくなるほど楕円軌跡は大きくなる。これは、ベース部材４は、弾性体であると同時に重りの役割を果たしており、素子変位が変わらなければチップ部材５の重量とベース部材４の重量との比によってチップ部材５側の変位量が変化するためであり、チップ部材５とベース部材４との重量比が小さいほど（ベース部材４の重量が大きいほど）、チップ部材５側の変位量が増え、楕円軌跡が大きくなるためである。
【００４６】
このような密度の大きな材料としては、超硬合金（密度：１５×１０３ｋｇ／ｍ３）、タングステン（１９．２×１０３ｋｇ／ｍ３）、タングステン合金（１８×１０３ｋｇ／ｍ３）、白金（２１．６×１０３ｋｇ／ｍ３）、金（１９．３×１０３ｋｇ／ｍ３）及び鉛（１１．３×１０３ｋｇ／ｍ３）等が用いられるが、コスト的及び環境的な面、また量産時の生産性を考慮すると、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成することが好ましい。なお、タングステン合金の合金成分としては、鉄、ニッケル及び銅等が用いられる。
【００４７】
ベース部材４をステンレス及び超硬合金により試作し、単相駆動を行った際のチップ部材５による楕円軌跡の測定結果を図１４に示す。図１４（ａ）は、ベース部材４を超硬合金で形成した場合におけるチップ部材５の楕円軌跡の測定結果を示す図であり、図１４（ｂ）は、ベース部材４をステンレスで形成した場合におけるチップ部材５の楕円軌跡の測定結果を示す図である。なお、図１４（ａ）、（ｂ）における縦軸は接線方向（駆動方向）を表し、横軸は法線方向を表す。図１４（ａ）に示すベース部材４を超硬合金で形成した場合の楕円軌跡と、図１４（ｂ）に示すベース部材４を超硬合金よりも密度の低いステンレス（密度：８×１０３ｋｇ／ｍ３）で形成した場合の楕円軌跡とを比較すると、超硬合金で形成されたベース部材４を用いたほうがステンレスで形成されたベース部材４を用いるよりも楕円軌跡を大きくすることができ、出力を向上させることができる。
【００４８】
また、ベース部材４をステンレス及び超硬合金により試作し、単相駆動を行った際のチップ部材５による駆動特性の測定結果を図１５に示す。なお、図１５における縦軸は速度及び駆動効率を表し、横軸は推力（駆動力）を表す。図１５において、特性曲線Ｎはベース部材４を超硬合金で形成した場合における速度と駆動力との関係を表し、特性曲線Ｏはベース部材４をステンレスで形成した場合における速度と駆動力との関係を表し、特性曲線Ｐはベース部材４を超硬合金で形成した場合における駆動効率と駆動力との関係を表し、特性曲線Ｑはベース部材４をステンレスで形成した場合における駆動効率と駆動力との関係を表す。特性曲線Ｎ及び特性曲線Ｏは、左肩上がりの曲線であり、特性曲線Ｐ及び特性曲線Ｑは、右肩上がりの曲線である。なお、特性曲線Ｎにおける黒丸点、特性曲線Ｏにおける黒三角点、特性曲線Ｐにおける黒四角点、特性曲線Ｑにおける×点は、それぞれ測定点を表す。
【００４９】
図１５に示すように、ベース部材４を超硬合金で形成した場合の速度及び駆動効率と、ベース部材４を超硬合金よりも密度の低いステンレスで形成した場合の速度及び駆動効率とを比較すると、速度及び駆動効率ともに超硬合金で形成されたベース部材４を用いたほうがステンレスで形成されたベース部材４を用いるよりも上回っていることがわかる。
【００５０】
このように、ベース部材４が、チップ部材５に対する重量比が大きくなる材料で形成されるため、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。特に、アクチュエータ１０の小型化にともなって、ベース部材４及びチップ部材５を小型化した場合、ベース部材４が、チップ部材５に対する重量比が大きくなる材料で形成されるため、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００５１】
また、ベース部材４が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、チップ部材５に対するベース部材４の重量比が大きくなり、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００５２】
次に、チップ部材５について説明する。チップ部材５を形成する材料には耐磨耗性を考慮して超硬合金が用いられる。上述したように、超硬合金は密度が大きいため、超硬合金で形成されたチップ部材５は重量が大きくなり、ベース部材４との重量比が小さくなり、駆動力が低くなる。そこで、本実施形態では、チップ部材５をロータ７に当接する先端部材と圧電素子２，３に結合される結合部材との２つの部材で形成する。
【００５３】
図１６は、２つの部材で形成されるチップ部材５について説明するための図であり、図１６（ａ）は２つの部材で形成されるチップ部材５を示す斜視図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示す矢印の方向からチップ部材５を見た図である。図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、チップ部材５は、圧電素子２，３に結合される結合部材５２と、結合部材５２に結合し、ロータ７に当接する側の面全てが同一の材料で形成された先端部材５１とで構成される。先端部材５１は、密度が高く、耐磨耗性に優れた材料が用いられ、本実施形態では超硬合金が用いられる。また、結合部材５２は、先端部材５１よりも密度の低い材料が用いられ、本実施形態ではステンレスが用いられる。結合部材５２は、断面が扇形形状であり、先端部材５１は、断面が扇形形状の結合部材５２の円弧状面に接着される。先端部材５１と結合部材５２との接着には接着力や強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。
【００５４】
図１７は、チップ部材５を密度の異なる２つの部材で形成した場合のチップ部材５の先端の楕円軌跡と、チップ部材５を１つの部材で形成した場合のチップ部材５の先端の楕円軌跡とを有限要素法により解析した結果を示す図である。
【００５５】
図１７に示す楕円軌跡Ｒは、先端部材５１が超硬合金で形成され、結合部材５２がステンレスで形成されたチップ部材５を用いてアクチュエータ１０を駆動させた場合におけるチップ部材５の先端の軌跡を表し、楕円軌跡Ｓは、超硬合金のみで形成されたチップ部材５を用いてアクチュエータ１０を駆動させた場合におけるチップ部材５の先端の軌跡を表す。なお、楕円軌跡Ｒにおける黒四角点、楕円軌跡Ｓにおける黒丸点は、それぞれ測定点を表す。
【００５６】
図１７に示すように、チップ部材５を超硬合金で形成された先端部材５１とステンレスで形成された結合部材５２との二体構成としたほうが、チップ部材５を超硬合金のみで形成された一体構成とするよりも楕円軌跡は大きくなる。これは、先端部材５１を超硬合金で形成し、結合部材５２をステンレスで形成することによって、結合部材５２の密度が先端部材５１の密度よりも小さくなり、チップ部材５の重心位置が先端側（ロータ７に当接する側）に移動するためであり、重心位置が先端側に移動することによって、２つの固有モードにおける共振周波数が所定の関係となるチップ部材５の重量が小さくなる。これにより、ベース部材４との重量比が小さくなるとともに、チップ部材５の自転運動が大きくなり、楕円軌跡が拡大する。
【００５７】
なお、本実施形態では、ロータ７と当接する側の面全てが同一の材料で形成された先端部材５１と、圧電素子２，３と結合する結合部材５２とでチップ部材５を構成したが、本発明は特にこれに限定されず、ロータ７と当接する側の面のうちのロータ７と当接する部分のみが同一の材料で形成された先端部材と、先端部材５１以外の圧電素子２，３と結合する結合部材とでチップ部材５を構成してもよい。
【００５８】
図１８は、２つの部材で形成されるチップ部材５の他の例について説明するための図であり、図１８（ａ）は２つの部材で形成されるチップ部材５の他の例を示す斜視図であり、図１８（ｂ）は図１８（ａ）に示す矢印の方向からチップ部材５を見た図である。図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、チップ部材５は、ロータ７に当接する側の面のうちのロータ７と当接する部分のみが同一の材料で形成された先端部材５１’と、圧電素子２，３に結合される結合部材５２’とで構成される。先端部材５１’は、密度が高く、耐磨耗性に優れた材料が用いられ、本実施形態では超硬合金が用いられる。また、結合部材５２’は、先端部材５１’よりも密度の低い材料が用いられ、本実施形態ではステンレスが用いられる。結合部材５２’は、断面がＶ字形状であり、先端部材５１’は、断面が扇形形状であり、先端部材５１’は結合部材５２’の内側に接着される。先端部材５１’と結合部材５２’との接着には接着力や強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤が用いられる。
【００５９】
通常、チップ部材５は、ロータ７と当接する側の面全てがロータ７と当接するのではなく、チップ部材５の先端部分のみがロータ７と当接する。したがって、先端部材５１のロータ７と当接する側の面全てを同一の材料で形成する必要はなく、先端部材５１のロータ７と当接する側の面のうちのロータ７と当接する部分の面のみを同一の材料で形成しても上記のチップ部材５と同じ効果を得ることができる。
【００６０】
なお、本実施形態では、先端部材５１，５１’を形成する材料として超硬合金を用い、結合部材５２，５２’を形成する材料としてステンレスを用いたが、本発明は特にこれに限定されず、先端部材５１，５１’を形成する材料としてはタングステンやタングステン合金等の密度の高い他の材料を用いてもよく、また、結合部材５２，５２’を形成する材料としては先端部材５１，５１’を形成する材料よりも密度の低いステンレス以外の他の材料を用いてもよい。
【００６１】
このように、チップ部材５は、ロータ７と当接する先端部材５１と、圧電素子２，３に結合される結合部材５２とで構成され、先端部材５１は、結合部材５２の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、チップ部材５を先端部材５１の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、先端部材５１は、結合部材５２の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、チップ部材５の重心位置が先端部材５１側に移動し、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００６２】
また、先端部材５１が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、チップ部材５の重心位置が先端部材５１側に移動し、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００６３】
また、チップ部材５が同一の材料で形成される一体構成であっても、形状次第で上記と同様の効果が得られる。図１９は、１つの部材で形成されるチップ部材５について説明するための図であり、図１９（ａ）は１つの部材で形成されるチップ部材５を示す斜視図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）に示す矢印の方向からチップ部材５を見た図であり、図１９（ｃ）は図１９（ｂ）に示すチップ部材５のＡ−Ａ線断面図である。
【００６４】
図１９（ａ）〜（ｃ）に示すチップ部材５は、密度が高く、耐磨耗性に優れた材料が用いられ、本実施形態では超硬合金が用いられる。図１９（ａ）〜（ｃ）に示すように、チップ部材５の扇形円弧の中心（図１９における下側）よりの両側面に扇形形状の孔５３を形成することによって、チップ部材５の重心位置を先端側（ロータ側）に移動できるので、１つの部材で形成されるチップ部材５であっても、チップ部材５の重量を軽くすることができ、チップ部材５の楕円軌跡を拡大することができる。
【００６５】
なお、チップ部材５の両側面に形成される孔５３の形状は、上記の扇形形状に限らず、他の形状でもよい。また、本実施形態では、チップ部材５を形成する材料として超硬合金を用いたが、本発明は特にこれに限定されず、チップ部材５を形成する材料としてはタングステンやタングステン合金等の密度の高い材料を用いてもよい。
【００６６】
さらに、チップ部材５の材料として、傾斜機能材料を用いてもよい。図２０は、傾斜機能材料を用いて形成されたチップ部材５を示す図である。図２０に示すチップ部材５は、断面が扇形形状であり、圧電素子２，３との結合部分ａからロータ７と当接する先端部分ｂにかけて密度が高くなるような傾斜機能材料で形成される。傾斜機能材料としては、密度の高い超硬合金と密度の低いセラミックスとを粒子配列法、粒子噴射法及び薄膜積層法等を用いて物性が傾斜された材料が用いられる。
【００６７】
このように、チップ部材５は、圧電素子２，３に結合される結合部分ａからロータ７と当接する先端部分ｂにかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されるため、チップ部材５を先端部分ｂの材料のみで形成するよりも軽量化することができ、ベース部材４との重量比が小さくなり、駆動力を向上させることができる。また、チップ部材５の先端部分ｂは、結合部分ａの密度よりも大きい密度で形成されるため、チップ部材５の重心位置が先端部分ｂ側に移動し、チップ部材５の変位が大きくなり、ロータ７に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００６８】
なお、本実施の形態では、駆動部１をロータ７の外周面側に設けたが、本発明は特にこれに限定されず、駆動部１をロータ７の内周面側に設けてもよい。
【００６９】
また、本実施の形態では、変位素子として積層型の圧電素子を用いたが、本発明は特にこれに限定されず、単層の圧電素子と金属製の弾性体とを直列接続したものを用いてもよい。この場合、圧電素子を駆動源として弾性体を共振させることにより大きな変位を得ることができる。
【００７０】
なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。
（１）所定の変位を発生させる複数の変位素子と、前記変位素子に結合され、前記変位素子の変位を合成する変位合成部材と、前記変位素子の基端を支持するベース部材とを有する駆動部と、前記変位合成部材が当接することにより駆動される被駆動部と、前記駆動部と前記被駆動部とを加圧接触させる加圧部と、前記変位素子に駆動信号を出力する駆動信号出力部とを備え、前記ベース部材は、前記変位合成部材との重量比が大きくなる材料で形成されることを特徴とするアクチュエータ。
（２）前記ベース部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることを特徴とする上記（１）記載のアクチュエータ。
（３）前記変位合成部材は、前記被駆動部材と当接する先端部材と、前記変位素子に結合される結合部材とで構成され、前記先端部材は、前記結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
（４）前記先端部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成されることを特徴とする上記（３）記載のアクチュエータ。
（５）前記先端部材は、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のうちのいずれかで形成され、前記結合部材は、ステンレスで形成されることを特徴とする上記（３）記載のアクチュエータ。
（６）前記変位合成部材は、前記ベース部材との重量比が小さくなる形状で形成されることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
（７）前記変位合成部材は、前記変位素子に結合される結合部分から前記被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
（８）前記変位部材は、当該変位部材の形状によって特定される重心位置よりも被駆動部材に当接する側に重心位置が設けられていることを特徴とする上記（１）又は（２）記載のアクチュエータ。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ベース部材が、変位合成部材に対する重量比が大きくなる材料で形成されるため、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００７２】
請求項２に記載の発明によれば、ベース部材が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、変位合成部材に対するベース部材の重量比が大きくなり、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００７３】
請求項３に記載の発明によれば、変位合成部材は、被駆動部材と当接する先端部材と、変位素子に結合される結合部材とで構成され、先端部材は、結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、変位合成部材を先端部材の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、先端部材は、結合部材の密度よりも大きい密度の材料で形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部材側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００７４】
請求項４に記載の発明によれば、先端部材が、密度の高い材料である、超硬合金、タングステン及びタングステン合金のいずれかで形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部材側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【００７５】
請求項５に記載の発明によれば、変位合成部材は、変位素子に結合される結合部分から被駆動部材と当接する先端部分にかけて密度が大きくなる傾斜機能材料で形成されるため、変位合成部材を先端部分の材料のみで形成するよりも軽量化することができる。また、変位合成部材の先端部分は、結合部分の密度よりも大きい密度で形成されるため、変位合成部材の重心位置が先端部分側に移動し、変位合成部材の変位が大きくなり、被駆動部材に摩擦伝達される駆動力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態におけるアクチュエータの構成を概略的に示す図である。
【図２】２つの圧電素子を各々駆動する２つの駆動信号の位相を変化させたときに得られるチップ部材の軌跡形状を示す図である。
【図３】２つの圧電素子がそれぞれ同位相モード及び逆位相モードで振動する場合における、圧電素子の変形状態を示す図である。
【図４】第１圧電素子を駆動する場合の振動モードを示す図である。
【図５】同位相モード及び逆位相モードにおける圧電素子の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す図である。
【図６】同位相モード及び逆位相モードにおける振動の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す図である。
【図７】駆動信号の周波数を５０、１００及び１５０ｋＨｚとしたときのチップ部材の軌跡を示す図である。
【図８】位相差駆動に用いられる駆動信号出力回路の構成を示すブロック図である。
【図９】同位相モード及び逆位相モードにおける圧電素子の振幅と駆動信号の周波数の関係を示す図である。
【図１０】同位相モード及び逆位相モードにおける振動の位相遅れと駆動信号の周波数の関係を示す図である。
【図１１】駆動信号の周波数を５０、１００及び１５０ｋＨｚとしたときのチップ部材の軌跡を示す図である。
【図１２】単相駆動に用いられる駆動信号出力回路の構成を示すブロック図である。
【図１３】ベース部材を形成する材料の密度を変化させたときの位相差駆動によるチップ部材の先端の楕円軌跡を有限要素法により解析した結果を示す図である。
【図１４】ベース部材をステンレス及び超硬合金により試作し、単相駆動を行った際のチップ部材による楕円軌跡の測定結果を示す図である。
【図１５】ベース部材をステンレス及び超硬合金により試作し、単相駆動を行った際のチップ部材による駆動特性の測定結果を示す図である。
【図１６】２つの部材で形成されるチップ部材について説明するための図である。
【図１７】チップ部材を密度の異なる２つの部材で形成した場合のチップ部材の先端の楕円軌跡と、チップ部材を１つの部材で形成した場合のチップ部材の先端の楕円軌跡とを有限要素法により解析した結果を示す図である。
【図１８】２つの部材で形成されるチップ部材の他の例について説明するための図である。
【図１９】１つの部材で形成されるチップ部材について説明するための図である。
【図２０】傾斜機能材料を用いて形成されたチップ部材を示す図である。
【符号の説明】
１  駆動部
２  第１圧電素子（変位素子）
３  第２圧電素子（変位素子）
４  ベース部材
５  チップ部材（変位合成部材）
６  加圧部
７  ロータ（被駆動部）
１０  アクチュエータ
５１  先端部材
５２  結合部材
【図１】
2004222453.tif 000003
【図２】
2004222453.tif 000004
【図３】
2004222453.tif 000005
【図４】
2004222453.tif 000006
【図５】
2004222453.tif 000007
【図６】
2004222453.tif 000008
【図７】
2004222453.tif 000009
【図８】
2004222453.tif 000010
【図９】
2004222453.tif 000011
【図１０】
2004222453.tif 000012
【図１１】
2004222453.tif 000013
【図１２】
2004222453.tif 000014
【図１３】
2004222453.tif 000015
【図１４】
2004222453.tif 000016
【図１５】
2004222453.tif 000017
【図１６】
2004222453.tif 000018
【図１７】
2004222453.tif 000019
【図１８】
2004222453.tif 000020
【図１９】
2004222453.tif 000021
【図２０】
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