(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数の振動を駆動力として発生する振動子と、
前記振動子と所定の加圧力で接触して前記駆動力により前記振動子に対して相対的に運動する相対運動部材と、
前記所定の加圧力で前記振動子により加圧された前記相対運動部材を相対運動可能に支持する支持部と、
を備える振動アクチュエータにおいて、
前記相対運動部材と前記支持部との間の摺動抵抗を、前記振動子と前記相対運動部材との間の摺動抵抗よりも下げる摺動抵抗低減手段を有し、
前記摺動抵抗低減手段は、前記支持部と前記相対運動部材との接触面に振動を発生させる励振部材を備えること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記励振部材は、圧電素子を有し、前記圧電素子が屈曲振動を発生することにより前記支持部と前記相対運動部材との接触状態を間欠的とすること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定周波数の振動を駆動力として発生する振動子を備える振動アクチュエータであって、特に摺動部の摺動抵抗を低減させる改良をした振動アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械の小型化、軽量化が進む中、従来のモータにはない様々な特徴を備えた振動アクチュエータが多数開発され、注目が集まっている。これらの振動アクチュエータは、ダイレクトドライブが可能であるため、小型、軽量化を達成できるにも関わらず騒音を発生することもない。また、磁場を発生せず、逆に磁場の影響も受けない。更に、電気入力を行わなくても保持力を維持する。こういった点を生かして今後、携帯機器や超小型精密機械等に積極的に搭載されることが予想される。
従来、これらの振動アクチュエータは、超音波振動を駆動力として発生する振動子と、この駆動力により相対的に運動する相対運動部材と、前記振動子を所定の加圧力で相対運動部材に加圧する加圧部と、相対運動部材を支持する支持部等とを備えており、振動モードの種類等により、複数の系統に分類されている。
これら従来の振動アクチュエータの支持部は、加圧力を受け、この加圧力に伴う垂直抗力により発生する摩擦による摺動抵抗を低減するために、ベアリングを使用することが一般に行われていた。
【０００３】
ところで、振動アクチュエータとしては、小型で軽量化が期待できるものとして、図６に示した振動アクチュエータがある。図６は、この振動アクチュエータの振動子１０の動作を説明する図である。
振動子１０は、圧電素子１１と、電極１２等とを備えている。圧電素子１１は、例えば、ＰＺＴなどの圧電材料をドーナツ板形状に形成し、全面を板厚方向に分極したものである。このドーナツ板形状は、径方向対称伸び振動モード（Ｒ，１）と非軸対称面内振動モード（（１，１））の共振周波数がほぼ等しくなるように設計、製造されている。
【０００４】
この圧電素子１１は、表面には、扇形の第１，第２の電極１２ａ，１２ｂが形成されており［図６（Ａ）］、裏面には、ほぼ全面に第３の電極１２ｃが形成されている［図６（Ｂ）］。
【０００５】
振動子１０は、発振器，移相器，増幅器等を含む駆動電圧発生装置によって、第１の電極１２ａには、第１の交流電圧が印加される。また、第２の電極１２ｂには、第１の交流電圧とは電気的に位相が（π／２）だけ異なる第２の交流電圧が印加される。裏面の第３の電極１２ｃは、ＧＮＤ電位に接続される。
【０００６】
この振動子１０は、交流電圧の周波数を２つの振動モードの共振周波数に近づけることによって、２つのモードで共振し、径方向対称伸び振動と、非軸対称面内振動とが同時に発生する。
【０００７】
径方向対称伸び振動（Ｒ，１）は、図６（Ｃ）に示すように、Ａ点を節とした放射方向（径方向）の対称な伸縮振動であり、Ｃ１，Ｃ２点では、径方向の成分Ｕｒをもつ。
また、非軸対称面内振動（（１，１））は、図６（Ｄ）に示すように、Ｂ１，Ｂ２点を節として、破線で示すように、同一面内で潰れる（ひしゃげる）ような変形を、図６（Ｄ）の左右に繰り返す屈曲振動であり、円周上のＣ１，Ｃ２点では、矢印方向の変位成分Ｕθをもつ。
そして、振動子１０は、Ｃ１，Ｃ２点（駆動力取出部）の位置に、２つの振動が合成された変位として、図６（Ａ）に示すような楕円運動が発生する。
楕円運動は、振動子１０と相対運動部材の間に加圧力が加えられることにより、相対運動部材の運動に変換される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の振動アクチュエータに、ベアリングを使用して相対運動部材を支持すると、高価になり、かつ小型化が難しかった。すなわち、ベアリング自体の価格が高価で、小型化にも限度があるため、振動子１０等が低価格であっても、全体としては、高価であり、小型なものも無かった。
また、相対運動部材が直線運動をするリニア型の振動アクチュエータの場合には、例えば、フランジを設けたベアリングを複数配置したり、リニアガイド等を利用することが考えられる。このような場合には、ベアリング，リニアガイド等の価格が更に高価になり、振動アクチュエータの価格が上昇することに加え、振動アクチュエータが占有するスペースも大きくなることが予想されるため、振動アクチュエータが使用される用途は、ごく限られた範囲内にとどまっていた。
更に、ベアリング、リニアガイド等は、潤滑剤として油を用いているため、油を嫌う真空中やクリーン環境等の特殊用途では使用することができなかった。
更にまた、ベアリング、リニアガイド等は、潤滑剤が必須の機械要素であるので、メンテナンスフリーを要求される用途には使用することができなかった。
【０００９】
本発明の課題は、低価格で小型であっても、駆動効率が高く、しかも潤滑油等を必要としない振動アクチュエータを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。すなわち、請求項１の発明は、所定周波数の振動を駆動力として発生する振動子（１０）と、前記振動子と所定の加圧力で接触して前記駆動力により前記振動子に対して相対的に運動する相対運動部材（３１，３２，３３，３４，３５）と、前記所定の加圧力で前記振動子により加圧された前記相対運動部材を相対運動可能に支持する支持部（４１，４２，４３，４４，４５）とを備える振動アクチュエータにおいて、前記相対運動部材と前記支持部との間の摺動抵抗を、前記振動子と前記相対運動部材との間の摺動抵抗よりも下げる摺動抵抗低減手段を有し、前記摺動抵抗低減手段は、前記支持部（４４）と前記相対運動部材（３４）との接触面に振動を発生させる励振部材（４４−３）を備えること、を特徴とする振動アクチュエータである。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、前記励振部材（４４−３）は、圧電素子（１１）を有し、前記圧電素子が屈曲振動を発生することにより前記支持部（４４）と前記相対運動部材（３４）との接触状態を間欠的とすること、を特徴とする振動アクチュエータである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による振動アクチュエータの第１実施形態を示す図である。
なお、以下の各実施形態の説明において、前述した従来例と同様の機能を果たす部分は、重複する説明を適宜省略する。
本実施形態における振動アクチュエータは、振動子１０と、相対運動部材３１と、支持部４１等を有し、超音波領域の振動を駆動力として発生する超音波アクチュエータである。
【００１７】
振動子１０は、面内振動を発生する振動子であり、図示しない加圧部により相対運動部材３１に所定の加圧力Ｎを与える状態で、その中央部において固定されている。また、振動子１０の駆動力取り出し部には摺動材として銅箔が貼り付けてある。
【００１８】
相対運動部材３１は、振動子１０に対して相対的に移動する部材であり、鉄系金属により形成され、本実施形態では、ステンレスを用いている。
【００１９】
支持部４１は、相対運動部材３１を移動可能に支持する部分であり、フッ素樹脂のブロックを用いている。支持部４１の断面は凹型をしており、相対運動部材３１を抱え込むことで支持部４１からの脱落を防いでいる。
【００２０】
ここで図１に示すように、振動子１０に加える加圧力をＮとし、振動子１０と相対運動部材３１の間の摩擦係数をμ１、相対運動部材３１と支持部４１との間の摩擦係数をμ２とすると、以下の関係が成立している必要がある。
【００２１】
【数１】
0004491888.tif 000002
【００２２】
相対運動部材３１は、支持部４１から受ける摺動抵抗（＝加圧力に伴う垂直抗力により生ずる摩擦抵抗）に打ち勝つだけの進行力を振動子１０から与えられなければ起動することはできない。振動子１０からそれだけの進行力を受け取るには、摺動面に上記の関係が必要である。
一般に鉄と銅の間の摩擦係数は０．４〜０．５（＝μ１）程度、鉄とフッ素樹脂の間の摩擦係数はそれより低く０．３（＝μ２）程度以下である。よって、本実施形態では、μ１＞μ２の関係が成立している。
【００２３】
本実施形態によれば、非常に簡単な構成により相対運動部材の摺動抵抗を低減したので、駆動効率が高く、しかも潤滑油等を必要としない振動アクチュエータを低価格かつ小型にすることができる。
【００２４】
（第２実施形態）
図２は、本発明による振動アクチュエータの第２実施形態を示す図である。
第２実施形態における振動アクチュエータの形状自体は、第１実施形態に示したものと同様であるが、振動子１０の駆動力取り出し部（＝Ａ面）、相対運動部材３２の振動子１０側側面（＝Ｂ面）、相対運動部材３２の支持部４２側側面（＝Ｃ面）、支持部４２の相対運動部材３２との接触面（＝Ｄ面）、の計４つの面について選択的にコーティングを施すことで摩擦係数を変えた実施形態である。
【００２５】
振動子１０は、Ａ面へのコーティングは行わず、銅箔を貼り付けたままの状態である。
【００２６】
相対運動部材３２は、鉄系金属により形成されており、Ｂ面は、何も処理を行わず、Ｃ面にのみ、摩擦係数を低減する効果の高いガラス性のコーティングを施した。
【００２７】
支持部４２は、フッ素樹脂よりも安価なプラスチック材料により形成されており、Ｄ面には、Ｃ面と同様に、ガラス性のコーティングを施した。
【００２８】
本実施形態において施すコーティングの選択は、Ａ面とＢ面の間の摩擦係数をμＡＢ、Ｃ面とＤ面の間の摩擦係数をμＣＤとすると、以下の関係を満たすようにコーティングの種類や有無を変えて行う。
【００２９】
【数２】
0004491888.tif 000003
【００３０】
ここで、仮にコーティングの種類を１種類に限定しても、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄのそれぞれにコーティングを行うか否かの組合せだけで２×２×２×２＝１６通りもあり、更にコーティングの種類も多数の中から選択可能であるので、振動アクチュエータの駆動に最適な条件を簡単に設定することができる。
【００３１】
また、コーティングにより表面の摩擦係数の関係が守られるようにすれば、摺動材、相対運動部材３２、支持部４２の材料は何でも良く、より安い材料に変更しても構わない。
【００３２】
本実施形態によれば、相対運動部材３２や支持部４２の材料を自由に選択することができるので、加工の容易性や価格等の点で有利な材料を使用することができ、振動アクチュエータをより低価格にすることができる。
【００３３】
（第３実施形態）
図３は、本発明による振動アクチュエータの第３実施形態を示す図であり、一部断面により示している。
第３実施形態における振動アクチュエータの主な構成は、第１，第２実施形態と同様であるが、相対運動部材と支持部との間の摺動抵抗を更に軽減させた形態である。
【００３４】
相対運動部材３３は、支持部４３側の面にコーティング等を施す必要はなく、錆止め等の他の理由がなければ、素材のままで構わない。本実施形態では、ステンレスをそのまま使用した。
【００３５】
支持部４３は、断面で示したように、相対運動部材３３側の面から裏面まで貫通する小径の孔４３ａが多数設けられている。孔４３ａの裏面側には、エアーチューブ４３ｂが各孔毎に接続されており、図示しないエアー供給源からエアーが供給され、相対運動部材３３側の孔（噴出部）４３ａから放出されることにより、相対運動部材３３と支持部４３との間にエアー層（気体層）４３ｃが形成される。
【００３６】
振動アクチュエータの駆動時には、相対運動部材３３と支持部４３との間には、エアーが常に供給されているので、相対運動部材３３と支持部４３とが直接接触せず、エアー層４３ｃを介した空気軸受けであるため、従来の接触型のベアリング等よりも摺動抵抗が少なく、高効率が達成できる。また、相対運動部材３３がエアーにより浮いており支持部側との摩擦磨耗がほとんどないので、発塵が極めて少ない。そのためクリーン度が非常に高い環境でも使用できる。
【００３７】
本実施形態に必須のエアー供給源を、専用のエアーボンベ等とすると、従来例や第２実施形態までに示した振動アクチュエータと比較して全体が大型化する可能性もある。しかし、振動アクチュエータが設置される周囲に既に別目的でエアー設備が存在する場合などは、チューブ等で引き回してくるだけで済むので、結果的に振動アクチュエータを小型で安上がりにすることができる。
【００３８】
本実施形態によれば、空気軸受けを利用するので、相対運動部材３３と支持部４３との間の摺動抵抗を更に低減することができ、振動アクチュエータの効率を一層高めることができる。また、相対運動部材３３と支持部４３との間の摩擦磨耗がほとんどないので、発塵が極めて少なく、クリーン度が非常に高い環境でも使用することができる。
【００３９】
（第４実施形態）
図４は、本発明による振動アクチュエータの第４実施形態を示す図であり、図４（ａ）は、振動子を省略して、相対運動部材３４及び支持部４４の分解斜視図を示し、図４（ｂ）は、支持部４４を裏返して示した斜視図である。
第４実施形態における振動アクチュエータは、エアーを使用せずに、相対運動部材と支持部との間の摺動抵抗を軽減させた形態であり、第１実施形態の支持部４１を支持部４４に変更したものであるので、ここでは、支持部４４についてのみ説明する。
【００４０】
支持部（励振部材）４４は、低摩擦材４４−１，弾性体４４−２，圧電素子４４−３，支持軸４４−４を有している。
【００４１】
低摩擦材４４−１は、フッ素樹脂のブロックを用いている。低摩擦材４４−１の断面は凹型をしており、相対運動部材３１を抱え込むことで低摩擦材４４−１からの脱落を防いでいる。また、低摩擦材４４−１は、後述する波形Ｐの腹に相当する位置に一対で配置され、相対運動部材３１を支えている。
【００４２】
弾性体４４−２は、圧電素子４４−３に貼り付けられた金属板であり、低摩擦材４４−１，支持軸４４−４が固定されている。
【００４３】
圧電素子４４−３は、振動を発生する部材であり、ＰＺＴに電極を設けた電気機械変換素子である。電極の配置は、図４（ｂ）に示すように配置され、電極４４−３ａと電極４４−３ｂに位相が１８０度ずれた交流電圧が印加されることにより、２次の屈曲振動を行い、波形Ｐで示した振動波形を発生する。そして印加する交流電圧の周波数を支持部４４の共振周波数に近づければ、大きな振動を得ることができる。
【００４４】
支持軸４４−４は、波形Ｐの節に相当する部分に設けられた軸であり、弾性体４４−２に固定され、もう一端を図示しない固定部に固定されている。
【００４５】
圧電素子４４−３に電圧を印加しない状態では、支持部４４は、鉄系素材とフッ素樹脂の間の摩擦係数である０．３（＝μ２）程度以下のままであり、第１実施形態と変わらない。しかし、ここで圧電素子４４−３の２種の電極４４−３ａと電極４４−３ｂとに１８０度の位相差がある交流電圧を印加して先の２次の屈曲振動を励振する。すると、腹に相当する位置に設けた低摩擦材４４−１と相対運動部材３１との接触状態が間欠的になり、見かけの摩擦係数が大幅に下がり、空気軸受けを使用している第３実施形態と同様な効果が得られる。更に、この現象で得られる摩擦の強弱は電極４４−３ａと電極４４−３ｂに入力する周波数や電圧により制御が可能であるため、例えば振動子１０が駆動していないときに相対運動部材３１を保持する自己保持力の大きさを任意に制御することもできる。
【００４６】
本実施形態によれば、エアー供給源がない場合でも、駆動時には空気軸受けと同様な効果を得られる上に、振動子が駆動していないときの自己保持力の大きさを任意に制御することもできる。
【００４７】
（第５実施形態）
図５は、本発明による振動アクチュエータの第５実施形態を示す図である。
第５実施形態における振動アクチュエータは、振動子１０−２，相対運動部材３５，支持部４５を備えている。
【００４８】
振動子１０−２は、ステンレスを弾性体１０−２ｂとして両側から圧電素子１０−２ａで挟む形で接着した積層構造の振動子であり、弾性体１０−２ｂは、圧電素子１０−２ａよりも外径が少し大きめに設計してあり、この突出部分を摺動材として利用している。
【００４９】
相対運動部材３５は、チューブ部３５ａ，振動子接触部３５ｂからなる部材である。チューブ部３５ａは、フッ素樹脂により形成され、チューブ形状の外径部にＤカット面が加えられている。振動子接触部３５ｂは、チューブ部３５ａのＤカット面に接着されたセラミック製の板である。
【００５０】
支持部４５は、ステンレス製の棒状の部材（レール部材）であり、相対運動部材３５が滑らかに移動可能に嵌合している。
【００５１】
ここで、仮に、振動子接触部３５ｂがない場合を想定すると、振動子１０と相対運動部材３５との摩擦係数が、相対運動部材３５と支持部４５との摩擦係数と等しくなり、駆動効率が非常に悪くなるか、駆動できなくなる。
また、この摩擦係数の問題が解決された場合であっても、フッ素樹脂は、硬度が低く、変形しやすいので、振動子１０の振動を相対運動部材３５が吸収、減衰してしまい、この場合も駆動効率が非常に悪くなるか、駆動できなくなる。
【００５２】
本実施形態では、フッ素樹脂からなる相対運動部材３５の振動子１０が接触する部分にセラミックからなる振動子接触部３５ｂを設けており、ステンレスとセラミックとの摩擦係数は、フッ素樹脂とステンレスとの摩擦係数よりも十分大きいので、摺動抵抗の大小関係は適切な関係となる。また、セラミックは、硬度が高く、変形しにくいので、振動子１０の振動を吸収、減衰することもない。
【００５３】
本実施形態によれば、簡単な構成で摺動抵抗の大小関係を保つことができ、生産性及び信頼性が高く、しかも低価格な振動アクチュエータを製作することができる。
また、振動子の振動を吸収、減衰することなく効率よく駆動をすることができる。
【００５４】
（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
【００５５】
（１）第１実施形態において、材料を適当に選ぶことで摺動抵抗の関係を満足させたが、これに限らず、例えば、素材表面の仕上げ状態を切削や薬品等による粗しや変質で変えることにより同様の効果を得ることができる。
【００５６】
（２）第２実施形態において、コーティングは相対的に摩擦係数を下げるために用いたが、逆に摩擦係数を上げるためにコーティングを用いてもよい。また、付加的な表面処理としてはコーティングに限らず、メッキや塗装など同様の効果が得られるものであれば何でもよい。
【００５７】
（３）第４実施形態において、２次の屈曲振動を用いる例を示したが、これに限らず、同様の効果が得られるならばモードや次数は問わない。
【００５８】
（４）第５実施形態において、支持部４５は、ステンレス製であり、相対運動部材３５がフッ素樹脂である例を示したが、この関係を逆にして、支持部４５をフッ素樹脂として、相対運動部材３５をステンレス製としてもよい。この場合、セラミック板を貼り付けなくても、摺動抵抗の大小関係を保つことができる。
【００５９】
（５）各実施形態において、（Ｒ，１）と（（１，１））を用いた異モード縮退型振動子とリニア駆動に限定して説明してきたが、これに限らず、相対運動部材がロータであってもよいし、ロータ、ステータ等を有する縦−ねじり振動の縮退を利用した振動アクチュエータであってもよい。また、リニア型であっても、実施形態に示した形態に限るものではなく、例えば、縦―屈曲型の振動アクチュエータであってもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によれば、以下の効果がある。
（１）低摩擦素材を使用して、非常に簡単な構成により相対運動部材の摺動抵抗を低減するので、駆動効率が高く、しかも潤滑油等を必要としない振動アクチュエータを低価格かつ小型にすることができる。
【００６１】
（２）表面処理を利用して相対運動部材の摺動抵抗を低減するため、相対運動部材や支持部の材料を自由に選択することができ、加工の容易性や価格等の点で有利な材料を使用することができるので、振動アクチュエータをより低価格にすることができる
【００６２】
（３）空気軸受けを利用するので、相対運動部材と支持部との間の摺動抵抗を更に低減することができ、振動アクチュエータの効率を一層高めることができる。また、相対運動部材と支持部との間の摩擦磨耗がほとんどないので、発塵が極めて少なく、クリーン度が非常に高い環境でも使用することができる。
【００６３】
（４）励振部材を使用して相対運動部材と支持部との間の摺動抵抗を低減するので、エアー供給源がない場合でも、駆動時には、空気軸受けと同様な効果を得られる上に、振動子が駆動していないときの自己保持力の大きさを任意に制御することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による振動アクチュエータの第１実施形態を示す図である。
【図２】第２実施形態を示す図である。
【図３】第３実施形態を示す図である。
【図４】第４実施形態を示す図である。
【図５】第５実施形態を示す図である。
【図６】振動子１０の動作を説明する図である。
【符号の説明】
１０  振動子
３１，３２，３３，３４，３５  相対運動部材
４１，４２，４３，４４，４５  支持部
【図１】
0004491888.tif 000004
【図２】
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【図３】
0004491888.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
0004491888.tif 000009