(57)【要約】【課題】  携帯電話など携行できる情報端末のオンラインユース化に伴い、機器の軽、薄、短、小、高機能、省電力化が進むに連れて、これらの機器のアクチュエータでは、さらにこの傾向が加速され、電磁機器で対応できる性能限界に達し、代替技術が求められている。【解決手段】  本発明者が開発してきた円筒型３Ｄ電歪公転子はほぼ完全にこの技術目標を満たすが、発生するのは公転トルクであり、リニアトルクに変換しなければならない。スクリュウねじを施した移動子を用いて、リニアトルクに変換した。軸長が直径より短い円筒型公転子の両端面に、回転子のトルク伝達円環を圧接し、回転子を浮揚力で支えると、与圧力の作用支点が回転子と共に回り、摩擦損失を避けることができた。これはトルクを発生するアクティブ軸受とでも表現したい機構で、無偏芯回転となり、超精密、低損失アクチュエータの手段を提供でき、これを用いて自動伸縮するアクティブ鏡筒を実現した。【選択図】図５
2007151373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒の軸長（又は高さ）が外直径長より短い短円筒型の３Ｄ電歪公転子を、円周に沿う基本共振周波数より高い、軸長に沿う第２の共振周波数で励振したとき、両端面に発生する強力な回転トルクを動力源とするアクチュエータにおいて、この電歪公転子円筒の両端の少なくとも片端面に圧接され、発生トルクを受けて回転する様に構成された回転子と、固定子ならびに外周面の少なくとも一部にスクリュウねじが施された円筒又は円柱状の移動子とからなり、第１の手段として、移動子を、回転子と共に回転はするが、軸方向には軽く滑動する様に、回転子と係合し、さらに移動子のスクリュウねじ部をこれと合致する固定子雌ねじに係合することにより、移動子が回転しながらリニア運動する手段か、或いは第２の手段として、移動子のねじ部をこれと合致するスクリュウねじが施された回転子の雌ねじに係合し、さらに移動子を滑動はするが回転はしないように固定子と係合することにより、移動子が回転を伴わないリニア運動をする手段など、第１の手段によれば、移動子が回転しながらリニア運動し、第２の手段によれば、移動子が回転を伴わないリニア運動をすることを特徴とする超音波リニア・アクチュエータ
【請求項２】
第１項記載の短円筒型の３Ｄ電歪公転子の両端面に発生する回転トルクを動力源とするアクチュエータにおいて、回転子の機構を、片端部に円環が施されたか或いは固定された薄肉円筒または円柱の他端部を公転子に貫通し、その先端に固定又は嵌合された円環とで公転子をサンドイッチする構成とし、さらに両端の円環の少なくとも片方と公転子の間に圧縮ばねを挿入して、両円環を公転子に圧接する与圧力を作用させ、その支点を回転子自身に置くと同時に、両端面に発生する強力な回転トルクを両方共に活用することにより、そのトルク自体で回転子が支持され、軸受などの固定物で支持することに伴う摩擦損失を排除したことを特徴とし、第１の手段として、移動子を、回転子と共に回転はするが、軸方向には軽く滑動する様に、回転子と係合し、さらに移動子のスクリュウねじ部をこれと合致する固定子雌ねじに係合することにより、移動子が回転しながらリニア運動する手段か、或いは第２の手段として、移動子のねじ部をこれと合致するスクリュウねじが施された回転子の雌ねじに係合し、さらに移動子を滑動はするが回転はしないように固定子と係合することにより、移動子が回転を伴わないリニア運動をする手段など、第１の手段によれば、移動子が回転しながらリニア運動し、第２の手段によれば、移動子が回転を伴わないリニア運動をするごとく構成した超音波リニア・アクチュエータ。
【請求項３】
第２項に記載した電歪公転子の両端面のそれぞれに、円環を圧接しその与圧力の支点を回転子自身に置くと同時に、両端面に発生する強力な回転トルクを両方共に活用することにより、そのトルク自体で回転子が支持され、軸受などの固定物で支持することに伴う摩擦損失を排除した構成の回転子に於いて、当該回転子にコイルスプリングもしくは同等の伸長バネ機能を有する薄肉円筒を用いたことを特徴とし、当該回転子と固定子ならびに外周面の少なくとも一部にスクリュウねじが施された円筒又は円柱状の移動子とからなり、第１の手段として、移動子を、回転子と共に回転はするが、軸方向には軽く滑動する様に、回転子と係合し、さらに移動子のスクリュウねじ部をこれと合致する固定子雌ねじに係合することにより、移動子が回転しながらリニア運動する手段か、或いは第２の手段として、移動子のねじ部をこれと合致するスクリュウねじが施された回転子の雌ねじに係合し、さらに移動子を滑動はするが回転はしないように固定子と係合することにより、移動子が回転を伴わないリニア運動をする手段など、第１の手段によれば、移動子が回転しながらリニア運動し、第２の手段によれば、移動子が回転を伴わないリニア運動をするごとく構成した超音波リニア・アクチュエータ。
【請求項４】
円筒の軸長（又は高さ）が外直径長より短い短円筒型の３Ｄ電歪公転子を、円周に沿う基本共振周波数より高い、軸長に沿う第２の共振周波数で励振したとき、両端面に発生する強力な回転トルクを動力源とするアクチュエータにおいて、この電歪公転子円筒の内周面に直接スクリュウ雌ねじを施すか、若しくは、スクリュウ雌ねじを施した円環または薄肉円筒を電歪公転子の端面または内周面に固定・一体化し、当該スクリュウ雌ねじに整合するスクリュウ雄ねじを外周面に施した移動子の雄ねじを、当該スクリュウ雌ねじに係合することにより、直接的にリニアトルク又は回転リニアトルクを作用し、回転子を省略したことを特徴とする、超音波リニア・アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  電磁モータは一世紀に亘り回転機として世の中に大きく貢献してきた。技術的には電磁力を動力源とし、非接触で高速回転すること、強大なエネルギーを容易に入力とし、制御性の良い電力が利用できること、しかも入・出力の効率が極めて高いことが特徴で、大出力回転機の代表として、２０世紀に躍進した産業を支えてきた。  ところが、２１世紀に入ると、技術開発目標が力仕事よりインテリジェンシー、大型化より小形化・高精細化の路線に切替わり、ナノテクノロジーを目指すようになった。電磁モータは細型化すると超高速回転になってトルクが極端に小さくなり、その上、巻き線構造が災いして１ワット以下では急激に効率が悪くなるので、この技術開発目標の切替えで、技術開発路線にそぐわなくなりつつある。【０００２】  この技術目標は我々の生活環境がより多くの電子情報に頼るようになり、情報量が多くなるにつれて、高速処理が要求され、やがて、オンライン処理が必要となる。カメラを例に取れば、大きくて重くとも、高精細・高画質、芸術性、臨場感が求められてレンズを主とした光学技術が長い時間をかけて開発された。映像再生に現像・焼付けを必要とする時間経過よりは、記録できることが重視されていた。ビデオが出現しても、映像再生には撮像と同じ時間が必要なため、ニーズに変わりがなかった。デジカメが登場して状況が一変した。再生・記録がオンライン化され、芸術性は軽視され、携帯できる情報端末としての機能が重視され始めた。この傾向は携帯電話に搭載されるに至り、より強くなると同時に、軽量コンパクトさ、使い易さに加えて、画像の高精細・高品質性だけでなく、同時転送などオンライン性などが益々要求されている。【０００３】  このような軽薄短小高機能化の流れを進める中で、ニーズに合うアクチュエータの開発が１つの技術ネックになった。アクチュエータの主流は電磁モータであるが、小形化すると重量当りの出力すなわちパワー密度が数１０Ｗａｔｔ／ｋｇ以下に低下し、必要以上に高速回転になり、必要以下に低トルク化し、位置決め保持力がなく、電磁ノイズを発生することが障害となる。それゆえ今後のニーズに合うアクチュエータを開発する技術のハードルが高くなり、困難が予想されることから、代替えアクチュエータ技術が渇望されるに至った。
【背景技術】
【０００４】  新アクチュエータを開発するための電磁モータに代わる最有力候補には、超音波モータを挙げることができる。そこでまず、背景技術として、超音波モータの原理を開発の歴史にしたがって述べてみよう。本発明者は圧電体の円板・円環・円筒またはチューブなど円形状を有する圧電素子を、中心軸に対して非対称配置になる電圧により励振した圧電変形がその中心軸に対して非対称に生ずることを特徴とする電歪公転子、例えば、超音波回転振動子（特許  第２５２９２３３号）、四極回転型超音波振動子（特願  昭６２１１３７５）、円筒型超音波四極回転振動子（特願  昭６２−７１５９４）、パイプ状電歪公転子及びモータ（特願平１−１１４２４９）などを提案してきた。これら円形状の圧電素子では、円の中心軸を通る直径で２等分または４等分した領域を厚み方向に互いに独立に励振できる様に構成し、各領域の誘起分極が中心軸に対して非対称になるモードの固有振動の周波数で励振すると、強力な公転トルクが共鳴増幅されることを見出し、電歪公転子と名付けて上記の特許を出願した。【０００５】  当初の電歪公転子では、円の中心軸に垂直な面内に公転トルクが生じる現象に注目したのであり、径に垂直なモードを利用することはできなかった。その後、円筒形状の電歪公転子を非対称励振すると、径方向、円周方向、軸方向の全ての振動モードが結合したモード回転共振状態が得られ、円筒の全ての面に立体公転トルクが生じることを見出し、超音波３Ｄトルク共振子及びアクチュエータの名称で特許出願（特願平９−１１４１２６号）した。【０００６】  電歪公転子は円板か円筒かなどの形状、対称分極か非対称分極かなどの分極構成、非分割・２分割・４分割或いは共通電極の有無など電極構成、単相か多相かなど励振電源の種類、直列励振か並列励振かなど励振モードなどの組合せを選ぶことにより、様々な用途に対して最も相応しい公転トルクが得られるように、開発されてきた。従来、一様な圧電振動子に発生するのは１次元の線形振動であり、圧電振動子でトルクを共鳴増幅することはできなかった。トルクを発生するには屈曲振動子の定在波振動を電気的に位相シフトして進行波に変えるとか、曲げ振動などにモード結合子を組合わせるとかの補助手段を介して、楕円軌跡の振動に変えねばならなかった。電歪公転子では、本質的にモード回転に伴う公転トルクが共鳴する結果、単相電圧でも直接トルクを励振できるだけでなく、振動のＱが高く、共振アドミッタンスが大きいので、数ボルト程度の低い励振電圧で強力なトルクを発生できる特徴がある。【０００７】  前記のように、超音波モータは出力密度が電磁型より２桁も大きく、桁違いに強いトルクを３０％を越す効率で出力でき、最大でも繰返しサブミクロンのステップで動作するので、本質的に小形・高精細化に適し、その高保持力性がモータと言うより、高精密位置決めアクチュエータとして、大きく評価できる候補である。従来の電磁モータはロータに発生する回転トルクをロータの回転シャフトに負荷の回転シャフトを結合して取り出すので、ロータの回転に寄生して発生するシャフトの振動が偏芯回転の原因となり、ナノテクノロジーを目指す技術分野での利用には不適格である。他方、電歪公転子では���転トルク発生の動作中も自転しないので、固定状態で回転子を支持することができ、しかも、回転子が常に電歪公転子に圧接されているので休電中も保持力が強く、見方を変えると、周面にトルクが発生する軸受、言うなれば、アクティブ軸受と見ることができ、負荷をより偏芯のない状態で超精細駆動することができる。【０００８】  円筒型電歪公転子の端面に発生する強力な公転トルクを利用するには、端面に回転子を圧接すれば良い。簡単な手段としては、円板・円環状の回転子を電歪公転子と同軸上で回転自由に保持して端面に圧接すれば良いが、この場合圧接力の支点は回転子の保持部、すなわち固定部となるので、回転子が回転すると摩擦が生ずる不利がある。この不利を２個の円環状回転子で公転子をサンドイッチする構造を採用することで解決できることを見出した。すなわち、公転子円筒の両端面に発生する強力な３Ｄトルクは端面内では、円周に沿い回転軸に対して両端面とも同じ向きの成分を有し、軸方向には両端面が互いに反発または吸引する逆位相の成分を有するので、両端面にそれぞれ回転子を圧着すると、共に端面から反発する浮揚力と両方が同じ向きに回転する強力なトルクを受けることを発見した。２個の円環状回転子と公転子全ての内径を貫通するシャフトを通し、２個の回転子を公転子端面に圧接することにより、与圧力は公転トルクによる浮揚力と平衡し、作用の支点をシャフトに置く構造を発案した。この構造では、回転子とシャフトとが一体化して回転するので、シャフトの回転は電歪公転子で支持され、圧接力の支点を固定部から切り離すことができ、回転子の回転に伴う摩擦を避けることができ、アクティブ軸受とでも言うべき機構であり、軸受としては当然のことながら無偏芯回転も期待できることなどは本発明がモータ技術に革新を齎した事を意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  本発明の課題は負荷を所望の位置へ正確に移動するための手段を開拓することであり、例えば、光学鏡筒のレンズを移動して画像の焦点を調整するような精密移動の位置決めアクチュエータを実現することである。しかも光学鏡筒の場合は外部の駆動子で動作させるのではなく、自動的に伸び縮みできるアクティブ鏡筒とでも言うべき物が開拓目標である。課題を言い換えれば、コンパクトさ、シンプルさ、と同時に、動作の精密さを兼ね備えたアクチュエータの実現である。この場合、鏡筒はアクチュエータの固定子、レンズは移動子の構成でなければならない。【００１０】  この課題を解決するには、より小形、軽量、低電圧駆動、小電力、高精密、高機能ながら低コストのリニア・アクチュエータが求められている。前述してきたように、電磁モータは小型化すると極端に低トルク・低効率化し、高速回転に伴うシャフトの振動が偏芯回転を惹き起こし、しかも、回転駆動電力を遮断すると、回転子の周り止めが無く、保持力のないことなどが小形で超精密位置決め機能が要求される上記アクチュエータの開拓候補には不向である。とは言うものの、ステッピングモータは精密位置決めに掛替えのない手段であったが、課題が要求する微細ステップを実現するのは極めて困難である。【００１１】  一方、超音波アクチュエータは出力密度が高いので、小形・軽量化に適しているものの、複合振動子からなる進行波型モータなどは出力トルクは大きいものの、駆動電圧の高いことが欠点とされている。また、細長い円筒を非対称励振した電歪公転子型モータは動作原理が細長い円筒の曲げモードと屈曲モードとが結合した所謂皿回しモードであり、高速回転は得意だが、回転トルクが小さいことが問題で課題を解決するには採用し難い。回転トルクを大きくするには、金属円筒を振動子とした複合共振子があるが、複合振動子はＱが低く、駆動電圧が高くなる欠点がある。この欠点を回避するため、圧電素子の厚みを薄くし、振動子の直径を１ｍｍ程度に細くし、細型モータとして開発されている。このモータはそれなりの用途に適用するであろうが、ここで課題とするアクティブ鏡筒に利用することはできない。【００１２】  以上述べたことから分かる様に、課題の第１は数ボルトの低電圧で、強力なトルクを発生する直径・長さ共に数ミリの円筒型アクチュエータの開発である。第２の課題は、第１の課題のアクチュエータが開発できたとして、出力が回転トルクでは鏡筒の伸縮動作の駆動には利用できないので、リニア運動に変換する手段の開発である。第３の課題はアクチュエータの高精度・薄型化である。【００１３】  ここで、確認を要する事項は、３Ｄトルク共振子の内周面には回転・リニアトルクが発生するので、シャフト状の移動子を内接すると、回転しながら引き込まれる様に、スコンと動くリニア運動が可能である。この運動は、振動の節に向かうジャンピングであり、あたかも節の位置にセットされ伸ばされたバネで支持されているかの様に動くため、任意の場所に移動・停止する制御は困難で、位置決め用アクチュエータには不適格なことである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  まず第１の課題を解決するためのアクチュエータはレンズを内蔵することができる円筒形状でなければならない。［背景技術］で紹介した３Ｄ公転トルクを発生する電歪公転子はこの条件をそっくり満たす格好の手段であり、殊に、軸長が直径よりも短い形状では、円筒の両端面に発生する３Ｄ公転トルクで支持された回転子に強力な回転トルクと無偏芯で高精彩ステップの回転を与え、しかも回転子は回転摩擦を伴わずに支持されるので、回転損失のない高効率回転機構であり、第３の課題を全て満足する。残るは第２の回転トルクをリニア運動に変換する手段である。この課題を満たす手段の構成要素としては  ▲１▼円筒型電歪公転子の端面、内周面もしくはその両方に公転トルクを発生する駆動力発生素子、▲２▼駆動力発生素子端面に圧接することにより、公転トルクを受けて回転する円環と、共に回転しながらその回転力を移動子に伝達するため、移動子を内挿できる円筒状の回転子、▲３▼回転子に、同軸状に内挿され、その外円周の少なくとも一部にスクリュウ雄ねじを設けた円筒もしくは円柱形状からなる移動子、▲４▼回転力を伝達すると同時に、移動子が軸と平行にリニア運動するのを助けるための、もしくは移動子の回転を阻止することで、軸方向のリニア運動を生じさせるための、スライド・キー、及び  ▲５▼回転子の回転トルクの反動を支え支持すると同時に電力供給を兼ねる端子が固定支持されているハウジングからなる。【００１５】  課題２の解決手段は、課題の技術内容、すなわち、上記構成要素▲２▼の移動子の動作モードに回転を伴うリニア運動を選ぶか、回転を伴わないリニアのみの運動を選ぶのかによって構成要素の種類の組合せが異なる。回転を伴う場合は、▲４▼のスライド・キーは▲２▼移動子と▲３▼の回転子との間にセットされ、両者の回転がずれないように、しかも移動子が回転しながら軸と平行にリニア運動する機能を果たすために用いられる。リニアのみの運動の場合は▲４▼のスライド・キーは▲２▼の移動子と▲５▼のハウジングもしくはそれに変わる外部の固定部との間にセットされ、移動子の回転運動を阻止することで、移動子にリニア運動機能を賦与する。なお、課題の解決手段は、上記円環と、回転子の円環部とを一対として固定子をサンドイッチ圧接することにより、圧接力の支点を固定物から切り離し、回転子自身に置くと共に、駆動力発生素子の両端面トルクを同時に利用する構成にするのか、それとも、単一の円環状変換子で片端面のトルクだけを利用するのかで、解決手段の構成が異なるなど、本発明の解決の手段の説明は複雑になるので、手段の構成に合わせて詳細を（実施の形態）で説明する。
【発明の効果】
【００１６】  本発明のアクチュエータの必須状件である円筒型圧電共振子に関して、外径、円筒肉厚、軸長比の組合せが異なる種々のサンプルを用いた膨大な数の実験検討を重ねた結果、注目すべき事実を発見した。通常の圧電共振子では、最も共鳴増幅率の高い鋭い共振特性が得られるのは、固有振動周波数が最低の所謂基本共振周波数である。このことは円周長より軸長の方が長い長軸円筒の場合も通例であった。これに反して、本発明に用いる短軸円筒型圧電共振子では、円周方向の振動に関する基本共振モードよりも、周波数がかなり高い軸方向のモードの方が、遥かに共鳴増幅率の高い鋭い共振特性が得られ、共振アドミッタンスが信じられない位大きい値になることを見出した。アドミッタンスが大きいことは、大きいパワーを入力できることであり、動力源としての必須条件である。【００１７】  非対称励振を条件とする３Ｄ共振子でも最強のトルクが得られるのは２番目の共振周波数である軸方向共振モードであり、数ボルトの低い電圧で励振しただけで、短軸円筒の両端面に強力な３Ｄトルクが発生する。この３Ｄトルクは端面内では、円周に沿い回転軸に対して両端面とも同じ向きの成分を有し、軸方向には両端面が互いに反発或いは吸引する逆位相の成分を有するので、回転子に強力な回転トルクを伝達すると同時に、軸方向の浮揚力で回転子を摩擦フリーに支持することができ、回転子の回転に伴う摩擦を避けることができた。このことは本発明がモータ技術の革新を齎した事を意味する。【００１８】  円筒状電歪公転子の端面に発生する強力な回転トルクを、移動子に伝達し、移動子のスクリュウねじを介してリニアトルクに変換する構造を採用したことにより、円柱シャフト状あるいは円筒状などの移動子を直線的に、強力に、高精密に動かすアクチュエータを実現することができた。その結果、例えば、移動子を光学鏡筒とした場合はアクティブ鏡筒とでも名付けたいほどコンパクトで、超精密に、自動的に動作する最もシンプルな構造の鏡筒を実現でき、適用分野に与える技術的、産業的効果は計り知れないものがあろう。
【発明を実施するための最良の形態】  （第１の実施の形態）【００１９】  本発明に関わる超音波リニア・アクチュエータの１実施例として、図１に示す円筒型電歪公転子１の片端面に発生する回転トルクを利用して移動子４に直線運動を与える手段、すなわち移動子が回転と同時に軸方向に運動をする第１の手段と、移動子が回転運動を伴わない直線運動だけをする第２の手段とに関して説明する。第１の手段も第２の手段も構成要素は同等であり、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示す。  円筒型電歪公転子１は外周面に沿って４等分割された駆動電極１１，１２，１３，１４と内周全面に施された共通電極１５を有し、内周穴に、外周面にスクリュウねじ４５が施された移動子４を内蔵している。本実施例では移動子にレンズ４１，４２が内装されている光学鏡筒４を用いた。【００２０】  移動子４の円筒外周面にはスクリューねじ４５が施されているが、ねじの周面を直径で２等分した２箇所にねじを横断する溝４６１、４６２が刻まれている。図２（ａ）に示す様に、移動子４を内蔵した電歪公転子１はハウジング５の入口から挿入され、奥のウエイブ・リングばね３１に押し付け、入口側から回転子２又は３、ベアリングボール５６、を重ね入れた状態でハウジングの蓋（固定子）６を軽く規定位置まで圧入・嵌合すると、リングばね３１が回転子２又は３を最適与圧で電歪公転子１に圧着する。回転子はベアリングを介して固定子６で支持されるので、リード線７１，７２，７３，７４を介し端子５１，５２，５３，５４に印加された電圧で電歪公転子１が励振され端面に公転トルクが発生すると、回転することになる。【００２１】  ここで、第１の手段では、リング形状の回転子２と固定子６が用いられる。回転子２の内径は移動子４のスクリュウねじ４５より一回り大きく、ねじに接することはないが、直径で２分した２箇所に径に内向きに沿った突起２６１，２６２が施され、スクリュウねじの溝４６１，４６２にセットされる。ハウジングの蓋（固定子）６の内周面には移動子外周面の雄ねじ４５に噛合う雌ねじ６５が施され、雄ねじ４５と係合されている。突起２６１は所謂キーであり、回転子２の回転を移動子４に伝え、移動子４が回転すると、スクリューねじ４５が固定子６の雌ねじ６５に係合されているので、ナットに通したボルトの様に、回りながら軸方向に進むか戻るかのリニア運動をすることになる。【００２２】    第１の手段では移動子が回転を伴うリニア運動をしたが、ここでは、移動子が回転を伴はないリニア運動をする第２の手段に関して図２（ｂ）を用いて説明する。第１の手段同様、移動子４を内蔵した電歪公転子１はハウジング５の入口から挿入され、奥のウエイブ・リングばね３１に押し付け、入口側から回転子３、ベアリングボール５６、を重ね入れた状態で、蓋すなわち固定子６を軽く規定位置まで圧入・嵌合すると、リングばね３１が回転子３を最適与圧で電歪公転子１に圧着する。回転子３はベアリングを介して固定子６で支持されるので、リード線７１，７２，７３，７４を介し端子５１，５２，５３，５４に印加された電圧で電歪公転子１が励振され端面に公転トルクが発生すると、回転することになる。【００２３】  ここで、リング状回転子３の内周面には雌��じ２５が施されており、移動子４の雄ねじ４５に噛合わされ、移動子４のキー溝４６１，４６２にはそれぞれ、固定子６に施された突起６１，６２がセットされると、移動子４は回転することはできないが、自由に滑動することはできる。移動子４の雄ねじ４５が回転子３の雌ねじ２５に噛合っているので、電歪公転子１の端面に公転トルクが励振され、回転子３が時計回りに回転すると、雌ねじ２５の回転で雄ねじ４５を介して移動子４が押し出され、反時計回りをすれば公転子の内側に引き込まれるようにリニア運動をすることになる。以上述べた様に第１の手段では回転を伴い、第２の手段では回転しないが、双方とも、移動子である鏡筒４を軸方向にリニア駆動することができた。
（第２の実施の形態）【００２４】  本発明の第２の課題である回転子の機構を、両端面に回転トルクが発生する円筒型電歪公転子に内挿入・貫通したパイプの両端に嵌めた２個のリングで、公転子をサンドイッチ圧接する構成にしたことで、２つの注目すべき利点を得た。まず第１の実施の形態の様に、公転子の両端面に発生するトルクを片方だけ利用するのでなく、両方とも同時に利用したので、より強力なトルクが得られたこと。第２の利点は第１の実施の形態では、回転子２を公転子１に圧着する力の支点を固定子６に置いたので、ボールベアリング５６など摩擦回避手段を要したのに反し、２個の円環部で公転子をサンドイッチ圧接する構成にしたことで、回転子と一体回転する円環部間で互い圧着力を作用し合うことができ、圧着力の作用点と支点間の速度差による摩擦の発生を回避することができた。以上に述べた２つの利点はアクチュエータ構成上極めて重要な技術である。以下図３を用いて、実施の形態を詳細に説明する。【００２５】  本実施例でも、第１の実施の形態と同様に、鏡筒を用いた移動子が回転しながら軸方向に動く第１の手段と、回転することなく軸方向のリニア運動をする第２の手段とがある。そのいずれに関しても両端面に回転トルクが発生する円筒型電歪公転子に内挿入・貫通したパイプの両端に嵌めた２個のリングで、公転子をサンドイッチ圧接する構成がトルク発生の基本機構である。第１の手段では、回転子に内挿した移動子をキーで回転子と係合し、両者が一体回転しながら軸方向には滑動できるように構成し、移動子の外周面に施したスクリュウねじを公転子と同軸にセットされている固定子の雌ねじに嵌めることにより、移動子が回転しながら直進運動を行う回転を伴うリニア運動を可能とした。他方、第２の手段では、回転子の内面に雌ねじが施され、外周面に雄ねじを施した移動子と係合するが、移動子は回転を阻止すると、回転を伴わないリニア運動を行う。第１の手段も第２の手段も、動作原理は第１の実施の形態と同じであり、重複するので、第２の手段を例にとって、その構造を具体的に説明する。【００２６】  ここでは細長い形状のリニア・アクチュエータの実施の形態例に関して述べる。
図３に示すように、両端面にトルクが発生する電歪公転子１０に、しっくり内挿できる円筒部分を有する回転子２０をセットする。回転子２０の片端面には鍔２０１が付いているので、まずコイル・スプリング３０を通し、その後から自由リング２０２に次いで電歪公転子１０を通して鍔まで押し付けると、回転子２０の他端が顔を出すので、その先端に固定リング２０３を面一になるまで圧入する。この状態で、コイル・スプリング３０が自由リング２０２を公転子端面に押し付けるので、固定リング２０３を支点として、自由リング２０２とで公転子１０をサンドイッチした状態で、公転子に対して最適与圧力を作用するように、回転子各部の寸法が設計されている。したがってこの状態で公転子を励振すると、強力な公転トルクが発生し、回転子２０が力強く回転する。【００２７】  この段階で、電歪公転子アクチュエータの基本機能が出来上がったので、負荷であるレンズ鏡筒を移動子４０として装着する。移動子４０は外周にスクリュウねじ４０５が設けられ、残る部分４０２は回転子２０の内径より一段細い円筒で、表面が滑らかに仕上げられ、スクリュウねじ４０５の片端に接する付近から移動子４０の先端近くまで、軸と平行方向に、キー溝４０６が刻まれている。移動子４０のスクリュウねじ４０５を回転子２０のスクリュウねじ２０５にそって挿入し、セットすると、移動子４０は、回転子の円筒２０の内周にしっくりと滑らかに内挿される。移動子４０は回転子の円筒２０に内挿された状態で、スクリュウねじに沿って滑らかに回るが、回転子が回転しているとき、移動子の回転を阻止すると、移動子は軸方向に滑らかに直線運動を行う。移動子を内挿した回転子を図４に示す角柱状のハウジング５０の中空穴５０７に納め、奥端のスクリュウねじ５０５に移動子のスクリュウねじ４０５を嵌め入れ、ハウジング５０の４箇所の陵部に支持された４本の電力端子５０１，５０２，５０３，５０４で固定支持し、中心穴に移動子円筒４０２の端部を通した蓋６０をセットねじ６５，６６，６７，６８でウジングに固定支持し、最後に、移動子４０のキー溝４０６にハウジング５０に付属したピン状のキー５０６がセットされ、公転子両端のトルクをフル活用した超音波リニア・アクチュエータ８０が完成した。【００２８】  直流電圧を電歪公転子１０の２番目の固有振動すなわち軸方向の公転共振周波数の４倍の周波数で順次スイッチングした４相スイッチング電圧の４チャンネルを超音波リニア・アクチュエータ８０の電力端子５０１，５０２，５０３，５０４に、それぞれ印加すると、電歪公転子１０の公転共振状態が励振される。電歪公転子１０の両端面に発生した公転トルクを受けて、回転子２０が回転すると、ピン状のキー５０６で回転が阻止されている移動子４０はスクリュウねじ４０５の作用で、第４図（ａ）に点線と実線で示した位置の間を往復する軸方向の滑らかな直線運動を行う。【００２９】  移動子の移動距離は電圧が印加されている時間に比例するが、回転子の円周最大速度が約０．５ｍ／ｓの飽和値を示すので、外径Ｄの移動子の最大回転数ｎ０は
ｎ０＝０．５／πＤ  ｒｐｓ                        （１）
で表すことができ、リニア速度ｖはスクリュウねじ４０５のピッチｐに依存し、
ｖ＝ｐｎ                                          （２）
となる。移動子の直径Ｄを３．５ｍｍ、ピッチｐを０．３ｍｍとすると、リニア速度ｖは
ｖ＝０．５ｐ／πＤ
と書くことができるので、最大値でも１３．６ｍｍ／ｓとなる。ここで、電歪公転子を外径５５ｍｍ、内径３．５ｍｍ高さ３．５ｍｍとすると、公転共振周波数は約４６０ｋＨｚであり、移動子のリニア速度ｖは励振周波数の１サイクル当たり３０ｎｍの計算値を示す。この値は通常のねじでは、雄ねじと雌ねじ間のがたに吸収される程の超微細値であり、超音波リニア・アクチュエータ８０は印加電圧で移動量を超微細に制御することのできる超高精細リニア・アクチュエータと言える。
（第３の実施の形態）【００３０】  第１の実施の形態では電歪公転子の両端面に発生するトルクの内、片端面のトルクを利用した回転・リニア移動子と回転を伴わないリニア移動子の構成と動作原理を例示した。第２の実施の形態では第１の実施の形態で例示した回転・リニア移動子と回転を伴わないリニア移動子の構成と動作原理を踏まえて、電歪公転子の両端面に発生するトルクの両方を同時に利用する、より高度な手段を例示した。第２の実施の形態では与圧ばねにコイルスプリングを用いたことと、鏡筒の移動距離をより大きくしたため、第１の実施の形態で例示した機構より軸長が大幅に長い構成となった。最近の実用面では、より軸長が短いコンパクトな構成と、回転を伴わない直線運動だけのリニア・アクチュエータからなるアクティブ鏡筒（自動鏡筒）が渇望されているので、いよいよここで、その実施の形態を図５に開示する。【００３１】  前述したのと同じ両端面にトルクが発生する電歪公転子１００にしっくり内挿できる円筒部分を有する回転子２００をセットする。回転子２００の片端面には鍔２０１が付いており、内周面にはスクリュウ雌ねじ２０５が施されている。まずウエイブ・リングばね３１を回転子２００に通し、その後から自由リング２０２に次いで電歪公転子１００を通して鍔部２０１まで押し付けると、回転子２００の他端が顔を出すので、その先端に固定リング２０３を面一になるまで圧入する。この状態でウエイブ・リングばね３１が自由リング２０２を公転子端面に押し付けるので、固定リング２０３を支点として、自由リング２０２とで公転子１００をサンドイッチした状態で、公転子に対して最適与圧力を作用するように、回転子各部の寸法が設計されている。したがってこの状態で公転子を励振すると、強力な公転トルクが発生し、回転子が与圧ばね３１と共に力強く回転する。ここで、与圧力は回転子に支えられ、回転子は固定支持されている電歪公転子の端面トルクの強力な浮力に支えられて回転するので、通常の回転子と軸受の間に致命的に発生する摩擦力が存在せず、回転損失が極めて低いことが本発明の最大の利点である。【００３２】  さて以上で、超音波リニア・アクチュエータの駆動部の実施の形態が例示できた。
次に、外周面に回転子のスクリュウ雌ねじ２０５と整合するスクリュウ雄ねじ４０５が施されたレンズ鏡筒４０を光軸方向にセットする。この全体を穴あきサイコロの形状をしたハウジング５００の穴の奥の電歪公転子受け部の段差にぶつかるまで挿入し、ハウジングの光軸と平行な４陵に施されている電力端子５０１，５０２，５０３，５０４のたセットばねで固定支持する。次いで、ハウジングの蓋に相当する固定子６００のキー・ピン６０１，６０２，６０３，６０４を鏡筒のキー溝４６１，４６２，４６３，４６４のそれぞれにセットした上で、４本のビス６６，６７，６８，６９で固定子をハウジングに固定すると本発明の第３の実施の形態である超音波リニア・アクチュエータが出来上がる。４本のリード線７０１，７０２，７０３，７０４に励振電力を接続すると、制御信号に応じて、レンズ鏡筒が素早く伸び・縮みし、レンズの焦点が所定位置に移動し、映像のピントを高精細に整合することができる。【００３３】  このように構成された超音波リニア・アクチュエータを用いたアクティブ鏡筒は光学系のオートフォーカス、オートズームに利用すると、機構を簡素化でき、高精細、高速、制御が可能で、停止位置を強固に保持する機能が低コストで実現できることから、携帯電話のカメラなどへの採用が急がれている。
（第４の実施の形態）【００３４】  前述のアクチュエータは携帯電話のカメラ等への採用が急がれていると述べたが、この分野で利用される機器は高性能化と軽薄短小化とが同居しており、前述のアクチュエータも当然ながら更なる薄型化が望まれている。この場合薄型化とは、アクティブ鏡筒の光軸長を縮めることであるが、電歪公転子の軸長は所定の寸法が必要であり、その皺寄せは与圧ばねに向けられ、第３の実施の形態では、最も薄いばねとしてウエイブ・リングばねを採用した。これより薄くするにはばねの厚みを０にしなければならないだろう。ここではその対策を提案する。【００３５】  すなわち、公転子円筒に内接するコイル・スプリング若しくはこれと同等のバネ作用とスクリュウねじ機能を有する弾性パイプを用いることにより、公転子との直列配置を並列配置に切り替えることで、薄型化を達成した。例えば、コイル・スプリングを公転子円筒に内接し、両端からリングを挿入して、公転子をサンドイッチした状態で締め付けると、コイル・スプリングは強力に回転できるようになる。外周にスクリュウねじを施した円筒状の移動子をコイル・スプリング内周のスクリュウねじに、ねじ込んだ状態で、移動子の軸方向の動きを妨げることなく、回転を阻止すると、移動子に回転を伴わないリニア・モーションが生ずる。ただし、通常のコイル・スプリングではリングを圧入して与圧力を作用した反動で、スプリングが伸びピッチが移動子のねじと僅かにずれ、滑らかに動かなくなる。ここでは、この点も解決した実施形態について述べる。【００３６】  前述したのと同じ両端面にトルクが発生する電歪公転子１０００にしっくり内挿できる円筒部分を有する回転子２０００をセットする。回転子２０００の片端面には鍔２００１が付いており、本体の円筒が３つの部分２００１，２００８，２００４からできている。まず鍔２００１の内周面には少し奥まで、スクリュウ雌ねじ２００５が施され、続く円筒中央部は内径が太くなっており、その薄肉円筒部にスクリュウ状のスリット２００８が施され、強い伸張ばねになっている。端部２００４はスリットの無い一様な円筒で、外周面は所定の径寸法に正確に加工されており、電歪公転子１０００に内挿して他端から出た状態で、その先端に固定リング２００３を面一になるまで圧入する。この状態で、スリット部２００８が所定の強さのばね作用を機能し、固定リングと鍔２００１とで電歪公転子１０００をサンドイッチした状態で、公転子に対して最適与圧力を作用するように、回転子各部の寸法が設計されている。したがってこの状態で公転子を励振すると、強力な公転トルクが発生し、回転子が力強く回転する。【００３７】  ここで、与圧力は回転子に支えられ、回転子は固定支持されている電歪公転子の強力な端面トルクに支えられて回転するので、前例同様、回転摩擦損失が存在しないことが本発明の最大の利点であり、しかも、本実施の形態では与圧ばねのサイズをアクチュエータの厚み構成要素から除外し、薄型化することができた。なお、当然の事ながら、回転子のスリット部が伸張してばね作用を機能しても、スリットの無い雌ねじ２００５部は全く影響されず、ねじは滑らかに噛み合うので、正確なリニア運動が実現できた。ハウ���ングは第３の実施の形態と同じであり、動作の仕方も同様であるから。重複を避けて説明を省略する。
（第５の実施の形態）【００３８】  前述のアクチュエータは携帯電話のカメラ等への採用が急がれており、薄型化が望まれているので、ロータにばね機能を持たせる解決案を提示したが、機構が複雑になりコストアップに繋がる恐れが出てきた。構成要素をより簡潔化し、低コスト化する道を探求し、回転子を省いて、鏡筒を直接駆動するアクチュエータを開発した。公転子円筒の表面に発生するトルクで、鏡筒を直接駆動する方式である。公転子に発生するトルクを利用するには、前述したように、回転子のリング部分２２，２０２，２３，２０３をトルク発生面に圧接しなければならないが、この与圧機構が複雑になることがコストアップの一因でもあった。【００３９】  ここではその解決手段として、まず公転子の内周面にスクリュウねじを施し、これと合致するスクリュウねじを外周面に施した鏡筒を直接駆動し、回転を伴うリニア運動の可能性を確認した。問題はセラミック円筒の内周面にねじ加工を施す作業がタップによる研削であり、手間がかかることである。そこで、内周面にスクリュウねじを施した薄肉円筒を公転子に接合する方法で解決した。外周面にスクリュウねじを施した鏡筒を回転させることができれば、固定子の雌ねじに導入して、回転を伴うリニア運動に変えることができる。この方式は回転を伴わないリニア運動のできない欠点はあるが、構造が簡単・コンパクトであり、注目される。リニア運動に変換する機構は前述の実施の形態で使用述したので省略し、回転駆動部の機構を以下に詳述する。【００４０】  図７（ａ）に示したように、電歪公転子１０００にしつくり内挿できる太さで、内周面にスクリュウねじ２００５を施した薄肉円筒２０１０を公転子の共通電極に接着した。これで、トルク発生素子が出来上がり、（ｃ）のレンズ鏡筒４００を導入して、ハウジングにセットすれば、鏡筒が回転しながら光軸に沿って、リニア運動をするアクチュエータが完成する。この構造では、薄肉円筒との複合共振子となり、Ｑが低下するので、高い電圧さえ印加できれば、強いトルクを出力することもできる。【００４１】  共通電極に貼り付けた方がスクリュウねじの距離を長くできるが、何といっても端面トルクの方が強いので、（ｂ）では、内周面と外周面の両方に薄肉円筒２０１１，２０１２を貼り付けた双方のトルクを活用したが、共振子が拘束されてＱが下がることをさけるため、薄肉円筒を２０１１と２０１２とに２分した。図（ａ）（ｂ）共に長い薄肉円筒を用いたので、スクリュウねじの距離を長くでき、短い鏡筒の場合は移動ストロークを長く取ることができる。【００４２】  強力な端面トルクを利用し、低電圧で駆動するには、図７（ｃ）（ｄ）に示すように雌ねじを施した円環を片端面だけに貼り付け、Ｑが低くなるのを避けた。円環が薄いので、ねじの山数が少ないが、鏡筒が（ｃ）４００，（ｆ）４０１のように長く、ねじ山が多い場合は、ストロークを十分長く取ることができる。（ｆ）の６０５のように公転子に内挿し固定できる鏡筒と組み合わせて、ズーム機構を構成することができた。【００４３】  上述した通り、本発明にかかる超音波リニア・アクチュエータは単相交流電圧でも可逆回転トルクが励振できる電歪公転子の中でも、非対称励振による３次元公転トルクを発生する独自の円筒形状素子を利用した駆動子であり、殊に円筒の軸長が外径長より短い公転子では、円筒の両端面に強力なトルクが発生する。両端鍔つきパイプを通し、鍔でサンドイッチする格好で、公転トルクに圧着すると、両方の鍔が同時に同じ向きの回転トルクを受けるので、パイプと一体化して強力に回転することを見出した。鍔をトルク発生面に圧着する与圧力の支点が回転子に置かれ、鍔と支点との速度差が無くなり、回転子をトルクが発生する公転子、言うなればアクティブ軸受であり摩擦フリーに支持できる。この効果は公転子と雌ねじを一体構成したトルク発生素子の場合も同じである。このように、まず無偏芯、高精細、高精度、低電圧駆動、低電力の回転機構が実現できた。この回転機構は中空円筒に構成できるので、内周面に雌ねじを施し、これと整合する雄ねじを施した移動子例えば光学鏡筒を内挿し、軸に沿って自由に移動するが、回転はしない様に支持すると、回転子の回転に伴って鏡筒すなわち移動子がリニア運動をして所定の距離を移動できるので、構造簡単、超精密で、駆動損失が少ないリニア・アクチュエータを提供することができた。この超音波リニア・アクチュエータは携帯電話のカメラなどには基より、デジカメ、ビデオなどの小型カメラをはじめ、防犯・監視・車載用などの小型カメラ、望遠鏡、顕微鏡などの光学機器、医療用内視鏡・カテーテルなどにも利用できるので、応用の範囲を挙げれば限がない程広い分野に貢献することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】は本発明に係わるアクチュエータの回転・リニア変換機構の説明図。
【図２】は回転・リニア移動子（ａ）と、回転を伴わぬリニア移動子（ｂ）の原理機構説明図。
【図３】は細長いリニア・アクチュエータの構成図。
【図４】は細長いリニア・アクチュエータを用いた非回転・伸縮自在アクティブ鏡筒の構造と動作の説明図。
【図５】は薄い自動鏡筒のアクチュエータ構造図（ａ）及びハウジング収納説明図。
【図６】は回転子にバネ性を施し、より薄くしたリニア・アクチュエータの構造説明図。
【図７】はスクリュウ雌ねじを施した円環または薄肉円筒を電歪公転子の端面または内周面に固定・一体化したトルク発生素子の構成説明図。
【符号の説明】
【００４５】１，１０，１００，１０００：円筒型電歪公転子（トルク発生素子）
１１，１２，１３，１４：駆動電極、１５：共通電極
２，３，２０，２００，２０００：回転子
２１，２０１，２００１：回転子の鍔部、２２，２０２：回転子の自由リング、
２３，２０３，２００３：回転子の固定リング、２００４：固定リングセット部
２５，２０５，２００５：回転子円筒のスクリュウねじ（雌ねじ）、
２６１，２６２：回転子の突起（キー）
２００８：回転子円筒に伸縮ばね機構を附与するスリット
３０：コイル・スプリング、３１：リング状ウエイブばね
４，４０：移動子（又はレンズ鏡筒）、４１，４２，４３：レンズ
４０２：移動子の円筒部、
４５，４０５：移動子のスクリュウねじ（雄ねじ）、
４６，４０６，４６１，４６２，４６３，４６４：移動子のキー溝
５，５０，５００：ハウジング、５０６：ハウジングのピン状キー、
５０７：ハウジングの中空穴
５１，５２，５３，５４，５０１，５０２，５０３，５０４：電力端子（ばね付きセットねじ）
５５，５０５：ハウジングのスクリュウねじ（雌ねじ）
５６：ボールベアリング
６，６０，６００：ハウジングの蓋（固定子）
６１，６２，６３，６４，６０１，６０２，６０３，６０４：ハウジング蓋の突起（キー）
６５：ハウジング蓋のスクリュウねじ
６６，６７，６８，６９：ハウジング蓋のセットねじ
７１，７２，７３，７４，７０１，７０２，７０３，７０４：リード線
８，８０，８００：超音波リニア・アクチュエータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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