アクチュエータ
【課題】 高出力・高信頼性のアクチュエータを提供する。
【解決手段】 本発明のアクチュエータは、一端部が固定端とされ、他端部が自由端とされた片持ち梁状であって、他端部側に摩擦駆動部４が設けられた振動体６と、振動体６の摩擦駆動部４が内面に対して遊びを設けた状態で挿入される孔部３ａを有し、振動体６の周囲に回転可能に保持された可動部材３とを具備する。そして、振動体６を振動させたときに、摩擦駆動部４が、可動部材３の孔部３ａの内面に当接するとともに、他端部側から平面透視したときに当接した箇所が一端部を中心とする円周と重なる軌跡を描くように駆動されて、可動部材３を振動体６の周囲で回転させる。
【解決手段】 本発明のアクチュエータは、一端部が固定端とされ、他端部が自由端とされた片持ち梁状であって、他端部側に摩擦駆動部４が設けられた振動体６と、振動体６の摩擦駆動部４が内面に対して遊びを設けた状態で挿入される孔部３ａを有し、振動体６の周囲に回転可能に保持された可動部材３とを具備する。そして、振動体６を振動させたときに、摩擦駆動部４が、可動部材３の孔部３ａの内面に当接するとともに、他端部側から平面透視したときに当接した箇所が一端部を中心とする円周と重なる軌跡を描くように駆動されて、可動部材３を振動体６の周囲で回転させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子などを用いて発生する振動を直進運動や回転運動に変換して駆動するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種機器の高性能化、小型・軽量化が進むにつれて、小型で高い出力を有するアクチュエータへの要望が高まっている。これに対して、圧電素子などの微小な変位を繰り返し利用することで大きな変位または高トルクを得る圧電アクチュエータや超音波モータが考案されている。例えば特許文献１には、円形状の振動体の周方向に進行性振動波を発生させ、この振動体と接触する接触体を設け、振動体と接触体とを雄ねじと雌ねじの関係とすることで直進運動するアクチュエータが提案されている。このようなアクチュエータは、カメラのオートフォーカス機構でレンズを駆動させるアクチュエータなどに利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−２２５１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電アクチュエータや超音波モータは、電磁モータと比較して体積当たりあるいは重量当たりに発生するエネルギーが大きいとされる。さらに、高速応答性や位置保持性に優れ、磁気の影響を受けないといった利点もある。しかしながら、特許文献１に示されている圧電セラミックスを振動リングに接着する構造では、圧電セラミックスの応力限界が低いため、大きな振動・振幅の発生が困難であり、大出力を得ることが難しかった。したがって、このような圧電アクチュエータの応用用途としては、時計、カメラ、プリンタなどの小型機器への適用に留まっている。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、高トルクの出力が可能なアクチュエータを得ることを目的とする。また、高信頼性のアクチュエータを得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータは、一端部が固定端とされ、他端部が自由端とされた片持ち梁状であって、前記他端部側に摩擦駆動部が設けられた振動体と、該振動体の前記摩擦駆動部が内面に対して遊びを設けた状態で挿入される孔部を有し、前記振動体の周囲に回転可能に保持された可動部材とを具備する。そして、前記振動体を振動させたときに、前記摩擦駆動部が前記可動部材の前記孔部の内面に当接するとともに、前記他端部側から平面透視したときに当接した箇所が前記一端部を中心とする円周と重なる軌跡を描くように駆動されて、前記可動部材を前記振動体の周囲で回転させる。
【０００７】
上記の構造によれば、振動体の摩擦駆動部が可動部材の孔部の内面に対して、連続的に位置を変えながら当接を繰り返しつつ、首振り運動することとなる。その結果、可動部材は、振動体の摩擦駆動部によって駆動力が与えられて、振動体の周囲を回転する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータによれば、振動体から可動部材への駆動
力の伝達ロスが少なく、大きなトルクの駆動力を与えるアクチュエータとすることができる。また、高信頼性を有するので、長寿命のアクチュエータとすることができる。これにより、例えば、ロボットの腰部や関節のように、高い駆動力および高い信頼性を必要とする用途へ適用可能なアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータを示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの振動子の構造を示す図であり、（ａ）は振動子を中心軸方向から見たときの電極領域を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の電極部分を模式的に示したＡ−Ａ’線の矢視断面図である。
【図３】図２に示す振動子に印加する電圧の波形（電圧−時間特性）を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータにおいて、図３のＴ２の時点における振動体の状態を示す図である。
【図５】図４に示すアクチュエータのＢ−Ｂ’線の矢視断面図を用いて摩擦駆動部の動きを説明する模式図であり、（ａ）は振動していないとき、（ｂ）は（１）〜（６）の順に振動しているときの状態を示す。
【図６ａ】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの固有振動周波数を求めたシミュレーション結果であり、第一次モードの固有振動を示す。
【図６ｂ】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの固有振動周波数を求めたシミュレーション結果であり、高次モードの固有振動を示す。
【図７】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの組み立て方法を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの組み立て方法を示す模式図であり、キャップの組付け方法を示す。
【図９】本発明の実施形態の別の例に係るアクチュエータを示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態のさらに別の例に係るアクチュエータを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態の例について図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
ただし、以下で参照する各図では、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示すことがある。したがって、本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータは、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備えていてもよい。また、各図中の部材の寸法は、模式的なものであり、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率などを忠実に表したものではない。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータを示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はその断面図である。
【００１３】
本実施形態に係るアクチュエータ１０は、振動体６と、その周囲に回転可能に保持された可動部材３とを有している。
【００１４】
本実施形態において、振動体６は、弾性体１ａ、振動子２、弾性体１ｂおよび摩擦駆動部４がこの順に積み重ねられたものとなっている。あるいは振動子２、弾性体１ｂおよび摩擦駆動部４がこの順に積み重ねられたものとなっている。各部材の中央には、締結部材であるボルト５を通すための貫通穴が設けられており、このボルト５で基台（不図示）に
締め付けられて一体とされている。具体的には、ボルト締めランジュバン型振動子の形態をなしている。したがって、振動体は、ボルト５で締め付けられた一端部側が固定端となり、摩擦駆動部４が設けられた他端部側が自由端となった片持ち梁状となっている。
【００１５】
可動部材３は円筒形状を有し、この円筒の内壁が孔部３ａの内面を構成して、振動体６を収容しうる大きさとなっている。詳細は後述するが、振動体６の摩擦駆動部４と孔部３ａの内面とは一定の遊び（クリアランス）を設けた状態とされ、振動体６を振動させたときに、摩擦駆動部４の側部が可動部材３の孔部３ａの内面に当接して、振動体６の周囲を回転するための駆動力を付与するような構成となっている。
【００１６】
可動部材３は、振動体６の周囲に回転可能に保持されている。本実施形態では、振動体６の外側面および可動部材３の孔部３ａの内面の表面に、互いに嵌合し得るように螺旋形状を成す凸部と凹部が形成されている。具体的には、振動体６側の螺旋形状（第１の螺旋形状）として、弾性体１ａの側面にネジ溝１４、弾性体１ｂの側面にネジ溝１６が形成されている。また、可動部材３側の螺旋形状（第２の螺旋形状）として、孔部３ａの内側面にネジ溝１５，１７が形成されている。そして、これら第１および第２の螺旋形状同士が互いに嵌め合わされた形態となっている。この構成によれば、可動部材３を振動体６の周囲に回転させる運動が振動体６の軸方向の直線運動に変換される。この可動部材３の動きを被駆動体（不図示）に伝達することにより、この被駆動体を駆動することができる。さらに、振動体６の振動を止めて可動部材３の回転を止めた状態としたときに、例えば、被駆動体の自重などによって、軸方向に力がかかったとしても、螺旋形状同士が係止し合って回転が阻害されるので、アクチュエータ１０が軸方向に対して静止し、位置が保持される。
【００１７】
なお、上述の機構により、可動部材３を振動体６の軸方向に駆動させる場合、図１に示すように、可動部材３の先端に、先端方向に向かって突出するキャップ７を設けることができる。このキャップ７の突出する先端部が凸面または半球面からなるようにしておくことにより、可動部材３が振動体６の軸周りに回転しながら軸方向に移動して被駆動体に当接したときに、被駆動体との接触面積が小さくなり摩擦を低減させる効果がある。キャップ７は可動部材３に対して、回転自在に保持することもできる。この場合、可動部材３に対してキャップ７が空転し、被駆動体との相対的な回転が抑えられるので、最も応力の集中するキャップ７の先端部の摩耗を抑えることができる。
【００１８】
弾性体１ａ，１ｂおよび締結部材（ボルト）５としては、公知の弾性体を用いることができるが、一般的には金属が用いられる。また、振動子２は、電気−機械エネルギー変換素子であり、例えば、積層型圧電素子を用いて構成される。振動子２の構成の詳細は後述する。
【００１９】
可動部材３は加工が容易なことから、金属が用いられる。ここで可動部材３の孔部３ａの内面に対しては、駆動力を付与するために摩擦駆動部４が当接するため、摩擦駆動部４と当接する部分を、セラミックスなどの耐摩耗性が優れた材料によって形成してもよい。あるいは耐摩耗性に優れたコーティングを行なってもよい。また、摩擦駆動部４も側部が、可動部材３と当接して駆動力を付与するので、この部分の材質としては、セラミックスなどの耐摩耗性に優れた材料とすることが望ましい。また、摩擦駆動部４と可動部材３とが当接する部分の相互の摩擦係数が大きい材料を選択することにより、動力伝達時のエネルギーロスが少なくなるので好ましい。
【００２０】
次に、本実施形態に係る振動子の構造について説明する。図２において、（ａ）は振動子を中心軸方向から見たときの電極領域を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の電極部分を模式的に示したＡ−Ａ’線の矢視断面図である。
【００２１】
振動子２は、電気−機械エネルギー変換素子であり、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などのセラミックスからなる圧電素子（ピエゾ素子）を用いることができる。圧電素子は厚み方向（図２（ｂ）の上下方向）に分極しており、振動子２には、可動部材３の回転方向（軸方向の周囲）に複数の電極が分割して設けられている。図２（ａ）に示す例では、点線で示すように、Ｉ，II，IIIおよびIVの４つの領域に分割されており、これ
らの領域に対して異なる位相の電圧を独立して印加可能となっている。
【００２２】
これらの電極領域の構造を、図２（ｂ）の断面図に示す。振動子２は、その内部が分割した電極領域Ｉ〜IVのそれぞれに複数の電極層が形成された積層型圧電素子となっている。電極領域IIの例で説明すれば、領域の側面に、正極側の外部電極２０１および負極側の外部電極２０３がそれぞれ設けられている。なお、正極および負極は極性の違いを示すものであって、印加電圧の正負を示すものではない。そして、外部電極２０１，２０３をそれぞれ共通の電極として複数の内部電極２０５が、圧電体層を挟んで交互に積層するように設けられている。外部電極２０１，２０３にはそれぞれ正極側の引出配線２０２、負極側の引出配線２０４が接続され、電源装置（不図示）から分割した各電極領域に対して独立して位相の異なる電圧を印加することができるようになっている。このような積層型圧電素子を用いることにより、高い圧力下で大きな変位量を得ることができるので、圧電素子の脆性破壊が抑えられ、高トルクのアクチュエータとすることができる。なお、積層型圧電素子は弾性体１ａ、１ｂに接着されず、ボルトによって固定されるため、接着部の破壊による機能劣化が発生しにくい。
【００２３】
このような積層型圧電素子は、例えば、以下のような製造方法によって提供される。Ｐｂ（Ｚｒ−Ｔｉ）Ｏ３系セラミックスグリーンシートに、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕあるいはこれらの少なくとも１種を含む合金粉からなる導電ペーストを印刷、あるいは蒸着などにより内部電極を形成する。これらのシートを交互に重ね合わせて積層し、これを振動子２の形状（本実施形態ではリング形状）に切断または打ち抜く。脱バインダー、焼成を行なった後、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕあるいはこれらの少なくとも一種を含む合金粉からなる導電ペーストを端面に塗り、さらに焼結させて外部電極を作製する。
【００２４】
リング形状である振動子２の外壁の外部電極と内壁の外部電極をそれぞれ、正極と負極に接続し、正極と負極間に所定の直流電圧を印加して、電界を印加し、所定時間処理を行なうことにより、圧電体層を分極させて、本実施形態の振動子２を得ることができる。
【００２５】
なお、正極、負極とも一方を各電極領域で共通の電極とし、他方を各電極領域の個別の電極としてもよい。この場合、各電極領域で電極の形成領域が共通化されるため、小型化に適する。
【００２６】
次に、本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの駆動原理について説明する。
【００２７】
図３は、振動子２に印加する電圧の波形（電圧−時間特性）を示したものであり、図４は、図３のＴ２の時点における振動体６の状態を示す模式図である。
【００２８】
図３において、（ａ）〜（ｄ）は位相の異なる正弦波であり、Ｖ＝Ａｓｉｎ（ωＴ−θ）なる関係（Ａ：振幅、ω：角周波数、−θ：初期位相）において、Ａは（ａ）〜（ｄ）で一定、θは（ａ）が０°とすると（ｂ）は９０°、（ｃ）は１８０°、（ｄ）は２７０°となり、９０°ごとに位相がずれている。
【００２９】
図２に示す電極領域Ｉ〜IVの正極に印加する電圧波形がそれぞれ（ａ）〜（ｄ）であるとすると、Ｔ＝Ｔ２である瞬間には振動子２の電極領域II（図４の右側）で厚みが増すよ
うに変位し、振動子２の電極領域IV（図４の左側）では厚みが減ずるように変位する。
【００３０】
この結果、Ｔ＝Ｔ２の瞬間に振動子は、振動体６が電極領域IIから電極領域IVの方向に向かって屈曲した状態になる。ここで各電極領域に、Ｖ＝Ａｓｉｎ（ωＴ−θ）となるように同期させた正弦波電圧が印加されると、電極領域I→電極領域II→電極領域III→電極領域IV→電極領域Ｉ→・・・の順に圧縮運動を繰り返す。振動体６は、ボルト５により下端部が固定されているため、振動体６の屈曲運動は、摩擦駆動部４を首振り運動させる動きとなる。図２〜図４では、積層型圧電素子の電極領域を４つに分割した例を用いて説明を行なっているが、少なくとも３つ以上の分割数とすればよい。また、分割数を４つよりも多くなるようにしてもよく、これにより、首振り運動をさらに滑らかにすることができる。
【００３１】
次に、振動体６の屈曲運動によって摩擦駆動部４が可動部材３に回転するための駆動力を与える原理について説明する。ここでは、さらに電極領域の分割数を増やして６つに分割した場合で説明する。
【００３２】
図５は、図４に示すアクチュエータのＢ−Ｂ’線の矢視断面図を用いて摩擦駆動部の動きを説明する模式図であり、（ａ）は振動していないときを示す。また、（ｂ）は、６分割した電極領域に６０°の位相差を有する正弦波電圧を印加して、（１）〜（６）の順に振動させたときの状態を示している。
【００３３】
図５（ａ）に示すように、振動体６の摩擦駆動部４と可動部材３の孔部３ａの内面とは一定のクリアランスが設けられている。ここで、図５（ｂ）の（１）に示すように、分割された電極領域の１つの方向に屈曲するように振動体６を振動させると、摩擦駆動部４の側面が可動部材３の孔部３ａの内面に当接する。その後、順次分割された隣の電極領域を屈曲振動させることによって、（２）〜（６）に示すように、振動体６自体は回転することなく、摩擦駆動部４の側面が可動部材３の孔部３ａの内面に次々と位置を変えて当接する。
【００３４】
振動体６は、弾性復元力によって図５（ａ）の位置に戻ろうとするが、分割数と電極領域に印加する正弦波電圧の周波数を十分高くしてやることにより、振動体６の摩擦駆動部４が当接した箇所は、振動体６の固定端（一端部）を中心とする円周と重なる軌跡を描き、摩擦駆動部４が可動部材３の孔部３ａの内面に連続的に位置を変えながら当接を繰り返しつつ、首振り運動することとなる。その結果、可動部材３は、振動体６の摩擦駆動部４によって駆動力が与えられ、振動体６の周囲を回転するようになる。
【００３５】
従来の超音波モータは、ステータに対して楕円振動を行なわせる進行波を発生させることにより、このステータの面に加圧接触されたロータに回転駆動力を与えていたが、本実施形態に係るアクチュエータは、摩擦駆動部４の首振り運動により可動部材３の孔部３ａの内面に回転駆動力を与えるようにしたので、従来の超音波モータと比較して、エネルギー効率の点で優れている。
【００３６】
なお、上述の例では、積層型圧電素子の電極領域を４つと６つに分割した例を用いて説明を行なっているが、可動部材３の孔部３ａの内面に回転駆動力を与えるような首振り運動を振動体６に対して起こさせるためには、積層型圧電素子の電極領域が最低３つの電極領域に分割されていればよい。
【００３７】
さらに、上述の例では、振動子２の分割した電極領域に対して印加する交流電圧の位相として、４分割したときに位相を９０°ずらした交流電圧を印加し、６分割したときに位相を６０°ずらした交流電圧を印加している。このように分割した電極領域に対して、中
心を挟んで対向する電極領域同士が１８０°の位相差となるように交流電圧を印加することにより、中心を挟んで対向する位置で振動子が互いに反対方向に向かって伸縮する動きをさせることができ、振動体６をさらに大きく変位させることができる。
【００３８】
また、可動部材３を逆方向に回転させたい場合には、分割された電極領域に対して、逆方向に、所定の位相差を有する正弦波電圧を印加すればよい。例えば、図５（ｂ）の場合、（６）→（１）の順に振動させることとなる。
【００３９】
次に、本実施形態に係るアクチュエータを設計するための方法の一例について説明する。
【００４０】
まず、振動体６の固有振動周波数と、図３で示す電圧Ｖ＝Ａｓｉｎ（ωＴ−θ）の周波数ωとを一致させて共振現象を利用することにより、振動体が大きな変位を得られるようにすることが望ましい。固有振動の周波数は、振動体を構成する振動子２、弾性体１ａ、弾性体１ｂ、ボルト５および摩擦駆動部４の構造と材質とにより決定される。
【００４１】
例として、図１に示す構造を有する振動体において、有限要素法のシミュレーションツールを使用して固有振動周波数を求めた結果を図６ａに示す。ここで、振動子２がＰＺＴ、摩擦駆動部４がアルミナ、弾性体１ａ、１ｂとボルトが鋼鉄であると仮定し、それぞれの寸法については、振動子２および弾性体１ａ、１ｂによって構成される円筒形の直径４０ｍｍ・高さ６２．５ｍｍ、摩擦駆動部４の直径４５ｍｍ・高さ５ｍｍ、ボルト５の直径１４ｍｍと仮定した。以上の値を与えてシミュレーションを行なったところ、固有振動周波数ω＝４．７６８ｋＨｚとなった。
【００４２】
図６ｂでは、同じモデルにおける高次モードでの固有振動を示し、固有振動周波数ω＝１４．９６ｋＨｚが得られた。このように固有振動は、複数の振動モードが存在しているが、どのモードを利用するかについては、得られる変位量と与える周波数とを勘案しながら、適切なものを選択すればよい。
【００４３】
次に、可動部材３と摩擦駆動部４が適正に接するための摩擦駆動部４と可動部材３の孔部３ａの内面とのクリアランスを数値化する。振動子２の変位量ΔＺは、ΔＺ／Ｚ０＝ｄ３３・Ｖで決まる。（Ｚ０：素子厚み、ｄ３３：圧電定数、Ｖ：印加電圧）ｄ３３は材料によって決定される。この値はｄ３３＝５０〜８００×１０−１２ｍ／Ｖと広い範囲を取りうるので、必要な変位量が得られるように材料を選択すればよい。
【００４４】
積層型圧電素子を用いれば、十分に大きな変位量を得ることができるので望ましい。本発明者が実験したところ、約１３０層積層した総厚み１０ｍｍの積層型圧電素子では１００Ｖ印加時に厚みが約９μｍ変位した。この実験結果を踏まえ、図１に示す構造を用いて圧電材料定数を計算に加えて有限要素法のシミュレーションにより振動体６の首振り運動による摩擦駆動部４の変位量を算出したところ、少なくとも０．１ｍｍの値が得られることがわかった。図６ａに示す第１次モード、図６ｂに示す高次モードともに０．１ｍｍ以上の変位量が得られている。このように摩擦駆動部４と可動部材３との嵌め合いの設計精度（例えば、可動部材３の孔部３ａの内径公差が＋０．０５ｍｍ、摩擦駆動部４の外径公差が−０．０５ｍｍ）に対して、十分に大きな変位量を得ることができ、摩擦駆動部４によって可動部材３を駆動可能であることがわかった。
【００４５】
なお、振動体６と可動部材３に回転運動を直線運動に変換する螺旋形状を設ける場合は、図４の破線部ＤおよびＥに示すように、屈曲させたときに、互いに嵌め合わされた箇所の嵌合状態が解除されない寸法としておくのがよい。
【００４６】
さらに、以上のように設計されたアクチュエータでの発生力を見積もるため、第１次モードの振動を使用したときのトルクを算出したところ、平均トルクとして２．５Ｎ・ｍの値が得られた。これは同サイズの電磁モータと比較して１００倍以上の高トルク値であり、本実施形態の優位性が確認された。
【００４７】
次に、本実施形態に係るアクチュエータの組立て方法について説明する。図７は、本実施形態に係るアクチュエータの組立て方法を示す模式図であり、図８は、キャップの組付け方法の一例を示す。
【００４８】
まず、弾性体１ａ，１ｂの間に振動子２を配置してこれらを積み上げる。可動部材３を上方あるいは下方からこれらを挿入するように組み込む。このとき振動子２に通電するための導線（不図示）は、弾性体１ａの側壁もしくは内部に穴などを設けて通すことができる。弾性体１ａ，１ｂと振動子２との間に不図示のフレキシブル基板を挟み込むことによって配線してもよい。摩擦駆動部４を弾性体１ｂの上部に置いた後、ボルト５によって弾性体１ａ、１ｂ、振動子２および摩擦駆動部４を所定の把持力で挟持して、振動体６が構成される。可動部材３の内壁に形成されている螺旋形状であるネジ山の内径は摩擦駆動部４の径よりも小さくなるために、上述した組み立て順とすることが望ましい。また、振動体６を設ける対象物にボルト５をねじ込むためのネジ山があらかじめ設けられていることが望ましい。
【００４９】
キャップ７は、耐摩耗性および強度の高いセラミックスなどの材料が用いられる。可動部材３に対して、キャップ７を回転可能に保持するためには、図８に示すように、キャップ７の外周に突起を設けておき、あらかじめ可動部材３の内壁に形成された溝に突起をはめ込むようにするとよい。
【００５０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。
【００５１】
例えば、上述の説明では、振動子２として積層型圧電素子を用いた例によって説明したが、これに限るものではなく、単層の振動子を複数重ねたものを用いてもよい。また、振動子２の材料としては、ＰＺＴを用いた例によって説明したが、その他にも強誘電体単結晶や圧電性を持つ高分子材料を用いることができる。
【００５２】
また、振動子２を得るための製造方法としては、セラミックグリーンシートを焼成する方法によって説明したが、これに限るものではなく、スパッタリング法などの薄膜法を用いても構わない。
【００５３】
さらに、分割した電極領域に対して正弦波の交流電圧を印加した例によって説明したが、これに限るものではなく、三角波、鋸歯状波あるいはパルス波などを用いても構わない
次に、図を用いて変形例について具体的に説明する。
【００５４】
図９は本発明の実施形態の別の例に係るアクチュエータ２０を示す断面図である。この実施形態は、図１に示した実施形態に対して、弾性体１ａが省略されて可動部材１３の長さも短く、構造が簡略化されている。このような構成とすることにより、アクチュエータをさらに小型化することができる。
【００５５】
図１０は、本発明の実施形態のさらに別の例に係るアクチュエータ３０を示す断面図である。この実施形態では、図１に示した実施形態と比較すると、振動体と可動部材２３との間に互いに螺合する螺旋形状が設けられていない。そのため、振動体（弾性体１１ａ，１１ｂ，振動子２およびボルト５）の屈曲振動は、可動部材２３が振動体の軸周りに回転
する回転運動へと変換され、可動部材２３に設けられた回転軸部２１を経て、回転運動として外部に取り出すことができる。ボールベアリング１９は、振動体と可動部材２３との間に設けられており、可動部材２３の回転を円滑にする効果を有する。ナット９は、ボルト５の端部と螺合して振動体の固定端となるものである。
【００５６】
ここで、可動部材２３の孔部２３ａの内周下方と振動体の下方外周とをそれぞれ取り巻くように周設された凸状部１８ａ，１８ｂを設け、可動部材２３を振動体に挿入したときに、可動部材２３側の凸状部１８ａが振動体側の凸状部１８ｂの下方側になるように係止してもよい。このような互いに係止し合う凸状部１８ａ，１８ｂを設けることにより、可動部材２３を摩擦駆動部４によって回転させたときに、可動部材２３が振動体から外れることを防止して、安定した回転を得ることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ，１ｂ 弾性体
２ 振動子
３，１３，２３ 可動部材
３ａ，１３ａ，２３ａ 孔部
４ 摩擦駆動部
５ ボルト（締結部材）
６ 振動体
７ キャップ
９ ナット
１０，２０，３０ アクチュエータ
１１ａ，１１ｂ， 弾性体
１４，１６ ネジ溝（第１の螺旋形状）
１５，１７ ネジ溝（第２の螺旋形状）
１８ａ，１８ｂ 凸状部
１９ ボールベアリング
２１ 回転軸部
２０１，２０３ 外部電極
２０２，２０４ 引出配線
２０５ 内部電極
Ｉ，II，III，IV 電極領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子などを用いて発生する振動を直進運動や回転運動に変換して駆動するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
各種機器の高性能化、小型・軽量化が進むにつれて、小型で高い出力を有するアクチュエータへの要望が高まっている。これに対して、圧電素子などの微小な変位を繰り返し利用することで大きな変位または高トルクを得る圧電アクチュエータや超音波モータが考案されている。例えば特許文献１には、円形状の振動体の周方向に進行性振動波を発生させ、この振動体と接触する接触体を設け、振動体と接触体とを雄ねじと雌ねじの関係とすることで直進運動するアクチュエータが提案されている。このようなアクチュエータは、カメラのオートフォーカス機構でレンズを駆動させるアクチュエータなどに利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−２２５１８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電アクチュエータや超音波モータは、電磁モータと比較して体積当たりあるいは重量当たりに発生するエネルギーが大きいとされる。さらに、高速応答性や位置保持性に優れ、磁気の影響を受けないといった利点もある。しかしながら、特許文献１に示されている圧電セラミックスを振動リングに接着する構造では、圧電セラミックスの応力限界が低いため、大きな振動・振幅の発生が困難であり、大出力を得ることが難しかった。したがって、このような圧電アクチュエータの応用用途としては、時計、カメラ、プリンタなどの小型機器への適用に留まっている。
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、高トルクの出力が可能なアクチュエータを得ることを目的とする。また、高信頼性のアクチュエータを得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータは、一端部が固定端とされ、他端部が自由端とされた片持ち梁状であって、前記他端部側に摩擦駆動部が設けられた振動体と、該振動体の前記摩擦駆動部が内面に対して遊びを設けた状態で挿入される孔部を有し、前記振動体の周囲に回転可能に保持された可動部材とを具備する。そして、前記振動体を振動させたときに、前記摩擦駆動部が前記可動部材の前記孔部の内面に当接するとともに、前記他端部側から平面透視したときに当接した箇所が前記一端部を中心とする円周と重なる軌跡を描くように駆動されて、前記可動部材を前記振動体の周囲で回転させる。
【０００７】
上記の構造によれば、振動体の摩擦駆動部が可動部材の孔部の内面に対して、連続的に位置を変えながら当接を繰り返しつつ、首振り運動することとなる。その結果、可動部材は、振動体の摩擦駆動部によって駆動力が与えられて、振動体の周囲を回転する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータによれば、振動体から可動部材への駆動
力の伝達ロスが少なく、大きなトルクの駆動力を与えるアクチュエータとすることができる。また、高信頼性を有するので、長寿命のアクチュエータとすることができる。これにより、例えば、ロボットの腰部や関節のように、高い駆動力および高い信頼性を必要とする用途へ適用可能なアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータを示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの振動子の構造を示す図であり、（ａ）は振動子を中心軸方向から見たときの電極領域を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の電極部分を模式的に示したＡ−Ａ’線の矢視断面図である。
【図３】図２に示す振動子に印加する電圧の波形（電圧−時間特性）を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータにおいて、図３のＴ２の時点における振動体の状態を示す図である。
【図５】図４に示すアクチュエータのＢ−Ｂ’線の矢視断面図を用いて摩擦駆動部の動きを説明する模式図であり、（ａ）は振動していないとき、（ｂ）は（１）〜（６）の順に振動しているときの状態を示す。
【図６ａ】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの固有振動周波数を求めたシミュレーション結果であり、第一次モードの固有振動を示す。
【図６ｂ】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの固有振動周波数を求めたシミュレーション結果であり、高次モードの固有振動を示す。
【図７】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの組み立て方法を示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの組み立て方法を示す模式図であり、キャップの組付け方法を示す。
【図９】本発明の実施形態の別の例に係るアクチュエータを示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態のさらに別の例に係るアクチュエータを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態の例について図面を用いて詳細に説明する。
【００１１】
ただし、以下で参照する各図では、説明の便宜上、本発明の一実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示すことがある。したがって、本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータは、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備えていてもよい。また、各図中の部材の寸法は、模式的なものであり、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率などを忠実に表したものではない。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータを示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）はその断面図である。
【００１３】
本実施形態に係るアクチュエータ１０は、振動体６と、その周囲に回転可能に保持された可動部材３とを有している。
【００１４】
本実施形態において、振動体６は、弾性体１ａ、振動子２、弾性体１ｂおよび摩擦駆動部４がこの順に積み重ねられたものとなっている。あるいは振動子２、弾性体１ｂおよび摩擦駆動部４がこの順に積み重ねられたものとなっている。各部材の中央には、締結部材であるボルト５を通すための貫通穴が設けられており、このボルト５で基台（不図示）に
締め付けられて一体とされている。具体的には、ボルト締めランジュバン型振動子の形態をなしている。したがって、振動体は、ボルト５で締め付けられた一端部側が固定端となり、摩擦駆動部４が設けられた他端部側が自由端となった片持ち梁状となっている。
【００１５】
可動部材３は円筒形状を有し、この円筒の内壁が孔部３ａの内面を構成して、振動体６を収容しうる大きさとなっている。詳細は後述するが、振動体６の摩擦駆動部４と孔部３ａの内面とは一定の遊び（クリアランス）を設けた状態とされ、振動体６を振動させたときに、摩擦駆動部４の側部が可動部材３の孔部３ａの内面に当接して、振動体６の周囲を回転するための駆動力を付与するような構成となっている。
【００１６】
可動部材３は、振動体６の周囲に回転可能に保持されている。本実施形態では、振動体６の外側面および可動部材３の孔部３ａの内面の表面に、互いに嵌合し得るように螺旋形状を成す凸部と凹部が形成されている。具体的には、振動体６側の螺旋形状（第１の螺旋形状）として、弾性体１ａの側面にネジ溝１４、弾性体１ｂの側面にネジ溝１６が形成されている。また、可動部材３側の螺旋形状（第２の螺旋形状）として、孔部３ａの内側面にネジ溝１５，１７が形成されている。そして、これら第１および第２の螺旋形状同士が互いに嵌め合わされた形態となっている。この構成によれば、可動部材３を振動体６の周囲に回転させる運動が振動体６の軸方向の直線運動に変換される。この可動部材３の動きを被駆動体（不図示）に伝達することにより、この被駆動体を駆動することができる。さらに、振動体６の振動を止めて可動部材３の回転を止めた状態としたときに、例えば、被駆動体の自重などによって、軸方向に力がかかったとしても、螺旋形状同士が係止し合って回転が阻害されるので、アクチュエータ１０が軸方向に対して静止し、位置が保持される。
【００１７】
なお、上述の機構により、可動部材３を振動体６の軸方向に駆動させる場合、図１に示すように、可動部材３の先端に、先端方向に向かって突出するキャップ７を設けることができる。このキャップ７の突出する先端部が凸面または半球面からなるようにしておくことにより、可動部材３が振動体６の軸周りに回転しながら軸方向に移動して被駆動体に当接したときに、被駆動体との接触面積が小さくなり摩擦を低減させる効果がある。キャップ７は可動部材３に対して、回転自在に保持することもできる。この場合、可動部材３に対してキャップ７が空転し、被駆動体との相対的な回転が抑えられるので、最も応力の集中するキャップ７の先端部の摩耗を抑えることができる。
【００１８】
弾性体１ａ，１ｂおよび締結部材（ボルト）５としては、公知の弾性体を用いることができるが、一般的には金属が用いられる。また、振動子２は、電気−機械エネルギー変換素子であり、例えば、積層型圧電素子を用いて構成される。振動子２の構成の詳細は後述する。
【００１９】
可動部材３は加工が容易なことから、金属が用いられる。ここで可動部材３の孔部３ａの内面に対しては、駆動力を付与するために摩擦駆動部４が当接するため、摩擦駆動部４と当接する部分を、セラミックスなどの耐摩耗性が優れた材料によって形成してもよい。あるいは耐摩耗性に優れたコーティングを行なってもよい。また、摩擦駆動部４も側部が、可動部材３と当接して駆動力を付与するので、この部分の材質としては、セラミックスなどの耐摩耗性に優れた材料とすることが望ましい。また、摩擦駆動部４と可動部材３とが当接する部分の相互の摩擦係数が大きい材料を選択することにより、動力伝達時のエネルギーロスが少なくなるので好ましい。
【００２０】
次に、本実施形態に係る振動子の構造について説明する。図２において、（ａ）は振動子を中心軸方向から見たときの電極領域を示す図であり、（ｂ）は（ａ）の電極部分を模式的に示したＡ−Ａ’線の矢視断面図である。
【００２１】
振動子２は、電気−機械エネルギー変換素子であり、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）などのセラミックスからなる圧電素子（ピエゾ素子）を用いることができる。圧電素子は厚み方向（図２（ｂ）の上下方向）に分極しており、振動子２には、可動部材３の回転方向（軸方向の周囲）に複数の電極が分割して設けられている。図２（ａ）に示す例では、点線で示すように、Ｉ，II，IIIおよびIVの４つの領域に分割されており、これ
らの領域に対して異なる位相の電圧を独立して印加可能となっている。
【００２２】
これらの電極領域の構造を、図２（ｂ）の断面図に示す。振動子２は、その内部が分割した電極領域Ｉ〜IVのそれぞれに複数の電極層が形成された積層型圧電素子となっている。電極領域IIの例で説明すれば、領域の側面に、正極側の外部電極２０１および負極側の外部電極２０３がそれぞれ設けられている。なお、正極および負極は極性の違いを示すものであって、印加電圧の正負を示すものではない。そして、外部電極２０１，２０３をそれぞれ共通の電極として複数の内部電極２０５が、圧電体層を挟んで交互に積層するように設けられている。外部電極２０１，２０３にはそれぞれ正極側の引出配線２０２、負極側の引出配線２０４が接続され、電源装置（不図示）から分割した各電極領域に対して独立して位相の異なる電圧を印加することができるようになっている。このような積層型圧電素子を用いることにより、高い圧力下で大きな変位量を得ることができるので、圧電素子の脆性破壊が抑えられ、高トルクのアクチュエータとすることができる。なお、積層型圧電素子は弾性体１ａ、１ｂに接着されず、ボルトによって固定されるため、接着部の破壊による機能劣化が発生しにくい。
【００２３】
このような積層型圧電素子は、例えば、以下のような製造方法によって提供される。Ｐｂ（Ｚｒ−Ｔｉ）Ｏ３系セラミックスグリーンシートに、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕあるいはこれらの少なくとも１種を含む合金粉からなる導電ペーストを印刷、あるいは蒸着などにより内部電極を形成する。これらのシートを交互に重ね合わせて積層し、これを振動子２の形状（本実施形態ではリング形状）に切断または打ち抜く。脱バインダー、焼成を行なった後、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕあるいはこれらの少なくとも一種を含む合金粉からなる導電ペーストを端面に塗り、さらに焼結させて外部電極を作製する。
【００２４】
リング形状である振動子２の外壁の外部電極と内壁の外部電極をそれぞれ、正極と負極に接続し、正極と負極間に所定の直流電圧を印加して、電界を印加し、所定時間処理を行なうことにより、圧電体層を分極させて、本実施形態の振動子２を得ることができる。
【００２５】
なお、正極、負極とも一方を各電極領域で共通の電極とし、他方を各電極領域の個別の電極としてもよい。この場合、各電極領域で電極の形成領域が共通化されるため、小型化に適する。
【００２６】
次に、本発明の実施形態の一例に係るアクチュエータの駆動原理について説明する。
【００２７】
図３は、振動子２に印加する電圧の波形（電圧−時間特性）を示したものであり、図４は、図３のＴ２の時点における振動体６の状態を示す模式図である。
【００２８】
図３において、（ａ）〜（ｄ）は位相の異なる正弦波であり、Ｖ＝Ａｓｉｎ（ωＴ−θ）なる関係（Ａ：振幅、ω：角周波数、−θ：初期位相）において、Ａは（ａ）〜（ｄ）で一定、θは（ａ）が０°とすると（ｂ）は９０°、（ｃ）は１８０°、（ｄ）は２７０°となり、９０°ごとに位相がずれている。
【００２９】
図２に示す電極領域Ｉ〜IVの正極に印加する電圧波形がそれぞれ（ａ）〜（ｄ）であるとすると、Ｔ＝Ｔ２である瞬間には振動子２の電極領域II（図４の右側）で厚みが増すよ
うに変位し、振動子２の電極領域IV（図４の左側）では厚みが減ずるように変位する。
【００３０】
この結果、Ｔ＝Ｔ２の瞬間に振動子は、振動体６が電極領域IIから電極領域IVの方向に向かって屈曲した状態になる。ここで各電極領域に、Ｖ＝Ａｓｉｎ（ωＴ−θ）となるように同期させた正弦波電圧が印加されると、電極領域I→電極領域II→電極領域III→電極領域IV→電極領域Ｉ→・・・の順に圧縮運動を繰り返す。振動体６は、ボルト５により下端部が固定されているため、振動体６の屈曲運動は、摩擦駆動部４を首振り運動させる動きとなる。図２〜図４では、積層型圧電素子の電極領域を４つに分割した例を用いて説明を行なっているが、少なくとも３つ以上の分割数とすればよい。また、分割数を４つよりも多くなるようにしてもよく、これにより、首振り運動をさらに滑らかにすることができる。
【００３１】
次に、振動体６の屈曲運動によって摩擦駆動部４が可動部材３に回転するための駆動力を与える原理について説明する。ここでは、さらに電極領域の分割数を増やして６つに分割した場合で説明する。
【００３２】
図５は、図４に示すアクチュエータのＢ−Ｂ’線の矢視断面図を用いて摩擦駆動部の動きを説明する模式図であり、（ａ）は振動していないときを示す。また、（ｂ）は、６分割した電極領域に６０°の位相差を有する正弦波電圧を印加して、（１）〜（６）の順に振動させたときの状態を示している。
【００３３】
図５（ａ）に示すように、振動体６の摩擦駆動部４と可動部材３の孔部３ａの内面とは一定のクリアランスが設けられている。ここで、図５（ｂ）の（１）に示すように、分割された電極領域の１つの方向に屈曲するように振動体６を振動させると、摩擦駆動部４の側面が可動部材３の孔部３ａの内面に当接する。その後、順次分割された隣の電極領域を屈曲振動させることによって、（２）〜（６）に示すように、振動体６自体は回転することなく、摩擦駆動部４の側面が可動部材３の孔部３ａの内面に次々と位置を変えて当接する。
【００３４】
振動体６は、弾性復元力によって図５（ａ）の位置に戻ろうとするが、分割数と電極領域に印加する正弦波電圧の周波数を十分高くしてやることにより、振動体６の摩擦駆動部４が当接した箇所は、振動体６の固定端（一端部）を中心とする円周と重なる軌跡を描き、摩擦駆動部４が可動部材３の孔部３ａの内面に連続的に位置を変えながら当接を繰り返しつつ、首振り運動することとなる。その結果、可動部材３は、振動体６の摩擦駆動部４によって駆動力が与えられ、振動体６の周囲を回転するようになる。
【００３５】
従来の超音波モータは、ステータに対して楕円振動を行なわせる進行波を発生させることにより、このステータの面に加圧接触されたロータに回転駆動力を与えていたが、本実施形態に係るアクチュエータは、摩擦駆動部４の首振り運動により可動部材３の孔部３ａの内面に回転駆動力を与えるようにしたので、従来の超音波モータと比較して、エネルギー効率の点で優れている。
【００３６】
なお、上述の例では、積層型圧電素子の電極領域を４つと６つに分割した例を用いて説明を行なっているが、可動部材３の孔部３ａの内面に回転駆動力を与えるような首振り運動を振動体６に対して起こさせるためには、積層型圧電素子の電極領域が最低３つの電極領域に分割されていればよい。
【００３７】
さらに、上述の例では、振動子２の分割した電極領域に対して印加する交流電圧の位相として、４分割したときに位相を９０°ずらした交流電圧を印加し、６分割したときに位相を６０°ずらした交流電圧を印加している。このように分割した電極領域に対して、中
心を挟んで対向する電極領域同士が１８０°の位相差となるように交流電圧を印加することにより、中心を挟んで対向する位置で振動子が互いに反対方向に向かって伸縮する動きをさせることができ、振動体６をさらに大きく変位させることができる。
【００３８】
また、可動部材３を逆方向に回転させたい場合には、分割された電極領域に対して、逆方向に、所定の位相差を有する正弦波電圧を印加すればよい。例えば、図５（ｂ）の場合、（６）→（１）の順に振動させることとなる。
【００３９】
次に、本実施形態に係るアクチュエータを設計するための方法の一例について説明する。
【００４０】
まず、振動体６の固有振動周波数と、図３で示す電圧Ｖ＝Ａｓｉｎ（ωＴ−θ）の周波数ωとを一致させて共振現象を利用することにより、振動体が大きな変位を得られるようにすることが望ましい。固有振動の周波数は、振動体を構成する振動子２、弾性体１ａ、弾性体１ｂ、ボルト５および摩擦駆動部４の構造と材質とにより決定される。
【００４１】
例として、図１に示す構造を有する振動体において、有限要素法のシミュレーションツールを使用して固有振動周波数を求めた結果を図６ａに示す。ここで、振動子２がＰＺＴ、摩擦駆動部４がアルミナ、弾性体１ａ、１ｂとボルトが鋼鉄であると仮定し、それぞれの寸法については、振動子２および弾性体１ａ、１ｂによって構成される円筒形の直径４０ｍｍ・高さ６２．５ｍｍ、摩擦駆動部４の直径４５ｍｍ・高さ５ｍｍ、ボルト５の直径１４ｍｍと仮定した。以上の値を与えてシミュレーションを行なったところ、固有振動周波数ω＝４．７６８ｋＨｚとなった。
【００４２】
図６ｂでは、同じモデルにおける高次モードでの固有振動を示し、固有振動周波数ω＝１４．９６ｋＨｚが得られた。このように固有振動は、複数の振動モードが存在しているが、どのモードを利用するかについては、得られる変位量と与える周波数とを勘案しながら、適切なものを選択すればよい。
【００４３】
次に、可動部材３と摩擦駆動部４が適正に接するための摩擦駆動部４と可動部材３の孔部３ａの内面とのクリアランスを数値化する。振動子２の変位量ΔＺは、ΔＺ／Ｚ０＝ｄ３３・Ｖで決まる。（Ｚ０：素子厚み、ｄ３３：圧電定数、Ｖ：印加電圧）ｄ３３は材料によって決定される。この値はｄ３３＝５０〜８００×１０−１２ｍ／Ｖと広い範囲を取りうるので、必要な変位量が得られるように材料を選択すればよい。
【００４４】
積層型圧電素子を用いれば、十分に大きな変位量を得ることができるので望ましい。本発明者が実験したところ、約１３０層積層した総厚み１０ｍｍの積層型圧電素子では１００Ｖ印加時に厚みが約９μｍ変位した。この実験結果を踏まえ、図１に示す構造を用いて圧電材料定数を計算に加えて有限要素法のシミュレーションにより振動体６の首振り運動による摩擦駆動部４の変位量を算出したところ、少なくとも０．１ｍｍの値が得られることがわかった。図６ａに示す第１次モード、図６ｂに示す高次モードともに０．１ｍｍ以上の変位量が得られている。このように摩擦駆動部４と可動部材３との嵌め合いの設計精度（例えば、可動部材３の孔部３ａの内径公差が＋０．０５ｍｍ、摩擦駆動部４の外径公差が−０．０５ｍｍ）に対して、十分に大きな変位量を得ることができ、摩擦駆動部４によって可動部材３を駆動可能であることがわかった。
【００４５】
なお、振動体６と可動部材３に回転運動を直線運動に変換する螺旋形状を設ける場合は、図４の破線部ＤおよびＥに示すように、屈曲させたときに、互いに嵌め合わされた箇所の嵌合状態が解除されない寸法としておくのがよい。
【００４６】
さらに、以上のように設計されたアクチュエータでの発生力を見積もるため、第１次モードの振動を使用したときのトルクを算出したところ、平均トルクとして２．５Ｎ・ｍの値が得られた。これは同サイズの電磁モータと比較して１００倍以上の高トルク値であり、本実施形態の優位性が確認された。
【００４７】
次に、本実施形態に係るアクチュエータの組立て方法について説明する。図７は、本実施形態に係るアクチュエータの組立て方法を示す模式図であり、図８は、キャップの組付け方法の一例を示す。
【００４８】
まず、弾性体１ａ，１ｂの間に振動子２を配置してこれらを積み上げる。可動部材３を上方あるいは下方からこれらを挿入するように組み込む。このとき振動子２に通電するための導線（不図示）は、弾性体１ａの側壁もしくは内部に穴などを設けて通すことができる。弾性体１ａ，１ｂと振動子２との間に不図示のフレキシブル基板を挟み込むことによって配線してもよい。摩擦駆動部４を弾性体１ｂの上部に置いた後、ボルト５によって弾性体１ａ、１ｂ、振動子２および摩擦駆動部４を所定の把持力で挟持して、振動体６が構成される。可動部材３の内壁に形成されている螺旋形状であるネジ山の内径は摩擦駆動部４の径よりも小さくなるために、上述した組み立て順とすることが望ましい。また、振動体６を設ける対象物にボルト５をねじ込むためのネジ山があらかじめ設けられていることが望ましい。
【００４９】
キャップ７は、耐摩耗性および強度の高いセラミックスなどの材料が用いられる。可動部材３に対して、キャップ７を回転可能に保持するためには、図８に示すように、キャップ７の外周に突起を設けておき、あらかじめ可動部材３の内壁に形成された溝に突起をはめ込むようにするとよい。
【００５０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。
【００５１】
例えば、上述の説明では、振動子２として積層型圧電素子を用いた例によって説明したが、これに限るものではなく、単層の振動子を複数重ねたものを用いてもよい。また、振動子２の材料としては、ＰＺＴを用いた例によって説明したが、その他にも強誘電体単結晶や圧電性を持つ高分子材料を用いることができる。
【００５２】
また、振動子２を得るための製造方法としては、セラミックグリーンシートを焼成する方法によって説明したが、これに限るものではなく、スパッタリング法などの薄膜法を用いても構わない。
【００５３】
さらに、分割した電極領域に対して正弦波の交流電圧を印加した例によって説明したが、これに限るものではなく、三角波、鋸歯状波あるいはパルス波などを用いても構わない
次に、図を用いて変形例について具体的に説明する。
【００５４】
図９は本発明の実施形態の別の例に係るアクチュエータ２０を示す断面図である。この実施形態は、図１に示した実施形態に対して、弾性体１ａが省略されて可動部材１３の長さも短く、構造が簡略化されている。このような構成とすることにより、アクチュエータをさらに小型化することができる。
【００５５】
図１０は、本発明の実施形態のさらに別の例に係るアクチュエータ３０を示す断面図である。この実施形態では、図１に示した実施形態と比較すると、振動体と可動部材２３との間に互いに螺合する螺旋形状が設けられていない。そのため、振動体（弾性体１１ａ，１１ｂ，振動子２およびボルト５）の屈曲振動は、可動部材２３が振動体の軸周りに回転
する回転運動へと変換され、可動部材２３に設けられた回転軸部２１を経て、回転運動として外部に取り出すことができる。ボールベアリング１９は、振動体と可動部材２３との間に設けられており、可動部材２３の回転を円滑にする効果を有する。ナット９は、ボルト５の端部と螺合して振動体の固定端となるものである。
【００５６】
ここで、可動部材２３の孔部２３ａの内周下方と振動体の下方外周とをそれぞれ取り巻くように周設された凸状部１８ａ，１８ｂを設け、可動部材２３を振動体に挿入したときに、可動部材２３側の凸状部１８ａが振動体側の凸状部１８ｂの下方側になるように係止してもよい。このような互いに係止し合う凸状部１８ａ，１８ｂを設けることにより、可動部材２３を摩擦駆動部４によって回転させたときに、可動部材２３が振動体から外れることを防止して、安定した回転を得ることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１ａ，１ｂ 弾性体
２ 振動子
３，１３，２３ 可動部材
３ａ，１３ａ，２３ａ 孔部
４ 摩擦駆動部
５ ボルト（締結部材）
６ 振動体
７ キャップ
９ ナット
１０，２０，３０ アクチュエータ
１１ａ，１１ｂ， 弾性体
１４，１６ ネジ溝（第１の螺旋形状）
１５，１７ ネジ溝（第２の螺旋形状）
１８ａ，１８ｂ 凸状部
１９ ボールベアリング
２１ 回転軸部
２０１，２０３ 外部電極
２０２，２０４ 引出配線
２０５ 内部電極
Ｉ，II，III，IV 電極領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部が固定端とされ、他端部が自由端とされた片持ち梁状であって、前記他端部側に摩擦駆動部が設けられた振動体と、
該振動体の前記摩擦駆動部が内面に対して遊びを設けた状態で挿入される孔部を有し、前記振動体の周囲に回転可能に保持された可動部材とを具備するアクチュエータであって、前記振動体を振動させたときに、前記摩擦駆動部が、前記可動部材の前記孔部の内面に当接するとともに、前記他端部側から平面透視したときに当接した箇所が前記一端部を中心とする円周と重なる軌跡を描くように駆動されて、前記可動部材を前記振動体の周囲で回転させる、アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動体の表面に第１の螺旋形状の凸部または凹部が形成されているとともに、前記可動部材の前記孔部の内面に前記第１の螺旋形状の凸部または凹部と嵌合しうる第２の螺旋形状の凸部または凹部が形成されており、
前記振動体および前記可動部材は、前記第１および第２の螺旋形状の凸部または凹部同士が互いに嵌め合わされて、前記可動部材を前記振動体の周囲で回転させる運動が前記可動部材を前記振動体の軸方向に移動させる直線運動に変換される、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記振動体は、
電気−機械エネルギー変換素子を含む振動子と、
該振動子に接する弾性体と、
該弾性体に接する前記摩擦駆動部と、
前記振動子、前記弾性体および前記摩擦駆動部を一体的に締め付ける締結部材とを含む、請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記振動子は、１枚の圧電素子からなる単層型、または複数枚の圧電素子が積層された積層型であって、前記可動部材の回転方向に少なくとも３つに分割された電極を有し、該電極のそれぞれに位相の異なる交流電圧が与えられる、請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記可動部材の先端に、先端方向に向かって突出する凸面または半球面を有するキャップが設けられている、請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１】
一端部が固定端とされ、他端部が自由端とされた片持ち梁状であって、前記他端部側に摩擦駆動部が設けられた振動体と、
該振動体の前記摩擦駆動部が内面に対して遊びを設けた状態で挿入される孔部を有し、前記振動体の周囲に回転可能に保持された可動部材とを具備するアクチュエータであって、前記振動体を振動させたときに、前記摩擦駆動部が、前記可動部材の前記孔部の内面に当接するとともに、前記他端部側から平面透視したときに当接した箇所が前記一端部を中心とする円周と重なる軌跡を描くように駆動されて、前記可動部材を前記振動体の周囲で回転させる、アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動体の表面に第１の螺旋形状の凸部または凹部が形成されているとともに、前記可動部材の前記孔部の内面に前記第１の螺旋形状の凸部または凹部と嵌合しうる第２の螺旋形状の凸部または凹部が形成されており、
前記振動体および前記可動部材は、前記第１および第２の螺旋形状の凸部または凹部同士が互いに嵌め合わされて、前記可動部材を前記振動体の周囲で回転させる運動が前記可動部材を前記振動体の軸方向に移動させる直線運動に変換される、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記振動体は、
電気−機械エネルギー変換素子を含む振動子と、
該振動子に接する弾性体と、
該弾性体に接する前記摩擦駆動部と、
前記振動子、前記弾性体および前記摩擦駆動部を一体的に締め付ける締結部材とを含む、請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記振動子は、１枚の圧電素子からなる単層型、または複数枚の圧電素子が積層された積層型であって、前記可動部材の回転方向に少なくとも３つに分割された電極を有し、該電極のそれぞれに位相の異なる交流電圧が与えられる、請求項１乃至３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記可動部材の先端に、先端方向に向かって突出する凸面または半球面を有するキャップが設けられている、請求項１乃至４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【公開番号】特開２０１２−１００５１３（Ｐ２０１２−１００５１３Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９２４８７（Ｐ２０１０−２９２４８７）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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