JPH09327185A

JPH09327185A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH09327185A
Application number: JP9066840A
Authority: JP
Inventors: Mina Kobayashi; 三奈小林; Daisuke Satani; 大助佐谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-04-02
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1997-12-16

Abstract

(57)【要約】【課題】振動アクチュエータ用の従来の摺動材では、
金属製の場合には摩耗粉の生成が激しく、樹脂製の場合
には真空中または電子ビーム照射下でガスが放出され
る。【解決手段】弾性体１２と、弾性体１２との間で相対
運動を行う相対運動部材１７とを備える振動アクチュエ
ータ１１において、弾性体１２と相対運動部材１７との
接触部に、ポリエーテルニトリルドをマトリックスとす
る樹脂により構成された摺動材１４ａ、１４ｂを配置す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動アクチュエー
タに関する。より具体的には、電気機械変換素子により
弾性体を励振し、複数の振動モードを調和的に発生させ
ることにより振動子の表面に楕円運動を生じさせ、振動
子に加圧接触する相対運動部材との間で相対運動を発生
する振動アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】弾性体に電気機械変換素子を接合し、こ
の電気機械変換素子に交流電圧を印加することにより、
弾性体に縦振動及び屈曲振動を発生させて、弾性体の表
面に楕円運動を発生させる振動アクチュエータが知られ
ている。このような振動アクチュエータとしては、「光
ピックアップ移動を目的とした圧電リニア・モータ」
（富川義朗氏他：第５回電磁力関連のダイナミックスシ
ンポジウム講演論文集第３９３頁〜第３９８頁）によ
り、振動アクチュエータの構成及び負荷特性が詳細に説
明されている。

【０００３】図１０は、このような振動アクチュエータ
１の構成を示す説明図である。図１０（Ａ）は上面図、
図１０（Ｂ）は正面図、図１０（Ｃ）は底面図、図１０
（Ｄ）は右側面図である。この振動アクチュエータ１
は、矩形平板状であって、一方の平面に突起状に駆動力
取出部２ａ、２ｂが形成された弾性体２を有する。ま
た、駆動力取出部２ａ、２ｂを介して図示しない加圧機
構により弾性体１に加圧接触する相対運動部材３とを有
する。駆動力取出部２ａ、２ｂは、後述するように、弾
性体２に発生する４次の屈曲振動の腹となる部分の２か
所に形成される。

【０００４】弾性体２の他方の平面には、矩形薄板状の
電気機械変換素子である圧電体４が接着される。圧電体
４の表面には、互いに独立し、電気的に絶縁された状態
で電極５ａ、５ｂ、５ｐ、５ｐ’が装着される。電極５
ａ、５ｂには、互いに電気的に位相が９０度異なる交流
電圧が印加される。なお、電極５ｐ、５ｐ’は、弾性体
２に発生する振動状態を検出するための電極である。こ
れらの電極５ａ、５ｂ、５ｐ、５ｐ’には図示しないリ
ード線がはんだ付けされており、各リード線は、同じく
図示しない制御回路に接続される。

【０００５】電極５ａ、５ｂにそれぞれ駆動信号である
交流電圧を印加することにより、弾性体２に１次の縦振
動及び４次の屈曲振動が調和的に発生し、駆動力取出部
２ａ、２ｂの先端部に楕円運動が発生する。発生した楕
円運動により、駆動力取出部２ａ、２ｂを介して弾性体
２に加圧接触する相対運動部材３が、弾性体に対して相
対運動を行う。この相対運動を外部に取り出して推力と
して利用する。

【０００６】このような振動アクチュエータ１では、１
次の縦振動及び４次の屈曲振動それぞれの固有振動数
は、互いに非常に近い値又は同じ値となるように設計さ
れる。そのため、電極５ａ、５ｂそれぞれに、２つの固
有振動数に近い周波数の交流電圧を印加することによ
り、１次の縦振動及び４次の屈曲振動を調和的に発生さ
せることができる。

【０００７】突起状に形成された駆動力取出部２ａ、２
ｂの端面には、相対運動部材３との摺動抵抗を低減する
ための摺動材６ａ、６ｂが貼り付けられる。この摺動材
６ａ、６ｂとしては、これまで、樹脂材や金属材等から
なる摺動材が適宜選択されて使用されてきた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この振動ア
クチュエータ１は、磁界を利用しないために電磁誘導に
よる誘導障害のおそれがないという特徴を有する。しか
し、真空中で長時間駆動することができなかった。その
原因は、金属材からなる摺動材６ａ、６ｂを使用する
と、相対運動部材３との摺動によって生じる摩耗粉の生
成が激しくなり、一方、樹脂材からなる摺動材６ａ、６
ｂを使用すると、ガスを放出するためである。

【０００９】振動アクチュエータ１は、本質的に、弾性
体２に貼付した摺動材６ａ、６ｂと相対運動部材３との
間の摩擦駆動によって動作する。そして、得られる駆動
力は、弾性体２と相対運動部材３との間における加圧力
Ｗ及び摩擦係数μとの積（μ×Ｗ）に依存する。加圧力
Ｗを大きくすることにより駆動力（μ×Ｗ）を上げるこ
とは可能であるが、加圧力Ｗが大き過ぎると、弾性体２
に発生する伸縮振動を抑制してしまい反対に駆動力を低
下させてしまう。

【００１０】一方、摺動材６ａ、６ｂの摩擦係数μを高
くすれば駆動力（μ×Ｗ）を上げることは可能である。
しかし、摺動材６ａ、６ｂの耐摩耗性が大きい場合に
は、弾性体２が所定の弾性率を有する材料（例えば、鉄
系、ステンレス鋼、アルミニウム合金等）により構成さ
れた弾性体２や相対運動部材３の摺動面を摩滅させてし
まう。これにより、駆動初期の段階での駆動制御が極め
て難しくなる。また、摩耗粉の発生が問題とならない環
境においてのみしか使用することができなくなってしま
う。

【００１１】さらに、弾性体２や相対運動部材３の摺動
面の摩滅によって摺動面に生じる凹凸が、摺動材６ａ、
６ｂの摩耗に拍車をかけるという問題もあり、振動アク
チュエータ１の寿命をより低下させてしまう。特に、振
動アクチュエータの特性として、騒音が少ないという点
がある。しかし、金属系の摺動材を使用すると騒音が発
生し易くなる。また、樹脂系の摺動材を使用すると、樹
脂の種類によっては樹脂自体が弾性体の振動を吸収し、
駆動力を低下させてしまう。さらに、樹脂系の摺動材を
使用すると、駆動時に接触する相手側の部材に樹脂の摩
耗粉が付着し、この摩耗粉と摺動材とが凝着して振動ア
クチュエータの駆動が停止してしまう場合がある。ま
た、摩耗粉等により、振動アクチュエータの停止時状態
における保持トルクが上昇して、安定に駆動できなくな
る場合もある。さらに、金属材料または樹脂材料からな
る摺動材が接触する振動子または相対運動部材それぞれ
の接触部の中心線平均粗さによっては、騒音が発生して
しまう。

【００１２】本発明は、前記課題を解決し、摩耗の少な
い安定した振動アクチュエータを提供することを目的と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上述した
課題を解決するために鋭意研究した結果、振動子と相対
運動部材との間に、ポリエーテルニトリルをマトリック
スとする樹脂からなる摺動材を介在させることにより、
極めて摩耗が少なく、安定して駆動することができる振
動アクチュエータが得られることを見出し、本発明を完
成した。本発明によれば、寿命が延び、摩耗粉による異
常停止といった事態も起こらず、騒音も発生し難くな
る。さらに、保持トルクの上昇も防ぐことができる。

【００１４】請求項１記載の発明では、振動子と、該振
動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、前記振動
子と前記相対運動部材との接触部に配置され、ポリエー
テルニトリルをマトリックスとする樹脂により構成され
た摺動材とにより振動アクチュエータを構成した。

【００１５】請求項２記載の発明は、請求項１に記載さ
れた振動アクチュエータにおいて、前記樹脂が、カーボ
ンファイバー及びフッ素樹脂の少なくとも一方を含むこ
とを特徴とする。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項２に記載さ
れた振動アクチュエータにおいて、前記カーボンファイ
バーの含有量が、１０重量％以上４０重量％以下である
とともに、前記フッ素樹脂の含有量が、１０重量％以上
２０重量％以下であることを特徴とする。

【００１７】請求項４記載の発明は、請求項１から請求
項３までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記摺動材を、前記振動子及び前記相対運
動部材のそれぞれの接触部のいずれか一方に装着したこ
とを特徴とする。

【００１８】請求項５記載の発明は、請求項１から請求
項４までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記相対運動部材または前記振動子は、前
記摺動材と接触してこの摺動材との間で相対運動する部
分の中心線平均粗さが、前記振動子に発生する振動の振
幅よりも小さいことを特徴とする。

【００１９】請求項６記載の発明は、請求項５に記載さ
れた振動アクチュエータにおいて、前記中心線平均粗さ
は、前記摺動材との接触部を形成する面内における各方
向に応じてそれぞれ異なる値を有し、前記中心線平均粗
さが最大となる方向に関する値が、０．１μｍ以上０．
９μｍ以下であることを特徴とする。

【００２０】請求項７記載の発明は、請求項１から請求
項６までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記振動子は、直方体状に形成され、縦振
動と屈曲振動とを発生させるとともに、前記摺動材は、
前記振動子のうちの前記屈曲振動の腹の位置に設けられ
ていることを特徴とする。

【００２１】請求項８記載の発明は、請求項１から請求
項６までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記振動子は、略円柱状に形成され、縦振
動とねじり振動とを発生させるとともに、前記摺動材
は、前記振動子および前記相対運動部材のそれぞれの接
触部のうちのいずれか一方に装着されることを特徴とす
る。

【００２２】請求項９記載に発明は、請求項１から請求
項６までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記振動子は、略円環状に形成され、進行
性振動波を発生させるとともに、前記摺動材は、前記振
動子および前記相対運動部材のそれぞれの接触部のうち
のいずれか一方に装着されることを特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明の実施形態を添付図面を
参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実施形態
の説明は、振動アクチュエータとして超音波の振動域を
利用する超音波アクチュエータを例にとって行う。

【００２４】図１は、本発明にかかる振動アクチュエー
タの第１実施形態を示す説明図である。図１（Ａ）は、
超音波アクチュエータ１１を示す平面図、図１（Ｂ）は
正面図及び側面図、図１（Ｃ）は下面図である。本実施
形態の超音波アクチュエータ１１は、直方体状（ここで
は矩形平板状）の弾性体１２と、弾性体１２と加圧接触
する相対運動部材１７とを備える。弾性体１２は、本実
施形態ではステンレス鋼からなる。弾性体１２の材料と
してはこれに限らず、アルミニウム合金等の金属材料や
プラスチック材料等の樹脂材料を用いることもできる。

【００２５】弾性体１２の一方の平面には圧電体１３が
装着される。圧電体１３は、電気エネルギを機械的変位
に変換する電気機械変換素子として機能する。本実施形
態では、４枚の圧電体１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ
から構成される。なお、４枚の圧電体１３ａ、１３ｂ、
１３ｃ、１３ｄを装着する代わりに、これら４枚分の領
域を有する１枚の圧電体を装着し、この圧電体上に電気
的に独立した４枚の電極板を配置してもよい。このと
き、各電極板の大きさが、前述の４枚の圧電体を装着す
る場合の１枚分の圧電体の大きさとなるようにすればよ
い。

【００２６】圧電体１３のうち、弾性体１２の長手方向
の内部側に装着される２枚の圧電体１３ａ、１３ｂは、
弾性体１２に振動を起こして駆動力を発生させるための
駆動用圧電体である。これらの圧電体１３ａ、１３ｂに
は、互いに電気的に位相が９０度異なる交流電圧が印加
される。

【００２７】弾性体１２の長手方向の両端部側には、弾
性体１２に発生する振動の状態を検出するための振動検
出用圧電体１３ｃ、１３ｄが装着される。振動検出用圧
電体１３ｃ、１３ｄは、いずれも、後述する図２に示す
制御回路に接続される。

【００２８】弾性体１２の他方の平面であって、弾性体
１２に発生する４次の屈曲振動の２つの腹となる位置に
は、突起状に駆動力取出部１２ａ、１２ｂが形成され
る。これらの駆動力取出部１２ａ、１２ｂは、弾性体１
２の前記他方の平面の短辺方向の全長にわたって直方体
状に形成されている。なお、本実施形態では、駆動力取
出部１２ａ、１２ｂは突起状に形成したが、突起状に形
成せずに弾性体１２の平面と同一面となるように形成し
てもよい。

【００２９】本実施形態では、突起状に形成された駆動
力取出部１２ａ、１２ｂそれぞれの端面のうちの長手方
向の両端部側には、相対運動部材１７との摺動抵抗を低
減するため、矩形で薄板状の摺動材１４ａ、１４ｂ、１
４ｃ、１４ｄが、例えばエポキシ系接着剤により貼付さ
れている。

【００３０】本実施形態では、摺動材１４ａ〜１４ｄを
構成する材料として、ポリエーテルニトリルをマトリッ
クスとする樹脂に、フッ素樹脂の一種であるポリテトラ
フルオロエチレンと、カーボンファイバーとが混入され
た材料（商品名：ＩＤ３００ＴＭ７５０：出光マテリア
ル( 株) 製）を用いた。

【００３１】ポリエーテルニトリルは、結晶性の熱可塑
性樹脂であって、高い強度、優れた耐熱性及び耐摩耗性
を有する。また、良好な成形加工性を有する材料であ
る。そのため、本実施形態において、摺動材１４ａ〜１
４ｄの材料として極めて望ましい特性を備える。

【００３２】弾性体１２は、図示しない加圧装置により
相対運動部材１７へ向けて適宜加圧力Ｗで加圧されてい
る。また、弾性体１７の裏面には、図示しないリード線
がはんだ付けされた金属箔１６が接合されており、この
リード線はグランド電位に接続される。

【００３３】図２は、本実施形態の超音波アクチュエー
タ１１の駆動回路を示すブロック図である。図２におい
て、発振器２１から出力された駆動信号は２つに分けら
れる。一方の信号は、増幅器２２を介して圧電体１３ａ
に入力される。他方の信号は、移相器２３により位相を
π／２変換されて、増幅器２４を介して圧電体１３ｂに
入力される。

【００３４】圧電体１３ｃ、圧電体１３ｄは、検出した
振動に応じた電気信号を制御回路２５に出力する。制御
回路２５では、これらの信号を受けて、補正信号を発振
器２１に出力する。補正信号を入力された発振器２１で
は、駆動信号の補正を行って適正な信号を出力する。こ
のようにして、図２に示す駆動回路では、発振器２１か
らの駆動信号が適正化される。

【００３５】このような駆動回路により、圧電体１３
ａ、１３ｂに電気的に位相が９０度異なる交流電圧を印
加することにより、弾性体１２の突起部１２ａ、１２ｂ
の端面に楕円運動が発生する。発生した楕円運動によ
り、弾性体１２と相対運動部材１７との間で相対運動が
発生する。

【００３６】本実施形態では、摺動材１４ａ〜１４ｄ
を、ポリエーテルニトリルをマトリックスとする樹脂
に、ポリテトラフルオロエチレン及びカーボンファイバ
ーを混入した材料により構成したため、以下に列記する
効果が得られる。

【００３７】（１）摩耗粉の生成が少なく、真空中や
電子ビームを照射された状況等においてもガスの放出が
少ない。（２）弾性体１２の駆動力取出部１２ａ、１２ｂや相
対運動部材１７の摺動面を摩滅させることがなく摺動材
自体も摩滅しない。そのため、駆動初期における駆動制
御が容易となり、また摩耗粉の発生が極めて少ない。（３）弾性体１２や相対運動部材１７の摺動面の摩滅
によって摺動面に生じる凹凸が低減され、振動アクチュ
エータ１が長寿命化する。（４）摺動材１４ａ〜１４ｄの摩耗量が低減されると
ともに、摺動材１４ａ〜１４ｄ自体が弾性体１２の振動
を吸収する量が抑制され、駆動力が低下しない。さら
に、摺動材１４ａ〜１４ｄの摩耗粉が相手側の部材に付
着する現象も生じないため、振動アクチュエータの停止
が発生しない。

【００３８】ポリエーテルニトリルをマトリックスとす
る樹脂に加えられるポリテトラフルオロエチレン及びカ
ーボンファイバーの含有量は、ポリテトラフルオロエチ
レンでは１０重量％以上２０重量％以下、カーボンファ
イバーでは１５重量％以上４０重量％以下が望ましい。
この範囲を下回ると摺動性が不足し、一方、この範囲を
上回るとポリエーテルニトリルをマトリックスとする樹
脂の特性が薄れるおそれがあるからである。また、ポリ
テトラフルオロエチレンの場合、この範囲を上回ると、
相手接触面に転写して相手接触面と凝着が起こり、駆動
が停止するおそれがあるからである。

【００３９】（第２実施形態）以下、第２実施形態の超
音波アクチュエータを添付図面を参照しながら説明す
る。なお、以降の説明は、第１実施形態と相違する部分
についてだけ行い、同一の部分については同一の図中符
号を付すことにより重複する説明を省略する。図３〜図
６は、それぞれ、本発明にかかる振動アクチュエータの
第２実施形態を示す説明図である。図３（Ａ）、図４
（Ａ）及び図５（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）、図４
（Ｂ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は正面
図、図３（Ｃ）、図４（Ｃ）及び図５（Ｃ）は底面図、
図３（Ｄ）、図４（Ｄ）、図５（Ｄ）、図６（Ｃ）及び
図６（Ｄ）は側面図である。

【００４０】第１実施形態の超音波アクチュエータ１１
では、突起状に形成された駆動力取出部１２ａ、１２ｂ
の端面のうちの長手方向の両端側に、矩形薄板状の摺動
材１７ａ〜１７ｄを装着したが、図３〜図６に示す第２
実施形態は、この摺動材を装着する態様を変更したもの
である。

【００４１】すなわち、図３に示す超音波アクチュエー
タ１１−１では、駆動力取出部１２ａ、１２ｂの端面の
うちの中央部に矩形の平面形状の摺動材１８ａ、１８ｂ
を貼付する。図１に示す超音波アクチュエータ１に比較
すると、摺動材１８ａ、１８ｂの面圧が上昇し、駆動力
が向上する。

【００４２】図４に示す超音波アクチュエータ１１−２
では、駆動力取出部１２ａ、１２ｂを突起状に形成せず
に平面とし、弾性体１２の平面の短辺方向の中央部に直
接、矩形の平面形状の摺動材１８ａ、１８ｂを貼付す
る。図１に示す超音波アクチュエータ１に比較すると、
駆動力取出部１２ａ、１２ｂを形成しないため、加工工
数の増加を抑制できる。

【００４３】図５に示す超音波アクチュエータ１１−３
では、駆動力取出部１２ａ、１２ｂを突起状には形成せ
ずに平面とし、弾性体１２の平面の短幅方向の両端部に
直接、矩形の平面形状の摺動材１９ａ、１９ｂ、１９
ｃ、１９ｄを貼付する。図１に示す超音波アクチュエー
タ１に比較すると、駆動力取出部１２ａ、１２ｂを形成
しないため、加工工数の増加を抑制できる。また、弾性
体１２と相対運動部材１７とを安定して接触させること
ができる。

【００４４】図６は、第２実施形態の変更例を示す図で
ある。図６（Ａ）は加工前の状態を示す正面図であり、
図６（Ｃ）はその側面図である。また、図６（Ｂ）は加
工後の状態を示す正面図であり、図６（Ｄ）はその側面
図である。図６（Ｂ）に示す超音波アクチュエータ１１
−４は、平板状の摺動材２０が弾性体１２の裏面側（圧
電体が設置されていない側）に貼付されている。そし
て、駆動力取出部２０ａ、２０ｂを摺動材２０により一
体的に形成してある。この変更例によれば、弾性体１２
の平面の精度不足を摺動材２０を貼付することで補うこ
とができる。なお、駆動力取出部２０ａ〜２０ｄは、図
６（Ｄ）に示すように、弾性体１２の幅方向の中央部に
１ヵ所、又は両端部側２ヵ所に貼付することができる。

【００４５】これらの変更例は、超音波アクチュエータ
に求めるトルク、起動推進力等の性能、設置環境、相対
運動部材の形状さらには設置スペース等に応じて適宜選
択して、用いることができる。

【００４６】（第３実施形態）図７は、第３実施形態の
超音波アクチュエータ３１の構成を示す斜視図である。
図８は、図７の超音波アクチュエータの側面の拡大図で
ある。本実施形態で用いる超音波アクチュエータ３１
は、円環型（リング型）の振動子を有する進行波型超音
波アクチュエータである。この超音波アクチュエータ３
１は、端面の円周方向に櫛歯状に多数の突起３２ａが設
けられた円環状の振動子３２と、突起３２ａの端面を介
して振動子３２に加圧接触する円環状の相対運動部材３
３とを備える。

【００４７】振動子３２は、金属等の弾性材料により円
環状に形成される。この振動子の一方の平面には、断面
が矩形の溝部３２ｂが多数設けられている。そして、こ
れらの溝部３２ｂによって区切られることにより、断面
矩形の突起部３２ａが多数形成される。この突起部３２
ａは、突起部３２ａの端面に発生される楕円運動の振幅
を大きくして駆動効率の向上を図る機能を有する。ま
た、相対運動部材３３との接触により発生する摩耗粉を
溝部３２ｂ内に落とし込むことにより、接触面に摩耗粉
を存在させないようにしている。

【００４８】振動子３２の突起部３２ａが形成された面
と反対側の面には、電気機械変換素子である圧電体３４
が貼り付けられてれる。圧電体３４は、振動子３２の周
方向について例えば２０°ピッチで多数に分割されてい
る。そして、互いに隣接する圧電体同士が逆向きにポー
リング（永久分極）されている。

【００４９】一方の向きにポーリングされている圧電体
３４ａ群にフレキシブル基板３６を介して正弦波電圧Ａ
を印加するとともに、他方の向きにポーリングされてい
る圧電体３４ｂ群にフレキシブル基板３６を介して正弦
波電圧Ａとは位相が９０度異なる正弦波電圧Ｂを印加す
ると、振動子３２の突起部３２ａ形成面には、一方向に
伝搬する進行波が発生する。

【００５０】本実施形態では、相対運動部材３３の弾性
体３２との接触面に、第１実施形態と同様にポリエーテ
ルニトリルをマトリックスとする樹脂により構成される
円環状の摺動材３５が装着される。圧電体群３４ａ及び
圧電体群３４ｂに駆動電圧を印加することにより振動子
３２に発生する進行波は、摺動材３５を介して相対運動
部材３３に伝搬される。これにより、振動子３２と相対
運動部材３３との間に相対運動が発生する。なお、本実
施形態では、弾性体３２は、圧電体３４が装着された面
側を、円環状の支持体３８により固定・支持される。圧
電体３４と支持体３８との間には、円環状の振動吸収材
３７が配置されている。本実施形態の超音波アクチュエ
ータ３１においても、摺動材３５を、ポリエーテルニト
リルをマトリックスとする樹脂により構成しているた
め、第１実施形態と全く同様の効果が得られる。

【００５１】（第４実施形態）図９は、第４実施形態の
超音波アクチュエータ４１の構成を示す縦断面図であ
る。本実施形態の超音波アクチュエータ４１は、ねじり
振動と縦振動を発生する振動子４２を有する。

【００５２】図９に示すように、超音波アクチュエータ
４１は、円筒状の振動子４２と、この振動子４２に接触
する相対運動部材である円筒状の移動子４３とを有す
る。さらに、振動子４２を固定するとともに移動子４３
を回転自在に支持する固定軸４４と、移動子４３を振動
子４２に向けて加圧する加圧機構４５と備える。以下、
これらの構成要素を順次説明する。

【００５３】固定軸４４は棒状の軸であり、一端は固定
面４６に固定される。固定軸４４の中間部には、後述す
る締付け用ボルト５０ａ〜５０ｄが貫通するための貫通
孔４４ａ〜４４ｄが、固定軸４４の中心軸と直交する方
向に形成される。また、固定軸４４の他端にはねじ部４
４ｅが形成される。

【００５４】振動子４２は、固定軸４４を収容し得る中
空部を有する。また、振動子４２は、弾性材料からなる
円筒体を、中心軸を含む平面で縦に２分割することによ
り得られる半円筒体４７ａ、４７ｂを、再び円筒形状に
組み合わせた弾性体４７と、半円筒体４７ａ、４７ｂの
分割面に挟持される電気機械変換素子である圧電体（図
示しない）とにより構成される。

【００５５】弾性体４７の側面には、環状に溝部が形成
されることにより、小径部４８ａ、４８ｂ、４８ｃが形
成されている。そして、これらの小径部４８ａ〜４８ｃ
に区切られることにより、大径部４８Ａ、４８Ｂ、４８
Ｃ、４８Ｄが形成される。小径部４８ａ〜４８ｃは、弾
性体４７に発生する縦振動及びねじり振動それぞれの共
振周波数を一致またはほぼ一致させるために形成され
る。さらに、大径部４８Ａ〜４８Ｄそれぞれの弾性体中
心軸方向略中央部には、貫通孔４９ａ〜４９ｄが形成さ
れる。

【００５６】振動子４２の組立ては、例えば、以下のよ
うに行われる。まず、固定軸４４を中空部に収容した状
態で半円筒体４７ａ、４７ｂを組み合わる。そして、半
円筒体４７ａ、４７ｂの２つの接触面に、後述する配置
で圧電体を装着する。この後、締付け用ボルト５０ａ〜
５０ｄそれぞれを、貫通孔４９ａ〜４９ｄ及び貫通孔４
４ａ〜４４ｄを貫通させ、ナット５１ａ〜５１ｄをネジ
止めする。

【００５７】弾性体４７の小径部４８ｂ及び、固定軸４
４には、支持用ピン５２が貫通するための貫通孔９０が
設けられている。この貫通孔９０に支持用ピン５２を貫
通させることで、弾性体４７が固定軸４４に固定・保持
される。

【００５８】圧電体は、半円筒体４７ａ、４７ｂの２つ
の分割面に装着される。圧電体は、弾性体に、軸方向に
関するねじり振動を発生するためのねじり振動発生用圧
電体と、軸方向へ伸縮する縦振動を発生するための縦振
動発生用圧電体との２種類に大別される。ねじり振動発
生用圧電体は、弾性体の軸方向の両端面側の２か所（発
生するねじり振動の節位置）に配置される。縦振動発生
用圧電体は、弾性体軸方向の中央部の１か所（発生する
縦振動の節位置）に配置される。ねじり振動発生用圧電
体は、弾性体の軸方向に関する剪断変位を発生する圧電
体であり、２つの分割面で互いに逆方向に変位するよう
に配置される。一方、縦振動発生用圧電体は、弾性体軸
方向についての変位を発生する圧電体であり、互いに同
方向に変位するように配置される。

【００５９】ねじり振動発生用圧電体に正弦波電圧Ａを
印加するとともに、縦振動発生用圧電体に正弦波電圧Ａ
とは位相が９０度異なる正弦波電圧Ｂを印加すると、二
つの振動は同時に発生し（縮退）、振動子の駆動面Ｄに
はこれらの振動の合成である楕円運動が発生する。

【００６０】相対運動部材である移動子４３は、円筒状
の部材である。そして、一方の端面の内周部には環状の
溝部４３ａが形成されており、この溝部４３ａにボール
ベアリング５３が嵌め込まれて固定される。

【００６１】移動子４３の他方の端面には、環状の摺動
材５４が接着により装着される。この摺動材５４は、前
述した第１実施形態〜第３実施形態と全く同様に、ポリ
エーテルニトリルをマトリックスとする樹脂により構成
される。移動子４３は、固定軸４４にボールベアリング
５３を介して装着されており、固定軸４４に対して回動
自在に支持される。このようにして、移動子４３の他方
の平面に接着された摺動材５４が振動子４２の駆動面Ｄ
に接触する。

【００６２】ボールベアリング５３における、振動子４
２と反対側の面には、移動子４３を振動子４２に向けて
加圧する加圧機構４５が設置される。この加圧機構４５
は、固定軸４４に装着された、外向きのフランジを有
し、円柱状に形成された加圧力伝達部材５５と、加圧力
伝達部材５５の端部側に装着される加圧用バネ５６と、
固定軸４４のネジ部４４ｅにネジ止めされた加圧用ナッ
ト５７とにより構成される。ボールベアリング５３は弾
性体４７側へ向けて加圧され、これにより、移動子４３
が弾性体４７に加圧接触する。本実施形態の振動アクチ
ュエータ４１は、以上のように構成される。

【００６３】ここで、ねじり振動発生用圧電体に正弦波
電圧Ａを印加するとともに、縦振動発生用圧電体に正弦
波電圧Ｂを印加すると、二つの振動は同時に発生し（縮
退）、振動子の駆動面Ｄにはこれらの振動の合成である
楕円運動が発生する。発生した楕円運動により、振動子
の駆動面Ｄに加圧接触した移動子４３が一方向に回転駆
動される。

【００６４】本実施形態では、移動子４３の振動子４２
との接触面には、ポリエーテルニトリルをマトリックス
とする樹脂により構成した摺動材５４が装着されてい
る。そのため、第１実施形態〜第３実施形態と全く同様
の効果を得ることができる。

【００６５】（変形形態）以上の各実施形態では、縦−
屈曲振動を用いたリニア駆動型の超音波アクチュエータ
（第１実施形態及び第２実施形態）、進行性振動波を用
いた円環型の超音波アクチュエータ（第３実施形態）及
び縦−ねじり振動を用いた回転駆動型の超音波アクチュ
エータ（第４実施形態）について説明した。しかし、本
発明の振動アクチュエータはこのような態様に限定され
るものではない。振動子と相対運動部材との間で摺動を
行う他の形式の振動アクチュエータにおいても、等しく
適用することができる。

【００６６】各実施形態では、超音波の振動波を利用す
る超音波アクチュエータを例にとったが、他の振動域の
振動アクチュエータについても等しく適用することがで
きる。また、各実施形態では、電気機械変換素子として
圧電体を用いたが、本発明にかかる振動アクチュエータ
はこのような態様のみに限定されるものではなく、電気
エネルギを機械的変位に変換することができるものであ
ればよい。例えば、電歪素子を用いてもよい。さらに、
ねじり振動体の振動によって相対運動部材を駆動する型
の振動アクチュエータ等についても等しく適用すること
ができる。また、第１実施形態及び第２実施形態では、
振動子に摺動材を接合し、第３実施形態及び第４実施形
態では、相対運動部材に摺動材を接合したが、いずれの
形態であってよい。

【００６７】

【実施例】さらに、本発明を実験データとともに詳細に
説明する。（実施例１）ポリテトラフルオロエチレンを１０重量
％、カーボンファイバーを３０重量％含有するポリエー
テルニトリルをマトリックスとする樹脂（商品名：ＩＤ
３００ＴＭ７５０：出光マテリアル（株）製）により、
図１に示す形状の摺動材１４ａ〜１４ｄを製作した。

【００６８】これらの摺動材１４ａ〜１４ｄを、ステン
レス鋼材（ＳＵＳ３０４）から図１に示す形状に作製し
た弾性体の駆動力取出部１２ａ、１２ｂに、エポキシ系
接着剤により接着した。このようにして製造された超音
波アクチュエータ１１の圧電体１３ａ、１３ｂに駆動電
圧を印加することにより、弾性体１２に振動を発生さ
せ、相対運動部材である駆動面１７上において駆動した
ところ、以下に列記する（１）〜（５）の効果を確認し
た。なお、相対運動部材１７の摺動材との接触面は、各
方向に対してそれぞれ異なる値の中心線平均粗さを有す
る。そして、本実施例の場合、前記中心線平均粗さが最
大となる方向に関する値は、０．１μｍ以上０．９μｍ
以下の範囲に設定した。また、弾性体１２に発生する振
動波の振幅は、２μｍである。このように、本実施例で
は、摺動材１４ａ〜１４ｄが接触する相対運動部材１７
の接触面の中心線平均粗さは、振動波の振幅よりも小さ
くなっている。

【００６９】（１）駆動時に弾性体１２及び相対運動
部材１７の接触面が摩擦することにより発生する摩耗量
が極力少なく、長時間にわたって安定した性能を発揮す
ることができること。（２）弾性体１２及び相対運動部材１７が加圧接触す
ることにより発生するトルク、起動推力が大きいこと。（３）駆動時に騒音が発生しないこと。（４）駆動特性が安定していること。（５）駆動時に摩耗粉が接触相手側の部材に付着して
超音波アクチュエータの異常停止が発生しないこと。以上の結果から、本実施例の超音波アクチュエータ１１
は、超音波アクチュエータに要求される諸特性を満足し
ており、充分に実用に供することができるものであるこ
とがわかる。

【００７０】（実施例２）ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０
４）により、図１に示す形状の弾性体１２を製作した。
この弾性体１２の駆動力取出部１２ａ、１２ｂの端面
に、以下に列記する材料〜により所定の形状に製作
した摺動材１４ａ〜１４ｄを、エポキシ系接着剤により
接着した。［本発明例］カーボンファイバーを３０重量％、ポリニトロフル
オロエチレンを１０重量％含有するポリエーテルニトリ
ルをマトリックス樹脂とする材料（商品名：ＩＤ３００
ＴＭ７５０：出光マテリアル（株）製）なお、本実施例では、ＩＤ３００ＴＭ７５０の型番の
ポリエーテルニトリルを用いたが、ＩＤ３００ＣＦ１
５、ＩＤ３００ＣＦ３０の型番のポリエーテルニトリ
ルを用いても全く同様の作用効果を得られる。［比較例］純ポリエーテルニトリル（商品名：ＩＤ３００Ｒ
Ｆ：出光マテリアル（株）製）ポリエーテルエーテルケトン１００重量％（商品
名：ＶＩＣＴＲＥＸＰＥＥＫ４５０Ｇ：住友化学工業
（株）製）ポリフェニレンエーテル８０重量％＋ガラス繊維２
０重量％（商品名：ザイロンＸ５４０２：旭化成工業
（株）製）ポリエーテルスルホン１００重量％（商品名：スミ
カエクセルＰＥＳ（旧称ＶＩＣＴＲＥＸ）４１００
Ｇ：住友化学工業（株））

【００７１】このようにして得られた５種の超音波アク
チュエータの圧電体１２に駆動電圧を印加することによ
り、弾性体１２に振動を発生させて相対運動部材１７上
において駆動させ、駆動開始直後及び駆動開始から１０
時間経過したときにおける動摩擦係数、重量損失及び駆
動後におけるモータ効率をそれぞれ測定した。以下に試
験条件を列記する。

【００７２】［試験条件］相手材：ＳＵＳ３０４面圧（加圧力）：３０ｇｆ／ｍｍ² 試験時間：１００時間結果を表１〜表３にまとめて示す。

【００７３】

【表１】

【００７４】

【表２】

【００７５】

【表３】

【００７６】表１から、本発明例は、比較例〜に
対して、動摩擦係数の増加率が小さく、極めて安定した
性能を発揮することがわかる。表２から、本発明例
は、比較例〜に対して、重量損失が少なく、真空中
でのガスの放出が少ないことがわかる。さらに、表３か
ら、本発明例は、比較例〜に対して、１０時間経
過後のモータ効率が高く、優れた性能を奏することがわ
かる。

【００７７】なお、カーボンファイバーを１５重量％以
上４０重量％以下、ポリテトラフルオロエチレンを１０
重量％以上２０重量％以下含有する範囲について、全く
同様の確認実験を行ったところ、表１〜表３の試料と
略同等の実験結果が得られた。また、本発明例は１０
時間経過後における摩耗の深さが小さく、極めて優れた
耐摩耗性を有していた。

【００７８】（実施例３）ステンレス鋼材（ＳＵＳ３０
４）により、図１に示す形状の弾性体１２を製作した。
この弾性体１２の駆動力取出部１２ａ、１２ｂの端面
に、カーボンファイバーを３０重量％、ポリニトロフル
オロエチレンを１０重量％含有するポリエーテルニトリ
ルをマトリックス樹脂とする材料（商品名：ＩＤ３００
ＴＭ７５０：出光マテリアル（株）製）により所定
の形状に製作した摺動材１４ａ〜１４ｄを、エポキシ系
接着剤により接着した。

【００７９】ここで、弾性体１２が接触する相対運動部
材１７の接触面の中心線平均粗さＲa を０．００５、
０．０１、０．１、０．５及び１．０と５つの水準で変
化させた。これらの５水準の試料について、連続駆動開
始から摩耗粉が接触相手側の部材に付着して超音波アク
チュエータが停止するまでの時間を測定した。測定結果
を表４にまとめて示す。

【００８０】

【表４】

【００８１】また、ＳＵＳ３０４からなる弾性体に摺動
材が付着した様子を、顕微赤外分光分析により調査し
た。その際、各駆動面の摩擦材との接触点を各１０点ず
つランダムに調査した。結果を表５にまとめて示す。

【００８２】

【表５】

【００８３】表５に示すように、樹脂成分のピークが検
出された割合は、中心線平均粗さＲａ：０．１〜０．５
において０であることがわかる。このことから、第１実
施例の結果と併せ、摺動材が接触する相手材の接触面に
おける中心線平均粗さＲａは０．１μｍ以上０．９μｍ
以下が望ましいことがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる振動アクチュエータの第１実施
形態である超音波アクチュエータを示す説明図である。
図１（Ａ）は平面図，図１（Ｂ）は正面図及び側面図，
図１（Ｃ）は下面図である。

【図２】第１実施形態の超音波アクチュエータの駆動回
路を示すブロック図である。

【図３】本発明にかかる振動アクチュエータの第２実施
形態を示す説明図である。図３（Ａ）は平面図，図３
（Ｂ）は正面図，図３（Ｃ）は底面図，図３（Ｄ）は側
面図である。

【図４】本発明にかかる振動アクチュエータの第２実施
形態を示す説明図である。図４（Ａ）は平面図，図４
（Ｂ）は正面図，図４（Ｃ）は底面図，図４（Ｄ）は側
面図である。

【図５】本発明にかかる振動アクチュエータの第２実施
形態を示す説明図である。図５（Ａ）は平面図，図５
（Ｂ）は正面図，図５（Ｃ）は底面図，図５（Ｄ）は側
面図である。

【図６】本発明に係る振動アクチュエータの第２実施形
態を示す説明図である。図６（Ａ）は加工前の状態を示
す正面図，図６（Ｃ）はその側面図である。また、図６
（Ｂ）は加工後の状態を示す正面図であり、図６（Ｄ）
はその側面図である。

【図７】第３実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す斜視図である。

【図８】第３実施形態の超音波アクチュエータの側面の
拡大図である。

【図９】第４実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す縦断面図である。

【図１０】従来の振動アクチュエータの構成を示す説明
図である。図１０（Ａ）は上面図，図１０（Ｂ）は正面
図，図１０（Ｃ）は底面図，図１０（Ｄ）は右側面図で
ある。

【符号の説明】

１１超音波アクチュエータ（振動アクチュエータ）１２弾性体１３圧電体（電気機械変換素子）１４ポリエーテルニトリルをマトリックスとする樹脂
からなる摺動材１５エポキシ系接着剤１７相対運動部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子と、該振動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、前記振動子と前記相対運動部材との接触部に配置され、
ポリエーテルニトリルをマトリックスとする樹脂により
構成された摺動材とを有す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に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記樹脂は、カーボンファイバー及びフッ素樹脂の少な
くとも一方を含むことを特徴とする振動アクチュエー
タ。
【請求項３】請求項２に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記カーボンファイバーの含有量は、１５重量％以上４
０重量％以下であるとともに、前記フッ素樹脂の含有量は、１０重量％以上２０重量％
以下であることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項４】請求項１から請求項３までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記摺動材は、前記振動子及び前記相対運動部材のそれ
ぞれの接触部のいずれか一方に装着されることを特徴と
する振動アクチュエータ。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記相対運動部材または前記振動子は、前記摺動材と接
触してこの摺動材との間で相対運動する部分の中心線平
均粗さが、前記振動子に発生する振動の振幅よりも小さ
いことを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項６】請求項５に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記中心線平均粗さは、前記摺動材との接触部を形成す
る面内における各方向に応じてそれぞれ異なる値を有
し、前記中心線平均粗さが最大となる方向に関する値
が、０．１μｍ以上０．９μｍ以下であることを特徴と
する振動アクチュエータ。
【請求項７】請求項１から請求項６までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記振動子は、直方体状に形成され、縦振動と屈曲振動
とを発生させるとともに、前記摺動材は、前記振動子のうちの前記屈曲振動の腹の
位置に設けられていることを特徴とする振動アクチュエ
ータ。
【請求項８】請求項１から請求項６までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記振動子は、略円柱状に形成され、縦振動とねじり振
動とを発生させるとともに、前記摺動材は、前記振動子および前記相対運動部材のそ
れぞれの接触部のうちのいずれか一方に装着されること
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項９】請求項１から請求項６までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記振動子は、略円環状に形成され、進行性振動波を発
生させるとともに、前記摺動材は、前記振動子および前記相対運動部材のそ
れぞれの接触部のうちのいずれか一方に装着されること
を特徴とする振動アクチュエータ。