以下図面に基づいて、本発明に係る超音� ��アクチュエータ、及び磁気記録装置の実施� ��形態を説明する。尚、本発明を図示の実施� ��形態に基づいて説明するが、本発明は該実� ��の形態に限られない。

 最初に、本発明に係る超音波アクチュエ� ��タ5の構成を図1を用いて説明する。図1(a)は� ��超音波アクチュエータ5の全体構成の概要を 示す正面図、図1(b)は、図1(a)におけるA-A″断� ��図である。

 超音波アクチュエータ5は、図1(a)に示す� �に、振動体10、ロータ20、FPC30、固定部材40等 から構成される。

 振動体10は、正三角形状をなし、正三角� �の各頂点に円筒形状のロータ20が外接してい る。ロータ20は、本発明における移動体に該� ��し、振動体10に組み込まれる前は、各接触� �の寸法が、振動体10の寸法より小さく設定さ れており、組み込まれることにより接触部以 外の部位が弾性変形して(組み込み状態で、� �ータ20は、わずかに三角形状になる)、振動� �10の各接触部には、ロータ20により所定の押� ��力が働く。

 図1(b)に示すように、ロータ20の円周断面� ��は、V字状の溝20aが形成されている。振動体 10の各頂点に設けられた後述の凸形状の3つの チップ部材(当接部)103がロータ20のV字状の溝2 0a嵌まり込むため、スラスト方向への揺動が� ��制され、ロータ20は高精度に回転を行うこ� �ができる。また、振動体10に設けられたチッ プ部材103が当接し摺動するロータ20の摺動面( 被当接部)20bには、ゲル状潤滑剤201が塗布さ� �ている。尚、ゲル状潤滑剤201の詳細につい� �は後述する。

 振動体10は、後述するように振動の比較� �小さい各辺の中央付近を、固定部材40に設け られた3つの固定ピン401により保持される。� �持は、圧入、または接着により行う。また� �振動体10の各辺の中央付近に切り欠きを設け て固定ピン401により保持することにより、固 定部材40に対する位置決めを行うようにして� ��よい。固定部材40を例えば、後述の磁気記� �装置の筐体やフレームに固定することによ� �、超音波アクチュエータ5は位置決めされる� ��

 図2に振動体10の別例による固定方法を示� ��。図2(a)は、振動体10の概要を示す正面図、� ��2(b)は、図2(a)におけるA-A″断面図である。

 図2(b)に示すように、振動体10の重心位置� ��貫通穴10aを設け、ネジ403等を用いて固定し� ��もよい。重心位置は、振動の節に当たるの� ��、固定による振動への影響を最小限に抑え� ��ことができる。

 ロータ20の材料には、弾性の大きな材料� �好ましく、ステンレス等の金属材料を用い� �。また、磨耗を防ぐため、表面には、窒化� �理などの硬化処理を行う。また、CrNやTiCN等� ��セラミックコーティングを行ってもよい。

 振動体10には、FPC(フレキシブルプリント� ��線板)30が接続され、図示しない駆動信号生� ��部から、FPC30を介して、後述する所定の駆� �信号が入力される。

 振動体10に駆動信号が入力されると、振� �体10の各頂点に設けられた後述の3つのチッ� �部材103に、それぞれ同じ方向に回転する高� �波の楕円振動が発生する。チップ部材103に� �、ロータ20が所定の押圧力で接しているため 、摩擦力によって、ロータ20が回転を行う。� ��1(a)において、各頂点が時計回りに楕円振動 を行う場合は、ロータ20も時計方向に回転し� ��各頂点が反時計回りに楕円振動を行う場合� ��、ロータ20も反時計方向に回転する。尚、� �円振動の大きさを変えることにより、速度� �トルクを変化させることができる。

 ロータ20は、正三角形状の振動体10の頂点 に設けられた3つのチップ部材103により保持� �れるので、ラジアル方向の姿勢安定性が非� �に高く、且つ、スラスト方向にはV字状の溝2 0aにより揺動を規制されているので、芯振れ� ��がなく非常に高精度に回転が可能である。� ��た、ガタがないので、剛性が高く、モータ� ��応答性を高めることができる。また、振動� ��10の3つの頂点の他にロータ20を保持する箇� �を必要としないため、駆動ロスが抑制され� �い駆動効率を得ることができる。

 次に、振動体10の構成を図3を用いて説明� ��る。図3(a)は、振動体10の構成を示す正面図� ��図3(b)は、側面図、図3(c)は、裏面図である� �

 図3(a)に示すように、振動体10は、ロータ2 0に当接する3つのチップ部材103と正三角形の� ��点に平面部が形成された圧電部材101から構� ��される。チップ部材103は、圧電部材101に接� ��により結合される。接着には、接着強度が� ��く、剛性の高いエポキシ系接着剤を用いる� ��

 チップ部材103の材料には、磨耗を防ぐた� ��、硬度の高い、アルミナ、ジルコニア等の� ��ラミックス、あるいは超硬合金等を用いる� ��

 圧電部材101は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛 )等の圧電特性を示す圧電材料からなり、圧� �部材a面には駆動用電極、b面には共通薄膜電 極(GND電極)101cが形成される。電極は、銀や銀 パラジウムからなり、蒸着等により形成され る。駆動用電極は、図3(a)に示すように、振� �体10の各頂点から対向する辺へ下ろした各垂 線で分割される形状(6分割)で、各頂点に一対 のA相電極領域、B相電極領域を有し、各A相電 極101a、各B相電極101bが、FPC30を介してそれぞ� ��共通接続されている。FPC30は、後述する振� �の節である三角形重心位置付近で接続する� �とにより振動への影響を最小限に抑えるこ� �ができる。尚、接続には、ハンダ、または� �電性接着剤等を用いる。

 次に、このような構成の超音波アクチュ� ��ータ5の駆動方法について説明する。駆動方 法の基本は、ロータ20を回転させる為の共振� ��用いた楕円振動駆動である。共振を用いる� ��とにより振動体10の各頂点に楕円振動を励� �して駆動する方法であり、振幅を数十倍に� �大でき、低電圧で効率的に大きな楕円振動� �得ることができる。以下に、その原理と駆� �特性について説明する。

 (固有モード)
 最初に固有モードについて図4を用いて説明 する。振動体10の各頂点に同一回転方向の楕� ��振動を励起するために、本実施形態では、� ��4に示す2つの固有モードを用いる。図4(a)は� ��伸縮振動モード、図4(b)は、屈曲振動モード による振動体10の変形の様子を示す模式図で� ��る。伸縮振動モードは、振動体10の重心位� �Gを振動の節とし、各頂点を含む3分割された 領域が伸縮振動し、各頂点が同位相で放射状 に往復運動を行う。屈曲振動モードは、振動 体10の重心位置Gを振動の節とし、各頂点を含 む3分割された領域が屈曲振動し、各頂点が� �位相で重心位置Gを中心とする振動体10の外� �円の円周の接線方向に往復運動を行う。伸� �振動モードは、各A相電極101a、各B相電極101b� ��同位相、屈曲振動モードは、逆位相の各共� ��周波数と一致する駆動信号を入力すること� ��より、それぞれ励起することができる。

 (位相差駆動方法)
 前述の2つの固有モードの共振周波数を略一 致させ、A相電極101a、B相電極101bに位相の90度 ずれた共振周波数と一致する周波数の駆動信 号VA、VBを入力することにより、2つの固有モ� ��ドが励起・合成され、振動体10の各頂点に� �じ回転方向の楕円振動が生成される。駆動� �号VA、VBの位相を反転させることにより、楕� ��振動の回転方向が逆転する。また、駆動信� ��VA、VBの振幅や位相を変化させることにより 、楕円振動の軌跡形状や大きさを変えること ができる。

 楕円軌跡径は、振幅(電圧)に比例して変� �する。また、駆動信号VA、VBの位相差を変化� ��せることにより、楕円形状を変化させるこ� ��ができる。図5は、駆動信号VA、VBの位相差� �対する楕円軌跡の変化の様子を示す模式図� �ある。図5(a)は、駆動信号VAとVBの位相差が45� �、図5(b)は、90°、図5(c)は、135°の場合を示す 。位相差が小さくなると、ロータ20との接触� ��における法線方向Nの楕円径が大きくなり、 位相差が大きくなると、接線方向Tの径が大� �くなる。楕円軌跡形状を変化させることに� �って、後述する様に、駆動特性を変化させ� �ことができるので、速度制御や位置制御に� �用することができる。また、2相の駆動信号V A、VBで駆動する位相差駆動を行うことにより 、低電圧で駆動できると伴に、位相差による 駆動制御が可能である。

 (単相駆動方法)
 前述の2つの固有モードの共振周波数を所定 値ずらし、その間の周波数の単相の駆動信号 をA相電極101a、B相電極101bのいずれか一方に� �力することにより、振動体10の各頂点に同一 回転方向の楕円振動が励起される。入力する 電極を切り替えることにより、楕円の回転方 向を逆転できる。各固有モードの共振周波数 を所定値ずらすことにより、片方の電極駆動 による加振力によって、2つの固有モードの� �相がずれて励起され、楕円振動が生成され� �。単相の駆動信号によって駆動できるので� �駆動回路が簡略化でき、コストを低減する� �とができる。

 (共振周波数の調整方法)
 2つの固有モードの共振周波数は、チップ部 材103の質量や、振動体10の重心位置に穴を設� ��て、穴径を調整することにより、所定の関� ��に設定することができる。また、製造時の2 つの固有モードの共振周波数の誤差を後加工 などで調整することができる。

 (楕円軌跡と駆動性能)
 ここで、楕円軌道と駆動性能の関係につい� ��前述の図5を用いて説明する。チップ部材103 に生じる楕円振動を、ロータ20の接線方向Tと 法線方向Nに分解した場合、ロータ20の速度は 、チップ部材103の楕円運動の方向Tの速度に� �って決まるため、楕円軌跡の方向Tの径Rtと� �動周波数で決まり、Rtが大きいほど速度が大 きくなる。一方、駆動力は、加圧力と接触点 の摩擦係数の積で決まるが、楕円軌跡の法線 方向Nの径Rnも関係する。これは、楕円軌跡の 加圧方向の径Rnに対して、加圧力が相対的に� ��い場合は、チップ部材103はロータ20に対し� �接触、離脱を繰り返しながら、接触中に摩� �力により駆動を行うが、径Rnに対して加圧力 が相対的に大きくなると、ロータ20や接触部� ��面の弾性変形や加圧力を受ける構造部材の� ��性変形により、常時接触した状態で楕円振� ��を行うことになる。この状態では、チップ� ��材103が振動周期中の反駆動方向への移動時� ��も摩擦力が働きブレーキとなるため、加圧� ��を上げてもRnで決まる値以上の駆動力は発� �しない。また、このような状態での駆動に� �いては、速度ムラや再現性などの駆動状態� �不安定になり、また、異音が発生する等の� �具合が起きる場合もある。従って、楕円軌� �の加圧方向の径Rnが大きいほど駆動力は大き くなり、安定した駆動が可能となる。

 従って、図5(a)に示す楕円軌跡は、低速高 トルク特性、図5(c)に示す楕円軌跡は、高速� �トルク特性となり、駆動信号VA、VBの位相差� ��変化させることにより、駆動性能を制御す� ��ことができ、等速制御や位置決め制御等の� ��精度な駆動を行うことができる。

 (DC駆動)
 次に、DC駆動について説明する。DC駆動は、 ロータ20を微小に揺動動作させるための駆動� ��法で、非常に高精度な位置決めが要求され� ��場合に用いられ、nmオーダーの位置決め分� �能が得られる。前述の共振駆動により粗動(� ��速、広回転角駆動)を行った後、DC駆動によ� ��微動を行うことにより、広範囲、高速駆動� ��高精度位置決めが可能な駆動システムを実� ��できる。

 駆動方法としては、A相電極101aにのみ直� �電圧を印可することにより、振動体10の各頂 点を含む3等分した領域が、図4(b)に示すよう� ��、CCW方向に屈曲し、チップ部材103の先端がC CW方向に倒れる。チップ部材103に摩擦接触し� ��ロータ20は、摩擦力により同じ量だけ移動(� ��転)を行い、電圧印可を停止すると、元の状 態に戻る。同様に、B相電極101bにのみ直流電� ��を印可することにより、ロータ20をCW方向に 微少量移動することができる。また、A相電� �101aに直流電圧印加時、B相電極101bにマイナ� �電圧を印可することにより、振動体10の屈曲 量が大きくなり、ロータ20の回転量を大きく� ��ることができる。

 このような構成の超音波アクチュエータ5 において、本発明は、振動体10のチップ部材1 03とロータ20の摺動面20bとの磨耗を抑えるこ� �により耐久性を高め、さらに、摺動部から� �生する磨耗粉や潤滑油等のアクチュエータ� �ニットの外部への漏洩を防止することによ� �清淨度を高める為に、ロータ20の摺動面20bに ゲル状潤滑剤201を塗布するものである。以下 にその詳細を説明する。

 (ゲル状潤滑剤の動作)
 ゲル状潤滑剤201は、ロータ20の摺動面20bに� �分な量塗布される。特に正確な膜厚に塗布� �る必要がないため、工程が非常に簡略であ� �。

 振動体10がロータ20に組み込まれ、駆動を 開始すると、チップ部材103に踏みつけられた ゲル状潤滑剤201は、楕円振動により液化し、 余分なゲル状潤滑剤201は、摺動面20bの摺動領 域外に押し退けられる。図7に、振動体10のチ ップ部材103が通過した後のゲル状潤滑剤201の 態様を示す。押し退けられたゲル状潤滑剤201 は、図7に示すように、摺動領域Sの側方にゲ� ��状のまま土手状の盛り上がり部201bを形成す る。液化したゲル状潤滑剤201aは、この盛り� �がりにより外部に漏洩することなく、摺動� �20bに留まることができる。液化することに� �り、非常に高速な往復動作であっても、ゲ� �状潤滑剤201aの浸透速度が速いため、常に良� ��な油膜を形成して駆動することができ、磨� ��を抑えることができる。また、粘性が低い� ��で、振動体10の振動の減衰も抑えられ、高� �駆動性能を確保することができる。駆動を� �止すると、摺動面20bの液化したゲル状潤滑� �201aは、徐々にゲル化を開始するため、液化� ��よる揮発分は最低限に抑えることが可能で� ��る。再び駆動を開始すると、摺動面20bのゲ� ��状潤滑剤201は再び液化し良好な油膜を形成� ��る。

 尚、ロータ20の摺動面20bには、図8に示す� ��うに、凹凸形状を設けてもよい。図8(a)は、 ロータ20の摺動面20bの展開図、図8(b)は、図8(a )におけるB-B″断面図である。

 凹凸形状は、凸部20dが中心線平均粗さで0 .5μm以下程度の平坦面で凹部20cは10μm以上の� �さに形成することが好ましい。この場合、� �動体10のチップ部材103は、凸部20dの平面との 間で潤滑膜を形成しながら駆動を行い、一部 の液化したゲル状潤滑剤201aが凹部20cに溜ま� �。従って、チップ部材103により掻き取られ� �ゲル状潤滑剤201が、浸透し摺動面20bに復帰� �るまでの時間が、オイル溜まりが近いこと� �ら単一平面の場合よりも短くなる。従って� �より高速な往復動作であっても良好な潤滑� �が形成できる。凹凸形状は、ロータ20製造時 にプレス金型面に凹凸形状を成型し、プレス 転写することで形成できる。また、凹部20cの 代わりに微小な穴を設けても、同様の効果を 得ることができる。

 (ゲル状潤滑剤の液化現象)
 本実施例における振動体10の楕円振動の周� �数は、約200kHzであり、チップ部材103は、200kH zもの速度でロータ20に衝突、離反を繰り返す 。その結果、振動体10のチップ部材103とロー� ��20の摺動面20bの間には、局所的、瞬間的に� �百度もの熱が発生する。そのときの熱およ� �駆動時のせん断力によりゲル状潤滑剤201が� �化する。また、潤滑油がない場合は、その� �きに発生する熱がロータ20の金属面を酸化さ せ磨耗の原因の一つになるが、本実施例の場 合、熱がゲル状潤滑剤201に吸収されるため磨 耗の低減にもつながる。

 このように、チップ部材103の近傍のゲル� ��潤滑剤201は、チップ部材103による超音波振� ��が印加されるにともない、液状化または粘� ��が低下し、該超音波振動の休止中にゲル化� ��る。尚、ゲル状潤滑剤201の粘度は、ゲル状� ��から液状化すると1/10以下に低下する。

 (ゲル状潤滑剤の材料)
 本実施例に用いるゲル状潤滑剤201は、液状� ��基油として、ナフテン系などの鉱物油、PAO( 合成炭化水素)やエステルなどの合成油を用� �、ワックスや高級脂肪酸などのゲル化剤を10 ~30%程度配合したものである。ゲル化剤は、� �10~150℃程度の融点を有し、ゲル状潤滑剤201� �、その前後の温度において、ゲルと液体と� �可逆的に変化する。

 基油にナフテン系のトラクションオイル� ��用いることにより、摩擦係数を高めること� ��でき、超音波アクチュエータ5の推力を向上 させることができる。また、エステルは、揮 発性が低いので、蒸発量をさらに低減させる ことができる。

 また、超音波アクチュエータ5の潤滑駆動 においては、圧力が高く、速度が比較的遅い ため、完全な油膜を形成する流体潤滑や弾性 流体潤滑状態を得ることは困難であり、接触 面の微小な凹凸の一部が互いに接触する境界 潤滑状態になる。従って、潤滑剤の添加剤と して、硫黄やリン系、または、モリブデンな どの極圧剤を配合することで、耐摩耗性がさ らに向上する。ただし、若干の磨耗粉が発生 する場合もあるが、オイル中に拡散されるた め、外部に排出されることはない。また、必 要に応じて、酸化防止剤などの添加剤を配合 してもよい。

 次に、このような構成の超音波アクチュ� ��ータ5を磁気記録ヘッドの駆動に用いた磁気 記録装置の実施の形態について説明する。

 従来の磁気記録装置(以下、HDDと記する)� �磁気記録ヘッド(以下、ヘッドと略称する)の 駆動に用いられるアクチュエータは、ヘッド が取り付けられたアームをピボットベアリン グで回転支持する構成で、VCM(ボイスコイル� �ータ)を用いて駆動を行っている。HDDのヘッ� ��を駆動する場合、高速で回転するディスク� ��のトラックのうねり等に追従しながら位置� ��め制御を行う必要があり、アクチュエータ� ��は、非常に高い応答性と分解能が要求され� ��。応答性が上がることにより、記録密度が� ��まるので、HDDの記録容量を増加させること� ��できる。

 しかしながら、従来のアクチュエータの� ��成は、ベアリングを使用しているため、揺� ��動作の周波数を上げていくと、ベアリング� ��タに起因する不要な振動が励起され、その� ��振周波数以上に応答性を上げられないとい� ��問題がある。本実施形態による超音波アク� ��ュエータ5をHDDのヘッドの駆動に用いること により、このような課題に対応することがで きる。

 図6に、本発明の実施形態に係るHDD1Aの概� ��構成を示す。HDD1Aは、記録用のディスク(記� ��媒体)2、超音波アクチュエータ5により矢印A の方向(トラッキング方向)に回転可能に設け� ��れたアーム4、アーム4の先端に取り付けら� �たヘッド3、及びディスク2を矢印Bの方向に� �転させる図示しないモータ等を筐体1の中に� ��えており、ヘッド3がディスク2に対して相� �的に移動しうるように構成されている。

 超音波アクチュエータ5は、前述の様に、 ロータ20の弾性で振動体10を保持しながら回� �駆動するガタのない構成であり、また、振� �体10の正三角形の各頂点でロータ20を保持で� ��るので非常に保持安定性が高い。従って、� ��音波アクチュエータ5の共振周波数を高くす ることができ、従来の場合に比べて、非常に 高い応答性を得ることができる。

 また、ディスク2上の記録領域は、アーム 4の駆動角度にして約30°度程度ある一方、ト� ��ックのうねりは、数nm~数十μmであり、広範� ��を高速駆動しながら、非常に高精度、高応� ��の位置決め性が要求される。本実施形態に� ��る超音波アクチュエータ5では、前述の共振 駆動による粗動とDC駆動による微動を組み合� ��せることにより、これらの要求に応えるこ� ��ができ、さらに、非常に簡単な構成である� ��め、生産性を高め、製造コストを低減でき� ��。

 また、HDD1Aの図示しないディスク室は、� �常に高い清浄度が保たれており、コンタミ(� ��み)や部材のアウトガスなど厳密に管理され ている。従って、アクチュエータユニットか ら磨耗粉やオイルが漏れ出すことは厳禁であ り、また、オイルの揮発分も極力抑える必要 がある。本実施形態による超音波アクチュエ ータ5を用いることにより、これらの要求を� �容易に且つ安価に満たすことができる。

 また、オイルが漏れ出さないので、HDD1A� �有害と考えられる極圧材などの添加剤を配� �することが可能となり、耐久性を飛躍的に� �上させることができる。従来のオイルやグ� �ースでこのような機能を実現しようとする� �、ユニットに排出防止用の磁性流体シール� �どの高価な部品が必要となる上、組み立て� �複雑になる。

 以上、本発明を実施の形態を参照して説� ��してきたが、本発明は前述の実施の形態に� ��定して解釈されるべきでなく、適宜変更、� ��良が可能であることは勿論である。例えば� ��前述の実施形態においては、円筒形状のロ� ��タ20に三角形状の振動体10を内接させて相対 的に円運動を生じさせる構成としたが、振動 体を一対の平行に配設されたガイドで移動可 能に支持し、相対的に直線移動を生じさせる 、所謂リニア駆動構成であってもよい。

 また、ゲル状潤滑剤201は、前述の材料に� ��定されるものではなく、同様の挙動を示す� ��のであればよい。

 また、本実施形態による超音波アクチュ� ��ータ5の用途としては、HDD1Aに限られるもの� ��はなく、例えば、レンズ駆動装置などのオ� ��ル漏れやごみの混入に敏感な装置に用いる� ��とにより同様の効果を得ることができる。