JP2000295876A - 振動アクチュエータ - Google Patents

振動アクチュエータ

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JP2000295876A JP11101254A JP10125499A JP2000295876A JP 2000295876 A JP2000295876 A JP 2000295876A JP 11101254 A JP11101254 A JP 11101254A JP 10125499 A JP10125499 A JP 10125499A JP 2000295876 A JP2000295876 A JP 2000295876A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波アクチュエータの振動子に発生する楕
円運動の長径、短径、さらには軸の傾斜角度を独立して
制御できない。 【解決手段】 振動子21と、振動子21に、交流電圧
φ1 を印加するとともに交流電圧φ1 と同じ位相または
異なる位相の交流電圧φ2 を切り換えて印加することに
より、駆動方向へ振動する1次の縦振動と、駆動方向と
直交する方向へ振動する2次の屈曲振動とを励振させ
て、振動子21に縦振動と屈曲振動との合成である楕円
運動を発生させるための電力入力装置32と、振動子2
1と電力入力装置32との間に設けられた、振動子21
に入力される交流電圧φ2 の電圧を調整する可変抵抗体
33、および交流電圧φ2 に交流電圧φ1 に対する位相
遅れを生成する可変コンデンサ40とを備える振動アク
チュエータ20である。

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
タに関し、より具体的には、相対運動部材に加圧接触す
る振動子を備え、この振動子に楕円状の周期的な変位を
発生させることによって振動子と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】図15は、特開平7−241090号公
報により提案されたこの種の振動アクチュエータの振動
子1の説明図であり、図15(A)は上面図、図15
(B)は側面図である。

【0003】図15(A)および図15(B)に示すよ
うに、振動子1は、矩形平板状の外形を有する弾性体2
と、弾性体2の一方の平面に装着された圧電素子3と、
弾性体2の他方の平面に突出して設けられた駆動力取出
部4a、4bとを備える。圧電素子3は、A相の駆動信
号が入力される圧電素子3aと、A相の駆動信号とは位
相が(π/2)ずれたB相の駆動信号が入力される圧電
素子3bと、振動検出用の圧電素子3pと、接地用の圧
電素子3gとに分割される。図示しない駆動装置から、
A相の駆動信号を圧電素子3aに入力するとともに、B
相の駆動信号を圧電素子3bに入力する。すると、振動
子1には、1次の縦振動と4次の屈曲振動とが励振され
る。このため、これらの振動が合成されて、駆動力取出
部4a、4bには、位相がπずれた楕円運動がそれぞれ
発生する。これにより、振動子1は、駆動力取出部4
a、4bを介して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。

【0004】また、図16は、文献「VIBROMOT
ORS FOR PRECISION MICRORO
BOTS」に開示された振動アクチュエータの振動子5
を示す斜視図である。図16に示すように、振動子5
は、矩形平板状の圧電素子6と、圧電素子6の一方の平
面に装着された駆動用の電極7a、7a’、7b、7
b’と、他方の平面に装着された接地用の電極7gと、
駆動力取出部8a、8b、8cとを備える。電極7aお
よび電極7a’は結線され、また電極7bおよび電極7
b’も結線される。図示しない駆動装置から、A相の駆
動信号を電極7aに入力するとともに、B相の駆動信号
を電極7bに入力する。すると、振動子5には、1次の
縦振動と2次の屈曲振動とが励振される。このため、こ
れらの振動が合成されて、駆動力取出部8a〜8cに
は、楕円運動がそれぞれ発生し、駆動力取出部8aまた
は駆動力取出部8b、8cを介して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。

【0005】このように、これらの振動子1、5は、い
ずれも、2種類の振動を発生し、これらの振動の合成で
ある楕円運動によって、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。したがって、この楕円運動を
所望の形状に制御することが重要となる。

【0006】図17は、これらの振動アクチュエータの
駆動制御回路9の一例を示すブロック図である。図16
に示す振動子5を例にとって、駆動制御回路9を説明す
る。図17において、発振器10は、振動子5の縦振動
L1および曲げ振動B2それぞれに相当する周波数の信
号を発振する。発振器10の出力は分岐して、一方の出
力は、増幅器11aによって増幅された後にA相電圧と
して電極7aに入力される。また、分岐した他方の出力
は、移相器12によってA相電圧とは(π/2)だけ位
相をずらしてB相電圧とした後に、増幅器11bを介し
て電極7bに入力される。

【0007】

【発明が解決しようとする課題】ところで、これらの振
動子1、5を、各部の寸法が設計値に高精度で正確に一
致するように組み立てることは、容易ではない。各部の
寸法が設計値から少しでも外れると、縦振動および屈曲
振動それぞれの振幅によって発生する楕円運動の長径と
短径との比や、楕円運動の軸の傾斜が変動し、組み立て
られた振動子1、5の性能がばらついてしまう。

【0008】このようなばらつきを解消するため、入力
電圧を大きくしたり、駆動制御回路9を用いて入力周波
数を共振点に近づけることにより、組み立てられた振動
子1、5の速度を高めようとすると、楕円運動が相似的
に拡大される。これにより、駆動方向と平行な方向に振
動する縦振動の振幅だけでなく、駆動方向と直交する方
向に振動する屈曲振動の振幅も大きくなり、振動子1、
5が相対運動部材に対して相対的に飛び跳ねる現象が発
生する。このため、駆動時に騒音が発生し、振動アクチ
ュエータの特徴の一つである静粛性が損なわれてしま
う。

【0009】また、入力電圧を小さくしたり、駆動制御
回路9を用いて入力周波数を共振点から遠ざけることに
より、組み立てられた振動子1、5の速度を下げようと
すると、楕円運動が相似的に縮小される。これにより、
縦振動の振幅だけでなく、屈曲振動の振幅も小さくな
り、振動子1、5の出力が低下してしまう。

【0010】さらに、楕円運動の軸が所望の角度からず
れて傾斜していると、振動子1、5の運動が相対運動部
材に効率よく伝達されない。このため、振動子1、5が
発生する速度、力、エネルギー効率さらには制御等にお
ける損失が発生し、振動子1、5が本来有する性能を発
揮できない。

【0011】本発明は、これらの課題を解決することを
目的としたものであり、振動子に発生する楕円運動の形
状、すなわち楕円運動の長径、短径、さらには軸の傾斜
角度を独立して制御できる振動アクチュエータを提供す
ることを目的とする。

【0012】

【課題を解決するための手段】請求項1の発明では、駆
動信号を入力されることにより、第1の振動と、この第
1の振動の方向と交差する方向へ振動する第2の振動と
を励振させて、第1の振動と第2の振動との合成である
楕円運動を発生する振動子と、楕円運動の軌跡における
長径または短径を個別に制御するための楕円形状制御手
段と、楕円運動の軌跡における軸の傾斜を制御するため
の楕円軸傾斜制御手段とのうちの少なくとも一方とを備
えることを特徴とする振動アクチュエータを提供する。

【0013】請求項2の発明では、駆動信号を入力され
ることにより、第1の振動と、この第1の振動の方向と
交差する方向へ振動する第2の振動とを励振させて、第
1の振動と第2の振動との合成である楕円運動を発生す
る振動子と、第1の振動の振幅または第2の振動の振幅
を個別に制御するための振幅制御手段と、第1の振動と
第2の振動との間の時間的位相差を変更する位相差制御
手段とのうちの少なくとも一方とを備えることを特徴と
する振動アクチュエータを提供する。

【0014】請求項3の発明では、振動子と、この振動
子に、第1の交流電圧を印加するとともに、第1の交流
電圧または第2の交流電圧を切り換えることによって得
られる第3の交流電圧を印加することにより、第1の振
動と、第1の振動の方向と交差する方向へ振動する第2
の振動とを励振させて、振動子に第1の振動と第2の振
動との合成である楕円運動を発生させるための電力入力
装置と、振動子に印加される第3の交流電圧の電圧を変
更する可変抵抗器と、第3の交流電圧に第1の交流電圧
に対する時間的位相遅れを生成する可変コンデンサとの
うちの少なくとも一方とを備えることを特徴とする振動
アクチュエータを提供する。

【0015】請求項4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、さらに、振動子の駆動状況に関する量に基づい
て楕円運動を制御するためのフィードバック制御手段を
備えることを特徴とする。

【0016】請求項5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、振動子が、矩形平板状の本体を有し、この本体
が4つの矩形平板状の電気機械変換領域に分割され、対
角上に配置された該電気機械変換領域同士が結線される
ことを特徴とする。

【0017】さらに、請求項6の発明は、請求項1から
請求項5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、第1の振動および第2の振動のうちの
一方が縦振動であるとともに、他方が屈曲振動であるこ
とを特徴とする。

【0018】

【発明の実施の形態】(第1実施形態)以下、本発明に
かかる振動アクチュエータの実施の形態を、添付図面を
参照しながら詳細に説明する。なお、以降の説明は、振
動アクチュエータが、超音波の振動域を利用した超音波
アクチュエータである場合を例にとって、行う。

【0019】図1は、本実施形態の超音波アクチュエー
タ20を示す説明図である。図1に示すように、本実施
形態の超音波アクチュエータ20は、振動子21と、電
力入力装置32と、可変抵抗体33とを備える。以下、
これらの構成要素について順次説明する。

【0020】〔振動子21〕図2は、本実施形態の超音
波アクチュエータ20の振動子21を示す斜視図であ
る。

【0021】図2に示すように、本実施形態では、前述
した文献「VIBROMOTORSFOR PRECI
SION MICROROBOTS」等によって開示さ
れている振動子を用いた。すなわち、振動子21は、矩
形平板状に構成されるPZT等の圧電素子22によっ
て、本体が構成される。圧電素子22は、表面側から裏
面側への方向(図中矢印方向)へ分極されている。

【0022】圧電素子22の表面には、例えば接着等の
適宜手段によって、4枚の電極23a、23b、23
c、23dが装着される。電極23a〜23dは、互い
に絶縁されて配置される。電極23a〜23dのうち
で、対角上に配置された電極23aと電極23dとは結
線部材24で結線される。また、対角上に配置された電
極23bと23cとは結線部材25で結線される。圧電
素子22の裏面には、例えば接着等の適宜手段によっ
て、その全面に一枚の電極26が装着される。電極26
は接地用の電極である。

【0023】この振動子21に対して既知の発振器(図
示せず)によって、電極23aに形成されたA端子に振
動子21の共振周波数付近の周波数を有する交流電圧を
A相の駆動信号として印加するとともに、電極23bに
形成されたB端子にA相の駆動信号と周波数および電圧
が等しく、位相が(π/2)異なる交流電圧をB相の駆
動信号として印加する。すると、振動子21には、X軸
方向へ振動する1次の縦振動L1と、Y軸方向へ振動す
る2次の屈曲振動B2とが励振される。図3は、縦振動
L1および屈曲振動B2を生じた時の振動子21の変位
例を示す説明図である。

【0024】振動子21に発生した縦振動L1と屈曲振
動B2とは合成され、振動子21に楕円運動が発生す
る。図4は、振動子21に発生した楕円運動を示す説明
図である。図4に示すように、振動子21には、Y方向
と平行な側面21aにおける点D(側面21aの略中央
の位置)と、X方向と平行な側面21bにおける点E、
F(屈曲振動B2の腹となる位置)とには、それぞれ、
楕円運動が発生する。

【0025】点Dまたは点E、Fにセラミックスもしく
はプラスチック材料等からなる摺動材料を装着し、点D
または点E、Fを介して相対運動部材(図示しない)を
加圧接触させる。図5は、振動子21と相対運動部材3
0とが加圧接触した状態の一例を示す説明図である。図
5に示すように、振動子21の点E、Fに摺動部材27
a、27bを装着し、加圧部材28が発生するばね力に
より、摺動部材27a、27bを介して振動子21を、
ベアリング29a、29bにより両矢印方向へ直線状に
移動自在に支持された相対運動部材30の表面に加圧接
触させる。

【0026】すると、振動子21は、点E、Fに発生し
た楕円運動により、相対運動部材30との間で、左右方
向いずれかへ直線状の相対運動を発生する。なお、相対
運動方向を反転するには、2相の交流電圧を逆に接続す
ればよい。

【0027】振動子21については、文献「VIBRO
MOTORS FOR PRECISION MICR
OROBOTS」等によって既に公知であるため、振動
子21に関するこれ以上の説明は省略する。

【0028】〔電力入力装置32〕図1に示すように、
本実施形態の電力入力装置32は、発振器34とスイッ
チ35とを有する。発振器34から、第1の交流電圧φ
1 と第2の交流電圧φ2 とが出力される。これら2相の
交流電圧φ1 、φ2 は互いに(π/2)の位相差を有す
る。

【0029】交流電圧φ2 は、スイッチ35の端子35
aに印加される。一方、交流電圧φ1 は、スイッチ35
の端子35bと、振動子21に装着された電極23bと
にそれぞれ印加される。スイッチ35の端子35cと3
5fとは、いずれも、後述する可変抵抗体33を介して
振動子21に装着された電極23aに接続される。

【0030】スイッチ35の端子35aと端子35bと
は、接続に関して連動する。すなわち、図1に実線で示
すようにスイッチ35を上側に倒すと、端子35aと端
子35cとがつながるとともに、端子35bと端子35
eとがつながる。また、図1に破線で示すようにスイッ
チ35を下側に倒すと、端子35aと端子35dとがつ
ながるとともに、端子35bと端子35fとがつなが
る。

【0031】したがって、電力入力装置32は、スイッ
チ35が上側に倒れているときは、振動子21の電極2
3a、23dに第2の交流電圧φ2 を印加し、振動子2
1の電極23b、23cに第1の交流電圧φ1 を印加す
る。また、スイッチ35を切り換えて下側に倒したとき
は、振動子21の電極23a、23dには第1の交流電
圧φ1 を印加し、振動子21の電極23b、23cにも
第1の交流電圧φ1 を印加する。

【0032】〔可変抵抗体33〕本実施形態では、スイ
ッチ35の端子35c、35fと、振動子21の電極2
3aとの間に、可変抵抗体33が設けられる。可変抵抗
体33は、抵抗の値を自由に変えることができる抵抗体
であればよく、特定の型式のものには限定されない。こ
のような可変抵抗体33としては、例えば公知のポテン
ショメータを用いることができる。

【0033】本実施形態では、この可変抵抗体33の抵
抗値を変更することにより、スイッチ35の端子35
c、35fから振動子21の電極23aへ印加される交
流電圧φ1 または交流電圧φ2 の電圧を、自在に変える
ことができる。

【0034】本実施形態の超音波アクチュエータ20
は、以上のように構成される。次に、この超音波アクチ
ュエータ20の動作を説明する。図6は、本実施形態の
超音波アクチュエータ20により、振動子21に発生す
る楕円運動の形状が制御されることを示す説明図であ
る。

【0035】図1に実線で示すようにスイッチ35が上
側に倒されている場合、図6に示すように可変抵抗体3
3の抵抗値Rを充分大きく設定すると、主に、交流電圧
φ2が振動子21の電極23b、23cに印加される。
このとき、振動子21には、第1の方向、すなわち、X
方向とほぼ平行に振動する第1の振動(1次の縦振動L
1)と、この第1の方向とは異なる第2の方向、すなわ
ち、X方向と直交するY方向とほぼ平行に振動する第2
の振動(2次の屈曲振動B2)とが同時に発生する。こ
れらの縦振動L1と屈曲振動B2とは合成されて、振動
子21の点E、Fにそれぞれ設けられた駆動力取出部2
7a、27bに、楕円運動が発生する。この楕円運動は
図6の符号36aに示す軌跡を有している。

【0036】この状態から、可変抵抗体33の抵抗値R
を徐々に小さくしていくと、電極23b、23cに印加
される交流電圧φ2 の電圧は変わらないが、電極23
a、23dに印加される交流電圧φ1 が徐々に増加す
る。このため、点E、Fに発生する楕円運動は、図6の
符号36b、36cに示すように、徐々にX方向へ振動
する第1の振動(1次の縦振動L1)の振幅だけが減少
し、X方向へ潰れた形状となる。

【0037】そして、可変抵抗体33の抵抗値が充分に
小さくなると、交流電圧φ1 が電極23a、23dに印
加されるとともに、交流電圧φ1 と周波数および電圧が
等しいとともに位相が(π/2)異なる交流電圧φ2
電極23b、23cに印加される。このため、点E、F
に発生する楕円運動は、図6の符号36dに示すよう
に、屈曲振動のみの直線形状となる。

【0038】一方、図1に破線で示すようにスイッチ3
5が下側に倒されている場合、図6に示すように可変抵
抗体33の抵抗値Rを充分大きく設定すると、交流電圧
φ2が電極23b、23cに印加される。このため、点
E、Fには、図6の符号36aに示す軌跡を有する楕円
運動が発生する。

【0039】この状態から、可変抵抗体33の抵抗値R
を徐々に小さくしていくと、電極23b、23cに印加
される交流電圧φ2 の電圧は変わらないが、電極23
a、23dに印加される交流電圧φ2 が徐々に増加す
る。このため、点E、Fに発生する楕円運動は、図6の
符号36e、36fに示すように、徐々にY方向へ振動
する第2の振動(2次の屈曲振動B2)の振幅だけが減
少し、Y方向へ潰れた形状となる。

【0040】そして、可変抵抗体33の抵抗値が充分に
小さくなると、交流電圧φ2 が電極23a、23dと、
電極23b、23cとに印加される。このため、点E、
Fに発生する楕円運動は、図6の符号36gに示すよう
に、縦振動のみの直線形状となる。

【0041】このように、本実施形態の超音波アクチュ
エータ20によれば、スイッチ35の切替えと、可変抵
抗体33の抵抗値Rの変更とにより、振動子21に発生
する楕円運動の形状を、図6の符号36a〜36gに示
すように、自由に変更することができる。

【0042】したがって、本実施形態の超音波アクチュ
エータ20では、駆動速度を速くしたい場合には、スイ
ッチ35を下側に倒すとともに抵抗値Rを小さく設定す
ることにより、駆動方向と直交する方向への振動、すな
わち屈曲振動B2の振幅が増加することを防止できる。
したがって、楕円運動の駆動方向と直交する方向の振幅
を増加させずに楕円運動の駆動方向の振幅だけを増加さ
せることができる。このため、駆動速度を増加しても、
振動子21が相対運動部材に対して相対的に飛び跳ねる
現象に起因した騒音が発生しない。

【0043】また、駆動速度を遅くしたい場合には、ス
イッチ35を上側に倒すとともに抵抗値Rを小さく設定
することにより、駆動方向と直交する方向への振動、す
なわち屈曲振動B2の振幅が低下することを防止でき
る。したがって、楕円運動の駆動方向と直交する方向の
振幅を低下させずに楕円運動の駆動方向の振幅だけを減
少させることができる。このため、駆動速度を減少して
も、振動子21の出力の低下が発生しない。

【0044】さらに、駆動速度を変更する機会が少ない
場合には、スイッチ35の切替えと可変抵抗体33の抵
抗値Rとを、振動子21の使用環境に応じて最適に設定
することにより、性能のばらつきが少ない超音波アクチ
ュエータを、高い製造歩留りで量産することができる。

【0045】(第2実施形態)次に、第2実施形態の超
音波アクチュエータを説明する。なお、以降の各実施形
態の説明では、上述した第1実施形態と相違する部分に
ついてだけ説明を行うこととし、同一の部分には共通す
る図中符号を付すことにより、重複する説明を省略す
る。

【0046】図7は、本実施形態の超音波アクチュエー
タ20−1を示す説明図である。図7に示すように、本
実施形態の超音波アクチュエータ20−1は、振動子2
1−1と、電力入力装置32−1と、可変抵抗体33と
を備える。以下、これらの構成要素について、第1実施
形態と相違する部分について順次説明する。

【0047】〔振動子21−1〕本実施形態の振動子2
1−1が、第1実施形態の振動子21と相違するのは、
振動子21−1の裏面に装着される電極が、振動子21
−1の表面に装着される電極23a〜23dと同様に、
4枚の電極26a〜26dに4分割されており、かつ対
角上に配置された電極同士が結線されること、すなわち
電極26a、26cが結線されるとともに電極26b、
26dが結線されることである。これ以外は、第1実施
形態の振動子21と同じである。

【0048】〔電力入力装置32−1〕本実施形態の電
力入力装置32−1が、第1実施形態の電力入力装置3
2と相違するのは、主として、振動子21−1の裏面側
に電極26a〜26dを設けたことに対応するための変
更である。本実施形態の電力入力装置32−1は、発振
器34とスイッチ37とを有する。

【0049】発振器34の端子34a、34bから、交
流電圧φ1 がそれぞれ出力される。発振器34の端子3
4aは、振動子21−1の表面側の電極23aと、可変
抵抗器33を介してスイッチ37の端子37bとに接続
される。一方、発振器34の端子34bは、振動子21
−1の裏面側の電極26aと、スイッチ37の端子37
aとに接続される。

【0050】スイッチ37の端子37cと端子37fと
は、ともに、振動子21−1の表面側の電極23bに接
続される。また、スイッチ37の端子37dと端子37
eとは、ともに、振動子21−1の裏面側の電極26b
に接続される。

【0051】スイッチ37の端子37aと端子37bと
は、接続において連動する。このため、図7に実線で示
すようにスイッチ37を上側に倒すと、端子37aと端
子37cとがつながるとともに、端子37bと端子37
eとがつながる。また、図7に破線で示すようにスイッ
チ37を下側に倒すと、端子37aと端子37dとがつ
ながるとともに端子37bと端子37fとがつながる。

【0052】したがって、電力入力装置32−1は、ス
イッチ37が上側に倒れているときは、振動子21−1
の電極23aと電極26aとの間と、電極23bと電極
26bとの間とに、互いに逆向きの交流電圧φ1 をそれ
ぞれ印加する。これにより、電極23a、26a間およ
び電極23d、26d間にそれぞれ印加される交流電圧
φ1 と、電極23b、26b間および電極23c、26
c間にそれぞれ印加される交流電圧φ1 とは、互いに逆
向きとなる。

【0053】また、電力入力装置32−1は、スイッチ
37を切り換えて下側に倒したときは、振動子21の電
極23aと電極26aとの間と、電極23bと電極26
bとの間とに、互いに同じ向きの交流電圧φ1 をそれぞ
れ印加する。これにより、電極23a、26a間および
電極23d、26d間にそれぞれ印加される交流電圧φ
1 と、電極23b、26b間および電極23c、26c
間にそれぞれ印加される交流電圧φ1 とは、互いに同じ
向きとなる。

【0054】〔可変抵抗体33〕本実施形態では、発振
器34の端子34aと、スイッチ37の端子37bとの
間に、可変抵抗体33が設けられる。本実施形態では、
この可変抵抗体33の抵抗値を変更することにより、発
振器34の端子34aから、スイッチ37の端子37b
へ印加される交流電圧φ1 の電圧を、自在に変えること
ができる。

【0055】本実施形態の超音波アクチュエータ20−
1は、以上のように構成される。次に、この超音波アク
チュエータ20−1の動作を説明する。図8は、本実施
形態の超音波アクチュエータ20−1により、振動子2
1−1に発生する楕円運動が制御されることを示す説明
図である。

【0056】図7に実線で示すようにスイッチ37が上
側に倒されている場合、図8に示すように可変抵抗体3
3の抵抗値Rを充分大きく設定すると、主に電極23a
と電極26aとの間と、電極23dと電極26dとの間
に、交流電圧φ1 がそれぞれ印加される。このとき、振
動子21−1には、第1の方向、すなわち、X方向とほ
ぼ平行に振動する第1の振動(1次の縦振動L1)と、
この第1の方向とは異なる第2の方向、すなわち、X方
向と直交するY方向とほぼ平行に振動する第2の振動
(2次の屈曲振動B2)とが同時に発生する。これらの
縦振動L1と屈曲振動B2とは合成されて、振動子21
−1の点E、F(図5参照)にそれぞれ設けられた駆動
力取出部27a、27bに、楕円運動が発生する。この
楕円運動は、図8の符号38aに示す軌跡を有してい
る。

【0057】この状態から、可変抵抗体33の抵抗値R
を徐々に小さくしていくと、電極23aと電極26aと
の間と、電極23dと電極26dとの間にそれぞれ印加
される交流電圧φ1 の電圧は変わらないが、電極23b
と電極26bとの間と、電極23cと電極26cとの間
とにそれぞれ印加される交流電圧φ1 の電圧が徐々に増
加する。このため、点E、Fに発生する楕円運動は、図
8の符号38b、38cに示すように、徐々にX方向へ
振動する第1の振動(1次の縦振動L1)の振幅が減少
し、X方向へ潰れた形状となる。

【0058】そして、可変抵抗体33の抵抗値が充分に
小さくなると、交流電圧φ1 が電極23a、26aの
間、電極23b、26bとの間、電極23c、26cと
の間、および電極23d、26dとの間にそれぞれ印加
される。このため、点E、Fに発生する楕円運動は、図
8の符号38dに示すように、屈曲振動のみの直線形状
となる。

【0059】一方、図7に破線で示すようにスイッチ3
7が下側に倒されている場合、図8に示すように可変抵
抗体33の抵抗値Rを充分大きく設定すると、交流電圧
φ1が電極23a、26a間と、電極23d、26d間
にそれぞれ印加される。このため、点E、Fには、図8
の符号38aに示すような楕円運動が発生する。

【0060】この状態から、可変抵抗体33の抵抗値R
を徐々に小さくしていくと、電極23a、26a間と、
電極23d、26d間にそれぞれ印加される交流電圧φ
1 の値は変わらないが、電極23b、26b間と、電極
23c、26c間にそれぞれ印加される交流電圧φ1
電圧が徐々に増加する。このため、点E、Fに発生する
楕円運動は、図8の符号38e、38fに示すように、
徐々にY方向へ振動する第2の振動(2次の屈曲振動B
2)の振幅が減少し、Y方向へ潰れた形状となる。

【0061】そして、可変抵抗体33の抵抗値が充分に
小さくなると、交流電圧φ1 が電極23a、26aの
間、電極23b、26bとの間、電極23c、26cと
の間、および電極23d、26dとの間にそれぞれ印加
される。このため、点E、Fに発生する楕円運動は、図
8の符号38gに示すように、縦振動のみの直線形状と
なる。

【0062】このように、本実施形態の超音波アクチュ
エータ20−1によれば、スイッチ37の切替えと、可
変抵抗体33の抵抗値Rの変更とにより、振動子21−
1に発生する楕円運動の形状を、図8の軌跡38a〜3
8gに示すように、自由に変更することができる。

【0063】したがって、本実施形態の超音波アクチュ
エータ20−1では、駆動速度を速くしたい場合には、
スイッチ37を下側に倒すとともに抵抗値Rを小さく設
定することにより、駆動方向と直交する方向への振動、
すなわち屈曲振動B2の振幅が増加することを防止でき
る。したがって、楕円運動の駆動方向と直交する方向の
振幅を増加させずに楕円運動の駆動方向の振幅だけを増
加させることができる。このため、駆動速度を増加して
も、振動子21−1が相対運動部材に対して相対的に飛
び跳ねる現象に起因した騒音が発生しない。

【0064】また、駆動速度を遅くしたい場合には、ス
イッチ37を上側に倒すとともに抵抗値Rを小さく設定
することにより、駆動方向と直交する方向への振動、す
なわち屈曲振動B2の振幅が低下することを防止でき
る。したがって、楕円運動の駆動方向と直交する方向の
振幅を低下させずに楕円運動の駆動方向の振幅だけを減
少させることができる。このため、駆動速度を減少して
も、振動子21−1の出力の低下が発生しない。

【0065】さらに、駆動速度を変更する機会が少ない
場合には、スイッチ37の切替えと可変抵抗体33の抵
抗値Rとを、振動子21−1の使用環境に応じて最適に
設定することにより、性能のばらつきが少ない超音波ア
クチュエータを、高い製造歩留りで量産することができ
る。

【0066】(第3実施形態)図9は、本実施形態の超
音波アクチュエータ20−2を示す説明図である。図9
に示すように、本実施形態の超音波アクチュエータ20
−2が、第1実施形態の超音波アクチュエータ20と相
違するのは、可変抵抗体33に代えて、可変コンデンサ
40を設けた点であり、他は図1の構成とほぼ同じであ
る。可変コンデンサ40は、容量を自由に変えることが
できるコンデンサであればよく、特定の型式のものには
限定されない。

【0067】本実施形態の超音波アクチュエータ20−
2は、以上のように構成される。次に、この超音波アク
チュエータ20−2の動作を説明する。図10は、本実
施形態の超音波アクチュエータ20−2により、振動子
21に発生する楕円運動が制御されることを示す説明図
である。

【0068】図10に示すように、製造上の誤差によ
り、振動子21の点E、Fに発生する楕円運動が、符号
41aに示すように、軸が傾斜した状態で、生じている
とする。本実施形態の超音波アクチュエータ20−2に
おいて、スイッチ35が実線で示すように上側に倒され
ている場合、可変コンデンサ40の容量Cを充分に小さ
く設定すると、可変コンデンサ40の作用は小さいた
め、点E、Fにおける楕円運動の軌跡は、符号41aに
示すように、軸が傾斜したままである。

【0069】この状態で、可変コンデンサ40の容量C
を徐々に大きくしていくと、スイッチ35の端子35c
または端子35fから電極23aおよび23dに入力さ
れる交流電圧φ1 または交流電圧φ2 に、電極23bお
よび23cに入力される交流電圧φ2 に対する位相遅れ
が、徐々に大きく生成される。このため、点E、Fにお
ける楕円運動の軌跡は、符号41b、41cに示すよう
に、軸の傾斜が変更され、軸の傾斜は徐々に直交する方
向に近づく。

【0070】さらに、可変コンデンサ40の容量Cを充
分に大きくすると、発振器34から出力される交流電圧
φ1 が、可変コンデンサ40によって(π/2)近く位
相シフトされる。このため、振動子21の電極23aと
電極23dとに印加される交流電圧と、電極23bと電
極23cとに印加される交流電圧との間には、約πの位
相差が生じる。これにより、振動子21の点E、Fに発
生する楕円運動は、図10の符号41dに示すように、
屈曲振動B2のみの直線形状となる。

【0071】一方、スイッチ35が破線で示すように下
側に倒されている場合、可変コンデンサ40の容量Cを
充分に小さく設定すると、可変コンデンサ40の作用は
小さいため、点E、Fにおける楕円運動の軌跡は、符号
41aに示すように、軸が傾斜したままである。

【0072】この状態で、可変コンデンサ40の容量C
を徐々に大きくしていくと、スイッチ35の端子35f
から電極23aおよび23cに入力される交流電圧φ2
に、電極23bおよび23cに入力される交流電圧φ2
に対する位相遅れが、徐々に大きく生成される。このた
め、点E、Fにおける楕円運動の軌跡は、軌跡41e、
41fに示すように、軸の傾斜が変更され、軸の傾斜は
徐々に水平な方向に近づく。

【0073】さらに、可変コンデンサ40の容量Cを充
分に大きくすると、発振器34から出力される交流電圧
φ2 のうちで可変コンデンサ40に入力された交流電圧
は、可変コンデンサ40によって(π/2)近く位相シ
フトされる。このため、振動子21の電極23aと電極
23dとに印加される交流電圧と、電極23bと電極2
3cとに印加される交流電圧との間の位相差は略0にな
る。つまり、振動子21の電極21a〜21dには、略
同位相の交流電圧φ1 が印加される。これにより、振動
子21の点E、Fに発生する楕円運動は、図10の符号
41gに示すように、縦振動L1のみの直線形状とな
る。

【0074】このように、本実施形態によれば、スイッ
チ35の切替えと、可変コンデンサ40の容量Cの変更
とにより、振動子21に発生する楕円運動の形状を、図
9の符号41a〜41gに示すように、自由に変更する
ことができる。このため、例えば製造上の誤差により、
振動子21の点E、Fに発生する楕円運動の軌跡が軸が
傾斜した状態で生じても、点E、Fにおける楕円運動の
軸の傾斜を設計時の狙いの通りに変更することができ
る。

【0075】(第4実施形態)図11は、本実施形態の
超音波アクチュエータの構成を示す説明図である。同図
に示すように、本実施形態は、第1実施形態の超音波ア
クチュエータ20に制御装置42を付加して超音波アク
チュエータ20−3とすることにより、スイッチ35の
切替えと、可変抵抗体33の設定と、交流電圧φ1 、φ
2 の周波数の設定とを、自動的に行うようにしたもので
ある。

【0076】図11において、制御装置であるCPU4
2には、速度指示手段43から指示速度vが入力され
る。CPU42は、入力された指示速度vに基づいて、
発振器34へ交流電圧φ1 、φ2 の周波数の設定指示
と、スイッチ35への切替え指示と、可変抵抗体33へ
の抵抗値Rの指示とを出力する。

【0077】図12は、CPU42に記憶された各種指
示の出力プログラムの一例を示すグラフである。CPU
42は、速度指示手段43から低い指示速度v1 が入力
されると、図12に例示したグラフに基づいて、超音波
アクチュエータ20の共振周波数から離れた高い周波数
1 を交流電圧φ1 、φ2 の周波数として指示し、上側
への切替えをスイッチ35へ指示し、さらに低い抵抗値
1 を可変抵抗体33へ指示する。一方、CPU42
は、速度指示手段43から高い指示速度v4 が入力され
ると、このグラフに基づいて、超音波アクチュエータ2
0の共振周波数に近い低い周波数f4 を交流電圧φ1
φ2 の周波数として指示し、下側への切替えをスイッチ
35へ指示し、さらに高い抵抗値R4 を可変抵抗体33
へ指示する。

【0078】また、図11に示す超音波アクチュエータ
20−3では、相対運動部材30にスケール44が取り
付けられている。超音波アクチュエータ20−3の駆動
に伴うスケール44の移動をエンコーダ45により読み
取り、この値はCPU42に入力される。

【0079】CPU42では、エンコーダ45から時系
列的に入力されるこの値を微分して速度情報に加工す
る。そして、CPU42では、速度指示手段43から入
力される指示速度vと、この速度情報との偏差を最小に
するべく、発振器34からの交流電圧φ1 、φ2 の周波
数の設定値をさらに微調整する。

【0080】この超音波アクチュエータ20−3の速度
を小さい速度v0 (<v1 )にするには、図12に示す
ように、CPU42からの制御信号により、スイッチ3
5は上側に倒され、可変抵抗体33の抵抗値は小さい値
0 に設定され、さらに交流電圧φ1 、φ2 の周波数は
高い値f0 に設定される。これにより、点E、Fに発生
する楕円運動は、図6の符号36dに示すように、屈曲
振動のみの直線形状となり、速度はv0 となる。

【0081】次に、超音波アクチュエータ20−3の速
度を速度v1 に上昇するには、図12に示すように、C
PU42からの制御信号により、スイッチ35は上側に
倒されたままで、可変抵抗体33の抵抗値は値R3 より
も大きい値R1 に変更され、さらに交流電圧φ1 、φ2
の周波数を値f0 よりも小さい値f1 に変更される。こ
れにより、点E、Fに発生する楕円運動は、図6の符号
36cまたは符号36bに示すように、X方向へ振動す
る第2の振動(2次の屈曲振動B2)の振幅が増加し、
速度がv1 に上昇する。

【0082】次に、超音波アクチュエータ20−3の速
度を速度v2 に上昇するには、図12に示すように、C
PU42からの制御信号により、スイッチ35は上側
に倒されたままで、可変抵抗体33の抵抗値は値R1
りも大きい値R2 に変更され、さらに交流電圧φ1 、φ
2 の周波数は値f1 よりも低い値f2 に変更されるか、
またはスイッチ35は下側に切り換えて倒され、可変
抵抗体33の抵抗値は値R1 よりも大きい値R2 に変更
され、さらに交流電圧φ1 、φ2 の周波数は値f1 より
も低い値f2 に変更される。これにより、点E、Fに発
生する楕円運動は、図6の符号36aに示すような楕円
形状となる。

【0083】次に、超音波アクチュエータ20−3の速
度を速度v3 に上昇するには、図12に示すように、C
PU42からの制御信号により、スイッチ35は下側に
倒されたままで、可変抵抗体33の抵抗値は値R2 より
も小さい値R3 に変更され、さらに交流電圧φ1 、φ2
の周波数は値f2 よりも低い値f3 に変更される。これ
により、点E、Fに発生する楕円運動は、図6の符号3
6eまたは符号36fに示すように、徐々にY方向へ振
動する第1の振動(1次の縦振動L1)の振幅が増加
し、Y方向へ潰れた形状となる。これにより、速度がv
3 に上昇する。

【0084】さらに、超音波アクチュエータ20−3の
速度を速度v4 に上昇するには、図12に示すように、
CPU42からの制御信号により、スイッチ35は下側
に倒されたままで、可変抵抗体33の抵抗値は値R3
りも小さい値R4 に変更され、さらに交流電圧φ1 、φ
2 の周波数は値f3 よりも低い値f4 に変更される。こ
れにより、点E、Fに発生する楕円運動は、図6の符号
36gに示すように、縦振動のみの直線形状となる。

【0085】このように、本実施形態の超音波アクチュ
エータ20−3によれば、CPU42からの制御信号に
より、スイッチ35の切替えと、可変抵抗体33の設定
と、交流電圧φ1 、φ2 の周波数の設定とが自動的に行
われ、超音波アクチュエータ20−3の速度が自在に変
更される。

【0086】(変形形態)各実施形態の説明では、振動
アクチュエータが、超音波の振動域を用いる超音波アク
チュエータである場合を例にとった。しかし、本発明は
この形態には限定されず、超音波以外の他の振動域を用
いる振動アクチュエータであれば、同様に適用される。

【0087】また、各実施形態の説明では、文献「VI
BROMOTORS FOR PRECISION M
ICROROBOTS」に開示された、1次の縦振動と
2次の屈曲振動とを発生する矩形平板状の振動子を備え
る振動アクチュエータを用いた。しかし、本発明はこの
形態の振動子を備える振動アクチュエータには限定され
ず、第1の方向へ振動する第1の振動と、第1の方向と
は異なる第2の方向へ振動する第2の振動とを励振させ
て、第1の振動と第2の振動との合成である楕円運動を
発生させる振動子を備える振動アクチュエータに対し
て、等しく適用される。例えば、特開平7−24109
0号公報に開示された、1次の縦振動と4次の屈曲振動
とを発生する矩形平板状の振動子を備える振動アクチュ
エータに対しても、適用される。

【0088】また、各実施形態の説明では、振動子2
1、21−1の点E、Fに駆動力取出部27a、27b
を設けた場合を例にとった。しかし、本発明はこの形態
には限定されず、振動子21、21−1の点D(図4参
照)に駆動力取出部27cを設けてもよい。図13は、
この形態を示す説明図であり、駆動力取出部27cに生
じる楕円運動により、相対運動部材30を左右方向へ直
線運動させることができる。

【0089】また、各実施形態の説明では、相対運動部
材30を直線運動させる場合を例にとった。しかし、本
発明はこの形態には限定されず、相対運動部材を回転運
動させることもできる。図14は、この形態を示す説明
図であり、相対運動部材30−1を回転自在に支持して
おき、この相対運動部材30−1の外周面に駆動力取出
部27cを加圧接触させればよい。

【0090】また、第3実施形態では、第1実施形態の
超音波アクチュエータ20に可変コンデンサ40を設け
たが、第2実施形態の超音波アクチュエータ20−1に
対しても可変抵抗体33の代わりに可変コンデンサ40
を設けることにより、第3実施形態と同様に、楕円運動
の軸の傾斜を調整することができる。

【0091】また、第1実施形態や第2実施形態におけ
る可変抵抗体33と、第3実施形態における可変コンデ
ンサ40とを直列に配置することにより、第1実施形態
や第2実施形態による楕円運動の形状調整と、第3実施
形態による楕円運動の軸の傾斜調整とをともに行うこと
ができる。

【0092】さらに、第4実施形態では、第1実施形態
の超音波アクチュエータ20に制御装置42を付加した
が、第2実施形態の超音波アクチュエータ20−1に制
御装置42を付加することによっても、第4実施形態と
同様に、スイッチ37の切替えと、可変抵抗体33の設
定と、交流電圧φの周波数の設定とを、自動的に行うこ
とができる。

【0093】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項1〜
請求項6の発明によれば、振動アクチュエータの振動子
に発生する楕円運動の形状、すなわち楕円運動の長径、
短径、さらには軸の傾斜角度を独立して制御できる。こ
のため、本発明にかかる振動アクチュエータによれば、
高速度時の騒音の発生や、低速時の力の不足や、楕円運
動の軸の傾斜が不適切であることに起因した諸性能の低
下が、いずれも解消され、振動アクチュエータの性能を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】第1実施形態の超音波アクチュエータを示す説
明図である。

【図2】第1実施形態の超音波アクチュエータの振動子
を示す斜視図である。

【図3】第1実施形態における超音波アクチュエータの
振動子に、縦振動および屈曲振動を生じた時の変位例を
示す説明図である。

【図4】第1実施形態における超音波アクチュエータの
振動子に発生した楕円運動を示す説明図である。

【図5】第1実施形態における超音波アクチュエータの
振動子と相対運動部材とが加圧接触した状態の一例を示
す説明図である。

【図6】第1実施形態における超音波アクチュエータに
より、振動子に発生する楕円運動の形状が制御されるこ
とを示す説明図である。

【図7】第2実施形態の超音波アクチュエータを示す説
明図である。

【図8】第2実施形態の超音波アクチュエータにより、
振動子に発生する楕円運動が制御されることを示す説明
図である。

【図9】第3実施形態の超音波アクチュエータを示す説
明図である。

【図10】第3実施形態の超音波アクチュエータによ
り、振動子に発生する楕円運動が制御されることを示す
説明図である。

【図11】第4実施形態の超音波アクチュエータの構成
を示す説明図である。

【図12】第4実施形態の超音波アクチュエータにおい
て、CPUに記憶された各種指示の出力プログラムの一
例を示すグラフである。

【図13】変形形態の超音波アクチュエータの構成を示
す説明図である。

【図14】変形形態の超音波アクチュエータの構成を示
す説明図である。

【図15】特開平7−241090号公報により提案さ
れた振動アクチュエータの振動子の説明図であり、図1
5(A)は上面図、図15(B)は側面図である。

【図16】文献「VIBROMOTORS FOR P
RECISION MICROROBOTS」に開示さ
れた振動アクチュエータの振動子を示す斜視図である。

【図17】従来の振動アクチュエータの駆動制御回路の
一例を示すブロック図である。

【符号の説明】

20 振動アクチュエータ 21 振動子 23a〜23d 電極 32 電力入力装置 33 可変抵抗体 35 スイッチ 40 可変コンデンサ 44 スケール(フィードバック制御手段) 45 エンコーダ(フィードバック制御手段) φ1 、φ2 交流電圧

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H680 AA01 AA05 AA06 AA08 AA18 BB01 BB13 CC02 DD01 DD15 DD23 DD27 DD39 DD53 DD55 DD59 DD74 DD82 EE03 EE22 EE23 FF08 FF21 FF23 FF27 FF30 FF33 FF36

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 駆動信号を入力されることにより、第1
    の振動と、該第1の振動の方向と交差する方向へ振動す
    る第2の振動とを励振させて、前記第1の振動と前記第
    2の振動との合成である楕円運動を発生する振動子と、 前記楕円運動の軌跡における長径または短径を個別に制
    御するための楕円形状制御手段と、前記楕円運動の軌跡
    における軸の傾斜を制御するための楕円軸傾斜制御手段
    とのうちの少なくとも一方とを備えることを特徴とする
    振動アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 駆動信号を入力されることにより、第1
    の振動と、該第1の振動の方向と交差する方向へ振動す
    る第2の振動とを励振させて、前記第1の振動と前記第
    2の振動との合成である楕円運動を発生する振動子と、 前記第1の振動の振幅または前記第2の振動の振幅を個
    別に制御するための振幅制御手段と、前記第1の振動と
    前記第2の振動との間の時間的位相差を変更する位相差
    制御手段とのうちの少なくとも一方とを備えることを特
    徴とする振動アクチュエータ。
  3. 【請求項3】 振動子と、 該振動子に、第1の交流電圧を印加するとともに、該第
    1の交流電圧または第2の交流電圧を切り換えることに
    よって得られる第3の交流電圧を印加することにより、
    第1の振動と、該第1の振動の方向と交差する方向へ振
    動する第2の振動とを励振させて、前記振動子に前記第
    1の振動と前記第2の振動との合成である楕円運動を発
    生させるための電力入力装置と、 前記振動子に印加される前記第3の交流電圧の電圧を変
    更する可変抵抗器と、前記第3の交流電圧に前記第1の
    交流電圧に対する時間的位相遅れを生成する可変コンデ
    ンサとのうちの少なくとも一方とを備えることを特徴と
    する振動アクチュエータ。
  4. 【請求項4】 さらに、前記振動子の駆動状況に関する
    量に基づいて前記楕円運動を制御するためのフィードバ
    ック制御手段を備えることを特徴とする請求項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。
  5. 【請求項5】 前記振動子は、矩形平板状の本体を有
    し、該本体は4つの矩形平板状の電気機械変換領域に分
    割され、対角上に配置された該電気機械変換領域同士は
    結線されることを特徴とする請求項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。
  6. 【請求項6】 前記第1の振動および前記第2の振動の
    うちの一方は縦振動であるとともに、他方は屈曲振動で
    あることを特徴とする請求項1から請求項5までのいず
    れか1項に記載された振動アクチュエータ。
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