JP2000324861A - 振動型アクチュエータおよび振動波駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】面倒な駆動制御を要することなく機械的構成で
所定の軸の周りに被駆動体を回転駆動させることができ
る多自由度の振動型アクチュエータを提供する。 【解決手段】中心軸線Ｚを含む直交する２つの面方向
（Ｘ、Ｙ）の曲げ振動を励振可能とすると共に、軸線方
向に沿って伸縮する縦振動を励振可能とし、前記縦振動
と前記曲げ振動とに時間的位相差を持たせることによ
り、それぞれの曲げ振動の中立面に中心を有して円また
は楕円運動する駆動部ｈを有する振動体１０を備えた、
前記振動体１０に二面幅の面取り部ｆ₁ とｆ₂ を設ける
ことにより、前記一方の曲げ振動の励振される振動系と
他方の曲げ振動の励振される振動系との固有振動数を異
ならせた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多軸周りの振動を
生成する振動型アクチュエータおよび振動波駆動装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の多軸周りの振動を生成する多自由
度振動型アクチュエータとしては、例えば図２に示すよ
うなものが提案されている。

【０００３】この多自由度振動型アクチュエータは、棒
状に形成された単一の振動体１により１つの球状回転体
ｃに直交する３軸を中心とした回転を与えることができ
るようにしたものである。

【０００４】振動体１は、中間に位置する金属製の第２
の弾性体ａ２の両側に縦振動励起用の電気−機械エネル
ギー変換素子としての複数の圧電素子ｂ１（圧電素子の
間に電極板ｄ１が配置されている）と曲げ振動励起用の
電気−機械エネルギー変換素子としての複数の圧電素子
ｂ２（圧電素子の間に電極板ｄ２が配置されている）と
を配し、さらにその外側に回転体ｃとの接触部を有する
金属製の第１の弾性体ａ１と、第３の弾性体ａ３を配
し、ボルトｅを第３の弾性体ａ３側から軸中心部に形成
された軸穴を通し、さらに第２の弾性体ａ２の軸中心部
に形成の軸穴を貫通して第１の弾性体ａ１の軸中心部に
形成のネジ穴に螺合し、ボルトｅを締め付けることによ
り、電極板ｄ１を間に配置した複数の圧電素子ｂ１と薄
板で形成された支持部材ｆを第１の弾性体ａ１と第２の
弾性体ａ２の間に挟持すると共に、電極板ｄ２を間に配
置した複数の圧電素子ｂ２を第２の弾性体ａ２と第３の
弾性体ａ３の間に挟持し、全体として一体化している。

【０００５】縦振動励起用の複数の圧電素子ｂ１は、交
番信号を印加することにより、全体的に厚み方向に変位
するように構成され、例えば全面の分極領域が同極とな
るように形成されている場合には全面に交番信号を印加
し、あるいは直径部分を絶縁領域としてその両側での分
極方向を逆にしたものでは各分極領域に印加の交番信号
の極性を逆にすることにより振動体１にその軸方向での
変位の伸縮による縦振動が励起される。

【０００６】また、複数の圧電素子ｂ２は、図３に示す
ように、直径部分を絶縁領域としてその両側の領域での
分極処理の方向を逆とした構造で、例えば圧電素子ｂ２
１とｂ２２とはその絶縁領域をＸ軸方向（図２に示す）
に合わせ、また圧電素子ｂ２３とｂ２４とはその絶縁領
域をＹ軸方向（図２に示す）に合わせるようにして配置
され、さらに振動検出用の圧電素子ｂ２５とｂ２６は絶
縁領域をそれぞれＸ軸方向とＹ軸方向に合わせるように
配置されている。

【０００７】これらの圧電素子の片面側（図中上方の
面）には上記絶縁領域を挟んで電極膜が形成され、裏面
（図中下方の面）側に全面に電極膜が形成されている。
そして、これらの圧電素子の間に電極板が配置されてい
る。

【０００８】なお、図３において、各圧電素子は中心部
に孔部が描かれていないが、実際には軸孔が形成され、
前記ボルトｅの挿通を可能としている。

【０００９】圧電素子間に配される前記各電極板ｄ１と
ｄ２に供給される交番信号と、取り出される信号につい
て説明する。

【００１０】圧電素子ｂ２１の上面に配置される電極板
と、圧電素子ｂ２２とｂ２３との間に配置される電極板
と、圧電素子ｂ２４とｂ２５との間に配置される電極板
は接地されている。

【００１１】また、圧電素子ｂ２１とｂ２２との間に配
置される電極板にはＡ相駆動用交番信号（ａｓｉｎω
ｔ）が供給され、圧電素子ｂ２３とｂ２４との間に配置
される電極板にはＢ相駆動用交番信号（ｂｃｏｓωｔ）
が供給される。

【００１２】一方、圧電素子ｂ２６の裏面側に配置の電
極板は第３の弾性体ａ３及びボルトｅに対して絶縁さ
れ、圧電素子ｂ２５とｂ２６との間に配置の電極板とか
らＹ−Ｚ平面での曲げ振動状態を検出する。同様にし
て、圧電素子ｂ２５とｂ２６との間に配置された電極板
と圧電素子ｂ２４とｂ２５との間に配置の接地された電
極板とからＸ−Ｚ平面での曲げ振動の状態を検出できる
ようになっている。

【００１３】縦振動用圧電素子ｂ１に駆動用交番信号を
印加し、この駆動用交番信号に対して時間的位相を有し
て前記Ａ相駆動用交番信号を圧電素子ｂ２１とｂ２２に
印加すると、縦振動とＸ−Ｚ平面での曲げ振動との合成
で、Ｘ軸周りの円または楕円運動が形成され、球状の回
転体ｃをＸ軸の周りに回転させる。また、縦振動用圧電
素子ｂ１に駆動用交番信号を印加し、この駆動用交番信
号に対して時間的位相を有して前記Ｂ相駆動用交番信号
を圧電素子ｂ２３とｂ２４に印加すると、縦振動とＸ−
Ｙ平面での曲げ振動との合成で、Ｙ軸周りの円または楕
円運動が形成され、球状の回転体ｃをＹ軸の周りに回転
させる。

【００１４】さらに、Ａ相駆動用交番信号とＢ相駆動用
交番信号とを位相差を有してそれぞれ圧電素子ｂ２１，
ｂ２２と、圧電素子ｂ２３，２４に印加すると、両曲げ
振動の合成で、Ｚ軸の周りに同様に円または楕円運動が
形成され、回転体ｃをＺ軸の周りに回転させる。

【００１５】なお、上記した異なる３方向の振動につい
ては、それぞれの振動系の固有振動数を略一致させてお
り、それぞれの圧電素子に印加する交番信号の周波数は
略同じ周波数としている。

【００１６】したがって、これらの異なる３方向の振動
を組み合わせることにより、回転体ｃを３方向の自由度
を有して回転させることが可能となる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、振動体１の
形状が軸対称形状に形成されていても、複数の弾性体
（ａ１〜ａ３）間に圧電素子、電極板、フレキシブルプ
リント基板を挟持して一体化するためにボルトｅがねじ
込まれるネジ部や、挟持面等の剛性・密度の不均一部の
存在により、Ａ相駆動用交番信号で励起されるｓｉｎモ
ードの振動と、Ｂ相駆動用交番信号で励起されるｃｏｓ
モードの振動は縮退していない。

【００１８】すなわち、圧電素子ｂ２１とｂ２２とにＡ
相駆動用交番信号を印加した場合、理論上、振動体１は
圧電素子ｂ２１とｂ２２との直径部の絶縁領域を境にし
てｓｉｎモードの振動が励起されるが、前記剛性・密度
の不均一部が存在すると、振動体１はこの剛性・密度の
不均一部の影響を受けて（理想的な）ｓｉｎモードでの
振動が行われなくなる。また、その振動も、前記直径部
の絶縁領域を境にした方向のみだけに形成されず、他の
方向（前記直径部の絶縁領域に対してＺ軸まわりにずれ
を有する方向）にも曲げ振動を形成してしまう。勿論、
この前記剛性・密度の不均一部の存在は、振動体１の圧
電素子ｂ２１とｂ２２との直径部の絶縁領域を中立面と
した振動系（Ａ相振動系と称す）における固有振動数に
理論上の値に対して差を与えることになる。圧電素子ｂ
２３とｂ２４によって規定される振動体１の振動系（Ｂ
相振動系と称す）に対しても同様なことが生じる。

【００１９】このため、被駆動物体である回転体ｃをＸ
軸の周りに回転させるために、縦振動用圧電素子ｂ１に
駆動用交番信号を印加するとともに、Ａ相駆動用交番信
号を曲げ振動用圧電素子ｂ２の内の圧電素子ｂ２１とｂ
２２にのみ印加した場合（Ｂ相駆動用交番信号を曲げ振
動用圧電素子ｂ２の内の圧電素子ｂ２３とｂ２４にのみ
印加した場合も同様）、以下のような問題が生じる。

【００２０】１：Ａ相振動系（Ｂ相振動系）に形成され
る曲げ振動は、剛性・密度の不均一部の影響を受けて理
論上の曲げ方向で振動せず、Ｘ軸とＹ軸の間に曲げ振動
の中立面を有するような振動となるので、縦振動との合
成により生じる駆動振動はＸ軸周りにおける円または楕
円運動（Ｙ軸周りにおける円または楕円運動）ではな
く、Ｘ軸とＹ軸の間に回転軸を有する円または楕円運動
となり、回転体ｃを所定のＸ軸（Ｙ軸）の周りに回転さ
せることができなくなる。ここで、曲げ振動の中立面と
は、振動体軸上の点が、曲げ振動により形成する面をい
う。

【００２１】２：剛性・密度の不均一部の影響で振動体
１の縦振動方向における振動系の固有振動数とＡ相振動
系（Ｂ相振動系）との固有振動数に無視できない程の差
が生じると、両振動系の振動変位が一致しなくなり、駆
動にムラが生じたり、駆動できなくなることもある。

【００２２】なお、このような駆動の不具合を解消する
ためには、振動検出用圧電素子ｂ２５とｂ２６からの振
動をフィードバックして、Ａ相駆動用交番信号（Ｂ相駆
動用交番信号）を制御すれば良いが、複雑な制御を要す
ることになる。

【００２３】本出願に係る発明の目的は、面倒な駆動制
御を要することなく機械的構成で所定の軸の周りに被駆
動体を回転駆動させることができる多自由度の振動型ア
クチュエータおよび振動型駆動装置を提供しようとする
ものである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本出願に係る発明の目的
を実現する振動型アクチュエータの第１の構成は、弾性
体に配置された電気−機械エネルギー変換素子に交番信
号を印加することにより、中心軸線を含む直交する２つ
の面方向の曲げ振動を励振可能とすると共に、軸線方向
に沿って伸縮する縦振動を励振可能とし、前記３軸方向
の振動変位に時間的位相差を与えて円または楕円運動す
る駆動部を有する振動体を備えた振動型アクチュエータ
において、前記振動体に剛性不均一部を設けることによ
り、前記一方の曲げ振動の励振される振動系と他方の曲
げ振動の励振される振動系との固有振動数を異ならせた
ものである。

【００２５】本出願に係る発明の目的を実現する振動型
アクチュエータの第２の構成は、上記第１の構成で、前
記剛性不均一部は、前記いずれか一方の曲げ振動を励振
させる前記電気−機械エネルギー変換素子の振動方向に
一致させたものである。

【００２６】本出願に係る発明の目的を実現する振動型
アクチュエータの第３の構成は、上記第１または第２の
構成で、前記剛性不均一部は、前記軸心の周りに対し非
軸対称の形状により構成したものである。

【００２７】本出願に係る発明の目的を実現する振動型
アクチュエータの第４の構成は、上記第１、第２または
第３の構成で、前記剛性不均一部は、１または複数の面
取り部により構成したものである。

【００２８】本出願に係る発明の目的を実現する振動型
アクチュエータの第５の構成は、上記第１、第２または
第３の構成で、前記剛性不均一部は、特定の軸方向両側
に延びる棒状部材により構成したものである。

【００２９】本出願に係る発明の目的を実現する振動型
アクチュエータの第６の構成は、上記いずれかの構成
で、前記一方の曲げ振動の励振される振動系の固有振動
数と、前記他方の曲げ振動の励振される振動系の固有振
動数との間に、前記縦振動の励振される振動系の固有振
動数が存在するものである。

【００３０】本出願に係る発明の目的を実現する振動型
アクチュエータの第７の構成は、上記いずれかの構成
で、前記振動体と、前記振動体の駆動部に加圧接触する
接触体とを相対移動させるものである。

【００３１】本出願に係る発明の目的を実現する振動波
駆動装置は、上記いずれかの構成の振動型アクチュエー
タを駆動源として有し、前記駆動源により１または複数
の被駆動体を駆動するものである。

【００３２】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は本発
明の第１の実施の形態を示す。

【００３３】本実施の形態の振動体１０は、図２に示す
従来例と同様に、第１の振動体ａ１０の上面に形成した
凹部１１に、不図示の加圧機構を介して球状の回転体
（不図示）を加圧接触させ、縦振動用の複数の圧電素子
ｂ１（図中、電極板と支持部材は省略）を第１の弾性体
ａ１０と第２の弾性体ａ２との間に配置し、図３に示す
構成の曲げ振動用の圧電素子ｂ２を第２の弾性体ａ２と
第３の弾性体ａ３との間に配置し、ボルトｅを第３の弾
性体ａ３の軸心部に形成された軸孔を通して複数の圧電
素子ｂ２，第２の圧電素子ａ２および複数の圧電素子ｂ
１の軸孔を貫通し、第１の弾性体ａ１０の軸心部に形成
のネジ孔にねじ込み、締め付けることにより各弾性体間
に複数の圧電素子ｂ１，ｂ２を挟持して一体化されてい
る。

【００３４】本実施の形態において、曲げ振動用の複数
の圧電素子ｂ２は、図３と同様に、振動体１０の軸心に
対して互いに直交するＸ軸とＹ軸にそれぞれ絶縁部を一
致させるように配置されている。

【００３５】本実施の形態の第１の弾性体ａ１０は、軸
心の周りに形成された振動変位拡大用の周溝ｇよりも端
部側に駆動部ｈが形成されると共に、周溝ｇよりも軸中
央部側において対向する２面に面取り部ｆ₁ とｆ₂ を形
成している。

【００３６】本実施の形態において、２面幅の上記面取
り部ｆ₁ とｆ₂ とは、軸心に対して対称に形成されてお
り、この面取り部ｆ₁ とｆ₂ との対称面となる軸とし
て、曲げ振動用の圧電素子ｂ２の配置方向（Ｘ方向また
はＹ方向）のいずれかに一致させている。

【００３７】ここで、上記対称軸をＹ軸とすると、面取
り方向、すなわちＹ−Ｚ平面を中立面とするＢ相振動系
の固有振動数はモーダル剛性が小さくなるため、Ｘ−Ｚ
平面を中立面とするＡ相振動系の固有振動数に比べて振
動数がやや低くなる。

【００３８】すなわち、軸対称の面取り部ｆ₁ とｆ₂ に
より、振動体１におけるＡ相振動系とＢ相振動系とに
は、前述した剛性・密度の不均一性よりも遥かに大きな
剛性不均一性が与えられることになる。

【００３９】しかもこの大きな剛性不均一性を与える面
取り部ｆ₁ とｆ₂ とは、Ｘ軸またはＹ軸方向に方向が決
められている。

【００４０】なお、従来例では、Ａ相振動系とＢ相振動
系との固有振動数を略一致させるようにしていて、前述
した剛性・密度の不均一部がどこに発生するかは特定で
きるものではないので、この剛性・密度の不均一部の位
置に応じて曲げ振動の中立面の位置がＸ軸とＹ軸との間
に移動することになっていた。

【００４１】しかし、本実施の形態のように、Ａ相振動
系またはＢ相振動系の振動モードの振動方向に合わせて
面取り部ｆ₁ とｆ₂ を形成することで、振動体１０に前
述した剛性・密度の不均一部が生じていたとしても、一
方の振動系を励振させるための駆動信号により他方の振
動系が励振されるということがなくなり、特定の軸（Ｘ
軸またはＹ軸）を振動の中立面として振動体１０が曲げ
振動する。

【００４２】なお、本実施の形態の振動型アクチュエー
タは、上記のように、Ｘ軸周りとＹ軸周りに回転体ｃを
回転させるために、振動体１０に縦振動と各曲げ振動と
を同時に駆動する必要があるので、Ａ相振動系とＢ相振
動系と、振動体１０の縦振動系の固有振動数とが大きく
異なることは望ましくない。

【００４３】そのため、本実施の形態では、縦振動系の
固有振動数を、Ａ相振動系とＢ相振動系の固有振動数の
間に設定している。

【００４４】なお、面取り部ｆ₁ とｆ₂ とは、周溝部ｇ
の径部、駆動部ｈ、ボルトｅに設けても良く、またＡ相
振動系とＢ相振動系にネジ部等の剛性不均一性より遥か
に大きな剛性不均一性を付与する方法としては、上記の
面取り加工に限らず、穴を設けたりしても良く、さらに
は付加質量等を取り付けて、外形形状の軸対称性を阻害
することも可能である。

【００４５】すなわち、軸対称形状の物体の固有モード
は、軸を含む直交した２つの面内方向に生じる。完全に
軸対称であると、２つの固有モードの生じる２つの面は
特定できない。一般には、かなり軸対称に近いので、２
つの固有モードが生じる２つの面を特定しにくい。そこ
で、非軸対称部を設けて強制的にＡ，Ｂ相の振動面を特
定するようにしている。

【００４６】（第２の実施の形態）図４は本発明の第２
の実施の形態を示す。

【００４７】本実施の形態の振動体は、第１の実施の形
態の振動体と基本的に同様に構成されていて、異なる３
方向の振動変位により、不図示の回転体に３自由度の運
動を与える振動型アクチュエータに用いられるもので、
第１の弾性体ａ２０には、例えばＸ軸方向に沿って両側
に、振動体を不図示のケース等に支持させるための支持
棒ｉが固定されている。

【００４８】したがって、この支持棒ｉは付加質量とし
ても機能し、振動体のＡ相振動系とＢ相振動系とに、ネ
ジ部等によって生じる剛性不均一性より遥かに大きな剛
性不均一性が、その剛性不均一性が特定して与えられる
ことになる。

【００４９】（第３の実施の形態）図５は第３の実施の
形態を示す。

【００５０】本実施の形態は、上記した第２の実施の形
態の振動体２０の駆動部ｈに、円筒形の回転体３０を不
図示の加圧機構を介して加圧接触させたもので、回転体
３０の回転軸を例えばＸ軸に合わせるようにして配置し
ている。この場合、回転方向が固定されるが、回転体３
０の回転軸に一致して振動体２０の駆動振動としての楕
円運動が形成されるので、不要な滑り、すなわち摩擦損
失なく駆動することができる。

【００５１】なお、振動体２０の一端部にのみ回転体３
を配置しているが、他端部も同様の駆動部として機能す
るので、一端部の回転体と直交する方向に固定軸を有す
るように円筒状の回転体を配置すると直交する２方向の
駆動が可能となる。

【００５２】上記した第１、第２、第３の実施の形態に
示す振動型アクチュエータを駆動源として種々の形態の
被駆動体を駆動することができ、例えば第１、第２の実
施の形態の振動体では、不図示の球状の回転体に例えば
球心から放射方向外方に延びる軸部を設ければ、この軸
部により被駆動体をＸ、Ｙ、Ｚの各軸周りの回転を与え
るマニュピレータとして用いることができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、多自由度の振動型アク
チュエータを各軸周りに駆動する場合、所定の軸につい
ての回転のみを機械的な構成のみにより得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の振動体の斜視図。

【図２】従来の振動型アクチュエータの斜視図。

【図３】図２の曲げ振動用圧電素子の配置地状態を示す
分解斜視図。

【図４】本発明の第２の実施の形態の振動体の斜視図。

【図５】本発明の第３の実施の形態の振動型アクチュエ
ータの斜視図。

【符号の説明】

１、１０、２０ 振動体 １１ 凹部 ３０ 回転体 ａ１、ａ２、ａ３、ａ１０、ａ２０ 弾性体 ｂ１、ｂ２ 圧電素子 ｃ 回転体 ｄ１，ｄ２ 電極板 ｅ ボルト ｆ 支持部材 ｆ₁ 、ｆ₂ 面取り部 ｇ 周溝部 ｈ 駆動部 ｉ 支持棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 月本 貴之 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内 Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA06 BB01 BB16 CC02 DD01 DD15 DD23 DD27 DD37 DD40 DD53 DD66 DD72 DD83 DD88 DD92 DD95 FF04 FF11 FF12 FF30 FF33

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体に配置された電気−機械エネルギ
   ー変換素子に交番信号を印加することにより、中心軸線
   を含む直交する２つの面方向の曲げ振動を励振可能とす
   ると共に、軸線方向に沿って伸縮する縦振動を励振可能
   とし、前記３軸方向の振動変位に時間的位相差を与えて
   円または楕円運動する駆動部を有する振動体を備えた振
   動型アクチュエータにおいて、 前記振動体に剛性不均一部を設けることにより、前記一
   方の曲げ振動の励振される振動系と他方の曲げ振動の励
   振される振動系との固有振動数を異ならせたことを特徴
   とする振動型アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記剛性不均一部は、前記いずれか一方
   の曲げ振動を励振させる前記電気−機械エネルギー変換
   素子の振動方向に一致させたことを特徴とする請求項１
   に記載の振動型アクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記剛性不均一部は、前記軸心の周りに
   対し非軸対称の形状により構成したことを特徴とする請
   求項１または２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記剛性不均一部は、１または複数の面
   取り部により構成したことを特徴とする請求項１、２ま
   たは３に記載の振動型アクチュエータ。
5. 【請求項５】 前記剛性不均一部は、特定の軸方向両側
   に延びる棒状部材により構成したことを特徴とする請求
   項１、２または３に記載の振動型アクチュエータ。
6. 【請求項６】 前記一方の曲げ振動の励振される振動系
   の固有振動数と、前記他方の曲げ振動の励振される振動
   系の固有振動数との間に、前記縦振動の励振される振動
   系の固有振動数が存在することを特徴とする請求項１、
   ２、３、４または５に記載の振動型アクチュエータ。
7. 【請求項７】 前記振動体と、前記振動体の駆動部に加
   圧接触する接触体とを相対移動させることを特徴とする
   請求項１ないし６のいずれかに記載の振動型アクチュエ
   ータ。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれかに記載の振
   動型アクチュエータを駆動源として有し、前記駆動源に
   より１または複数の被駆動体を駆動することを特徴とす
   る振動波駆動装置。