JP2000324862A - 振動型アクチュエータおよび振動型駆動装置 - Google Patents

振動型アクチュエータおよび振動型駆動装置

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JP2000324862A JP11134487A JP13448799A JP2000324862A JP 2000324862 A JP2000324862 A JP 2000324862A JP 11134487 A JP11134487 A JP 11134487A JP 13448799 A JP13448799 A JP 13448799A JP 2000324862 A JP2000324862 A JP 2000324862A
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隆司 前野
Kenjirou Takemura
研治郎 竹村
Ichiro Okumura
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    • H02N2/0005—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
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    • H02N2/003—Driving devices, e.g. vibrators using longitudinal or radial modes combined with bending modes
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02N2/106—Langevin motors

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 単一の振動体で多自由度の駆動力を簡単な構
成で生成することができ、かつ制御が容易な振動型アク
チュエータを提供する。 【構成】 圧電素子３により縦方向と、直交する２方向
曲げ方向の異なる３方向の振動変位を形成可能とする棒
状の振動体１の両端部に形成された断面Ｖ字形状の駆動
部でもある軸受部に第１の回転体４０１と第２の回転体
４０２とを、その回転軸を直交するように加圧接触さ
せ、前記３方向の振動のうち少なくとも２方向の振動変
位を与えて前記振動体１に合成振動を発生させ、第１の
回転体と第２の回転体とを同時または選択的に回転させ
るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動型アクチュエ
ータおよび振動型駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】多軸周りの運動を生成する振動型アクチ
ュエータとして、例えば精密工学会誌（Vol.61No.3,pp.
1227-1230,1995) 、あるいは日経メカニカル（No.5,pp.
26-27,1997.4.28)に開示の球面振動型アクチュエータが
提案されている。
【０００３】また、単一の振動体で多自由度（３自由
度）の駆動力を簡単な構成で生成することができる振動
型アクチュエータが提案されている。
【０００４】この単一の振動体で多自由度、例えば３自
由度の駆動力を得る振動型アクチュエータの基本的な構
成としては、例えば棒状の振動体の一端部に凹部を形成
し、この凹部に球形の回転体の一部を嵌合し、加圧機構
により前記回転体を前記振動体に加圧接触させる機械的
構成を有し、一方、振動体には異なる３軸方向、前記振
動体の軸方向をＺ軸とし、このＺ軸に対し互いに直交す
る２軸をＸ軸とＹ軸とすると、前記Ｚ軸回りの回転と、
前記Ｘ軸回りの回転及び前記Ｙ軸回りの回転を前記球形
の回転体にそれぞれ与えることができるように、前記振
動体に振動変位の合成による駆動振動を発生させるよう
にしている。
【０００５】前記振動体は、例えば電気−機械エネルギ
ー変換素子としての圧電素子により、振動体に異なる３
方向の振動変位、例えばＺ軸方向の振動（縦振動）、Ｚ
−Ｘ平面での曲げ振動、Ｚ−Ｙ平面での曲げ振動が与え
られ、前記２つの曲げ振動を時間的位相差を有して形成
することにより、この２つの曲げ振動の合成振動で形成
される駆動振動で前記球形の回転体を前記Ｚ軸回りに回
転させる。
【０００６】また、前記縦振動と前記Ｚ−Ｘ平面での曲
げ振動の合成振動で前記球形の回転体をＹ軸回りに回転
させる。
【０００７】さらに、前記縦振動と前記Ｚ−Ｙ平面での
曲げ振動の合成振動で前記球形の回転体をＸ軸回りに回
転させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
多自由度振動型アクチュエータは一個の球形の回転体を
被駆動部材としているため、以下のような難点があっ
た。
【０００９】一個の回転体が３自由度を持つため機械
的に定まった回転軸がない。
【００１０】従って、回転軸を定めるのに複雑な制御が
必要である。例えば回転体の球心に軸心を有する軸状の
部材を放射方向外方に延びるように設けたとしても、こ
の軸状部材は固定された位置に回転可能に軸支されたも
のではないので、この軸状部材を所定の軸方向位置と一
致する位置に維持する制御が必要であり、さらに該軸を
中心として前記回転体を回転させる駆動制御を行わなけ
ればならず、制御の複雑化を招くことになる。
【００１１】回転体が球体でかつ機械的に定まった回
転軸がないので、加圧機構が複雑になる。
【００１２】本出願に係る発明の目的は、単一の振動体
に対し、異なる方向に固定の移動軸を設けることができ
る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。
【００１３】
【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、少な
くとも異なる３方向の振動変位を発生させる振動発生手
段を形成した振動体を有し、前記３方向の振動変位を与
えて前記振動体に合成振動を発生させ、前記振動体と前
記振動体に接触する複数の接触体とを、選択的に、もし
くは同時に相対移動させたものである。
【００１４】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、少なくとも異なる３方
向の振動変位を発生させる振動発生手段を形成した振動
体と、前記振動体に移動軸を１軸方向に規定さて接触す
る複数の接触体とを有し、前記振動発生手段に前記３方
向の振動変位を与えて前記振動体に合成振動を発生さ
せ、前記振動体と前記複数の接触体とを前記合成振動に
より得られた駆動力で、選択的に、もしくは同時に相対
移動させたものである。
【００１５】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、前記振動体は棒状に形成され、前記複数の接触
体は前記振動体の軸心に対して交差する異なる方向にそ
れぞれ移動軸を有するものである。
【００１６】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または第２の
構成で、前記振動体は棒状に形成され、前記複数の接触
体の少なくとも一つは前記振動体の軸心に移動軸を有
し、他の接触体は前記振動体の軸心に対して交差する方
向に移動軸を有するものである。
【００１７】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ないし第４の
いずれかの構成で、前記振動体には、前記接触体との接
触部に移動軸を規定する軸受部を有するものである。
【００１８】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、上記第１ないし第５の
いずれかの構成で、前記振動発生手段は、前記振動体に
互いに略直交する３軸方向の振動変位を独立に発生可能
とするものであり、前記３軸方向の振動変位に時間的に
位相差を与えて合成振動を発生させたものである。
【００１９】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、上記第１ないし第５の
いずれかの構成で、前記振動発生手段は、縦方向振動と
方向の異なる複数の横方向振動を励起する電気−機械エ
ネルギ変換素子を有するものである。
【００２０】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８の構成は、上記第１ないし第７の
いずれかの構成で、前記複数の接触体が円筒形であり、
それぞれの軸の方向が一致しないものである。
【００２１】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９の構成は、上記第１ないし第８の
いずれかの構成で、前記振動体と前記複数の接触体とを
慈雨受けを介して加圧させたものである。
【００２２】本出願に係る発明の目的を実現する振動型
駆動装置の構成は、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ようにしたものである。
【００２３】上記した構成の振動型アクチュエータは、
例えば複数の接触体として２個の回転体を円筒形にし
て、互いの軸が直交する向きで一個の棒状振動体の両側
に配置することにより、それぞれの回転体の回転軸を固
定することができ、全体として（１個の振動体＋２個の
回転体）は２自由度のアクチュエータが構成される。
【００２４】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１〜図３
および図７は本発明の第１の実施の形態を示す。
【００２５】図１は本発明の第１の実施形の形態を示す
主要部分の分解斜視図である。
【００２６】１は円柱形状に形成された振動体で、複数
の圧電セラミックスの間に電極膜を形成して積層構造と
した電気−機械エネルギー変換素子としての積層型圧電
素子（以下圧電素子と称す）３をその両側から金属で形
成された第１の弾性体２０１と第２の弾性体２０２で挟
み、図２に示すように両弾性体２０１と２０２の間に螺
着されたボルト５を用いて固定された構造となってい
る。なお、本実施の形態において、電気−機械エネルギ
ー変換素子として積層圧電素子を用いているが、１枚の
圧電素子であっても良い。
【００２７】本実施の形態において、第１の弾性体２０
１と第２の弾性体２０２とは、共に中心軸（Ｚ軸）の回
りに振動変位拡大用の周溝２０１ａ（２０２ａ）が形成
され、さらに周溝２０１ａ（２０２ａ）よりも先端側の
駆動部２０１ｂ（２０２ｂ）に、中心軸（Ｚ軸）と直交
する方向に例えば図２に示すようにＶ字形状溝で形成さ
れた固定軸形成部としての軸受部２０１ｃ（２０２ｃ）
が形成され、第１の弾性体２０１に形成された第１の軸
受部２０１ｃで規定される軸線（Ｙ軸）と、第２の弾性
体２０２に形成された第２の軸受部２０２ｃで規定され
る軸線（Ｚ軸）とを直交するように配置している。
【００２８】本実施の形態において、第１の軸受部２０
１ｃと第２の軸受部２０２ｃには、円筒形状に形成され
た第１の回転体４０１と第２の回転体４０２とがそれぞ
れ配置されていて、不図示の加圧機構により、第１の回
転体４０１と第２の回転体４０２が第１の軸受部２０１
ｃと第２の軸受部２０２ｃに加圧接触されている。
【００２９】すなわち、本実施の形態では、一つの棒状
の振動体１の両端部に互いに直交する方向に固定の軸線
を有して移動体としての第１の第１の回転体４０１と第
２の回転体４０２とが支持されることになる。
【００３０】尚、第１の弾性体２０１と第２の弾性体２
０２にそれぞれ形成される軸受部２０１ｃと２０２ｃと
はＶ形状の溝としているが、回転体４０１，４０２の円
筒形側面と同様な円筒面であっても良い。また、軸受部
２０１ｃと２０２ｃに、それぞの軸方向に直交するスリ
ットを、それぞれの軸方向に沿って複数形成して振動変
位をより大きくするようにしても良い。
【００３１】また、第１の回転体４０１と第２の回転体
４０２は同形状、あるいは同径である必要はない。径を
大きくすると出力トルクが大きくなり、径を小さくする
と回転数が大きくなるので、使用目的に適した回転体を
設計できる。
【００３２】図３は本実施の形態の振動型アクチュエー
タの構造および駆動原理を示している。
【００３３】円柱形状の振動体１は、中央付近に第１の
弾性体２０１と第２の弾性体２０２に挟持固定されてい
る圧電素子３により弾性振動する。
【００３４】なお、図３（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれ
ぞれ示すのはＺ，Ｘ，Ｙ方向の変位の軸方向（Ｚ）分布
である。
【００３５】即ち、Ｚ方向の振動変位Ｗｚは中心に１個
の節を持つ縦振動（軸方向に伸び縮みする振動）であ
る。また、Ｘ方向の振動変位Ｗｘは３個の節を持つ曲げ
振動である。Ｙ方向の振動変位ＷｙもＷｘと同様、３個
の節を持つ曲げ振動である。
【００３６】ここで、振動変位Ｗｚと振動変位Ｗｘを時
間的位相差が９０度となるように発生させると、振動体
１の両端部ではＹ軸回り（Ｘ−Ｚ平面内）の楕円または
円運動が形成される。
【００３７】この運動の軸（Ｙ）は第１の回転体４０１
の軸と一致していて、第１の回転体４０１をＹ軸を中心
に回転させる。その際、第２の回転体４０２の軸とは一
致しないので、第２の回転体４０２は回転しない。
【００３８】振動変位の時間的位相差を逆にすると（−
９０度にすると）、第１の回転体４０１は逆向きに回転
する。
【００３９】振動の組み合わせを変えて、振動変位Ｗｚ
と振動変位Ｗｙを時間的位相差が９０度となるように発
生させると振動体１の両端部ではＸ軸回り（Ｙ−Ｚ平面
内）の楕円または円運動が形成される。
【００４０】この運動の軸（Ｘ）は第２の回転体４０２
の軸と一致していて、第２の回転体４０２を回転させ
る。その際、第１の回転体４０１の軸とは一致しないの
で、第１の回転体４０１は回転しない。
【００４１】また、振動変位Ｗｚと振動変位Ｗｘと振動
変位Ｗｙを適当な時間的位相差で組み合わせると、第１
の回転体４０１と第２の回転体４０２を同時に回転させ
ることができる。その際、第１の回転体４０１には、Ｙ
軸回りの回転力に加えて、Ｘ軸回りの駆動力が付与され
ることになる。このＸ軸回りの駆動力は、第２の回転体
４０２を回転させるものであるが、第１の回転体４０１
をＹ軸方向に沿って移動させる力としても作用するの
で、第１の回転体４０１は、回転しながら直進移動する
ことになる。この直進方向の移動力は、合成振動の円又
は楕円運動の大きさや駆動部の形状等を変えることによ
り、大きくしたり、また小さくして直進方向の移動力が
第１の回転体４０１に与えられることを排除することも
できる。また、必要に応じて直進方向の移動を規制する
部材を設けても良い。なお、第２の回転体４０２に対し
ても同様にＸ軸に沿った直進方向の移動力が付与され
る。
【００４２】図３（ｅ）はこのような３種類の振動変位
を発生させる、圧電素子３の構造を示すものである。
【００４３】４分割に分極処理された電気−機械エネル
ギ変換素子としての圧電素子３（同じ位相で４分割に分
極処理された複数枚の圧電セラミックス板が積層されて
ブロック化されている。）には各分極領域ごとに独立に
駆動のための交番信号（電圧）が印加できるようになっ
ている。図１及び図３には図示していないが、圧電素子
３の両面側には、各分極処理領域毎に不図示の駆動制御
回路と接続される電極板が配置されている。
【００４４】図３の（ｅ）において、圧電素子３の各分
極領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは同極性に分極処理されており、
図３の（ｂ）の振動変位分布に示すように、振動体１を
Ｚ方向に振動させるには全て分極領域に接触する前記各
電極（不図示）に同じ信号を印加する。なお、ＶA は分
極領域Ａに対応の電極介して印加する電圧、ＶB は分極
領域Ｂに対応の電極を介して印加する電圧、ＶC は分極
領域Ｃに対応の電極を介して印加する電圧、ＶD は分極
領域Ｄに対応の電極を介して印加する電圧とする。
【００４５】 ＶA ＝ＶB ＝ＶC ＝ＶD ＝ｓｉｎωｔ あるいは、対向する電極領域に同じ信号を印加する。
【００４６】ＶA ＝ＶC ＝ｓｉｎωｔ または ＶB ＝ＶD ＝ｓｉｎωｔ とすれば良い。
【００４７】一方、図３（ｃ）の振動変位分布に示すよ
うに、振動体１をＸ方向に振動させるには、Ｘ方向に対
向する分極領域ＡとＣに逆位相の信号を印加すれば良
い。
【００４８】 ＶA ＝ｓｉｎωｔならＶC ＝−ｓｉｎωｔ （ＶA ＝ｃｏｓωｔならＶC ＝−ｃｏｓωｔ）とする。
【００４９】更に、図３（ｄ）の振動変位分布に示すよ
うに、振動体１をＹ方向に振動させるには、Ｙ方向に対
向する分極領域ＢとＤに逆位相の信号を印加すれば良
い。
【００５０】 ＶB ＝ｓｉｎωｔならＶD ＝−ｓｉｎωｔ （ＶB ＝ｃｏｓωｔならＶD ＝−ｃｏｓωｔ）とする。
【００５１】なお、交番信号（電圧）の周波数ωは振動
体の固有振動数に近い値を選ぶことによって、大きな振
幅を得ることができる。
【００５２】本実施の形態の場合、振動体１の固有振動
数とは、Ｚ方向の振動は縦１次モード、Ｘ方向とＹ方向
は曲げ２次モードの固有振動数である。
【００５３】次に、第１の回転体４０１と第２の回転体
４０２を回転させるための交番信号の供給について説明
する。
【００５４】Ｙ軸まわりに回転体４０１を回転させる場
合には、例えば９０度の位相差をもったＺ方向変位とＸ
方向変位を発生させる。
【００５５】 ＶA ＝ＶB ＝ＶC ＝ＶD ＝ｓｉｎωｔ（Ｚ方向変位） と ＶA ＝ｃｏｓωｔ，ＶC ＝−ｃｏｓωｔ（Ｘ方向変位） の交番信号を各対応する分極領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに供給
する。
【００５６】すなわち、次式になる。
【００５７】 ＶA ＝ｓｉｎωｔ＋ｃｏｓωｔ＝√２ｓｉｎ（ωｔ＋π／４） ＶB ＝ｓｉｎωｔ ＶC ＝ｓｉｎωｔ−ｃｏｓωｔ＝√２ｓｉｎ（ωｔ−π／４） ＶD ＝ｓｉｎωｔ なお、係数、すなわち電圧振幅は１や√２である必要は
ない。適当な値に設定して所望の駆動状態を得ることが
できる。
【００５８】同様にＸ軸まわりに第２の回転体４０２を
回転させる場合には、例えば９０度の位相差をもったＺ
方向変位とＹ方向変位を発生させる。
【００５９】即ち、 ＶA ＝ＶB ＝ＶC ＝ＶD ＝ｓｉｎωｔ（Ｚ方向変位） と ＶB ＝ｃｏｓωｔ，ＶD ＝−ｃｏｓωｔ（Ｙ方向変位） の交番信号を各対応する分極領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに供給
する。
【００６０】すなわち、次式になる。
【００６１】 ＶA ＝ｓｉｎωｔ ＶB ＝ｓｉｎωｔ＋ｃｏｓωｔ＝√２ｓｉｎ（ωｔ＋π／４） ＶC ＝ｓｉｎωｔ ＶD ＝ｓｉｎωｔ−ｃｏｓωｔ＝√２ｓｉｎ（ωｔ−π／４） なお、係数、すなわち電圧振幅は１や√２である必要は
ない。適当な値に設定して所望の駆動状態を得ることが
できる。
【００６２】以上のように、本第１の実施の形態では、
振動体１により、第１の回転体４０１と第２の回転体４
０２とをＹ軸まわりとＸ軸まわりにそれぞれ回転させる
ことができるので、単一の振動体１で、振動体１の軸心
に対して互いに直交する方向に固定軸を有する２自由度
の回転を得ることが可能となる。
【００６３】図７は本第１の実施の形態で示した２自由
度アクチュエータの主要部に振動体の支持部材や加圧機
構を加えたアクチュエータ全体の構成を示す。
【００６４】図７において、振動体１は、圧電素子３の
両側にフレキシブルプリント基板１０と金属製の薄板で
形成された支持部材９を配置し、これらを第１の弾性体
２０１と第２の弾性体２０２により挟持して一体的に固
定して形成されている。
【００６５】本実施の形態における積層型圧電素子３
は、一端側の端面に、各分極領域の正極側の電極膜と、
負極側の各電極膜とが形成されているもので、フレキシ
ブルプリント基板１０には、圧電素子３の一端側端面の
前記各正極及び負極側の電極膜と接触する電極板として
のパターン部が形成されている。したがって、給電のた
めに、圧電素子３の両側に電極板等を設ける必要はな
く、本実施の形態のように片側にプリント基板１０を設
けるだけで良い。
【００６６】また、振動体１と一体の支持部材９は、第
２の回転体４０２の軸方向に沿って振動体１より両側に
延出され、この両側の延出端部が後述の第２のケース部
７ｂのフランジ部７ｃに巻き付けられて支持されてい
る。
【００６７】７は第１のケース部７ａと第２のケース部
７ｂとにより構成される角筒形状のケースで、第１のケ
ース部７ａのフランジ部７ｄと第２のケース部７ｂのフ
ランジ部７ｃとを対向配置し、第１のケース部７ａのフ
ランジ部７ｄと第２のケース部７ｂのフランジ部７ｃと
を、断面Ｃ形状のバネ部材で形成された筒形クリップ８
により弾性的に把持している。
【００６８】ケース７内には、振動体１と、第１の回転
体４０１と第２の回転体４０２とが収納され、第１のケ
ース部７ａに取り付けた軸受部材６ａと６ｂに第１の回
転体４０１の軸部４０１ａが回転可能に軸支されてい
る。同様に、第２のケース部７ｂに取り付けた軸受部材
６ｃと６ｄに第２の回転体４０２の軸部４０２ａが回転
可能に軸支されている。なお、第１のケース部７ａに対
向して取り付けた軸受部材６ａと６ｂの軸心と、第２の
ケース部７ｂに対向して取り付けた軸受部材６ｃと６ｄ
の軸心とは直交するように配置されている。
【００６９】また、振動体１は、前述のように支持部材
９の延出端部が第２のケース部７ｂのフランジ部７ｃに
巻き付けられて固定されることにより、第２のケース部
７ｂに支持される。そして、第１のケース部７ａを第２
のケース部７ｂに向きを合わせて組み付け、上述のよう
に筒形クリップ８で第１のケース部７ａのフランジ部７
ｄと第２のケース部７ｂのフランジ部７ｃとを弾性的に
把持すると、筒形クリップ８のバネ力により、第１の回
転体４０１は振動体１の第１の軸受部２０１ｃに、また
第２の回転体４０２は振動体１の第２の軸受部２０２ｃ
にそれぞれ加圧接触する。なお、振動体１の支持部材９
の延出端部の巻き付け部は筒形クリップ８により第２の
ケース部７ｂのフランジ部７ｃに一体に把持されて固定
されている。
【００７０】また、フレキシブルプリント基板１０は圧
電素子３と第１の弾性体２０１の間に挟持固定されると
ともに、外周方向に延出しその端部がケース７の外側ま
で延出し、不図示の駆動制御回路に接続され、交番信号
（電圧）はこのフレキシブルプリント基板１０を経由し
て圧電素子３に供給される。
【００７１】（第２の実施の形態）図４〜図６は本発明
の第２の実施の形態を示す。
【００７２】図４は本発明の第２の実施形の形態を示す
主要部分の分解斜視図である。
【００７３】本実施の形態の振動体１０１は、圧電素子
１０３を両側から金属製の第１の弾性体２０１と第２の
弾性体２０３で挟み、軸心部に設けたボルト５を両弾性
体２０１と２０２に螺着して固定された構造となってい
る。
【００７４】第１の弾性体２０１は、第１の実施の形態
と同様に、振動変位拡大用の周溝２０１ａを有し、この
周溝２０１ａよりも端部側に軸受部２０１ｃを有する駆
動部２０１ｂが形成されている。そして、この軸受部２
０１ｃに回転体４０１が不図示の加圧機構により加圧接
触している。
【００７５】一方、第２の弾性体２０３は、振動変位拡
大用の周溝２０３ａを有し、周溝２０３ａよりも端部側
に駆動部２０３ｂが形成されているが、この駆動部２０
３ｂの端面に、振動体１０１の中心軸に回転中心を有す
る第２の回転体４０３が不図示の加圧機構を介して加圧
接触している。
【００７６】尚、第１の弾性体２０１に形成された軸受
部２０１ｃは第１の実施の形態と同様にＶ字形状溝とし
ているが、第１の回転体４０１の円筒形側面と同様な円
筒面であっても良い。
【００７７】また、第１の回転体４０１は、その直径を
大きくすると出力トルクが大きくなり、直径を小さくす
ると回転数が大きくなるので、使用目的に適した回転体
を設計できる。
【００７８】図６は本実施の形態の振動型アクチュエー
タの構造および駆動原理を示している。
【００７９】円柱形状の振動体１０１は、中央付近に第
１の弾性体２０１と第２の弾性体２０３に挟持固定され
ている圧電素子１０３により弾性振動する。図６
（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ示すのはＺ，Ｘ，Ｙ
方向の変位の軸方向の変位の軸方向（Ｚ）分布である。
【００８０】即ち、Ｚ方向の振動変位Ｗｚは中心に１個
の節を持つ縦振動（軸方向に伸び縮みする振動）であ
る。また、Ｘ方向の振動変位Ｗｘは３個の節を持つ曲げ
振動である。Ｙ方向の振動変位ＷｙもＷｘと同様、３個
の節を持つ曲げ振動である。
【００８１】ここで、振動変位Ｗｚと振動変位Ｗｘを時
間的位相差が９０度となるように発生させると、振動体
１の両端部ではＹ軸回り（Ｘ−Ｚ平面内）の楕円または
円運動が形成される。
【００８２】この運動の軸（Ｙ）は第１の回転体４０１
の軸と一致していて、第１の回転体４０１を回転させ
る。
【００８３】一方、第２の弾性体２０３にも同様の楕円
または円運動が形成されるが、第２の回転体４０３の軸
とは一致しないので、回転体４０３は回転しない。
【００８４】振動変位の時間的位相差を逆にすると（−
９０度にすると）回転体４０１は逆向きに回転する。
【００８５】振動の組み合わせを変えて、振動変位Ｗｘ
と振動変位Ｗｙを時間的位相差が９０度となるように発
生させると（曲げ振動の合成）、振動体１の両端部では
Ｚ軸回り（Ｘ−Ｙ平面内）の楕円または円運動が形成さ
れる。
【００８６】この運動の軸（Ｚ）は、振動体１０１の中
心軸に回転中心を有する第２の回転体４０３の軸と一致
していて、第２の回転体４０３を回転させる。しかし、
第１の回転体４０１の軸とは一致しないので、第１の回
転体４０１は回転しない。
【００８７】また、振動変位Ｗｚと振動変位Ｗｘと振動
変位Ｗｙを適当な時間的位相差で組み合わせると、第１
の回転体４０１と第２の回転体４０３を同時に回転させ
ることができる。
【００８８】図６（ｅ）は、このような３種類の振動変
位を発生させる圧電素子１０３の構造を示すもので、図
３の（ｅ）に示す第１の実施の形態の圧電素子３と同様
の構成である。また、圧電素子３の各分極領域に対応し
て、不図示の駆動回路と接続される電極板がそれぞれ配
設されている。
【００８９】４分割に分極処理された電気−機械エネル
ギ変換素子としての積層型圧電素子１０３（同じ位相で
４分割に分極処理された複数枚の圧電セラミックス板が
積層されてブロック化されている。）には各分極領域ご
とに独立に駆動のための交番信号（電圧）が不図示の駆
動回路により前記各電極板を介して印加できるようにな
っている。
【００９０】圧電素子１０３の各分極領域Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄは同極性に分極処理されており、図６（ｂ）の振動変
位分布に示すように、振動体１をＺ方向に振動させるに
は全ての分極領域に同じ信号を印加する。
【００９１】 ＶA ＝ＶB ＝ＶC ＝ＶD ＝ｓｉｎωｔ あるいは、対向する電極に同じ信号を印加する。
【００９２】ＶA ＝ＶC ＝ｓｉｎωｔ または ＶB ＝ＶD ＝ｓｉｎωｔ とすれば良い。
【００９３】一方、図６（ｃ）の振動変位分布のよう
に、振動体１をＸ方向に振動させるには、Ｘ方向に対向
する分極領域ＡとＣに逆位相の信号を印加すれば良い。
【００９４】 ＶA ＝ｓｉｎωｔならＶC ＝−ｓｉｎωｔ （ＶA ＝ｃｏｓωｔならＶC ＝−ｃｏｓωｔ）とする。
【００９５】更に、図６（ｄ）の振動変位分布のよう
に、振動体１をＹ方向に振動させるには、Ｙ方向に対向
する分極領域ＢとＤに逆位相の信号を印加すれば良い。
【００９６】 ＶB ＝ｓｉｎωｔならＶD ＝−ｓｉｎωｔ （ＶB ＝ｃｏｓωｔならＶD ＝−ｃｏｓωｔ）とする。
【００９７】交番信号（電圧）の周波数ωは振動体の固
有振動数に近い値を選ぶことによって、大きな振幅を出
すことができる。
【００９８】この実施の形態の場合、振動体の固有振動
数とは、Ｚ方向の振動は縦１次モード、Ｘ方向とＹ方向
は曲げ２次モードの固有振動数である。
【００９９】次に、第１の回転体４０１と第２の回転体
４０３を回転させるための交番信号の供給について説明
する。
【０１００】Ｙ軸まわりに回転体４０１を回転させる場
合には、例えば９０度の位相差をもったＺ方向変位とＸ
方向変位を発生させる。
【０１０１】即ち、 ＶA ＝ＶB ＝ＶC ＝ＶD ＝ｓｉｎωｔ（Ｚ方向変位） と ＶA ＝ｃｏｓωｔ，ＶC ＝−ｃｏｓωｔ（Ｘ方向変位） の交番信号を各対応する分極領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに供給
する。
【０１０２】すなわち、次式になる。
【０１０３】 ＶA ＝ｓｉｎωｔ＋ｃｏｓωｔ＝√２ｓｉｎ（ωｔ＋π／４） ＶB ＝ｓｉｎωｔ ＶC ＝ｓｉｎωｔ−ｃｏｓωｔ＝√２ｓｉｎ（ωｔ−π／４） ＶD ＝ｓｉｎωｔ なお、係数、すなわち電圧振幅は１や√２である必要は
ない。適当な値に設定して所望の駆動状態を得ることが
できる。
【０１０４】Ｚ軸まわりに第２の回転体４０３を回転さ
せる場合には、例えば９０度の位相差をもったＸ方向変
位とＹ方向変位を発生させる。
【０１０５】即ち、 ＶA ＝ｓｉｎωｔ，ＶC ＝−ｓｉｎωｔ（Ｘ方向変位） と ＶB ＝ｃｏｓωｔ，ＶD ＝−ｃｏｓωｔ（Ｙ方向変位） の交番信号を各対応する分極領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに供給
する。
【０１０６】すなわち、次式になる。
【０１０７】 ＶA ＝ｓｉｎωｔ ＶB ＝ｃｏｓωｔ ＶC ＝−ｓｉｎωｔ ＶD ＝−ｃｏｓωｔ なお、係数、すなわち電圧振幅は１である必要はない。
適当な値に設定して所望の駆動状態を得ることができ
る。
【０１０８】また、第２の実施の形態の振動体と回転体
４０１及び４０３を図７のようにケース内に収納する場
合、第２のケース部７ｂの底部に第２の回転体４０３の
軸部を軸支する軸受部材を設ければ良い。
【０１０９】なお、上記した第１の実施の形態、第２の
実施の形態の多自由度の振動型アクチュエータは、単一
の振動体１に対して異なる方向の移動（回転、直進）軸
が一義的に決められるので、例えばＸ−Ｙテーブル等の
駆動源として用いることができる。また、この多自由度
の振動型アクチュエータを駆動源として被駆動体を駆動
する振動波駆動装置としては、上記したＸ−Ｙテーブル
に限定されることはなく、異なる方向からの出力によ
り、１または複数の被駆動体を同時にまたは選択的に駆
動できるようにしたものに適用することができる。
【０１１０】さらに、回転体の軸部にエンコーダ等を取
り付けることで、フィードバック制御が可能となる。
【０１１１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単一の振動体と複数の接触体とを移動軸を有して相対的
に移動させることが可能となった。
【０１１２】また、接触体として２個の回転体を円筒形
にして、互いの軸が直交する向きで一個の棒状振動体の
両側に配置することにより、それぞれの接触体としての
回転体の回転軸を固定することができ、全体として（１
個の振動体＋２個の回転体）は２自由度のアクチュエー
タが構成される。
【０１１３】さらに、それぞれの接触体としての回転体
は回転軸が機械的に固定されるので、通常の回転型変位
センサを用いてフィードバック制御ができるので、制御
がシンプルになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形の形態の主要部分を示す
分解斜視図。
【図２】図１の側断面図。
【図３】図１の振動体を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は振動変位分布を示す図、
（ｅ）は圧電素子の分極状態を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形の形態の主要部分の分解
斜視図。
【図５】図４の側断面図。
【図６】図４の振動体を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は振動変位分布を示す図、
（ｅ）は圧電素子の分極状態を示す図。
【図７】本発明の第１の実施形の形態の振動型アクチュ
エータを示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は側断面図、
（ｃ）は底面図、（ｄ）は筒形クリップの斜視図。
【符号の説明】
１…振動体 ２０１，２０２，２０３…
弾性体 ３…圧電セラミックス ４０１，４０２，４０３…
回転体 ５…ボルト ６…軸受け ７…ケース ８…加圧バネ ９…支持部材 １０…フレキシブルプリン
ト基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 一郎 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 (72)発明者 小島 信行 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 AA01 AA04 AA08 BB01 BB13 BB15 BB19 BC00 BC10 CC02 DD01 DD15 DD23 DD27 DD40 DD53 DD66 DD83 DD88 DD92 DD95 DD97 EE03 EE07 EE10 EE23 FF04 FF30 FF32 FF33 FF35 FF36

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも異なる３方向の振動変位を発
    生させる振動発生手段を形成した振動体を有し、前記３
    方向の振動変位を与えて前記振動体に合成振動を発生さ
    せ、前記振動体と前記振動体に接触する複数の接触体と
    を、選択的に、もしくは同時に相対移動させたことを特
    徴とする振動型アクチュエータ。
  2. 【請求項２】 少なくとも異なる３方向の振動変位を発
    生させる振動発生手段を形成した振動体と、前記振動体
    に移動軸を１軸方向に規定さて接触する複数の接触体と
    を有し、前記振動発生手段に前記３方向の振動変位を与
    えて前記振動体に合成振動を発生させ、前記振動体と前
    記複数の接触体とを前記合成振動により得られた駆動力
    で、選択的に、もしくは同時に相対移動させたことを特
    徴とする振動型アクチュエータ。
  3. 【請求項３】 前記振動体は棒状に形成され、前記複数
    の接触体は前記振動体の軸心に対して交差する異なる方
    向にそれぞれ移動軸を有する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】 前記振動体は棒状に形成され、前記複数
    の接触体の少なくとも一つは前記振動体の軸心に移動軸
    を有し、他の接触体は前記振動体の軸心に対して交差す
    る方向に移動軸を有する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。
  5. 【請求項５】前記振動体には、前記接触体との接触部に
    移動軸を規定する軸受部を有することを特徴とする請求
    項１、２、３または４に記載の振動型アクチュエータ。
  6. 【請求項６】 前記振動発生手段は、前記振動体に互い
    に略直交する３軸方向の振動変位を独立に発生可能とす
    るものであり、前記３軸方向の振動変位に時間的に位相
    差を与えて合成振動を発生させたことを特徴とする請求
    項１ないし５のいずれかに記載の振動型アクチュエー
    タ。
  7. 【請求項７】 前記振動発生手段は、縦方向振動と方向
    の異なる複数の横方向振動を励起する電気−機械エネル
    ギ変換素子を有することを特徴とする請求項１ないし５
    のいずれかに記載の振動型アクチュエータ。
  8. 【請求項８】 前記複数の接触体が円筒形であり、それ
    ぞれの軸の方向が一致しないことを特徴とする請求項１
    ないし７のいずれかに記載の振動型アクチュエータ。
  9. 【請求項９】 前記振動体と前記複数の接触体とを軸受
    けを介して加圧することを特徴とする請求項１ないし８
    のいずれかに記載の振動型アクチュエータ。
  10. 【請求項１０】 請求項１ないし９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ようにしたこ
    とを特徴とする振動型駆動装置。
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