JP2001211671A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２つの圧電素子の変位を合成してチップ部材
が楕円軌跡を描くように駆動し、被駆動部材であるロー
タを回転駆動するトラス型アクチュエータにおいて、消
費電力を一定に保ちつつロータの回転速度及び／又は駆
動力を制御する。 【解決手段】 速度検出部５６によりロータ４０の回転
速度を検出し、あらかじめ設定されている目標速度と現
在の速度とを比較し、ロータを目標速度で回転駆動する
べく、位相制御部５１を制御して第１圧電素子１０に印
加する駆動信号と第２圧電素子１０’に印加する駆動信
号の位相差を調節する。駆動信号の位相差制御により、
各圧電素子１０，１０’の交点に設けられたチップ部材
の描く楕円軌跡のチップ部材とロータの接点における接
線方向及び法線方向の径が変化し、ロータの回転速度が
変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子等の変位
素子を複数用いて駆動部材を楕円形状の軌跡を描くよう
に駆動し、駆動部材をロータ又はロッド等の被駆動部材
に当接させることにより被駆動部材を駆動させるアクチ
ュエータにおける被駆動部材の速度及び駆動力の制御に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、２つの圧電素子等の変位素子をそ
の変位方向が所定の角度（例えば９０度）をなすように
配置し、各変位素子の交点に設けられた駆動部材が楕円
軌道を描くように各変位素子をそれぞれ所定の位相差を
有する交流電圧信号で駆動し、駆動部材が当接する被駆
動部材を所定方向に回転又は移動させるトラス型アクチ
ュエータが提案されている。

【０００３】トラス型アクチュエータを構成する２つの
圧電素子に対してそれぞれ位相の異なる正弦波電圧を印
加すると、それに応じて２つの圧電素子がそれぞれ位相
の異なる正弦波的に変位する。その結果、２つの圧電素
子に結合されたチップ部材（駆動部材）は、楕円運動
（位相差９０度の場合円運動）を行う。チップ部材が楕
円運動又は円運動を行うと、チップ部材がロータ（被駆
動部材）に間欠的に接触し、接触期間中チップ部材とロ
ータとの間に作用する摩擦力によりロータがチップ部材
の動きに追従し、ロータが所定方向に間欠的に回転され
る。この動作を連続的に繰り返すことにより、ロータを
介して出力を得ることができる。

【０００４】ロータの回転速度を変化させるには、各圧
電素子に印加する駆動信号（正弦波電圧）の周波数、電
圧、位相差等を変化させることが考えられる。例えば特
公平７−１１４５５０号公報（従来例１）には、被駆動
部材の速度の目標値に応じて、圧電素子に印加する駆動
信号の電圧を変化させることにより被駆動部材の速度制
御を行う第１の速度制御と、駆動信号の周波数を変化さ
せることにより被駆動部材の速度制御を行う第２の速度
制御とを切り替えるアクチュエータが記載されている。

【０００５】また、特公平６−３６６７３号公報（従来
例２）には、トラス型アクチュエータを構成する２つの
圧電素子に印加する駆動信号の位相差を１２０度に固定
し、チップ部材を扁平な楕円形状を描くように駆動する
ことにより、当時の従来技術よりも被駆動部材の速度及
び駆動力を向上させることができる旨が記載されてい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例１の方法に
よれば、被駆動部材の速度制御を駆動信号の電圧又は周
波数を変化させることにより行っているため、消費電力
の変動が大きく電源にかかる負担が大きいという問題点
を有していた。また、従来例２のように駆動信号の位相
差を固定した場合、負荷が変動するとそれに伴って速度
が変動するという問題点を有していた。

【０００７】本発明は、上記従来例の問題点を解決する
ためになされたものであり、消費電力が一定でありなが
ら被駆動部材の速度及び駆動力の制御が可能なアクチュ
エータを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のアクチュエータは、所定の変位を発生させ
る複数の変位素子と、前記各変位素子にそれぞれ結合さ
れ、前記各変位素子の変位を合成することにより楕円軌
跡を描くように駆動されると共に、被駆動部材に当接す
ることにより被駆動部材を駆動する駆動部材と、前記駆
動部材を被駆動部材に圧接させるための加圧部材と、前
記各変位素子にそれぞれ駆動信号を印加する駆動回路を
具備し、前記駆動部材と前記被駆動部材の接点における
接線方向及び法線方向における前記駆動部材の楕円軌跡
の径をそれぞれ変化させることにより前記被駆動部材の
駆動特性を制御することを特徴とする。

【０００９】上記構成において、前記駆動回路は、前記
各変位素子に印加する駆動信号の位相差を制御すること
により、前記被駆動部材の接線方向及び法線方向におけ
る前記駆動部材の楕円運動の径をそれぞれ変化させるこ
とが好ましい。

【００１０】また、前記駆動回路は、前記各変位素子に
印加する駆動信号の振幅を制御することにより、前記被
駆動部材の接線方向及び法線方向における前記駆動部材
の楕円運動の径をそれぞれ変化させることが好ましい。

【００１１】さらに、前記駆動回路は、前記駆動部材を
第１の楕円形状及び第２の楕円形状の軌跡を描くように
駆動可能であり、あらかじめ設定されている被駆動部材
の速度を基準にして、前記駆動部材の軌跡の形状を第１
の楕円形状と第２の楕円形状のいずれかに切り替えるこ
とが好ましい。

【００１２】さらに、前記駆動回路は、アクチュエータ
の起動時には前記駆動部材の軌跡が第１の楕円形状を描
くように駆動し、起動後は第２の楕円形状を描くように
制御することが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】第１の実施形態 本発明のアクチュエータの第１の実施形態について説明
する。まず、第１の実施形態において変位素子として用
いる積層型圧電素子の構成を図１に示す。図１に示すよ
うに、積層型圧電素子１０は、ＰＺＴ等の圧電特性を示
す複数のセラミック薄板１１と電極１２，１３を交互に
積層したものであり、各セラミック薄板１１と電極１
２，１３とは接着剤等により固定されている。１つおき
に配置された各電極群１２及び１３は、それぞれ信号線
１４，１５を介して駆動電源１６に接続されている。信
号線１４と１５の間に所定の電圧を印加すると、電極１
２と１３に挟まれた各セラミック薄板１１には、その積
層方向に電界が発生し、その電界は１つおきに同じ方向
である。従って、各セラミック薄板１１は、１つおきに
分極の方向が同じになる（隣り合う２つのセラミック薄
板１１の分極方向は逆となる）ように積層されている。
なお、積層型圧電素子１０の両端部には、保護層１７が
設けられている。

【００１４】駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電
極１２と１３の間に印加すると、全てのセラミック薄板
１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０全体として
伸縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる
領域では、各電極１２と１３の間に発生する電界と圧電
素子１０の変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことがで
きる。この様子を図２に示す。図中、横軸は電界強度
を、縦軸は歪み率を表す。

【００１５】次に、駆動電源１６により交流の駆動電圧
（交流信号）を各電極１２と１３の間に印加すると、そ
の電界に応じて各セラミック薄板１１は同方向に伸縮を
繰り返し、圧電素子１０全体として伸縮を繰り返す。圧
電素子１０には、その構造や電気的特性により決定され
る固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波
数が圧電素子１０の共振周波数と一致すると、インピー
ダンスが低下し、圧電素子１０の変位が増大する。圧電
素子１０は、その外形寸法に対して変位が小さいため、
低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用する
ことが望ましい。

【００１６】次に、第１の実施形態のトラス型アクチュ
エータ（以下、単にアクチュエータと称する）の構成を
図３に示す。図３に示すように、２つの変位素子（積層
型の第１圧電素子及び第２圧電素子）１０，１０’を略
直角に交差させて配置し、それらの交差側端部にチップ
部材（変位合成部）２０を接着剤により接合している。
一方、第１及び第２圧電素子１０，１０’の他端部をベ
ース部材（固定部）３０に接着剤により接合している。
チップ部材２０の材料としては、安定して高い摩擦係数
が得られ、かつ耐摩耗性に優れたタングステン等が好ま
しい。ベース部材３０の材料としては、製造が容易で、
かつ強度に優れたステンレス鋼等が好ましい。また、接
着剤としては、接着力及び強度に優れたエポキシ系樹脂
等が好ましい。なお、第１圧電素子１０及び第２圧電素
子１０’は図１に示す圧電素子１０と実質的に同一であ
り、第２圧電素子１０’の各構成要素の符号にをそれぞ
れ（’）をつけて区別する。

【００１７】第１及び第２圧電素子１０，１０’をそれ
ぞれ位相差を有する交流信号で駆動することにより、チ
ップ部材２０を楕円軌跡を描くように駆動する（楕円運
動させる）ことができる。このチップ部材２０を、例え
ば所定の軸の周りに回転可能なロータ４０の円筒面に押
しつけると、チップ部材２０の楕円運動（又は円運動）
をロータ４０の回転運動に変換することが可能となる。
または、チップ部材２０を、例えば棒状部材（図示せ
ず）の平面部に押しつけることにより、チップ部材２０
の楕円運動を棒状部材の直線運動に変換することが可能
となる。ロータ４０の材料としては、アルミニウム等の
軽量金属が好ましく、チップ部材２０との摩擦による摩
耗を防止するため、表面にアルマイト等の処理を施すこ
とが好ましい。

【００１８】互いに直交する独立した２つの運動を合成
すると、その交点は楕円振動の式（Lissajousの式）に
従った軌跡を描く。第１の実施形態のアクチュエータに
おいても、第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’を
駆動するための駆動信号の位相差を変化させることによ
り、種々の軌跡を得ることができる。チップ部材２０の
軌跡を制御することにより、ロータ４０の回転方向、回
転速度、回転力（トルク）等を制御することができる。
具体的には、ロータ４０に対してその接線方向における
チップ部材２０の軌跡の径を大きくすれば回転速度が上
昇する。また、ロータ４０に対してその法線方向におけ
るチップ部材２０の軌跡の径を大きくすれば回転力（駆
動力）が上昇する。さらに、位相を反転すれば回転方向
を反転させることができる。

【００１９】次に、第１の実施形態における駆動回路の
ブロック構成を図４に示す。発振器５０は、各圧電素子
１０，１０’の共振周波数に近い周波数の正弦波信号を
発生（発振）する。速度検出部５６は、例えばパルスエ
ンコーダや磁気抵抗素子（ＭＲセンサ）等であり、被駆
動部材であるロータ４０の回転速度を検出し、検出結果
を位相制御部５１に入力する。位相制御部５１は、図示
しない速度司令部（アクチュエータを制御するコンピュ
ータ等）から入力されるロータの目標回転速度と速度検
出部５６から入力されるロータ４０の実際の回転速度と
を比較し、第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’に
それぞれ印加する２つの駆動信号の最適な位相差を演算
し、演算結果に応じて遅延回路５２を制御し、位相のず
れた正弦波信号を発生する。第１増幅器５４及び第２増
幅器５５は、それぞれ互いに位相のずれた２つの正弦波
信号の振幅を増幅する。第１増幅器５４及び第２増幅器
５５により増幅された正弦波信号は、それぞれ第１圧電
素子１０及び第２圧電素子１０’に印加される。

【００２０】第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’
に印加する正弦波電圧の周波数が所定の値よりも大き
く、チップ部材２０の回転速度が速くなると、ばね４１
の付勢力によってはアクチュエータ自体がチップ部材２
０の変位に追従できなくなり、チップ部材２０がロータ
４０の表面から一時的に離反する（間欠的に接触する）
状態が生まれる。チップ部材２０がロータ４０の表面か
ら離反している間にチップ部材２０を所定方向に移動さ
せ、チップ部材２０がロータ４０の表面に接触している
間に所定方向と反対の方向に移動させることにより、ロ
ータ４０を回転させることができる。

【００２１】ところで、第１圧電素子１０及び第２圧電
素子１０’の変位量が小さく、チップ部材（駆動部材）
２０の変位量が数μｍ以下になると、チップ部材２０と
ロータ４０の材料の弾性により、両者が常時接触する状
態が起こり得ることが判明した。その場合、ロータ４０
がばね４１の加圧力により弾性変形し、チップ部材２０
がロータ４０に押し込まれ、チップ部材２０がロータ４
０と常時接触した状態で楕円軌跡を描くように駆動され
る。その結果、両者の間に生じる摩擦力によりロータ４
０の動きに減速力がかかり、アクチュエータとしての出
力が低下するという現象を生じる。この現象は、ばね４
１の付勢力を強くするほど顕著であり、チップ部材２０
の楕円軌跡が完全にロータ４０の変形部分に沈み込んで
しまった後は、ばね４１の加圧力とは無関係にアクチュ
エータの起動力（起動トルクに相当）は一定となる。

【００２２】次に、図３に示すアクチュエータを実際に
試作し、ばね４１の加圧力に対するチップ部材２０とロ
ータ４０の接触状態及びアクチュエータの出力特性の関
係を求める実験を行った。

【００２３】ばね４１の加圧力によるチップ部材２０と
ロータ４０の接触率の関係を図６に示す。図６におい
て、電圧（駆動信号の振幅）が７０Ｖの場合、ばね４１
による加圧力に対するチップ部材２０とロータ４０の接
触率がほぼ比例している。これは、電圧が７０Ｖの場
合、圧電素子１０，１０’の変位量が大きく、ばね４１
の加圧力の反力によるチップ部材２０及びロータ４０の
弾性変形量が法線方向の軌跡径よりも小さいため、チッ
プ部材２０がロータ４０から完全に離れると考えられ
る。なお、ばね４１による加圧力が大きければ大きいほ
ど、チップ部材２０及びロータ４０の弾性変形量が大き
くなり、チップ部材２０の楕円軌跡の径が一定であるた
め、チップ部材２０がロータ４０から離れている時間が
短くなる。

【００２４】電圧が５０Ｖの場合及び３０Ｖの場合、そ
れぞれ圧電素子１０，１０’の変位量が小さく、チップ
部材２０の楕円軌跡の径が小さく、加圧力による弾性変
形量は一定であるため、より小さい加圧力でチップ部材
２０がロータ４０と常時接触する状態が生じると考えら
れる。また、両者を比較すると、電圧３０Ｖの場合の方
が圧電素子１０，１０’の変位量がより小さいため、チ
ップ部材２０がロータ４０と常時接触する範囲が広い。
例えば電圧５０Ｖの場合、加圧力２．５Ｎ近傍に、チッ
プ部材２０とロータ４０とが間欠的に接触する状態と常
時接触する状態の遷移点が存在することがわかる。

【００２５】さらに、圧電素子１０，１０’の駆動信号
の電圧を５０Ｖ、周波数を２５ｋＨｚ、位相差９０度に
固定し、ばね４１による加圧力を０．５Ｎ〜５Ｎの間で
変化させながら、ロータ４０の負荷−（回転）速度特性
を測定した。その結果を図７に示す。

【００２６】まず、図７の縦軸（負荷０の場合）に着目
する。ばね４１による加圧力が０．５Ｎ〜５Ｎに増加す
るに従って、無負荷状態における速度Ｖは低下する。し
かしながら、チップ部材２０とロータ４０とが間欠的に
接触する状態、すなわち、ばね４１による加圧力が０．
５Ｎ、１Ｎ、１．５Ｎ及び２Ｎの特性曲線の場合、ばね
４１による加圧力の増加に伴いチップ部材２０とロータ
４０との間に作用する摩擦力が増加し、アクチュエータ
の起動力（起動トルクに相当）が増加する。

【００２７】一方、チップ部材２０とロータ４０とが常
時接触する状態、すなわち、ばね４１による加圧力が３
Ｎ、４Ｎ及び５Ｎの特性曲線の場合、ばね４１による加
圧力の増加に伴いチップ部材２０とロータ４０との間に
作用する摩擦力が増加し、アクチュエータの加速力が増
加するが、同時に減速力も増加する。駆動信号の電圧を
例えば５０Ｖに固定しているため、圧電素子１０，１
０’の変位の振幅は一定であり、加速力と減速力の差
（トルクに相当）はほぼ一定である。しかしながら、ば
ね４１による加圧力を増加させると速度が低下するた
め、結果的にアクチュエータの出力は低下する。

【００２８】また、同条件で駆動信号の位相差を６０度
と１２０度にした場合のロータ４０の負荷−（回転）速
度特性を図８に示す。そのときのチップ部材２０の軌跡
形状を図５（ａ）及び（ｂ）に示す。

【００２９】図５からわかるように、駆動信号の位相差
を小さくすると、チップ部材２０の軌跡はチップ部材２
０とロータ４０の接点における法線方向の径が長い楕円
となり、位相差を大きくするとチップ部材２０とロータ
４０の接点における接線方向の径が長い楕円となる。な
お、位相差を９０度にするとほぼ円となる（図示せ
ず）。このとき、ばね４１の加圧力は、後述するように
チップ部材２０とロータ４０とが常時接触するような圧
力に設定した。

【００３０】図８における横軸の０〜０．２Ｎすなわち
無負荷状態から軽負荷状態に着目すると、位相差１２０
度の場合の特性曲線が位相差６０度の特性曲線よりも上
に位置する。前述のように、駆動信号の位相差が大きい
場合、チップ部材２０の軌跡は、チップ部材２０とロー
タ４０の接点における接線方向の径が大きくなり、法線
方向における径が小さくなる。すなわち、チップ部材２
０の接線方向の速度（変位量）が大きく、法線方向の速
度（変位量）は小さい。一方、駆動信号の位相差が小さ
い場合、チップ部材２０の軌跡は、接線方向の径が小さ
くなり、法線方向における径が大きくなる。すなわち、
チップ部材２０の接線方向の速度（変位量）が小さく、
法線方向の速度（変位量）は大きい。

【００３１】チップ部材２０の軌跡に関し、接線方向の
速度はそのまま無負荷状態におけるロータ４０の回転速
度に影響し、また法線方向の変位量はアクチュエータの
駆動力（起動力）に影響する。すなわち、駆動信号の位
相差を大きくすると、無負荷状態におけるロータ４０の
回転速度は速くなるが、起動力は小さくなる。一方、位
相差を小さくすると、ロータ４０の回転速度は遅くなる
が、起動力は大きくなる。図８はこの結果を反映してい
る。

【００３２】次に、上記のような駆動信号の位相差を制
御してアクチュエータの駆動特性を変化させる具体例に
ついて説明する。

【００３３】トラス型アクチュエータで被駆動部材であ
るロータ４０の速度制御を行う場合、従来例で説明した
ように、圧電素子１０，１０’の振幅を変化させること
によりチップ部材２０の軌跡の径を変化させたり、ある
いは共振現象を利用するものにおいては圧電素子１０，
１０’の固有振動数の近傍の周波数域において周波数を
変化させることによりチップ部材２０の軌跡の径を変化
させることが一般的であった。ところが、これら従来の
方法では、アクチュエータに供給するエネルギーが変化
するので、電源の負担が大きいという問題を有してい
た。これに対し、第１の実施形態のように駆動信号の位
相差を変化させる方法であれば、アクチュエータに供給
するエネルギーはほとんど変化せず、電源の負担が非常
に小さいというメリットを有する。

【００３４】第１の実施形態のアクチュエータにおける
駆動信号の位相差がそれぞれ６０度と１２０度の場合に
おけるロータ４０の負荷−速度特性を図９に示す。図９
中、ロータ４０が連続して回転しているとき（通常回転
時）の負荷をＡ、静止しているロータ４０を起動させる
とき（起動時）の負荷をＣ、その中間の負荷をＢとす
る。

【００３５】図９において駆動信号の位相差が１２０度
の特性曲線に着目すると、負荷がＢとＣの間で速度が０
になる。すなわち、駆動信号の位相差を１２０度にした
場合、アクチュエータの駆動力がロータ４０の静止摩擦
力よりも小さく、ロータ４０を回転させることができな
い。一方、駆動信号の位相差が６０度の特性曲線に着目
すると、負荷がＣよりも大きい値で速度が０になる。駆
動信号の位相差を６０度にした場合、アクチュエータの
駆動力がロータ４０の静止摩擦力よりも大きいので、ロ
ータ４０を回転させることができる。そこで、最初に駆
動信号の位相差を６０度に設定してアクチュエータを起
動し、負荷が小さくなったところで駆動信号の位相差を
１２０度に切り替えるように制御すれば、起動力が大き
く、かつロータ４０の回転速度の速いアクチュエータを
得ることができる。

【００３６】また、アクチュエータの駆動中に負荷がＡ
からＢに変化した場合を考える。負荷がＢの状態では、
駆動信号の位相差を６０度にした方が位相差１２０度の
場合よりも回転速度が速い。従って、この場合は駆動信
号の位相差を１２０度から６０度に切り替えるようにす
れば、より速い速度でロータ４０を回転駆動することが
できる。この具体例の場合、駆動信号の位相差が１２０
度の特性曲線と同６０度の特性曲線が交差する速度ｖ１
を境として、ロータ４０の速度がｖ１よりも遅い場合２
つの圧電素子１０，１０’にそれぞれ印加する駆動信号
の位相差を６０度とし、またロータ４０の速度がｖ１よ
りも速い場合駆動信号の位相差を１２０度に切り替える
ことにより、このアクチュエータで達成しうる最も速い
回転速度でロータ４０を回転駆動することができる。

【００３７】このように、第１の実施形態によれば、２
つの圧電素子１０，１０’にそれぞれ印加する駆動信号
の位相差を制御することによりチップ部材２０の描く楕
円軌跡の径を変化させ、ロータ４０の回転速度及び／又
はアクチュエータの駆動力（起動力）を制御するので、
ロータ４０の回転速度や負荷に関わらず、消費される電
力はほぼ一定となり、電源の負担を非常に小さく、実質
的に零にすることができる。また、アクチュエータの起
動後に、ロータ４０の回転速度や負荷の変動に応じて適
宜圧電素子１０，１０’に印加する駆動信号の位相差を
変化させることにより、可能な限り速い速度又は大きな
駆動力でロータ４０を回転駆動することができる。

【００３８】第２の実施形態 次に、アクチュエータの第２の実施形態について説明す
る。第２の実施形態におけるトラス型アクチュエータの
構成を図１０に示す。図３に示す第１の実施形態のアク
チュエータと異なる点は、第１にアクチュエータの配置
である。すなわち、第２の実施形態のアクチュエータで
は、一方の圧電素子１０をチップ部材２０とロータ４０
との接点を通る法線と平行に配置し、他方の圧電素子１
０’を接線方向に配置している。なお、チップ部材２０
の形状及びばね４１の取り付け位置を除き、その他は上
記第１の実施形態のものとほぼ同一である。

【００３９】第２の実施形態における駆動回路のブロッ
ク構成を図１１に示す。発振器５０は、各圧電素子１
０，１０’の共振周波数に近い周波数の正弦波信号を発
生（発振）する。速度検出部５６は、被駆動部材である
ロータ４０の回転速度を検出し、検出結果を振幅制御部
５３に入力する。振幅制御部５３は、図示しない速度司
令部（アクチュエータを制御するコンピュータ等）から
入力されるロータの目標回転速度と速度検出部５６から
入力されるロータ４０の実際の回転速度とを比較し、第
１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’にそれぞれ印加
する２つの駆動信号の最適な振幅を演算し、演算結果に
応じて第１増幅器５４及び第２増幅器５５の増幅率を制
御する。第１増幅器５４及び第２増幅器５５は、振幅制
御部５３からの制御信号に応じてそれぞれ互いに２つの
正弦波信号の振幅を増幅する。第１増幅器５４及び第２
増幅器５５により増幅された正弦波信号は、それぞれ第
１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’に印加される。
なお、第２の実施形態では、各圧電素子１０，１０’に
印加する駆動信号の位相差は固定されているものとす
る。

【００４０】図１０に示す配置の場合、チップ部材２０
の描く楕円軌跡の形状（法線方向の径及び接線方向の
径）を変化させるのは、各圧電素子１０，１０’の振幅
である。チップ部材２０とロータ４０との接点における
チップ部材２０の楕円軌跡の接線方向の径を変化させる
には、第２圧電素子１０’に印加する駆動信号の電圧を
制御する。また、同楕円軌跡の法線方向の径を変化させ
るには、第１圧電素子１０に印加する駆動信号の電圧を
変化させればよい。このとき、他方の圧電素子に印加す
る電圧を同時に逆方向に変化させ、アクチュエータ全体
の消費電力をほぼ一定になるように制御してもよい。後
者の場合、第１の実施形態と同様に消費電力がほぼ一定
となるので、電源の負担を非常に小さく、実質的に零に
することが可能となる。

【００４１】その他の実施形態 上記各実施形態では、変位素子として圧電素子を用いて
いるが、一般に圧電素子はセラミックス材料で作られて
おり、金属材料と比較して振動の減衰が大きく、共振時
の変位拡大率が小さい。また、セラミックスは圧縮力に
は強いが引っ張り力には弱く、特に積層型圧電素子の場
合、その接着面で剥がれる可能性もある。そこで、変位
素子として単層の圧電素子と金属製の弾性体を直列接続
したものを用いることもできる。この変位素子を用いた
トラス型アクチュエータの構成を図１２に示す。

【００４２】第１変位素子６０及び第２変位素子６０’
は、それぞれ単層の圧電素子（セラミックス薄板）６
１，６１’と及び弾性体６２，６２’で構成され、圧電
素子６１，６１’の両面には電極は設けられていない。
また、第１変位素子６０及び第２変位素子６０’は、そ
れぞれ接着剤を用いずに、ボルト６３，６３’によりチ
ップ部材２０及びベース部材３０に固定されている。弾
性体６２，６２’及びベース部材３０をそれぞれ導電性
材料で形成し、弾性体６２，６２’及びベース部材３０
の間に駆動電源１６，１６’を接続し、第１変位素子６
０及び第２変位素子６０’をそれぞれ上記共振周波数で
駆動する。

【００４３】圧電素子６１，６１’を振動源として弾性
体６２，６２’を共振させることにより変位を拡大する
ことができる。また、金属材料の減衰が小さいため変位
がより拡大し、圧電素子６１，６１’に加わる引っ張り
力が小さくなるため、圧電素子６１，６１’の破壊を防
止することも可能である。弾性体６２，６２’の材料と
しては、アルミニウム、チタン、鉄、銅及びそれらの合
金等を用いる。単層の圧電素子６１，６１’の変位素子
全体に占める長さ方向の割合は非常に小さい。

【００４４】なお、上記各実施形態の説明では、チップ
部材２０を駆動するための２つの変位素子１０，１０’
又は６０，６０’をそれぞれ直交するように配置した
が、これに限定されるものではなく、その他の角度、例
えば４５°、１３５°等任意の角度であってもよい。さ
らに、変位素子の数は２つに限定されず、変位素子を３
個、あるいはそれ以上用いて、３自由度又は４自由度の
駆動を行うように構成してもよい。さらに、変位素子の
駆動源として、圧電素子だけでなく、磁歪素子等他の電
気的又は機械的変位素子を用いてもよい。

【００４５】また、上記各実施形態では、圧電素子１
０，１０’及び６１，６１’の駆動信号の周波数につい
ては特に示さなかったが、共振現象を利用し、圧電素子
１０，１０’の固有振動数又は弾性体６２，６２’を共
振させるための周波数で駆動してもよい。その場合、圧
電素子１０，１０’のインピーダンスが低下し、消費電
力を低減させることができ、少ない消費電力で大きな出
力を得ることができる。

【００４６】さらに、上記各実施形態の説明において、
チップ部材２０の軌跡が楕円を描くように説明したが、
各圧電素子１０，１０’に印加する駆動信号の位相差又
は電圧を変化させた結果チップ部材２０の軌跡が円を描
く場合が含まれることはいうまでもない。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のアクチュ
エータによれば、所定の変位を発生させる複数の変位素
子と、前記各変位素子にそれぞれ結合され、前記各変位
素子の変位を合成することにより楕円軌跡を描くように
駆動されると共に、被駆動部材に当接することにより被
駆動部材を駆動する駆動部材と、前記駆動部材を被駆動
部材に圧接させるための加圧部材と、前記各変位素子に
それぞれ駆動信号を印加する駆動回路を具備し、前記駆
動部材と前記被駆動部材の接点における接線方向及び法
線方向における前記駆動部材の楕円軌跡の径をそれぞれ
変化させることにより前記被駆動部材の駆動特性を制御
するので、駆動部材の描く楕円軌跡の形状に応じて被駆
動部材の速度を変化させることができる。

【００４８】具体的には、楕円軌跡の接線方向の径は被
駆動部材の速度に影響し、法線方向の径は駆動力（起動
力）に影響する。楕円軌跡の接線方向の径を長くするこ
とにより被駆動部材の速度を速くすることができ、法線
方向の径を長くすることにより駆動力を大きくすること
ができる。また、それらの逆の場合被駆動部材の速度を
遅くしたり、駆動力を小さくすることができる。

【００４９】また、前記駆動回路は、前記各変位素子に
印加する駆動信号の位相差を制御することにより、前記
被駆動部材の接線方向及び法線方向における前記駆動部
材の楕円運動の径をそれぞれ変化させるように構成した
ので、圧電素子に印加する駆動信号の電流は変化せず、
アクチュエータ全体の消費電力を一定に保持したまま被
駆動部材の速度制御を行うことができる。その結果、電
源の負担をほぼ零に低減することができる。

【００５０】または、前記駆動回路は、前記各変位素子
に印加する駆動信号の振幅を制御することにより、前記
被駆動部材の接線方向及び法線方向における前記駆動部
材の楕円軌跡の径をそれぞれ変化させるように構成する
ことにより、上記駆動信号の位相差制御によっては楕円
軌跡の径を変化させにくい場合であっても、駆動部材の
楕円軌跡の径を変化させることができる。その結果、ア
クチュエータの構成や配置の自由度が大きくなり、アク
チュエータの適用範囲が広がる。

【００５１】さらに、前記駆動回路は、前記駆動部材を
第１の楕円形状及び第２の楕円形状の軌跡を描くように
駆動可能であり、あらかじめ設定されている被駆動部材
の速度を基準にして、前記駆動部材の軌跡の形状を第１
の楕円形状と第２の楕円形状のいずれかに切り替えるよ
うに構成することにより、例えばアクチュエータの駆動
中に負荷変動が生じた場合等に最適な条件で被駆動部材
を駆動することが可能となる。

【００５２】さらに、前記駆動回路は、アクチュエータ
の起動時には前記駆動部材の軌跡が第１の楕円形状を描
くように駆動し、起動後は第２の楕円形状を描くように
制御することにより、被駆動部材を可能な限り速い速度
で駆動することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のトラス型アクチュエータの第１の実
施形態において変位素子として用いる積層型圧電素子の
構成を示す図である。

【図２】 上記積層型圧電素子における各電極の間に発
生する電界と圧電素子の変位の関係を示す図である。

【図３】 上記第１の実施形態におけるトラス型アクチ
ュエータの構成を示す図である。

【図４】 上記第１の実施形態における駆動回路のブロ
ック構成を示す図である。

【図５】 上記第１の実施形態において、２つの圧電素
子に印加する駆動信号の振幅を等しくし、各駆動信号間
の位相差を変化させた場合の軌跡を示す図である。

【図６】 上記第１の実施形態のアクチュエータにおけ
るばねによる加圧力とチップ部材とロータの接触率の関
係を示す図である。

【図７】 上記第１の実施形態のアクチュエータにおけ
る加圧力によるロータの負荷−（回転）速度特性を示す
図である。

【図８】 上記第１の実施形態のアクチュエータにおけ
る駆動信号の位相差によるロータの負荷−（回転）速度
特性を示す図である。

【図９】 上記第１の実施形態のアクチュエータにおけ
る駆動信号の位相差６０度と１２０度によるロータの負
荷−（回転）速度特性を示す図（図８を抽象化したも
の）である。

【図１０】 本発明のアクチュエータの第２の実施形態
の構成を示す図である。

【図１１】 上記第２の実施形態における駆動回路のブ
ロック構成を示す図である。

【図１２】 本発明のトラス型アクチュエータの他の構
成例を示す図である。

【符号の説明】

１０ ：第１圧電素子（変位素子） １０’：第２圧電素子（変位素子） １６，１６’：駆動電源（駆動部） ２０ ：チップ部材（駆動部材） ３０ ：ベース部材（固定部） ４０ ：ロータ（被駆動部材） ５０ ：発振器（駆動回路） ５１ ：位相制御部（駆動回路） ５２ ：遅延回路（駆動回路） ５３ ：振幅制御部（駆動回路） ５４ ：第１増幅器（駆動回路） ５５ ：第２増幅器（駆動回路） ５６ ：速度検出部（駆動回路）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 浩幸 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 柴谷 一弘 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 松田 伸也 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 小坂 明 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 5H680 AA04 AA05 AA06 AA08 AA09 BB01 BB13 BB15 CC02 CC10 DD01 DD23 DD27 DD37 DD55 DD67 DD74 DD83 DD85 DD95 EE23 FF04 FF08 FF17 FF21 FF23 FF26 FF27 FF30 FF33 FF36 GG02 GG20 GG22 GG23 GG25 GG27 GG41

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の変位を発生させる複数の変位素子
   と、前記各変位素子にそれぞれ結合され、前記各変位素
   子の変位を合成することにより楕円軌跡を描くように駆
   動されると共に、被駆動部材に当接することにより被駆
   動部材を駆動する駆動部材と、前記駆動部材を被駆動部
   材に圧接させるための加圧部材と、前記各変位素子にそ
   れぞれ駆動信号を印加する駆動回路を具備し、前記駆動
   部材と前記被駆動部材の接点における接線方向及び法線
   方向における前記駆動部材の楕円軌跡の径をそれぞれ変
   化させることにより前記被駆動部材の駆動特性を制御す
   ることを特徴とするアクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記駆動回路は、前記各変位素子に印加
   する駆動信号の位相差を制御することにより、前記被駆
   動部材の接線方向及び法線方向における前記駆動部材の
   楕円運動の径をそれぞれ変化させることを特徴とする請
   求項１記載のアクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記駆動回路は、前記各変位素子に印加
   する駆動信号の振幅を制御することにより、前記被駆動
   部材の接線方向及び法線方向における前記駆動部材の楕
   円運動の径をそれぞれ変化させることを特徴とする請求
   項１記載のアクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記駆動回路は、前記駆動部材を第１の
   楕円形状及び第２の楕円形状の軌跡を描くように駆動可
   能であり、あらかじめ設定されている被駆動部材の速度
   を基準にして、前記駆動部材の軌跡の形状を第１の楕円
   形状と第２の楕円形状のいずれかに切り替えることを特
   徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエ
   ータ。
5. 【請求項５】 前記駆動回路は、アクチュエータの起動
   時には前記駆動部材の軌跡が第１の楕円形状を描くよう
   に駆動し、起動後は第２の楕円形状を描くように制御す
   ることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ。