JP2003102185A - 振動型アクチュエータおよび振動型駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】移動体のための保持機構を特に要することなく
複数の振動体で１つの移動体を高出力で駆動できる多自
由度出力タイプの振動型アクチュエータを提供する。 【解決手段】略球体に形成された移動体401の両側に振
動体1aと振動体1bを配置し、振動体1aと1bは台座101に
浮遊保持すると共に、ばね102により夫々の振動体1aと1
bを移動体401に向けて加圧する。振動体1aと振動体1bが
移動体401に加圧接触する接触面は凹面に形成され、両
ばね102のばね力により移動体401は加圧保持される。

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】多自由度振動型アクチュエータ（超音波
モータ）としては種々のものが提案されており、以下に
説明する。 (第一の従来例)例えば日本ロボット学会誌(Vol.16,No.
8,pp87-94)に縦振動と横振動の縮退に基づく多自由度超
音波モータが提案されている。

【０００３】この多自由度超音波モータは、単一の振動
体に固有振動数の等しい複数の固有振動を励振して、振
動体表面に３軸回りの楕円振動を生成して例えば回転体
(移動体)を３軸回りに回転させる。

【０００４】このような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、この凹部に球状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軸回りの回転および前記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
る事により、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平面でも曲
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平面でも
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】以上は3自由度の回転動作を行う被駆動部
材について述べたが、Ｚ軸回りの回転およびＸ，Ｙ並進
動作についても同様に説明できる。

【０００９】（第二の従来例）一方、図１０に示すよう
に精密工学会誌Vol.61.No.9.1995 P1227-1230では、球
状の移動体３０２の周囲に複数の振動体３０１ａ、３０
１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄを配置して2自由度の駆動を
もたらす振動型アクチュエータが提示されている。振動
体３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ，３０１ｄは円環形状
であり、球状の移動体３０２を対向して挟み込むように
振動体３０１ａ，３０１ｂによる第一の一対の振動体が
配置され、これと直交する位置に振動体３０１ｃ，３０
１ｄにより第二の一対の振動体が配置され、これら対と
なる振動体が移動体に独立した回転運動を生じさせて2
軸回りの回転運動をもたらす。

【００１０】

【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には以下のような難点が
あった。 ａ：一個の被駆動部材が3自由度を持つための機械的な
保持機構。

【００１１】例えば、３軸回りの自由度を維持するよう
に球状の移動体を保持する為の機構が必要であり、これ
は一般には複雑な構成となる、あるいは保持機構による
出力損失が生じる。 ｂ：１つの振動体による出力の限界。

【００１２】特に第二の従来例の場合、一方の一対の振
動体により移動体に回転運動を与えているとき、他方の
一対の振動体と移動体の間で強制的な動摩擦運動を生じ
てしまい、損失の増加を招いてしまう。

【００１３】本出願に係る発明の目的は、被駆動部材で
ある移動体のための保持機構による出力損失を発生させ
ず、効率の良い、且つ複数の振動体で１つの移動体に運
動を発生させることで高出力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。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本出願による発明の目的
を実現する振動型アクチュエータの第1の構成は、移動
体と、前記移動体に駆動部が加圧部材の加圧力により加
圧接触して該移動体を駆動する複数の振動体とを有し、
前記複数の振動体は、駆動部に少なくとも異なる３方向
の振動変位を発生させる振動発生手段を有し、且つそれ
ぞれの駆動部を介して前記移動体に付与される前記加圧
部材の加圧力が釣り合って前記移動体を保持する位置に
配置され、前記複数の振動体に形成される少なくとも異
なる２方向以上の振動変位の組み合わせにより前記移動
体を任意の方向に移動させることを特徴とする。

【００１５】本出願によ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２の構成で、前
記振動体は、前記移動体を挟んで正対する位置に配置さ
れていることを特徴とする。

【００１６】本出願によ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の構成で、前
記振動体は、前記移動体の回りに３以上配置されている
ことを特徴とする。

【００１７】本出願によ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、上記いずれかの構成
で、前記移動体は、少なくとも前記駆動部との接触面が
球面に形成されていることを特徴とする。

【００１８】本出願によ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２の構成で、前
記移動体は、少なくとも前記駆動部との接触面が平面で
あることを特徴とする。

【００１９】本出願によ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２の構成で、前
記移動体は円筒状に形成されていることを特徴とする。

【００２０】本出願によ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。

【００２１】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１〜図５
は本発明の第1の実施の形態を示す。

【００２２】図１は本発明の第1の実施の形態の形態を
示す主要部分の斜視図である。

【００２３】１ａおよび１ｂ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、および振
動体の支持を行うための支持部材２０４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２
０２で挟み、図２に示すようにボルト５により螺着を行
い一体化された構造となっている。

【００２４】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型の圧電素子を用いてい
るが、１枚の圧電素子あるいは複数枚の圧電素子を重ね
あわせる構成であっても良い。

【００２５】本実施の形態において、第１の弾性体２０
１には、中心軸（Ｚ軸）の回りに振動変位拡大用の周溝
２０１ａが形成され、さらに周溝２０１ａよりも先端側
の駆動部２０１ｂに、中心軸（Ｚ軸）と同心にして例え
ば図２に示すように摩擦駆動を行うためのテーパ状の駆
動部２０１ｃが形成されている。

【００２６】本実施の形態では、図１に示すように同一
構成の振動体１ａ，１ｂの２個を同一軸心上に一致させ
て用いており、各振動体１ａ，１ｂは台座１０１により
支持される。振動体１の支持部材１０２と台座１０１の
間にバネ部材１０２を挟み込み、ボルト部材等の固定部
材１０３により固定される。

【００２７】ここで板形状の支持部材２０４は、台座１
０１を構成する部材、および固定部材１０３には直接固
定されず、バネ部材１０２を介していることで振動体１
は図２のＺ方向に加圧を受けている。台座１０１の構成
は図１に示すように、平面矩形上の台盤の四隅に支持柱
を固定し、短辺側に設けられた対向する支持柱でそれぞ
れ振動体の支持部材を浮遊支持するものに限定されるも
のではない。

【００２８】移動体４０１は略球状に形成されており、
外部への出力伝達部材４１０が一体化されている。

【００２９】振動体１ａと１ｂはそれぞれの摩擦駆動部
２０１ｃが移動体４０１の外周面と接し、かつおのおの
の中心軸（Ｚ軸）が同一軸線上に重なるように配置され
る。

【００３０】既に述べたように、各振動体はバネ部材１
０２の加圧力を受けており、この作用により移動体４０
１は振動体１０１ａと１０１ｂで両側から加圧接触さ
れ、振動体１の摩擦駆動部２０１ｃのテーパ形状と合わ
せて移動体４０１を保持する構造となっている。

【００３１】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。

【００３２】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により挟持固定され
ている圧電素子３により弾性振動を行う。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。

【００３３】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。

【００３４】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の端部付近、例えば２０１ｃ部にＹ軸回り（Ｘ−Ｚ平
面内）の楕円または円運動が形成される。

【００３５】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。

【００３６】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２０１ｃ部付近にＸ軸回り（Ｙ−
Ｚ平面内）の楕円または円運動が形成される。

【００３７】同様に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
うに発生させると振動体１の２０１ｃ部付近にＺ軸回り
（Ｘ−Ｙ平面内）の楕円または円運動が形成される。

【００３８】このような作用をなす振動体を用いた本実
施の形態における振動体の駆動方法を図４を用いて説明
する。

【００３９】座標軸を図4のように示し、移動体４０１
をＹ軸について時計回りに回転運動させる場合について
示す。

【００４０】振動体１ａについて振動変位Ｗｚが振動変
位Ｗｘに対して時間的位相差が９０度遅れるように振動
変位Ｗｚ及びＷｘを発生させると、振動体１の端部付
近、例えば２０１ｃ部の挙動は図４のように楕円運動と
なる。この２０１ｃ部と接触する移動体４０１の−Ｚ側
に対して−Ｘ方向に運動する力を与える。

【００４１】同様に振動体１ｂについて、振動変位Ｗｚ
が振動変位Ｗｘに対して時間的位相差が９０度遅れるよ
うに振動変位Ｗｚ及びＷｘを発生させると、振動体１の
端部付近、例えば２０１ｃ部の挙動は図４のように楕円
運動となる。この２０１ｃ部と接触する移動体４０１の
Ｚ側に対してＸ方向に運動する力を与える。これら２つ
の振動体１ａおよび１ｂが移動体４０１に与える力の合
力により、移動体４０１はＹ軸について時計回りの回転
運動を行う。

【００４２】各振動体に発生させる振動変位Ｗｚと振動
変位Ｗｘの時間的位相差を逆の関係とすると移動体４０
１はＹ軸について反時計回りの回転運動を行う。

【００４３】同様に、各振動体１に振動変位ＷｚとＷｙ
を発生させる事で移動体４０１にＸ軸回りの回転運動を
得られ、振動変位ＷｘとＷｙを発生させる事で移動体４
０１にＺ軸回りの回転運動が得られる。

【００４４】振動体１と振動体１ｂは同一の構成である
ので同一の性能を持つ。このような２つの振動体が同じ
発生力を持つように各々の振動変位Ｗｘを等しくし、同
時に振動変位Ｗｚを等しくするように駆動を行う事で移
動体４０１には偶力が作用するので移動体４０１は移動
体自身の中心軸を回転中心として回転運動を行う。よっ
て移動体４０１を保持する機構は不要となる。

【００４５】以上はＸ，Ｙ，Ｚ軸回りの回転運動につい
て説明したが、回転運動の方向はこれらに限定しない。
振動変位Ｗｘ，Ｗｙ，Ｗｚを適当に組み合わせる事で任
意の方向の回転運動を実現する。

【００４６】振動体１の個数はこれまでに示した形態に
限定しない。図５は本実施の形態の振動型アクチュエー
タの他の形態について示した斜視図である。第１の振動
体１ａ、第２の振動体１ｂ、第３の振動体１ｃは移動体
４０１の回転中心を含む平面状に略１２０°間隔で配置
されている。この構成以外は図１の形態で示したものと
同様であり図中記載及び説明は略す。３つの振動体1
ａ、１ｂ、１ｃの発生力を１つの移動体４０１に与える
ことで簡単に振動型アクチュエータの高出力を実現す
る。

【００４７】なお、本実施の形態では振動体を略１２０
°間隔で３個配置しているが、振動体の個数、配置方法
はこれに限定されるものではなく、４つ以上の振動体の
長手軸が移動体４０１の回転中心と略一致するように配
置する事も可能である。

【００４８】（第２の実施の形態）図６は本発明の第２
の実施の形態の形態を示す主要部分の斜視図である。

【００４９】１ｃ及び１ｄは四角柱形状に形成された振
動体で、同一形状である。振動体１ｃ，１ｄは、金属で
形成される弾性体２０５の長辺を持つ面に圧電素子板４
ａ〜４ｄを接着等により接着して一体化した構造であ
り、弾性体２０５には振動体の支持を行う支持部材２０
４が形成される。

【００５０】振動体の一端部である駆動部２０５ａと接
触する移動体４０２の接触部４０２ａは略平面状に形成
され、振動体１ｃ，１ｄと対向して配置し、加圧接触さ
れる。

【００５１】振動体１ｃ，１ｄと移動体４０２間の加圧
接触方法、振動体の保持方法等は図１に示した第１の実
施の形態の形態に準ずるので説明は略す。

【００５２】図７に振動体１ｃ，１ｄの動作原理を示
す。

【００５３】振動体を構成する弾性体２０５のＸＺ面に
は圧電素子板４ａ，４ｂが配置され、ＹＺ面には圧電素
子板４ｃ，４ｄが配置され、これら圧電素子板の逆圧電
効果により振動体は弾性振動を行う。

【００５４】これら圧電素子板４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ
に同位相の交流駆動信号を印加すると、振動体１ｃ，１
ｄは中心に１個の節を持つ縦振動を発生し、図７(b)の
ようにＺ方向の振動変位分布Ｗｘを発生する。

【００５５】そして、圧電素子板４ｃ、４ｄに印加する
交流駆動信号はそのままとし、圧電素子板４ａ，４ｂに
逆位相の交流駆動信号を印加すると、振動体１ｃ，１ｄ
は３個の節を持つ曲げ振動を発生し、図７(ｃ)のように
Ｘ方向の振動変位分布Ｗｘを発生する。

【００５６】同様に、圧電素子板４ａ、４ｂには上記し
た逆位相の交流駆動信号を印加したまま、圧電素子板４
ｃ，４ｄに逆位相の交流駆動信号を印加すると、振動体
１ｃ，１ｄは３個の節を持つ曲げ振動を発生し、図７
（ｄ）のようにＹ方向の振動変位分布Ｗｙを発生する。

【００５７】これら３つの異なる振動の合成により、移
動体４０２の駆動が行われる。

【００５８】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１ｃ，１
ｄの駆動部２０５ａにＹ軸回り（Ｘ−Ｚ平面内）の楕円
または円運動が形成され、移動体４０２をＸ方向に駆動
する作用をなす。

【００５９】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１ｃ，１ｄの駆動部２０５ａにＸ軸
回り（Ｙ−Ｚ平面内）の楕円または円運動が形成され、
移動体４０２をＹ方向に駆動する作用をなす。

【００６０】同様に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、振動体１ｃ，１ｄの駆動部２０５ａ
にＺ軸回り（Ｘ−Ｙ平面内）の楕円または円運動が形成
され、移動体４０２をＺ軸回りに回転駆動する作用をな
す。第１の実施の形態と同様に、振動体１ｃ，１ｄの発
生力を合成する事で、移動体４０２はＸ方向，Ｙ方向及
びＺ軸回りの運動を行う。運動方向はこれらに限定され
ず、振動の組み合わせにより任意の運動を発生する。

【００６１】（第３の実施の形態）図８は本発明の第３
の実施の形態の形態を示す主要部分の斜視図である。基
本的な構成は図１に示した第１の実施の形態の形態に準
じている。ただし移動体４０３は図８中に示したＹ方向
に中心軸を持ち、略円筒形状の接触部４０３ａが形成さ
れている。

【００６２】第１の弾性体１ｅと第２の弾性体１ｆと
は、共に先端付近にＹ軸方向に例えば図９に示すように
凹状に形成された駆動部２０６ｃが配置している。

【００６３】第１の弾性体１ｅと第２の弾性体１ｆに形
成された駆動部２０６ｃは筒形状に形成された移動体４
０３の外周部である接触部４０３ａに加圧接触される。

【００６４】上記した第１あるいは第２の実施の形態の
形態で説明したのと同様の作用により、移動体４０３は
Ｙ方向への移動及びＹ軸回りの回転運動を行う。

【００６５】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高出力
を容易に発生しうるので、例えばＸＹステージの駆動、
監視カメラの雲台、ロボットハンドの関節部の駆動源と
して用いる事ができる。

【００６６】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型駆動装置と
しては、上記した用途に限定される事はなく、３つの自
由度を任意に選択して駆動できるようにしたものに適用
する事ができる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
機械的な保持機構を持たずに複数の自由度を持つ移動体
の駆動を可能とした。また、複数の振動体により移動体
を駆動する事で高出力の多自由度振動型アクチュエータ
を可能とした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の形態を示す斜視
図。

【図２】図１に示す振動体の側断面図。

【図３】図１に示す振動体であり、（ａ）は斜視図、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は振動変位分布を示す図。

【図４】第１の実施の形態の駆動イメージ図。

【図５】第１の実施の形態の変形例を示す斜視図。

【図６】本発明の第２の実施の形態の形態を示す斜視
図。

【図７】図６に示す振動体であり、（ａ）は斜視図、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は振動変位分布を示す図。

【図８】本発明の第３の実施の形態の形態を示す斜視
図。

【図９】図８の振動体の側断面図。

【図１０】従来の多自由度振動型アクチュエータを示す
斜視図。

【符号の説明】

１…振動体 ４…圧電素子 ４０１、４０２，４０３…移動体

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体と、前記移動体に駆動部が加圧部
   材の加圧力により加圧接触して該移動体を駆動する複数
   の振動体とを有し、前記複数の振動体は、駆動部に少な
   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
   段を有し、且つそれぞれの駆動部を介して前記移動体に
   付与される前記加圧部材の加圧力が釣り合って前記移動
   体を保持する位置に配置され、前記複数の振動体に形成
   される少なくとも異なる２方向以上の振動変位の組み合
   わせにより前記移動体を任意の方向に移動させることを
   特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記振動体は、前記移動体を挟んで正対
   する位置に配置されている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】 前記振動体は、前記移動体の回りに３以
   上配置されている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。
4. 【請求項４】 前記移動体は、少なくとも前記駆動部と
   の接触面が球面に形成されてい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振動型アクチュエータ。
5. 【請求項５】 前記移動体は、少なくとも前記駆動部と
   の接触面が平面であることを特徴とする請求項２記載の
   振動型アクチュエータ。
6. 【請求項６】 前記移動体は円筒状に形成されているこ
   とを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエー
   タ。
7. 【請求項７】 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を駆動源として有し、前記駆動源に
   より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。