JP2004298792A - 振動体 - Google Patents

Abstract

【課題】一つの振動体によって被駆動体を多自由度で駆動させようとすると、電気−機械エネルギ変換素子の構造が複雑になったりする。
【解決手段】少なくとも電気−機械エネルギ変換素子を有し、平板状に形成された振動発生手段（１）と、この振動発生手段に突状に形成され、被駆動体に接触する出力取出し部（２）とを備え、振動発生手段は、複数の駆動周波数のうち各駆動周波数の交番信号の入力を受けることによって各駆動周波数に応じた複数の曲げ振動を発生させるとともに、出力取出し部を介して被駆動体に複数の異なる方向の駆動力を付与する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動体および振動型駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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る振動型アクチュエータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１で提案されている振動型アクチュエータは、弾性体に縦振動および位相の異なる複数の横振動を励起する電気−機械エネルギ変換素子を設けた振動体を有し、縦振動および複数の横振動のうちの２つの振動を選択的に組み合わせ、弾性体の任意の平面内の点に楕円運動を形成させることで多自由度の駆動力を得ている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１６４５７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の振動型アクチュエータでは、複数の駆動モードを縮退させるため、電気−機械エネルギ変換素子の構造が複雑になったり、各駆動モードの共振周波数の調整が必須になったり、振動体性能のばらつきを抑えるために部品の仕上げなどに極めて細心の注意を払ったりしなければならない。このような理由により、従来の振動型アクチュエータは量産性に不向きである。
【０００６】
また、従来の振動型アクチュエータにおいて出力を増大させるためには、同寸法のままでは限界があり、アクチュエータを大型化させたり、複数の振動体で構成して複合アクチュエータ化させたりする必要がある。この場合には、一つの振動体を用いて占有スペースを小さくしたいという従来技術の目的に相反するものであり好ましくない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、量産性に優れ、占有スペースを極端に広げることなく容易に大出力化を達成することができる多自由度の振動型駆動装置やこれに用いられる振動体を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の振動体は、少なくとも電気−機械エネルギ変換素子を有し、平板状に形成された振動発生手段と、この振動発生手段に突状に形成され、被駆動体に接触する出力取出し部とを備え、振動発生手段は、複数の駆動周波数のうち各駆動周波数の交番信号の入力を受けることによって各駆動周波数に応じた複数の曲げ振動を発生させるとともに、出力取出し部を介して被駆動体に複数の異なる方向の駆動力を付与することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における振動体の構造を説明する図である。１は平板状に形成された弾性体であり、２は柱状に形成され、互いに対向する３組の面を有する出力取出し部である。本実施形態では、弾性体１の寸法を、２０ｍｍ（長さ、図１の矢印Ｘ方向）＊１０ｍｍ（幅、図１の矢印Ｙ方向）＊２ｍｍ（厚み）としている。また、出力取出し部２の先端には、不図示の被駆動体が接触する。
【００１０】
弾性体１（振動発生手段）の裏面には、例えばＰＺＴで構成された電気−機械エネルギ変換素子（不図示、振動発生手段）が溶接又は接着剤により接合している。なお、電気−機械エネルギ変換素子のみによって弾性体を構成するようにしてもよい。また、圧電薄膜などを用いれば、振動体の小型化を図ることができる。
【００１１】
本実施形態において、高さｈの出力取出し部２は、別体で構成されており、接着、溶接、焼きばめ、圧入などにより弾性体１と接合する。なお、出力取出し部２は弾性体１と一体的に構成してもよく、この場合にはプレスや鍛造などにより製造することができる。
【００１２】
出力取出し部２の材質には、セラミックやＳＵＳを用いることが好ましく、これにより出力取出し部２のうち被駆動体との接触部分に摩擦機能を付加することができる。
【００１３】
本実施形態における振動体は、平板状の弾性体１の表面に出力取出し部２を設けただけであるため、単純な構成となる。このように振動体を単純な構造とすることで、この振動体から構成されるアクチュエータを容易に小型化することが可能となる。
【００１４】
図２は、本実施形態における振動体の駆動モードを説明する図である。本実施形態の振動体では、弾性体１の長手方向（図１の矢印Ｘ方向）における第１の平板曲げモード（共振周波数ｆａ）と、弾性体１の長手方向と直交する方向（図１の矢印Ｙ方向）における第２の平板曲げモード（共振周波数ｆｂ）とを有している。
【００１５】
ここで、電気−機械エネルギ変換素子に、駆動周波数がｆａ近傍の交流電圧を印加すると、出力取出し部２は図２に示すように水平方向（点線で示す）に対して角度θをなす方向に往復運動を始める。これにより、振動体は、図２の矢印Ｆｘに示す駆動力を発生することが可能である。このＦｘの駆動力は、図１の弾性体１の長手方向における駆動力となる。
【００１６】
一方、電気−機械エネルギ変換素子に、駆動周波数がｆｂ近傍の交流電圧を印加すると、出力取出し部２が往復運動を行うことにより、振動体は、矢印Ｆｘと直交する方向（図１の矢印Ｙ方向）の駆動力（Ｆｙ）を発生する。
【００１７】
ここで、出力取出し部２は、弾性体１のうち、上述した第１の平板曲げモードおよび第２の平板曲げモードのそれぞれによって上述した往復運動が可能となる位置に配置されている。
【００１８】
図３は、上述した第１および第２の平板曲げモードと異なるモードである第３の平板曲げモードを説明する図である。
【００１９】
本実施形態における振動体は、上述した第１および第２の平板曲げモードに加えて、図３に示すように弾性体１の対角線上を腹とする第３の平板曲げモード（共振周波数ｆｄ）を有する。ここで、電気−機械エネルギ変換素子に、駆動周波数がｆｄ近傍の交流電圧を印加すると、出力取出し部２が往復運動を行うことにより、振動体は、弾性体１の上記対角線に対して直交する方向の駆動力を発生することができる。
【００２０】
すなわち、出力取出し部２は、弾性体１のうち、上述した第３の平板曲げモードにおいて上述した往復運動が可能となる位置に配置されている。つまり、出力取出し部２は、第１から第３の平板曲げモードのそれぞれにおいて、曲げ振動の腹の中心と節の間となる位置に配置されていることになる。
【００２１】
これにより、ｆａ、ｆｂ、ｆｄの３種類の共振周波数を被駆動体の駆動モードとして用いることが可能である。従って、電気−機械エネルギ変換素子に印加する交流電圧の駆動周波数（ｆａ〜ｆｄ）を切り替えて、３種類の平板曲げモードのうち少なくとも２種類の平板曲げモードを選択することで、被駆動体の駆動方向を少なくとも２方向で切り替えることが可能である。
【００２２】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態における振動体の構造を説明する図である。同図において、第１実施形態で説明した部材と同じ部材については同一符号を付して説明を省略する。
【００２３】
第１実施形態のように出力取出し部２を柱状に形成した場合には、出力取出し部２と被駆動体との接触状態の関係上、駆動モードを限定しなければならない。特に、出力取出し部２は、矢印Ｘ方向と平行な側面と矢印Ｙ方向と平行な側面を有するため、図３に示す駆動モードの場合には、出力取出し部２の角形の頂点において被駆動体への駆動力の伝達がなされる。
【００２４】
このため、出力取出し部２および被駆動体の接触状態が不安定になり、異音を発するおそれがある。
【００２５】
したがって、第１実施形態の出力取出し部２を用いた場合には、図３に示す駆動モードを使用することが困難である。本実施形態では、図４に示すように弾性体１の表面に円柱状に形成された出力取出し部３を設けている。
【００２６】
これにより、出力取出し部３および被駆動体の接触状態（特に、図３の駆動モードにおける接触状態）を、第１実施形態の場合に比べて安定化させることができ、第１実施形態のように駆動モードを限定する必要もなくなるる
また、出力取出し部３は、各平板曲げモードにおける駆動周波数（ｆａ〜ｆｄ）に対してほとんど応答することなく追従できることが必要である。出力取出し部３の振動モードが影響を受けると、被駆動体との接触状態が不安定になりやすく異音を発しやすい。
【００２７】
このため、出力取出し部３の最低次振動モードの固有振動数を駆動周波数よりも１．５倍以上大きく設定することが好適である。すなわち、出力取出し部３の径を適宜、変更することにより固有振動数を調節し、被駆動体に対する接触状態を安定化させることができる。
【００２８】
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態における振動体の構造を説明する図である。同図において、第１実施形態で説明した部材については同一符号を付して説明を省略する。
【００２９】
本実施形態では、出力取出し部４が、被駆動体の駆動方向に対して直交する方向に稜線を有する多角形状に形成されている。
【００３０】
出力取出し部４のうち稜線４ａは、被駆動体の矢印Ｘ方向の駆動方向に対して直交し、稜線４ｂは、被駆動体の矢印Ｙ方向の駆動方向に対して直交するようになっている。また、出力取出し部４のうち稜線４ｃは、図５中の点線で示す弾性体１の対角線を腹とする平板曲げモードにおける被駆動体の駆動方向に対して直交するようになっている。
【００３１】
出力取出し部４を上述した多角形状に形成することにより、被駆動体の駆動方向に応じて出力取出し部４と被駆動体との接触面積を大きくとることができるため、出力取出し部４および被駆動体の接触状態を安定させることができる。
【００３２】
このように接触面積が大きくなることで高駆動力を得ることができる。しかも、接触面積が大きくなることで、出力取出し部４および被駆動体の接触部分の面圧を下げることができるため、高寿命の振動体を実現することができる。
【００３３】
（第４実施形態）
図６は、上述した第１実施形態から第３実施形態の振動体を複数配置した多自由度の振動型駆動装置を説明する図である。
【００３４】
図６（ｂ）の矢印Ｉおよび矢印ＩＩは、図２で説明した駆動モード（上述した第１および第２の平板曲げモード）における被駆動体への駆動力を示す。すなわち、矢印Ｉ方向の駆動力が、弾性体１の長手方向における曲げ振動（上述した第１の平板曲げモード）によって生じる駆動力であり、矢印ＩＩ方向の駆動力が、弾性体１の長手方向と直交する方向における曲げ振動（上述した第２の平板曲げモード）によって生じる駆動力である。
【００３５】
このように１つの振動体に対して２つの振動を励起することにより、すなわち、電気−機械エネルギ変換素子に駆動周波数（ｆａ又はｆｂ）の交流電圧を印加することにより、１つの振動体において２方向の駆動力を発生させることができる。
【００３６】
本実施形態の振動型駆動装置では、図６（ａ）に示すように、４つの振動体を最小構成単位としてユニット化している。そして、これらの振動体は、同一平面内に配置されているとともに、図６（ａ）中の点線で示す矩形の各頂点に位置するように配置されている。
【００３７】
各振動体は、図６（ａ）の矢印で示すように、２方向の駆動力を発生することができるようになっている。この４つの振動体のユニットにより、被駆動体を多自由度で往復運動させることができる。
【００３８】
例えば、図８に示すように球状に形成された被駆動体５を各振動体の出力取出し部２（３，４）に接触させた構成の振動型駆動装置について説明する。
【００３９】
球状の被駆動体５は、各振動体の出力取出し部２からの駆動力を受けることによって、各振動体における駆動力の合力の方向に駆動する。
【００４０】
被駆動体５の駆動に対する分力を有する振動体は、４つの振動体のユニットのうち２つ又は３つの振動体であり、必然的に被駆動体５の駆動に対する分力を有していない振動体が少なくとも１つ存在する。すなわち、被駆動体５の所定方向への駆動に関与する振動体が２つ又は３つあり、被駆動体５の駆動に関与しない振動体が少なくとも１つ存在することになる。この少なくとも１つの振動体は、被駆動体５を駆動する際の摩擦負荷となっている。
【００４１】
図９は、球状の被駆動体（ロータ）５と１つの振動体（出力取出し部）との接触部分を示した拡大図である。
【００４２】
図９において、矢印Ａで示す出力取出し部２の振動方向と、被駆動体５のうち出力取出し部２との接触点における接平面との成す角度をαとすると、角度αおよび駆動効率の関係はほぼ比例関係にあり、角度αが大きくなると駆動効率が向上するようになっている。また、角度αは、出力取出し部２の高さｈに応じて異なってくる。
【００４３】
従って、角度θおよび出力取出し部２の高さｈを、被駆動体５に対する駆動効率が最も良好となるような値に適宜設定することができる。
【００４４】
なお、本実施形態の振動型駆動装置は、４つの振動体からなるユニットで構成されているが、５つ以上の振動体を組み合わせて同等の機能を得るようにしてもよい。また、被駆動体５に対する出力（駆動力）に関しては、振動体の数を増やすことで容易に出力を向上させることが可能である。
【００４５】
さらに、本実施形態では、４つの振動体を同一平面内に配置しているが、同一平面内でなくても、各振動体の出力取出し部２が被駆動体５に接触して被駆動体５を駆動するような構成であればどのような配置であってもよい。
【００４６】
（第５実施形態）
図７は、上述した第１実施形態から第３実施形態で説明した振動体を複数配置した多自由度の振動型駆動装置を説明する図である。
【００４７】
図７（ｂ）の矢印Ｉおよび矢印ＩＩに示す駆動力は、図６で説明した場合と同様である。一方、矢印ＩＩＩに示す駆動力は、図３で説明した駆動モード（第３の平板曲げモード）によって生じる被駆動体への駆動力を示す。
【００４８】
本実施形態では、１つの振動体に対して３種類の振動を励起することにより、すなわち、電気−機械エネルギ変換素子に駆動周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｄの交流電圧を印加することにより、１つの振動体において３方向の駆動力を発生させることができる。
【００４９】
本実施形態の振動型駆動装置では、第４実施形態と同様に４つの振動体が同一平面内であって、点線で示す矩形の各頂点に位置するように配置されている（図７（ａ））。そして、この４つの振動体が、振動型駆動装置の最小構成単位となっている。各振動体は、図７（ａ）の矢印で示すように、３方向の駆動力を発生することができるようになっている。
【００５０】
上述したように配置された４つの振動体において、各振動体の出力取出し部２（３、４）には、図８に示すように球状の被駆動体５が接触する。そして、被駆動体５は、振動体からの駆動力を受けることにより、多自由度で往復運動することができる。
【００５１】
本実施形態では、各振動体において、矢印ＩおよびＩＩに示す駆動力に加えて、矢印ＩＩＩに示す駆動力を発生可能としている。
【００５２】
第４実施形態で説明したように１つの振動体が２方向の駆動力しか発生しない場合には、上述したように必然的に被駆動体５の駆動方向の分力を発生することができない振動体が少なくとも１つ存在し、この振動体は、被駆動体５の摩擦抵抗としてのみ作用し、ある駆動条件においては起動しないことがありうる。
【００５３】
このため、本実施形態では、矢印Ｉ、ＩＩの駆動力に加え矢印ＩＩＩの駆動力を振動体に発生させることで、すべての振動体が被駆動体の駆動に分力を発生できるような構成としている。これにより、第４実施形態のように少なくとも１つの振動体が摩擦抵抗として作用することはなく、被駆動体５に生じる摩擦抵抗を軽減させることができる。
【００５４】
すなわち、被駆動体５を所定方向に駆動する場合には、４つの振動体のうち各振動体における駆動力が、被駆動体５を所定方向に駆動させる駆動力の分力として働くことになる。
【００５５】
なお、本実施形態では、４つの振動体で構成しているが、５つ以上の振動体を組み合わせて同等の機能を持たせるようにしてもよい。また、振動体の被駆動体５に対する出力に関しては、振動体の数を増やすことによって出力を向上させることが可能である。
【００５６】
さらに、本実施形態では、４つの振動体を同一平面内に配置しているが、同一平面内でなくてもよい。
【００５７】
以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例でもあり、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【００５８】
〔発明１〕 少なくとも電気−機械エネルギ変換素子を有し、平板状に形成された振動発生手段と、
この振動発生手段に突状に形成され、被駆動体に接触する出力取出し部とを備え、
前記振動発生手段は、複数の駆動周波数のうち各駆動周波数の交番信号の入力を受けることによって前記各駆動周波数に応じた複数の曲げ振動を発生させるとともに、前記出力取出し部を介して前記被駆動体に複数の異なる方向の駆動力を付与することを特徴とする振動体。
【００５９】
上記発明１によれば、振動体の構成を単純な構成することができる。例えば、本発明の振動体を複数用いて振動型駆動装置を構成すれば、被駆動体を任意の方向に自由に駆動することが可能となる。
【００６０】
これにより、従来技術のように１つの振動体を用いて被駆動体を多自由度で駆動する場合に比べて、簡単な構造とすることができ、量産性に優れたものとすることができる。しかも、各振動体で駆動周波数の制御を行えばよいため、従来技術のように各駆動モードの共振周波数の調整を行う必要がない。
【００６１】
〔発明２〕 前記出力取出し部が円柱状に形成されていることを特徴とする前記発明１に記載の振動体。
【００６２】
〔発明３〕 前記出力取出し部は、この長手直交方向の断面が多角形に形成されているとともに、前記多角形の少なくとも一辺が前記被駆動体に対する駆動方向に対して直交することを特徴とする前記発明１に記載の振動体。
【００６３】
〔発明４〕 前記発明１から３のいずれかに記載の振動体を複数有するとともに、これらの振動体に接触する被駆動体を有しており、
前記複数の振動体のうち少なくとも２つの振動体が、前記被駆動体に対して同一又は異なる方向の駆動力を付与し、これらの駆動力の合力によって前記被駆動体を所定方向に駆動することを特徴とする振動型駆動装置。
【００６４】
〔発明５〕 前記発明１から３のいずれかに記載の振動体を複数有するとともに、これらの振動体に接触する被駆動体を有しており、
前記複数の振動体のうち各振動体がそれぞれ、前記被駆動体に対して、前記被駆動体を所定方向に駆動させる駆動力の分力を付与することを特徴とする振動型駆動装置。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な構成の振動体を用いているため、主に量産性に優れた振動型駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における振動体の外観斜視図。
【図２】振動体に対する駆動モードを説明する図。
【図３】振動体に対する駆動モードを説明する図。
【図４】第２実施形態における振動体の外観斜視図。
【図５】第３実施形態における振動体の外観斜視図。
【図６】第４実施形態である多自由度の振動型駆動装置を説明する図（ａ、ｂ）。
【図７】第５実施形態である多自由度の振動型駆動装置を説明する図（ａ、ｂ）。
【図８】球状の被駆動体を備えた振動型駆動装置の外観斜視図。
【図９】被駆動体および振動体の接触部分を示す拡大図。
【符号の説明】
１：弾性体
２、３、４：出力取出し部
５：被駆動体

Claims (1)

1. 少なくとも電気−機械エネルギ変換素子を有し、平板状に形成された振動発生手段と、
   この振動発生手段に突状に形成され、被駆動体に接触する出力取出し部とを備え、
   前記振動発生手段は、複数の駆動周波数のうち各駆動周波数の交番信号の入力を受けることによって前記各駆動周波数に応じた複数の曲げ振動を発生させるとともに、前記出力取出し部を介して前記被駆動体に複数の異なる方向の駆動力を付与することを特徴とする振動体。

Images