JP4120195B2

JP4120195B2 - 単一の変位素子により複数方向の駆動力を作用するアクチュエータ

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Publication number: JP4120195B2
Application number: JP2001306314A
Authority: JP
Inventors: 伸也松田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: JP2003111457A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、圧電素子などの変位素子を用いたアクチュエータに関する。本発明は特に、単一の変位素子を用いて複数の固有振動モードを励起し、被駆動体に対し異なる方向に駆動力を作用するアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電素子などの変位素子を用いたアクチュエータは多数知られている。
【０００３】
例えば、特開平１０−２２５１５１号公報にて提案されたアクチュエータは、図１４に示すように、圧電素子（図示せず）をそれぞれ有する一対の振動部材５０２、５０４と、これら振動部材それぞれの振動方向一端部に設けた振動片を互いに所定角度を有するように接続してなるチップ部５０６とを備え、２つの振動部材５０２、５０４の共振周波数を異ならせる。チップ部５０６には被駆動体５０８が押圧されており、振動部材５０２を共振させることで、被駆動体５０８は矢印５１０の向きに移動し、他方、振動部材５０４を共振させることで、被駆動体５０８を矢印５１２の向きに移動する。
【０００４】
また、特開２０００−１８８８８７号にて提案されたアクチュエータは、図１５に示すように、圧電素子（図示せず）を有する振動部材５２０の一次の固有振動モード［図（ａ）］と二次の固有振動モード［図（ｂ）］を利用する。振動部材５２０に押圧された被駆動体であるロータ５２２は、一次の固有振動モードでは、Ｆ_１の力を受け時計周り方向５２４に回転し、他方、二次の固有振動モードでは、Ｆ_２の力を受け反時計周り方向５２６に回転する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１４に示すアクチュエータでは、各振動部材５０２、５０４に対し、圧電素子及び該素子を駆動する駆動回路が必要となるので、アクチュエータが比較的高価である。
【０００６】
図１５に示すアクチュエータでは、振動部材５２０に対し圧電素子が一つだけであるが、振動部材５２０の異なる次数の固有振動モードを利用しているため、各モード間で振動部材５２０の振動数や振幅の差が大きく、したがって駆動方向５２４と５２６では出力差が生じる。また、このアクチュエータは、被駆動体を一つの軸周りの回転方向の切換えのみに利用でき、二つ以上の軸周りに回転させることは実質的に困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、単一の変位素子及び駆動回路を用いて被駆動体を複数の方向に駆動させる比較的安価なアクチュエータを提供することである。
【０００８】
本発明はまた、複数の駆動方向で駆動力の差が小さいアクチュエータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係るアクチュエータは、印加される電圧の周波数に応じた振動数で振動する変位素子と、
互いに異なる固有振動数を有し、前記変位素子から互いに異なる方向へ延びるように前記変位素子に直接または間接的に連結された複数の振動部材と、
被駆動体との接触面を有し、前記複数の振動部材に連結され、前記振動部材の振動に伴い振動することで被駆動体を押圧し、振動する振動部材によって異なる方向に被駆動体を駆動する押圧部材と、を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
【００１０】
前記変位素子は所定方向に伸縮可能とされ、前記変位素子の伸縮方向一端に前記押圧部材が連結され、前記押圧部材に、前記振動部材の長さ方向一端が連結されるようにしてもよい。また、前記振動部材の長さ方向他端が自由端とされるようにしてもよい。さらに、前記変位素子は、伸縮振動の固有振動数と曲げ振動の固有振動数がほぼ一致するようにしてもよい。
【００１１】
前記変位素子は所定方向に伸縮可能とされ、前記変位素子の伸縮方向一端に前記振動部材の長さ方向一端が連結され、前記振動部材の長さ方向他端が自由端とされ、各振動部材の自由端に前記押圧部材が連結されるようにしてもよい。
【００１２】
前記振動部材の固有振動数が、前記変位素子の共振周波数又はその近傍に設定されるようにしてもよい。また、前記変位素子が圧電素子であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明に係る実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係るアクチュエータの一実施形態を示す概略的な斜視図である。全体を符号２で表わすアクチュエータは、その外形が略四角錐状に形成されている。中心軸（四角錐の頂点から底面の中心との間）には、変位素子である圧電素子４が配置されている。
【００１５】
圧電素子４は、図２に示すように、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）など圧電効果を有するセラミックス材料を薄く伸ばしてなる板６と、電極８、１０とを交互に積層して形成された積層型圧電素子である。セラミックス板６と電極８、１０は接着剤などで接合されている。１つおきに配置された電極群８、１０は、それぞれ配線１２、１４を介して駆動回路１６に接続されており、その結果、駆動回路１６により所定の電圧が電極８、１０に印加されると、電極８、１０に挟まれたセラミックス板６の分極の方向が、積層方向に沿って上向き下向きを交互に繰り返すようになっている。この構成によれば、駆動回路１６により所定の周波数の交流電圧が電極８、１０間に印加されると、圧電素子４全体が積層方向に伸縮を繰り返す。なお、圧電素子４の長手方向に関する両端部に設けた部材１８、２０は、保護層であり、一方はチップ部（後述）、他方はベース部（後述）と接続するためのものである。
【００１６】
図１に戻って、四角錐の頂点から底面に向かう４つの斜辺上には、振動部材として四角柱形状の金属製ロッド２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ）が配置されている。これらロッド２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄは、頂点側から見て十字形をなしている。ロッド２２の長手方向一端部と圧電素子４の長手方向一端部は、接着剤により、四角錐の頂点に位置する金属製のチップ部２４に接合されている。チップ部２４は、後述するように圧電素子４に所定の周波数の電圧を印加すると実質的に所定の方向に往復運動し、これによりチップ部２４に押圧された被駆動体（図示せず）が所定の方向に駆動されるようにしてある。チップ部２４は、被駆動体との接触面を有する。アクチュエータ２のチップ部２４の反対側には、ばね２５などの加圧部材が設けてあり、上記接触面が被駆動体に押圧されるようにしてある。ロッド２２の長手方向他端部と圧電素子４の長手方向他端部は、接着剤により、四角錐の底面に位置する金属製のベース部２６に接合されている。
【００１７】
ロッド２２の材料としては、強度が高く減衰率の低い点で、鉄系などが好ましい。チップ部２４の材料としては、安定して高い摩擦係数が得られ、且つ耐摩耗性に優れたタングステンカーバイドなどが好ましい。ベース部２６の材料としては、製造が容易で、且つ強度に優れたステンレス鋼などが好ましい。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などが好ましい。なお、ロッド２２とチップ部２４とは同一材料から一体的に形成されていてもよい。
【００１８】
ロッド２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄは、同一の四角錐斜辺方向（ロッド長手方向）の長さを有するが、後述する理由により（上記長手方向に垂直な四角柱断面の各辺の長さである）厚みあるいは幅が少しずつ異なるように設計されており、この結果、後で詳述するように、駆動回路１６から圧電素子４に所定の周波数の電圧を印加すると、その周波数に応じて４つのロッド２２のいずれか一つのみが共振するようになっている。このとき、チップ部２４は、共振するロッド２２の長手方向に沿って振動し、チップ部２４に接触する被駆動体は、共振ロッド２２の伸長方向に駆動力を受ける。
【００１９】
例えば、図３（ａ）に示すように被駆動体が球体２８の場合、対向するロッド２２Ａ、２２Ｃの斜辺を含む面により球体２８を切断した円断面に関し、ロッド２２Ａの共振により、被駆動体２８は、ロッド２２Ｂ側から見て反時計周り方向３０Ａに回転する。同様に、上記円断面に関し、ロッド２２Ｃの共振により、被駆動体２８は、ロッド２２Ｂ側から見て時計周り方向３０Ｃに回転する。
【００２０】
他方、対向するロッド２２Ｂ、２２Ｄの斜辺を含む面により球体２８を切断した円断面に関し、ロッド２２Ｂの共振により、被駆動体２８は、ロッド２２Ａ側から見て時計周り方向３０Ｂに回転する。同様に、上記円断面に関し、ロッド２２Ｄの共振により、被駆動体２８は、ロッド２２Ａ側から見て反時計周り方向３０Ｄに回転する。
【００２１】
図３（ｂ）に示すように、被駆動体が平面部材（スライダ）３２の場合、ロッド２２Ａの共振により、スライダ３２はロッド２２Ａ側からロッド２２Ｃ側に向かう方向３４Ａにスライドし、ロッド２２Ｃの共振により、スライダ３２はロッド２２Ｃ側からロッド２２Ａ側に向かう方向３４Ｃにスライドする。他方、ロッド２２Ｂの共振により、スライダ３２はロッド２２Ｂ側からロッド２２Ｄ（図３（ｂ）では不図示）側に向かう方向３４Ｂにスライドし、ロッド２２Ｄの共振により、スライダ３２はロッド２２Ｄ側からロッド２２Ｂ側に向かう方向３４Ｄにスライドする。
【００２２】
ロッド２２による駆動力と被駆動体の運動との関係を、被駆動体が球体２８の場合で説明する。アクチュエータ２のロッド、例えばロッド２２Ａを共振させた場合、図４（ａ）に示すように、ロッド２２Ａが球体２８に近づく方向（伸長方向）に運動する際には、チップ部２４によって球体２８に加わる接線方向の力、すなわち球体２８に伝達する駆動力が増加する。他方、図４（ｂ）に示すように、ロッド２２Ａが球体２８から離反する方向（縮小方向）に運動する際には、球体２８に伝達する駆動力が減少、ないしは駆動力が伝達しない。したがって、前者の場合では被駆動体２８に駆動力が多く伝達されるが、後者の場合では、伝達される駆動力が少ないか、あるいは駆動力が伝達されない。このようなロッド２２Ａの往復運動時の駆動力の差異により、球体２８は、反時計周り方向３６に回転する。
【００２３】
次に、図１に示すように構成されたアクチュエータ２において、圧電素子４に所定の周波数の電圧を印加したときに、４つのロッド２２のいずれか一つのみを共振させるための条件について、図５、６を参照して説明する。
【００２４】
図５は、４つのロッド２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄを備えたアクチュエータ２の固有振動の様子を示す図である（なお、ベース部２６は図示が省略されている。）。固有振動には、４つのロッド２２が同じ位相で振動するモード１［図（ａ）］、隣接する２つのロッドが同じ位相で振動し残り２つのロッドが上記位相とは逆の位相で振動するモード２、３［図（ｂ）、（ｃ）］、対向するロッドが同じ位相で振動し、残り２つのロッドが上記位相とは逆の位相で振動するモード４［図（ｄ）］の４種類が存在する。モード２では、ロッド２２Ａ、２２Ｄの対とロッド２２Ｂ、２２Ｃの対とがそれぞれ同位相で振動し、モード３では、ロッド２２Ａ、２２Ｂの対とロッド２２Ｃ、２２Ｄの対とがそれぞれ同位相で振動する。
【００２５】
これらロッド２２が同一のものである場合、チップ部２４が変形せず、ロッド２２を両端固定の曲がり梁と仮定すると、４つの固有振動モードの振動数は原理的に一致する。しかしながら、実際には、チップ部２４やベース部２６が変位・変形するなどの影響により、固有振動モードの振動数は、モード２と３が一致することを除き異なる値をとる。
【００２６】
そこで、４つの固有振動モードの振動数を一致させるように、アクチュエータ２の構成を工夫する。一般に、固有振動モードは、ばね要素とおもり要素を備えた１つの振動系で表わすことができる。振動系のばね要素の剛性を高くすると振動数は上昇し、剛性を低くすると低下する。また、おもり要素の質量を増やすと振動数は低下し、減らすと上昇する。そこで、モード１、２（３）、４では、振動系のばね要素とおもり要素に違いがあることに着目する。
【００２７】
例えば、モード２（３）では、チップ部２４がおもり要素となっている（チップ部２４はほぼ往復移動する）ので、この質量を増やすと振動数は低下するが、モード１、４では、チップ部２４はおもり要素ではない（チップ部２４はあまり移動しない）ので、質量を増やしても振動数は変化しない。
【００２８】
反対に、モード１、４では、チップ部２４はばね要素となっている（チップ部２４は、モード１では同じ位相で、モード４では逆位相でロッド２２から変形力を受ける）ので、剛性を高くすると振動数が上昇するが、モード２（３）では、チップ部２４はばね要素でない（チップ部２４は、ロッド２２からあまり変形力を受けない）ので、剛性を高くしても振動数は変化しない。剛性を変化させる場合、モード１でチップ部２４が受ける変形力は、ロッド２２との固定部が同時に圧縮・伸長されるものである。一方、モード４でチップ部２４が受ける変形力は、隣接するロッド２２で交互に圧縮・伸長されるものであり、モード１よりチップ部２４の変形量が大きくなる。したがって、剛性を高くするとモード１よりモード４の振動数の方がより上昇する。
【００２９】
このようにチップ部２４の質量、剛性を、その形状、材料の密度、弾性率などを調整して変化させることにより、４つの固有振動モードの振動数をほぼ一致させることができる。この場合、４つの固有振動モードが縮退しているので、アクチュエータ２の振動系には４つの自由度が存在している。そこで、各ロッド２２の厚みや幅などを互いに僅かに異ならせて４つのロッド２２の固有振動数に微小な違いを持たせることにより、圧電素子４を所定の駆動周波数で振動させることで、この駆動周波数に対応して、４つのロッド２２の一つが実質的に独立して共振する４種類の固有振動モードのいずれかを励起させることができる。なお、上記のように振動部材である４つのロッド２２をその特性の差を小さくするのが、圧電素子４の駆動周波数の制御範囲を小さくするとともに、駆動方向による駆動力の差をできるだけ小さくする点で好ましい。
【００３０】
図６に各ロッド２２が実質的に独立して共振する各固有振動モードの振動の様子を示す。図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、ロッド２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄが独立して共振する場合を示している。これらの固有振動モードは、その振動数は互いに異なるが、４つのロッド２２の減衰特性が互いに等しいため、チップ部２４の振幅がほぼ同一の振動である。これらの固有振動により、チップ部２４は、共振するロッド２２の長手方向に沿って実質的に往復運動を行う。
【００３１】
各ロッド２２の固有振動数の差は、ロッド２２の減衰特性（これは主にロッド２２の材料により決まる。）に応じて設定される。すなわち、ロッド２２の減衰が大きい場合には、共振曲線は、ピーク値が小さく裾の広がった形状となるため、固有振動数の差を比較的大きくしないと（縮退した振動数が例えば１００ｋＨｚ程度に対し１０ｋＨｚ程度の差）、特定のロッド２２を共振させる際に他のロッド２２に余分な振動が生じ、チップ部２４は往復運動でなく楕円運動を行う。ロッド２２の減衰が小さい場合には、共振曲線は急峻なカーブを描くため、モード間の固有振動数が比較的近くても（縮退した振動数が例えば１００ｋＨｚ程度に対し１ｋＨｚ程度の差）、特定のロッド２２を共振させる際に他のロッド２２に余分な振動が生じにくく、したがって、チップ部２４は往復運動を行う。但し、後者の場合、アクチュエータ２の組立て誤差やアクチュエータ２の使用環境（例えば温度）の変化などにより、ロッドの振動特性（例えば共振曲線）が変化すると、チップ部２４の振幅が変動するため、チップ部２４の変位の大きさなどを検出し、環境変化などで変化する固有振動数に圧電素子４の駆動周波数を合わせる回路を設けるのが望ましい。チップ部２４の変位を検出する方法としては、１）距離センサなどを用いる、２）圧電素子４に流れる電流を検出する、３）被駆動体が球体の場合、球体の回転数を検出する、などが例示できる。
【００３２】
本アクチュエータ２において、駆動方向により駆動力に差が生じる場合は、共振させるロッド２２に対応して圧電素子４の駆動電圧値を調整することにより、駆動力の差を無くすことができる。
【００３３】
図７は、圧電素子４の駆動回路１６の一例を示すブロック図である。駆動回路１６は、正弦波信号を出力する発振器４０と、圧電素子４を駆動できるように出力信号を増幅するパワーアンプ４２と、発振器４０により出力する信号の周波数及びパワーアンプ４２による増幅率を制御するための制御部４４とを有する。この構成によれば、制御部４４は、発振器４０を制御して上記４つの固有振動モードのいずれかに対応する周波数の駆動信号を発生させることにより、圧電素子４を駆動して所望の固有振動モードを励起させる。制御部４４はまた、各方向の駆動力を厳密に一致させるために、固有振動モードの切替えに合わせて増幅率を制御して、圧電素子４の駆動電圧値を調整する。
【００３４】
以上の説明は、本発明の一実施形態に関するものであって、本発明は種々改変可能である。例えば、本発明に係るアクチュエータは、単一の変位素子の振動を利用して複数方向の駆動力を作用するものであれば、図１に示す構成に限らない。
【００３５】
例えば、図８に示すアクチュエータ１０２は、ロッド１２２（１２２Ａ，１２２Ｂ，１２２Ｃ，１２２Ｄ）の一端は、ベース部１２６に固定されずに自由端となっている。各ロッド１２２の（長手方向の）長さは少しずつ異ならせてあり、これにより各ロッド１２２は異なる振動数で共振する。各ロッド１２２の固有振動数は、圧電素子１０４の共振周波数又はその近傍に設定されており、ロッド１２２のいずれか一つと圧電素子１０４を同時に共振させることが可能である。圧電素子１０４の共振現象を利用することで、アクチュエータ１０２は、図１に示すアクチュエータ２に比べてチップ部１２４の変位をより大きくし、駆動効率を向上させることができる。なお、圧電素子の共振を利用する態様については、後述する実施形態において詳しく説明する。
【００３６】
図９は、本発明に係る別のアクチュエータの概略斜視図を示す。このアクチュエータ２０２は、振動部材として薄板状の４つの金属製アーム２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃ，２５０Ｄが十字状に一体的に形成され、その中心が、圧電素子２０４のベース部２２６との接合部とは反対側に位置するようになっている。各ロッド２５０Ａ，２５０Ｂ，２５０Ｃ，２５０Ｄの自由端にはそれぞれ、被駆動体である球体２２８（図１０）と接触するためのチップ部２２４Ａ，２２４Ｂ，２２４Ｃ，２２４Ｄが設けてある。各アーム２５０の長さは少しずつ異ならせてあり、これにより各アーム２５０は異なる振動数で共振する。各アーム２５０の固有振動数は、圧電素子２０４の共振周波数又はその近傍に設定されており、アーム２５０のいずれか一つを共振させることが可能である。
【００３７】
図１０を参照して、球体２２８に対しアクチュエータ２０２を押圧した状態で、例えば図（ａ）に示すようにアーム２５０Ａをその固有振動数で共振させると、球体２２８には力Ｆ_１が作用し、球体２２８は図面上時計周り方向に回転する。一方、例えば図（ｂ）に示すようにアーム２５０Ｃをその固有振動数で共振させると、球体２２８には力Ｆ_２が作用し、球体２２８は図面上反時計周り方向に回転する。
【００３８】
図１１は、本発明に係るさらに別のアクチュエータを示す概略斜視図である。このアクチュエータ３０２の圧電素子３０４は、ＸＹ平面上に配置されたベース部３２６に接合された、Ｚ方向に伸びた四角柱形状を有する積層型圧電素子である。ベース部３２６との接合部と反対側には、同じＸＹ断面形状を有するチップ部３２４が取付けられている。チップ部３２４の対向する２つの面上から、振動部材として薄板状のアーム３５０Ａ、３５０ＣがＹ方向に伸びている。２つのアーム３５０Ａ、３５０Ｃの長さには微小な差が設けてあり、各アームが異なる固有振動数で共振するようになっている。チップ部３２４の先端には、被駆動体として例えばロータ３５２が押圧されている。
【００３９】
本実施形態では、圧電素子３０４は、伸縮振動と曲げ振動の固有振動数がほぼ一致するように設計されており、これにより、チップ部３２４は、圧電素子３０４の伸縮振動によりＺ方向に関し、曲げ振動によりＹ方向に関して振動することができる。アーム３５０Ａ、３５０Ｃの曲げ振動の固有振動数は、圧電素子３０４の縮退した振動数の近傍に設定されており、また、チップ部３２４にＹ方向に伸びたアーム３５０Ａ、３５０Ｃが取付けてあるため、圧電素子３０４を縮退した固有振動数又はその近傍で共振させる際に、圧電素子３０４の振動はＹＺ平面内に、すなわちチップ部３２４の振動はＹ方向に規制される。
【００４０】
このような構成において、圧電素子３０４の駆動周波数をアーム３５０Ａの固有振動数に一致させると、アーム３５０Ａの振動に合わせて、圧電素子３０４が伸縮振動と曲げ振動を同時に行う。より詳しくは、圧電素子３０４が縮むと左に曲がり［図１２（ａ）の状態］、伸びると右に曲がる。アクチュエータ３０２は、この固有振動モードにおいてチップ部３２４が図１２略右上４５度の第１の方向に振動するように設計されている。一方、圧電素子３０４の駆動周波数をアーム３５０Ｃの固有振動数に一致させると、アーム３５０Ｃの振動に合わせて、圧電素子３０４が伸縮振動と曲げ振動を同時に行う。より詳しくは、圧電素子３０４が縮むと右に曲がり［図１２（ｂ）の状態］、伸びると左に曲がる。アクチュエータ３０２は、この固有振動モードにおいてチップ部３２４が図１２略左上４５度の第２の方向に振動するように設計されている。本実施形態では、２つの固有振動モード（１つの伸縮振動と１つの曲げ振動）が縮退しているので、アクチュエータ３０４の振動系には２つの自由度が存在しており、チップ部４２４は、上記第１及び第２の方向に独立して変位することができる。したがって、チップ部３２４の先端に押圧されたロータ３５２は、圧電素子３０４の駆動周波数を切換えてアーム３５０Ａ、３５０Ｃを選択的に振動させることにより正逆回転することができる。アーム３５０Ａ、３５０Ｃの形状差は微小であるので、２つの固有振動モードでの出力を略等しくすることが可能である。
【００４１】
圧電素子３０４が縮むと右に曲がり、伸びると左に曲がる固有振動モードは、圧電素子３０４が縮むと左に曲がり、伸びると右に曲がる固有振動モードにおいて、圧電素子３０４のＺ方向の振動に対しＹ方向の振動の位相が反転したものである。アーム３５０Ａ、３５０Ｂの一方が振動したとき、固有振動モードのいずれが励起されるかは、アームと圧電素子からなる振動系の運動量の総和が０になる条件から決定される。
【００４２】
図１３は、本発明に係るさらにまた別のアクチュエータを示す概略斜視図である。このアクチュエータ４０２の圧電素子４０４とチップ部４２４は、Ｚ方向に中心軸を有する円柱状に形成されている。また、チップ部４２４からは、振動部材として薄板状の３つのアーム４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃが互いに１２０度の間隔をあけてＸＹ平面上に伸びている。３つのアーム４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃの長さには微小な差が設けてあり、各アームが異なる固有振動数で共振するようになっている。チップ部４２４の先端には、被駆動体として球体４２８が押圧されている。なお、図１３ではベース部は図示が省略されている。
【００４３】
本実施形態では、圧電素子４０４は、伸縮振動と曲げ振動の固有振動数がほぼ一致するように設計されている。また、アーム４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃの曲げ振動の固有振動数は、圧電素子４０４の縮退した振動数の近傍に設定されている。圧電素子４０４及びチップ部４２４は断面形状が円形となっているため、アーム４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃが取付けてない状態で、圧電素子４０４を曲げ振動モードで共振させたとき、チップ部４２４はＸＹ平面の任意の方向に振動することができる。実際には、チップ部４２４にはＸＹ平面の所定の方向に伸びたアーム４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃが取付けてあるため、圧電素子４０４を縮退した固有振動数又はその近傍で共振させる際に、チップ部４２４の振動は上記所定の方向に規制される。
【００４４】
このような構成において、圧電素子４０４の駆動周波数をアーム４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃのいずれかの固有振動数に一致させると、選択されたアームの共振に合わせて、圧電素子４０４が伸縮振動と曲げ振動を同時に行う。図１３には、アーム４５０Ａを共振させた場合のチップ部４２４の変位方向のみが示されている。本実施形態では、３つの固有振動モード（１つの伸縮振動と２つの曲げ振動）が縮退しているので、アクチュエータ４０４の振動系には３つの自由度が存在しており、チップ部４２４は、アーム４５０Ａ，４５０Ｂ，４５０Ｃのいずれかの振動に合わせて３つの方向に独立して変位することができる。したがって、本アクチュエータ４０２は、被駆動体である球体４２８を三軸周りに回転することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、単一の変位素子及び駆動回路を用いて被駆動体を複数方向に駆動できる比較的安価なアクチュエータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアクチュエータの一実施形態を示す概略斜視図。
【図２】図１のアクチュエータに用いる積層型圧電素子の断面図。
【図３】（ａ）被駆動体として球体を駆動する場合の駆動方向を示す図。
（ｂ）被駆動体としてスライダを駆動する場合の駆動方向を示す図。
【図４】図１のアクチュエータにより球体を回転させる原理を示す図。
【図５】図１のアクチュエータにおいて、４つのロッドの特性を同一に設計した場合の固有振動モードを示す図。
【図６】図１のアクチュエータにおいて、４つのロッドの特性を僅かに異ならせて設計した場合の固有振動モードを示す図。
【図７】図２の圧電素子の駆動回路の一例を示すブロック図。
【図８】本発明に係るアクチュエータの他の実施形態を示す概略斜視図。
【図９】本発明に係るアクチュエータの別の実施形態を示す概略斜視図。
【図１０】図９のアクチュエータにより球体を回転させる原理を示す図。
【図１１】本発明に係るアクチュエータのさらに別の実施形態を示す概略斜視図。
【図１２】図１１のアクチュエータにおける固有振動モードを示す図。
【図１３】本発明に係るアクチュエータのさらにまた別の実施形態を示す概略斜視図。
【図１４】従来のアクチュエータの一例を示す概略斜視図。
【図１５】従来のアクチュエータの別の例を示す概略斜視図。
【符号の説明】
２：アクチュエータ、４：圧電素子（変位素子）、２２：ロッド（振動部材）、２４：チップ部、２５：押圧部材、２６：ベース部、２８：球体（被駆動体）。

Claims

印加される電圧の周波数に応じた振動数で振動する変位素子と、
互いに異なる固有振動数を有し、前記変位素子から互いに異なる方向へ延びるように前記変位素子に直接または間接的に連結された複数の振動部材と、
被駆動体との接触面を有し、前記複数の振動部材に連結され、前記振動部材の振動に伴い振動することで被駆動体を押圧し、振動する振動部材によって異なる方向に被駆動体を駆動する押圧部材と、を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
前記変位素子は所定方向に伸縮可能とされ、
前記変位素子の伸縮方向一端に前記押圧部材が連結され、
前記押圧部材に、前記振動部材の長さ方向一端が連結されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記振動部材の長さ方向他端が自由端とされていることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
前記変位素子は、伸縮振動の固有振動数と曲げ振動の固有振動数がほぼ一致していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアクチュエータ。
前記変位素子は所定方向に伸縮可能とされ、
前記変位素子の伸縮方向一端に前記振動部材の長さ方向一端が連結され、
前記振動部材の長さ方向他端が自由端とされ、
各振動部材の自由端に前記押圧部材が連結されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記振動部材の固有振動数が、前記変位素子の共振周波数又はその近傍に設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアクチュエータ。
前記変位素子が圧電素子である請求項１〜６のいずれかに記載のアクチュエータ。