JP4724904B2

JP4724904B2 - 振動アクチュエータ

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Publication number: JP4724904B2
Application number: JP2000244373A
Authority: JP
Inventors: 功菅谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: JP2002058267A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動アクチュエータに関し、より具体的には、駆動対象物の駆動方向の自由度を増加させた振動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、従来の振動アクチュエータ１の一例の構成を示す斜視図である。また、図１４は、この振動アクチュエータ１の振動子２に発生した２つの振動Ｌ１及びＢ４の波形例を示す説明図である。なお、この種の振動アクチュエータ１として、超音波の振動域を利用した超音波アクチュエータが知られているため、以降の説明では超音波アクチュエータを例にとる。
【０００３】
図１３に示すように、従来の超音波アクチュエータ１では、振動子２を構成する弾性体３の一方の平面に設けられた圧電素子４の入力領域４ａ、４ｂに、電極５ａ、５ｂを介して、互いの位相が約（π／２）異なるとともに所定の周波数を有する２相の駆動信号（交流電圧）Ｖ_A、Ｖ_Bをそれぞれ入力する。これにより、図１４に示すように、弾性体３には、位相が異なる１次の縦振動Ｌ１と４次の屈曲振動Ｂ４とが励振される。
【０００４】
これら二つの振動Ｌ１及びＢ４はともに合成され、弾性体３に設けられた駆動力取出部３ａ、３ｂに、楕円状に周期的に変位するとともに互いの位相がπずれた楕円運動がそれぞれ発生する。このため、超音波アクチュエータ１は、駆動力取出部３ａ、３ｂに加圧接触する駆動対象物６を一方向（図１３及び図１４それぞれにおける左右方向）へ直線的に摩擦駆動する。
【０００５】
このように、従来の超音波アクチュエータは、いずれも、振動子に励振した二種の振動を合成することによって駆動力取出部に楕円状の周期的変位を形成し、加圧接触する駆動対象物を摩擦駆動する、いわゆる２モード縮退型の振動子を用いていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、各種装置の小型化や多機能化、さらには低コスト化への要請が益々増大している。例えば、小型のＸ−Ｙステージや各種ロボットの関節部その他の精密機器等については、小型、高推力、静粛性さらには低コスト性とともに、柔軟な機械的動作の実現、具体的には２自由度や３自由度といった多自由度での駆動の実現が、強く要求されるようになってきた。
【０００７】
しかし、従来の超音波アクチュエータ１を用いて多自由度で駆動対象物６を駆動するには、少なくとも要求される自由度の数と同じ数の超音波アクチュエータ１を用いる必要があった。すなわち、前述したように、従来の超音波アクチュエータ１の駆動方向は、楕円状の周期的な変位の発生方向と平行な一方向に限られており、１自由度の動作である。このため、超音波アクチュエータ１により駆動対象物６を例えば２方向へ駆動するには、少なくとも２つの超音波アクチュエータ１を組み合わせて用いる必要があった。
【０００８】
また、このように２つの超音波アクチュエータ１により駆動対象物６を２方向へ駆動させるには、これら２つの超音波アクチュエータ１の振動子２を、それぞれの駆動力取出部３ａ、３ｂを介して、いずれも駆動対象物６に加圧接触させておく必要がある。このため、一方の超音波アクチュエータ１による駆動時に、他方の超音波アクチュエータ１の接触がブレーキとして作用することを防止するため、各振動子２と駆動対象物６との間に例えば電磁クラッチを介在させたり、あるいは非駆動時の超音波アクチュエータ１の振動子２にも屈曲振動Ｂ４を発生させて駆動対象物６との間の摩擦抵抗をできるだけ低減する等といった、特別の工夫を行う必要もあった。
【０００９】
なお、超音波アクチュエータ１と駆動対象物６との間にギヤを介在させ、このギヤを適宜切り替えて駆動方向をその都度切り替えることにより、１つの超音波アクチュエータ１により駆動対象物６を２方向へ駆動することは、技術的には可能である。しかし、これでは、駆動系の構成が相当複雑化するため、コストの上昇や故障頻度の増加は否めないとともに、超音波アクチュエータ１により駆動対象物６を直接駆動するのではなくなるために起動や停止等の応答性が著しく低下してしまう。
【００１０】
このように、従来の超音波アクチュエータ１により駆動対象物６を多自由度で駆動しようとすると、駆動系の大型化、高重量化、複雑化、高コスト化、高騒音化さらには低応答性化等が避けられず、技術上の大きな課題であった。
【００１１】
本発明の目的は、駆動対象物の駆動方向の自由度を増加させた、例えば超音波アクチュエータ等の振動アクチュエータを、駆動系の大型化、高重量化、複雑化、高コスト化、高騒音化さらには低応答性化等を生じることなく、提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、いわゆる面垂直振動を含む３種の振動を励振させることが可能であるとともにこれらの３種の振動の合成により駆動力取出部に駆動力を発生することが可能な新規な振動子を用いることによって、駆動方向の自由度を増加させることができ、これにより、１つの振動アクチュエータにより駆動対象物を２方向ないしは３方向へ駆動することが可能になるという、新規かつ重要な知見に基づいてなされたものである。
【００１３】
請求項１の発明では、第１の振動、第２の振動及び第３の振動が励起され、これら３種の振動が合成される円環状の振動子と、この振動子の厚さ方向の外周面に設けられた駆動力取出部と、第１の振動、第２の振動及び第３の振動のうち少なくとも２つの振動の駆動信号の位相を切り替えて励振することにより駆動力取出部に周期的変位を形成する駆動装置とを備え、第１の振動が、振動子の略中心から放射状に拡径及び縮径する対称伸び振動であり、第２の振動が、振動子の平面内で屈曲変形する面内屈曲振動であり、第３の振動が、振動子の平面外で屈曲変形する面垂直振動であることを特徴とする振動アクチュエータを提供する。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１に記載された振動アクチュエータにおいて、第１の振動、第２の振動及び第３の振動が、互いに交差する方向へ振動することを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載された振動アクチュエータにおいて、対称伸び振動が（Ｒ、１）振動であり、面内屈曲振動が（（１、１））振動であり、さらに面垂直振動がＢ_１２振動であることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３に記載された振動アクチュエータにおいて、振動子が、Ｂ_１２振動の径方向へ生じる二つの節位置により４つの区画にそれぞれ設けられた駆動信号入力領域を有するとともに、駆動装置が、これら駆動信号入力領域にそれぞれ入力する駆動信号の位相を独立して制御可能であることを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項４に記載された振動アクチュエータにおいて、駆動装置が、（Ｒ、１）振動及び（（１、１））振動を励振することによる第１の方向への周期的変位と、（Ｒ、１）振動及びＢ_１２振動を励振することによる第１の方向とは異なる第２の方向への周期的変位と、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ_１２振動を励振することによる第１の方向及び第２の方向が合成された第３の方向への周期的変位とを切り替えて、駆動力取出部に形成することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか1項に記載された振動アクチュエータにおいて、振動子が、扇形の４つの区画にそれぞれ設けられた駆動信号入力領域を有するとともに、駆動装置が、この駆動信号入力領域にそれぞれ入力する駆動信号の位相を独立して制御可能であることを特徴とする。
さらに、請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータにおいて、駆動力取出部が、駆動対象物に加圧接触され、駆動力取出部に形成される周期的変位により、駆動対象物を少なくとも２方向に駆動することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明にかかる振動アクチュエータの実施の形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の各実施の形態の説明では、振動アクチュエータが超音波の振動域を利用した超音波アクチュエータである場合を例にとる。
【００２１】
図１は、本実施の形態の超音波アクチュエータ１０の構成を示す説明図である。また、図２はこの超音波アクチュエータ１０の電極１３の配置を示す説明図であって、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、図２（ｃ）は底面図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態の超音波アクチュエータ１０は、弾性体１１、電気機械変換素子１２、電極１３及び駆動力取出部１４を有する振動子１５と、駆動装置１６とを有する。以下、本実施の形態の超音波アクチュエータ１０のこれらの構成要素について順次説明する。
【００２３】
弾性体１１は、本実施の形態では真鍮により円環状に形成したが、真鍮に限られるものではなく、普通鋼、真鍮以外の銅合金さらにはステンレス鋼等といった共振先鋭度が大きな材料から構成されていてもよい。
【００２４】
また、後述するように、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動のそれぞれの共振周波数を略一致させてこれら３つの振動を縮退させるため、本実施の形態では、環状の弾性体１１の外径ａに対する内径ｂの比である内外径比（ｂ／ａ）が略０．３となるように、弾性体１１の各部の寸法を設定した。
【００２５】
弾性体１１の二つの平面には、それぞれ、弾性体１１と同様の外径及び内径で円環状に形成された電気機械変換素子１２ａ、１２ｂが、例えば接着されて装着される。本実施の形態では、電気機械変換素子１２ａ、１２ｂとしてＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）からなる電歪素子を用いた。
【００２６】
弾性体１１に装着された電気機械変換素子１２ａ、１２ｂそれぞれの表面には、電極１３が装着される。本実施の形態では電極１３として銀電極を用いた。
電気機械変換素子１２ａの表面に装着された電極１３は、扇形の４枚の電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄにより構成される。一方、電気機械変換素子１２ｂの表面に装着された電極１３も、扇形の４枚の電極１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈにより構成される。
【００２７】
電極１３ａと電極１３ｇとは弾性体１１の厚さ方向に関して同一の範囲に装着され、電極１３ｂと電極１３ｆとは弾性体１１の厚さ方向に関して同一の範囲に装着され、電極１３ｃと電極１３ｅとは弾性体１１の厚さ方向に関して同一の範囲に装着され、さらに、電極１３ｄと電極１３ｈとは弾性体１１の厚さ方向に関して同一の範囲に装着される。
【００２８】
図６を参照しながら後述するように、電極１３ａ及び１３ｇ、電極１３ｂ及び１３ｆ、電極１３ｃ及び１３ｅ、さらに電極１３ｄ及び１３ｈは、弾性体１１に励振されるＢ₁₂振動の径方向へ直線的に生じる２つの節位置（節径）１９ａ、１９ｂにより区画された４つの領域に、それぞれ、隣接するもの同士が互いに電気的に絶縁されて装着される。これにより、振動子１５は、Ｂ₁₂振動のこれら２つの節径１９ａ、１９ｂにより区画された４つの入力領域を振動子１５の両面に有しており、電極１３ａ〜１３ｈに対応した合計８つの駆動信号入力領域が形成されている。
【００２９】
各電極１３ａ〜１３ｈには、それぞれリード線１７ａ〜１７ｈが例えば半田付けにより接続されており、これらのリード線１７ａ〜１７ｈは、いずれも、後述する駆動装置１６に内蔵された駆動回路の出力部に接続されている。
【００３０】
各電極１３ａ〜１３ｈには、後述する駆動装置１６から、真鍮製の弾性体１１がグランド電位になるようにして、その位相をそれぞれ独立して制御された駆動信号（交流電圧）が、リード線１７ａ〜１７ｈを介して入力される。
【００３１】
各電極１３ａ〜１３ｈに入力される駆動信号それぞれの位相を適宜設定することにより、弾性体１１には、第１の振動、第２の振動及び第３の振動のうちの少なくとも一つの振動が励振される。
【００３２】
弾性体１１に励振される第１の振動は、弾性体１１の略中心から放射状に拡径及び縮径する対称伸び振動であり、本実施の形態では（Ｒ、１）振動である。また、第２の振動は、弾性体１１の平面内で屈曲変形する面内屈曲振動であり、本実施の形態では（（１、１））振動である。さらに、第３の振動は、弾性体１１の平面外で屈曲変形する面垂直振動であり、本実施の形態ではＢ₁₂振動である。以下、本実施の形態において弾性体１１に励振される（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動について順次説明する。
【００３３】
(i) （Ｒ、１）振動
図３は、本実施の形態における弾性体１１に発生する（Ｒ、１）振動による変位の状況を、模式的に示す説明図である。
【００３４】
すなわち、図３に示すように、（Ｒ、１）振動は、弾性体１１の径方向へ拡径及び縮径する対称伸び振動であり、図３は縮径時の状況を示す。図３に示すタイミングにおいては、弾性体１１の外周面であって厚さ方向の中央に位置する質点Ｂ、Ｂ’及び質点Ｃ、Ｃ’は、いずれも縮径方向への変位成分Ｕｒを有する。
【００３５】
(ii)（（１、１））振動
図４は、本実施の形態における弾性体１１に発生する（（１、１））振動による変位の状況を、模式的に示す説明図である。
【００３６】
すなわち、図４に示すように、（（１・１））振動は、弾性体１１の外周面であって厚さ方向の中央に位置する質点Ｄ、Ｄ’を中心とする面内屈曲振動である。なお、質点Ｄ、Ｄ’では矢印方向への変位成分Ｕθを有するとともに、弾性体１１の中心に関して質点Ｄ、Ｄ’と直交する位置に存在する質点Ｅ、Ｅ’では、それぞれ、図４中に矢印で示すような伸び変位及び収縮変位がその周期に応じて交互に発生する。
【００３７】
(iii) Ｂ₁₂振動
図５は、本実施の形態における弾性体１１に発生するＢ₁₂振動による変位の状況を、模式的に示す説明図である。また、図６は、弾性体１１に発生するＢ₁₂振動の１つの節円１８と、２つの節径１９ａ、１９ｂとの発生状況を模式的に示す説明図である。
【００３８】
すなわち、図５及び図６にそれぞれ示すように、Ｂ₁₂振動は、弾性体１１の平面外方向（厚さ方向）への屈曲振動であって、円状に発生する一つの節位置（節円）１８と、径方向へ直線的に発生する二つの節位置（節径）１９ａ、１９ｂとを有する、弾性体１１の厚さ方向への屈曲振動である。このため、Ｂ₁₂振動による弾性体１１の変位の方向は、弾性体１１の周方向に沿って、２つの節径１９ａ、１９ｂにより区画された４領域毎に４回逆転して発現する。
【００３９】
本実施の形態では、２つの節径１９ａ、１９ｂにより区画された４つの領域に、４枚の電極１３ａ〜１３ｄと、電極１３ｅ〜１３ｈとが、隣接する電極同士が互いに離れて配置されることにより電気的に絶縁されて、装着される。このため、本実施の形態では、振動子１５は、Ｂ₁₂振動の径方向へ生じる二つの節位置１９ａ、１９ｂにより４つに区画された入力領域を振動子１５の両面に有し、合計で８つの駆動信号入力領域を有する。
【００４０】
Ｂ₁₂振動により、弾性体１１は、弾性体１１の平面と交差する方向（弾性体１１の厚さ方向）へ振動し、弾性体１１の円周上に位置する質点Ｄ、Ｄ’は、図５中の矢印方向（弾性体１１の厚さ方向）への変位成分Ｕｐを有する。
【００４１】
図３〜図５にそれぞれ矢印Ｕｒ、Ｕθ及びＵｐにより示すように、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動それぞれの振動方向は、互いに交差する方向である。
【００４２】
このように、本実施の形態では、前述した図１及び図２に示すように、弾性体１１の一方の平面側に装着される電極１３ａ〜１３ｄと、弾性体１１の他方の平面側に装着される電極１３ｅ〜１３ｈとをいずれも４分割し、さらにこれらの電極１３ａ〜１３ｈを２グループ化することによって振動子１５に合計８つの駆動信号入力領域を形成する。このため、これら８つの駆動信号入力領域のうちで隣り合うもの同士、及び上下面で対応するもの同士について、互いに逆位相となる駆動信号を入力することにより、弾性体１１の両面で発生する屈曲変位を不均一化することができる。このため、本実施の形態によれば、高い効率でＢ₁₂振動を励振することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態の振動子１５に励振される（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動それぞれ自体については、「新版超音波モータ」（トリケップス刊、上羽貞行氏、富川義朗氏共著）により既に公知であるため、これ以上の説明は省略する。
【００４４】
図７は、弾性体１１の内外径比（ｂ／ａ）と、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動のそれぞれの共振周波数ｆとの関係の一例を、各振動について示すグラフである。なお、図７における符号ａは環状の弾性体１１の外径であり、符号ｂは環状の弾性体１１の内径である。また、図７に示す結果は、弾性体１１の厚さｔが０．６ｍｍの場合である。
【００４５】
同図にグラフで示すように、弾性体１１の厚さが０．６ｍｍである場合には、内外径比（ｂ／ａ）をおよそ０．２５以上０．３５以下の範囲となるように設定すると、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動のそれぞれの共振周波数が略一致するためにこれら３つの振動を縮退させることができる。これら３つの振動を確実に縮退させるためには、弾性体１１の内外径比（ｂ／ａ）は０．２７以上０．３３以下であることが望ましく、０．２９以上０．３１以下であることがさらに望ましい。
【００４６】
このように、本実施の形態の振動子１５では、その厚さｔや内外径比（ｂ／ａ）を適宜設定することにより、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動を縮退させることが可能である。本実施の形態では、弾性体１１の厚みは約１．２ｍｍ、内外径比（ｂ／ａ）を約０．３とすることにより、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動の３種の振動を縮退させた。
【００４７】
さらに、本実施の形態では、図１及び図２に示すように、質点Ｄに、駆動力取出部１４を突設して設けてある。この駆動力取出部１４は、高分子材等を主成分とした摺動部材であり、高分子材としては、ＰＴＦＥ、ポリイミド樹脂、ＰＥＮ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等が例示される。駆動力取出部１４により、弾性体１１に励振された（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動の合成として形成される楕円状の周期的変位を、取り出すことができる。
【００４８】
図８は、駆動装置１６の駆動回路を示すブロック図である。
発振器２０は、振動子１５に励振される（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動に共通する共振周波数（図７における周波数ｆ₁）の信号を発振する。発振器２０の出力は、８つに分岐されて移相器２１に入力される。移相器２１では、各入力信号はその位相を適宜設定・変更される。移相器２１により位相を適宜設定された８つの信号は、それぞれ増幅器２２ａ〜２２ｈに入力されて所定の値に増幅された後、図１におけるリード線１７ａ〜１７ｈ及び電極１３ａ〜１３ｈを介して、振動子１５に形成された８つの駆動信号入力領域にそれぞれ入力される。
【００４９】
このようにして、本実施の形態の駆動装置１６は、振動子１５の一方の平面における電極１３ａ〜１３ｄと、振動子１５の他方の平面における電極１３ｅ〜１３ｈとにそれぞれ入力される駆動信号の位相を、独立して制御することが可能である。
【００５０】
表１には、本実施の形態の駆動装置１６を用いて各電極１３ａ〜１３ｈに様々な位相を有する駆動信号を入力したときに、振動子１５に励振される振動と、駆動力取出部１４に現れる駆動力発生方向とをまとめて示す。以下、この表１と図２（ａ）〜図２（ｃ）とを参照しながら、本実施の形態の振動子１５に発生する駆動力の発生を説明する。
【００５１】
【表１】

表１における電気入力パターンＡ〜Ｃは、それぞれ、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動、Ｂ₁₂振動が単独で励振される場合である。この場合、振動子１５の駆動力取出部１４には楕円状の周期的変位は発生しないため、駆動力取出部１4 には駆動力は発生しない。
【００５２】
次に、表１における電気入力パターンＤ、Ｅは、いずれも、（Ｒ、１）振動及び（（１、１））振動が励振される場合である。この場合、振動子１５の平面と平行な平面 (図２（ａ）又は図２（ｃ）におけるＸＹ平面) 内方向へ振動する楕円状の変位が発生するため、駆動力取出部１４には、このＸＹ平面内のある方向（第１の方向）への一次元の駆動力が発生する。
【００５３】
次に、表１における電気入力パターンＦ、Ｇは、いずれも、（Ｒ、１）振動及びＢ₁₂振動が励振される場合である。この場合、振動子１５の平面と交差する平面 (図２（ｂ）におけるＹＺ平面) 内方向へ振動する楕円状の変位が発生するため、駆動力取出部１４には、このＹＺ平面内のある方向（第２の方向）への一次元の駆動力が発生する。
【００５４】
さらに、表１における電気入力パターンＨは、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動がいずれも励振される場合である。この場合、駆動力取出部１４には、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すＸＹＺ空間において上記の第１の方向及び第２の方向が合成された第３の方向への一次元の駆動力が発生する。
【００５５】
このようにして、本実施の形態により、以下に列記する効果が得られる。
（１）本実施の形態では、円環状の外形を有する振動子１５を用い、その内外径比（ｂ／ａ）を最適に設定したため、対称伸び振動である（Ｒ、１）振動と、面内屈曲振動である（（１、１））振動と、面垂直振動であるＢ₁₂振動とを励振することができる。
【００５６】
このため、本実施の形態では、振動子１５は、第１の振動である（Ｒ、１）振動と、第２の振動である（（１、１））振動と、第３の振動であるＢ₁₂振動とを励振し、これら３種の振動が合成された周期的変位を駆動力取出部１４に形成することが可能である。すなわち、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すＸＹＺ空間において、（Ｒ、１）振動及び（（１、１））振動の励振による駆動力の発生方向である第１の方向と、（Ｒ、１）振動及びＢ₁₂振動の励振による駆動力の発生方向である第２の方向との合成方向である第３の方向への駆動力を、駆動力取出部１４から取出すことができる。このように、これまでの超音波アクチュエータでは得られなかった第３の方向への駆動力を取り出すことが可能となるため、駆動対象物に対する超音波アクチュエータ１０の設置（設置位置や設置姿勢等）の自由度を従来よりも増加することができる。このため、特に各種機器の狭隘部等への超音波アクチュエータ１０の搭載性を向上することができる。
【００５７】
（２）本実施の形態では、駆動装置１６により、第１の振動である（Ｒ、１）振動、第２の振動である（（１、１））振動及び第３の振動であるＢ₁₂振動のうちの少なくとも２つの振動を切り替えて励振することにより駆動力取出部１４に周期的変位を形成することができるため、第１の方向、第２の方向および第３の方向の３方向への駆動力を、１基の超音波アクチュエータ１０によって発生することが可能となる。このため、超音波アクチュエータ１０による駆動対象物の駆動方向の自由度を、従来よりも増加することができる。
【００５８】
また、この際に、駆動源として別の超音波アクチュエータを併用する必要がなく、さらに、超音波アクチュエータ１０と駆動対象物との間に例えばギヤや電磁クラッチ等を介在させる必要もない。このため、駆動系の複雑化を抑制でき、コストの上昇や故障頻度の増加を防止できる。
【００５９】
さらに、超音波アクチュエータ１０により駆動対象物を直接駆動することを維持できるため、起動や停止等における応答性の低下も防止できる。
したがって、本実施の形態によれば、駆動系の大型化、高重量化、複雑化、高コスト化、高騒音化さらには低応答性化等を生じることなく、駆動対象物の駆動方向の自由度を増加させることが可能である。
【００６０】
（３）本実施の形態では、駆動力取出部１４を有するとともに円環状の形状を有する振動子１５を備え、駆動力取出部１４に、振動子１５に励振した面垂直振動であるＢ₁₂振動と、振動子１５に励振した面内屈曲振動である（Ｒ、１）振動、若しくは（Ｒ、１）振動及び（（１、１））振動とが合成された周期的変位を形成することができる。このため、振動子１５の平面と直交する平面（ＹＺ平面）内のみならず、平行な平面（ＸＹ平面）内においても、楕円状の周期的変位を形成し、これらの周期的変位をいずれも駆動力取出部１４から取り出すことが可能となる。このため、超音波アクチュエータ１０による駆動対象物の駆動方向の自由度を増加させることができる。
【００６１】
（第２の実施の形態）
図９は、第１の実施の形態の超音波アクチュエータ１０を駆動源として用いた小型のＸ−Ｙステージ２３の構成例を模式的に示す説明図である。なお、以降の各実施の形態の説明では、前述した第１の実施の形態と相違する部分について説明することとし、共通する部分については同一の図中符号を付すことにより、重複する説明を適宜省略する。
【００６２】
振動子１５は、コの字型の外形を有する支持部材２４によって適宜手段により支持される。また、支持部材２４の外部には、例えばコイルスプリング等の加圧力発生部材（図示しない）が設けられており、この加圧力発生部材が発生する加圧力Ｐにより支持部材２４により支持される振動子１５は、駆動対象物２５に向けて付勢される。このため、振動子１５の駆動力取出部１４は、駆動対象物２５の表面２５ａに適当な加圧力Ｐで加圧接触する。
【００６３】
また、駆動対象物２５は、複数のローラ２６ａ、２６ｂにより、ＸＹ平面と平行な平面内で移動自在に支持される。
この際、駆動装置１６から、前述した表１に示す電気入力パターンＤ又は電気入力パターンＥにしたがって電極１３ａ〜１３ｈに入力する駆動信号の位相を制御すると、表１に示すように、図９におけるＸ方向及びＹ方向の２方向への駆動力を、振動子１５の駆動力取出部１４に発生することができる。
【００６４】
このため、この駆動力取出部１４を介して振動子１５に加圧接触する駆動対象物２５を、Ｘ方向及びＹ方向の２方向へ駆動することができる。
このように、本実施の形態によれば、１つの超音波アクチュエータ１０により、極めて小型でシンプルなＸ−Ｙステージ２３を、２方向に駆動することを実現できた。
【００６５】
（第３の実施の形態）
図１０は、第１の実施の形態の超音波アクチュエータ１０を、多軸型電動ロボットにおける手首軸の関節部の駆動源として適用した状況を模式的に示す説明図である。また、図１１は、図１０におけるＧ−Ｇ断面図である。
【００６６】
多軸型電動ロボットにおける二つの手首軸２７、２８は互いに略直交する方向へ延設されている。二つの手首軸２７、２８は、いずれも、球状の接続部２９により接続されている。この接続部２９の外周面の上部には、支持部材２４により支持された振動子１５の駆動力取出部１４が、加圧力Ｐで加圧接触する。なお、接続部２９は、複数のコロ３１ａを備えるスラスト軸受け３１により、図１０におけるＸＹ方向及びＹＺ方向の２方向に回転自在に支持されている。
【００６７】
この際、駆動装置１６から、前述した表１に示す電気入力パターンＤ〜電気入力パターンＧにしたがって、電極１３ａ〜１３ｈに入力する駆動信号の位相を制御すると、表１に示すように、図１０におけるＸＹ方向及びＹＺ方向への駆動力を駆動力取出部１４に発生することができる。
【００６８】
このため、この駆動力取出部１４を介して振動子１５に加圧接触する球状の接続部２９を、▲１▼ＸＹ方向へ回転させることにより手首軸２７、２８をともに垂直面内で傾斜動作させること、▲２▼ＹＺ方向へ駆動することにより、手首軸２７を回転軸回りに回転させるとともに手首軸２８を垂直面内で傾斜動作させることが、可能となる。
【００６９】
このように、本実施の形態によれば、多軸型電動ロボットにおける手首軸２７、２８の関節部を、極めて小型でシンプルな構造の駆動源により、駆動することができた。
【００７０】
（第４の実施の形態）
図１２は、本実施の形態の振動子１５−１の構成例を示す斜視図である。本実施の形態では、弾性体１１の両面に電気機械変換素子１２ａ、１２ｂを設けるのではなく、弾性体１１の一方の面に電気機械変換素子１２ａを設け、その表面に電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを設けている。
【００７１】
また、弾性体１１は導電性を有する真鍮からなるため、これを電気機械変換素子１２ａのグランド電極としている。
本実施の形態の振動子１５−１においても、前述した表１に示す電気入力パターンＤ〜電気入力パターンＧにしたがって、電極１３ａ〜１３ｄに入力する駆動信号の位相を制御すると、表１に示すように、図１０におけるＸＹ方向及びＹＺ方向への駆動力を駆動力取出部１４に発生することができる。
【００７２】
また、本実施の形態によれば、電気機械変換素子１２の使用量が削減され、振動子１５−１の製造コストが抑制される。
さらに別の形態として、図示していないが、弾性体１１を用いずに電気機械変換素子１２ａの表面及び裏面にそれぞれ直接に電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを装着することにより、振動子を構成するようにしても、本実施の形態と同様の動作を行うことができる。
【００７３】
（変形形態）
各実施の形態の説明では、振動アクチュエータが超音波アクチュエータである場合を例にとった。しかし、本発明は超音波アクチュエータには限定されず、他の振動域を利用した振動アクチュエータについても同様に適用される。
【００７４】
また、各実施の形態の説明では、振動子が円環状の外形を有するとともに、第１の振動として対称伸び振動を発生し、第２の振動として面内屈曲振動を発生し、さらに、第３の振動として面垂直振動を発生する場合を例にとった。しかし、この形態は本発明の例示であって、本発明はこの形態には限定されない。すなわち、本発明は、振動子に形成された駆動力取出部に、この振動子に励振した第１の振動、第２の振動及び第３の振動が合成された周期的変位を形成することが可能である場合には、等しく適用されるものであり、振動子の形状やこの振動子に発生する振動の種類には何ら限定されない。
【００７５】
さらに、各実施の形態の説明では、対称伸び振動が（Ｒ、１）振動であり、面内屈曲振動が（（１、１））振動であり、さらに、面垂直振動がＢ₁₂振動である場合を例にとった。しかし、本発明は、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動の組合せには限定されず、対称伸び振動、面内屈曲振動及び面垂直振動の他の組合せについても、同様に適用可能である。例えば、面垂直振動としては、Ｂ₁₂振動以外に、Ｂ₁₃振動、Ｂ₁₄振動、Ｂ₁₅振動さらにはＢ₂₁振動等が例示される。
【００７６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１〜請求項７の本発明により、駆動対象物の駆動方向の自由度を増加させた、例えば超音波アクチュエータ等の振動アクチュエータを、駆動系の大型化、高重量化、複雑化、高コスト化、高騒音化さらには低応答性化等を生じることなく、提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の超音波アクチュエータの構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施の形態の超音波アクチュエータの電極の配置を示す説明図であって、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、図２（ｃ）は底面図である。
【図３】第１の実施の形態における弾性体に発生する（Ｒ、１）振動による変位の状況を、模式的に示す説明図である。
【図４】第１の実施の形態における弾性体に発生する（（１、１））振動による変位の状況を、模式的に示す説明図である。
【図５】第１の実施の形態における弾性体に発生するＢ₁₂振動による変位の状況を、模式的に示す説明図である。
【図６】第１の実施の形態における弾性体に発生するＢ₁₂振動の１つの節円と、２つの節径との発生状況を模式的に示す説明図である。
【図７】弾性体の内外径比（ｂ／ａ）と、（Ｒ、１）振動、（（１、１））振動及びＢ₁₂振動のそれぞれの共振周波数ｆとの関係の一例を、各振動について示すグラフである。
【図８】駆動装置の駆動回路を示すブロック図である。
【図９】第１の実施の形態の超音波アクチュエータを駆動源として用いた小型のＸ−Ｙステージの構成例を模式的に示す説明図である。
【図１０】第１の実施の形態の超音波アクチュエータを、多軸型電動ロボットにおける手首軸の関節部の駆動源として適用した状況を模式的に示す説明図である。
【図１１】図１０におけるＧ−Ｇ断面図である。
【図１２】第４の実施の形態の振動子の構成例を示す斜視図である。
【図１３】従来の振動アクチュエータの一例の構成を示す斜視図である。
【図１４】従来の振動アクチュエータの振動子に発生した２つの振動Ｌ１及びＢ４の波形例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０超音波アクチュエータ
１１弾性体
１２ａ、１２ｂ電気機械変換素子
１３ａ〜１３ｈ電極
１４駆動力取出部
１５振動子
１６駆動装置
１７ａ〜１７ｈリード線

Claims

第１の振動、第２の振動及び第３の振動が励起され、これら３種の振動が合成される円環状の振動子と、
前記振動子の厚さ方向の外周面に設けられた駆動力取出部と、
前記第１の振動、第２の振動及び第３の振動のうち少なくとも２つの振動の駆動信号の位相を切り替えて励振することにより前記駆動力取出部に周期的変位を形成する駆動装置とを備え、
前記第１の振動は、前記振動子の略中心から放射状に拡径及び縮径する対称伸び振動であり、前記第２の振動は、前記振動子の平面内で屈曲変形する面内屈曲振動であり、前記第３の振動は、前記振動子の平面外で屈曲変形する面垂直振動であること
を特徴とする振動アクチュエータ。
前記第１の振動、第２の振動及び第３の振動は、互いに交差する方向へ振動すること
を特徴とする請求項１に記載された振動アクチュエータ。
前記対称伸び振動は（Ｒ、１）振動であり、前記面内屈曲振動は（（１、１））振動であり、さらに前記面垂直振動はＢ_１２振動であること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載された振動アクチュエータ。
前記振動子は、前記Ｂ_１２振動の径方向へ生じる二つの節位置により４つの区画にそれぞれ設けられた駆動信号入力領域を有するとともに、
前記駆動装置は、該駆動信号入力領域にそれぞれ入力する駆動信号の位相を独立して制御可能であること
を特徴とする請求項３に記載された振動アクチュエータ。
前記駆動装置は、
前記（Ｒ、１）振動及び前記（（１、１））振動を励振することによる第１の方向への周期的変位と、
前記（Ｒ、１）振動及び前記Ｂ_１２振動を励振することによる前記第１の方向とは異なる第２の方向への周期的変位と、
前記（Ｒ、１）振動、前記（（１、１））振動及び前記Ｂ_１２振動を励振することによる前記第１の方向及び前記第２の方向が合成された第３の方向への周期的変位と
を切り替えて、前記駆動力取出部に形成すること
を特徴とする請求項４に記載された振動アクチュエータ。
前記振動子は、扇形の４つの区画にそれぞれ設けられた駆動信号入力領域を有するとともに、
前記駆動装置は、該駆動信号入力領域にそれぞれ入力する駆動信号の位相を独立して制御可能であること
を特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか1項に記載された振動アクチュエータ。
前記駆動力取出部は、駆動対象物に加圧接触され、前記駆動力取出部に形成される周期的変位により、前記駆動対象物を少なくとも２方向に駆動すること
を特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ。