JP4726167B2 - 振動波駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波等の振動波により駆動力を得る振動波駆動装置に関するものであり、特に駆動方向の多自由度化及び小型化を目的とするものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波等の振動波による振動波駆動装置で2自由度又は3自由度の駆動力を得るものが幾つか提案されている。例えば第1の例として、特開平11-220891号公報に開示されるようにランジュバンタイプの振動子に長手軸方向の面内伸縮振動と、長手軸に対する2つの直交する面外曲げ振動の固有振動モードを励起して、これらを合成して任意の並進と回転駆動力を発生させる方法が提案されている。
【０００３】
また、第2の例として、特開平08-023686号公報に開示されるように平板タイプの振動子に2つの面内伸縮振動と、2つの面外曲げ振動の固有モードを励起して2自由度の駆動力を発生する方法が提案されている。この方法は、第1の面内伸縮振動と第3の面外曲げ振動の合成により第1の方向への並進駆動力を発生させ、第2の面内伸縮運動と第4の面外曲げ振動の合成により第2の方向への並進駆動力を発生させるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
振動波駆動装置は小型化及び高機能化が求められているが、従来提案されている振動波駆動装置の例では下記の改善の余地が残されている。
【０００５】
第1の例の振動波駆動装置は、振動子がランジュバンタイプであり、長手軸方向の面内伸縮振動を発生させる必要がある。長手軸方向の寸法を短くするとそれだけ面内伸縮振動の周波数が高くなるため、実用的な周波数で抑えるために長手軸方向の寸法を短くする上での制約が生じている。
【０００６】
第2の例の振動波駆動装置は、振動子が板状であるので厚み方向の寸法の小型化は比較的容易であるが、面内の伸縮振動を発生させる必要があるので、振動の周波数を実用的な値に抑えるために板の長さ方向の寸法を短くする上での制約が生じている。また、この例では駆動力は２つの直交する軸の方向、つまり2自由度に限定しており、3自由度の駆動力を発生させるには至っていない。
【０００７】
即ち、多自由度（特に3次元）の駆動力を発生でき、かつ小型である振動波駆動装置の実現という点で改善の余地がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、接触突起部を有する板状の振動体と、前記振動体に曲げによる面外の変形を生じる固有振動モードである３つの異なる面外振動を発生させる電気−機械エネルギー変換素子とを備える振動子と、
前記接触突起部に加圧されて接触する被駆動体と、を有し、
前記振動子は前記振動体に前記３つの異なる面外振動を発生させることで前記接触突起部に楕円運動を生じさせるものであり、前記３つの異なる面外振動における前記振動体に発生させる面外振動の組み合わせを変えることによって、前記接触突起部に生じる楕円運動の回転の軸の向きを変えることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１実施の形態）
図１に本発明における第１実施の形態の振動子１の斜視図を、図２に第１実施の形態の振動子１に励振される固有振動モードの模式図を示す。図２中の矢印は各固有振動モードにおける相対的な位置変位を示す。
【００１１】
振動子１はリン青銅等の金属で形成した略正方板状に複数の突起が設けられた振動体２と、この振動体２に接着固定される電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子３より形成される。振動子１の略外周辺中央部の４箇所には、不図示の被駆動体と接触して駆動力を伝達するための接触突起部ＰＣ１〜ＰＣ４が形成され、この接触突起部ＰＣ１〜ＰＣ４は被駆動体に駆動力を伝達する駆動点Ｃ１〜Ｃ４を先端面（被駆動体との接触面）に有している。この駆動点Ｃ１〜Ｃ４には表面酸化処理を施したＳＵＳ等の耐磨耗性を有する部材が接着等により一体化されている。また、振動子１の略外周角部の４箇所には突起部ＰＥ１〜ＰＥ４が形成され、振動子１の略中央部には突起部ＰＧが形成されている。更に振動体２の中央部には不図示の被駆動体を振動体２に吸引加圧するための加圧磁石５が配置されている。
【００１２】
振動子１はＸ軸及びＹ軸を中心軸として、それぞれ線対称な形状に形成されている。これは後述する重根モードの振動を発生させるためである。本実施の形態では、図２に示すように振動モードはＭｏｄｅ−α、Ｍｏｄｅ−βｘ、Ｍｏｄｅ−βｙであり、それぞれが振動子１のＸＹ面外の変形を生じる固有振動モードである。重根モードの振動とは同一の波形パターンである振動であり、本実施の形態における重根モードの振動は図２のＭｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙの変位分布図に示してあるように、同一の面外振動の波形パターンが９０度位相のずれた状態で重畳している状態である。圧電素子３により励起された振動パターンというものは、振動体２の形状の影響を受けて変化してしまう。よって９０度位相のずれた同一パターンの振動を発生させるような駆動電流を圧電素子３に加えたとしても、振動体２自体の形状が不均一であれば、振動パターンは振動体２の形状の影響を受けてしまい振動パターンにずれが生じてしまう。よって９０度位相のずれた同一パターンの振動を発生させるような駆動電流を圧電素子３に加えたときに、振動体２の形状によって互いの振動パターンにずれが生じないように、振動体２は９０度位相のずれた軸（Ｘ軸及びＹ軸）を中心としてそれぞれ線対称な形状に形成されているのである。
【００１３】
また図２のＭｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙにおいては、同一の振動パターンを励振する圧電素子３を９０度位相がずれるように配置し、かつ振動体２の形状がＸ軸及びＹ軸を中心軸として、それぞれ線対称な形状に形成されていれば固有振動数は一致する。なお、本実施の形態ではＭｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙを励振させる圧電素子３は共通している。しかし、図２のＭｏｄｅ−αは同じく面外振動であるが振動パターンが異なるため、ほとんどの場合は固有振動周波数が一致しない。よってＭｏｄｅ−αの固有振動周波数とＭｏｄｅ−βｘ及びＭｏｄｅ−βｙの固有振動周波数とを一致させる必要が生じる。図２からわかるように本実施の形態では、Ｍｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙにおける面外振動はＭｏｄｅ−αにおける面外振動に比較して波長が短いため、固有振動周波数が高くなってしまう。よってＭｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙの振動振幅の比較的大きな位置である略外周角部の４箇所に、突起部ＰＥ１〜ＰＥ４を形成して質量を増すことによりＭｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙの固有振動周波数を抑え、Ｍｏｄｅ−αの固有振動周波数と一致させている。また、これらの突起部ＰＥ１〜ＰＥ４を形成することで、駆動点Ｃ１〜Ｃ４の振動変位を拡大させることができる。
【００１４】
図３は振動体２の裏面に配置され、振動子１に固有振動モードＭｏｄｅ−α、Ｍｏｄｅ−βｘ、Ｍｏｄｅ−βｙを励振するための圧電素子３−１〜３−８の構成を示す。
【００１５】
図３において（＋）（−）は各圧電素子３の分極方向を示している。端子Ａ，Ｂ，Ｃ及びこれらと各圧電素子３を結ぶ線は駆動振動の印加端子と接続状態を模式的に示している。振動体２と接続するＧはコモン電位とする。端子Ａに交番信号を印加すればＭｏｄｅ−αの面外振動が励振される。端子Ｂと端子Ｃに互いに逆位相の交番信号を印加することでＭｏｄｅ−βｘの面外振動が励振され、端子Ｂと端子Ｃに同位相の交番信号を印加することでＭｏｄｅ−βｙの面外振動が励振される。重根モードの振動であるＭｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙは共通の圧電素子３により励振されている。
【００１６】
図4に駆動点C1〜C４における振動変位状態を示す。
【００１７】
図４（ａ）は振動子１と被駆動体との相対運動としてＹ軸回りの回転（図１のＲｙ）あるいはＸ軸方向の並進運動を発生させる時の振動変位状態である。Ｍｏｄｅ−αを基準としてＭｏｄｅ−βｘが時間的にπ／４遅れるように駆動信号を印加している。各駆動点Ｃ１〜Ｃ４において振動変位は時間的にｔ１→ｔ２→ｔ３→ｔ４→ｔ１への変化を繰り返し、ＸＺ面内の円又は楕円運動を生じる。この円又は楕円運動により、駆動点Ｃ１〜Ｃ４に加圧接触する被駆動体と振動子１は相対的な運動を生じる。
【００１８】
例えば図5に示すように被駆動体として球状の被駆動体4Sを選択し、振動子1を固定支持としたときには被駆動体4SはY軸回り（Ry）の回転運動を行う。また図6（ａ）に示すように被駆動体として平面状の被駆動体4Pを選択し、振動子1を固定支持としたときには被駆動体4PはX軸方向の並進運動を行う。
【００１９】
図４（ｂ）は振動子１と被駆動体との相対運動としてＸ軸回りの回転（Ｒｘ）あるいはＹ軸方向の並進運動を発生させる時の振動変位状態である。Ｍｏｄｅ−αを基準としてＭｏｄｅ−βｙが時間的にπ／４遅れるように駆動信号を印加している。Ｍｏｄｅ−αとＭｏｄｅ−βｘの場合と同様に、各駆動点Ｃ１〜Ｃ４においてＹＺ面内の楕円運動を生じる。
【００２０】
図５に示すように被駆動体として球状の被駆動体４Ｓを選択し、振動子１を固定支持したときには被駆動体４ＳはＸ軸まわり（Ｒｘ）の回転運動を行う。また図６（ａ）に示すように被駆動体として平面状の被駆動体４Ｐを選択し、振動子１を固定支持したときには被駆動体４ＰはＹ軸方向の並進運動を行う。
【００２１】
図４（ｃ）は振動子1と被駆動体との相対運動としてZ軸回り（Rz）の回転運動を発生させる時の振動変位状態である。Mode-βxを基準としてMode-βyが時間的にπ/4遅れるように駆動信号を印加している。各駆動点C1〜C4においてXY面内の楕円運動を生じる。
【００２２】
図５に示すように被駆動体として球状の被駆動体４Ｓを選択し、振動子１を固定支持したときには被駆動体４ＳはＺ軸回り（Ｒｚ）の回転運動を行う。また図６（ａ）に示すように被駆動体として平面状の被駆動体４Ｐを選択し、振動子１を固定支持したときには被駆動体４Ｐは振動子１との間にＺ軸回り（Ｒｚ）の相対的な回転運動を発生させることができる。
【００２３】
以上各軸方向あるいは各軸回りの運動を独立して説明したが、各固有振動モードの組み合わせにより任意方向の駆動力を発生させることが可能である。図６（ｂ）に示すように被駆動体として楕円体状の被駆動体４Ｅを選択し、振動子１を固定支持した時には被駆動体はＸ軸回り（Ｒｘ）及びＹ軸回り（Ｒｙ）、あるいはこれらを合成した任意方向への駆動力を発生させることができる。
【００２４】
また、図5の球状の被駆動体4SはCCDカメラであり、本実施の形態の振動波駆動装置をCCDカメラの位置出し機構への応用例を示している。球状の被駆動体4SにCCDカメラEが組み込まれており振動子1の発生する駆動力により任意の方向へCCDカメラEを向けることが可能である。
【００２５】
図７は本実施の形態における振動子1の他の構成を示している。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢＢ線断面図である。
【００２６】
振動子１を構成する振動体２は鉄系板材のプレス加工により形成されている。振動子１が振動体２と圧電素子３から構成されているのは前記した実施の形態と同様である。振動子１に励振する固有振動モードの形態も同様である。接触突起部ＰＣ１〜ＰＣ４は先端に駆動点Ｃ１〜Ｃ４を持ちＺ方向に突出すると共に、側方（Ｘ方向又はＹ方向）にも突出する構成として駆動点Ｃ１〜Ｃ４の変位を拡大させている。突起部ＰＥ１〜ＰＥ４も同様に、Ｚ方向に突出すると共に側方にも突出する構成として、Ｍｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙの振動振幅の比較的大きな位置である略外周角部の４箇所の質量を増すことにより駆動に用いる固有振動モードの周波数の一致を実現させている。
【００２７】
また、振動子１の形状はこれらに限定されない。本提案の効果を得る他の形状として、例えば図８（ａ）（ｂ）に示す振動体２（振動子１）のような形状でもよい。振動子１が励振する固有振動モードも上記のモードに限定されず、例えば図９に示す固有振動モードを用いることで同様の駆動を行うことができる。
【００２８】
（第２実施の形態）
図１０に本発明における第２実施の形態の振動子１の斜視図を、図１１に第２実施の形態の振動子１に励振される固有振動モードの模式図を示す。図１１中の矢印は各固有振動モードにおける相対的な変位を示す。
【００２９】
第１実施の形態と異なる点は、接触突起部ＰＣ１〜ＰＣ４が振動子１の略外周角部の４箇所に形成され、突起部ＰＥ１〜ＰＥ４が振動子１の略外周辺中央に形成されている点である。本実施の形態では図１１に示すパターンの振動を有する固有振動モードが発生するので、この固有振動モードを効率よく励振できるような形状に形成されている。すなわち、振動子１はＸ軸及びＹ軸を中心軸としてそれぞれ線対称な形状に形成されており、Ｍｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙの固有振動数を抑えてＭｏｄｅ−αの固有振動数と一致させるために、Ｍｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙの振動振幅の比較的大きな位置である略外周辺中央部の４箇所に、突起部ＰＥ１〜ＰＥ４を形成して質量を増している。
【００３０】
図１２は振動体２の裏面に配置され、振動体２に固有振動モードＭｏｄｅ−α、Ｍｏｄｅ−βｘ、Ｍｏｄｅ−βｙを励振するための圧電素子３−１〜３−８の構成を示す。
【００３１】
図１２において、（＋）（−）は各圧電素子３の分極方向を示している。端子Ａ，Ｂ，Ｃ及びこれらと各圧電素子３を結ぶ線は駆動振動の印加端子と接続状態を模式的に示している。振動体２と接続するＧはコモン電位とする。端子Ａに交番信号を印加すればＭｏｄｅ−αが励振され、端子Ｂと端子Ｃに互いに逆位相の交番信号を印加することでＭｏｄｅ−βｘが励振され、端子Ｂと端子Ｃに同位相の交番信号を印加することでＭｏｄｅ−βｙが励振される。本実施の形態でも、重根モードの振動であるＭｏｄｅ−βｘとＭｏｄｅ−βｙは共通の圧電素子３により励振されている。その他の構成は第１実施の形態と同様である。
【００３２】
本実施の形態は固有振動モードの振動パターンが第1実施の形態と異なるだけで、駆動原理は同じである。
【００３３】
Ｍｏｄｅ−αを基準としてＭｏｄｅ−βｘが時間的にπ／４遅れるように駆動信号を印加すれば、振動子１と被駆動体との相対運動としてＹ軸回りの回転（Ｒｙ）あるいはＸ軸方向の並進運動を発生し、Ｍｏｄｅ−αを基準としてＭｏｄｅ−βｙが時間的にπ／４遅れるように駆動信号を印加すれば、振動子１と被駆動体との相対運動としてＸ軸回りの回転（Ｒｘ）あるいはＹ軸方向の並進運動を発生する。また、Ｍｏｄｅ−βｘを基準としてＭｏｄｅ−βｙが時間的にπ／４遅れるように駆動信号を印加すれば、振動子１と被駆動体との相対運動としてＺ軸回り（Ｒｚ）の回転運動を発生する。
【００３４】
以上第１、第２実施の形態をあげて説明してきたが、振動子１が励振する固有振動モードは上記モードに限定されず、重根モードを含む３種のＸＹ平面における面外振動であり、固有振動モードの周波数が一致すればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、複数の振動モードを励振し、これらを合成することで任意の方向、例えば、互いに直交する３軸周りの回転や、互いに直交する２方向の並進と１軸周りの回転駆動など、３次元に多彩なパターンの駆動が可能な高機能で、しかも小型である振動波駆動装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第1の実施の形態での振動子の斜視図
【図２】図1で示した振動子に励起される固有振動モードの模式図
【図３】図1で示した振動子の圧電素子の配置と接続状態を示す図
【図４】図1で示した振動子における駆動点の挙動を示す図
【図５】図1で示した振動子を用いた振動波駆動装置の形態例を示す図
【図６】図1で示した振動子を用いた振動波駆動装置の他の形態例を示す図
【図７】第1の実施の形態での振動子の他の構成を示す図
【図８】第1の実施の形態でのさらに他の構成を示す図
【図９】第1の実施の形態での振動子に励起される他の固有振動モードの模式図
【図１０】第2の実施の形態での振動子の斜視図
【図１１】図10で示した振動子に励起される固有振動モードの模式図
【図１２】図10で示した振動子の圧電素子の配置と接続状態を示す図
【符号の説明】
１ 振動子
２ 振動体
３ 圧電素子
４ 被駆動体
５ 加圧磁石

Claims (9)

1. 接触突起部を有する板状の振動体と、前記振動体に曲げによる面外の変形を生じる固有振動モードである３つの異なる面外振動を発生させる電気−機械エネルギー変換素子とを備える振動子と、
   前記接触突起部に加圧されて接触する被駆動体と、を有し、
   前記振動子は前記振動体に前記３つの異なる面外振動を発生させることで前記接触突起部に楕円運動を生じさせるものであり、前記３つの異なる面外振動における前記振動体に発生させる面外振動の組み合わせを変えることによって、前記接触突起部に生じる楕円運動の回転の軸の向きを変えることを特徴とする振動波駆動装置。
2. 前記３つの異なる面外振動のうち２つの面外振動は、振動パターンが同一で位相がずれていることを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
3. 前記３つの異なる面外振動のうち前記２つの面外振動は、他の１つの面外振動とは振動パターンが異なることを特徴とする請求項２に記載の振動波駆動装置。
4. 前記２つの面外振動は、位相が９０度ずれていることを特徴とする請求項２又は３に記載の振動波駆動装置。
5. 前記２つの面外振動は、同一の電気−機械エネルギー変換素子により発生することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載の振動波駆動装置。
6. 前記２つの面外振動は、同一の電気−機械エネルギー変換素子に対して互いに異なる位相の信号を与えることにより発生することを特徴とする請求項５に記載の振動波駆動装置。
7. 前記振動体は、前記接触突起部とは異なる位置であって、前記３つの面外振動のうちのいずれかの面外振動による振幅の大きな位置に、前記接触突起部とは異なる別の突起部を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の振動波駆動装置。
8. 前記接触突起部は、前記振動体のうち正方形部分の４つの辺の中央部、あるいは、４つの角部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の振動波駆動装置。
9. 前記被駆動体が球体であり、
   前記振動子が前記３つの異なる面外振動のうち、前記振動体に発生させる面外振動の組み合わせを変えることによって、前記被駆動体を、互いに直交する３つの軸のいずれかの軸周りに回転させるか、あるいは、互いに直交する３つの軸のうち複数の軸周りの回転を合成して回転させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１つに記載の振動波駆動装置。

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