JP4901598B2 - 振動型アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子などの駆動素子によって駆動体が加振させられ、振動している駆動体に対してねじ部を介して嵌合している移動体が、軸方向へ移動させられる振動型アクチュエータに関する。

以下の特許文献１と特許文献２には、ねじ部を介して互いに嵌合している駆動体と移動体、および前記駆動体を加振する圧電素子を有する振動型アクチュエータが開示されている。

前記圧電素子で駆動体が振動させられると、駆動体の振動が移動体に伝達されて、移動体が回転させられる。移動体は駆動体とねじ部を介して嵌合しているため、回転する移動体はねじ部に沿って軸方向へ移動させられる。この種の振動型アクチュエータは、移動体が比較的低速で回転しながら軸方向へ進退移動でき、大きな駆動トルクを得ることができる利点がある。

特許文献１に記載されている振動型アクチュエータは、駆動体が雌ねじ部を有する筒状体で、移動体が前記筒状体の雌ねじ部に螺合する雄ねじを有する軸体である。筒状の駆動体の端面に圧電素子が取り付けられており、この圧電素子で、筒状の駆動体に進行波を発生させることで移動体に回転力が与えられ、回転する移動体がねじ部の中心軸に沿う方向へ移動させられる。

特許文献２に記載されている振動型アクチュエータは、筒状の駆動体の軸穴の両端部に雌ねじ部材が設けられ、筒状の駆動体の内部には、それぞれの雌ねじ部材に嵌合する雄ねじ部を有する軸状の移動体が設けられている。筒状の駆動体の外面には圧電素子が設けられ、この圧電素子によって、筒状の駆動体が撓むように変形させられて、雌ねじ部材に円運動が与えられる。これにより、雌ねじ部材に嵌合している軸上の移動体が回転させられて、移動体が軸方向へ進行する。
特公平７−４０７９１号公報 米国特許明細書書第６，９４０，２０９号

特許文献１に記載された振動型アクチュエータは、筒状の駆動体の端面に圧電素子が取り付けられており、圧電素子から前記端面に与える歪みにより、駆動体に進行波を伝達させるというものであるが、筒状の駆動体の内周面に進行波を発生させるには、圧電素子から前記端面に大きな歪みを与えることが必要であり、エネルギーの利用効率がきわめて悪い。また、圧電素子を駆動体の端面に高精度に位置合わせして取り付けることができないと、駆動体に進行波を発生させる効率が悪くなる。さらに、圧電素子を端面に貼着するための接着剤の厚みのばらつきなどが駆動体の振動特性に影響を与えるため、接着剤を用いた貼着作業が非常に難しい。

次に、特許文献２に記載の振動型アクチュエータは、内部にねじ部材が設けられた筒状の駆動体を撓み変形させるために、筒状の駆動体の外面に複数の圧電素子が取り付けられている。複数の圧電素子は、駆動体の外面において軸方向へ直線的に傾かないように取り付けることが必要であるため、その取り付け作業がきわめて困難である。また、圧電素子を駆動体に接着するための接着剤を軸方向にわたって均一な厚さで塗布することが必要であり、貼着作業が煩雑である。

また、筒状の駆動体の外面には、圧電素子を貼着するための取り付け平面が、軸方向に沿って形成されるため、駆動体の断面形状が多角形となる。そのため、駆動体はその撓み方向が変わると断面係数が相違することになり、駆動体の撓み変形によって雌ねじ部をスムーズに円運動させることが難しい。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、駆動素子の駆動力によって駆動体を振動させる際のエネルギーの利用効率が高く、また、駆動体の形状を単純にでき、製造も容易で高精度な動作を実現できる振動型アクチュエータを提供することを目的としている。

本発明の振動型アクチュエータは、軸方向に連続してねじ部が形成された移動体と、弾性変形可能であり軸方向の一部に前記移動体の前記ねじ部と嵌合する駆動用嵌合部を有する駆動体と、前記駆動体を支持する支持体と、
前記支持体に振動を与え前記支持体から前記駆動体に振動を伝達させて、前記駆動体を撓み変形させる駆動素子とを有しており、
前記駆動体の撓み変形によって前記駆動用嵌合部が円運動し、この円運動によって前記移動体が回転させられて、移動体が前記ねじ部によって軸方向へ移動させられることを特徴とするものである。

また、本発明は、前記駆動素子から前記支持体に与えられる振動によって、前記駆動体が共振させられるものである。

また、前記駆動用嵌合部は、前記駆動体の撓み振動の節と節との間に設けられているものである。

本発明の振動型アクチュエータは、駆動体に直接に駆動素子が取り付けられているのではなく、駆動素子から支持体に振動が与えられ、この振動が駆動体に伝達されて、駆動体が所定の振動数で振動させられる。そのため、駆動体の軸方向に沿って圧電素子などを傾くことなく高精度に貼着するという作業が不要になり、製造を容易にできる。また駆動体に圧電素子を貼着する際に接着剤の厚みのばらつきによる質量分布の片寄りという問題も生じることがなく、駆動体の質量のばらつきの発生を抑制でき、駆動体を常に高精度な振動モードで駆動できる。

本発明は、前記支持体には、前記駆動体の軸と直交する平面が設けられ、前記駆動素子が前記平面に取り付けられており、前記駆動素子から前記駆動体の軸中心に対して、互いに直交する向きで且つ位相が相違する加振力が与えられるものである。

また、本発明は、前記支持体には、前記駆動体の軸中心の延長上に穴が開口していることが好ましい。

支持体に、駆動体の軸中心の延長上に位置する穴が開口していると、それぞれの駆動素子から支持体に与える振動によって、駆動体と支持体との連結部に円運動を発生させやすくなり、駆動体を共振モードで振動させやすい。

さらに、本発明は、前記支持体には、隣り合う駆動素子の間に位置する穴が形成されていることが好ましい。

支持体の平面において、直交して隣り合う位置に配置された駆動素子は、互いに位相が相違する振動を発生するが、隣り合う駆動素子の間において支持体に穴を形成しておくと、異なる位相の振動により支持体の平面に波状の不要な振動が発生しにくくなる。

本発明は、例えば、前記駆動体は、弾性変形可能な振動軸で、前記移動体は、内周面に雌ねじ部が形成された筒体であり、前記駆動用嵌合部は、前記振動軸に設けられた雄ねじ部である。

この場合に、前記振動軸の外周面には圧電素子などの駆動素子を貼着する必要がないため、振動軸の外周面を円筒面にできる。そのため、振動軸の製造が容易である。さらに外周面が円筒面であると、振動軸は、撓み方向がどの方向であっても断面係数をほぼ等しくできる。よって、駆動用嵌合部が円運動する撓み振動を発生しやすい。

または、本発明は、前記駆動体は、弾性変形可能な振動筒体で、前記移動体は、外周面に雄ねじ部が形成された軸体であり、前記駆動用嵌合部は、前記振動筒体の内周面に設けられた雌ねじ部である。

この場合も、前記振動筒体の外周面を円筒面にすることが可能であり、振動筒体の撓み方向がどの方向であっても断面係数をほぼ等しくできる。

本発明では、駆動素子によって支持体を振動させ、支持体の振動を駆動体に伝達させて、駆動体を振動させている。そのため、駆動体に圧電素子などの駆動素子を貼着する必要がなく、駆動体の形状を簡単にでき、製造が容易である。また、駆動体のを円形に形成することができ、それぞれの撓み方向への断面係数をほぼ均一にすることが可能であり、駆動用ねじ部に高精度な円運動を発生させやすくなる。

図１は本発明の第１の実施の形態の振動型アクチュエータを、移動体を取り外した状態で示す斜視図、図２は、第１の実施の形態の振動型アクチュエータを軸中心と垂直な面で切断した横断面図、図３は前記振動型アクチュエータを軸中心を含む面で切断した縦断面図である。図４と図５は圧電素子と駆動回路との結線構造を示す説明図、図６は圧電素子に与える駆動信号の位相を示す波形図である。図７（Ａ）（Ｂ）は、第１の実施の形態の振動型アクチュエータの共振モードをモデル別に示す説明図である。図８は、第１の実施の形態の変形例の振動型アクチュエータの振動モードのモデル説明図である。

図１に示す振動型アクチュエータ１は、駆動体が振動軸２であり、移動体４が上下方向（Z軸方向）に貫通する中心穴４ａを有する筒体である。移動体４の中心穴４ａの内周面には軸方向に連続する雌ねじ部１４が形成されている。また、振動軸２の軸方向の中心部には、駆動子３が固定されており、この駆動子３の外周面に駆動用嵌合部として機能する雄ねじ部１３が形成されている。

振動軸２は、金属または合成樹脂材料などの弾性材料で形成されており、外力が作用していないときに軸中心Ｏ１が直線となる中実軸または中空軸である。振動軸２は軸中心Ｏ１が湾曲するように撓むことができ、その結果、振動軸２に固定されている駆動子３が円運動をするものである。よって、軸中心Ｏ１と直交するＸ−Ｙ座標平面内のどの方向に対しても曲げ剛性がほぼ等しいことが好ましく、そのためには、振動軸２の断面係数がどの方向に対しても一律であることが好ましい。この振動型アクチュエータ１は、振動軸２の外周面に圧電素子を取り付ける必要がないため、振動軸２の外周面を円筒面にでき、振動軸２をＸ−Ｙ平面で切断した断面の形状を、中実円形または中空円形（円筒形状）とすることができる。よって、振動軸２は、Ｘ−Ｙ平面のどの向きに対しても断面係数が一律である。

振動軸２の外周面が円筒面であると、振動軸を丸棒状の軸や円筒体で製造することができ、製造コストを低減できる。また、振動軸２の軸方向での質量の分布を均一にできる。

図１に示すように、振動軸２は図示下端部が支持体５に保持されて固定されており、振動軸２の図示上端部が自由端である。図１に示すように、支持体５は、一定の厚みの弾性力を発揮する板材であり、金属板または合成樹脂板あるいはセラミック板である。支持体５には中心穴５ａが貫通して形成されており、前記振動軸２の下端部は、前記中心穴５ａの内部に挿入されて支持体５に溶接などの手段で固定されている。または振動軸２の下端部が前記中心穴５ａ内に圧入されて固定されている。振動軸２に駆動力が作用していない状態で、振動軸２の軸中心Ｏ１は、支持体５の表平面５ｂに対して垂直である。

支持体５の表平面５ｂには、駆動素子として４つの圧電素子６，７，８，９が取り付けられている。圧電素子６，７，８，９は電歪効果を発揮する圧電セラミックで形成されており、それぞれの圧電素子６，７，８，９の誘電分極の向きは厚み方向（Ｚ方向）である。

圧電素子６と圧電素子７は、振動軸２の下端部の中心Ｏ２を通ってＸ方向に延びる線上に位置している。圧電素子６は、前記中心Ｏ２よりも＋Ｘ側に位置し、圧電素子７は、前記中心Ｏ２よりも−Ｘ側に位置している。圧電素子６は上側（＋Ｚ側）の面に電極６ａが支持体５の表平面５ｂと対向する面に電極６ｂが設けられている。圧電素子７は上側（＋Ｚ側）の面に電極７ａが支持体５の表平面５ｂと対向する面に電極７ｂが設けられている。

支持体５が金属で形成されて、支持体５が接地電位に設定される場合には、図４と図５に示すように、それぞれの電極６ｂ，７ｂは支持体５に電気的に接続されて、電極６ｂ，７ｂが接地電位に設定される。支持体５が金属で形成されており、電極６ｂ，７ｂに接地電位以外の駆動電圧が与えられるときは、電極６ｂ，７ｂと支持体５の表平面５ｂとの間に絶縁層が設けられる。

圧電素子８と圧電素子９は、振動軸２の下端部の中心Ｏ２を通ってＹ方向に延びる線上に位置している。圧電素子８は、前記中心Ｏ２よりも＋Ｙ側に位置し、圧電素子９は、前記中心Ｏ２よりも−Ｙ側に位置している。圧電素子８は上側（＋Ｚ側）の面に電極８ａが支持体５の表平面５ｂと対向する面に電極８ｂが設けられている。圧電素子９は上側（＋Ｚ側）の面に電極９ａが、支持体５の表平面５ｂと対向する面に電極９ｂが設けられている。

支持体５が金属で形成されて、支持体５が接地電位に設定される場合には、図４と図５に示すように、それぞれの電極８ｂ，９ｂは支持体５に電気的に接続されて、電極８ｂ，９ｂが接地電位に設定される。支持体５が金属で形成されており、電極８ｂ，９ｂに接地電位以外の駆動電圧が与えられるときは、電極８ｂ，９ｂと支持体５の表平面５ｂとの間に絶縁層が設けられる。

圧電素子６と圧電素子７は、長手方向がＸ方向に向けられ、Ｙ方向の幅寸法は長手方向の寸法よりも十分に短い。よって、電極６ａ，６ｂ間に駆動信号（駆動電圧）が与えられて圧電素子６に体積変化が生じると、圧電素子６から支持体５に対して、主にＸ方向への伸び応力または収縮応力が与えられる。同様に、圧電素子７から支持体５に対してＸ方向への伸び応力または収縮応力が与えられる。圧電素子６と圧電素子７は、一方がＸ方向へ伸びると他方がＸ方向へ縮むように動作する。

圧電素子８と圧電素子９は、長手方向がＹ方向に向けられ、Ｘ方向の幅寸法が長手方向の寸法よりも十分に短い長尺形状である。よって、電極８ａ，８ｂ間に駆動信号（駆動電圧）が与えられ、電極９ａ，９ｂ間に駆動信号（駆動電圧）が与えられると、圧電素子８および圧電素子９から支持体５に対して、主にＹ方向への伸び応力と収縮応力が与えられる。圧電素子８と圧電素子９は、一方がＹ方向へ伸びると他方がＹ方向へ縮むように動作する。

図１に示すように、隣り合う圧電素子の間には、扇形状の貫通穴５ｄが設けられている。圧電素子６，７，８，９のそれぞれから支持体５に与えられる歪みは、前記貫通穴５ｄで遮断され、圧電素子６，７，８，９から支持体５に対して不要な波状の歪みが与えられるのを防止できる。よって、圧電素子６，７，８，９から支持体５に与えられる伸び応力や収縮応力が、振動軸２の下端部の中心Ｏ２に対してＸ方向とＹ方向に作用しやすくなる。さらに、支持体５には、前記振動軸２と同軸上に位置する中心穴５ａが開口しているため、圧電素子６，７，８，９から支持体５に与えられる応力によって、振動軸２の下端部の中心Ｏ２に振動を与えやすくなる。すなわち、圧電素子６，７から支持体５に与えられるＸ方向への応力と、圧電素子８，９から支持体５に与えられるＹ方向への応力とが、中心穴５ａを介して振動軸２の下端部の中心Ｏ２に作用しやすくなる。

その結果、圧電素子６，７と圧電素子８，９に対して位相が９０度相違する駆動信号を与えることにより、振動軸２の下端部の中心Ｏ２が円運動を生じやすくなる。

図２と図３に示すように、前記駆動子３は金属または合成樹脂で形成されており、その内周面が振動軸２の外側に挿通されて固定されている。なお、駆動子３と振動軸２とが金属材料などで一体に形成されていてもよい。そして、駆動子３の外周面には駆動用嵌合部として機能する雄ねじ部１３が形成されている。

図１の例では、駆動子３が、振動軸２の長さの中点に配置されているが、駆動子３の最適位置は移動軸２の撓み共振のモードに応じて決まる。そのため、駆動子３を振動軸２の自由端に設けることが最適である場合があり、また駆動子３を振動軸２の中点以外の位置に設けることが最適な場合もある。いずれにせよ、振動子３は振動軸２の共振モードでの振動の節と節との中点に設けられることが好ましい。

円筒状の移動体４は金属製であり、その中心穴４ａの内周面に雌ねじ部１４が軸方向の全長にわたって形成されている。移動体４は慣性力が大きいことが好ましく、そのためには質量が大きいことが好ましい。移動体４は、その質量が、振動軸２の質量と駆動子３の質量との総和、すなわち振動部分の質量の総和よりも大きいことが好ましい。

移動体４の中心穴４ａの内周面に形成された雌ねじ部１４は、前記駆動子３の外周面に形成された雄ねじ部１３と同じピッチを有しているが、雌ねじ部１４の有効径は、雄ねじ部１３の有効径よりもやや大きい。そのため、図２および図３に模式的に示すように、移動体４の雌ねじ部１４が、駆動子３の雄ねじ部１３に嵌合したときに、移動体４は軸中心Ｏ１と直交する方向へ若干のがたつきを有しているが、移動体４を軸中心Ｏ１に沿う方向へ移動させようとしても、雌ねじ部１４のねじ山が、雄ねじ部１３のねじ山を越えることはない。すなわち、移動体４は、駆動子３に対して軸方向へがたつきを生じるように嵌合されているが、移動体４が駆動子３に対して軸方向へ抜き出ることはない。

図４には、駆動回路２０としてＡ相の駆動信号生成部（交流電圧発生部）２１とＢ相の駆動信号生成部（交流電圧発生部）２２が示されている。この実施の形態の振動型アクチュエータ１では、それぞれの圧電素子６，７，８，９と前記駆動回路２０とで加振手段が構成されている。図６の波形図に示すように、Ａ相の駆動信号生成部２１で生成されるＡ＋相の駆動信号（電圧）と、Ｂ相の駆動信号生成部２１で生成されるＢ＋相の駆動信号（電圧）は位相が互いに９０度相違し、一方がほぼ正弦波で他方がほぼ余弦波の関係である。Ｂ＋相はＡ＋相よりも位相が９０度進んでいる。なお、前記Ａ相の駆動信号とＢ相の駆動信号とが、位相が相違する矩形波であってもよい。圧電素子６，７，８，９に矩形波を与えたときも、電気的な信号伝達の遅延や機械的な電歪効果の遅れにより、圧電素子６，７，８，９に正弦波と余弦波を与えたのと同等にして駆動することが可能である。

図４に示す結線構造では、圧電素子６と圧電素子９の誘電分極方向が−Ｚ方向であり、圧電素子７と圧電素子８の誘電分極方向が＋Ｚ方向である。圧電素子６，７，８，９の電極６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂは、金属製の支持体５に接触した状態で固定されており、電極６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂは接地電位に設定されている。

Ａ相の駆動信号生成部２１からのＡ＋相の駆動信号は、圧電素子６の表側の電極６ａと、圧電素子７の表側の電極７ａに与えられる。また、Ｂ相の駆動信号生成部からのＢ＋相の駆動信号は、圧電素子８の表側の電極８ａと、圧電素子９の表側の電極９ａに与えられる。また、駆動信号生成部２１のＡ−側と駆動信号生成部２２のＢ−側は接地電位に設定されている。

図４に示す結線構造では、それぞれの駆動信号生成部２１，２２内の発振回路で得られたほぼ正弦波およびほぼ余弦波が、圧電素子６，７，８，９の表側の電極６ａ，７ａ，８ａ，９ａに直接に与えられる構造であるため、回路構成を単純にできる。

次に、上記振動型アクチュエータ１の動作について説明する。
図４に示す結線構造では、圧電素子６と圧電素子７の誘電分極方向が逆向きであり、しかも電極６ａと電極７ａにＡ＋相の同じ駆動信号が与えられている。そのため、圧電素子６と圧電素子７の一方が支持体５にＸ方向への伸び応力を与えるときに、同時に他方が支持体５にＸ方向への収縮応力を与える。よって、圧電素子６と圧電素子７との中間に位置する振動軸２の下端部の中心Ｏ２は、Ａ＋相の周波数と同じ振動数で＋Ｘ方向と−Ｘ方向へ往復運動し、このときの中心Ｏ２の時間に対する位置の変化は、ほぼ正弦関数に一致する。

また、圧電素子８と圧電素子９は誘電分極方向が逆であるため、電極８ａと電極９ａに、Ｂ＋相の駆動信号が同時に与えられると、圧電素子８と圧電素子９の一方が支持体５にＹ方向への伸び応力を与え、同時に他方が支持体５にＹ方向への収縮応力を与える。圧電素子８と圧電素子９の中間に振動軸２の下端部の中心Ｏ２は、Ｂ＋相の周波数と同じ振動数で＋Ｙ方向と−Ｙ方向へ往復運動し、このときの中心Ｏ２の時間に対する位置の変化は、ほぼ余弦関数に一致する。

すなわち、Ａ＋相とＢ＋相は、位相が９０度相違し、Ａ＋相とＢ＋相とが同じ周波数であるため、前記のようにＡ＋相とＢ＋相は正弦関数と余弦関数の関係となる。前記中心Ｏ２は正弦関数と余弦関数との合成運動となり、よって前記中心Ｏ２が円運動をする。

図４に示す結線構造では、例えば、図６に示す時刻（ａ）で、圧電素子７が収縮して圧電素子６が伸び、その後の時刻（ｂ）で、圧電素子８が収縮して圧電素子９が伸びるため、振動軸２の下端部の中心Ｏ２が上からみて時計方向へ円運動する。

図４において、Ａ＋相の駆動信号を圧電素子８，９の電極８ａ，９ａに与え、Ｂ＋相の駆動信号を圧電素子６，７の電極６ａ，７ａに与えるように回路を切り換えると、前記中心Ｏ２の回転方向が逆の反時計方向となる。

図５は、圧電素子６，７，８，９と駆動回路２０との他の結線構造を示している。
図５に示す結線構造では、全ての圧電素子６，７，８，９の誘電分極方向が同じ方向の−Ｚ方向へ向けられている。また、全ての圧電素子６，７，８，９の−Ｚ側の面に設けられている電極６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂが、金属製の支持体５の表平面５ｂに接続されて固定されており、支持体５とともに、電極６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂが接地電位に設定されている。

Ａ相の駆動信号生成部２１で発せられるＡ＋相の駆動信号は、圧電素子６の表側の電極６ａに与えられるとともに、Ａ＋相の駆動信号が位相反転回路２３によって位相が１８０度変えられて反転され、圧電素子７の表側の電極７ａに与えられる。Ｂ相の駆動信号生成部２２で発せられるＢ＋相の駆動信号は、圧電素子９の表側の電極９ａに与えられるとともに、Ｂ＋相の駆動信号が位相反転回路２４によって位相が反転されて、圧電素子８の表側の電極８ａに与えられる。

図５に示す結線構造では、圧電素子７と圧電素子８の誘電分極方向が−Ｚ方向であり、図４に示す結線構造における＋Ｚ方向の誘電分極方向と逆向きである。ただし、図５では、圧電素子７の電極７ａにＡ＋相の駆動信号が反転されて与えられ、圧電素子８の電極８ａにＢ＋相の駆動信号が反転されて与えられている。

そのため、図５に示す結線構造では、図４に示す結線構造と同様に、振動軸２の下端部の中心Ｏ２が、上方から見て時計回りに円運動する。また、図５の結線構造において、Ａ＋相の駆動信号とＢ＋相の駆動信号を入れ替えるように切り換えると、中心Ｏ２の円運動の向きが反時計回りに切り換えられる。

図５に示す結線構造では、全ての圧電素子６，７，８，９の誘電分極方向が同じであるため、圧電素子の取付けの向きを誤ることがなく、組み立てミスが生じにくい。

前記駆動信号生成部２１から圧電素子６，７に与えられるＡ＋相の駆動信号の周波数と、駆動信号生成部２２から圧電素子８，９に与えられるＢ＋相の駆動信号の周波数は、振動軸２を固有振動数で撓み振動させることができる値に設定される。すなわち、Ａ＋相の駆動信号とＢ＋相の駆動信号によって、振動軸２は図７および図８などに示す共振モードで撓みながら、下端部の中心Ｏ２が円運動し、よって、振動軸２の各部分も共振モードに対応した変形状態で円運動する。

振動軸２の撓みの固有振動数は、振動軸２の質量と駆動子３の質量、ならびに振動軸２の長さ、および振動軸２の撓み変形の弾性係数で決まる。なお、駆動子３の質量は、振動軸２の全体の質量に比べてさほど大きくはなく、よって、振動軸２と駆動子３の質量は、実質的に振動軸２の軸方向に均一的に分布しているのに等しい。よって、振動軸２の固有振動数は、質量が軸方向に均等に分布している片持ち梁の固有振動数とおおむね等価である。ただし、実際は、振動軸２と共に移動体４も一緒に振動するため、移動体の質量と長さも、振動軸２の固有振動数を決定する要因のひとつとなる。

図７（Ａ）（Ｂ）は、振動軸２の２つの共振モードをモデル別に示している。図７（Ａ）の共振モードは、振動軸２の全長がほぼ１波長に相当する共振である。駆動子３は、振動の節と節との中点に位置しており、駆動子３の部分で円運動の振幅が最大となる。図４と図５の通電状態では、駆動子３が上から見て時計方向へ円運動する。図７（Ｂ）に示す共振モードは、１波長が振動軸２の全長のほぼ４倍である。振動軸２は、その下端部の中心Ｏ２において円運動の振幅が最大になり、駆動子３は、振幅が最大となる部分と振動の節との中点に位置して、時計方向へ円運動する。なお、振動軸２を、図７（Ａ）（Ｂ）よりもさらに高次の固有振動数で共振させることも可能である。

振動軸２が、図７（Ａ）（Ｂ）などに示す共振モードで撓み変形振動し、駆動子３が時計方向へ円運動すると、駆動子３の雄ねじ部１３から筒状の移動体４の雌ねじ部１４に対して時計方向への回転力が与えられる。よって、移動体４は時計方向へ回転させられながら、雌ねじ部１４の螺旋軌跡にしたがって図示下方（−Ｚ方向）へ進行していく。

また、各圧電素子６，７，８，９の電極に対するＡ＋相の駆動信号とＢ＋相の駆動信号の通電状態が、図４および図５とは逆となるように切り換えられ、振動軸２の下端部の中心Ｏ２が反時計方向へ円運動すると、共振状態の駆動子３も上方から見て反時計方向へ円運動する。

このとき、駆動子３の雄ねじ部１３から移動体４の雌ねじ部１４に対して反時計方向への回転力が与えられる。よって、移動体４は反時計方向へ回転させられながら、雌ねじ部１４の螺旋軌跡にしたがって図示上方（＋Ｚ方向）へ向けて進行していく。

図８は第１の実施の形態の変形例となる振動型アクチュエータ１Ａの共振モードを示している。

この振動型アクチュエータ１Ａでは、振動軸２の上端に雄ねじ部１３を有する駆動子３が固定されている。振動軸２を共振させるための加振手段は、図１ないし図６に示した第１の実施の形態と同じである。加振手段により、振動軸２の下端部の中心Ｏ２に対してＸ−Ｙ平面内で円運動を生じる力が与えられる。このときの共振モードは、１波長が振動軸２の軸方向の全長の２倍である。

図８に示す振動型アクチュエータ１Ａでは、振動軸２の上端に設けられた駆動子３が共振状態で円運動するため、この駆動子３により移動体４に回転力が与えられ、雌ねじ部１４の軌跡によって、移動体４が＋Ｚ方向または−Ｚ方向へ移動させられる。

図９は本発明の第２の実施の形態の振動型アクチュエータ１０１を示す縦断面図である。

図９に示す振動型アクチュエータ１０１は、駆動体が振動筒体１０４であり、この振動筒体１０４の下端部が支持体５に形成された中心穴５ａ内に挿入されて固定されている。振動筒体１０４の中心穴１０４ａの上端部には駆動子１０３ａが固定され、前記中心穴１０４ａの下端部には駆動子１０３ｂが固定されている。それぞれの駆動子１０３ａ，１０３ｂはリング形状であり、その外周面が前記振動筒体１０４の中心穴１０４ａの内周面に固定されている。そして、駆動子１０３ａ，１０３ｂのそれぞれの内周面には、駆動用嵌合部として機能する雌ねじ部１４ａと雌ねじ部１４ｂが形成されている。

支持体５の表平面５ｂには、図１に示すように、圧電素子６，７，８，９が固定されており、また隣り合う圧電素子の間には貫通穴５ｄが形成されている。

移動体１０２は軸体であり、その軸中心は直線状である。そして、移動体１０２の外周面には、軸方向に連続する雄ねじ部１３が形成されている。それぞれの雌ねじ部１４ａ，１４ｂと雄ねじ部１３の有効径どうしの寸法関係や嵌合状態は、図２と図３に示された第１の実施の形態での雄ねじ部１３と雌ねじ部１４との嵌合と同じである。なお、軸体である移動体１０２の上方部分に、上側の雌ねじ部１４ａと嵌合する雄ねじ部が形成され、移動体１０２の下方部分に、下側の雌ねじ部１４ｂと嵌合する雄ねじ部が形成され、上方部分の雄ねじ部と下方部分の雄ねじ部との間に、雄ねじ部が刻まれていない軸体の外周面が現れていてもよい。

この振動型アクチュエータ１０１では、第１の実施の形態と同様に、加振手段である圧電素子６，７，８，９から支持体５に伸び応力と収縮応力が与えられて、振動筒体１０４の下端部の中心が円運動する。この円運動の周波数を振動筒体１０４の固有振動数に合わせることにより、振動筒体１０４は撓み変形しなが円運動を起こすように共振する。

図１０（Ａ）（Ｂ）はこのときの共振モードの例を示している。共振周波数は、振動筒体１０４の質量および駆動子１０３ａ，１０３ｂの質量と、振動筒体１０４の長さ、ならびに振動筒体１０４のたわみ変形の弾性係数によって決まる。ただし、軸体である移動体１０２も一緒に動作するため、移動体１０２の質量および長さも共振周波数の決定要因となる。

図１０（Ａ）に示す共振モードは、１波長が振動筒体１０４の長さのほぼ２倍である。図１０（Ｂ）に示す共振モードは、振動筒体１０４の長さがほぼ１波長に相当している。

いずれも共振モードにおいても、振動筒体１０４に設けられた駆動子１０３ａと駆動子１０３ｂが上から見て時計方向へ円運動すると、駆動子１０３ａ，１０３ｂに形成された雌ねじ部１４ａ，１４ｂによって、移動体１０２が時計方向へ回転させられる。よって移動体１０２は、雄ねじ部１３の螺旋軌跡にしたがって−Ｚ方向へ進行する。駆動子１０３ａ，１０３ｂが上から見て反時計方向へ円運動するように共振すると、雌ねじ部１４ａ，１４ｂによって移動体１０２が反時計方向へ回転させられて＋Ｚ方向へ進行する。

図１１（Ａ）（Ｂ）は、第２の実施の形態の変形例となる振動型アクチュエータ１０１Ａ，１０１Ｂを示している。

図１１（Ａ）に示す振動型アクチュエータ１０１Ａは、駆動体である振動筒体１０４と軸体である移動体１０２を有している。振動筒体１０４の中心穴１０４ａ内では、その軸長の半分の位置に１個の駆動子１０３が固定されており、この駆動子１０３の内面に駆動用嵌合部として機能する雌ねじ部１４が形成されている。図１１（Ａ）に示す振動筒体１０４の共振モードは、振動筒体１０４の全長がほぼ１波長に相当している。

図１１（Ｂ）に示す振動型アクチュエータ１０１Ｂでは、振動筒体１０４の下端部、すなわち支持体５に支持されている部分に駆動子１０３が設けられ、この駆動子１０３に雌ねじ部１４が形成されている。この例では、振動筒体１０４は、その全長が１／４波長に相当する共振モードで駆動される。

図９ないし図１１に示す振動型アクチュエータ１０１，１０１Ａ，１０１Ｂは、いずれも駆動体である振動筒体１０４が共振周波数で撓み振動し、駆動子１０３，１０３ａ，１０３ｂが、振動の節と節との間に固定されて円運動をする。よって、圧電素子６，７，８，９によって、振動筒体１０４を効果的に共振させて、移動体１０２を確実に進退動作させることができる。

図１２は本発明の第３の実施の形態の振動型アクチュエータ２０１を示している。
この振動型アクチュエータ２０１では、駆動体である振動筒体２０４の軸方向の全長の中間点が支持体５の中心穴５ａに挿入されて固定されている。支持体５には、図１に示すように、加振手段を構成する圧電素子６，７，８，９が固定されている。振動筒体２０４の軸方向の全長の中間点、すなわち支持体５で保持されている部分の内周面に、駆動子２０３が固定されており、駆動子２０３の内周面に駆動用嵌合部として機能する雌ねじ部１４が形成されている。また、移動体２０２は軸体であり、外周面には軸方向に連続する雄ねじ部１３が形成されている。そして、駆動子２０３の雌ねじ部１４と雄ねじ部１３とが嵌合している。

圧電素子６，７，８，９から支持体５に伸び歪みと収縮歪みが与えられ、振動筒体２０４が図１３（Ａ）に示す共振モードまたは図１３（Ｂ）に示す共振モードで駆動される。駆動子２０３は振動の節と節との中間の振幅が最も大きい部分に固定されて、円運動をする。

図４または図５に示すように圧電素子６，７，８，９に通電することで、駆動子２０３が円運動し、雌ねじ部１４によって軸体である移動体２０２が回転させられて、＋Ｚ方向または−Ｚ方向へ移動させられる。

なお、図１３（Ｂ）に示す共振モードで駆動する場合に、駆動子２０３を支持体５と同じ位置に設けるのではなく、駆動子２０３を振動筒体２０４の上端部と下端部のそれぞれに固定してもよい。

なお、前記各実施の形態では、支持体５に振動のための応力を与える駆動素子として圧電素子６，７，８，９を使用しているが、支持体５に振動を作用させる駆動素子として圧電素子以外の電磁アクチュエータや静電アクチュエータあるいは熱応力発生素子などを使用してもよい。

本発明の第１の実施の形態の振動型アクチュエータを、移動体を外した状態で示す斜視図、 第１の実施の形態の振動型アクチュエータの横断面図、 第１の実施の形態の振動型アクチュエータの縦断面図、 圧電素子と駆動回路との結線構造を示す説明図、 圧電素子と駆動回路との結線構造の他の例を示す説明図、 Ａ相の駆動信号とＢ相の駆動信号の波形図、 （Ａ）（Ｂ）は、第１の実施の形態の振動型アクチュエータの共振モードのモデル説明図、 第１の実施の形態の変形例の振動型アクチュエータの共振モードのモデル説明図、 本発明の第２の実施の形態の振動型アクチュエータの縦断面図、 （Ａ）（Ｂ）は、第２の実施の形態の振動型アクチュエータの共振モードのモデル説明図、 （Ａ）（Ｂ）は、第２の実施の形態の変形例の振動型アクチュエータの共振モードのモデル説明図、 本発明の第３の実施の形態の振動型アクチュエータの縦断面図、 （Ａ）（Ｂ）は、第３の実施の形態の振動型アクチュエータの共振モードのモデル説明図、

符号の説明

１ 振動型アクチュエータ
２ 振動軸（駆動体）
３ 駆動子
４ 移動体
４ａ 中心穴
５ 支持体
５ａ 中心穴
５ｂ 表平面
５ｄ 貫通穴
６，７，８，９ 圧電素子
６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ 電極
１３ 雄ねじ部
１４ 雌ねじ部
２０ 駆動回路
１０１ 振動型アクチュエータ
１０２ 移動体
１０３，１０３ａ，１０３ｂ 駆動子
１０４ 振動筒体
２０１ 振動型アクチュエータ
２０２ 移動体
２０３ 駆動子
２０４ 振動筒体

Claims (10)

1. 軸方向に連続してねじ部が形成された移動体と、弾性変形可能であり軸方向の一部に前記移動体の前記ねじ部と嵌合する駆動用嵌合部を有する駆動体と、前記駆動体を支持する支持体と、
   前記支持体に振動を与え前記支持体から前記駆動体に振動を伝達させて、前記駆動体を撓み変形させる駆動素子とを有しており、
   前記駆動体の撓み変形によって前記駆動用嵌合部が円運動し、この円運動によって前記移動体が回転させられて、移動体が前記ねじ部によって軸方向へ移動させられることを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記駆動素子から前記支持体に与えられる振動によって、前記駆動体が共振させられる請求項１記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記駆動用嵌合部は、前記駆動体の撓み振動の節と節との間に設けられている請求項１または２記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記支持体には、前記駆動体の軸と直交する平面が設けられ、前記駆動素子が前記平面に取り付けられており、前記駆動素子から前記駆動体の軸中心に対して、互いに直交する向きで且つ位相が相違する加振力が与えられる請求項１ないし３のいずれかに記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記支持体には、前記駆動体の軸中心の延長上に穴が開口している請求項４記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記支持体には、隣り合う駆動素子の間に位置する穴が形成されている請求項４または５記載の振動型アクチュエータ。
7. 前記駆動体は、弾性変形可能な振動軸で、前記移動体は、内周面に雌ねじ部が形成された筒体であり、前記駆動用嵌合部は、前記振動軸に設けられた雄ねじ部である請求項１ないし６のいずれかに記載の振動型アクチュエータ。
8. 前記振動軸の外周面は円筒面である請求項７記載の振動型アクチュエータ。
9. 前記駆動体は、弾性変形可能な振動筒体で、前記移動体は、外周面に雄ねじ部が形成された軸体であり、前記駆動用嵌合部は、前記振動筒体の内周面に設けられた雌ねじ部である請求項１ないし６のいずれかに記載の振動型アクチュエータ。
10. 前記振動筒体の外周面は円筒面である請求項９記載の振動型アクチュエータ。

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