JP5188062B2 - 振動型アクチュエータ及びその制御方法 - Google Patents

振動型アクチュエータ及びその制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電振動を利用した振動型アクチュエータ及びその制御方法に関する。
振動型アクチュエータは、少なくとも圧電体からなる振動体とこれに圧接される移動体で構成され、該振動体に励起された振動によって該移動体との間に発生する摩擦力により、振動体と移動体が相対的に運動するように構成されている。
通常、この相対的な運動による位置変化を制御するために、光学センサ等の位置検出用のセンサが設けられ、センサにより検出した位置情報を目標位置と比較し、振動体に励起される振動のオン、オフを制御することで位置制御している。
また、特許文献1には、移動体に切り欠きを設け、振動体に励起される定在波の腹位置に切り欠きが移動することを利用し、定在波の腹の位置を移動させることで、移動体位置を移動させる圧電アクチュエータが提案されている。
また、特許文献2には、移動体に突起部を設け、突起と振動体を接触させ、振動体に励起される定在波の腹位置に突起間の凹部が移動することを利用し、定在波の腹の位置を移動させることで、移動体の位置を移動させる圧電アクチュエータが提案されている。
特許第2973527号 特許第3044750号
しかしながら、上記特許文献1及び特許文献2に示すように、振動体と切り欠き部や突起部が接触する構成では振動体の磨耗が進みやすく、振動子の振動特性が変化してしまう問題があった。
また、定在波の腹を中心として、両側に移動させようとする力のつりあいで移動体を定在波の腹位置で停止させるため、停止時に振動体を振動させておくと更に磨耗が進む問題があった。
本発明の目的は、振動体の耐久性を向上させることができる振動型アクチュエータ及びその制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1記載の振動型アクチュエータは、圧電体及び弾性体からなる振動体と、該振動体と挟持部材との間に移動体を挟持し、該移動体を前記振動体及び前記挟持部材と相対的に移動させる振動型アクチュエータにおいて、前記移動体は、前記挟持部材側に突部を有すると共に、前記移動体の突部と前記挟持部材との間の摩擦力が、前記移動体と前記振動体との摩擦力より大きく、前記振動体及び前記移動体上に励起する振動波の腹の位置を変化させることで、前記振動体及び前記挟持部材に対して前記移動体を移動させることを特徴とする。
請求項2記載の振動型アクチュエータは、振動が励起される移動体と、該移動体を挟持して前記移動体と相対的に運動する第1及び第2の挟持部材からなる振動型アクチュエータであって、前記移動体には前記第1の挟持部材側に凹凸部を有すると共に、前記移動体と前記第1の挟持部材との間の摩擦力が前記移動体と前記第2の挟持部材との摩擦力より大きく、前記第2の狭持部材及び前記移動体上に励起する振動波の腹の位置を変化させることで、前記第1の狭持部材及び前記第2の挟持部材に対して前記移動体を移動させることを特徴とする。
請求項5記載の振動型アクチュエータの制御方法は、振動が励起される移動体と、該移動体を挟持して前記移動体と相対的に運動する第1及び第2の挟持部材からなる振動型アクチュエータの制御方法であって、前記移動体と前記第1の挟持部材との間の摩擦力が前記移動体と前記第2の挟持部材との摩擦力より大きく設定され、前記第2の挟持部材上に励起する振動波の腹の位置を変化させることで、前記移動体を移動させることを特徴とする。
振動型アクチュエータは、圧電体及び弾性体からなる振動体と、該振動体と挟持部材との間に移動体を挟持し、該移動体を振動体及び挟持部材と相対的に移動させる。移動体は、挟持部材側に突部を有すると共に、移動体と挟持部材との間の摩擦力が、移動体と振動体との摩擦力より大きく、振動体及び移動体上に励起する振動波の腹の位置を変化させることで、振動体及び挟持部材に対して移動体を移動させる
このような構造により、振動体の耐久性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に従って詳細に説明する。
〔第1の実施の形態〕
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る振動型アクチュエータの駆動原理及び動作の説明図である。
図1において、振動型アクチュエータは、弾性体1とこの弾性体1に接着された圧電体2からなる振動体を備える。圧電体2は、電極2a及び2bを有する。交流電圧を電極2aまたは電極2bに印加することで、弾性体1に形成される曲げ振動の腹の位置が移動するように構成されている。
また、振動型アクチュエータは移動体3を備える。移動体3は、挟持部材4と弾性体1によって一定の加圧力で挟持されている。移動体3と一体に構成された突部である突起3aは挟持部材4と加圧接触している。また、移動体3の一方の面は弾性体1に接しており、弾性体1の振動を受けて移動体3も振動するようになっている。
また、移動体3と挟持部材4との間の摩擦係数は、弾性体1と移動体3との間の摩擦係数より高くなっており、移動体3が移動する際の駆動力は、主に突起3aと挟持部材4との間の摩擦力により発生するようになっている。
以下に駆動原理について説明する。交流電圧を圧電体2の電極2aに印加すると、図1(a)に示した点線で示すように、曲げ振動が弾性体1上に発生する。するとこれに応じて、移動体3の突起3aの右側に弾性体1の振動の腹が形成されるため、移動体3にも突起3a近傍に振動の腹を有する曲げ振動が発生する。
すると、この曲げ振動による突き上げ力により突起3aの右側を押し上げることで、突起3aに反時計回りのモーメントが発生し、突起3aと挟持部材4の間に相対的に移動体3を紙面右方向に移動させる力が発生する。移動体3と弾性体1の間の摩擦力は低く設計されているので(潤滑油やテフロン(登録商標)コーティング等)移動体3は紙面右方向へ移動する。
突起3aが弾性体1の曲げ振動の腹位置に近付いていくと、徐々に上記モーメントが減少して行き、突起3aが弾性体1の曲げ振動の腹位置に到達すると、完全にモーメントが0になり、移動体3は停止する。
図1において、(a)は電極2aのみに交流電圧を印加した状態を示しており、上記したように紙面右側への駆動力を発生している状態を示している。
(b)は、電極2a、2bに同時に同じ交流電圧を印加した場合を示しており、弾性体1上に形成される曲げ振動の腹の位置は、電極2aと電極2bの中間位置となる。移動体3は、突起3aが上記曲げ振動の腹位置に移動し、弾性体1から突き上げ方向の振動のみを受けている状態を示している。
(c)は、電極2bのみに交流電圧を印加した状態を示しており、弾性体1上に形成される曲げ振動の腹の位置は、電極2bの中間位置となる。突起3aの左側に曲げ振動の腹があるので、この曲げ振動が移動体3を突き上げる際に突起3aに時計回りのモーメントが発生し、突起3aと挟持部材4の間に相対的に移動体3を紙面左方向に移動させる力が発生する。
このように、移動体3は、突起3aの位置が弾性体1の曲げ振動の腹位置に追従して移動していくので、弾性体1に形成される曲げ振動の腹位置を移動させることで、任意の位置に移動体3を移動させることが可能となっている。
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る回転型の振動型アクチュエータの外観斜視図である。
図2において、弾性体1、圧電体2、移動体3、挟持部材4をそれぞれ環状に形成し、移動体3の内側に円板5を一体に接合し、円板5の中心に設けた回転軸6から回転力を取り出すようになっている。
挟持部材4は、不図示の支持体によって弾性体1と共に一体に構成され、移動体3と相対的に回転自由に支持されている。移動体3は、円周上に12個の突起3aを有している。
図3は、図2における圧電体に形成された電極構造を示す図である。
図3において、圧電体2は、24の電極からなっている。各電極に示した符号は圧電体2の個々の電極の分極方向を示しており、各電極は1つ置きに配線手段7aまたは配線手段7bで接続されている。配線手段7a、7bには周波数が等しい交流電圧VA、VBが印加され、6波の曲げ振動を弾性体1に形成するようになっている。
図4は、図3における交流電圧VA、及び交流電圧VBの電圧振幅をステップ的に切り替えた場合の振幅と曲げ振動の腹の位置(φ)及び移動体の回転角度(θ)の関係を示す図である。
図3、図4において、交流電圧VAに振幅Vの交流電圧を印加すると、配線手段7aで接続される圧電体2の電極2a及び電極2cに交流電圧VAが印加され、電極2a及び電極2cの中心あたりに曲げ振動の腹位置を有する定在波が励起される。
また、電極2aと電極2cにおけるこの曲げ振動の振動方向は、互いに逆方向となっており、図4には実線と点線でそれぞれの腹の位置を示している。移動体3は、弾性体1に形成される上記曲げ振動の腹位置に追随するように、移動体3上に形成されている突起3aの位置が回転するから、電極2aの中心位置に突起3aが移動することになる。
ここで、圧電体2の電極2bと電極2cの中間位置を0度とすると、電極は円周上に24個等間隔で並んでいるので、電極2aの中心位置は22.5度となる。
次に、交流電圧VBも振幅Vとした場合を考える。交流電圧VA、VBを同時に同位相で配線手段7a、7bに印加すると、圧電体2の電極2a、2cと同時に電極2b、2dにも交流電圧VAと同電圧の交流電圧VBが印加される。
すると、弾性体1上に形成される曲げ振動の腹の位置は、電極2aと電極2bの中間位置となるから、移動体3の突起3aの位置も電極2aと電極2bの中間位置である15度の位置に移動する。
次に、交流電圧VAを0とすると、電極2b、2dの中心位置に弾性体1上に形成される曲げ振動の腹位置は移動するから、移動体3の突起3aは、更に7.5度回転して電極2bの中心位置である7.5度の位置へ移動する。
次に、交流電圧VBを振幅Vで発生させたままで、交流電圧VAの振幅を−Vとする。この符号は位相の反転を示しており、交流電圧VAと交流電圧VBの位相が反転していることを示している。
すると、弾性体1上に形成される曲げ振動の腹の位置は、電極2bと電極2cの中間位置となる。従って、上記説明と同様にして、移動体3の突起3aは、電極2bと電極2cの中間位置である0度の位置に回転する。
このようにして、弾性体1上に形成される曲げ振動の腹の位置をステップ的に切り替えていくことで、移動体3の回転位置もステップ的に移動させることができる。
次に、交流電圧VA、VBをステップ的にではなく連続的に切り替えた場合の動作を説明する。
図5は、図3における交流電圧VA、及び交流電圧VBの電圧振幅を連続的に切り替えた場合の振幅と曲げ振動の腹の位置(φ)及び移動体の回転角度(θ)の関係を示す図である。
図5において、交流電圧VA及びVBを正弦的に切り替えていくことによって、曲げ振動の腹の位置は連続的に移動し、移動体3もそれに追従して連続的に移動している。交流電圧VAと交流電圧VBは、ほぼ90度位相のずれた正弦波形状となっており、位置に対する交流電圧の振幅を予め計算しておくことで、任意の位置に移動体3を移動させることができる。
このように、表面に突起3aによる凹凸を設けた移動体3を、弾性体1と挟持部材4で挟持し、突起3aと挟持部材4の間の摩擦力を利用して、移動体3を弾性体1および挟持部材4に対して相対的に運動させることができる。
〔第2の実施の形態〕
図6は、本発明の第2の実施の形態に係る振動型アクチュエータの駆動原理の説明図である。
図6において、a、b、c、d、eは、弾性体1上に形成される曲げ振動がaから順に波の振幅が増減しながら移動していく様子を表している。波の振幅の増減は移動体3に形成された突起3aの間隔とほぼ同じ間隔で発生しており、最も大きな振幅近傍で移動体3と弾性体1上に形成された曲げ振動が接している。
従って、移動体3は、突起3aの位置が常に弾性体1上に形成された曲げ振動の最も大きな振幅が接する位置に追随して移動して行く。
(a)と(b)は、時間の経過を表しており、弾性体1上に形成された曲げ振動の最も大きな振幅位置が移動する様子を示している。Δθは、時間の経過によって弾性体1上に形成された曲げ振動の最も大きな振幅位置の移動した量を示している。
このように、弾性体1上に形成された曲げ振動の最も大きな振幅位置を徐々に移動させることで、移動体3をスムースに移動させることができる。
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る振動型アクチュエータにおいて、振幅変調の掛かった曲げ振動を発生させるための制御回路の例を示すブロック図である。
図7において、本制御回路は、不図示の指令手段からの速度指令と不図示の移動体の速度を検出する速度検出手段からの速度検出信号との差を検出するための比較手段10を有する。また、不図示の指令手段からの駆動周波数指令と比較手段10の出力を加算して第2の駆動周波数指令を発生するための加算手段11を有する。
また、本制御回路は、駆動周波数指令に応じた周波数で位相が90度ずれた2相の交流電圧を発生するための交流電圧発生手段12、13、インダクタンス素子14、15、16、17を有する。
交流電圧発生手段12の出力電圧の一方は、インダクタンス素子14を介して圧電体2の電極2aに印加されている。また、交流電圧発生手段12のもう一方の出力電圧は、他方に対して位相が90度遅れており、インダクタンス素子17を介して圧電体2の電極2bに印加されている。
交流電圧発生手段(位相差交流電圧発生手段)13の出力電圧の一方は、インダクタンス素子16を介して圧電体2の電極2bに印加されている。また、交流電圧発生手段13のもう一方の出力電圧は、他方に対して位相が90度遅れており、インダクタンス素子15を介して圧電体2の電極2aに印加されている。
このように圧電体2の電極2aと電極2bに位相の90度ずれた交流電圧を印加すると、弾性体1には周上に回転する進行性の曲げ振動を発生させることができる。上記交流電圧発生手段12及び13は、互いに逆方向に回転する進行性の曲げ振動を弾性体1上に形成するように位相差が設定されている。
ここで、逆方向の進行性の曲げ振動を発生させる理由について簡単に説明しておく。単純に進行する波の進行速度を任意に設定可能であるとすれば、波の波頭に追随して回転する移動体3の回転速度を任意に設定することが可能と思われる。
しかし実際には、波の進行する速度は弾性体1の共振周波数に依存する狭い帯域の駆動周波数に比例しており、通常、高速に弾性体1上を移動するので移動体3をこの回転速度で回転させることは困難である。
そこで本実施の形態では、互いに逆方向に進行する同じ波数の進行性の曲げ振動を同時に発生させ、波頭の重なる位置で曲げ振動の振幅が極大となる振幅の変調された波を用い、この極大点に移動体3の突起3aを追随させる。
この極大点は、進行する曲げ振動が波1つ分移動する毎にほぼ1回発生し、この2つの進行波の周波数に差を持たせることで、振幅の極大となる位置がこの周波数の差に比例した速度で移動していく。また、この極大点の移動方向は周波数の大小を入れ替えれば逆転し、同一周波数とすれば停止させることも可能である。
このように、任意の位置に振幅の極大点を任意の速度でスムースに移動させることができるので、移動体3の回転位置も同様に移動させることができる。
〔第3の実施の形態〕
図8は、本発明の第3の実施の形態に係る振動型圧電アクチュエータの構成図である。
図8において、圧電振動子18a、18b、18c、18d、18e、18f、18gは、紙面上下方向に、移動体3と接触して突き上げるように振動する。
図では省略したが、圧電振動子18はシステムに応じて必要数、横方向にならべて配置されており、任意の圧電振動子18を独立して振動させることが可能となっている。図は、圧電振動子18a、18d、18gを同位相で加振した場合の状態を示し、圧電振動子18a、18d、18gと移動体3の接触位置に移動体3の突起3aが移動している。
圧電振動子18b、18eを加振すると、移動体3は紙面右方向に移動し、圧電振動子18c、18fを加振すると、移動体3は紙面左方向に移動し、移動体3の突起3aは、振動する各圧電振動子が移動体3と接触する位置に移動する。
また、圧電振動子18a、18d、18gと圧電振動子18b、18eを同時に同じ力で加振した場合には、移動体3の突起3aは、圧電振動子18dと圧電振動子18eの中間位置に移動する。
更に、圧電振動子18a、18d、18gと圧電振動子18b、18eを同時に異なる力で加振した場合、その力の比に応じて、移動体3の突起3aは、圧電振動子18dと圧電振動子18eの間の位置に移動する。
また、本実施の形態では、1次元の例を示したが、圧電振動子18及び移動体3の突起3aを格子状に2次元に配列させてもよい。
〔第4の実施の形態〕
図9は、本発明の第4の実施の形態に係る振動型アクチュエータの圧電振動子の構成図である。
図9(a)において、圧電体9は、長方形板状の弾性体8の一方の面に接着されている。(b)は、圧電体9に設けられた給電用の電極パターンを示しており、長手方向を電極9a、9bの2つに分割している。
図10は、図9の圧電振動子(弾性体及び圧電体)の振動形状を示す図である。
(a)は、圧電体9の電極9aと電極9bに逆相の交流電圧を印加した時に、弾性体8に形成される曲げ振動を示す図である。長手方向に2つの腹を持つ曲げ振動が形成されている。
(b)は、圧電体9の電極9aと電極9bに同相の交流電圧を印加した時に、弾性体8に形成される曲げ振動を示す図である。短辺方向に1つの腹を持つ曲げ振動が形成されている。
(c)は、圧電体9の電極9aと電極9bに90度の位相を有する交流電圧を印加した時に、弾性体8に形成される曲げ振動を示す図である。(a)と(b)の波が合成された曲げ振動が形成されている。
このように、90度の位相差で電極9aと電極9bに交流電圧を印加すると、異なる振動形状の曲げ振動を同時に発生させることが可能である。(c)は(a)と(b)の曲げ振動を重ねたものであるが、90度の位相差を−90度とすることで(a)または(b)の曲げ振動の位相を反転して重ねることができる。
図11は、図10の圧電振動子の振動波形を示す図である。
図11の(a)、(e)は、図10の(a)の振動を示しており、波形はその曲げ振動の最大変位点の変位量を示している。
図11の(b)は、図10の(b)の振動を示しており、同様に曲げ振動の最大変位点の変位を示している。
図11の(f)は、図10の(b)の逆位相の振動を示しており、同様に曲げ振動の最大変位点の変位を示している。
図11の(c)及び(d)は、図10の(c)の振動を示しており、図11の(c)は図11の(a)及び(b)の曲げ振動の最大値が同方向に重なる弾性体8上の点8aの振動波形を示している。
図11の(d)は、(a)及び(b)の最大値が逆方向に重なる弾性体8上の点8bの振動波形を示している。この様に振動を合成することで、振動の腹位置である弾性体8上の点8aと8bの振動振幅を異ならせることができる。
また、図11の(g)、(h)は、図11の(e)と(f)の振動を合成した振動である。図11の(f)の振動位相が(b)と逆位相であるため、図11の(c)、(d)とは弾性体8上の点8aと8bの点での振幅の大小関係が入れ替わっている。
この圧電振動子を用いて振動型アクチュエータを構成した例を以下に示す。
図12は、第4の実施の形態の振動型アクチュエータの駆動原理の説明図(1)である。
具体的には、側面をハッチングで示した弾性体8と挟持部材19の間に移動体20を挟んだ構成を示している。移動体20上には突起20aが形成され、突起20aは挟持部材19と接している。
(a)と(b)は、時間的に180度位相がずれた状態を示しており、太い実線及び点線で示した波形は弾性体8が移動体20と接する際の振動振幅を示している。太い実線と太い点線は時間的に180度位相がずれた状態の波形を示している。振動中心を示す線は移動体20をほぼ平行な線となっており、太い実線及び太い点線とも矢印で示すようにほぼ同じ振幅となっている。
この2つの時間的に180度位相のずれた振動の腹の位置は、弾性体8上の点8a、8bであるので移動体20の突起20aは弾性体8上の点8a、8bの中間位置となるように移動する。
図13は、第4の実施の形態の振動型アクチュエータの駆動原理の説明図(2)である。
具体的には、図10の(c)の振動状態での移動体20と弾性体8の接触状態を示す図である。弾性体8の側面をハッチングで示した。
この例では、図11の(c)、(d)において、弾性体8上の点8aと8bの振動振幅は矢印で示すように、8aの方が8bより大きいため振動中心が斜めになっている。そのため、大きな加振力を発生する弾性体8上の点8aの側へ、移動体18の突起18aが移動している。
このように、本実施の形態によれば、圧電体9の電極9aと電極9bに印加する交流電圧の位相差を0度から180度の間で変化させることで、弾性体8上の点8aと8bの間で移動体20の突起20aの位置を任意の位置に移動させることが可能となる。
本発明の第1の実施の形態に係る振動型アクチュエータの駆動原理及び動作の説明図である。 本発明の第1の実施の形態に係る回転型の振動型アクチュエータの外観斜視図である。 図2における圧電体に形成された電極構造を示す図である。 図3における交流電圧VA、及び交流電圧VBの電圧振幅をステップ的に切り替えた場合の振幅と曲げ振動の腹の位置(φ)及び移動体の回転角度(θ)の関係を示す図である。 図3における交流電圧VA、及び交流電圧VBの電圧振幅を連続的に切り替えた場合の振幅と曲げ振動の腹の位置(φ)及び移動体の回転角度(θ)の関係を示す図である。 本発明の第2の実施の形態に係る振動型アクチュエータの駆動原理の説明図である。 本発明の第2の実施の形態に係る振動型アクチュエータにおいて、振幅変調の掛かった曲げ振動を発生させるための制御回路の例を示すブロック図である。 本発明の第3の実施の形態に係る振動型圧電アクチュエータの構成図である。 本発明の第4の実施の形態に係る振動型アクチュエータの圧電振動子の構成図である。 図9の圧電振動子(弾性体及び圧電体)の振動形状を示す図である。 図10の圧電振動子の振動波形を示す図である。 第4の実施の形態の振動型アクチュエータの駆動原理の説明図(1)である。 第4の実施の形態の振動型アクチュエータの駆動原理の説明図(2)である。
符号の説明
1、8 弾性体
2、9 圧電体
3、20 移動体
3a、20a 突起
4、19 挟持部材
5 円板
6 回転軸
7 配線手段
10 比較手段
11 加算手段
12、13 交流電圧発生手段
14、15、16、17 インダクタンス素子
18 圧電振動子

Claims (7)

  1. 圧電体及び弾性体からなる振動体と、該振動体と挟持部材との間に移動体を挟持し、該移動体を前記振動体及び前記挟持部材と相対的に移動させる振動型アクチュエータにおいて、
    前記移動体は、前記挟持部材側に突部を有すると共に、前記移動体の突部と前記挟持部材との間の摩擦力が、前記移動体と前記振動体との摩擦力より大きく
    前記振動体及び前記移動体上に励起する振動波の腹の位置を変化させることで、前記振動体及び前記挟持部材に対して前記移動体を移動させることを特徴とする振動型アクチュエータ。
  2. 振動が励起される移動体と、該移動体を挟持して前記移動体と相対的に運動する第1及び第2の挟持部材からなる振動型アクチュエータであって、
    前記移動体には前記第1の挟持部材側に凹凸部を有すると共に、前記移動体と前記第1の挟持部材との間の摩擦力が前記移動体と前記第2の挟持部材との摩擦力より大きく、
    前記第2の狭持部材及び前記移動体上に励起する振動波の腹の位置を変化させることで、前記第1の狭持部材及び前記第2の挟持部材に対して前記移動体を移動させることを特徴とする振動型アクチュエータ。
  3. 前記移動体は、前記第2の挟持部材の振動に応じて振動することを特徴とする請求項2記載の振動型アクチュエータ。
  4. 前記第2の挟持部材には、圧電体が前記移動体との接触部と反対側の面に接着されていることを特徴とする請求項3記載の振動型アクチュエータ。
  5. 振動が励起される移動体と、該移動体を挟持して前記移動体と相対的に運動する第1及び第2の挟持部材からなる振動型アクチュエータの制御方法であって、前記移動体と前記第1の挟持部材との間の摩擦力が前記移動体と前記第2の挟持部材との摩擦力より大きく設定され、
    前記第2の挟持部材上に励起する振動波の腹の位置を変化させることで、前記移動体を移動させることを特徴とする振動型アクチュエータの制御方法。
  6. 前記第2の挟持部材上に励起する振動波の腹の位置及び振幅を周期的に変化させ、周期的に繰り返される振幅変化の極大点となる位置を変化させることで前記移動体を移動させることを特徴とする請求項5記載の振動型アクチュエータの制御方法。
  7. 前記第2の挟持部材上の異なる位置に複数の振動を励起すると共に、それぞれの振幅のバランスを変えることで前記移動体を移動させることを特徴とする請求項5記載の振動型アクチュエータの制御方法。
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