JPH09219980A - 多自由度形駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型，軽量化が可能であって、２軸又は３軸
回りの運動ができ、弾性体の設計の自由度が増し、適用
範囲の広い多自由度形駆動装置を提供する。 【解決手段】 少なくとも２方向以上に駆動力を取り出
せる駆動力取出部６４を有する振動子６０と、少なくと
もその一部に曲面を有し、その曲面が駆動力取出部６４
に接触することにより、振動子６０との間で相対運動を
行う相対運動部材９０とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動子と相対運動
部材とを備える振動アクチュエータを用いた多自由度形
駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の回転駆動装置では、高速回転，低
トルクの電磁モータによる出力を、歯車列による減速機
構を介して、駆動対象物に伝達していた。そのため、装
置全体が大型化・重量化し、構造も複雑にならざるを得
なかった。

【０００３】また、この減速機構は、複数の歯車を備え
ているため、その構造上、機械騒音の発生は避けられな
かった。また、多自由度形の回転駆動装置は、独立した
多軸方向（Ｘ軸回り方向，Ｙ軸回り方向，Ｚ軸回り方
向）の回転運動を行う。そのため、電磁モータや減速機
構が１軸方向について最低１ユニット必要であった。し
たがって、装置の大型化，重量化，複雑化さらには騒音
化に一層拍車をかけていた。

【０００４】さらに、回転駆動装置では、歯車列を用い
た減速機構に歯車間でガタやイナーシャ等が発生する。
そのため、位置決め精度や応答性が悪いという問題があ
った。

【０００５】一方、このような複雑な伝達機構を排除し
て、装置の小型化や高トルク化等を実現する多自由度形
の振動アクチュエータが提案されている。図３３は、従
来の多自由度形の振動アクチュエータの一例を示す模式
図である。

【０００６】この振動アクチュエータ２００は、球状の
ロータ２０１と、このロータ２０１を支持する円環状の
４個のステータ２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ及び２０
２ｄとから構成される。各ステータ２０２ａ〜２０２ｄ
には、ロータ２０１と反対側に、空間的に半周期ずつｃ
ｏｓ成分，ｓｉｎ成分になるように分極された圧電素子
（不図示）が貼り付けられる。これらの圧電素子それぞ
れに、２相の超音波領域の高周波電圧を印加することに
より、時間とともに位相が進む進行波がステータ２０２
ａ〜２０２ｄ上に励起される。このとき、進行波の波頭
とロータ２０１の接触部とによって力の伝達が行われ、
ロータ２０１が回転する。

【０００７】この振動アクチュエータ２００では、互い
に向かい合う２組のステータ２０２ａ，２０２ｂとステ
ータ２０２ｃ，２０２ｄとに、同じ駆動信号を入力する
ことにより、２自由度の運動が得られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図３３に示す従来の振
動アクチュエータは、電磁モータを用いた回転駆動装置
に比較すれば、確かに小型化を図ることができる。しか
し、４個のステータ２０２ａ〜２０２ｄが必要であるた
め、小型化，軽量化を充分に図ることができなかった。

【０００９】また、ロータ２０１は、２自由度の運動が
得られるのみであり、ｚ軸回りの運動ができなかった。
そのため、適用対象が限定されていた。さらに、ロータ
２０１には、４つのステータ２０２ａ〜２０２ｄが貼り
付けられる。そのため、回転部分が重くなってイナーシ
ャが大きくなり、駆動効率の損失が大きくなってしま
う。

【００１０】さらに、ロータ２０１は、その外面に突き
出した状態で設置された出力取出部材２０３の揺動運動
によってしか出力を取り出すことができなかった。この
ように、ロータ２０１自体を駆動対象物に直結して出力
を取り出すことができなかった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、少なくとも２方向以上に駆動力
を取り出せる駆動力取出部を有する振動子と、少なくと
もその一部に曲面を有し、その曲面が駆動力取出部に接
触することにより、振動子との間で相対運動を行う相対
運動部材とを含むことを特徴とする多自由度形駆動装置
である。

【００１２】請求項２の発明は、請求項１に記載の多自
由度形駆動装置において、相対運動部材が、略球状であ
ることを特徴とする。請求項３の発明は、請求項１又は
請求項２に記載の多自由度形駆動装置において、駆動力
取出部が、３つ又は４つ形成されることを特徴とする。

【００１３】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置におい
て、振動子が、屈曲振動を含む振動により駆動され、駆
動力取出部の屈曲振動の共振周波数が、振動子の駆動周
波数帯域よりも高く設定されていることを特徴とする。

【００１４】請求項５の発明は、請求項１から請求項４
までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置におい
て、相対運動部材と振動子とを加圧接触させる加圧部材
を設けたことを特徴とする。

【００１５】請求項６の発明は、請求項５に記載の多自
由度形駆動装置において、加圧部材と相対運動部材との
接触部に、相対運動部材と転がり接触する回転支持部材
を設けたことを特徴とする。

【００１６】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項に記載の多自由度形駆動装置におい
て、駆動力取出部と相対運動部材との間に、回転伝達部
材を設けたことを特徴とする。

【００１７】請求項８の発明は、請求項１から請求項７
までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置におい
て、振動子が、少なくとも一対の対向する平行な矩形平
板を有する多角形により外形が構成された枠体状を呈
し、矩形平板の所定位置に駆動力取出部を有する弾性体
と、弾性体の矩形平板のいずれかの面に接合されて駆動
電圧の印加により励振される電気機械変換素子とを備
え、電気機械変換素子の励振により、弾性体に、駆動力
取出部と相対運動部材との接触面を含む略平面に略平行
な方向への縦振動と、略平面と交差する方向への屈曲振
動とを発生させて、駆動力取出部と相対運動部材との間
に相対運動を行わせる振動を生じさせることを特徴とす
る。

【００１８】請求項９の発明は、請求項１から請求項７
までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置におい
て、振動子が、矩形平板状を呈し、所定位置に駆動力取
出部を有する弾性体と、弾性体の矩形平板のいずれかの
面に接合されて駆動電圧の印加により励振される電気機
械変換素子とを備え、電気機械変換素子に印加される第
１の駆動電圧に応答して、弾性体に駆動力取出部と相対
運動部材との接触部を含む略平面に略平行な方向への縦
振動と、略平面と交差する方向への屈曲振動とを発生さ
せて、駆動力取出部と相対運動部材との間に第１の方向
への相対運動を行わせる振動を生じさせ、電気機械変換
素子に印加される第２の駆動電圧に応答して、弾性体に
駆動力取出部と相対運動部材との接触部を含む略平面と
略平行な方向への縦振動と、略平面と交差する方向への
屈曲振動とを発生させて、駆動力取出部と相対運動部材
との間に第１の方向と異なる第２の方向への相対運動を
行わせる振動を生じさせることを特徴とする。

【００１９】請求項１０の発明は、請求項１から請求項
７までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置にお
いて、振動子が、円環状に形成され、所定位置に駆動力
取出部を有する弾性体と、この弾性体のいずれかの面に
接合された電気機械変換素子とを備え、電気機械変換素
子の励振により、弾性体に、駆動力取出部と相対運動部
材との接触部を含む略平面に略平行な方向であって弾性
体を拡径方向及び縮径方向へ変位させる伸縮振動と、略
平面と交差する方向へ振幅する節円数１個以上，節直径
数１個以上の屈曲振動とを発生させて、駆動力取出部と
相対運動部材との間に相対運動を行わせる振動を生じさ
せることを特徴とする。

【００２０】請求項１１の発明は、請求項１から請求項
７までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置にお
いて、振動子が、円環状に形成され、所定位置に駆動力
取出部を有する弾性体と、この弾性体のいずれかの面に
接合された電気機械変換素子とを備え、電気機械変換素
子の励振により、弾性体に、駆動力取出部と相対運動部
材との接触部を含む略平面に略平行な方向であって弾性
体を非軸対称方向へ変位させる非軸対称振動と、略平面
と交差する方向へ振幅する節円数１個以上，節直径数１
個以上の屈曲振動とを発生させて、駆動力取出部と相対
運動部材との間に相対運動を行わせる振動を生じさせる
ことを特徴とする。

【００２１】請求項１２の発明は、請求項８，請求項１
０又は請求項１１に記載の多自由度形駆動装置におい
て、駆動力取出部が、振動子に形成された枠状部の内縁
部に形成されることを特徴とする。

【００２２】請求項１３の発明は、請求項１から請求項
１２までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置に
おいて、相対運動部材が、中空形状であることを特徴と
する。

【００２３】請求項１４の発明は、請求項１から請求項
１３までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置に
おいて、相対運動部材を、位置決め用のステージに用い
たことを特徴とする。

【００２４】請求項１５の発明は、請求項１から請求項
１３までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置に
おいて、相対運動部材を、光学機器の光軸補正装置に用
いたことを特徴とする。

【００２５】請求項１６の発明は、請求項１から請求項
１３までのいずれか１項に記載の多自由度形駆動装置に
おいて、相対運動部材を、ロボットハンドの回転連結部
に用いたことを特徴とする。

【００２６】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、図面等を参照しながら、実施形
態を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。なお、以
降の各実施形態の説明は、振動アクチュエータとして超
音波の振動域を利用する超音波アクチュエータを例にと
って、行う。

【００２７】図１は、本発明による多自由度形駆動装置
の第１実施形態を示す斜視図である。この多自由度形駆
動装置は、球状の相対運動部材９０と、この相対運動部
材９０に駆動力を与える振動子６０とから構成される。

【００２８】振動子６０は、枠型の弾性体６１を有し、
この弾性体６１に縦振動と屈曲振動とを発生させること
により駆動力を取り出す。すなわち、振動子６０と相対
運動部材９０とにより超音波アクチュエータが構成され
る。

【００２９】図２〜図４は、本実施形態で用いる超音波
アクチュエータを示す図であって、図２は３面図、図３
は動作を説明する線図、図４は駆動回路を示すブロック
図である。

【００３０】第１実施形態の振動子６０は、正４角形に
より外形が構成された枠体状を呈する弾性体６１と、こ
の弾性体６１の４つの枠辺部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ及
び６１ｄそれぞれの上面に接合される電気機械変換素子
である圧電素子６２ａ及び６３ａ，６２ｂ及び６３ｂ，
６２ｃ及び６３ｃ，６２ｄ及び６３ｄと、弾性体６１の
上面の頂点近傍に垂直に設置された突出部材６５ａ，６
５ｂ，６５ｃ及び６５ｄを介して設けられた駆動力取出
部材６４ａ，６４ｂ，６４ｃ及び６４ｄと、弾性体６１
の４つの枠辺部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ及び６１ｄの下
面の中央部に設けられた支持固定部材６６ａ，６６ｂ，
６６ｃ及び６６ｄとによって、構成される。

【００３１】第１実施形態の弾性体６１は、外形が正４
角形の枠板状を呈する弾性部材であって、金属又はプラ
スチック等の弾性材料を用いて製作される。弾性体６１
が枠体状であるために、例えば、後述する図１２に示す
ように、レンズ鏡筒等を組み込み易い。さらに、レンズ
鏡筒を内部に収容するように組み込んだ場合に装置の大
型化をできるだけ抑制することができる。

【００３２】電気機械変換素子である圧電素子６２ａ及
び６３ａ，６２ｂ及び６３ｂ，６２ｃ及び６３ｃ，６２
ｄ及び６３ｄへ駆動電圧を印加することにより、弾性体
６１に縦振動と屈曲振動とを発生させる。この際、これ
らの振動の合成運動である楕円運動を生じさせるため
に、縦振動と屈曲振動とをできるだけ一致させることが
重要である。

【００３３】そのため、弾性体６１の枠辺部６１ａ〜６
１ｄに生じる振動と各枠辺部６１ａ，６１ｂ，６１ｃ及
び６１ｄ単体の共振周波数とを解析して、弾性体６１の
寸法（弾性体６１の枠辺部の外長、内長及び板厚等）を
最適な値に設定することが重要である。

【００３４】弾性体６１の各枠辺部６１ａ〜６１ｄに
は、それぞれ、圧電素子６２ａ及び６３ａ，６２ｂ及び
６３ｂ，６２ｃ及び６３ｃ，６２ｄ及び６３ｄが、第１
実施形態では接着により、装着される。これらの圧電素
子はいずれもＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）により薄
膜状に形成される。

【００３５】各枠辺部６１ａ〜６１ｄそれぞれにおいて
隣接する圧電素子６２ａ及び６３ａ，６２ｂ及び６３
ｂ，６２ｃ及び６３ｃ，６２ｄ及び６３ｄは、互いに一
定距離だけ離れて設置される。また、各枠辺部６１ａ〜
６１ｄそれぞれにおいて隣接する圧電素子６２ａ及び６
３ａ，６２ｂ及び６３ｂ，６２ｃ及び６３ｃ，６２ｄ及
び６３ｄは分極されており、隣接するそれぞれの圧電素
子に位相が（π／２）異なる２相の入力電圧Ａ，Ｂが印
加される。

【００３６】隣接する２つの圧電素子６２ａ及び６３
ａ，６２ｂ及び６３ｂ，６２ｃ及び６３ｃ，６２ｄ及び
６３ｄは、互いに極性が同一方向になるように分極され
る。また、高周波電圧Ａ，Ｂは、（π／２）の時間的位
相差を有する。なお、２つの圧電素子６２ａ及び６３
ａ，６２ｂ及び６３ｂ，６２ｃ及び６３ｃ，６２ｄ及び
６３ｄの分極方向は、互いに逆方向であってもよい。

【００３７】駆動力取出部材６４ａ，６４ｂ，６４ｃ及
び６４ｄは、弾性体６１に発生する縦振動及び屈曲振動
の合成振動により生じる楕円運動を取り出す部分であ
る。これらの駆動力取出部材６４ａ〜６４ｄが、加圧接
触する相対運動部材９０と接触しながら相対運動を発生
する。

【００３８】駆動力取出部材６４ａ〜６４ｄは、所定位
置、すなわち弾性体６１の上面であって正４角形の頂点
近傍の位置に配置される。この位置は、駆動力を効率的
に取り出すために弾性体６１に生じる縦振動の節となる
位置を避けた位置である。本実施形態では、屈曲振動に
より生じる、移動平面に対して略垂直方向の上下振動の
腹となる位置とした。

【００３９】本実施形態では、駆動力取出部材６４ａ〜
６４ｄは、耐摩耗性を向上させるために窒化珪素製とす
る。さらに、楕円運動をできるだけ阻害しないために接
触部である先端を曲面体とする。

【００４０】図３（Ａ）は、この振動子６０に入力され
る２相の高周波電圧Ａ，Ｂの時間的変化を時間ｔ₁ 〜時
間ｔ₉ について示す。図３（Ａ）の横軸は、高周波電圧
Ａ，Ｂの実効値を示す。図３（Ｂ）は、振動子６０の断
面の変形の様子を示し、振動子６０に発生する屈曲振動
の時間的変化（時間ｔ₁ 〜時間ｔ₉ ）を示す。図３
（Ｃ）は、振動子６０の断面の変形の様子を示し、振動
子６０に発生する伸縮振動の時間的変化（時間ｔ₁ 〜時
間ｔ₉ ）を示す。さらに、図３（Ｄ）は、振動子６０の
駆動力取出部材６４ｂ，６４ｃに発生する楕円運動の時
間的変化（時間ｔ₁〜時間ｔ₉ ）を示す。

【００４１】次に、本実施形態の振動子６０の動作を、
時間ｔ₁ 〜時間ｔ₉ について説明する。なお、各枠辺部
６１ａ〜６１ｄに配置された圧電素子６２ａ及び６３
ａ，６２ｂ及び６３ｂ，６２ｃ及び６３ｃ，６２ｄ及び
６３ｄに独立して駆動電圧を印加すると、各枠辺部６１
ａ〜６１ｄでは全く同様の変形を生じる。そのため、図
３に関する説明は、枠辺部６１ｃを例にとって行うこと
とし、他の枠辺部６１ａ，６１ｂ及び６１ｄについて
は、重複する説明を省略する。

【００４２】時間ｔ₁ においては、図３（Ａ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周波
電圧Ｂは同一の正の電圧を発生する。図３（Ｂ）に示す
ように、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲振動は互いに打ち
消し合い、質点Ｙ１と質点Ｚ１とが振幅零となる。ま
た、図３（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる
伸縮振動は伸張する方向に発生する。質点Ｙ２と質点Ｚ
２とは矢印で示されるように、節Ｘを中心にして最大の
伸長を示す。その結果、図３（Ｄ）に示すように、屈曲
振動及び伸縮振動が合成される。これにより、質点Ｙ１
と質点Ｙ２との運動の合成が質点Ｙの運動となり、一
方、質点Ｚ１と質点Ｚ２との運動の合成が質点Ｚの運動
となる。

【００４３】時間ｔ₂ においては、図３（Ａ）に示すよ
うに、高周波電圧Ｂは零となり、高周波電圧Ａは正の電
圧を発生する。図３（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ａ
による屈曲運動が発生し、質点Ｙ１が負方向に振幅し、
質点Ｚ１が正方向に振幅する。また、図３（Ｃ）に示す
ように、高周波電圧Ａによる伸縮振動が発生し、質点Ｙ
２と質点Ｚ２とが時間ｔ₁ の時よりも縮む。その結果、
図３（Ｄ）に示すように、屈曲振動及び伸縮振動が合成
され、質点Ｙと質点Ｚとが時間ｔ₁ のときよりも左回り
へ移動する。

【００４４】時間ｔ₃ においては、図３（Ａ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａの正の電圧を発生し、同様に高周波
電圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図３（Ｂ）に示す
ように、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲運動が合成されて
増幅され、質点Ｙ１が時間ｔ₂ の時よりも負方向に増幅
され、最大の負の振幅値を示す。また、質点Ｚ１が時間
ｔ₂ の時よりも正方向に増幅され、最大の正の振幅値を
示す。また、図３（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，
Ｂによる伸縮振動が互いに打ち消し合い、質点Ｙ２と質
点Ｚ２とが元の位置に戻る。その結果、図３（Ｄ）に示
すように、屈曲振動及び伸縮振動が合成され、質点Ｙと
質点Ｚとが時間ｔ₂ の時よりも左回りへ移動する。

【００４５】時間ｔ₄ においては、図３（Ａ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａは零となり、高周波電圧Ｂは負の電
圧を発生する。図３（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ｂ
による屈曲運動が発生し、質点Ｙ１は時間ｔ₃ の時より
も振幅が低下し、質点Ｚ１（時間ｔ₃ ）の時よりも振幅
が低下する。また、図３（Ｃ）に示すように、高周波電
圧Ｂによる伸縮振動が発生し、質点Ｙ２と質点Ｚ２とが
収縮する。その結果、図３（Ｄ）に示すように、屈曲振
動及び伸縮振動が合成され、質点Ｙと質点Ｚとが時間ｔ
₃ の時よりも左回りへ移動する。

【００４６】時間ｔ₅ においては、図３（Ａ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａは負の電圧を発生し、同様に高周波
電圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図３（Ｂ）に示す
ように、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに打ち
消し合い、質点Ｙ１と質点Ｚ１とが振幅零となる。ま
た、図３（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる
伸縮振動は収縮する方向に発生する。質点Ｙ２と質点Ｚ
２とは矢印で示されるように、節Ｘを中心にして最大の
収縮を示す。その結果、図３（Ｄ）に示すように、屈曲
振動及び伸縮振動が複合され、質点Ｙと質点Ｚとが時間
ｔ₄ の時よりも左回りへ移動する。

【００４７】時間ｔ₆ から時間ｔ₉ に変化するにしたが
って、上述の原理と同様に屈曲振動及び伸縮振動が発生
し、その結果、図３（Ｄ）に示すように、質点Ｙ及び質
点Ｚが左回りへ移動し、楕円運動を生じる。

【００４８】以上の原理により、この振動子６０は、駆
動力取出部材６４ａ〜６４ｄの先端に楕円運動を発生さ
せ、駆動力を発生させる。したがって、駆動力取出部材
６４ａ〜６４ｄの先端に相対運動部材９０を加圧させる
と、弾性体６１は、相対運動部材９０を回転させる。

【００４９】この振動子６０は、図１に示すように、弾
性体６１の四隅に、４個の駆動力取出部材６４ａ〜６４
ｄが突出部材６５ａ〜６５ｄを介して設けられる。各枠
辺部６１ａ〜６１ｄは、図３に示すような動作を行い、
各駆動力取出部材６４ａ〜６４ｄは、図３（Ｄ）に示す
ような楕円運動を行う。このために、各駆動力取出部材
６４ａ〜６４ｄは、以上のような動作をする際には、図
１又は図２に示すような略球状の相対運動部材９０に、
４ヵ所で略均等に接触するようにする。

【００５０】第１実施形態の振動子６０は、圧電素子
６２ａ及び６３ａと、圧電素子６２ｃ及び６３ｃとにそ
れぞれ位相が（π／２）異なる高周波電圧Ａ，Ｂを印加
することにより、枠辺部６１ａ及び６１ｃそれぞれに屈
曲振動及び伸縮振動の合成振動を生じる。このようにし
て、駆動力取出部材６４ａ〜６４ｄの先端にＸ方向へ向
けての楕円運動を発生させる。一方、圧電素子６２ｂ
及び６３ｂと、圧電素子６２ｄ及び６３ｄとにそれぞれ
位相が（π／２）異なる高周波電圧Ａ，Ｂを印加するこ
とにより、枠辺部６１ｂ及び６１ｄそれぞれに屈曲振動
と伸縮振動との合成振動を発生する。これにより、駆動
力取出部材６４ａ〜６４ｄの先端にＹ方向へ向けての楕
円運動を発生させる。

【００５１】これら，の制御は互いに独立して行う
が、同時に行ってもよい。独立して行えばＸ方向，Ｙ方
向へそれぞれ独立して移動する。また、同時に行うこと
により、Ｘ方向及びＹ方向の合成方向へ移動する。

【００５２】図４は、各圧電素子への駆動電圧の印加状
態を示すブロック図である。図４において、発振器７０
は、各圧電素子６２ａ〜６２ｄ，６３ａ〜６３ｄに高周
波電圧Ａ，Ｂを印加する。その出力は分岐して、一方
は、Ｘ方向用移相器７１ＸとＹ方向用移相器７１Ｙとに
よって時間的に（π／２）だけ移相された後に、Ｘ方向
用の増幅器７２ＸとＹ方向用の増幅器７２Ｙとに接続さ
れる。発振器７０からの出力のうちの他方は、Ｘ方向用
の増幅器７３ＸとＹ方向用の増幅器７３Ｙとに直接接続
される。

【００５３】各増幅器７２Ｘ，７２Ｙ，７３Ｘ，７３Ｙ
は、切換スイッチ７４，７５と、切換スイッチ７６ａ，
７６ｂ，７６ｃ，７６ｄとを介して、各圧電素子６２ａ
〜６２ｄ，６３ａ〜６３ｄに接続される。なお、通常の
場合、切換スイッチ７６ａ〜７６ｄは全てオンされた状
態である。

【００５４】 切換スイッチ７４が上側にある場合に
は、圧電素子６２ａ，６３ｃと、圧電素子６３ａ，６２
ｃとに高周波電圧Ａ，Ｂが印加される。これにより、振
動子６０は、±ｘ方向に並進することにより、相対運動
部材９０を図２のｙ軸回りに関して回転駆動する。

【００５５】 切換スイッチ７４が下側にある場合に
は、圧電素子６３ａ，６３ｃと、圧電素子６２ａ，６２
ｃとに高周波電圧Ａ，Ｂが印加される。これにより、振
動子６０は、中心部Ｏを回転中心（図２のｚ軸回り）に
して、相対運動部材９０を回転駆動する。

【００５６】 切換スイッチ７５が上側にある場合に
は、圧電素子６３ｂ，６２ｄと、圧電素子６２ｂ，６３
ｄとに高周波電圧Ａ，Ｂが印加される。これにより、振
動子６０は、±ｙ方向に並進することにより、相対運動
部材９０を図２のｘ軸回りに回転駆動する。

【００５７】 切換スイッチ７５が下側にある場合に
は、圧電素子６３ｂ，６３ｄと、圧電素子６２ｂ，６２
ｄとに高周波電圧Ａ，Ｂが印加されるために、振動子６
０は、中心部Ｏを回転中心（図２のｚ軸回り）にして、
相対運動部材９０を回転駆動する。

【００５８】なお、切換スイッチ７６ａ〜７６ｄをオフ
することにより、対向する枠辺部６１ａ及び６１ｃ，６
１ｂ及び６１ｄのいずれか一方だけに駆動電圧を印加す
ることも可能である。この場合、振動子６０には回転力
が作用し、相対運動部材９０を、ｚ軸回りに回転駆動さ
せる。

【００５９】このようにして、第１実施形態では、対向
する圧電素子が同方向へ移動するように駆動電圧を印加
して、ｘ軸回り及びｙ軸回りの一方又は両方への回転を
行わせることができる。また、対向する圧電素子が互い
に逆方向へ移動するように駆動電圧を印加することによ
り、ｚ軸回りに回転させることも可能である。そして、
これらの動きは、選択的に自由に切り替えて用いたり、
組み合わせて同時に用いることにより、極めて自由度の
高い回転駆動を実現することができる。

【００６０】ここで、突出部材６５は、発生する屈曲振
動の共振周波数を、振動子６０の駆動周波数帯域よりも
高く設定することにより（請求項３に対応）、各枠辺部
６１ａ〜６１ｄの振動から受ける楕円運動を、自らが曲
げ変形を殆ど起こすことなく、高効率で伝達することが
できる。

【００６１】（第２実施形態）図５，図６及び図７は、
いずれも、本発明による多自由度形駆動装置の第２実施
形態を示す図であって、図５は斜視図，図６は側面図さ
らに図７は断面図である。

【００６２】なお、以下に説明する各実施形態では、前
述した実施形態と相違する部分のみを説明することと
し、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分に
は、同一の符号を付すことにより重複する説明を適宜省
略する。

【００６３】第２実施形態は、４つの加圧用バネ（加圧
部材）８１を固定部に固定し、これらの加圧用バネ８１
によって、相対運動部材９０を振動子６０に、好適に加
圧接触させる。このときに、４つの加圧用バネ８１と相
対運動部材９０との間には、ベアリング（回転支持部
材）８２が配置される。

【００６４】本実施形態は、４つの加圧用バネ８１とベ
アリング８２とを組み合わせて使用することにより、相
対運動部材９０の回転をあまり拘束することなく、相対
運動部材９０を所望の加圧力で加圧することができる。

【００６５】（第３実施形態）図８は、本発明による多
自由度形駆動装置の第３実施形態を示した断面図であ
る。

【００６６】第３実施形態は、相対運動部材９０と、振
動子６０に設けられた４つの駆動力取出部材６５との間
に、４つのベアリング（回転伝達部材）８３をそれぞれ
設けたものである。

【００６７】これら４つのベアリング８３は、相対運動
部材９０と駆動力取出部材６５の均等な接触を補助す
る。さらに、相対運動部材９０の表面に当たり傷が付い
たり、不要な振動が伝達されることを防止する。

【００６８】つまり、４つの駆動力取出部材６５（本実
施形態では４つであるが、３つ又は５つ以上であっても
よい。）は、全て同時にしかも均等に相対運動部材９０
に接することが困難な場合があるため、ベアリング８３
に不可避的に存在するガタにより、全ての駆動力取出部
材６５が相対運動部材９０に接触することができる。

【００６９】（第４実施形態）図９，図１０は、本発明
による多自由度形駆動装置の第４実施形態を示す図であ
って、図９は斜視図、図１０は断面図である。

【００７０】第１〜第３実施形態では、球状の相対運動
部材９０について説明したが、本実施形態では、相対運
動部材９０Ｂは、平面部９１を有する半球状を呈する。
このために、相対運動部材９０Ｂは、平面部を回転や傾
きが自由なステージとして利用することができる。

【００７１】また、第２実施形態，第３実施形態では、
加圧用バネ８１は、相対運動部材９０の上部から下方へ
向けて加圧していた。これに対し、本実施形態では、相
対運動部材９０Ｂの下方の固定部に加圧用バネ８４を固
定し、この加圧用バネ８４により相対運動部材９０Ｂを
下方へ向けて引っ張ることにより、相対運動部材９０Ｂ
を加圧する。これにより、駆動装置全体の小型化と、相
対運動部材９０Ｂの上部の有効利用とをともに図ること
ができる。

【００７２】本実施形態によれば、相対運動部材９０Ｂ
の平面部９１にミラー等を装着することにより、本発明
による多自由度形駆動装置を、例えば、光学装置の光路
変更装置等に用いることが可能となる。

【００７３】（第５実施形態）図１１，図１２は、本発
明による多自由度形駆動装置の第５実施形態を示す図で
あって、図１１は斜視図，図１２は断面図である。

【００７４】第５実施形態は、相対運動部材９０Ｃの半
球の中心部を中空構造にして、その内部に光学要素９２
等を組み込んだものである。本実施形態によれば、本発
明による多自由度形駆動装置を、例えば、カメラ等の像
ブレを補正する光軸補正装置等に利用することが可能と
なる。

【００７５】なお、本実施形態は、光学要素９２を内蔵
した例である。しかし、このような例以外にも、例え
ば、小型カメラ，アンテナさらには発光装置といったよ
うな、方向可変性を要求される装置に対しても本発明に
よる多自由度形駆動装置を適用することができる。

【００７６】（第６実施形態）図１３は、本発明による
多自由度形駆動装置の第６実施形態を示す断面図であ
る。

【００７７】本実施形態は、相対運動部材９０Ｄの一部
に棒状の出力取出部材９３を接続・固定したものであ
る。本実施形態によれば、産業用ロボット（例えば電動
６軸型ロボット）ハンド（特に手首軸）の関節部や肘部
等のような、現在小型化の要請が強い部分に適用するこ
とができる。

【００７８】（第７実施形態）図１４は、本発明による
多自由度形駆動装置の第７実施形態を三角法で描いた説
明図であり、図１４（Ａ）は平面図，図１４（Ｂ）は側
面図，図１４（Ｃ）は正面図，図１４（Ｄ）は底面図で
ある。

【００７９】本実施形態の超音波アクチュエータは、弾
性体１０１と、電気機械変換素子１０２ａ〜１０２ｄ
と、駆動力取出部材１０３ａ〜１０３ｄ等とを備える振
動子１００と、駆動力取出部材１０３ａ〜１０３ｄを介
して振動子１００に接触する相対運動部材９０とにより
構成される。

【００８０】弾性体１０１は、矩形平板状の部材であっ
て、その材質には、ステンレス鋼やアルミニウム合金等
の金属材料又はプラスチック材料等が用いられる。本実
施形態では、弾性体１０１は、厚さがＨであり、長さが
Ｗｘであり、さらに幅がＷｙである。

【００８１】この弾性体１０１には、表面に４枚の矩形
の電気機械変換素子１０２ａ〜１０２ｄが、裏面に４個
の駆動力取出部材１０３ａ〜１０３ｄがそれぞれ接着さ
れて貼り付けられる。

【００８２】電気機械変換素子１０２ａ〜１０２ｄは、
電気エネルギーを機械的変位に変換する素子であり、例
えば、ＰＺＴ等の圧電素子又はＰＭＮ等の電歪素子等が
用いられる。

【００８３】駆動力取出部材１０３ａ〜１０３ｄは、相
対運動部材９０に接触する部分であって、弾性体１０１
から駆動力を取り出す部分に配置される。この駆動力取
出部材１０３ａ〜１０３ｄは、その先端部に、四ふっ化
エチレン樹脂（例えば、テフロン：デュポン社の商品
名）や二硫化モリブデン等を含有したプラスチック材か
らなる摺動材を配置して摺動抵抗を低減することが望ま
しい。

【００８４】この超音波アクチュエータでは、電気機械
変換素子１０２ａ〜１０２ｄに周波電圧が印加される
と、弾性体１０１の駆動力取出部材１０３ａ〜１０３ｄ
を貼り付けた位置に楕円振動が発生する。ここで、駆動
力取出部材１０３ａ〜１０３ｄは、相対運動部材９０に
加圧接触するため、相対運動部材９０との間で相対運動
を発生する。

【００８５】図１５は、第７実施形態による超音波アク
チュエータの駆動回路を示すブロック図である。図１５
において、符号１１１は入力周波数指示部を、符号１１
２は発振器を、符号１１３は移相指示部を、符号１１４
は移相器を、符号１１５，１１６は増幅器を、符号１１
７はＸ−Ｙ方向指示部を、さらに、符号１１８〜符号１
２１はアナログスイッチをそれぞれ示す。

【００８６】この超音波アクチュエータは、相対運動部
材９０を（Ｙ）軸の時計方向回りに回転（超音波アクチ
ュエータを（Ｘ）の（＋）方向に相対移動）させたいと
きには、まず、Ｘ−Ｙ方向指示部１１７によって（Ｘ）
を設定して、アナログスイッチ１１８，１２０をオンに
し、アナログスイッチ１１９，１２１をオフにする。こ
のようにアナログスイッチ１１８〜１２１を切り替える
ことにより、電気機械変換素子１０２ａ及び１０２ｃと
電気機械変換素子１０２ｂ及び１０２ｄとを一体的にそ
れぞれグループ化することができる。

【００８７】次に、移相指示部１１３によって（＋）を
設定して、移相器１１４により（＋π／２）の移相を行
う。この状態において、Ｘ−Ｙ方向指示部１１７から
（Ｘ）方向の駆動を入力周波数指示部１１１へ指示する
と、入力周波数指示部１１１は発振器１１２に第１の周
波数を指示する。

【００８８】発振器１１２から第１の周波数信号が出力
されると、一方は、増幅器１１６によって増幅されて電
気機械変換素子１０２ｂ及び１０２ｄへ入力される。他
方は、移相器１１４によって（＋π／２）だけ移相され
た後に、増幅器１１５によって増幅されて電気機械変換
素子１０２ａ及び１０２ｃに入力される。

【００８９】これにより、弾性体１０１には、１次の縦
振動と６次の屈曲振動とが発生する。これらの振動が縮
退することにより、弾性体１０１の駆動力取出部材１０
３ａ〜１０３ｄを貼り付けた位置には楕円振動が発生す
る。このようにして、相対運動部材９０との間に（Ｘ）
の（＋）方向に相対運動を発生し、相対運動部材９０に
（Ｙ）軸の時計方向回りの回転を与える。

【００９０】また、この超音波アクチュエータは、相対
運動部材９０を（Ｙ）軸の反時計方向回りに回転（超音
波アクチュエータを（Ｘ）の（−）方向に相対運動）さ
せたいときには、まず、Ｘ−Ｙ方向指示部１１７によっ
て（Ｘ）を設定して、アナログスイッチ１１８及び１２
０をオンにし、アナログスイッチ１１９及び１２１をオ
フにする。これにより、電気機械変換素子１０２ａ及び
１０２ｃと電気機械変換素子１０２ｂ及び１０２ｄとを
一体的にそれぞれグループ化する。

【００９１】次に、移相指示部１１３によって（−）を
設定し、一方、移相器１１４によって（−π／２）の移
相を行う。この状態において、Ｘ−Ｙ方向指示部１１７
から（Ｘ）方向の駆動を入力周波数指示部１１１に指示
すると、入力周波数指示部１１１は発振器１１２に第１
の周波数を指示する。

【００９２】発振器１１２から第１の周波数信号が出力
されると、一方は、増幅器１１６によって増幅されて電
気機械変換素子１０２ｂ，１０２ｄに入力される。他方
は、移相器１１４により（−π／２）だけ移相された後
に、増幅器１１５によって増幅されて電気機械変換素子
１０２ａ，１０２ｃに入力される。

【００９３】これにより、弾性体１０１には、１次の縦
振動と６次の屈曲振動とが発生する。これら２種類の振
動が縮退することにより、弾性体１０１の駆動力取出部
材１０３ａ〜１０３ｄを貼り付けた位置に楕円振動が発
生する。これにより、弾性体１０１と相対運動部材との
間に（Ｘ）の（−）方向に相対運動を発生し、相対運動
部材９０に（Ｙ）軸の反時計方向回りの回転を与える。

【００９４】さらに、この超音波アクチュエータは、相
対運動部材９０を（Ｘ）軸の時計方向回りに回転（超音
波アクチュエータを（Ｙ）の（＋）方向に相対移動）さ
せたいときには、まず、Ｘ−Ｙ方向指示部１１７によっ
て（Ｙ）を設定して、アナログスイッチ１１９，１２１
をオンにし、アナログスイッチ１１８，１２０をオフに
する。これにより、電気機械変換素子１０２ａ，１０２
ｂと電気機械変換素子１０２ｃ，１０２ｄとを一体的に
それぞれグループ化する。

【００９５】次に、移相指示部１１３によって（＋）を
設定し、移相器１１４によって（＋π／２）の移相を行
う。この状態において、Ｘ−Ｙ方向指示部１１７から
（Ｙ）方向の駆動を入力周波数指示部１１１に指示する
と、入力周波数指示部１１１は発振器１１２に第２の周
波数を指示する。

【００９６】発振器１１２から第２の周波数信号が出力
されると、一方は、増幅器１１６によって増幅され、電
気機械変換素子１０２ｃ，１０２ｄに入力される。他方
は、移相器１１４により（＋π／２）だけ移相された後
に、増幅器１１５によって増幅され、電気機械変換素子
１０２ａ，１０２ｂに入力される。

【００９７】これにより、弾性体１０１には、１次の縦
振動と４次の屈曲振動とが発生する。これらの振動が縮
退して、弾性体１０１の駆動力取出部材１０３ａ〜１０
３ｄを貼り付けた位置に楕円振動が発生する。これによ
り、相対運動部材９０との間に（Ｙ）の（＋）方向に相
対運動を生じ、相対運動部材９０に（Ｘ）軸の時計方向
回りの回転を与える。

【００９８】最後に、この超音波アクチュエータは、相
対運動部材９０を（Ｘ）軸の反時計方向回りに回転（超
音波アクチュエータを（Ｙ）の（−）方向に相対移動）
移動させたいときには、まず、Ｘ−Ｙ方向指示部１１７
によって（Ｙ）を設定し、アナログスイッチ１１９，１
２１をオンにし、アナログスイッチ１１８，１２０をオ
フにする。このようにして、電気機械変換素子１０２
ａ，１０２ｂと電気機械変換素子１０２ｃ，１０２ｄと
を一体的にそれぞれグループ化する。

【００９９】次に、移相指示部１１３によって（−）を
設定し、移相器１１４によって（−π／２）の移相を行
う。この状態において、Ｘ−Ｙ方向指示部１１７から
（Ｙ）方向の駆動を入力周波数指示部１１１に指示する
と、入力周波数指示部１１１は発振器１１２に第２の周
波数を指示する。

【０１００】発振器１１２から第２の周波数信号が出力
されると、一方は、増幅器１１６によって増幅され、電
気機械変換素子１０２ｃ，１０２ｄに入力される。他方
は、移相器１１４により（−π／２）だけ移相された後
に、増幅器１１５によって増幅され、電気機械変換素子
１０２ａ，１０２ｂに入力される。

【０１０１】これにより、弾性体１０１には、１次の縦
振動と４次の屈曲振動とが発生する。これらの振動が縮
退することにより、弾性体１０１の駆動力取出部材１０
３ａ〜１０３ｄを貼り付けた位置に楕円振動が発生す
る。これにより、相対運動部材９０との間に（Ｙ）の
（−）方向に相対運動を生じ、相対運動部材９０に
（Ｘ）軸の反時計方向回りの回転を与える。

【０１０２】図１６は、第７実施形態による超音波アク
チュエータをＸ方向とＹ方向にそれぞれ駆動する原理を
示す説明図である。弾性体１０１の長さＷｘを Ｗｘ＝３２・π・Ｈ／（１２）^1/2 とすると、１次の縦振動の共振周波数ΩL1X は、弾性体
１０１の縦弾性係数をＥとするとともに密度をρとする
と、 ΩL1X ＝［π・（Ｅ／ρ）^1/2 ］／（２・Ｗｘ） ＝［（１２・Ｅ／ρ）^1/2 ］／（６４／Ｈ） となる。

【０１０３】また、６次の屈曲振動の共振周波数ΩB6X
は、弾性体１０１の断面２次モーメントをＩとするとと
もに断面積をＡとすると、 ΩB6X ＝［１６・π・π・（Ｅ・Ｉ／ρ・Ａ）^1/2 ］／（Ｗｘ・Ｗｘ） ＝［（１２・Ｅ／ρ）^1/2 ］／（６４・Ｈ） となり、１次の縦振動と６次の屈曲振動とが一致して縮
退することがわかる。

【０１０４】したがって、［（１２・（Ｅ／ρ）^1/2 ］
／（６４・Ｈ）の周波数を入力することにより、超音波
アクチュエータはＸ方向（図面の左右方向）について駆
動される。

【０１０５】次に、弾性体１０１の幅Ｗｙを Ｗｙ＝７２・π・Ｈ／（１２）^1/2 とすると、１次の縦振動の共振周波数ΩL1Y は、弾性体
１０１の縦弾性係数をＥとするとともに密度をρとする
と、 ΩL1Y ＝［π・（Ｅ／ρ）^1/2 ］／（２・Ｗｙ） ＝［（１２・Ｅ／ρ）^1/2 ］／（１４４／Ｈ） となる。

【０１０６】また、４次の屈曲振動の共振周波数ΩB4Y
は、弾性体１０１の断面２次モーメントをＩとするとと
もに断面積をＡとすると、 ΩB4Y ＝［１６・π・π・（Ｅ・Ｉ／ρ・Ａ）^1/2 ］／（Ｗｙ・Ｗｙ） ＝［（１２・（Ｅ／ρ）^1/2 ］／（１４４・Ｈ） となり、１次の縦振動と４次の屈曲振動とが一致して縮
退することがわかる。

【０１０７】したがって、［（１２・Ｅ／ρ）^1/2 ］／
（１４４・Ｈ）の周波数を入力することにより、超音波
アクチュエータはＹ方向（図面の上下方向）について駆
動される。

【０１０８】Ｘ方向に駆動するための入力周波数［（１
２・Ｅ／ρ）^1/2 ］／（６４・Ｈ）と、Ｙ方向に駆動す
るための入力周波数［（１２・（Ｅ／ρ）^1/2 ］／（１
４４・Ｈ）とは異なるため、Ｘ方向の駆動とＹ方向の駆
動とを選択することが可能となる。

【０１０９】なお、正確には、電気機械変換素子１０２
ａ〜１０２ｄや、駆動力取出部材１０３ａ〜１０３ｄの
影響を考慮して共振周波数を求める必要がある。しか
し、相当複雑な計算になるため、ここでは省略する。

【０１１０】本実施形態では、図１６に示すように、駆
動力取出部材１０３ａ〜１０３ｄは、４次の屈曲振動Ｂ
４の腹の位置と、６次の屈曲振動Ｂ６の腹の位置との交
点の位置に、Ｘ方向への相対運動の取出部とＹ方向への
相対運動の取出部とを共用するように配置する。

【０１１１】（第８実施形態）図１７〜図２１は、第８
実施形態で用いる超音波アクチュエータを示した図であ
って、図１７は超音波アクチュエータの構成を示す模式
図、図１８は弾性体と圧電素子とを示す斜視図、図１９
は弾性体を説明する線図、図２０は駆動力取出部材を説
明する図、図２１は動作を説明する線図である。

【０１１２】第８実施形態では、相対運動部材９０との
接触面を含む方向への第１振動とこの接触面に交差する
方向へ振幅する節円数ｍ個，節直径数ｎ個の屈曲振動で
ある第２振動との合成振動を生じる弾性体として、（Ｒ
−１）−Ｂ₂₁モードを生じる弾性体を用いた。なお、記
号ｍ，ｎはそれぞれ自然数を意味する。

【０１１３】すなわち、この振動子１０は、弾性体１１
と、弾性体１１の上面に例えば接着により接合された４
枚の圧電素子（電気機械変換素子）２１ａ，２１ｂ，２
２ａ，２２ｂと、弾性体１１の下面に突起状に形成され
た４個の駆動力取出部材３１，３２，３３，３４等から
構成される。

【０１１４】弾性体１１は、図１８に示すように、円環
状の弾性部材であって、金属材料又はプラスチック材料
等によって作製される。この弾性体１１は、図１９に説
明するように、円環の寸法を適宜設定することにより、
第１振動である伸縮運動（（Ｒ−１）モード：面方向へ
の拡径及び縮径振動）と、第２振動である２次の屈曲振
動（Ｂ₂₁モード）とを一致させることができる。本実施
形態では、弾性体１１の内側の孔径ｂを調整することに
より、実現する。

【０１１５】図１９の横軸は、図１８に示す弾性体１１
の外径２ａと内径２ｂとの比ｙ＝ｂ／ａを示す。ｙ＝０
の位置では孔が開いておらず、ｙ＝１に近づくにしたが
って孔径が大きくなっていくことを示している。

【０１１６】また、図１９の縦軸は、Ｂ₂₁モードの共振
周波数ω₂₁に対する（Ｒ−１）モードの共振周波数ω₀₀
の比、すなわちω₂₁／ω₀₀＝｛α₂₁／［２．０５・
（３）^1/3 ］｝・（ｈ／２ａ）を示す。

【０１１７】ここで、図１９の曲線（Ａ）は（Ｒ−１）
モードを示し、曲線（Ｂ），曲線（Ｃ）及び曲線（Ｄ）
はＢ₂₁モードを示し、ｈ（円板の板厚）／２ａ（円環の
外径）の値を、３／４０，２．５／４０，及び２／４０
と変更して得られる曲線である。

【０１１８】図１９に示すように、板厚ｈ＝２．５ｍ
ｍ，外径２ａ＝４０ｍｍの場合に、ｙ＝０．６付近にお
いて伸縮運動と屈曲振動との縮退が可能であることがわ
かる。

【０１１９】本実施形態では、（Ｒ−１）モード（第１
振動）とＢ₂₁モード（第２振動）とを縮退させる例を用
いて説明し、（Ｒ−１）−Ｂ₂₁モードの節円１１ａ及び
節直径１１ｂを図１７（Ａ）又は図２０（Ａ）に示す。

【０１２０】圧電素子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ
それぞれは、図１８に示すように、四半円環状を呈して
おり、ＰＺＴ等により作製される。圧電素子２１ａ，２
１ｂ，２２ａ，２２ｂは、図１７（Ｂ）に示すように厚
さ方向に分極されており、２相の入力電圧Ａ，Ｂがそれ
ぞれ印加される。

【０１２１】弾性体１１のもう一方の平面に突起状に形
成された駆動力取出部材３１〜３４は、弾性体１１の屈
曲振動と伸縮振動との合成振動により発生する楕円運動
を取り出す部分である。駆動力取出部材３１〜３４は、
相対運動部材９０と接触しながら相対運動部材９０を相
対移動させる。

【０１２２】駆動力取出部材３１〜３４は、図１７
（Ａ）に示すように、弾性体１１の下面であってその外
縁部の４ヵ所に９０度毎に配置される。本実施形態で
は、駆動力取出部材３１〜３４の先端部に、耐摩耗性を
向上させるために、窒化珪素等からなる半球体３３ａ
（図１７（Ｂ）参照）を取り付けてある。

【０１２３】これらの駆動力取出部材３１〜３４は、駆
動力を効率的に取り出すために、縦振動の節となる位置
を避けて設けることが望ましい。本実施形態では、図２
０（Ｂ），図２０（Ｃ）及び図２０（Ｄ）に示すよう
に、駆動力取出部材３１，３１−１又は３１−２は、移
動平面に対して略垂直方向の屈曲振動の腹の位置に設置
してある。

【０１２４】この振動子１０は、図１７（Ｂ）に示すよ
うに、４つの圧電素子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ
に高周波電圧Ａ，Ｂを印加することによって、屈曲振動
と伸縮振動との合成振動を発生する。これにより、駆動
力取出部材３１，３２の先端に楕円運動を発生させ、駆
動力を発生させる。ここで、符号Ｇはグランドである。
また、４枚の圧電素子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ
は、互いに極性が同一方向になるように分極される。さ
らに、高周波電圧Ａ，Ｂは、（π／２）の時間的位相差
を有する。なお、４つの圧電素子２１ａ，２１ｂ，２２
ａ，２２ｂの分極方向は互いに逆方向であってもよい。

【０１２５】図１７（Ａ）において、発振器４１は高周
波信号を発振する。発振器４１からの高周波信号が分岐
して、一方は、Ｘ方向用移相器４２Ｘ，Ｙ方向用移相器
４２Ｙによって時間的に（π／２）だけ移相された後
に、Ｘ方向用の増幅器４３Ｘ，Ｙ方向用の増幅器４３Ｙ
にそれぞれ接続される。発振器４１からの高周波信号の
うちの他方は、Ｘ方向用の増幅器４４Ｘ，Ｙ方向用の増
幅器４４Ｙにそれぞれ直接接続される。

【０１２６】各増幅器４３Ｘ，４３Ｙ，４４Ｘ，４４Ｙ
は、切換スイッチ４５を介して、圧電素子の各電極板２
１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂにそれぞれ接続される。
切換スイッチ４５は、接点が全てＸ側（図１７の破線の
状態）に切り換わっているときに、増幅器４３Ｘの出力
は電極板２１ａ，２１ｂに接続される。一方、増幅器４
４Ｘの出力は電極板２２ａ，２２ｂに接続される。した
がって、左側の電極板２１ａ，２１ｂがグループ化され
るとともに、右側の電極板２２ａ，２２ｂがグループ化
される。これにより、弾性体１１はＸ方向への移動が可
能となる。

【０１２７】同様にして、切換スイッチ４５は、接点が
全てＹ側（図１７の実線で示す状態）に切り換わってい
るときに、増幅器４３Ｙの出力は電極板２１ａ，２２ａ
に接続されるとともに、増幅器４４Ｙの出力は電極板２
１ｂ，２２ｂに接続される。したがって、上側の電極板
２１ａ，２２ａがグループ化されるとともに、下側の電
極板２１ｂ，２２ｂがグループ化される。これにより、
弾性体１１はＹ方向への移動が可能となる。

【０１２８】図２１（Ａ）は、この超音波アクチュエー
タに入力される２相の高周波電圧Ａ，Ｂの時間的変化を
時間ｔ₁ 〜時間ｔ₉ について示す。図２１（Ａ）の横軸
は、高周波電圧の実効値を示す。図２１（Ｂ）は、超音
波アクチュエータの断面の変形の様子を示し、超音波ア
クチュエータに発生する屈曲振動の時間的変化（時間ｔ
₁ 〜時間ｔ₉ ）を示す。図２１（Ｃ）は、振動アクチュ
エータの断面の変形の様子を示し、超音波アクチュエー
タに発生する伸縮振動の時間的変化（時間ｔ₁〜時間ｔ
₉ ）を示す。図２１（Ｄ）は、超音波アクチュエータの
駆動力取出部材３１，３２に発生する楕円運動の時間的
変化（時間ｔ₁ 〜時間ｔ₉ ）を示す。

【０１２９】次に、本実施形態の振動子１０の動作を、
時間ｔ₁ 〜時間ｔ₉ について説明する。なお、説明の便
宜上、図２１ではＸ方向への移動の際の状況を例にとっ
て説明するが、Ｙ方向についても全く同様である。

【０１３０】時間ｔ₁ においては、図２１（Ａ）に示す
ように、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周
波電圧Ｂは同一の正の電圧を発生する。図２１（Ｂ）に
示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲振動は互いに
打ち消し合い、質点Ｙ１と質点Ｚ１とがともに振幅零と
なる。また、図２１（Ｃ）に示すように、高周波電圧
Ａ，Ｂによる伸縮振動は伸張する方向に発生する。質点
Ｙ２と質点Ｚ２とは矢印で示されるように、節Ｘを中心
にして最大の伸張を示す。その結果、図２１（Ｄ）に示
すように、屈曲振動及び伸縮振動が合成され、質点Ｙ１
と質点Ｙ２との運動の合成が質点Ｙの運動となり、質点
Ｚ１と質点Ｚ２との運動の合成が質点Ｚの運動となる。

【０１３１】時間ｔ₂ においては、図２１（Ａ）に示す
ように、高周波電圧Ｂは零となり、高周波電圧Ａは正の
電圧を発生する。図２１（Ｂ）に示すように、高周波電
圧Ａによる屈曲振動が発生し、質点Ｙ１が負方向に振幅
し、質点Ｚ１が正方向に振幅する。また、図２１（Ｃ）
に示すように、高周波電圧Ａによる伸縮振動が発生し、
質点Ｙ２と質点Ｚ２とが時間ｔ₁ の時よりも縮む。その
結果、図２１（Ｄ）に示すように、屈曲振動及び伸縮振
動が合成され、質点Ｙと質点Ｚとが時間ｔ₁ の時よりも
左回りへ移動する。

【０１３２】時間ｔ₃ においては、図２１（Ａ）に示す
ように、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周
波電圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２１（Ｂ）に
示すように、高周波電圧Ａ及びＢによる屈曲運動が合成
されて増幅され、質点Ｙ１が時間ｔ₂ の時よりも負方向
に振幅され、最大の負の振幅値を示す。質点Ｚ１が時間
ｔ₂ の時よりも正方向に振幅され、最大の正の振幅値を
示す。また、図２１（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ
及びＢによる伸縮運動が互いに打ち消し合い、質点Ｙ２
と質点Ｚ２とが元の位置に戻る。その結果、図２１
（Ｄ）に示すように、屈曲振動及び伸縮振動が合成され
ることにより、質点Ｙと質点Ｚとが時間ｔ₂の時よりも
左回りへ移動する。

【０１３３】時間ｔ₄ においては、図２１（Ａ）に示す
ように、高周波電圧Ａは零となり、高周波電圧Ｂは負の
電圧を発生する。図２１（Ｂ）に示すように、高周波電
圧Ｂによる屈曲振動が発生し、質点Ｙ１が時間ｔ₃ の時
よりも振幅が低下し、質点Ｚ１が時間ｔ₃ の時よりも振
幅が低下する。また、図２１（Ｃ）に示すように、高周
波電圧Ｂによる伸縮運動が発生し、質点Ｙ２と質点Ｚ２
とが収縮する。その結果、図２１（Ｄ）に示すように、
屈曲振動及び伸縮振動が合成され、質点Ｙと質点Ｚとが
時間ｔ₃ の時よりも左回りへ移動する。

【０１３４】時間ｔ₅ においては、図２１（Ａ）に示す
ように、高周波電圧Ａは負の電圧を発生し、同様に高周
波電圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図２１（Ｂ）に
示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲振動は互いに
打ち消し合い、質点Ｙ１と質点Ｚ１とが振幅零となる。
また、図２１（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂに
よる伸縮運動は収縮する方向に発生する。質点Ｙ２と質
点Ｚ２とは矢印で示されるように、節Ｘを中心にして最
大の収縮を示す。その結果、図２１（Ｄ）に示すよう
に、屈曲振動及び伸縮振動が合成され、質点Ｙと質点Ｚ
とが時間ｔ₄ の時よりも左回りへ移動する。

【０１３５】時間ｔ₆ 〜時間ｔ₉ に変化するにしたがっ
て、上述の原理と同様に屈曲振動及び伸縮振動が発生
し、その結果、図２１（Ｄ）に示すように、質点Ｙ及び
質点Ｚが左回りへ移動し、楕円運動を生じる。

【０１３６】以上の原理により、この振動子１０は、駆
動力取出部材３１，３２の先端に楕円運動を発生させ、
駆動力を発生させる。したがって、駆動力取出部材３
１，３２の先端を、相対運動部材９０に加圧することに
より、弾性体１１は、相対運動部材９０を回転させる。

【０１３７】次に、本実施形態において支持部材の弾性
体への接触位置について説明する。図２２は、振動子１
０をＸ方向に駆動する場合において、弾性体１１に生じ
る、節円数２個，節直径数１個の屈曲振動（Ｂ₂₁モー
ド）の節円１１ａ及び直径１１ｂ，及び両節の交点Ｃ
１，Ｃ３，Ｃ５及びＣ７の位置を示す平面図である。

【０１３８】一方、図２３は、振動子１０をＹ方向に駆
動する場合において、弾性体１１に生じる、節円数２
個，節直径数１個の屈曲振動（Ｂ₂₁モード）の節円１１
ａ及び節直径１１ｂ，及び両節の交点Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６
及びＣ８の位置を示す平面図である。

【０１３９】さらに、図２４は、これらの節円１１ａ，
節直径１１ｂ，及び両節の交点Ｃ１〜Ｃ８を全て重ね合
わせて表示した平面図である。なお、交点Ｃ１〜Ｃ８は
同時に存在するものではなく、Ｘ方向駆動時には交点Ｃ
１，Ｃ３，Ｃ５及びＣ７が、Ｙ方向駆動時には交点Ｃ
２，Ｃ４，Ｃ６及びＣ８がそれぞれ現れる。

【０１４０】これらの節円１１ａ，節直径１１ｂ，及び
両節の交点Ｃ１〜Ｃ８は、屈曲振動の節となるため、こ
れらの位置で支持を行うことにより、弾性体１１に生じ
る振動の阻害をできるだけ抑制することができる。

【０１４１】なお、図２４においては、Ｘ方向及びＹ方
向それぞれに対しての支持を均等に行うことにより駆動
方向による違いを解消するために、図中の丸印の位置、
つまりＸ方向駆動時の節円１１ａ及び節直径１１ｂの交
点Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５及びＣ７上と、Ｙ方向駆動時の節円
１１ａ及び節直径１１ｂの交点Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６及びＣ
８上とから均等に支持位置を選択することが望ましい。

【０１４２】例えば、交点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３及びＣ４、
もしくは節点Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ
７及びＣ８を支持位置として選択することが望ましい。
図２５は、本実施形態において、弾性体を支持する支持
棒の設置状況を示す縦断面図であり、図２６は、図２５
におけるＩ−Ｉ断面図である。

【０１４３】図２５及び図２６に示すように、弾性体１
１に接合された４枚の圧電素子２１ａ，２１ｂ，２２ａ
及び２２ｂの接合面側には、支持棒５１〜５４が垂直に
設置される。支持棒５１〜５４は、図１０に示すよう
に、四半円状の圧電素子２１ａ〜２２ｄそれぞれの間に
配置される。支持棒５１〜５４が導電性を有する場合の
短絡防止の観点から、圧電素子２１ａ〜２２ｄには接触
しないように配置される。支持棒５１〜５４それぞれの
他端は、固定面５５に対して垂直に設置される。

【０１４４】さらに、支持棒５１〜５４に支持された弾
性体１１の他方の平面に設けられた駆動力取出部３１〜
３４それぞれの先端が、相対運動部材９０に接触する。
そして、図示しない駆動源から圧電素子２１ａ〜２２ｂ
に駆動電圧を印加されることにより、弾性体１１に第１
振動である伸縮振動（（Ｒ−１）モード：面方向への拡
径及び縮径振動）と、第２振動である２次の屈曲振動
（Ｂ₂₁モード）とが発生して縮退を生じる。これによ
り、弾性体１１は、駆動力取出部３１〜３４に楕円運動
を発生し、相対運動部材９０との間で相対運動を生じ
る。

【０１４５】この相対運動の際に、弾性体１１はＢ₂₁モ
ードの節の位置で支持棒５１〜５４により支持されるた
め、振動阻害を生じることができるだけ抑制され、高い
駆動効率が得られる。

【０１４６】なお、本実施形態では、節円数２個，節直
径数１個の２次元屈曲振動を利用したＲ_S −Ｂ_mn型超音
波アクチュエータを用いたが、本発明は節円数２個，節
直径数１個の場合に限定されるものではなく、第１振動
としての拡がり振動と第２振動としての２次元屈曲振動
とを利用したＲ_S −Ｂ_mn型超音波アクチュエータを、２
次元屈曲振動の節位置において支持する超音波アクチュ
エータについて等しく適用することができる。

【０１４７】（第９実施形態）図２７は、本発明による
多自由度形駆動装置の第９実施形態を示した断面図であ
る。

【０１４８】本実施形態が第８実施形態と相違するの
は、駆動力取出部材の設置位置及び設置数だけである。
したがって、本実施形態の説明は第８実施形態と相違す
る部分だけを説明することとし、他の部分については、
共通する図中符号を付すことにより重複する説明を省略
する。

【０１４９】本実施形態で用いる超音波アクチュエータ
の弾性体１０−１を構成する弾性体１１の環状の枠状部
の内縁部には、球状の駆動力取出部材３５，３６及び３
７が設けられる。

【０１５０】これらの駆動力取出部材３５，３６及び３
７の設置位置は、弾性体１１の中心から互いに１２０°
交差する３ヵ所に配置される。また、駆動力取出部材３
５が、弾性体１１に発生する屈曲振動の節直径が発生す
る位置に対して４５°交差する位置に設置されている。
さらに、駆動力取出部材３５，３６及び３７の設置位置
は、弾性体１１の中心からの距離が略等しい位置であ
る。

【０１５１】本実施形態における駆動力取出部材３５，
３６及び３７の設置位置は、４分割されて配置された圧
電素子２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂに対し、駆動時
に同じ影響を与える配置である。すなわち、駆動力取出
部材３５，３６及び３７が１２０°ずつ等間隔に配置さ
れていることに主に基づき、駆動時には弾性体１１に
は、方向が互いに１８０°異なる一対の２ベクトルが２
組得られる。これら２組の駆動ベクトル対は、互いに９
０°交差する位置関係になる。このようにして、互いに
直交する４つの駆動ベクトルが、合成ベクトルとして得
られる。

【０１５２】また、本実施形態では、駆動力取出部材３
５が弾性体１１に生じる屈曲振動の節直径の発生する位
置に対して４５°交差する位置に配置されていることに
主に基づき、各駆動ベクトルの大きさも等しくなる。

【０１５３】そのため、本実施形態では、駆動力取出部
材３５，３６及び３７に作用する駆動ベクトルの和は、
互いに９０°ずつ交差する４方向について同じ大きさと
なる。このように、本実施形態の超音波アクチュエータ
は、入力電圧を一定にすれば、互いに直交する４方向へ
均等に直線移動することが可能となる。

【０１５４】本実施形態では、駆動力取出部材３５，３
６及び３７の設置数を３点としているため、４点の場合
に比較して、全ての駆動力取出部材を相対運動部材９０
に均等に接触させることが極めて容易となり、駆動効率
の低下を著しく抑制することが可能となる。

【０１５５】また、本実施形態では、駆動力取出部材３
５，３６及び３７を、弾性体１１の環状の枠状部の内縁
部に形成しているため、図２７に示すように、球状の相
対運動部材９０を弾性体１１の中央の孔部に埋め込んだ
状態で、駆動力取出部材３５，３６及び３７に接触させ
ることが可能となる。これにより、装置全体の小型化を
図ることが可能となる。

【０１５６】なお、本実施形態では、前述した第２実施
形態と同様に、固定部に固定された４本の加圧用バネ８
１とベアリング８２とを用いて、加圧を行うように構成
した。しかし、このような態様に限定されるものではな
く、第４実施形態のように、相対運動部材９０の下方か
ら加圧用バネ８４により引っ張るように構成してもよ
い。

【０１５７】また、本実施形態では、弾性体１１の中
心から互いに１２０°交差する３ヵ所であること、駆
動力取出部材３５が、弾性体１１に発生する屈曲振動の
節直径が発生する位置に対して４５°交差する位置に設
置されること、及び駆動力取出部材３５，３６及び３
７が、弾性体１１の中心からの距離が略等しい位置に配
置されることの３要件を満足する位置に、駆動力取出部
材３５，３６及び３７を設置している。しかし、これら
の設置位置の多少ずれは許容される。例えば、要件の
交差角度は１１５°〜１２５°程度、要件の交差角度
は４２°〜４８°程度は本発明の範囲内である。

【０１５８】さらに、図２７に示す実施形態では、節円
数２個，節直径数１個の２次元屈曲振動を利用したＲ_S
−Ｂ_mn型超音波アクチュエータを用いた場合を例にとっ
て説明したが、駆動力取出部材を３点とするのはこのよ
うな態様に限定されるものではなく、第１実施形態〜第
６実施形態に示すような枠体状の弾性体を用いた超音波
アクチュエータや、後述する第１０実施形態に示すよう
な（Ｎ，Ｍ））−（（Ｎ，Ｍ））’−Ｂ_mn型超音波アク
チュエータを用いた場合についても、全く同様に適用す
ることが可能である。

【０１５９】特に、弾性体に孔部を有する弾性体を用い
ることにより、相対運動部材をこの孔部に埋め込んで配
置することができるため、より望ましい。

【０１６０】（第１０実施形態）図２８〜図３１は、本
発明にかかる超音波アクチュエータの第１０実施形態を
示した図であって、図２８（Ａ）は全体の構成を示す正
面図，図２８（Ｂ）及び図２８（Ｃ）はともに全体の構
成を示す側面図であり、図２９は弾性体と圧電素子とを
示す斜視図，図３０は制御回路を併せて示す正面図，図
３１は動作を説明する線図である。

【０１６１】第１０実施形態は、主に、超音波アクチュ
エータがＲ_S −Ｂ_mn型ではなく、（（Ｎ，Ｍ））−
（（Ｎ，Ｍ））’−Ｂ_mn型である点において第８実施形
態と相違する。そこで、本実施形態に用いる超音波アク
チュエータについて詳しく説明し、共通する点について
は適宜説明を省略する。

【０１６２】本実施形態の超音波アクチュエータに用い
る振動子１０−２は、弾性体１１−２と，弾性体１１−
２の上面に例えば貼付されて接合される４枚の電気機械
変換素子である圧電素子２１−１ａ，２１−１ｂ，２２
−１ａ，２２−１ｂと，弾性体１１−２の下面に突起状
に形成された４個の駆動力取出部材３１〜３４等から構
成される。

【０１６３】なお、本実施形態では圧電素子２１−１
ａ，２１−１ｂ，２２−１ａ，２２−１ｂを全て同一面
に貼付することとしているが、圧電素子２１−１ａ，２
１−１ｂと圧電素子２２−１ａ，２２−１ｂとを弾性体
１１−２の両面に貼付するようにしてもよい。

【０１６４】弾性体１１−２は、図２９に示すように、
円環状の弾性部材であって、例えば金属材料又はプラス
チック材料等の弾性材料により製作される。弾性体１１
−２は、図２９に示すように、円環の寸法（外径：２
ａ，内径：２ｂ，板厚：ｔ）を、例えば後述するような
範囲に設定することにより、第１振動である非軸対称振
動［（（１，１））−（（１，１））’モード：面内振
動］と、第２振動である２次の屈曲振動（Ｂ₂₁モード）
とを一致させることが可能となる。

【０１６５】すなわち、本発明者らの確認結果によれ
ば、例えば、駆動周波数ｆ＝４０〜６０ｋＨｚの場合に
は、外径２ａ＝４０〜５０ｍｍ，板厚＝１．５〜２．０
ｍｍ，内径２ｂ／外径２ａ＝０．４〜０．６の範囲にお
いて、非軸対称振動［（（１，１））−（（１，
１））’モード：面内振動］と、２次の屈曲振動（Ｂ₁₂
モード）とを一致させ、両振動を縮退させることができ
る。

【０１６６】本実施形態では、（（１，１））−
（（１，１））’モードとＢ₁₂モードとを縮退させる例
を用いて説明し、このときのＢ₁₂モードの屈曲振動の節
円１１ａ及び節直径１１ｂを図２８（Ａ）に破線で示
す。

【０１６７】圧電素子２１−１ａ，２１−１ｂ，２２−
１ａ，２２−１ｂは、図２９に示すように、本実施形態
では四半円環状をしており、ＰＺＴ等により製作され
る。圧電素子２１−１ａ，２１−１ｂ，２２−１ａ，２
２−１ｂは分極されており、それぞれに２相の入力電圧
Ａ，Ｂが印加される。

【０１６８】駆動力取出部材３１〜３４は、弾性体１１
−２の非軸対称振動と屈曲振動との合成振動により発生
する楕円運動を取り出し、相対運動部材９０と接触しな
がら相対運動を行う。駆動力取出部材３１〜３４は、図
２８（Ａ）に示すように、弾性体１１−２の下面であっ
て、その外縁部近傍の４ヵ所に９０度毎に等間隔で設け
られる。本実施形態では、駆動力取出部材３１〜３４の
先端に、耐摩耗性を向上させるために、窒化珪素等の半
球体を取り付けている。

【０１６９】特に、本実施形態では、駆動力取出部材３
１〜３４は、Ｘ方向及びＹ方向の２方向に対して均等な
駆動力が得られるように、その接触部形状が球体や楕円
体等の曲面体の一部であることが望ましい。

【０１７０】なお、圧電素子２１−１ａ，２１−１ｂ，
２２−１ａ，２２−１ｂは、駆動力取出部材３１〜３４
と同一平面側に設けてもよい。しかし、この場合には、
駆動力取出部材３１〜３４が導電性を有する際にも短絡
を防止するため、圧電素子２１−１ａ，２１−１ｂ，２
２−１ａ，２２−１ｂの表面に絶縁部材を介して適宜手
段により接合しておくことが望ましい。

【０１７１】これらの駆動力取出部材３１〜３４は、駆
動力を効率的に取り出すために、屈曲振動の節となる位
置を避けて設けることが望ましい。例えば、図２８
（Ａ）に示すように、駆動力取出部材３１〜３４は、屈
曲振動により生じる、移動平面に対して略垂直方向の上
下振動の腹の位置に配置する。

【０１７２】振動子１０−２は、４つの圧電素子２１−
１ａ，２１−１ｂ，２２−１ａ，２２−１ｂに高周波電
圧Ａ，Ｂを印加することにより、非軸対称振動と屈曲振
動との合成振動を起こす。これにより、駆動力取出部材
３１〜３４の先端に楕円運動を発生させ、駆動力を発生
させる。また、４つの圧電素子２１−１ａ，２１−１
ｂ，２２−１ａ，２２−１ｂは、互いに極性が同一方向
になるように分極される。さらに、高周波電圧Ａ及びＢ
は（π／２）の時間的位相差を有する。なお、４つの圧
電素子２１−１ａ，２１−１ｂ，２２−１ａ，２２−１
ｂの分極は互いに逆方向であってもよい。

【０１７３】図３０において、発振器４１−２は高周波
信号を発振する。また、駆動回路は、発振器４１−２か
らの高周波信号が分岐して、一方は、Ｘ方向用移相器４
２−２Ｘ，Ｙ方向用移相器４２−２Ｙによって時間的に
（π／２）だけ移相された後に、Ｘ方向用増幅器４３−
２Ｘ，Ｙ方向用増幅器４３−２Ｙに接続される。発振器
４１−２からの高周波信号のうちの他方は、Ｘ方向用増
幅器４４−２Ｘ，Ｙ方向用増幅器４４−２Ｙに直接接続
される。

【０１７４】各増幅器４３−２Ｘ，Ｙ方向用増幅器４３
−２Ｙ，Ｘ方向用増幅器４４−２Ｘ及びＹ方向用増幅器
４４−２Ｙは、切換スイッチ４５−２を介して、それぞ
れ圧電素子２１−１ａ，２１−１ｂ，２２−１ａ及び２
２−１ｂに接続される。

【０１７５】切換スイッチ４５−２は、接点が全てＸ側
に切り換わっている時に、増幅器４３−２Ｘの出力は圧
電素子２１−１ａに接続されるとともに増幅器４４−２
Ｘの出力は圧電素子２２−１ａに接続される。したがっ
て、Ｘ方向について対向する圧電素子２１−１ａ及び２
２−１ａがグループ化されるため、振動アクチュエータ
１０−２は±Ｘ方向への一次元の移動が可能となる。

【０１７６】同様にして、切換スイッチ４５−２は、接
点が全てＹ側に切り換わっているときに、増幅器４３−
２Ｙの出力は圧電素子２１−１ｂに接続されるとともに
増幅器４４−２Ｙの出力は圧電素子２２−１ｂに接続さ
れる。したがって、Ｙ方向について対向する圧電素子２
１−１ｂ及び２２−１ｂがグループ化されるため、振動
アクチュエータ１０−２は±Ｙ方向への一次元の移動が
可能となる。

【０１７７】図３１（Ａ）は、振動子１０−２に入力さ
れる２相の高周波電圧Ａ，Ｂの時間的変化を時間ｔ₁ 〜
時間ｔ₉ について示す。図３１（Ａ）の横軸は、高周波
電圧の実効値を示す。図３１（Ｂ）は、振動子１０−２
の側面の変形の様子を示し、振動子１０−２に発生する
屈曲振動の時間的変化を時間ｔ₁ 〜時間ｔ₉ について示
す。図３１（Ｃ）は、振動子１０−２の側面の変形の様
子を示し、振動子１０−２に発生する非軸対称振動の時
間的変化を時間ｔ₁ 〜時間ｔ₉ について示す。さらに、
図３１（Ｄ）は、振動子１０−２の質点Ｘ，質点Ｙ及び
質点Ｚにおける楕円運動の時間的変化を時間ｔ₁ 〜時間
ｔ₉ について示す。

【０１７８】次に、本実施形態の振動子１０−２の動作
を、図３１を参照しながら時間的変化（時間ｔ₁ 〜時間
ｔ₉ ）毎に説明する。時間ｔ₁ においては、図３１
（Ａ）に示すように、高周波電圧Ａは正の電圧を発生
し、同様に高周波電圧Ｂは同一の正の電圧を発生する。
図３１（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈
曲振動は互いに増幅し合い、質点Ｘ１及び質点Ｚ１は最
大の負の振幅を示し、質点Ｙ１は最大の正の振幅を示
す。図３１（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによ
る非軸対称振動の振幅は零であり、質点Ｘ２，質点Ｙ２
及び質点Ｚ２それぞれの振幅は零である。その結果、図
３１（Ｄ）に示すように、屈曲振動及び非軸対称振動が
合成され、質点Ｘ１及び質点Ｘ２の運動の合成が質点Ｘ
の運動となり、質点Ｙ１及び質点Ｙ２の運動の合成が質
点Ｙの運動となり、さらに、質点Ｚ１及び質点Ｚ２の運
動の合成が質点Ｚの運動となる。

【０１７９】時間ｔ₂ においては、図３１（Ａ）に示す
ように、高周波電圧Ｂは零となり、高周波電圧Ａは正の
最大電圧を発生する。図３１（Ｂ）に示すように、高周
波電圧Ａによる屈曲振動の振幅は減少するとともに高周
波電圧Ｂによる屈曲振動の振幅は零となり、質点Ｘ１，
質点Ｙ１及び質点Ｚ１それぞれの変位は減少する。図３
１（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａによる非軸対称運
動の振幅が発生し、質点Ｘ２及び質点Ｚ２が図面上右方
に変位するとともに質点Ｙ２が図面上左方に変位する。
その結果、図３１（Ｄ）に示すように、屈曲振動及び非
軸対称振動が合成され、質点Ｘ，質点Ｙ及び質点Ｚはと
もに時間ｔ₁ よりも左回りへ楕円運動を行う。

【０１８０】時間ｔ₃ においては、図３１（Ａ）に示す
ように、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周
波電圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図３１（Ｂ）に
示すように、高周波電圧Ａ及びＢによる屈曲運動は互い
に打ち消し合って振幅零となり、質点Ｘ１，質点Ｙ１及
び質点Ｚ１それぞれの変位は零となる。図３１（Ｃ）に
示すように、高周波電圧Ａ及びＢによる非軸対称運動に
より、質点Ｘ２及び質点Ｚ２が図面上さらに右方へ最大
に変位するとともに質点Ｙ２が図面上さらに左方へ最大
に変位する。その結果、図３１（Ｄ）に示すように、屈
曲振動及び非軸対称振動が合成されることにより、質点
Ｘ，質点Ｙ及び質点Ｚはともに時間ｔ₂の時よりもさら
に左回りへ移動する。

【０１８１】時間ｔ₄ においては、図３１（Ａ）に示す
ように、高周波電圧Ａは零となるとともに高周波電圧Ｂ
は負の最大値となる。図３１（Ｂ）に示すように、高周
波電圧Ｂによる屈曲振動の振幅は増加し、質点Ｘ１，質
点Ｙ１及び質点Ｚ１それぞれの変位は増加する。図３１
（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ及びＢによる非軸対
称運動により質点Ｘ２及び質点Ｚ２の図面上右方への変
位量が減少するとともに質点Ｙ２の図面上左方への変位
量も減少する。その結果、図３１（Ｄ）に示すように、
屈曲振動及び非軸対称振動が合成され、質点Ｘ，質点Ｙ
及び質点Ｚはともに時間ｔ₃ の時よりもさらに左回りへ
移動する。

【０１８２】時間ｔ₅ においては、図３１（Ａ）に示す
ように、高周波電圧Ａは負の電圧を発生し、同様に高周
波電圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図３１（Ｂ）に
示すように、高周波電圧Ａ，Ｂによる屈曲運動は互いに
増幅し合い、質点Ｘ１，質点Ｙ１及び質点Ｚ１それぞれ
が最大振幅となる。図３１（Ｃ）に示すように、高周波
電圧Ａ及びＢによる非軸対称運動の振幅はさらに減少
し、質点Ｘ１，質点Ｘ２及び質点Ｚ２の変位量がいずれ
も零となる。その結果、図３１（Ｄ）に示すように、屈
曲振動及び非軸対称振動が合成され、質点Ｘ，質点Ｙ及
び質点Ｚが時間ｔ₄ の時よりも左回りへ移動する。

【０１８３】以下、時間ｔ₆ 〜時間ｔ₉ に変化するにし
たがって、上述の原理と同様に屈曲振動及び非軸対称振
動が発生し、その結果、図３１（Ｄ）に示すように、質
点Ｘ，質点Ｙ及び質点Ｚが左回りへ移動し、楕円運動を
行う。

【０１８４】以上の原理により、この振動子１０−２
は、駆動力取出部材３１〜３４それぞれの先端に図３１
（Ｄ）に示すような楕円運動を発生させ、駆動力を発生
させる。これにより、駆動力取出部材３１〜３４それぞ
れの先端を相対運動部材９０に加圧すると、弾性体１１
−２は、相対運動部材９０を回転させる。

【０１８５】すなわち、図３１（Ｄ）に示すように、時
間ｔ₁ 〜時間ｔ₃ においては、質点３２及び質点３４が
左回りへ楕円運動を生じながら接触する。そのため、相
対運動部材９０は、図面上、右方向へ回転する。また、
時間ｔ₃ 〜時間ｔ₇ においては、質点３１及び質点３３
が左回りへ楕円運動を生じながら接触する。そのため、
相対運動部材９０は、図面上、右方向へ回転する。さら
に、時間ｔ₇ 〜時間ｔ₉ においては、質点３２及び質点
３４が左回りへ楕円運動を生じながら接触するため、相
対運動部材９０は、図面上、右方向へ回転する。

【０１８６】以降、このような動作を繰り返すことによ
り、弾性体１１−２は、相対運動部材９０を、図２８の
時計回り左方向へ回転する。一方、図３２（Ａ）は、こ
の振動子１０−２を駆動するときに励振される弾性体１
１−２に発生する、節円数１個，節直径２個の２次元屈
曲振動の節円１１ａ及び節直径１１ｂ、及び両節の交点
６１−１，６２−１，６３−１，６４−１の位置を示す
平面図である。

【０１８７】これらの節円１１ａ及び節直径１１ｂ、及
び両節の交点Ｃ１−１，Ｃ２−１，Ｃ３−１，Ｃ４−１
はいずれも屈曲振動の節となるため、これらの位置で後
述する支持棒５１〜５４を弾性体１１−２に接触させて
支持を行うことにより、弾性体１１−２に生じる振動阻
害をできるだけ低減することができる。

【０１８８】図３２（Ｂ）は、本実施形態における支持
棒の設置状況を示す縦断面図である。弾性体１１−２に
接合された４枚の四半円状の圧電素子２１−１ａ，２１
−１ｂ，２２−１ａ，２２−１ｂの接合面側には、支持
棒５１〜５４が設けられる。支持棒５１〜５４は、４枚
の四半円状の圧電素子２１−１ａ，２１−１ｂ，２２−
１ａ，２２−１ｂの間にそれぞれ配置される。支持棒５
１〜５４は、圧電素子２１−１ａ，２１−１ｂ，２２−
１ａ，２２−１ｂには接触しないように配置される。支
持棒６１〜６４それぞれの他端は、固定面５５に固定さ
れて設置される。

【０１８９】さらに、支持棒５１〜５４に支持された弾
性体１１−２の駆動力取出部３１〜３４が相対運動部材
９０に接触する。そして、図示しない駆動源から圧電素
子２１−１ａ，２１−１ｂ，２２−１ａ，２２−１ｂに
駆動電圧を印加されることにより、弾性体１１−２に非
軸対称振動（（１，１））−（（１，１））’モード
と、２次の屈曲振動（Ｂ₂₁モード）とが発生して縮退を
生じる。これにより、駆動力取出部３１〜３４に楕円運
動を発生し、相対運動部材９０を回転させる。

【０１９０】この相対運動の際に、弾性体１１はＢ₂₁モ
ードの節位置に配置された支持棒５１〜５４により支持
されており、振動阻害を生じることができるだけ抑制さ
れ、高い駆動効率が得られる。

【０１９１】なお、本実施形態では、節円数１個，節直
径数２個の２次元屈曲振動を利用した（（Ｎ，Ｍ））−
（（Ｎ，Ｍ））’−Ｂ_mn型超音波アクチュエータを用い
たが、本発明は節円数１個，節直径数２個の場合に限定
されるものではなく、非軸対称振動と２次元屈曲振動と
を利用した（（Ｎ，Ｍ））−（（Ｎ，Ｍ））’−Ｂ_mn型
超音波アクチュエータを、２次元屈曲振動の節位置にお
いて支持することに等しく適用できる。

【０１９２】（変形形態）以上説明した各実施形態に限
定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、
それらも本発明の範囲内である。例えば、電気機械変換
素子として圧電素子を用いたが、電歪素子や磁歪素子等
であってもよい。

【０１９３】また、以上説明した各実施形態では、振動
アクチュエータとして超音波アクチュエータを用いた
が、本発明はこのような態様に限定されるものではな
く、他の振動域を利用した振動アクチュエータについて
も等しく適用される。

【０１９４】さらに、以上の実施形態では、超音波アク
チュエータとして、ＬＢ型を４個用いたもの、Ｒ_S Ｂ_mn
型や、（（１，１））−（（１，１））’Ｂ_mn型などを
例に説明したが、少なくとも２方向以上に自走又は他走
が可能な超音波アクチュエータであれば、同様に適用す
ることができる。

【０１９５】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明にか
かる多自由度型駆動装置によれば、一つの振動アクチュ
エータの駆動力取出部に相対運動部材が当接され、相対
運動部材は、その接触点及びその近傍において曲面を有
するため、駆動力は、そのまま相対運動部材を回転させ
る力となる。

【０１９６】つまり、例えば、振動アクチュエータに、
一方向（Ｘ軸方向）へ移動するような入力を与えられる
場合には、相対運動部材は、その方向に略直交する軸回
り（Ｙ軸回り）に回転運動を行い、別の一方向（Ｙ軸方
向）へ移動するような入力を与えられている場合には、
相対運動部材は、その方向に略直交する軸回り（Ｘ軸回
り）に回転運動を行う。また、場合によっては、自転す
るような入力を与えられている場合には、相対運動部材
は、その方向に略直交する軸回り（Ｚ軸回り）に回転運
動を行う。そして、これらの動きは、選択的に自由に切
り替えることができる。

【０１９７】したがって、単一の振動アクチュエータを
用いることにより、従来の円環型アクチュエータを複数
利用した駆動装置に比較すると、小型化，軽量化，単純
化さらには低コスト化等を図ることが可能となる。

【０１９８】また、相対運動部材に１つの振動アクチュ
エータが接触するだけであるため、相対運動部材の運動
又は形状（例えば、中空形状等にする）等の設計に自由
度が増加し、様々な用途への適用が可能となる。

【０１９９】さらに、振動アクチュエータと相対運動部
材との間に、回転伝達部材を設けたため、駆動力取出部
と相対運動部材とを均等に接触させることができる。ま
た、相対運動部材そのものに当たり傷をつけたりするこ
とを解消できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による多自由度形駆動装置の第１実施形
態を示す斜視図である。

【図２】第１実施形態で用いた超音波アクチュエータを
示す３面図である。

【図３】第１実施形態で用いた超音波アクチュエータの
動作を説明する線図である。

【図４】第１実施形態で用いた超音波アクチュエータの
駆動回路を示すブロック図である。

【図５】本発明による多自由度形駆動装置の第２実施形
態を示す斜視図である。

【図６】本発明による多自由度形駆動装置の第２実施形
態を示す側面図である。

【図７】本発明による多自由度形駆動装置の第２実施形
態を示す断面図である。

【図８】本発明による多自由度形駆動装置の第３実施形
態を示す断面図である。

【図９】本発明による多自由度形駆動装置の第４実施形
態を示す斜視図である。

【図１０】本発明による多自由度形駆動装置の第４実施
形態を示す断面図である。

【図１１】本発明による多自由度形駆動装置の第５実施
形態を示す斜視図である。

【図１２】本発明による多自由度形駆動装置の第５実施
形態を示す断面図である。

【図１３】本発明による多自由度形駆動装置の第６実施
形態を示す断面図である。

【図１４】本発明による多自由度形駆動装置の第７実施
形態の本体を三角法で描いた平面図，側面図，正面図及
び底面図である。

【図１５】第７実施形態による多自由度形駆動装置の駆
動回路を示すブロック図である。

【図１６】第７実施形態による多自由度形駆動装置に用
いる超音波アクチュエータをＸ方向とＹ方向にそれぞれ
駆動する原理を示す説明図である。

【図１７】第８実施形態で用いる超音波アクチュエータ
を示す模式図である。

【図１８】第８実施形態で用いる超音波アクチュエータ
の弾性体と圧電素子とを示す斜視図である。

【図１９】第８実施形態で用いる超音波アクチュエータ
の弾性体を説明する線図である。

【図２０】第８実施形態で用いる超音波アクチュエータ
の駆動力取出部材を説明する線図である。

【図２１】第８実施形態で用いる超音波アクチュエータ
の動作を説明する線図である。

【図２２】第８実施形態で用いる超音波アクチュエータ
をＸ方向に駆動する場合において、弾性体に生じる節円
及び節直径，及び両節の交点の位置を示す平面図であ
る。

【図２３】第８実施形態で用いる超音波アクチュエータ
をＹ方向に駆動する場合において、弾性体に生じる節円
及び節直径，及び両節の交点の位置を示す平面図であ
る。

【図２４】第８実施形態で用いる超音波アクチュエータ
の節円，節直径，及び両節の交点を全て重ね合わせて表
示した平面図である。

【図２５】第８実施形態において、弾性体を支持する支
持棒の設置状況を示す縦断面図である。

【図２６】図２５におけるＩ−Ｉ断面図である。

【図２７】第９実施形態で用いる超音波アクチュエータ
を示す斜視図である。

【図２８】本発明にかかる多自由度形駆動装置の第１０
実施形態を示した正面図，側面図である。

【図２９】第１０実施形態の超音波アクチュエータの弾
性体と圧電素子とを示す斜視図である。

【図３０】第１０実施形態において用いる超音波アクチ
ュエータの制御回路をあわせて示す正面図である。

【図３１】第１０実施形態において用いる超音波アクチ
ュエータの動作を説明する線図である。

【図３２】第１０実施形態において用いる超音波アクチ
ュエータの節円，節直径及び支持構造を示す説明図であ
る。

【図３３】従来の多自由度形の振動アクチュエータの一
例の模式図である。

【符号の説明】

６０ 振動アクチュエータ ６１ 弾性体 ６２，６３ 圧電素子 ６４ 駆動力取出部材 ６５ 突出部材 ６６ 支持固定部材 ９０ 相対運動部材 ８１ 加圧用バネ ８２ ベアリング ８３ ローラ １０，１０−２，１００ 振動アクチュエータ

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２方向以上に駆動力を取り出
   せる駆動力取出部を有する振動子と、 少なくともその一部に曲面を有し、その曲面が前記駆動
   力取出部に接触することにより、前記振動子との間で相
   対運動を行う相対運動部材とを含むことを特徴とする多
   自由度形駆動装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の多自由度形駆動装置に
   おいて、 前記相対運動部材は、略球状であることを特徴とする多
   自由度形駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の多自由度
   形駆動装置において、 前記駆動力取出部は、３つ又は４つ形成されることを特
   徴とする多自由度形駆動装置。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記振動子は、屈曲振動を含む振動により駆動され、 前記駆動力取出部の前記屈曲振動の共振周波数は、前記
   振動子の駆動周波数帯域よりも高く設定されていること
   を特徴とする多自由度形駆動装置。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４までのいずれか１
   項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記相対運動部材と前記振動子とを加圧接触させる加圧
   部材を設けたことを特徴とする多自由度形駆動装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の多自由度形駆動装置に
   おいて、 前記加圧部材と前記相対運動部材との接触部に、その相
   対運動部材と転がり接触する回転支持部材を設けたこと
   を特徴とする多自由度形駆動装置。
7. 【請求項７】 請求項１から請求項６までのいずれか１
   項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記駆動力取出部と前記相対運動部材との間に、回転伝
   達部材を設けたことを特徴とする多自由度形駆動装置。
8. 【請求項８】 請求項１から請求項７までのいずれか１
   項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記振動子は、少なくとも一対の対向する平行な矩形平
   板を有する多角形により外形が構成された枠体状を呈
   し、前記矩形平板の所定位置に前記駆動力取出部を有す
   る弾性体と、前記弾性体の前記矩形平板のいずれかの面
   に接合されて駆動電圧の印加により励振される電気機械
   変換素子とを備え、 前記電気機械変換素子の励振により、前記弾性体に、前
   記駆動力取出部と相対運動部材との接触面を含む略平面
   に略平行な方向への縦振動と、前記略平面と交差する方
   向への屈曲振動とを発生させて、前記駆動力取出部と前
   記相対運動部材との間に相対運動を行わせる振動を生じ
   させることを特徴とする多自由度形駆動装置。
9. 【請求項９】 請求項１から請求項７までのいずれか１
   項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記振動子は、矩形平板状を呈し、所定位置に前記駆動
   力取出部を有する弾性体と、前記弾性体の前記矩形平板
   のいずれかの面に接合されて駆動電圧の印加により励振
   される電気機械変換素子とを備え、 前記電気機械変換素子に印加される第１の駆動電圧に応
   答して、前記弾性体に前記駆動力取出部と前記相対運動
   部材との接触部を含む略平面に略平行な方向への縦振動
   と、前記略平面と交差する方向への屈曲振動とを発生さ
   せて、前記駆動力取出部と前記相対運動部材との間に第
   １の方向への相対運動を行わせる振動を生じさせ、前記
   電気機械変換素子に印加される第２の駆動電圧に応答し
   て、前記弾性体に前記駆動力取出部と前記相対運動部材
   との接触部を含む略平面と略平行な方向への縦振動と、
   前記略平面と交差する方向への屈曲振動とを発生させ
   て、前記駆動力取出部と前記相対運動部材との間に前記
   第１の方向と異なる第２の方向への相対運動を行わせる
   振動を生じさせることを特徴とする多自由度形駆動装
   置。
10. 【請求項１０】 請求項１から請求項７までのいずれか
    １項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記振動子は、円環状に形成され、所定位置に前記駆動
    力取出部を有する弾性体と、この弾性体のいずれかの面
    に接合された電気機械変換素子とを備え、 前記電気機械変換素子の励振により、前記弾性体に、前
    記駆動力取出部と前記相対運動部材との接触部を含む略
    平面に略平行な方向であって前記弾性体を拡径方向及び
    縮径方向へ変位させる伸縮振動と、前記略平面と交差す
    る方向へ振幅する節円数１個以上，節直径数１個以上の
    屈曲振動とを発生させて、前記駆動力取出部と前記相対
    運動部材との間に相対運動を行わせる振動を生じさせる
    ことを特徴とする多自由度形駆動装置。
11. 【請求項１１】 請求項１から請求項７までのいずれか
    １項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記振動子は、円環状に形成され、所定位置に前記駆動
    力取出部を有する弾性体と、この弾性体のいずれかの面
    に接合された電気機械変換素子とを備え、 前記電気機械変換素子の励振により、前記弾性体に、前
    記駆動力取出部と前記相対運動部材との接触部を含む略
    平面に略平行な方向であって前記弾性体を非軸対称方向
    へ変位させる非軸対称振動と、前記略平面と交差する方
    向へ振幅する節円数１個以上，節直径数１個以上の屈曲
    振動とを発生させて、前記駆動力取出部と前記相対運動
    部材との間に相対運動を行わせる振動を生じさせること
    を特徴とする多自由度形駆動装置。
12. 【請求項１２】 請求項８，請求項１０又は請求項１１
    に記載の多自由度形駆動装置において、 前記駆動力取出部は、前記振動子に形成された枠状部の
    内縁部に形成されることを特徴とする多自由度形駆動装
    置。
13. 【請求項１３】 請求項１から請求項１２までのいずれ
    か１項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記相対運動部材は、中空形状であることを特徴とする
    多自由度形駆動装置。
14. 【請求項１４】 請求項１から請求項１３までのいずれ
    か１項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記相対運動部材を、位置決め用のステージに用いたこ
    とを特徴とする多自由度形駆動装置。
15. 【請求項１５】 請求項１から請求項１３までのいずれ
    か１項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記相対運動部材を、光学機器の光軸補正装置に用いた
    ことを特徴とする多自由度形駆動装置。
16. 【請求項１６】 請求項１から請求項１３までのいずれ
    か１項に記載の多自由度形駆動装置において、 前記相対運動部材を、ロボットハンドの回転連結部に用
    いたことを特徴とする多自由度形駆動装置。