JPH11164576A

JPH11164576A - 振動型アクチュエータおよび振動型駆動装置

Info

Publication number: JPH11164576A
Application number: JP9326384A
Authority: JP
Inventors: Takashi Maeno; 隆司前野; Kenjirou Takemura; 研治郎竹村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-11-27
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 1999-06-18

Abstract

(57)【要約】【課題】単一の振動体で多自由度の駆動力を簡単な構成
で生成することができる振動型アクチュエータを提供す
る。【解決手段】弾性体１に縦振動および、位相の異なる複
数の横振動を励起する電気−機械エネルギー変換素子３
を設けた振動体を有し、前記縦振動および前記複数の横
振動のうちの２つの振動を選択的に組み合わせ、前記弾
性体の任意の平面内の点に楕円運動を形成させることを
特徴とする振動型アクチュエータであって、前記振動体
に励起する縦振動は１次モードであり、前記複数の横振
動は２次モードである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、互いに直交する例
えば３軸回りについて運動を生成する振動型アクチュエ
ータおよび振動型駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】多軸周りの運動を生成する振動型アクチ
ュエータとして、例えば精密工学会誌（Ｖｏｌ．６１，
Ｎｏ．３，ｐｐ．１２２７−１２３０，１９９５）、あ
るいは日経メカニカル（Ｎｏ．５，ｐｐ．２６−２７，
１９９７．４．２８）に開示の球面振動型アクチュエー
タが提案されている。

【０００３】この球面振動型アクチュエータは、球形形
状に形成されたものを移動体とし、この球状の移動体
（ロータ）を直交する３軸のうちの２軸あるいは３軸の
回りに回転させるようにしたものであって、１軸回りに
ついて回転力を振動（例えば進行波）により生成する振
動体（ステータ）を前記移動体に加圧接触するように複
数配置するように構成されている。

【０００４】このような球面振動型アクチュエータとし
ては、現在は４個の振動体を用いた２自由度タイプと、
３個の振動体を用いた３自由度タイプが開発されてい
る。

【０００５】また、球面振動型アクチュエータに用いら
れている前記振動体としては、例えばカメラのオートフ
ォーカスレンズの駆動等に用いられているリング型振動
型アクチュエータの振動体と同様のもので、図１６にそ
の外観形状を示す。この振動体１９は、リング形状の弾
性体１９ａの底面部に圧電性セラミックスで形成された
圧電素子１９ｂを接着したもので、圧電素子１９ｂには
適当な位相差（半波長の奇数倍の位相差）で２相の駆動
相が形成されていて、この両駆動相に適当な位相差（例
えば９０°）を有する交番信号を印可することで、弾性
体１９ａに周方向に沿ってたわみ（曲げ）進行波が形成
される。そして、この弾性体１９ａに不図示の接触体を
不図示の加圧手段を介して接触させることで、前記接触
体と前記振動体１９は進行波の進行方向と逆方向を移動
方向として相対移動する。なお、振動体１９を固定とし
た場合、前記接触体は移動体として例えば回転する。

【０００６】球面振動型アクチュエータ、例えば２自由
度タイプの球面振動型アクチュエータは、図１７に示す
ように、対向の一対の振動体１９を球状の移動体２の周
囲に２対配置することで、振動体１９の中心を回転軸と
して２自由度の移動を実現している。

【０００７】また、他の多軸周りの運動を生成する振動
型アクチュエータとしては、ＴｈｉｒｄＩｎｔｅｒｎ
ａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＭｏｔ
ｉｏｎａｎｄＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏ
ｌ，Ｃｈｉｂａ，、Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，１−６、１９
９６、ｐｐ．Ｋ９−Ｋ１５に記載されている圧電マニピ
ュレータが提案されている。その構成を図１８に示す。

【０００８】この圧電マニピュレータは、円筒状の弾性
体と圧電素子で形成された振動体１９と、振動体１９の
軸方向の端部に配置された半球状の移動体２０ａ、２０
ｂから構成され、前記振動体１９の周囲には分割された
不図示の電極が形成されている。また、半球状の移動体
２０ａと２０ｂとは振動体１９内に配置されたバネ２１
で互いに引き合うことで、振動体１９の開口端に移動体
２０ａと２０ｂとがそれぞれ常に接するようにしてい
る。

【０００９】そして、振動体１９に励起する振動を調整
するように、分割された電極のそれぞれに適当な交流電
圧を加えることによって、振動体１９の開口端にそれぞ
れ接する２つの半球状の移動体２０ａ、２０ｂを１つの
移動体１９のみで駆動するようにしている。

【００１０】この駆動原理は、半球状の移動体２０ａ、
２０ｂと振動体１９との接触点に楕円運動を生成するも
のであり、各電極に印加する交流電圧を変化させること
で、複数面内の楕円運動が生成され、半球状の回転子を
任意の方向に駆動できるようにしたものである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１７
に示す従来の球面振動型アクチュエータは、複数の振動
体を用いているため、以下のような難点が指摘されてい
る。

【００１２】：１つの軸周りの回転に対して、複数の
振動体を用いるために、各振動体の特性を一致させる必
要がある。

【００１３】：移動体の周囲に複数の振動体が存在す
るため、小型化が難しくスペース効率が悪い。

【００１４】：駆動に供しない他の軸回り用の振動体
が移動体に圧接されているため、回転に対する抵抗とな
り、効率や発熱の問題がある。

【００１５】また、図１８に示す従来の筒状振動体の振
動型アクチュエータについては、以下のような難点が指
摘されている。

【００１６】：振動体の周面に設けられた複数の電極
に駆動方向に合わせて交番信号を入力するため、入力す
る信号が各電極毎に異なるため、複雑な制御を要する。

【００１７】：円筒形状の振動体１９に対して半球状
の移動体２０ａ、２０ｂを振動体１９内に配置されたバ
ネ２１を互いに引き合わせて圧接しているため、可動域
が制限され、また圧接の加圧力が一定でなく、加圧力の
調整を簡単にできない。

【００１８】本出願に係る第１の発明の目的は、単一の
振動体で多自由度の駆動力を簡単な構成で生成すること
ができる振動型アクチュエータを提供しようとするもの
である。

【００１９】本出願に係る第２の発明の目的は、簡単な
構成で被駆動体を多自由度で駆動できる振動型駆動装置
を提供しようとするものである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本出願に係る第１の発明
の目的を実現する振動型アクチュエータの構成は、弾性
体に縦振動および、位相の異なる複数の横振動を励起す
る電気−機械エネルギー変換素子を設けた振動体を有
し、前記縦振動および前記複数の横振動のうちの２つの
振動を選択的に組み合わせ、前記弾性体の任意の平面内
の点に楕円運動を形成させることを特徴とする振動型ア
クチュエータであって、前記振動体に励起する縦振動は
１次モードであり、前記複数の横振動は２次モードであ
る。

【００２１】前記振動体は棒状に形成されていて、中心
部分の軸部材の直径、あるいは軸部材に設けた凹部の直
径あるいは形状を変化させることにより前記縦振動の固
有振動数を調整可能としている。

【００２２】前記振動体の一部に設けた凹部により、前
記縦振動および、位相の異なる複数の横振動との固有振
動数を略一致させる。

【００２３】前記振動体は棒状に形成されていて、中心
部分の軸部材の直径、あるいは軸部材に設けた凹部の直
径あるいは形状を変化させることにより前記縦振動およ
び、位相の異なる複数の横振動との固有振動数を略一致
させる。

【００２４】本出願に係る第２の発明の目的を実現する
振動型駆動装置の第１の構成は、上記した振動型アクチ
ュエータを多自由度の運動を行うアームの関節部に設け
たものである。

【００２５】本出願に係る第２の発明の目的を実現する
振動型駆動装置の第２の構成は、前記アームの関節部に
設けた振動型アクチュエータを遠隔操作により操作者の
関節の動きに対応して動作させる遠隔操作手段を有する
ものである。

【００２６】本出願に係る第２の発明の目的を実現する
振動型駆動装置の第３の構成は、前記振動型アクチュエ
ータを多自由度の運動を行うアームの関節部に設け、腹
腔鏡下手術用あるいはマイクロサージェリ用として用い
るものである。

【００２７】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は本発
明の第１の実施の形態を示す。

【００２８】図１は本実施の形態の振動型アクチュエー
タの駆動原理を示し、単一の振動体としての円柱形状の
弾性体１間に、図１の（ｂ），（ｃ），（ｄ）に夫々示
す変位を与える電気−機械エネルギー変換素子としての
圧電素子３が挟持固定されている。また、圧電素子とし
ては、例えば単板の圧電素子板を複数枚重ね合わせ、必
要に応じて圧電素子板の間に電極板を挟み込むようにし
て、必要とする圧電素子板に対して個々に駆動のための
交番信号を印加できるようにしている。

【００２９】本実施の形態において、圧電素子３は、交
番信号の印加により軸方向に伸縮変位を繰り返し、図１
の（ｂ）に示すように、互いに直交するｘ，ｙ，ｚの３
軸の内、ｚ軸方向の変位である縦振動を励起する第１の
圧電素子と、図１の（ｃ）に示すように、ｚ−ｘ平面内
で横（曲げ）振動を励起する第２の圧電素子と、図１の
（ｄ）に示すように、ｚ−ｙ平面内で横（曲げ）振動を
励起する第３の圧電素子を有している。上記の第１の圧
電素子は、厚さ方向に一様に分極されている。また、第
２、第３の圧電素子は、直径を挟んだ両側の部分で、厚
さ方向に互いに逆極性を持つように分極されている。

【００３０】ここで、前記第２の圧電素子と前記第３の
圧電素子に対して例えば位相が９０°異なる交番信号を
印加すると、振動体に対する２つの曲げ振動の合成で、
振動体の表面上にはｚ軸回り（ｘ−ｙ平面内）の楕円運
動が形成される。この場合、ｘ軸とｙ軸についての振動
体の固有振動数は略一致するため、この固有振動数を駆
動周波数とする交番信号を前記第２の圧電素子と前記第
３の圧電素子に印加すれば上記した楕円振動が生成され
ることになる。

【００３１】次に、前記第１の圧電素子に前記振動体の
ｚ軸方向における固有振動数と略一致する周波数の交番
信号を印加すると、前記振動体は一定の周期で１次モー
ドで縦振動を繰り返すことになる。

【００３２】その際、前記振動体が振動する縦振動の振
動の１周期と一致（略一致）した１周期の振動で励振す
るように前記第２の圧電素子に交番信号を印加すると、
前記振動体の表面上の点にはｘ−ｚ平面内の楕円運動が
生成され、ｘ軸方向（ｙ軸回り）への駆動力が得られ
る。この場合、前記振動体のｚ軸方向における固有振動
数とｘ−ｚ平面における曲げ振動の固有振動数は異なる
ため、図１の（ｃ）に示すように、本実施の形態ではｘ
軸方向の曲げ振動に対する固有振動数の２次モードで前
記第２の圧電素子を駆動し、縦振動の周期と曲げ振動の
周期とを一致させるようにしている。

【００３３】同様にして、前記振動体が振動する縦振動
の振動の１周期と一致（略一致）した１周期の振動で励
振するように前記第３の圧電素子に交番信号を印加する
と、前記振動体の表面上の点にはｙ−ｚ平面内の楕円運
動が生成され、ｙ軸方向（ｘ軸回り）への駆動力が得ら
れる。この場合、前記振動体のｚ軸方向における固有振
動数とｙ−ｚ平面における曲げ振動の固有振動数は異な
るため、図１の（ｄ）に示すように、本実施の形態では
ｙ軸方向の曲げ振動に対する固有振動数の２次モードで
前記第３の圧電素子を駆動することにより、縦振動の周
期と曲げ振動の周期とを一致させるようにしている。

【００３４】すなわち、振動体１の固有振動数に近い周
波数の交番信号、例えば交流電圧を第１の圧電素子、第
２の圧電素子および第３の圧電素子に印加することによ
り、振動体に図１の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のような固
有振動の縦振動あるいは横（曲げ）振動が励振される。

【００３５】そして、前記第１の圧電素子、第２の圧電
素子及び第３の圧電素子の内のいずれか２つに選択的に
交番信号を印加することにより、振動体１の縦振動と、
互いに直交する方向の横（曲げ）振動の２つが組み合わ
さって、振動体１の表面上の点に楕円運動が生成され
る。例えば、（ｂ）と（ｃ）の組み合わせによってｘ−
ｚ面内の楕円運動が生成される。あるいは（ｂ）と
（ｄ）の組み合わせによってｙ−ｚ平面内の楕円運動
が、（ｃ）と（ｄ）の組み合わせによってｘ−ｙ平面内
の楕円運動が生成される。

【００３６】従って、振動体のある一部に移動体を圧接
すると、移動体を複数の方向に駆動することができる。

【００３７】従来の圧電型アクチュエータの駆動原理
は、振動体を構成する圧電素子の２相の駆動相に位相の
ずれた交番信号を印加することで弾性体の表面の点につ
いて１軸回りの楕円運動を形成するようにしていたが、
本実施の形態では、３相の圧電素子（第１の圧電素子、
第２の圧電素子、第３の圧電素子）を組み合わせること
により、３軸回り（直交する３平面内）の楕円運動を形
成することが可能となり、単一の振動体で直交する３平
面内についての駆動が可能となるという振動型アクチュ
エータの実現に加え、更に小型化を図ることができる。

【００３８】（第２の実施の形態）図２は本発明の第２
の実施の形態を示す。

【００３９】上記した図１に示す第１の実施の形態は、
振動型アクチュエータにおける振動体を円柱状としてい
るが、本実施の形態では、振動体を角柱状としたもの
で、角柱形状の弾性体１の側面に圧電素子３を接着剤に
より接着している。

【００４０】本実施の形態では、例えば角柱形状の弾性
体１の隣り合う２側面に横振動（曲げ振動）を形成する
第２の圧電素子と第３の圧電素子を配置することで、第
２の圧電素子と第３の圧電素子を丁度９０度の位相差を
有するように配置することができ、また縦振動を形成す
る第１の圧電素子を残った他の側面に接着剤により接着
するようにしている。

【００４１】本実施の形態の場合においても、第１の圧
電素子、第２の圧電素子及び第３の圧電素子には第１の
実施の形態と同様の交番信号が印加され、第１の圧電素
子への交番信号の印加で図２の（ｂ）に示すように振動
体は縦振動し、第２の圧電素子への交番信号の印加で図
２の（ｃ）に示すように振動体はｘ−ｚ平面内で曲げ振
動し、第３の圧電素子への交番信号の印加で図２の
（ｄ）に示すように振動体はｙ−ｚ平面内で曲げ振動す
る。

【００４２】したがって、第１の実施の形態と同様に、
これら３通りの振動の内の２つの組み合わせにより、互
いに直交する３平面内での駆動力が得られることにな
る。

【００４３】本実施の形態では、角柱状の側面に圧電素
子を貼り付けることで振動体が得られるので、振動体の
製作が容易で、しかも曲げ振動用の２つの圧電素子を隣
り合う側面に貼り付けるだけで両圧電素子の位置（位相
差）を規定することができる。

【００４４】上記した第１の実施の形態及び第２の実施
の形態においては、振動体を固定とすれば、前記振動体
の駆動面に加圧接触する接触部材（図中破線に示す）を
移動体として直交３軸方向へ駆動力を与えることがで
き、逆に前記接触体を固定とすれば、前記振動体に前記
接触体に対して直交する３軸方向へ駆動力を与えること
ができる。

【００４５】（第３の実施の形態）図３は本発明の第３
の実施の形態を示す。

【００４６】本実施の形態の振動型アクチュエータにお
ける振動体の基本的な構成は、図１に示す第１の実施の
形態と同様であって、内径部にめねじ部が形成された頭
部弾性体４と、中心部に穴が形成された中間弾性体５ａ
と後部弾性体５ｂの間にそれぞれ圧電素子を配置し、後
部弾性体５ｂ側から挿入した中心軸部材をなす締結ボル
ト６を頭部弾性体４のめねじ部に螺着することにより、
頭部弾性体４と中間弾性体５ａとの間、中間弾性体５ａ
と後部弾性体５ｂとの間にそれぞれ圧電素子３を挟持し
て一体的に連結されて形成されている。

【００４７】本実施の形態において、頭部弾性体４と中
間弾性体５ａとの間に配置される圧電素子３は、振動体
に縦振動を励起する第１の圧電素子であり、また中間弾
性体５ａと後部弾性体５ｂとの間に配置される圧電素子
３は、ｘ−ｚ平面内での曲げ振動を形成する第２の圧電
素子と、ｙ−ｚ平面内での曲げ振動を形成する第３の圧
電素子であって、前記第２の圧電素子と前記第３の圧電
素子は位置的に９０°の位相差を有して配置されてい
る。

【００４８】また、頭部弾性体４の先端部は、球体形状
の移動体２と接触する軸線に対して斜めの内周面がテー
パー面に形成されている。

【００４９】したがって、本実施の形態においても、上
記した第１の実施の形態と同様に、振動体に形成される
縦振動、２方向の曲げ振動のうち、２つの振動を組み合
わせることによって、球体形状の移動体２をｘ軸、ｙ
軸、ｚ軸周りにそれぞれ回転させることができる。

【００５０】例えば、図１の（ｃ）と（ｄ）の組み合わ
せによってｚ軸周りに、（ｂ）と（ｃ）の組み合わせに
よってｘ軸周りに、（ｂ）と（ｄ）の組み合わせによっ
てｙ軸周りに移動体２を回転させることができ、移動体
２は、互いに直交する３軸周りに回転できる。

【００５１】（第４の実施の形態）図４は本発明の第４
の実施の形態を示す。

【００５２】本実施の形態の振動型アクチュエータにお
ける振動体の基本的構成は図３に示す第３の実施の形態
と同様で、頭部４ａに形成される直交３平面内の楕円運
動で駆動される移動体２を平板状としている点が第３の
実施の形態と異なる。

【００５３】本実施の形態では、頭部弾性体４の頭部４
ａに移動体２を圧接することで、移動体２はｘ軸方向、
ｙ軸方向およびｚ軸周りに運動する。例えば、第１の圧
電素子を駆動して形成されるｚ方向の縦振動と、第２の
圧電素子を駆動して形成されるｘ−ｚ平面内の横振動と
を約９０゜位相差を有して励起すると、振動体の頭部４
ａにはｘ−ｚ面内の楕円運動が生じ、頭部４ａに接触し
た移動体２はｘ軸方向に直進運動する。

【００５４】また、ｚ方向の縦振動とｙ−ｚ平面内の横
振動を位相を約９０゜違えて励起すると、頭部４ａの端
部の点にはｙ−ｚ面内の楕円運動が生じ、頭部４ａに接
触した移動体２はｙ軸方向に直進運動する。

【００５５】さらに、ｘ−ｚ平面内の横振動とｙ−ｚ平
面内の横振動を約９０゜の位相差を有して励起すると、
頭部４ａにはｘｙ面内の楕円運動が生じ、頭部４ａに接
触した移動体２はｚ軸周りに回転する。

【００５６】（第５の実施の形態）図５は本発明の第５
の実施の形態を示す。

【００５７】本実施の形態は図３に示す第３の実施の形
態の振動型アクチュエータにおける振動体に対して球体
形状の移動体２を永久磁石７の磁力により吸引加圧する
ようにしたもので、頭部弾性体４の先端凹部４ｂ内に永
久磁石７を設けるようにしている。

【００５８】（第６の実施の形態）図６は第６の実施の
形態を示す。

【００５９】本実施の形態は図３に示す第３の実施の形
態の振動型アクチュエータにおける振動体に対して球体
形状の移動体２を電磁石の磁力により吸引加圧するよう
にしたもので、頭部弾性体４の外周部に設けた凹溝４ｃ
内にコイル８を配置し、コイル８に通電することにより
電磁石を構成し、この磁力によって移動体２を頭部弾性
体４に吸引加圧する。コイル８は振動体の周囲に配置さ
れた支持部材３０に取り付けられ、また振動体から延び
る支持板９の外端部が支持部材３０に取り付けられてい
る。

【００６０】なお、コイル８は磁気回路を構成可能であ
れば、振動体の周囲のいかなる場所に配置されていても
よい。

【００６１】（第７の実施の形態）図７は本発明の第７
の実施の形態を示す。

【００６２】本実施の形態は、図３に示す第３の実施の
形態における振動型アクチュエータの振動体に対する球
体形状の移動体２の接触性の改善を図るもので、頭部弾
性体４の先端凹部４ｂ内に、移動体２の接触部近傍に配
した弾性材料で形成された当接体１０を配置し、移動体
２と頭部弾性体４の接触領域の増加を図っている。

【００６３】このため、振動体に対する移動体２の接触
が安定し、出力トルクが増し、また、部品加工時の加工
誤差の許容範囲を広げることができる。

【００６４】なお、本実施の形態では、図５に示す第５
の実施の形態と同様に、頭部弾性体４の先端凹部４ｂ内
に永久磁石７を設け、球体形状の移動体２を永久磁石７
の磁力により吸引加圧するようにしている。

【００６５】（第８の実施の形態）図８は本発明の第８
の実施の形態を示す。

【００６６】本実施の形態は、第７の実施の形態と同様
に、図３に示す第３の実施の形態における振動型アクチ
ュエータの振動体に対する球体形状の移動体２の接触性
の改善を図るもので、振動体における頭部弾性体４の先
端凹部４ｂをばね性を有する筒状のつば部１１により形
成している。

【００６７】本実施の形態では、不図示の加圧手段によ
り移動体２がばね性を有するつば部１１によってある程
度の弾性力をもって接触するので、移動体２の球面に対
するつば部１１の接触面積が増大し、移動体２の接触性
が安定することとなり、出力トルクが増し、また部品加
工時の加工誤差の許容範囲を広げることができる。

【００６８】なお、本実施の形態では、図５に示す第５
の実施の形態と同様に、頭部弾性体４の先端凹部４ｂ内
に永久磁石７を設け、球体形状の移動体２を永久磁石７
の磁力により吸引加圧するようにしている。

【００６９】（第９の実施の形態）図９、図１０、図１
１は本発明の第９の実施の形態を示す。

【００７０】本実施の形態は、円柱形状の振動体の具体
的構成を示し、頭部弾性体４の後に第１弾性体５ｃを直
接配置し、第１弾性体５ｃと第２弾性体５ｄとの間に縦
振動を励起するための圧電素子板３ａ，３ｂと、振動検
出のための圧電素子板３ｃと、中央部９ａが電極板とし
て圧電素子板３ａに接触する機能を兼用する支持板９
と、電極板１２ｚ，１２ｓｚ，１３とが配置される。ま
た第２弾性体５ｄと第３弾性体５ｅとの間に、横振動
（曲げ振動）を励起する圧電素子板３ｅ，３ｆと３ｇ，
３ｈ、振動検出のための圧電素子板３ｄと３ｉ、電極板
１２ＳＡ，１２Ａ，１２ＳＢ，１２Ｂ，１３とシート１
４が配置される。そして、頭部弾性体４の内径部のめね
じ部に締結ボルト６の先端ねじ部が螺合することによ
り、頭部弾性体４、第１弾性体５ｃ、第２弾性体５ｄ、
第３弾性体５ｅ、圧電素子板３ａ〜３ｉ、電極板１２、
１３およびシート１４が図示の配列で一体的に挟持さ
れ、振動体を構成している。なお、電極板１３はグラン
ド電極である。

【００７１】ここで、支持板９は中央の電極板部９ａか
ら径方向に延出した腕部が、図１１に示す固定部３０に
固定されることにより振動体を支持するようにしてい
る。なお、振動体自体の固有振動に影響を与えないので
あれば、支持板９は板以外の形状でもよい。勿論電極板
を兼用するものでなくてもよい。

【００７２】さらに、圧電素子板３ｄ，３ｅ，３ｆと、
圧電素子板３ｇ，３ｈ，３ｉとは左右が逆極性を有する
ように分極されていて、曲げ方向に９０°の位相差を有
して配置されている。なお、シート１４は絶縁性を有
し、シート１４の両側に配置される第２弾性体５ｄと電
極板１２、あるいは第３弾性体５ｅと電極板１２が電気
的に独立となるようにしている。

【００７３】このように構成された振動体に対し、後述
の図１９に示す駆動回路より、例えば、圧電素子板３
ｅ，３ｆを挟む電極板１２（１２Ａ）に振動体の固有振
動数に近い周波数の交流電圧を入力すると、これらの圧
電素子板３ｅ，３ｆが直径部分を挟んだ両側の部分が厚
さ方向に伸びと縮みを交互に繰り返し、振動体に横振動
を励振する。

【００７４】また、圧電素子板３ｄは、圧電素子板３
ｅ、３ｆにより励振された振動体の横振動によって歪
み、起電力を発生する。この際、圧電素子板３ｄに接す
る電極板１２から取り出される交流電圧は、振動検出用
として用いられる。圧電素子板３ｄ、３ｅと位置的に９
０°の位相差を有して配置されている圧電素子板３ｇ、
３ｈを挟む電極板１２（１２Ｂ）に振動体の固有振動数
に近い周波数の交流電圧を入力すると、これらの圧電素
子板３ｇ、３ｈが直径部分を挟んだ両側の部分が厚さ方
向に伸びと縮みを繰り返し、振動体に縦振動を励振す
る。また、圧電素子板３ｃは、圧電素子板３ａ、３ｂに
より励振された振動体の縦振動によって歪み、起電力を
発生する。この際、圧電素子板３ｃに接する電極板１２
（１２ＺＳ）から取り出される交流電圧は、振動検出用
として用いられる。

【００７５】また、縦振動を励振する圧電素子板３ａ〜
３ｃの位置は、縦振動１次モードの節となる位置であ
る。さらに、横振動を励振する圧電素子板３ｄ〜３ｉの
位置は、横振動２次モードの腹となる位置である。

【００７６】一方、頭部弾性体４の外周部に形成された
くびれ部（凹部）４ｃにより、固有振動の振幅が拡大
し、固有振動数を低く抑えることができる。また、振動
体の中心軸６に施されたくびれ部（凹部）６ａにより、
主に縦振動の固有振動数を低く抑えることができる。

【００７７】図１９は上記した振動体を駆動制御する駆
動回路を示すブロック図である。１０１はシステム全体
をコントロールするＣＰＵで、１０２は発振器、１０３
は移相器、１０４は選択切り替えスイッチである。１０
５は駆動波形を作る出力回路で、図２０に示す回路にょ
り構成されている。出力回路１０５Ｚ、１０５Ａ、１０
５Ｂはそれぞれ電極板１２Ｚ、１２Ａ、１２Ｂと接続さ
れ、圧電素子３ａと３ｂ、３ｅと３ｆ、３ｇと３ｈに交
流電圧（交番信号）を印加する。これらの圧電素子は、
Ｚ軸方向の縦振動、Ｚ−Ｘ平面内の横（曲げ）振動、Ｚ
−Ｙ平面内の横（曲げ）振動をそれぞれ励振する。

【００７８】選択切り替えスイッチ１０４はＣＰＵ１０
１からの指令に基づいて、Ｚ，Ａ，Ｂの３つの出力から
２つを選択し、発振器１０２および移相器１０３からの
２つの信号を出力する。これにより、３軸の回転のうち
１軸を選択することができることになる。

【００７９】１０７はパルス幅を制御するパルス幅制御
回路で、圧電素子に印加される交流電圧の振幅を制御す
ることができる。パルス幅により印加電圧をそれぞれ個
別独立に変えることで楕円軌跡の縦横比（長軸と短軸の
比）を変えることができる。発振器１０２の発信周波数
を振動体の固有振動数に近づけたり、遠ざけたりして振
動体の振幅を変え、楕円軌跡の大きさを変えることがで
きる。

【００８０】圧電素子板３ｃ，３ｄ，３ｉで発生するＺ
軸方向の縦振動、Ｚ−Ｘ平面内の横（曲げ振動）、Ｚ−
Ｙ平面内の横（曲げ）振動、それぞれの振動振幅に応じ
た電圧は電極板１２ＳＺ、１２ＳＡ、１２ＳＢを通じて
検出回路１０６からそれぞれの振幅、位相の情報がＣＰ
Ｕに入力される。

【００８１】これらの情報に基づき、パルス幅制御回路
１０７、移相器１０３、発振器１０２をＣＰ１０１でコ
ントロールすることで、楕円軌跡を任意の形状に制御す
ることができる。

【００８２】このような制御を行うことにより、以下の
ことが可能となる。

【００８３】１：振動体の送り方向速度分布が変わるの
で、移動体の速度を変えることができる。

【００８４】２：摩擦力分布が変わるので、最も摺動損
の少ない楕円軌跡をつくることができる。例えば楕円軌
跡の傾きについては、移動体の球面に対して楕円の軸が
直交するように制御すれば良い。具体的には、図３に示
した弾性体４の内周面（軸線に対して斜めに形成されて
いる）の放線方向に楕円軌跡を発生させて、効率向上を
図ることができる。

【００８５】あるいは、不図示の回転検出計と電力計の
信号をフィードバックして、最も効率の楕円軌跡の状態
で駆動することもできる。

【００８６】３：振動体と移動体との当たり方（法線方
向の変位と速度）も変わるので、最も衝撃の少ない接触
の仕方、あるいは鳴き等の異常なノイズを発生しない楕
円軌跡とすることもできる。

【００８７】（第１０の実施の形態）図１２は本発明の
第１０の実施の形態を示す。

【００８８】本実施の形態は、例えば図９に示す支持板
９を有する振動体を、例えば任意の方向に移動可能な支
持台１５を介して支持するようにしてものである。支持
台１５は円筒形状であり、ロボットアーム等に取り付け
られることにより、多自由度振動型アクチュエータを多
自由度運動できる関節として利用できる。

【００８９】（第１１の実施の形態）図１３は本発明の
第１１の実施の形態を示す。

【００９０】本実施の形態は、前述した各実施の形態の
振動型アクチュエータ４０を直列に２つ接続したものを
操作腕として左右に設け、制御システム４１を介して操
作用グローブ１６により遠隔操作するようにしたもの
で、人の関節の角変位を読み取れるようになっている操
作用グローブ１６と制御システム４１の組み合わせでア
クチュエータを駆動する遠隔操作システムは公知なの
で、ここではこれらの構成の説明については省略する。

【００９１】本実施の形態の操作腕は、手元側の振動型
アクチュエータ４０の移動体４２として球体形状のもの
を使用して、先端側の振動型アクチュエータ４０の後端
部に取り付け、この先端側の振動型アクチュエータ４０
の移動体４３として操作指部分を有する棒状（振動体の
頭部弾性体部分との接触部は球面）のものを使用してお
り、移動体４２、４３はヒトの関節と対応した位置に取
り付けられ、人の運動に対応した遠隔操作機械（ロボッ
ト）を実現できる。なお、遠隔操作機械とは、ヒトの動
きに対応して動作する機械である。

【００９２】このような遠隔操作機械は、腹腔鏡下手術
やマイクロサージェリーに用いることもできる。腹腔鏡
下手術とは患者の体を切開することなく、体内に挿入さ
れた内視鏡と鉗子によって行われる手術である。

【００９３】本実施の形態をこれに使用することによ
り、人の手を入れることのできない患者の腹部の内部
で、人の手の複雑な動きを実現できるので、これまでの
腹腔鏡下手術よりも緻密な手術を行うことができる。な
お、マイクロサージェリーとは、微細な生体組織に対し
て行う、細かい操作を伴う手術であり、現在は顕微鏡下
で直接人の手によって行われている。遠隔操作機械を用
いて術者側のスケールと機械側のスケールを調節するこ
とで、人の手のスケールでは困難である細かい操作を容
易に行うことができる。

【００９４】（第１２の実施の形態）図１４は第１２の
実施の形態を示す。

【００９５】本実施の形態は、前述した各実施の形態の
振動型アクチュエータ（多自由度振動型アクチュエー
タ）５０をシャーシ１７に複数取り付け、また移動体と
して球体を用いることにより、Ｘ−Ｙ平面内を任意に移
動できるようにしたもので、並進および回転をすること
ができるようにしている。なお、図１４では、多自由度
振動型アクチュエータ５０の移動体２が不図示の床と接
触するようにしているが、逆に高所等に配置したレール
の下面に接触させ、懸垂型の移動機構とすることもでき
る。

【００９６】（第１３の実施の形態）図１５は本発明の
第１３の実施の形態を示す。

【００９７】本実施の形態は、前述した各実施の形態の
振動型アクチュエータ（多自由度振動型アクチュエー
タ）６０の球体形状の移動体２内にカメラ１８を配置
し、監視カメラやコンピュータへの入力用の撮影装置と
したものである。

【００９８】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、振動体の
縦振動と横振動の固有振動数が一致し、振動体各点に互
いに直交する３平面内の楕円運動が生成できる。振動体
各点の楕円運動に接触体を接触させることで、接触体を
多自由度運動させることができる。単一振動体であるの
で省スペースを実現できる。また、複数の振動体の振動
特性を一致させる必要がない。

【００９９】請求項２の発明によれば、振動体の縦振動
の固有振動数を低くでき、振動体の縦振動と横振動の固
有振動数を略一致させることができる。

【０１００】請求項３の発明によれば、主に横振動の固
有振動数を調整することで、縦振動１次モードと横振動
２次モードの固有振動数を略一致させることができ、振
動体の縦振動１次モードと横振動２次モードを用いた多
自由度振動型アクチュエータを実現することができる。

【０１０１】請求項４の発明によれば、主に縦振動の固
有振動数を調整することで、縦振動の１次モードと横振
動の２次モードの固有振動数を略一致させることがで
き、振動体の縦振動１次モードと横振動２次モードを用
いた多自由度振動型アクチュエータを実現することがで
きる。

【０１０２】請求項５〜７の発明によれば、多自由度振
動型アクチュエータ用いた小型の振動型駆動装置が実現
でき、医療用機械等の人間の手の届きにくい小さな場所
での精密な作業が行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示し、（ａ）は振
動体の外観斜視図、（ｂ）は振動体の縦振動の１次モー
ド、（ｃ），（ｄ）は横振動の２次モードを示す。

【図２】本発明の第２の実施の形態を示し、（ａ）は振
動体の外観斜視図、（ｂ）は振動体の縦振動の１次モー
ド、（ｃ），（ｄ）は横振動の２次モードを示す。

【図３】本発明の第３の実施の形態を示す振動型アクチ
ュエータの断面図。

【図４】本発明の第４の実施の形態を示す振動型アクチ
ュエータの断面図。

【図５】本発明の第５の実施の形態を示す振動型アクチ
ュエータの断面図。

【図６】本発明の第６の実施の形態を示す振動型アクチ
ュエータの断面図。

【図７】本発明の第７の実施の形態を示す振動型アクチ
ュエータの断面図。

【図８】本発明の第８の実施の形態を示す振動型アクチ
ュエータの断面図。

【図９】本発明の第９の実施の形態を示す振動型アクチ
ュエータの外観斜視図。

【図１０】図９の振動体の分解斜視図。

【図１１】（ａ）、（ｂ）は図９の振動体を支持した状
態を示す側面図と上面図。

【図１２】本発明の第１０の実施の形態を示す側面図。

【図１３】本発明の第１１の実施の形態を示す概略図。

【図１４】本発明の第１２の実施の形態を示す側面図。

【図１５】本発明の第１３の実施の形態を示す外観斜視
図。

【図１６】リング状振動体の斜視図。

【図１７】従来の球面振動型アクチュエータの斜視図。

【図１８】従来の振動型アクチュエータの断面図。

【図１９】第９の実施の形態の駆動回路図。

【図２０】図１９の出力回路の回路図。

【符号の説明】

１弾性体２移動体３圧電素子３ａ，３ｂ縦
振動用圧電素子３ｃ縦振動検出用圧電素子３ｅ〜３ｈ横
振動用圧電素子３ｄ，３ｉ横振動検出用圧電素子４頭部弾性体４ａ頭部先端
凹部４ｂ凹溝４ｃくびれ
（凹部）５ａ中間弾性体５ｂ後部弾性
体５ｃ第１弾性体５ｄ第２弾性
体５ｅ第３弾性体６締結ボルト６ａ締結シャ
フト凹部７永久磁石８コイル９支持板９ａ中央部１０当接体１１つば部１２電極板１３グランド
電極板１４シート１５支持台１６グローブ１７シャーシ１８カメラ１９振動体１９ａ弾性体１９ｂ圧電素
子２０ａ，２０ｂ移動体２１バネ３０任意支持台４０，５０，６
０振動体４１制御システム４２，４３移
動体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体に縦振動および、位相の異なる複
数の横振動を励起する電気−機械エネルギー変換素子を
設けた振動体を有し、前記縦振動および前記複数の横振
動のうちの２つの振動を選択的に組み合わせ、前記弾性
体の任意の平面内の点に楕円運動を形成させることを特
徴とする振動型アクチュエータであって、前記振動体に
励起する縦振動は１次モードであり、前記複数の横振動
は２次モードであることを特徴とする振動型アクチュエ
ータ。
【請求項２】前記振動体は棒状に形成されていて、中
心部分の軸部材の直径、あるいは軸部材に設けた凹部の
直径あるいは形状を変化させることにより前記縦振動の
固有振動数を調整可能としていることを特徴とする請求
項１記載の振動型アクチュエータ。
【請求項３】前記振動体の一部に設けた凹部の直径、
あるいは形状を変化させることにより、前記縦振動およ
び、位相の異なる複数の横振動との固有振動数を略一致
させることを特徴とする請求項１または２記載の振動型
アクチュエータ。
【請求項４】前記振動体は棒状に形成されていて、中
心部分の軸部材の直径あるいは軸部材に設けた凹部の直
径あるいは形状を変化させることにより前記縦振動およ
び、位相の異なる複数の横振動との固有振動数を略一致
させることを特徴とする請求項１、２または３記載の振
動型アクチュエータ。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか一つに記載
の振動型アクチュエータを多自由度の運動を行うアーム
の関節部に設けたことを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項６】前記アームの関節部に設けた振動型アク
チュエータを遠隔操作により操作者の関節の動きに対応
して動作させる遠隔操作手段を有することを特徴とする
請求項５記載の振動型駆動装置。
【請求項７】請求項１ないし４のいずれか一つに記載
の振動型アクチュエータを多自由度の運動を行うアーム
の関節部に設け、腹腔鏡下手術用あるいはマイクロサー
ジェリ用として用いることを特徴とする振動型駆動装
置。