KR101085808B1 - Vibration actuator and method of driving the same - Google Patents
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Abstract
진동 액추에이터는 회전자와, 진동자와, 회전자를 진동자에 대해 압접시키는 예압 수단과, 진동자에 진동을 발생시킴으로써 회전자를 적어도 1 개의 회전축 둘레로 회전시키는 구동 회로를 구비한다. 구동 회로는, 각 회전축에 대해, 회전자를 회전시키는 데 필요한 적어도 2 방향의 각각의 공진 주파수에 기초하여 설정된 주파수를 그 회전축에 대한 구동 주파수로 하여 진동자를 구동시킨다. The vibrating actuator includes a rotor, a vibrator, preload means for pressing the rotor against the vibrator, and a driving circuit for rotating the rotor around at least one rotation axis by generating vibration in the vibrator. The drive circuit drives the vibrator with respect to each rotational axis using a frequency set based on each resonance frequency in at least two directions required to rotate the rotor as the driving frequency for that rotational axis.
Description
본 발명은, 진동 액추에이터 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 특히 진동자에 초음파의 진동을 발생시켜 회전자를 회전시키는 진동 액추에이터 및 그 구동 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근, 초음파 진동을 이용하여 회전자를 회전시키는 진동 액추에이터가 제안 되어 실용화되고 있다. 이 진동 액추에이터는, 압전 소자를 사용하여 고정자의 표면에 타원 운동 또는 진행파를 발생시켜, 고정자에 회전자를 가압 접촉시킴으로써 이들 양자간의 마찰력을 통하여 회전자를 이동시키는 것이다. Recently, a vibration actuator for rotating the rotor using ultrasonic vibration has been proposed and put into practical use. This vibrating actuator generates an elliptical motion or traveling wave on the surface of the stator by using a piezoelectric element, and moves the rotor through the frictional force between them by pressing and contacting the rotor with the stator.
예를 들어, 특허 문헌 1 에는, 진동체로 고정자에 X, Y, Z 3 방향의 진동을 여기시킴으로써 고정자에 접촉하는 회전자를 3 방향으로 이동시키는 진동 액추에이터가 개시되어 있다. 진동체는, Z 방향의 세로 진동을 여기시키는 제 1 압전 소자와, X-Z 평면에 있어서의 비틀림 진동을 여기시키는 제 2 압전 소자와, Y-Z 평면에 있어서의 비틀림 진동을 여기시키는 제 3 압전 소자를 가지고 있고, 이들 제 1 ∼ 제 3 압전 소자에 진동체의 공진 주파수에 가까운 단일 주파수의 교류 전압을 인가하여 각각의 진동을 여기시키고 있다. For example,
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 평11-220891호 Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-220891
발명의 개시 DISCLOSURE OF INVENTION
발명이 해결하고자 하는 과제Problems to be Solved by the Invention
그러나, 실제의 진동체에 있어서는, 일반적으로 X, Y, Z 3 방향의 공진 주파수가 일치하지 않고 서로 상이하기 때문에, 3 방향으로 공통된 단일 주파수로 제 1 ∼ 제 3 압전 소자를 구동시키면, 3 방향의 회전축에 어긋남을 일으켜 회전자를 정확하게 이동 제어하는 것이 곤란해진다. However, in an actual vibrating body, in general, since the resonant frequencies in the X, Y, and Z 3 directions do not coincide and are different from each other, when the first to third piezoelectric elements are driven at a single frequency common to the three directions, It is difficult to accurately control the movement of the rotor by causing misalignment with the rotation axis.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 회전축에 어긋남을 일으키지 않고 회전자를 정확하게 이동 제어할 수 있는 진동 액추에이터 및 그 구동 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a vibration actuator and a driving method thereof capable of precisely controlling the rotation of a rotor without causing a deviation in the rotation axis.
과제를 해결하기 위한 수단 Means to solve the problem
본 발명에 관련된 진동 액추에이터는, 회전자와, 진동자와, 회전자를 진동자 에 대해 압접시키는 예압 수단과, 진동자에 진동을 발생시킴으로써 회전자를 적어도 1 개의 회전축 둘레로 회전시키는 구동 회로를 구비하고, 구동 회로는, 각 회전축에 대해, 회전자를 회전시키는 데 필요한 적어도 2 방향의 각각의 공진 주파수 에 기초하여 설정된 주파수를 그 회전축에 대한 구동 주파수로 하여 진동자를 구동시키는 것이다. The vibration actuator according to the present invention includes a rotor, a vibrator, preloading means for pressing the rotor against the vibrator, and a driving circuit for rotating the rotor around at least one rotation axis by generating vibration in the vibrator, The drive circuit drives the vibrator with respect to each rotation axis by setting a frequency set based on each resonance frequency in at least two directions required to rotate the rotor as the drive frequency for the rotation axis.
본 발명에 관련된 진동 액추에이터의 구동 방법은, 회전자를 진동자에 대해 가압한 상태에서 진동자에 진동을 발생시킴으로써 회전자를 적어도 1 개의 회전축 방향으로 회전시키고, 각 회전축에 대해, 회전자를 회전시키는 데 필요한 적어도 2 방향의 각각의 공진 주파수에 기초하여 설정된 주파수를 그 회전축에 대한 구동 주파수로 하여 진동자를 구동시키는 방법이다. The driving method of the vibration actuator according to the present invention is to rotate the rotor in at least one rotation axis direction by generating vibration to the vibrator while pressing the rotor against the vibrator, and to rotate the rotor about each rotation axis. A method of driving a vibrator using a frequency set based on each of the resonant frequencies required in at least two directions as a driving frequency for its rotation axis.
발명의 효과Effects of the Invention
본 발명에 의하면, 각 회전축에 대해, 회전자를 회전시키는 데 필요한 적어도 2 방향의 각각의 공진 주파수에 기초하여 설정된 주파수를 그 회전축에 대한 구동 주파수로 하므로, 회전축에 어긋남을 일으키지 않고 회전자를 정확하게 이동 제어할 수 있게 된다. According to the present invention, the frequency set on the basis of the respective resonant frequencies in at least two directions required to rotate the rotor for each rotation axis is set as the driving frequency for the rotation axis, so that the rotor can be accurately moved without causing a deviation from the rotation axis. Movement control becomes possible.
도 1 은 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 진동 액추에이터를 나타내는 사시도이다. 1 is a perspective view showing a vibration actuator according to a first embodiment of the present invention.
도 2 는 실시형태 1 에 관련된 진동 액추에이터를 나타내는 단면도이다. 2 is a cross-sectional view showing the vibration actuator according to the first embodiment.
도 3 은 실시형태 1 에서 사용된 진동체의 구성을 나타내는 부분 단면도이다. 3 is a partial cross-sectional view showing the configuration of a vibrating body used in the first embodiment.
도 4 는 실시형태 1 에서 사용된 진동체의 3 쌍의 압전 소자판의 분극 방향을 나타내는 사시도이다. 4 is a perspective view illustrating the polarization direction of three pairs of piezoelectric element plates of the vibrating body used in the first embodiment.
도 5 는 실시형태 1 에서 사용된 구동 회로의 내부 구성을 나타내는 블록도이다. 5 is a block diagram showing an internal configuration of a drive circuit used in the first embodiment.
도 6 은 진동자의 X, Y, Z 방향의 각 공진 주파수와 회전자를 X 축 둘레, Y 축 둘레, Z 축 둘레로 회전시킬 때의 각 구동 주파수를 나타내는 그래프이다. Fig. 6 is a graph showing the respective resonant frequencies in the X, Y, and Z directions of the vibrator and the driving frequencies when the rotor is rotated around the X axis, the Y axis, and the Z axis.
도 7 은 실시형태 2 에 관련된 진동 액추에이터의 전기 계통을 나타내는 블록도이다. FIG. 7 is a block diagram showing an electric system of the vibration actuator according to the second embodiment. FIG.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태 Best Mode for Carrying Out the Invention
이하, 본 발명의 실시형태를 첨부 도면에 기초하여 설명한다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described based on an accompanying drawing.
실시형태 1
도 1 에, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 진동 액추에이터를 나타낸다. 기부 블록 (1) 과 고정자 (2) 사이에 진동체 (3) 가 끼워져 있고, 이들에 의해 거의 원주 형상의 외형을 갖는 진동자 (4) 가 형성되어 있다. 고정자 (2) 에는, 진동체 (3) 에 접하는 면과는 반대측에 오목부 (5) 가 형성되어 있고, 이 오목부 (5) 내에 대략 구체 형상의 회전자 (6) 의 거의 하반부가 수용되어 있다. 1, the vibration actuator which concerns on
고정자 (2) 의 상부에는, 지지 부재 (7) 가 배치되어 있다. 이 지지 부재 (7) 는, 고정자 (2) 의 상면 상에 고정되는 고리 형상부 (8) 와, 고리 형상부 (8) 로부터 상방으로 연장되는 역 L 자형의 앵글부 (9) 를 갖고, 앵글부 (9) 의 선단에 예압부 (10) 가 지지되어 있다. On the upper part of the
여기서, 설명의 편의상, 기부 블록 (1) 으로부터 고정자 (2) 를 향하는 진동자 (4) 의 중심축을 Z 축으로 규정하고, Z 축에 대해 수직 방향으로 X 축이, Z 축 및 X 축에 대해 수직으로 Y 축이 각각 연장되어 있는 것으로 한다. Here, for convenience of description, the central axis of the
예압부 (10) 는 회전자 (6) 의 +Z 축 방향의 최고점인 정점 부근에 접촉되어 있다. 지지 부재 (7) 의 앵글부 (9) 는 탄성을 갖고, 이에 따라 예압부 (10) 가 회전자 (6) 에 가압되어, 회전자 (6) 에 -Z 축 방향의 예압을 부여하고 있다. The
도 2 에 나타내는 바와 같이, 예압부 (10) 는, 오목 형상 원추면 형상의 예압면 (11) 을 가지고 있고, 이 예압면 (11) 이 회전자 (6) 의 정점 부근에 접촉되어 있다. As shown in FIG. 2, the
또, 기부 블록 (1) 과 고정자 (2) 가 진동체 (3) 내에 통해진 연결 볼트 (12) 를 통하여 서로 연결되어 있다. In addition, the
고정자 (2) 의 오목부 (5) 는 회전자 (6) 의 직경보다 작은 내경을 갖는 소직경부 (13) 와, 회전자 (6) 의 직경보다 큰 내경을 갖는 대직경부 (14) 로 이루어지고, 이들 소직경부 (13) 및 대직경부 (14) 의 경계부에 XY 평면 상에 위치하는 고리 형상의 단차 (15) 가 형성되어 있다. 회전자 (6) 는 이 오목부 (5) 내의 단차 (15) 에 맞닿은 상태에서 회전 가능하게 지지되어 있다. The
또한, 기부 블록 (1) 및 고정자 (2) 는 각각 예를 들어 젤라민으로 형성되고, 회전자 (6) 로서는 강구 (鋼球) 가 사용된다. The
진동체 (3) 는, 고정자 (2) 에 초음파의 진동을 발생시켜 회전자 (6) 를 X, Y, Z 3 축 둘레로 각각 회전시키기 위한 것으로, 각각 XY 평면 상에 위치하고 또한 서로 겹쳐진 평판 형상의 제 1 ∼ 제 3 압전 소자부 (31 ∼ 33) 를 가지고 있다. 이들 제 1 ∼ 제 3 압전 소자부 (31 ∼ 33) 가 각각 구동 회로 (16) 에 전기적으로 접속되어 있다. The vibrating body 3 is for generating ultrasonic vibrations in the
구체적으로는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 제 1 압전 소자부 (31) 는 각각 원판 형상을 갖는 전극판 (31a), 압전 소자판 (31b), 전극판 (31c), 압전 소자판 (31d) 및 전극판 (31e) 이 순차적으로 겹쳐진 구조를 가지고 있다. 마찬가지로, 제 2 압전 소자부 (32) 는, 각각 원판 형상을 갖는 전극판 (32a), 압전 소자판 (32b), 전극판 (32c), 압전 소자판 (32d) 및 전극판 (32e) 이 순차적으로 겹쳐진 구조를 갖고, 제 3 압전 소자부 (33) 는, 각각 원판 형상을 갖는 전극판 (33a), 압전 소자판 (33b), 전극판 (33c), 압전 소자판 (33d) 및 전극판 (33e) 이 순차적으로 겹쳐진 구조를 가지고 있다. 이들 압전 소자부 (31 ∼ 33) 가 절연 시트 (34 ∼ 37) 를 개재하여 고정자 (2) 및 기부 블록 (1) 으로부터, 또 서로 절연된 상태로 배치되어 있다. Specifically, as shown in FIG. 3, the first
도 4 에 나타내는 바와 같이, 제 1 압전 소자부 (31) 의 한 쌍의 압전 소자판 (31b 및 31d) 은, Y 축 방향으로 2 분할된 부분이 서로 역극성을 갖고 각각 Z 축 방향 (두께 방향) 으로 팽창과 수축의 반대의 변형 거동을 실시하도록 분극되어 있고, 압전 소자판 (31b) 과 압전 소자판 (31d) 은 서로 뒤집어져 배치되어 있다.As shown in FIG. 4, in the pair of
제 2 압전 소자부 (32) 의 한 쌍의 압전 소자판 (32b 및 32d) 은, 2 분할되지 않고 전체가 Z 축 방향 (두께 방향) 으로 팽창 혹은 수축의 변형 거동을 실시하도록 분극되어 있고, 압전 소자판 (32b) 과 압전 소자판 (32d) 은 서로 뒤집어져 배치되어 있다. The pair of
제 3 압전 소자부 (33) 의 한 쌍의 압전 소자판 (33b 및 33d) 은, X 축 방향으로 2 분할된 부분이 서로 역극성을 갖고 각각 Z 축 방향 (두께 방향) 으로 팽창과 수축의 반대의 변형 거동을 실시하도록 분극되어 있고, 압전 소자판 (33b) 과 압전 소자판 (33d) 은 서로 뒤집어져 배치되어 있다. In the pair of
제 1 압전 소자부 (31) 의 양면 부분에 배치되어 있는 전극판 (31a) 및 전극판 (31e) 과, 제 2 압전 소자부 (32) 의 양면 부분에 배치되어 있는 전극판 (32a) 및 전극판 (32e) 과, 제 3 압전 소자부 (33) 의 양면 부분에 배치되어 있는 전극판 (33a) 및 전극판 (33e) 이 각각 전기적으로 접지되어 있다. 또, 제 1 압전 소자부 (31) 의 한 쌍의 압전 소자판 (31b 및 31d) 사이에 배치되어 있는 전극판 (31c) 과, 제 2 압전 소자부 (32) 의 한 쌍의 압전 소자판 (32b 및 32d) 사이에 배치되어 있는 전극판 (32c) 과, 제 3 압전 소자부 (33) 의 한 쌍의 압전 소자판 (33b 및 33d) 사이에 배치되어 있는 전극판 (33c) 이 각각 구동 회로 (16) 에 전기적으로 접속되어 있다. An
도 5 에 나타내는 바와 같이, 구동 회로 (16) 는 회전자 (6) 를 X 축 둘레로 회전시킬 때의 구동 주파수 (f1) 를 설정하는 X 축 주파수 설정부 (161) 와, 회전자 (6) 를 Y 축 둘레로 회전시킬 때의 구동 주파수 (f2) 를 설정하는 Y 축 주파수 설정부 (162) 와, 회전자 (6) 를 Z 축 둘레로 회전시킬 때의 구동 주파수 (f3) 를 설정하는 Z 축 주파수 설정부 (163) 를 가지고 있다. 또한 X 축 주파수 설정부 (161) 에는, 구동 주파수 (f1) 의 교류 전압을 제 1 압전 소자부 (31) 와 제 2 압전 소자부 (32) 에 출력하는 X 축 구동부 (164) 가 접속되어 있다. 마찬가지로, Y 축 주파수 설정부 (162) 에는, 구동 주파수 (f2) 의 교류 전압을 제 2 압전 소자부 (32) 와 제 3 압전 소자부 (33) 에 출력하는 Y 축 구동부 (165) 가 접속되어 있다. 또한, Z 축 주파수 설정부 (163) 에는, 구동 주파수 (f3) 의 교류 전 압을 제 1 압전 소자부 (31) 와 제 3 압전 소자부 (33) 에 출력하는 Z 축 구동부 (166) 가 접속되어 있다. As shown in FIG. 5, the
다음으로, 이 실시형태 1 에 관련된 진동 액추에이터의 동작에 대해 설명한다. Next, the operation of the vibration actuator according to the first embodiment will be described.
먼저, 진동 액추에이터를 동작시키기 전에, 진동자 (4) 의 X 축 방향, Y 축 방향, Z 축 방향에 있어서의 공진 주파수를 각각 측정한다. First, before operating the vibration actuator, the resonant frequencies in the X axis direction, the Y axis direction, and the Z axis direction of the
예를 들어, 제 3 압전 소자부 (33) 의 X 축 방향으로 2 분할된 1 쌍의 압전 소자판 (33b 및 33d) 에 일정 전압의 교류를 인가하고, 인가 전압의 주파수를 소정의 측정 범위 내에서 소인 (掃引) 하고, 이 때의 전류값을 감시하여 전류값이 최대가 된 주파수가 X 축 방향에 있어서의 진동자 (4) 의 공진 주파수 (fx) 가 된다. For example, alternating current of a predetermined voltage is applied to a pair of
마찬가지로, 제 1 압전 소자부 (31) 의 Y 축 방향으로 2 분할된 1 쌍의 압전 소자판 (31b 및 31d) 에 일정 전압의 교류를 인가하고, 인가 전압의 주파수를 소정의 측정 범위 내에서 소인하고, 이 때의 전류값을 감시하여 전류값이 최대가 된 주파수가 Y 축 방향에 있어서의 진동자 (4) 의 공진 주파수 (fy) 가 된다. Similarly, alternating current of a predetermined voltage is applied to a pair of
또한, 제 2 압전 소자부 (32) 의 한 쌍의 압전 소자판 (32b 및 32d) 에 일정 전압의 교류를 인가하고, 인가 전압의 주파수를 소정의 측정 범위 내에서 소인하고, 이 때의 전류값을 감시하여 전류값이 최대가 된 주파수가 Z 축 방향에 있어서의 진동자 (4) 의 공진 주파수 (fz) 가 된다. In addition, an alternating current of a predetermined voltage is applied to the pair of
이와 같은 공진 주파수의 측정은, 예를 들어, 임피던스 애널라이저를 사용하여 실시할 수 있다. 임피던스 애널라이저에 의해, 인가 전압의 주파수를 소인 하여 어드미턴스 (임피던스의 역수) 가 최대가 된 주파수가, 즉 전류값이 최대가 된 주파수이며, 공진 주파수를 나타내고 있다. 실제로, 임피던스 애널라이저에 의해 측정된 주파수-어드미턴스 특성을 도 6 에 나타낸다. 이 도 6 에서 알 수 있듯이, X 축 방향의 공진 주파수 (fx), Y 축 방향의 공진 주파수 (fy), Z 축 방향의 공진 주파수 (fz) 가 서로 일치하지 않고, 상이하다. Such a resonance frequency can be measured using an impedance analyzer, for example. The impedance analyzer sweeps the frequency of the applied voltage to maximize the admittance (the reciprocal of the impedance), that is, the frequency at which the current value is maximum, and represents the resonance frequency. In fact, the frequency-admittance characteristic measured by the impedance analyzer is shown in FIG. 6. As can be seen from FIG. 6, the resonant frequency fx in the X-axis direction, the resonant frequency fy in the Y-axis direction, and the resonant frequency fz in the Z-axis direction do not coincide with each other and are different from each other.
여기서, 제 1 압전 소자부 (31) 의 전극판 (31c) 에 진동자 (4) 의 공진 주파수 (fx, fy, fz) 에 가까운 주파수의 교류 전압을 인가하면, 제 1 압전 소자부 (31) 의 한 쌍의 압전 소자판 (31b 및 31d) 의 2 분할된 부분이 Z 축 방향으로 팽창과 수축을 교대로 반복하고, 고정자 (2) 에 Y 축 방향의 비틀림 진동을 발생시킨다. 마찬가지로, 제 2 압전 소자부 (32) 의 전극판 (32c) 에 교류 전압을 인가하면, 제 2 압전 소자부 (32) 의 한 쌍의 압전 소자판 (32b 및 32d) 이 Z 축 방향으로 팽창과 수축을 반복하고, 고정자 (2) 에 Z 축 방향의 세로 진동을 발생시킨다. 또한 제 3 압전 소자부 (33) 의 전극판 (33c) 에 교류 전압을 인가하면, 제 3 압전 소자부 (33) 의 한 쌍의 압전 소자판 (33b 및 33d) 의 2 분할된 부분이 Z 축 방향으로 팽창과 수축을 교대로 반복하고, 고정자 (2) 에 X 축 방향의 비틀림 진동을 발생시킨다. Here, when an AC voltage having a frequency close to the resonant frequencies fx, fy and fz of the
그래서, 제 2 압전 소자부 (32) 의 전극판 (32c) 과 제 3 압전 소자부 (33) 의 전극판 (33c) 의 쌍방에 위상을 90 도 시프트시킨 교류 전압을 각각 인가하면, X 축 방향의 비틀림 진동과 Z 축 방향의 세로 진동이 조합되어 회전자 (6) 와 접촉하는 고정자 (2) 의 단차 (15) 에 XZ 면내의 타원 진동이 발생하고, 마찰력을 통하 여 회전자 (6) 가 거의 Y 축 둘레로 회전한다. Therefore, when the AC voltage which shifted the phase by 90 degrees is applied to both the
마찬가지로, 제 1 압전 소자부 (31) 의 전극판 (31c) 과 제 2 압전 소자부 (32) 의 전극판 (32c) 의 쌍방에 위상을 90 도 시프트시킨 교류 전압을 각각 인가하면, Y 축 방향의 비틀림 진동과 Z 축 방향의 세로 진동이 조합되어 회전자 (6) 와 접촉하는 고정자 (2) 의 단차 (15) 에 YZ 면내의 타원 진동이 발생하고, 마찰력을 통하여 회전자 (6) 가 거의 X 축 둘레로 회전한다. Similarly, when an alternating voltage having a phase shifted of 90 degrees is applied to both the
또한, 제 1 압전 소자부 (31) 의 전극판 (31c) 과 제 3 압전 소자부 (33) 의 전극판 (33c) 의 쌍방에 위상을 90 도 시프트시킨 교류 전압을 각각 인가하면, X 축 방향의 비틀림 진동과 Y 축 방향의 비틀림 진동이 조합되어 회전자 (6) 와 접촉하는 고정자 (2) 의 단차 (15) 에 XY 면내의 타원 진동이 발생하고, 마찰력을 통하여 회전자 (6) 가 거의 Z 축 둘레로 회전한다.In addition, when the AC voltage which shifted the phase by 90 degrees is applied to both the
이와 같이, 회전자 (6) 를 X 축 둘레로 회전시키기 위해서는 Y 축 방향의 비틀림 진동과 Z 축 방향의 세로 진동의 조합이 필요하고, Y 축 둘레로 회전시키기 위해서는 X 축 방향의 비틀림 진동과 Z 축 방향의 세로 진동의 조합이 필요하며, Z 축 둘레로 회전시키기 위해서는 X 축 방향의 비틀림 진동과 Y 축 방향의 비틀림 진동의 조합이 필요해진다. As described above, in order to rotate the rotor 6 around the X axis, a combination of the torsional vibration in the Y axis direction and the longitudinal vibration in the Z axis direction is required, and the torsional vibration in the X axis direction and Z to rotate about the Y axis direction. A combination of longitudinal vibrations in the axial direction is required, and a combination of torsional vibrations in the X-axis direction and torsional vibrations in the Y-axis direction is required to rotate around the Z axis.
그래서, 1 개의 회전축 둘레의 회전에 필요한 2 방향의 각각의 진동자 (4) 의 공진 주파수의 중간값을 그 회전축에 대한 구동 주파수로 한다. 즉, 회전자 (6) 를 X 축 둘레로 회전시킬 때에는 Y 축 방향의 공진 주파수 (fy) 와 Z 축 방향의 공진 주파수 (fz) 의 중간값 f1=(fy+fz)/2 를 구동 주파수로 하고, 회전자 (6) 를 Y 축 둘레로 회전시킬 때에는, X 축 방향의 공진 주파수 (fx) 와 Z 축 방향의 공진 주파수 (fz) 의 중간값 f2=(fx+fz)/2 를 구동 주파수로 하고, 회전자 (6) 를 Z 축 둘레로 회전시킬 때에는, X 축 방향의 공진 주파수 (fx) 와 Y 축 방향의 공진 주파수 (fy) 의 중간값 f3=(fx+fy)/2 를 구동 주파수로 한다. Therefore, the intermediate value of the resonant frequencies of the
이와 같이 하여 얻어진 구동 주파수 (f1, f2, f3) 를 각각 구동 회로 (16) 의 X 축 주파수 설정부 (161), Y 축 주파수 설정부 (162), Z 축 주파수 설정부 (163) 에 설정한다. The drive frequencies f1, f2, f3 thus obtained are set in the X-axis
그리고, 회전자 (6) 를 X 축 둘레로 회전시킬 때에는, 구동 회로 (16) 의 X 축 구동부 (164) 로부터 제 1 압전 소자부 (31) 의 전극판 (31c) 과 제 2 압전 소자부 (32) 의 전극판 (32c) 의 쌍방에 위상을 90 도 시프트시킨 구동 주파수 (f1) 의 교류 전압을 각각 인가한다. 이로써, Y 축 방향의 비틀림 진동과 Z 축 방향의 세로 진동이 조합되어 회전자 (6) 와 접촉하는 고정자 (2) 의 단차 (15) 에 YZ 면내의 타원 진동이 발생하고, 축 어긋남을 일으키지 않고 회전자 (6) 가 X 축 둘레로 회전한다. And, when rotating the rotor 6 around the X-axis, the
또, 회전자 (6) 를 Y 축 둘레로 회전시킬 때에는, 구동 회로 (16) 의 Y 축 구동부 (165) 로부터 제 2 압전 소자부 (32) 의 전극판 (32c) 과 제 3 압전 소자부 (33) 의 전극판 (33c) 의 쌍방에 위상을 90 도 시프트시킨 구동 주파수 (f2) 의 교류 전압을 각각 인가한다. 이로써, X 축 방향의 비틀림 진동과 Z 축 방향의 세로 진동이 조합되어 회전자 (6) 와 접촉하는 고정자 (2) 의 단차 (15) 에 XZ 면내의 타원 진동이 발생하고, 축 어긋남을 일으키지 않고 회전자 (6) 가 Y 축 둘레로 회전한다. In addition, when rotating the rotor 6 around the Y-axis, the
또한, 회전자 (6) 를 Z 축 둘레로 회전시킬 때에는, 구동 회로 (16) 의 Z 축 구동부 (166) 로부터 제 1 압전 소자부 (31) 의 전극판 (31c) 과 제 3 압전 소자부 (33) 의 전극판 (33c) 의 쌍방에 위상을 90 도 시프트시킨 구동 주파수 (f3) 의 교류 전압을 각각 인가한다. 이로써, X 축 방향의 비틀림 진동과 Y 축 방향의 비틀림 진동이 조합되어 회전자 (6) 와 접촉하는 고정자 (2) 의 단차 (15) 에 XY 면내의 타원 진동이 발생하고, 축 어긋남을 일으키지 않고 회전자 (6) 가 Z 축 둘레로 회전한다. Further, when rotating the rotor 6 around the Z axis, the
이와 같이, 각 회전축 X, Y, Z 에 대해, 회전자 (6) 를 회전시키는 데 필요한 2 방향의 각각의 진동자 (4) 의 공진 주파수에 기초하여 설정된 주파수를 그 회전축에 대한 구동 주파수로 함으로써, 회전축에 어긋남을 일으키지 않고 회전자 (6) 를 정확하게 이동 제어할 수 있다. Thus, by setting the frequency set based on the resonance frequency of each
또한, 1 개의 회전축 둘레의 회전에 필요한 2 방향의 진동을 발생시키기 위한 2 개의 압전 소자부에 위상을 90 도 시프트시킨 교류 전압을 각각 인가했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 단, 2 방향의 진동의 조합에 의해 고정자 (2) 의 단차 (15) 에 회전자 (6) 의 회전 이동을 위해서 효율적인 타원 진동 또는 원 진동을 발생시키도록, 2 개의 압전 소자부에 인가되는 교류 전압의 진폭 및 위상을 제어하는 것이 바람직하다. In addition, although the AC voltage which shifted the phase by 90 degree | times was respectively applied to the two piezoelectric element parts for generating the vibration of the two directions required for rotation about one rotation axis, it is not limited to this. However, an alternating current applied to the two piezoelectric element portions so as to generate an elliptic vibration or circular vibration which is effective for the rotational movement of the rotor 6 to the
실시형태 2
도 7 에 실시형태 2 에 관련된 진동 액추에이터의 전기 계통을 나타낸다. 이 실시형태 2 는, 상기 서술한 실시형태 1 의 진동 액추에이터에 있어서, 진동체 3 의 제 1 ∼ 제 3 압전 소자부 (31 ∼ 33) 에 공진 주파수 측정 회로 (17) 를 접속하고, 이 공진 주파수 측정 회로 (17) 에 구동 회로 (16) 의 X 축 주파수 설정부 (161), Y 축 주파수 설정부 (162), Z 축 주파수 설정부 (163) 를 각각 접속한 것이다. 7 shows an electric system of the vibration actuator according to the second embodiment. This
공진 주파수 측정 회로 (17) 는, 제 1 ∼ 제 3 압전 소자부 (31 ∼ 33) 의 각 압전 소자판에 각각 일정 전압의 교류를 인가하고, 인가 전압의 주파수를 소정의 측정 범위 내에서 소인하고, 이 때의 전류값 또는 어드미턴스를 감시하여 전류값 또는 어드미턴스가 최대가 된 주파수로부터 X 축 방향, Y 축 방향, Z 축 방향에 있어서의 진동자 (4) 의 공진 주파수 (fx, fy, fz) 를 각각 측정한다. 또한, 공진 주파수 측정 회로 (17) 는, 측정된 공진 주파수 (fx, fy, fz) 를 각각 구동 회로 (16) 의 X 축 주파수 설정부 (161), Y 축 주파수 설정부 (162), Z 축 주파수 설정부 (163) 에 출력하여 설정시킨다. The resonance
일반적으로, 회전자 (6) 의 회전에 의해 어떠한 부하를 이동시키거나 구동시켰을 때에는, 그 반작용을 진동자 (4) 가 받기 때문에, 진동자 (4) 의 공진 주파수에 변화가 생긴다. In general, when any load is moved or driven by the rotation of the rotor 6, the reaction is received by the
그래서, 공진 주파수 측정 회로 (17) 에 의해 X 축 방향, Y 축 방향, Z 축 방향에 있어서의 진동자 (4) 의 공진 주파수 (fx, fy, fz) 를 각각 측정하여 구동 회로 (16) 의 X 축 주파수 설정부 (161), Y 축 주파수 설정부 (162), Z 축 주파수 설정부 (163) 에 설정되어 있는 값을 갱신하면, 진동자 (4) 의 공진 주파수가 변화 되어도, 그 변화를 거의 리얼타임으로 파악하고, 정확한 공진 주파수 (fx, fy, fz) 를 사용하여 제 1 ∼ 제 3 압전 소자부 (31 ∼ 33) 를 구동시킬 수 있다. 따라서, 보다 정확하게 회전자를 이동 제어할 수 있게 된다. Therefore, the resonant
그 밖의 실시형태 Other embodiment
상기의 실시형태 1 및 2 에서는, X, Y, Z 3 개의 회전축 각각에 대해, 회전자 (6) 를 회전시키는 데 필요한 2 방향의 공진 주파수의 중간값을 그 회전축에 대한 구동 주파수로 했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 3 방향 이상의 진동을 합성하여 하나의 회전축 둘레의 회전을 실시할 수도 있고, 이 경우에는, 회전자 (6) 의 회전에 필요한 3 방향 이상의 공진 주파수에 기초하여 구동 주파수가 설정된다. 또, 전체 방향의 공진 주파수의 최소값에서 최대값까지의 사이로서, 서로 상이한 주파수를 각 회전축의 구동 주파수로 하여 설정해도 된다. 또한, 회전자 (6) 를 어느 회전축 둘레로 회전시키는 데 필요한 방향 각각의 공진 주파수 사이의 값을 그 회전축에 대한 구동 주파수로 할 수도 있다. In the above Embodiments 1 and 2, the intermediate value of the resonant frequencies in two directions required to rotate the rotor 6 with respect to each of X, Y, and Z three rotating shafts is set as the driving frequency for the rotating shaft. It is not limited to. For example, it is possible to synthesize vibrations in three directions or more to perform rotation around one rotation axis. In this case, the driving frequency is set based on the resonance frequencies in three directions or more necessary for the rotation of the rotor 6. Moreover, you may set different frequencies as the drive frequency of each rotating shaft between the minimum value and the maximum value of the resonant frequency of all directions. Further, the value between the resonant frequencies of each of the directions necessary for rotating the rotor 6 around a certain rotation axis may be the driving frequency for that rotation axis.
또한, 상기의 실시형태 1 및 2 에 있어서는, 제 1 ∼ 제 3 압전 소자부 (31 ∼ 33) 를 사용하여 회전자 (6) 를 X, Y, Z 3 개의 회전축 둘레로 회전시키는 것을 예시했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 1 개의 회전축 둘레로만, 혹은 2 개의 회전축 둘레로만 회전하는 진동 액추에이터에 대해서도, 본 발명을 적용할 수 있다. 1 개의 회전축 둘레로만 회전하는 경우에는, 회전자는 대략 구체 형상일 필요는 없고, 예를 들어 원주 형상으로 할 수도 있다. In addition, in above-mentioned
또한, 실시형태 1 및 2 에서는, 대략 구체 형상의 회전자 (6) 의 정점 부근 으로부터 예압을 부여하였으나, 본 발명은 예압력의 부여 방법에는 전혀 한정되는 것이 아니다. In addition, in
본 발명의 진동 액추에이터는, 예를 들어 로봇 핸드에 사용할 수 있다. The vibration actuator of this invention can be used for a robot hand, for example.
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