JP2001190081A - Actuator - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the driving efficiency of an actuator using a piezoelectric element by driving the actuator with optimum conditions. SOLUTION: A detection circuit 100 is provided, where the detection circuit detects the contact state of a chip member 20 that is a driving member and a rotor 40 that is a member to be driven. At least one of the voltage of a driving signal applied to piezoelectric elements 10 and 10', a frequency, a phase difference, and the applied pressure of a spring 41 is adjusted so that the chip member 20 intermittently comes into contact with the rotor 40, and at the same time a state immediately before the intermittent contact state is transited to a continuous contact state is achieved.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子等の変位
素子を用いたアクチュエータ、特に被駆動部材と当該被
駆動部材に駆動力を伝達するための駆動力伝達部（駆動
部材）の接触状態を検出し、検出結果に基づいてアクチ
ュエータの駆動条件の最適化する技術に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an actuator using a displacement element such as a piezoelectric element, in particular, a contact state between a driven member and a driving force transmitting portion (driving member) for transmitting a driving force to the driven member. And a technology for optimizing the driving conditions of the actuator based on the detection result.

【０００２】[0002]

【従来の技術】近年、２つの圧電素子等の変位素子をそ
の変位方向が所定の角度（例えば９０度）をなすように
配置し、各変位素子の交点に設けられた駆動部材が楕円
軌道を描くように各変位素子をそれぞれ所定の位相差を
有する交流電圧信号で駆動し、駆動部材が当接する被駆
動部材を所定方向に回転又は移動させるトラス型アクチ
ュエータが提案されている。2. Description of the Related Art In recent years, two displacement elements such as piezoelectric elements are arranged so that their displacement directions form a predetermined angle (for example, 90 degrees), and a driving member provided at the intersection of each displacement element has an elliptical orbit. A truss-type actuator has been proposed in which each displacement element is driven by an AC voltage signal having a predetermined phase difference so as to draw, and a driven member to which the driving member contacts is rotated or moved in a predetermined direction.

【０００３】一般的なトラス型アクチュエータの動作原
理について説明する。図２０は、トラス型アクチュエー
タをばね（加圧部材）４１によりロータ（被駆動部材）
４０に所定の押し圧力Ｆにより押しつけた状態を示す。
図２０中、μは摩擦係数を表す。また、第１圧電素子
（変位素子）１０及び第２圧電素子（変位素子）１０’
に印加する電圧又はそれらの変位を図２１に示す。第１
圧電素子１０及び第２圧電素子１０’に対してそれぞれ
図２１に示すような位相の異なる正弦波電圧を印加する
と、それに応じて第１圧電素子１０及び第２圧電素子１
０’は正弦波的に変位する。その結果、第１圧電素子１
０及び第２圧電素子１０’にそれぞれ結合されたチップ
部材（駆動部材）２０は、楕円運動（円運動を含む）を
行う。The operation principle of a general truss type actuator will be described. FIG. 20 shows a truss-type actuator which is driven by a spring (pressing member) 41 by a rotor (driven member).
40 shows a state of being pressed by a predetermined pressing force F.
In FIG. 20, μ represents a coefficient of friction. Further, a first piezoelectric element (displacement element) 10 and a second piezoelectric element (displacement element) 10 ′
Are shown in FIG. First
When sine wave voltages having different phases as shown in FIG. 21 are applied to the piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 ′, the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 1 are correspondingly applied.
0 'is sinusoidally displaced. As a result, the first piezoelectric element 1
The tip member (drive member) 20 coupled to each of the zero and second piezoelectric elements 10 'performs an elliptical motion (including a circular motion).

【０００４】第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’
に印加する正弦波電圧の周波数が所定の値よりも大き
く、チップ部材２０の回転速度が速くなると、ばね４１
の付勢力によってはアクチュエータ自体がチップ部材２
０の変位に追従できなくなり、チップ部材２０がロータ
４０の表面から一時的に離反する（間欠的に接触する）
状態が生まれる。チップ部材２０がロータ４０の表面か
ら離反している間にチップ部材２０を所定方向に移動さ
せ、チップ部材２０がロータ４０の表面に接触している
間に所定方向と反対の方向に移動させることにより、ロ
ータ４０を回転させることができる。この状態を図２２
に示す。A first piezoelectric element 10 and a second piezoelectric element 10 '
When the frequency of the sine wave voltage applied to the tip member 20 is greater than a predetermined value and the rotation speed of the tip member 20 increases, the spring 41
Depending on the urging force of the tip member 2
0 cannot follow the displacement, and the tip member 20 is temporarily separated from the surface of the rotor 40 (intermittent contact).
A state is born. Moving the tip member 20 in a predetermined direction while the tip member 20 is separated from the surface of the rotor 40, and moving the tip member 20 in a direction opposite to the predetermined direction while the tip member 20 is in contact with the surface of the rotor 40. Thereby, the rotor 40 can be rotated. This state is shown in FIG.
Shown in

【０００５】図２２において、（ａ）及び（ｅ）は第１
圧電素子１０及び第２圧電素子１０’が共に伸び、チッ
プ部材２０がロータ４０の表面に接触した状態、（ｂ）
は第１圧電素子１０が縮み第２圧電素子１０’が伸び、
チップ部材２０がロータ４０の表面から離反した状態、
（ｃ）は第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’が共
に縮み、チップ部材２０がロータ４０の表面から離反し
た状態、（ｄ）は第１圧電素子１０が伸び第２圧電素子
１０’が縮んでいるが、アクチュエータがチップ部材２
０の動きに追いつき、チップ部材２０がロータ４０の表
面に接触した状態を示す。図２２からわかるように、チ
ップ部材２０がロータ４０の表面から離反することによ
り、ロータ４０を回転させることができる。In FIG. 22, (a) and (e) show the first
A state in which the piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 ′ are both extended and the chip member 20 is in contact with the surface of the rotor 40, (b)
Indicates that the first piezoelectric element 10 is contracted and the second piezoelectric element 10 'is extended,
A state in which the tip member 20 is separated from the surface of the rotor 40,
(C) is a state in which both the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 'are contracted and the chip member 20 is separated from the surface of the rotor 40, and (d) is a state in which the first piezoelectric element 10 is extended and the second piezoelectric element 10' Is shrunk, but the actuator is
0 shows a state in which the tip member 20 has caught up with the movement of 0 and has come into contact with the surface of the rotor 40. As can be seen from FIG. 22, the rotor 40 can be rotated by the tip member 20 separating from the surface of the rotor 40.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが、第１圧電素
子１０及び第２圧電素子１０’の変位量が小さく、チッ
プ部材（駆動部材）２０の変位量が数μｍ以下になる
と、チップ部材２０とロータ４０の材料の弾性により、
両者が常時接触する状態が起こり得ることが判明した。
その場合、本来チップ部材２０がロータ４０の表面から
離反し、チップ部材２０が所定方向に復帰しなければな
らないのに、チップ部材２０がロータ４０と接触し、両
者の間に生じる摩擦力によりロータ４０の動きに減速力
がかかったり、あるいはロータ４０がチップ部材２０に
伴って逆方向に戻り、アクチュエータとしての出力が低
下するという問題を生じる。この現象は、ばね４１の付
勢力を強くするほど顕著となる。However, when the displacement of the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 'is small and the displacement of the chip member (driving member) 20 becomes several μm or less, the chip member 20 and Due to the elasticity of the material of the rotor 40,
It has been found that a state where the two are always in contact can occur.
In this case, although the tip member 20 is originally separated from the surface of the rotor 40 and the tip member 20 must return in a predetermined direction, the tip member 20 comes into contact with the rotor 40 and the frictional force generated between the two causes the rotor member to rotate. There is a problem that a deceleration force is applied to the movement of the rotor 40, or the rotor 40 returns in the opposite direction along with the tip member 20, and the output as an actuator is reduced. This phenomenon becomes more conspicuous as the urging force of the spring 41 is increased.

【０００７】本発明は、上記従来例の問題点を解決する
ためになされたものであり、変位素子による変位量が小
さい場合であっても、最適な駆動条件で駆動することに
より、駆動効率の高いアクチュエータを提供することを
目的としている。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art. Even when the amount of displacement by the displacement element is small, the driving efficiency is improved by driving under optimal driving conditions. It aims at providing a high actuator.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のアクチュエータは、所定の変位を発生させ
る変位素子と、前記変位素子に結合され、前記変位素子
の変位を被駆動部材に伝達する駆動部材と、前記変位素
子の前記駆動部材が結合されていない側の端部を支持す
るための固定部材と、前記駆動部材を被駆動部材に圧接
させるための加圧部材と、前記駆動部材と前記被駆動部
材との接触状態を検出するための検出部を具備すること
を特徴とする。In order to achieve the above object, an actuator according to the present invention is provided with a displacement element for generating a predetermined displacement, and coupled to the displacement element to transmit a displacement of the displacement element to a driven member. A driving member, a fixing member for supporting an end of the displacement element on a side where the driving member is not coupled, a pressing member for pressing the driving member against a driven member, and the driving member And a detecting unit for detecting a contact state between the driven member and the driven member.

【０００９】上記構成において、前記検出部による検出
結果に基づいて、変位素子に印加する駆動信号の電圧、
周波数、前記変位素子が２以上の場合の駆動信号の位相
差及び前記加圧部材の加圧力のうち少なくとも１つを調
節し、最適な駆動条件で駆動することが好ましい。In the above configuration, a voltage of a drive signal applied to the displacement element based on a detection result by the detection unit,
Preferably, at least one of a frequency, a phase difference of a drive signal when the number of the displacement elements is two or more, and a pressing force of the pressing member is adjusted, and driving is performed under optimal driving conditions.

【００１０】また、前記駆動部材と前記被駆動部材とが
間欠的に接触する状態で、かつ間欠的に接触する状態か
ら常時接触する状態に遷移する条件の近傍の条件で前記
変位素子を駆動することが好ましい。Further, the displacement element is driven under a condition in which the driving member and the driven member intermittently come into contact with each other, and near a condition for transitioning from an intermittent contact state to a constant contact state. Is preferred.

【００１１】さらに、前記変位素子を共振周波数で駆動
することが好ましい。It is preferable that the displacement element is driven at a resonance frequency.

【００１２】さらに、前記検出部は、前記駆動部材と前
記被駆動部材が共に導体の場合両者間の接触抵抗を検出
し、前記駆動部材と前記被駆動部材の少なくとも一方が
不導体の場合両者間の静電容量を検出することが好まし
い。Further, the detecting section detects a contact resistance between the driving member and the driven member when both are conductors, and detects a contact resistance between at least one of the driving member and the driven member when both are non-conductors. Is preferably detected.

【００１３】[0013]

【発明の実施の形態】第１の実施形態 本発明のアクチュエータの第１の一実施形態について説
明する。まず、第１の実施形態において変位素子として
用いる積層型圧電素子の構成を図１に示す。図１に示す
ように、積層型圧電素子１０は、ＰＺＴ等の圧電特性を
示す複数のセラミック薄板１１と電極１２，１３を交互
に積層したものであり、各セラミック薄板１１と電極１
２，１３とは接着剤等により固定されている。１つおき
に配置された各電極群１２及び１３は、それぞれ信号線
１４，１５を介して駆動電源１６に接続されている。信
号線１４と１５の間に所定の電圧を印加すると、電極１
２と１３に挟まれた各セラミック薄板１１には、その積
層方向に電界が発生し、その電界は１つおきに同じ方向
である。従って、各セラミック薄板１１は、１つおきに
分極の方向が同じになる（隣り合う２つのセラミック薄
板１１の分極方向は逆となる）ように積層されている。
なお、積層型圧電素子１０の両端部には、保護層１７が
設けられている。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION be described first embodiment of the actuator of the first embodiment the present invention. First, FIG. 1 shows a configuration of a laminated piezoelectric element used as a displacement element in the first embodiment. As shown in FIG. 1, a laminated piezoelectric element 10 is obtained by alternately laminating a plurality of ceramic thin plates 11 exhibiting piezoelectric characteristics such as PZT and electrodes 12 and 13.
2 and 13 are fixed by an adhesive or the like. The alternate electrode groups 12 and 13 arranged alternately are connected to a driving power supply 16 via signal lines 14 and 15, respectively. When a predetermined voltage is applied between the signal lines 14 and 15, the electrode 1
An electric field is generated in the laminating direction on each of the ceramic thin plates 11 sandwiched between 2 and 13, and the electric field is in the same direction every other one. Therefore, the ceramic thin plates 11 are stacked so that the polarization direction of every other ceramic thin plate 11 is the same (the polarization direction of two adjacent ceramic thin plates 11 is opposite).
Note that protective layers 17 are provided at both ends of the multilayer piezoelectric element 10.

【００１４】駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電
極１２と１３の間に印加すると、全てのセラミック薄板
１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０全体として
伸縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる
領域では、各電極１２と１３の間に発生する電界と圧電
素子１０の変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことがで
きる。この様子を図２に示す。図中、横軸は電界強度
を、縦軸は歪み率を表す。When a DC drive voltage is applied between the electrodes 12 and 13 by the drive power supply 16, all the ceramic thin plates 11 expand or contract in the same direction, and expand and contract as a whole of the piezoelectric element 10. In a region where the electric field is small and the displacement history can be neglected, the electric field generated between the electrodes 12 and 13 and the displacement of the piezoelectric element 10 can be regarded as a substantially linear relationship. This is shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents the electric field intensity, and the vertical axis represents the distortion rate.

【００１５】次に、駆動電源１６により交流の駆動電圧
（交流信号）を各電極１２と１３の間に印加すると、そ
の電界に応じて各セラミック薄板１１は同方向に伸縮を
繰り返し、圧電素子１０全体として伸縮を繰り返す。圧
電素子１０には、その構造や電気的特性により決定され
る固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波
数が圧電素子１０の共振周波数と一致すると、インピー
ダンスが低下し、圧電素子１０の変位が増大する。圧電
素子１０は、その外形寸法に対して変位が小さいため、
低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用する
ことが望ましい。Next, when an AC drive voltage (AC signal) is applied between the electrodes 12 and 13 by the drive power supply 16, each ceramic thin plate 11 repeatedly expands and contracts in the same direction in accordance with the electric field. Repeat the expansion and contraction as a whole. The piezoelectric element 10 has a unique resonance frequency determined by its structure and electrical characteristics. When the frequency of the AC drive voltage matches the resonance frequency of the piezoelectric element 10, the impedance decreases and the displacement of the piezoelectric element 10 increases. Since the displacement of the piezoelectric element 10 is small with respect to its external dimensions,
In order to drive at a low voltage, it is desirable to use this resonance phenomenon.

【００１６】次に、第１の実施形態のトラス型アクチュ
エータ（以下、単にアクチュエータと称する）の構成を
図３に示す。図３に示すように、２つの変位素子（積層
型の第１圧電素子及び第２圧電素子）１０，１０’を略
直角に交差させて配置し、それらの交差側端部にチップ
部材（変位合成部）２０を接着剤により接合している。
一方、第１及び第２圧電素子１０，１０’の他端部をベ
ース部材（固定部）３０に接着剤により接合している。
チップ部材２０の材料としては、安定して高い摩擦係数
が得られ、かつ耐摩耗性に優れた超硬合金ＷＣ（タング
ステンカーバイド）等が好ましい。ベース部材３０の材
料としては、製造が容易で、かつ強度に優れたステンレ
ス鋼等が好ましい。また、接着剤としては、接着力及び
強度に優れたエポキシ系樹脂等が好ましい。なお、第１
圧電素子１０及び第２圧電素子１０’は図１に示す圧電
素子１０と実質的に同一であり、第２圧電素子１０’の
各構成要素の符号にをそれぞれ（’）をつけて区別す
る。Next, the configuration of a truss-type actuator (hereinafter, simply referred to as an actuator) of the first embodiment is shown in FIG. As shown in FIG. 3, two displacement elements (laminated first piezoelectric element and second piezoelectric element) 10, 10 'are arranged to intersect at a substantially right angle, and a tip member (displacement) is provided at an intersection side end thereof. (Synthesizing part) 20 is joined by an adhesive.
On the other hand, the other ends of the first and second piezoelectric elements 10 and 10 ′ are joined to a base member (fixed portion) 30 by an adhesive.
As a material of the tip member 20, a cemented carbide WC (tungsten carbide) or the like which can stably obtain a high friction coefficient and has excellent wear resistance is preferable. The material of the base member 30 is preferably stainless steel or the like, which is easy to manufacture and has excellent strength. Further, as the adhesive, an epoxy resin or the like having excellent adhesive strength and strength is preferable. The first
The piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 ′ are substantially the same as the piezoelectric element 10 shown in FIG. 1, and the components of the second piezoelectric element 10 ′ are distinguished by adding (′) to the reference numerals.

【００１７】第１及び第２圧電素子１０，１０’をそれ
ぞれ位相差を有する交流信号で駆動することにより、チ
ップ部材２０を楕円運動させることができる。このチッ
プ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可能なロー
タ４０の円筒面に押しつけると、チップ部材２０の楕円
運動（円運動を含む）をロータ４０の回転運動に変換す
ることが可能となる。または、チップ部材２０を、例え
ば棒状部材（図示せず）の平面部に押しつけることによ
り、チップ部材２０の楕円運動を棒状部材の直線運動に
変換することが可能となる。ロータ４０の材料として
は、アルミニウム等の軽量金属が好ましい。チップ部材
２０との摩擦による摩耗を防止するため、ロータ４０の
材料がアルミニウムの場合表面にアルマイト処理、ロー
タ４０の材料が鉄の場合タフロイド処理（窒化処理）等
の処理を施すことが好ましい。By driving the first and second piezoelectric elements 10 and 10 ′ with AC signals having a phase difference, the tip member 20 can move in an elliptical manner. When the tip member 20 is pressed against, for example, a cylindrical surface of the rotor 40 rotatable around a predetermined axis, the elliptical motion (including the circular motion) of the tip member 20 can be converted into the rotational motion of the rotor 40. Become. Alternatively, it is possible to convert the elliptical motion of the tip member 20 into a linear motion of the bar member by pressing the tip member 20 against, for example, a flat surface of a rod-shaped member (not shown). As a material of the rotor 40, a lightweight metal such as aluminum is preferable. In order to prevent abrasion due to friction with the chip member 20, it is preferable to perform an alumite treatment on the surface when the material of the rotor 40 is aluminum, and a tafloid treatment (nitriding treatment) when the material of the rotor 40 is iron.

【００１８】次に、第１の実施形態におけるロータとチ
ップ部材の接触状態を検出する検出回路のブロック構成
を図４に示す。上記のように、チップ部材２０及びロー
タ４０が共に金属製の導体である場合、検出回路１００
はチップ部材２０とロータ４０との間の接触抵抗を測定
し、測定結果から両者の接触状態を判断する。Next, FIG. 4 shows a block configuration of a detection circuit for detecting a contact state between the rotor and the chip member in the first embodiment. As described above, when both the chip member 20 and the rotor 40 are metal conductors, the detection circuit 100
Measures the contact resistance between the tip member 20 and the rotor 40, and determines the contact state between the two from the measurement results.

【００１９】図４に示すように、チップ部材２０とロー
タ４０との間には、抵抗Ｒと直流電源Ｖが直列接続され
ている。さらに、抵抗Ｒの両端には電流検出部１０１が
接続されており、抵抗Ｒに流れる電流値の変化を検出す
る。前述のように、アクチュエータの駆動によりチップ
部材２０とロータ４０とが間欠的に接触するので、電流
検出部１０１からは、図中左下に示すようなパルス信号
が出力される。このパルス信号のハイレベル部分ではチ
ップ部材２０とロータ４０とが接触しており、ローレベ
ル部分では両者は接触していない。すなわち、パルス信
号のディユーティー比はチップ部材２０とロータ４０の
接触状態を反映している。電流検出部１０１からの出力
信号がパルス信号から常時ハイレベルを示し直流信号に
切り替わる点が、チップ部材２０とロータ４０が間欠的
に接触する状態から常時接触する状態に遷移する点であ
る。As shown in FIG. 4, a resistor R and a DC power supply V are connected in series between the tip member 20 and the rotor 40. Furthermore, a current detection unit 101 is connected to both ends of the resistor R, and detects a change in the value of the current flowing through the resistor R. As described above, since the tip member 20 and the rotor 40 intermittently come into contact with each other by driving the actuator, the current detection unit 101 outputs a pulse signal as shown in the lower left of FIG. The chip member 20 and the rotor 40 are in contact with each other at the high level portion of the pulse signal, and are not in contact with each other at the low level portion. That is, the duty ratio of the pulse signal reflects the contact state between the tip member 20 and the rotor 40. The point at which the output signal from the current detection unit 101 constantly changes from the pulse signal to the high level and switches to the DC signal is the transition from the intermittent contact state between the tip member 20 and the rotor 40 to the constant contact state.

【００２０】電流検出部１０１からの出力信号は、図中
右下に示すようにローパスフィルタ（ＬＰＦ）１０２に
より平滑化されたのち、接触状態判定部１０３に入力さ
れる。接触状態判定部１０３はＬＰＦ１０２からの出力
信号に基づいて、チップ部材２０とロータ４０の接触状
態を判定する。制御部１０４は、接触状態判定部１０３
による判定結果に基づいて、第１及び第２圧電素子１
０，１０’に印加する駆動信号の電圧、周波数、位相差
及びばね４１の加圧力のうち、少なくともいずれか１つ
を調節し、最適な駆動条件でアクチュエータを駆動す
る。制御部１０４には駆動回路１０５と加圧制御部１０
６が接続されており、駆動信号の電圧、周波数及び位相
差を調節する場合は駆動回路１０５を制御し、ばね４１
の加圧力を制御する場合は加圧制御部１０６を制御す
る。なお、最適な駆動条件については後に詳細に検討す
る。The output signal from the current detection unit 101 is smoothed by a low-pass filter (LPF) 102 as shown in the lower right of the figure, and then input to a contact state determination unit 103. The contact state determination unit 103 determines a contact state between the tip member 20 and the rotor 40 based on an output signal from the LPF 102. The control unit 104 includes the contact state determination unit 103
The first and second piezoelectric elements 1
The actuator is driven under optimal driving conditions by adjusting at least one of the voltage, frequency, phase difference, and pressure of the spring 41 of the driving signal applied to 0 and 10 '. The control unit 104 includes a drive circuit 105 and a pressurization control unit 10.
6 is connected, and when adjusting the voltage, frequency and phase difference of the drive signal, the drive circuit 105 is controlled and the spring 41 is controlled.
When the pressing force is controlled, the pressurizing control unit 106 is controlled. The optimum driving conditions will be discussed in detail later.

【００２１】次に、駆動回路１０５のブロック構成を図
５に示す。発振器５０は、後述するように同位相モード
と逆位相モードにおいて一致した共振周波数で正弦波信
号を発生（発振）する。位相制御部５１は、被駆動部材
であるロータ４０の回転速度、駆動トルク、回転方向等
に応じて遅延回路５２を制御し、位相のずれた正弦波信
号を発生する。振幅制御部５３は第１増幅器５４及び第
２増幅器５５を制御して、互いに位相のずれた２つの正
弦波信号の振幅を増幅する。第１増幅器５４及び第２増
幅器５５により増幅された正弦波信号は、それぞれ第１
圧電素子１０及び第２圧電素子１０’に印加される。Next, the block configuration of the drive circuit 105 is shown in FIG. The oscillator 50 generates (oscillates) a sine wave signal at a resonance frequency that matches in the in-phase mode and the anti-phase mode as described later. The phase control unit 51 controls the delay circuit 52 according to the rotation speed, drive torque, rotation direction, and the like of the rotor 40, which is a driven member, and generates a sine wave signal with a phase shift. The amplitude controller 53 controls the first amplifier 54 and the second amplifier 55 to amplify the amplitudes of the two sinusoidal signals that are out of phase with each other. The sine wave signals amplified by the first amplifier 54 and the second amplifier 55
The voltage is applied to the piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 '.

【００２２】次に、第１圧電素子１０及び第２圧電素子
１０’を駆動するための駆動信号について説明する。互
いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交
点は楕円振動の式（Lissajousの式）に従った軌跡を描
く。第１の実施形態のアクチュエータにおいても、第１
圧電素子１０及び第２圧電素子１０’を駆動するための
駆動信号の振幅（電圧）や位相差を変化させることによ
り、種々の軌跡を得ることができる。各駆動信号の振幅
を等しくした場合において、各駆動信号間の位相差を０
°、４５°、９０°、１３５°及び１８０°とした場合
の軌跡をそれぞれ図６の（ａ）〜（ｅ）に示す。Next, drive signals for driving the first piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 'will be described. When two independent motions that are orthogonal to each other are synthesized, the intersection points draw a trajectory according to the equation of elliptical vibration (Lissajous equation). In the actuator of the first embodiment, the first
Various trajectories can be obtained by changing the amplitude (voltage) and the phase difference of the drive signal for driving the piezoelectric element 10 and the second piezoelectric element 10 '. When the amplitude of each drive signal is equal, the phase difference between each drive signal is 0
6A to 6E show the trajectories when the angles are set to degrees, 45 °, 90 °, 135 °, and 180 °, respectively.

【００２３】このように、チップ部材２０の軌跡を制御
することにより、ロータ４０の回転方向、回転速度、回
転力（トルク）等を制御することができる。具体的に
は、ロータ４０に対してその接線方向におけるチップ部
材２０の軌跡の径を大きくすれば回転速度が上昇する。
また、ロータ４０に対してその法線方向におけるチップ
部材２０の軌跡の径を大きくすれば回転力が上昇する。
さらに、位相を反転すれば回転方向を反転させることが
できる。As described above, by controlling the trajectory of the tip member 20, the rotation direction, the rotation speed, the rotation force (torque), and the like of the rotor 40 can be controlled. Specifically, if the diameter of the trajectory of the tip member 20 in the tangential direction with respect to the rotor 40 is increased, the rotation speed increases.
Further, if the diameter of the trajectory of the tip member 20 in the direction normal to the rotor 40 is increased, the rotational force increases.
Further, if the phase is reversed, the rotation direction can be reversed.

【００２４】最適駆動条件 次に、図３に示すアクチュエータを実際に試作し、最適
な駆動条件を求める実験を行った。まず、アクチュエー
タを無負荷状態（チップ部材２０とロータ４０とを接触
させず）で駆動した場合における圧電素子１０，１０’
に印加する駆動信号の電圧とチップ部材２０の軌跡の直
径（変位量）との関係を図７に示す。また、ばね４１に
よる加圧力とチップ部材２０とロータ４０の接触率の関
係を図８に示す。 Optimal Driving Conditions Next, the actuator shown in FIG. 3 was actually manufactured on a trial basis, and an experiment was conducted to determine the optimum driving conditions. First, the piezoelectric elements 10, 10 'when the actuator is driven in a no-load state (without contact between the tip member 20 and the rotor 40).
FIG. 7 shows the relationship between the voltage of the drive signal applied to and the diameter (displacement amount) of the trajectory of the tip member 20. FIG. 8 shows the relationship between the pressure applied by the spring 41 and the contact ratio between the tip member 20 and the rotor 40.

【００２５】図７において、（ａ）は圧電素子１０，１
０’に印加する駆動信号の振幅（電圧）が３０Ｖの場
合、（ｂ）は同４０Ｖの場合、（ｃ）は同５０Ｖの場
合、（ｄ）は同６０Ｖの場合、（ｅ）は同７０Ｖの場合
をそれぞれ示す。また、（ｆ）は電圧−変位量特性（Ｘ
方向の変位量ｄｘ）を示す。図７から明らかなように、
駆動信号の電圧が３０Ｖから７０Ｖの範囲では、圧電素
子１０，１０’の駆動信号の電圧とチップ部材２０の変
位量とがほぼ比例していることがわかる。In FIG. 7, (a) shows the piezoelectric elements 10, 1
When the amplitude (voltage) of the drive signal applied to 0 ′ is 30 V, (b) is 40 V, (c) is 50 V, (d) is 60 V, and (e) is 70 V Are shown below. (F) shows the voltage-displacement characteristic (X
Direction displacement dx). As is clear from FIG.
It can be seen that when the voltage of the drive signal is in the range of 30 V to 70 V, the voltage of the drive signal of the piezoelectric elements 10 and 10 ′ is approximately proportional to the displacement of the tip member 20.

【００２６】図８において、電圧（駆動信号の振幅）が
７０Ｖの場合、ばね４１による加圧力に対するチップ部
材２０とロータ４０の接触率がほぼ比例している。これ
は、電圧が７０Ｖの場合、圧電素子１０，１０’の変位
量が大きく、ばね４１の加圧力の反力によるチップ部材
２０及びロータ４０の弾性変形速度（復元速度）よりも
チップ部材２０の速度が速いため、チップ部材２０がロ
ータ４０から完全に離れると考えられる。なお、ばね４
１による加圧力が大きければ大きいほど、チップ部材２
０及びロータ４０の復元速度が速くなり、チップ部材２
０がロータ４０から離れている時間が短くなる。In FIG. 8, when the voltage (amplitude of the drive signal) is 70 V, the contact ratio between the tip member 20 and the rotor 40 with respect to the pressing force of the spring 41 is substantially proportional. This is because when the voltage is 70 V, the displacement of the piezoelectric elements 10 and 10 ′ is large, and the tip member 20 and the rotor 40 are elastically deformed (restored) by the reaction force of the pressing force of the spring 41. It is considered that the tip member 20 is completely separated from the rotor 40 because of the high speed. The spring 4
The larger the pressure applied by the first member 1, the more the tip member 2
0 and the restoration speed of the rotor 40 are increased, and the tip member 2
The time during which 0 is away from the rotor 40 is reduced.

【００２７】これに対し、電圧が５０Ｖの場合及び３０
Ｖの場合、それぞれ圧電素子１０，１０’の変位量が小
さく、ばね４１の加圧力によっては、その反力によるチ
ップ部材２０及びロータ４０の復元速度の方がチップ部
材２０の速度よりも速くなり、チップ部材２０がロータ
４０と常時接触する状態が生じると考えられる。また、
両者を比較すると、電圧３０Ｖの場合の方が圧電素子１
０，１０’の変位量がより小さく、チップ部材２０の速
度も遅いため、チップ部材２０がロータ４０と常時接触
する範囲が広い。例えば電圧５０Ｖの場合、加圧力２．
５Ｎ近傍に、チップ部材２０とロータ４０とが間欠的に
接触する状態と常時接触する状態の遷移点が存在する。On the other hand, when the voltage is 50 V and 30 V
In the case of V, the displacement amounts of the piezoelectric elements 10 and 10 ′ are small, and depending on the pressing force of the spring 41, the restoring speed of the tip member 20 and the rotor 40 due to the reaction force is faster than the speed of the tip member 20. It is considered that a state in which the tip member 20 is always in contact with the rotor 40 occurs. Also,
Comparing the two, the piezoelectric element 1 at a voltage of 30 V
Since the displacement of 0 and 10 'is smaller and the speed of the tip member 20 is slow, the range where the tip member 20 always contacts the rotor 40 is wide. For example, when the voltage is 50 V, the pressing force
In the vicinity of 5N, there is a transition point between a state where the tip member 20 and the rotor 40 are in intermittent contact and a state where the chip member 20 is always in contact.

【００２８】次に、圧電素子１０，１０’の駆動信号の
電圧を５０Ｖ、周波数を２５ｋＨｚに固定し、ばね４１
による加圧力を０．５Ｎ〜５Ｎの間で変化させながら、
ロータ４０の負荷−（回転）速度特性を測定した。その
結果を図９に示す。また、同条件でのアクチュエータの
出力特性（負荷−駆動効率特性）を図１０に示す。Next, the voltage of the drive signal for the piezoelectric elements 10 and 10 'is fixed at 50 V and the frequency is fixed at 25 kHz.
While changing the pressing force between 0.5N and 5N,
The load- (rotation) speed characteristics of the rotor 40 were measured. FIG. 9 shows the result. FIG. 10 shows the output characteristics (load-drive efficiency characteristics) of the actuator under the same conditions.

【００２９】まず、図９の縦軸（負荷０の場合）に着目
する。ばね４１による加圧力が０．５Ｎ〜５Ｎに増加す
るに従って、無負荷状態における速度Ｖは低下する。し
かしながら、チップ部材２０とロータ４０とが間欠的に
接触する状態、すなわち、ばね４１による加圧力が０．
５Ｎ、１Ｎ、１．５Ｎ及び２Ｎの特性曲線の場合、ばね
４１による加圧力の増加に伴いチップ部材２０とロータ
４０との間に作用する摩擦力が増加し、アクチュエータ
の起動力（加速力）が増加する。また、図８からわかる
ように、ばね４１による加圧力の増加に伴い、チップ部
材２０がロータ４０に接触する時間が長くなる。なお、
チップ部材２０とロータ４０との接触中に減速力が働く
が、この影響よりも起動力の増加による影響の方が大き
い。その結果、アクチュエータの出力が増大する。First, attention is paid to the vertical axis of FIG. 9 (when the load is 0). As the pressure applied by the spring 41 increases from 0.5N to 5N, the speed V in the no-load state decreases. However, the state in which the tip member 20 and the rotor 40 are in intermittent contact with each other, that is, the pressing force of the spring 41 is not more than 0.
In the case of the characteristic curves of 5N, 1N, 1.5N and 2N, the friction force acting between the tip member 20 and the rotor 40 increases with the increase of the pressing force by the spring 41, and the starting force (acceleration force) of the actuator Increase. Further, as can be seen from FIG. 8, the time in which the tip member 20 contacts the rotor 40 becomes longer with an increase in the pressing force by the spring 41. In addition,
While the deceleration force acts during the contact between the tip member 20 and the rotor 40, the effect of the increase in the starting force is greater than this effect. As a result, the output of the actuator increases.

【００３０】一方、チップ部材２０とロータ４０とが常
時接触する状態、すなわち、ばね４１による加圧力が３
Ｎ、４Ｎ及び５Ｎの特性曲線の場合、ばね４１による加
圧力の増加に伴いチップ部材２０とロータ４０との間に
作用する摩擦力が増加し、アクチュエータの加速力が増
加するが、同時に減速力も増加する。駆動信号の電圧を
例えば５０Ｖに固定しているため、圧電素子１０，１
０’の変位の振幅は一定であり、加速力と減速力の差
（トルクに相当）はほぼ一定である。しかしながら、ば
ね４１による加圧力を増加させると速度が低下するた
め、結果的にアクチュエータの出力は低下する。On the other hand, the state where the tip member 20 and the rotor 40 are always in contact, that is, the pressing force of the spring 41 is 3
In the case of the characteristic curves of N, 4N, and 5N, the frictional force acting between the tip member 20 and the rotor 40 increases with the increase of the pressing force by the spring 41, and the acceleration force of the actuator increases. To increase. Since the voltage of the drive signal is fixed to, for example, 50 V, the piezoelectric elements 10 and 1
The amplitude of the displacement of 0 'is constant, and the difference between the acceleration force and the deceleration force (corresponding to torque) is substantially constant. However, when the pressure applied by the spring 41 is increased, the speed is reduced, and as a result, the output of the actuator is reduced.

【００３１】以上の条件を考慮に入れて図９及び図１０
における加圧力２Ｎ及び３Ｎの特性曲線に着目すると、
上記チップ部材２０とロータ４０とが間欠的に接触する
状態と常時接触する状態の遷移点が存在する加圧力２．
５Ｎ近傍において、アクチュエータの最大駆動効率を示
していることがわかる。このアクチュエータの場合、電
気的な入力は一定であるので、駆動効率ηが最大となる
条件が、同時にアクチュエータの出力が最大となる条件
である。従って、第１の実施形態のアクチュエータの最
適な駆動条件は、チップ部材２０とロータ４０とが間欠
的に接触する状態で、かつ間欠的に接触する状態から常
時接触する状態に遷移する条件の近傍の条件で第１及び
第２の圧電素子１０及び１０’を駆動することである。Taking the above conditions into consideration, FIGS.
Focusing on the characteristic curves of the applied pressures 2N and 3N in
1. A pressing force at which there is a transition point between a state where the tip member 20 and the rotor 40 are in intermittent contact and a state where the tip member 20 is always in contact
It can be seen that the actuator has the maximum driving efficiency near 5N. In the case of this actuator, since the electrical input is constant, the condition under which the drive efficiency η is maximum is the condition under which the output of the actuator is simultaneously maximum. Therefore, the optimal driving condition of the actuator according to the first embodiment is in a state where the tip member 20 and the rotor 40 are intermittently in contact with each other, and in the vicinity of a condition in which the state transitions from the intermittently contacted state to the constantly contacted state. Is to drive the first and second piezoelectric elements 10 and 10 'under the following condition.

【００３２】次に、チップ部材２０とロータ４０との接
触部分において弾性変形が生じる弾性接触モデルを用い
て上記実験結果を解析した。弾性接触モデルを図１１に
示す。図１１では、圧電素子１０，１０’とチップ部材
２０及びロータ４０をそれぞれ集中質量を有するばねと
みなしている。なお、圧電素子１０，１０’の質量とチ
ップ部材２０の質量を加算している。ロータ４０及びベ
ース部材３０はそれぞれ一端が固定されており、また圧
電素子１０，１０’は一端がベース部材３０に固定され
ているものとする。ばね４１のばね定数をｋ１、ベース
部材３０の質量をｍ１、圧電素子１０，１０’とチップ
部材２０の合成のばね定数及び質量をｋ２及びｍ２、ロ
ータ４０のばね定数及び質量をそれぞれｋ３及びｍ３と
する。Next, the results of the above experiment were analyzed using an elastic contact model in which elastic deformation occurs at a contact portion between the tip member 20 and the rotor 40. FIG. 11 shows the elastic contact model. In FIG. 11, the piezoelectric elements 10, 10 ', the chip member 20, and the rotor 40 are each regarded as a spring having a concentrated mass. Note that the mass of the piezoelectric elements 10 and 10 'and the mass of the chip member 20 are added. One end of each of the rotor 40 and the base member 30 is fixed, and one end of each of the piezoelectric elements 10 and 10 ′ is fixed to the base member 30. The spring constant of the spring 41 is k1, the mass of the base member 30 is m1, the combined spring constant and mass of the piezoelectric elements 10, 10 'and the tip member 20 are k2 and m2, and the spring constant and mass of the rotor 40 are k3 and m3, respectively. And

【００３３】圧電素子１０，１０’の変位とそれらによ
り発生される駆動力の関係を図１２に示す。図中、縦軸
を圧電素子１０，１０’の変位量Ｘ、横軸を圧電素子に
よる発生力Ｆとする。圧電素子１０，１０’に電圧Ｖ０
を印加すると、圧電素子１０，１０’がＸ０だけ変位す
るので、圧電素子１０，１０’の端部にはＦ０＝ｋ２・
Ｘ０の力が発生する。逆に、圧電素子１０，１０’に電
圧を印加していない状態で、その一端に重さＷ＝Ｆ０の
重りを載せると、圧電素子１０，１０’は−Ｘ０だけ変
位する（Ｘ０だけ縮む）。この圧電素子１０，１０’に
さらにばね定数Ｋのばねが自由長の状態で取り付けられ
ていると仮定する。圧電素子１０，１０’に電圧Ｖ０を
印加した場合の変位量をＸ、ばねからの反力をＦとする
と、Ｆ０＝（Ｋ＋ｋ２）・Ｘ、Ｆ＝Ｋ・Ｘの関係とな
る。これらの式からＫを消去すると、Ｘ＝（Ｆ０−Ｆ）
／ｋ２となる。FIG. 12 shows the relationship between the displacement of the piezoelectric elements 10 and 10 'and the driving force generated by them. In the drawing, the vertical axis represents the displacement X of the piezoelectric elements 10 and 10 ', and the horizontal axis represents the force F generated by the piezoelectric elements. The voltage V0 is applied to the piezoelectric elements 10 and 10 '.
Is applied, the piezoelectric elements 10 and 10 'are displaced by X0, so that F0 = k2.multidot.
X0 force is generated. Conversely, if a weight having the weight W = F0 is placed on one end of the piezoelectric elements 10, 10 'while no voltage is applied, the piezoelectric elements 10, 10' are displaced by -X0 (shrink by X0). . It is assumed that a spring having a spring constant K is further attached to the piezoelectric elements 10 and 10 'in a free length state. Assuming that the displacement amount when the voltage V0 is applied to the piezoelectric elements 10 and 10 'is X and the reaction force from the spring is F, the relations are F0 = (K + k2) .X, and F = K.X. When K is eliminated from these equations, X = (F0−F)
/ K2.

【００３４】さらに、圧電素子１０，１０’を伸縮させ
た場合の挙動について解析する。図１３中、（ａ）は圧
電素子１０，１０’を組み込む前の状態を示し、（ｂ）
は圧電素子１０，１０’を組み込んだ初期状態を示す。
圧電素子１０，１０’には電圧は印加されておらず、系
には押し圧力Ｎが作用している。各要素はばね定数に応
じて縮んでおり、圧電素子１０，１０’は一端に重りが
載せられた状態と同じである。Further, the behavior when the piezoelectric elements 10 and 10 'are expanded and contracted will be analyzed. 13A shows a state before the piezoelectric elements 10 and 10 ′ are assembled, and FIG.
Indicates an initial state in which the piezoelectric elements 10 and 10 'are incorporated.
No voltage is applied to the piezoelectric elements 10 and 10 ', and a pressing pressure N is acting on the system. Each element is contracted according to the spring constant, and the piezoelectric elements 10 and 10 'are the same as those in which a weight is placed on one end.

【００３５】（ｃ）は、圧電素子１０，１０’に印加す
る電圧を徐々に増加させ、圧電素子１０，１０’を変位
させた状態を示す。圧電素子１０，１０’の伸びに伴
い、ばね４１及びロータ４０（のばね成分）が縮み、圧
力が増加する。圧電素子１０，１０’は、その一端にば
ね定数Ｋ＝ｋ１・ｋ３／（ｋ１＋ｋ３）のばねが取り付
けられた状態と同じである。(C) shows a state in which the voltage applied to the piezoelectric elements 10, 10 'is gradually increased, and the piezoelectric elements 10, 10' are displaced. As the piezoelectric elements 10 and 10 'expand, the spring 41 and (the spring component of) the rotor 40 contract, and the pressure increases. The piezoelectric elements 10 and 10 ′ are the same as those in which a spring having a spring constant K = k1 · k3 / (k1 + k3) is attached to one end.

【００３６】（ｄ）は、圧電素子１０，１０’に印加す
る電圧を急速に減少又は反転させ、圧電素子を急激に縮
めた状態を示す。この場合、圧電素子１０，１０’の急
激な変位にロータ４０は追従しうるがベース部材３０及
びばね４１は追従できず、ベース部材３０はほとんど変
位しない。従って、（ｄ）ではベース部材３０を静止し
た壁として描いている。(D) shows a state in which the voltage applied to the piezoelectric elements 10 and 10 'is rapidly reduced or inverted, and the piezoelectric elements are rapidly contracted. In this case, the rotor 40 can follow the rapid displacement of the piezoelectric elements 10 and 10 ', but the base member 30 and the spring 41 cannot follow, and the base member 30 hardly displaces. Therefore, in (d), the base member 30 is depicted as a stationary wall.

【００３７】圧電素子１０，１０’が縮むと、それに伴
ってロータ４０のばね成分が伸び、ロータ４０と圧電素
子１０，１０’の間に作用する圧力が低下する。この場
合、圧電素子１０，１０’に対向するばねはロータ４０
のばね成分（ばね定数ｋ３）のみであり、（ｃ）に示す
圧電素子１０，１０’が伸びる場合よりもばね定数が大
きい（ｋ３＞Ｋ）。従って、（ｄ）に示す圧電素子１
０，１０’が縮む場合、圧電素子１０，１０’による変
位−発生力特性の傾きが（ｃ）に示す圧電素子１０，１
０’が伸びる場合の変位−発生力特性の傾きに比べて小
さくなる。その結果、２つの圧電素子１０，１０’の交
点に設けられたチップ部材２０の軌跡は円からずれた楕
円となる。When the piezoelectric elements 10 and 10 'shrink, the spring component of the rotor 40 expands, and the pressure acting between the rotor 40 and the piezoelectric elements 10 and 10' decreases. In this case, the spring facing the piezoelectric elements 10 and 10 '
Is only the spring component (spring constant k3), and the spring constant is larger than the case where the piezoelectric elements 10 and 10 ′ shown in (c) are elongated (k3> K). Therefore, the piezoelectric element 1 shown in FIG.
When 0, 10 'contracts, the inclination of the displacement-generating force characteristic by the piezoelectric elements 10, 10' is shown in FIG.
It becomes smaller than the slope of the displacement-generating force characteristic when 0 'is extended. As a result, the trajectory of the chip member 20 provided at the intersection of the two piezoelectric elements 10 and 10 'becomes an ellipse shifted from a circle.

【００３８】次に、図１３と図１４を用いて各定数の関
係を求める。図１３における（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）
における圧力をＮ，Ｎ’，Ｎ”、各要素の変位をΔＸ
ｎ，ΔＸｎ’，ΔＸｎ”（ｎ＝１〜３）とする。各状態
において、系の全長は不変であるので、 ΔX1＋ΔX2＋ΔX3＝ΔX1'−ΔX2'＋ΔX3'＝ΔX1"＋ΔX2"＋ΔX3" ・・・(1) となる。次に、フックの法則より、 N＝ΔX1×k1＝ΔX2×k2＝ΔX3×k3 N'＝ΔX1'×k1＝(X0−ΔX2')×k2＝ΔX3'×k3 N"＝ΔX2"×k2＝ΔX3"×k3 となる。上記式(1)の左側の等式にＮ，Ｎ’，Ｎ”を代
入すると、 N(1/k1＋1/k2＋1/k3)＝N'(1/k1＋1/k2＋1/k3)−X0 N−N'＝X0/(1/k1＋1/k2＋1/k3) ・・・(2) となる。同様に、上記式(1)の右側の等式にＮ，Ｎ’，
Ｎ”を代入すると、 N'(1/k1＋1/k2＋1/k3)−X0＝N'/k1＋N"(1/k2＋1/k3) N'−N"＝X0/(1/k2＋1/k3) ・・・(3) となる。式(2)及び(3)からＮ’を消去すると、 N−N'＝X0(1/(1/k2＋1/k3)−1/(1/k1＋1/k2＋1/k3)) となる。チップ部材２０とロータ４０とが間欠的に接触
する状態から常時接触する状態へ遷移する時のばね４１
による臨界加圧力をＮｔとすると、Ｎ”＝０となるの
で、 Nt＝X0(1/(1/k2＋1/k3)−1/(1/k1＋1/k2＋1/k3)) ・・・(4) となる。Next, the relationship between the constants will be determined with reference to FIGS. (B), (c) and (d) in FIG.
Is N, N ', N "and the displacement of each element is ΔX
n, ΔXn ′, ΔXn ”(n = 1 to 3.) In each state, since the total length of the system is invariable, ΔX1 + ΔX2 + ΔX3 = ΔX1′−ΔX2 ′ + ΔX3 ′ = ΔX1 ″ + ΔX2 ″ + ΔX3 ″ (.) 1) Next, according to Hooke's law, N = ΔX1 × k1 = ΔX2 × k2 = ΔX3 × k3 N ′ = ΔX1 ′ × k1 = (X0−ΔX2 ′) × k2 = ΔX3 ′ × k3 N ″ = ΔX2 ″ × k2 = ΔX3 ″ × k3. By substituting N, N ′, N ″ into the equation on the left side of the above equation (1), N (1 / k1 + 1 / k2 + 1 / k3) = N ′ (1 / k1 + 1 / k2 + 1 / k3 ) −X0 N−N ′ = X0 / (1 / k1 + 1 / k2 + 1 / k3) (2) Similarly, N, N ',
When N ″ is substituted, N ′ (1 / k1 + 1 / k2 + 1 / k3) −X0 = N ′ / k1 + N ″ (1 / k2 + 1 / k3) N′−N ″ = X0 / (1 / k2 + 1 / k3) When N ′ is eliminated from equations (2) and (3), N−N ′ = X0 (1 / (1 / k2 + 1 / k3) −1 / (1 / k1 + 1 / k2 + 1 / k3)) The spring 41 when the tip member 20 and the rotor 40 transition from a state of intermittent contact to a state of constant contact.
Assuming that the critical pressing force by Nt is Nt, N ″ = 0, so that Nt = X0 (1 / (1 / k2 + 1 / k3) −1 / (1 / k1 + 1 / k2 + 1 / k3)) (4) Become.

【００３９】一方、チップ部材２０とロータ４０とが常
時接触している状態で、ロータ４０に加わる圧力の振幅
Ｎｗは常に一定となり、上記式(3)から、 Nw＝N'−N"＝X0/(1/k2＋1/k3) ・・・(5) となる。また、このときの圧電素子１０，１０’の変位
Ｘｔも一定となり、その値は、 Xt＝ΔX2'＋ΔX2"＝X0−N'/k2＋N"/k2＝X0・k2/(k2＋k3) ・・・(6) となる。On the other hand, when the tip member 20 is always in contact with the rotor 40, the amplitude Nw of the pressure applied to the rotor 40 is always constant, and from the above equation (3), Nw = N'-N "= X0 / (1 / k2 + 1 / k3) (5) The displacement Xt of the piezoelectric elements 10, 10 'at this time is also constant, and the value is Xt = ΔX2 ′ + ΔX2 ″ = X0−N ′. /k2+N"/k2=X0.k2/(k2+k3) (6)

【００４０】第１の実施形態のようなトラス型アクチュ
エータの出力を増大させるには、チップ部材２０からロ
ータ４０に伝達されるロータ４０の接線方向の力、すな
わち加速力と減速力の差を大きくすればよい。この接線
方向の力は、チップ部材２０とロータ４０との間に作用
する摩擦係数μと上記加圧力の振幅Ｎｗの積で表され
る。摩擦係数μを増加させる方法は従来より種々提案さ
れているので、その説明を省略する。一方、加圧力の振
幅Ｎｗを増大させるには、上記式(5)からわかるよう
に、チップ部材２０又は圧電素子１０，１０’の変位量
Ｘ０を増加するか、あるいは圧電素子１０，１０’のば
ね定数ｋ２及び／又はロータ４０のばね成分のばね定数
ｋ３を大きくすればよい。In order to increase the output of the truss type actuator as in the first embodiment, the force in the tangential direction of the rotor 40 transmitted from the tip member 20 to the rotor 40, that is, the difference between the acceleration force and the deceleration force is increased. do it. This tangential force is represented by the product of the coefficient of friction μ acting between the tip member 20 and the rotor 40 and the amplitude Nw of the pressing force. Since various methods for increasing the friction coefficient μ have been conventionally proposed, the description thereof will be omitted. On the other hand, in order to increase the amplitude Nw of the pressing force, as can be seen from the above equation (5), the displacement X0 of the chip member 20 or the piezoelectric elements 10, 10 'is increased, or the displacement of the piezoelectric elements 10, 10' is increased. The spring constant k2 and / or the spring constant k3 of the spring component of the rotor 40 may be increased.

【００４１】変位量Ｘ０を増加させる方法として、単純
に圧電素子１０，１０’に印加する駆動信号の振幅（電
圧）を増加させる方法と、共振現象を利用して圧電素子
１０，１０’をそれぞれ共振周波数で駆動する方法があ
る。前者の場合は、圧電素子の駆動に必要なエネルギー
も増加するため、駆動効率は変わらない。後者の場合
は、少ないエネルギーで大きな変位量が得られるため、
駆動効率の改善には有効である。As a method of increasing the displacement X0, a method of simply increasing the amplitude (voltage) of the drive signal applied to the piezoelectric elements 10 and 10 ', and a method of using the piezoelectric elements 10 and 10' by utilizing the resonance phenomenon, respectively. There is a method of driving at a resonance frequency. In the former case, the energy required for driving the piezoelectric element also increases, so that the driving efficiency does not change. In the latter case, a large displacement can be obtained with less energy,
This is effective for improving driving efficiency.

【００４２】圧電素子１０，１０’とチップ部材２０の
合成のばね定数ｋ２及びロータ４０のばね定数ｋ３は、
それぞれ部材の形状や特性によって決定される。圧電素
子１０，１０’及びロータ４０の断面積をＳ、その材料
の弾性率をＥ、長さをＬとすると、ばね定数ｋは、ｋ＝
Ｓ・Ｅ／Ｌで表される。従って、圧電素子１０，１
０’、チップ部材２０及びロータ４０の断面積Ｓ及び材
料の弾性率Ｅを大きくし、長さＬを短くすることにより
ばね定数ｋ２及びｋ３を大きくすることができ、結果的
にアクチュエータの出力を増大させることができる。The combined spring constant k2 of the piezoelectric elements 10, 10 'and the tip member 20 and the spring constant k3 of the rotor 40 are:
Each is determined by the shape and characteristics of the member. Assuming that the sectional areas of the piezoelectric elements 10 and 10 'and the rotor 40 are S, the elastic modulus of the material is E, and the length is L, the spring constant k is k =
It is expressed by S · E / L. Therefore, the piezoelectric elements 10, 1
0 ′, the cross-sectional area S of the tip member 20 and the rotor 40 and the elastic modulus E of the material are increased, and the length L is shortened, so that the spring constants k2 and k3 can be increased. As a result, the output of the actuator can be reduced. Can be increased.

【００４３】また、ロータ４０のばね定数ｋ３について
は、チップ部材２０との接触面の表面粗さや硬度によっ
ても変化するため、チップ部材２０及びロータ４０の表
面を研磨等によりなめらかにし、窒化処理や酸化処理に
より表面の硬度を高くすればよい。Since the spring constant k3 of the rotor 40 also changes depending on the surface roughness and hardness of the contact surface with the chip member 20, the surfaces of the chip member 20 and the rotor 40 are smoothed by polishing or the like, and nitriding treatment or the like is performed. The surface hardness may be increased by the oxidation treatment.

【００４４】アクチュエータの駆動条件の調節方法 上記のように、第１の実施形態のアクチュエータの最適
な駆動条件は、チップ部材２０とロータ４０とが間欠的
に接触する状態で、かつ間欠的に接触する状態から常時
接触する状態に遷移する条件の近傍の条件で第１及び第
２の圧電素子１０及び１０’を駆動することであること
がわかった。次に、図４に示す制御部１０４によるアク
チュエータの駆動条件の調節方法の具体例について説明
する。 Method of Adjusting Actuator Driving Condition As described above, the optimum driving condition of the actuator of the first embodiment is that the tip member 20 and the rotor 40 are in intermittent contact with each other. It has been found that the first and second piezoelectric elements 10 and 10 'are driven under conditions near the condition for transition from the state of contact to the state of constant contact. Next, a specific example of a method of adjusting the driving conditions of the actuator by the control unit 104 illustrated in FIG. 4 will be described.

【００４５】ばね４１の加圧力及び駆動信号の周波数を
一定にして制御する場合、接触状態判定部１０３による
判定結果が「チップ部材２０とロータ４０が間欠的に接
触する状態」であれば、制御部１０４は駆動回路１０５
を制御して駆動信号の電圧を徐々に増加させていき、チ
ップ部材２０とロータ４０が常時接触する状態に遷移す
るときの電圧を求め、その電圧よりも若干低い電圧に設
定する。一方、接触状態判定部１０３による判定結果が
「チップ部材２０とロータ４０が常時接触する状態」で
あれば、制御部１０４は駆動回路１０５を制御して駆動
信号の電圧を徐々に減少させていき、チップ部材２０と
ロータ４０が間欠的に接触する状態に遷移するときの電
圧を求め、その電圧よりも若干低い電圧に設定する。In the case where the control is performed with the pressure of the spring 41 and the frequency of the drive signal kept constant, if the result of the determination by the contact state determination unit 103 is “the state in which the tip member 20 and the rotor 40 are in intermittent contact”, the control is performed. The unit 104 includes a driving circuit 105
, The voltage of the drive signal is gradually increased, the voltage at the time of transition to the state where the tip member 20 and the rotor 40 are always in contact with each other is obtained, and set to a voltage slightly lower than that voltage. On the other hand, if the result of the determination by the contact state determination unit 103 is “a state in which the tip member 20 and the rotor 40 are always in contact”, the control unit 104 controls the drive circuit 105 to gradually reduce the voltage of the drive signal. Then, a voltage at the time of transition to a state where the tip member 20 and the rotor 40 intermittently contact each other is determined, and set to a voltage slightly lower than the voltage.

【００４６】駆動信号の電圧及び周波数を一定にして制
御する場合、接触状態判定部１０３による判定結果が
「チップ部材２０とロータ４０が間欠的に接触する状
態」であれば、制御部１０４は加圧制御部１０６を制御
してばね４１による加圧力を徐々に増加させていき、チ
ップ部材２０とロータ４０が常時接触する状態に遷移す
るときの加圧力を求め、その加圧力よりも若干小さい加
圧力に設定する。一方、接触状態判定部１０３による判
定結果が「チップ部材２０とロータ４０が常時接触する
状態」であれば、制御部１０４は加圧制御部１０６を制
御してばね４１による加圧力を徐々に減少させていき、
チップ部材２０とロータ４０が間欠的に接触する状態に
遷移するときの加圧力を求め、その加圧力よりも若干小
さい加圧力に設定する。In the case where the control is performed with the voltage and frequency of the drive signal kept constant, if the result of determination by the contact state determination unit 103 is “a state in which the tip member 20 and the rotor 40 are in intermittent contact”, the control unit 104 performs additional processing. The pressure control unit 106 is controlled to gradually increase the pressure applied by the spring 41 to obtain a pressure applied when the tip member 20 and the rotor 40 transition to a state where they are always in contact with each other, and a pressure slightly smaller than the pressure is obtained. Set to pressure. On the other hand, if the result of the determination by the contact state determination unit 103 is “a state in which the tip member 20 and the rotor 40 are in constant contact”, the control unit 104 controls the pressurization control unit 106 to gradually reduce the pressing force by the spring 41. Let me
The pressing force at the time of transition to the state where the tip member 20 and the rotor 40 are in intermittent contact is determined, and set to a pressing force slightly smaller than the pressing force.

【００４７】なお、駆動信号の周波数のみを一定にして
制御する場合、駆動回路１０５及び加圧制御部１０６の
両方を制御して駆動信号の電圧及びばね４１による加圧
力の両方を制御することも可能である。さらに、各圧電
素子１０，１０’に印加する駆動信号の位相差を調節す
ることによりチップ部材２０の軌跡の制御を加味するよ
うに調節してもよい。When only the frequency of the drive signal is controlled to be constant, both the drive circuit 105 and the pressurizing control unit 106 may be controlled to control both the voltage of the drive signal and the pressing force by the spring 41. It is possible. Furthermore, the phase difference of the drive signal applied to each of the piezoelectric elements 10 and 10 ′ may be adjusted so as to take into account the control of the trajectory of the chip member 20.

【００４８】第２の実施形態 上記第１の実施形態では、変位素子として圧電素子を用
いているが、一般に圧電素子はセラミックス材料で作ら
れており、金属材料と比較して振動の減衰が大きく、共
振時の変位拡大率が小さい。また、セラミックスは圧縮
力には強いが引っ張り力には弱く、特に積層型圧電素子
の場合、その接着面で剥がれる可能性もある。そこで、
変位素子として単層の圧電素子と金属製の弾性体を直列
接続したものを用いることもできる。この変位素子を用
いた第２の実施形態に係るトラス型アクチュエータの構
成を図１５に示す。 Second Embodiment In the first embodiment, a piezoelectric element is used as a displacement element. However, in general, a piezoelectric element is made of a ceramic material, and has a larger vibration damping than a metal material. , The displacement expansion rate at resonance is small. Ceramics are strong against compressive force but weak against tensile force. In particular, in the case of a laminated piezoelectric element, there is a possibility that the ceramic is peeled off at the bonding surface. Therefore,
An element in which a single-layer piezoelectric element and a metal elastic body are connected in series can be used as the displacement element. FIG. 15 shows the configuration of a truss-type actuator according to the second embodiment using this displacement element.

【００４９】第１変位素子６０及び第２変位素子６０’
は、それぞれ単層の圧電素子（セラミックス薄板）６
１，６１’と及び弾性体６２，６２’で構成され、圧電
素子６１，６１’の両面には電極は設けられていない。
また、第１変位素子６０及び第２変位素子６０’は、そ
れぞれ接着剤を用いずに、ボルト６３，６３’によりチ
ップ部材２０及びベース部材３０に固定されている。弾
性体６２，６２’及びベース部材３０をそれぞれ導電性
材料で形成し、弾性体６２，６２’及びベース部材３０
の間に駆動電源１６，１６’を接続し、第１変位素子６
０及び第２変位素子６０’をそれぞれ上記共振周波数で
駆動する。The first displacement element 60 and the second displacement element 60 '
Is a single-layer piezoelectric element (ceramic thin plate) 6
1, 61 'and elastic bodies 62, 62', and no electrodes are provided on both surfaces of the piezoelectric elements 61, 61 '.
Further, the first displacement element 60 and the second displacement element 60 'are fixed to the chip member 20 and the base member 30 by bolts 63, 63', respectively, without using an adhesive. The elastic members 62, 62 'and the base member 30 are formed of a conductive material, respectively.
Drive power supplies 16 and 16 ′ are connected between the first displacement elements 6 and
The zero and second displacement elements 60 'are each driven at the above resonance frequency.

【００５０】圧電素子６１，６１’を振動源として弾性
体６２，６２’を共振させることにより変位を拡大する
ことができる。また、金属材料の減衰が小さいため変位
がより拡大し、圧電素子６１，６１’に加わる引っ張り
力が小さくなるため、圧電素子６１，６１’の破壊を防
止することも可能である。弾性体６２，６２’の材料と
しては、アルミニウム、チタン、鉄、銅及びそれらの合
金等を用いる。単層の圧電素子６１，６１’の変位素子
全体に占める長さ方向の割合は非常に小さい。そのた
め、上記ばね定数ｋ２は弾性体６２，６２’のばね定数
とみなすことができ、セラミックス等の圧電材料よりも
弾性率Ｅの大きな材料を弾性体６２，６２’の材料とし
て使用することにより、ばね定数ｋ２を大きくし、アク
チュエータの出力を大きくすることができる。The displacement can be increased by resonating the elastic bodies 62, 62 'with the piezoelectric elements 61, 61' as vibration sources. Further, the displacement is further increased due to the small attenuation of the metal material, and the tensile force applied to the piezoelectric elements 61, 61 'is reduced, so that the breakage of the piezoelectric elements 61, 61' can be prevented. As the material of the elastic bodies 62 and 62 ', aluminum, titanium, iron, copper, an alloy thereof, or the like is used. The ratio of the single-layer piezoelectric elements 61 and 61 ′ to the entire displacement element in the length direction is very small. Therefore, the above-described spring constant k2 can be regarded as the spring constant of the elastic bodies 62 and 62 '. By using a material having a larger elastic modulus E than a piezoelectric material such as ceramics as the material of the elastic bodies 62 and 62', By increasing the spring constant k2, the output of the actuator can be increased.

【００５１】弾性体６２，６２’の共振周波数は環境条
件により変化する。上記第１の実施形態のように変位素
子として積層型圧電素子を用いた場合、各圧電素子１
０，１０’に印加する駆動信号の電圧と電流の位相差か
ら共振周波数を検出することが可能である。しかしなが
ら、第２の実施形態のように変位素子として圧電素子６
１，６１’と弾性体６２，６２’を組み合わせた場合、
駆動信号の電圧と電流の位相差から共振周波数を検出す
ることは非常に困難である。The resonance frequencies of the elastic members 62 and 62 'change according to environmental conditions. When a laminated piezoelectric element is used as a displacement element as in the first embodiment, each piezoelectric element 1
The resonance frequency can be detected from the phase difference between the voltage and the current of the drive signal applied to 0 and 10 '. However, as in the second embodiment, the piezoelectric element 6 is used as a displacement element.
1,61 'and elastic bodies 62,62'
It is very difficult to detect the resonance frequency from the phase difference between the voltage and the current of the drive signal.

【００５２】しかしながら、上記図４に示す接触状態検
出回路を用いることにより、第２の実施形態の構成にお
いても変位素子の共振周波数を検出することが可能であ
る。具体的には、駆動部材と被駆動部材とが間欠的に接
触する状態において、圧電素子６１，６１’に印加する
駆動信号の電圧を固定し、その周波数を徐々に変化させ
ながら、チップ部材２０とロータ４０の接触状態をモニ
タし、両者の接触時間が最も長くなる周波数を検出すれ
ばよい。However, by using the contact state detecting circuit shown in FIG. 4, it is possible to detect the resonance frequency of the displacement element even in the configuration of the second embodiment. Specifically, in a state where the driving member and the driven member are intermittently in contact with each other, the voltage of the driving signal applied to the piezoelectric elements 61 and 61 'is fixed, and while the frequency is gradually changed, It is only necessary to monitor the contact state between the motor and the rotor 40 and detect the frequency at which the contact time between the two becomes the longest.

【００５３】さらに、チップ部材２０とロータ４０の接
触状態をモニタしながら駆動信号の電圧、位相差、ばね
４１による加圧力の少なくとも１つを調節し、最適な駆
動条件でアクチュエータを駆動すればよい。Further, while monitoring the contact state between the tip member 20 and the rotor 40, at least one of the voltage of the drive signal, the phase difference, and the pressure applied by the spring 41 is adjusted, and the actuator may be driven under optimal driving conditions. .

【００５４】第３の実施形態 上記各実施形態では、チップ部材２０及びロータ４０の
材料として導体である金属を用いたので、両者の接触状
態を検出するために両者間の接触抵抗を測定するように
構成した。しかしながら、摩擦係数や摩耗を考慮する
と、チップ部材２０及びロータ４０の材料の少なくとも
一方を樹脂材料等の不導体とすることも考えられる。そ
の場合、チップ部材２０及びロータ４０の接触状態を検
出する方法として、両者間の接触抵抗を測定する方法は
使えない。そこで、第３の実施形態では、チップ部材２
０及びロータ４０の少なくとも一方が不導体である場合
に、両者間の静電容量を測定することにより両者の接触
状態を検出する。 Third Embodiment In each of the above embodiments, a metal as a conductor is used as a material of the tip member 20 and the rotor 40. Therefore, in order to detect a contact state between the two, a contact resistance between the two is measured. Configured. However, in consideration of the coefficient of friction and wear, at least one of the materials of the tip member 20 and the rotor 40 may be made of a non-conductive material such as a resin material. In that case, a method of measuring the contact resistance between the tip member 20 and the rotor 40 cannot be used as a method for detecting the contact state between the two. Therefore, in the third embodiment, the tip member 2
When at least one of the zero and the rotor 40 is a non-conductor, the contact state between the two is detected by measuring the capacitance between the two.

【００５５】静電容量を用いた接触状態検出回路の構成
を図１６に示す。図１６中、センサ（Ｃ＋ΔＣ）の部分
をチップ部材２０及びロータ４０に接続する。この回路
から得られる出力はアナログ信号であるが、チップ部材
２０とロータ４０の接触時の出力値（静電容量）をあら
かじめ測定しておき、その値を基準電圧として検出回路
の出力値をパルス信号に出力すれば、上記各実施形態の
場合と同様に処理することができる。FIG. 16 shows a configuration of a contact state detection circuit using capacitance. In FIG. 16, the sensor (C + ΔC) is connected to the tip member 20 and the rotor 40. Although the output obtained from this circuit is an analog signal, the output value (capacitance) at the time of contact between the chip member 20 and the rotor 40 is measured in advance, and the output value of the detection circuit is pulsed using the value as a reference voltage. If a signal is output, processing can be performed in the same manner as in the above embodiments.

【００５６】その他の実施形態 （１）上記各実施形態では、トラス型アクチュエータを
構成する２つの変位素子にそれぞれ位相差を有する駆動
信号を同時に印加させて２つの変位素子を同時に駆動
し、チップ部材を円運動又は楕円運動させるように構成
したが、これに限定されるものではなく、ロータの回転
方向に応じていずれか一方の変位素子のみに駆動信号を
印加して駆動するように構成してもよい。 Other Embodiments (1) In each of the above embodiments, a drive signal having a phase difference is simultaneously applied to the two displacement elements constituting the truss-type actuator to simultaneously drive the two displacement elements, and the chip member Is configured to make a circular motion or an elliptical motion, but is not limited thereto, and is configured to be driven by applying a drive signal to only one of the displacement elements according to the rotation direction of the rotor. Is also good.

【００５７】（２）また、上記各実施形態の説明では、
チップ部材２０を駆動するための２つの変位素子１０，
１０’又は６０，６０’をそれぞれ直交するように配置
したが、これに限定されるものではなく、その他の角
度、例えば４５°、１３５°等任意の角度であってもよ
い。さらに、変位素子の数は２つに限定されず、図１７
に示すように変位素子１０，１０’，１０”を３個、あ
るいはそれ以上用いて、３自由度又は４自由度の駆動を
行うように構成してもよい。(2) In the above embodiments,
Two displacement elements 10 for driving the tip member 20;
Although 10 ′ or 60 and 60 ′ are arranged to be orthogonal to each other, the present invention is not limited to this, and other angles such as 45 ° and 135 ° may be used. Further, the number of displacement elements is not limited to two,
As shown in FIG. 5, three or more displacement elements 10, 10 ', and 10 "may be used to drive three or four degrees of freedom.

【００５８】（３）上記第１の実施形態では変位素子と
して圧電素子を積層したものを用いたが、変位素子はこ
れに限定されず、その他のものであってもよい。例えば
ボルト締めランジュバン型の振動子７０，７０’を用い
たトラス型アクチュエータを図１８に示す。トラス構造
にするため、各振動子７０，７０’の単板の圧電素子７
１，７１’の電極部分にベース部材３０を配置してい
る。また、チップ部材２０に接続された弾性体７２，７
２’の変位を拡大するために、弾性体７２，７２’の形
状を先端（チップ部材２０側）ほど細くなるように形成
している。その他は、上記第１の実施形態と同様であ
る。(3) In the first embodiment, a stacked piezoelectric element is used as the displacement element. However, the displacement element is not limited to this, and may be another element. FIG. 18 shows a truss-type actuator using, for example, bolted Langevin type vibrators 70 and 70 '. In order to form a truss structure, a single-plate piezoelectric element 7 of each of the vibrators 70 and 70 '
The base member 30 is arranged on the electrode portions 1, 71 '. Also, the elastic members 72, 7 connected to the tip member 20 are provided.
In order to enlarge the displacement of 2 ', the shapes of the elastic bodies 72, 72' are formed so as to become thinner toward the tip (toward the tip member 20). Others are the same as in the first embodiment.

【００５９】（４）さらに、本発明が適用可能なアクチ
ュエータはトラス型アクチュエータに限定されず、図１
９に示すような、いわゆるくさび形アクチュエータであ
ってもよい。くさび形アクチュエータでは、変位素子８
０によりくさび形振動片（駆動部材）８１を図中Ｘ方向
に振動させ、円盤状ロータ（被駆動部材）８２の外周部
に間欠的に接触させる。振動片８１の先端がくさび状に
なっており、ロータ８２と接触する際、くさび効果によ
りロータ８２を例えばＹ方向に回転させる。その結果、
ロータ８２の設けられた出力軸８３をＹ方向に回転駆動
させる。変位素子８０としては、図１に示すような積層
型圧電素子であってもよいし、図１５に示すような圧電
素子と弾性体を組み合わせたものであってもよい。(4) Further, the actuator to which the present invention can be applied is not limited to the truss type actuator, but
A so-called wedge-shaped actuator as shown in FIG. In a wedge actuator, the displacement element 8
0 causes the wedge-shaped vibrating piece (drive member) 81 to vibrate in the X direction in the figure, and to intermittently contact the outer peripheral portion of the disk-shaped rotor (driven member) 82. The tip of the vibrating piece 81 has a wedge shape, and when it comes into contact with the rotor 82, the rotor 82 is rotated in, for example, the Y direction by a wedge effect. as a result,
The output shaft 83 provided with the rotor 82 is driven to rotate in the Y direction. The displacement element 80 may be a laminated piezoelectric element as shown in FIG. 1 or a combination of a piezoelectric element and an elastic body as shown in FIG.

【００６０】[0060]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のアクチュ
エータは、所定の変位を発生させる変位素子と、前記変
位素子に結合され、前記変位素子の変位を被駆動部材に
伝達する駆動部材と、前記変位素子の前記駆動部材が結
合されていない側の端部を支持するための固定部材と、
前記駆動部材を被駆動部材に圧接させるための加圧部材
と、前記駆動部材と前記被駆動部材との接触状態を検出
するための検出部を具備するので、駆動部材と被駆動部
材の接触状態をモニタしながら、両者の接触状態が最適
となるようにアクチュエータを駆動することができる。
その結果、アクチュエータの駆動効率及び出力をそれぞ
れ向上させることが可能となる。As described above, the actuator of the present invention includes a displacement element for generating a predetermined displacement, a driving member coupled to the displacement element, and transmitting the displacement of the displacement element to a driven member. A fixing member for supporting an end of the displacement element on the side where the driving member is not coupled,
Since there is provided a pressing member for pressing the driving member against the driven member and a detecting unit for detecting a contact state between the driving member and the driven member, a contact state between the driving member and the driven member is provided. , The actuator can be driven such that the contact state between the two is optimized.
As a result, it is possible to improve the drive efficiency and output of the actuator.

【００６１】また、前記検出部による検出結果に基づい
て、変位素子に印加する駆動信号の電圧、周波数、前記
変位素子が２以上の場合の駆動信号の位相差及び前記加
圧部材の加圧力のうち少なくとも１つを調節し、最適な
駆動条件で駆動することにより、上記駆動信号の電圧、
周波数、位相差及び加圧部材の加圧力のうち少なくとも
１つ、より好ましくは２つの値を固定することができ、
アクチュエータの制御を容易にすることが可能となる。The voltage and frequency of the drive signal applied to the displacement element, the phase difference of the drive signal when the number of the displacement elements is two or more, and the pressure of the pressure member are determined based on the detection result of the detection unit. By adjusting at least one of them and driving under optimal driving conditions, the voltage of the driving signal,
At least one, more preferably two values of the frequency, the phase difference and the pressing force of the pressing member can be fixed,
Control of the actuator can be facilitated.

【００６２】さらに、前記駆動部材と前記被駆動部材と
が間欠的に接触する状態で、かつ間欠的に接触する状態
から常時接触する状態に遷移する条件の近傍の条件で前
記変位素子を駆動することにより、アクチュエータの駆
動効率と出力とを同時に最大にすることが可能となる。Further, the displacement element is driven under a condition in which the driving member and the driven member intermittently come into contact with each other and under a condition near a condition for transitioning from the intermittent contacting state to the constant contacting state. Thereby, it is possible to simultaneously maximize the driving efficiency and the output of the actuator.

【００６３】さらに、前記変位素子を共振周波数で駆動
することにより、変位素子のインピーダンスが低下し、
低電圧駆動において変位素子の変位量を大きくすること
が可能となる。Further, by driving the displacement element at a resonance frequency, the impedance of the displacement element decreases,
In low-voltage driving, the displacement amount of the displacement element can be increased.

【００６４】さらに、前記検出部は、前記駆動部材と前
記被駆動部材が共に導体の場合両者間の接触抵抗を検出
し、前記駆動部材と前記被駆動部材の少なくとも一方が
不導体の場合両者間の静電容量を検出することにより、
駆動部材及び被駆動部材の材料の制限が無くなり、駆動
効率を最大限に向上させることが可能となる。Further, the detecting section detects a contact resistance between the driving member and the driven member when both are conductors, and detects a contact resistance between at least one of the driving member and the driven member when both are non-conductors. By detecting the capacitance of
There is no restriction on the materials of the driving member and the driven member, and the driving efficiency can be maximized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】 本発明のアクチュエータの第１の実施形態に
おいて変位素子として用いる積層型圧電素子の構成を示
す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laminated piezoelectric element used as a displacement element in a first embodiment of an actuator of the present invention.

【図２】 上記積層型圧電素子における各電極の間に発
生する電界と圧電素子の変位の関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an electric field generated between electrodes of the multilayer piezoelectric element and displacement of the piezoelectric element.

【図３】 上記第１の実施形態におけるトラス型アクチ
ュエータの構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a truss-type actuator according to the first embodiment.

【図４】 上記第１の実施形態におけるロータとチップ
部材の接触状態を検出する回路のブロック構成を示す図
である。FIG. 4 is a diagram showing a block configuration of a circuit for detecting a contact state between a rotor and a chip member in the first embodiment.

【図５】 上記第１の実施形態における駆動回路のブロ
ック構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a block configuration of a drive circuit according to the first embodiment.

【図６】 上記第１の実施形態において、２つの圧電素
子に印加する駆動信号の振幅を等しくし、各駆動信号間
の位相差を変化させた場合の軌跡を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a trajectory in the case where the amplitudes of drive signals applied to two piezoelectric elements are made equal and the phase difference between the drive signals is changed in the first embodiment.

【図７】 上記第１の実施形態のアクチュエータを無負
荷状態で駆動した場合における圧電素子に印加する駆動
信号の電圧とチップ部材の軌跡の直径（変位量）との関
係を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a voltage of a drive signal applied to a piezoelectric element and a diameter (displacement amount) of a trajectory of a chip member when the actuator according to the first embodiment is driven in a no-load state.

【図８】 上記第１の実施形態のアクチュエータにおけ
るばねによる加圧力とチップ部材とロータの接触率の関
係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a relationship between a pressing force by a spring and a contact ratio between a tip member and a rotor in the actuator according to the first embodiment.

【図９】 上記第１の実施形態のアクチュエータにおけ
るロータの負荷−（回転）速度特性を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing load- (rotation) speed characteristics of a rotor in the actuator according to the first embodiment.

【図１０】 図９の場合と同条件でのアクチュエータの
出力特性（負荷−駆動効率特性）を示す図である。10 is a diagram showing output characteristics (load-drive efficiency characteristics) of the actuator under the same conditions as in FIG.

【図１１】 上記第１の実施形態におけるチップ部材と
ロータとの接触部分において弾性変形が生じる弾性接触
モデルを示す図である。FIG. 11 is a view showing an elastic contact model in which elastic deformation occurs at a contact portion between the tip member and the rotor in the first embodiment.

【図１２】 上記弾性接触モデルにおける圧電素子の変
位とそれにより発生される駆動力の関係を示す図であ
る。FIG. 12 is a diagram showing a relationship between a displacement of a piezoelectric element and a driving force generated thereby in the elastic contact model.

【図１３】 上記弾性接触モデルにおける圧電素子を伸
縮させた場合の挙動を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a behavior when the piezoelectric element in the elastic contact model is expanded and contracted.

【図１４】 上記弾性接触モデルにおける圧電素子の変
位と各状態における圧力の関係を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing a relationship between displacement of a piezoelectric element and pressure in each state in the elastic contact model.

【図１５】 本発明のアクチュエータの第２の実施形態
の構成を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a second embodiment of the actuator of the present invention.

【図１６】 本発明のアクチュエータの第３の実施形態
に適する接触状態検出回路の構成を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a configuration of a contact state detection circuit suitable for a third embodiment of the actuator of the present invention.

【図１７】 本発明のアクチュエータの他の応用例（変
位素子が３つのトラス型アクチュエータ）を示す図であ
る。FIG. 17 is a view showing another application example (a truss type actuator having three displacement elements) of the actuator of the present invention.

【図１８】 本発明のアクチュエータのさらに他の応用
例（ランジュバン型トラス型アクチュエータ）を示す図
である。FIG. 18 is a view showing still another application example (Langevin type truss type actuator) of the actuator of the present invention.

【図１９】 本発明のアクチュエータのさらに他の応用
例（くさび形アクチュエータ）を示す図である。FIG. 19 is a view showing still another application example (wedge-shaped actuator) of the actuator of the present invention.

【図２０】 上記実施形態のアクチュエータによるロー
タの回転原理を示す図であり、一般的なトラス型アクチ
ュエータをばねによりロータ押しつけた状態を示す。FIG. 20 is a view showing the principle of rotation of the rotor by the actuator of the embodiment, and shows a state in which a general truss-type actuator is pressed against the rotor by a spring.

【図２１】 上記実施形態における２つの圧電素子に印
加する電圧又はそれらの変位を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing voltages applied to two piezoelectric elements or their displacements in the embodiment.

【図２２】 上記実施形態におけるアクチュエータによ
りロータを回転させる原理を示す図である。FIG. 22 is a diagram illustrating a principle of rotating a rotor by an actuator in the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０ ：第１圧電素子（変位素子） １０’：第２圧電素子（変位素子） １６，１６’：駆動電源（駆動部） ２０ ：チップ部材（変位合成部） ３０ ：ベース部材（固定部） ４０ ：ロータ（被駆動部材） 10: first piezoelectric element (displacement element) 10 ': second piezoelectric element (displacement element) 16, 16': drive power supply (drive section) 20: chip member (displacement synthesis section) 30: base member (fixing section) 40 : Rotor (driven member)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 浩幸 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 松尾 隆 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 小坂 明 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA01 AA04 AA06 AA08 BB01 BB13 CC02 DD01 DD23 DD27 DD37 DD55 DD73 DD83 DD95 EE07 EE21 EE24 FF08 FF16 FF17 FF21 FF26 FF27 FF30 FF33 GG02 GG20 GG22 GG23 GG25 GG27  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Hiroyuki Okada, Inventor Hiroyuki 2-3-13 Azuchicho, Chuo-ku, Osaka-shi Inside Osaka International Building Minolta Co., Ltd. (72) Inventor Takashi Matsuo 2-chome, Azuchicho, Chuo-ku, Osaka-shi 13 Osaka International Building Minolta Co., Ltd. (72) Inventor Akira Kosaka 2-3-13 Azuchicho, Chuo-ku, Osaka City Osaka International Building Minolta Co., Ltd. F-term (reference) 5H680 AA00 AA01 AA04 AA06 AA08 BB01 BB13 CC02 DD01 DD23 DD27 DD37 DD55 DD73 DD83 DD95 EE07 EE21 EE24 FF08 FF16 FF17 FF21 FF26 FF27 FF30 FF33 GG02 GG20 GG22 GG23 GG25 GG27

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 所定の変位を発生させる変位素子と、前
記変位素子に結合され、前記変位素子の変位を被駆動部
材に伝達する駆動部材と、前記変位素子の前記駆動部材
が結合されていない側の端部を支持するための固定部材
と、前記駆動部材を被駆動部材に圧接させるための加圧
部材と、前記駆動部材と前記被駆動部材との接触状態を
検出するための検出部を具備することを特徴とするアク
チュエータ。1. A displacement element for generating a predetermined displacement, a driving member coupled to the displacement element and transmitting a displacement of the displacement element to a driven member, and the driving member of the displacement element not coupled. A fixing member for supporting the side end, a pressing member for pressing the driving member against the driven member, and a detecting unit for detecting a contact state between the driving member and the driven member. An actuator, comprising: 【請求項２】 前記検出部による検出結果に基づいて、
変位素子に印加する駆動信号の電圧、周波数、前記変位
素子が２以上の場合の駆動信号の位相差及び前記加圧部
材の加圧力のうち少なくとも１つを調節し、最適な駆動
条件で駆動することを特徴とする請求項１記載のアクチ
ュエータ。2. A method according to claim 1, wherein:
At least one of a voltage and a frequency of a drive signal applied to the displacement element, a phase difference of the drive signal when the number of the displacement elements is two or more, and a pressing force of the pressing member are adjusted, and driving is performed under optimal driving conditions. The actuator according to claim 1, wherein: 【請求項３】 前記駆動部材と前記被駆動部材とが間欠
的に接触する状態で、かつ間欠的に接触する状態から常
時接触する状態に遷移する条件の近傍の条件で前記変位
素子を駆動することを特徴とする請求項１又は２記載の
アクチュエータ。3. The displacement element is driven under a condition in which the driving member and the driven member intermittently come into contact with each other and near a condition for transitioning from a state of intermittent contact to a state of constant contact. The actuator according to claim 1 or 2, wherein: 【請求項４】 前記変位素子を共振周波数で駆動するこ
とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のアク
チュエータ。4. The actuator according to claim 1, wherein the displacement element is driven at a resonance frequency. 【請求項５】 前記検出部は、前記駆動部材と前記被駆
動部材が共に導体の場合両者間の接触抵抗を検出し、前
記駆動部材と前記被駆動部材の少なくとも一方が不導体
の場合両者間の静電容量を検出することを特徴とする請
求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータ。5. The detecting section detects a contact resistance between the driving member and the driven member when both are conductors, and detects a contact resistance between at least one of the driving member and the driven member when the driving member and the driven member are non-conductors. The actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the capacitance is detected.