JP2003033053A - 多自由度駆動機構 - Google Patents
多自由度駆動機構Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
- H02N2/025—Inertial sliding motors
-
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/028—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors along multiple or arbitrary translation directions, e.g. XYZ stages
-
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- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 簡単な構成で誤動作を防止することができる
多自由度駆動機構を提供する。 【解決手段】 電気・機械変換素子１４，２４がその一
端に固定された駆動軸１２，２２に被駆動部材１６，２
６が摩擦係合し、電気・機械変換素子１４，２４により
駆動軸１２，２２に縦共振を起こして被駆動部材１６，
２６を駆動軸１２，２２に沿って移動させることができ
る、少なくとも２つの第１及び第２のアクチュエータ１
０，２０を含む。第１のアクチュエータ１０の被駆動部
材１６に、直接又は他のアクチュエータを介して、第２
のアクチュエータ２０の駆動軸２２の他端が固定され
る。第１及び第２のアクチュエータ１０，２０は、それ
ぞれの駆動軸１２，２２の共振周波数が互いに異なるよ
うに構成される。
多自由度駆動機構を提供する。 【解決手段】 電気・機械変換素子１４，２４がその一
端に固定された駆動軸１２，２２に被駆動部材１６，２
６が摩擦係合し、電気・機械変換素子１４，２４により
駆動軸１２，２２に縦共振を起こして被駆動部材１６，
２６を駆動軸１２，２２に沿って移動させることができ
る、少なくとも２つの第１及び第２のアクチュエータ１
０，２０を含む。第１のアクチュエータ１０の被駆動部
材１６に、直接又は他のアクチュエータを介して、第２
のアクチュエータ２０の駆動軸２２の他端が固定され
る。第１及び第２のアクチュエータ１０，２０は、それ
ぞれの駆動軸１２，２２の共振周波数が互いに異なるよ
うに構成される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、多自由度駆動機構
に関する。
に関する。
【０００２】
【従来の技術】駆動軸の一端を固定し、その他端に電気
−機械変換素子を結合し、電気−機械変換素子により駆
動軸に縦共振を起こし、駆動軸にばね係合するスライダ
ーを駆動軸に沿って駆動するアクチュエータが提案され
ている。この種のアクチュエータは、電気−機械変換素
子と反対側を固定するので固定部を強くでき、複数組み
合わせて多自由度駆動機構を構成する場合に好適であ
る。例えば、第１のアクチュエータのスライダーに、第
２のアクチュエータの駆動軸の一端を固定すれば、第１
及び第２のアクチュエータの電気−機械変換素子によ
り、第２のアクチュエータのスライダーを、２自由度で
駆動することができる（例えば、特願２０００−２８０
２８８、未公開）。
−機械変換素子を結合し、電気−機械変換素子により駆
動軸に縦共振を起こし、駆動軸にばね係合するスライダ
ーを駆動軸に沿って駆動するアクチュエータが提案され
ている。この種のアクチュエータは、電気−機械変換素
子と反対側を固定するので固定部を強くでき、複数組み
合わせて多自由度駆動機構を構成する場合に好適であ
る。例えば、第１のアクチュエータのスライダーに、第
２のアクチュエータの駆動軸の一端を固定すれば、第１
及び第２のアクチュエータの電気−機械変換素子によ
り、第２のアクチュエータのスライダーを、２自由度で
駆動することができる（例えば、特願２０００−２８０
２８８、未公開）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、同じアクチュ
エータを連結して使用すると、あるアクチュエータの駆
動によって生じた振動が他のアクチュエータに伝達さ
れ、他のアクチュエータの電気−機械変換素子が駆動さ
れていないにもかかわらず、他のアクチュエータのスラ
イダーが動くという誤動作が起きる場合があった。
エータを連結して使用すると、あるアクチュエータの駆
動によって生じた振動が他のアクチュエータに伝達さ
れ、他のアクチュエータの電気−機械変換素子が駆動さ
れていないにもかかわらず、他のアクチュエータのスラ
イダーが動くという誤動作が起きる場合があった。
【０００４】このような誤動作を防止するため、アクチ
ュエータを連結する際に、スライダーと駆動軸との間に
緩衝部材を挿入する方法も考えられる。しかし、緩衝部
材を挿入すると構成が複雑になり、駆動機構全体として
の剛性の低下や部品コスト、組立コストの増加などを招
く。
ュエータを連結する際に、スライダーと駆動軸との間に
緩衝部材を挿入する方法も考えられる。しかし、緩衝部
材を挿入すると構成が複雑になり、駆動機構全体として
の剛性の低下や部品コスト、組立コストの増加などを招
く。
【０００５】したがって、本発明が解決しようとする技
術的課題は、簡単な構成で誤動作を防止することができ
る多自由度駆動機構を提供することである。
術的課題は、簡単な構成で誤動作を防止することができ
る多自由度駆動機構を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記技術的課
題を解決するために、以下の構成の多自由度駆動機構を
提供する。
題を解決するために、以下の構成の多自由度駆動機構を
提供する。
【０００７】多自由度駆動機構は、電気・機械変換素子
と、該電気・機械変換素子がその一端に固定された駆動
軸と、該駆動軸に摩擦係合する被駆動部材と備え、上記
電気・機械変換素子により上記駆動軸に縦共振を起こし
て上記被駆動部材を上記駆動軸に沿って移動させること
ができる、少なくとも２つの第１及び第２のアクチュエ
ータを含み、上記第１のアクチュエータの上記被駆動部
材に、直接又は他のアクチュエータを介して、上記第２
のアクチュエータの上記駆動軸の他端が固定されたタイ
プのものである。上記第１及び第２のアクチュエータ
は、それぞれの上記駆動軸の共振周波数が互いに異なる
ように構成される。
と、該電気・機械変換素子がその一端に固定された駆動
軸と、該駆動軸に摩擦係合する被駆動部材と備え、上記
電気・機械変換素子により上記駆動軸に縦共振を起こし
て上記被駆動部材を上記駆動軸に沿って移動させること
ができる、少なくとも２つの第１及び第２のアクチュエ
ータを含み、上記第１のアクチュエータの上記被駆動部
材に、直接又は他のアクチュエータを介して、上記第２
のアクチュエータの上記駆動軸の他端が固定されたタイ
プのものである。上記第１及び第２のアクチュエータ
は、それぞれの上記駆動軸の共振周波数が互いに異なる
ように構成される。
【０００８】上記構成において、アクチュエータは、駆
動軸に縦共振を起こすような駆動周波数で電気−機械変
換素子を適宜に駆動すると、駆動軸が例えば伸びと縮み
で異なる速度で振動し、駆動軸に摩擦係合する被駆動部
材が駆動軸に沿って移動する。電気−機械変換素子は、
例えば、圧電素子、磁歪素子、電歪素子、静電アクチュ
エータ等のように、電気エネルギー（例えば、電圧、電
流、電界、電荷、静電気、磁界等）を機械エネルギー
（例えば、伸縮、膨張、湾曲、ねじれ等の変形やひず
み）に変換することができる素子である。
動軸に縦共振を起こすような駆動周波数で電気−機械変
換素子を適宜に駆動すると、駆動軸が例えば伸びと縮み
で異なる速度で振動し、駆動軸に摩擦係合する被駆動部
材が駆動軸に沿って移動する。電気−機械変換素子は、
例えば、圧電素子、磁歪素子、電歪素子、静電アクチュ
エータ等のように、電気エネルギー（例えば、電圧、電
流、電界、電荷、静電気、磁界等）を機械エネルギー
（例えば、伸縮、膨張、湾曲、ねじれ等の変形やひず
み）に変換することができる素子である。
【０００９】上記構成によれば、第１及び第２のアクチ
ュエータの共振周波数に適宜な差を設け、一方のアクチ
ュエータを駆動したとき、一方のアクチュエータの振動
によって、他方のアクチュエータの駆動軸に振動が生じ
ないようにして、誤動作を防止することができる。共振
周波数に差を設けるには、例えば、駆動軸の長さ、密
度、弾性係数、減衰係数に差を設けたり、電気−機械変
換素子の質量に差を設ける等、アクチュエータ自体の構
成が同一とならないようにするだけよく、緩衝部材のよ
うな特別な部材は必要ない。
ュエータの共振周波数に適宜な差を設け、一方のアクチ
ュエータを駆動したとき、一方のアクチュエータの振動
によって、他方のアクチュエータの駆動軸に振動が生じ
ないようにして、誤動作を防止することができる。共振
周波数に差を設けるには、例えば、駆動軸の長さ、密
度、弾性係数、減衰係数に差を設けたり、電気−機械変
換素子の質量に差を設ける等、アクチュエータ自体の構
成が同一とならないようにするだけよく、緩衝部材のよ
うな特別な部材は必要ない。
【００１０】したがって、簡単な構成で誤動作を防止す
ることができる。
ることができる。
【００１１】好ましくは、上記各アクチュエータは、そ
れぞれ、上記駆動軸の共振周波数又はその近傍の共振周
波数帯域に含まれる駆動周波数で、上記電気−機械変換
素子が駆動される。上記第１のアクチュエータの上記駆
動周波数は、上記第２のアクチュエータの上記駆動周波
数が含まれる上記第２のアクチュエータの上記共振周波
数帯域外にある。上記第２のアクチュエータの上記駆動
周波数は、上記第１のアクチュエータの上記駆動周波数
が含まれる上記第１のアクチュエータの上記共振周波数
帯域外にある。
れぞれ、上記駆動軸の共振周波数又はその近傍の共振周
波数帯域に含まれる駆動周波数で、上記電気−機械変換
素子が駆動される。上記第１のアクチュエータの上記駆
動周波数は、上記第２のアクチュエータの上記駆動周波
数が含まれる上記第２のアクチュエータの上記共振周波
数帯域外にある。上記第２のアクチュエータの上記駆動
周波数は、上記第１のアクチュエータの上記駆動周波数
が含まれる上記第１のアクチュエータの上記共振周波数
帯域外にある。
【００１２】各アクチュエータの駆動周波数は、できる
だけ駆動軸の共振が大きくなる次数の共振点を選択し、
その共振点又はその近傍に設定すれば、効率的にアクチ
ュエータを駆動することができる、しかし、その場合、
他のアクチュエータからの振動によって共振しやすくな
る。上記構成によれば、アクチュエータの駆動周波数同
士が互いに近付かないので、一方のアクチュエータの駆
動により他方のアクチュエータが誤動作することを防止
できる。
だけ駆動軸の共振が大きくなる次数の共振点を選択し、
その共振点又はその近傍に設定すれば、効率的にアクチ
ュエータを駆動することができる、しかし、その場合、
他のアクチュエータからの振動によって共振しやすくな
る。上記構成によれば、アクチュエータの駆動周波数同
士が互いに近付かないので、一方のアクチュエータの駆
動により他方のアクチュエータが誤動作することを防止
できる。
【００１３】好ましくは、上記第１のアクチュエータを
駆動する上記駆動周波数は、上記第２のアクチュエータ
の上記駆動周波数が含まれる上記第２のアクチュエータ
の上記共振周波数帯域とは次数が異なる上記第２のアク
チュエータの上記共振周波数帯域外にある。上記第２の
アクチュエータを駆動する上記駆動周波数は、上記第１
のアクチュエータの上記駆動周波数が含まれる上記第１
のアクチュエータの上記共振周波数帯域とは次数が異な
る上記第１のアクチュエータの上記共振周波数帯域外に
ある。
駆動する上記駆動周波数は、上記第２のアクチュエータ
の上記駆動周波数が含まれる上記第２のアクチュエータ
の上記共振周波数帯域とは次数が異なる上記第２のアク
チュエータの上記共振周波数帯域外にある。上記第２の
アクチュエータを駆動する上記駆動周波数は、上記第１
のアクチュエータの上記駆動周波数が含まれる上記第１
のアクチュエータの上記共振周波数帯域とは次数が異な
る上記第１のアクチュエータの上記共振周波数帯域外に
ある。
【００１４】一方のアクチュエータの駆動周波数が、他
方のアクチュエータの駆動周波数を含む共振周波数帯域
に含まれていなくても、他方のアクチュエータの他の次
数の共振周波数帯域に含まれていると、他方のアクチュ
エータが誤動作する場合がある。上記構成によれば、ア
クチュエータの駆動周波数が、他の次数の共振周波数帯
域に含まれないので、誤動作をより確実に防止すること
ができる。
方のアクチュエータの駆動周波数を含む共振周波数帯域
に含まれていなくても、他方のアクチュエータの他の次
数の共振周波数帯域に含まれていると、他方のアクチュ
エータが誤動作する場合がある。上記構成によれば、ア
クチュエータの駆動周波数が、他の次数の共振周波数帯
域に含まれないので、誤動作をより確実に防止すること
ができる。
【００１５】ところで、上記各構成において、共振周波
数帯域の幅は、次数ごとに適宜に決めることができる。
数帯域の幅は、次数ごとに適宜に決めることができる。
【００１６】好ましくは、上記各共振周波数帯域は、当
該共振周波数における最大振幅の１／√２倍以上の振幅
を当該アクチュエータの駆動軸に与える当該共振周波数
近傍の周波数を含む。
該共振周波数における最大振幅の１／√２倍以上の振幅
を当該アクチュエータの駆動軸に与える当該共振周波数
近傍の周波数を含む。
【００１７】上記構成において、共振周波数帯域では、
振幅が最大振幅の１／√２倍以上となり、振動エネルギ
ーは共振点の半分以上になる。上記構成によれば、共振
周波数帯域の幅は、共振が鋭い場合には狭く、鋭くない
場合には広く設定することができる。したがって、共振
周波数帯域の幅を、共振の鋭さに応じて、定量的かつ合
理的に設定することができる。
振幅が最大振幅の１／√２倍以上となり、振動エネルギ
ーは共振点の半分以上になる。上記構成によれば、共振
周波数帯域の幅は、共振が鋭い場合には狭く、鋭くない
場合には広く設定することができる。したがって、共振
周波数帯域の幅を、共振の鋭さに応じて、定量的かつ合
理的に設定することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図１及び図２を参照しながら説明する。
て、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１９】まず、本発明の実施の形態として一実施例
を図１に基づいて説明する。
を図１に基づいて説明する。
【００２０】多自由度駆動機構４は、２つのアクチュエ
ータ１０，２０を直接連結した２自由度駆動機構であ
る。
ータ１０，２０を直接連結した２自由度駆動機構であ
る。
【００２１】固定部２には、第１のアクチュエータ１０
の駆動軸１２の基端が固定される。例えば、接着剤や、
ねじや圧入などの機械的な方法や、溶接により、固定さ
れる。駆動軸１２の先端には、電気−機械変換素子１４
が固定される。駆動軸１２には、スライダー１６が摩擦
係合し、駆動軸１２に沿って移動できるようになってい
る。すなわち、スライダー１６にねじ止めされた板ばね
１７の付勢力によって、スライダー１６の二つの面が駆
動軸２２の二つの面に摺動自在に圧着し、スライダー１
６の位置が保持されるようになっている。
の駆動軸１２の基端が固定される。例えば、接着剤や、
ねじや圧入などの機械的な方法や、溶接により、固定さ
れる。駆動軸１２の先端には、電気−機械変換素子１４
が固定される。駆動軸１２には、スライダー１６が摩擦
係合し、駆動軸１２に沿って移動できるようになってい
る。すなわち、スライダー１６にねじ止めされた板ばね
１７の付勢力によって、スライダー１６の二つの面が駆
動軸２２の二つの面に摺動自在に圧着し、スライダー１
６の位置が保持されるようになっている。
【００２２】スライダー１６の側面には、第１のアクチ
ュエータと同様に構成された第２のアクチュエータ２０
が固定される。すなわち、第２のアクチュエータ２０の
駆動軸２２の基端が固定される。駆動軸２２の先端に
は、電気−機械変換素子２４が固定されている。駆動軸
２２には、板ばね２７によりスライダー２６が、摩擦係
合するようになっている。
ュエータと同様に構成された第２のアクチュエータ２０
が固定される。すなわち、第２のアクチュエータ２０の
駆動軸２２の基端が固定される。駆動軸２２の先端に
は、電気−機械変換素子２４が固定されている。駆動軸
２２には、板ばね２７によりスライダー２６が、摩擦係
合するようになっている。
【００２３】詳しくは後述するように、電気−機械変換
素子１４，２４にそれぞれ適宜な駆動パルスを印加する
ことにより、スライダー１６，２６を独立して移動させ
ることができる。
素子１４，２４にそれぞれ適宜な駆動パルスを印加する
ことにより、スライダー１６，２６を独立して移動させ
ることができる。
【００２４】第１のアクチュエータ１０のスライダー１
６の移動方向に対して、第２のアクチュエータ２０のス
ライダー２６は異なる方向に移動するため、第１のアク
チュエータ１０と第２のアクチュエータ２０を駆動する
ことにより、第２のアクチュエータ２０のスライダー２
６を、２自由度で動かすことができる。
６の移動方向に対して、第２のアクチュエータ２０のス
ライダー２６は異なる方向に移動するため、第１のアク
チュエータ１０と第２のアクチュエータ２０を駆動する
ことにより、第２のアクチュエータ２０のスライダー２
６を、２自由度で動かすことができる。
【００２５】同様にアクチュエータを付加していくこと
で、さらに自由度を増やした駆動機構を構成することが
できる。
で、さらに自由度を増やした駆動機構を構成することが
できる。
【００２６】図２は、変形例の多自由度駆動機構６を示
す。多自由度駆動機構６は、３つのアクチュエータ３
０，４０，５０を連結した３自由度駆動機構である。
す。多自由度駆動機構６は、３つのアクチュエータ３
０，４０，５０を連結した３自由度駆動機構である。
【００２７】各アクチュエータ３０，４０，５０は、同
様に構成され、駆動軸３２，４２，５２の先端に、それ
ぞれ電気−機械変換素子３４，４４，５４が固定されて
いる。各駆動軸３２，４２，５２には、板ばね３７，４
７，５７（不図示）をねじ止めしたスライダー３６，４
６，５６が、板ばね３７，４７，５７（不図示）の力に
よって、それぞれ摩擦係合するようになっている。
様に構成され、駆動軸３２，４２，５２の先端に、それ
ぞれ電気−機械変換素子３４，４４，５４が固定されて
いる。各駆動軸３２，４２，５２には、板ばね３７，４
７，５７（不図示）をねじ止めしたスライダー３６，４
６，５６が、板ばね３７，４７，５７（不図示）の力に
よって、それぞれ摩擦係合するようになっている。
【００２８】固定部２には、固定側のアクチュエータ３
０の駆動軸３２の基端が固定される。固定側のアクチュ
エータ３０のスライダー３６の側面には、中間のアクチ
ュエータ４０の駆動軸４２の基端が固定される。中間の
アクチュエータ４０のスライダー４６の側面には、駆動
側のアクチュエータ５０の駆動軸５２の基端が固定され
る。つまり、固定側および駆動側のアクチュエータ３
０，５０は、中間のアクチュエータ４０を介して、結合
されている。
０の駆動軸３２の基端が固定される。固定側のアクチュ
エータ３０のスライダー３６の側面には、中間のアクチ
ュエータ４０の駆動軸４２の基端が固定される。中間の
アクチュエータ４０のスライダー４６の側面には、駆動
側のアクチュエータ５０の駆動軸５２の基端が固定され
る。つまり、固定側および駆動側のアクチュエータ３
０，５０は、中間のアクチュエータ４０を介して、結合
されている。
【００２９】上記多自由度駆動機構４，６において、各
アクチュエータ１０，２０，３０，４０，５０の電気−
機械変換素子１４，２４，３４，４４，５４に適宜な駆
動パルスを印加し、駆動軸１２，２２，３２，４２，５
２に伸びと縮みで速度が異なる軸方向の振動を起こすこ
とにより、スライダ１６，２６，３６，４６，５６を移
動させることができる。例えば、駆動軸１２，２２，３
２，４２，５２が相対的に緩やかに変位するとき、その
変位によりスライダ１６，２６，３６，４６，５６が動
き、駆動軸１２，２２，３２，４２，５２が逆方向に相
対的に急激に変位するとき、スライダ１６，２６，３
６，４６，５６が実質的に静止した状態で、スライダ１
６，２６，３６，４６，５６と駆動軸１２，２２，３
２，４２，５２との間に滑りが生じ、これを繰り返すこ
とで、駆動軸１２，２２，３２，４２，５２に沿ってス
ライダ１６，２６，３６，４６，５６が移動する。
アクチュエータ１０，２０，３０，４０，５０の電気−
機械変換素子１４，２４，３４，４４，５４に適宜な駆
動パルスを印加し、駆動軸１２，２２，３２，４２，５
２に伸びと縮みで速度が異なる軸方向の振動を起こすこ
とにより、スライダ１６，２６，３６，４６，５６を移
動させることができる。例えば、駆動軸１２，２２，３
２，４２，５２が相対的に緩やかに変位するとき、その
変位によりスライダ１６，２６，３６，４６，５６が動
き、駆動軸１２，２２，３２，４２，５２が逆方向に相
対的に急激に変位するとき、スライダ１６，２６，３
６，４６，５６が実質的に静止した状態で、スライダ１
６，２６，３６，４６，５６と駆動軸１２，２２，３
２，４２，５２との間に滑りが生じ、これを繰り返すこ
とで、駆動軸１２，２２，３２，４２，５２に沿ってス
ライダ１６，２６，３６，４６，５６が移動する。
【００３０】駆動パルスとしては、例えば、緩やかな立
上がり（又は立下り）と急激な立下り（又は立上がり）
からなる鋸歯状波形や、適宜なデューティ比の矩形波形
の電圧を印加する。
上がり（又は立下り）と急激な立下り（又は立上がり）
からなる鋸歯状波形や、適宜なデューティ比の矩形波形
の電圧を印加する。
【００３１】個々のアクチュエータ１０，２０，３０，
４０，５０は、それぞれの系（すなわち、一つの駆動軸
の基端が固定され、その駆動軸の先端に電気−機械変換
素子が固定された系）において、アクチュエータ１０，
２０，３０，４０，５０の駆動軸１２，２２，３２，４
２，５２が共振する周波数又はその近傍の周波数で電気
−機械変換素子１４，２４，３４，４４，５４を変形さ
せることにより、駆動できる。
４０，５０は、それぞれの系（すなわち、一つの駆動軸
の基端が固定され、その駆動軸の先端に電気−機械変換
素子が固定された系）において、アクチュエータ１０，
２０，３０，４０，５０の駆動軸１２，２２，３２，４
２，５２が共振する周波数又はその近傍の周波数で電気
−機械変換素子１４，２４，３４，４４，５４を変形さ
せることにより、駆動できる。
【００３２】個々のアクチュエータ１０，２０，３０，
４０，５０は、それぞれの構成によって、それぞれの系
での共振周波数が決まる。他のアクチュエータの駆動に
よる振動で誤動作が生じないようにするには、共振周波
数が適宜に離れるように、各アクチュエータ１０，２
０，３０，４０，５０を構成し、駆動周波数を選択すれ
ばよい。例えば、駆動軸１２，２２の形状（長さ、太さ
等）や材質（密度、弾性係数、減衰係数等）に差を設け
たり、電気−機械変換素子１６，１８，３４，４４，５
４の質量に差を設けたりする。駆動周波数は、アクチュ
エータ１０，２０，３０，４０，５０の構成、仕様によ
り最適な次数の共振周波数又はその近傍の周波数を選択
することができる。
４０，５０は、それぞれの構成によって、それぞれの系
での共振周波数が決まる。他のアクチュエータの駆動に
よる振動で誤動作が生じないようにするには、共振周波
数が適宜に離れるように、各アクチュエータ１０，２
０，３０，４０，５０を構成し、駆動周波数を選択すれ
ばよい。例えば、駆動軸１２，２２の形状（長さ、太さ
等）や材質（密度、弾性係数、減衰係数等）に差を設け
たり、電気−機械変換素子１６，１８，３４，４４，５
４の質量に差を設けたりする。駆動周波数は、アクチュ
エータ１０，２０，３０，４０，５０の構成、仕様によ
り最適な次数の共振周波数又はその近傍の周波数を選択
することができる。
【００３３】このように、周波数差を設けるようにアク
チュエータ１０，２０，３０，４０，５０自体を構成す
ると、緩衝部材のような部品の付加や、部品付加に伴な
う組み立て作業が不要であり、機構の剛性が下がること
もない。
チュエータ１０，２０，３０，４０，５０自体を構成す
ると、緩衝部材のような部品の付加や、部品付加に伴な
う組み立て作業が不要であり、機構の剛性が下がること
もない。
【００３４】ところで、周波数の差は大きい方が誤動作
の防止には有効であるが、アクチュエータの形状や構
成、仕様に制限を加えるため、必要以上に差を大きくす
るのは得策ではない。
の防止には有効であるが、アクチュエータの形状や構
成、仕様に制限を加えるため、必要以上に差を大きくす
るのは得策ではない。
【００３５】誤動作を防ぐのに必要な周波数の差は、ア
クチュエータの駆動軸の共振の鋭さに応じて変わる。共
振が鋭い場合は、小さい周波数差で誤動作を防止でき、
共振が鋭くない場合は、より大きな周波数差を設ける必
要がある。
クチュエータの駆動軸の共振の鋭さに応じて変わる。共
振が鋭い場合は、小さい周波数差で誤動作を防止でき、
共振が鋭くない場合は、より大きな周波数差を設ける必
要がある。
【００３６】共振の鋭さを表す量として次式で定義され
るＱ係数がある。Ｑ＝ωｎ／（ω２−ω１） …（１）
ここで、ωｎは振動系の共振周波数、ω１はωｎから強
制振動の周波数を下げていって振動振幅が共振点での振
幅の１／√２になる周波数、ω２はωｎから強制振動の
周波数を上げていって振動振幅が共振点での振幅の１／
√２になる周波数である。このように、最大振幅の１／
√２の振幅を与える点をハーフ・パワー・ポイントと称
し、振動エネルギーは共振点の半分になる。ωｎが同じ
でも、共振が鋭い場合はω２-ω１が小さくなり、共振
が鋭くない場合にはω２−ω１が大きくなる。
るＱ係数がある。Ｑ＝ωｎ／（ω２−ω１） …（１）
ここで、ωｎは振動系の共振周波数、ω１はωｎから強
制振動の周波数を下げていって振動振幅が共振点での振
幅の１／√２になる周波数、ω２はωｎから強制振動の
周波数を上げていって振動振幅が共振点での振幅の１／
√２になる周波数である。このように、最大振幅の１／
√２の振幅を与える点をハーフ・パワー・ポイントと称
し、振動エネルギーは共振点の半分になる。ωｎが同じ
でも、共振が鋭い場合はω２-ω１が小さくなり、共振
が鋭くない場合にはω２−ω１が大きくなる。
【００３７】アクチュエータの駆動軸の共振点からハー
フ・パワー・ポイントにかけては、強制振動に対しての
振幅は急激に下がり、ハーフ・パワー・ポイントを過ぎ
ると、振幅の下がり方は緩やかになる。したがって、ア
クチュエータ間に駆動軸の共振周波数差を設けて誤動作
を防ぐ場合、アクチュエータの駆動周波数が、他のアク
チュエータの共振点の両側のハーフ・パワー・ポイント
の間の周波数（ハーフ・パワー・ポイント間の共振周波
数帯域）に含まれないようにするのが有効である。
フ・パワー・ポイントにかけては、強制振動に対しての
振幅は急激に下がり、ハーフ・パワー・ポイントを過ぎ
ると、振幅の下がり方は緩やかになる。したがって、ア
クチュエータ間に駆動軸の共振周波数差を設けて誤動作
を防ぐ場合、アクチュエータの駆動周波数が、他のアク
チュエータの共振点の両側のハーフ・パワー・ポイント
の間の周波数（ハーフ・パワー・ポイント間の共振周波
数帯域）に含まれないようにするのが有効である。
【００３８】このように周波数差を設定することによ
り、アクチュエータの形状や構成、仕様に必要以上に制
限を加えることなく、誤動作を防ぐことができる。
り、アクチュエータの形状や構成、仕様に必要以上に制
限を加えることなく、誤動作を防ぐことができる。
【００３９】アクチュエータ中の駆動軸の共振周波数
は、１次モードから高次モードまで複数個あるが、各ア
クチュエータの駆動軸の任意モード共振周波数に対して
上記周波数差を設ける。
は、１次モードから高次モードまで複数個あるが、各ア
クチュエータの駆動軸の任意モード共振周波数に対して
上記周波数差を設ける。
【００４０】隣り合わないアクチュエータ間において
は、伝達される振動が減衰するため上記周波数差を設け
ないで多自由度駆動機構を構成することも可能である。
は、伝達される振動が減衰するため上記周波数差を設け
ないで多自由度駆動機構を構成することも可能である。
【００４１】以上説明したように、アクチュエータ１
０，２０；３０，４０，５０間の共振周波数に差を設け
るという簡単な構成で、多自由度駆動機構４，６の誤動
作を防止することができる。
０，２０；３０，４０，５０間の共振周波数に差を設け
るという簡単な構成で、多自由度駆動機構４，６の誤動
作を防止することができる。
【００４２】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
ものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００４３】
【実施例】図２の多自由度駆動機構４について、具体的
な構成を以下に示す。
な構成を以下に示す。
【００４４】駆動軸３２，４２，５２は、カーボンファ
イバーを５０体積％含有の繊維強化樹脂を用いて、角柱
形状に形成した。ばねと係合する一つの角は半径２．５
ｍｍの曲面に形成している。駆動軸３２，４２，４２の
寸法は、それぞれ、４．５ｍｍ×４．５ｍｍ×４０ｍ
ｍ、３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×２０ｍｍ、３．５ｍｍ×
３．５ｍｍ×２５ｍｍである。駆動軸３２，４２，５２
のヤング率は金属（鉄）の約０．７倍であり、密度は電
気−機械変換素子３４，４４，５４の約１／４倍であ
る。
イバーを５０体積％含有の繊維強化樹脂を用いて、角柱
形状に形成した。ばねと係合する一つの角は半径２．５
ｍｍの曲面に形成している。駆動軸３２，４２，４２の
寸法は、それぞれ、４．５ｍｍ×４．５ｍｍ×４０ｍ
ｍ、３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×２０ｍｍ、３．５ｍｍ×
３．５ｍｍ×２５ｍｍである。駆動軸３２，４２，５２
のヤング率は金属（鉄）の約０．７倍であり、密度は電
気−機械変換素子３４，４４，５４の約１／４倍であ
る。
【００４５】電気−機械変換素子３４，４４，５４に
は、圧電材料としてＰＺＴ〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３〕
を用いる積層型の圧電素子、すなわちピエゾ素子を用い
た。電気−機械変換素子３４，４４，５４の断面は正方
形である。寸法は、それぞれ、６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍ
ｍ、３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍ、３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍ
である。電気−機械変換素子３４には約７０ｋＨｚ、電
気−機械変換素子４４には約１２０ｋＨｚ，電気−機械
変換素子５４には約１００ｋＨｚの駆動周波数の駆動パ
ルスを印加することにより、他のアクチュエータを誤動
作させることなく、各アクチュエータ３０，４０，５０
をそれぞれ駆動することができた。
は、圧電材料としてＰＺＴ〔Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３〕
を用いる積層型の圧電素子、すなわちピエゾ素子を用い
た。電気−機械変換素子３４，４４，５４の断面は正方
形である。寸法は、それぞれ、６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍ
ｍ、３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍ、３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍ
である。電気−機械変換素子３４には約７０ｋＨｚ、電
気−機械変換素子４４には約１２０ｋＨｚ，電気−機械
変換素子５４には約１００ｋＨｚの駆動周波数の駆動パ
ルスを印加することにより、他のアクチュエータを誤動
作させることなく、各アクチュエータ３０，４０，５０
をそれぞれ駆動することができた。
【００４６】図４は、各アクチュエータ３０，４０，５
０の振動特性の測定結果を示す。
０の振動特性の測定結果を示す。
【００４７】振動特性は、各アクチュエータ３０，４
０，５０ごとに測定した。すなわち、図３に示すよう
に、スライダーを取り外したアクチュエータ７０につい
て、電気−機械変換素子７４を上にして駆動軸７２の下
端を接地させて取り付け、電気−機械変換素子７４と駆
動軸７２の境界にＬ型の反射部材７７を配置し、その反
射面７７上に、矢印７８で示すように、上方からレーザ
を照射し、軸方向の振幅をドップラー計測した。
０，５０ごとに測定した。すなわち、図３に示すよう
に、スライダーを取り外したアクチュエータ７０につい
て、電気−機械変換素子７４を上にして駆動軸７２の下
端を接地させて取り付け、電気−機械変換素子７４と駆
動軸７２の境界にＬ型の反射部材７７を配置し、その反
射面７７上に、矢印７８で示すように、上方からレーザ
を照射し、軸方向の振幅をドップラー計測した。
【００４８】図４では、各アクチュエータ３０，４０，
５０の振動特性曲線３８，４８，５８の高さを揃えるた
め、縦軸を振幅相対値で示している。符号３９ａ，３９
ｂ；４９ａ，４９ｂ；５９ａ，５９ｂは、主な共振点
（１次及び２次の共振点）の両側のハーフ・パワー・ポ
イント間の共振周波数帯域、すなわち振幅が共振点の最
大振幅の１／√２倍以上となる周波数帯域（以下、「主
な共振周波数帯域」と呼ぶ）を示す。
５０の振動特性曲線３８，４８，５８の高さを揃えるた
め、縦軸を振幅相対値で示している。符号３９ａ，３９
ｂ；４９ａ，４９ｂ；５９ａ，５９ｂは、主な共振点
（１次及び２次の共振点）の両側のハーフ・パワー・ポ
イント間の共振周波数帯域、すなわち振幅が共振点の最
大振幅の１／√２倍以上となる周波数帯域（以下、「主
な共振周波数帯域」と呼ぶ）を示す。
【００４９】固定側のアクチュエータ３０は、１次の共
振点３９付近の周波数で駆動した。中間及び駆動側のア
クチュエータ４０，５０は、２次の共振点４９，５９付
近の周波数で駆動した。
振点３９付近の周波数で駆動した。中間及び駆動側のア
クチュエータ４０，５０は、２次の共振点４９，５９付
近の周波数で駆動した。
【００５０】図４から明らかなように、固定側のアクチ
ュエータ３０の駆動周波数（約７０ｋＨｚ）は、隣接す
る中間のアクチュエータ４０の主な共振周波数帯域４９
ａ，４９ｂから離れている。同様に、中間のアクチュエ
ータ４０の駆動周波数（約１２０ｋＨｚ）は、隣接する
固定側及び駆動側のアクチュエータ３０，５０の主な共
振周波数帯域３９ａ，３９ｂ；５９ａ，５９ｂから離れ
ている。同様に、駆動側のアクチュエータ５０の駆動周
波数（約１００ｋＨｚ）は、隣接する中間のアクチュエ
ータ４０の主な共振周波数帯域４９ａ，４９ｂから離れ
ている。
ュエータ３０の駆動周波数（約７０ｋＨｚ）は、隣接す
る中間のアクチュエータ４０の主な共振周波数帯域４９
ａ，４９ｂから離れている。同様に、中間のアクチュエ
ータ４０の駆動周波数（約１２０ｋＨｚ）は、隣接する
固定側及び駆動側のアクチュエータ３０，５０の主な共
振周波数帯域３９ａ，３９ｂ；５９ａ，５９ｂから離れ
ている。同様に、駆動側のアクチュエータ５０の駆動周
波数（約１００ｋＨｚ）は、隣接する中間のアクチュエ
ータ４０の主な共振周波数帯域４９ａ，４９ｂから離れ
ている。
【００５１】さらに、固定側のアクチュエータ３０の駆
動周波数（約７０ｋＨｚ）は、隣接しない駆動側のアク
チュエータ５０の主な共振周波数帯域５９ａ，５９ｂか
らも離れている。同様に、駆動側のアクチュエータ５０
の駆動周波数（約１００ｋＨｚ）は、隣接しない固定側
のアクチュエータ３０の主な共振周波数帯域３９ａ，３
９ｂからも離れている。
動周波数（約７０ｋＨｚ）は、隣接しない駆動側のアク
チュエータ５０の主な共振周波数帯域５９ａ，５９ｂか
らも離れている。同様に、駆動側のアクチュエータ５０
の駆動周波数（約１００ｋＨｚ）は、隣接しない固定側
のアクチュエータ３０の主な共振周波数帯域３９ａ，３
９ｂからも離れている。
【００５２】なお、さらに高次の共振点では振動特性曲
線が急峻ではなく、アクチュエータを駆動することがで
きないので、誤動作を考慮する必要もない。
線が急峻ではなく、アクチュエータを駆動することがで
きないので、誤動作を考慮する必要もない。
【図１】 本発明の一実施例に係る多自由度駆動機構の
斜視図である。
斜視図である。
【図２】 変形例の多自由度駆動機構の斜視図である。
【図３】 振動特性の測定方法の説明図である。
【図４】 図２の多自由度駆動機構の振動特性を示す図
である。
である。
４，６ 多自由度駆動機構
１０ アクチュエータ（第１のアクチュエータ）
１２ 駆動軸
１４ 電気−機械変換素子（電気−機械変換素子）
１６ スライダー（被駆動部材）
１７ ばね
２０ アクチュエータ（第２のアクチュエータ）
２２ 駆動軸
２４ 電気−機械変換素子（電気−機械変換素子）
２６ スライダー（被駆動部材）
２７ ばね
３０ アクチュエータ（第１のアクチュエータ）
４０ アクチュエータ（他のアクチュエータ）
５０ アクチュエータ（第２のアクチュエータ）
Claims (4)
- 【請求項１】 電気・機械変換素子と、該電気・機械変
換素子がその一端に固定された駆動軸と、該駆動軸に摩
擦係合する被駆動部材と備え、上記電気・機械変換素子
により上記駆動軸に縦共振を起こして上記被駆動部材を
上記駆動軸に沿って移動させることができる、少なくと
も２つの第１及び第２のアクチュエータを含み、上記第
１のアクチュエータの上記被駆動部材に、直接又は他の
アクチュエータを介して、上記第２のアクチュエータの
上記駆動軸の他端が固定された多自由度駆動機構におい
て、 上記第１及び第２のアクチュエータは、それぞれの上記
駆動軸の共振周波数が互いに異なるように構成されたこ
とを特徴とする、多自由度駆動機構。 - 【請求項２】 上記各アクチュエータは、それぞれ、上
記駆動軸の共振周波数又はその近傍の共振周波数帯域に
含まれる駆動周波数で、上記電気−機械変換素子が駆動
され、 上記第１のアクチュエータの上記駆動周波数は、上記第
２のアクチュエータの上記駆動周波数が含まれる上記第
２のアクチュエータの上記共振周波数帯域外にあり、 上記第２のアクチュエータの上記駆動周波数は、上記第
１のアクチュエータの上記駆動周波数が含まれる上記第
１のアクチュエータの上記共振周波数帯域外にあること
を特徴とする、請求項１記載の多自由度駆動機構。 - 【請求項３】 上記第１のアクチュエータを駆動する上
記駆動周波数は、上記第２のアクチュエータの上記駆動
周波数が含まれる上記第２のアクチュエータの上記共振
周波数帯域とは次数が異なる上記第２のアクチュエータ
の上記共振周波数帯域外にあり、 上記第２のアクチュエータを駆動する上記駆動周波数
は、上記第１のアクチュエータの上記駆動周波数が含ま
れる上記第１のアクチュエータの上記共振周波数帯域と
は次数が異なる上記第１のアクチュエータの上記共振周
波数帯域外にあることを特徴とする、請求項２記載の多
自由度駆動機構。 - 【請求項４】 上記各共振周波数帯域は、当該共振周波
数における最大振幅の１／√２倍以上の振幅を当該アク
チュエータの駆動軸に与える当該共振周波数近傍の周波
数を含むことを特徴とする、請求項１、２又は３記載の
多自由度駆動機構。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001221333A JP2003033053A (ja) | 2001-07-23 | 2001-07-23 | 多自由度駆動機構 |
| US10/199,711 US6774538B2 (en) | 2001-07-23 | 2002-07-19 | Multi-degree-of-freedom drive mechanism |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001221333A JP2003033053A (ja) | 2001-07-23 | 2001-07-23 | 多自由度駆動機構 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003033053A true JP2003033053A (ja) | 2003-01-31 |
Family
ID=19055015
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001221333A Pending JP2003033053A (ja) | 2001-07-23 | 2001-07-23 | 多自由度駆動機構 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6774538B2 (ja) |
| JP (1) | JP2003033053A (ja) |
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| US7298398B2 (en) | 2003-06-26 | 2007-11-20 | Konica Minolta Holdings, Inc. | Image capturing apparatus |
| US7446811B2 (en) | 2003-04-25 | 2008-11-04 | Minolta Co., Ltd. | Driving controller and method for driving plural driving units and image sensing apparatus |
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| EP1812975B1 (de) * | 2004-11-15 | 2008-07-02 | Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG | Linearer ultraschallmotor |
| CN101142633B (zh) * | 2005-03-16 | 2010-09-01 | 平田机工株式会社 | 精密定位装置 |
| US20070176514A1 (en) * | 2006-01-27 | 2007-08-02 | Taiwan Advanced Materials Technologies Corp. | Electromechanical actuator structure |
| CN102497129B (zh) * | 2011-12-06 | 2014-06-04 | 浙江大学 | 由多极化方式压电驱动器驱动的多自由度微操作器 |
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Family Cites Families (10)
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| JPS6311074A (ja) | 1986-07-01 | 1988-01-18 | Takashi Matsuda | 慣性駆動方式振動モ−タ |
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