JP2007236138A - Drive device and vibrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、駆動装置および当該駆動装置に用いられる振動体に関する。 The present invention relates to a drive device and a vibrating body used in the drive device.
圧電素子などに交流電圧を供給することによって振動体を振動させ、当該振動体との接触および離反を繰り返すことによって被駆動体を摩擦力で駆動する駆動装置が存在する（例えば、特許文献１，２参照）。
There is a drive device that vibrates a vibrating body by supplying an AC voltage to a piezoelectric element or the like, and drives a driven body with a frictional force by repeating contact and separation with the vibrating body (for example,
上記のような駆動装置においては、例えば、図３３に示すような参考例１に係る振動体１０Ｚが用いられ得る。なお、図３３の振動体１０Ｚは、上記特許文献２の振動体に若干の変更を加えたものに相当する。
In the drive device as described above, for example, a vibrating
この振動体１０Ｚは、略直角に交差する２つの圧電素子（変位素子）１１，１２と、当該２つの圧電素子１１，１２の交差端側に接合されるチップ部材１３と、当該２つの圧電素子の他端側に接合されるベース部材１４（詳細には１４Ｚ）とを有している。２つの圧電素子１１，１２に対して位相の異なる高周波信号がそれぞれ印加されることによって、チップ部材１３に楕円振動が発生し、この楕円振動に基づく駆動力が被駆動体３０に伝達される。
The vibrating
ところで、上記のような駆動装置においては、その振動体の小型化を図ることが好ましい。 By the way, in the drive device as described above, it is preferable to reduce the size of the vibrator.
図３４は、参考例２に係る振動体１０Ｙを示す図である。振動体１０Ｙは、振動体１０Ｚ（図３３）のベース部材１４Ｚの高さを低減することによって小型化されたものである。この振動体１０Ｙは、振動体１０Ｚとほぼ同様の構成を有するが、ベース部材１４Ｚの代わりにベース部材１４Ｙを有する点で振動体１０Ｚと相違する。ベース部材１４Ｙの基準高さｈ１は、ベース部材１４Ｚの基準高さｈ０に比べて低減されている。
FIG. 34 is a diagram illustrating a vibrating
しかしながら、このようにベース部材の高さを低減することのみによって振動体の小型化を図ると、駆動力が低下し、その駆動状態が不安定になるという問題が発生する。なお、このような駆動力の低下現象等については、後に詳述する。 However, when the size of the vibrating body is reduced only by reducing the height of the base member in this way, there arises a problem that the driving force is lowered and the driving state becomes unstable. Note that such a driving force reduction phenomenon will be described in detail later.
そこで、この発明の課題は、振動体の小型化を図るに際して、振動体の駆動力の低下を抑制することが可能な技術を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing a decrease in driving force of the vibrating body when the size of the vibrating body is reduced.
上記課題を解決すべく、請求項１の発明は、楕円振動を用いて被駆動体を駆動する駆動装置であって、被駆動体に駆動力を伝達するチップ部材と、互いに所定の角度を有する状態で前記チップ部材にそれぞれその一端側が接合される複数の変位素子と、前記複数の変位素子の各他端側に接合されるベース部材と、前記複数の変位素子の少なくとも１つに駆動信号を付与することによって前記チップ部材に楕円振動を励起する制御手段とを備え、前記複数の変位素子は、第１の変位素子と第２の変位素子とを有し、前記ベース部材は、第１の接合部で前記第１の変位素子と接合され且つ第２の接合部で前記第２の変位素子と接合されるとともに、前記第１の接合部と前記第２の接合部との間において前記チップ部材側に張り出すように屈曲する屈曲部分を有することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of
請求項２の発明は、請求項１の発明に係る駆動装置において、前記屈曲部分は、前記チップ部材側に凸のＶ字状あるいは前記チップ部材側に凸のＵ字状に形成されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the drive device according to the first aspect of the invention, the bent portion is formed in a V shape that is convex toward the tip member or a U shape that is convex toward the tip member. It is characterized by.
請求項３の発明は、楕円振動を用いて被駆動体を駆動する駆動装置であって、被駆動体に駆動力を伝達するチップ部材と、互いに所定の角度を有する状態で前記チップ部材にそれぞれその一端側が接合される複数の変位素子と、前記複数の変位素子の各他端側に接合されるベース部材と、前記複数の変位素子の少なくとも１つに駆動信号を付与することによって前記チップ部材に楕円振動を励起する制御手段とを備え、前記複数の変位素子は、第１の変位素子と第２の変位素子とを有し、前記ベース部材は、第１の接合部で前記第１の変位素子と接合され且つ第２の接合部で前記第２の変位素子と接合されるとともに、前記第１の接合部と前記第２の接合部との間において、前記チップ部材側に突出する突出部分と、その剛性が局所的に低減された低剛性部分とを有することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a driving device for driving a driven body using elliptical vibration, and a chip member for transmitting a driving force to the driven body and each of the chip members having a predetermined angle with each other. The tip member by applying a driving signal to at least one of the plurality of displacement elements whose one end is joined, a base member joined to each other end of the plurality of displacement elements, and the plurality of displacement elements And a control means for exciting the elliptical vibration, wherein the plurality of displacement elements include a first displacement element and a second displacement element, and the base member is a first joint at the first joint. A protrusion that is bonded to a displacement element and bonded to the second displacement element at a second bonding portion, and protrudes toward the chip member between the first bonding portion and the second bonding portion. Part and its stiffness locally reduced And having a low rigidity portion is.
請求項４の発明は、請求項３の発明に係る駆動装置において、前記低剛性部分は、スリットを設けることによって構成されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the drive device according to the third aspect of the invention, the low-rigidity portion is configured by providing a slit.
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかの発明に係る駆動装置において、前記ベース部材の材料は、タングステンカーバイト系超硬合金、タングステン、またはタングステン合金を含むことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the driving apparatus according to any one of the first to fourth aspects of the present invention, the material of the base member includes tungsten carbide cemented carbide, tungsten, or tungsten alloy. And
請求項６の発明は、楕円振動を用いて被駆動体を駆動する駆動装置における駆動源として用いられる振動体であって、被駆動体に駆動力を伝達するチップ部材と、互いに所定の角度を有する状態で前記チップ部材にそれぞれその一端側が接合される複数の変位素子と、前記複数の変位素子の各他端側に接合されるベース部材とを備え、前記複数の変位素子は、前記チップ部材に楕円振動を励起することが可能であり、第１の変位素子と第２の変位素子とを有し、前記ベース部材は、第１の接合部で前記第１の変位素子と接合され且つ第２の接合部で前記第２の変位素子と接合されるとともに、前記第１の接合部と前記第２の接合部との間において前記チップ部材側に張り出すように屈曲する屈曲部分を有することを特徴とする。 The invention according to claim 6 is a vibrating body used as a driving source in a driving device that drives a driven body using elliptical vibration, and a chip member that transmits driving force to the driven body and a predetermined angle with each other. A plurality of displacement elements each having one end joined to the chip member in a state of having a base member joined to each other end of the plurality of displacement elements. The first displacement element and the second displacement element, wherein the base member is joined to the first displacement element at a first joint portion and a first displacement element is provided. And a bent portion that is bent so as to protrude toward the chip member between the first bonded portion and the second bonded portion. It is characterized by.
請求項７の発明は、請求項６の発明に係る振動体において、前記屈曲部分は、前記チップ部材側に凸のＶ字状あるいは前記チップ部材側に凸のＵ字状に形成されていることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the vibrator according to the sixth aspect of the invention, the bent portion is formed in a convex V shape on the tip member side or a convex U shape on the tip member side. It is characterized by.
請求項８の発明は、楕円振動を用いて被駆動体を駆動する駆動装置における駆動源として用いられる振動体であって、被駆動体に駆動力を伝達するチップ部材と、互いに所定の角度を有する状態で前記チップ部材にそれぞれその一端側が接合される複数の変位素子と、前記複数の変位素子の各他端側に接合されるベース部材とを備え、前記複数の変位素子は、前記チップ部材に楕円振動を励起することが可能であり、第１の変位素子と第２の変位素子とを有し、前記ベース部材は、第１の接合部で前記第１の変位素子と接合され且つ第２の接合部で前記第２の変位素子と接合されるとともに、前記第１の接合部と前記第２の接合部との間において、前記チップ部材側に突出する突出部分と、その剛性が局所的に低減された低剛性部分とを有することを特徴とする。 The invention according to claim 8 is a vibrating body used as a driving source in a driving device that drives a driven body using elliptical vibration, and a chip member that transmits a driving force to the driven body and a predetermined angle with each other. A plurality of displacement elements each having one end joined to the chip member in a state of having a base member joined to each other end of the plurality of displacement elements. The first displacement element and the second displacement element, wherein the base member is joined to the first displacement element at a first joint portion and a first displacement element is provided. 2 is joined to the second displacement element, and a projecting portion projecting toward the tip member between the first joined portion and the second joined portion, and its rigidity is locally With reduced stiffness and reduced stiffness I am characterized in.
請求項９の発明は、請求項８の発明に係る振動体において、前記低剛性部分は、スリットを設けることによって構成されることを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in the vibrator according to the eighth aspect of the invention, the low-rigidity portion is configured by providing a slit.
請求項１０の発明は、請求項６ないし請求項９のいずれかの発明に係る振動体において、前記ベース部材の材料は、タングステンカーバイト系超硬合金、タングステン、またはタングステン合金を含むことを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the vibrating body according to any of the sixth to ninth aspects, the material of the base member includes tungsten carbide cemented carbide, tungsten, or a tungsten alloy. And
請求項１から請求項１０に記載の発明によれば、振動体の駆動力の低下を抑制もしくは回避し、安定的な駆動状態を得ることが可能である。 According to the first to tenth aspects of the present invention, it is possible to suppress or avoid a decrease in the driving force of the vibrating body and obtain a stable driving state.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
＜Ａ．第１実施形態＞
＜Ａ１．構成概要＞
＜全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る駆動装置（振動アクチュエータ）１Ａの構成を示す図である。図２は、当該振動アクチュエータ１Ａに用いられる振動体１０（詳細には振動体１０Ａ）の正面図であり、図３は当該振動体１０Ａの側面図である。なお、これらの図においては、適宜ＸＹＺ直交座標系を用いて方向等を表現するものとする。
<A. First Embodiment>
<A1. Outline of configuration>
<Overall configuration>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a drive device (vibration actuator) 1A according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a front view of the vibrating body 10 (specifically, the vibrating
図１に示すように、振動アクチュエータ１Ａは、駆動源である振動体１０Ａと、振動体１０Ａにより駆動される１つの被駆動体（移動体）３０と、加圧部材４０と、規制部材６０（６０ａ，６０ｂ）と、制御回路８０とを備えている。加圧部材４０は、振動体１０Ａを加圧方向（図のＺ方向）において被駆動体３０に向けて押し付けるための部材（弾性部材）であり、振動体１０ＡのＺ方向下側に設けられている。また、規制部材６０は、駆動反力等による振動体１０ＡのＸ方向への移動を規制する役割を果たす。
As shown in FIG. 1, the vibration actuator 1A includes a vibrating
この駆動装置１Ａは、複数の変位素子（ここでは圧電素子１１，１２）に交流電圧を供給することによって振動体１０Ａに楕円振動を励起し、当該振動体１０Ａとの接触および離反を繰り返すことによって被駆動体３０を摩擦力等を用いて駆動する装置である。
The drive device 1A excites elliptical vibration in the vibrating
＜振動体＞
図２に示すように、振動体１０Ａは、２つの圧電素子１１，１２を用いたトラス型の振動発生体として構成される。具体的には、振動体１０Ａは、２つの圧電素子（変位素子）１１，１２と、チップ部材１３と、ベース部材１４（詳細にはベース部材１４Ａ）とを備えている。振動体１０Ａは、高周波電圧（高周波信号）の印加に応じて振動する。
<Vibrating body>
As shown in FIG. 2, the
細長形状を有する２つの圧電素子１１，１２は略直角に交差して配置される。当該２つの圧電素子１１，１２の各一端側（交差側端部）はチップ部材１３に接合されており、これら圧電素子１１，１２の各他端側はベース部材１４Ａに接合されている。詳細には、接合部Ｃ１においてベース部材１４と圧電素子１１とが接合されており、接合部Ｃ２においてベース部材１４と圧電素子１２とが接合されている。
The two
チップ部材１３は、安定して高い摩擦係数を得ることができるとともに高い耐摩耗性を得ることができる材料（例えば、超硬合金や、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックス）で形成されることが好ましい。ベース部材１４Ａは、大きな比重を有する材料（例えば、ＷＣ（タングステンカーバイド）系の超硬合金（換言すれば、タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金）、タングステン、あるいはタングステン合金などの金属材料）で形成されることが好ましい。また、圧電素子１１，１２と各部材１３，１４とは、接着剤を用いて接合されている。接着剤としては、接着強度に優れたエポキシ系樹脂の接着剤を用いることが好ましい。
The
圧電素子１１は、積層型圧電素子であり、圧電特性を有する複数のセラミック薄板と電極とを交互に積層した構造を有している。圧電素子１１は、印加電圧の変更に応じて積層方向に伸縮する変位素子である。圧電素子１２も圧電素子１１と同様の構成を備えており、印加電圧の変更に応じて積層方向に伸縮する。具体的には、所定の符号の電圧を圧電素子１１に印加すると圧電素子１１は伸び、逆符号の電圧を圧電素子１１に印加すると圧電素子１１は縮む。そして、交流電圧を印加すれば、圧電素子１１は当該交流電圧の周期に応じて伸縮を繰り返すことになる。圧電素子１２についても同様である。このような交流電圧を印加することによって、圧電素子１１および／または圧電素子１２を振動させることができる。
The
このように、交流電圧を印加することによって、圧電素子１１，１２を振動させることができる。そして、次述するように、印加電圧を制御することによれば、チップ部材１３を楕円軌道（円軌道を含む）または直線軌道を描くように移動させることができる。なお、共振現象を用いることによって、圧電素子１１，１２の振幅は数倍から数十倍に増幅され、振動体１０Ａは比較的大きく振動する。
Thus, the
図４は、振動体１０Ａによる駆動動作を示す図である。図４に示すように、振動体１０Ａの圧電素子１１，１２に対する駆動交流電圧における駆動周波数を同一にするとともに、その位相差を制御することによって、チップ部材１３の移動動作を制御することができる。なお、図４（a）〜（c)のそれぞれにおける矢印は、微小振動の振動状態を概念的に表している。
FIG. 4 is a diagram illustrating a driving operation by the vibrating
たとえば、２つの圧電素子１１，１２に対して、同一周波数且つ同一位相の高周波交流電圧を付与することによれば、圧電素子１１，１２は常に同一の向きに振動し、図４（ａ）に示すように、チップ部材１３が上下方向に駆動される。なお、その周波数を共振周波数に合わせることで、２つの圧電素子１１，１２が同位相で伸縮する振動モード（以下、「同相モード」とも称する）が励起できる。その概念図を図５に示す。
For example, by applying a high frequency AC voltage having the same frequency and the same phase to the two
また、２つの圧電素子１１，１２に対して、同一周波数且つ「逆位相」の高周波交流電圧を付与することによれば、圧電素子１１，１２は常に逆向きに振動し、図４（ｃ）に示すように、チップ部材１３が左右方向に駆動される。なお、その周波数を共振周波数に合わせることで、２つの圧電素子１１，１２が逆位相で伸縮する振動モード（以下、「逆相モード」とも称する）が励起できる。その概念図を図６に示す。
Further, by applying a high-frequency AC voltage having the same frequency and “reverse phase” to the two
これら同相モード、逆相モードの共振周波数を一致させることで、両モードが同時に励起され、２つの圧電素子１１，１２に対して、９０度（deg）の位相差を有する共振周波数の高周波交流電圧を付与することによれば、図４（ｂ）に示すように、チップ部材１３は楕円軌道を描くように駆動される。また、両駆動電圧の位相差を様々な値に変更することによって、楕円軌道の形状を変更することが可能である。
By matching the resonance frequencies of the in-phase mode and the anti-phase mode, both modes are excited at the same time, and a high frequency AC voltage having a resonance frequency of 90 degrees (deg) with respect to the two
振動体１０Ａは、このような楕円軌道を含む面（振動面とも称する）における振動動作を用いて、被駆動体３０を駆動する。具体的には、後述するように、チップ部材１３が被駆動体３０（図１）に適宜に押し付けられることによって、チップ部材１３の楕円運動が被駆動体３０の直線運動に変換され、被駆動体３０が駆動される。
The vibrating
なお、ここでは２つの圧電素子１１，１２の両方に駆動信号を付与する駆動方式、詳細には２つの圧電素子１１，１２に印加する駆動交流電圧の位相差を制御して振動体１０Ａを駆動する駆動方式（以下、「位相差駆動方式」とも称する）を例示している。ただし、本発明はこれに限定されず、複数の圧電素子（変位素子）の少なくとも１つに駆動信号を付与することによってチップ部材に楕円振動が励起されればよい。例えば、１つの圧電素子にのみ駆動信号を付与する駆動方式（以下、「単相駆動方式」とも称する）によって、振動体１０Ａを振動させるようにしてもよい。「単相駆動方式」は、同位相モードにおける共振周波数と逆相モードにおける共振周波数とに所定の差を設けた上で、２つの圧電素子１１，１２のうちの一方の圧電素子（例えば圧電素子１１）にのみ駆動信号を印加することによって振動体１０Ａを駆動する方式である。この単相駆動方式については後述する。
Here, a driving method for applying a driving signal to both of the two
＜被駆動体＞
図１に示されるように、被駆動体３０は、振動体１０Ａに接触する部材であり、振動体１０Ａ（詳細にはチップ部材１３）からの駆動力が直接的に伝達される部材である。具体的には、被駆動体３０は、振動体１０Ａの振動動作に応じて振動体１０Ａとの接触（衝突）および振動体１０Ａからの離反を繰り返しつつ振動体１０Ａとの間に生じる摩擦力によって駆動される。換言すれば、振動体１０Ａは、被駆動体３０の表面において摩擦接触を伴う微小移動動作を繰り返すことによって、被駆動体３０を駆動することになる。
<Driven object>
As shown in FIG. 1, the driven
被駆動体３０は、たとえば、金属（ステンレスあるいはアルミニウム等）で形成される。また、チップ部材１３との接触による摩耗を防ぐため、被駆動体３０の表面には表面硬化処理が施されることが好ましい。たとえば、被駆動体３０としては、ステンレスなどの鉄系材料に対して焼き入れ処理ないし窒化処理等を施したものが用いられる。あるいは、アルミニウムにアルマイト処理を施したもの、ないし、金属表面にセラミックなどによる耐摩耗性のコーティング処理を施したものを被駆動体３０として用いるようにしてもよい。また、被駆動体３０は、金属以外の材料、たとえばセラミック（アルミナセラミックあるいはジルコニアセラミック等）で形成されてもよい。セラミックを用いれば、軽量化を図ることができるとともに、高い剛性および高い耐摩耗性を得ることができる。
The driven
被駆動体３０は、リニアガイド７０によって支持されており、図の左右方向においてスムーズに直線運動することができる。
The driven
＜加圧部材＞
また、振動体１０Ａに対して被駆動体３０とは反対側に加圧部材４０が設けられている。加圧部材４０は、２つの規制部材６０ａ，６０ｂの間に架け渡されており、その両端においてそれぞれ規制部材６０ａ，６０ｂに固定されている。また、加圧部材４０は、その２カ所において逆Ｕ字に曲げ加工されており、当該２つの逆Ｕ字部分ＰＵにおいて振動体１０Ａのベース部材１４Ａに接触している。加圧部材４０は弾性部材として機能し、振動体１０Ａを＋Ｚ方向に付勢する役割を果たす。加圧部材４０によるこの付勢力によって、振動体１０Ａは被駆動体３０に所定の力で押しつけられている。なお、振動体１０Ａの振動周期は加圧部材４０の伸縮動作が追従できない程に短い（すなわち非常に高い周波数である）ため、振動体１０Ａのチップ部材１３は、加圧部材４０の付勢力に抗して、被駆動体３０に対して接触と離反とを繰り返すことができる。したがって、上述のような駆動動作を行うことが可能である。
<Pressurizing member>
A pressing
＜制御回路＞
制御回路８０は、ＭＰＵなどによって構成された電気回路である。制御回路８０は、圧電素子１１，１２に対する駆動信号を制御することによって、チップ部材１３の振動を制御する。
<Control circuit>
The
＜Ａ２．駆動原理＞
ここで、図７等を参照しながら、振動体１０による駆動原理についてさらに説明する。図７は、当該駆動原理について説明する図である。図７においては、振動体１０は簡略化して示されている。
<A2. Driving principle>
Here, the driving principle of the vibrating
図７に示すように、理想状態においては、まず、チップ部材１３が楕円軌道ＰＢの上側に存在する場合には、振動体１０のチップ部材１３が被駆動体３０に摩擦接触した状態で接触開始位置から接触終了位置まで（図の右側から左側へと）移動することによって、所定方向ＤＸ（図において左向き）の駆動力がチップ部材１３から被駆動体３０へと伝達される（図７（ａ））。そして、チップ部材１３が楕円軌道ＰＢの下側に存在する場合には（図７（ｂ））、チップ部材１３が被駆動体３０から離れた状態で図の左側から右側へと移動した後、接触開始位置側へと復帰して再び被駆動体３０への接触状態に復帰する（図７（ｃ））。以降同様の動作を繰り返すことによって、被駆動体３０がチップ部材１３と被駆動体３０との間に生じる摩擦力によって所定方向ＤＸ（Ｘ方向）に駆動される。すなわち、被駆動体３０は、振動体１０の振動動作に応じて振動体１０との接触および振動体１０からの離反を繰り返しつつ、振動体１０との間に生じる摩擦力によって駆動される。
As shown in FIG. 7, in the ideal state, first, when the
このような駆動状態においては、被駆動体３０の速度は、楕円軌道における方向Ｔ（上述の加圧方向に垂直な方向に相当）の速度に依拠して決定される。したがって、楕円軌道（楕円軌跡）の方向Ｔの径Ｒｔが大きいほど、被駆動体３０の速度が大きくなる。また、被駆動体３０の駆動力は、基本的には、方向Ｎ（上述の加圧方向に相当）においてチップ部材１３に加わる垂直抗力と、チップ部材１３の被駆動体３０に対する接触点における摩擦係数との積に依拠して決定される。
In such a driving state, the speed of the driven
被駆動体３０の駆動状態は、楕円軌道（楕円軌跡）の方向Ｎの径Ｒｎにも依拠する。上記においては考慮していなかったが、実際には被駆動体３０等に弾性変形が発生し、これに起因して駆動状態が不安定になることがある。具体的には、径Ｒｎが小さすぎる場合には、被駆動体３０および／またはチップ部材１３等の弾性変形によって、チップ部材１３と被駆動体３０とが常時接触した不安定な駆動状態になることがある。
The driving state of the driven
図８は、不安定な駆動状態の一例を示す図である。ここでは、被駆動体３０に弾性変形が発生している場合を想定する。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of an unstable driving state. Here, it is assumed that elastic deformation occurs in the driven
図８に示すように、チップ部材１３が楕円軌道ＰＢの下側に存在する場合（図８（ｂ））にも、被駆動体３０の弾性変形に起因してチップ部材１３が被駆動体３０から離れることができない状態になっている。そのため、被駆動体３０の目標駆動方向とは逆向きの力がチップ部材１３から被駆動体３０に伝達されることになる。この力が制動力として作用し、ブレーキがかかった状態になるため、被駆動体３０は十分な駆動力を得ることができず、速度が低下することになる。
As shown in FIG. 8, even when the
上記のような不都合が生じないようにして駆動状態を安定させるためには、楕円軌道の方向Ｎにおける径Ｒｎを所定値以上の値にすることが好ましい。すなわち、径Ｒｎは大きいことが好ましい。 In order to stabilize the driving state without causing the above-described disadvantages, it is preferable to set the diameter Rn in the direction N of the elliptical orbit to a value equal to or larger than a predetermined value. That is, the diameter Rn is preferably large.
図９は、２つの振動体１０Ｚ，１０Ｙ（図３３および図３４参照）をそれぞれ用いて同様の駆動を行った場合における両振動体１０Ｚ，１０Ｙの各楕円軌道ＥＬｚ，ＥＬｙを比較する図である。
FIG. 9 is a diagram comparing the elliptical trajectories ELz and ELy of both
図９からも判るように、振動体１０Ｙの楕円軌道ＥＬｙは、振動体１０Ｚの楕円軌道ＥＬｚに比べて、その（方向Ｎにおける）径Ｒｎが小さくなっている。
As can be seen from FIG. 9, the elliptical orbit ELy of the vibrating
上述のように、十分な駆動力を確保するためには、チップ部材１３の楕円振動の所定方向Ｎにおける径Ｒｎが大きいことが好ましい。しかしながら、振動体１０Ｙにおいては、振動体１０Ｚに比べて楕円振動における径Ｒｎが低減している。振動体１０Ｙにおける駆動力低下の問題は、このような径Ｒｎの低減に起因するものであると考えられる。
As described above, in order to ensure a sufficient driving force, it is preferable that the diameter Rn of the
＜Ａ３．ベース部材の構成＞
＜参考例に係る振動体の解析結果＞
上述のように、参考例１の振動体１０Ｚ（図３３参照）におけるベース部材１４の高さを単に低減して小型化した参考例２の振動体１０Ｙ（図３４参照）は、チップ部材１３の径Ｒｎが小さくなり、駆動力が低下するという問題を有している。
<A3. Configuration of base member>
<Analysis results of vibrator according to reference example>
As described above, the vibrating
そこで、当該問題の解決策を探求するため、本願の発明者らは、参考例１に係る振動体１０Ｚにおいて、ベース部材１４Ｚの重量または弾性率が変化するときに、チップ部材１３の方向Ｎにおけるチップ変位がどのように変化するかを有限要素法を用いて解析した。具体的には、圧電構造解析シミュレータを用いて、圧電素子１１，１２、チップ部材１３およびベース部材１４Ｚの特性を考慮した解析を行った。また、解析の容易化のため、同相モードの振動状態における径Ｒｎを求めている。
Therefore, in order to search for a solution to the problem, the inventors of the present application, in the vibrating
図１０および図１１は、その解析結果を示す図である。図１０は、ベース部材１４Ｚの重量（ベース重量とも称する）とチップ部材１３の方向Ｎにおける変位（チップ変位とも称する）との関係を示しており、図１１は、ベース部材１４Ｚの弾性率（ベース弾性率とも称する）とチップ部材１３の方向Ｎにおける変位との関係を示している。なお、解析においては、便宜上、ベース部材１４Ｚの密度（比重）を変化させることによってベース部材１４Ｚの重量を変化させ、ベース部材１４Ｚのヤング率を変化させることによってベース部材１４Ｚの弾性率を変化させている。
10 and 11 are diagrams showing the analysis results. FIG. 10 shows the relationship between the weight of the base member 14Z (also referred to as base weight) and the displacement of the
まず、図１０のグラフを参照すると、ベース重量が大きくなるにつれて、チップ変位が大きくなっていることが判る。 First, referring to the graph of FIG. 10, it can be seen that the tip displacement increases as the base weight increases.
図１２は、振動体１０をさらに簡略化したモデルを示す図である。ここでは、振動体１０の構成を、弾性体（バネ）の一端側にチップ部材１３が設けられ且つ他端側にベース部材１４Ｚ（１４）が設けられる構成に簡略化して模式化している。
FIG. 12 is a diagram illustrating a model in which the vibrating
同位相モードで共振する際の振動の節の位置Ｑは、チップ部材１３の質量ｍ１とベース部材１４の質量ｍ２との大小関係に応じて移動する。詳細には、当該節の位置Ｑは、ベース部材１４の質量ｍ２が大きくなるほど、ベース部材１４寄りに（図１２の右側へと）移動する。
The position Q of the vibration node when resonating in the same phase mode moves according to the magnitude relationship between the mass m1 of the
ここで、ベース部材１４の質量が異なる２つの振動体において、その総振幅（具体的には、図１２において節より左側の振幅ＳＷ１と節より右側の振幅ＳＷ２との和）が同一であると仮定する。このとき、比較的重いベース部材１４を有する振動体の方が、他方の振動体（比較的軽いベース部材１４を有する振動体）に比べて、節の位置Ｑがさらにベース部材１４側に存在し、節より左側の振幅ＳＷ１が大きくなり、チップ変位が大きくなる。比較的大きな重量を有するベース部材１４を用いる方が、チップ変位が比較的大きくなるのは、以上のような理由によるものと考えられる。
Here, in two vibrating bodies having different masses of the
また、図１１のグラフを参照すると、ベース弾性率が小さくなるにつれて、チップ変位が大きくなっていることが判る。 Further, referring to the graph of FIG. 11, it can be seen that the tip displacement increases as the base elastic modulus decreases.
図１３および図１４は、それぞれ、ベース部材１４の弾性率を変更したときの同相モードにおける振動状態を示す図である。図１３は、ベース部材１４（１４Ｚ）が比較的小さな弾性率（低弾性率）を有する場合を示し、図１４は、ベース部材１４（１４Ｚ）が比較的大きな弾性率（高弾性率）を有する場合を示している。なお、図１３および図１４は、いずれも、同相モードにおける各圧電素子１１，１２の伸長時の状態を示している。
FIGS. 13 and 14 are diagrams showing vibration states in the in-phase mode when the elastic modulus of the
図１３および図１４を相互に比較すると判るように、高弾性率のベース部材１４を有する振動体（図１４）は、低弾性率のベース部材を有する振動体（図１３）に比べて、矢印ＡＲ１向きの曲げ変形が比較的大きく生じている。なお、矢印ＡＲ１向きの曲げ変形は、各圧電素子１１，１２の伸縮方向に垂直な方向への曲げ変形であって、内側方向への曲げ変形（あるいは、圧電素子１１，１２およびベース部材１４で囲まれる空間側への曲げ変形）であるとも表現される。
As can be seen by comparing FIG. 13 and FIG. 14, the vibrating body (FIG. 14) having the
そのため、圧電素子１１，１２の伸長時において、チップ部材１３の＋Ｎ方向への伸びは、上記の曲げ変形によって比較的大きく減殺され、方向Ｎにおけるチップ変位は比較的小さくなる。
Therefore, when the
逆に、低弾性率のベース部材を有する振動体（図１３）は、高弾性率のベース部材を有する振動体（図１４）に比べて、矢印ＡＲ１の向きの曲げ変形が比較的小さくなる。そのため、圧電素子１１，１２の伸長時において、方向Ｎにおけるチップ部材１３の変位は比較的大きくなる。
On the contrary, the vibrating body having the base member having the low elastic modulus (FIG. 13) has a relatively small bending deformation in the direction of the arrow AR1 as compared with the vibrating body having the base member having the high elastic modulus (FIG. 14). Therefore, when the
以上のように、低弾性率のベース部材１４を用いる場合に比較的大きなチップ変位を得ることが可能である。
As described above, a relatively large tip displacement can be obtained when the
このように、ベース部材としては、その重量が大きいものであることが好ましく、その剛性が低いものであることが好ましいものと考えられる。 Thus, it is preferable that the base member has a large weight and preferably has a low rigidity.
＜本実施形態に係る振動体の解析結果＞
本発明に係る振動体１０Ａ等は、このような解析結果をも考慮して本願発明者らによって案出されたものである。
<Analysis result of vibrator according to this embodiment>
The vibrating
具体的には、本発明に係る振動体１０Ａのベース部材１４Ａは、図２のような形状を有している。詳細には、ベース部材１４Ａは、Ｖ字状（逆Ｖ字状）の屈曲部分ＢＤ、換言すれば、チップ部材１３側に凸の屈曲部分ＢＤを有している。この屈曲部分ＢＤは、圧電素子１１と圧電素子１２とに挟まれる空間において、ベース部材１４Ａの（加圧方向Ｎにおける）基準高さｈ１に対応する位置よりもチップ部材１３側に張り出すように屈曲している。このベース部材１４Ａは、所定の幅を有する略棒状部材が、接合部Ｃ１と接合部Ｃ２との間で屈曲されたような形状を有しているものとも表現される。なお、ここではベース部材１４Ａの材料として、ＷＣ（タングステンカーバイド）系超硬合金を用いている。また、ベース部材１４Ａの加圧方向における基準高さｈ１は、参考例２に係るベース部材１４Ｙの基準高さｈ１（図３４参照）と同じである。
Specifically, the
さて、図１５は、振動体１０Ａを位相差駆動（位相差＝９０度）したときの楕円軌道ＥＬａ（実線）を示す図である。図１５には、参考例１，２に係る振動体１０Ｚ，１０Ｙについて、同様の楕円軌道ＥＬｚ，ＥＬｙ（破線）も併せて示されている。また、図１６および図１７は、有限要素法による振動体１０Ａの解析結果を示す図である。図１６は、同相モードにおける振動体１０Ａの変形状態を示す図であり、図１７は、逆相モードにおける振動体１０Ａの変形状態を示す図である。
FIG. 15 is a diagram illustrating an elliptical trajectory ELa (solid line) when the
図１５に示されるように、本願発明に係る振動体１０Ａは、参考例１，２に係る振動体１０Ｚ，１０Ｙのいずれに比べても、方向Ｎにおける径Ｒｎが大きくなっており、駆動力の低下が抑制（ここではさらに駆動力が向上）され安定的な駆動状態を実現できることが判る。すなわち、振動体１０Ａによれば、振動体１０Ｚに比べてベース部材の高さを低減して小型化を図るとともに、安定的な駆動状態をも実現することが可能である。
As shown in FIG. 15, the vibrating
ここで、この現象をさらに検討するため、ベース部材１４における屈曲部分の有無が振動体１０Ａと相違する振動体との比較を行う。具体的には、参考例２に係る振動体１０Ｙ（図３４）を、振動体１０Ａ（図２）の比較の対象とする。ただし、必要に応じて、参考例２に係る振動体１０Ｙをより簡略化した参考例３に係る振動体１０Ｘ（図１８）をも比較の対象とする。なお、振動体１０Ｘのベース部材１４Ｘは、接合部Ｃ１と接合部Ｃ２との間において略一定高さｈ１の棒状部分ＳＤを有しており、ベース部材１４Ｘの高さｈ１とベース部材１４Ａの高さｈ１とは同一である。ベース部材１４Ｘは、その上側に切り欠き部分を有しない点で、ベース部材１４Ｙと相違する。
Here, in order to further examine this phenomenon, a comparison is made between a vibrating body that differs from the vibrating
屈曲部分を有するベース部材１４Ａ（図２）は、屈曲部分を有しないベース部材１４Ｙ（図３４）に比べて、約１．２倍の重量を有している。また、ベース部材１４Ａは、ベース部材１４Ｚ（図３３）と比べても約１．１倍の重量を有している。振動体１０Ｚを用いた上記の解析結果を考慮すると、このようなベース重量の増大が径Ｒｎの増大に寄与していると考えられる。
The
また、振動体１０Ａは、チップ部材１３側に張り出した屈曲部分ＢＤを有しており、圧電素子１１，１２の振動に応じて、屈曲部分ＢＤ（逆Ｖ字部分）の屈曲度合いが変化するように（換言すれば当該逆Ｖ字部分が開閉するように）揺動する。この場合、振動体１０Ａのベース部材１４Ａは、屈曲部分を有しないベース部材１４Ｘに比べて、ベース部材の実質的な腕長さが大きくなるため、その剛性が小さくなると考えられる。また、振動体１０Ｙのベース部材１４Ｙは、切り欠き部の存在によって振動体１０Ｘのベース部材１４Ｘよりも低剛性になっているため、ベース部材１４Ａとベース部材１４Ｙとの剛性比較は容易ではない。ただし、図１６を参照すると、振動体１０Ａにおける圧電素子１１，１２の矢印ＡＲ１の向きの曲げ変形は比較的小さくなっている。これは、図１３と図１４との比較検討結果（上述）を考慮すると、低剛性（低弾性率）に起因する状況であるものと推定される。振動体１０Ｚを用いた上記の解析結果を考慮すると、このようなベース剛性の低下が径Ｒｎの増大に寄与していると考えられる。なお、仮にベース剛性の低下が生じていないとしても、上述のベース重量の増大あるいは次述する接合点の後退量の減少等によって、径Ｒｎの低下抑制（ないし径Ｒｎの増大）が達成されるものと考えられる。
In addition, the vibrating
また、図１９は振動体１０Ｙ（または振動体１０Ｘ）を簡略化して示す図であり、図２０は本実施形態に係る振動体１０Ａを簡略化して示す図である。図１９および図２０は、同相モードの伸長時における各振動体１０Ｙ，１０Ａの変形の様子を示している。これらの図を参照しながら、各振動体１０Ｙ，１０Ａの同相モードの伸長時における接合点Ｃ２の後退量ＢＡについて考察する。
FIG. 19 is a simplified view of the vibrating
図１９に示すように、振動体１０Ｙのベース部材１４の（圧電素子１２との）接合部Ｃ２は、同相モードの伸長時にベース部材１４が弓形（ゆみなり）に変形することに応じて、圧電素子１１，１２の伸縮方向（ひいてはチップ部材１３の変位方向）において矢印ＡＲ２の向きに比較的大きく後退する。
As shown in FIG. 19, the joint C2 (with the piezoelectric element 12) of the
これに対して、図２０に示すように、振動体１０Ａの接合部Ｃ２も、同相モードの伸長時において、圧電素子１１，１２の伸縮方向において矢印ＡＲ２の向きに後退する（矢印ＡＷ１参照）。ただし、振動体１０Ａにおいては、同相モードの伸長時に、屈曲部分ＢＤがそのＶ字頂点部分を中心としてその屈曲角度をさらに小さくするように変形することに応じて、当該接合部Ｃ２は接合部Ｃ１側へも移動する（矢印ＡＷ２参照）。
On the other hand, as shown in FIG. 20, the joint C2 of the vibrating
このため、ベース部材１４Ａの（圧電素子１２との）接合部Ｃ２は圧電素子１２の伸縮方向において矢印ＡＲ２の向きに若干後退するとしても、接合部Ｃ２のその後退量ＢＡは図１９の場合に比べて小さくなる。したがって、方向Ｎにおけるチップ変位が接合部Ｃ２の後退に起因して低下することを抑制することが可能である。
For this reason, even if the joint portion C2 (with the piezoelectric element 12) of the
振動体１０Ａにおける径Ｒｎの大径化は、上述したような要因によって招来されるものと考察される。
It is considered that the increase in the diameter Rn of the vibrating
以上のように、上記の振動体１０Ａを用いることによれば、図１５に示されるような振動特性を得ることが可能である。すなわち、方向Ｎにおける径Ｒｎを大きくして駆動力の低下を抑制（理想的には駆動力低下を回避）し、安定的な駆動状態を得ることが可能である。
As described above, by using the vibrating
また、ベース部材１４の屈曲部分ＢＤは、接合部Ｃ１と接合部Ｃ２との間において、チップ部材１３側に（図の上向きに）張り出しているので、他の向き（例えば、図の下向きに或いは横向き）に張り出す場合に比べて、小型化を図ることができる。
In addition, the bent portion BD of the
また、ベース部材１４の材料は、比較的比重の大きいもの（例えば、タングステンカーバイト系超硬合金、タングステン、またはタングステン合金等）であることが好ましく、特に、チップ部材１３の材料よりも比重が大きいことが好ましい。これによれば、ベース重量を増大させて、より安定的な駆動状態を実現することができる。
Further, the material of the
＜Ｂ．第２実施形態＞
第２実施形態に係る振動アクチュエータ１Ｂは、第１実施形態と同様の構成を備える。ただし、振動体１０（１０Ｂ）、特にベース部材１４（１４Ｂ）において、第１実施形態と相違する。以下では、第２実施形態に係る振動アクチュエータ１Ｂについて、第１実施形態に係る振動アクチュエータ１Ａとの相違点を中心に説明する。
<B. Second Embodiment>
The vibration actuator 1B according to the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment. However, the vibrating body 10 (10B), particularly the base member 14 (14B) is different from the first embodiment. Hereinafter, the vibration actuator 1B according to the second embodiment will be described focusing on differences from the vibration actuator 1A according to the first embodiment.
図２１は、第２実施形態に係る振動体１０Ｂの構成を示す正面図である。振動体１０Ｂは、ベース部材１４Ａではなくベース部材１４Ｂを有する点で、第１実施形態の振動体１０Ａと相違する。
FIG. 21 is a front view illustrating a configuration of a vibrating
ベース部材１４Ｂは、その一端側の接合部Ｃ１で圧電素子１１と接合され且つ他端側の別の接合部Ｃ２で圧電素子１２と接合される。また、ベース部材１４Ｂは、接合部Ｃ１と接合部Ｃ２との間において、チップ部材１３側に突出する突出部分ＰＪと、局所的に剛性が低くなっている部分（以下、「局所的低剛性部分」とも称する）ＬＥとを有している。ここでは、局所的低剛性部分ＬＥは、スリットＳＬ（切り欠き部）を設けた部分においてベース部材１４Ｂの高さ（図２１の上下方向の長さ）を局所的に低減させることによって構成されている。この局所的低剛性部分ＬＥは、ベース部材１４ＢのＺ方向の大きさ（高さないし幅とも称する）が局所的に狭くなっているので、「狭幅部」とも称される。
The base member 14B is joined to the
このようなベース部材１４Ｂを用いることによって、振動体１０Ｂの小型化を図ることができる。なお、ベース部材１４Ｂの加圧方向における基準高さｈ１は、参考例２に係るベース部材１４Ｙの基準高さｈ１（図３４参照）と同じである。
By using such a base member 14B, the vibrating
図２２は、振動体１０Ｂを位相差駆動（位相差＝９０度）したときの楕円軌道ＥＬｂ（実線）を示す図である。図２２には、参考例１および参考例２に係る振動体１０Ｚ，１０Ｙについて同様の楕円軌道ＥＬｚ，ＥＬｙ（破線）が併せて示されている。また、図２３および図２４は、有限要素法による振動体１０Ｂの解析結果を示す図である。図２３は、同相モードにおける振動体１０Ｂの変形状態を示しており、図２４は、逆相モードにおける振動体１０Ｂの変形状態を示している。
FIG. 22 is a diagram showing an elliptical orbit ELb (solid line) when the
図２２に示すように、本願発明に係る振動体１０Ｂは、参考例１，２に係る振動体１０Ｚ，１０Ｙのいずれに比べても、方向Ｎにおける径Ｒｎが大きくなっており、駆動力が低下することなく安定的な駆動状態になることが判る。
As shown in FIG. 22, the vibrating
このように径Ｒｎが大きくなるのは、ベース重量の増大およびベース弾性率の低減が主要因であるものと考えられる。 The increase in the diameter Rn is considered to be mainly caused by an increase in the base weight and a decrease in the base elastic modulus.
例えば、ベース部材１４Ｂにおいては、突出部分ＰＪが設けられているため、ベース重量は比較的大きい。具体的には、ベース部材１４の突出部分ＰＪの有無が相違する２種類の振動体（振動体１０Ｂ（図２１参照）および振動体１０Ｘ（図１８参照））を想定し、両者を比較すると、図２１の振動体１０Ｂのベース重量は、そのベース部材１４Ｘが突出部分ＰＪを有しない振動体１０Ｘ（図１８参照）のベース重量に比べて大きい。
For example, in the base member 14B, since the protruding portion PJ is provided, the base weight is relatively large. Specifically, assuming two types of vibrating bodies (vibrating
また、ベース部材１４Ｂにおいては、突出部分ＰＪの一部を切り欠いて構成されるスリットＳＬが設けられており、当該スリットによる切り欠き後の残部（狭幅部）は、局所的低剛性部分ＬＥとなっている。詳細には、スリットＳＬは、ベース部材１４の基準高さｈ１よりも残部の高さｈ２が小さくなる程の深さを有しており、当該残部（狭幅部）における局所的な強度が低下している。この状況は、ベース弾性率が低減されていることに相当する。
In addition, the base member 14B is provided with a slit SL formed by cutting out a part of the protruding portion PJ, and the remaining portion (narrow width portion) after the cutout by the slit is a local low-rigidity portion LE. It has become. Specifically, the slit SL has a depth such that the remaining height h2 is smaller than the reference height h1 of the
以上のように、振動体１０Ｂを用いて振動アクチュエータ１Ｂを構成することによれば、小型化を図るに際して、駆動力の低下を抑制（理想的には駆動力低下を回避）し、安定的な駆動状態を得ることが可能である。
As described above, when the vibration actuator 1B is configured using the vibrating
＜Ｃ．変形例＞
以上、この発明の実施の形態について説明したが、この発明は上記説明した内容のものに限定されるものではない。
<C. Modification>
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the contents described above.
＜スリットの位置＞
たとえば、上記第２実施形態においては、スリットＳＬが突出部分ＰＪの凸部側に設けられる場合を例示したが、これに限定されず、図２５に示すように、ベース部材（１４Ｃ）において、突出部分ＰＪの凸部側の反対側にスリットＳＬを設けるようにしてもよい。このような振動体１０Ｃを用いる場合においても、ベース重量の増大およびベース弾性率の低減によって径Ｒｎを大きくすることが可能である。
<Slit position>
For example, in the second embodiment, the case where the slit SL is provided on the convex portion side of the projecting portion PJ is illustrated, but the present invention is not limited to this, and the base member (14C) projects as shown in FIG. You may make it provide the slit SL in the other side of the convex part side of the part PJ. Even when such a vibrating body 10C is used, the diameter Rn can be increased by increasing the base weight and decreasing the base elastic modulus.
＜複数スリット＞
また、スリットＳＬの数は１つに限定されず、図２６に示すようにベース部材（１４Ｄ）に複数のスリットＳＬを設けた振動体１０Ｄを用いるようにしてもよい。
<Multiple slits>
Further, the number of slits SL is not limited to one, and a vibrating body 10D in which a plurality of slits SL are provided in the base member (14D) as shown in FIG. 26 may be used.
＜Ｗ字型、Ｕ字形＞
また、上記第１実施形態においては、逆Ｖ字形のベース部材１４Ａが用いられたがこれに限定されない。例えば、図２７に示すように、振動体１０（１０Ｅ）において、逆Ｗ字型（Ｍ字形）の屈曲部分ＢＭを設けたベース部材１４Ｅを用いるようにしてもよい。あるいは、図２８に示すように、振動体１０（１０Ｆ）において、逆Ｕ字形の屈曲部分ＢＵを有するベース部材１４Ｆを用いるようにしてもよい。
<W shape, U shape>
In the first embodiment, the inverted V-shaped
＜自走式＞
また、上記各実施形態等においては、被駆動体３０が移動する場合を例示したが、これに限定されない。例えば、図２９に示すように、被駆動体３０を駆動する場合において、その駆動力による相対移動によって振動体１０Ａ側が移動する自走式の駆動装置（１Ｇ）であってもよい。
<Self-propelled type>
Moreover, in each said embodiment etc., although the case where the to-
駆動装置１Ｇは、第１実施形態と同様に振動体１０Ａと加圧部材４０と２つの規制部材６０と被駆動体３０とを備えるとともに、さらに、台板９０と２つのガイドローラ７５とを備えている。台板９０には２つのガイドローラ７５と２つの規制部材６０とが固定されている。各ガイドローラ７５は被駆動体３０の側面上を回転しながら移動することが可能なように台板９０に軸支されている。また、各規制部材６０は、台板９０に固定されている。
The drive device 1G includes the vibrating
振動体１０Ａは、その左右両側にそれぞれ規制部材６０が配置された状態で、当該規制部材６０に固定された加圧部材４０によって、被駆動体３０に押し付けられている。このため、被駆動体３０は、２つのガイドローラ７５と振動体１０Ａとによって３点で支持された状態となっている。
The vibrating
また、この駆動装置１Ｇにおいては、棒状の被駆動体３０の両端が固定部（筐体等）９５に固定されているので、当該被駆動体３０は移動できない。一方、台板９０は固定部９５に固定されていない。そのため、振動体１０Ａの振動によって、チップ部材１３から被駆動体３０へと駆動力が伝達されると、被駆動体３０と振動体１０Ａとの間にＸ方向の相対運動が生じ、台板９０等を含む振動体１０Ａ側が被駆動体３０に対して移動することになる。
Moreover, in this drive device 1G, since both ends of the rod-like driven
＜単相駆動方式＞
また、上述したように、振動体１０Ａの駆動方式として、「単相駆動方式」を用いてもよい。
<Single phase drive system>
Further, as described above, the “single-phase driving method” may be used as the driving method of the vibrating
ここで、「単相駆動方式」における駆動原理について説明する。 Here, the driving principle in the “single phase driving method” will be described.
図３０は、振動体１０Ａによる駆動動作のモデルを示す図である。図３０に示すように、振動体１０Ａの圧電素子１１，１２のうちの一方（ここでは圧電素子１１）に、駆動信号（交流電圧）を付与する。このような駆動信号が付与されると、その大きさが変化する駆動力Ｆが振動体１０Ａに作用する。このような駆動力Ｆが振動体１０Ａに作用すると、以下に示す共振現象によって振幅を数倍から数十倍に増幅しながら、チップ部材には比較的大きな楕円振動が励起される。
FIG. 30 is a diagram illustrating a model of the driving operation by the vibrating
ここで、この駆動信号付与による駆動力Ｆが、図３０の方向Ｎ（上述の加圧方向に相当）と当該方向Ｎに直交する方向Ｔとに分離されて作用するものと考え、方向Ｎにおける振動系（第１振動系とも称する）と方向Ｔにおける振動系（第２振動系とも称する）との両振動系における振動状態を考察する。第１振動系および第２振動系は、それぞれ、バネ、マス（重り）、ダンパで構成される１自由度の振動モデルで表現される。なお、ここでは、簡単化のため、ベース部材１４Ａは固定されており変形しないものとする。
Here, it is considered that the driving force F due to the application of the driving signal is separated into a direction N (corresponding to the above-described pressurizing direction) in FIG. Consider the vibration state in both the vibration system (also referred to as the first vibration system) and the vibration system in the direction T (also referred to as the second vibration system). The first vibration system and the second vibration system are each represented by a one-degree-of-freedom vibration model including a spring, a mass (weight), and a damper. Here, for simplicity, it is assumed that the
また、第１振動系のみによる振動状態は、２つの圧電素子１１，１２が同位相で伸縮する同相モード（図５参照）に対応付けて表現される。また、第２振動系のみによる振動状態は、２つの圧電素子１１，１２が逆位相で伸縮する逆相モード（図６参照）に対応付けて表現される。同相モードは、チップ部材１３が方向Ｎにおいて単振動する振動モードであり、逆相モードはチップ部材１３が方向Ｔにおいて単振動する振動モードである。
Further, the vibration state only by the first vibration system is expressed in association with the common mode (see FIG. 5) in which the two
図３１および図３２は、一方の圧電素子に付与される駆動信号の周波数（駆動周波数）と、各振動系（第１振動系および第２振動系）における振動状態との関係を示す図である。図３１は振幅の周波数特性を示す図であり、図３２は位相遅れの周波数特性を示す図である。図３１においては、駆動周波数ｆと第１振動系の振幅との関係を示す曲線ＬＡ１と、駆動周波数ｆと第２振動系の振幅との関係を示す曲線ＬＡ２とが示されている。図３２においては、駆動周波数ｆと第１振動系の位相遅れとの関係を示す曲線ＬＰ１と、駆動周波数ｆと第２振動系の位相遅れとの関係を示す曲線ＬＰ２と、駆動周波数ｆと両振動系の位相遅れの差との関係を示す曲線ＬＰ３（端的に言えば、曲線ＬＰ１，ＬＰ２の差を示す曲線）とが示されている。 FIG. 31 and FIG. 32 are diagrams showing the relationship between the frequency of the drive signal (drive frequency) applied to one piezoelectric element and the vibration state in each vibration system (first vibration system and second vibration system). . FIG. 31 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the amplitude, and FIG. 32 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the phase lag. FIG. 31 shows a curve LA1 indicating the relationship between the drive frequency f and the amplitude of the first vibration system, and a curve LA2 indicating the relationship between the drive frequency f and the amplitude of the second vibration system. In FIG. 32, the curve LP1 indicating the relationship between the drive frequency f and the phase delay of the first vibration system, the curve LP2 indicating the relationship between the drive frequency f and the phase delay of the second vibration system, the drive frequency f, A curve LP3 showing a relationship with the difference in phase delay of the vibration system (in short, a curve showing the difference between the curves LP1 and LP2) is shown.
図３１および図３２に示すように、第１振動系および第２振動系の振動は、それぞれ、駆動周波数ｆに応じて変化する。具体的には、各振動系の振幅は、駆動周波数ｆが増大していくにつれて、増大していき、特定の周波数（「共振周波数」とも称する）のときに最大となり、その後減少していく。また、各振動系の位相遅れは、駆動周波数ｆが増大していくにつれて増大していく。 As shown in FIGS. 31 and 32, the vibrations of the first vibration system and the second vibration system change in accordance with the drive frequency f. Specifically, the amplitude of each vibration system increases as the drive frequency f increases, reaches a maximum at a specific frequency (also referred to as “resonance frequency”), and then decreases. Further, the phase delay of each vibration system increases as the drive frequency f increases.
ここで、振動体１０Ａにおいては、第１振動系におけるパラメータ（弾性係数、質量、減衰係数に関するパラメータ）と第２振動系におけるパラメータ（弾性係数、質量、減衰係数に関するパラメータ）とは若干相違するように構成されている。
Here, in the vibrating
このため、図３１に示すように、第１振動系における共振周波数ｆ１と第２振動系における共振周波数ｆ２とは互いに異なっている。具体的には、駆動周波数ｆが値ｆ１のときに第１振動系の振幅が最大となり、駆動周波数ｆが値ｆ２（＞ｆ１）のときに第２振動系の振幅が最大となる。また、図３２に示すように、両振動系における位相遅れの度合いも異なっている。具体的には、各周波数において、第１振動系における位相遅れは第２振動系における位相遅れよりも大きくなっている。なお、ここでは、値ｆ１が値ｆ２よりも小さい場合を例示しているが、逆に値ｆ１が値ｆ２よりも大きくなることもある。 For this reason, as shown in FIG. 31, the resonance frequency f1 in the first vibration system and the resonance frequency f2 in the second vibration system are different from each other. Specifically, the amplitude of the first vibration system is maximized when the drive frequency f is the value f1, and the amplitude of the second vibration system is maximized when the drive frequency f is the value f2 (> f1). Further, as shown in FIG. 32, the degree of phase delay in both vibration systems is also different. Specifically, at each frequency, the phase delay in the first vibration system is larger than the phase delay in the second vibration system. Here, the case where the value f1 is smaller than the value f2 is illustrated, but conversely, the value f1 may be larger than the value f2.
振動体１０Ａにおける振動状態は、上記の第１振動系における振動と第２振動系における振動との合成振動として表現され、チップ部材１３は、楕円運動する。このような楕円運動におけるチップ部材１３の軌跡（楕円軌跡）の形状は、駆動周波数に応じて変化する。
The vibration state in the vibrating
例えば、周波数ｆ３の駆動信号が付与されたときには、図４（ｂ）のような振動状態が発生する。より詳細には、図３１に示すように第１振動系の振幅と第２振動系の振幅とが同じ大きさを有しているため、方向Ｔと方向Ｎとの振幅が同じになるような楕円軌跡（円軌跡とも表現される）を描くようにチップ部材１３が振動する。また、図３２の曲線ＬＰ１，ＬＰ２に示すように第１振動系よりも第２振動系の方が位相遅れが小さく、図３２の曲線ＬＰ３に示すように、両振動系の位相遅れの差は９０度である。そのため、まず方向Ｔ（＋Ｔ）の変位が励起され、それに引き続いて位相が９０度遅れて方向Ｎ（＋Ｎ）の変位が励起されるため、反時計回りの振動が励起される。
For example, when a drive signal having a frequency f3 is applied, a vibration state as shown in FIG. 4B occurs. More specifically, as shown in FIG. 31, since the amplitude of the first vibration system and the amplitude of the second vibration system have the same magnitude, the amplitudes in the direction T and the direction N are the same. The
また、周波数ｆ３よりも小さな周波数を有する駆動信号が付与されたときには、第１振動系の振幅が第２振動系の振幅よりも大きい（図３１参照）ため、方向Ｎの振幅が方向Ｔの振幅よりも大きくなるような楕円軌跡を描くようにチップ部材１３が振動する。
When a drive signal having a frequency smaller than the frequency f3 is applied, the amplitude of the first vibration system is larger than the amplitude of the second vibration system (see FIG. 31), so the amplitude in the direction N is the amplitude in the direction T. The
一方、周波数ｆ３よりも大きな周波数を有する駆動信号が付与されたときには、第２振動系の振幅が第１振動系の振幅よりも大きい（図３１参照）ため、方向Ｔの振幅が方向Ｎの振幅よりも大きくなるような楕円軌跡を描くようにチップ部材１３が振動する。
On the other hand, when a drive signal having a frequency larger than the frequency f3 is applied, the amplitude of the second vibration system is larger than the amplitude of the first vibration system (see FIG. 31), and therefore the amplitude in the direction T is the amplitude in the direction N. The
また、圧電素子１２を駆動することで、楕円運動の回転方向が逆転（時計回り）し、駆動方向を切り換えることができる。
Further, by driving the
以上のような単相駆動方式を用いて、振動体１０Ａを振動させるようにしてもよい。
The vibrating
＜その他＞
上記各実施形態においては、２つの圧電素子１１，１２は略直角に交差して配置されているが、これに限定されない。具体的には、２つの圧電素子１１，１２は、所定の角度を有する状態（非平行状態）で配置されていればよい。
<Others>
In each of the above embodiments, the two
また、上記各実施形態においては、ベース部材１４の材料として、比重が高いＷＣ系超硬合金を用いる場合を例示しているが、これに限定されない。例えば、比重が高く且つ弾性率が低い、タングステンあるいはタングステン合金（バインダー相をニッケル、銅および鉄等で構成したタングステン基焼結体）を用いるようにしてもよい。これによれば、より大きな効果を得ることができる。
Moreover, in each said embodiment, although the case where WC type cemented carbide with high specific gravity is used is illustrated as a material of the
また、上記第２実施形態においては、切り欠き部としてスリットを用いることによって局所的低剛性部分ＥＬを実現する場合を例示したが、これに限定されず、別の形状（例えば半円状）の切り欠き部を用いて局所的低剛性部分を実現するようにしても良い。ただし、開口幅の比較的大きな形状を有する切り欠き部よりも、開口幅の比較的小さな形状（例えばスリット）を有する切り欠き部を用いることが好ましい。これによれば、切り欠き部の存在に伴うベース重量の低減を最小限に止めつつ弾性率を低下させることが可能であるので、より安定的な駆動状態を得ることができる。 Moreover, in the said 2nd Embodiment, although the case where the local low-rigidity part EL was implement | achieved by using a slit as a notch part was illustrated, it is not limited to this, Another shape (for example, semicircle shape) You may make it implement | achieve a local low-rigidity part using a notch part. However, it is preferable to use a notch having a relatively small shape (for example, a slit) rather than a notch having a relatively large opening width. According to this, since it is possible to reduce the elastic modulus while minimizing the reduction in the base weight due to the presence of the notch, it is possible to obtain a more stable driving state.
１Ａ，１Ｂ，１Ｇ 振動アクチュエータ（駆動装置）
１０，１０Ａ〜１０Ｆ，１０Ｘ〜１０Ｚ 振動体
１１，１２ 圧電素子（変位素子）
１３ チップ部材
１４，１４Ａ〜１４Ｆ，１４Ｘ〜１４Ｚ ベース部材
３０ 被駆動体
４０ 加圧部材
６０，６０ａ，６０ｂ 規制部材
７０ リニアガイド
７５ ガイドローラ
９０ 台板
ＢＤ，ＢＭ，ＢＵ 屈曲部分
ＥＬａ，ＥＬｂ，ＥＬｙ，ＥＬｚ，ＰＢ 楕円軌道
ＬＥ 局所的低剛性部分
ＳＬ スリット
1A, 1B, 1G Vibration actuator (drive device)
10, 10A to 10F, 10X to
13
Claims (10)
被駆動体に駆動力を伝達するチップ部材と、
互いに所定の角度を有する状態で前記チップ部材にそれぞれその一端側が接合される複数の変位素子と、
前記複数の変位素子の各他端側に接合されるベース部材と、
前記複数の変位素子の少なくとも１つに駆動信号を付与することによって前記チップ部材に楕円振動を励起する制御手段と、
を備え、
前記複数の変位素子は、第１の変位素子と第２の変位素子とを有し、
前記ベース部材は、第１の接合部で前記第１の変位素子と接合され且つ第２の接合部で前記第２の変位素子と接合されるとともに、前記第１の接合部と前記第２の接合部との間において前記チップ部材側に張り出すように屈曲する屈曲部分を有することを特徴とする駆動装置。 A driving device for driving a driven body using elliptical vibration,
A tip member for transmitting a driving force to the driven body;
A plurality of displacement elements each having one end bonded to the tip member in a state having a predetermined angle with each other;
A base member joined to each other end of the plurality of displacement elements;
Control means for exciting elliptic vibrations in the tip member by applying a drive signal to at least one of the plurality of displacement elements;
With
The plurality of displacement elements include a first displacement element and a second displacement element,
The base member is joined to the first displacement element at a first joint portion and joined to the second displacement element at a second joint portion, and the first joint portion and the second joint portion are joined. A drive device comprising a bent portion that bends so as to project to the tip member side between the joint portion.
前記屈曲部分は、前記チップ部材側に凸のＶ字状あるいは前記チップ部材側に凸のＵ字状に形成されていることを特徴とする駆動装置。 The drive device according to claim 1,
2. The driving device according to claim 1, wherein the bent portion is formed in a V shape that is convex toward the tip member or a U shape that is convex toward the tip member.
被駆動体に駆動力を伝達するチップ部材と、
互いに所定の角度を有する状態で前記チップ部材にそれぞれその一端側が接合される複数の変位素子と、
前記複数の変位素子の各他端側に接合されるベース部材と、
前記複数の変位素子の少なくとも１つに駆動信号を付与することによって前記チップ部材に楕円振動を励起する制御手段と、
を備え、
前記複数の変位素子は、第１の変位素子と第２の変位素子とを有し、
前記ベース部材は、第１の接合部で前記第１の変位素子と接合され且つ第２の接合部で前記第２の変位素子と接合されるとともに、前記第１の接合部と前記第２の接合部との間において、前記チップ部材側に突出する突出部分と、その剛性が局所的に低減された低剛性部分とを有することを特徴とする駆動装置。 A driving device for driving a driven body using elliptical vibration,
A tip member for transmitting a driving force to the driven body;
A plurality of displacement elements each having one end bonded to the tip member in a state having a predetermined angle with each other;
A base member joined to each other end of the plurality of displacement elements;
Control means for exciting elliptic vibrations in the tip member by applying a drive signal to at least one of the plurality of displacement elements;
With
The plurality of displacement elements include a first displacement element and a second displacement element,
The base member is joined to the first displacement element at a first joint portion and joined to the second displacement element at a second joint portion, and the first joint portion and the second joint portion are joined. A drive device comprising a projecting portion projecting toward the tip member and a low-rigidity portion whose rigidity is locally reduced between the joint portion.
前記低剛性部分は、スリットを設けることによって構成されることを特徴とする駆動装置。 The drive device according to claim 3, wherein
The low rigidity portion is configured by providing a slit.
前記ベース部材の材料は、タングステンカーバイト系超硬合金、タングステン、またはタングステン合金を含むことを特徴とする駆動装置。 The drive device according to any one of claims 1 to 4,
The drive device according to claim 1, wherein the material of the base member includes tungsten carbide cemented carbide, tungsten, or tungsten alloy.
被駆動体に駆動力を伝達するチップ部材と、
互いに所定の角度を有する状態で前記チップ部材にそれぞれその一端側が接合される複数の変位素子と、
前記複数の変位素子の各他端側に接合されるベース部材と、
を備え、
前記複数の変位素子は、前記チップ部材に楕円振動を励起することが可能であり、第１の変位素子と第２の変位素子とを有し、
前記ベース部材は、第１の接合部で前記第１の変位素子と接合され且つ第２の接合部で前記第２の変位素子と接合されるとともに、前記第１の接合部と前記第２の接合部との間において前記チップ部材側に張り出すように屈曲する屈曲部分を有することを特徴とする振動体。 A vibrator used as a drive source in a drive device that drives a driven body using elliptical vibration,
A tip member for transmitting a driving force to the driven body;
A plurality of displacement elements each having one end bonded to the tip member in a state having a predetermined angle with each other;
A base member joined to each other end of the plurality of displacement elements;
With
The plurality of displacement elements can excite elliptic vibrations in the tip member, and have a first displacement element and a second displacement element,
The base member is joined to the first displacement element at a first joint portion and joined to the second displacement element at a second joint portion, and the first joint portion and the second joint portion are joined. A vibrating body having a bent portion that is bent so as to project toward the tip member between the joint portion.
前記屈曲部分は、前記チップ部材側に凸のＶ字状あるいは前記チップ部材側に凸のＵ字状に形成されていることを特徴とする振動体。 The vibrating body according to claim 6,
The vibrating body is characterized in that the bent portion is formed in a convex V shape on the tip member side or a convex U shape on the tip member side.
被駆動体に駆動力を伝達するチップ部材と、
互いに所定の角度を有する状態で前記チップ部材にそれぞれその一端側が接合される複数の変位素子と、
前記複数の変位素子の各他端側に接合されるベース部材と、
を備え、
前記複数の変位素子は、前記チップ部材に楕円振動を励起することが可能であり、第１の変位素子と第２の変位素子とを有し、
前記ベース部材は、第１の接合部で前記第１の変位素子と接合され且つ第２の接合部で前記第２の変位素子と接合されるとともに、前記第１の接合部と前記第２の接合部との間において、前記チップ部材側に突出する突出部分と、その剛性が局所的に低減された低剛性部分とを有することを特徴とする振動体。 A vibrator used as a drive source in a drive device that drives a driven body using elliptical vibration,
A tip member for transmitting a driving force to the driven body;
A plurality of displacement elements each having one end bonded to the tip member in a state having a predetermined angle with each other;
A base member joined to each other end of the plurality of displacement elements;
With
The plurality of displacement elements can excite elliptic vibrations in the tip member, and have a first displacement element and a second displacement element,
The base member is joined to the first displacement element at a first joint portion and joined to the second displacement element at a second joint portion, and the first joint portion and the second joint portion are joined. A vibrating body having a protruding portion protruding toward the tip member and a low-rigidity portion whose rigidity is locally reduced between the joint portions.
前記低剛性部分は、スリットを設けることによって構成されることを特徴とする振動体。 The vibrating body according to claim 8,
The low-rigidity portion is configured by providing a slit.
前記ベース部材の材料は、タングステンカーバイト系超硬合金、タングステン、またはタングステン合金を含むことを特徴とする振動体。
The vibrating body according to any one of claims 6 to 9,
The material of the base member includes a tungsten carbide cemented carbide, tungsten, or a tungsten alloy.
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| US8428452B2 (en) | 2010-09-30 | 2013-04-23 | Nikon Corporation | Driving mechanism, lens barrel, and camera |
| US8611020B2 (en) | 2010-09-30 | 2013-12-17 | Nikon Corporation | Piezoelectric actuator, lens barrel, and imaging device |
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| US8981620B2 (en) | 2009-06-10 | 2015-03-17 | Nikon Corporation | Driving mechanism, lens barrel, and camera |
-
2006
- 2006-03-02 JP JP2006056349A patent/JP2007236138A/en active Pending
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