JP4406952B2

JP4406952B2 - Vibration actuator

Info

Publication number: JP4406952B2
Application number: JP10125499A
Authority: JP
Inventors: 忠雄高木; バンセビッチラムティス
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2019-04-08
Also published as: JP2000295876A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動アクチュエータに関し、より具体的には、相対運動部材に加圧接触する振動子を備え、この振動子に楕円状の周期的な変位を発生させることによって振動子と相対運動部材との間で相対運動を発生する振動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は、特開平７−２４１０９０号公報により提案されたこの種の振動アクチュエータの振動子１の説明図であり、図１５（Ａ）は上面図、図１５（Ｂ）は側面図である。
【０００３】
図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示すように、振動子１は、矩形平板状の外形を有する弾性体２と、弾性体２の一方の平面に装着された圧電素子３と、弾性体２の他方の平面に突出して設けられた駆動力取出部４ａ、４ｂとを備える。圧電素子３は、Ａ相の駆動信号が入力される圧電素子３ａと、Ａ相の駆動信号とは位相が（π／２）ずれたＢ相の駆動信号が入力される圧電素子３ｂと、振動検出用の圧電素子３ｐと、接地用の圧電素子３ｇとに分割される。図示しない駆動装置から、Ａ相の駆動信号を圧電素子３ａに入力するとともに、Ｂ相の駆動信号を圧電素子３ｂに入力する。すると、振動子１には、１次の縦振動と４次の屈曲振動とが励振される。このため、これらの振動が合成されて、駆動力取出部４ａ、４ｂには、位相がπずれた楕円運動がそれぞれ発生する。これにより、振動子１は、駆動力取出部４ａ、４ｂを介して加圧接触する相対運動部材との間で相対運動を発生する。
【０００４】
また、図１６は、文献「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳＦＯＲＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」に開示された振動アクチュエータの振動子５を示す斜視図である。図１６に示すように、振動子５は、矩形平板状の圧電素子６と、圧電素子６の一方の平面に装着された駆動用の電極７ａ、７ａ’、７ｂ、７ｂ’と、他方の平面に装着された接地用の電極７ｇと、駆動力取出部８ａ、８ｂ、８ｃとを備える。電極７ａおよび電極７ａ’は結線され、また電極７ｂおよび電極７ｂ’も結線される。図示しない駆動装置から、Ａ相の駆動信号を電極７ａに入力するとともに、Ｂ相の駆動信号を電極７ｂに入力する。すると、振動子５には、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが励振される。このため、これらの振動が合成されて、駆動力取出部８ａ〜８ｃには、楕円運動がそれぞれ発生し、駆動力取出部８ａまたは駆動力取出部８ｂ、８ｃを介して加圧接触する相対運動部材との間で相対運動を発生する。
【０００５】
このように、これらの振動子１、５は、いずれも、２種類の振動を発生し、これらの振動の合成である楕円運動によって、加圧接触する相対運動部材との間で相対運動を発生する。したがって、この楕円運動を所望の形状に制御することが重要となる。
【０００６】
図１７は、これらの振動アクチュエータの駆動制御回路９の一例を示すブロック図である。図１６に示す振動子５を例にとって、駆動制御回路９を説明する。図１７において、発振器１０は、振動子５の縦振動Ｌ１および曲げ振動Ｂ２それぞれに相当する周波数の信号を発振する。発振器１０の出力は分岐して、一方の出力は、増幅器１１ａによって増幅された後にＡ相電圧として電極７ａに入力される。また、分岐した他方の出力は、移相器１２によってＡ相電圧とは（π／２）だけ位相をずらしてＢ相電圧とした後に、増幅器１１ｂを介して電極７ｂに入力される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これらの振動子１、５を、各部の寸法が設計値に高精度で正確に一致するように組み立てることは、容易ではない。各部の寸法が設計値から少しでも外れると、縦振動および屈曲振動それぞれの振幅によって発生する楕円運動の長径と短径との比や、楕円運動の軸の傾斜が変動し、組み立てられた振動子１、５の性能がばらついてしまう。
【０００８】
このようなばらつきを解消するため、入力電圧を大きくしたり、駆動制御回路９を用いて入力周波数を共振点に近づけることにより、組み立てられた振動子１、５の速度を高めようとすると、楕円運動が相似的に拡大される。これにより、駆動方向と平行な方向に振動する縦振動の振幅だけでなく、駆動方向と直交する方向に振動する屈曲振動の振幅も大きくなり、振動子１、５が相対運動部材に対して相対的に飛び跳ねる現象が発生する。このため、駆動時に騒音が発生し、振動アクチュエータの特徴の一つである静粛性が損なわれてしまう。
【０００９】
また、入力電圧を小さくしたり、駆動制御回路９を用いて入力周波数を共振点から遠ざけることにより、組み立てられた振動子１、５の速度を下げようとすると、楕円運動が相似的に縮小される。これにより、縦振動の振幅だけでなく、屈曲振動の振幅も小さくなり、振動子１、５の出力が低下してしまう。
【００１０】
さらに、楕円運動の軸が所望の角度からずれて傾斜していると、振動子１、５の運動が相対運動部材に効率よく伝達されない。このため、振動子１、５が発生する速度、力、エネルギー効率さらには制御等における損失が発生し、振動子１、５が本来有する性能を発揮できない。
【００１１】
本発明は、これらの課題を解決することを目的としたものであり、振動子に発生する楕円運動の形状、すなわち楕円運動の長径、短径、さらには軸の傾斜角度を独立して制御できる振動アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、２つの交流電圧が入力されることにより、第１の振動と、この第１の振動の方向と交差する方向へ振動する第２の振動とを励振させて、第１の振動と第２の振動との合成である楕円運動を発生する振動子を有し、２つの交流電圧のうちの少なくとも一方の交流電圧の電圧を変えることにより、楕円運動の軌跡における長径または短径を個別に制御するための楕円形状制御手段と、２つの交流電圧のうちの少なくとも一方の交流電圧の位相を変えることにより、楕円運動の軌跡における軸の傾斜を制御するための楕円軸傾斜制御手段とのうちの少なくとも一方とを備え、さらに、振動子は、矩形平板状の本体を有し、この本体は４つの矩形平板状の電気機械変換領域に分割され、対角上に配置されたこの電気機械変換領域同士は結線されることを特徴とする振動アクチュエータを提供する。
【００１３】
請求項２の発明では、２つの交流電圧が入力されることにより、第１の振動と、この第１の振動の方向と交差する方向へ振動する第２の振動とを励振させて、第１の振動と第２の振動との合成である楕円運動を発生する振動子を有し、２つの交流電圧のうちの少なくとも一方の交流電圧の電圧を変えることにより、第１の振動の振幅または第２の振動の振幅を個別に制御するための振幅制御手段と、２つの交流電圧のうちの少なくとも一方の交流電圧の位相を変えることにより、第１の振動と第２の振動との間の時間的位相差を変更する位相差制御手段とのうちの少なくとも一方とを備え、さらに、振動子は、矩形平板状の本体を有し、この本体は４つの矩形平板状の電気機械変換領域に分割され、対角上に配置されたこの電気機械変換領域同士は結線されることを特徴とする振動アクチュエータを提供する。
【００１４】
請求項３の発明では、振動子と、この振動子に、第１の交流電圧を印加するとともに、第１の交流電圧または第２の交流電圧を切り換えることによって得られる第３の交流電圧を印加することにより、第１の振動と、第１の振動の方向と交差する方向へ振動する第２の振動とを励振させて、振動子に第１の振動と第２の振動との合成である楕円運動を発生させるための電力入力装置とを有し、振動子に印加される第３の交流電圧の電圧を変更する可変抵抗器と、第３の交流電圧に第１の交流電圧に対する時間的位相遅れを生成する可変コンデンサとのうちの少なくとも一方とを備えることを特徴とする振動アクチュエータを提供する。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータにおいて、さらに、振動子の駆動状況に関する量に基づいて楕円運動を制御するためのフィードバック制御手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
さらに、請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータにおいて、第１の振動および第２の振動のうちの一方が縦振動であるとともに、他方が屈曲振動であることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明にかかる振動アクチュエータの実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の説明は、振動アクチュエータが、超音波の振動域を利用した超音波アクチュエータである場合を例にとって、行う。
【００１９】
図１は、本実施形態の超音波アクチュエータ２０を示す説明図である。図１に示すように、本実施形態の超音波アクチュエータ２０は、振動子２１と、電力入力装置３２と、可変抵抗体３３とを備える。以下、これらの構成要素について順次説明する。
【００２０】
〔振動子２１〕
図２は、本実施形態の超音波アクチュエータ２０の振動子２１を示す斜視図である。
【００２１】
図２に示すように、本実施形態では、前述した文献「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳＦＯＲＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」等によって開示されている振動子を用いた。すなわち、振動子２１は、矩形平板状に構成されるＰＺＴ等の圧電素子２２によって、本体が構成される。圧電素子２２は、表面側から裏面側への方向（図中矢印方向）へ分極されている。
【００２２】
圧電素子２２の表面には、例えば接着等の適宜手段によって、４枚の電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが装着される。電極２３ａ〜２３ｄは、互いに絶縁されて配置される。電極２３ａ〜２３ｄのうちで、対角上に配置された電極２３ａと電極２３ｄとは結線部材２４で結線される。また、対角上に配置された電極２３ｂと２３ｃとは結線部材２５で結線される。
圧電素子２２の裏面には、例えば接着等の適宜手段によって、その全面に一枚の電極２６が装着される。電極２６は接地用の電極である。
【００２３】
この振動子２１に対して既知の発振器（図示せず）によって、電極２３ａに形成されたＡ端子に振動子２１の共振周波数付近の周波数を有する交流電圧をＡ相の駆動信号として印加するとともに、電極２３ｂに形成されたＢ端子にＡ相の駆動信号と周波数および電圧が等しく、位相が（π／２）異なる交流電圧をＢ相の駆動信号として印加する。すると、振動子２１には、Ｘ軸方向へ振動する１次の縦振動Ｌ１と、Ｙ軸方向へ振動する２次の屈曲振動Ｂ２とが励振される。図３は、縦振動Ｌ１および屈曲振動Ｂ２を生じた時の振動子２１の変位例を示す説明図である。
【００２４】
振動子２１に発生した縦振動Ｌ１と屈曲振動Ｂ２とは合成され、振動子２１に楕円運動が発生する。図４は、振動子２１に発生した楕円運動を示す説明図である。図４に示すように、振動子２１には、Ｙ方向と平行な側面２１ａにおける点Ｄ（側面２１ａの略中央の位置）と、Ｘ方向と平行な側面２１ｂにおける点Ｅ、Ｆ（屈曲振動Ｂ２の腹となる位置）とには、それぞれ、楕円運動が発生する。
【００２５】
点Ｄまたは点Ｅ、Ｆにセラミックスもしくはプラスチック材料等からなる摺動材料を装着し、点Ｄまたは点Ｅ、Ｆを介して相対運動部材（図示しない）を加圧接触させる。図５は、振動子２１と相対運動部材３０とが加圧接触した状態の一例を示す説明図である。図５に示すように、振動子２１の点Ｅ、Ｆに摺動部材２７ａ、２７ｂを装着し、加圧部材２８が発生するばね力により、摺動部材２７ａ、２７ｂを介して振動子２１を、ベアリング２９ａ、２９ｂにより両矢印方向へ直線状に移動自在に支持された相対運動部材３０の表面に加圧接触させる。
【００２６】
すると、振動子２１は、点Ｅ、Ｆに発生した楕円運動により、相対運動部材３０との間で、左右方向いずれかへ直線状の相対運動を発生する。なお、相対運動方向を反転するには、２相の交流電圧を逆に接続すればよい。
【００２７】
振動子２１については、文献「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳＦＯＲＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」等によって既に公知であるため、振動子２１に関するこれ以上の説明は省略する。
【００２８】
〔電力入力装置３２〕
図１に示すように、本実施形態の電力入力装置３２は、発振器３４とスイッチ３５とを有する。
発振器３４から、第１の交流電圧φ₁と第２の交流電圧φ₂とが出力される。これら２相の交流電圧φ₁、φ₂は互いに（π／２）の位相差を有する。
【００２９】
交流電圧φ₂は、スイッチ３５の端子３５ａに印加される。一方、交流電圧φ₁は、スイッチ３５の端子３５ｂと、振動子２１に装着された電極２３ｂとにそれぞれ印加される。スイッチ３５の端子３５ｃと３５ｆとは、いずれも、後述する可変抵抗体３３を介して振動子２１に装着された電極２３ａに接続される。
【００３０】
スイッチ３５の端子３５ａと端子３５ｂとは、接続に関して連動する。すなわち、図１に実線で示すようにスイッチ３５を上側に倒すと、端子３５ａと端子３５ｃとがつながるとともに、端子３５ｂと端子３５ｅとがつながる。また、図１に破線で示すようにスイッチ３５を下側に倒すと、端子３５ａと端子３５ｄとがつながるとともに、端子３５ｂと端子３５ｆとがつながる。
【００３１】
したがって、電力入力装置３２は、スイッチ３５が上側に倒れているときは、振動子２１の電極２３ａ、２３ｄに第２の交流電圧φ₂を印加し、振動子２１の電極２３ｂ、２３ｃに第１の交流電圧φ₁を印加する。また、スイッチ３５を切り換えて下側に倒したときは、振動子２１の電極２３ａ、２３ｄには第１の交流電圧φ₁を印加し、振動子２１の電極２３ｂ、２３ｃにも第１の交流電圧φ₁を印加する。
【００３２】
〔可変抵抗体３３〕
本実施形態では、スイッチ３５の端子３５ｃ、３５ｆと、振動子２１の電極２３ａとの間に、可変抵抗体３３が設けられる。可変抵抗体３３は、抵抗の値を自由に変えることができる抵抗体であればよく、特定の型式のものには限定されない。このような可変抵抗体３３としては、例えば公知のポテンショメータを用いることができる。
【００３３】
本実施形態では、この可変抵抗体３３の抵抗値を変更することにより、スイッチ３５の端子３５ｃ、３５ｆから振動子２１の電極２３ａへ印加される交流電圧φ₁または交流電圧φ₂の電圧を、自在に変えることができる。
【００３４】
本実施形態の超音波アクチュエータ２０は、以上のように構成される。次に、この超音波アクチュエータ２０の動作を説明する。
図６は、本実施形態の超音波アクチュエータ２０により、振動子２１に発生する楕円運動の形状が制御されることを示す説明図である。
【００３５】
図１に実線で示すようにスイッチ３５が上側に倒されている場合、図６に示すように可変抵抗体３３の抵抗値Ｒを充分大きく設定すると、主に、交流電圧φ₂が振動子２１の電極２３ｂ、２３ｃに印加される。このとき、振動子２１には、第１の方向、すなわち、Ｘ方向とほぼ平行に振動する第１の振動（１次の縦振動Ｌ１）と、この第１の方向とは異なる第２の方向、すなわち、Ｘ方向と直交するＹ方向とほぼ平行に振動する第２の振動（２次の屈曲振動Ｂ２）とが同時に発生する。これらの縦振動Ｌ１と屈曲振動Ｂ２とは合成されて、振動子２１の点Ｅ、Ｆにそれぞれ設けられた駆動力取出部２７ａ、２７ｂに、楕円運動が発生する。この楕円運動は図６の符号３６ａに示す軌跡を有している。
【００３６】
この状態から、可変抵抗体３３の抵抗値Ｒを徐々に小さくしていくと、電極２３ｂ、２３ｃに印加される交流電圧φ₂の電圧は変わらないが、電極２３ａ、２３ｄに印加される交流電圧φ₁が徐々に増加する。このため、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図６の符号３６ｂ、３６ｃに示すように、徐々にＸ方向へ振動する第１の振動（１次の縦振動Ｌ１）の振幅だけが減少し、Ｘ方向へ潰れた形状となる。
【００３７】
そして、可変抵抗体３３の抵抗値が充分に小さくなると、交流電圧φ₁が電極２３ａ、２３ｄに印加されるとともに、交流電圧φ₁と周波数および電圧が等しいとともに位相が（π／２）異なる交流電圧φ₂が電極２３ｂ、２３ｃに印加される。このため、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図６の符号３６ｄに示すように、屈曲振動のみの直線形状となる。
【００３８】
一方、図１に破線で示すようにスイッチ３５が下側に倒されている場合、図６に示すように可変抵抗体３３の抵抗値Ｒを充分大きく設定すると、交流電圧φ₂が電極２３ｂ、２３ｃに印加される。このため、点Ｅ、Ｆには、図６の符号３６ａに示す軌跡を有する楕円運動が発生する。
【００３９】
この状態から、可変抵抗体３３の抵抗値Ｒを徐々に小さくしていくと、電極２３ｂ、２３ｃに印加される交流電圧φ₂の電圧は変わらないが、電極２３ａ、２３ｄに印加される交流電圧φ₂が徐々に増加する。このため、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図６の符号３６ｅ、３６ｆに示すように、徐々にＹ方向へ振動する第２の振動（２次の屈曲振動Ｂ２）の振幅だけが減少し、Ｙ方向へ潰れた形状となる。
【００４０】
そして、可変抵抗体３３の抵抗値が充分に小さくなると、交流電圧φ₂が電極２３ａ、２３ｄと、電極２３ｂ、２３ｃとに印加される。このため、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図６の符号３６ｇに示すように、縦振動のみの直線形状となる。
【００４１】
このように、本実施形態の超音波アクチュエータ２０によれば、スイッチ３５の切替えと、可変抵抗体３３の抵抗値Ｒの変更とにより、振動子２１に発生する楕円運動の形状を、図６の符号３６ａ〜３６ｇに示すように、自由に変更することができる。
【００４２】
したがって、本実施形態の超音波アクチュエータ２０では、駆動速度を速くしたい場合には、スイッチ３５を下側に倒すとともに抵抗値Ｒを小さく設定することにより、駆動方向と直交する方向への振動、すなわち屈曲振動Ｂ２の振幅が増加することを防止できる。したがって、楕円運動の駆動方向と直交する方向の振幅を増加させずに楕円運動の駆動方向の振幅だけを増加させることができる。このため、駆動速度を増加しても、振動子２１が相対運動部材に対して相対的に飛び跳ねる現象に起因した騒音が発生しない。
【００４３】
また、駆動速度を遅くしたい場合には、スイッチ３５を上側に倒すとともに抵抗値Ｒを小さく設定することにより、駆動方向と直交する方向への振動、すなわち屈曲振動Ｂ２の振幅が低下することを防止できる。したがって、楕円運動の駆動方向と直交する方向の振幅を低下させずに楕円運動の駆動方向の振幅だけを減少させることができる。このため、駆動速度を減少しても、振動子２１の出力の低下が発生しない。
【００４４】
さらに、駆動速度を変更する機会が少ない場合には、スイッチ３５の切替えと可変抵抗体３３の抵抗値Ｒとを、振動子２１の使用環境に応じて最適に設定することにより、性能のばらつきが少ない超音波アクチュエータを、高い製造歩留りで量産することができる。
【００４５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態の超音波アクチュエータを説明する。なお、以降の各実施形態の説明では、上述した第１実施形態と相違する部分についてだけ説明を行うこととし、同一の部分には共通する図中符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００４６】
図７は、本実施形態の超音波アクチュエータ２０−１を示す説明図である。図７に示すように、本実施形態の超音波アクチュエータ２０−１は、振動子２１−１と、電力入力装置３２−１と、可変抵抗体３３とを備える。以下、これらの構成要素について、第１実施形態と相違する部分について順次説明する。
【００４７】
〔振動子２１−１〕
本実施形態の振動子２１−１が、第１実施形態の振動子２１と相違するのは、振動子２１−１の裏面に装着される電極が、振動子２１−１の表面に装着される電極２３ａ〜２３ｄと同様に、４枚の電極２６ａ〜２６ｄに４分割されており、かつ対角上に配置された電極同士が結線されること、すなわち電極２６ａ、２６ｃが結線されるとともに電極２６ｂ、２６ｄが結線されることである。
これ以外は、第１実施形態の振動子２１と同じである。
【００４８】
〔電力入力装置３２−１〕
本実施形態の電力入力装置３２−１が、第１実施形態の電力入力装置３２と相違するのは、主として、振動子２１−１の裏面側に電極２６ａ〜２６ｄを設けたことに対応するための変更である。
本実施形態の電力入力装置３２−１は、発振器３４とスイッチ３７とを有する。
【００４９】
発振器３４の端子３４ａ、３４ｂから、交流電圧φ₁がそれぞれ出力される。
発振器３４の端子３４ａは、振動子２１−１の表面側の電極２３ａと、可変抵抗器３３を介してスイッチ３７の端子３７ｂとに接続される。一方、発振器３４の端子３４ｂは、振動子２１−１の裏面側の電極２６ａと、スイッチ３７の端子３７ａとに接続される。
【００５０】
スイッチ３７の端子３７ｃと端子３７ｆとは、ともに、振動子２１−１の表面側の電極２３ｂに接続される。また、スイッチ３７の端子３７ｄと端子３７ｅとは、ともに、振動子２１−１の裏面側の電極２６ｂに接続される。
【００５１】
スイッチ３７の端子３７ａと端子３７ｂとは、接続において連動する。このため、図７に実線で示すようにスイッチ３７を上側に倒すと、端子３７ａと端子３７ｃとがつながるとともに、端子３７ｂと端子３７ｅとがつながる。また、図７に破線で示すようにスイッチ３７を下側に倒すと、端子３７ａと端子３７ｄとがつながるとともに端子３７ｂと端子３７ｆとがつながる。
【００５２】
したがって、電力入力装置３２−１は、スイッチ３７が上側に倒れているときは、振動子２１−１の電極２３ａと電極２６ａとの間と、電極２３ｂと電極２６ｂとの間とに、互いに逆向きの交流電圧φ₁をそれぞれ印加する。これにより、電極２３ａ、２６ａ間および電極２３ｄ、２６ｄ間にそれぞれ印加される交流電圧φ₁と、電極２３ｂ、２６ｂ間および電極２３ｃ、２６ｃ間にそれぞれ印加される交流電圧φ₁とは、互いに逆向きとなる。
【００５３】
また、電力入力装置３２−１は、スイッチ３７を切り換えて下側に倒したときは、振動子２１の電極２３ａと電極２６ａとの間と、電極２３ｂと電極２６ｂとの間とに、互いに同じ向きの交流電圧φ₁をそれぞれ印加する。これにより、電極２３ａ、２６ａ間および電極２３ｄ、２６ｄ間にそれぞれ印加される交流電圧φ₁と、電極２３ｂ、２６ｂ間および電極２３ｃ、２６ｃ間にそれぞれ印加される交流電圧φ₁とは、互いに同じ向きとなる。
【００５４】
〔可変抵抗体３３〕
本実施形態では、発振器３４の端子３４ａと、スイッチ３７の端子３７ｂとの間に、可変抵抗体３３が設けられる。本実施形態では、この可変抵抗体３３の抵抗値を変更することにより、発振器３４の端子３４ａから、スイッチ３７の端子３７ｂへ印加される交流電圧φ₁の電圧を、自在に変えることができる。
【００５５】
本実施形態の超音波アクチュエータ２０−１は、以上のように構成される。次に、この超音波アクチュエータ２０−１の動作を説明する。
図８は、本実施形態の超音波アクチュエータ２０−１により、振動子２１−１に発生する楕円運動が制御されることを示す説明図である。
【００５６】
図７に実線で示すようにスイッチ３７が上側に倒されている場合、図８に示すように可変抵抗体３３の抵抗値Ｒを充分大きく設定すると、主に電極２３ａと電極２６ａとの間と、電極２３ｄと電極２６ｄとの間に、交流電圧φ₁がそれぞれ印加される。このとき、振動子２１−１には、第１の方向、すなわち、Ｘ方向とほぼ平行に振動する第１の振動（１次の縦振動Ｌ１）と、この第１の方向とは異なる第２の方向、すなわち、Ｘ方向と直交するＹ方向とほぼ平行に振動する第２の振動（２次の屈曲振動Ｂ２）とが同時に発生する。これらの縦振動Ｌ１と屈曲振動Ｂ２とは合成されて、振動子２１−１の点Ｅ、Ｆ（図５参照）にそれぞれ設けられた駆動力取出部２７ａ、２７ｂに、楕円運動が発生する。この楕円運動は、図８の符号３８ａに示す軌跡を有している。
【００５７】
この状態から、可変抵抗体３３の抵抗値Ｒを徐々に小さくしていくと、電極２３ａと電極２６ａとの間と、電極２３ｄと電極２６ｄとの間にそれぞれ印加される交流電圧φ₁の電圧は変わらないが、電極２３ｂと電極２６ｂとの間と、電極２３ｃと電極２６ｃとの間とにそれぞれ印加される交流電圧φ₁の電圧が徐々に増加する。このため、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図８の符号３８ｂ、３８ｃに示すように、徐々にＸ方向へ振動する第１の振動（１次の縦振動Ｌ１）の振幅が減少し、Ｘ方向へ潰れた形状となる。
【００５８】
そして、可変抵抗体３３の抵抗値が充分に小さくなると、交流電圧φ₁が電極２３ａ、２６ａの間、電極２３ｂ、２６ｂとの間、電極２３ｃ、２６ｃとの間、および電極２３ｄ、２６ｄとの間にそれぞれ印加される。このため、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図８の符号３８ｄに示すように、屈曲振動のみの直線形状となる。
【００５９】
一方、図７に破線で示すようにスイッチ３７が下側に倒されている場合、図８に示すように可変抵抗体３３の抵抗値Ｒを充分大きく設定すると、交流電圧φ₁が電極２３ａ、２６ａ間と、電極２３ｄ、２６ｄ間にそれぞれ印加される。このため、点Ｅ、Ｆには、図８の符号３８ａに示すような楕円運動が発生する。
【００６０】
この状態から、可変抵抗体３３の抵抗値Ｒを徐々に小さくしていくと、電極２３ａ、２６ａ間と、電極２３ｄ、２６ｄ間にそれぞれ印加される交流電圧φ₁の値は変わらないが、電極２３ｂ、２６ｂ間と、電極２３ｃ、２６ｃ間にそれぞれ印加される交流電圧φ₁の電圧が徐々に増加する。このため、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図８の符号３８ｅ、３８ｆに示すように、徐々にＹ方向へ振動する第２の振動（２次の屈曲振動Ｂ２）の振幅が減少し、Ｙ方向へ潰れた形状となる。
【００６１】
そして、可変抵抗体３３の抵抗値が充分に小さくなると、交流電圧φ₁が電極２３ａ、２６ａの間、電極２３ｂ、２６ｂとの間、電極２３ｃ、２６ｃとの間、および電極２３ｄ、２６ｄとの間にそれぞれ印加される。このため、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図８の符号３８ｇに示すように、縦振動のみの直線形状となる。
【００６２】
このように、本実施形態の超音波アクチュエータ２０−１によれば、スイッチ３７の切替えと、可変抵抗体３３の抵抗値Ｒの変更とにより、振動子２１−１に発生する楕円運動の形状を、図８の軌跡３８ａ〜３８ｇに示すように、自由に変更することができる。
【００６３】
したがって、本実施形態の超音波アクチュエータ２０−１では、駆動速度を速くしたい場合には、スイッチ３７を下側に倒すとともに抵抗値Ｒを小さく設定することにより、駆動方向と直交する方向への振動、すなわち屈曲振動Ｂ２の振幅が増加することを防止できる。したがって、楕円運動の駆動方向と直交する方向の振幅を増加させずに楕円運動の駆動方向の振幅だけを増加させることができる。このため、駆動速度を増加しても、振動子２１−１が相対運動部材に対して相対的に飛び跳ねる現象に起因した騒音が発生しない。
【００６４】
また、駆動速度を遅くしたい場合には、スイッチ３７を上側に倒すとともに抵抗値Ｒを小さく設定することにより、駆動方向と直交する方向への振動、すなわち屈曲振動Ｂ２の振幅が低下することを防止できる。したがって、楕円運動の駆動方向と直交する方向の振幅を低下させずに楕円運動の駆動方向の振幅だけを減少させることができる。このため、駆動速度を減少しても、振動子２１−１の出力の低下が発生しない。
【００６５】
さらに、駆動速度を変更する機会が少ない場合には、スイッチ３７の切替えと可変抵抗体３３の抵抗値Ｒとを、振動子２１−１の使用環境に応じて最適に設定することにより、性能のばらつきが少ない超音波アクチュエータを、高い製造歩留りで量産することができる。
【００６６】
（第３実施形態）
図９は、本実施形態の超音波アクチュエータ２０−２を示す説明図である。図９に示すように、本実施形態の超音波アクチュエータ２０−２が、第１実施形態の超音波アクチュエータ２０と相違するのは、可変抵抗体３３に代えて、可変コンデンサ４０を設けた点であり、他は図１の構成とほぼ同じである。
可変コンデンサ４０は、容量を自由に変えることができるコンデンサであればよく、特定の型式のものには限定されない。
【００６７】
本実施形態の超音波アクチュエータ２０−２は、以上のように構成される。次に、この超音波アクチュエータ２０−２の動作を説明する。
図１０は、本実施形態の超音波アクチュエータ２０−２により、振動子２１に発生する楕円運動が制御されることを示す説明図である。
【００６８】
図１０に示すように、製造上の誤差により、振動子２１の点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動が、符号４１ａに示すように、軸が傾斜した状態で、生じているとする。
本実施形態の超音波アクチュエータ２０−２において、スイッチ３５が実線で示すように上側に倒されている場合、可変コンデンサ４０の容量Ｃを充分に小さく設定すると、可変コンデンサ４０の作用は小さいため、点Ｅ、Ｆにおける楕円運動の軌跡は、符号４１ａに示すように、軸が傾斜したままである。
【００６９】
この状態で、可変コンデンサ４０の容量Ｃを徐々に大きくしていくと、スイッチ３５の端子３５ｃまたは端子３５ｆから電極２３ａおよび２３ｄに入力される交流電圧φ₁または交流電圧φ₂に、電極２３ｂおよび２３ｃに入力される交流電圧φ₂に対する位相遅れが、徐々に大きく生成される。このため、点Ｅ、Ｆにおける楕円運動の軌跡は、符号４１ｂ、４１ｃに示すように、軸の傾斜が変更され、軸の傾斜は徐々に直交する方向に近づく。
【００７０】
さらに、可変コンデンサ４０の容量Ｃを充分に大きくすると、発振器３４から出力される交流電圧φ₁が、可変コンデンサ４０によって（π／２）近く位相シフトされる。このため、振動子２１の電極２３ａと電極２３ｄとに印加される交流電圧と、電極２３ｂと電極２３ｃとに印加される交流電圧との間には、約πの位相差が生じる。これにより、振動子２１の点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図１０の符号４１ｄに示すように、屈曲振動Ｂ２のみの直線形状となる。
【００７１】
一方、スイッチ３５が破線で示すように下側に倒されている場合、可変コンデンサ４０の容量Ｃを充分に小さく設定すると、可変コンデンサ４０の作用は小さいため、点Ｅ、Ｆにおける楕円運動の軌跡は、符号４１ａに示すように、軸が傾斜したままである。
【００７２】
この状態で、可変コンデンサ４０の容量Ｃを徐々に大きくしていくと、スイッチ３５の端子３５ｆから電極２３ａおよび２３ｃに入力される交流電圧φ₂に、電極２３ｂおよび２３ｃに入力される交流電圧φ₂に対する位相遅れが、徐々に大きく生成される。このため、点Ｅ、Ｆにおける楕円運動の軌跡は、軌跡４１ｅ、４１ｆに示すように、軸の傾斜が変更され、軸の傾斜は徐々に水平な方向に近づく。
【００７３】
さらに、可変コンデンサ４０の容量Ｃを充分に大きくすると、発振器３４から出力される交流電圧φ₂のうちで可変コンデンサ４０に入力された交流電圧は、可変コンデンサ４０によって（π／２）近く位相シフトされる。このため、振動子２１の電極２３ａと電極２３ｄとに印加される交流電圧と、電極２３ｂと電極２３ｃとに印加される交流電圧との間の位相差は略０になる。つまり、振動子２１の電極２１ａ〜２１ｄには、略同位相の交流電圧φ₁が印加される。これにより、振動子２１の点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図１０の符号４１ｇに示すように、縦振動Ｌ１のみの直線形状となる。
【００７４】
このように、本実施形態によれば、スイッチ３５の切替えと、可変コンデンサ４０の容量Ｃの変更とにより、振動子２１に発生する楕円運動の形状を、図９の符号４１ａ〜４１ｇに示すように、自由に変更することができる。このため、例えば製造上の誤差により、振動子２１の点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動の軌跡が軸が傾斜した状態で生じても、点Ｅ、Ｆにおける楕円運動の軸の傾斜を設計時の狙いの通りに変更することができる。
【００７５】
（第４実施形態）
図１１は、本実施形態の超音波アクチュエータの構成を示す説明図である。同図に示すように、本実施形態は、第１実施形態の超音波アクチュエータ２０に制御装置４２を付加して超音波アクチュエータ２０−３とすることにより、スイッチ３５の切替えと、可変抵抗体３３の設定と、交流電圧φ₁、φ₂の周波数の設定とを、自動的に行うようにしたものである。
【００７６】
図１１において、制御装置であるＣＰＵ４２には、速度指示手段４３から指示速度ｖが入力される。ＣＰＵ４２は、入力された指示速度ｖに基づいて、発振器３４へ交流電圧φ₁、φ₂の周波数の設定指示と、スイッチ３５への切替え指示と、可変抵抗体３３への抵抗値Ｒの指示とを出力する。
【００７７】
図１２は、ＣＰＵ４２に記憶された各種指示の出力プログラムの一例を示すグラフである。ＣＰＵ４２は、速度指示手段４３から低い指示速度ｖ₁が入力されると、図１２に例示したグラフに基づいて、超音波アクチュエータ２０の共振周波数から離れた高い周波数ｆ₁を交流電圧φ₁、φ₂の周波数として指示し、上側への切替えをスイッチ３５へ指示し、さらに低い抵抗値Ｒ₁を可変抵抗体３３へ指示する。一方、ＣＰＵ４２は、速度指示手段４３から高い指示速度ｖ₄が入力されると、このグラフに基づいて、超音波アクチュエータ２０の共振周波数に近い低い周波数ｆ₄を交流電圧φ₁、φ₂の周波数として指示し、下側への切替えをスイッチ３５へ指示し、さらに高い抵抗値Ｒ₄を可変抵抗体３３へ指示する。
【００７８】
また、図１１に示す超音波アクチュエータ２０−３では、相対運動部材３０にスケール４４が取り付けられている。超音波アクチュエータ２０−３の駆動に伴うスケール４４の移動をエンコーダ４５により読み取り、この値はＣＰＵ４２に入力される。
【００７９】
ＣＰＵ４２では、エンコーダ４５から時系列的に入力されるこの値を微分して速度情報に加工する。そして、ＣＰＵ４２では、速度指示手段４３から入力される指示速度ｖと、この速度情報との偏差を最小にするべく、発振器３４からの交流電圧φ₁、φ₂の周波数の設定値をさらに微調整する。
【００８０】
この超音波アクチュエータ２０−３の速度を小さい速度ｖ₀（＜ｖ₁）にするには、図１２に示すように、ＣＰＵ４２からの制御信号により、スイッチ３５は上側に倒され、可変抵抗体３３の抵抗値は小さい値Ｒ₀に設定され、さらに交流電圧φ₁、φ₂の周波数は高い値ｆ₀に設定される。これにより、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図６の符号３６ｄに示すように、屈曲振動のみの直線形状となり、速度はｖ₀となる。
【００８１】
次に、超音波アクチュエータ２０−３の速度を速度ｖ₁に上昇するには、図１２に示すように、ＣＰＵ４２からの制御信号により、スイッチ３５は上側に倒されたままで、可変抵抗体３３の抵抗値は値Ｒ₃よりも大きい値Ｒ₁に変更され、さらに交流電圧φ₁、φ₂の周波数を値ｆ₀よりも小さい値ｆ₁に変更される。これにより、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図６の符号３６ｃまたは符号３６ｂに示すように、Ｘ方向へ振動する第２の振動（２次の屈曲振動Ｂ２）の振幅が増加し、速度がｖ₁に上昇する。
【００８２】
次に、超音波アクチュエータ２０−３の速度を速度ｖ₂に上昇するには、図１２に示すように、ＣＰＵ４２からの制御信号により、▲１▼スイッチ３５は上側に倒されたままで、可変抵抗体３３の抵抗値は値Ｒ₁よりも大きい値Ｒ₂に変更され、さらに交流電圧φ₁、φ₂の周波数は値ｆ₁よりも低い値ｆ₂に変更されるか、または▲２▼スイッチ３５は下側に切り換えて倒され、可変抵抗体３３の抵抗値は値Ｒ₁よりも大きい値Ｒ₂に変更され、さらに交流電圧φ₁、φ₂の周波数は値ｆ₁よりも低い値ｆ₂に変更される。これにより、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図６の符号３６ａに示すような楕円形状となる。
【００８３】
次に、超音波アクチュエータ２０−３の速度を速度ｖ₃に上昇するには、図１２に示すように、ＣＰＵ４２からの制御信号により、スイッチ３５は下側に倒されたままで、可変抵抗体３３の抵抗値は値Ｒ₂よりも小さい値Ｒ₃に変更され、さらに交流電圧φ₁、φ₂の周波数は値ｆ₂よりも低い値ｆ₃に変更される。これにより、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図６の符号３６ｅまたは符号３６ｆに示すように、徐々にＹ方向へ振動する第１の振動（１次の縦振動Ｌ１）の振幅が増加し、Ｙ方向へ潰れた形状となる。これにより、速度がｖ₃に上昇する。
【００８４】
さらに、超音波アクチュエータ２０−３の速度を速度ｖ₄に上昇するには、図１２に示すように、ＣＰＵ４２からの制御信号により、スイッチ３５は下側に倒されたままで、可変抵抗体３３の抵抗値は値Ｒ₃よりも小さい値Ｒ₄に変更され、さらに交流電圧φ₁、φ₂の周波数は値ｆ₃よりも低い値ｆ₄に変更される。これにより、点Ｅ、Ｆに発生する楕円運動は、図６の符号３６ｇに示すように、縦振動のみの直線形状となる。
【００８５】
このように、本実施形態の超音波アクチュエータ２０−３によれば、ＣＰＵ４２からの制御信号により、スイッチ３５の切替えと、可変抵抗体３３の設定と、交流電圧φ₁、φ₂の周波数の設定とが自動的に行われ、超音波アクチュエータ２０−３の速度が自在に変更される。
【００８６】
（変形形態）
各実施形態の説明では、振動アクチュエータが、超音波の振動域を用いる超音波アクチュエータである場合を例にとった。しかし、本発明はこの形態には限定されず、超音波以外の他の振動域を用いる振動アクチュエータであれば、同様に適用される。
【００８７】
また、各実施形態の説明では、文献「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳＦＯＲＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」に開示された、１次の縦振動と２次の屈曲振動とを発生する矩形平板状の振動子を備える振動アクチュエータを用いた。しかし、本発明はこの形態の振動子を備える振動アクチュエータには限定されず、第１の方向へ振動する第１の振動と、第１の方向とは異なる第２の方向へ振動する第２の振動とを励振させて、第１の振動と第２の振動との合成である楕円運動を発生させる振動子を備える振動アクチュエータに対して、等しく適用される。例えば、特開平７−２４１０９０号公報に開示された、１次の縦振動と４次の屈曲振動とを発生する矩形平板状の振動子を備える振動アクチュエータに対しても、適用される。
【００８８】
また、各実施形態の説明では、振動子２１、２１−１の点Ｅ、Ｆに駆動力取出部２７ａ、２７ｂを設けた場合を例にとった。しかし、本発明はこの形態には限定されず、振動子２１、２１−１の点Ｄ（図４参照）に駆動力取出部２７ｃを設けてもよい。図１３は、この形態を示す説明図であり、駆動力取出部２７ｃに生じる楕円運動により、相対運動部材３０を左右方向へ直線運動させることができる。
【００８９】
また、各実施形態の説明では、相対運動部材３０を直線運動させる場合を例にとった。しかし、本発明はこの形態には限定されず、相対運動部材を回転運動させることもできる。図１４は、この形態を示す説明図であり、相対運動部材３０−１を回転自在に支持しておき、この相対運動部材３０−１の外周面に駆動力取出部２７ｃを加圧接触させればよい。
【００９０】
また、第３実施形態では、第１実施形態の超音波アクチュエータ２０に可変コンデンサ４０を設けたが、第２実施形態の超音波アクチュエータ２０−１に対しても可変抵抗体３３の代わりに可変コンデンサ４０を設けることにより、第３実施形態と同様に、楕円運動の軸の傾斜を調整することができる。
【００９１】
また、第１実施形態や第２実施形態における可変抵抗体３３と、第３実施形態における可変コンデンサ４０とを直列に配置することにより、第１実施形態や第２実施形態による楕円運動の形状調整と、第３実施形態による楕円運動の軸の傾斜調整とをともに行うことができる。
【００９２】
さらに、第４実施形態では、第１実施形態の超音波アクチュエータ２０に制御装置４２を付加したが、第２実施形態の超音波アクチュエータ２０−１に制御装置４２を付加することによっても、第４実施形態と同様に、スイッチ３７の切替えと、可変抵抗体３３の設定と、交流電圧φの周波数の設定とを、自動的に行うことができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１〜請求項５の発明によれば、振動アクチュエータの振動子に発生する楕円運動の形状、すなわち楕円運動の長径、短径、さらには軸の傾斜角度を独立して制御できる。このため、本発明にかかる振動アクチュエータによれば、高速度時の騒音の発生や、低速時の力の不足や、楕円運動の軸の傾斜が不適切であることに起因した諸性能の低下が、いずれも解消され、振動アクチュエータの性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の超音波アクチュエータを示す説明図である。
【図２】第１実施形態の超音波アクチュエータの振動子を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態における超音波アクチュエータの振動子に、縦振動および屈曲振動を生じた時の変位例を示す説明図である。
【図４】第１実施形態における超音波アクチュエータの振動子に発生した楕円運動を示す説明図である。
【図５】第１実施形態における超音波アクチュエータの振動子と相対運動部材とが加圧接触した状態の一例を示す説明図である。
【図６】第１実施形態における超音波アクチュエータにより、振動子に発生する楕円運動の形状が制御されることを示す説明図である。
【図７】第２実施形態の超音波アクチュエータを示す説明図である。
【図８】第２実施形態の超音波アクチュエータにより、振動子に発生する楕円運動が制御されることを示す説明図である。
【図９】第３実施形態の超音波アクチュエータを示す説明図である。
【図１０】第３実施形態の超音波アクチュエータにより、振動子に発生する楕円運動が制御されることを示す説明図である。
【図１１】第４実施形態の超音波アクチュエータの構成を示す説明図である。
【図１２】第４実施形態の超音波アクチュエータにおいて、ＣＰＵに記憶された各種指示の出力プログラムの一例を示すグラフである。
【図１３】変形形態の超音波アクチュエータの構成を示す説明図である。
【図１４】変形形態の超音波アクチュエータの構成を示す説明図である。
【図１５】特開平７−２４１０９０号公報により提案された振動アクチュエータの振動子の説明図であり、図１５（Ａ）は上面図、図１５（Ｂ）は側面図である。
【図１６】文献「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳＦＯＲＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」に開示された振動アクチュエータの振動子を示す斜視図である。
【図１７】従来の振動アクチュエータの駆動制御回路の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
２０振動アクチュエータ
２１振動子
２３ａ〜２３ｄ電極
３２電力入力装置
３３可変抵抗体
３５スイッチ
４０可変コンデンサ
４４スケール（フィードバック制御手段）
４５エンコーダ（フィードバック制御手段）
φ₁、φ₂ 交流電圧[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a vibration actuator. More specifically, the present invention includes a vibrator that pressurizes and contacts a relative motion member, and the vibrator and the relative motion member are generated by generating an elliptical periodic displacement in the vibrator. The present invention relates to a vibration actuator that generates relative motion between the two.
[0002]
[Prior art]
FIGS. 15A and 15B are explanatory views of the vibrator 1 of this type of vibration actuator proposed by Japanese Patent Laid-Open No. 7-241090. FIG. 15A is a top view and FIG. 15B is a side view.
[0003]
As shown in FIGS. 15A and 15B, the vibrator 1 includes an elastic body 2 having a rectangular flat plate shape, a piezoelectric element 3 mounted on one plane of the elastic body 2, and an elastic body. Drive force extraction parts 4a and 4b provided to project on the other plane of the body 2 are provided. The piezoelectric element 3 includes a piezoelectric element 3a to which an A-phase driving signal is input, a piezoelectric element 3b to which a B-phase driving signal whose phase is shifted by (π / 2) from the A-phase driving signal, and vibration. It is divided into a piezoelectric element 3p for detection and a piezoelectric element 3g for grounding. An A-phase drive signal is input to the piezoelectric element 3a from a drive device (not shown), and a B-phase drive signal is input to the piezoelectric element 3b. Then, the vibrator 1 is excited by primary longitudinal vibration and quaternary bending vibration. Therefore, these vibrations are combined, and elliptical motions whose phases are shifted by π are respectively generated in the driving force extraction portions 4a and 4b. As a result, the vibrator 1 generates relative motion with the relative motion member that comes into pressure contact via the driving force extraction portions 4a and 4b.
[0004]
FIG. 16 is a perspective view showing the vibrator 5 of the vibration actuator disclosed in the document “VIBROMOTORS FOR PRECISION MICROROBOTS”. As shown in FIG. 16, the vibrator 5 includes a rectangular flat plate-shaped piezoelectric element 6, driving electrodes 7 a, 7 a ′, 7 b, 7 b ′ mounted on one plane of the piezoelectric element 6, and the other plane. And a grounding electrode 7g mounted on the driving force extracting portions 8a, 8b and 8c. The electrode 7a and the electrode 7a ′ are connected, and the electrode 7b and the electrode 7b ′ are also connected. An A-phase drive signal is input to the electrode 7a from a drive device (not shown), and a B-phase drive signal is input to the electrode 7b. Then, the vibrator 5 is excited with primary longitudinal vibration and secondary bending vibration. For this reason, these vibrations are combined, and elliptical motions are generated in the driving force extraction portions 8a to 8c, respectively, and the relative motion is brought into pressure contact via the driving force extraction portion 8a or the driving force extraction portions 8b and 8c. Relative motion is generated between the members.
[0005]
As described above, each of these vibrators 1 and 5 generates two types of vibrations, and generates a relative motion with a relative motion member that is in pressure contact by an elliptical motion that is a combination of these vibrations. To do. Therefore, it is important to control this elliptical motion to a desired shape.
[0006]
FIG. 17 is a block diagram showing an example of the drive control circuit 9 for these vibration actuators. The drive control circuit 9 will be described using the vibrator 5 shown in FIG. 16 as an example. In FIG. 17, the oscillator 10 oscillates signals having frequencies corresponding to the longitudinal vibration L1 and the bending vibration B2 of the vibrator 5, respectively. The output of the oscillator 10 branches, and one output is amplified by the amplifier 11a and then input to the electrode 7a as an A-phase voltage. The other branched output is shifted to the B phase voltage by (π / 2) from the A phase voltage by the phase shifter 12, and then input to the electrode 7b via the amplifier 11b.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, it is not easy to assemble these vibrators 1 and 5 so that the dimensions of the respective parts coincide with design values with high accuracy and accuracy. When the dimensions of each part deviate slightly from the design value, the ratio of the major axis to the minor axis of the elliptical motion generated by the amplitudes of the longitudinal vibration and bending vibration and the inclination of the axis of the elliptical motion fluctuate. The performances of 1 and 5 vary.
[0008]
In order to eliminate such variations, an attempt to increase the speed of the assembled vibrators 1 and 5 by increasing the input voltage or using the drive control circuit 9 to bring the input frequency closer to the resonance point results in an elliptical shape. Movement is expanded similarly. As a result, not only the amplitude of the longitudinal vibration that vibrates in the direction parallel to the drive direction but also the amplitude of the flexural vibration that vibrates in the direction orthogonal to the drive direction increases. The phenomenon of jumping up and down occurs. For this reason, noise is generated during driving, and the quietness, which is one of the characteristics of the vibration actuator, is impaired.
[0009]
Further, if the input voltage is reduced or the input frequency is moved away from the resonance point by using the drive control circuit 9 to reduce the speed of the assembled vibrators 1 and 5, the elliptical motion is similarly reduced. The Thereby, not only the amplitude of the longitudinal vibration but also the amplitude of the bending vibration is reduced, and the outputs of the vibrators 1 and 5 are lowered.
[0010]
Further, if the axis of the elliptical motion is inclined from a desired angle, the motions of the vibrators 1 and 5 are not efficiently transmitted to the relative motion member. For this reason, speed, force, energy efficiency generated by the vibrators 1 and 5 and loss in control and the like occur, and the performance inherent to the vibrators 1 and 5 cannot be exhibited.
[0011]
The present invention aims to solve these problems, and can independently control the shape of the elliptical motion generated in the vibrator, that is, the major axis and minor axis of the elliptical motion, and further the inclination angle of the shaft. An object is to provide a vibration actuator.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the invention of claim 1, Two AC voltages This is a combination of the first vibration and the second vibration by exciting the first vibration and the second vibration that vibrates in a direction intersecting the direction of the first vibration. Having an oscillator that generates elliptical motion; By changing the voltage of at least one of the two AC voltages, Elliptical shape control means for individually controlling the major axis or minor axis in the trajectory of the elliptical motion; By changing the phase of at least one of the two AC voltages, At least one of elliptical axis inclination control means for controlling the inclination of the axis in the locus of elliptical motion, and the vibrator has a rectangular flat plate-shaped main body, and the main body includes four rectangular flat plates. A vibration actuator is provided in which the electromechanical conversion regions that are divided into rectangular electromechanical conversion regions and arranged diagonally are connected to each other.
[0013]
In the invention of claim 2, Two AC voltages This is a combination of the first vibration and the second vibration by exciting the first vibration and the second vibration that vibrates in a direction intersecting the direction of the first vibration. Having an oscillator that generates elliptical motion; By changing the voltage of at least one of the two AC voltages, Amplitude control means for individually controlling the amplitude of the first vibration or the amplitude of the second vibration; By changing the phase of at least one of the two AC voltages, And at least one of phase difference control means for changing a temporal phase difference between the first vibration and the second vibration, and the vibrator has a rectangular plate-shaped main body, The main body is divided into four rectangular flat plate-shaped electromechanical conversion regions, and the electromechanical conversion regions arranged diagonally are connected to each other.
[0014]
According to the invention of claim 3, the first alternating voltage is applied to the vibrator and the third alternating voltage obtained by switching the first alternating voltage or the second alternating voltage is applied to the vibrator. By doing so, the first vibration and the second vibration that vibrates in the direction intersecting the direction of the first vibration are excited, and the vibrator is synthesized with the first vibration and the second vibration. Power input device for generating elliptical motion and Have , At least one of a variable resistor that changes the voltage of the third AC voltage applied to the vibrator, and a variable capacitor that generates a temporal phase lag with respect to the first AC voltage in the third AC voltage; A vibration actuator is provided.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the vibration actuator according to any one of the first to third aspects, further comprising a feedback control means for controlling the elliptical motion based on an amount related to a driving state of the vibrator. It is characterized by providing.
[0017]
further, Claim 5 The invention of claim 1 starts from claim 1. Claim 4 In the vibration actuator described in any one of the above, one of the first vibration and the second vibration is longitudinal vibration, and the other is bending vibration.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Embodiments of a vibration actuator according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, the vibration actuator is an ultrasonic actuator using an ultrasonic vibration region.
[0019]
FIG. 1 is an explanatory view showing an ultrasonic actuator 20 of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the ultrasonic actuator 20 of this embodiment includes a vibrator 21, a power input device 32, and a variable resistor 33. Hereinafter, these components will be sequentially described.
[0020]
[Vibrator 21]
FIG. 2 is a perspective view showing the vibrator 21 of the ultrasonic actuator 20 of the present embodiment.
[0021]
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the vibrator disclosed by the above-mentioned document “VIBROMOTORSFOR PRECISION MICROROBOTS” or the like is used. That is, the vibrator 21 has a main body constituted by a piezoelectric element 22 such as PZT configured in a rectangular flat plate shape. The piezoelectric element 22 is polarized in the direction from the front surface side to the back surface side (arrow direction in the figure).
[0022]
Four electrodes 23a, 23b, 23c, and 23d are attached to the surface of the piezoelectric element 22 by appropriate means such as adhesion. Electrode 23a-23d is mutually insulated and arrange | positioned. Of the electrodes 23a to 23d, the electrodes 23a and 23d arranged diagonally are connected by a connecting member 24. Further, the electrodes 23b and 23c arranged diagonally are connected by a connecting member 25.
A single electrode 26 is attached to the entire back surface of the piezoelectric element 22 by appropriate means such as adhesion. The electrode 26 is a grounding electrode.
[0023]
An alternating voltage having a frequency near the resonance frequency of the vibrator 21 is applied to the A terminal formed on the electrode 23a by a known oscillator (not shown) with respect to the vibrator 21 as an A-phase drive signal. An AC voltage having the same frequency and voltage as the A phase drive signal and having a phase difference of (π / 2) is applied to the B terminal formed on the electrode 23b as the B phase drive signal. Then, the vibrator 21 is excited with a primary longitudinal vibration L1 that vibrates in the X-axis direction and a secondary bending vibration B2 that vibrates in the Y-axis direction. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a displacement example of the vibrator 21 when the longitudinal vibration L1 and the bending vibration B2 are generated.
[0024]
The longitudinal vibration L1 and the bending vibration B2 generated in the vibrator 21 are combined, and an elliptical motion is generated in the vibrator 21. FIG. 4 is an explanatory view showing the elliptical motion generated in the vibrator 21. As shown in FIG. 4, the vibrator 21 includes a point D (a position substantially at the center of the side surface 21a) on the side surface 21a parallel to the Y direction, and points E and F (bending vibration B2) on the side surface 21b parallel to the X direction. Ellipse motion occurs at each position.
[0025]
A sliding material made of ceramics or plastic material is attached to the point D or the points E and F, and a relative motion member (not shown) is brought into pressure contact via the point D or the points E and F. FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of a state in which the vibrator 21 and the relative motion member 30 are in pressure contact. As shown in FIG. 5, sliding members 27 a and 27 b are attached to points E and F of the vibrator 21, and the vibrator 21 is moved via the sliding members 27 a and 27 b by the spring force generated by the pressurizing member 28. Then, the bearings 29a and 29b are brought into pressure contact with the surface of the relative motion member 30 supported linearly in the direction of a double arrow.
[0026]
Then, the vibrator 21 generates a linear relative motion in any of the left and right directions with respect to the relative motion member 30 due to the elliptical motion generated at the points E and F. In order to reverse the relative motion direction, a two-phase AC voltage may be connected in reverse.
[0027]
Since the vibrator 21 is already known from the literature “VIBROMOTORS FOR PRECISION MICROROBOTS” and the like, further explanation regarding the vibrator 21 is omitted.
[0028]
[Power input device 32]
As shown in FIG. 1, the power input device 32 of this embodiment includes an oscillator 34 and a switch 35.
From the oscillator 34, the first AC voltage φ ₁ And the second AC voltage φ ₂ Are output. These two-phase AC voltage φ ₁ , Φ ₂ Have a phase difference of (π / 2) from each other.
[0029]
AC voltage φ ₂ Is applied to the terminal 35 a of the switch 35. On the other hand, AC voltage φ ₁ Are applied to the terminal 35b of the switch 35 and the electrode 23b attached to the vibrator 21, respectively. Both terminals 35c and 35f of the switch 35 are connected to an electrode 23a attached to the vibrator 21 via a variable resistor 33 described later.
[0030]
The terminals 35a and 35b of the switch 35 are linked with respect to the connection. That is, when the switch 35 is tilted upward as shown by a solid line in FIG. 1, the terminal 35a and the terminal 35c are connected, and the terminal 35b and the terminal 35e are connected. When the switch 35 is tilted downward as shown by a broken line in FIG. 1, the terminal 35a and the terminal 35d are connected, and the terminal 35b and the terminal 35f are connected.
[0031]
Therefore, when the switch 35 is tilted to the upper side, the power input device 32 applies the second AC voltage φ to the electrodes 23a and 23d of the vibrator 21. ₂ Is applied, and the first AC voltage φ is applied to the electrodes 23b and 23c of the vibrator 21. ₁ Apply. Further, when the switch 35 is switched to the lower side, the first AC voltage φ is applied to the electrodes 23a and 23d of the vibrator 21. ₁ And the first AC voltage φ is also applied to the electrodes 23b and 23c of the vibrator 21. ₁ Apply.
[0032]
[Variable resistor 33]
In the present embodiment, the variable resistor 33 is provided between the terminals 35 c and 35 f of the switch 35 and the electrode 23 a of the vibrator 21. The variable resistor 33 may be any resistor that can freely change the resistance value, and is not limited to a specific type. As such a variable resistor 33, for example, a known potentiometer can be used.
[0033]
In this embodiment, by changing the resistance value of the variable resistor 33, the AC voltage φ applied from the terminals 35c and 35f of the switch 35 to the electrode 23a of the vibrator 21 is changed. ₁ Or AC voltage φ ₂ The voltage of can be changed freely.
[0034]
The ultrasonic actuator 20 of the present embodiment is configured as described above. Next, the operation of the ultrasonic actuator 20 will be described.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing that the shape of the elliptical motion generated in the vibrator 21 is controlled by the ultrasonic actuator 20 of the present embodiment.
[0035]
When the switch 35 is tilted upward as shown by the solid line in FIG. 1, if the resistance value R of the variable resistor 33 is set sufficiently large as shown in FIG. ₂ Is applied to the electrodes 23 b and 23 c of the vibrator 21. At this time, the vibrator 21 has a first vibration that vibrates substantially in parallel with the X direction (primary longitudinal vibration L1) and a second direction different from the first direction. That is, the second vibration (second-order bending vibration B2) that vibrates substantially in parallel with the Y direction orthogonal to the X direction is generated at the same time. The longitudinal vibration L1 and the bending vibration B2 are combined, and elliptical motion is generated in the driving force extraction portions 27a and 27b provided at the points E and F of the vibrator 21, respectively. This elliptical motion has a locus indicated by reference numeral 36a in FIG.
[0036]
From this state, when the resistance value R of the variable resistor 33 is gradually reduced, the AC voltage φ applied to the electrodes 23b and 23c. ₂ The AC voltage φ applied to the electrodes 23a and 23d is not changed. ₁ Gradually increases. For this reason, the elliptical motion generated at points E and F is reduced only by the amplitude of the first vibration (primary longitudinal vibration L1) that gradually vibrates in the X direction, as indicated by reference numerals 36b and 36c in FIG. And it becomes the shape crushed in the X direction.
[0037]
When the resistance value of the variable resistor 33 becomes sufficiently small, the AC voltage φ ₁ Is applied to the electrodes 23a and 23d and the AC voltage φ ₁ AC voltage φ with the same frequency and voltage and different phase by (π / 2) ₂ Is applied to the electrodes 23b and 23c. For this reason, the elliptical motion generated at points E and F has a linear shape with only bending vibration, as indicated by reference numeral 36d in FIG.
[0038]
On the other hand, when the switch 35 is tilted downward as shown by a broken line in FIG. 1, if the resistance value R of the variable resistor 33 is set sufficiently large as shown in FIG. ₂ Is applied to the electrodes 23b and 23c. For this reason, elliptical motion having a locus indicated by reference numeral 36a in FIG.
[0039]
From this state, when the resistance value R of the variable resistor 33 is gradually reduced, the AC voltage φ applied to the electrodes 23b and 23c. ₂ The AC voltage φ applied to the electrodes 23a and 23d is not changed. ₂ Gradually increases. For this reason, the elliptical motion generated at the points E and F is reduced only by the amplitude of the second vibration (second-order bending vibration B2) that gradually vibrates in the Y direction, as indicated by reference numerals 36e and 36f in FIG. And it becomes the shape crushed in the Y direction.
[0040]
When the resistance value of the variable resistor 33 becomes sufficiently small, the AC voltage φ ₂ Is applied to the electrodes 23a and 23d and the electrodes 23b and 23c. For this reason, the elliptical motion generated at points E and F has a linear shape with only longitudinal vibration, as indicated by reference numeral 36g in FIG.
[0041]
As described above, according to the ultrasonic actuator 20 of the present embodiment, the shape of the elliptical motion generated in the vibrator 21 by switching the switch 35 and changing the resistance value R of the variable resistor 33 is shown in FIG. As indicated by reference numerals 36a to 36g, it can be freely changed.
[0042]
Therefore, in the ultrasonic actuator 20 of the present embodiment, when it is desired to increase the driving speed, the switch 35 is tilted downward and the resistance value R is set to be small so that the vibration in the direction orthogonal to the driving direction, that is, It is possible to prevent the amplitude of the bending vibration B2 from increasing. Therefore, it is possible to increase only the amplitude in the driving direction of the elliptical motion without increasing the amplitude in the direction orthogonal to the driving direction of the elliptical motion. For this reason, even if the driving speed is increased, noise due to the phenomenon that the vibrator 21 jumps relative to the relative motion member does not occur.
[0043]
In order to reduce the driving speed, the switch 35 is tilted upward and the resistance value R is set small to prevent the vibration in the direction perpendicular to the driving direction, that is, the amplitude of the bending vibration B2 from decreasing. it can. Therefore, it is possible to reduce only the amplitude in the driving direction of the elliptical motion without reducing the amplitude in the direction orthogonal to the driving direction of the elliptical motion. For this reason, even if the driving speed is decreased, the output of the vibrator 21 does not decrease.
[0044]
Furthermore, when there are few opportunities to change the driving speed, the switching of the switch 35 and the resistance value R of the variable resistor 33 are optimally set according to the use environment of the vibrator 21, thereby causing performance variations. A small number of ultrasonic actuators can be mass-produced with a high production yield.
[0045]
(Second Embodiment)
Next, an ultrasonic actuator according to the second embodiment will be described. In the following description of each embodiment, only portions that are different from the above-described first embodiment will be described, and the same portions will be denoted by the same reference numerals in the drawings, and redundant description will be omitted. .
[0046]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the ultrasonic actuator 20-1 of the present embodiment. As shown in FIG. 7, the ultrasonic actuator 20-1 according to the present embodiment includes a transducer 21-1, a power input device 32-1, and a variable resistor 33. Hereinafter, with respect to these components, portions different from the first embodiment will be sequentially described.
[0047]
[Vibrator 21-1]
The vibrator 21-1 of this embodiment is different from the vibrator 21 of the first embodiment in that an electrode attached to the back surface of the vibrator 21-1 is attached to the surface of the vibrator 21-1. Similarly to the electrodes 23a to 23d, the electrode is divided into four electrodes 26a to 26d and the electrodes arranged diagonally are connected, that is, the electrodes 26a and 26c are connected and the electrode 26b is connected. , 26d are connected.
The rest is the same as the vibrator 21 of the first embodiment.
[0048]
[Power Input Device 32-1]
The reason why the power input device 32-1 of this embodiment is different from the power input device 32 of the first embodiment is mainly to correspond to the provision of the electrodes 26a to 26d on the back surface side of the vibrator 21-1. It is a change.
The power input device 32-1 of this embodiment includes an oscillator 34 and a switch 37.
[0049]
From the terminals 34a and 34b of the oscillator 34, the AC voltage φ ₁ Are output respectively.
The terminal 34 a of the oscillator 34 is connected to the electrode 23 a on the surface side of the vibrator 21-1 and the terminal 37 b of the switch 37 via the variable resistor 33. On the other hand, the terminal 34 b of the oscillator 34 is connected to the electrode 26 a on the back surface side of the vibrator 21-1 and the terminal 37 a of the switch 37.
[0050]
Both the terminal 37c and the terminal 37f of the switch 37 are connected to the electrode 23b on the surface side of the vibrator 21-1. Further, the terminal 37d and the terminal 37e of the switch 37 are both connected to the electrode 26b on the back surface side of the vibrator 21-1.
[0051]
The terminal 37a and the terminal 37b of the switch 37 are linked in connection. Therefore, when the switch 37 is tilted upward as shown by a solid line in FIG. 7, the terminal 37a and the terminal 37c are connected, and the terminal 37b and the terminal 37e are connected. When the switch 37 is tilted downward as shown by a broken line in FIG. 7, the terminal 37a and the terminal 37d are connected, and the terminal 37b and the terminal 37f are connected.
[0052]
Accordingly, when the switch 37 is tilted upward, the power input device 32-1 is opposite between the electrode 23a and the electrode 26a of the vibrator 21-1 and between the electrode 23b and the electrode 26b. Orientation AC voltage φ ₁ Are applied respectively. Thereby, the AC voltage φ applied between the electrodes 23a and 26a and between the electrodes 23d and 26d, respectively. ₁ And AC voltage φ applied between the electrodes 23b and 26b and between the electrodes 23c and 26c, respectively. ₁ Are opposite to each other.
[0053]
Further, when the power input device 32-1 switches the switch 37 and tilts it downward, the power input device 32-1 is the same between the electrode 23a and the electrode 26a of the vibrator 21 and between the electrode 23b and the electrode 26b. Orientation AC voltage φ ₁ Are applied respectively. Thereby, the AC voltage φ applied between the electrodes 23a and 26a and between the electrodes 23d and 26d, respectively. ₁ And AC voltage φ applied between the electrodes 23b and 26b and between the electrodes 23c and 26c, respectively. ₁ Are in the same direction.
[0054]
[Variable resistor 33]
In the present embodiment, the variable resistor 33 is provided between the terminal 34 a of the oscillator 34 and the terminal 37 b of the switch 37. In the present embodiment, the AC voltage φ applied from the terminal 34 a of the oscillator 34 to the terminal 37 b of the switch 37 by changing the resistance value of the variable resistor 33. ₁ The voltage of can be changed freely.
[0055]
The ultrasonic actuator 20-1 of the present embodiment is configured as described above. Next, the operation of the ultrasonic actuator 20-1 will be described.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing that the elliptical motion generated in the transducer 21-1 is controlled by the ultrasonic actuator 20-1 of the present embodiment.
[0056]
When the switch 37 is tilted upward as shown by the solid line in FIG. 7, if the resistance value R of the variable resistor 33 is set to be sufficiently large as shown in FIG. 8, it is mainly between the electrode 23a and the electrode 26a. The AC voltage φ between the electrode 23d and the electrode 26d ₁ Are applied respectively. At this time, the vibrator 21-1 has a first vibration that vibrates substantially in parallel with the X direction (primary longitudinal vibration L <b> 1) and a second that is different from the first direction. , That is, a second vibration (second-order bending vibration B2) that vibrates substantially parallel to the Y direction orthogonal to the X direction. The longitudinal vibration L1 and the bending vibration B2 are combined to generate an elliptical motion at the driving force extraction portions 27a and 27b provided at points E and F (see FIG. 5) of the vibrator 21-1. This elliptical motion has a locus indicated by reference numeral 38a in FIG.
[0057]
From this state, when the resistance value R of the variable resistor 33 is gradually decreased, the AC voltage φ applied between the electrode 23a and the electrode 26a and between the electrode 23d and the electrode 26d, respectively. ₁ Is not changed, but the AC voltage φ applied between the electrode 23b and the electrode 26b and between the electrode 23c and the electrode 26c, respectively. ₁ The voltage increases gradually. For this reason, the elliptical motion generated at the points E and F decreases the amplitude of the first vibration (primary longitudinal vibration L1) gradually oscillating in the X direction as indicated by reference numerals 38b and 38c in FIG. The shape is crushed in the X direction.
[0058]
When the resistance value of the variable resistor 33 becomes sufficiently small, the AC voltage φ ₁ Is applied between the electrodes 23a and 26a, between the electrodes 23b and 26b, between the electrodes 23c and 26c, and between the electrodes 23d and 26d. For this reason, the elliptical motion generated at the points E and F has a linear shape with only bending vibration, as indicated by reference numeral 38d in FIG.
[0059]
On the other hand, when the switch 37 is tilted downward as shown by the broken line in FIG. 7, if the resistance value R of the variable resistor 33 is set sufficiently large as shown in FIG. ₁ Is applied between the electrodes 23a and 26a and between the electrodes 23d and 26d. For this reason, elliptical motion as indicated by reference numeral 38a in FIG.
[0060]
From this state, when the resistance value R of the variable resistor 33 is gradually reduced, the AC voltage φ applied between the electrodes 23a and 26a and between the electrodes 23d and 26d, respectively. ₁ Of the AC voltage φ applied between the electrodes 23b and 26b and between the electrodes 23c and 26c, respectively. ₁ The voltage increases gradually. For this reason, the elliptical motion generated at the points E and F decreases the amplitude of the second vibration (second-order bending vibration B2) that gradually vibrates in the Y direction as indicated by reference numerals 38e and 38f in FIG. The shape is crushed in the Y direction.
[0061]
When the resistance value of the variable resistor 33 becomes sufficiently small, the AC voltage φ ₁ Is applied between the electrodes 23a and 26a, between the electrodes 23b and 26b, between the electrodes 23c and 26c, and between the electrodes 23d and 26d. For this reason, the elliptical motion generated at the points E and F has a linear shape with only longitudinal vibration, as indicated by reference numeral 38g in FIG.
[0062]
As described above, according to the ultrasonic actuator 20-1 of the present embodiment, the shape of the elliptical motion generated in the vibrator 21-1 is changed by switching the switch 37 and changing the resistance value R of the variable resistor 33. As shown in the trajectories 38a to 38g in FIG.
[0063]
Therefore, in the ultrasonic actuator 20-1 of the present embodiment, when it is desired to increase the driving speed, the switch 37 is moved downward and the resistance value R is set to be small so that the vibration in the direction orthogonal to the driving direction is obtained. That is, it is possible to prevent the amplitude of the bending vibration B2 from increasing. Therefore, it is possible to increase only the amplitude in the driving direction of the elliptical motion without increasing the amplitude in the direction orthogonal to the driving direction of the elliptical motion. For this reason, even if the driving speed is increased, noise due to a phenomenon in which the vibrator 21-1 jumps relative to the relative motion member does not occur.
[0064]
Further, when it is desired to reduce the driving speed, the vibration in the direction orthogonal to the driving direction, that is, the amplitude of the bending vibration B2 is prevented from decreasing by tilting the switch 37 upward and setting the resistance value R small. it can. Therefore, it is possible to reduce only the amplitude in the driving direction of the elliptical motion without reducing the amplitude in the direction orthogonal to the driving direction of the elliptical motion. For this reason, even if the driving speed is decreased, the output of the vibrator 21-1 does not decrease.
[0065]
Further, when there is little opportunity to change the driving speed, the switching of the switch 37 and the resistance value R of the variable resistor 33 are optimally set according to the use environment of the vibrator 21-1, thereby improving the performance. Ultrasonic actuators with little variation can be mass-produced with a high production yield.
[0066]
(Third embodiment)
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the ultrasonic actuator 20-2 of the present embodiment. As shown in FIG. 9, the ultrasonic actuator 20-2 of the present embodiment is different from the ultrasonic actuator 20 of the first embodiment in that a variable capacitor 40 is provided instead of the variable resistor 33. The rest is almost the same as the configuration of FIG.
The variable capacitor 40 is not limited to a specific type as long as the capacitance can be freely changed.
[0067]
The ultrasonic actuator 20-2 of the present embodiment is configured as described above. Next, the operation of the ultrasonic actuator 20-2 will be described.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing that the elliptical motion generated in the vibrator 21 is controlled by the ultrasonic actuator 20-2 of the present embodiment.
[0068]
As shown in FIG. 10, it is assumed that an elliptical motion generated at points E and F of the vibrator 21 occurs due to a manufacturing error in a state where the axis is inclined as indicated by reference numeral 41a.
In the ultrasonic actuator 20-2 of the present embodiment, when the switch 35 is tilted upward as shown by the solid line, if the capacitance C of the variable capacitor 40 is set sufficiently small, the action of the variable capacitor 40 is small. The trajectory of the elliptical motion at the points E and F remains tilted as shown by reference numeral 41a.
[0069]
In this state, when the capacitance C of the variable capacitor 40 is gradually increased, the AC voltage φ input from the terminal 35c or the terminal 35f of the switch 35 to the electrodes 23a and 23d. ₁ Or AC voltage φ ₂ AC voltage φ input to the electrodes 23b and 23c ₂ The phase delay with respect to is gradually increased. For this reason, the trajectory of the elliptical motion at the points E and F is changed in the inclination of the shaft as indicated by reference numerals 41b and 41c, and the inclination of the shaft gradually approaches the orthogonal direction.
[0070]
Further, when the capacitance C of the variable capacitor 40 is sufficiently increased, the AC voltage φ output from the oscillator 34 is increased. ₁ Is phase shifted by (π / 2) by the variable capacitor 40. For this reason, a phase difference of about π occurs between the AC voltage applied to the electrodes 23a and 23d of the vibrator 21 and the AC voltage applied to the electrodes 23b and 23c. As a result, the elliptical motion generated at points E and F of the vibrator 21 has a linear shape with only the bending vibration B2 as indicated by reference numeral 41d in FIG.
[0071]
On the other hand, when the switch 35 is tilted downward as shown by a broken line, if the capacitance C of the variable capacitor 40 is set sufficiently small, the action of the variable capacitor 40 is small, and the locus of elliptical motion at points E and F is thus small. , The axis remains inclined as indicated by reference numeral 41a.
[0072]
In this state, when the capacitance C of the variable capacitor 40 is gradually increased, the AC voltage φ input from the terminal 35f of the switch 35 to the electrodes 23a and 23c. ₂ AC voltage φ input to the electrodes 23b and 23c ₂ The phase delay with respect to is gradually increased. For this reason, the trajectory of the elliptical motion at the points E and F is changed in the inclination of the shaft as indicated by the trajectories 41e and 41f, and the inclination of the shaft gradually approaches the horizontal direction.
[0073]
Further, when the capacitance C of the variable capacitor 40 is sufficiently increased, the AC voltage φ output from the oscillator 34 is increased. ₂ Among these, the AC voltage input to the variable capacitor 40 is phase-shifted by (π / 2) by the variable capacitor 40. For this reason, the phase difference between the AC voltage applied to the electrodes 23a and 23d of the vibrator 21 and the AC voltage applied to the electrodes 23b and 23c is substantially zero. In other words, the electrodes 21a to 21d of the vibrator 21 have an AC voltage φ of substantially the same phase. ₁ Is applied. As a result, the elliptical motion generated at points E and F of the vibrator 21 has a linear shape with only the vertical vibration L1 as indicated by reference numeral 41g in FIG.
[0074]
As described above, according to the present embodiment, the shape of the elliptical motion generated in the vibrator 21 by the switching of the switch 35 and the change of the capacitance C of the variable capacitor 40 is represented by reference numerals 41a to 41g in FIG. It can be changed freely. For this reason, for example, even if the locus of the elliptical motion generated at the points E and F of the vibrator 21 occurs in a state where the axis is inclined due to a manufacturing error, the inclination of the axis of the elliptical motion at the points E and F is designed. Can be changed as desired.
[0075]
(Fourth embodiment)
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the configuration of the ultrasonic actuator of the present embodiment. As shown in the figure, in this embodiment, the control device 42 is added to the ultrasonic actuator 20 of the first embodiment to form the ultrasonic actuator 20-3, so that the switching of the switch 35 and the variable resistor 33 are performed. Setting and AC voltage φ ₁ , Φ ₂ The frequency setting is automatically performed.
[0076]
In FIG. 11, the instruction speed v is input from the speed instruction means 43 to the CPU 42 which is a control device. The CPU 42 supplies the AC voltage φ to the oscillator 34 based on the input instruction speed v. ₁ , Φ ₂ The frequency setting instruction, the switching instruction to the switch 35, and the resistance value R instruction to the variable resistor 33 are output.
[0077]
FIG. 12 is a graph showing an example of an output program for various instructions stored in the CPU 42. The CPU 42 receives a low instruction speed v from the speed instruction means 43. ₁ Is input, based on the graph illustrated in FIG. 12, a high frequency f away from the resonance frequency of the ultrasonic actuator 20. ₁ AC voltage φ ₁ , Φ ₂ The switch 35 is instructed to switch to the upper side, and the resistance value R is further reduced. ₁ To the variable resistor 33. On the other hand, the CPU 42 receives a high instruction speed v from the speed instruction means 43. _Four Is input, based on this graph, a low frequency f close to the resonance frequency of the ultrasonic actuator 20 is obtained. _Four AC voltage φ ₁ , Φ ₂ The switch 35 is instructed to switch to the lower side, and the higher resistance value R _Four To the variable resistor 33.
[0078]
In the ultrasonic actuator 20-3 shown in FIG. 11, the scale 44 is attached to the relative motion member 30. The movement of the scale 44 accompanying the driving of the ultrasonic actuator 20-3 is read by the encoder 45, and this value is input to the CPU.
[0079]
The CPU 42 differentiates this value input in time series from the encoder 45 and processes it into speed information. In the CPU 42, the AC voltage φ from the oscillator 34 is minimized so as to minimize the deviation between the instruction speed v input from the speed instruction means 43 and the speed information. ₁ , Φ ₂ Further fine-tune the frequency setting value.
[0080]
The speed of this ultrasonic actuator 20-3 is reduced to a small speed v. ₀ (<V ₁ 12), as shown in FIG. 12, the switch 35 is tilted upward by a control signal from the CPU 42, and the resistance value of the variable resistor 33 is a small value R. ₀ And the AC voltage φ ₁ , Φ ₂ Has a high frequency f ₀ Set to As a result, the elliptical motion generated at points E and F becomes a linear shape with only bending vibration, as indicated by reference numeral 36d in FIG. ₀ It becomes.
[0081]
Next, the speed of the ultrasonic actuator 20-3 is set to the speed v. ₁ 12, the resistance value of the variable resistor 33 is set to the value R while the switch 35 is tilted upward by the control signal from the CPU 42 as shown in FIG. _Three Value R greater than ₁ To AC voltage φ ₁ , Φ ₂ The frequency of the value f ₀ Smaller value f ₁ Changed to Thereby, the elliptical motion generated at the points E and F increases the amplitude of the second vibration (second-order bending vibration B2) that vibrates in the X direction, as indicated by reference numeral 36c or reference numeral 36b in FIG. Speed is v ₁ To rise.
[0082]
Next, the speed of the ultrasonic actuator 20-3 is set to the speed v. ₂ 12, the resistance value of the variable resistor 33 is set to the value R while the switch 35 is tilted upward by the control signal from the CPU 42, as shown in FIG. ₁ Value R greater than ₂ To AC voltage φ ₁ , Φ ₂ Is the frequency f ₁ Lower value f ₂ Or the switch 35 is switched to the lower side and turned down, and the resistance value of the variable resistor 33 is the value R. ₁ Value R greater than ₂ To AC voltage φ ₁ , Φ ₂ Is the frequency f ₁ Lower value f ₂ Changed to Thereby, the elliptical motion generated at the points E and F has an elliptical shape as indicated by reference numeral 36a in FIG.
[0083]
Next, the speed of the ultrasonic actuator 20-3 is set to the speed v. _Three 12, the resistance value of the variable resistor 33 is set to the value R while the switch 35 is tilted down by the control signal from the CPU 42 as shown in FIG. ₂ Smaller value R _Three To AC voltage φ ₁ , Φ ₂ Is the frequency f ₂ Lower value f _Three Changed to Thereby, the elliptical motion generated at the points E and F increases the amplitude of the first vibration (primary longitudinal vibration L1) gradually oscillating in the Y direction as indicated by reference numeral 36e or reference numeral 36f in FIG. And it becomes the shape crushed in the Y direction. This makes the speed v _Three To rise.
[0084]
Further, the speed of the ultrasonic actuator 20-3 is changed to the speed v. _Four 12, the resistance value of the variable resistor 33 is set to the value R while the switch 35 is tilted down by the control signal from the CPU 42 as shown in FIG. _Three Smaller value R _Four To AC voltage φ ₁ , Φ ₂ Is the frequency f _Three Lower value f _Four Changed to As a result, the elliptical motion generated at points E and F has a linear shape with only longitudinal vibration, as indicated by reference numeral 36g in FIG.
[0085]
Thus, according to the ultrasonic actuator 20-3 of the present embodiment, the switching of the switch 35, the setting of the variable resistor 33, and the AC voltage φ are controlled by the control signal from the CPU 42. ₁ , Φ ₂ Is automatically set, and the speed of the ultrasonic actuator 20-3 is freely changed.
[0086]
(Deformation)
In the description of each embodiment, the case where the vibration actuator is an ultrasonic actuator using an ultrasonic vibration region is taken as an example. However, the present invention is not limited to this form, and can be applied in the same manner as long as it is a vibration actuator using a vibration region other than the ultrasonic wave.
[0087]
In the description of each embodiment, a vibration actuator including a rectangular flat plate-like vibrator that generates primary longitudinal vibration and secondary bending vibration disclosed in the document “VIBROMOTORS FOR PRECISION MICROROBOTS” is used. However, the present invention is not limited to the vibration actuator including the vibrator of this form, and the first vibration that vibrates in the first direction and the second vibration that vibrates in the second direction different from the first direction. The present invention is equally applied to a vibration actuator including a vibrator that excites vibration and generates an elliptical motion that is a combination of the first vibration and the second vibration. For example, the present invention is also applied to a vibration actuator including a rectangular flat plate-shaped vibrator that generates primary longitudinal vibration and fourth-order bending vibration, which is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-241090.
[0088]
In the description of each embodiment, the case where the driving force extraction portions 27 a and 27 b are provided at the points E and F of the vibrators 21 and 21-1 is taken as an example. However, the present invention is not limited to this form, and the driving force extraction portion 27c may be provided at the point D (see FIG. 4) of the vibrators 21 and 21-1. FIG. 13 is an explanatory view showing this configuration, and the relative motion member 30 can be linearly moved in the left-right direction by the elliptical motion generated in the driving force extracting portion 27c.
[0089]
In the description of each embodiment, the case where the relative motion member 30 is linearly moved is taken as an example. However, the present invention is not limited to this form, and the relative motion member can be rotated. FIG. 14 is an explanatory view showing this embodiment. The relative motion member 30-1 is rotatably supported, and the driving force extracting portion 27c can be brought into pressure contact with the outer peripheral surface of the relative motion member 30-1. That's fine.
[0090]
In the third embodiment, the variable capacitor 40 is provided in the ultrasonic actuator 20 of the first embodiment. However, a variable capacitor is used instead of the variable resistor 33 in the ultrasonic actuator 20-1 of the second embodiment. By providing 40, the inclination of the axis of the elliptical motion can be adjusted as in the third embodiment.
[0091]
Further, by arranging the variable resistor 33 in the first embodiment or the second embodiment and the variable capacitor 40 in the third embodiment in series, the shape adjustment of the elliptical motion according to the first embodiment or the second embodiment. And the inclination adjustment of the axis of the elliptical motion according to the third embodiment can be performed together.
[0092]
Furthermore, in the fourth embodiment, the control device 42 is added to the ultrasonic actuator 20 of the first embodiment. However, the fourth embodiment can be achieved by adding the control device 42 to the ultrasonic actuator 20-1 of the second embodiment. Similarly to the embodiment, the switching of the switch 37, the setting of the variable resistor 33, and the setting of the frequency of the AC voltage φ can be automatically performed.
[0093]
【The invention's effect】
As described in detail above, claims 1 to Claim 5 According to this invention, the shape of the elliptical motion generated in the vibrator of the vibration actuator, that is, the major axis and minor axis of the elliptical motion, and further the tilt angle of the shaft can be controlled independently. For this reason, according to the vibration actuator according to the present invention, various performances are deteriorated due to generation of noise at high speed, lack of force at low speed, and inappropriate inclination of the axis of elliptical motion. Both are eliminated, and the performance of the vibration actuator can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an ultrasonic actuator according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view showing a vibrator of the ultrasonic actuator according to the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of displacement when longitudinal vibration and bending vibration are generated in the vibrator of the ultrasonic actuator according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing elliptical motion generated in the transducer of the ultrasonic actuator according to the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of a state where the transducer of the ultrasonic actuator and the relative motion member are in pressure contact with each other in the first embodiment.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing that the shape of elliptical motion generated in the vibrator is controlled by the ultrasonic actuator according to the first embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an ultrasonic actuator according to a second embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing that the elliptical motion generated in the vibrator is controlled by the ultrasonic actuator according to the second embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an ultrasonic actuator according to a third embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing that the elliptical motion generated in the vibrator is controlled by the ultrasonic actuator according to the third embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a configuration of an ultrasonic actuator according to a fourth embodiment.
12 is a graph showing an example of an output program for various instructions stored in a CPU in the ultrasonic actuator of the fourth embodiment. FIG.
FIG. 13 is an explanatory view showing a configuration of a modified ultrasonic actuator.
FIG. 14 is an explanatory view showing a configuration of a modified ultrasonic actuator.
FIGS. 15A and 15B are explanatory views of a vibrator of a vibration actuator proposed by Japanese Patent Laid-Open No. 7-241090, in which FIG. 15A is a top view and FIG. 15B is a side view.
FIG. 16 is a perspective view showing a vibrator of a vibration actuator disclosed in the document “VIBROMOTORS FOR PRECISION MICROROBOTS”.
FIG. 17 is a block diagram illustrating an example of a drive control circuit of a conventional vibration actuator.
[Explanation of symbols]
20 Vibration actuator
21 vibrator
23a-23d electrode
32 Power input device
33 Variable resistor
35 switch
40 variable capacitors
44 scale (feedback control means)
45 Encoder (Feedback control means)
φ ₁ , Φ ₂ AC voltage

Claims

２つの交流信号が入力されることにより、第１の振動と、該第１の振動の方向と交差する方向へ振動する第２の振動とを励振させて、前記第１の振動と前記第２の振動との合成である楕円運動を発生する振動子を有し、
前記２つの交流電圧のうちの少なくとも一方の交流電圧の電圧を変えることにより、前記楕円運動の軌跡における長径または短径を個別に制御するための楕円形状制御手段と、前記２つの交流電圧のうちの少なくとも一方の交流電圧の位相を変えることにより、前記楕円運動の軌跡における軸の傾斜を制御するための楕円軸傾斜制御手段とのうちの少なくとも一方とを備え、さらに、
前記振動子は、矩形平板状の本体を有し、該本体は４つの矩形平板状の電気機械変換領域に分割され、対角上に配置された該電気機械変換領域同士は結線されること
を特徴とする振動アクチュエータ。 When the two AC signals are input, the first vibration and the second vibration that vibrates in the direction intersecting the direction of the first vibration are excited, and the first vibration and the second vibration are excited. Has an oscillator that generates elliptical motion, which is a combination with the vibration of
By changing the voltage of at least one of the two AC voltages, the elliptical shape control means for individually controlling the major axis or the minor axis in the trajectory of the elliptical motion, and the two AC voltages At least one of elliptical axis inclination control means for controlling the inclination of the axis in the locus of the elliptical motion by changing the phase of at least one of the AC voltages of
The vibrator has a rectangular flat plate-shaped main body, the main body is divided into four rectangular flat plate-shaped electromechanical conversion regions, and the electromechanical conversion regions arranged diagonally are connected to each other. A characteristic vibration actuator.

２つの交流電圧が入力されることにより、第１の振動と、該第１の振動の方向と交差する方向へ振動する第２の振動とを励振させて、前記第１の振動と前記第２の振動との合成である楕円運動を発生する振動子を有し、
前記２つの交流電圧のうちの少なくとも一方の交流電圧の電圧を変えることにより、前記第１の振動の振幅または前記第２の振動の振幅を個別に制御するための振幅制御手段と、前記２つの交流電圧のうちの少なくとも一方の交流電圧の位相を変えることにより、前記第１の振動と前記第２の振動との間の時間的位相差を変更する位相差制御手段とのうちの少なくとも一方と
を備え、さらに、
前記振動子は、矩形平板状の本体を有し、該本体は４つの矩形平板状の電気機械変換領域に分割され、対角上に配置された該電気機械変換領域同士は結線されること
を特徴とする振動アクチュエータ。By inputting two AC voltages , the first vibration and the second vibration that vibrates in a direction intersecting the direction of the first vibration are excited, and the first vibration and the second vibration are excited. Has an oscillator that generates elliptical motion, which is a combination with the vibration of
Amplitude control means for individually controlling the amplitude of the first vibration or the amplitude of the second vibration by changing the voltage of the AC voltage of at least one of the two AC voltages ; At least one of phase difference control means for changing a temporal phase difference between the first vibration and the second vibration by changing a phase of at least one of the AC voltages. In addition,
The vibrator has a rectangular flat plate-shaped main body, the main body is divided into four rectangular flat plate-shaped electromechanical conversion regions, and the electromechanical conversion regions arranged diagonally are connected to each other. A characteristic vibration actuator.

振動子と、
該振動子に、第１の交流電圧を印加するとともに、該第１の交流電圧または第２の交流電圧を切り換えることによって得られる第３の交流電圧を印加することにより、第１の振動と、該第１の振動の方向と交差する方向へ振動する第２の振動とを励振させて、前記振動子に前記第１の振動と前記第２の振動との合成である楕円運動を発生させるための電力入力装置とを有し、
前記振動子に印加される前記第３の交流電圧の電圧を変更する可変抵抗器と、前記第３の交流電圧に前記第１の交流電圧に対する時間的位相遅れを生成する可変コンデンサとのうちの少なくとも一方と
を備えることを特徴とする振動アクチュエータ。A vibrator,
By applying a first alternating voltage to the vibrator and applying a third alternating voltage obtained by switching the first alternating voltage or the second alternating voltage, the first vibration, To excite a second vibration that vibrates in a direction that intersects the direction of the first vibration, and to cause the vibrator to generate an elliptical motion that is a combination of the first vibration and the second vibration. and a power input device,
A variable resistor that changes a voltage of the third AC voltage applied to the vibrator; and a variable capacitor that generates a time phase delay in the third AC voltage with respect to the first AC voltage. A vibration actuator comprising at least one.

さらに、前記振動子の駆動状況に関する量に基づいて前記楕円運動を制御するためのフィードバック制御手段を備えること
を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ。The vibration actuator according to any one of claims 1 to 3, further comprising feedback control means for controlling the elliptical motion based on an amount related to a driving state of the vibrator. .

前記第１の振動および前記第２の振動のうちの一方は縦振動であるとともに、他方は屈曲振動であること
を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ。The one of the first vibration and the second vibration is longitudinal vibration, and the other is bending vibration, and is described in any one of claims 1 to 4. Vibration actuator.