JP4838463B2 - 振動型アクチュエータおよび振動型駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動型アクチュエータおよび振動型駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多自由度振動型アクチュエータ（超音波モータ）としては種々のものが提案されており、以下に説明する。
(第一の従来例)
例えば日本ロボット学会誌(Vol.16,No.8,pp87-94)に縦振動と横振動の縮退に基づく多自由度超音波モータが提案されている。
【０００３】
この多自由度超音波モータは、単一の振動体に固有振動数の等しい複数の固有振動を励振して、振動体表面に３軸回りの楕円振動を生成して例えば回転体(移動体)を３軸回りに回転させる。
【０００４】
このような単一の振動体で多自由度、例えば3自由度の駆動力を得る振動型アクチュエータの基本的な構成としては、例えば棒状の振動体の一端部に凹部を形成し、この凹部に球状の回転体の一部を嵌合し、加圧機構により前記回転体を前記振動体に加圧接触させる機械的構成を有し、一方、振動体には異なる3軸方向、前記振動体の軸方向をＺ軸とし、このＺ軸に対し互いに直交する2軸をＸ軸とＹ軸とすると、前記Ｚ軸回りの回転と、前記Ｘ軸回りの回転および前記Ｙ軸回りの回転を前記球形の回転体にそれぞれ与えることができるように、前記振動体に振動変位の合成による駆動振動を発生させるようにしている。
【０００５】
前記振動体は、例えば電気-機械エネルギー変換素子としての圧電素子により、振動体に異なる3方向の振動変位、例えばＺ方向の振動（縦振動）、Ｚ−Ｘ平面での曲げ振動、Ｚ−Ｙ平面での曲げ振動が与えられ、前記2つの曲げ振動を時間的位相差を有して形成する事により、この2つの曲げ振動の合成振動で形成される駆動振動で前記球形の回転体を前記Ｚ軸回りに回転させる。
【０００６】
また、前記縦振動と前記Ｚ−Ｘ平面でも曲げ振動の合成振動で前記球形の回転体をＹ軸回りに回転させる。
【０００７】
さらに、前記縦振動と前記Ｚ−Ｙ平面でも曲げ振動の合成振動で前記球形の回転体をＸ軸回りに回転させる。
【０００８】
以上は3自由度の回転動作を行う被駆動部材について述べたが、Ｚ軸回りの回転およびＸ，Ｙ並進動作についても同様に説明できる。
【０００９】
（第二の従来例）
一方、図１０に示すように精密工学会誌Vol.61.No.9.1995 P1227-1230では、球状の移動体３０２の周囲に複数の振動体３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、３０１ｄを配置して2自由度の駆動をもたらす振動型アクチュエータが提示されている。
振動体３０１ａ，３０１ｂ，３０１ｃ，３０１ｄは円環形状であり、球状の移動体３０２を対向して挟み込むように振動体３０１ａ，３０１ｂによる第一の一対の振動体が配置され、これと直交する位置に振動体３０１ｃ，３０１ｄにより第二の一対の振動体が配置され、これら対となる振動体が移動体に独立した回転運動を生じさせて2軸回りの回転運動をもたらす。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の多自由度振動型アクチュエータには以下のような難点があった。
ａ：一個の被駆動部材が3自由度を持つための機械的な保持機構。
【００１１】
例えば、３軸回りの自由度を維持するように球状の移動体を保持する為の機構が必要であり、これは一般には複雑な構成となる、あるいは保持機構による出力損失が生じる。
ｂ：１つの振動体による出力の限界。
【００１２】
特に第二の従来例の場合、一方の一対の振動体により移動体に回転運動を与えているとき、他方の一対の振動体と移動体の間で強制的な動摩擦運動を生じてしまい、損失の増加を招いてしまう。
【００１３】
本出願に係る発明の目的は、被駆動部材である移動体のための保持機構による出力損失を発生させず、効率の良い、且つ複数の振動体で１つの移動体に運動を発生させることで高出力の振動型アクチュエータおよび振動型駆動装置を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本出願による発明の目的を実現する振動型アクチュエータの第１の構成は、
略円筒形状の接触部が形成された円筒状移動体と、
前記円筒状移動体に加圧部材の加圧力により加圧接触して該円筒状移動体を運動させる一方、該円筒状移動体を保持するために、先端付近が凹状に形成された駆動部を備えた第１及び第２の振動体とによる二つの振動体と、を有し、
前記二つの振動体は、それぞれの前記駆動部に少なくとも異なる３方向の振動変位を発生させる振動発生手段を有し、
且つ前記二つの振動体は、それぞれの前記先端付近が凹状に形成された駆動部を介して前記円筒状移動体に付与される前記加圧部材の加圧力により前記円筒状移動体を互いに対向する２方向から保持するとともに、
前記二つの振動体に形成される少なくとも異なる２方向以上の振動変位の組み合わせにより、前記円筒状移動体を該円筒状移動体の回転方向及び該円筒状移動体の回転方向と垂直な方向に運動させることを特徴とする。
【００１５】
本出願による発明の目的を実現する振動型アクチュエータの第２の構成は、上記第２の構成で、前記振動体は、前記移動体を挟んで正対する位置に配置されていることを特徴とする。
【００２０】
本出願による発明の目的を実現する振動型駆動装置の構成は、上記いずれかの構成の振動型アクチュエータを駆動源として有し、前記駆動源により被駆動体を駆動するようにしたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明における参考例及び実施の形態について説明する。
（第１の参考例） 図１〜図５は本発明の参考例を示す。
【００２２】
図１は本参考例を示す主要部分の斜視図である。
【００２３】
１ａおよび１ｂは円柱形状に形成された振動体で、複数の圧電セラミックスの間に電極膜を形成して積層構造とした電気-機械エネルギー変換素子である振動発生手段としての積層型圧電素子（以下圧電素子と称す）３、および振動体の支持を行うための支持部材２０４をその両側から金属で形成された第１の弾性体２０１と第２の弾性体２０２で挟み、図２に示すようにボルト２０３により螺着を行い一体化された構造となっている。
【００２４】
なお、本参考例において、電気−機械エネルギー変換素子として積層型の圧電素子を用いているが、１枚の圧電素子あるいは複数枚の圧電素子を重ねあわせる構成であっても良い。
【００２５】
本参考例において、第１の弾性体２０１には、中心軸（Ｚ軸）の回りに振動変位拡大用の周溝２０１ａが形成され、さらに周溝２０１ａよりも先端側の駆動部２０１ｂに、中心軸（Ｚ軸）と同心にして例えば図２に示すように摩擦駆動を行うためのテーパ状の駆動部２０１ｃが形成されている。
【００２６】
本参考例では、図１に示すように同一構成の振動体１ａ，１ｂの２個を同一軸心上に一致させて用いており、各振動体１ａ，１ｂは台座１０１により支持される。振動体１の支持部材１０２と台座１０１の間にバネ部材１０２を挟み込み、ボルト部材等の固定部材１０３により固定される。
【００２７】
ここで板形状の支持部材２０４は、台座１０１を構成する部材、および固定部材１０３には直接固定されず、バネ部材１０２を介していることで振動体１は図２のＺ方向に加圧を受けている。台座１０１の構成は図１に示すように、平面矩形上の台盤の四隅に支持柱を固定し、短辺側に設けられた対向する支持柱でそれぞれ振動体の支持部材を浮遊支持するものに限定されるものではない。
【００２８】
移動体４０１は略球状に形成されており、外部への出力伝達部材４１０が一体化されている。
【００２９】
振動体１ａと１ｂはそれぞれの摩擦駆動部２０１ｃが移動体４０１の外周面と接し、かつおのおのの中心軸（Ｚ軸）が同一軸線上に重なるように配置される。
【００３０】
既に述べたように、各振動体はバネ部材１０２の加圧力を受けており、この作用により移動体４０１は振動体１０１ａと１０１ｂで両側から加圧接触され、振動体１の摩擦駆動部２０１ｃのテーパ形状と合わせて移動体４０１を保持する構造となっている。
【００３１】
図３は本参考例の振動型アクチュエータの構造および駆動原理を示している。
【００３２】
円柱形状の振動体１は、中央付近に第１の弾性体２０１と第２の弾性体２０２により挟持固定されている圧電素子３により弾性振動を行う。なお、図３（ｂ），（ｃ），（ｄ）にそれぞれ示すのはＺ，Ｘ，Ｙ方向の変位の軸方向（Ｚ）分布である。
【００３３】
即ち、Ｚ方向の振動変位Ｗｚは、中心に１個の節を持つ縦振動（軸方向に伸び縮みする振動）である。また、Ｘ方向の振動変位Ｗｘは３個の節を持つ曲げ振動である。Ｙ方向の振動変位ＷｙもＷｘと同様、３個の節を持つ曲げ振動である。
【００３４】
ここで、振動変位Ｗｚと振動変位Ｗｘを時間的位相差が９０度となるように発生させると、振動体１の端部付近、例えば２０１ｃ部にＹ軸回り（Ｘ−Ｚ平面内）の楕円または円運動が形成される。
【００３５】
振動変位の時間的位相差を逆にすると（−９０度にすると）、第１の回転体４０１は逆向きに回転する。
【００３６】
振動の組み合わせを変えて、振動変位Ｗｚと振動変位Ｗｙを時間的位相差が９０度となるように発生させると振動体１の２０１ｃ部付近にＸ軸回り（Ｙ−Ｚ平面内）の楕円または円運動が形成される。
【００３７】
同様に振動の組み合わせを変えて、振動変位Ｗｘと振動変位Ｗｙを時間的位相差が９０度となるように発生させると振動体１の２０１ｃ部付近にＺ軸回り（Ｘ−Ｙ平面内）の楕円または円運動が形成される。
【００３８】
このような作用をなす振動体を用いた本参考例における振動体の駆動方法を図４を用いて説明する。
【００３９】
座標軸を図4のように示し、移動体４０１をＹ軸について時計回りに回転運動させる場合について示す。
【００４０】
振動体１ａについて振動変位Ｗｚが振動変位Ｗｘに対して時間的位相差が９０度遅れるように振動変位Ｗｚ及びＷｘを発生させると、振動体１の端部付近、例えば２０１ｃ部の挙動は図４のように楕円運動となる。この２０１ｃ部と接触する移動体４０１の−Ｚ側に対して−Ｘ方向に運動する力を与える。
【００４１】
同様に振動体１ｂについて、振動変位Ｗｚが振動変位Ｗｘに対して時間的位相差が９０度遅れるように振動変位Ｗｚ及びＷｘを発生させると、振動体１の端部付近、例えば２０１ｃ部の挙動は図４のように楕円運動となる。この２０１ｃ部と接触する移動体４０１のＺ側に対してＸ方向に運動する力を与える。これら２つの振動体１ａおよび１ｂが移動体４０１に与える力の合力により、移動体４０１はＹ軸について時計回りの回転運動を行う。
【００４２】
各振動体に発生させる振動変位Ｗｚと振動変位Ｗｘの時間的位相差を逆の関係とすると移動体４０１はＹ軸について反時計回りの回転運動を行う。
【００４３】
同様に、各振動体１に振動変位ＷｚとＷｙを発生させる事で移動体４０１にＸ軸回りの回転運動を得られ、振動変位ＷｘとＷｙを発生させる事で移動体４０１にＺ軸回りの回転運動が得られる。
【００４４】
振動体１ａと振動体１ｂは同一の構成であるので同一の性能を持つ。このような２つの振動体が同じ発生力を持つように各々の振動変位Ｗｘを等しくし、同時に振動変位Ｗｚを等しくするように駆動を行う事で移動体４０１には偶力が作用するので移動体４０１は移動体自身の中心軸を回転中心として回転運動を行う。よって移動体４０１を保持する機構は不要となる。
【００４５】
以上はＸ，Ｙ，Ｚ軸回りの回転運動について説明したが、回転運動の方向はこれらに限定しない。振動変位Ｗｘ，Ｗｙ，Ｗｚを適当に組み合わせる事で任意の方向の回転運動を実現する。
【００４６】
振動体１の個数はこれまでに示した形態に限定しない。図５は本参考例の振動型アクチュエータの他の形態について示した斜視図である。第１の振動体１ａ、第２の振動体１ｂ、第３の振動体１ｃは移動体４０１の回転中心を含む平面状に略１２０°間隔で配置されている。この構成以外は図１の形態で示したものと同様であり図中記載及び説明は略す。３つの振動体１ａ、１ｂ、１ｃの発生力を１つの移動体４０１に与えることで簡単に振動型アクチュエータの高出力を実現する。
【００４７】
なお、本参考例は振動体を略１２０°間隔で３個配置しているが、振動体の個数、配置方法はこれに限定されるものではなく、４つ以上の振動体の長手軸が移動体４０１の回転中心と略一致するように配置する事も可能である。
【００４８】
（第２の参考例）図６は本発明の第２の参考例の形態を示す主要部分の斜視図である。
【００４９】
１ｃ及び１ｄは四角柱形状に形成された振動体で、同一形状である。振動体１ｃ，１ｄは、金属で形成される弾性体２０５の長辺を持つ面に振動発生手段としての圧電素子板４ａ〜４ｄを接着等により接着して一体化した構造であり、弾性体２０５には振動体の支持を行う支持部材２０４が形成される。
【００５０】
振動体の一端部である駆動部２０５ａと接触する移動体４０２の接触部４０２ａは略平面状に形成され、振動体１ｃ，１ｄと対向して配置し、加圧接触される。
【００５１】
振動体１ｃ，１ｄと移動体４０２間の加圧接触方法、振動体の保持方法等は図１に示した第１の参考例に準ずるので説明は略す。
【００５２】
図７に振動体１ｃ，１ｄの動作原理を示す。
【００５３】
振動体を構成する弾性体２０５のＹＺ面には圧電素子板４ａ，４ｂが配置され、ＸＺ面には圧電素子板４ｃ，４ｄが配置され、これら圧電素子板の逆圧電効果により振動体は弾性振動を行う。
【００５４】
これら圧電素子板４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに同位相の交流駆動信号を印加すると、振動体１ｃ，１ｄは中心に１個の節を持つ縦振動を発生し、図７(b)のようにＺ方向の振動変位分布Ｗｚを発生する。
【００５５】
そして、圧電素子板４ｃ、４ｄに印加する交流駆動信号はそのままとし、圧電素子板４ａ，４ｂに逆位相の交流駆動信号を印加すると、振動体１ｃ，１ｄは３個の節を持つ曲げ振動を発生し、図７(ｃ)のようにＸ方向の振動変位分布Ｗｘを発生する。
【００５６】
同様に、圧電素子板４ａ、４ｂには上記した逆位相の交流駆動信号を印加したまま、圧電素子板４ｃ，４ｄに逆位相の交流駆動信号を印加すると、振動体１ｃ，１ｄは３個の節を持つ曲げ振動を発生し、図７（ｄ）のようにＹ方向の振動変位分布Ｗｙを発生する。
【００５７】
これら３つの異なる振動の合成により、移動体４０２の駆動が行われる。
【００５８】
振動変位Ｗｚと振動変位Ｗｘを時間的位相差が９０度となるように発生させると、振動体１ｃ，１ｄの駆動部２０５ａにＹ軸回り（Ｘ−Ｚ平面内）の楕円または円運動が形成され、移動体４０２をＸ方向に駆動する作用をなす。
【００５９】
振動の組み合わせを変えて、振動変位Ｗｚと振動変位Ｗｙを時間的位相差が９０度となるように発生させると、振動体１ｃ，１ｄの駆動部２０５ａにＸ軸回り（Ｙ−Ｚ平面内）の楕円または円運動が形成され、移動体４０２をＹ方向に駆動する作用をなす。
【００６０】
同様に振動の組み合わせを変えて、振動変位Ｗｘと振動変位Ｗｙを時間的位相差が９０度となるように発生させると、振動体１ｃ，１ｄの駆動部２０５ａにＺ軸回り（Ｘ−Ｙ平面内）の楕円または円運動が形成され、移動体４０２をＺ軸回りに回転駆動する作用をなす。第１の参考例と同様に、振動体１ｃ，１ｄの発生力を合成する事で、移動体４０２はＸ方向，Ｙ方向及びＺ軸回りの運動を行う。運動方向はこれらに限定されず、振動の組み合わせにより任意の運動を発生する。
【００６１】
（本発明の実施の形態） 図８は本発明の実施の形態を示す主要部分の斜視図である。基本的な構成は図１に示した第１の参考例に準じている。ただし移動体４０３は図８中に示したＹ方向に中心軸を持ち、略円筒形状の接触部４０３ａが形成されている。
【００６２】
第１の弾性体１ｅと第２の弾性体１ｆには、共に先端付近にＹ軸方向に例えば図９に示すように凹状に形成された駆動部２０６ｃが配置されている。
【００６３】
第１の弾性体１ｅと第２の弾性体１ｆに形成された駆動部２０６ｃは筒形状に形成された移動体４０３の外周部である接触部４０３ａに加圧接触される。
【００６４】
上記した第１あるいは第２の参考例で説明したのと同様の作用により、移動体４０３はＹ方向への移動及びＹ軸回りの回転運動を行う。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、機械的な保持機構を持たずに複数の自由度を持つ移動体の駆動を可能とした。
また、複数の振動体により移動体を駆動する事で高出力の多自由度振動型アクチュエータを可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の参考例を示す斜視図。
【図２】 図１に示す振動体の側断面図。
【図３】 図１に示す振動体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は振動変位分布を示す図。
【図４】 第１の参考例の駆動イメージ図。
【図５】 第１の参考例の変形例を示す斜視図。
【図６】 本発明の第２の参考例を示す斜視図。
【図７】 図６に示す振動体であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は振動変位分布を示す図。
【図８】 本発明の実施の形態を示す斜視図。
【図９】 図８の振動体の側断面図。
【図１０】 従来の多自由度振動型アクチュエータを示す斜視図。
【符号の説明】
１…振動体
４…圧電素子
４０１、４０２，４０３…移動体

Claims (3)

1. 略円筒形状の接触部が形成された円筒状移動体と、
   前記円筒状移動体に加圧部材の加圧力により加圧接触して該円筒状移動体を運動させる一方、該円筒状移動体を保持するために、先端付近が凹状に形成された駆動部を備えた第１及び第２の振動体とによる二つの振動体と、を有し、
   前記二つの振動体は、それぞれの前記駆動部に少なくとも異なる３方向の振動変位を発生させる振動発生手段を有し、
   且つ前記二つの振動体は、それぞれの前記先端付近が凹状に形成された駆動部を介して前記円筒状移動体に付与される前記加圧部材の加圧力により前記円筒状移動体を互いに対向する２方向から保持するとともに、
   前記二つの振動体に形成される少なくとも異なる２方向以上の振動変位の組み合わせにより、前記円筒状移動体を該円筒状移動体の回転方向及び該円筒状移動体の回転方向と垂直な方向に運動させることを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記振動体は、前記移動体を挟んで正対する位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 請求項１または請求項２に記載の振動型アクチュエータを駆動源として有し、前記駆動源により被駆動体を駆動するようにしたことを特徴とする振動型駆動装置。

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