(57)【要約】【課題】複複数の振動体を用いて接触体を駆動する際に低電圧で振動位相および振動振幅の差を小さくすることができる振動型アクチュエータおよび振動型アクチュエータの駆動装置を提供する。【解決手段】相互に相対移動する振動体ユニットと接触体とを備える振動型アクチュエータであって、振動体ユニットは、１次側コイルが直列接続される複数のトランスと、複数のトランスのそれぞれの２次側コイルに並列に接続される振動体と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に相対移動する振動体ユニットと接触体とを備える振動型アクチュエータであって、
前記振動体ユニットは、
１次側コイルが直列接続される複数のトランスと、
前記複数のトランスのそれぞれの２次側コイルに並列に接続される振動体と、
を備えることを特徴とする振動型アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動体に対してコンデンサが並列に接続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。
【請求項３】
前記複数の振動体は、前記接触体の周囲に略等間隔で配置されて前記接触体を加圧接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項４】
前記複数のトランスの２次側コイルのインダクタンス値は、前記振動体ユニットの共振周波数から所定範囲内の周波数でマッチングされていることを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項５】
前記複数の振動体の共振周波数の平均値が、所定の周波数範囲内であることを特徴とする請求項４に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項６】
前記複数の振動体の共振周波数の分散が、所定の分散範囲内であることを特徴とする請求項４に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項７】
前記複数のトランスの一部または全部のトランスの巻線比が異なることを特徴とする請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項８】
複数の前記振動体ユニットが並列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項９】
複数の前記振動体ユニットの一部または全部の振動体ユニットの前記複数のトランスの巻線比が異なることを特徴とする請求項１乃至８のうち何れか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項１０】
複数の前記振動体ユニットのそれぞれの駆動周波数域は重ならないことを特徴とする請求項１乃至９のうち何れか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項１１】
前記振動体ユニットは、入力される交流電圧の位相がそれぞれ異なる複数の振動区画を有する複数の振動体を有し、該複数の振動体の該複数の振動区画は異なる位相ごとに前記トランスの２次側コイルに接続されていることを特徴とする請求項１乃至１０のうち何れか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項１２】
前記複数の振動区画は１８０°位相の異なる組となる複数の区画組を有し、該区画組ごとに前記トランスの２次側コイルに接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項１３】
直列接続される前記複数のトランスの前記１次側コイルに対してインダクタとコンデンサとのうち何れか一方または両方が接続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。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のうち何れか１項に記載の振動型アクチュエータを駆動する振動型アクチュエータの駆動装置であって、
前記振動体ユニットに印可する交流電圧を発生させる電圧発生部と、
前記振動体ユニットに流れる電流から交流電圧の振幅を検知する振幅検知部と、
前記振幅検知部が検知した前記電流の振幅に基づいて、前記電圧発生部が発生する前記交流電圧を制御する電源制御部と、
を備えることを特徴とする振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項１５】
前記振幅検知部は、前記電流の増加量が所定量以上である場合、前記振動体ユニットに故障が生じたことを検知することを特徴とする請求項１４に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項１６】
前記接触体へのトルクを検知するトルク検知部、をさらに備え、
前記電源制御部は、検知された前記トルクと前記電流の振幅とに基づいて、前記電圧発生部が発生する前記交流電圧を制御することを特徴とする請求項１４または１５に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【請求項１７】
前記電圧発生部は、複数の異なる周波数域の交流電圧を合成した交流電圧を発生し、
前記振幅検知部は、前記異なる周波数域のそれぞれについて前記電流の振幅を検知し、
前記電源制御部は、前記異なる周波数域のそれぞれについて、前記電圧発生部が発生する交流電圧を制御することを特徴とする請求項１４乃至１６のうち何れか１項に記載の振動型アクチュエータの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型アクチュエータおよび振動型アクチュエータの駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の振動体を用いて、接触体を駆動する機構が知られている。複数の振動体は、圧電素子や電歪素子等の電気−機械エネルギー変換素子を用いており、共通の駆動回路により駆動される。これにより、複数の振動体のそれぞれに個別の駆動回路を設ける場合と比較して、回路規模は小さくなる。関連する技術として、昇圧用のトランスの２次側に振動子が並列に接続される振動型駆動装置が提案されている（特許文献１を参照）。また、一直線上に１列に並べられた２つの圧電素子が、平板状の単一の可動体を駆動する駆動装置が提案されている（特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２３３３９９号公報
【特許文献２】特開２００８−２７８７１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の振動型駆動装置は、複数の振動子が並列に接続されている。この場合、各振動子の共振周波数や負荷の差に起因して各振動子に流れる電流が変化するため、各振動子の振動振幅および振動位相の差が大きくなる。このため、並列に接続されている複数の振動子で１つの接触体を駆動する場合、振動振幅および振動位相の差により摺動損失が発生し、接触体の駆動効率が低下する。
【０００５】
特許文献２の駆動装置では、２つの圧電素子が電気的に直列に接続されている。この場合、２つの圧電素子が並列に接続されている場合と比較して、各圧電素子に流れる電流の差が小さくなる。これにより、振動位相の差は小さくなるが、各圧電素子の共振周波数や負荷の差によっては、振動振幅の差が大きくなる。そして、各圧電素子が直列接続されている場合、直列接続されている各圧電素子の両端の電圧が高電圧になる。
【０００６】
本発明の目的は、複数の振動体を用いて接触体を駆動する際に低電圧で振動位相および振動振幅の差を小さくすることができる振動型アクチュエータおよび振動型アクチュエータの駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の振動型アクチュエータは、相互に相対移動する振動体ユニットと接触体とを備える振動型アクチュエータであって、前記振動体ユニットは、１次側コイルが直列接続される複数のトランスと、前記複数のトランスのそれぞれの２次側コイルに並列に接続される振動体と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の振動体を用いて接触体を駆動する際に低電圧で振動位相および振動振幅の差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る振動体ユニットの構成の一例を示す図である。
【図２】従来の振動体ユニットの構成の一例を示す図である。
【図３】図２の構成に対応する周波数に対する振動振幅の特性を示す図である。
【図４】図１の直列回路に印加される交流電圧の周波数に対する電流の振動振幅を示す図である。
【図５】円柱シャフトを回転させる振動型アクチュエータの構造および電気的な接続関係を示す図である。
【図６】円柱シャフトを回転駆動させたときに、各振動体に印加される交流電圧の振幅と回転角度との関係を示した図である。
【図７】第１実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の第１の例を示す図である。
【図８】第１実施形態の振動型アクチュエータの一例を示す図である。
【図９】円柱シャフトに対する各振動体ユニットの取り付け位相を示す図である。
【図１０】第１実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の第２の例を示す図である。
【図１１】第２実施形態の振動型アクチュエータの一例を示す図である。
【図１２】第２実施形態の振動型アクチュエータの構成の一例を示す図である。
【図１３】円環状の圧電体の電極構造を示す図である。
【図１４】圧電体の配線構造を示す図である。
【図１５】第２実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の第１の例を示す図である。
【図１６】第３実施形態の振動体の構成および振動モードを示す図である。
【図１７】第３実施形態の振動型アクチュエータの一例を示す図である。
【図１８】第３実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の一例を示す図である。
【図１９】第３実施形態の直動型の振動型アクチュエータの第１の例を示す図である。
【図２０】第３実施形態の直動型の振動型アクチュエータの第２の例を示す図である。
【図２１】第４実施形態の振動型アクチュエータの第１の例を示す図である。
【図２２】第４実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の第１の例を示す図である。
【図２３】第４実施形態の各振動体ユニットの振動特性を示す図である。
【図２４】第４実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の第２の例を示す図である。
【図２５】第４実施形態の振動型アクチュエータの第２の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、以下の各実施形態に記載されている構成はあくまで例示に過ぎず、本発明の範囲は各実施形態に記載されている構成によって限定されることはない。
【００１１】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る振動体ユニット１０の構成の一例を示す図である。振動体ユニット１０は、接触体と接触して、相互に相対移動する。これにより、振動体ユニット１０は、接触体を駆動する。図１（ａ）の振動体ユニット１０は、３つの振動体１、２、３、およびトランス５、６、７を有する。振動体１、２、３には、振動を励起する電気−機械エネルギー変換手段である圧電体や電歪素子等が接合されている。振動体１は、トランス５の２次側コイルに並列に接続されている。振動体２は、トランス６の２次側コイルに並列に接続されている。振動体３は、トランス７の２次側コイルに並列に接続されている。トランス５の１次側コイルとトランス６の１次側コイルとトランス７の１次側コイルとは直列に接続されている。
【００１２】
図１（ｂ）は、各トランスの巻線比が「１」である理想トランスを用いた場合における図１（ａ）の振動体ユニット１０の等価回路図である。本実施形態では、振動体１、２、３に圧電体が接合されている場合について説明するが、振動体１、２、３自体が圧電体で構築されていてもよい。また、圧電体は積層圧電体であってもよい。以下、各振動体には圧電体が接合されているものとして説明する。振動体ユニット１０の振動体の数およびインダクタの数は３つに限定されない。図１（ｂ）の等価回路図に示されるように、振動体１、２、３は、トランスを介して、等価的に直列に接続される。
【００１３】
次に、従来の振動体ユニットの一例について説明する。図２は、従来の振動体ユニットの構成の一例を示す図である。図２（ａ）は、圧電体が接合された３つの振動体１、２、３が直列に接続されている構成を示す図である。共振周波数に近い周波数の交流電圧が、電気的に直列に接続されている振動体１、２、３に印加されると、振動体１、２、３に振動が励起される。振動体１、２、３は、接触体に加圧接触しており、振動体に発生する振動により、接触体と振動体との接触部位に推力が発生し、接触体が駆動される。複数の振動体が電気的に直列に接続されることで、接触体に対する推力を増強することができ、また各振動体の振動の差を小さくできる。つまり、複数の振動体が並列に接続される場合と比較して、複数の振動体が直列に接続されている場合の方が、各振動体の共振周波数や負荷の違いがあっても各振動体への流入電流および振動を揃えやすくなる。
【００１４】
しかし、直列接続される振動体の数が多くなるに応じて、振動体を加振するために必要な交流電圧の振幅が増える。よって、直列接続される振動体の数が多い場合、図２（ａ）のように直列接続されている複数の振動体の両端（直列接続の両端）に印可される交流電圧が高電圧になり、高電圧対策が必要になる。例えば、図２（ａ）の振動体１、２、３にそれぞれＶ１、Ｖ２、Ｖ３の振幅の交流電圧が印加される場合、直列接続の両端に略「Ｖｏ＝Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３」の振幅の交流電圧が印加される。従って、直列接続される振動体の数が増えるに応じて、交流電圧Ｖｏは大きくなる。
【００１５】
本実施形態では、図１（ａ）に示されるように、トランス５、６、７の２次側コイルには振動体１、２、３が並列に接続されている。また、振動体１と振動体２と振動体３との間は電気的に絶縁されている。トランス５、６、７の１次側コイルは直列に接続されており、トランス５、６、７の１次側コイルの直列接続の両端が、交流電圧の入力端子となっている。従って、図１（ａ）に示されるように、振動体１と振動体２と振動体３とは直接的に接続されていなくても、直列接続された場合と同等の交流電圧を各振動体に印可することができる。また、振動体１と振動体２と振動体３とは直接的に接続されていないため、上述したように、各振動体に印可される交流電圧は加算されない。図１に示されるように、トランス５の２次側コイルの端子電圧をＶ１とし、トランス６の２次側コイルの端子電圧をＶ２とし、トランス７の２次側コイルの端子電圧をＶ３とする。振動体１と振動体２と振動体３とは直接的に接続されていないため、振動体１には、端子電圧Ｖ１以上の交流電圧は印可されない。同様に、振動体２には、端子電圧Ｖ２以上の交流電圧は印可されず、振動体３には、端子電圧Ｖ３以上の交流電圧は印可されない。
【００１６】
一方、トランス５、６、７は直列接続されているため、交流電圧が加算される。各トランスの巻線比が１：Ｎである場合、トランス５、６、７の１次側コイルの端子電圧は、２次側コイルの端子電圧をＮで除算した値になる。よって、トランス５、６、７の直列接続の両端の交流電圧は、「（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）／Ｎ」となる。ただし、「Ｎ＞１」である。これにより、振動体ユニット１０に印可される交流電圧を、図２（ａ）の場合と比較して、低電圧とすることができる。以上の説明では、全てのトランスの巻線比を１：Ｎとしたが、一部または全部のトランスの巻線比を異ならせてもよい。この場合、振動体１、２、３の振動速度の比を変化させることができる。この点についての詳細は、後述する。
【００１７】
図２（ｂ）は、図２（ａ）の等価回路図である。Ｃ０、Ｌ１、Ｃ１、Ｒ１からなる回路は、振動体１の等価回路を表している。Ｃ０、Ｌ２、Ｃ２、Ｒ２からなる回路は振動体２の等価回路を表している。Ｃ０、Ｌ３、Ｃ３、Ｒ３からなる回路は振動体３の等価回路を表している。各等価回路の制動容量Ｃ０は、振動体１、２、３に接合された圧電体の電気的な特性を表す。Ｌｘ、Ｃｘ、Ｒｘ（ｘは１から３の整数）からなる直列共振回路は、振動体１、２、３の機械的特性を表す。ＩＥ１、ＩＥ２、ＩＥ３は、それぞれ、振動体１、２、３の制動容量Ｃ０に流れる電流の値であり、ＩＭ１、ＩＭ２、ＩＭ３は、それぞれ、振動体１、２、３の直列共振回路Ｌｘ、Ｃｘ、Ｒｘに流れる電流の値である。そして、電流Ｉｏの値は、「ＩＥ１＋ＩＭ１」、「ＩＥ２＋ＩＭ２」および「ＩＥ３＋ＩＭ３」と等しくなる。
【００１８】
図３（ａ）は、振動体１、２、３のそれぞれについて、交流電圧を印加したときの周波数に対する振動振幅の特性を示す図である。振動体１、２、３は、異なる共振周波数Ｆｒ１、Ｆｒ２、Ｆｒ３で最大振幅となる振動特性を有している。図３（ｂ）は、図２（ｂ）のＬｘ、Ｃｘ、Ｒｘの直列共振回路に印可される交流電圧の周波数に対する電流ＩＭ１（一点鎖線）、ＩＭ２（実線）、ＩＭ３（破線）および電流Ｉｏ（点線）の振動振幅を示す図である。図３（ｂ）に示されるように、図２（ｂ）のＬｘ、Ｃｘ、Ｒｘの直列共振回路に交流電圧を印可した場合、振動体１、２、３の振動速度を表す電流ＩＭ１、ＩＭ２、ＩＭ３は、共振周波数Ｆｒ０で最大振幅となるが、各電流の最大振幅が異なっている。共振周波数Ｆｒ０で振動体１、２、３の電流の最大振幅が異なると、振動体１、２、３の振動速度に差を生じる。振動体１、２、３の振動速度に差を生じている状態で、振動体１、２、３に接触体を加圧接触させて駆動する場合、接触体の接触部位のすべり量に差を生じる。すべり量に差が生じると、駆動に寄与しない損失が発生し、接触体の駆動効率が低下する。また、図３（ｂ）に示されるように、振動体ユニット１０に流れる電流Ｉｏの変化は、電流ＩＭｘ（ｘは１から３の整数）の変化とは大きく異なる。このため、電流Ｉｏを検知することにより、電流ＩＭｘの大きさを正確に検知することは難しい。
【００１９】
次に、図１（ｂ）の等価回路図について説明する。振動体１、２、３の等価回路図は、制動容量Ｃ０と直列回路Ｌｘ、Ｃｘ、Ｒｘ（ｘは１から３の整数）により構成される直列回路とが並列に接続されている。図１（ｂ）の等価回路図では、図１（ａ）の等価回路図に、トランスの等価回路を示すインダクタＬ０１、Ｌ０２、Ｌ０３が追加されている。図１（ｂ）の等価回路図では、振動体１、２、３は、トランス５、６、７を介して、直列に接続されている。振動体１、２、３が等価的に直列に接続されているため、振動体１、２、３には、基本的に同じ電流が流れる。制動容量Ｃ０と並列に接続されたＬ０ｘ（ｘは１から３の整数）は、所定の周波数にて並列共振する。
【００２０】
従って、インダクタＬ０ｘと制動容量Ｃ０とからなる並列回路に着目すると、並列共振周波数近傍では該並列回路に流れる電流ＩＥｘ’（ｘは１から３の整数）の大きさはゼロに近づく。電流ＩＥｘ’がほぼゼロになると、「電流ＩＭｘ’＋ＩＥｘ’」（ｘは１から３の整数）は電流ＩＭｘ’と略等しくなる。従って、図１（ａ）に示される振動体ユニット１０に流れる電流Ｉｏ’は電流ＩＭｘ’と略等しくなる。
【００２１】
図４は、図１（ｂ）のＬｘ、Ｃｘ、Ｒｘの直列回路に印加される交流電圧の周波数に対する電流ＩＭ１’（一点鎖線）、ＩＭ２’（実線）、ＩＭ３’（破線）および電流Ｉｏ’（点線）の振動振幅を示す図である。電流ＩＭ１’、ＩＭ２’、ＩＭ３’の振動振幅は略同じであり、それぞれ同じ共振周波数Ｆｒ０’で最大振幅となっている。共振周波数Ｆｒ０’は、Ｆｒ１（振動体１の共振周波数）とＦｒ２（振動体２の共振周波数）とＦｒ３（振動体３の共振周波数）との略平均の周波数である。また、電流Ｉｏ’は、一定以上の振幅の周波数の範囲では、電流ＩＭｘ’と略同じ振幅となっている。
【００２２】
以上のように、図１（ａ）の振動体ユニット１０は、複数のトランスのそれぞれの２次側コイル（インダクタ）に振動子が並列に接続され、各トランスの１次側コイルを直列接続する構成を採用している。これにより、１つの駆動電圧で複数の振動体を振動させた場合でも、振動体１、２、３の振動振幅および振動位相を揃えることができる。その結果、各振動体が発生する推力を効率よく１つの接触体に伝達することができる。また、振動体ユニット１０に以上の構成を採用することにより、上述したように、振動体ユニット１０に印可する交流電圧の低電圧化が図られる。
【００２３】
図５は、円柱シャフトを回転させる振動型アクチュエータの構造および電気的な接続関係を示す図である。図５（ａ）は、３つの振動体を円柱シャフトの外周に接触させた状態で円柱シャフトを回転させる振動型アクチュエータの構造を示す図である。振動体１、２、３は、それぞれ縦方向（矢印の方向）に振動する振動体である。円柱シャフト４は、接触体の一例である。振動体１、２、３は円柱シャフト４の外周に１２０°ごとに均等に配置されている。振動体１、２、３は、不図示の加圧機構によって、円柱シャフト４に均等に加圧接触させている。振動体１、２、３を加振して縦方向の振動を励起することにより、円柱シャフト４は時計周りに回転する。
【００２４】
図５（ｂ）は、振動体ユニット１０内の電気的接続を示す図である。トランス５、６、７の２次側コイルは、振動体１、２、３に接合された圧電体に並列に接続されている。振動体ユニット１０には、交流電圧を入力するためのコネクタ８が設けられている。トランス５、６、７の１次側コイルは直列接続されており、直列接続の両端がコネクタ８に接続されている。振動体１、２、３およびトランス５、６、７は、リング状のケース９に収容されており、これらが一体となって振動体ユニット１０を構成している。また、振動体１、２、３は、ケース９の円柱シャフト４を通す中空円筒部に、１２０°ごとに円柱シャフト４に加圧接触される突出部を有しており、不図示のバネ構造を含む支持部材によって一定の加圧力で円柱シャフト４に押し当てられている。また、各突出部の突出量および加圧力は、ケース９に設けられた回転直動変換機構等によって調整可能となっている。
【００２５】
図６は、振動体ユニット１０に交流電圧を印加して円柱シャフト４を回転駆動させたときに、振動体１、２、３に印加される交流電圧の振幅と回転角度との関係を示した図である。円柱シャフト４の偏芯等の影響による負荷変動により、円柱シャフト４の回転に同期して１周期の負荷変動が生じる。従って、負荷が重くなると交流電圧の電圧振幅が増加し、負荷が軽くなると交流電圧の電圧振幅が減少する。振動体１、２、３は、円柱シャフト４の外周（周囲）に略１２０°間隔で略等間隔に配置されていることから、図６の３つの波形（振動体１、２、３の電圧振幅を示す波形）は、略１２０°ごとに回転位相がずれた特性を示す。また、円柱シャフト４が１回転する間の振動体１、２、３の電圧振幅の平均値はそれぞれ異なっている。これは、主に振動体１、２、３の内部損や共振周波数の差に起因している。
【００２６】
上述したように、本実施形態の振動体ユニット１０では、各トランスの２次側コイルのそれぞれに振動体が並列に接続されており、各トランスの１次側コイルが直列接続されている。従って、振動体１、２、３の振動振幅および振動位相が揃うため、各振動体の振動速度の差を少なくすることができる。これにより、振動体１、２、３の共振周波数や負荷に差が生じたとしても、自動的に、印加される交流電圧の振動位相および振動振幅が調整され、振動体１、２、３の振動速度が揃う。その結果、接触体としての円柱シャフト４を高い効率で駆動することができる。
【００２７】
図７は、第１実施形態に係る振動体ユニット１０を用いた振動型アクチュエータの駆動回路の第１の例を示す図である。振動型アクチュエータの駆動回路は、振動型アクチュエータの駆動装置に対応する。図７の振動型アクチュエータの駆動回路は、振動体ユニット１０、電圧発生部１３、抵抗１４、振幅検知部１５、比較部１６および電源制御部１７を有する。振動体ユニット１０は、図７において点線で囲まれた部分に対応する。振動体ユニット１０において、トランス５、６、７の１次側コイルは直列接続されている。また、トランス５、６、７の２次側コイルには、それぞれ、振動体１、２、３が並列に接続されている。
【００２８】
振動体１、２、３にそれぞれ並列に接続されているトランス５、６、７の２次側コイルのインダクタンス値は、振動体ユニット１０の共振周波数に近い所定の周波数（振動体ユニット１０の共振周波数から所定範囲内の周波数、例えば共振周波数±共振周波数の１０％以内）でマッチングされている。即ち、マッチング周波数をＦ０、制動容量をＣ０、トランスの２次側コイルのインダクタンス値をＬ０とすると、各値の関係は数式１で表される。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
電圧発生部１３は、振動体ユニット１０に印加する交流電圧を発生する。抵抗１４は、振動体ユニット１０に流れる電流を計測するために、振動体ユニット１０に接続される。抵抗１４は、振動体１、２、３の振動速度に比例した電圧を出力する。振動体の振幅は、正確には振動速度を時間で積分した値に比例するが、振動速度の振幅は概ね振動振幅に比例するため、以下、振動速度の振幅を制御することで振動振幅が制御されるものとする。
【００３１】
振幅検知部１５は、抵抗１４で検知された交流電圧の振幅を検知する。比較部１６は、不図示の振動振幅指令手段からの振幅指令と振幅検知部１５が出力した交流電圧の振幅とを比較し、比較結果を電源制御部１７に出力する。電源制御部１７は、比較部１６が出力した比較結果に基づいて、電圧発生部１３を制御する。電源制御部１７は、交流電圧の周波数または振幅を制御する指令を電圧発生部１３に出力することで、電圧発生部１３が出力する交流電圧を制御する。振動体ユニット１０に流れる電流は、トランス５、６、７の周波数マッチングの効果によって振動体１、２、３の振動速度に略比例した電流となる。抵抗１４が、振動体ユニット１０に流れる電流を検知して、電源制御部１７が交流電圧を制御することで、振動体ユニット１０の振動体１、２、３の振幅を、安定して即応性高く制御することができる。
【００３２】
ここで、図７の例では、各振動体のそれぞれにトランスが並列に接続されているが、各振動体のそれぞれに対して、トランスとコンデンサとの並列回路が並列に接続されていてもよい。トランスに加えて、コンデンサが各振動体に並列に接続されることで、マッチング周波数を微調整することができる。
【００３３】
次に、本実施形態における振動体ユニット１０の故障について説明する。振動体ユニット１０は、振動体１、２、３の一部にショートや断線等の故障が発生したとしても、トランス５、６、７の１次側コイルが直列接続されているため、接触体の駆動を継続できる。図７の振動体１、２、３のうち一部の振動体が電気的にショートしたとしても、残りの振動体に継続して交流電圧が印加される。ショートした振動体は振動が停止するため、その分、負荷が重くなり、等価的に直列接続されている振動体の数が減り推力が低下する。一方、振動体の数が減ると、残りの振動体への印加電圧が増加して推力を維持しようとするフィードバックが自動的にかかる。これにより、振動体ユニット１０の駆動制御を継続することができる。
【００３４】
次に、振動体に断線が生じた場合について説明する。振動の影響等によって圧電体と配線との接続が切れることがある。この場合でも、各トランスの１次側コイルが直列接続されているため、断線が生じていない残りの振動体に対して継続して交流電圧が印加される。断線した振動体は停止するため、その分、負荷が重くなり、駆動可能な振動体が減り推力が低下する。また、振動体に接合されている圧電体と配線との間に断線が生じた場合、断線によってトランスの２次側が高インピーダンス状態となり接続が断線していないトランスの１次側電圧振幅が増加することで、自動的に各振動体に対する加振力が増加する。これにより、振動体ユニット１０の駆動制御を継続することができる。
【００３５】
振動体ユニット１０の内部で、上述したショートや断線が生じると、ショートや断線が生じていないときと比較して、振動体ユニット１０を流れる電流が増加する。抵抗１４は、振動体ユニット１０を流れる電流を計測している。抵抗１４に流れる電流の増加が検知されることで、ショートや断線等の故障が生じたことを検知することができる。例えば、抵抗１４に流れる電流の増加量が所定量以上である場合、振幅検知部１５は、振動体ユニット１０に故障が生じたことを検知してもよい。また、電圧発生部１３の出力側に、各振動体に印加する交流電圧の振幅を増幅する増幅回路が設けられていてもよい。
【００３６】
図８は、第１実施形態に係る振動型アクチュエータの一例を示す図である。図８（ａ）は、振動体ユニット１０と振動体ユニット１１とを直列に接続して構成される振動型アクチュエータの例を示す図である。図８（ｂ）は、振動体ユニット１０と振動体ユニット１１とを並列に接続して構成される振動型アクチュエータの例を示す図である。直列または並列に接続される複数の振動体ユニットの数は、２つには限定されない。振動体ユニット１０と振動体ユニット１１とは同等の構成である。振動体ユニット１０、１１には、それぞれ内部に３つの振動体および３つのトランスが組み込まれている。３つのトランスの１次側コイルは直列に接続されており、３つのトランスのそれぞれに振動体が並列に接続されている。振動体ユニット１０、１１に組み込まれる振動体およびトランスの数は３つには限定されない。ここで、振動体ユニット１０、１１に組み込まれる３つの振動体は、共振周波数の平均値が所定の周波数範囲内になっている。
【００３７】
図８に示される振動体ユニット１０、１１の製造の例を説明する。振動体ユニット１０、１１の製造は、手動または自動で行われ得る。例えば、一定数（例えば、数十個から数百個）の振動体が製造された場合、各振動体の共振周波数の計測結果から、共振周波数のリストが作成される。次に、共振周波数のリストに基づいて、一定数の振動体が、幾つかの周波数範囲に応じてクラスごとに分類される。例えば、一定数の振動体が、５００Ｈｚごとに分類される。そして、同じクラスの中から３つの振動体がランダムに選択されて、３つの振動体の共振周波数の平均値が算出される。共振周波数の平均値が、クラスごとに予め決められた周波数範囲内（例えば、所定周波数±２５Ｈｚ）に入る３つの振動体の組み合わせが得られるまで、３つの振動体のランダムな選択が繰り返される。クラスごとに予め決められた周波数範囲に入る３つの振動体が得られた場合、該３つの振動体により、１つの振動体ユニットが構成される。
【００３８】
従って、１つの振動体ユニットには、共振周波数の平均値が上記の周波数範囲の中に入る３つの振動体が組み込まれる。共振周波数が近い振動体を多く揃えることは難しいが、本実施形態のように、複数の振動体の共振周波数の平均値を揃える方法であれば、比較的多くの数の振動体を揃えることができる。また、１つの振動体ユニットには、共振周波数の平均値ではなく、共振周波数の分散が所定の分散範囲内に入る複数の振動体が選択されてもよい。この場合、共振周波数の分散が所定の分散範囲内に入る複数の振動体が１つの振動体ユニットに組み込まれる。分散をある程度大きな値に設定することで、選択される振動体の共振周波数が揃いすぎることが回避されるため、振動体ユニットの特性を安定化することができる。以上のように、同じクラスの振動体ユニットを複数組み合わせて振動型アクチュエータを構成することにより、高出力で効率の良い振動型アクチュエータが安定的に製造される。
【００３９】
図８（ａ）の場合、２つの振動体ユニット１０、１１が直列に接続されている。直列接続される振動体ユニットの数が増えると、その分、交流電圧の振幅を大きくする必要があり、印可電圧が高電圧になる。印可電圧が高電圧になると、絶縁対策等のために振動体ユニットの全体が大型化する。その結果、コストアップも招来する。そこで、図８（ｂ）に示されるように、各振動体ユニット１０、１１を並列接続した構成を採用することができる。この場合、２つの振動体ユニット１０、１１は、並列に接続されているため、２つの振動体ユニット１０、１１が直列に接続されている場合と比較して、２分の１の振幅の交流電圧で各振動体ユニットを駆動することが可能である。振動体ユニット１０、１１は、上述したように、同じクラスの振動体ユニットが用いられているため、振動体ユニットの共振周波数（組み込まれた振動体の共振周波数の平均値）は略同じである。また、３つの振動体が円柱シャフト４の周上に均等に配置されているため、３つの振動体の負荷が平均化される。このため、回転による負荷変動が少ない。その結果、振動体ユニット間の振動速度の差を小さくすることができるとともに、効率の良い駆動を実現できる。
【００４０】
図９は、円柱シャフト４に対する振動体ユニット１０、１１の取り付け位相を示す図である。２つの振動体ユニットは６０°ごとに回転位相をずらして取り付けられている。図９のように、所定の位相をずらした状態で振動体ユニット１０、１１が、円柱シャフト４の周上に均等に配置されることで、トルク変動の少ない円柱シャフトの回転を実現できる。振動体ユニット１０、１１には、それぞれ３つのトランスおよび３つの振動体が組み込まれている。従って、振動体ユニット１０、１１のそれぞれにおいて、３つの振動体が１２０°ごとに配置されている。振動体ユニット１０、１１が２つの振動体を有する場合、２つの振動体は１８０°ごとに配置されることが好ましい。また、振動体ユニットが４つの振動体を有する場合は、４つの振動体は、９０°ごとに配置されることが好ましい。
【００４１】
図１０は、第１実施形態に係る振動体ユニット１０を用いた振動型アクチュエータの駆動回路の第２の例を示す図である。図１０において、点線で囲まれた回路は、振動体ユニット１０、１１の内部回路を示す。振動体ユニット１０と振動体ユニット１１とは、ほぼ同様の構成であり、図８（ｂ）に示されるように並列に接続されている。振動体ユニット１０、１１は、それぞれ、３つのトランスおよび３つの振動体を有する。各トランスの２次側コイルのインダクタンス値は、電圧発生部１３が出力する交流電圧の周波数範囲内の所定の周波数でマッチングされている。即ち、マッチング周波数をＦ０、制動容量をＣ０、トランスの２次側コイルのインダクタンス値をＬ０とすると、各値の関係は、上述した数式１で表される。
【００４２】
電圧発生部１３は、振動体ユニット１０、１１に印加する交流電圧を発生する。抵抗１４は、振動体ユニット１０、１１に流れる電流の総和を計測するための抵抗である。振動体ユニット１０、１１は、共振周波数が揃えられており、円柱シャフト４の周上に均等に配置された振動体には概ね同等の平均負荷がかかる。このため、流入電流の位相に大きなずれは発生しない。従って、振幅検知部１５は、概ね振動体ユニット１０、１１のそれぞれに流れる電流の振幅の和に比例した電圧を出力される。そして、比較部１６は、電流の振幅の和を、不図示の指令手段からの振幅指令と比較し、電源制御部１７は比較結果に基づいて、電圧発生部１３が出力する交流電圧の周波数または振幅を制御する。
【００４３】
本実施形態では、複数の振動体ユニットが同じ接触体を駆動する例について説明したが、複数の振動体ユニットがそれぞれ異なる接触体を駆動してもよい。この場合、各接触体を完全に同じ速度で駆動することは難しいが、複数の振動体を同時に同程度の振動速度で駆動できるため、回路規模の縮小化を図ることができる。また、各振動体ユニットは、直径が等しい円柱シャフトの外周だけでなく、接触部位によって直径が異なる円錐シャフト等の接触体を駆動してもよい。この場合、振動体ユニットと接触体とが接触する部位の直径に応じて、周速が異なる。そこで、周速の速度比に応じて各振動体ユニットのそれぞれの各振動体の振動速度の比を設定することができる。
【００４４】
ここで、振動体の振動速度は該振動体に並列に接続されるトランスの巻線比の逆数に比例して変化する。例えば、トランスの巻線比を１：Ｎから１：２×Ｎに変更することにより、振動体の振動速度を「１／２」に設定することができる。そこで、接触体の形状に応じて、並列または直列に接続される複数の振動体ユニットのそれぞれに含まれる各トランスの巻線比が設定されてもよい。この場合、複数の振動体ユニットの一部または全部の各トランスの巻線比が異なる値に設定されてもよい。これにより、複数の振動体ユニットの各振動体は、接触体の形状に応じて、適正な振動速度で接触体を駆動することができる。上記の例では、１つの振動体ユニットに含まれる各トランスの巻線比が同じ値に設定され、振動体ユニットごとにトランスの巻線比の値が設定されている。また、１つの振動体ユニットに含まれる各トランスのうち一部または全部の巻線比が、接触体の形状に応じて、異なる値に設定されてもよい。この場合、接触体の形状に応じて、１つの振動体ユニットのうちの一部または全部の振動体を異なる振動速度で駆動させることができる。
【００４５】
また、各振動体ユニットには、それぞれ複数の振動体が組み込まれている。該複数の振動体は同じであってもよいし、異なっていてもよい。振動体ユニットに組み込まれる各振動体の一部または全部が異なる場合、各振動体の共振周波数は近い（一定の範囲内にある）ことが好ましい。さらに、振動体ユニットに組み込まれる振動体（等価回路図において直列接続される振動体）の数が所定数を超える場合、振動体ユニット内のトランスだけでは正常に動作しない可能性がある。この場合、電圧発生部１３は、各相の交流電圧を昇圧するトランスを有していてもよい。
【００４６】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。図１１は、第２実施形態の振動型アクチュエータの一例を示す図である。軸出力の３つの振動型アクチュエータ１８、２５、２８は、それぞれ、１つの振動体を有しており、傘歯歯車で結合して１つの軸を回転している。出力軸１９は振動型アクチュエータ１８に接続され、出力軸２６は振動型アクチュエータ２５に接続され、出力軸２９は振動型アクチュエータ２８に接続される。傘歯歯車２０は出力軸１９の先端に取り付けられており、傘歯歯車２７は出力軸２６の先端に取り付けられており、傘歯歯車３０は出力軸２９の先端に取り付けられている。傘歯歯車２０、２７、３０には、不図示の回転シャフトに取り付けられた一回り大きな傘歯歯車３１が１２０°間隔で結合している。
【００４７】
各振動型アクチュエータ１８、２５、２８の振動体は、等価的に直列に接続されて１つの振動体ユニットを構成しており、Ａ相、Ｂ相、ＮＡ相、ＮＢ相の駆動電圧ラインに９０°ごとに位相のずれた交流電圧ＰＡ、ＰＢ、ＰＮＡ、ＰＮＢが印加される。これにより、振動が励起され、間接的に接続されている傘歯歯車３１が駆動する。図１２は、第２実施形態に係る振動型アクチュエータ１８の構成の一例を示す図である。振動型アクチュエータ１８は、ロータ２１、弾性体２２、圧電体２３および摩擦部材２４を有する。ロータ２１は、出力軸１９を中心に接合されており、出力軸１９と共に回転自由に保持されている。弾性体２２は、櫛状の突起構造を有する導電性の部材である。圧電体２３は、弾性体２２に接着されている。また、摩擦部材２４は弾性体２２の突起構造の上部に接着されており、接触部が低速且つ安定して摩耗するように選定されている。
【００４８】
図１３は、円環状の圧電体２３の電極構造を示す図である。図１３には、圧電体２３の一方の面の電極と各相（Ａ相、Ｂ相、ＮＡ相、ＮＢ相）の駆動電圧ラインとの接続状態が示されている。図１３の符号３２〜３５は、Ａ相、Ｂ相、ＮＡ相、ＮＢ相の表面（または裏面）を示す。図１４は、側面から見た圧電体２３の配線構造を示す図である。圧電体２３の裏面電極は１面全てが１枚の電極となっている。圧電素子２３のＡ相とＮＡ相電極はトランス５３の２次側と、Ｂ相とＮＢ相電極はトランス５４の２次側と接続される。トランス５３の１次側には交流電圧ＰＡとＰＮＡが印可され、トランス５４の１次側には交流電圧ＰＢとＰＮＢが印可され、交流電圧ＰＡとＰＮＡ、交流電圧ＰＢとＰＮＢはそれぞれ互いに位相が１８０°ずれている。ここで、トランス５３、５４には２次側にセンタータップが設けられていないが、センタータップを設けて上記ＧＮＤを接続するような回路構成を採用してもよい。
【００４９】
図１５は、第２実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の第１の例を示す図である。振動型アクチュエータ１８は、図１４に示すようにトランス５３、５４が圧電体と接続され、振動型アクチュエータ２５、２８内も同様に接続されている。また、振動型アクチュエータ１８、２５、２８がそれぞれ有するトランスの１次側コイルが相ごとに直列接続されている。図１５の例では、３つの振動型アクチュエータ１８、２５、２８が直列に接続されて構成されており、全体として交流電圧ＰＡ、ＰＢ、ＰＮＡ、ＰＮＢが入力される１つの振動体ユニットとなり、振動型アクチュエータ４２を構成している。各振動型アクチュエータ１８、２５、２８は破線で囲まれた領域を示しており、振動型アクチュエータ４２は点線で囲まれた領域を示している。
【００５０】
電圧発生部４１のＡ、ＮＡ端子およびＢ、ＮＢ端子には、それぞれ不図示の公知のＨブリッジ回路（電力増幅回路）が内蔵されている。Ｈブリッジ回路の出力するパルス状駆動電圧は、振動型アクチュエータ４２との間に挿入したインダクタ３７、３９、コンデンサ３８、４０による直列共振回路で波形整形される。そして、波形整形されたパルス状駆動電圧は、振動型アクチュエータ４２に印加される。インダクタ３７、３９、コンデンサ３８、４０で構成される直列共振回路は、振動型アクチュエータ４２の駆動周波数範囲の所定の周波数にてマッチング調整されている。これにより、振動型アクチュエータ４２の駆動電圧振幅が駆動周波数範囲で大きく変動することが抑制される。
【００５１】
電圧発生部４１の各Ｈブリッジの電流検知用の端子には電流計測用の抵抗１４、３６が接続されている。抵抗１４、３６は、振動型アクチュエータ４２に含まれる各振動体の振動速度に応じた電流を計測している。振幅検知部１５は、抵抗１４、３６の計測値に基づいて、振動体の振動速度を検知する。比較部１６は、不図示の振動振幅指令手段からの振動振幅指令と振幅検知部１５の検知結果（振動体の振幅速度）とを比較する。電源制御部１７は、比較結果に応じて、周波数とパルス幅と電圧振幅とのうち少なくとも１つの指令を電圧発生部４１に対して出力する。
【００５２】
一般に、振動型アクチュエータは、摩擦部材の製造ばらつきや、振動体の平面精度に起因する加圧ばらつき等の影響で、共振周波数や内部損のばらつき或いは変動がある。回転角度に応じた変化や経時的な摩耗の進行に起因する変化もあるため、複数の振動型アクチュエータの振動特性を揃えることは難しい。しかし、本実施形態では、上述した構成を採用することにより、各振動体の振幅特性は揃い、比較的揃った力を傘歯歯車３１に伝達することができ、歯車の摩耗が少なく効率の良い駆動が可能である。
【００５３】
図１５の例では、振動型アクチュエータ４２には、インダクタ３７、３９およびコンデンサ３８、４０が含まれていないが、各部品の一部または全部が振動型アクチュエータ４２に含まれていてもよい。振動型アクチュエータ４２が、固有の共振周波数に応じて周波数マッチングされる各部品を含むことで、振動型アクチュエータ４２を使用する際の調整が不要になる。これにより、振動型アクチュエータ４２を使用するユーザの利便性が向上するとともに、性能ばらつきが低減する。また、図１５の例では、インダクタ３７とコンデンサ３８の直列共振回路としたが、何れか一方のみが、振動型アクチュエータ４２に接続されていてもよい。同様に、インダクタ３９とコンデンサ４０とのうち何れか一方が、振動型アクチュエータ４２に接続されていてもよい。コンデンサは直流電流の遮断用として、インダクタは波形を滑らかにする効果がある。
【００５４】
また、本実施形態では、３つの振動型アクチュエータ１８、２５、２８を直列に接続し、傘歯歯車３１で結合した全体を１つの振動型アクチュエータ４２として説明した。ここで、３つの振動型アクチュエータ１８、２５、２８からなる振動型アクチュエータ４２を１つの振動体ユニットとして、同様の振動体ユニットを複数直列または並列に接続した構成を採用することもできる。これにより、さらに高出力の振動型アクチュエータを構成することができる。この場合、各振動体ユニットが含む複数振動体の共振周波数の平均値がそれぞれ概ね等しくなる様選定されることが好ましい。また、上記の複数の振動体ユニットを機械的に結合する方法としては、傘歯歯車３１と同等の歯車を複数同じシャフトに結合した状態で、図１１に示されるような複合振動型アクチュエータを複数結合する方法や他の歯車を介して結合する方法等がある。
【００５５】
また、第２実施形態では、振動体ユニットに含まれる直列に接続された３つの振動型アクチュエータ１８、２５、２８は、１つのシャフト（接触体）ではなく、それぞれ異なる接触体を駆動してもよい。例えば、ショーウィンドウに飾られる複数の人形（接触体）を動かす場合等、接触体を同期して動かす必要がない用途に、複数の振動型アクチュエータを適用できる。この場合、適度な速度で複数の振動型アクチュエータを安定して駆動できるため有効である。例えば、図１１の傘歯歯車２０、２７、３０の代わりに、それぞれ異なる人形を取り付けることができる。この場合、３つの振動型アクチュエータを等価的に直列に接続することにより、３つの人形をほぼ同じ速度で回転させることができる。また、３つの振動型アクチュエータ１８、２５、２８のそれぞれのトランスの巻線比を変更することで、３つの人形を異なる回転速度で回転させることができる。例えば、３つの振動型アクチュエータ１８、２５、２８のそれぞれのトランスの巻線比を、３つの人形の回転速度の比の逆数に比例するように設定することで、３つの人形の回転速度の比を任意に設定できる。
【００５６】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。図１６は、第３実施形態の振動体の構成および振動モードを示す図である。図１６（ａ）は、振動体の構成を示す。振動体４３は、導電性材料で製造された板状の振動体である。振動体４３の表面には、接触体に接触する２つの突起が設けられている。圧電体４７は、振動体４３の一部を構成し、振動体４３を加振する。図１６（ｂ）は、圧電体４７に設けられた電極を示しており、電極４８と電極４９との間は電気的に絶縁されている。電極４８と電極４９とには、それぞれ位相が独立して変化する２つの交流電圧が印加される。圧電体４７の裏面は全面が電極となっており、電極４８、４９の一部に設けられた不図示のビアを介して表面から通電可能に構成されている。
【００５７】
図１６（ｃ）は、電極４８と電極４９とに同相の交流電圧を印加した際に励起される振動モードの振動形態を示す。図１９（ｄ）は、電極４８と電極４９とに逆相の交流電圧を印加した際に励起される振動モードの振動形態を示す。電極４８と電極４９とに印加する交流電圧の位相差が０°である場合、図１６（ｃ）の振動モードが励起される。電極４８と電極４９とに印可する交流電圧の位相差が１８０°である場合、図１６（ｄ）の振動モードが励起される。また、交流電圧の位相差が０°と１８０°との間である場合、両方の振動モードが同時に励起される。交流電圧の位相差としては、０°から１２０°程度が使用されるケースが多い。そして、振動体４３に設けられた突起に加圧接触された接触体が移動する。接触体が直方体の場合、振動体４３に設けられた突起に加圧接触された接触体が、長方形の長手方向に移動する。
【００５８】
図１７は、第３実施形態の振動型アクチュエータの一例を示す図である。図１７において、３つの振動体４３、４４、４５は、円環状の接触体４６に沿って均等に配置されている。円環状の接触体４６は、不図示の支持部材によって回転自由に保持されている。３つの振動体４３、４４、４５が振動を励起することで、接触体４６を回転させることができる。
【００５９】
図１８は、第３実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の一例を示す図である。振動体４３では、Ａ相側にトランス５３の２次側コイルが並列接続され、Ｂ相側にトランス５４の２次側コイルが並列接続されている。各トランス５３、５４と振動体４３との間には周波数マッチング微調整用のコンデンサが並列接続されている。振動体４４、４５も、振動体４３と同様の構成である。各トランスの１次側コイルが相ごとに直列に接続されている。つまり、Ａ相側のトランス５３、５５、５７の１次側コイルが直列に接続されている。また、Ｂ相側のトランス５４、５６、５８の１次側コイルが直列に接続されている。直列接続されているトランス５３、５５、５７の両端は、インダクタ３７およびコンデンサ３８により構成される直列共振回路を介して、電圧発生部４１のＨブリッジに接続される。また、直列接続されているトランス５４、５６、５８の両端は、インダクタ３９およびコンデンサ４０により構成される直列共振回路を介して、電圧発生部４１のＨブリッジに接続される。直列共振回路には、インダクタとコンデンサとのうち何れか一方が設けられてもよいし、両方が設けられてもよい。
【００６０】
また、電圧発生部４１は、９０°ごとに位相が異なる４相のパルス信号を出力している。図１８に示される振動型アクチュエータの駆動回路は、トルク検知部５０を有している。トルク検知部５０は、接触体４６へのトルクを検知する。トルク検知部５０は、検知したトルクを比較部５１に出力する。比較部５１は、トルク検知部５０が検知したトルクと不図示の指令手段からのトルク指令とを比較し、比較結果を振動振幅指令部５２に出力する。振動振幅指令部５２は、比較部５１が出力した比較結果に応じて、振動体４３、４４、４５の振動振幅を制御する。また、電圧発生部４１の各Ｈブリッジの電流検知用のソース端子には電流計測用の抵抗１４、３６が接続されている。抵抗１４、３６は、振動体４３、４４、４５の振動速度に応じた電流を検知する。振幅検知部１５は、電流の検知結果から振動振幅を検知する。比較部１６は、検知された振動振幅と振動振幅指令部５２が出力した振動振幅指令とを比較し、比較結果を電圧発生部４１に出力する。電源制御部１７は、比較結果に応じて、電圧発生部４１に対して周波数とパルス幅と電圧振幅とのうち少なくとも１つを制御する。
【００６１】
ここで、例えば、接触体４６へのトルクが目標値より小さい場合には、電圧発生部４１が出力する交流電圧の周波数は振動体４３、４４、４５の共振周波数に近付き、振動体４３、４４、４５の振動振幅が増加する。これにより、接触体４６へのトルクが増加する。また、トルク検知部５０を、接触体４６の速度を検知する速度検知部とし、比較部５１が、検知された速度と不図示の指令手段からの速度指令とを比較する構成を採用することもできる。これにより、接触体４６の移動速度を制御することもできる。
【００６２】
図１９は、第３実施形態の直動型の振動型アクチュエータの第１の例を示す図である。図１９（ａ）は、接触体７０の移動方向と直交する方向から見た図である。２つの振動体４３、４４の突起部が互いに向い合せに配置されており、上下方向から接触体７０を挟んだ状態で、接触体７０が図１９（ａ）の矢印の方向に移動するように構成されている。図１９（ｂ）は、接触体７０の移動方向から見た図であり、振動体４３、４４が接触体７０に対して上下対称に（周上に１８０°の間隔で均等に）配置されている。
【００６３】
図２０は、第３実施形態の直動型の振動型アクチュエータの第２の例を示す図である。図２０において、接触体は断面が正方形の角柱であり、振動体の突起が角柱の接触体に向けて４面から加圧する。図２０（ａ）は、接触体７１の移動方向と直交する方向から見た図である。図２０（ｂ）は、接触体７１の移動方向から見た図である。図２０（ａ）および（ｂ）に示されるように、４つの振動体４３、４４、６１、６２が、断面が正方形の角柱の接触体７１の中心に対して周上に９０°ごとに均等に配置されている。振動体４３、４４、６１、６２は、各振動体の圧電体に設けられた不図示の２つの電極が、印加される交流電圧の相ごとにトランスを介して等価的に直列に接続されている。各振動体には、図１８の振動体４３、４４、４５と同様にトランスが並列に接続される。
【００６４】
図２０の接触体は、断面が正方形の角柱である例を示したが、接触体は、断面が円形の円柱であってもよい。また、図２０は、４つの振動体を１つの振動体ユニットとして、４つの振動体がトランスを介して等価的に直列に接続されている例を示した。この点、接触体に対向する２つの振動体を１つの振動体ユニットとして、２つの振動体ユニットを直列または並列に接続する構成を採用してもよい。また、図２０の４つの振動体を１つの振動体ユニットとして、複数の振動体ユニットを接触体７１の移動方向に沿って配列し、各振動体ユニットを並列または直列に接続する構成を採用してもよい。さらに、複数の振動体がそれぞれ異なる接触体を駆動してもよい。また、複数の振動体を所定数のグループに分割し、分割されたグループごとに異なる接触体が駆動されてもよい。
【００６５】
＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態について説明する。図２１は、第４実施形態の振動型アクチュエータの第１の例を示す図である。図２１において、振動体６１、６３および振動体６２、６４は、それぞれ２つで１つの振動体ユニットを構成している。振動体６１、６３はＹ軸方向に接触体６５を駆動するＹ軸振動体ユニットを構成している。振動体６１、６３は、トランスを介して等価的に直列に接続されている。振動体６２、６４は、Ｘ軸方向に接触体６５を駆動するＸ軸振動体ユニットを構成している。振動体６２、６４は、トランスを介して等価的に直列に接続されている。Ｘ軸振動体ユニットの共振周波数とＹ軸振動体ユニットとの共振周波数とは相互に影響しない程度に十分に離れており、駆動周波数域が重ならないように各振動体の形状が調整されている。
【００６６】
図２２は第４実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の第１の例を示す図である。Ｙ軸振動体ユニットである振動体６１、６３およびＸ軸振動体ユニットである振動体６２、６４は、それぞれ相ごとにトランスを介して等価的に直列に接続されている。また、各振動体にはコンデンサが並列に接続されている。トランスの２次側コイルのインダクタンスとコンデンサとの値は、各振動体の制動容量を含めてＹ軸振動体ユニットはＹ軸周波数Ｆｙに、Ｘ軸振動体ユニットはＸ軸周波数Ｆｘに周波数マッチングされている。図２３は第４実施形態の各振動体ユニットの振動特性を示す図である。実線はＸ軸振動体ユニットの振動特性を示し、破線はＹ軸振動体ユニットの振動特性を示す。図２３に示されるように、Ｘ軸振動体ユニットについては、最大振幅（振動振幅の最大値）の周波数よりも高周波側に駆動周波数域がある。そして、該駆動周波数域内にＸ軸周波数Ｆｘが設定されている。同様に、Ｙ軸振動体ユニットについても、最大振幅の周波数よりも高周波側に駆動周波数域がある。そして、該駆動周波数域内にＹ軸周波数Ｆｘが設定されている。
【００６７】
電圧発生部６９は、Ｘ軸周波数ＦｘおよびＹ軸周波数Ｆｙを含む２つの周波数域の交流電圧を合成する。そして、電圧発生部６９は、それぞれの周波数域において２相の交流電圧を発生する。電圧発生部６９と各振動体ユニットとの間にはコンデンサ３８、４０が挿入されている。これにより、直流電流が遮断される。図２２に示されるように、振動型アクチュエータの駆動回路は、振幅検知部６６を有する。振幅検知部６６には、電流検知用の抵抗１４で検知された各振動体の振動速度に応じて流れる２相の電流の総和信号が入力される。振幅検知部６６は、入力された総和信号に基づいて、Ｘ軸駆動周波数域およびＹ軸駆動周波数域の周波数域ごとに振動振幅を検知する。比較部１６、６７は、検知された振動振幅と不図示の指令手段からのＸ軸振幅指令およびＹ軸振幅指令とを比較し、比較結果を電源制御部１７、６８に出力する。電源制御部１７、６８は、比較結果に基づいて、Ｘ軸振動体ユニットおよびＹ軸振動体ユニットに印加する交流電圧の周波数を制御する。
【００６８】
また、不図示の指令手段は、不図示の２次元位置検知手段の出力をモニタして各軸の目標位置と比較する。そして、不図示の指令手段は、比較結果の符号に応じてＸ軸位相、Ｙ軸位相を「９０°」または「−９０°」に切り替えるとともに、比較結果の絶対値に応じてＸ軸振幅指令、Ｙ軸振幅指令を設定する。２つの周波数域の信号を分離する方法としては、フィルタを用いて分離する方法や、ＦＦＴ演算によって周波数と振幅とを求める方法、電圧発生部６９が発生した同期信号の同期検波を行う方法等がある。また、電流の総和からＸ軸振動体ユニットとＹ軸振動体ユニットとのそれぞれの振動速度を検知する場合、単に周波数を分離するだけでは振幅の計測に誤差が発生する。そこで振幅検知部６６に、予め得られる周波数ごとの振幅のオフセット値を設定し、求められた振幅および周波数の情報に対して、オフセット値に基づく補正計算を行うことで、精度の高い振動速度の検知が可能である。
【００６９】
図２４は、第４実施形態の振動型アクチュエータの駆動回路の第２の例を示す図である。駆動周波数域が異なる振動体ユニットごとに、電圧発生部６９との間にそれぞれの駆動周波数域内において所定の周波数でマッチングしているインダクタとコンデンサとによる直列回路が挿入されている。インダクタとコンデンサとによる直列回路が挿入されることで、各振動体ユニットに印加される電圧波形歪が低減される。
【００７０】
図２５は、第４実施形態の振動型アクチュエータの第２の例を示す図である。図２５において、振動体ユニット７２、７３、７４、７５、７６は、複数の振動体および複数のトランスを有する。各振動体は、それぞれトランスの２次側コイルに接続されており、各トランスの１次側コイルは直列に接続されている。従って、上述したように、各振動体は、等価的に直列に接続されている。振動体ユニット７２、７３、７４、７５、７６は、それぞれ、駆動周波数域が重ならない振動体を有して構成されている。振動体ユニット７２、７３、７４、７５、７６は、電気的に並列に接続されており、２相の交流電圧ＰＡ、ＰＢで駆動される。振動体ユニット７２、７３、７４、７５、７６は、図１９または図２０のように直動する接触体を等価的に直列接続した複数の振動体で挟持しており、接触体にはワイヤ束７７が結合されている。
【００７１】
ワイヤ束７７は、指を模したチューブ状の屈曲駆動体７８に係合されており、ワイヤ束７７の各ワイヤを押し引きすることによって屈曲駆動体７８の複数の疑似間接を曲げ伸ばしが可能なように構成されている。振動体ユニット７２、７３、７４、７５、７６に対して、ワイヤ束７９の１本のワイヤが対応している。振動体ユニット７２、７３、７４、７５、７６に内包される接触体を直動させることで、指を曲げ伸ばしするように屈曲駆動体７８を駆動することができる。従って、少ない配線数で複数の軸を駆動できるため、複数の間接を持つ複雑なロボットハンド等を駆動させる際に有効である。ロボットハンドのように、複数の異なる部位を動かすような機構に本実施形態の振動型アクチュエータを適用した場合、各振動体ユニット必要な推力が異なる場合がある。そのような場合、各振動体に接続されるトランスの巻線比は、必要な推力が得られるように、異なる値に設定されてもよい。
【００７２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１、２、３  振動体
４          円柱シャフト
５、６、７  トランス
１０、１１  振動体ユニット
１３        電圧発生部
１４        抵抗
１５        振幅検知部
１６        比較部
１７        電源制御部
２３        圧電体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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