(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【発明の詳細な説明】
【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「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳ  ＦＯＲ  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」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「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳＦＯＲ  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」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「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳ  ＦＯＲ  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」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「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳ  ＦＯＲ  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」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「ＶＩＢＲＯＭＯＴＯＲＳ  ＦＯＲ  ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ  ＭＩＣＲＯＲＯＢＯＴＳ」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
【図１】
0004406952.tif 000002
【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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