JP2015211604A - 圧電アクチュエーター - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエーター以外の外部の力で被駆動体を変位させようとしたとき、被駆動体を容易かつ確実に変位させることができる圧電アクチュエーターを提供すること。
【解決手段】本発明の圧電アクチュエーターは、圧電素子と、前記圧電素子に信号を印加することによって振動する振動板と、前記振動板の振動により駆動する被駆動体と、を有し、前記振動板は、第１周波数の信号により第１モードで振動し、第２周波数の信号により第２モードで振動し、第３周波数の信号により第３モードで振動し、前記第１周波数と前記第２周波数とは異なり、前記第１周波数と前記第３周波数とは異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエーターに関する。

圧電アクチュエーターは、高周波の交流電圧等の駆動電圧を機械的振動に変換する圧電素子と、圧電素子によって駆動される被駆動体とを有する駆動装置である。この圧電アクチュエーターの形態として、ローターや長手形状の部材を被駆動体とする圧電アクチュエーターが知られている（例えば、特許文献１）。圧電アクチュエーターは、圧電素子の屈曲振動を、圧電素子を含む振動体から突出する凸部を介して伝達し、ローターを所定の方向に回転させるものである。

特許文献１に記載の圧電アクチュエーターでは、振動体の凸部が楕円軌道を描くように振動する。そして、振動体の各電極への通電パターンの選択により振動体の振動パターンを変更して、振動体の凸部の振動の方向を変え、これにより、ローターを正方向と逆方向（反時計回りと時計回り）のいずれの方向にも回転させることができるように構成されている。また、特許文献１に記載の圧電アクチュエーターでは、コイルバネにより振動体をローターに向けて付勢している。

このような圧電アクチュエーターは、例えば、ロボットの関節等、各ロボットの各部の駆動源として注目されている。ロボットに教示を行う際は、圧電アクチュエーターを停止させ、外部から力を加えてロボットの関節を曲げたり、伸ばしたりする。

特開２００７−１８９９００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧電アクチュエーターでは、ロボットに教示を行う際は、圧電アクチュエーターが停止し、振動体の凸部が常にローターに当接しているので、ローターにブレーキがかかった状態になっており、このため、そのブレーキの保持力を上回る力を加える必要がある。また、ロボットの駆動源が減速機を有している場合には、その減速比分、さらに大きな力が必要になる。また、例えば、ロボットに対し、専門のスキルを持った手感覚等の微妙な動作を教示する場合には、前記保持力が大きいとその手感覚が正確に伝わり難いという問題がある。

本発明の目的は、圧電アクチュエーター以外の外部の力で被駆動体を変位させようとしたとき、被駆動体を容易かつ確実に変位させることができる圧電アクチュエーターを提供することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

（適用例１）
本発明に係わる圧電アクチュエーターは、圧電素子と、
前記圧電素子に信号を印加することによって振動する振動板と、
前記振動板の振動により駆動する被駆動体と、を有し、
前記振動板は、第１周波数の信号により第１モードで振動し、第２周波数の信号により第２モードで振動し、第３周波数の信号により第３モードで振動し、
前記第１周波数と前記第２周波数とは異なり、前記第１周波数と前記第３周波数とは異なることを特徴とする。

これにより、第３モードの振動が例えば縦振動の場合、その振動板が縦振動をすることにより、被駆動体を変位させずに、かつ、非駆動状態の場合に比べて振動板と被駆動体との間の摩擦力を減少させることができる。これによって、圧電アクチュエーター以外の外部の力で被駆動体を変位させようとしたとき、被駆動体を容易かつ確実に変位させることができる。これにより、例えば、本発明の圧電アクチュエーターをロボットに適用し、そのロボットの関節の駆動源に用いた場合、ロボットに教示を行う際、振動板を縦振動させることにより、外部の力で容易かつ確実にロボットの関節を曲げたり、伸ばしたりすることができ、これによって、容易かつ確実に前記教示を行うことができる。

また、振動板が第１モードの振動をすることにより、被駆動体を変位させることができる。

また、第１周波数と第２周波数とが異なり、第１周波数と第３周波数とが異なることにより、最適な周波数で振動板を各モードで振動させることができ、これにより、各モードの振動の大きさをそれぞれ大きくすることができる。これによって、振動板が第３モードで振動することにより、振動板と被駆動体との間の摩擦力をさらに減少させることができる。

（適用例２）
本発明に係わる圧電アクチュエーターでは、前記第３モードの振動は、縦振動であることが好ましい。

これにより、より確実に、被駆動体を変位させずに、かつ、非駆動状態の場合に比べて振動板と被駆動体との間の摩擦力を減少させることができる。

（適用例３）
本発明に係わる圧電アクチュエーターでは、前記第２モードの振動は、屈曲振動であり、前記第１モードの振動は、前記屈曲振動と前記縦振動との合成振動であることが好ましい。

これにより、振動板が合成振動をすることにより、効率良く、被駆動体を変位させることができる。

（適用例４）
本発明に係わる圧電アクチュエーターでは、前記圧電素子に設けられた複数の電極を有し、
前記振動板を前記第３モードで振動させる際、前記信号は、前記複数の電極に印加されることが好ましい。

これにより、容易かつ確実に振動板を第３モードで振動させることができ、また、大きく振動させることができる。

（適用例５）
本発明に係わる圧電アクチュエーターでは、前記振動板を前記第３モードで振動させる際、前記圧電素子に供給する電流の大きさを制御することが好ましい。

信号を印加する電極の総面積が大きくなると、振動板の共振時の圧電素子のインピーダンスが低くなり、これにより、圧電素子に印加する電圧の大きさを制御する電圧制御を採用する場合は、圧電素子に供給する電流（電力）が大きくなり、圧電素子での発熱量が大きくなる。そして、前記発熱量が大きくなると、他の条件によっては、振動板の共振時の圧電素子のインピーダンスがさらに低くなり、圧電素子に供給する電流がさらに大きくなり、振動板の振動が不安定となることがある。

これに対し、本発明に係わる圧電アクチュエーターでは、圧電素子に供給する電流の大きさを制御する電流制御を採用することにより、前記電圧制御を採用する場合に比べて、圧電素子での発熱量を低減することができ、これにより、振動板の共振時の圧電素子のインピーダンスの低下を抑制することができ、振動を安定させることができ、また、消費電力を低減することができる。

（適用例６）
本発明に係わる圧電アクチュエーターでは、前記圧電素子に設けられた複数の電極を有し、
前記振動板を前記第３モードで振動させる際、前記信号は、前記複数の電極のうちの一部の電極に印加されることが好ましい。

これにより、信号をすべての電極に印加して振動板を第３モードで振動させる場合に比べて、振動板の共振時の圧電素子のインピーダンスを高くすることができ、これにより、振動を安定させることができ、また、消費電力を低減することができる。

（適用例７）
本発明に係わる圧電アクチュエーターでは、前記被駆動体は、回転可能に設けられており、
前記振動板の前記被駆動体との当接部分における前記第３モードの振動の振動方向は、前記被駆動体の回転中心に向かう方向であることが好ましい。

これにより、振動板が第３モードで振動する際に被駆動体が回転してしまうことを抑制することができる。

（適用例８）
本発明に係わる圧電アクチュエーターでは、前記被駆動体は、移動可能に設けられており、
前記被駆動体の前記振動板との当接部分の移動方向と、前記第３モードの振動の振動方向とが直交していることが好ましい。

これにより、振動板が第３モードで振動する際に被駆動体が移動してしまうことを抑制することができる。

本発明の圧電アクチュエーターの第１実施形態を示す平面図である。 図１中のＡ−Ａ線での断面図である。 図１に示す圧電アクチュエーターの振動体の斜視図である。 図１に示す圧電アクチュエーターの動作を説明するための振動体の図である。 図１に示す圧電アクチュエーターの動作を説明するための振動体の図である。 図１に示す圧電アクチュエーターの動作を説明するための振動体の図である。 本発明の圧電アクチュエーターの第２実施形態における振動体を示す斜視図である。 本発明の圧電アクチュエーターの第３実施形態を示す平面図である。

以下、本発明の圧電アクチュエーターを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の圧電アクチュエーターの第１実施形態を示す平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線での断面図である。図３は、図１に示す圧電アクチュエーターの振動体の斜視図である。図４は、図１に示す圧電アクチュエーターの動作を説明するための振動体の図である。図５は、図１に示す圧電アクチュエーターの動作を説明するための振動体の図である。図６は、図１に示す圧電アクチュエーターの動作を説明するための振動体の図である。

なお、以下では、説明の都合上、図２、図３、図４中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う（図７も同様）。

また、図１〜図６には、互いに直交する３つの軸として、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸が図示されている。ｘ軸に平行な方向を「ｘ軸方向」、ｙ軸に平行な方向を「ｙ軸方向」、ｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」という。また、ｘ軸とｙ軸で規定される平面を「ｚｙ平面」と言い、ｙ軸とｚ軸で規定される平面を「ｙｚ平面」と言い、ｚ軸とｘ軸で規定される平面を「ｘｚ平面」と言う。また、ｘ方向、ｘ方向およびｚ方向において、矢印先端側を「＋（正）側」、矢印基端側を「−（負）側」とする。なお、振動体、振動板、圧電素子および各電極の長手方向がそれぞれｘ軸方向、短手方向（幅方向）がそれぞれｙ軸方向、厚さ方向がそれぞれｚ軸方向になっている（図７および図８も同様）。

また、図１では、振動体の電極の図示を省略している（図８も同様）。また、図４〜図６では、振動体について、連結部の図示を省略する等、簡略化して図示している（図７も同様）。

また、図４〜図６では、振動体の各電極のうち、通電する電極に対して斜線を付けている。

また、図３〜図６では、振動体の各電極のうち、裏側の見えない電極については、各符号のみを括弧内に示した（図７も同様）。

――基本構成――
圧電アクチュエーター１は、電圧の印加により振動する振動体２を有する振動部１０と、回転可能（変位可能）な円盤状のローター（被駆動体）５と、振動部１０とローター５とを支持する支持体６とを有している。なお、ローター５は、換言すれば、横断面形状が円形状の被駆動体である。

圧電アクチュエーター１は、振動体２が振動することにより、ローター５に動力（駆動力）を伝達して回転（駆動）させる装置である。以下、圧電アクチュエーター１が有する各部について順次説明する。

――振動部１０――
振動部１０は、振動体２と、振動体２を振動可能に保持する保持部（保持機構）３と、基台４と、振動体２をローター５に向けて付勢する付勢部として１対の板バネ（弾性体）７１、７２とを備えている。１対の板バネ（弾性体）７１、７２は、本実施形態では、保持部３と基台４とを連結し、保持部３を介して振動体２の後述する凸部２６をローター５に向けて付勢する。

――振動体２――
振動体２は、長方形の板状をなし、図２および図３の上側から４つの電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄと、板状の圧電素子２２と、凸部（接触部）２６および１対の連結部２７、２８を有する補強板である振動板（シム）２３と、板状の圧電素子２４と、４つの電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄ（図３中、電極２５ａおよび２５ｂは、図示せず、各符号のみを括弧内に示す）とをこの順に積層して構成されている。なお、図２および図３では、厚さ方向を誇張して示している。

この振動体２は、電圧の印加により圧電素子２２および２４が変形することにより振動して、凸部２６を介してローター５に動力を伝達して、ローター５を回転させる。

圧電素子２２および２４は、それぞれ、長方形状をなし、振動板２３の両面にそれぞれ固着されている。

これらの圧電素子２２および２４は、電圧を印加することにより、その長手方向に伸長または収縮し、電圧の印加を中止することにより、元の形状に戻る。

圧電素子２２および２４の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。

この圧電素子２２の上面には、この上面を４つの長方形の領域にほぼ等しく分割、すなわち、Ｘ軸方向に２分割、Ｙ軸方向に２分割し、分割された４つの領域に、それぞれ、長方形状をなす電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄが設置されている。なお、各電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄは、互いに離間している。

同様に、圧電素子２４の下面には、この下面を４つの長方形の領域にほぼ等しく分割、すなわち、Ｘ軸方向に２分割、Ｙ軸方向に２分割し、分割された４つの領域に、それぞれ、長方形状をなす電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄが設置されている。なお、各電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄは、互いに離間している。

また、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄは、後述する縦振動（第３モードの振動）の振動方向と異なる方向に延びる所定の第１の直線９１に対して線対称に配置され、また、縦振動の振動方向に延びる所定の第２の直線９２に対して線対称に配置されている。同様に、電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄは、後述する縦振動の振動方向と異なる方向に延びる所定の第１の直線９１に対して線対称に配置され、また、縦振動の振動方向に延びる所定の第２の直線９２に対して線対称に配置されている。

なお、本実施形態では、振動体２（振動板２３）の縦振動の振動方向９３は、Ｘ軸方向であり、縦振動の振動方向９３に直交する方向は、Ｙ軸方向である。また、振動体２の凸部２６のローター５との当接部分における縦振動の振動方向９４は、ローター５の回転中心５０に向かう方向である。また、前記縦振動の振動方向９３と異なる方向は、縦振動の振動方向９３に直交する方向、すなわち、Ｙ軸方向であり、第１の直線９１は、Ｙ軸方向に延びている。また、第１の直線９１は、Ｘ軸方向（縦振動の振動方向９３）における圧電素子２２、２４の中央部を通り、第２の直線９２は、Ｙ軸方向（縦振動の振動方向９３に直交する方向）における圧電素子２２、２４の中央部を通る。

また、電極２１ａと電極２５ａ、電極２１ｂと電極２５ｂ、電極２１ｃと電極２５ｃ、および、電極２１ｄと電極２５ｄが、それぞれ、振動体２の厚さ方向に対向して配置されている。また、図３に示すように、一方の対角線上の電極２１ａおよび２１ｃと、これらの裏側に位置する電極２５ａおよび２５ｃとは、すべて電気的に接続されている。同様に、他方の対角線上の電極２１ｂおよび２１ｄと、これらの裏側に位置する電極２５ｂおよび２５ｄとは、すべて電気的に接続されている。

振動板２３は、振動体２全体を補強する機能を有しており、振動体２が過振幅、外力等によって損傷するのを防止する。振動板２３の構成材料としては、特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、チタンまたはチタン合金、銅または銅系合金等の各種金属材料であるのが好ましい。

この振動板２３は、圧電素子２２および２４よりも厚さが薄い（小さい）ものであることが好ましい。これにより、振動体２を高い効率で振動させることができる。

また、振動板２３は、接地（グランド電位に接続）されており、圧電素子２２および２４に対する共通の電極としての機能をも有している。すなわち、圧電素子２２には、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄのうちの所定の電極と、振動板２３とによって電圧が印加され、圧電素子２４には、電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄのうちの所定の電極と、振動板２３とによって電圧が印加される。

なお、振動板２３を圧電素子２２および２４に対する共通電極として用いずに、例えば、振動板２３と圧電素子２２との間および振動板２３と圧電素子２４との間に、それぞれ圧電素子２２および圧電素子２４に対する共通電極をさらに設けてもよい。

また、振動板２３の長手方向の一端部（ローター５側の端部）には、凸部２６が一体的に形成されている。換言すれば、圧電素子２２、２４は、それぞれ、凸部２６のローター５と反対側に設けられている。

凸部２６は、振動体２（振動板２３）の幅方向（Ｙ軸方向）の中央部に位置しており、その先端が平面視で半円状をなしている。なお、凸部２６の形状や位置は、これに限定されないことは、言うまでもない。

この凸部２６は、振動体２が振動することによりローター５に当接したり、ローター５から離間したりする。

また、振動板２３の幅方向の両端部には、それぞれ、振動体２を振動可能に、振動板２３を保持部３に連結する連結部２７、２８が一体的に形成されている。各連結部２７、２８は、振動板２３の図１中右側と左側とに、互いに線対称となるように配置されている。

連結部２７は、長方形状をなし、後述する保持部３に取り付けられる取り付け部２７３と、取り付け部２７３の長手方向の両端部に形成され、振動体２を振動可能に、振動板２３を取り付け部２７３に連結し、支持する支持部２７１、２７２とを有している。同様に、連結部２８は、長方形状をなし、保持部３に取り付けられる取り付け部２８３と、取り付け部２８３の長手方向の両端部に形成され、振動体２を振動可能に、振動板２３を取り付け部２８３に連結し、支持する支持部２８１、２８２とを有している。なお、支持部２７１、２７２、２８１および２８２は、振動体２（振動板２３）の後述する合成振動（第１モードの振動）、屈曲振動（第２モードの振動）の節の位置に配置されている。

――保持部３――
保持部３は、振動体２の振動を阻害しないように構成され、振動体２を振動可能に保持している。この保持部３は、互いに離間するように配置された１対の支柱３１、３２と、支柱３１の上側の端部と支柱３２の下側の端部とを連結する連結部３３とを有している。支柱３２は、支柱３１よりも基台４から離間する側に配置されており、その支柱３２の下側の端部は、支柱３１から離間する方向に突出している。

振動体２は、支柱３１と支柱３２との間に配置され、図１中左側の連結部２７の取り付け部２７３が、支持部２７１、２７２に対応する位置において、ネジ１１５、１１７により支柱３１に固定され、図１中右側の連結部２８の取り付け部２８３が、支持部２８１、２８２に対応する位置において、ネジ１１６、１１８により支柱３２に固定されている。

保持部３の構成材料としては、特に限定されず、例えば、各種金属材料、各種セラミック材料等を用いることができる。

――基台４――
基台４は、振動体２を保持した保持部３を１対の板バネ７１、７２を介して支持し、支持体６に固定されている。基台４の形状は、特に限定されないが、本実施形態では、横断面の形状が略四角形である棒状、すなわち、一方向に長い略直方体をなしている。

――板バネ７１、７２――
１対の板バネ７１、７２は、互いに離間しており、保持部３の全体を挟んだ状態で、その保持部３と基台４とを連結している。この場合、板バネ７１の一方（図１中左側）の端部が、基台４の上側の端部にネジ１１１で固定され、板バネ７１の他方（図１中右側）の端部が、保持部３の支柱３１の上側の端部にネジ１１２で固定されている。同様に、板バネ７２の一方（図１中左側）の端部が、基台４の下側の端部にネジ１１３で固定され、板バネ７２の他方（図１中右側）の端部が、保持部３の支柱３２の下側の端部にネジ１１４で固定されている。

そして、板バネ７１、７２は、それぞれ、弾性変形し、振動体２を保持している保持部３をローター５に向けて付勢している。すなわち、板バネ７１、７２は、それぞれ、保持部３を介して振動体２の凸部２６をローター５に向けて付勢している。これにより、振動体２によるローター５への動力伝達を効率良く行うことができる。

また、板バネ７１、７２の形状は、それぞれ特に限定されないが、本実施形態では、Ｓ字状をなしている。

――ローター５――
このような構成の振動部１０のＸ軸方向前方には、ローター５が配置されている。

ローター５は、支持体６に立設された棒状の軸部５１を回転中心として、正方向（時計回り）およびその逆方向である負方向（反時計回り）に回転可能に保持されている。

そして、このようなローター５の外周面５２に、振動体２が振動することによって、凸部２６が繰り返し当接する。
以上、圧電アクチュエーター１の基本的な構成について説明した。

――駆動――
次に、圧電アクチュエーター１の動作について説明する。

圧電アクチュエーター１は、その駆動モードとして、圧電アクチュエーター１を駆動するが、振動体２の振動ではローター５を回転させない第１の駆動モード（教示モード）と、圧電アクチュエーター１を駆動してローター５を回転させる第２の駆動モード（通常駆動モード）とを有している。なお、前記第１の駆動モードおいて、「ローター５を回転させない」とは、ローター５を積極的には回転させないことを意味し、ローター５が若干回転してしまうことを排除するものではない。

また、圧電アクチュエーター１は、振動体２（振動板２３）の振動モードとして、第２モードの振動である屈曲振動のモードと、第３モードの振動である縦振動のモードと、第１モードの振動である屈曲振動と縦振動との合成振動のモードとを有している。また、振動体２（振動板２３）は、第１周波数の信号により第１モードで振動し、第２周波数の信号により第２モードで振動し、第３周波数の信号により第３モードで振動する。そして、前記第１周波数、第２周波数、第３周波数は、互いに異なる周波数である。前記第１の駆動モードでは、振動体２を前記第３モードで振動させ、また、前記第２の駆動モードでは、振動体２を前記第１モードで振動させる。

また、第２周波数は、屈曲振動が生じる周波数であれば特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、屈曲振動の共振周波数をｆ２としたとき、ｆ２±５％であることが好ましく、ｆ２±３％であることがより好ましい。これにより、より大きな振動を得ることができる。

また、第３周波数は、縦振動が生じる周波数であれば特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、縦振動の共振周波数をｆ３としたとき、ｆ３±５％であることが好ましく、ｆ３±３％であることがより好ましい。これにより、より大きな振動を得ることができる。なお、ｆ２とｆ３とは、いずれが高くてもよい。

また、第１周波数は、屈曲振動と縦振動との合成振動が生じる周波数であれば特に限定されず、諸条件に応じて適宜設定されるものであるが、屈曲振動の共振周波数ｆ２と縦振動の共振周波数ｆ３との間の周波数であることが好ましい。これにより、より大きな振動を得ることができる。

また、縦振動は、振動体２（振動板２３）（圧電素子２２、２４）の長手方向であるＸ軸方向の振動である。この縦振動は、単一振動に限らず、所定量以下の他の振動成分を含んでいてもよい。

また、合成振動は、本実施形態では、屈曲振動と縦振動とが合成された振動である。この合成振動には、屈曲振動と縦振動以外の所定量以下の他の振動成分が含まれていてもよい。

以下、第１の駆動モード（教示モード）と、第２の駆動モード（通常駆動モード）とについてさらに説明する。

圧電アクチュエーター１は、第１の駆動モードでは、振動体２の所定の電極に所定の信号、すなわち一定周期で正電圧を印加（通電）することで、凸部２６がＸ軸方向に沿って往復するように振動体２（振動板２３）を振動（縦振動）させる。

第１の駆動モードでは、本実施形態では、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄのすべての電極に通電する。これにより、容易かつ確実に振動体２を縦振動させることができ、また、すべての電極に通電するので、大きく振動させることができる。

この第１の駆動モードでは、振動体２（振動板２３）が縦振動をするので、圧電アクチュエーター１を駆動させずに非駆動状態とした場合（停止させた場合）に比べて振動体２の凸部２６がローター５に作用する保持力を格段に減少させることができる。これにより、圧電アクチュエーター１以外の外部の力でローター５を回転させようとしたとき、ローター５を容易かつ確実に回転させることができる。

例えば、圧電アクチュエーター１をロボットの関節の駆動源に適用した場合を例に挙げて説明すると、第１の駆動モードは、第２の駆動モードで圧電アクチュエーター１を駆動してローター５を回転させることでロボットが所定の作業を行う際に、例えば、操作者により、予めロボットの関節を手動で曲げたり、伸ばしたりして位置合わせをする作業（以下では、この作業を教示または教示作業と言う）等に用いられる。教示作業により位置合わせされた位置は、例えば、座標等の位置情報として図示しない制御装置の記憶部に記憶される。

なお、第１の駆動モードにおいて、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄのうちの一部の電極、例えば、電極２１ａ、２１ｄ、２５ａおよび２５ｄに通電してもよい。

また、圧電アクチュエーター１は、第２の駆動モードでは、振動体２の所定の電極に所定の信号、すなわち一定周期で正電圧を印加（通電）することで、振動体２（振動板２３）を前記縦振動と異なるように振動させる。本実施形態では、凸部２６が楕円軌道を描くように振動体２（振動板２３）を振動（合成振動）させ、この振動によってローター５を回転する。

第２の駆動モードでは、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄのうちの一部の電極、本実施形態では、電極２１ａ、２１ｃ、２５ａおよび２５ｃ、または、電極２１ｂ、２１ｄ、２５ｂおよび２５ｄに通電する。

以下、第１の駆動モードでは、凸部２６がＸ軸方向に沿って往復し、第２の駆動モードでは、凸部２６が楕円軌道を描く理由を説明する。

――凸部２６の動き――
圧電素子２２および２４は、前述したように、正電圧の印加と解除とを繰り返す（一定の周期で正電荷が印加される）ことで、その長手方向に伸長する動作と元の形状に戻る動作（伸長している状態から収縮する動作）とを繰り返す。

第１の駆動モードでは、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄに一定周期で通電し、これら電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄと、振動板２３との間に一定周期で正電圧が印加されると、圧電素子２２の電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄに対応する部分と、圧電素子２４の電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄに対応する部分とが、収縮および伸長を繰り返す。

このような伸長および収縮に伴って、振動体２全体は、ＸＹ平面内で、Ｘ軸方向に沿って図４に示すような縦振動（伸縮振動）をする。

また、電圧を印加する周波数を変化させていくと、ある特定の周波数となったときに伸縮量が急に大きくなり、一種の共振現象が発生する。縦振動で共振が発生する周波数、すなわち、前述した共振周波数ｆ３は、振動体２の物性と、振動体２の寸法（幅Ｗ、長さＬ、厚さ）等の諸条件によって決定される。

また、第２の駆動モードでは、電極２１ａ、２１ｃ、２５ａおよび２５ｃに一定周期で通電し、これら電極２１ａ、２１ｃ、２５ａおよび２５ｃと、振動板２３との間に一定周期で正電圧が印加されると、圧電素子２２の電極２１ａおよび２１ｃに対応する部分と、圧電素子２４の電極２５ａおよび２５ｃに対応する部分とが、収縮および伸長を繰り返す。

これに対して、電極２１ｂ、２１ｄ、２５ｂおよび２５ｄは通電されていないため、圧電素子２２の電極２１ｂおよび２１ｄに対応する部分と、圧電素子２４の電極２５ｂおよび２５ｄに対応する部分とは、収縮したり伸長したりはしない。

このような伸長および収縮に伴って、振動体２全体は、ＸＹ平面内で、図５に示すような屈曲振動と縦振動との合成振動（見かけ上は屈曲振動）をする。

このように図５に示す態様で電圧を印加した場合には、振動体２は、図５に示すように、凸部２６が矢印ＤＬ（図面上で時計回り）の楕円軌道（第１楕円軌道）を描くよう振動する。

また、第２の駆動モードでは、電極２１ｂ、２１ｄ、２５ｂおよび２５ｄに一定周期で通電し、これら電極２１ｂ、２１ｄ、２５ｂおよび２５ｄと、振動板２３との間に一定周期で正電圧が印加されると、圧電素子２２の電極２１ｂおよび２１ｄに対応する部分と、圧電素子２４の電極２５ｂおよび２５ｄに対応する部分とが、収縮および伸長を繰り返す。

これに対して、電極２１ａ、２１ｃ、２５ａおよび２５ｃは通電されていないため、圧電素子２２の電極２１ａおよび２１ｃに対応する部分と、圧電素子２４の電極２５ａおよび２５ｃに対応する部分とは、収縮したり伸長したりはしない。

このような伸長および収縮に伴って、振動体２全体は、ＸＹ平面内で、図６に示すような屈曲振動と縦振動との合成振動（見かけ上は屈曲振動）をする。

このように図６に示す態様で電圧を印加した場合には、振動体２は、図６に示すように、凸部２６が矢印ＤＲ（図面上で反時計回り）の楕円軌道（第２楕円軌道）を描くよう振動する。

なお、図５および図６に示す合成振動における屈曲振動の前述した共振周波数ｆ２も、振動体２の物性と、振動体２の寸法（幅Ｗ、長さＬ、厚さＴ）等の諸条件によって決定される。

なお、以上の説明では振動体２に正電圧を印加するものとして説明したが、圧電素子２２および２４は、負電圧を印加することによっても変形する。したがって、振動体２に負電圧を印加することによって振動を発生させても良いし、正電圧と負電圧とを繰り返すような交番電圧を印加することによって振動を発生させても良い。

また、印加する電圧は、例えば、波形の電圧でもよく、また、パルス状の電圧であってもよい。

――ローター５の動き――
振動体２は、第２の駆動モードにおいてローター５を回転させる。

具体的には、図５に示すように振動体２を振動させると、振動体２は、凸部２６が矢印ＤＬの楕円軌道を描くよう振動するので、ローター５は、凸部２６から受ける摩擦力によって図５中矢印ＳＲで示すように反時計回りに回転する。

一方、図６に示すように振動体２を振動させると、振動体２は、凸部２６が矢印ＤＲの楕円軌道を描くよう振動するので、ローター５は、凸部２６から受ける摩擦力によって図６中矢印ＳＬで示すように時計回りに回転する。

このようにしてローター５は、振動体２の振動によって時計回りまたは反時計回りに回転する。

――制御方式――
圧電アクチュエーター１では、第１の駆動モードにおいて、振動体２を縦振動させる際の制御方式としては、圧電素子２２、２４に供給する電流の大きさを制御する電流制御を採用することが好ましい。この電流制御では、圧電素子２２、２４に供給する電流を一定に制御する。

通電する電極の総面積が大きくなると、振動体２の共振時の圧電素子２２、２４のインピーダンスが低くなり、これにより、圧電素子２２、２４に印加する電圧の大きさを制御する電圧制御を採用する場合は、圧電素子２２、２４に供給する電流（電力）が大きくなり、圧電素子２２、２４での発熱量が大きくなる。そして、前記発熱量が大きくなると、他の条件によっては、振動体２の共振時の圧電素子２２、２４のインピーダンスがさらに低くなり、圧電素子２２、２４に供給する電流がさらに大きくなり、振動体２の振動が不安定となることがある。

これに対し、電流制御を採用することにより、前記電圧制御を採用する場合に比べて、圧電素子２２、２４での発熱量を低減することができ、これにより、振動体２の共振時の圧電素子２２、２４のインピーダンスの低下を抑制することができ、振動を安定させることができ、また、消費電力を低減することができる。

一方、第２の駆動モードにおいて、振動体２を屈曲振動と縦振動との合成振動させる際の制御方式としては、例えば、圧電素子２２、２４に印加する電圧の大きさを制御する電圧制御を採用する。

以上説明したように、この圧電アクチュエーター１によれば、第１の駆動モードにおいて、振動体２が縦振動をすることにより、ローター５を変位させずに、かつ、非駆動状態の場合に比べて振動体２の凸部２６がローター５に作用する保持力を格段に減少させることができる。これによって、圧電アクチュエーター１以外の外部の力でローター５を回転させようとしたとき、ローター５を容易かつ確実に回転させることができる。これにより、例えば、圧電アクチュエーター１をロボットに適用し、そのロボットの関節の駆動源に用いた場合、ロボットに教示を行う際、振動体２を縦振動させることにより、外部の力で容易かつ確実にロボットの関節を曲げたり、伸ばしたりすることができ、これによって、容易かつ確実に前記教示を行うことができる。

また、第２の駆動モードにおいて、振動体２が合成振動をすることにより、ローター５を回転させることができる。

第１周波数、第２周波数、第３周波数は、互いに異なる周波数であので、最適な周波数で振動体２を各モードで振動させることができ、これにより、各モードの振動の大きさをそれぞれ大きくすることができる。これによって、第１の駆動モードにおいて、振動体２が縦振動をすることにより、振動体２とローター５との間の摩擦力をさらに減少させることができる。

＜第２実施形態＞
図７は、本発明の圧電アクチュエーターの第２実施形態における振動体を示す斜視図である。

以下、第２実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。また、第１実施形態と同様に、縦振動用電極については、代表的に、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄおよび２１ｅにおける縦振動用電極について説明する。

図７に示すように、第２実施形態の圧電アクチュエーター１では、振動体２は、長方形の板状をなし、図７の上側から５つの電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄおよび２１ｅと、板状の圧電素子２２と、凸部（接触部）２６および１対の連結部２７、２８を有する補強板である振動板（シム）２３と、板状の圧電素子２４と、５つの電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄおよび２５ｅ（図７中、電極２５ａ、２５ｂおよび２５ｅは、図示せず、各符号のみを括弧内に示す）とをこの順に積層して構成されている。なお、図７では、厚さ方向を誇張して示している。

圧電素子２２の上面には、この上面を６つの長方形の領域にほぼ等しく分割、すなわち、Ｘ軸方向に２分割、Ｙ軸方向に３分割し、分割されたＹ軸方向の両端の４つの領域に、それぞれ、長方形状をなす電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄが設置されている。そして、圧電素子２２の上面のＹ軸方向の中央部の２つの領域に跨って、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄの約２倍の長さの長方形状をなす電極２１ｅが設置されている。なお、各電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄおよび２１ｅは、互いに離間している。

同様に、圧電素子２４の下面には、この下面を６つの長方形の領域にほぼ等しく分割、すなわち、Ｘ軸方向に２分割、Ｙ軸方向に３分割し、分割されたＹ軸方向の両端の４つの領域に、それぞれ、長方形状をなす電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄが設置されている。そして、圧電素子２４の下面のＹ軸方向の中央部の２つの領域に跨って、電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄの約２倍の長さの長方形状をなす電極２５ｅが設置されている。なお、各電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄおよび２５ｅは、互いに離間している。

また、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄおよび２１ｅは、第１の直線９１に対して線対称に配置され、また、第２の直線９２に対して線対称に配置されている。同様に、電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄおよび２５ｅは、第１の直線９１に対して線対称に配置され、また、第２の直線９２に対して線対称に配置されている。

また、電極２１ａと電極２５ａ、電極２１ｂと電極２５ｂ、電極２１ｃと電極２５ｃ、電極２１ｄと電極２５ｄ、および、電極２１ｅと電極２５ｅが、それぞれ、振動体２の厚さ方向に対向して配置されている。また、図７に示すように、電極２１ａとその裏側に位置する電極２５ａ、電極２１ｂとその裏側に位置する電極２５ｂ、電極２１ｃとその裏側に位置する電極２５ｃ、電極２１ｄとその裏側に位置する電極２５ｄ、電極２１ｅとその裏側に位置する電極２５ｅは、それぞれ、電気的に接続されている。

第１の駆動モードでは、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄおよび２５ｅのうちの一部の電極（以下、縦振動用電極と言う）、本実施形態では、電極２１ｅおよび２５ｅに通電する。これにより、振動体２全体は、ＸＹ平面内で、Ｘ軸方向に沿って縦振動をする。

また、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄおよび２５ｅのすべてに通電しても振動体２は縦振動をするが、電極２１ｅおよび２５ｅのみに通電することにより、前記すべての電極に通電する場合に比べて、振動体２の共振時の圧電素子２２、２４のインピーダンスを高くすることができ、これにより、振動を安定させることができ、また、消費電力を低減することができる。

なお、第１の駆動モードにおいて、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄおよび２５ｅのすべてに通電してもよい。この場合は、前記第１実施形態で述べたように電流制御を採用することが好ましい。

また、第２の駆動モードでは、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄおよび２５ｅのうちの一部の電極、本実施形態では、電極２１ａ、２１ｃ、２１ｅ、２５ａ、２５ｃおよび２５ｅ、または、電極２１ｂ、２１ｄ、２１ｅ、２５ｂ、２５ｄおよび２５ｅに通電する。これにより、振動体２は、図５に示すように、凸部２６が矢印ＤＬ（図面上で時計回り）の楕円軌道（第１楕円軌道）を描くよう振動する、または、図６に示すように、凸部２６が矢印ＤＲ（図面上で反時計回り）の楕円軌道（第２楕円軌道）を描くよう振動する。
この第２実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。

＜第３実施形態＞
図８は、本発明の圧電アクチュエーターの第３実施形態を示す平面図である。

以下、第３実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図８に示すように、第３実施形態の圧電アクチュエーター１は、被駆動体として、ローター５に代えて、横断面形状が長手形状の被駆動体、すなわち、スライダー８を備えている。

スライダー８は、横断面の形状が略四角形である棒状、すなわち、一方向に長い略直方体をなしており、その長手方向（軸方向）に移動可能（変位可能）に設置されている。圧電アクチュエーター１は、振動体２が振動することにより、スライダー８に動力（駆動力）を伝達して移動（駆動）させる装置である。スライダー８の振動体２の凸部２６の当接部分の移動方向９６と、振動体２の縦振動の振動方向９３および振動体２の凸部２６のスライダー８との当接部分における縦振動の振動方向９４とが直交している。

このスライダー８には、２つのローラー８０ａ、８０ｂと、スライダー８の移動を規制する２つの凸部（移動規制手段）８３ａ、８３ｂが設けられている。

２つのローラー８０ａ、８０ｂ同士は、所定距離離間して、図８中左右方向に並設されている。そして、２つのローラー８０ａ、８０ｂは、それぞれ、スライダー８の一方（図８中上側）の面に、スライダー８と平行な姿勢で、正逆両方向に回転可能に中心に位置する軸８１ａ、８１ｂで支持されている。

また、ローラー８０ａ、８０ｂの周面（外周面）には、それぞれ、溝８２ａ、８２ｂが外周に沿って形成されている。そして、これらローラー８０ａの溝８２ａ内およびローラー８０ｂの溝８２ｂ内に、それぞれ、スライダー８が配設されている（位置している）。

また、凸部８３ａは、８スライダーのローラー８０ａよりも図８中左側の端部に位置し、凸部８３ｂは、スライダー８のローラー８０ｂよりも図８中右側の端部に位置している。

なお、凸部の位置や数は、これに限らず、例えば、２つのローラー８０ａ、８０ｂの間に配置してもよく、また、凸部の数は、１つであってもよい。また、ローラーの数もこれに限定されない。

この第３実施形態によれば、前述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
また、第３実施形態は、前述した第２実施形態にも適用することができる。

以上、本発明の圧電アクチュエーターを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。

また、前記実施形態では、１つの圧電素子の一方の面（振動板と反対側の面）に設けられた電極の数は、４つまたは５つであるが、本発明では、これに限定されず、例えば、６つ以上でもよい。

また、前記実施形態では、付勢部として板バネを用いたが、本発明では、これに限定されず、例えば、コイルバネ等を用いてもよい。

また、前記実施形態では、被駆動体として、ローターと、スライダーとを例に挙げて説明したが、本発明では、被駆動体は、これに限定されない。回転可能な被駆動体としては、その横断面の形状は、前記円形に限定されず、例えば、２０角形等の多角形等が挙げられる。また、移動可能な被駆動体としては、その横断面の形状は、前記一方向に長い四角形に限定されず、例えば、湾曲した棒状等が挙げられる。また、被駆動体は、剛体であってもよく、また、可撓性を有していてもよい。

また、本発明の圧電アクチュエーターの用途は、特に限定されず、本発明の圧電アクチュエーターは、例えば、各種ロボットの関節の駆動、ハンド等の各種のエンドエフェクターの駆動等、各種の装置の所定の部位の駆動に用いることができる。

１…圧電アクチュエーター
１０…振動部
２…振動体
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ…電極
２２、２４…圧電素子
２３…振動板
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ…電極
２６…凸部
２７、２８…連結部
２７１、２７２、２８１、２８２…支持部
２７３、２８３…取り付け部
３…保持部
３１、３２…支柱
３３…連結部
４…基台
５…ローター
５０…回転中心
５１…軸部
５２…外周面
６…支持体
７１、７２…板バネ
７１３…貫通孔
８…スライダー
８０ａ、８０ｂ…ローラー
８１ａ、８１ｂ…軸
８２ａ、８２ｂ…溝
８３ａ、８３ｂ…凸部
９１、９２…直線
９３、９４…振動方向
９６…移動方向
１１１〜１１８…ネジ

Claims (8)

1. 圧電素子と、
   前記圧電素子に信号を印加することによって振動する振動板と、
   前記振動板の振動により駆動する被駆動体と、を有し、
   前記振動板は、第１周波数の信号により第１モードで振動し、第２周波数の信号により第２モードで振動し、第３周波数の信号により第３モードで振動し、
   前記第１周波数と前記第２周波数とは異なり、前記第１周波数と前記第３周波数とは異なることを特徴とする圧電アクチュエーター。
2. 前記第３モードの振動は、縦振動である請求項１に記載の圧電アクチュエーター。
3. 前記第２モードの振動は、屈曲振動であり、前記第１モードの振動は、前記屈曲振動と前記縦振動との合成振動である請求項２に記載の圧電アクチュエーター。
4. 前記圧電素子に設けられた複数の電極を有し、
   前記振動板を前記第３モードで振動させる際、前記信号は、前記複数の電極に印加される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーター。
5. 前記振動板を前記第３モードで振動させる際、前記圧電素子に供給する電流の大きさを制御する請求項４に記載の圧電アクチュエーター。
6. 前記圧電素子に設けられた複数の電極を有し、
   前記振動板を前記第３モードで振動させる際、前記信号は、前記複数の電極のうちの一部の電極に印加される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーター。
7. 前記被駆動体は、回転可能に設けられており、
   前記振動板の前記被駆動体との当接部分における前記第３モードの振動の振動方向は、前記被駆動体の回転中心に向かう方向である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーター。
8. 前記被駆動体は、移動可能に設けられており、
   前記被駆動体の前記振動板との当接部分の移動方向と、前記第３モードの振動の振動方向とが直交している請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエーター。

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