JP2007166778A - 駆動装置、駆動システム及び駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チップ部材からロータへの駆動力の伝達効率の大幅な低下を抑制することのできる駆動装置、駆動システム及び駆動方法を提供する。
【解決手段】凸レール５ａ，５ｂの幅Ｌ１，Ｌ２を、チップ部材８の幅Ｌ３及びガイドローラ４の幅Ｌ４より小さく形成した。これにより、圧電アクチュエータ３が傾き、チップ部材８の端部のみでロータ５と接触するとともに、ガイドローラ４も傾き、ガイドローラ４の端部側の部位でロータ５と接触する状態が発生したとき、チップ部材８からロータ５への付勢力が作用する作用点は点Ｘから点Ｘ’に遷移し、ガイドローラ４からロータ５への反力が作用する作用点は点Ｙから点Ｙ’に遷移するが、このような状態が発生しても、前記作用点Ｘ’と作用点Ｙ’との位置ずれ量は、凸レール５ａ，５ｂの幅Ｌ１，Ｌ２以下となる。
【選択図】図６

Description

本発明は、電力の供給を受けて伸縮（振動）する圧電素子を備えて構成された駆動装置、駆動システム及び駆動方法に関する。

従来、駆動電圧が印加されることにより振動する圧電素子を利用した駆動装置として図１６、図１７に示すような構成のものがある。図１６は、この駆動装置の一部破断正面図、図１７は、図１６のＣ−Ｃ線矢視図である。

図１６、図１７に示すように、駆動装置２００は、基台２０１と、トラス型圧電アクチュエータ（以下、単に圧電アクチュエータという）２０２と、ガイドローラ２０３と、ロータ２０４とを備え、圧電アクチュエータ２０２を構成する圧電素子２０５，２０６の伸縮動作により該圧電素子２０５，２０６の交差側端部に設けられたチップ部材２０７に楕円運動を行わせ、この楕円運動を行うチップ部材２０７をロータ２０４に接触させることにより該ロータ２０４を圧電アクチュエータ２０２により回転駆動する。

圧電アクチュエータ２０２は、基台２０１の前面部２０１ａと背面部２０１ｂとの間に形成されたスペースにおいて所定の遊び（ガタ）を有して設置されており、コイルスプリング等の加圧機構２０８により上方への付勢力を受けつつ浮遊状態で支持されている。

ガイドローラ２０３は、基台２０１の背面部２０１ｂと該基台２０１から直立する支持軸２０９の先端に取り付けられた規制板２１０との間に形成されたスペースにおいて、所定の遊びを有して設置されている。また、ガイドローラ２０３は、ロータ２０４に対して圧電アクチュエータ２０２と反対側の位置に設置されており、加圧機構２０８による付勢力によりロータ２０４が該ガイドローラ２０３に押し付けられることで、ロータ２０４の回転に伴って従動的に回転しながら該ロータ２０４を支持する。

一方、前記駆動装置の他に例えば下記特許文献１〜５には、各種の駆動装置が提案されている。

特許文献１には、９０度に開いた２つの金属翼片のそれぞれに圧電振動子（超音波振動子）を配設した１対の駆動源を有する駆動子を備え、前記２つの金属翼片の合わさるカット部を有する先端部がロータ（回転体）と接触するように、ロータの周辺部に駆動子を複数個配設し、前記一対の駆動源の夫々に位相の異なる交流信号を与えることで、ロータに回転力を発生させる超音波モータが開示されている。

下記特許文献２には、被駆動体の接触面に対して±４５度方向に配置された２つの圧電体からなるアクチュエータを、前記被駆動体を挟んで対向配置した駆動装置が開示されている。

下記特許文献３には、Ｕ字型に折り曲げた紙や布等の素材により挟まれるスペースに圧電モータユニットを備えるとともに、前記素材を挟んで前記圧電モータユニットと対向する位置にそれぞれローラを設置した構成を有し、前記圧電モータユニットの駆動により前記素材を搬送する装置が開示されている。

下記特許文献４には、一対の圧電素子が被駆動体の駆動面に対して±４５度の角度をなすように構成された圧電駆動ユニットを備えた駆動装置において、被駆動面に対する圧電駆動ユニットの設置誤差がある場合でも、接触部を駆動端部材のほぼ中央に位置させて偏磨耗を低減することを目的として、駆動端部材が被駆動面に接触する部分の形状を、たる形表面形状とする技術が開示されている。

下記特許文献５には、電極パターン部を有する分極された圧電素子が振動体の下面に接着固定されているとともに、中心部が軸方向へ円筒状の突起を有する移動体がベアリングを介して回転中心軸に回転自在に取り付けられており、該移動体の平面部分における下面に固定されたライナーと前記振動体の上面に形成された突起部とが加圧接触する構成を有し、前記圧電素子に電圧を印加して該圧電素子を伸縮させることにより前記移動体を回転させる進行波型モータにおいて、振動体の振動特性を損なうのを回避することを目的として、振動体における前記突起部の幅をライナーの幅より大きくすることで、振動体とライナーとの摩擦で一方的にライナーが磨耗していくようにする技術が開示されている。
特開２０００−１５２６７１号公報 特開昭６０−２００７７６号公報 特表２００２−５０９６８８号公報 特開昭６２−６４２７６号公報 特開平６−７８５７０号公報

ところで、図１６、図１７に示すような駆動装置においては、図１８（ａ）に示すように、チップ部材２０７からロータ２０４への付勢力が作用する作用点Ｐと、ガイドローラ２０３からロータ２０４への反力が作用する作用点Ｑとが幅方向（図１８の左右方向）において同一位置にある状態が理想的な駆動状態、すなわち圧電アクチュエータ２０２の駆動力が最も効率的にロータ２０４に伝達する状態である。

しかしながら、前述したように、圧電アクチュエータ２０２は加圧機構２０８により前記スペース内の範囲で浮遊した状態とされている一方、ロータ２０４は、回転軸により軸支されておりその位置や姿勢が拘束されていることから、図１８（ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ２０２が傾いて、チップ部材２０７の端部のみでロータ２０４と接触するとともに、ガイドローラ２０３も傾いて、ガイドローラ２０３の縁端部でロータ２０４と接触する状態が発生する場合がある。

このとき、チップ部材２０７からロータ２０４への付勢力が作用する作用点が点Ｐから点Ｐ’に、また、ガイドローラ２０３からロータ２０４への反力が作用する作用点が点Ｑから点Ｑ’にそれぞれ移動することになるが、当該駆動装置２００の構成にあっては、この作用点Ｐ’，Ｑ’間の距離が比較的長いため、図１８（ａ）に示す理想状態に比して、チップ部材２０７からロータ２０４への駆動力の伝達効率が大幅に低下するという問題が発生する。

また、図１８（ｃ）に示すように、圧電アクチュエータ２０２及びガイドローラ２０３が水平方向に移動した状態になることも想定される。このとき、チップ部材２０７からロータ２０４への付勢力が作用する作用点が点Ｐから点Ｐ”に、また、ガイドローラ２０３からロータ２０４への反力が作用する作用点が点Ｑから点Ｑ”にそれぞれ移動することになり、このような場合にも前記図１８（ｂ）と同様の問題が生じる。

なお、前記特許文献１〜５には、浮遊状態で支持された圧電アクチュエータ等の姿勢変化や位置ずれにより発生する問題に対する対策技術は開示されていない。また、前記特許文献５は、前記ライナーは、前記移動体に固定されたものであり、図１６、図１７に示すように、ロータ２０４を挟持する圧電アクチュエータ２０２及びガイドローラ２０３の姿勢や位置ずれが生じ得る駆動装置において、その姿勢変化や位置ずれにより発生する問題に対する対策技術が開示されているものではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、チップ部材からロータへの駆動力の伝達効率の大幅な低下を抑制することのできる駆動装置、駆動システム及び駆動方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、被駆動対象に動力を伝達するための可動板と、電力の供給を受けて伸縮する圧電素子を備えてなり、所定の付勢機構により前記可動板に付勢されつつ、該圧電素子の伸縮動作を用いて、前記可動板の一方の面の所定位置で該可動板を駆動する圧電アクチュエータと、前記可動板に対して前記圧電アクチュエータと反対側の位置において、前記圧電アクチュエータと前記可動板との付勢状態が維持されるように前記可動板を支持する支持機構とを備え、前記圧電アクチュエータ及び支持機構を総称して接触体というとき、前記可動板のうち少なくとも一方の面において、前記接触体と接触する領域が、前記圧電アクチュエータによる前記可動板の駆動方向と交差する交差方向において所定の領域に制限されるような形状を有する接触領域制限部が形成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、可動板のうち少なくとも一方の面において、前記接触体と接触する領域が、前記圧電アクチュエータによる前記可動板の駆動方向と交差する交差方向において所定の領域に制限されるような形状を有する接触領域制限部を形成したので、圧電アクチュエータや支持機構の姿勢が適正な姿勢からずれたり、圧電アクチュエータや支持機構の位置ずれが発生したりした場合でも、圧電アクチュエータから可動板への付勢力が作用する作用点と、支持機構から可動板への反力が作用する作用点との位置ずれが、前記接触領域制限部が形成された範囲（領域）に制限される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の駆動装置において、前記所定の付勢機構は、前記圧電アクチュエータに取り付けられていることを特徴とするものである。

この発明によれば、前記所定の付勢機構を前記圧電アクチュエータに取り付けたので、前記所定の付勢機構により前記圧電アクチュエータが前記可動板側に押し付けられ、これにより、前記圧電アクチュエータと前記可動板との間に付勢状態が生成される。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の駆動装置において、前記接触領域制限部は、前記圧電アクチュエータから前記可動板への付勢力が作用する作用点と、前記支持機構から前記可動板への反力が作用する作用点とが前記交差方向において一致する位置に形成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、前記接触領域制限部を、前記圧電アクチュエータから前記可動板への付勢力が作用する作用点と、前記支持機構から前記可動板への反力が作用する作用点とが前記交差方向において一致する位置に形成したので、前記圧電アクチュエータよる前記可動板の良好な駆動効率が得られる。

前記接触領域制限部としては、請求項４に記載の発明のように、前記接触領域制限部は、突出形状を有し、前記交差方向に着目したとき、前記突出部分の幅を、当該接触領域制限部が形成されている面に接触する接触体のうちその面と対向する端部の幅より小さく形成したものが一例として想定される。

また、前記接触領域制限部の具体的な例として、請求項５に記載の発明のように、前記接触領域制限部は、前記駆動方向と交差し且つ前記交差方向と平行な平面による断面が凸面形状を有するものや、請求項６に記載の発明のように、前記接触領域制限部は、前記駆動方向と交差し且つ前記交差方向と平行な平面による断面が凹面形状を有するものも想定される。

そして、請求項７に記載の発明は、前記可動板が、円板である場合には、前記接触領域制限部を、前記円板の表裏面における径方向の所定位置に形成された円周形状を有するレール（断面が凸面形状や凹面形状を有するレール）により構成することが想定される。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の駆動装置において、前記支持機構は、電力の供給を受けて伸縮する圧電素子を備えてなり、該圧電素子の伸縮動作を用いて、前記反対側の位置で該可動板を駆動する圧電アクチュエータで構成されていることを特徴とするものである。

この発明によれば、可動板をその両面でそれぞれ圧電アクチュエータによる駆動を行うようにしたので、可動板の一方の面で駆動を行う場合に比して、大きな駆動力で可動板を駆動することができるとともに、可動板と一方の圧電アクチュエータとの接触位置と可動板と他方の圧電アクチュエータとの接触位置とを、前記圧電アクチュエータによる駆動方向と交差する交差方向においてより確実に略同じ位置に保つことができ、その結果、可動板の駆動効率を向上することができる。

請求項９に記載の発明は、板状部位を有する被駆動対象と、前記被駆動対象を前記板状部位で駆動する駆動機構とを備えてなる駆動システムであって、前記駆動機構は、電力の供給を受けて伸縮する圧電素子を備えてなり、所定の付勢機構により前記被駆動対象に付勢されつつ、該圧電素子の伸縮動作を用いて、前記被駆動対象の一方の板面の所定位置で該被駆動対象を駆動する圧電アクチュエータと、前記被駆動対象に対して前記圧電アクチュエータと反対側の位置において、前記圧電アクチュエータと前記被駆動対象との付勢状態が維持されるように前記被駆動対象を支持する支持機構とを備えており、前記圧電アクチュエータ及び支持機構を総称して接触体というとき、前記被駆動対象における前記板状部位のうち少なくとも一方の面において、前記接触体と接触する領域が、前記圧電アクチュエータによる前記被駆動対象の駆動方向と交差する交差方向において所定の領域に制限されるような形状を有する接触領域制限部が形成されていることを特徴とするものである。

請求項１０に記載の発明は、板状部位を有する被駆動対象の前記板状部位を、その両面の略対向する位置で、所定の付勢機構により前記板状部位に付勢された圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータと前記被駆動対象との付勢状態が維持されるように前記被駆動対象を支持する支持機構とにより挟持しながら、前記圧電アクチュエータにより被駆動対象を駆動する駆動方法であって、前記圧電アクチュエータ及び支持機構を総称して接触体というとき、前記被駆動対象における前記板状部位のうち少なくとも一方の面において、前記接触体と接触する領域が、前記圧電アクチュエータによる前記被駆動対象の駆動方向と交差する交差方向において所定の領域に制限されるような形状を有して形成された接触領域制限部において、前記圧電アクチュエータによる駆動及び／又は前記支持機構による支持を行うことを特徴とする駆動方法ものである。

請求項９、１０に記載の発明によれば、被駆動対象における前記板状部位のうち少なくとも一方の面において、前記接触体と接触する領域が、前記圧電アクチュエータによる前記被駆動対象の駆動方向と交差する交差方向において所定の領域に制限されるような形状を有する接触領域制限部を形成し、この接触領域制限部において、前記圧電アクチュエータによる駆動及び／又は前記支持機構による支持を行うようにしたので、請求項１記載の発明と同様、圧電アクチュエータや支持機構の姿勢が適正な姿勢からずれたり、圧電アクチュエータや支持機構の位置ずれが発生したりした場合でも、圧電アクチュエータから被駆動対象への付勢力が作用する作用点と、支持機構から被駆動対象への反力が作用する作用点との位置ずれが、前記接触領域制限部が形成された範囲（領域）に制限される。

本発明によれば、圧電アクチュエータや支持機構の姿勢が適正な状態からずれたり、圧電アクチュエータや支持機構の位置ずれが発生したりした場合でも、圧電アクチュエータから可動板（被駆動対象）への付勢力が作用する作用点と、支持機構から可動板（被駆動対象）への反力が作用する作用点との位置ずれが、前記接触領域制限部が形成された範囲（領域）に制限されるようにしたので、圧電アクチュエータ及び支持機構と可動板（被駆動対象）との間で作用する力の作用点の位置を前記交差方向において略一致させることができるため、圧電アクチュエータから可動板への駆動力の伝達効率の低下を抑制し、良好な駆動効率を確保することができる。

本発明に係る駆動装置の実施形態について説明する。図１、図２は、本発明に係る駆動装置の第１の実施形態の構成を示す図であり、図１は、図２のＡ−Ａ線矢視図、図２は、図１のＢ−Ｂ線矢視図である。

図１、図２に示すように、駆動装置１は、基台２と、トラス型圧電アクチュエータ（以下、単に圧電アクチュエータという）３と、ガイドローラ４と、ロータ５とを備えてなり、前記ロータ５を圧電アクチュエータ３により回転駆動することで、該ロータ５に連結又は接続された所定の被駆動部材を駆動するものである。

基台２は、圧電アクチュエータ３及びガイドローラ４を支持するものであり、圧電アクチュエータ３を支持するための底面部２ａと、該底面部２ａにおける背面側の縁端部（図１の裏面側に位置する縁端部）から起立する背面部２ｂと、前記底面部２ａの左右（図１に示す左右）両端部から起立する側縁部２ｃ，２ｄと、前記底面部２ａにおける前面側の縁端部（図１の表面側に位置する縁端部）から起立する前面部２ｅとを有して構成されている。

圧電アクチュエータ３は、ロータ５を回転軸１９（図２参照）回りに回転駆動するものであり、基台２の前記各部２ａ〜２ｅにより構成されるスペースＳ内において、少なくとも前記基台２の背面部２ｂと前面部２ｅとに対し所定の遊び（ギャップ）を有して配設されている。圧電アクチュエータ３は、２つの圧電素子（積層型の第１圧電素子６及び第２圧電素子７）と、第１圧電素子６及び第２圧電素子７の交差側端部に取り付けられたチップ部材８と、第１、第２圧電素子６，７の他端部に取り付けられたベース部材９と、加圧機構１０とを備えて構成されている。

第１、第２圧電素子６，７は、略直角に交差させて配置されており、チップ部材８はそれらの交差側端部に接着剤で接合されているとともに、第１、第２圧電素子６，７における前記交差側端部と反対側の端部は、ベース部材９に接着剤で接合されている。接着剤は、接着力及び強度に優れたエポキシ系樹脂などの材料で構成されている。

図３は、第１、第２圧電素子６，７の構成を示す図である。

第１、第２圧電素子６，７は、略同様の構成を有しており、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック薄板１１と電極１２，１３とを交互に積層し、各セラミック薄板１１と電極１２，１３とを接着剤により固定して構成されたものである。なお、第１、第２圧電素子６，７の両端部には、保護層１４が設けられている。

このような構成を有する第１、第２圧電素子６，７において、駆動電源により、１つおきに配置された各電極群１２，１３に、それぞれ信号線１５，１６を介して所定の電圧が印加された場合、電極１２と電極１３とに挟まれた各セラミック薄板１１には、その積層方向に電界が発生し、その電界は１つおきに同じ方向となる（隣り合う２つのセラミック薄板１１の分極方向は逆向きとなる）。

駆動電源により交流の駆動電圧（交流信号）を電極１２，１３に印加すると、その電界に応じて各セラミック薄板１１は同方向に伸縮を繰り返し、第１、第２圧電素子６，７全体として伸縮を繰り返す。その際、第１、第２圧電素子６，７には、その構造（弾性率や質量等）や電気的特性により決定される固有の共振周波数が存在し、交流の駆動電圧の周波数が第１、第２圧電素子６，７の共振周波数と一致すると、インピーダンスが低下するため、第１、第２圧電素子６，７の変位量が増大する。したがって、第１、第２圧電素子６，７は、その外形寸法に対して変位量が小さいため、低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用するのが好ましい。

図４（ａ）は、第１圧電素子６に印加する駆動信号の一例であり、図４（ｂ）は、第２圧電素子７に印加する駆動信号の一例である。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、第１、第２圧電素子６，７にそれぞれ所定の位相差を有する駆動信号を印加すると、第１、第２圧電素子６，７は異なる位相で伸縮する。その結果、チップ部材８は、図５に示すように、所定の楕円軌道（円軌道を含む）を描くように駆動される。駆動装置１は、このように楕円軌道を描いて駆動されるチップ部材８をロータ５に接触させることで、ロータ５を回転駆動する。

図１、図２に戻り、チップ部材８は、前述したように、第１、第２圧電素子６，７の変位（振動）を合成した楕円運動を行いつつロータ５に接触することで、ロータ５の回転駆動を行うものであり、安定して高い摩擦係数を有して耐磨耗性に優れたタングステンカーバイトを主材料とする超硬材料等で構成された部材である。このチップ部材８の楕円振動は、１μｍ程度の振幅を有する微小な振動である。

ベース部材９は、タングステン等の比重の大きな金属、合金あるいはセラミック等からなり、第１、第２圧電素子６，７を支持するものである。

加圧機構１０は、コイルスプリングを備えてなり、該コイルスプリングの一端が前記ベース部材９の背面略中央部に取り付けられているとともに、他端が前記基台２の底面部２ａにおける上面に取り付けられており、前記ベース部材９を上方に付勢するように構成されている。これにより、ロータ５が回転したときには、ロータ５とチップ部材８との接触部分において、駆動方向と反対方向に所定の摩擦力が発生するようになっている。

ガイドローラ４は、円筒状の外周面を有し、前記基台２の背面部２ｂにおける前面に取り付けられた支持軸１７により矢印Ｒ方向（図１参照）に回転自在に軸支された部材であり、ポリアセタールやナイロン等の樹脂又は金属で構成されている。ガイドローラ４は、摺動摩擦の小さい材料またはロータ５との接触による磨耗の少ない材料で形成するのが好ましい。

ガイドローラ４は、前記圧電アクチュエータ３のチップ部材８から所要の間隙を介して配設されており、チップ部材８とでロータ５を挟み込んで支持するための部材である。ガイドローラ４は、加圧機構１０による付勢力によりロータ５が該ガイドローラ４に押し付けられることで、ロータ５の回転に伴って従動的に回転する。なお、支持軸１７の前面側端部には、ガイドローラ４の脱落を防止するための規制板１８が設けられており、ガイドローラ４は、該規制板１８により支持軸１７からの脱落が規制されるとともに、規制板１８と前記基台２の背面部２ｂとに対し、幅方向（図２の左右方向）に所要の遊び（ギャップ）を有した状態で該幅方向の移動が規制されている。ガイドローラ４は、前記支持機構の一例であり、加圧機構１０は、付勢機構の一例である。

ロータ５は、ガイドローラ４と前記圧電アクチュエータ３のチップ部材８とに挟持された状態で、図略の部材に固定された回転軸１９により回転自在に支持された円盤状の部材である。ロータ５は、チップ部材８により摩擦駆動されるため、耐磨耗性の材料で構成するのが好ましく、鉄を材料として焼きいれ処理及び窒化処理などを施したものを利用したり、アルミナやジルコニアなどのファインセラミックを材料として構成したりするとよい。ロータ５は、前記可動板の一例である。

非接触状態におけるチップ部材８における表面形状は円筒面である一方、ロータ５の表面形状は平面であるから、チップ部材８とロータ５とが線状の接触状態となる。

次に、本実施形態の特徴部分について説明する。

本実施形態の駆動装置１におけるロータ５の表裏両面には、それぞれ径方向の所定位置に断面直方形状を有する凸レール５ａ，５ｂが径方向に同一の位置に環状形成されており、この凸レール５ａがチップ部材８に、凸レール５ｂがガイドローラ４にそれぞれ接触するようになっている。ロータ５の裏面に形成された凸レール５ｂの幅Ｌ１（図２参照）は、チップ部材８の幅Ｌ３より小さい幅とされている一方、ロータ５の表面に形成された凸レール５ａの幅Ｌ２（図２参照）は、ガイドローラ４の幅Ｌ４より小さい幅とされている。凸レール５ｂの幅Ｌ１は、チップ部材８の幅Ｌ３の１／２以下が好ましく、凸レール５ａの幅Ｌ２は、ガイドローラ４の幅Ｌ４の１／２以下が好ましい。なお、本実施形態では、凸レール５ｂの幅Ｌ１と凸レール５ａの幅Ｌ２とは同一とする。凸レール５ａ，５ｂは、前記接触領域制限部の一例である。

チップ部材８が楕円軌道を描くように駆動されている間、一定の区間でチップ部材８がロータ５の凸レール５ｂに接触し、チップ部材８と凸レール５ｂとの間に作用する摩擦力により、ロータ５が所定の方向に駆動される。なお、第１、第２圧電素子６，７に印加する駆動信号の位相差を所定値に設定することで、ロータ５の正転・逆転が可能となる。

以上のような構成を有する凸レール５ａ，５ｂを形成した意義について説明する。

図６（ａ）に示すように、理想状態（圧電アクチュエータ３の駆動力が最も効率的にロータ５に伝達する状態）では、凸レール５ａ，５ｂが、チップ部材８又はガイドローラ４の幅方向における略中央位置に接触する位置に位置し、チップ部材８からロータ５への付勢力が作用する作用点Ｘと、ガイドローラ４からロータ５への反力が作用する作用点Ｙとが幅方向において同一位置にある。

ここで、圧電アクチュエータ３は、従来技術でも述べたように、加圧機構１０により前記スペース内の範囲で浮遊した状態とされている一方、ロータ５は、回転軸１９により軸支されていて位置や姿勢が拘束されているため、図６（ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ３が傾き、チップ部材８の端部のみでロータ５と接触する状態が発生し得る。また、このとき、ガイドローラ４も傾き、ガイドローラ４の端部側の部位でロータ５と接触することがある。

このとき、チップ部材８からロータ５への付勢力が作用する作用点は、前記点Ｘから点Ｘ’に遷移し、ガイドローラ４からロータ５への反力が作用する作用点は、前記点Ｙから点Ｙ’に遷移する。そして、従来のように作用点Ｘ’と作用点Ｙ’との離間距離が大きくなると、図６（ｄ）に示すように、チップ部材８からロータ５への押圧力（付勢力）Ｆ１が、ガイドローラ４からロータ５への反力Ｆ２より大きくなり、これらの力に差が発生することで、ロータ５を水平方向（左右方向）に移動させようとする力が発生し、該ロータ５はこの力により前記水平方向に移動する。この場合、圧電アクチュエータ３の駆動力が効率的にロータ５に伝達されなくなる。

しかし、本実施形態では、このような状態が発生しても、凸レール５ａ，５ｂの幅Ｌ１，Ｌ２が、チップ部材８の幅Ｌ３及びガイドローラ４の幅Ｌ４より小さく形成されているため、前記作用点Ｘ’と作用点Ｙ’との位置ずれ量は、凸レール５ａ，５ｂの幅Ｌ１，Ｌ２以下となり、この幅Ｌ１，Ｌ２を超えることはない。

これにより、チップ部材８からロータ５への押圧力Ｆ１と、ガイドローラ４からロータ５への反力Ｆ２とを略同等とすることができるため、ロータ５を水平方向（左右方向）に移動させようとする力がほとんど発生しなくなり、前記理想状態に近い状態でチップ部材８による前記ロータ５の駆動を行うことができる。

図６（ｂ）に示す状態の他に、図６（ｃ）に示すように、圧電アクチュエータ３及びガイドローラ４が水平方向に移動した状態になることも想定される。このとき、チップ部材８からロータ５への付勢力が作用する作用点は、チップ部材８において前記点Ｘから点Ｘ”に遷移し、ガイドローラ４上においてガイドローラ４からロータ５への反力が作用する作用点は、前記点Ｙから点Ｙ”に遷移する。

しかし、本実施形態では、このような状態が発生しても、凸レール５ａ，５ｂにおける前記作用点Ｘ”と作用点Ｙ”との左右方向における位置ずれは発生しない。これにより、図６（ｂ）に示す状態と同様、チップ部材８からロータ５への押圧力Ｆ１と、ガイドローラ４からロータ５への反力Ｆ２とを略同等とすることができるため、ロータ５を水平方向（左右方向）に移動させようとする力がほとんど発生しなくなり、前記理想状態に近い状態でチップ部材８による前記ロータ５の駆動を行うことができる。

このように、圧電アクチュエータ３やガイドローラ４が幅方向に位置ずれしても、前記理想状態に近い状態で、すなわちチップ部材８からロータ５への付勢力が作用する作用点の位置と、ガイドローラ４からロータ５への反力が作用する作用点の位置とが幅方向において近い位置にある状態でロータ５を駆動することができるため、圧電アクチュエータ３の駆動力を効率よく伝達する状態が確保され、また、チップ部材８とロータ５との接触状態及びガイドローラ４とロータ５との接触状態が偏磨耗することなく良好な状態を保持することができる。

本件は、前記実施形態に加えて、あるいは前記実施形態に代えて次の形態［１］〜［１０］に説明する変形形態も含むものである。

［１］前記第１の実施形態では、凸レール５ｂの幅Ｌ１と凸レール５ａの幅Ｌ２とを同一幅としたが、これに限らず、異ならせてもよい。例えば図７（ａ）は、凸レール５ａの幅Ｌ２を凸レール５ｂの幅Ｌ１より小さく形成したものを示している。このように、凸レール５ａの幅Ｌ２を小さくした場合には、ロータ５とガイドローラ４との接触位置を狭い範囲に制限することができる。これとは逆に、凸レール５ｂの幅Ｌ１を凸レール５ａの幅Ｌ２より小さくした場合には、ロータ５とチップ部材８との接触位置を狭い範囲に制限することができる。

また、前記第１の実施形態では、ロータ５の表裏両面に凸レール５ａ，５ｂを形成したが、図７（ｂ），（ｃ）に示すように片面（表面又は裏面）にのみ凸レール５ａ又は５ｂを形成してもよい。この場合、両面に凸レール５ａ，５ｂが形成される場合に比して、図６（ｂ），（ｃ）に示すような圧電アクチュエータ３やガイドローラ４の傾斜や位置ずれが発生した場合における、チップ部材８からロータ５への付勢力が作用する作用点Ｘと、ガイドローラ４からロータ５への反力が作用する作用点Ｙとの位置ずれ量は若干大きくなるものの、いずれの面にも凸レールが形成されていない場合に比して、前記位置ずれ量を大幅に小さくすることができるという一定の効果は得られる。

また、前記第１の実施形態では、凸レール５ａ，５ｂの形状を直方形状としたが、これに限らず、図７（ｄ），（ｅ）に示すように、台形形状や三角形状としてもよい。

さらに、凸レール５ａ，５ｂの形状は、前述の各形状の他に、図７（ｆ）に示すように、曲面形状としてもよい。この場合、チップ部材８やガイドローラ４との接触位置は頂上付近に限定される。チップ部材８とロータ５の接触は、ヘルツ接触となり、実際には頂点１点のみとならず、所定の面積をもった接触状態となる。接触面積は、凸レールの曲率半径が大きいほど広くなり、面圧も小さくなる。図７（ｆ）に示す形態においては、より圧電アクチュエータ３のチップ部材８とロータ５との接触位置と、ロータ５とガイドローラ４との接触位置とを幅方向に一致させる機能が第１の実施形態に比してより強く作用する。

また、ロータ５の表面に形成される凸レールの形状と裏面に形成される凸レールの形状とが異なっていてもよい。例えば図７（ｇ）は、チップ部材８と接触する側の凸レールの形状を曲面形状とし、ガイドローラ４と接触する側の凸レールの形状を直方形状とした形態をその一例として示している。

［２］前記第１の実施形態では、圧電アクチュエータ３とガイドローラ４とでロータ５を挟み込むように支持したが、これに限らず、図８に示すように、前記ガイドローラ４に代えて、前記第１の圧電アクチュエータ３と同様の構成を有する圧電アクチュエータ３’を備え、各圧電アクチュエータ３，３’のチップ部材８，８’がロータ５の表裏両面でそれぞれ接触して、ロータ５の回転駆動を行うように構成してもよい。

この場合、圧電アクチュエータと圧電アクチュエータ３’とをロータ５を介して対向するように設置するとともに、前記第１の実施形態と同様、凸レール５ａ，５ｂを形成して、各チップ部材８，８’を凸レール５ａ，５ｂに接触させて回転駆動を行うようにすると、圧電アクチュエータ３，３’が傾いたり位置ずれが生じたりしても、チップ部材８からロータ５への付勢力が作用する作用点Ｘと、チップ部材８’からロータ５への付勢力が作用する作用点Ｘ’とが幅方向に略一致させることができ、前記第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、両チップ部材８，８’の楕円軌道における頂点で同時にロータ５を送り出す（回転させる）ように、両圧電アクチュエータ３，３’の振動の位相を設定することで、同一の駆動電圧で大きな駆動力が得られ、効率的な駆動を行うことができる。

そして、このような構成において、ロータ５に形成する凸レールの形状を、前記変形形態［１］で述べた各形状に形成してもよい。

［３］前記第１の実施形態や変形形態［１］では、ロータ５の表面及び裏面から突出する凸レールを形成したが、これに限らず、前記凸レールに代えて、次のように構成してもよい。図９は、本実施形態における駆動装置１００の構成を示す図である。

図９に示すように、本実施形態の駆動装置１００は、前記第１の実施形態とロータの構成が主として異なるものであり、他の部材等の機能については略同様であるため、相違点についてのみ説明する。

本実施形態の駆動装置１００におけるロータ１０１の表裏両面には、それぞれ径方向の所定位置に断面曲面形状を有する凹レール１０１ａ，１０１ｂが環状形成されており、この凹レール１０１ａがチップ部材１０４に、凹レール１０１ｂがガイドローラ１０３にそれぞれ接触するようになっている。すなわち、圧電アクチュエータ１０２のチップ部材１０４は、ロータ１０１の裏面に形成された凹レール１０１ｂに接触し、ガイドローラ１０３は、ロータ１０１の裏面に形成された凹レール１０１ａに接触する。

チップ部材１０４は、該凹レール１０１ｂに接触する先端部分が円弧形状に形成されているとともに、ガイドローラ１０３の断面は、該凹レール１０１ｂに接触する先端部分が円弧形状に形成されている。

なお、チップ部材１０４は、回転対称形状でなくてもよく、ロータ１０１及び紙面の両方に直交する平面によるチップ部材１０４の断面を見たときのその先端部分における円弧の径と、紙面に平行な平面によるチップ部材１０４の断面を見たときのその先端部分における円弧の径とが異なっていてもよい。この場合には、チップ部材１０４とロータ１０１との接触面は楕円形状となり、また、チップ部材１０４が回転対称形状である場合には、チップ部材１０４とロータ１０１との接触面は円形状となる。

一方、ガイドローラ１０３は、凹レール１０１ａに接触する先端部分が円弧形状に形成されている。なお、ガイドローラ１０３の前記先端部分は、円弧形状に限らず、放物線形状であってもよい。

凹レール１０１ｂの曲率半径は、紙面に平行な平面によるチップ部材１０４の断面を見たときのその先端部分における円弧の径より大きな径とされており、凹レール１０１ａの曲率半径は、紙面に平行な平面によるガイドローラ１０３の断面を見たときのその先端部分における円弧の径より大きな径とされている。

このような構成を有する駆動装置１００においては、圧電アクチュエータ１０２やガイドローラ１０３が前述のように傾いたり、位置ずれが発生したりした場合に、チップ部材１０４とロータ１０１との接触点を凹レール１０１ｂの最も高い位置Ｔに復帰させたり、ガイドローラ１０３とロータ１０１との接触点を凹レール１０１ａの最も低い位置Ｂに復帰させたりする調芯作用が働く。

すなわち、図１０に示すように、凹レール１０１ａ内でガイドローラ１０３が図９に示す位置から例えば左側に位置ずれした場合、ガイドローラ１０３は、ロータ１０１の凹レール１０１ａを構成する壁面から押圧力Ｆ１を受ける。この押圧力Ｆ１は、前記壁面のうち前記ガイドローラ１０３が接触する位置における前記壁面の法線方向に作用し、この押圧力Ｆ１の図９、図１０の左右方向における分力Ｆ１ｘにより、ガイドローラ１０３は、凹レール１０１ａの最も低い位置Ｂに戻される。

同様に、凹レール１０１ｂ内でチップ部材１０４が図９に示す位置から例えば右側に位置ずれした場合、チップ部材１０４は、ロータ１０１の凹レール１０１ｂを構成する壁面から押圧力Ｆ２を受ける。この押圧力Ｆ２は、前記壁面のうち前記チップ部材１０４が接触する位置における前記壁面の法線方向に作用し、この押圧力Ｆ２の図９、図１０の左右方向における分力Ｆ２ｘにより、チップ部材１０４は、凹レール１０１ｂの最も高い位置Ｔに戻される。

このように、本実施形態では、前記調芯作用が作用するため、前記第１の実施形態等に比して、チップ部材１０４からロータ１０１への付勢力が作用する作用点と、ガイドローラ１０３からロータ１０１への反力が作用する作用点との幅方向における一致度が高く（前記両作用点の位置が幅方向に一致している期間が長い）、より良好な接触状態を実現することができる。

［４］前記変形形態［３］では、ロータ１０１の表裏両面に凹レール１０１ａ，１０１ｂを形成したが、これに限らず、図１１（ａ）に示すように、一方の面にのみ形成してもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、特にロータ１０１の肉厚Ｇが比較的小さく、前記変形形態［３］のように単に凹部を環状形成することで凹レールを形成すると、ロータ１０１の剛性が不足すると考えられる場合には、凹レールを形成する対象の部位を他の部位に比して所定量だけ肉厚化した上で、前記肉厚Ｇより薄くならないように凹レールを形成するようにするとよい。

また、図１１（ｃ），（ｄ）に示すように、ロータ１０１の表裏面のうち、一方の面には凸レールを、他方の面には凹レールを形成してもよい。図１１（ｃ）は、ロータ１０１の表面に、直方形状の断面を有する凸レールを形成し、裏面には、断面曲面形状を有する凹レールを形成した形態を示している。また、図１１（ｄ）は、ロータ１０１の表面に、断面曲面形状を有する凸レールを形成し、裏面には、断面曲面形状を有する凹レールを形成した形態を示している。

また、ロータ１０１の表裏面のうち、一方の面にのみ断面直方形状の凹レールを形成してもよい。図１１（ｅ）は、ロータ１０１の裏面に断面直方形状の凹レールを形成した形態を示す図である。なお、この場合、チップ部材等と幅方向に微小な遊びｄ（ギャップｄ）を持たせるのが好ましい。

［５］前記変形形態［３］では、圧電アクチュエータ１０２とガイドローラ１０３とでロータ１０１を挟み込むように支持したが、これに限らず、図１２に示すように、前記ガイドローラ１０３に代えて、前記第１の圧電アクチュエータ１０２と同様の構成を有する圧電アクチュエータ１０２’を備え、各圧電アクチュエータ１０２，１０２’のチップ部材１０４，１０４’がロータ１０１の表裏両面でそれぞれ接触して、ロータ１０１の回転駆動を行うように構成してもよい。

この場合、圧電アクチュエータ１０２と圧電アクチュエータ１０２’とをロータ１０１を介して対向するように設置するとともに、前記変形形態［３］と同様、凹レール１０１ａ，１０１ｂを形成して、各チップ部材１０４，１０４’を凹レール１０１ａ，１０１ｂに接触させて回転駆動を行うようにすると、圧電アクチュエータ１０２，１０２’が傾いたり位置ずれが生じたりしても、チップ部材１０４からロータ１０１への付勢力が作用する作用点Ｘと、チップ部材１０４’からロータ１０１への付勢力が作用する作用点Ｘ’とを幅方向に略一致させることができる。

なお、両チップ部材１０４，１０４’の楕円軌道における頂点で同時にロータ１０１を送り出す（回転させる）ように、両圧電アクチュエータ１０２，１０２’の振動の位相を設定することで、同一の駆動電圧で大きな駆動力が得られ、効率的な駆動を行うことができる。

そして、このような構成において、ロータ１０１に形成する凹レールの形状を、前記変形形態［４］で述べた各形状に形成してもよい。

［６］第１の実施形態等では、ロータ５等が均一な平面形状を有するものであったが、図１３に示すように、一定の平面でなくてもよく、図１３の矢印Ｅに示すように、ロータ５が所定位置で屈曲する形状であってもよい。

また、図１４（ａ），（ｂ）の矢印Ｆ，Ｇに示すように、他の部品等の配置の関係から、ロータ５の板面（平面）と、各圧電アクチュエータのチップ部材が軌道面とを直交させるように、圧電アクチュエータ等を配置できない場合であっても、チップ部材８等の端面と凸レール等の端面（チップ部材８等との接触面）とが平行となるように、凸レールの端面を形成すると、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、図１４（ａ）は、圧電アクチュエータが複数設けられ、各圧電アクチュエータのチップ部材が同一平面Ｍ上において楕円運動を行うように、各圧電アクチュエータがロータ５等の上下に配設された形態を示した図である。また、図１４（ｂ）は、同じく圧電アクチュエータが複数設けられ、一方の圧電アクチュエータのチップ部材が楕円運動を行う平面Ｍ１と、他方の圧電アクチュエータのチップ部材が楕円運動を行う平面Ｍ２とが交差するように、各圧電アクチュエータがロータ５等の上下に配設された形態を示した図である。

［７］前記各実施形態において、ロータ５やロータ１０１を挟んで上下に配置された前記圧電アクチュエータ３，３’，１０２，１０２’の組を、ロータ５やロータ１０１の円周方向に複数設置してもよい。この場合、円周方向に一定の間隔で各組を設置するのが好ましいが、他の部材の設置位置との関係でそれが実現できない場合は、間隔は一定でなくてもよい。

［８］前記第１の実施形態では、圧電アクチュエータ３側に加圧機構１０を取り付けるようにしたが、これに限らず、図１５に示すように、ガイドローラ４側に加圧機構１０を取り付けるようにしてもよい。

図１５に示すように、本実施形態の駆動装置１’は、圧電アクチュエータ３を支持する基台２−１と、ガイドローラ４を支持する基台２−２とを有して構成されている。圧電アクチュエータ３は、ベース部材９が基台２−１に密着して取り付けられている。

一方、基台２−２は、断面コ字型の形状を有し、開口側を下向きにした状態で所定の部材Ｗに固定されている。また、規制部材１８’は、断面コ字型の形状を有し、開口側を下向きにした状態で基台２−２の内部に嵌め込まれ、加圧機構１０’を介して基台２−２に支持されている。加圧機構１０’は、規制部材１８’を下側に付勢する。規制部材１８’の対向する内壁面には、支持軸１７が架け渡されており、ガイドローラ４は、この支持軸１７により回転自在に軸支されている。

このように、本件は、圧電アクチュエータ３側に加圧機構１０を取り付ける形態だけでなく、ガイドローラ４側に加圧機構１０’を取り付ける形態も含むものであり、要は、圧電アクチュエータ３のチップ部材８とロータ５とが付勢状態で接触していればよい。

［９］本件は、駆動対象が前述のロータに限られるものではなく、板状の部位が存在する駆動対象全般を適用範囲とするものであり、その板状の部位に前述の凸レール等を形成するとよい。

［１０］本件は、前記各実施形態のように、ロータを回転駆動するタイプの駆動装置に限られるものではなく、所定の部材を直線状に駆動するタイプの駆動装置においても採用可能である。

図１は、本発明に係る駆動装置の第１の実施形態の構成を示す図であり、図２のＡ−Ａ線矢視図である。 図１のＢ−Ｂ線矢視図である。 第１、第２圧電素子の構成を示す図である。 （ａ）は、第１圧電素子に印加する駆動信号の一例であり、（ｂ）は、第２圧電素子に印加する駆動信号の一例である。 チップ部材の運動軌跡を示す図である。 第１の実施形態の作用を説明するための図である。 接触領域制限部の変形例を示す図である。 本発明に係る駆動装置の変形例を示す図である。 本発明に係る駆動装置の他の変形例を示す図である。 調芯作用を説明するための図である。 接触領域制限部の変形例を示す図である。 本発明に係る駆動装置の他の変形例を示す図である。 本発明に係る駆動装置の他の変形例を示す図である。 本発明に係る駆動装置の他の変形例を示す図である。 本発明に係る駆動装置の他の変形例を示す図である。 従来技術の説明図である。 従来技術の説明図である。 従来技術の説明図である。

符号の説明

１，１’，１００，２００ 駆動装置
２，２−１，２−２，２０１ 基台
２ａ 底面部
２ｂ，２０１ｂ 背面部
２ｅ，２０１ａ 前面部
３，１０２，２０２ 圧電アクチュエータ
４，１０３，２０３ ガイドローラ
５，１０１，２０４ ロータ
５ａ，５ｂ 凸レール
６，７，２０５ 圧電素子
８，１０４，２０７ チップ部材
１０，１０’，２０８ 加圧機構
１８，２１０ 規制板
１８’ 規制部材
１０１ａ，１０１ｂ 凹レール

Claims (10)

1. 被駆動対象に動力を伝達するための可動板と、
   電力の供給を受けて伸縮する圧電素子を備えてなり、所定の付勢機構により前記可動板に付勢されつつ、該圧電素子の伸縮動作を用いて、前記可動板の一方の面の所定位置で該可動板を駆動する圧電アクチュエータと、
   前記可動板に対して前記圧電アクチュエータと反対側の位置において、前記圧電アクチュエータと前記可動板との付勢状態が維持されるように前記可動板を支持する支持機構とを備え、
   前記圧電アクチュエータ及び支持機構を総称して接触体というとき、前記可動板のうち少なくとも一方の面において、前記接触体と接触する領域が、前記圧電アクチュエータによる前記可動板の駆動方向と交差する交差方向において所定の領域に制限されるような形状を有する接触領域制限部が形成されていることを特徴とする駆動装置。
2. 前記所定の付勢機構は、前記圧電アクチュエータに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記接触領域制限部は、前記圧電アクチュエータから前記可動板への付勢力が作用する作用点と、前記支持機構から前記可動板への反力が作用する作用点とが前記交差方向において一致する位置に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記接触領域制限部は、突出形状を有し、前記交差方向に着目したとき、前記突出部分の幅が、当該接触領域制限部が形成されている面に接触する接触体のうちその面と対向する端部の幅より小さく形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動装置。
5. 前記接触領域制限部は、前記駆動方向と交差し且つ前記交差方向と平行な平面による断面が凸面形状を有することを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
6. 前記接触領域制限部は、前記駆動方向と交差し且つ前記交差方向と平行な平面による断面が凹面形状を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の駆動装置。
7. 前記可動板は、円板であり、
   前記接触領域制限部は、前記円板の表裏面における径方向の所定位置に形成された円周形状を有するレールにより構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の駆動装置。
8. 前記支持機構は、電力の供給を受けて伸縮する圧電素子を備えてなり、該圧電素子の伸縮動作を用いて、前記反対側の位置で該可動板を駆動する圧電アクチュエータで構成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の駆動装置。
9. 板状部位を有する被駆動対象と、前記被駆動対象を前記板状部位で駆動する駆動機構とを備えてなる駆動システムであって、
   前記駆動機構は、
   電力の供給を受けて伸縮する圧電素子を備えてなり、所定の付勢機構により前記被駆動対象に付勢されつつ、該圧電素子の伸縮動作を用いて、前記被駆動対象の一方の板面の所定位置で該被駆動対象を駆動する圧電アクチュエータと、
   前記被駆動対象に対して前記圧電アクチュエータと反対側の位置において、前記圧電アクチュエータと前記被駆動対象との付勢状態が維持されるように前記被駆動対象を支持する支持機構とを備えており、
   前記圧電アクチュエータ及び支持機構を総称して接触体というとき、前記被駆動対象における前記板状部位のうち少なくとも一方の面において、前記接触体と接触する領域が、前記圧電アクチュエータによる前記被駆動対象の駆動方向と交差する交差方向において所定の領域に制限されるような形状を有する接触領域制限部が形成されていることを特徴とする駆動システム。
10. 板状部位を有する被駆動対象の前記板状部位を、その両面の略対向する位置で、所定の付勢機構により前記板状部位に付勢された圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータと前記被駆動対象との付勢状態が維持されるように前記被駆動対象を支持する支持機構とにより挟持しながら、前記圧電アクチュエータにより被駆動対象を駆動する駆動方法であって、
    前記圧電アクチュエータ及び支持機構を総称して接触体というとき、前記被駆動対象における前記板状部位のうち少なくとも一方の面において、前記接触体と接触する領域が、前記圧電アクチュエータによる前記被駆動対象の駆動方向と交差する交差方向において所定の領域に制限されるような形状を有して形成された接触領域制限部において、前記圧電アクチュエータによる駆動及び／又は前記支持機構による支持を行うことを特徴とする駆動方法。

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