JP2008278676A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動型アクチュエータを備えた駆動装置において出力可能な駆動力の範囲を可及的に拡大して、必要に応じた駆動力を出力できるようにする。
【解決手段】第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂはそれぞれ、回転体１１に接触する駆動子４９Ａ，４９Ｂを有すると共に、固定体に取り付けられている。第１超音波アクチュエータ２Ａの駆動子４９Ａと回転体１１との間の摩擦力は、第２超音波アクチュエータ２Ｂの駆動子４９Ｂと回転体１１との間の摩擦力よりも大きい。制御装置７は、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを用いて回転体１１を駆動する粗動モードと、第２超音波アクチュエータ２Ｂのみを用いて回転体１１を駆動する微動モードとを切り替えて、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いた振動型アクチュエータを備えた駆動装置に関するものである。

圧電素子を用いた振動型アクチュエータを備えた駆動装置は、従来から知られており（特許文献１参照）、現在、超音波モータや微小ステップで移動する装置などで利用されている。

かかる振動型アクチュエータは、固定体と、該固定体に対して相対的に移動可能に配置された可動体の間に配置される。詳しくは、振動型アクチュエータは、駆動力を出力する部分（例えば、その駆動子）が固定体及び可動体のうちの一方に接触した状態で、固定体及び可動体のうちの他方に固定されている。この状態で、駆動装置が振動型アクチュエータの圧電素子に電界を加えると、該圧電素子がその圧電特性により変位して、振動型アクチュエータに振動（例えば、縦振動及び屈曲振動）を発生させる。その結果、振動型アクチュエータと固定体及び可動体のうちの一方との間の摩擦力を介して可動体が所定の方向に駆動される。

そして、このときの駆動力は、圧電素子に印加する電圧及び周波数を変化させることで調整している。
特開２００４−３０４９６３号公報

ところで、可動体を移動させるときには、その移動量が大きい場合などの可動体を粗く動かせばよい場合と、その移動量が小さい場合などの可動体を細かく動かしたい場合とがある。そのため、駆動装置には、広い範囲の駆動力を調整して出力することが求められる。

しかしながら、駆動装置が出力可能な駆動力は、超音波アクチュエータの形状や、超音波アクチュエータに印可できる最大電圧等の種々の条件によって制限されている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、振動型アクチュエータを備えた駆動装置において出力可能な駆動力の範囲を可及的に拡大して、必要に応じた駆動力を出力できるようにすることにある。

第１の発明は、固定体と、該固定体に対して所定の可動方向へ相対的に移動可能な可動体と、圧電素子を用いて構成され該可動体を移動させる第１及び第２振動型アクチュエータと、該圧電素子に給電することで該第１及び第２振動型アクチュエータを制御する制御部とを備えた駆動装置が対象である。そして、前記第１及び第２振動型アクチュエータはそれぞれ、前記可動体及び前記固定体のうちの一方に接触する駆動子を有すると共に、該可動体及び固定体のうちの他方に取り付けられており、前記第１振動型アクチュエータの駆動子と前記可動体及び前記固定体のうちの一方との間の摩擦力は、前記第２振動型アクチュエータの駆動子と前記可動体及び前記固定体のうちの一方との間の摩擦力よりも大きく、前記制御部は、少なくとも前記第１振動型アクチュエータを用いて前記可動体を駆動する粗動モードと、前記第２振動型アクチュエータのみを用いて前記可動体を駆動する微動モードとを切り替えて、該第１及び第２振動型アクチュエータを制御するものとする。

本発明によれば、摩擦力が異なる複数の超音波アクチュエータを備えることによって、作動させる超音波アクチュエータを変えることによって可動体に出力する駆動力を変えることができ、１つの超音波アクチュエータで可動体を駆動させる場合と比べて、より広範な駆動力を簡単な構成で出力することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１に係る駆動装置１は、図１に示すように、回転体１１と、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂと、該第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを駆動制御する制御装置７（図２参照）とを備えている。

回転体１１は、互いに対向する一対の円環状の平坦面と、該一対の平坦面を円環の内側と外側とでそれぞれ繋ぐ内側周面及び外側周面とを有する円環状の部材である。この回転体１１は、セラミックスで構成されている。また、回転体１１は、ガイド（図示省略）を介して固定体（図示省略）に対して所定の回転軸Ｘ回りに回転移動可能に配設されている。そして、前記第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂは、この回転体１１の平坦面に後述する駆動子４９Ａ，４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｂが接触するように配設されている。この回転体１１が可動体を構成し、回転軸Ｘ回りの周方向が可動方向に相当する。

前記第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂは、基本的な構成は同じであるため、まずは、その基本的な構成について第１超音波アクチュエータ２Ａを参照しながら説明する。これら第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂが第１及び第２振動型アクチュエータを構成する。

前記第１超音波アクチュエータ２Ａは、図２に示すように、振動を発生させるアクチュエータ本体４と、該アクチュエータ本体４の駆動力を回転体１１に伝達させる駆動子４９Ａ，４９Ａと、該アクチュエータ本体４を収容するケース５と、アクチュエータ本体４とケース５との間に介設されてアクチュエータ本体４を弾性的に支持する支持ゴム６１，６１と、アクチュエータ本体４を前記回転体１１に付勢するための付勢ゴム６２とを備えている。

前記アクチュエータ本体４は、圧電素子ユニット４０で構成されている。

前記圧電素子ユニット４０は、略長方形状の互いに対向する一対の主面と、この主面と直交して該主面の長手方向に延びる、互いに対向する一対の長辺側面と、これら主面及び長辺側面の両方と直交して該主面の短手方向に延びる、互いに対向する一対の短辺側面とを有する略直方体状をしている。

この圧電素子ユニット４０は、図３に示すように、５つの圧電体層（圧電素子）４１，４１，…と４つの内部電極層４２，４４，４３，４４とを交互に積層して構成される。内部電極層４２，４４，４３，４４は、積層方向に圧電体層４１を介して交互に配された、第１給電電極層４２と共通電極層４４と第２給電電極層４３と共通電極層４４とで構成される。これら第１給電電極層４２、第２給電電極層４３及び共通電極層４４，４４のそれぞれは、各圧電体層４１の主面上に印刷されている。

前記各圧電体層４１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などのセラミック材料からなる絶縁体層であって、前記圧電素子ユニット４０と同様に、一対の主面と、一対の長辺側面と、一対の短辺側面とを有する略直方体状をしている。また、各圧電体層４１には、その長辺側面のうち一方の長辺側面の長手方向中央部に外部電極４５ａが、一方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極４６ａが、他方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極４７ａがそれぞれ形成されている。

前記各共通電極層４４は、圧電体層４１の主面の略全面に亘って設けられた略長方形状をしている。また、各共通電極層４４の一方の長辺部には、その長手方向中央部から圧電体層４１の前記外部電極４５ａまで延びる引出電極４４ａが形成されている。

前記第１給電電極層４２は、図４に示すように、圧電体層４１の主面をその長手方向及び短手方向にそれぞれ２等分してなる４つの領域のうち該主面の対角線方向に位置する２対の領域のうち一方の対の領域にそれぞれ形成された一対の第１電極４２ａ，４２ｂと、これら第１電極４２ａ，４２ｂを連結して導通させる導通電極４２ｃとを有する。各第１電極４２ａ（４２ｂ）は略矩形状の電極であり、積層方向に見て共通電極層４４と重なっている。つまり、各第１電極４２ａ（４２ｂ）は、圧電体層４１を挟んで共通電極層４４と対向している。また、第１電極４２ａ，４２ｂのうちの一方の第１電極４２ａには、圧電体層４１の前記外部電極４６ａまで延びる引出電極４２ｄが設けられている。

前記第２給電電極層４３は、圧電体層４１の主面の対角線方向に位置する前記２対の領域のうち他方の対の領域にそれぞれ形成された一対の第２電極４３ａ，４３ｂと、これら第２電極４３ａ，４３ｂを連結して導通させる導通電極４３ｃとを有する。前記他方の対の領域のうち積層方向に見て前記第１電極４２ａの前記短手方向且つ前記第１電極４２ｂの前記長手方向に隣接する領域に設けられる電極が第２電極４３ａであり、第１電極４２ａの該長手方向且つ第１電極４２ｂの該短手方向に隣接する領域に設けられる電極が第２電極４３ｂである。各第２電極４３ａ（４３ｂ）は略矩形状の電極であり、積層方向に見て共通電極層４４と重なっている。つまり、各第２電極４３ａ（４３ｂ）は、圧電体層４１を挟んで共通電極層４４と対向している。また、第２電極４３ａ，４３ｂのうちの一方の第２電極４３ｂには、圧電体層４１の前記外部電極４７ａまで延びる引出電極４３ｄが設けられている。

これら圧電体層４１，４１，…と内部電極層４２，４４，４３，４４とを交互に積層することで構成された圧電素子ユニット４０においては、その一方の長辺側面の前記長手方向中央部に、各圧電体層４１の外部電極４５ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極４５が形成されている。この外部電極４５には、前記共通電極層４４，４４に形成された引出電極４４ａ，４４ａが電気的に接続されている。同様に、圧電素子ユニット４０の一方の短辺側面の前記短手方向中央部には、各圧電体層４１の外部電極４６ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極４６が形成されている。この外部電極４６には、前記第１給電電極層４２の引出電極４２ｄが電気的に接続されている。また、圧電素子ユニット４０の他方の短辺側面の前記短手方向中央部には、各圧電体層４１の外部電極４７ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極４７が形成されている。この外部電極４７には、前記第２給電電極層４３の引出電極４３ｄが電気的に接続されている。

そして、圧電素子ユニット４０の長辺側面のうち他方の長辺側面、即ち、前記外部電極４５ａが設けられていない側の長辺側面には、前記駆動子４９Ａ，４９Ａが前記長手方向に互いに間隔を空けて設けられている。駆動子４９Ａ，４９Ａは、該長手方向において、該長辺側面の全長の３０〜３５％距離だけその長手方向両端部から内側に入った位置に配設されている。この位置は、後述する圧電素子ユニット４０の屈曲振動の２次モードの腹の位置であって、振動が最も大きくなる位置である。これら駆動子４９Ａ，４９Ａは、少なくとも回転体１１との接触部分が円周側面に形成された柱状部材（詳しくは、断面半円形状の柱状部材と断面矩形の柱状部材とを結合した形状）であって、セラミック等の硬質部材で形成されている。

前記外部電極４５をグランドに接続し、前記外部電極４６に所定周波数の交流電圧を、前記外部電極４７に該交流電圧と位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、圧電体層４１の主面の対角線方向に位置する一方の対の第１電極４２ａ，４２ｂと、他方の対の第２電極４３ａ，４３ｂとに互いに位相が９０°ずれた交流電圧が印加され、圧電素子ユニット４０、即ち、アクチュエータ本体４には、その長手方向への縦振動（いわゆる、伸縮振動）とその短手方向への屈曲振動（いわゆる、横振動）とが誘起される。

縦振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数はそれぞれ、アクチュエータ本体４、即ち、圧電素子ユニット４０の材料、形状等により決定される。さらに、両共振周波数は、アクチュエータ本体４を支持する力及び支持する部分によっても影響を受ける。これらを考慮して、両共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の交流電圧を位相を９０°ずらした状態で外部電極４６，４７のそれぞれに印加する。例えば、縦振動の１次モード（図５参照）の共振周波数と屈曲振動の２次モード（図６参照）の共振周波数とが一致するように圧電素子ユニット４０の形状等を設計して、該共振周波数近傍の交流電圧を前述の如く、位相を９０°ずらして印加することによって、圧電素子ユニット４０には、縦振動の１次モードと屈曲振動の２次モードとが調和的に誘起され、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す形状の変化を順番に起こす。

その結果、圧電素子ユニット４０に設けられた各駆動子４９Ａが該圧電素子ユニット４０の主面と平行な平面、即ち、長手方向と短手方向とを含む平面（図７における紙面と平行な面）内で略楕円運動、即ち、周回運動を行う。

前記ケース５は、樹脂製であって、前記圧電素子ユニット４０に対応した略直方体状の概略箱形状をしている。このケース５は、前記圧電素子ユニット４０の主面と平行で且つ略長方形状の主壁部５１と、該主壁部５１の前記長手方向の一側（図２における左側）に位置する短辺部に設けられた第１短辺壁部５２と、該主壁部５１の該長手方向の他側（図２における右側）に位置する短辺部に設けられた第２短辺壁部５３と、該主壁部５１の前記短手方向の一側（図２における下側）に位置する長辺部に設けられた長辺壁部５４とを有している。つまり、ケース５は、主壁部５１に対向する側及び該主壁部５１の該短手方向の他側（図２における上側）に位置する長辺部（圧電素子ユニット４０の駆動子４９Ａ，４９Ａが設けられた長辺側面に対応する部分）には壁部が設けられておらず、圧電素子ユニット４０の積層方向（主壁部５１の法線方向）の一側及び該短手方向の他側に開口した形状となっている。

このように構成されたケース５内に前記アクチュエータ本体４が収容されている。アクチュエータ本体４は、圧電素子ユニット４０の一方の主面が主壁部５１と対向し且つ圧電素子ユニット４０の一方の長辺側面（前記外部電極４５が設けられている側の長辺側面）が長辺壁部５４と対向するようにしてケース５内に収容されている。このとき、駆動子４９Ａ，４９Ａはケース５から前記短手方向の他側に突出している。また、圧電素子ユニット４０の一方の短辺側面とケース５の第１短辺壁部５２との間および圧電素子ユニット４０の他方の短辺側面とケース５の第２短辺壁部５３との間にはそれぞれ支持ゴム６１，６１が介設されている。この圧電素子ユニット４０の両短辺側面は縦振動の腹の部分であるが、支持ゴム６１，６１は弾性体であるため、圧電素子ユニット４０の縦振動を阻害することなく、該圧電素子ユニット４０を支持することができる。これら支持ゴム６１，６１は、アクチュエータ本体４並びに第１及び第２短辺壁部５２，５３だけでなく、主壁部５１の内側表面とも当接している。また、圧電素子ユニット４０の一方の長辺側面とケース５の長辺壁部５４との間には付勢ゴム６２が介設されている。この付勢ゴム６２は、アクチュエータ本体４及び長辺壁部５４だけでなく、主壁部５１の内側表面とも当接している。

そして、主壁部５１の内側表面における、前記支持ゴム６１，６１及び付勢ゴム６２が当接する部分には電極５１ａ（付勢ゴム６２と当接する電極のみ図示）が設けられているこれらの電極は、主壁部５１の外側表面に設けられた端子電極（図示省略）にそれぞれ導通している。

前記各支持ゴム６１は、シリコーンゴムに金属粒子を混入した導電性ゴムで構成され、略直方体状をしている。これら支持ゴム６１，６１は、アクチュエータ本体４をその長手方向に付勢した状態で弾性的に支持する。それと共に、支持ゴム６１，６１は、圧電素子ユニット４０の外部電極４６，４７と主壁部５１の内側表面の短辺部に設けられ且つ前記端子電極と導通する電極とを導通させている。

また、前記付勢ゴム６２も、支持ゴム６１と同様に、シリコーンゴムに金属粒子を混入した導電性ゴムで構成され、略直方体状をしている。この付勢ゴム６２は、アクチュエータ本体４をその短手方向（即ち、短手方向が付勢方向に相当する）に付勢するためのものである。それと共に、付勢ゴム６２は、圧電素子ユニット４０の外部電極４５と主壁部５１の電極５１ａとを導通させている。

つまり、ケース５の外側表面に設けられた前記端子電極に給電することによって、圧電素子ユニット４０に給電することができる。

このように構成された第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂは、駆動子４９Ａ，４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｂが回転体１１の平坦面と当接するように配設されると共に、ケース５が基台（図示省略）に固定される。詳しくは、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂは、圧電素子ユニット４０の短手方向が回転体１１の平坦面に直交すると共に、圧電素子ユニット４０の長手方向が回転体１１の平坦面と平行で且つ回転体１１の半径方向と直交するように配置される。さらに換言すれば、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂは、圧電素子ユニット４０の屈曲振動の方向が回転体１１の平坦面と直交すると共に、圧電素子ユニット４０の縦振動の方向が回転体１１の平坦面と平行で且つ回転体１１の半径方向と直交する方向を向くように配置される。

このとき、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂのそれぞれの付勢ゴム６２が圧縮変形しており、それぞれの付勢ゴム６２の弾性力によって第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂの駆動子４９Ａ，４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｂが回転体１１に付勢されている。第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂの回転体１１への付勢力は、それぞれの付勢ゴム６２の弾性力によって決まる。

前記制御装置７は、外部からの動作指令を受けて、その動作指令に応じた周波数の交流電圧を動作指令に応じた位相差で外部電極４６，４７に印加する。この制御装置７が制御部を構成する。

制御装置７は、前述の如く、アクチュエータ本体４、即ち、圧電素子ユニット４０に縦振動と屈曲振動とを調和的に発生させて、駆動子４９Ａ，４９Ａ（４９Ｂ，４９Ｂ）を図７に示すような周回運動させることで、回転体１１を移動させる。具体的には、圧電素子ユニット４０の異常発熱を防止すべく、圧電素子ユニット４０の縦振動と屈曲振動との共通の共振周波数よりも少し高い周波数の交流電圧が外部電極４６，４７に印加される。このとき、かかる交流電圧は、互いに位相が９０°ずれた状態で外部電極４６，４７に印加される。

圧電素子ユニット４０が、縦振動と屈曲振動との合成振動を行うと、駆動子４９Ａ，４９Ａ（４９Ｂ，４９Ｂ）は圧電素子ユニット４０の長手方向と短手方向とを含む平面内において略楕円運動を行う。こうすることで、駆動子４９Ａ，４９Ａ（４９Ｂ，４９Ｂ）は、回転体１１との当接及び離間を周期的に繰り返しながら、回転体１１に対して摩擦力を介して圧電素子ユニット４０の長手方向へ駆動力を付与しており、回転体１１はガイド（図示省略）に沿ってＸ軸回りに回転移動する。

詳しくは、圧電素子ユニット４０が長手方向（縦振動の振動方向）に伸張するとき、一方（例えば、図８の左側）の駆動子４９Ａ（４９Ｂ）は、図８（ｂ）に示すように、短手方向（屈曲振動の振動方向）において回転体１１側の領域を変位するため、回転体１１との間の摩擦力が増大し、この摩擦力によって回転体１１を該長手方向における該一方の駆動子４９Ａ（４９Ｂ）が変位する側（図８の左側）へ回転移動させる。このとき、他方（図８の右側）の駆動子４９Ａ（４９Ｂ）は、該長手方向において一方の駆動子４９Ａ（４９Ｂ）とは逆向きに変位するが、該短手方向において反回転体１１側（回転体１１から離れる側）の領域を変位するため、回転体１１との摩擦力が減少した状態か又は回転体１１から離れて摩擦力が作用しない状態であるため、回転体１１の移動にはほとんど影響を与えない。

一方、圧電素子ユニット４０が長手方向に収縮するときは、他方（図８の右側）の駆動子４９Ａ（４９Ｂ）は、図８（ｃ）に示すように、短手方向において回転体１１側の領域を変位するため、回転体１１との間の摩擦力が増大し、この摩擦力によって回転体１１を該長手方向における該他方の駆動子４９Ａ（４９Ｂ）が変位する側（図８の左側）へ回転移動させる。このとき、一方（図８の左側）の駆動子４９Ａ（４９Ｂ）は、該長手方向において他方の駆動子４９Ａ（４９Ｂ）とは逆向きに変位するが、該短手方向において反回転体１１側の領域を変位するため、回転体１１との摩擦力が減少した状態か又は回転体１１から離れて摩擦力が作用しない状態であるため、回転体１１の移動にはほとんど影響を与えない。この回転移動方向は、前述した、圧電素子ユニット４０の伸張時における一方の駆動子４９Ａ（４９Ｂ）による回転体１１の回転移動方向と同じである。

こうして、２つの駆動子４９Ａ，４９Ａ（４９Ｂ，４９Ｂ）は、位相が１８０°ずれた状態で交互に回転体１１を所定の一方向へ回転移動させる。尚、前記交流電圧を位相を−９０°ずらした状態で外部電極４６，４７に印加することによって、駆動子４９Ａ，４９Ａ（４９Ｂ，４９Ｂ）が出力する駆動力を逆向きにすることができ、回転体１１を他方向へ回転移動させることができる。

尚、回転体１１の移動量、移動速度及び移動加速度は、外部電極４６，４７に給電する交流電圧の電圧値、周波数及び給電時間の少なくとも１つを調整する、又は外部電極４６と外部電極４７とに給電する各交流電圧の位相のずれを変更する等によって調整することができる。

ここで、第１超音波アクチュエータ２Ａと第２超音波アクチュエータ２Ｂとは、駆動子４９Ａ，４９Ａの材質と駆動子４９Ｂ，４９Ｂの材質とが異なる。詳しくは、第１超音波アクチュエータ２Ａの各駆動子４９Ａは、回転体１１の接触部分と同じ材質で構成されており、第２超音波アクチュエータ２Ｂの各駆動子４９Ｂは回転体１１の接触部分と異なる材質で構成されている。例えば、回転体１１における駆動子４９Ａ，４９Ｂとの接触部分がアルミナで構成されている場合は、第１超音波アクチュエータ２Ａの駆動子４９Ａがアルミナで構成される一方、第２超音波アクチュエータ２Ｂの駆動子４９Ｂがジルコニア等のアルミナ以外のセラミックスで構成される。その他にも、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等のセラミックスを回転体１１の接触部分及び駆動子４９Ａ，４９Ｂの材質として採用することができる。

前記駆動子４９Ａ（４９Ｂ）と回転体１１の接触部分とが同一材質の場合には、該駆動子４９Ａ（４９Ｂ）と回転体１１の接触部分との凝着力によりそれらの間の摩擦係数が高くなり、駆動子４９Ａ（４９Ｂ）を前述の如く周回運動させたときに大きな摩擦力を介して大きな駆動力が回転体１１へ伝達されることになる。ただし、静止摩擦も大きいため、駆動し始めるときに大きな交流電圧が必要となり、回転体１１を微小な距離だけ移動させる場合には好ましくない。

一方、駆動子４９Ｂ（４９Ａ）と回転体１１の接触部分とが異種材質の場合には、硬度にもよるが、該駆動子４９Ｂ（４９Ａ）と回転体１１の接触部分との間の摩擦係数が低くなり、駆動子４９Ｂ（４９Ａ）を前述の如く周回運動させたときに、回転体１１と駆動子４９Ａ（４９Ｂ）とが同一材質の場合と比較して、小さな駆動力が回転体１１へ伝達されることになる。

前記制御装置７は、これら回転体１１との摩擦力が異なる第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを使い分けて回転体１１を駆動している。すなわち、制御装置７は、回転体１１を高速又は高加速度で移動させる粗動モードと、回転体１１を低速又は低加速度で移動させる微動モードとを切り替えて、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを駆動制御している。詳しくは、制御装置７は、動作指令に基づいて、回転体１１の移動距離が所定の移動距離よりも長い場合には、回転体１１を高速又は高加速度で移動させるべく粗動モードに設定する一方、回転体１１の移動距離が所定の移動距離以下の場合には、回転体を低速又は低加速度で移動させるべく微動モードに設定する。

前記粗動モードでは、制御装置７は、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂの両方を作動させて、回転体１１を駆動する。つまり、粗動モードでは、少なくとも第１超音波アクチュエータ２Ａを作動させて回転体１１を駆動することによって相対的に大きな駆動力で回転体１１を相対的に長い距離を移動させることができる。このとき、回転体１１との間の摩擦係数は、第１超音波アクチュエータ２Ａの方が第２超音波アクチュエータ２Ｂよりも大きくなっており、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂで違いがあるが、回転体１１を問題なく駆動することができる。

一方、前記微動モードでは、制御装置７は、第１超音波アクチュエータ２Ａを作動させずに、第２超音波アクチュエータ２Ｂのみを作動させて、回転体１１を駆動する。つまり、粗動モードでは、第２超音波アクチュエータ２Ｂのみを作動させて回転体１１を駆動することによって相対的に小さな駆動力で回転体１１を相対的に短い距離、即ち、微小な距離を移動させることができる。

尚、微動モードにおいては、第１超音波アクチュエータ２Ａを停止させるのではなく、駆動子４９Ａ，４９Ａが回転体１１に駆動力を与えない態様で振動させるようにしてもよい。例えば、圧電素子ユニット４０の長手方向への縦振動の１次モードの共振周波数近傍の周波数の交流電圧を同位相で前記外部電極４６，４７に印加する。こうすることによって、該圧電素子ユニット４０における各電極に対応する４つの領域が同時に伸縮するため、該圧電素子ユニット４０には実質的に図６に示すような長手方向への縦振動のみが誘起される。駆動子４９Ａ，４９Ａは、縦振動の節となる圧電素子ユニット４０の長手方向中心部を通り回転体１１の半径方向に延びる直線に対して線対称に設けられているため、該直線に対して互いに逆向きに同じ振幅で振動する。その結果、駆動子４９Ａ，４９Ａの駆動力のうち回転体１１の可動方向成分は互いに相殺され、回転体１１はほとんど移動しない。こうすることで、第１超音波アクチュエータ２Ａの駆動子４９Ａ，４９Ａと回転体１１との間の摩擦状態を静止摩擦状態から動摩擦状態にすることによって、第１超音波アクチュエータ２Ａと回転体１１との間の摩擦力を低減させて、第２超音波アクチュエータ２Ｂによる回転体１１の駆動を容易なものとしている。また、第１超音波アクチュエータ２Ａに屈曲振動のみを発生させても構わない。あるいは、圧電素子ユニット４０の厚み方向（積層方向）への縦振動の１次モードの共振周波数近傍の周波数の交流電圧を同位相で外部電極４６，４７に印加することによって、該圧電素子ユニット４０に厚み方向へ縦振動をさせるようにしてもよい。かかる場合であっても、駆動子４９Ａ，４９Ａから回転体１１に対して可動方向への駆動力が付与されることはなく、第１超音波アクチュエータ２Ａと回転体１１との間の摩擦力を低減させて、第２超音波アクチュエータ２Ｂによる回転体１１の駆動を容易なものとすることができる。

つまり、制御装置７は、回転体１１を或る現在位置から或る目標位置まで移動させる際には、まずは粗動モードによって大きな駆動力で回転体１１を該目標位置近傍まで高速で移動させ、目標位置までの距離が所定距離以下となったときには微動モードに切り替えて小さな駆動力で回転体１１を高精度に位置決めする。こうして、高速且つ高精度に回転体１１を移動させることができる。

尚、粗動モードにおいては、制御装置７は、現在位置と目標位置との偏差に応じて回転体１１の速度又は加速度を変更させるべく、第１超音波アクチュエータ２Ａによる駆動力と第２超音波アクチュエータ２Ｂによる駆動力との比率を変化させてもよい。例えば、第１超音波アクチュエータ２Ａと第２超音波アクチュエータ２Ｂとで、交流電圧の電圧若しくは周波数を変更する、又は第１給電電極層４２と第２給電電極層４３とに印加する交流電圧の位相差を変更することで第１超音波アクチュエータ２Ａによる駆動力と第２超音波アクチュエータ２Ｂによる駆動力との比率を変化させることができる。

したがって、本実施形態１によれば、回転体１１との摩擦力が異なる第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを設け、回転体１１に必要な駆動力に応じて第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを使い分けることによって、１つの超音波アクチュエータを備える構成と比較して、駆動装置１全体として広範な駆動力を出力することができる。

また、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂの駆動子４９Ａ，４９Ｂの材質を変えることによって、詳しくは、第１超音波アクチュエータ２Ａの駆動子４９Ａの材質を回転体１１の接触部分の材質と同じとする一方、第２超音波アクチュエータ２Ｂの駆動子４９Ｂの材質を回転体１１の接触部分の材質と異ならせることによって、第１超音波アクチュエータ２Ａと第２超音波アクチュエータ２Ｂとで回転体１１に対する摩擦係数、ひいては摩擦力を容易に変えることができる。

さらに、前記微動モードでは、第１超音波アクチュエータ２Ａを回転体１１の可動方向に駆動力を出力しない対応で振動させることによって、回転体１１の移動に寄与しない第１超音波アクチュエータ２Ａと回転体１１との間の摩擦状態を動摩擦状態から静摩擦状態へ変えることで摩擦力を低減することができ、第２超音波アクチュエータ２Ｂによる小さな駆動力での回転体１１の移動を容易に行わせることができる。特に、第１超音波アクチュエータ２Ａを回転体１１の可動方向に対して直交する方向、即ち、回転体１１の半径方向にのみ振動させる場合には、駆動子４９Ａ，４９Ａの振動に該可動方向への成分が含まれないため、第１超音波アクチュエータ２Ａによる回転体１１への影響をなくすことができる。

さらにまた、前記粗動モードにおいては、第１超音波アクチュエータ２Ａのみで回転体１１を駆動するのではなく、第２超音波アクチュエータ２Ｂも用いて回転体１１を駆動することによって、より大きな駆動力で回転体１１を駆動することができる。このとき、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂの駆動力の比率を調整することによって、必要な駆動力をより柔軟に出力することができる。尚、粗動モードにおいては、必ずしも第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを用いなければならないわけではなく、第１超音波アクチュエータ２Ａだけで回転体１１を駆動する構成であってもよい。

《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２に係る駆動装置２０１について説明する。

実施形態２に係る駆動装置２０１は、可動体の可動方向が実施形態１と異なっている。

詳しくは、駆動装置２０１は、図９に示すように、可動体としてのステージ２１１を備えている。このステージ２１１は、互いに平行に配設され且つ固定体（図示省略）に固定された１対の金属シャフト２１２，２１２に沿って移動可能に構成されている。詳しくは、ステージ２１１は、２つのガイド孔２１１ａ，２１１ａが形成されており、これらガイド孔２１１ａ，２１１ａに金属シャフト２１２，２１２が摺動可能に挿通されている。このステージ２１１が可動体を構成し、金属シャフト２１２，２１２が伸びる方向が可動方向に相当する。

そして、このように構成されたステージ２１１に、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂが配設されている。詳しくは、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂは、その長手方向がステージ２１１の可動方向、即ち、金属シャフト２１２，２１２が延びる方向を向くと共に、駆動子４９Ａ，４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｂがステージ２１１と当接するように配設されている。これら第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂは、各ケース５が固定体に固定されている。尚、本実施形態２では、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを厚み方向に並べて配置しているが、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂが、その長手方向が金属シャフト２１２，２１２が延びる方向を向く限り、どのように配置してもよい。

第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂの駆動制御については、実施形態１と同様である。つまり、可動体の可動方向が異なり、それに伴って、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂの配置が変更された以外は、実施形態２の構成は実施形態１と同様である。

したがって、実施形態２によれば、実施形態１と同様に、ステージ２１１との摩擦力が異なる第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを設け、ステージ２１１に必要な駆動力に応じて第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを使い分けることによって、１つの超音波アクチュエータを備える構成と比較して、駆動装置２０１全体として広範な駆動力を出力することができる。その他、実施形態１と同様の作用・効果を奏することができる。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態１について、以下のような構成としてもよい。

前記実施形態では、第１超音波アクチュエータ２Ａと第２超音波アクチュエータ２Ｂとの違いは、駆動子４９Ａと４９Ｂとの材質の違いだけであるが、これに限られるものではない。すなわち、第１超音波アクチュエータ２Ａにおける付勢ゴム６２による付勢力を第２超音波アクチュエータ２Ｂにおける付勢ゴム６２による付勢力よりも大きくして、第１超音波アクチュエータ２Ａの駆動子４９Ａ，４９Ａと回転体１１との間の摩擦力の方が第２超音波アクチュエータ２Ｂの駆動子４９Ｂ，４９Ｂと回転体１１との間の摩擦力よりも大きくなるように構成してもよい。すなわち、第１超音波アクチュエータ２Ａと第２超音波アクチュエータ２Ｂとで圧電素子ユニット４０の形状が異なる構成であっても、支持ゴム６１，６１の弾性力が異なる構成であっても、第１超音波アクチュエータ２Ａの駆動子４９Ａ，４９Ａと回転体１１との間の摩擦力の方が第２超音波アクチュエータ２Ｂの駆動子４９Ｂ，４９Ｂと回転体１１との間の摩擦力よりも大きくなる構成であれば、任意の構成を採用することができる。

また、前記実施形態では、回転体１１はセラミックスで構成されていたが、これに限られるものではない。すなわち、回転体１１は、金属製で構成され且つ、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂが接触する部分だけセラミックス製の板材等の別部材が取り付けられている構成であってもよい。

さらに、前記実施形態では、回転体１１及び駆動子４９Ａ，４９Ｂをセラミックスで構成しているが、これに限られるものではない。すなわち、第１超音波アクチュエータ２Ａの駆動子４９Ａを回転体１１の接触部分と同じ材質で構成する一方、第２超音波アクチュエータ２Ｂの駆動子４９Ｂを回転体１１の接触部分と異なる材質であって且つ回転体１１との摩擦係数が第１超音波アクチュエータ２Ａの駆動子４９Ａと回転体１１との間の摩擦係数よりも小さくなる材質で構成されていれば、金属や樹脂等、任意の材質を採用することができる。

また、前記実施形態では、２つの超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを備えた駆動装置について説明したが、これに限られるものではない。すなわち、３つ以上の超音波アクチュエータを備える構成であってもよい。

さらに、前記実施形態では、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを、アクチュエータ本体４に縦振動の１次モードと屈曲振動の２次モードとを調和的に発生させるように構成したが、これに限られるものではない。これ以外の振動又はモードを発生させるものであってもよく、アクチュエータ本体４を振動させて駆動子４９Ａ，４９Ａ（４９Ｂ，４９Ｂ）と回転体１１又はステージ２１１との間の摩擦力を介して駆動力を出力する振動型アクチュエータであれば任意の構成を採用することができる。

また、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂは、前記の構成に限られるものではない。例えば、前記支持ゴム６１，６１及び付勢ゴム６２を介して圧電素子ユニット４０に給電する構成ではなく、リード線を圧電素子ユニット４０に接続して給電する構成でもよい。また、圧電素子ユニット４０の振動のノード部（節の部分）を非弾性部材で支持する構成であってもよい。さらには、図１０に示すように、圧電素子ユニット４０の一方の短辺側面に１つの駆動子４９Ｃが設けられた超音波アクチュエータ３０２を採用してもよい。かかる構成であっても、圧電素子ユニット４０が長手方向への縦振動の１次モードと屈曲振動の２次モードとの合成振動を行うことによって駆動子４９Ｃが周回運動を行い、回転体１１又はステージ２１１との間の摩擦力を介して、該回転体１１又はステージ２１１を所定の可動方向へ移動させることができる。尚、駆動子４９Ｃは、柱状部材でなく、球状部材であってもよい。さらにまた、アクチュエータ本体４は圧電素子ユニット４０で構成されているが、金属などの基板に圧電素子を貼り付けた構成や、金属などで共振器を形成し、圧電素子ユニットを挟み込んだ構成であってもよい。この場合、圧電素子ユニットを含んで構成された共振器がアクチュエータ本体４を構成する。

さらに、前記実施形態では、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを固定体に固定すると共に、駆動子４９Ａ，４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｂを移動可能な可動体（回転体１１又はステージ２１１）に当接させて、該第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを作動させることで該可動体を駆動させているが、図１１に示すように、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを可動体に固定する構成としてもよい。詳しくは、駆動装置４０１は、互いに平行な状態で固定体に固定された金属シャフト２１２，２１２と、該金属シャフト２１２，２１２に摺動自在に取り付けられたステージ２１１と、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂとを備えている。該金属シャフト２１２，２１２のうちの一方の金属シャフト２１２には、該金属シャフト２１２に固定された当接部材２１２ａが設けられている。一方、ステージ２１１には、アクチュエータ取付部２１１ｂが設けられている。そして、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂは、その長手方向が金属シャフト２１２が延びる方向を向くと共に、駆動子４９Ａ，４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｂが該金属シャフト２１２の当接部材２１２ａに当接する状態で、該ステージ２１１のアクチュエータ取付部２１１ｂに各ケース５が取り付けられている。この状態で、第１及び／又は第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂを作動させると、駆動子４９Ａ，４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｂは当接部材２１２ａに対して駆動力を出力するが、該当接部材２１２ａは固定されているため、第１及び第２超音波アクチュエータ２Ａ，２Ｂ自体が当接部材２１２ａに対して相対的に金属シャフト２１２の延びる方向（長手方向）に振動する。その結果、アクチュエータ取付部２１１ｂを介してケース５と連結されたステージ２１１が金属シャフト２１２，２１２の延びる方向に駆動される。

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、可動体との摩擦力が異なる複数の超音波アクチュエータを備えることで広範な駆動力を出力することができるため、要求される駆動力の範囲が広い駆動装置について有用である。

本発明の実施形態１に係る駆動装置の斜視図である。 超音波アクチュエータの斜視図である。 圧電素子ユニットの分解斜視図である。 アクチュエータ本体の構成を示す概略正面図である。 アクチュエータ本体の１次モードの縦振動による変位を示す概念図である。 アクチュエータ本体の２次モードの屈曲振動による変位を示す概念図である。 アクチュエータ本体の動作を示す概念図である。 超音波アクチュエータによる可動体の駆動を説明するための概念図であって、（ａ）は駆動前の状態、（ｂ）はアクチュエータ本体が長手方向に伸張することで一方の駆動子によって可動体を駆動する状態、（ｃ）はアクチュエータ本体が長手方向に収縮することで他方の駆動子によって可動体を駆動する状態を示す。 実施形態２に係る駆動装置の斜視図である。 その他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。 その他の実施形態に係る駆動装置の斜視図である。

符号の説明

１ 駆動装置
１１ 回転体（可動体）
２Ａ 第１超音波アクチュエータ（振動型アクチュエータ）
４９Ａ 駆動子
２Ｂ 第２超音波アクチュエータ（振動型アクチュエータ）
４９Ｂ 駆動子
７ 制御装置（制御部）
２１１ ステージ（可動体）

Claims (8)

1. 固定体と、該固定体に対して所定の可動方向へ相対的に移動可能な可動体と、圧電素子を用いて構成され該可動体を移動させる第１及び第２振動型アクチュエータと、該圧電素子に給電することで該第１及び第２振動型アクチュエータを制御する制御部とを備えた駆動装置であって、
   前記第１及び第２振動型アクチュエータはそれぞれ、前記可動体及び前記固定体のうちの一方に接触する駆動子を有すると共に、該可動体及び固定体のうちの他方に取り付けられており、
   前記第１振動型アクチュエータの駆動子と前記可動体及び前記固定体のうちの一方との間の摩擦力は、前記第２振動型アクチュエータの駆動子と前記可動体及び前記固定体のうちの一方との間の摩擦力よりも大きく、
   前記制御部は、少なくとも前記第１振動型アクチュエータを用いて前記可動体を駆動する粗動モードと、前記第２振動型アクチュエータのみを用いて前記可動体を駆動する微動モードとを切り替えて、該第１及び第２振動型アクチュエータを制御する駆動装置。
2. 前記第１振動型アクチュエータの駆動子と前記可動体及び前記固定体のうちの一方との間の摩擦係数は、前記第２振動型アクチュエータの駆動子と前記可動体及び前記固定体のうちの一方との間の摩擦係数よりも大きい請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記第１振動型アクチュエータの駆動子は、前記可動体及び前記固定体のうちの一方の該駆動子が接触する部分と同じ材質で構成される一方、
   前記第２振動型アクチュエータの駆動子は、前記可動体及び前記固定体のうちの一方の該駆動子が接触する部分と異なる材質で構成されている請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記制御部は、大きな駆動力で前記可動体を駆動させるときには前記粗動モードに切り替える一方、該粗動モードよりも小さな駆動力で前記可動体を駆動させるときには前記微動モードに切り替える請求項１乃至４の何れか１つに記載の駆動装置。
5. 前記制御部は、前記微動モードにおいて、前記第１振動型アクチュエータに、前記可動体の前記可動方向への駆動力を生じさせない振動を行わせる請求項１乃至４の何れか１つに記載の駆動装置。
6. 前記制御部は、
   前記粗動モードにおいては、少なくとも前記第１振動型アクチュエータに縦振動及び屈曲振動を生じさせることで前記駆動子に周回運動をさせて前記可動体を前記可動方向へ移動させるための駆動力を出力させる一方、
   前記微動モードにおいては、前記第２振動型アクチュエータに縦振動及び屈曲振動を生じさせることで前記駆動子に周回運動をさせて前記可動体を前記可動方向へ移動させるための駆動力を出力させると共に、前記第１振動型アクチュエータに縦振動及び屈曲振動の何れか一方のみを生じさせることで前記駆動子に前記可動体の前記可動方向へは駆動力を出力させない請求項５に記載の駆動装置。
7. 前記制御部は、前記粗動モードにおいて、前記第１及び第２振動型アクチュエータを用いて前記可動体を駆動する請求項１乃至６の何れか１つに記載の駆動装置。
8. 前記制御部は、前記粗動モードにおいて、必要な駆動力に応じて前記第１振動型アクチュエータによる駆動力と第２振動型アクチュエータによる駆動力との比率を調整する請求項７に記載の駆動装置。

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