JP4261894B2 - 振動型駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子等の電気−機械エネルギ変換素子に駆動信号を供給することによって振動を発生する振動体と、この振動体に接触する接触体とを有する振動型駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動波モータ等を含む振動型駆動装置に関する提案は、これまでに数多くなされている。
【０００３】
例えば、底面に電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子が接着された円板型の振動子を備え、振動子の表面にはリング状の突起が形成されており、このリング状の突起が振動子に発生する振動波の変位が最大となる振動子の部位に設けられ、この突起にロータを接触させる構成としたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、底面に電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子が接着された円環の振動子を備え、圧電素子に駆動信号が供給されると、振動子には互いに位相が９０度ずれている同次数のＡ相定在波とＢ相定在波が発生し、これらの定在波を合成することで振動子の表面に進行波を発生させるものであって、振動子には進行波の振動変位を拡大するための突起が形成されており、突起にロータを接触させる構成としたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、金属等からなる２つの弾性体の間に積層圧電素子を固定した振動子を備え、圧電素子に駆動信号が供給されると、振動子には互いの位相が９０度ずれているＡ相定在波とＢ相定在波が発生し、これらの定在波を合成することで振動子は首振り運動を行い、振動子の表面に１次の進行波を発生させ、この振動子の端面にロータを接触させる構成としたものがある（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開昭６０−１７４０７８号公報（第３−４頁、第４図）
【特許文献２】
特開２００２−１４２４７２号公報（第４−５頁、第１、２図）
【特許文献３】
特開２００１−３５２７６８号公報（第４−５頁、第１、３図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載された振動型駆動装置では、ロータと接触する突起が振動変位の最も大きくなる振動子の中心と外周端とのほぼ中間となる位置に形成されている。この構成では振動子（突起）とロータとの接点によって形成される円周の直径が、振動子の直径の略半分になってしまう。
【０００８】
この振動型駆動装置では、振動子とロータとの接点によって形成される円の直径が出力を決定する要因の１つとなっており、出力を高めようとすると振動子の直径が大きく（装置の大型化）なってしまう。
【０００９】
これに対し特許文献２に記載された振動型駆動装置では、圧電素子と突起が同じ円環上に配置されており、振動子（突起）とロータとの接点によって形成される円の直径は、振動子の直径とほぼ同じとすることができる。しかし、振動子全体の大きさと比較すると圧電素子が占める面積は小さい。
【００１０】
一方、特許文献３に記載された振動型駆動装置では、２つの弾性体の間に積層圧電素子を固定しており、積層圧電素子の面積は振動子の大きさと比較すると割合大きくすることができる。また、振動子とロータとが接触する駆動面は、振動子の外周とほぼ同じ外径とすることができる。しかしながら、振動の固有周波数を実用的な値に抑えるためには振動子の動剛性を低下させる必要があり、振動子の軸方向の長さをある程度長くする（装置の大型化）必要がある。
【００１１】
このように従来の振動型駆動装置では、実用的な出力を維持したまま更なる小型化を達成することは困難である。
【００１２】
そこで、本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、振動体を大きくすることなく、振動型駆動装置の出力トルクおよび回転速度を向上させることを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の供給により振動を発生する振動体と、この振動体に接触し、振動体からの振動を受けて駆動される接触体とを有する振動型駆動装置において、振動体が、電気−機械エネルギ変換素子を含む基部と、この基部に生じる振動を増幅するための複数の振動増幅部とを備え、前記基部に生じる振動は、前記基部に、前記振動体と前記接触体の接触面に垂直な方向の曲げ振動であり、前記曲げ振動を励起することで、前記複数の振動増幅部のうち一部の振動増幅部を前記接触体の駆動方向と異なる方向に変位させ、前記基部での前記曲げ振動による前記振動増幅部の変位を伝達させるように、前記接触体の駆動方向において隣り合う振動増幅部同士が、前記基部以外の位置で連結されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図（ａ）と断面図（ｂ）を示す。
【００１５】
同図において、１は振動子（振動体）の基盤（基部）であり、円盤状に形成された金属等の弾性体と、この弾性体の底面全体に接着された圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）とで構成されている。ここで、基盤１を円盤状に形成された圧電素子だけで構成することもできる。
【００１６】
２は基盤１に励起された振動の変位を拡大するための変位拡大部材であって、金属等の弾性体で形成されている。この変位拡大部材２は、基盤１の平面に対して垂直方向に延びる複数（図１では２０個）の柱部３（振動増幅部）と、基盤１の周方向で隣り合う２つの柱部３をこれらの一端で連結する結合部４と、柱部３に連結し、基盤１に接着剤等で固定される固定部５とで構成されている。
【００１７】
複数の柱部３は、基盤１と中心を同じくした円周上に配置されており、固定部５は、柱部３よりも基盤１の径方向内側に突出している。また、柱部３、結合部４および固定部５からなる変位拡大部材２は、例えばステンレス鋼等の単版をカットし、プレス加工することによって一体に成形される。
【００１８】
図２に示すように、圧電素子の両面には、４分割された電極膜が形成され、分極処理が施されている。すなわち、図２中上側の圧電素子においては、隣接する２つの電極領域でプラス（＋）に分極され（分極方向が下向き）、他の２つの電極領域でマイナス（−）に分極されている（分極方向が上向き）。
【００１９】
図２中下側に示す圧電素子も、上記圧電素子と同様の分極処理が施されている。上述した２つの圧電素子は、図２に示すように相対的に１８０度回転させた状態で重ね合わされる。ここで、上下に重なる圧電素子の電極領域においては、分極方向が互いに逆向きとなる。
【００２０】
２つの圧電素子を重ね合わせて構成された圧電素子においては、図３に示すように、一方の表面の電極膜がグランドとされ、他方の表面の電極膜に交番信号が供給される。ここで、１８０度位相のずれた電極膜Ａ（＋）、Ａ（−）には同一の交番信号が供給され、他の電極膜Ｂ（＋）、Ｂ（−）には電極膜Ａ（＋）、Ａ（−）とは時間的位相が９０度ずれた交番信号が供給される。これにより、圧電素子には互いの位相が９０度ずれたＡ相定在波とＢ相定在波が発生する。
【００２１】
図４に電極膜Ａ（＋）、Ａ（−）のみに交番信号を供給したときの定在波（Ａ相定在波）の振動形態を示す。同図は、図２に示す圧電素子を直線ａ−ａで切断したときの断面図を示し、図中の矢印は分極方向を示している。
【００２２】
図４（ａ）に示す状態にある圧電素子（電極膜Ａ（＋）、Ａ（−））に交番電圧を供給すると、分極方向に応じて、上下に配置された圧電素子のうち一方の圧電素子における分極領域は膨張し、他方の圧電素子における分極領域は収縮する。これにより、図４（ｂ）に示す状態となる。一方、圧電素子に供給される電圧の向きが逆になれば、上下に配置された圧電素子の分極領域において膨張と収縮が入れ替わり、図４（ｃ）に示す状態となる。
【００２３】
このように圧電素子に供給される電源を交番電圧とすることで、圧電素子が図４中（ｂ）→（ａ）→（ｃ）→（ａ）→（ｂ）の状態を繰り返すことにより、２次の曲げ振動の定在波（Ａ相定在波）を発生する。２次の曲げ振動の場合には、圧電素子の動剛性分布や電極膜が形成される位置にもよるが、圧電素子の電極領域の略中央部における振動変位が最も大きくなる。
【００２４】
一方、電極膜Ｂ（＋）、Ｂ（−）のみに交番信号を供給した場合についても、上述した振動形態（図４）と同様であり、圧電素子には２次の曲げ振動の定在波（Ｂ相定在波）が発生する。ここで、Ａ相定在波とＢ相定在波はどちらも基盤１の中心を節としている。
【００２５】
圧電素子は、例えば図５に示す構成であってもよい。図２で説明した圧電素子では、２枚の圧電素子でＡ相定在波とＢ相定在波を発生させていたが、図５に示す圧電素子では、図中上側２枚の圧電素子でＡ相定在波を発生させ、下側２枚の圧電素子でＢ相定在波を発生させている。
【００２６】
すなわち、図５中上側２枚の圧電素子を重ね合わせることでＡ相定在波を発生させるための圧電素子を構成し、図５中下側２枚の圧電素子を重ね合わせることでＢ相定在波を発生させるための圧電素子を構成する。そして、図６に示すように、Ａ相定在波を発生させるための圧電素子とＢ相定在波を発生させるための圧電素子の間にグランド用の電極を挟みこむ。
【００２７】
上述した構成において、図６中上側の圧電素子の端面に形成された電極と、下側の圧電素子の端面に形成された電極には、互いの時間的位相が９０度ずれた交番信号が供給される。このような圧電素子でも、図２に示す圧電素子と同様に、互いの空間的位相（波長方向）が９０度ずれ、かつ、時間的位相が９０度ずれた２つの２次の曲げ振動の定在波（Ａ相定在波およびＢ相定在波）を発生させることができる。
【００２８】
圧電素子に交番信号を供給する手段としては、各電極領域に応じた電圧を供給できる電極パターンを形成したフレキシブル基板が用いられ、これを圧電素子の表面に固定して振動子を組み立てればよい。
【００２９】
圧電素子にＡ相定在波とＢ相定在波とを同時に発生させると、圧電素子には周方向に沿って回転する１次の進行波が生じる。つまり、図４（ｂ）又は図４（ｃ）に示す振動形態が圧電素子の中心部を軸として周方向に回転する振動が発生する。
【００３０】
なお、圧電素子の構成としては、上述した２つの構成に限定されるものではなく、互いの空間的位相と時間的位相を等分割した複数の曲げ振動の定在波を発生させることができるものであればどのような構成であってもよい。
【００３１】
図７は、柱部３を連結する結合部４が形成されていない点以外は本実施形態と同じ構成とした振動子の振動形態を有限要素法によって示した図である。これに対し、図８は柱部３を連結する結合部４が形成された本実施形態における振動子の振動形態を有限要素法によって示した図である。これらの図は、各振動子をこの直径を通る平面で切断したときの断面図であり、柱部３の長手方向をＺ軸、Ｚ軸と直交し紙面と平行な軸をＸ軸、Ｘ軸およびＺ軸と直交する軸をＹ軸とする。
【００３２】
図７および図８に示す振動子（基盤１）には、周方向に沿って回転する１次の進行波が生じており、両図には１次の進行波の腹が図の断面上に位置している瞬間の振動形態が示されている。なお、図示していないが、図７および図８に示す振動子の上側端部には、ロータ（接触体）が配置される。
【００３３】
図７および図８では、振動子（基盤１）の中心と外周端との間におけるほぼ中間となる位置が、１次の進行波において振動変位の最も大きい腹の位置となっている。また、基盤１の径方向において柱部３が設けられた位置よりもやや内側の位置と、振動子の基盤１の中心位置が、１次の進行波において振動変位が最も小さい節の位置となっている。
【００３４】
つまり、柱部３は、基盤１において、下記式（１）を満たす位置に配置される。
【００３５】
Ｚ（ｒ）＊ｄＺ（ｒ）／ｄｒ≧０ ・・・（１）
ここで、ｒは、基盤１の中心から柱部３を設けた位置までの距離であり、Ｚ（ｒ）は、振動子とロータの接する面に直交する方向（Ｚ軸方向）における基盤１の変位量である。
【００３６】
以下、式（１）について図９を用いて具体的に説明する。図９は、図７に示す状態（結合部４のない状態）を模式的に示したものである。同図において、１ａは、図７に示す基盤１の断面における振動変位を示す。３ａ、３ｂは、基盤１の周方向に配置された複数の柱部３のうち図７に示す振動子の両端に位置する柱部に相当する。３ｃは、複数の柱部３のうち図７に示す振動子において中央に位置する柱部に相当する。１ｂは、基盤１の外周におけるＺ軸方向の変位（周上変位）を示す。１ｃは基盤１の中心に対してＺ軸方向に延びる中心線を示す。
【００３７】
ここで、図９に示すように、柱部３ａ、３ｂは、振動変位１ａの節からずれた位置に配置されており、柱部３ｃは振動変位１ａの節に相当する位置に配置されている。そして、基盤１に振動を励起したとき、柱部３ｃは、周上変位４の直線に対して直交する方向に変位する。
【００３８】
振動変位１ａのうち図９中斜線で示す領域に柱部３ａ、３ｂを配置した場合、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、柱部３ａ〜３ｃは同一方向（Ｘ軸方向）に傾く。一方、振動変位１ａのうち図９中の斜線以外の領域に柱部３ａ、３ｂを配置した場合、図９（ｃ）に示すように、柱部３ａ、３ｂは図中右側（Ｘ軸正方向）に傾くが、柱部３ｃは図中左側（Ｘ軸負方向）に傾く。
【００３９】
ここで、図９（ａ）、（ｂ）に示す柱部の配置関係では、柱部３ａ〜３ｃが同一方向に傾くため、柱部３ａ〜３ｃを本実施形態（図８）のように連結すると、柱部３ａ、３ｂの変位が柱部３ｃに伝達され、柱部３ｃを大きく傾かせることができる。すなわち、柱部３ａ、３ｂの先端におけるＸ軸方向での変位量は、図７に示すように、柱部３ｃにおける変位量よりも大きくなっているため、柱部３ａ、３ｂと柱部３ｃを結合部４を介して連結することで、柱部３ｃの先端におけるＸ軸方向での変位量を大きくすることができる。
【００４０】
後述するように、柱部３ｃの先端における変位方向（Ｘ軸方向）はロータの回転方向と同じとなるため、柱部３ｃの変位量が大きくなることで、装置の出力トルクを大きくしたり、ロータの回転速度を速くしたりすることができる。
【００４１】
一方、図９（ｃ）に示す柱部の配置関係では、柱部３ｃが柱部３ａ、３ｂの傾く方向と反対方向に傾くため、柱部３ａ〜３ｃを本実施形態（図８）のように連結した場合には、柱部３ａ、３ｂの先端におけるＸ軸方向の変位量を柱部３ｃにおけるＸ軸方向の変位量に十分に反映させることができない。
【００４２】
このように、上記式（１）は、図９において、振動変位１ａのうち斜線に示す領域に柱部３を配置するための条件式を示すものである。言い換えると、柱部３は、振動変位１ａ（定在波）の節に対して振動子（基盤１）の径方向外側であって、励起した定在波の１／４波長の範囲内（図９中斜線に示す領域）に設けられることになる。
【００４３】
図７および図８では、図中左端に位置する柱部３ａの先端が最もＺ軸正方向（ロータ側）に変位している。これは、２次の曲げ振動によって定在波の節よりも内側に位置する基盤１がＺ軸負方向に変位し、節よりも外側に位置する柱部３がＺ軸正方向に変位するためである。
【００４４】
このとき、柱部３ａの先端は、ロータに最も強く接触し、最もロータを強く押し出す。逆に、図中右端に位置する柱部３ｂの先端は最もＺ軸負方向に変位している。また、図７および図８に示す状態では、全ての柱部３の先端がＸ軸正方向に変位している。
【００４５】
上述したように基盤１に１次の進行波を発生させることにより、各柱部３の先端には、基盤１の外周に対する接線とＺ軸とを含む面内において、楕円又は円の軌跡を描く運動が生じる。この楕円運動又は円運動によって柱部３は、ロータと接触してロータを押し出すようにして回転させる。
【００４６】
ここで、結合部４を形成していない振動子（図７）に生じる駆動力と、結合部４を形成した振動子（図８）に生じる駆動力の差について説明する。
【００４７】
図７に示す状態にある振動子では、２次の曲げ振動によって柱部３ａ、３ｂの先端が最もＸ軸正方向に変位している。逆に、柱部３ｃの先端は、２次の曲げ振動の影響をあまり受けないため、Ｘ軸正方向の変位が最も小さい。
【００４８】
図８に示す状態にある振動子では、結合部４によって柱部３の一端が連結されているため、柱部３ａ、３ｂの先端におけるＸ軸方向の変位が、柱部３ｃの先端に伝達される。したがって、柱部３ｃの先端は、図７の柱部３ｃの先端よりもＸ軸正方向に大きく変位する。
【００４９】
図８の柱部３ａの先端における変位方向（Ｘ軸方向）は、基盤１の周方向、つまりロータの回転方向と一致する。ここで、図８の柱部３ｃの先端は、図７の柱部３ｃの先端よりもロータの回転方向に大きく変位している。このように図中柱部３ｃの先端が、ロータの回転方向に大きく変位することによって、柱部３ｃに連結された他の全ての柱部３の先端がロータの回転方向に引っ張られ、ロータに最も強く接触する柱部３ａの先端におけるロータの回転方向の変位速度、変位の角速度が増す。
【００５０】
各柱部３を結合部４によって連結することで、ロータに最も強く接触する柱部３（図８中の柱部３ａ）の先端における角速度を増加させることができ、ロータの回転速度を増加させることができる。また、振動子の径と、振動子（変位拡大部材２）とロータとの接触面の径をほぼ同じ大きさとすることが可能である。駆動効率を最も高くすることができるからである。
【００５１】
以下、振動子の振動形態を周方向に１次、径方向に２次としたときの結合部４の効果について説明する。
【００５２】
図１０は、本実施形態の振動子を上方から見た図であって、周方向に１次であって径方向に２次となる振動を発生させたときの柱部３の変位を模式的に示したものである。同図では、複数の柱部３のうち図８における柱部３ａ、３ｂ、３ｃだけを示し、結合部４を簡略化して表している。また、同図に示す矢印Ａ、Ｂは、柱部３ａ〜３ｃにおける振動変位の方向を示している。
【００５３】
同図における振動変位Ｂは、図８の矢印Ｂに示す振動変位に相当する。柱部３ａ、３ｂは、ロータの駆動とは直接関係しない振動子の径方向に大きく変位しており、柱部３ａ、３ｂにおける振動変位の方向は振動子（基盤１）の径方向において互いに逆向きとなっている。そして、柱部３ａ、３ｂは、複数の柱部３のうち振動子の径方向において最も大きく変位している。
【００５４】
一方、図１０における振動変位Ａは、図８の矢印Ａに示す振動変位に相当する。結合部４を形成しない振動子（図７）において、柱部３ｃは複数の柱部３のうち振動子１の周方向（ロータの回転方向）に最も大きく変位するものである。なお、柱部３ｃの周方向の変位量は、柱部３ａ、３ｂの径方向の変位量に比べると小さいものである。
【００５５】
本実施形態では、柱部３ｃが結合部４を介して柱部３ａ、３ｂに連結されているため、柱部３ｃに柱部３ａ、３ｂの変位が伝達され、柱部３ｃは図１０中矢印Ａ方向（基盤１の周方向）に大きく変位する。すなわち、本実施形態の振動子（図８）では、結合部４のない振動子（図７）に比べて矢印Ａ方向の振動変位が大きくなる。
【００５６】
ここで、図１０中の２つの柱部３ｃに生じる振動変位Ａは、振動子の周方向で互いに逆向きとなっている。しかし、振動子を駆動する際には、図１０に示す定在波振動と、この振動に対して位相が９０度異なる定在波振動が生じるため、２つの柱部３ｃはそれぞれ、Ｚ軸方向の変位が異なり、一方の柱部３ｃだけがロータに接触することになる。これにより、ロータは振動子からの振動を受けて一方向に回転する。
【００５７】
次に、振動子の振動形態を周方向に２次としたときの結合部４の効果について図１１を用いて説明する。同図における振動変位Ｂは、図８の矢印Ｂに示す振動変位に相当する。振動変位Ｂが生じる柱部（以下、柱部Ｂ）は、ロータの駆動とは直接関係しない振動子の径方向に大きく変位しており、図中４つの柱部Ｂのうち振動子の周方向で隣り合う柱部Ｂにおける振動変位の方向は、振動子の径方向において互いに逆向き（径方向内側と径方向外側）となっている。そして、柱部Ｂは、複数の柱部３のうち振動子の径方向で最も大きく変位している。
【００５８】
一方、図１１における振動変位Ａは、図８の矢印Ａに示す振動変位に相当する。結合部４を形成しない振動子において、振動変位Ａが生じる柱部（以下、柱部Ａ）は、複数の柱部３のうち振動子の周方向（ロータの回転方向）に最も大きく変位する。なお、柱部Ａの周方向の変位量は、柱部Ｂの径方向の変位量に比べると小さいものである。
【００５９】
図１１において、柱部Ａは結合部４を介して柱部Ｂに連結されているため、柱部Ａに柱部Ｂの振動変位が伝達され、柱部Ａはロータの回転方向となる振動子の周方向に大きく変位する。そして、柱部Ａの振動変位がロータに伝達されることでロータの回転速度を増加させることができる。
【００６０】
また、図１１に示すように振動子の振動形態を周方向に２次としたとき、４つの柱部Ｂにおける変位方向と、４つの柱部Ａにおける変位方向とが、直交座標系において４５度の角度を有しており、ロータの回転速度を増加させる効果が大きくなる。
【００６１】
一方、図１１に示した４つの柱部Ａのうち振動子の中心を挟んで向かい合う２組の柱部Ａは、振動子の周方向において逆向きに変位している。ここで、振動子を駆動する際には、図１１に示す定在波振動と、この振動に対して位相が４５度異なる定在波振動が生じるため、２組の柱部Ａはそれぞれ、Ｚ軸方向における振動変位が異なるようになる。このため、一方向に変位する１組の柱部Ａだけがロータと接触するようになる。これにより、ロータには回転方向（一方向）の変位が加えられ、ロータの回転速度を増加させることができる。
【００６２】
次に、振動子の振動形態を周方向に３次としたときの結合部４の効果について図１２を用いて説明する。同図における振動変位Ｂは、図８の矢印Ｂに示す振動変位に相当する。振動変位Ｂが生じる柱部（以下、柱部Ｂ）は、ロータの駆動とは直接関係しない振動子の径方向に大きく変位しており、図中６つの柱部Ｂのうち振動子の周方向で隣り合う柱部Ｂにおける振動変位の方向は、振動子の径方向において互いに逆向き（径方向内側と径方向外側）となっている。そして、柱部Ｂは、複数の柱部３のうち振動子の径方向で最も大きく変位している。
【００６３】
一方、図１２における振動変位Ａは、図８の矢印Ａに示す振動変位に相当する。結合部４を形成しない振動子において、振動変位Ａを有する柱部（以下、柱部Ａ）は、複数の柱部３のうち振動子の周方向（ロータの回転方向）に最も大きく変位する。なお、柱部Ａの周方向の変位量は、柱部Ｂの径方向の変位量に比べると小さいものである。
【００６４】
図１２において、柱部Ａは結合部４を介して柱部Ｂに連結されているため、柱部Ａに柱部Ｂの振動変位が伝達され、柱部Ａの振動変位が大きくなる。これにより、ロータのうち振動子と接触する接触面には、ロータの回転方向となる周方向における大きな力が伝達され、ロータの回転速度を増加させることができる。
【００６５】
また、図１２に示すように振動子の振動形態を周方向に３次としたとき、６つの柱部Ｂにおける変位方向と、６つの柱部Ａにおける変位方向とが、直交座標系において６０度の角度を有しており、ロータの回転速度を増加させる効果が大きくなる。
【００６６】
一方、６つの柱部Ａは、図１２に示すように、振動子の周方向において互いに逆方向に変位する２組の柱部Ａからなる。各組の柱部Ａは、振動子の周方向において１２０度の間隔をもって配置された３つの柱部Ａを有している。
【００６７】
ここで、振動子を駆動する際には、図１２に示す振動と、この振動に対して位相が３０度異なる振動が生じるため、２組の柱部Ａはそれぞれ、Ｚ軸方向における振動変位が異なるようになる。このため、一方向に変位する１組の柱部Ａだけがロータと接触するようになる。これにより、ロータには回転方向（一方向）の変位が加えられ、ロータの回転速度を増加させることができる。
【００６８】
図１３に、上述した本実施形態における振動子を備えた振動型駆動装置（振動波モータ）の構成図を示す。
【００６９】
５１は接触体であるロータである。５２はロータ５１に接着された摺動材であり、振動子の変位拡大部材２の端部と接触する。５３はロータ５１の中心を貫通する軸であり、振動子を支持する役目を果たす。５４は板バネであり、振動子の固定部と軸５３に固定され、振動子をロータ５１に接着された摺動材５２に押し付ける。
【００７０】
５５は軸受けであり、ロータ５１と軸５３との間に配置され、ロータ５１を軸５３に対して回転可能に支持する。５６は振動型駆動装置を固定する地板である。５７はナットであり、軸５３の端部にナット５７を締め付けることで軸５３が地板５６に固定される。
【００７１】
振動子の基盤１（圧電素子）に不図示の電源より交番信号が供給されると、変位拡大部材２の一端には上述した１次の進行波が発生する。ここで、変位拡大部材２は、板バネ５４により摺動材５２に圧接されているため、ロータ５１は、変位拡大部材２および摺動材５２間の摩擦によって変位拡大部材２からの振動（進行波）を受けて回転する。
【００７２】
以下に本発明の他の実施形態である振動型駆動装置における振動子について説明する。なお、以下に説明する実施形態では、第１実施形態で説明した振動子（図１）と異なる構成を中心に説明を行う。
【００７３】
（第２実施形態）
図１４に本発明の第２実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図を示す。ここで、第１実施形態で説明した部材と同じ部材については同一符号を付して説明を省略する。
【００７４】
図１４に示す振動子（振動体）の変位拡大部材１０２は、円筒状に形成され、この周方向には略等間隔に丸穴部１０６が設けられている。このように円筒状の部材に丸穴部１０６を形成することで、本実施形態の振動子は、第１実施形態で説明した柱部および結合部と同様の機能を備えた構成となっている。すなわち、変位拡大部材１０２の周方向で隣り合う２つの丸穴部１０６間に位置する部分が、柱部としての機能を備え、丸穴部１０６の図中上側の部分が結合部としての機能を備える。
【００７５】
なお、変位拡大部材１０２の一端には、振動子の径方向内側に延びる固定部１０５が形成されており、この固定部１０５は基盤１に接着剤等で固定されている。
【００７６】
第１実施形態における変位拡大部材２では、柱部３および結合部４の側面が平面となっているが、本実施形態のように柱部および結合部に曲面をもたせることもできる。ここで、基盤１に対して柱部を配置する位置や、振動子の振動形態は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００７７】
本実施形態においても振動子の周方向に並んで配置された２つの柱部が結合部を介して互いに連結されているため、第１実施形態と同様の効果、すなわちロータの回転トルクや回転速度を向上させることができる。また、本実施形態の変位拡大部材１０２を成形する場合、円筒状の部材に丸穴部１０６を形成するだけであるので、第１実施形態の変位拡大部材２を成形する場合に比べて加工が容易になる。
【００７８】
（第３実施形態）
図１５に本発明の第３実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図を示す。なお、第１実施形態で説明した部材と同じ部材については同一符号を付して説明を省略する。また、本実施形態においても、基盤１に対して柱部を配置する位置や、振動子の振動形態は第１実施形態で説明した場合と同様である図１５に示す振動子の変位拡大部材２０２では、リング状の固定部２０５の外周に、基盤１の平面に対して直交する方向に延びる柱部（振動増幅部）２０３が結合されている。そして、基盤１には、柱部２０３の一端および固定部２０５が固定されている。一方、振動子（基盤１）の周方向で隣り合う２つの柱部２０３の間には、結合部２０４が設けられており、２つの柱部２０３の他端同士を連結する。
【００７９】
本実施形態においても振動子の周方向に並んで配置された２つの柱部２０３が結合部２０４を介して連結されているため、第１実施形態と同様の効果、すなわちロータの回転トルクや回転速度を向上させることができる。しかも、本実施形態における振動子の構成によれば、ロータの回転トルクや回転速度を更に向上させることができる。
【００８０】
すなわち、本実施形態における振動子では、柱部２０３の内側に固定部２０５が設けられており、振動子の径方向において柱部３と同じ位置に固定部５が設けられている第１実施形態の振動子に比べて、柱部２０３および基盤１の結合部分における機械的剛性を小さくすることができる。これにより、振動子の径方向における柱部２０３の変位量を大きくすることができるため、結合部２０４を介して振動子の周方向に変位する柱部２０３の変位量を大きくすることができ、ロータの回転トルクや回転速度を向上させることができる。
【００８１】
（第４実施形態）
図１６に本発明の第４実施形態である振動型駆動装置における振動子の部分断面図を示す。なお、第１実施形態で説明した部材と同じ部材については同一符号を付して説明を省略する。また、本実施形態においても、基盤１に対して柱部を配置する位置や、振動子の振動形態は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００８２】
本実施形態における振動子は、第１実施形態における振動子とほぼ同じ形状となっており、柱部（振動増幅部）３０３が基盤１の周方向に並んで配置され、この周方向に並んで配置された２つの柱部３０３の間には、２つの柱部３０３の一端同士を連結する結合部３０４が設けられている。また、柱部３０３の他端には、固定部３０５が設けられており、この固定部３０５は基盤１に接着剤等で固定されている。
【００８３】
一方、本実施形態では、第１実施形態に比べて柱部３０３および固定部３０５の形状が異なっている。すなわち、柱部３０３および固定部３０５のうち基盤１と結合する部分における外周形状がＲ形状となっている。
【００８４】
柱部３０３および固定部３０５を上述したような形状とすることにより、柱部３０３および固定部３０５と基盤１との結合部分における機械的剛性を小さくすることができる。これにより、第３実施形態と同様に、柱部３０３の変位量を大きくすることができ、ロータの回転トルクや回転速度を向上させることができる。
【００８５】
（第５実施形態）
図１７に本発明の第５実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図を示す。
【００８６】
本実施形態における振動子は、六角形の板状に形成され、圧電セラミックスからなる基盤（基部）４０１を有しており、この基盤４０１の表面には、断面が四角形である１２個の柱部４０３が固定されている。これらの柱部４０３は、円を描くように並んで配置されている。
【００８７】
また、柱部（振動増幅部）４０３の長手方向中央には、六角形の板状に形成された結合部４０４が連結されている。上述した実施形態では、柱部の一端に結合部を設けているが、本実施形態のように柱部４０３の一端以外の部分に結合部４０４を設けることもできる。すなわち、本実施形態においても、振動子の周方向で隣り合う２つの柱部４０３が結合部４０４を介して連結されているため、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８８】
柱部４０３において結合部４０４を設ける位置は、柱部４０３のうち基盤４０１に固定された一端とは異なる位置であって、柱部４０３同士を連結できる位置であればどのような位置としてもよい。ただし、柱部４０３においては、他端（基盤４０１に結合する側と反対側）での変位が最も大きくなるため、結合部４０４を柱部４０３の他端に近い位置に設けるほど、柱部４０３の大きな変位を他の柱部４０３に伝達させることができ、ロータの回転速度を増加させることができる。
【００８９】
なお、例えば、矩形状に形成された１つの圧電セラミックスから複数の基盤を切り出すのであれば、基盤の形状を本実施形態のように六角形とするほうが、円形とするよりも材料の無駄をなくすことができる。また、本実施形態においても、基盤４０１に対して柱部４０３を配置する位置や、振動子の振動形態は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００９０】
（第６実施形態）
図１８に本発明の第６実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図を示す。
【００９１】
本実施形態における振動子は、４角形の板状に形成され、圧電セラミックスからなる基盤（基部）５０１を有しており、この基盤５０１の表面には、４つの円柱の柱部（振動増幅部）５０３が固定されている。これらの柱部５０３は、同一円周上において略等間隔に配置されている。また、柱部５０３の一端側には結合部５０４が連結されており、この結合部５０４は、４つの柱部５０３の中心で交差する十字状に形成されている。
【００９２】
本実施形態においても、周方向で隣り合う２つの柱部５０３が結合部５０４を介して連結されているため、上述した実施形態のように柱部５０３の変位を大きくすることができ、ロータの回転速度を向上させることができる。しかも、本実施形態の構成では、４本の柱部５０３という少ない部品でロータの回転速度を増加させることができる。なお、本実施形態においても、基盤５０１に対して柱部５０３を配置する位置や、振動子の振動形態は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００９３】
（第７実施形態）
図１９に本発明の第７実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図（ａ）と部分断面図（ｂ）を示す。
【００９４】
本実施形態の振動子では、第１実施形態における振動子のうち基盤の構成が異なっており、他の構成（変位拡大部材）は第１実施形態と同様である。ここで、第１実施形態で説明した部材と同じ部材については同一符号を用いて説明を省略する。
【００９５】
本実施形態では、基盤（基部）６０１の中央に貫通孔を設けずに、基盤６０１の片面に周方向に延びる凹部６０１ａが形成されている。凹部６０１ａを形成することにより基盤６０１の剛性が下がるため、振動子の固有周波数を下げることができる。
【００９６】
振動子の固有周波数が高いと、圧電素子からの加振力と加圧接触するロータからの加振力との合力による不要振動が生じやすくなる。この不要振動はいわゆる鳴きの原因となるため、振動子の固有周波数は低いほうが好ましい。また、基盤６０１の剛性を下げることで、変位拡大部材２の振幅を増加させてロータの駆動効率を高めることもできる。
【００９７】
ここで、凹部６０１ａを形成する位置を、基盤６０１に発生する進行波の振幅の腹に相当する位置とすると、変位拡大部材２の振幅を増加させるのに最も効果がある。基盤６０１に生じる振動形態が、図１に示す振動形態であれば、凹部６０１ａを形成する位置は、基盤６０１の中心と外周との略中央の位置となる。
【００９８】
なお、本実施形態では、第１実施形態における変位拡大部材２を有しているため、第１実施形態と同様に柱部３の変位を大きくすることができ、ロータの回転速度を向上させることができる。また、本実施形態は、第１実施形態の振動子に凹部（６０１ａ）を形成したものであるが、他の実施形態（第２実施形態から第６実施形態）の振動子に対して本実施形態で説明した凹部を形成してもよい。さらに、本実施形態においても、基盤６０１に対して変位拡大部材（柱部）を配置する位置や、振動子の振動形態は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【００９９】
（第８実施形態）
図２０に本発明の第８実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図を示す。
【０１００】
本実施形態の振動子では、第１実施形態における振動子のうち基盤の構成が異なっており、他の構成（変位拡大部材）は第１実施形態と同様である。ここで、第１実施形態で説明した部材と同じ部材については同一符号を用いて説明を省略する。
【０１０１】
基盤（基部）７０１は、円盤状に形成され、金属等からなる弾性体と、この弾性体の裏面に接着された圧電素子とで構成されている。本実施形態では、基盤７０１の中心に貫通孔部を設けずに、所定の径を有する貫通孔部７０１ａを同心円状に並べて配置している。本実施形態によれば、第７実施形態と同様に、基盤７０１の剛性を下げることができるため、振動変位部２の振幅を増加させてロータの駆動効率を高めることができる。しかも、振動子の固有周波数を下げることができるため、振動子に不要振動が生じるのを防止することができる。
【０１０２】
なお、本実施形態では、第１実施形態における変位拡大部材２を有しているため、第１実施形態と同様に柱部３の変位を大きくすることができ、ロータの回転速度を向上させることができる。また、本実施形態は、第１実施形態の振動子（基盤）に複数の貫通孔部（７０１ａ）を形成したものであるが、他の実施形態（第２実施形態から第６実施形態）の振動子に対して本実施形態で説明した貫通孔部を形成してもよい。さらに、本実施形態においても、基盤７０１に対して変位拡大部材（柱部）を配置する位置や、振動子の振動形態は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【０１０３】
（第９実施形態）
図２１に本発明の第９実施形態である振動型駆動装置における振動子の部分断面図を示す。
【０１０４】
本実施形態において、基盤（基部）８０１は、円盤状に形成され、金属等からなる弾性体と、この弾性体の裏面に接着される圧電素子とで構成されている。この基盤８０１の表面には、基盤８０１の平面に対して垂直方向に延びる柱部（振動増幅部）８０３が直接固定されている。柱部８０３は、基盤８０１の周方向に並んで配置されており、周方向で隣り合う２つの柱部８０３の間には、両者の一端同士を連結する結合部８０４が設けられている。
【０１０５】
基盤８０１は、この中央の領域が他の領域よりも薄くなるように形成されており、上記中央領域は基盤８０１に生じる進行波の腹を含む位置まで形成されている。
【０１０６】
本実施形態の振動子の構成によれば、振動子の周方向で隣り合う２つの柱部８０３が、この一端において結合部８０４を介して連結されているため、第１実施形態と同様に、柱部８０３の変位を大きくすることができ、ロータの回転速度を向上させることができる。
【０１０７】
また、柱部８０３が直接、基盤８０１に固定されているため、柱部８０３および基盤８０１の結合部分における機械的剛性を小さくすることができる。これにより、上述した第３実施形態および第４実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、基盤８０１の中央領域は、振動波の腹を含む位置まで他の領域に比べて薄く形成されているため、基盤８０１の剛性を下げることができるとともに、振動子の固有周波数を下げることができる。これにより、第７実施形態および第８実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
また、本実施形態においても、基盤８０１に対して柱部８０３を配置する位置や、振動子の振動形態は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【０１０９】
（第１０実施形態）
図２２に本発明の第１０実施形態である振動型駆動装置における振動子の部分断面図を示す。
【０１１０】
基盤（基部）９０１は、円盤状に形成され、金属等からなる弾性体と、この弾性体の裏面に接着される圧電素子とで構成されている。この基盤９０１の表面には、基盤９０１の平面に対して垂直方向に延びる柱部（振動増幅部）９０３が直接固定されている。柱部９０３は、基盤９０１の周方向に並んで配置されており、周方向で隣り合う２つの柱部９０３の間には、両者の一端同士を連結する結合部９０４が設けられている。
【０１１１】
基盤９０１は、進行波の腹の位置に相当する領域（図中斜線部）が、他の領域よりも剛性の小さい材料で形成されている。
【０１１２】
本実施形態の振動子によれば、振動子の周方向で隣り合う２つの柱部９０３が、この一端において結合部９０４を介して連結されているため、第１実施形態と同様に、柱部９０３の変位を大きくすることができ、ロータの回転速度を向上させることができる。
【０１１３】
また、柱部９０３が直接、基盤９０１に固定されているため、柱部９０３および基盤９０１の結合部分における機械的剛性を小さくすることができる。これにより、上述した第３実施形態および第４実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、基盤９０１のうち振動波の腹の位置に相当する領域は、他の領域よりも剛性の小さい材料で形成されているため、基盤９０１の剛性を下げることができるとともに、振動子の固有周波数を下げることができる。これにより、第７実施形態および第８実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１４】
また、本実施形態においても、基盤９０１に対して柱部９０３を配置する位置や、振動子の振動形態は第１実施形態で説明した場合と同様である。
【０１２９】
【発明の効果】
本発明によれば、振動子を大きくせずに出力トルクおよび回転速度を従来よりも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図（ａ）と断面図（ｂ）。
【図２】振動子に形成される電極膜の一例を説明するための図。
【図３】電極膜が形成された振動子に供給する交番電圧を説明するための図。
【図４】電極膜が形成された振動子に発生する振動を説明するための図（ａ〜ｃ）。
【図５】振動子に形成される電極膜の別の例を説明するための図。
【図６】電極膜が形成された振動子に供給する交番電圧を説明するための図。
【図７】柱部が互いに連結されていない振動子の振動形態を有限要素法によって示す図。
【図８】第１実施形態における振動子の振動形態を有限要素法によって示す図。
【図９】基盤における柱部の配置位置を説明するための図（ａ〜ｃ）。
【図１０】振動子の振動形態を周方向に１次としたときの柱部の振動変位を示す図。
【図１１】振動子の振動形態を周方向に２次としたときの柱部の振動変位を示す図。
【図１２】振動子の振動形態を周方向に３次としたときの柱部の振動変位を示す図。
【図１３】第１実施形態における振動子を用いた振動型駆動装置の断面図。
【図１４】本発明の第２実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図。
【図１５】本発明の第３実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図。
【図１６】本発明の第４実施形態である振動型駆動装置における振動子の部分断面図。
【図１７】本発明の第５実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図。
【図１８】本発明の第６実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図。
【図１９】本発明の第７実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図（ａ）と部分断面図（ｂ）。
【図２０】本発明の第８実施形態である振動型駆動装置における振動子の外観斜視図。
【図２１】本発明の第９実施形態である振動型駆動装置における振動子の部分断面図。
【図２２】本発明の第１０実施形態である振動型駆動装置における振動子の部分断面図。
【符号の説明】
１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１、９０１：基盤
２、１０２、２０２、３０２：変位拡大部材
３、２０３、３０３、４０３、５０３、８０３、９０３：柱部
４、２０４、３０４、４０４、５０４、８０４、９０４：結合部
５、１０５、２０５、３０５：固定部
１０６ 丸穴部
６０１ａ 凹部
７０１ａ 貫通孔部
５１ ロータ（接触体）
５２ 摺動材
５３ 軸
５４ バネ
５５ 軸受け
５６ 地板
５７ ナット

Claims (9)

1. 電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の供給により振動を発生する振動体と、この振動体に接触し、前記振動体からの振動を受けて駆動される接触体とを有する振動型駆動装置において、
   前記振動体が、前記電気−機械エネルギ変換素子を含む基部と、この基部に生じる振動を増幅するための複数の振動増幅部とを備え、
   前記基部に生じる振動は、前記基部に、前記振動体と前記接触体の接触面に垂直な方向の曲げ振動であり、前記曲げ振動を励起することで、前記複数の振動増幅部のうち一部の振動増幅部を前記接触体の駆動方向と異なる方向に変位させ、
   前記基部での前記曲げ振動による前記振動増幅部の変位を伝達させるように、前記接触体の駆動方向において隣り合う振動増幅部同士が、前記基部以外の位置で連結されていることを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記振動体は、１つの節が同じ位置となる複数の定在波を発生させ、この複数の定在波を合成することで進行波を発生させることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
3. 前記振動体に発生する振動が１次の進行波であることを特徴とする請求項２に記載の振動型駆動装置。
4. 前記振動増幅部が、前記基部において、
   Ｚ（ｒ）＊ｄＺ（ｒ）／ｄｒ≧０
   ｒ：基部の中心から振動増幅部までの距離
   Ｚ（ｒ）：振動体および接触体の接触面に対して直交する方向における基部の変位量の関係を満たす位置に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動型駆動装置。
5. 前記複数の振動増幅部が、前記基部の中心に対して同心円上の位置に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動型駆動装置。
6. 前記複数の振動増幅部は、この振動増幅部に一体的に形成された固定部を介して前記基部に固定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の振動型駆動装置。
7. 前記複数の振動増幅部が一体的に形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の振動型駆動装置。
8. 前記基部は、定在波の腹に位置する領域の剛性が他の領域の剛性よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の振動型駆動装置。
9. 前記基部が、電気−機械エネルギ変換素子であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の振動型駆動装置。

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