JP4529237B2

JP4529237B2 - 振動アクチュエータ

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Publication number: JP4529237B2
Application number: JP2000162714A
Authority: JP
Inventors: 常躬権田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: JP2001346386A

Description

【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する。より具体的には、本発明は、いわゆる自励振駆動により駆動される振動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、振動アクチュエータは、２種の圧電素子に、互いの位相が約（π／２）異なるとともに所定の周波数を有する２相の駆動信号（交流電圧）をそれぞれ入力することによって、これらの圧電素子又は圧電素子が装着された弾性体に位相が異なる２つの定在波を励振する。そして、これらの定在波が合成されて弾性体の駆動力取出部に発生した楕円運動を利用して、この駆動力取出部に加圧接触する相対運動部材を摩擦駆動する。この種の振動アクチュエータとして、超音波の振動域を利用した超音波アクチュエータが知られているため、以降の説明ではこの超音波アクチュエータを例にとる。
【０００３】
この超音波アクチュエータの一般的な駆動方法として、いわゆる他励振駆動が知られている。この他励振駆動は、超音波アクチュエータを駆動することができる駆動周波数を有する駆動信号を供給する電源（例えば外部発振器及び駆動増幅器）を用いて、振動子をその機械的な共振周波数の近傍の駆動周波数で強制振動をさせる駆動方法であり、各種の制御性に優れている。しかし、この他励振駆動を行うには駆動用の外部発振器及び駆動増幅器が必要になるとともに、超音波アクチュエータの駆動周波数は温度に対して敏感であるために適宜手段による駆動周波数の調整を行う必要がある。このため、他励振駆動では、駆動装置のコストが嵩む。
【０００４】
このため、近年、例えば特許第２９５２８１５号等により提案されているように、超音波アクチュエータを、いわゆる自励振駆動により駆動することが検討されている。この自励振駆動は、駆動増幅器と超音波アクチュエータとの間に一巡の閉ループを形成し、駆動増幅器及び超音波アクチュエータの共振特性を利用して正帰還をかけて発振器として機能させることによって駆動動作させるものであり、例えば、振動子に振動検出用電極を設けてこの振動検出用電極により得られる信号を利用して正帰還ループを構成して動作させる振動帰還型、あるいはアクチュエータの共振特性をインダクティブ又はキャパシティブ素子として利用する例えばハートレイ型やコルピッツ型の発振器として正帰還をかける。この自励振駆動は、超音波アクチュエータの振動子自体を発振素子の一部として利用するため、温度追尾性が向上して超音波アクチュエータの個体差や環境温度の影響を受け難くなるとともに、駆動装置のコストを低減できる可能性が大きくなる等の特徴を有する。
【０００５】
図１３は、従来の振動帰還型発振回路を構成した自励振駆動回路１の構成例を示すブロック図である。同図において、符号２は、振動検出用電極２ａと駆動用電極２ｂと接地用電極２ｃといずれも装着されたＰＺＴなどの電歪素子２ｄを有する超音波アクチュエータ２を示し、符号３は位相補正回路を示し、符号４は高調波（スプリアス）抑制フィルタを示し、さらに符号５は駆動用増幅器を示している。
【０００６】
超音波アクチュエータ２〜駆動用増幅器５の各素子の入出力間の電圧比（増幅率）をそれぞれＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４とするとともに、各素子の入出力間の位相差をそれぞれΘ１、Θ２、Θ３、Θ４とすると、この閉ループが発振するための条件は、周知のように、下記▲１▼式及び▲２▼式により規定される。
【０００７】
Ｇ１・Ｇ２・Ｇ３・Ｇ４≧１・・・・・・・▲１▼
Θ１＋Θ２＋Θ３＋Θ４＝０° ・・・・・・・▲２▼
このため、位相補正回路３の入出力間の位相差Θ２を適宜調整してこの閉ループの位相差をゼロとすることにより、超音波アクチュエータ２の自励振駆動が行われる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにして超音波アクチュエータを自励振駆動すると、以下に列記する課題（ｉ）及び（ｉｉ）がある。
【０００９】
（ｉ）超音波アクチュエータ２が、例えば、中空円板形状を有するとともにＡ相の駆動信号、及びＡ相の駆動信号とは約（π／２）の位相差を有するＢ相の駆動信号を入力されることによって（Ｒ・１）振動及び（（１・１））振動を励振する、いわゆる（Ｒ・１）（（１・１））型超音波アクチュエータである場合、直線移動又は回転移動の方向を変更するためにＡ相の駆動信号及びＢ相の駆動信号による駆動力の役割分担を逆転させると、この逆転に伴って動作特性が変動し、方向変更により自励振動作特性も変動する。
【００１０】
（ｉｉ）この（Ｒ・１）（（１・１））型超音波アクチュエータには、（Ｒ・１）振動及び（（１・１））振動以外に種々雑多な多種の他の振動が生じる。このため、これらの他の振動により超音波アクチュエータ２が発振振動してしまうことを防ぐために、位相補正回路３や高調波（スプリアス）抑制フィルタ４を設ける必要がある。このため、この一巡回路の周波数特性が所望の特性から、位相補正回路３や高調波抑制フィルタ４が有する周波数特性に依存度が増した特性に変動してしまう。すなわち、駆動装置全体が位相補正回路３や高調波抑制フィルタ４等が有する温度特性に影響されるようになり、自励振駆動の特徴である温度変化追尾性等が減殺され、その結果、各種の特性が低下する。
【００１１】
このように、自励振駆動により超音波アクチュエータを駆動すれば、温度追尾性が向上して超音波アクチュエータの個体差や環境温度の影響を排除し、かつ駆動装置全体のコスト低減を期待できるにもかかわらず、超音波アクチュエータの基本的な制御の一つである、直線移動又は回転方向の変更、さらには移動時の速度制御を行うことが難しくなるという課題があった。
【００１２】
本発明の目的は、このような従来の技術が有する課題に鑑み、自励振駆動によっても、基本的な制御の一つである、直線移動又は回転方向の変更、さらには移動時の速度制御を確実に行うことができる、例えば超音波アクチュエータ等の振動アクチュエータを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、自励振駆動を行う際に、振動アクチュエータを構成する振動子に装着して用いる振動検出用電極の配置位置を最適化することにより、直線移動又は回転方向の変更、さらには移動時の速度制御を確実に行うことができ、これにより、温度追尾性を向上して超音波アクチュエータの個体差や環境温度の影響を排除し、かつ駆動装置全体のコスト低減を図ることができるという、新規かつ重要な知見に基づくものである。
【００１４】
請求項１の発明では、対称伸び振動である第１の振動及び面内屈曲振動である第２の振動を少なくとも発生するとともに、第１の振動又は第２の振動の振幅が、第１の振動及び第２の振動以外の他の振動の振幅よりも大きい位置に形成された振動検出領域を有する振動子と、振動検出領域からの出力を入力部に帰還させることによって、第１の振動又は第２の振動の周波数と略同じ値の周波数を有する駆動信号を振動子へ入力する駆動装置と、第１の振動と第２の振動の合成振動が取り出される駆動力取出部とを備え、振動検出領域は、第２の振動の振幅が第１の振動の振幅より大きい位置であり、かつ、振動子の中心と振動検出領域の中心を結ぶ仮想直線が、振動子の中心と駆動力取出部とを結ぶ仮想直線と交差する位置に形成されてい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２の発明は、請求項１に記載された振動アクチュエータにおいて、振動子が中空円板形状を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２に記載された振動アクチュエータにおいて、対称伸び振動が（Ｒ・１）振動であるとともに、面内屈曲振動が（（１・１））振動であることを特徴とする。
【００１９】
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、振動検出領域が、振動子の中心及び駆動力取出部を結ぶ仮想直線と、振動子の中心及び振動検出領域の中心を結ぶ線とのなす角度が、略９０度となる位置及び略−９０度となる位置のうちの少なくとも一方に設けられることを特徴とする。
【００２０】
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、振動検出領域が、振動子の中心及び駆動力取出部を結ぶ仮想直線を軸に２つ対称的に配置されており、駆動装置が、振動子が発生する駆動力の方向に応じて、２つの振動検出領域のうちの少なくとも一方の領域に設けられる振動検出領域からの入力信号を切り換えて用いることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５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、振動検出領域が、振動子の外周側に設けられることを特徴とする。
さらに、請求項７の発明は、請求項１から請求項６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、駆動力取出部が、振動子の一方の面に設けられた駆動信号を供給する２つの電極の境界の延長上に設けられたことを特徴とする。
【００２１】
【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利用した超音波アクチュエータである場合を例にとる。
【００２２】
図１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り、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は上面図である。
図１（ａ）及び図１（ｂ）にそれぞれ示すように、本実施形態の超音波アクチュエータは、弾性体１１、電気機械変換素子１２、電極１３及び駆動力取出部１４を有する振動子１５と、駆動装置１６とを有する。以下、本実施形態の超音波アクチュエータのこれらの構成要素について順次説明する。
【００２３】
弾性体１１は、普通鋼、銅合金さらにはステンレス鋼等の共振先鋭度が大きな材料により中空円板状に形成される。弾性体１１の二つの平面には、それぞれ、弾性体１１と同様に中空円板状に形成された電気機械変換素子１２ａ、１２ｂが、例えば接着されて装着される。本実施形態では、電気機械変換素子１２ａ、１２ｂとしてＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）からなる電歪素子を用いた。
【００２４】
電気機械変換素子１２ａの一方の表面には、例えば銀電極１３が装着される。本実施形態では、銀電極１３は、Ａ相の駆動信号が入力される駆動用電極１３ａと、Ａ相の駆動信号に比較して位相が略（π／２）遅れたＢ相の駆動信号が入力される駆動用電極１３ｂと、振動検出用電極１３ｐ，１３ｐ’とを有する。
【００２５】
一方、電気機械変換素子１２ｂの平面には、図示されていない２枚の駆動用電極１３ｃ、１３ｄが装着される。これら２枚の駆動用電極１３ｃ、１３ｄは、いずれも半円環型の形状を有する。これら２枚の駆動用電極のうちの一方の駆動用電極１３ｃは、弾性体１１の厚さ方向に関して駆動用電極１３ａ及び振動検出用電極１３ｐが装着された位置と一致する位置に装着される。また、これら２枚の駆動用電極のうちの他方の駆動用電極１３ｄは、弾性体１１の厚さ方向に関して駆動用電極１３ｂ及び振動検出用電極１３ｐ’が装着された位置と一致する位置に装着される。
【００２６】
後述する駆動装置１６から、弾性体１１をグランド電位になるようにして、駆動用電極１３ａ、１３ｃにＡ相の駆動信号が入力されるとともに、駆動用電極１３ｂ、１３ｄにＡ相信号に対し約９０°の位相差を持つＢ相の駆動信号が入力される。すると、弾性体１１には、第１の振動である対称伸び振動と、第２の振動である面内屈曲振動とが励振される。本実施形態では、対称伸び振動として（Ｒ・１）振動が発生し、面内屈曲振動として（（１・１））振動が発生する。なお、このようにＡ相の駆動信号及びＢ相の駆動信号を入力すると、（（１・１））振動及び（Ｒ・１）振動以外にも、種々雑多な多数の種類の他の振動が発生する。
【００２７】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、いずれも、本実施形態の振動子１５を有する超音波アクチュエータの駆動原理を模式的に示す説明図である。
この振動子１５は、円形の非軸対称振動（（１・１））と、対称伸び振動（Ｒ・１）とを、ともに用いるタイプであり、図２（ａ）には非軸対称振動（（１・１））による振動子１５の変位パターンを示し、図２（ｂ）には対称伸び振動（Ｒ・１）による振動子１５の変位パターンを示す。さらに、図２（ｃ）にはこれらの振動が合成されて発生した楕円運動を示す。
【００２８】
すなわち、図２（ａ）に示すように、非軸対称振動（（１・１））は、位置Ａ、Ａ’を中心とする面内屈曲振動である。図２（ａ）に示すように、円周上の位置Ａ、Ａ’では矢印方向への変位成分Ｕθを有するとともに、位置Ａ、Ａ’と直交する位置Ｂ、Ｂ’では各々伸びと収縮とが交互に発生する。
【００２９】
一方、図２（ｂ）に示すように、対称伸び振動（Ｒ・１）は、径方向への対称伸び振動であり、位置Ａ、Ａ’及び位置Ｂ、Ｂ’では、径方向の変位成分Ｕｒを有する。
【００３０】
このため、振動子１５の駆動用電極１３ａ、１３ｂに互いの位相差が約９０°である２種の駆動信号をそれぞれ入力して、振動子１５に非軸対称振動（（１・１））及び対称伸び振動（Ｒ・１）励振させると、位置Ａ、Ａ’には図２（ｃ）に例示するように変位する楕円運動がそれぞれ形成される。なお、位置Ａ、Ａ’は２枚の駆動用電極１３ａ、１３ｂの境界の延長上、または電極１３ｃ、１３ｄの境界の延長上になる。
【００３１】
本実施形態では、図１及び図２に示すように、この位置Ａに駆動力取出部１４を突設して設けてあり、この駆動力取出部１４により、励振した（Ｒ・１）振動及び（（１・１））振動の合成振動が、楕円運動として取り出される。この駆動力取出部１４を介して振動子１５に図示しない相対運動部材を適当な加圧力で加圧接触させると、振動子１５と相対運動部材との間には、変位成分Ｕθの長さに比例した速度で変位成分Ｕｒの長さに比例した力で変位成分Ｕθの方向に相対運動が発生する。
【００３２】
このように、本実施形態の超音波アクチュエータでは、振動検出領域を構成する振動検出用電極１３ｐ，１３ｐ’は、振動子１５の中心及び駆動力取出部１４を結ぶ仮想直線と、振動子１５の中心及び振動検出用電極１３ｐ，１３ｐ’の中心を結ぶ線とのなす角度が、略９０度となる位置及び−９０度となる位置のうちの一方に、設けられる。
【００３３】
なお、本実施形態の超音波アクチュエータの振動検出用電極１３ｐ，１３ｐ’の配置位置以外の構成は、例えば特公平６−２６９９４号公報等において既に開示されているため、これ以上の説明は省略する。
【００３４】
本実施形態では、図１及び図２に示すように、位置Ｂ、Ｂ’にそれぞれ振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’が装着される。この位置Ｂ、Ｂ’は、いずれも、第２の振動である非軸対称振動（（１・１））の振幅が、（Ｒ・１）振動及び、種々雑多な他の振動それぞれの振動の振幅よりも大きい位置である。このため、振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’により、励振時の振動子１５に発生する多種の振動のうちで、振動子１５の駆動を支配する（（１・１））振動の振幅が最も強い強度で検出される。
【００３５】
図３は、本実施形態の超音波アクチュエータの駆動装置１６の構成例を説明するブロック図である。また、図４は、図３の駆動装置１６の一例を具体的に示した実施回路図である。
【００３６】
図３及び図４にそれぞれ示すように、振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’により電気信号として検出された非軸対称振動（（１・１））の振幅は、駆動方向変更用切替装置１７に入力され、駆動方向変更用切替用スイッチ１７ａにより切り替えられる。なお、本例では駆動方向変更用切替スイッチ１７ａを機械的なスイッチにより構成したが、例えば半導体スイッチを用いてもよい。
【００３７】
駆動方向変更用切替用スイッチ１７ａにより切り替えられた電気信号は、抵抗Ｒ₁、Ｒ₂、容量Ｃ₃及びオペアンプ１８ａを用いた検出用増幅器１８に入力され、インピーダンス変換等を行われて所定値に増幅される。なお、容量Ｃ₃は若干の位相進み要素として用いられており、例えば電力増幅回路２３Ａ、２３Ｂ等において生じる位相遅れ分を補償する。
【００３８】
そして、抵抗Ｒ₃及びツェナーダイオードＤ₁及びＤ₂を用いた振幅抑制回路又はＡＧＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＧａｉｎＣｏｎｔｒｏｌ）回路１９に入力される。なお、負荷変動等による検出電圧の変動が小さい場合等には、この振幅抑制回路又はＡＧＣ回路１９は不要である。
【００３９】
振幅抑制回路又はＡＧＣ回路１９により、負荷変動などによって生じる検出電圧の変動等を抑制された信号は、超音波アクチュエータの駆動動作をオン−オフするための制御スイッチ２０を介して、抵抗Ｒ₄〜Ｒ₆、容量Ｃ₁及びオペアンプ２１ａを用いた移相回路２１に入力される。すなわち、図３ではスイッチ２０を閉じること、図４ではスイッチ２０を開くことにより、移相回路２１に振幅抑制回路又はＡＧＣ回路１９からの信号が入力される。
【００４０】
移相回路２１により、入力された電気信号の位相が９０°程度ずらされ、方向変更切替装置２２のスイッチ２２ａ、２２ｂに入力され、移送回路の入力信号がそのまま、電力増幅回路２３Ａ、２３Ｂに入力される。
【００４１】
なお、本例ではスイッチ２２ａ、２２ｂを機械的なスイッチにより構成したが、例えば半導体スイッチを用いてもよい。また、制御スイッチ２０の位置は図３及び図４に例示する位置である必要ではなく、回路の開閉を行うことができる位置であるならば、どこでもよい。さらに、振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’を短絡して信号が出力されないように制御スイッチ２０を構成してもよい。
【００４２】
電力増幅回路２３Ａ、２３Ｂは同じに構成されるため、以降の説明は電力増幅回路２３Ａを例にとって行う。電力増幅回路２３Ａは、抵抗Ｒ₇〜Ｒ₉、容量Ｃ₂、オペアンプ２３ｂ、ＮＰＮトランジスタ２３ｃ、２３ｄ及びＰＮＰトランジスタ２３ｅ、２３ｆを用いた増幅回路であり、スイッチ２２ａ、２２ｂを介して入力される信号を所定値に増幅してＡ相駆動用信号Ｖ_Aを生成し、駆動用電極１３ａへ入力する。一方、電力増幅回路２３Ｂも同様にしてスイッチ２２ａ、２２ｂを介して入力される信号を所定値に増幅してＢ相駆動用信号Ｖ_Bを生成し、駆動用電極１３ｂへ入力する。
【００４３】
なお、図４に示すように、振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’と接地端子Ｇとの間には、抵抗Ｒ₁₀、Ｒ₁₁が接続されているが、これらの抵抗Ｒ₁₀、Ｒ₁₁はＡ相電源、Ｂ相電源それぞれにチャージされた電荷を放電するための抵抗である。
【００４４】
この駆動装置１６において、図３ではスイッチ２０を閉じること、図４ではスイッチ２０を開くことにより、回路は正帰還でループが閉じられる。
この際、本実施形態では、図１及び図２を参照しながら前述したように、振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’が位置Ｂ、Ｂ’にそれぞれ配置されている。このため、この駆動用電極１３ａにＡ相の駆動信号を入力するとともに、駆動用電極１３ｂにＢ相の駆動信号を入力すると、図２（ｃ）に示すように、位置Ａ、Ａ’では、図示するような変位の楕円運動が形成されるとともに、位置Ｂ、Ｂ’点では（（１・１））振動による伸びと収縮変位、及び（Ｒ・１）振動による径方向の変位が同時に生じ、位置Ｂ、Ｂ’に設置された振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’には、（（１・１））振動及び（Ｒ・１）振動等の信号が重畳されて検出される。
【００４５】
ここで、図２（ｃ）に示す変位の楕円運動が形成されて振動子１５の位置Ａ’が右回転する場合、すなわち駆動用電極１３ａに供給する電圧の位相を零とした場合に駆動用電極１３ｂに供給する電圧の位相が９０°程度遅れた位相を有する電圧である場合に、振動検出用電極１３ｐから出力される信号は、（（１・１））振動及び（Ｒ・１）振動の信号が重畳し信号レベルが低くなるのに対し、振動検出用電極１３ｐ’から出力される信号は、（（１・１））振動の信号成分が多く含まれ、かつ信号レベルも高く、得られる位相はＡ相駆動信号にほぼ等しくなるため、振動検出用電極１３ｐ’の信号を帰還すると自励振動作を行う。
【００４６】
逆に、図２（ｃ）に示す変位とは逆の変位の楕円運動が形成されて振動子１５の位置Ａ’が左回転する場合、すなわち駆動用電極１３ａに供給する電圧の位相を零とした場合に駆動用電極１３ｂに供給する電圧の位相が９０°程度進んだ位相を有する電圧である場合に、振動検出用電極１３ｐから出力される信号は、（（１・１））の信号成分が多く含まれ、かつ信号レベルも高く、得られる位相はＢ相駆動信号にほぼ等しいのに対し、振動検出用電極１３ｐ’から出力される信号は、（（１・１））振動及び（Ｒ・１）振動の信号が重畳し信号レベルが低くなるため、振動検出用電極１３ｐの信号を帰還すると自励振動作を行う。
【００４７】
このため、駆動装置１６は、振動子１５の位置Ａ’を右回転させる場合には振動検出用電極１３ｐ’を用いて自励振駆動のループを閉じ、一方振動子１５を左回転させる場合には振動検出用電極１３ｐを用いてループを閉じて、帰還させることによって、（（１・１））振動での発振を行うことができる。このようにして、振動子１５は自励振駆動される。
【００４８】
振動子１５の回転方向に応じて、振動検出用電極１３ｐと振動検出用電極１３ｐ’とを使い分けることにより、第２の振動である面内屈曲振動（（１・１））振動の振幅を、励振時の振動子１５に発生する多種の他の振動よりも強い強度レベルで検出でき、これにより、振動子１５を（（１・１））振動で発振させながら駆動することができる。このため、正帰還での動作が継続させることができ、振動子１５と図示しない相対運動部材との間で相対運動を継続できる。
【００４９】
このように、本実施形態の超音波アクチュエータによれば、直線移動又は回転移動の方向を変更するためにＡ相の駆動信号及びＢ相の駆動信号による駆動力の役割分担を逆転させても、動作特性が変化せず、方向変更にかかわらず自励振動作特性を一定に保つことができる。
【００５０】
また、本実施形態の超音波アクチュエータによれば、位相補正回路や高調波抑制フィルタを用いる必要がなく、これらの回路が有する周波数特性に影響されない。このため、自励振駆動が本質的に有する温度追尾性をそのまま保持することができ、各種の特性が温度変化によらずに高く維持できる。
【００５１】
したがって、本実施形態の超音波アクチュエータによれば、自励振駆動によって、超音波アクチュエータの個体差や環境温度の影響を排除し、かつ駆動装置全体のコスト低減を図りながら、超音波アクチュエータの基本的な制御の一つである、直線移動又は回転方向の変更を確実に行うことができる。
【００５２】
なお、本実施形態では、駆動電圧を変化させることにより、移動時の速度制御も確実に行うことができる。
（第２実施形態）
次に、第２の実施の形態を説明する。なお、以降の各実施の形態の説明では、前述した第１実施形態と相違する部分を説明することとし、共通する部分については同一の図中符号を付すことにより、重複する説明を適宜省略する。
【００５３】
図５は、本実施形態の駆動装置１６−１の一例を具体的に示した別の実施回路図である。
本実施形態は、第１実施形態の駆動装置１６を簡素化した駆動装置１６−１を用いた例であり、第１実施形態の駆動装置１６における検出用増幅器１８及び振幅抑制回路又はＡＧＣ回路１９を省略したものである。
【００５４】
すなわち、振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’により検出された電気信号のレベルが自励振駆動に用いるのに十分なレベルである場合には検出用増幅器１８を省略することができ、一方、負荷変動等による検出電圧の変動が小さい場合等には振幅抑制回路又はＡＧＣ回路１９を省略することができる。
【００５５】
これにより、駆動装置１６−１を簡略化することができ、駆動装置１６−１に要するコストをさらに低減することができる。
（第３実施形態）
図６は、本実施形態の振動子１５−２の構成例を示す斜視図である。本実施形態では、弾性体１１の両面に電気機械変換素子１２ａ、１２ｂを設けるのではなく、弾性体１１の一方の面に電気機械変換素子１２ａを設け、その表面に電極１３ａ、１３ｂ、１３ｐ、１３ｐ’を設けている。
【００５６】
また、弾性体１１は導電性を有する金属で出来ているので、これを電気機械変換素子１２ａのグランド電極としている。
本実施形態によれば、電気機械変換素子１２の使用量が削減され、振動子１５−２のコストが抑制される。
【００５７】
さらに別の形態として、図示していないが、弾性体１１を用いずに電気機械変換素子１２ａの表面及び裏面にそれぞれに電極１３ａ、１３ｂ、１３ｐ、１３ｐ’、弾性体１１を装着することにより、振動子を構成するようにしてもよい。
【００５８】
（第４実施形態）
図７は、本実施形態の超音波アクチュエータの振動子１５−３の構成を示す斜視図である。また、図８は、本実施形態の超音波アクチュエータの駆動装置１６−３の構成例を説明するブロック図である。また、図９は、この駆動装置１６−３の一例を具体的に示した実施回路図である。
【００５９】
本実施形態は、第３実施形態のように振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’を２箇所装着するのではなく、配置位置を変更して１箇所としたものである。
本実施形態では、図７に示すように、位置Ａと位置Ｂ’との間の略中央部の位置Ｃに、振動検出用電極１３ｐ’’が一カ所装着される。すなわち、本実施形態の超音波アクチュエータでは、振動検出用電極１３ｐ’’が振動子１５−３の中心及び駆動力取出部１４を結ぶ仮想直線と、振動子１５−３の中心及び振動検出用電極１３ｐ’’の中心を結ぶ線とのなす角度が、略０度となる位置及び略１８０度となる位置のうちの一方に配置される。また、この振動検出用電極１３ｐ’’は、振動子１５−３の中心及び駆動力取出部１４を結ぶ仮想直線に対して対称的に形成されている。
【００６０】
なお、本実施形態とは異なり、振動検出用電極１３ｐ’’を、振動子１５−３の中心及び駆動力取出部１４を結ぶ仮想直線と、振動子１５−３の中心及び振動検出用電極１３ｐ’’の中心を結ぶ線とのなす角度が、略０度となる位置及び略１８０度となる位置の双方に配置してもよい。
【００６１】
この振動検出用電極１３ｐ’’が設けられた位置Ｃは、第１の振動である対称伸び振動（Ｒ・１）の振幅、及び第２の振動である非軸対称振動（（１・１））の振幅が、いずれも、種々雑多な他の振動それぞれの振動の振幅よりも大きい位置である。このため、振動検出用電極１３ｐ’’により、励振時の振動子１５に発生する多種の振動のうちで、振動子１５の移動速度を支配する（（１・１））振動の振幅と、駆動力を支配する（Ｒ・１）振動の振幅とが、いずれも多く検出される。
【００６２】
図８及び図９にそれぞれ示すように、振動検出用電極１３ｐ’’により電気信号として検出された対称伸び振動（Ｒ・１）及び非軸対称振動（（１・１））それぞれの振幅は、抵抗Ｒ₁₂とツェーナダイオードＤ₃、Ｄ₄とを有する振幅抑制回路又はＡＧＣ回路２４に入力される。振幅抑制回路又はＡＧＣ回路２４では、負荷変動などによって生じる検出電圧の変動等を抑制する。なお、負荷変動などによる検出電圧の変動が小さい場合には振幅抑制回路又はＡＧＣ回路２４は設けなくてもよい。
【００６３】
振幅抑制回路又はＡＧＣ回路２４によって振幅を抑制された出力信号は、駆動動作をオンオフするための制御スイッチ２５を経由して、移相回路２６及び駆動方向変更用切替スイッチ２７の一方の端子に接続される。
【００６４】
すなわち、図８では制御スイッチ２５を閉じること、図９では制御スイッチ２５を開くことにより、移相回路２６に振幅抑制回路又はＡＧＣ回路２４からの信号が入力される。
【００６５】
なお、本例では、制御スイッチ２５及び駆動方向変更用切替スイッチ２７はいずれも機械的なスイッチで示されているが、機械的スイッチに変えて半導体スイッチを用いてもよいことはいうまでもない。同図における駆動方向変更用切替スイッチ２７は相対運動部材（負荷）１０１を右回転に駆動するように設定されている。
【００６６】
移相回路２６は、抵抗Ｒ₁₃〜Ｒ₁₅と、容量Ｃ₄と、オペアンプ２６ａとを有しており、移相回路２６に送られた信号は、位相を９０度進まされて駆動方向変更用切替スイッチ２７に入力される。これにより、駆動方向変更用切替スイッチ２７を経由した後に、各々位相が９０°程度異なる２種の信号が生成される。これらの信号は、非反転の電力増幅回路２８Ａ、２８Ｂにそれぞれ入力される。
【００６７】
電力増幅回路２８Ａ、２８Ｂは同じに構成されるため、以降の説明は電力増幅回路２８Ａを例にとって行う。電力増幅回路２８Ａは、抵抗Ｒ₁₆〜Ｒ₁₉、容量Ｃ₅、オペアンプ２８ａ、ＮＰＮトランジスタ２８ｂ及びＰＮＰトランジスタ２８ｃを用いた増幅回路であり、スイッチ２７を介して入力される信号を所定値に増幅してＡ相駆動用信号Ｖ_Aを生成し、駆動用電極１３ａへ入力する。一方、電力増幅回路２８Ｂも同様にしてスイッチ２７を介して入力される信号を所定値に増幅してＢ相駆動用信号Ｖ_Bを生成し、駆動用電極１３ｂへ入力する。
【００６８】
なお、振動検出用電極１３ｐ’’は、（Ｒ・１）振動及び（（１・１））振動の信号が強く検出できる位置に配置されているが、（Ｒ・１）振動及び（（１・１））振動の周波数の高調波及び別の振動の周波数を含んでいるため、電力増幅回路２８Ａ、２８Ｂの周波数特性が優れている場合、この不要な信号を低下させるために、図９中に破線で示す容量Ｃ₆を取り付けるのも効果的である。
【００６９】
このように構成された図９に示された駆動装置１６−３において制御スイッチ２５がオフである場合、もしくは図８に示されたスイッチ２５がオンである場合、回路は正帰還でループが閉じられ、（（１・１））振動での発振が始まって振動子１５−３が駆動される。振動子１５−３が駆動されることによって振動検出用電極１３ｐ’’を励振駆動動作させ検出信号を得ることにより、正帰還での動作が継続し、駆動力取出部１４に加圧接触する相対運動部材１０１との間で相対運動を継続して発生する。
【００７０】
この超音波アクチュエータの動作原理は、図２を参照しながら説明した第１実施形態の超音波アクチュエータと同じであるため、動作原理についての説明は省略する。
【００７１】
このため、本実施形態によれば、駆動用電極１３ａ、１３ｂに９０°位相が異なる信号を供給すれば、前述した図２（ｃ）に示すように、位置Ａ、Ａ’において、図示するように変位する楕円運動が形成される。したがって、位置Ａを含む領域に形成された検出用電極１３ｐ’’では（（１・１））振動による上下の変位と、（Ｒ・１）振動による径方向の変位とが同時に発生する。この際、発生する周波数は（（１・１））振動に近い信号が得られる。
【００７２】
図２（ｃ）に示すように、位置Ａ’に右回転の楕円運動を形成する場合、駆動用電極１３ｂに供給する電圧Ｖ_Bの位相が零（基準）であるとすると、駆動用電極１３ａに９０°程度進んだ位相の電圧Ｖ_Aを供給すればよい。この時の検出用電極１３ｐ’’から出力される電圧の位相は、駆動用電極１３ｂに供給される電圧Ｖ_Bと同相になる。
【００７３】
一方、図２（ｃ）に示すように、位置Ａ’に左回転の楕円運動を形成する場合、駆動用電極１３ａに供給される電圧Ｖ_Aの位相を零（基準）であるとすると、駆動用電極１３ｂに９０°程度進んだ位相の電圧Ｖ_Bを供給すればよい。この時の検出用電極１３Ｐ’’から出力される電圧の位相は駆動用電圧１３ａに供給される電圧Ｖ_Aと同相になる。
【００７４】
このように、この時の検出用電極１３Ｐ’’から出力される電圧の位相は、駆動力に寄与している駆動用電極１３ａ又は駆動用電極１３ｂ電極の極性と一致する。
【００７５】
さらに、振動子１５−３の回転方向に対する駆動用電極１３ａ及び駆動用電極１３ｂに流れ込む電流は、右回転時には駆動用電極１３ｂが、左回転時は駆動用電極１３ａが他相よりも大きく流れて駆動力に大きく寄与する。
【００７６】
これらの関係を表１にまとめて示す。
【００７７】
【表１】

この表から明らかなように左右回転時に合わせた帰還をかけるには、振動検出電極１３Ｐ’’の出力電圧を、右回転時は駆動用電極１３ｂに、左回転時は駆動用電極１３ａにそれぞれループを閉じるようにすれば、振動子１５−３を（（１・１））振動の共振周波数付近の周波数で発振することができる。
【００７８】
このように、本実施形態によれば、検出用電極１３Ｐ’’を一枚用いることにより、第１実施形態〜第３実施形態と略同様の動作を行うことができる。
（第５実施形態）
図１０は、本実施形態の超音波アクチュエータの駆動装置１６−４の構成例を示すブロック図である。
【００７９】
本実施形態が第４実施形態と相違するのは、駆動方向変更用切替スイッチ２７の設置位置である。なお、駆動方向変更用切替スイッチ２７は右回転の位置に設定されている。
【００８０】
この駆動装置１６−４では、移相回路２６と駆動回路２８Ａとの組合せには、次の２種類が得られる。
（１）移相回路２６が９０°進み回路であるときには駆動回路２８Ａは非反転増幅器であること。
【００８１】
（２）移相回路２６が９０°遅れ回路であるときには駆動回路２８Ａは反転増幅器であること。
（第６実施形態）
図１１は、本実施形態の振動子１５−４を示す斜視図であり、第４実施形態及び第５実施形態の振動子１５−３の変形例を示すものである。
【００８２】
この振動子１５−４では、中空円板状の弾性体１１の両面に、中空円板状の電気機械変換素子１２ａ、１２ｂが装着される。
また、第１実施形態の振動子１５と同様にして、電気機械変換素子１２ａ、１２ｂには駆動電極１３ａ〜１３ｄが装着される。すなわち、電気機械変換素子１２ａの平面には、駆動用電極１３ａ、１３ｂと振動検出用電極１３Ｐ’’とが装着される。また、電気機械変換素子１２ｂの平面には、中空半円形の駆動用電極１３ｃ、１３ｄが装着される。弾性体１１の厚さ方向について、駆動用電極１３ｃは駆動用電極１３ａ及び振動検出用電極１３Ｐ’’の一部と一致する位置に装着され、また、駆動用電極１３ｄは駆動用電極１３ｂ及び振動検出用電極１３Ｐ’’の一部と一致する位置に装着される。
【００８３】
この本実施形態の振動子１５−４によれば、第４実施形態及び第５実施形態と同様の動作を行うことができる。
さらに別の形態として、図示していないが、弾性体１１を用いずに電気機械変換素子１２ａの表面及び裏面にそれぞれに電極１３ａ〜１３ｄを装着することにより、振動子を構成をしてもよい。
【００８４】
（第７実施形態）
図１２は、前述した第１実施形態の超音波アクチュエータ〜第６実施形態の超音波アクチュエータのいずれかを用いた超音波モータ３０の構成例を示す説明図であり、図１２（ａ）は一面図、図１２（ｂ）は側面図である。なお、本実施形態では、第１実施形態の超音波アクチュエータを用いた。
【００８５】
本実施形態の超音波モータ３０は、振動子１５を可動ブロック３１に設けられた台座３２の上に、支柱３３により軸支されている。振動子１５は支柱３３に弾性率の低い接着剤によって固定される。
【００８６】
振動子１５を固定した可動ブッロク３１は、ガイド３４に図面中の左右方向に移動可能に設けられている。
振動子１５を、図示されていない相対運動部材に加圧接触されるための圧縮バネ３５と、振動子１５の電極に交流電圧を印加させるためのコの字状の板バネ電極３６ａ、３６ｂが設けられている。なお、圧縮バネ３５及び板バネ電極３６ａ、３６ｂは、ガイド３４に固定された電極支持部材３７に絶縁板３８ａ、３８ｂを介して固定される。また、圧縮バネ３５は胴体の台座を介して電極支持部材３７に固定される。
【００８７】
振動子１５の図面向かって右側に圧縮バネ３５が設けられているが、この圧縮バネ３５は、振動子１５が紙面左方向に加圧力がかけられるように付勢されて振動子１５と台座３８ｃとの間に設けられている。この超音波モータ３０では、相対運動部材が図面向かって左側に設けられるので、この圧縮バネ３５により相対運動部材に対して振動子１５が加圧接触できるようになっている。
【００８８】
またこの超音波モータ３０では、圧縮バネ３５は、導電性を有する金属材料からなり、圧縮バネ３５の一端は弾性体１１に接触している。そして、圧縮バネ３５の他端はＧＮＤ電位になるように接地されている。
【００８９】
この超音波モータ３０では、板バネ電極３６ａ、３６ｂが設けられている。板バネ電極３６ａは、振動子１５に設けられた電極１３ａ及びその裏面にある電極１３ｃ接触するように配置されており、同様に板バネ電極３６ｂも電極１３ｂ及びその裏面にある電極１３ｄと接触されている。この板バネ電極３６ａ及び３６ｂは、それぞれ、駆動装置１６に電気的に接続されている。したがって、駆動装置１６から供給される交流電圧は、板バネ電極３６ａ及び３６ｂを介して電極１３ａ、１３ｂに印加される。
【００９０】
板バネ電極３６ａ及び３６ｂはそれぞれ、コの字状を有する。そして、板バネ電極３６ａはコの字形状の二つの梁部分が振動子１５の電極１３ａ、１３ｃに接触している。板バネ電極３６ｂの梁部分も、同様に振動子１５の電極１３ｂ、１３ｄに接触している。板バネ電極３６ａ、３６ｂの振動子１５の電極１３ａ、１３ｃ、および１３ｂ、１３ｄとの接触点の間隔は、振動子１５の厚さよりも狭くなっており、その間に振動子１５を挿入するような格好で、板バネ電極３６ａ、３６ｂは振動子１５の電極１３ａ〜１３ｄが設けられた面を挟んで接触する。振動子１５は電極が設けられた面と平行な方向で励振され、そして、板バネ電極３６ａ、３６ｂは振動子の励振方向と垂直な方向に加圧接触するため、振動子１５の電極と板バネ電極３６ａ、３６ｂの接触が確実に行われる。
【００９１】
なお、この板バネ電極３６ａ、３６ｂは振動子１５の電極との接触を確実にするために、電極の先端部を２分割にした。したがって、振動子１５に設けられた一つの電極に対して２箇所で接触することができるので、さらに振動子１５の電極との接触が確実になる。
【００９２】
また、絶縁板３８ａ、３８ｂには、それぞれ、当接部材３９ａ、３９ｂが固定される。当接部材３９ａ、３９ｂは、いずれも、導電性を有する弾性体（例えば銅合金）により構成されており、先端部はくの字型に屈曲して成形されている。そして、この当接部材３９ａ、３９ｂの先端部が、振動子１５の振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’に、適当な加圧力でそれぞれ加圧接触する。これにより、振動検出用電極１３ｐ、１３ｐ’により電気信号として出力された（（１・１））振動の振幅が検出される。このため、この検出信号を用いて自励振駆動のループが閉じて正帰還させることによって、（（１・１））振動での発振を行うことができる。このようにして、振動子１５が自励振駆動される。
【００９３】
（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利用した振動アクチュエータについても同様に適用される。
【００９４】
また、各実施形態の説明では、振動子が、中空円板形状を有し、第１の振動が対称伸び振動であるとともに第２の振動が面内屈曲振動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、他の振動を組み合わせた振動子についても同様に適用される。
【００９５】
また、各実施形態の説明では、振動子に設けられた駆動エネルギ入力領域及び振動検出領域が、（ｉ）弾性体、２枚の電気機械変換素子及び電極の組合せ、（ｉｉ）弾性体、１枚の電気機械変換素子及び電極の組合せ、（ｉｉｉ）１枚の電気機械変換素子及び電極の組合せである場合を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００９６】
また、各実施形態の説明では、対称伸び振動が（Ｒ・１）振動であるとともに、面内屈曲振動が（（１・１））振動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ない。
【００９７】
また、第１実施形態〜第３実施形態の説明では、振動子の中心及び駆動力取出部を結ぶ仮想直線と、振動子の中心及び振動検出領域の中心を結ぶ線とのなす角度が、略９０度となる位置及び略−９０度となる位置のうちの少なくと一方に設けられ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、これらの位置以外の位置に振動検出領域が設けられる場合であっても同様に適用される。
【００９８】
また、第４実施形態〜第６実施形態の説明では、振動検出領域が、振動子の中心及び前記駆動力取出部を結ぶ仮想直線と、振動子の中心及び振動検出領域の中心を結ぶ線とのなす角度が、略０度となる位置及び略１８０度となる位置のうちの少なくと一方に配置され、かつ仮想直線に対して対称的に形成されてい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、これらの位置以外の位置に振動検出領域が設けられる場合であっても同様に適用される。
【００９９】
さらに、各実施形態の説明では、オペアンプの後段にトランジスタを設けていわゆる電力アンプを構成したが、オペアンプからの電流容量が十分である場合には、後段に電力アンプを設けなくてもよい。
【０１００】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、自励振駆動によっても、超音波アクチュエータの個体差や環境温度の影響を排除し、かつ駆動装置全体のコスト低減を図りながら、超音波アクチュエータの基本的な制御の一つである、直線移動又は回転方向の変更、さらには移動時の速度制御を確実に行うことが可能になる。
【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の構成を示す説明図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は上面図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｃ）は、いずれも、第１実施形態の振動子を有する超音波アクチュエータの駆動原理を模式的に示す説明図である。
【図３】第１実施形態の超音波アクチュエータの駆動装置の構成例を説明するブロック図である。
【図４】図３の駆動装置の一例を具体的に示した実施回路図である。
【図５】第２実施形態の駆動装置の一例を具体的に示した別の実施回路図である。
【図６】第３実施形態の振動子の構成例を示す斜視図である。
【図７】第４実施形態の超音波アクチュエータの振動子の構成例を示す斜視図である。
【図８】第４実施形態の超音波アクチュエータの駆動装置の構成例を説明するブロック図である。
【図９】第４実施形態の駆動装置の一例を具体的に示した実施回路図である。
【図１０】第５実施形態の超音波アクチュエータの駆動装置の構成例を示すブロック図である。
【図１１】第６実施形態の振動子を示す斜視図である。
【図１２】第１実施形態の超音波アクチュエータ〜第６実施形態の超音波アクチュエータのいずれかを用いた超音波モータの構成例を示す説明図であり、図１２（ａ）は正面図、図１２（ｂ）は上面図である。
【図１３】従来の振動帰還型発振回路を構成した自励振駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１５振動子
１５ｂ振動検出領域
１６駆動装置

Claims

対称伸び振動である第１の振動及び面内屈曲振動である第２の振動を少なくとも発生するとともに、前記第１の振動又は前記第２の振動の振幅が、前記第１の振動及び前記第２の振動以外の他の振動の振幅よりも大きい位置に形成された振動検出領域を有する振動子と、
該振動検出領域からの出力を入力部に帰還させることによって、前記第１の振動又は前記第２の振動の周波数と略同じ値の周波数を有する駆動信号を前記振動子へ入力する駆動装置と、
前記第１の振動と前記第２の振動の合成振動が取り出される駆動力取出部とを備え、
前記振動検出領域は、前記第２の振動の振幅が前記第１の振動の振幅より大きい位置であり、かつ、前記振動子の中心と前記振動検出領域の中心を結ぶ仮想直線が、前記振動子の中心と前記駆動力取出部とを結ぶ仮想直線と交差する位置に形成されていること
を特徴とする振動アクチュエータ。
前記振動子は中空円板形状を有すること
を特徴とする請求項１に記載された振動アクチュエータ。
前記対称伸び振動は（Ｒ・１）振動であるとともに、前記面内屈曲振動は（（１・１））振動であること
を特徴とする請求項２に記載された振動アクチュエータ。
前記振動検出領域は、前記振動子の中心及び前記駆動力取出部を結ぶ仮想直線と、前記振動子の中心及び前記振動検出領域の中心を結ぶ線とのなす角度が、略９０度となる位置及び略−９０度となる位置のうちの少なくとも一方に設けられること
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。
前記振動検出領域は、前記振動子の中心及び前記駆動力取出部を結ぶ仮想直線を軸に２つ対称的に配置されており、前記駆動装置は、前記振動子が発生する駆動力の方向に応じて、前記２つの振動検出領域のうちの少なくとも一方の領域に設けられる前記振動検出領域からの入力信号を切り換えて用いること
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。
前記振動検出領域は、前記振動子の外周側に設けられることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ。
前記駆動力取出部は、前記振動子の一方の面に設けられた前記駆動信号を供給する２つの電極の境界の延長上に設けられたことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ。