JP5184811B2 - 振動型アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を用いて構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を発生させるアクチュエータ本体を備えた振動型アクチュエータに関するものである。

圧電素子を用いたアクチュエータ本体を備えた振動型アクチュエータは、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。

かかるアクチュエータ本体は、圧電素子を含んでいて、圧電素子を振動させることによってアクチュエータ本体全体として縦振動と屈曲振動との複数の振動が調和的に生じるように構成されている。そして、このアクチュエータ本体は、移動体の方向へ弾性的に支持されており、該アクチュエータ本体に設けられた駆動子が該移動体に対して加圧接触している。つまり、アクチュエータ本体が縦振動と屈曲振動とを調和的に行うと、駆動子を介して移動体に駆動力が伝達され、移動体が所定の可動方向へ移動する。
特開平８−１９１５７５号公報

ところが、特許文献１に係る振動型アクチュエータは、移動体の方向へのみ弾性的に支持されており、駆動子から駆動力が出力される方向である駆動方向へは非弾性的に支持されている。その結果、アクチュエータ本体の該駆動方向への振動を阻害してしまい、振動型アクチュエータの効率を低下させてしまう虞がある。

そこで、アクチュエータ本体を駆動方向について弾性的に支持することが考えられる。こうすることで、アクチュエータ本体の駆動方向への振動を阻害することなく、該アクチュエータ本体を支持することができる。

しかしながら、駆動力をアクチュエータ本体から駆動子を介して移動体に対し前記駆動方向へ伝達させる際には、アクチュエータ本体は移動体から反力を受ける。例えば、移動体を駆動方向一方側へ移動させるときには、アクチュエータ本体は駆動方向の他方側へ反力を受ける。ここで、駆動負荷が小さい場合にはその反力も小さいため、アクチュエータ本体を駆動方向へ弾性的に支持する構成であっても、その弾性的支持によって反力を受け止め、移動体に対して十分な駆動力を与えることができる。しかし、駆動負荷が大きい場合にはその反力も大きいため、反力を前記弾性的支持で受け止めることができず、移動体に対して駆動力をうまく出力することができない。すなわち、アクチュエータ本体の振動変位が駆動力として出力されず、アクチュエータ本体の弾性支持部を弾性変形させる力として消費されてしまうことになる。

つまり、アクチュエータ本体を駆動方向へ弾性的に支持する構成においては、弾性支持部の弾性力と移動体からの反力とのバランスの上でアクチュエータ本体の駆動力が移動体へ伝達しているため、駆動力の大きさに限界がある。

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、アクチュエータ本体の駆動方向への振動を阻害することなく且つ、駆動子が受ける反力が大きい場合でも駆動力を十分に出力することができるアクチュエータ本体の支持構造を実現することにある。

本発明に係る振動型アクチュエータは、圧電素子を用いて構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を発生させるアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体に設けられて該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで所定の駆動方向への駆動力を出力する駆動子と、前記アクチュエータ本体を収容するケースと、前記アクチュエータ本体と前記ケースとの間に設けられて、該アクチュエータ本体を該ケースに対して前記駆動方向に弾性支持する弾性支持体と、前記アクチュエータ本体と前記ケースとの間に設けられて、前記アクチュエータ本体が前記駆動方向に変位するときに少なくとも該アクチュエータ本体及び該ケースの一方と当接することによって該アクチュエータ本体の該駆動方向への変位を制限する当接部材とを備えるものである。

本発明によれば、アクチュエータ本体を駆動方向に弾性支持体で弾性支持すると共に、さらにアクチュエータ本体の駆動方向への変位を制限する当接部材を設けることによって、アクチュエータ本体をその振動を阻害することなく弾性支持体で弾性的に支持することができると共に、駆動子が駆動力を出力する相手側の部材からの反力が大きいときには該反力を当接部材で受け止めてアクチュエータ本体の駆動力を該相手側の部材へ確実に伝達させることができる。

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。

本発明の実施形態に係る駆動装置１は、図１、２に示すように、ステージ１１と、超音波アクチュエータ２と、該超音波アクチュエータ２を駆動制御する制御装置７とを備えている。

ステージ１１は、互いに平行な状態で固定体としての基台（図示省略）上に固定されたガイド１２，１２に摺動可能に取り付けられている。つまり、ステージ１１は、ガイド１２，１２が延びる方向に沿って移動可能に構成されている（これらガイド１２，１２の延びる方向がステージ１１の可動方向に相当する）。このステージ１１は、平面視略方形の板状部材である。そして、前記超音波アクチュエータ２は、このステージ１１の裏面（ガイド１２，１２が設けられている側の面）に後述する駆動子４９，４９が接触するように配設されている。

前記超音波アクチュエータ２は、図３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の駆動力をステージ１１に伝達させる駆動子４９，４９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を前記ステージ１１に付勢するための付勢ゴム６２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の変位を制限するストッパ６３，６３とを備えている。この超音波アクチュエータ２が振動型アクチュエータを構成する。

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４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５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。これら外部電極４５，４６，４７が給電電極を構成する。

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４９，４９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４９，４９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４９，４９は、少なくともステージ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。また、これら駆動子４９，４９は、その長手方向が圧電素子ユニット４０の厚み方向（即ち、積層方向）を向いており、各駆動子４９の長手方向中心部が圧電素子ユニット４０の厚み方向中心部に一致するように配設されている。

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６参照）の共振周波数と屈曲振動の２次モード（図７参照）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８（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４９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８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３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３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３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３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４９，４９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の厚み方向（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。

また、ケース５には、図９に示すように、電極５６，５７，５８がインサート成形されている。これら電極５６，５７，５８は、ケース５に収容されるアクチュエータ本体４の外部電極４６，４５，４７とそれぞれ対向する位置に設けられている。詳しくは、第１短辺壁部５２の内側表面には、アクチュエータ本体４の外部電極４６と対向する位置に電極５６が設けられており、長辺壁部５４の内側表面には、アクチュエータ本体４の外部電極４５と対向する位置に電極５７が設けられており、第２短辺壁部５３の内側表面には、アクチュエータ本体４の外部電極４７と対向する位置に電極５８が設けられている。これら電極５６，５７，５８はそれぞれ、長辺壁部５４の外側表面に設けられた端子電極５６ａ，５７ａ，５８ａに電気的に接続されている。尚、ケース５に電極５６，５７，５８及び端子電極５６ａ，５７ａ，５８ａを設ける構成は、前述の如く、インサート成形に限られず、ＭＩＤ（Mold Interconnection Device）によっても実現することができ、その他、任意の構成を採用することができる。

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４９，４９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及びストッパ６３，６３が介設されている。これら支持ゴム６１，６１が弾性支持体を構成し、ストッパ６３，６３が当接部材を構成する。

前記各支持ゴム６１は、図１０に示すように、円柱形状をした導電性ゴムで構成されている。詳しくは、支持ゴム６１は、シリコーンゴム６１ａ内に銀を主成分とする複数の金属薄膜層６１ｂ，６１ｂ，…を間隔を空けて介設したものである。

また、前記各ストッパ６３は、図１１に示すように、板状部材であって、支持ゴム６１よりも弾性率が高い、即ち、高剛性の材質（例えば、ケース５と同様の樹脂等）で構成されている。このストッパ６３には、支持ゴム６１が挿通される挿通孔６３ａが形成されている。

このように構成された支持ゴム６１及びストッパ６３は、ストッパ６３の挿通孔６３ａに支持ゴム６１が挿通されて支持ゴム６１がストッパ６３を貫通した状態で、ストッパ６３がケース５の長辺壁部５４上に立設されるように、圧電素子ユニット４０と第１及び第２短辺壁部５２，５３との隙間に介設されている。

ここで、支持ゴム６１の、圧電素子ユニット４０の長手方向への長さは、圧電素子ユニット４０をその長手方向両側において前記第１及び第２短辺壁部５２，５３との間に等間隔の隙間を有した状態でケース５内に収容したときの該隙間よりも長い寸法となっている。つまり、支持ゴム６１は、該長手方向に圧縮変形した状態で圧電素子ユニット４０とケース５との隙間に介設されている。また、一方の支持ゴム６１は、アクチュエータ本体４の外部電極４６及びケース５の電極５６のそれぞれと当接して両者を電気的に導通させ、他方の支持ゴム６１は、アクチュエータ本体４の外部電極４７及びケース５の電極５８のそれぞれと当接して両者を電気的に導通させている。つまり、支持ゴム６１，６１は、アクチュエータ本体４を支持する機能に加えて、アクチュエータ本体４の外部電極４６，４７に通電するための給電端子としての機能も果たしている。

こうして、付勢ゴム６１，６１は、圧電素子ユニット４０をその長手方向両側から内方に付勢した状態で弾性的に支持すると共に、圧電素子ユニット４０とケース５の端子電極５６ａ，５８ａとを電気的に導通させている。このとき、付勢ゴム６１，６１が当接する、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。

一方、ストッパ６３の厚み（圧電素子ユニット４０の長手方向への長さ）は、圧電素子ユニット４０をその長手方向両側において前記第１及び第２短辺壁部５２，５３との間に等間隔の隙間を有した状態でケース５内に収容したときの該隙間よりも小さな寸法となっている。つまり、ストッパ６３は、圧電素子ユニット４０が第１及び第２短辺壁部５２，５３と長手方向において等間隔の隙間を有してケース５内に収容されているときには、圧電素子ユニット４０と第１及び第２短辺壁部５２，５３との間を移動可能な状態となっている。

さらに、ストッパ６３をケース５内において長辺壁部５４上に立設させたときに、ストッパ６３の挿通孔６３ａ内に挿通された支持ゴム６１がアクチュエータ本体４の外部電極４６（４７）及びケース５の電極５６（５８）と当接する位置に位置するように、挿通孔６３ａの高さ（圧電素子ユニット４０の短手方向における位置）が設定されている。

また、前記付勢ゴム６２も、支持ゴム６１と同様に、シリコーンゴム内に銀を主成分とする複数の金属薄膜層…を間隔を空けて介設した導電性ゴムで構成されている。付勢ゴム６２は、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及びケース５の電極５７のそれぞれと当接して両者を電気的に導通させることによって、圧電素子ユニット４０と端子電極５７ａとを電気的に導通させている。

つまり、ケース５の外側表面に設けられた前記端子電極５６ａ，５７ａ，５８ａ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超音波アクチュエータ２は、駆動子４９，４９がステージ１１の下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、超音波アクチュエータ２は、圧電素子ユニット４０の短手方向がステージ１１の下面に直交すると共に、圧電素子ユニット４０の長手方向がステージ１１の下面と平行で且つガイド１２，１２と平行になるように配置される。さらに換言すれば、超音波アクチュエータ２は、圧電素子ユニット４０の屈曲振動の方向がステージ１１の下面と直交すると共に、圧電素子ユニット４０の縦振動の方向がガイド１２，１２と平行な方向を向くように配置される。

このとき、前記付勢ゴム６２が圧縮変形しており、この付勢ゴム６２の弾性力によって駆動子４９，４９がステージ１１に付勢されている。超音波アクチュエータ２のステージ１１への付勢力は、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端子電極５６ａ，５８ａに印加する。

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４９，４９を図８に示すような周回運動させることで、ステージ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端子電極５６ａ，５８ａ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°ずれた状態で端子電極５６ａ，５８ａ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４９，４９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４９，４９は、ステージ１１との当接及び離間を周期的に繰り返しながら、ステージ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、ステージ１１はガイド１２，１２に沿って移動する。この圧電素子ユニット４０の長手方向（ガイド１２，１２が延びる方向と一致する）が、駆動子４９，４９が駆動力を出力する方向である駆動方向に相当する。

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１２の左側）の駆動子４９は、図１２（ｂ）に示すように、短手方向（屈曲振動の振動方向）においてステージ１１側の領域を変位するため、ステージ１１との間の摩擦力が増大し、この摩擦力によってステージ１１を該長手方向における該一方の駆動子４９が変位する側（図１２の左側）へ移動させる。このとき、他方（図１２の右側）の駆動子４９は、該長手方向において一方の駆動子４９とは逆向きに変位するが、該短手方向において反ステージ１１側（ステージ１１から離れる側）の領域を変位するため、ステージ１１との摩擦力が減少した状態か又はステージ１１から離れて摩擦力が作用しない状態であるため、ステージ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１２の右側）の駆動子４９は、図１２（ｃ）に示すように、短手方向においてステージ１１側の領域を変位するため、ステージ１１との間の摩擦力が増大し、この摩擦力によってステージ１１を該長手方向における該他方の駆動子４９が変位する側（図１２の左側）へ移動させる。このとき、一方（図１２の左側）の駆動子４９は、該長手方向において他方の駆動子４９とは逆向きに変位するが、該短手方向において反ステージ１１側の領域を変位するため、ステージ１１との摩擦力が減少した状態か又はステージ１１から離れて摩擦力が作用しない状態であるため、ステージ１１の移動にはほとんど影響を与えない。この移動方向は、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４９によるステージ１１の移動方向と同じである。

こうして、２つの駆動子４９，４９は、位相が１８０°ずれた状態で交互にステージ１１を所定の一方向へ移動させる。尚、前記交流電圧を位相を−９０°ずらした状態で端子電極５６ａ，５８ａに印加することによって、駆動子４９，４９が出力する駆動力を逆向きにすることができ、ステージ１１を他方向へ移動させることができる。

尚、ステージ１１の移動量、移動速度及び移動加速度は、端子電極５６ａ，５８ａ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、又は端子電極５６ａと端子電極５８ａ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。

このように、圧電素子ユニット４０を振動させて駆動子４９，４９からステージ１１へ駆動力を付与する際には、逆に、圧電素子ユニット４０は駆動子４９，４９を介してステージ１１から反力を受ける。尚、この反力の大きさは、駆動子４９，４９が出力する駆動力の大きさ、即ち、駆動子４９，４９の周回運動の大きさ、付勢ゴム６２による駆動子４９，４９をステージ１１へ付勢する付勢力の大きさ、駆動子４９，４９とステージ１１との間の摩擦係数等によって決まる。

このステージ１１からの反力を受ける結果、圧電素子ユニット４０は、駆動子４９，４９が駆動力を出力する駆動方向、即ち、ステージ１１の移動方向とは逆向きに変位する。

例えば、図１３に示すように、ステージ１１を駆動方向の一方側（図１３における左側）に駆動するときには、圧電素子ユニット４０は、該駆動方向の他方側（図１３における右側）へ反力を受けて変位する。圧電素子ユニット４０が駆動方向の他方側へ変位すると、支持ゴム６１，６１のうち駆動方向の他方側に位置する支持ゴム６１が圧縮変形する。こうして、支持ゴム６１が圧縮変形することで該支持ゴム６１による弾性力が大きくなり、この弾性力とステージ１１からの反力とのバランスがとれるところまで、圧電素子ユニット４０は駆動方向他方側へ変位する。ステージ１１からの反力が小さい場合には、このように該反力を駆動方向の他方側の支持ゴム６１の弾性力で受け止めて、ステージ１１に対して駆動方向一方側へ駆動力を付与することができる。

ここで、ステージ１１からの反力が大きい場合には、ステージ１１からの反力による圧電素子ユニット４０の駆動方向他方側への変位がストッパ６３によって受け止められ、このストッパ６３が支点となって、圧電素子ユニット４０の駆動力をステージ１１へ付与することができる。つまり、ステージ１１からの反力により圧電素子ユニット４０が駆動方向他方側へ変位して該圧電素子ユニット４０の短辺側面と第２短辺壁部５３との隙間がストッパ６３の厚みと一致したときには、圧電素子ユニット４０とストッパ６３と第２短辺壁部５３とがこの順番で互いに当接し合うため、圧電素子ユニット４０は駆動方向他方側へそれ以上変位することが制限される。つまり、支持ゴム６１をストッパ６３の厚みまで変形させる弾性力以上の反力については、ストッパ６３によって受け止められる。ここでいう「制限」とは、駆動方向への変位を完全に禁止する必要はなく、駆動方向への変位を抑制するものであればよい。

このとき、駆動方向一方側の支持ゴム６１はもともと圧縮変形しているため圧電素子ユニット４０の駆動方向他方側への変位に伴って伸張するが、伸張してもなお圧縮変形した状態となるように、その自然長が設定されている。つまり、支持ゴム６１の自然長は、前記長手方向の他方側において圧電素子ユニット４０とストッパ６３と第２短辺壁部５３とが互いに当接し合った状態において、該長手方向の一方側における圧電素子ユニット４０と第１短辺壁部５２との隙間よりも大きな寸法に設定されている。その結果、圧電素子ユニット４０が駆動方向他方側へ変位して該圧電素子ユニット４０とストッパ６３と第２短辺壁部５３とが当接し合ったときであっても、支持ゴム６１は圧電素子ユニット４０の外部電極４６と第１短辺壁部５２の電極５６との接触状態を維持したままとなり、両者の電気的導通を維持することができる。

尚、ステージ１１を駆動方向の他方側（図１３における右側）に駆動する場合も、同様の現象が起こる。

このように、ステージ１１からの反力が小さいときには圧電素子ユニット４０を支持ゴム６１によって弾性的に支持する一方、ステージ１１からの反力が所定値よりも大きいときには圧電素子ユニット４０をストッパ６３によって高い剛性で支持するため、圧電素子ユニット４０の駆動力を駆動子４９，４９を介して効率良くステージ１１に伝達させて該ステージ１１を駆動することができる。また、圧電素子ユニット４０の駆動方向一方側をストッパ６３で支持しているときには、圧電素子ユニット４０の駆動方向他方側が支持ゴム６１によって弾性的に支持されているため、圧電素子ユニット４０はその振動が阻害されることはない。

したがって、前記実施形態によれば、圧電素子ユニット４０を長手方向両側から支持ゴム６１，６１で弾性的に支持すると共に、さらに圧電素子ユニット４０の長手方向両側に該圧電素子ユニット４０の該長手方向への変位を制限するストッパ６３，６３を設けることによって、圧電素子ユニット４０をその振動を阻害することなく支持ゴム６１，６１で弾性的に支持することができると共に、ステージ１１からの反力が大きいときには該反力をストッパ６３で受け止めて圧電素子ユニット４０の駆動力をステージ１１へ確実に伝達させることができる。

このとき、ストッパ６３により高い剛性で支持されるのは、ステージ１１に駆動力を付与する上で支点とならなければならない圧電素子ユニット４０における長手方向一方側の短辺側面だけであって、圧電素子ユニット４０の長手方向他方側の短辺側面は支持ゴム６１により弾性的に支持されている。そのため、圧電素子ユニット４０は長手方向一方側への変位が制限されるものの、該長手方向への振動は制限されず、該長手方向への縦振動と短手方向への屈曲振動とを調和的に発生させることができる。その結果、駆動子４９，４９は、所望の駆動力を制限されることなく出力することができる。

また、前記実施形態では、ストッパ６３を支持ゴム６１よりも高い弾性率の材質で構成することによって、より大きな弾性力でステージ１１からの反力を受け止めることができる。

さらに、本実施形態のように、支持ゴム６１，６１を導電性ゴムで構成して、支持ゴム６１，６１に圧電素子ユニット４０の弾性支持だけでなく、圧電素子ユニット４０とケース５の端子電極５６ａ，５８ａとを電気的に導通させる機能も持たせる構成においては、圧電素子ユニット４０がステージ１１からの反力によって駆動方向一方側へ変位しても、その変位量はストッパ６３によって制限されているため、駆動方向他方側における圧電素子ユニット４０とケース５との間の間隔も制限される。その結果、圧電素子ユニット４０とケース５との駆動方向における間隔が広くなり過ぎて、支持ゴム６１が圧電素子ユニット４０の外部電極４６（４７）又はケース５の電極５６（５８）と非接触状態となって両者の電気的導通を遮断してしまうという事態を防止することができ、圧電素子ユニット４０とケース５の端子電極５６ａ，５８ａとの電気的導通を維持することができる。

さらにまた、支持ゴム６１をストッパ６３の挿通孔６３ａ内に配設するように構成すると共に、ストッパ６３をケース５の長辺壁部５４上に立設させたときに該支持ゴム６１が圧電素子ユニット４０の外部電極４６（４７）及びケース５の電極５６（５８）と当接する位置に位置するように該挿通孔６３ａの高さ（圧電素子ユニット４０の短手方向における位置）を設定することによって、支持ゴム６１の位置決めを容易に行うことができ、組立性を向上させることができる。そして、前記実施形態のように、支持ゴム６１を導電性ゴムで構成して、該支持ゴム６１，６１によって圧電素子ユニット４０の外部電極４６，４７とケース５の電極５６，５８とを電気的に導通させる構成においては、支持ゴム６１による電気的導通を確実なものとすることができ、特に有効である。

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

前記実施形態では、ストッパ６３，６３の材質として、ケース５と同様の樹脂を挙げているが、これに限られるものではない。例えば、シリコーンゴム等の弾性体でもよい。かかる場合には、圧電素子ユニット４０がストッパ６３と当接するまでは支持ゴム６１のみによって圧電素子ユニット４０を弾性的に支持し、圧電素子ユニット４０がストッパ６３と当接した後は該ストッパ６３と支持ゴム６１とで圧電素子ユニット４０を弾性的に支持することになる。つまり、圧電素子ユニット４０がストッパ６３と当接した後は、該圧電素子ユニット４０をストッパ６３と支持ゴム６１とで並列に弾性支持することになり、支持ゴム６１のみで弾性支持していたときよりも大きな弾性力で圧電素子ユニット４０を支持することができる。その結果、圧電素子ユニット４０をその振動を阻害することなく弾性的に支持することができると共に、ステージ１１の反力に耐えて駆動力をステージ１１に十分に出力することができる支持構造を実現することができる。ただし、アクチュエータ本体４である圧電素子ユニット４０を駆動方向へ弾性的に支持する支持ゴム６１，６１よりも高い弾性率を有する材質であることが好ましい。そうすることで、より大きな弾性力でステージ１１からの反力を受け止めることができる。

また、支持ゴム６１とストッパ６３との形状及び配置は、前記実施形態に限られるものではない。すなわち、支持ゴム６１をストッパ６３に形成した挿通孔６３ａ内に挿通させる必要はなく、支持ゴム６１で圧電素子ユニット４０を弾性的に支持することができ且つ、圧電素子ユニット４０が駆動方向に或る程度変位したら当接してその変位を制限することができる形状及び配置であれば、任意の配置及び形状を採用することができる。ただし、前記実施形態によれば、支持ゴム６１をストッパ６３に形成した挿通孔６３ａ内に挿通させて、圧電素子ユニット４０とケース５との間に介設させることによって、支持ゴム６１を位置決めすることができ、支持ゴム６１を圧電素子ユニット４０の外部電極４６（４７）及びケース５の電極５６（５８）に確実に当接させることができる。

さらに、前記実施形態では、ストッパ６３がケース５や圧電素子ユニット４０と別体で形成されているが、これに限られるものではない。すなわち、ストッパ６３とケース５とが一体的に、あるいは、ストッパ６３と圧電素子ユニット４０とが一体的に形成されていてもよい。例えば、ストッパ６３とケース５とが一体的に形成される構成としては、圧電素子ユニット４０の短辺側面と対向する部分であって支持ゴム６１が当接しない部分に圧電素子ユニット４０側に突出する突出部を設け、該突出部でストッパ（当接部材）を構成してもよい。かかる構成の場合、圧電素子ユニット４０は、突出部と当接するまでは、支持ゴム６１により弾性的に支持された状態で駆動方向に変位可能である一方、駆動方向への変位が大きくなり圧電素子ユニット４０が突出部に当接すると、駆動方向へそれ以上変位することが制限される。その他にも、ケース５の第１及び第２短辺壁部にケース５の内側へ開口する、支持ゴム６１を配設するための有底の配設穴を形成する構成であってもよい。かかる構成の場合、圧電素子ユニット４０は、第１又は第２短辺壁部５２，５３に当接するまでは、支持ゴム６１により弾性的に支持された状態で駆動方向に変位可能である一方、駆動方向への変位が大きくなり圧電素子ユニット４０が第１又は第２短辺壁部５２，５３に当接すると、駆動方向へそれ以上変位することが制限される。同様に、ストッパ６３と圧電素子ユニット４０とが一体的に形成される構成としては、圧電素子ユニット４０の短辺側面における支持ゴム６１が当接しない部分に第１又は第２短辺壁部５２，５３側に突出する突出部を設けて、該突出部でストッパを構成してもよい。かかる構成の場合、圧電素子ユニット４０は、突出部が第１又は第２短辺壁部５２，５３に当接するまでは、支持ゴム６１により弾性的に支持された状態で駆動方向に変位可能である一方、駆動方向への変位が大きくなり圧電素子ユニット４０の突出部が第１又は第２短辺壁部５２，５３に当接すると、それ以上駆動方向へ変位することが制限される。このように、当接部材は、支持ゴム６１により弾性的に支持された状態での圧電素子ユニット４０の駆動方向への変位を或る程度は許容しつつ、その変位が所定値となると、圧電素子ユニット４０のそれ以上の駆動方向への変位を制限する構成であれば、任意の構成を採用することができる。

前記実施形態では、支持ゴム６１が円柱形状に形成され、シリコーンゴムに金属薄膜層を介設させた構造となっているが、これに限られるものではない。例えば、シリコーンゴム等の弾性体に金属粒子を混入した導電性ゴムであってもよい。また、その形状も、円柱形状に限定されるものではなく、直方体等の任意の形状を採用することができる。

また、前記実施形態では、超音波アクチュエータ２を、アクチュエータ本体４に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４９，４９とステージ１１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、超音波アクチュエータ２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１４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４９が設けられた超音波アクチュエータ２０２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４９が周回運動を行い、ステージ１１との間の摩擦力を介して、該ステージ１１を所定の可動方向（短手方向と平行な方向）へ移動させることができる。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、圧電素子を挟み込んだ構成であってもよい。この場合、圧電素子を含んで構成された共振器がアクチュエータ本体を構成する。

さらに、前記実施形態では、超音波アクチュエータ２を基台に固定すると共に、駆動子４９，４９を移動可能なステージ１１に当接させて、該超音波アクチュエータ２を作動させることで該ステージ１１を駆動させているが、図１５に示すように、超音波アクチュエータ２をステージに固定する構成としてもよい。詳しくは、駆動装置３０１は、互いに平行な状態で基台に固定されたガイド１３，１３と、該ガイド１３，１３に摺動自在に取り付けられたステージ１４と、超音波アクチュエータ２とを備えている。該ガイド１３，１３のうちの一方のガイド１３には、該ガイド１３に固定された当接部材１３ａが設けられている。一方、ステージ１４には、アクチュエータ取付部１４ａが設けられている。そして、超音波アクチュエータ２は、駆動子４９，４９が該ガイド１３の当接部材１３ａに当接する状態で、該ステージ１４のアクチュエータ取付部１４ａにケース５が取り付けられている。この状態で、超音波アクチュエータ２を作動させると、駆動子４９，４９は当接部材１３ａに対して駆動力を出力するが、該当接部材１３ａは固定されているため、超音波アクチュエータ２自体が当接部材１３ａに対して相対的にガイド１３，１３の長手方向に振動する。その結果、アクチュエータ取付部１４ａを介してケース５と連結されたステージ１４がガイド１３，１３の長手方向に駆動される。

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、振動方向が互いに異なる複数の振動を発生させるアクチュエータ本体をその駆動方向において弾性的に支持する振動型アクチュエータについて有用である。

本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの概略構成を示す概略正面図である。 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概略構成を示す概略正面図である。 アクチュエータ本体の長手方向への縦振動の１次モードによる変位を示す概念図である。 アクチュエータ本体の屈曲振動の２次モード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の概略断面図である。 支持ゴムの斜視図である。 支持ゴム及びストッパの斜視図である。 超音波アクチュエータによるステージ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ステージを駆動する状態、（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ステージを駆動する状態を示す。 アクチュエータ本体が駆動方向他方側へ変位したときの状態を示す、駆動装置の概略正面図である。 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

２ 超音波アクチュエータ（振動型アクチュエータ）
４ アクチュエータ本体
４６ 外部電極（給電電極）
４７ 外部電極（給電電極）
４９ 駆動子
５ ケース
６１ 支持ゴム（弾性支持体）
６３ ストッパ（当接部材）

Claims (8)

1. 圧電素子を用いて構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を発生させるアクチュエータ本体と、
   前記アクチュエータ本体に設けられて該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで所定の駆動方向への駆動力を出力する駆動子と、
   前記アクチュエータ本体を収容するケースと、
   前記アクチュエータ本体と前記ケースとの間に設けられて、該アクチュエータ本体を該ケースに対して前記駆動方向に弾性支持する弾性支持体と、
   前記アクチュエータ本体と前記ケースとの間に設けられて、前記アクチュエータ本体が前記駆動方向における所定の範囲内で変位するときには該アクチュエータ本体の該駆動方向への変位を制限せず、該アクチュエータ本体が該所定の範囲を超えて変位するときに少なくとも該アクチュエータ本体及び該ケースの一方と当接することによって該アクチュエータ本体の該駆動方向への変位を制限する当接部材とを備える振動型アクチュエータ。
2. 圧電素子を用いて構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を発生させるアクチュエータ本体と、
   前記アクチュエータ本体に設けられて該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで所定の駆動方向への駆動力を出力する駆動子と、
   前記アクチュエータ本体を収容するケースと、
   前記アクチュエータ本体と前記ケースとの間に設けられて、該アクチュエータ本体を該ケースに対して前記駆動方向に弾性支持する弾性支持体と、
   前記アクチュエータ本体と前記ケースとの間に設けられて、前記アクチュエータ本体が前記駆動方向に変位するときに少なくとも該アクチュエータ本体及び該ケースの一方と当接することによって該アクチュエータ本体の該駆動方向への変位を制限する当接部材とを備え、
   前記弾性支持体は、前記アクチュエータ本体を前記駆動方向における両側から支持すると共に、
   前記当接部材は、前記アクチュエータ本体に対して前記駆動方向の両側に設けられている振動型アクチュエータ。
3. 前記アクチュエータ本体は、前記駆動方向の何れか一方に変位して前記当接部材と当接することで該駆動方向の一方への変位が制限されているときに、前記駆動方向の他方側の部分が前記弾性支持体で弾性的に支持されている請求項２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 圧電素子を用いて構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を発生させるアクチュエータ本体と、
   前記アクチュエータ本体に設けられて該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで所定の駆動方向への駆動力を出力する駆動子と、
   前記アクチュエータ本体を収容するケースと、
   前記アクチュエータ本体と前記ケースとの間に設けられて、該アクチュエータ本体を該ケースに対して前記駆動方向に弾性支持する弾性支持体と、
   前記アクチュエータ本体と前記ケースとの間に設けられて、前記アクチュエータ本体が前記駆動方向に変位するときに少なくとも該アクチュエータ本体及び該ケースの一方と当接することによって該アクチュエータ本体の該駆動方向への変位を制限する当接部材とを備え、
   前記アクチュエータ本体には、前記圧電素子と電気的に接続された給電電極が設けられ、
   前記弾性支持体は、導電性ゴムで構成され、前記給電電極と当接して前記アクチュエータ本体を弾性的に支持すると共に該給電電極に給電するための給電端子となる振動型アクチュエータ。
5. 前記当接部材は、前記弾性支持体よりも弾性率が高い請求項１乃至４の何れか１つに記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記アクチュエータ本体は、長手方向及び該長手方向に直交する短手方向を有する形状をしており、
   前記複数の振動は、前記アクチュエータ本体の前記長手方向への縦振動と前記短手方向への屈曲振動である請求項１乃至５の何れか１つに記載の振動型アクチュエータ。
7. 前記駆動方向は、前記アクチュエータ本体の前記長手方向と一致する請求項６に記載の振動型アクチュエータ。
8. 前記駆動方向は、前記アクチュエータ本体の前記短手方向と一致する請求項６に記載の振動型アクチュエータ。

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