JPWO2008120456A1 - 超音波アクチュエータ装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧電素子を有し、屈曲振動及び縦振動を行うアクチュエータ本体を備えた超音波アクチュエータ装置に関するものである。駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲が大きい超音波アクチュエータを提供する。超音波アクチュエータ装置は、圧電素子（５０）を有するアクチュエータ本体（５）と、駆動周波数を設定する制御回路（１５０）と、駆動周波数の駆動電圧をアクチュエータ本体（５）に印加する電源（１９１，１９２）と、圧電素子（５０）の反共振周波数と共振周波数との差に関するデータを記憶しておくメモリ（１７０）とを備えている。制御回路（５０）は、圧電素子（５０）の電流値が極小値になる基準周波数とメモリ（１７０）に記憶されたデータとに基づいて、駆動周波数の制御範囲をその下限値が圧電素子（５０）を流れる電流値が極大値となる周波数以上となるように定めて、制御範囲内で駆動周波数を設定する。

Description

本発明は、圧電素子を有し、振動を行うアクチュエータ本体を備えた超音波アクチュエータ装置に関するものである。

従来より、圧電素子を有したアクチュエータ本体を備えた超音波アクチュエータ装置としては、特許文献１に開示されたものが知られている。

特許文献１に係る超音波アクチュエータ装置は、圧電素子で構成されたアクチュエータ本体と、該アクチュエータ本体に取り付けられた駆動子とを備えている。

このアクチュエータ本体は、長手方向を有する平板状の圧電素子で構成されており、対角位置にある２対の電極にそれぞれ位相の異なる交流電圧を印加することで、該圧電素子の長手方向への縦振動（所謂、伸縮振動）と該圧電素子の短手方向への屈曲振動とを調和的に発生させている。その結果、駆動子は、該圧電素子の長手方向と短手方向とを含む平面内で周回運動、詳しくは、楕円運動を行う。

また、特許文献２は、超音波モータ（超音波アクチュエータ装置）を開示している。特許文献２は、超音波モータにおいて、駆動周波数を超音波モータの共振周波数より高く設定し、起動時に高い周波数から低い周波数へ向けて周波数を変更する技術を開示している。

さらに、特許文献３は、超音波モータ（超音波アクチュエータ装置）の制御装置を開示している。特許文献３は、超音波モータの駆動電流が最も小さくなる駆動周波数をサーチして、その周波数に駆動周波数を固定して制御する技術を開示している。
特開２００４−３０４９６３号公報 特開平７−２６４８８２号公報 特開２００６−１１５５８３号公報

特許文献２に記載の超音波モータは、共振周波数のみを基準にしており、また共振周波数自体も、アクチュエータの製造ばらつきや、圧電素子の材料定数のばらつきなどを原因として、その絶対値に大きなばらつきがあるので、制御されるべき駆動周波数の選択範囲が非常に広いという問題があった。駆動周波数が低すぎると、電流が大きくなるので効率が悪くなるばかりではなく、発熱して素子が損傷する虞があるという問題がある。また、駆動周波数が高すぎても同様に発熱して素子が損傷する虞があるという問題がある。

また、特許文献３に記載の超音波モータは、駆動周波数を固定してしまうため、速度などの出力を変化させるには、駆動パルスのデューティ比を変化させるしかなかった。しかしながら、デューティ比の変化を用いると、その制御範囲が極めて小さくなってしまうという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲が大きい超音波アクチュエータ装置を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明の超音波アクチュエータ装置は、圧電素子を有し、振動を行うアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体に印加すべき駆動電圧の駆動周波数を所定の制御範囲内から設定する制御部と、前記制御部からの制御信号を受けて、該制御部で設定された駆動周波数の駆動電圧を前記アクチュエータ本体に印加する電源部と、前記圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に関するデータを記憶しておく記憶部とを備え、前記制御部は、前記圧電素子を流れる電流値が極小値になる基準周波数と前記記憶部に記憶された前記圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に関するデータとに基づいて、前記駆動周波数の制御範囲をその下限値が該圧電素子を流れる電流値が極大値となる周波数以上となるように定めて、該制御範囲内で該駆動周波数を設定するものとする。

本発明によれば、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲が大きい超音波アクチュエータを提供することができる。

図１は、本発明の実施形態１に係る駆動装置の構成を示す分解斜視図である。 図２は、駆動装置の斜視図である。 図３は、超音波アクチュエータの斜視図である。 図４は、圧電素子の分解斜視図である。 図５は、アクチュエータ本体の構成を示す概略正面図である。 図６は、圧電素子の１次モードの伸縮振動による変位を示す概念図である。 図７は、圧電素子の２次モードの屈曲振動による変位を示す概念図である。 図８は、圧電素子の動作を示す概念図である。 図９は、超音波アクチュエータの配置を示す概略平面図である。 図１０は、超音波アクチュエータ制御回路の構成図である。 図１１は、駆動信号を示す波形図であって、（ａ）はステージを図１０のＡ方向へ移動させるとき、（ｂ）はステージを図１０のＢ方向へ移動させるとき、（ｃ）はステージを停止させるときの駆動信号を示す。 図１２は、実施形態１のアクチュエータの速度、駆動電圧に対してアクチュエータを流れる電流、発熱のそれぞれの周波数特性を示す概念図である。 図１３は、実施形態１の制御フローを示すフローチャートである。 図１４は、実施形態１の制御周波数設定処理の内容を示すフローチャートである。 図１５は、実施形態１の制御周波数設定処理の別の内容を示すフローチャートである。 図１６は、実施形態１の制御周波数設定処理の別の内容を示すフローチャートである。 図１７は、実施形態２に係る超音波アクチュエータの斜視図である。 図１８は、実施形態３に係るアクチュエータ本体の斜視図である。 図１９は、超音波アクチュエータの配置を示す概略平面図である。

符号の説明

３ ステージ（被駆動体）
４Ａ，２０４Ａ，３０４Ａ 第１超音波アクチュエータ（第１アクチュエータ）
４Ｂ，２０４Ａ，３０４Ａ 第２超音波アクチュエータ（第２アクチュエータ）
５ アクチュエータ本体
５９ 駆動子

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１，２に示すように、固定部材２と、該固定部材２に対して相対的に移動可能に支持されたステージ３と、該ステージ３を駆動する第１超音波アクチュエータ４Ａ及び第２超音波アクチュエータ４Ｂと、該第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂを駆動制御する制御装置（図示省略）とを備えている。

前記固定部材２は、平面視方形状の底壁部２１と、底壁部２１の四隅部からそれぞれ立設する４つの側壁部２２，２２，…と、該底壁部２１と対向して該４つの側壁部２２，２２，…のうちの３つの側壁部２２，２２，２２の先端部に取り付けられる第１天井壁部２３と、該底壁部２１と対向して該４つの側壁部２２，２２，…のうちの残りの１つの側壁部２２の先端部に取り付けられる第２天井壁部２４とを有している。前記側壁部２２，２２，…は、底壁部２１の対向する一方の対の辺縁部にそれぞれ２つずつ設けられている。底壁部２１の各辺縁部に設けられた２つの側壁部２２，２２は、該辺縁部の両端部に設けられている。前記第１天井壁部２３は、平面視略Ｌ字形状をした平板部材であって、３つの側壁部２２，２２，２２の先端部に跨って取り付けられている。また、前記第２天井壁部２４は、平面視略方形状をした平板部材である。

前記ステージ３は、金属製の平面視正方形状の平板部材であって、前記４つの側壁部２２，２２，…との間に間隔を有する状態で前記固定部材２内に収容されている。尚、ステージ３は、ポリカーボネイト等の樹脂で形成されていてもよい。このステージ３が被駆動体を構成する。

また、ステージ３の下面における一の辺縁部及び該一の辺縁部と直交する２つの辺縁部のうちの一方には、ステージ３の下面及び側面に開口する凹部３２，３２が形成されている。この凹部３２，３２には、セラミック製の補強部材３３，３３が嵌め込まれて接着されている。この補強部材３３，３３は、ステージ３の下面と面一に配置されている。尚、補強部材３３，３３は、セラミック製に限られず、耐摩耗性を有する部材であれば、任意の部材を採用することができる。

このステージ３は、その四隅部が支持バネ２５，２５，…によって第１及び第２天井壁部２３，２４に対して支持されている。このとき、ステージ３と第１及び第２天井壁部２３，２４との間には、金属製の球状の転動体２６，２６，２６（本実施形態では３つ）が設けられている。ステージ３の上面（第１及び第２天井壁部２３，２４と対向する面）には、転動体２６，２６，２６のステージ３に対する相対移動を規制するための受け穴部３１，３１，３１が形成されている。前記転動体２６，２６，２６はこの受け穴部３１，３１，３１内に配設される一方、第１及び第２天井壁部２３，２４の下面（ステージ３と対向する面）と当接している。さらに詳しくは、転動体２６，２６，２６のうちの２つはステージ３と第１天井壁部２３との間に介設され、残りの１つはステージ３と第２天井壁部２４との間に介設されている。こうすることで、ステージ３は、第１及び第２天井壁部２３，２４に対して一定の間隔を有した状態で付勢支持されていると共に、転動体２６，２６，２６を介して該ステージ３の上面及び下面と平行な方向に移動可能に構成されている。

前記第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、同様の構成をしている。各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）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５と、該アクチュエータ本体５の駆動力をステージ３に伝達する駆動子５９，５９と、該アクチュエータ本体５を収容するケース６と、アクチュエータ本体５とケース６との間に介設されてアクチュエータ本体５を弾性的に支持する支持ゴム７１，７１と、アクチュエータ本体５を前記ステージ３に付勢するための付勢ゴム７２とを備えている。

前記アクチュエータ本体５は、圧電素子５０で構成されている。

前記圧電素子５０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５０は、図４に示すように、５つの圧電体層５１，５１，…と４つの内部電極層５２，５４，５３，５４とを交互に積層して構成される。内部電極層５２，５４，５３，５４は、積層方向に圧電体層５１を介して交互に配された、第１給電電極層５２と共通電極層５４と第２給電電極層５３と共通電極層５４とで構成される。これら第１給電電極層５２、第２給電電極層５３及び共通電極層５４，５４のそれぞれは、各圧電体層５１の主面上に印刷されている。

前記各圧電体層５１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５０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５１には、その長辺側面のうち前記駆動子５９，５９が設けられていない側の長辺側面の長手方向中央部に外部電極５５ａが、一方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極５６ａが、他方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極５７ａがそれぞれ形成されている。

前記各共通電極層５４は、圧電体層５１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５４の一方の長辺部には、その長手方向中央部から圧電体層５１の前記外部電極５５ａまで延びる引出電極５４ａが形成されている。

前記第１給電電極層５２は、図５に示すように、圧電体層５１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５２ａ，５２ｂと、これら第１電極５２ａ，５２ｂを連結して導通させる導通電極５２ｃとを有する。各第１電極５２ａ（５２ｂ）は略矩形状の電極であり、積層方向に見て共通電極層５４と重なっている。つまり、各第１電極５２ａ（５２ｂ）は、圧電体層５１を挟んで共通電極層５４と対向している。また、第１電極５２ａ，５２ｂのうちの一方の第１電極５２ａには、圧電体層５１の前記外部電極５６ａまで延びる引出電極５２ｄが設けられている。

前記第２給電電極層５３は、圧電体層５１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５３ａ，５３ｂと、これら第２電極５３ａ，５３ｂを連結して導通させる導通電極５３ｃ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５２ａの前記短手方向且つ前記第１電極５２ｂ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５３ａであり、第１電極５２ａの該長手方向且つ第１電極５２ｂ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５３ｂである。各第２電極５３ａ（５３ｂ）は略矩形状の電極であり、積層方向に見て共通電極層５４と重なっている。つまり、各第２電極５３ａ（５３ｂ）は、圧電体層５１を挟んで共通電極層５４と対向している。また、第２電極５３ａ，５３ｂのうちの一方の第２電極５３ｂには、圧電体層５１の前記外部電極５７ａまで延びる引出電極５３ｄが設けられている。

これら圧電体層５１，５１，…と内部電極層５２，５４，５３，５４とを交互に積層することで構成された圧電素子５０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５１の外部電極５５ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極５５が形成されている。この外部電極５５には、前記共通電極層５４，５４に形成された引出電極５４ａ，５４ａが電気的に接続されている。同様に、圧電素子５０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５１の外部電極５６ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極５６が形成されている。この外部電極５６には、前記第１給電電極層５２の引出電極５２ｄが電気的に接続されている。また、圧電素子５０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５１の外部電極５７ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極５７が形成されている。この外部電極５７には、前記第２給電電極層５３の引出電極５３ｄが電気的に接続されている。

そして、圧電素子５０の長辺側面のうち前記外部電極５５ａが設けられていない側の長辺側面には、前記駆動子５９，５９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５９，５９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、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５９，５９は、ほぼ球体状であって、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５５をグランドに接続し、前記外部電極５６に所定周波数の交流電圧を、前記外部電極５７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５１の主面の対角線方向に位置する一方の対の第１電極５２ａ，５２ｂと、他方の対の第２電極５３ａ，５３ｂとに互いに位相が９０°ずれた交流電圧を印加され、圧電素子５０には、図６に示す縦振動（いわゆる、伸縮振動）の１次モードと、図７に示す屈曲振動の２次モードとが誘起される。

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、圧電素子５０の材料、形状等により決定される。さらに、両共振周波数は、圧電素子５０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５６，５７のそれぞれに印加することによって、圧電素子５０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５０に設けられた各駆動子５９が該圧電素子５０の主面と平行な平面（図８における紙面と平行な面）内で略楕円運動を起こす。

前記ケース６は、樹脂製であって、前記圧電素子５０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６は、前記圧電素子５０の主面と平行で且つ略長方形状の主壁部６１と、該主壁部６１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６２と、該主壁部６１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６３と、該主壁部６１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６４とを有している。つまり、ケース６は、主壁部６１に対向する側及び該主壁部６１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５０の駆動子５９，５９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、厚み方向（主壁部６１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６内に前記アクチュエータ本体５が収容されている。アクチュエータ本体５は、圧電素子５０の一方の主面が主壁部６１と当接し且つ圧電素子５０の一方の長辺側面（前記外部電極５５が設けられている側の長辺側面）が長辺壁部６４と対向するようにしてケース６内に収容されている。このとき、駆動子５９，５９はケース６から前記短手方向の他側に突出している。また、圧電素子５０の一方の短辺側面とケース６の第１短辺壁部６２との間および圧電素子５０の他方の短辺側面とケース６の第２短辺壁部６３との間にはそれぞれ支持ゴム７１，７１が介設されている。この圧電素子５０の両短辺側面は縦振動の腹の部分であるが、支持ゴム７１，７１は弾性体であるため、圧電素子５０の縦振動を阻害することなく、該圧電素子５０を支持することができる。これら支持ゴム７１，７１は、アクチュエータ本体５並びに第１及び第２短辺壁部６２，６３だけでなく、主壁部６１の内側表面とも当接している。また、圧電素子５０の一方の長辺側面とケース６の長辺壁部６４との間には付勢ゴム７２が介設されている。この付勢ゴム７２は、アクチュエータ本体５及び長辺壁部６４だけでなく、主壁部６１の内側表面とも当接している。

そして、主壁部６１の内側表面における、前記支持ゴム７１，７１及び付勢ゴム７２が当接する部分には電極６１ａ（付勢ゴム７２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６１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７１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７１，７１は、アクチュエータ本体５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７１，７１は、圧電素子５０の外部電極５６，５７と主壁部６１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７２も、支持ゴム７１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７２は、アクチュエータ本体５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７２は、圧電素子５０の外部電極５５と主壁部６１の電極６１ａとを導通させている。

つまり、ケース６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５０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４Ａ，４Ｂは、それぞれステージ３と固定部材２の底壁部２１との間に介設される。第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、ケース６の長辺壁部６４が固定部材２の底壁部２１に固定される一方、駆動子５９，５９がステージ３の下面と当接するように配置されている。すなわち、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、圧電素子５０の短手方向がステージ３の下面に直交すると共に、圧電素子５０の長手方向がステージ３の下面と平行な方向を向くように配置される。さらに換言すれば、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、圧電素子５０の屈曲振動の方向がステージ３の下面と直交すると共に、圧電素子５０の縦振動の方向がステージ３の下面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７２が圧縮変形しており、この付勢ゴム７２の弾性力によって駆動子５９，５９が補強部材３３に付勢されている。各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）のステージ３への付勢力は、付勢ゴム７２の弾性力によって決まる。

尚、本実施形態では、駆動子５９，５９は、ステージ３の下面において補強部材３３，３３の下面と当接している。この補強部材３３を設けることによって、ステージ３の下面の耐摩耗性を向上させている。

さらに詳しくは、第１超音波アクチュエータ４Ａは、図９に示すように、圧電素子５０の長手方向（即ち、縦振動の振動方向）がステージ３の下面の一の辺縁部近傍において該辺縁部と平行な方向（この方向をＸ方向とする。）を向くように配置される。一方、第２超音波アクチュエータ４Ｂは、圧電素子５０の長手方向がステージ３の下面の前記一の辺縁部と直交する辺縁部近傍において該辺縁部と平行な方向（この方向をＹ方向とする。）を向くように配置される。こうして、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、それぞれの圧電素子５０の長手方向が平面視で互いに直交するように配置されている。この第１超音波アクチュエータ４Ａが第１アクチュエータを、第２超音波アクチュエータ４Ｂが第２アクチュエータを構成する。また、Ｘ方向が第１の駆動方向に、Ｙ方向が第２の駆動方向に相当する。

以下に、駆動装置１の組み立て方法について説明する。

まず、前記固定部材２の第１及び第２天井壁部２３，２４を側壁部２２，２２，…の先端部に取り付ける。

次に、前記ステージ３の受け穴部３１，３１，３１に転動体２６，２６，２６を配設し、該ステージ３を支持バネ２５，２５，…によって固定部材２の第１及び第２天井壁部２３，２４に対して取り付ける。

続いて、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂを、固定部材２の底壁部２１とステージ３との間に配置する。ここで、ステージ３が固定部材２に取り付けられた状態において、固定部材２の底壁部２１の上面とステージ３の下面との距離は、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂの前記短手方向長さよりも短くなっている。そこで、アクチュエータ本体５をケース６の長辺壁部６４に押し付けて付勢ゴム７２を圧縮変形させた状態で、各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）を固定部材２の底壁部２１とステージ３との間に配置する。そして、各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）を所望の位置に配置した後、ケース６を固定部材２の底壁部２１に対して固定し、ケース６の外側表面に設けられた前記端子電極に制御装置（図示両略）からの信号線（図示両略）を接続する。このとき、各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）の駆動子５９，５９は、ステージ３の補強部材３３と当接している。

−駆動装置の動作−
次に、このように構成された駆動装置１の動作について説明する。

第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂはそれぞれ、前述の如く、前記ケース６の端子電極を介して、前記外部電極５５をグランドに接続し、前記外部電極５６に所定周波数の交流電圧を、前記外部電極５７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、圧電素子５０に縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させ、駆動子５９，５９に圧電素子５０の主面と平行な平面内において略楕円運動を行わせる。こうすることで、駆動子５９，５９は、ステージ３との当接及び離間を周期的に繰り返しながら、摩擦力によってステージ３を圧電素子５０の長手方向へ移動させる。つまり、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、ステージ３に対して、圧電素子５０の長手方向へ駆動力を付与している。尚、２つの駆動子５９，５９は、図８に示すように、それぞれ位相が１８０°ずれた状態で略楕円運動をしているため、ステージ３は駆動子５９，５９のそれぞれによって交互に駆動される。本実施形態１では、第１超音波アクチュエータ４Ａがステージ３をＸ方向へ移動させる一方、第２超音波アクチュエータ４Ｂがステージ３をＹ方向へ移動させる。

そして、ステージ３の、第１超音波アクチュエータ４Ａによる移動量と、第２超音波アクチュエータ４Ｂによる移動量とを調整することによって、Ｘ方向への移動とＹ方向への移動とを合成させて、ステージ３をその下面（詳しくは、補強部材３３の下面）に平行な平面内で任意の方向に移動させることができる。具体的には、各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）による移動量は、外部電極５６，５７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５６と外部電極５７とに給電する各交流電圧の位相のずれを９０°以外の値に変更する等によって調整することができる。こうして、Ｘ方向への移動とＹ方向への移動とを合成してステージ３を移動させるときには、第１超音波アクチュエータ４Ａと第２超音波アクチュエータ４Ｂとを同時に駆動して、ステージ３を所望の位置の方向へ移動させてもよいし、第１超音波アクチュエータ４Ａと第２超音波アクチュエータ４Ｂとを交互に駆動して、ステージ３をＸ方向とＹ方向とに別々に移動させて所望の位置まで移動させるようにしてもよい。

次に、ステージ３をＸ方向及びＹ方向の何れか一方にのみ移動させる場合について説明する。例えば、ステージ３をＸ方向にのみ移動させるときは、第１超音波アクチュエータ４Ａは、圧電素子５０に縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させてステージ３に駆動力を付与する一方、第２超音波アクチュエータ４Ｂは、圧電素子５０に実質的にステージ３の下面（具体的には、補強部材３３の下面）と平行な平面内での振動のみ、即ち、縦振動のみを発生させて駆動子５９，５９をステージ３に対して滑らせる。

具体的には、第２超音波アクチュエータ４Ｂの前記外部電極５６と前記外部電極５７とに同じ交流電圧を印加する。すなわち、圧電素子５０の第１電極５２ａ，５２ｂ及び第２電極５３ａ，５３ｂ（図５参照）に同位相の交流電圧を印加する。これにより、該圧電素子５０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、実質的に該圧電素子５０には図５に示すような縦振動のみが誘起される。ここで、前記図５に示すような縦振動においては、圧電素子５０は短手方向にも若干振動しているが、この短手方向への振動は長手方向の縦振動に比べて無視できる程に小さい。つまり、「実質的に」とは、それ以外の振動も存在するが、その大きさが無視できる程度に小さいことを意味する。

その結果、第２超音波アクチュエータ４Ｂとステージ３との間の摩擦力を低減して、ステージ３を第１超音波アクチュエータ４ＡによってＸ方向へ効率良く移動させることができる。

この点について以下に詳しく説明する。ステージ３をＸ方向にのみ移動させる際に第２超音波アクチュエータ４Ｂを停止させた状態で、第１超音波アクチュエータ４Ａのみを駆動する場合、第２超音波アクチュエータ４Ｂのアクチュエータ本体５は停止状態であってもステージ３に対して付勢されているため、第２超音波アクチュエータ４Ｂの駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力が第１超音波アクチュエータ４Ａによるステージ３のＸ方向への駆動を阻害している。特に、ステージ３が始動するまでの間は、駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力は静摩擦力であるため、ステージ３の始動時には大きな駆動力が必要となる。本実施形態のようにステージ３を２つの超音波アクチュエータで駆動させる構成においては、一方の超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）による駆動力の方向は他方の超音波アクチュエータ４Ｂ（４Ａ）の駆動子５９，５９を中心とするモーメントを生じさせる方向となるため、他方の超音波アクチュエータ４Ｂ（４Ａ）の駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力が大きいと、ステージ３が第２超音波アクチュエータ４Ｂの駆動子５９，５９を中心に回転しようとする場合もある。

それに対して、本実施形態１では、第１超音波アクチュエータ４Ａを駆動するときに、該第１超音波アクチュエータ４Ａの駆動と同時か又はその駆動よりも先に、第２超音波アクチュエータ４Ｂは、圧電素子５０に実質的に縦振動のみ発生させている。その結果、駆動子５９，５９がステージ３の下面に対し滑って摺動するため、駆動子５９，５９とステージ３の下面との間の摩擦状態は、静摩擦から動摩擦に変わり、摩擦力が低減する。

また、駆動子５９，５９はステージ３の下面と平行な方向に振動しているため、駆動子５９，５９のステージ３の下面に対する摺動速度が速くなり、動摩擦係数が低減する。その結果、停止した駆動子５９，５９に対してステージ３のみが移動している動摩擦状態と比較して、動摩擦力を低減することができる。

さらに、駆動子５９，５９は、実質的にステージ３の下面と平行な平面内で振動しているため、駆動子５９，５９のステージ３への付勢力が増大することはなく、つまり、摩擦力が増大することがない。尚、圧電素子５０は、その長手方向（ステージ３の下面と平行な方向）への伸縮に合わせて短手方向（ステージ３の下面に直交する方向）にも若干、伸縮する。しかし、短手方向への伸縮は長手方向への伸縮に比べて非常に小さいため、圧電素子５０の短手方向への振動はステージ３へほとんど影響は与えない。

こうして、駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力を低減することができるため、ステージ３を第１超音波アクチュエータ４ＡによってＸ方向にのみ移動させるときに、第２超音波アクチュエータ４Ｂの駆動子５９，５９を中心にステージ３が回転することを防止することができると共に、ステージ３と第２超音波アクチュエータ４Ｂの駆動子５９，５９との間の摩擦損失を低減することができる。

尚、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂのこのような駆動は、ステージ３をＸ方向の所望の位置へ向かって単純にＸ方向にのみ駆動する場合に限られず、前述の如く、ステージ３をＸ方向とＹ方向との間の任意の方向の所望の位置へ移動させるべく、Ｘ方向への移動とＹ方向への移動とを交互に行って移動させる際のＸ方向への移動時にも用いられる。

また、前述の説明では、ステージ３をＸ方向へのみ移動させる場合について説明したが、ステージ３をＹ方向へのみ移動させるときには、前述の説明における第１超音波アクチュエータ４Ａと第２超音波アクチュエータ４Ｂとの役割を反対にすればよい。

したがって、実施形態１によれば、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂの何れか一方のみでステージ３をその一方の超音波アクチュエータに対応した移動方向へのみ移動させるときには、他方の超音波アクチュエータをステージ３の下面と平行な方向へのみ振動させることによって、他方の超音波アクチュエータの駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦状態を動摩擦状態とすると共に、該駆動子５９，５９のステージ３に対する摺動速度が速くなり動摩擦係数が低減するため、該駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力を低減することができ、前記一方の超音波アクチュエータでステージ３を円滑に且つ効率良く移動させることができる。

また、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂを、圧電素子５０の、ステージ３の下面と平行な方向への振動が縦振動となるように構成すると共に、駆動子５９，５９を圧電素子５０の長辺側面においてその長手方向中央部に対して対称な位置に設けることによって、前述の如く、圧電素子５０にステージ３の下面と平行な方向の振動のみ発生させて駆動子５９，５９をステージ３に対して滑らせるときに、振動する該駆動子５９，５９がステージ３に不要な駆動力を付与することを防止することができる。

詳しくは、圧電素子５０の停止時であっても駆動子５９，５９は付勢ゴム７２によってステージ３に対して付勢されており、圧電素子５０がステージ３の下面と平行な方向へのみ振動する場合であっても、該駆動子５９，５９とステージ３との間には、若干ではあるが、摩擦力が生じる。ところで、前述の如く、長辺側面において長手方向中央部に対して対称な位置に２つの駆動子５９，５９が設けた圧電素子５０を縦振動させると、該駆動子５９，５９は該長手方向中央部を中心に長手方向に互いに反対向きで且つ同じ振幅の振動を行う。つまり、該駆動子５９，５９がステージ３に対して摺動する際に生じる摩擦力は、圧電素子５０の長手方向中央部を中心に長手方向に対称であるため、両駆動子５９，５９の摩擦力は互いに打ち消し合う。その結果、圧電素子５０をステージ３の下面に平行な方向に振動させるときに該駆動子５９，５９からステージ３へ駆動力が付与されることを防止することができ、前記一方の超音波アクチュエータによるステージ３の移動を阻害することを防止することができる。

さらに、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂを、圧電素子５０の、ステージ３の下面と平行な方向への振動が縦振動となるように構成することによって、固定部材２の底壁部２１とステージ３との間において、圧電素子５０の短手方向がステージ３の下面に対して直交し且つ圧電素子５０の長手方向がステージ３の下面と平行な方向を向くように配置されるため、圧電素子５０がその長手方向がステージ３の下面と直交するように配置される構成と比較して、該底壁部２１とステージ３との間隔を短くすることができ、駆動装置１のコンパクト化を図ることができる。

次に、実施形態１における超音波アクチュエータの具体的な制御について図面を参照しながら説明する。以下の説明では、先述した構成要件のなかで同様に機能するものについて同じ番号を付与し、詳細な説明は省略する。

図１０は超音波アクチュエータ制御回路の構成図である。超音波アクチュエータは先述したように圧電素子５０、内部電極５２と５３、駆動子５９，第１短辺壁部６２，第２短辺壁部６３，長辺壁部６４，支持ゴム７１，付勢ゴム７２で構成されている。セラミック製の補強部材３３を含むステージ３は可動部として、図に示す様にＡ方向およびＢ方向に移動する構成になっている。

また、支持部材（図示せず）と同様の固定部として当接部１３０と１３１（例えば、側壁部２２，２２）を有しており、ステージ３が当接部１３０あるいは１３１に当接した場合にステージ３は停止することになる。

１０１はステージ３に取り付けられたマグネットであり、ホール素子で構成される位置検出センサ１００によって、ステージ３の位置を検出する構成になっている。

制御回路１５０には、この位置検出センサ１００の出力が入力されており、制御回路１５０ではこの位置検出センサ１００から出力されるステージ３の位置情報に基づいて圧電素子５０に印加する電圧パルスあるいは電流パルスの周波数、位相の制御を行う。この周波数、位相の制御を行うための信号はＡｃｈおよびＢｃｈから出力される構成になっている。制御回路１５０には、圧電素子５０に印加する信号のＯＮ／ＯＦＦの制御を行うことも可能である。

図１１（Ａ）に示す様に、ステージ３をＡ方向に移動させる場合にはＡｃｈとＢｃｈから矩形波のパルスを出力し、互いの位相差はＡｃｈに対してＢｃｈが９０度位相を遅らせた状態になる。また、図１１（Ｂ）に示す様に、ステージ３をＢ方向に移動させる場合にはＡｃｈとＢｃｈから矩形波のパルスを出力し、互いの位相差はＡｃｈに対してＢｃｈが９０度位相を進めた状態になる。また、図１１（Ｃ）に示す様に、ステージ３を停止させる場合にはＡｃｈとＢｃｈの信号をＧＮＤレベルにする状態になる。

１１０ａ、１１０ｂ、１２０ａ、１２０ｂはパワーＦＥＴなどのスイッチング素子を示す。

スイッチング素子１１０ａに入力されるＡｃｈの信号が＋５Ｖの場合にはスイッチング素子１１０ａに接続されている＋５Ｖ電源１９１からコイル１４１を通して圧電素子５０の電極５３ａ、５３ｂに電力が供給される。一方、スイッチング素子１１０ｂにはインバーター１１１（＋５Ｖが入力された場合には出力は−５Ｖ、−５Ｖが入力された場合には出力は＋５Ｖとなる素子）を介してＡｃｈの信号が入力され、Ａｃｈの信号が＋５Ｖの場合には１１０ｂに入力される電圧は−５Ｖとなるため、このスイッチング素子はＯＦＦとなる。

スイッチング素子１１０ａに入力されるＡｃｈの信号が−５Ｖの場合には、このスイッチング素子はＯＦＦとなる。一方、スイッチング素子１１０ｂにはインバーター１１１を介してＡｃｈの信号が入力され、Ａｃｈの信号が−５Ｖの場合には１１０ｂに入力される電圧は＋５Ｖとなるため、１１０ｂに接続されている−５Ｖ電源１９２からコイル１４１を通して圧電素子５０の電極５３ａ、５３ｂに電力が供給される。

スイッチング素子１２０ａに入力されるＢｃｈの信号が＋５Ｖの場合にはスイッチング素子１２０ａに接続されている＋５Ｖ電源１９１からコイル１４２を通して圧電素子５０の電極５２ａ、５２ｂに電力が供給される。一方、スイッチング素子１２０ｂにはインバーター１２１（＋５Ｖが入力された場合には出力は−５Ｖ、−５Ｖが入力された場合には出力は＋５Ｖとなる素子）を介してＢｃｈの信号が入力され、Ｂｃｈの信号が＋５Ｖの場合にはスイッチング素子１２０ｂに入力される電圧は−５Ｖとなるため、このスイッチング素子はＯＦＦとなる。

スイッチング素子１２０ａに入力されるＢｃｈの信号が−５Ｖの場合には、このスイッチング素子はＯＦＦとなる。一方、スイッチング素子１２０ｂにはインバーター１２１を介してＢｃｈの信号が入力され、Ｂｃｈの信号が−５Ｖの場合にはスイッチング素子１２０ｂに入力される電圧は＋５Ｖとなるため、スイッチング素子１２０ｂに接続されている−５Ｖ電源１９２からコイル１４２を通して圧電素子５０の電極５２ａ、５２ｂに電力が供給される。

ここで、各ＦＥＴから出力される信号が本実施例のように矩形波の場合は、１次の周波数成分だけでなく、複数の高次の周波数成分が含まれる。圧電素子５０に印加される信号の内、３次や５次などの高調波成分は駆動の効率を落としたり、圧電素子そのものを破損したりする場合がある。そこで、コイル１４１，１４２を設けることによって、この矩形波の周波数成分の内、１次の周波数成分が主に圧電素子５０に印加されるようになる。なお、各ＦＥＴから出力される信号が正弦波の場合には、本コイルは挿入してもよいし、挿入しなくてもよい。

また、制御回路１５０は、グランド電極ＧＮＤに設けられた電流検出抵抗の電圧値を読み取ることにより、圧電素子を流れる電流を検出する電流検出部１６０と、データを格納するメモリ１７０とに接続されている。これらの機能については、後述する。

以上で説明した構成によって、圧電素子５０に電力を供給することで駆動子５９をステージ３が進行する方向に振動させることによりステージ３の移動を行い、位置検出センサ１００の出力に基づいて、制御回路１５０では圧電素子５０に印加する電力波形を制御することによって、ステージ３の移動制御を行うことが可能となる。

図１２は、アクチュエータの速度、駆動電圧に対してアクチュエータを流れる電流、発熱のそれぞれの周波数特性を示す概念図である。図中、横軸は周波数を示し、実線は速度特性、細かい点線は発熱特性を示している。なお、各特性曲線は、概念的な挙動を示しているので、縦軸の絶対値には特に意味を与えていない。

理論的には、一定電圧駆動を行う場合、電流値は、アクチュエータとして最もインピーダンスが低くなる共振周波数に対応する周波数で最大となり、アクチュエータとして最もインピーダンスが高くなる反共振周波数に対応する周波数でも最小となる。図１２からわかるように、実際の電流周波数特性も、概ね共振周波数付近で最大となり、反共振周波数より低い周波数で最小となる。また、出力に相当する速度は、共振周波数で最大となり、周波数が高くなるにしたがって減少していく。以上より、駆動周波数として電力に対する出力の効率の最もよい範囲は、共振周波数と反共振周波数の範囲であることがわかる。

しかしながら、共振周波数の絶対値は、圧電素子の加工精度のばらつき、圧電素子自体の材料定数のばらつき、材料の収縮率のばらつき等に起因して最大で１０ｋＨｚ程度のばらつきを持つことが知られている。したがって、共振周波数（理論値）のみに基づいて駆動周波数を設定することは困難である。そこで、実装後のアクチュエータの共振周波数を実測することが考えられるが、実装後の共振周波数を測定することは、共振周波数付近で多大な電流が流れ、発熱量が大きくなるので難しい。このため、共振周波数自体を駆動周波数を設定する際の基準の周波数として取り扱うことは不可能である。

一方、共振周波数と反共振周波数との周波数帯域のばらつきは、材料定数のばらつき、製造ばらつきを含めてもほぼ１ｋＨｚ程度になる。また、反共振周波数は、ほぼ電流値が最小となる周波数とみてよいから、電流値を測定することにより実装後に測定することが可能である。そこで、本実施形態では、実装後に電流値が最小となる周波数を基準周波数とし、この基準周波数に基づいて駆動周波数の設定範囲を定め、定められた設定範囲から駆動周波数を設定する制御を行っている。

図１３は、実施形態１の制御フローを示すフローチャートである。図１３において、アクチュエータが起動（Ｓ１００）されると、制御周波数範囲設定処理（Ｓ２００）に移行する。制御周波数範囲設定処理（Ｓ２００）において、後述する方法で制御周波数範囲（制御範囲に相当する）が設定され、駆動制御（Ｓ３００）へ処理が移行する。次に、制御周波数範囲の変更リクエスト（Ｓ４００）を確認し、リクエストがあれば再びＳ２００へ戻り（ＹＥＳ）、なければ（ＮＯ）、処理を駆動継続確認（Ｓ５００）へ移行する。駆動継続確認で、駆動継続を行う場合（ＹＥＳ）、処理をＳ３００へ戻し、なければ（ＮＯ）、終了する。

ここで、制御周波数範囲の変更リクエストとは、制御周波数範囲を設定し直す指令であって、制御回路１５０に外部から変更リクエストに相当する何らかの信号が入力されたか否かで判定される。この変更リクエストに相当する信号は、出荷時や環境温度が変わったときに制御周波数範囲を設定し直すべく、ユーザが操作スイッチ等の入力手段を介してマニュアル的に入力することができる。

図１４は、制御周波数設定処理の内容を示すフローチャートである。図１４において、はじめに、メモリから予め格納された第１の周波数の値を読み取る（Ｓ２１０）。第１の周波数は、反共振周波数より高い周波数値に設定される。

次に、駆動信号（駆動電圧）の周波数を第１の周波数に設定すると共に該駆動信号を圧電素子５０に印加して、そのときに圧電素子５０に流れる電流を電流検出部１６０を介して計測する。そして、駆動信号の周波数を第１の周波数から低周波数側へ変更させながら、圧電素子５０に流れる電流の計測を行い、電流値が極小値となる周波数をサーチする（Ｓ２２０）。そして、極小電流値になる周波数を検出し（Ｓ２３０）、検出した周波数を第２の周波数（基準周波数に相当する）としてメモリに格納する（Ｓ２４０）。

ここで、電流の極小値、極大値を示す周波数は圧電素子に印加する電圧値に依存性があるため、電流の極小値をサーチする際の駆動信号の電圧値は、アクチュエータを実際に駆動する際に使用する電圧値に設定される。こうすることで、アクチュエータを実際に駆動する際の電圧値に則した、電流が極小値となる周波数を求めることができる。

このアクチュエータを実際に駆動する際の電圧値は、設定した周波数の制御範囲の下限値でアクチュエータが高速に駆動されるように高い値であることが好ましい。その一方で、このような電圧値で電流値が極大値となるような周波数の駆動信号を印加すると、圧電素子が破損してしまう虞がある。そのため、極小値の測定の際には、そのような高い電圧値を用いつつ、駆動信号の周波数を、電流が極大になる周波数とならないように変更しながら電流値を測定することが好ましい。そこで、前述の如く、駆動信号の周波数を、反共振周波数よりも高いと推測される第１の周波数から低周波数側にスキャンする。

次に、メモリに格納した第２の周波数から予め定められた所定値（所定の減算値に相当する）を減算した周波数を第３の周波数としてメモリに格納（Ｓ２５０）して、メインフローに戻る。

ここで、第３の周波数を算出する際に用いられる所定値は、予め測定又は算出した圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に基づいて、該差以下の値に設定されている。反共振周波数と共振周波数との差は、共振の帯域とよばれ、素子の材料定数及び電極の形状で決定される。共振の帯域は、圧電材料の電気機械結合係数Ｋ３１及び電極の形状が大きいほど大きくなり、同一の材料、電極設計では共振周波数の数％（３００ｋＨｚの共振周波数では、約１０ｋＨｚ）である。この共振の帯域のばらつきは約１ｋＨｚ以下であり、共振周波数自体のばらつきに比べて非常に小さい。そのため、電流値が極小値となる第２の周波数から、反共振周波数と共振周波数との差に基づいて設定された所定値を減算して求めた第３の周波数は、個体差によるばらつきの影響を受け難く、大凡、共振周波数以上となる。ただし、第３の周波数を共振周波数よりも高い周波数に確実に設定する場合には、制御周波数範囲の下限値が電流値が極大値となる周波数よりも高くなるように、即ち、第３の周波数が電流値が極大値となる周波数よりも高くなるように、前記所定値を設定する。例えば、前記所定値を、反共振周波数と共振周波数との差よりも、個体差によるばらつきの影響等があっても第３の周波数が共振周波数以下とならない程度に小さい値にすればよい。なお、本実施形態では、第３の周波数を算出する際に用いられる所定値は、圧電材料の電気機械結合係数に由来するものなので、共振周波数のおおむね１〜５％程度としている。

以下の駆動処理では、メモリに格納された第３の周波数以上の範囲から駆動周波数が設定される。具体的には、位置検出部より得られた位置情報を元に、第３の周波数以上で、所望の特性になるよう周波数制御を行う。このように、第３の周波数以上の範囲から駆動周波数を設定することにより、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲を大きくとることが可能になる。また、第３の周波数の設定を起動のたびに行うことで、温度特性や環境による変化にも対応できる。尚、このアクチュエータは前記駆動装置１やカメラ等の他の装置に搭載されて使用され、そのような場合には、アクチュエータが搭載される装置（例えば、カメラ等）の起動時が、アクチュエータの起動時となるため、該装置の起動時に制御周波数範囲の設定が行われる。

非常に遅い速度で制御したい場合、周波数が高くなりすぎると、再度電流が流れて効率が悪くなり、素子が発熱するのでその場合は、第２の周波数以下で制御するとなおよい。第２の周波数で制御した場合もさらに速度を落としたい場合は、その周波数で、第１の電源と第２の電源の位相差を制御したり、パルスのＯｎＤｕｔｙを制御することで速度を落としてもよい。ただし、第２の周波数のみで位相差やＯｎＤｕｔｙを制御しても、制御可能な速度範囲はきわめて小さく実用的でない。

さらなる具体的な数値実施例を示す。超音波アクチュエータは、６ｍｍ×１．７ｍｍ×２．５ｍｍのものを用いた、有効層厚みは１００ｕｍを２５層積層している。電源電圧Ｖｄｄは５Ｖとした。出荷時の設定として、第１の周波数として、２９０ｋＨｚ、所定値（減算値）として帯域４ｋＨｚをあらかじめ記憶部に入力した。この設定において、アクチュエータを起動し、駆動信号の周波数を第１の周波数から周波数が低いほうに、０．１ｋＨｚ／１ｍｓのスピードでスキャンさせ、１ｍｓの間隔で周波数と電流検出部としてのＧ部の電圧値を測定していった。データは、５回平均されその平均値として記憶部に記憶され、現在の最小電流と比較され、最小電流より小さいと最小電流値と周波数が更新される。最小電流値が更新されなくなってから、所定値（減算値）の帯域分だけさらに周波数を低い側にスキャンし、その間最小電流値の更新がなければ、その記憶された周波数を第２の周波数、その周波数より帯域分だけ小さい周波数を第３の周波数にする。第３の周波数が規定の電流値より大きい場合は、再度第１の周波数からスキャンをやり直す。規定回数スキャンをやり直しても、第３の周波数の電流値が規定の電流値より大きい場合は、あらかじめ決めてある帯域、即ち、所定値（減算値）を減らすことで再度スキャンを行う。

このようにして決定された第２の周波数は２８０ｋＨｚ、電流値は５０ｍＡで、可動物の速度５０ｍｍ／ｓ、第３の周波数は２７６ｋＨｚで、７０ｍＡ、可動物の速度１００ｍ／ｓであった。この後、制御部（即ち、制御回路１５０）は１００ｍｍ／ｓから５０ｍｍ／ｓについては、周波数を２７６〜２８０ｋＨｚで掃引することで制御した。また、制御部は、５０ｍｍ／ｓ以下については、駆動周波数は２８０ｋＨｚでドライバー部のＯｎｄｕｔｙを、５０％〜１０％にすることで制御した。以上の数値例では、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲を大きくとることが可能になっていた。

図１５は、制御周波数設定処理の別の内容を示すフローチャートである。図１５において、Ｓ２６０に続いて、メモリに格納した第２の周波数から予め定められた所定値（所定の加算値に相当する）を加算（Ｓ２６０）した周波数を第４の周波数としてメモリに格納（Ｓ２７０）して、メインフローに戻る。なお、第４の周波数を算出する際に用いられる所定値は、圧電材料の電気機械結合係数に由来するものなので、共振周波数のおおむね１〜５％程度が望ましく、先に述べた第３の周波数を算出する際に用いられる所定値と同一でも異なっていてもいずれでもよい。

以下の駆動処理では、メモリに格納された第３の周波数以上で第４の周波数以下の範囲から駆動周波数が設定される。具体的には、位置検出部より得られた位置情報を元に、第３の周波数以上で、所望の特性になるよう周波数制御を行う。このように、第３の周波数以上で第４の周波数以下の範囲から駆動周波数を設定することにより、さらに電流値の過剰な上昇を抑えることができ、特に低速駆動の際の出力の制御範囲を大きくとることが可能になる。

図１６は、制御周波数設定処理のさらに別の内容を示すフローチャートである。図１６において、先に述べた第３の周波数を予めメモリに格納しておき、その値を読み込む（Ｓ２１５）。第３の周波数の測定は、先に述べた方法と同様に、第１の周波数からスキャンしながら検出した電流値に対応する周波数から求めればよい。この例では、予め第３の周波数が設定されているので、より簡易に制御を行うことができる。

尚、図１６のフローチャートでは、第３の周波数を予めメモリに格納しておいたが、第２の周波数を予め実測して、該第２の周波数、又は、該第２の周波数から算出した第４の周波数を予めメモリに格納しておき、その値に基づいて制御周波数範囲を設定してもよい。すなわち、第２の周波数、第３の周波数及び第４の周波数の少なくとも１つをメモリに記憶しておき、該記憶しておいた周波数に基づいて制御周波数範囲を設定するようにしてもよい。

また、前記メインフローでは、起動時及び変更リクエストがあったときに、制御周波数範囲の設定を行っているが、これに限られず、他のタイミングで制御周波数範囲の設定を行ってもよい。例えば、制御回路１５０は、電流検出部１６０の検出結果に基づいて電流値を監視しておき、電流値が所定の閾値を超えたときに制御周波数範囲の設定を行うようにしてもよい。こうすることで、圧電素子５０の発熱量が多くなることを防止することができる。また、図１０に示すように、スイッチング素子１１０ａ，１１１０ｂ，１２０ａ，１２０ｂに接続された電源１９１，１９２の電源電圧を検出する電源電圧検出部１８０を設け、該電源電圧検出部１８０の出力結果が制御回路１５０に入力されるように構成する。そして、制御回路１５０は、電源電圧検出部１８０の検出結果に基づいて前記電源電圧が変化した（即ち、低下した）か否かを判定し、変化したときに、制御周波数範囲の設定を行うようにしてもよい。

電流検出部は、圧電素子のグランド電局部に設けられた電流検出抵抗の電圧値を読み取ることで電流値としているので、電流検出抵抗を用いることで安価に電流を検出することができるが、他の部分を参照してもよい。例えば、電流を検出する位置としては、Ａ部、Ｂ部でもよく、Ａ部とＢ部の合計、Ａ部とＢ部の合計よりＧ部の値を引いたもの、などでもよい。ここで、Ａ部とはコイル１４１と直列に接続された抵抗であり、Ｂ部とはコイル１４２に直列に接続された抵抗である。また、電流検出部は、カレントトランスでもよく、この場合は抵抗による電圧降下がないので、効率の劣化を防ぐことができる。

また、起動とは、電源を入れた場合のみならず、電流値以上の保護回路が働いたときや、ＡＣＴの指令がＯＮになったときなどもしめす。また、所定値に対応する周波数帯域は、出荷時にすでに設定してあるが、測定電流が基準値を超えた場合は、この周波数帯域を狭めることで、信頼性の高い駆動ができる。

このように、本発明によれば、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲が大きい超音波アクチュエータを提供することができる。

換言すれば、本発明に係る超音波アクチュエータ装置は、圧電素子を有し、屈曲振動及び縦振動を行うアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体の前記屈曲振動の振動方向を向く側面に取り付けられて、該アクチュエータ本体の振動に従って前記屈曲振動の振動方向と前記縦振動の振動方向とを含む平面内で周回運動することで駆動力を出力する駆動子と、前記アクチュエータ本体に、駆動周波数が同一であり各々位相が異なる第１および第２駆動電圧をそれぞれ印加する電源部と、電源部に、印加すべき前記駆動周波数を設定する制御部と、前記圧電素子を流れる電流値が極小値になる基準周波数に関連するデータを格納する記憶部とを備え、前記制御部は、前記記憶部に格納された前記基準周波数に関連するデータに基づいて、前記駆動周波数の設定範囲を定め、定められた設定範囲から前記駆動周波数を設定するものとする。

好ましくは、さらに、前記第１または前記第２の駆動電圧により、前記圧電素子に流れる電流値を検出する電流検出部を備え、前記記憶部は、前記基準周波数に関連するデータとして、前記基準周波数より常に高い値となる第１の周波数を格納し、前記制御部は、前記駆動周波数の設定範囲を定める際に、前記第１の周波数から徐々に低くしていきながら前記電流検出部で検出される電流値が極小値になる第２の周波数を求めて基準周波数とし、当該第２の周波数よりも第１の所定量だけ低い第３の周波数を算出して、前記駆動周波数を前記第３の周波数以上となるように設定するものとする。

さらに好ましくは、さらに、前記第１または前記第２の駆動電圧により、前記圧電素子に流れる電流値を検出する電流検出部を備え、前記記憶部は、前記基準周波数に関連するデータとして、少なくとも前記基準周波数より常に高い値となる第１の周波数を格納し、前記制御部は、前記駆動周波数の設定範囲を定める際に、前記第１の周波数から徐々に低くしていきながら前記電流検出部で検出される電流値が極小値になる第２の周波数を求めて基準周波数とし、当該第２の周波数よりも第１の所定量だけ低い第３の周波数及び当該第２の周波数よりも第２の所定量だけ高い第４の周波数を算出して、前記駆動周波数を前記第３の周波数以上であって前記第４の周波数以下となるように設定するものとする。

また、前記制御部は、所定のタイミングごとに、前記駆動周波数の設定範囲を定める制御を行うものとする。

さらに、前記所定のタイミングは、起動時であるものとする。

さらにまた、前記所定のタイミングは、電流値が所定の閾値を越えたときであるものとする。

また、前記所定のタイミングは、前記制御部へ特定の信号が入力されたときであるものとする。

さらに、前記所定のタイミングは、前記電圧が変化したときであるものとする。

さらにまた、前記記憶部は、前記基準周波数に関連するデータとして、予め検出した前記基準周波数自身、前記基準周波数を含む領域の下限値となる周波数、前記基準周波数を含む領域の上限値となる周波数、のうちの少なくとも１つを格納し、前記制御部は、前記基準周波数に関連するデータに基づいて、前記駆動周波数の設定範囲を定める制御を行うものとする。

また、前記アクチュエータ本体は、１次の縦振動と２次の屈曲振動とを行うものとする。

《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２について説明する。本実施形態２に駆動装置２０１は、超音波アクチュエータの構成が実施形態１と異なる。以下、実施形態１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省略する。

実施形態２に係るアクチュエータ本体２０５は、図１７に示すように、圧電素子２５０の一方の短辺側面に１つの駆動子２５９が設けられている。このアクチュエータ本体２０５は、圧電素子２５０の他方の短辺側面に付勢ゴム２７２が当接するようにしてケース２０６内に収容されている。このとき、前記駆動子２５９はケース２０６から外部に突出している。そして、圧電素子２５０の両長辺側面とケース２０６との間には、各側に２つずつ支持ゴム２７１，２７１が介設されている。

この圧電素子２５０には、実施形態１の圧電素子５０と同様に、圧電素子２５０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つの領域のそれぞれに第１電極２５２ａ，２５２ｂ及び第２電極２５３ａ，２５３ｂが設けられている。尚、第１電極２５２ａ，２５２ｂ及び第２電極２５３ａ，２５３ｂは、それぞれ別々に給電されるように構成してもよいし、実施形態１と同様に、対角線方向に位置する対ごとに給電するように構成してもよい。

そして、圧電素子２５０の対角線方向に位置する対ごとに、すなわち、第１電極２５２ａ，２５２ｂと第２電極２５３ａ，２５３ｂとにそれぞれ位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、圧電素子２５０には、図８に示すように、縦振動と屈曲振動とが調和的に誘起される。その結果、駆動子２５９は、圧電素子２５０の主面と平行な面内で略楕円運動を行う。

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２０４Ａ，２０４Ｂは、駆動子２５９がステージ３の下面（詳しくは、補強部材３３）に当接し且つ、圧電素子２５０の長手方向がステージ３の下面の法線方向を向くようにして、固定部材２の底壁部２１とステージ３の下面との間に配置される。換言すれば、第１及び第２超音波アクチュエータ２０４Ａ，２０４Ｂは、圧電素子２５０の縦振動の方向がステージ３の下面と直交すると共に、圧電素子２５０の屈曲振動の方向がステージ３の下面と平行な方向を向くように配置される。

このとき、第１超音波アクチュエータ２０４Ａは、その圧電素子２５０の短手方向がＸ方向を向くように配置される一方、第２超音波アクチュエータ２０４Ｂは、その圧電素子２５０の短手方向がＹ方向を向くように配置される。

この状態で、各超音波アクチュエータ２０４Ａ（２０４Ｂ）のアクチュエータ本体２０５に、前述の如く、縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させることによって、ステージ３が駆動される。

このとき、実施形態１と同様に、ステージ３の、第１超音波アクチュエータ２０４Ａによる移動量と、第２超音波アクチュエータ２０４Ｂによる移動量とを調整することによって、Ｘ方向への移動とＹ方向への移動とを合成させて、ステージ３をその下面に平行な平面内で任意の方向に移動させることができる。

また、ステージ３をＸ方向及びＹ方向の何れか一方、例えば、Ｘ方向だけに移動させるときは、第１超音波アクチュエータ２０４Ａは、圧電素子２５０に縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させてステージ３に駆動力を付与する一方、第２超音波アクチュエータ２０４Ｂは、圧電素子２５０に実質的にステージ３の下面と平行な平面内での振動のみを発生させて駆動子２５９をステージ３に対して滑らせる。具体的には、第２超音波アクチュエータ２０４Ｂは、圧電素子２５０に実質的に図７に示すような屈曲振動だけを発生させる。第１電極２５２ａ，２５２ｂ及び第２電極２５３ａ，２５３ｂの何れか一方だけに交流電圧を印加する、または、第１電極２５２ａ，２５２ｂと第２電極２５３ａ，２５３ｂとに位相が１８０°ずれた交流電圧を印加することによって、圧電素子２５０に実質的に屈曲振動だけを発生させることができる。この場合、駆動子２５９は、ステージ３への付勢力が増加することなく、ステージ３の下面に平行な平面内で振動し、その結果、ステージ３に対して滑って摺動する。

したがって、実施形態２によれば、実施形態１と同様に、第１及び第２超音波アクチュエータ２０４Ａ，２０４Ｂの何れか一方のみでステージ３をその一方の超音波アクチュエータに対応した移動方向へのみ移動させるときには、他方の超音波アクチュエータをステージ３の下面と平行な方向へのみ振動、即ち、屈曲振動のみさせることによって、他方の超音波アクチュエータの駆動子５９とステージ３との摩擦状態を動摩擦状態とすると共に、該駆動子５９のステージ３に対する摺動速度が速くなり動摩擦係数が低減するため、該駆動子５９とステージ３との間の摩擦力を低減することができ、前記一方の超音波アクチュエータでステージ３を円滑に且つ効率良く移動させることができる。

《発明の実施形態３》
続いて、本発明の実施形態３について説明する。本実施形態２に駆動装置は、超音波アクチュエータの構成が実施形態１と異なる。以下、実施形態１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省略する。

実施形態３に係る第１及び第２超音波アクチュエータ３０４Ａ，３０４Ｂは、図１８に示すアクチュエータ本体３０５と、該アクチュエータ本体３０５を収容するケース（図示省略）と、該アクチュエータ本体３０５をケース内で弾性的に支持する支持ゴム（図示省略）と、該アクチュエータ本体３０５をステージ３側へ付勢するための付勢ゴム（図示省略）とを備えている。

アクチュエータ本体３０５は、図１８に示すように、金属製の本体部３５０と、該本体部３５０に設けられた複数の圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…と、該本体部３５０に設けられた駆動子３５９，３５９とを有している。

本体部３５０は、略正方形の上面３５０ａ及び下面（図示省略）と、略長方形の４つの側面３５０ｂ，３５０ｃ（２つの側面のみ図示）とを有している。各側面はその両長辺部が上面３５０ａ及び下面の辺部と一致するように、すなわち、その短手方向が上下方向を向くように配置されている。

この本体部３５０の上面３５０ａには、２つの駆動子３５９，３５９が設けられている。これら２つの駆動子３５９，３５９は、上面３５０ａの重心を通り且つ対向する一対の辺部に平行な線上に並んで配置されている。

そして、本体部３５０の隣接する一対の側面３５０ｂ，３５０ｃには、それぞれ４つの圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，３５１ｃ，３５１ｄと圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，３５２ｃ，３５２ｄとが貼り付けられている。圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…は、側面３５０ｂ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つの領域にそれぞれ配置されている。圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，…も同様に、側面３５０ｃ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つの領域にそれぞれ配置されている。これら圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…及び圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，…は、実施形態１，２と異なり、各圧電素子ごとに一様な電極が設けられており、各圧電素子ごとに一様に給電することによって各圧電素子が一様に伸縮する。

このように構成されたアクチュエータ本体３０５は、側面３５０ｂにおいて、対角線方向に位置する一方の対の圧電素子３５１ａ，３５１ｄと他方の対の圧電素子３５１ｂ，３５１ｃとにそれぞれ位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、本体部３５０には側面３５０ｂの長手方向への縦振動と側面３５０ｂの短手方向への屈曲振動とが調和的に発生し、その結果、駆動子３５９，３５９が側面３５０ｂと平行な平面内で略楕円運動を行う。また、アクチュエータ本体３０５は、側面３５０ｃにおいて、対角線方向に位置する一方の対の圧電素子３５２ａ，３５２ｄと他方の対の圧電素子３５２ｂ，３５２ｃとにそれぞれ位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、本体部３５０には側面３５０ｃの長手方向への縦振動と側面３５０ｃの短手方向への屈曲振動とが調和的に発生し、その結果、駆動子３５９，３５９が側面３５０ｃと平行な平面内で略楕円運動を行う。

かかるアクチュエータ本体３０５を備える第１及び第２超音波アクチュエータ３０４Ａ，３０４Ｂは、図１，２に示す実施形態１に係る第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂと同様に、固定部材２の底壁部２１とステージ３の下面（詳しくは、補強部材３３）との間に介設される。詳しくは、第１超音波アクチュエータ３０４Ａは、ステージ３の下面の一の辺縁部の近傍において、駆動子３５９，３５９が並ぶ方向が該辺縁部と平行な方向（この方向をＸ方向とする。）を向くように、即ち、本体部３５０の側面３５０ｂの長手方向が該辺縁部と平行になるように配置されている。一方、第２超音波アクチュエータ３０４Ｂは、ステージ３の下面の前記位置の辺縁部と直交する辺縁部の近傍において、駆動子３５９，３５９が並ぶ方向が該辺縁部と平行な方向（この方向をＹ方向とする。）を向くように、即ち、本体部３５０の側面３５０ｂの長手方向が該辺縁部と平行になるように配置されている。

このように構成された駆動装置３０１において、第１超音波アクチュエータ３０４Ａは、基本的には側面３５０ｂに設けられた圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…を駆動することによって駆動子３５９，３５９を該側面３５０ｂ（長手方向がＸ方向を向いている）に平行な平面内で略楕円運動させる。つまり、第１超音波アクチュエータ３０４Ａは主としてステージ３をＸ方向へ移動させるために用いられる。一方、第２超音波アクチュエータ３０４Ｂは、基本的には側面３５０ｂに設けられた圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…を駆動することによって駆動子３５９，３５９を該側面３５０ｂ（長手方向がＹ方向を向いている）に平行な平面内で略楕円運動させる。つまり、第２超音波アクチュエータ３０４Ｂは主としてステージ３をＹ方向へ移動させるために用いられる。

ただし、ステージ３をＸ方向及びＹ方向のうちの一方向にのみ移動させるとき、例えば、ステージ３をＹ方向にのみ移動させるときには、第２超音波アクチュエータ３０４Ｂは、駆動子３５９，３５９を長手方向がＹ方向を向いた側面３５０ｂに平行な平面内で略楕円運動させてステージ３をＹ方向へ移動させる一方、第１超音波アクチュエータ３０４Ａは、長手方向がＹ方向を向いた側面３５０ｃに設けられた圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，…を駆動することによって駆動子３５９，３５９を該側面３５０ｃに平行な平面内で振動させる。このとき、第１超音波アクチュエータ３０４Ａにおいては、側面３５０ｃの４つの圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，…に同位相の交流電圧を印加することによって、アクチュエータ本体３０５に該側面３５０ｃの長手方向に縦振動のみ発生させる。こうすることで、第１超音波アクチュエータ３０４Ａの駆動子３５９，３５９は、Ｙ方向に縦振動のみを行う。

したがって、実施形態３によれば、ステージ３をＸ方向及びＹ方向の何れか一方のみに移動させるときに、駆動子３５９，３５９の並ぶ方向がステージ３の移動方向と一致する方の超音波アクチュエータには、縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させる一方、駆動子３５９，３５９の並ぶ方向がステージ３の移動方向と一致しない、詳しくは、直交する方の超音波アクチュエータには、縦振動のみを発生させることによって、駆動子３５９，３５９の並ぶ方向がステージ３の移動方向と一致しない方の超音波アクチュエータの駆動子３５９，３５９とステージ３との摩擦状態を動摩擦状態とすると共に、該駆動子３５９，３５９のステージ３に対する摺動速度が速くなり動摩擦係数が低減するため、該駆動子３５９，３５９とステージ３との間の摩擦力を低減することができ、駆動子３５９，３５９の並ぶ向きがステージ３を移動させる方向と一致する方の超音波アクチュエータでステージ３を円滑に且つ効率良く移動させることができる。

このとき、駆動子３５９，３５９の並ぶ方向がステージ３の移動方向と一致しない方の超音波アクチュエータにおける駆動子３５９，３５９の縦振動の方向がステージ３の移動方向と一致するため、これら縦振動しながらステージ３に対して摺動する駆動子３５９，３５９がステージ３の移動に与える影響を低減することができる。

尚、前記実施形態３においては、本体部３５０は、各側面が短手方向が上下方向を向くように構成されて、上下に扁平な直方体となっているが、これに限られるものではない。すなわち、本体部３５０は、各側面が長手方向が上下方向を向くようにして、上下に長くなるように構成されていてもよい。この場合、ステージ３をＸ方向及びＹ方向の何れか一方へのみ移動させるときには、駆動子３５９，３５９の並ぶ向きがステージ３を移動させる方向と一致していない、詳しくは、直交している方の超音波アクチュエータは、本体部３５０に実施形態２と同様に屈曲振動だけ発生させることによって、駆動子３５９，３５９をステージ３に対して滑らせることができる。

また、駆動子３５９，３５９は、上面３５０ａの重心を通り且つ一対の辺部に平行な直線上に配置されているが、これに限られるものではない。

《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。

すなわち、前記実施形態では、ステージ３を固定部材２によって支持しているが、これに限られるものではない。すなわち、ステージ３を所定の平面内で移動させる構成であれば任意の支持構造を採用することができる。

また、前記ステージ３は、補強部材３３，３３が設けられているが、この補強部材３３，３３を設けない構成であってもよい。

さらに、前記駆動装置は、第１及び第２超音波アクチュエータの合計２つの超音波アクチュエータを備えているが、超音波アクチュエータの個数は２つに限定されるものではない。例えば、第１超音波アクチュエータと対向する別の超音波アクチュエータを設け、２つの超音波アクチュエータでステージ３をＸ方向に移動させるように構成してもよい。さらには、Ｘ方向及びＹ方向以外の方向にステージ３を移動させる別の超音波アクチュエータを設けてもよい。

さらにまた、前記超音波アクチュエータは、前記の構成に限られるものではない。例えば、前記支持ゴム及び付勢ゴムを介して圧電素子に給電する構成ではなく、リード線を圧電素子に接続して給電する構成でもよい。また、圧電素子の振動のノード部（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、アクチュエータ本体は圧電素子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。すなわち、圧電素子を有して構成され異なる２つの振動方向へ振動を発生させる構成であれば、任意の構成を採用することができる。

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、２つのアクチュエータを備えた駆動装置について有用である。

本発明は、圧電素子を有し、振動を行うアクチュエータ本体を備えた超音波アクチュエータ装置に関するものである。

従来より、圧電素子を有したアクチュエータ本体を備えた超音波アクチュエータ装置としては、特許文献１に開示されたものが知られている。

特許文献１に係る超音波アクチュエータ装置は、圧電素子で構成されたアクチュエータ本体と、該アクチュエータ本体に取り付けられた駆動子とを備えている。

このアクチュエータ本体は、長手方向を有する平板状の圧電素子で構成されており、対角位置にある２対の電極にそれぞれ位相の異なる交流電圧を印加することで、該圧電素子の長手方向への縦振動（所謂、伸縮振動）と該圧電素子の短手方向への屈曲振動とを調和的に発生させている。その結果、駆動子は、該圧電素子の長手方向と短手方向とを含む平面内で周回運動、詳しくは、楕円運動を行う。

また、特許文献２は、超音波モータ（超音波アクチュエータ装置）を開示している。特許文献２は、超音波モータにおいて、駆動周波数を超音波モータの共振周波数より高く設定し、起動時に高い周波数から低い周波数へ向けて周波数を変更する技術を開示している。

さらに、特許文献３は、超音波モータ（超音波アクチュエータ装置）の制御装置を開示している。特許文献３は、超音波モータの駆動電流が最も小さくなる駆動周波数をサーチして、その周波数に駆動周波数を固定して制御する技術を開示している。
特開２００４−３０４９６３号公報 特開平７−２６４８８２号公報 特開２００６−１１５５８３号公報

特許文献２に記載の超音波モータは、共振周波数のみを基準にしており、また共振周波数自体も、アクチュエータの製造ばらつきや、圧電素子の材料定数のばらつきなどを原因として、その絶対値に大きなばらつきがあるので、制御されるべき駆動周波数の選択範囲が非常に広いという問題があった。駆動周波数が低すぎると、電流が大きくなるので効率が悪くなるばかりではなく、発熱して素子が損傷する虞があるという問題がある。また、駆動周波数が高すぎても同様に発熱して素子が損傷する虞があるという問題がある。

また、特許文献３に記載の超音波モータは、駆動周波数を固定してしまうため、速度などの出力を変化させるには、駆動パルスのデューティ比を変化させるしかなかった。しかしながら、デューティ比の変化を用いると、その制御範囲が極めて小さくなってしまうという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑み、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲が大きい超音波アクチュエータ装置を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明の超音波アクチュエータ装置は、圧電素子を有し、振動を行うアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体に印加すべき駆動電圧の駆動周波数を所定の制御範囲内から設定する制御部と、前記制御部からの制御信号を受けて、該制御部で設定された駆動周波数の駆動電圧を前記アクチュエータ本体に印加する電源部と、前記圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に関するデータを記憶しておく記憶部とを備え、前記制御部は、前記圧電素子を流れる電流値が極小値になる基準周波数と前記記憶部に記憶された前記圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に関するデータとに基づいて、前記駆動周波数の制御範囲をその下限値が該圧電素子を流れる電流値が極大値となる周波数以上となるように定めて、該制御範囲内で該駆動周波数を設定するものとする。

本発明によれば、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲が大きい超音波アクチュエータを提供することができる。

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１，２に示すように、固定部材２と、該固定部材２に対して相対的に移動可能に支持されたステージ３と、該ステージ３を駆動する第１超音波アクチュエータ４Ａ及び第２超音波アクチュエータ４Ｂと、該第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂを駆動制御する制御装置（図示省略）とを備えている。

前記固定部材２は、平面視方形状の底壁部２１と、底壁部２１の四隅部からそれぞれ立設する４つの側壁部２２，２２，…と、該底壁部２１と対向して該４つの側壁部２２，２２，…のうちの３つの側壁部２２，２２，２２の先端部に取り付けられる第１天井壁部２３と、該底壁部２１と対向して該４つの側壁部２２，２２，…のうちの残りの１つの側壁部２２の先端部に取り付けられる第２天井壁部２４とを有している。前記側壁部２２，２２，…は、底壁部２１の対向する一方の対の辺縁部にそれぞれ２つずつ設けられている。底壁部２１の各辺縁部に設けられた２つの側壁部２２，２２は、該辺縁部の両端部に設けられている。前記第１天井壁部２３は、平面視略Ｌ字形状をした平板部材であって、３つの側壁部２２，２２，２２の先端部に跨って取り付けられている。また、前記第２天井壁部２４は、平面視略方形状をした平板部材である。

前記ステージ３は、金属製の平面視正方形状の平板部材であって、前記４つの側壁部２２，２２，…との間に間隔を有する状態で前記固定部材２内に収容されている。尚、ステージ３は、ポリカーボネイト等の樹脂で形成されていてもよい。このステージ３が被駆動体を構成する。

また、ステージ３の下面における一の辺縁部及び該一の辺縁部と直交する２つの辺縁部のうちの一方には、ステージ３の下面及び側面に開口する凹部３２，３２が形成されている。この凹部３２，３２には、セラミック製の補強部材３３，３３が嵌め込まれて接着されている。この補強部材３３，３３は、ステージ３の下面と面一に配置されている。尚、補強部材３３，３３は、セラミック製に限られず、耐摩耗性を有する部材であれば、任意の部材を採用することができる。

このステージ３は、その四隅部が支持バネ２５，２５，…によって第１及び第２天井壁部２３，２４に対して支持されている。このとき、ステージ３と第１及び第２天井壁部２３，２４との間には、金属製の球状の転動体２６，２６，２６（本実施形態では３つ）が設けられている。ステージ３の上面（第１及び第２天井壁部２３，２４と対向する面）には、転動体２６，２６，２６のステージ３に対する相対移動を規制するための受け穴部３１，３１，３１が形成されている。前記転動体２６，２６，２６はこの受け穴部３１，３１，３１内に配設される一方、第１及び第２天井壁部２３，２４の下面（ステージ３と対向する面）と当接している。さらに詳しくは、転動体２６，２６，２６のうちの２つはステージ３と第１天井壁部２３との間に介設され、残りの１つはステージ３と第２天井壁部２４との間に介設されている。こうすることで、ステージ３は、第１及び第２天井壁部２３，２４に対して一定の間隔を有した状態で付勢支持されていると共に、転動体２６，２６，２６を介して該ステージ３の上面及び下面と平行な方向に移動可能に構成されている。

前記第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、同様の構成をしている。各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）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５と、該アクチュエータ本体５の駆動力をステージ３に伝達する駆動子５９，５９と、該アクチュエータ本体５を収容するケース６と、アクチュエータ本体５とケース６との間に介設されてアクチュエータ本体５を弾性的に支持する支持ゴム７１，７１と、アクチュエータ本体５を前記ステージ３に付勢するための付勢ゴム７２とを備えている。

前記アクチュエータ本体５は、圧電素子５０で構成されている。

前記圧電素子５０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５０は、図４に示すように、５つの圧電体層５１，５１，…と４つの内部電極層５２，５４，５３，５４とを交互に積層して構成される。内部電極層５２，５４，５３，５４は、積層方向に圧電体層５１を介して交互に配された、第１給電電極層５２と共通電極層５４と第２給電電極層５３と共通電極層５４とで構成される。これら第１給電電極層５２、第２給電電極層５３及び共通電極層５４，５４のそれぞれは、各圧電体層５１の主面上に印刷されている。

前記各圧電体層５１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５０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５１には、その長辺側面のうち前記駆動子５９，５９が設けられていない側の長辺側面の長手方向中央部に外部電極５５ａが、一方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極５６ａが、他方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極５７ａがそれぞれ形成されている。

前記各共通電極層５４は、圧電体層５１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５４の一方の長辺部には、その長手方向中央部から圧電体層５１の前記外部電極５５ａまで延びる引出電極５４ａが形成されている。

前記第１給電電極層５２は、図５に示すように、圧電体層５１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５２ａ，５２ｂと、これら第１電極５２ａ，５２ｂを連結して導通させる導通電極５２ｃとを有する。各第１電極５２ａ（５２ｂ）は略矩形状の電極であり、積層方向に見て共通電極層５４と重なっている。つまり、各第１電極５２ａ（５２ｂ）は、圧電体層５１を挟んで共通電極層５４と対向している。また、第１電極５２ａ，５２ｂのうちの一方の第１電極５２ａには、圧電体層５１の前記外部電極５６ａまで延びる引出電極５２ｄが設けられている。

前記第２給電電極層５３は、圧電体層５１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５３ａ，５３ｂと、これら第２電極５３ａ，５３ｂを連結して導通させる導通電極５３ｃ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５２ａの前記短手方向且つ前記第１電極５２ｂ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５３ａであり、第１電極５２ａの該長手方向且つ第１電極５２ｂ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５３ｂである。各第２電極５３ａ（５３ｂ）は略矩形状の電極であり、積層方向に見て共通電極層５４と重なっている。つまり、各第２電極５３ａ（５３ｂ）は、圧電体層５１を挟んで共通電極層５４と対向している。また、第２電極５３ａ，５３ｂのうちの一方の第２電極５３ｂには、圧電体層５１の前記外部電極５７ａまで延びる引出電極５３ｄが設けられている。

これら圧電体層５１，５１，…と内部電極層５２，５４，５３，５４とを交互に積層することで構成された圧電素子５０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５１の外部電極５５ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極５５が形成されている。この外部電極５５には、前記共通電極層５４，５４に形成された引出電極５４ａ，５４ａが電気的に接続されている。同様に、圧電素子５０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５１の外部電極５６ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極５６が形成されている。この外部電極５６には、前記第１給電電極層５２の引出電極５２ｄが電気的に接続されている。また、圧電素子５０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５１の外部電極５７ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極５７が形成されている。この外部電極５７には、前記第２給電電極層５３の引出電極５３ｄが電気的に接続されている。

そして、圧電素子５０の長辺側面のうち前記外部電極５５ａが設けられていない側の長辺側面には、前記駆動子５９，５９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５９，５９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、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５９，５９は、ほぼ球体状であって、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５５をグランドに接続し、前記外部電極５６に所定周波数の交流電圧を、前記外部電極５７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５１の主面の対角線方向に位置する一方の対の第１電極５２ａ，５２ｂと、他方の対の第２電極５３ａ，５３ｂとに互いに位相が９０°ずれた交流電圧を印加され、圧電素子５０には、図６に示す縦振動（いわゆる、伸縮振動）の１次モードと、図７に示す屈曲振動の２次モードとが誘起される。

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、圧電素子５０の材料、形状等により決定される。さらに、両共振周波数は、圧電素子５０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５６，５７のそれぞれに印加することによって、圧電素子５０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５０に設けられた各駆動子５９が該圧電素子５０の主面と平行な平面（図８における紙面と平行な面）内で略楕円運動を起こす。

前記ケース６は、樹脂製であって、前記圧電素子５０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６は、前記圧電素子５０の主面と平行で且つ略長方形状の主壁部６１と、該主壁部６１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６２と、該主壁部６１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６３と、該主壁部６１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６４とを有している。つまり、ケース６は、主壁部６１に対向する側及び該主壁部６１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５０の駆動子５９，５９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、厚み方向（主壁部６１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６内に前記アクチュエータ本体５が収容されている。アクチュエータ本体５は、圧電素子５０の一方の主面が主壁部６１と当接し且つ圧電素子５０の一方の長辺側面（前記外部電極５５が設けられている側の長辺側面）が長辺壁部６４と対向するようにしてケース６内に収容されている。このとき、駆動子５９，５９はケース６から前記短手方向の他側に突出している。また、圧電素子５０の一方の短辺側面とケース６の第１短辺壁部６２との間および圧電素子５０の他方の短辺側面とケース６の第２短辺壁部６３との間にはそれぞれ支持ゴム７１，７１が介設されている。この圧電素子５０の両短辺側面は縦振動の腹の部分であるが、支持ゴム７１，７１は弾性体であるため、圧電素子５０の縦振動を阻害することなく、該圧電素子５０を支持することができる。これら支持ゴム７１，７１は、アクチュエータ本体５並びに第１及び第２短辺壁部６２，６３だけでなく、主壁部６１の内側表面とも当接している。また、圧電素子５０の一方の長辺側面とケース６の長辺壁部６４との間には付勢ゴム７２が介設されている。この付勢ゴム７２は、アクチュエータ本体５及び長辺壁部６４だけでなく、主壁部６１の内側表面とも当接している。

そして、主壁部６１の内側表面における、前記支持ゴム７１，７１及び付勢ゴム７２が当接する部分には電極６１ａ（付勢ゴム７２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６１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７１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７１，７１は、アクチュエータ本体５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７１，７１は、圧電素子５０の外部電極５６，５７と主壁部６１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７２も、支持ゴム７１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７２は、アクチュエータ本体５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７２は、圧電素子５０の外部電極５５と主壁部６１の電極６１ａとを導通させている。

つまり、ケース６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５０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４Ａ，４Ｂは、それぞれステージ３と固定部材２の底壁部２１との間に介設される。第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、ケース６の長辺壁部６４が固定部材２の底壁部２１に固定される一方、駆動子５９，５９がステージ３の下面と当接するように配置されている。すなわち、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、圧電素子５０の短手方向がステージ３の下面に直交すると共に、圧電素子５０の長手方向がステージ３の下面と平行な方向を向くように配置される。さらに換言すれば、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、圧電素子５０の屈曲振動の方向がステージ３の下面と直交すると共に、圧電素子５０の縦振動の方向がステージ３の下面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７２が圧縮変形しており、この付勢ゴム７２の弾性力によって駆動子５９，５９が補強部材３３に付勢されている。各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）のステージ３への付勢力は、付勢ゴム７２の弾性力によって決まる。

尚、本実施形態では、駆動子５９，５９は、ステージ３の下面において補強部材３３，３３の下面と当接している。この補強部材３３を設けることによって、ステージ３の下面の耐摩耗性を向上させている。

さらに詳しくは、第１超音波アクチュエータ４Ａは、図９に示すように、圧電素子５０の長手方向（即ち、縦振動の振動方向）がステージ３の下面の一の辺縁部近傍において該辺縁部と平行な方向（この方向をＸ方向とする。）を向くように配置される。一方、第２超音波アクチュエータ４Ｂは、圧電素子５０の長手方向がステージ３の下面の前記一の辺縁部と直交する辺縁部近傍において該辺縁部と平行な方向（この方向をＹ方向とする。）を向くように配置される。こうして、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、それぞれの圧電素子５０の長手方向が平面視で互いに直交するように配置されている。この第１超音波アクチュエータ４Ａが第１アクチュエータを、第２超音波アクチュエータ４Ｂが第２アクチュエータを構成する。また、Ｘ方向が第１の駆動方向に、Ｙ方向が第２の駆動方向に相当する。

以下に、駆動装置１の組み立て方法について説明する。

まず、前記固定部材２の第１及び第２天井壁部２３，２４を側壁部２２，２２，…の先端部に取り付ける。

次に、前記ステージ３の受け穴部３１，３１，３１に転動体２６，２６，２６を配設し、該ステージ３を支持バネ２５，２５，…によって固定部材２の第１及び第２天井壁部２３，２４に対して取り付ける。

続いて、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂを、固定部材２の底壁部２１とステージ３との間に配置する。ここで、ステージ３が固定部材２に取り付けられた状態において、固定部材２の底壁部２１の上面とステージ３の下面との距離は、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂの前記短手方向長さよりも短くなっている。そこで、アクチュエータ本体５をケース６の長辺壁部６４に押し付けて付勢ゴム７２を圧縮変形させた状態で、各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）を固定部材２の底壁部２１とステージ３との間に配置する。そして、各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）を所望の位置に配置した後、ケース６を固定部材２の底壁部２１に対して固定し、ケース６の外側表面に設けられた前記端子電極に制御装置（図示両略）からの信号線（図示両略）を接続する。このとき、各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）の駆動子５９，５９は、ステージ３の補強部材３３と当接している。

−駆動装置の動作−
次に、このように構成された駆動装置１の動作について説明する。

第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂはそれぞれ、前述の如く、前記ケース６の端子電極を介して、前記外部電極５５をグランドに接続し、前記外部電極５６に所定周波数の交流電圧を、前記外部電極５７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、圧電素子５０に縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させ、駆動子５９，５９に圧電素子５０の主面と平行な平面内において略楕円運動を行わせる。こうすることで、駆動子５９，５９は、ステージ３との当接及び離間を周期的に繰り返しながら、摩擦力によってステージ３を圧電素子５０の長手方向へ移動させる。つまり、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂは、ステージ３に対して、圧電素子５０の長手方向へ駆動力を付与している。尚、２つの駆動子５９，５９は、図８に示すように、それぞれ位相が１８０°ずれた状態で略楕円運動をしているため、ステージ３は駆動子５９，５９のそれぞれによって交互に駆動される。本実施形態１では、第１超音波アクチュエータ４Ａがステージ３をＸ方向へ移動させる一方、第２超音波アクチュエータ４Ｂがステージ３をＹ方向へ移動させる。

そして、ステージ３の、第１超音波アクチュエータ４Ａによる移動量と、第２超音波アクチュエータ４Ｂによる移動量とを調整することによって、Ｘ方向への移動とＹ方向への移動とを合成させて、ステージ３をその下面（詳しくは、補強部材３３の下面）に平行な平面内で任意の方向に移動させることができる。具体的には、各超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）による移動量は、外部電極５６，５７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５６と外部電極５７とに給電する各交流電圧の位相のずれを９０°以外の値に変更する等によって調整することができる。こうして、Ｘ方向への移動とＹ方向への移動とを合成してステージ３を移動させるときには、第１超音波アクチュエータ４Ａと第２超音波アクチュエータ４Ｂとを同時に駆動して、ステージ３を所望の位置の方向へ移動させてもよいし、第１超音波アクチュエータ４Ａと第２超音波アクチュエータ４Ｂとを交互に駆動して、ステージ３をＸ方向とＹ方向とに別々に移動させて所望の位置まで移動させるようにしてもよい。

次に、ステージ３をＸ方向及びＹ方向の何れか一方にのみ移動させる場合について説明する。例えば、ステージ３をＸ方向にのみ移動させるときは、第１超音波アクチュエータ４Ａは、圧電素子５０に縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させてステージ３に駆動力を付与する一方、第２超音波アクチュエータ４Ｂは、圧電素子５０に実質的にステージ３の下面（具体的には、補強部材３３の下面）と平行な平面内での振動のみ、即ち、縦振動のみを発生させて駆動子５９，５９をステージ３に対して滑らせる。

具体的には、第２超音波アクチュエータ４Ｂの前記外部電極５６と前記外部電極５７とに同じ交流電圧を印加する。すなわち、圧電素子５０の第１電極５２ａ，５２ｂ及び第２電極５３ａ，５３ｂ（図５参照）に同位相の交流電圧を印加する。これにより、該圧電素子５０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、実質的に該圧電素子５０には図５に示すような縦振動のみが誘起される。ここで、前記図５に示すような縦振動においては、圧電素子５０は短手方向にも若干振動しているが、この短手方向への振動は長手方向の縦振動に比べて無視できる程に小さい。つまり、「実質的に」とは、それ以外の振動も存在するが、その大きさが無視できる程度に小さいことを意味する。

その結果、第２超音波アクチュエータ４Ｂとステージ３との間の摩擦力を低減して、ステージ３を第１超音波アクチュエータ４ＡによってＸ方向へ効率良く移動させることができる。

この点について以下に詳しく説明する。ステージ３をＸ方向にのみ移動させる際に第２超音波アクチュエータ４Ｂを停止させた状態で、第１超音波アクチュエータ４Ａのみを駆動する場合、第２超音波アクチュエータ４Ｂのアクチュエータ本体５は停止状態であってもステージ３に対して付勢されているため、第２超音波アクチュエータ４Ｂの駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力が第１超音波アクチュエータ４Ａによるステージ３のＸ方向への駆動を阻害している。特に、ステージ３が始動するまでの間は、駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力は静摩擦力であるため、ステージ３の始動時には大きな駆動力が必要となる。本実施形態のようにステージ３を２つの超音波アクチュエータで駆動させる構成においては、一方の超音波アクチュエータ４Ａ（４Ｂ）による駆動力の方向は他方の超音波アクチュエータ４Ｂ（４Ａ）の駆動子５９，５９を中心とするモーメントを生じさせる方向となるため、他方の超音波アクチュエータ４Ｂ（４Ａ）の駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力が大きいと、ステージ３が第２超音波アクチュエータ４Ｂの駆動子５９，５９を中心に回転しようとする場合もある。

それに対して、本実施形態１では、第１超音波アクチュエータ４Ａを駆動するときに、該第１超音波アクチュエータ４Ａの駆動と同時か又はその駆動よりも先に、第２超音波アクチュエータ４Ｂは、圧電素子５０に実質的に縦振動のみ発生させている。その結果、駆動子５９，５９がステージ３の下面に対し滑って摺動するため、駆動子５９，５９とステージ３の下面との間の摩擦状態は、静摩擦から動摩擦に変わり、摩擦力が低減する。

また、駆動子５９，５９はステージ３の下面と平行な方向に振動しているため、駆動子５９，５９のステージ３の下面に対する摺動速度が速くなり、動摩擦係数が低減する。その結果、停止した駆動子５９，５９に対してステージ３のみが移動している動摩擦状態と比較して、動摩擦力を低減することができる。

さらに、駆動子５９，５９は、実質的にステージ３の下面と平行な平面内で振動しているため、駆動子５９，５９のステージ３への付勢力が増大することはなく、つまり、摩擦力が増大することがない。尚、圧電素子５０は、その長手方向（ステージ３の下面と平行な方向）への伸縮に合わせて短手方向（ステージ３の下面に直交する方向）にも若干、伸縮する。しかし、短手方向への伸縮は長手方向への伸縮に比べて非常に小さいため、圧電素子５０の短手方向への振動はステージ３へほとんど影響は与えない。

こうして、駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力を低減することができるため、ステージ３を第１超音波アクチュエータ４ＡによってＸ方向にのみ移動させるときに、第２超音波アクチュエータ４Ｂの駆動子５９，５９を中心にステージ３が回転することを防止することができると共に、ステージ３と第２超音波アクチュエータ４Ｂの駆動子５９，５９との間の摩擦損失を低減することができる。

尚、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂのこのような駆動は、ステージ３をＸ方向の所望の位置へ向かって単純にＸ方向にのみ駆動する場合に限られず、前述の如く、ステージ３をＸ方向とＹ方向との間の任意の方向の所望の位置へ移動させるべく、Ｘ方向への移動とＹ方向への移動とを交互に行って移動させる際のＸ方向への移動時にも用いられる。

また、前述の説明では、ステージ３をＸ方向へのみ移動させる場合について説明したが、ステージ３をＹ方向へのみ移動させるときには、前述の説明における第１超音波アクチュエータ４Ａと第２超音波アクチュエータ４Ｂとの役割を反対にすればよい。

したがって、実施形態１によれば、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂの何れか一方のみでステージ３をその一方の超音波アクチュエータに対応した移動方向へのみ移動させるときには、他方の超音波アクチュエータをステージ３の下面と平行な方向へのみ振動させることによって、他方の超音波アクチュエータの駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦状態を動摩擦状態とすると共に、該駆動子５９，５９のステージ３に対する摺動速度が速くなり動摩擦係数が低減するため、該駆動子５９，５９とステージ３との間の摩擦力を低減することができ、前記一方の超音波アクチュエータでステージ３を円滑に且つ効率良く移動させることができる。

また、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂを、圧電素子５０の、ステージ３の下面と平行な方向への振動が縦振動となるように構成すると共に、駆動子５９，５９を圧電素子５０の長辺側面においてその長手方向中央部に対して対称な位置に設けることによって、前述の如く、圧電素子５０にステージ３の下面と平行な方向の振動のみ発生させて駆動子５９，５９をステージ３に対して滑らせるときに、振動する該駆動子５９，５９がステージ３に不要な駆動力を付与することを防止することができる。

詳しくは、圧電素子５０の停止時であっても駆動子５９，５９は付勢ゴム７２によってステージ３に対して付勢されており、圧電素子５０がステージ３の下面と平行な方向へのみ振動する場合であっても、該駆動子５９，５９とステージ３との間には、若干ではあるが、摩擦力が生じる。ところで、前述の如く、長辺側面において長手方向中央部に対して対称な位置に２つの駆動子５９，５９が設けた圧電素子５０を縦振動させると、該駆動子５９，５９は該長手方向中央部を中心に長手方向に互いに反対向きで且つ同じ振幅の振動を行う。つまり、該駆動子５９，５９がステージ３に対して摺動する際に生じる摩擦力は、圧電素子５０の長手方向中央部を中心に長手方向に対称であるため、両駆動子５９，５９の摩擦力は互いに打ち消し合う。その結果、圧電素子５０をステージ３の下面に平行な方向に振動させるときに該駆動子５９，５９からステージ３へ駆動力が付与されることを防止することができ、前記一方の超音波アクチュエータによるステージ３の移動を阻害することを防止することができる。

さらに、第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂを、圧電素子５０の、ステージ３の下面と平行な方向への振動が縦振動となるように構成することによって、固定部材２の底壁部２１とステージ３との間において、圧電素子５０の短手方向がステージ３の下面に対して直交し且つ圧電素子５０の長手方向がステージ３の下面と平行な方向を向くように配置されるため、圧電素子５０がその長手方向がステージ３の下面と直交するように配置される構成と比較して、該底壁部２１とステージ３との間隔を短くすることができ、駆動装置１のコンパクト化を図ることができる。

次に、実施形態１における超音波アクチュエータの具体的な制御について図面を参照しながら説明する。以下の説明では、先述した構成要件のなかで同様に機能するものについて同じ番号を付与し、詳細な説明は省略する。

図１０は超音波アクチュエータ制御回路の構成図である。超音波アクチュエータは先述したように圧電素子５０、内部電極５２と５３、駆動子５９，第１短辺壁部６２，第２短辺壁部６３，長辺壁部６４，支持ゴム７１，付勢ゴム７２で構成されている。セラミック製の補強部材３３を含むステージ３は可動部として、図に示す様にＡ方向およびＢ方向に移動する構成になっている。

また、支持部材（図示せず）と同様の固定部として当接部１３０と１３１（例えば、側壁部２２，２２）を有しており、ステージ３が当接部１３０あるいは１３１に当接した場合にステージ３は停止することになる。

１０１はステージ３に取り付けられたマグネットであり、ホール素子で構成される位置検出センサ１００によって、ステージ３の位置を検出する構成になっている。

制御回路１５０には、この位置検出センサ１００の出力が入力されており、制御回路１５０ではこの位置検出センサ１００から出力されるステージ３の位置情報に基づいて圧電素子５０に印加する電圧パルスあるいは電流パルスの周波数、位相の制御を行う。この周波数、位相の制御を行うための信号はＡｃｈおよびＢｃｈから出力される構成になっている。制御回路１５０には、圧電素子５０に印加する信号のＯＮ／ＯＦＦの制御を行うことも可能である。

図１１（Ａ）に示す様に、ステージ３をＡ方向に移動させる場合にはＡｃｈとＢｃｈから矩形波のパルスを出力し、互いの位相差はＡｃｈに対してＢｃｈが９０度位相を遅らせた状態になる。また、図１１（Ｂ）に示す様に、ステージ３をＢ方向に移動させる場合にはＡｃｈとＢｃｈから矩形波のパルスを出力し、互いの位相差はＡｃｈに対してＢｃｈが９０度位相を進めた状態になる。また、図１１（Ｃ）に示す様に、ステージ３を停止させる場合にはＡｃｈとＢｃｈの信号をＧＮＤレベルにする状態になる。

１１０ａ、１１０ｂ、１２０ａ、１２０ｂはパワーＦＥＴなどのスイッチング素子を示す。

スイッチング素子１１０ａに入力されるＡｃｈの信号が＋５Ｖの場合にはスイッチング素子１１０ａに接続されている＋５Ｖ電源１９１からコイル１４１を通して圧電素子５０の電極５３ａ、５３ｂに電力が供給される。一方、スイッチング素子１１０ｂにはインバーター１１１（＋５Ｖが入力された場合には出力は−５Ｖ、−５Ｖが入力された場合には出力は＋５Ｖとなる素子）を介してＡｃｈの信号が入力され、Ａｃｈの信号が＋５Ｖの場合には１１０ｂに入力される電圧は−５Ｖとなるため、このスイッチング素子はＯＦＦとなる。

スイッチング素子１１０ａに入力されるＡｃｈの信号が−５Ｖの場合には、このスイッチング素子はＯＦＦとなる。一方、スイッチング素子１１０ｂにはインバーター１１１を介してＡｃｈの信号が入力され、Ａｃｈの信号が−５Ｖの場合には１１０ｂに入力される電圧は＋５Ｖとなるため、１１０ｂに接続されている−５Ｖ電源１９２からコイル１４１を通して圧電素子５０の電極５３ａ、５３ｂに電力が供給される。

スイッチング素子１２０ａに入力されるＢｃｈの信号が＋５Ｖの場合にはスイッチング素子１２０ａに接続されている＋５Ｖ電源１９１からコイル１４２を通して圧電素子５０の電極５２ａ、５２ｂに電力が供給される。一方、スイッチング素子１２０ｂにはインバーター１２１（＋５Ｖが入力された場合には出力は−５Ｖ、−５Ｖが入力された場合には出力は＋５Ｖとなる素子）を介してＢｃｈの信号が入力され、Ｂｃｈの信号が＋５Ｖの場合にはスイッチング素子１２０ｂに入力される電圧は−５Ｖとなるため、このスイッチング素子はＯＦＦとなる。

スイッチング素子１２０ａに入力されるＢｃｈの信号が−５Ｖの場合には、このスイッチング素子はＯＦＦとなる。一方、スイッチング素子１２０ｂにはインバーター１２１を介してＢｃｈの信号が入力され、Ｂｃｈの信号が−５Ｖの場合にはスイッチング素子１２０ｂに入力される電圧は＋５Ｖとなるため、スイッチング素子１２０ｂに接続されている−５Ｖ電源１９２からコイル１４２を通して圧電素子５０の電極５２ａ、５２ｂに電力が供給される。

ここで、各ＦＥＴから出力される信号が本実施例のように矩形波の場合は、１次の周波数成分だけでなく、複数の高次の周波数成分が含まれる。圧電素子５０に印加される信号の内、３次や５次などの高調波成分は駆動の効率を落としたり、圧電素子そのものを破損したりする場合がある。そこで、コイル１４１，１４２を設けることによって、この矩形波の周波数成分の内、１次の周波数成分が主に圧電素子５０に印加されるようになる。なお、各ＦＥＴから出力される信号が正弦波の場合には、本コイルは挿入してもよいし、挿入しなくてもよい。

また、制御回路１５０は、グランド電極ＧＮＤに設けられた電流検出抵抗の電圧値を読み取ることにより、圧電素子を流れる電流を検出する電流検出部１６０と、データを格納するメモリ１７０とに接続されている。これらの機能については、後述する。

以上で説明した構成によって、圧電素子５０に電力を供給することで駆動子５９をステージ３が進行する方向に振動させることによりステージ３の移動を行い、位置検出センサ１００の出力に基づいて、制御回路１５０では圧電素子５０に印加する電力波形を制御することによって、ステージ３の移動制御を行うことが可能となる。

図１２は、アクチュエータの速度、駆動電圧に対してアクチュエータを流れる電流、発熱のそれぞれの周波数特性を示す概念図である。図中、横軸は周波数を示し、実線は速度特性、細かい点線は発熱特性を示している。なお、各特性曲線は、概念的な挙動を示しているので、縦軸の絶対値には特に意味を与えていない。

理論的には、一定電圧駆動を行う場合、電流値は、アクチュエータとして最もインピーダンスが低くなる共振周波数に対応する周波数で最大となり、アクチュエータとして最もインピーダンスが高くなる反共振周波数に対応する周波数でも最小となる。図１２からわかるように、実際の電流周波数特性も、概ね共振周波数付近で最大となり、反共振周波数より低い周波数で最小となる。また、出力に相当する速度は、共振周波数で最大となり、周波数が高くなるにしたがって減少していく。以上より、駆動周波数として電力に対する出力の効率の最もよい範囲は、共振周波数と反共振周波数の範囲であることがわかる。

しかしながら、共振周波数の絶対値は、圧電素子の加工精度のばらつき、圧電素子自体の材料定数のばらつき、材料の収縮率のばらつき等に起因して最大で１０ｋＨｚ程度のばらつきを持つことが知られている。したがって、共振周波数（理論値）のみに基づいて駆動周波数を設定することは困難である。そこで、実装後のアクチュエータの共振周波数を実測することが考えられるが、実装後の共振周波数を測定することは、共振周波数付近で多大な電流が流れ、発熱量が大きくなるので難しい。このため、共振周波数自体を駆動周波数を設定する際の基準の周波数として取り扱うことは不可能である。

一方、共振周波数と反共振周波数との周波数帯域のばらつきは、材料定数のばらつき、製造ばらつきを含めてもほぼ１ｋＨｚ程度になる。また、反共振周波数は、ほぼ電流値が最小となる周波数とみてよいから、電流値を測定することにより実装後に測定することが可能である。そこで、本実施形態では、実装後に電流値が最小となる周波数を基準周波数とし、この基準周波数に基づいて駆動周波数の設定範囲を定め、定められた設定範囲から駆動周波数を設定する制御を行っている。

図１３は、実施形態１の制御フローを示すフローチャートである。図１３において、アクチュエータが起動（Ｓ１００）されると、制御周波数範囲設定処理（Ｓ２００）に移行する。制御周波数範囲設定処理（Ｓ２００）において、後述する方法で制御周波数範囲（制御範囲に相当する）が設定され、駆動制御（Ｓ３００）へ処理が移行する。次に、制御周波数範囲の変更リクエスト（Ｓ４００）を確認し、リクエストがあれば再びＳ２００へ戻り（ＹＥＳ）、なければ（ＮＯ）、処理を駆動継続確認（Ｓ５００）へ移行する。駆動継続確認で、駆動継続を行う場合（ＹＥＳ）、処理をＳ３００へ戻し、なければ（ＮＯ）、終了する。

ここで、制御周波数範囲の変更リクエストとは、制御周波数範囲を設定し直す指令であって、制御回路１５０に外部から変更リクエストに相当する何らかの信号が入力されたか否かで判定される。この変更リクエストに相当する信号は、出荷時や環境温度が変わったときに制御周波数範囲を設定し直すべく、ユーザが操作スイッチ等の入力手段を介してマニュアル的に入力することができる。

図１４は、制御周波数設定処理の内容を示すフローチャートである。図１４において、はじめに、メモリから予め格納された第１の周波数の値を読み取る（Ｓ２１０）。第１の周波数は、反共振周波数より高い周波数値に設定される。

次に、駆動信号（駆動電圧）の周波数を第１の周波数に設定すると共に該駆動信号を圧電素子５０に印加して、そのときに圧電素子５０に流れる電流を電流検出部１６０を介して計測する。そして、駆動信号の周波数を第１の周波数から低周波数側へ変更させながら、圧電素子５０に流れる電流の計測を行い、電流値が極小値となる周波数をサーチする（Ｓ２２０）。そして、極小電流値になる周波数を検出し（Ｓ２３０）、検出した周波数を第２の周波数（基準周波数に相当する）としてメモリに格納する（Ｓ２４０）。

ここで、電流の極小値、極大値を示す周波数は圧電素子に印加する電圧値に依存性があるため、電流の極小値をサーチする際の駆動信号の電圧値は、アクチュエータを実際に駆動する際に使用する電圧値に設定される。こうすることで、アクチュエータを実際に駆動する際の電圧値に則した、電流が極小値となる周波数を求めることができる。

このアクチュエータを実際に駆動する際の電圧値は、設定した周波数の制御範囲の下限値でアクチュエータが高速に駆動されるように高い値であることが好ましい。その一方で、このような電圧値で電流値が極大値となるような周波数の駆動信号を印加すると、圧電素子が破損してしまう虞がある。そのため、極小値の測定の際には、そのような高い電圧値を用いつつ、駆動信号の周波数を、電流が極大になる周波数とならないように変更しながら電流値を測定することが好ましい。そこで、前述の如く、駆動信号の周波数を、反共振周波数よりも高いと推測される第１の周波数から低周波数側にスキャンする。

次に、メモリに格納した第２の周波数から予め定められた所定値（所定の減算値に相当する）を減算した周波数を第３の周波数としてメモリに格納（Ｓ２５０）して、メインフローに戻る。

ここで、第３の周波数を算出する際に用いられる所定値は、予め測定又は算出した圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に基づいて、該差以下の値に設定されている。反共振周波数と共振周波数との差は、共振の帯域とよばれ、素子の材料定数及び電極の形状で決定される。共振の帯域は、圧電材料の電気機械結合係数Ｋ３１及び電極の形状が大きいほど大きくなり、同一の材料、電極設計では共振周波数の数％（３００ｋＨｚの共振周波数では、約１０ｋＨｚ）である。この共振の帯域のばらつきは約１ｋＨｚ以下であり、共振周波数自体のばらつきに比べて非常に小さい。そのため、電流値が極小値となる第２の周波数から、反共振周波数と共振周波数との差に基づいて設定された所定値を減算して求めた第３の周波数は、個体差によるばらつきの影響を受け難く、大凡、共振周波数以上となる。ただし、第３の周波数を共振周波数よりも高い周波数に確実に設定する場合には、制御周波数範囲の下限値が電流値が極大値となる周波数よりも高くなるように、即ち、第３の周波数が電流値が極大値となる周波数よりも高くなるように、前記所定値を設定する。例えば、前記所定値を、反共振周波数と共振周波数との差よりも、個体差によるばらつきの影響等があっても第３の周波数が共振周波数以下とならない程度に小さい値にすればよい。なお、本実施形態では、第３の周波数を算出する際に用いられる所定値は、圧電材料の電気機械結合係数に由来するものなので、共振周波数のおおむね１〜５％程度としている。

以下の駆動処理では、メモリに格納された第３の周波数以上の範囲から駆動周波数が設定される。具体的には、位置検出部より得られた位置情報を元に、第３の周波数以上で、所望の特性になるよう周波数制御を行う。このように、第３の周波数以上の範囲から駆動周波数を設定することにより、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲を大きくとることが可能になる。また、第３の周波数の設定を起動のたびに行うことで、温度特性や環境による変化にも対応できる。尚、このアクチュエータは前記駆動装置１やカメラ等の他の装置に搭載されて使用され、そのような場合には、アクチュエータが搭載される装置（例えば、カメラ等）の起動時が、アクチュエータの起動時となるため、該装置の起動時に制御周波数範囲の設定が行われる。

非常に遅い速度で制御したい場合、周波数が高くなりすぎると、再度電流が流れて効率が悪くなり、素子が発熱するのでその場合は、第２の周波数以下で制御するとなおよい。第２の周波数で制御した場合もさらに速度を落としたい場合は、その周波数で、第１の電源と第２の電源の位相差を制御したり、パルスのＯｎＤｕｔｙを制御することで速度を落としてもよい。ただし、第２の周波数のみで位相差やＯｎＤｕｔｙを制御しても、制御可能な速度範囲はきわめて小さく実用的でない。

さらなる具体的な数値実施例を示す。超音波アクチュエータは、６ｍｍ×１．７ｍｍ×２．５ｍｍのものを用いた、有効層厚みは１００ｕｍを２５層積層している。電源電圧Ｖｄｄは５Ｖとした。出荷時の設定として、第１の周波数として、２９０ｋＨｚ、所定値（減算値）として帯域４ｋＨｚをあらかじめ記憶部に入力した。この設定において、アクチュエータを起動し、駆動信号の周波数を第１の周波数から周波数が低いほうに、０．１ｋＨｚ／１ｍｓのスピードでスキャンさせ、１ｍｓの間隔で周波数と電流検出部としてのＧ部の電圧値を測定していった。データは、５回平均されその平均値として記憶部に記憶され、現在の最小電流と比較され、最小電流より小さいと最小電流値と周波数が更新される。最小電流値が更新されなくなってから、所定値（減算値）の帯域分だけさらに周波数を低い側にスキャンし、その間最小電流値の更新がなければ、その記憶された周波数を第２の周波数、その周波数より帯域分だけ小さい周波数を第３の周波数にする。第３の周波数が規定の電流値より大きい場合は、再度第１の周波数からスキャンをやり直す。規定回数スキャンをやり直しても、第３の周波数の電流値が規定の電流値より大きい場合は、あらかじめ決めてある帯域、即ち、所定値（減算値）を減らすことで再度スキャンを行う。

このようにして決定された第２の周波数は２８０ｋＨｚ、電流値は５０ｍＡで、可動物の速度５０ｍｍ／ｓ、第３の周波数は２７６ｋＨｚで、７０ｍＡ、可動物の速度１００ｍ／ｓであった。この後、制御部（即ち、制御回路１５０）は１００ｍｍ／ｓから５０ｍｍ／ｓについては、周波数を２７６〜２８０ｋＨｚで掃引することで制御した。また、制御部は、５０ｍｍ／ｓ以下については、駆動周波数は２８０ｋＨｚでドライバー部のＯｎｄｕｔｙを、５０％〜１０％にすることで制御した。以上の数値例では、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲を大きくとることが可能になっていた。

図１５は、制御周波数設定処理の別の内容を示すフローチャートである。図１５において、Ｓ２６０に続いて、メモリに格納した第２の周波数から予め定められた所定値（所定の加算値に相当する）を加算（Ｓ２６０）した周波数を第４の周波数としてメモリに格納（Ｓ２７０）して、メインフローに戻る。なお、第４の周波数を算出する際に用いられる所定値は、圧電材料の電気機械結合係数に由来するものなので、共振周波数のおおむね１〜５％程度が望ましく、先に述べた第３の周波数を算出する際に用いられる所定値と同一でも異なっていてもいずれでもよい。

以下の駆動処理では、メモリに格納された第３の周波数以上で第４の周波数以下の範囲から駆動周波数が設定される。具体的には、位置検出部より得られた位置情報を元に、第３の周波数以上で、所望の特性になるよう周波数制御を行う。このように、第３の周波数以上で第４の周波数以下の範囲から駆動周波数を設定することにより、さらに電流値の過剰な上昇を抑えることができ、特に低速駆動の際の出力の制御範囲を大きくとることが可能になる。

図１６は、制御周波数設定処理のさらに別の内容を示すフローチャートである。図１６において、先に述べた第３の周波数を予めメモリに格納しておき、その値を読み込む（Ｓ２１５）。第３の周波数の測定は、先に述べた方法と同様に、第１の周波数からスキャンしながら検出した電流値に対応する周波数から求めればよい。この例では、予め第３の周波数が設定されているので、より簡易に制御を行うことができる。

尚、図１６のフローチャートでは、第３の周波数を予めメモリに格納しておいたが、第２の周波数を予め実測して、該第２の周波数、又は、該第２の周波数から算出した第４の周波数を予めメモリに格納しておき、その値に基づいて制御周波数範囲を設定してもよい。すなわち、第２の周波数、第３の周波数及び第４の周波数の少なくとも１つをメモリに記憶しておき、該記憶しておいた周波数に基づいて制御周波数範囲を設定するようにしてもよい。

また、前記メインフローでは、起動時及び変更リクエストがあったときに、制御周波数範囲の設定を行っているが、これに限られず、他のタイミングで制御周波数範囲の設定を行ってもよい。例えば、制御回路１５０は、電流検出部１６０の検出結果に基づいて電流値を監視しておき、電流値が所定の閾値を超えたときに制御周波数範囲の設定を行うようにしてもよい。こうすることで、圧電素子５０の発熱量が多くなることを防止することができる。また、図１０に示すように、スイッチング素子１１０ａ，１１１０ｂ，１２０ａ，１２０ｂに接続された電源１９１，１９２の電源電圧を検出する電源電圧検出部１８０を設け、該電源電圧検出部１８０の出力結果が制御回路１５０に入力されるように構成する。そして、制御回路１５０は、電源電圧検出部１８０の検出結果に基づいて前記電源電圧が変化した（即ち、低下した）か否かを判定し、変化したときに、制御周波数範囲の設定を行うようにしてもよい。

電流検出部は、圧電素子のグランド電局部に設けられた電流検出抵抗の電圧値を読み取ることで電流値としているので、電流検出抵抗を用いることで安価に電流を検出することができるが、他の部分を参照してもよい。例えば、電流を検出する位置としては、Ａ部、Ｂ部でもよく、Ａ部とＢ部の合計、Ａ部とＢ部の合計よりＧ部の値を引いたもの、などでもよい。ここで、Ａ部とはコイル１４１と直列に接続された抵抗であり、Ｂ部とはコイル１４２に直列に接続された抵抗である。また、電流検出部は、カレントトランスでもよく、この場合は抵抗による電圧降下がないので、効率の劣化を防ぐことができる。

また、起動とは、電源を入れた場合のみならず、電流値以上の保護回路が働いたときや、ＡＣＴの指令がＯＮになったときなどもしめす。また、所定値に対応する周波数帯域は、出荷時にすでに設定してあるが、測定電流が基準値を超えた場合は、この周波数帯域を狭めることで、信頼性の高い駆動ができる。

このように、本発明によれば、駆動電力の適正化を図りつつ、出力の制御範囲が大きい超音波アクチュエータを提供することができる。

換言すれば、本発明に係る超音波アクチュエータ装置は、圧電素子を有し、屈曲振動及び縦振動を行うアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体の前記屈曲振動の振動方向を向く側面に取り付けられて、該アクチュエータ本体の振動に従って前記屈曲振動の振動方向と前記縦振動の振動方向とを含む平面内で周回運動することで駆動力を出力する駆動子と、前記アクチュエータ本体に、駆動周波数が同一であり各々位相が異なる第１および第２駆動電圧をそれぞれ印加する電源部と、電源部に、印加すべき前記駆動周波数を設定する制御部と、前記圧電素子を流れる電流値が極小値になる基準周波数に関連するデータを格納する記憶部とを備え、前記制御部は、前記記憶部に格納された前記基準周波数に関連するデータに基づいて、前記駆動周波数の設定範囲を定め、定められた設定範囲から前記駆動周波数を設定するものとする。

好ましくは、さらに、前記第１または前記第２の駆動電圧により、前記圧電素子に流れる電流値を検出する電流検出部を備え、前記記憶部は、前記基準周波数に関連するデータとして、前記基準周波数より常に高い値となる第１の周波数を格納し、前記制御部は、前記駆動周波数の設定範囲を定める際に、前記第１の周波数から徐々に低くしていきながら前記電流検出部で検出される電流値が極小値になる第２の周波数を求めて基準周波数とし、当該第２の周波数よりも第１の所定量だけ低い第３の周波数を算出して、前記駆動周波数を前記第３の周波数以上となるように設定するものとする。

さらに好ましくは、さらに、前記第１または前記第２の駆動電圧により、前記圧電素子に流れる電流値を検出する電流検出部を備え、前記記憶部は、前記基準周波数に関連するデータとして、少なくとも前記基準周波数より常に高い値となる第１の周波数を格納し、前記制御部は、前記駆動周波数の設定範囲を定める際に、前記第１の周波数から徐々に低くしていきながら前記電流検出部で検出される電流値が極小値になる第２の周波数を求めて基準周波数とし、当該第２の周波数よりも第１の所定量だけ低い第３の周波数及び当該第２の周波数よりも第２の所定量だけ高い第４の周波数を算出して、前記駆動周波数を前記第３の周波数以上であって前記第４の周波数以下となるように設定するものとする。

また、前記制御部は、所定のタイミングごとに、前記駆動周波数の設定範囲を定める制御を行うものとする。

さらに、前記所定のタイミングは、起動時であるものとする。

さらにまた、前記所定のタイミングは、電流値が所定の閾値を越えたときであるものとする。

また、前記所定のタイミングは、前記制御部へ特定の信号が入力されたときであるものとする。

さらに、前記所定のタイミングは、前記電圧が変化したときであるものとする。

さらにまた、前記記憶部は、前記基準周波数に関連するデータとして、予め検出した前記基準周波数自身、前記基準周波数を含む領域の下限値となる周波数、前記基準周波数を含む領域の上限値となる周波数、のうちの少なくとも１つを格納し、前記制御部は、前記基準周波数に関連するデータに基づいて、前記駆動周波数の設定範囲を定める制御を行うものとする。

また、前記アクチュエータ本体は、１次の縦振動と２次の屈曲振動とを行うものとする。

《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２について説明する。本実施形態２に駆動装置２０１は、超音波アクチュエータの構成が実施形態１と異なる。以下、実施形態１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省略する。

実施形態２に係るアクチュエータ本体２０５は、図１７に示すように、圧電素子２５０の一方の短辺側面に１つの駆動子２５９が設けられている。このアクチュエータ本体２０５は、圧電素子２５０の他方の短辺側面に付勢ゴム２７２が当接するようにしてケース２０６内に収容されている。このとき、前記駆動子２５９はケース２０６から外部に突出している。そして、圧電素子２５０の両長辺側面とケース２０６との間には、各側に２つずつ支持ゴム２７１，２７１が介設されている。

この圧電素子２５０には、実施形態１の圧電素子５０と同様に、圧電素子２５０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つの領域のそれぞれに第１電極２５２ａ，２５２ｂ及び第２電極２５３ａ，２５３ｂが設けられている。尚、第１電極２５２ａ，２５２ｂ及び第２電極２５３ａ，２５３ｂは、それぞれ別々に給電されるように構成してもよいし、実施形態１と同様に、対角線方向に位置する対ごとに給電するように構成してもよい。

そして、圧電素子２５０の対角線方向に位置する対ごとに、すなわち、第１電極２５２ａ，２５２ｂと第２電極２５３ａ，２５３ｂとにそれぞれ位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、圧電素子２５０には、図８に示すように、縦振動と屈曲振動とが調和的に誘起される。その結果、駆動子２５９は、圧電素子２５０の主面と平行な面内で略楕円運動を行う。

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２０４Ａ，２０４Ｂは、駆動子２５９がステージ３の下面（詳しくは、補強部材３３）に当接し且つ、圧電素子２５０の長手方向がステージ３の下面の法線方向を向くようにして、固定部材２の底壁部２１とステージ３の下面との間に配置される。換言すれば、第１及び第２超音波アクチュエータ２０４Ａ，２０４Ｂは、圧電素子２５０の縦振動の方向がステージ３の下面と直交すると共に、圧電素子２５０の屈曲振動の方向がステージ３の下面と平行な方向を向くように配置される。

このとき、第１超音波アクチュエータ２０４Ａは、その圧電素子２５０の短手方向がＸ方向を向くように配置される一方、第２超音波アクチュエータ２０４Ｂは、その圧電素子２５０の短手方向がＹ方向を向くように配置される。

この状態で、各超音波アクチュエータ２０４Ａ（２０４Ｂ）のアクチュエータ本体２０５に、前述の如く、縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させることによって、ステージ３が駆動される。

このとき、実施形態１と同様に、ステージ３の、第１超音波アクチュエータ２０４Ａによる移動量と、第２超音波アクチュエータ２０４Ｂによる移動量とを調整することによって、Ｘ方向への移動とＹ方向への移動とを合成させて、ステージ３をその下面に平行な平面内で任意の方向に移動させることができる。

また、ステージ３をＸ方向及びＹ方向の何れか一方、例えば、Ｘ方向だけに移動させるときは、第１超音波アクチュエータ２０４Ａは、圧電素子２５０に縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させてステージ３に駆動力を付与する一方、第２超音波アクチュエータ２０４Ｂは、圧電素子２５０に実質的にステージ３の下面と平行な平面内での振動のみを発生させて駆動子２５９をステージ３に対して滑らせる。具体的には、第２超音波アクチュエータ２０４Ｂは、圧電素子２５０に実質的に図７に示すような屈曲振動だけを発生させる。第１電極２５２ａ，２５２ｂ及び第２電極２５３ａ，２５３ｂの何れか一方だけに交流電圧を印加する、または、第１電極２５２ａ，２５２ｂと第２電極２５３ａ，２５３ｂとに位相が１８０°ずれた交流電圧を印加することによって、圧電素子２５０に実質的に屈曲振動だけを発生させることができる。この場合、駆動子２５９は、ステージ３への付勢力が増加することなく、ステージ３の下面に平行な平面内で振動し、その結果、ステージ３に対して滑って摺動する。

したがって、実施形態２によれば、実施形態１と同様に、第１及び第２超音波アクチュエータ２０４Ａ，２０４Ｂの何れか一方のみでステージ３をその一方の超音波アクチュエータに対応した移動方向へのみ移動させるときには、他方の超音波アクチュエータをステージ３の下面と平行な方向へのみ振動、即ち、屈曲振動のみさせることによって、他方の超音波アクチュエータの駆動子５９とステージ３との摩擦状態を動摩擦状態とすると共に、該駆動子５９のステージ３に対する摺動速度が速くなり動摩擦係数が低減するため、該駆動子５９とステージ３との間の摩擦力を低減することができ、前記一方の超音波アクチュエータでステージ３を円滑に且つ効率良く移動させることができる。

《発明の実施形態３》
続いて、本発明の実施形態３について説明する。本実施形態２に駆動装置は、超音波アクチュエータの構成が実施形態１と異なる。以下、実施形態１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省略する。

実施形態３に係る第１及び第２超音波アクチュエータ３０４Ａ，３０４Ｂは、図１８に示すアクチュエータ本体３０５と、該アクチュエータ本体３０５を収容するケース（図示省略）と、該アクチュエータ本体３０５をケース内で弾性的に支持する支持ゴム（図示省略）と、該アクチュエータ本体３０５をステージ３側へ付勢するための付勢ゴム（図示省略）とを備えている。

アクチュエータ本体３０５は、図１８に示すように、金属製の本体部３５０と、該本体部３５０に設けられた複数の圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…と、該本体部３５０に設けられた駆動子３５９，３５９とを有している。

本体部３５０は、略正方形の上面３５０ａ及び下面（図示省略）と、略長方形の４つの側面３５０ｂ，３５０ｃ（２つの側面のみ図示）とを有している。各側面はその両長辺部が上面３５０ａ及び下面の辺部と一致するように、すなわち、その短手方向が上下方向を向くように配置されている。

この本体部３５０の上面３５０ａには、２つの駆動子３５９，３５９が設けられている。これら２つの駆動子３５９，３５９は、上面３５０ａの重心を通り且つ対向する一対の辺部に平行な線上に並んで配置されている。

そして、本体部３５０の隣接する一対の側面３５０ｂ，３５０ｃには、それぞれ４つの圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，３５１ｃ，３５１ｄと圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，３５２ｃ，３５２ｄとが貼り付けられている。圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…は、側面３５０ｂ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つの領域にそれぞれ配置されている。圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，…も同様に、側面３５０ｃ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つの領域にそれぞれ配置されている。これら圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…及び圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，…は、実施形態１，２と異なり、各圧電素子ごとに一様な電極が設けられており、各圧電素子ごとに一様に給電することによって各圧電素子が一様に伸縮する。

このように構成されたアクチュエータ本体３０５は、側面３５０ｂにおいて、対角線方向に位置する一方の対の圧電素子３５１ａ，３５１ｄと他方の対の圧電素子３５１ｂ，３５１ｃとにそれぞれ位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、本体部３５０には側面３５０ｂの長手方向への縦振動と側面３５０ｂの短手方向への屈曲振動とが調和的に発生し、その結果、駆動子３５９，３５９が側面３５０ｂと平行な平面内で略楕円運動を行う。また、アクチュエータ本体３０５は、側面３５０ｃにおいて、対角線方向に位置する一方の対の圧電素子３５２ａ，３５２ｄと他方の対の圧電素子３５２ｂ，３５２ｃとにそれぞれ位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、本体部３５０には側面３５０ｃの長手方向への縦振動と側面３５０ｃの短手方向への屈曲振動とが調和的に発生し、その結果、駆動子３５９，３５９が側面３５０ｃと平行な平面内で略楕円運動を行う。

かかるアクチュエータ本体３０５を備える第１及び第２超音波アクチュエータ３０４Ａ，３０４Ｂは、図１，２に示す実施形態１に係る第１及び第２超音波アクチュエータ４Ａ，４Ｂと同様に、固定部材２の底壁部２１とステージ３の下面（詳しくは、補強部材３３）との間に介設される。詳しくは、第１超音波アクチュエータ３０４Ａは、ステージ３の下面の一の辺縁部の近傍において、駆動子３５９，３５９が並ぶ方向が該辺縁部と平行な方向（この方向をＸ方向とする。）を向くように、即ち、本体部３５０の側面３５０ｂの長手方向が該辺縁部と平行になるように配置されている。一方、第２超音波アクチュエータ３０４Ｂは、ステージ３の下面の前記位置の辺縁部と直交する辺縁部の近傍において、駆動子３５９，３５９が並ぶ方向が該辺縁部と平行な方向（この方向をＹ方向とする。）を向くように、即ち、本体部３５０の側面３５０ｂの長手方向が該辺縁部と平行になるように配置されている。

このように構成された駆動装置３０１において、第１超音波アクチュエータ３０４Ａは、基本的には側面３５０ｂに設けられた圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…を駆動することによって駆動子３５９，３５９を該側面３５０ｂ（長手方向がＸ方向を向いている）に平行な平面内で略楕円運動させる。つまり、第１超音波アクチュエータ３０４Ａは主としてステージ３をＸ方向へ移動させるために用いられる。一方、第２超音波アクチュエータ３０４Ｂは、基本的には側面３５０ｂに設けられた圧電素子３５１ａ，３５１ｂ，…を駆動することによって駆動子３５９，３５９を該側面３５０ｂ（長手方向がＹ方向を向いている）に平行な平面内で略楕円運動させる。つまり、第２超音波アクチュエータ３０４Ｂは主としてステージ３をＹ方向へ移動させるために用いられる。

ただし、ステージ３をＸ方向及びＹ方向のうちの一方向にのみ移動させるとき、例えば、ステージ３をＹ方向にのみ移動させるときには、第２超音波アクチュエータ３０４Ｂは、駆動子３５９，３５９を長手方向がＹ方向を向いた側面３５０ｂに平行な平面内で略楕円運動させてステージ３をＹ方向へ移動させる一方、第１超音波アクチュエータ３０４Ａは、長手方向がＹ方向を向いた側面３５０ｃに設けられた圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，…を駆動することによって駆動子３５９，３５９を該側面３５０ｃに平行な平面内で振動させる。このとき、第１超音波アクチュエータ３０４Ａにおいては、側面３５０ｃの４つの圧電素子３５２ａ，３５２ｂ，…に同位相の交流電圧を印加することによって、アクチュエータ本体３０５に該側面３５０ｃの長手方向に縦振動のみ発生させる。こうすることで、第１超音波アクチュエータ３０４Ａの駆動子３５９，３５９は、Ｙ方向に縦振動のみを行う。

したがって、実施形態３によれば、ステージ３をＸ方向及びＹ方向の何れか一方のみに移動させるときに、駆動子３５９，３５９の並ぶ方向がステージ３の移動方向と一致する方の超音波アクチュエータには、縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させる一方、駆動子３５９，３５９の並ぶ方向がステージ３の移動方向と一致しない、詳しくは、直交する方の超音波アクチュエータには、縦振動のみを発生させることによって、駆動子３５９，３５９の並ぶ方向がステージ３の移動方向と一致しない方の超音波アクチュエータの駆動子３５９，３５９とステージ３との摩擦状態を動摩擦状態とすると共に、該駆動子３５９，３５９のステージ３に対する摺動速度が速くなり動摩擦係数が低減するため、該駆動子３５９，３５９とステージ３との間の摩擦力を低減することができ、駆動子３５９，３５９の並ぶ向きがステージ３を移動させる方向と一致する方の超音波アクチュエータでステージ３を円滑に且つ効率良く移動させることができる。

このとき、駆動子３５９，３５９の並ぶ方向がステージ３の移動方向と一致しない方の超音波アクチュエータにおける駆動子３５９，３５９の縦振動の方向がステージ３の移動方向と一致するため、これら縦振動しながらステージ３に対して摺動する駆動子３５９，３５９がステージ３の移動に与える影響を低減することができる。

尚、前記実施形態３においては、本体部３５０は、各側面が短手方向が上下方向を向くように構成されて、上下に扁平な直方体となっているが、これに限られるものではない。すなわち、本体部３５０は、各側面が長手方向が上下方向を向くようにして、上下に長くなるように構成されていてもよい。この場合、ステージ３をＸ方向及びＹ方向の何れか一方へのみ移動させるときには、駆動子３５９，３５９の並ぶ向きがステージ３を移動させる方向と一致していない、詳しくは、直交している方の超音波アクチュエータは、本体部３５０に実施形態２と同様に屈曲振動だけ発生させることによって、駆動子３５９，３５９をステージ３に対して滑らせることができる。

また、駆動子３５９，３５９は、上面３５０ａの重心を通り且つ一対の辺部に平行な直線上に配置されているが、これに限られるものではない。

《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。

すなわち、前記実施形態では、ステージ３を固定部材２によって支持しているが、これに限られるものではない。すなわち、ステージ３を所定の平面内で移動させる構成であれば任意の支持構造を採用することができる。

また、前記ステージ３は、補強部材３３，３３が設けられているが、この補強部材３３，３３を設けない構成であってもよい。

さらに、前記駆動装置は、第１及び第２超音波アクチュエータの合計２つの超音波アクチュエータを備えているが、超音波アクチュエータの個数は２つに限定されるものではない。例えば、第１超音波アクチュエータと対向する別の超音波アクチュエータを設け、２つの超音波アクチュエータでステージ３をＸ方向に移動させるように構成してもよい。さらには、Ｘ方向及びＹ方向以外の方向にステージ３を移動させる別の超音波アクチュエータを設けてもよい。

さらにまた、前記超音波アクチュエータは、前記の構成に限られるものではない。例えば、前記支持ゴム及び付勢ゴムを介して圧電素子に給電する構成ではなく、リード線を圧電素子に接続して給電する構成でもよい。また、圧電素子の振動のノード部（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、アクチュエータ本体は圧電素子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。すなわち、圧電素子を有して構成され異なる２つの振動方向へ振動を発生させる構成であれば、任意の構成を採用することができる。

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、２つのアクチュエータを備えた駆動装置について有用である。

図１は、本発明の実施形態１に係る駆動装置の構成を示す分解斜視図である。 図２は、駆動装置の斜視図である。 図３は、超音波アクチュエータの斜視図である。 図４は、圧電素子の分解斜視図である。 図５は、アクチュエータ本体の構成を示す概略正面図である。 図６は、圧電素子の１次モードの伸縮振動による変位を示す概念図である。 図７は、圧電素子の２次モードの屈曲振動による変位を示す概念図である。 図８は、圧電素子の動作を示す概念図である。 図９は、超音波アクチュエータの配置を示す概略平面図である。 図１０は、超音波アクチュエータ制御回路の構成図である。 図１１は、駆動信号を示す波形図であって、（ａ）はステージを図１０のＡ方向へ移動させるとき、（ｂ）はステージを図１０のＢ方向へ移動させるとき、（ｃ）はステージを停止させるときの駆動信号を示す。 図１２は、実施形態１のアクチュエータの速度、駆動電圧に対してアクチュエータを流れる電流、発熱のそれぞれの周波数特性を示す概念図である。 図１３は、実施形態１の制御フローを示すフローチャートである。 図１４は、実施形態１の制御周波数設定処理の内容を示すフローチャートである。 図１５は、実施形態１の制御周波数設定処理の別の内容を示すフローチャートである。 図１６は、実施形態１の制御周波数設定処理の別の内容を示すフローチャートである。 図１７は、実施形態２に係る超音波アクチュエータの斜視図である。 図１８は、実施形態３に係るアクチュエータ本体の斜視図である。 図１９は、超音波アクチュエータの配置を示す概略平面図である。

符号の説明

３ ステージ（被駆動体）
４Ａ，２０４Ａ，３０４Ａ 第１超音波アクチュエータ（第１アクチュエータ）
４Ｂ，２０４Ａ，３０４Ａ 第２超音波アクチュエータ（第２アクチュエータ）
５ アクチュエータ本体
５９ 駆動子

Claims (14)

1. 圧電素子を有し、振動を行うアクチュエータ本体と、
   前記アクチュエータ本体に印加すべき駆動電圧の駆動周波数を所定の制御範囲内から設定する制御部と、
   前記制御部からの制御信号を受けて、該制御部で設定された駆動周波数の駆動電圧を前記アクチュエータ本体に印加する電源部と、
   前記圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に関するデータを記憶しておく記憶部とを備え、
   前記制御部は、前記圧電素子を流れる電流値が極小値になる基準周波数と前記記憶部に記憶された前記圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に関するデータとに基づいて、前記駆動周波数の制御範囲をその下限値が該圧電素子を流れる電流値が極大値となる周波数以上となるように定めて、該制御範囲内で該駆動周波数を設定する超音波アクチュエータ装置。
2. 前記制御部は、前記圧電素子を流れる電流値が極小値になる基準周波数を測定して、該基準周波数及び前記記憶部に記憶された前記圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に関するデータに基づいて、前記駆動周波数の制御範囲をその下限値が該圧電素子を流れる電流値が極大値となる周波数以上となるように定める請求項１に記載の超音波アクチュエータ装置。
3. 前記圧電素子に流れる電流値を検出する電流検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記駆動周波数を反共振周波数よりも高い第１周波数から低周波数側に変化させながら、前記電流検出部によって検出される電流値が極小値となるときの第２周波数を求めて、該第２周波数を前記基準周波数とする、請求項２に記載の超音波アクチュエータ装置。
4. 前記記憶部には、前記圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に関するデータとして、前記圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差よりも小さな所定の減算値を記憶しており、
   前記制御部は、前記基準周波数よりも該減算値だけ低い第３周波数を前記制御範囲の下限に設定する、請求項２又は３に記載の超音波アクチュエータ装置。
5. 前記制御部は、少なくとも前記基準周波数を含むように前記制御範囲を設定する、請求項２乃至４の何れか１つに記載の超音波アクチュエータ装置。
6. 前記記憶部は、所定の加算値を記憶しており、
   前記制御部は、前記基準周波数よりも前記加算値だけ高い第４周波数を前記制御範囲の上限に設定する、請求項５に記載の超音波アクチュエータ装置。
7. 前記制御部は、前記駆動周波数を前記制御範囲の上限値に設定して、デューティ制御を行う、請求項１乃至６の何れか１つに記載の超音波アクチュエータ装置。
8. 前記制御部は、所定タイミングごとに、前記駆動周波数の制御範囲を定める制御を行う、請求項１乃至７の何れか１つに記載の超音波アクチュエータ装置。
9. 前記所定タイミングは、該超音波アクチュエータ装置の起動時である、請求項８に記載の超音波アクチュエータ装置。
10. 前記所定タイミングは、前記電流検出部によって検出される電流値が所定の閾値を越えたときである、請求項８に記載の超音波アクチュエータ装置。
11. 前記所定タイミングは、前記駆動周波数の制御範囲を定める制御を行うべき所定の信号を前記制御部が外部から受けたときである、請求項８に記載の超音波アクチュエータ装置。
12. 前記所定タイミングは、前記電源部の電源電圧が変化したときである、請求項８に記載の超音波アクチュエータ装置。
13. 前記記憶部は、予め測定した前記基準周波数、予め設定した前記制御範囲の上限値、及び該圧電素子の反共振周波数と共振周波数との差に基づいて予め設定した前記制御範囲の下限値の少なくとも１つをさらに記憶している、請求項１に記載の超音波アクチュエータ装置。
14. 前記アクチュエータ本体は、１次の縦振動と２次の屈曲振動とを行う請求項１乃至１３の何れか１つに記載の超音波アクチュエータ装置。

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