(57)【要約】【課題】大型化および高コスト化せずに、正確な位置制御が可能である超音波アクチュエータを提供する。【解決手段】超音波アクチュエータ１００は、電気信号が入力されることで振動が励起される多層構造の圧電振動子２ｂと、複数の突起部と、圧電振動子２ｂの振動状態を検出する振動状態検知電極１４とを有する振動体２と、突起部と接触し、圧電振動子２ｂの振動により駆動される移動体１と、移動体の位置情報を算出する演算部１７と、演算部１７により算出された位置情報に基づいて移動体１の駆動を制御する制御部１１とを備え、振動状態検知電極１４は、いずれかの突起部を、圧電振動子２ｂの積層方向に向かって、圧電振動子２ｂの端面に投影し、圧電振動子２ｂの端面の中心と、投影された突起部の頂点とを結ぶ仮想線と垂直である仮想面と交わらないように設置され、振動検知電圧を出力し、演算部１７は、移動体１に対する振動体２の位置に応じて変化する、圧電振動子２ｂにおける共振状態を検出し、共振状態に基づいて移動体１の位置情報を算出する。【選択図】図３
2010161859.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号が入力されることで振動が励起される多層構造の圧電振動子と、前記圧電振動子に対して前記圧電振動子の積層方向側に位置する複数の突起部と、前記圧電振動子の振動状態を検出する振動状態検知電極とを有する振動体と、
前記突起部と接触し、前記圧電振動子の振動により駆動される移動体と、
前記移動体の位置情報を算出する演算部と、
前記演算部により算出された位置情報に基づいて前記移動体の駆動を制御する制御部とを備え、
前記振動状態検知電極は、前記圧電振動子の層間に設置された内部電極であって、前記複数の突起部の内、いずれかの突起部を、前記圧電振動子の積層方向に向かって、前記圧電振動子の端面に投影し、前記圧電振動子の端面の中心と、前記投影された突起部の頂点とを結ぶ仮想線と垂直である仮想面と交わらないように設置され、前記圧電振動子の振動状態の情報である振動検知電圧を出力し、
前記演算部は、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて変化する、前記圧電振動子における共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出する、超音波アクチュエータ。
【請求項２】
電気信号が入力されることで振動が励起される多層構造の圧電振動子と、前記圧電振動子に対して前記圧電振動子の積層方向側に位置する複数の突起部と、前記圧電振動子の振動状態を検出する振動状態検知電極とを有する振動体と、
前記突起部と接触し、前記圧電振動子の振動により駆動される移動体と、
前記移動体の位置情報を算出する演算部と、
前記演算部により算出された位置情報に基づいて前記移動体の駆動を制御する制御部とを備え、
前記振動状態検知電極は、前記圧電振動子の層間に設置された内部電極であって、前記複数の突起部の内、いずれかの突起部を、前記圧電振動子の積層方向に向かって、前記圧電振動子の端面に投影し、前記圧電振動子の端面の中心と、前記投影された突起部の頂点とを結ぶ仮想線と垂直である仮想面と交わり、前記仮想面に対して非対称であるように設置され、前記圧電振動子の振動状態の情報である振動検知電圧を出力し、
前記演算部は、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて変化する、前記圧電振動子における共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出する、超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記移動体は、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化する構造を有し、
前記演算部は、前記振動検知電圧に基づいて前記共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出する、請求項１または請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記演算部は、前記振動検知電圧の振幅または、前記振動検知電圧と前記圧電振動子の駆動電圧との位相差に基づいて前記共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出する、請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記移動体における前記振動体と接する面が、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化する構造を有する、請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記移動体における前記振動体と接する面は、複数の異なる形状により形成されていることで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化する、請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記移動体が複数の異なる材料により形成されていることで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化する、請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
前記移動体における前記振動体と接する面または面近傍は、複数の異なる材料により形成されていることで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化する、請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記移動体における前記振動体と接する面には、複数の溝部が形成されていることで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化する、請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記移動体における前記振動体と接する面は、複数の摩擦係数を有することで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化する、請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１１】
前記共振状態において、前記移動体の予め決められた基準位置に対応する状態を有する、請求項１または請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１２】
前記移動体における前記振動体と接する面において、前記移動体の予め決められた基準位置に対応する箇所を有する、請求項５に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１３】
前記振動検知電圧および前記圧電振動子における駆動電圧をそれぞれパルス信号に変換する、各パルス変換部を備え、
前記演算部は、パルス信号に変換された前記駆動電圧および前記振動検知電圧の各パルスエッジ間隔に基づいて前記駆動電圧および前記振動検知電圧の位相差を算出し、その位相差に基づいて前記共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出する、請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１４】
前記演算部は、前記振動検知電圧および前記圧電振動子における駆動電圧の位置情報を信号情報として算出する、請求項１または請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１５】
前記振動状態検知電極は、前記圧電振動子の積層方向に向かって前記突起部を投影した場合に、その投影像と交わるように設置されている、請求項１または請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１６】
前記複数の突起部の内、前記いずれかの突起部以外の突起部は、前記仮想面近傍に設置されている、請求項１または請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１７】
前記圧電振動子は、断面が略正方形である略四角柱形状であって、
前記振動状態検知電極は、前記圧電振動子の断面において前記正方形の一辺の中央に設置されている、請求項１または請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の振動により、移動体を駆動させる超音波アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波アクチュエータは、圧電素子を有する圧電振動子を備えた固定部と移動体とが接触するよう構成され、圧電振動子が振動することで移動体が駆動する。具体的には、圧電振動子が振動することで固定部の表面に進行波が発生し、固定部はその波の頂点でのみ移動体と接することとなる。その波の頂点は楕円回転運動を行っていることから、固定部に突き動かされるように移動体が駆動する。しかし、超音波アクチュエータはこのように駆動することから、固定部と移動体間に滑りが生じる可能性もあり、移動体の移動量を制御することは困難であった。そこで、超音波アクチュエータにおいて、移動体の移動量を制御するためには、ロータリーエンコーダ等の位置検出装置を設ける等の方法がとられていた。すなわち、位置検出装置により移動体の移動量を検出し、フィードバック制御により移動体を制御していた。しかし、ロータリーエンコーダを取り付けることで、超音波アクチュエータの組み込みスペースが増大するという問題があった。
【０００３】
この問題を解決するために、種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１に記載された発明は、移動体に突起部等の不均一部分が形成された超音波アクチュエータであって、圧電振動子に供給している駆動電流の波高値の包絡線を検出している。この超音波アクチュエータは、さらに、検出した駆動電流の波高値の包絡線に電気的な信号処理を施すことで、移動体の移動量を検出し、移動量の制御を行う。
【０００４】
また、特許文献２に記載された発明は、振動子と移動体との接触部に不均質接触部が形成された超音波モータであり、振動子に設けられた振動検出手段の検出信号と印加電圧との位相差の変動の周期を比較する等して得られる変動周期から位置および回転数を検出する手段を有する。
【０００５】
特許文献１および特許文献２に記載された発明では、このような構成であるため、エンコーダなどの移動体の位置等を検出するセンサなしに位置決めおよび回転数を検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２２５５５０号公報
【特許文献２】特開平６−１３３５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の超音波アクチュエータでは、圧電振動子の駆動電流の波高値変化は小さいため、正確な検出は難しく、高精度の位置制御が困難である。また、不均一部分の形状を、不均一部分以外の箇所と比べて大きく変化させることで、波高値変化を大きくすることは可能であるが、それにより駆動効率が低下するという新たな問題が生じる。また、特許文献２の超音波モータであっても、振動子と移動体とは面接触であることから、移動体の移動量が平均化されてしまい、高精度の検出は困難であるとの問題がある。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、大型化および高コスト化せずに、正確な位置制御が可能である超音波アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明に係る一態様に係る超音波アクチュエータは、電気信号が入力されることで振動が励起される多層構造の圧電振動子と、前記圧電振動子に対して前記圧電振動子の積層方向側に位置する複数の突起部と、前記圧電振動子の振動状態を検出する振動状態検知電極とを有する振動体と、前記突起部と接触し、前記圧電振動子の振動により駆動される移動体と、前記移動体の位置情報を算出する演算部と、前記演算部により算出された位置情報に基づいて前記移動体の駆動を制御する制御部とを備え、前記振動状態検知電極は、前記圧電振動子の層間に設置された内部電極であって、前記複数の突起部の内、いずれかの突起部を、前記圧電振動子の積層方向に向かって、前記圧電振動子の端面に投影し、前記圧電振動子の端面の中心と、前記投影された突起部の頂点とを結ぶ仮想線と垂直である仮想面と交わらないように設置され、前記圧電振動子の振動状態の情報である振動検知電圧を出力し、前記演算部は、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて変化する、前記圧電振動子における共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出する。
【００１０】
これにより、圧電振動子の共振状態により、移動体の移動量や位置等の位置情報を算出し、それにより移動体の移動量等を制御するので、位置制御装置等を備える必要なく、位置制御が可能である超音波アクチュエータを実現できる。それにより、超音波アクチュエータの大型化および高コスト化を防ぐことができる。また、移動体の位置情報の検出も容易に行うことができる。また、振動体が突起部を有し、その突起部が移動体に接触する構成であるため、移動体から力が加わるのは突起部のみであり、圧電振動子における共振状態の変化の検出をデジタル的に行うことができる。そのため、振動検知電圧の値が高くなり、共振状態を高精度に検出することができ、より高精度の位置制御が可能である。また、振動状態検知電極を、検知する振動が顕著に現れる箇所に振動状態検知部を設置することになるので、高い振動検知電圧値を得ることができ、より正確な圧電振動子の振動状態の検出が可能となる。
【００１１】
また、本発明の他の一態様に係る超音波アクチュエータは、電気信号が入力されることで振動が励起される多層構造の圧電振動子と、前記圧電振動子に対して前記圧電振動子の積層方向側に位置する複数の突起部と、前記圧電振動子の振動状態を検出する振動状態検知電極とを有する振動体と、前記突起部と接触し、前記圧電振動子の振動により駆動される移動体と、前記移動体の位置情報を算出する演算部と、前記演算部により算出された位置情報に基づいて前記移動体の駆動を制御する制御部とを備え、前記振動状態検知電極は、前記圧電振動子の層間に設置された内部電極であって、前記複数の突起部の内、いずれかの突起部を、前記圧電振動子の積層方向に向かって、前記圧電振動子の端面に投影し、前記圧電振動子の端面の中心と、前記投影された突起部の頂点とを結ぶ仮想線と垂直である仮想面と交わり、前記仮想面に対して非対称であるように設置され、前記圧電振動子の振動状態の情報である振動検知電圧を出力し、前記演算部は、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて変化する、前記圧電振動子における共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出する。
【００１２】
これにより、圧電振動子の共振状態により、移動体の移動量や位置等の位置情報を算出し、それにより移動体の移動量等を制御するので、位置制御装置等を備える必要なく、位置制御が可能である超音波アクチュエータを実現できる。それにより、超音波アクチュエータの大型化および高コスト化を防ぐことができる。また、移動体の位置情報の検出も容易に行うことができる。また、振動体が突起部を有し、その突起部が移動体に接触する構成であるため、移動体から力が加わるのは突起部のみであり、圧電振動子における共振状態の変化の検出をデジタル的に行うことができる。そのため、振動検知電圧の値が高くなり、共振状態を高精度に検出することができ、より高精度の位置制御が可能である。また、振動状態検知電極を、検知する振動が顕著に現れる箇所に振動状態検知部を設置することになるので、高い振動検知電圧値を得ることができ、より正確な圧電振動子の振動状態の検出が可能となる。
【００１３】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記移動体は、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化する構造を有し、前記演算部は、前記振動検知電圧に基づいて前記共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出することが好ましい。
【００１４】
これにより、振動検知電圧に基づいて移動体の移動量や位置等の位置情報を算出し、それにより移動体の移動量等を制御するので、位置制御装置等を備える必要なく、位置制御が可能である超音波アクチュエータを実現できる。そのため、超音波アクチュエータの大型化および高コスト化を防ぐことができる。また、移動体から力が加わるのは突起部のみであり、振動体全体に力が加わるわけではない。そのため、振動検知電圧の値が高くなり、共振状態を高精度に検出することができ、より高精度の位置制御が可能である。また、振動検知電圧により振動状態を検知することから、共振状態を容易に検出することができる。
【００１５】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記演算部は、前記振動検知電圧の振幅または、前記振動検知電圧と前記圧電振動子の駆動電圧との位相差に基づいて前記共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出することが好ましい。
【００１６】
これにより、共振状態を容易に検出することができる。
【００１７】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記移動体における前記振動体と接する面が、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化する構造を有することが好ましい。
【００１８】
これにより、圧電振動子の位置に応じて、振動検知電圧の振幅または、前記振動検知電圧と前記圧電振動子の駆動電圧との位相差を変化させることができるため、移動体の位置情報を確実に検出することができる。そのため、位置制御が可能である。
【００１９】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記移動体における前記振動体と接する面は、複数の異なる形状により形成されていることで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化することが好ましい。
【００２０】
これにより、圧電振動子の位置に応じて、振動検知電圧の振幅または、前記振動検知電圧と前記圧電振動子の駆動電圧との位相差を変化させることができるため、移動体の位置情報を確実に検出することができる。そのため、位置制御が可能である。
【００２１】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記移動体が複数の異なる材料により形成されていることで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化することが好ましい。
【００２２】
これにより、圧電振動子の位置に応じて、振動検知電圧の振幅または、前記振動検知電圧と前記圧電振動子の駆動電圧との位相差を変化させることができるため、移動体の位置情報を確実に検出することができる。そのため、位置制御が可能である。
【００２３】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記移動体における前記振動体と接する面または面近傍は、複数の異なる材料により形成されていることで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化することが好ましい。
【００２４】
これにより、圧電振動子の位置に応じて、振動検知電圧の振幅または、前記振動検知電圧と前記圧電振動子の駆動電圧との位相差を変化させることができるため、移動体の位置情報を確実に検出することができる。そのため、位置制御が可能である。
【００２５】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記移動体における前記振動体と接する面には、複数の溝部が形成されていることで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化することが好ましい。
【００２６】
これにより、圧電振動子の位置に応じて、振動検知電圧の振幅または、前記振動検知電圧と前記圧電振動子の駆動電圧との位相差を変化させることができるため、移動体の位置情報を確実に検出することができる。そのため、位置制御が可能である。
【００２７】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記移動体における前記振動体と接する面は、複数の摩擦係数を有することで、前記移動体に対する前記振動体の位置に応じて、前記圧電振動子における共振状態が変化することが好ましい。
【００２８】
これにより、圧電振動子の位置に応じて、振動検知電圧の振幅または、前記振動検知電圧と前記圧電振動子の駆動電圧との位相差を変化させることができるため、移動体の位置情報を確実に検出することができる。そのため、位置制御が可能である。
【００２９】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記共振状態において、前記移動体の予め決められた基準位置に対応する状態を有することが好ましい。
【００３０】
これにより、移動体と圧電振動子との絶対位置を検出することができ、より高精度の位置制御が可能である。
【００３１】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記移動体における前記振動体と接する面において、前記移動体の予め決められた基準位置に対応する箇所を有することが好ましい。
【００３２】
これにより、移動体と圧電振動子との絶対位置を検出することができ、より高精度の位置制御が可能である。
【００３３】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記振動検知電圧および前記圧電振動子における駆動電圧をそれぞれパルス信号に変換する、各パルス変換部を備え、前記演算部は、パルス信号に変換された前記駆動電圧および前記振動検知電圧の各パルスエッジ間隔に基づいて前記駆動電圧および前記振動検知電圧の位相差を算出し、その位相差に基づいて前記共振状態を検出し、前記共振状態に基づいて移動体の位置情報を算出することが好ましい。
【００３４】
これにより、駆動電圧および振動検知電圧の位相差の算出を容易に行うことができる。
【００３５】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記演算部は、前記振動検知電圧および前記圧電振動子における駆動電圧の位置情報を信号情報として算出することが好ましい。
【００３６】
これにより、位相差の違いを信号レベルの変化により表すことができるため、位相差の算出をより容易に行うことができる。
【００３７】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記振動状態検知電極は、前記圧電振動子の積層方向に向かって前記突起部を投影した場合に、その投影像と交わるように設置されていることが好ましい。
【００３８】
これにより、振動状態検知電極を、検知する振動が顕著に現れる箇所、すなわち突起部から伝わってくる移動体からの押圧力の影響をより強く受ける箇所に振動状態検知部を設置することになるので、高い振動検知電圧値を得ることができ、より正確な圧電振動子の振動状態の検出が可能となる。
【００３９】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記複数の突起部の内、前記いずれかの突起部以外の突起部は、前記仮想面近傍に設置されていることが好ましい。
【００４０】
これにより、振動状態検知電極が検知するべき振動以外の振動が生じにくくなり、検出の精度が高くなる。
【００４１】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記圧電振動子は、断面が略正方形である略四角柱形状であって、前記振動状態検知電極は、前記圧電振動子の断面において前記正方形の一辺の中央に設置されていることが好ましい。
【００４２】
これにより、振動状態検知電極を、検知する振動が顕著に現れる箇所に振動状態検知部を設置することになる。特に、突起部から伝わってくる移動体からの押圧力の影響をより強く受ける箇所に振動状態検知部を設置することになるので、高い振動検知電圧値を得ることができ、より正確な圧電振動子の振動状態の検出が可能となる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、大型化および高コスト化せずに、正確な位置制御が可能である超音波アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータを用いた、レンズ駆動ユニットの構成について説明するための図である。
【図２】本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの機械的な構成を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの電気的な構成を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態に係る振動体の外観を説明するための図であって、図４（Ａ）は振動体の平面図であり、４（Ｂ）は圧電振動子の駆動電極が設置された側の側面図であり、図４（Ｃ）は圧電振動子の振動検知電極が設置された側の側面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る圧電振動子の各層における電極構成を示す断面図であって、図５（Ａ）は第１の断面図であり、図５（Ｂ）は第２の断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る振動状態検知電極の設置箇所について説明するための図であって、図６（Ａ）は圧電振動子の断面図であり、図６（Ｂ）は圧電振動子の斜視図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係る振動状態検知電極の設置箇所にについて説明するための図であって、図７（Ａ）は他の第１の実施形態を示す図であり、図７（Ｂ）は他の第２の実施形態を示す図であり、図７（Ｃ）は他の第３の実施形態を示す図である。
【図８】屈曲１次モードを示す図である。
【図９】突起部の回転を説明するための図であって、図９（Ａ）は接触部の側面図であり、図９（Ｂ）は接触部の平面図である。
【図１０】ロータと接触部との分解斜視図である。
【図１１】ロータにおける接触部と接する面の形状を説明する図である。
【図１２】ロータおよび接触部の第１の要部拡大側面図である。
【図１３】ロータおよび接触部の第２の要部拡大側面図である。
【図１４】ロータおよび接触部の第３の要部拡大側面図である。
【図１５】振動検知電圧と駆動信号の周波数との関係を示すグラフである。
【図１６】振動検知電圧および駆動電圧間の位相差と、駆動信号の周波数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
【００４６】
本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータについて説明する。まず、本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータを用いた、レンズ駆動ユニットの構成について説明する。図１は本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータを用いた、レンズ駆動ユニットの構成について説明するための図である。レンズ駆動ユニット３００は、デジタルカメラやデジタルビデオカメラのＡＦ、ズーム、ＤＶＤのピックアップレンズの収差補正の駆動などに用いられる。図１に示すように、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００の回転軸と一体に結合されたリードスクリュー２１に一部が螺合されたレンズ支持部２２ｂと、レンズ支持部２２ｂにより支持されたレンズ２２と、レンズ２２の移動を制御する、リードスクリュー２１と平行に設置された２本のガイドレール２２ａと、これらを覆うケース２３と、超音波アクチュエータ１００とを備えて構成される。なお、図１においては、超音波アクチュエータ１００の電気的構成部分については、図示を省略している。
【００４７】
具体的には、レンズ２２の外周部を支持しているレンズ支持部２２ｂには貫通孔が形成され、その貫通孔にはガイドレール２２ａが貫通されていて、レンズ支持部２２ｂはガイドレール２２ａに沿った方向のみ可動である。また、レンズ支持部２２ｂはリードスクリュー２１と螺合しており、リードスクリュー２１がその軸を中心として回転することで、レンズ支持部２２ｂがガイドレール２２ａに沿って駆動される。
【００４８】
このような、レンズ駆動ユニット３００において、超音波アクチュエータ１００が駆動することで、リードスクリュー２１が右回転または左回転し、それにより、レンズ２２と一体であるレンズ支持部２２ｂが図１において左右方向に駆動する。つまり、レンズ駆動ユニット３００は、直動レンズ送り機構を構成している。
【００４９】
このように、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００は、例えばレンズ駆動ユニット３００に用いられるが、これに限定されるわけではなく、他にも様々な用途に用いられている。
【００５０】
次に、本実施形態に係る超音波アクチュエータの機械的な構成について説明する。図２は本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの機械的な構成を説明するための図である。なお、図２においては、本実施形態に係る超音波アクチュエータの電気的な構成については、図示を省略している。図２に示すように、本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータ１００は、移動体であるロータ１と、ロータ１と接触する突起部２ｃを有する接触部２ａおよび圧電振動子２ｂを有する振動体（ステータ）２と、振動体２の端部に設置された錘部５と、ロータ１の回転中心にロータ１と一体に設置された回転軸３と、回転軸３の軸受け２７と、これらを覆うケース７と、ケース７の底面と振動体２とに接続され、振動体２をロータ１へと所定の付勢力で押し付けるバネ等の弾性体である加圧部６と、ケース７と接続された支持フレーム２４と、支持フレーム２４を貫通するように設置されたキャップ２６と、キャップ２６に形成された窪み２６ａに回転自在に嵌り込む球体である軸受け２５とを備えて構成されている。
【００５１】
ロータ１は円板状である。回転軸３は、ロータ１の中心であって、前記円板の面に垂直方向に伸びるように配置されている。回転軸３はロータ１に一体的、または、かしめなどによる結合により構成されている。振動体２は、回転軸３を中心とする円板状の接触部２ａおよび接触部２ａに接合された圧電振動子２ｂとを備えて構成される。接触部２ａは突起部２ｃを有していて、突起部２ｃがロータ１と接触している。突起部２ｃとロータ１との摩擦力によりロータ１が駆動することから、突起部２ｃを含む接触部２ａは、例えば、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス、超硬合金等の耐摩耗性の高い材料を用いればよい。なお、接触部２ａは、例えばエポキシ等の剛性が高く、接着力が強い接着剤を用いて圧電振動子２ｂに固定されることとすればよい。圧電振動子２ｂは、圧電特性を示す圧電薄板と内部電極とが交互に積層されて構成されている。圧電振動子２ｂは製造のしやすさを考慮すると、直方体形状が好ましい。圧電薄板としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）等からなる圧電セラミックス等の圧電素子の薄板を用いればよい。そして、内部電極を介して所定の電気信号が圧電振動子２ｂに送られることにより、圧電振動子２ｂは振動する。その振動により、圧電振動子２ｂに接続された接触部２ａが振動し、ロータ１に接触している略球面を有する突起部２ｃも振動する。軸受け２７は、回転軸３を回転自在に軸支する。具体的には、軸受け２７により回転軸３はラジアル方向について支持されている。圧電振動子２ｂにおいて、接触部２ａと接合している端部とは反対の端部に錘部５が設置されている。錘部５が設置されることで、振動体２の振動バランスが向上する。また、錘部５を設置することで、圧電振動子２ｂの振動の節の位置が錘部５側に移動するため、突起部２ｃの振動を大きくすることができる。例えば、錘部５は、比重の高いタングステンや、銅や鉄系のタングステン合金などとすればよい。
【００５２】
ロータ１と、振動体２と、回転軸３と、軸受け２７と、錘部５と、加圧部６とはケース７内に配置されている。なお、回転軸３はケース７内から外部に突出している。また、軸受け２７の一部はケース７の外部に露呈している。振動体２はケース７に対して回転が規制され、ケース７の底面からロータ１方向に加圧部６により押圧されている。それにより、接触部２ａはロータ１と高い圧力をかけられた状態で接触している。支持フレーム２４は回転軸３が突出する側のケース７の端面に設置されていて、ケース７から突出された回転軸３は、支持フレーム２４内へと伸びている。回転軸３の端面は凹面となっており、支持フレーム２４に設置されたキャップ２６の窪み２６ａに嵌り込んだ球体である軸受け２５がその凹面に嵌り込むように配置され、回転軸３は回転自在に軸受け２５に軸支される。具体的には、軸受け２５により回転軸３はラジアルおよびスラスト方向について支持されている。キャップ２６は支持フレーム２４と螺合して貫通している。つまり、支持フレーム２４およびキャップ２６はねじ切りされていて、キャップ２６を締めるあるいは緩めることで、回転軸３に沿った方向へのキャップ２６の位置を調整できる。加圧部６により振動体２がロータ１に押し付けられていることから、ロータ１に結合された回転軸３は軸受け２５からの反力を受けるが、その反力は回転軸３の回転中心で受けることになるため、回転軸３と球体である軸受け２５との摩擦ロスを最小限に抑えることができる。超音波アクチュエータの作製時において、キャップ２６の位置を調整して、振動体２およびロータ１間の押圧力を調整すればよい。そして、調整が完了すれば、接着することでキャップ２６の位置を固定すればよい。このようにすることで、振動体２はケース７に対して回転が規制されながら、ロータ１との軸心が位置決めされ、保持される。
【００５３】
次に、本実施形態に係る超音波アクチュエータの電気的構成について説明する。図３は本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの電気的な構成を説明するための図である。図３に示すように、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００は、図２に示した以外に、制御部１１と、駆動電圧生成部１２と、振動状態検知電極１４と、検知電圧変換部１５と、駆動電圧変換部１６と、演算部１７とを備えて構成される。なお、図３において、図２において示した機械的構成については、電気的構成の説明について必要な部材を示し、これら以外は図示を省略する。なお、制御部１１と、駆動電圧生成部１２と、駆動電流生成部１３と、検知電圧変換部１５と、駆動電圧変換部１６と、演算部１７とは、例えば基板上に抵抗、コンデンサ、コイル等の電子素子が配置されて構成される。
【００５４】
制御部１１は、ロータ１が回転駆動するよう電気信号である駆動信号を発生させるものである。具体的には、駆動信号が接触部２ａの図示されていない突起部２ｃに楕円回転運動を生じさせるように圧電振動子２ｂを振動させることで、突起部２ｃにより突き動かされるようにロータ１が駆動する。
【００５５】
駆動電圧生成部１２は、制御部１１により指示された前記駆動信号に応じた駆動電圧を発生させる。また、圧電振動子２ｂの駆動制御は電流で行うことから、駆動電流生成部１３では、前記駆動電圧に基づいた駆動電流を生成する。駆動電流生成部１３により生成された駆動電流は、駆動電流生成部１３から出力され、圧電振動子２ｂに入力される。
【００５６】
振動状態検知電極１４は、圧電振動子２ｂの振動状態を示す振動検知電圧を検知する電極であり、圧電振動子２ｂに設置されている。具体的に圧電振動子２ｂが振動することで、振動状態検知電極１４から、圧電振動子２ｂの振動状態を示す信号である電圧（振動検知電圧）が出力される。より、具体的には、振動状態検知電極１４は、圧電振動子２ｂ内部に設置された電極である。それにより、圧電振動子２ｂの振動状態を直接検出することができ、高精度の検出が可能である。
【００５７】
検知電圧変換部１５は振動状態検知電極１４から出力された振動検知電圧をパルス信号に変換して演算部１７に入力する。また、駆動電圧変換部１６は駆動電圧生成部１２で生成された駆動電圧をパルス信号に変換して、演算部１７に入力する。このように、パルス信号に変換することにより、演算処理が容易になる。
【００５８】
演算部１７は、検知電圧変換部１５からの振動検知電圧および駆動電圧変換部１６からの駆動電圧を対比して、その位相差を算出する。演算部１７は、算出した位相差に基づきロータ１の移動量等の位置情報を算出して、制御部１１に指示する。制御部１１では演算部１７から位置情報を考慮して駆動信号を作成する。なお、位置情報とは、ロータ１の移動量や位置等の、演算部１７により算出した情報である。
【００５９】
次に、振動体２の構成について説明する。図４は本発明の実施形態に係る振動体の外観を説明するための図であって、図４（Ａ）は振動体の平面図であり、図４（Ｂ）は圧電振動子の駆動電極が設置された側の側面図であり、図４（Ｃ）は圧電振動子の振動検知電極が設置された側の側面図である。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示すように、振動体２は突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３が設置された円形の接触部２ａと圧電薄板が内部電極を介して積層された構成の圧電振動子２ｂを備えている。例えば、図４（Ａ）に示すように、突起部２ｃは略球面を有し、接触部２ａの中心軸に対して同心円上に等間隔（１２０度間隔）で３つ形成されている。これら突起部２ｃの各頂点がロータ１に接触している。また、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示すように、圧電振動子２ｂの積層された各内部電極に信号を入力あるいは各電極から信号を出力するための駆動電極２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−３、２ｂ−４、振動検知電極２ｂ−５、接地電極２ｂ−６が圧電振動子２ｂの各側面に設置されている。これら、駆動電極２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−３、２ｂ−４、振動検知電極２ｂ−５、接地電極２ｂ−６には、図示していないがリード線やフレキ等がハンダや導電性接着剤等により接合され、信号を送受信する。
【００６０】
図５は本発明の実施形態に係る圧電振動子の各層における電極構成を示す断面図であって、図５（Ａ）は第１の断面図であり、図５（Ｂ）は第２の断面図である。圧電振動子２ｂは図５（Ａ）および図５（Ｂ）で示される各内部電極２ｄ〜２ｈが形成された圧電薄板２０と、内部電極２ｉが形成された圧電薄板２０とが交互に積層された多層構造である。つまり、内部電極２ｄ〜２ｈを有する内部電極の層と、内部電極２ｉを有する内部電極の層とが交互に積層され、それらの内部電極の層の間に圧電薄板２０が挿入されている。なお、これら内部電極２ｄ〜２ｉは圧電薄板２０に銀パラジウムなどを印刷することで形成される。内部電極２ｄ〜２ｇは、それぞれ圧電薄板２０の各角付近に形成されている。
【００６１】
また、振動状態検知電極１４である内部電極２ｈは圧電薄板２０上であって、突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３のいずれか（例えば突起部２ｃ−１）を、圧電振動子２ｂの積層方向に向かって投影した場合に、その投影像と交わる位置に設置されていることが好ましい。これにより、内部電極２ｈは、突起部２ｃ−１とロータ１との関係により圧電振動子２ｂに生じる振動の振幅が大きい箇所に設置されることになる。このように設置されることで、振動状態検知電極１４である内部電極２ｈは圧電振動子２ｂの振動の内、突起部２ｃ−１とロータ１との関係により圧電振動子２ｂに生じる振動成分を多く含む振動検知電圧を出力することができる。それにより、より精度の高い検知が可能となる。つまり、内部電極２ｈの設置箇所は、突起部２ｃ−１とロータ１との関係により圧電振動子２ｂに生じる振動がより大きい箇所が好ましい。
【００６２】
さらに、内部電極２ｈの設置箇所について図６および図７を用いて説明する。図６は本発明の実施形態に係る振動状態検知電極の設置箇所について説明するための図であって、図６（Ａ）は圧電振動子の断面図であり、図６（Ｂ）は圧電振動子の斜視図である。なお、図６（Ａ）は図５（Ａ）と対応する図であり、図５（Ａ）で用いた部材については説明を省略する。また、図６（ｂ）は、圧電振動子２ｂを簡略化して直方体として示している。
【００６３】
また、図７は本発明の他の実施形態に係る振動状態検知電極の設置箇所にについて説明するための図であって、図７（Ａ）は他の第１の実施形態を示す図であり、図７（Ｂ）は他の第２の実施形態を示す図であり、図７（Ｃ）は他の第３の実施形態を示す図である。なお、図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は図５（Ａ）と対応する図であり、図５（Ａ）で用いた部材については説明を省略する。
【００６４】
まず、図６は、圧電振動子２ｂの端面に、突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３を圧電振動子２ｂの積層方向に向かって投影して示している。さらに図６には、突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３のうち、いずれかの突起部である突起部２ｃ−１の頂点と、圧電薄板２０の断面の中心３１とを結ぶ仮想線３２と、その仮想線３２に垂直である仮想面３３を示している。ここで、圧電振動子２ｂが振動し、ロータ１が駆動した場合に、ロータ１と突起部２ｃ−１との関係により、圧電振動子２ｂに生じる振動により力が加わりにくい箇所、すなわち前記振動による振幅が小さい箇所が、この仮想面３３上である。内部電極２ｈはロータ１と突起部２ｃ−１との関係により生じる振動により、より力が加わる箇所に設置されることが好ましいことから、内部電極２ｈは仮想面３３と交わらないように設置されることが好ましい。具体的には、内部電極２ｈは、上述した図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示されるように設置されることが好ましい。また、図７（Ａ）に示すように、内部電極２ｈは、突起部２ｃ−１の真下に設置されていなくてもよく、仮想面３３と交わらなければよい。また、内部電極２ｈの設置箇所は、仮想面３３から離れるほど、ロータ１と突起部２ｃ−１との関係により生じる振動が大きくなるため好ましい。したがって、内部電極２ｈの面積が大きい場合は、仮想面３３と交わっていても、大きい振動検知電圧が出力される可能性はある。しかし、内部電極２ｈが仮想面３３対して対称であれば、仮想面３３により分割される内部電極２ｈの各部分により出力される振動検知電圧が相殺されることになり、振動検知電圧の値は全体として小さくなる。そこで、図７（Ｂ）に示すように、内部電極２ｈが仮想面３３と交わっていても、仮想面３３に対して、内部電極２ｈを非対称とすればよい。それにより、内部電極２ｈからは、十分大きい振動検知電圧が出力される。したがって、内部電極２ｈは、仮想面３３と交わっている場合は、仮想面３３に対して非対称に配置されていることが好ましい。
【００６５】
また、突起部２ｃ−１以外の突起部である突起部２ｃ−２、２ｃ−３と、ロータ１との関係により生じる振動は、ロータ１と突起部２ｃ−１との関係による振動を阻害する場合がある。それを防ぐため、突起部２ｃ−２、２ｃ−３については仮想面３３のより近傍に設置することが好ましい。例えば、図７（Ｃ）に示すように、突起部２ｃ−２、２ｃ−３がそれぞれ仮想面３３と交わるように設置することが好ましい。なお、この場合は突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３が二等辺三角形を形成するように配置されるが、製造の容易さを考慮すると、突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３は正三角形を形成するように配置されることが好ましい。
【００６６】
また、圧電振動子２ｂが、端面が略正方形である略四角柱形状である場合は、圧電振動子２ｂの断面は略正方形であり、その正方形の１辺の中央に内部電極２ｈを設置することが好ましい。つまり、圧電薄板２０が略正方形であり、１辺の中央に内部電極２ｈを設置すればよい。それにより、圧電振動子２ｂが突起部２ｃ−１とロータ１との関係により振動した場合に、その振動が顕著に現れる箇所、すなわち振幅が大きい箇所に内部電極２ｈを設置することになるので、その振動成分を多く含む振動検知電圧値を得ることができ、より正確な圧電振動子の振動状態の検出が可能となる。
【００６７】
内部電極２ｉは、圧電薄板２０の略全面に形成されている。そして、これら内部電極２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇは、駆動電極２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−３、２ｂ−４とそれぞれ接続されている。また、内部電極２ｈは、振動検知電極２ｂ−５と接続されている。また、内部電極２ｉは接地電極２ｂ−６と接続されている。駆動電極２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−３、２ｂ−４は、駆動電流生成部１３と接続され、振動検知電極２ｂ−５は検知電圧変換部１５と接続され、接地電極２ｂ−６は接地されている。上記接続および接地については、図示していないが、リード線やＦＰＣ（フレキシブルプリント配線基板）等を介して行われる。なお、圧電薄板２０が圧電特性を示すためには、これらに所定の分極処理を行う必要がある。
【００６８】
次に、このような、圧電振動子２ｂの振動およびそれによる突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の振動について説明する。図８は屈曲１次モードを示す図である。また、図９は突起部の回転を説明するための図であって、図９（Ａ）は接触部の側面図であり、図９（Ｂ）は接触部の平面図である。上述のように、圧電振動子２ｂにおいて、駆動電極２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−４、２ｂ−３に高周波駆動信号（駆動電流）を、それぞれ位相を９０度ずらして印加すると、内部電極２ｄ、２ｅ、２ｇ、２ｆの各領域が９０度位相のずれた伸縮振動を行う。駆動信号の周波数を共振周波数に近づけると、圧電振動子２ｂには、屈曲１次モードが、９０度位相がずれて励起される。ここで、屈曲１次モードが励起された場合に、直方体である圧電振動子２ｂは、図８に示すように、２箇所の節Ｐにより１次の曲げ変形運動を左右に繰り返す。本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００の場合は、各駆動電極２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−４、２ｂ−３に印加される高周波駆動信号は、それぞれ９０度位相がずれていることから、圧電振動子２ｂには各内部電極２ｄ、２ｅ、２ｇ、２ｆにより屈曲１次モードによる振動がずれながら生じる。それにより、接触部２ａと接合された圧電振動子２ｂの先端は公転運動（首振り振動）を行う。そして、圧電振動子２ｂがこのような動きをすることで、圧電振動子２ｂ上に設置された接触部２ａの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３は、図９（Ａ）および図９（Ｂ）において、矢印で示したような楕円振動を行う。なお、隣接する各突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の楕円振動はそれぞれ位相が１２０度ずれている。上述のように、ロータ１は接触部２ａに押圧されている。したがって、ロータ１と突起部２ｃ−１〜２ｃ−３との間の摩擦係数は大きい。そのため、各突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が上述の、位相が１２０度ずれた楕円振動を行うことで、ロータ１は突起部２ｃ−１〜２ｃ−３に突き動かされるように、回転駆動を行う。
【００６９】
また、ロータ１は、ロータ１に対する圧電振動子２ｂの位置に応じて、圧電振動子２ｂにおける共振状態が変化するような構造を有している。具体的には、ロータ１は、ロータ１が回転駆動する際に、圧電振動子２ｂに異なる力が周期的に加わるような形態を有している。例えば、ロータ１における接触部２ａの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３と接する面が一様ではないこととすればよい。つまり、ロータ１における突起部２ｃ−１〜２ｃ−３と接している面の形状が均一ではない、あるいはロータ１が異なる性質を有する複数の材料により構成されていること等で、振動検知電圧の振幅および振動検知電圧と圧電振動子２ｂの駆動電圧との位相差が変化するような構造を実現できる。より具体的には、例えば、ロータ１における突起部２ｃ−１〜２ｃ−３と接している面には複数の溝部が形成されていることとすればよい。また、例えば、ロータ１における突起部２ｃ−１〜２ｃ−３と接している面は複数の表面粗さを有していることとすればよい。また、例えば、ロータ１は異なる密度を有する材料もしくは異なる弾性度等を有する材料により形成されていることとすればよい。また、例えば、ロータ１における突起部２ｃ−１〜２ｃ−３と接する面または面近傍は、密度または弾性度等が異なる複数の材料により形成されていることとすればよい。このように、ロータ１における振動体２と接する面が一様でないことで、共振状態が変化する。具体的には、振動検知電圧の振幅および振動検知電圧と圧電振動子２ｂの駆動電圧との位相差が変化する。つまり、ロータ１が駆動している際に、ロータ１が上記構造を有していることから、振動している圧電振動子２ｂには異なる力がかかる複数の状態が存在することになる。圧電振動子２ｂが位置する箇所のロータ１の形態に応じて、圧電振動子２ｂには加わる力が異なることから、圧電振動子２ｂの共振状態が変化する。本実施形態に係る超音波アクチュエータは、この共振状態に基づいてロータ１の移動量等を検出する。
【００７０】
ここで、ロータ１における突起部２ｃ−１〜２ｃ−３と接する面について説明する。ロータ１においては、異なる形態を周期的に形成しておけばよい。それにより、高精度の位置決め制御を実現できる。例えば、ロータ１における振動体２と接する面には、ロータ１の円周に沿って周期的にその形状あるいは性質を変化させてある。具体的には、径方向に沿って伸びる複数の溝（凹部）が円周に沿って等間隔に形成されている。ここで、図１０〜図１４を用いて、ロータにおける振動体と接する面について説明する。図１０はロータと接触部との分解斜視図である。図１１はロータにおける接触部と接する面の形状を説明する図である。図１２はロータおよび接触部の第１の要部拡大側面図である。図１３はロータおよび接触部の第２の要部拡大側面図である。図１４はロータおよび接触部の第３の要部拡大側面図である。
【００７１】
図１０に示すように、振動体２（図示せず）の接触部２ａは、ロータ１側の面に複数の突起部２ｃ−１〜２ｃ−３を備えている。ロータ１と接触部２ａとの間には所定の付勢力がかかり、これらは密着している。この場合に、接触部２ａは、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３においてロータ１と接触している。したがって、ロータ１から力が加わるのは突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のみであり、接触部２ａ全体に力が加わるわけではない。
【００７２】
図１１に示すように、ロータ１における接触部２ａと接触している面には、ロータ１の中心を通り、径方向に沿って伸びる溝１ａが形成されている。なお、溝１ａは円周に沿って等間隔に形成されている。つまり、溝１ａが形成されている箇所と形成されていない箇所とが交互に、ロータ１の円周上に沿って配置されている。このような構成であることから、圧電振動子２ｂ（図示せず）が振動することによりロータ１に接触している突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が楕円振動し、それによりロータ１が駆動した場合に、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３は周期的に溝１ａを通過することとなる。突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が溝１ａの形成箇所に位置する場合と、溝１ａが形成されていない箇所に位置する場合とでは、接触部２ａに加わる力が異なる。また、そのため、圧電振動子２ｂに加わる力も異なることから、圧電振動子２ｂの共振状態は変化する。また、図１２に示すように、ロータ１は、接触部２ａ側の面を覆うように薄板１ｂを有していてもよい。このような構成とすることで、突起部２ｃ−１（２ｃ−２、２ｃ−３）が溝１ａを通過する際のガタツキを防止することができる。例えば、ロータ１は、ステンレスなどの金属からなる構成とすればよい。そして、溝１ａはロータ１に機械加工やエッチングなどにより形成すればよい。また、薄板１ｂはステンレスなどとすればよい。なお、薄板１ｂには、耐摩耗性を向上させるため、窒化処理などを施しておくことが好ましい。ロータ１と薄板１ｂとは、それらの間に薄い接着層を形成するなどして接合、または、中心付近をスポット溶接などで結合すればよい。この場合は、突起部２ｃ−１と薄板１ｂとが接触し、突起部２ｃ−１の楕円振動により薄板１ｂがつき動かされるので、薄板１ｂからロータ１に回転駆動が確実に伝達される構成であればよい。また、このような構成において、溝１ａが形成されている箇所には、空洞が形成されている。したがって、溝１ａの形成箇所と、溝１ａが形成されていない箇所とでは、薄板１ｂのばね定数が異なる。つまり、薄板１ｂにおいて溝１ａの形成箇所は、溝１ａが形成されていない箇所に比べて剛性が低い。したがって、薄板１ｂにおいて、溝１ａの形成箇所に突起部２ｃ−１が位置する場合は、圧電振動子２ｂの共振周波数は低下する。このように、ロータ１に対する突起部２ｃ−１の位置に応じて圧電振動子２ｂの共振状態が変化する。
【００７３】
さらに、ロータ１における突起部２ｃ−１と接する面に、溝ではなく、ロータ１の中心を通り、径方向に沿って伸びる低摩擦領域を形成してもよく、この場合は、例えば摩擦係数の異なる領域が交互に、ロータ１の円周上に沿って配置されている。摩擦係数を異ならすためには、例えば、表面粗さを変化させればよい。このような構成であれば、ロータ１が駆動する際にガタツキが生じることもない。また、突起部２ｃ−１が位置する領域の摩擦係数により、突起部２ｃ−１に加わる力が異なる。そのため、圧電振動子２ｂに加わる力も異なることから、圧電振動子２ｂの共振状態が変化する。
【００７４】
また、図１３に示すように、例えば、ロータ１を形成する材料とは異なる材料１ｃを溝１ａに充填することで、ロータ１が、円周に沿って周期的に、複数の異なる材料により構成されることとしてもよい。ロータ１を形成する材料とは異なる材料１ｃとしては、例えばロータ１を形成する材料よりも、密度の異なる物質、質量の異なる物質あるいは弾性度の異なる物質等とすればよい。なお、図１４に示すように、ロータ１を形成する材料とは異なる材料１ｃの形成範囲を広げてもよく、例えば、ロータ１を形成する材料とは異なる材料１ｃが、ロータ１の半周分を占めることとしてもよい。このような構成とすることで、ロータ１における突起部２ｃ−１（２ｃ−２、２ｃ−３）と接する面が複数の異なる材料により形成されていることとなる。これにより、突起部２ｃ−１が位置する領域の材質により、突起部２ｃ−１に加わる力が異なる。そのため、圧電振動子２ｂに加わる力も異なることから、圧電振動子２ｂの共振状態は変化する。また、ロータ１が駆動する際にガタツキが生じることもない。なお、ロータ１が異なる材料により構成される場合であっても、図１２に示したように、ロータ１における突起部２ｃ−１側の面は、薄板により覆われていてもよい。つまり、ロータ１における突起部２ｃ−１と接する面近傍が複数の異なる材料により形成されている構成としてもよい。
【００７５】
上述のようにロータ１の相対位置に応じて、圧電振動子２ｂの共振状態が変化する。上述の溝１ａや摩擦係数の異なる領域等が形成されることで、ロータ１の円周上に沿って２種類の領域が周期的に配置されていることから、圧電振動子２ｂの共振状態を監視することで、ロータ１の位置情報を算出することができる。
【００７６】
また、２種類の領域を周期的に設けることとしたが、これら２種類の領域とは異なる形状あるいは性質が異なる箇所を一箇所形成しておき、その位置をロータ１の原点位置（予め決められた基準位置）とすればよい。すなわち、ロータ１における突起部２ｃ−１と接する面は、３種類の異なる形態を有することとし、そのうち１種類は一箇所のみ形成されていて、残りの２種類は周期的に交互に形成されていることとすればよい。また、ロータ１は３種類よりも多くの種類の異なる形態を有していてもよい。なお、ロータ１における突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３と接する面が一様でない形態について上述したが、この形態は上記したものに限定されることはなく、圧電振動子２ｂの共振状態を変化させ得るものであればよい。
【００７７】
ここで、共振状態の具体的な検出方法について説明する。具体的には、振動検知電極２ｂ−５から出力される信号により共振状態の変化を検出することができる。すなわち、ロータ１が回転することで、駆動検知電極２ｂ−５に接続される内部電極２ｈの形成箇所の圧電薄板２０に加わる力は周期的に変化する。それにより、内部電極２ｈから出力される振動検知電圧および駆動電圧との位相差が変化する。なお、内部電極２ｈの設置位置については、振動検知電圧の値が、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のいずれかと、ロータ１との関係により生じる振動の振動成分を多く含むことが好ましい。具体的には、内部電極２ｈの設置位置は、上述した設置位置とすればよい。
【００７８】
図１５は、振動検知電圧と駆動信号の周波数との関係を示すグラフであり、図１６は、振動検知電圧および駆動電圧間の位相差と、駆動信号の周波数との関係を示すグラフである。図１５において、縦軸は電圧を示し、横軸は周波数を示す。図１５は、図１２に示すようにロータ１に溝１ａが形成され、薄板１ｂが形成された場合に、突起部２ｃ−１が溝１ａの形成箇所に位置している場合と、突起部２ｃ−１が溝１ａの形成されていない箇所に位置している場合について、電圧の振幅と周波数の関係を表している。図１５において、実線は突起部２ｃ−１が溝１ａの形成箇所に位置している場合を示していて、破線は突起部２ｃ−１が溝１ａの形成されていない箇所に位置している場合を示している。このように、突起部２ｃ−１が溝１ａの形成されていない箇所に位置している場合と、突起部２ｃ−１が溝１ａの形成箇所に位置している場合とでは、振動検知電圧の振幅は異なる。なお、図１５において、各線において、最大値における周波数が共振点である。実線の方が最大値における周波数が低いことから、突起部２ｃ−１が溝１ａの形成箇所に位置している場合の方が、圧電振動子２ｂの共振周波数が低い。なお、共振点の近傍で、振動検知電圧および駆動電圧間の位相差が大きく変化する。
【００７９】
また、図１６において、縦軸は位相差を示し、横軸は周波数を示す。図１６は、図１２に示すようにロータ１に溝１ａが形成され、薄板１ｂが形成された場合に、突起部２ｃ−１が溝１ａの形成箇所に位置している場合と、突起部２ｃ−１が溝１ａの形成されていない箇所に位置している場合について、振動検知電圧および駆動電圧間の位相差と、駆動信号の周波数との関係を表している。図１６において、実線は突起部２ｃが溝１ａの形成箇所に位置している場合を示していて、破線は突起部２ｃ−１が溝１ａの形成されていない箇所に位置している場合を示している。このように、前記位相差は、突起部２ｃ−１が溝１ａの形成されていない箇所に位置している場合と、突起部２ｃ−１が溝１ａの形成箇所に位置している場合とでは異なる。このように、突起部２ｃ−１のロータ１に対する位置により、振動検知電圧および前記位相差が異なることから、振動検知電圧に基づいて、これらを算出することで共振状態の変化を検出することができる。
【００８０】
次に、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００の動作について説明する。まず、制御部１１がロータ１を駆動する指令のための電気信号である駆動信号を出力する。駆動電圧生成部１２は、制御部１１からの駆動信号に応じた駆動電圧を生成する。このとき、生成された駆動電圧は、駆動電圧変換部１６にて検出され、パルス信号へと変換される。また、駆動電圧は駆動電流生成部１３に入力され、駆動電流生成部１３は駆動電圧に対応する駆動電流を生成する。なお、駆動電圧および駆動電流は交流である。駆動電流は、圧電振動子２ｂに入力され、圧電振動子２ｂが振動することで、各突起部２ｃ−１〜２ｃ−３は楕円振動を行い、それによって、ロータ１が駆動する。なお、このときに発生する振動検知電圧は、振動状態検知電極１４（内部電極２ｈ）により検出され、検知電圧変換部１５に出力される。検知電圧変換部１５は振動検知電圧をパルス信号に変換する。演算部１７は、パルス信号とされた駆動電圧および振動検知電圧の位相差を求める。それにより、演算部１７は、ロータ１の位置等を算出することができ、ロータ１の移動量等の位置情報を算出することができる。また、パルス信号を変換することで、位相差を信号情報（レベル）として検出することが好ましい。それにより、容易に位相差を検出することができる。また、演算部１７が、振動検知電圧の振幅より、ロータ１の移動量等の位置情報を算出することとしてもよい。また、各突起部２ｃ−１〜２ｃ−３はロータ１と、その頂点で接触している。したがって、異なる領域の検出においては、それらの境界付近においても、正確に高精度に検出することができる。
【００８１】
位置情報の算出について、具体的に説明する。なお、ロータ１は、上述したように３種類の異なる形態を有することとする。１つは原点（予め決められた基準）状態であり、残りは第１の状態および第２の状態である。したがって、それぞれの状態に、例えば突起部２ｃ−１が位置する場合には共振状態が互いに異なる。例えば、第１の状態と第２の状態とをそれぞれロータ１の中心に対して所定の角度ずつ交互に形成しておき、第１の状態、第２の状態を何回通過したかをカウントすればよい。所定の角度および通過回数よりロータ１の回転角を検出することができる。このように、振動体２とロータ１との相対位置の関係を検出することができる。また、原点状態も検出できることから、原点状態を何回通過したかをカウントしておくことで、ロータ１が何回転したかを容易に検出することができる。このように、突起部２ｃ−１とロータ１との絶対位置の関係を検出することができる。また、これらを組み合わせることで、ロータ１の移動量や位置等の移動量等の位置情報を検出することができる。
【００８２】
また、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００において、接触部２ａは、ロータ１に突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の頂点で接していることから、圧電振動子２ｂの振動状態の変化（共振状態の変化）を、デジタル的に検出することができる。すなわち、振動検知電圧および前記位相差の変化が顕著に表れることになり、位相差の検出が容易であり、より高精度の位置制御が可能である。
【００８３】
このようにして、演算部１７で検出されたロータ１の位置情報は制御部１１へと送られ、制御部１１は演算部１７において検出されたロータ１の位置情報を考慮して、ロータ１の駆動を制御することができる。それにより、ロータリーエンコーダ等を取り付けることなく、高精度の位置制御が可能な超音波アクチュエータ１００を実現できる。
【００８４】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００８５】
１      ロータ                              １ａ    溝
１ｂ    薄板                                １ｃ    異なる材料
２      振動体                              ２ａ    接触部
２ｂ    圧電振動子                          ２ｂ−１〜２ｂ−４  駆動電極
２ｂ−５  振動検知電極                      ２ｂ−６  接地電極
２ｃ、２ｃ−１〜２ｃ−３    突起部          ２ｄ〜２ｉ  内部電極
３      回転軸                              ５      錘部
６      加圧部                              ７      ケース
１１    制御部                              １２    駆動電圧生成部
１３    駆動電流生成部                      １４    振動状態検知電極
１５    検知電圧変換部                      １６    駆動電圧変換部
１７    演算部                              ２０    圧電薄板
２１    リードスクリュー                    ２２    レンズ
２２ａ  ガイドレール                        ２２ｂ  レンズ支持部
２３    ケース                              ２４    支持フレーム
２５、２７  軸受け                          ２６    キャップ
２６ａ  窪み                                ３１    中心
３２    仮想線                              ３３    仮想面
１００、２００  超音波アクチュエータ        ３００  レンズ駆動ユニット
Ｐ      節
【図１】
2010161859.tif 000003
【図２】
2010161859.tif 000004
【図３】
2010161859.tif 000005
【図４】
2010161859.tif 000006
【図５】
2010161859.tif 000007
【図６】
2010161859.tif 000008
【図７】
2010161859.tif 000009
【図８】
2010161859.tif 000010
【図９】
2010161859.tif 000011
【図１０】
2010161859.tif 000012
【図１１】
2010161859.tif 000013
【図１２】
2010161859.tif 000014
【図１３】
2010161859.tif 000015
【図１４】
2010161859.tif 000016
【図１５】
2010161859.tif 000017
【図１６】
2010161859.tif 000018