(57)【要約】【課題】大型化および高コスト化せずに、移動体の移動方向を含む位置制御を高精度に行うことができ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において、圧電振動子２ｂの振動状態は、移動体１が移動することにより、突起部のすべてが第１の領域に位置する駆動状態と、突起部の一部が前記第１の領域に位置し、突起部の残りの突起部が第２の領域に位置する検出状態とがあり、さらに、検出状態においては、第１の領域に位置する突起部の数によって第１検出状態および第２検出状態があり、演算部１７は、移動体が移動することにより生じる、圧電振動子２ｂの振動状態の変化に基づいて、移動体１の位置情報を算出する。【選択図】図３
2010268564.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す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３つ以上の突起部とを有する振動体と、
前記突起部と接触し、前記突起部に対して移動する移動体と、
前記移動体の位置情報を算出する演算部とを備え、
前記移動体は前記突起部と接触する面に、前記移動体の移動方向に沿って交互に複数形成された、構造的に互いに異なる第１の領域および第２の領域を有し、
前記圧電振動子の振動状態は、前記移動体が移動することにより、前記突起部のすべてが第１の領域に位置する駆動状態と、前記突起部の一部が前記第１の領域に位置し、前記突起部の残りの突起部が前記第２の領域に位置する検出状態とを含み、さらに、前記検出状態においては、前記第１の領域に位置する前記突起部の数によって第１検出状態および第２検出状態があり、
前記演算部は、前記移動体が移動することにより生じる、前記圧電振動子の振動状態の変化に基づいて、前記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】
前記突起部のそれぞれの間隔のうち、少なくとも１つは等間隔ではないように、前記突起部は配置され、かつ、前記第２の領域のそれぞれは等間隔に配置されている、請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記突起部のそれぞれは、等間隔に配置され、かつ、前記第２の領域のそれぞれの間隔のうち、少なくとも１つは等間隔ではないように、前記第２の領域は配置されている、請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記第２の領域は、前記移動体において前記突起部と接触する面に形成された溝であり、前記第１の領域は、該面における前記第２の領域以外の領域である、請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記振動体は、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をさらに有し、
前記演算部は、前記振動状態検知電極により検出された前記圧電振動子の振動状態を用いて、前記移動体の位置情報を算出する、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
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る、請求項５に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記演算部は、前記圧電振動子の駆動電圧に対する、前記振動状態検知電極により検出された振動検知電圧の位相に基づいて移動体の位置情報を算出する、請求項５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駆動す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移動することとなる。超音波アクチュエータは、このような原理により駆動することから、駆動の際に固定部と移動体間に滑りが生じる可能性がある。したがって、移動体の移動量を制御することが困難であった。そこで、超音波アクチュエータにおいては、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により、移動体の移動量を制御していた。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の移動量や移動方向等を制御していた。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が記載されている。この超音波アクチュエータは、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、さら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、移動量の制御を行っている。
【０００４】
また、特許文献２には、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が記載されている。この超音波モータは、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、移動体の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に記載された発明によれば、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移動体の位置決めおよび回転数等を検出できる。
【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、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が小さいため、正確な移動量の検出は難しく、高精度の位置制御は困難である。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、移動体の移動方向を含む位置制御を高精度に行うことができ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す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３つ以上の突起部とを有する振動体と、前記突起部と接触し、前記突起部に対して移動する移動体と、前記移動体の位置情報を算出する演算部とを備え、前記移動体は前記突起部と接触する面に、前記移動体の移動方向に沿って交互に複数形成された、構造的に互いに異なる第１の領域および第２の領域を有し、前記圧電振動子の振動状態は、前記移動体が移動することにより、前記突起部のすべてが第１の領域に位置する駆動状態と、前記突起部の一部が前記第１の領域に位置し、前記突起部の残りの突起部が前記第２の領域に位置する検出状態とがあり、さらに、前記検出状態においては、前記第１の領域に位置する前記突起部の数によって第１検出状態および第２検出状態があり、前記演算部は、前記移動体が移動することにより生じる、前記圧電振動子の振動状態の変化に基づいて、前記移動体の位置情報を算出する。
【００１０】
このように、超音波アクチュエータは、移動体の移動に伴う、圧電振動子の振動状態の変化に基づいて、移動体の位置情報を算出するので、その位置情報をもとに、高精度の位置制御が可能である。したがって、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。また、超音波アクチュエータにおいて、圧電振動子の振動状態は、突起部のすべてが第１の領域に位置する駆動状態、第１検出状態および第２検出状態を有し、この振動状態の変化に基づいて移動体の位置情報を算出するので、移動体の移動量だけでなく、移動方向も算出できる。
【００１１】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記突起部のそれぞれの間隔のうち、少なくとも１つは等間隔ではないように、前記突起部は配置され、かつ、前記第２の領域のそれぞれは等間隔に配置されていることが好ましい。
【００１２】
これにより、移動体が移動する方向が異なると、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態の変化の順序が異なる。したがって、超音波アクチュエータは、これら振動状態の変化に基づいて、移動体の移動方向を含む、移動体の位置情報を算出することができる。
【００１３】
また、上述の超音波アクチュエータにおいて、前記突起部のそれぞれは、等間隔に配置され、かつ、前記第２の領域のそれぞれの間隔のうち、少なくとも１つは等間隔ではないように、前記第２の領域は配置されていることが好ましい。
【００１４】
これにより、移動体が移動する方向が異なると、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態の変化の順序が異なる。したがって、超音波アクチュエータは、これら振動状態の変化に基づいて、移動体の移動方向を含む、移動体の位置情報を算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、前記第２の領域は、前記移動体において前記突起部と接触する面に形成された溝であり、前記第１の領域は、該面における前記第２の領域以外の領域であることが好ましい。
【００１６】
これにより、移動体が移動することで、圧電振動子の振動状態が変化する。また、溝および溝以外の箇所との境界付近に突起部が位置する場合にも振動状態が明確であるため、溝および溝以外の箇所の違いを正確に高精度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、前記振動体は、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をさらに有し、前記演算部は、前記振動状態検知電極により検出された前記圧電振動子の振動状態を用いて、前記移動体の位置情報を算出することが好ましい。
【００１８】
これにより、圧電振動子の振動状態を電気的に検出することができ、超音波アクチュエータが大型化、高コスト化せずに、高精度の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ることが好ましい。
【００２０】
これにより、簡易な構成により、圧電振動子の振動状態を検出することができる。
【００２１】
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、前記圧電振動子の駆動電圧に対する、前記振動状態検知電極により検出された振動検知電圧の位相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。
【００２２】
これより、圧電振動子の振動状態を正確かつ容易に検出することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、大型化および高コスト化せずに、移動体の移動方向を含む位置制御を高精度に行う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】
【００２４】
【図１】本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）は圧電振動子の検知信号取出し電極が設置された側の側面図である。
【図５】本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】屈曲１次モードを示す図である。
【図７】本実施形態に係る突起部の回転を説明するための図であって、図７（Ａ）は接触部の側面図であり、図７（Ｂ）は接触部の平面図である。
【図８】本実施形態に係るロータと接触部との分解斜視図である。
【図９】本実施形態に係る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１０】薄板を備えたロータおよび接触部の要部拡大側面図である。
【図１１】本実施形態に係る超音波アクチュエータにおける突起部と溝との位置関係を示す図であって、図１１（Ａ）は第１検出状態における突起部と溝との位置関係を示す図であり、図１１（Ｂ）は第２検出状態における突起部と溝との位置関係を示す図である。
【図１２】振動検知電圧と駆動電圧の周波数との関係を示すグラフである。
【図１３】駆動電圧に対する振動検知電圧の位相と、駆動電圧の周波数との関係を示すグラフである。
【図１４】駆動状態、第１検出状態および第２検出状態における、駆動電圧と振動検知電圧との波形について示したグラフである。
【図１５】本実施形態に係る超音波アクチュエータが駆動している場合の、駆動状態を基準とした位相差の時間変化を示すグラフであって、図１５（Ａ）はロータが右回転している場合における位相差の時間変化を示すグラフであり、図１５（Ｂ）はロータが左回転している場合における位相差の時間変化を示すグラフである。
【図１６】本発明における他の実施形態に係る超音波アクチュエータの突起部と溝との位置関係を示す図であって、図１６（Ａ）は第１検出状態における突起部と溝との位置関係を示す図であり、図１６（Ｂ）は第２検出状態における突起部と溝との位置関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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１００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。
【００３３】
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、駆動電流生成部１３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および演算部１７は例えば、マイクロプロセッサにより実現される。また、駆動電圧生成部１２、駆動電流生成部１３、検知電圧変換部１５および駆動電圧変換部１６は、例えば、抵抗、コンデンサ、コイル、トランジスタ等の電子素子が組み合わされて構成される。
【００３４】
制御部１１は、例えば、図示されていない記憶素子に記憶された制御プログラムを読み込み、超音波アクチュエータ１００の全体制御を行うものである。制御部１１は、ロータ１が回転（移動）するよう電気信号である駆動信号を発生させる。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、回転軸３を中心軸としてロータ１が回転する。
【００３５】
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。
【００３６】
振動状態検知電極１４は、振動体２に備えられ、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、振動状態検知電極１４から出力される振動検知電圧により、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、駆動電圧に対する振動検知電圧の位相を算出する。演算部１７は、算出した位相に基づきロータ１の移動量や回転方向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から得た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の移動量や位置や回転方向等の、演算部１７により算出した情報である。
【００３９】
次に、振動体２の構成について説明する。図４は本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）は圧電振動子の検知信号取出し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３つ設置されている。なお、これら突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３は等間隔とならないように設置されている。また、突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３は、圧電振動子２ｂの積層方向側に位置している。例えば、２ｃ−２および２ｃ−３は接触部２ａの中心を基準として１２０度離れた配置であり、２ｃ−１および２ｃ−２は１１５度離れた配置であり、２ｃ−３および２ｃ−１は１２５度離れた配置である。これら突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３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信号を出力するための駆動電極２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−３、２ｂ−４、検知信号取出し電極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、検知信号取出し電極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。
【００４０】
図５は本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〜２ｇおよび振動状態検知電極１４が形成された圧電薄板２０と、内部電極２ｈ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〜２ｇおよび振動状態検知電極１４を有する内部電極の層と、内部電極２ｈ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〜２ｇおよび振動状態検知電極１４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。
【００４１】
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辺の中央に振動状態検知電極１４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辺の中央に振動状態検知電極１４を設置すればよい。それにより、圧電振動子２ｂ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振動状態検知電極１４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。
【００４２】
内部電極２ｈ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、内部電極である振動状態検知電極１４は、検知信号取出し電極２ｂ−５と接続されている。また、内部電極２ｈは接地電極２ｂ−６と接続されている。なお、駆動電極２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−３、２ｂ−４、検知信号取出し電極２ｂ−５、接地電極２ｂ−６は、例えば銀や金等をスクリーン印刷や蒸着等で形成すればよい。また、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、検知信号取出し電極２ｂ−５は位相比較部１２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っておく必要がある。
【００４３】
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６は屈曲１次モードを示す図である。また、図７は本実施形態に係る突起部の回転を説明するための図であって、図７（Ａ）は接触部の側面図であり、図７（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６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７（Ａ）および図７（Ｂ）において、矢印で示したような楕円振動を行う。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が上述したように、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、回転軸３を中心に回転を行う。
【００４４】
また、ロータ１は、圧電振動子２ｂ（突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３）に対するロータ１の位置に応じて、圧電振動子２ｂにおける振動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、ロータ１の回転により、圧電振動子２ｂにおける振動状態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する領域を備え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における突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３と接する面が一様でないことで、ロータ１の回転により圧電振動子２ｂの振動状態が変化する。具体的には、圧電振動子２ｂの振動状態が変化することで、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。
【００４５】
ロータ１が上記構造を有し、ロータ１の回転位置により、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り、それにより、圧電振動子２ｂの振動状態が変化する。したがって、この振動状態を監視することで、ロータ１の移動量等の位置情報を検出することができる。
【００４６】
ここで、ロータ１における突起部２ｃ−１〜２ｃ−３と接する面の一例について説明する。ロータ１においては、ロータ１の移動方向に沿って、異なる形態を周期的に形成しておけばよい。それにより、超音波アクチュエータ１００において、高精度の位置決め制御を実現できる。例えば、ロータ１における突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３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、中心から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８〜図１０を用いて、ロータ１における突起部２ｃ−１、２ｃ−２、２ｃ−３と接する面について説明する。図８は本実施形態に係るロータと接触部との分解斜視図である。図９は本実施形態に係る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１０は薄板を備えたロータおよび接触部の要部拡大側面図である。
【００４７】
図８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。
【００４８】
図９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３つであって、円周に沿って等間隔に形成されている。したがって、隣接する溝１ａはロータ１の中心に対して互いに１２０度回転させた配置である。このような構成であることから、溝（第２の領域）１ａが形成されている箇所と形成されていない箇所（第１の領域）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。それにより、ロータ１が回転することで圧電振動子２ｂの振動状態が変化する。
【００４９】
また、図１０に示すように、ロータ１には、接触部２ａ側の面を覆うように薄板１ｂが設置されていてもよい。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上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ことになる。したがって、溝１ａの形成箇所（第２の領域）と、溝１ａが形成されていない箇所（第１の領域）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が位置するか否かにより、圧電振動子２ｂの振動状態が変化する。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の振動状態が変化する。
【００５０】
なお、本実施形態においては、上述のように、各突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の配置が等間隔ではない。そして、ロータ１が移動した場合における、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３と溝１ａとの位置関係としては、以下に示す位置関係のみが存在するように、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３および溝１ａが配置される構成とする。図１１は本実施形態に係る超音波アクチュエータにおける突起部と溝との位置関係を示す図であって、図１１（Ａ）は第１検出状態における突起部と溝との位置関係を示す図であり、図１１（Ｂ）は第２検出状態における突起部と溝との位置関係を示す図である。図１１（Ａ）および（Ｂ）は接触部２ａの平面図であり、接触部２ａ上に突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が設置されていて、溝１ａの位置が仮想的に示されている。なお、図１１（Ａ）の状態からロータ１（図示せず）が右回転（時計回りに回転）した状態が図１１（Ｂ）に示す状態である。上述のように、突起部２ｃ−２および２ｃ−３は接触部２ａの中心に対して１２０度離れているが、突起部２ｃ−１は、突起部２ｃ−２および２ｃ−３のそれぞれに対して１１５度、１２５度離れている。なお、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が接するロータ１において、溝１ａ以外の箇所は、以下では、駆動域（第１の領域）という。
【００５１】
まず、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のすべてが、駆動域に位置する状態（以下、駆動状態）と、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の一部が駆動域に位置し、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の残りの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が溝１ａに位置する状態（以下、検出状態）とがある。さらに、この検出状態においても、溝１ａまたは駆動域に位置する突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数によって第１検出状態および第２検出状態の２つの種類がある。本実施形態においては、図１１（Ａ）に示すように、３つの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のうち、溝１ａに位置するいずれかの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数が１つの場合を第１検出状態とする。そして、図１１（Ｂ）に示すように、溝１ａに位置するいずれかの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数が２つの場合を第２検出状態とする。また、言い換えると、３つの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のうち、駆動域に位置するいずれかの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数が２つの場合を第１検出状態とし、駆動域に位置するいずれかの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数が１つの場合を第２検出状態とし、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のすべてが駆動域に位置する場合を駆動状態とする。
【００５２】
より具体的には、本実施形態に係る超音波アクチュエータにおいては、第１検出状態では、互いに１２０度離れた突起部２ｃ−２および２ｃ−３が共に駆動域に位置し、残りの突起部２ｃ−１は溝１ａに位置している。また、第２検出状態では、互いに１２０度離れた突起部２ｃ−２および２ｃ−３が共に溝１ａに位置し、残りの突起部２ｃ−１は駆動域に位置している。そして、駆動状態では、すべての突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が駆動域に位置している。これら駆動状態、第１検出状態および第２検出状態においては、それぞれ、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の振動状態も異なる。
【００５３】
ここで、圧電振動子２ｂの振動状態の具体的な検出方法について説明する。具体的には、検知信号取出し電極２ｂ−５から出力される信号により振動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、検知信号取出し電極２ｂ−５に接続される振動状態検知電極１４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、振動状態検知電極１４から出力される振動検知電圧と駆動電圧との位相差が変化する。したがって、振動検知電圧と駆動電圧との位相差から、圧電振動子２ｂの振動状態を検出できる。
【００５４】
図１２は、振動検知電圧と駆動電圧の周波数との関係を示すグラフであり、図１３は、駆動電圧に対する振動検知電圧の位相と、駆動電圧の周波数との関係を示すグラフである。図１２において、縦軸は振動検知電圧の値を示し、横軸は駆動電圧の周波数を示す。図１２は、図１０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、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態における、超音波アクチュエータ１００の振動検知電圧と周波数との関係を表している。図１２において、実線は駆動状態を示し、破線は第１検出状態を示し、一点鎖線は第２検出状態を示す。図１２に示すように、駆動状態に比べて第１検出状態における共振周波数の方が低い。また、第１検出状態に比べて第２検出状態における共振周波数が低い。このように、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態においては、それぞれ圧電振動子２ｂの振動状態が変化していることが分かる。また、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態における共振周波数よりやや大きな周波数ｆ１にて超音波アクチュエータ１００を駆動させている場合に、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態における振動検知電圧は、それぞれ異なる値である。具体的には、駆動状態、第１検出状態、第２検出状態の順で振動検知電圧の値は低くなっている。
【００５５】
また、図１３は、図１０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、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態における、超音波アクチュエータ１００の駆動電圧に対する振動検知電圧の位相と、駆動電圧の周波数との関係を表している。図１３において、実線は駆動状態を示し、破線は第１検出状態を示し、一点鎖線は第２検出状態を示す。図１３に示すように、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態において、駆動電圧の周波数が共振周波数付近の周波数ｆ１である場合には、それぞれ前記位相が異なる。具体的には、駆動電圧が周波数ｆ１である場合は、第１検出状態および第２検出状態における、駆動状態を基準とした位相差はそれぞれΔ１およびΔ２である。また、図１４は駆動状態、第１検出状態および第２検出状態における、駆動電圧と振動検知電圧との波形について示したグラフである。図１４において、各グラフにおいて、縦軸は電圧であり、横軸は時間である。また、各グラフにおいて、実線は駆動電圧であり、破線は振動検知電圧である。図１４に示すように、駆動状態に比べて第１検出状態では、振動検知電圧の位相がずれ、第１検出状態に比べて第２検出状態ではさらに、振動検知電圧の位相がずれている。
【００５６】
このように、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態に応じて、駆動状態を基準とした位相差が変化することから、この位相差から超音波アクチュエータ１００において駆動状態、第１検出状態および第２検出状態のいずれであるかを検出することができる。駆動状態、第１検出状態および第２検出状態は周期的に生じることから、これらを検出することで、ロータ１の回転位置や回転方向等を含むロータ１の位置情報を検出することができる。
【００５７】
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、駆動電圧の周波数は共振周波数付近の値であるｆ１とすればよい。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が回転する。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より、駆動電圧に対する振動検知電圧の位相を求め、さらに、駆動状態を基準とした位相差を求める。パルス信号に変換することで、位相差を信号情報（レベル）として検出することができるため好ましい。それにより、容易に位相差を検出することができる。
【００５８】
具体的には、演算部１７により求められた位相差は、図１５に示すグラフで表される。図１５は、本実施形態に係る超音波アクチュエータが駆動している場合の、駆動状態を基準とした位相差の時間変化を示すグラフであって、図１５（Ａ）はロータが右回転している場合における位相差の時間変化を示すグラフであり、図１５（Ｂ）はロータが左回転している場合における位相差の時間変化を示すグラフである。ロータ１が右回転している場合は、図１１において、仮想的に示した溝１ａが右回転（時計回り）している場合である。図１１（Ｂ）に示す第２検出状態の場合に最も位相差（Δ２）が大きくなる。そして、その状態から、溝１ａが右回転すると、すぐに図１１（Ｂ）に示す第１検出状態となる。このとき、位相差はΔ２よりも小さく、駆動状態における位相差よりも大きな位相差（Δ１）となる。そして、さらに溝１ａが右回転を続けると、駆動状態となる。そして、駆動状態がしばらく続き、その後第２検出状態となり、図１５（Ａ）に示すように、第２検出状態、第１検出状態、駆動状態を繰り返す。このように、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００においては、右回転の場合は第２検出状態から連続して第１検出状態となり、さらに連続して駆動状態となるサイクルを繰り返す。
【００５９】
また、ロータ１が左回転している場合は、図１１において、仮想的に示した溝１ａが左回転（反時計回り）している場合である。図１１（Ａ）に示すように第１検出状態の場合に位相差がΔ１となる。そして、その状態から、溝１ａが左回転すると、すぐに図１１（Ａ）に示す第２検出状態となる。このとき、位相差は最も大きい位相差であるΔ２となる。そして、さらに溝１ａが左回転を続けると、駆動状態となる。そして、駆動状態がしばらく続き、その後第１検出状態となり、図１５（Ｂ）に示すように、第１検出状態、第２検出状態、駆動状態を繰り返す。このように、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００においては、左回転の場合は第１検出状態から連続して第２検出状態となり、さらに連続して駆動状態となるサイクルを繰り返す。このように、右回転と左回転とでは、時間変化における位相差を示したグラフの波形が異なる。
【００６０】
制御部１１の制御により、さらに演算部１７は上記求めた時間変化に対する位相差をもとに、ロータ１の位置、回転数、回転方向、移動量等のロータ１の位置情報を算出する。具体的には、ロータ１が回転することで、第１検出状態および第２検出状態を含む検出状態と、駆動状態が周期的に繰り返されることになる。溝１ａの配置は規則性があることから、検出状態および駆動状態となった数をカウントしておくことで、ロータ１の回転数や回転量を算出することができる。また、上述のように、右回転と左回転とでは、位相差の波形が異なることから、これら波形により容易に回転方向を算出することができる。
【００６１】
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、溝１ａと駆動域との境界付近においても、それらの領域の違いを正確に高精度に検出することができる。また、圧電振動子２ｂの振動状態、すなわち駆動状態、第１検出状態および第２検出状態の別を、デジタル的に検出することができるため、位相差の検出等も容易に行うことができる。
【００６２】
このようにして、演算部１７で算出されたロータ１の位置情報は制御部１１へと送られる。演算部１７において算出されたロータ１の位置情報に基づいて、現在のロータの回転状態を認識できるため、制御部１１はこの位置情報に基づいてロータ１の回転駆動を制御することで、所望の回転制御を正確に行うことができる。具体的には、操作者が所望とする回転数だけロータ１を回転させ、その際の回転方向も操作者の所望とする回転方向とすることできる。それにより、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００は、ロータリーエンコーダ等を取り付けることなく、高精度の位置制御等が可能である。
【００６３】
また、上記本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００は、溝１ａを規則的に配置し、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の配置を不規則な箇所を含むように構成したが、溝１ａの配置を不規則な箇所を含むようにし、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３を規則的に配置することとしてもよい。このような本発明の他の実施形態に係る超音波アクチュエータについて図を用いて説明する。図１６は本発明における他の実施形態に係る超音波アクチュエータの突起部と溝との位置関係を示す図であって、図１６（Ａ）は第１検出状態における突起部と溝との位置関係を示す図であり、図１６（Ｂ）は第２検出状態における突起部と溝との位置関係を示す図である。なお、図１６（Ａ）および（Ｂ）における本発明の他の実施形態に係る超音波アクチュエータは、上述した本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００とは、溝１ａ（１ａ−１〜１ａ−３）および突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の配置が異なるだけで他の点は略同一であるので、同一の構成については同一の符号を付し、同一の点については説明を省略する。
【００６４】
図１６（Ａ）および（Ｂ）は接触部２ａの平面図であり、接触部２ａ上に突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が設置されていて、図示していないロータ１に形成された溝１ａ−１〜１ａ−３の位置が仮想的に示されている。なお、図１６（Ｂ）の状態からロータが時計回りに回転した状態が図１６（Ａ）に示す状態である。突起部２ｃ−１〜２ｃ−３はそれぞれ接触部２ａの中心に対して同心円上にあり、それぞれ１２０度離れて設置されている。また、３つの溝１ａ−１〜１ａ−３がロータ１において、ロータ１（図示せず）における接触部２ａと接触している面の中心を通り、径方向に沿って伸びるように形成されている。なお、上述のように、溝１ａ−１〜１ａ−３は円周に沿って不規則な配置とされる。具体的には、溝１ａ−２および１ａ−３は、互いにロータ１の中心に対して１２０度回転させた配置であり、溝１ａ−３と溝１ａ−１とは互いにロータ１の中心に対して１１５度回転させた配置であり、溝１ａ−１と溝１ａ−２とは互いにロータ１の中心に対して１２５度回転させた配置である。なお、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が接するロータ１において、溝１ａ−１〜１ａ−３以外の箇所は、以下では、駆動域という。
【００６５】
そして、ロータ１が回転することで、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３と溝１ａ−１〜１ａ−３との位置関係により、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のすべてが、駆動域に位置する駆動状態と、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の一部が駆動域に位置し、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の残りの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が溝１ａ−１〜１ａ−３に位置する検出状態とがある。さらに、この検出状態においても、溝１ａ−１〜１ａ−３または駆動域に位置する突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数によって第１検出状態および第２検出状態の２つの種類がある。他の実施形態においては、図１６（Ａ）に示すように、３つの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のうち、溝１ａ−１〜１ａ−３に位置するいずれかの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数が１つの場合を第１検出状態とする。そして、図１６（Ｂ）に示すように、溝１ａ−１〜１ａ−３に位置するいずれかの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数が２つの場合を第２検出状態とする。また、言い換えると、３つの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のうち、駆動域に位置するいずれかの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数が２つの場合を第１検出状態とし、駆動域に位置するいずれかの突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数が１つの場合を第２検出状態とし、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３のすべてが駆動域に位置する場合を駆動状態とする。
【００６６】
より具体的には、他の実施形態に係る超音波アクチュエータにおいては、第１検出状態（図１６（Ａ）参照）では、突起部２ｃ−１が溝１ａ−１に位置し、突起部２ｃ−２および２ｃ−３は駆動域に位置している。そして、第２検出状態（図１６（Ｂ）参照）では、突起部２ｃ−２および２ｃ−３が溝１ａ−２および１ａ−３に位置し、突起部２ｃ−１は駆動域に位置している。そして、駆動状態では、すべての突起部２ｃ−１〜２ｃ−３が駆動域に位置している。これら駆動状態、第１検出状態および第２検出状態においては、それぞれ、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の振動状態も異なる。
【００６７】
そして、このような、他の実施形態に係る超音波アクチュエータにおいて、まず、図１６（Ｂ）に示す第２検出状態の場合に最も位相差（Δ２）が大きくなり、その状態から溝１ａ−１〜１ａ−３が右回転すると、すぐに図１６（Ａ）に示す第１検出状態となる。このとき、位相差はΔ２よりも小さく、駆動状態における位相差よりも大きなΔ１となる。そして、さらに溝１ａ−１〜１ａ−３が右回転を続けると、駆動状態となる。そして、駆動状態がしばらく続き、その後第２検出状態となり、図１５（Ａ）に示す状態と同様に、第２検出状態、第１検出状態、駆動状態を繰り返す。このように、他の実施形態に係る超音波アクチュエータにおいては、右回転の場合は第１検出状態から連続して第２検出状態となり、さらに連続して駆動状態となるサイクルを繰り返す。
【００６８】
また、ロータ１が左回転している場合は、図１６において、仮想的に示した溝１ａ−１〜１ａ−３が左回転（反時計回り）している場合である。図１６（Ａ）に示すように第１検出状態の場合に位相差がΔ１となる。そして、溝１ａ−１〜１ａ−３が左回転すると、すぐに図１１（Ａ）に示す第２検出状態となる。このとき、位相差は最も大きい位相差であるΔ２となる。そして、さらに溝１ａ−１〜１ａ−３が左回転を続けると、駆動状態となる。そして、駆動状態がしばらく続き、その後第１検出状態となり、図１５（Ｂ）に示す状態と同様に、第１検出状態、第２検出状態、駆動状態を繰り返す。このように、他の実施形態に係る超音波アクチュエータにおいては、左回転の場合は第１検出状態から連続して第２検出状態となり、さらに連続して駆動状態となるサイクルを繰り返す。このように、他の実施形態に係る超音波アクチュエータにおいて、右回転と左回転とでは時間変化における位相差を示したグラフの波形が異なる。さらに、ロータ１が回転することで、駆動状態と検出状態とを周期的に繰り返す。
【００６９】
これにより、上記本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００と同様に、他の実施形態に係る超音波アクチュエータも動作することで、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実現できる。具体的には、操作者が所望とする回転数だけロータを回転させ、その際の回転方向も操作者の所望とする回転方向とすることできる。
【００７０】
なお、本実施形態に係る超音波アクチュエータ１００において、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い。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、ロータ１の回転によって、圧電振動子２ｂの振動状態が変化する。
【００７１】
また、溝１ａに例えば、ロータ１を形成する材料とは異なる材料を溝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。それにより、ロータ１の回転によって、圧電振動子２ｂの振動状態が変化する。
【００７２】
なお、図１２に示すように、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態のそれぞれによって、振動検知電圧の電圧値が異なる。したがって、この値を用いて、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。すなわち、振動検知電圧の値に応じて、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態を検出して、ロータ１の位置情報を得ることとしてもよい。
【００７３】
なお、本実施形態においては、溝１ａを３つとし、突起部２ｃ−１〜２ｃ−３を３つとしたが、溝１ａおよび突起部２ｃ−１〜２ｃ−３の数は、これ以上であってもよく、圧電振動子２ｂの振動状態が、駆動状態、第１検出状態および第２検出状態を備える構成とすればよい。
【００７４】
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】
【００７５】
１      ロータ                              １ａ、１ａ−１〜１ａ−３  溝
１ｂ    薄板                                ２      振動体
２ａ    接触部                              ２ｂ    圧電振動子
２ｂ−１〜２ｂ−４  駆動電極                ２ｂ−５  検知信号取出し電極
２ｂ−６  接地電極                          ２ｃ、２ｃ−１〜２ｃ−３    突起部
２ｄ〜２ｈ  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
１００  超音波アクチュエータ                ３００  レンズ駆動ユニット
Ｐ      節
【図１】
2010268564.tif 000003
【図２】
2010268564.tif 000004
【図３】
2010268564.tif 000005
【図４】
2010268564.tif 000006
【図５】
2010268564.tif 000007
【図６】
2010268564.tif 000008
【図７】
2010268564.tif 000009
【図８】
2010268564.tif 000010
【図９】
2010268564.tif 000011
【図１０】
2010268564.tif 000012
【図１１】
2010268564.tif 000013
【図１２】
2010268564.tif 000014
【図１３】
2010268564.tif 000015
【図１４】
2010268564.tif 000016
【図１５】
2010268564.tif 000017
【図１６】
2010268564.tif 000018