(57)【要約】  電気信号によって振動を生じる圧電振動子と突起部を有し前記振動を伝達する接触部を有する振動体と、前記突起部からの振動を受容し易い振動高受容部と前記突起部からの振動を受容し難い振動低受容部が形成された被接触部を有し、前記振動高受容部を介して前記圧電振動子の振動を受けて移動する移動体と、前記移動体の前記振動低受容部が前記振動体の前記突起部を通過するときに生じる前記圧電振動子の共振状態変化を検出して、前記共振状態変化に基づいて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を備えた超音波アクチュエータ。小型で正確な位置制御が可能である。
2010027007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号によって振動を生じる圧電振動子と、最上部が曲面または針状の突起部を有し前記振動を伝達する接触部を有する振動体と、
前記突起部からの振動を受容し易い振動高受容部と前記突起部からの振動を受容し難い振動低受容部が形成された被接触部を有し、前記振動高受容部を介して前記圧電振動子の振動を受けて移動する移動体と、
前記移動体の前記振動低受容部が前記振動体の前記突起部を通過するときに生じる前記圧電振動子の共振状態変化を検出して、前記共振状態変化に基づいて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ることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動低受容部は、前記振動低受容部が前記突起部と相対移動する方向と直交する方向にライン状に延びていることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記被接触部は、平坦面からなる振動高受容部と、前記平坦面に形成された複数の溝によって形成された複数の振動低受容部と、前記平坦面と前記複数の溝を覆うカバー部材を備え、前記カバー部材の外表面は平坦であることを特徴とする請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記振動高受容部と前記振動低受容部は同一平坦面上に形成され、前記振動高受容部は振動性材料で形成され、前記振動低受容部は振動吸収性材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記振動高受容部と前記振動低受容部は同一平坦面上に形成され、前記振動高受容部の表面は非滑動性であり、前記振動低受容部の表面は滑動性であることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記接触部は３個の突起部を有し、前記３個の突起部は所定円周上に等間隔に配置され、前記移動体は前記所定円周の中心を通る中心軸回りに回転可能で、３の倍数の振動低受容部が周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記振動体は、さらに前記圧電振動子の振動状態を検出して振動検知電圧を出力する振動状態検知部を有し、前記演算部は、前記振動検知電圧と前記圧電振動子における駆動電圧の位相差を信号情報として算出することを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
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パルス変換部をさらに備え、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と前記振動検知電圧との位相差を算出することを特徴とする請求項７に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記演算部は、前記圧電振動子における駆動電圧と駆動電流との位相差を信号情報として算出することを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記圧電振動子における駆動電圧および駆動電流をそれぞれパルス信号に変換するパルス変換部をさらに備え、前記演算部は、パルス信号に変換された前記駆動電圧と前記駆動電流の各パルスエッジ間隔に基づいて前記駆動電圧と前記振動検知電圧との位相差を算出することを特徴とする請求項９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、圧電素子を有する圧電振動子の振動により、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に構成され、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。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必要があった。従来、移動体の移動量を制御するため、ロータリーエンコーダ等の位置検出装置を設ける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、最近、種々の方法が提案されてきた。例えば、特許文献１に記載された発明は、固定部と移動体を備えた超音波アクチュエータで、移動体にスロットや突起部で不均一部を形成している。不均一部は、圧電振動子に供給されている駆動電流の波高値の包絡線の変化を強調するために形成されている。検出され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、移動量の制御を行っている。【０００４】
また、特許文献２に記載された発明は、振動子と移動体で構成された超音波モータを開示し、移動体の下面に相対向する2個の円弧突起またはリング状突起の相対向する２つの箇所に異質部分が形成され、それらによって移動体の位置及び回転数を検出するための不均一部が形成されている。振動子には振動検出手段が設けられ、振動検出手段で検出された検出信号と印加電圧との位相差の変動の周期を比較して変動周期をえて、変動周期から位置および回転数を検出している。【０００５】
特許文献１および特許文献２に記載された発明は、上述のような構成によって、エンコーダなどの移動体の位置を検出するセンサなしに位置決めおよび回転数を検出している。【０００６】
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。またスロットや突起部の形状を、他の箇所と比べて大きくすることで、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し、接触時の平面性を保つことが難しくなるという新たな問題が生じる。【０００７】
特許文献２の超音波モータでは、移動体下面に形成された円弧突起またはリング状突起と振動子上面で面接触するので、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。さらに移動体下面には相対向する2個の円弧突起またはリング状突起の相対向する２つの箇所に異質部分を形成しているので、移動体が１回転する間に２周期の位相差信号が出力されるだけである。そのため位置検出の分解能を向上するために、位相をずらした検出部を複数設ける必要があり、それによって構造を複雑にし検出回路の規模を大きくするという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
本発明は上述の問題に鑑みて為され、その目的は、小型で正確な位置制御が可能な超音波アクチュエータを提供することである。
【００１０】
本発明の一態様に係る超音波アクチュエータは、電気信号によって振動を生じる圧電振動子と、最上部が曲面または針状の突起部を有し前記振動を伝達する接触部を有する振動体と、前記突起部からの振動を受容し易い振動高受容部と前記突起部からの振動を受容し難い振動低受容部が形成された被接触部を有し、前記振動高受容部を介して前記圧電振動子の振動を受けて移動する移動体と、前記移動体の前記振動低受容部が前記振動体の前記突起部を通過するときに生じる前記圧電振動子の共振状態変化を検出して、前記共振状態変化に基づいて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る。
【００１１】
このように、圧電振動子の共振状態変化を検出して、移動体の移動量や位置等の位置情報を算出して、それにより移動体の移動量等を制御するので、エンコーダなどのセンサを必要とせず、小型の超音波アクチュエータを提供することができる。
【００１２】
また、振動体に設けられた突起部は最上部が曲面または針状であるので、移動体の振動被接触部との接触面積が極めて微小であり、移動体からの力は点接触に近い突起部に集まり、圧電振動子の共振状態変化の検出が高い分解能で行うことができる。そのため、位相差が顕著に表れることになり、位相差の変化をより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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の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を示す概略構成図である。
【図２】前記超音波アクチュエータの内部構造を示す断面図である。
【図３】前記超音波アクチュエータの電気的構成を示すブロック図である。
【図４】前記超音波アクチュエータに設けられている振動体の外観を示す図であって、図４（Ａ）は前記振動体の平面図であり、図４（Ｂ）は前記振動体の駆動電極が設置された側の側面図であり、図４（Ｃ）は前記振動体の振動検知電極が設置された側の側面図である。
【図５】前記振動体の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）は図４（Ｂ）のＶＡ−ＶＡ線断面図であり、図５（Ｂ）は図４（Ｂ）のＶＢ−ＶＢ線断面図である。
【図６】前記振動体の屈曲１次モードを示す概念図である。
【図７】前記振動体の接触部に設けられた突起部の回転運動を示す概念図であって、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】前記超音波アクチュエータのロータと前記接触部との分解斜視図である。
【図９】前記ロータの前記接触部と対向する面の形状を示す斜視図である。
【図１０】前記ロータと前記接触部との接触状態を示す要部拡大断面図である。
【図１１】別のロータと前記接触部との接触状態を示す要部拡大断面図である。
【図１２】さらに別のロータと前記接触部との接触状態を示す要部拡大断面図である。
【図１３】前記圧電振動子における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１４】前記圧電振動子における振動検知電圧と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】本発明の実施の形態２に係る超音波アクチュエータの電気的構成を示すブロック図である。
【図１６】圧電振動子の等価回路を示す図である。
【図１７】前記圧電振動子における駆動電流と駆動電圧の位相差のずれを示すグラフであって、図１７（Ａ）は第１の形態の駆動電流と駆動電圧の波形を示すグラフであり、図１７（Ｂ）は第２の形態の駆動電流と駆動電圧の波形を示すグラフである。
【図１８】電流変換部または電圧変換部の構成例を示す回路図である。
【図１９】パルス信号への変換を示すグラフである。
【図２０】実施の形態２に係る超音波アクチュエータの位置決めを示すグラフである。
【図２１】実施の形態２に係る超音波アクチュエータの具体的な回路構成の一部を示す回路図である。
【図２２】実施の形態２に係る超音波アクチュエータの駆動電流と駆動電圧を示すグラフであって、図２２（Ａ）は第１の形態における駆動電流と駆動電圧を示すグラフであり、図２２（Ｂ）は第２の形態における駆動電流と駆動電圧を示すグラフである。
【図２３】実施の形態２に係る超音波アクチュエータのロジック回路からの出力信号およびローパスフィルタ処理後の信号を示すグラフであって、図２３（Ａ）は第１の形態におけるグラフであり、図２３（Ｂ）は第２の形態におけるグラフである。
【図２４】実施の形態２に係る超音波アクチュエータのハイパスフィルタ処理後の信号およびローパスフィルタ処理後の信号を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。【００１５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る超音波アクチュエータについて説明する。まず、本発明の実施の形態１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は実施の形態１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、実施の形態１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とを備えている。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。【００１６】
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２２ｂに沿った方向のみ移動できる。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。【００１７】
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を駆動することで、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移動する。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。【００１８】
このように、実施の形態１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ることができる。【００１９】
次に、前記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は前記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、前記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、前記超音波アクチュエータ１００は、被接触部を有する移動体すなわちロータ１と、ロータ１の被接触部と接触する突起部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へ所定の付勢力で押し付けるバネ等の弾性体を備えた加圧部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とを備えている。【００２０】
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、又はかしめなどによって結合されている。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とを備えている。接触部２ａは突起部２ｃを有していて、突起部２ｃがロータ１と接触する。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で形成されている。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に固定されている。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に接触している突起部２ｃも振動する。突起部２ｃは最上部が曲面又は針状に形成され、ロータ１との接触面積をできるだけ小さくしている。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で形成されている。【００２１】
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の端部には凹面が形成され、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に軸支されている。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製作時に、キャップ２６の位置を調整して、振動体２およびロータ１間の押圧力を調整される。そして、調整が完了すれば、接着することでキャップ２６の位置を固定される。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。【００２２】
次に、前記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は前記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、前記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、振動状態検知部１４と、検知電圧変換部１５と、駆動電圧変換部１６と、演算部１７とを備えている。なお、図３において、図２で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して構成される。【００２３】
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るよう圧電振動子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が駆動され移動する。【００２４】
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。【００２５】
振動状態検知部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。具体的には、圧電振動子２ｂが振動することで、振動状態検知部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。なお、圧電振動子２ｂの振動状態は、圧電振動子２ｂの共振状態に応じて変化する。【００２６】
検知電圧変換部１５は振動状態検知部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。【００２７】
演算部１７は、検知電圧変換部１５からの振動検知電圧と駆動電圧変換部１６からの駆動電圧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の移動量や位置等に関し、演算部１７により算出された情報である。【００２８】
なお、図２において、見やすさを考慮して、振動状態検知部１４を圧電振動子２ｂと別に記載しているが、例えば、振動状態検知部１４を圧電振動子２ｂの内部電極として設置してもよい。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。以下においては、振動状態検知部１４を圧電振動子２ｂの内部に設置した場合について説明する。【００２９】
次に、振動体２の構成について説明する。図４は前記超音波アクチュエータに設けられている振動体の外観を示す図であって、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４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示すように、振動体２は突起部２ｃ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。突起部２ｃは円錐や角錐のような錐状に形成して、最上部が針状のものであってもよく、また下部が方形状で上部が半球状に形成してもよい。すなわち、突起部２ｃの最上部が曲面または針状にして、ロータ１の下面の被接触部に突起部２ｃができるだけ点接触（または線接触）に近い微小な面積で接触するものであればよい。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。【００３０】
図５は実施の形態１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）は図４（Ｂ）のＶＡ−ＶＡ線断面図であり、図５（Ｂ）は図４（Ｂ）のＶＢ−ＶＢ線断面図である。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、振動状態検知部１４である内部電極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。また、内部電極２ｈは圧電薄板２０上であって、突起部２ｃのいずれかが配置された箇所を、ロータ１に垂直な方向に沿って、移動させた箇所の少なくとも一部に設置される。このように配置されることで、内部電極２ｉは、圧電振動子２ｂの振動状態を正確に検出することができる。つまり、圧電振動子２ｂの振動に応じて、内部電極２ｉからは振動検知電圧が出力される。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。【００３１】
次に、圧電振動子２ｂの振動およびそれによる突起部２ｃの振動について説明する。図６は振動体の屈曲１次モードを示す概念図である。また、図７は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、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。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。なお、隣接する各突起部２ｃ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との間の摩擦係数は大きい。そのため、各突起部２ｃ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に突き動かされるように、回転駆動を行う。【００３２】
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。具体的には、ロータ１の被接触部において、接触部２ａの突起部２ｃから振動を受容し易い振動高受容部と接触部２ａの突起部２ｃから振動を受容し難い振動低受容部を形成して、ロータの被接触部が一様でないようにしている。つまりロータ１の振動高受容部と振動低受容部で突起部２ｃと接する面の形状を均一にしないとか、あるいはロータ１の振動高受容部と振動低受容部で異なる性質の材料で構成する等で、駆動電圧と駆動電流の位相差が変化するような構造している。【００３３】
より具体的には、ロータ１の振動高受容部は突起部２ｃと接触する平坦面で形成して突起部２ｃからの振動を受けれるようにし、振動低受容部は振動高受容部を構成する平坦面に溝を形成して突起部２ｃと接触しないようにして突起部２ｃからの振動を受けられないようにしている。溝の数は、正確な位置制御を行うため、複数形成している。またロータ１の振動高受容部は表面粗さを粗くして摩擦係数を高めて突起部２ｃからの振動を受けやすくし、振動低受容部は表面粗さを小さくして滑りやすくして振動を受け難くしてもよい。さらにロータ１の振動高受容部は密度の高い材料や弾性度の低い材料等の振動性材料で形成して突起部２ｃからの振動を受けやすくし、振動低受容部は密度の低い材料や弾性度の高い材料等の振動吸収性材料で形成して突起部２ｃからの振動を受け難くしてもよい。このように、振動体２の接触部２aと接するロータ１の被接触部を不均一にすることで、圧電振動子２ｂにおける駆動信号の駆動電圧と駆動電流の位相差を変化されている。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。超音波アクチュエータ１００は、この共振状態の変化に基づいてロータ１の移動量等を検出する。【００３４】
ロータ１における突起部２ｃと接する被接触部についてさらに詳しく説明する。上述のように、ロータ１の被接触部に異なる形態を周期的に形成して、高精度の位置決め制御を実現している。振動体２の接触部２aと接するロータ１の被接触部には、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して振動低受容部を形成している。図８〜図１２を用いて、ロータの被接触部について説明する。図８はロータ１と接触部２aの分解斜視図である。図９はロータ１の被接触部の形状を示す図である。図１０はロータ１の被接触部の要部拡大断面図である。図１１はロータ１の被接触部の別の構造を示す要部拡大断面図である。図１２はロータ１の被接触部のさらに別の構造を示す要部拡大断面図である。【００３５】
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においてロータ１の被接触部と接触している。したがって、ロータ１から力が加わるのは突起部２ｃのみであり、接触部２ａ全面に力が加わるわけではない。【００３６】
図９に示すように、ロータ１における接触部２ａと接触する被接触部には、ロータ１の中心を通り、径方向に沿って伸びる複数の溝１ａすなわち振動低受容部が形成されている。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の被接触部に接触している突起部２ｃ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は周期的に溝１ａを通過することとなる。突起部２ｃが溝１ａの形成箇所（振動低受容部）に位置する場合と、溝１ａが形成されていない箇所（振動高受容部）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１０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が貼り付けられている。このような構成にすることで、ロータ１の被接触部の平坦性が形成され、突起部２ｃ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。ロータ１はステンレスなどの金属で形成され、溝１ａはロータ１に機械加工又はエッチングなどで形成される。薄板１ｂもステンレスなどの金属で形成されている。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と薄板１ｂとが接触し、突起部２ｃ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。このような構成では、溝１ａが形成されている箇所は空洞なので、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の被接触部に対する突起部２ｃの位置に応じて圧電振動子２ｂの共振状態が変化する。【００３７】
さらに、ロータ１における突起部２ｃと接する被接触部の同一平坦面上に、摩擦係数の高い非滑動性表面を有する振動高受容部と摩擦係数の低い滑動性表面を有する振動低受容部を形成してもよい。振動低受容部は、溝ではなくロータの中心を通り径方向に沿って伸びる低摩擦領域で形成し、摩擦係数の異なる領域を交互にロータ１の円周上に沿って配置する。摩擦係数を異ならすには、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、振動高受容部も振動低受容部も同一平坦面上に形成されているので、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が位置する領域の摩擦係数により、突起部２ｃ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。【００３８】
また、図１１に示すように、振動高受容部を形成する材料より密度が低いか、質量が低いか、弾性度が高い物質で形成した振動低受容部１ｃを、ロータ１の円周に沿って周期的に配置してもよい。また振動低受容部の形成範囲を、図１２に示すように、広げてもよい。例えば、振動低受容部１ｃがロータ１の半周分を占めるようにしてもよい。このような構成にすることで、ロータ１における突起部２ｃと接する被接触部が複数の異なる材料により形成され、突起部２ｃが位置する領域の材質により、突起部２ｃ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。この構成では、振動高受容部と振動低受容部は材質が異なるだけで、突起部２ｃと接触する面は同一平坦面であるので、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１０に示したように、ロータ１における突起部２ｃ側の面を薄板で覆ってもよい。【００３９】
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。なお、突起部２ｃのすべてが、同時刻においては、２種類の領域のいずれか一方に位置することが必要である。ロータ１における突起部２ｃと接する面の形状は、このような関係にあるように構成する必要がある。【００４０】
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の原点位置とするようにしてもよい。すなわち、ロータ１における突起部２ｃと接する被接触部に３種類の異なる形態を設け、そのうち１種類は一箇所のみ形成し、残りの２種類は周期的に交互に形成するようにしてもよい。また、ロータ１の被接触部に３種類よりも多くの種類の異なる形態を形成してもよい。なお突起部２ｃと接するロータ１の被接触部を一様でない形態にする構成は、上述した例に限定されるものではない。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。【００４１】
次に、共振状態の具体的な検出方法について説明する。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。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と駆動電圧との位相差が変化する。図１３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１４は、振動検知電圧と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１３において、縦軸は電圧を示し、横軸は周波数を示す。図１３は、図１０に示すようにロータ１の被接触部に溝１ａが形成され、薄板１ｂが形成された場合に、突起部２ｃが溝１ａの形成箇所に位置している場合と、突起部２ｃ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１３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１３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、振動検知電圧と駆動電圧間の位相差が大きく変化する。【００４２】
また、図１４において、縦軸は位相差を示し、横軸は周波数を示す。図１４は、図１０に示すようにロータ１の被接触部に溝１ａが形成され、薄板１ｂが形成された場合に、突起部２ｃが溝１ａの形成箇所に位置している場合と、突起部２ｃ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、振動検知電圧と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１４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、破線は突起部２ｃ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。【００４３】
次に、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、突起部２ｃ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、振動状態検知部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と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。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してもよい。また、各突起部２ｃはロータ１の被接触部と、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。【００４４】
位置情報の算出について具体的に説明する。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つは原点形態であり、残りは第１の形態および第２の形態である。したがって、それぞれの形態に突起部２ｃ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の形態と第２の形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の形態、第２の形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によりロータ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、原点形態も検出できることから、原点形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。【００４５】
また超音波アクチュエータ１００において、接触部２ａは、ロータ１の被接触部に突起部２ｃ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、デジタル的すなわち高い分解能で検出することができる。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。【００４６】
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が実現できる。【００４７】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る超音波アクチュエータについて説明する。なお、上述した実施の形態１に係る超音波アクチュエータ１００と同一の部材については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図１５は実施の形態２に係る超音波アクチュエータ２００の電気的構成を示すブロック図である。【００４８】
図１５に示すように、超音波アクチュエータ２００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（図示せず）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、ロータ１の回転中心にロータ１と一体的に設置された回転軸３と、制御部１１と、駆動電圧生成部１２と、駆動電流生成部１３と、駆動電流検出部１８と、駆動電流変換部１９と、駆動電圧変換部１６と、演算部１７とを備えている。制御部１１と、駆動電圧生成部１２と、駆動電流生成部１３と、駆動電流検出部１８と、駆動電流変換部１９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。【００４９】
超音波アクチュエータ２００の機械的構成は、前述の実施の形態１に係る超音波アクチュエータ１００と同じある。但し、超音波アクチュエータ２００は、振動状態検知をする必要がないので、図４および図５に示されている振動状態検知部に接続された振動検知電極２ｂ−５および内部電極２ｈは設けられていない。【００５０】
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。駆動信号は振動体２の接触部２ａに設置された突起部２ｃに、楕円振動を生じさせるものである。実施の形態１で説明したように、圧電振動子２ｂの振動により、突起部２ｃは図７に示すように楕円振動を行う。そして、突起部２ｃに突き動かされるようにロータ１が駆動する。【００５１】
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。【００５２】
駆動電流検出部１８は、駆動電流を検出するものであり、具体的には駆動電流の波形および値を検出する。駆動電流検出部１８は、駆動電流生成部１３と圧電振動子２ｂとの間に設置され、圧電振動子２ｂにおける駆動電流を検出する。【００５３】
駆動電流変換部１９は駆動電流検出部１８において検出された駆動電流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。【００５４】
演算部１７は、駆動電流変換部１９からの駆動電流と駆動電圧変換部１６からの駆動電圧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により算出された情報である。【００５５】
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における駆動電圧と駆動電流の位相差が変化するような構造を有している。なお、駆動電圧と駆動電流の位相差の変化は共振状態の変化により生じる。ロータ１は、ロータ１が回転駆動することで圧電振動子２ｂが変形するような形態を有している。具体的には、実施の形態１と同様に、ロータ１における接触部２ａの突起部２ｃと接する面が一様ではないようにしている。つまり、ロータ１における突起部２ｃと接している被接触部の形状を不均一にするか、あるいはロータ１の被接触部を異なる性質を有する複数の材料により構成する等で、駆動電圧と駆動電流の位相差が変化するような構造にしている。このように、ロータ１における突起部２ｃと接する被接触部が一様でないことで、圧電振動子２ｂにおける駆動信号の駆動電圧と駆動電流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の被接触部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の駆動電圧と駆動電流の位相差が変化する。超音波アクチュエータ２００は、この位相差に基づいてロータ１の移動量等を検出する。以下に、駆動電流と駆動電圧との位相差に基づいて、ロータ１の移動量等を検出する方法についてさらに詳しく説明する。【００５６】
圧電振動子２ｂは、上述のように駆動信号が入力されることで駆動する。圧電振動子２ｂが振動するためには、この駆動信号は交流である。すなわち、駆動信号による駆動電流および駆動電圧は交流である。図１６は圧電振動子の等価回路を示す図である。図１６に示すように、圧電振動子２ｂはキャパシタンスがＣｄのコンデンサと、インダクタンスがＬ１のコイル、キャパシタンスがＣ１のコンデンサおよび抵抗がＲ１の抵抗素子からなる直列回路とが並列接続された回路である。なお、Ｃｄの値は圧電振動子２ｂの誘電率と電極寸法から決まる容量である。また、Ｌ１およびＣ１値は、圧電振動子２ｂの圧電的機械振動により決定される値で、具体的には圧電振動子２ｂの振動モード、寸法、弾性定数、密度、圧電定数等によって決まる。また、Ｒ１の値は、圧電振動子２ｂの機械的振動損失により決定される値である。【００５７】
図１６に示す等価回路の電気的入力側から観測したアドミッタンスは式１で表すことができる。
2010027007.tif 000003
【００５８】
式１において、第１項は制動アドミッタンスであり、第２項は動アドミッタンスである。ここで、圧電振動子２ｂが歪んだ場合には、動アドミッタンスが変化する。そこで、動アドミッタンスにおける電圧と電流の関係を説明する。なお、式１の第２項に示された動アドミッタンスは、抵抗素子、コイル、コンデンサの直列回路である。そこで抵抗素子の抵抗をＲ、コイルのインダクタンスをＬ、コンデンサのキャパシタンスをＣとし、この直列回路に印加される入力電圧をＥｍｓｉｎωｔとした場合に、流れる電流をｉとすると、以下の式２に示す関係が成り立つ。
2010027007.tif 000004
【００５９】
ここで、式２におけるｉを、ｉ＝Ａｓｉｎωｔ＋Ｂｃｏｓωｔとして、式２に代入すると、以下の式３が得られる。
2010027007.tif 000005
【００６０】
式３の両辺を比較することで、以下に示す連立方程式である式４が得られる。
2010027007.tif 000006
【００６１】
式４を解いて、ＡおよびＢを求め、これらよりｉを求めると、ｉは以下に示す式５で表される。
2010027007.tif 000007
【００６２】
ここで、Ｉは電流（駆動電流）の振幅であり、Ｅｍは入力電圧の振幅である。また、θは圧電振動子２ｂにおける電流（駆動電流）と電圧（駆動電圧）の位相差を表している。また、式６にθの値を表す。
2010027007.tif 000008
【００６３】
式６より、圧電振動子２ｂにおけるインダクタンスＬ、キャパシタンスＣ、抵抗Ｒが変化すれば、駆動電流および駆動電圧の位相差θがずれることがわかる。例えば、圧電振動子２ｂが変形すれば、抵抗Ｒが変化し得る。つまり、その断面積が大きくなった場合および長さが短くなった場合は、抵抗が小さくなる。例えば、圧電振動子２ｂが伸びると、その断面積も小さくなり、抵抗値は大きくなる。このように、圧電振動子２ｂが変形することで、駆動電流と駆動電圧との位相差は変化する。そこで、上述のように、ロータ１の被接触部が異なる形態を有する場合は、その形態に応じて圧電振動子２ｂの駆動電流と駆動電圧の位相差が異なる。【００６４】
図１７は駆動電流と駆動電圧の位相差のずれについて説明するグラフであって、図１７（Ａ）は第１の形態の駆動電流と駆動電圧の波形を示すグラフであり、図１７（Ｂ）は第２の形態の駆動電流と駆動電圧の波形を示すグラフである。【００６５】
図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）において、縦軸はそれぞれ電圧値または電流値であり、横軸は時間（ｔ）を示している。また、上段に示されているグラフは駆動電圧波形であり、下段に示されているグラフは駆動電流波形である。また、駆動電圧および駆動電流におけるそれぞれの閾値も示している。図１７（Ａ）において、駆動電圧と駆動電流の位相差はｔａで表されている。また、ロータ１の表面の状態が第１の形態とは異なる形状である第２の形態である場合は、図１７（Ｂ）に示すように、駆動電圧と駆動電流の位相差はｔｂであり、図１７（Ａ）における位相差ｔａとは異なる値である。超音波アクチュエータ２００においては、このようにして、駆動電圧と駆動電流との位相差が異なるような形状をロータ１の被接触部に形成している。なお位相差ｔａおよびｔｂは駆動電圧と駆動電流との閾値を基準に算出している。この閾値は、これら駆動電圧と駆動電流をパルス信号に変換する際のパルスの立ち上がり位置を示している。【００６６】
実施の形態２においては、駆動電圧および駆動電流を駆動電圧変換部１６および駆動電流変換部１９を用いて、それぞれパルス信号に変換し、それらパルス信号の立ち上がり時のパルスエッジ間隔に基づいて位相差を検出している。この駆動電圧変換部１６および駆動電流変換部１９について説明する。図１８は電流変換部または電圧変換部の構成例を示す回路図である。また、図１９はパルス信号への変換を説明するためのグラフである。駆動電流変換部１９および駆動電圧変換部１６は、図１８に示すように、オペアンプ、抵抗がＲ３、Ｒ４の抵抗素子、電圧がＶｒｅｆである電圧源を備えている。このような構成を有する駆動電流変換部１９および駆動電圧変換部１６に、図１９の上段に示す入力電圧が入力された場合、下段に示すパルス波形に変換されて出力される。つまり、入力電圧が増加していき、第１閾値ＴｈＨに達するまではＨレベルの一定の出力である。さらに、入力電圧が第１閾値ＴｈＨに達するとＬレベルの出力となり、入力電圧が減少していき、第２閾値ＴｈＬに達するとＨレベルの出力となる。このようにして、駆動電圧生成部１２および駆動電流検出部１８からの駆動電圧および駆動電流を示すアナログ信号をパルス信号に変換される。また、図１９からわかるように、アナログ信号である入力信号にノイズが乗っていても安定した出力信号を得ることができる。第１閾値ＴｈＨおよび第２閾値ＴｈＬは、抵抗Ｒ３、Ｒ４および電圧Ｖｒｅｆを用いて式７により表される。式７において、Ｖｏｕｔ
ｍｉｎはＬレベルの出力電圧であり、Ｖｏｕｔ ｍａｘはＨレベルの出力電圧である。
2010027007.tif 000009
【００６７】
第１閾値ＴｈＨおよび第２閾値ＴｈＬの差は、以下に示す式８により表される。
2010027007.tif 000010
【００６８】
式８からわかるように、出力フルスケールに対する閾値電圧の差は抵抗Ｒ３およびＲ４の比率を変更することで、変更可能である。【００６９】
超音波アクチェータ２００においては、上述のように、ロータ１の駆動によって圧電振動子２ｂの駆動電圧と駆動電流の位相差は変化する。また、演算部１６による、位相差の検出にはパルス信号を用いて、特に各パルスエッジの間隔に基づいて位相差を検出するので、容易に位相差を検出することができる。【００７０】
実施の形態１で説明したように、ロータ１から力が加わるのは突起部２ｃのみであり、接触部２ａ全面に力が加わらないので、駆動電流および駆動電圧の位相差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。【００７１】
なお駆動電流と駆動電圧の位相差の検出は、複数の圧電振動子２ｂのうち少なくとも１つについて行なえばよい。【００７２】
次に、実施の形態２に係る超音波アクチュエータ２００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、突起部２ｃには楕円振動が生じ、それによって、ロータ１が駆動する。なお、駆動電流は、駆動電流検出部１８により検出され、駆動電流変換部１９によりパルス信号に変換される。演算部１７は、パルス信号とされた駆動電圧と駆動電流の位相差を求める。それにより、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。【００７３】
図２０は超音波アクチュエータ２００の位置決めを説明するためのグラフである。なお、図２０はわかりやすさを考慮して本来は円形であるロータ１を展開して直線状で表している。図２０に示すように、ロータ１の被接触部は、上述したように３種類の異なる形態を有している。１つは原点形態であり、残りは第１の形態および第２の形態である。したがって、それぞれの形態で駆動電圧と駆動電流の位相差が異なる。図２０においては、原点形態に圧電振動子２ｂが位置する場合にはその位相差はｔｚであり、第１の形態に突起部２ｃが位置する場合にはその位相差はｔａであり、第２の形態に突起部２ｃが位置する場合にはその位相差はｔｂである。このように、ロータ１の被接触部の形態に応じて位相差は異なる。したがって、演算部１７は位相差を求めることで、ロータ１の位置情報を算出することができる。例えば、第１の形態と第２の形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の形態、第２の形態を何回通過したかをカウントするようにすればよい。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、ロータ１の位置情報を検出することができる。また、原点形態も検出できることから、原点形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、圧電振動子２ｂ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算出することができる。【００７４】
また超音波アクチュエータ２００において、接触部２ａは、ロータ１に突起部２ｃの頂点で接していることから、圧電振動子２ｂの駆動電圧と駆動電流の位相差の変化（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。【００７５】
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２００を実現できる。【００７６】
図２１は超音波アクチュエータ２００の具体的な回路構成の一部を示す回路図である。図２１には、超音波アクチュエータ２００のうち、演算部１７、駆動電流変換部１９、駆動電圧変換部１６、駆動電流検出部１８、圧電振動子２ｂ、駆動電圧生成部１２および駆動電流生成部１３が示されている。このうち、演算部１７、駆動電流変換部１９、駆動電圧変換部１６、駆動電流検出部１８、圧電振動子２ｂは電気回路で表されている。なお、圧電振動子２ｂは上述したように、その等価回路を示している。ここで、駆動電流検出部１８は抵抗素子であり、その両端の電圧を検出することで、駆動電流を検出することができる。駆動電流変換部１９および駆動電圧変換部１６は上述した回路構成とは異なるが、同様の働きをする回路である。すなわち、駆動電流および駆動電圧をアナログ信号からパルス信号へと変換する。具体的には、駆動電流変換部１９は信号を増幅するための差動増幅回路１９ａおよびパルス変換回路１９ｂを備え、同様に、駆動電圧変換部１６は差動増幅回路１６ａおよびパルス変換回路１６ｂを備える。また、演算部１７はロジック回路１７ａ、ローパスフィルタ１７ｂおよびハイパスフィルタ１７ｃを備えている。図２１に示す回路を用いて、実際に測定したデータは、図２２〜図２４に示されている。図２２〜図２４は、図２１に示す回路を用いて求めた駆動電圧および駆動電流に関するデータの波形を示すグラフである。【００７７】
図２２は超音波アクチュエータ２００の駆動電流と駆動電圧を示すグラフであって、図２２（Ａ）は第１の形態における駆動電流と駆動電圧を示すグラフであり、図２２（Ｂ）は第２の形態における駆動電流と駆動電圧を示すグラフである。また、図２３は超音波アクチュエータ２００のロジック回路からの出力信号およびローパスフィルタ処理後の信号を示すグラフであって、図２３（Ａ）は第１の形態におけるグラフであり、図２３（Ｂ）は第２の形態におけるグラフである。また、図２４は超音波アクチュエータ２００のハイパスフィルタ処理後の信号およびローパスフィルタ処理後の信号を示すグラフである。【００７８】
図２２には、互いに異なる第１の形態および第２の形態を有するロータ１を駆動させた場合に、駆動電流変換部１９の差動増幅回路１９ａから出力された駆動電流波形および駆動電圧変換部１６の差動増幅回路１６ａから出力された駆動電圧波形が示されている。ここで、第１の形態は具体的にはロータ１に凹み（溝）を設けており、第２の形態は凹みを設けずそのままの状態である。第１の形態および第２の形態をそれぞれ示す図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）を対比させるとわかるように、これらは駆動電流と駆動電圧の位相差が異なる。また、差動増幅回路１９ａからの出力および差動増幅回路１６ａからの出力は、それぞれパルス変換回路１９ｂおよび１６ｂに入力された後、ロジック回路１７ａに入力される。ロジック回路１７ａに入力されることでそれらは、駆動電流と駆動電圧の位相差を情報として含む信号へと変換されて出力される。具体的には、図２３に示すような信号に変換される。また、ロジック回路１７ａから出力され、ローパスフィルタ１７ｂにより処理された後の信号波形も図２３に示されている。図２３（Ａ）および図２３（Ｂ）に示されているように、第１の形態および第２の形態におけるロジック回路１７ａからの出力信号の違いは明瞭ではないが、ローパスフィルタ処理することで、これらの位相差の違いが信号レベルの違いとして表されている。さらに、ローパスフィルタ処理後の信号はハイパスフィルタ１７ｃに入力され、ハイパスフィルタ処理される。図２４に示すように、ハイパスフィルタ処理後の信号のレベル差は、ローパスフィルタ処理後の信号のレベル差よりも顕著に表れている。このように、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でき、容易に位相差を検出することができる。つまり、ハイパスフィルタ処理後の信号のレベルを読み取ることで位相差を検出でき、突起部２ｃが第１の形態および第２の形態のいずれに位置するかを容易に検出できる。このハイパスフィルタ処理後の信号が制御部１１（図２１では不図示）に入力されることで、制御部１１は、ロータ１の位置情報を把握することができ、この位置情報を考慮して、高精度の位置制御を行うことができる。【００７９】
以上説明してきた超音波アクチュエータは、主に以下のような特徴を備えている。【００８０】
超音波アクチュエータは、電気信号によって振動を生じる圧電振動子と、最上部が曲面または針状の突起部を有し前記振動を伝達する接触部を有する振動体と、前記突起部からの振動を受容し易い振動高受容部と前記突起部からの振動を受容し難い振動低受容部が形成された被接触部を有し、前記振動高受容部を介して前記圧電振動子の振動を受けて移動する移動体と、前記移動体の前記振動低受容部が前記振動体の前記突起部を通過するときに生じる前記圧電振動子の共振状態変化を検出して、前記共振状態変化に基づいて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ている。【００８１】
上記構成によって、圧電振動子の共振状態変化を検出して、移動体の移動量や位置等の位置情報を算出して、それにより移動体の移動量等を制御するので、エンコーダなどのセンサを必要とせず、小型の超音波アクチュエータを提供することができる。【００８２】
また、振動体に設けられた突起部は最上部が曲面または針状であるので、移動体の振動被接触部との接触面積が極めて微小であり、移動体からの力は点接触に近い突起部に集まり、圧電振動子の共振状態変化の検出が高い分解能で行うことができる。そのため、位相差が顕著に表れることになり、位相差の変化をより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。【００８３】
前記振動低受容部は、前記振動低受容部が前記突起部と相対移動する方向と直交する方向にライン状にするのが好ましい。前記振動低受容部を相対移動方向と直交する方向にライン状に形成することによって、前記振動体の前記突起部が確実に前記振動低受容部を通過させることができる。それによって、圧電振動子に共振状態変化を確実に生じ、正確な位置制御が行なえる。【００８４】
前記被接触部は、平坦面からなる振動高受容部と、前記平坦面に形成された複数の溝によって形成された複数の振動低受容部と、前記平坦面と前記複数の溝を覆うカバー部材を設けるのが好ましい。【００８５】
上記構成では、平坦面に複数の溝を形成して振動高受容部と振動低受容部を区切っているので、両部の境が形状的に明確になり、簡単な構造で圧電振動子に共振状態変化を起こさせることができる。また平坦面と溝を覆うカバー部材を設けているので、前記振動体の前記突起部と接触する面は平坦であり、接触のガタツキを防げる。さらに複数の溝を形成する、すなわち複数の振動低受容部を設けることで、移動体の位置情報をより正確に得ることができる。【００８６】
前記振動高受容部と前記振動低受容部を同一平坦面上に形成して、前記振動高受容部は振動性材料で形成し、前記振動低受容部は振動吸収性材料で形成するようにしてもよい。【００８７】
また前記振動高受容部と前記振動低受容部を同一平坦面上に形成して、前記振動高受容部の表面は非滑動的に、前記振動低受容部の表面を滑動的にしてもよい。【００８８】
これらの構成であれば、移動体の被接触部は平坦面に形成され、その平坦面に振動高受容部と振動低受容部が形成されているので、前記被接触部と前記振動体の前記突起部との接触時のガタツキがなく、接触を均一安定的に維持できる。【００８９】
前記接触部は３個の突起部を設け、前記３個の突起部は所定円周上に等間隔に配置され、前記移動体は前記所定円周の中心を通る中心軸回りに回転可能で、３の倍数の振動低受容部が周方向に等間隔に配置するのが好ましい。【００９０】
この構成であれば、周方向に等間隔で配置された３個の突起部で移動体と接触するので、最小の数すなわち３個で、移動体の被接触部と安定的に接触できる。また振動低受容部が３の倍数形成されているので、３個の突起部が同時に振動低受容部に位置させることができて、圧電振動子の共振状態を所定の周期で確実に変化させることができる。【００９１】
前記振動体には、さらに前記圧電振動子の振動状態を検出して振動検知電圧を出力する振動状態検知部を設け、前記演算部は、前記振動検知電圧と前記圧電振動子における駆動電圧の位相差を信号情報として算出するのが好ましい。【００９２】
この構成であれば、圧電振動子の共振状態の変化を、振動検知電圧と圧電振動子における駆動電圧の位相差によって容易に検出することができる。【００９３】
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パルス変換部をさらに設け、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と前記振動検知電圧との位相差を算出するのが好ましい。【００９４】
この構成であれば、振動検知電圧および前記駆動電圧がパルス信号に変換され、各パルスエッジ間隔に基づいて前記位相差を算出するので、演算処理が簡単に行なえる。【００９５】
前記圧電振動子における駆動電圧と駆動電流との位相差を信号情報として算出してもよい。【００９６】
この構成であれば、圧電振動子の駆動電圧と駆動電流の位相差によって、圧電振動子の共振状態の変化を容易に算出することができる。【００９７】
前記圧電振動子における駆動電圧および駆動電流をそれぞれパルス信号に変換するパルス変換部をさらに設け、前記演算部は、パルス信号に変換された前記駆動電圧と前記駆動電流の各パルスエッジ間隔に基づいて前記駆動電圧と前記振動検知電圧との位相差を算出するのが好ましい。【００９８】
この構成であれば、振動検知電圧および前記駆動電圧がパルス信号に変換され、各パルスエッジ間隔に基づいて前記位相差を算出するので、演算処理が簡単に行なえる。【００９９】
前記振動状態検知部を、前記移動体に垂直で前記突起部を通る線上に設けるのが好ましい。【０１００】
この構成にあれば、前記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けているので、より正確な圧電振動子の振動状態の検出が可能である。【０１０１】
前記共振状態において、前記移動体の原点位置に対応する形態を前記移動体の被接触部に形成するのが好ましい。【０１０２】
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。【０１０３】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年1月5日(2011.1.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号によって振動を生じる圧電振動子と、最上部が曲面または針状の突起部を有し前記振動を伝達する接触部とを有する振動体と、
前記突起部からの振動を受容し易い振動高受容部と前記突起部からの振動を受容し難い振動低受容部が形成された被接触部を有し、前記振動高受容部を介して前記圧電振動子の振動を受けて移動する移動体と、
前記移動体の前記振動低受容部が前記振動体の前記突起部を通過するときに生じる前記圧電振動子の共振状態変化を検出して、前記共振状態変化に基づいて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、
前記突起部は、前記振動高受容部および前記振動低受容部のうちの少なくとも一方よりも少ない個数であること
を特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動低受容部は、前記振動低受容部が前記突起部と相対移動する方向と直交する方向にライン状に延びていること
を特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記被接触部は、平坦面からなる振動高受容部と、前記平坦面に形成された複数の溝によって形成された複数の振動低受容部と、前記平坦面と前記複数の溝を覆うカバー部材を備え、前記カバー部材の外表面は平坦であること
を特徴とする請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記振動高受容部と前記振動低受容部は、同一平坦面上に形成され、前記振動高受容部は、振動性材料で形成され、前記振動低受容部は、振動吸収性材料で形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記振動高受容部と前記振動低受容部は、同一平坦面上に形成され、前記振動高受容部の表面は、非滑動性であり、前記振動低受容部の表面は、滑動性であること
を特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記接触部は、３個の突起部を有し、前記３個の突起部は、所定円周上に等間隔に配置され、前記移動体は、前記所定円周の中心を通る中心軸回りに回転可能で、３の倍数の振動低受容部が周方向に等間隔に配置されていること
を特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記振動体は、さらに前記圧電振動子の振動状態を検出して振動検知電圧を出力する振動状態検知部を有し、前記演算部は、前記振動検知電圧と前記圧電振動子における駆動電圧の位相差を信号情報として算出すること
を特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
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パルス変換部をさらに備え、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と前記振動検知電圧との位相差を算出すること
を特徴とする請求項７に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記演算部は、前記圧電振動子における駆動電圧と駆動電流との位相差を信号情報として算出すること
を特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記圧電振動子における駆動電圧および駆動電流をそれぞれパルス信号に変換するパルス変換部をさらに備え、前記演算部は、パルス信号に変換された前記駆動電圧と前記駆動電流の各パルスエッジ間隔に基づいて前記駆動電圧と前記振動検知電圧との位相差を算出すること
を特徴とする請求項９に記載の超音波アクチュエータ。
【国際調査報告】
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