(57)【要約】  移動体と複数の振動体を備えた超音波アクチュエータであって、各振動体は前記移動体を移動させる移動振動を発生可能で、且つ前記移動体に接触して前記移動振動を前記移動体に伝達する接触部を有する。前記移動体は、前記振動体からの前記移動振動を受けない駆動不能区間と前記振動体からの前記移動振動を受ける駆動可能区間を有し、前記移動体の移動中において、前記複数の振動体の少なくとも１つは前記駆動可能区間に位置するように前記複数の振動体が配置されている。制御システムが簡素化された小型で低コストの移動量を制御できる超音波アクチュエータである。
2009128385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体と、
複数の振動体を備え、各振動体は、前記移動体を移動させる移動振動を発生可能で、且つ前記移動体に接触して前記移動振動を前記移動体に伝達する接触部を有し、
前記移動体は、前記振動体からの前記移動振動を受けない駆動不能区間と前記振動体からの前記移動振動を受ける駆動可能区間を有し、
前記移動体の移動中において、前記複数の振動体の少なくとも１つの接触部は前記駆動可能区間に位置するように前記複数の振動体が配置されていることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記接触部は突起部を有し、前記移動振動は前記突起部が楕円回転する楕円回転振動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３】
前記各振動体はさらに前記突起部を上下に振動させる縦振動を発生可能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】
前記各振動体の振動を制御する制御部をさらに備え、  
前記制御部は、突起部が前記駆動可能区間に位置する前記少なくとも一つの振動体に楕円回転振動を発生させ、当該振動体の前記突起部が前記駆動不能区間に達した時、当該振動体に縦振動を発生させるように前記複数の振動体を制御することを特徴とする請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記制御部は、突起部が前記駆動可能区間に位置する前記少なくとも一つの振動体に楕円回転振動を発生させ、当該振動体を除く他の振動体に縦振動を発生させるように前記複数の振動体を制御することを特徴とする請求項４に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記駆動可能区間と前記駆動不能区間は複数形成され、
前記複数の振動体は、突起部が前記駆動可能区間に同時に位置する複数の振動体からなる少なくとも一つの組を有し、
前記制御部は、前記組の前記複数の振動体に同時に楕円回転振動を発生させ、当該複数の振動体の前記突起部が前記駆動不能区間に達した時、当該複数の振動体に縦振動を発生させるように前記複数の振動体を制御することを特徴とする請求項４に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記各振動体の振動を制御する制御部をさらに備え、
前記駆動可能区間と前記駆動不能区間は交互に複数形成され、前記駆動可能区間は第１のインターバルで、前記駆動不能区間は第１のインターバルより短い第２のインターバルで形成され、前記制御部は、前記移動振動を前記突起部が一つの前記駆動可能区間の一端から他端に移動する時間より長い時間発生するように制御す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８】
前記駆動不能区間は、前記移動体の前記複数の振動体に向いた面に形成された溝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９】
前記駆動不能区間は、前記移動体に前記複数の振動体に向いた面に形成された低摩擦領域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１０】
前記移動体は前記複数の振動体によって定在波が生じるように構成され、前記駆動不能区間は、前記移動体に生じた定在波の腹の中心付近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１１】
前記移動体は円板状であり、前記複数の振動体はリング状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１２】
前記移動体は棒状であり、前記複数の振動体は直線状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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体の振動により移動体を移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、圧電素子を有する振動体と移動体とが接触して構成されている。圧電素子が振動することで、振動体の表面に進行波が発生し、振動体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、振動体に突き動かされるように移動体が移動する。このような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必要があった。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を制御していた。そのため、超音波アクチュエータにおいて、移動量の制御を行うには、位置検出装置の設置およびフィードバック制御システムの構築が必要であり、システムの簡素化、小型化、低コスト化を図ることが困難であった。【０００３】
そこで、このような問題を解決するために、様々な超音波アクチュエータが提案されている。例えば特許文献１には、ロータ（移動体）に凸部を設け、ロータが動作することで、この凸部からの力で弾性変形する弾性変形部材をさらに備え、この弾性変形によるロータの負荷変動に伴う駆動電流の変化を基に、ロータの回転位置情報を検出する超音波アクチュエータが開示されている。この超音波アクチュエータは、ロータリーエンコーダ等を設ける必要なく移動量制御が可能である。【０００４】
また、特許文献２には、ロータに定在波を発生させ、その定在波をステータ側で検出することで位置検出を行う超音波アクチュエータが開示されている。この超音波アクチュエータは、ロータリーエンコーダ等を設ける必要がなく移動量制御が可能である。【０００５】
しかし、特許文献１に開示の超音波アクチュエータは、凸部および弾性変形部材を備える必要があり、その上フィードバック制御も必要である。したがって、この超音波アクチュエータにおいて小型化、低コスト化および制御システムの簡素化は困難である。また、特許文献２に開示の超音波アクチュエータは、定在波発生手段および検出回路を備える必要があり、その上フィードバック制御も必要である。したがって、この超音波アクチュエータにおいて小型化、低コスト化および制御システムの簡素化は困難である。また、特許文献２の超音波アクチュエータは、位置決めピッチを短くすることも困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２１１６７５号公報
【特許文献２】特開２０００−７８８６４号公報
【発明の概要】
【０００７】
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、制御システムが簡素化でき、小型化、低コスト化が可能であって、移動体の移動量を制御できる超音波アクチュエータを提供することである。
【０００８】
本発明の一側面によれば、超音波アクチュエータは移動体と複数の振動体を備え、各振動体は、前記移動体を移動させる移動振動を発生可能で、且つ前記移動体に接触して前記移動振動を前記移動体に伝達する接触部を有している。前記移動体は、前記振動体からの前記移動振動を受けない駆動不能区間と前記振動体からの前記移動振動を受ける駆動可能区間を有している。前記移動体の移動中において、前記複数の振動体の少なくとも１つは前記駆動可能区間に位置するように前記複数の振動体が配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る超音波アクチュエータの構成を示す図であって、図１（Ａ）は超音波アクチュエータの断面図であり、図１（Ｂ）は超音波アクチュエータにおいて、ロータを取り除いた平面図であり、図１（Ｃ）はロータの底面図である。
【図２】図１（Ａ）に示された振動体の構成を示す図であって、図２（Ａ）はステータ上に設置された振動体の正面図であり、図２（Ｂ）はステータ上に設置された振動体の側面図であり、図２（Ｃ）は振動体の積層体の構成を示す、図２（Ａ）のＩＩＣ−ＩＩＣ線に沿った断面図であり、図２（Ｄ）は振動体の積層体の構成を示す、図２（Ａ）のＩＩＤ−ＩＩＤ線に沿った断面図である。
【図３】前記振動体に使用されている圧電体の変形について説明する図であって、図３（Ａ）は圧電体が伸張している状態を示す図であり、図３（Ｂ）は圧電体が屈曲している状態を示す図である。
【図４】縦１次振動モードおよび屈曲１次振動モードを発生させる周波数と振動振幅の関係を示したグラフである。
【図５】前記振動体の突起部の動作を説明する図であって、図５（Ａ）はＣＷ(右回転)による楕円回転を示す図であり、図５（Ｂ）はＣＣＷ（左回転）による楕円回転を示す図であり、図５（Ｃ）は縦振動を示す図である。
【図６】突起部とロータとの関係を示す図であって、図６（Ａ）は突起部が溝部に位置していない状態を示す図であり、図６（Ｂ）は突起部が溝部に位置している状態を示す図である。
【図７】実施の形態１に係る超音波アクチュエータの駆動過程を示す図であって、図７（Ａ）は当該超音波アクチュエータの第１駆動過程図であり、図７（Ｂ）は当該超音波アクチュエータの第２駆動過程図であり、図７（Ｃ）は当該超音波アクチュエータの第３駆動過程図である。
【図８】前記振動体の動作と前記ロータの移動を示すタイミングチャートである。
【図９】実施の形態１に係るアクチュエータの変形例の構成を説明する図であって、図９（Ａ）は超音波アクチュエータの断面図であり、図９（Ｂ）は超音波アクチュエータにおいて、ロータを取り除いた平面図であり、図９（Ｃ）はロータの底面図である。
【図１０】図９に示された超音波アクチュエータ変形例の振動体の配置を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る超音波アクチュエータの正面図である。
【図１２】図１１に示された超音波アクチュエータの駆動過程を示す図であって、図１２（Ａ）は当該超音波アクチュエータの第１駆動過程図であり、図１２（Ｂ）は当該超音波アクチュエータの第２駆動過程図であり、図１２（Ｃ）は当該超音波アクチュエータの第３駆動過程図である。
【図１３】実施の形態２に係る振動体の動作と移動体の移動を示すタイミングチャートである。
【図１４】本発明の実施の形態３に係る超音波アクチュエータの構成を説明する図であって、図１４（Ａ）は超音波アクチュエータの断面図であり、図１４（Ｂ）は超音波アクチュエータにおいて、ロータを取り除いた平面図であり、図１４（Ｃ）はロータの底面図である。
【図１５】図１４に示された超音波アクチュエータに使用されている振動体の突起部と低摩擦領域との関係を示す図であって、図１５（Ａ）は突起部が低摩擦領域に位置していない状態を示す図であり、図１５（Ｂ）は突起部が低摩擦領域に位置している状態を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態４に係る超音波アクチュエータの構成を説明する図であって、図１６（Ａ）は超音波アクチュエータの断面図であり、図１６（Ｂ）は超音波アクチュエータにおいて、ロータを取り除いた平面図であり、図１６（Ｃ）はロータの底面図である。
【図１７】図１６に示された超音波アクチュエータに使用されている振動体の突起部と駆動不能区間との関係を示す図である。
【図１８】実施の形態４に係る超音波アクチュエータの駆動過程を示す図であって、図１８（Ａ）は実施の形態４に係る超音波アクチュエータの第１駆動過程図であり、図１８（Ｂ）は実施の形態４に係る超音波アクチュエータの第２駆動過程図であり、図１８（Ｃ）は実施の形態４に係る超音波アクチュエータの第３駆動過程図である。
【図１９】実施の形態４に係る振動体の動作とロータの移動を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
（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の構成を説明する図である。図１（Ａ）は超音波アクチュエータの断面図である。また、図１（Ｂ）は超音波アクチュエータにおいて、ロータを取り除いた平面図である。また、図１（Ｃ）はロータの底面図である。
【００１２】
図１（Ａ）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は、ステータ１と、ロータ（移動体）２と、ステータ１上に固定設置された振動体３と、ステータ保持部４とを備えている。
【００１３】
ロータ２は円板状であり、その中心に前記円板の面に対して垂直方向に伸びる回転軸２ｂを有している。さらに、ロータ２のステータ１側の面には円周に沿って、ロータ２の径方向に伸びる複数の溝２ａが形成されている（図１（Ｃ）参照）。
【００１４】
ステータ保持部４は、その上に設置されたステータ１を所定の付勢力でロータ２方向へと押し付ける加圧バネ４ａと、加圧バネ４ａと一体に構成され、回転軸２ｂを支持する軸受け４ｂとを備えている。加圧バネ４ａ上には、ステータ１が設置され、ステータ１上には振動体３が設置されている。したがって、振動体３もロータ２に押し付けられている。
【００１５】
ステータ１は円環状であり、加圧バネ４ａ上に設置されロータ２方向に押し付けられている。
【００１６】
振動体３は、超音波アクチュエータ１００の駆動源となる振動が発生させられる。振動体３はステータ１上に設置され、ロータ２に押し付けられている。実施の形態１に係る超音波アクチュエータ１００においては２つの振動体３を有している。振動体３は制御部１０によって制御され、下述するような移動振動等の異なるモードの振動を発生させる。ここで、図２を用いて振動体３の構成について説明する。図２は実施の形態１に係る振動体の構成を説明する図であり、図２（Ａ）はステータ上に設置された振動体の正面図である。また、図２（Ｂ）はステータ上に設置された振動体の側面図である。また、図２（Ｃ）は振動体の積層体の構成を示す第１の断面図であり、図２（Ｄ）は振動体の積層体の構成を示す第２の断面図である。
【００１７】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、振動体３は、外部電極３ｄおよび３ｅを有する圧電部３ａと、突起部３ｃを有する接触部３ｂとを備えていて、振動体３はステータ１上に設置されている。振動体３は圧電材料と電極が交互に積層された構成を有している。なお、圧電部３ａは、振動体３の正面側に形成された外部電極３ｄおよび３ｅを有するが、図２（Ｃ）および図２（Ｄ）に示すように、振動体３の背面側に形成された外部電極３ｆおよび３ｇも有する。
【００１８】
ロータ２と接する突起部３ｃを有する接触部３ｂは、突起部３ｃの磨耗を防ぐため、硬度の高い材料で形成されることが好ましい。例えば、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス、超硬合金により形成されればよい。なお、接触部３ｂは、例えばエポキシ等の比較的高い弾性率を有する接着剤を用いて圧電部３ａに固定されることとすればよい。
【００１９】
圧電部３ａは圧電特性を示す圧電薄板３ｈと内部電極１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇとが交互に積層されて構成されている。圧電薄板３としては、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薄板を用いればよい。さらに、内部電極１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇのうち、内部電極１３ｄおよび１３ｅは同一層に形成されている。また、内部電極１３ｆおよび１３ｇは同一層に形成されている。内部電極１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇにより構成される層は、これら二種類の層がある。これらの層は交互に積層配置され、それらの層の間には、圧電薄板３ｈの層が形成されている。例えば、圧電薄板３ｈ上に内部電極１３ｄおよび１３ｅが形成され、その上に圧電薄板３ｈが形成され、さらにその上に、内部電極１３ｆおよび１３ｇが形成される。内部電極１３ｆおよび１３ｇの上には、圧電薄板３ｈが形成され、さらにその上に、内部電極１３ｄおよび１３ｅが形成される。これが繰り返されて、多層構造である圧電部３ａが構成されている。さらに、内部電極１３ｄおよび１３ｅは、振動体３の正面に形成された各外部電極３ｄおよび３ｅに接続されている。また、内部電極１３ｆおよび１３ｇは、振動体３の背面に形成された各外部電極３ｆおよび３ｇに接続されている。各外部電極３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ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）等を介して駆動回路と接続されている。なお、圧電薄板３ｈが圧電特性を示すためには、電気双極子の方向が、内部電極１３ｄから内部電極１３ｆ方向および内部電極１３ｅから内部電極１３ｇ方向となるように分極処理しておく必要がある。具体的には、外部電極３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇを用いて内部電極１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇに高電圧を印加することで、分極処理がなされて圧電薄板３ｈは圧電特性を示す。
【００２０】
このような圧電部３ａの変形について説明する。図３は実施の形態１に係る圧電体の変形について説明する図である。図３（Ａ）は圧電体が伸張している状態を示す図であり、図３（Ｂ）は圧電体が屈曲している状態を示す図である。外部電極３ｄ−３ｆ間、外部電極３ｅ−３ｇ間に同極性の電圧を印加する。具体的には、外部電極３ｄ、３ｅを０Ｖとし、外部電極３ｆ、３ｇとを１０Ｖとすると、すべての圧電薄板３ｈが積層方向に伸び（縮み）、図３（Ａ）に示すように、中央部を節Ｐとして圧電部３ａが伸張（収縮）される。また、外部電極３ｄ−３ｆ間、外部電極３ｅ−３ｇ間に逆極性の電圧を印加する。具体的には、外部電極３ｄ、３ｇを１０Ｖとし、外部電極３ｅ、３ｆを０Ｖとすると、すべての圧電薄板３ｈの内部電極１３ｄ、１３ｆが配置された側が伸びるまたは縮み、内部電極１３ｅ、１３ｇが配置された側は縮むまたは伸びる。それにより、図３（Ｂ）に示すように、圧電部３ａには２箇所の節Ｐにより１次の曲げ変形が行われる。
【００２１】
したがって、外部電極３ｄ−３ｆ間、外部電極３ｅ−３ｇ間に同位相の駆動信号をその共振周波数で印加することで縦１次振動モードを生じることができる。また、外部電極３ｄ−３ｆ間、外部電極３ｅ−３ｇ間に逆位相の駆動信号をその共振周波数で印加することで屈曲１次振動モードを生じることができる。ここで、縦１次振動モードが生じると、圧電部３ａは、その中央部を節Ｐとして積層方向（縦方向）に伸縮を繰り返す。また、屈曲１次振動モードが生じると、圧電部３ａは、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。
【００２２】
図４は縦１次振動モードおよび屈曲１次振動モードを発生させる周波数と振動振幅の関係を示したグラフである。図４に示したグラフより、縦１次振動モードおよび屈曲１次振動モード共に、所定の周波数において、振動振幅がピークとなる。図４に示すように縦１次振動モードおよび屈曲１次振動モードの周波数帯ができるだけ近づくように設計し、どちらのモードにおいても同じ振動振幅を得る周波数をｆＤとする。ここで、周波数ｆＤの駆動信号を外部電極３ｄ−３ｆ間、外部電極３ｅ−３ｇ間に位相が９０度ずれるように印加することで、縦１次振動モードおよび屈曲１次振動モードの両方が圧電部３ａに発生されることになる。それにより、振動体３の突起部３ｃに楕円回転振動を生じる。すなわち、振動体３は楕円回転振動モードを行なう。この楕円回転振動が移動振動である。
【００２３】
図５は実施の形態１に係る突起部の動作を説明する図である。図５（Ａ）はＣＷ(右回転)による楕円回転を示す図であり、図５（Ｂ）はＣＣＷ（左回転）による楕円回転を示す図であり、図５（Ｃ）は縦振動を示す図である。例えば、周波数ｆＤの駆動信号を外部電極３ｄ−３ｆ間、外部電極３ｅ−３ｇ間に位相が９０度ずれるように印加することで、突起部３ｃは図５（Ａ）に示すように、ＣＷ(右回転)による楕円回転振動を行う。また、ＣＷ(右回転)による楕円回転の場合とは、位相のずれる方向を変えて駆動信号を印加すると、突起部３ｃは図５（Ｂ）に示すように、ＣＣＷ(左回転)による楕円回転振動を行う。また、図４に示す、縦１次振動モードの振動振幅がピークとなる周波数をｆＴとする。周波数がｆＴの場合の屈曲１次振動モードの振動振幅は小さいことから、周波数ｆＴの駆動信号を外部電極３ｄ−３ｆ間、外部電極３ｅ−３ｇ間に同位相で印加することで、突起部３ｃは図５（Ｃ）に示すように縦振動を行う。すなわち、振動体３は縦振動モードを生じる。
【００２４】
このようにして、突起部３ｃを３種類の振動モードで動作せることができる。なお、以降では、図５（Ａ）に示すＣＷ(右回転)による楕円回転振動をＤモード振動といい、図５（Ｂ）に示すＣＣＷ(左回転)による楕円回転振動をＤ´モード振動といい、図５（Ｃ）に示す縦振動をＮモード振動という。ここで、突起部３ｃがＤモード振動、Ｄ´モード振動およびＮモードのそれぞれの動作をしている場合の、ロータ２の移動について説明する。上述のように振動体３は加圧バネ４ａによりロータ２に押し付けられており、突起部３ｃがロータ２に密着している。そのため、突起部３ｃとロータ２間には大きな摩擦力が生じることになる。そこで、突起部３ｃがＤモード振動で動作している場合は突起部３ｃとロータ２間に生じた摩擦力により、突起部３ｃの動きに合わせてロータ２も移動する。つまり、ロータ２も突起部３ｃに突き動かされるように回転軸２ｂを中心として、右方向に回転する。また、突起部３ｃがＤ´モード振動で動作している場合は、ロータ２がＤモード振動の場合と逆方向である左方向に回転する。また、突起部３ｃがＮモード振動で動作している場合は、ロータ２は回転軸２ｂ方向に上下運動するだけであり、回転はしない。しかし、Ｎモード振動により、突起部３ｃとロータ２間での摩擦力が低下することになる。上述のように、突起部３ｃとロータ２間には大きな摩擦力が生じることになるため、突起部３ｃが振動していない場合にはロータ２が容易に回転することはないが、突起部３ｃがＮモード振動している状態では、突起部３ｃとロータ２間での摩擦力が低下しているため、ロータ２は他の力がかかれば容易に回転する。
【００２５】
また、上述のように、ロータ２には溝２ａが形成されている。このロータ２と突起部３ｃとの位置関係について図６を用いて説明する。図６は突起部と溝との関係を示す図である。図６（Ａ）は突起部が溝部に位置していない状態を示す図であり、図６（Ｂ）は突起部が溝部に位置している状態を示す図である。図６に示すように、ロータ２において溝２ａが形成されていない箇所は駆動可能区間であり、溝２ａが形成されている箇所は駆動不能区間である。なお、駆動不能区間とは、その区間に振動体３の突起部３ｃが位置している場合に、振動体３の振動ではロータ２を移動させることができない区間である。また、駆動可能区間とは、その区間に振動体３の突起部３ｃが位置している場合に、振動体３の振動により、ロータ２を移動させることができる区間である。図６（Ａ）に示すように、突起部３ｃが駆動可能区間に位置している場合、すなわちロータ２の溝２ａ以外の箇所に突起部３ｃが位置している場合は、ロータ２と突起部３ｃとは接している。したがって、上述のように振動体３を、Ｄモード振動およびＤ´モード振動とすることで、ロータ２の移動を制御できる。しかし、図６（Ｂ）に示すように、突起部３ｃが駆動不能区間に位置している場合、すなわちロータ２の溝２ａの位置に突起部３ｃが位置する場合は、ロータ２と突起部３ｃとが接していない。したがって、突起部３ｃの動作がロータ２に影響を与えることはない。すなわち、突起部３ｃが溝２ａの位置にあるときは、振動体３はロータ２の移動を制御できない。駆動不能区間のインターバルは駆動可能区間のインターバルより短く設定されている。
【００２６】
次に、実施の形態１に係る超音波アクチュエータ１００の動作について図７および図８を用いて説明する。図７は実施の形態１に係る超音波アクチュエータの駆動過程を示す図であり、図７（Ａ）は実施の形態１に係る超音波アクチュエータの第１駆動過程図であり、図７（Ｂ）は実施の形態１に係る超音波アクチュエータの第２駆動過程図であり、図７（Ｃ）は実施の形態１に係る超音波アクチュエータの第３駆動過程図である。なお、図７において、わかりやすさを考慮して本来は円形であるロータ２およびステータ１を展開して直線状で表している。また、図７においてロータ２の上に示されている●（黒丸）はロータ２の任意の所定位置上に示されている。すなわち、●（黒丸）が移動している場合はロータ２が移動していることを示す。また、図８は実施の形態１に係る振動体の動作とロータの移動を示すタイミングチャートである。
【００２７】
図７において、第１振動体３−１および第２振動体３−２はともにステータ１上に設置されている。具体的には、第１振動体３−１および第２振動体３−２の突起部３ｃ−１および突起部３ｃ−２のいずれか一方が溝２ａに位置する（駆動不能区間に位置する）場合は、他方は溝２ａには位置しない（駆動可能区間に位置する）ように、第１振動体３−１および第２振動体３−２の配置と、溝２ａの数、ピッチ等を決定する必要がある。つまり、突起部３ｃ−１、３ｃ−２がどちらも溝２ａに位置することがないようにする。また、第１振動体３−１および第２振動体３−２はできるだけ離して設置する方が、ロータ２のガタツキが少なく安定した移動を実現できるので好ましい。例えば、ロータ２に溝２ａが３０個形成されているとする。これらが等間隔で形成されているとすると、溝２ａのピッチは１２°である。また、すべての溝２ａの幅は溝ピッチの半分よりも小さい値とすればよく、例えば２°とする。また、第１振動体３−１および第２振動体３−２それぞれの中心間の間隔は、溝２ａの個数から１を減じた数である２９に、溝２ａのピッチ１２°の半分である６°を乗じた間隔とすればよい。なお、第１振動体３−１と第２振動体３−２はどちらも振動体３と同一の構成であり、振動体３と同様の振動を発生することができるが、両者の振動モードは異なる制御とされる。
【００２８】
図７（Ａ）に示すように、第２振動体３−２の突起部３ｃ−２が駆動可能区間に位置し、第１振動体３−１の突起部３ｃ−１が駆動不能区間に位置している。この場合に、第２振動体３−２をＤモード振動とし、第１振動体３−１をＮモード振動とする。第２振動体３−２に生じる楕円回転振動によりロータ２を図７において右方向に移動させる。また、突起部３ｃ−１は駆動不能区間に位置しているため、第１振動体３−１とロータ２間の摩擦力は小さい。さらに、ロータ２が移動することにより、突起部３ｃ−１が駆動可能区間に位置することとなった場合でも、第１振動体３−１はＮモード振動であるため、第１振動体３−１とロータ２間の摩擦力は小さい。したがって、ロータ２は右方向へと移動する。すなわち、ロータ２が右回転する。ロータ２が移動すると溝２ａの位置も移動する。そして、図７（Ｂ）に示すように、第２振動体３−２の突起部３ｃ−２が溝２ａに位置するようになる。そうすると、第２振動体３−２によりロータ２を移動することができなくなる。すなわち、ロータ２は突起部３ｃ−２が駆動不能区間に位置することとなると移動が停止する。このように、ロータ２は所定のピッチ（６°）だけ移動すると停止することとなる。したがって、超音波アクチュエータ１００はステッピング動作が可能である。さらに、続けてロータ２を移動させていく場合には、第１振動体３−１をＤモード振動に、第２振動体３−２をＮモード振動に切り換えればよい。それにより、ロータ２は第１振動体３−１の楕円回転振動により右方向へと移動する。なお、第２振動体３−２とロータ２間の摩擦力は小さい。そして、ロータ２が所定のピッチ（６°）だけ移動すると、図７（Ｃ）に示すように、突起部３ｃ−１が溝２ａに到達し、ロータ２の移動が停止する。このように、超音波アクチュエータ１００はステッピング動作が可能である。さらに、ロータ２を移動させる場合は、上述の動作を繰り返せばよい。また、ロータ２を左方向に回転させる場合は、Ｄモード振動の代わりにＤ´モード振動を用いればよい。
【００２９】
上述の超音波アクチュエータ１００の動作をタイミングチャートで示したものが、図８である。図８に示すように、振動モードを切り替える期間Ｔは、ロータ２が１ステップ移動するのに要する期間Ｔａ以上であることが必要である。すなわち、第１振動体３−１または第２振動体３−２における楕円回転振動（Ｄモード振動またはＤ´モード振動）を継続的に発生させる発生時間（期間Ｔ）は、駆動可能区間の一端に突起部３ｃ−１または３ｃ−２が位置した状態から、駆動可能区間が突起部３ｃ−１または３ｃ−２に接しながらロータ２が移動した場合に、駆動可能区間の他端が突起部３ｃ−１または３ｃ−２に位置するまでに必要な時間（期間Ｔａ）以上である。なお、実施の形態１では１ステップは６°である。
【００３０】
また、回転方向を切り換えた際に溝２ａの幅分のずれ量ｅが生じる。具体的には、回転方向を切り換えた際には、１ステップが６°ではなく、６°から溝２ａの幅である２°を減じた量となる。すなわち、ロータ２が４°しか移動しない。その後の動作においては、６°ごとに移動する。また、さらに回転方向を切り換えた際に、再びずれ量ｅが生じ、このときにも４°しか移動しないがその後は６°ごとに移動する。すなわち、回転方向を変換する際に、ロータ２の回転量が２°ずれる。このずれ量ｅを小さくするためには、溝２ａの幅を小さくすればよい。
【００３１】
実施の形態１に係る超音波アクチュエータ１００は、以上説明したように、ロータリーエンコーダや、その他の位置決めをする装置を用いることなく、ステップ駆動が可能であるという効果を奏する。新たな部品の追加が不要であるので、低コスト化および小型化を図ることができる。また、フィードバック制御を行っていないので、制御システムが簡素化されている。
【００３２】
次に、実施の形態１に係るアクチュエータ１００の変形例である、超音波アクチュエータ１００ａについて説明する。超音波アクチュエータ１００ａは振動体３を６個備えている点が特に超音波アクチュエータ１００とは異なり、その他は同様であることから、以下の説明においては、振動体３の配置を中心に説明する。図９は実施の形態１に係るアクチュエータの変形例の構成を説明するための図である。図９（Ａ）は超音波アクチュエータの断面図である。また、図９（Ｂ）は超音波アクチュエータにおいて、ロータを取り除いた平面図である。また、図９（Ｃ）はロータの底面図である。また、図１０は実施の形態１に係る超音波アクチュエータ変形例の振動体の配置を示す図である。
【００３３】
図９に示すように、超音波アクチュエータ１００ａは、振動体３を６つ有している。振動体３は第１振動体３−３、３−５、３−７および第２振動体３−４、３−６、３−８からなる。これらはすべて、超音波アクチュエータ１００の振動体３と同一の構成であり、振動体３と同様の振動を発生することができるが、振動モードはそれぞれ異なる制御とされる。なお、第１振動体３−３、３−５、３−７の振動モードの制御はすべて同一であり、超音波アクチュエータ１００の第１振動体３−１と同様の振動モードの制御とすればよい。また、第２振動体３−４、３−６、３−８の振動モードの制御はすべて同一であり、超音波アクチュエータ１００の第２振動体３−２と同様の振動モードの制御とすればよい。
【００３４】
また、図１０に示すように、第１振動体３−３、３−５、３−７の突起部３ｃ−３、３ｃ−５、３ｃ−７のうち、いずれかが溝２ａに位置する場合は、それらすべてが溝２ａに位置することとなるように配置する。また、第２振動体３−４、３−６、３−８の突起部３ｃ−４、３ｃ−６、３ｃ−８のうち、いずれかが溝２ａに位置する場合は、それらすべてが溝２ａに位置することとなるように配置する。また、第１振動体３−３、３−５、３−７の組および第２振動体３−４、３−６、３−８の組における突起部３ｃ−３、３ｃ−５、３ｃ−７および突起部３ｃ−４、３ｃ−６、３ｃ−８のどちらかの組が溝２ａに位置する場合は、残りの組は溝２ａには位置しない配置とする。具体的には、第１振動体３−３中心および第２振動体３−４中心の間隔は溝２ａのピッチの３倍である１８°とすればよい。このような、超音波アクチュエータ１００ａは、超音波アクチュエータ１００に比べて、振動体３が３倍設置されているのでトルクは３倍となる。また、ロータ２は振動体３と６点で接することになるので、２点で接していた超音波アクチュエータ１００よりもロータ２の姿勢が安定し、回転時にガタツキが生じない。したがって、騒音を防止し、振動を低減できる。
【００３５】
なお、振動体３の数および配置は上記実施の形態に示したものに限定されるわけではない。ロータ２がどの位置であっても、設置された振動体３のうち、少なくとも１つの振動体３の突起部が溝２ａ以外の箇所に位置していることとすればよい。それにより、ロータ２を回転させることが可能である。
【００３６】
（実施の形態２）
実施の形態２の超音波アクチュエータは、実施の形態１の超音波アクチュエータと同様の機構により駆動するものであるが、実施の形態１の移動体（ロータ）が回転するのに対して、実施の形態２の超音波アクチュエータは移動体が直線移動する点が異なる。
【００３７】
実施の形態２の超音波アクチュエータの構成について図１１を用いて説明する。図１１は実施の形態２に係る超音波アクチュエータの正面図である。図１１に示すように、実施の形態２に係る超音波アクチュエータ２００は、ステータ２１と、丸棒（移動体）２２と、ステータ２１上に設置された第１振動体２３−１、２３−３および第２振動体２３−２、２３−４と、ステータ保持部２４とを備えている。
【００３８】
丸棒２２は棒状であって、ステータ２１側にはその伸びる方向に沿った方向に並んで複数の溝２２ａが形成されている。溝２２ａは丸棒２２の伸びる方向に直交するように形成されている。
【００３９】
ステータ保持部２４は、丸棒２２の上方に位置し、図１１における左右方向への丸棒２２の移動を円滑にさせるローラ２４ｂと、ローラ２４ｂを介してステータ２１方向に丸棒２２を所定の付勢力で押し付ける加圧バネ２４ａとを備えている。
【００４０】
第１振動体２３−１、２３−３および第２振動体２３−２、２３−４のいずれも、実施の形態１の振動体３と同一の構成であり、振動体３と同様の振動を発生することができるが、振動モードはそれぞれ異なる制御とされる。これらはステータ２１上に並べて設置され、それぞれ丸棒２２に接する突起部２３ｃ−１、２３ｃ−２、２３ｃ−３、２３ｃ−４を有する。なお、配置は図１１において右から順に、第１振動体２３−１、第２振動体２３−２、第１振動体２３−３、第２振動体２３−４とする。そして、第１振動体２３−１、２３−３の突起部２３ｃ−１、２３ｃ−３のうち、いずれかが溝２２ａに位置する場合は、それらすべてが溝２２ａに位置することとなるように配置する。また、第２振動体２３−２、２３−４の突起部のうち、いずれかが溝２２ａに位置する場合は、それらすべてが溝２２ａに位置することとなるように配置する。また、第１振動体２３−１、２３−３および第２振動体２３−２、２３−４の突起部２３ｃ−１、２３ｃ−３の組および突起部２３ｃ−２、２３ｃ−４の組のいずれか一方の組が溝２２ａに位置する場合は、他方の組は溝２２ａには位置しないような配置とする。上述のように、第１振動体２３−１、２３−３および第２振動体２３−２、２３−４の配置と、溝２２ａの数、ピッチ等を決定する必要がある。具体的には、第１振動体２３−１、第２振動体２３−２、第１振動体２３−３、第２振動体２３−４の隣接するものどうしの中心位置の距離は、溝２２ａのピッチの半分とすればよい。
【００４１】
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、図１２および図１３を用いて説明する。図１２は実施の形態２に係る超音波アクチュエータの駆動過程を示す図であり、図１２（Ａ）は実施の形態２に係る超音波アクチュエータの第１駆動過程図であり、図１２（Ｂ）は実施の形態２に係る超音波アクチュエータの第２駆動過程図であり、図１２（Ｃ）は実施の形態２に係る超音波アクチュエータの第３駆動過程図である。また、図１２において丸棒２２の上に示されている●（黒丸）は丸棒２２の任意の所定位置上に示されている。すなわち、●（黒丸）が移動している場合は丸棒２２が移動していることを示す。また、図１３は実施の形態２に係る振動体の動作と移動体の移動を示すタイミングチャートである。なお、図示していないが、丸棒２２において溝２２ａが形成されていない箇所は駆動可能区間であり、溝２２ａが形成されている箇所は駆動不能区間である。第１振動体２３−１、２３−３はともに同一の振動モードとし、第２振動体２３−２、２３−４はともに同一の振動モードとすればよい。
【００４２】
図１２（Ａ）に示すように、第２振動体２３−２、２３−４の突起部２３ｃ−２、２３ｃ−４が駆動可能区間に位置し、第１振動体２３−１、２３−３の突起部２３ｃ−１、２３ｃ−３が駆動不能区間に位置している。この場合に、第２振動体２３−２、２３−４をＤモード振動とし、第１振動体２３−１、２３−３をＮモード振動とする。第２振動体２３−２、２３−４に生じる楕円回転振動により丸棒２２を図１２において右方向に移動させる。また、突起部２３ｃ−１、２３ｃ−３は駆動不能区間に位置しているため、第１振動体２３−１、２３−３と丸棒２２間の摩擦力は小さい。さらに、丸棒２２が移動することにより、突起部２３ｃ−１、２３ｃ−３が駆動可能区間に位置することとなった場合でも、第１振動体２３−１、２３−３はＮモード振動であるため、第１振動体２３−１、２３−３と丸棒２２間の摩擦力は小さい。したがって、丸棒２２は右方向へと移動する。丸棒２２が移動すると溝２２ａの位置も移動する。そして、図１２（Ｂ）に示すように、第２振動体２３−２、２３−４の突起部２３ｃ−２、２３ｃ−４が溝２２ａに位置するようになる。そうすると、第２振動体２３−２、２３−４により丸棒２２を移動することができなくなる。すなわち、丸棒２２は突起部２３ｃ−２、２３ｃ−４が駆動不能区間に位置することとなると移動が停止する。このように、丸棒２２は所定のピッチだけ移動すると停止する。したがって、超音波アクチュエータ２００はステッピング動作が可能である。さらに、続けて丸棒２２を移動させていく場合には、第１振動体２３−１、２３−３をＤモード振動に、第２振動体２３−２、２３−４をＮモード振動に切り換えればよい。それにより、丸棒２２は第１振動体２３−１、２３−３の楕円回転振動により右方向へと移動する。なお、第２振動体２３−２、２３−４と丸棒２２間の摩擦力は小さい。そして、丸棒２２が所定のピッチだけ移動すると、図１２（Ｃ）に示すように、突起部２３ｃ−１、２３ｃ−３が溝２２ａに到達し、丸棒２２の移動が停止する。このように、超音波アクチュエータ２００はステッピング動作が可能である。さらに、丸棒２２を移動させる場合は、上述の動作を繰り返せばよい。また、丸棒２２を左方向に移動させる場合は、Ｄモード振動の代わりにＤ´モード振動を用いればよい。
【００４３】
上述の超音波アクチュエータ２００の動作をタイミングチャートで示したものが、図１３である。図１３に示すように、振動モードを切り替える期間Ｔは、丸棒２２が１ステップ移動するのに要する期間Ｔａ以上であることが必要である。すなわち、第１振動体２２３−１、２３−３または第２振動体２３−２、２３−４における楕円回転振動（Ｄモード振動またはＤ´モード振動）の発生時間（期間Ｔ）は、駆動可能区間の一端に突起部２３ｃ−１、２３ｃ−３、２３ｃ−２または２３ｃ−４が位置した状態から、駆動可能区間が突起部２３ｃ−１、２３ｃ−３、２３ｃ−２または２３ｃ−４に接しながら丸棒２２が移動した場合に、駆動可能区間の他端が突起部２３ｃ−１、２３ｃ−３、２３ｃ−２または２３ｃ−４に位置するまでに必要な時間（期間Ｔａ）以上である。また、移動方向を切り換えた際に溝２２ａの幅分のずれ量ｅが生じる。具体的には、移動方向を切り換えた際には、所定のピッチからずれ量ｅだけ減じた移動量しか移動しない。その後の動作においては、所定のピッチごとに移動する。また、さらに移動方向を切り換えた際に、再びずれ量ｅが生じ、このときにも所定のピッチからずれ量ｅだけ減じた移動量しか移動しないが、その後は所定のピッチごとに移動する。すなわち、移動方向を変換する際に、丸棒２２の移動量がずれ量ｅだけずれる。そこで、このずれ量ｅを小さくするためには、溝２２ａの幅を小さくすればよい。
【００４４】
実施の形態２に係る超音波アクチュエータ２００は、以上説明したように、位置決め用の部品を設けずとも、ステップ駆動が可能であるという効果を奏する。したがって、低コスト化および小型化を図ることができる。また、フィードバック制御を行っていないので、制御システムが簡素化されている。
【００４５】
なお、実施の形態２では、丸棒２２が移動されるが、丸棒２２を固定してステータ１を移動させるようにしてもよい。
【００４６】
（実施の形態３）
実施の形態３の超音波アクチュエータは、実施の形態１の超音波アクチュエータと同様の機構により駆動するものであるが、実施の形態１の移動体には溝が形成されているのに対して、実施の形態３の超音波アクチュエータの移動体には低摩擦領域が形成されている点が異なる。なお、実施の形態３の超音波アクチュエータについて、実施の形態１の超音波アクチュエータと同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。まず、本発明の実施の形態３に係る超音波アクチュエータの構成について説明する。図１４は実施の形態３に係る超音波アクチュエータの構成を説明するための図である。図１４（Ａ）は超音波アクチュエータの断面図である。また、図１４（Ｂ）は超音波アクチュエータにおいて、ロータを取り除いた平面図である。また、図１４（Ｃ）はロータの底面図である。
【００４７】
図１４（Ｂ）に示すように、実施の形態３に係る超音波アクチュエータ３００は、ステータ１と、ロータ（移動体）３２と、ステータ１上に固定設置された振動体３と、ステータ保持部４とを備えて構成される。
【００４８】
ロータ３２は円板状であり、その中心に前記円板の面に対して垂直方向に伸びる回転軸３２ｂを有している。さらに、ロータ３２のステータ１側の面には円周に沿って、ロータ３２の径方向に伸びる複数の低摩擦領域３２ａが形成されている（図１４（Ｃ）参照）。具体的には、ロータ３２のステータ１側の面に表面粗さを比較的小さくした領域を複数形成する。例えば、ロータ３２の表面加工をする際に、研磨加工により、このような領域を作成すればよい。この低摩擦領域３２ａは、振動体３の突起部３ｃと接していても、これらの間の摩擦力が小さく、仮に突起部３ｃが低摩擦領域３２ａと接した状態で楕円回転振動をしても、ロータ３２が移動しない程度の低摩擦性を要する。
【００４９】
ここで、この低摩擦領域３２ａと突起部３ｃとの位置関係について図１５を用いて説明する。図１５は突起部と低摩擦領域との関係を示す図である。図１５（Ａ）は突起部が低摩擦領域に位置していない状態を示す図であり、図１５（Ｂ）は突起部が低摩擦領域に位置している状態を示す図である。図１５に示すように、ロータ３２において低摩擦領域３２ａが形成されていない箇所は駆動可能区間であり、低摩擦領域３２ａが形成されている箇所は駆動不能区間である。図１５（Ａ）に示すように、突起部３ｃが駆動可能区間に位置している場合、すなわちロータ３２の低摩擦領域３２ａ以外の箇所に突起部３ｃが位置している場合はロータ３２と突起部３ｃとの間に大きい摩擦力が生じていて、例えばロータ３２と突起部３ｃとが滑ることがない。したがって、この場合に、上述のように振動体３を、Ｄモード振動、Ｄ´モード振動とすることで、ロータ３２を移動させることができる。しかし、図１５（Ｂ）に示すように、突起部３ｃが駆動不能区間に位置している場合、すなわちロータ３２の低摩擦領域３２ａの位置に突起部３ｃが位置する場合は、ロータ３２と突起部３ｃとの間の摩擦力は小さいため、ロータ３２と突起部３ｃとが滑る。したがって、突起部３ｃの動作がロータ３２に影響を与えることはない。すなわち、突起部３ｃが駆動不能区間である低摩擦領域３２ａに位置するときは、振動体３の振動によりロータ３２を移動させることはできない。実施の形態３に係る超音波アクチュエータ３００は、このような構成であるため、振動体３を実施の形態１の超音波アクチュエータ１００と同様に動作させることで、ステップ駆動を行うことが可能である。
【００５０】
したがって、実施の形態２に係る超音波アクチュエータ３００は、ロータリーエンコーダや、その他の位置決めをする装置を用いることなく、ステップ駆動が可能であるという効果を奏する。新たな部品の追加が不要であるので、低コスト化および小型化を図ることができる。また、フィードバック制御を行っていないので、制御システムが簡素化されている。また、ロータ３２の振動体３と接している面は、凹凸がなく平面である。そのため、ロータ３２が回転する際のガタツキがない。したがって、騒音を防止し、振動を低減できる。
【００５１】
なお、低摩擦領域３２ａは、表面粗さを小さくすることで形成できるが、その他に例えば、ロータ３２の所定位置に低摩擦コーティングを施すことや、低摩擦係数を有するテフロン（登録商標）等の樹脂を埋め込むことにより形成してもよい。
【００５２】
（実施の形態４）
実施の形態４の超音波アクチュエータは、なお、実施の形態１の超音波アクチュエータと同様の機構により駆動するものであるが、実施の形態１の移動体には溝が形成されているのに対して、実施の形態３の超音波アクチュエータの移動体には溝が形成されていず、その円周に沿って定在波が発生し得る構成である。実施の形態１の超音波アクチュエータと同様の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５３】
まず、本発明の実施の形態４に係る超音波アクチュエータの構成について説明する。図１６は実施の形態４に係る超音波アクチュエータの構成を説明するための図である。図１６（Ａ）は超音波アクチュエータの断面図である。また、図１６（Ｂ）は超音波アクチュエータにおいて、ロータを取り除いた平面図である。また、図１６（Ｃ）はロータの底面図である。
【００５４】
図１６（Ａ）に示すように、実施の形態３に係る超音波アクチュエータ４００は、ステータ１と、ロータ（移動体）４２と、ステータ１上に固定設置された振動体４３と、ステータ保持部４とを備えて構成される。
【００５５】
ロータ４２は円板状であり、その中心に前記円板の面に対して垂直方向に伸びる回転軸を有している。さらに、ロータ４２は定在波が生じる構成であり、例えば弾性体からなる。ロータ４２のステータ１側の面には円周に沿って、ロータ４２の主面に対して垂直方向に振動する定在波が生じる。具体的には、ロータ４２は、振動体４３の振動により、６箇所に腹および節を有する６次共振モードが生じるような振動特性を有するように設計されている。すなわち、定在波の腹の中心付近の区間である駆動不能区間４２ａが、ロータ４２の円周に沿って、６箇所形成される（図１６（Ｃ）参照）。
【００５６】
振動体４３の構成は実施の形態１の振動体３と同一の構成であり、振動体３と同様の振動を発生することができる。３つの振動体４３は、ステータ１上に並べて設置され、それぞれロータ４２に接する突起部４３ｃを有する。
【００５７】
ここで、駆動不能区間４２ａと突起部４３ｃとの位置関係について図１７を用いて説明する。図１７は突起部と駆動不能区間との関係を示す図である。図１７に示すように、ロータ４２において定在波が生じている場合は、その腹に当たる箇所は、ロータ４２の主面に対して垂直方向に振動していて、その節に当たる箇所に振動が生じることはない。また、定在波の腹では突起部４３ｃに近接、離反を繰り返している。特に、腹の中心付近は振動による面の変位量が大きいため、この箇所（駆動不能区間４２ａ）と突起部４３ｃ間の摩擦力は小さい。したがって、突起部４３ｃが駆動不能区間４２ａに位置する状態において、振動体４３が楕円回転振動をしたとしても、ロータ４２を移動させることはできない。また、駆動不能区間４２ａ以外の区間である駆動可能区間は、定在波の節周辺であることから、振動による面の変位量は少ないため、ロータ４２および突起部４３ｃ間の摩擦力は小さくなることはない。したがって、突起部４３ｃが駆動可能区間に位置する状態において、振動体４３が楕円回転振動をすることで、ロータ４２を移動させることができる。
【００５８】
次に、実施の形態４に係る超音波アクチュエータ４００の動作について図１８および図１９を用いて説明する。図１８は実施の形態４に係る超音波アクチュエータの駆動過程を示す図であり、図１８（Ａ）は実施の形態４に係る超音波アクチュエータの第１駆動過程図であり、図１８（Ｂ）は実施の形態４に係る超音波アクチュエータの第２駆動過程図であり、図１８（Ｃ）は実施の形態４に係る超音波アクチュエータの第３駆動過程図である。なお、図１８において、わかりやすさを考慮して本来は円形であるロータ４２およびステータ１を展開して直線状で表している。また、図１８においてロータ４２の上に示されている●（黒丸）はロータ４２の任意の所定位置上に示されている。すなわち、●（黒丸）が移動している場合はロータ４２が移動していることを示す。また、図１９は実施の形態４に係る振動体の動作とロータの移動を示すタイミングチャートである。
【００５９】
図１８において、振動体４３である、第１振動体４３−１、第２振動体４３−２および第３振動体４３−３はそれぞれステータ１上に設置されている。具体的には、第１振動体４３−１、第２振動体４３−２および第３振動体４３−３の突起部４３ｃ−１、突起部４３ｃ−２および突起部４３ｃ−３の少なくともいずれか一つは、駆動可能区間に位置するように、第１振動体４３−１、第２振動体４３−２および第３振動体４３−３の配置と、定在波の発生等を決定する必要がある。つまり、突起部４３ｃ−１、突起部４３ｃ−２および突起部４３ｃ−３のすべてが同時に駆動不能区間４２ａに位置することがないようにする。なお、第１振動体４３−１、第２振動体４３−２および第３振動体４３−３はいずれも実施の形態１に係る振動体３と同一の構成であり、振動体３と同様の振動を発生することができるが、両者の振動モードは異なる制御とされる。なお、これら第１振動体４３−１、第２振動体４３−２および第３振動体４３−３の振動により、ロータ４２に定在波が発生するように設計する必要がある。なお、超音波アクチュエータ４００は、加振装置を備えることとし、その加振装置によりロータ４２に定在波を生じさせる構成としてもよい。
【００６０】
図１８（Ａ）に示すように、第１振動体４３−１の突起部４３ｃ−１および第２振動体４３−２の突起部４３ｃ−２が駆動不能区間４２ａに位置していて、第３振動体４３−３の突起部４３ｃ−３が駆動可能区間に位置している。この場合に、第１振動体４３−１および第２振動体４３−２をＮモード振動とし、第３振動体４３−３をＤモード振動とする。第３振動体４３−３に生じる楕円回転振動によりロータ４２を図１８において右方向に移動させる。また、第１振動体４３−１および第２振動体４３−２がＮモード振動であり、それらの突起部４３ｃ−１、４３ｃ−２は駆動不能区間４２ａに位置しているから第１振動体４３−１および第２振動体４３−２とロータ４２間の摩擦力は小さい。さらに、ロータ４２が移動することにより、突起部４３ｃ−１、４３ｃ−２が駆動可能区間に位置することとなった場合でも、第１振動体４３−１および第２振動体４３−２はＮモード振動であるため、第１振動体４３−１および第２振動体４３−２とロータ４２間の摩擦力は小さい。したがって、ロータ４２は右方向へと移動する。すなわちロータ４２は右回転をする。ロータ４２が移動すると駆動不能区間４２ａおよび駆動可能区間の位置も移動する。そして、図１８（Ｂ）に示すように、第３振動体４３−３の突起部４３ｃ−３が駆動不能区間４２ａに位置するようになる。そうすると、第３振動体４３−３によりロータ４２を移動することができなくなる。すなわち、ロータ４２は突起部４３ｃ−３が駆動不能区間に位置することとなると移動が停止する。したがって、ロータ４２は所定のピッチだけ移動すると停止することになり、超音波アクチュエータ４００はステッピング動作が可能である。さらに、続けてロータ４２を移動させていく場合には、第２振動体４３−２をＤモード振動に、第１振動体４３−１および第３振動体４３−３をＮモード振動に切り換えればよい。第２振動体４３−２の突起部４３ｃ−２が駆動可能区間に位置しているため、ロータ４２は第２振動体４３−２の楕円回転振動により右方向へと移動する。なお、第１振動体４３−１および第３振動体４３−３の突起部４３ｃ−１および突起部４３ｃ−３は、駆動不能区間４２ａに位置しており、これらとロータ４２間の摩擦力は小さい。なお、第１振動体４３−１および第３振動体４３−３はＮモード振動であるため、突起部４３ｃ−１または突起部４３ｃ−３が駆動可能区間に到達したとしても、第１振動体４３−１および第３振動体４３−３と、ロータ４２との間の摩擦力は小さい。そして、ロータ４２が所定のピッチだけ移動すると、図１８（Ｃ）に示すように、突起部４３ｃ−２が駆動不能区間４２ａに到達し、ロータ４２の移動が停止する。このように、超音波アクチュエータ４００はステッピング動作が可能である。さらに、ロータ４２を移動させる場合は、上述の動作を繰り返せばよい。また、ロータ４２を左方向に回転させる場合は、Ｄモード振動の代わりにＤ´モード振動を用いればよい。
【００６１】
上述の超音波アクチュエータ４００の動作をタイミングチャートで示したものが、図１９である。図１９に示すように、振動モードを切り替える期間Ｔは、ロータ４２が１ステップ移動するのに要する期間Ｔａ以上であることが必要である。すなわち、第１振動体４３−１、第２振動体４３−２または第３振動体４３−３における楕円回転振動（Ｄモード振動またはＤ´モード振動）の発生時間（期間Ｔ）は、駆動可能区間の一端に突起部４３ｃ−１、４３ｃ−２または４３ｃ−３が位置した状態から、駆動可能区間が突起部４３ｃ−１、４３ｃ−２または４３ｃ−３に接しながらロータ２が移動した場合に、駆動可能区間の他端が突起部４３ｃ−１、４３ｃ−２または４３ｃ−３に位置するまでに必要な時間（期間Ｔａ）以上である。また、回転方向を切り換えた際に駆動不能区間４２ａの幅分のずれ量ｅが生じる。具体的には、回転方向を切り換えた際には、所定のピッチからずれ量ｅだけ減じた移動量しか移動しない。その後の動作においては、所定のピッチごとに移動する。また、さらに移動方向を切り換えた際に、再びずれ量ｅが生じ、このときにも所定のピッチからずれ量ｅだけ減じた移動量しか移動しないが、その後は所定のピッチごとに移動する。すなわち、回転方向を変換する際に、ロータ４２の回転量がずれ量ｅだけ、ずれる。そこで、このずれ量ｅを小さくするためには、駆動不能区間４２ａの幅を小さくすればよい。
【００６２】
実施の形態４の超音波アクチュエータ４００では、６つの節と腹を有する定在波をロータ４２に生じ、３つの振動体４３−１、４３−２および４３−３を用いる構成とした。しかし、この構成に限定されるわけではなく、振動体の数や定在波の種類を変更させてもよい。例えば、振動体４３−１、４３−２および４３−３の数を変更してもよい。なお、定在波により形成した駆動不能区間４２ａは、あまり多くは形成できないため、振動体が２つでは、そのどちらか一方の突起部が駆動可能区間に位置するように配置することが困難である。そこで、実施の形態４においては、振動体の数は３つ以上が好ましい。
【００６３】
実施の形態４に係る超音波アクチュエータ４００は、以上説明したように、ロータリーエンコーダや、その他の位置決めをする装置を用いることなく、ステップ駆動が可能であるという効果を奏する。新たな部品の追加が不要であるので、低コスト化および小型化を図ることができる。また、フィードバック制御を行っていないので、制御システムが簡素化されている。また、ロータ４２の面に加工等を施す必要もないため、低コストで製造できる。また、ロータの面に凹凸を形成する必要がないため、ロータ４２が回転する際のガタツキがない。したがって、騒音を防止し、振動を低減できる。
【００６４】
本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。
【００６５】
上述の超音波アクチュエータは、移動体と複数の振動体を備え、各振動体は、前記移動体を移動させる移動振動を発生可能で、且つ前記移動体に接触して前記移動振動を前記移動体に伝達する接触部を有する。前記移動体は、前記振動体からの前記移動振動を受けない駆動不能区間と前記振動体からの前記移動振動を受ける駆動可能区間を有し、前記移動体の移動中において、前記複数の振動体の少なくとも１つは前記駆動可能区間に位置するように前記複数の振動体が配置されている。
【００６６】
上述の構成によって、前記駆動不能区間が設けられることによって、移動体を所定量移動させるごとに確実に移動を停止して、ロータリーエンコーダ等の位置検出装置を用いることなく移動体の移動量を制御して、確実にステッピング動作のできる超音波アクチュエータを実現できる。また、すべての振動体の接触部が駆動不能区間に入って移動体を移動させることができなくなるような事態を確実に避けて、移動体がどの位置に停止しても、確実に再移動できる。
【００６７】
また、前記接触部に突起部を形成し、前記移動振動は前記突起部が楕円回転する楕円回転振動にするのが好ましい。接触部に突起部を形成し、その突起部を楕円回転させることによって、振動体の振動による移動体の移動をより確実に行うことができる。
【００６８】
また、前記各振動体には、さらに前記突起部を上下に振動させる縦振動を発生できるようにするのが好ましい。この構成によって、移動体と各振動体との摩擦を減らして、移動体をよりスムーズに移動させることができる。
【００６９】
さらに、前記各振動体の振動を制御する制御部を設け、前記制御部は、突起部が前記駆動可能区間に位置する前記少なくとも一つの振動体に楕円回転振動を発生させ、当該振動体の前記突起部が前記駆動不能区間に達した時、当該振動体に縦振動を発生させるように前記複数の振動体を制御するのが好ましい。このような構成によって、ロータリーエンコーダ等の位置検出装置を用いることなく、移動体の移動を確実に制御して精確なステッピング動作を行うことができる。
【００７０】
さらに、前記制御部は、突起部が前記駆動可能区間に位置する少なくとも一つの振動体に楕円回転振動を発生させ、当該振動体を除く他の振動体に縦振動を発生させるように制御するのが好ましい。このような構成によって、移動体と振動体との摩擦をできるだけ少なくして、移動体の移動をスムーズに行うことができる。
【００７１】
さらに、前記駆動可能区間と前記駆動不能区間を複数形成し、前記複数の振動体は、突起部が前記駆動可能区間に同時に位置する複数の振動体からなる少なくとも一つの組を有し、前記制御部は、前記組の前記複数の振動体に同時に楕円回転振動を発生させ、当該複数の振動体の前記突起部が前記駆動不能区間に達した時、当該複数の振動体に縦振動を発生させるように制御するのが好ましい。この構成では、複数の振動体による振動によって移動体を移動させるので、重量の大きな移動体でも確実にスムーズに移動させることができる。
【００７２】
さらに、前記駆動可能区間と前記駆動不能区間を交互に複数形成し、前記駆動可能区間は第１のインターバルで、前記駆動不能区間は第１のインターバルより短い第２のインターバルで形成して、前記制御部は、前記移動振動を前記突起部が一つの前記駆動可能区間の一端から他端に移動する時間より長い時間発生させるように制御するのが好ましい。この構成により、突起部を駆動可能区間と駆動不能区間との境界部に確実に位置決めすることができ、移動体の移動量を正確に制御することができる。
【００７３】
さらに、前記駆動不能区間は、前記移動体の前記複数の振動体に向いた面に形成された溝で構成するのが好ましい。この構成では、駆動不能区間を精確に容易に形成できる。
【００７４】
さらに、前記駆動不能区間は、前記移動体に前記複数の振動体に向いた面に形成された低摩擦領域で構成するのが好ましい。この構成では、移動振動を発生させていない振動体と移動体を接触させることができるので、ガタツキや騒音を生じることなく、移動体を移動させることができる。
【００７５】
さらに、前記移動体は前記複数の振動体によって定在波が生じるように構成して、前記駆動不能区間は、前記移動体に生じた定在波の腹の中心付近で構成するのが好ましい。この構成では、追加的な機械加工が必要ないので、製造コストを削減することができる。また、移動振動を発生させていない振動体と移動体を接触させることができるので、ガタツキや騒音を生じることなく、移動体を移動させることができる。
【００７６】
さらに、前記移動体を円板状に形成し、前記複数の振動体をリング状に配置するように構成するのが好ましい。このような構成では、ステップ的な回転運動が求められる各種の装置に広く適用することができる。
【００７７】
さらに、前記移動体を棒状に形成し、前記複数の振動体は直線状に配置するように構成するのが好ましい。このような構成では、ステップ的な直線運動が求められる各種の装置に広く適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は小型で簡単な構造の超音波アクチュエータを低コストで製造できるので、安くて品質の高い超音波アクチュエータを求めている産業分野に広く利用できる。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成22年9月2日(2010.9.2)
【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】
移動体と、
複数の振動体を備え、各振動体は、前記移動体を移動させる移動振動を発生可能で、且つ前記移動体に接触して前記移動振動を前記移動体に伝達する接触部と、
前記各振動体の振動を制御する制御部とを有し、
前記移動体は、前記振動体からの前記移動振動を受けない駆動不能区間と前記振動体からの前記移動振動を受ける駆動可能区間を有し、
前記移動体の移動中において、前記複数の振動体の少なくとも１つの接触部は前記駆動可能区間に位置するように前記複数の振動体が配置され、
前記制御部は、前記振動体が前記駆動可能区間に位置する前記少なくとも一つの振動体を制御して前記移動体を移動させる移動振動を発生させ、当該振動体が前記駆動不能区間に達したとき、当該振動体を制御して前記移動振動を発生させないように前記複数の振動体を制御することを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記接触部は突起部を有し、前記移動振動は前記突起部が楕円回転する楕円回転振動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３】
前記各振動体はさらに前記突起部を上下に振動させる縦振動を発生可能であって、
前記制御部は、突起部が前記駆動可能区間に位置する前記少なくとも一つの振動体に楕円回転振動を発生させ、当該振動体の前記突起部が前記駆動不能区間に達したとき、当該振動体に縦振動を発生させるように前記複数の振動体を制御す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】
前記制御部は、突起部が前記駆動可能区間に位置する前記少なくとも一つの振動体に楕円回転振動を発生させ、当該振動体を除く他の振動体に縦振動を発生させるように前記複数の振動体を制御することを特徴とする請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記駆動可能区間と前記駆動不能区間は複数形成され、
前記複数の振動体は、突起部が前記駆動可能区間に同時に位置する複数の振動体からなる少なくとも一つの組を有し、
前記制御部は、前記組の前記複数の振動体に同時に楕円回転振動を発生させ、当該複数の振動体の前記突起部が前記駆動不能区間に達した時、当該複数の振動体に縦振動を発生させるように前記複数の振動体を制御することを特徴とする請求項３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記各振動体の振動を制御する制御部をさらに備え、
前記駆動可能区間と前記駆動不能区間は交互に複数形成され、前記駆動可能区間は第１のインターバルで、前記駆動不能区間は第１のインターバルより短い第２のインターバルで形成され、前記制御部は、前記移動振動を前記突起部が一つの前記駆動可能区間の一端から他端に移動する時間より長い時間発生するように制御することを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記駆動不能区間は、前記移動体の前記複数の振動体に向いた面に形成された溝であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
前記駆動不能区間は、前記移動体に前記複数の振動体に向いた面に形成された低摩擦領域であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記移動体は円板状であり、前記複数の振動体はリング状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記移動体は棒状であり、前記複数の振動体は直線状に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【国際調査報告】
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