(57)【要約】  本発明にかかる駆動装置１は、振動子の振動における伸張時と縮小時との速度差を利用して被駆動部材を移動させる駆動装置１であって、前記振動子、例えば圧電素子４、５は、振動方向が一致する２つの共振モードを有し、かつその２つの共振モードにおける共振周波数比が略２倍となるような構造に形成され、前記振動子に与えられる駆動信号は、前記２つの共振モードに略一致するものである。このような構成の駆動装置１では、共振によって振幅拡大係数のＱ倍に増大した擬似鋸歯状の変位振動が発生し、動作速度を向上することができるとともに、投入エネルギーの多くが機械振動に使われるようになり、エネルギー効率を向上することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動方向として所定の方向に振動する第１の振動子と、
前記第１の振動子の振動方向の一端に取付けられて該第１の振動子により前記振動方向に変位駆動される駆動部材と、
前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材と、
前記第１の振動子に駆動信号を与えて振動させる駆動回路とを備え、
前記第１の振動子は、系において少なくとも１次および２次の共振モードを有し、かつ１次共振モード周波数に対して２次共振モード周波数が略２倍の周波数となるように形成され、
前記駆動回路は、前記略２倍の周波数の関係を有する１次および２次の共振モードの周波数に略一致した成分を重畳した信号を前記駆動信号として前記第１の振動子に与えることで、前記駆動部材と前記被駆動部材との係合部分に共振によって拡大した擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、前記被駆動部材を前記振動方向に移動させること
を特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記被駆動部材は、前記第１の振動子の変位における伸張時と縮小時との速度差を利用することで移動すること
を特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記駆動部材は、ロッド状であり、その第１の振動子とは反対側の端部からの所定範囲を小径に形成されて機械インピーダンスを下げることで、前記２次の共振モードを１次の共振モードの略２倍に設定すること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記駆動部材は、ロッド状であり、少なくとも前記所定範囲が連続曲面となっていること
を特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記駆動回路は、Ｈブリッジ回路を備え、前記駆動信号として、矩形波または３値の階段状波を発生すること
を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項６】
所定の方向に振動する第１の振動子と、
前記第１の振動子の振動方向の一端側に設けられて該第１の振動子により前記振動方向に変位駆動されるとともに、自身も前記所定の方向に振動する第２の振動子と、
前記第２の振動子またはそれに連結される駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材と、
前記第１および第２の振動子にそれぞれ駆動信号を与えて振動させる駆動回路とを備え、
前記第１および第２の振動子は、系においてそれぞれ共振モードを有し、かつ前記第１の振動子と前記第２の振動子との共振モード周波数の比が略２倍の周波数となるように形成され、
前記駆動回路は、前記略２倍の周波数の関係を有する１次および２次の共振モードの周波数に略一致した成分を有する信号を前記駆動信号として前記第１および第２の振動子にそれぞれ与えることで、前記第２の振動子または前記駆動部材と前記被駆動部材との係合部分に共振によって拡大した擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、前記被駆動部材を前記振動方向に移動させること
を特徴とする駆動装置。
【請求項７】
前記第１の振動子と前記第２の振動子との間に介在され、軸部と、該軸部よりも大径の頭部とを有し、前記軸部の先端が前記第１の振動子の一端に固着される連結部材を備え、
前記第２の振動子は、前記連結部材を内挿する筒状に形成され、その前記振動方向の中点が前記連結部材の頭部に固着され、前記第１の振動子とは反対側の端部が前記被駆動部材との係合部分となること
を特徴とする請求項６に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記第１の振動子と前記第２の振動子との間に介在され、前記第１の振動子よりも大径に形成されて該第１の振動子の一端に固着される連結部材を備え、
前記第２の振動子は、前記連結部材および第１の振動子を内挿する筒状に形成され、その前記振動方向の中点が前記連結部材の外周縁部に固着され、前記第１の振動子とは反対側の端部が前記被駆動部材との係合部分となること
を特徴とする請求項６に記載の駆動装置。
【請求項９】
振動方向として所定の方向に振動する第１の振動子と、
前記第１の振動子における前記振動方向の一端側に設けられる第１の駆動部材と、
前記第１の駆動部材に所定の摩擦力で係合している第２の駆動部材と、
前記第２の駆動部材に設けられ、前記第１の振動子と同一方向に振動する第２の振動子と、
前記第１および第２の振動子にそれぞれ駆動信号を与えて振動させる駆動回路とを備え、
前記第１および第２の振動子は、系においてそれぞれ共振モードを有し、かつ前記第１の振動子と前記第２の振動子との共振モード周波数の比が略２倍の周波数となるように形成され、
前記駆動回路は、前記略２倍の周波数の関係を有する１次および２次の共振モードの周波数に略一致した成分を有する信号を前記駆動信号として前記第１および第２の振動子にそれぞれ与えることで、前記第１の駆動部材と前記第２の駆動部材との係合部分に共振によって拡大した擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、前記第１の振動子および第１の駆動部材と、前記第２の振動子および第２の駆動部材とを、前記振動方向に相対的に移動させること
を特徴とする駆動装置。
【請求項１０】
前記第２の振動子の両端面には、略同径の筒状に形成される振動伝達部材がそれぞれ固着され、前記駆動部材との間には一方の振動伝達部材が介在されること
を特徴とする請求項９に記載の駆動装置。
【請求項１１】
前記第１の振動子は、前記振動方向の一端が固定物に固定されていること
を特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項１２】
前記被駆動部材は、その外周面が前記係合部分となる回転体と、その回転軸となる出力取出し軸とを備えて構成されること
を特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項１３】
前記第１の振動子は、圧電素子であり、その振幅拡大係数（Ｑ値）が１００以上であること
を特徴とする請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＩＤＭ（Smooth Impact Drive Mechanism（登録商標）)を用いた超音波リニアアクチュエータ等として好適に実施される駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波リニアアクチュエータは、例えば図２０で模式的に示す構造を有し、圧電素子の伸縮をロッド（駆動軸）に伝え、そのロッドに所定の摩擦力で係合している被駆動部材（移動体）を、前記圧電素子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させるものである。例えば、図２０（Ａ）から図２０（Ｂ）で示すように、ロッドをゆっくりと伸張させることで、そのロッドに摩擦係合している被駆動部材も移動し、図２０（Ｂ）から図２０（Ｃ）で示すように、前記所定の摩擦力を超える程、ロッドを瞬時に縮小すると、被駆動部材が慣性のために伸張位置に取り残される。このことを繰返し行うことによって、この超音波リニアアクチュエータは、前記被駆動部材を前記ロッドの軸方向に移動させる。そして、この超音波リニアアクチュエータは、伸張を瞬時に、縮小をゆっくりと行うことで、前記被駆動部材の移動方向を前記とは逆転することができる。【０００３】
このような超音波リニアアクチュエータは、通常のローレンツ力型のモータ等に比べて、構成が簡単で、しかも減速機構を用いずに負荷をダイレクトに駆動することができる。このため、特許文献１では、その搭載例として、前記ロッドをレンズ光軸方向に設置し、フォーカシングレンズの保持部材を前記ロッドに係合させることで、オートフォーカスを実現した駆動装置が提案されている。なお、前記ロッドに対して被駆動部材を摩擦係合させるためには、ばね等による押圧力だけではなく、磁力が用いられてもよい。【０００４】
しかしながら、上述の超音波リニアアクチュエータは、同じように圧電素子の振動を用いた他の超音波モータ、例えば定在波型や進行波型の超音波モータと比較すると、速度性能が低く、効率も悪いという問題がある。その違いは、他の超音波モータは、前記圧電素子を共振領域で駆動しているためである。圧電素子を共振領域で駆動すると、低電圧でも変位（ストローク）が増大し、効率良く速度性能を上げることができる。これに対して、上述の超音波リニアアクチュエータでは、駆動信号の周波数は、後述のように共振周波数の０．７倍程度であり、前記変位（ストローク）が、多くても数μｍと小さい。また共振を用いることで、投入されたエネルギーは、ほとんどが機械振動に使われるのに対して、共振を用いない場合、前記エネルギーは、圧電素子を構成する誘電体から成る電気コンデンサの充放電で使用されることになり、効率が悪い。【０００５】
ここで、図２１に、超音波リニアアクチュエータの時間経過に伴う圧電素子および被駆動部材の変位の関係が示されている。上述のように、圧電素子の伸張時と縮小時との速度差を利用して被駆動部材を移動させるので、駆動回路から前記圧電素子には、図２２で示すような、擬似鋸歯状の駆動信号が与えられている。そして、図２１で示すように、その鋸歯状波形の斜辺部分の変位が積算されて、被駆動部材の総変位量になる。【０００６】
そこで、本件出願人は、先に特許文献２において、駆動周波数を適切に選定することで、図２３に示すような矩形波電圧を与えた場合にも、鋸歯状変位が得られることを示した。また、その理論的背景は、非特許文献１で明らかにされている。その理論を要約すると、図２４（Ｃ）で示すような鋸歯状波形の基本は、図２４（Ａ）で示す基本周波数の正弦波信号に、図２４（Ｂ）で示す第２高調波の正弦波信号を加算して得ることができる。すなわち、前記鋸歯状波形には、成分的に複数の周波数の正弦波が含まれているが、そのうち少なくとも１次および２次の成分があれば前記超音波リニアアクチュエータの駆動に充分なレベルとなり、変位ｙは、下記の式（１）で表すことができる。【０００７】
ｙ＝−ｓｉｎ（ωｔ）−０．２５・ｓｉｎ（２ωｔ）      ・・・（１）【０００８】
そして、そのような鋸歯状波形を得るための条件は、駆動周波数が低い場合、そのものの波形を成形しなければならないが、或る程度駆動周波数が高くなると、共振周波数の前記０．７倍前後の矩形波を圧電素子に入力することで、鋸歯状変位を生じさせることが可能になる。特許文献２は、このような特性を利用して、製品において実現容易な矩形波電圧で駆動させるようにしたものである。【０００９】
図２５には、前記矩形波のデューティおよび周波数を変化させた場合における被駆動部材の移動速度の変化が示されている。このグラフは、前記非特許文献１の図２０で示されたもので、圧電素子およびロッドの共振周波数は、２００ｋＨｚとし、その駆動電圧は、６ＶＰ−Ｐとし、被駆動部材のロッドに対する摩擦力は、３００ｍＮとしている。この図２５から明らかなように、共振周波数の前記０．７倍のときに、矩形波に含まれる１次成分の正弦波および２次成分の正弦波の位相およびゲインが適切な関係となり、鋸歯状変位が得られ、最高の速度が得られている。【００１０】
しかしながら、他の超音波モータのように、駆動周波数を共振周波数と一致させると、図２６（Ｂ）で示すように矩形波に含まれる１次成分の正弦波のゲインのみが拡大し、相対的に２次成分の正弦波のゲインが小さくなり、図２６（Ａ）で示すような適切な鋸歯状変位とならない。すなわち、上述のような超音波リニアモータを駆動することはできない。【００１１】
前述のように、超音波リニアアクチュエータは、構成が簡単で、しかも減速機構を用いずに負荷をダイレクトに駆動できることから、ハイパワー化（動作速度やエネルギー効率を向上）することによって、新しい製品への適用が期待できる。例えば、ヒューマノイドロボットの人工筋肉のような用途への適用が期待できる。また、圧電薄膜を利用して超小型化、具体的にはランジュバン振動子を薄膜化、或いは積層せずに構造を単純化することも可能であることから、内視鏡先端部に用いられるアクチュエータ等のマイクロマシンへの応用も期待できる。一方、既存の製品では、例えばカメラの像ブレ補正において、前述のハイパワー化によって、大きなイメージセンサを高速で変位駆動させることが可能になり、またムービー撮影のように連続駆動しても、消費電力や発熱を抑えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第２６３３０６６号公報
【特許文献２】特許第３１７１１８７号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】（スムーズインパクト駆動機構（ＳＩＤＭ）の開発（第２報）精密工学会誌  Ｖｏｌ．６８，  Ｎｏ．４  （２００２）  ｐｐ．５３６−５４１）
【発明の概要】
【００１４】
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、変位振動を増大し、動作速度を向上することができるとともに、エネルギー効率を向上することができる駆動装置を提供することである。
【００１５】
本発明にかかる駆動装置は、振動子の振動における伸張時と縮小時との速度差を利用して被駆動部材を移動させる駆動装置であって、前記振動子は、振動方向が一致する２つの共振モードを有し、かつその２つの共振モードにおける共振周波数比が略２倍となるような構造に形成され、前記振動子に与えられる駆動信号は、前記２つの共振モードに略一致するものである。このような構成の駆動装置では、共振によって振幅拡大係数のＱ倍に増大した擬似鋸歯状の変位振動が発生し、動作速度を向上することができるとともに、投入エネルギーの多くが機械振動に使われるようになり、エネルギー効率を向上することができる。
【００１６】
上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１に示す超音波リニアアクチュエータにおける振動モードの調整前の様子を模式的に示す側面図である。
【図３】図１に示す超音波リニアアクチュエータにおける振動モードの調整前の様子を模式的に示す斜視図である。
【図４】図１に示す超音波リニアアクチュエータにおける振動モードの調整後の様子を模式的に示す側面図である。
【図５】前記調整による１次モードおよび２次モードの共振周波数の変化の様子を示すグラフである。
【図６】図１に示す超音波リニアアクチュエータにおける圧電素子の駆動回路の一構成例を示すブロック図である。
【図７】図１に示す超音波リニアアクチュエータにおける圧電素子の駆動回路の他の構成例を示すブロック図である。
【図８】図７（Ａ）に示す駆動回路の駆動波形図である。
【図９】第２実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す側面図である。
【図１０】第３実施形態に係る駆動装置である超音波モータの一構造例を模式的に示す側面図である。
【図１１】第３実施形態に係る駆動装置である超音波モータの他の構造例を模式的に示す側面図である。
【図１２】第４実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す斜視図である。
【図１３】図１２に示す超音波リニアアクチュエータの断面図である。
【図１４】図１２および図１３に示す超音波リニアアクチュエータにおける駆動信号の重畳の様子を示す波形図である。
【図１５】第４実施形態に係る駆動装置である超音波モータの構造を模式的に示す断面図である。
【図１６】第５実施形態に係る駆動装置であるリニアアクチュエータの構造を模式的に示す側面図である。
【図１７】第６実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す断面図である。
【図１８】第７実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す図である。
【図１９】図１８に示す超音波リニアアクチュエータの他の例を模式的に示す断面図である。
【図２０】典型的な従来技術の超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す側面図である。
【図２１】超音波リニアアクチュエータの時間経過に伴う圧電素子および被駆動部材の変位の関係を示すグラフである。
【図２２】超音波リニアアクチュエータに与えられる典型的な従来技術の駆動信号の波形図である。
【図２３】従来技術の超音波リニアアクチュエータおよび本発明の実施の一形態の超音波リニアアクチュエータに与えられる駆動信号の波形図である。
【図２４】図２２に示す駆動信号の作成方法の一例を説明するための波形図である。
【図２５】図２３に示す矩形波の駆動信号を用いる場合におけるデューティおよび周波数の変化に対する被駆動部材の移動速度の変化を示すグラフである。
【図２６】図２２に示す駆動信号の問題点を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明にかかる実施の一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、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータ１の構造を模式的に示す斜視図である。この超音波リニアアクチュエータ１は、固定部材２と、支持板３と、圧電素子４，５と、駆動部材６，７と、被駆動部材８とを備えている。この超音波リニアアクチュエータ１は、大略的に、固定部材２から立設された支持板３の両面に第１の振動子である圧電素子４，５が取付けられ、さらにその圧電素子４，５の先端に駆動部材６，７が取付けられ、少なくとも一方の駆動部材（図１では６のみ）に、摩擦係合する被駆動部材８が設けられて構成されている。
【００２０】
支持板３は、圧電素子４，５や駆動部材６，７の重量を支持することができ、振動伝搬を少なくするために、薄板から形成される。例えば、材料は、ジュラルミンであり、厚みは、０．２ｍｍである。圧電素子４，５は、例えば厚み方向に振動するランジュバン振動子で構成され、その振動方向の一端に駆動部材６，７がそれぞれ固着され、他端が、支持板３の各面にそれぞれ取付けられる。圧電素子４，５の支持板３への接合方法には、接着が採用されているが、より信頼性の高いボルト締めランジュバン振動子のように接合されてもよい。このように構成することで、後述するように駆動回路から相互に等しい駆動信号が入力されることによって、支持板３側では相互に振動を打ち消し合って該支持板３には伝搬せず、発生した振動は、駆動部材６，７側のみに伝搬する。
【００２１】
駆動部材６，７は、ロッド状の部材であり、被駆動部材８が所定の摩擦力で係合している。そして、駆動部材６，７は、根元でも先端でも圧電素子４，５の変位を遅れなく伝える必要性から、使用する駆動条件において剛体である材料によって形成されている。なお、被駆動部材８における前記摩擦力は、ばね等による押圧力によって生じる場合に限らず、磁力等によって発生されてもよい。この被駆動部材８は、例えば超音波リニアアクチュエータ１が撮像装置に適用される場合、フォーカシングやズーミングのレンズの保持枠等に連結される。
【００２２】
ここで、圧電素子の伸縮を駆動部材に伝え、その駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を前記圧電素子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させる超音波リニアアクチュエータにおいて、前記速度差を発生させるための駆動波形である鋸歯状波形について考える。駆動回路から圧電素子に与えられる駆動信号の周波数をｆｄとし、１次共振周波数をｆｒ１とし、２次共振周波数をｆｒ２とし、駆動電圧の１次成分に対する駆動部材の変位１次成分の位相遅れをθ１とし、駆動電圧の２次成分に対する駆動部材の変位２次成分の位相遅れをθ２とし、駆動部材の変位１次成分に対する変位２次成分の位相遅れをθ２’とし、駆動電圧の１次成分に対する２次成分の調整量をθ２''とする場合に、ｆｒ２＝２ｆｒ１とすると、２次成分に対する位相のずれは、１次成分の２倍で効いてくるので、θ１で規格化すると、θ２’＝θ２−２・θ１、またθ２''＝―θ２である。
【００２３】
そして、駆動周波数ｆｄが１次共振周波数ｆｒ１より充分小さい場合には、圧電素子には、鋸歯状波形そのものを入力して駆動する必要がある。この場合、θ１＝θ２＝０であり、θ２’も０である。これに対して、前記特許文献２では、ｆｄ＝０．７ｆｒ１とすることで、θ１＝−２０°（遅れ）、θ２＝−１３０°０であり、θ２’＝−９０°となって、前述の図２４（Ａ）（Ｂ）から、（Ｃ）のような変位が得られることが利用されている。これに対して、本実施形態の超音波アクチュエータ１は、共振状態では、位相遅れθ１，θ２が共に９０°となることを利用して、ｆｄ＝ｆｒ１＝０．５ｆｒ２とすることで、共振周波数ｆｒ１を用いても、１次成分に対する２次成分の位相遅れθ２’が、前記ｆｄ＝０．７ｆｒ１の場合と同様に、−９０°となるため、鋸歯状の変位が得られることを利用している。表１は、各駆動条件と位相遅れθ１，θ２，θ２’の関係を示すものである。
【００２４】
【表１】
2011096199.tif 000003
【００２５】
このため、上述のように構成される超音波リニアアクチュエータ１において、本実施の形態では、後述する駆動回路から圧電素子４，５に与えられる駆動信号に対して、該圧電素子４，５および駆動部材６，７は、少なくとも１次および２次の共振モードを有し、駆動部材６，７の切削や成型等によって、それらの共振周波数が略２倍となるように調整されている。その調整方法を以下に説明する。
【００２６】
先ず、図２（Ａ）に示すように圧電素子４，５単体の場合、それらの圧電素子４，５の長手方向の１次の共振モード（１次モード）と、２次の共振モード（２次モード）とは、薄板から成る支持板３を節として、それぞれ図２（Ｂ）および図２（Ｃ）のようになり、（２次共振モードの周波数ｆｒ２）／（１次共振モードの周波数ｆｒ１）＝３となる。この共振周波数比３を２とすることができれば、前述のように、θ２’＝θ２−２・θ１＝−９０°として、擬似鋸歯状の変位振動を生じさせることができる。
【００２７】
そこで、圧電素子４，５の一端にそれぞれ固着される駆動部材６，７の材料には、ジュラルミンが用いられている。また、例えば圧電素子４，５の径は、１０ｍｍであり、その長さ（厚み）は、５ｍｍであって、駆動部材６，７の径は、１０ｍｍであり、長さは、４５ｍｍである。この状態で構成された超音波リニアアクチュエータ１’が図３に模式的に示されている。ただし、図３には、被駆動部材８が省略されている。
【００２８】
この状態から、図４（Ａ）に示すように、駆動部材６，７において、その端部から長さＷだけその径が細く削られる。前記長さＷは、例えば２５ｍｍである。この部分を削ることで共振周波数比ｆｒ２／ｆｒ１を下げることができ、削る量でその下がり方を調整することができる。そのメカニズムは、先ず集中定数回路において、共振周波数ｆｒは、下記式(２)で表される。ｋは、等価ばね定数、ｍは、等価質量である。
【００２９】
ｆｒ＝１／２π・√（ｋ／ｍ）      ・・・（２）
【００３０】
一般に、振動体において振動の腹に当たる部分を削る（機械インピーダンスを下げる）と共振周波数ｆｒは、高くなり（上式においてｍを下げる効果）、振動の節に当たる部分を削っても共振周波数ｆｒは、高くなる（上式においてｋを下げる効果）。そこで、今回削った前記長さＷの部分６ａ，７ａは、図４（Ｂ）で示すように、１次モードに対しては、振動の腹に当たる部分であり、削り取ることで、実線から破線で示すように、共振周波数ｆｒが高くなる。一方、図４（Ｃ）で示すように、２次モードに対しては、削り取られる部分６ａ，７ａには、振動の腹および節の両方にあたる部分があり、大きくは変わらない。この削る量と、１次モードおよび２次モードの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２との関係が図５（Ａ）に示され、共振周波数比ｆｒ２／ｆｒ１との関係が図５（Ｂ）に示されている。
【００３１】
図６は、圧電素子４，５を駆動するための駆動回路の一構成例である駆動回路９のブロック図である。この駆動回路９は、制御回路９０と、発振器９２と、分周器９３と、移相器９４，９５と、切換えスイッチ９６と、加算器９７とを備えている。発振器９２は、前記第２共振周波数ｆｒ２の信号Ｓ２’を発振し、その発振信号Ｓ２’は、分周器９３に入力される。分周器９３は、この発振信号Ｓ２’を１／２に分周して前記第１共振周波数ｆｒ１の信号Ｓ１を生成する。また、発振器９２の発振信号Ｓ２’は、２つの移相器９４，９５に共通に入力される。そして、移相器９４は、この発振信号Ｓ２’の位相を＋９０°シフトして信号Ｓを生成し、切換えスイッチ９６の一方の個別接点に与え、移相器９５は、この発振信号Ｓ２’の位相を−９０°シフトして信号Ｓを生成し、切換えスイッチ９６の他方の個別接点に与える。制御回路９０は、被駆動部材８の移動方向に応じて、切換えスイッチ９６を切換え、こうして、周波数がｆｒ２であって、位相が相互に１８０°ずれ、かつ第１共振周波数ｆｒ１の信号から位相が９０°ずれた信号Ｓ２が選択されて加算器９７に入力される。加算器９７は、前記第１共振周波数ｆｒ１の信号Ｓ１に、＋９０°または−９０°の第２共振周波数ｆｒ２の信号Ｓ２を加算し、これを前記圧電素子４，５に出力する。
【００３２】
図１４は、上述のような駆動回路９の動作波形図である。先ず、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、それぞれ周波数ｆｒ１，ｆｒ２の正弦波信号Ｓ１，Ｓ２’であり、それらの位相は、相互に同期しているものとする。これらを同相で相互に加算すると、その振幅は、図１４（Ｃ）で示すようになる。図１４（Ｃ）は、正弦波信号Ｓ１，Ｓ２’の振幅比は２：１であるが、図１４（Ｄ）は、第２共振周波数ｆｒ２の信号Ｓ２’のレベルを小さく（前記振幅比を大きく）したものである。こうして、鋸歯状（三角）波形が作成され、被駆動部材８が駆動される。そして、前記信号Ｓ２’をシフトさせて行くと、図１４（Ｅ）から図１４（Ｆ）で示すようになる。
【００３３】
したがって、被駆動部材を駆動するために、図１４（Ｃ）や図１４（Ｄ）で示す波形が用いられるが、このような波形を圧電素子に入力して、被駆動部材に同様の変位を行わせることができる場合は、ｆｄ≪ｆｒ１の場合である。実際には、前記特許文献２のように、ｆｄ≒０．７ｆｒ１や本実施の形態のようにｆｄ＝ｆｒ１となると、２次モードの位相遅れが大きくなり、被駆動部材８に所望とする変位波形に対して、圧電素子４，５に入力すべき波形は、表２および表３の通りとなる（図６の駆動回路９における駆動波形は、１次＋２次正弦波のみの欄で示している）。
【００３４】
【表２】
2011096199.tif 000004
【００３５】
【表３】
2011096199.tif 000005
【００３６】
一方、図７（Ａ）は、圧電素子４，５を駆動するための駆動回路の他の構成例である駆動回路９ａのブロック図である。この駆動回路９ａは、いわゆるＨブリッジ回路であり、＋Ｖの電源ラインと接地ラインとの間に接続される、ｐ型のＦＥＴＱ１およびｎ型のＦＥＴＱ２の直列回路ならびに同様のｐ型のＦＥＴＱ３およびｎ型のＦＥＴＱ４の直列回路を備えて構成され、それらの中点間を連結するように圧電素子４，５が接続されている。前記各ＦＥＴＱ１〜Ｑ４は、制御回路９１によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００３７】
制御回路９１から各ＦＥＴＱ１〜Ｑ４に出力される制御信号Ｓ１〜Ｓ４およびそれによる各ＦＥＴＱ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦによって圧電素子４，５の両端子間に印加される電圧Ｖｓの態様は、例えば図８で示す通りである。この図７（Ａ）に示す例では、前記Ｈブリッジの対角位置に設けられるＦＥＴＱ１，Ｑ４およびＦＥＴＱ２，Ｑ３は、それぞれ同相で駆動されるとともに、ＦＥＴＱ１，Ｑ４とＦＥＴＱ２，Ｑ３とは、相互に逆相で駆動される。これによって、圧電素子４，５には矩形波の駆動信号が印加され、図８で示すように、そのデューティを０．３程度とすることで被駆動部材８が一方方向に駆動され、０．７程度とすることで被駆動部材８が他方方向に駆動される。
【００３８】
このように構成される駆動回路９ａにおいて、被駆動部材８に所望とする変位波形に対して、圧電素子４，５に入力すべき波形は、表２および表３の通りとなる（Ｈブリッジ回路を使用の欄で示している）。ここで、前記特許文献２では、鋸歯状の変位波形に対して、矩形波が同相（デューティが０．３）であったのに対し、本実施の形態の駆動装置１の場合は、前記駆動回路９の場合と同様で、逆相（デューティが０．７）となっている。したがって、逆方向駆動の場合は、デューティが０．３となる。
【００３９】
このように本実施形態では、圧電素子４，５の伸縮をロッド状の駆動部材６，７に伝え、その駆動部材６に所定の摩擦力で係合している被駆動部材８を、圧電素子４，５の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させる超音波リニアアクチュエータ１において、駆動回路９，９ａから圧電素子４，５には駆動部材６と被駆動部材８との係合部分に前記速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるために、以下の構成が採用されている。
【００４０】
すなわち、前記擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるために、少なくとも基本周波数での振動に、その２倍の周波数の高調波での振動が重畳される。従来では、前記矩形波の駆動信号を系の共振周波数の０．７倍程度とすることによって（共振周波数を跨いで）、その高調波の振動が得られていたのに対して、本実施形態では、前記駆動信号は、共振周波数比ｆｒ２／ｆｒ１が略２となる２つの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２の成分を含む信号とされ、圧電素子４，５および駆動部材６，７の形状を調整して、それらがこの２つの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２で共振するようにされている。
【００４１】
したがって、圧電素子４，５および駆動部材６，７を共振状態で使用することができ、変位振動を振幅拡大係数のＱ倍に増大することができる。すなわち、前記式１から、下式（３）に変化させることができる。
【００４２】
ｙ＝−Ｑ｛ｓｉｎ（ωｔ）−０．２５・ｓｉｎ（２ωｔ）｝      ・・・（３）
【００４３】
こうして、本実施形態の超音波リニアアクチュエータ１は、アクチュエータの動作速度を向上することができるとともに、投入エネルギーの多くが機械振動に使われるようになり、エネルギー効率を向上することができる。これによって、該超音波リニアアクチュエータ１を小型化することができ、或いはトルクを増大して、新規用途等へも使用することができる。
【００４４】
なお、上述の駆動回路９ａにおいて、電源短絡が生じないように、総てのＦＥＴＱ１〜Ｑ４がＯＦＦしているデッドタイムが設けられてもよい。またこれを利用して、前記矩形波も、電源電圧を前記＋Ｖとするとき、−Ｖ，０，＋Ｖの３値で発生させ、例えば図１４（Ｇ）で示すような電圧を与える波形であってもよい。その場合、圧電素子４，５に入力される電圧自体が前記擬似鋸歯状波形に近くなって、１次モードと２次モードとの位相条件を合わせることができる。また、前記ＦＥＴＱ１〜Ｑ４に代えて、バイポーラのトランジスタ等を用い、図１４（Ｈ）で示すような三角波電圧が与えられてもよい。
【００４５】
また、前記駆動回路は、図７（Ａ）で示す駆動回路９ａに限らず、図７（Ｂ）で示す駆動回路９ｂのような、単純なプッシュプルの回路で構成されてもよい。この駆動回路９ｂでは、圧電素子４，５への印加電圧Ｖｓが＋Ｖであるのに対して、図７（Ａ）で示すＨブリッジ回路９ａは、圧電素子４，５に２倍の電圧＋２Ｖを印加することができ、また、前記３値の電圧を発生することもできる。
【００４６】
また、本実施形態の超音波リニアアクチュエータ１では、ロッド状の駆動部材６，７において、振動の腹に当たる部分を削る（機械インピーダンスを下げる）ことでその共振周波数ｆｒが高くなることを利用して、１次の共振モードについては共振の腹となり、２次の共振モードでは共振の腹および節となる所定範囲Ｗを切削等で小径に形成するので、２次の共振モードでの共振周波数ｆｒ２は、そのままに、１次の共振モードでの基本共振周波数ｆｒ１を高くして、それらの共振周波数比ｆｒ２／ｆｒ１を、前記擬似鋸歯状の変位振動を効率良く生じさせる２倍とすることができる。
【００４７】
次に、別の実施形態について説明する。
【００４８】
（第２実施形態）
図９（Ａ）は、第２実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す側面図である。この超音波リニアアクチュエータ１１において、前述の図１および図４で示す超音波リニアアクチュエータ１に類似し、対応する部分には、同一の参照符号が付され、その説明が省略される。この超音波リニアアクチュエータ１１では、ロッド状の駆動部材１６は、少なくとも前記所定範囲Ｗにおいてその側面が連続曲面となっている、すなわち前記径が軸方向に滑らかに（連続的に）変化している。
【００４９】
図９（Ａ）では、駆動部材１６のほぼ全長に亘ってその側面が連続曲面となっているので、該駆動部材１６の先端には、さらに一定の径の駆動部材１７が連結されており、この駆動部材１７によって被駆動部材８が駆動される。このため、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）で示すように、駆動部材１６は、前述の駆動部材６，７と同様に１次および２次の共振モードが生じる弾性体であり、これに対して駆動部材１７は、２つの共振モードの周波数域ｆｒ１，ｆｒ２において剛体として振舞う材料で形成され、駆動部材１７の材料には、弾性率が高いことが求められる。また、これらの駆動部材１６，１７の先端での負荷を減らすために、駆動部材１７には密度が低いことが求められる。そこで、前述のように駆動部材１６には例えばジュラルミンが用いられ、駆動部材１７には例えばカーボン繊維が用いられる。ただし、駆動部材１７を連結することで、適正な駆動部材１６の形状が変化するので、駆動部材１７を連結した状態で、共振周波数の比ｆｒ２／ｆｒ１が２となるように、該駆動部材１６の形状が適正化される。
【００５０】
このように構成することで、超音波リニアアクチュエータ１１では、該駆動部材１６を前記２倍の共振周波数比が生じる最適形状に形成し、段差が無く、応力集中を避けることができ、信頼性を向上することができるとともに、振動ロスも小さく（Ｑが高い）共振による速度性能の向上をより期待することができる。
【００５１】
また、この超音波リニアアクチュエータ１１では、圧電素子４から駆動部材１６，１７が延びて形成される場合に、それらは、１組だけ設けられ、該圧電素子４は、前記振動方向の一端が固定物１３に固定される。すなわち、圧電素子４および駆動部材１６，１７の支持部材として、密度が高く、弾性率が高い材料、例えばタングステンから形成され、それらの構成よりも充分重量が大きい固定物が用いられる。
【００５２】
このように構成することで、圧電素子４の発生する振動を、駆動部材１６，１７側に伝搬させるために、圧電素子４および駆動部材１６，１７と同様の構成をもう１組設ける必要がなく、構成を小型化することができる。
【００５３】
次に、別の実施形態について説明する。
【００５４】
（第３実施形態）
図１０および図１１は、第３実施形態に係る駆動装置である超音波モータの構造を模式的に示す側面図である。これらの超音波モータ１ａ，１１ａにおいて、前述の図１，図４および図９で示す超音波リニアアクチュエータ１，１１に類似し、対応する部分には、同一の参照符号が付され、その説明が省略される。これらの超音波モータ１ａ，１１ａでは、被駆動部材２８は、その外周面が駆動部材６，１６への係合部分となる回転体２８ａと、その回転軸となる出力取出し軸２８ｂとを備えて構成されている。出力取出し軸２８ｂは、一対のブラケット２８ｃによって回転自在に枢支されており、そのブラケット２８ｃは、支持部材２８ｄによって、固定部材２等の固定位置から駆動部材６，１６側に弾発的に付勢されている。
【００５５】
このように構成することで、駆動部材６，１６の前記振動方向への変位、すなわちリニアの変位は、高速の回転変位に変換して取出される。なお、超音波モータ１１ａにおいて、回転体２８ａへの係合部分は、微小であるので、その間の駆動部材１６の曲面の影響は、支持部材２８ｄの弾発力等で吸収できるものとして、図１１の例では駆動部材１７が連結されていないけれども、曲面の傾斜が急であったり、該駆動部材１６の振幅（ストローク）が大きかったりして、影響が生じる場合には、駆動部材１７が連結されていてもよい。
【００５６】
次に、別の実施形態について説明する。
【００５７】
（第４実施形態）
図１２は、第４実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す斜視図であり、図１３は、その断面図である。この超音波リニアアクチュエータ２１において、前述の図１，図４および図９で示す超音波リニアアクチュエータ１，１１に類似し、対応する部分には、同一の参照符号が付され、その説明が省略される。この超音波リニアアクチュエータ２１では、圧電素子として、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２をそれぞれ有する第１の圧電素子２４，２５および第２の圧電素子２７が設けられ、圧電素子２４，２７間は、連結部材２６で連結されている。
【００５８】
より具体的には、前記薄板から成る支持板３の両面に、その一端が取付けられる圧電素子２４，２５の内、圧電素子２５は、前述の圧電素子５と同様に、支持板３に対する振動除去用のダミーであり、圧電素子２４の他端には、連結部材２６の一端が固着される。この連結部材２６の他端は、大径の頭部２６ａとなっており、その頭部２６ａは、筒状に形成される圧電素子２７の内周面２７ｂに嵌め込まれ、該圧電素子２７の長さ方向（前記振動方向）の中間位置で固着されている。したがって、圧電素子２４の振動は、連結部材２６を介して、そのまま圧電素子２７の前記中間位置に伝達される。一方、圧電素子２７の連結部材２６とは反対側の端面には、駆動部材１７と同様にカーボン繊維から成る駆動部材２９が連結され、この駆動部材２９に被駆動部材８が摩擦係合する。
【００５９】
そして、この超音波リニアアクチュエータ２１では、発振器等を備える駆動回路から、駆動信号として、第１の圧電素子２４，２５には共振周波数ｆｒ１の正弦波信号が与えられ、第２の圧電素子２７には共振周波数ｆｒ２の正弦波信号が位相調整されて与えられる。すなわち、第１の圧電素子２４にｙ１の変位を与えると、図１３のＡ部には、ｙ１の変位が生じる。さらに第２の圧電素子２７にｙ２の変位を与えると、Ｂ部には、ｙ１＋ｙ２の変位が生じる。このように２つの圧電素子２４，２７を用いることでも変位を重畳することができる。例えば、第１の圧電素子２４，２５の共振周波数ｆｒ１は、１００ｋＨｚとなるように、そして、第２の圧電素子２７の共振周波数ｆｒ２は、２００ｋＨｚとなるように、それぞれ圧電素子長が調整されている。ここで、圧電素子２４，２５および圧電素子２７に印加する電圧をそれぞれＶ１，Ｖ２とする場合に、下記式で表される電圧をそれぞれ印加することで、どちらの圧電素子２４，２５；２７も共振した状態となり、Ｂ部において鋸歯状変位が得られる。
【００６０】
Ｖ１＝−ｓｉｎ（２π・１００ｋ・ｔ）
Ｖ２＝−０．２５＊ｓｉｎ（２π・２００ｋ・ｔ）
【００６１】
このように本実施形態では、圧電素子４，５の伸縮をロッド状の駆動部材２９に伝え、その駆動部材２９に所定の摩擦力で係合している被駆動部材８を、前記圧電素子４，５の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させる超音波リニアアクチュエータ２１において、駆動部材２９と被駆動部材８との係合部分に前記速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるために、以下の構成が採用される。
【００６２】
すなわち、２つの圧電素子２４，２７が備えられ、それらの間を連結部材２６が連結し、第１の圧電素子２４を固定側とし、第２の圧電素子２７を駆動側としてそれに固着した駆動部材２９に被駆動部材８が所定の摩擦力で係合する。そして、図示しない駆動回路から第１および第２の圧電素子２４，２７には、それぞれ位相調整された正弦波の駆動信号が与えられる。これによって第１の圧電素子２４および連結部材２６の基本共振周波数ｆｒ１での共振と、第２の圧電素子２７による基本共振周波数ｆｒ１の２倍の周波数ｆｒ２での共振とが重畳され、この結果、駆動部材２９と被駆動部材８との係合部分に擬似鋸歯状の変位振動が生じ、前記速度差が生じる。
【００６３】
したがって、この超音波リニアアクチュエータ２１では、第１および第２の圧電素子２４，２７および連結部材２６を共振状態で使用することができ、前記変位振動を振幅拡大係数のＱ倍に増大し、動作速度を向上することができるとともに、投入エネルギーの多くが機械振動に使われるようになり、エネルギー効率を向上することができる。これによって、超音波リニアアクチュエータ２１を小型化することができ、或いはトルクを増大して、新規用途等へも使用することができる。
【００６４】
この超音波リニアアクチュエータ２１も、前述の図１０および図１１で示す超音波モータ１ａ，１１ａと同様に、被駆動部材８に代えて、回転体２８ａおよび出力取出し軸２８ｂを備えて構成される被駆動部材２８を用いることで、図１５で示すような超音波モータ２１ａとされてもよい。これによって回転変位が出力される。
【００６５】
次に、別の実施形態について説明する。
【００６６】
（第５実施形態）
図１６は、第５実施形態に係る駆動装置であるリニアアクチュエータの構造を模式的に示す側面図である。このリニアアクチュエータ３１は、前述の図９（Ａ）に示す超音波リニアアクチュエータ１１に類似し、対応する部分には、同一の参照符号が付され、その説明が省略される。このリニアアクチュエータ３１では、振動子にボイスコイルモータ３４が用いられている。
【００６７】
すなわち、上述の圧電素子４，５；２４，２５等は、変位を出力（力を出力）するために用いているだけである。そのため、振動子は、圧電素子に限らず、他の機械出力素子でも実現可能である。そこで、本実施形態では、圧電素子と同じ固体アクチュエータである磁歪素子の一例である上記ボイスコイルモータ３４が用いられている。このボイスコイルモータ３４の他にも、超磁歪素子等の電磁アクチュエータや、静電気アクチュエータに対しても同様の駆動原理を適応可能である。上記ボイスコイルモータ３４の場合、その周波数応答が低いので、駆動部材１６は、共振を生じさせるために、剛性の低い材料が用いられる。このため、プラスチックが用いられる。
【００６８】
次に、別の実施形態について説明する。
【００６９】
（第６実施形態）
図１７は、第６実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す断面図である。この超音波リニアアクチュエータ２１ａにおいて、前述の図１３に示す超音波リニアアクチュエータ２１に類似し、対応する部分には、同一の参照符号が付され、その説明が省略される。この超音波リニアアクチュエータ２１ａでは、第２の圧電素子２７ａは、第１の圧電素子２４より大径に形成され、第１の圧電素子２４を内挿している。
【００７０】
より具体的には、連結部材２９は、第１の圧電素子２４より大径の円板状に形成され、第１の圧電素子２４の一端に固着され、記第２の圧電素子２７ａは、連結部材２９および第１の圧電素子２４を内挿する筒状に形成され、その振動方向の中点が連結部材２９の外周縁部に固着され、第１の圧電素子２４とは反対側の端部に駆動部材２８が取付けられて被駆動部材８との係合部分となっている。
【００７１】
このように構成することで、この超音波リニアアクチュエータ２１ａは、第２の圧電素子２７ａの第１の圧電素子２４に対する支持強度を高めることができる。
【００７２】
次に、別の実施形態について説明する。
【００７３】
（第７実施形態）
図１８（Ａ）は、第７実施形態に係る駆動装置である超音波リニアアクチュエータの構造を模式的に示す斜視図であり、図１８（Ｂ）は、その断面図である。この超音波モータ４１において、前述の図１３および図１７に示す超音波リニアアクチュエータ２１，２１ａに類似し、対応する部分には、同一の参照符号が付され、その説明が省略される。この超音波リニアアクチュエータ４１では、２つの圧電素子２４，２７を用いる場合に、第１の圧電素子２４と第２の圧電素子２７との間に、ロッド状に形成され、そのロッドの先端が第１の圧電素子に固着される第１の駆動部材４６が備えられる。そして、第２の圧電素子２７および第２の駆動部材４７は、第１の駆動部材４６を内挿する筒状に形成され、第２の駆動部材４７は、その内周面で第１の駆動部材４６の外周面に摩擦係合するとともに、第２の圧電素子２７は、第２の駆動部材４７の第１の圧電素子２４とは反対側の端部に固着される。
【００７４】
このように構成することによって、この超音波リニアアクチュエータ４１も、正弦波信号が入力される２つの圧電素子２４，２５；２７を用いて、共振振動を重畳することができる。ここでは、第１の駆動部材４６は、単純な正弦波駆動を行い、第２の駆動部材４７も周波数が２倍の単純な正弦波振動を行う。そして、それらの摩擦係合部分には相対的に擬似鋸歯状変位が生じ、第１の圧電素子２４および第１の駆動部材４６側と、第２の圧電素子２７および第２の駆動部材４７側とは、振動方向に相対的に移動する（上記の場合、第１の圧電素子２４および第１の駆動部材４６側は、固定部材２から立設された支持板３に固定されているので、第２の圧電素子２７および第２の駆動部材４７側が被駆動部材となって移動する）。
【００７５】
なお、圧電素子２４，２５；２７の部分は、必ずしも全長が圧電素子である必要はなく、共振駆動するのであれば、図１９に示す超音波リニアアクチュエータ４１ａのように、中央部のみが圧電素子２４ａ，２５ａ；２７ａとされ、その両側には振動伝達部材４８，４９が設けられてもよい。
【００７６】
上述のような各実施形態で示した共振モードは、縦振動であるが、本実施形態に利用できる共振モードは、横振動、撓み振動、ねじり振動等のいずれのものでもよく、また縦振動と撓み振動等、別の振動モードが組み合わされてもよい。
【００７７】
また、従来の超音波リニアアクチュエータでは、高変位を取り出すために圧電定数の大きな材料を使うことが多かったけれども、該圧電定数の大きな材料は、共振した場合のＱが一般に低く、本実施形態の超音波リニアアクチュエータでは、圧電定数は、低くとも、共振した場合のＱが高いハード系の圧電素子が望ましい。例えば、前記Ｑ値は、一実施例では１０００以上であり、少なくとも１００以上が望ましい。さらにまた、従来の超音波リニアアクチュエータでは、高速を得るために高変位が可能な積層圧電素子を用いることが多かったけれども、本実施形態の超音波リニアアクチュエータでは、より安価なバルクの圧電素子等でも充分にハイパワーなアクチュエータを実現することができ、また微小な圧電素子を用いても充分な駆動性能を実現することができる。
【００７８】
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。
【００７９】
一態様にかかる駆動装置は、振動方向として所定の方向に振動する第１の振動子と、前記第１の振動子の振動方向の一端に取付けられて該第１の振動子により前記振動方向に変位駆動される駆動部材と、前記駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材と、前記第１の振動子に駆動信号を与えて振動させる駆動回路とを備え、前記第１の振動子は、系において少なくとも１次および２次の共振モードを有し、かつ１次共振モード周波数に対して２次共振モード周波数が略２倍の周波数となるように形成され、前記駆動回路は、前記略２倍の周波数の関係を有する１次および２次の共振モードの周波数に略一致した成分を重畳した信号を前記駆動信号として前記第１の振動子に与えることで、前記駆動部材と前記被駆動部材との係合部分に共振によって拡大した擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、前記被駆動部材を前記振動方向に移動させる。そして、好ましくは、上述の駆動装置において、前記被駆動部材は、前記第１の振動子の変位における伸張時と縮小時との速度差を利用することで移動するものである。
【００８０】
この構成によれば、圧電素子等の第１の振動子の伸縮を駆動部材に伝え、その駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材を、前記第１の振動子の伸張時と縮小時との速度差を利用して移動させる超音波リニアアクチュエータ等として実現される駆動装置において、前記駆動部材と被駆動部材との係合部分に前記速度差を生じさせる擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるために、以下の構成が採用される。
【００８１】
すなわち、前記擬似鋸歯状の変位振動を生じさせるために、少なくとも基本周波数での振動に、その２倍の周波数の高調波での振動が重畳されればよく、従来では、その高調波の振動は、振動子に矩形波の駆動信号を与えて、その周波数を系の共振周波数の０．７倍程度とすることで得られていたのに対し、本実施形態では、１次共振モードの周波数に対して、２次共振モードの周波数がその略２倍の周波数となるように、前記第１の振動子および駆動部材の形状が調整されるとともに、駆動回路から第１の振動子に与える駆動信号も、それら２つの共振モードの周波数に略一致した成分を重畳した信号とされる。
【００８２】
したがって、このような構成の駆動装置は、該駆動装置を共振状態で使用することができ、前記変位振動を振幅拡大係数のＱ倍に増大し、動作速度を向上することができるとともに、投入エネルギーの多くが機械振動に使われるようになり、エネルギー効率を向上することができる。これによって、前記駆動装置等を小型化することができ、或いはトルクを増大して、新規用途等へも使用することができる。
【００８３】
また、他の一態様では、上述の駆動装置において、前記駆動部材は、ロッド状であり、その第１の振動子とは反対側の端部からの所定範囲が小径に形成される。これによって、機械インピーダンスを下げ、この結果、前記２次の共振モードは、１次の共振モードの２倍に設定される。
【００８４】
この構成によれば、ロッド状の駆動部材において、振動の腹に当たる部分を削る（機械インピーダンスを下げる）ことで、その共振周波数が高くなることを利用して、１次の共振モードでは共振の腹となるとともに、２次の共振モードでは共振の腹および節となる所定範囲が、切削等で小径に形成される。
【００８５】
したがって、２次共振周波数は、そのままに、１次共振周波数を高くして、それらの共振モード間の周波数比は、前記擬似鋸歯状の変位振動を効率良く生じさせる略２倍とされる。なお、前記駆動部材の材料を軸方向の途中から変えることによって機械インピーダンスが下げられてもよい。
【００８６】
また、他の一態様では、上述の駆動装置において、前記駆動部材は、ロッド状であり、少なくとも前記所定範囲では、その側面が連続曲面となっている、すなわち前記径が軸方向に滑らかに（連続的に）変化している。
【００８７】
この構成によれば、駆動部材は、前記略２倍の周波数比が生じる最適形状に形成され、段差が無く、応力集中を避けることができ、信頼性を向上することができる。
【００８８】
また、他の一態様では、これら上述の駆動装置において、前記駆動回路は、Ｈブリッジ回路を備え、前記駆動信号として、矩形波または３値の階段状波を発生する。
【００８９】
この構成によれば、駆動回路がＨブリッジ回路を備えることで、そのＨブリッジの中点間を連結するように設けられる第１の振動子には、Ｈブリッジの両端間に印加される電源電圧をＶとする場合に、２倍の電圧２Ｖを印加することができる。
【００９０】
したがって、このような構成の駆動装置は、大きな振動振幅を得ることができる。
【００９１】
また、他の一態様にかかる駆動装置は、振動方向として所定の方向に振動する第１の振動子と、前記第１の振動子の振動方向の一端側に設けられて該第１の振動子により前記振動方向に変位駆動されるとともに、自身も前記所定の方向に振動する第２の振動子と、前記第２の振動子またはそれに連結される駆動部材に所定の摩擦力で係合している被駆動部材と、前記第１および第２の振動子にそれぞれ駆動信号を与えて振動させる駆動回路とを備え、前記第１および第２の振動子は、系においてそれぞれ共振モードを有し、かつ前記第１の振動子と前記第２の振動子との共振モード周波数の比が略２倍の周波数となるように形成され、前記駆動回路は、前記略２倍の周波数の関係を有する１次および２次の共振モードの周波数に略一致した成分を有する信号を前記駆動信号として前記第１および第２の振動子にそれぞれ与えることで、前記第２の振動子または前記駆動部材と前記被駆動部材との係合部分に共振によって拡大した擬似鋸歯状の変位振動を生じさせ、前記被駆動部材を前記振動方向に移動させる。
【００９２】
この構成によれば、超音波リニアアクチュエータ等として実現される駆動装置において、圧電素子等から成る振動子が２つ設けられ、第１の振動子が固定側とされ、第２の振動子が駆動側とされ、被駆動部材が所定の摩擦力で係合される。そして、第１および第２の振動子の伸張時と縮小時とで速度差を生じさせることで被駆動部材が移動される。そして、前記第１および第２の振動子は、系においてそれぞれ共振モードを有し、かつ第１の振動子と第２の振動子との共振モード周波数の比が略２倍の周波数となるように形成されるとともに、駆動回路からそれら２つの振動子に与える駆動信号も、２つの共振モードの周波数にそれぞれ略一致した成分を有する信号とされる。
【００９３】
したがって、このような構成の駆動装置は、該駆動装置を共振状態で使用することができ、前記変位振動を振幅拡大係数のＱ倍に増大し、動作速度を向上することができるとともに、投入エネルギーの多くが機械振動に使われるようになり、エネルギー効率を向上することができる。これによって、前記駆動装置等を小型化することができ、或いはトルクを増大して、新規用途等へも使用することができる。
【００９４】
また、他の一態様では、上述の駆動装置において、前記２つの振動子を用いる場合に、好ましくは、第１の振動子と第２の振動子との間に介在され、軸部と、該軸部よりも大径の頭部とを有し、前記軸部の先端が前記第１の振動子の一端に固着される連結部材が備えられ、前記第２の振動子は、前記連結部材を内挿する筒状に形成され、その前記振動方向の中点が前記連結部材の頭部に固着され、前記第１の振動子とは反対側の端部が前記被駆動部材との係合部分となる。
【００９５】
また、他の一態様では、上述の駆動装置において、前記２つの振動子を用いる場合に、好ましくは、第１の振動子と第２の振動子との間に介在され、前記第１の振動子よりも大径に形成されて該第１の振動子の一端に固着される連結部材が備えられ、前記第２の振動子は、前記連結部材および第１の振動子を内挿する筒状に形成され、その前記振動方向の中点が前記連結部材の外周縁部に固着され、前記第１の振動子とは反対側の端部が前記被駆動部材との係合部分となる。
【００９６】
また、他の一態様にかかる駆動装置では、前記２つの振動子を用いる場合に、好ましくは、所定の方向に振動する第１の振動子と、前記第１の振動子の振動方向の一端側に設けられる第１の駆動部材と、前記第１の駆動部材に所定の摩擦力で係合している第２の駆動部材と、前記第２の駆動部材に設けられ、前記第１の振動子と同一方向に振動する第２の振動子と、前記第１および第２の振動子にそれぞれ駆動信号を与えて振動させる駆動回路とが備えられ、前記第１および第２の振動子は、系においてそれぞれ共振モードを有し、かつ前記第１の振動子と第２の振動子との共振モード周波数の比は、略２倍の周波数となるように形成され、前記駆動回路は、前記略２倍の周波数の関係を有する１次および２次の共振モードの周波数に略一致した成分を有する信号を前記駆動信号として前記第１および第２の振動子にそれぞれ与え、これによって前記第１の駆動部材と第２の駆動部材との係合部分に共振によって拡大した擬似鋸歯状の変位振動が生じ、前記第１の振動子および第１の駆動部材と、前記第２の振動子および第２の駆動部材とは、前記振動方向に相対的に移動する。
【００９７】
また、他の一態様では、上述の駆動装置において、前記第２の振動子の両端面には、略同径の筒状に形成される振動伝達部材がそれぞれ固着され、前記駆動部材との間には一方の振動伝達部材が介在されることが好ましい。
【００９８】
また、他の一態様では、上述の駆動装置において、前記第１の振動子は、前記振動方向の一端が固定物に固定されている。
【００９９】
この構成によれば、第１の振動子から駆動部材や連結部材および第２の振動子等が延びて形成される駆動装置において、前記第１の振動子の前記振動方向の一端は、固定物に固定され、他端は、前記駆動部材や連結部材および第２の振動子を接続される。すなわち、該駆動装置の支持部材として、密度が高く、弾性率が高い材料から成り、充分重量が大きい固定物が用いられる。
【０１００】
したがって、このような構成の駆動装置は、前記第１の振動子の発生する振動を駆動部材や連結部材側に伝搬させる場合に、該駆動装置と同様の構成をもう１組設ける必要はなく、構成を小型化することができる。
【０１０１】
また、他の一態様では、これら上述の駆動装置において、前記被駆動部材は、その外周面が前記係合部分となる回転体と、その回転軸となる出力取出し軸とを備えて構成される。
【０１０２】
この構成によれば、前記被駆動部材の前記振動方向への変位、すなわちリニアの変位を、回転の変位にして取出すことができる。
【０１０３】
また、他の一態様では、これら上述の駆動装置において、前記第１の振動子は、圧電素子であり、その振幅拡大係数（Ｑ値）が１００以上である。
【０１０４】
この出願は、２０１０年２月４日に出願された日本国特許出願特願２０１０−２３３９４を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。
【０１０５】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明によれば、駆動装置を提供することができる。
【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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【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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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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