(57)【要約】【課題】移動体の位置を検出でき、配線が簡単で断線し難い振動型駆動装置を提供する。【解決手段】振動型駆動装置１は、印加された電圧に応じて機械的変位を生じる電気機械変換素子３と、電気機械変換素子３によって軸方向に移動可能に支持され、表面に、電気機械変換素子３の外部電極６に片側が接続された軸方向に延伸する２つの抵抗体８を備える駆動軸４と、駆動軸４に摺動可能に係合し、２つの抵抗体８に接触し、抵抗体８の接触した点を電気的に接続する移動体５と、電気機械変換素子３に周期的な駆動電圧を印加する駆動回路と、外部電極６間の電気抵抗を検出する検出回路とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された電圧に応じて機械的変位を生じる電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子によって軸方向に移動可能に支持され、表面に、前記軸方向に延伸する２つの抵抗体を備える駆動軸と、
前記駆動軸に摺動可能に係合し、前記２つの抵抗体に接触して、前記抵抗体の接触した点を電気的に接続する移動体と、
前記電気機械変換素子に周期的な駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記２つの抵抗体の片側の端部の間の電気抵抗を検出する検出回路とを有することを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】
前記２つの抵抗体は、前記片側の端部において、前記電気機械変換素子の電極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
【請求項３】
前記抵抗体は、前記駆動軸と前記電気機械変換素子との間に跨って塗布した抵抗材料によって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の振動型駆動装置。
【請求項４】
前記移動体は、導電性の所定部分が前記抵抗体に点接触することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【請求項５】
前記移動体は、前記駆動軸の前記抵抗体のない部分に係合し、前記抵抗体に摺接するブラシを有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【請求項６】
前記駆動軸は、表面が絶縁体で覆われ、前記絶縁体の上に前記抵抗体が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【請求項７】
前記検出回路は、前記駆動回路によって前記電気機械変換素子に直流電圧を印加したときの電流を検出することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【請求項８】
前記検出回路は、前記駆動回路によって前記電気機械変換素子に前記駆動電圧を印加したときの電流の平均値を検出することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【請求項９】
前記検出回路は、前記駆動回路によって前記電気機械変換素子に前記駆動電圧を印加したときの電流のピーク値を検出することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の振動型駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械変換素子によって駆動軸を振動させ、駆動軸に摩擦係合する移動体を滑り変位させる振動型駆動装置において、駆動軸を抵抗体とし、移動体を抵抗体に摺動する接点とすることで、駆動軸の端部から移動体までの間の電気抵抗を測定することで、移動体の位置を検出可能とする技術が、特許文献１および２に記載されている。
【０００３】
これらの振動型駆動装置では、電気機械変換素子に駆動電圧を印加するための配線に加えて、駆動軸の端部および移動体にリード線を接続して、駆動軸の端部から移動体までの電気抵抗を計測可能とする必要があるため、配線作業が煩雑である。また、特に、移動体に接続したリード線は、移動体の変位によって大きな変形を受けるため、剥離や断線の畏れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２０５８０９号公報
【特許文献２】特開２００６−９１２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記問題点に鑑みて、本発明は、移動体の位置を検出でき、配線が簡単で断線し難い振動型駆動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明による振動型駆動装置は、印加された電圧に応じて機械的変位を生じる電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子によって軸方向に移動可能に支持され、表面に、前記軸方向に延伸する２つの抵抗体を備える駆動軸と、前記駆動軸に摺動可能に係合し、前記２つの抵抗体に接触して、前記抵抗体の接触した点を電気的に接続する移動体と、前記電気機械変換素子に周期的な駆動電圧を印加する駆動回路と、前記２つの抵抗体の片側の端部の間の電気抵抗を検出する検出回路とを有するものとする。
【０００７】
この構成によれば、２つの抵抗体の片側の端部から移動体までの部分抵抗と、移動体の内部抵抗との直列回路の抵抗値を検出することで移動体の位置を算出できる。本発明では、位置変位の大きな移動体に配線をする必要がないので、配線に大きな応力が作用せず、断線の危険性が小さい。
【０００８】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記２つの抵抗体は、前記片側の端部において、前記電気機械変換素子の電極に接続されていてもよい。
【０００９】
この構成によれば、駆動回路と電気機械変換素子とを接続するための配線と、検出回路と抵抗体とを接続するための配線とを共通化することができ、振動型駆動装置への配線が２本だけでよい。
【００１０】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記抵抗体は、前記駆動軸と前記電気機械変換素子との間に跨って塗布した抵抗材料によって形成されていてもよい。
【００１１】
この構成によれば、抵抗体の形成と、抵抗体の電気機械変換素子の電極への接続が同時に行えるため、製造の工数が少なく、抵抗体と電気機械変換素子の電極との間の断線の可能性も極めて小さくできる。
【００１２】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記移動体は、導電性の所定部分が前記抵抗体に点接触してもよい。
【００１３】
この構成によれば、移動体による抵抗体の電気的分割位置が移動体の位置に応じて一義的に定まるので、位置の検出精度が高い。
【００１４】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記移動体は、前記駆動軸の前記抵抗体のない部分に係合し、前記抵抗体に摺接するブラシを有してもよい。
【００１５】
この構成によれば、移動体が抵抗体のない部分に摩擦係合するため、移動体の変位量および移動トルクが安定する。また、抵抗体にブラシを弱い圧接力で摺接させることで、抵抗体の摩耗を防止し、検出精度の低下を防止できる。また、接触範囲の小さいブラシを使用することで、抵抗体の電気的分割位置が安定し、移動体の位置検出精度を高くすることができる。
【００１６】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記駆動軸は、表面が絶縁体で覆われ、前記絶縁体の上に前記抵抗体が形成されていてもよい。
【００１７】
この構成によれば、導電性の材料で駆動軸を形成できる。
【００１８】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記検出回路は、前記駆動回路によって前記電気機械変換素子に直流電圧を印加したときの電流を検出してもよい。
【００１９】
この構成によれば、電気機械変換素子の電流が一定になるので、抵抗体の部分抵抗の変化による電流値の変化を容易に検出できる。
【００２０】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記検出回路は、前記駆動回路によって前記電気機械変換素子に前記駆動電圧を印加したときの電流の平均値を検出してもよい。
【００２１】
この構成によれば、検出電流は、駆動電圧に対して抵抗体の部分抵抗に比例するオフセット値を有するため、平均化することによって、オフセット値を容易に算出できる。
【００２２】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記検出回路は、前記駆動回路によって前記電気機械変換素子に前記駆動電圧を印加したときの電流のピーク値を検出してもよい。
【００２３】
この構成によれば、抵抗体の部分抵抗に応じて駆動電圧による突入電流の値が変化するので、電流のピーク値をピックアップすることで、簡単に移動体の位置を算出できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、駆動軸に２つの抵抗体を形成し、移動体によって２つの抵抗体を電気的に分割して、２つの抵抗体の部分抵抗の直列抵抗を検出することによって、移動体の位置を算出可能とした。これにより、移動体に配線する必要がないので、配線作業か簡単で、断線の心配もない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態の振動型駆動装置の概略図である。
【図２】図１の振動型駆動装置の断面図である。
【図３】図１の振動型駆動装置の回路図である。
【図４】図１の振動型駆動装置の検出電圧を示すグラフである。
【図５】図１の振動型駆動装置の駆動電圧印加時の検出電圧である。
【図６】本発明の第２実施形態の振動型駆動装置の概略図である。
【図７】本発明の第３実施形態の振動型駆動装置の概略図である。
【図８】図７の振動型駆動装置の断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態の振動型駆動装置の断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態の振動型駆動装置の軸直角断面図である。
【図１１】図１０の振動型駆動装置の軸方向断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態の振動型駆動装置の軸直角断面図である。
【図１３】本発明の第７実施形態の振動型駆動装置の概略図である。
【図１４】本発明の第８実施形態の振動型駆動装置の概略図である。
【図１５】図１４の振動型駆動装置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態の振動型駆動装置１を示す。振動型駆動装置１は、機器の筐体等に固定される錘２と、錘２に伸縮方向の一端が保持された圧電素子（電気機械変換素子）３と、圧電素子３の他端に一端が保持された駆動軸４と、駆動軸４に摺動可能に摩擦係合する移動体５とからなる。
【００２７】
圧電素子３は、多数の圧電材料の層を電極を介して積層してなり、両側に電極を１枚置きに接続する外部電極６を有する。外部電極６には、それぞれ、リード線７が接続されている。
【００２８】
駆動軸４は、圧電素子３の幅と等しい直径を有する円柱状をしており、例えば、ガラス繊維を樹脂で固めてなる。また、駆動軸４の表面両側には、抵抗体塗料を軸方向に線状に塗布してなる抵抗体８がそれぞれ形成されている。２つの抵抗体８は、それぞれ、圧電素子３の外部電極６の端部にまで延伸して形成されている。また、駆動軸４は、案内部材９によって、軸方向に摺動可能に支持されている。
【００２９】
図２に、移動体５の構成を示す。移動体５は、例えば、亜鉛合金のような金属材料からなり、駆動軸４を受け入れる本体１０と、例えば、ステンレス鋼のような金属材料からなり、駆動軸４を本体１０に圧接するキャップ部材１１と、例えばベリリウム銅からなり、本体１０とキャップ部材１１とを挟み込むばね部材１２とからなる。
【００３０】
本体１０とキャップ部材１０とは、それぞれ、駆動軸４の抵抗体８に点接触し、２つの抵抗体８の接触点の間を、ばね部材１２を介して短絡する。
【００３１】
図３に、振動型駆動装置１の回路構成を示す。振動型駆動装置１は、圧電素子３の２つの外部電極６の間に駆動電圧を印加する駆動回路１３と、駆動回路１３の電流を検出するための検出抵抗１４を備える検出回路１５とを有している。
【００３２】
駆動軸４の抵抗体８は、移動体５によって電気的に分割されるが、全体として数ｋΩから数十ｋΩの抵抗を有するようにするとよい。図３には、移動体５の内部抵抗を図示しているが、本実施形態の移動体５の抵抗値は殆ど無視してよい。
【００３３】
駆動回路１３は、４つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を有し、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４またはＳ２，Ｓ３をオンすることで、圧電素子３の外部電極６の一方を直流電源１６に接続し、他方を検出抵抗１４を介して接地するフルブリッジ回路である。なお、駆動回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、制御装置１７によって開閉される。
【００３４】
駆動回路１３は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のオンとスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のオンとを周期的に繰り返すことで、圧電素子３に、周期的に極性が入れ替わる駆動電圧を印加し、この駆動電圧のデューティを調節することで、駆動軸４を非対称に振動させ、移動体５を駆動軸４上で所望の方向に滑り変位させられる。
【００３５】
検出回路１５は、駆動回路１３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４を連続的にオンし、外部電極６の間に直流電圧を印加した状態で、駆動回路１３の接地電流を検出抵抗１４によって電圧に変換して検出する。本実施形態では、検出抵抗１４は、２００Ω程度のものを使用している。また、検出回路１５の検出電圧は、制御装置１７においてディジタル化して把握される。
【００３６】
圧電素子３は、電気的にはコンデンサと同視できるため、外部電極６の間の直流抵抗は、駆動軸４の抵抗体８の外部電極６側の端部間の抵抗、つまり、２つの抵抗体８の移動体５によって分割された部分抵抗の圧電素子３側の抵抗値の和である。
【００３７】
本実施形態において、外部抵抗６の間の抵抗体８の見かけ上の抵抗値（部分抵抗の直列抵抗値）は、移動体５を最も圧電素子３側に移動させたときに約３ｋΩとなり、移動体５を最も駆動軸４の先端側（圧電素子３と反対側）に移動させたときに約１５ｋΩとなる。
【００３８】
抵抗体８の部分抵抗は、移動体５の位置に比例して増加するので、図４に示すように、検出回路１５の検出電圧は、移動体５の位置に対して負の比例関係となる。このため、制御装置１７において、検出回路１５の検出電圧に基づいて、移動体５の位置を容易に算出できる。
【００３９】
図５に、駆動回路１３によって、移動体５を駆動軸４上で滑り変位させるための周期的な駆動電圧を印加したときの検出回路１５の検出電圧を示す。図では、約７．５μｓｅｃが駆動電圧の１周期であり、移動体５が最も圧電素子３に近い位置（近位端）にある場合と、最も圧電素子３から遠い位置（遠位端）にある場合とを示している。
【００４０】
図示するように、移動体５が圧電素子３側にあれば、駆動回路１３の接地電流の電流値が高くなっている。従って、制御装置１７において、検出回路１５の検出電圧を積分して平均値を算出することで、移動体５の位置を特定できる。本実施形態では、移動体５が最も圧電素子３に近い位置にあるとき、検出回路１５の検出電圧の平均値が０．３９Ｖであり、移動体５が最も圧電素子３から遠い位置にあるとき、検出回路１５の検出電圧の平均値が０．１９Ｖである。
【００４１】
また、移動体５の位置に応じて、駆動回路１３の接地電流のピーク値も変化しているため、ピーク値を検出することで、移動体５の位置を算出してもよい。本実施形態では、移動体５が最も圧電素子３に近い位置にあるとき、検出回路１５の検出電圧のピーク値が１．３９Ｖであり、移動体５が最も圧電素子３から遠い位置にあるとき、検出回路１５の検出電圧のピーク値が１．２５Ｖである。
【００４２】
図６に、本発明の第２実施形態の振動型駆動装置１ａを示す。なお、これ以降の説明において、先に説明した実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態の振動型駆動装置１ａにおいて、駆動軸４は、例えば、軸状のカーボンソリッド４ａの表面にＰＰＳ樹脂の絶縁層４ｂを設けた上に、抵抗体８を形成してなる。このように、導電性の材料によって駆動軸４を形成する場合、絶縁層４ｂを設けて、２つの抵抗体８の間の絶縁を確保する必要がある。
【００４３】
図７に、本発明の第３実施形態の振動型駆動装置１ｂを示す。本実施形態の振動型駆動装置１ｂでは、圧電素子３と駆動軸４との接続部を、保持部材１８によって保持している。図８に示すように、保持部材１８は、圧電素子３の外周の３方を取り囲み、接着剤１９によって圧電素子３および駆動軸４を保持している。振動型駆動装置１ｂの組み立ての状態によっては、抵抗体８と保持部材１８とが接触する可能性がある。従って、抵抗体８の短絡を防止するために、保持部材１８は、絶縁体で形成しなければならない。
【００４４】
図９に、本発明の第４実施形態の振動型駆動装置１ｃを示す。本実施形態が示すように、移動体５の本体１０およびキャップ部材１１の駆動軸４に摺接する面の形状は、どのようなものであってもよく、駆動軸４の抵抗体８の配置も、互いに絶縁され、移動体５によって電気的に分割され得るものであればよい。
【００４５】
図１０および１１に、本発明の第５実施形態の振動型駆動装置１ｄを示す。本実施形態の振動型駆動装置１ｄにおいて、移動体５の本体１０およびキャップ部材１１は、例えばステンレス鋼を機械加工してなり、ともに、駆動軸４と摺接する２つの傾斜面２０を有している。傾斜面２０は、駆動軸４の抵抗体８の形成されていない部分に当接するようになっている。
【００４６】
また、移動体５の本体１０およびキャップ部材１１は、それぞれ、２つの傾斜面の間に、駆動軸４に形成された抵抗体８に摺接するブラシ２１が配設されている。ブラシ２１は、例えば、ベリリウム銅の薄板からなり、その駆動軸４に対する圧接力は、ばね部材１２による本体１０およびキャップ部材１１の駆動軸４に対する圧接力に比して十分に小さく設定されている。
【００４７】
本実施形態では、移動体５の本体１０およびキャップ部材１１が駆動軸４の抵抗体８のない部分に摩擦係合するので、摩擦力が安定し、移動体５の駆動速度や駆動トルクがばらつかない。また、抵抗体８には、圧接力の小さいブラシ２１が摺接するので、抵抗体８の摩耗が殆どなく、抵抗率の変化がないため、検出回路１５の検出電圧と移動体５の位置との関係が変わらない。また、ブラシ２１は、抵抗体８に点接触するので、抵抗体８を電気的に分割する位置が移動体５の位置によって一義的に定められ、移動体５の位置検出精度を高くすることができる。
【００４８】
図１２に、本発明の第６実施形態の振動型駆動装置１ｅを示す。本実施形態の振動型駆動装置１ｅにおいて、移動体５の本体１０およびキャップ部材１１は、例えばＰＰＳ樹脂を射出成形してなり、ともに、例えばステンレス鋼板をプレス成形してなり、駆動軸４と摺接する２つの傾斜面２０を形成する金属部材２２，２３が射出成形時に金型内にインサートされて一体となっている。
【００４９】
キャップ部材１１の金属部材２３は、部分的に駆動軸４の側方に延伸し、駆動軸４の抵抗体８に摺接するブラシ２１を保持している。本実施形態では、キャップ部材１１の金属部材２３と２つのブラシ２１とで抵抗体８を電気的に分割して、分割点を短絡するので、本体１０、キャップ部材１１およびばね部材１２が全体的に導電性である必要がなく、機械的特性や加工性の観点でより有利な材料を選択できる。
【００５０】
図１３に、本発明の第７実施形態の振動型駆動装置１ｆを示す。本実施形態の振動型駆動装置１ｆにおいて、ブラシ２１は、移動体５から側方に突出して設けられている。このようなブラシ２１を用いることで、従来の振動型駆動装置の移動体の基本設計をそのままに、例えば、移動体５の本体１０およびキャップ部材１１とばね部材１２との間に、それぞれブラシ２１を挟み込むだけで、本発明の２つの抵抗体を電気的に分割して部分抵抗を接続する構成を実現できる。
【００５１】
さらに、図１３に、本発明の第８実施形態の振動型駆動装置１ｇを示す。本実施形態の振動型駆動装置１ｇにおいて、２つの抵抗体８は、駆動軸４の先端に形成された抵抗体８ａによって互いに接続されている。例えば、圧電素子３および駆動軸４を、板状の基材から切り出した四角柱状のものとする場合、板状の基材を抵抗体用塗料に浸漬してから切り分けることで、抵抗体８および抵抗体８ａを形成できる。
【００５２】
図１５に、本実施形態の振動型駆動装置１ｇの等価回路を示す。図示するように、移動体５の抵抗が無視できれば、抵抗体８の圧電素子３から遠い側の部分抵抗および駆動軸４の先端の抵抗体８ａは、接地電流に影響しない。
【００５３】
また、本実施形態の検出回路１５は、コンデンサ２４を有し、電気的に接地電流の平均値を示す電圧を出力するローパスフィルタとなっている。これにより、制御装置１７において検出回路１５の出力電圧を積分する必要がなく、制御装置１７の演算負荷を小さくできる。
【符号の説明】
【００５４】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇ…振動型駆動装置
２…錘
３…圧電素子（電気機械変換素子）
４…駆動軸
５…移動体
６…外部電極
８…抵抗体
１０…本体
１１…キャップ部材
１２…ばね部材
１３…駆動回路
１４…検出抵抗
１５…検出回路
１６…直流電源
１７…制御装置
２０…傾斜面
２１…ブラシ
２２，２３…金属部材
【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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