(57)【要約】【課題】小型かつ軽量で、駆動特性に優れ、汎用性も高い圧電駆動装置を提供する。【解決手段】圧電駆動装置１０は、弾性を有する固定フレーム１２，駆動素子３０，ロッド４０，ロータ５０により構成される。ロッド４０は外周面に鍔部４６を有しており、一端が駆動素子３０の主面略中央に固定される。ロータ５０は、筒部５２とディスク部５６から形成されており、ロッド４０に対して回転可能となっている。固定フレーム１２の上面部１６の内側には、ディスク部５６に押圧をかける突起２２が設けられる。駆動素子３０は、素子の中心を原点として分割された４つの素子構造を組み込んだ構成となっている。駆動素子３０に、対角の変位素子部分同士が逆位相，隣接の素子部分間の位相差が９０°の交番電場を印加するとロッド４０が傾きながら回転し、鍔部４６との面接触による摩擦によってロータ５０が回転する。【選択図】図１
2009136135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方に主面を有する圧電駆動素子，
該圧電駆動素子の一方の主面に一端が固定されるとともに、上方に延びる軸部を有し、該軸部の外周面に鍔部を有するロッド，
該ロッドの鍔部より先端側の軸部が挿通可能であって、前記鍔部に面接触するとともに、前記ロッドに対して回転可能なロータ，
前記ロッドの鍔部に対して、前記ロータを押圧する予圧手段，
を備えるとともに、
前記圧電駆動素子によって前記ロッドに回転力を発生させることにより、前記ロータを回転駆動させることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項２】
前記ロッドは、その先端側が軸心に対して旋回することを特徴とする請求項１記載の圧電駆動装置。
【請求項３】
前記ロータが、
前記ロッドの鍔部より先端側の軸部が貫通可能であって、前記ロッドの鍔部の平面に接触可能な平面を有するロータ本体，
該ロータ本体に連続形成されており、前記ロッドの鍔部より先端側の軸部が挿通可能な中空の筒部，
を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電駆動装置。
【請求項４】
前記予圧手段が、
前記圧電駆動素子の他方の主面が上側に固定される第１の面部と、該第１の面部と対向する第２の面部と、これら第１及び第２の面部を結合する側面部とによって、断面が略コ字状に形成された弾性を有する固定フレーム，
前記第１の面部に固定された圧電駆動素子に一端が固定されたロッドの鍔部平面に、前記固定フレームの弾性力によって、前記ロータ本体の平面を圧接させるように、前記第２の面部の下側の複数個所に等間隔で設けられた突起，
を含むことを特徴とする請求項３記載の圧電駆動装置。
【請求項５】
前記第２の面部が、前記ロータの筒部が貫通可能な溝によって、前記筒部の両側を支持する一対のアームに分割されており、該一対のアームのそれぞれに、前記突起を設けたことを特徴とする請求項４記載の圧電駆動装置。
【請求項６】
前記固定フレームの第１及び第２の面部を外側から挟み込み可能な略Ｌ字ないし略コ字状であって、前記第２の面部又は前記一対のアームとの接触ないし係合によって、前記固定フレームによる押圧を調整する予圧調整フレーム，
を備えたことを特徴とする請求項４又は５記載の圧電駆動装置。
【請求項７】
前記突起が、点又は線で前記ロータ本体の平面に接触することを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の圧電駆動装置。
【請求項８】
前記ロッドの鍔部より先端側の軸部が、前記ロータの筒部よりも短く設定されており、
前記予圧手段が、
前記圧電駆動素子の他方の主面が上側に固定される第１の面部と、該第１の面部と対向する第２の面部と、これら第１及び第２の面部を結合する側面部とによって、断面が略コ字状に形成された弾性を有する固定フレーム，
前記第１の面部に固定された圧電駆動素子に一端が固定されたロッドの鍔部平面に、前記固定フレームの弾性力によって、前記ロータ本体の平面を圧接させるように、前記第２の面部の下側の中央に配置されており、表面の一部が前記筒部の先端に嵌るとともに、前記ロータを押圧する略球状体，
を含むことを特徴とする請求項３記載の圧電駆動装置。
【請求項９】
前記固定フレームの第２の面部の法線と前記ロッドの軸線のなす角度が５°以内となるように、前記第２の面部に傾きを設けたことを特徴とする請求項８記載の圧電駆動装置。
【請求項１０】
前記固定フレームの第２の面部の厚みが、他の部分よりも薄く形成されていることを特徴とする請求項４〜９のいずれかに記載の圧電駆動装置。
【請求項１１】
前記ロッドの鍔部より先端側の軸部が、前記ロータの筒部よりも短く設定されており、
前記予圧手段が、
前記圧電駆動素子の他方の主面を固定させた固定用フレーム，
前記ロッドの先端に軸方向に形成された嵌合穴，
該嵌合穴に嵌合可能な軸部と、前記ロータの筒部の内側に収納可能な頭部を有する固定ピン，
前記ロータの筒部の内周面に突出形成されており、前記固定ピンの軸部が貫通可能であるとともに、該固定ピンの頭部と係合可能な係合部，
該係合部と前記固定ピンの頭部の間に配置されており、前記固定ピンを介して前記ロータを押圧する弾性体，
を含むことを特徴とする請求項３記載の圧電駆動装置。
【請求項１２】
前記圧電駆動素子は、該素子の中心を原点として分割された複数の領域を有するとともに、前記複数の領域は、隣接する領域間で厚み方向の変位が異なることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の圧電駆動装置。
【請求項１３】
前記複数の領域が、前記ロッドに対して対称な形状の２つないし４つの領域であることを特徴とする請求項１２記載の圧電駆動装置。
【請求項１４】
前記圧電駆動素子が、圧電体と複数の内部電極が交互に積層した積層構造を有するとともに、
前記内部電極の少なくとも一部を、前記圧電駆動素子の中心を原点として複数に分割形成したことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の圧電駆動装置。
【請求項１５】
前記圧電駆動素子の主面と前記鍔部の間のロッドの軸部の高さ，該軸部の半径，前記鍔部の半径の少なくともいずれかの調整によって、回転速度又はトルクを制御可能であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の圧電駆動装置。
【請求項１６】
前記軸部の半径を、前記圧電駆動素子の主面の幅の半分に設定したことを特徴とする請求項１５記載の圧電駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電駆動素子を用いて被駆動体ないし被変位体を駆動するための圧電駆動装置に関し、更に具体的には、ロータを回転駆動するための圧電駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、カメラの撮影レンズやオーバーヘッドプロジェクタなどの投影レンズ，双眼鏡のレンズ，複写機のレンズなど、光学装置におけるレンズの駆動のほか、プロッタやＸ−Ｙ駆動テーブルのような装置など、駆動部を有する装置一般の駆動技術としては、以下の特許文献１〜８などのインパクト式アクチュエータがある。これらは、圧電素子をゆっくり伸ばし、素早く縮ませる，あるいは、素早く伸ばして、ゆっくり縮ませることにより、慣性力と摩擦力を交互に作用させてリニア駆動させる技術である。特許文献１は、上述したアクチュエータ方式の基本技術であり、他の特許文献２〜８は、前記方式をどのように使うかを示す文献である。
【特許文献１】特開平４−０６９０７０号公報
【特許文献２】特開平１１−１８４４７号公報
【特許文献３】特開平１１−４４８９９号公報
【特許文献４】特開平１１−７５３８２号公報
【特許文献５】特開２０００−１９３７６公報
【特許文献６】特開２００３−１４１８２７公報
【特許文献７】特開２００３−３１７４１０公報
【特許文献８】特開２００４−５６９５１公報
【０００３】
図２４を参照して、上述したアクチュエータ方式の機構を説明する。図２４(A)は駆動装置の概略図，図２４(B)及び(C)は圧電素子の変位量と時間の関係を示す図である。図２４(A)に示すアクチュエータは、圧電素子５００，シャフト５０２，スライダ５０４，レンズ５０６により構成されている。前記圧電素子５００は、一方の面が前記シャフト５０２と連結し、もう一方の面が本体５０８に固定されている。前記スライダ５０４は、前記シャフト５０２が貫通しており、図示しない付勢手段によって、シャフト５０２を押さえつけるように付勢されている。そして、前記付勢手段によるスライダ５０４とシャフト５０２間の摩擦力を介して、前記スライダ５０４が、シャフト５０２に沿って変位する。スライダ５０４が変位すると、該スライダ５０４の先に取り付けられたレンズ５０６が矢印Ｆ２４ａ又はＦ２４ｂ方向に変位する。なお、シャフト５０２の先端側は、バネで抑えられているのみであって固定されていない。
【０００４】
前記圧電素子５００に、図２４(B)に示すように、圧電素子がゆっくり伸びて素早く縮むように、時間に対して非対称の電気信号を入力して駆動させると、前記圧電素子５００がゆっくり伸びるときに、シャフト５０２が矢印Ｆ２４ａの方向に動く。このとき、前記スライダ５０４は、摩擦力によりシャフト５０２と一緒に動く。次に、圧電素子５００が素早く縮むと、前記スライダ５０４は、慣性力によってその場に留まり、シャフト５０２だけが矢印Ｆ２４ｂ方向に引き寄せられるため、スライダ５０４がシャフト５０２に対して矢印Ｆ２４ａ方向に移動することになる。以上の動作を繰り返すことにより、スライダ５０４は、矢印Ｆ２４ａ方向にリニア駆動する。一方、図２４(C)に示すように、圧電素子５００を、素早く伸びてゆっくり縮むように時間に対して非対称の電気信号を入力して駆動させると、上記と逆の作用により、スライダ５０４が矢印Ｆ２４ｂ方向にリニア駆動する。以上のようなアクチュエータの駆動方式は、構造がシンプルなため、携帯電話用のデジタルカメラモジュールの自動焦点用のアクチュエータなどとして実用化されている。
【０００５】
また、下記特許文献９には、４つの積層圧電素子を利用した駆動機構が開示されている。図２５を参照して前記特許文献９の技術を説明する。前記駆動機構は、４つの積層型圧電素子６０４Ａ〜６０４Ｄの上に、ステータ６００の円形平板６００Ｂを固定し、該円形平板６００Ｂの中央の円柱６００Ａが、略円筒形状のロータ６０２の硬質ゴムなどの弾性体６０３に嵌合された構成となっている。前記積層型圧電素子６０４Ａ〜６０４Ｄはベース６０６に固定されており、各々の積層型圧電素子６０４Ａ〜６０４Ｄには、駆動回路６０５Ａ〜６０５Ｄが接続されている。そして、前記積層型圧電素子６０４Ａ〜６０４Ｄに、隣接素子間で位相の９０°異なる交番電場を印加することで、前記ステータ６００の円柱６００Ａが傾いて回転運動をし、弾性体６０３からの摩擦力によりロータ６０２が円柱６００Ａの回転方向に沿って回転する。
【特許文献９】特開平３−７４１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、携帯電話用のデジタルカメラ用のレンズモジュールは、光学素子の高画素化，ズーム，オートフォーカス，手ぶれ防止などの高機能化を低コストで達成することが求められるようになってきている。電磁式では磁気結合が必要なため更なる小型化が困難であること、静電式では高い電圧が必要であることに対して、上述した圧電方式は、小型化するとエネルギー密度が高くなるため、小型アクチュエータとして注目されている。
【０００７】
しかしながら、前記図２４に示す背景技術では、スライダ５０４とシャフト５０２が摩擦力を介して接しているため、固着が生じやすい。特に、圧電素子５００の変位方向と固着力の作用する方向が直交しており、圧電素子５００の変位が固着力の切断（ないし抑制）に直接作用しないため、スライダ５０４を駆動させるためには圧電素子５００を大きく変位させる必要があり、駆動効率が低く、低電圧での駆動が困難である。
【０００８】
また、前記図２５に示す背景技術では、ロータ６０２とステータ６００の接触が、円柱６００Ａの端部角の最大変位の箇所，すなわち、１点での接触で駆動する構造であるため、安定した駆動力が得られにくい。また、ロータ６０２のステータ６００への押圧が調整し難いということもある。更に、ロータ６０２の底部がステータ６００の円形平板６００Ｂと接触する構造のため、回転を抑止する場合もある。また、積層圧電素子を４つ配置するため、回転振動の対称性が崩れやすく振動制御が難しくなるとともに、構造が複雑となって組立に工数が必要となる。
【０００９】
本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、小型かつ軽量で、駆動特性に優れ、汎用性も高い圧電駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明の圧電駆動装置は、少なくとも一方に主面を有する圧電駆動素子と、該圧電駆動素子の一方の主面に一端が固定されるとともに、上方に延びる軸部を有し、該軸部の外周面に鍔部を有するロッドと、該ロッドの鍔部より先端側の軸部が挿通可能であって、前記鍔部に面接触するとともに、前記ロッドに対して回転可能なロータと、前記ロッドの鍔部に対して、前記ロータを押圧する予圧手段とを備えるとともに、前記圧電駆動素子によって前記ロッドに回転力を発生させることにより、前記ロータを回転駆動させることを特徴とする。
【００１１】
主要な形態の一つは、前記ロッドは、その先端が該ロッドの中心軸に対して垂直な面内で回転するように、傾きながら回転する。すなわち、その先端側が軸心に対して旋回することを特徴とする。他の形態は、前記ロータが、前記ロッドの鍔部より先端側の軸部が貫通可能であって、前記ロッドの鍔部の平面に接触可能な平面を有するロータ本体と、該ロータ本体に連続形成されており、前記ロッドの鍔部より先端側の軸部が挿通可能な中空の筒部とを含むことを特徴とする。
【００１２】
更に他の形態は、前記予圧手段が、前記圧電駆動素子の他方の主面が上側に固定される第１の面部と、該第１の面部と対向する第２の面部と、これら第１及び第２の面部を結合する側面部とによって、断面が略コ字状に形成された弾性を有する固定フレームと、前記第１の面部に固定された圧電駆動素子に一端が固定されたロッドの鍔部平面に、前記固定フレームの弾性力によって、前記ロータ本体の平面を圧接させるように、前記第２の面部の下側の複数個所に等間隔で設けられた突起とを含むことを特徴とする。更に他の形態は、前記第２の面部が、前記ロータの筒部が貫通可能な溝によって、前記筒部の両側を支持する一対のアームに分割されており、該一対のアームのそれぞれに、前記突起を設けたことを特徴とする。
【００１３】
更に他の形態は、前記固定フレームの第１及び第２の面部を外側から挟み込み可能な略Ｌ字ないし略コ字状であって、前記第２の面部又は前記一対のアームとの接触ないし係合によって、前記固定フレームによる押圧を調整する予圧調整フレーム，を備えたことを特徴とする。更に他の形態は、前記突起が、点又は線で前記ロータ本体の平面に接触することを特徴とする。
【００１４】
更に他の形態は、前記ロッドの鍔部より先端側の軸部が、前記ロータの筒部よりも短く設定されており、前記予圧手段が、前記圧電駆動素子の他方の主面が上側に固定される第１の面部と、該第１の面部と対向する第２の面部と、これら第１及び第２の面部を結合する側面部とによって、断面が略コ字状に形成された弾性を有する固定フレームと、前記第１の面部に固定された圧電駆動素子に一端が固定されたロッドの鍔部平面に、前記固定フレームの弾性力によって、前記ロータ本体の平面を圧接させるように、前記第２の面部の下側の中央に配置されており、表面の一部が前記筒部の先端に嵌るとともに、前記ロータを押圧する略球状体とを含むことを特徴とする。更に他の形態は、前記固定フレームの第２の面部の法線と前記ロッドの軸線のなす角度が５°以内となるように、前記第２の面部に傾きを設けたことを特徴とする。更に他の形態は、前記固定フレームの第２の面部の厚みが、他の部分よりも薄く形成されていることを特徴とする。
【００１５】
更に他の形態は、前記ロッドの鍔部より先端側の軸部が、前記ロータの筒部よりも短く設定されており、前記予圧手段が、前記圧電駆動素子の他方の主面が固定される固定用フレームと、前記ロッドの先端に軸方向に形成された嵌合穴と、該嵌合穴に嵌合可能な軸部と、前記ロータの筒部の内側に収納可能な頭部を有する固定ピンと、前記ロータの筒部の内周面に突出形成されており、前記固定ピンの軸部が貫通可能であるとともに、該固定ピンの頭部と係合可能な係合部と、該係合部と前記固定ピンの頭部の間に配置されており、前記固定ピンを介して前記ロータを押圧する弾性体とを含むことを特徴とする。
【００１６】
更に他の形態は、前記圧電駆動素子は、該素子の中心を原点として分割された複数の領域を有するとともに、前記複数の領域は、隣接する領域間で厚み方向の変位が異なることを特徴とする。更に他の形態は、前記複数の領域が、前記ロッドに対して対称な形状の２つないし４つの領域であることを特徴とする。更に他の形態は、前記圧電駆動素子が、圧電体と複数の内部電極が交互に積層した積層構造を有するとともに、前記内部電極の少なくとも一部を、前記圧電駆動素子の中心を原点として複数に分割形成したことを特徴とする。
【００１７】
更に他の形態は、前記圧電駆動素子の主面と前記鍔部の間のロッドの軸部の高さ，該軸部の半径，前記鍔部の半径の少なくともいずれかの調整によって、回転速度又はトルクを制御可能であることを特徴とする。更に他の形態は、前記軸部の半径を、前記圧電駆動素子の主面の幅の半分に設定したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭にしていく。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、圧電駆動素子の主面に一端が固定されたロッドの外周面に鍔部を設け、押圧手段によって前記鍔部に面接触するロータに予圧をかけ、１つの圧電駆動素子で前記ロッドに回転力を発生させてロータを回転駆動する構造としたので、小型かつ軽量でありながら、駆動特性に優れ、汎用性が高い圧電駆動装置が得られるという効果がある。また、前記ロッドの軸高（圧電駆動素子の主面と鍔部の間の高さ），軸半径，鍔半径を適切に設計することにより、用途に合わせて特性を制御した小型の駆動装置が得られるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
最初に、図１〜図６を参照しながら本発明の実施例１を説明する。本実施例は、本発明の圧電駆動装置を超音波モータに適用した例である。図１(A)は外観斜視図，図１(B)は前記(A)を矢印Ｆ１方向から見た側面図，図１(C)は変形例の側面図であり、図２は、本実施例の分解斜視図である。図３は、本実施例の駆動素子及びロッドを示す図であり、(A)は斜視図，(B)は前記(A)を矢印Ｆ３方向から見た平面図である。図４は、本実施例の駆動素子を示す図であり、(A)は積層構造を示す分解斜視図，(B)は前記(A)を＃４−＃４線に沿って切断し矢印方向に見た断面図,(C)は厚み方向の変位分布を示す模式図である。図５は、前記駆動素子の斜視図であり、(A-1)及び(A-2)は内部電極の引出部を示す図，(B-1)及び(B-2)は外部電極の配置を示す図である。図６は、本実施例の駆動電圧を変えた場合の回転速度及びトルクの関係を示す図である。
【００２１】
図１〜図３に示すように、本実施例の圧電駆動装置１０は、固定フレーム１２，圧電駆動素子（以下「駆動素子」）３０，ロッド４０，ロータ５０により構成されている。なお、前記駆動素子３０にロッド４０を固定した構造体をステータ（固定子）振動子と表現する場合もある。前記固定フレーム１２は、圧電駆動装置１０の構造を保持するほか、前記ロータ５０を前記ステータ振動子に対して圧接する予圧手段を兼ねている。前記固定フレーム１２は、前記駆動素子３０の一方の主面が固定される底面部１４と、前記ロータ５０の筒部５２が貫通可能な開口部２０を有する上面部１６と、側面部１８によって構成された略コ字状であって、弾性を有する材料によって形成されている。本実施例では、前記底面部１４，上面部１６，側面部１８は、ほぼ厚みが同じになっている。前記上面部１６の内側には、前記ロータ５０のディスク部５６の平面部分と接触可能な複数（図示の例では３つ）の突起２２が設けられており、前記固定フレーム１２の弾性力によって、前記突起２２が前記ディスク部５６の平面部分を押圧する。このように押圧することによって、駆動する前から予め圧力をかけ、ロータ５０が回転するように予圧手段を構成させる。従って、固定フレーム１２は、例えば、ステンレスなどによって形成されている。なお、前記底面部１４，上面部１６，側面部１８は一体に形成してもよいし別体に形成してもよい。
【００２２】
次に、駆動素子３０は、４つの変位素子を１つにしたアレイ形の素子であって、一方の主面に前記ロッド４０の一端が固定され、他方の主面が前記固定フレーム１２の底面部１４の上面側に固定されている。前記駆動素子３０と固定フレーム１２の固定，前記駆動素子３０とロッド４０の固定には、例えば、エポキシ系の接着剤などが用いられる。そして、対角の変位素子部分同士が逆位相、隣接の素子部分同士の位相差が９０°の交番電場を印加することによって、片持ちはりの屈曲２重モードを発生させる構造となっている。該駆動素子３０は、非共振状態でもサブミクロンの変位を得るために、電極を介した積層構造となっている。
【００２３】
図４及び図５を参照して、駆動素子３０の詳細な構造を説明すると、該駆動素子３０は、複数の圧電体７０Ａ〜７０Ｌと、複数の内部電極ＥＡ１，ＥＡ２，ＥＢ１，ＥＢ２，ＥＧが積層した構造となっている。圧電体７０Ａは、最上層に配置され、該圧電体７０Ａとその下層の圧電体７０Ｂの間には、分割形成された内部電極ＥＡ１，ＥＡ２，ＥＢ１，ＥＢ２が設けられている。これらのうち、内部電極ＥＡ１とＥＡ２は、素子の中心に対して点対称の形状となっており、内部電極ＥＢ１とＥＢ２も、素子の中心に対して点対称の形状となっている。すなわち、ＥＡ１→ＥＢ１→ＥＡ２→ＥＢ２→ＥＡ１・・・の順序で素子の中心の周りに配置されている。前記内部電極ＥＡ１，ＥＢ２は、−Ｙ方向に延長した引出部７２，７８を備えており、電極ＥＢ１，ＥＡ２は、Ｙ方向に延長した引出部７６，７４を備えている。なお、前記引出部７２〜７８の延長方向は、前記駆動素子３０を図４及び図５に示す向きに設置した場合である。
【００２４】
次に、圧電体７０Ｂと７０Ｃの間には、対向電極となる内部電極ＥＧが設けられている。該内部電極ＥＧは、前記内部電極ＥＡ１，ＥＡ２，ＥＢ１，ＥＢ２と位置が対応するように、４つに分割形成されており、それぞれ電極の引出部８０を備えている。前記内部電極ＥＡ１，ＥＢ１と重なる内部電極ＥＧについては、前記引出部８０は、−Ｘ方向に延長しており、内部電極ＥＢ２，ＥＡ２と重なる内部電極ＥＧについては、その引出部８０はＸ方向に延長している。以降の圧電体７０Ｃ〜７０Ｌの間に挟まれる内部電極は、（ＥＡ１，ＥＡ２，ＥＢ１，ＥＢ２）→ＥＧ→（ＥＡ１，ＥＡ２，ＥＢ１，ＥＢ２）→ＥＧ→・・・の繰り返しであり、これによって積層体３２が得られる。
【００２５】
前記積層体３２は、図５(A-1)，(A-2)，(B-1)，(B-2)に示すように、対向する一対の側面に、内部電極ＥＧの引出部８０が並んで出ており、そこに外部電極３８が接続される。本実施例の場合は、４つの外部電極３８が接続されることになる。また、前記積層体３２の他の側面には、内部電極ＥＡ１の引出部７２と、内部電極ＥＢ２の引出部７８が並んで出ており、それぞれに外部電極３４，３７が接続される。前記積層体３２の更に他の側面には、内部電極ＥＡ２の引出部７４と、内部電極ＥＢ１の引出部７６が並んで出ており、それぞれに外部電極３５，３６が接続される。前記圧電体７０Ａ〜７０Ｌとしては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を主成分とする材料が用いられ、前記内部電極ＥＡ１，ＥＡ２，ＥＢ１，ＥＢ２，ＥＧ，外部電極３４，３５，３６，３７，３８としては、例えば、Ａｇ−Ｐｄなどが用いられる。
【００２６】
前記駆動素子３０の主面の略中央には、図３(A)に示すように、ロッド４０の軸部４２の一端側に設けられており、該軸部４２よりも径が大きい底板４４が接着剤等の手段で接着される。また、図３(B)に示すように、前記駆動素子３０の外部電極３４及び３８の間には駆動電源６０（インプットＡ）が接続され、外部電極３５及び３８の間には駆動電源６２（インプット−Ａ）が接続され、外部電極３６及び３８の間には駆動電源６４（インプットＢ）が接続され、外部電極３７及び３８の間には駆動電源６６（インプット−Ｂ）が接続される。そして、内部電極ＥＧに対して、内部電極ＥＡ１及びＥＡ２と、電極ＥＢ１及びＥＢ２に位相の異なる信号を入力すると、素子の厚み変位が異なる４つの領域が、駆動素子３０の中心を原点として形成される。ここでは、内部電極ＥＡ１，ＥＡ２，ＥＢ１，ＥＢ２は、全て同方向に分極されている。また、隣接する分布間は、位置位相が９０°ずれているため、内部電極ＥＡ１及びＥＡ２と、内部電極ＥＢ１及びＥＢ２に時間位相の９０°ずれた信号を入力すると、１つの駆動素子３０の中の４分割した部分が、ロッド４０の軸を中心に変位して進行波が立つ。すなわち、図４(C)に示すように、駆動素子３０は、厚み方向の変位量が異なる４つの領域Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓを有することになる。これによって、図１(A)及び図３(A)に矢印Ｆａで示すように、片持ちはりの屈曲２重モードで励振されるロッド４０が傾きながら回転運動する。
【００２７】
次に、前記ロッド４０について説明する。ロッド４０は、軸部４２の一方の端部に底板４４を有するとともに、前記軸部４２の外周面の適宜位置に、軸方向と略直交する鍔部４６が設けられている。前記鍔部４６より上方の先端側４８は、前記底板４４と鍔部４６間の部分よりも径が小さく、端部へ向かうほど細くなっており、後述するロータ５０に挿通可能となっている。また、前記底板４４は、前記駆動素子３０の縦振動で屈曲振動を励振するためのもので、略円板状となっている。そして、該底板４４が、接着剤などによって前記駆動素子３０の主面に接着固定されている。このようなロッド４０は、例えば、黄銅などの金属により形成されている。
【００２８】
前記ロータ５０は、前記ロッド４０の先端側４８が貫通する開口部（図示せず）が略中央に形成されており前記ロッド４０の鍔部４６と面接触するディスク部５６と、前記先端側４８が挿通可能な中空部５４を有する略円筒状の筒部５２が連続形成した構造となっている。図示の例では、前記ロッド４０の先端側４８は、前記筒部５２の中空部５４に完全に収納されている。このようなロータ５０は、前記ディスク部５６で摩擦による駆動力を受けて回転し、筒部５２から出力を取り出すことができる。すなわち、前記筒部５２は、超音波モータのシャフトとして作用する。前記ロータ５０としては、例えば、ステンレスなどが用いられる。
【００２９】
次に、本実施例の作用を説明する。まず、前記駆動素子３０の一方の主面を前記固定フレーム１２の底面部１４の上面に固定し、他方の主面に前記ロッド４０の底板４４を固定し、該ロッド４０に前記ロータ５０を取り付ける。続いて、前記ロータ５０の筒部５２を前記固定フレーム１２の上面部１６の開口部２０に差し込むと、固定フレーム１２の弾性力によって、一定間隔に設けられた例えば３個の突起２２を介してロータ５０のディスク部５６の平面部分を押圧する。この押圧は、駆動素子３０が駆動される前から予め押圧される構成になっているので予圧手段とされている。このような予圧手段により、ロッド４０の鍔部４６の上面とロータ５０のディスク部５６の下側平面とが面接触し、ロッド４０の先端側４８が軸心に対し旋回するような回転がかかると、押圧されているロータ５０のディスク部５６下側平面に回転する力が加わるようになる。この結果、ロータ５０が回転する仕組みになっている。
【００３０】
そして、前記駆動素子３０に、以下の表１に示すように、対角の変位素子部分同士が逆位相，隣接の素子部分間の位相差が９０°の交番電場を印加すると、片持ちはりの屈曲２重モードが発生する。すると、ロッド４０の鍔部４６とロータ５０のディスク部５６との面接触による摩擦によって、前記ロータ５０が回転する。このときのロータ５０の回転方向（図１(A)の矢印Ｆｂ方向）は、前記ロッド４０の回転方向（矢印Ｆａ方向）と逆になっている。すなわち、ロッド４０が反時計回り（ＣＣＷ）に回転すると、ロータ５０が時計回り（ＣＷ）に回転し、ロッド４０がＣＷに回転すると、ロータ５０がＣＣＷに回転するという具合である。なお、前記位相差が９０°の場合に、ロータ５０が時計回り（ＣＷ）に回転し、位相差が−９０°の場合に、円板９０が反時計回り（ＣＣＷ）に回転する。以上のように前記ロータ５０が回転することにより、その筒部５２から従来の電磁モータと同様に駆動力を取り出すことが可能となる。
【表１】
2009136135.tif 000003
【００３１】
図６には、駆動電圧を変えて測定した場合の、モータの回転速度とトルクの関係が示されている。図６(A)は、横軸が駆動電圧［Ｖｐ−ｐ］を表し、縦軸の一方（左側）がモータの回転速度［ｒｐｍ］を表し、縦軸の他方（右側）がトルク［ｇｆｃｍ］を表している。図６(B)は、横軸が回転速度［ｒｐｍ］を表し、縦軸がトルク［ｇｆｃｍ］を表している。この結果が示すように、本実施例のモータは、０．２Ｖｐ−ｐという低い電圧で駆動し始め、３Ｖｐ−ｐで最大回転速度３５００ｒｐｍ，最大トルク０．４ｇｆｃｍと優れた駆動特性が得られる。なお、駆動素子３０にロッド４０を接着したステータ振動子の外形は、直径が３ｍｍ，長さが８ｍｍであり、小型で駆動特性に優れた圧電駆動装置が得られることが確認された。
【００３２】
このように、実施例１によれば、１つの駆動素子３０に４つの素子構造を組み込むことによって、前記駆動素子３０の主面に一端が固定されたロッド４０の先端側４８に旋回するような回転力を発生させ、該ロッド４０の鍔部４６の上面側の平面と面接触するロータ５０のディスク部５６の下側平面に、固定フレーム１２の弾性力によって突起２２を介して予圧をかける。そして、上記片持ちはり構造によって、一般的に逆圧電効果で発生力が最も高い縦振動を屈曲振動に変位増幅することで、構造が単純で、駆動しないときにもロータ５０と鍔部４６の静摩擦により保持力が得られ、回転速度が高く、トルクの大きい小型モータが実現できる。従って、本実施例によれば、小型かつ軽量でありながら、駆動特性に優れ、汎用性が高い圧電駆動装置１０を得ることができる。
【００３３】
なお、上述した例では、固定フレーム１２として、底面部１４，上面部１６，側面部１８の厚みがほぼ同じものを利用したが、図１(C)に示す例のように、上面部１６Ａが、底面部１４Ａ及び側面部１８Ａと比べて薄く形成されている固定フレーム１２Ａを用いるようにしてもよい。このように底面部１４Ａと側面部１８Ａが、上面部１６Ａよりも厚い固定フレーム１２Ａを利用することにより、片持ちはりとして、支点となる素子の底面部をより強く固定することが可能となり、その結果、ロッド４０の変位が大きくなるため、特性の低下の抑制（もしくは特性の向上）が可能となる。
【実施例２】
【００３４】
次に、図７及び図８を参照しながら本発明の実施例２を説明する。なお、上述した実施例１と同一ないし対応する構成要素には同一の符号を用いることとする（以下の実施例についても同様）。図７(A)は、本実施例の斜視図，図７(B)は前記(A)を矢印Ｆ７方向から見た側面図，図７(C)は変形例を示す側面図である。図８は、本実施例の他の変形例を示す側面図である。上述した実施例１は、略コ字状の固定フレームの内面に設けた突起によって、ロータに予圧をかける構成としたが、本実施例は、固定フレームと略球状体を利用して予圧をかける例である。
【００３５】
まず、図７(A)及び(B)に示す構造について説明する。圧電駆動装置１００は、固定フレーム１０２，駆動素子３０，ロッド４０，ロータ１１０，ボール１１８によって構成されている。前記固定フレーム１０２は、底面部１０４，上面部１０６，底面部１０４と上面部１０６とを弾性的に連結する側面部１０８からなる略コ字形状であって、前記実施例１と同様に弾性を有する材料によって形成されている。前記ロータ１１０は、前記ロッド４０の先端側４８が貫通するとともに、前記ロッド４０の鍔部４６と面接触するピニオンギア１１４と、前記先端側４８が挿通可能な中空部１１３を有する略円筒状の筒部１１２が連続形成した構造となっている。図示の例では、前記ロッド４０の先端側４８と、前記ロータ１１０の筒部１１２の開口した上端１１６の間には、所定の間隔が設けられている。
【００３６】
前記ボール１１８は、前記固定フレーム１０２の上面部１０６の内側と、前記ロータ１１０の筒部１１２の上端１１６との間に配置されており、その表面の一部を、前記上端１１６の開口に嵌めることが可能となっている。該ボール１１８としては、耐磨耗性に優れているという観点から、例えば、アルミナやジルコニアなどのセラミックが利用されるが、これに限定されるものではなく金属などを用いるようにしてもよい。前記駆動素子３０及びロッド４０については、上述した実施例１と同様の構成となっている。
【００３７】
次に、本実施例の作用を説明する。まず、前記駆動素子３０の一方の主面を前記固定フレーム１０２の底面部１０４の内側に固定し、他方の主面に前記ロッド４０の底板４４を接着し、該ロッド４０に前記ロータ１１０を取り付ける。続いて、前記ロータ１１０の筒部１１２の上端１１６と固定フレーム上面部１０６の間に前記ボール１１８を挟み、該ボール１１８の表面の一部を、前記筒部１１２の上端１１６に嵌めると、前記固定フレーム１０２の弾性力によって、前記ボール１１８を介してロータ１１０を押圧し予圧がかかる。そして、前記駆動素子３０に、前記実施例１と同様の交番電場を印加すると、ロッド４０の鍔部４６とロータ１１０のピニオンギア１１４の底面部１１５との面接触による摩擦によって前記ロータ１１０が回転し、ピニオンギア１１４から振動軸と直交する方向に駆動力を出力することができる。本実施例によれば、回転数を下げてトルクを取り出すことができるため、汎用性が高く、小型で高い駆動効率の駆動装置が得られる。
【００３８】
次に、本実施例の変形例について説明する。図７(C)に示す変形例の圧電駆動装置１００Ａでは、ロータ１１０Ａは、筒部１１２Ａとピニオンギア１１４Ａを有しており、該ピニオンギア１１４Ａは、前記ロッド４０の大部分を覆い隠す長さに設定されている。前記ロータ１１０Ａの内側には、前記ロッド４０の先端側４８が挿通可能な中空部１１３Ａと、該中空部１１３Ａよりも径が大きく前記ロッド４０の鍔部４６を収納可能な中空部１１７が連続形成されている。そして、前記中空部１１３Ａ及び１１７の境界面１１５Ａと、前記鍔部４６との面接触による摩擦によって前記ロータ１１０Ａが回転し、ピニオンギア１１４Ａから振動軸と直交する方向に駆動力を出力することができる。
【００３９】
図８(A)に示す変形例の圧電駆動装置１２０では、ロータ１２２は、筒部１２４とウォームギア１２６を有しており、前記図７(A)及び(B)に示す例と同様に、ウォームギア１２６の底面部１２７と鍔部４６との面接触によって回転力を出力する構成となっている。本変形例では、前記ロータ１２２が回転すると、振動軸（ロッド４０）の軸方向に沿って駆動力を取り出すことが可能となる。また、図８(B)に示す圧電駆動装置１２０Ａでは、ロータ１２２Ａは、筒部１２４Ａと前記ロッド４０の大部分を覆うウォームギア１２６Ａによって形成されており、前記図７(C)に示す例と同様の内部形状によって、ロッド４０の鍔部４６と面接触することによって、振動軸の軸方向に沿った駆動力を出力することができる。
【実施例３】
【００４０】
次に、図９〜図１３を参照しながら本発明の実施例３を説明する。図９(A)は、本実施例の側面図，図９(B)は、前記(A)の一部を＃９−＃９線に沿って切断し矢印方向に見た縦断面図である。本実施例の圧電駆動装置２００は、固定フレーム２０２，駆動素子３０，ロッド２１０，ロータ２３０，固定ピン２４０により構成されている。前記固定フレーム２０２は、前記駆動素子３０の一方の主面が固定される底面部２０４と側面部２０６によって略Ｌ字状に形成されている。本実施例では、前記固定フレーム２０２は、圧電駆動装置２００の構造保持のみを行うものであって、予圧手段は別途設けられている。
【００４１】
また、前記ロッド２１０は、軸部２１２の一端に底板２１４が設けられており、前記軸部２１２の適宜位置には、前記ロータ２３０と面接触する鍔部２１６が設けられている。また、前記鍔部２１６よりも上方の先端側２１８には、前記固定ピン２４０が嵌合する嵌合穴２２０が形成されている。前記先端側２１８は、前記鍔部２１４及び２１６の間の部分よりも径が小さく設定されており、前記ロータ２３０内に収納可能となっている。
【００４２】
次に、前記ロータ２３０は、略円筒状の筒部２３２と、前記ロッド２１０の鍔部２１６と面接触するディスク部２３４が連続形成されており、前記筒部２３２の中空部２３３には、前記ロッド２１０の先端側２１８が挿通可能となっている。前記筒部２３２は、前記先端側２１８よりも長く設定されており、該先端側２１８が完全に収納される。また、前記筒部２３２の内周面には、前記先端側２１８を完全に収納したときに接触しない位置に、内側に向けて突出したフランジ状の係合部２３６が設けられている。該係合部２３６には、固定ピン２４０の軸部２４２が貫通可能な開口部２３８が形成されている。
【００４３】
前記固定ピン２４０は、軸部２４２と頭部２４４を有しており、前記軸部２４２は、前記ロータ２３０の開口部２３８を貫通するとともに、前記ロッド２１０の嵌合穴２２０に嵌合可能となっている。また、前記頭部２４４は、弾性体２４６を介して前記係合部２３６と係合可能となっている。前記弾性体２４６は、その弾性力によって、前記ロータ２３０に予圧をかけるためのものであって、例えば、エンジニアプラスチックやテフロン（登録商標）などが用いられる。なお、前記固定ピン２４０の軸部２４２と、前記ロッド２１０の嵌合穴２２０の断面形状は特に制限されず、前記固定ピン２４０がロッド２１０に対して回転してもよいし、回転不能であってもよい。このような固定ピン２４０としては、例えば、黄銅などが用いられる。
【００４４】
本実施例の圧電駆動装置２００に、上述した実施例１と同様の交番電場を印加すると、固定ピン２４０によって予圧をかけられたロータ２３０のディスク部２３４が、前記ロッド２１０の鍔部２１６と面接触し、ロッド２１０と反対方向にロータ２３０が回転する。以上のように前記ロータ２３０が回転することにより、その筒部２３２から従来の電磁モータと同様に駆動力を取り出すことが可能となる。本実施例によれば、ロッド２１０の軸心近傍で予圧をかけることができるため、効率的な回転が可能になるという効果がある。他の基本的効果は、上述した実施例１と同様である。
【００４５】
次に、本実施例の変形例を説明する。以下に説明する変形例では、ロータ以外の部分は、前記圧電駆動装置２００と同様の構成となっている。まず、図１０に示す圧電駆動装置２５０のロータ２５２は、筒部２５４とピニオンギア２５６が連続形成されており、内側の中空部２５８にロッド２１０の先端側２１８が収納されている。また、前記中空部２５８の内面には、弾性体２４６を介して固定ピン２４０の頭部２４４と係合可能な係合部２５５が形成されている。本例では、前記ピニオンギア２５６の底面部２５７が、ロッド２１０の鍔部２１６と面接触することによってロータ２５２が回転し、ピニオンギア２５６から図示していないラックギアとの組み合わせで振動軸と直交する方向に回転を出力することが可能となっている。図１１に示す圧電駆動装置２５０Ａは、ロータ２５２Ａが筒部２５４Ａとピニオンギア２５６Ａにより形成されている。前記ピニオンギア２５６Ａは、前記ロッド２１０の大部分を覆う程度の長さに設定されており、該ピニオンギア２５６Ａの内側には、中空部２５８Ａと２６０が連続形成されている。そして、前記中空部２５８Ａと２６０の境界面２６２が、前記ロッド２１０の鍔部２１６と面接触することにより、ピニオンギア２５６Ａから振動軸と直交する方向の回転を取り出すことができる。
【００４６】
更に、図１２に示す圧電駆動装置２８０のロータ２８２は、筒部２８４とウォームギア２８６が連続形成されており、内側の中空部２８８にロッド２１０の先端側２１８が収納されている。また、前記中空部２８８の内面には、弾性体２４６を介して固定ピン２４０の頭部２４４と係合可能な係合部２８５が形成されている。本例では、前記ウォームギア２８６の底面部２８７が、ロッド２１０の鍔部２１６と面接触することによってロータ２８２が回転し、ウォームギア２８６から振動軸の軸方向に沿った駆動力を取り出すことが可能となっている。図１３に示す圧電駆動装置２８０Ａは、ロータ２８２Ａが筒部２８４Ａとウォームギア２８６Ａにより形成されている。前記ウォームギア２８６Ａは、前記ロッド２１０の大部分を覆う程度の長さに設定されており、該ウォームギア２８６Ａの内側には、中空部２８８Ａと２９０が連続形成されている。そして、前記中空部２８８Ａと２９０の境界面２９２が、前記ロッド２１０の鍔部２１６と面接触することにより、ウォームギア２８６Ａから図示されていないウォームギアと組み合わせることにより振動軸の軸方向に沿った駆動力を取り出すことができる。
【実施例４】
【００４７】
次に、図１４及び図１５を参照して本発明の実施例４を説明する。本実施例は、上述した実施例２の応用例であって、ボールを利用して予圧を行う構成となっている。図１４(A)は本実施例の側面図であり、図１４(B)，図１５(A)，図１５(B)は本実施例の変形例である。まず、図１４(A)に示す例について説明する。圧電駆動装置３００は、固定フレーム３０２，駆動素子３０，ロッド４０，ロータ１１０，ボール１１８により構成されている。前記固定フレーム３０２は、前記駆動素子３０を固定する底面部３０４と、前記ロータ１１０の筒部１１２との間にボール１１８を挟み込む上面部３０６と、側面部３０８を有しており、弾性を有する材料によって略コ字状に形成されている。本実施例では、前記上面部３０６は、底面部３０４及び側面部３０８よりも薄く形成されるとともに、該上面部３０６の法線が前記ロッド４０の軸線と交わる角度αが５°以内となるように傾きが設けられている。駆動素子３０，ロッド４０，ロータ１１０，ボール１１８については、上述した実施例２と同様の構成である。本実施例の圧電駆動装置３００の駆動原理は、前記実施例２と基本的に同様であるが、本実施例では、固定フレーム３０２の上面部３０６に５°以内の傾きを設けているため、ロータ１１０の回転がスムースである。また、前記底面部３０４及び側面部３０８が、上面部３０６よりも厚く形成されているため、片持ちはりとして、支点となる素子の底面をより強く固定することが可能となり、その結果、ロッド４０の変位が大きくなるため、特性低下の抑制ないし特性の向上が可能となる。
【００４８】
図１４(B)に示す圧電駆動装置３００Ａは、上述した実施例２の変形例の圧電駆動装置１００Ａ（図７(C)参照）に、前記固定フレーム３０２を適用した例であって、傾いた上面部３０６でボール１１８を介してロータ１１０Ａを予圧し、ロータ１１０Ａを回転する構成となっている。前記ロータ１１０Ａは、筒部１１２Ａと、ロッド４０の大部分を覆う長さのピニオンギア１１４Ａを有しており、該ピニオンギア１１４Ａから振動軸と直交する方向に回転を取り出すことができる。図１５(A)に示す圧電駆動装置３１０は、前記実施例２の変形例の圧電駆動装置１２０（図８(A)参照）に、前記固定フレーム３０２を適用した例であって、ウォームギア１２６の回転により振動軸の軸方向に沿った駆動力を取り出すことができる。図１５(B)に示す圧電駆動装置３１０Ａは、前記実施例２の変形例の圧電駆動装置１２０Ａ（図８(B)参照）に、前記固定フレーム３０２を適用した例であって、ロータ１２２Ａの回転により、ロッド４０の大部分を覆う長さのウォームギア１２６Ａから振動軸の軸方向に沿った駆動力を取り出す構成となっている。
【実施例５】
【００４９】
次に、図１６及び図１７を参照して本発明の実施例５を説明する。図１６(A)は外観斜視図，図１６(B)は前記(A)を矢印Ｆ１６方向から見た側面図，図１６(C)は固定フレーム上面の平面図，図１６(D-1)及び(D-2)は変形例を示す斜視図及び平面図である。図１７(A)は変形例の外観斜視図，図１７(B)は前記(A)を矢印Ｆ１７方向から見た側面図である。本実施例の圧電駆動装置３５０は、固定フレーム３５２，駆動素子３０，ロッド４０，ロータ５０によって構成されており、前記固定フレーム３５２以外の構成要素は、上述した実施例１と同様となっている。前記固定フレーム３５２は、駆動素子３０を固定する底面部３５４と、一対の略平行なアーム３５６Ａ，３５６Ｂからなる上面部と、側面部３６０によって略コ字状に形成されている。言い換えれば、固定フレーム３５２の上面部を、ロータ５０の筒部５２が貫通可能な溝３５７によって、一対のアーム３５６Ａ，３５６Ｂに分割した形状となっている。
【００５０】
前記アーム３５６Ａ，３５６Ｂの略中央には、断面略半円状の湾曲部３５８Ａ，３５８Ｂが形成されており、該湾曲部３５８Ａ，３５８Ｂの中央部が前記ロータ５０のディスク部５６に接触する。このとき、図１６(C)に点線で示すように、湾曲部３５８Ａ，３５８Ｂとディスク部５６は線で接している。このような固定フレーム３５２は、前記実施例１と同様に弾性を有する材料により形成されており、前記アーム３５６Ａ，３５６Ｂは、底面部３５４よりも薄く設定されている。本実施例によれば、上面のアーム３５６Ａ，３５６Ｂの間に溝３５７が設けられているため、圧電駆動素子３５０の組立が容易となる。他の作用及び効果は、上述した実施例１と同様である。なお、図１６(D-1)及び(D-2)に示すように、一対のアーム３５６Ａ，３５６Ｂの裏面に、略半球状の突起３６２Ａ，３６２Ｂを設け、その頂部によって、図１６(D-2)に示すように、前記ロータ５０のディスク部５６と点接触して予圧をかけるようにしてもよい。
【００５１】
次に、図１７に示す変形例の圧電駆動装置３８０について説明する。圧電駆動装置３８０は、前記図１６に示す圧電駆動装置３５０に予圧調整用の補助フレーム３８２を設けた構造となっている。前記補助フレーム３８２は、底面部３８４，一対のアーム３８６Ａ及び３８６Ｂ，側面部３９０によって略Ｌ字状に形成されており、前記側面部３９０が前記固定フレーム３５２の側面部３６０と対向するように配置されている。前記一対のアーム３８６Ａ，３８６Ｂの先端には、前記固定フレーム３５２の湾曲部３５８Ａ，３５８Ｂの一部と係合する爪３８８Ａ，３８８Ｂが設けられている。このような補助フレーム３８２は、前記固定フレーム３５２と同様に弾性を有する材料によって形成してもよいし、弾性がない材料を利用してもよい。前記爪３８８Ａ，３８８Ｂが、前記固定フレーム３５２の湾曲部３５８Ａ，３５８Ｂに係合するように補助フレーム３８２を固定フレーム３５２に取り付けると、前記補助フレーム３８２によって、前記曲面部３５８Ａ，３５８Ｂがロータ５０の鍔部５６にかける予圧を調整することができる。なお、予圧の調整具合は、補助フレーム３８２のアーム３８６Ａ，３８６Ｂの高さを変えることにより任意に変更可能である。
【実施例６】
【００５２】
次に、図１８〜図２３を参照しながら、本発明の実施例６を説明する。上述した実施例１〜５では、いずれも単純な構造で、駆動しないときにもロータと鍔部の静摩擦により保持力が得られ、回転速度が高くトルクが大きい、汎用性の高い小型モータが実現できることを示した（例えば、前記図６(A)及び(B)に示す実施例１）。本実施例では、回転重視型，トルク重視型のように、必要とされるモータ駆動特性に合わせて、ステータ振動子のロッドの設計を行った例である。なお、ステータ振動子とは、上述した実施例１で示したように、圧電駆動素子にロッドを固定した構造体のことを示している。
【００５３】
本実施例では、まず、前記図９と同じ構造のステータ振動子（圧電素子３０及びロッド２１０）及び圧電駆動装置２００の特性について、図１８に示すステータ振動子の各部の寸法を、以下の表２に示す範囲内で変えた場合の相関を検討した。前記表２中、下線で示した数値は基本寸法を示しており、寸法を変える一カ所以外は、全て前記基本寸法に統一して測定を行った。
【表２】
2009136135.tif 000004
【００５４】
ステータ振動子の評価項目は、「共振周波数：ｆ０」と「電気機械結合係数：ｋｖｎ」とした。前記機械結合係数ｋｖｎは、インピーダンスの周波数特性から、前記ｆ０と反共振周波数ｆａを求めて、以下の数１式によって算出した。
【数１】
2009136135.tif 000005
【００５５】
また、モータの特性の評価項目は、「最大回転速度：Ω０」，「最大トルク：Ｔ０」，「出力密度（単位質量当たりの出力電力）：ｐ」とした。前記出力密度ｐは高いほうがよく、最大回転速度Ω０と最大トルクＴ０を求めた後、質量Ｍとして以下の数２式から算出した。
【数２】
2009136135.tif 000006
【００５６】
なお、上記表２には多数のパラメータ（ロッド２１０の先高ｈｕ，軸高ｈｓ，鍔厚ｔｖ，底板厚ｔｂ，軸半径ｒｓ，鍔半径ｒｖ，底板半径ｒｂ，圧電素子３０の幅ｗ，厚みｔｓ）を示したが、ここでは、試験結果をまとめた以下の表３に示すように、モータ特性と相関性の高いロッドの軸高ｈｓ，軸半径ｒｓ，鍔半径ｒｖについての試験結果を、図１９〜図２１に示す。図１９は軸高ｈｓ［ｍｍ］，図２０は軸半径ｒｓ［ｍｍ］，鍔半径ｒｖ［ｍｍ］についての結果を示している。また、図１９〜図２１において、(A)の縦軸左側は共振周波数ｆ０［ｋＨｚ］，右側は電気機械結合係数ｋｖｎ，(B)の縦軸左側は最大回転速度Ω０（相対値），右側は最大トルクＴ０（相対値），(C)の縦軸は出力密度ｐ（相対値）を示している。
【表３】
2009136135.tif 000007
【００５７】
まず、図１９に示すように、軸高ｈｓの結果についてみると、基本寸法（図中点線で囲った印）よりも短くすることで、トルクが大きくなっていることが分かる。また、図２０に示すように、軸半径ｒｓは、素子幅ｗの半分（素子幅ｗの基本寸法が２．５ｍｍのため、素子幅ｗの半分は１．２５ｍｍ）のところで、特性が安定していることが確認できた。更に、鍔半径ｒｖは、図２１に示すように、大きくすることで回転速度が下がり、トルクがリニアに上昇し、反対に、鍔半径ｒｖを小さくすることで回転速度が上昇し、トルクがリニアに低下する関係が成り立つことが分かった。
【００５８】
以上の結果から、前記表３に示すように、ロッド２１０の軸高ｈｓ，軸半径ｒｓ，鍔半径ｒｖがモータ特性の制御因子であり、その値を以下の表４に示す通りに設計することにより、モータ（圧電駆動装置２００）の特性を最適化するとともに、回転重視型やトルク重視型というように、モータ特性を用途に合わせて設計できることが確認された。
【表４】
2009136135.tif 000008
【００５９】
次に、前記鍔半径ｒｖ以外を上述した試験結果に基づいて下記表５に示す寸法に設計し、前記鍔半径ｒｖを変えたモータを試作して、モータ特性と鍔半径ｒｖの関係を調べた。なお、試験は、表５に示すように、前記ロッド２１０の鍔部２１６よりも先端側２１８の高さ（先高ｈｕ）を３ｍｍ（サンプルＡ），１ｍｍ（サンプルＢ）とした２種類について行った。
【表５】
2009136135.tif 000009
【００６０】
図２２及び図２３には、モータ特性と鍔半径ｒｖの関係を示す評価結果が示されている。図２２は、前記先高ｈｕが３ｍｍの場合，図２３は、先高ｈｕが１ｍｍの場合である。また、前記図２２及び図２３において、(A)の縦軸左側は共振周波数ｆ０［ｋＨｚ］，右側は電気機械結合係数ｋｖｎ，(B)の縦軸左側は最大回転速度Ω０（相対値），右側は最大トルクＴ０（相対値），(C)の縦軸は出力密度ｐ（相対値）を示している。サンプルＡ及びＢの両モータにおいて、鍔半径ｒｖにより、モータを回転速度重視型，トルク重視型と用途に着目して設計できることが確認できた。先高３ｍｍ（サンプルＡ）のモータでは、基本寸法に対して、回転速度が１．５倍，トルクが４倍に向上し、先高１ｍｍ（サンプルＢ）のモータでは、回転速度が２．３倍，トルクが４倍で、かつ、モータの全高を６．５ｍｍに下げられることが確認できた。このように、本実施例によれば、ロッド２１０の寸法を適切な値に設定することによって、汎用性が高く、駆動特性が優れ、用途に合わせて特性を制御した小型の駆動装置が提供できる。
【００６１】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例に示した材料，形状，寸法は一例であり、同様の効果を奏するように適宜変更可能である。例えば、前記実施例３の弾性体２４６にテーパを設けるようにしてもよい。
(2)前記実施例１で示した内部電極や外部電極の配置や分割数も一例であり、同様の効果を奏するように適宜設計変更可能である。例えば、前記実施例１では、４つの領域を形成することとしたが、必要に応じて更に多数の分布を形成するような構成としてもよい。
(3)積層型の駆動素子（圧電駆動素子)の積層構造や電極引き出し構造も一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。
(4)前記実施例の駆動装置は一例であり、本発明は、例えば、カメラの撮影レンズやオーバーヘッドプロジェクタなどの投影レンズ，双眼鏡のレンズ，複写機のレンズなど、光学装置におけるレンズの駆動のほか、プロッタやＸ−Ｙ駆動テーブルのような装置など、駆動部を有する装置一般に適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、圧電駆動素子の主面に一端が固定されたロッドの外周面に鍔部を設け、予圧機構によって前記鍔部に面接触するロータに予圧をかけ、１つの圧電駆動素子で前記ロッドに回転力を発生させてロータを回転駆動する構造としたので、優れた駆動特性や高い汎用性が必要とされる駆動装置の用途に好適である。特に、小型化，軽量化，薄型化が要求される超音波モータや、他の駆動装置の用途に好適である。更に、用途に合わせた特性制御が望まれる場合にも好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例１を示す図であり、(A)は外観斜視図，(B)は前記(A)を矢印Ｆ１方向から見た側面図，(C)は変形例の側面図である。
【図２】前記実施例１の分解斜視図である。
【図３】前記実施例１の駆動素子とロッドを示す図であり、(A)は斜視図，(B)は前記(A)を矢印Ｆ３から見た平面図である。
【図４】前記実施例１の駆動素子を示す図であり、(A)は積層構造を示す分解斜視図，(B)は前記(A)を＃４−＃４線に沿って切断し矢印方向に見た断面図，(C)は厚み方向の変位分布を示す模式図である。
【図５】前記実施例１の駆動素子の斜視図であり、(A-1)及び(A-2)は内部電極の引出部を示す図，(B-1)及び(B-2)は外部電極の配置を示す図である。
【図６】前記実施例１の駆動電圧を変えた場合の回転速度及びトルクの関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例２を示す図であり、(A)は斜視図，(B)は前記(A)を矢印Ｆ７方向から見た側面図，(C)は変形例を示す側面図である。
【図８】前記実施例２の変形例を示す側面図である。
【図９】本発明の実施例３を示す図であり、(A)は側面図，(B)は前記(A)を＃９−＃９線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。
【図１０】前記実施例３の変形例を示す図であり、(A)は側面図，(B)は前記(A)を＃１０−＃１０線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。
【図１１】前記実施例３の変形例を示す図であり、(A)は側面図，(B)は前記(A)を＃１１−＃１１線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。
【図１２】前記実施例３の変形例を示す図であり、(A)は側面図，(B)は前記(A)を＃１２−＃１２線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。
【図１３】前記実施例３の変形例を示す図であり、(A)は側面図，(B)は前記(A)を＃１３−＃１３線に沿って切断し矢印方向に見た断面図である。
【図１４】本発明の実施例４及びその変形例を示す側面図である。
【図１５】前記実施例４の変形例を示す側面図である。
【図１６】本発明の実施例５を示す図であり、(A)は外観斜視図，(B)は前記(A)を矢印Ｆ１６方向から見た側面図，(C)は固定フレーム上面の平面図，(D-1)及び(D-2)は変形例を示す図である。
【図１７】前記実施例５の変形例を示す図であり、(A)は外観斜視図，(B)は前記(A)を矢印Ｆ１７方向から見た側面図である。
【図１８】本発明の実施例６のステータ振動子の構造を示す図である。
【図１９】前記実施例６のステータ振動子及びモータ特性と、ロッドの軸高の関係を示す図である。
【図２０】前記実施例６のステータ振動子及びモータ特性と、ロッドの軸半径の関係を示す図である。
【図２１】前記実施例６のステータ振動子及びモータ特性と、ロッドの鍔半径の関係を示す図である。
【図２２】前記実施例６のステータ振動子及びモータ特性と、ロッドの鍔半径の関係を示す図である。
【図２３】前記実施例６のステータ振動子及びモータ特性と、ロッドの鍔半径の関係を示す図である。
【図２４】背景技術の一例を示す図である。
【図２５】背景技術の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０：圧電駆動装置（超音波モータ）
１２，１２Ａ：固定フレーム
１４，１４Ａ：底面部
１６，１６Ａ：上面部
１８，１８Ａ：側面部
２０：開口部
２２：突起
３０：圧電駆動素子（駆動素子）
３２：積層体
３４，３５，３６，３７，３８：外部電極
４０：ロッド
４２：軸部
４４：底板
４６：鍔部
４８：先端側
５０：ロータ
５２：筒部
５４：中空部
５６：ディスク部
６０，６２，６４，６６：駆動電源
７０Ａ〜７０Ｌ：圧電体
７２，７４，７６，７８，８０：引出部
１００，１００Ａ，１２０，１２０Ａ：圧電駆動装置
１０２：固定フレーム
１０４：底面部
１０６：上面部
１０８：側面部
１１０，１１０Ａ，１２２，１２２Ａ：ロータ
１１２，１１２Ａ，１２４，１２４Ａ：筒部
１１３，１１３Ａ，１１７：中空部
１１４，１１４Ａ：ピニオンギア
１１５，１２７：底面部
１１５Ａ：境界面
１１６：上端
１１８：ボール
１２６，１２６Ａ：ウォームギア
２００：圧電駆動装置
２０２：固定フレーム
２０４：底面部
２０６：側面部
２１０：ロッド
２１２：軸部
２１４：底板
２１６：鍔部
２１８：先端側
２２０：嵌合穴
２３０：ロータ
２３２：筒部
２３３：中空部
２３４：ディスク部
２３６：係合部
２３８：開口部
２４０：固定ピン
２４２：軸部
２４４：頭部
２４６：弾性体
２５０，２５０Ａ，２８０，２８０Ａ：圧電駆動装置
２５２，２５２Ａ，２８２，２８２Ａ：ロータ
２５４，２５４Ａ，２８４，２８４Ａ：筒部
２５５，２８５，２８５Ａ：係合部
２５６，２５６Ａ：ピニオンギア
２５７，２８７：底面部
２５８，２５８Ａ，２６０，２８８，２８８Ａ，２９０：中空部
２６２，２９２：境界面
２８６，２８６Ａ：ウォームギア
３００，３００Ａ，３１０，３１０Ａ：圧電駆動装置
３０２：固定フレーム
３０４：底面部
３０６：上面部
３０８：側面部
３５０：圧電駆動装置
３５２：固定フレーム
３５４：底面部
３５６Ａ，３５６Ｂ：アーム
３５７：溝
３５８Ａ，３５８Ｂ：湾曲部
３６０：側面部
３６２Ａ，３６２Ｂ：突起
３８０：圧電駆動装置
３８２：補助フレーム
３８４：底面部
３８６Ａ，３８６Ｂ：アーム
３８８Ａ，３８８Ｂ：爪
３９０：側面部
５００：圧電素子
５０２：シャフト
５０４：スライダ
５０６：レンズ
５０８：本体
６００：ステータ
６００Ａ：円柱
６００Ｂ：円形平板
６０２：ロータ
６０３：弾性体
６０４Ａ〜６０４Ｄ：積層型圧電素子
６０５Ａ〜６０５Ｄ：駆動回路
６０６：ベース
ＥＡ１，ＥＡ２，ＥＢ１，ＥＢ２，ＥＧ：内部電極
Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓ：領域
【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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