(57)【要約】【課題】装置の複雑化、高価格化を招くことなく、優れた駆動性能を安定して得ることが可能な超音波アクチュエータ、及び磁気記録装置を提供する。【解決手段】駆動信号により伸縮する圧電変位部を備えた略三角形状の振動体と、振動体の３つの頂点と加圧接触し、該振動体に対して相対移動を生じる移動体と、を有し、振動体は、圧電変位部の伸縮により伸縮変形し、１つの頂点が、該頂点と振動体の重心位置を結ぶ方向に往復運動する伸縮振動モードと、圧電変位部の伸縮により屈曲変形し、１つの前記頂点が、伸縮振動モードによる往復運動の方向と垂直な方向に往復運動する屈曲振動モードと、を有し、移動体は、伸縮振動モードと屈曲振動モードとが共振励起され、振動体の３つの頂点が同一回転方向に楕円振動を行なうことにより、振動体に対して相対移動を生じる。【選択図】図１
2009055779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号により伸縮する圧電変位部を備えた略三角形状の振動体と、
前記振動体の３つの頂点と加圧接触し、該振動体に対して相対移動を生じる移動体と、を有し、
前記振動体は、
前記圧電変位部の伸縮により伸縮変形し、
１つの前記頂点が、該頂点と前記振動体の重心位置を結ぶ方向に往復運動する伸縮振動モードと、
前記圧電変位部の伸縮により屈曲変形し、
１つの前記頂点が、前記伸縮振動モードによる往復運動の方向と垂直な方向に往復運動する屈曲振動モードと、を有し、
前記移動体は、
前記伸縮振動モードと前記屈曲振動モードとが共振励起され、前記振動体の前記３つの頂点が同一回転方向に楕円振動を行なうことにより、前記振動体に対して相対移動を生じることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電変位部は、前記振動体の前記３つの頂点にそれぞれ対応して、前記駆動信号が供給される一対のＡ相電極およびＢ相電極を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記駆動信号を生成する駆動信号生成部を有し、
前記伸縮振動モードと前記屈曲振動モードの共振周波数は同じ値であって、
前記駆動信号生成部は、周波数が前記共振周波数の近傍で且つ位相が互いに異なる２相の交流電圧を生成し、それぞれ前記Ａ相電極、前記Ｂ相電極に供給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】
前記振動体は正三角形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記移動体は円筒形状をなし、前記振動体に対して回転運動を行うものであって、
円筒形状の前記移動体の内周面は、前記振動体の前記３つの頂点に外接し、前記移動体の弾性力によって前記振動体の前記３つの頂点に加圧接触することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記振動体は、該振動体の３つの辺のそれぞれの中心近傍を保持部材によって保持され固定されることを特徴とする請求項１乃至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】
前記振動体は、該振動体の重心位置近傍を保持部材によって保持され固定されることを特徴とする請求項１乃至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８】
情報を記録する記録媒体と、
前記記録媒体に前記情報を読み書きする磁気ヘッドと、
前記磁気ヘッドを前記記録媒体に対して相対移動可能に支持するアームと、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータと、を有し、
前記アームは、前記超音波アクチュエータに設けられた前記移動体に固定されることを特徴とする磁気記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波アクチュエータ、磁気記録装置に関し、特に移動体を振動体に加圧接触させて相対移動を発生させる超音波アクチュエータ、磁気記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な移動装置に超音波アクチュエータを用いることが試みられている。超音波アクチュエータは、通常、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子を備えた振動体と、該振動体に加圧された状態で接触する被駆動体（移動体）等から構成される。超音波アクチュエータは、振動体に駆動信号を入力して振動体を伸縮運動させ、振動体の一部に楕円振動（以下、円振動を含む。）をさせることにより、振動体に加圧接触された被駆動体との間で摩擦力により相対運動を発生させるものである。
【０００３】
超音波アクチュエータは、小型、且つ静音性に優れ、また高速、高精度な位置決め制御が可能なことから、電子カメラ等の電子機器の駆動装置として利用されるようになり、その用途はさらに拡大しつつある。
【０００４】
一方、近年、電子機器の小型、高性能化が進展するに伴い、その駆動装置として用いられる超音波アクチュエータの駆動性能もより優れたものが求められるようになってきた。
【０００５】
そして、このような要求に応える為に、超音波アクチュエータの駆動効率を高める種々の検討が行われてきた。
【０００６】
例えば、正三角形の圧電振動子を備え、移動体との接触点となる１つの頂点から、対向する辺の中点を結ぶ線で電極を２分割し、接触点となる１つの頂点に楕円振動を励起して、移動体を摩擦駆動する回転駆動型の超音波アクチュエータが知られている（特許文献１参照）。また、複数の超音波振動子を用いて、ロータを保持すると伴に回転駆動する超音波モータが知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−３２２２７０号公報
【特許文献２】特開２０００−１５２６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されている圧電振動子は、縦振動とベンディング２次モードを励起・合成することにより移動体との接触点に楕円振動を励起している。しかしながら、このような振動モードによる駆動方法では、所望の楕円振動が励起されるのは接触点のみであり、他の頂点は従動的に振動し、楕円軌跡、回転方向が異なる為、移動体と接触させると駆動ロスが発生する。例えば、ロータ（移動体）の内周面を駆動する場合、１点ではロータの回転中心が定まらない為、ベアリング等のロータを保持する部材が必要となる。このため、ベアリング負荷による駆動ロスによる駆動効率の低下、構成の複雑化、高価格化を招くといった問題がある。
【０００８】
また、特許文献２に開示されている超音波モータは、複数の超音波振動子を必要とするため、構成の複雑化、高価格化を招くといった問題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、装置の複雑化、高価格化を招くことなく、優れた駆動性能を安定して得ることが可能な超音波アクチュエータ、及び磁気記録装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、下記の１乃至８のいずれか１項に記載の発明によって達成される。
【００１１】
１．駆動信号により伸縮する圧電変位部を備えた略三角形状の振動体と、
前記振動体の３つの頂点と加圧接触し、該振動体に対して相対移動を生じる移動体と、を有し、
前記振動体は、
前記圧電変位部の伸縮により伸縮変形し、
１つの前記頂点が、該頂点と前記振動体の重心位置を結ぶ方向に往復運動する伸縮振動モードと、
前記圧電変位部の伸縮により屈曲変形し、
１つの前記頂点が、前記伸縮振動モードによる往復運動の方向と垂直な方向に往復運動する屈曲振動モードと、を有し、
前記移動体は、
前記伸縮振動モードと前記屈曲振動モードとが共振励起され、前記振動体の前記３つの頂点が同一回転方向に楕円振動を行なうことにより、前記振動体に対して相対移動を生じることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【００１２】
２．前記圧電変位部は、前記振動体の前記３つの頂点にそれぞれ対応して、前記駆動信号が供給される一対のＡ相電極およびＢ相電極を有することを特徴とする前記１に記載の超音波アクチュエータ。
【００１３】
３．前記駆動信号を生成する駆動信号生成部を有し、
前記伸縮振動モードと前記屈曲振動モードの共振周波数は同じ値であって、
前記駆動信号生成部は、周波数が前記共振周波数の近傍で且つ位相が互いに異なる２相の交流電圧を生成し、それぞれ前記Ａ相電極、前記Ｂ相電極に供給することを特徴とする前記２に記載の超音波アクチュエータ。
【００１４】
４．前記振動体は正三角形状であることを特徴とする前記１乃至３のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【００１５】
５．前記移動体は円筒形状をなし、前記振動体に対して回転運動を行うものであって、
円筒形状の前記移動体の内周面は、前記振動体の前記３つの頂点に外接し、前記移動体の弾性力によって前記振動体の前記３つの頂点に加圧接触することを特徴とする前記１乃至４のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【００１６】
６．前記振動体は、該振動体の３つの辺のそれぞれの中心近傍を保持部材によって保持され固定されることを特徴とする前記１乃至５のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【００１７】
７．前記振動体は、該振動体の重心位置近傍を保持部材によって保持され固定されることを特徴とする前記１乃至５のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【００１８】
８．情報を記録する記録媒体と、
前記記録媒体に前記情報を読み書きする磁気ヘッドと、
前記磁気ヘッドを前記記録媒体に対して相対移動可能に支持するアームと、
前記１乃至７のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータと、を有し、
前記アームは、前記超音波アクチュエータに設けられた前記移動体に固定されることを特徴とする磁気記録装置。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、伸縮振動モードと屈曲振動モードとを共振励起し、移動体に加圧接触される振動体の３つの頂点に同一回転方向に楕円振動を行なわせることにより、移動体を振動体に対して相対移動させるようにした。すなわち、移動体を略三角形状の振動体の３つの頂点で保持しながら相対移動させるようにしたので、移動体の姿勢が安定し、高い精度で移動させることができる。また、振動体の３つの頂点の他に移動体を保持する箇所を必要としないため、駆動ロスが抑制され高い駆動効率を得ることができる。さらに、２つの振動モードの共振周波数は必ず一致するので、振動体の設計自由度が高く、製造時の２つの振動モードの共振周波数の誤差による性能低下がないので、ばらつきが小さく、安定した生産を行うことができる。これらにより、装置の複雑化、高価格化を招くことなく、優れた駆動性能を安定して得ることが可能な超音波アクチュエータを実現することができる。
【００２０】
また、このような構成の超音波アクチュエータを磁気記録装置のヘッドの駆動に用いることにより、ヘッドの移動精度や応答性が高まり、磁気記録装置の記録密度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下図面に基づいて、本発明に係る超音波アクチュエータ、及び磁気記録装置の実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。また、各実施の形態の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複の説明を適宜省略する。
【００２２】
〔実施形態１〕
最初に、実施形態１による超音波アクチュエータ５の構成を図１を用いて説明する。図１（ａ）は、超音波アクチュエータ５の全体構成の概要を示す正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ′断面図である。
【００２３】
超音波アクチュエータ５は、図１（ａ）に示すように、振動体１０、ロータ２０、ＦＰＣ３０、固定部材４０等から構成される。
【００２４】
振動体１０は、正三角形状をなし、正三角形の各頂点に円筒形状のロータ２０が外接している。ロータ（移動体）２０は、振動体１０に組み込まれる前は、各接触点の寸法が、振動体１０の寸法より小さく設定されており、組み込まれることにより接触部以外の部位が弾性変形して（組み込み状態で、ロータ２０は、わずかに三角形状になる）、振動体１０の各接触部には、ロータ２０により所定の押圧力が働く。
【００２５】
図１（ｂ）に示すように、ロータ２０の円周断面には、Ｖ字状の溝２０ａが形成されている。振動体１０の各頂点に設けられた後述の凸形状の３つのチップ部材１０３がロータ２０のＶ字状の溝２０ａに嵌まり込むため、スラスト方向への揺動が規制され、ロータ２０は高精度に回転を行うことができる。
【００２６】
振動体１０は、後述するように振動の比較的小さい各辺の中央付近を、固定部材４０に設けられた３つの固定ピン（保持部材）４０１により保持される。保持は、圧入、または接着により行う。また、振動体１０の各辺の中央付近に切り欠きを設けて固定ピン４０１により保持することにより、固定部材４０に対する位置決めを行うようにしてもよい。固定部材４０を例えば、後述の磁気記録装置の筐体やフレームに固定することにより、超音波アクチュエータ５は位置決めされる。
【００２７】
図２に振動体１０の別例による固定方法を示す。図２（ａ）は、振動体１０の概要を示す正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ′断面図である。
【００２８】
図２（ｂ）に示すように、振動体１０の重心位置に貫通穴１０ａを設け、ネジ（保持部材）４０３等を用いて固定してもよい。重心位置は、振動の節に当たるので、固定による振動への影響を最小限に抑えることができる。
【００２９】
ロータ２０の材料には、弾性の大きな材料が好ましく、ステンレス等の金属材料を用いる。また、磨耗を防ぐため、表面には、窒化処理などの硬化処理を行う。また、ＣｒＮやＴｉＣＮ等のセラミックコーティングを行ってもよい。
【００３０】
振動体１０には、ＦＰＣ（フレキシブルプリント配線板）３０が接続され、図示しない後述の駆動信号生成部７から、ＦＰＣ３０を介して、所定の駆動信号が入力される。
【００３１】
振動体１０に駆動信号が入力されると、振動体１０の各頂点に設けられた後述の３つのチップ部材１０３に、それぞれ同じ方向に回転する高周波の楕円振動が発生する。チップ部材１０３には、ロータ２０が所定の押圧力で接しているため、摩擦力によって、ロータ２０が回転を行う。図１（ａ）において、各頂点が時計回りに楕円振動を行う場合は、ロータ２０も時計方向に回転し、各頂点が反時計回りに楕円振動を行う場合は、ロータ２０も反時計方向に回転する。尚、楕円振動の大きさを変えることにより、速度やトルクを変化させることができる。
【００３２】
ロータ２０は、正三角形状の振動体１０の頂点に設けられた３つのチップ部材１０３により保持されるので、ラジアル方向の姿勢安定性が非常に高く、且つ、スラスト方向にはＶ字状の溝２０ａにより揺動を規制されているので、芯振れ等がなく非常に高精度に回転が可能である。また、ガタがないので、剛性が高く、モータの応答性を高めることができる。また、振動体１０の３つの頂点の他にロータ２０を保持する箇所を必要としないため、駆動ロスが抑制され高い駆動効率を得ることができる。
【００３３】
次に、振動体１０の構成を図３を用いて説明する。図３（ａ）は、振動体１０の構成を示す正面図、図３（ｂ）は、側面図、図３（ｃ）は、裏面図である。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、振動体１０は、ロータ２０に当接する３つのチップ部材（当接部材）１０３と正三角形の頂点に平面部が形成された圧電部材１０１から構成される。チップ部材１０３は、圧電部材１０１に接着により結合される。接着には、接着強度が高く、剛性の高いエポキシ系接着剤を用いる。
【００３５】
チップ部材１０３の材料には、磨耗を防ぐため、硬度の高い、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス、あるいは超硬合金等を用いる。
【００３６】
圧電部材１０１は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電特性を示す圧電材料からなり、圧電部材ａ面には駆動用電極、ｂ面には共通薄膜電極（ＧＮＤ電極）１０１ｃが形成される。電極は、銀や銀パラジウムからなり、蒸着等により形成される。駆動用電極は、図３（ａ）に示すように、振動体１０の各頂点から対向する辺へ下ろした各垂線で分割される形状（６分割）で、各頂点に一対のＡ相電極領域、Ｂ相電極領域を有し、各Ａ相電極１０１ａ、各Ｂ相電極１０１ｂが、ＦＰＣ３０を介してそれぞれ共通接続されている。ＦＰＣ３０は、後述する振動の節である三角形重心位置付近で接続することにより振動への影響を最小限に抑えることができる。尚、接続には、ハンダ、または導電性接着剤等を用いる。
【００３７】
次に、このような構成の超音波アクチュエータ５の駆動方法について説明する。駆動方法の基本は、ロータ２０を回転させる為の共振を用いた楕円振動駆動である。共振を用いることにより振動体１０の各頂点に楕円振動を励起して駆動する方法であり、振幅を数十倍に拡大でき、低電圧で効率的に大きな楕円振動を得ることができる。以下に、その原理と駆動特性について説明する。
【００３８】
（固有モード）
最初に固有モードについて図４を用いて説明する。振動体１０の各頂点に同一回転方向の楕円振動を励起するために、本実施形態では、図４に示す２つの固有モードを用いる。図４（ａ）は、伸縮振動モード、図４（ｂ）は、屈曲振動モードによる振動体１０の変形の様子を示す模式図である。伸縮振動モードは、振動体１０が紙面の上下方向に伸縮変形し、頂点１０ｐが、頂点１０ｐと重心位置Ｇを結ぶ方向に往復運動を行う。屈曲振動モードは、頂点１０ｐ付近が屈曲変形し、頂点１０ｐが、伸縮振動モードによる往復運動方向と垂直な方向に往復運動を行う。図４は、頂点１０ｐの変形について示したモードであるが、本振動体１０は、重心Ｇの位置に対して回転対称形であるため、これらのモードは、各頂点について励起することが可能である。
【００３９】
さらに、各頂点のＡ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂに、同位相、または逆位相の共振周波数と一致する駆動信号を入力することにより、各頂点１０ｐ、１０ｑ、１０ｒに同時に伸縮振動モード、または屈曲振動モードを励起することが可能である。この場合の振動体１０の変形の様子を図１１に示す。図１１（ａ）は、３つの頂点に伸縮振動モード、図１１（ｂ）は、３つの頂点に屈曲振動モードを励起した場合の振動体１０の変形の様子を示す模式図である。伸縮振動モードでは、振動体１０の重心位置Ｇを振動の節とし、各頂点を含む３分割された領域が伸縮変形し、各頂点が同位相で放射状に往復運動を行う。屈曲振動モードでは、振動体１０の重心位置Ｇを振動の節とし、各頂点を含む３分割された領域が屈曲変形し、各頂点が同位相で重心位置Ｇを中心とする振動体１０の外接円の円周の接線方向に往復運動を行う。伸縮振動モード、屈曲振動モードいずれも、重心Ｇの位置が振動の節となるとともに、三辺の中心位置は、比較的振動が小さくなるので、その付近を固定することにより、楕円振動への影響を抑えることができる。
【００４０】
また、前述の２の固有モードの共振周波数は、チップ部材１０３の質量や大きさ、重心位置の穴径、振動体１０の固定状態などによらず、常に一致することが、シミュレーションにより確認できる。これにより、チップ部材１０３や振動体１０の固定方法などの設計自由度が高く、製造時の固有モード間の共振周波数のズレによる性能低下がないので、ばらつきが小さく、非常に安定した製造を行うことができる。
【００４１】
（位相差駆動方法）
図１２、図１３を用いて位相差駆動方法を説明する。図１２は、駆動信号生成部７の一例を示すブロック図、図１３は、駆動信号ＶＡ、ＶＢの一例を示す図である。
【００４２】
最初に、駆動信号生成部７の構成を図１２を用いて説明する。駆動信号生成部７は、図１２に示すように、制御部７１、発振部７２、位相変更部７３、及び増幅部７４等から構成される。
【００４３】
発振部７２は、駆動信号ＶＡ、ＶＢの基本となる所定の周波数の信号を発振する発振器である。
【００４４】
位相変更部７３は、発振部７２からの信号の位相を調整し、位相が異なる２つの信号を生成する。
【００４５】
増幅部７４は、位相変更部７３で生成された信号を増幅して駆動信号ＶＡ、ＶＢを生成し、振動体１０の各Ａ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂに印加する。
【００４６】
制御部７１は、超音波アクチュエータ５に設けられたロータ２０の回転速度を検出する速度検出器７５等の出力に基づきロータ２０の駆動状況を検知し、発振部７２、位相変更部７３、及び増幅部７４を制御し、駆動信号ＶＡ、ＶＢの周波数、位相差、振幅を調整することにより、駆動特性（速度、トルク等）を制御する。
【００４７】
次に、位相差駆動方法を説明する。各頂点のＡ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂに、例えば図１３に示すような位相の９０°ずれた固有モードの共振周波数と一致する周波数の駆動信号ＶＡ、ＶＢを入力することにより、２つの固有モードが励起・合成され、振動体１０の各頂点に同じ回転方向の楕円振動が生成される。駆動信号ＶＡ、ＶＢの位相を反転させることにより、楕円振動の回転方向が逆転する。また、駆動信号ＶＡ、ＶＢの振幅や位相を変化させることにより、楕円振動の軌跡形状や大きさを変えることができる。
【００４８】
楕円軌跡径は、振幅（電圧）に比例して変化する。また、駆動信号ＶＡ、ＶＢの位相差を変化させることにより、楕円形状を変化させることができる。図５は、駆動信号ＶＡ、ＶＢの位相差に対する楕円軌跡の変化の様子を示す模式図である。図５（ａ）は、駆動信号ＶＡとＶＢの位相差が４５°、図５（ｂ）は、９０°、図５（ｃ）は、１３５°の場合を示す。位相差が小さくなると、ロータ２０との接触点における法線方向Ｎの楕円径が大きくなり、位相差が大きくなると、接線方向Ｔの径が大きくなる。楕円軌跡形状を変化させることによって、後述するように、駆動特性を変化させることができるので、速度制御や位置制御に応用することができる。また、２相の駆動信号ＶＡ、ＶＢで駆動する位相差駆動を行うことにより、低電圧で駆動できると伴に、位相差による駆動制御が可能である。
【００４９】
（他の駆動方法）
図１４、図１５を用いて別例による駆動方法を説明する。図１４は、駆動信号生成部７の別例を示すブロック図、図１５は、駆動信号ＶＡ、ＶＢの別例を示す図である。
【００５０】
最初に、駆動信号生成部７の構成を図１４を用いて説明する。本実施形態による駆動信号生成部７は、図１４に示すように、位相変更部７３、及び増幅部７４の構成が前述の図１２に示した駆動信号生成部７の場合と異なり、その他の要部構成は同様である。
【００５１】
本実施形態による位相変更部７３は、発振部７２からの信号の位相を調整し、位相が異なる２つの信号を一対とし、対ごとに位相の異なる３対の信号を生成する。
【００５２】
増幅部７４は、位相変更部７３で生成された３対の信号を増幅して駆動信号ＶＡｐ、ＶＢｐ、ＶＡｑ、ＶＢｑ、ＶＡｒ、ＶＢｒを生成し、それぞれ振動体１０の各頂点１０ｐ、１０ｑ、１０ｒに対応するＡ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂに印加する。
【００５３】
振動体１０の各頂点のＡ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂどうしを共通接続せずに、それぞれ独立に駆動信号を入力できるようにＦＰＣ３０や駆動信号生成部７等をこのように構成することにより、３つの頂点を選択的あるいは位相をずらして駆動することもできる。
【００５４】
例えば、頂点１０ｐのＡ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂのみに駆動信号ＶＡｐ、ＶＢｐを入力し、１つの頂点１０ｐのみを駆動することにより、駆動特性を下げて低速、低消費電力で駆動することができる。
【００５５】
また、各頂点１０ｐ、１０ｑ、１０ｒの各電極に、図１５に示すような位相の１２０°ずつずれた３対の駆動信号ＶＡｐ、ＶＢｐ、ＶＡｑ、ＶＢｑ、ＶＡｒ、ＶＢｒを入力することにより、各頂点の楕円振動の位相を１２０°ずつずらすことができる。チップ部材１０３は、楕円振動により、ロータ２０と接触・離脱を繰り返すが、３つの頂点の位相差が０°の場合は、接触・離脱を同時に行い、チップ部材１０３が離脱している間、ロータ２０は空走しながら若干の減速を生じ、チップ部材１０３が接触すると加速するという微小な加減速を繰り返す。３つの頂点のチップ部材１０３の楕円振動の位相をずらすことによって、接触・離脱のタイミングがずれて、常にいずれかのチップ部材１０３がロータ２０と接触し駆動力を与えられる。従って、微小な加減速が無くなり、駆動安定性が向上する。
【００５６】
（楕円軌跡と駆動性能）
ここで、楕円軌道と駆動性能の関係について前述の図５を用いて説明する。チップ部材１０３に生じる楕円振動を、ロータ２０の接線方向Ｔと法線方向Ｎに分解した場合、ロータ２０の速度は、チップ部材１０３の楕円運動の方向Ｔの速度によって決まるため、楕円軌跡の方向Ｔの径Ｒｔと駆動周波数で決まり、Ｒｔが大きいほど速度が大きくなる。一方、駆動力は、加圧力と接触点の摩擦係数の積で決まるが、楕円軌跡の法線方向Ｎの径Ｒｎも関係する。これは、楕円軌跡の加圧方向の径Ｒｎに対して、加圧力が相対的に低い場合は、チップ部材１０３はロータ２０に対して接触、離脱を繰り返しながら、接触中に摩擦力により駆動を行うが、径Ｒｎに対してか圧力が相対的に大きくなると、ロータ２０や接触部表面の弾性変形や加圧力を受ける構造部材の弾性変形により、常時接触した状態で楕円振動を行うことになる。この状態では、チップ部材１０３が振動周期中の反駆動方向への移動時にも摩擦力が働きブレーキとなるため、加圧力を上げてもＲｎで決まる値以上の駆動力は発生しない。また、このような状態での駆動においては、速度ムラや再現性などの駆動状態が不安定になり、また、異音が発生する等の不具合が起きる場合もある。従って、楕円軌跡の加圧方向の径Ｒｎが大きいほど駆動力は大きくなり、安定した駆動が可能となる。
【００５７】
従って、図５（ａ）に示す楕円軌跡は、低速高トルク特性、図５（ｃ）に示す楕円軌跡は、高速低トルク特性となり、駆動信号ＶＡ、ＶＢの位相差を変化させることにより、駆動性能を制御することができ、等速制御や位置決め制御等の高精度な駆動を行うことができる。
【００５８】
（ＤＣ駆動）
次に、ＤＣ駆動について説明する。ＤＣ駆動は、ロータ２０を微小に揺動動作させるための駆動方法で、非常に高精度な位置決めが要求される場合に用いられ、ｎｍオーダーの位置決め分解能が得られる。前述の共振駆動により粗動（高速、広回転角駆動）を行った後、ＤＣ駆動により微動を行うことにより、広範囲、高速駆動、高精度位置決めが可能な駆動システムを実現できる。
【００５９】
駆動方法としては、Ａ相電極１０１ａにのみ直流電圧を印加することにより、振動体１０の各頂点を含む３等分した領域が、図４（ｂ）に示すように、ＣＣＷ方向に屈曲し、チップ部材１０３の先端がＣＣＷ方向に倒れる。チップ部材１０３に摩擦接触したロータ２０は、摩擦力により同じ量だけ移動（回転）を行い、電圧印加を停止すると、元の状態に戻る。同様に、Ｂ相電極１０１ｂにのみ直流電圧を印加することにより、ロータ２０をＣＷ方向に微少量移動することができる。また、Ａ相電極１０１ａに直流電圧印加時、Ｂ相電極１０１ｂにマイナス電圧を印加することにより、振動体１０の屈曲量が大きくなり、ロータ２０の回転量を大きくすることができる。
【００６０】
次に、このような構成の超音波アクチュエータ５を磁気記録ヘッドの駆動に用いた磁気記録装置の実施の形態について説明する。
【００６１】
従来の磁気記録装置（以下、ＨＤＤと記する）の磁気記録ヘッド（以下、ヘッドと略称する）の駆動に用いられるアクチュエータは、ヘッドが取り付けられたアームをピボットベアリングで回転支持する構成で、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）を用いて駆動を行っている。ＨＤＤのヘッドを駆動する場合、高速で回転するディスク上のトラックのうねり等に追従しながら位置決め制御を行う必要があり、アクチュエータには、非常に高い応答性と分解能が要求される。応答性が上がることにより、記録密度が高まるので、ＨＤＤの記録容量を増加させることができる。
【００６２】
しかしながら、従来のアクチュエータの構成は、ベアリングを使用しているため、揺動動作の周波数を上げていくと、ベアリングガタに起因する不要な振動が励起され、その共振周波数以上に応答性を上げられないという問題がある。本実施形態による超音波アクチュエータ５をＨＤＤのヘッドの駆動に用いることにより、このような課題に対応することができる。
【００６３】
図６に、本発明の実施形態に係るＨＤＤ１Ａの概略構成を示す。ＨＤＤ１Ａは、記録用のディスク（記録媒体）２、超音波アクチュエータ５により矢印Ａの方向（トラッキング方向）に回転可能に設けられたアーム４、アーム４の先端に取り付けられたヘッド３、及びディスク２を矢印Ｂの方向に回転させる図示しないモータ等を筐体１の中に備えており、ヘッド３がディスク２に対して相対的に移動しうるように構成されている。
【００６４】
超音波アクチュエータ５は、前述のように、ロータ２０の弾性で振動体１０を保持しながら回転駆動するガタのない構成であり、また、振動体１０の正三角形の各頂点でロータ２０を保持できるので非常に保持安定性が高い。従って、超音波アクチュエータ５の共振周波数を高くすることができ、従来の場合に比べて、非常に高い応答性を得ることができる。
【００６５】
また、ディスク２上の記録領域は、アーム４の駆動角度にして約３０°程度ある一方、トラックのうねりは、数ｎｍ〜数十μｍであり、広範囲を高速駆動しながら、非常に高精度、高応答の位置決め性が要求される。本実施形態による超音波アクチュエータ５では、前述の共振駆動による粗動とＤＣ駆動による微動を組み合わせることにより、これらの要求に応えることができ、さらに、非常に簡単な構成であるため、生産性を高め、製造コストを低減できる。
【００６６】
〔実施形態２〕
実施形態２による振動体１０を図７に示す。図７（ａ）は、実施形態２による振動体１０の構成を示す正面図、図７（ｂ）は、側面図、図７（ｃ）は、第１内部電極層１０１ｎ１、図７（ｄ）は、第２内部電極層１０１ｎ２の構成を示す図である。
【００６７】
実施形態１による圧電部材１０１は、前述のように、単一の圧電セラミックスであるが、実施形態２の場合は、積層構造を有するものである。
【００６８】
図７（ｂ）に示すように、圧電部材１０１は、圧電セラミックス薄板（以下、圧電薄板と称する）１０１ｈと第１内部電極層１０１ｎ１、第２内部電極層１０１ｎ２が交互に積層されている。第１内部電極層１０１ｎ１、第２内部電極層１０１ｎ２は、図７（ｃ）、図７（ｄ）に示すように、実施形態１の場合の駆動用電極と同様に、振動体１０の各頂点から対向する辺へ下ろした各垂線で分割される形状（６分割）で、各頂点に一対のＡ相電極領域、Ｂ相電極領域を有し、それぞれＡ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂが設けられている。
【００６９】
振動体１０の側面には、図７（ｂ）に示すように、外部電極１０１ｇａ、１０１ｇｂが設けられ、端面に突出した内部電極（Ａ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂ）と接続されることにより、内部電極は、１層おきに共通接続される。この場合、側面の外部電極１０１ｇａ、１０１０ｇｂにリード線等を用いて、駆動信号生成部との接続を行う。
【００７０】
実施形態２による圧電部材１０１は、積層構造であるため、実施形態１の場合と比較して、低電圧で同じ振幅が得られる。従って、昇圧回路等が不要となり、駆動回路が簡略化され、携帯機器など電池駆動機器等への応用に好適である。尚、駆動方法は、実施形態１の場合と同様である。
【００７１】
〔実施形態３〕
実施形態３による振動体１０を図８に示す。図８（ａ）は、実施形態３による振動体１０の構成を示す正面図、図８（ｂ）は、側面図、図８（ｃ）は、裏面図である。
【００７２】
図８（ｂ）に示すように、実施形態３による振動体１０は、薄板状の振動板１０１ｓの両面に圧電薄板１０１ｈが貼り付けられた構成である。
【００７３】
振動板１０１ｓは、金属で構成されている。圧電薄板１０１ｈは、導電性接着剤を用いて振動板１０１ｓに貼り付けられることにより、金属の振動板１０１ｓと導通し、振動板１０１ｓを共通電極（ＧＮＤ電極）とすることができる。圧電薄板１０１ｈの他方の面には、実施形態１の場合と同様に駆動用電極（Ａ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂ）が構成される。図示しないＦＰＣ３０は、２面の駆動用電極と、振動体１０を保持する図示しない固定ピン４０１を通じて導通する固定部材４０に接続される。このような構成においては、チップ部材を新たに設ける必要がなく、金属の振動板１０１ｓに耐摩耗性材料や表面処理を施すことにより、チップ部材を兼用することができる。振動板１０１ｓの材料には、安価で製造しやすいステンレスに窒化処理などの表面硬化処理を施したものや、超硬合金などを用いる。
【００７４】
実施形態３の場合は、圧電薄板１０１ｈの加振力によって振動板１０１ｓが共振することにより、振動体１０の各頂点に楕円振動が生じる。通常、圧電セラミックスよりも、金属のほうがＱ値が高いため、振動時の損失が小さく、振動体１０の発熱を抑えられると伴に、駆動効率を高めることができる。また、非常に薄く構成することが可能であり、圧電部材１０１の体積を比較的小さくできるため、コストを低減することができ、携帯機器などへの応用に好適である。
【００７５】
〔実施形態４〕
実施形態４による振動体１０を図９に示す。図９（ａ）は、実施形態４による振動体１０の構成を示す正面図、図９（ｂ）、図９（ｄ）は、側面図、図９（ｃ）は、底面図である。
【００７６】
図９（ａ）に示すように、実施形態４による振動体１０は、金属弾性体１０５の各辺に圧電薄板１０１ｈが貼り付けたられた構成である。各辺の圧電薄板１０１ｈを２分割し、実施形態１乃至実施形態３の場合と同様に、各頂点に駆動用電極（Ａ相電極１０１ａ、Ｂ相電極１０１ｂ）が設けられている。圧電薄板１０１ｈは、導電性接着剤を用いて金属弾性体１０５に貼り付けられることにより、金属弾性体１０５と導通し、金属弾性体１０５を共通電極（ＧＮＤ電極）とすることができる。また、この場合、振動体１０は、重心位置に貫通穴１０ａを設け、図示しない固定ピン４０１を介して固定部材４０に固定される。
【００７７】
金属弾性体１０５の材料には、実施形態３の場合と同様に、ステンレスに窒化処理などの表面硬化処理を施したものや、超硬合金などを用いる。
【００７８】
実施形態３の場合と同様に、圧電薄板１０１ｈの加振力によって金属弾性体１０５が共振することにより、振動体１０の各頂点に楕円振動が生じる。この場合も、振動時の損失が小さいため、振動体の発熱を抑えられると伴に、駆動効率を高めることができる。
【００７９】
〔実施形態５〕
実施形態５による振動体１０を図１０に示す。図１０（ａ）は、実施形態５による振動体１０の構成を示す正面図、図１０（ｂ）は、側面図、図１０（ｃ）は、裏面図である。
【００８０】
図１０（ａ）に示すように、実施形態５による振動体１０は、実施形態１の場合の変形例であり、振動体１０の各辺の中心付近がくびれた形状に形成されている。このような形状にすることにより、屈曲振動モードが励起されやすく、前述の接線方向Ｔの振幅を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施形態１による超音波アクチュエータの全体構成図である。
【図２】実施形態１による振動体の固定方法を示す図である。
【図３】実施形態１による振動体の構成を示す図である。
【図４】実施形態１による振動体の固有モードにおける変形の様子を示す図である。
【図５】駆動信号の位相差に対する楕円軌跡の変化の様子を示す模式図である。
【図６】本発明の実施形態による磁気記録装置の概略を示す全体構成図である。
【図７】本発明の実施形態２による振動体の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態３による振動体の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施形態４による振動体の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態５による振動体の構成を示す図である。
【図１１】実施形態１による振動体の別例による固有モードにおける変形の様子を示す図である。
【図１２】駆動信号生成部の一例を示すブロック図である。
【図１３】駆動信号の一例を示す図である。
【図１４】駆動信号生成部の別例を示すブロック図である。
【図１５】駆動信号の別例を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１Ａ  磁気記録装置（ＨＤＤ）
１  筐体
２  ディスク
３  ヘッド
４  アーム
５  超音波アクチュエータ
１０  振動体
１０ａ  貫通穴
１０ｐ、１０ｑ、１０ｒ  頂点
１０１  圧電部材
１０１ａ  Ａ相電極
１０１ｂ  Ｂ相電極
１０１ｃ  共通電極
１０１ｇａ、１０１ｇｂ  外部電極
１０１ｈ  圧電セラミックス薄板（圧電薄膜）
１０１ｎ１  第１内部電極層
１０１ｎ２  第２内部電極層
１０１ｓ  振動版
１０３  チップ部材
１０５  金属弾性体
２０  ロータ（移動体）
３０  ＦＰＣ（フレキシブルプリント配線板）
４０  固定部材
４０１  固定ピン
４０３  ネジ
４０５  接着剤
７  駆動信号生成部
７１  制御部
７２  発振部
７３  位相変更部
７４  増幅部
７５  速度検出部
【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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