JP5201873B2

JP5201873B2 - 駆動装置

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Publication number: JP5201873B2
Application number: JP2007122574A
Authority: JP
Inventors: 賢東陰地; 秀明向江; 祐介足立; 英一長岡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-05-07
Also published as: US20080278037A1; JP2008278720A; US7679265B2

Description

本発明は、振動型アクチュエータによって可動体を固定体に対して相対的に移動させる駆動装置に関するものである。

従来より、振動型アクチュエータを備えた駆動装置は知られている。例えば、超音波モータや微小ステップで移動する装置などで利用されている。

かかる駆動装置においては、可動体を単に移動させるだけでなく、可動体の位置制御を行う必要がある。例えば、特許文献１に開示された駆動装置では、位置検出センサとしての光学式リニアエンコーダを別途備え、該光学式リニアエンコーダによって可動体の現在位置を検出すると共に、その現在位置に基づいて振動型アクチュエータへの駆動信号を制御している。
特開２００２−３７４６８６号公報

しかしながら、位置検出センサを別途設ける構成は、駆動装置のコストを増大させると共に、サイズを大きくしてしまう。例えば、可動体の移動範囲の全域に亘ってスケール等を配置することが必要な位置検出センサでは、サイズの大型化が特に問題となる。振動型アクチュエータは小形のものも多く、そのような場合にも、位置検出センサによるサイズの増大が問題となる。そのため、簡便な構成で且つコストパフォーマンスが優れた、位置を検出するための構成が要望される。

そこで、圧電素子への給電時間又は駆動周波数を目安に可動体の位置を算出することも考えられる。しかし、この方法では駆動子そのものの動作は推定できても、駆動子と可動体との間には滑り等が存在し、駆動子が出力する駆動力の全てが可動体に伝達するわけではないため、可動体の位置を高精度に推定することは困難である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可動体の位置検出を簡易な構成で実現することにある。

本発明は、固定体と、該固定体に対して相対的に移動可能な可動体と、圧電素子を用いて構成され該可動体を移動させる振動型アクチュエータと、該圧電素子に給電することによって振動型アクチュエータを制御する制御部とを備えた駆動装置が対象である。そして、前記振動型アクチュエータは、前記可動体及び前記固定体のうちの一方に接触する駆動子を有すると共に、該可動体及び固定体のうちの他方に取り付けられており、前記可動体及び固定体のうちの一方における前記駆動子が接触する面には、凹凸部が形成されており、前記制御部は、前記駆動子の接触圧力の変化に基づいて前記可動体の位置を検出するようにしたものである。

本発明によれば、振動型アクチュエータの駆動子が接触する、固定体及び可動体のうちの一方に凹凸部を形成することによって、駆動子が可動体を駆動する際の該駆動子の接触圧力が変化するため、該駆動子の圧力変化に基づいて可動体の位置を検出することができ、その結果、位置検出センサを別途設けることなく、簡易な構成で可動体の位置を検出することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１に係る駆動装置１は、図１、２に示すように、ステージ１１と、超音波アクチュエータ２と、該超音波アクチュエータ２を駆動制御する制御装置７とを備えている。

ステージ１１は、互いに平行な状態で固定体としての基台（図示省略）上に固定されたガイド１３，１３に摺動可能に取り付けられている。つまり、ステージ１１は、ガイド１３，１３が延びる方向に沿って移動可能に構成されている（これらガイド１３，１３の延びる方向がステージ１１の可動方向に相当する）。このステージ１１は、平面視略方形の板状部材である。そして、前記超音波アクチュエータ２は、このステージ１１の裏面（ガイド１３，１３が設けられている側の面）に後述する駆動子４９，４９が接触するように配設されている。このステージ１１が可動体を構成し、基台及びガイド１３が固定体を構成する。

前記超音波アクチュエータ２は、図３に示すように、振動を発生させるアクチュエータ本体４と、該アクチュエータ本体４の駆動力をステージ１１に伝達させる駆動子４９，４９と、該アクチュエータ本体４を収容するケース５と、アクチュエータ本体４とケース５との間に介設されてアクチュエータ本体４を弾性的に支持する支持ゴム６１，６１と、アクチュエータ本体４を前記ステージ１１に付勢するための付勢ゴム６２とを備えている。この超音波アクチュエータ２が振動型アクチュエータを構成する。

前記アクチュエータ本体４は、圧電素子ユニット４０で構成されている。

前記圧電素子ユニット４０は、略長方形状の互いに対向する一対の主面と、この主面と直交して該主面の長手方向に延びる、互いに対向する一対の長辺側面と、これら主面及び長辺側面の両方と直交して該主面の短手方向に延びる、互いに対向する一対の短辺側面とを有する略直方体状をしている。

この圧電素子ユニット４０は、図４に示すように、５つの圧電体層（圧電素子）４１，４１，…と４つの内部電極層４２，４４，４３，４４とを交互に積層して構成される。内部電極層４２，４４，４３，４４は、積層方向に圧電体層４１を介して交互に配された、第１プラス側電極層４２と共通マイナス側電極層４４と第２プラス側電極層４３と共通マイナス側電極層４４とで構成される。これら第１プラス側電極層４２、第２プラス側電極層４３及び共通マイナス側電極層４４，４４のそれぞれは、各圧電体層４１の主面上に印刷されている。

前記各圧電体層４１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛などのセラミック材料からなる絶縁体層であって、前記圧電素子ユニット４０と同様に、一対の主面と、一対の長辺側面と、一対の短辺側面とを有する略直方体状をしている。また、各圧電体層４１には、その長辺側面のうち一方の長辺側面の長手方向中央部に外部電極４８ａが、一方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極４６ａが、他方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極４７ａがそれぞれ形成されている。

前記各共通マイナス側電極層４４は、圧電体層４１の主面の略全面に亘って設けられた略長方形状をしている。また、各共通電極層４４の一方の長辺部には、その長手方向中央部から圧電体層４１の前記外部電極４８ａまで延びる引出電極４４ｄが形成されている。

前記第１プラス側電極層４２は、図５に示すように、圧電体層４１の主面をその長手方向及び短手方向にそれぞれ２等分してなる４つの領域のうち該主面の対角線方向に位置する２対の領域のうち一方の対の領域にそれぞれ形成された一対の第１電極４２ａ，４２ｂと、これら第１電極４２ａ，４２ｂを連結して導通させる導通電極４２ｃとを有する。各第１電極４２ａ（４２ｂ）は略矩形状の電極であり、積層方向に見て共通マイナス側電極層４４と重なっている。つまり、各第１電極４２ａ（４２ｂ）は、圧電体層４１を挟んで共通マイナス側電極層４４と対向している。また、第１電極４２ａ，４２ｂのうちの一方の第１電極４２ａには、圧電体層４１の前記外部電極４６ａまで延びる引出電極４２ｄが設けられている。

一方、前記第２プラス側電極層４３は、圧電体層４１の主面の対角線方向に位置する前記２対の領域のうち他方の対の領域にそれぞれ形成された一対の第２電極４３ａ，４３ｂと、これら第２電極４３ａ，４３ｂを連結して導通させる導通電極４３ｃとを有する。前記他方の対の領域のうち積層方向に見て前記第１電極４２ａの前記短手方向且つ前記第１電極４２ｂの前記長手方向に隣接する領域に設けられる電極が第２電極４３ａであり、第１電極４２ａの該長手方向且つ第１電極４２ｂの該短手方向に隣接する領域に設けられる電極が第２電極４３ｂである。各第２電極４３ａ（４３ｂ）は略矩形状の電極であり、積層方向に見て共通マイナス側電極層４４と重なっている。つまり、各第２電極４３ａ（４３ｂ）は、圧電体層４１を挟んで共通マイナス側電極層４４と対向している。また、第２電極４３ａ，４３ｂのうちの一方の第２電極４３ｂには、圧電体層４１の前記外部電極４７ａまで延びる引出電極４３ｄが設けられている。

これら圧電体層４１，４１，…と内部電極層４２，４４，４３，４４とを交互に積層することで構成された圧電素子ユニット４０においては、その一方の長辺側面の前記長手方向両端部に、各圧電体層４１の外部電極４８ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極４８が形成されている。この外部電極４８には、前記共通マイナス側電極層４４，４４に形成された引出電極４４ｄ，４４ｄが電気的に接続されている。同様に、圧電素子ユニット４０の一方の短辺側面の前記短手方向中央部には、各圧電体層４１の外部電極４６ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極４６が形成されている。この外部電極４６には、前記第１プラス側電極層４２の引出電極４２ｄが電気的に接続されている。また、圧電素子ユニット４０の他方の短辺側面の前記短手方向中央部には、各圧電体層４１の外部電極４７ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極４７が形成されている。この外部電極４７には、前記第２プラス側電極層４３の引出電極４３ｄが電気的に接続されている。

そして、圧電素子ユニット４０の長辺側面のうち他方の長辺側面、即ち、前記外部電極４８が設けられていない側の長辺側面には、前記駆動子４９，４９が前記長手方向に互いに間隔を空けて設けられている。駆動子４９，４９は、該長手方向において、該長辺側面の全長の３０〜３５％距離だけその長手方向両端部から内側に入った位置に配設されている。この位置は、後述する圧電素子ユニット４０の屈曲振動の２次モードの腹の位置であって、振動が最も大きくなる位置である。これら駆動子４９，４９は、少なくともステージ１１との接触部分が円周側面に形成された柱状部材（詳しくは、断面半円形状の柱状部材と断面矩形の柱状部材とを結合した形状）であって、セラミック等の硬質部材で形成されている。また、これら駆動子４９，４９は、その長手方向が圧電素子ユニット４０の厚み方向（即ち、積層方向）を向いており、各駆動子４９の長手方向中心部が圧電素子ユニット４０の厚み方向中心部に一致するように配設されている。

前記外部電極４８をグランドに接続し、前記外部電極４６に所定周波数の交流電圧を、前記外部電極４７に該交流電圧と位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、圧電体層４１の主面の対角線方向に位置する一方の対の第１電極４２ａ，４２ｂと、他方の対の第２電極４３ａ，４３ｂとに互いに位相が９０°ずれた交流電圧が印加され、圧電素子ユニット４０、即ち、アクチュエータ本体４には、その長手方向への縦振動（いわゆる、伸縮振動）とその短手方向への屈曲振動（いわゆる、横振動）とが誘起される。

縦振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数はそれぞれ、アクチュエータ本体４、即ち、圧電素子ユニット４０の材料、形状等により決定される。さらに、両共振周波数は、アクチュエータ本体４を支持する力及び支持する部分によっても影響を受ける。これらを考慮して、両共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の交流電圧を位相を９０°ずらした状態で外部電極４６，４７のそれぞれに印加する。例えば、縦振動の１次モード（図６参照）の共振周波数と屈曲振動の２次モード（図７参照）の共振周波数とが一致するように圧電素子ユニット４０の形状等を設計して、該共振周波数近傍の交流電圧を前述の如く、位相を９０°ずらして印加することによって、圧電素子ユニット４０には、縦振動の１次モードと屈曲振動の２次モードとが調和的に誘起され、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す形状の変化を順番に起こす。

その結果、圧電素子ユニット４０に設けられた各駆動子４９が該圧電素子ユニット４０の主面と平行な平面、即ち、長手方向と短手方向とを含む平面（図８における紙面と平行な面）内で略楕円運動、即ち、周回運動を行う。

前記ケース５は、樹脂製であって、前記圧電素子ユニット４０に対応した略直方体状の概略箱形状をしている。このケース５は、前記圧電素子ユニット４０の主面と平行で且つ略長方形状の主壁部５１と、該主壁部５１の前記長手方向の一側（図３における左側）に位置する短辺部に設けられた第１短辺壁部５２と、該主壁部５１の該長手方向の他側（図３における右側）に位置する短辺部に設けられた第２短辺壁部５３と、該主壁部５１の前記短手方向の一側（図３における下側）に位置する長辺部に設けられた長辺壁部５４とを有している。つまり、ケース５は、主壁部５１に対向する側及び該主壁部５１の該短手方向の他側（図３における上側）に位置する長辺部（圧電素子ユニット４０の駆動子４９，４９が設けられた長辺側面に対応する部分）には壁部が設けられておらず、圧電素子ユニット４０の厚み方向（主壁部５１の法線方向）の一側及び該短手方向の他側に開口した形状となっている。

このように構成されたケース５内に前記アクチュエータ本体４が収容されている。アクチュエータ本体４は、圧電素子ユニット４０の一方の主面が主壁部５１と対向し且つ圧電素子ユニット４０の一方の長辺側面（前記外部電極４８が設けられている側の長辺側面）が長辺壁部５４と対向するようにしてケース５内に収容されている。このとき、駆動子４９，４９はケース５から前記短手方向の他側に突出している。また、圧電素子ユニット４０の一方の短辺側面とケース５の第１短辺壁部５２との間および圧電素子ユニット４０の他方の短辺側面とケース５の第２短辺壁部５３との間にはそれぞれ支持ゴム６１，６１が介設されている。この圧電素子ユニット４０の両短辺側面は縦振動の腹の部分であるが、支持ゴム６１，６１は弾性体であるため、圧電素子ユニット４０の縦振動を阻害することなく、該圧電素子ユニット４０を支持することができる。これら支持ゴム６１，６１は、アクチュエータ本体４並びに第１及び第２短辺壁部５２，５３だけでなく、主壁部５１の内側表面とも当接している。また、圧電素子ユニット４０の一方の長辺側面とケース５の長辺壁部５４との間には付勢ゴム６２が介設されている。この付勢ゴム６２は、アクチュエータ本体４及び長辺壁部５４だけでなく、主壁部５１の内側表面とも当接している。

そして、主壁部５１の内側表面における、前記支持ゴム６１，６１及び付勢ゴム６２が当接する部分には電極５１ａ（付勢ゴム６２と当接する電極のみ図示）が設けられているこれらの電極は、主壁部５１の外側表面に設けられた端子電極（図示省略）にそれぞれ導通している。

前記各支持ゴム６１は、シリコーンゴムに金属粒子を混入した導電性ゴムで構成され、略直方体状をしている。これら支持ゴム６１，６１は、アクチュエータ本体４をその長手方向に付勢した状態で弾性的に支持する。それと共に、支持ゴム６１，６１は、圧電素子ユニット４０の外部電極４６，４７と主壁部５１の内側表面の短辺部に設けられ且つ前記端子電極と導通する電極とを導通させている。

また、前記付勢ゴム６２も、支持ゴム６１と同様に、シリコーンゴムに金属粒子を混入した導電性ゴムで構成され、略直方体状をしている。この付勢ゴム６２は、アクチュエータ本体４をその短手方向（即ち、短手方向が付勢方向に相当する）に付勢するためのものである。それと共に、付勢ゴム６２は、圧電素子ユニット４０の外部電極４８と主壁部５１の電極５１ａとを導通させている。

つまり、ケース５の外側表面に設けられた前記端子電極に給電することによって、圧電素子ユニット４０に給電することができる。

このように構成された超音波アクチュエータ２は、駆動子４９，４９がステージ１１の下面と当接するように配設されると共に、ケース５が基台（図示省略）に固定される。詳しくは、超音波アクチュエータ２は、圧電素子ユニット４０の短手方向がステージ１１の下面に直交すると共に、圧電素子ユニット４０の長手方向がステージ１１の下面と平行で且つガイド１３，１３と平行になるように配置される。さらに換言すれば、超音波アクチュエータ２は、圧電素子ユニット４０の屈曲振動の方向がステージ１１の下面と直交すると共に、圧電素子ユニット４０の縦振動の方向がガイド１３，１３と平行な方向を向くように配置される。

このとき、前記付勢ゴム６２が圧縮変形しており、この付勢ゴム６２の弾性力によって駆動子４９，４９がステージ１１に付勢されている。超音波アクチュエータ２のステージ１１への付勢力は、付勢ゴム６２の弾性力によって決まる。

ここで、ステージ１１の裏面、即ち、駆動子４９，４９との接触面（本実施形態では下面）には、凹凸部１２が形成されている。凹凸部１２は、ステージ１１の可動方向に沿って所定の間隔で交互に形成されている凹部１２ａと凸部１２ｂとで構成されている。凹部１２ａ及び凸部１２ｂの各幅は、同じ幅であって、駆動子４９，４９の間隔よりも広くなっている。つまり、駆動子４９，４９の両方が同じ凹部１２ａ又は凸部１２ｂに同時に当接することができる。

前記制御装置７は、図９に示すように、超音波アクチュエータ２を駆動する駆動部７１とアクチュエータ本体４に流れる通電電流の変化を検出する電流変化検出部７２とを有し、外部からの動作指令を受けて、その動作指令に応じた周波数の交流電圧を動作指令に応じた位相差で外部電極４６，４７に印加する。この制御装置７が制御部を構成する。

前記制御装置７は、ＣＰＵや駆動回路等で構成されていて、動作指令に応じて、所定の周波数の２相の電気信号を位相差をもたせた状態で出力する。この２相の電気信号はそれぞれ、定電圧源でドライブされるアンプ７１ａ，７１ａに入力される。これらアンプ７１ａ，７１ａにより所定の電圧値まで増幅された２相の交流電圧はそれぞれ、圧電素子ユニット４０の外部電極４６，４７を介して第１及び第２プラス側電極層４２，４３に印可される。このとき、交流電圧の周波数は、圧電素子ユニット４０の異常発熱を防止すべく、圧電素子ユニット４０の縦振動と屈曲振動との共通の共振周波数よりも少し高い反共振周波数に設定されている。

こうして２相の交流電圧が印可されると、アクチュエータ本体４、即ち、圧電素子ユニット４０には縦振動と屈曲振動とが調和的に発生し、駆動子４９，４９は圧電素子ユニット４０の長手方向と短手方向とを含む平面内において略楕円運動を行う。その結果、駆動子４９，４９は、ステージ１１との当接及び離間を周期的に繰り返しながら、ステージ１１に対して摩擦力を介して圧電素子ユニット４０の長手方向へ駆動力を付与し、ステージ１１がガイド１３，１３に沿って移動する。この圧電素子ユニット４０の長手方向（ガイド１３，１３が延びる方向と一致する）が、駆動子４９，４９が駆動力を出力する方向である駆動方向に相当する。

詳しくは、圧電素子ユニット４０が長手方向（縦振動の振動方向）に伸張するとき、一方（例えば、図１０の左側）の駆動子４９は、図１０（ｂ）に示すように、短手方向（屈曲振動の振動方向）においてステージ１１側の領域を変位するため、ステージ１１との間の摩擦力が増大し、この摩擦力によってステージ１１を該長手方向における該一方の駆動子４９が変位する側（図１０の左側）へ移動させる。このとき、他方（図１０の右側）の駆動子４９は、該長手方向において一方の駆動子４９とは逆向きに変位するが、該短手方向において反ステージ１１側（ステージ１１から離れる側）の領域を変位するため、ステージ１１との摩擦力が減少した状態か又はステージ１１から離れて摩擦力が作用しない状態であるため、ステージ１１の移動にはほとんど影響を与えない。

一方、圧電素子ユニット４０が長手方向に収縮するときは、他方（図１０の右側）の駆動子４９は、図１０（ｃ）に示すように、短手方向においてステージ１１側の領域を変位するため、ステージ１１との間の摩擦力が増大し、この摩擦力によってステージ１１を該長手方向における該他方の駆動子４９が変位する側（図１０の左側）へ移動させる。このとき、一方（図１０の左側）の駆動子４９は、該長手方向において他方の駆動子４９とは逆向きに変位するが、該短手方向において反ステージ１１側の領域を変位するため、ステージ１１との摩擦力が減少した状態か又はステージ１１から離れて摩擦力が作用しない状態であるため、ステージ１１の移動にはほとんど影響を与えない。この移動方向は、前述した、圧電素子ユニット４０の伸張時における一方の駆動子４９によるステージ１１の移動方向と同じである。

こうして、２つの駆動子４９，４９は、位相が１８０°ずれた状態で交互にステージ１１を所定の一方向へ移動させる。尚、前記交流電圧を位相を−９０°ずらした状態で外部電極４６，４７に印加することによって、駆動子４９，４９が出力する駆動力を逆向きにすることができ、ステージ１１を他方向へ移動させることができる。

尚、ステージ１１の移動量、移動速度及び移動加速度は、外部電極４６，４７に給電する交流電圧の電圧値、周波数及び給電時間の少なくとも１つを調整する、又は外部電極４６と外部電極４７とに給電する各交流電圧の位相のずれを変更する等によって調整することができる。

そして、制御装置７は、前記電流変化検出部７２で圧電素子ユニット４０の通電電流の変化を検出することによって、ステージ１１の移動量を推定して、該ステージ１１の位置を検出している。そして、制御装置７は、検出したステージ１１の位置に基づいてステージ１１の移動量、即ち、位置をフィードバック制御している。

詳しくは、ステージ１１を駆動する超音波アクチュエータ２の圧電素子ユニット４０は、付勢ゴム６２によってステージ１１に対して付勢されており、駆動子４９，４９には接触圧力が作用している。そして、ステージ１１には前記凹凸部１２が形成されているため、駆動子４９，４９が周回運動を行ってステージ１１との当接及び離間を繰り返しながら該ステージ１１を移動させるときには、駆動子４９，４９に作用する接触圧力も変化する。すなわち、駆動子４９がステージ１１の凹部１２ａと当接しているときには該駆動子４９の接触圧力が相対的に小さくなる一方、ステージ１１の凸部１２ｂと当接しているときには該駆動子４９の接触圧力が相対的に大きくなる。

このように駆動子４９に接触圧力が作用すると、該駆動子４９が配設されている圧電素子ユニット４０は与圧される。つまり、該駆動子４９の接触圧力が変化すると、圧電素子ユニット４０の与圧も変化する。その結果、図１１に示すように、該圧電素子ユニット４０のインピーダンスも、与圧の大小に応じて変化する。例えば、本実施形態においては、前述の如く、反共振周波数近傍の交流電圧によって超音波アクチュエータ２を作動させているが、反共振周波数における圧電素子ユニット４０のインピーダンスは、与圧が小さいほど大きく、与圧が大きくなるほど小さくなる。このような与圧とインピーダンスとの関係を予め求めておくことによって、圧電素子ユニット４０のインピーダンス変化から与圧の変化、ひいては、駆動子４９の接触圧力の変化を求めることができる。

そこで、制御装置７は、圧電素子ユニット４０を前述の如く定電圧駆動回路で駆動すると共に、そのときの圧電素子ユニット４０の共通マイナス側電極層４４に直列に接続された検出抵抗Ｒに流れる通電電流の変化を前記電流変化検出部７２で検出することによって、該圧電素子ユニット４０のインピーダンスの変化を求め、該インピーダンスの変化から駆動子４９，４９の接触圧力の変化、ひいては、ステージ１１の移動量を推定して、その位置を検出している。

前記電流変化検出部７２は、共通マイナス側電極層４４，４４の外部電極４８に直列に接続された検出抵抗Ｒの検出抵抗電圧の直流成分を検波器７２ａにより取り出し、その直流成分と基準電圧Ｖｒｅｆとの差をアンプ７２ｂで増幅することで、検出抵抗Ｒを流れる通電電流の変化を検出している。

こうして電流変化検出部７２によって検出される通電電流は、図１２に示すように、ステージ１１の凹凸部１２の周期に応じて変化する。つまり、駆動子４９，４９がステージ１１の凹部１２ａに当接するときには、圧電素子ユニット４０への与圧が小さくなるため、インピーダンスが大きくなって通電電流が小さくなる。一方、駆動子４９，４９がステージ１１の凸部１２ｂに当接するときには、圧電素子ユニット４０への与圧が大きくなるため、インピーダンスが小さくなって通電電流が大きくなる。尚、一方の駆動子４９が凹部１２ａに、他方の駆動子４９が凸部１２ｂに当接するときには、通電電流は駆動子４９，４９の両方が凹部１２ａ又は凸部１２ｂに当接しているときの間の値となる。このように、電流変化検出部７２によって検出される通電電流は、凹凸部１２の周期と同様に変化するため、この通電電流の変化から駆動子４９，４９が凹凸部１２の凹部１２ａに当接しているのか、凸部１２ｂに当接しているのか、又は凹部１２ａ及び凸部１２ｂの両方に当接しているのかを推定することができ、その結果、ステージ１１の移動量を推定することができる。こうして、ステージ１１の移動量を推定することができると、ステージ１１の移動開始位置とその移動量とからステージ１１の位置を検出することができる。

また、圧電素子ユニット４０の与圧が正弦波状に変化するため、通電電流も正弦波状に変化し、そのサイクル数または正弦波変化を補完推定することによって、凹凸部１２の周期以上の精度で移動量を推定することができる。

尚、本実施形態の制御装置７は、駆動子４９，４９の接触圧力の変化を圧電素子ユニット４０のインピーダンスの変化として捉え、該インピーダンスと相関がある検出抵抗Ｒの通電電流（直流成分）の変化を検出することによって駆動子４９，４９の接触圧力を変化を推定しているが、これに限られるものではない。例えば、検出抵抗Ｒに流れる通電電流のピーク値や該通電電流の電圧に対する位相差等も圧電素子ユニット４０の与圧によって変化するため、該通電電流のピーク値や該通電電流の電圧に対する位相差等によっても駆動子４９，４９の接触圧力の変化を推定することができる。

したがって、前記実施形態１によれば、検出抵抗Ｒに流れる通電電流を検出することによって、圧電素子ユニット４０のインピーダンスの変化、ひいては、駆動子４９，４９の接触圧力の変化を求めることができる。そして、その駆動子４９，４９の接触圧力の変化からステージ１１の移動量を推定し、位置を検出することができる。その結果、ステージ１１の位置センサを別途設けることなく、圧電素子ユニット４０の電気的信号を検出することでステージ１１の位置を検出することができ、ステージ１１の位置検出を簡易な構成で実現することができる。

また、凹凸部１２の周期を２つの駆動子４９，４９の間隔よりも広くすることによって、２つの駆動子４９，４９が同時に凹部１２ａ又は凸部１２ｂに当接する状態が起こるため、駆動子４９，４９の接触圧力の変化が検出抵抗Ｒの通電電流の変化として明確に現れるようになり、ステージ１１の位置を精度良く検出することができる。

さらに、駆動子４９の、少なくともステージ１１との接触部を曲面に形成することによって、駆動子４９とステージ１１とが線接触状態（駆動子４９が球状の場合は点接触状態）となり、ステージ１１の位置を精度良く検出することができる。

《発明の実施形態２》
続いて、本発明の実施形態２に係る駆動装置２０１について説明する。

実施形態２に係る駆動装置２０１は、ステージ２１１に形成されて凹凸部２１２が実施形態１と異なる。そこで、実施形態１と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する。

詳しくは、駆動装置２０１のステージ２１１の裏面には、図１３に示すような凹凸部２１２が形成されている。この凹凸部２１２は、ステージ２１１の可動方向に沿って所定の間隔で交互に形成されている凹部２１２ａと凸部２１２ｂとで構成されている。凹部２１２ａ及び凸部２１２ｂの各幅は、同じ幅であって、２つの駆動子４９，４９の間隔よりも狭く且つ各駆動子４９の幅よりは広くなっている。つまり、駆動子４９，４９の両方が同じ凹部１２ａ又は凸部１２ｂに同時に位置することはない。

このように凹部２１２ａ及び凸部２１２ｂの各幅が２つの駆動子４９，４９の間の間隔よりも狭い場合であっても、駆動子４９，４９がステージ２１１を移動させるときに、該駆動子４９，４９は凹部２１２ａ又は凸部２１２ｂと当接して、該駆動子４９，４９に作用する接触圧力が変化する。その結果、圧電素子ユニット４０のインピーダンスも変化し、検出抵抗Ｒの通電電流は、図１２中に破線で示すように、周期的に変化する。この通電電流の変化の周期は、ステージ２１１の凹凸部２１２の周期に対応している。

したがって、実施形態２によっても、検出抵抗Ｒの通電電流の変化から駆動子４９，４９の接触圧力の変化が求められ、さらには、ステージ２１１の移動量及び位置を推定することができる。

《発明の実施形態３》
次に、本発明の実施形態３に係る駆動装置３０１について説明する。

実施形態３に係る駆動装置３０１は、ステージ３１１に形成されている凹凸部３１２が実施形態１と異なる。そこで、実施形態１と同様の構成には同様の符号を付し、説明を省略する。

詳しくは、駆動装置３０１のステージ３１１の裏面には、図１４に示すような凹凸部３１２が形成されている。この凹凸部３１２は、ステージ３１１の可動方向における特定の位置において特定の態様で形成されている。

つまり、ステージ３１１の可動方向における特定の第１の位置には第１凹凸部３１２Ａが、特定の第２の位置には第２凹凸部３１２Ｂが、特定の第３の位置には第３凹凸部３１２Ｃが形成されている。

前記第１凹凸部３１２Ａは、１つの凹部３１２ａで構成されている。また、前記第２凹凸部３１２Ｂは、交互に配列された２つの凹部３１２ａ，３１２ａと１つの凸部３１２ｂとで構成されている。さらに、前記第３凹凸部３１２Ｃは、交互に配列された３つの凹部３１２ａ，３１２ａ，３１２ａと２つの凸部３１２ｂ，３１２ｂとで構成されている。

つまり、第１、第２及び第３の位置のそれぞれで、凹凸部３１２のパターンが異なる。そのため、検出抵抗Ｒの通電電流の変化を見れば、駆動子４９，４９が当接している凹凸部３１２のパターンがわかり、第１，第２及び第３の位置のうち何れの位置に駆動子４９，４９が位置するのかを推定することができる。すなわち、第１、第２及び第３凹凸部３１２Ａ，３１２Ｂ，３１２Ｃそれぞれが、第１、第２及び第３の位置に応じた位置情報を有している。

したがって、実施形態３によれば、検出抵抗Ｒの通電電流の変化から駆動子４９，４９の接触圧力の変化が求められ、さらには、ステージ３１１の位置を推定することができる。

尚、各凹部３１２ａと各凸部３１２ｂとはそれぞれ同じ幅で等間隔に配列されているが、これに限られるものではない。また、第１、第２及び第３凹凸部３１２Ａ，３１２Ｂ，３１２Ｃについても等間隔（即ち、周期的）である必要はなく、所望の特定の位置に形成すればよい。また、特定の位置であることがわかる、すなわち、位置情報を有する態様であれば、凹凸部３１２のパターンは、本実施形態３に限られるものではない。

《発明の実施形態４》
続いて、本発明の実施形態４に係る駆動装置４０１について説明する。

実施形態４に係る駆動装置４０１は、圧電素子ユニット４４０の内部電極層の構成及び、該圧電素子ユニット４４０のインピーダンス変化の検出方法が実施形態１と異なる。そこで、実施形態１と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。

実施形態４に係る圧電素子ユニット４４０は、図１５，１６に示すように、マイナス側電極層が電気的に遮断された２つの第１マイナス側電極層４４と第２マイナス側電極層４５とに分割されている。

詳しくは、圧電素子ユニット４４０は、５つの圧電体層（圧電素子）４１，４１，…と４つの内部電極層４２，４４，４３，４５とを交互に積層して構成される。内部電極層４２，４４，４３，４５は、積層方向に圧電体層４１を介して交互に配された、第１プラス側電極層４２と第１マイナス側電極層４４と第２プラス側電極層４３と第２マイナス側電極層４５とで構成される。これら第１プラス側電極層４２、第１マイナス側電極層４４、第２プラス側電極層４３及び第２マイナス側電極層４５のそれぞれは、各圧電体層４１の主面上に印刷されている。

前記各圧電体層４１には、その長辺側面のうち一方の長辺側面の長手方向両端部に外部電極４８ａ，４８ｂが、一方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極４６ａが、他方の短辺側面の短手方向中央部に外部電極４７ａがそれぞれ形成されている。

前記第１プラス側電極層４２は、圧電体層４１の主面をその長手方向及び短手方向にそれぞれ２等分してなる４つの領域のうち該主面の対角線方向に位置する２対の領域のうち一方の対の領域にそれぞれ形成された一対の第１電極４２ａ，４２ｂと、これら第１電極４２ａ，４２ｂを連結して導通させる導通電極４２ｃとを有する。各第１電極４２ａ（４２ｂ）は略矩形状の電極である。また、一方の第１電極４２ａには、圧電体層４１の前記外部電極４６ａまで延びる引出電極４２ｄが設けられている。

また、前記第１マイナス側電極層４４は、第１プラス側電極層４２と同様に、圧電体層４１の主面をその長手方向及び短手方向にそれぞれ２等分してなる４つの領域のうち該主面の対角線方向に位置する２対の領域のうち一方の対の領域にそれぞれ形成された一対の第１電極４４ａ，４４ｂと、これら第１電極４４ａ，４４ｂを連結して導通させる導通電極４４ｃとを有する。第１電極４４ａ，４４ｂはそれぞれ略矩形状の電極である。また、一方の第１電極４４ａには、圧電体層４１の前記外部電極４８ａまで延びる引出電極４４ｄが設けられている。

つまり、第１プラス側電極層４２と第１マイナス側電極層４４は、引出電極４２ｄ，４４ｄを除いて、同じ形状をしており、積層方向に見て圧電体層４１を挟んで互いに重なっている（対向している）。

一方、前記第２プラス側電極層４３は、圧電体層４１の主面の対角線方向に位置する前記２対の領域のうち他方の対の領域にそれぞれ形成された一対の第２電極４３ａ，４３ｂと、これら第２電極４３ａ，４３ｂを連結して導通させる導通電極４３ｃとを有する。前記他方の対の領域のうち積層方向に見て前記第１電極４２ａの前記短手方向且つ前記第１電極４２ｂの前記長手方向に隣接する領域に設けられる電極が第２電極４３ａであり、第１電極４２ａの該長手方向且つ第１電極４２ｂの該短手方向に隣接する領域に設けられる電極が第２電極４３ｂである。各第２電極４３ａ（４３ｂ）は略矩形状の電極である。また、一方の第２電極４３ｂには、圧電体層４１の前記外部電極４７ａまで延びる引出電極４３ｄが設けられている。

また、前記第２マイナス側電極層４５は、第２プラス側電極層４３と同様に、圧電体層４１の主面の対角線方向に位置する前記２対の領域のうち他方の対の領域にそれぞれ形成された一対の第２電極４５ａ，４５ｂと、これら第２電極４５ａ，４５ｂを連結して導通させる導通電極４５ｃとを有する。第２電極４５ａ，４５ｂはそれぞれ略矩形状の電極である。また、一方の第２電極４５ａには、圧電体層４１の前記外部電極４８ｂまで延びる引出電極４５ｄが設けられている。

つまり、第２プラス側電極層４３と第２マイナス側電極層４５は、引出電極４３ｄ，４５ｄを除いて、同じ形状をしており、積層方向に見て圧電体層４１を挟んで互いに重なっている（対向している）。

これら圧電体層４１，４１，…と内部電極層４２，４４，４３，４５とを交互に積層することで構成された圧電素子ユニット４４０においては、その一方の長辺側面の前記長手方向両端部に、各圧電体層４１の外部電極４８ａ，４８ｂが積層方向に並んで一まとまりの外部電極４８Ａ，４８Ｂ（図示省略）が形成されている。この外部電極４８Ａ，４８Ｂにはそれぞれ、前記第１及び第２マイナス側電極層４４，４５に形成された引出電極４４ｄ，４５ｄが電気的に接続されている。同様に、圧電素子ユニット４４０の一方の短辺側面の前記短手方向中央部には、各圧電体層４１の外部電極４６ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極４６が形成されている。この外部電極４６には、前記第１プラス側電極層４２の引出電極４２ｄが電気的に接続されている。また、圧電素子ユニット４４０の他方の短辺側面の前記短手方向中央部には、各圧電体層４１の外部電極４７ａが積層方向に並んで一まとまりの外部電極４７が形成されている。この外部電極４７には、前記第２プラス側電極層４３の引出電極４３ｄが電気的に接続されている。

そして、制御装置４０７は、第１及び第２マイナス側電極層４４，４５にそれぞれ直列に接続された第１及び第２検出抵抗Ｒ１，Ｒ２の検出抵抗電圧の差をアンプ７２ｂで増幅して検出することで、第１及び第２検出抵抗Ｒ１，Ｒ２に流れる通電電流の差の変化を検出している。

ここで、第１プラス側及び第１マイナス側電極層４２，４４と第２プラス側及び第２マイナス側電極層４３，４５とは、図３に示すように、圧電体層４１の主面の異なる対角線方向に位置するため、一方の駆動子４９（図３の左側）の接触圧力の変化の影響は、第１電極４２ａ，４４ａを有する第１プラス側及び第１マイナス側電極層４２，４４で挟持された部分の圧電体層４１が受け易く、他方の駆動子４９（図３の右側）の接触圧力の変化の影響は、第２電極４３ｂ，４５ｂを有する第２プラス側及び第２マイナス側電極層４３，４５で挟持された部分の圧電体層４１が受け易い。そのため、第１プラス側及び第１マイナス側電極層４２，４４と第２プラス側及び第２マイナス側電極層４３，４５とで影響を受け易い駆動子４９が異なっており、第１及び第２検出抵抗Ｒ１，Ｒ２に流れる通電電流の差を検出することによって、一方の駆動子４９と他方の駆動子４９とに作用する接触圧力の微妙な差も検出することができる。その結果、ステージ１１の位置をより詳細に推定することができる。

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態１〜４について、以下のような構成としてもよい。

すなわち、前記実施形態では、超音波アクチュエータ２を、アクチュエータ本体４に長手方向への縦振動の１次モードと屈曲振動の２次モードとを調和的に発生させるように構成したが、これに限られるものではない。これ以外の振動又はモードを発生させるものであってもよく、アクチュエータ本体４を振動させて駆動子４９，４９とステージ１１との間の摩擦力を介して駆動力を出力する振動型アクチュエータであれば任意の構成を採用することができる。

また、超音波アクチュエータ２は、前記の構成に限られるものではない。例えば、前記支持ゴム６１，６１及び付勢ゴム６２を介して圧電素子ユニット４０に給電する構成ではなく、リード線を圧電素子ユニット４０に接続して給電する構成でもよい。また、圧電素子ユニット４０の振動のノード部（節の部分）を非弾性部材で支持する構成であってもよい。さらには、図１７に示すように、圧電素子ユニット４０の一方の短辺側面に１つの駆動子４９が設けられた超音波アクチュエータ５０２を採用してもよい。かかる構成であっても、圧電素子ユニット４０が長手方向への縦振動の１次モードと屈曲振動の２次モードとの合成振動を行うことによって駆動子４９が周回運動を行い、ステージ１１との間の摩擦力を介して、該ステージ１１を所定の可動方向（短手方向と平行な方向）へ移動させることができる。さらにまた、アクチュエータ本体４は圧電素子ユニット４０で構成されているが、金属などの基板に圧電素子を貼り付けた構成や、金属などで共振器を形成し、圧電素子を挟み込んだ構成であってもよい。この場合、圧電素子を含んで構成された共振器がアクチュエータ本体を構成する。

さらに、前記実施形態では、超音波アクチュエータ２を基台に固定すると共に、駆動子４９，４９を移動可能なステージ１１に当接させて、該超音波アクチュエータ２を作動させることで該ステージ１１を駆動させているが、図１８に示すように、超音波アクチュエータ２をステージに固定する構成としてもよい。詳しくは、駆動装置６０１は、互いに平行な状態で基台に固定されたガイド１３，１３と、該ガイド１３，１３に摺動自在に取り付けられたステージ１４と、超音波アクチュエータ２とを備えている。該ガイド１３，１３のうちの一方のガイド１３には、該ガイド１３に固定された当接部材１３ａが設けられている。一方、ステージ１４には、アクチュエータ取付部１４ａが設けられている。そして、超音波アクチュエータ２は、駆動子４９，４９が該ガイド１３の当接部材１３ａに当接する状態で、該ステージ１４のアクチュエータ取付部１４ａにケース５が取り付けられている。この状態で、超音波アクチュエータ２を作動させると、駆動子４９，４９は当接部材１３ａに対して駆動力を出力するが、該当接部材１３ａは固定されているため、超音波アクチュエータ２自体が当接部材１３ａに対して相対的にガイド１３，１３の長手方向に振動する。その結果、アクチュエータ取付部１４ａを介してケース５と連結されたステージ１４がガイド１３，１３の長手方向に駆動される。このとき、当接部材１３ａにおける、駆動子４９，４９が接触する面には凹凸部１５が形成されている。この凹凸部１５は、ステージ１４の可動方向に沿って周期的に配列された凹部１５ａと凸部１５ｂとで構成されている。この凹凸部１５は、図１８においては、実施形態１と同様に形成されているが、実施形態２又は３の凹凸部と同様に形成されてもよい。

さらにまた、前記実施形態では、ステージの位置検出の全てを、ステージの凹凸部に起因する駆動子４９，４９の接触圧力の変化に基づいて行っているが、これに限られるものではない。すなわち、前記実施形態におけるステージの凹凸部に起因する駆動子４９，４９の接触圧力の変化に基づくステージの位置検出と、別途設けた位置検出センサによるステージの位置検出とを組み合わせてもよい。例えば、実施形態３に係る凹凸部３１２のように位置情報を有する凹凸部を特定の位置に形成し、凹凸部と凹凸部との間の位置検出は別途設けた位置検出センサで行う構成としてもよい。こうすることで、ステージの位置検出の全てを別途も受けた位置検出センサで行う構成と比べて、別付けの位置検出センサを可及的に省略することができ、駆動装置の大型化を防止しつつ、簡易な構成でステージの位置検出を実現することができる。

また、前記実施形態では、圧電素子ユニット４０の反共振周波数近傍の交流電圧によって超音波アクチュエータ２を作動させているが、これに限られるものではない。すなわち、それ以外の周波数の交流電圧によって超音波アクチュエータ２を作動させる場合であっても、その周波数における圧電素子ユニット４０のインピーダンスと与圧との関係を予め求めておけば、圧電素子ユニット４０のインピーダンスの変化（あるいは、検出抵抗Ｒの通電電流）から駆動子４９の接触圧力を求めることができ、ステージの位置を検出することができる。

さらに、圧電素子ユニット４０のインピーダンスの変化は、検出抵抗Ｒの通電電流の変化に基づいてのみ求められるものではない。例えば、定電流駆動回路で圧電素子ユニット４０を作動させると共に、検出抵抗Ｒの電圧の変化に基づいて圧電素子ユニと４０のインピーダンスを求めることも可能である。その他、圧電素子ユニット４０のインピーダンスの変化を求めることができる構成であれば、任意の構成を採用することができる。

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、振動型アクチュエータによって可動体を固定体に対して相対的に移動させる駆動装置について有用である。

本発明の実施形態１に係る駆動装置の概略正面図である。駆動装置の斜視図である。超音波アクチュエータの斜視図である。圧電素子ユニットの分解斜視図である。アクチュエータ本体の概略構成を示す概略正面図である。アクチュエータ本体の長手方向への縦振動の１次モードによる変位を示す概念図である。アクチュエータ本体の屈曲振動の２次モードによる変位を示す概念図である。アクチュエータ本体の動作を示す概念図である。制御装置の構成を示すブロック図である。超音波アクチュエータによるステージの駆動を説明するための概念図であって、（ａ）は駆動前の状態、（ｂ）はアクチュエータ本体が長手方向に伸張することで一方の駆動子によってステージを駆動する状態、（ｃ）はアクチュエータ本体が長手方向に収縮することで他方の駆動子によってステージを駆動する状態を示す。圧電素子ユニットの駆動周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。ステージの移動距離と電流検出部によって検出された電流値との関係を示すグラフである。実施形態２に係る駆動装置の概略正面図である。実施形態３に係る駆動装置の概略正面図である。実施形態４に係る制御装置の構成を示すブロック図である。圧電素子ユニットの分解斜視図である。その他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。その他の実施形態に係る駆動装置の斜視図である。

符号の説明

１駆動装置
１１ステージ（可動体）
１２凹凸部
１３ガイド（固定体）
１４ステージ（可動体）
２超音波アクチュエータ（振動型アクチュエータ）
４９駆動子
７制御装置（制御部）

Claims

固定体と、該固定体に対して相対的に移動可能な可動体と、圧電素子を用いて構成され該可動体を移動させる振動型アクチュエータと、該圧電素子に給電することによって振動型アクチュエータを制御する制御部とを備えた駆動装置であって、
前記振動型アクチュエータは、前記可動体の移動方向に間隔を空けて２つ設けられ且つ前記可動体及び前記固定体のうちの一方に接触する駆動子を有すると共に、該可動体及び固定体のうちの他方に取り付けられており、
前記可動体及び固定体のうちの一方における前記駆動子が接触する面には、凹凸部が形成されており、
前記圧電素子は、少なくとも１つの圧電体と、該圧電体層を挟持するように設けられた第１及び第２電極とを有し、
前記第１電極は、前記２つの駆動子のうちの一方の駆動子に近接して設けられ、
前記第２電極は、前記２つの駆動子のうちの他方の駆動子に近接して設けられ、
前記制御部は、前記第１及び第２電極に流れる電流に基づいて、前記一方の駆動子の接触圧力と前記他方の駆動子の接触圧力との差を検出し、前記駆動子の接触圧力の変化に基づいて前記可動体の位置を検出する駆動装置。
前記凹凸部の周期は、前記駆動子の間隔よりも長い請求項１に記載の駆動装置。
前記凹凸部の幅は、前記駆動子の間隔よりも狭い請求項１に記載の駆動装置。
固定体と、該固定体に対して相対的に移動可能な可動体と、圧電素子を用いて構成され該可動体を移動させる振動型アクチュエータと、該圧電素子に給電することによって振動型アクチュエータを制御する制御部とを備えた駆動装置であって、
前記振動型アクチュエータは、前記可動体及び前記固定体のうち一方に接触する駆動子を有すると共に、該可動体及び固定体のうち他方に取り付けられており、
前記可動体及び固定体のうちの一方における前記駆動子が接触する面には、凹凸部が形成されており、
前記凹凸部の配置又は形状は、該凹凸部が形成された面に沿った位置に応じて変化しており、
前記圧電素子は、少なくとも１つの圧電体と、該圧電体層を挟持するように設けられた第１及び第２電極とを有し、
前記第１電極は、前記２つの駆動子のうちの一方の駆動子に近接して設けられ、
前記第２電極は、前記２つの駆動子のうちの他方の駆動子に近接して設けられ、
前記制御部は、前記第１及び第２電極に流れる電流に基づいて、前記一方の駆動子の接触圧力と前記他方の駆動子の接触圧力との差を検出し、前記駆動子の接触圧力の変化に基づいて前記可動体の位置を検出する駆動装置。