駆動力発生装置および駆動装置
【課題】簡素且つ小型の駆動装置を提供する。
【解決手段】駆動装置１０は、錘２０、圧電素子３０、ロッド４０、被駆動部材５０を備える。錘２０は、固定壁９１に弾性固定される。圧電素子３０の伸縮方向に沿った一方端は錘２０に固定されている。ロッド４０は、圧電素子３０の伸縮方向に沿った他方端に固定されている。ロッド４０の圧電素子３０に固定された端部と反対側の端部は、保持壁９２の保持用の穴へ挿通されている。ロッド４０には、被駆動部材５０が摩擦係合している。錘２０には貫通穴２２が形成されている。この際、貫通穴２２は、圧電素子３０に印加する駆動電圧信号の２次高調波と、振動系１１の２次共振周波数とが一致するような位置および形状で形成される。
【解決手段】駆動装置１０は、錘２０、圧電素子３０、ロッド４０、被駆動部材５０を備える。錘２０は、固定壁９１に弾性固定される。圧電素子３０の伸縮方向に沿った一方端は錘２０に固定されている。ロッド４０は、圧電素子３０の伸縮方向に沿った他方端に固定されている。ロッド４０の圧電素子３０に固定された端部と反対側の端部は、保持壁９２の保持用の穴へ挿通されている。ロッド４０には、被駆動部材５０が摩擦係合している。錘２０には貫通穴２２が形成されている。この際、貫通穴２２は、圧電素子３０に印加する駆動電圧信号の２次高調波と、振動系１１の２次共振周波数とが一致するような位置および形状で形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気機械変換素子による振動を利用して、被駆動体を移動させる駆動装置および、当該駆動装置における駆動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カメラのレンズ駆動機構や精密ステージの駆動機構として、電気機械変換素子を用いる駆動装置が利用されている。例えば、特許文献１の駆動装置は、第１錘、第２錘、第１電気機械変換素子、および第２電気機械変換素子を備える。第１電気機械変換素子は、印加される駆動電圧によって伸縮する方向の一方端に第１錘が固定され、他方端に第２錘が固定されている。第２錘の第１電気機械変換素子が固定された面と反対側の端面には、第２電気機械変換素子が固定されている。この際、第２電気機械変換素子の伸縮方向の一方端が第２錘に固定される。第２電気機械変換素子の第２錘が固定された端面と反対側の端面には、円柱状の駆動用ロッドが固定され、全体で振動発生部を形成している。駆動用ロッドには、被駆動部材が摩擦係合されている。
【０００３】
このような駆動装置では、駆動用ロッドが、駆動用ロッドの軸方向に沿った第１方向には低速で変位し、当該第１方向と逆方向である第２方向には高速で変位するノコギリ波状の波形をもって動作することで、被駆動部材を駆動用ロッドの第１方向に移動させている。
【０００４】
特許文献１の駆動装置では、第２電気機械変換素子の共振周波数を、第１電気機械変換素子の共振周波数の整数倍に設定し、各電気機械変換素子に共振周波数の正弦波駆動信号を印加している。このように、駆動時に振動発生部の複数の共振周波数を有効に利用しているので、効率のよい駆動を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９０６８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の駆動装置では、少なくとも錘を２個、電気機械変換素子を２個備える必要がある。したがって、部材が複数必要になるので、駆動装置の構造が複雑になるとともに、駆動素子を小型化することが困難である。また、電気機械変換素子毎に個別の駆動信号を与えなければならず、駆動回路も少なくとも２個必要となり、この点においても駆動装置が複雑化し、小型化が困難になる。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、錘の形状を工夫することで、従来の駆動装置と同等の駆動機能を有しながら、簡素且つ小型の駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の駆動力発生装置は、電気機械変換素子、錘、および振動部材、を振動系として備える。電気機械変換素子は、所定周波数の駆動信号が印加されることによって伸縮する。錘は、電気機械変換素子の伸縮方向の第１端に固定されている。振動部材は、電気機械変換素子の第１端と反対側の第２端に固定されている。錘は、電気機械変換素子の伸縮による振動の２次以上の共振周波数の少なくとも１つが、駆動信号周波数の整数倍の周波数の少なくとも１つに略一致する形状で形成されている。
【０００９】
そして、本発明の駆動装置は、上述の駆動力発生装置と被駆動部材とを備え、被駆動部材は、駆動力発生装置の振動部材に摩擦係合されている。
【００１０】
この構成では、振動部材の伸縮方向に沿った振動が、駆動信号の基本周期と同じ繰り返し周期で、次に示すような変位で実現される。第１方向（例えば伸張方向）の変位は低速となり、第２方向（例えば短縮方向）の変位は高速となる。すなわち、変位量を縦軸とし、時間を横軸とした場合、変位はノコギリ波形状に変化する。
【００１１】
このとき、振動部材に摩擦係合された被駆動部材は、駆動部材が低速で変位するときには駆動部材の変位方向に沿って移動し、駆動部材が高速で変位するときには慣性によりその位置に止まる。したがって、振動部材の振動方向に沿って、被駆動部材を移動させることが可能になる。
【００１２】
また、この発明の駆動力発生装置では、振動系の１次共振周波数が、駆動信号周波数または駆動信号の２倍の周波数に略一致することが好ましい。この構成によって、上述のような振動部材のノコギリ波形状の変位が、効果的に実現される。
【００１３】
また、この発明の駆動力発生装置の錘は、振動系の２次以上の共振のノードの位置の剛性が当該ノードの位置以外の領域の剛性よりも低くなるように、形成されていることが好ましい。
【００１４】
この構成では、錘におけるノードの部分の剛性を、錘の他の領域よりも低くすることにより、２次共振のためのバネ定数を適切に設定することができる。
【００１５】
また、この発明の駆動力発生装置の錘は、振動系の２次以上の共振のノードの位置に、表面から内側へ凹む穴が形成されていることが好ましい。
【００１６】
この構成では、錘のノードの位置を凹ませることで、当該位置の剛性を容易な構造で低下させることができる。
【００１７】
また、この発明の駆動力発生装置の錘に形成される穴は、錘の対向する面間を貫通する貫通穴であることが好ましい。
【００１８】
この構成では、錘のノードの位置に貫通穴を設けることで、当該位置の剛性を容易な構造で低下させることができる。
【００１９】
また、この発明の駆動装置では、振動部材の被駆動部材との接触面の振動方向に沿った長さが、被駆動部材の振動方向に沿った長さよりも短いことが好ましい。
【００２０】
この構成では、駆動部材の振動が、被駆動部材の位置によらず安定化する。これにより、被駆動部材を安定した変位量で移動させることができる。
【００２１】
また、この発明の駆動装置は次の構成であることが好ましい。電気機械変換素子は、伸縮方向に長い矩形状である。振動部材は、電気機械変換素子の第２端の伸縮方向に平行な面に当接するように固定されている。
【００２２】
この構成では、電気機械変換素子が単純な矩形状で形成できるので、低コスト化が可能になる。さらに、伸延方向に沿った面に駆動部材が固定されることで、伸延方向を法線方向とする曲げに対する強度が向上する。
【００２３】
また、この発明の駆動装置では、振動系の２次以上の共振周波数は２次共振周波数であって、振動系の１次共振周波数に対する２次共振周波数の比が、１．５以上２．０以下であることが好ましい。
【００２４】
この構成では、上述の振動を効率的に実現することができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、従来の駆動装置と同等の駆動機能を有しながら、簡素且つ小型な構造で、駆動装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態の係る駆動装置１０を構成する振動系１１の外観斜視図、平面図、側面図、および正面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る駆動装置１０の設置状態および駆動態様を示す側面図である。
【図３】振動系１１の１次固有振動モード（基本振動）の様子を示す図、および振動系１１の２次固有振動モードの様子を示す図である。
【図４】圧電素子３０に印加する駆動電圧信号の時間波形を示す図である。
【図５】図４の駆動電圧信号を用いた場合の圧電素子３０の伸縮方向に沿った変位量の時間遷移を示す図である。
【図６】本実施形態の構成を用いた場合の駆動電圧信号が一定電圧での周波数成分に対する振動系の変位分布を示す図である。
【図７】貫通穴２２を開口面から見た長手方向の長さと、１次共振周波数に対する２次共振周波数の比との関係を示したグラフである。
【図８】本発明における一定電圧での駆動電圧信号の周波数成分に対する振動系の変位分布を示す他の事例を示す図である。
【図９】本発明における一定電圧での駆動電圧信号の周波数成分に対する振動系の変位分布を示す他の事例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の係る駆動装置１０Ａの側面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態の係る駆動装置１０Ｂの側面図である。
【図１２】図錘の形状のバリエーションを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の第１の実施形態に係る駆動装置について、図を参照して説明する。図１（Ａ）は本実施形態に係る駆動装置１０を構成する振動系１１の外観斜視図であり、図１（Ｂ）は同平面図であり、図１（Ｃ）は同側面図であり、図１（Ｄ）は同正面図である。なお、図１では被駆動部材５０の図示を省略している。図２は本実施形態の駆動装置１０の設置状態および駆動態様を示す側面図である。また、各図では、圧電素子の構成を概略的に示しており、さらに外部の駆動回路に接続するための配線も省略している。
【００２８】
図１、図２に示すように、駆動装置１０は、錘２０、「電気機械変換素子」に相当する圧電素子３０、「振動部材」に相当するロッド４０、被駆動部材５０を備える。このうち、錘２０、圧電素子３０、およびロッド４０によって、振動系１１が構成される。この振動系１１が本発明の「駆動力発生装置」に相当する。
【００２９】
錘２０の本体２１は矩形状からなり、例えば、黄銅、ステンレス、タングステン、超硬合金等の金属によって、形成されている。錘２０の本体２１には、貫通穴２２が形成されている。貫通穴２２は、矩形状からなる本体２１の対向する一対の主面の両方に開口するように、本体２１を貫通する形状からなる。貫通穴２２の開口形状は、開口面から見て長円状になっている。貫通穴２２は、後述するように、振動系１１の２次共振周波数と、駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数とが一致するように設定された位置および形状で形成されている。
【００３０】
錘２０は、図２に示すように、貫通穴２２が形成された主面と直交する四面の内、一面が、弾性を有する接着剤９１０によって、固定壁９１へ固定されている。この際、錘２０は、貫通穴２２の開口形状である長円の長手方向が固定壁９１の壁面と平行になるように、固定壁９１へ固定されている。
【００３１】
圧電素子３０は、錘２０の固定壁９１への固定面と対向する面に、第１端部が固定されている。圧電素子３０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）からなるセラミック層３１と電極層３２とが積層された構造からなり、矩形状からなる。なお、圧電素子３０として別の圧電材料を用いてもよい。さらに、圧電素子に替えて、磁歪材料からなる素子を用いてもよい。この圧電素子３０は、駆動信号が印加されることによって、セラミック層と電極層との積層方向に沿って伸縮する。この伸縮方向の直交する二面の内、一面が上述の第１端部に相当し、別の一面が第２端部に相当する。
【００３２】
ロッド４０は、円柱状からなる。この際、ロッド４０は、ロッド４０の長さすなわち対向する円形面間の長さが、円形面の径よりも十分に長くなるように、形成されている。ロッド４０は、一対からなる円形面の一方面が、圧電素子３０の第２端部に固定されている。
【００３３】
ロッド４０の圧電素子３０に固定された面と反対側の端部付近は、支持壁９２に設けられた支持用穴を挿通している。これにより、ロッド４０の圧電素子３０と反対側の端部は、支持壁９２によって摺動可能に支持されている。
【００３４】
ロッド４０の軸方向に沿った所定位置には、被駆動部材５０が取り付けられている。被駆動部材５０は、板バネ５１と本体５２とから構成される。本体５２は、ロッド４０の円周面に当接する形状からなる。板バネ５１は、本体５１をロッド４０の円周面に押しつけるように付勢する。これにより、被駆動部材５０は、ロッド４０の円周面に対して摩擦係合している。この被駆動部材５０は、図示しない、被駆動体（オートフォーカスカメラのレンズ等）に固定されている。
【００３５】
ロッド４０と被駆動部材５０は、いずれかに、炭素繊維複合樹脂等の樹脂、金属表面にポリテトラフルオロエチレン加工、ＤＬＣ加工、窒化等を施したものを用いるとよい。
【００３６】
このような構成の駆動装置１０に対して、次に示すような駆動を行う。まず、一般的な振動系１１の共振周波数と駆動周波数との関係について説明する。
【００３７】
駆動電圧信号が印加されると、駆動装置１０の振動系１１には、図３に示すような振動が生じる。図３（Ａ）は振動系１１の１次固有振動モード（基本振動）の様子を示す図であり、図３（Ｂ）は振動系１１の２次固有振動モードの様子を示す図である。
【００３８】
振動系１１が上述の構造からなることにより、１次固有振動モードに対しては、図３（Ａ）に示すように、圧電素子３０およびロッド４０からなる質量Ｍ１と、錘２０からなる質量Ｍ２とが、圧電素子３０およびロッド４０の伸縮動作から得られるバネＫ１で接続された構造が実現される。これにより、錘２０と圧電素子３０との接続面をノードとして、１次共振周波数からなる１次振動が生じる。この際、錘２０の本体２１に形成された貫通穴２２は、１次振動にあまり寄与しないので、当該貫通穴２２を設けても、所望の１次振動を生じることができる。
【００３９】
また、振動系１１が上述の構造からなることにより、２次固有振動モードに対しては、図３（Ｂ）に示すように、ロッド４０からなる質量Ｍ３と、圧電素子３０および錘２０における貫通穴２２よりも圧電素子３０側の体積部からなる質量Ｍ４とが、圧電素子３０の伸縮動作から得られるバネＫ２で接続された構造が実現される。さらに、質量Ｍ４と、錘２０における貫通穴２２よりも固定壁９１側の体積部からなる質量Ｍ５とが、貫通穴２２の形成によって錘２０の他の体積部よりも剛性が低くなった部分で得られるバネＫ３で接続された構造が実現される。これにより、圧電素子３０とロッド４０との接続面および、貫通穴２２の位置をノードとして、２次共振周波数からなる２次振動が生じる。
【００４０】
一般に、複数の質量間をバネで接続してなる振動系においては、当該振動系の共振周波数で駆動すること、すなわち駆動電圧信号の基本周波数と、駆動電圧信号が印加されて振動する振動系の１次共振周波数とを一致させれば、効率的な駆動が可能になる。しかし、この場合は、振動系は、駆動電圧信号の基本周波数のみでしか振動せず、振動系の駆動波形は正弦波状になる。
【００４１】
そこで、本願発明の駆動装置１０では、まず、図４（Ａ）に示すような波形からなる駆動電圧信号を圧電素子３０に対して印加する。図４（Ａ）は圧電素子３０に印加する駆動電圧信号の時間波形を示す図である。
【００４２】
圧電素子３０には、図４（Ａ）に示すように、所定の周波数からなる矩形波の駆動電圧信号が印加される。駆動電圧信号は、正電圧となる第１期間ｔｅｒｍＡと負電圧となる第２期間ｔｅｒｍＢとの組合せを一周期とし、これら第１期間ｔｅｒｍＡと第２期間ｔｅｒｍＢが繰り返される構成となっている。この際、第１期間ｔｅｒｍＡの時間長と第２期間ｔｅｒｍＢの時間長とを異ならせて、適宜設定しておく。
【００４３】
図４に示すような駆動電圧信号を印加することで、圧電素子３０には、図５に示すようなノコギリ波状の変位が生じる。図５は図４の駆動電圧信号を用いた場合の圧電素子３０の伸縮方向に沿った変位量の時間遷移を示す図である。
【００４４】
図４の駆動電圧信号が印加された場合、圧電素子３０の伸縮により、ロッド４０は、図５に示すように、第１期間ｔｅｒｍＡでは軸に沿った第１方向（保持壁９２へ向かう方向）に変位し、第２期間ｔｅｒｍＢでは軸に沿った第２方向（固定壁９１へ向かう方向）に変位する。この際、第１期間ｔｅｒｍＡと第２期間ｔｅｒｍＢでは、変位の総量は同じであるが、第１期間ｔｅｒｍＡの時間長が第２期間ｔｅｒｍＢよりも長くなる。すなわち、第１方向に変位する場合には低速で変位し、第２方向に変位する場合には高速で変位する。
【００４５】
詳述すると、第１期間ｔｅｒｍＡでは、ロッド４０と被駆動部材５０との間には、比較的値の大きな摩擦係数からなる静摩擦が生じた状態が維持される。したがって、被駆動部材５０は、ロッド４０の変位に追随して、ロッド４０の軸方向に沿った正方向へ移動する。一方、被駆動部材５０は、第２期間ｔｅｒｍＢでは、ロッド４０と被駆動部材５０との間には、比較的値の小さな摩擦係数からなる動静摩擦が生じた状態となる。したがって、被駆動部材５０は、ロッド４０の変位に追随することなく、略静止した状態となる。このような動作を繰り返すことで、被駆動部材５０を正方向に沿って移動させることができる。なお、上述の説明では、被駆動部材５０を正方向へ移動させる例を示したが、第１期間ｔｅｒｍＡを短くし、第２期間ｔｅｒｍＢを長くすれば、被駆動部材５０を負方向へ移動させることもできる。
【００４６】
ここで、駆動電圧信号の基本周波数の整数倍の周波数からなる高調波信号の周波数と、振動系１１の２次以上の共振周波数を一致させると、より効率のよい駆動を行うことができる。なお、ここで、振動系１１の２次以上の共振周波数とは、振動系１１の形状に応じて生じる１次共振周波数よりも高い周波数の振動を示す。
【００４７】
本実施形態の構成による振動系１１の共振周波数と駆動電圧信号との関係を図６に示す。図６は、本実施形態の構成を用いた場合の駆動電圧信号が一定電圧での周波数成分に対する振動系１１の変位分布を示す図である。
【００４８】
図６から、振動系１１の基本周波数（１次共振周波数）の変位は、駆動電圧信号の基本周波数ｆｄ、２次共振周波数の変位は２次高調波信号の周波数２ｆｄの箇所で大きくなることが分かる。ここで、駆動電圧信号の基本周波数ｆｄに振動系１１の１次共振周波数ｆｒを一致させ、駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数２ｆｄに振動系１１の２次共振周波数２ｆｒを一致させると、より大きな変位が得られることが分かる。
【００４９】
これを利用し、本願発明では、図４に示すような駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数が、振動系１１の２次共振周波数に略一致するように、錘２０の本体２１に対する貫通穴２２を設けている。貫通穴２２の位置を変化させると、質量Ｍ４，Ｍ５、バネＫ３が変化し、振動系１１の１次共振周波数にほとんど影響を与えずに２次共振周波数を変化させることができる。
【００５０】
図７は、貫通穴２２を開口面から見た長手方向の長さと、振動系１１の１次共振周波数に対する２次共振周波数の比との関係を示したグラフである。図７に示すように、貫通穴２２の形状を変化させることで、振動系１１の１次共振周波数に対する２次共振周波数の比を変化させることができる。すなわち、このようにすることで、複数の固有振動モードを簡単な構成で利用できる。
【００５１】
これを利用し、振動系１１の２次共振周波数が振動系１１の１次共振周波数の２倍程度となるように貫通穴２２が形成されているので、本願発明の駆動装置１０に対して、より効果的な振動発生が可能になる。
【００５２】
以上のように、本実施形態の構成を用いれば、錘２０の形状を工夫することで、簡素且つ小型な構造でありながら、従来の駆動装置と同等の駆動機能を実現することができる。また、駆動電圧信号が一種類で済むため、駆動回路も簡素化することができる。
【００５３】
なお、上述の説明では、振動系１１の１次共振周波数ｆｒと駆動電圧信号の基本周波数ｆｄとを一致させ、振動系１１の２次共振周波数２ｆｒと駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数２ｆｄとを一致させる場合を示したが、これに限るものではない。振動系の２次共振周波数２ｆｒと、駆動電圧信号の複数の高調波信号のうちのいずれかの高調波信号の周波数とを一致させれば、上述の振動を実現させることができる。また、振動系１１の１次共振周波数ｆｒと駆動電圧信号の基本周波数ｆｄまたは２次高調波信号の周波数２ｆｄとを一致させると、より効率の良い振動波形が得られる。図８、図９は、本発明における一定電圧での駆動電圧信号の周波数成分に対する振動系の変位分布を示す他の事例を示す図である。図８の場合は、振動系の２次共振周波数２ｆｒと駆動電圧信号の３次高調波信号の周波数３ｆｄとを一致させている。図９の場合は、振動系の１次共振周波数ｆｒと駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数２ｆｄとを一致させ、振動系の２次共振周波数２ｆｒと駆動電圧信号の３次高調波信号の周波数３ｆｄとを一致させている。
【００５４】
このような構成とすることで、駆動ロッドの変位のノコギリ波を所望の形状にすることができる。したがって、形状に応じた効果的な振動が実現でき、高効率で且つ高速に被駆動部材を移動させることが可能になる。
【００５５】
次に、第２の実施形態に係る駆動装置について、図を参照して説明する。図１０は、本発明の第２の実施形態の係る駆動装置１０Ａの側面図である。本実施形態の駆動装置１０Ａは、第１の実施形態に示した駆動装置１０に対して、被駆動部材と５０Ａの設置態様が異なるものであり、他の構成は駆動装置１０と同じである。したがって、以下の本実施形態の説明では、異なる箇所に関係する箇所のみを説明する。
【００５６】
ロッド４０Ａの圧電素子３０と反対側の端面には、先端部材６０が設置されている。先端部材６０は、例えばロッド４０Ａと同様の材質で形成されている。先端部材６０は、ロッド４０Ａの径よりも大きな幅を有する。すなわち、先端部材６０におけるロッド４０Ａに平行な端面は、側面視して、ロッド４０Ａの円周面を延長した線上よりも外側に突出している。
【００５７】
先端部材６０の前記平行な端面には、被駆動部材５０Ａが設置されている。被駆動部材５０Ａは、一方の端面に当接する板バネ５１Ａと、他方の端面に当接する本体５２Ａとからなる。これら板バネ５１Ａおよび本体５２Ａのロッド４０Ａの軸方向に沿った長さは、先端部材６０よりも長い。この際、板バネ５１Ａおよび本体５２Ａのロッド４０Ａの軸方向に沿った長さは、当該駆動装置１０Ａで移動させる被駆動部材５０Ａの移動距離よりも長く設定されている。
【００５８】
そして、これら板バネ５１Ａと本体５２Ａとで先端部材６０を狭持し、板バネ５１Ａによる付勢力が加わることで、被駆動部材５０Ａは、先端部材６０に対して摩擦係合している。
【００５９】
このような構成とすることで、ロッド４０Ａが振動して被駆動部材５０Ａが移動しても、被駆動部材５０Ａとロッド４０との接触が、常に、ロッド４０の先端に取り付けられた先端部材６０を介して行われる。これにより、ロッド４０の振動方向における被駆動部材５０Ａの位置に依存することなく、常に一定の速度で摺動する。したがって、被駆動部材５０Ａを一定の速度で移動させることができる。
【００６０】
次に、第３の実施形態に係る駆動装置について、図を参照して説明する。図１１は、本発明の第３の実施形態の係る駆動装置１０Ｂの側面図である。本実施形態の駆動装置１０Ｂは、第２の実施形態に示した駆動装置１０Ａに対して、ｄ３１モードの圧電素子３０Ｂを配し、ロッド４０Ａを省略した形状からなる。したがって、以下の本実施形態の説明では、異なる箇所に関係する箇所のみを説明する。
【００６１】
圧電素子３０Ｂは、ｄ３１モードで駆動する圧電素子であり、平板状で矩形状からなる。圧電素子３０Ｂは、平板面の法線方向に沿って、セラミック層３１Ｂと電極層３２Ｂとが積層された構造からなる。この圧電素子３０Ｂは、上述のような駆動電圧信号が印加されると、平板面に平行な方向に沿って伸縮する。
【００６２】
圧電素子３０Ｂの積層方向に沿った第１端面は、錘２０に固定されている。圧電素子３０Ｂの錘２０への固定面と反対側の第２端面付近には、両平板面（積層方向に直交する面）を挟むように、先端部材６０Ｂが設置されている。
【００６３】
先端部材６０Ｂは、第２の実施形態の構成と同様に、被駆動部材５０Ｂに狭持されている。この構成により、被駆動部材５０Ｂは、先端部材６０Ｂに摩擦係合している。
【００６４】
このような構成であっても、上述の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態の構成を用いることで、圧電素子３０Ｂのような平板状の圧電素子を利用できるため、低コスト化が可能になる。さらに、ロッド４０，４０Ａや先端部材６０を用いなくてもよく、振動方向に直交する接合面が少なくなるので、振動方向に直交する方向の曲げに対する強度が向上する。さらに、圧電素子のセラミック層３１Ｂと電極層３２Ｂとの接合面が振動方向に対して平行になるので、この点においても、振動方向に直交する方向の曲げに対する強度が向上する。すなわち、低コストであって、より信頼性が高い駆動装置を実現できる。
【００６５】
なお、上述の説明では、貫通穴２２が、錘２０の本体２１を側面視した略中央に形成される例を示したが、所望とする仕様に応じて、錘の形状は適切な形状にすればよい。図１２は錘の形状のバリエーションを示す図である。なお、図１２（Ａ）〜（Ｆ）に示す振動方向とは、圧電素子の伸縮方向およびロッドの振動方向を示す。
【００６６】
図１２（Ａ）に示す錘２０Ａでは、貫通穴２２Ａの長円状の開口の長手方向と、振動方向とが平行になるように、貫通穴２２Ａが設けられている。
【００６７】
図１２（Ｂ）に示す錘２０Ｂでは、貫通穴２２Ｂが、本体２１の振動方向に沿った略中央に設けられているのではなく、振動方向に直交する二面の内の一方面に近接するように、設けられている。
【００６８】
図１２（Ｃ）に示す錘２０Ｃでは、貫通穴２２Ｃの開口形状が円形である。貫通穴２２Ｃは、本体２１の振動方向に沿った略中央に設けられている。
【００６９】
図１２（Ｄ）に示す錘２０Ｄでは、貫通穴を設けず、凹部２３Ｄを設けている。凹部溝２３Ｄは、本体２１の振動方向に沿った略中央に設けられている。凹部２３Ｄは、本体２１の振動方向に平行な４つの主面の内、対向する２つの主面から、本体２１の内側へ凹むように形成されている。凹部２３Ｄは、開口形状が長円状からなる。両面から凹ませた２つの凹部２３Ｄは、本体２１内部で繋がらない。
【００７０】
図１２（Ｅ）に示す錘２０Ｅでは、溝２３Ｅを設けている。溝２３Ｅは、本体２１の振動方向に沿った略中央に設けられている。溝２３Ｅは、本体２１の振動方向に平行な４つの主面の内の対向する２つの主面から、それぞれ本体２１の内側へ凹むように形成されている。これら２つの溝２３Ｅは、前記４つの主面の内の残る２つの主面間を貫通するように形成されている。２つの溝２３Ｅは、本体２１内部で繋がらない。
【００７１】
図１２（Ｆ）に示す錘２０Ｆでは、溝２３Ｆを設けている。溝２３Ｆは、本体２１の振動方向に直交する一主面から、本体２１の内側へ凹むように形成されている。そして、溝２３Ｆは、互いに対向する２つの主面間を貫通するように形成されている。
【００７２】
なお、図１２（Ａ）〜図１２（Ｆ）は、本発明に適用可能な錘の形状の一部を示すものであり、振動方向に沿って剛性の高い体積部と剛性の低い体積部が存在するように、錘の形状を形成すれば、他の構造であってもよい。
【００７３】
前記実施形態では、錘２０は貫通穴２２が形成された主面と直交する四面の内、一面が支持されているが、これに限るものではない。錘２０が弾性的に支持されていれば、どのように支持されていても構わない。
【００７４】
前記実施形態では、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成しているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などから構成してもよい。
【００７５】
前記実施形態では、 駆動電圧信号の波形は矩形波であるが、これに限るものではない。図４に示すｔｅｒｍＡとｔｅｒｍＢとの差が再現されていれば、例えば、正弦波や階段波でもよいし、多少の波形の乱れがあってもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０：駆動装置、１１：振動系、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ：錘、２１：本体、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ：貫通穴、溝：２３Ｄ，２３Ｅ，２３Ｆ、３０：圧電素子、３１，３１Ｂ：セラミック層、３２，３２Ｂ：電極層、４０，４０Ａ：ロッド、５０，５０Ａ：被駆動部材、５１，５１Ａ：板バネ、５２，５２Ａ：本体、６０，６０Ｂ：先端部材、９１：固定壁、９２：支持壁
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気機械変換素子による振動を利用して、被駆動体を移動させる駆動装置および、当該駆動装置における駆動力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、カメラのレンズ駆動機構や精密ステージの駆動機構として、電気機械変換素子を用いる駆動装置が利用されている。例えば、特許文献１の駆動装置は、第１錘、第２錘、第１電気機械変換素子、および第２電気機械変換素子を備える。第１電気機械変換素子は、印加される駆動電圧によって伸縮する方向の一方端に第１錘が固定され、他方端に第２錘が固定されている。第２錘の第１電気機械変換素子が固定された面と反対側の端面には、第２電気機械変換素子が固定されている。この際、第２電気機械変換素子の伸縮方向の一方端が第２錘に固定される。第２電気機械変換素子の第２錘が固定された端面と反対側の端面には、円柱状の駆動用ロッドが固定され、全体で振動発生部を形成している。駆動用ロッドには、被駆動部材が摩擦係合されている。
【０００３】
このような駆動装置では、駆動用ロッドが、駆動用ロッドの軸方向に沿った第１方向には低速で変位し、当該第１方向と逆方向である第２方向には高速で変位するノコギリ波状の波形をもって動作することで、被駆動部材を駆動用ロッドの第１方向に移動させている。
【０００４】
特許文献１の駆動装置では、第２電気機械変換素子の共振周波数を、第１電気機械変換素子の共振周波数の整数倍に設定し、各電気機械変換素子に共振周波数の正弦波駆動信号を印加している。このように、駆動時に振動発生部の複数の共振周波数を有効に利用しているので、効率のよい駆動を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３９０６８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の駆動装置では、少なくとも錘を２個、電気機械変換素子を２個備える必要がある。したがって、部材が複数必要になるので、駆動装置の構造が複雑になるとともに、駆動素子を小型化することが困難である。また、電気機械変換素子毎に個別の駆動信号を与えなければならず、駆動回路も少なくとも２個必要となり、この点においても駆動装置が複雑化し、小型化が困難になる。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、錘の形状を工夫することで、従来の駆動装置と同等の駆動機能を有しながら、簡素且つ小型の駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の駆動力発生装置は、電気機械変換素子、錘、および振動部材、を振動系として備える。電気機械変換素子は、所定周波数の駆動信号が印加されることによって伸縮する。錘は、電気機械変換素子の伸縮方向の第１端に固定されている。振動部材は、電気機械変換素子の第１端と反対側の第２端に固定されている。錘は、電気機械変換素子の伸縮による振動の２次以上の共振周波数の少なくとも１つが、駆動信号周波数の整数倍の周波数の少なくとも１つに略一致する形状で形成されている。
【０００９】
そして、本発明の駆動装置は、上述の駆動力発生装置と被駆動部材とを備え、被駆動部材は、駆動力発生装置の振動部材に摩擦係合されている。
【００１０】
この構成では、振動部材の伸縮方向に沿った振動が、駆動信号の基本周期と同じ繰り返し周期で、次に示すような変位で実現される。第１方向（例えば伸張方向）の変位は低速となり、第２方向（例えば短縮方向）の変位は高速となる。すなわち、変位量を縦軸とし、時間を横軸とした場合、変位はノコギリ波形状に変化する。
【００１１】
このとき、振動部材に摩擦係合された被駆動部材は、駆動部材が低速で変位するときには駆動部材の変位方向に沿って移動し、駆動部材が高速で変位するときには慣性によりその位置に止まる。したがって、振動部材の振動方向に沿って、被駆動部材を移動させることが可能になる。
【００１２】
また、この発明の駆動力発生装置では、振動系の１次共振周波数が、駆動信号周波数または駆動信号の２倍の周波数に略一致することが好ましい。この構成によって、上述のような振動部材のノコギリ波形状の変位が、効果的に実現される。
【００１３】
また、この発明の駆動力発生装置の錘は、振動系の２次以上の共振のノードの位置の剛性が当該ノードの位置以外の領域の剛性よりも低くなるように、形成されていることが好ましい。
【００１４】
この構成では、錘におけるノードの部分の剛性を、錘の他の領域よりも低くすることにより、２次共振のためのバネ定数を適切に設定することができる。
【００１５】
また、この発明の駆動力発生装置の錘は、振動系の２次以上の共振のノードの位置に、表面から内側へ凹む穴が形成されていることが好ましい。
【００１６】
この構成では、錘のノードの位置を凹ませることで、当該位置の剛性を容易な構造で低下させることができる。
【００１７】
また、この発明の駆動力発生装置の錘に形成される穴は、錘の対向する面間を貫通する貫通穴であることが好ましい。
【００１８】
この構成では、錘のノードの位置に貫通穴を設けることで、当該位置の剛性を容易な構造で低下させることができる。
【００１９】
また、この発明の駆動装置では、振動部材の被駆動部材との接触面の振動方向に沿った長さが、被駆動部材の振動方向に沿った長さよりも短いことが好ましい。
【００２０】
この構成では、駆動部材の振動が、被駆動部材の位置によらず安定化する。これにより、被駆動部材を安定した変位量で移動させることができる。
【００２１】
また、この発明の駆動装置は次の構成であることが好ましい。電気機械変換素子は、伸縮方向に長い矩形状である。振動部材は、電気機械変換素子の第２端の伸縮方向に平行な面に当接するように固定されている。
【００２２】
この構成では、電気機械変換素子が単純な矩形状で形成できるので、低コスト化が可能になる。さらに、伸延方向に沿った面に駆動部材が固定されることで、伸延方向を法線方向とする曲げに対する強度が向上する。
【００２３】
また、この発明の駆動装置では、振動系の２次以上の共振周波数は２次共振周波数であって、振動系の１次共振周波数に対する２次共振周波数の比が、１．５以上２．０以下であることが好ましい。
【００２４】
この構成では、上述の振動を効率的に実現することができる。
【発明の効果】
【００２５】
この発明によれば、従来の駆動装置と同等の駆動機能を有しながら、簡素且つ小型な構造で、駆動装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態の係る駆動装置１０を構成する振動系１１の外観斜視図、平面図、側面図、および正面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る駆動装置１０の設置状態および駆動態様を示す側面図である。
【図３】振動系１１の１次固有振動モード（基本振動）の様子を示す図、および振動系１１の２次固有振動モードの様子を示す図である。
【図４】圧電素子３０に印加する駆動電圧信号の時間波形を示す図である。
【図５】図４の駆動電圧信号を用いた場合の圧電素子３０の伸縮方向に沿った変位量の時間遷移を示す図である。
【図６】本実施形態の構成を用いた場合の駆動電圧信号が一定電圧での周波数成分に対する振動系の変位分布を示す図である。
【図７】貫通穴２２を開口面から見た長手方向の長さと、１次共振周波数に対する２次共振周波数の比との関係を示したグラフである。
【図８】本発明における一定電圧での駆動電圧信号の周波数成分に対する振動系の変位分布を示す他の事例を示す図である。
【図９】本発明における一定電圧での駆動電圧信号の周波数成分に対する振動系の変位分布を示す他の事例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態の係る駆動装置１０Ａの側面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態の係る駆動装置１０Ｂの側面図である。
【図１２】図錘の形状のバリエーションを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の第１の実施形態に係る駆動装置について、図を参照して説明する。図１（Ａ）は本実施形態に係る駆動装置１０を構成する振動系１１の外観斜視図であり、図１（Ｂ）は同平面図であり、図１（Ｃ）は同側面図であり、図１（Ｄ）は同正面図である。なお、図１では被駆動部材５０の図示を省略している。図２は本実施形態の駆動装置１０の設置状態および駆動態様を示す側面図である。また、各図では、圧電素子の構成を概略的に示しており、さらに外部の駆動回路に接続するための配線も省略している。
【００２８】
図１、図２に示すように、駆動装置１０は、錘２０、「電気機械変換素子」に相当する圧電素子３０、「振動部材」に相当するロッド４０、被駆動部材５０を備える。このうち、錘２０、圧電素子３０、およびロッド４０によって、振動系１１が構成される。この振動系１１が本発明の「駆動力発生装置」に相当する。
【００２９】
錘２０の本体２１は矩形状からなり、例えば、黄銅、ステンレス、タングステン、超硬合金等の金属によって、形成されている。錘２０の本体２１には、貫通穴２２が形成されている。貫通穴２２は、矩形状からなる本体２１の対向する一対の主面の両方に開口するように、本体２１を貫通する形状からなる。貫通穴２２の開口形状は、開口面から見て長円状になっている。貫通穴２２は、後述するように、振動系１１の２次共振周波数と、駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数とが一致するように設定された位置および形状で形成されている。
【００３０】
錘２０は、図２に示すように、貫通穴２２が形成された主面と直交する四面の内、一面が、弾性を有する接着剤９１０によって、固定壁９１へ固定されている。この際、錘２０は、貫通穴２２の開口形状である長円の長手方向が固定壁９１の壁面と平行になるように、固定壁９１へ固定されている。
【００３１】
圧電素子３０は、錘２０の固定壁９１への固定面と対向する面に、第１端部が固定されている。圧電素子３０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）からなるセラミック層３１と電極層３２とが積層された構造からなり、矩形状からなる。なお、圧電素子３０として別の圧電材料を用いてもよい。さらに、圧電素子に替えて、磁歪材料からなる素子を用いてもよい。この圧電素子３０は、駆動信号が印加されることによって、セラミック層と電極層との積層方向に沿って伸縮する。この伸縮方向の直交する二面の内、一面が上述の第１端部に相当し、別の一面が第２端部に相当する。
【００３２】
ロッド４０は、円柱状からなる。この際、ロッド４０は、ロッド４０の長さすなわち対向する円形面間の長さが、円形面の径よりも十分に長くなるように、形成されている。ロッド４０は、一対からなる円形面の一方面が、圧電素子３０の第２端部に固定されている。
【００３３】
ロッド４０の圧電素子３０に固定された面と反対側の端部付近は、支持壁９２に設けられた支持用穴を挿通している。これにより、ロッド４０の圧電素子３０と反対側の端部は、支持壁９２によって摺動可能に支持されている。
【００３４】
ロッド４０の軸方向に沿った所定位置には、被駆動部材５０が取り付けられている。被駆動部材５０は、板バネ５１と本体５２とから構成される。本体５２は、ロッド４０の円周面に当接する形状からなる。板バネ５１は、本体５１をロッド４０の円周面に押しつけるように付勢する。これにより、被駆動部材５０は、ロッド４０の円周面に対して摩擦係合している。この被駆動部材５０は、図示しない、被駆動体（オートフォーカスカメラのレンズ等）に固定されている。
【００３５】
ロッド４０と被駆動部材５０は、いずれかに、炭素繊維複合樹脂等の樹脂、金属表面にポリテトラフルオロエチレン加工、ＤＬＣ加工、窒化等を施したものを用いるとよい。
【００３６】
このような構成の駆動装置１０に対して、次に示すような駆動を行う。まず、一般的な振動系１１の共振周波数と駆動周波数との関係について説明する。
【００３７】
駆動電圧信号が印加されると、駆動装置１０の振動系１１には、図３に示すような振動が生じる。図３（Ａ）は振動系１１の１次固有振動モード（基本振動）の様子を示す図であり、図３（Ｂ）は振動系１１の２次固有振動モードの様子を示す図である。
【００３８】
振動系１１が上述の構造からなることにより、１次固有振動モードに対しては、図３（Ａ）に示すように、圧電素子３０およびロッド４０からなる質量Ｍ１と、錘２０からなる質量Ｍ２とが、圧電素子３０およびロッド４０の伸縮動作から得られるバネＫ１で接続された構造が実現される。これにより、錘２０と圧電素子３０との接続面をノードとして、１次共振周波数からなる１次振動が生じる。この際、錘２０の本体２１に形成された貫通穴２２は、１次振動にあまり寄与しないので、当該貫通穴２２を設けても、所望の１次振動を生じることができる。
【００３９】
また、振動系１１が上述の構造からなることにより、２次固有振動モードに対しては、図３（Ｂ）に示すように、ロッド４０からなる質量Ｍ３と、圧電素子３０および錘２０における貫通穴２２よりも圧電素子３０側の体積部からなる質量Ｍ４とが、圧電素子３０の伸縮動作から得られるバネＫ２で接続された構造が実現される。さらに、質量Ｍ４と、錘２０における貫通穴２２よりも固定壁９１側の体積部からなる質量Ｍ５とが、貫通穴２２の形成によって錘２０の他の体積部よりも剛性が低くなった部分で得られるバネＫ３で接続された構造が実現される。これにより、圧電素子３０とロッド４０との接続面および、貫通穴２２の位置をノードとして、２次共振周波数からなる２次振動が生じる。
【００４０】
一般に、複数の質量間をバネで接続してなる振動系においては、当該振動系の共振周波数で駆動すること、すなわち駆動電圧信号の基本周波数と、駆動電圧信号が印加されて振動する振動系の１次共振周波数とを一致させれば、効率的な駆動が可能になる。しかし、この場合は、振動系は、駆動電圧信号の基本周波数のみでしか振動せず、振動系の駆動波形は正弦波状になる。
【００４１】
そこで、本願発明の駆動装置１０では、まず、図４（Ａ）に示すような波形からなる駆動電圧信号を圧電素子３０に対して印加する。図４（Ａ）は圧電素子３０に印加する駆動電圧信号の時間波形を示す図である。
【００４２】
圧電素子３０には、図４（Ａ）に示すように、所定の周波数からなる矩形波の駆動電圧信号が印加される。駆動電圧信号は、正電圧となる第１期間ｔｅｒｍＡと負電圧となる第２期間ｔｅｒｍＢとの組合せを一周期とし、これら第１期間ｔｅｒｍＡと第２期間ｔｅｒｍＢが繰り返される構成となっている。この際、第１期間ｔｅｒｍＡの時間長と第２期間ｔｅｒｍＢの時間長とを異ならせて、適宜設定しておく。
【００４３】
図４に示すような駆動電圧信号を印加することで、圧電素子３０には、図５に示すようなノコギリ波状の変位が生じる。図５は図４の駆動電圧信号を用いた場合の圧電素子３０の伸縮方向に沿った変位量の時間遷移を示す図である。
【００４４】
図４の駆動電圧信号が印加された場合、圧電素子３０の伸縮により、ロッド４０は、図５に示すように、第１期間ｔｅｒｍＡでは軸に沿った第１方向（保持壁９２へ向かう方向）に変位し、第２期間ｔｅｒｍＢでは軸に沿った第２方向（固定壁９１へ向かう方向）に変位する。この際、第１期間ｔｅｒｍＡと第２期間ｔｅｒｍＢでは、変位の総量は同じであるが、第１期間ｔｅｒｍＡの時間長が第２期間ｔｅｒｍＢよりも長くなる。すなわち、第１方向に変位する場合には低速で変位し、第２方向に変位する場合には高速で変位する。
【００４５】
詳述すると、第１期間ｔｅｒｍＡでは、ロッド４０と被駆動部材５０との間には、比較的値の大きな摩擦係数からなる静摩擦が生じた状態が維持される。したがって、被駆動部材５０は、ロッド４０の変位に追随して、ロッド４０の軸方向に沿った正方向へ移動する。一方、被駆動部材５０は、第２期間ｔｅｒｍＢでは、ロッド４０と被駆動部材５０との間には、比較的値の小さな摩擦係数からなる動静摩擦が生じた状態となる。したがって、被駆動部材５０は、ロッド４０の変位に追随することなく、略静止した状態となる。このような動作を繰り返すことで、被駆動部材５０を正方向に沿って移動させることができる。なお、上述の説明では、被駆動部材５０を正方向へ移動させる例を示したが、第１期間ｔｅｒｍＡを短くし、第２期間ｔｅｒｍＢを長くすれば、被駆動部材５０を負方向へ移動させることもできる。
【００４６】
ここで、駆動電圧信号の基本周波数の整数倍の周波数からなる高調波信号の周波数と、振動系１１の２次以上の共振周波数を一致させると、より効率のよい駆動を行うことができる。なお、ここで、振動系１１の２次以上の共振周波数とは、振動系１１の形状に応じて生じる１次共振周波数よりも高い周波数の振動を示す。
【００４７】
本実施形態の構成による振動系１１の共振周波数と駆動電圧信号との関係を図６に示す。図６は、本実施形態の構成を用いた場合の駆動電圧信号が一定電圧での周波数成分に対する振動系１１の変位分布を示す図である。
【００４８】
図６から、振動系１１の基本周波数（１次共振周波数）の変位は、駆動電圧信号の基本周波数ｆｄ、２次共振周波数の変位は２次高調波信号の周波数２ｆｄの箇所で大きくなることが分かる。ここで、駆動電圧信号の基本周波数ｆｄに振動系１１の１次共振周波数ｆｒを一致させ、駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数２ｆｄに振動系１１の２次共振周波数２ｆｒを一致させると、より大きな変位が得られることが分かる。
【００４９】
これを利用し、本願発明では、図４に示すような駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数が、振動系１１の２次共振周波数に略一致するように、錘２０の本体２１に対する貫通穴２２を設けている。貫通穴２２の位置を変化させると、質量Ｍ４，Ｍ５、バネＫ３が変化し、振動系１１の１次共振周波数にほとんど影響を与えずに２次共振周波数を変化させることができる。
【００５０】
図７は、貫通穴２２を開口面から見た長手方向の長さと、振動系１１の１次共振周波数に対する２次共振周波数の比との関係を示したグラフである。図７に示すように、貫通穴２２の形状を変化させることで、振動系１１の１次共振周波数に対する２次共振周波数の比を変化させることができる。すなわち、このようにすることで、複数の固有振動モードを簡単な構成で利用できる。
【００５１】
これを利用し、振動系１１の２次共振周波数が振動系１１の１次共振周波数の２倍程度となるように貫通穴２２が形成されているので、本願発明の駆動装置１０に対して、より効果的な振動発生が可能になる。
【００５２】
以上のように、本実施形態の構成を用いれば、錘２０の形状を工夫することで、簡素且つ小型な構造でありながら、従来の駆動装置と同等の駆動機能を実現することができる。また、駆動電圧信号が一種類で済むため、駆動回路も簡素化することができる。
【００５３】
なお、上述の説明では、振動系１１の１次共振周波数ｆｒと駆動電圧信号の基本周波数ｆｄとを一致させ、振動系１１の２次共振周波数２ｆｒと駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数２ｆｄとを一致させる場合を示したが、これに限るものではない。振動系の２次共振周波数２ｆｒと、駆動電圧信号の複数の高調波信号のうちのいずれかの高調波信号の周波数とを一致させれば、上述の振動を実現させることができる。また、振動系１１の１次共振周波数ｆｒと駆動電圧信号の基本周波数ｆｄまたは２次高調波信号の周波数２ｆｄとを一致させると、より効率の良い振動波形が得られる。図８、図９は、本発明における一定電圧での駆動電圧信号の周波数成分に対する振動系の変位分布を示す他の事例を示す図である。図８の場合は、振動系の２次共振周波数２ｆｒと駆動電圧信号の３次高調波信号の周波数３ｆｄとを一致させている。図９の場合は、振動系の１次共振周波数ｆｒと駆動電圧信号の２次高調波信号の周波数２ｆｄとを一致させ、振動系の２次共振周波数２ｆｒと駆動電圧信号の３次高調波信号の周波数３ｆｄとを一致させている。
【００５４】
このような構成とすることで、駆動ロッドの変位のノコギリ波を所望の形状にすることができる。したがって、形状に応じた効果的な振動が実現でき、高効率で且つ高速に被駆動部材を移動させることが可能になる。
【００５５】
次に、第２の実施形態に係る駆動装置について、図を参照して説明する。図１０は、本発明の第２の実施形態の係る駆動装置１０Ａの側面図である。本実施形態の駆動装置１０Ａは、第１の実施形態に示した駆動装置１０に対して、被駆動部材と５０Ａの設置態様が異なるものであり、他の構成は駆動装置１０と同じである。したがって、以下の本実施形態の説明では、異なる箇所に関係する箇所のみを説明する。
【００５６】
ロッド４０Ａの圧電素子３０と反対側の端面には、先端部材６０が設置されている。先端部材６０は、例えばロッド４０Ａと同様の材質で形成されている。先端部材６０は、ロッド４０Ａの径よりも大きな幅を有する。すなわち、先端部材６０におけるロッド４０Ａに平行な端面は、側面視して、ロッド４０Ａの円周面を延長した線上よりも外側に突出している。
【００５７】
先端部材６０の前記平行な端面には、被駆動部材５０Ａが設置されている。被駆動部材５０Ａは、一方の端面に当接する板バネ５１Ａと、他方の端面に当接する本体５２Ａとからなる。これら板バネ５１Ａおよび本体５２Ａのロッド４０Ａの軸方向に沿った長さは、先端部材６０よりも長い。この際、板バネ５１Ａおよび本体５２Ａのロッド４０Ａの軸方向に沿った長さは、当該駆動装置１０Ａで移動させる被駆動部材５０Ａの移動距離よりも長く設定されている。
【００５８】
そして、これら板バネ５１Ａと本体５２Ａとで先端部材６０を狭持し、板バネ５１Ａによる付勢力が加わることで、被駆動部材５０Ａは、先端部材６０に対して摩擦係合している。
【００５９】
このような構成とすることで、ロッド４０Ａが振動して被駆動部材５０Ａが移動しても、被駆動部材５０Ａとロッド４０との接触が、常に、ロッド４０の先端に取り付けられた先端部材６０を介して行われる。これにより、ロッド４０の振動方向における被駆動部材５０Ａの位置に依存することなく、常に一定の速度で摺動する。したがって、被駆動部材５０Ａを一定の速度で移動させることができる。
【００６０】
次に、第３の実施形態に係る駆動装置について、図を参照して説明する。図１１は、本発明の第３の実施形態の係る駆動装置１０Ｂの側面図である。本実施形態の駆動装置１０Ｂは、第２の実施形態に示した駆動装置１０Ａに対して、ｄ３１モードの圧電素子３０Ｂを配し、ロッド４０Ａを省略した形状からなる。したがって、以下の本実施形態の説明では、異なる箇所に関係する箇所のみを説明する。
【００６１】
圧電素子３０Ｂは、ｄ３１モードで駆動する圧電素子であり、平板状で矩形状からなる。圧電素子３０Ｂは、平板面の法線方向に沿って、セラミック層３１Ｂと電極層３２Ｂとが積層された構造からなる。この圧電素子３０Ｂは、上述のような駆動電圧信号が印加されると、平板面に平行な方向に沿って伸縮する。
【００６２】
圧電素子３０Ｂの積層方向に沿った第１端面は、錘２０に固定されている。圧電素子３０Ｂの錘２０への固定面と反対側の第２端面付近には、両平板面（積層方向に直交する面）を挟むように、先端部材６０Ｂが設置されている。
【００６３】
先端部材６０Ｂは、第２の実施形態の構成と同様に、被駆動部材５０Ｂに狭持されている。この構成により、被駆動部材５０Ｂは、先端部材６０Ｂに摩擦係合している。
【００６４】
このような構成であっても、上述の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態の構成を用いることで、圧電素子３０Ｂのような平板状の圧電素子を利用できるため、低コスト化が可能になる。さらに、ロッド４０，４０Ａや先端部材６０を用いなくてもよく、振動方向に直交する接合面が少なくなるので、振動方向に直交する方向の曲げに対する強度が向上する。さらに、圧電素子のセラミック層３１Ｂと電極層３２Ｂとの接合面が振動方向に対して平行になるので、この点においても、振動方向に直交する方向の曲げに対する強度が向上する。すなわち、低コストであって、より信頼性が高い駆動装置を実現できる。
【００６５】
なお、上述の説明では、貫通穴２２が、錘２０の本体２１を側面視した略中央に形成される例を示したが、所望とする仕様に応じて、錘の形状は適切な形状にすればよい。図１２は錘の形状のバリエーションを示す図である。なお、図１２（Ａ）〜（Ｆ）に示す振動方向とは、圧電素子の伸縮方向およびロッドの振動方向を示す。
【００６６】
図１２（Ａ）に示す錘２０Ａでは、貫通穴２２Ａの長円状の開口の長手方向と、振動方向とが平行になるように、貫通穴２２Ａが設けられている。
【００６７】
図１２（Ｂ）に示す錘２０Ｂでは、貫通穴２２Ｂが、本体２１の振動方向に沿った略中央に設けられているのではなく、振動方向に直交する二面の内の一方面に近接するように、設けられている。
【００６８】
図１２（Ｃ）に示す錘２０Ｃでは、貫通穴２２Ｃの開口形状が円形である。貫通穴２２Ｃは、本体２１の振動方向に沿った略中央に設けられている。
【００６９】
図１２（Ｄ）に示す錘２０Ｄでは、貫通穴を設けず、凹部２３Ｄを設けている。凹部溝２３Ｄは、本体２１の振動方向に沿った略中央に設けられている。凹部２３Ｄは、本体２１の振動方向に平行な４つの主面の内、対向する２つの主面から、本体２１の内側へ凹むように形成されている。凹部２３Ｄは、開口形状が長円状からなる。両面から凹ませた２つの凹部２３Ｄは、本体２１内部で繋がらない。
【００７０】
図１２（Ｅ）に示す錘２０Ｅでは、溝２３Ｅを設けている。溝２３Ｅは、本体２１の振動方向に沿った略中央に設けられている。溝２３Ｅは、本体２１の振動方向に平行な４つの主面の内の対向する２つの主面から、それぞれ本体２１の内側へ凹むように形成されている。これら２つの溝２３Ｅは、前記４つの主面の内の残る２つの主面間を貫通するように形成されている。２つの溝２３Ｅは、本体２１内部で繋がらない。
【００７１】
図１２（Ｆ）に示す錘２０Ｆでは、溝２３Ｆを設けている。溝２３Ｆは、本体２１の振動方向に直交する一主面から、本体２１の内側へ凹むように形成されている。そして、溝２３Ｆは、互いに対向する２つの主面間を貫通するように形成されている。
【００７２】
なお、図１２（Ａ）〜図１２（Ｆ）は、本発明に適用可能な錘の形状の一部を示すものであり、振動方向に沿って剛性の高い体積部と剛性の低い体積部が存在するように、錘の形状を形成すれば、他の構造であってもよい。
【００７３】
前記実施形態では、錘２０は貫通穴２２が形成された主面と直交する四面の内、一面が支持されているが、これに限るものではない。錘２０が弾性的に支持されていれば、どのように支持されていても構わない。
【００７４】
前記実施形態では、圧電素子はチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスから構成しているが、これに限るものではない。例えば、ニオブ酸カリウムナトリウム系及びアルカリニオブ酸系セラミックス等の非鉛系圧電体セラミックスの圧電材料などから構成してもよい。
【００７５】
前記実施形態では、 駆動電圧信号の波形は矩形波であるが、これに限るものではない。図４に示すｔｅｒｍＡとｔｅｒｍＢとの差が再現されていれば、例えば、正弦波や階段波でもよいし、多少の波形の乱れがあってもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０：駆動装置、１１：振動系、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ：錘、２１：本体、２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ：貫通穴、溝：２３Ｄ，２３Ｅ，２３Ｆ、３０：圧電素子、３１，３１Ｂ：セラミック層、３２，３２Ｂ：電極層、４０，４０Ａ：ロッド、５０，５０Ａ：被駆動部材、５１，５１Ａ：板バネ、５２，５２Ａ：本体、６０，６０Ｂ：先端部材、９１：固定壁、９２：支持壁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数の駆動信号による伸縮する電気機械変換素子と、
該電気機械変換素子の伸縮方向の第１端に固定された錘と、
前記電気機械変換素子の前記第１端と反対側の第２端に固定された振動部材と、を振動系として備え、
前記錘は、
前記電気機械変換素子の伸縮による振動の２次以上の共振周波数の少なくとも１つが、前記駆動信号周波数の整数倍の周波数の少なくとも１つに略一致する形状からなる、駆動力発生装置。
【請求項２】
前記振動系の１次共振周波数が、前記駆動信号周波数または前記駆動信号の２倍の周波数に略一致する、請求項１に記載の駆動力発生装置。
【請求項３】
前記錘は、
前記振動系の２次以上の共振のノードの位置の剛性が、当該ノードの位置以外の領域の剛性よりも低くなるように、形成されている、請求項１または請求項２に記載の駆動力発生装置。
【請求項４】
前記錘は、前記振動系の２次以上の共振のノードの位置に、表面から内側へ凹む穴が形成されている、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の駆動力発生装置。
【請求項５】
前記穴は、前記錘の対向する面間を貫通する貫通穴である、請求項４に記載の駆動力発生装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の駆動力発生装置と、
前記振動部材に摩擦係合された被駆動部材と、を備えた、駆動装置。
【請求項７】
前記振動部材の前記被駆動部材との接触面の前記振動方向に沿った長さは、前記被駆動部材の前記振動方向に沿った長さよりも短い、請求項５に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記電気機械変換素子は、前記伸縮方向に長い矩形状であり、
前記振動部材は、前記電気機械変換素子の前記第２端の前記伸縮方向に平行な面に当接するように固定されている、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項９】
前記振動系の２次以上の共振周波数は、２次共振周波数であって、
前記振動系の１次共振周波数に対する２次共振周波数の比が、１．５以上２．０以下である、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項１】
所定周波数の駆動信号による伸縮する電気機械変換素子と、
該電気機械変換素子の伸縮方向の第１端に固定された錘と、
前記電気機械変換素子の前記第１端と反対側の第２端に固定された振動部材と、を振動系として備え、
前記錘は、
前記電気機械変換素子の伸縮による振動の２次以上の共振周波数の少なくとも１つが、前記駆動信号周波数の整数倍の周波数の少なくとも１つに略一致する形状からなる、駆動力発生装置。
【請求項２】
前記振動系の１次共振周波数が、前記駆動信号周波数または前記駆動信号の２倍の周波数に略一致する、請求項１に記載の駆動力発生装置。
【請求項３】
前記錘は、
前記振動系の２次以上の共振のノードの位置の剛性が、当該ノードの位置以外の領域の剛性よりも低くなるように、形成されている、請求項１または請求項２に記載の駆動力発生装置。
【請求項４】
前記錘は、前記振動系の２次以上の共振のノードの位置に、表面から内側へ凹む穴が形成されている、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の駆動力発生装置。
【請求項５】
前記穴は、前記錘の対向する面間を貫通する貫通穴である、請求項４に記載の駆動力発生装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の駆動力発生装置と、
前記振動部材に摩擦係合された被駆動部材と、を備えた、駆動装置。
【請求項７】
前記振動部材の前記被駆動部材との接触面の前記振動方向に沿った長さは、前記被駆動部材の前記振動方向に沿った長さよりも短い、請求項５に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記電気機械変換素子は、前記伸縮方向に長い矩形状であり、
前記振動部材は、前記電気機械変換素子の前記第２端の前記伸縮方向に平行な面に当接するように固定されている、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の駆動装置。
【請求項９】
前記振動系の２次以上の共振周波数は、２次共振周波数であって、
前記振動系の１次共振周波数に対する２次共振周波数の比が、１．５以上２．０以下である、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の駆動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−２１８３６（Ｐ２０１３−２１８３６Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４０４１（Ｐ２０１１−１５４０４１）
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１２日（２０１１．７．１２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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