JP2003111451A - 振動波駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】目的の周波数よりも高周波数側で誤った位相制
御が行なわれることがない信頼性の高い振動波モータ等
の振動波駆動装置を提供する。 【解決手段】リング状の弾性体の一面に圧電素子を貼り
付け、他面側に複数の溝を周方向に沿って形成し、圧電
素子のＡ,Ｂ相に駆動信号を印加して進行性振動波を励
振し、振動状態を検出するＳ相の出力とＡ又はＢ相の駆
動信号との位相差により制御する構成において、Ｓ相の
中心はＢ相の腹の位置と同位相とし、該弾性体は該振動
波伝播方向の所定の位置に動剛性不均一部を有し、該動
剛性不均一部の分布は幾何学的対称軸を有しており、Ｓ
相の中心は該対称軸上に位置するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動波モータ等の
振動波駆動装置に係り、特に振動体の構成に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】一般に、振動波モータ等の振動波駆動装
置は、駆動振動が形成される振動体を基本的構成として
有し、前記振動体に接触体を加圧接触させ、前記振動体
と前記接触体とを前記駆動振動により相対的に移動させ
るようにしたものである。

【０００３】そして、前記振動体は、一般に、弾性体
と、電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子と
により構成され、例えば前記振動体をリング状に形成し
たタイプにあっては、共振周波数における波長をλとす
ると、弾性体に対して例えばλ/4の位相差を持った位置
に駆動相を有する圧電素子を配置し、この２つの駆動相
に位相差を持つ２相の交番信号を印加することによっ
て、前記弾性体に進行波を発生させ、これに接触体を圧
接して摩擦力により駆動力を得るようにした振動波モ―
タが提供されている。

【０００４】このような振動波モータにおいて、弾性体
に進行性振動波を生じさせ、この振動によって接触体
（ロータ等の移動体）を移動させる振動波モータは小型
であり、また低速時に高トルクが得られる事から近年一
眼レフカメラの撮影用レンズ駆動用として採用された。

【０００５】図７は振動波モータを撮影レンズ駆動用と
して組み込んだ一眼レフカメラの撮影レンズの縦断面図
で、１は撮影レンズの光軸Ｌを回転中心とする、円環状
の金属製の弾性体で、後述するロータ３に接する側には
図８に示されるように所定の幅ｔと深さｈの溝１Ａが全
周にわたって設けられている。また、弾性体１の下部に
はＰＺＴ等の圧電素子２からなる駆動用の２群の駆動相
が接着剤により固定されている。

【０００６】電気−機械エネルギ−変換素子としての圧
電素子２からなる２群の駆動相に対しては、公知の方法
で位相の異なる超音波領域の駆動信号が夫々印加され、
この信号に応答して弾性体１が振動する事によって振動
体を形成する弾性体１の周方向に回転する進行性振動波
が発生する。３は弾性体１の上面に加圧接触した端部を
有する円環状のロータで、移動体としてのロータ３の他
端にはゴム等の円環状の振動吸収体５が設けられてい
る。４はフェルト等で形成された円環状の振動絶縁体
で、絶縁体４はフェルト台８を介して重ねられた２枚の
皿ばね９から加圧力を受けている。

【０００７】前述のロータ３は、前記した振動吸収体５
を介して連結板２２に密接保持される。円環状の連結環
２２は締め付けビス（不図示）により出力伝達体２５と
固定される。光軸Ｌを回転中心として回転する出力伝達
体２５は、ボール１０を用いてボールレース１４で玉軸
受けを構成している。ボールレース１３，１４は撮影レ
ンズの外筒１２に固定され、外筒１２は固定筒１１と結
合され、カメラマウントに固定される。

【０００８】出力伝達体２５の先端には連結コロ１５が
固定され、光軸方向に設けられたフォーカスレンズ２７
を保持した移動環１７のキー溝（不図示）と係合する。

【０００９】固定内筒１８のネジ部１８ａと移動環１７
のネジ部１７ａがヘリコイド結合しており、出力伝達体
２５の回転運動によって連結コロ１５を介して移動環１
７は回転しながら光軸方向へ移動可能となる。

【００１０】かかる構成において、カメラ側からＡＦ信
号またはマニュアルリング１６からの駆動信号によって
弾性体と圧電素子からなる振動体に公知の方法で進行性
振動波を発生させ、ロータ３を回転させて最終的にフォ
ーカスレンズ２７を光軸方向へ移動させ、ピント調整を
行うものである。

【００１１】かかる振動波モータにおいて、この振動体
は、モータ駆動時に発生する騒音を防止するため、図９
に示すように、振動体の周方向の所定位置に動剛性不均
一部を複数個設けており、この振動体の動剛性不均一部
の分布パターンと圧電素子の電極パターンとは、所定の
位置関係（例えば図１０に示す圧電素子の軸３４を図９
の対称軸３５と合わせる）になるように圧電素子が接合
されている。駆動時の騒音対策としてこのように動剛性
不均一部を設ける事は、特開平２−２８０６７７号公報
等で既に提案されているので、ここでは説明を省略す
る。

【００１２】

【本発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
従来の振動波モータでは、モータの制御上の問題で起動
特性が悪いという問題があった。振動波モータの起動
は、そのモータの共振周波数ｆｒよりも高い周波数から
周波数を下げるように掃引して、その時の第三の電極
（Ｓ相）から出力される電圧信号と第一または第二の圧
電素子群に印加される電圧信号との位相差（Θ）を算出
し、この位相差を見ながら周波数を制御している。

【００１３】この時のΘのカーブは、一般的には図４の
ようになり、ほぼΘ−90°の位相から滑らかに共振時の
位相Θ11へ推移するので、モータを駆動する際には予め
モータを制御するための位相Θ12及びΘ13を設定し、Θ
12とΘ13の間で位相を挟み込むように周波数制御をして
いる。

【００１４】ところが、モータを過酷な環境で駆動しよ
うとすると、モータの摺動面の平面度や摩擦係数、また
は圧電素子の容量などが変化し、特にステータの振幅が
小さいモータ起動時に位相カーブが図５（ａ）、（ｂ）
中の特性線ｌ13、ｌ23のように大きくうねってしまうこ
とがある。この時、回転ムラなどの影響で位相のブレが
大きくなり、ΘのうねりのピークがΘ12に達してしま
い、本来制御すべき周波数ｆ２とｆ３間よりも高い周波
数ｆ４近傍で位相制御が作動してしまい、モータが起動
しない、または起動しても回転数が遅いなどの問題があ
った。

【００１５】この問題の悪化をさらに助長する現象とし
て、図５（ａ）及び（ｂ）中の特性線ｌ12、ｌ22に示す
ように、位相のベースラインにオフセットが乗るという
問題がある。

【００１６】図５（ａ）では、本来、点線で示すライン
ｌ11のように位相が変化するが、ラインｌ12にあっては
周波数が高い側（１つ上の振動モードとの間で）になる
程Θが共振側に近づいてしまい、これにΘのうねりがさ
らに重畳されるために、ラインｌ14のようにうねり部の
Θ（位相）がさらに共振側へ近づき、先に述べた起動時
の問題がさらに起きやすくなることになる。

【００１７】ところで、このような位相（Θ）のオフセ
ットが生じる理由としては、駆動波の振動モードに対す
るＳ相の空間的位相と、（駆動波＋１波）の振動モード
に対するＳ相の空間的位相との関係が異なるために起こ
る事がわかった。

【００１８】通常、駆動波（例えば８波）の一方のモー
ド（例えばＡ相）の振動（定在波振動）における腹位置
がＳ相の中心と一致するような空間的位置関係にあり、
かつ駆動波の波数である８波の共振周波数の前後でこの
振動モードの空間的位相が変わらなければ、Ａ相の入力
電圧に対するＳ相の出力電圧の位相は、例えば共振点で
時間的に90度遅れ（−90度）、共振点から周波数の高い
側になるにつれて遅れ量が増加し、−１８０度に漸近す
るカーブを描く。

【００１９】一方、駆動波としての８波の共振点と、駆
動波の波数＋１波である９波の共振点の中間の周波数帯
域（周波数掃引ゾーン）では、駆動振動の振動モードが
９波の振動モードの影響を受けるため、振幅は小さいが
８波と９波が複合された振動をする。このとき、例えば
８波の振動モード（Ａ相による定在波振動）とＳ相中心
は一致していて、９波の振動モードがＳ相の中心とずれ
ている場合、周波数掃引ゾーンで励振される合成振動の
空間的位相は、周波数を下げるにつれて（共振点に近づ
くにつれて）９波の振動モードから８波の振動モードに
向かって徐々に移動する。この空間的位相のずれ分があ
るために、Θのカーブが高周波数側のΘの漸近線（−１
８０度）からずれを生じてくることになる。このずれは
モータの回転方向（進行波の進行方向）で逆方向に作用
するので、図５に示すように、（ａ）のＣＷ方向では共
振側に、（ｂ）のＣＣＷ方向では共振から離れる方向に
位相カーブはシフトしていくことになるため、上述した
ような問題が生じる。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
ための構成は、弾性体上に電気−機械エネルギー変換素
子を配置し、該素子に第一、及び第二の電極を設けてい
て、該第一及び第二の電極にお互いに位相の異なる周波
電圧を印加して進行性振動波を発生させ、該振動波によ
り、該弾性体と該弾性体に加圧接触した部材とを相対運
動させ、さらに第三の電極を介して振動状態を検出する
手段を有する振動波モータにおいて、該弾性体は該振動
波伝播方向の所定の位置に動剛性不均一部を有している
と共に、該剛性不均一部の分布は幾何学的対称軸を有し
ており、かつ、該第三の電極の中心は該対称軸上に位置
するか、または、ほぼ該対称軸の近傍に位置するよう設
けたものである。

【００２１】上記した構造において、弾性体に発生する
全ての定在波振動の節または腹の位置は上記弾性体の幾
何学的対称軸上で重なる。このため、この対称軸上にＳ
相の中心がくるように圧電素子の電極パターンを配置す
ると、振動モードとＳ相との位相関係はすべての次数で
等しい関係になるので、たとえば駆動モードを８次の曲
げ振動とした場合、８次の駆動振動によって励起される
９次の振動モードもＳ相との位置関係が変わらないの
で、起動時のΘにはオフセットが乗る事はなく、図４に
示すような単調増加のカーブとなる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は本発明による振動波駆動装
置の第１の実施の形態を示す。

【００２３】図１（ａ）は弾性体の平面図、（ｂ）は側
面図である。

【００２４】本実施の形態による弾性体２８は、図８に
示す従来例と同様に、円環状に形成されるとともに、振
幅の拡大を図るために、移動体（不図示）圧接面側に複
数の溝を形成している。

【００２５】本実施の形態において、上記した溝は、４
°ピッチで90個形成し、上記した振幅を拡大する目的の
他に、不要モードの進行波の発生を防止するために、図
中黒く塗りつぶした１４個の溝28b1,28b3,.....,28b27
(ｂの後の奇数符号の溝)の深さｈを白抜きで示す他の溝
28aよりも若干、たとえば0.2ｍｍ深くし（以下深溝と称
す）、かつ溝28b2,28b4,..........28b28(28b8と28b22
とを除くｂの後の偶数符号の溝)をたとえば他の溝より
も0.2mm浅く（以下浅溝と称す）し、さらに、夫々２つ
づつの溝である溝28b8及び28b22を他の溝28aよりも0.14
mm浅くして動剛性を変えている。

【００２６】また本実施の形態では、駆動時の振動モー
ドと異モード（ねじれ振動モード、面内振動モードな
ど）との連成振動を避け、かつ、さらに振幅の拡大も図
る事を目的として、符号30a,30bで示すように、弾性体
側面の内周側と外周側を削り、断面の一部が細くなるよ
うな形状にした。

【００２７】本実施の形態の弾性体は、駆動波の次数を
８波として、７波の振動モードの周波数分離を施した例
である。

【００２８】図に示すように、上記した深溝のパターン
は、弾性体の中心を通り互いに直交する軸29a、29bに対
して、線対称に設けられている。

【００２９】このように、弾性体の動剛性が線対称にな
るようにすると、各次数の振動モードはこの線を対称軸
とするような位置に励振される。

【００３０】すなわち、軸線29aの軸上に８波のSinモー
ドの節が位置すると、８波のCosモードの腹もまた軸線2
9aの軸上に位置する。その他の次数の振動モードも同様
にこの対称軸29a、29b上に振動の節、または腹が位置す
るように励振される。

【００３１】図２は本実施の形態における圧電素子の電
極パターン図を示す。本図は、８波の電極パターンを示
し、＋、−は各電極に施された分極の方向を示してい
る。

【００３２】本実施の形態では、Ｓ相をＢ相の電極群の
中心に配置し、かつ、軸３１に対し線対称なパターンに
設計している。これは、８波のパターンのＡ相、または
Ｂ相で９波の振動を励振しようとすると、８波のパター
ンが一番効率よく９波に作用するように波が立つので、
Ａ相、またはＢ相群の中心に線対称なモードとなる。す
なわち、Ｂ相を例にすると、図２において、軸３１上の
位置はパターンから当然８波の腹になり、９波に関して
もＢ相電極群の中心である軸３１上の位置が波の腹とな
る（図６）。

【００３３】この位置にＳ相の中心がくるように電極パ
ターンを設定すると、Ｂ相に対するＳ相の位相関係は、
８波の振動に対しても、９波の振動に対しても同じ関係
となる。

【００３４】そこで、本実施の形態ではＳ相の中心を通
る軸31と弾性体の対称軸29aとが一致するように該弾性
体と圧電素子を接合し、振動体を形成している。

【００３５】不図示の電源供給装置から時間的位相が90
°ずれた２相の交番電界がＡ相、Ｂ相に供給されると、
上記振動体に８波の進行性振動波が励振される。ここ
で、Ｓ相の中心はＢ相の腹の位置と同位相なので、共振
時においては、Ｂ相印加電圧に対しＳ相出力電圧は90°
位相が遅れる。なお、Ｂ相印加電圧に対しＳ相出力電圧
が90°位相が遅れる、すなわちＢ相電圧に対し−90°と
なる関係はモータの回転方向を問わず同じ関係になる。

【００３６】９波の振動モードについても先に述べたよ
うに、Ｂ相の電極群の中心が９波の振動の腹になるの
で、Ｓ相の中心が腹となるように振動が励振される。し
たがって、９波の振動に対しても、Ｂ相の印加電圧とＳ
相の出力電圧の位相関係は、共振点で−90度となる。

【００３７】周波数掃引領域においては、９波の振動モ
ードと８波の振動モードとの合成振動が励振されるが、
この振動は９波に近い周波数では９波の成分が多く、ま
た８波の周波数に近づくと８波の振動成分の割合が多く
なるため、９波の共振点から８波の共振点まで周波数を
掃引すると、合成振動は９波の振動モードから８波の振
動モードへ空間的位相が滑らかに移行するような振動に
なる。

【００３８】この時、Ｓ相の位相とＡ相またはＢ相の空
間的位相関係が８波と９波とでずれていると、前記従来
例のように高周波数側で位相のシフトが発生してしまう
が、本実施の形態ではＳ相の位相に対する８波と９波の
位相関係は同じであるので、Ｓ相の位置では合成振動の
空間的な位相は変化せず、図４に示すように、位相シフ
トのない周波数特性が実現できた。

【００３９】（第２、第３の実施の形態）第２及び第３
の実施の形態を図３（ａ）,（ｂ）に示す。それぞれの
実施の形態でも第１の実施の形態と同様に、Ｓ相の中心
を弾性体の幾何学的対称軸29aまたは29bに一致させるよ
うに接合している。

【００４０】図３（ａ）に示す第２の実施の形態では、
共振周波数での波長をλとすると、弾性体の中心を通る
軸線31上において、Ａ相はλ/4の間隔のグランド（G）
層の中心が存在し、またＢ相においてはλ/4の間隔のＳ
相の中心が存在している。また、図２では「＋」「−」
の分極方向を示していない領域（λ/8の間隔）が形成さ
れているが、本実施の形態ではこのような領域は設けら
れていない。また、第１の実施の形態ではＢ相の中心に
Ｓ相を設けているが、本実施の形態ではＡ相との間にＳ
相を設けている。

【００４１】本実施の形態では圧電素子の電極パターン
が軸対称になっており、この対称軸上にＳ相の中心が一
致するように設計されている。この電極パターンの特徴
は、圧電素子の剛性も軸対称であるので、振動体に発生
する進行波の振幅ムラが少ないこと、及びＡ相、Ｂ相、
Ｓ相が一カ所に集中しているので、フレキシブルプリン
ト配線板等で給電する場合、各相をまとめて外部に出せ
るので配線が簡素化できることである。

【００４２】一方、不利な点としては、Ｓ相がＡ相、Ｂ
相に対し空間的に４５°の位相関係にあるので、例えば
Ａ相、Ｂ相の振動アドミタンス特性を測定すると、本
来、図３（ｃ）の実線で示すような１山のピークを持つ
カーブを描かなければならないが、第２の実施の形態の
場合、図中の破線で示すように共振点で２山のピークが
現れ（Ａ、Ｂ相の共振周波数が異なる場合）、振動体の
不良と見分けがつきにくい事があげられる。特に工場な
どで大量生産時に自動検査をする場合分別が難しい。

【００４３】この欠点を解消した例が図３（ｂ）に示す
電極パターンであり、弾性体の中心を通る軸線32上にＡ
相とG相との境界位置が存在し、またＳ相の中心位置が
存在しており、Ｓ相の中心の位置をＡ相の振動の腹と一
致させた配置にしている。圧電素子の剛性も対称にする
ため、Ａ−Ｂ相間の電極を3５，３６、３７，３８の様
に４分割し、すべて同方向（−方向）に分極している。

【００４４】

【発明の効果】以上述べてきた様に、本発明によれば、
弾性体に幾何学的対称軸を有するように動剛性の不均一
部を設け、その対称軸と圧電素子に設けたＳ相の中心と
がほぼ一致するように該圧電素子を該弾性体に接合する
事で振動体を形成することにより、モータ起動時に周波
数掃引領域で起こっていたＡ相またはＢ相とＳ相との位
相差カーブのシフトが起こらなくなり、目的の周波数よ
りも高周波数側で誤った位相制御がかかってしまうこと
も無くなった。その結果、高温高湿または極低温などの
厳しい環境においても、誤動作が無く、きわめて信頼性
の高い振動波モータ等の振動波駆動装置の駆動が実現で
きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における振動波モー
タの弾性体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図を
示す。

【図２】第１の実施の形態における圧電素子のパターン
を示す図。

【図３】（ａ）は第２の実施の形態における圧電素子の
パターンを示し、（ｂ）は第３の実施の形態における圧
電素子のパターンを示し、（ｃ）は周波数とアドミタン
スの関係を示す図。

【図４】通常の振動波モータにおける周波数特性[Ａ相
（またはＢ相）とＳ相との位相差特性カーブ、およびモ
ータの回転数特性カーブ]を示す図。

【図５】位相差特性カーブが周波数掃引領域においてシ
フトした場合の影響を説明した図で、（ａ）は時計方向
回転の場合、（ｂ）は半時計方向回転の場合を示す。

【図６】８波の電極パターンで９波の振動モードを励振
したときの波の起こり方を説明した図

【図７】レンズ鏡筒の断面図。

【図８】従来の振動体の斜視図。

【図９】図８の弾性体の平面図。

【図１０】図８の圧電素子のパターン図。

【符号の説明】

１，２８：弾性体 ２，３０：圧電素子 ３：ロータ ４：振動絶縁体 ２８ｂ１,…２８ｂ２７（奇数符号）：深溝 ２８ｂ２,…２８ｂ２８（偶数符号）：浅溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H680 AA09 AA10 BB03 BB17 BC01 CC07 DD03 DD23 DD39 DD53 DD65 DD75 DD87 DD92 FF04

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体上に電気−機械エネルギー変換素
   子を配置し、該素子に第一、及び第二の電極を設けてい
   て、該第一及び第二の電極にお互いに位相の異なる周波
   電圧を印加して進行性振動波を発生させ、該振動波によ
   り、該弾性体と該弾性体に加圧接触した部材とを相対運
   動させ、さらに第三の電極を介して振動状態を検出する
   手段を有する振動波駆動装置において、 該弾性体は該振動波伝播方向の所定の位置に動剛性不均
   一部を有していると共に、該動剛性不均一部の分布は幾
   何学的対称軸を有しており、かつ、該第三の電極の中心
   は該対称軸上に位置するか、または略該対称軸の近傍に
   位置している事を特徴とする振動波駆動装置。
2. 【請求項２】 前記第三の電極の中心は第一の電極群の
   幾何学的中心か、または第二の電極群の幾何学的中心と
   略一致している事を特徴とする請求項１に記載の振動波
   駆動装置。
3. 【請求項３】 前記振動体には略等ピッチで複数の溝が
   形成されており、該溝の深さを変える事によって該動剛
   性不均一部を構成している事を特徴とする請求項１に記
   載の振動波駆動装置。
4. 【請求項４】 前記振動体には略等ピッチで複数の櫛歯
   が形成されており、該櫛歯の質量を変える事によって該
   動剛性不均一部を構成している事を特徴とする請求項１
   に記載の振動波駆動装置。