JP2008219961A - 超音波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型で電圧制御が容易であるとともに、ロータの回転速度を制御することができる超音波アクチュエータを提供する。
【解決手段】回転自在なロータに作用してロータを回転させる超音波アクチュエータにおいて、ロータに一端が接し途中に折れ曲がった角部を有しさらに延在して他端側が固定された板状の振動子と、振動子の、一端と角部との間の一部分に接触し、交流電圧の印加を受けて振動してその振動を振動子に伝える第１の圧電素子と、振動子の、他端と角部との間の一部分に接触し、直流電圧の印加を受けて伸縮してその一部分の湾曲を調整することにより、振動子の振動開始前における、一端をロータに押し当てる予圧力を調整する第２の圧電素子とを備えた。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、回転自在なロータに作用して、そのロータを回転させる超音波アクチュエータに関する。

近年、携帯電話に小型の撮影装置が備えられてきており、このような小型の撮影装置にも、通常サイズのデジタルカメラには標準的に搭載されているオートフォーカス機能やズーム機能を搭載することが求められている。

オートフォーカス機能やズーム機能は、モータの回転を利用し、レンズを光軸に沿う方向に移動させることによって実現されることが一般的である。通常、レンズを駆動するモータとしては、磁場によってロータを回転させる電磁モータが利用されることが多いが、電磁モータは消費電力が大きく、比較的大型であるため、小型化および省電力化が求められている携帯電話などには搭載することが困難である。

この点に関し、特許文献１および特許文献２には、電磁モータの替わりに圧電を用いたアクチュエータを使ってレンズを移動させる撮影装置について記載されており、特許文献３および特許文献４には、圧電を用いたアクチュエータの基本的な構成について記載されている。

図１は、圧電を用いた超音波アクチュエータ１０の概略構成図であり、図２は、超音波アクチュエータ１０の動作原理を説明するための図である。

図１に示すように、超音波アクチュエータ１０には、電圧の印加を受けて振動する圧電素子１１、圧電素子１１の振動を受けて歪む振動子１２、振動子１２の振動変位によって回転するロータ１３、圧電素子１１および振動子１２を支持する支持部材１４、振動子１２をロータ１３に向けて付勢するばね１５、およびばね１５を振動子１２に押し当てる押当板１６が備えられている。

図２に示すように、振動子１２は、２枚の圧電素子１１ａ，１１ｂに挟まれており、例えば、圧電素子１１ａ，１１ｂそれぞれに同じ位相の交流電圧が印加されると、それら圧電素子１１ａ，１１ｂが同じ方向に伸縮して振動子１２が変形し、振動子１２の先端がロータ１３に押し付けられることによって、駆動体１２の先端が楕円を描いて駆動され、ロータ１３が矢印Ａ方向に回転されることとなる。

このような圧電を用いた超音波アクチュエータを撮影装置に搭載することによって、電磁モータよりも少ない電力でレンズを駆動することができ、さらに、撮影装置の軽量化や、レンズ駆動の静音化を図ることができる。

しかし、上述した超音波アクチュエータ１０では、振動子１２を支持する支持部材１４に加えて、振動子１２をロータ１３に押し付けるばね１５や押当板１６などといった予圧機構が必要となる。この予圧機構は、振動子１２の歪みには直接的には関係しない部品であるにも関わらず、それ以外の部分と同等のスペースを占めてしまっており、超音波アクチュエータの小型化におけるネックとなってしまっている。

この点に関し、板状の振動子を折り曲げ、その振動子自体の弾性を利用することによって、予圧機構を省いた超音波アクチュエータが提案されている。

図３は、予圧機構を省いた超音波アクチュエータの概略構成図である。

図３に示す超音波アクチュエータ２０には、交流電圧の印加を受けて振動する２枚の圧電素子２１と、圧電素子２１に交流電圧を印加するための電極２４と、角部２２ｃでＬ字形に折れ曲がり、上足２２ａがロータ２３と接触し、下足２２ｂが固定された振動板２２と、回転駆動されるロータ２３とが備えられている。この超音波アクチュエータ２０によると、固定された下足２２ｂと折り曲げられた角部２２ｃとの間の弾性によって、上足２２ａがロータ２３に押し付けられるため、図１に示すばね１５や押当板１６といった予圧機構を省くことができる。

また、振動子の歪みとしては、振動子が伸縮する縦振動と、振動子が波打つように屈曲する屈曲振動と、縦振動と屈曲振動とが結合された結合振動とが知られており、ロータを高速に回転させるためには、振動子を結合振動させることが好ましい。図１に示す超音波アクチュエータ１０によると、振動子１２を結合振動させるために、複数の圧電素子１１それぞれに相互に異なる位相の交流電圧を印加する必要があり、電圧制御が複雑化してしまうという問題がある。一方、図３に示す超音波アクチュエータ２０では、圧電素子２１に交流電圧が印加されると、振動板２２が交流電圧の位相に応じた方向に歪んで、その歪みの一部の方向が角部２２ｃで変換され、それら複数方向の歪みが結合されてロータ２３に伝達される。したがって、圧電素子２１に単相の交流電圧を印加するだけで、上述した結合振動を実現することができ、電圧制御を簡略化することができるという利点もある。
特開２００４−２９４７５９号公報 特開２００４−２９４５８０号公報 特開２００５−２１８１７９号公報 特開２００３−１９９３７１号公報

ここで、例えば、オートフォーカス機能は、レンズを光軸方向に移動させながら所定のタイミング毎に被写体光のコントラストを検出することによって実現されることが一般的であり、合焦位置から遠い位置ではレンズを高速に移動させながら飛び飛びに被写体光のコントラストを検出し、レンズが合焦位置に近づいたらレンズをゆっくりと移動させて被写体光のコントラストを細かく検出することによって、処理速度の増加を抑えて被写体に精度良くピントを合わせることができる。このように、近年では、撮影装置内でレンズを移動させるだけではなく、その移動速度を制御したいという要望が挙がってきている。図１や図３に示す超音波アクチュエータでは、圧電素子に印加する交流電圧の振幅などを調整してレンズの移動速度を制御することが考えられるが、交流電圧の振幅を変えることによって圧電素子に生じる結合振動の振動量を調整する方法では、レンズの移動速度を高精度に制御することが困難であるという問題がある。

また、ロータの回転速度、ロータの回転トルク、およびロータにかかる予圧力には相関関係があり、予圧力が一定の超音波アクチュエータでは、ロータが高速に回転しているときには、ロータの回転トルクは小さく、ロータが低速に回転しているときには、ロータの回転トルクは大きいことが一般的である。しかし、ロータにかかる予圧力を調整することによって、ロータの回転速度や回転トルクの制御範囲が広がり、ロータが高速に回転しているときに予圧力を減少させることによって振動子やロータの磨耗量を低減したり、起動時の回転トルクを大きくすることによって、ロータの回転の立ち上がりを早くすることができるなどという利点がある。このように、ロータにかかる予圧力を調整することによって、ロータの回転速度や回転トルクを制御して、レンズの移動速度を制御することが好ましい。

また、このような問題は、撮影装置のみに限られた問題ではなく、電圧の印加を受けて駆動する超音波アクチュエータを用いる分野一般で生じる問題である。

本発明は、上記事情に鑑み、小型で電圧制御が容易であるとともに、ロータの回転速度を制御することができる超音波アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の超音波アクチュエータは、
回転自在なロータに作用してロータを回転させる超音波アクチュエータにおいて、
ロータに一端が接し途中に折れ曲がった角部を有しさらに延在して他端側が固定された板状の振動子と、
上記振動子の、一端と角部との間の一部分に接触し、交流電圧の印加を受けて振動してその振動を振動子に伝える第１の圧電素子と、
上記振動子の、他端と角部との間の一部分に接触し、直流電圧の印加を受けて伸縮してその一部分の湾曲を調整することにより、振動子の振動開始前における、一端をロータに押し当てる予圧力を調整する第２の圧電素子とを備えたことを特徴とする。

本発明の超音波アクチュエータによると、振動子が角部で折れ曲がった形状を有しているため、図１に示す支持部材１４や、ばね１５や押当板１６といった予圧機構が不要となり、超音波アクチュエータ全体を小型化することができるうえ、圧電素子に単相の交流電圧を印加するだけで、上述した結合振動を実現することができ、電圧制御を簡略化することができる。また、本発明の超音波アクチュエータにおいては、第２の圧電素子に直流電圧を印加すると、第２の圧電素子が伸縮し、振動子の、他端と角部との間の一部分が湾曲されて、振動子の一端がロータに押し当てられる予圧力が変化する。ロータの回転速度および回転トルクは、ロータにかかる予圧力によって変化するため、第２の圧電素子に印加する直流電圧を調整することによって、ロータの回転速度や回転トルクを容易に制御することができる。また、ロータが高速に回転しているときに予圧力を減少させることによって、ロータの回転速度や回転トルクの制御範囲を広げることができ、例えば、振動子やロータの磨耗量を低減したり、起動時の回転トルクを大きくすることによって、ロータの回転の立ち上がりを早くすることができる。

また、本発明の超音波アクチュエータにおいて、上記第１の圧電素子が、振動子の、一端と角部との間の一部分を挟んで複数設けられたものであることが好ましい。

第１の圧電素子が振動子を挟んで複数設けられることによって、装置の大型化を抑えて、振動子を大きく歪ませることができ、ロータを高速に回転させることができる。

また、本発明の超音波アクチュエータにおいて、上記第２の圧電素子が、相互に逆方向に分極し、上記振動子の、他端と角部との間の一部分を挟んで振動子の表裏面側それぞれに設けられた２つの圧電素子からなることが好適である。

本発明の好適な超音波アクチュエータによると、振動子の、他端と角部との間の一部分を大きく湾曲することができ、ロータの回転速度や回転トルクを効率よく制御することができる。

また、本発明の超音波アクチュエータにおいて、上記振動子が、金属板であって、第１の圧電素子、および第２の圧電素子それぞれの一方の電極を兼ねるものであることが好ましい。

振動子が第１の圧電素子および第２の圧電素子それぞれに電圧を印加する電極を兼ねることによって、装置を小型化することができる。

本発明によれば、小型で電圧制御が容易であるとともに、ロータの回転速度を制御することができる超音波アクチュエータを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図４は、本発明の一実施形態である超音波アクチュエータの概略構成図である。

図４に示すように、超音波アクチュエータ１００には、角部１２０ａでＬ字形に折れ曲がり、上足１２１がロータ１４０と接触し、下足１２２が固定された振動板１２０と、上足１２１に取り付けられ、交流電圧の印加を受けて振動する２枚の圧電素子１１０と、圧電素子１１０に交流電圧を印加するための電極１１１と、下足１２２に取り付けられ、直流電圧の印加を受けて屈曲する２枚の圧電素子１３０と、圧電素子１３０に直流電圧を印加するための電極１３１と、回転駆動されるロータ１４０とが備えられている。振動板１２０は、本発明にいう振動子の一例にあたり、ロータ１４０は、本発明にいうロータの一例に相当する。また、交流電圧が印加される圧電素子１１０は、本発明にいう第１の圧電素子の一例にあたり、直流電圧が印加される圧電素子１３０は、本発明にいう第２の圧電素子の一例に相当する。

本実施形態においては、振動板１２０は、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４）で構成されており、圧電素子１１０，１３０は、圧電セラミクス（例えば、ＰＺＴ）で構成されている。尚、これら振動板１２０や圧電素子１１０，１３０を構成する材料は、これらには限らない。

振動板１２０は、上足１２１の、ロータ１４０と接触する接触部分１２１ａが狭幅に形成されている。また、交流電圧が印加される２枚の圧電素子１１０は、振動板１２０の上足１２１を挟んで配置されており、金属製の振動板１２０が、圧電素子１１０の振動を受けて歪む振動子と、２枚の圧電素子１１０に備えられた２つの電極１１１それぞれに対する対向電極とを兼ねている。直流電圧が印加される２枚の圧電素子１３０についても、それらは振動板１２０の下足１２２を挟んで配置されており、振動板１２０が２枚の圧電素子１３０に備えられた２つの電極１３１それぞれに対する対極電極の役割を担っている。このように、振動板１２０が、振動子と対向電極とを兼ねることによって、超音波アクチュエータ１００を小型化することができる。

図４に示すように、交流電圧が印加される２枚の圧電素子１１０は、振動板１２０に対して相互に同じ向き（電極１１１と接触している側が「＋」で、振動子１２０と接触している側が「−」）にそれぞれ分極されており、それら２枚の圧電素子１１０に、同じ位相、同じ大きさ、同じ周波数の交流電圧が印加される。また、直流電圧が印加される２枚の圧電素子１３０は、振動板１２０に対して相互に異なる向き（２枚の圧電素子１３０のうち左側の圧電素子１３０は、電極１１１と接触している側が「＋」で、振動子１２０と接触している側が「−」、右側の圧電素子１３０は、電極１１１と接触している側が「−」で、振動子１２０と接触している側が「＋」）にそれぞれ分極されており、それら２枚の圧電素子１３０に直流電圧が印加される。尚、圧電素子１３０に直流電圧が印加されていない状態においては、図４に示すように、それらの圧電素子１３０は伸びており、振動子１２０の上足１２１は、下足１２２の弾性によってロータ１４０に強く押し付けられている。

ここで、まずは、圧電素子１３０に直流電圧を印加しない場合（図４に示す状態）を例に挙げて、ロータ１４０の回転原理について説明する。

図５および図６は、振動板１２０に発生する変位の方向を示す図である。

上足１２１に取り付けられた２枚の圧電素子１１０に交流電圧が印加されると、圧電素子１１０が励振し、振動板１２０の上足１２１に歪みが発生する。振動板１２０の上足１２１は、図４に示すように下足１２２の弾性によってロータ１４０に押し付けられており、振動板１２０で発生した歪みは確実にロータ１４０に伝達される。このように、振動板１２０をＬ字に折り曲げることによって、圧電素子１１０を支持する支持部材や、振動板１２０をロータ１４０に押し付ける予圧機構が不要となり、部品数を減少させて製造コストを抑えることができるとともに、超音波アクチュエータ１００を大幅に小型化することができる。

また、上足１２１で発生した歪みの一部は、角部１２０ａによって方向が変換される。その結果、振動板１２０には、複数方向の歪みが発生し、それら複数方向の歪みが結合されてロータ１４０に伝達される。尚、図５および図６に示す振動板１２０の振動モードの次数は一例であり、振動板１２０の長さを変えることなどによって調整することができる。

図７は、振動板１２０の共振周波数を示すグラフである。

図７は、横軸が振動板１２０の上足１２１の長さＸを示し、縦軸が振動板１２０の共振周波数を示している。

本実施形態の超音波アクチュエータ１００は、振動板１２０がＬ字形状に折れ曲がっていることによって形状の対称性が失われており、縦振動が発生すると、その縦振動の一部が屈曲振動に変換され、逆に、屈曲振動が発生すると、その屈曲振動の一部が縦振動に変換される。このように、超音波アクチュエータ１００では、常に２つの振動が混在している。

図７に示すように、本実施形態の超音波アクチュエータ１００では、縦振動（Ｌ−ｍｏｄｅ）の共振周波数と、屈曲振動（Ｂ−ｍｏｄｅ）の共振周波数とが一致することはなく、それら２つの振動の共振周波数が近づく領域Ｒにおいて、縦振動のグラフ上で屈曲振動のグラフに最も近づくときの最近共振周波数ｆ_Ｌｏｗと、屈曲振動のグラフ上で縦振動のグラフに最も近づくときの最近共振周波数ｆ_Ｈｉｇｈとが存在する。

例えば、２枚の圧電素子１１０に、図７に示す縦振動（Ｌ−ｍｏｄｅ）のグラフ上の最近共振周波数ｆ_Ｌｏｗを有する交流電圧が印加されると、振動板１２０は、主に伸縮方向に歪んで縦振動（Ｌ−ｍｏｄｅ）を発生し、その縦振動が角部１２０ａで曲げ方向の歪みに変換されて、屈曲振動（Ｂ−ｍｏｄｅ）が発生する。これら縦振動と屈曲振動が振動板１２０の先端部１２１で結合され、図５に示すように、振動板１２０の伸縮に振動板１２０自体の屈曲も加わった合力Ｔによってロータ１４０が回転される。

また、２枚の圧電素子１１０に、図７に示す屈曲振動（Ｂ−ｍｏｄｅ）のグラフ上の最近共振周波数ｆ_Ｈｉｇｈを有する交流電圧が印加されると、振動板１２０は、主に曲げ方向に歪んで屈曲振動（Ｂ−ｍｏｄｅ）を発生し、その屈曲振動が角部１２０ａで伸縮方向の歪みに変換されて、縦振動（Ｌ−ｍｏｄｅ）が発生する。これら縦振動と屈曲振動が振動板１２０の先端部１２１で結合されることにより、図６に示すように、図５とは逆方向の合力Ｔ´によってロータ１４０が回転される。

図８は、ロータ１４０を正方向に回転させる動作原理を示す図である。

例えば、最近共振周波数ｆ_Ｌｏｗを有する交流電圧を印加して圧電素子１１０を振動させると、振動板１２０の変位の振幅は徐々に大きくなる。振動板１２０の曲げ変位が上方向に最大、伸縮変位が０に近づくと、振動板１２０の接触部分１２１ａがロータ１４０と接触する（図８のステップＳ１１）。このとき、伸縮速度が伸び方向に最大となる。

続いて、振動板１２０が伸び、接触部分１２１ａがロータ１４０の外周を突っつくことにより、ロータ１４０に回転トルクを与える。その結果、ロータ１４０が矢印Ｍ方向に回転する（図８のステップＳ１２）。このとき、伸縮変位が最大、曲げ変位が０付近、下向きの速度が最大となる。

振動板１２０が最大に伸びると、振動板１２０は縮む方向に変位するが、下向きの曲げ変位が生じており、接触部分１２１ａはロータ１４０から離れる。（図８のステップＳ１３）。このとき、伸縮変位が０、曲げ変位が下方向に最大、縮み方向の速度が最大となる。

振動板１２０が最も縮んだ状態では、振動板１２０はステップＳ１１とは逆方向に伸縮しているが、接触部分１２１ａはロータ１４０から離れているため、接触部分１２１ａがロータ１４０の回転を妨げず、ロータ１４０は慣性で回転し続ける（図８のステップＳ１４）。

以上のようにして、ロータ１４０が正方向（矢印Ｍ方向）に回転される。

図９は、ロータ１４０を副方向に回転させる動作原理を示す図である。

図８とは逆に、最近共振周波数ｆ_Ｈｉｇｈを有する交流電圧を印加して圧電素子１１０を振動させると、振動板１２０の伸縮変位が伸び方向に最大のときは、曲げ変位によって振動板１２０の接触部分１２１ａがロータ１４０とは接触しない（図９のステップＳ２１）。このとき、伸縮方向の変位が最大、曲げ変位が０付近、上向きの速度が最大となる。

続いて、振動板１２０が縮み、接触部分１２１ａがロータ１４０の外周を手招きするようにこすることにより、ロータ１４０に回転トルクを与える。その結果、ロータ１４０が矢印Ｍ´方向に回転する（図９のステップＳ２２）。このとき、伸縮変位が０、屈曲変位が０、縮み方向の速度が最大となる。

曲げ方向の変位が上方向に最大となるときには、伸縮変位が最小となり、接触部分１２１ａはロータ１４０から離れる。（図９のステップＳ２３）。このとき、伸縮変位は最小、屈曲変位は上方向に最大となる。

曲げ方向の変位が下方向に最大となるときには、伸縮変位が最大に近づくが、接触部分１２１ａはロータ１４０から離れているため、接触部分１２１ａがロータ１４０の回転を妨げず、ロータ１４０は慣性で回転し続ける（図９のステップＳ２４）。

以上のようにして、ロータ１４０が副方向（矢印Ｍ´方向）に回転される。

図１０は、２つの結合振動における振動板１２０の速度を示すグラフである。

図１０は、横軸が圧電素子１１０へ印加する交流電圧の周波数を示し、縦軸が振動板１２０の振動速度を示している。

有限要素法解析結果によると、図７に示す本実施形態の超音波アクチュエータ１００では、交流電圧の周波数がｆ_２（５６７．９ｋＨｚ）のときに、伸縮方向の速度Ｍ_Ｌおよび曲げ方向の速度Ｍ_Ｂが、ロータ１４０を図８に示す正方向に回転させる方向に最大となり、交流電圧の周波数がｆ_１（５１８．５ｋＨｚ）のときに、伸縮方向の速度Ｓ_Ｌおよび屈曲方向の速度Ｓ_Ｂが、ロータ１４０を図９に示す副方向に回転させる方向に最大となった。

このように、本実施形態の超音波アクチュエータ１００によると、２枚の圧電素子１１０それぞれに同じ交流電圧（大きさ、位相、周波数）を単純に印加するだけで、振動板１２０に屈曲振動と縦振動との両方が発生するため、簡略な電圧制御でロータ１４０を高速に回転させることができる。また、圧電素子１１０に印加する交流電圧の周波数を２つの最近共振周波数ｆ_Ｈｉｇｈ、ｆ_Ｌｏｗに切り替えることによってロータ１４０の回転方向を変えることができ、ロータ１４０を効率よく回転させることができる。

ここで、近年では、ロータ１４０の回転速度や回転トルクを制御したいという要望が強くなってきており、それらの制御範囲を広げるためには、ロータ１４０にかかる予圧力を調整することが好ましい。本実施形態の超音波アクチュエータ１００では、振動板１２０の上足１２１に取り付けられた圧電素子１１０に印加される交流電圧の周波数を切り替えることでロータ１４０の回転方向が切り替えられ、振動板１２０の下足１２２に取り付けられた圧電素子１３０に印加される直流電圧を調整することによって、ロータ１４０に印加される予圧力が制御されて、ロータ１４０の回転速度や回転トルクが制御される。以下では、ロータ１４０の回転速度および回転トルクの制御方法について説明する。

図１１は、超音波アクチュエータ１００の圧電素子１３０に直流電圧を印加したときの状態を示す図である。

上述したように、直流電圧が印加される２枚の圧電素子１３０は、振動板１２０に対して相互に異なる向きに分極されている。それら２枚の圧電素子１３０それぞれに設けられた２つの電極１３１に同極性の電圧を印加すると、一方の圧電素子（図１１では、左側の圧電素子１３０）が圧電横効果によって縮み、他方の圧電素子（図１１では、右側の圧電素子１３０）が伸びることによって、振動子１２０の下足１２２がロータ１４０から離れる方向（図１１では左側）に曲げられ、それに伴って振動子１２０の上足１２１もロータ１４０から離れる方向（図１１では上方）に移動される。その結果、振動子１２０の接触部分１２１ａがロータ１４０に押し付けられる予圧力が低下する。

ここで、一旦、図１１の説明を中断し、図１２，１３，１４を使って、圧電素子１３０に印加される直流電圧と、振動子１２０にかかる力との関係について説明する。尚、図１１には、圧電素子１３０に直流電圧が印加されることによって、振動子１２０の上足１２１がロータ１４０から離れる方向に移動される例が示されているが、説明の都合上、図１２および図１３には、圧電素子１３０に図１１とは逆極性の直流電圧を印加することによって、振動子１２０がロータ１４０に近づく方向に移動される例が示されている。

図１２は、圧電素子１３０に印加される直流電圧と、振動子１２０の移動量との関係を示すグラフである。

図１２は、横軸が圧電素子１３０に印加される直流電圧の大きさを示し、縦軸が振動子１２０の移動量を示している。尚、本来ならばロータ１４０と接触する接触部分１２１ａの移動量を示すことが好ましいが、接触部分１２１ａは面積が微小で計測しにくいため、ここでは、角部１２０ａの移動量が示されている。

図１２に示すように、圧電素子１３０に印加される電圧が大きいほど、振動子１２０の移動量が大きくなり、振動子１２０の移動量は圧電素子１３０への印加電圧にほぼ比例している。

図１３は、圧電素子１３０に印加される直流電圧と、接触部分１２１ａにかかる力との関係を示すグラフである。

図１３は、横軸が圧電素子１３０に印加される直流電圧の大きさを示し、縦軸は、振動子１２０の下足１２２と、上足１２１の先端とを固定して圧電素子１３０に直流電圧を印加したときに接触部分１２１ａにかかる力を示している。

図１３に示すように、圧電素子１３０に印加される電圧が大きいほど、接触部分１２１ａにかかる力が大きくなり、接触部分１２１ａにかかる力は圧電素子１３０への印加電圧にほぼ比例している。振動子１２０の上足１２１側の固定を解除して接触部分１２１ａをロータ１４０に接触させた場合、図１２の横軸に示す力はそのまま接触部分１２１ａからロータ１４０に伝達されるため、接触部分１２１ａからロータ１４０にかかる予圧力は、圧電素子１３０への印加電圧に比例する。有限要素法解析結果によると、印加電圧７０Ｖのときに接触部分１２１ａにかかる力は１６．７ｍＮ（１．７ｇｆ）であり、圧電素子１３０に直流電圧を印加しない場合に接触部分１２１ａからロータ１４０にかかる予圧力は１０ｍＮ程度であるため、十分な予圧力の変化を得ることができる。

図１４は、接触部分１２１ａからロータ１４０に印加される予圧力と、ロータ１４０にかかる回転トルク、およびロータ１４０の回転スピードの関係を示すグラフである。

図１４は、横軸がロータ１４０の回転トルクを示しており、縦軸がロータ１４０の回転速度を示しており、３つの直線ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３は、それぞれ、ロータ１４０に印加される予圧力がＦ_１，Ｆ_２，Ｆ_３（ただし、Ｆ_１＜Ｆ_２＜Ｆ_３）それぞれにおけるグラフを示している。

図１４に示すように、ロータ１４０のトルクと回転速度とは比例しており、トルクが大きくなるほど回転速度が減少する。また、ロータ１４０の回転トルクが小さい場合は、ロータ１４０に印加される予圧力が小さいほど回転速度が速くなり、ロータの回転トルクが大きい場合は、ロータ１４０に印加される予圧力が大きいほど回転速度が速くなっている。このように、接触部分１２１ａに印加される予圧力を調整することによって、ロータ１４０の回転トルクや回転速度を制御することができる。また、例えば、ロータ１４０が高速に回転しているときに予圧力を減少させることによって、ロータ１４０や振動子１２０の接触部分１２１ａの磨耗量を低減したり、起動時の回転トルクを大きくすることによって、ロータ１４０の回転の立ち上がりを早くすることができる。

図１１に戻って説明する。

図１１に示す超音波アクチュエータ１００では、振動子１２０の下足１２２がロータ１４０から離れる方向（図１１では左側）に曲げられ、接触部分１２１ａがロータ１４０から完全に離されているが、圧電素子１３０に印加する印加電圧の大きさを調整することによって、図１２に示すように振動子１２０の移動距離を制御することができ、すなわち、図１３に示すように接触部分１２１ａからロータ１４０に印加される予圧力を調整することができる。図１１に示す例では、圧電素子１３０に印加する印加電圧が上昇するほど、ロータ１４０に印加される予圧力が減少する。また、圧電素子１３０に印加される電圧の極性を図１１に示す場合とは逆極性に変えると、圧電素子１３０が図１１とは逆側に伸縮して振動子１２０の下足１２２がロータ１４０に近づく方向に曲げられる。このため、圧電素子１３０への印加電圧が上昇するほど、ロータ１４０に印加される予圧力も増加する。

このように、本実施形態の超音波アクチュエータ１００によると、圧電素子１３０に印加される直流電圧の大きさや極性を調整することによって、ロータ１４０に印加される予圧力を制御することができ、ロータ１４０の回転トルクや回転速度を広い制御範囲で容易に制御することができる。また、本実施形態の超音波アクチュエータ１００を撮影装置に搭載することによって、レンズの移動速度などを容易に制御することができる。

以上で、本発明の第１実施形態の説明を終了し、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、直流電圧が印加される圧電素子の配置位置が第１実施形態とは異なるが、それ以外は第１実施形態とほぼ同様の構成を有しているため、第１実施形態と同じ要素については同じ符号を付して説明を省略し、第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

図１５は、本発明の第２実施形態である超音波アクチュエータ１００´の概略構成図である。

図１５に示すように、本実施形態の超音波アクチュエータ１００´は、図４に示す第１実施形態の超音波アクチュエータ１００の２枚の圧電素子１３０に替えて、振動子１２０の下足１２２に、積層圧電素子１３０´が設けられている。積層圧電素子１３０´も、本発明にいう第２の圧電素子の一例に相当する。

積層圧電素子１３０´に直流電圧が印加されると、直流電圧の極性に応じて、積層圧電素子１３０´が振動子１２０の下足１２２をロータ１４０に押し付ける方向、あるいはロータ１４０から離れる方向に伸縮する。この第２実施形態の超音波アクチュエータ１００によると、積層圧電素子１３０´に印加される直流電圧の大きさと極性を変えることによって、ロータ１４０へ印加される予圧力を容易に制御することができ、ロータ１４０の回転速度や回転トルクを精度良く調整することができる。

ここで、上記では、振動子の上足および下足それぞれに２枚の圧電素子を備えた超音波アクチュエータについて説明したが、本発明の超音波アクチュエータは、振動子の上足および下足それぞれに３枚以上の圧電素子を備えたものであってもよく、また、振動子の上足および下足それぞれに１枚だけ圧電素子を備えたものであってもよい。

また、上記では、Ｌ字に曲がった振動板を備えた超音波アクチュエータについて説明したが、本発明の超音波アクチュエータは、２つ以上の角を有する振動子を備えたものであってもよい。

また、上記では、圧電素子の電極を兼ねた金属製の振動板を備えた超音波アクチュエータについて説明したが、本発明の超音波アクチュエータは、例えば、プラスチック製の振動子を用いて、その振動子とは別に、圧電素子に電圧を印加するための電極を備えたものであってもよい。

超音波アクチュエータの概略構成図である。 超音波アクチュエータの動作原理を説明するための図である。 予圧機構を省いた超音波アクチュエータの概略構成図である。 本発明の一実施形態である超音波アクチュエータの概略構成図である。 振動板に発生する変位の方向を示す図である。 振動板に発生する変位の方向を示す図である。 振動板の共振周波数を示すグラフである。 ロータを正方向に回転させる動作原理を示す図である。 ロータを副方向に回転させる動作原理を示す図である ２つの結合振動における振動板の速度を示すグラフである。 超音波アクチュエータの圧電素子に直流電圧を印加したときの状態を示す図である。 圧電素子に印加される直流電圧と、振動子の移動量との関係を示すグラフである。 圧電素子に印加される直流電圧と、接触部分にかかる力との関係を示すグラフである。 接触部分からロータに印加される予圧力と、ロータにかかる回転トルク、およびロータの回転スピードの関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態における超音波アクチュエータの概略構成図である。

符号の説明

１０，２０，１００,１００´ 超音波アクチュエータ
１１，２１，１１０，１３０,１３０´ 圧電素子
１２，２２，１２０ 振動板
１３，２３，１４０ ロータ
１４ 支持部材
１５ ばね
１６ 押当板
１１１，１３１ 電極
１２０ａ 角部
１２１ 上足
１２２ 下足

Claims (4)

1. 回転自在なロータに作用して該ロータを回転させる超音波アクチュエータにおいて、
   前記ロータに一端が接し途中に折れ曲がった角部を有しさらに延在して他端側が固定された板状の振動子と、
   前記振動子の、前記一端と前記角部との間の一部分に接触し、交流電圧の印加を受けて振動して該振動を前記振動子に伝える第１の圧電素子と、
   前記振動子の、前記他端と前記角部との間の一部分に接触し、直流電圧の印加を受けて伸縮して該一部分の湾曲を調整することにより、該振動子の振動開始前における、前記一端を前記ロータに押し当てる予圧力を調整する第２の圧電素子とを備えたことを特徴とする超音波アクチュエータ。
2. 前記第１の圧電素子が、前記振動子の、前記一端と前記角部との間の一部分を挟んで複数設けられたものであることを特徴とする請求項１記載の超音波アクチュエータ。
3. 前記第２の圧電素子が、相互に逆方向に分極し、前記振動子の、前記他端と前記角部との間の一部分を挟んで該振動子の表裏面側それぞれに設けられた２つの圧電素子からなることを特徴とする請求項１記載の超音波アクチュエータ。
4. 前記振動子が、金属板であって、前記第１の圧電素子、および前記第２の圧電素子それぞれの一方の電極を兼ねるものであることを特徴とする請求項１記載の超音波アクチュエータ。

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