JP2015116020A - 超音波モータ、及び超音波モータ付き装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動弾性体の２つの接触部の並び方向と被駆動部と振動弾性体との相対移動方向とを直交させる事が出来、相対移動方向のサイズを小さくすることができる超音波モータを提供する。【解決手段】超音波モータは、一方の面には縦横それぞれ２分割された電極領域が形成され、もう一方の面には１つの電極領域が形成された圧電素子３と、振動弾性体２と、被駆動部１を有する。振動弾性体は、これに固着された圧電素子によって２次の曲げ振動モードと１次の捩じり振動モードの超音波振動が所定の位相ずれで励起され、２次の曲げ振動モードの腹位置と１次の捩じり振動モードの節位置との交点に設けられる２つの接触部を有する。被駆動部は、２つの接触部２ａ、２ｂとの接触面１ａを有し、超音波振動によって振動弾性体に対して相対移動する。【選択図】 図７

Description

本発明は、押圧された振動子に振動を発生させることにより被駆動部を駆動する超音波モータ、その超音波モータを使用したレンズ装置などの超音波モータ付き装置に関する。

従来、無音動作、低速から高速までの駆動が可能であること、高トルク出力などの特徴を活かして、例えば、カメラやレンズの駆動源として超音波モータが採用されている。特許文献１に開示された超音波モータは、角棒状の被駆動部と、当該被駆動部と接触する接触部を備える振動子とから構成されている。振動子の接触部は被駆動部に対して加圧されて接触しており、当該振動子に超音波振動が励起されると、振動子の接触部に楕円運動が生じ、被駆動部が振動子に対して相対的に移動する。

特開２０１２−１２５１１４号公報

しかし、特許文献１に開示された超音波モータでは、２つの接触部が相対移動方向に並んでいるため、相対移動方向のサイズが大きくなってしまい易い。本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、相対移動方向のサイズを小さくすることができる超音波モータ等を提供することを目的とする。

本発明の超音波モータは、一方の面には縦横それぞれ２分割された電極領域が形成され、もう一方の面には１つの電極領域が形成された圧電素子と、当該振動弾性体に固着された前記圧電素子によって２次の曲げ振動モードと１次の捩じり振動モードの超音波振動が所定の位相ずれで励起され、前記２次の曲げ振動モードの腹位置と前記１次の捩じり振動モードの節位置との交点に設けられる２つの接触部を有する振動弾性体と、前記２つの接触部との接触面を有し、前記超音波振動によって前記振動弾性体に対して相対移動する被駆動部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、上記構成により２つの接触部の並び方向と前記相対移動方向とを直交させる事が出来、相対移動方向のサイズを小さくできる超音波モータを提供することができる。

本発明の実施例１の超音波モータの圧電素子が固着される振動弾性体の斜視図。 本発明の実施例１の振動弾性体の振動モードを説明する図。 本発明の実施例１の振動弾性体の振動モードを説明する図。 本発明の実施例１の圧電素子の電極と分極のパターンを説明する図。 本発明の実施例１の圧電素子に印加する交流電圧パターンを説明する図。 本発明の実施例１の圧電素子に印加する電圧と振動弾性体の変形の関係を説明する図。 本発明の実施例１の圧電素子に印加する電圧と振動弾性体の変形の関係を説明する図。 本発明の実施例１の振動弾性体の形状や寸法を説明するための図。 本発明の実施例１の超音波モータの展開斜視図。 本発明の実施例１の超音波モータの組込図。 本発明の実施例２の振動弾性体の形状や寸法を説明するための図。 本発明の実施例３の振動弾性体の形状や寸法を説明するための図。 本発明の実施例４の圧電素子の電極と分極のパターンを説明する図。 本発明の超音波モータを含む超音波アクチュエータを組込んだレンズ鏡筒の一例の断面図。

本発明では、振動弾性体に固着された圧電素子により２次の曲げ振動モードと１次の捩じり振動モードの超音波振動が所定の位相ずれで励起され、該曲げ振動モードの腹位置と該捩じり振動モードの節位置との交点ないしその近傍に振動弾性体の２つの接触部が来るように設けられている。被駆動部は前記２つの接触部との接触面を有し、前記超音波振動によって振動弾性体に対して相対移動する。２次の曲げ振動モードは３つの節と２つの腹を持つような振動モードであり、１次の捩じり振動モードは１つの節と２つの腹を持つような振動モードである。

以下、図を用いて本発明の実施例について説明する。本明細書中において、後述する振動弾性体２と被駆動部１が相対移動する方向をＸ方向と定義する。また、後述する２つの接触部２ａと２ｂが並ぶ方向をＹ方向とする。さらに、Ｘ方向とＹ方向に垂直な方向をＺ方向と定義する。Ｚ方向において、振動弾性体２から被駆動体１への向きを＋Ｚ方向、被駆動体１から振動弾性体２への向きを−Ｚ方向と定義する。なお、図において同一部材は同一記号で図示される。

［実施例１］
図１は、本発明の実施例１である超音波モータの圧電素子が固着される振動弾性体の斜視図である。２は振動弾性体である。振動弾性体２の中央の平板部２ｇには、２つの突起部２ｃ、２ｄが＋Ｚ方向に突出している。２ａ、２ｂは、突起部２ｃ、２ｄの上端面に形成された接触部であり、図７などを用いて後述する被駆動体１の接触面１ａと当接する面である。２か所の接触部２ａ、２ｂは同一平面上に形成され、被駆動体１の接触面１ａとの当接状態を良好にするため、製造工程時には研磨などにより均一な面に仕上げられる。

一方、平板部２ｇの裏面側（２か所の突起部が形成されている面と反対の面側）には圧電素子３が接着剤などにより圧着されている。平板部２ｇの裏面と圧電素子３の圧着は、圧着されればその方法は限定されない。この圧電素子３に、図４を用いて後述する交流電圧パターンを印加することで励振させ、圧電素子３が圧着された振動弾性体２に、後述する２つの振動モードを励起する。このとき２つの振動モードの振動位相が所望の位相差となるように設定することで、接触部２ａ、２ｂには、ＸＺ平面内で変位する楕円運動が発生する。この楕円運動を振動弾性体２で発生させ、被駆動体１の接触面１ａに伝達することで、振動弾性体２と被駆動体１とがＸ方向に相対移動することが可能となる。

次に、平板部２ｇの両端には、不図示の保持部と接合するための２か所の固定部２ｆが形成されている。そして、振動弾性体２は保持部（不図示）に、この固定部２ｆにおいてネジ固定、溶接、接着などにより固定されるが、振動弾性体２と保持部（不図示）が固定されれば、その方法は限定されない。２か所の固定部２ｆと平板部２ｇとの間には、腕部２ｅが形成され、この腕部２ｅを介して、平板部２ｇは保持部（不図示）に固定される。この腕部２ｅは、平板部２ｇに発生する振動を固定部２ｆに伝達しにくい構成とするため、図１に示すように平板部２ｇや固定部２ｆに対して細い形状となっている。逆に言い換えると、保持部（不図示）が平板部２ｇに発生する振動を阻害しないような連結の構成を、この腕部２ｅによって実現している。

図２−１と図２−２は、本発明の実施例１である超音波モータにおける振動弾性体の振動モードを説明する図である。本超音波モータでは、圧電素子３に交流電圧パターンを印加することで、振動弾性体２に２次の曲げ振動モードと１次の捩じり振動モードを励起する。

図２−１（Ａ）と図２−１（Ｃ）と図２−１（Ｅ）は、２次の曲げ振動モードを示した図である。図２−１（Ａ）が斜視図、図２−１（Ｃ）が＋Ｘ方向から見た図、図２−２（Ｅ）は−Ｙ方向から見た図である。２次の曲げ振動モードは、Ｙ方向における中央と、両端からそれぞれ内側に約１／８の位置とを合わせた３ヶ所を節位置とし、Ｙ方向に両端からそれぞれ内側に約１／３の位置の２か所を腹位置とするＹＺ平面内において曲げ変位する振動モードである。このような２次の曲げ振動モードを励起することで、２か所の接触部２ａ、２ｂは逆位相でＺ方向に往復運動する。これにより、２か所の接触部２ａ、２ｂが、後述する被駆動体１の接触面１ａ（図８参照）に対して、接触と退避を交互に繰り返すことができる。以後、この２次の曲げ振動モードを突上げ振動モードと称する。

図２−１（Ｂ）と図２−１（Ｄ）と図２−２（Ｆ）は、１次の捩じり振動モードを示した図である。図２−１（Ｂ）が斜視図、図２−１（Ｄ）が＋Ｘ方向から見た図、図２−２（Ｆ）は−Ｙ方向から見た図である。１次の捩じり振動モードは、Ｘ方向における中央と、Ｙ方向における中央とを同時に節位置とし、Ｘ、Ｙ、Ｚの３次元において変位する１次の捩じり振動モードである。このような１次の捩じり振動モードを励起することで、２か所の接触部２ａ、２ｂは逆位相でＸ方向に往復運動する。これにより、被駆動体１の接触面１ａと摩擦接触しているときに、２か所の接触部２ａ、２ｂのうちの一方がこのＸ方向への変位を行うことで、被駆動体１と振動弾性体２とがＸ方向へ相対移動する力を発生させている。以後、この１次の捩じり振動モードを送り振動モードと称する。

これら突上げ振動モードと送り振動モードを所定の位相差で合成することで、２つの接触部２ａ、２ｂにＸＺ平面内で変位する楕円振動を励起させる。この際、２つの接触部２ａ、２ｂには逆位相の楕円振動となる。そのため、２つの接触部２ａ、２ｂは、後述する被駆動体１の接触面１ａに対して、交互に接触と退避を繰り返すとともに、接触時にはＸ方向の同じ向きに向かって摩擦力を発生させることになる。これにより、２つの接触部２ａ、２ｂが交互に駆動力を発生するので、効率良く駆動力を発生させる高速度な超音波モータを実現できる。また、２つの接触部２ａ、２ｂは、相対移動方向と直交するＹ方向に並んでいるため、相対移動方向であるＸ方向のサイズが小さい超音波モータを実現できる。

図３は、本実施例の圧電素子３の電極と分極のパターンを説明する図である。図３（Ａ）は圧電素子３を−Ｚ側から見た図であり、図３（Ｂ）は圧電素子３を＋Ｚ側から見た図である。図３（Ａ）において、圧電素子３の−Ｚ側の面には、Ｘ方向における中央と、Ｙ方向における中央を境界線として、縦横のＸＹ方向にそれぞれ２分割された４つの電極領域（すなわち、電極領域３ｃ、電極領域３ｄ、電極領域３ｅ、電極領域３ｆ）が形成されている。一方、図３（Ｂ）において、圧電素子３の＋Ｚ側の面には、分割されていない１つの電極領域３ｇが形成されている。よって本実施例の圧電素子３は、両面に電極領域を設けただけの単板圧電素子で構成されている。また、図３において、圧電素子３は、Ｙ方向における中央を境界線として、−Ｙ側と＋Ｙ側とで異極の分極処理が施されている。すなわち、圧電素子は、相対移動方向と直交する方向に並ぶ２つの領域で、分極の向きが異なる。

ここで、電極領域３ｇは、グランド電位に導通させておく。電極領域３ｇは振動弾性体２と当接する面のため、振動弾性体２を介してグランド電位に導通させてもよい。一方、電極領域３ｃ、電極領域３ｄには交流電圧パターンＶＡを同位相で印加し、電極領域３ｅ、電極領域３ｆには交流電圧パターンＶＡに対して位相のずれた交流電圧パターンＶＢを印加する。圧電素子３は、＋Ｚ側の面はグランド電位に接続され、−Ｚ側の面は交流電圧パターンＶＡもしくは交流電圧パターンＶＢが印加されるため、表面と裏面とで電位差が生じ、伸縮しようとする。一方、＋Ｚ側の面は振動弾性体２と固着されているため、伸縮が妨げられる。この表面と裏面との伸縮量の差により、圧電素子３には面外曲げが発生する。曲がる方向は分極の向きと印加電圧の向きとで異なる。図３に示す電極と分極のパターンを有する圧電素子に対して、図４にて説明するような交流電圧パターンを印加することで、振動弾性体２に突上げ振動モードと送り振動モードの合成振動を励起させる。本実施例の圧電素子３は、単板圧電素子で説明するが、本発明の効果は単板圧電素子に限定されるものではなく、複数の圧電素子を積み重ねた積層圧電素子で構成しても同様の効果が得られる。

図４は、本実施例の圧電素子に印加する交流電圧パターンを説明する図である。図４（Ａ）は、被駆動体１が振動弾性体２に対して−Ｘ方向に相対移動するとき印加する交流電圧パターンであり、図４（Ｂ）は、被駆動体１が振動弾性体２に対して＋Ｘ方向に相対移動するとき印加する交流電圧パターンである。図５−１と図５−２は、圧電素子３に印加する電圧と振動弾性体２の変形の関係を説明する図である。図４と図５−１と図５−２を用いて、圧電素子３に印加される交流電圧パターンと、それに対応した振動弾性体の変形の様子を説明する。

図４（Ａ）は、被駆動体１が振動弾性体２に対して−Ｘ方向に相対移動するとき印加する交流電圧パターンである。図４（Ａ）において、横軸は時間、縦軸は電圧である。ＶＡは電極領域３ｃ、電極領域３ｄに印加する交流電圧パターンであり、ＶＢは電極領域３ｅ、電極領域３ｆに印加する交流電圧パターンである。横軸の時間において、Ｔ１は交流電圧の１周期を４分割したときの１番目の１／４周期の期間である。Ｔ２は２番目の１／４周期の期間、Ｔ３は３番目の１／４周期の期間、Ｔ４は４番目の１／４周期の期間である。図４（Ａ）における期間Ｔ１では、交流電圧パターンＶＡは＋ＶＤＤの電圧が印加され、交流電圧パターンＶＢも＋ＶＤＤの電圧が印加される。

図５−１（Ａ）は、期間Ｔ１において、圧電素子３の４つの電極領域（電極領域３ｃ、電極領域３ｄ、電極領域３ｅ、電極領域３ｆ）に印加される電圧を示している。電極領域３ｃ、電極領域３ｄ、電極領域３ｅ、電極領域３ｆ全てに、＋ＶＤＤの電圧が印加される。ここで、電極領域３ｄと電極領域３ｅに対応する領域と、電極領域３ｅと電極領域３ｆに対応する領域とでは、分極処理の向きが異なる。そのため、振動弾性体２は、図５−１（Ｂ）に示すようなＹＺ平面内の２次の曲げ変形が生じる。２つの接触部２ａ、２ｂは２次曲げ変形の腹の位置に設けられているため、一方の接触部２ａは−Ｚ方向に変位し、もう一方の接触部２ｂは＋Ｚ方向に変位する。

図４（Ａ）における期間Ｔ２では、交流電圧パターンＶＡは−ＶＤＤの電圧が印加され、交流電圧パターンＶＢは＋ＶＤＤの電圧が印加される。図５−１（Ｃ）は、期間Ｔ２において、圧電素子３の４つの電極領域（電極領域３ｃ、電極領域３ｄ、電極領域３ｅ、電極領域３ｆ）に印加される電圧を示している。電極領域３ｃと電極領域３ｄには−ＶＤＤの電圧が印加され、電極領域３ｅと電極領域３ｆには＋ＶＤＤの電圧が印加される。ここで、電極領域３ｄと電極領域３ｅに対応する領域と、電極領域３ｅと電極領域３ｆに対応する領域とでは、分極処理の向きが異なる。そのため、振動弾性体２は、図５−１（Ｄ）に示すように、Ｘ方向における中央とＹ方向における中央とを同時に節位置とし、Ｘ、Ｙ、Ｚの３次元において変位する１次の捩じり変形が生じる。２つの接触部２ａ、２ｂは１次ねじり変形の腹の位置に設けられているため、一方の接触部２ａは−Ｘ方向に変位し、もう一方の接触部２ｂは＋Ｘ方向に変位する。

図４（Ａ）における期間Ｔ３では、交流電圧パターンＶＡは−ＶＤＤの電圧が印加され、交流電圧パターンＶＢも−ＶＤＤの電圧が印加される。図５−２（Ｅ）は、期間Ｔ３において、圧電素子３の４つの電極領域（電極領域３ｃ、電極領域３ｄ、電極領域３ｅ、電極領域３ｆ）に印加される電圧を示している。電極領域３ｃ、電極領域３ｄ、電極領域３ｅ、電極領域３ｆ全てに、−ＶＤＤの電圧が印加される。ここで、電極領域３ｄと電極領域３ｅに対応する領域と、電極領域３ｅと電極領域３ｆに対応する領域とでは、分極処理の向きが異なる。そのため、振動弾性体２は、図５−２（Ｆ）に示すようなＹＺ平面内の２次の曲げ変形が生じる。２つの接触部２ａ、２ｂは２次曲げ変形の腹の位置に設けられているため、一方の接触部２ａは＋Ｚ方向に変位し、もう一方の接触部２ｂは−Ｚ方向に変位する。

図４（Ａ）における期間Ｔ４では、交流電圧パターンＶＡは−ＶＤＤの電圧が印加され、交流電圧パターンＶＢは＋ＶＤＤの電圧が印加される。図５−１（Ｃ）は、期間Ｔ２において、圧電素子３の４つの電極領域（電極領域３ｃ、電極領域３ｄ、電極領域３ｅ、電極領域３ｆ）に印加される電圧を示している。電極領域３ｃと電極領域３ｄには＋ＶＤＤの電圧が印加され、電極領域３ｅと電極領域３ｆには−ＶＤＤの電圧が印加される。ここで、電極領域３ｄと電極領域３ｅに対応する領域と、電極領域３ｅと電極領域３ｆに対応する領域とでは、分極処理の向きが異なる。そのため、振動弾性体２は、図５−２（Ｇ）に示すように、Ｘ方向における中央とＹ方向における中央とを同時に節位置とし、Ｘ、Ｙ、Ｚの３次元において変位する１次の捩じり変形が生じる。２つの接触部２ａ、２ｂは１次ねじり変形の腹の位置に設けられているため、一方の接触部２ａは＋Ｘ方向に変位し、もう一方の接触部２ｂは−Ｘ方向に変位する。

以上、図４（Ａ）と図５−１と図５−２を用いて説明したように、期間Ｔ１→期間Ｔ２→期間Ｔ３→期間Ｔ４と振動弾性体２を順次変形させることで、接触部２ａは−Ｚ変位→＋Ｘ変位→＋Ｚ変位→−Ｘ変位を連続的に行ない、ＸＺ平面内の楕円運動をする。一方、接触部２ｂは＋Ｚ変位→−Ｘ変位→−Ｚ変位→＋Ｘ変位を連続的に行い、ＸＺ平面内の楕円運動をする。このように接触部２ａと接触部２ｂは常に反対向きに変位しているため、接触部２ａと接触部２ｂは逆位相の楕円運動となっている。接触部２ａと接触部２ｂは共に、＋Ｘ変位から−Ｘ変位に移行する間で＋Ｚ変位を行う。つまり接触部２ａと接触部２ｂは、被駆動体１の接触面１ａに当接している間は、被駆動体１に対して−Ｘ方向の力を伝えている。これにより、被駆動体１は、振動弾性体２に対して、−Ｘ方向に相対移動する。

図４（Ｂ）は、被駆動体１が振動弾性体２に対して＋Ｘ方向に相対移動するとき印加する交流電圧パターンである。図４（Ａ）との差は、期間Ｔ１の交流電圧パターンの次に、期間Ｔ４の交流電圧パターンを印加し、期間Ｔ３の交流電圧パターンの次に期間Ｔ２の交流電圧パターンを印加するところである。つまり、期間Ｔ１→期間Ｔ４→期間Ｔ３→期間Ｔ４の順に印加していく。そのため、期間Ｔ１→期間Ｔ４→期間Ｔ３→期間Ｔ２と振動弾性体２を順次変形させることで、接触部２ａは−Ｚ変位→−Ｘ変位→＋Ｚ変位→＋Ｘ変位を連続的に行ない、ＸＺ平面内の楕円運動をする。一方、接触部２ｂは＋Ｚ変位→＋Ｘ変位→−Ｚ変位→−Ｘ変位を連続的に行い、ＸＺ平面内の楕円運動をする。このように接触部２ａと接触部２ｂは常に反対向きに変位しているため、接触部２ａと接触部２ｂは逆位相の楕円運動となっている。接触部２ａと接触部２ｂは、−Ｘ変位から＋Ｘ変位に移行する間で＋Ｚ変位を行う。つまり接触部２ａと接触部２ｂは、被駆動体１の接触面１ａに当接している間は、＋Ｘ方向の力を伝えている。これにより、被駆動体１は、振動弾性体２に対して、＋Ｘ方向に相対移動する。このように、２つの接触部２ａ、２ｂが交互に駆動力を発生するので、効率良く駆動力を発生させる高速度な超音波モータを実現できる。また、２つの接触部２ａ、２ｂは、相対移動方向と直交するＹ方向に並んでいるため、相対移動方向であるところのＸ方向のサイズが小さい超音波モータを実現できる。

図４では、説明を簡単にするために、矩形波の交流電圧パターンで説明したが、本発明の効果は矩形波に限定されるものではなく、正弦波などの交流電圧パターンでも同様の効果が得られる。また２つ交流電圧パターンの位相差についても、説明を簡単にするために９０°の例で説明したが、本発明の効果は９０°に限定されるものではなく、その近傍などの位相差でも同様の効果が得られる。

図６は、振動弾性体２の形状や寸法を説明するための図である。振動弾性体２に突上げ振動モードと送り振動モードの両方を励起させるためには、２つの振動モードの共振周波数の差が小さくなければならない。このとき、２つの振動モードの共振周波数の差は、平板部２ｇのＸ方向の長さ２ＬＸとＹ方向の長さ２ＬＹの比と、相関性がある。そのため、平板部２ｇのＸ方向の長さ２ＬＸとＹ方向の長さ２ＬＹの比は、所定範囲に収める必要がある。本実施例の超音波モータでは、振動弾性体２にＹＺ平面内の２次の曲げ振動モードと、Ｘ方向の中央とＹ方向の中央を同時に節とする１次の捩じれ振動モードを用いる。その際、Ｙ方向の長さ２ＬＹは、Ｘ方向の長さ２ＬＸの３〜８倍に設定しなければ、２つの振動モードの共振周波数の差が大きくなりすぎて、両方の振動を励起するのが困難となる。そこで本実施例の超音波モータでは、平板部２ｇのＹ方向の長さ２ＬＹを、Ｘ方向の長さ２ＬＸの３〜８倍に設定している。これにより、圧電素子３に所定の交流電圧パターンを印加することで、振動弾性体２に突上げ振動モードと送り振動モードの両方を励起することができる。すなわち、振動弾性体と圧電素子が固着された領域の、相対移動方向の長さをＬ１、相対移動方向と直交する方向の長さをＬ２としたとき、Ｌ１とＬ２は次の関係にある。Ｌ１×３．０＜Ｌ２＜Ｌ１×８．０

図６において、突上げ振動モードは２次の曲げ振動モードであるため、節位置は２ｈ、２ｍ、２ｎの３ヶ所となる。節位置２ｈはＹ方向の中央に位置し、節位置２ｍと節位置２ｎはＹ方向に両端からそれぞれ内側に約１／８の位置となる。腹位置は２ｊ、２ｋの２か所となる。腹位置２ｊと腹位置２ｋはＹ方向に両端からそれぞれ内側に約１／３の位置となる。一方、送り振動モードは１次の捩じり振動モードであるため、節位置は２ｈ、２ｉの２か所となる。節位置２ｈはＹ方向の中央に位置し、節位置２ｉはＸ方向の中央に位置する。接触部２ａと突起部２ｃは、突上げ振動モードの腹位置２ｋと送り振動モードの節位置２ｉとの交点近傍に設けられている。同様に、接触部２ｂと突起部２ｄは、突上げ振動モードの腹位置２ｊと送り振動モードの節位置２ｉとの交点近傍に設けられている。このような位置に接触部２ａと接触部２ｂを配置することで、突上げ振動モードによりＺ方向に往復振動し、送り振動モードによりＸ方向に往復振動する。この２つの振動モードを所定の位相差で合成することで、接触部２ａと接触部２ｂにＸＺ平面内の楕円振動を発生させる。

図６において、腕部２ｅは、できるだけ振動が少ない箇所に設けるのが適切である。そこで、送り振動モードの節位置２ｉの延長線上に腕部２ｅを配置し、腕部２ｅが送り振動モードによって振動しにくくしている。これにより、送り振動モードの振動が阻害されにくくなるとともに、腕部２ｅを介して固定部２ｆに振動が伝播してしまうのを軽減している。

図７は、本実施例の超音波モータの展開斜視図である。１は被駆動体であり、振動弾性体２の接触部２ａと接触部２ｂに励起される楕円振動により、振動弾性体２に対してＸ方向に相対移動する。１ｂは被駆動体１を不図示の移動体に固定するための固定穴である。被駆動体１は、２か所の固定穴１ｂで不図示の移動体にネジ固定される。２は振動弾性体である。振動弾性体２は、圧電素子３が固着される平板部２ｇと、平板部から＋Ｚ方向に突き出た突起部２ｃと突起部２ｄと、突起部２ｃ、２ｄの上端面にそれぞれ形成された接触部２ａ、２ｂとを備える。振動弾性体２は、平板部２ｇの両端に設けた固定部２ｆで、不図示の保持部にネジ固定される。平板部２ｇと固定部２ｆの間には腕部２ｅが設けられ、平板部２ｇに発生した振動が固定部２ｆに伝播しにくくしている。３は、平板部２ｇの−Ｚ面側に固着される圧電素子である。圧電素子３の振動弾性体２と接する側（＋Ｚ側）の面には、分割されていない１つの電極領域３ｇが形成され、電極領域３ｇと振動弾性体２とは導通している。

図８は、本実施例の超音波モータの組込図である。図８（Ａ）は組み込まれた状態の斜視図、図８（Ｂ）は組み込まれた状態を＋Ｘ方向から見た図、図８（Ｃ）は組み込まれた状態を＋Ｙ方向から見た図である。図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）において、振動弾性体２の平板部２ｇの−Ｚ側面と圧電素子３の＋Ｚ側面は固着されている。圧電素子３に印加される交流電圧により、振動弾性体２には突上げ振動モードと送り振動モードが励起され、接触部２ａと接触部２ｂにはＸＺ平面の楕円振動が発生する。振動弾性体２と被駆動体１とは、Ｚ方向に加圧された状態で保持される。そのため、振動弾性体２の接触部２ａと接触部２ｂは、被駆動体１の接触面１ａに加圧した状態で接触されたいわゆる加圧接触状態が保たれる。このような加圧接触状態で接触部２ａと接触部２ｂにＸＺ平面の楕円振動が発生すると、被駆動体１と振動弾性体２はＸ方向に相対移動する。この際、振動弾性体２は固定部２ｆで保持部に固定されてＸ方向への移動が規制されているため、被駆動体１がＸ方向に移動することになる。

図８（Ｃ）において、接触部２ａと接触部２ｂはＹ方向に並んでいるため、Ｘ方向の接触長は接触部２ａと接触部２ｂの直径となり、非常に短い。そのため、被駆動体１の接触面１ａのＸ方向の長さは、接触部２ａと接触部２ｂの直径と、振動弾性体２の相対移動距離を足し合わせた分の長さだけ確保すればよい。そのため、被駆動体１のＸ方向のサイズを小さくすることが可能となる。一方、上述の特許文献１に記載されているような従来の超音波モータでは、接触部が相対移動方向に並んでいた。そのため、相対移動方向の接触長は、２つの接触部の直径と相対移動距離を足し合わせた長さだけではなく、さらに２つの接触部の間隔も足し合わせた長さとなり、非常に長くなってしまう。そのため、被駆動体の接触面も長く確保する必要があり、被駆動体のサイズは相対移動方向に非常に大きくなってしまっていた。それに伴い、超音波モータのサイズも相対移動方向に非常に大きくなってしまっていた。

本実施例の超音波モータでは、図８（Ｂ）に示すように、相対移動方向と直交する方向であるＹ方向に接触部２ａと接触部２ｂを並べる。このことで、図８（Ｃ）に示すように相対移動方向であるＸ方向の接触長を短くすることができ、被駆動体１の相対移動方向のサイズを小さくすることが可能となった。それに伴い、超音波モータユニットの駆動方向のサイズを小さくすることが可能となった。

［実施例２］
実施例１では、振動弾性体２の腕部２ｅは、送り振動モードの節位置２ｉの延長線上に設けることで、送り振動モードについて、振動の阻害や固定部２ｆへの振動伝播を軽減していた。実施例２では、突上げ振動モードと送り振動モードの両方の節である節位置２ｈの延長線上に、腕部２ｅを設けたところが、実施例１と異なるところである。なお、実施例１と同一部材のものは、同一記号で図示される。また実施例1と同じところは説明を省略し、実施例１と異なるところだけ説明する。

図９は、実施例２の振動弾性体２の形状や寸法を説明するための図である。図９において、腕部２ｅは、できるだけ振動が少ない箇所に設けるのが適切である。そこで、突上げ振動モードと送り振動モードの両方の節である節位置２ｈの延長線上に腕部２ｅを配置し、腕部２ｅが突上げ振動モードと送り振動モードの両方の振動に対しても、振動しにくくしている。これにより、さらに振動が阻害されにくくなるとともに、腕部２ｅを介して固定部２ｆに振動が伝播してしまうのを軽減している。

［実施例３］
実施例２では、突上げ振動モードと送り振動モードの両方の節である節位置２ｈの延長線上に、腕部２ｅを設けることで、振動の阻害や固定部２ｆへの振動伝播を軽減していた。実施例３では、突上げ振動モードの節のうち、Ｙ方向においてそれぞれ両端から約１／８に位置にある節位置２ｍと節位置２ｎの延長線上に、腕部２ｅを設けたところが、実施例２と異なるところである。なお、実施例１及び実施例２と同一部材のものは、同一記号で図示される。また実施例1及び実施例２と同じところは説明を省略し、異なるところだけ説明する。

図１０は、実施例３の振動弾性体２の形状や寸法を説明するための図である。図１０において、腕部２ｅは、できるだけ振動が少ない箇所に設けるのが適切である。そこで、突上げ振動モードの節のうち、Ｙ方向においてそれぞれ両端から約１／８に位置にある節位置２ｍと節位置２ｎの延長線上に、腕部２ｅを設け、腕部２ｅが突上げ振動モードによって振動しにくくしている。これにより、突上げ振動モードの振動が阻害されにくくなるとともに、腕部２ｅを介して固定部２ｆに振動が伝播してしまうのを軽減している。

実施例２の振動弾性体２の腕部２ｅを平板部２ｆのＹ方向中央に位置していたため、固定部２ｆと被駆動体１とで、Ｚ方向からみたときの投影領域が重なっていた。そのため、固定部２ｆを固定する保持部（不図示）を形成しようとしたときに、被駆動体１との干渉を避けるためにＺ方向の位置に制限があった。しかし実施例３では、腕部２ｆを平板部２ｆのＹ方向両端から約１／８の位置に設けることで、固定部２ｆと被駆動体１とで、Ｚ方向から見たときの投影領域が重ならない。よって固定部２ｆを固定する保持部（不図示）を形成する際の設計自由度が大きくなるというメリットがある。

［実施例４］
実施例１〜３では、圧電素子３は単板圧電素子で構成されていた。実施例４では、圧電素子３は、突上げ振動モードを励起するための圧電素子層４と、送り振動モードを励起するための圧電素子層５を積層した積層圧電素子で構成しているところが、実施例１〜３と異なるところである。なお、実施例１と同一部材のものは、同一記号で図示される。また実施例1と同じところは説明を省略し、実施例１と異なるところだけ説明する。図１１は、実施例４の圧電素子３の２種類の圧電素子層を説明するために図である。図１１（Ａ）は、突上げ振動モードを励起するための圧電素子層４を−Ｚ方向から見た図であり、図１１（Ｂ）は、＋Ｚ方向から見た図である。図１１（Ｃ）は、送り振動モードを励起するための圧電素子層５を−Ｚ方向から見た図であり、図１１（Ｄ）は、＋Ｚ方向から見た図である。

図１１（Ａ）、（Ｂ）は突上げ振動モードを励起するための圧電素子層４を示す図である。図１１（Ａ）において、圧電素子層４の−Ｚ側面には、Ｙ方向における中央を境界線として、Ｙ方向に２分割された２つの電極領域４ｃ、電極領域４ｄが形成されている。一方、図１１（Ｂ）において、圧電素子層４の＋Ｚ側の面には、分割されていない１つの電極領域４ｇが形成されている。図１１（Ａ）において、圧電素子層４は、Ｙ方向における中央を境界線として、−Ｙ側と＋Ｙ側とで異極の分極処理が施されている。

ここで、電極領域４ｇは、グランド電位に導通させておく。電極領域４ｇは振動弾性体２と当接する面のため、振動弾性体２を介してグランド電位に導通させてもよい。一方、電極領域４ｃ、電極領域４ｄには交流電圧パターンＶＡを印加する。圧電素子４は、＋Ｚ側の面はグランド電位に、−Ｚ側の面は交流電圧パターンＶＡが印加されるため、表面と裏面とで電位差が生じ、伸縮しようとする。一方、＋Ｚ側の面は振動弾性体２と固着されているため、伸縮が妨げられる。この表面と裏面との伸縮量の差により、圧電素子層４には面外曲げが発生する。電極領域４ｃと電極領域４ｄとは、同電位の電圧が印加されるが、分極の向きが異なるため、振動弾性体２にＹＺ平面の２次の曲げ振動モードである突上げ振動モードの振動成分が励起される。

一方、図１１（Ｃ）、（Ｄ）は送り振動モードを励起するための圧電素子層５を示す図である。図１１（Ｃ）において、圧電素子層５の−Ｚ側面には、Ｘ方向における中央とＹ方向における中央を境界線として、ＸＹ方向にそれぞれ２分割された４つの電極領域５ｃ、電極領域５ｄ、電極領域５ｅ、電極領域５ｆが形成されている。一方、図１１（Ｄ）において、圧電素子層５の＋Ｚ側の面には、分割されていない１つの電極領域５ｇが形成されている。

図１１において、圧電素子層５は、Ｘ方向における中央とＹ方向における中央を境界線として、ＸＹ方向に隣接する領域同士で異極の分極処理が施されている。ここで、電極領域５ｇは、グランド電位に導通させておく。電極領域４ｇと電極領域５ｇとの導電方法としては、圧電素子層４と圧電素子５にスルーホールを設け、圧電素子層４の電極領域４ｇと圧電素子層５の電極領域５ｇを導通させる方法が考えられる。また、圧電素子４の端面部分に導電ペーストを塗布して導通させたりする方法が考えられる。電極領域５ｃ、電極領域５ｄ、電極領域５ｅ、電極領域５ｆには交流電圧パターンＶＢを印加する。圧電素子層５は、＋Ｚ側の面はグランド電位に、−Ｚ側の面は交流電圧パターンＶＢが印加されるため、表面と裏面とで電位差が生じ、伸縮しようとする。この表面と裏面との伸縮量の差により、圧電素子層４には面外曲げが発生する。電極領域５ｃ、電極領域５ｄ、電極領域５ｅ、電極領域５ｆは同電位の電圧が印加されるが、分極の向きは対角方向に隣接する電極領域同士は同じで、Ｘ方向もしくはＹ方向に隣接する電極領域同士では分極向きが異なる。そのため、振動弾性体２に１次の捩じり振動モードである送り振動モードの振動成分が励起される。

実施例１〜３と同様に、位相を所定量だけずらした交流電圧パターンＶＡと交流電圧パターンＶＢを印加することで、振動弾性体２に突上げ振動モードと送り振動モードの合成振動を励起させる。実施例４では、圧電素子層４と圧電素子層５が貼り合わされた積層圧電素子で圧電素子３を構成している。そのため、突上げ振動モードを励起するための圧電素子４と、送り振動モードを励起するための圧電素子５と、が分かれており、それぞれ独立に印加電圧をかけることができる。そのため、突上げ振動モードと送り振動モードを独立に制御できるのが実施例４の特徴である。

以上のように、振動弾性体２の２次の曲げ振動モードの腹位置と１次の捩じり振動モードの節の位置の交点近傍に、被駆動体１の接触面と当接する２つの接触部である接触部２ａ、２ｂを設ける。このことで、接触部２ａと接触部２ｂが交互に駆動力を発生し、効率良く駆動力を発生させる高速度な超音波モータが実現できた。また、接触部２ａと接触部２ｂは、相対移動方向と直交する方向に並んでいるため、相対移動方向のサイズが小さい超音波モータを実現することができた。

［実施例５］
図１２は、本発明の超音波モータユニット（超音波アクチュエータ）１００を組込んだレンズ鏡筒に係る実施例５の断面図を示す。本実施例では、レンズ鏡筒を、カメラ本体に対して交換可能な交換レンズとして説明する。なお、レンズ鏡筒は光軸の回りでほぼ回転対称形であるため、上側半分のみを表示している。

カメラ本体５１には交換レンズ５２が着脱自在に取り付けられ、カメラ本体５１内には撮像素子５１ａが設けられている。マウント１１は、交換レンズ５２をカメラ本体５１に取り付けるためのバヨネット部を有している。固定筒１２は、マウント１１のフランジ部と当接し、不図示のビスによってマウント１１を固定している。固定筒１２には、固定レンズＧ１を保持する前鏡筒１３と固定レンズＧ３を保持する後鏡筒１４が固定される。１５はフォーカスレンズＧ２を保持するフォーカスレンズ保持枠であり、前鏡筒１３と後鏡筒１４に保持された公知のガイドバー１６によって直進移動可能に保持されている。超音波モータユニット１００内の地板には、フランジ部が形成されており（不図示）、後鏡筒１４にビスにて固定されている。

上記のような構成で、超音波モータユニット１００の被駆動部１０２が駆動されると、超音波モータユニット１００の駆動力は、駆動力伝達部１０３を介してフォーカスレンズ保持枠１５に伝達される。フォーカスレンズ保持枠１５は前述のガイドバー１６に沿って直線移動する。こうして、本発明の超音波アクチュエータの駆動力によりレンズ保持枠１５が駆動される。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１・・被駆動体（被駆動部）、１ａ・・接触面、２・・振動弾性体、２ａ、２ｂ・・接触部、３・・圧電素子、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ・・一方の面の電極領域、３ｇ・・もう一方の面の電極領域

Claims (10)

1. 一方の面には縦横それぞれ２分割された電極領域が形成され、もう一方の面には１つの電極領域が形成された圧電素子と、
   当該振動弾性体に固着された前記圧電素子によって２次の曲げ振動モードと１次の捩じり振動モードの超音波振動が所定の位相ずれで励起され、前記２次の曲げ振動モードの腹位置と前記１次の捩じり振動モードの節位置との交点に設けられる２つの接触部を有する振動弾性体と、
   前記２つの接触部との接触面を有し、前記超音波振動によって前記振動弾性体に対して相対移動する被駆動部と、
   を有することを特徴とする超音波モータ。
2. 前記圧電素子は、前記相対移動方向と直交する方向に並ぶ２つの領域で、分極の向きが異なることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記縦横それぞれ２分割された電極領域のうち、前記相対移動方向と直交する方向に隣接する電極領域同士は同位相の交流電圧が印加され、前記相対移動方向に隣接する電極領域同士は位相のずれた交流電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
4. 前記分割されていない１つの電極領域にはグランド電位に接続されることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
5. 前記振動弾性体と前記圧電素子が固着された領域の、前記相対移動方向の長さをＬ１、前記相対移動方向と直交する方向の長さをＬ２としたとき、Ｌ１とＬ２は下記関係にあることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
   Ｌ１×３．０＜Ｌ２＜Ｌ１×８．０
6. 前記振動弾性体は、前記振動弾性体を固定するための固定部と、前記超音波振動を前記固定部に伝播しにくくするための腕部とを備え、前記腕部は、前記超音波振動の節位置の延長線上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
7. 前記振動弾性体は、前記振動弾性体を固定するための固定部と、前記超音波振動を前記固定部に伝播しにくくするための腕部とを備え、前記腕部は、前記１次の捩じり振動モードの節位置の延長線上に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
8. 前記振動弾性体は、前記振動弾性体を固定するための固定部と、前記超音波振動を前記固定部に伝播しにくくするための腕部とを備え、前記腕部は、前記２次の曲げ振動モードの節位置の延長線上に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
9. 前記振動弾性体は、前記振動弾性体を固定するための固定部と、前記超音波振動を前記固定部に伝播しにくくするための腕部とを備え、前記腕部は、前記１次の捩じり振動モードと前記２次の曲げ振動モードの節位置の延長線上に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
10. 請求項１から９の何れか１項に記載の超音波モータを含む超音波アクチュエータの駆動力によりレンズ保持枠が駆動されることを特徴とするレンズ鏡筒。