JP2015167456A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の略正方形の振動板、及び、圧電素子を有する超音波モータは、小型化に有利ではあるものの、円運動を生成し推進力を得るような共振周波数の設定が困難であるという課題を有していた。
【解決手段】分極領域のうち少なくとも１つが属する２つの分極領域群に節直径振動の共振周波数より節円振動の共振周波数に近い周波数であって、位相差が１８０度±４５度である２つの交流電圧をそれぞれ印加する第一の駆動モードと、２つの分極領域群に節円振動の共振周波数より節直径振動の共振周波数に近い周波数であって、位相差が０度±４５度である２つ、又は、同一の交流電圧をそれぞれ印加する第二の駆動モードの、少なくともいずれか一方で駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波モータに係り、特に振動子を構成する弾性体を板状とした超音波モータに関するものである。

従来のリニア用の超音波モータの一例として特許文献１に略正方形の圧電素子、及び、振動板を有する超音波モータが開示されている。図１１（ａ）と図１１（ｂ）はこの超音波モータの振動を示す図であり、特許文献１の図４及び図５に相当する図である。図１１（ａ）は、進行方向Ｘに直交するＡ辺の曲げ方向の１次振動で生成される突上げ振動を示している。図１１（ｂ）は、進行方向Ｘに平行なＢ辺の曲げ方向の１次振動で生成される送り振動を示している。この突き上げ振動と送り振動とを合成することによって、突起先端に円運動を生成し、推進力を得ることができる。駆動方法の詳細は、特許文献１に記載されている。

同様に、２つの振動を合成して突起先端に円運動を生成し、推進力を得る超音波モータの例が特許文献２に記載されている。この超音波モータは、略長方形の圧電素子、及び、振動板を有しており、短辺方向の曲げ１次振動で生成される突上げ振動と、長辺方向の曲げ２次振動で生成される送り振動を合成することによって、突起先端に円運動を生成し、推進力を得ることができる。

近年、超音波モータが搭載される電子機器の小型化、特にレンズ駆動装置の小型化の要求は更に高まっている。ここで、特許文献２に記載の略長方形の超音波モータと、図１１のような従来の略正方形の超音波モータとを比べると、長方形の短辺を２辺とする正方形で超音波モータを構成することができるから、略正方形の超音波モータの方が小型化に有利であるといえる。

特開２００６−１１５５５９号明細書 特開２０１２−１６１０７号明細書 特開平１１−２５２９４５号明細書

しかし、図１１のＡ辺の寸法とＢ辺の寸法はほぼ等しいので、それぞれの曲げ１次振動の共振周波数もほぼ等しい。このため図１１のようなＡ辺とＢ辺の曲げ方向の１次振動モードでは、それぞれ単独では共振しにくいと考えられる。実際に振動解析を行った結果を図１２に示す。図１２（ａ）の通り、Ａ辺とＢ辺の曲げ方向の１次振動モードがそれぞれ同一方向となるような第一の共振と、図１２（ｂ）の通り、Ａ辺とＢ辺の曲げ方向の１次振動モードがそれぞれ反対方向となるような第二の共振が発生する。

特許文献３の記載によれば、円盤の振動においては、特許文献３の図３に示されるような節が円形に生じる振動は「節円振動」、特許文献３の図５に示されるような節が直径方向に生じる振動は「節直径振動」と呼ばれる。前述の略正方形の振動板における第一・第二の共振はこの円盤の振動の類型であり、図１２（ａ）の第一の共振は節円振動、図１２（ｂ）の第二の共振は節直径振動ということができる。

振動解析の結果から、駆動周波数を調整しても、節円振動や節直径振動で共振し、図１１のようなＡ辺とＢ辺の曲げ１次の振動がそれぞれ単独で共振しない可能性が高いことが予想される。この結果、特許文献１に記載されているような超音波モータでは、突起先端に円運動を生成することができず、超音波モータとしての推進力を得ることが困難となる。

以上説明した通り、従来の略正方形の振動板、及び、圧電素子を有する超音波モータは、小型化に有利ではあるものの、円運動を生成し推進力を得るような共振周波数の設定が困難であるという課題を有していた。

そこで、本発明の目的は、小型化に有利な略正方形の振動板、及び、圧電素子を有する超音波モータであっても、円運動を生成し推進力を得るような共振周波数の設定を容易にすることである。

上記の課題を解決するために、本発明の超音波モータは、略４回回転対称な平面部を有する薄板形状であり、前記平面部に少なくとも２つ以上の分極領域が設けられた圧電素子と、略４回回転対称な平面部を有する薄板形状であり、略４回回転対称中心以外の点に突起が設けられ、圧電素子が貼り付けられた振動板とを有する超音波モータであって前記圧電素子は、前記分極領域の少なくとも１つが属するように区分される２つの分極領域群を有し、前記２つの分極領域群に、節直径振動の共振周波数より節円振動の共振周波数に近い周波数であって、位相差が１８０°±４５°である２つの交流電圧をそれぞれ印加する第一の駆動モードと、前記２つの分極領域群に、節円振動の共振周波数より節直径振動の共振周波数に近い周波数であって、位相差が０°±４５°である２つの交流電圧をそれぞれ印加する第二の駆動モードと、のうち少なくとも１つの駆動モードを有することを特徴としている。

上記の手段により、小型化に有利な略正方形の振動板、及び、圧電素子を有する超音波モータであっても、円運動を生成し推進力を得るような共振周波数の設定を容易にすることができる。

本発明の第一の実施形態の構成図である。 本発明の第一の実施形態の第一の駆動モードの説明図である。 本発明の第一の実施形態の第一の駆動モードの動作説明図である。 本発明の第一の実施形態の第二の駆動モードの説明図である。 本発明の第一の実施形態の第二の駆動モードの動作説明図である。 本発明の第一の実施形態の別形態の構成図である。 本発明の第二の実施形態の構成図である。 本発明の第三の実施形態の構成図である。 本発明の第四の実施形態の構成図である。 本発明の第五の実施形態の構成図である。 従来の超音波モータの動作説明図である。 従来の超音波モータの動作説明図である。

（第一の実施形態）
以下、図１から図３を参照して、本願発明の第一の実施形態について説明する。

図１（ａ），図１（ｂ），図１（ｃ）は、第一の実施形態の超音波モータの構成を説明するための図である。図１（ａ）は、超音波モータを上方から見た平面図および短手方向からみた側面図である。図１（ｂ）は、超音波モータを長手方向からみた側面図である。図１（ｃ）は、超音波モータを下方向からみた底面図である。

圧電素子１は、略４回回転対称な平面部を有する薄板形状を有する。ここで、「ｎ回回転対称（ｎは整数）」とは、「ある点を中心として３６０／ｎ（度）図形を回転させると、元の図形と重なること」である。従って、「４回回転対称」とは「ある点を中心として９０度、１８０度、２７０度回転させると、それぞれ元の図形と重なること」である。又、「２回回転対称」とは「ある点を中心として１８０度回転させると、元の図形と重なること」である。第一の実施形態では、略４回回転対称な平面部の例として正方形の圧電素子の例を示している。略４回回転対称の中心である点Ｏは、代表的には、圧電素子１の二本の対角線の交点である。

圧電素子１は、少なくとも２つ以上の分極領域に区分されている。本実施の形態では、少なくとも２つ以上の分極領域の例として、二本の対角線で画定される４つの分極領域１ａ１，１ａ２，１ｂ１，１ｂ２を２つの分極領域に分けた例で説明する。すなわち、分極領域１ａ１，１ａ２，１ｂ１，１ｂ２を、分極領域１ａ１，１ａ２が属する分極領域群（以下、Ａ群と略す）と分極領域１ｂ１，１ｂ２が属する分極領域群（以下、Ｂ群と略す）に区分される。ここで、Ａ群は、正方形の一辺であるＡ辺に沿って位置する分極領域のグループである。一方、Ｂ群は、Ａ辺と直交するＢ辺に沿って位置する分極領域のグループである。これらの分極領域１ａ１，１ａ２，１ｂ１，１ｂ２は、グランド電極１ｃを介して、圧電素子１の裏面の全面電極から側面を経由して接地されている。

振動板２は、略４回回転対称な平面部を有する薄板形状を有する。本実施形態では、略４回回転対称な平面部の例として、圧電素子１と同様に平面部が正方形の例を示している。代表的には、振動板２の略４回回転対称の中心は、圧電素子１の略４回回転対称の中心である点Ｏに一致させることが好ましいが、必ずしも一致していなくてもよい。略４回回転対称中心以外の点に、突起２ａが設けられている。突起２ａが設けられている振動板２の面と反対側の振動板２の面には、圧電素子１が貼り付けられている。突起２ａは振動板２と一体的に成形されても、別体部品を貼り付けされていてもよい。又、突起２ａは円筒の例が示されているが、円筒形状に限定されるものではなく、直方体等でもよい。振動板２の平面部に設けられた接続部２ｂは、図１では省略されているが、後述する超音波モータの枠体と接続される部分である。接続部２ｂは、圧電素子１と振動板２の節円振動や節直径振動において変位が少ない部分に設けられ、かつ、十分に剛性が弱いので、節円振動や節直径振動を阻害しにくい形状となっている。従って、接続部２ｂは圧電素子１と振動板２の節円振動や節直径振動にほとんど影響を与えない。

振動板２の突起２ａは、摩擦部材３に当接していて、摩擦部材３は振動板２に対して相対移動をする。摩擦部材３は、振動を減衰させないフエルト４、全体を均等に加圧するための加圧板５を介して、加圧手段であるばね６によって、図示矢印Ｘ方向に加圧されている。ばね６の上端６ａは図１では省略されているが後述する超音波モータの枠体で支持されている。又、平面図においてフエルト４、加圧板５、ばね６は省略されている。

更に、図示されていない駆動回路と給電手段により、Ａ群とＢ群とに、交流電圧を印加することができる。印加する交流電圧は、節円振動と節直径振動の共振周波数であって、位相差が所定の値を有している。この交流電圧によって、突起２ａが円運動を生成できれば、従来の超音波モータを同様の原理で摩擦部材３と振動板２が相対移動をすることができる。

図２は第一の実施形態の超音波モータの第一の駆動モードを説明するための図である。

図２（ａ）はＡ群に印加する交流電圧を、図２（ｂ）はＢ群に印加する交流電圧を示している。図２（ｃ），図２（ｄ）は、交流電圧が印加された圧電素子１，振動板２，突起２ａの形状の変化を示している。周期Ｔ１の逆数である周波数ｆ１は圧電素子１に振動板２が貼り付けられた状態での節円振動の共振周波数であって、Ａ群とＢ群の交流電圧の位相差は１８０度である。入力される周波数は節円振動の共振周波数であるから、共振現象により、図２（ｃ）のような節円振動が励振される。しかし、入力される電圧の位相差は１８０度であるから、圧電効果により、図２（ｄ）のようにＡ辺とＢ辺を逆方向に変形させるような力が作用する。

図３は振動解析をした結果を示す図である。図３（ａ）は交流電圧が印加された圧電素子１，振動板２，突起２ａの形状の変化を斜視図として示した図である。図３（ｂ）は交流電圧が印加された圧電素子１，振動板２，突起２ａの形状の変化を側面図で示した図である。図３（ａ）および図３（ｂ）のいずれも、交流電圧の印加に合わせて、IからVIの順に振動が進行する様子を示している。前述の通り、接続部２ｂは圧電素子１と振動板２の節円振動や節直径振動にほとんど影響を与えないので省略されている。

図３（ａ）において、IおよびIVを見ると、Ａ辺とＢ辺が同じ方向に変形しているので、全体としては節円振動に近い振動が生じていることが解る。これは、共振現象と圧電効果による変形とでは、圧電効果による変形の影響より、共振現象による変形の方が影響が大きいためである。

しかし、詳細にＡ辺とＢ辺を比較すると、Ｂ辺の変形に対してＡ辺の変形が遅れていることが解る。具体的に説明すると、IではＡ辺もＢ辺もいずれも上に凸であるが、IIではＢ辺はほぼ平坦になっているのに対して、Ａ辺はいまだ上に凸であり、IIIではＢ辺が下に凸であるのに対し、Ａ辺はいまだに平坦である。同様に、IVではＡ辺もＢ辺もいずれも下に凸であるが、VではＢ辺はほぼ平坦になっているのに対して、Ａ辺はいまだ下に凸であり、VIではＢ辺が上に凸であるのに対し、Ａ辺はいまだに平坦である。これは圧電効果によりＡ辺とＢ辺を逆方向に変形させるような力が作用しているためである。

このようにＢ辺の変形に対して、Ａ辺の変形が遅れるために、突起２ａの先端は、図３（ｂ）に矢印で示す反時計回りの方向に、破線で示した軌跡の円運動を生じる。この結果、摩擦部材３に対して相対移動を行うための図示Ｘ方向へ推進力を得ることができる。

図４は第一の実施形態の超音波モータの第二の駆動モードを説明するための図である。

図４（ａ）はＡ群に印加する交流電圧、図４（ｂ）はＢ群に印加する交流電圧を示している。図４（ｃ），図４（ｄ）は、交流電圧が印加された圧電素子１，振動板２，突起２ａの形状の変化を示している。周期Ｔ２の逆数である周波数ｆ２は圧電素子１に振動板２が貼り付けられた状態での節直径振動の共振周波数であって、Ａ群とＢ群の交流電圧の位相差は０度である。入力される周波数は節直径振動の共振周波数であるから、共振現象により、図４（ｃ）のような節直径振動が励振される。しかし、入力される電圧の位相差は０度であるから、圧電効果により、図４（ｄ）のようにＡ辺とＢ辺を同じ方向に変形させるような力が作用する。

図５は振動解析をした結果を示す図である。図５（ａ）は交流電圧が印加された圧電素子１，振動板２，突起２ａの形状の変化を斜視図で示した図である。図５（ｂ）は交流電圧が印加された圧電素子１，振動板２，突起２ａの形状の変化を側面図で示したものである。図５（ａ）および図５（ｂ）のいずれも、圧電素子１への交流電圧の印加に合わせて、IからVIの順に振動が進行する様子を示している。前述の通り、接続部２ｂは圧電素子１と振動板２の節円振動や節直径振動にほとんど影響を与えないので省略されている。

図５（ａ）のIとIVを見ると、Ａ辺とＢ辺が反対方向に変形しているので、全体としては節直径振動に近い振動が生じていることが解る。これは、共振現象と圧電効果による変形とでは、圧電効果による変形の影響より、共振現象による変形の影響が大きいためである。

しかし、詳細にＡ辺とＢ辺を比較すると、Ｂ辺の変形に対してＡ辺の変形が遅れていることが解る。具体的に説明すると、IではＡ辺が上にＢ辺が下に凸であるが、IIではＢ辺はほぼ平坦になっているのに対して、Ａ辺はいまだ上に凸であり、IIIではＢ辺が上に凸であるのに対し、Ａ辺はいまだに平坦である。同様に、IVではＡ辺が下にＢ辺が上に凸であるが、VではＢ辺はほぼ平坦になっているのに対して、Ａ辺はいまだ下に凸であり、VIではＢ辺が下に凸であるのに対し、Ａ辺はいまだに平坦である。これは圧電効果によりＡ辺とＢ辺を同じ方向に変形させるような力が作用しているためである。

このようにＢ辺の変形に対して、Ａ辺の変形が遅れるために、突起２ａの先端は、図５（ｂ）に矢印で示す時計回りの方向に、破線で示した軌跡の円運動を生じる。この結果、摩擦部材３に対して相対移動を行うための図示Ｘ方向へ推進力を得ることができる。

以上説明した通り、本実施形態の超音波モータによれば、第一の駆動モードと第二の駆動モードとにより、共振現象が生じやすい節円振動と節直径振動を利用し、かつ、圧電効果による変形により、互いに直交するＡ辺とＢ辺の変形に遅れが生じる。

上記では、印加する交流電圧の周波数に関して、節円振動の共振周波数とする第一の駆動モードと、節直径振動の共振周波数とする第二の駆動モードと、を有する超音波モータとして説明した。これは、共振現象が最も生じやすい例である。しかし、第一の駆動モードで印加する交流電圧の周波数が節円振動の共振周波数と完全に一致しなくてもよい。同様に、第二の駆動モードで印加する交流電圧の周波数が節直径振動の共振周波数と完全に一致しなくてもよい。本発明では、第一の駆動モードにおいて印加する交流電圧の周波数が節直径振動の共振周波数より節円振動の共振周波数に近い周波数であればよい。同様に、第二の駆動モードで印加する交流電圧の周波数が節円振動の共振周波数より節直径振動の共振周波数に近い周波数であればよい。すなわち、共振周波数に近い周波数とは、第一駆動モードにおいて節円振動を励振し第二駆動モードにおいて節直径振動を励振することができ、かつ少なくとも他の共振を励振しない程度の周波数を意味する。この範囲の周波数である限り、同様の効果を得ることができる。

また、上記では、印加する交流電圧の周波数の位相差に関して、第一の駆動モードではＡ群とＢ群の交流電圧の位相差を１８０度とし、第二の駆動モードではＡ群とＢ群の交流電圧の位相差を０度とする例で説明した。これは、図２（ｄ）および図４（ｄ）のような節円振動・節直径振動とは反対の変形を最大にし、Ａ辺とＢ辺の変形の遅れを生じやすくする例である。しかし、印加する交流電圧の周波数の位相差は、１８０度又は０度に完全に一致していなくてもよい。Ａ辺とＢ辺の変形の遅れを生じる範囲であれば、同様の効果を得ることができる。たとえば、特許文献１に記載されているような９０度又は−９０度に近い位相差では、前述の通り図１２に示した振動解析の結果の通り、Ａ辺とＢ辺の変形の遅れを生じることはできない。すなわち、本実施形態では、第一の駆動モードにおいて印加する交流電圧の周波数の位相差が１８０度±４５度の範囲であればよいことを意味する。また、第二の駆動モードにおいて印加する交流電圧の周波数の位相差が０度±４５度の範囲であればよい。

又、本実施形態では、第一の駆動モードと第二の駆動モードの両方を有する例で説明した。これは、双方向に駆動可能な超音波モータを構成とするためである。しかし、本発明では、一方向のみ駆動可能である限り、超音波モータとしての効果を生るので、第一の駆動モードと第二の駆動モードとのうち少なくとも一方の駆動モードの交流電圧さえ印加すれば、超音波モータとして同様の効果を得ることができる。

また、上記では、突起２ａが振動板２の進行方向の端部に設けられた例を説明した。ここで、略４回回転対称中心以外の点に突起２ａが位置するとＡ辺に平行な方向の変形とＢ辺に平行な方向の変形による位相遅れが生じないので進行方向の円運動を生成できない。しかし、本発明では、略４回回転対称中心以外の点に突起２ａが設けられている限り、進行方向の円運動を生成ができ、突起２ａは図１に示された位置以外の位置でも、同様の効果を得ることができる。

また、上記では、図６（ａ）の通り、分極領域を正方形の平面部を４等分した直角二等辺三角形とした例を説明した。しかし、図６（ｂ）の通り、分極領域１ａ１・１ａ２・１ｂ１・１ｂ２が同一形状の楕円となっていても、突起２ａの先端が円運動をするならば、同様の効果を得ることができる。図６（ｂ）のような分極領域の場合において、図６（ａ）より分極領域が狭いことに起因して、圧電効果による変形量が不足するならば、例えば交流電圧を大きくする等の対策をすればよい。

又、本実施形態では、圧電素子の分極領域１ａ１，１ａ２，１ｂ１，１ｂ２の全部が中心Ｏに関して略４回回転対称である例として説明した。ここで、「中心Ｏに関して４回回転対称」とは「分極領域１ａ１，１ａ２，１ｂ１，１ｂ２を中心Ｏまわりに９０度、１８０度、２７０度回転させると、それぞれ元の分極領域と重なること」を意味する。しかし、本発明では、交流電圧を印加する分極領域１ａ１，１ａ２，１ｂ１，１ｂ２が、それぞれ、中心Ｏに関して略４回回転対称であることは必要とならない。図６（ａ）および図６（ｂ）のように分極領域の全てが圧電素子の平面部と同様に略４回回転対称である場合は、特に、共振による節円振動や節直径振動を励振しやすい。しかし、図６（ｃ），図６（ｄ）のように、交流電圧を印加する分極領域が略４回回転対称ではない場合にも、共振による節円振動や節直径振動を励振しうる。

又、本実施形態では、Ａ群・Ｂ群の２つの分極領域群に属する分極領域１ａ１，１ａ２の全部、及び、１ｂ１，１ｂ２の全部がそれぞれに中心Ｏに関して略２回回転対称である例で説明した。ここで、「中心Ｏに関して２回回転対称」とはＡ群については「Ａ群に属する分極領域１ａ１，１ａ２を中心Ｏまわりに１８０度回転させると、元の分極領域と重なること」を意味する。また、Ｂ群については「Ｂ群に属する分極領域１ｂ１，１ｂ２を中心Ｏまわりに１８０度回転させると、元の分極領域と重なること」を意味する。しかし、本発明では、交流電圧を印加する分極領域群であるＡ群とＢ群が、それぞれ、中心Ｏに関して略２回回転対称であることは必要とならない。図６（ａ）、図６（ｂ）のように、Ａ群に属する分極領域とＢ群に属する分極領域がそれぞれに２回回転対称である場合には、特に圧電効果によるＡ辺とＢ辺の変形の遅れを生じやすく、効率がよい。しかし、分極領域群が略２回回転対称ではない場合でも、圧電効果によるＡ辺とＢ辺の変形の遅れを生じる限り、本発明の効果を生じる。たとえば、図６（ｃ）や図６（ｄ）のように、少なくとも、正方形の一辺であるＡ辺に沿って分割領域群であるＡ群を画定したような場合でも同様の効果を生じうる。すなわち、前記第一の駆動モードと第二の駆動モードの少なくとも一方の駆動モードの交流電圧をこれらの分極領域に印加すれば、圧電効果によるＡ辺とＢ辺の変形の遅れを生じうる。

すなわち、圧電素子１の分極領域１ａ１・１ａ２・１ｂ１・１ｂ２の全部が略４回回転対称である。その上、Ａ群に属する分極領域１ａ１・１ａ２の全部、及び、Ｂ群に属する分極領域１ｂ１・１ｂ２の全部がそれぞれに略２回回転対称である。これらの両者を満たすことが最適条件といえる。本実施形態では、図６（ａ），図６（ｂ）のような分極領域を、共振現象と圧電効果による変形を最大にできる最適の条件として説明したにすぎず、圧電素子１に交流電圧を印加する分極領域の位置関係は、第一の実施形態に限られない。以下、第二の実施形態において、圧電素子１に交流電圧を印加する分極領域の位置関係の他の例を説明する。上記のとおり、小型化に有利な略正方形の振動板、及び、圧電素子を有する超音波モータであっても、円運動を生成し推進力を得るような共振周波数の設定を容易にすることができる。

（第二の実施形態）
以下、発明を実施するための第二の実施形態について説明する。

第一の実施形態では、圧電素子の分極領域の全部が略４回回転対称であって、かつ、Ａ群に属する分極領域の全部、及び、Ｂ群に属する分極領域の全部がそれぞれに２回回転対称である最適条件の例を説明した。第二の実施形態では、最適ではないが本願発明の効果を奏する分極領域の位置関係の他の例を説明する。第一の実施形態と同一の構成は、説明を省略する。

しかし、分極領域の少なくとも一部が略４回回転対称である場合であっても、前述のような節円振動・節直径振動の共振が発生し、かつ、互いに直交する方向の変形に遅れが生じるのであれば、同様の効果を得ることができる場合がある。又、Ａ群・Ｂ群の２つの分極領域群に属する分極領域の少なくとも一部が略２回回転対称である場合であっても、同様の作用で、同様の効果を得ることができる場合がある。更に、分極領域の一部も略４回回転対称でない場合であっても、同様の作用で、同様の効果を得ることができる場合がある。第二の実施形態は、それらの例である。以下、図７（ａ），７（ｂ），７（ｃ），７（ｄ）を参照して、第二の実施形態について説明する。

図７（ａ）に示す圧電素子１は、６つの分極領域２１ａ１、２１ａ２、２１ｂ１、２１ｂ２、２１ｂ３、２１ｂ４に区分されている。分極領域２１ａ１、２１ａ２は、Ａ辺に沿って位置する分極領域群であって、中心Ｏをまわりに１８０度回転させて重なる分極領域群であるＡ群として区分される。また、分極領域２１ｂ１、２１ｂ２、２１ｂ３、２１ｂ４は、Ｂ辺に沿って位置する分極領域群であるＢ’群に区分される。このうち、分極領域２１ｂ１、２１ｂ２は、中心Ｏをまわりに１８０度回転させて重なる分極領域群である。図７（ａ）の圧電素子１では、分極領域２１ｂ３、２１ｂ４が存在するため分極領域の全部が略４回回転対称ではない。しかし、分極領域の一部である分極領域２１ａ１、２１ａ２、２１ｂ１、２１ｂ２が略４回回転対称となっている。又、Ａ群に属する分極領域２１ａ１、２１ａ２の全部、及び、Ｂ群に属する分極領域２１ｂ１、２１ｂ２、２１ｂ３、２１ｂ４の全部が略２回回転対称となっている。このような分極領域であっても、第一の実施形態と同様にＡ群とＢ群とに交流電圧を印加することにより、第一の実施形態と同様な共振と変形の遅れが生じて、第一の実施形態と同様の効果を奏する。

図７（ｂ）に示す圧電素子１は、４つの分極領域３１ａ１、３１ａ２、３１ｂ１、３１ｂ２に区分されている。分極領域３１ａ１、３１ａ２は、Ａ辺に沿って位置する分極領域群であって、中心Ｏをまわりに１８０度回転させて重なる分極領域群であるＡ群として区分される。また、分極領域３１ｂ１、３１ｂ２は、Ｂ辺に沿って位置する分極領域群であって、中心Ｏをまわりに１８０度回転させて重なる分極領域群であるＢ群に区分される。

図７（ｂ）は分極領域３１ａ１、３１ａ２、３１ｂ１、３１ｂ２のそれぞれは、略４回回転対称ではない。しかし、Ａ群に属する分極領域３１ａ１、３１ａ２の全部、及び、Ｂ群に属する分極領域３１ｂ１、３１ｂ２の全部が略２回回転対称となっている。このような分極領域であっても、第一の実施形態と同様にＡ群とＢ群とに交流電圧を印加することにより、第一の実施形態と同様な共振と変形の遅れが生じて、第一の実施形態と同様の効果を奏する。

図７（ｃ）に示す圧電素子１は、３つの分極領域４１ａ１、４１ａ２、４１ｂ１に区分されている。分極領域４１ａ１、４１ａ２は、Ａ辺に沿って位置する分極領域群であって、中心Ｏをまわりに１８０度回転させて重なる分極領域群であるＡ群として区分される。一方、分極領域４１ｂ１は、一の分極領域のみで、Ｂ辺に沿って位置する分極領域群であるＢ’’群として区分される。図７（ｃ）に示す圧電素子１の分極領域４１ａ１、４１ａ２、４１ｂ１それぞれも略４回回転対称ではない。更に、Ｂ群に属する分極領域４１ｂ１は、分極領域が一つしかないので、略２回回転対称ではない。しかし、Ａ群に属する分極領域４１ａ１、４１ａ２の全部が略２回回転対称となっている。このような分極領域であっても、第一の実施形態と同様に交流電圧を印加することにより、第一の実施形態と同様な共振と変形の遅れが生じて、第一の実施形態と同様の効果を奏する。

図７（ｄ）に示す圧電素子１では、平面部に略４回回転対称となる分極領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を画定する。分極領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、それぞれ、第一の実施形態における図６（ｂ）の分極領域１ａ１，１ａ２，１ｂ１，１ｂ２に対応する。すなわち、第一の実施形態と同様に、分極領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、略４回回転対称である。そして、Ａ群に属する分極領域とＢ群に属する分極領域がそれぞれ略２回回転対称である。この分割領域は、特に圧電効果によるＡ辺とＢ辺の変形の遅れを生じやすく、効率がよい。

圧電素子１に実際に交流電圧を印加する電圧印加領域５１ａ１、５１ａ２、５１ｂ１、５１ｂ２は、分極領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４がそれぞれ包含されるように、分極領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４よりも大きい領域として画定される。そして、分極領域５１ａ１、５１ａ２は、Ａ辺に沿って位置する分極領域群であるＡ群として区分される。分極領域５１ｂ１、５１ｂ２は、Ｂ辺に沿って位置する分極領域群であるＢ群に区分される。すなわち、図７（ｄ）は分極領域５１ａ１、５１ａ２、５１ｂ１、５１ｂ２がいずれも略４回回転対称ではなく、かつ、Ａ群に属する分極領域５１ａ１，５１ａ２もＢ群に属する分極領域５１ｂ１，５１ｂ２も略２回回転対称ではない。このような分極領域であっても、第一の実施形態と同様に交流電圧を印加することにより、第一の実施形態と同様な共振と変形の遅れは生じて、第一の実施形態と同様の効果を奏する。

図７（ａ）から図７（ｄ）のような分極領域の場合において、第一の実施形態の図６（ａ）より分極領域が狭いことに起因して、圧電効果による変形量が不足するならば、例えば交流電圧を大きくする等の対策をすればよい。

以上説明した通り、図７（ａ）から図７（ｄ）のような分極領域であっても、前述のような節円振動・節直径振動の共振が発生し、かつ、互いに直交する方向の変形に遅れが生じる場合がある。この結果、小型化に有利な略正方形の振動板、及び、圧電素子を有する超音波モータであっても、円運動を生成し推進力を得るような共振周波数の設定を容易にすることができる。

（第三の実施形態）
以下、発明を実施するための第三の実施形態について説明する。

本発明の第一の実施形態では、圧電素子、及び、振動板の両方の平面部が略正方形である例を説明した。これは、正方形である場合が、材料の無駄が少なく生産効率がよいためである。しかし、圧電素子、及び、振動板の一方、又は、両方が正方形ではなくても、略４回回転対称な平面部を有する薄板形状であれば同様の効果を得ることができる。図８はその例であって、図８（ａ）のように圧電素子６１が八角形の場合や、図８（ｂ）のように圧電素子７１が円形の場合でも、第一の実施形態と同様な共振と変形の遅れは生じうる。又、図８（ｃ）や図８（ｄ）のように、振動板６２が八角形や、振動板７２が円形であっても同様である。

以上説明した通り、圧電素子、又は、振動板が、図８（ａ）、図８（ｂ）のような外形であっても、前述のような節円振動・節直径振動の共振が発生し、かつ、互いに直交する方向の変形に遅れが生じる場合がある。この結果、小型化に有利な略正方形の振動板、及び、圧電素子を有する超音波モータであっても、円運動を生成し推進力を得るような共振周波数の設定を容易にすることができる。

図８（ａ）のような圧電素子及び振動板の場合、第一の実施形態に対して生産効率がやや劣るものの、４つの隅が占有されないので超音波モータの省スペース化を図ることができる。この結果、例えば、超音波モータの配置に自由度が増すという効果がある。

その他の構成、及び、第一・第二の駆動モードの制御方法については第一の実施形態と同一であるので説明を省略する。

（第四の実施形態）
以下、発明を実施するための第四の実施形態について説明する。

図９は本発明の超音波モータを利用したリニア駆動装置１００の概略図である。図９（ａ）は超音波モータの進行方向から見た図である。図９（ｂ）はその平面図である。図９（ｃ）は図９（ａ）のＡ−Ａ断面で表された側面図である。図９（ａ）において、圧電素子１、振動板２、不図示の枠体に固定された摩擦部材３、フエルト４、加圧板５、加圧ばね６の構成は第一の実施例と同様であるので説明を省略する。摩擦材３の裏面には回転摺動するローラ１０１の転動面が当接するように配置される。被駆動体１０２は、平行な２つの支持部１０２ａ，１０２ｂを具備し、支持部１０２ａで加圧ばね６の上端６ａを支持し、支持部１０２ｂでローラ１０１を支持する。支持部１０２ａ部と支持部１０２ｂ部とが連結された被駆動体１０２は、駆動伝達部位１０３と連結されている。加圧ばね６の加圧力により突起２ａは摩擦部材３に当接した状態で押圧されている。第一の実施形態に従って電圧が圧電素子に印加され、摩擦部材３に対して振動板２が駆動力を与える。それにより、突起２ａが摩擦部材３に対して前述の通り図３，図５のような円運動による駆動力を与えて、図示Ｘ方向に推進力を得る。ローラ１０１は駆動の際の摺動抵抗を軽減するために設けられているものであって、転動コロのような機構でもよい。

以上説明した通り、本実施形態のリニア駆動装置は、第一の実施形態から第三の実施形態に記載した超音波モータを利用している。この結果、小型化に有利な略正方形の振動板、及び、圧電素子を有する超音波モータ利用した本実施形態のリニア駆動装置においても、円運動を生成し推進力を得るような共振周波数の設定を容易にすることができる。

本実施形態では摩擦材３が固定され、それに沿って圧電素子１及び振動板２等が移動する例を説明したが、圧電素子１及び振動板２が固定され、それに沿って摩擦部材３が移動する構成であっても、同様の作用を実現することができる。

その他の構成、及び、第一の駆動モードと第二の駆動モードの制御方法については第一の実施形態と同一であるので説明を省略する。

（第五の実施形態）
以下、発明を実施するための第五の実施形態について説明する。

図１０は、本発明の超音波モータを利用したリニア駆動装置１００を搭載したレンズ駆動装置のレンズ駆動部の概略図を示したものである。リニア駆動装置１００は、第四の実施形態と同様である。図１０（ａ）は光軸方向の正面図である。図１０（ｂ）は一部を破断した側面図である。図１０（ａ）において、レンズ３０２はレンズホルダー３０３に保持されている。ガイド軸３０４，３０５は、レンズホルダー３０３を支持しながら、レンズ３０２とともにレンズホルダー３０３を光軸方向（図示Ｘ方向）に案内する。ガイド軸３０１は、外枠３０１に対して固定されている。理解を容易にするため、図１０（ｂ）において、リニア駆動装置１００のうち、振動板２と摩擦部材３のみを示している。振動板２の突起２ａは、摩擦部材３に当接している。図示されていないマイコンからの移動命令に従い、第一の実施形態に従って電圧が圧電素子に印加され、振動板２の突起２ａが摩擦部材３に対して駆動力を与える。これによりリニア駆動装置１００が相当の距離を移動し、レンズホルダー３０３を３０３から３０３´の範囲で移動させることができる。

以上説明した通り、本実施形態のレンズ駆動装置は、第一から第三の実施例に記載した超音波モータを利用したリニア駆動装置を搭載している。この結果、小型化に有利な略正方形の振動板、及び、圧電素子を有する超音波モータ利用したリニア駆動装置を搭載した本実施形態のレンズ駆動装置においても、円運動を生成し推進力を得るような共振周波数の設定を容易にすることができる。

なお、本実施形態では摩擦材３が固定され、それに沿って圧電素子１及び振動板２等が移動する例を説明したが、圧電素子１及び振動板２が固定され、それに沿って摩擦部材３が移動する構成であっても、同様の作用を実現することができる。

その他の構成、及び、第一・第二の駆動モードの制御方法については第一の実施形態と同一であるので説明を省略する。

本発明は、小型軽量かつ広い駆動速度レンジが要求される電子機器、特にレンズ駆動装置等に利用可能である。

１ 圧電素子
１ａ１・１ａ２・１ｂ１・１ｂ２ 分極領域
２ 振動板
２ａ 突起
３ 摩擦部材
４ フエルト
５ 加圧板
６ ばね

Claims (7)

1. 略４回回転対称な平面部を有する薄板形状であり、前記平面部に少なくとも２つ以上の分極領域が設けられた圧電素子と、
   略４回回転対称な平面部を有する薄板形状であり、略４回回転対称中心以外の点に突起が設けられ、前記圧電素子が貼り付けられた振動板と、
   を有する超音波モータであって、
   前記圧電素子は、前記分極領域の少なくとも１つが属するように区分される２つの分極領域群を有し、
   前記２つの分極領域群に、節直径振動の共振周波数より節円振動の共振周波数に近い周波数であって、位相差が１８０度±４５度である２つの交流電圧をそれぞれ印加する第一の駆動モードと、
   前記２つの分極領域群に、節円振動の共振周波数より節直径振動の共振周波数に近い周波数であって、位相差が０度±４５度である２つの交流電圧をそれぞれ印加する第二の駆動モードと、
   のうち少なくとも１つの駆動モードを有する超音波モータ。
2. 前記振動板の前記突起が当接し前記振動板に対して相対移動をする摩擦部材を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記分極領域群の少なくとも一部の分極領域が略４回回転対称である
   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２つの分極領域群のうち少なくとも１つの前記分極領域群に属する前記分極領域の少なくとも一部が略２回回転対称であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
5. 前記第一の駆動モードの交流電圧と前記第二の駆動モードの交流電圧とは、前記略４回回転対称である前記少なくとも一部の前記分極領域を包含する更に広い分極領域に印加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。
6. 前記圧電素子の前記平面部が略正方形である
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
7. 前記振動板の前記平面部が略正方形である
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。

Images