JP2016019320A - 超音波モータ及び超音波モータを用いたレンズ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動子を駆動方向に小型化した場合でも、共振周波数が高くならず、また振幅が低下しない超音波モータを提供する。
【解決手段】 超音波モータは、圧電素子を有する振動子と、振動子に設けられた接触部と、接触部と当接して振動子に対し第１の方向に相対移動可能に保持された被駆動部材と、接触部と被駆動部材との接触面に垂直な第２の方向の付勢力により、接触部と被駆動部材を付勢する付勢手段とを備え、振動子は、接触部が第１の方向に変位を有する第１の共振モードを用いて被駆動部材を第１の方向に相対的に駆動し、第１の共振モードは屈曲１次振動であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置のレンズ鏡筒等に用いる超音波モータ及び超音波モータを用いたレンズ駆動装置に関する。

圧電素子の超音波振動を利用した超音波モータは、小型で高い駆動力が得られ、広い速度レンジに対応でき、低振動かつ低騒音であるという特徴を有している。このような特徴を持つ超音波モータは、用途に合わせて様々な原理、形状のものが知られている。

その中の一つの方式として、被駆動部材との接触部が設けられたチップ型の振動子に１つもしくは複数の共振モードを同時に励振する方式が知られている。この方式では励振された共振モードにより接触部に大きな往復運動もしくは楕円運動を発生させ、この運動を被駆動部材に伝達し被駆動部材を駆動している。特許文献１に開示された装置はチップ型の振動子を用いた超音波モータの例である。

この方式の特徴として、超音波モータの中でも振動子が比較的小型であり、また被駆動部材の回転駆動のみならず直進駆動が可能であるという点が挙げられる。そのため、チップ型の振動子を用いた超音波モータは小型で高い駆動力のモータが求められるカメラのレンズ鏡筒等において、レンズの直進駆動用のアクチュエータとして適している。

特開２０１０−１８３８１６号公報

コンパクトカメラ等に用いられる沈胴式の小型鏡筒は、非使用時には光軸方向に畳まれ、カメラ本体に収納される。そのため鏡筒内部の各部品は、特に鏡筒の光軸方向に寸法が制限される。このような鏡筒において上記のチップ型の振動子を用いた超音波モータによりレンズを光軸方向に直進駆動する場合は、モータをモータ自身の駆動方向に小型化することが求められる。しかし、駆動方向の寸法を小さくするために従来のチップ型の振動子を相似縮小すると、共振モードの共振周波数が高くなり駆動に必要な振幅が得られないという課題があった。

そこで本発明では、振動子を駆動方向に小型化した場合でも、共振周波数が高くならず、また振幅が低下しない超音波モータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る超音波モータは、圧電素子を有する振動子と、振動子に設けられた接触部と、接触部と当接して振動子に対し第１の方向に相対移動可能に保持された被駆動部材と、接触部と被駆動部材との接触面に垂直な第２の方向の付勢力により、接触部と被駆動部材を付勢する付勢手段とを備え、振動子は、接触部が第１の方向に変位を有する第１の共振モードを用いて被駆動部材を第１の方向に相対的に駆動し、第１の共振モードは屈曲１次振動であることを特徴とする。

本発明によれば、振動子を駆動方向に小型化した場合でも、共振周波数が高くならず、また振幅が低下しない超音波モータを提供できる。

本発明の第１実施形態による超音波モータの構成図および振動の様子を表す図である。 本発明の第１実施形態による超音波モータの駆動原理を説明する図である。 従来の超音波モータの課題を説明する図である。 本発明の超音波モータの効果を説明する図である。 本発明の超音波モータの第一の実施形態の駆動方式を説明する図である。 本発明の超音波モータの第一の実施形態を用いた鏡筒を説明する図である。 本発明の超音波モータを用いた鏡筒の効果を説明する図である。 本発明の超音波モータの保持方法を説明する図である。 本発明の超音波モータの第２の実施形態の構成図および振動の様子を表す図である。 本発明の超音波モータの第２の実施形態の駆動原理を説明する図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための各実施形態について説明する。図面において、同一符号は同一部材を示している。
まず、本発明の第１の実施形態である超音波モータ１について説明する。

（第１実施形態）
図１（ａ）は本発明の第１実施形態による超音波モータ１の構成を表す。超音波モータ１は振動子１１及び被駆動部材１２により構成される。振動子１１は圧電素子１１１を有し、圧電素子１１１の伸縮により振動子１１に共振モードが励振される。

振動子１１は弾性体１１２に平板状の圧電素子１１１を張り付けて構成され、弾性体１１２には他の部材と接触し摩擦力を発生する接触部１１３が設けられている。被駆動部材１２は接触部１１３に当接され、図示しない保持構造により振動子１１に対し所定の方向（図１においてＤ１方向）に相対移動可能に保持されている。

以下、振動子１１に対し被駆動部材１２が相対移動可能な方向を第１の方向と呼ぶ。図示しない付勢手段により接触部１１３と被駆動部材１２は、接触部１１３と被駆動部材１２の接触面と垂直な方向（図１においてＤ２方向）に付勢力Ｆを受け、付勢される。また、以下、接触部１１３と被駆動部材１２の接触面に垂直な方向を第２の方向と呼ぶ。また、第１の方向及び第２の方向に直交する方向を第３の方向（図１においてＤ３方向）と呼ぶ。

ここで、振動子１１の第１の方向の寸法をＷ、第２の方向の寸法をＴ、第３の方向の寸法をＬと表すと、超音波モータ１の振動子１１では、第１の方向の寸法Ｗや第２の方向の寸法Ｔよりも第３の方向の寸法Ｌが大きく設計されている。

このような構成において振動子１１に後述の共振モードを励振し、被駆動部材１２を第１の方向に相対駆動する。なお、圧電素子１１１には例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が、弾性体１１２と接触部１１３と被駆動部材１２には例えばステンレス鋼がそれぞれ用いられる。ただし弾性体１１１と接触部１１３と被駆動部材１２が同じ材質である必要はなく、異なる材質で構成することもできる。

被駆動部材１２を振動子１１に対して相対移動可能に保持する方法としては例えば振動子１１を固定して被駆動部材１２にガイド穴を設け、ガイドバーにより案内する方法が挙げられる。また、付勢手段としては例えば板バネを用いる。

図１（ｂ）及び（ｃ）は振動子１１に励振される共振モードを表す図である。図１（ｂ）は振動子１１において接触部１１３が第１の方向に変位を有する共振モード（以下、第１の共振モード）の状態を示している。本発明では第１の共振モードとして屈曲一次振動を用いることを特徴としている。

図１（ｃ）は振動子１１において接触部１１３が第２の方向に変位を有する共振モード（以下、第２の共振モード）の状態を示している。本実施形態では第２の共振モードにも第１の共振モードと同様に屈曲１次振動を用いた例を示す。

図１（ｂ）及び（ｃ）に示した共振モードで適切な位相遅れを持たせて振動子１１を励振させると、振動子１１上の接触部１１３が図１（ａ）中ｒで示す楕円運動を行う。この時、図１（ａ）に示す構成において、接触部１１３に当接された被駆動部材１２は接触部１１３との摩擦力により繰り出され第１の方向に相対駆動される。

なお、振動子１１の形状、構成そして材質は上記に限らず、圧電素子１１１の伸縮により振動子１１に第１の共振モードとして屈曲１次振動を励振できれば良い。

図２は、図１（ｂ）及び（ｃ）に示した振動を励振し超音波モータ１を駆動原理を説明する図である。

まず、図２（ａ）を用いて圧電素子１１１に電圧を印加するための電極パターンについて説明する。超音波モータ１では、圧電素子１１１は単一の圧電素子層により構成されており、圧電素子１１１の上面と底面には電極パターンが形成されている。

図２（ａ−２）は振動子１１の正面図を表す。図２（ａ−１）は振動子１１の上面図であり、振動子１１に備えられた圧電素子１１１の上面の電極パターンを示す。図２（ａ−３）は圧電素子１１１と弾性部材１１２の境界層の断面図（図２（ａ−２）のＡ−Ａ断面図）であり、圧電素子１１１の底面の電極パターンを示す。

図２（ａ−１）に示すように、圧電素子１１１の上面には短辺方向に２つに分けられた電極１１１ａ、１１１ｂが配置されている。図２（ａ−３）に示すように、圧電素子１１１の底面には全面に電極１１１ｃが配置されている。電極１１１ｃは、電極１１１ａ、１１１ｂに交流電圧を印加する際の共通の接地電極として用いられる。

また、圧電素子１１１の底面は弾性部材１１２に密着しているため、外部から通電するために延出部１１１ｃ’が設けられている。また、圧電素子１１１は厚み方向（図２においてＰ方向）に分極されている。

図２（ｂ）は第１の共振モードを振動子１１に励振している状態を示している。図２（ｂ−１）、（ｂ−２）はそれぞれ第１の共振モードを励振された振動子１１の上面図と正面図である。電極１１１ａと電極１１１ｂに逆位相の交流電圧を印加すると電極１１１ａ近傍の圧電素子と電極１１１ｂ近傍の圧電素子のうち片方が伸び、他方が縮む。これを交互に繰り返すことにより図２（ｂ）においてＤ１方向の屈曲１次振動を励振することができる。

この時、図１（ｂ）において、Ｎで示す位置が振動の節となり、変位が最も少ない点である。また、図１（ｂ）においてＡで示す振動子１１の第３の方向の端部と中心部が振動の腹となり変位が最も大きい点である。

図２（ｃ）は第２の共振モードを振動子１１に励振している状態を示している。電極１１１ａと電極１１１ｂに同位相の交流電圧を印加すると、電極１１１ａ近傍の圧電素子と電極１１１ｂ近傍の圧電素子の両方が同じタイミングで伸縮する。これにより図２（ｃ）においてＤ２方向に屈曲振動を励振することができる。この時、図１（ｃ）においてＮで示す位置が振動の節となり、変位が最も少ない点である。また、図１（ｃ）においてＡで示す振動子１１の第３の方向の端部と中心部が振動の腹となり変位が最も大きい点である。

電極１１１ａ、１１１ｂにおいて、前述の第１の共振モードを励振するための交流電圧と、第２の共振モードを励振するための交流電圧とを重ね合わせて各電極に印加することで振動子１１に第１の共振モードと第２の共振モードを励振することができる。

なお、電極パターンや分極方向は上記に限らず、外部より印加される交流電圧により圧電素子１１が伸縮し、振動子１１に第１の共振モードや第２の共振モードを励振することができるものであれば良い。

ここで、図３、図４を用いて従来の超音波モータの課題と、本発明の効果を説明する。

従来、振動子を相似縮小すると振動の共振周波数が高くなり振幅が小さくなってしまうという課題があった。特許文献１に開示された装置はチップ型の振動子に第１の共振モードとして伸縮１次振動を用いていた。従来の超音波モータの課題を説明するため、この振動子に交流電圧を印加し、第１の共振モードとして伸縮１次振動を励振した際の共振周波数と振幅を圧電シミュレーションにより求めた。駆動方向の寸法を変化させるために振動子全体を相似縮小した際の共振周波数の変化と振幅の変化を、図３を用いて説明する。なお、駆動方向とは超音波モータ１における第一の方向と同義であるため、以下では駆動方向のことを第一の方向と呼ぶ。

図３（ａ）は矩形状の振動子に第１の共振モードとして伸縮１次振動を励振している様子である。この時、第１の方向の寸法は図３（ａ）においてＷで表される。第１の方向の寸法Ｗを変化させるため、振動子全体を相似形状で拡大縮小した時の第１の共振モードの共振周波数の変化を図３（ｂ）、振幅の変化を図３（ｃ）に示す。ただし、図３（ｃ）に示す振幅の変化は、振動子に設けられた圧電素子に同じ大きさの電界を付与し比較している。

図３（ｂ）に示すように、第１の方向の寸法Ｗが小さくなるように相似縮小するほど、第１の共振モードの共振周波数ｆ０は高くなる。また、図３（ｃ）に示すように、第１の方向の寸法Ｗが小さくなるように相似縮小するほど、第１の共振モードの振幅ａ０が小さくなる。このため、従来の振動子を相似縮小していくと駆動に必要な振幅が得られない。特に振動子の第１の方向の寸法は第１の共振モードの共振周波数や振幅に影響するため、第１の方向の寸法が小さくても第１の共振モードにおいて共振周波数が高くならず振幅が低下しないことが必要となる。

本発明の効果を説明するため、梁形状の振動子に交流電圧を印加し、第１の共振モードとして屈曲振動を励振した際の共振周波数と振幅を圧電シミュレーションにより求めた。振動子に第１の共振モードとして屈曲１次振動を励振している状態を図４（ａ−１）に、屈曲２次振動を励振している状態を図４（ａ−２）に、屈曲３次振動を励振している状態を図４（ａ−３）に示す。振動子の第１の方向の寸法Ｗと、第１の共振モードの共振周波数の関係を図４（ｂ）に示す。振動子の第１の方向の寸法Ｗと、第１の共振モードの振幅の関係を図４（ｃ）に示す。図４（ｂ）及び（ｃ）において実線は屈曲１次振動、破線は屈曲２次振動、一点鎖線は屈曲３次振動のデータを表す。

図４（ｂ）に示すように、屈曲１次振動の共振周波数ｆ１、屈曲２次振動の共振周波数ｆ２、屈曲３次振動の共振周波数ｆ３のいずれにおいても第１の方向の寸法Ｗが小さいほど共振周波数が下がる傾向がある。また、屈曲１次振動の共振周波数ｆ１、屈曲２次振動の共振周波数ｆ２、屈曲３次振動の共振周波数ｆ３を比較すると屈曲１次振動の共振周波数ｆ１が最も小さい。

図４（ｃ）に示すように、屈曲１次振動の振幅ａ１、屈曲２次振動の振幅ａ２、屈曲３次振動の振幅ａ３のいずれにおいても第１の方向の寸法Ｗが小さいほど振幅が上昇する傾向がある。また、屈曲１次振動の振幅ａ１、屈曲２次振動の振幅ａ２、屈曲３次振動の振幅ａ３を比較すると屈曲１次振動の振幅ａ１が最も大きい。

以上のように本発明の超音波モータ１では、第１の共振モードとして屈曲１次振動を用いているため、振動子１１の第１の方向の寸法（図１（ａ）においてＷ）が小さいほど共振周波数が低く振幅が大きという特性が得られる。上記の理由により本発明は、振動子を駆動方向（第１の方向）に小型化した場合でも、共振周波数が高くならず、また振幅が低下しない超音波モータを提供できる。

本発明の第１の実施形態である超音波モータ１では振動子１１は圧電素子１１１に弾性部材１１２を貼り付けた構造である。このような構造では、圧電素子１１１は圧電素子層を積層する必要がなく、また接触部１１３を弾性体１１２と一体とすることができ低コスト化ができる。以上の理由により振動子１１が圧電素子１１１に弾性部材１１２を貼り付けた構造であることは好ましい形態の一つである。

超音波モータ１では第１の共振モードと第２の共振モードの２つの振動を振動子１１に励振させて被駆動部材１２を相対駆動する例を説明したが、被駆動部材１２を所定の方向に駆動することができれば第２の共振モードは必ずしも必要ではない。例えば、図５（ａ）は振動子１１を被駆動部材１２に対し機械的に角度θで傾けて保持した例である。この時、第１の共振モードにより摩擦部材１１３は被駆動部材１２に対し常に所定の方向の摩擦力を発生し続けるため、被駆動部材１２を駆動することができる。ただし、この方法では機械的に傾きθを変える機構を設けなければ駆動方向を反転できない。第１の共振モードと第２の共振モードにより接触部１１３に楕円運動を発生させる方法では、第１の共振モードを励振する交流電圧と第２の共振モードを励振する交流電圧の位相を変化させれば図５（ｂ）に示すように楕円運動の方向を変えられる。この方法では機械的に傾きを調整する機構が不要であるため、超音波モータ１全体の小型化ができる。以上の理由により本発明の超音波モータ１は、第１の共振モードと第２の共振モードにより被駆動部材１２を駆動することが好ましい。

ここで、本発明の超音波モータ１を用いてレンズの直進駆動を行う鏡筒の実施形態について述べる。

図６（ａ）は鏡筒５１を備えたコンパクトカメラ５の斜視図である。ここでは、超音波モータ１を用いて鏡筒５１の内部でフォーカスレンズを光軸ａ（図６（ａ））方向に駆動する例を説明する。

鏡筒５１の光軸ａを通る面（図６（ａ）において面Ｃ）によるフォーカスレンズ駆動部の断面図を図６（ｂ）に、光軸ａと垂直な面（図６（ｂ）におけるＤ―Ｄ断面）によるフォーカスレンズ駆動部の断面図を図６（ｃ）に示す。

鏡筒５１の内部にはフォーカスレンズ５１１が光軸中心に配置されており、フォーカスレンズ５１１はレンズホルダ５１２に固定されている。レンズホルダ５１２には丸穴５１２ａと長穴５１２ｂが設けられており、それぞれの穴に棒状のガイド部材５１３が通されている。これによりフォーカスレンズ５１１およびレンズホルダ５１２は光軸方向にのみ移動可能に保持されている。

鏡筒５１の内部にはフォーカスレンズ５１１、レンズホルダ５１２に隣接して前述の超音波モータ１が配置されている。超音波モータ１は振動子１１と被駆動部材１２によって構成されている。振動子１１は保持部材１３を介して振動子ホルダ５１４に保持されている。

保持部材１３は例えば薄い板金形状であり、振動子１１を被駆動部材１２の方向にのみ移動可能に保持されている。また振動子１１上には緩衝部材５１７を介して押圧部材５１６が配置されている。なお、緩衝部材５１７は振動子１１の振動を阻害しにくいフェルト等が用いられる。押圧部材５１６と振動子ホルダ５１４の間には板バネ１４が配置され、押圧部材５１６、緩衝部材５１７を介して振動子１１上の接触部１１３を被駆動部材１２に付勢している。

被駆動部材１２は鏡筒外装５１８に固定されており、また振動子ホルダ５１４は転動部材５１５を介して鏡筒外装５１８に対して光軸方向にのみ移動可能に保持されている。この状態で振動子１１に前述の振動を励振させると振動子１１は被駆動部材１２を摩擦力により相対的に駆動する。この時、被駆動部材１２は鏡筒外装５１８に固定されているため、振動子１１、振動子保持部材１３、振動子ホルダ５１４、板ばね１４、押圧部材５１６、緩衝部材５１７が光軸方向に移動する。振動子ホルダ５１４は連結部５１４ａを介してレンズホルダ５１２と連結されているため、振動子１１の移動に同期してレンズホルダ５１２およびフォーカスレンズ５１１を光軸方向に駆動することができる。

超音波モータ１を用いてレンズ駆動を行う鏡筒５１の利点を、図７を用いて説明する。

図７（ａ）は図６（ｂ）と同じ断面において、レンズ５１１を光軸方向に最も繰り出した状態と最も繰り込んだ状態を表す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）においてレンズ５１１の駆動に本発明の超音波モータ１ではなく、駆動方向に寸法が大きい従来の超音波モータ３を用いた例である。この鏡筒の構造は、用いる超音波モータ以外は鏡筒５１と同様である。

図７（ａ）及び（ｂ）において光軸方向にレンズ５１１を最も繰り出した時と最も繰り込んだ時の距離（以下、レンズ駆動距離）をそれぞれｄ１ａ、ｄ１ｂとする。同様に、図７（ａ）及び（ｂ）においてレンズ５１１を含む可動部の光軸方向の寸法をそれぞれｄ２ａ、ｄ２ｂとし、レンズ５１１がレンズ駆動距離ｄ１ａ、ｄ１ｂ移動する時に可動部が光軸方向において占有する最大距離をそれぞれｄ３ａ、ｄ３ｂとする。

図７（ａ）及び（ｂ）においてレンズ駆動距離ｄ１ａ、ｄ１ｂを同じ長さとして比較すると、可動部の光軸方向の寸法ｄ１ａ、ｄ１ｂは振動子の駆動方向の寸法に依り、図７（ａ）では駆動方向に小型な超音波モータ１を用いているためｄ２ｂ比べてｄ２ａの方が小さい。このため、レンズが移動する時に可動部が光軸方向に占有する距離ｄ３ａ、ｄ３ｂにおいてもｄ３ｂに比べてｄ３ａの方が小さい。ｄ２ｂ、ｄ３ｂに比べてｄ２ａ、ｄ３ｂが小さいことにより、超音波モータ１を用いてレンズを駆動する鏡筒５１は、鏡筒の光軸方向寸法の小型化や、鏡筒を沈胴させた時の薄型化が可能になる。

以上の理由により上述の鏡筒５１のような、超音波モータ１を用いたレンズ駆動装置が好ましい。

なお、振動子１１と被駆動部材１２は一方を固定側に連結し、他方を可動側に連結することでモータとして物体を駆動する。図６で示した鏡筒５１は、振動子１１が可動側である振動子ホルダ５１４に保持部材１３を介して連結された例である。振動子１１には第１の共振モードもしくは第２の共振モードが励振されており、保持部材１３の連結位置によりそれぞれの振動を阻害する恐れがある。例えば、第１の共振モードや第２の共振モードにおいて、変位量が大きい位置に保持部材１３を連結すると振動が阻害され駆動効率が低下する。

これに対して、第１の共振モードや第２の共振モードにおいて変位量が少ない位置に保持部材１３を連結すると前述の効率低下を防ぐことができる。第１の共振モードにおいて、変位が最も少ない位置は、図１（ｂ）においてＮで示す振動の節の近傍である。第２の共振モードにおいて、変位が最も少ない位置は、図１（ｃ）においてＮで示す振動の節の近傍である。超音波モータ１の振動子１１においては第１の共振の節と第２の共振の節が一致するため、２つの共振の節の近傍に保持部材１３を連結し、保持すると良い。振動子１１に保持部材１３を連結した状態を図８に示す。

振動子１１において、第１の共振モードの節（図１（ｂ）におけるＮ）と第２の共振モードの節（図１（ｃ）におけるＮ）が一致する位置（図８におけるＨ）に保持部材１３を連結している。保持部材１３は例えば薄い平板状の部材であり、材質には例えばステンレス鋼が用いられる。

保持部材１３には固定部１３ａが設けられており、連結対象に対して固定部１３ａを介して連結される。固定部１３ａは例えば貫通穴であり、ねじ締結等により連結対象に固定される。ただし、保持部材１３は振動子１１の弾性体１１２とは別体として製作して接着や溶接によって固定しても、また弾性体１１２と一体で製作しても良い。

振動子１１は、第１の共振モードの節と第２の共振モードの節が一致する例であるが、必ずしも第１の共振モードと第２の共振モードの節が一致するとは限らない。第１の共振モードと第２の共振モードの節が一致しない時は少なくとも一方の共振モードの節の近傍を保持すると良い。以上の理由により、他の部材と振動子１１との保持部は第１の共振モードまたは第２の共振モードの少なくとも一方の節の近傍を保持することが好ましい。

なお、接触部１１３は振動子１１上において、第１の方向や第２の方向にそれぞれ大きな変位量が得られる位置に設けられることで駆動速度や駆動効率が上昇する。第１の共振モードにおいて、変位が最も大きい位置は、図１（ｂ）においてＡで示す振動の腹の近傍である。第２の共振モードにおいて、変位が最も大きい位置は、図１（ｃ）においてＡで示す振動の腹の近傍である。

超音波モータ１の振動子１１においては第１の共振の腹と第２の共振の腹が一致するため、２つの共振の腹の位置に接触部１１３を設けると良い。ただし、必ずしも第２の共振モードと第２の共振モードの腹が一致するとは限らず、第１の共振モードと第２の共振モードの腹が一致しない時は少なくとも一方の共振モードの腹に接触部１１３を設けると良い。以上の理由により、接触部１１３は第１の共振モードまたは第２の共振モードの少なくとも一方の腹の近傍に設けることが好ましい。

なお、第１の共振モードの共振周波数を下げ、振幅を増加させるためには前述のように第１の方向の寸法Ｗが小さいことが好ましい。また、同様に第２の方向の寸法Ｔを小さくし第３の方向の寸法を大きくすることでも第１の共振モードの共振周波数を下げ、振幅を増加させることができる。以上を踏まえると振動子１１は第１の方向の寸法Ｗが小さく、第２の方向の寸法Ｔが小さく、第３の方向の寸法Ｌが大きいことが好ましく、振動子１１の形状としては第３の方向の寸法Ｌが第１の方向の寸法Ｗや第２の方向の寸法Ｔより大きいことが好ましい。

前述のように、振動子１１は第３の方向の寸法Ｌが大きいことが好ましい。このような形状の振動子１１において、第２の方向に変位を有し、共振周波数が低く振幅が大きい振動としては当該方向の屈曲振動が挙げられる。以上の理由により第２の共振モードは屈曲振動であることが好ましい。

なお、超音波モータ１の振動子１１のように第２の共振モードとして屈曲振動の中でも屈曲１次振動を用いる場合、第１の共振モードと第２の共振モードは方向の異なる屈曲１次振動である。この時、図１（ｂ）及び（ｃ）においてＮに示すように共振の節が略一致し、図１（ｂ）及び（ｃ）においてＡに示すように共振の腹が略一致する。このため、前述の保持部は第１の共振モードにおいて変位が最も少なく、かつ第２の共振モードにおいて変位が最も小さい位置に設けることができる。また、接触部１１３は第１の共振モードにおいて変位が最も大きく、かつ第２の共振モードにおいて変位が最も大きい位置に設けることができる。以上の理由により第２の共振モードは１次の振動であることが好ましい。

次に、本発明の第２の実施形態である超音波モータ２について説明する。

（第２の実施形態）
図９（ａ）は本発明の第２の実施形態である超音波モータ２の構成を示している。超音波モータ２は振動子２１、被駆動部材２２により構成される。振動子２１は第１の実施形態と同様に圧電素子２１１を有し、圧電素子２１１の伸縮により振動子２１に共振モードが励振される。矩形状の圧電素子２１１に他の部材と接触し摩擦力を発生する接触部２１３を貼りつけた構造である。

被駆動部材２２の説明、被駆動部材２２の保持方法、図示しない付勢手段による付勢力Ｆの説明、そして第１、第２、第３の方向の定義は第１の実施形態と同様である。また、振動子の形状や、圧電素子や被駆動部材の材質や付勢手段の例、被駆動部材の保持方法の例も第１の実施形態と同様である。従って、これらの説明は便宜上省略する。

図９（ｂ）及び（ｃ）は振動子２１に励振される共振モードを示す図である。図９（ｂ）は振動子２１において接触部２１３が第１の方向に変位を有する第１の共振モードの状態を示している。本実施形態においても第１の共振モードとして屈曲１次振動を用いることが特徴である。図９（ｃ）は振動子２１において接触部２１３が第２の方向に変位を有する第２の共振モードの状態を示している。第１の共振モードと第２の共振モードを用いて接触部２１３に楕円運動を発生させることは、第１の実施形態と同様である。

なお、振動子の形状や構成、材質は上記に限らず、圧電素子２１１の伸縮により振動子２１に第１の共振モードとして屈曲１次振動を励振できれば良いことも第１の実施形態と同様である。

図１０は図９（ｂ）及び（ｃ）に示した振動を励振し超音波モータ２を駆動する方法を説明する図である。

まず、図１０（ａ）を用いて圧電素子２１１に電圧を印加するための電極パターンについて説明する。超音波モータ２では、振動子２１は第２の方向に２層の圧電素子層が積層された圧電素子２１１を用いており、圧電素子２１１の上面および下面、そして積層された圧電素子層の境界層に電極が設けられている。図１０（ａ−２）は振動子２１の正面図を示す。図１０（ａ−１）は振動子２１の上面図であり、圧電素子２１１の上面の電極パターンを示している。図１０（ａ−３）は圧電素子層の境界層の断面図（図１０（ａ−２）におけるＢ−Ｂ断面図）であり、境界層に設けられた電極パターンを示している。図１０（ａ−４）は圧電素子２１１の底面の電極パターンを表す。

図１０（ａ−１）及び（ａ−４）に示すように、圧電素子２１１の上面と底面にはそれぞれ短辺方向に２つに分けられた電極２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄが配置されている。図１０（ａ−３）に示すように、圧電素子２１１の圧電素子層の境界層には全面に電極２１１ｅが配置されている。電極２１１ｅは、電極２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄに交流電圧を印加する際の共通の接地電極として用いられる。

また、電極２１１ｅに対し外部から通電するために延出部２１１ｅ’が設けられている。圧電素子層は上面側と底面側が逆方向に分極されており、上面側の圧電素子層は図１０においてＰ１方向、底面側の圧電素子層は図１０においてＰ２方向に分極されている。

図１０（ｂ）は第１の共振モードを振動子２１に励振している状態を示している。図１０（ｂ−１）、（ｂ−２）及び（ｂ−３）はそれぞれ第１の共振モードを励振された振動子２１の上面図、正面図、底面図である。

電極２１１ａ、２１１ｃに同位相の交流電圧を、電極２１１ｂ、２１１ｄには２１１ａ、２１１ｃに印加した交流電圧と逆位相の交流電圧を印加する。この時、電極２１１ａと電極２１１ｃ近傍の圧電素子と電極２１１ｂと電極２１１ｄ近傍の圧電素子のうち片方が伸び、他方が縮む。これを交互に繰り返すことにより図１０（ｂ）においてＤ１方向の屈曲１次振動を励振することができる。この時、図１０（ｂ）においてＮで表す位置が振動の節となり、変位が最も少ない点である。また、図１０（ｂ）においてＡで表す振動子２１の第２の方向の端部と中心部が振動の腹となり変位が最も大きい点である。

図１０（ｃ）は第２の共振モードを振動子２１に励振している状態を示している。電極２１１ａ、２１１ｂに同位相の交流電圧を、電極２１１ｃ、２１１ｄには２１１ａ、２１１ｂに印加した交流電圧と逆位相の交流電圧を印加する。この時、電極２１１ａと電極２１１ｂ近傍の圧電素子と電極２１１ｃと電極２１１ｄ近傍の圧電素子のうち片方が伸び、他方が縮む。これを交互に繰り返すことにより図１０（ｃ）においてＤ２方向の屈曲１次振動を励振することができる。この時、図１０（ｃ）においてＮで表す位置が振動の節となり、変位が最も少ない点である。また、図１０（ｃ）においてＡで表す振動子２１の第３の方向の端部と中心部が振動の腹となり変位が最も大きい点である。

電極２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄにおいて、前述の第１の共振モードを励振するための交流電圧と、第２の共振モードを励振するための交流電圧を重ね合わせて印加することで振動子２１に第１の共振モードと第２の共振モードを励振することができる。

なお、超音波モータ２では第２の方向に２層の圧電素子層を積層した圧電素子２１１を用いた例を示したが、積層方向は第１の方向であっても良い。また電極パターンも上記に限らない。

また、第２の実施例の超音波モータ２は、第１の実施形態と同様に振動子２１の第１の方向の寸法（図９（ａ）において寸法Ｗ）が小さいほど共振周波数が低く振幅が大きく得られる特性が得られる。上記の理由により第２の実施例の超音波モータ２は振動子を駆動方向（第１の方向）に小型化した場合でも、共振周波数が高くならず、また振幅が低下しない。

本発明の第２の実施形態である超音波モータ２では振動子２１は少なくとも２層に積層された圧電素子２に接触部２１３を貼り付けた構造である。このような構造では、圧電素子の体積が大きいため、振動子２１に大きな伸縮力を発生し第１の共振モードと第２の共振モードの振幅を大きくできるという利点がある。以上の理由により振動子２１が付勢手段による付勢方向もしくは被駆動部材２２との相対移動方向に少なくとも２層に積層された圧電素子２１１に接触部２１３を貼り付けた構造であることは好ましい形態の一つである。

なお、第１の実施形態と同様の理由により、被駆動部材２２の駆動に第２の共振モードは必ずしも必要ではないが、第１の共振モードと第２の共振モードにより被駆動部材２２を駆動することが好ましい。

また、超音波モータ２を用いた超音波モータ２を用いてレンズの直進駆動を行う鏡筒については第１の実施形態と同様のため省略する。

なお、第１の実施形態と同様の理由により、振動子２１は第１の共振モードまたは第２の共振モードの少なくとも一方の節の近傍を保持することが好ましい。
また、第１の実施形態と同様の理由により、接触部２１３は第１の共振モードまたは第２の共振モードの少なくとも一方の腹の近傍に設けられることが好ましい。

振動子２１の形状としては第３の方向の寸法Ｌが第１の方向の寸法Ｗや第２の方向の寸法Ｔより大きいことが好ましい。
なお、第１の実施形態と同様の理由により、第２の共振モードは屈曲振動であることが好ましい。
また、第１の実施形態と同様の理由により、第２の共振モードは１次の振動であることが好ましい。

本発明は、小型高出力なモータが求められるカメラのレンズ鏡筒内において、レンズ駆動等に利用可能である。

１ 超音波モータ
２ 超音波モータ
１１ 振動子
１１１ 圧電素子
１１２ 弾性部材
１１３ 接触部
１２ 被駆動部材
２１ 振動子
２１１ 圧電素子
２１３ 接触部
２２ 被駆動部材

Claims (10)

1. 圧電素子を有する振動子と、
   前記振動子に設けられた接触部と、
   前記接触部と当接して前記振動子に対し第１の方向に相対移動可能に保持された被駆動部材と、
   前記接触部と前記被駆動部材との接触面に垂直な第２の方向の付勢力により、前記接触部と前記被駆動部材を付勢する付勢手段とを備え、
   前記振動子は、前記接触部が前記第１の方向に変位を有する第１の共振モードを用いて前記被駆動部材を前記第１の方向に相対的に駆動し、
   前記第１の共振モードは屈曲１次振動であることを特徴とする超音波モータ。
2. 前記振動子は、前記第１の共振モードと、前記接触部が前記第２の方向に変位を有する第２の共振モードにより前記被駆動部材を第１の方向に相対的に駆動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. 前記振動子において第１の共振モードと第２の共振モードの少なくとも一方の節の近傍を保持することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータ。
4. 前記振動子において第１の共振モードと第２の共振モードの少なくとも一方の腹の近傍に前記接触部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波モータ。
5. 前記振動子は、前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向の寸法が、前記第１の方向の寸法より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波モータ。
6. 前記第２の共振モードは屈曲振動であることを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
7. 前記第２の共振モードは１次の振動であることを特徴とする請求項５または６に記載の超音波モータ。
8. 前記振動子は前記圧電素子に弾性部材を張り付けた構造であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波モータ。
9. 前記振動子は前記付勢方向もしくは前記被駆動部材との相対移動方向に少なくとも２層に積層された前記圧電素子に前記接触部を張り付けた構造であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超音波モータ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の超音波モータを用いたレンズ駆動装置。

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