JP2016226129A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来は、振動子と保持部材との当接範囲が不明確なので、振動子の振動が阻害される可能性があった。そこで、振動子全体の振動を阻害しない保持構造を有する振動波モータを提供する。
【解決手段】楕円運動を発生する振動子１０と、振動子１０を保持する保持手段１１と、振動子１０により駆動される被駆動体１２０と、を有する振動波モータにおいて、保持手段１１は、振動子１０と当接する第１の当接部１１ｂ及び第２の当接部１１ｃを備え、振動子１０は、第１の当接部１１ｂと当接する箇所に第１の変位部１ｂ、及び前記第２の当接部１１ｃに当接する箇所に第２の変位部１ｃを有し、第１の変位部１ｂの変位は、第２の変位部１ｃの変位より小さく、保持手段１１の第１の当接部１１ｂの面積は、第２の当接部１１ｃの面積より大きいとする構成にした。
【選択図】 図５

Description

本発明は、振動子と、該振動子と摩擦接触する摩擦部材とで構成され、振動子と摩擦部材とが相対移動を行う振動波モータに関する。

従来から、振動子の所定の場所に楕円運動を生じさせることで、振動子と、該振動子と摩擦接触する摩擦部材とが相対移動を行う超音波モータや、この超音波モータをカメラの機構部やレンズの駆動源として備えた撮像装置に関する様々な提案がされている。特許文献１には、超音波モータが開示されており、この超音波モータを構成している振動子は、圧電素子を備え、圧電素子に互いに位相の異なる２相の交流電圧を印加可能に構成されている。そして、圧電素子への電圧印加によって振動子の表面に配された突起部などに楕円形状の振動波を励起させ、この振動子の突起部を摩擦部材に加圧接触させることにより駆動力を発生させ、所望の駆動力で振動子が摩擦部材の表面を摺動するように構成されている。この振動子には、支持部（接合部）が設けられていると共に、その支持部にて振動子を保持固定する保持部材が備えられている。また、特許文献２には、例えば、圧電素子から構成された振動子において、振動子の張り出し部が固定部よりも大きな振動変位をすることで、張り出し部に振動エネルギーを蓄えさせ、固定部への振動エネルギーの集中を避けることが開示されている。

特開２０１３−１５８１５１号公報 特開２０１１−２５４５８７号公報

ところで、振動子の保持部が保持部材によって保持固定される場合において、振動子の突起部などを所望の楕円運動を効率良く発生させるためには、振動子の振動を阻害しないような保持構造が必要である。つまり、所望の場所に楕円運動を発生させるに際し、振動子の保持部では振動が発生していないが、その周辺では振動が発生しているので、振動子の保持部における振動は、極力抑えるような保持構造を設計することが重要である。しかしながら、振動子の保持を確実なものとするために、保持部材と振動子の保持部との当接範囲を広くすると、振動子の振動が阻害されてしまう。そして、振動子に所望の楕円運動が発生しなくなり、超音波モータが動作不良となってしまう。従来技術においては、保持部材と振動子の保持部との当接範囲が特定されていないので、振動子の振動が阻害されるという問題があった。

そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、振動子全体の振動を阻害しない保持構造を有する振動波モータ（超音波モータ）を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、楕円運動を発生する振動子と、振動子を保持する保持手段と、振動子により駆動される被駆動体と、を有する振動波モータにおいて、保持手段は、振動子と当接する第１の当接部及び第２の当接部を備え、振動子は、第１の当接部と当接する箇所に第１の変位部、及び第２の当接部に当接する箇所に第２の変位部を有し、第１の変位部の変位は、第２の変位部の変位より小さく、保持手段の第１の当接部の面積は、第２の当接部の面積より大きいことを特徴とする。

本発明によれば、振動子全体の振動を阻害しない保持構造を有する振動波モータを提供することができる。

（ａ）本発明における振動波モータの構成を示す斜視図である。（ｂ）本発明における圧電素子２の電極の構成を示す図である。 （ａ）本発明における振動子１０において、Ｘ方向の曲げ２次振動モードの際に発生する振動の腹と節の位置を示す図である。（ｂ）本発明における振動子１０において、Ｙ方向の曲げ１次振動モードの際に発生する振動の腹と節の位置を示す図である。 本発明における振動子１０において、曲げ１次振動と曲げ２次振動とを組み合わせた際に接触部３ａに楕円運動が励振された状態を示す図である。 本発明における振動子ユニット１２１とＡＦレンズ１２０の連結状態を示す図である。 本発明における振動子１０と保持部材１１の分解斜視図である。 （ａ）本発明における振動子１０と保持部材１１とを接着等で一体にした状態の平面図である。（ｂ）（ａ）の断面線（ｂ）−（ｂ）における断面図である。 本発明における振動子１０と保持部材１１とを接着等で一体にした状態の側面図である。

（実施例）
以下、図１から図７を参照して、本発明の振動波モータについて説明する。さらに、図１から図４を用いて、振動子ユニット１２１を駆動源として光軸ＯＬ方向に駆動される不図示の撮像装置が備えるＡＦレンズ１２０について説明する。なお、本明細書では、後述する振動子１０に発生する楕円運動により、振動子１０が移動する方向（光軸ＯＬ方向）をＸ方向とする。また、後述する付勢部材１３による加圧方向をＺ方向とする。さらに、Ｘ方向とＺ方向に垂直な方向をＹ方向とする。

図１（ａ）に示すように、振動子１０は、例えば金属である弾性体１と弾性体１の底面（裏面側）に接着等で接合された圧電素子２によって構成されている。弾性体１の上面側には、複数の凸部３が設けられている。凸部３には、図２に示すように被駆動部材であるスライダー４と接触する接触部３ａが設けられている。なお、振動子１０は本発明の振動子に、ＡＦレンズ１２０は本発明の被駆動体に相当する。

図１（ｂ）に示すように、圧電素子２は分極処理されており、２つの電極Ａ１、Ａ２が備えられている。この２つの電極Ａ１、Ａ２に後述する交流電圧Ｖ１、Ｖ２が印加されると、２つのモードの振動が発生する。その２つの振動モードについて、図２（ａ）、（ｂ）を用いて以下に説明する。

圧電素子２の２つの電極Ａ１、Ａ２に逆相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２が印加されると、振動子１０にＸ方向の曲げ２次振動モードが励起される。図２（ａ）は、Ｘ方向の曲げ２次振動モードの際に発生する腹と節の位置を示す。１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、曲げ２次振動モードの節の位置である。１０ｆ、１０ｇは、曲げ２次振動モードの腹の位置である。節の位置１０ａ、１０ｂ、１０ｃでは、曲げ２次振動モードによるＺ方向の振動は非常に小さい。そして、前述の凸部３に設けられた接触部３ａは、節の位置１０ａ及び１０ｃに位置付けられているため、Ｚ方向にはほとんど振動しないが、Ｘ方向には振動する。よって、Ｘ方向の曲げ２次振動モードが励起されると、接触部３ａ、つまり振動子１０にＸ方向の振動が発生する。なお、この接触部３ａがＸ方向にのみ振動するモードを送りモードと定義する。

次に、曲げ１次振動モードについて説明する。圧電素子２の２つの電極Ａ１、Ａ２に同相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２が印加されると、振動子１０にＹ方向の曲げ１次振動モードが励起される。図２（ｂ）は、Ｙ方向の曲げ１次振動モードの際に発生する腹と節の位置を示す。１０ｄ、１０ｅは、曲げ１次振動モードの節の位置である。１０ｈは、曲げ１次振動モードの腹の位置である。節の位置１０ｄ、１０ｅでは、曲げ１次振動モードによるＺ方向の振動は非常に小さい。そして、前述の凸部３に設けられた接触部３ａは、腹の位置１０ｈに位置付けられているため、Ｚ方向に大きく振動する。よって、Ｙ方向の曲げ１次振動モードが励起されると、接触部３ａ、つまり振動子１０にＺ方向の振動が発生する。なお、この接触部３ａがＺ方向にのみ振動するモードを突き上げモードと定義する。

そして、上述の曲げ１次振動と曲げ２次振動とを組み合わせることにより、図３に示すように、接触部３ａに楕円運動が励振される。そして、図４に示すように、楕円運動が励振された接触部３ａをスライダー４に加圧接触させることで、スライダー４に対して、振動子１０が一方向（図４中、Ｘ方向）に駆動される。

また、圧電素子２に印加される交流電圧の周波数を変更することによって、楕円運動の楕円比を保持しながら、楕円の大きさを変更することができる。圧電素子２に印加される交流電圧の周波数を振動子１０の共振周波数（ｆｒ）に近付けることによって、楕円運動の楕円の大きさが大きくなり、それに伴い振動子１０の駆動速度が速くなる。逆に、圧電素子２に印加される交流電圧の周波数を振動子１０の共振周波数から遠ざけることによって、楕円運動の楕円の大きさが小さくなり、それに伴い振動子１０の駆動速度が遅くなる。なお、楕円運動を発生させる振動が、超音波領域の振動数の振動（超音波振動）の場合もありうる。

さらに、圧電素子２に設けられた電極Ａ１、Ａ２に印加される交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相を変更することによって、接触部３ａの楕円運動の楕円比を変更することができる。つまり、位相差が０度の場合は、圧電素子２の２つの電極Ａ１、Ａ２に同相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２が印加されるので、前述のように、突き上げモードの振動が励起される。また、位相差が１８０度の場合は、圧電素子２の２つの電極Ａ１、Ａ２に逆相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２が印加されるので、前述のように、送りモードの振動が励起される。そして、位相差が０度から１８０度の場合は、位相差の大きさに応じて、突き上げモードであるＺ方向の振幅と送りモードであるＸ方向の振幅の大きさの比が変わる。これらにより、接触部３ａには、設定された位相差に応じた楕円比の楕円運動が励振される。

なお、図３に示すように、振動子１０の接触部３ａが楕円運動をしない時の振動子１０の基準位置をＬとすると、接触部３ａに楕円運動が励振される時には、振動子１０の保持部１ａ（詳細は後述）はほとんど変位しない。一方、振動子１０の変位部１ｂ（詳細は後述）と変位部１ｃ（詳細は後述）のそれぞれの基準位置Ｌからの振動変位は、保持部１ａに比べて大きい。また、振動子１０の変位部１ｂと変位部１ｃのそれぞれの基準位置Ｌからの振動変位を比べると、相対的に接触部３ａに近い変位部１ｃの方が大きくなっている。

これは、特許文献２に開示されているように、振動子１０の変位部１ｃが保持部１ａよりも大きな振動変位をすることで、変位部１ｃに振動エネルギーを蓄えさせ、保持部１ａへの振動エネルギーの集中を避けることができるためである。これにより、保持部１ａの振動変位を抑制することで、保持部１ａが後述の保持部材１１に固定される際に、その保持部１１ａ（詳細は後述）から振動子１０の振動エネルギーが消散することを防ぐことが可能となる。よって、保持部１ａ、変位部１ｂ及び変位部１ｃの基準位置Ｌからの振動変位の大小関係が上述のようになっている。また、保持部１ａの位置に振動の節を位置付けることも可能である。これによって、保持部１ａの振動変位が抑制されることになる。なお、保持部１ａは本発明の保持部に、変位部１ｂは本発明の第１の変位部に、変位部１ｃは本発明の第２の変位部に相当する。

図４は、振動子ユニット１２１を駆動源として使用したＡＦレンズ１２０が光軸ＯＬ方向に駆動される機構を示す。振動子１０は、保持部材１１に保持され、加圧部材１２によってスライダー４の方向に加圧される。圧縮バネなどの付勢部材１３によって、加圧部材１２が振動子１０を加圧するのに必要な加圧力が発生される。保持枠１４は、保持部材１１を保持し、連結部材１５を介してＡＦレンズ１２０と一体化されている。振動子ユニット１２１は、振動子１０、保持部材１１、加圧部材１２、付勢部材１３、保持枠１４で構成されている。なお、保持部材１１は、本発明の保持手段に相当する。

付勢部材１３は、一端部が加圧部材１２に保持され、他端部が振動子１０に当接されている。付勢部材１３によって図４の矢印Ａで示される方向に、振動子１０がスライダー４に加圧接触され、振動子１０の圧電素子２に所望の周波数と位相差で交流電圧が印加されることによって、振動子ユニット１２１はＸ方向、つまり、光軸ＯＬの方向に駆動される。なお、保持部材１１には、後述するように、振動子１０を位置決めするための位置決めダボ１１ｄが設けられている。その位置決めダボ１１ｄとスライダー４とのＺ方向のクリアランスをＣとする。クリアランスＣは、例えば、接触部３ａが図２又は図３に示されるように変位した際、位置決めダボ１１ｄがスライダー４に接触しないクリアランスを意味する。また、ＡＦレンズ１２０は、連結部材１５を介して振動子ユニット１２１と一体化されているので、振動子ユニット１２１が光軸ＯＬの方向に駆動されると、一体的にＡＦレンズ１２０も光軸ＯＬの方向に駆動される。なお、振動子ユニット１２１は、本発明の振動波モータに相当する。

図５に、振動子１０と保持部材１１の分解斜視図を示す。振動子１０の弾性体１には、保持部１ａ、保持部１ａと凸部３を結ぶ方向（図５のＸ方向）に延出している変位部１ｂ及び１ｃ、位置決め穴１ｄがＸ方向に左右対で設けられている。保持部１ａは保持部材１１に保持され、位置決め穴１ｄは後述の保持部材１１の位置決めダボ１１ｄに嵌合される。保持部材１１には、振動子１０を保持する保持部１１ａ、振動子１０と当接する振動子受け部１１ｂ及び１１ｃ、振動子１０の位置決め穴１ｄと嵌合する位置決めダボ１１ｄがＸ方向に左右対で設けられている。なお、保持部１１ａは本発明の固定部に、振動子受け部１１ｂは本発明の第１の当接部に、振動子受け部１１ｃは本発明の第２の当接部に相当する。

対で設けられている位置決め穴１ｄに位置決めダボ１１ｄが嵌合し、また、変位部１ｂ、１ｃと振動子受け部１１ｂ、１１ｃとがそれぞれ当接するので、振動子１０は、保持部材１１に対して、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向、それぞれの所定位置に位置決めされる。なお、位置決め穴１ｄは、本発明の位置決め穴に、位置決めダボ１１ｄは本発明の位置決め部に相当する。

図６（ａ）は、振動子１０と保持部材１１とを接着等で一体にした状態の平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）の断面線（ｂ）−（ｂ）における断面図を示す。図５及び図６（ｂ）に示すように、振動子受け部１１ｂが変位部１ｂと当接する範囲Ｘ１と、振動子受け部１１ｃが変位部１ｃと当接する範囲Ｘ２とを比べると、Ｘ１＞Ｘ２の関係となっている。この関係により、変位部１ｂが保持部材１１と当接する面積の方が、変位部１ｃが保持部材１１と当接する面積よりも大きくなる。その理由を以下に述べる。

振動子１０が保持部材１１に固定されても、振動子１０の接触部３ａに励振された楕円運動は、ほとんど減衰されない方が望ましい。図３に示されるように、接触部３ａに楕円運動が励振される時に、振動子１０の変位部１ｂの基準位置Ｌからの振動変位よりも振動子１０の変位部１ｃの基準位置Ｌからの振動変位の方が大きい。よって、変位部１ｃと振動子受け部１１ｃの当接面積が大きくなるほど、変位部１ｃの振動が抑制されてしまう。その結果、接触部３ａの楕円運動が抑制されるばかりではなく、変位部１ｃが振動しなくなり、保持部１ａの近傍や変位部１ｂの基準位置Ｌからの振動変位が大きくなるなど、他の振動モード（以下、不要モードと呼ぶ）が発生してしまう。この不要モードの発生によって、接触部３ａに発生する楕円運動が阻害されたり、不要モードが起因となる異音が生じたりする不具合が発生する。

他方、例えば振動子１０を保持部材１１に接着で固定する際には、振動子１０に発生する楕円運動で接着剥れが発生しないよう、接着信頼性を増すために振動子１０と保持部材１１との当接面積は大きいほど良い。つまり、振動子１０と保持部材１１とを接着固定する際には、不要モードが発生しないように、かつ、振動子１０と保持部材１１との固定箇所（保持部１ａ及び保持部１１ａ）での接着剥れが発生しないようにすることが必要である。そのためには、保持部１ａ及び位置決め穴１ｄと保持部１１ａ及び位置決めダボ１１ｄ、かつ、変位部１ｂと振動子受け部１１ｂで振動子１０と保持部材１１を接着すると良い。

前述のように、振動子受け部１１ｂが変位部１ｂと当接する範囲Ｘ１と、振動子受け部１１ｃが変位部１ｃと当接する範囲Ｘ２を比べると、Ｘ１＞Ｘ２の関係となっている。この関係により、変位部１ｂが保持部材１１と当接する面積の方が、変位部１ｃが保持部材１１と当接する面積よりも大きくなるので、振動子１０と保持部材１１との接着面積も大きくなる。これにより、接触部３ａに発生する楕円運動を阻害せず、接着信頼性を増すことができる。

以上述べたように、振動子１０の接触部３ａに楕円運動が励振される時に振動変位が小さい部位の当接面積を増加させることによって、振動子全体の振動を阻害しない保持構造を有する振動波モータを提供することが可能になる。

なお、振動子１０と保持部材１１との固定方法として、位置決めダボ１１ｄの周辺に接着剤を塗布して振動子１０と保持部材１１とを接着固定する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。位置決め穴１ｄが配設される保持部１ａと、位置決めダボ１１ｄが配設される保持部１１ａとを溶接等で固着する際に、変位部１ｂと振動子受け部１１ｂが、また変位部１ｃと振動子受け部１１ｃが当接する場合には、同様な効果が得られることは言うまでもない。

図７は、振動子１０と保持部材１１とを接着固定した時の側面図を示す。位置決めダボ１１ｄの周囲に接着剤を塗布して振動子１０の弾性体１と保持部材１１とを接着固定する際には、振動子受け部１１ｂのＹ方向の寸法（以下、幅方向の寸法と呼ぶ）と、位置決めダボ１１ｄの高さＨとの関係を考える。図７において、保持部材１１の振動子受け部１１ｂの幅方向の寸法をＷ、位置決めダボ１１ｄの径寸法を２ｒ、弾性体１からの高さをＨ、振動子１０と保持部材１１を接着固定する接着剤Ｂの弾性体１との接触角をθ、弾性体１から接着剤Ｂの高さをｈとする。

図４に示されるように、位置決めダボ１１ｄの高さＨは、スライダー４とのクリアランスＣを超えて高くはならない。また、弾性体１から接着剤Ｂの高さｈも同様である。その理由は以下の通りである。保持部材１１などの各部品の製造誤差などにより、位置決めダボ１１ｄの高さＨもしくは、接着剤Ｂの高さｈの少なくともいずれか一方がクリアランスＣを超えて高くなる場合がある。そのような場合、振動子ユニット１２１が光軸ＯＬの方向に駆動する時に、位置決めダボ１１ｄもしくは、接着剤Ｂがスライダー４と接触してしまい、振動子ユニット１２１の動作不良を誘発する。よって、位置決めダボ１１ｄの高さＨ及び接着剤Ｂの高さｈは、スライダー４とのクリアランスＣを超えて高くなるように設計することはできない。

よって、接着剤Ｂの高さｈが以下の関係式（１）を満足するように、保持部材１１の振動子受け部１１ｂの幅方向の寸法（Ｗ）と位置決めダボ１１ｄの径寸法（２ｒ）を決定する。
Ｈ≧ｈ＝tanθ×（Ｗ／２−ｒ）・・・（１）

これにより、接着剤Ｂの高さｈが位置決めダボ１１ｄの高さＨを超えることはなく、また、振動子受け部１１ｂの幅方向の寸法Ｗを超えて接着剤Ｂが広がることがない。さらに、接着剤Ｂが変位部１ｃの振動を抑制することがないので、振動子１０の接触部３ａに楕円運動が励振される時に、接触部３ａの楕円運動も抑制されず、また、不要モードが発生されない。なお、保持部材１１の材質はプラスチック製であるので、接触角θは一般的に９０度未満となり、関係式（１）が発散することがない。

以上述べたように、振動子１０の接触部３ａに楕円運動が励振される時に振動変位が小さい部位の当接面積を大きくすることによって、振動子全体の振動を阻害しない保持構造を有する振動波モータを提供することができる。

１ａ 保持部
１ｂ 変位部（第１の変位部）
１ｃ 変位部（第２の変位部）
１ｄ 位置決め穴
２ 圧電素子
３ａ 接触部
４ スライダー
１０ 振動子
１１ 保持部材（保持手段）
１１ａ 保持部（固定部）
１１ｂ 振動子受け部（第１の当接部）
１１ｃ 振動子受け部（第２の当接部）
１１ｄ 位置決めダボ（位置決め部）
１２０ ＡＦレンズ（被駆動体）
Ｂ 接着剤

Claims (9)

1. 楕円運動を発生する振動子と、
   前記振動子を保持する保持手段と、
   前記振動子により駆動される被駆動体と、
   を有する、振動波モータにおいて、
   前記保持手段は、前記振動子と当接する第１の当接部及び第２の当接部を備え、
   前記振動子は、前記第１の当接部と当接する箇所に第１の変位部、及び前記第２の当接部に当接する箇所に第２の変位部を有し、
   前記第１の変位部の変位は、前記第２の変位部の変位より小さく、
   前記保持手段の前記第１の当接部の面積は、前記第２の当接部の面積より大きいことを特徴とする、振動波モータ。
2. 前記振動子の前記第１の変位部と前記第２の変位部との間には、前記保持手段と当接する保持部が設けられており、
   前記第１の当接部と前記第２の当接部との間には、前記保持部と当接する固定部が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の振動波モータ。
3. 前記振動子が楕円運動を発生している際に、前記保持部に振動の節が位置することを特徴とする、請求項２に記載の振動波モータ。
4. 前記保持部には、前記振動子を前記保持手段に位置決めするための位置決め穴が設けられていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の振動波モータ。
5. 前記固定部には、前記振動子を前記保持手段に位置決めするための位置決め部が設けられていることを特徴とする、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の振動波モータ。
6. 前記振動子と前記保持手段とは、前記位置決め部の周辺に塗布された接着剤にて接着固定されていることを特徴とする、請求項５に記載の振動波モータ。
7. 前記第１の当接部の幅方向の寸法をＷ、前記位置決め部の径寸法を２ｒ、前記振動子から前記位置決め部の高さをＨ、前記振動子と前記保持手段とを接着固定する接着剤の前記振動子との接触角をθ、前記接着剤の前記振動子からの高さをｈとした時に、前記接着剤の高さｈが以下の関係式を満足することを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載の振動波モータ。
   Ｈ≧ｈ＝tanθ×（Ｗ／２−ｒ）
8. 前記振動波モータは、前記楕円運動が超音波振動する超音波モータであることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動波モータ。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動波モータを駆動源に使用したＡＦレンズを備えた撮像装置。

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