JP2017060342A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】振動波モータにおいて、突起部を安定して摩擦部材に当接させることにより駆動の安定化を達成する。【解決手段】振動波モータ１０は、板部１ａと、板部１ａの上に設けられた少なくとも３つの突起部１ｂ１，１ｂ２，１ｂ３とを有する振動板１と、振動板１に固定され、高周波振動する圧電素子２と、突起部１ｂ１，１ｂ２，１ｂ３が加圧され当接可能であり、振動板１と相対移動する摩擦部材３とを有し、突起部１ｂ１，１ｂ２，１ｂ３は振動板１の加圧方向と直交する面において一直線上にない複数の点で摩擦部材３と当接する。【選択図】図１

Description

本発明は振動波モータに係り、特に弾性体を板状としたリニア用の振動波モータに関する。

従来から、小型軽量、高速駆動、かつ、静音駆動を特徴とする振動波モータは撮像装置のレンズ鏡筒等に採用されていた。これらの中でもリニア駆動用の振動波モータに関し、以下のような振動波モータが特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示された振動波モータは、突起部を有する振動板と高周波振動する圧電素子と振動板の突起部が加圧され当接する摩擦部材によって構成されている。この振動波モータは、圧電素子の高周波振動によって振動板を共振させる。これによって生じる突起部先端の楕円運動により駆動力を得て、振動板が摩擦部材に対して相対移動する。

特開２０１３−２２３４０６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された振動波モータでは、振動板の突起部が摩擦部材に安定して当接しないため駆動効率が低下するという問題があった。特許文献１に開示された振動波モータでは振動板上の２つの突起部が相対移動方向に並んで設けられている。このような構成では振動板の突起部が摩擦部材に安定して当接できないため、部品の寸法公差や組立公差、もしくは外力が発生した際には振動板が２つの接触点を結ぶ直線を中心軸とした傾きが生じる。これにより、突起部の磨耗の偏りや振動板への加圧力のムラが発生するため駆動効率が低下する。

そこで、本発明の目的は、突起部を安定して摩擦部材に当接させることにより駆動効率の向上を達成することである。

上記課題を解決するために、
板部と、前記板部の上に設けられた少なくとも３つの突起部とを有する振動板と、
前記振動板に固定され、高周波振動する圧電素子と、
前記突起部が加圧され当接可能であり、前記振動板と相対移動する摩擦部材と、
を有し、
前記突起部は前記振動板の加圧方向と直交する面において一直線上にない複数の点で前記摩擦部材と当接することを特徴とする。

本発明によれば、突起部を安定して摩擦部材に当接させることにより駆動が安定し、駆動効率が向上する。

本発明の実施形態の振動波モータの構成を説明する図である。 本発明の実施形態の固有振動モードでの振動板と圧電素子の変形を説明する模式図である。 本発明の実施形態の固有振動モードでの振動板と圧電素子の変形を説明する模式図である。 本発明の実施形態の圧電素子に印加する交流電圧と振動板及び圧電素子の変形を説明するグラフ及び表である。 本発明の実施形態の交流電圧を印加した場合の振動板の振動の様子を説明する模式図である。 本発明の実施形態の交流電圧を印加した場合の振動板の振動の様子を説明する模式図である。 本発明の実施形態の振動板の振動の様子を説明する斜視図である。 本発明の実施形態の突起部の先端の楕円運動を説明する模式図である。 本発明の実施形態の板部の寸法を説明する図である。 本発明の実施形態の周波数と楕円運動の振幅の関係を説明するグラフである。 本発明の実施形態の振動波モータを利用したリニア駆動装置を説明する図である。 本発明の実施形態の加圧点と突起部の位置関係を説明する底面図である。 本発明の実施形態の振動波モータを利用したレンズ駆動装置を説明する概略図である。 従来例の振動波モータの構成を説明する概略図である。 従来例の振動波モータを利用したリニア駆動装置を説明する概略図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための実施形態について説明する。図面において、同一部材は同一符号で示している。

（実施形態）
以下、本発明の実施形態について説明する。本明細書中において、後述する振動板１と摩擦部材３が相対移動する方向をＸ方向、後述する振動板１を摩擦部材３に対して加圧する加圧方向をＺ方向とする。Ｚ方向において、後述する振動板１から後述する摩擦部材３への向きを＋Ｚ方向、後述する摩擦部材３から後述する振動板１への向きを−Ｚ方向と定義する。また、Ｘ方向及びＺ方向と直交する直交方向をＹ方向とする。

図１は、本発明の実施形態にかかる振動波モータの基本的な構成を説明するための図であって、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図、図１（ｄ）は底面図である。図１において振動板１は、矩形状で平坦な板部１ａと、板部１ａの上に設けられた３つの突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３を有する。突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３は絞り加工により板部１ａと一体成型してもよいし、別部材を板部１ａに接着により固定してもよい。

突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３は板部１ａ上に設けられる胴体部と、後述の摩擦部材３に対して当接及び摺動するための球面状の摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３とで構成される。摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３は、それぞれ突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３の先端から突出して設けられている。なお、この摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３は球面状の突起形状に限らず、円柱状や円錐台状の突起形状であってもよい。

振動板１の矩形状の板部１ａの端部には振動板１と同期して移動し、後述の振動板保持部材に対し、直接的、または、間接的に連結される連結部１ｄ及び１ｅが設けられている。この連結部１ｄ及び１ｅは振動板１と圧電素子２の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、振動を阻害しにくい形状となっている。従って、連結部１ｄ及び１ｅは振動板１と圧電素子２の振動にほとんど影響を与えない。

振動板１には高周波振動する圧電素子２が固定されている。圧電素子２は、図１（ａ）に示すように、後述の振動板１と摩擦部材３が相対移動する方向（以下、「相対移動方向」と称する。図１（ａ）中のＸ方向）に２つに分割されている、圧電素子２はさらに、板部１ａと平行かつ相対移動方向と直交する方向（以下、「直交方向」と称する。図１（ａ）中のＹ方向）に２つに分割されている。従って合計で４つの領域２ａ１、２ａ２、２ｂ１及び２ｂ２に分割されている。

４つの領域のうち領域２ａ１及び２ｂ１は同一方向に分極され、領域２ａ２及び２ｂ２は、領域２ａ１及び２ｂ１に対して逆方向に分極されている。圧電素子２は相対移動方向と直交方向それぞれにおいて２つに分割された４つの領域２ａ１、２ａ２、２ｂ１及び２ｂ２に分かれる。従って、対角線上に位置する領域２ａ１と領域２ｂ２、領域２ａ２と領域２ｂ１がそれぞれ逆方向に分極されている。また、図２（ａ）に示すように、領域２ａ１及び２ｂ２がＡ相に、領域２ａ２及び２ｂ１がＢ相にそれぞれ割り当てられている。圧電素子２は、更に分極されていない領域２ｃを備えている。領域２ｃは圧電素子２の裏面２ｅの全面電極から側面に配置された領域２ｄの電極を経由して導通されたグランドとして使用する電極である。

以上説明した通り、振動板１及び圧電素子２によって振動波モータ１０が構成されている。次に、圧電素子２の高周波振動によって生じる振動板１及び圧電素子２の変形について説明する。

圧電素子２に発生する高周波振動は、振動板１に特定の固有振動モードを励振する。圧電素子２の高周波振動により振動板１には、振動板１の直交方向の曲げ振動の２次の固有振動モード（以下、「モード１」と称する）と振動板１の相対移動方向の曲げ振動の２次の固有振動モード（以下、「モード２」と称する）が励振される。

図２及び図３はそれぞれ振動板１のモード１とモード２が励振された際の振動板１及び圧電素子２の変形を示す模式図である。なお、簡単化のため振動板１の突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３、摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３、連結部１ｄ及び１ｅ、領域２ｃを省略して図示している。図２（ａ）、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）、図３（ｃ）は正面図、図２（ｂ）、図２（ｃ）は側面図であり、それぞれ図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）に対応している。圧電素子２の領域のうち、領域２ａ１及び２ｂ１を領域Ａ、領域２ａ２及び２ｂ２を領域Ｂ、領域２ａ１及び２ａ２を領域Ｃ、領域２ｂ１及び２ｂ２を領域Ｄとそれぞれ定義する。

振動板１のモード１を励振した際の振動板１及び圧電素子２の形状について図２（ｂ）及び図２（ｃ）を用いて説明する。図２（ｂ）及び図２（ｃ）は領域Ａの領域２ａ１と領域２ｂ１、領域Ｂの領域２ａ２と領域２ｂ２がそれぞれ同一方向に変形し、領域Ａと領域Ｂとが逆方向に変形した状態、すなわち振動板１のモード１が励振された状態を示している。＋Ｚ方向に凸に変形した場合を＋方向の変形として定義すると、図２（ｂ）は領域Ａが＋方向、領域Ｂが−方向に変形した場合、図２（ｃ）は領域Ａが−方向、領域Ｂが＋方向に変形した場合を示している。

同様に振動板１のモード２を励振した際の振動板１及び圧電素子２の形状について図３（ｂ）及び図３（ｃ）を用いて説明する。図３（ｂ）及び図３（ｃ）は領域Ｃの領域２ａ１と領域２ａ２、領域Ｄの領域２ｂ１と領域２ｂ２がそれぞれ同一方向に変形し、領域Ｃと領域Ｄとが逆方向に変形した状態、すなわち振動板１のモード２が励振された状態を示している。図３（ｂ）は領域Ｃが＋方向、領域Ｄが−方向に変形した場合、図３（ｃ）は領域Ｃが−方向、領域Ｄが＋方向に変形した場合を示している。

図４は圧電素子２に印加する交流電圧と振動板１及び圧電素子２の変形を説明するためのグラフと表である。図４（ａ）は圧電素子２のＡ相及びＢ相に印加する交流電圧の変化を示すグラフ、図４（ｂ）は各領域２ａ１、２ａ２、２ｂ１及び２ｂ２に印加される電圧の符号を示す表、図４（ｃ）は各領域２ａ１、２ａ２、２ｂ１及び２ｂ２の変形方向を示す表である。

前述の通り、領域２ａ１及び２ｂ１は＋方向に分極され、領域２ａ２及び２ｂ２は−方向に分極されており、また、領域２ａ１及び２ｂ２がＡ相に、領域２ａ２及び２ｂ１がＢ相にそれぞれ割り当てられている。なお、ここでいう「＋方向に分極される」とは印加された電圧と同じ符号の変形を生じることとし、「−方向に分極される」とは印加された電圧と逆の符号の変形を生じることと定義する。例えば、＋方向に分極されている場合には＋の電圧が印加された場合に＋方向に変形し、−方向に分極されている場合には＋の電圧が印加された場合に−方向に変形する。

図４（ａ）に示す通り、Ａ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせて交流電圧を印加した際のＰ１からＰ４までの時間における領域２ａ１、２ａ２、２ｂ１及び２ｂ２の交流電圧の符号は図４（ｂ）に示す通りである。ここで、＋方向に分極されている領域２ａ１及び２ｂ１は図４（ｂ）に示す電圧と同じ符号の変形を生じ、−方向に分極されている２ａ２及び２ｂ２は図４（ｂ）に示す電圧と逆の符号の変形を生じる。すなわち、時間Ｐ１〜Ｐ４で各領域２ａ１、２ａ２、２ｂ１及び２ｂ２に図４（ｂ）で示す電圧が印加された際には、時間Ｐ１’〜Ｐ４’で領域２ａ１、２ａ２、２ｂ１及び２ｂ２には図４（ｃ）に示す方向の変形が生じる。なお、時間Ｐ１’〜Ｐ４’とはそれぞれ時間Ｐ１〜Ｐ４に対して所定の遅れを持った時間である。

ここで、時間Ｐ１’において、２ａ１及び２ａ２は＋方向に変形し、２ｂ１及び２ｂ２は−方向に変形する。即ち、図３（ａ）に示す領域Ｃが＋方向に変形し、領域Ｄが−方向に変形するため、振動板１及び圧電素子２には図３（ｂ）に示すような変形が生じる。同様にして、時間Ｐ２’には図２（ｂ）、時間Ｐ３’には図３（ｃ）、時間Ｐ４’には図２（ｃ）に示すような変形がそれぞれ生じる。即ち、図４（ａ）のようにＡ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせて圧電素子２に交流電圧を印加した際には、振動板１及び圧電素子２の形状が図３（ｂ）、図２（ｂ）、図３（ｃ）、図２（ｃ）の順番に繰り返し変形する。

以下、圧電素子２の高周波振動によって振動板１の突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３に生じる楕円運動について説明する。

まず、振動板１の突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３が設けられる位置について説明する。図１（ｄ）に示すように、突起部１ｂ１及び１ｂ２はモード１の腹（図１（ｄ）におけるＸ１）の近傍であって、かつ、モード２の節（図１（ｄ）におけるＹ１及びＹ３）の近傍に設けられている。突起部１ｂ３はモード１の腹（図１（ｄ）におけるＸ２）の近傍であって、かつ、モード２の節（図１（ｄ）におけるＹ２）の近傍に設けられている。すなわち、３つの突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３は、相対移動方向の曲げ振動の２次モードの節近傍かつ直交方向の曲げ振動の２次モードの腹近傍に設けられている。

図５及び図６はＡ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせて交流電圧を印加した場合の振動板１の振動の様子を示す模式図であり、図５は突起部１ｂ１及び１ｂ２の先端の軌跡、図６は突起部１ｂ３の先端の軌跡を説明するための模式図である。それぞれの図において、図５（ａ）及び図５（ｂ）、図６（ａ）及び図６（ｂ）はそれぞれ図１（ｃ）、図１（ｂ）に対応しており、図４に示した交流電圧のＰ１からＰ４に対して所定の遅れを持った時間Ｐ１’からＰ４’それぞれの時間における振動状態を示している。また、図５及び図６それぞれにおいて摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３、連結部１ｄ及び１ｅ、圧電素子２は簡単化のため図示を省略されており、また、図５においては突起部１ｂ３が、図６においては突起部１ｂ１及び１ｂ２がそれぞれ図示を省略されている。

まず、図５を用いて突起部１ｂ１及び１ｂ２の先端の軌跡について説明する。前述の通り、図４（ａ）に示すような交流電圧が印加された際に、時間Ｐ１’及びＰ３’において振動板１及び圧電素子２は図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すような変形を生じる。これにより、モード２が励振され、突起部１ｂ１及び１ｂ２の先端のＸ方向振幅が最大となる（図５（ｂ）におけるＡ_２）。また、図４（ａ）に示すような交流電圧が印加された際に、時間Ｐ２’及びＰ４’において振動板１及び圧電素子２は図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すような変形を生じる。これにより、モード１が励振され、突起部１ｂ１及び１ｂ２の先端のＺ方向振幅が最大となる（図５（ａ）におけるＡ_１）。このため、Ａ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせて交流電圧を印加すると、突起部１ｂ１及び１ｂ２の先端にはそれぞれ図５（ｂ）に矢印で示すような楕円運動が発生する。

同様に、図６を用いて突起部１ｂ３の先端の軌跡について説明する。図４（ａ）に示すような交流電圧が印加された際に、時間Ｐ１’及びＰ３’においては振動板１及び圧電素子２にはモード２が励振され、突起部１ｂ３の先端のＸ方向振幅が最大となる（図６（ｂ）におけるＡ_２）。また、時間Ｐ２’及びＰ４’において振動板１及び圧電素子２にはモード１が励振され、突起部１ｂ３の先端のＺ方向振幅が最大となる（図６（ａ）におけるＡ_１）。このため、Ａ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせて交流電圧を印加すると、突起部１ｂ３の先端にはそれぞれ図６（ｂ）に矢印で示すような楕円運動が発生する。

ここまで説明した通り、Ａ相とＢ相への交流電圧の印加により、突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３の先端にはそれぞれ楕円運動を生じる。後述の摩擦部材３には摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３が加圧された状態で当接する。このため、突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３の楕円運動により生じる後述の摩擦部材３と摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３との間の摩擦によって、振動板１は推進力を得て図５及び図６の（ｂ）に示すＸ方向に相対移動することができる。

また、Ａ相に対してＢ相の位相を約＋２７０°遅らせて交流電圧を印加した場合は図５とは反対方向の楕円運動が発生する。従って、突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３の楕円運動により生じる後述の摩擦部材３と摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３の間の摩擦によって振動板１は推進力を得て図５及び図６の（ｂ）に示すＸ方向とは反対の方向に相対移動することができる。

このように、本実施形態の振動波モータにおいては高周波振動により突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３に生じる楕円運動によって後述の摩擦部材３に対して振動板１が相対移動することが可能である。

突起部１ｂ１及び１ｂ２、１ｂ３の先端に生じる楕円運動の位相について説明する。図７（ａ）は交流電圧が印加されていない状態の振動板１を示す斜視図であり、図７（ｂ）は交流電圧が印加された状態の時間Ｐ１’からＰ４’における振動板１の振動の様子を示す斜視図である。図中の点線Ｙ１〜Ｙ３はモード２の節、一点鎖線Ｘ１及びＸ２はモード１の腹を示している。なお、説明を分かりやすくするため摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３、連結部１ｄ及び１ｅ、圧電素子２は省略されている。

前述の通り、図７（ｂ）に矢印で示すように、時間Ｐ１’及びＰ３’においては振動板１及び圧電素子２にはモード１が励振され、時間Ｐ２’及びＰ４’においては図７（ｂ）に矢印で示すように振動板１及び圧電素子２にはモード２が励振される。このときの各時間における突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３の先端に生じる変位の方向を説明する。時間Ｐ１’では、突起部１ｂ１、及び１ｂ２は−Ｚ方向、突起部１ｂ３は＋Ｚ方向の変位を生じる。時間Ｐ２’では、突起部１ｂ１及び１ｂ２は−Ｘ方向、突起部１ｂ３は＋Ｘ方向の変位を生じる。時間Ｐ３’では、突起部１ｂ１及び１ｂ２は＋Ｚ方向、突起部１ｂ３は−Ｚ方向の変位を生じる。時間Ｐ４’では、突起部１ｂ１及び１ｂ２は＋Ｘ方向、突起部１ｂ３は−Ｘ方向の変位を生じる。結果として、突起部１ｂ１及び１ｂ２に対して突起部１ｂ３は常に逆方向の変位を生じる。

図８は突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３の先端の楕円運動を説明する模式図である。図８（ａ）は突起部１ｂ１及び１ｂ２、図８（ｂ）は突起部１ｂ３の先端の楕円運動をそれぞれ示している。前述の通り、突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３は時間Ｐ１’及びＰ３’においてＺ方向に変位し、時間Ｐ２’及びＰ４’においてＸ方向に変位し、突起部１ｂ３は突起部１ｂ１及び１ｂ２に対して常に逆方向の変位を生じる。このため、突起部１ｂ３には突起部１ｂ１及び１ｂ２と１８０度位相がずれた楕円運動が生じる。３つの突起部のうち、一部の突起部１ｂ３の楕円運動と、これ以外の突起部１ｂ１及び１ｂ２の楕円運動の位相が１８０度ずれている。

以下に、振動板１の板部１ａの相対移動方向及び直交方向の寸法（長さ）について説明する。図９は板部の寸法を説明するための図で、図９（ａ）は本発明の実施形態の構成における板部１ａの寸法を、図９（ｂ）は本発明の実施形態の変形例における板部１０１ａの寸法を示している。なお、説明を分かりやすくするため連結部１ｄ及び１ｅは図示を省略されている。

第１の実施形態において、図９（ａ）に示す板部１０１ａの相対移動方向（図９中のＸ方向）の寸法Ｌ_１Ｘと直交方向の寸法Ｌ_１Ｙでは、式（１）に示すように、相対移動方向（図９中のＸ方向）の寸法Ｌ_１Ｘが直交方向の寸法Ｌ_１Ｙよりも小さい。
Ｌ_１Ｘ＜Ｌ_１Ｙ （１）
すなわち、板部１ａは、振動板１と摩擦部材３が相対移動する相対移動方向の寸法Ｌ_１Ｘが、相対移動方向及び振動板１の加圧方向と直交する直交方向の寸法Ｌ_１Ｙよりも小さい。

一方、本発明の実施形態の変形例では、図９（ｂ）に示す板部１０１ａの相対移動方向の寸法Ｌ_１０１Ｘと直交方向の寸法Ｌ_１０１Ｙでは、式（２）に示すように、相対移動方向の寸法Ｌ_１０１Ｘが直交方向の寸法Ｌ_１０１Ｙ以上に大きい。
Ｌ_１０１Ｘ≧Ｌ_１０１Ｙ （２）

ここで、それぞれの構成において各モードが励振された際の振動板の突起部の先端の振幅と周波数の関係について説明する。

図１０は交流電圧の周波数ｆと突起部１ｂ１及び１ｂ２、１ｂ３の先端の楕円運動の振幅Ａの関係を示すグラフである。図１０（ａ）及び図１０（ｃ）は本発明の実施形態及び変形例それぞれにおいて振動板１が加圧されていない自由状態であるときの周波数ｆ及び振幅Ａの関係を示している。図１０（ｂ）及び図１０（ｄ）は本発明の実施形態及び変形例それぞれにおいて振動板１が摩擦部材３に対して加圧された加圧状態の周波数ｆ及び振幅Ａの関係を示している。

ここで、本発明の実施形態における周波数ｆ及び振幅Ａの関係について説明する。図１０（ａ）に示すように、振動板１が摩擦部材３に対して加圧されていない自由状態において、振動板１に生じるモード１は共振周波数ｆ_１ａでＺ方向の振幅Ａ_１ａを生じる。また、振動板１に生じるモード２は共振周波数ｆ_２ａでＸ方向の振幅Ａ_２ａを生じる。図９（ａ）に示した通り、本発明の実施形態においては直交方向の寸法Ｌ_１Ｙの方が相対移動方向の寸法Ｌ_１Ｘよりも長い。モード１及びモード２は平板の曲げによる固有振動モードであるため、各モードの方向の寸法が大きいほど共振周波数は低くなる。従って、式（３）に示すように、直交方向のモード１の共振周波数ｆ_１ａは相対移動方向のモード２の共振周波数ｆ_２ａよりも低い。
ｆ_１ａ＜ｆ_２ａ （３）

これに対し、振動板１が摩擦部材３に対して加圧されている加圧状態では、振動板１に生じる振動が抑制されるように加圧力が働くため、共振周波数は高くなり、振幅は小さくなる。図１０（ｂ）に示すように、共振周波数ｆ_１ａ及びｆ_２ａはそれぞれ共振周波数ｆ_１ａ’及びｆ_２ａ’と高くなる。また、振幅Ａ_１ａ及び振幅Ａ_２ａは加圧力に抑制されそれぞれ振幅Ａ_１ａ’及び振幅Ａ_２ａ’と小さくなる。ここで、振動板１にモード１を生じた際には前述の通り突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３はＺ方向の振幅Ａ_１ａを生じ、振動板１にモード２を生じた際には前述の通り突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３はＸ方向の振幅Ａ_２ａを生じる。振動板１を摩擦部材３に対して加圧する際の加圧力はＺ方向であるため、振動板１が加圧された際には加圧力を生じる方向と同一方向のＺ方向の振幅Ａ_１ａを生じるモード１の方がモード２に対してより加圧力の影響を大きく受ける。このため、自由状態と加圧状態とを比較した際にはモード２よりもモード１の方がより共振周波数の変化量が大きい。従って、式（４）が得られる。
ｆ_１ａ’−ｆ_１ａ＞ｆ_２ａ’−ｆ_２ａ （４）
式（３）及び（４）から自由状態の２つの固有振動モードの共振周波数の差ｆ_２ａ−ｆ_１ａに対して、式（５）に示すように、加圧状態の２つの固有振動モードの共振周波数の差ｆ_２ａ’−ｆ_１ａ’は小さくなる。
ｆ_２ａ’−ｆ_１ａ’＜ｆ_２ａ−ｆ_１ａ （５）

次に、本発明の実施形態の変形例における周波数ｆ及び振幅Ａの関係について説明する。図９（ｂ）に示した通り、本発明の実施形態においては相対移動方向の寸法Ｌ_１０１Ｘの方が直交方向の寸法Ｌ_１０１Ｙよりも長い。このため、式（６）に示すように、相対移動方向のモード２の共振周波数ｆ_２ｂが直交方向のモード１の共振周波数ｆ_１ｂよりも低い。
ｆ_１ｂ＞ｆ_２ｂ （６）

また、前述の通り、自由状態と加圧状態とを比較した際にモード２よりもモード１の方がより変化量が大きいため、式（７）が得られる。
ｆ_１ｂ’−ｆ_１ｂ＞ｆ_２ｂ’−ｆ_２ｂ （７）
式（６）及び（７）から自由状態の２つの固有振動モードの共振周波数の差ｆ_１ｂ−ｆ_２ｂに対して、加圧状態の２つの固有振動モードの共振周波数の差ｆ_１ｂ’−ｆ_２ｂ’は大きくなる。従って、式（８）が得られる。
ｆ_１ｂ’−ｆ_２ｂ’＞ｆ_１ｂ−ｆ_２ｂ （８）

ここで、本発明の実施形態において突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３に生じる楕円運動について考察する。ある駆動周波数ｆ_ｒａの交流電圧を印加した際に突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３にはモード１によるＺ方向の振幅Ａ_１ｒａ、モード２によるＸ方向の振幅Ａ_２ｒａの楕円運動が生じる。このとき、加圧状態の２つの固有振動モードの共振周波数の差ｆ_２ａ’−ｆ_１ａ’が小さいため、Ｚ方向の振幅Ａ_１ｒａとＸ方向の振幅Ａ_２ｒａの差は小さくなる。このため、突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３にはＺ方向振幅とＸ方向振幅がほぼ同等な円に近い楕円運動が生じ、安定して駆動することができる。これに対して、本発明の実施形態の変形例においては、ある駆動周波数ｆ_ｒｂの交流電圧を印加した際に加圧状態の２つの固有振動モードの共振周波数の差ｆ_１ｂ’−ｆ_２ｂ’は大きくなるため、Ｚ方向の振幅Ａ_１ｒｂとＸ方向の振幅Ａ_２ｒｂの差は大きくなる。これにより突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３には円ではなくＺ方向に長い楕円の楕円運動が生じるため、駆動が不安定になる、駆動効率が低下するなどの問題を生じる。

以上説明したように、本発明の実施形態において板部１ａの相対移動方向の寸法Ｌ_１Ｘを直交方向の寸法Ｌ_１Ｙよりも小さくする。これにより、突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３には真円に近い楕円運動が生じ、相対移動方向の寸法Ｌ_１Ｘが直交方向の寸法Ｌ_１Ｙ以上の場合と比較して安定して駆動することができる。このため、板部１ａの相対移動方向の寸法Ｌ_１Ｘを直交方向の寸法Ｌ_１Ｙよりも小さくすることが好ましい。

以下、本発明の実施形態の振動波モータを利用したリニア駆動装置２０について説明する。図１１は実施形態の振動波モータを利用したリニア駆動装置２０の概略図である。図１１（ａ）は相対移動方向であるＸ軸の（＋）方向から見た正面図、図１１（ｂ）は側面図であり、図１１（ａ）は図１（ｃ）、図１１（ｂ）は図１（ｂ）にそれぞれ対応している。

図１１において、振動波モータは振動板１及び圧電素子２を備えている。振動波モータは更に摩擦部材３を備え、摩擦部材３には突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３が加圧されて当接している。これにより、摩擦部材３は圧電素子２の高周波振動によって振動板１と相対移動する。振動板保持部材４は上部で振動板１を支持する支持部４ａを備え、支持部４ａにおいて連結部１ｄ及び１ｅを介して振動板１を支持している。また、振動板保持部材４は、下部に摩擦部材３の裏面に回転摺動するローラ５を回転自由に軸支している軸支部４ｂを備えている。このため、振動板保持部材４は振動板１と同期して移動することができる。

加圧ばね６の下端は加圧板７を介して振動板１及び圧電素子２に作用し、上端は振動板保持部材４に作用する。加圧ばね６の加圧力により摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３は摩擦部材３に加圧された状態で当接している。前述のように、図１１（ｂ）の矢印で示すような楕円運動による駆動力によって振動板保持部材４が図示Ｘ方向に推進力を得て、＋Ｘ方向に相対移動することができる。ローラ５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、同様の機能があれば、転動コロのような機構でもよい。

図１２は、加圧ばね６によって加圧力を生じる位置と突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３と摩擦部材３とが当接可能な位置を説明するための図で、振動板１の板部１ａの底面図である。点Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３はそれぞれ突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３の中心を示しており、ＸＹ平面上において上記３つの点で突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３が摩擦部材３と接触している。突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３は振動板１の加圧方向と直交するＸＹ平面上の一直線上にない３つの点Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３で摩擦部材３と当接する。加圧点Ｐは加圧ばね６によって振動板１及び圧電素子２に生じる加圧力の中心を示す点であり、点Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３を結んだ三角形の領域Ｔの内側に位置している。従って、振動板１を摩擦部材３に対して加圧する際の加圧点Ｐは、突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３が摩擦部材３に当接する点Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３を結ぶ領域Ｔよりも内側である。

以下、本発明の実施形態の振動波モータを利用したレンズ駆動装置について説明する。図１３は、本発明の実施形態の振動波モータ１０を利用したリニア駆動装置２０を搭載したレンズ駆動装置のレンズ駆動部の概略図である。図１３において、図１３（ａ）は光軸方向であるＸ軸（＋）方向から見た正面図、図１３（ｂ）は枠体の一部を破断した側面図である。図１３において、リニア駆動装置２０は、振動板保持部材４、レンズホルダ５３、振動板保持部材４とレンズホルダ５３とを連結する駆動伝達部４ｃを備えている。リニア駆動装置２０は、更に、摩擦部材３、枠体５１、レンズ５２、レンズホルダ５３を支持し光軸方向（図示Ｘ方向）に案内するガイド軸５４及び５５を備えている。図１３（ｂ）においては、リニア駆動装置２０を構成する振動板１の板部１ａと突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３、摩擦部材３以外の構成要素が説明の便宜上図示を省略されている。

振動板１は枠体５１に固定された摩擦部材３に沿って移動し、これと同期して振動板保持部材４が移動する。レンズホルダ５３は駆動伝達部位４ｃによって振動板保持部材４と連結された被駆動体であり、振動板保持部材４と同期して移動する。図示されていないマイコンからの移動命令に従い、振動板保持部材４が図示Ｘ方向に所定の距離を移動することにより、図１３（ｂ）に示すように、レンズホルダ５３を５３から５３’までの範囲で移動させることができる。このように、本発明の実施形態の振動波モータ１０を用いることでレンズ５２を光軸方向に移動することが可能である。

以下、従来の振動波モータについて説明する。図１４は従来の振動波モータ２１０の構成を説明するための概略図で、図１４（ａ）は正面図、図１４（ｂ）は側面図、図１４（ｃ）は底面図であり、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）にそれぞれ対応している。従来例では、振動板２０１の板部２０１ａ上に２つの突起部２０１ｂ１及び２０１ｂ２が設けられている。

圧電素子２０２に交流電圧を印加することで板部２０１ａに直交方向の曲げ振動の１次の固有振動モードと相対移動方向の曲げ振動の２次の固有振動モードを励振し、２つの突起部２０１ｂ１、及び２０１ｂ２の先端に楕円運動を生じる。図１５は従来の振動波モータ２１０を利用したリニア駆動装置２２０の概略図であり、図１５（ａ）は図１１（ａ）、図１５（ｂ）は図１１（ｂ）にそれぞれ対応している。図１５（ｃ）は図１５（ａ）の状態から振動板２０１、圧電素子２０２、加圧板２０５が傾いた状態を示す。加圧ばね２０６の加圧力により摺動部２０１ｃ１及び２０１ｃ２は摩擦部材２０３に加圧された状態で接触している。前述のように、図１５に矢印で示す楕円運動による駆動力によって振動板保持部材２０４が図示Ｘ方向に推進力を得て、＋Ｘ方向に相対移動することができる。

従来の振動波モータ２１０では、圧電素子２０２に交流電圧を印加した際に２つの突起部２０１ｂ１及び２０１ｂ２に同じ位相の楕円運動が生じている。このため、摺動部２０１ｃ１及び２０１ｃ２は、同時に摩擦部材２０３と接触、離間を繰り返し、摺動部２０１ｃ１及び２０１ｃ２と摩擦部材２０３との摩擦により駆動力が発生する。従って、摺動部２０１ｃ１及び２０１ｃ２が摩擦部材２０３と離間している間には駆動力が生じないため、外力の影響を直接受けるため推進力が低下する。

これに対して、本発明の実施形態である振動波モータ１０では突起部１ｂ１及び１ｂ２と、突起部１ｂ３とが１８０度位相がずれた楕円運動を生じる。摩擦部材３との接触、離間に関しても摺動部１ｃ１及び１ｃ２と、摺動部１ｃ３とで１８０度位相がずれて発生し、摺動部１ｃ１及び１ｃ２と、摺動部１ｃ３とが交互に摩擦部材３に接触する。このため、全ての摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３が摩擦部材３と離間している時間が短くなるため、外力の影響を受けにくく従来例と比較して推進力が高くなる。

また、従来の振動波モータ２１０では、２つの突起部２０１ｂ１及び２０１ｂ２が相対移動方向に並んで設けられている。振動板２０１の加圧方向に直交する面において摩擦部材２０３に当接する点が２点ある。このため、部品の寸法公差や組立公差、もしくは外力が発生した際には２つの摺動部２０１ｃ１及び２０１ｃ２と摩擦部材２０３が当接する２点を結ぶ直線を中心軸としたＸ方向回りに振動板２０１が摩擦部材２０３に対して傾きを生じる。

振動板２０１が傾いて摩擦部材２０３に当接している状態で駆動を行うと、摺動部２０１ｃ１及び２０１ｃ２の摩擦接触がＸ−Ｚ面において対称でなく、傾いた方向に偏って生じる。この結果、所望の位置、すなわち摺動部２０１ｃ１及び２０１ｃ２の中心とはずれた箇所で摩擦部材２０３に当接するため、駆動効率が低下する。

また、振動板２０１が傾いた状態においては加圧ばね２０６によって生じる加圧力が突起部２０１ｂ１及び２０１ｂ２を結ぶ直線上からずれる。これにより、振動板２０１、圧電素子２０２に与えられる加圧ばね２０６の加圧力にムラが生じるため駆動効率が低下する。

このように、従来の振動波モータ２１０では振動板２０１に傾きが生じて振動板２０１の摺動部２０１ｃ１及び２０１ｃ２が摩擦部材２０３に安定して当接しないため駆動効率が低下するという問題が生じる。

これに対して、本発明の実施形態及びその変形例の振動波モータ１０では突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３が点Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３で摩擦部材３に当接している。すなわち、振動板１の加圧方向に直交する面において一直線上にない３つの点Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３で安定して摩擦部材３に当接しているため、部品の寸法公差や組立公差、もしくは外力が発生した際にも振動板１のＸ方向回り及びＹ方向回りの傾きが生じない。

このように、本発明の実施形態及びその変形例の振動波モータ１０においては振動板１が摩擦部材３に対して傾きを生じないため、振動板１の摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３が摩擦部材３に安定して当接することができる。これにより、摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３はＸ−Ｚ面において対称に摩擦接触するため、所望の位置、すなわち摺動部１ｃ１、１ｃ２及び１ｃ３の中心で摩擦部材３に当接するため駆動効率を向上させることができる。また、突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３が３つの点Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３で摩擦部材３に当接しており、加圧ばね６による加圧力にムラが生じないため駆動効率が向上する。

以上説明した通り、本発明の振動波モータ１０は、振動板１の突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３が３つの点Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３で摩擦部材３に当接し、３点を結ぶ三角形の領域の内側を加圧しているため、振動板１が摩擦部材３に対して傾きを生じない。この結果、突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３を安定して摩擦部材３に当接させることにより駆動の安定化を達成することができる。

なお、前述した実施形態では加圧板７が圧電素子２と直接接触して加圧する例を示したが、加圧板７と圧電素子２との間に緩衝材を挟んでもよい。加圧板７と圧電素子２との間に緩衝材を挟むことで、加圧板７は圧電素子２に生じる高周波振動を減衰させることなく圧電素子２を加圧することができる。

また、上記実施形態では１つの圧縮ばねである加圧ばね６により振動板１を摩擦部材３に対して加圧する構成について説明したが、加圧ばね６は複数のばねであってもよく、引張ばねであってもよい。加圧ばね６が複数のばねである場合は、複数のばねの加圧力を重ね合わせた加圧力の位置が突起部１ｂ１、１ｂ２及び１ｂ３が摩擦部材３に当接する点Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_３を結ぶ領域Ｔよりも内側となるように構成する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前述の実施形態及びその変形例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、振動波モータは、振動板が超音波振動する超音波モータであっても良い。

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に利用可能である。

１ 振動板
１ａ 板部
１ｂ１、１ｂ２、１ｂ３ 突起部
１ｃ１、１ｃ２、１ｃ３ 摺動部
１ｄ、１ｅ 連結部
２ 圧電素子
３ 摩擦部材
４ 振動板保持部材
５ ローラ
６ 加圧ばね
７ 加圧板
５１ 枠体
５２ レンズ
５３ レンズホルダ
５４、５５ ガイド軸
１０ 振動波モータ
２０ リニア駆動装置
Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３ 点
Ｔ 領域

Claims (8)

1. 板部と、前記板部の上に設けられた少なくとも３つの突起部とを有する振動板と、
   前記振動板に固定され、高周波振動する圧電素子と、
   前記突起部が加圧され当接可能であり、前記振動板と相対移動する摩擦部材と、
   を有し、
   前記突起部は前記振動板の加圧方向と直交する面において一直線上にない複数の点で前記摩擦部材と当接する
   ことを特徴とする振動波モータ。
2. 前記板部は、前記振動板と前記摩擦部材が相対移動する相対移動方向の寸法が、前記相対移動方向及び前記振動板の加圧方向と直交する直交方向の寸法よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
3. 前記振動板には圧電素子の高周波振動により、前記直交方向の曲げ振動の２次の固有振動モード及び前記相対移動方向の曲げ振動の２次の固有振動モードが励振されることを特徴とする請求項２に記載の振動波モータ。
4. 前記突起部は、前記相対移動方向の曲げ振動の２次モードの節近傍かつ前記直交方向の曲げ振動の２次モードの腹近傍に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の振動波モータ。
5. 一部の前記突起部の楕円運動の位相は、他の前記突起部の楕円運動の位相と１８０度ず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。
6. 前記振動板を前記摩擦部材に対して加圧する際の加圧力の位置は、前記突起部が前記摩擦部材に当接する複数の点を結ぶ領域よりも内側であることを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
7. 前記圧電素子は前記相対移動方向と前記直交方向それぞれにおいて２つ以上に分割された領域に分かれ、前記領域のうち対角に位置する領域がそれぞれ逆方向に分極されていることを特徴とする請求項２に記載の振動波モータ。
8. 前記振動波モータは、前記振動板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。

Images