JP2017070115A - 振動型アクチュエータ、振動型アクチュエータの駆動方法、レンズ鏡筒、撮像装置及びステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動型アクチュエータの駆動時に、不要振動の発生を抑制する。【解決手段】振動型アクチュエータ１０は、圧電素子２ａと弾性体２ｂとが接合されてなる振動体２と、振動体２と加圧接触する被駆動体３とを有し、振動体２に励起した振動により振動体２と被駆動体３とを相対的に移動させる。圧電素子２ａに印加する駆動電圧の駆動周波数領域の範囲内において、駆動周波数領域の上限周波数ｆｓよりも高く且つ上限周波数ｆｓに最も近い振動体２の固有振動モードの共振周波数ｆｃと駆動周波数ｆｄとの差を、振動体２と被駆動体３との相対的な移動に用いられる振動体２の固有振動モードの共振周波数ｆａ，ｆｂと駆動周波数ｆｄとの差よりも大きくする。【選択図】図７

Description

本発明は、振動型アクチュエータ、振動型アクチュエータの駆動方法、振動型アクチュエータを備えるレンズ鏡筒、撮像装置及びステージ装置に関する。

振動体と被駆動体とを加圧接触させ、振動体に励起した振動により振動体と被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータが知られている（特許文献１参照）。

図１５は、周知の振動型アクチュエータ１００の概略構成を示す斜視図である。振動型アクチュエータ１００は、振動体１０２と被駆動体１０３とを有する。振動体１０２は、弾性体１０２ｂと、弾性体１０２ｂの一方の面に設けられた２つの突起部１０２ｃと、弾性体１０２ｂにおいて突起部１０２ｃが設けられている面の反対側の面に接合された圧電素子１０２ａとを有する。

２つの突起部１０２ｃは、図示Ｘ方向に所定の間隔で配置されており、その先端面（上面）は被駆動体１０３と加圧接触している。弾性体１０２ｂと２つの突起部１０２ｃは、例えば、ステンレス等の金属材料からなる。圧電素子１０２ａは、例えば、接着剤により弾性体１０２ｂに接着されている。圧電素子１０２ａには、不図示の駆動回路から位相差を有する２相の交流電圧が印加され、これにより、振動体１０２に２つの曲げ振動モードの振動が励起される。そして、励起された２つの曲げ振動モードの振動が組み合わされることにより、突起部１０２ｃの先端にＺＸ面内での楕円運動を生じさせる。このとき、２つの突起部１０２ｃの先端は被駆動体１０３と加圧接触しているため、被駆動体１０３は２つの突起部１０２ｃの楕円運動による摩擦駆動力を受ける。これにより、振動体１０２と被駆動体１０３とを、図中Ｘ方向に相対的に移動させることができる。

複数の振動体１０２を用いて、被駆動体を回転駆動させる振動型アクチュエータを構成することも可能である。例えば、３つの振動体１０２を、同一円周上に等間隔に、且つ、それぞれの振動体１０２の２つの突起部１０２ｃを結ぶ線がその円周の接線と一致するように配置する。これにより、２つの振動体１０２と加圧接触する円板状或いは環状等の被駆動体を回転させることができる（特許文献２参照）。

特開２００４−３２０８４６号公報 特開２０１２−５３０９号公報

しかし、振動体１０２を用いた振動型アクチュエータでは、駆動に用いる振動モードの共振周波数よりも高い周波数から共振周波数に近付けるように交流電圧の周波数を掃引すると、低速度で駆動する高周波数領域で「鳴き」と呼ばれる異音が発生することがある。具体的には、駆動周波数領域の高周波数側を掃引しているときに、２つの突起部１０２ｃと被駆動体１０３との間の摩擦力によって、駆動に用いる振動とは異なる不要な振動が自励振動として発生する。この不要振動が発生すると、不要振動の周波数と駆動周波数との周波数差が可聴域の周波数となり、異音発生の原因となる。そして、駆動周波数を更に低周波数側に掃引したときに、駆動に用いる振動モードの共振周波数と駆動周波数との周波数差と、発生している不要振動の周波数と駆動周波数との周波数差とが略一致すると、異音が大きくなり、駆動も不安定になる。

本発明は、駆動時における不要振動の発生を抑制することができる振動型アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係る振動型アクチュエータは、電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、前記振動体と加圧接触する被駆動体とを有し、所定の駆動周波数領域の範囲内の周波数を有する駆動電圧を前記電気−機械エネルギ変換素子に印加することによって前記振動体に励起させた振動により前記振動体と前記被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータであって、前記駆動周波数領域の範囲内において、前記駆動周波数領域の上限周波数よりも高く且つ該上限周波数に最も近い前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差が、前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動に用いられる前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、振動型アクチュエータの駆動時における不要振動の発生を抑制することができる。これにより、異音の発生を抑制すると共に、安定した駆動が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る振動型アクチュエータの概略構成を示す斜視図である。 図１に示す振動型アクチュエータを構成する駆動部の概略構成を、一部を分解して示す斜視図である。 図１に示す振動型アクチュエータを構成する振動体に励起させる第１の振動モードと第２の振動モードを説明する斜視図である。 図２に示す駆動部を構成する１つの振動体を単体の状態、且つ、無加圧状態として駆動電圧を周波数掃引したときの周波数−アドミッタンス特性を示す図である。 図２に示す駆動部を構成する１つの振動体に生じる第３の振動モードでの変形の態様を模式的に示す斜視図である。 図２に示す駆動部を構成する１つの振動体を加圧した状態で駆動電圧を周波数掃引したときの周波数−アドミッタンス特性を図４と比較して示す図である。 図１に示す振動型アクチュエータにおいて振動体と被駆動体とを９００ｇｆで加圧接触させた場合の、振動型アクチュエータの駆動周波数と振動体の３つの振動モードの各共振周波数との関係を示す図である。 図１に示す振動型アクチュエータにおいて振動体と被駆動体との間の加圧力を６００ｇｆ、１２００ｇｆとした場合の、振動体の３つの振動モードの各共振周波数と駆動周波数との差の変化を示す図である。 図１に示す振動型アクチュエータを駆動する駆動電圧の電圧値を変えた場合の、振動体の３つの振動モードの各共振周波数と駆動周波数との差の変化を示す図である。 図２に示す駆動部を構成する１つの振動体を加圧した状態で駆動電圧を周波数掃引したときの周波数−アドミッタンス特性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る振動型アクチュエータを構成する振動体の概略構成を示す斜視図である。 図１１の１つの振動体を無加圧状態として、圧電素子に印加する駆動電圧を周波数掃引したときの周波数−アドミッタンス特性を示す図である。 図１に示す振動型アクチュエータを用いた撮像装置の概略構成を示す上面図と、ブロック図である。 図１に示す振動型アクチュエータを用いた顕微鏡の外観斜視図である。 周知の振動型アクチュエータの概略構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る振動型アクチュエータ１０の概略構成を示す斜視図である。振動型アクチュエータ１０は、円環状の駆動部１と、円環状の被駆動体３とを有する。駆動部１の中心軸と被駆動体３の中心軸とは、略一致している。駆動部１は、同一構造を有する３つの振動体ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３と、振動体ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３を保持する円環状の基台７とを有する。振動体ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、基台７の円周を略３等分する位置に配置されている。

なお、駆動部１を構成する振動体ユニットの数は、３つに限定されるものではなく、必要な出力特性に応じて選択すればよく、１つ又は２つであってもよいし、４つ以上であってもよい。１つ又は２つの振動体ユニットを用いて振動型アクチュエータを構成する場合には、被駆動体３を安定して保持するためのベアリング等を基台７に設けることが望ましい。

図２は、駆動部１の構成を示す斜視図であり、振動体ユニットＳ１を分解して示している。３つの振動体ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、同一構造を有するため、ここでは、振動体ユニットＳ１について説明する。振動体ユニットＳ１は、振動体２と、支持部材４と、フェルト５と、イコライズプレート６とを有する。振動体２は、弾性体２ｂと、弾性体２ｂの一方の面に設けられた２つの突起部２ｃと、弾性体２ｂにおいて突起部２ｃが設けられている面の反対側の面に設けられた圧電素子２ａとを有する。なお、突起部２ｃは、少なくとも１つあれば、被駆動体３の駆動は可能である。

略矩形で平板状の形状を有する弾性体２ｂは、例えば、マルテンサイト系のステンレス等の金属材料からなり、耐久性を高めるための硬化処理として焼入処理が施されている。突起部２ｃは、バネ性を有する厚さで形成されており、例えば、弾性体２ｂを構成する板材のプレス加工等によって、弾性体２ｂと一体的に形成されている。但し、これに限定されず、突起部２ｃは、溶接等によって弾性体２ｂに固定されていてもよい。突起部２ｃの先端面（上面）は、被駆動体３と摩擦摺動するため、耐摩耗性を高めるために焼入処理等の硬化処理が施されている。被駆動体３は、ステンレス等の金属材料からなり、突起部２ｃとの摩擦摺動面には、耐摩耗性を高めるために窒化処理等の硬化処理が施されている。

電気量を機械量に変換する電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子２ａは、接着剤によって弾性体２ｂに接着されている。圧電素子２ａは、板状の圧電セラミックスの両面に所定の形状の電極が形成された構造を有する。圧電素子２ａの電極に所定の周波数の駆動電圧（交流電圧）を印加して、振動体２に後述する第１の振動モードと第２の振動モードの振動を励起し、２つの突起部２ｃを結ぶ方向と突起部２ｃの突出方向とを含む面内での楕円運動を突起部２ｃに生じさせる。これにより、突起部２ｃは被駆動体３を摩擦駆動し、被駆動体３の中心軸を回転中心として、被駆動体３と駆動部１とを相対的に回転させることができる。

なお、振動体ユニットＳ１は、２つの突起部２ｃを結ぶ線が、被駆動体３の中心軸を中心とする円周の接線となるように基台７に取り付けられており、振動体ユニットＳ２，Ｓ３も、これと同様に基台７に取り付けられている。

支持部材４は、円弧状の弾性部材であり、振動体２を基台７に連結する。支持部材４の長さ方向の一端は振動体２（弾性体２ｂ）の一部に溶接等で接合され、長さ方向の他端近傍に設けられた穴部４ａにて、固定ねじ９によって基台７に締結されている。振動体２は、基台７に設けられた凹部７ａにフェルト５を介して支持されており、フェルト５と基台７の凹部７ａの間にイコライズプレート６が配置されている。支持部材４、フェルト５及びイコライズプレート６は、振動体２と被駆動体３とを加圧接触させる加圧手段として機能する。振動体２が凹部７ａに収容された状態で、突起部２ｃは被駆動体３と加圧接触する。

イコライズプレート６の下面（基台７側の面）の長手方向中央部には、基台７の凹部７ａに対してピッチング方向に回転自在となるように半円柱状の凸部６ａが設けられている。振動体２は、基台７に対してピッチング方向に回転自在に動いて被駆動体３の接触面にならうことができるため、被駆動体３と突起部２ｃとの接触状態を安定させることができ、これにより、被駆動体３に対して安定して駆動力を与えることができる。

図３は、振動型アクチュエータ１０を駆動する（駆動部１と被駆動体３とを相対移動させる）ために振動体に励起させる固有振動モードを説明する図である。図３（ａ）は、振動型アクチュエータ１０を駆動するために振動体２に励起させる第１の振動モードを説明する斜視図である。図３（ｂ）は、振動型アクチュエータ１０を駆動するために振動体２に励起させる第２の振動モードを説明する斜視図である。なお、図３（ａ），（ｂ）は、変形形状の理解を容易にするために、振動体２の形状に比べて変位量が拡大されて表されている。第１の振動モード及び第２の振動モードを説明するために、図中に示すＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を定める。Ｘ方向は、２つの突起部２ｃを結ぶ方向である。Ｚ方向は、突起部２ｃの突出方向である。Ｙ方向は、Ｘ方向及びＺ方向と直交する方向である。なお、図３（ａ），（ｂ）に示す圧電素子２ａのＺ方向の厚さｔについては、後述する。

第１の振動モードは、Ｘ方向において２次の屈曲振動を生じるモードであり、Ｙ方向と平行な３本の節を有する。突起部２ｃは、第１の振動モードの振動によりＸ方向で往復運動を行う。このとき、突起部２ｃを第１の振動モードの振動で節となる位置の近傍に配置することにより、突起部２ｃをＸ方向で最も大きく変位させることができる。

第２の振動モードは、Ｙ方向において１次の屈曲振動を生じるモードであり、Ｘ方向と平行な２本の節を有する。突起部２ｃは、第２の振動モードの振動によりＺ方向で往復運動を行う。このとき、突起部２ｃが第２の振動モードで腹となる位置の近傍に配置することにより、突起部２ｃをＺ方向で最も大きく変位させることができる。

よって、第１の振動モードと第２の振動モードとを組み合わせることにより、突起部２ｃの先端面に、略ＺＸ面内で楕円運動を発生させることができ、これにより、略Ｘ方向に被駆動体３を摩擦駆動する駆動力が発生する。このとき、２つの突起部２ｃがそれぞれ、第１の振動モードの節の位置、且つ、第２の振動モードの腹の位置に配置されることにより、突起部２ｃの振動変位を最も大きくすることができ、これにより、高い出力を得ることができる。振動型アクチュエータ１０では、振動体ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３はそれぞれ、駆動力が被駆動体３に作用する方向が同一円周の接線方向となるため、駆動部１と被駆動体３とを相対的に回転させることができる。

図４は、１つの振動体２を被駆動体３に加圧接触させない単体の状態（以下、適宜、「無加圧状態」という）として、圧電素子２ａに印加する駆動電圧を周波数掃引したときの周波数−アドミッタンス特性を示す図である。無加圧状態での振動体２のアドミッタンス特性には、周波数ｆａ，ｆｂ，ｆｃの３カ所にピークがある。周波数ｆａは、第１の振動モードの共振周波数、周波数ｆｂは第２の振動モードの共振周波数であり、周波数ｆｃは、図５に示す振動モード（以下「第３の振動モード」という）の共振周波数である。

図５は、周波数ｆｃを共振周波数とする第３の振動モードでの振動体２の変形の態様を模式的に示す斜視図である。第３の振動モードは、振動体２に電圧を印加することによって励起可能な固有振動モードの１つであり、第３の振動モードの振動は、振動体２のＹ方向における１次の屈曲振動であり、且つ、Ｘ方向で位相が反転する振動である。

第３の振動モードは、振動型アクチュエータ１０の駆動に必要のない不要振動の１つである。第３の振動モードは、振動型アクチュエータ１０の駆動周波数領域の上限周波数ｆｓよりも高い周波数領域にある振動体２の駆動中の固有振動モードの中で、上限周波数ｆｓに最も近い共振周波数を有する。また、第３の振動モードは、振動型アクチュエータ１０の駆動に用いる２つの振動モードよりも高い周波数領域にある振動体２の固有振動モードの中で、駆動に用いる２つの振動モードの共振周波数に最も近い共振周波数を有する固有振動モードである。

図４に示すように、圧電素子２ａに対する駆動電圧の印加時において、第３の振動モードは、第１の振動モードよりもアドミッタンスが大きく、振動の鋭さを示すＱ値も第１の振動モードよりも大きい。共振周波数は、第２の振動モード、第１の振動モード、第３の振動モードの順に高くなっている。

図６は、振動体２に被駆動体３を加圧力Ｐ１で加圧接触させた状態（以下、適宜、「加圧状態」という）で駆動電圧を周波数掃引したときの周波数−アドミッタンス特性を、図４の周波数−アドミッタンス特性と比較して示す図である。なお、加圧力Ｐ１の大きさは、９００［ｇｆ］としている。

加圧状態でのアドミッタンス特性には、図６に破線で示すように、周波数ｆａ１，ｆｂ１，ｆｃ１の３カ所にピークが現れている。周波数ｆａ１は第１の振動モードの、周波数ｆｂ１は第２の振動モードの、周波数ｆｃ１は第３の振動モードのそれぞれの共振周波数である。振動体２に被駆動体３を加圧接触させると、第１の振動モード、第２の振動モード及び第３の振動モードのそれぞれの共振周波数は高くなっており、そのシフト量は３つの各振動モードによって異なり、第１の振動モードで最も大きくなっている。これは、突起部２ｃの動きが被駆動体３との加圧接触によって拘束されており、突起部２ｃの拘束の影響が３つの各振動モードで異なるためである。また、加圧状態では、３つの各振動モードで、無加圧状態と比較して、アドミッタンスは小さくなり、Ｑ値も低くなっている。ここで、加圧状態でも、第３の振動モードは、第１の振動モードよりもアドミッタンスが大きく、振動の鋭さを示すＱ値も第１の振動モードよりも大きくなっている。

図７（ａ）は、加圧力Ｐ１を９００［ｇｆ］としたときの、振動型アクチュエータ１０を駆動する駆動電圧の周波数（以下「駆動周波数」という）ｆｄと振動体２の３つの振動モード（第１、第２及び第３の振動モード）の各共振周波数との関係を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の関係を、振動体２の３つの振動モードの各共振周波数と駆動周波数ｆｄとの差の変化で表した図である。なお、振動型アクチュエータ１０は、駆動周波数ｆｄ、電圧値Ｖ１が１２０［Ｖｐｐ］の駆動電圧（交流電圧）で駆動されており、駆動周波数ｆｄは、下限周波数ｆｅと上限周波数ｆｓとで規定される駆動周波数領域の範囲内の値を取る。

図７（ａ）に示すように、駆動周波数ｆｄを上限周波数ｆｓから下限周波数ｆｅへ向けて掃引すると、第１の振動モード、第２の振動モード及び第３の振動モードの各共振周波数は低くなっていく。これは、振動型アクチュエータ１０に励起される振動（変位）が大きくなるにしたがって、被駆動体３と加圧接触している突起部２ｃの拘束の影響が小さくなり、振動体２が無加圧状態に近付いているためである。

振動型アクチュエータ１０を駆動したとき、第１の振動モードの共振周波数が第２の振動モードの共振周波数に近付き、ほぼ等しい共振周波数となっている。そのため、第３の振動モードの共振周波数と駆動周波数ｆｄとの周波数差ｆ３は、常に、第１の振動モードの共振周波数と駆動周波数ｆｄとの周波数差ｆ１及び第２の振動モードの共振周波数と駆動周波数ｆｄとの周波数差ｆ２よりも大きくなっている。このように、駆動周波数領域の全範囲において周波数差ｆ１，ｆ２を周波数差ｆ３と略一致させずに振動型アクチュエータ１０を駆動することで、不要振動である第３の振動モードの振動の発生を抑制することができる。したがって、鳴きと呼ばれる異音の発生を抑制して、振動型アクチュエータ１０を安定して駆動することが可能となる。

次に、振動体２と被駆動体３とを加圧接触させる加圧力Ｐ１の大きさの鳴きに対する効果について説明する。図８（ａ）は、加圧力Ｐ１を６００［ｇｆ］としたときの、振動型アクチュエータ１０の駆動周波数ｆｄと振動体２の３つの振動モード（第１、第２及び第３の振動モード）の各共振周波数との差の変化を示す図である。図８（ｂ）は、加圧力Ｐ１を１２００［ｇｆ］としたときの、振動型アクチュエータ１０の駆動周波数ｆｄと振動体２の３つの振動モードの各共振周波数との差の変化を示す図である。なお、図７を参照して説明した加圧力Ｐ１を９００［ｇｆ］としたときとの比較のため、振動型アクチュエータ１０の駆動電圧の電圧値Ｖ１は１２０［Ｖｐｐ］とされている。

図８（ａ）に示すように、加圧力Ｐ１を６００［ｇｆ］とした場合、周波数差ｆ１，ｆ２と周波数差ｆ３とを比較すると、駆動周波数が高い上限周波数ｆｓ付近の周波数において、周波数差ｆ３が周波数差ｆ１，ｆ２よりも小さくなっている。そのため、図８（ａ）に破線で示した領域Ｌにおいて、振動型アクチュエータ１０の駆動時に、自励振動として第３の振動モードの振動が励起される。よって、駆動周波数ｆｄと第３の振動モードの共振周波数との周波数差ｆ３の振動が可聴域の振動として発生し、鳴きと呼ばれる異音が発生する。これは、駆動周波数ｆｄを掃引して下げることで振動体２の振動振幅が大きくなったときに、第３の振動モードの共振周波数と駆動周波数ｆｄとが近いと、第３の振動モードの振動が発生しやすくなるためである。特に、周波数差ｆ１と周波数差ｆ３とが略一致した場合と、周波数差ｆ２と周波数差ｆ３とが略一致した場合のそれぞれで、第１の振動モードと第２の振動モードの各振動も、大きな振動振幅をもった自励振動として励起される。そのため、大きな鳴きが生じてしまい、振動型アクチュエータ１０の駆動が不安定になる。

これに対して、図８（ｂ）に示すように加圧力Ｐ１を１２００［ｇｆ］とした場合、周波数差ｆ１，ｆ２と周波数差ｆ３とを比べると、周波数差ｆ３が常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくなっている。このように、駆動周波数領域の全領域において、周波数差ｆ１，ｆ２と周波数差ｆ３とが略一致することがない条件では、鳴きの発生を抑制して、振動型アクチュエータ１０を安定して駆動することが可能になる。

加圧力Ｐ１を増加させていくと、振動型アクチュエータ１０の駆動中における振動体２の３つの振動モードの各共振周波数は高くなる。そして、振動型アクチュエータ１０の駆動に用いる第１の振動モード及び第２の振動モードの各共振周波数は駆動周波数ｆｄに近付き、反対に、第３の振動モードの共振周波数は駆動周波数ｆｄから離れる。したがって、駆動周波数領域の全領域において、周波数差ｆ３が常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくなるように加圧力Ｐ１の大きさを設定することにより、鳴きの発生を抑制して、振動型アクチュエータ１０を安定して駆動することが可能となる。

次に、振動型アクチュエータ１０の駆動電圧の電圧値Ｖ１が鳴きに対して与える影響について説明する。図９は、駆動電圧の電圧値Ｖ１を１８０［Ｖｐｐ］とした場合の、振動体２の３つの振動モード（第１、第２及び第３の振動モード）の各共振周波数と駆動周波数ｆｄとの差の変化を示す図である。なお、図９に示す結果は、加圧力Ｐ１で振動体２に被駆動体３を加圧接触させた条件でのものである。

電圧値Ｖ１を１８０［Ｖｐｐ］とした場合、周波数差ｆ１，ｆ２と周波数差ｆ３とを比較すると、駆動周波数ｆｄが高い上限周波数ｆｓ付近の周波数において、周波数差ｆ３が周波数差ｆ１，ｆ２よりも小さくなっている。そのため、図９に破線で示した領域Ｌにおいて、振動型アクチュエータ１０の駆動時に、自励振動として第３の振動モードの振動が励起される。これにより、周波数差ｆ３の振動が可聴域の振動として発生し、鳴きと呼ばれる異音が発生する。

また、周波数差ｆ１，ｆ２と周波数差ｆ３とが近付くと、非線形振動の引き込み現象のように、周波数差ｆ１，ｆ２と周波数差ｆ３が不連続に変化して略一致し、鳴きが維持されることによって振動型アクチュエータ１０の駆動が不安定になるおそれがある。これは、次のような理由による。即ち、駆動電圧の駆動周波数ｆｄを変化させずに電圧値Ｖ１を大きくしていくと、振動体２に発生する振動の振幅は大きくなる。これに伴い、被駆動体３の加圧接触による突起部２ｃの拘束の影響が小さくなり、第１の振動モード、第２の振動モード及び第３の振動モードの全てで、駆動中の共振周波数は低下する。すると、第１の振動モード及び第２の振動モードの各共振周波数は駆動周波数ｆｄから離れるが、反対に、第３の振動モードの共振周波数が駆動周波数ｆｄへ近付く。したがって、電圧値Ｖ１を所定値以上にすると、周波数差ｆ３が周波数差ｆ１，ｆ２よりも小さくなって、鳴きが発生する。

本実施形態では、駆動周波数領域の全領域（下限周波数ｆｅ〜上限周波数ｆｓ）において、周波数差ｆ３が常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくなるように、駆動電圧の電圧値Ｖ１を設定する。これにより、鳴きの発生を抑制し、振動型アクチュエータ１０を安定して駆動することができる。

なお、上記説明では、振動体２に対して９００［ｇｆ］の加圧力Ｐ１で被駆動体３を加圧接触させ、振動型アクチュエータ１０の駆動電圧の電圧値Ｖ１を１２０［Ｖｐｐ］とした。しかし、これに振動型アクチュエータ１０の構成条件及び駆動条件はこれに限定されるものではない。例えば、駆動周波数領域において周波数差ｆ３が常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくなるように、加圧力Ｐ１と電圧値Ｖ１とを組み合わせることにより、鳴きの発生を抑制することができる。具体的には、振動型アクチュエータ１０の耐久性能が高い場合には、加圧力Ｐ１を９００［ｇｆ］よりも大きくすると共に、電圧値Ｖ１を１２０［Ｖｐｐ］よりも大きくする。これにより、電圧値Ｖ１の増加による各振動モードの共振周波数の低下を加圧力Ｐ１の増加によって相殺し、周波数差ｆ１，ｆ２を周波数差ｆ３と略一致させることなく、振動型アクチュエータ１０を駆動することができる。また、加圧力Ｐ１と電圧値Ｖ１を増加させた場合には、振動型アクチュエータ１０の出力を増加させることができる利点がある。

次に、振動体２を構成する圧電素子２ａの厚さｔ（図３（ａ），（ｂ）参照）の鳴きに対する効果について説明する。図１０は、１つの振動体２を無加圧状態として、圧電素子２ａに印加する駆動電圧を周波数掃引したときの周波数−アドミッタンス特性を示す図である。図１０において、実線は厚さｔがｔ１の圧電素子１２ａを備える振動体の特性であり、破線は厚さｔがｔ２の圧電素子１２ａを備える振動体の特性であり、ここで、ｔ１＜ｔ２の関係となっている。

厚さｔ１の圧電素子１２ａを有する振動体２のアドミッタンス特性には、実線で示すように３カ所のピークが現れており、周波数ｆａは第１の振動モードの、周波数ｆｂは第２の振動モードの、周波数ｆｃは第３の振動モードの各共振周波数である。同様に、厚さｔ２の圧電素子１２ａを有する振動体２のアドミッタンス特性には、破線で示すように３カ所のピークが現れており、周波数ｆａ２は第１の振動モードの、周波数ｆｂ２は第２の振動モードの、周波数ｆｃ２は第３の振動モードの各共振周波数である。これら３つの振動モードの各共振周波数は、圧電素子２ａの厚さｔが増加すると高くなり、その変化量は第３の振動モードが最も大きくなっている。これは、３つの振動モードの変形形状毎に、圧電素子１２ａの厚さｔの増加による影響が異なるためである。

圧電素子２ａの厚さｔを増加させることによって、第１の振動モード及び第２の振動モードの共振周波数と第３の振動モードの共振周波数との周波数差は、圧電素子２ａの厚さｔが厚さｔ１の場合よりも厚さｔ２の場合で大きくなる。したがって、圧電素子２ａの厚さｔを増加させると、第１の振動モード及び第２の振動モードの各共振周波数は振動型アクチュエータ１０の駆動周波数ｆｄに近付き、反対に、第３の振動モードの共振周波数は駆動周波数ｆｄから離れる。つまり、振動体２と被駆動体３とを加圧接触させ、駆動周波数領域の範囲内のどの周波数で振動型アクチュエータ１０を駆動しても、周波数差ｆ３は、周波数差ｆ１，ｆ２よりも常に大きくなりやすくなる。よって、不要振動である第３の振動モードの発生を抑制することができるため、鳴きを生じさせずに安定して振動型アクチュエータ１０を駆動することが可能になる。

なお、圧電素子２ａの厚さｔに起因して周波数差ｆ３が周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくなっている場合、加圧力Ｐ１をある程度下げても、周波数差ｆ３を常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくすることができる。そのため、突起部２ｃと被駆動体３との摺動面での摩擦摩耗を抑制して、耐久性能を向上させることができる。また、圧電素子２ａの厚さｔに起因して周波数差ｆ３が周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくなっている場合、電圧値Ｖ１を高くして振動振幅を大きくした場合でも、周波数差ｆ３を常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくすることができる。これにより、振動型アクチュエータ１０の出力を向上させることができる。

以上の説明の通り、本実施形態では、振動型アクチュエータ１０の駆動周波数領域において周波数差ｆ３が常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくなるように、電圧値Ｖ１、加圧力Ｐ１及び圧電素子２ａの厚さｔの少なくとも１つの値が設定される。これにより、不要振動である第３の振動モードの発生を抑制して、鳴きの発生を抑制することができるため、安定した駆動が可能となる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、第１実施形態で説明した振動体２を構成する弾性体２ｂの構造を変えた点で、第１実施形態と相違する。よって、以下、この相違点について説明することとし、第１実施形態と重複する説明を省略する。

図１１は、本発明の第２実施形態に係る振動型アクチュエータを構成する振動体２２の概略構成を示す斜視図である。振動体２２は、弾性体２２ｂと、弾性体２２ｂの一方の面に設けられた２つの突起部２２ｃと、弾性体２２ｂにおいて突起部２２ｃが設けられている面の反対側の面に設けられた圧電素子２２ａとを有する。突起部２２ｃ及び圧電素子２２ａは、第１実施形態で説明した突起部２ｃ及び圧電素子２ａと同等であるため、ここでの説明を省略する。弾性体２２ｂは、第３の振動モードの振動の発生時に大きな振幅となる部分に対応する、弾性体２２ｂの４隅の角部が除去された形状を有する。

図１２は、１つの振動体２２を無加圧状態として、圧電素子２２ａに印加する駆動電圧を周波数掃引したときの周波数−アドミッタンス特性を示す図である。なお、比較のために、図１２には、略矩形の弾性体の４隅の角部が除去されていない振動体２（図３等参照）の同条件での周波数−アドミッタンス特性が破線で示されている。一方、図１２において、振動体２２（第２実施形態（角部無し））の周波数−アドミッタンス特性は、実線で示されている。

弾性体２２ｂのように、４カ所の角部が除去されている場合でも、アドミッタンス特性には３カ所のピークが現れており、周波数ｆａ３は第１の振動モードの、周波数ｆｂ３は第２の振動モードの、周波数ｆｃ３は第３の振動モードの各共振周波数である。

第１の振動モード、第２の振動モード及び第３の振動モードの各共振周波数は、弾性体の角部が除去されたことによって高くなっており、その変化量は第３の振動モードで最も大きくなっている。これは、弾性体の４つの角部が第３の振動モードの腹付近にあるために（図５参照）、弾性体の４つの角部の有無の影響が大きく現れるためである。

よって、角部のない弾性体２２ｂを有する振動体２２では、第１の振動モード及び第２の振動モードの共振周波数と第３の振動モードの共振周波数との周波数差が、第１実施形態で説明した振動体２よりも大きくなる。これにより、第１の振動モード及び第２の振動モードの各共振周波数は振動型アクチュエータの駆動周波数ｆｄに近付くが、反対に、第３の振動モードの共振周波数は駆動周波数ｆｄから離れる。つまり、振動体２２と被駆動体３とを加圧接触させ、駆動周波数領域のどの周波数で振動型アクチュエータを駆動しても、周波数差ｆ３は、周波数差ｆ１，ｆ２よりも常に大きくなりやすくなる。よって、不要振動である第３の振動モードの発生を抑制して、鳴きを生じさせずに、安定して、振動型アクチュエータに駆動することが可能になる。

なお、振動体２２を用いた振動型アクチュエータでは、加圧力Ｐ１を下げても、周波数差ｆ３を常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくすることができるため、突起部２２ｃと被駆動体との摺動面での摩擦摩耗を抑制して、耐久性能を向上させることができる。更に、振動体２２を用いた振動型アクチュエータでは、電圧値Ｖ１を高くして振動振幅を大きくした場合でも、周波数差ｆ３を常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくすることができる。これにより、振動型アクチュエータの出力を向上させることができる。

以上の説明の通り、本実施形態では、振動型アクチュエータの駆動周波数領域において周波数差ｆ３が常に周波数差ｆ１，ｆ２よりも大きくなるように、振動体２２を構成する弾性体２２ｂの形状が調整されている。これにより、不要振動である第３の振動モードの発生を抑制して、鳴きの発生を抑制することができるため、安定した駆動が可能となる。

なお、本実施形態では、弾性体２２ｂの角部が直線で除去された（切り欠かれた）形状を示したが、これに限定されず、弾性体２２ｂの角部は円弧状に切り欠かれて（形成されて）いてもよい。また、圧電素子２２ａの４隅の角部が同様に除去された構成としてもよいし、弾性体２２ｂ及び圧電素子２２ａのそれぞれの４隅の角部が除去された構成としてもよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、振動型アクチュエータ１０を備える装置（機械）の一例としての撮像装置の構成について説明する。図１３（ａ）は、撮像装置７００の概略構成を示す上面図である。撮像装置７００は、撮像素子７１０及び電源ボタン７２０を搭載したカメラ本体７３０を備える。また、撮像装置７００は、第１レンズ群（不図示）、第２レンズ群３２０、第３レンズ群（不図示）、第４レンズ群３４０、振動型アクチュエータ６２０，６４０を備えるレンズ鏡筒７４０を備える。レンズ鏡筒７４０は、交換レンズとして取り換え可能であり、撮影対象に合わせて適したレンズ鏡筒７４０をカメラ本体７３０に取り付けることができる。

撮像装置７００では、２つの振動型アクチュエータ６２０，６４０によって第２レンズ群３２０，第４レンズ群３４０の駆動が行われる。ここで、振動型アクチュエータ６２０，６４０のそれぞれに、上述した振動型アクチュエータ１０が用いられる。つまり、振動型アクチュエータ１０の中心軸が光軸と略平行となるように配置されたものが振動型アクチュエータ６２０，６４０である。振動型アクチュエータ１０の回転出力をギア等を介して光軸方向での直進運動に変換することによって、第２レンズ群３２０，第４レンズ群３４０を光軸方向に移動させることができる。

図１３（ｂ）は、撮像装置７００の概略構成を示すブロック図である。第１レンズ群３１０、第２レンズ群３２０、第３レンズ群３３０、第４レンズ群３４０及び光量調節ユニット３５０が、レンズ鏡筒７４０内部の光軸上の所定位置に配置される。第１レンズ群３１０〜第４レンズ群３４０と光量調節ユニット３５０とを通過した光は、撮像素子７１０に結像する。撮像素子７１０は、光学像を電気信号に変換して出力し、その出力は、カメラ処理回路７５０へ送られる。

カメラ処理回路７５０は、撮像素子７１０からの出力信号に対して増幅やガンマ補正等を施す。カメラ処理回路７５０は、ＡＥゲート７５５を介してＣＰＵ７９０に接続されると共に、ＡＦゲート７６０とＡＦ信号処理回路７６５とを介してＣＰＵ７９０に接続されている。カメラ処理回路７５０において所定の処理が施された映像信号は、ＡＥゲート７５５と、ＡＦゲート７６０及びＡＦ信号処理回路７６５を通じてＣＰＵ７９０へ送られる。なお、ＡＦ信号処理回路７６５は、映像信号の高周波成分を抽出して、オートフォーカス（ＡＦ）のための評価値信号を生成し、生成した評価値をＣＰＵ７９０へ供給する。

ＣＰＵ７９０は、撮像装置７００の全体的な動作を制御する制御回路であり、取得した映像信号から、露出決定やピント合わせのための制御信号を生成する。ＣＰＵ７９０は、決定した露出と適切なフォーカス状態が得られるように、振動型アクチュエータ６２０，６４０及びメータ６３０の駆動を制御することによって、第２レンズ群３２０、第４レンズ群３４０及び光量調節ユニット３５０の光軸方向位置を調整する。ＣＰＵ７９０による制御下において、振動型アクチュエータ６２０は第２レンズ群３２０を光軸方向に移動させ、振動型アクチュエータ６４０は第４レンズ群３４０を光軸方向に移動させ、光量調節ユニット３５０はメータ６３０により駆動制御される。

振動型アクチュエータ６２０により駆動される第２レンズ群３２０の光軸方向位置は第１リニアエンコーダ７７０により検出され、検出結果がＣＰＵ７９０に通知されることで、振動型アクチュエータ６２０の駆動にフィードバックされる。同様に、振動型アクチュエータ６４０により駆動される第４レンズ群３４０の光軸方向位置は第２リニアエンコーダ７７５により検出され、検出結果がＣＰＵ７９０に通知されることで、振動型アクチュエータ６４０の駆動にフィードバックされる。光量調節ユニット３５０の光軸方向位置は、絞りエンコーダ７８０により検出され、検出結果がＣＰＵ７９０へ通知されることで、メータ６３０の駆動にフィードバックされる。

撮像装置７００の所定のレンズ群を光軸方向に移動させる用途に振動型アクチュエータ１０を用いた場合、レンズ群を停止させた状態でも大きな保持力が維持される。これにより、レンズ鏡筒や撮像装置本体に外力が作用しても、レンズ群にズレが生じることを抑制することができる。

ここでは、円環状の振動型アクチュエータ１０を用いてレンズ群を光軸方向に移動させる例について説明したが、振動体２を用いてレンズ群を光軸方向に移動させる構成は、これに限られない。例えば、振動体２は、２つの突起部を結ぶＸ方向に被駆動体を移動させることができる。よって、レンズを保持した保持部材を被駆動体とし、レンズの光軸方向、被駆動体の駆動方向及び振動体２のＸ方向が互いに平行となるように、１つ又は複数の振動体２を基材に保持した構成とすればよい。

また、レンズ鏡筒に像ぶれ補正用レンズが内蔵される場合、像ぶれ補正用レンズを光軸と略直交する平面内の任意の方向に移動させる像ぶれ補正ユニットに、不要振動の発生が抑制されるように形状や駆動条件が設計された振動体ユニットＳ１を用いることができる。この場合、像ぶれ補正用レンズを保持するレンズ保持部材を被駆動体とする。そして、光軸方向と略直交する平面内において互いに直交する２方向にレンズ保持部材を移動させることができるように、レンズ保持部材を駆動する振動体２，２２を各方向に配置する。なお、像ぶれ補正ユニットは、像ぶれ補正用レンズを駆動する構成に代えて、撮像装置の本体に内蔵される撮像素子７１０を光軸と略直交する平面内の任意の方向に移動させる構成としてもよい。

＜第４実施形態＞
第４実施形態では、上述した各実施形態に係る振動型アクチュエータを備える装置の一例としてのＸ−Ｙステージを備える顕微鏡の構成について説明する。
図１４は、顕微鏡４００の外観斜視図である。顕微鏡４００は、撮像素子と光学系を内蔵する撮像部４１０と、基台上に設けられ、振動型アクチュエータによりＸ−Ｙ面内で移動されるステージ４２０を有するステージ装置の一例である自動ステージ４３０とを有する。振動型アクチュエータとして、振動体２が基材に保持されたものが、少なくとも２つ用いられる。少なくとも１つの振動型アクチュエータは、ステージ４２０のＸ方向駆動に用いられ、振動体２のＸ方向がステージ４２０のＸ方向と一致するように配置される。少なくとも１つの別の振動型アクチュエータは、ステージ４２０のＹ方向駆動に用いられ、振動体２のＸ方向がステージ４２０のＹ方向と一致するように配置される。

例えば、被観察物をステージ４２０の上面に置いて、拡大画像を撮像部４１０で撮影する。観察範囲が広範囲にある場合には、自動ステージ４３０を駆動してステージ４２０を面内でＸ方向やＹ方向に移動させて被観察物を移動させることにより、多数の撮影画像を取得する。撮影された画像を不図示のコンピュータで画像処理により結合させることで、観察範囲が広範囲で、高精細な１枚の画像を取得することができる。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

１ 駆動部
２，２２ 振動体
２ａ，２２ａ 圧電素子
２ｂ，２２ｂ 弾性体
２ｃ，２２ｃ 突起部
３ 被駆動体
１０ 振動型アクチュエータ
４００ 顕微鏡
７００ 撮像装置
７４０ レンズ鏡筒

Claims (13)

1. 電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、
   前記振動体と加圧接触する被駆動体とを有し、
   所定の駆動周波数領域の範囲内の周波数を有する駆動電圧を前記電気−機械エネルギ変換素子に印加することによって前記振動体に励起させた振動により前記振動体と前記被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータであって、
   前記駆動周波数領域の範囲内において、前記駆動周波数領域の上限周波数よりも高く且つ該上限周波数に最も近い前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差が、前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動に用いられる前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差よりも大きいことを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動に用いられる前記振動体の固有振動モードは、２つの異なる固有振動モードであり、
   前記駆動周波数領域の範囲内において、前記上限周波数よりも高く且つ該上限周波数に最も近い前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差は、前記２つの異なる固有振動モードの各共振周波数と前記駆動電圧の周波数とのそれぞれの差よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記上限周波数よりも高く且つ該上限周波数に最も近い前記振動体の固有振動モードの共振周波数での前記駆動電圧の印加時のアドミッタンスは、前記２つの異なる固有振動モードの少なくとも一方の固有振動モードの共振周波数での前記駆動電圧の印加時のアドミッタンスよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記弾性体は、略矩形で平板状の形状を有し、
   前記弾性体において前記電気−機械エネルギ変換素子が接合されている面の反対側の面に前記被駆動体と加圧接触する少なくとも１つの突起部が設けられ、
   前記被駆動体と前記突起部とを加圧接触させる加圧手段を備え、
   前記駆動周波数領域の範囲内において、前記上限周波数よりも高く且つ該上限周波数に最も近い前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差が、前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動に用いられる前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差よりも大きくなるように、前記加圧手段による前記突起部と前記被駆動体との間の加圧力が調整さ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項に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記弾性体は、平板状で略矩形の形状を有し、
   前記電気−機械エネルギ変換素子は、平板状で略矩形の形状を有する圧電素子であり、
   前記弾性体において前記電気−機械エネルギ変換素子が接合されている面の反対側の面に前記被駆動体と加圧接触する少なくとも１つの突起部が設けられ、
   前記駆動周波数領域の範囲内において、前記上限周波数よりも高く且つ該上限周波数に最も近い前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差が、前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動に用いられる前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差よりも大きくなるように、前記圧電素子の厚さが調整さ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項に記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記弾性体は、平板状で、略矩形の角部が切り欠かれた形状を有し、
   前記電気−機械エネルギ変換素子は、平板状で略矩形の形状を有する圧電素子であり、
   前記弾性体において前記圧電素子が接合されている面の反対側の面に前記被駆動体と加圧接触する少なくとも１つの突起部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
7. 前記弾性体は、平板状で略矩形の形状を有し、
   前記電気−機械エネルギ変換素子は、平板状で、略矩形の角部が切り欠かれた形状を有する圧電素子であり、
   前記弾性体において前記圧電素子が接合されている面の反対側の面に前記被駆動体と加圧接触する少なくとも１つの突起部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
8. 電気−機械エネルギ変換素子と弾性体とが接合されてなる振動体と、
   前記振動体と加圧接触する被駆動体とを有し、
   所定の駆動周波数領域の範囲内の周波数を有する駆動電圧を前記電気−機械エネルギ変換素子に印加することによって前記振動体に励起させた振動により前記振動体と前記被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータの駆動方法であって、
   前記駆動周波数領域の範囲内において、前記駆動周波数領域の上限周波数よりも高く且つ該上限周波数に最も近い前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差が、前記振動体と前記被駆動体との相対的な移動に用いられる前記振動体の固有振動モードの共振周波数と前記駆動電圧の周波数との差よりも大きくなるように、前記駆動電圧の電圧値を調整することを特徴とする振動型アクチュエータの駆動方法。
9. レンズと、
   光軸方向に前記レンズを移動させる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とするレンズ鏡筒。
10. 像ぶれ補正用のレンズと、
    光軸と直交する面内で前記レンズを移動させる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とするレンズ鏡筒。
11. レンズ鏡筒と、
    前記レンズ鏡筒に配置されたレンズを光軸方向に移動させる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、
    前記レンズ鏡筒を通過した光の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、を備えることを特徴とする撮像装置。
12. レンズ鏡筒と、
    前記レンズ鏡筒を通過した光の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、
    前記撮像素子を光軸方向と直交する面内で移動させて前記撮像素子に結像する光学像の像ぶれを補正する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とする撮像装置。
13. ステージと、
    前記ステージをその面内で移動させる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とするステージ装置。