JP6012226B2 - 振動波駆動装置及びその駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、振動波駆動装置及びその駆動回路に関し、特に、電気−機械エネルギー変換素子により振動体の表面に楕円運動を形成し、振動体と移動体とを相対移動させカメラ用レンズやＯＡ機器などに用いられるいわゆる超音波モータとその駆動回路に関するものである。

電界や磁界が作用したことに応じて機械的歪みを生じる歪み発生素子によって振動体を振動させ、該振動体の振動を連続的もしくは断続的な機械的運動に変換して出力する振動波アクチュエータ（振動波駆動装置）は現在では種々の分野で使用されている。
また、該圧電素子を利用する圧電アクチュエータのうちで、超音波モータと称されるアクチュエータは連続回転式の回転駆動源を構成することができる。
このようなことから、これを従来の回転式電磁駆動モータに代わる駆動源として、既にカメラ等の光学機器に搭載されており、このような超音波モータの駆動制御技術もほぼ確立されている。

このように、超音波モータに関する技術はほぼ確立されているが、効率を安定化させる技術には、更に改善を必要としている。
同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させる振動波駆動装置（超音波モータ）は、例えば特許文献１などに開示されており、駆動原理等はこれらに詳細に記載されている。
これらに開示されている振動体は、電気−機械エネルギー変換素子及び弾性部材で構成されている。
振動体は電気−機械エネルギー変換素子を両側から弾性部材で挟持固定している。
このような同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させる振動波駆動装置は、振動体の表面粒子に楕円運動を発生させ、これに加圧接触した移動体を連続的に駆動することにより、駆動が可能とされている。
圧電素子にはパターン電極が形成されており、それぞれの電極には、順に時間位相が９０°ずつ異なる略サイン波形状の交流電圧が印加される。
励起する振動モードの固有振動数付近の周波数で交流電圧を印加すると、圧電素子の伸縮により振動体に加わる曲げモーメントによって振動体が共振する。
９０°ずつ異なる交流電圧に対してそれぞれ励起される振動モードは同形状で、かつ位相が異なり、その合成によって振動体の表面粒子に楕円運動が形成される。

特開平４−９１６７１号公報

しかしながら、上記従来例の同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させ、その屈曲モードを位置的位相を９０°ずらして重ね合わせて用いる振動波駆動装置では、同形状の屈曲モードの重ね合わせであることから、以下のような課題を有している。
特に、振動体における変位方向及び次数が同一であって、かつ、振動体における両側のそれぞれの端部の変位する相対的割合が異なる複数の固有振動モードを有している場合、複数の固有モードが似ているため、同時に励起され易いという課題がある。
駆動周波数の高調波成分の固有周波数の振動モードに加えて、特に、振動体から移動体に駆動周波数の２倍の加振力が常に与えられているため、その反力により振動体に駆動周波数の２倍の固有周波数の振動モードが励振され易くなる。
これらを更に詳しく説明するため、図３に示されている振動体装置を例に採り説明する。
図３（ａ）、（ｂ）に示されるように、この振動体装置は、第１の弾性体側に配した第３の弾性体１０１Ｃを介して、該第１の弾性体１０１Ａと第２の弾性体１０１Ｂとの間に電気−機械エネルギー変換素子１０３を設けた振動体１０１を備える。
また、この振動体１０１に接触し、電気−機械エネルギー変換素子１０３に駆動信号を印加することにより振動体１０１に励起された進行波によって、振動体１０１に対して相対移動する移動体を備える。
図３（ｃ）、（ｄ）は、この振動体１０１の曲げ振動モード図（ｚ軸は軸方向、ｒ軸はラジアル方向）を示す図である。
モータが駆動している時には図３（ｃ）に示す第３の弾性体を境として、振動体における第１の弾性体を含む軸方向摺動面側が主に振動するモードの振動だけが励起されれば、効率良くモータを駆動することができる。
その場合に、図３（ｄ）に示す第３の弾性体を境として、振動体における第２の弾性体を含む軸方向非摺動面側が主に振動するモードの振動が励起されると、電気−機械エネルギー変換素子の歪みが大きくなるため、モータの効率低下の原因になる。

本発明は、第１の弾性体と第２の弾性体との間に、該第１の弾性体側に配された第３の弾性体を介して設けられた電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体を駆動する際、
第３の弾性体を境として振動体における軸方向非摺動面側が主に振動するモードの励振を抑制することができ、効率を安定化して駆動することが可能となる振動波駆動装置及びその駆動回路の提供を目的とする。

本発明の振動波駆動装置は、第１の弾性体と第２の弾性体との間に電気−機械エネルギー変換素子を設けた振動体と、
前記振動体に接触し、前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号が印加されることにより前記振動体に励起された振動によって、前記振動体に対して相対移動する移動体と、を有する振動波駆動装置であって、
前記振動体は、前記第１の弾性体と前記電気−機械エネルギー変換素子との間に第３の弾性体を有し、前記第３の弾性体は、前記振動体の軸方向と直交する方向に延び、前記電気−機械エネルギー変換素子の外径よりも外側に前記移動体が摺動する摺動面を備え、
前記振動体は、変位方向及び次数が同一であって、前記振動体の軸方向における両側の端部の変位する相対的割合が異なる複数の固有振動モードを有し、
前記第３の弾性体を境として、前記振動体における軸方向非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数が、
前記駆動信号の最大周波数と最小周波数の間の周波数範囲と、前記駆動信号の最大周波数の２倍と最小周波数の２倍の間の周波数範囲から外れるよう構成されていることを特徴とする。
また、本発明の振動波駆動装置の駆動回路は、振動波駆動装置に駆動信号を印加する駆動回路であって、
前記振動波駆動装置は、第１の弾性体と第２の弾性体との間に電気−機械エネルギー変換素子を設けた振動体と、
前記振動体に接触し、前記電気−機械エネルギー変換素子に前記駆動信号が印加されることにより前記振動体に励起された振動によって、前記振動体に対して相対移動する移動体と、を有し、
前記振動体は、前記第１の弾性体と前記電気−機械エネルギー変換素子との間に第３の弾性体を有し、前記第３の弾性体は、前記振動体の軸方向と直交する方向に延び、前記電気−機械エネルギー変換素子の外径よりも外側に前記移動体が摺動する摺動面を備え、
前記振動体は、変位方向及び次数が同一であって、前記振動体の軸方向における両側の端部の変位する相対的割合が異なる複数の固有振動モードを有しており、
前記駆動信号の最大周波数と最小周波数の間の周波数範囲と、前記駆動信号の最大周波数の２倍と最小周波数の２倍の間の周波数範囲は、
前記第３の弾性体を境として前記振動体の前記軸方向における非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数を外れていることを特徴とする。

本発明によれば、第１の弾性体と第２の弾性体との間に、該第１の弾性体側に配された第３の弾性体を介して設けられた電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体を駆動する際、
第３の弾性体を境として振動体における軸方向非摺動面側が主に振動するモードの励振を抑制することができ、効率を安定化して駆動することが可能となる振動波駆動装置及びその駆動回路を実現することができる。

本発明の実施例１の振動波駆動装置における周波数の関係を示す図。 本発明の実施例２の振動波駆動装置における周波数の関係を示す図。 本発明の実施例１における振動波駆動装置の構成を示す図。 本発明の実施例１における振動波駆動装置の別の構成を示す図。 本発明の実施例における振動体の構成を示す図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１として、振動体の摩擦駆動部に楕円運動を生じさせ、振動体の摩擦駆動部に接触する移動体を相対移動させる振動波駆動装置の構成例について説明する。
まず、振動型モータ１００の構成の一例を、図３（ａ）を用いて説明する。
図３（ａ）において１００は振動波駆動装置（振動型モータ）である。
本実施例の振動波駆動装置は、第１の弾性体側に配した第３の弾性体を介して、該第１の弾性体と第２の弾性体との間に電気−機械エネルギー変換素子を設けた振動体を備える。つまり、振動体は、前記第１の弾性体と前記電気-機械エネルギー変換素子との間に第３の弾性体を有している。そして、本実施例の振動体は、変位方向及び次数が同一であって、振動体の軸方向の両側の端部の変位する相対的割合が異なる複数の固有振動モードを有するように構成されている。その際、この複数の異なる振動モードのうち、第３の弾性体を境として振動体における軸方向摺動面側が主に振動するモードとなる駆動信号を、駆動回路より電気−機械エネルギー変換素子に供給するように構成することができる。
また、本実施例の第３の弾性体は、前記振動体の軸方向と直交する方向に延び、前記電気−機械エネルギー変換素子の外径よりも外側に前記移動体が摺動する摺動面を備えている。
そして、振動波駆動装置は、この振動体に接触し、電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号が印加されることにより振動体に励起された進行波によって、振動体に対して相対移動する移動体を備える。
具体的には、１０１Ａは金属等の振動減衰損失の小さい材料で構成された第１の弾性体、１０１Ｃは第３の弾性体である。１０３は電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子である。
また、図３（ａ）における第１の弾性体１０１Ａと第３の弾性体１０１Ｃは一体加工で構成されているが、図４のように、第１の弾性体１０１Ａと第３の弾性体１０１Ｃは２つの部品で構成されている場合もある。
１０４は、駆動回路１２０より圧電素子１０３に駆動信号として交番信号を印加するためのフレキシブル基板、１０１Ｂは第２の弾性体、１０５Ａはシャフト１０６の下端に形成されたネジ部と嵌合する第１の締付け部材である。

第１の弾性体１０１Ａ、第３の弾性体１０１Ｃ、圧電素子１０３、フレキシブル基板１０４、および、第２の弾性体１０１Ｂの中心部に設けられた貫通孔にシャフト１０６を挿入する。
シャフト１０６の途中には段差が設けられており、この段差が第１の弾性体１０１Ａの内壁に設けられた段差に突き当たる。
シャフト１０６の先端（下端）部にはネジが形成され、このネジに締結部材である第１の締め付け部材１０５Ａを嵌合させて締め付ける。これにより、第２の弾性体１０１Ｂ、フレキシブル基板１０４、圧電素子１０３、第３の弾性体１０１Ｃおよび第１の弾性体１０１Ａを固定することができる。
第３の弾性体１０１Ｃの圧電素子１０３と接触する側には、外周で両者が接触するように凹部１１５が設けてある。

第３の弾性体１０１Ｃの圧電素子１０３と接触していない側の摩擦駆動部１１２の表面には、移動体１０２であるロータ１０７に固定された接触バネ１０８が加圧接触する。
この接触バネ１０８は弾性を有しており、ロータ１０７に固定されて一体となって回転する。
１０９は出力手段であるギアであり、ロータ１０７の回転軸方向の移動を許容し、ロータ１０７の回転運動の移動に追従するようにロータ１０７と２箇所の回り止め１１３にて嵌合している。
１１０はコイルバネ等の加圧手段であり、ロータ１０７のバネ受け部とギア１０９との間に配置され、ロータ１０７を第３の弾性体１０１Ｃの方向に押し下げるように加圧している。
１１４は弾性ゴムであり、高分子材料等で構成されている。加圧均一化、不要振動抑制等の役割を担っている。ギア１０９はシャフト１０６と結合した固定部材１１１に軸支持されており、その軸方向における位置は固定部材１１１によって規制されている。
シャフト１０６の第１の締め付け部材１０５Ａと嵌合しない側の先端（上端）部にもネジが形成されており、このネジに第２の締め付け部材１０５Ｂを嵌合させて、固定部材１１１にシャフト１０６を固定している。
固定部材１１１にはネジ穴１１１Ａが設けてあり、この固定部材１１１を所望の個所にネジを用いて固定することで、振動型モータを所望の個所に取り付けることができる。

圧電素子１０３は例えば、特許文献（特許第３４１６２３３号公報）に記載されているように、１つの圧電体の両面に電極膜が形成されており、片面の電極膜を４つの電極膜に分割し、Ａ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（＋）、Ｂ（−）相を構成している。
電極膜が形成された４つの領域には、Ａ（＋）とＡ（−）及びＢ（＋）とＢ（−）は互いに逆向きとなるように圧電素子１０３の厚み方向に分極が施され、Ａ相、Ｂ相の２つのグループから構成されている。
この一方のグループ電極に駆動信号を印加すると、圧電素子１０３の一方の領域は厚み方向に膨張し、他方の領域は厚み方向に収縮する。
また、もう一方のグループの圧電体に時間的に９０度位相のずれた駆動信号を印加する。
すると、振動体には第１の弾性体１０１Ａを左右に振るような２つの屈曲振動（１つは振幅方向がシャフト１０６の軸方向と垂直な方向、もう１つはもう一方の方向と９０度位相がずれた方向）が発生する。
これらの振動が合成されると、第３の弾性体１０１Ｃの表面の摩擦駆動部１１２には、楕円運動が形成される。
この楕円運動が励起された第３の弾性体１０１Ｃの表面の摩擦駆動部１１２に接触バネ１０８を加圧接触させれば、接触バネ１０８およびロータ１０７（移動体）がこの楕円運動に押し出されるようにして移動する。

つぎに、図１を用いて本実施例における振動波駆動装置と、印加される駆動信号の周波数の関係について説明する。
図１は、本実施例における振動波駆動装置に印加される駆動信号の周波数と、第３の弾性体１０１Ｃを境として、振動体における軸方向非摺動面側（１０３、１０１Ｂ、１０５Ａ）が主に振動するモードの共振周波数ｆ３と、の関係を示している。図１の横軸は周波数、縦軸は回転数を示している。
また、ｆ４は第３の弾性体１０１Ｃを境として、振動体における軸方向摺動面側（１０１Ａ）が主に振動するモードの共振周波数を示している。
ここでは、駆動信号は、掃印最大周波数ｆ１から掃印を開始し、任意の速度に達する掃印最小周波数ｆ２まで掃印を行うことにより、振動体を振動させている。そして、第３の弾性体を境として、軸方向非摺動面側の振動体が主に振動するモードの共振周波数が、掃印する駆動周波数範囲の倍数の値の範囲から外れるように構成されている。
具体的には、掃印最大周波数ｆ１の２倍数と掃印最小周波数ｆ２の２倍数の間の周波数範囲が、第３の弾性体１０１Ｃを境として軸方向非摺動面側の振動体（１０３、１０１Ｂ、１０５Ａ）が主に振動するモードの共振周波数ｆ３の値より小さく（低く）されている。
周波数掃印時に、このような関係にしておくことで、第３の弾性体１０１Ｃを境として振動体における軸方向非摺動面側（１０３、１０１Ｂ、１０５Ａ）が主に振動するモードの励振を抑制することができ、効率の安定化に繋げることが出来る。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の構成例について、図２を用いて説明する。
図２には、振動波駆動装置に掃印する周波数と第３の弾性体１０１Ｃを境として軸方向非摺動面側の振動体（１０３、１０１Ｂ、１０５Ａ）が主に振動するモードの共振周波数との関係が示されている。
図２の横軸は周波数、縦軸は回転数を示している。
ここでは、駆動信号は、掃印最大周波数ｆ１から掃印を開始し、任意の速度に達する掃印最小周波数ｆ２まで掃了を行うことにより、振動体を振動させている。また実施例１と同様に、第３の弾性体を境として軸方向非摺動面側の振動体が主に振動するモードの共振周波数が、掃印する駆動周波数範囲の倍数の値の範囲から外れるように構成されている。
具体的には、掃印最大周波数ｆ１の２倍と掃印最小周波数ｆ２の２倍の間の周波数範囲が、第３の弾性体１０１Ｃを境として軸方向非摺動面側の振動体（１０３、１０１Ｂ、１０５Ａ）が主に振動するモードの共振周波数ｆ３の値より大きく（高く）されている。
このような関係にしておくことで、第３の弾性体１０１Ｃを境として軸方向非摺動面側の振動体（１０３、１０１Ｂ、１０５Ａ）が主に振動するモードの励振を抑制することができ、効率の安定化に繋げることが出来る。
ただし、本発明者による組立後の振動波駆動装置についての実験により、つぎの結果が確認されている。
すなわち、第３の弾性体１０１Ｃを境として、軸方向非摺動面側の振動体（１０３、１０１Ｂ、１０５Ａ）が主に振動するモードの共振周波数ｆ３は、軸方向摺動面側の振動体（１０１Ａ）が主に振動するモードの共振周波数ｆ４より周波数の増加する量が５０倍程大きいことが確認されている。
そのため、掃印最大周波数ｆ１の２倍と掃印最小周波数ｆ２の２倍の間の周波数範囲を、第３の弾性体１０１Ｃを境として軸方向非摺動面側の振動体（１０３、１０１Ｂ、１０５Ａ）が主に振動するモードの共振周波数ｆ３の値より大きくするには、その変化を見越して設定を行う必要があり、実施例１と比較して設定の自由度が低くなる。

また、実施例１及び実施例２のような周波数の関係にするために、共振周波数ｆ３と共振周波数ｆ４の周波数を、図５に示すくびれ部１１６、１１７において径寸法の調整を行うことで、振動体の動剛性を変えている。
すなわち、第３の弾性体１０１Ｃを境として、振動体における軸方向非摺動面側（１０３、１０１Ｂ、１０５Ａ）が主に振動するモードの共振周波数ｆ３と、
振動体における摺動面側（１０１Ａ）が主に振動するモードの共振周波数ｆ４の周波数とを、上記図５のようにして調整している。
振動体における軸方向摺動面側の動剛性を、振動体における軸方向非摺動面側の動剛性よりも小さくして、上記共振周波数ｆ３とｆ４とを調整することができる。
この径寸法の調整で動剛性を変えることにより、共振周波数ｆ３と共振周波数ｆ４がともに変化するが、それらの変化率が異なるため、実施例１及び実施例２のような周波数の関係にすることが可能である。
動剛性を変えるには、長さ等の形状、材料変更を行うことでもできるため、本発明は上記実施例の構成に限定されるものではなく、周波数の関係を満たすことが出来る構成であれば良い。
なお、上記実施例の構成は振動体を固定とし、該振動体に加圧接触する移動体としてのロータを可動としているが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、移動体を固定、振動体を可動としても良く、移動体を振動体のフランジ状に突出する第３の弾性体に形成される駆動振動により相対的に摩擦駆動させる構成であれば良い。

ｆ１：掃印最大周波数
ｆ２：掃印最小周波数
ｆ３：振動体における軸方向非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数
ｆ４：振動体における軸方向摺動面側が主に振動するモードの共振周波数

Claims (11)

1. 第１の弾性体と第２の弾性体との間に電気−機械エネルギー変換素子を設けた振動体と、
   前記振動体に接触し、前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号が印加されることにより前記振動体に励起された振動によって、前記振動体に対して相対移動する移動体と、を有する振動波駆動装置であって、
   前記振動体は、前記第１の弾性体と前記電気−機械エネルギー変換素子との間に第３の弾性体を有し、前記第３の弾性体は、前記振動体の軸方向と直交する方向に延び、前記電気−機械エネルギー変換素子の外径よりも外側に前記移動体が摺動する摺動面を備え、
   前記振動体は、変位方向及び次数が同一であって、前記振動体の軸方向における両側の端部の変位する相対的割合が異なる複数の固有振動モードを有し、
   前記第３の弾性体を境として、前記振動体における軸方向非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数が、
   前記駆動信号の最大周波数と最小周波数の間の周波数範囲と、前記駆動信号の最大周波数の２倍と最小周波数の２倍の間の周波数範囲から外れるよう構成されていることを特徴とする振動波駆動装置。
2. 前記第３の弾性体を境として、前記振動体における軸方向摺動面側の動剛性が、
   前記振動体における軸方向非摺動面側の動剛性よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
3. 前記振動体における軸方向非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数が、前記振動波駆動装置に掃印する最大周波数の倍数と最小周波数の倍数の間の周波数範囲における値よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動波駆動装置。
4. 前記複数の異なる振動モードのうち、前記振動体における軸方向摺動面側が主に振動するモードとなる駆動信号を、前記電気−機械エネルギー変換素子に供給する駆動回路を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
5. 前記第３の弾性体は、前記第１の弾性体と一体加工で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
6. 前記第２の弾性体側が、前記振動体における軸方向非摺動面側であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
7. 前記第３の弾性体を境として、前記振動体における軸方向非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数が、
   前記駆動信号の最大周波数の倍数と最小周波数の倍数の間の周波数範囲より高くなるよう構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
8. 前記第３の弾性体を境として、前記振動体における軸方向非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数が、
   前記駆動信号の最大周波数の倍数と最小周波数の倍数の間の周波数範囲より低くなるよう構成されていることを特徴とする請求項１あるいは２、４から７のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
9. 振動波駆動装置に駆動信号を印加する駆動回路であって、
   前記振動波駆動装置は、第１の弾性体と第２の弾性体との間に電気−機械エネルギー変換素子を設けた振動体と、
   前記振動体に接触し、前記電気−機械エネルギー変換素子に前記駆動信号が印加されることにより前記振動体に励起された振動によって、前記振動体に対して相対移動する移動体と、を有し、
   前記振動体は、前記第１の弾性体と前記電気−機械エネルギー変換素子との間に第３の弾性体を有し、前記第３の弾性体は、前記振動体の軸方向と直交する方向に延び、前記電気−機械エネルギー変換素子の外径よりも外側に前記移動体が摺動する摺動面を備え、
   前記振動体は、変位方向及び次数が同一であって、前記振動体の軸方向における両側の端部の変位する相対的割合が異なる複数の固有振動モードを有しており、
   前記駆動信号の最大周波数と最小周波数の間の周波数範囲と、前記駆動信号の最大周波数の２倍と最小周波数の２倍の間の周波数範囲は、
   前記第３の弾性体を境として前記振動体の前記軸方向における非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数を外れていることを特徴とする振動波駆動装置の駆動回路。
10. 前記駆動信号の最大周波数の倍数と最小周波数の倍数の間の周波数範囲は、
    前記第３の弾性体を境として前記振動体の前記軸方向における非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数より低いことを特徴とする請求項９に記載の振動波駆動装置の駆動回路。
11. 前記駆動信号の最大周波数の倍数と最小周波数の倍数の間の周波数範囲は、
    前記第３の弾性体を境として前記振動体の前記軸方向における非摺動面側が主に振動するモードの共振周波数より高いことを特徴とする請求項９に記載の振動波駆動装置の駆動回路。

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