JP6389662B2 - Ultrasonic motor and lens driving device using ultrasonic motor - Google Patents
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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。 The present invention relates to an ultrasonic motor used for a lens barrel or the like of an imaging apparatus and a lens driving device using the ultrasonic motor.
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。 An ultrasonic motor using the ultrasonic vibration of a piezoelectric element is characterized by being small in size and capable of obtaining a high driving force, capable of supporting a wide speed range, low vibration and low noise. Ultrasonic motors having such characteristics are known in various principles and shapes depending on the application.
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。
As one of the methods, a method is known in which one or a plurality of resonance modes are simultaneously excited in a chip-type vibrator provided with a contact portion with a driven member. In this method, a large reciprocating motion or elliptical motion is generated at the contact portion by the excited resonance mode, and this motion is transmitted to the driven member to drive the driven member. The apparatus disclosed in
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。 The feature of this method is that the vibrator is relatively small among the ultrasonic motors and that the driven member can be driven not only in rotation but also in straight drive. Therefore, an ultrasonic motor using a chip-type vibrator is suitable as an actuator for linearly driving a lens in a lens barrel or the like of a camera that requires a small and high driving force motor.
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。 A retractable small lens barrel used for a compact camera or the like is folded in the direction of the optical axis when not in use and is stored in the camera body. Therefore, the size of each part inside the lens barrel is limited particularly in the optical axis direction of the lens barrel. In such a lens barrel, when the lens is linearly driven in the optical axis direction by the ultrasonic motor using the chip-type vibrator, it is required to reduce the size of the motor in the driving direction of the motor itself. However, when the conventional chip-type vibrator is similarly reduced in order to reduce the dimension in the driving direction, there is a problem that the resonance frequency of the resonance mode becomes high and the amplitude necessary for driving cannot be obtained.
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。 Therefore, an object of the present invention is to provide an ultrasonic motor in which the resonance frequency does not increase and the amplitude does not decrease even when the vibrator is downsized in the driving direction.
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、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く、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振動子に対し前記被駆動部材を前記第1の方向に相対的に移動させ、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。
In order to solve the above problems, an ultrasonic motor according to the present invention includes a vibrator having a piezoelectric element, a contact portion provided in the vibrator, and a first contact with the vibrator in contact with the contact portion. A driven member held so as to be relatively movable in the direction and a biasing force in a second direction perpendicular to the contact surface between the contact portion and the driven member, to bias the contact portion and the driven member And the vibrator has a dimension in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction larger than a dimension in the first direction, and the contact portion has the first direction . The driven member is moved relative to the vibrator in the first direction using a first resonance mode having a displacement in the first direction, and the first resonance mode is a bending primary vibration. It is characterized by that.
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。 According to the present invention, it is possible to provide an ultrasonic motor in which the resonance frequency does not increase and the amplitude does not decrease even when the vibrator is downsized in the driving direction.
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。
Embodiments for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same members.
First, the
(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。
(First embodiment)
FIG. 1A shows the configuration of the
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。
The
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。
Hereinafter, the direction in which the driven
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。
Here, when the dimension in the first direction of the
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。
In such a configuration, a resonance mode (described later) is excited in the
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。
Examples of a method of holding the driven
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。
FIGS. 1B and 1C are diagrams showing resonance modes excited by the
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。
FIG. 1C shows a state of a resonance mode (hereinafter referred to as a second resonance mode) in which the
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。
When the
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。
Note that the shape, configuration, and material of the
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。
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of driving the
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。
First, an electrode pattern for applying a voltage to the
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。
FIG. 2A-2 is a front view of the
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。
As shown in FIG. 2A-1, two
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。
In addition, since the bottom surface of the
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。
FIG. 2B shows a state in which the first resonance mode is excited in the
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。
At this time, in FIG. 1B, the position indicated by N is a vibration node, which is the point with the least displacement. Further, in FIG. 1B, the end portion and the center portion of the
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。
FIG. 2C shows a state in which the second resonance mode is excited in the
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。
In the
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。
The electrode pattern and the polarization direction are not limited to the above, and the
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。 Here, the problem of the conventional ultrasonic motor and the effect of the present invention will be described with reference to FIGS.
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。
Conventionally, there has been a problem that if the vibrator is reduced in size, the resonance frequency of the vibration increases and the amplitude decreases. The device disclosed in
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。 FIG. 3A shows a state in which a primary vibration is excited as a first resonance mode in a rectangular vibrator. At this time, the dimension in the first direction is represented by W in FIG. In order to change the dimension W in the first direction, the change in the resonance frequency of the first resonance mode when the whole vibrator is enlarged and reduced in a similar shape is shown in FIG. 3B, and the change in the amplitude is shown in FIG. Shown in However, the change in amplitude shown in FIG. 3C is compared by applying an electric field of the same magnitude to the piezoelectric element provided in the vibrator.
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。 As shown in FIG. 3B, the resonance frequency f0 of the first resonance mode becomes higher as the similarity is reduced so that the dimension W in the first direction becomes smaller. Further, as shown in FIG. 3C, the amplitude a0 of the first resonance mode becomes smaller as the similarity is reduced so that the dimension W in the first direction becomes smaller. For this reason, if the conventional vibrator is similarly reduced, the amplitude required for driving cannot be obtained. In particular, since the dimension in the first direction of the vibrator affects the resonance frequency and amplitude of the first resonance mode, even if the dimension in the first direction is small, the resonance frequency does not increase in the first resonance mode and the amplitude does not increase. It is necessary not to decrease.
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。 In order to explain the effect of the present invention, an AC voltage is applied to a beam-shaped vibrator, and the resonance frequency and amplitude when bending vibration is excited as the first resonance mode are obtained by piezoelectric simulation. FIG. 4 (a-1) shows a state where the vibrator is excited as a first resonance mode, and FIG. 4 (a-2) shows a state where the bending secondary vibration is excited. FIG. 4A-3 shows a state in which the tertiary vibration is excited. FIG. 4B shows the relationship between the dimension W of the vibrator in the first direction and the resonance frequency of the first resonance mode. FIG. 4C shows the relationship between the dimension W in the first direction of the vibrator and the amplitude of the first resonance mode. 4B and 4C, the solid line represents data of the bending primary vibration, the broken line represents the bending secondary vibration, and the alternate long and short dash line represents the bending tertiary vibration data.
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。 As shown in FIG. 4B, the smaller the dimension W in the first direction is at any of the resonance frequency f1 of the bending primary vibration, the resonance frequency f2 of the bending secondary vibration, and the resonance frequency f3 of the bending tertiary vibration. The resonance frequency tends to decrease. Further, when the resonance frequency f1 of the bending primary vibration, the resonance frequency f2 of the bending secondary vibration, and the resonance frequency f3 of the bending tertiary vibration are compared, the resonance frequency f1 of the bending primary vibration is the smallest.
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。 As shown in FIG. 4C, the amplitude increases as the dimension W in the first direction decreases in any of the amplitude a1 of the bending primary vibration, the amplitude a2 of the bending secondary vibration, and the amplitude a3 of the bending tertiary vibration. Tend to. Further, when comparing the amplitude a1 of the bending primary vibration, the amplitude a2 of the bending secondary vibration, and the amplitude a3 of the bending tertiary vibration, the amplitude a1 of the bending primary vibration is the largest.
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。
As described above, in the
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。
In the
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。
In the
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。
Here, an embodiment of a lens barrel that linearly drives the lens using the
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。
FIG. 6A is a perspective view of the compact camera 5 provided with the
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。
FIG. 6B is a sectional view of the focus lens driving section taken along a plane (surface C in FIG. 6A) passing through the optical axis a of the
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。
A
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。
Inside the
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。
The holding
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。
The driven
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。
The advantages of the
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。
FIG. 7A is a diagram illustrating a state in which the
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。
In FIGS. 7A and 7B, the distance when the
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。
When comparing the lens driving distances d1a and d1b with the same length in FIGS. 7A and 7B, the dimensions d1a and d1b in the optical axis direction of the movable part depend on the dimensions in the driving direction of the vibrator. ) Uses a small
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。
For the above reason, a lens driving device using the
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。
Note that one of the
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。
On the other hand, if the holding
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。
In the
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。
The holding
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。
The
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。
The
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。
In the
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。
In order to decrease the resonance frequency of the first resonance mode and increase the amplitude, it is preferable that the dimension W in the first direction is small as described above. Similarly, by reducing the dimension T in the second direction and increasing the dimension in the third direction, the resonance frequency of the first resonance mode can be lowered and the amplitude can be increased. In consideration of the above, it is preferable that the
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。
As described above, the
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。
In addition, when the bending primary vibration is used in the bending vibration as the second resonance mode like the
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。
Next, the
(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。
(Second Embodiment)
FIG. 9A shows the configuration of the
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。
The description of the driven
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。
FIGS. 9B and 9C are diagrams showing resonance modes excited by the
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。
Note that the shape, configuration, and material of the vibrator are not limited to those described above, and it is only necessary to excite the bending primary vibration as the first resonance mode in the
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。
FIG. 10 is a diagram for explaining a method of driving the
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。
First, an electrode pattern for applying a voltage to the
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。
As shown in FIGS. 10A-1 and 10A-4, the
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。
Further, an extending
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。
FIG. 10B shows a state in which the first resonance mode is excited in the
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。
An AC voltage having the same phase is applied to the
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。
FIG. 10C shows a state in which the second resonance mode is excited in the
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。
In the
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。
In addition, although the example using the
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。
Further, in the
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。
In the
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。
For the same reason as in the first embodiment, the second resonance mode is not necessarily required for driving the driven
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。
Further, a lens barrel that drives the lens linearly by using the
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。
For the same reason as in the first embodiment, it is preferable that the
Further, for the same reason as in the first embodiment, the
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。
As the shape of the
For the same reason as in the first embodiment, the second resonance mode is preferably bending vibration.
For the same reason as in the first embodiment, the second resonance mode is preferably a primary vibration.
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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for lens driving or the like in a lens barrel of a camera that requires a small and high output motor.
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
DESCRIPTION OF
Claims (9)
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く、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振動子に対し前記被駆動部材を前記第1の方向に相対的に移動させ、
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。 A vibrator having a piezoelectric element;
A contact portion provided on the vibrator;
A driven member held in contact with the contact portion so as to be movable relative to the vibrator in a first direction;
An urging means for urging the contact portion and the driven member by an urging force in a second direction perpendicular to a contact surface between the contact portion and the driven member;
In the vibrator, a dimension in a third direction orthogonal to the first direction and the second direction is larger than a dimension in the first direction, and the contact portion has a displacement in the first direction. Using the resonance mode of 1 to move the driven member relative to the vibrator in the first direction;
The ultrasonic motor, wherein the first resonance mode is a bending primary vibration.
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