JP6774222B2 - 振動波モータ及び振動波モータを用いた光学装置 - Google Patents

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して、様々な提案がされている。超音波モータは振動子から構成されており、振動子は圧電素子を備え、圧電素子には互いに位相の異なる２相の交流電圧を印加可能となっている。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る。この振動波が励起された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、振動子と摩擦部材とを相対移動させる。振動子は、所望の駆動力で摩擦部材の表面を摺動することができるように構成されている。

例えば、特許文献１には、圧電素子の一方の面（表面）に設けた二つの電極領域と、ＧＮＤ電極領域とに不図示のプリント配線基板（以下、ＦＰＣと称す）を接続して圧電素子に電圧を印加する技術が開示されている。圧電素子の他方の面（裏面）には、ＧＮＤ電極領域が設けられ、このＧＮＤ電極領域は圧電素子の端面で折り返し、表面側のＧＮＤ電極領域に接続するように構成されており、圧電素子とＦＰＣとの接続を容易にしている。

上記の構成では、ＧＮＤ電極領域の折り返し部の欠け防止のために、圧電素子の長辺方向の対向する端面に面取り部が設けられている。また、圧電素子の面取り部に関して、特許文献２には、リング状の圧電素子の内外周の両側のエッジ部分に面取り部を設ける技術が開示されている。

特開２０１６−３２３５１号公報 特開２００９−１５３２４２号公報

しかしながら、圧電素子の面取り部の大きさは、圧電素子の曲げ剛性へ影響を与えるので、圧電素子の面取り部の大きさにより圧電素子の振動特性が変わってしまう。つまり、振動子の圧電素子に同じ周波数の交流電圧を印加した時の振動子の変形量が異なり、振動波モータの特性が変化してしまう。

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、圧電素子の製造バラつきによって、面取り部の面取り量が変化しても、特性の安定した振動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の振動波モータは、振動板と圧電素子とを一体化して構成する振動子と、前記振動子は楕円振動を発生し、前記楕円振動により駆動される被駆動体と、を備えた振動波モータにおいて、前記圧電素子の対向する端面の一方の端面の稜線のみに面取り部が設けられており、前記稜線に前記面取り部が設けられている端面には、ＧＮＤ電極が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、圧電素子の製造バラつきによって、面取り部の面取り量が変化しても、振動特性が安定した振動波モータを提供することが可能になる。

（Ａ）本発明における振動子１０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平面図である。 本発明における振動波モータの概略を示す斜視図である。 （Ａ）本発明における振動子１０の２次の曲げ振動を示す図である。（Ｂ）１次の曲げ振動を示す図である。 本発明における振動子１０において、振動板１と圧電素子２とを貼り合せた状態を示す側面図である。 本発明における振動子１０において、圧電素子２の面取り部２ｄの寸法Ｄと振動子１０の周波数ｆとの関係を示す図である。 本発明における変形例を示す斜視図である。 本発明における振動波モータの適用例を示す断面図である。

（実施例）
以下、図１から図３を参照して、本発明の振動波モータ（超音波領域の周波数の振動をする超音波モータ）について説明する。なお、本明細書では、後述する振動子１０に発生する楕円振動により振動子１０が移動する方向（光軸ＯＡ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、例えば金属の弾性体である振動板１と振動板１の一方の平面（裏面）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。振動板１の他方の平面（表面）側には、複数の凸部３が設けられている（図２参照）。凸部３には、被駆動体であるスライダー４と接触する接触部３ａ（図３参照）が設けられている。

圧電素子２は、一方の平面にＧＮＤ電極（図１（Ｂ）における裏面のため、不図示）と、他方の平面（表面）に分極処理された２つの電極２ａ、２ｂと、同じ表面にＧＮＤ電極２ｃとを備えている。さらに、裏面のＧＮＤ電極の一部が延出し、その一部は圧電素子２の端面２ｆを介して折り返されることにより、裏面のＧＮＤ電極と表面のＧＮＤ電極２ｃとは、連続的に、かつ、一体的に構成されている。そして、２つの電極２ａ、２ｂに、交流電圧Ｖ１、Ｖ２を印加すると、２つの振動モードで振動が発生する。

次に、２つの振動モードについて、図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、以下に説明する。図３（Ａ）には、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が示されている。振動子１０の圧電素子２の２つの電極２ａ、２ｂに逆相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２を印加すると、振動子１０にＸ方向の曲げ２次振動モードが励起される。曲げ２次振動モードの節１０ａ、１０ｂ、１０ｃが図で示される位置に発生し、曲げ２次振動モードの腹１０ｘ、１０ｙが図で示される位置に発生する。節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。一方、腹１０ｘ、１０ｙでは、曲げ２次振動モードによるＺ方向の振動は非常に大きく、前述の凸部３に設けられた接触部３ａは、曲げ２次振動モードの節１０ａ、１０ｃの位置に設けられているため、Ｚ方向には振動が少ないが、Ｘ方向には大きく振動する。

つまり、振動子１０の曲げ２次振動モードの節１０ａ、１０ｃの位置に接触部３ａを設け、Ｘ方向の曲げ２次振動モードを励起することによって、振動子１０にＸ方向の振動を起こすように構成している。なお、この接触部３ａがＸ方向にのみ振動することを、送りモードと定義する。また、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数ｆによって、接触部３ａのＸ方向の振動幅が変化するので、Ｘ方向の振動幅が最大になる時の交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数ｆを送りピーク周波数ｆ２と称す。

図３（Ｂ）には、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が示されている。振動子１０の圧電素子２の２つの電極２ａ、２ｂに同相の交流電圧Ｖ１、Ｖ２を印加すると、振動子１０にＹ方向の曲げ１次振動モードが励起される。曲げ１次振動モードの節１０ｄ、１０ｅが図で示される位置に発生し、曲げ１次振動モードの腹１０ｚが図で示される位置に発生する。節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。一方、腹１０ｚでは、曲げ１次振動モードによるＺ方向の振動は非常に大きく、前述の凸部３に設けられた接触部３ａは、曲げ１次振動モードの腹１０ｚの位置に設けられているため、Ｚ方向には大きく振動する。

つまり、振動子１０の曲げ１次振動モードの腹１０ｚの位置に接触部３ａを設け、Ｙ方向の曲げ１次振動モードを励起することによって、振動子１０にＺ方向の振動を起こすように構成している。なお、この接触部３ａがＺ方向にのみ振動することを、突き上げモードと定義する。また、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数ｆによって、接触部３ａのＺ方向の振動幅が変化するので、Ｚ方向の振動幅が最大になる時の交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数ｆを突き上げピーク周波数ｆ１と称す。

そして、上記の突き上げモードの振動と送りモードの振動とを組み合わせることにより、接触部３ａには楕円振動が励振される。楕円振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、図２の矢印Ｘで示される方向に振動子１０を駆動することができる。また、楕円振動は、超音波領域の周波数の振動も含む。

以上の構成において、圧電素子２に印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数ｆを変更することによって、楕円振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。例えば、圧電素子２に印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数ｆを振動子１０の共振周波数ｆｒに近付けると、楕円振動の楕円の大きさが大きくなると共に、振動子１０の駆動速度が速くなる。逆に、交流電圧Ｖ１、Ｖ２の周波数ｆを振動子１０の共振周波数ｆｒから遠ざけると、楕円の大きさが小さくなると共に、振動子１０の駆動速度が遅くなる。

さらに、圧電素子２に印加する交流電圧Ｖ１、Ｖ２の位相差を変更することによって、接触部３ａの楕円振動の楕円比を変更することができる。例えば、位相差が０度の場合は、圧電素子２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振される。また、位相差が１８０度の場合は、圧電素子２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振される。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振動が励振される。

本発明の圧電素子２の長手方向に延在し、それぞれが対向する端面２ｆと端面２ｇとにおいて、端面２ｆには、圧電素子２の裏面の不図示のＧＮＤ電極から延在し折り返され、圧電素子２の表面のＧＮＤ電極２ｃに接続するようにＧＮＤ電極が設けられる。この端面２ｆと、圧電素子２の表面及び裏面とによって形成される稜線にのみ面取り部２ｄが備えられている。

図４は、振動子１０の側面図であり、振動板１と圧電素子２とを貼り合せて一体化した状態の位置関係を示している。圧電素子２のＹ方向における、圧電素子２の一辺の中心を通る外形中心線２Ｌと、振動板１のＹ方向における、振動板１の一辺の中心を通る外形中心線１Ｌとは、必ずしも一致しておらず、ずれ量δだけＹ方向にずれている。また、そのずれている方向は、圧電素子２の外形中心線２Ｌが、振動板１の外形中心線１Ｌに対して、圧電素子２の面取り部２ｄが設けられた方向に偏る方向である。

これは、圧電素子２の片側の端面２ｆの稜線にのみ面取り部２ｄを設けたため、図４におけるＹ方向において、外形中心線２Ｌに対して圧電素子２は非対称な形状となる。その結果、前述したように、圧電素子２の外形中心線２Ｌと振動板１の外形中心線１ＬとをＹ方向にδだけずらして振動板１と圧電素子２を接着等で一体化することによって、一体化された振動子１０がＸ方向にもＺ方向にも対称的に振動するようになっている。

また、寸法Ｄは、面取り部２ｄの大きさを示し、この面取り部２ｄの寸法Ｄが大きくなると、Ｙ方向において、外形中心線２Ｌに対して圧電素子２の非対称性も大きくなるので、圧電素子２の外形中心線２Ｌと振動板１の外形中心線１Ｌとのずれ量δも大きくなる。これにより、片側の端面２ｆの稜線にのみ面取り部２ｄを設けた圧電素子２を有する振動子１０であっても、従来の振動子と同様、突き上げモードの振動と送りモードの振動が励振される。

しかしながら、面取り部２ｄの寸法Ｄを大きくすると面取り量（体積）が大きくなり、それに応じて圧電素子２の体積が減少する。また、圧電素子２の端面２ｆと端面２ｇとの間における、Ｙ方向の距離、すなわち圧電素子２の平面部の長さＬ２も短くなる。この平面部の長さＬ２に応じて、曲げ２次振動モードの送りピーク周波数ｆ２と曲げ１次振動モードの突き上げピーク周波数ｆ１は変化する。振動子１０の振動特性である、これら送りピーク周波数ｆ２と突き上げピーク周波数ｆ１との周波数差（以下、Δｆと称す）も変化する。

図５は、片側の端面２ｆの稜線にのみ面取り部２ｄを設けた圧電素子２を有する振動子１０において、面取り部２ｄの寸法Ｄと、振動子１０の送りピーク周波数ｆ２及び突き上げピーク周波数ｆ１との関係を実線で示す。比較のため、圧電素子の両端面の稜線に面取り部（すなわち、２か所の端面の稜線に面取り部）を設けた従来例の振動子についても、面取り部の寸法Ｄと、振動子の送りピーク周波数ｆ２’及び突き上げピーク周波数ｆ１’との関係を破線で示す。

面取り部２ｄの寸法Ｄを大きくすると、送りピーク周波数ｆ２の値は小さくなることが分かる。これは、図３（Ａ）に示したように、送りモードの振動は、振動子１０のＸ方向の変形である。このＸ方向の変形に対して、面取り部２ｄは圧電素子２のＸ方向に延伸して設けられており、振動板１と圧電素子２との接着面積が、面取り部２ｄを設けることにより減少している。それに対して、振動板１の大きさは変わらないので、Ｘ方向の曲げ変形をする時に、接着面積の減少分だけ曲がりやすくなる、すなわち、振動板１のＸ方向の曲げ剛性が小さくなる。よって、面取り部２ｄの寸法Ｄが大きくなると、送りモードの振動による振動子１０の変形量は大きくなるので、送りピーク周波数ｆ２の値は小さくなる。

一方、面取り部２ｄの寸法Ｄを大きくすると、突き上げピーク周波数ｆ１の値は大きくなることが分かる。これは、図３（Ｂ）に示したように、突き上げモードの振動は、振動子１０のＺ方向の変形であるため、面取り部２ｄの寸法Ｄが大きくなると、圧電素子２の平面部の長さＬ２が短くなることにより、突き上げモードの振動が影響を受けるためである。

よって、振動子１０の突き上げモードの振動に対しては、面取り部２ｄの寸法Ｄが大きくなると、圧電素子２の平面部の長さＬ２が短くなるので、圧電素子２の曲げ剛性が大きくなる。これにより、振動子１０が突き上げモードの振動する時の変形量が小さくなる。つまり、圧電素子２に印加する交流電圧の周波数ｆが大きい時に突き上げモードの変形量が大きくなるので、突き上げピーク周波数ｆ１の値が大きくなる。

このように、面取り部２ｄの寸法Ｄの大きさによって、突き上げピーク周波数ｆ１の値が変わる。従来例のように面取り部を２か所の端面の稜線に設ける場合の方が、本発明の面取り部２ｄを１か所の端面２ｆの稜線に設ける場合よりも面取り部の大きさの変化の影響が大きくなる。すなわち、従来例のような面取り部を２か所有する圧電素子では、突き上げピーク周波数ｆ１’の変化量が大きい。

この結果、面取り部２ｄの寸法Ｄが大きくなると、振動子１０の周波数差Δｆは小さくなる。そして、本発明の振動子１０と従来例の振動子とを比較すると、突き上げピーク周波数ｆ１の値の変化は振動子１０の方が小さく、また周波数差、Δｆの変化量も小さい。つまり、圧電素子２の製造バラツキによって、面取り部２ｄの寸法Ｄが変化しても、振動子１０の周波数差Δｆの変化幅が従来例よりも小さくなる。よって、面取り部２ｄを圧電素子２の一方の端面２ｆの稜線のみに設けることによって、本発明の振動波モータの振動特性が安定する。以上、述べたように、圧電素子２の製造バラつきによって面取り部２ｄの寸法Ｄが変化しても、振動特性の安定した振動波モータを提供することが可能になる。

（変形例）
図６は、本発明の変形例である振動子１０の構成を示す斜視図である。なお、本発明の実施例と同様な構成については、同一の番号を付し、説明を省略する。この変形例において、圧電素子２には、ＧＮＤ電極２ｃが設けられた端面２ｆの稜線において、そのＧＮＤ電極２ｃ及びその近傍の稜線にのみ面取り部２ｅが設けられている。

面取り部２ｅは、端面２ｆのＸ方向の中心部に設けられており、ＧＮＤ電極２ｃは、圧電素子２の裏面に設けられた不図示のＧＮＤ電極から圧電素子２の端面２ｆを介して折り返されて、面取り部２ｅの範囲内で引き回されて、連続的に構成されている。つまり、不図示のＧＮＤ電極とＧＮＤ電極２ｃとは、一体的に構成された圧電素子２のＧＮＤ電極となる。

よって、先述の実施例と同様、圧電素子２の電極２ａ、２ｂに交流電圧Ｖ１、Ｖ２を印加すると、２つのモードの振動が発生する。また、図６におけるＸ方向の面取り部２ｅの長さは、実施例で説明した面取り部２ｄに比べて短いので、圧電素子２の製造バラつきによって面取り部２ｅの面取り量の大きさが変化しても、面取り部２ｄに比べて体積の変化やＺ方向の曲げ剛性の変化が小さくなる。

そして、圧電素子２の製造バラつきによって面取り部２ｅの面取り量の大きさが変化しても、振動子１０の周波数差Δｆの変化幅が、面取り部２ｄと比べて小さくなる。すなわち、圧電素子２の面取り部２ｅを、圧電素子２の裏面に設けられた不図示のＧＮＤ電極から圧電素子２の端面２ｆを介して折り返されて連続的に備えたＧＮＤ電極２ｃ及びその近傍の稜線にだけ設ける。そうすることによって、さらに圧電素子２の製造バラつきによる振動子１０の周波数差Δｆの変化幅を小さくすることができる。これにより、振動波モータの振動特性を、さらに安定させることができる。

以上、圧電素子２の対向する端面２ｆ及び端面２ｇの一方の端面２ｆの稜線に面取り形状を設けることによって、圧電素子２の製造バラつきによって面取り量の大きさが変化しても、特性の安定した振動波モータを提供することが可能になる。

（適用例）
次に、図７を参照して、振動子ユニット１２１をＡＦレンズ１２０の駆動源として用いた光学装置について説明する。なお、振動子ユニット１２１は本発明の振動波モータ、ＡＦレンズ１２０は本発明の被駆動体に相当する。

図７は、振動子ユニット１２１を駆動源としてＡＦレンズ１２０が光軸ＯＡ方向に駆動される構成を示す断面図である。振動子ユニット１２１は、振動子１０、振動子１０を保持する保持部材１１、振動子１０をスライダー４の方向に加圧する加圧部材１２、加圧部材１２が加圧するのに必要な加圧力を発生する圧縮バネなどの付勢部材１３及び保持枠１４で構成されている。保持枠１４は、保持部材１１を保持し、後述の連結部材１５を介してＡＦレンズ１２０と一体化されている。よって、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、図７の矢印Ａの方向に加圧部材１２を介して振動子１０をスライダー４に加圧接触させている。そして、振動子１０の圧電素子２に所望の周波数ｆと位相差で交流電圧を印加することによって、振動子ユニット１２１はＸ方向、つまり、光軸ＯＡの方向に駆動される。なお、保持部材１１には、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。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。よって、振動子ユニット１２１が光軸ＯＡの方向に駆動されると、一体的にＡＦレンズ１２０も光軸ＯＡの方向に駆動される。

１ 振動板
１Ｌ、２Ｌ 外形中心線
２ 圧電素子
２ｃ ＧＮＤ電極
２ｄ、２ｅ 面取り部
２ｆ、２ｇ 端面
４ スライダー（被駆動体）
１０ 振動子
１２０ ＡＦレンズ（被駆動体）
１２１ 振動子ユニット（振動波モータ）

Claims (9)

1. 振動板と圧電素子とを一体化して構成する振動子と、
   前記振動子は楕円振動を発生し、前記楕円振動により駆動される被駆動体と、
   を備えた振動波モータにおいて、
   前記圧電素子の対向する端面の一方の端面の稜線のみに面取り部が設けられており、
   前記稜線に前記面取り部が設けられている端面には、ＧＮＤ電極が設けられていることを特徴とする振動波モータ。
2. 前記振動子は、前記振動板と前記圧電素子とを非対称に一体化して構成さ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. 前記圧電素子の外形中心線は前記振動板の外形中心線に対して、前記面取り部の方向にずれた状態で前記一体化されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の振動波モータ。
4. 前記面取り部の大きさによって、前記振動板の外形中心線と前記圧電素子の外形中心線とのずれ量が変化することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波モータ。
5. 前記面取り部は、前記圧電素子の端面の中心部に設けられていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波モータ。
6. 前記ＧＮＤ電極は、前記面取り部が設けられている範囲内にて引き回さ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項に記載の振動波モータ。
7. 振動板と圧電素子とを一体化して構成する振動子と、
   前記振動子は楕円振動を発生し、前記楕円振動により駆動される被駆動体と、
   を備えた振動波モータにおいて、
   前記圧電素子の対向する端面の一方の端面にのみＧＮＤ電極が設けられていて、
   前記ＧＮＤ電極が設けられている端面の稜線に面取り部が設けられていることを特徴とする振動波モータ。
8. 前記楕円振動は、超音波領域の周波数の振動であり、前記振動波モータは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として被駆動体を駆動する光学装置。

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