TW201924207A

TW201924207A - 振動波馬達及光學機器

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Publication number: TW201924207A
Application number: TW107136753A
Authority: TW
Inventors: 芦沢隆利
Original assignee: 日商尼康股份有限公司
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2019-06-16
Also published as: EP3700079B1; EP3700079A1; WO2019078239A1; US20230369993A1; CN111213313A; EP3700079A4; JP2023159245A; JPWO2019078239A1; JP7338760B2; US20200350838A1; US11522473B2; CN111213313B; US20230062176A1; CN117335685A; US11757381B2; JP7136116B2; JP2022171658A; EP4343401A2

Abstract

本發明之課題為藉由將無鉛之元件與彈性體接合之振動子而獲得良好之振動特性。振動波馬達具有：藉由電壓之施加而位移之元件；以及圓環狀之彈性體，其具有與上述元件接觸之底面及具有溝槽之驅動面，且藉由隨著上述元件之位移而於上述驅動面上產生之振動波，來驅動移動子；上述元件之密度為4.2~6.0×10³kg/m³，並且於將上述溝槽之深度設為T，將從上述溝槽之底部至上述底面為止之距離設為B，且將上述彈性體之直徑方向之寬度設為W之情形時，[(T/B)÷W]之值為0.84~1.94之範圍。

Description

振動波馬達及光學機器

本申請案主張於2017年10月18日提出申請之日本申請案之日本特願2017-202118之優先權，藉由參照其內容而併入本申請案中。

本發明係關於一種振動波馬達及光學機器。

振動波馬達利用壓電體之伸縮而於彈性體之驅動面上產生前進性振動波(以下，簡稱為行進波)(參照下述專利文獻1)。此種振動波馬達之振動子通常具有機電轉換元件(以下，稱為壓電體)、及彈性體。先前，壓電體通常包含通稱為PZT(plumbum zirconate titanate)之鋯鈦酸鉛之材料，但近年來，出於環境問題而研究無鉛之材料，且對振動波馬達上之搭載進行研究。

[現有技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特公平1-17354號公報

成為本申請案中所揭示之技術之一方面的振動波馬達具有：藉由電壓之施加而位移之元件；以及圓環狀之彈性體，其具有與上述元件接觸之底面及具有溝槽之驅動面，且藉由隨著上述元件之位移而於上述驅動面上產生之振動波，來驅動移動子；上述元件之密度為4.2~6.0×10³kg/m³，並且於將上述溝槽之深度設為T，將從上述溝槽之底部至上述底面為止之距離設為B，且將上述彈性體之直徑方向之寬度設為W之情形時，[(T/B)÷W]之值為0.84~1.94之範圍。

作為本申請案中所揭示之技術之其他方面的振動波馬達具有：藉由電壓之施加而位移之元件；以及圓環狀之彈性體，其具有與上述元件接觸之底面及具有溝槽之驅動面，且藉由隨著上述元件之位移而於上述驅動面上產生之振動波，來驅動移動子；並且於將上述溝槽之深度設為T，將從上述溝槽之底部至上述底面為止之距離設為B，且將上述彈性體之直徑方向之寬度設為W之情形時，[(T/B)÷W]之值為0.84~1.94之範圍。

成為本申請案中所揭示之技術之一方面的光學機器係藉由振動波馬達來驅動光學構件之光學機器，並且上述振動波馬達具有：藉由電壓之施加而位移之元件；以及圓環狀之彈性體，其具有與上述元件接觸之底面及具有溝槽之驅動面，且藉由隨著上述元件之位移而於上述驅動面上產生之振動波，來驅動移動子；上述元件之密度為4.2~6.0×10³kg/m³，於將上述溝槽之深度設為T，將從上述溝槽之底部至上述底面為止之距離設為B，且將上述彈性體之直徑方向之寬度設為W之情形時，[(T/B)÷W]之值為0.84~1.94之範圍。

成為本申請案中所揭示之技術之其他方面的光學機器係藉由振動波馬達來驅動光學構件之光學機器，並且上述振動波馬達具有：藉由電壓之施加而位移之元件；以及圓環狀之彈性體，其具有與上述元件接觸之底面及具有溝槽之驅動面，且藉由隨著上述元件之位移而於上述驅動面上產生之振動波，來驅動移動子；且於將上述溝槽之深度設為T，將從上述溝槽之底部至上述底面為止之距離設為B，且將上述彈性體之直徑方向之寬度設為W之情形時，[(T/B)÷W]之值為0.84~1.94之範圍。

10‧‧‧振動波馬達

11‧‧‧振動子

12‧‧‧彈性體

12a‧‧‧驅動面

12b‧‧‧突起部

12c‧‧‧溝槽

12d‧‧‧接合面

12e‧‧‧基底部

13‧‧‧壓電體

13A‧‧‧第一面

13B‧‧‧第二面

15‧‧‧移動子

15a‧‧‧滑動面

15b‧‧‧接合面

36‧‧‧凸輪環

40‧‧‧驅動電路

60‧‧‧振盪部

62‧‧‧移相部

64‧‧‧增幅部

66‧‧‧旋轉檢測部

68‧‧‧控制部

70‧‧‧處理器

100‧‧‧相機

800‧‧‧中立面

B‧‧‧基底部之厚度

T‧‧‧溝槽之深度

W‧‧‧外內徑寬度

圖1係具有具備振動波馬達之透鏡鏡筒之相機之概略剖面圖。

圖2係振動子及移動子之一部分切下之立體圖。

圖3係表示壓電體之說明圖。

圖4係表示驅動電路之方塊構成例之說明圖。

圖5係表示為振動波馬達之振動子之等效電路的說明圖。

圖6係表示CAE分析結果之圖表。

圖7係表示與驅動電壓相應之[(T/B)÷W]值之測定結果的圖表。

圖8係表示由振動波引起之振動子之突起部之舉動的說明圖。

圖9係表示振動波馬達之驅動順序例的說明圖。

<相機之概略構成例>

圖1係具有具備振動波馬達之透鏡鏡筒之相機之概略剖面圖。相機100係可拍攝靜態圖像及動態圖像之光學機器，係於具有攝像元件或圖像處理部之相機主體1上自由地拆裝作為攝像光學系統之透鏡鏡筒20的構成。此外，相機100亦可為相機主體1與透鏡鏡筒20一體型之攝像裝置。

透鏡鏡筒20具有：外側固定筒31、內側固定筒32、及振動波馬達10。外側固定筒31例如為圓筒形狀，且覆蓋透鏡鏡筒20之外周部。外側固定筒31具有從其內周面朝向光軸OA而突出之突出片31a。突出片31a支持內側固定筒32。內側固定筒32例如為圓筒形狀，較外側固定筒31而言設置於內周側。振動波馬達10設置於外側固定筒31與內側固定筒32之間。

於內側固定筒32上，從被攝物側起，第1透鏡群L1、第2透鏡群L2、第3透鏡群L3、第4透鏡群L4配置於同一光軸OA上。第3透鏡群L3係保持於圓環狀之AF(Auto Focus，自動對焦)環34上之AF透鏡。第1透鏡群L1、第2透鏡群L2及第4透鏡群L4固定於內側固定筒32上。第3透鏡群L3係構成為：藉由AF環34移動，可相對於內側固定筒32而於光軸OA之方向(以下稱為光軸方向)上移動。

振動波馬達10具有振動子11、移動子15、加壓構件18等，例如將振動子11設為固定子(定子)，將移動子15設為旋轉驅動之旋轉子(轉子)。

振動子11為圓環狀之構件，具有彈性體12、及壓電體13。彈性體12係與壓電體13接合。彈性體12產生行進波。此處，作為一例，行進波設為9波之行進波。彈性體12具有共振尖銳度大之金屬材料。彈性體12之形狀為圓環形狀。

壓電體13係藉由電壓之施加而位移之元件，具體而言，例如為將電能轉換為機械能之壓電元件或電伸縮元件等機電轉換元件。壓電體13通常包含通稱為PZT之鋯鈦酸鉛之材料，但並不限定於PZT，亦可使用其他材料。

例如，壓電體13亦可包含作為無鉛(lead-free)材料之鈮酸鉀鈉、鈮酸鉀、鈮酸鈉、鈦酸鋇、鈦酸鉍鈉、鈦酸鉍鉀等。此外，振動子11之詳情係使用圖2，於下文中進行說明。

於壓電體13與彈性體12接合之側之相反側，配置有不織布16、加壓板17、加壓構件18。不織布16例如由毛氈所構成。不織布16為振動傳輸防止構件，其用以使來自振動子11之振動不會傳輸至加壓板17或加壓構件18。

加壓板17係以接受加壓構件18之加壓之方式所構成。加壓構件 18具有例如圓形彈簧，對於加壓板17產生加壓力。加壓構件18除圓形彈簧之外，亦可為螺旋彈簧或波形彈簧。按壓環19為圓環狀之構件，藉由固定於固定構件14上，而保持加壓構件18。

移動子15例如為具有鋁等輕金屬之圓環狀之構件。移動子15於其一端具有與彈性體12接觸而滑動之滑動面15a。對於滑動面15a，進行用以提高耐磨耗性之滑動材料等之表面處理。

於移動子15之另一端側配置有振動吸收構件23。振動吸收構件23包含例如橡膠等彈性構件，吸收移動子15之縱方向之振動。於振動吸收構件23之與移動子15接觸之側相反之側，配置有功率傳輸構件24。

功率傳輸構件24係藉由設置於固定構件14上之軸承25，來限制移動子15之加壓方向PD及直徑方向DD之位置偏移。

功率傳輸構件24具有突起部24a。突起部24a嵌合在與凸輪環36連接之叉桿35上。凸輪環36為圓環狀之構件，與功率傳輸構件24之旋轉同時旋轉。

於凸輪環36上，相對於其圓周方向而傾斜地(螺旋狀地)形成有鍵槽37。另外，於AF環34之外周側設置有固定銷38。固定銷38嵌合於鍵槽37中。藉此，藉由凸輪環36旋轉驅動，AF環34係於光軸OA上之第3透鏡群L3之前進方向(朝向被攝物側之方向；以下表述為OA+)上驅動，且於光軸OA上之所需位置上停止。此外，將光軸OA上之第3透鏡群L3之後退方向(朝向相機主體1側之方向)表述為「OA-」。

固定構件14係藉由螺釘(未圖示)而固定按壓環19。藉由將按壓環19安裝於固定構件14上，可將從功率傳輸構件24至移動子15、振動子11、加壓構件18為止，構成為一個馬達單元。

驅動電路40固定於突出片31a上。驅動電路40係以將振動波馬達 10旋轉驅動之方式來控制。驅動電路40係藉由訊號線21而與壓電體13電性連接，對壓電體13供給電壓訊號。

<振動子11及移動子15之概略構成例>

圖2係將振動子11及移動子15之一部分切下之立體圖。如上所述，振動子11由彈性體12及壓電體13構成。彈性體12係在與壓電體13之接合面12d之相反側具有驅動面12a。對於驅動面12a進行潤滑性之表面處理。

驅動面12a係與移動子15之滑動面15a加壓接觸，使移動子15旋轉驅動。於驅動面12a上形成溝槽12c。另外，彈性體12係以夾持溝槽12c之方式具有複數個突起部12b。換言之，於鄰接之突起部12b之間形成溝槽12c。突起部12b之前端面為驅動面12a。

振動波馬達10係使用藉由壓電體13之激發而於驅動面12a上產生之驅動力，來驅動移動子15，藉此，驅動第3透鏡群L3。於彈性體12上形成溝槽12c之原因在於：使振動子11之光軸方向之寬度中之行進波之中立面800僅可能地接近壓電體13側，藉此，使驅動面12a上之行進波之振幅增幅。

彈性體12中，將從壓電體13所接觸之接合面12d直至與移動子15之滑動面15a加壓接觸之驅動面12a為止之範圍中，無突起部12b之部分稱為基底部12e。即，彈性體12由基底部12e以及於基底部12e上排列於圓周方向上之突起部12b構成，且於鄰接之突起部12b之間形成溝槽12c，成為梳齒狀。

此外，B為基底部12e之厚度。C為壓電體13之光軸方向之厚度。T為設置於鄰接之突起部12b之間之溝槽12c之深度，換言之，為突起部12b之光軸方向之長度。W為彈性體12之直徑方向DD之寬度。

移動子15具有與驅動面12a加壓接觸之滑動面15a。另外，移動子15於移動子15之滑動面15a之相反側，具有與功率傳輸構件24接合之接合面15b。

<壓電體13>

圖3係表示壓電體13之說明圖。(a)表示與彈性體12之接合面12d接合之圓環狀之第一面13A，(b)為彈性體12之第一面13A之背面，表示與不織布16接觸之圓環狀之第二面13B。

壓電體13沿著圓周方向而分離為2個相(A相、B相)。各相中，排列有每隔行進波之1/2波長而分極成為交替之要素，於A相與B相之間設置有1/4波長程度之間隔。

(a)中，於第一面13A上，A相中，沿著第一面13A之圓周方向而設置有複數個(本例中為8個)第一電極131A，B相中，沿著第一面13A之圓周方向而設置有複數個(本例中為8個)第二電極131B。尤其，將複數個第一電極131A之一端之第一電極131A表述為第一電極131A1，將另一端之第一電極131A表述為第一電極131A2。同樣，將複數個第二電極131B之一端之第二電極131B表述為第二電極131B1，將另一端之第二電極131B表述為第二電極131B2。

第一面13A於第一電極131A1與第二電極131B1之間，具有行進波之1/4波長程度之第三電極131C，且於第一電極131A2與第二電極131B2之間，具有行進波之3/4波長程度之第四電極131D。該等電極131A、131B、131C、131D係於鄰接之電極131A、131B、131C、131D間，沿著圓周方向而分別交替地分極為正極(+)與負極(-)。

(b)中，於第二面13B上，於A相之背面側具有第一電極132A，且於B相之背面側具有第二電極132B。另外，於第二面13B上，於行進波之1/4波長程度之第三電極131C之背面側具有行進波之1/4波長程度之第三電極132C，且於行進波之3/4波長程度之第四電極131D之背面側，具有行進波之3/4波長程度之第四電極132D。

若對第一電極132A施加驅動電壓，則驅動電壓傳輸至A相，若對第二電極132B施加驅動電壓，則傳輸B相之驅動電壓。行進波之1/4波長程度之第三電極132C利用導電塗料而使彈性體12短路，進行接地(GND)。

<驅動電路40之方塊構成例>

圖4係表示驅動電路40之方塊構成例的說明圖。驅動電路40對振動波馬達10賦予反覆變動之驅動訊號。驅動電路40具有振盪部60、移相部62、增幅部64、振動波馬達10、旋轉檢測部66、及控制部68。

振盪部60藉由控制部68之指令而生成所需頻率之驅動訊號，輸出至移相部62。移相部62將藉由振盪部60而生成之驅動訊號分離為相位不同之2個驅動訊號。增幅部64將由移相部62所分離之2個驅動訊號分別升壓至所需電壓。來自增幅部64之驅動訊號傳輸至振動波馬達10，藉由該驅動訊號之施加而於振動子11中產生行進波，來驅動移動子15。

旋轉檢測部66由例如光學式編碼器或磁性編碼器構成，檢測藉由移動子15之驅動而驅動之凸輪環36之位置或速度，將檢測值(檢測位置及檢測速度)作為電訊號(檢測訊號)而傳輸至控制部68。

控制部68係基於來自透鏡鏡筒20內或者相機主體1之處理器70的驅動指令，來控制振動波馬達10之驅動。控制部68接收來自旋轉檢測部66之檢測訊號，且基於該檢測值，來算出表示凸輪環36之目標位置以及移動速度之資訊。

而且，控制部68係以將凸輪環36定位於上述目標位置之方式，控制來自振盪部60之振盪訊號之頻率。控制部68於向凸輪環36之旋轉方向之正轉反轉之切換時，將移相部62之相位差變更為90度或負90度。

<振動波馬達10之動作例>

繼而，對實施方式之振動波馬達10之動作進行說明。若由控制部68發出驅動指令，則振盪部60產生驅動訊號，且輸出至移相部62。驅動訊號係藉由移相部62而分割為90度相位之不同之2個驅動訊號，且由增幅部64而增幅至所需電壓。

經增幅之驅動訊號施加至振動波馬達10之壓電體13，壓電體13被激發。藉由該激發，而於彈性體12上產生9次彎曲振動。壓電體13分成A相與B相，驅動訊號分別施加於A相及B相。由A相產生之9次彎曲振動與由B相產生之9次彎曲振動成為位置性之相位偏移1/4波長，另外，施加於A相之驅動訊號與施加於B相之驅動訊號偏移90度相位，因此2個彎曲振動合成而成為9波之行進波。

於行進波之波峰上產生橢圓運動。因此，與驅動面12a加壓接觸之移動子15係藉由該橢圓運動而摩擦性地驅動。於藉由移動子15之驅動而驅動之凸輪環36上配置有旋轉檢測部66，從其中產生電氣脈衝，作為檢測訊號而傳輸至控制部68。控制部68可基於該檢測訊號而獲得凸輪環36之目前位置及目前速度。

上述振動波馬達10中，考慮到環境問題，使用無鉛材作為壓電體13。但是，本發明者等人之銳意研究之結果可知，於將無鉛之壓電體13搭載於振動波馬達10上之情形時，難以獲得與同一條件下之PZT(鋯鈦酸鉛)之壓電體同樣之驅動性能。

為查明其原因，而使用CAE(computer aided engineering，電腦輔助工程)分析等來研究，結果判明無鉛之壓電體13與PZT之密度不同。關於無鉛之壓電體13之密度，例如於鈮系材料之情形時為4.2~4.7×10³[kg/m³]，於鈦酸鋇系材料之情形時為5.5~6.0×10³kg/m³。

與此相對，PZT為7.7~7.8×10³[kg/m³]。即，與PZT相比較，無鉛之壓電體13之密度小百分之二十幾至百分之四十幾。確認因上述原因而無法獲得將無鉛之壓電體13與彈性體12接合之振動子11中之振動特性。

<等效電路>

圖5係表示振動波馬達10之振動子11之等效電路的說明圖。於(a)表示等效電路，於(b)表示機械性品質係數Qm之計算式。(a)中，Lm表示等效電感，Cm表示等效電容，R表示共振電阻，Cd表示壓電體13之靜電電容。Lm或Cm之值影響振動子11之共振特性。(b)之機械性品質係數Qm為表示共振特性之尺度，該Qm值越大，表示共振特性越良好。Lm值越大，機械性品質係數Qm越大。

以下所示之表1係於將各材料設為壓電體13時，藉由CAE分析來算出Lm值、Cm值而得之值。此處，壓電體13之模型係以如下方式構成。

外徑：62[mm]

內徑：55[mm]

振動子11之厚度：4.22[mm]

設置於驅動面12a側之溝槽12c之數量：48個

溝槽12c之深度：1.92[mm]

如表1所示，相對於PZT之Lm值為0.341，鈦酸鋇系之Lm值為0.325，鈮酸系之Lm值為0.313。即，密度越小，Lm值越小。於將無鉛之壓電體13組裝入振動子11中之情形時，與組裝PZT之壓電體之情形相比，Lm值變小。

即，較組裝PZT之壓電體之情形而言，於組裝無鉛之壓電體13之情形時之機械性品質係數Qm變小。因此可知，與組裝PZT之壓電體13之情形相比，於組裝無鉛之壓電體13之情形時，難以獲得所需之共振特性。

另外，振動波馬達10係利用共振之原理，因此若振動子11中未獲得所需之振動特性，則難以獲得組合有移動子15之狀態下之驅動性能。因此，使用無鉛之壓電體13之振動子11中，存在難以獲得所需之驅動性能之傾向。

因此，為提高使用無鉛之壓電體13之振動子11之共振特性，而調查Lm值提高之振動子11之尺寸之傾向。此處，將設置於彈性體12之鄰接之突起部12b之間的溝槽12c之深度設為T，將從溝槽12c之底部直至與壓電體13之接合面12d為止之基底部12e之厚度設為B，將彈性體12之直徑方向DD之寬度設為W，且將振動子11中產生之行進波之波長設為λ。

<CAE分析結果例>

圖6係表示CAE分析結果之圖表。(a)係表示CAE分析結果之圖表，(b)表示振動子11之尺寸。具體而言，例如，圖6表示於T值：1.9~2.8、B值：1.0~1.9、W值：2.4~4.5

之範圍內分別變化，藉由CAE分析來算出Lm值之結果。根據該算出結果，計算結果可知，[(T/B)÷W]之值及Lm值存在相關關係。具體而言，例如，T值越大，則Lm值成為越大之值，B值越小，則Lm值成為越大之值，另外，存在W值越小，則Lm值成為越大之值的傾向，且存在λ值越大，則Lm值成為越大之值的傾向。

因此，於利用密度小於PZT之鈮系材料(4.2~4.7×10³[kg/m³])來改變[(T/B)÷W]值之情形時，於各壓電體13之材料中，振動子11之Lm值成為如何之值，係藉由CAE分析而算出。將其算出結果示於表2中。

此外，表2示出於

T值：1.9~3.5

B值：1.0~2.9

W值：2.4~4.5

之範圍內分別變化，算出[(T/B)÷W]值成為0.51、0.84、1.02、1.94時之Lm值的結果。4.2~4.7×10³[kg/m³]之範圍係一般之鈮系壓電材料之密度之範圍，故而根據其上限密度值及下限密度值來實施CAE分析。

依據表2可知，密度越小，則Lm值越小，另一方面，若增大[(T/B)÷W]值，則獲得較搭載有PZT之振動子11而言更大之值。然而，由於亦考慮到增大[(T/B)÷W]值時之弊端，故而本發明者等人試製搭載有鈮系材料之振動子，來調查作為振動波馬達10之共振特性。

壓電體13之材料係以鈮酸鉀鈉為主成分，彈性體12設為不鏽鋼，試製12種將彈性體12之T、B值及直徑方向DD之寬度W改變之振動子11，對於12種振動子11之各試作品，調查可驅動之驅動訊號之電壓(驅動電壓)。

試作品係於

T值：1.5~2.0

B值：0.35~0.75

W值：2.4~2.7之範圍內製成。另外，試作品之壓電體13之密度為4.4×10³[kg/m³]。

考慮如下：可驅動之驅動訊號之電壓越低，則振動波馬達10之實機中之共振特性越良好，且驅動訊號之電壓越高，則振動波馬達10之實機中之共振特性不良。將測定之結果示於圖7中。

<[(T/B)÷W]值之測定結果例>

圖7係表示與驅動電壓相應之[(T/B)÷W]值之測定結果的圖表。於[(T/B)÷W]值為0.82之情形時，即便賦予100[V]之驅動電壓，振動波馬達10亦不起動。

另一方面可知，於[(T/B)÷W]值為0.84~1.94之範圍內，於100[V]以下之適當之驅動電壓，振動波馬達10可驅動。

另外，於[(T/B)÷W]值為2.29時，振動波馬達10驅動，但移動子15之旋轉狀態為稍微不穩定之狀態。

如上所述，越增大[(T/B)÷W]值，則振動子11之Lm值越大，Qm值越提高。另一方面，存在振動子11之機電耦合係數Kvn變小之情形，產生從電能向機械能之轉換效率變差之弊端。

於將[(T/B)÷W]值設為2.29時，產生該弊端，認為移動子15之旋轉狀態成為稍微不穩定者。基於以上之研究結果，實施例1之振動波馬達10設為下述構成。

[實施例1]

壓電體13包含鈮酸鉀鈉。具體而言，例如，壓電體13係以鈮酸鉀鈉為主成分(例如90%)，且將其餘設為鋰或銻等材料。另外，將壓電體13之密度設為4.2~4.7×10³[kg/m³]。

另外，彈性體12中使用不鏽鋼，且將[(T/B)÷W]值之範圍設為0.84~1.94。藉由設為此種構成，即便壓電體13之密度變得小於以PZT為主成分之情形，亦可作為振動子11而確保共振特性，且可確保組合有移動子15之狀態下之驅動性能。

具體而言，例如於[(T/B)÷W]值為0.84時，藉由CAE分析而得之計算結果中，振動子11之Lm值成為約0.65，另外，於[(T/B)÷W]值為1.94時，振動子11之Lm值成為約1.4。

上述實施例中，雖將[(T/B)÷W]值設為0.84~1.94，但就進而降低驅動電壓之觀點而言，較佳為0.90~1.94，進而佳為1.01~1.94，更佳為1.01~1.71。

[實施例2]

實施例2表示對於實施例1改變壓電體13之材料之例。具體而言，例如，壓電體13設為以鈦酸鋇為主成分之材料，且將其密度設為5.5~6.0×10³[kg/m³]。另外，彈性體12中使用不鏽鋼，且將[(T/B)÷W]值之範圍設為0.84~1.94。

如表1所示，於將壓電體13設為鈦酸鋇時，壓電體13之密度亦小於以PZT為主成分之情形，因此振動子11之Lm值下降，無法獲得作為振動子11而充分之共振特性。即便於該狀態下組合有移動子15，亦無法獲得驅動性能。

因此，實施例2中，僅改變[(T/B)÷W]值，藉由CAE分析而算出振動子11之Lm值。將該算出結果示於表3中。

表3示出於壓電體13之密度為5.5×10³[kg/m³]及6.0×10³[kg/m³]之情形時，算出將[(T/B)÷W]值變更為0.51、0.84、1.2、1.94時之各振動子11之Lm值的結果。

壓電體13之密度為5.5~6.0×10³[kg/m³]之範圍係一般之鈦酸鋇系壓電材料之密度之範圍，因此根據其上限密度值及下限密度值來實施CAE分析。此外，於

T值：1.9~3.5

B值：1.0~2.9

W值：2.4~4.5

之範圍內進行CAE分析。此外，振動子11中產生之行進波之波長λ設為λ=20.4。

於壓電體13為鈦酸鋇之情形，當[(T/B)÷W]值為0.84時，Lm值為約0.65，當[(T/B)÷W]值為1.94時，振動子11之Lm值成為約1.4。於作為壓電體13之密度為5.5~6.0×10³[kg/m³]之材料的鈦酸鋇中，關於[(T/B)÷W]值與Lm值之關係，亦成為與作為壓電體13之密度為4.2~4.7×10³[kg/m³]之材料的鈮酸系(參照表2)大致相同之值。因此，認為[(T/B)÷W]值之適當範圍為0.84~1.94。

壓電體13之材料為表2中所示之鈮酸系(密度：4.2~4.7×10³[kg/m³])之Lm值、壓電體13之材料為表3中所示之鈦酸鋇系(密度：5.5~6.0×10³[kg/m³])之Lm值均於[(T/B)÷W]值為0.84~1.94之範圍內，成為同樣之關係。因此認為，於壓電體13之密度4.2~6.0×10³[kg/m³]下，[(T/B)÷W]值0.84~1.94為適當之範圍。

[實施例3]

對實施例3進行說明。實施例1及實施例2中示出，以於搭載有無鉛之壓電體13時增大等效電路之Lm值之方式來決定[(T/B)÷W]值之範圍，但存在該值成為較搭載有PZT作為壓電體13時更大之值的傾向。

為增大[(T/B)÷W]值，有如下兩種方法： (1)增大T/B值；或者(2)減小W值；兩種方法均於成為如振動波馬達10之起動時般的速度變化大之狀態時等，產生振動波馬達10無法驅動之情形。使用圖8，對其原因進行說明。

<突起部12b之舉動例>

圖8係表示由振動波引起之振動子11之突起部12b之舉動的說明圖。(a)表示T/B值小於(b)之情形(溝槽12c之深度淺)時之由振動波引起之振動子11之突起部12b之舉動。(b)表示T/B值大於(a)之情形(溝槽12c之深度深)時之由振動波引起之振動子11之突起部12b之舉動。(c)表示W值小於(a)之情形時之由振動波引起之振動子11之突起部12b之舉動。

(1)增大T/B值之情形

於產生振動子11之行進波之情形時，於將基底部12e之厚度與壓電體13之厚度合併之部分產生變形(即，於突起部12b不存在之狀態下，彈性體12上產生屈曲變形)。

屈曲之彈性體12之中立面800存在於彈性體12之溝槽12c之溝槽底至接合面12d之間。而且，突起部12b藉由在將基底部12e之厚度B與壓電體13之厚度C合併之部分所產生之屈曲振動，而於驅動方向(彈性體12之圓周方向)上搖動。

於如(a)所述，T/B小之情形時，突起部12b之前端面(驅動面12a)之向驅動方向之運動小，於(b)所述，T/B大之情形時，向驅動方向之運動變大。此處，估算該運動之速度。將於基底部12e之厚度B與壓電體13之厚度C合併之部分所產生之向移動子15之驅動方向之運動設為((B+C)/2)。

((B+C)/2)為將基底部12e之厚度B與壓電體13之厚度C合併之距離之一半，即，從壓電體13之與不織布16接合之第二面13B至中立面800 為止之距離。於該情形時，於驅動面12a上，產生向移動子15之(T+(B+C)/2)/((B+C)/2)倍之驅動方向之運動。例如，若增大T，則驅動面12a之搖動相應地增大。

另外，若與基底部12e之厚度B相比，則壓電體13之厚度C小至數分之1以下，因此，上述式(T+(B+C)/2)/((B+C)/2)可與(T+B/2)/(B/2)近似。

於T/B大之情形時，向驅動方向之運動大，因此由移動子15對驅動面12a施加之力變大。例如，若向驅動方向之彈性體12之運動之位移成為2倍，則移動子15之速度及加速度亦成為2倍。於欲使接觸驅動面12a之移動子15移動之情形時，對驅動面12a施加2倍之力(負荷)。由此，於成為如振動波馬達10之起動時般的速度變化大之狀態之情形時等，產生振動波馬達10無法驅動之情形。

(2)減小W值之情形

產生振動子11之行進波時之突起部12b係如上所述，藉由在將基底部12e之厚度B與壓電體13之厚度C合併之部分所產生之屈曲振動，而於驅動方向(彈性體12之圓周方向)上搖動。

於外內徑寬度W小時，即，外內徑寬度W狹窄時，與W寬之情形相比較，振動子11之突起部12b之質量小。因此，由於質量小，故而突起部12b之向驅動方向之慣性力減小，相對於由移動子15對驅動面12a施加之驅動方向之力而言的可驅動之阻力之範圍減小。

例如，若外內徑寬度W成為1/2倍，則突起部12b之質量成為1/2倍。於欲使接觸驅動面12a之移動子15移動之情形時，相對於來自驅動面12a之力(負荷)而言的可驅動之阻力之範圍成為1/2倍。由此，於成為如振動波馬達10之起動時般的速度變化大之狀態之情形時等，產生振動波馬達10無法驅動之情形。

根據上述考察，於成為如振動波馬達10之起動時般的速度變化大之狀態之情形時等，(1)T/B值大之情形以及(2)W小之情形的由移動子15對驅動面12a施加之力變大。

即，[(T/B)÷W]之值成為越大之數值，則於成為如振動波馬達10之起動時般的速度變化大之狀態之情形時等，由移動子15對驅動面12a施加之力越大，振動波馬達10難以起動。

另外，依據上述考察，(1)若T/B值增大，則由移動子15對驅動面12a施加之力與該值大致成比例地增大。另一方面，(2)若W減小，則由移動子15對驅動面12a施加之力與該值大致成半比例地增大。基於該考察結果，對起動振動波馬達10之方法進行研究。

<振動波馬達10之驅動順序例>

圖9係表示振動波馬達10之驅動順序例之說明圖。圖9中，示出振動波馬達10之驅動頻率之時間性變化、振動波馬達10之驅動電壓之時間性變化、2個驅動訊號之相位差之時間性變化、振動波馬達10之旋轉速度之時間性變化。

於來自控制部68之驅動指令不存在之狀態(t0)下，成為

驅動頻率：fs0

驅動電壓：電壓V0(=0[V])

A相與B相之相位差：0度。

若由控制部68賦予驅動指令，則設定為(t1)：

驅動頻率：fs0

驅動電壓：電壓V1

A相與B相之相位差：90度(反轉驅動時為-90度)。

此時，旋轉速度=0(旋轉速度0)。

緩緩地降低驅動頻率，於t2時之頻率成為f0時，移動子15被旋轉驅動。

於t4時，頻率變得平穩，旋轉速度達到目標速度Rev1。

實施例3中，與[(T/B)÷W]值相應地掃描頻率時，延長相對於頻率之變化而言之時間。具體而言，例如，平穩-fs0之頻率差、與t4-t2之時間差(以下稱為上升時間)存在關係。

於[(T/B)÷W]值小之情形時，縮短上升時間(t4-t2)。

於[(T/B)÷W]值大之情形時，延長上升時間(t4-t2)。

其藉由增大上升時間(t4-t2)，而減少對起動時之振動波馬達10之振動子11施加之來自移動子15之反作用力。

於搭載有PZT之振動波馬達10之情形時，[(T/B)÷W]為0.51，起動時之頻率掃描之頻率變化率設為1[kHz/msec]左右。

於[(T/B)÷W]值為0.84~1.02之範圍之情形時，相對於[(T/B)÷W]=0.51，驅動面12a之向驅動方向之運動增加約1.6~2倍左右。因此，若將上升時間(t4-t2)設為2倍，即，將頻率掃描之頻率變化率設為其1/2左右，例如0.5[kHz/msec]，則對振動波馬達10之負擔成為與PZT搭載時之[(T/B)÷W]：0.51相同之程度或其以下。

另外，於[(T/B)÷W]值為1.02~1.94之範圍之情形時，相對於[(T/B)÷W]=0.51，驅動面12a之向驅動方向之運動增加約2~3.8倍左右。因此，若將上升時間(t4-t2)設為4倍，即，將頻率掃描之頻率變化率設為其1/4左右，例如0.25[kHz/msec]，則對振動波馬達10之負擔成為與PZT搭載時之[(T/B)÷W]：0.51相同之程度或其以下。

藉由根據[(T/B)÷W]值而使頻率之變化量變化，則於成為如振動波馬達10之起動時般的速度變化大之狀態之情形(即，成為對振動波馬達10之振動子11之負擔大之狀態之情形)時，亦可確實地起動振動波馬達10。

本實施方式中，藉由使用前進性振動波之振動波馬達10來揭示波數9之情形，但即便是其他波數即4~8波、10波以上，若以同樣之構成來進行同樣之控制，則亦獲得同樣之效果。

Claims

一種振動波馬達，其具有：藉由電壓之施加而位移之元件；以及圓環狀之彈性體，其具有與上述元件接觸之底面及具有溝槽之驅動面，且藉由隨著上述元件之位移而於上述驅動面上產生之振動波，來驅動移動子；上述元件之密度為4.2~6.0×10 ³kg/m ³，並且於將上述溝槽之深度設為T，將從上述溝槽之底部至上述底面為止之距離設為B，且將上述彈性體之直徑方向之寬度設為W之情形時，[(T/B)÷W]之值為0.84~1.94之範圍。
如申請專利範圍第1項之振動波馬達，其中上述元件之厚度為上述溝槽之深度方向之厚度。
如申請專利範圍第1項之振動波馬達，其中[(T/B)÷W]之值為0.84~1.02之範圍。
如申請專利範圍第1項之振動波馬達，其中[(T/B)÷W]之值為1.02~1.94之範圍。
如申請專利範圍第1項之振動波馬達，其中具有對上述振動波馬達賦予反覆變動之驅動訊號之驅動電路，並且上述驅動電路於將上述振動波馬達從速度0起動至大於速度0之速度之情形時，基於[(T/B)÷W]之值來變更上述驅動訊號之頻率之變化率。
如申請專利範圍第5項之振動波馬達，其中上述驅動電路將上述頻率之變化率，於[(T/B)÷W]之值為0.84~1.02之範圍之情形時，設為0.5kHz/msec以下，且於[(T/B)÷W]之值為1.02~1.94之範圍之情形時，設為0.25kHz/msec以下。
如申請專利範圍第1項之振動波馬達，其中上述元件係以鈮酸鉀鈉、鈮酸鉀、鈮酸鈉、或者鈦酸鋇作為主成分之材料。
如申請專利範圍第1項之振動波馬達，其中上述元件係將電能轉換為機械能之機電轉換元件。
一種振動波馬達，其具有：藉由電壓之施加而位移之元件；以及圓環狀之彈性體，其具有與上述元件接觸之底面及具有溝槽之驅動面，且藉由隨著上述元件之位移而於上述驅動面上產生之振動波，來驅動移動子；於將上述溝槽之深度設為T，將從上述溝槽之底部至上述底面為止之距離設為B，且將上述彈性體之直徑方向之寬度設為W之情形時，[(T/B)÷W]之值為0.84~1.94之範圍。
一種光學機器，其係藉由振動波馬達而驅動光學構件者，上述振動波馬達具有：藉由電壓之施加而位移之元件；以及圓環狀之彈性體，其具有與上述元件接觸之底面及具有溝槽之驅動面，且藉由隨著上述元件之位移而於上述驅動面上產生之振動波，來驅動移動子；上述元件之密度為4.2~6.0×10 ³kg/m ³，並且於將上述溝槽之深度設為T，將從上述溝槽之底部至上述底面為止之距離設為B，且將上述彈性體之直徑方向之寬度設為W之情形時，[(T/B)÷W]之值為0.84~1.94之範圍。
一種光學機器，其係藉由振動波馬達而驅動光學構件者，上述振動波馬達具有：藉由電壓之施加而位移之元件；以及圓環狀之彈性體，其具有與上述元件接觸之底面及具有溝槽之驅動面，且藉由隨著上述元件之位移而於上述驅動面上產生之振動波，來驅動移動子，並且於將上述溝槽之深度設為T，將從上述溝槽之底部至上述底面為止之距離設為B，且將上述彈性體之直徑方向之寬度設為W之情形時，[(T/B)÷W]之值為0.84~1.94之範圍。