JP2017017980A - 振動波モータ及び振動波モータを利用した駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動装置を小型化するために振動波モータの進行方向の寸法を短縮すると、推進力を損なってしまうので、振動波モータの進行方向の寸法を短縮することができなかった。【解決手段】略長方形状の外形を有する振動板１と、振動板１に貼り付けられて振動する圧電素子２Ａ、２Ｂと、振動板１又は、圧電素子２Ａ、２Ｂに設けられた突起１ａと、を有する振動波モータにおいて、振動板１は、圧電素子２Ａ、２Ｂが貼り付けられた平面内の圧電素子２Ａ、２Ｂに覆われた全領域の凸包絡の内側に圧電素子２Ａ、２Ｂで覆われていない領域Ｗと、当該領域Ｗを通り振動板の外形のいずれかの辺に平行な直線Ｌに沿って切り欠き部１ｂ１、１ｂ２とを有している。【選択図】図１

Description

本発明は、弾性体を板状としたリニア駆動用の振動波モータの振動子に関するもの、及び前述の振動波モータを利用した駆動装置に関するものである。

従来、小型軽量、高速且つ静音駆動を特徴とする超音波モータは、撮像装置のレンズ鏡筒等に採用されている。例えば、リニア駆動用の超音波モータが特許文献１に開示されている。特許文献１に開示の超音波モータは、圧電素子の二つの相に印加する交流電圧の位相差を制御することにより、広い速度レンジの作動を可能としている。又、特許文献２には、振動体の剛性を考慮した振動波駆動装置が開示されている。

特開２０１５−３５９４７号公報（図８乃至図１２参照） 特開２００６−１１５５５９号公報（図６参照）

近年、超音波モータが搭載される電子機器の小型化、特に、レンズ駆動装置の小型化の要求は更に高まっている。特許文献１の図１２（ｂ）に示されたようなレンズ駆動装置全体の小型化を図るためには、超音波モータの進行方向における振動板の長さＬ５の短縮が必要とされる。しかし、単に振動板の全体を相似縮小すると、圧電素子の面積が小さくなり、圧電効果による変形が少なくなるので、振動振幅が減少してしまう。又、圧電素子及び振動板の全体の寸法が小さくなると共振周波数が高くなるので、振動振幅は更に減少してしまう。この結果、超音波モータの推進力の低下が引き起こされる。従って、超音波モータの進行方向における振動板の長さＬ５の短縮には限界があった。

そこで本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、推進力を損なうことなく振動波モータ（超音波モータ）の進行方向の寸法を短縮し、この振動波モータを用いて、小型化した駆動装置を提供すること目的とする。

上述の課題を解決するために、本発明の振動波モータは、略長方形状の外形を有する振動板と、振動板に貼り付けられて振動する圧電素子と、振動板又は、圧電素子に設けられた突起と、を有し、振動板は、圧電素子が貼り付けられた平面内の圧電素子に覆われた全領域の凸包絡の内側に圧電素子で覆われていない領域Ｗを有し、振動板は、領域Ｗを通り振動板の外形のいずれかの辺に平行な直線に沿って切り欠き部を有することを特徴としている。

本発明によれば、推進力を損なうことなく振動波モータの進行方向の寸法を短縮することができ、この振動波モータを用いることによって、駆動装置の小型化を達成することができる。

第一の実施形態の振動波モータの振動子１０の詳細図である。 第一の実施形態の振動波モータの振動子１０の凸包絡を説明する図である。 第一の実施形態の振動波モータの固有振動モードを示す図である。 第一の実施形態の振動波モータの共振周波数の特性を示す図である。 第一の実施形態の振動波モータの振動の様子を示す図である。 第一の実施形態の振動波モータの振動の様子を示す図である。 従来の形態の超音波モータの振動の振る舞いを示す図である。 第一の実施形態の振動波モータを利用したリニア駆動装置１００を示す図である。 第一の実施形態の振動波モータを利用したレンズ駆動装置２００を示す図である。 第一の実施形態の振動波モータの振動子１０の変形例を示す図である。 第二の実施形態の振動波モータの振動子２０の詳細図である。 第三の実施形態の振動波モータの振動子３０の詳細図である。 第四の実施形態の振動波モータの振動子４０の詳細図である。 第五の実施形態の振動波モータの振動子５０の詳細図である。 第五の実施形態の振動波モータの振動板５１の拡大図である。

（第一の実施形態）
以下、本発明を実施するための第一の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態の振動波（超音波）モータの振動子１０を説明するための図であって、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）、（ｄ）は側面図、図１（ｅ）は底面図である。振動板１は、略長方形状の外形をしており、平面部に１つの突起１ａを有する。突起１ａは、絞り加工等により振動板１と一体成型されてもよく、又は別部品として振動板１に接着等して固定されてもよい。

突起１ａが備えられた振動板１の平面部の反対側の面には、超音波領域の振動数の振動（超音波振動）を発生する圧電素子２Ａ、２Ｂが貼り付けられており、振動子１０は、振動板１と圧電素子２Ａ、２Ｂと突起１ａとが一体となっている。圧電素子２Ａ、２Ｂは、それぞれ領域２Ａａ、２Ｂｂの２つの領域が同じ方向に分極され、このうち領域２ＡａがＡ相に、領域２ＢｂがＢ相に割り当てられている。分極されていない領域２Ａｃ、２Ｂｃは、圧電素子２Ａ、２Ｂの裏面２Ａｄ、２Ｂｄの全面電極から側面を経由して導通されたグランドとして使用される電極である。なお、圧電素子２Ａ、２Ｂの裏面２Ａｄ、２Ｂｄの全面電極から側面を経由して導通できれば、領域２Ａｃ、２Ｂｃの位置は任意である。

振動板１には、直線Ｌに沿って後述の切り欠き部１ｂ１、１ｂ２が設けられている。更に、後述の領域Ｗの範囲内であって、切り欠き部１ｂ１、１ｂ２の近傍における点線で示された範囲には、振動板１と同期して移動する後述の保持部材４（不図示）に対し、直接的、又は、間接的に連結される連結部１ｃ１、１ｃ２が設けられている。連結部１ｃ１、１ｃ２は、突部、凹部等の形状とすることが可能である。連結方法は、単に連結されているだけでなく、接着、溶接、又はばね等により加圧されて連結される方法も可能である。

ここで、図２を用いて凸包絡について説明する。有限な点集合Ａの凸包絡とは、有限な点集合Ａを含む最小の凸集合である。更に、凸集合とは、集合の任意の２点を結ぶ線分が集合に含まれるような集合をいう。例えば、図２（ａ）のように、有限な点集合Ａは、任意の２つの点Ｘと点Ｙとを結ぶ線分が点集合Ａに含まれているので凸集合である。図２（ｂ）のように、有限な点集合Ｂは、２つの点Ｘと点Ｙを結ぶ線分上の点Ｚが点集合Ｂに含まれていないので凸集合ではない。図２（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）のような点集合Ｃ、点集合Ｄ、点集合Ｅ、点集合Ｆの凸包絡とは、全て頂点ｘ１〜ｘ４を結ぶ、点線Ｓで示した四角形となる。従って、図１において、圧電素子２Ａ、２Ｂに覆われた全領域の凸包絡とは、圧電素子２Ａ、２Ｂを包括する長方形（頂点ｘ１〜ｘ４を結ぶ長方形）の領域である。

次に、本実施形態の振動波モータの振動子１０について、図１（ａ）を用いて振動子１０の構造に係る二つの特徴を説明する。まず、振動子１０の構造に係る第一の特徴は、振動板１の圧電素子２Ａ、２Ｂが貼り付けられた平面内の圧電素子２Ａ、２Ｂに覆われた全領域の凸包絡の内側に、圧電素子２Ａ、２Ｂで覆われていない領域Ｗ（図示の二点鎖線で囲まれた領域）を有することである。このため、領域Ｗは振動板１のみの構造となるので、領域Ｗにおける曲げ剛性やねじれ剛性は、他の領域と比べて低下する。又、領域Ｗは振動板１の１辺と平行な方向Ｄ１に平行な直線Ｌに関して略線対称となっている。ここで、曲げ剛性やねじり剛性とは、曲げやねじりの力に対する寸法変化のしづらさの度合いのことを意味する。

振動子１０の構造に係る第二の特徴は、領域Ｗを通り振動板１の１辺と平行な方向Ｄ１に平行な直線Ｌに沿って、振動板１が切り欠き部１ｂ１、１ｂ２を有することである。このため、領域Ｗの曲げ剛性やねじれ剛性は、更に低下する。又、切り欠き部１ｂ１、１ｂ２は振動板１の１辺と平行な方向Ｄ１に平行な直線Ｌに関して略線対称となっている。これら振動子１０の構造に係る第一の特徴及び構造に係る第二の特徴によって、曲げ剛性やねじれ剛性が低下することによる効果は後述する。

そして、給電手段Ｐａ、Ｐｂにより、位相差を自在に変化させた交流電圧がＡ相とＢ相に印加されることによって、超音波振動が発生することは、従来の形態と同様である。又、ねじり振動の２次の固有振動モードと曲げ振動の１次の固有振動モードの共振周波数をより低い周波数で一致させる、又は近接させて、共振現象により大きな超音波振動を得ることも従来の形態と同様である。更に、その共振周波数に近い周波数の交流電圧を印加することにより、共振現象により大きな超音波振動を得ることも従来の形態と同様である。本発明の振動波モータの振動子１０は、振動板１と圧電素子２Ａ、２Ｂと、突起１ａと給電手段Ｐａ、Ｐｂとを備える構成である。

次に、本実施形態の振動子１０が発生する、ねじり振動の２次の固有振動モードと曲げ振動の１次の固有振動モードについて詳細に説明する。図３（ａ）には、圧電素子２Ａ、２Ｂの分極領域、給電手段Ｐａ、Ｐｂ等の記載が省略された、振動子１０の平面図が示されている。図３（ｂ）には、振動子１０の正面図が示されている。図３（ｃ）には、振動板１の１辺と平行な方向Ｄ１のねじり振動の２次の固有振動モードを矢印ｄ１方向から見た概念図が示されている。図３（ｄ）には、ねじり振動の２次の固有振動モードの振動を示した斜視図が示されている。図３（ｅ）には、振動板１の１辺と平行な方向Ｄ２のねじり振動の２次の固有振動モードを矢印ｄ２方向から見た概念図が示されている。図３（ｆ）には、振動板１の１辺と平行な方向Ｄ１の曲げ振動の１次の固有振動モードを矢印ｄ１方向から見た概念図が示されている。図３（ｇ）には、曲げ振動の１次の固有振動モードの振動を示した斜視図が示されている。なお、図３（ｃ）、（ｅ）、（ｆ）において、突起１ａ、圧電素子２Ａ、２Ｂの記載は省略されている。

図３（ｃ）、（ｄ）に示されるようなねじり振動の２次の固有振動モードの発生において、図３（ｅ）の矢印ｄ２方向視で観察される、ねじり中心軸Ｍａ１（第一の節）が発生し、図３（ａ）に一点鎖線として示されている。他方、図３（ｃ）の矢印ｄ１方向視で観察される、ねじり中心軸Ｍａ１と直交する方向に第二の節Ｍｂ１が発生し、図３（ａ）に破線として示されている。又、図３（ｆ）、（ｇ）に示されるような曲げ振動の１次の固有振動モードの発生において、矢印ｄ１方向視で観察される、節Ｎａ１及び腹Ｎａ２が発生し、それぞれ図３（ａ）に一点鎖線として示されている。振動板１の変形量は、これらの振動の節の近傍では小さいが振動の腹の近傍では大きい。

ここで、連結部１ｃ１、１ｃ２が設けられている領域は、図３（ａ）を参照すると、ねじり振動の２次の固有振動モードのねじり中心軸Ｍａ１（第一の節）上であって、第二の節Ｍｂ１と、曲げ振動の１次の固有振動モードの節Ｎａ１の上である。このように、連結部１ｃ１、１ｃ２は、振動板１と圧電素子２Ａ、２Ｂの振動において変形量が少ない領域に設けられているので、振動板１の振動が阻害されにくくなっている。なお、連結部１ｃ１、１ｃ２は、これら振動の節の近傍にあれば、図３（ａ）で示した位置に限定されない。更に、連結部１ｃ１、１ｃ２は、振動板１の変形量が比較的少ない領域に設けられていればよいので、これら振動の節の位置に限定されることもない。

以下、本実施形態の振動波モータの振動子１０について、振動に係る３つの特徴を説明する。振動に係る第一の特徴を図３（ａ）乃至（ｇ）を用いて、以下に説明する。それは、方向Ｄ１のねじり振動の２次の固有振動モードの共振周波数に一致する又は隣り合う共振周波数となる固有振動モードのうちの１つは、ねじり振動の２次の固有振動モードのねじり中心軸Ｍａ１に平行な方向Ｄ１の曲げ振動の１次の固有振動モードである。この特徴は、振動板１の方向Ｄ１と方向Ｄ２の寸法、領域Ｗの寸法、切り欠き部１ｂ１、１ｂ２の寸法、振動板１と圧電素子２Ａ、２Ｂの厚さ、振動板１と圧電素子２Ａ、２Ｂの剛性等の各設計値が適切な値に設定されることによってなし得る。なお、これら各設計値の適切な値の組合せは一通りではなく、さまざまな組合せを設定することができる。

振動に係る第二の特徴は、図３（ａ）、（ｂ）、（ｅ）に示すとおり、突起１ａがねじり振動の２次の固有振動モードの第二の節Ｍｂ１よりねじり中心軸Ｍａ１（第一の節）に近い位置に設けられていることである。なお、図３（ａ）の例は、突起１ａはねじり中心軸Ｍａ１（第一の節）と一致し、第二の節Ｍｂ１から最も離れた位置に設けられた最適形態である。

振動に係る第三の特徴は、図３（ａ）、（ｂ）のとおり、突起１ａが曲げ振動の１次の固有振動モードの節Ｎａ１及び腹Ｎａ２のうち、当該節Ｎａ１より当該腹Ｎａ２に近い位置に設けられていることである。なお、図３（ａ）の例は、突起１ａは腹Ｎａ２と一致し、節Ｎａ１から最も離れた位置に設けられた最適形態である。

図４には、比較例とともに第一の実施形態が示されている。図４（ａ）は、従来の振動子に対して、振動波モータの振動子の小型化のために方向Ｄ１の寸法を小さくした比較例である。ただし、この比較例では、振動板の平面部分は圧電素子２によってほぼ全面が覆われている。図４（ｂ）は、図４（ａ）の圧電素子２の構成に対して、上述の領域Ｗを設けた比較例、すなわち構造に係る第一の特徴が反映された例である。図４（ｃ）は、第一の実施形態である図１の振動板１であって、構造に係る第一の特徴に加え、領域Ｗを通り振動板１の方向Ｄ１に平行な直線Ｌに沿って振動板１の切り欠き部１ｂ１、１ｂ２を有する構造、すなわち構造の第二の特徴が反映された例である。図４（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）は、いずれも平面図である。

図４（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）は、振動板の方向Ｄ１のねじり振動の２次の固有振動モードを示した概念図であり、図４（ａ３）、（ｂ３）、（ｃ３）は、振動板の方向Ｄ１の曲げ振動の１次の固有振動モードを示した概念図である。図４（ａ４）、（ｂ４）、（ｃ４）は、ねじり振動の２次の固有振動モードを示した斜視図であり、図４（ａ５）、（ｂ５）、（ｃ５）は、曲げ振動の１次の固有振動モードを示した斜視図である。振動板の変形量は、いずれも誇張して描かれている。図４（ｃ）等に示された形態は、振動板の方向Ｄ１のねじり振動の２次の固有振動モードの共振周波数に一致する又は隣り合う共振周波数となる固有振動モードは、振動板の方向Ｄ１の曲げ振動の１次の固有振動モードとなる、振動に係る第一の特徴を備えている。これは、各設計値が適切な値に設定されているためである。通常、振動板の方向Ｄ１のねじり振動の２次の固有振動モードの共振周波数は、方向Ｄ１の曲げ振動の１次の固有振動モードの共振周波数より高い。これは方向Ｄ１のねじり剛性と曲げ剛性を比較すると、前者の剛性が高いからである。なお、前述と同様に、曲げ剛性やねじり剛性とは、曲げやねじりの力に対する寸法変化のしづらさの度合いのことを意味する。

図４（ａ）の比較例と図４（ｂ）の比較例とにおける、振動板の方向Ｄ１のねじり剛性と、振動板１の方向Ｄ１の曲げ剛性とをそれぞれ比較すると、いずれの剛性も図４（ｂ）の比較例の方が図４（ａ）の比較例より低い。これは、図４（ｂ）の比較例は、構造に係る第一の特徴である領域Ｗを有しているためである。よって、共振周波数も図４（ｂ）の比較例の方が図４（ａ）の比較例より低くなる。一般的に、振動体のサイズが同等であれば、共振周波数の低い振動子の方が振動振幅は大きい。このため、より低い周波数で振動できれば、振動波モータの振動子を小型化してもほぼ同等の振動振幅を得ることができる。従って、駆動に用いる２つの共振周波数について、より低い周波数で振動することは、振動波モータの小型化にとってメリットとなる。

次に、図４（ｂ）の比較例と図４（ｃ）の第一の実施形態とにおける、振動板１の方向Ｄ１のねじり剛性を比較すると、図４（ｃ）の第一の実施形態の方が図４（ｂ）の比較例より低い。又、振動板１の方向Ｄ１のねじり振動の２次の固有振動モードの共振周波数を比較すると、図４（ｂ）の比較例より図４（ｃ）の第一の実施形態の方が低い（後述、図４（ｂ６）、（ｃ６）参照）。これを考察すると、図４（ｃ）の第一の実施形態は、構造に係る第二の特徴である切り欠き部１ｂ１、１ｂ２を有しており、図４（ｂ４）において、ねじり変形によって応力が集中する部分Ｐが、図４（ｃ４）では、切り欠かれているためである。

又、図４（ｂ）の比較例と図４（ｃ）の第一の実施形態とにおける、振動板１の方向Ｄ１の曲げ振動の１次の固有振動モードの共振周波数を比較すると、図４（ｂ）の比較例より図４（ｃ）の第一の実施形態の方が高い（後述、図４（ｂ６）、（ｃ６）参照）。これを考察すると、図４（ｂ）の比較例では、振動板の方向Ｄ１の曲げ振動の１次の固有振動モードのはりの全長に相当する寸法が完全な１つの辺である。一方、図４（ｃ）の第一の実施形態では、一部が切り欠き部１ｂ１、１ｂ２によって切り欠かれているので、はりの全長に相当する寸法が実質的に短くなっている。

図４（ｂ６）には、図４（ｂ）の比較例、図４（ｃ６）には、図４（ｃ）の第一の実施形態における共振周波数の分布が示されており、縦軸は共振周波数である。図４（ｂ６）には、比較例である、図４（ｂ４）のねじり振動の２次の共振周波数ｆｂ２及び図４（ｂ５）の曲げ振動の１次の共振周波数ｆｂ１がそれぞれ示されている。図４（ｃ６）には、第一の実施形態である、図４（ｃ４）のねじり振動の２次の共振周波数ｆｃ２及び図４（ｃ５）の曲げ振動の１次の共振周波数ｆｃ１がそれぞれ示されている。本発明の構成を実現することにより、比較例のねじり振動の２次の共振周波数ｆｂ２が第一の実施形態のねじり振動の２次の共振周波数ｆｃ２に低下する。一方、比較例の曲げ振動の１次の共振周波数ｆｂ１が第一の実施形態の曲げ振動の１次の共振周波数ｆｃ１に上昇する。結果として、図４（ｂ）の比較例に対して、図４（ｃ）の第一の実施形態では、ねじり振動の２次の共振周波数ｆｃ２と曲げ振動の１次の共振周波数ｆｃ１とを近づけることができる。

一般的に隣接する共振周波数を有する振動体が、その共振周波数の近傍の周波数で駆動された場合、その振動体の振動振幅が大きくなる。従って、構造に係る第二の特徴を満たすことによって、駆動に用いる２つの共振周波数について、互いにより近い周波数で振動することができれば、振動波モータを小型化してもほぼ同等の振動振幅を得ることができる。この結果、振動波モータの小型化にとってメリットとなる。

図５（ａ）には、圧電素子２Ａ、２Ｂに印加する交流電圧について、Ａ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせた場合の電圧波形が示されている。図５（ｂ）には、図１の（ａ）に対応した平面図、図５（ｃ）には、図１の（ｂ）に対応した正面図、図５（ｄ）には、図５（ｃ）の断面線（ｄ）−（ｄ）における断面図において、時間Ｔ１−Ｔ４への時間の変化に対応する振動の変化Ｐ１−Ｐ４が示されている。なお、圧電素子２Ａ、２Ｂの記載は省略されている。更に、図５（ａ）に示される時間Ｔ１−Ｔ４における電気的な交流電圧の変化に対して、図５（ｃ）、（ｄ）に示される機械的な振動の変化Ｐ１−Ｐ４は、所定の機械的応答遅れ時間を伴って変化する。又、振動の振幅は誇張して描かれている。

Ａ相とＢ相に同符号の電圧が印加されている時（時間Ｔ２、Ｔ４）から所定の機械的応答遅れ時間の後に、Ａ相とＢ相は同様に伸縮し、曲げ振動の１次の固有振動モードの振幅が最大となる（図５（ｄ）の（ｉ）参照）。逆にＡ相とＢ相に異符号の電圧が印加されている時（時間Ｔ１、Ｔ３）から所定の機械的応答遅れ時間の後に、Ａ相とＢ相は逆方向に伸縮し、ねじり振動の２次の固有振動モードの振幅が最大となる（図５（ｄ）の（ｉｉ）参照）。この結果、突起１ａの先端に図示のような円運動が発生するので、矢印Ｘ方向に推進力を得ることができる。又、Ａ相に対してＢ相の位相を約＋９０°進めて交流電圧を印加した場合は、図５と反対方向の円運動が発生するので逆方向の推進力を得ることができる。

図６（ａ）には、圧電素子２Ａ、２Ｂに印加する交流電圧について、Ａ相に対してＢ相の位相をほぼ遅れがないようにした場合の電圧波形が示されている。図６（ｂ）には、図１の（ａ）に対応した平面図、図６（ｃ）には、図１の（ｂ）と対応した正面図、図６（ｄ）には、図６（ｃ）の断面線（ｄ）−（ｄ）における断面図において、時間Ｔ５−Ｔ８への時間の変化に対応する振動の変化Ｐ５−Ｐ８が示されている。図５（ａ）に示された場合と比べて、Ａ相とＢ相に異符号の電圧が印加されている時間がほとんどないので、ねじり振動の２次の固有振動モードの振幅が非常に小さくなる（図６（ｄ）の（ｉｉ）参照）。この結果、突起１ａの先端に図示のような縦長の楕円運動が発生するので、矢印Ｘ方向に推進力を得ることができ、その推進力によって、振動子を非常に低速に移動させることができる。

以下、本発明の効果について、第一の実施形態の振動波モータの振動子１０と従来の形態の振動波モータの振動子とを図５と図７とを比較し考察する。図７（ｂ）に示す従来例の振動波モータの振動子は、長辺Ｌ５と平行な方向である矢印Ｘ方向に進行するのに対して、第一の実施形態の振動子１０は、従来の形態の進行方向である長辺Ｌ５と平行な方向より短い１辺と平行な方向（図５中矢印Ｘ方向）に進行する。このため、振動波モータの進行方向の寸法を短縮することができる。又、第一の実施形態の圧電素子２Ａ、２Ｂは、従来の振動波モータの圧電素子より面積が小さくなっている。しかし、第一の実施形態の振動子１０は、前述の構造に係る第一の特徴及び構造に係る第二の特徴を満たすことにより、駆動に用いる２つの共振周波数がより低く、かつ互いにより近い周波数で、振動に係る第一の特徴を満足することができる。このため、従来の振動波モータに近い振動振幅（図５（ｄ）の（ｉｉ））が得られるので、従来の振動波モータと同等の推進力を得ることができる。この結果、推進力を大きく損なうことなく従来の形態より短い辺に沿って進行できるので、振動波モータの進行方向の寸法を短縮し、この振動波モータを用いることによって、駆動装置の小型化を達成することができる。なお、第一の実施形態では、ねじり振動の２次の固有振動モードと曲げ振動の１次の固有振動モードとを組み合わせた例を示したが、上述の特徴を満足していれば、高次の固有振動モードを組み合わせても同様の効果を得ることができる。

図８（ａ）には、本発明の振動波モータを利用したリニア駆動装置１００を振動波モータの進行方向から見た概略図が示されており、図８（ｂ）には、図８（ａ）の断面線（ｂ）−（ｂ）における断面図が示されている。摩擦部材３は、振動板１の突起１ａと接触し、振動板１の超音波振動によって、振動子１０が相対移動する。摩擦部材３に対して、振動板１が振動板１の略長方形状の面のねじり中心軸Ｍａ１と直交する方向に相対移動することができる。保持部材４は、支持部４ａの端部４ｄ１、４ｄ２において振動板１の連結部１ｃ１、１ｃ２と連結し、振動板１を支持する。そして、軸部４ｂにおいて、摩擦部材３の裏面に回転摺動するローラ１０１を回転自在に軸支している。すなわち、保持部材４は、振動板１と同期して移動する部材である。加圧ばね１０２は、その下端が圧電素子２Ａ、２Ｂに作用し、上端が受け部４ｃにおいて保持部材４に作用する。駆動伝達部１０３は、保持部材４と後述の被駆動体とを連結する部材である。

加圧ばね１０２の加圧力により、突起１ａは摩擦部材３に圧接され、図５、図６に示す矢印のような円運動による駆動力によって、保持部材４が図８（ｂ）のＸ方向に推進力を得る。なお、ローラ１０１は、駆動の際の摺動抵抗を軽減するために設けられているものであって、転動ボールのような機構でもよい。又、摺動抵抗が許容されるのであれば、直接すべり摩擦で摺動させてもよい。このような構成により、図８のリニア駆動装置１００は、振動波モータの振動子１０を振動板１の略長方形状の面のねじり中心軸Ｍａ１と直交する方向Ｄ２を駆動方向としている。

以上説明したとおり、第一の実施形態の振動波モータの振動子１０は、構造に係る第一の特徴及び構造に係る第二の特徴を満たすことにより、駆動に用いる２つの共振周波数がより低く、かつ互いにより近い周波数となる。この結果、推進力を損なうことなく振動波モータの進行方向の寸法を短縮し、この振動波モータを用いることによって、リニア駆動装置の小型化を達成することができる。

図９（ａ）には、本発明の振動波モータを利用したリニア駆動装置１００を搭載したレンズ駆動装置２００のレンズ駆動部の光軸方向の正面図が示されており、図９（ｂ）、（ｃ）には、枠体２０１の一部を取り除いた側面図が示されている。なお、図９（ｃ）は、図９（ｂ）に対して更に小型化されたレンズ駆動装置２００である。枠体２０１は、摩擦部材３を固定している。レンズ２０２は、レンズホルダー２０３に保持されている。レンズホルダー２０３は、ガイド軸２０４、ガイド軸２０５によって支持され、更に光軸方向（矢印Ｘ方向）に案内される。なお、図９（ｂ）におけるリニア駆動装置１００には、振動板１、摩擦部材３以外の部材の記載が省略されている。

振動板１は、枠体２０１に固定された摩擦部材３に沿って移動し、これと同期して保持部材４が移動する。レンズホルダー２０３は、駆動伝達部１０３によって保持部材４と連結された被駆動体であり、保持部材４と同期して移動する。図示されていないマイコンからの移動命令に従い、保持部材４がＸ方向に相当の距離を移動することにより、レンズホルダー２０３を距離Ｌ１まで移動させることができる。このような構成により、図９のレンズ駆動装置２００は、振動波モータを振動板１の略長方形状の面のねじり中心軸Ｍａ１と直交する方向Ｄ２を駆動方向としている。

以上説明したとおり、第一の実施形態の振動波モータを利用することにより、レンズ駆動装置２００の小型化を達成することができる。なお、第一の実施形態では、固定された摩擦部材３に沿って振動板１が移動する例を説明したが、固定された振動板１に沿って摩擦部材３が移動する構成であっても、小型化を実現することができ、同様の効果を奏する。

本発明の第一の実施形態の変形例を図１０に示す。図１０（ａ１）乃至（ｃ１）において、振動波モータの振動子１１乃至１３が有する圧電素子２Ａ、２Ｂは、２つに分割された圧電素子であって、第一の実施形態と同様である。図１０（ｄ１）、（ｅ１）において、振動波モータの振動子１４、１５が有する圧電素子１４Ａ、１５Ａは、一体型の圧電素子である。そして、振動波モータの振動子１１乃至１５は、いずれも上述の領域Ｗを有し、振動波モータの振動子１１乃至１４においては、各領域Ｗの近傍に切り欠き部が設けられている。なお、振動波モータの振動子１５においては、領域Ｗが振動板１５−１の中央部に略矩形に設けられており、切り欠き部１５ｂ１、１５ｂ２は、領域Ｗの近傍には設けられていない。又、各領域Ｗはそれぞれの振動板の１辺と平行な方向Ｄ１に平行な直線Ｌに関して略線対称となっている。又、各切り欠き部はそれぞれの振動板の１辺と平行な方向Ｄ１に平行な直線Ｌに関して略対称となっている。

以下に、上述の変形例の特徴を説明する。振動波モータの振動子１１が有する切り欠き部１１ｂ１は、振動板１１−１に一つ設けられており、比較的横長の形状である。振動子１２が有する切り欠き部１２ｂ１及び１２ｂ２は、振動板１２−１の左右に一つずつ、且つ同じ軸上に設けられている。振動子１３が有する切り欠き部１３ｂ１及び１３ｂ２は、振動板１３−１の左右に一つずつ、且つ異なる軸上に設けられている。振動子１４が有する切り欠き部１４ｂ１及び１４ｂ２は、振動板１４−１の左右に一つずつ、且つ同じ軸上に設けられており、一体型の圧電素子１４Ａは、振動板１４−１上に領域Ｗを形成するためＤ１方向に括れた形状をしている。振動子１５が有する切り欠き部１５ｂ１及び１５ｂ２は、振動板１５−１の左右に一つずつ、且つ同じ軸上に設けられており、一体型の圧電素子１５Ａは、その中央部に領域Ｗを形成するための略矩形開口の形状を有している。

図１０（ａ２）乃至（ｅ２）に示すとおり、全ての振動板について、圧電素子が貼り付けられた平面内の圧電素子に覆われた全領域の凸包絡（図の点線Ｓで示した矩形）の内側に圧電素子で覆われていない領域Ｗ（図示二点鎖線領域）が備えられている。又、領域Ｗを通り振動板の１辺と平行な直線Ｌ（図示一点鎖線）に沿って振動板の切り欠き部が備えられている。従って、全ての変形例は、構造に係る第一の特徴及び構造に係る第二の特徴を有している。この結果、駆動に用いる２つの共振周波数は、より小さく、かつ互いにより隣接した周波数で前述の振動に係る第一の特徴を満足することができ、第一の実施形態の振動波モータと同等の効果が得られる。なお、圧電素子は、２つに分割された例を挙げたが、圧電素子は、２つに限定されず、２つ以上有する場合も可能である。

（第二の実施形態）
以下、本発明を実施するための第二の実施形態について説明する。図１１（ａ）乃至（ｈ）は、第二の実施形態の振動波モータの振動子２０を示す図であって、以下、第一の実施形態との差異についてのみ説明する。圧電素子２２Ａ、２２Ｂは、振動板２１の突起２１ａと反対側の面に貼り付けられ、交流電圧を印加することにより超音波振動する。圧電素子２２Ａ、２２Ｂは２２Ａａ、２２Ｂｂの２つの領域が同方向に分極され、２２ＡａがＡ相に、２２ＢｂがＢ相に割り当てられている。第一の実施形態とは異なり、分極されていない領域はなく、折り返し電極もない。そこで、圧電素子２２Ａ、２２Ｂと振動板２１が貼り付けられた面２２Ａｄ、２２Ｂｄを介して振動板２１自身をグランドとしている。この結果、振動板２１を介して、給電手段Ｐａ、Ｐｂにより、Ａ相とＢ相に位相を自在に変化させた交流電圧を印加することによって、超音波振動を発生させることができる。その他の構造に係る２つの特徴、振動に係る３つの特徴等は、第一の実施形態と同様である。

このような構成であっても、第一の実施形態と同様に、推進力を損なうことなく振動波モータの振動子２０の進行方向の寸法を短縮し、この振動波モータの振動子２０を用いることによって、レンズ駆動装置の小型化を達成することができる。なお、実施形態の変形例等も第一の実施形態と同様である。

（第三の実施形態）
以下、本発明を実施するための第三の実施形態について説明する。図１２（ａ）乃至（ｈ）は、第三の実施形態の振動波モータの振動子３０を示す図であって、以下、第一の実施形態との差異についてのみ説明する。点線で示される範囲は、振動板３１と同期して移動する図示されていない前述の保持部材４に対し、直接的、又は、間接的に連結される連結部３１ｃ１、３１ｃ２、３１ｃ３、３１ｃ４である。連結部３１ｃ１乃至３１ｃ４は、単に連結されているだけでなく、ばね等により加圧されている構成も考えられる。第一の実施形態とは異なり連結部３１ｃ１乃至３１ｃ４は、振動板３１の淵部に設けられている。

連結部３１ｃ１乃至３１ｃ４が設けられている部分は、ねじり振動の２次の固有振動モードの第二の節Ｍｂ１と、曲げ振動の１次の固有振動モードの節Ｎａ１の近傍である。このように、連結部３１ｃ１乃至３１ｃ４は、振動板３１と圧電素子３２Ａ、３２Ｂとの振動において、変形量が少ない部分に設けられているので、振動板３１の振動が阻害されにくくなっている。なお、連結部３１ｃ１乃至３１ｃ４は、ねじり振動の２次の固有振動モードの第二の節Ｍｂ１と、曲げ振動の１次の固有振動モードの節Ｎａ１の近傍であれば、図１２の位置に限定されることはない。更に、連結部３１ｃ１乃至３１ｃ４は、振動板３１と圧電素子３２Ａ、３２Ｂの振動において変形量が少ない部分に設けられていればよいので、振動の節の位置に限定されることもない。その他、構造に係る２つの特徴、振動に係る３つの特徴等は、第一の実施形態と同様である。

このような構成であっても、第一の実施形態と同様に、推進力を損なうことなく振動波モータの振動子３０の進行方向の寸法を短縮し、この振動波モータの振動子３０を用いることによって、レンズ駆動装置の小型化を達成することができる。なお、実施形態の変形例等も第一の実施形態と同様である。

（第四の実施形態）
以下、本発明を実施するための第四の実施形態について説明する。図１３（ａ）乃至（ｈ）は、第四の実施形態の振動波モータの振動子４０を示す図であって、以下、第一の実施形態との差異についてのみ説明する。圧電素子４２は、振動板４１に貼り付けられ、交流電圧を印加することにより超音波振動する。圧電素子４２は、２つの領域４２ａ、４２ｂが同方向に分極され、このうち４２ａがＡ相に、４２ｂがＢ相に割り当てられている。分極されていない領域４２ｃは、圧電素子４２の裏面４２ｄの全面電極から側面を経由して導通されたグランドとして使用される電極である。突起４２１ａが圧電素子４２上に１つ接着されている。又、圧電素子で覆われていない領域Ｗが２カ所設けられている。その他、構造に係る２つの特徴、振動に係る３つの特徴等は、第一の実施形態と同様である。

このような構成であっても、第一の実施形態と同様に、推進力を損なうことなく振動波モータの進行方向の寸法を短縮し、この振動波モータを用いることによって、レンズ駆動装置の小型化を達成することができる。なお、実施形態の変形例等も第一の実施形態と同様である。

（第五の実施形態）
以下、本発明を実施するための第五の実施形態について説明する。図１４（ａ）乃至（ｈ）は、第五の実施形態の振動波モータの振動子５０を示す図、図１５は、第五の実施形態の振動波モータの振動板５１の拡大図であって図１４（ｅ）を拡大した図である。点線で示される範囲は、振動板５１と同期して移動する図示されていない前述の保持部材４に対し、直接的、又は、間接的に連結される連結部５１ｃ１、５１ｃ２であることは第一の実施形態と同様である。以下、第一の実施形態との差異についてのみ説明する。

図１５に示すとおり、切り欠き部５１ｂ１、５１ｂ２がそれぞれ対向して振動板５１に設けられている。切り欠き部５１ｂ２は、切り欠き部５１ｂ１と同様な特徴を有するので、以下、切り欠き部５１ｂ１の特徴を詳細に説明する。切り欠き部５１ｂ１が設けられた振動板５１の１辺と平行な方向Ｄ２に直交する方向Ｄ１において、切り欠き部５１ｂ１は、２つの頂部を有する形状をしている。切り欠き部５１ｂ１の２つの頂部の間には、切り欠き部５１ｂ１が設けられた振動板５１の１辺から２つの頂部までの寸法Ｓ５より短い寸法Ｃ５を有する中央近傍部が形成されている。切り欠き部５１ｂ２についても同様である。

切り欠き部５１ｂ１の方向Ｄ１の寸法が大きい場合、ねじり変形によって応力が集中する部分が大きく切り欠かれるため、ねじり振動の２次の固有振動モードの共振周波数ｆｃ２が低下することは、第一の実施形態で説明したとおりである。又、切り欠き部５１ｂ１の方向Ｄ１の寸法が大きいほど、はりの全長に相当する寸法が実質的に短くなるため、曲げ振動の１次の固有振動モードの共振周波数ｆｃ１が上昇することも、第一の実施形態で説明したとおりである。この結果、これら２つの共振周波数を近づけることができ、振動波モータの小型化にとってメリットとなる。

もし仮に、切り欠き部５１ｂ１の方向Ｄ１の寸法を単純に大きくすると、第一の実施形態で例示した保持部材４の支持部４ａの端部４ｄ１、４ｄ２を振動板５１の連結部５１ｃ１、５１ｃ２に固定するにあたり以下のような２つの課題が生じるおそれがある。第一の課題は、切り欠き部５１ｂ１が振動の節まで至ると、連結部５１ｃ１、５１ｃ２を振動の節に設けることができず、振動の変形量を有する領域に連結部５１ｃ１、５１ｃ２を設けることになり、振動板５１の振動が阻害されることである。第二の課題は、保持部材４の支持部４ａの端部４ｄ１、４ｄ２を振動板５１の連結部５１ｃ１、５１ｃ２に固定するにあたり、突起５１ａを考慮すると、溶接や接着等で固定するには十分な面積が確保できないことである。

しかし、本実施形態では、切り欠き部５１ｂ１によって切り欠かれた振動板５１の１辺と平行な方向Ｄ２に直交する方向Ｄ１の切り欠き部５１ｂ１の形状は、切り欠き部５１ｂ１の２つの頂部の寸法Ｓ５より中央近傍部の寸法Ｃ５の方が短い形状となっている。この結果、切り欠き部５１ｂ１の２つの頂部の寸法Ｓ５が長いことで、ねじり振動の２次の固有振動モードの共振周波数ｆｃ２を低下させる効果を得ることができている。このとき、中央近傍部の寸法Ｃ５は短くてもこの部分は、ねじり振動の２次の固有振動モードのねじり中心軸Ｍａ１（第一の節）上にあり、振動しない部分であるため、ねじり振動の２次の固有振動モードの共振周波数ｆｃ２に対する影響は小さい。更に、切り欠き部５１ｂ１の中央近傍部の寸法Ｃ５が短いことで、連結部５１ｃ１、５１ｃ２を振動の節に設けることができるとともに、突起５１ａを考慮しても溶接や接着等で固定するのに十分な面積を確保することができる。その他、構造に係る２つの特徴、振動に係る３つの特徴等は、第一の実施形態と同様である。

このような構成であっても、第一の実施形態と同様に、推進力を損なうことなく振動波モータの振動子５０の進行方向の寸法を短縮し、この振動波モータの振動子５０を用いることによって、レンズ駆動装置の小型化を達成することができる。なお、実施形態の変形例等も第一の実施形態と同様である。

本発明は、小型軽量かつ広い駆動速度レンジが要求される電子機器、特にレンズ駆動装置等に利用可能である。

１ 振動板
１ａ、４２１ａ 突起
１ｂ１、１ｂ２ 切り欠き部
１ｃ１、１ｃ２ 連結部
２Ａ、２Ｂ 圧電素子
３ 摩擦部材
４ 保持部材
Ｗ 領域
Ｌ 直線
Ｍａ１ ねじり中心軸（第一の節）
Ｍｂ１ 第二の節

Claims (14)

1. 略長方形状の外形を有する振動板と、
   前記振動板に貼り付けられて振動する圧電素子と、
   前記振動板又は、前記圧電素子に設けられた突起と、
   を有する振動波モータにおいて、
   前記振動板は、前記圧電素子が貼り付けられた平面内の前記圧電素子に覆われた全領域の凸包絡の内側に前記圧電素子で覆われていない領域を有し、
   前記振動板は、前記領域を通り前記振動板の外形のいずれかの辺に平行な直線に沿って切り欠き部を有することを特徴とする、振動波モータ。
2. 前記領域は、前記直線に関して略線対称となっ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. 前記切り欠き部は、前記直線に関して略線対称となっ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. 前記圧電素子を２つ以上有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. 前記振動板と前記圧電素子と前記突起とが一体となって構成される振動波モータの固有振動モードに関して、
   ねじり振動の固有振動モードの共振周波数に一致する、又は隣り合う共振周波数となる固有振動モードのうちの１つは、前記ねじり振動の固有振動モードのねじり中心軸に平行な方向の曲げ振動の固有振動モードであり、
   前記ねじり振動の固有振動モードの前記ねじり中心軸である第一の節及び前記ねじり中心軸と直交する方向の第二の節のうち、第二の節より第一の節に近い位置であって、
   前記曲げ振動の固有振動モードの節及び腹のうち、前記節より前記腹に近い位置に前記突起が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. 前記ねじり振動の固有振動モードは、ねじり振動の２次の固有振動モードであって、
   前記曲げ振動の固有振動モードは、曲げ振動の１次の固有振動モードであることを特徴とする、請求項５に記載の振動波モータ。
7. 前記突起が前記振動板の略長方形状の面に設けられていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動波モータ。
8. 前記振動板と同期して移動する保持部材に対し、直接的、又は、間接的に連結される連結部が前記振動板の前記圧電素子で覆われていない部分に設けられてい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. 前記振動板と同期して移動する保持部材に対し、直接的、又は、間接的に連結される連結部が前記振動板の前記切り欠き部に設けられていることを特徴とする、請求項８に記載の振動波モータ。
10. 前記切り欠き部が備えられた前記振動板の１辺と平行な方向に直交する方向において、前記切り欠き部は、２つの頂部を有する形状をしていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動波モータ。
11. 前記振動板と同期して移動する保持部材に対し、直接的、又は、間接的に連結される連結部が、前記切り欠き部の中央近傍部に設けられていることを特徴とする、請求項１０に記載の振動波モータ。
12. 前記振動板が固定された摩擦部材に沿って移動することを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動波モータ。
13. 前記振動波モータは、前記振動が超音波振動する超音波モータであることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動波モータ。
14. 請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の振動波モータを利用したことを特徴とする、駆動装置。

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