(57)【要約】【課題】  振動体における楕円振動の傾きを、傾斜が小さくなるように調整可能な振動体を提供すること。【解決手段】  弾性体と、２つの電極群が形成された電気−機械エネルギ変換素子と、を有する振動体と、振動体と接触する接触体と、を備え、  ２つの電極群のうちのいずれか一方の電極群に、第１交流電圧を印加し、２つの電極群のうちの他方の電極群に、第１交流電圧とは電圧位相が異なる第２交流電圧を印加することにより、振動体と接触体を２つの方向に相対移動させる振動波アクチュエータであって、２つの方向に応じて、第１交流電圧の実効値と第２交流電圧の実効値の大小関係を切り替える振動波アクチュエータ。【選択図】  図１
2020178496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性体と、２つの電極群が形成された電気−機械エネルギ変換素子と、を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体と、を備え、
前記２つの電極群のうちのいずれか一方の電極群に、第１交流電圧を印加し、前記２つの電極群のうちの他方の電極群に、前記第１交流電圧とは電圧位相が異なる第２交流電圧を印加することにより、前記振動体と前記接触体を２つの方向に相対移動させる振動波アクチュエータであって、
前記２つの方向に応じて、前記第１交流電圧の実効値と前記第２交流電圧の実効値の大小関係を切り替える、ことを特徴とする振動波アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１交流電圧と前記第２交流電圧を同位相で印加したならば前記振動体に励振される第１の固有振動モードと、前記第１交流電圧と前記第２交流電圧を逆位相で印加したならば前記振動体に励振される第２の固有振動モードの合成により、前記振動体と前記接触体を相対移動させる、ことを特徴とする請求項１に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１交流電圧と前記第２交流電圧を同位相で印加したならば前記振動体に励振される第１の固有振動モードの共振周波数が、前記第１交流電圧と前記第２交流電圧を逆位相で印加したならば前記振動体に励振される第２の固有振動モードの共振周波数より小さい場合において、
前記第１交流電圧に対する前記第２交流電圧の電圧位相差が−１８０°より大きく０°より小さい場合には、前記第１交流電圧の実効値に対する前記第２交流電圧の実効値の比を１より小さくし、
前記電圧位相差が０°より大きく１８０°より小さい場合には、前記比を１より大きくする、ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項４】
前記電圧位相差が−１８０°より大きく０°より小さい場合には、前記第１交流電圧の周波数と前記第２交流電圧の周波数を前記第２の固有振動モードの共振周波数に近づける際に、前記比を単調減少させ、
前記電圧位相差が０°より大きく１８０°より小さい場合には、前記第１交流電圧の周波数と前記第２交流電圧の周波数を前記第２の固有振動モードの共振周波数に近づける際に、前記比を単調増加させる、ことを特徴とする請求項３に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１交流電圧と前記第２交流電圧を同位相で印加したならば前記振動体に励振される第１の固有振動モードの共振周波数が、前記第１交流電圧と前記第２交流電圧を逆位相で印加したならば前記振動体に励振される第２の固有振動モードの共振周波数より大きい場合において、
前記第１交流電圧に対する前記第２交流電圧の電圧位相差が−１８０°より大きく０°より小さい場合には、前記第１交流電圧の実効値に対する前記第２交流電圧の実効値の比を１より大きくし、
前記電圧位相差が０°より大きく１８０°より小さい場合には、前記比を１より小さくする、ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項６】
前記電圧位相差が−１８０°より大きく０°より小さい場合には、前記第１交流電圧の周波数と前記第２交流電圧の周波数を前記第１の固有振動モードの共振周波数に近づける際に、前記比を単調増加させ、
前記電圧位相差が０°より大きく１８０°より小さい場合には、前記第１交流電圧の周波数と前記第２交流電圧の周波数を前記第１の固有振動モードの共振周波数に近づける際に、前記比を単調減少させる、ことを特徴とする請求項５に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項７】
前記一方の電極群と前記他方の電極群はいずれも、１つの電極からなり、
前記一方の電極群が有する１つの電極と前記他方の電極群が有する１つの電極は、隣接して形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項８】
弾性体と、２つの電極群が形成された電気−機械エネルギ変換素子と、を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体と、を備え、
前記２つの電極群のうちの一方の電極群に第１交流電圧を印加することにより、前記振動体に第１の固有振動モードを励振し、前記２つの電極群のうちの他方の電極群に、前記第１交流電圧とは電圧位相が異なる第２交流電圧を印加することにより、前記振動体に第２の固有振動モードを励振することにより、前記振動体と前記接触体を２つの方向に相対移動させる振動波アクチュエータであって、
前記第１の固有振動モードの共振周波数が、前記第２の固有振動モードの共振周波数より小さい場合において、
前記２つの方向のうち、前記第１交流電圧に対する前記第２交流電圧の電圧位相差が−１８０°より大きく０°より小さい場合に前記振動体と前記接触体が相対移動する第１の方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記電圧位相差を−１８０°より大きく−９０°より小さくし、
前記２つの方向のうち、前記電圧位相差が０°より大きく１８０°より小さい場合に前記振動体と前記接触体が相対移動する第２の方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記電圧位相差を０°より大きく９０°より小さくする、ことを特徴とする振動波アクチュエータ。
【請求項９】
前記２つの方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記第１交流電圧の周波数と前記第２交流電圧の周波数を前記第２の固有振動モードの共振周波数に近づける際に、前記電圧位相差を単調減少させる、ことを特徴とする請求項８に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項１０】
弾性体と、２つの電極群が形成された電気−機械エネルギ変換素子と、を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体と、を備え、
前記２つの電極群のうちの一方の電極群に第１交流電圧を印加することにより、前記振動体に第１の固有振動モードを励振し、前記２つの電極群のうちの他方の電極群に、前記第１交流電圧とは電圧位相が異なる第２交流電圧を印加することにより、前記振動体に第２の固有振動モードを励振することにより、前記振動体と前記接触体を２つの方向に相対移動させる振動波アクチュエータであって、
前記第１の固有振動モードの共振周波数が、前記第２の固有振動モードの共振周波数より大きい場合において、
前記２つの方向のうち、前記第１交流電圧に対する前記第２交流電圧の電圧位相差が−１８０°より大きく０°より小さい場合に前記振動体と前記接触体が相対移動する第１の方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記電圧位相差を−９０°より大きく０°より小さくし、
前記２つの方向のうち、前記電圧位相差が０°より大きく１８０°より小さい場合に前記振動体と前記接触体が相対移動する第２の方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記電圧位相差を９０°より大きく１８０°より小さくする、ことを特徴とする振動波アクチュエータ。
【請求項１１】
前記２つの方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記第１交流電圧の周波数と前記第２交流電圧の周波数を前記第１の固有振動モードの共振周波数に近づける際に、前記電圧位相差を単調増加させる、ことを特徴とする請求項１０に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項１２】
前記一方の電極群は、前記電気−機械エネルギ変換素子における第３の領域上に形成された第３の電極を有し、
前記他方の電極群は、前記電気−機械エネルギ変換素子における、前記２つの方向において隣接する、第４の領域及び第５の領域上にそれぞれ形成された、第４の電極及び第５の電極を有し、
前記第３の領域と前記第４の領域は、分極方向が同じであり、
前記第３の領域と前記第５の領域は、分極方向が異なる、ことを特徴とする請求項８乃至１１のうちのいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項１３】
前記第１の方向と前記第２の方向は互いに逆向きである、ことを特徴とする請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項１４】
前記弾性体には、前記接触体と接触する複数の突起部が形成され、
前記突起部には、前記第１の固有振動モードの面外方向における振幅極大の位置、及び、前記第２の固有振動モードの面外方向における振幅極小の位置が含まれる、ことを特徴とする請求項１乃至１３に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項１５】
前記弾性体には、前記振動体を支持する複数の支持部が形成され、
前記複数の支持部には、前記第１の固有振動モードと前記第２の固有振動モードの節の位置が含まれる、ことを特徴とする請求項１乃至１４に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項１６】
前記弾性体、前記複数の突起部及び前記複数の支持部は、一体に形成されている、ことを特徴とする請求項１５に記載の振動波アクチュエータ。
【請求項１７】
レンズと、
光軸方向に前記レンズを移動させる請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータと、を備える、ことを特徴とするレンズ鏡筒。
【請求項１８】
像ぶれ補正用のレンズと、
光軸方向と直交する面内で前記レンズを移動させる請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータと、を備える、ことを特徴とするレンズ鏡筒。
【請求項１９】
レンズ鏡筒と、
前記レンズ鏡筒に配置されたレンズを光軸方向に移動させる請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータと、
前記レンズ鏡筒を通過した光の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、を備える、ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２０】
レンズ鏡筒と、
前記レンズ鏡筒を通過した光の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、
前記撮像素子を光軸方向と直交する面内で移動させて前記撮像素子に結像する光学像の像ぶれを補正する請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータと、を備える、ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２１】
ステージと、
前記ステージをその面内で移動させる請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータと、を備える、ことを特徴とするステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動波アクチュエータ及びそれを備える撮像装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動波モータ（以下、「振動波アクチュエータ」ともいう）には、超音波領域での振動体の微小な振動を駆動源にして摩擦力によりモータ出力を取り出す特徴がある。そのため、振動波モータの形状を小型化させても電磁モータと比較して摩擦力による高い推力性能や低イナーシャによる高速応答性、さらに微小振動による高精度位置決めを静音で実現させることが可能である。特に、（振動波モータが備える）振動体が有する固有振動モード（以下、単に、「モード」ともいう）の共振周波数近傍で駆動させることで効率よくモータ出力を取り出すことができる。そのような振動波モータに関して、特許文献１で提案されている。
【０００３】
例えば、図１５に示す、特許文献１に記載されている振動波モータ９１０では、振動体９１１が有する圧電素子９１１ｂに、２つの交流電圧を印加することによって、２つのモードを合成した振動を励振している。そして、振動体９１１を加圧接触させている接触体９１２を、振動体９１１と相対的に移動させることが可能である。
【０００４】
図１６に示すように、接触体９１２と加圧接触する振動体９１１の質点において、駆動に用いるＡモードを励振すると、振動体９１１と接触体９１２の相対移動方向（Ｘ方向）の振動変位を得ることができる。さらに、接触体９１２と加圧接触する振動体９１１の質点において、駆動に用いるＢモードを励振すると、振動体９１１と接触体９１２の加圧方向（Ｚ方向）の振動変位を得ることができる。
【０００５】
そのため、これらＡモードとＢモードの位相を９０°ずらして励振することにより、所望の楕円振動を質点上で形成することができる。それにより、振動体９１１との加圧接触する質点で発生する摩擦力により、接触体９１２を効率よく駆動させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２０８４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
振動体９１１の形状は、２つのモードの共振周波数を近づけるように形成されている。この振動体９１１が有する圧電素子９１１ｂに、電圧の最大値と電圧周波数が等しく、電圧位相が異なる２つの交流電圧を印加することにより、２つのモードの位相を９０°ずらして、２つのモードを励振することが可能となる。
【０００８】
さらに、２つのモードの共振周波数近傍に２つの交流電圧の電圧周波数を近づけることで、質点で得られる楕円振動の振幅を共振現象により大きくできる為、接触体をより効率良く駆動することができる。
【０００９】
しかしながら、共振現象により、加振力に対する応答の位相関係も共振周波数近傍で変化するため、２つのモードの共振周波数やＱ値の違いにより、励振される２つのモードの振動位相差は共振周波数近傍で変化してしまう。
【００１０】
その結果、振動体９１１の突起部９１１ｃの先端で、振動体９１１の長手方向と短手方向が加圧方向と相対移動方向に一致しない、傾きを有する楕円振動に変化してしまい、質点で摩擦力を接触体９１２に効率よく伝達できず、モータ出力・効率が低下する問題があった。
【００１１】
本発明では、振動体における楕円振動の傾きを、傾斜が小さくなるように調整可能な振動波アクチュエータの提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の振動波アクチュエータは、弾性体と、２つの電極群が形成された電気−機械エネルギ変換素子と、を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体と、を備え、前記２つの電極群のうちのいずれか一方の電極群に、第１交流電圧を印加し、前記２つの電極群のうちの他方の電極群に、前記第１交流電圧とは電圧位相が異なる第２交流電圧を印加することにより、前記振動体と前記接触体を２つの方向に相対移動させる振動波アクチュエータであって、前記２つの方向に応じて、前記第１交流電圧の実効値と前記第２交流電圧の実効値の大小関係を切り替える、ことを特徴とする。
【００１３】
また、上記課題を解決するために、本発明の振動波アクチュエータは、弾性体と、２つの電極群が形成された電気−機械エネルギ変換素子と、を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体と、を備え、前記２つの電極群のうちの一方の電極群に第１交流電圧を印加することにより、前記振動体に第１の固有振動モードを励振し、前記２つの電極群のうちの他方の電極群に、前記第１交流電圧とは電圧位相が異なる第２交流電圧を印加することにより、前記振動体に第２の固有振動モードを励振することにより、前記振動体と前記接触体を２つの方向に相対移動させる振動波アクチュエータであって、前記第１の固有振動モードの共振周波数が、前記第２の固有振動モードの共振周波数より小さい場合において、前記２つの方向のうち、前記第１交流電圧に対する前記第２交流電圧の電圧位相差が−１８０°より大きく０°より小さい場合に前記振動体と前記接触体が相対移動する第１の方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記電圧位相差を−１８０°より大きく−９０°より小さくし、前記２つの方向のうち、前記電圧位相差が０°より大きく１８０°より小さい場合に前記振動体と前記接触体が相対移動する第２の方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記電圧位相差を０°より大きく９０°より小さくする、ことを特徴とする。
【００１４】
また、上記課題を解決するために、本発明の振動波アクチュエータは、弾性体と、２つの電極群が形成された電気−機械エネルギ変換素子と、を有する振動体と、前記振動体と接触する接触体と、を備え、前記２つの電極群のうちの一方の電極群に第１交流電圧を印加することにより、前記振動体に第１の固有振動モードを励振し、前記２つの電極群のうちの他方の電極群に、前記第１交流電圧とは電圧位相が異なる第２交流電圧を印加することにより、前記振動体に第２の固有振動モードを励振することにより、前記振動体と前記接触体を２つの方向に相対移動させる振動波アクチュエータであって、前記第１の固有振動モードの共振周波数が、前記第２の固有振動モードの共振周波数より大きい場合において、前記２つの方向のうち、前記第１交流電圧に対する前記第２交流電圧の電圧位相差が−１８０°より大きく０°より小さい場合に前記振動体と前記接触体が相対移動する第１の方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記電圧位相差を−９０°より大きく０°より小さくし、前記２つの方向のうち、前記電圧位相差が０°より大きく１８０°より小さい場合に前記振動体と前記接触体が相対移動する第２の方向に、前記振動体と前記接触体を相対移動させる場合には、前記電圧位相差を９０°より大きく１８０°より小さくする、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、振動体における楕円振動の傾きを、傾斜が小さくなるように調整可能な振動波アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係る振動波アクチュエータの概略構成を説明する分解斜視図。
【図２】第１の実施形態に係る電気−機械エネルギ変換素子に形成された電極パターンと分極処理方向を説明する平面図。
【図３】第１の実施形態に係る、（ａ）振動体に励振される第１のモードの振動形態を説明する斜視図と、（ｂ）振動体に励振される第２のモードの振動形態を説明する斜視図と、（ｃ）突起部の先端に発生する振動変位方向を説明する斜視図。
【図４】第１の実施形態に係る第１の方向に振動体と接触体を相対移動させる際に、振動体が有する第１のモードと第２のモードの振動特性を説明する図。
【図５】第１の実施形態に係る振動体に、周波数ｆｄ１、ｆｄ２の交流電圧をそれぞれ印加した際に励振される振動の振幅及び位相と、突起部の先端に発生する楕円振動軌跡を説明する図。
【図６】第１の実施形態に係る第１の方向に振動体と接触体を相対移動させる際の、振動体に印加する２つの交流電圧の電圧比（印加電圧比）と２つの加振力の位相差の関係を説明する図。
【図７】第１の実施形態に係る第１の方向に振動体と接触体を相対移動させる際に、振動体に周波数ｆｄ２で２つの交流電圧の電圧比を１より小さくした際の、振動体に励振される振動振幅及び位相と、突起部の先端に発生する楕円振動軌跡を説明する図。
【図８】第１の実施形態に係る第２の方向に振動体と接触体を相対移動させる際に、振動体が有する第１のモードと第２のモードの振動特性を説明する図。
【図９】第１の実施形態に係る振動体に、周波数ｆｄ１、ｆｄ２の交流電圧をそれぞれ印加した際に、励振される振動の振幅及び位相と、突起部の先端に発生する楕円振動軌跡を説明する図。
【図１０】第１の実施形態に係る第２の方向に振動体と接触体を相対移動させる際の、振動体に印加する２つの交流電圧の電圧比（印加電圧比）と２つの加振力の位相差の関係を説明する図。
【図１１】第１の実施形態に係る第２の方向に振動体と接触体を相対移動させる際に、振動体に周波数ｆｄ２で２つの交流電圧の電圧比を１より大きくした際の振動の振幅・位相と突起部の先端に発生する楕円振動軌跡を説明する図。
【図１２】第２の実施形態に係る電気−機械エネルギ変換素子に形成された電極パターンと分極処理方向を説明する平面。
【図１３】第１の実施形態又は第２の実施形態に係る振動波アクチュエータを備える撮像装置の概略構成図を示す上面図とブロック図。
【図１４】第１の実施形態又は第２の実施形態に係る振動波アクチュエータを備える顕微鏡の斜視図。
【図１５】従来技術における振動波アクチュエータを説明する斜視図。
【図１６】従来技術における振動体に励振させる２つのモードの振動形態を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
第１の実施形態では振動体と接触体から構成される振動波アクチュエータの概略について説明する。図１は、振動波アクチュエータ１０の概略構成を説明する分解斜視図である。なお、以降の説明では、図１に示すように、三次元の直交座標系（Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向）において、振動体１１と接触体１２を相対移動させる方向をＸ方向とする。接触体１２を駆動する場合には、接触体１２の駆動方向をＸ方向とし、振動体１１を駆動する場合には、振動体１１の駆動方向をＸ方向とする。また、振動体１１と接触体１２を加圧接触させる方向（後述する第１の固有振動モードにおいて振動体１１が接触体１２を突き上げる方向）をＺ方向とする。Ｘ方向及びＺ方向と直交する方向をＹ方向とする。なお、図１において、Ｘ方向は、振動体１１の長手方向でもあり、Ｙ方向は、振動体１１の短手方向でもある。
【００１９】
振動体１１は、弾性体１１ａと、弾性体１１ａと接合している電気−機械エネルギ変換素子１１ｂと、電気−機械エネルギ変換素子１１ｂと接合される不図示のフレキシブルプリント基板とを有する。
【００２０】
弾性体１１ａは、矩形平板状に形成され、電気−機械エネルギ変換素子１１ｂが接合する側と反対側に突出する突起部１１ｃが２つ設けられ、さらに振動体１１の接触体１２に対する相対移動方向に支持部１１ｄが２つ設けられる。弾性体１１ａの材料は、マルテンサイト系のステンレス鋼であるＳＵＳ４２０Ｊ２等の金属材料を用いることが好ましい。
【００２１】
弾性体１１ａに設けられている２つの突起部１１ｃは、振動体１１の接触体１２に対する相対移動方向に並んでおり、その先端で接触体１２と接触する。突起部１１ｃは、絞り加工によって弾性体１１ａの一部を塑性変形し形成されたボス形状を成しており、弾性体１１ａと一体的に形成されている。また、接触体１２と接触する突起部１１ｃの先端には、熱処理や表面研磨により所望の摩擦係数であり耐摩耗性に優れた接触面が設けられている。なお、上述の構成に限らず、突起部１１ｃは弾性体１１ａとは別に形成してから弾性体１１ａに固定する等の方法で形成してもよく、また接触体１２と接触する突起部１１ｃの接触面もメッキ処理等により別手段で設けてもよい。本実施形態のように、突起部１１ｃ、その接触面及び弾性体１１ａを一体的に形成する構成は、これらを別々に形成して接合する場合に比べて組立工数を減らすことができる。また、突起部１１ｃの位置合わせを行う必要がないことで部品間のバラつきを防止することができるため好ましい。
【００２２】
弾性体１１ａに設けられている２つの支持部１１ｄは、矩形部から延出して弾性体１１ａと一体的に設けられている。このとき、２つの支持部１１ｄの形状は、駆動に用いる、後述する２つのモード（第１のモード及び第２のモード）の節位置が設けられるように設計されている。この節位置を用いることで、２つのモードの振動形態を崩さずに振動体１１を支持できるため、支持によりモータ出力・効率を低下せずにすむ。本実施形態では、この２つの支持部上に節位置である２つの固定部１１ｄ１が設けられており、不図示の支持部品と接合されるものであって、支持部品によって振動体１１は筐体等に対して位置決め、保持される。
【００２３】
電気−機械エネルギ変換素子１１ｂは、圧電セラミックスと給電に用いる電極により構成される。電気−機械エネルギ変換素子１１ｂの弾性体１１ａとの接合面と反対側の面には、給電部材である不図示のフレキシブルプリント基板が接合される。図２は、フレキシブルプリント基板と接合される、圧電セラミックス（電気−機械エネルギ変換素子）の面上の電極パターンを示す。ここで、Ａ相電極部１１ｂ１とＢ相電極部１１ｂ２は、振動体１１の長手方向であるＸ方向に分割された（隣接して形成された）電極部である。
【００２４】
Ａ相電極部１１ｂ１は、圧電セラミックスにおける第１の領域上に形成された電極部（電極群）であり、Ｂ相電極部１１ｂ２は、圧電セラミックスにおける、第１の領域とは異なる第２の領域上に形成された電極部（電極群）である。これら電極群はいずれも１つの電極をからなるが、複数の電極からなるように形成してもよい。
【００２５】
弾性体１１ａと接合される圧電セラミックスの面上の全域には、不図示のグラウンド電極部が設けられている。なお、図中における『＋』の記号は、それぞれの電極部が形成された、電気−機械エネルギ変換素子における領域におけるＺ方向に対しての分極方向を示している。
【００２６】
接触体１２は、振動体１１の２つの突起部１１ｃと接触するものであり、本実施形態では弾性体１１ａと同様に、マルテンサイト系のステンレス鋼であるＳＵＳ４２０Ｊ２等の金属材料を用いて構成されている。なお、接触体１２は、不図示のガイド部材によって筐体等に対して保持される。また、振動体１１の突起部１１ｃと接触する接触体１２の接触面には突起部１１ｃに対する摩擦係数や耐摩耗性を向上させることを目的とした表面処理を施している。
【００２７】
本実施形態の振動体１１は、２つのモードを励振することができる。Ａ相電極部１１ｂ１に印加される第１交流電圧とＢ相電極部１１ｂ２に印加される第２交流電圧を同位相で印加したならば、振動体１１に、後述する第１のモードが励振される。また、Ａ相電極部１１ｂ１に印加される第１交流電圧とＢ相電極部１１ｂ２に印加される第２交流電圧を逆位相で印加したならば、振動体１１に、後述する第２のモードが励振される。そして、この２つのモードの合成により、突起部１１ｃの接触面で同一方向に楕円軌跡を描く楕円振動を生じさせることができる。また、この楕円振動によって、振動体１１と（突起部１１ｃで振動体１１と接触する）接触体１２を相対移動させることが可能となる。
【００２８】
振動体１１の形状は、後述する２つのモードの共振周波数のうち、第１のモードの共振周波数（ｆｚ）を低い方の共振周波数、第２のモードの共振周波数（ｆｘ）を高い方の共振周波数とした場合、共振周波数差（Δｆ）が所望の値となるように決められている。ここで、共振周波数差（Δｆ）は、Δｆ＝ｆｘ−ｆｚである。具体的には、振動体１１の形状の長手方向の寸法（長辺）と短手方向の寸法（短辺）、及び長手方向及び短手方向と直交する方向の寸法（平板厚み）を適宜設定することにより、２つのモードの共振周波数を所望のΔｆに近づけることができる。本実施形態では、Δｆの値を第２のモードの共振周波数ｆｘの５％以下に設定している。
【００２９】
次に、２つの固有振動モードについて説明する。図３（ａ）は、第１のモードの振動形態の斜視図であり、図３（ｂ）は、第２のモードの振動形態の斜視図である。第１のモードにおける振動の腹の位置に、２つの突起部１１ｃは設けられている。そのため、第１交流電圧と第２交流電圧を同位相で印加することにより第１のモードを励振させると、２つの突起部１１ｃの先端の各接触面で主として、図３（ａ）の矢印で示すＺ方向に振幅を持つ往復運動が生じる。また、第２のモードにおける振動の節の位置に２つの突起部１１ｃは設けられている。そのため、第１交流電圧と第２交流電圧を逆位相で印加することにより第２のモードを励振させると、２つの突起部１１ｃの先端の各接触面で主として、図３（ｂ）の矢印で示すＸ方向に振幅を持つ往復運動が生じる。
【００３０】
なお、２つのモードとは、弾性体１１ａのＸＹ平面に対する面外方向（Ｚ方向）の振動を弾性体１１ａに生じるモードである。そのため、振動の腹の位置とは、面外方向（Ｚ方向）における振動振幅が最大（振幅極大）になる弾性体上の位置を意味する。また、振動の節の位置とは、面外方向（Ｚ方向）における振動振幅が最小（振幅極小）になる（振動が殆ど生じない）弾性体上の位置を意味する。
【００３１】
上記２つのモードの振動位相差を９０°ずらして振動体１１を励振させた際に、図３（ｃ）で示すように２つの突起部１１ｃの先端で同一方向に楕円軌跡を描く楕円振動を実現することができる。２つのモードを励振する上で、電気−機械エネルギ変換素子１１ｂに形成された一方の電極群であるＡ相電極部１１ｂ１には第１交流電圧（Ｖａ）を印加する。また、他方の電極群であるＢ相電極部１１ｂ２には第２交流電圧（Ｖｂ）を印加する。このとき、Ｖａの最大値をＶａ０、Ｖｂの最大値をＶｂ０、電圧周波数をｆ、時間をｔ、Ｖａに対するＶｂの電圧位相差をΨとすると、Ｖａ、Ｖｂは、以下の式（１）、式（２）で表すことができる。
Ｖａ＝Ｖａ０ｓｉｎ２πｆｔ      ・・・（１）
Ｖｂ＝Ｖｂ０ｓｉｎ（２πｆｔ＋Ψ）      ・・・（２）
【００３２】
ここで、２つの交流電圧の最大値が等しい場合（Ｖ＝Ｖａ０＝Ｖｂ０）について考える。２つの交流電圧が同位相で印加される場合（Ψ＝０°の場合）、電気−機械エネルギ変換素子１１ｂにおける、『＋』の方向に分極処理された第１の領域と第２の領域で生じる伸縮方向は同じになる。第１の領域は、その上にＡ相電極部１１ｂ１が形成された、電気−機械エネルギ変換素子１１ｂにおける領域である。第２の領域は、Ｂ相電極部１１ｂ２が形成された、電気−機械エネルギ変換素子１１ｂにおける領域である。そのため、第１の領域、第２の領域で生じる伸縮方向が同じ向きで振動する第１のモードの共振周波数（ｆｚ）付近にＶａ、Ｖｂの周波数を近づけることで、振動体１１に第１のモードを励振することができる。このことから、第１のモードの加振力に相当する印加電圧（Ｖｚ）は、Ｖｚの最大値をＶｚ０、第１のモードの加振力に相当する印加電圧の位相（第１の固有振動モードの加振力の位相）をξｚとすると、以下の式（３）で表すことができる。
Ｖｚ＝Ｖａ＋Ｖｂ＝Ｖｚ０ｓｉｎ（２πｆｔ＋ξｚ）      ・・・（３）
【００３３】
【数１】
2020178496.tif 000003
【００３４】
【数２】
2020178496.tif 000004
【００３５】
また、２つの交流電圧が逆位相で印加される場合（Ψ＝１８０°の場合）、電気−機械エネルギ変換素子１１ｂにおける、『＋』の方向に分極処理された第１の領域と第２の領域で生じる伸縮方向は逆になる。そのため、第１の領域、第２の領域で生じる伸縮方向が逆向きに振動する第２のモードの共振周波数（ｆｘ）付近にＶａ、Ｖｂの周波数を近づけることで、振動体１１に第２のモードを励振することができる。このことから、第２のモードの加振力に相当する印加電圧（Ｖｘ）は、Ｖｘの最大値をＶｘ０、第２のモードの加振力に相当する印加電圧の位相（第２の固有振動モードの加振力の位相）をξｘとすると、以下の式（６）で表すことができる。
Ｖｘ＝Ｖａ−Ｖｂ＝Ｖｘ０ｓｉｎ（２πｆｔ＋ξｘ）      ・・・（６）
【００３６】
【数３】
2020178496.tif 000005
【００３７】
【数４】
2020178496.tif 000006
【００３８】
一方、振動体１１の突起部１１ｃの先端において、Ｖｚによって励振される第１のモードの振動変位をＺ、Ｖｘによって励振される第２のモードの振動変位をＸとすると、Ｚ、Ｘはそれぞれ、以下の式（９）、（１０）で表すことができる。
Ｚ＝Ｚ０（Ｖｚ０，ｆ）ｓｉｎ｛２πｆｔ＋φｚ（ｆ）｝      ・・・（９）
Ｘ＝Ｘ０（Ｖｘ０，ｆ）ｓｉｎ｛２πｆｔ＋φｘ（ｆ）｝      ・・・（１０）
【００３９】
ここで、Ｚ０（Ｖｚ０，ｆ）は、第１のモードの加振力に相当する印加電圧の最大値（Ｖｚ０）と、共振現象により、周波数（ｆ）に応じて決定される、Ｖｚによって励振される第１のモードの、Ｚ方向における振幅値（振動振幅）である。また、Ｘ０（Ｖｘ０，ｆ）は、第２のモードの加振力に相当する印加電圧の最大値（Ｖｘ０）と、共振現象により、周波数（ｆ）に応じて決定される、Ｖｘによって励振される第２のモードの、Ｘ方向における振幅値（振動振幅）である。また、φｚ（ｆ）は、第１のモードの共振現象により、周波数（ｆ）に応じて決定される、Ｖｚの位相（ξｚ）に対する第１の固有振動モードの振動位相である。また、φｘ（ｆ）は、第２のモードの共振現象により、周波数（ｆ）に応じて決定される、Ｖｘの位相（ξｘ）に対する第２の固有振動モードの振動位相である。以下においては、φｚ（ｆ）、φｘ（ｆ）をそれぞれ、φｚ、φｘと略記する。
【００４０】
式（３）〜（８）より、Ｖａに対するＶｂの電圧位相差（Ψ）を、０°を除く、−１８０°＜Ψ＜１８０°としたとき、２つの交流電圧を振動体１１に印加すると、２つのモードを、位相をずらして加振することができることがわかる。そして、それにより、振動体１１の突起部１１ｃの先端において２つの振動変位Ｚ、Ｘの位相をずらして励振できるため、突起部１１ｃの先端で楕円振動を発生できる。
【００４１】
本実施形態では、Ｖａに対するＶｂの電圧位相差（Ψ）が、−１８０°＜Ψ＜０°の場合に、振動体１１と接触体１２が相対移動する方向を「第１の方向」、０°＜Ψ＜１８０°の場合に振動体１１と接触体１２が相対移動する方向を「第２の方向」としている。
【００４２】
また、振動位相差が｜φｘ−φｚ｜＝９０°となるように励振される場合、図３（ｃ）に示すように、振動体１１の突起部１１ｃの先端で、（楕円の）長辺と短辺がＺ方向とＸ方向の軸に略一致する、傾きのない理想的な楕円振動を発生させることが可能となる。それにより、突起部１１ｃの先端で発生する摩擦力を接触体１２へと効率よく伝えることができ、モータ出力・効率の良い振動波アクチュエータを実現できる。
【００４３】
ここで、振動体１１に対して接触体１２を第１の方向に動作させる一例として、ＶａのＶｂに対する電圧位相差（Ψ）がΨ＝−９０°の場合について考える。式（４）、（５）、（７）、（８）より、第１のモードの加振力に相当する印加電圧（Ｖｚ）と第２のモードの加振力に相当する印加電圧（Ｖｘ）の最大値（Ｖｚ０、Ｖｘ０）、ＶｚとＶｘの位相（ξｚ、ξｘ）は以下の式で表すことができる。
【００４４】
【数５】
2020178496.tif 000007
【００４５】
【数６】
2020178496.tif 000008
【００４６】
【数７】
2020178496.tif 000009
【００４７】
次に、第１のモードの共振周波数（ｆｚ）が第２のモードの共振周波数（ｆｘ）より小さい場合において、相対移動方向に対する印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）の好適な条件について説明する。
【００４８】
図４（ａ）、（ｂ）では、電圧位相差（Ψ）がΨ＝−９０°で２つの交流電圧を印加する際の、周波数に対する２つのモードの振動振幅と振動位相の関係を示す。図４（ａ）では、振動体１１の突起部１１ｃの先端における、振動振幅（Ｚ０、Ｘ０）を表しており、それぞれは、第１のモードの共振周波数（ｆｚ）、第２のモードの共振周波数（ｆｘ）でピークを有する特性を示している。ここでは、ｆｚはｆｘより小さい。また、図４（ｂ）では、振動体１１の突起部１１ｃの先端における、加振力に相当する印加電圧の位相（以下、「加振力の位相」ともいう）（ξｚ、ξｘ）と振動位相（φｚ、φｘ）を表している。φｚ、φｘはそれぞれ、ｆｚ、ｆｘを中間として高周波数から低周波数に向かって位相が１８０°変化する特性を示している。このとき、振動位相（φｚ、φｘ）の基準はそれぞれ、加振力に相当する印加電圧の位相（ξｚ、ξｘ）で決まる。
【００４９】
図５（ａ）、（ｂ）では、図４（ａ）、（ｂ）で示す振動特性を有する振動体１１を駆動周波数（第１交流電圧と第２の交流電圧の周波数）をｆｄ１、ｆｄ２として動作させた際の、振動振幅と振動位相を説明するグラフである。また、図５（ｃ）、（ｄ）では、駆動周波数をｆｄ１、ｆｄ２としたときにおける、振動体１１の突起部１１ｃ先端における楕円振動軌跡を説明している。第１交流電圧の最大値に対する第２交流電圧の最大値の比（Ｖｂ０／Ｖａ０）（以下、「印加電圧比」という）がＶｂ０／Ｖａ０＝１になるとき、ξｘとξｚの差（ξｘ−ξｚ）（加振力の位相差）はξｘ−ξｚ＝９０°となる。このとき、２つのモードの共振周波数から離れた駆動周波数（ｆｄ１）で振動体１１を駆動させると、図５（ｂ）に示すように、振動位相差（φｘ−φｚ）はφｘ−φｚ≒９０°になる。そのため、図５（ｃ）に示すように、振動体１１の突起部１１ｃの先端で、（楕円の）長辺と短辺がＺ方向とＸ方向の軸に略一致する、理想的な楕円振動が生じる。この時、楕円振動はＹ方向から見た時に反時計回りに回転する。なお、印加電圧比の定義を、「第１交流電圧の実効値に対する第２交流電圧の実効値の比」としても、印加電圧比に関する、上記記載及び以下の記載は同様に成り立つ。
【００５０】
しかし、従来の制御方法において、振動振幅を大きくするために、駆動周波数をｆｄ１からｆｄ２に下げて、駆動周波数を第２のモードの共振周波数ｆｘに近づけたとき、第２のモードの共振現象により振動位相差（φｘ−φｚ）はφｘ−φｚ＞９０°となる。この結果、図５（ｄ）に示すように、振動体１１の突起部１１ｃの先端で、（楕円の）長辺と短辺がＺ方向とＸ方向の軸からずれて傾きを有する楕円振動が生じる。これによって、突起部１１ｃ上の質点で接触体１２に効率よく摩擦力を伝達できず、モータ出力・効率が低下する問題があった。
【００５１】
本実施形態では、この共振現象による周波数に応じた振動位相差（φｘ−φｚ）の変化を、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）で相殺する。図６には、横軸に印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）、縦軸に加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）をとったグラフを説明している。このグラフの関係は式（１２）、（１３）より導出している。図６より、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を用いて、振動位相差（φｘ−φｚ）の基準となる加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）を調整できることを説明している。つまり、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を１より小さくする、つまり、Ｖｂ０／Ｖａ０＜１にすることにより加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）をξｘ−ξｚ＜９０°とすることができる。その結果、共振現象により振動位相差（φｘ−φｚ）が９０°より大きくなる分を、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）により加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）が９０°より小さくなる分で相殺することができる。
【００５２】
図７（ａ）で、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を１より小さくしたとき（このとき、ξｘ−ξｚ＜９０°となる）の周波数に対する２つのモードの振動位相差を示す。駆動周波数ｆｄ２において振動位相差（φｘ−φｚ）の基準となる加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）を、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を用いて調整したことで、振動位相差（φｘ−φｚ）を９０°に近づけた。図７（ｂ）に駆動周波数ｆｄ２、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）がＶｂ０／Ｖａ０＜１のときの振動体１１の突起部１１ｃの先端における楕円振動軌跡を示す。図７（ｂ）に示すように、振動体１１の突起部１１ｃの先端で、（楕円の）長辺と短辺がＺ方向とＸ方向の軸に略一致する、傾きが小さい楕円振動を発生できるため、従来の制御方法を有する振動波アクチュエータよりもモータ出力・効率を改善させることができる。
【００５３】
以上のことから、振動体１１と接触体１２を第１の方向に相対移動させる際に、２つの交流電圧の印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を１より小さくすることで、振動体１１の突起部の先端で発生させる楕円振動の傾きを、基準となる方向（Ｚ方向とＸ方向）に対する傾斜が小さくなるように調整することができる。そして、それにより、モータ出力・効率を改善することができる。
【００５４】
ここで、第１の方向に動作させる際の印加電圧として、電圧位相差（Ψ）がΨ＝−９０°の場合について説明したが、−１８０°＜Ψ＜０°の場合（振動体と接触体を第１の方向に第１の方向に相対移動させる場合）においては同じ関係が成り立つ。また、図４（ｂ）より、駆動周波数を、２つのモードの内の高い共振周波数（ｆｘ）に高周波数側から単調減少させるほど、振動位相差（φｘ−φｚ）は９０°より単調増加していくことがわかる。そのため、増加した分の振動位相差（φｘ−φｚ）を相殺するように、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を単調減少させることが望ましい。
【００５５】
次に、振動体１１に対して接触体１２を第２の方向に動作させる一例として、電圧位相差（Ψ）が、Ψ＝９０°の場合について考える。式（４）、（５）、（７）、（８）より、第１のモードの加振力に相当する印加電圧（Ｖｚ）と第２のモードの加振力に相当する印加電圧（Ｖｘ）の電圧値、位相は次のように表される。
【００５６】
【数８】
2020178496.tif 000010
【００５７】
【数９】
2020178496.tif 000011
【００５８】
【数１０】
2020178496.tif 000012
【００５９】
図８（ａ）、（ｂ）では、電圧位相差（Ψ）はΨ＝９０°で２つの交流電圧を印加する際の、周波数に対する２つのモードの振動振幅、振動位相及び加振力の位相の関係を示す。図８（ａ）では、振動体１１の突起部１１ｃの先端における２つのモードそれぞれの振動振幅（Ｚ０、Ｘ０）を表しており、それぞれが、第１のモードの共振周波数（ｆｚ）、第２のモードの共振周波数（ｆｘ）でピークを有する特性を示している。また、図８（ｂ）では、振動体１１の突起部１１ｃの先端における、２つのモードそれぞれの加振力の位相（ξｚ、ξｘ）と振動位相（φｚ、φｘ）を表している。２つの振動位相それぞれは、２つの共振周波数（ｆｚ、ｆｘ）を中間として、高周波数から低周波数に向かって位相が１８０°変化する特性を示している。このときも、それぞれの振動位相の基準は、加振力の位相（ξｚ、ξｘ）で決まる。
【００６０】
図９（ａ）、（ｂ）では、図８（ａ）、（ｂ）で示す振動特性を有する振動体１１を２つの駆動周波数（ｆｄ１、ｆｄ２）で動作させた際の振動振幅と振動位相の位相差を説明するグラフである。また図９（ｃ）、（ｄ）では、ｆｄ１、ｆｄ２それぞれの場合の振動体１１の突起部１１ｃ先端における楕円振動軌跡を説明している。印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）がＶｂ０／Ｖａ０＝１になるとき、加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）はξｘ−ξｚ＝−９０°となる。この時、２つのモードの共振周波数から離れた周波数ｆｄ１で振動体１１を駆動させると、図５（ｂ）に示すように２つの振動位相の位相差φｘ−φｚ≒−９０°になる。そのため、図５（ｃ）に示すように、振動体１１の突起部１１ｃの先端で、（楕円の）長辺と短辺がＺ方向とＸ方向の軸に略一致する、理想的な楕円振動が生じる。このとき、楕円振動はＹ方向から見た時に時計回りに回転する。
【００６１】
しかし、従来の制御方法において、振動振幅を大きくするために駆動周波数をｆｄ２に下げて第２のモードの共振周波数（ｆｘ）に近づけた時、第２のモードの共振現象により２つの振動位相差（φｘ−φｚ）はφｘ−φｚ＞−９０°となる。この結果、図９（ｄ）に示すように、振動体１１の突起部１１ｃの先端で、（楕円の）長辺と短辺がＺ方向とＸ方向の軸からずれて傾きを有する楕円振動が生じる。これによって、突起部１１ｃ上の質点で接触体１２に効率よく摩擦力を伝達できず、モータ出力・効率が低下する問題があった。
【００６２】
本実施形態では、この共振現象による周波数に応じた振動位相差（φｘ−φｚ）の変化を印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）で相殺する。図１０には横軸に印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）、縦軸に加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）をとったグラフを説明している。このグラフの関係は式（１５）、（１６）より導出している。図１０より、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を用いて、振動位相差（φｘ−φｚ）の基準となる加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）を調整できることを説明している。つまり、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を１より大きくする、つまり、Ｖｂ０／Ｖａ０＞１に変更することにより加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）をξｘ−ξｚ＜−９０°とすることができる。その結果、共振現象により振動位相差（φｘ−φｚ）が−９０°より大きくなる分を、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）により加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）が−９０°より小さくなる分で相殺することができる。
【００６３】
図１１（ａ）で、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を１より大きくしたとき（このとき、ξｘ−ξｚ＜−９０°となる）の周波数に対する２つのモードの振動位相差を示す。駆動周波数ｆｄ２において振動位相差（φｘ−φｚ）の基準となる加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）を、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を用いて調整したことで、振動位相差（φｘ−φｚ）を−９０°に近づけた。図１１（ｂ）に駆動周波数ｆｄ２、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）がＶｂ０／Ｖａ０＞１のときの振動体１１の突起部１１ｃの先端における楕円振動軌跡を示す。図７（ｂ）に示すように、振動体１１の突起部１１ｃの先端で、（楕円の）長辺と短辺がＺ方向とＸ方向の軸に略一致する、傾きがほとんどない楕円振動を発生できるため、従来の制御方法を有する振動波アクチュエータよりもモータ出力・効率を改善させることができる。
【００６４】
以上のことから、振動体１１と接触体１２を第２の方向に相対移動させる際に、２つの交流電圧の印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を１より大きくすることで、振動体１１の突起部の先端で発生させる楕円振動の傾きを、基準となる方向（Ｚ方向とＸ方向）に対する傾斜が小さくなるように調整することができる。そして、それにより、モータ出力・効率を改善することができる。
【００６５】
ここで、第２の方向に動作させる際の印加電圧として、電圧位相差（Ψ）がΨ＝９０°の場合について説明したが、０°＜Ψ＜１８０°の場合（振動体と接触体を第１の方向に第２の方向に相対移動させる場合）においては同じ関係が成り立つ。また図８（ｂ）より、駆動周波数を２つのモードの内の高い共振周波数（ｆｘ）に高周波数側から単調減少させるほど、振動位相差（φｘ−φｚ）は−９０°より単調増加していくことがわかる。そのため、増加した分の振動位相差（φｘ−φｚ）を相殺するように、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を単調増加させることが望ましい。
【００６６】
なお、第１のモードの共振周波数（ｆｚ）が第２のモードの共振周波数（ｆｘ）より大きい場合において、相対移動方向に対する印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）の好適な条件はこれまでの説明と逆になる。
【００６７】
つまり、振動体と接触体を第１の方向に相対移動させる場合（−１８０°＜Ψ＜０°）において、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）は１より大きい方が良い。さらに、駆動周波数を第１のモードの共振周波数（ｆｚ）に近づける際に、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を単調増加させることが望ましい。一方で、振動体と接触体を第２の方向に相対移動させる場合（０°＜Ψ＜１８０°）において、印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）は１より小さい方が良い。さらに駆動周波数を第１のモードの共振周波数（ｆｚ）に近づける際に印加電圧比（Ｖｂ０／Ｖａ０）を単調減少させることが望ましい。
【００６８】
以上から、第１の実施形態においては、２つの方向（第１の方向、第２の方向）に応じて、第１交流電圧（Ｖａ）と第２交流電圧（Ｖｂ）の大小関係を切り替えているといえる。
【実施例２】
【００６９】
図１２は、第２の実施形態に係る振動体２１の下面である、電気−機械エネルギ変換素子２１ｂを構成する圧電セラミックスの面上の電極パターンを示す。第２の実施形態の振動波アクチュエータ２０を構成する要素について、第１の実施形態の振動波アクチュエータ１０とは、電気−機械エネルギ変換素子２１ｂを構成する電極パターン、及び２つのモードを励振する際の２つの交流電圧の印加方法について異なる。その他の構成要素については、同じ名称及び同じ符号を用いて、重複する説明を省略する。
【００７０】
ここでは、給電に用いる電極は５つに分割されており、その内の１つの電極からなるＡ相電極部２１ｂ１と４つの電極からなるＢ相電極部２１ｂ２が設けられている。また、弾性体２１ａと接合される圧電セラミックスの面上の全域には不図示のグラウンド電極部が設けられている。なお、図中における『＋』、『−』の記号は、それぞれの電極部が形成された、電気−機械エネルギ変換素子における領域におけるＺ方向に対しての分極方向を示している。
【００７１】
２つのモードを励振する上で、電気−機械エネルギ変換素子２１ｂに形成された一方の電極群であるＡ相電極部２１ｂ１には第１交流電圧（Ｖａ）を印加する。また、他方の電極群であるＢ相電極部２１ｂ２（電極群２１ｂ２１、２１ｂ２２、２１ｂ２３、２１ｂ２４）には第２交流電圧（Ｖｂ）を印加する。このとき、Ｖａの最大値をＶａ０、Ｖｂの最大値をＶｂ０、電圧周波数をｆ、時間をｔ、Ｖａに対するＶｂの電圧位相差をΨとすると、Ｖａ、Ｖｂは以下の式（１７）、（１８）で表すことができる。
Ｖａ＝Ｖａ０ｓｉｎ２πｆｔ  ・・・（１７）
Ｖｂ＝Ｖｂ０ｓｉｎ（２πｆｔ＋Ψ）  ・・・（１８）
【００７２】
Ａ相電極部２１ｂ１は、圧電セラミックスにおける、後述する第３の領域上に形成された電極部（電極群）である。また、Ｂ相電極部１１ｂ２は、圧電セラミックスにおける、第１の領域とは異なる、後述する第４の領域及び第５の領域上に形成された電極部（電極群）である。ここでは、Ａ相電極部２１ｂ１は１つの電極から、Ｂ相電極部２１ｂ２は４つの電極２１ｂ２１、２１ｂ２２、２１ｂ２３、２１ｂ２４からなる。しかし、Ａ相電極部２１ｂ１は複数の電極からなるように形成してもよい。また、Ｂ相電極部２１ｂ２は少なくとも、その下に、後述する第４の領域が存在する電極と、その下に、後述する第５の領域が存在する電極からなるようい形成すればよい。また、Ｂ相電極部２１ｂ２は５つ以上の電極からなるように形成してもよい。
【００７３】
ここで、第１交流電圧（Ｖａ）を印加したとき、『＋』の方向に分極処理された第３の領域（その上にＡ相電極部２１ｂ１が形成された、電気−機械エネルギ変換素子２１ｂにおける領域）で生じる伸縮方向は同じになる。そのため、第３の領域で生じる伸縮方向が同じ向きで振動する第１のモードの共振周波数（ｆｚ）付近にＶａの周波数を近づけることで、振動体１１の第１のモードを励振することができる。このことから、第１のモードの加振力に相当する印加電圧（Ｖｚ）は第１交流電圧（Ｖａ）である。
【００７４】
また、第２交流電圧Ｖｂを印加したとき、『＋』の方向に分極処理された第４の領域と『−』の方向に分極処理された第５の領域で生じる伸縮方向は逆になる。第４の領域は、その上にＢ相電極部２１ｂ２１、２１ｂ２２が形成された、電気−機械エネルギ変換素子２１ｂにおける領域である。第５の領域は、その上にＢ相電極部２１ｂ２３、２１ｂ２４が形成された、電気−機械エネルギ変換素子２１ｂにおける領域である。そのため、第４の領域、第５の領域で生じる伸縮方向が逆向きで振動する第２のモードの共振周波数（ｆｘ）付近にＶｂの周波数を近づけることで、振動体１１に第２のモードを励振することができる。このことから、第２のモードの加振力に相当する印加電圧（Ｖｘ）は第２交流電圧（Ｖｂ）である。
【００７５】
以上のことから、Ｖｚ（＝Ｖａ）に対するＶｘ（＝Ｖｂ）の電圧位相差（Ψ）は次の式で表すことができる。
ξｘ−ξｚ＝Ψ  ・・・（１９）
【００７６】
ここで、電圧位相差（Ψ）が−１８０°＜Ψ＜０°（−１８０°より大きく０°より小さい）とした、振動体２１と接触体２２を第１の方向に相対移動させる場合について考える。このときの振動体２１の振動特性は図８（ａ）、（ｂ）と同じになる。そのため、駆動周波数が第２のモードの共振周波数（ｆｘ）に高周波数側から近づける際に、２つの加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）を−１８０°より大きく−９０°より小さくする方が良い。つまり、電圧位相差（Ψ）を−１８０°より大きく−９０°より小さくすることで、共振現象により振動体１１の突起部２１ｃの先端で発生させる楕円振動の傾きを調整し、モータ出力・効率を向上させることができる。さらに、駆動周波数を共振周波数（ｆｘ）に近づけるほど、電圧位相差（Ψ）を単調減少させることが望ましい。
【００７７】
一方で、電圧位相差（Ψ）が０°＜Ψ＜１８０°（０°より大きく１８０°より小さい）とした、振動体２１と接触体２２を第２の方向に相対移動させる場合について考える。このときの振動体２１の振動特性は図４（ａ）、（ｂ）と同じになる。そのため、駆動周波数が第２のモードの共振周波数（ｆｘ）に高周波数側から近づける際に、加振力の位相差（ξｘ−ξｚ）を０°より大きく９０°より小さくする方が良い。つまり、電圧位相差（Ψ）を０°より大きく９０°より小さくすることで、共振現象により振動体１１の突起部２１ｃの先端で発生させる楕円振動の傾きを、基準となる方向（Ｚ方向とＸ方向）に対する傾斜が小さくなるように調整し、モータ出力・効率を向上させることができる。さらに、第１の方向及び第２の方向のいずれの方向に、振動体と接触体を相対移動させる場合においても、駆動周波数を第２のモードの共振周波数（ｆｘ）に近づける際に、電圧位相差（Ψ）は単調減少させることが望ましい。
【００７８】
なお、第１の実施形態と同様に、第１のモードの共振周波数（ｆｚ）が第２のモードの共振周波数（ｆｘ）より大きい場合において、相対移動方向に対する電圧位相差（Ψ）の好適な条件はこれまでの説明と逆になる。つまり、第１の方向に動かす場合において（−１８０°＜Ψ＜０°）、電圧位相差（Ψ）は−９０°より大きい方が良く、さらに第１のモードの共振周波数（ｆｚ）に対して高周波数側から近づける際に電圧位相差（Ψ）は単調増加させることが望ましい。一方で、第２の方向に動かす場合において（０°＜Ψ＜１８０°）、電圧位相差（Ψ）は９０°より大きい方が良い。さらに、第１の方向及び第２の方向のいずれの方向に、振動体と接触体を相対移動させる場合においても、駆動周波数を第１のモードの共振周波数（ｆｚ）に近づける際に、電圧位相差（Ψ）は単調増加させることが望ましい。
【実施例３】
【００７９】
第３実施形態では、上述した各実施形態に係る振動波アクチュエータを備える装置（機械）の一例としての撮像装置の構成について説明する。
【００８０】
図１３（ａ）は、撮像装置７００の概略構成を示す上面図である。撮像装置７００は、撮像素子７１０及び電源ボタン７２０を搭載したカメラ本体（撮像本体）７３０を備える。また、撮像装置７００は、第１のレンズ群（不図示）、第２のレンズ群８２０、第３のレンズ群（不図示）、第４のレンズ群８４０、振動波アクチュエータユニット６２０，６４０を備えるレンズ鏡筒７４０を備える。レンズ鏡筒７４０は、交換レンズとして取り換え可能であり、撮影対象に合わせて適したレンズ鏡筒７４０を撮像本体７３０に取り付けることができる。撮像装置７００では、２つの振動波アクチュエータユニット６２０，６４０によってそれぞれ、第２のレンズ群８２０，第４のレンズ群３４０の駆動が行われる。
【００８１】
図１３（ｂ）は、撮像装置７００の概略構造を示すブロック図である。第１のレンズ群８１０、第２のレンズ群８２０、第３のレンズ群８３０、第４のレンズ群８４０及び光量調節ユニット８５０が、レンズ鏡筒７４０内部の光軸上の所定位置に配置される。第１のレンズ群８１０〜第４のレンズ群８４０と光量調節ユニット８５０とを通過した光は、撮像素子７１０に結像する。撮像素子７１０は、光学像を電気信号に変換して出力し、その出力は、カメラ処理回路７５０へ送られる。
【００８２】
カメラ処理回路７５０は、撮像素子７１０からの出力信号に対して増幅やガンマ補正等を施す。カメラ処理回路７５０は、ＡＥゲート７５５を介してＣＰＵ７９０に接続されると共に、ＡＦゲート７６０とＡＦ信号処理回路７６５とを介してＣＰＵ７９０に接続されている。カメラ処理回路７５０において所定の処理が施された映像信号は、ＡＥゲート７５５と、ＡＦゲート７６０及びＡＦ信号処理回路７６５を通じてＣＰＵ７９０へ送られる。なお、ＡＦ信号処理回路７６５は、映像信号の高周波成分を抽出して、オートフォーカス（ＡＦ）のための評価値信号を生成し、生成した評価値をＣＰＵ７９０へ供給する。
【００８３】
ＣＰＵ７９０は、撮像装置７００の全体的な動作を制御する制御回路であり、取得した映像信号から、露出決定やピント合わせのための制御信号を生成する。ＣＰＵ７９０は、決定した露出と適切なフォーカス状態が得られるように、振動波アクチュエータユニット６２０，６４０及びメータ６３０の駆動を制御する。そして、それによって、第２のレンズ群８２０、第４のレンズ群８４０及び光量調節ユニット８５０の光軸方向位置を調整する。ＣＰＵ７９０による制御下において、振動波アクチュエータ６２０は第２のレンズ群８２０を光軸方向に移動させ、振動波アクチュエータ６４０ユニットは第４のレンズ群８４０を光軸方向に移動させ、光量調節ユニット３５０はメータ６３０により駆動制御される。
【００８４】
振動波アクチュエータユニット６２０により駆動される第２のレンズ群３２０の光軸方向位置は第１のリニアエンコーダ７７０により検出され、検出結果がＣＰＵ７９０に通知されることで、振動波アクチュエータユニット６２０の駆動にフィードバックされる。同様に、振動波アクチュエータユニット６４０により駆動される第４のレンズ群８４０の光軸方向位置は、第２のリニアエンコーダ７７５により検出され、検出結果がＣＰＵ７９０に通知される。そして、それによって、振動波アクチュエータユニット６４０の駆動にフィードバックされる。光量調節ユニット３５０の光軸方向位置は、絞りエンコーダ７８０により検出され、検出結果がＣＰＵ７９０へ通知されることで、メータ６３０の駆動にフィードバックされる。
【００８５】
撮像装置７００の所定のレンズ群を光軸方向に移動させる用途に第１の実施形態で示す振動波アクチュエータ１０を用いた場合、レンズ群を停止させた状態でも大きな保持力が維持される。これにより、レンズ鏡筒や撮像装置本体に外力が作用しても、レンズ群にズレが生じることを抑制することができる。
【００８６】
また、レンズ鏡筒に手ぶれ補正用レンズが内蔵される場合に、手ぶれ補正用レンズを光軸と直交する面内の任意の方向に移動させる手ぶれ補正ユニットに振動体１を用いることができる。その場合、光軸方向と直交する面内において直交する２方向にレンズ保持部材を移動させることができるように、各方向にレンズ保持部材を駆動する１又は複数の振動波アクチュエータ１０を配置する。なお、手ぶれ補正ユニットは、手ぶれ補正用レンズを駆動する構成に代えて、撮像装置の本体に内蔵される撮像素子７１０を光軸と直交する面内の任意の方向に移動させる構成としてもよい。
【実施例４】
【００８７】
第４の実施形態では、上述した各実施形態に係る振動波アクチュエータを少なくとも２つ以上備える装置の一例としてのＸ−Ｙステージを備える顕微鏡の構成について説明する。
【００８８】
図１４は、顕微鏡５００の外観斜視図である。顕微鏡５００は、撮像素子と光学系を内蔵する撮像部５１０を有する。また、顕微鏡５００は、基台上に設けられ、振動波アクチュエータ１０によりＸ−Ｙ面内（ステージ１０に含まれる面と平行な面内）で移動されるステージ５２０を有するステージ装置の一例である、自動ステージ５３０を有する。
【００８９】
少なくとも１つの振動波アクチュエータ１０は、Ｘ方向駆動に用いられ、振動体１１のＸ方向がステージ５２０のＸ方向と一致するように配置される。少なくとも１つの振動波アクチュエータ１０は、Ｙ方向駆動に用いられ、振動体１１のＸ方向がステージ５２０のＹ方向と一致するように配置される。
【００９０】
被観察物をステージ５２０の上面に置いて、拡大画像を撮像部５１０で撮影する。観察範囲が広範囲にある場合には、自動ステージ５３０を駆動してステージ５２０を面内でＸ方向やＹ方向に移動させて被観察物を移動させることにより、多数の撮影画像を取得する。撮影された画像を不図示のコンピュータで画像処理により結合させることで、観察範囲が広範囲で、高精細な１枚の画像を取得することができる。
【００９１】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１０  振動波アクチュエータ
１１  振動体
１１ａ  弾性体
１１ｂ  電気−機械エネルギ変換素子
１１ｂ１  Ａ相電極部（電極群）
１１ｂ２  Ｂ相電極部（電極群）
１２  接触体
【図１】
2020178496.tif 000013
【図２】
2020178496.tif 000014
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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