(57)【要約】【課題】小型化を阻害することなく、高出力、高駆動効率を安定して得ることが可能な超音波アクチュエータを提供する。【解決手段】電気信号により伸縮する圧電変位部と、圧電変位部の変位により、縦振動および屈曲振動を共振励起され楕円運動を生じる当接部と、を備えた振動体と、当接部に加圧接触され、該振動体に対して相対移動を生じる被駆動体と、を有する超音波アクチュエータにおいて、振動体における縦振動の節位置を境とする縦振動方向の片側部分の重心は、該片側部分の縦振動方向の全長の中心位置よりも当接部寄りに位置する。【選択図】図１
2008172885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号により伸縮する圧電変位部と、
前記圧電変位部の変位により、縦振動および屈曲振動を共振励起され楕円運動を生じる当接部と、を備えた振動体と、
前記当接部に加圧接触され、該振動体に対して相対移動を生じる被駆動体と、を有する超音波アクチュエータにおいて、
前記振動体における縦振動の節位置を境とする縦振動方向の片側部分の重心は、該片側部分の縦振動方向の全長の中心位置よりも前記当接部寄りに位置することを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電変位部は、縦振動方向の両端に該圧電変位部よりも比重の大きい錘部材を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記錘部材の材料は、タングステン、タングステン合金、タングステン粉末と樹脂を複合化したタングステン樹脂、タングステンカーバイト系超硬合金のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記錘部材の材料は、タングステンカーバイト系超硬合金であり、
前記錘部材と前記当接部は、一体化して形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電変位部は、積層構造であり、縦振動方向の少なくとも一方の端部には金属層が積層さ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項に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電変位部の共振に用いる振動モードは、縦１次振動モードおよび屈曲１次振動モード、または縦１次振動モードおよび屈曲２次振動モードであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記圧電変位部は、縦振動方向の一方の端に前記当接部を備えた錘部材Ａと、他方の端に錘部材Ｂと、を有し、
前記錘部材Ａの重さをＷａ、前記錘部材Ｂの重さをＷｂとしたとき、Ｗａ／Ｗｂは下記（式１）の条件を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
０．１≦Ｗａ／Ｗｂ＜１      （式１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波アクチュエータに関し、特に振動体を被駆動体に加圧接触させて相対移動を発生させる超音波アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な移動装置に超音波アクチュエータを用いることが試みられている。超音波アクチュエータは、通常、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子を備えた振動体と、該振動体に加圧された状態で接触する被駆動体（移動体）等から構成される。超音波アクチュエータは、振動体に駆動信号を入力して振動体を伸縮運動させ、振動体の一部に楕円振動（以下、円振動を含む。）をさせることにより、振動体に加圧接触された被駆動体との間で摩擦力により相対運動を発生させるものである。
【０００３】
超音波アクチュエータは、小型、且つ静音性に優れていることから、電子カメラ等の電子機器の駆動機構として利用される様になり、その用途はさらに拡大しつつある。
【０００４】
一方、近年、電子カメラ等の小型、高性能化が進展するに伴い、その駆動機構として用いられる超音波アクチュエータの駆動性能もより優れたものが求められる様になってきた。
【０００５】
そして、この様な要求に応える為に、超音波アクチュエータの駆動効率を高める種々の検討が行われてきた。
【０００６】
例えば、縦（伸縮）１次振動モードと屈曲２次振動モードを共振励起して楕円振動を行う振動体に突起部（接触部）を設け、その縦方向の寸法を幅寸法より長くすることで、突起部の重心位置を振動の節から遠ざけて慣性モーメントを大きくし、屈曲振動時の突起部先端の横振動の振幅を増幅する様にしたもの（例えば、特許文献１参照）。また、縦（伸縮）１次振動と屈曲１次振動を励起して楕円振動を行う振動体を用いたもの（例えば、特許文献２参照）等が知られている。
【特許文献１】特開２００５−８６９９１号公報
【特許文献２】特開平６−１２１５５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１では、突起部自体の質量が小さい為、充分な効果を得るには、突起部の寸法を長くする必要があり、振動体の小型化を阻害するといった問題がある。
【０００８】
また、縦振動の振幅を大きくしたい場合、振動体の矩形部分（圧電部分）の縦方向の寸法を長くする必要がある。しかしながら、前述の様に、特許文献１では、突起部の寸法を長くする必要がある為、特に小型機器へ搭載する場合、振動体全長に対する突起部の長さの割合が大きくなり、矩形部（圧電部）の長さが短くなってしまう。この為、縦振動の振幅を大きくすることが困難であるといった問題がある。
【０００９】
また、縦振動は、振動体の中心を節として対称に伸縮を行うものであり、バネの両端に錘が付いた力学モデルで表すことができる。しかしながら、特許文献１では、突起部の寸法が長くなる為、縦振動の節位置を境とする片側部分の重心位置が振動体の中心（節）寄りになってしまう。この為、前述の力学モデルにおいて、バネ長が短くなるモデルと相似であり、振動の振幅が小さくなってしまう。
【００１０】
この様に、特許文献１では、縦振動の振幅が小さくなる傾向にあり、縦振動の方向が被駆動体の法線方向となる様に振動体を配置した構成では、推力が小さくなるとともに、駆動安定性が低下するといった問題がある。
【００１１】
ここで、楕円振動と駆動性能の関係について説明する。振動体の一部に楕円振動をさせることにより、振動体に加圧接触された被駆動体との間で摩擦力により相対運動を発生させる超音波アクチュエータの駆動特性は、楕円振動軌跡が被駆動体と接する接線方向の径（振幅）によって速度が、法線方向の径（振幅）によって推力が変化する。
【００１２】
接線方向の径が大きいほど、駆動点における接線方向の速度が速くなるので、摩擦駆動される被駆動体の速度は速くなる。一方、推力は、摩擦力で決まるので、垂直抗力、すなわち押圧力を大きくすればよいことになるが、振動体の加圧に伴って、被駆動体や周辺機構部品の弾性変形、被駆動体と振動体の接触部表面の弾性変形等（以下、それらを総称して微小弾性変形と呼ぶ）が増大する。振動体の楕円振動の振幅は数μｍ以下なので、駆動性能がこの微小弾性変形に大きく影響を受ける。
【００１３】
図１７に楕円振動による駆動の様子を模式的に示した。図１７において、微小弾性変形を被駆動体の変形として表した。図１７（ａ）は、楕円振動の振幅が微小弾性変形に対して充分に大きい場合、図１７（ｂ）は、楕円振動の振幅が微小弾性変形より小さい場合の駆動の様子を示す。
【００１４】
図１７（ａ）の場合、当接部は、駆動方向に移動するときのみ被駆動体と接触し、反駆動方向に移動するときは、被駆動体から離脱するが、図１７（ｂ）の場合は、楕円振動の振幅が小さい為、当接部が反駆動方向へ移動するときにも被駆動体と接触しブレーキとなってしまう。この為、超音波アクチュエータの駆動力が低下するとともに、速度ムラの発生や再現性の低下等、駆動安定性が低下する。また、異音が発生する場合もある。
【００１５】
従って、駆動力を大きくし、駆動状態を安定化させる為には、法線方向の楕円径を微小弾性変形量より充分大きくすることが必要である。
【００１６】
また、特許文献２では、縦（伸縮）１次振動と屈曲１次振動の両モードの共振周波数を略一致させる必要があるが、この場合、振動体の寸法の縦横比で調整するしかなく、また、縦横比は一義的に決まるので、振動体形状の設計自由度に大きく影響する。また、そのときの縦／横の値は約０．７であり、横幅が大きくなり曲げ剛性が高くなる為、屈曲振動の振幅が小さくなってしまうといった問題等がある。
【００１７】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、小型化を阻害することなく、高出力、高駆動効率を安定して得ることが可能な超音波アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的は、下記の１乃至７のいずれか１項に記載の発明によって達成される。
【００１９】
１．電気信号により伸縮する圧電変位部と、
前記圧電変位部の変位により、縦振動および屈曲振動を共振励起され楕円運動を生じる当接部と、を備えた振動体と、
前記当接部に加圧接触され、該振動体に対して相対移動を生じる被駆動体と、を有する超音波アクチュエータにおいて、
前記振動体における縦振動の節位置を境とする縦振動方向の片側部分の重心は、該片側部分の縦振動方向の全長の中心位置よりも前記当接部寄りに位置することを特徴とする超音波アクチュエータ。
【００２０】
２．前記圧電変位部は、縦振動方向の両端に該圧電変位部よりも比重の大きい錘部材を有することを特徴とする前記１に記載の超音波アクチュエータ。
【００２１】
３．前記錘部材の材料は、タングステン、タングステン合金、タングステン粉末と樹脂を複合化したタングステン樹脂、タングステンカーバイト系超硬合金のいずれかであることを特徴とする前記２に記載の超音波アクチュエータ。
【００２２】
４．前記錘部材の材料は、タングステンカーバイト系超硬合金であり、
前記錘部材と前記当接部は、一体化して形成されていることを特徴とする前記２または３に記載の超音波アクチュエータ。
【００２３】
５．前記圧電変位部は、積層構造であり、縦振動方向の少なくとも一方の端部には金属層が積層されていることを特徴とする前記１乃至４のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【００２４】
６．前記圧電変位部の共振に用いる振動モードは、縦１次振動モードおよび屈曲１次振動モード、または縦１次振動モードおよび屈曲２次振動モードであることを特徴とする前記１乃至５のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
【００２５】
７．前記圧電変位部は、縦振動方向の一方の端に前記当接部を備えた錘部材Ａと、他方の端に錘部材Ｂと、を有し、
前記錘部材Ａの重さをＷａ、前記錘部材Ｂの重さをＷｂとしたとき、Ｗａ／Ｗｂは下記（式１）の条件を満足することを特徴とする前記１乃至６のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ。
０．１≦Ｗａ／Ｗｂ＜１      （式１）
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、振動体における縦振動の節位置を境とする縦振動方向の片側部分の重心を、該片側部分の縦振動方向の全長の中心位置よりも当接部寄りに位置する様にした。すなわち、振動体の片側部分それぞれの重心位置が被駆動体と当接する当接部寄りになることから、縦振動は、前述のバネと錘の力学モデルにおける、バネ長と錘質量が大きくなったことと等価である為に変位量が大きくなる。また、屈曲振動においても、屈曲振動の節位置を中心とする慣性モーメントが大きくなる為に変位量が大きくなる。これにより、縦振動及び屈曲振動のいずれの振幅も大きくすることができるので、高出力、高駆動効率を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下図面に基づいて、本発明に係る超音波アクチュエータの実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。
【００２８】
〔実施形態１〕
最初に、実施形態１による超音波アクチュエータ１の構成を図１を用いて説明する。図１（ａ）は、超音波アクチュエータ１の全体構成の概要を示す正面図、図１（ｂ）は、側面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）においてＡ−Ａ′方向から見た側面断面図である。
【００２９】
超音波アクチュエータ１は、図１（ａ）に示す様に、振動体１０、ガイド部材２１，２２、及び加圧部材３０等を有する。
【００３０】
振動体１０は、本発明における被駆動体に該当する２本のガイド部材２１，２２の間に配置され、後述の縦振動方向の一方の端部に設けられた当接部１０５，１０６でガイド部材２１と、また、他方の端部に設けられた当接部１０４でガイド部材２２と当接する。振動体１０は、図示しない駆動回路により印加される駆動信号により伸縮運動を行い、当接部１０５，１０６と当接部１０４が互いに逆方向に楕円振動を行うことにより、当接部１０５，１０６、及び当接部１０４にそれぞれ加圧接触されたガイド部材２１，２２との間で摩擦力により相対移動を行う。
【００３１】
ガイド部材２１は、図１（ａ）に示す様に、横方向に一部突出しており、突出部２１ａ、２１ｂを基準に装置へ組込み固定する。振動体１０の移動に伴って、ガイド部材２２には若干の傾きが生じるが、当接部１０４は、移動方向に対して当接部１０５，１０６の間に位置する為、ガイド部材２１に対する振動体１０の姿勢は常に変わらず、高精度な位置制御や速度制御を行うことができる。
【００３２】
ガイド部材２１，２２には、ガイド部材２１，２２に振動体１０を加圧接触させる加圧部材３０が結合されている。加圧部材３０の両端には、バネ構成部３０ａが設けられ、バネ構成部３０ａの弾性により所定の力量で振動体１０を挟み込む。
【００３３】
加圧部材３０は、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＯＭ（ポリアセタール）等の樹脂材料からなり、図１（ａ）に示す様に、ガイド部材２１，２２の略全長にわたって結合しており、ガイド部材２１，２２の不要振動を防止する。
【００３４】
ガイド部材２１，２２には、振動体１０の振動が加振力となり、固有振動が励起される恐れがある。ガイド部材２１，２２に固有振動が励起されると、振動体１０の楕円振動とガイド部材２１，２２の固有振動との周波数や位相の関係によって、楕円振動の伝達効率が大きく低下し、推力の低下、異音の発生などの問題が生じる。
【００３５】
加圧部材３０は、ガイド部材２１，２２の略全長にわたって結合しており、振動の減衰効果の大きい樹脂材料からなる為、ガイド部材２１，２２に固有振動が励起され始めると、加圧部材３０との結合部分で振動エネルギーを熱に変換することでガイド部材２１，２２の固有振動を減衰、抑制する。
【００３６】
ガイド部材２１，２２と加圧部材３０とは、インサート成型等により一体的に成型されることで密着性を確保し、効率的に減衰効果を発揮する。また、ガイド部材２１，２２と加圧部材３０をエポキシ等の接着剤で結合してもよい。
【００３７】
また、加圧部材３０には、図１（ｃ）に示す様に、振動体３０の厚み方向への揺れを規制する側壁３０ｂ、３０ｃが設けられている。
【００３８】
ガイド部材２１，２２は、断面形状が円形や四角形等の長尺部品であり、材料には、安価で製造し易いステンレス等の金属部品を用いる。表面には、振動体１０との磨耗を防ぐ為、焼入れや窒化処理等の表面硬化処理を施す。ＣｒＮやＴｉＣＮ等のセラミックコーティングを行ってもよい。また、アルミナやジルコニア等のセラミックを用いることで、さらに耐磨耗性を上げることができる。
【００３９】
ここで、超音波アクチュエータ１を用いて、例えばレンズブロック６０を駆動する場合の振動体１０とレンズブロック６０との連結方法を図２を用いて説明する。図２は、振動体１０とレンズブロック６０との結合方法の一例を示し、図１（ａ）においてＢ−Ｂ′方向から見た平面断面図である。
【００４０】
レンズブロック６０は、図示しないガイド部材に沿って移動を行い、レンズブロック６０に固定された２本の板バネ５０により、振動体１０の縦方向中央付近を挟み込む。振動体１０の移動に伴い、板バネ５０を介してレンズブロック６０に駆動力が伝達される。板バネ５０の力量は、振動体１０の振動を阻害しない程度の力量に設定する。板バネ５０と振動体１０との磨耗を防止する為に、板バネ５０と振動体１０とをゴム系等の柔らかい接着剤で固定してもよい。
【００４１】
次に、実施形態１による振動体１０の構成を図３を用いて説明する。図３（ａ）は、振動体１０の構成を示す正面図、図３（ｂ）は、側面図である。
【００４２】
振動体１０は、図３（ａ）に示す様に、圧電変位部１０１、錘部材１０２，１０３、及び当接部１０４，１０５，１０６等を有する。
【００４３】
圧電変位部１０１は、図示しないの駆動回路からの電力供給により変位し、さらにその変位を加振力として共振し楕円振動を生じる。錘部材１０２，１０３は、圧電変位部１０１の両端に設けられ、後述の共振時における振動振幅を拡大する。当接部１０５，１０６、及び当接部１０４は、それぞれ前述のガイド部材２１、２２と接触し、摩擦力により楕円振動をガイド部材２１、２２に伝達する。
【００４４】
ここで、圧電変位部１０１の構成を図４を用いて説明する。図４は、圧電変位部１０１の内部電極構成を示し、図３（ａ）においてＣ−Ｃ′方向から見た平面断面図である。
【００４５】
圧電変位部１０１は、ＰＺＴなどの圧電特性を示す長方形の圧電セラミックス薄板（以下、圧電薄板とも称する。）と図４（ａ）に示す内部電極ａ２，ｂ２、図４（ｂ）に示す内部電極ａ１，ｂ１とが交互に積層されて構成される。また、内部電極ａ２，ｂ２、及び内部電極ａ１，ｂ１は、振動体１０の左右に２つに分割されている。
【００４６】
振動体１０の正面、及び背面には、それぞれ外部電極Ａ１，Ｂ１、及び外部電極Ａ２，Ｂ２が設けられ、端面に突出した内部電極ａ１，ｂ１、及び内部電極ａ２，ｂ２とそれぞれ接続される。また、外部電極Ａ１，Ｂ１、及び外部電極Ａ２，Ｂ２には、図示しないリード線やＦＰＣ（フレキシブルプリント配線板）が接続され、駆動回路と接続される。
【００４７】
圧電薄板は、内部電極ａ１−ａ２方向、内部電極ｂ１−ｂ２方向に、外部電極Ａ１，Ａ２、及び外部電極Ｂ１，Ｂ２を介して、互いに同じ方向に分極処理される。
【００４８】
外部電極Ａ１−Ａ２間と外部電極Ｂ１−Ｂ２間に同極性の電圧（例えば、Ａ１＝Ｂ１＝０Ｖ、Ａ２＝Ｂ２＝１０Ｖ）を印加すると全ての圧電薄板が伸び（または、縮み）、全体として伸張（または、収縮）する。また、Ａ１−Ａ２間と外部電極Ｂ１−Ｂ２間に逆極性の電圧（例えばＡ１＝Ｂ２＝１０Ｖ、Ａ２＝Ｂ１＝０Ｖ）を印加すると、圧電薄板の左半分は伸び（または、縮み）、右半分は縮み（または、伸び）、全体として圧電部に屈曲変形が生じることになる。
【００４９】
図３に戻って、錘部材１０２，１０３は、圧電変位部１０１の積層方向の両端に、エポキシ等の比較的高弾性率の接着剤により固定される。錘部材１０２，１０３の材料は、後述する様に、比重の大きいものが効果的である為、タングステン（比重≒１９）やニッケル、銅、鉄等をバインダとしたタングステン合金（比重≒１８）、タングステンカーバイト系超硬合金（比重≒１５）、タングステン粉末と樹脂を複合化したタングステン樹脂（比重≒１０〜１３）等を用いる。
【００５０】
圧電変位部１０１は、振動体１０より充分大きなブロック単位で積層を行った後、ダイサ等で振動体１０の大きさに切り出して製造する。尚、積層工程時に錘部材１０２，１０３も同時に積層、接着しておくことで、振動体単位での貼り付け作業を行わなくて済むので、製造工程を大きく簡略化でき、コストを低減させることができる。
【００５１】
当接部１０４，１０５，１０６の材料は、磨耗を防止する為、超硬合金やアルミナ、ジルコニア等のセラミックスを用いる。当接部１０４、及び当接部１０５，１０６は、エポキシ等の弾性率の比較的高い接着剤を用いてそれぞれ錘部材１０３，１０２に固定する。
【００５２】
錘部材１０２，１０３、及び当接部１０４，１０５，１０６の材料に超硬合金を用いることで両者を一体化した例を図５に示す。図５（ａ）は、当接部１０４、及び当接部１０５，１０６と錘部材１０３，１０２をそれぞれ一体化した振動体１０の構成を示す正面図、図５（ｂ）は、側面図である。
【００５３】
超硬合金は、高比重（約１５）、高硬度（Ｈｖ≒１５００）である為、変位拡大効果と耐磨耗効果が同時に得られる。さらに、当接部１０４、及び当接部１０５，１０６と錘部材１０３，１０２との接合工程が省けるので、製造工程が簡略化され、コストを低減させることができる。
【００５４】
ここで、この様な構成の振動体１０に励振される楕円振動について図６を用いて説明する。振動体１０は、共振を利用して駆動される。図６は、共振駆動に用いる固有モードによる振動体１０の変形の様子を示し、図６（ａ）は、縦（伸縮）１次振動モード、図６（ｂ）は、屈曲１次振動モードである。
【００５５】
縦１次振動モードは、図６（ａ）に示す様に、振動体１０の中央部Ｐを節として伸縮振動を行い、当接部１０４乃至１０６が縦方向（Ｙ方向）に変位する。屈曲１次振動モードは、図６（ｂ）に示す様に、Ｐ１，Ｐ２の２箇所を節として、１次の曲げ変形を行い、当接部１０４乃至１０６の先端が横方向（Ｘ方向）に変位する。
【００５６】
縦１次振動モードは、外部電極Ａ１−Ａ２間と外部電極Ｂ１−Ｂ２間に同位相の駆動信号をその共振周波数で印加することで励起できる。屈曲１次振動モードは、外部電極Ａ１−Ａ２間と外部電極Ｂ１−Ｂ２間に逆位相の駆動信号をその共振周波数で印加することで励起できる。
【００５７】
これらの２つのモードを略一致させ、外部電極Ａ１−Ａ２間と外部電極Ｂ１−Ｂ２間に位相差が９０度の駆動信号をその共振周波数で印加することで、両モードが励起され、振動体１０の両端部に楕円振動が生成される。外部電極Ａ１−Ａ２間に、外部電極Ｂ１−Ｂ２間に対して９０度位相の進んだ駆動信号を印加すると、当接部１０４の端面には、反時計周り、当接部１０５，１０６の端面には、時計周りに回転する楕円振動が励起される。印加する駆動信号の位相を反転（−９０度）すると、各当接点の楕円振動の回転方向が逆になる。
【００５８】
次に、錘部材１０２，１０３の比重と当接部１０４乃至１０６の振動振幅の関係について図７を用いて説明する。図７は、振動体１０に、それぞれ、縦１次振動モード、屈曲１次振動モードを励起したときの、錘部材１０２，１０３の比重と当接部１０４の先端の振動振幅の関係を示す図である。尚、当接部１０５，１０６の屈曲振動の振幅は当接部１０４と若干異なるが、錘部材１０２，１０３の比重と当接部１０５，１０６の屈曲振動の振幅の関係は、当接部１０４の場合と同じ傾向を示す。
【００５９】
図７中ａ点は、錘部材１０２（１０３）と圧電変位部１０１の比重が同じ場合、すなわち、前述の図６（ａ）における振動体１０の縦振動の節Ｐを境とする片側部分の重心Ｇ１（Ｇ２）が片側部分の縦振動方向の全長（２×Ｌ）の中心Ｃ１（Ｃ２）に位置する場合の縦振動と屈曲振動の振幅を示し、ａ点に対して、錘部材１０２（１０３）の比重が増加するに従って縦振動、屈曲振動ともにその振幅は大きくなる。
【００６０】
錘部材１０２（１０３）の比重が増加すると、振動体１０の先端近傍の質量が大きくなり、重心位置Ｇ１（Ｇ２）も振動体１０の片側部分の中心Ｃ１（Ｃ２）位置よりも当接部１０４（１０５，１０６）寄りになる為、縦振動は、前述のバネと錘の力学モデルにおける、バネ長と錘質量が大きくなったことと等価であることから変位量が拡大する。屈曲振動においては、屈曲振動の節Ｐ１（Ｐ２）を中心とする慣性モーメントが大きくなることから変位量が拡大する。
【００６１】
一方、錘部材１０２（１０３）を設けることで、振動体１０の全長に対する圧電変位部１０１の割合が錘部材１０２（１０３）の分だけ減ることになり変位量の減少が懸念される。しかしながら、共振時の振動拡大率が増加するので、結果的に同等かそれ以上の変位量を得ることができ、さらに、共振周波数が低下するので、発振回路等の駆動回路を簡略化することができ、コストを低減させることができる。
【００６２】
また、両モードの共振周波数を一致させるには、前述の様に、通常、振動体１０の縦横の寸法比を調整することにより行われるが、屈曲１次振動モードを用いる場合、比較的横幅が大きくなり剛性が上がってしまう為、屈曲振動の振幅が小さくなってしまう。また、縦横比は、略一義的に決まってしまう為、形状的な設計自由度低下するといった問題がある。
【００６３】
屈曲１次振動モードの節Ｐ１（Ｐ２）から先端側は、節Ｐ１（Ｐ２）を中心とした回転動作を行う。本実施形態１においては、先端付近に錘部材１０３（１０２）を配置する為、節Ｐ１（Ｐ２）を中心とする慣性モーメントが大きくなる。従って、先端付近の形状変化（慣性モーメントの変化）に対する屈曲１次振動モードの共振周波数への感度が上がり、慣性モーメントを低減する方向に形状を整えることで、振動体１０の横幅を比較的狭く設計することが可能である。図８にその一例を示す。節Ｐ１（Ｐ２）から遠くなる錘部材１０３（１０２）の両角部１０３ａ（１０２ａ）を落とすことで、慣性モーメントを低下させて、屈曲１次振動モードの共振周波数を上げ、縦（伸縮）１次振動モードの共振周波数と一致させている。これにより横幅を小さくすることができ、その結果、屈曲方向の剛性が下がる為、変位量も拡大する。
【００６４】
また、振動体１０の製造時の寸法誤差等により、両モードの共振周波数のズレが大きくなると駆動性能が低下する。本実施形態１においては、錘部材１０２（１０３）を追加工することで、共振周波数を調整することが可能である。組立て終了後、検査工程により両モードの共振周波数を測定し、その誤差量に応じて、錘部材１０２（１０３）の一部をレーザー等で除去することで共振周波数を合わせ込むことができ、性能ばらつきを抑えることができる。
【００６５】
この様に、本発明の実施形態１による超音波アクチュエータ１においては、振動体１０における縦振動の節Ｐを境とする縦振動方向の片側部分の重心Ｇ１（Ｇ２）を、片側部分の縦振動方向の全長（２×Ｌ）の中心Ｃ１（Ｃ２）位置よりも当接部１０４（当接部１０５，１０６）寄りに位置する様にした。すなわち、振動体１０の片側部分の重心Ｇ１（Ｇ２）が被駆動体（ガイド部材２２，２１）と当接する当接部１０４（１０５，１０６）寄りになることから、縦振動は、前述のバネと錘の力学モデルにおける、バネ長と錘質量が大きくなったことと等価である為に変位量が大きくなる。また、屈曲振動においても、屈曲振動の節Ｐ１（Ｐ２）を中心とする慣性モーメントが大きくなる為に変位量が大きくなる。これにより、縦振動及び屈曲振動のいずれの振幅も大きくすることができるので、高出力、高駆動効率を安定して得ることができる。
【００６６】
（実施形態１の変形例１）
変形例１による振動体１０の構成を図９、図１０を用いて説明する。図９（ａ）は、振動体１０の構成を示す正面図、図９（ｂ）は、側面図である。図１０は、圧電変位部１０１の内部電極構成を示し、図９（ｂ）においてＤ−Ｄ′方向から見た正面断面図である。
【００６７】
変形例１による圧電変位部１０１は、前述の実施形態１の場合と同様に、圧電薄膜が積層されているが、積層方向が異なり、図９（ｂ）に示す様に、振動体１０の厚み方向に積層されてる。内部電極ａ１，ｂ１、及び内部電極ａ２，ｂ２は、それぞれ図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示す構成で、実施形態１の場合と同様に、振動体１０の左右に２つに分割されている。また、外部電極Ａ１，Ａ２、及び外部電極Ｂ１，Ｂ２は、それぞれ振動体１０の左右の側面に設けられている。
【００６８】
この様な構成の圧電変位部１０１において、変位の取り出し方向（縦振動方向）は、３１方向（積層方向と垂直な方向）となる。図３を用いて説明した実施形態１の様に３３方向（積層方向）に変位を取り出す場合と比較して、変位量は小さくがるが、積層数を少なくすることができる為、生産性を高めることができる。また、圧電素子は積層方向の引っ張り力に弱いので、実施形態１の場合の構成に比べて強度が高まる。
【００６９】
（実施形態１の変形例２）
変形例２による振動体１０の構成を図１１を用いて説明する。図１０（ａ）は、振動体１０の構成を示す正面図、図１０（ｂ）は、側面図、図１０（ｃ）は、背面図である。
【００７０】
変形例２による圧電変位部１０１は、単相（バルク）圧電体から構成され、振動体１０の正面、背面にそれぞれ電極が設けられる。図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示す様に、振動体１０の正面の電極は、実施形態１の場合と同様に、振動体１０の左右に２つに分割された電極Ａ，Ｂとし、背面の電極は、分割せずに共通電極Ｇ（ＧＮＤ）としてもよい。この場合、駆動電圧が高くなるが、構造が非常に簡素であることから、生産性を高め、コストを低減させることができる。
【００７１】
〔実施形態２〕
次に、実施形態２による振動体１０の構成を図１２を用いて説明する。図１２（ａ）は、振動体１０の構成を示す正面図、図１２（ｂ）は、側面図である。
【００７２】
実施形態２による圧電変位部は、図１２（ａ）に示す様に、左右に２つに分離された圧電変位部１１１と圧電変位部１１２から構成され、２本の直方体形状の積層型圧電素子が平行に配置されている。
【００７３】
積層型圧電素子は、実施形態１の場合と略同様の材料、構成であるが、内部電極はそれぞれの面内で分割されず、所謂一般的な積層型圧電素子である。また、圧電変位部１１１，１１２には、特開２００２−１８５０５５号公報に開示されているロール型圧電素子を用いてもよい。
【００７４】
当接部１０４、及び当接部１０５，１０６をそれぞれ一体化した錘部材１０３，１０２は、２本の圧電変位部１１１，１１２の両端をそれぞれ連結する。圧電変位部１１１，１１２との結合には、エポキシ等の比較的高弾性率の接着剤を用いる。その他の構成は、実施形態１の場合と同様であり、また、楕円振動の生成原理も同様なので、共振駆動に用いる固有モードによる振動体１０の変形の様子を図１３に示し、その説明は省略する。ここに、図１３（ａ）は、縦（伸縮）１次振動モード、図１３（ｂ）は、屈曲１次振動モードである。
【００７５】
〔実施形態３〕
次に、実施形態３による振動体１０の構成を図１４を用いて説明する。図１４は、振動体１０の構成を示す正面図である。
【００７６】
実施形態３による圧電変位部は、実施形態２の場合と同様に、図１４に示す様に、左右に２つに分離された圧電変位部１１１と圧電変位部１１２から構成され、２本の直方体形状の積層型圧電素子が平行に配置されているが、錘部材１０２（以下、錘部材Ｂと記する。）と錘部材１０３（以下、錘部材Ｂと記する。）の質量が異なる。その他の構成、動作原理は、実施形態２の場合と同様である。尚、実施形態３による錘部材Ｂと錘部材Ａの質量構成を実施形態１の場合に用いることも可能である。
【００７７】
錘部材Ｂの質量Ｗｂを錘部材Ａの質量Ｗａよりも大きくすることによって、振動が非対称になり、錘部材Ｂの変位量が減少し、錘部材Ａの変位量が増加する。図１５に振動体１０の縦振動の変形の様子を示す。振動の節は図１５中Ｐで示した位置となる。また、図１６に錘部材Ａと錘部材Ｂの質量比Ｗａ／Ｗｂに対する錘部材Ａ、及び錘部材Ｂの縦振動の振幅の変化の様子を示す。
【００７８】
尚、質量比Ｗａ／Ｗｂが変動した場合、図１５に示す縦振動の節Ｐの位置が変化するが、節Ｐの位置は、シミュレーションにより求めることができる。
【００７９】
図１６中質量比１の点が、実施形態１，２の場合の様に、対称に振動する場合で、質量比の低下とともに錘部材Ａ側の振幅は増大し、質量比０．２５近傍で最大となる。一方錘部材Ｂ側は、質量比の低下に伴って振幅が減少する。従って、錘部材Ａと錘部材Ｂの質量比Ｗａ／Ｗｂを０．１以上１未満にすることによって、対称に振動する場合に比べて、錘部材Ａ側の振幅が大きくなり、好ましくは０．２５程度にすることによって、最も大きな変位量、振幅が得られる。
【００８０】
この様な構成の振動体１０は、錘部材Ａ側のみを被駆動体に当接させて駆動を行うような場合に好適であり、楕円振動が拡大し、出力、効率を高めることができる。
【００８１】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。
【００８２】
例えば、前述の実施形態１乃至３においては、縦１次振動と屈曲１次振動を行う振動体を例に示したが、特許文献１に開示されている様な縦１次振動と屈曲２次振動を行う振動体を用いても、同様の効果を得ることができる。
【００８３】
また、前述の実施形態１乃至３においては、２相の駆動信号を印加して楕円振動を励起する駆動方法を示したが、２つのモードの共振周波数を所定値ずらして、その間の周波数において、一方の圧電変位部のみに駆動信号を印加して、楕円振動を生成する単相駆動方法を用いてもよい。単相駆動方法においても、同様に各モードの振動合成であることに変わりはないので、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の実施形態１による超音波アクチュエータの全体構成図である。
【図２】実施形態１による振動体とレンズブロックとの結合方法の一例を示す図である。
【図３】実施形態１による振動体の構成を示す図である。
【図４】実施形態１による圧電変位部の内部電極構成を示す図である。
【図５】実施形態１による錘部材と当接部を一体構成とした図である。
【図６】実施形態１による振動体の固有モードにおける変形の様子を示す図である。
【図７】実施形態１による錘部材の比重と振動振幅の関係を示す図である。
【図８】実施形態１の別例よる錘部材の形状を示す図である。
【図９】実施形態１の別例よる振動体の構成を示す図である。
【図１０】実施形態１の別例による変位部の内部電極構成を示す図である。
【図１１】実施形態１の他の別例よる振動体の構成を示す図である。
【図１２】実施形態２による振動体の構成を示す図である。
【図１３】実施形態２による振動体の固有モードにおける変形の様子を示す図である。
【図１４】実施形態３による振動体の構成を示す図である。
【図１５】実施形態３による振動体の固有モードにおける変形の様子を示す図である。
【図１６】実施形態３による錘部材の質量比と振動振幅の関係を示す図である。
【図１７】楕円振動による駆動の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８５】
１  超音波アクチュエータ
１０  振動体
１０１，１１１，１１２  圧電変位部
１０２，１０３  錘部材
１０４，１０５，１０６  当接部
２１，２２  ガイド部材
３０  加圧部材
５０  板バネ
６０  レンズブロック
Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｇ  外部電極
ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２  内部電極
【図１】
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【図２】
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【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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【図１７】
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