(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状の平板部と、前記平板部の上に設けられた突起部とを有する振動板と、
前記振動板に固定され高周波振動する圧電素子と、
前記突起部と接触する摩擦部材と、を有し、
前記振動板と前記摩擦部材とが相対移動する振動波モータにおいて、
前記平板部は、剛性が高くなるように厚さが一定では無い部分を有する形状をしており、
前記高周波振動によって前記振動板には、第１の固有振動モードと第２の固有振動モードとが励振され、
前記第１の固有振動モードにより前記突起部の先端に生じる最大振幅が前記第２の固有振動モードにより前記突起部の先端に生じる最大振幅よりも大きく、
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も低く、
駆動時の周波数域の前記第１の固有振動モードと前記第２の固有振動モードの振幅が略一致している
ことを特徴とする振動波モータ。
【請求項２】
前記第１の固有振動モードが前記振動板の短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードであり、前記第２の固有振動モードが前記振動板の長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードであり、前記振動板が前記摩擦部材に対して前記振動板の長辺方向に相対移動することを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
【請求項３】
前記第１の固有振動モードが前記振動板の長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードであり、前記第２の固有振動モードが前記振動板の短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードであり、前記振動板が前記摩擦部材に対して前記振動板の長辺方向に相対移動することを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
【請求項４】
前記第１の固有振動モードが前記振動板の長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードであり、前記第２の固有振動モードが前記振動板の短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードであり、前記振動板が前記摩擦部材に対して前記振動板の短辺方向に相対移動することを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
【請求項５】
前記第１の固有振動モードが前記振動板の短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードであり、前記第２の固有振動モードが前記振動板の長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードであり、前記振動板が前記摩擦部材に対して前記振動板の短辺方向に相対移動することを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
【請求項６】
駆動時の周波数域が前記第１の固有振動モードと前記第２の固有振動モードの両者の共振周波数よりも高い周波数域であることを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
【請求項７】
前記振動波モータは、前記振動板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６のいずれか１項に記載の振動波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータに関し、特に弾性体を板状としたリニア駆動用の超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、小型軽量、高速駆動、かつ、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に採用されていた。これらの中でリニア駆動用の超音波モータに関し、以下のような超音波モータが特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示された超音波モータは、矩形状の平板部と平板部上に設けられた突起部とを有する振動板と、振動板に固定され高周波振動する圧電素子と、突起部と接触する摩擦部材によって構成されている。振動板には圧電素子の高周波振動によって共振周波数が略一致した短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードと長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードが励振される。
【０００４】
二つの固有振動モードのうち、短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードでは突起部の先端が平板部に対して垂直方向に振動し、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードでは突起部の先端が平板部に対して水平方向に振動する。これらの二つの固有振動モードを組み合わせることによって振動板の突起部には楕円運動が生成される。振動板の突起部は摩擦部材に対して加圧されて接触しており、前述の楕円運動により生じた摩擦により振動板と摩擦部材が長辺方向に相対移動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３０４８８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に特許文献１の超音波モータのように二つの固有振動モードを組み合わせて楕円運動を生成する場合、共振周波数近傍の周波数では振動が不安定となることから二つの固有振動モードの共振周波数よりも高い周波数域を駆動に用いていた。二つの固有振動モードの最大振幅に差があり、かつ、二つの固有振動モードの共振周波数を略一致させている場合、駆動時の周波数域において短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの振幅が長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの振幅よりも大きくなる。このため、二つの固有振動モードによって生成される楕円運動は縦長の楕円運動となり、速度が低下していた。
【０００７】
以上、説明した通り超音波モータの駆動に用いる二つの固有振動モードの最大振幅に差があり、かつ、二つの固有振動モードの共振周波数を略一致させている場合に速度が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、二つの固有振動モードの共振周波数の間に差を設けることによって二つの固有振動モードの最大振幅に差があった場合にも速度の向上を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明の超音波モータは矩形状の平板部と、前記平板部の上に設けられた突起部とを有する振動板と、前記振動板に固定され高周波振動する圧電素子と、前記突起部と接触する摩擦部材と、を有し、前記振動板と前記摩擦部材とが相対移動する振動波モータにおいて、前記平板部は、剛性が高くなるように厚さが一定では無い部分を有する形状をしており、前記高周波振動によって前記振動板には、第１の固有振動モードと第２の固有振動モードとが励振され、前記第１の固有振動モードにより前記突起部の先端に生じる最大振幅が前記第２の固有振動モードにより前記突起部の先端に生じる最大振幅よりも大きく、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も低く、駆動時の周波数域の前記第１の固有振動モードと前記第２の固有振動モードの振幅が略一致していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、二つの固有振動モードの共振周波数の間に差を設けることによって二つの固有振動モードの最大振幅に差があった場合にも速度の向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の超音波モータの構成を説明するための図である。
【図２】第１の実施形態の超音波モータの振動状態を説明するための図である。
【図３】第１の実施形態のリニア駆動装置の構成を説明するための図である。
【図４】第１の実施形態で生成される楕円運動を説明するための図である。
【図５】第１の実施形態の振動板の形状を説明するための図である。
【図６】第２の実施形態で生成される楕円運動を説明するための図である。
【図７】第２の実施形態の振動板の形状を説明するための図である。
【図８】第３の実施形態の振動板の形状を説明するための図である。
【図９】第４の実施形態の振動板の形状を説明するための図である。
【図１０】第５の実施形態の超音波モータの構成を説明するための図である。
【図１１】第５の実施形態の超音波モータの振動状態を説明するための図である。
【図１２】第５の実施形態の振動板の形状を説明するための図である。
【図１３】従来例で生成される縦長の楕円運動を説明するための図である。
【図１４】従来例で生成される横長の楕円運動を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための各実施形態について説明する。図面において、同一符号は同一部材を示している。
【００１３】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１４】
本明細書中において、後述する振動板１と摩擦部材３が相対移動する方向をＸ方向と定義する。また、後述する平板部１ａの厚さ方向をＺ方向とする。さらに、Ｘ方向とＺ方向に垂直な方向をＹ方向と定義する。Ｚ方向において、振動板１から摩擦部材３への向きを＋Ｚ方向、摩擦部材３から振動板１への向きを−Ｚ方向と定義する。
【００１５】
図１は第１の実施形態の超音波モータの基本的な構成を説明するための図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）、（ｄ）は側面図、（ｅ）は底面図である。
【００１６】
図１において振動板１は、矩形状の平板部１ａと、平板部１ａ上に設けられた突起部１ｂ及び１ｃとを有する。突起部１ｂ及び１ｃは絞り加工により平板部１ａと一体成型してもよいし、別部材を平板部１ａに接着により固定してもよい。なお、第１の実施形態において平板部１ａは後述の通り不均一な厚さとなっているが、図１中では簡略化のため均一な厚さの平板として図示している。
【００１７】
振動板１には高周波振動する圧電素子２が固定されている。圧電素子２は、図１（ａ）に示すように、同方向に分極された２箇所の領域２ａと２ｂとを備え、領域２ａがＡ相に、領域２ｂがＢ相に割り当てられている。圧電素子２は、更に分極されていない領域２ｃを備えており、領域２ｃは圧電素子２の裏面２ｄ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する電極である。
【００１８】
振動板１の矩形状の面の短辺部には、振動板１と同期して移動し、後述の振動板保持部材に対し、直接的、又は、間接的に連結される連結部１ｄ及び１ｅが設けられている。この連結部１ｄ及び１ｅは振動板１と圧電素子２の振動において変位が少ない部分に設けられ、かつ、十分に剛性が弱いので、振動を阻害しにくい形状となっている。従って、連結部１ｄ，１ｅは振動板１と圧電素子２の振動にほとんど影響を与えない。以上説明した振動板１と圧電素子２によって超音波モータ１０が構成されている。
【００１９】
圧電素子２の高周波振動によって平板部１ａには、直交した二つの固有振動モードである第１の固有振動モードと第２の固有振動モードが励振される。第１の固有振動モードにより突起部１ｂ及び１ｃの先端に生じる最大振幅は第２の固有振動モードにより突起部１ｂ及び１ｃの先端に生じる最大振幅よりも大きい。第１の実施形態においては第１の固有振動モードは振動板１の短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードであり、第２の固有振動モードは振動板１の長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードである。
【００２０】
図１（ｅ）に示すように、突起部１ｂ及び１ｃは短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの腹（図１（ｅ）におけるＸ）の近傍であって、かつ、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの節（図１（ｅ）におけるＹ１及びＹ２）の近傍に設けられている。又、図示されていない給電手段により、Ａ相とＢ相に位相差を＋９０°から＋２７０°まで変化させた交流電圧を印加することによって、高周波振動を発生させることができる。
【００２１】
図２はＡ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせて交流電圧を印加した場合の振動の状態を示す図である。（ａ）は、圧電素子のＡ相とＢ相に印加される交流電圧の変化を示し、図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ図１の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に対応しており、Ｐ１からＰ４へ向かって時間経過による振動の変化を示している。又、図２においては圧電素子２、連結部１ｄ及び１ｅは省略されている。また、図２において、点線は振動の状態を示している。
【００２２】
Ａ相とＢ相に同符号の電圧が印加されている時（図２におけるＰ２及びＰ４）には、Ａ相とＢ相が同方向に伸縮することにより、短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードが励振されＺ方向の振幅が最大となる（図２（ｃ）における矢印Ｑ）。逆にＡ相とＢ相に異符号の電圧が印加されている時（図２におけるＰ１及びＰ３）には、Ａ相とＢ相が逆方向に伸縮することにより、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードが励振されＸ方向の振幅が最大となる（図２（ｂ）における矢印Ｒ）。
【００２３】
Ａ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせて交流電圧を印加した場合、突起部１ｂ及び１ｃのそれぞれの先端に図２（ｂ）に示すような楕円運動が発生する。従って、振動板１は後述の摩擦部材に対して突起部１ｂ及び１ｃの楕円運動によって生じる摩擦によって推進力を得て図２（ｂ）に示すＸ方向に相対移動することができる。
【００２４】
又、Ａ相に対してＢ相の位相を約＋２７０°遅らせて交流電圧を印加した場合、図２とは反対方向の楕円運動が発生するので振動板１は推進力を得て図２（ｂ）の示すＸ方向とは反対の方向に相対移動することができる。このように、第１の実施形態の超音波モータにおいては高周波振動により突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成した楕円運動によって振動板１が摩擦部材３に対して振動板１の長辺方向に相対移動することが可能である。
【００２５】
図３は第１の実施形態の超音波モータを利用したリニア駆動装置２０の概略図であり、図３（ａ）は超音波モータの進行方向から見た図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３において、振動板１の上に圧電素子が載置されている。振動板１の突起部１ｂ及び１ｃが摩擦部材３と接触し高周波振動が生じる。これにより、摩擦部材３に対して振動板１がＸ方向に相対移動することができる。
【００２６】
振動板１は、振動板保持部材４に保持され、振動板保持部材４は振動板１と同期して移動できる。振動板保持部材４は両端に振動板保持部４ａを備え、振動板保持部４ａは振動板１の連結部１ｄ及び１ｅを介して振動板１を支持している。また、振動板保持部材４は、ローラ支持部４ｂを備え、ローラ支持部４ｂにおいて摩擦部材３の裏面に回転摺動するローラ４１を回転自由に軸支している。振動板保持部材４と圧電素子２との間には加圧ばね４２が設けられ、加圧ばね４２の下端４ｃは圧電素子２に作用し、加圧ばね４２の上端は振動板保持部材４に作用する。
【００２７】
加圧ばね４２の加圧力により突起部１ｂ及び１ｃは摩擦部材３に圧接され、前述の通り図３図２（ｂ）に示す矢印のような楕円運動による駆動力によって振動板保持部材４が図３（ｂ）に示すＸ方向に推進力を得て、Ｘ方向に相対移動することができる。ローラ４１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、転動コロのような機構でもよい。
【００２８】
図１３は本実施形態と同様の構成で二つの固有振動モードの共振周波数を一致させた従来の超音波モータにおいて突起部１ｂ及び１ｃ先端に生成される縦長の楕円運動を示した図である。図１３（ａ）は従来の超音波モータで用いている二つの固有振動モードの周波数ｆと振幅Ａの関係を示すグラフである。実線Ｍが短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードのＺ方向の振幅を、また点線Ｌが長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードのＸ方向の振幅を図示している。
【００２９】
図１３（ａ）において、ｆ1、ｆ2は短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モード、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードのそれぞれの共振周波数、Δｆは駆動時の周波数域、ｆdは駆動時の周波数域内のある駆動周波数を示している。また、Ａ1、Ａ2は短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの最大振幅、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの最大振幅をそれぞれ示している。また、Ａd1、Ａd2は駆動周波数ｆdにおける短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モード、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの振幅をそれぞれ示している。
【００３０】
従来の超音波モータのような二つの固有振動モードを用いて楕円運動を生成する超音波モータでは、両者の最大振幅Ａ1、Ａ2を一致させることが困難であった。これは、用いている二つの固有振動モードの次数が異なること、平板部１ａのＸ方向の寸法とＹ方向の寸法に差があること、連結部１ｄ及び１ｅにより振動が阻害されることに起因する。具体的には、短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードによって突起部１ｂ及び１ｃ先端に生じる最大振幅Ａ1は長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードによって突起部１ｂ及び１ｃ先端に生じる最大振幅Ａ2よりも大きかった。
【００３１】
また、共振周波数近傍の周波数では振動が不安定となるため、駆動時の周波数域Δｆは短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードと長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの両者の共振周波数ｆ1、ｆ2よりも高い周波数域に設定される。この駆動時の周波数域Δｆ内のある駆動周波数ｆdの振動により楕円運動を生成する。このとき、前述の通りＡ1＞Ａ2である場合には、駆動周波数ｆdにおける振幅はＡd1＞Ａd2となる。
【００３２】
図１３（ｂ）は駆動周波数ｆdにおいて生成される突起部１ｂ及び１ｃの先端の楕円運動を示している。突起部１ｂ、１ｃ先端の楕円運動のＺ方向の振幅、Ｘ方向の振幅の大きさは、それぞれ図１３（ａ）の駆動周波数ｆdにおける短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モード、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの振幅の大きさによって決まる。図１３（ｂ）中のＡd1及びＡd2はそれぞれ突起部１ｂ及び１ｃの先端の楕円運動のＺ方向の振幅、Ｘ方向の振幅を示しており、図１３（ａ）中のＡd1及びＡd2に対応している。
【００３３】
二つの固有振動モードによって突起部１ｂ及び１ｃの先端に楕円運動を生成する超音波モータでは、楕円運動のＺ方向の振幅とＸ方向の振幅が同程度であり、円に近い楕円運動が生成されることが望ましい。しかしながら、図１３（ｂ）に示すようにＡd1がＡd2より大きいときには楕円運動のＸ方向振幅の方がＺ方向振幅よりも小さくなるため、突起部１ｂ、１ｃ先端に生成される楕円運動は縦長の楕円運動となり速度が低下する。
【００３４】
駆動周波数ｆdにおいて楕円運動のＺ方向の振幅とＸ方向の振幅を同程度にするための方法として、突起部１ｂ及び１ｃの高さを調整する方法や二つの固有振動モードの共振周波数を調整する方法などが考えられる。しかしながら、突起部１ｂ及び１ｃの高さを調整する方法では楕円運動のＺ方向の振幅と同程度になるようにＸ方向の振幅を大きくするため突起部１ｂ、１ｃを高くする必要があるが、突起部１ｂ、１ｃを高くすると加工難度が上がり、コストが増加する。このため、第１の実施形態では二つの固有振動モードの共振周波数を調整する方法を用いる。以下に、二つの固有振動モードの共振周波数を調整する方法について詳細を述べる。
【００３５】
図４図４は第１の実施形態の超音波モータにおいて生成される楕円運動を説明するための図である。それぞれの図の意味は図１３と同様である。図４（ａ）は第１の実施形態の超音波モータで用いている二つの固有振動モードの周波数ｆと振幅Ａの関係を示すグラフである。短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードに関してはＺ方向の振幅、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードに関してはＸ方向の振幅を示している。第１の実施形態では、短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの共振時に突起部１ｂ及び１ｃの先端に生じる最大振幅Ａ1が長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振時に突起部１ｂ及び１ｃの先端に生じる最大振幅Ａ2より大きい。このため、最大振幅の大きい短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの共振周波数ｆ1が、最大振幅の小さい長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数ｆ2よりも低くなるように設計されている。
【００３６】
特に、駆動時の周波数域Δｆにおいて短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードと長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの振幅を略一致させる。駆動周波数ｆdにおける相対移動する際の二つの固有振動モードの振幅がＡd1≒Ａd2となるように振動板１が設計されている。図４（ｂ）は駆動周波数ｆdにおいて生成される突起部１ｂ及び１ｃの先端の楕円運動を示している。Ａd1≒Ａd2であるとき、突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成されるＺ方向の振幅、Ｘ方向の振幅は同程度となり、突起部１ｂ及び１ｃの先端の楕円運動を円に近い楕円運動にすることができるため速度を向上させることができる。
【００３７】
前述の通り、第１の実施形態の超音波モータでは短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの共振周波数ｆ1が長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数ｆ2よりも小さくなるように設計する必要がある。従来の超音波モータでは、二つの固有振動モードの共振周波数ｆ1及びｆ2が略一致していた。これに対し、短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの共振周波数ｆ1を小さくするには平板部１ａのＹ方向の寸法を大きくすればよいが、この場合は超音波モータの大型化につながる。また、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数ｆ2を大きくするためには平板部１ａのＸ方向の寸法を小さくすればよいが、この場合は長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの振幅が減少し、速度の低下につながる。
【００３８】
このように、二つの固有振動モードの共振周波数ｆ1及びｆ2を調整するために寸法を変更すると大型化や速度低下が懸念される。これに対して、振動板１を一定な厚さの平板と比較し、ある方向の剛性が高くなるように厚さが不均一な形状にすることによって、寸法を変更することなく二つの固有振動モードの共振周波数を変更することができる。第１の実施形態では、振動板１を一定な厚さの平板と比較して進行方向の剛性が高くなるような形状にすることにより、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数を高くして駆動時の周波数域ΔｆにおいてＡd1≒Ａd2となるようにする。
【００３９】
図５は第１の実施形態の超音波モータに用いる振動板の形状を説明するための図である。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ振動板１の正面図、長辺方向の側面図、短辺方向の側面図、底面の斜視図を示している。なお、図５においては圧電素子２、連結部１ｄ及び１ｅは省略されている。平板部１ａは一定な厚さの平板と比較して進行方向の剛性が高くなるように平板部１ａに垂直なＸ−Ｚ面におけて、短辺方向の断面形状が図５（ｃ）に示すように円弧からなる凹形状となっている。この凹形状というのは長方形の四辺のうち一辺が内側に凸の曲線となった形状を指す。
【００４０】
このような形状にすることにより、厚さが一定の平板と比較してＸ方向の剛性が高くなり、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数が高くなる。これにより、平板部１ａのＸ方向の寸法及びＹ方向の寸法を変更することなく図４（ａ）でＡd1≒Ａd2となるように長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数を調整することができる。駆動時の周波数域ΔｆにおいてＡd1≒Ａd2とすることにより、突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成される楕円運動が円に近い楕円運動となるため、速度を向上させることができる。
【００４１】
以上説明した通り、第１の実施形態の超音波モータは、平板部１ａの断面形状を凹形状とすることで大型化や速度低下を伴うことなく共振周波数を調整することができる。また、二つの固有振動モードの共振周波数ｆ1及びｆ2の間に差を設けることによって、駆動時の周波数域Δｆにおいてにおいて突起部１ｂ及び１ｃの先端に円に近い楕円運動を生成することができる。この結果、二つの固有振動モードの最大振幅Ａ1及びＡ2に差があった場合にも速度の向上を達成することができる。
【００４２】
なお、第１の実施形態では進行方向の剛性が高くなるようにして共振周波数を調整する方法について述べたが、全体的な厚さを小さくすることによって進行方向と直交した方向の剛性を低くして共振周波数を調整することもできる。
【００４３】
（第２の実施形態）
以下、発明を実施するための第２の実施形態について説明する。
第１の実施形態では図１３を参照して、第１の固有振動モードが振動板１の短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードであり、第２の固有振動モードが振動板１の長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードである場合について述べた。すなわち、短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードによって生じる最大振幅Ａ1が長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードによって生じる最大振幅Ａ2よりも大きくなる。このため、振動板１の進行方向の剛性を高くすることによって円に近い楕円運動を生成している。
【００４４】
第２の実施形態では、第１の固有振動モードが振動板１の長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードであり、第２の固有振動モードが振動板１の短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードであるところが第１の実施形態と異なるところである。すなわち、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードによって生じる最大振幅Ａ2が短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードによって生じる最大振幅Ａ1よりも大きくなる。このため、振動板１の進行方向と直交した方向の剛性を高くすることによって円に近い楕円運動を生成している。なお、第１の実施形態と同一部材のものは、同一記号で図示される。また第１の実施形態と同じところは説明を省略し、第１の実施形態と異なるところだけ説明する。
【００４５】
図１４は従来の二つの固有振動モードの共振周波数を一致させた際に突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成される縦長の楕円運動を示した図である。それぞれの図の意味は図１３と同様である。図１４（ａ）に示すように突起部１ｂ及び１ｃの形状や連結部１ｄ及び１ｅの形状によっては、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードによって生じる最大振幅Ａ2が短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードによって生じる最大振幅Ａ1よりも大きくなる。
【００４６】
この際、最大振幅Ａ2が最大振幅Ａ1よりも大きいことにより図１４（ｂ）に示すように生成される楕円運動のＺ方向の振幅がＸ方向の振幅よりも小さくなる。このため、突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成される楕円運動は横長の楕円運動となり、Ｚ方向の振幅が不足するため駆動が不安定となる。
【００４７】
これに対して、駆動周波数ｆdにおいて楕円運動のＺ方向の振幅とＸ方向の振幅を同程度にするための方法として、突起部１ｂ及び１ｃの高さを調整する方法や二つの固有振動モードの共振周波数を調整する方法などが考えられる。突起部１ｂ及び１ｃの高さを調整する方法では楕円運動のＺ方向の振幅と同程度になるようにＸ方向の振幅を小さくするため突起部１ｂ及び１ｃを低くする必要がある。しかしながら、突起部１ｂ及び１ｃを低くすると突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成されるＸ方向の振幅が小さくなるため、速度が低下してしまう。このため、第２の実施形態では二つの固有振動モードの共振周波数を調整する方法を用いる。以下に、二つの固有振動モードの共振周波数を調整する方法について詳細を述べる。
【００４８】
図６は第２の実施形態の超音波モータにおいて生成される楕円運動を説明する図である。それぞれの図の意味は図４と同様である。第２の実施形態では、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振時に突起部１ｂ及び１ｃの先端に生じる最大振幅Ａ2が短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの共振時に突起部１ｂ及び１ｃの先端に生じる最大振幅Ａ1より大きい。
【００４９】
このため、最大振幅の大きい長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数ｆ2が、最大振幅の小さい短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの共振周波数ｆ1よりも低くなるように設計されている。特に、駆動時の周波数域において第１の固有振動モードと第２の固有振動モードの振幅を略一致させ、駆動周波数ｆdにおける相対移動する際の振幅がＡd1≒Ａd2となるように振動板１が設計されている。図６（ｂ）は駆動周波数ｆdにおいて生成される突起部１ｂ及び１ｃの先端の楕円運動を示している。Ａd1≒Ａd2であるとき、突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成されるＺ方向の振幅、Ｘ方向の振幅は同程度となり、突起部１ｂ及び１ｃの先端の楕円運動を円に近い楕円運動にすることができるため安定した駆動を実現できる。
【００５０】
図７は第２の実施形態の超音波モータに用いる振動板の形状を説明するための図である。図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ振動板１の正面図、長辺方向の側面図、短辺方向の側面図、底面の斜視図を示している。なお、図７においては圧電素子２、連結部１ｄ及び１ｅは省略されている。このように、一定な厚さの平板と比較して進行方向と直交した方向の剛性が高くなるように平板部１ａに垂直なＹ−Ｚ面における断面形状を図７（ｂ）に示すように円弧からなる凹形状とする。これにより、突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成される楕円運動が円に近い楕円運動となるため、安定した駆動を実現できる。
【００５１】
（第３の実施形態）
以下、発明を実施するための第３の実施形態について説明する。
第１及び第２の実施形態では平板部１ａの断面形状を凹形状とすることによって、ある方向の剛性を変化させて二つの固有振動モードの共振周波数ｆ1及びｆ2を調整し、速度の向上を達成していた。第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態と異なり、平板部１ａ上に剛性を上げたり下げたりすることができるような、剛性調整部を設ける。これによって、ある方向の剛性を変化させて二つの固有振動モードの共振周波数ｆ1及びｆ2を調整し、速度の向上を達成する。なお、第１及び第２の実施形態と同一部材のものは、同一記号で図示される。また第１及び第２の実施形態と同じところは説明を省略し、第１及び第２の実施形態と異なるところだけ説明する。
【００５２】
図８は第３の実施形態の超音波モータに用いる平板部の形状を説明するための図である。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ振動板１の正面図、長辺方向の側面図、短辺方向の側面図、底面の斜視図を示している。それぞれの図の意味は図５と同様である。第３の実施形態では、平板部１ａの上にＸ方向の剛性を高くする剛性調整部１ｆを形成する。剛性調整部１ｆは平板部１ａの上にＸ方向に長い凸部を有する。剛性調整部１ｆは絞り加工により平板部１ａと一体成型してもよいし、別部品を平板部１ａに接着してもよい。
【００５３】
このような形状にすることにより、厚さが一定の平板と比較してＸ方向の剛性が高くなり、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数が高くなる。これにより、平板部１ａのＸ方向の寸法及びＹ方向の寸法を変更することなく図４（ａ）でＡd1≒Ａd2となるように長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数を調整することができる。
【００５４】
第１の実施形態では、共振周波数を調整するために平板部１ａの面全体を曲面にする必要があったが、第３の実施形態では、平板部１ａの一部に凸部を設けるだけで共振周波数を調整しているため加工が容易であるというメリットがある。
【００５５】
なお、第３の実施形態では剛性調整部としてＸ方向に長い凸部を設け、Ｘ方向の剛性を高くすることによって共振周波数を調整する例を説明したが、剛性調整部としてＸ方向に長い凹部を設け、Ｙ方向の剛性を低くすることによって共振周波数を調整してもよい。
【００５６】
（第４の実施形態）
以下、発明を実施するための第４の実施形態について説明する。
【００５７】
第３の実施形態では、平板部１ａ上に剛性を上げたり下げたりすることができるような、剛性調整部を設けることによって、ある方向の剛性を変化させて二つの固有振動モードの共振周波数ｆ1、ｆ2を調整し、速度の向上を達成していた。第４の実施形態では平板部１ａの四辺のうち、Ｘ方向に平行な辺を有する端部が折りまげられた形状になっている。ある方向の剛性を変化させて二つの固有振動モードの共振周波数ｆ1、ｆ2を調整し、速度の向上を達成するところが、第２の実施形態と異なる。なお、第２の実施形態と同一部材のものは、同一記号で図示される。また第２の実施形態と同じところは説明を省略し、第２の実施形態と異なるところのみ説明する。
【００５８】
図９は第４の実施形態の超音波モータに用いる平板部の形状を説明するための図である。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ振動板１の正面図、長辺方向の側面図、短辺方向の側面図、底面の斜視図を示している。それぞれの図の意味は図５で説明したものと同様である。平板部１ａは平板部１ａの四辺のうち、Ｘ方向に平行な辺を有する端部が折りまげられた形状になっている。
【００５９】
このような形状にすることにより、厚さが一定の平板と比較してＸ方向の剛性が高くなり、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数が高くなる。これにより、平板部１ａのＸ方向の寸法及びＹ方向の寸法を変更することなく図４（ａ）でＡd1≒Ａd2となるように長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数を調整することができる。
【００６０】
第３の実施形態では、共振周波数を調整するために平板部１ａ上に絞り加工や別部品を接着することなどによって凸部を設ける必要があったが、第４の実施形態では端部を折りまげるだけで共振周波数を調整しているため加工が容易であるというメリットがある。
【００６１】
（第５の実施形態）
以下、発明を実施するための第５の実施形態について説明する。
【００６２】
第１の実施形態は、高周波振動により突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成した楕円運動によって平板部１ａの長辺方向に相対移動する超音波モータを示している。第１の実施形態では、平板部１ａの断面形状を凹形状とすることによって、ある方向の剛性を変化させて二つの固有振動モードの共振周波数ｆ1及びｆ2を調整し、速度の向上を達成していた。
【００６３】
第５の実施形態では、同様の効果を高周波振動により突起部１ｂ及び１ｃ先端に生成した楕円運動によって平板部１ａの短辺方向に相対移動する超音波モータに対して適用しているところが、第１の実施形態と異なるところである。なお、第１の実施形態と同一部材のものは、同一記号で図示される。また第１の実施形態と同じところは説明を省略し、第１の実施形態と異なるところのみ説明する。
【００６４】
図１０は第５の実施形態の超音波モータの基本的な構成を説明するための図であって、第１の実施形態の図１に相当する。図１０（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は正面図、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）は側面図、図１０（ｅ）は底面図である。圧電素子２の高周波振動によって平板部１ａに、直交した二つの固有振動モードである第１の固有振動モードと第２の固有振動モードが励振される。
【００６５】
第５の実施形態においては第１の固有振動モードは振動板１の長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードであり、第２の固有振動モードは振動板１の短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードである。図１０（ｅ）に示すように、突起１ｂ及び１ｃは平板部１ａの長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの腹（図１０（ｅ）に示すＹ１とＹ２）の近傍に設けられている。更に、突起１ｂ及び１ｃは、短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの節（図１０（ｅ）に示すＸ１とＸ２）の近傍に設けられている。
【００６６】
図１１はＡ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせて交流電圧を印加した場合の振動の様子を示す図であって、第１の実施形態の図２に相当する。図１１（ｂ）、図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）はそれぞれ図１０（ｂ）、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）に対応しており、Ｐ１からＰ４へ向かって時間経過による振動の変化を示している。又、図１１においては圧電素子２、連結部１ｄ及び１ｅは省略されている。また、図１１において、点線は振動の状態を示している。
【００６７】
Ａ相とＢ相に同符号の電圧が印加されている時（図１１（ｂ）乃至図１１（ｄ）に示すＰ２とＰ４）に、Ａ相とＢ相が同様に伸縮することにより、短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードが励振されＸ方向の振幅が最大となる（図１１（ｂ）に示すＯ）。逆にＡ相とＢ相に異符号の電圧が印加されている時（図１１（ｂ）乃至図１１（ｄ）に示すＰ１とＰ３）に、Ａ相とＢ相が逆方向に伸縮することにより、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードが励振されＺ方向の振幅が最大となる（図１１（ｃ）に示すＰ）。
【００６８】
すなわち、Ａ相に対してＢ相の位相を約＋９０°遅らせて交流電圧を印加した結果、突起部１ｂ及び１ｃの先端に図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）に示すような楕円運動が発生する。このため、振動板１は摩擦部材３に対して突起部の楕円運動によって生じる摩擦によって推進力を得て図示Ｘ方向に相対移動することができる。又、Ａ相に対してＢ相の位相を約＋２７０°遅らせて交流電圧を印加した場合は図１１と反対方向の楕円運動が発生するので摩擦によって推進力を得て図１１（ｃ）に示すＸ方向とは反対の方向に相対移動することができる。
【００６９】
このように、第５の実施形態の超音波モータにおいては高周波振動により突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成した楕円運動によって振動板１が摩擦部材３に対して振動板１の短辺方向に相対移動することが可能である。これにより、超音波モータの進行方向の寸法を短縮し小型化が可能となる。
【００７０】
前述の通り、二つの固有振動モードを用いて楕円運動を生成する超音波モータでは、両者の共振時の振幅を一致させることが困難であった。これは、用いている二つの固有振動モードの次数が異なること、平板部のＸ方向の寸法とＹ方向の寸法に差があること、連結部１ｄ及び１ｅにより振動が阻害されることに起因する。
【００７１】
特に、第１の実施形態の超音波モータのように平板部１ａの長辺方向に相対移動する構成と比較して、本実施形態で示す平板部１ａの短辺方向に相対移動する構成では、二つの固有振動モードの最大振幅の差がより大きくなる。これに伴い、駆動周波数ｆdにおける相対移動する際の振幅Ａd1及びＡd2の差が大きくなるため突起部１ｂ及び１ｃの先端の楕円運動のＺ方向の振幅及びＸ方向の振幅の差が大きい横長の楕円運動になり、Ｚ方向振幅が不足するため駆動が不安定になる。
【００７２】
図１２は第５の実施形態の超音波モータに用いる平板部の形状を説明するための図である。図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ振動板１の正面図、長辺方向の側面図、短辺方向の側面図、底面の斜視図を示している。それぞれの図の意味は図５で説明したものと同様である。平板部１ａは一定な厚さの平板と比較して進行方向の剛性が高くなるように平板部１ａに垂直なＸ−Ｚ面における断面形状が凹形状となっている。凹形状というのは長方形の四辺のうち一辺が内側に凸の曲線となった形状を指す。また、一定な厚さの平板と比較して全体的な厚さが小さい場合は進行方向と直交した方向の剛性が低くなる。
【００７３】
このような形状にすることにより、厚さが一定の平板と比較してＸ方向の剛性が高くなり、長辺方向の曲げ振動の２次の固有振動モードの共振周波数が高くなる。もしくは、Ｙ方向の剛性が低くなり、短辺方向の曲げ振動の１次の固有振動モードの共振周波数が低くなる。これにより、平板部１ａのＸ方向の寸法、Ｙ方向の寸法を変更することなく図４（ａ）でＡd1≒Ａd2となるように二つの固有振動モードの共振周波数ｆ1及びｆ2を調整することができる。Ａd1≒Ａd2とすることにより、突起部１ｂ及び１ｃの先端に生成される楕円運動が円に近い楕円運動となり、安定して駆動することができる。
【００７４】
第１の実施形態で示した超音波モータでは平板部１ａの長辺方向に相対移動する。また、第５の実施形態で示した超音波モータでは平板部１ａの短辺方向に相対移動する。第１の実施形態に比べて第５の実施形態では、突起部１ｂ及び１ｃの先端の楕円運動のＺ方向の振幅とＸ方向の振幅の差がより大きい横長の楕円運動になるため、駆動がより不安定になる。しかし、平板部１ａの断面形状を凹形状とすることにより円に近い楕円運動を得ることができるため、第１の実施形態と比較してより大きい効果を得ることができるというメリットがある。
【００７５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
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に利用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１          振動板
１ａ        平板部
１ｂ、１ｃ  突起部
２          圧電素子
３          摩擦部材
１０        超音波モータ
【図１】
0006381326.tif 000002
【図２】
0006381326.tif 000003
【図３】
0006381326.tif 000004
【図４】
0006381326.tif 000005
【図５】
0006381326.tif 000006
【図６】
0006381326.tif 000007
【図７】
0006381326.tif 000008
【図８】
0006381326.tif 000009
【図９】
0006381326.tif 000010
【図１０】
0006381326.tif 000011
【図１１】
0006381326.tif 000012
【図１２】
0006381326.tif 000013
【図１３】
0006381326.tif 000014
【図１４】
0006381326.tif 000015