(57)【要約】  安定した駆動を得られる振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、カメラシステム、振動子を提供する。  振動アクチュエータの振動子（１１，１１Ａ，１１Ｂ）が振動可能な第１の振動モードと第２の振動モードとについて、相対運動部材（１５）の駆動に用いる第１の振動モードとは異なる第２の振動モードの共振周波数が、駆動信号の駆動周波数の高調波の周波数と一致しないようにした。
2007105632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号により振動する振動子と、
前記振動により、前記振動子に対して相対運動を行う相対運動部材と、
を備えた振動アクチュエータであって、
前記振動子は、前記相対運動部材の駆動に用いる第１の振動モードと、
前記第１の振動モードとは異なる振動モードである第２の振動モードとで振動可能であり、
前記第２の振動モードの共振周波数は、前記振動子を前記第１の振動モードで駆動するための前記駆動信号の駆動周波数の高調波の周波数と一致しないこと、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動アクチュエータであって、
前記第２の振動モードの共振周波数は、前記相対運動部材の駆動に用いる駆動周波数領域内で前記駆動周波数を変化させたときに、前記高調波の周波数が変化する領域に重ならないこと、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータであって、
ｆｒ２÷ｍ−ｆｒ１≧｜ｆｒ３−ｆｒ１｜×０．４
（ただし、ｆｒ１は前記第１の振動モードの共振周波数、ｆｒ２は前記第２の振動モードの共振周波数、ｆｒ３は前記ｆｒ１の高周波側又は低周波側に隣接して前記振動子が有する前記第１の振動モードの共振周波数、ｍは任意の整数である）
の関係を満たすこと、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３に記載の振動アクチュエータにおいて、
ｍ＝２であること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の振動アクチュエータにおいて、
ｆｒ２÷ｍ−ｆｒ１≧１０（単位：ｋＨｚ）
の関係を満たすこと、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記第２の振動モードは、前記第１の振動モードと次数が同じであること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記駆動信号は、非対称波形であること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、
前記駆動信号は、非対称波形であり、
前記第２の振動モードの共振周波数は、前記駆動周波数の整数倍の高調波の周波数と一致しないこと、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、
前記駆動信号は、対称波形であり、
前記第２の振動モードは、前記駆動周波数の奇数倍の高調波の周波数と一致しないこと、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記振動子は、略円環形状であり、
前記第１の振動モードは、曲げ振動であり、
前記第２の振動モードは、ねじり振動であること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１１】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記振動子は、略円環形状であり、内径側に突出した鍔状のフランジ部を有すること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記第１の振動モードの共振周波数と前記第２の振動モードの共振周波数との差を調整する周波数特性調整部を有すること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１３】
請求項１１に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記振動子は、弾性体と前記弾性体に接合させた電気機械変換素子とを有し、前記周波数特性調整部は、前記弾性体に設けられていること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記周波数特性調整部は、前記弾性体の前記電気機械変換素子との接合面に対して突出して設けられていること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１５】
請求項１２に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記周波数特性調整部は、前記振動子に設けられ、前記振動子が前記相対運動部材と接触する接触面を含む平面と平行な方向に設けられている部分であること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１６】
請求項１２から請求項１５までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記周波数特性調整部は、前記振動子の前記第１の振動モードの中立位置に近い位置に設けられること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１７】
請求項１２から請求項１６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記周波数特性調整部は、前記振動子の前記第２の振動モードの中立位置から離れた位置に設けられること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１８】
請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えたレンズ鏡筒。
【請求項１９】
請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えたカメラシステム。
【請求項２０】
振動アクチュエータに用いられる振動子であって、
前記振動アクチュエータの駆動に用いる第１の振動モードと、前記第１の振動モードとは異なる振動モードである第２の振動モードと、で振動可能であり、
ｆｒ２÷ｍ−ｆｒ１≧｜ｆｒ３−ｆｒ１｜×０．４
（ただし、ｆｒ１は前記第１の振動モードの共振周波数、ｆｒ２は前記第２の振動モードの共振周波数、ｆｒ３は前記ｆｒ１の高周波側又は低周波側に隣接して前記振動子が有する前記第１の振動モードの共振周波数、ｍは任意の整数である）
の関係を満たすこと、
を特徴とする振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動信号により振動する振動子によって相対運動部材を駆動し、駆動力を取り出す振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、カメラシステム、振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この様な振動アクチュエータは、例えば、カメラの交換レンズ等に備えられ、オートフォーカスレンズを駆動する駆動モータとして実用化されている。しかし、振動アクチュエータを駆動するための駆動信号は、駆動信号を供給する回路を実装するスペースが限られているため、特許文献１に示すように、理想的な正弦波で与えることが困難であった。そのため、安定して駆動できない場合があった。
【特許文献１】特開平９−１６３７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、安定して駆動できる振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、カメラシステム、振動子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、駆動信号により振動する振動子（１１，１１Ａ，１１Ｂ）と、前記振動により、前記振動子に対して相対運動を行う相対運動部材（１５）と、を備えた振動アクチュエータであって、前記振動子は、前記相対運動部材の駆動に用いる第１の振動モードと、前記第１の振動モードとは異なる振動モードである第２の振動モードとで振動可能であり、前記第２の振動モードの共振周波数は、前記振動子を前記第１の振動モードで駆動するための前記駆動信号の駆動周波数の高調波の周波数と一致しないこと、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータであって、前記第２の振動モードの共振周波数は、前記相対運動部材（１５）の駆動に用いる駆動周波数領域内で前記駆動周波数を変化させたときに、前記高調波の周波数が変化する領域に重ならないこと、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータであって、ｆｒ２÷ｍ−ｆｒ１≧｜ｆｒ３−ｆｒ１｜×０．４（ただし、ｆｒ１は前記第１の振動モードの共振周波数、ｆｒ２は前記第２の振動モードの共振周波数、ｆｒ３は前記ｆｒ１の高周波側又は低周波側に隣接して前記振動子が有する前記第１の振動モードの共振周波数、ｍは任意の整数である）
の関係を満たすこと、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項４の発明は、請求項３に記載の振動アクチュエータにおいて、ｍ＝２であること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項５の発明は、請求項３又は請求項４に記載の振動アクチュエータにおいて、ｆｒ２÷ｍ−ｆｒ１≧１０（単位：ｋＨｚ）の関係を満たすこと、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記第２の振動モードは、前記第１の振動モードと次数が同じであること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記駆動信号は、非対称波形であること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項８の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、前記駆動信号は、非対称波形であり、前記第２の振動モードの共振周波数は、前記駆動周波数の整数倍の高調波の周波数と一致しないこと、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項９の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、前記駆動信号は、対称波形であり、前記第２の振動モードは、前記駆動周波数の奇数倍の高調波の周波数と一致しないこと、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項１０の発明は、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動子（１１，１１Ａ，１１Ｂ）は、略円環形状であり、前記第１の振動モードは、曲げ振動であり、前記第２の振動モードは、ねじり振動であること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項１１の発明は、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動子（１１，１１Ａ，１１Ｂ）は、略円環形状であり、内径側に突出した鍔状のフランジ部（１２ｃ）を有すること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項１２の発明は、請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記第１の振動モードの共振周波数と前記第２の振動モードの共振周波数との差を調整する周波数特性調整部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）を有すること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項１３の発明は、請求項１１に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動子（１１，１１Ａ，１１Ｂ）は、弾性体（１２，１２Ａ，１２Ｂ）と前記弾性体に接合させた電気機械変換素子（１３）とを有し、前記周波数特性調整部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）は、前記弾性体に設けられていること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項１４の発明は、請求項１３に記載の振動アクチュエータにおいて、前記周波数特性調整部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）は、前記弾性体（１２，１２Ａ，１２Ｂ）の前記電気機械変換素子（１３）との接合面に対して突出して設けられていること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項１５の発明は、請求項１２に記載の振動アクチュエータにおいて、前記周波数特性調整部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）は、前記振動子（１１，１１Ａ，１１Ｂ）に設けられ、前記振動子が前記相対運動部材（１５）と接触する接触面を含む平面と平行な方向に設けられている部分であること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項１６の発明は、請求項１２から請求項１５までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記周波数特性調整部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）は、前記振動子（１１，１１Ａ，１１Ｂ）の前記第１の振動モードの中立位置に近い位置に設けられること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項１７の発明は、請求項１２から請求項１６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記周波数特性調整部（１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ）は、前記振動子（１１，１１Ａ，１１Ｂ）の前記第２の振動モードの中立位置から離れた位置に設けられること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項１８の発明は、請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータ（１０）を備えたレンズ鏡筒（３）である。
請求項１９の発明は、請求項１から請求項１７までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータ（１０）を備えたカメラシステム（１）である。
請求項２０の発明は、振動アクチュエータ（１０）に用いられる振動子であって、前記振動アクチュエータの駆動に用いる第１の振動モードと、前記第１の振動モードとは異なる振動モードである第２の振動モードと、で振動可能であり、ｆｒ２÷ｍ−ｆｒ１≧｜ｆｒ３−ｆｒ１｜×０．４（ただし、ｆｒ１は前記第１の振動モードの共振周波数、ｆｒ２は前記第２の振動モードの共振周波数、ｆｒ３は前記ｆｒ１の高周波側又は低周波側に隣接して前記振動子が有する前記第１の振動モードの共振周波数、ｍは任意の整数である）の関係を満たすこと、を特徴とする振動子（１１，１１Ａ，１１Ｂ）である。
なお、符号を付して説明した構成は、適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替してもよい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、安定して駆動できる振動アクチュエータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施例のカメラシステム１を説明する図である。
【図２】本実施例の超音波モータ１０の断面図である。
【図３】本実施例の超音波モータ１０の駆動装置１００を説明するブロック図である。
【図４】本実施例の超音波モータ１０に用いられる駆動信号の波形を示す図である。
【図５】本実施例の振動子１１，１１Ａ，１１Ｂと、比較例の振動子５１との断面形状を比較した図である。
【図６】振動子の固有振動モードを説明する図である。
【図７】移動子の回転速度と駆動周波数との関係を示す図である。
【図８】駆動信号の波形と高調波の関係を示す図である。
【符号の説明】
【０００７】
１：カメラシステム、３：レンズ鏡筒、１０：超音波モータ、１１，１１Ａ，１１Ｂ：振動子、１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ：凸部、１５：相対運動部材
【発明を実施するための形態】
【０００８】
駆動に用いる第１の振動モードとは異なる第２の振動モードの共振周波数が、駆動信号の駆動周波数の高調波の周波数と一致しないようにした。
【実施例】
【０００９】
以下、振動アクチュエータの実施例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施例では、振動アクチュエータとして、超音波の振動域を利用した超音波モータを例にとって説明する。
図１は、本実施例のカメラシステム１を説明する図である。
本実施例のカメラシステム１は、撮像素子８を有するカメラボディ２と、レンズ７を有するレンズ鏡筒３とを備えている。レンズ鏡筒３は、カメラボディ２に着脱可能な交換レンズである。なお、本実施例では、レンズ鏡筒３は、交換レンズである例を示したが、これに限らず、例えば、カメラボディと一体型のレンズ鏡筒としてもよい。【００１０】
レンズ鏡筒３は、レンズ７、カム筒６、ギア４，５、超音波モータ１０等を備えている。本実施例では、超音波モータ１０は、カメラシステム１のフォーカス動作時にレンズ７を駆動する駆動源として用いられており、超音波モータ１０から得られた駆動力は、ギア４，５を介してカム筒６に伝えられる。レンズ７は、カム筒６に保持されており、超音波モータ１０の駆動力により、光軸方向へ移動して、焦点調節を行うフォーカスレンズである。【００１１】
図２は、本実施例の超音波モータ１０の断面図である。
本実施例の超音波モータ１０は、振動子１１、移動子１５、出力軸１８、加圧部材１９等を備え、振動子１１側を固定とし、移動子１５を回転駆動する形態となっている。
振動子１１は、弾性体１２と、弾性体１２に接合された圧電体１３とを有する略円環形状の部材である。
弾性体１２は、共振先鋭度が大きな金属材料によって形成され、その形状は、略円環形状である。この弾性体１２は、櫛歯部１２ａ、ベース部１２ｂ、フランジ部１２ｃ、凸部１２ｄを有する。
櫛歯部１２ａは、圧電体１３が接合される面とは反対側の面に、複数の溝を切って形成され、この櫛歯部１２ａの先端面は、移動子１５に加圧接触され、移動子１５を駆動する駆動面となる。この駆動面には、Ｎｉ−Ｐ（ニッケル−リン）メッキ等の潤滑性の表面処理が施されている。櫛歯部１２ａを設ける理由は、圧電体１３の伸縮により駆動面に生じる進行性振動波（以下、進行波とする）の中立面をできる限り圧電体１３側へ近づけ、これにより駆動面の進行波の振幅を増幅させるためである。【００１２】
ベース部１２ｂは、弾性体１２の周方向に連続した部分であり、ベース部１２ｂの櫛歯部１２ａとは反対側の面に、圧電体１３が接合されている。
凸部１２ｄは、ベース部１２ｂの内径側であり、かつ、後述のフランジ部１２ｃよりも圧電体１３側に設けられている。本実施例では、圧電体１３を接合する際の位置決めが容易となるように、圧電体１３の接合面よりわずかに突出して形成されている。この凸部１２ｄの詳細については後述する。
フランジ部１２ｃは、凸部１２ｄよりも内径側に設けられ、弾性体１２の内径方向に突出した鍔状の部分であり、ベース部１２ｂの厚さ方向の中央に配置されている。このフランジ部１２ｃにより、振動子１１は、固定部材１６に固定されている。【００１３】
圧電体１３は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子であり、例えば、圧電素子や電歪素子等が用いられる。圧電体１３は、弾性体１２の周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）の電気信号が入力される範囲に分かれている。各相には、１／２波長毎に分極が交互となった要素が並べられており、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔があくようにしてある。
フレキシブルプリント基板１４は、その配線が圧電体１３の各相の電極に接続されており、後述の増幅部１０４，１０５からこのフレキシブルプリント基板１４に供給された駆動信号によって、圧電体１３が伸縮する。
振動子１１には、この圧電体１３の伸縮により、弾性体１２の駆動面に進行波が発生する。本実施例では、４波の進行波が発生している。【００１４】
移動子１５は、アルミニウム等の軽金属によって形成され、弾性体１２の駆動面に生じる進行波によって回転駆動される部材である。移動子１５は、振動子１１（弾性体１２の駆動面）と接触する面の表面に、耐磨耗性向上のためのアルマイト等の表面処理が施されている。【００１５】
出力軸１８は、略円柱形状の部材である。出力軸１８は、一方の端部がゴム部材２３を介して移動子１５に接しており、移動子１５と一体に回転する様に設けられている。
ゴム部材２３は、ゴムにより形成された略円環形状の部材である。このゴム部材２３は、ゴムによる粘弾性で移動子１５と出力軸１８とを一体に回転可能とする機能と、移動子１５からの振動を出力軸１８へ伝えないように振動を吸収する機能とを有しており、ブチルゴム、シリコンゴム、プロピレンゴム等が用いられている。【００１６】
加圧部材１９は、振動子１１と移動子１５とを加圧接触させる加圧力を発生する部材であり、ギア部材２０とベアリング受け部材２１との間に設けられている。本実施例では、加圧部材１９は、圧縮コイルバネを用いているが、これに限定されるものではない。
ギア部材２０は、出力軸１８のＤカットに嵌まるように挿入され、Ｅリング等のストッパ２２で固定され、回転方向及び軸方向に出力軸１８と一体となるように設けられている。ギア部材２０は、出力軸１８の回転とともに回転することにより、ギア４（図１参照）に駆動力を伝達する。
また、ベアリング受け部材２１は、ベアリング１７の内径側に配置され、ベアリング１７は、固定部材１６の内径側に配置された構造となっている。
加圧部材１９は、振動子１１を移動子１５側へ、出力軸１８の軸方向に加圧しており、この加圧力によって、移動子１５は、振動子１１の駆動面に加圧接触し、回転駆動される。なお、加圧部材１９とベアリング受け部材２１との間には、加圧力調整ワッシャーを設けて、超音波モータ１０の駆動に適正な加圧力が得られるようにしてもよい。【００１７】
図３は、本実施例の超音波モータ１０の駆動装置１００を説明するブロック図である。
発振部１０１は、制御部１０２の指令により所望の周波数の駆動信号を発生する部分である。
移相部１０３は、発振部１０１で発生した駆動信号を、９０°位相の異なる２つの駆動信号に分ける部分である。
増幅部１０４，１０５は、移相部１０３によって分けられた２つの駆動信号を、それぞれ所望の電圧に昇圧する部分である。【００１８】
図４は、本実施例の超音波モータ１０に用いられる駆動信号の波形を示す図である。
図４は、増幅部１０４，１０５から超音波モータ１０へと出力される駆動信号であり、図４に示すように、９０°位相の異なる２つの信号の波形は、電位ゼロを基準としたとき、電位のプラス方向とマイナス方向とでは非対称である非対称波形となっている。
増幅部１０４，１０５からの駆動信号は、図３に示すように、超音波モータ１０に伝達され、この駆動信号の印加により振動子１１に進行波が発生し、移動子１５が駆動される。【００１９】
検出部１０６は、光学式エンコーダや磁気エンコーダ等により構成され、移動子１５の駆動によって駆動されたレンズ７の位置や速度を検出する部分である。本実施例では、カム筒６の位置や速度を検出することにより、レンズ７の位置や速度を検出している。
制御部１０２は、カメラボディ２に設けられた不図示のＣＰＵからの駆動指令を基に、超音波モータ１０の駆動を制御する部分である。制御部１０２は、検出部１０６からの検出信号を受け、その値を基に、位置情報と速度情報を得て、目標位置に位置決めされるように発振部１０１が発生する駆動信号の駆動周波数を制御する。【００２０】
本実施例の構成によれば、超音波モータ１０の駆動装置１００は、以下のように動作する。
まず、制御部１０２に目標位置が伝達される。発振部１０１からは、駆動信号が発生し、その信号から、移相部１０３により９０°位相の異なる２つの駆動信号が生成され、増幅部１０４，１０５により所望の電圧に増幅される。
駆動信号は、超音波モータ１０の圧電体１３に印加され、圧電体１３が励振され、その励振によって、弾性体１２には、４次の曲げ振動が発生する。圧電体１３は、Ａ相とＢ相とに分けられており、駆動信号は、それぞれＡ相とＢ相とに印加される。Ａ相から発生する４次曲げ振動とＢ相から発生する４次曲げ振動とは、位置的な位相が１／４波長ずれるようになっており、また、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号とは、９０°位相がずれているため（図４参照）、２つの曲げ振動は、合成され、４波の進行波となる。【００２１】
進行波の波頭には、楕円運動が生じている。従って、弾性体１２の駆動面に加圧接触された移動子１５は、この楕円運動によって摩擦駆動される。
光学式エンコーダ等の検出部１０６は、移動子１５の駆動により駆動されたカム筒６の位置や速度を検出し、電気パルスとして、制御部１０２に伝達される。制御部１０２は、この信号を基に、レンズ７の現在の位置と現在の速度とを得ることが可能となり、発振部１０１が発生する駆動周波数は、これらの位置情報、速度情報及び目標位置情報を基に制御される。【００２２】
ここで、本実施例の超音波モータ１０の凸部１２ｄを設けた理由を説明するために、凸部１２ｄの設けられていない振動子と、その振動子を用いた超音波モータを比較例として挙げ、本実施例と比較して説明する。
図５は、本実施例の振動子１１と、比較例の振動子５１との断面形状を比較した図である。図５（ａ）は、比較例の振動子５１を示す断面図であり、図５（ｂ）は、本実施例の振動子１１を示す断面図である。図５（ｃ）、図５（ｄ）は、他の実施例の振動子１１Ａ、１１Ｂを示す断面図である。以下、図５（ａ）の比較例の振動子５１と図５（ｂ）の振動子１１について説明する。
振動子５１は、略円環形状の弾性体５２と、弾性体５２に接合された圧電体１３を有し、圧電体１３には、フレキシブルプリント基板１４が接続されている。弾性体５２は、櫛歯部５２ａ、ベース部５２ｂ、フランジ部５２ｃを有する。
比較例の振動子５１は、本実施例の振動子１１と略同様の形状であり、本実施例の超音波モータ１０と同一の駆動信号で駆動される同様の超音波モータに用いられているが、弾性体５２に凸部が形成されていない点が本実施例の振動子１１とは異なる。よって、同様の機能を有する部分には同一の符号又は末尾に同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。【００２３】
図６は、振動子の固有振動モードを説明する図である。図６（ａ）は、比較例の振動子５１の固有振動モードを示し、図６（ｂ）は、本実施例の振動子１１の固有振動モードを示す。図６において、縦軸は、インピーダンスの絶対値であり、横軸は、周波数である。
比較例の振動子５１は、図６に示すように、共振周波数が６５ｋＨｚの振動モードＡ１を有する。この振動モードＡ１は、移動子を駆動する方向、すなわち弾性体５２の円周方向に屈曲の山及び谷が並ぶ屈曲振動であって、弾性体５２中に４つの同一周期の振動が生じる４次の曲げ振動である。
また、比較例の振動子５１は、この振動モードＡ１の共振周波数の約２倍に相当する周波数域に、振動モードＡ１とは異なる振動モードである振動モードＢ１を有している。この振動モードＢ１は、４次のねじり振動であり、その共振周波数は、１３９ｋＨｚである。この４次のねじり振動とは、弾性体５２と同心であり、弾性体５２の半径方向の幅の略中心位置を通り、かつ、前述の４次の曲げ振動の中立面付近を通る仮想円をねじり中心として振動するねじり振動であって、弾性体５２中に４つの振動が生じている。【００２４】
超音波モータでは、駆動に用いる振動モードの共振周波数より高周波数側又は低周波数側の所定の周波数領域を、駆動に用いる駆動周波数の領域（以下、駆動帯域とする）として駆動信号に使用する。駆動帯域として駆動周波数に幅を持たせる理由は、駆動周波数を駆動帯域内で変化可能とすることにより、移動子の回転速度を変化させ、超音波モータの制御を可能にするためである。
本実施例の超音波モータ１０及び比較例５１の振動子を用いた超音波モータでは、駆動に用いる振動モードの共振周波数の高周波数側を、駆動帯域として使用する。【００２５】
図７は、移動子の回転速度と駆動周波数との関係を示す図である。図７（ａ）は、比較例の振動子５１を用いた超音波モータの例であり、図７（ｂ）は、本実施例の振動子１１を用いた超音波モータ１０の例である。図７において、縦軸は、移動子の回転速度であり、横軸は、駆動周波数である。
比較例の振動子５１を振動モードＡ１で振動させるために、本実施例と同一の非対称波形の駆動信号を印加し、駆動に必要な駆動帯域内で駆動信号を周波数掃引した場合、図７（ａ）中に示すように、回転速度が急激に変化する周波数領域（以下、不連続領域とする）Ｄ１が生じた。このような不連続領域Ｄ１が駆動帯域内に生じると、超音波モータの駆動は不安定となり、その制御も困難である。【００２６】
ここで、不連続領域Ｄ１が生じる原因を説明するために、超音波モータの駆動に用いられる駆動信号について説明する。
一般的に、超音波モータを駆動する駆動信号には、正弦波を用いることが理想的である。駆動信号が正弦波である場合、この駆動信号を周波数分析すると、１つの周波数しか周波数が検出されない。そのため、正弦波の駆動信号を超音波モータに印加すると、超音波モータの振動子には、駆動信号の駆動周波数と近い周波数の共振周波数を持つ振動モードの振動のみが発生するため、超音波モータの駆動が安定しており、制御も行い易い。【００２７】
しかし、交換レンズやカメラシステム等に超音波モータを搭載する場合、駆動回路等の実装スペースが限られているため、駆動信号を理想的な正弦波として超音波モータに印加することが難しい。そのため、駆動信号は、矩形波等の対称波形、又は、図４に示すような非対称波形等の波形が用いられている。
図８は、駆動信号の波形と高調波の関係を示す図である。図８において、縦軸は、ゲインであり、横軸は、周波数であり、図８（ａ）は、駆動信号の波形が対称波形（例えば、矩形波）である場合を示し、図８（ｂ）は、駆動信号の波形が非対称波形である場合を示している。
例えば、駆動信号の波形が矩形波、のこぎり波等の電位ゼロを中心とした対称波形の場合、この駆動信号を周波数分析すると、図８（ａ）に示すように、駆動周波数（駆動に用いる周波数であり、図８（ａ）では、７０ｋＨｚ）以外に、駆動周波数の３倍の高調波の周波数（２１０ｋＨｚ）、駆動周波数の５倍の高調波の周波数（３５０ｋＨｚ）等と、周波数の値が駆動周波数の奇数倍の高調波が検出される。【００２８】
また、駆動信号の波形が電位ゼロを中心とした非対称波形の場合、この駆動信号を周波数分析すると、図８（ｂ）に示すように、駆動周波数（図８（ｂ）では、７０ｋＨｚ）以外に、駆動周波数の２倍の高調波の周波数（１４０ｋＨｚ）、駆動周波数の３倍の高調波の周波数（２１０ｋＨｚ）等と、周波数の値が駆動周波数の整数倍の高調波が検出される。
つまり、対称波形の駆動信号は、駆動周波数の他に、駆動周波数の奇数倍の高調波の周波数を含んでおり、非対称波形の駆動信号は、駆動周波数の他に、駆動周波数の整数倍の高調波の周波数を含んでいる。【００２９】
そのため、超音波モータに印加する駆動信号が矩形波、のこぎり波等の対称波形である場合に、振動子が、駆動に用いる振動モードの他に、駆動周波数の奇数倍の高調波の周波数に近い共振周波数を持つ振動モードを有すると、駆動信号に含まれる駆動周波数の高調波によって、駆動に用いる振動モードに加え、駆動周波数の奇数倍の高調波の周波数に近い共振周波数の振動モードも励起される。
また、超音波モータに印加する駆動信号が非対称波形である場合に、振動子が、駆動に用いる振動モードの他に、駆動周波数の整数倍の高調波の周波数に近い共振周波数を持つ振動モードを有すると、駆動信号に含まれる駆動周波数の高調波によって、駆動に用いる振動モードに加え、整数倍の高調波の周波数に近い共振周波数の振動モードも励起される。【００３０】
従って、矩形波、のこぎり波等の対称波形や非対称波形の駆動信号を用いて超音波モータを駆動するとき、駆動信号に含まれる高調波の周波数と、超音波モータの駆動に用いない振動モードの共振周波数とが近い値であると、駆動に用いる振動以外に、駆動に用いない不要な振動も発生して重なり合い、進行波が乱れ、超音波モータの駆動不良が生じる場合がある。【００３１】
上記比較例の場合についてみると、比較例の振動子５１を用いた超音波モータに印加する非対称波形の駆動信号には、振動モードＢ１（図６（ａ）参照）の共振周波数（１３９ｋＨｚ）に近い、駆動周波数（７０ｋＨｚ）の２倍の高調波の周波数（１４０ｋＨｚ）が含まれている（図８（ｂ）参照）。そのため、駆動帯域内で駆動信号を周波数掃引すると、駆動周波数の２倍の高調波によって駆動に用いない振動モードＢ１が励起され、振動子５１の進行波から移動子への駆動力の伝播を阻害して、図７（ａ）に示すような不連続領域Ｄ１が発生し、駆動が安定しない。【００３２】
一方、本実施例の超音波モータ１０の振動子１１では、図５（ｂ）に示すように、振動子１１の弾性体１２に凸部１２ｄを設けてある。この振動子１１は、図６（ｂ）に示すように、振動モードＡ２と振動モードＢ２とを有する。
振動モードＡ２は、振動モードＡ１と同様の４次の曲げ振動であり、その共振周波数は、６７ｋＨｚである。また、振動モードＢ２は、振動モードＢ１と同様の４次のねじり振動であり、その共振周波数は、１６１ｋＨｚである。
この振動子１１を振動モードＡ２で振動させるために、非対称波形の駆動信号を超音波モータ１０に印加し、駆動に必要な駆動帯域内で駆動信号を周波数掃引したところ、図７（ｂ）に示すように、駆動帯域内には不連続領域は生じず、超音波モータ１０は、安定した駆動が得られた。【００３３】
これは、凸部１２ｄを設けたことにより、図６（ｂ）に示すように、振動モードＢ２の共振周波数が、凸部１２ｄを設けない比較例よりも高周波数側へ移動したためである。
凸部１２ｄは、弾性体１２の内径側であり、弾性体１２の厚みの中央よりも圧電体１３側に設けられている。これは、駆動に用いる振動モードＡ２の４次の曲げ振動の中立面に近く、かつ、振動モードＢ２の４次のねじり振動の中立軸から離れた位置である。この位置に設けたことにより、振動モードＢ２の共振周波数を、駆動周波数の２倍の高調波の周波数の影響を受けない周波数へと変化させることができた。また、駆動に用いる振動モードＡ２の共振周波数も変化するがその変化量は小さく、駆動に影響の無い範囲内であった。【００３４】
そのため、超音波モータ１０に印加された駆動信号は、図４に示すような非対称波形であり、駆動信号の２倍の高調波の周波数が含まれているが、振動モードＢ２の共振周波数（１６１ｋＨｚ）は、駆動周波数の２倍の高調波の周波数（１４０ｋＨｚ）とは離れた位置に存在するため、振動モードＢ２は殆ど励起されない。また、図７（ｂ）に示すように、振動モードＢ２によって不連続領域Ｄ２は生じているが、これは、駆動帯域外まで駆動信号の周波数掃引を行った場合であり、駆動帯域内では、超音波モータ１０は安定して駆動できる。【００３５】
ここで、駆動に用いる振動モードに影響が出ないようにするためには、駆動信号を駆動帯域内で周波数掃引したときに、駆動に用いない振動モードの共振周波数が、駆動周波数の高調波によって励起されない周波数であればよい。
この条件を数式で表すと、駆動に用いる振動モードＡの共振周波数をｆｒａ、駆動に用いない振動モードＢの共振周波数をｆｒｂ、ｆｒａに隣接する振動モードＡの共振周波数をｆｒｃ、任意の整数をｍとして振動モードＢを励起する高調波をｍ倍の高調波とするときに、下記の式を満たせばよい。
ｆｒｂ÷ｍ−ｆｒａ≧｜ｆｒｃ−ｆｒａ｜×０．４      （式１）
この式の左辺は、振動モードＡの共振周波数と振動モードＢの共振周波数の１／ｍ倍の周波数との差を示している。【００３６】
また、この式の右辺は、駆動に用いる駆動帯域の幅を示しており、駆動に用いる振動モードＡの共振周波数（曲げ４次モード）と、振動モードＡの共振周波数に隣接する共振周波数（曲げ５次モード）との差の０．４倍である。共振周波数ｆｒｃは、比較例の振動子５１では、図６（ａ）に示すように、９０ｋＨｚであり、本実施例の振動子１１では、図６（ｂ）に示すように、９２ｋＨｚである。【００３７】
本実施例及び比較例では、駆動信号は非対称波形であり、駆動周波数の２倍の高調波によって励起される振動モードが、超音波モータの駆動に影響を与えるので、ｍ＝２とし、比較例の振動子５１に関して、上記の（式１）に各共振周波数の数値を代入すると、
（右辺）＝１３９÷２−６５＝４．５  （ｋＨｚ）
（左辺）＝｜９０−６５｜×０．４＝１０  （ｋＨｚ）
となり、（式１）が成り立たず、駆動周波数の２倍の高調波の周波数によって振動モードＢ１が励起されていた。
しかし、本実施例の振動子１１では、
（右辺）＝１６１÷２−６７＝１３．５  （ｋＨｚ）
（左辺）＝｜９２−６７｜×０．４＝１０  （ｋＨｚ）
となり、（式１）が成立し、駆動周波数の２倍の高調波の周波数によって振動モードＢ２は励起されなかった。
よって、本実施例の超音波モータ１０では、図７（ｂ）に示すように、駆動帯域内に、比較例の振動子５１を用いた超音波モータのような不連続領域Ｄ１が生じることなく、安定して駆動できる。
以上、図５（ｂ）の振動子１１について説明したが、図５（ｃ）の振動子１１Ａ、図５（ｄ）の振動子１１Ｂを用いても振動子１１と同様の効果がある。振動子１１Ａ、振動子１１Ｂは、振動子１１と同様に、比較例５１の振動子に対して凸部を設けた構成としているが、凸部を設ける位置が振動子１１とは異なる。
図５（ｃ）の振動子１１Ａでは、弾性体１２Ａのベース部１２ｂに凸部１２ｅが設けられている。凸部１２ｅは、ベース部１２ｂの内径側であり、かつ、フランジ部１２ｃの櫛歯部１２ａ側に設けられている。図５（ｄ）の振動子１１Ｂでは、弾性体１２Ｂのベース部１２ｂの外周側に凸部１２ｆが設けられている。凸部１２ｅ、１２ｆが設けられる位置は、図５（ｂ）の凸部１２ｄと同様に、駆動に用いる振動モードＡ２の４次の曲げ振動の中立面に近く、かつ、振動モードＢ２の４次のねじり振動の中立軸から離れた位置である。この位置に設けたことにより、図５の振動子１１を用いた場合と同様に、振動モードＢ２の共振周波数を、駆動周波数の２倍の高調波の周波数の影響を受けない周波数へと変化させることができる。
図５（ｂ）〜（ｄ）の振動子は、機械加工によってそれぞれの形状に作成することができる。しかしながら、図５（ａ）の比較例のような凸部のない振動子を作製し、さらに、図５（ｂ）〜（ｄ）の凸部に対応する円環形状の部材を作製し、両者を貼り合わせて図５（ｂ）〜（ｄ）の形状の振動子を作製してもよい。こうすることにより、図５（ａ）の振動子に対して、いずれかの凸部を貼ることによって、複数種類の振動子を作製することができる。【００３８】
上述のように、本実施例では、超音波モータ１０は、印加される駆動信号が非対称波形であり、駆動帯域内で駆動信号を周波数掃引した場合に、駆動周波数の整数倍の高調波の周波数と、駆動に用いない振動モードの共振周波数とが重ならない。
よって、仮に、本実施例の超音波モータ１０に矩形波等の対称波形の駆動信号を印加しても、本実施例の超音波モータ１０は、安定して駆動できる。これは、非対称波形の駆動信号に含まれる高調波の周波数は、駆動周波数の奇数倍の高調波の周波数であるためであり、本実施例の超音波モータ１０では、駆動帯域内で駆動信号を周波数掃引した場合に、駆動周波数の奇数倍を含む駆動周波数の整数倍の高調波の周波数と、駆動に用いない振動モードの周波数とが重ならないからである。【００３９】
本実施例によれば、駆動周波数の高調波の周波数によって、駆動に用いない振動モードが励起されることなく、安定して駆動できる超音波モータとすることができる。
また、凸部１２ｄを形成するだけでよく、大規模な形状変更をすることなく、容易に実現できる。【００４０】
（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）本実施例において、駆動に用いない振動モードの共振周波数の値を変化させるために、凸部１２ｄを設ける例を示したが、これに限らず、例えば、凹部を設けてもよい。また、凸部や凹部を設けなくとも、駆動帯域内で駆動信号を周波数掃引した場合に、駆動に用いる振動モードの駆動周波数の高調波の周波数と、駆動に用いない振動モードの共振周波数とが重ならなければよい。【００４１】
（２）本実施例において、超音波モータ１０を駆動する駆動信号は、非対称波形である例を示したが、これに限らず、例えば、矩形波やのこぎり波等、電位ゼロを基準として波形が対称な対称波形の信号でもよい。このとき、駆動信号に含まれる高調波は、駆動周波数の奇数倍の高調波の周波数であるので、（式１）におけるｍの値は奇数の整数とすればよい。【００４２】
（３）本実施例において、超音波モータ１０の駆動に用いられる振動モードＡは、４次の曲げ振動である例を示したが、これに限らず、上記の（式１）を満たすならば、例えば、他の次数であってもよいし、ねじり振動や縦振動等の他の振動でもよい。【００４３】
（４）本実施例において、振動子１１，１１Ａ，１１Ｂは、弾性体１２がフランジ部１２ｄ，１２ｅ，１２ｆを有する例を示したが、これに限らず、フランジ部の無い略円環形状の弾性体を有する振動子としてもよい。【００４４】
（５）本実施例において、圧電体１３は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子である例を示したが、これに限らず、光や熱等の他のエネルギーを機械エネルギーに変換する素子を用いてもよい。【００４５】
（６）本実施例において、超音波領域の振動を用いる超音波モータ１０を例に挙げて説明したが、これに限らず、超音波領域以外の振動を用いる振動アクチュエータに適用してもよい。【００４６】
（７）本実施例において、カメラシステム１は、撮像素子８を備え、撮像素子８により撮影を行う例を示したが、これに限らず、例えば、フィルムを用いて撮影してもよい。【００４７】
（８）本実施例において、超音波モータ１０は、カメラシステム１に設けられ、フォーカス動作を行う駆動部に用いられる例を示したが、これに限らず、例えば、ズーム動作を行う駆動部に用いてもよい。また、複写機の駆動部や、自動車のハンドルチルト装置やヘッドレストの駆動部等に用いてもよい。
【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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【国際調査報告】
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