(57)【要約】【課題】接触部の軌跡のうちの送り速度が速い範囲のみで接触部を被駆動部材に接触させることにより、駆動速度の速い振動型アクチュエータを提供すること。【解決手段】超音波モータは、圧電素子を有する振動子と、振動子に設けた接触部と圧接し、振動子に対して相対移動する被駆動部材を備える。駆動部は、接触部が被駆動部材の相対移動方向と平行な方向に振動する送り振動と、接触部が被駆動部材との当接方向と平行な方向に振動する第１突き上げ振動及び第２突き上げ振動を励振する。第２突き上げ振動の励振周波数は、第１突き上げ振動の励振周波数の整数倍である。突き上げ振動として、複数の振動モードを合成した振動を用いることにより、高速な駆動が可能である。【選択図】図４
2016019291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を有する振動子と、
前記振動子に設けられた接触部と、
前記接触部と圧接して、前記振動子に対して相対的に移動する被駆動部材と、
前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記振動子に対して複数の振動を励振する駆動手段と、を備え、
前記駆動手段は、前記振動子に対して、前記接触部が第１の方向に振動する第１の振動と、前記接触部が前記第１の方向と異なる第２の方向に振動する第２の振動と、前記第２の振動の励振周波数に対して整数倍の励振周波数で前記接触部が前記第２の方向に振動する第３の振動とを同時に励振することを特徴とする振動型アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１の方向は、前記接触部に対する前記被駆動部材の相対的な移動方向と平行な方向であり、前記第２の方向は、前記接触部が前記被駆動部材と当接する方向と平行な方向であることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項３】
前記第２の振動において前記接触部の変位が前記被駆動部材の方向に最大となる時に、前記第３の振動において前記接触部の変位が前記被駆動部材の方向に最大となることを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項４】
前記第２の振動と前記第３の振動との位相差を制御する位相差制御手段を備え、
前記位相差制御手段は、前記第２の振動を励振する電圧に対し、前記第３の振動を励振する電圧の位相を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項５】
前記位相差制御手段は、前記第２の振動の励振周波数における位相と、前記第３の振動の励振周波数における位相との差に相当する時間だけタイミングを早めて、前記第２の振動を励振する電圧と前記第３の振動を励振する電圧とを重ね合わせる制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項６】
前記第３の振動の励振周波数は、前記第２の振動の励振周波数の２倍であることを特徴とする請求項１から５のいずれか1項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項７】
前記第２の振動に係る振動モードの共振周波数と前記第２の振動の励振周波数との差に対し、前記第３の振動に係る振動モードの共振周波数と前記第３の振動の励振周波数との差が小さいことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項８】
前記第２の振動には前記振動子の伸縮振動モードまたはねじり振動モードを用い、前記第３の振動には前記第２の振動に係る振動モードの高次振動モードを用いることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項９】
前記圧電素子において、前記接触部とは反対側の第１の面には複数の電極群が形成され、前記接触部の側の第２の面には接地電極が形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項１０】
前記圧電素子は、前記第１の面にて長辺方向及び短辺方向にそれぞれ分割された第１ないし第４の電極群を有しており、
前記駆動手段は、
第１及び第２の電極群に同位相の交流電圧を印加し、第３及び第４の電極群には、第１及び第２の電極群に印加する交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加することにより前記第１の振動を励振し、
第１ないし第４の電極群に同位相の交流電圧を印加することにより前記第２の振動を励振し、
第１及び第３の電極群に同位相の交流電圧を印加し、第２及び第４の電極群には、第１及び第３の電極群に印加する交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加することにより前記第３の振動を励振することを特徴とする請求項９に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項１１】
前記圧電素子は、前記第１の面にて長辺方向に分割された第１ないし第４の電極群を有しており、
前記駆動手段は、
第１及び第２の電極群に同位相の交流電圧を印加し、第３及び第４の電極群には、第１及び第２の電極群に印加する交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加することにより前記第１の振動を励振し、
第１ないし第４の電極群に同位相の交流電圧を印加することにより前記第２の振動を励振し、
第１及び第３の電極群に同位相の交流電圧を印加し、第２及び第４の電極群には、第１及び第３の電極群に印加する交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加することにより前記第３の振動を励振することを特徴とする請求項９に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項１２】
前記圧電素子は複数の圧電素子層から構成され、各層の第１の面には複数の電極群が形成され、前記第１の面とは反対側の第２の面には接地電極が形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項１３】
前記圧電素子は、前記第１の面にて長辺方向及び短辺方向にそれぞれ分割された第１ないし第４の電極群を有しており、
前記駆動手段は、
第１及び第４の電極群に同位相の交流電圧を印加し、第２及び第３の電極群には、第１及び第４の電極群に印加する交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加することにより前記第１の振動を励振し、
第１ないし第４の電極群に同位相の交流電圧を印加することにより前記第２の振動を励振し、
第１及び第３の電極群に同位相の交流電圧を印加し、第２及び第４の電極群には、第１及び第３の電極群に印加する交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加することにより前記第３の振動を励振することを特徴とする請求項１２に記載の振動型アクチュエータ。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータを備え、
前記振動型アクチュエータにより、鏡筒の可動部材を駆動することを特徴とする撮像装置。
【請求項１５】
圧電素子を有する振動子と、
前記振動子に設けられた接触部と、
前記接触部と圧接して、前記振動子に対し相対的に移動する被駆動部材と、
前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記振動子に対して複数の振動を励振する駆動手段と、を備える振動型アクチュエータにて実行される制御方法であって、
前記駆動手段により、前記振動子に対して、前記接触部が第１の方向に振動する第１の振動と、前記接触部が前記第１の方向と異なる第２の方向に振動する第２の振動と、前記第２の振動の励振周波数に対して整数倍の励振周波数で前記接触部が前記第２の方向に振動する第３の振動とを同時に励振することを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型アクチュエータの駆動制御に関するものであり、撮像装置のレンズ鏡筒等に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子の超音波振動を利用した超音波モータは、小型で高出力が得られ、広い速度レンジに対応でき、低振動かつ低騒音であるという特徴を有する。このような特徴を持つ超音波モータは、用途に合わせて様々な原理、形状のものが知られている。例えば、被駆動部材との接触部が設けられた直方体形状のチップ型振動子に複数の振動モードを同時に励振する方式がある。この方式では複数の振動モードを組み合わせることで接触部に楕円運動を発生させて被駆動部材に伝達して駆動する。特許文献１や特許文献２には、チップ型振動子を用いた超音波モータが開示されている。この方式の特徴は、超音波モータの中でも振動子が比較的小型であることと、回転駆動及び直進駆動の両駆動方式への応用が容易なことである。そのため、チップ型振動子を用いた超音波モータは、小型で高トルクのモータが求められるカメラ等のレンズ鏡筒内にて、フォーカスレンズの直進駆動やカム筒の回転駆動等に使用される。
【０００３】
さらに、近年の一眼レフカメラ等の光学機器においては、フォーカス駆動の高速化が求められている。これに伴って、レンズやカム筒を駆動する超音波モータにおいても、鏡筒内に配置できるように小型で高速な駆動が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２５４５８７号公報
【特許文献２】特開平１１−３２４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
チップ型振動子を用いた超音波モータは、直方体形状の振動子に超音波振動を励振し、振動子に設けられた接触部に楕円運動を発生させる。この楕円運動を接触部に圧接された被駆動部材に伝達することにより、摩擦力で物体が駆動される。被駆動部材の駆動速度は接触部と被駆動部材が接触している間の接触部の駆動方向の速度（以下、送り速度という）に依存する。しかし、接触部と被駆動部材が接触している間、接触部の送り速度は一定ではなく、大きく変動している。そのため、被駆動部材の駆動速度を速くするためには、接触部の軌道のうちの送り速度が速い範囲のみで接触部が被駆動部材と接触することが好ましい。しかし、従来のチップ型振動子を用いた超音波モータは、接触部の軌跡が単純な楕円形状であり、接触部の軌跡のうちの送り速度が速い範囲のみで選択的に被駆動部材と接触することは困難である。接触部の軌跡にて送り速度が遅い範囲でも接触部が被駆動部材と接触してしまうため、摩擦力が被駆動部材に対してブレーキ（制動力）として働き、駆動速度を減速させる原因となる。
【０００６】
本発明の目的は、接触部の軌跡のうちの送り速度が速い範囲のみで接触部を被駆動部材に接触させることにより、駆動速度の速い振動型アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明に係る装置は、圧電素子を有する振動子と、前記振動子に設けられた接触部と、前記接触部と圧接して、前記振動子に対して相対的に移動する被駆動部材と、前記圧電素子に電圧を印加することにより、前記振動子に対して複数の振動を励振する駆動手段と、を備える。前記駆動手段は、前記振動子に対して、前記接触部が第１の方向に振動する第１の振動と、前記接触部が前記第１の方向と異なる第２の方向に振動する第２の振動と、前記第２の振動の励振周波数に対して整数倍の励振周波数で前記接触部が前記第２の方向に振動する第３の振動とを同時に励振する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、接触部の軌跡のうちの送り速度が速い範囲のみで接触部を被駆動部材に接触させることにより、駆動速度の速い振動型アクチュエータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図２から図１１と併せて本発明の第１実施形態を説明するために、振動型モータの構成例を示す図である。
【図２】第１実施形態の駆動原理を説明する図である。
【図３】比較例として印加電圧と楕円状の軌跡を説明する図である。
【図４】印加電圧と接触部の軌跡を説明する図である。
【図５】第２突き上げ振動の励振周波数を、第１突き上げ振動の励振周波数の２倍にした例（Ａ）と、３倍にした例（Ｂ）を説明する図である。
【図６】第２突き上げ振動の励振周波数を、第１突き上げ振動の励振周波数の４倍にした例（Ａ）と、５倍にした例（Ｂ）を説明する図である。
【図７】第１突き上げ振動と第２突き上げ振動の位相差を説明する図である。
【図８】振動型モータの駆動制御部の構成を示すブロック図である。
【図９】第１突き上げ振動の振幅に対する第２突き上げ振動の振幅の割合を大きくする方法を説明する図である。
【図１０】第１突き上げ振動の振幅に対して第２突き上げ振動の振幅を十分に大きくするための励振方法を説明する図である。
【図１１】第１実施形態の振動型モータを用いたモータユニットの構成図である。
【図１２】本発明の第２実施形態に係る振動型モータの構成図である。
【図１３】第２実施形態の駆動原理を説明する図である。
【図１４】本発明の第３実施形態に係る振動型モータの構成図である。
【図１５】第３実施形態の駆動原理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の各実施形態について、添付図面を参照して説明する。各実施形態に係る振動型アクチュエータは、小型で高出力なモータが求められる撮像装置のレンズ鏡筒内において、フォーカスレンズの直線駆動やカム筒の回転駆動等に適用可能である。
【００１１】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態に係る超音波モータ１を示す。図１（Ａ）は超音波モータ１の側面図である。図１（Ａ）にて左右方向に示すｄ１方向を第１の方向とし、ｄ１方向に直交するｄ２方向を第２の方向と定義する。図２（Ｂ）は振動子１１の斜視図である。
【００１２】
超音波モータ１は、振動子１１と被駆動部材１２によって構成される。振動子１１は、例えば平板形状の圧電素子１１１と平板形状の平板部材１１３を貼り付けた構造を有する。圧電素子１１１には、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を使用し、平板部材１１３には、例えばステンレス鋼を使用する。平板部材１１３には、被駆動部材１２と接触する２つの接触部１１２が設けられている。接触部１１２は、例えば平板部材１１３に対するプレス加工により形成されるか、または別部材の接着等により形成される。被駆動部材１２には、例えばステンレス鋼が用いられ、接触部１１２との接触面は適切な表面粗さと摩擦力が得られるように研磨等の表面加工が施されている。振動子１１は、不図示の加圧手段によって、図１（Ａ）に矢印ｆで示す方向に圧力を受ける。これにより、振動子１１に設けた接触部１１２が被駆動部材１２に対して圧接される。
【００１３】
圧電素子１１１は、例えば１つの圧電素子層で構成され、その各面（図１（Ａ）の第１の面Ａ及び第２の面Ｂ参照）には電圧を印加するための電極が形成されている。図１（Ｃ）及び（Ｄ）は圧電素子１１１に設けた電極形状を表す。図１（Ｃ）は、圧電素子１１１のうち、平板部材１１３に対して反対側の第１の面Ａの電極形状を表している。図１（Ｄ）は、圧電素子１１１のうち、平板部材１１３側の第２の面Ｂの電極形状を表している。
【００１４】
図１（Ｃ）に示すように、圧電素子１１１の第１の面Ａには短辺方向に３分割され、かつ、長辺方向に６分割された、複数の電極が配置されている。これらの電極は、長辺を２分割する中心線（図１（Ｃ）の一点鎖線参照）を境にして、２つの電極群にそれぞれ分けられている。各電極群の中では、隣り合う電極同士が異なる電極群に属するように区分されて、更に２つの電極群に分けられる。つまり、圧電素子１１１の表面の電極は、４つの電極群１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄに区分される。同じ電極群に属する電極は振動子１１の外部で導通される。各電極群には駆動部１００（図１（Ａ）参照）からの電圧がそれぞれ印加される。
【００１５】
一方、図１（Ｄ）に示すように、圧電素子１１１の第２の面Ｂには全面に亘って電極１１１ｅが形成されている。第２の面Ｂは平板部材１１３との接着面であり、電極１１１ｅに対して直接的に外部から電圧を印加できない。このため、電極１１１ｅには配線取り出し部１１１ｆが設けられている。配線取り出し部１１１ｆは圧電素子１１１の側面に突出しており、外部からの導通が可能である。電極１１１ｅに対する電圧の印加は、配線取り出し部１１１ｆを通して行う。また、圧電素子１１１には、面Ｂの電極１１１ｅを接地電極として、面Ａの各電極群に駆動部１００が同一の高電圧を印加することで、予め全電極群において同一方向に分極している。
【００１６】
前記の構成の超音波モータ１において、圧電素子１１１上の各電極群１１１ａ〜１１１ｄに交流電圧を印加すると振動子１１が振動し、後述の駆動原理により被駆動部材１２が振動子１２に対して図１（Ａ）のｄ１方向に相対移動を行う。ｄ１方向は、矢印ｆの方向に対して直交する方向である。
【００１７】
次に、超音波モータ１の駆動原理について説明する。
図１（Ａ）で示した構成において被駆動部材１２を相対移動させるためには、以下の２種類の振動を振動子１１に対して同時に励振する必要がある。
（１）接触部１１２が被駆動部材１２の相対移動方向と平行な方向（図１（Ａ）のｄ１方向）に振動する第１の振動（以下、送り振動という）。
（２）接触部１１２が被駆動部材１２との当接方向と平行な方向（図１（Ａ）のｄ２方向）に振動する第２の振動（以下、第１突き上げ振動という）及び第３の振動（以下、第２突き上げ振動という）。
【００１８】
従来のチップ型振動子を用いた超音波モータは、１つの送り振動と１つの突き上げ振動を交互に振動子１１に加えて、接触部１１２に楕円運動を発生させる。これに対して、本発明の超音波モータ１では、振動子１１に対する１つの送り振動と、２つの突き上げ振動の励振により、接触部１１２に楕円運動とは異なる運動を発生させる。
【００１９】
図２は、各電極群１１１ａ〜１１１ｄへの印加電圧と、励振により発生する振動を誇張的に表した図である。なお、各電極群１１１ａ〜１１１ｄには、電極１１１ｅを接地電極とした電圧が印加されるものとする。
【００２０】
図２（Ａ）は、送り振動を励振させるための各電極群１１１ａ〜１１１ｄへの印加電圧と、励振により生じる振動を表す。送り振動を発生させるために、第１の電極群１１１ａ及び第２の電極群１１１ｂには、同一（同位相）の交流電圧が印加される。第３の電極群１１１ｃ及び第４の電極群１１１ｄには、電極群１１１ａ及び１１１ｂに印加した電圧とは逆位相の交流電圧が印加される。この時、振動子１１には長辺方向において３つの節（図２（Ａ）の破線Ｎ参照）を持つ、長辺方向の曲げ２次屈曲振動が励振される。接触部１１２は振動の節となる位置の近傍にそれぞれ配置されている。この振動により振動子１１の長辺方向と平行な方向（図中ｘ方向）に接触部１１２が振動する。
【００２１】
図２（Ｂ）は、第１突き上げ振動を励振するための各電極群１１１ａ〜１１１ｄへの印加電圧と、励振により生じる振動を表す。第１突き上げ振動を発生させるために、電極群１１１ａ、１１１ｂ，１１１ｃ、１１１ｄには同一（同位相）の交流電圧がそれぞれ印加される。また、第１突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数は、送り振動を励振する交流電圧の周波数と同じである。この時、振動子１１には短辺方向において２つ節（図２（Ｂ）の破線Ｎ参照）を持つ、短辺方向の曲げ１次屈曲振動が励振される。接触部１１２は振動の腹となる位置の近傍にそれぞれ配置されている。この振動により振動子１１の長辺と短辺がなす面に対して垂直な方向（図中ｚ方向）に接触部１１２が振動する。
【００２２】
図２（Ｃ）は、第２突き上げ振動を励振するための各電極群１１１ａ〜１１１ｄへの印加電圧と、励振により生じる振動を表す。第２突き上げ振動を発生させるために、第１の電極群１１１ａ及び第３の電極群１１１ｃには同一（同位相）の交流電圧が印加される。第２の電極群１１１ｂ及び第４の電極群１１１ｄには、電極群１１１ａ及び１１１ｃに印加した電圧とは逆位相の交流電圧が印加される。第２突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数（第２周波数）は、第１突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数（第１周波数）の整数倍である。図２（Ｃ）に示す超音波モータ１は、第２周波数を、第１周波数の３倍とした例である。この時、振動子１１には複数の破線Ｎで示すように、長辺方向において４つの節を持ち、短辺方向において２つ節を持つ定常波振動が励振される。接触部１１２は振動の腹となる位置の近傍にそれぞれ配置されている。この振動により振動子１１の長辺と短辺がなす面に対して垂直な方向（図中ｚ方向）に接触部１１２が振動する。
【００２３】
振動子１１の寸法は、図２（Ａ）から（Ｃ）にそれぞれ示す送り振動、第１突き上げ振動、第２突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数が、各振動を励振するために印加する交流電圧の周波数に近い値となるように設計される。これにより、各振動の共振が発生し、より大きな振動振幅を得ることができる。
【００２４】
以下、図３と図４を参照して超音波モータ１の作用及び効果を説明する。図３は、超音波モータ１に対して、送り振動と第１突き上げ振動のみを励振し、第２突き上げ振動を励振しない場合の比較例を示す。また、図４は、超音波モータ１に対して、本発明の特徴である送り振動と第１突き上げ振動と第２突き上げ振動を励振した場合を示す。
【００２５】
まず、図３を参照して比較例を説明する。図３（Ａ）は超音波モータに対し、送り振動と第１突き上げ振動を励振するための各電極群１１１ａ〜１１１ｄへの印加電圧を表す。横軸は時間軸であり、縦軸は電圧軸である。送り振動を発生させる電圧Ｅａ（図３（Ａ）の点線参照）に対し、第１突き上げ振動を発生させる電圧Ｅｂ（図３（Ａ）の破線参照）は９０度の位相遅れをもつ。２つの電圧ＥａとＥｂを重ね合わせた電圧Ｅｔ（図３（Ａ）の太線参照）が各電極群に印加される。この時、接触部１１２には図３（Ｂ）の（Ｂ−１）に示す楕円運動が発生する。
【００２６】
図３（Ｂ−１）は、各電極群１１１ａ〜１１１ｄに対し、図３（Ａ）に示す電圧をそれぞれ印加した時の接触部１１２の軌跡を示す。図３（Ｂ−２）は接触部１１２の軌跡に関し、突き上げ方向の変位の時間的変化を示す。図３（Ｂ−３）は接触部１１２の軌跡に関し、送り方向の変位の時間的変化を示す。また、図３（Ｂ−４）は接触部１１２の送り速度の時間的変化を示す。
【００２７】
各電極群１１１ａ〜１１１ｄに対し、図３（Ａ）に示す電圧Ｅｔをそれぞれ印加した時、図３（Ｂ−２）、（Ｂ−３）に示すように送り方向と突き上げ方向の振動は位相が９０度ずれた正弦波振動となる。よって、接触部１１２には図３（Ｂ−１）に示す楕円運動が発生する。図３（Ｂ−１）にて、突き上げ方向の負方向には被駆動部材１２が配置されており、接触部１１２は被駆動部材１２と接触する。Ｆは接触部１１２が被駆動部材１２に接触した時の反力を表す。この時、図１（Ａ）に示した振動子１１への加圧力ｆの力積と、反力Ｆの力積とが釣り合う。図３（Ｂ−１）に示す接触部１１２の軌跡のうち、接触している範囲において接触部１１２が送り振動の中心ｃの近傍に位置する点をＰ１と記し、接触部１１２が被駆動部材１２との接触を開始した点をＰ２と記す。接触部１１２が被駆動部材１２との接触を終えた点をＰ３と記す。
【００２８】
図３（Ｂ−３）に示す送り振動において、接触部１１２が被駆動部材１２に接触している接触時間をＴａで表す。接触時間Ｔａにおいて、接触部１１２が点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３にそれぞれ位置する時刻をｔ１、ｔ２、ｔ３で表す。時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３におけるそれぞれの瞬間での接触部１１２の送り速度を、図３（Ｂ−４）にてｖ１、ｖ２、ｖ３で表す。図３（Ｂ−４）に示すように、接触時間Ｔａにおいて送り速度は大きく変動しており、中でも速度ｖ１が最も大きく、速度ｖ２とｖ３はｖ１と比べて小さい。つまり、点Ｐ１の近傍は接触部１１２の軌跡のうちで送り速度が速い範囲であり、点Ｐ２、点Ｐ３の近傍は接触部１１２の軌跡のうち送り速度が相対的に遅い範囲である。被駆動部材１２がｖ２、ｖ３以上の速度で移動している場合、点Ｐ２、点Ｐ３の近傍では摩擦力がブレーキとして働くので、結果として被駆動部材１２の駆動速度はｖ１より小さくなる。このように、接触部１１２の軌跡のうちで、送り速度が相対的に小さい範囲で接触部１１２が被駆動部材１２に接触すると、被駆動部材１２の駆動速度は遅くなってしまう。
【００２９】
次に、図４を参照して本実施形態の場合を説明する。図４（Ａ）は超音波モータに対し、送り振動と第１突き上げ振動と第２突き上げ振動を励振するための各電極群１１１ａ〜１１１ｄへの印加電圧を表す。送り振動を発生させる電圧Ｅａ（図４（Ａ）の点線参照）と、第１突き上げ振動を発生させる電圧Ｅｂ（図４（Ａ）の破線参照）と、第２突き上げ振動を励振させる電圧Ｅｃ（図４（Ａ）の細線参照）をそれぞれ示す。各電圧Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃを重ね合わせた電圧Ｅｔ（図４（Ａ）の太線参照）が各電極群に印加される。これにより、図３（Ｂ−１）に示す接触部１１２の楕円運動に対し、整数倍の周波数の第２突き上げ振動が重ね合わされる結果、接触部１１２には図４（Ｂ）の（Ｂ−１）に示す運動が発生する。
【００３０】
図４（Ｂ−１）は、各電極群１１１ａ〜１１１ｄに対し、図４（Ａ）に示す電圧をそれぞれ印加した時の接触部１１２の軌跡を示す。図４（Ｂ−２）は接触部１１２の軌跡に関し、突き上げ方向の変位の時間的変化を示す。図４（Ｂ−３）は接触部１１２の軌跡に関し、送り方向の変位の時間的変化を示す。また、図４（Ｂ−４）は接触部１１２の送り速度の時間的変化を示す。
【００３１】
各電極群１１１ａ〜１１１ｄに図４（Ａ）に示す電圧Ｅｔをそれぞれ印加した時、送り方向の振動は図４（Ｂ−３）に示す通り、図３（Ｂ−３）と同様に正弦波振動となる。また、突き上げ方向の振動は図４（Ｂ−２）に示す通り、図３（Ｂ−２）に示す正弦波振動に、３倍の周波数の正弦波振動を足し合わせた振動となる。図４（Ｂ−１）にて、突き上げ方向の負方向には被駆動部材１２が配置されており、接触部１１２は被駆動部材１２と接触する。接触部１１２の軌跡は、接触中にて接触部１１２が送り振動の中心ｃの近傍に位置する時に突き上げ方向の負方向に突出した形状となる。接触部１１２にこのような運動を発生している場合、接触部１１２が送り振動の中心ｃに近い時のみ、接触部１１２と被駆動部材１２が接触する。Ｆは接触部１１２が被駆動部材１２に接触した時の反力を表す。この時、図１（Ａ）に示した振動子１１への加圧力ｆの力積と、反力Ｆの力積とが釣り合う。
【００３２】
図４（Ｂ−３）に示す送り振動において、接触部１１２が被駆動部材１２に接触している接触時間をＴａで表す。接触部１１２の軌跡において、接触部１１２が送り振動の中心ｃの近傍に位置する点をＰ１と記し、接触部１１２が被駆動部材１２との接触を開始した点をＰ２と記す。接触部１１２が被駆動部材１２との接触を終えた点をＰ３と記す。また、接触部１１２が点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に位置する時刻をそれぞれ、ｔ１、ｔ２、ｔ３で表し、各時刻での送り速度をｖ１、ｖ２、ｖ３で表す。図４（Ｂ−１）に示す軌跡においては、図３（Ｂ−１）に示す軌跡に比べて、点Ｐ２と点Ｐ３が送り振動の中心ｃに近い位置にある。この時、図４（Ｂ−４）に示すように点Ｐ２、点Ｐ３における各送り速度ｖ２、ｖ３は、点Ｐ１における送り速度ｖ１とほぼ等しい。つまり、点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３の近傍はいずれも、接触部１１２の軌跡のうちで送り速度が速い範囲である。この場合、摩擦力はほぼ被駆動部材１２に対する駆動力として働くので、結果として被駆動部材１２を速度ｖ１で駆動させることができる。このように、接触部１１２の軌跡において、送り速度が速い範囲のみで接触部１１２が被駆動部材１２に接触すると、被駆動部材１２の駆動速度を速くすることができる。また、本実施形態に示すように接触部１１２の軌跡は図４（Ｂ−１）で示した形状であり、図３（Ｂ−１）で示した楕円形状の軌跡に比べて、接触時間Ｔａは短いが、反力Ｆによる力積は等しい。超音波モータの駆動力は摩擦力に比例し、摩擦力は反力Ｆに比例する。よって、駆動速度を大きくした場合、接触時間Ｔａは短くなるが駆動力が低下することはない。
【００３３】
なお、超音波モータ１では、第２突き上げ振動の励振周波数（第２周波数）を第１突き上げ振動の励振周波数（第１周波数）の３倍にした例を説明した。前記の効果を得るには、第２周波数が第１周波数の整数倍であればよい。図５は第２周波数を第１周波数の整数倍として変化させた場合の接触部１１２の軌跡を例示する。第２周波数を第１周波数の２倍に設定した場合を図５（Ａ）に示し、３倍に設定した場合を図５（Ｂ）に示し、４倍に設定した場合を図６（Ａ）に示し、５倍に設定した場合を図６（Ｂ）に示す。各図に示す接触部１１２の軌跡において、接触部１１２が送り振動の中心ｃに位置する点のうち、突き上げ方向の負方向の点をＰ１とする。接触部１１２の送り速度は点Ｐ１で最速となる。図５（Ａ−１）と（Ｂ−１）、図６（Ａ−１）と（Ｂ−１）は接触部１１２の各軌跡を示す。接触部１１２には、点Ｐ１（最速点）にて突き上げ方向の負方向に突出した形状の運動が発生する。これらの軌跡において、突き上げ方向の負方向に被駆動部材１２を配置すれば、接触部１１２の軌跡のうちの送り速度が速い範囲のみで接触部１１２と被接触部材１２とを接触させることができる。
【００３４】
本実施形態では、超音波モータ１に対し、送り振動と第１突き上げ振動と第２突き上げ振動とを同時に励振する。第２突き上げ振動の励振周波数は第１突き上げ振動の励振周波数の整数倍であり、接触部１１２の軌跡のうちの送り速度が速い範囲のみで接触部１１２が被駆動部材１２に接触する。これにより、駆動速度が速い振動型アクチュエータを実現できる。
【００３５】
本発明に係る振動型アクチュエータは、例えば振動子の構造や形状、圧電素子上の電極形状、電極群に印加する電圧を仕様に応じて設計可能である。また、送り振動、第１突き上げ振動、第２突き上げ振動に用いる振動モードについても各種の設定が可能である。例えば、第１突き上げ振動と第２突き上げ振動とを重ね合わせる場合、これらの振動の位相設定によって効果が変化する。図３（Ｂ）に示した接触部１１２の振動において、第２突き上げ振動の位相を９０度早めた上で第１突き上げ振動と重ね合わせた時の接触部１１２の軌跡を図７（Ａ）に示す。
【００３６】
図７（Ａ−１）は接触部１１２の軌跡を示し、図７（Ａ−２）は突き上げ方向の変位の時間的変化を示す。第１突き上げ振動において、接触部１１２の変位が被駆動部材１２の方向に最大となる時刻をＴｐ１に示す。時刻Ｔｐ１は、第２突き上げ振動において接触部１１２の変位が被駆動部材１２の方向に最大となる時刻Ｔｐ２と一致しない。すなわち、第１突き上げ振動において接触部１１２の変位が被駆動部材１２の方向に最大となる時点では、第２突き上げ振動において接触部１１２の変位が被駆動部材１２の方向に最大とならない。この場合、図７（Ａ−１）の点Ｐ４で示すように、接触部１１２が送り振動の中心ｃの近傍ではない位置で、突き上げ方向の負方向に突出した形状の運動が発生する。この時、図７（Ａ−１）に３点Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７で示すように、送り振動の中心ｃから遠い位置でも接触部１１２と被駆動部材１２とが接触してしまう。図７（Ａ−４）に示すように、接触部１１２が各点Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７に位置する時の、それぞれの送り速度ｖ５、ｖ６、ｖ７は速度ｖ１に比べて小さい。つまり、各点Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７の近傍は接触部１１２の軌跡のうちで送り速度が相対的に小さい範囲である。結果として、接触部１１２の軌跡のうち、送り速度が速い範囲のみで接触部１１２が被駆動部材１２に接触できないので、前記した効果が十分得られず、駆動速度が低下する。よって、第１突き上げ振動において接触部１１２の変位が被駆動部材１２の方向に最大となる時に、第２突き上げ振動において接触部１１２の変位が被駆動部材１２の方向に最大となる設計が最善である。
【００３７】
前記実施形態では、送り振動、第１突き上げ振動、第２突き上げ振動の各振動において、使用する振動モードの共振周波数と励振周波数が精確に一致しており、印加電圧に対し位相が９０度遅れて振動が発生するものとして説明した。しかし、実際に振動モードの共振周波数と励振周波数とを一致させることが困難な場合もある。図７（Ｂ）は、第１突き上げ振動と第２突き上げ振動における各印加電圧の周波数と、励振により生じる振動の位相差との関係を表す。横軸は印加電圧の周波数を示し、縦軸は振動の位相差を示す。
【００３８】
図７（Ｂ）にて、第２突き上げ振動の励振周波数をｆｄ２と記し、第１突き上げ振動の励振周波数をｆｄ１と記す。ｆｄ２はｆｄ１の整数倍である。第１突き上げ振動の共振周波数をｆｒ１と記し、第２突き上げ振動の共振周波数をｆｒ２と記す。この時、各振動の共振周波数ｆｒ１、ｆｒ２は、それぞれに対応する励振周波数と略一致するように設計される。しかし、実際には僅かな誤差が発生し得る。このため、第１突き上げ振動、第２突き上げ振動において、各印加電圧に対して励振される振動の位相遅れは９０度とは限らず、それぞれ異なる値となる。図７（Ｂ）のΔθ１は励振周波数ｆｄ１における位相差を示し、Δθ２は励振周波数ｆｄ２における位相差を示す。
【００３９】
図７（Ａ）に示した通り、各振動を適切なタイミングで重ね合わせることができなければ、前記の効果が十分に得られない。換言すれば、印加電圧に対する位相遅れの違いを補正する必要がある。具体的には、第１突き上げ振動を励振する電圧に対し、第２突き上げ振動を励振する電圧を、位相差「Δθ１―Δθ２」に相当する時間分だけ早いタイミングで重ね合わせて各電極群に印加する制御が行われる。超音波モータ１の位相差制御部は、第１突き上げ振動と第２突き上げ振動との位相差を制御し、各振動を励振する交流電圧を適切なタイミングで重ね合わせる役割を果たす。図８に示すように、位相差制御部１０１の制御信号は駆動部１００に出力され、超音波モータ１への印加電圧の位相制御が行われる。
【００４０】
共振周波数の高い振動モードでは、その振幅が小さくなる傾向があり、第１突き上げ振動の振幅に対して第２突き上げ振動の振幅は小さくなる。この場合、接触部１１２の軌跡が楕円形状に近づくので、本発明の効果が小さくなる。そこで、図９を参照して、第１突き上げ振動の振幅に対する第２突き上げ振動の振幅の割合を大きくする方法を、以下に説明する。図９は、第１突き上げ振動と第２突き上げ振動における印加電圧の周波数を横軸にとり、振動振幅を縦軸にとって両者の関係をグラフに表した図である。
【００４１】
図９（Ａ）は、第２突き上げ振動の励振周波数ｆｄ２を、第１突き上げ振動の励振周波数ｆｄ１の３倍にした場合を表す。図９（Ｂ）は、第２突き上げ振動の励振周波数ｆｄ２を、第１突き上げ振動の励振周波数ｆｄ１の２倍にした場合を表す。図９（Ａ）及び（Ｂ）にて、ｆｄ１での振幅をＡ１と記し、ｆｄ２での振幅をＡ２と記す。前述の通り、第１突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数ｆｒ１は、第１突き上げ振動の励振周波数ｆｄ１の近傍になるように設計される。また、第２突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数ｆｒ２は第２突き上げ振動の励振周波数ｆｄ２の近傍になるように設計される。
【００４２】
図９（Ａ）では、第２突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数ｆｒ２が高いため、突き上げ振動の振幅Ａ２は小さい。これに対し、図９（Ｂ）では、共振周波数ｆｒ２が図９（Ａ）の場合に比べて低いため、振動振幅Ａ２が大きい。つまり、第２突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数ｆｒ２は低いほど好ましい。一方で、ｆｄ２はｆｄ１の整数倍とする必要がある。このことから、第２突き上げ振動の励振周波数を第１突き上げ振動の励振周波数の２倍に設定することが最善である。
【００４３】
次に、図１０を参照して、第１突き上げ振動の振幅に対して第２突き上げ振動の振幅が十分に大きく得られるようにするための励振方法について説明する。図１０は、第１突き上げ振動と第２突き上げ振動の印加電圧の周波数を横軸にとり、振動振幅を縦軸にとって両者の関係をグラフに表した図である。図１０（Ａ）及び（Ｂ）において、第１突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数ｆｒ１と、第１突き上げ振動の励振周波数ｆｄ１との差ｆｄ１−ｆｒ１を、Δｆ１と記す。また、第２突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数ｆｒ２と、第２突き上げ振動の励振周波数ｆｄ２との差ｆｄ２−ｆｒ２を、Δｆ２と記す。
【００４４】
図１０（Ａ）は、Δｆ１に対し、Δｆ２の方が大きい例を示す。また図１０（Ｂ）は、Δｆ１に対し、Δｆ２の方が小さい例を示す。図１０（Ａ）に示すように、Δｆ１＜Δｆ２の場合、第１突き上げ振動の振幅Ａ１に対する第２突き上げ振動の振幅Ａ２の割合が小さくなる。この時、接触部の軌道は楕円形状に近くなり、本発明の効果が小さくなる。一方、図１０（Ｂ）に示すように、Δｆ１＞Δｆ２の場合には、第１突き上げ振動の振幅Ａ１に対する第２突き上げ振動の振幅Ａ２の割合が大きくなる。この場合に本発明の効果がより大きい。つまり、第１突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数と第１突き上げ振動の励振周波数との差Δｆ１に対し、第２突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数と第２突き上げ振動の励振周波数との差Δｆ２を小さくする設定が行われる。
以上に説明した励振方法については、後述する実施形態にも同様に適用され、各超音波モータを構成する振動子の励振制御が実行される。
【００４５】
［適用例］
次に図１１を参照して、超音波モータ１を用いたモータユニット５１の構成例について説明する。図１１（Ａ）はモータユニット５１を、振動子１１と被駆動部材１２との相対移動方向から見た場合の図である。図１１（Ａ）にて紙面に垂直な方向をｄ１方向（手前側を正方向）とし、ｄ１方向に直交する上下方向（下側を正方向）をｄ２方向と定義する。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示した超音波モータ１のＡ−Ａ断面図である。図１１（Ｂ）にて左右方向をｄ１方向（左側を正方向）とし、ｄ１方向に直交する上下方向（下側を正方向）をｄ２方向と定義する。
【００４６】
モータユニット５１は振動子１１と被駆動部材１２、及び振動子１１を保持する第１保持部材５２を備える。第２保持部材５３は被駆動部材１２を保持し、ｄ１方向に移動可能である。加圧部材５４は被駆動部材１２に対し振動子１１を加圧する役目をもち、例えば、コイルバネ等の弾性部材を用いる。これらの部材を内部に収容するベース部材５５は、モータユニット５１の外筐を構成しており、例えば樹脂材料で形成される。第２保持部材５３とベース部材５５との間には、複数の転動部材５６が配置されている。転動部材５６はボールまたはコロであり、ベース部材５５に対して第２保持部材５３を転動支持する。
【００４７】
前記した構成の振動子１１は、接触部１１２が被駆動部材１２に対向して当接した配置である。被駆動部材１２は第２保持部材５３に固定され、両部材は振動子１１に対して相対的に移動する。第２保持部材５３は、例えば樹脂材料で形成され、被駆動部材１２に対して接着やネジ締結等で固定される。また、第２保持部材５３には、駆動力の取り出し部５３ｂとしての突出部が設けられており、図示しない駆動対象と連結される。駆動対象は撮像装置のレンズ鏡筒内の可動部材であり、レンズ等の可動光学部材やカム筒等である。
【００４８】
第２保持部材５３とベース部材５５には、それぞれ対向する位置に溝部５３ａ、５５ａが設けられている。溝部５３ａ、５５ａには転動部材５６が配置される。これにより、被駆動部材１２及び第２保持部材５３は、ベース部材５５に対し、駆動方向（図１１のｄ１方向）にのみ移動可能に支持される。
【００４９】
振動子１１は第１保持部材５２によってベース部材５５の内側面部と連結されており、被駆動部材１２との当接方向（図１１のｄ２方向）に変位可能に保持されている。第１保持部材５２は、例えば薄い板金により形成され、板金の屈曲方向にのみ剛性が低く、変位が可能である。ベース部材５５と振動子１１の間に配置された加圧部材５４の圧縮力（図１１のｆ参照）により、振動子１１に設けられた接触部１１２が被駆動部材１２に対して圧接される。圧電素子１１１に対して電圧を印加すると振動子１１が振動し、前述の駆動原理により被駆動部材１２が駆動方向（図１１のｄ１方向）に移動する。
本実施形態によれば、超音波モータを適用した、駆動速度が速い振動型アクチュエータを提供できる。
【００５０】
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態を説明する。図１２は、第２実施形態に係る超音波モータ２を示す。図１２（Ａ）は超音波モータ２の側面図であり、超音波モータ２は振動子２１と被駆動部材２２によって構成される。図１２（Ａ）の左右方向をｄ１方向（右側を正方向）とし、ｄ１方向に直交する上下方向（下側を正方向）をｄ２方向と定義する。ｄ１方向は振動子２１と被駆動部材２２との相対移動方向と平行な方向であり、ｄ２方向は振動子２１の接触部２１２が被駆動部材２２に当接する方向と平行な方向である。
【００５１】
図１２（Ｂ）は振動子２１の斜視図である。振動子２１は、例えば平板形状の圧電素子２１１を平板部材２１３に貼り付けた構造である。圧電素子２１１や平板部材２１３の材質は第１実施形態の場合と同様である。また、被駆動部材２２の材質や表面加工についても第１実施形態と同様である。平板部材２１３には被駆動部材２２と接触する１つの接触部２１２が設けられている。接触部２１２の形成方法は第１実施形態の場合と同様であり、接触部２１２は被駆動部材２２に圧接されている。
【００５２】
圧電素子２１１は、例えば１枚の圧電素子層で構成され、図１２（Ａ）に示す第１の面Ａと、その反対側の第２の面Ｂには、電圧を印加するための電極がそれぞれ形成されている。図１２（Ｃ）は、第１の面Ａの電極形状を表し、図１２（Ｄ）は第２の面Ｂの電極形状を表している。図１２（Ｃ）に示すように、圧電素子２１１の第１の面Ａには長辺方向にて６分割された電極が配置されている。長辺方向にて図１２（Ｃ）の左端から数えて１つ目と３つ目の電極を第１の電極群２１１ａとし、２つ目の電極を第２の電極群２１１ｂとする。また長辺方向にて左端から数えて４つ目と６つ目の電極を第３の電極群２１１ｃとし、５つ目の電極を第４の電極群２１１ｄとする。同じ電極群に属する各電極は振動子２１の外部で導通される。各電極群には駆動部２００（図１２（Ａ）参照）からの電圧がそれぞれ印加される。
【００５３】
図１２（Ｄ）に示すように、圧電素子２１１の第２の面Ｂには全面に亘って１つの電極２１１ｅが形成されている。電極２１１ｅに対して電圧を印加するための配線取り出し部２１１ｆが形成されている。圧電素子２１１には、面Ｂに形成した電極２１１ｅを接地電極として、面Ａに形成した各電極群に駆動部２００が同一の高電圧を印加することで、予め全電極群において同一方向に分極している。
【００５４】
前記の構成の超音波モータ２において、圧電素子２１１上の電極群２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄに交流電圧をそれぞれ印加すると振動子２１が振動し、被駆動部材２２が振動子２１に対して、図１２（Ａ）のｄ１方向に相対的に移動する。以下、超音波モータ２の駆動原理について説明する。
【００５５】
超音波モータ２にて振動子２１に対し、送り振動、第１突き上げ振動、そして第２突き上げ振動を励振させることで、被駆動部材２２を相対移動させることができる。図１３は、各電極群２１１ａ〜２１１ｄへの印加電圧と、励振される振動を表す。各電極群には、電極２１１ｅを接地電極とした電圧を印加するものとする。
【００５６】
図１３（Ａ）は、送り振動を励振させるための各電極群２１１ａ〜２１１ｄへの印加電圧と、励振される振動を表す。送り振動を発生させるために、第１の電極群２１１ａ及び第２の電極群２１１ｂには同一（同位相）の交流電圧が印加される。第３の電極群２１１ｃ及び第４の電極群２１１ｄには電極２１１ａ及び２１１ｂに印加した電圧とは逆位相の交流電圧が印加される。この時、振動子２１には長辺方向において３つの節（図１３（Ａ）の破線Ｎ参照）を持つ、長辺方向の曲げ２次屈曲振動が励振される。接触部２１２は振動の節となる位置の近傍に配置されている。この振動により振動子２１の長辺方向と平行な方向（図中ｘ方向）に接触部２１２が振動する。
【００５７】
図１３（Ｂ）は、第１突き上げ振動を励振させるための各電極群２１１ａ〜２１１ｄへの印加電圧と、励振される振動を表す。第１突き上げ振動を発生させるために、電極群２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄには同一（同位相）の交流電圧が印加される。印加電圧の周波数は、送り振動を励振する場合の交流電圧の周波数と同じである。この時、振動子２１には短辺方向において２つ節（図１３（Ｂ）の破線Ｎ参照）を持つ、短辺方向の曲げ１次屈曲振動が励振される。接触部２１２は振動の腹となる位置の近傍に配置されている。この振動により振動子２１の長辺と短辺がなす面に対して垂直な方向（図中ｚ方向）に接触部２１２が振動する。
【００５８】
図１３（Ｃ）は、第２突き上げ振動を励振させるための各電極群２１１ａ〜２１１ｄへの印加電圧と、励振される振動を表す。第２突き上げ振動を発生させるために、第１の電極群２１１ａ及び第３の電極群２１１ｃには同一（同位相）の交流電圧が印加される。第２の電極群２１１ｂ及び第４の電極群２１１ｄには電極群２１１ａ及び２１１ｃに印加した電圧とは逆位相の交流電圧が印加される。第１実施形態の場合と同様に、第２突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数（第２周波数）は、第１突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数（第１周波数）の整数倍である。本実施形態では、第２周波数を第１周波数の３倍とした例を示す。この時、振動子２１には、図１３（Ｃ）の破線Ｎに示すように、長辺方向において４つ節を持つ、長辺方向の３次屈曲振動が励振される。接触部２１２は振動の腹となる位置の近傍に配置されている。この振動により振動子２１の長辺と短辺がなす面に対して垂直な方向（図中ｚ方向）に接触部２１２が振動する。
【００５９】
第１実施形態と同様に、振動子２１の寸法は、送り振動、第１突き上げ振動、第２突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数が、各振動を励振するために印加する交流電圧の周波数に近い値となるように設計される。接触部の軌跡に関しては第１実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
超音波モータ２では、図１３に示すように、各電極群への電圧に適切な位相差を持たせて重ね合わせることで、第１実施形態の場合と同様の運動が接触部に発生する。これにより、接触部の軌跡のうちの送り速度が速い範囲のみで接触部を被駆動部材と接触させることができる。
本実施形態では、超音波モータ２において、送り振動と第１突き上げ振動と第２突き上げ振動を同時に励振する際、第２突き上げ振動の励振周波数が第１突き上げ振動の整数倍に設定される。接触部の軌跡のうちの送り速度が速い範囲のみで接触部が被駆動部材に接触するため、駆動速度が速い振動型アクチュエータを実現できる。なお、超音波モータ２を用いたモータユニットへの適用例に関しては、第１実施形態の場合と同様の構成が挙げられるため、その説明を省略する。
【００６０】
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態を説明する。
図１４（Ａ）は本実施形態に係る超音波モータ３の側面図である。超音波モータ３は振動子３１と被駆動部材３２によって構成される。図１４（Ａ）の左右方向をｄ１方向（右側を正方向）とし、上下方向をｄ２方向（下側を正方向）と定義する。
【００６１】
図１４（Ｂ）は振動子３１の斜視図である。振動子３１は、矩形状の圧電素子３１１と、その端面に設けた１つの接触部３１２を備える。接触部３１２は被駆動部材３２と接触する。圧電素子３１１の材質は第１実施形態の場合と同様である。接触部３１２は、例えばステンレス鋼で形成され、接着により圧電素子３１１に貼り付けて形成される。被駆動部材３２の材質や表面加工については第１実施形態の場合と同様である。
【００６２】
圧電素子３１１は、例えば複数の圧電素子層で構成され、各層の両面には図１４（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、電圧を印加するための電極が交互に形成されている。図１４（Ｃ）に示す電極層には、振動子３１の長辺方向において２分割され、かつ短辺方向において２分割された電極が形成されている。４つの電極はそれぞれが異なる電極群３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ、３１１ｄに属している。外部から電極に電圧を印加するために、各電極群には配線取り出し部３１１ｆ、３１１ｇ、３１１ｈ、３１１ｉがそれぞれ形成されている。各電極群には駆動部３００（図１４（Ａ）参照）からの電圧がそれぞれ印加される。
【００６３】
図１４（Ｄ）に示す電極層には、全面に亘って電極３１１ｅが形成されている。外部から電極に電圧を印加するために、電極３１１ｅには配線取り出し部３１１ｊが形成されている。圧電素子３１１には、電極３１１ｅを接地電極として、各電極群３１１ａ〜３１１ｄに同一の高電圧を駆動部３００が印加する。これにより圧電素子３１１は、１つの層の全電極群においては同一方向であって、隣接する層ごとに逆方向となる向きに予め分極している。
【００６４】
前記の構成の超音波モータ３において、圧電素子３１１上の電極群３１１ａ〜３１１ｄに交流電圧をそれぞれ印加すると振動子３１が振動し、被駆動部材３２が振動子３１に対して図１４（Ａ）のｄ１方向へ相対的に移動する。
【００６５】
次に、図１５を参照して、超音波モータ３の駆動原理を説明する。前記実施形態と同様に、超音波モータ３にて、振動子３１に送り振動、第１突き上げ振動、そして第２突き上げ振動を励振させる。図１５は各電極群３１１ａ〜３１１ｄへの印加電圧と、励振される振動を表す。なお、各電極群３１１ａ〜３１１ｄには、電極３１１ｅを接地電極とした電圧を印加するものとする。
【００６６】
図１５（Ａ）は、送り振動を励振させるための各電極群３１１ａ〜３１１ｄへの印加電圧と、励振される振動を表す。送り振動を発生させるために、第１の電極群３１１ａ及び第４の電極群３１１ｄには同一（同位相）の交流電圧が印加される。第２の電極群３１１ｂ及び第３の電極群３１１ｃには、電極群３１１ａ及び３１１ｄに印加した電圧との逆位相の交流電圧が印加される。この時、振動子３１には長辺方向において３つの節（図１５（Ａ）の破線Ｎ参照）を持つ、長辺方向の曲げ２次屈曲振動が励振される。接触部３１２は振動の腹となる位置の近傍に配置されている。この振動により振動子３１の短辺と平行な方向（図中ｘ方向）に接触部３１２が振動する。
【００６７】
図１５（Ｂ）は、第１突き上げ振動を励振させるための各電極群３１１ａ〜３１１ｄに印加する電圧と、励振される振動を表す。第１突き上げ振動を発生させるために、電極群３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃ、３１１ｄには同一（同位相）の交流電圧が印加される。第１突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数は、送り振動を励振するための印加電圧の周波数と同じである。この時、振動子３１には短辺方向において１つ平面状の節（図１５（Ｂ）の破線枠Ｎ参照）を持つ、長辺方向の１次伸縮振動が励振される。接触部３１２は振動の腹となる位置の近傍に配置されている。この振動により振動子３１の長辺と平行な方向（図中ｚ方向）に接触部３１２が振動する。
【００６８】
図１５（Ｃ）は、第２突き上げ振動を励振させるための各電極群３１１ａ〜３１１ｄに印加する電圧と、励振される振動を表す。第２突き上げ振動を発生させるために、第１の電極群３１１ａ及び第３の電極群３１１ｃには同一（同位相）の交流電圧が印加される。第２の電極群３１１ｂ及び第４の電極群３１１ｄには電極３１１ａ及び３１１ｃに印加した電圧とは逆位相の交流電圧が印加さる。第１実施形態の場合と同様に、第２突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数は、送り振動及び第１突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数の整数倍である。超音波モータ３では、第２突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数を、送り振動及び第１突き上げ振動を励振するための印加電圧の周波数の２倍に設定している。この時、振動子３１には長辺方向において２つ平面状の節（図１５（Ｃ）の破線枠Ｎ参照）を持つ、長辺方向の２次伸縮振動が励振される。接触部３１２は振動の腹となる位置の近傍に配置されている。この振動により振動子３１の長辺と平行な方向（図中ｚ方向）に接触部３１２が振動する。
【００６９】
本実施形態においても、前記実施形態と同様に振動子の寸法は、送り振動、第１突き上げ振動、第２突き上げ振動に用いる振動モードの共振周波数が各振動を励振するために印加する交流電圧の周波数に近い値となるように設計される。接触部の軌跡に関しては前記実施形態の場合と同様であるため、その説明を省略する。
【００７０】
超音波モータ３では、図１５に示すように、各電極への電圧に適切な位相差を持たせて重ね合わせることで、接触部には第１実施形態の場合と同様の運動が発生する。これにより接触部の軌跡のうちの送り速度が速い範囲のみで接触部を被駆動部材と接触させることができる。なお、本実施形態においても、第２突き上げ振動の励振周波数は第１突き上げ振動の励振周波数の整数倍である。本実施形態によれば、駆動速度が速い振動型アクチュエータを提供できる。
【００７１】
超音波モータ３では、第１突き上げ振動として振動子３１の伸縮モードを用いた。伸縮モードでは高次の振動になると共振周波数が次数倍になるため、第２突き上げ振動として第１突き上げ振動で用いた伸縮モードの高次振動モードを用いることができる。第２突き上げ振動モードとして第１突き上げ振動モードとは異なる振動モードを用いる場合、送り振動、第１突き上げ振動、第２突き上げ振動の３つの振動モードの共振周波数を個別に調整する必要がある。この場合、振動子に許容される寸法の自由度は低くなる。超音波モータ３のように第１突き上げ振動に伸縮モードを用いると、自動的に整数倍の周波数の位置が高次の伸縮モードの周波数となる。このため、実質的に２つの振動モードの共振周波数を調整すればよいので、振動子に許容される寸法の自由度が向上する。また、第１突き上げ振動に振動子のねじり振動を用いた場合も同様に、第１突き上げ振動に用いた振動モードの高次の振動モードを第２突き上げ振動として用いることができるので、振動子に許容される寸法の自由度が向上する。
【００７２】
以上により、下記の実施形態がある。
・第１突き上げ振動に振動子の伸縮振動モードを採用し、第２突き上げ振動には第１突き上げ振動に用いる振動モードの高次振動モードを採用した実施形態。
・第１突き上げ振動に振動子のねじり振動モードを採用し、第２突き上げ振動には第１突き上げ振動に用いる振動モードの高次振動モードを採用した実施形態。
なお、超音波モータ３を用いたモータユニットへの適用例に関しては、第１実施形態の場合と同様の構成が挙げられるため、その説明を省略する。
【符号の説明】
【００７３】
１，２，３  超音波モータ
１１，２１，３１  振動子
１２，２２，３２  被駆動部材
１００，２００，３００  駆動部
１０１  位相差制御部
１１１，２１１，３１１  圧電素子
１１２，２１２，３１２  接触部
【図１】
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【図２】
2016019291.tif 000004
【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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