JP6525640B2 - 振動型アクチュエータ、超音波モータおよびレンズ鏡筒 - Google Patents

Description

本発明は、振動型アクチュエータ、超音波モータおよびレンズ鏡筒に関する。

従来から、無音動作や高トルク出力、低速から高速までの駆動が可能なこと、などの特徴を活かして、カメラやレンズの駆動源として超音波モータが採用されている。超音波モータは、圧電素子と振動板とを接着剤で固着して振動子を構成し、圧電素子に高周波の電圧を印加することで、振動子に超音波振動を励起させる。特許文献１では、振動子の摩擦接触部が押圧方向に振動する１次の曲げ振動モードと、駆動方向に振動する２次の曲げ振動モードを合成して、摩擦接触部に楕円振動を発生させる超音波モータを開示している。

特開２０１４−７２９８６号公報

しかしながら、特許文献１が開示する超音波モータでは、１次の曲げ振動モードの方が変形しやすいため、振動振幅が必要以上に大きくなり、駆動効率が低下する。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、駆動効率の低下を軽減した振動型アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態の振動型アクチュエータは、摺動部を有する振動板に圧電素子が取り付けられた振動子を備え、前記摺動部が前記圧電素子で励起される複数の直交する振動により楕円振動することにより、前記摺動部と摩擦接触する部材及び前記振動子が相対的に移動する振動型アクチュエータであって、前記振動板は、前記圧電素子に対して長手方向及び短手方向に、はみ出し部を有し、前記はみ出し部は、前記長手方向のはみ出し量が前記短手方向のはみ出し量よりも大きく、前記圧電素子には、引き出し方向が前記短手方向と平行になるようにフレキシブル基板が取り付けられていて、前記圧電素子の電極と導通する前記フレキシブル基板に設けられた銅箔は、前記長手方向に複数に分割され、前記短手方向には繋がっていることを特徴とする。

本発明によれば、振動板が圧電素子に対して長手方向及び短手方向に、はみ出し部を有するように構成することで、駆動効率の低下を軽減した振動型アクチュエータを提供することができる。

本実施形態の振動型アクチュエータの分解斜視図である。 ユニット化し各部材を組込んだ状態を示す図である。 振動子と支持部材の接合状態を示す拡大斜視図である。 ユニット化し各部材を組込んだ状態を示す拡大断面図である。 本実施形態の振動子の形状を示す図である。 ２つの曲げ振動モードの振動の節と腹の位置を示す図である。 ２つの曲げ振動モードの歪の大きさを示すグラフである。 電圧の周波数と楕円振動の振幅の関係を示す図である。 本実施形態のフレキシブル基板の形状を示す図である。 振動子にフレキシブル基板が貼りついた状態を示す図である。 従来の電圧の周波数と楕円振動の振幅の関係を示す図である。

以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、本実施形態の超音波モータは、デジタルカメラ用のレンズ鏡筒などの駆動用アクチュエータとしてユニット化した直動駆動型モータを例に説明するが、使用用途はこれに限定されない。

まず、図１は、本実施形態の振動型アクチュエータの分解斜視図である。図１に示す振動型アクチュエータは、超音波モータである。ここで、本実施形態において、振動子１０９に発生する楕円運動により振動子１０９が移動する方向をＸ方向と定義する。また、バネ部材１０７による加圧方向をＺ方向と定義する。そして、Ｚ方向において、振動子１０９が被駆動部１０１から遠ざかる向きを＋Ｚ向き、振動子１０９が被駆動部１０１に近づく方向を−Ｚ向きと定義する。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。なお、同一部材は同一記号で図示する。

固定台１１０は、直動駆動型モータのユニットの全体を保持している。被駆動部１０１は、振動子１０９が加圧接触する接触面１０１ａを備える。被駆動部１０１は、２本の固定ビス１１１で固定台１１０に固定されている。振動板１０２は、接触面１０１ａに押圧を伴う加圧接触状態で接触する。圧電素子１０３は、振動板１０２に接着剤などにより固着されている。そして、振動板１０２に圧電素子１０３が固着された状態で、圧電素子１０３に電圧を印加することにより、超音波振動を発生させ、振動板１０２に楕円運動を発生させることができる。本実施形態の超音波モータでは、振動板１０２と圧電素子１０３とで振動子１０９を構成する。

遮断部材１１５は、圧電素子１０３の超音波振動を他の部品に伝わらないように遮断し、圧電素子１０３の超音波振動を減衰させることなく、小基台１０４への超音波振動の伝播を防ぐ。なお、遮断部材１１５の材料はフェルト生地が適している。小基台１０４は、遮断部材１１５を介して圧電素子１０３と面接触し、バネ部材１０７による加圧力を圧電素子１０３に伝える。

保持部材１０５は、振動子１０９の周りの部品を保持する。加圧部材１０６は、加圧受け部材１０８の貫通穴部１０８ａに嵌合し、被駆動部１０１の接触面１０１ａに対して概ね垂直な方向にのみ移動可能に保持される。そして、バネ部材１０７からの押圧力を、遮断部材１１５と小基台１０４を介して振動子１０９に伝え、振動子１０９を被駆動部１０１に加圧接触させる。

バネ部材１０７は圧縮コイルバネで構成され、一方の端部は加圧受け部材１０８で固定され、もう一方の端部が加圧部材１０６に押圧力を伝えることで、振動子１０９と被駆動部１０１を加圧接触させる。加圧部材１０６とバネ部材１０７が、本実施形態における加圧手段である。加圧受け部材１０８は、中央に丸穴のあいた円板形状しており、外周側面に形成されたネジ部で保持部材１０５のネジ部１０５ｂにねじ込み固定される。また、中央にあいた丸穴である嵌合穴部１０８ａで、加圧部材１０６を嵌合保持している。

支持部材１１４は薄板形状で形成されており、Ｘ方向よりもＺ方向の方が弱い剛性を有する。振動板１０２と保持部材１０５の間に介在し、保持部材１０５に対して振動板１０２がＺ方向には自由に動けるが、Ｘ方向にはガタなく位置を固定できる。支持部材１１４は、押さえ板１１３とともに２本の固定ビス１１２で保持部材１０５に共締め固定される。また、押さえ板１１３は、振動子１０９と所定量の隙間を設けて配置されているため、振動子１０９が−Ｚ方向に所定量以上移動すると、振動子１０９は押さえ板１１３に当接して、それ以上移動できない構成になっている。このように構成することで、押さえ板１１３は、振動子１０９が−Ｚ方向に所定量以上移動するのを規制する。

転動ボール１１６は、保持部材１０５に形成された溝と天板１１７に形成された溝との間に介在することで、天板１１７に対して保持部材１０５を転動支持する。天板１１７は、振動子１０９を保持した保持部材１０５を、被駆動部１０１と天板部材１１７との間で挟み込むことで、保持部材１０５を転動保持している。また、天板１１７は４本の固定ビス１１８で固定台１１０に固定されている。上述のように、各部材が組込まれ、超音波モータとしてユニット化される。

次に、図２は超音波モータとしてユニット化した各部材を組込んだ状態を示す図である。図２（Ａ）は各部材を組み込んだ状態を＋Ｚ方向から見た図であり、図２（Ｂ）は−Ｙ方向から見た図である。固定台１１０には、二本の固定ビス１１１で被駆動部１０１が固定されている。さらに、天板１１７は、四隅を４本の固定ビス１１８で固定台１１０に固定されている。天板１１７の中央には、長方形開口１１７ａが空いており、保持部材１０５の突出部１０５ｃが長方形開口１１７ａから突き出ている。

被駆動部１０１の上には振動板１０２が当接している。振動板１０２は、薄板形状の支持部材１１４を介して保持部材１０５に固定されている。そのため、振動板１０２は、支持部材１１４の変形により、保持部材１０５に対してＺ方向には自由に動けるが、Ｘ方向にはズレなく位置決めを固定できる構成になっている。

そして、振動子１０９に発生した楕円運動により、振動子１０９と被駆動部１０１との間にＸ方向の相対的な移動が発生した場合、固定台１１０、被駆動部１０１、固定ビス１１１、天板１１７、固定ビス１１８が固定部となる。一方、振動子１０９を含めた、遮断部材１１５と、小基台１０４と、固定ネジ１１２、押さえ板１１３、支持部材１１４、加圧部材１０６、バネ部材１０７、加圧押さえ１０８、それらを保持する保持部材１０５とが可動部となる。すなわち、本実施形態の超音波モータは、駆動源である振動子１０９が可動する自走式のモータユニットである。なお、実際にレンズ鏡筒等に組み込まれる際は、保持部材１０５をフォーカス機構やズーム機構に連結して駆動する。

次に、超音波モータの構成部材の詳細について説明する。図３は、振動子と支持部材の接合状態を示す拡大斜視図であり、−Ｚ方向から見た図である。振動板１０２の中央の接合部１０２ａには、２か所の突起部が形成される。接触部（摺動部）１０２ｂは、当該突起部の上端面に形成され、被駆動部１０１の接触面１０１ａと摩擦接触する面である。また、２か所の接触部１０２ｂは同一平面上に形成され、被駆動部１０１の接触面１０１ａとの当接状態を良好にするため、製造工程時には研磨などにより均一な面に仕上げられる。

一方、図３に示す接合部１０２ａの裏面側（２か所の突起部が形成されている面と反対の面側）には、圧電素子１０３が接着剤などにより固着されている。なお、接合部１０２ａの裏面と圧電素子１０３の固着は、固着されればその方法は限定されない。圧電素子１０３は、複数の圧電素子膜を積層して一体化したものである。そして、この積層された圧電素子１０３に所望の交流電圧を印加することで励振させ、圧電素子１０３が固着された振動板１０２に２つの曲げ振動モードを励起する。このとき、２つの曲げ振動モードの振動位相が所望の位相差となるように設定することで、接触部１０２ｂには、矢印で示すような楕円運動が発生する。そして、前述の楕円運動を図１及び図２に示す振動子１０９で発生させ、被駆動部１０１の接触面１０１ａに伝達することで、被駆動部１０１に対して振動子１０９自身が直動駆動することができる。

次に、振動板１０２の両端には、支持部材１１４の両側に形成された一段低い段差部１１４ａと接合するための２か所の接合部１０２ｃが形成されている。そして、振動板１０２は、支持部材１１４に接合部１０２ｃで溶接や接着などにより接合されるが、振動板１０２と支持部材１１４が接合されれば、その方法は限定されない。

２か所の接合部１０２ｃと接合部１０２ａの間には、２か所の腕部１０２ｄが形成され、腕部１０２ｄを介して、圧電素子１０３が固着された接合部１０２ａは支持部材１１４に固定される。腕部１０２ｄは、接合部１０２ａに発生する振動を接合部１０２ｃに伝達しにくい構成とするため、接合部１０２ａや接合部１０２ｃに対して細い形状となっている。言い換えると、支持部材１１４は、接合部１０２ａに発生する振動を阻害しないような連結の構成を当該腕部１０２ｄによって実現している。振動板１０２は、薄板形状の支持部材１１４を介して保持部材１０５に固定される。これにより、振動板１０２は、加圧方向であるＺ方向には保持部材１０５に対して自由に移動可能だが、駆動方向であるＸ方向には保持部材１０５に対して位置ズレなく固定される。

次に、図４は超音波モータの各部材を組込んだ状態を示す拡大断面図である。図４では、被駆動部１０１を下側とする図になっている。図４（Ａ）は、図２に示すＹ軸に垂直な面で加圧部材１０６の中心を通るような面における断面図である。図４（Ｂ）は、図２に示すＸ軸に垂直な面で加圧部材１０６の中心を通るような面における断面図である。また、図４（Ａ）、（Ｂ）に示す点線２０１は、振動板１０２の接触面１０１ａと接触する接触部１０２ｂの重心を通過し、当該接触面１０１ａの法線を含む中心線である。

接触部１０２ｂは、被駆動部１０１の接触面１０１ａと当接し、加圧接触状態にある。また、振動板１０２は、両端の接合部１０２ｃが２か所の段差部１１４ａで支持部材１１４と接合されている。そして、圧電素子１０３は遮断部材１１５を介して小基台１０４に面接触している。

保持部材１０５には２か所の穴部１０５ａが設けられ、小基台１０４に形成された２か所の軸部１０４ｃが嵌合している。保持部１０５に設けられた２か所の穴部１０５ａは、Ｘ方向には伸びた長穴形状になっており、小基台１０４が或る程度傾くことができる。小基台１０４の上側中央には当接部１０４ｂが設けられている。この当接部１０４ｂは、図４（Ａ）の断面において円弧形状を有し、紙面奥行方向（図４（Ｂ）においては左右方向）に延在する円筒の一部からなる形状を有する。そして、この当接部１０４ｂには加圧部材１０６の下端面１０６ａが線接触で接している。

加圧部材１０６の下端面１０６ａは平面で形成されているため、当接部１０４ｂとの線接触部は、図４（Ａ）の紙面奥行方向（図４（Ｂ）においては左右方向）に長さを有する線接触となる。従って、図４（Ａ）における断面においては、小基台１０４が傾き可能な構成となっている。これにより、仮に製造時の寸法誤差や組み立て誤差、また外乱による部材の傾きが生じた場合でも、被駆動部１０１の当接面１０１ａに振動板１０２の接触部１０２ｂが倣うように小基台１０４が傾くため、良好な加圧接触状態を保つことができる。

保持部材１０５にはネジ穴１０５ｂが形成されており、加圧受け部材１０８の外径側面に設けられたネジ部１０８ｂがねじ込まれる。ねじ込み量を部品ばらつきに合わせて変えることで、加圧力の調整を行う。加圧受け部材１０８の中央に形成された嵌合穴１０８ａには、加圧部材１０６の嵌合軸部１０６ｂが嵌合保持されることで、加圧部材１０６がＺ方向にのみ移動可能な構成となっている。

天板１１７は、固定台１１０に固定され、バネ部材１０７のバネ力で振動板１０２の接触部１０２ｂを被駆動部１０１の接触面１０１ａに加圧接触させたときの反力を受ける役割を担っている。その際、天板１１７に形成された溝部１１７ａと保持部材１０５に形成された溝部１０５ｄに転動ボール１１６を挟むことで、保持部材１０５と天板１１７とが転動支持されるように構成している。これにより、Ｚ方向の加圧接触の反力を受けながら、Ｘ方向に移動する際の摩擦抵抗を極力小さくしている。

また、天板１１７の溝部１１７ａと保持部材１０５の溝部１０５ｄに転動ボールが挟まれることで、Ｙ方向の位置が決まるように構成されている。本実施形態の超音波モータでは、４つの転動ボール１１６でバネ部材１０７のバネ力を受けることで、保持部材１０５が天板１１７に対して傾くことなく転動支持している。圧電素子１０３と小基台１０４の間には、遮断部材１１５が挟み込まれている。遮断部材１１５は、振動を阻害することなく、振動の伝播を遮断する機能を有する材料を用いることで、圧電素子１０３の超音波振動を阻害することなく、小基台１０４への振動の伝播を抑える。また、遮断部材１１５に適した材質として、フェルト生地などが挙げられる。

被駆動部１０１の接触面１０１ａに接触部１０２ｂを加圧接触させるための加圧力を伝えるために、振動子１０９はＺ方向には自由に動ける必要がある。また、フォーカス機構やズーム機構に連結した保持部材１０５を精度よく駆動するために、振動子１０９は保持部材１０５にガタなく保持されている必要がある。そこで、振動子１０９は、薄板形状で形成された支持部材１１４を介して保持部材１０５に固定されている。これにより、Ｚ方向には自由に動け、Ｘ方向にはガタなく駆動可能な構成となっている。

図５は、本実施形態の超音波モータの振動子を示す図である。また、図５は振動子１０９を＋Ｚ方向から見た図である。振動板１０２と圧電素子１０３が、振動子１０９を構成し、振動板１０２と圧電素子１０３はＹ方向よりもＸ方向の方が長い形状をしている。ここで、Ｘ方向を長手方向、Ｙ方向と短手方向と定義する。次に、図５を用いて、圧電素子１０３のフレキブル基板接着面に形成された電極について説明する。第１の電極領域１０３ａと第２の電極領域１０３ｂの間の＋Ｙ端には、ＧＮＤ電極領域１０３ｃが配置されている。また、振動板１０２は、振動板１０２と圧電素子１０３の固着面方向において、圧電素子１０３に対して、長手方向にも短手方向にもはみ出している。

圧電素子１０３は脆性材料で割れやすいため、圧電素子１０３が振動板１０２からはみ出していると、はみ出した部分が割れやすいという問題がある。そこで、圧電素子１０３と振動板１０２との貼りずれ誤差量よりも大きく圧電素子１０３よりも振動板１０２がはみ出すように構成する。これにより、圧電素子１０３は、延性の高い金属製の振動板１０２に必ず貼りついているため、圧電素子１０３の割れを軽減することができる。

また圧電素子１０３に対する振動板１０２のはみ出し量について、短手方向のはみだし量１２４よりも長手方向のはみ出し量１２３の方が、はみ出し量が大きくなるように構成している。長手方向はみ出し部１０２ｅは、圧電素子１０３に対して振動板１０２が長手方向（Ｘ方向）にはみ出した部分である。また、長手方向はみ出し部１０２ｅは、振動板１０２の長手端の両側に位置する。

図６（Ａ）及び（Ｂ）は、２つの曲げ振動モードの振動の節と腹、そして自由端の位置を示す図である。図６（Ａ）は、Ｘ方向の２次の曲げ振動モードの節と腹の位置を示している。振動板１０２と圧電素子１０３は固着されて一体となり振動子１０９を構成している。圧電素子１０３に高周波の交流電圧を印加することで、圧電素子１０３は伸縮するのに対して、振動板１０２は伸縮しないため、圧電素子１０３と振動板１０２の伸縮差により振動子１０９にＸ方向の２次の曲げ振動モードを励起する。図６（Ａ）に示す１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃは、２次の曲げ振動モードの節位置である。図６（Ａ）に示す１２２ａ、１２２ｂは、２次の曲げ振動モードの腹位置である。

また振動板１０２の節位置１２１ａ、節位置１２１ｂ、節位置１２１ｃでは、２次の曲げ振動モードによるＺ方向の振動は非常に小さい。上述の振動板１０２の接触部１０２ｂは、節位置１２１ａと節位置１２１ｂに設けられているため、２次の曲げ振動モードによってＺ方向には振動しないが、Ｘ方向に振動する。このような位置に接触部１０２ｂを設けることで、Ｘ方向の２次の曲げ振動モードにより、接触部１０２ｂにＸ方向の振動を起こすように構成している。なお、２次の曲げ振動は、駆動方向に振動する送り振動である。

図６（Ｂ）はＹ方向の１次の曲げ振動モードの節と腹の位置を示す図である。図６（Ｂ）に示す１２１ｄ、１２１ｅは、１次の曲げ振動モードの節位置である。図６（Ｂ）に示す１２２ｃは、１次の曲げ振動モードの腹位置である。節位置１２１ｄ、節位置１２１ｅでは、１次の曲げ振動モードによるＺ方向の振動は非常に小さい。一方、腹位置１２２ｃでは、１次の曲げ振動モードによるＺ方向に大きく振動する。前述の接触部１０２ｂは、腹位置１２２ｃに設けられているため、１次の曲げ振動モードによってＸ方向には振動しないが、Ｚ方向には振動する。このような位置に接触部１０２ｂを設けることで、Ｙ方向の１次の曲げ振動モードにより、接触部１０２ｂにＺ方向の振動を起こすように構成している。なお、１次の曲げ振動は、振動子の接触部が押圧方向に振動する突き上げ振動である。

本実施形態の超音波モータの振動子１０９は、上述の直交する二つの曲げ振動モードを組み合わせて振動板１０２の接触部１０２ｂに楕円振動を発生させている。

次に、図７（Ａ）及び（Ｂ）を用いて、２つの曲げ振動モードの歪の大きさを説明する。図７（Ａ）は、２次の曲げ振動モードにおけるＸ方向の各位置におけるＸ方向の歪を示すグラフである。図７（Ａ）に示すグラフの横軸は、Ｘ方向の位置であり、縦軸はＸ方向の歪である。Ｘ方向の位置が２次の曲げ振動モードの腹位置１２２ａで、Ｘ方向の歪は最大値Ｓｔｒ１となり、Ｘ方向の位置が２次の曲げ振動モードの腹位置１２２ｂで、Ｘ方向の歪は最小値−Ｓｔｒ１となる。腹位置１２２ａと腹位置１２２ｂの中間地点１２１ｂは節位置であるため、歪はゼロとなる。また、長手方向はみ出し部１０２ｅも自由端であるため、歪はゼロとなる。

図７（Ｂ）は、１次の曲げ振動モードにおけるＹ方向の各位置におけるＹ方向の歪を示すグラフである。図７（Ｂ）において、横軸はＹ方向の位置であり、縦軸はＹ方向の歪を示す。Ｙ方向の位置が１次の曲げ振動モードの腹位置１２２ｃで、Ｙ方向の歪は最大値Ｓｔｒ２となる。図７（Ｂ）において、長手方向はみ出し部１０２ｅは全域に渡っているため、１次の曲げ振動モードによる歪が発生する部位を含んでいる。

ここで図６を用いて、２次の曲げ振動には影響を与えず、１次に曲げ振動の増加を抑制することについて説明する。まず、図６（Ａ）において、長手方向はみ出し部１０２ｅには圧電素子１０３が接合されていないため、圧電素子１０３との伸縮差による曲げ力は発生しない。しかし、長手方向はみ出し部１０２ｅは、２次の曲げ振動モードの自由端に位置するため、図７（Ａ）で説明したように２次の曲げ振動モードによる歪は発生しない。そのため、長手方向はみ出し部１０２ｅは圧電素子１０３と接合されていないが、長手方向はみ出し部１０２ｅにより２次の曲げ振動モードの振幅は抑制されない。

図６（Ｂ）において、長手方向はみ出し部１０２ｅには圧電素子１０３が接合されていないため、圧電素子１０３との伸縮差による曲げ力は発生しない。また、長手方向はみ出し部１０２ｅは、１次の曲げ振動モードの全域に渡っているため、図７（Ｂ）で説明したように１次の曲げ振動モードによる歪が発生する部位を含んでいる。そのため、長手方向はみ出し部１０２ｅが圧電素子１０３と接合されてなく、長手方向はみ出し部１０２ｅにより１次の曲げ振動モードの振幅は抑制される。このように、長手方向はみ出し部１０２ｅは、２次の曲げ振動モードの振幅には影響を与えず、１次の曲げ振動モードのみ振動振幅を抑制することができる。

次に、図１１を用いて、従来の超音波モータの振動子おける、圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数と、振動板１０２の接触部１０２ｂに発生する楕円振動のＸ方向の振幅とＺ方向の振幅の関係を説明する。図１１（Ａ）は、従来の超音波モータの振動子における、圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数に応じて、振動板１０２の接触部１０２ｂに発生する楕円振動のＸ方向の振幅とＺ方向の振幅が変化していく様子を示したグラフである。図１１（Ｂ）は、従来の超音波モータの各周波数において発生する楕円振動軌跡と必要最低限のＺ方向の振幅での楕円振動軌跡を示した図である。

図１１（Ａ）において、横軸は圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数ｆであり、縦軸は振動振幅である。Ｈ（ｆ）は振動板１０２の接触部１０２ｂに発生する楕円振動のＸ方向の振幅、Ｖ₂（ｆ）は振動板１０２の接触部１０２ｂに発生する楕円振動のＺ方向の振幅、Ｖ₀（ｆ）はＸ方向の振幅Ｈ（ｆ）に対して必要最低限のＺ方向の振幅である。圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数ｆ高周波数ｆ₁から低周波数ｆ₃にスイープするにつれて、Ｘ方向の振幅Ｈ（ｆ）もＺ方向の振幅Ｖ₂（ｆ）も大きくなる。

特に、Ｚ方向の振幅Ｖ₂（ｆ）は、Ｘ方向の振幅Ｈ（ｆ）よりも大きな振幅となる。これは、振動板１０２の接触部１０２ｂに発生するＺ方向の振幅は振動子１０９の１次の曲げ振動モードによって発生するのに対し、Ｘ方向の振動は振動子１０９の２次の曲げ振動モードによって発生している。そのため、次数の小さい１次の曲げ振動モードの方が変形しやすく大振幅となりやすいためである。

一方、Ｚ方向の振動は、振動板１０２の接触部１０２ｂの接触状態と非接触状態を切り替えるための振動であるため、必要以上に大きな振幅で振動しても速度増加につながらず、無駄に電力を消費するだけとなる。そのため、Ｘ方向の振幅Ｈ（ｆ）に対して必要最低限のＺ方向の振幅Ｖ₀（ｆ）は、Ｘ方向の振幅Ｈ（ｆ）に比べ小さい。

図１１（Ｂ）は、従来の超音波モータの高周波数f₁、中間周波数ｆ₂、低周波数f₃で発生する楕円振動軌跡(Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｅｌｌｉｐｔｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ)と必要最低限のＺ方向の振幅での楕円振動軌跡を示した図である。必要最低限のＺ方向の振幅での楕円振動軌跡(Ｍｉｎｉｍａｌ Ｅｌｌｉｐｔｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ)は、周波数ｆが高周波数f₁から低周波数f₃にスイープしてもそれほど縦長の楕円にはならない。一方、発生する楕円振動軌跡は、周波数ｆが高周波数f₁から低周波数f₃にスイープすると非常に縦長の楕円になり、必要以上にＺ方向の振幅が大きくなる。

以上のように、従来の超音波モータでは、Ｚ方向の振幅はＸ方向の振幅に対して小さくて構わないが、Ｚ方向の振幅Ｖ₂（ｆ）は必要以上に大きく、無駄な電力を消費して超音波モータの駆動効率が低下している。

次に、図８（Ａ）は、本実施形態の超音波モータの振動子おける、圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数に応じて、振動板１０２の接触部１０２ｂに発生する楕円振動のＸ方向の振幅とＺ方向の振幅が変化を示したグラフである。図８（Ｂ）は、本実施形態の超音波モータの各周波数において発生する楕円振動軌跡と必要最低限のＺ方向の振幅での楕円振動軌跡を示した図である。

図８（Ａ）において、横軸は圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数fであり、縦軸は振動振幅である。Ｈ（ｆ）は振動板１０２の接触部１０２ｂに発生する楕円振動のＸ方向の振幅、Ｖ（ｆ）は振動板１０２の接触部１０２ｂに発生する楕円振動のＺ方向の振幅、Ｖ₀（ｆ）は、Ｘ方向の振幅Ｈ（ｆ）に対して必要最低限のＺ方向の振幅である。本実施形態の超音波モータでは、図６で説明したように長手方向はみ出し部１０２ｅを設けることで、２次の曲げ振動モードの振幅には影響を与えず、１次の曲げ振動モードのみ振幅を抑制する構成としている。そのため、Ｚ方向の振幅Ｖ（ｆ）はＸ方向の振幅Ｈ（ｆ）よりも小さく抑えることが可能となる。これにより、Ｚ方向の振幅Ｖ（ｆ）は必要最低限のＺ方向の振幅Ｖ₀（ｆ）に近付けることができ、駆動効率の低下を軽減することができる。

図８（Ｂ）は本実施形態の超音波モータにおいて、高周波数f₁、中間周波数f₂、低周波数f₃における発生する楕円振動軌跡と必要最低限のＺ方向の振幅での楕円振動軌跡を示した図である。周波数fが高周波数f₁から低周波数f₃にスイープしても、発生する楕円振動軌跡のＹ方向の振幅Ｖ（ｆ）は、必要最低限のＺ方向の振幅での楕円振動軌跡のＺ方向の振幅Ｖ₀（ｆ）と略同じ形状となる。したがって、必要以上にＺ方向に振幅して無駄な電力を消費することがない。

上述ように、本実施形態の超音波モータでは、長手方向はみ出し部１０２ｅを設けることで、２次の曲げ振動モードの振幅には影響を与えず、１次の曲げ振動モードのみ振動振幅を抑制することができる。これにより、必要以上にＺ方向に振幅して電力を消費し、超音波モータの駆動効率が低下することを軽減することができる。

次に、図９は本実施形態の超音波モータのフレキシブル基板１４０を＋Ｚ方向から見た図である。１２１ｂは、２次の曲げ振動モードの節位置である。１２２ｃは１次の曲げ振動モードの腹位置である。第１の銅箔１４０ａは、圧電素子１０３の第１の電極領域１０３ａと導通する。第２の銅箔１４０ｂは、圧電素子１０３の第２の電極領域１０３ｂと導通する。ＧＮＤ銅箔１４０ｃは、圧電素子１０３のＧＮＤ電極領域１０３ｃと導通する。また、ＧＮＤ銅箔１４０ｃの部分だけカバーレイ領域１４０ｅが切り欠かれているような形状になっている。

フレキシブル基板１４０は、銅箔の方がベース材よりも剛性が高い。本実施形態の超音波モータのフレキシブル基板１４０の銅箔１４０ａ、銅箔１４０ｂ、銅箔１４０ｃは長手方向（Ｘ方向）に３分割されており、短手方向（Ｙ方向）には分割されていない。これにより、フレキブル基板１４０は長手方向（Ｘ方向）には剛性が弱く曲がりやすく、短手方向（Ｙ方向）には剛性が高く曲がりにくい構成としている。

次に、図１０は本実施形態の超音波モータの振動子１０９にフレキシブル基板１４０が貼りついた状態を＋Ｚ方向から見た図である。振動子１０９にフレキシブル基板１４０はＸ方向には中心揃えで配置され、Ｙ方向には圧電素子１０３のＧＮＤ電極１０３ｃ側がフレキシブル基板１４０の引き出し方向となるように配置される。第１の銅箔１４０ａは圧電素子１０３の第１の電極領域１０３ａと、第２の銅箔１４０ｂは圧電素子１０３の第２の電極領域１０３ｂと、第３の銅箔１４０ｃは圧電素子１０３のＧＮＤ電極領域１０３ｃと導通するように貼り合わせる。

本実施形態の超音波モータのフレキシブル基板１４０の銅箔１４０ａ、銅箔１４０ｂ、銅箔１４０ｃは、長手方向（Ｘ方向）には３分割されており、短手方向（Ｙ方向）には分割されていない。そのため、振動子１０９の長手方向の２次曲げ振動に対しては剛性が弱く曲がりやすく、短手方向の１次曲げ振動に対しては剛性が強く曲がりにくい構成となっている。これにより、２次の曲げ振動モードの振幅には影響を与えず、１次の曲げ振動モードのみ振動振幅を抑制することができる。上述のような構成とすることにより、必要以上にＹ方向に振幅して無駄な電力を消費し、超音波モータの駆動効率が低下することを軽減することができる。

上述のように、圧電素子１０３に対して振動板１０２が全周はみ出しており、短手方向（Ｙ方向）よりも長手方向（Ｘ方向）のはみ出し量が大きくなるように構成することにより、駆動効率の低下を軽減した超音波モータを実現することが可能である。

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。

１０１ 摩擦部材
１０２ 振動板
１０２ｅ 長手方向はみ出し部
１０３ 圧電素子
１０９ 振動子

Claims (7)

1. 摺動部を有する振動板に圧電素子が取り付けられた振動子を備え、前記摺動部が前記圧電素子で励起される複数の直交する振動により楕円振動することにより、前記摺動部と摩擦接触する部材及び前記振動子が相対的に移動する振動型アクチュエータであって、
   前記振動板は、前記圧電素子に対して長手方向及び短手方向に、はみ出し部を有し、
   前記はみ出し部は、前記長手方向のはみ出し量が前記短手方向のはみ出し量よりも大きく、
   前記圧電素子には、引き出し方向が前記短手方向と平行になるようにフレキシブル基板が取り付けられていて、
   前記圧電素子の電極と導通する前記フレキシブル基板に設けられた銅箔は、前記長手方向に複数に分割され、前記短手方向には繋がっている
   ことを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記複数の直交する振動は、前記摺動部が押圧方向に振動する１次の曲げ振動と駆動方向に振動する２次の曲げ振動である
   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。
3. 前記長手方向のはみ出し部は、前記２次の曲げ振動における自由端である
   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。
4. 前記摺動部は、前記１次の曲げ振動における腹の位置および前記２次の曲げ振動における節の位置に設けられる
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記振動板は、前記圧電素子が取り付けられる矩形部と、支持部材に支持される支持部と、前記矩形部と前記支持部とを連結する腕部と、を有していて、
   はみ出し部は、前記矩形部に設けられる
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記振動子は、電圧の印加により超音波振動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータとして機能する超音波モータ。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータを駆動用アクチュエータに用いることを特徴とするレンズ鏡筒。
   

Images