特許 7136116 振動波モータおよび光学機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-05

(45)【発行日】2022-09-13

(54)【発明の名称】振動波モータおよび光学機器

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/12 20060101AFI20220906BHJP

   H02N 2/14 20060101ALI20220906BHJP

   H02N 2/16 20060101ALI20220906BHJP

   G02B 7/04 20210101ALI20220906BHJP

【ＦＩ】

H02N2/12

H02N2/14

H02N2/16

G02B7/04 E

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019549313

(86)(22)【出願日】2018-10-17

(86)【国際出願番号】 JP2018038629

(87)【国際公開番号】W WO2019078239

(87)【国際公開日】2019-04-25

【審査請求日】2021-03-08

(31)【優先権主張番号】P 2017202118

(32)【優先日】2017-10-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】110001678

【氏名又は名称】藤央弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】芦沢 隆利

【審査官】島倉 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０５２１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０３９７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－１５４２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５１４４９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ ２／１２

Ｈ０２Ｎ ２／１４

Ｈ０２Ｎ ２／１６

Ｇ０２Ｂ ７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電圧の印加により変位する素子と、
前記素子と接触する底面と溝を有する駆動面とを有し、前記素子の変位により、前記駆動面に生じた振動波によって移動子を駆動する円環状の弾性体と、を有し、
前記素子の密度が４．２～６．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３であり、
前記溝の深さをＴとし、前記溝の底部から前記底面までの距離をＢとし、前記弾性体の径方向の幅をＷとした場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が、０．８４～１．９４の範囲である、
振動波モータ。

【請求項2】

請求項１に記載の振動波モータにおいて、
前記素子の厚さは前記溝の深さ方向の厚さである振動波モータ。

【請求項3】

請求項１に記載の振動波モータにおいて、
［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が０．８４～１．０２の範囲である振動波モータ。

【請求項4】

請求項１に記載の振動波モータにおいて、
［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が１．０２～１．９４の範囲である振動波モータ。

【請求項5】

請求項１に記載の振動波モータにおいて、
前記振動波モータへ繰り返し変動する駆動信号を与える駆動回路を有し、
前記駆動回路は、前記振動波モータを速度０から速度０より大きい速度に起動する場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値に基づいて前記駆動信号の周波数の変化率を変更する、
振動波モータ。

【請求項6】

請求項５に記載の振動波モータにおいて、
前記駆動回路は、前記周波数の変化率を、
［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が０．８４～１．０２の範囲の場合には、０．５ｋＨｚ／ｍｓｅｃ以下とし、
［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が１．０２～１．９４の範囲の場合には、０．２５ｋＨｚ／ｍｓｅｃ以下とした振動波モータ。

【請求項7】

請求項１に記載の振動波モータにおいて、
前記素子は、ニオブ酸カリウムナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウム、またはチタン酸バリウムを主成分とした材料であることを特徴とする振動波モータ。

【請求項8】

請求項１に記載の振動波モータにおいて、
前記素子は、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、振動波モータ。

【請求項9】

電圧の印加により変位する素子と、
前記素子と接触する底面と溝を有する駆動面とを有し、前記素子の変位により、前記駆動面に生じた振動波によって移動子を駆動する円環状の弾性体と、を有し、
前記溝の深さをＴとし、前記溝の底部から前記底面までの距離をＢとし、前記弾性体の径方向の幅をＷとした場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が、０．８４～１．９４の範囲である、
振動波モータ。

【請求項10】

振動波モータにより光学部材を駆動する光学機器であって、
前記振動波モータは、
電圧の印加により変位する素子と、
前記素子と接触する底面と溝を有する駆動面とを有し、前記素子の変位により、前記駆動面に生じた振動波によって移動子を駆動する円環状の弾性体と、を有し、
前記素子の密度が４．２～６．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３であり、
前記溝の深さをＴとし、前記溝の底部から前記底面までの距離をＢとし、前記弾性体の径方向の幅をＷとした場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が、０．８４～１．９４の範囲である、
光学機器。

【請求項11】

振動波モータにより光学部材を駆動する光学機器であって、
前記振動波モータは、
電圧の印加により変位する素子と、
前記素子と接触する底面と溝を有する駆動面とを有し、前記素子の変位により、前記駆動面に生じた振動波によって移動子を駆動する円環状の弾性体と、を有し、
前記溝の深さをＴとし、前記溝の底部から前記底面までの距離をＢとし、前記弾性体の径方向の幅をＷとした場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が、０．８４～１．９４の範囲である、
光学機器。

【発明の詳細な説明】

【参照による取り込み】

【0001】

本出願は、平成２９年（２０１７年）１０月１８日に出願された日本出願である特願２０１７－２０２１１８の優先権を主張し、その内容を参照することにより、本出願に取り込む。

【技術分野】

【0002】

本発明は、振動波モータおよび光学機器に関する。

【背景技術】

【0003】

振動波モータは、圧電体の伸縮を利用して弾性体の駆動面に進行性振動波（以降、進行波と略す）を発生させる（下記特許文献１参照）。この様な振動波モータの振動子は、一般的には、電気機械変換素子（以降、圧電体と称する）と、弾性体とから構成される。従来、圧電体は、一般的には通称ＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛といった材料から構成されているが、近年では環境問題から鉛フリーの材料が研究され、振動波モータへの搭載が検討されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特公平１－１７３５４号公報

【発明の概要】

【0005】

本願において開示される技術の一側面となる振動波モータは、電圧の印加により変位する素子と、前記素子と接触する底面と溝を有する駆動面とを有し、前記素子の変位により、前記駆動面に生じた振動波によって移動子を駆動する円環状の弾性体と、を有し、前記素子の密度が４．２～６．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３であり、前記溝の深さをＴとし、前記溝の底部から前記底面までの距離をＢとし、前記弾性体の径方向の幅をＷとした場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が、０．８４～１．９４の範囲である。

【0006】

本願において開示される技術の他の側面となる振動波モータは、電圧の印加により変位する素子と、前記素子と接触する底面と溝を有する駆動面とを有し、前記素子の変位により、前記駆動面に生じた振動波によって移動子を駆動する円環状の弾性体と、を有し、前記溝の深さをＴとし、前記溝の底部から前記底面までの距離をＢとし、前記弾性体の径方向の幅をＷとした場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が、０．８４～１．９４の範囲である。

【0007】

本願において開示される技術の一側面となる電子機器は、振動波モータにより光学部材を駆動する光学機器であって、前記振動波モータは、電圧の印加により変位する素子と、前記素子と接触する底面と溝を有する駆動面とを有し、前記素子の変位により、前記駆動面に生じた振動波によって移動子を駆動する円環状の弾性体と、を有し、前記素子の密度が４．２～６．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３であり、前記溝の深さをＴとし、前記溝の底部から前記底面までの距離をＢとし、前記弾性体の径方向の幅をＷとした場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が、０．８４～１．９４の範囲である。

【0008】

本願において開示される技術の他の側面となる光学機器は、振動波モータにより光学部材を駆動する光学機器であって、前記振動波モータは、電圧の印加により変位する素子と、前記素子と接触する底面と溝を有する駆動面とを有し、前記素子の変位により、前記駆動面に生じた振動波によって移動子を駆動する円環状の弾性体と、を有し、前記溝の深さをＴとし、前記溝の底部から前記底面までの距離をＢとし、前記弾性体の径方向の幅をＷとした場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が、０．８４～１．９４の範囲である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、振動波モータを備えるレンズ鏡筒を備えたカメラの概略断面図である。

【図2】図２は、振動子および移動子の一部を切り欠いた斜視図である。

【図3】図３は、圧電体を示す説明図である。

【図4】図４は、駆動回路のブロック構成例を示す説明図である。

【図5】図５は、振動波モータの振動子の等価回路と示す説明図である。

【図6】図６は、ＣＡＥ解析結果を示すグラフである。

【図7】図７は、駆動電圧に応じた［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値の測定結果を示すグラフである。

【図8】図８は、振動波による振動子の突起部の挙動を示す説明図である。

【図9】図９は、振動波モータの駆動シーケンス例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜カメラの概略構成例＞
図１は、振動波モータを備えるレンズ鏡筒を備えたカメラの概略断面図である。カメラ１００は、静止画および動画撮影が可能な光学機器であり、撮像素子や画像処理部を有するカメラボディ１に撮像光学系であるレンズ鏡筒２０が着脱自在な構成である。なお、カメラ１００は、カメラボディ１とレンズ鏡筒２０とが一体型の撮像装置でもよい。

【0011】

レンズ鏡筒２０は、外側固定筒３１と、内側固定筒３２と、振動波モータ１０と、を有する。外側固定筒３１は、たとえば、円筒形状であり、レンズ鏡筒２０の外周部を覆う。外側固定筒３１は、その内周面から光軸ＯＡに向かって突出する突出片３１ａを有する。突出片３１ａは、内側固定筒３２を支持する。内側固定筒３２は、たとえば、円筒形状であり、外側固定筒３１よりも内周側に設けられる。振動波モータ１０は、外側固定筒３１と内側固定筒３２との間に設けられる。

【0012】

内側固定筒３２には、被写体側から第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２、第３レンズ群Ｌ３、第４レンズ群Ｌ４が同一の光軸ＯＡ上に配置されている。第３レンズ群Ｌ３は、円環状のＡＦ（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）環３４に保持されたＡＦレンズである。第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２および第４レンズ群Ｌ４は、内側固定筒３２に固定されている。第３レンズ群Ｌ３は、ＡＦ環３４が移動することにより内側固定筒３２に対して光軸ＯＡの方向（以下、光軸方向）に移動可能に構成される。

【0013】

振動波モータ１０は、振動子１１、移動子１５、加圧部材１８などを備え、たとえば、振動子１１を固定子（ステータ）とし、移動子１５を、回転駆動する回転子（ロータ）とする。

【0014】

振動子１１は、円環状の部材であり、弾性体１２と、圧電体１３と、により構成される。弾性体１２は、圧電体１３と接合する。弾性体１２は、進行波を発生する。ここでは、進行波は、一例として９波の進行波とする。弾性体１２は、共振先鋭度が大きな金属材料により構成される。弾性体１２の形状は、円環形状である。

【0015】

圧電体１３は、電圧の印加により変位する素子であり、具体的には、たとえば、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電素子や電歪素子などの電気－機械変換素子である。圧電体１３は、一般的には通称ＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛といった材料から構成されるが、ＰＺＴに限らずその他の材料を用いてもよい。

【0016】

たとえば、圧電体１３は、鉛フリー（無鉛）の材料であるニオブ酸カリウムナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウムなどから構成されていてもよい。なお、振動子１１の詳細は、図２を用いて後述する。

【0017】

圧電体１３と弾性体１２とが接合する側の反対側には、不織布１６、加圧板１７、加圧部材１８が配置されている。不織布１６は、たとえば、フェルトで構成される。不織布１６は、振動子１１からの振動を加圧板１７や加圧部材１８に伝わらないようにする振動伝達防止部材である。

【0018】

加圧板１７は、加圧部材１８の加圧を受けるように構成される。加圧部材１８は、たとえば、皿バネにより構成され、加圧板１７に対し加圧力を発生させる。加圧部材１８は、皿バネのほか、コイルバネやウェーブバネでもよい。押さえ環１９は、円環状の部材であり、固定部材１４に固定されることで、加圧部材１８を保持する。

【0019】

移動子１５は、たとえば、アルミニウムなどの軽金属により構成された円環状の部材である。移動子１５は、その一端に、弾性体１２に接触して摺動する摺動面１５ａを有する。摺動面１５ａには、耐摩耗性向上のための摺動材料などの表面処理がなされている。

【0020】

移動子１５の他端側には、振動吸収部材２３が配置される。振動吸収部材２３は、たとえば、ゴムなどの弾性部材により構成され、移動子１５の縦方向の振動を吸収する。振動吸収部材２３の移動子１５と接触する側とは反対側には、出力伝達部材２４が配置される。

【0021】

出力伝達部材２４は、固定部材１４に設けられたベアリング２５により、移動子１５の加圧方向ＰＤおよび径方向ＤＤの位置ずれを規制する。

【0022】

出力伝達部材２４は、突起部２４ａを有する。突起部２４ａは、カム環３６に接続されたフォーク３５に嵌合する。カム環３６は、円環状の部材であり、出力伝達部材２４の回転とともに回転する。

【0023】

カム環３６には、その周方向に対して斜めに（螺旋状に）キー溝３７が形成されている。また、ＡＦ環３４の外周側には、固定ピン３８が設けられている。固定ピン３８は、キー溝３７に嵌合する。これにより、カム環３６が回転駆動することにより、ＡＦ環３４は光軸ＯＡ上の第３レンズ群Ｌ３の前進方向（被写体側へ向かう方向。以下、ＯＡ＋と表記。）に駆動され、光軸ＯＡ上の所望の位置に停止する。なお、光軸ＯＡ上の第３レンズ群Ｌ３の後退方向（カメラボディ１側へ向かう方向）を、「ＯＡ－」と表記する。

【0024】

固定部材１４は、押さえ環１９をネジ（不図示）により固定する。押さえ環１９を固定部材１４に取り付けることで、出力伝達部材２４から移動子１５、振動子１１、加圧部材１８までを一つのモータユニットとして構成できる。

【0025】

駆動回路４０は、突出片３１ａに固定される。駆動回路４０は、振動波モータ１０を回転駆動するように制御する。駆動回路４０は、信号線２１により圧電体１３と電気的に接続し、圧電体１３に電圧信号を供給する。

【0026】

＜振動子１１および移動子１５の概略構成例＞
図２は、振動子１１および移動子１５の一部を切り欠いた斜視図である。上述したように、振動子１１は、弾性体１２と圧電体１３とにより構成される。弾性体１２は、圧電体１３との接合面１２ｄの反対側に、駆動面１２ａを有する。駆動面１２ａには潤滑性の表面処理がなされている。

【0027】

駆動面１２ａは、移動子１５の摺動面１５ａに加圧接触され、移動子１５を回転駆動させる。駆動面１２ａには、溝１２ｃが形成される。また、弾性体１２は、溝１２ｃを挟むように複数の突起部１２ｂを有する。換言すれば、隣接する突起部１２ｂの間には、溝１２ｃが形成される。突起部１２ｂの先端面は、駆動面１２ａである。

【0028】

振動波モータ１０は、圧電体１３の励振により駆動面１２ａに発生する駆動力を用いて移動子１５を駆動することによって、第３レンズ群Ｌ３を駆動する。弾性体１２に溝１２ｃを形成する理由は、振動子１１の光軸方向の幅における進行波の中立面８００を、できる限り圧電体１３側に近づけ、これにより、駆動面１２ａでの進行波の振幅を増幅させるためである。

【0029】

弾性体１２において、圧電体１３が接触する接合面１２ｄから移動子１５の摺動面１５ａに加圧接触する駆動面１２ａまでのうち、突起部１２ｂがない部分を、ベース部１２ｅと称す。すなわち、弾性体１２は、ベース部１２ｅとベース部１２ｅ上で円周方向に配列された突起部１２ｂとにより構成され、隣接する突起部１２ｂの間に溝１２ｃが形成されて、櫛歯状になる。

【0030】

なお、Ｂは、ベース部１２ｅの厚さである。Ｃは、圧電体１３の光軸方向の厚さである。Ｔは、隣接する突起部１２ｂの間に設けた溝１２ｃの深さ、換言すれば、突起部１２ｂの光軸方向の長さである。Ｗは、弾性体１２の径方向ＤＤの幅である。

【0031】

移動子１５は、駆動面１２ａに加圧接触する摺動面１５ａを有する。また、移動子１５は、移動子１５の摺動面１５ａの反対側に、出力伝達部材２４と接合する接合面１５ｂを有する。

【0032】

＜圧電体１３＞
図３は、圧電体１３を示す説明図である。（ａ）は、弾性体１２の接合面１２ｄと接合する円環状の第一面１３Ａを示し、（ｂ）は、弾性体１２の第一面１３Ａの裏面であり、不織布１６と接触する円環状の第二面１３Ｂを示す。

【0033】

圧電体１３は、円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分離されている。各相では、進行波の１／２波長毎に分極が交互となった要素が配列され、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分の間隔が設けられる。

【0034】

（ａ）において、第一面１３Ａには、Ａ相において、第一面１３Ａの周方向に沿って複数（本例では８個）の第一電極１３１Ａが設けられ、Ｂ相において、第一面１３Ａの周方向に沿って複数（本例では８個）の第二電極１３１Ｂが設けられる。特に、複数の第一電極１３１Ａの一端の第一電極１３１Ａを第一電極１３１Ａ１と表記し、他端の第一電極１３１Ａを第一電極１３１Ａ２と表記する。同様に、複数の第二電極１３１Ｂの一端の第二電極１３１Ｂを第二電極１３１Ｂ１と表記し、他端の第二電極１３１Ｂを第二電極１３１Ｂ２と表記する。

【0035】

第一面１３Ａは、第一電極１３１Ａ１と第二電極１３１Ｂ１との間に、進行波の１／４波長分の第三電極１３１Ｃを有し、第一電極１３１Ａ２と第二電極１３１Ｂ２との間に、進行波の３／４波長分の第四電極１３１Ｄを有する。これら電極１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃ，１３１Ｄは、隣接する電極１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃ，１３１Ｄ間では、周方向に沿って、それぞれ交互にプラス極（＋）とマイナス極（－）に分極されている。

【0036】

（ｂ）において、第二面１３Ｂには、Ａ相の裏面側において、第一電極１３２Ａを有し、Ｂ相の裏面側において、第二電極１３２Ｂを有する。また、第二面１３Ｂには、進行波の１／４波長分の第三電極１３１Ｃの裏面側において、進行波の１／４波長分の第三電極１３２Ｃを有し、進行波の３／４波長分の第四電極１３１Ｄの裏面側において、進行波の３／４波長分の第四電極１３２Ｄを有する。

【0037】

第一電極１３２Ａに駆動電圧を加えるとＡ相に駆動電圧が伝わり、第二電極１３２Ｂに駆動電圧を加えるとＢ相の駆動電圧が伝わる。進行波の１／４波長分の第三電極１３２Ｃは、導電塗料で弾性体１２に短絡させ、接地（ＧＮＤ）する。

【0038】

＜駆動回路４０のブロック構成例＞
図４は、駆動回路４０のブロック構成例を示す説明図である。駆動回路４０は、振動波モータ１０へ繰り返し変動する駆動信号を与える。駆動回路４０は、発振部６０と、移相部６２と、増幅部６４と、振動波モータ１０と、回転検出部６６と、制御部６８と、を有する。

【0039】

発振部６０は、制御部６８の指令により所望の周波数の駆動信号を生成して、移相部６２に出力する。移相部６２は、発振部６０によって生成された駆動信号を位相の異なる２つの駆動信号に分離する。増幅部６４は、移相部６２によって分離された２つの駆動信号をそれぞれ所望の電圧に昇圧する。増幅部６４からの駆動信号は、振動波モータ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。

【0040】

回転検出部６６は、たとえば、光学式エンコーダや磁気エンコ－ダにより構成され、移動子１５の駆動によって駆動されたカム環３６の位置や速度を検出し、検出値（検出位置および検出速度）を電気信号（検出信号）として制御部６８に伝達する。

【0041】

制御部６８は、レンズ鏡筒２０内またはカメラボディ１のプロセッサ７０からの駆動指令を基に、振動波モータ１０の駆動を制御する。制御部６８は、回転検出部６６からの検出信号を受け、その検出値を基に、カム環３６の目標位置および移動速度を示す情報を算出する。

【0042】

そして、制御部６８は、カム環３６を上記目標位置に位置決めするように、発振部６０からの発振信号の周波数を制御する。制御部６８は、カム環３６の回転方向への正転反転の切換時に、移相部６２の位相差を９０度またはマイナス９０度に変更する。

【0043】

＜振動波モータ１０の動作例＞
つぎに、実施形態の振動波モータ１０の動作を説明する。制御部６８から、駆動指令が発令されると、発振部６０は駆動信号を発生させ、移相部６２に出力する。駆動信号は、移相部６２により９０度位相の異なる２つの駆動信号に分割され、増幅部６４により所望の電圧に増幅される。

【0044】

増幅された駆動信号は、振動波モータ１０の圧電体１３に印加され、圧電体１３は励振される。その励振によって弾性体１２には９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相に印加される。Ａ相から発生する９次曲げ振動とＢ相から発生する９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相に印加された駆動信号とＢ相に印加された駆動信号とは９０度位相がずれているため、２つの曲げ振動は合成され、９波の進行波となる。

【0045】

進行波の波頭には楕円運動が生じている。したがって、駆動面１２ａ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的に駆動される。移動子１５の駆動により駆動されたカム環３６には、回転検出部６６が配置されていて、そこから、電気パルスが発生し、検出信号として制御部６８に伝達される。制御部６８は、この検出信号を基に、カム環３６の現在の位置と現在の速度を得ることが可能となる。

【0046】

上述した振動波モータ１０では、環境問題に考慮して、圧電体１３として鉛フリー材が使用される。しかし、本発明者らの鋭意検討の結果、鉛フリーの圧電体１３を振動波モータ１０に搭載した場合、同一条件下におけるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の圧電体と同様な駆動性能を得ることが困難であることがわかった。

【0047】

その原因究明すべく、ＣＡＥ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）解析等を用いて検討したところ、鉛フリーの圧電体１３とＰＺＴとの密度が異なっていることが判明した。鉛フリーの圧電体１３の密度は、たとえば、ニオブ系の材料の場合は４．２～４．７×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］、チタン酸バリウム系の材料の場合には５．５～６．０×１０^３ｋｇ／ｍ^３である。

【0048】

これに対して、ＰＺＴは７．７～７．８×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］である。すなわち、鉛フリーの圧電体１３は、ＰＺＴと比較して、２０数％から４０数％密度が小さい。これに起因して鉛フリーの圧電体１３と弾性体１２を接合した振動子１１での振動特性が得られないということが判明した。

【0049】

＜等価回路＞
図５は、振動波モータ１０の振動子１１の等価回路と示す説明図である。（ａ）に等価回路、（ｂ）に機械的品質係数Ｑｍの計算式を示す。（ａ）において、Ｌｍは等価インダクタンス、Ｃｍは等価容量、Ｒは共振抵抗、Ｃｄは圧電体１３の静電容量を示す。ＬｍやＣｍの値は、振動子１１の共振特性に影響する。（ｂ）の機械的品質係数Ｑｍは、共振特性を示す尺度で、このＱｍ値が大きいほど共振特性が良いことを示す。機械的品質係数Ｑｍは、Ｌｍ値が大きいほど大きくなる。

【0050】

以下に示す表１は、各材料を圧電体１３とした時にＬｍ値、Ｃｍ値をＣＡＥ解析で算出した値である。ここで圧電体１３のモデルは以下のように構成した。

【0051】

外径：６２［ｍｍ］
内径：５５［ｍｍ］
振動子１１の厚さ：４．２２［ｍｍ］
駆動面１２ａ側に設けた溝１２ｃの数：４８個
溝１２ｃの深さ：１．９２［ｍｍ］

【0052】

【表1】

【0053】

表１に示すように、ＰＺＴのＬｍ値が０．３４１であるのに対して、チタン酸バリウム系のＬｍ値は０．３２５、ニオブ酸系のＬｍ値は０．３１３である。すなわち、密度が小さくなるほどＬｍ値が小さくなる。鉛フリーの圧電体１３を振動子１１に組み込んだ場合、ＰＺＴの圧電体を組み込んだ場合と比べてＬｍ値が小さくなる。

【0054】

すなわち、鉛フリーの圧電体１３を組み込んだ場合の機械的品質係数Ｑｍは、ＰＺＴの圧電体を組み込んだ場合よりも小さくなる。このため、ＰＺＴの圧電体１３を組み込んだ場合に比べて鉛フリーの圧電体１３を組み込んだ場合は、所望の共振特性を得ることが困難となっていたことが分かった。

【0055】

また、振動波モータ１０は、共振を利用する原理であるため、振動子１１に所望の振動特性が得られないと、移動子１５を組み合わせた状態での駆動性能が得にくい。したがって、鉛フリーの圧電体１３を用いた振動子１１では、所望の駆動性能を得にくい傾向がある。

【0056】

そこで、鉛フリーの圧電体１３を用いた振動子１１の共振特性を向上させるために、Ｌｍ値が向上する振動子１１の寸法の傾向を調査した。ここで、弾性体１２の隣接する突起部１２ｂの間に設けた溝１２ｃの深さをＴ、溝１２ｃの底部から圧電体１３との接合面１２ｄまでのベース部１２ｅの厚さをＢ、弾性体１２の径方向ＤＤの幅をＷ、振動子１１に生じる進行波の波長をλとする。

【0057】

＜ＣＡＥ解析結果例＞
図６は、ＣＡＥ解析結果を示すグラフである。（ａ）は、ＣＡＥ解析結果を示すグラフであり、（ｂ）は、振動子１１の寸法を示す。具体的には、たとえば、図６は、
Ｔ値：１．９～２．８、
Ｂ値：１．０～１．９、
Ｗ値：２．４～４．５、
の範囲においてそれぞれ変化させ、ＣＡＥ解析にてＬｍ値を算出した結果を示す。当該算出結果より、計算結果、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値と、Ｌｍ値とに相関があることがわかる。具体的には、たとえば、Ｌｍ値は、Ｔ値が大きいほど大きい値になり、Ｂ値が小さいほど大きい値になり、また、Ｗ値が小さいほど大きい値になる傾向があり、λ値が大きいほど大きい値になる傾向があるである。

【0058】

そこで、密度がＰＺＴよりも小さいニオブ系材料（４．２～４．７×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］）とで、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値を変えた場合、各圧電体１３の材料において、振動子１１のＬｍ値がどの様な値となるのか、ＣＡＥ解析にて算出した。その算出結果を表２に示す。

【0059】

【表2】

【0060】

なお、表２は、
Ｔ値：１．９～３．５
Ｂ値：１．０～２．９
Ｗ値：２．４～４．５
の範囲においてそれぞれ変化させ、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が、０．５１、０．８４、１．０２、１．９４になる時のＬｍ値を算出した結果を示す。４．２～４．７×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］の範囲は、一般的なニオブ系の圧電材料の密度の範囲なので、その上限密度値と下限密度値にてＣＡＥ解析を実施した。

【0061】

表２によれば、密度が小さいほどＬｍ値が小さくなり、一方、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値を大きくすれば、ＰＺＴを搭載した振動子１１よりも大きな値が得られることがわかった。しかしながら、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値を大きくした時の弊害も考えられるため、本発明者らは、ニオブ系材料を搭載した振動を試作して、振動波モータ１０としての共振特性を調査することとした。

【0062】

圧電体１３の材料は、ニオブ酸カリウムナトリウムを主成分とし、弾性体１２はステンレス鋼とし、弾性体１２のＴ、Ｂ値および径方向ＤＤの幅Ｗを変えた振動子１１を１２種類試作して、１２種の振動子１１の各試作品において駆動できる駆動信号の電圧（駆動電圧）を調査した。

【0063】

試作品は、
Ｔ値：１．５～２．０
Ｂ値：０．３５～０．７５
Ｗ値：２．４～２．７の範囲で作成した。また、試作品の圧電体１３の密度は、４．４×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］である。

【0064】

駆動できる駆動信号の電圧が低いほど、振動波モータ１０の実機においての共振特性が良く、駆動信号の電圧が高いほど、振動波モータ１０の実機においての共振特性が良くないと考えられる。測定した結果を図７に示す。

【0065】

＜［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値の測定結果例＞
図７は、駆動電圧に応じた［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値の測定結果を示すグラフである。［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が０．８２の場合、１００［Ｖ］の駆動電圧を与えても振動波モータ１０は起動しなかった。

【0066】

一方、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が０．８４～１．９４の範囲においては、１００［Ｖ］以下である適正な駆動電圧で振動波モータ１０が駆動できることがわかった。

【0067】

また、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が２．２９においては、振動波モータ１０が駆動するが、移動子１５の回転状態がやや不安定である状態であった。

【0068】

このように、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値を大きくするほど、振動子１１のＬｍ値が大きくなり、Ｑｍ値が向上する。その反面、振動子１１の電気機械結合係数Ｋｖｎが小さくなってしまう場合があり、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率が悪くなる弊害が生じる。

【0069】

［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値を２．２９とした時には、その弊害が生じてしまい、移動子１５の回転状態がやや不安定になったものと考えられる。以上の検討結果を基に、実施例１の振動波モータ１０は、下記の構成とする。

【実施例1】

【0070】

圧電体１３は、ニオブ酸カリウムナトリウムを含む。具体的には、たとえば、圧電体１３は、ニオブ酸カリウムナトリウムを主成分（たとえば、９０％）とし、残りをリチウムやアンチモンなどの材料とした。また、圧電体１３の密度を、４．２～４．７×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］とした。

【0071】

また、弾性体１２にはステンレス鋼を用い、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値の範囲を０．８４～１．９４とした。このような構成にしたことにより、圧電体１３の密度がＰＺＴを主成分とした場合よりも小さくなっても、振動子１１として共振特性が確保でき、移動子１５を組み合わせた状態での駆動性能が確保できる様になった。

【0072】

具体的には、たとえば、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が０．８４の時、ＣＡＥ解析による計算結果では振動子１１のＬｍ値は約０．６５となっており、また、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が１．９４の時、振動子１１のＬｍ値は約１．４となっている。

【0073】

上述の実施例では、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値を０．８４～１．９４としたが、さらに駆動電圧を下げる観点では、０．９０～１．９４が好ましく、さらには１．０１～１．９４が好ましく、１．０１～１．７１がより好ましい。

【実施例2】

【0074】

実施例２は、実施例１に対し圧電体１３の材料を変えた例を示す。具体的には、たとえば、圧電体１３はチタン酸バリウムを主成分とした材料とし、その密度を５．５～６．０×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］とした。また、弾性体１２にはステンレス鋼を用い、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値の範囲を０．８４～１．９４とした。

【0075】

表１に示したように、圧電体１３をチタン酸バリウムとした時でも、圧電体１３の密度がＰＺＴを主成分とした場合よりも小さいため、振動子１１のＬｍ値が下がり、振動子１１として十分な共振特性が得られない。この状態で移動子１５を組み合わせたても、駆動性能が得られないこととなる。

【0076】

そこで、実施例２では、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値の変えてみて、ＣＡＥ解析で振動子１１のＬｍ値を算出した。当該算出結果を表３に示す。

【0077】

【表3】

【0078】

表３は、圧電体１３の密度が、５．５×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］と６.０×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］である場合において、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値を０．５１、０．８４、１．２、１．９４と変更した時の各振動子１１のＬｍ値を算出した結果を示す。

【0079】

圧電体１３の密度が５．５～６．０×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］の範囲は、一般的なチタン酸バリウム系の圧電材料の密度の範囲であるため、その上限密度値と下限密度値にてＣＡＥ解析を実施した。なお、
Ｔ値：１．９～３．５
Ｂ値：１．０～２．９
Ｗ値：２．４～４．５
の範囲にてＣＡＥ解析を行った。なお、振動子１１に生じる進行波の波長λは、λ＝２０．４とする。

【0080】

圧電体１３がチタン酸バリウムである場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が０．８４の時、Ｌｍ値は約０．６５、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が１．９４の時、振動子１１のＬｍ値は約１．４となっている。圧電体１３の密度が５．５～６．０×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］の材料であるチタン酸バリウムにおいても、（［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値とＬｍ値との関係については、圧電体１３の密度が４.２～４．７×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］の材料であるニオブ酸系（表２を参照）とほぼ同じ値となっている。したがって、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値は、０．８４～１．９４が適正の範囲と考えられる。

【0081】

圧電体１３の材料が表２に示したニオブ酸系（密度：４．２～４．７×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］）であるＬｍ値も、圧電体１３の材料が表３に示したチタン酸バリウム系（密度：５．５～６．０×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］）であるＬｍ値も、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が０．８４～１．９４の範囲においては、同様の関係となる。したがって、圧電体１３の密度４．２～６．０×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］においては、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値０．８４～１．９４が適正の範囲と考えられる。

【0082】

上述の実施例では、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値を０．８４～１．９４としたが、さらに駆動電圧を下げる観点では、０．９０～１．９４が好ましく、さらには１．０１～１．９４が好ましく、１．０１～１．７１がより好ましい。

【実施例3】

【0083】

実施例３について説明する。実施例１および実施例２においては、無鉛の圧電体１３を搭載した時に等価回路のＬｍ値を大きくする様に、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値の範囲を定めることを示したが、その値は、圧電体１３としてＰＺＴを搭載した時よりも大きめな値になる傾向がある。

【0084】

［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値を大きくするためには、
（１）Ｔ／Ｂ値を大きくする、または、
（２）Ｗ値を小さくする
の２通りがあるが、２通りとも振動波モータ１０の起動時の様な速度変化大きい状態になった時などに、振動波モータ１０を駆動できないことが生じる。図８を用いて、その理由を説明する。

【0085】

＜突起部１２ｂの挙動例＞
図８は、振動波による振動子１１の突起部１２ｂの挙動を示す説明図である。（ａ）は、（ｂ）よりもＴ／Ｂ値が小さい場合（溝１２ｃの深さが浅い）における振動波による振動子１１の突起部１２ｂの挙動を示す。（ｂ）は、（ａ）よりもＴ／Ｂ値が大きい場合（溝１２ｃの深さが深い）における振動波による振動子１１の突起部１２ｂの挙動を示す。（ｃ）は、（ａ）よりもＷ値が小さい場合における振動波による振動子１１の突起部１２ｂの挙動を示す。

【0086】

（１）Ｔ／Ｂ値を大きくする場合
振動子１１の進行波が発生している場合、ベース部１２ｅの厚さと圧電体１３の厚さとを合わせた部分で変形が生じる（すなわち、突起部１２ｂが無い状態で弾性体１２に屈曲変形が生じる）。

【0087】

屈曲した弾性体１２の中立面８００は、弾性体１２の溝１２ｃの溝底から接合面１２ｄの間に存在する。そして、突起部１２ｂは、ベース部１２ｅの厚さＢと圧電体１３の厚さＣとを合わせた部分で生じた屈曲振動により、駆動方向（弾性体１２の周方向）に揺動する。

【0088】

（ａ）のように、Ｔ／Ｂが小さい場合、突起部１２ｂの先端面（駆動面１２ａ）の駆動方向への運動は小さく、（ｂ）のように、Ｔ／Ｂが大きい場合、駆動方向への運動は大きくなる。ここで、当該運動の速度を概算する。ベース部１２ｅの厚さＢと圧電体１３の厚さＣとを合わせた部分に生じる移動子１５の駆動方向への運動を（（Ｂ＋Ｃ）／２）とする。

【0089】

（（Ｂ＋Ｃ）／２）は、ベース部１２ｅの厚さＢと圧電体１３の厚さＣとを合わせた距離の半分、すなわち、圧電体１３の不織布１６と接合する第二面１３Ｂから中立面８００までの距離である。この場合、駆動面１２ａには、移動子１５の（Ｔ＋（Ｂ＋Ｃ）／２）／（（Ｂ＋Ｃ）／２）倍の駆動方向への運動が生じる。たとえば、Ｔを大きくすると、駆動面１２ａの揺動は、その分大きくなる。

【0090】

また、圧電体１３の厚さＣは、ベース部１２ｅの厚さＢに比べると、数分の１以下と小さいため、上記式（Ｔ＋（Ｂ＋Ｃ）／２）／（（Ｂ＋Ｃ）／２）は、（Ｔ＋Ｂ／２）／（Ｂ／２）と近似できる。

【0091】

Ｔ／Ｂが大きい場合、駆動方向への運動が大きい故、移動子１５から駆動面１２ａにかかる力が大きくなる。たとえば、駆動方向への弾性体１２の運動の変位が２倍になると、移動子１５の速度および加速度も２倍となる。駆動面１２ａに接触する移動子１５を動かそうとする場合、駆動面１２ａには２倍の力（負荷）がかかることになる。それが起因して、振動波モータ１０の起動時のような速度変化が大きい状態になった場合などに、振動波モータ１０が駆動できない場合が生じる。

【0092】

（２）Ｗ値を小さくする場合
振動子１１の進行波が生じている時の突起部１２ｂは、前述したように、ベース部１２ｅの厚さＢと圧電体１３の厚さＣとを合わせた部分で生じた屈曲振動により、駆動方向（弾性体１２の周方向）に揺動する。

【0093】

外内径幅Ｗが小さい時、すなわち、外内径幅Ｗが狭い時、Ｗが広い場合と比較して、振動子１１の突起部１２ｂの質量が小さいことになる。従って、質量が小さいことから、駆動方向への突起部１２ｂの慣性力が小さくなり、移動子１５から駆動面１２ａにかかる駆動方向の力に対しての駆動できる抵抗力の範囲が低減してしまう。

【0094】

たとえば、外内径幅Ｗが１／２倍になると、突起部１２ｂの質量が１／２倍となる。駆動面１２ａに接触する移動子１５を動かそうとする場合、駆動面１２ａからの力（負荷）に対しての駆動できる抵抗力の範囲は１／２倍となる。それが起因して、振動波モータ１０の起動時のような速度変化大きい状態になった場合などに、振動波モータ１０を駆動できない場合が生じる。

【0095】

上記の考察から、（１）Ｔ／Ｂ値が大きい場合および（２）Ｗが小さい場合が、振動波モータ１０の起動時のような速度変化が大きい状態になった場合などに、移動子１５から駆動面１２ａにかかる力が大きくなる。

【0096】

すなわち、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］の値が大きな数値になる程、振動波モータ１０の起動時のような速度変化大きい状態になった場合などに、移動子１５から駆動面１２ａにかかる力が大きくなり、振動波モータ１０は起動しにくくなる。

【0097】

また、前述した考察によれば、
（１）Ｔ／Ｂ値が大きくなると、その値にほぼ比例して移動子１５から駆動面１２ａにかかる力が大きくなる。一方、
（２）Ｗが小さくなると、その値にほぼ半比例して移動子１５から駆動面１２ａにかかる力が大きくなる。この考察結果を基にして、振動波モータ１０を起動する方法を検討した。

【0098】

＜振動波モータ１０の駆動シーケンス例＞
図９は、振動波モータ１０の駆動シーケンス例を示す説明図である。図９では、振動波モータ１０の駆動周波数の時間的変化、振動波モータ１０の駆動電圧の時間的変化、２つの駆動信号の位相差の時間的変化、振動波モータ１０の回転速度の時間的変化を示す。

【0099】

制御部６８からの駆動指令がない状態（ｔ０）では、
駆動周波数：ｆｓ０
駆動電圧：電圧Ｖ０（＝０［Ｖ］）
Ａ相とＢ相との位相差：０度
となっている。

【0100】

制御部６８から駆動指令が与えられると（ｔ１）、
駆動周波数：ｆｓ０
駆動電圧：電圧Ｖ１
Ａ相とＢ相との位相差：９０度（反転駆動時は－９０度）
と設定される。このとき、回転速度＝０である（回転速度０）。

【0101】

徐々に駆動周波数を下げ、ｔ２時の周波数：ｆ０になった時に、移動子１５が回転駆動される。

【0102】

ｔ４時には周波数はｆｌｏｗとなり、回転速度は目標速度Ｒｅｖ１に達する。

【0103】

実施例３においては、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値に応じて、周波数を掃引するとき周波数の変化に対しての時間を長くする。具体的には、たとえば、ｆｌｏｗ－ｆｓ０の周波数差と、ｔ４－ｔ２の時間差（以下、立ち上がり時間）とに関係を持たせる。

【0104】

［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が小さい場合には、立ち上がり時間（ｔ４－ｔ２）を短くする。

【0105】

［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が大きい場合には、立ち上がり時間（ｔ４－ｔ２）を長くする。

【0106】

これは、立ち上がり時間（ｔ４－ｔ２）を大きくすることで、起動時の振動波モータ１０の振動子１１にかかる移動子１５からの反力を低減させることとなる。

【0107】

ＰＺＴを搭載した振動波モータ１０の場合、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］：０．５１、起動時の周波数掃引の周波数変化率は、１［ｋＨｚ／ｍｓｅｃ］程度とする。

【0108】

［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が０．８４～１．０２の範囲の場合には、駆動面１２ａの駆動方向への運動は、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］＝０．５１に対して、約１．６～２倍程度増加する。したがって、立ち上がり時間（ｔ４－ｔ２）を２倍にする、すなわち、周波数掃引の周波数変化率をその１／２程度、たとえば、０．５［ｋＨｚ／ｍｓｅｃ］にすれば、振動波モータ１０への負担は、ＰＺＴ搭載時の［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］：０．５１と同じ程度かそれ以下となる。

【0109】

また、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値が１．０２～１．９４の範囲の場合には、駆動面１２ａの駆動方向への運動は、［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］＝０．５１に対して、約２～３．８倍程度増加する。したがって、立ち上がり時間（ｔ４－ｔ２）を４倍にする、すなわち、周波数掃引の周波数変化率をその１／４程度、たとえば、０．２５［ｋＨｚ／ｍｓｅｃ］にすれば、振動波モータ１０への負担は、ＰＺＴ搭載時の［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］：０．５１と同じ程度かそれ以下となる。

【0110】

［（Ｔ／Ｂ）÷Ｗ］値に応じて、周波数の変化量を変化させることで、振動波モータ１０の起動時のような速度変化大きい状態になった場合（すなわち、振動波モータ１０の振動子１１への負担が大きい状態になった場合）でも、振動波モータ１０を確実に起動できるようになる。

【0111】

本実施形態では、進行性振動波を用いた振動波モータ１０で、波数９の場合を開示したが、他の波数である４～８波、１０波以上でも、同様な構成で、同様な制御すれば、同様な効果が得られる。

【符号の説明】

【0112】

１０ 振動波モータ、１１ 振動子、１２ 弾性体、１２ａ 駆動面、１２ｂ 突起部、１２ｃ 溝、１２ｄ 接合面、１２ｅ ベース部、１３ 圧電体、１３Ａ 第一面、１３Ｂ 第二面、１５ 移動子、１５ａ 摺動面、１５ｂ 接合面、３６ カム環、４０ 駆動回路、６０ 発振部、６２ 移相部、６４ 増幅部、６６ 回転検出部、６８ 制御部、７０ プロセッサ、１００ カメラ、８００ 中立面、Ｂ ベース部の厚さ、Ｔ 溝の深さ、Ｗ 外内径幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】