JP6576214B2 - 振動型アクチュエータ、レンズ鏡筒、撮像装置及びステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動型アクチュエータ、振動型アクチュエータを備えるレンズ鏡筒、撮像装置及びステージ装置に関する。

振動型アクチュエータは、一般的に、振動体と被駆動体を加圧接触させ、振動体に励起させた振動によって振動体と被駆動体との間に摩擦駆動力を作用させて、振動体と被駆動体とを相対的に移動させる。振動型アクチュエータの一例として、振動体に設けられた２つの突起部の上面と被駆動体とを加圧接触させた構造を有するものが知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載された振動型アクチュエータを構成する振動体は、板状の弾性体と、弾性体の一方の面に設けられた２つの突起部と、弾性体において突起部が設けられている面の反対側の面に設けられた圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）とを有する。

このような振動型アクチュエータの駆動時には、駆動回路から位相差を有する２つの交流電圧が駆動電圧として圧電素子へ印加される。これにより、振動体に２つの曲げ振動モードが同時に励振され、２つの突起部を結ぶ方向と弾性体からの２つの突起部の突出方向とを含む面内で２つの突起部の先端に楕円運動が生じ、被駆動体は２つの突起部から摩擦駆動力を受ける。こうして、例えば、振動体が固定部材に固定された振動型アクチュエータでは、２つの突起部を結ぶ方向に被駆動体を移動させることができる。

特許文献１では、圧電素子の底面（弾性体との接合面の反対側の面）にフェルトを介して加圧板を配置し、加圧ばねを用いて加圧板を被駆動体側へ押圧することで振動体を被駆動体に押し当てる加圧手段が用いられている。このとき、振動体を保持する固定部材に加圧力の反力を受けるガイド部を設けることによって、振動体に励起した振動を阻害することなく、安定した加圧状態を実現することができる。一方、特許文献２には、振動型アクチュエータの小型化と薄型化を目的として、別の加圧手段として永久磁石の磁力によって振動体と被駆動体とを加圧接触させるための圧接力を発生させる構成を有するものが提案されている。

特開２０１５−１０４１４４号公報 特開２００９−１１０５８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された加圧手段は、加圧ばねやフェルトを必要とするため、部品点数が増加するという問題がある。また、部品点数が増えることによって、振動体を小型化させても、振動型アクチュエータ全体の小型化を実現することが容易ではないという問題がある。更に、加圧力の反力を受けるガイド部には、定格荷重の大きな構造を有するものが必要となるため、ガイド部の小型化は容易ではない。

これに対して、特許文献２に記載された加圧手段では、加圧ばねやその反力を受けるための部品は不要となるが、磁力を発生させるための永久磁石が必要となるため、振動型アクチュエータのコストが増大するという問題がある。また、永久磁石を用いた場合には、永久磁石の磁気によって振動型アクチュエータを搭載した装置内に設置されているセンサ等が誤動作を起こすおそれがある。そのため、振動型アクチュエータとセンサ等とを十分に離して設置する等の制約が生じることで、装置の小型化が妨げられてしまうという問題がある。更に、振動型アクチュエータは、ＤＣモータやステッピングモータとは異なり、非磁性であるために強磁場環境下でも使用可能であるが、磁石を用いることによって強磁場環境下では使用することができなくなるおそれがある。

本発明は、磁石を用いずに、製造コストの低減と小型化を可能とする振動型アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、振動体と被駆動体とが加圧接触し、前記振動体に励起させた駆動振動によって前記振動体と前記被駆動体とを第１の方向に相対的に移動させる振動型アクチュエータであって、前記振動体は、平板状の形状を有する電気−機械エネルギ変換素子と、前記電気−機械エネルギ変換素子と接合される基部および前記基部から延出する一対の接触部を有する弾性体と、を備え、前記一対の接触部は、前記第１の方向および前記電気−機械エネルギ変換素子の厚み方向である第２の方向の両方向と直交する第３の方向において前記被駆動体に対して弾性変形によって加圧接触し、前記電気−機械エネルギ変換素子に所定の交流電圧を印加することにより前記振動体に前記駆動振動が励起されたときに、前記振動体と前記被駆動体とを前記第１の方向に相対的に移動させる摩擦駆動力を前記被駆動体に加えることを特徴とする振動型アクチュエータである。

本発明によれば、振動型アクチュエータの製造コストの低減と小型化を、磁石を用いずに実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る振動型アクチュエータの概略構成を示す斜視図、振動型アクチュエータを構成する振動体の構造を示す斜視図、及び、振動体を構成する弾性体の曲げ加工前の状態を示す略十字型の金属板の斜視図である。 図１に示す振動型アクチュエータを構成する振動体に励起される第１の振動モードでの振動体の変形を説明する斜視図である。 図１に示す振動型アクチュエータを構成する振動体に励起される第２の振動モードでの振動体の変形を説明する斜視図である。 図１に示す振動型アクチュエータを構成する圧電素子における支持部材の固定部との接合面の電極構成を示す平面図である。 図１に示す振動型アクチュエータにおいて、振動体に対して被駆動体を配置する前後それぞれの状態を示す側面図である。 本発明の第２実施形態に係る振動型アクチュエータの概略構成を示す斜視図及び側面図である。 本発明の第３実施形態に係る振動型アクチュエータの概略構成を示す斜視図、振動型アクチュエータを構成する振動体の構造を示す斜視図である。 図７に示す振動型アクチュエータを構成する振動体に励起される第１の振動モードでの振動体の変形を説明する斜視図である。 図７に示す振動型アクチュエータを構成する振動体に励起される第２の振動モードでの振動体の変形を説明する斜視図である。 図１に示す振動型アクチュエータを用いた撮像装置の概略構成を示す上面図とブロック図である。 図１に示す振動型アクチュエータを用いたステージ装置の一例である顕微鏡の外観斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る振動型アクチュエータ１の概略構成を示す斜視図である。振動型アクチュエータ１は、振動体２と、振動体２と加圧接触する被駆動体３とを有する。図１（ｂ）は、振動体２の構造を示す斜視図である。振動体２は、電気量を機械量に変換する電気−機械エネルギ変換素子である平板状の圧電素子２ａと、圧電素子２ａと接合された弾性体２ｂとを有する。振動体２は、支持部材４に圧電素子２ａが接合されることによって、支持部材４に保持されている。

説明の便宜上、図１（ａ）に示すようにＸ方向（第１の方向）を規定し、図１（ｂ）に示すようにＸ方向と互いに直交するＺ方向（第２の方向）とＹ方向（第３の方向）とを規定する。Ｘ方向は、振動体２と被駆動体３との相対的な移動方向であり、Ｚ方向は、圧電素子２ａの厚み方向であり、Ｙ方向は、Ｘ方向及びＺ方向と直交する方向である。

弾性体２ｂは、基部２ｃと、基部２ｃのＹ方向端から延出するように設けられた一対の接触部２ｄとを有する。接触部２ｄの被駆動体３側に設けられた一対の接触面２ｅが、被駆動体３のＹ方向側面と当接して被駆動体３を摩擦駆動する。弾性体２ｂは、金属製の弾性部材であり、例えば、マルテンサイト系のステンレス鋼等からなる。また、弾性体２ｂには、耐久性を高めるための硬化処理として、例えば、焼入処理が施されている。

図１（ｃ）は、弾性体２ｂの曲げ加工前の状態を示す略十字型の金属板の斜視図である。略十字型の金属板は、ステンレス鋼等の板材を、切削加工やレーザー加工、エッチング加工、打ち抜き加工等のいずれか１つ又は幾つかの組み合わせにより、基部２ｃと接触部２ｄとが略十文字の形状となるように加工されることによって製造される。

この略十字型の金属板を、図１（ｃ）に示す破線部２ｆにおいて基部２ｃと接触部２ｄとの角度が鋭角となるように曲げ加工を施すことによって、図２（ｂ）に示すように、Ｙ方向で対向する一対の接触部２ｄを形成することができる。本実施形態では、基部２ｃと接触部２ｄとがなす角度は、略４５度に設定されている。接触部２ｄに設けられた被駆動体３との接触面２ｅは、後述する加圧方法による加圧後に、被駆動体３の摺動面と平滑に接触することができるように、ラップ加工等によって面形状が整えられている。

このように、弾性体２ｂでは、被駆動体３と摩擦摺動する接触部２ｄは、曲げ加工により基部２ｃと一体的に形成されている。これに対して、従来技術として説明した特許文献１に記載された２つの突起部を有する振動体では、板状の弾性体に対する絞り加工によって、被駆動体と摩擦摺動する突起部を形成している。よって、弾性体２ｂは、従来のように突起部を形成する場合よりも加工（製造）が容易である。また、従来の絞り加工によって形成された突起部を有する振動体では、突起部が形成されている部分で、弾性体と圧電素子との間に非接合領域が生じる。これに対して、振動体２では、弾性体２ｂの基部２ｃと圧電素子２ａとの間に非接合領域が生じることはないため、弾性体２ｂと圧電素子２ａとの接合強度を高めることができる。

被駆動体３は、柱状の弾性部材であり、本実施形態ではステンレス鋼が用いられている。被駆動体３には、耐久性（耐摩耗性）を高めるための硬化処理として、例えば、接触部２ｄの接触面２ｅとの摩擦摺動面（Ｙ方向側面）に窒化処理が施されている。

支持部材４は、ベースフィルムがポリイミド等で形成されたフレキシブル配線基板からなり、給電部４ａ、薄板部４ｂ、固定部４ｃ及び取付穴部４ｄを有する。給電部４ａは、接着剤等で圧電素子２ａに接合され、圧電素子２ａに駆動電圧を印加する。固定部４ｃは、フレキシブル配線基板の裏打ち材によって形成されており、不図示の基台に取り付けられる。固定部４ｃの基台に対する取り付け方法は、特に限定されるものではないが、例えば、取付穴部４ｄを位置決めに利用して、固定部４ｃの底面（振動体２が配置される面の反対側の面）を接着剤又は粘着剤等で接合する方法を用いることができる。その際、取付穴部４ｄに通して、ねじ又はビスを基台に設けたねじ穴又は孔部に締結することも望ましい。

給電部４ａと固定部４ｃとの間に介在する薄板部４ｂは、圧電素子２ａとは接合されてない薄いフレキシブル配線基板であるため、固定部４ｃよりも低剛性である。よって、薄板部４ｂは、振動体２に励起された駆動振動が固定部４ｃへ伝搬するのを抑制する振動絶縁部として機能する。支持部材４は、薄板部４ｂを有することによって振動体２を柔軟に支持することができるため、振動体２の振動を阻害せずに振動体２を保持することができる。

次に、図２及び図３を参照して、振動体２に励起される２つの振動モード（第１の振動モード、第２の振動モード）について説明する。振動体２に励起さる駆動振動は、第１の振動モードの振動と第２の振動モードの振動とが合成された振動となる。

図２（ａ），（ｂ）は、振動体２に励起される第１の振動モードでの振動体２の変形を説明する斜視図である。なお、図２（ａ），（ｂ）では、振動体２の変形形状をわかりやすくするために、振動体２の形状に比べて変位量を拡大（誇張）して表している。

第１の振動モードでは、Ｘ方向及びＺ方向の両方向と直交するＹ方向における１次の屈曲振動が振動体２の基部２ｃに励起される。この１次の屈曲振動は、Ｘ方向と略平行な２本の節線を有する。一対の接触部２ｄは、第１の振動モードの振動により、Ｙ方向において図２（ａ）に示す接近と図２（ｂ）に示す離間とを繰り返す往復運動を行う。

図３（ａ），（ｂ）は、振動体２に励起される第２の振動モードでの振動体２の変形を説明する斜視図である。なお、図３（ａ），（ｂ）でも、振動体２の変形形状をわかりやすくするために、振動体２の形状に比べて変位量を拡大して表している。

第２の振動モードでは、被駆動体３の移動方向であるＸ方向における２次の屈曲振動が振動体２の基部２ｃに励起される。この２次の屈曲振動は、Ｙ方向と略平行な３本の節線を有する。一対の接触部２ｄは、第２の振動モードの振動によりＸ方向において同じ向きで往復運動を行う。ここで、第２の振動モードの振動で節となる位置の近傍に接触部２ｄを配置することにより、接触部２ｄをＸ方向で最も大きく変位させることができる。

弾性体２ｂの基部２ｃのＸ方向寸法とＹ方向寸法、接触部２ｄのＺ方向寸法等は、第１の振動モードの固有振動数と第２の振動モードの固有振動数とが略一致するように設計されている。

図４は、圧電素子２ａにおける支持部材４の給電部４ａとの接合面の電極構成を示す平面図である。圧電素子２ａは、電気−機械エネルギ変換素子の一例である板状の圧電セラミックスの表裏面に電極が設けられた構造を有する。

圧電素子２ａにおいて支持部材４の給電部４ａと接合される面には、Ａ相とＢ相の２つの電極が設けられている。図４中に示す「＋」は、圧電セラミックスの分極方向を示しており、Ａ相とＢ相の各電極領域での圧電セラミックスの分極方向が同じであることを示している。なお、圧電素子２ａにおいて弾性体２ｂと接合される面には、面全体を覆う１つの全面電極（不図示）が設けられており、この全面電極はグランド電極（アース）として用いられる。

第１の振動モード及び第２の振動モードの固有振動数付近で、同一周波数、且つ、同一の位相の交流電圧をＡ相及びＢ相に印加すると、第１の振動モードの振動が励起される。また、第１の振動モード及び第２の振動モードの固有振動数付近で、同一周波数、且つ、逆位相の交流電圧をＡ相及びＢ相に印加すると、第２の振動モードの振動が励起される。そこで、固有振動数付近で、同一周波数、且つ、同相でも逆相でもない位相差の交流電圧をＡ相及びＢ相に印加することにより、振動体２に第１の振動モードと第２の振動モードの各振動を同時に励起させる。

第１の振動モードと第２の振動モードの各振動が合成されることにより、一対の接触部２ｄの接触面２ｅに略ＸＹ面内での楕円運動が発生する。接触面２ｅの楕円運動によって、被駆動体３はＸ方向の略一致する向きに摩擦駆動され、被駆動体３を振動体２に対して相対的にリニア駆動することができる。Ａ相に対してＢ相に９０度遅れた交流電圧を印加することにより、Ｘ方向の一方の向きへ被駆動体３を移動させることができ、Ａ相に対してＢ相に９０度進んだ交流電圧を印加することにより、Ｘ方向の他方の向きへ被駆動体３を移動させることができる。

図５（ａ）は、振動型アクチュエータ１において、振動体２に対して被駆動体３を配置する前の状態を示す側面図（Ｘ方向から見た図）であり、図５（ｂ）は、振動体２に対して被駆動体３を配置した状態を示す側面図である。図５（ａ）に示すように、振動体２の一対の接触部２ｄは、振動体２と被駆動体３とが組み付けられていない状態では、一対の接触部２ｄの対向する２つの接触面２ｅ間のＹ方向距離Ｌ１が被駆動体３のＹ方向長さＬ２よりも短くなるように形成されている。したがって、図５（ｂ）に示すように振動体２と被駆動体３とが組み付けられると、一対の接触部２ｄは、互いの接触面２ｅがＹ方向において離間するように弾性変形し、接触面２ｅが被駆動体３のＹ方向側面と加圧接触する。なお、図５（ｂ）では、接触部２ｄの変形をわかりやすくするために、接触部２ｄの形状に比べて変位量を拡大して表している。

接触部２ｄが被駆動体３に対して作用させる加圧力の大きさは、接触部２ｄのＹ方向での変形量を増減させることや、接触部２ｄのＹ方向の剛性を変化させること等により、所望の値に設定することができる。一対の接触部２ｄの接触面２ｅから被駆動体３への加圧力は、Ｙ方向において被駆動体３を挟み込むように被駆動体３に作用している。こうして、一方の接触部２ｄから被駆動体３に作用する加圧力の反力を、他方の接触部２ｄで受ける構造となっているため、一対の接触部２ｄ以外に被駆動体３へ作用する加圧力の反力を受ける部位を設ける必要はない。

つまり、振動型アクチュエータ１では、Ｚ方向に、従来の振動型アクチュエータにおいて被駆動体と振動体を加圧接触させるために必要であった加圧ばねやフェルト等の部材が不要となる。したがって、振動型アクチュエータ１は、部品点数を低減させて低コストで製造することが可能になり、また、小型化（特にＺ方向での小型化）が可能となる。また、振動型アクチュエータ１には磁石が用いられていないため、振動型アクチュエータ１は、強磁場環境下でも使用可能である。

接触部２ｄは、ばね性を有する厚みで形成されており、被駆動体３に対して安定した接触が可能となる接触ばねとしての効果を有する。よって、接触面２ｅを安定して被駆動体３と接触させることができ、これにより、安定した駆動を実現することができる。更に、被駆動体３を案内するガイドを被駆動体３の上面等に設けた場合には、加圧力をガイドで受ける必要がないため、定格荷重の小さいガイドで被駆動体３を案内することができ、これにより被駆動体３を滑らに駆動することができる。

加えて、振動型アクチュエータ１では、１つの圧電素子２ａのみで第１の振動モード及び第２の振動モードの各振動を同時に励起する。そのため、例えば、接触部２ｄに第１の振動モードを励振するための圧電素子を別途設ける構成と比較して、給電方法を簡素化することができる。また、これにより、振動損失を低減させることができ、振動型アクチュエータ１の小型化を図ることもできる。

また、振動型アクチュエータ１では、被駆動体３の駆動方向が、圧電素子２ａの厚み方向であるＺ方向と直交するＸ方向となっている。そのため、例えば、被駆動体３を逃がすための貫通穴等を圧電素子２ａに設ける必要がなく、圧電素子２ａを単純な矩形形状とすることができる。これにより、振動体２に発生させる第１の振動モードと第２の振動モードのそれぞれの変形に非対称性が生じることを抑制して、安定した駆動を実現することができる。なお、圧電素子２ａを単純な矩形形状とすることができることで、圧電素子２ａの生産時や圧電素子２ａと弾性体２ｂとの接着時に圧電素子２ａに割れが発生することを抑制することができ、生産性を向上させることができる。

接触部２ｄと基部２ｃとがなす角度は、上記説明では４５度であるとした。しかし、接触部２ｄと基部２ｃとがなす角度は、これに限られず、被駆動体３を適切な加圧力で挟み込むことができ、且つ、第１の振動モードと第２の振動モードのそれぞれの共振周波数を略一致させることが可能である角度であればよい。

また、上記説明では、被駆動体３の駆動方向を制御する方法として、圧電素子２ａのＡ相及びＢ相に印加する交流電圧の位相差を＋９０度と−９０度とで切り替える方法を取り上げた。しかし、Ａ相及びＢ相に印加する交流電圧の位相差は、これに限られず、被駆動体３と振動体２との相対的な移動速度に応じて、０度から±１８０度の範囲で変化させることができる。

また、上記説明では、圧電素子２ａの電極構成を、図４に示すように、Ｘ方向に２分割された構成を取り上げた。しかし、圧電素子２ａの電極構成は、これに限られず、第１の振動モードと第２の振動モードのそれぞれの振動を同時に励起することが可能な構成であればよい。更に、弾性体２ｂの接触部２ｄは、上述の通り、略十字型の金属板の曲げ加工によって形成することができるが、これに限られず、接触部２ｄの形成には、所望の形状が得られる限りにおいて切削加工等の他の方法を用いることもできる。

＜第２実施形態＞
図６（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る振動型アクチュエータ１０の概略構成を示す斜視図である。図６（ｂ）は、振動型アクチュエータ１０の概略構成を示す側面図である。第１実施形態に係る振動型アクチュエータ１は、振動体２の一対の接触部２ｄで被駆動体３を挟み込むように構成されていた。これに対して、第２実施形態に係る振動型アクチュエータは、以下に説明する通りに、振動体１２の一対の接触部１２ｄが被駆動体１３に設けられた壁部によって挟み込まれた構成を有する。

振動型アクチュエータ１０は、振動体１２と、被駆動体１３とを有する。振動体１２は、圧電素子１２ａと、弾性体１２ｂとを有する。圧電素子１２ａは、第１実施形態で説明した圧電素子２ａと同じであるため、説明を省略する。第１実施形態と同様に、振動体１２は、圧電素子１２ａが支持部材４に接合されることによって支持部材４に固定される。

被駆動体１３は、側面から見たとき（Ｘ方向から見たとき）に略コの字形状を有する。また、弾性体１２ｂは、先端部である接触面１２ｅがＹ方向において互いに反対側を向くように屈曲形成された一対の接触部１２ｄを有する。一対の接触部１２ｄは、接触面１２ｅが被駆動体１３の凹部側面（凹部においてＹ方向で対向するＺＸ面）と接触し、凹部側面に挟み込まれることによって、凹部側面に加圧力を作用させている。

振動体１２と被駆動体１３とが組み付けられていない状態で、一対の接触部１２ｄの先端の接触面１２ｅ間のＹ方向距離が被駆動体１３の凹部側面間のＹ方向距離よりも長くなるように、一対の接触部１２ｄは形成されている。よって、振動体１２と被駆動体１３とを組み付けると、一対の接触部１２ｄは、それぞれの先端の接触面１２ｅがＹ方向において近付くように弾性変形し、接触部１２ｄの接触面１２ｅが被駆動体１３の凹部側面に加圧接触する。

振動型アクチュエータ１０もまた、一対の接触部１２ｄの一方の接触部からの加圧力の反力を他方の接触部で受ける構造となっているため、一対の接触部１２ｄ以外の部位で被駆動体１３への加圧力の反力を受ける必要がない。よって、振動型アクチュエータ１０は、振動型アクチュエータ１と同様に、振動体１２と被駆動体１３とを加圧接触させるための加圧構造を簡素化させることができ、これにより、振動型アクチュエータ１が奏する効果と同等の効果を奏する。

＜第３実施形態＞
図７（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る振動型アクチュエータ２０の概略構成を示す斜視図である。振動型アクチュエータ２０は、第１実施形態で説明した振動型アクチュエータ１を構成する振動体２に代えて、振動体２２を備える点で振動型アクチュエータ１と異なる。そのため、以下では、振動体２２以外の振動型アクチュエータ２０の構成要素については、振動型アクチュエータ１の構成要素と同じ符号を付して、第１実施形態と共通する説明を省略する。

図７（ｂ）は、振動体２２の構造を示す斜視図である。振動体２２は、弾性体２２ｂと、圧電素子２２ａとを有する。圧電素子２２ａは、第１実施形態で説明した圧電素子２ａと同じである。弾性体２２ｂは、基部２２ｃと、第１の接触部対２２ｄ１と、第２の接触部対２２ｄ２とを有する。第１の接触部対２２ｄ１の先端は、被駆動体３と加圧接触して被駆動体を摩擦駆動する接触面２２ｅ１となっており、第２の接触部対２２ｄ２の先端も、被駆動体３と加圧接触して被駆動体を摩擦駆動する接触面２２ｅ２となっている。

弾性体２２ｂは、金属製の弾性部材であり、例えば、マルテンサイト系のステンレス鋼等からなる。また、弾性体２２ｂには、耐久性を高めるための硬化処理として、焼入処理が施されている。また、第１実施形態において弾性体２ｂに接触部２ｄを形成した方法と同様の方法を用い、略Ｈ型の金属板に曲げ加工を施すことによって、第１の接触部対２２ｄ１と第２の接触部対２２ｄ２とが形成された弾性体２２ｂを製造することができる。

以下に説明する第１の振動モードと第２の振動モードの振動を振動体２２に同時に励起することより、第１の接触部対２２ｄ１と第２の接触部対２２ｄ２は被駆動体３を摩擦駆動する。これにより、振動体２２と被駆動体３とをＸ方向に相対的に移動させることができる。

図８（ａ），（ｂ）は、振動体２２に励起される第１の振動モードでの振動体２２の変形を説明する斜視図である。なお、図８（ａ），（ｂ）では、振動体２２の変形形状をわかりやすくするために、振動体２２の形状に比べて変位量を拡大して表している。

第１の振動モードでは、ある瞬間には図８（ａ）に示すように、Ｙ方向において、第１の接触部対２２ｄ１の接触面２２ｅ１同士が接近すると同時に、第２の接触部対２２ｄ２の接触面２２ｅ２同士が離間するように、振動体２２に変形が生じる。また、第１の振動モードでは、別の瞬間には図８（ｂ）に示すように、Ｙ方向において、第１の接触部対２２ｄ１の接触面２２ｅ１同士が離間すると同時に、第２の接触部対２２ｄ２の接触面２２ｅ２同士が接近するように、振動体２２に変形が生じる。つまり、第１の振動モードでは、第１の接触部対２２ｄ１と第２の接触部対２２ｄ２に、Ｙ方向における離間と接近とが互いに逆に生じるような振動が励起される。

図９（ａ），（ｂ）は、振動体２２に励起される第２の振動モードでの振動体２２の変形を説明する斜視図である。なお、図９（ａ），（ｂ）でも、振動体２２の変形形状をわかりやすくするために、振動体２２の形状に比べて変位量を拡大して表している。

第２の振動モードでは、Ｘ方向における１次の屈曲振動が振動体２２の基部２２ｃに生じる。即ち、第２の振動モードでは、ある瞬間には図９（ａ）に示すように、第１の接触部対２２ｄ１と第２の接触部対２２ｄ２とがＸ方向において離間するように振動体２２に変形が生じる。また、第２の振動モードでは、ある瞬間には図９（ｂ）に示すように、第１の接触部対２２ｄ１と第２の接触部対２２ｄ２とがＸ方向において接近するように振動体２２に変形が生じる。つまり、第２の振動モードでは、第１の接触部対２２ｄ１と第２の接触部対２２ｄ２とが、Ｘ方向において離間と接近とを繰り返す往復振動が励起される。

なお、弾性体２２ｂの基部２２ｃのＸ方向寸法とＹ方向寸法、接触部２２ｄのＺ方向寸法等は、第１の振動モードの固有振動数と第２の振動モードの固有振動数とが略一致するように設計される。また、第１の接触部対２２ｄ１と第２の接触部対２２ｄ２のそれぞれが被駆動体３に対して作用させる加圧力の大きさは、各接触部対のＹ方向での変形量を増減させることや、各接触部対のＹ方向の剛性を変化させること等により、所望の値に設定することができる。

第１の振動モードと第２の振動モードの各振動を組み合わせたときの、第１の接触部対２２ｄ１と第２の接触部対２２ｄ２の動きについて、図８（ａ）の状態のときに図９（ａ）の状態となり、図８（ｂ）の状態のときに図９（ｂ）の状態となる場合で説明する。

第１の振動モードが図８（ａ）の状態にあるとき、第１の接触部対２２ｄ１は被駆動体３に近付いて被駆動体３に加圧接触するように変位するが、第２の接触部対２２ｄ２は被駆動体３から離れるように変位する。このときに第２の振動モードが図９（ａ）の状態にあると、被駆動体３と加圧接触するように運動している第１の接触部対２２ｄ１は、被駆動体３を図９（ａ）の左方向に駆動する力を被駆動体３に加える。しかし、図９（ａ）の右方向に運動している第２の接触部対２２ｄ２は、第１の振動モードの振動によって被駆動体３から離れるように運動しているため、被駆動体３を右方向に駆動する力を被駆動体３に伝達しない。よって、被駆動体３は、図９（ａ）の左方向に駆動される。

一方、第１の振動モードが図８（ｂ）の状態にあるとき、第２の接触部対２２ｄ２は被駆動体３に近付いて被駆動体３に加圧接触するように変位するが、第１の接触部対２２ｄ１は被駆動体３から離れるように変位する。このときに第２の振動モードが図９（ｂ）の状態にあると、被駆動体３と加圧接触するように運動している第２の接触部対２２ｄ２は、被駆動体３を図９（ａ）の左方向に駆動する力を被駆動体３に加える。しかし、図９（ｂ）の右方向に運動している第１の接触部対２２ｄ１は、第１の振動モードの振動によって被駆動体３から離れるように運動しているため、被駆動体３を右方向に駆動する力を被駆動体３に伝達しない。よって、被駆動体３は、図９（ａ）の左方向に駆動される。

このように、いずれの場合においても、被駆動体３は図９（ａ），（ｂ）の左方向に駆動される。なお、第１の振動モードと第２の振動モードの各振動を組み合わせる時間位相を反転させることによって、被駆動体３を図９の右方向に駆動することができる。即ち、振動型アクチュエータ２０では、第１の振動モードと第２の振動モードの各振動を組み合わせることにより、第１の接触部対２２ｄ１の接触面２２ｅ１と第２の接触部対２２ｄ２の接触面２２ｅ２に、略ＸＹ面内で楕円運動を発生させる。そして、第１の接触部対２２ｄ１の接触面２２ｅ１と第２の接触部対２２ｄ２の接触面２２ｅ２とが、被駆動体３の摺動面に対して交互に摩擦駆動力（推力）を与えることによって被駆動体３をＸ方向に駆動する。

以上の説明の通り、振動型アクチュエータ２０は、２組の接触部対を有しており、例えば、第１の接触部対２２ｄ１が被駆動体３から離れる方向に運動するときに、第２の接触部対２２ｄ２が被駆動体３に近付いて被駆動体３に推力を伝達している。これにより、一対の接触部２ｄで被駆動体３を駆動する振動型アクチュエータ１と比較して、被駆動体３をより安定して保持することができ、したがって、振動型アクチュエータ２０をより安定して駆動することができる。

また、振動型アクチュエータ２０において、第１の接触部対２２ｄ１から被駆動体３に作用する加圧力と第２の接触部対２２ｄ２から被駆動体３に作用する加圧力はそれぞれ、Ｙ方向において被駆動体３を挟み込む向きに作用する。つまり、振動型アクチュエータ２０では、第１の接触部対２２ｄ１の一方の接触部から被駆動体３に作用する加圧力の反力を他方の接触部で受け、第２の接触部対２２ｄ２の一方の接触部から被駆動体３に作用する加圧力の反力を他方の接触部で受ける。そのため、第１の接触部対２２ｄ１と第２の接触部対２２ｄ２以外に、被駆動体３へ作用する加圧力の反力を受ける部位を設ける必要がない。よって、振動型アクチュエータ２０もまた、振動型アクチュエータ１と同様に、振動体２２と被駆動体３とを加圧接触させるための加圧構造を簡素化させることができ、これにより、振動型アクチュエータ１が奏する効果と同じ効果を奏する。

＜第４実施形態＞
第４実施形態では、上記の実施形態に係る振動型アクチュエータを備える装置（機械）の一例としての撮像装置の構成について説明する。

図１０（ａ）は、撮像装置７００の概略構成を示す上面図である。撮像装置７００は、撮像素子７１０及び電源ボタン７２０を搭載したカメラ本体７３０を備える。また、撮像装置７００は、第１レンズ群（不図示）、第２レンズ群３２０、第３レンズ群（不図示）、第４レンズ群３４０、振動型駆動装置６２０，６４０を有するレンズ鏡筒７４０を備える。レンズ鏡筒７４０は、交換レンズとして取り換え可能であり、撮影対象に合わせて適したレンズ鏡筒７４０をカメラ本体７３０に取り付けることができる。撮像装置７００では、２つの振動型駆動装置６２０，６４０によってそれぞれ、第２レンズ群３２０，第４レンズ群３４０の駆動が行われる。

振動型駆動装置６２０は、例えば、第１実施形態で説明した振動体２と、円環状の被駆動体と、振動体２の圧電素子２ａに駆動電圧を印加する駆動回路とを有する。被駆動体は、ラジアル方向が光軸と略直交するように、レンズ鏡筒７４０内に配置される。被駆動体は、レンズ鏡筒７４０内に配置された状態で、光軸と略直交し、且つ、光軸方向で対向する平行な面を有する。例えば、３つの振動体２は、被駆動体において光軸方向で対向する平行な面を一対の接触部２ｄで挟み込み、光軸を中心とする円の接線方向に被駆動体に対して推力を与えるように、光軸を中心とする円周上に略等間隔に配置される。このような構成により、振動型駆動装置６２０では、被駆動体を光軸回りに回転させ、ギア等を介して被駆動体の回転出力を光軸方向での直進運動に変換することによって、第２レンズ群３２０を光軸方向に移動させることができる。振動型駆動装置６４０は、振動型駆動装置６２０と同様の構成を有することにより、第４レンズ群３４０を光軸方向に移動させる。

図１０（ｂ）は、撮像装置７００の概略構造を示すブロック図である。第１レンズ群３１０、第２レンズ群３２０、第３レンズ群３３０、第４レンズ群３４０及び光量調節ユニット３５０が、レンズ鏡筒７４０内部の光軸上の所定位置に配置される。第１レンズ群３１０〜第４レンズ群３４０と光量調節ユニット３５０とを通過した光は、撮像素子７１０に結像する。撮像素子７１０は、光学像を電気信号に変換して出力し、その出力は、カメラ処理回路７５０へ送られる。

カメラ処理回路７５０は、撮像素子７１０からの出力信号に対して増幅やガンマ補正等を施す。カメラ処理回路７５０は、ＡＥゲート７５５を介してＣＰＵ７９０に接続されると共に、ＡＦゲート７６０とＡＦ信号処理回路７６５とを介してＣＰＵ７９０に接続されている。カメラ処理回路７５０において所定の処理が施された映像信号は、ＡＥゲート７５５と、ＡＦゲート７６０及びＡＦ信号処理回路７６５を通じてＣＰＵ７９０へ送られる。なお、ＡＦ信号処理回路７６５は、映像信号の高周波成分を抽出して、オートフォーカス（ＡＦ）のための評価値信号を生成し、生成した評価値をＣＰＵ７９０へ供給する。

ＣＰＵ７９０は、撮像装置７００の全体的な動作を制御する制御回路であり、取得した映像信号から、露出決定やピント合わせのための制御信号を生成する。ＣＰＵ７９０は、決定した露出と適切なフォーカス状態が得られるように、振動型駆動装置６２０，６４０及びメータ６３０の駆動を制御することによって、第２レンズ群３２０、第４レンズ群３４０及び光量調節ユニット３５０の光軸方向位置を調整する。ＣＰＵ７９０による制御下において、振動型駆動装置６２０は第２レンズ群３２０を光軸方向に移動させ、振動型駆動装置６４０は第４レンズ群３４０を光軸方向に移動させ、光量調節ユニット３５０はメータ６３０により駆動制御される。

振動型駆動装置６２０により駆動される第２レンズ群３２０の光軸方向位置は第１リニアエンコーダ７７０により検出され、検出結果がＣＰＵ７９０に通知されることで、振動型駆動装置６２０の駆動にフィードバックされる。同様に、振動型駆動装置６４０により駆動される第４レンズ群３４０の光軸方向位置は第２リニアエンコーダ７７５により検出され、検出結果がＣＰＵ７９０に通知されることで、振動型駆動装置６４０の駆動にフィードバックされる。光量調節ユニット３５０の光軸方向位置は、絞りエンコーダ７８０により検出され、検出結果がＣＰＵ７９０へ通知されることで、メータ６３０の駆動にフィードバックされる。

撮像装置７００の所定のレンズ群を光軸方向に移動させる用途に振動型アクチュエータ１等を用いた場合、レンズ群を停止させた状態でも大きな保持力が維持される。これにより、レンズ鏡筒や撮像装置本体に外力が作用しても、レンズ群にズレが生じることを抑制することができる。

ここでは、円環状の被駆動体を有する振動型駆動装置６２０，６４０を用いてレンズ群を光軸方向に移動させる例について説明したが、振動型アクチュエータ１を用いてレンズ群を光軸方向に移動させる構成は、これに限られない。例えば、振動体２は、第１実施形態で説明したように、被駆動体をＸ方向にリニア駆動することができる。よって、レンズを保持した保持部材を被駆動体３に取り付け、レンズの光軸方向と被駆動体３の駆動方向とが略平行となる構成とすることによって、レンズ群を光軸方向に移動させることができる。

なお、レンズ鏡筒に手ぶれ補正用レンズが内蔵される場合に、手ぶれ補正用レンズを光軸と略直交する面内の任意の方向に移動させる手ぶれ補正ユニットに、振動体２を用いることができる。その場合、光軸方向と略直交する面内において直交する２方向にレンズ保持部材を移動させることができるように、各方向にレンズ保持部材を駆動する１又は複数の振動体２を配置する。手ぶれ補正ユニットは、手ぶれ補正用レンズを駆動する構成に代えて、撮像装置の本体に内蔵される撮像素子７１０を光軸と直交する面内の任意の方向に移動させる構成としてもよい。

振動型アクチュエータ１等は、隅部を有する装置内に配置する場合において、接触部対が鋭角に形成されているため、隅部のスペースを効率よく使うことができ、装置全体の小型化を実現することができる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態では、振動型アクチュエータ１（又は、１０，２０）を少なくとも２つ以上備える装置の一例としてのＸ−Ｙステージを備える顕微鏡の構成について説明する。

図１１は、顕微鏡４００の外観斜視図である。顕微鏡４００は、撮像素子と光学系を内蔵する撮像部４１０と、基台上に設けられ、振動型アクチュエータによりＸ−Ｙ面内で移動されるステージ４２０を有するステージ装置の一例である自動ステージ４３０とを有する。少なくとも１つの振動型アクチュエータは、Ｘ方向駆動に用いられ、振動体２のＸ方向がステージ４２０のＸ方向と一致するように配置される。少なくとも１つの振動型アクチュエータは、Ｙ方向駆動に用いられ、振動体２のＸ方向がステージ４２０のＹ方向と一致するように配置される。

被観察物をステージ４２０の上面に置いて、拡大画像を撮像部４１０で撮影する。観察範囲が広範囲にある場合には、自動ステージ４３０を駆動してステージ４２０を面内でＸ方向やＹ方向に移動させて被観察物を移動させることにより、多数の撮影画像を取得する。撮影された画像を不図示のコンピュータで画像処理により結合させることで、観察範囲が広範囲で、高精細な１枚の画像を取得することができる。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

１，１０，２０ 振動型アクチュエータ
２，１２，２２ 振動体
２ａ，１２ａ，２２ａ 圧電素子
２ｂ，１２ｂ，２２ｂ 弾性体
２ｃ，２２ｃ 基部
２ｄ，１２ｄ，２２ｄ 接触部
３，１３ 被駆動体
４ 支持部材
４ａ 給電部
４ｃ 固定部
４００ 顕微鏡
７００ 撮像装置
７１０ 撮像素子
７４０ レンズ鏡筒

Claims (13)

1. 振動体と被駆動体とが加圧接触し、前記振動体に励起させた駆動振動によって前記振動体と前記被駆動体とを第１の方向に相対的に移動させる振動型アクチュエータであって、
   前記振動体は、
   平板状の形状を有する電気−機械エネルギ変換素子と、
   前記電気−機械エネルギ変換素子と接合される基部および前記基部から延出する一対の接触部を有する弾性体と、を備え、
   前記一対の接触部は、前記第１の方向および前記電気−機械エネルギ変換素子の厚み方向である第２の方向の両方向と直交する第３の方向において前記被駆動体に対して弾性変形によって加圧接触し、前記電気−機械エネルギ変換素子に所定の交流電圧を印加することにより前記振動体に前記駆動振動が励起されたときに、前記振動体と前記被駆動体とを前記第１の方向に相対的に移動させる摩擦駆動力を前記被駆動体に加えることを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記一対の接触部は、一方の接触部から前記被駆動体に作用する加圧力の反力を他方の接触部で受けるように前記弾性体に形成されてい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. 前記一対の接触部は、前記第３の方向において前記被駆動体を挟み込むように前記弾性体に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記被駆動体は、前記第３の方向と直交する一対の側面を有し、
   前記一対の接触部は、前記一対の側面に挟み込まれるように前記弾性体に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記振動体に前記一対の接触部を前記第１の方向に振動させる振動と前記一対の接触部を前記第３の方向に振動させる振動とが同時に励起されることにより、前記一対の接触部に前記第１の方向と前記第３の方向とを含む面内での楕円運動が生じることにより、前記を前記振動体と前記被駆動体とが前記第１の方向に相対的に移動することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記弾性体は、前記第１の方向に所定の間隔で２組の前記一対の接触部を有し、
   前記２組の一対の接触部は、それぞれの一対の接触部が交互に前記被駆動体に対して摩擦駆動力を加えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
7. 前記一対の接触部は、曲げ加工により前記基部と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
8. 前記電気−機械エネルギ変換素子において前記弾性体と接合されている面の反対側の面に前記振動体を支持する支持部材が接合され、
   前記支持部材は、前記電気−機械エネルギ変換素子へ電圧を供給するための給電部と、前記振動体の固定に用いられる固定部と、を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
9. レンズと、
   光軸方向に前記レンズを移動させる請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とするレンズ鏡筒。
10. 像ぶれ補正用のレンズと、
    光軸と直交する面内で前記レンズを移動させる請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とするレンズ鏡筒。
11. レンズ鏡筒と、
    前記レンズ鏡筒に配置されたレンズを光軸方向に移動させる請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、
    前記レンズ鏡筒を通過した光の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、を備えることを特徴とする撮像装置。
12. レンズ鏡筒と、
    前記レンズ鏡筒を通過した光の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、
    前記撮像素子を光軸方向と直交する面内で移動させて前記撮像素子に結像する光学像の像ぶれを補正する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とする撮像装置。
13. ステージと、
    前記ステージをその面内で移動させる請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、を備えることを特徴とするステージ装置。