JP3566711B2 - 振動波駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ等の振動波駆動装置の構成に関するものであり、特に圧電素子に信号を印加することによって振動が励起される振動子の構成の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば金属からなる弾性体に電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子を固定し、この圧電素子に交番信号を印加することで、弾性体の表面に進行性振動波を発生させ、この進行性振動波によって弾性体の表面に加圧接触する移動子（ロータ）を移動させる超音波モータ等の振動波駆動装置がある。
【０００３】
図１２，１３に振動波駆動装置の構成例を示す。
【０００４】
図１２（Ａ）は振動子と一部切り欠いた移動子（ロータ）の斜視図であり、図１２（Ｂ）は振動波駆動装置の回転軸方向における断面図である。
【０００５】
１０１は金属からなる円環状の弾性体であり、底面には圧電素子１０２が固定されている。弾性体１０１の圧電素子と反対側の面には、振動変位を拡大するための溝が形成されている。この溝によって形成された突起部の先端には摩擦部材１０３が設けられ、この摩擦部材１０３にロータ１０４が加圧接触している。弾性体１０１、圧電素子１０２、摩擦部材１０３によって振動子が構成されている。
【０００６】
弾性体１０１の内径部には他よりも厚さを薄くしたフランジ部が円環の中心に向かって延びて形成されており、このフランジ部が振動波駆動装置のベース部材１０８に固定されている。弾性体１０１とベース部材１０８との固定個所との間にバネ性を有したフランジ部を設けることにより、振動を妨げることなく振動子を支持することができる。ロータ１０４には、ロータ１０４を振動子方向に加圧する皿バネ１０６が固定され、この皿バネ１０６が回転軸１０５に固定されているため、ロータ１０４と回転軸１０５は一体に回転を行う。ベース部材には回転軸１０５を軸支するベアリング１０７が設けられている。このベアリング１０７を軸方向に複数配置することで回転軸１０５の揺動を防止している。
【０００７】
圧電素子１０２には、互いに１／４波長だけずれた２つの定在波を発生させることが可能な電極パターンが形成されており、この２つの定在波を時間的に９０度位相をずらして励起すると、弾性体１０２の表面には進行性振動波が発生する。この進行性振動波によって押し出されるようにしてロータ１０４が回転移動を行う。
【０００８】
この振動波駆動装置は無通電時の静止トルク、駆動時の回転トルクが強く、ロータを精度よく所望の位置に回転移動させることが可能である。
【０００９】
しかし、図１２に示した振動波駆動装置はその形状から小型化にはあまり適していない。
【００１０】
そこで、図１２に示す円環型振動波駆動装置よりも小型化することを目的とした図１３に示す棒型振動波駆動装置がある。図１３（Ａ）は振動子の斜視図であり、図１３（Ｂ）は振動波駆動装置の回転軸方向における断面図である。
【００１１】
２０１，２０２は金属ブロックであり、間に圧電素子２０３が配置されている。金属ブロック２０１，２０２および圧電素子２０３は貫通孔を有しており、金属ブロック２０１の内径部にはネジ部が形成されている。金属ブロック２０２側より振動子の支持部材２０４を挿入し、この支持部材２０４に形成されたネジと金属ブロック２０１の内径部のネジとを嵌合させる。この支持部材２０４を締め付けることにより、金属ブロック２０１と支持部材２０４の端部のフランジとの間で圧電素子２０３と金属ブロック２０２とが押圧されて固定される。なお、弾性体２０１には、振動変位を拡大させるための径の細いくびれ部が形成されている。支持部材２０４の先端部にはネジが形成され、固定部材２０８がこの先端部に嵌合してナット２０９によって固定されており、この固定部材２０８を中心として、出力ギア２０６が回転可能に支持されている。出力ギア２０６にはロータ２０５が嵌合しており、ロータ２０５が回転すれば出力ギア２０６も一体となって回転移動を行う。このロータ２０５と出力ギア２０６との間には加圧バネ２０７が配置されており、ロータ２０６に弾性体２０１に向かって押し下げる力を付勢している。
【００１２】
圧電素子２０３に交番信号を印加すると、それぞれの振幅方向が軸方向に直交または略直交し、かつ、互いの振幅方向も直交または略直交する２つの曲げ振動が励起され、この２つの曲げ振動が合成されることで、振動子には支持部材２０４を略中心として弾性体２０１が円を描くような回転運動が発生する。この回転運動により、振動子の表面（つまり弾性体２０１の表面）に加圧接触しているロータ２０５が押し出されるようにして回転移動を行う。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示した振動波駆動装置は、図１２に示した振動波駆動装置に比べて単純な形状であり、特にロータの径方向における小型化を実現することが可能である。
【００１４】
しかしながら、図１３からわかるように、振動子は２つの弾性体の間に圧電素子を挟む構成となっているため、振動波駆動装置の支持部材の長手方向における大きさは、ロータの径方向における大きさと比較すると、さほど小型化は達成されていなかった。この支持部材の長手方向における大きさを小さくするために、振動子を単純に小型化すると、振動子の固有振動数が増加するとともに振動変位が小さくなり、駆動効率が悪くなってしまう。また、固有振動数が増加することにより、駆動回路の素子が高価になり、素子内部での損失が増加するという問題があった。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１に係る発明は、電気−機械エネルギー変換素子が結合された弾性体からなる振動子と、振動子の表面に接触する移動子と、前記振動子を貫通して前記振動子を固定する支持部材とを備え、電気−機械エネルギー変換素子に交番信号を印加することにより振動子の表面に振動波を発生させて移動子を移動させる振動波駆動装置において、振動子は電気−機械エネルギー変換素子が結合された面と反対側に位置する面で移動子と接触し、移動子が接触する振動子の面には突出部が形成され、突出部は移動子の内径部と対向し、かつ、移動子と接触する振動子の面に発生する曲げ振動とは変位方向および次数の異なる曲げ振動を発生することを特徴するものである。
【００１６】
同様に上記課題を解決するため、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る振動波駆動装置において、突出部は電気−機械エネルギー変換素子が結合された振動子の面に対して垂直な方向に突出していることを特徴とするものである。
【００１７】
同様に上記課題を解決するため、本願の請求項３に係る発明は、請求項１または２に係る振動波駆動装置において、振動子は電気−機械エネルギー変換素子が結合された弾性体と、突出部を形成する弾性体とを結合したものであることを特徴とするものである。
同様に上記課題を解決するため、本願の請求項４に係る発明は、請求項３に係る振動波駆動装置において、電気−機械エネルギー変換素子が結合された弾性体と、突出部を形成する弾性体はそれぞれの内部を貫通する支持部材によって固定されていることを特徴とするものである。
同様に上記課題を解決するため、本願の請求項５に係る発明は、請求項４に係る振動波駆動装置において、移動子は支持部材を中心として回転することを特徴とするものである。
同様に上記課題を解決するため、本願の請求項６に係る発明は、請求項１から４のいずれかに係る振動波駆動装置において、電気−機械エネルギー変換素子に交番信号が印加されると、振動子は、移動子と接触する面に電気−機械エネルギー変換素子が結合された面に対して垂直方向に変位する複数の第１の曲げ振動を発生し、突出部に第１の曲げ振動とは次数が異なり電気−機械エネルギー変換素子が結合された面に対して平行方向に変位する複数の第２の曲げ振動を発生することを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子の模式図を示す。
【００１９】
同図において（Ａ）は振動子の側面図、（Ｂ）は（Ａ）と直交する方向から振動子を見た上面図、（Ｃ）は振動子の斜視図である。
【００２０】
図１の振動子１は、金属等の振動減衰損失の小さい材料で構成された板（円板）状弾性体２の片面に、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子４を接着等で結合させた構成となっている。接着で結合させる以外にも、後述するように、弾性体と圧電素子の中央部にそれぞれ貫通孔を形成し、この貫通孔の内部に挿入されたネジと、ナットで結合させることもできる。板状弾性体２の、圧電素子４が結合された面の反対側の面の中央部には、圧電素子４の結合面に垂直な方向に突出した柱状弾性体３が形成されている。板状弾性体２と柱状弾性体３は、初めから一体に形成しても良いし、別々に形成してから両者を結合しても良い。結合方法としては、ネジが設けられた支持部材とナットを用いて固定する方法が考えられる。
【００２１】
図２に示すように、振動子１の中心部に設けられた貫通孔の内壁に段差１ａを設け、圧電素子４とは反対側から振動子１の貫通孔に支持部材５を挿入する。支持部材５の途中には段差５ａが設けられており、この支持部材５の段差５ａが貫通孔の内壁に設けられた段差１ａに突き当たる。このとき、支持部材５はその先端部５ｂが柱状弾性体３および板状弾性体２を貫通し、板状弾性体２より外側に飛び出す長さに形成されている。支持部材５の先端部５ｂにはネジが形成され、このネジにナット６を嵌合させて締め付けることで、柱状弾性体３と板状弾性体２を固定することができる。圧電素子４の中央部には、ナット６の外径よりもやや大きな貫通孔が設けられており、この貫通孔の内部にナット６が配置されることになる。また、段差１ａを設けずに、図１３に示した振動子と同様に弾性体の内径部に形成されたネジによって固定する構成でも構わない。柱状弾性体３と板状弾性体２を結合させる方法としては、上記の方法以外にも、溶接での結合、接着での結合、圧入での結合、ロウ付けでの結合などが考えられる。
【００２２】
図３に示すように、圧電素子４は例えば、両面に電極膜（斜線部）が形成されており、片面の電極膜を２つの電極膜４１に分割し、電極膜４１が形成された２つの領域には圧電素子４の厚み方向に互いに逆向きとなる分極が施されている。この２つの電極膜４１に同一の交番信号を印加すると、圧電素子４の一方の領域は厚み方向に膨張し、他方の領域は厚み方向に収縮する。
【００２３】
図４に示すように、この圧電素子４にさらに電極膜の位相が９０度ずれるように、もう１枚の圧電素子を重ね合わせ、これらの圧電素子に時間的に９０度位相のずれた交番信号を印加する。
【００２４】
すると、図５に示すように、板状弾性体には圧電素子の結合面に対して略垂直方向に変位し、かつ、互いの波長方向が直交または略直交する２つの２次の曲げ振動（１つは波長方向が紙面と平行であり、もう１つは波長方向が紙面と垂直）が発生するとともに、柱状弾性体には圧電素子の結合面に対して略平行方向に変位し、かつ、互いの変位方向が直交または略直交する２つの１次の曲げ振動（１つは変位方向が紙面と平行であり、もう１つは変位方向が紙面と垂直）が発生する。これらの振動が合成されると、圧電素子４が固定されていない側の板状弾性体２の表面には、周方向に沿った１次の進行性振動波が励起される。
【００２５】
圧電素子４の電極膜の形成パターンは図３，４に示したものに限定されるものではなく、例えば圧電素子４の片面を４分割して１８０度位相がずれた位置にある電極を１組として、時間的に９０度位相のずれた交番信号を印加する構成としても構わない。また、分極方向も厚み方向に限定されるものではない。圧電素子が固定された弾性体の表面に進行性振動波を発生させるための圧電素子の電極膜パターンとしては、様々なパターンが周知となっている。
【００２６】
この進行性振動波が励起された板状弾性体２の表面にロータ等の移動子を加圧接触させれば、移動子が進行性振動波に押し出されるようにして移動する。
【００２７】
この振動子を用いた振動波駆動装置（超音波モータ）の断面図を図６に示す。
【００２８】
１は図２に示した振動子１と同様に構成されたものであり、支持部材５とナット６によって柱状弾性体３と板状弾性体２とが固定されている。板状弾性体２の圧電素子４が結合されていない側の表面には、ロータ７の摺動部材７ａが加圧接触する。この摺動部材７ａは弾性を有しており、ロータ７に固定されて一体となって回転する。８はギア等の出力手段であり、ロータ７の回転軸方向の移動を許容し、ロータ７の回転運動の移動を追従するようにロータ７と嵌合している。９はバネ等の加圧手段であり、ロータ７のバネ受け部と出力手段８との間に配置され、ロータ７を振動子１方向に押し下げるように加圧している。出力手段８は支持部材５を結合した固定部材１０に軸支されており、その軸方向における位置は固定部材１０によって規制されている。支持部材５のナット６と嵌合しない側の先端部５ｃにもネジが形成されており、このネジにナット１１を嵌合させて、固定部材１０に支持部材５を固定している。この先端部５ｃに例えばＤカットを施せば、固定部材１０に対して支持部材５が回転してしまうことを防ぐことができる。固定部材１０にはネジ穴が設けてあり、この固定部材１０を所望の個所にネジを用いて固定することで、振動波駆動装置を所望の個所に取り付けることができる。なお、圧電素子４の表面にはフレキシブル基板が固定されており、圧電素子４へ印加する交番信号を不図示の電源より供給する役目を果たしている。
【００２９】
上述した振動子１は、圧電素子４に交番信号を印加することで、板状弾性体２に複数の同次数の曲げ振動を励起させている。この板状弾性体２の中央部に、圧電素子４の面と直交するように突出した柱状弾性体３を設けることで、この柱状弾性体３には圧電素子の面と略平行方向に変位する複数の同次数の曲げ振動が励起され、振動子１全体の固有振動数を低下させることができる。振動子１の固有振動数を下げるために振動子１の質量を増加させることが考えられるが、図６に示したように、板状弾性体２の中央部に柱状弾性体３を設けた形状とすると、柱状弾性体３をロータ中央の貫通孔の内径部に対向させて配置することができる。そのため、モータの回転軸方向長のうち、振動子１が影響を及ぼすのは板状弾性体２と圧電素子４の厚みだけとなり、モータの回転軸方向長の小型化に大きく寄与することが可能となる。柱状弾性体３の形状は複雑にしても構わないが、ロータ７の内径部に無駄なスペースをつくることなく収まる形状とすることが好ましい。また、図１３に示した振動子のように、柱状弾性体３に外径の小さい個所を設けて、変位拡大用の溝とすることも振動子１の固有振動数を下げるためには効果的である。この変位拡大用の溝を設けた形状とすることにより、固有振動数を下げつつも、ロータ７の内径部に無駄なく配置できる振動子１を提供することができる。
【００３０】
振動子１の形状は上述した形状に限定されるものではない。例えば、図７に示した振動子１は柱状弾性体３の断面積形状を円形とした円柱状としたものであり、また、断面積形状は多角形等の他の形状であっても何ら問題はない。また、図８に示す振動子１は柱状弾性体１の先端部の質量を大きく構成したものである。柱状弾性体３の先端部の質量を大きくすることで、くびれ部を形成するのと同様に、振動子１の固有振動数をより小さくすることが可能となる。
【００３１】
なお、振動子１の柱状弾性体３についてだけではなく、板状弾性体２についても種々の加工が可能である。例えば、図８に示した振動子１の板状弾性体２の表面には、摩擦部材１２が固定されている。板状弾性体２のロータが加圧接触して摺動する部位に摩擦部材１２を設けることで、振動波駆動装置の耐久性を向上させることが可能となる。
【００３２】
図９に示す振動子１の板状弾性体２には、圧電素子の面に対して略垂直方向に変位する２次の曲げ振動の振動変位を拡大するための溝（くびれ部）２ａが形成されている。
【００３３】
また、図１０に示した板状弾性体２のロータが加圧接触して摺動する部位には、周方向に沿って摩擦部材となる突起部２ｂが複数形成されている。突起部２ｂが複数に細かく分割されているため、図８の円環状に形成された摩擦部材と異なり、摩擦部材を設けることに起因して振動子の剛性が高まってしまうことを抑えることができる。
【００３４】
図１１に示した板状弾性体２は摩擦部材を設けておらず、耐摩耗性を有した材料で構成されている。この板状弾性体２の表面に、周方向に沿って複数の凹部が形成されている。この凹部によって振動子には部分的に剛性の小さい個所が形成され、振動子の振動変位を拡大させることが可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、固有振動数を高めることなく振動子を小型化することが可能となる。つまり、同程度の大きさであれば、より駆動効率の高い振動波駆動装置を提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子の模式図。
【図２】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子の断面図。
【図３】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子に用いられる１枚の圧電素子の平面図。
【図４】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子に用いられる複数の圧電素子の斜視図。
【図５】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子に発生する振動の変位を示す図。
【図６】本発明に係る振動波駆動装置の断面図。
【図７】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子の別の形状の模式図。
【図８】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子の更に別の形状の模式図。
【図９】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子の板状弾性体の斜視図。
【図１０】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子の別の板状弾性体の斜視図。
【図１１】本発明に係る振動波駆動装置を構成する振動子の更に別の板状弾性体の斜視図。
【図１２】従来の円環型振動波駆動装置の断面図とその振動子および移動子を示す図。
【図１３】従来の棒型振動波駆動装置の断面図とその振動子を示す図。
【符号の説明】
１ 振動子
２ 板（円板）状弾性体
３ 柱状弾性体
４ 圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）
５ 支持部材
６，１１ ナット
７ ロータ（移動子）
８ ギア（出力手段）
９ バネ（加圧手段）
１０ 固定部材

Claims (6)

1. 電気−機械エネルギー変換素子が結合された弾性体からなる振動子と、前記振動子の表面に接触する移動子と、前記振動子を貫通して前記振動子を固定する支持部材とを備え、前記電気−機械エネルギー変換素子に交番信号を印加することにより前記振動子の表面に振動波を発生させて前記移動子を移動させる振動波駆動装置において、
   前記振動子は前記電気−機械エネルギー変換素子が結合された面と反対側に位置する面で前記移動子と接触し、前記移動子が接触する前記振動子の面には突出部が形成され、前記突出部は前記移動子の内径部と対向し、かつ、前記移動子と接触する前記振動子の面に発生する曲げ振動とは変位方向および次数の異なる曲げ振動を発生することを特徴する振動波駆動装置。
2. 前記突出部は前記電気−機械エネルギー変換素子が結合された振動子の面に対して垂直な方向に突出していることを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
3. 前記振動子は前記電気−機械エネルギー変換素子が結合された弾性体と、前記突出部を形成する弾性体とを結合したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の振動波駆動装置。
4. 前記電気−機械エネルギー変換素子が結合された弾性体と、前記突出部を形成する弾性体はそれぞれの内部を貫通する前記支持部材によって固定されていることを特徴とする請求項３に記載の振動波駆動装置。
5. 前記移動子は前記支持部材を中心として回転することを特徴とする請求項４に記載の振動波駆動装置。
6. 前記電気−機械エネルギー変換素子に交番信号が印加されると、前記振動子は、前記移動子と接触する面に前記電気−機械エネルギー変換素子が結合された面に対して垂直方向に変位する複数の第１の曲げ振動を発生し、前記突出部に前記第１の曲げ振動とは次数が異なり前記電気−機械エネルギー変換素子が結合された面に対して平行方向に変位する複数の第２の曲げ振動を発生することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の振動波駆動装置。

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