JP2003348863A

JP2003348863A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JP2003348863A
Application number: JP2002150094A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Sumitomo; 美子住友
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2003-12-05

Abstract

(57)【要約】【課題】振動子（ステータ）の円周方向や揺れ方向に
おける精度の高い位置決めを可能とする。【解決手段】位置規制手段３０は、ロータ１２の櫛歯
１２ａ間の少なくとも１つに挿入され、振動子１１の回
転を防止する回転防止部３１と、回転防止部３１とは別
に設けられ、振動子１１の内径に当接して、振動子１１
の揺動を防止する、回転防止部３１の両側に配置された
２つの揺動防止部３２とからなり、内筒２１の外周に、
等間隔で６個設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、弾性体に振動を発
生させて、その弾性体に振動エネルギーを生じさせ、こ
の振動エネルギーを出力として取り出し駆動力を得る振
動アクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の振動アクチュエータは、
ステータを支持する方法として、弾性体にフランジを設
け、その先端をホルダ等に接合する方法と、弾性体にフ
ランジを設けずに、ステータの、ロータとの摺動面と反
対側の面（電気機械変換素子の接合面側）に、フエルト
やゴム等を敷設し、加圧接触させる方法があった。後者
の方法をとる場合には、ステータが円周方向に回転する
のを防止する機構として、ステータの内周部に設けられ
た中筒等による別部品によって、突起を櫛歯間に突き出
していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、後者の方法
は、前者の方法と比較し、ステータの円周方向や揺れ方
向における精度の高い位置決めをすることができず、過
渡応答、モータ特性の再現性等が悪いという問題があっ
た。

【０００４】本発明の課題は、振動子（ステータ）の円
周方向や揺れ方向における精度の高い位置決めを可能と
する振動アクチュエータを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、摺動面側に複数の櫛歯を有する
弾性体及びその弾性体に接合されその弾性体に振動を発
生する電気機械変換素子を備える振動子と、前記弾性体
の摺動面に加圧接触して相対運動を行う相対運動部材
と、を含む振動アクチュエータにおいて、前記弾性体の
櫛歯間の少なくとも１つに挿入され、櫛歯間の寸法の９
０％以上の寸法であり、前記振動子の回転を防止する回
転防止部を設けたことを特徴とする振動アクチュエータ
である。

【０００６】請求項２の発明は、請求項１に記載の振動
アクチュエータにおいて、前記回転防止部は、前記櫛歯
間の寸法の９５％以下の寸法であることを特徴とする振
動アクチュエータである。

【０００７】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載された振動アクチュエータにおいて、前記回転防
止部は、前記櫛歯間の底面から前記摺動面までの寸法の
３０％以上及び／又は５０％以下の寸法を占めることを
特徴とする振動アクチュエータである。

【０００８】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおい
て、前記回転防止部は、前記櫛歯間の底面に接触しない
位置に設けられることを特徴とする振動アクチュエータ
である。

【０００９】請求項５の発明は、請求項１から請求項４
までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおい
て、前記回転防止部は、前記櫛歯間の摺動面から底面ま
での寸法に対して、摺動面から底面側へ３５％以上離れ
た位置に設けられることを特徴とする振動アクチュエー
タである。

【００１０】請求項６の発明は、請求項１から請求項４
までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおい
て、前記回転防止部は、円周方向に６箇所以上設けられ
ることを特徴とする振動アクチュエータである。

【００１１】請求項７の発明は、弾性体及びその弾性体
に接合されその弾性体に振動を発生する電気機械変換素
子を備える振動子と、前記弾性体の摺動面に加圧接触し
て相対運動を行う相対運動部材と、を含む振動アクチュ
エータにおいて、前記振動子の内径又は外径に当接し
て、前記振動子の揺動を防止する揺動防止部を設けたこ
とを特徴とする振動アクチュエータである。

【００１２】請求項８の発明は、摺動面側に複数の櫛歯
を有する弾性体及びその弾性体に接合されその弾性体に
振動を発生する電気機械変換素子を備える振動子と、前
記弾性体の摺動面に加圧接触して相対運動を行う相対運
動部材と、を含む振動アクチュエータにおいて、前記弾
性体の櫛歯間の少なくとも１つに挿入され、前記振動子
の回転を防止する回転防止部と、前記回転防止部とは別
に、前記振動子の内径又は外径に当接して、前記振動子
の揺動を防止する揺動防止部を設けたことを特徴とする
振動アクチュエータである。

【００１３】請求項９の発明は、請求項７又請求項８に
記載された振動アクチュエータにおいて、前記揺動防止
部は、前記振動子との隙間がその振動子の内径又は外径
の当接する径の０．２％以下及び／又は０．１％以上で
あることを特徴とする振動アクチュエータである。

【００１４】請求項１０の発明は、請求項７から請求項
９までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータにお
いて、前記揺動防止部は、加圧方向に所定の幅を有し、
断面突起形状であることを特徴とする振動アクチュエー
タである。

【００１５】請求項１１の発明は、請求項７から請求項
１０までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記揺動防止部は、スラスト方向に対して、前
記振動子の中立面付近に設けられていることを特徴とす
る振動アクチュエータである。

【００１６】請求項１２の発明は、請求項７から請求項
１１までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記揺動防止部は、円周方向に１２箇所以上設
けることを特徴とする振動アクチュエータである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面などを参照しながら、
本発明の実施の形態をあげて、さらに詳しく説明する。
図１は、本発明による振動アクチュエータの実施形態の
組み立て状態を示す断面図である。なお、以降の実施形
態は、振動アクチュエータとして、超音波の振動域を利
用した超音波モータを例にとって説明する。この振動ア
クチュエータ１０は、振動子１１とロータ１７とを備
え、振動子１１側を固定とし、ロータ（相対運動部材）
１７側を回転駆動する形態となっている。そして、振動
子１１の下側には、緩衝材１４、加圧板１５、加圧バネ
１６が配置され、ロータ１７の上側には、緩衝材１８が
配置されている。

【００１８】振動子１１は、ステータ１２と、ステータ
１２に接合され、後述する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等を例とした電気機
械変換素子（以下、圧電体と称する）１３とから構成さ
れている。この振動体１１には、進行波が発生するが、
本実施形態では、一例として、９波の進行波として説明
する。

【００１９】ステータ１２は、共振先鋭度が大きな金属
材料からなり、その形状は、円環形状となっている。こ
のステータ１２は、圧電体１３が接合される反対面に
は、溝を切った櫛歯１２ａが形成されており、先端面が
駆動面となり、ロータ１７に加圧接触される。櫛歯１２
ａを形成する理由は、進行波の中立面をできる限り圧電
体１３側に近づけることにより、駆動面の進行波の振幅
を増幅させるためである。

【００２０】圧電体１３は、円周方向に沿って２つの相
（Ａ相、Ｂ相）に分かれており、各相においては、１／
２波長毎に分極が交互となった要素が並べられていて、
Ａ相とＢ相との間には、１／４波長分間隔があくように
してある。

【００２１】圧電体１３の下には、緩衝材１４、加圧板
１５、加圧バネ１６が配置されている。緩衝材１４は、
圧電体１３の下に配置されており、振動子１１の振動を
加圧板１５や加圧バネ１６に伝えないようするための部
材であり、例えば、不織布、フェルトなどが使用されて
いる。加圧板１５は、加圧バネ１６の加圧を受けるため
の加圧力を伝達する部材である。この加圧バネ１６は、
加圧板１５の下に配置されていて、加圧力（矢印Ｐ参
照）を発生させる部材である。本実施形態では、加圧バ
ネ１６を皿バネとしたが、皿バネでなくとも、コイルバ
ネやウェーブバネでもよい。

【００２２】ロータ１７は、アルミニウム等の軽金属か
らなり、摺動面の表面には、耐摩耗性向上のための表面
処理がなされている。このロータ１７の上には、ロータ
１７の縦方向の振動を吸収するために、ゴムなどの緩衝
材１８が配置され、その上側が、ロータホルダ２３で支
持されている。

【００２３】この振動アクチュエータ１０は、支持ユニ
ット２０に組み込まれている。この支持ユニット２０
は、円筒状の中筒２１と、中筒２１の外側下端部にネジ
嵌合により取り付けられた押さえ環２２と、ロータ１７
の上方を支持するロータホルダ２３と、ロータ１７とロ
ータホルダ２３とを接合するテープ等の接合部材２４等
とを備えている。また、中筒２１の外周（円周等分６箇
所、図１では１カ所のみ図示）には、後述するステータ
１２の位置を規制する位置規制手段３０が設けられてい
る。

【００２４】この支持ユニット２０は、上述した構造に
よって、振動アクチュエータ１０を組み込んだ一つのユ
ニットとして構成できるようになる。そして、ロータホ
ルダ２３には、不図示の突起部（出力取り出し部）が設
けられており、その突起部から振動アクチュエータ１０
の回転が外部へ出力されるようになっている。

【００２５】図２、図３、図４は、本実施形態に係る振
動アクチュエータの位置規制手段（回転防止部と揺動防
止部）を示す図である。この位置規制手段３０は、ロー
タ１２の櫛歯１２ａ間の少なくとも１つに挿入され、振
動子１１の回転を防止する回転防止部３１と、回転防止
部３１とは別に設けられ、振動子１１の内径に当接し
て、振動子１１の揺動を防止する、回転防止部３１の両
側に配置された２つの揺動防止部３２とからなり、上述
した内筒２１の外周に、等間隔で複数個（この実施形態
では６個）設けられている（図２参照）。また、揺動防
止部３２は、図４に示すように、加圧方向（図１矢印Ｐ
参照）に所定の幅を有しその方向に線接触していて、図
３に示すように、断面突起形状である。このため、過剰
な規制をすることなく、揺れに対して、有効に位置規制
ができる。

【００２６】（回転防止部）図５は、本実施形態に係る
振動アクチュエータの回転防止部の寸法関係を示す図で
ある。図５に示すように、回転防止部３１の高さ（スラ
スト方向の寸法）をａ，櫛歯１２ａの高さをｂ，櫛歯１
２ａ間の寸法をｃ，回転防止部３１の幅をｄ，櫛歯１２
ａの先端（摺動面）から回転防止部３１の上端までの距
離をｅとする。

【００２７】回転防止部３１は、ステータ１２の回転方
向と揺れに対する位置決め効果を主に持たせる部材であ
る。ただし、この回転防止部３１は、ステータ１２を過
剰拘束し、ステータ１２の振動を減衰させ、効率を低下
させないように、位置決めするための範囲、位置等が選
択されている。

【００２８】図６は、本実施形態に係る振動アクチュエ
ータの回転防止部の幅ｄの櫛歯間寸法ｃに対する割合
（θ方向）と起動回転数の関係を示すグラフである。回
転防止部３１は、ステータ１２の回転方向と揺れに対す
る位置決め効果を強く持たせるために、その幅（突起
幅）の寸法ｄが、ステータ１２の櫛歯１２ａ間の寸法ｃ
に占めるの割合を大きく（９０％以上）することが好ま
しい。図６に示すように、回転防止部３１の幅ｄが周方
向の櫛歯間の寸法ｃの９０％以上で支持規制を厳しくす
ることにより、ステータ１２のガタを少なくすることが
でき、起動回転数を小さくすることができることがわか
る。ただし、回転防止部３１は、過剰に大きくすると、
ステータ１２を過剰拘束するため、ステータ１２から生
じる振動エネルギーを減衰させ、モータ効率を低下（入
力電流の増加）させるため、ステータ１２の支持拘束に
よる振動減衰を少なくし、かつ、ステータ１２を安定的
に支持するため、その幅（突起幅）は、９５％以下とす
ることが望ましい。また、回転防止部３１は、６個設け
られており、櫛歯１２ａも加工誤差があるので、５％程
度のガタがあることによって、振動が安定して好まし
い。

【００２９】図７は、本実施形態に係る振動アクチュエ
ータの回転防止部の高さａの櫛歯の高さｂに対する割合
とボトム電流（駆動最小電流）との関係を示すグラフで
ある。回転防止部３１は、特に、ステータ１２の揺れ防
止のために、その高さａが櫛歯１２ａの高さ（底面から
摺動面の寸法）ｂに対する割合（ａ／ｂ）が、３０％以
上が望ましい。一方、図７に示すように、５０％を超え
るとステータの振動を抑制してしまい、ボトム電流値が
上昇し、効率が低下するので、ａ／ｂは、５０％以下で
あることが望ましい。

【００３０】図８は、本実施形態に係る振動アクチュエ
ータの回転防止部の上端位置ｅの櫛歯のスラスト方向の
寸法（高さ）ｂに対する割合とボトム電流との関係を示
すグラフである。回転防止部３１は、櫛歯１２ａのスラ
スト方向の寸法（高さ）ｂに対して、３５％以内に設け
ないことが好ましい。櫛歯１２ａの上端面（摺動面）か
ら回転防止部３１の上端面までの寸法ｅが、櫛歯１２ａ
のスラスト方向の寸法（高さ）ｂに対して、３５％以上
であるということである。この理由は、回転防止部３１
が３５％以内に設けられると、櫛歯１２ａの振動振幅が
最も大きい駆動力伝達部となる摺動面付近を拘束をして
しまい、振動減衰を起こし、駆動効率の低下を招くから
である。

【００３１】また、回転防止部３１は、ステータ１２の
櫛歯の底面に接触させないことが好ましい。回転防止部
３１は、ステータ１２の櫛歯１２ａ間の底面に接触させ
ないことによって、別部位の加圧機構により、加圧力
が、ステータ１２に均等かつ安定的にかかるようにする
ことができる。ここで、加工等の公差により、ステータ
１２を正確に位置決めするには、限度があるため、回転
防止部３１の数を増す（６箇所以上）ことにより、より
位置決めを正確に行うことができる。

【００３２】（揺動防止部）揺動防止部３２は、ステー
タ１２の櫛歯１２ａ内に設ける回転防止部３１とは別
に、ステータ１２の揺れに対する位置決め効果をより効
率的に持たせるため、ステータ１２の内径に当接するよ
うに設けられた部材である。ただし、ステータ１２を過
剰拘束し、ステータ１２の振動を減衰させ、効果を低下
させないように、位置決めするための範囲、位置等が選
択されている。

【００３３】揺動防止部３２は、主に、ステータ１２の
回転方向のガタ規制を目的とし、ステータ１２の櫛歯１
２ａ内に設けられた回転防止部３１とは別に、回転防止
部３１の両側２箇所に、ステータ１２の内径側に当接す
るように設けることによって、さらに、揺れに対する位
置決め効果を強く持たせることができる。

【００３４】図９は、本実施形態に係る振動アクチュエ
ータの揺動防止部の外径とステータ内径の幅の、ステー
タ内径に対する割合と起動回転数との関係を示すグラフ
である。この揺動防止部３２は、その外径とステータ１
２の内径の幅（隙間δ）を、ステータ１２の内径ｒの２
％以下にすることによって、ステータ１２のガタ（揺
れ）を小さくして、起動回転数を小さくすることができ
る。また、高速駆動時にステータ１２が揺れることによ
る回転ムラや、異音の発生を極力防止することができ
る。ただし、揺動防止部３２は、ステータ１２を過剰に
拘束することによって、振動を抑制してしまい、モータ
性能を低下させてしまうため、１％以上の隙間をもたせ
ることが好ましい。

【００３５】なお、ステータ１２は、櫛歯１２ａのエッ
ジに、加工によりバリが内径側に突出しいる場合がある
ため、組立てを考慮し、揺動防止部３２の幅を櫛歯幅よ
り小さく（９０％以内）、かつ、断面突起形状とするこ
とが好ましい。組立てだけでなく、揺動防止部３２は
が、ステータ１２のバリ部分を避けた位置にあることに
より、ステータ１２が傾斜した状態で、支持されること
を防ぐ効果もある。

【００３６】揺動防止部３２は、スラスト方向に対し
て、ステータ１２の櫛歯１２ａでは無く、ステータ１２
のベース部に設けることが好ましい。つまり、ステータ
１２の過剰拘束を避け、本来の振動エネルギーを有効に
生かしつつ、かつ、ステータ１２の揺れを防止し、支持
する効果として、振幅の大きい櫛歯１２の頭（摺動面）
から、より離れた位置で規制することが好ましい。この
ため、例えば、揺動防止部３２は、スラスト方向に対し
て、振動子１１の中立面付近に設けられていることが好
ましい。ただし、この場合に、揺動防止部３２は、振動
源となる圧電体１３、及び、ステータ１２と圧電体１３
の接着面に接触させないことが必要である。

【００３７】しかし、実際には、加工時の公差によりス
テータを正確に位置決めするには限度があるため、揺動
防止部３２は、数を増す（１２箇所以上）ことにより、
より位置決めを正確に行うことが望ましい。

【００３８】（変形形態）以上説明した実施形態に限定
されることなく、種々の変形や変更が可能であって、そ
れらも本発明の均等の範囲内である。（１）回転防止部３１、揺動防止部３２は、内筒２１に
直接設ける例で説明したが、別の環状部材で設けるよう
にしてもよい。（２）揺動防止部３２は、振動子１１の内径に当接する
例で説明したが、振動子１１の外径に当接するようにし
てもよい。（３）揺動防止部３２は、半円柱の母線で支持する例で
説明したが、半球状にして、点で支持してもよいし、あ
る程度の面積を持つ部分で支持してもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によりれ
ば、回転防止部を設け、弾性体（ステータ）の回転方向
と、揺れに対する位置決め効果を強く持たせることによ
り、弾性体の精度の高い支持を実現させ、過渡応答、再
現性等をよくすることが可能となった。

【００４０】また、揺動防止部を設け、弾性体の揺れに
対する位置決め効果を強く持たせることにより、その弾
性体の精度の高い支持を実現させ、過渡応答、再現性等
をよくすることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動アクチュエータの実施形態の
組み立て状態を示す断面図である。

【図２】本実施形態に係る振動アクチュエータの位置規
制手段（回転防止部と揺動防止部）を示す図である。

【図３】本実施形態に係る振動アクチュエータの位置規
制手段（回転防止部と揺動防止部）を示す図（図２のII
I 部の拡大図）である。

【図４】本実施形態に係る振動アクチュエータの位置規
制手段（回転防止部と揺動防止部）を示す図（図３のＩ
Ｖ−ＩＶ断面図）である。

【図５】本実施形態に係る振動アクチュエータの回転防
止部の寸法関係を示す図である。

【図６】本実施形態に係る振動アクチュエータの回転防
止部の幅ｄの櫛歯間寸法ｃに対する割合（θ方向）と起
動回転数の関係を示すグラフである。

【図７】本実施形態に係る振動アクチュエータの回転防
止部の高さａの櫛歯の高さｂに対する割合とボトム電流
との関係を示すグラフである。

【図８】本実施形態に係る振動アクチュエータの回転防
止部の上端位置ｅの櫛歯のスラスト方向の寸法（高さ）
ｂに対する割合とボトム電流との関係を示すグラフであ
る。

【図９】本実施形態に係る振動アクチュエータの揺動防
止部の外径とステータ内径の幅の、ステータ内径に対す
る割合と起動回転数との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０振動アクチュエータ１１振動子１２ステータ１２ａ櫛歯１３圧電体１４緩衝材１５加圧板１６加圧バネ１７ロータ１８緩衝材２０支持ユニット２１中筒２２押さえ環２３ロータホルダ２４接合部材３０位置規制手段３１回転防止部３２揺動防止部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】摺動面側に複数の櫛歯を有する弾性体及
びその弾性体に接合されその弾性体に振動を発生する電
気機械変換素子を備える振動子と、前記弾性体の摺動面に加圧接触して相対運動を行う相対
運動部材と、を含む振動アクチュエータにおいて、前記弾性体の櫛歯間の少なくとも１つに挿入され、櫛歯
間の寸法の９０％以上の寸法であり、前記振動子の回転
を防止する回転防止部を設けたことを特徴とする振動ア
クチュエータ。
【請求項２】請求項１に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記回転防止部は、前記櫛歯間の寸法の９５％以下の寸
法であることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載された振動
アクチュエータにおいて、前記回転防止部は、前記櫛歯間の底面から前記摺動面ま
での寸法の３０％以上及び／又は５０％以下の寸法を占
めることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項４】請求項１から請求項３までのいずれか１
項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記回転防止部は、前記櫛歯間の底面に接触しない位置
に設けられることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか１
項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記回転防止部は、前記櫛歯間の摺動面から底面までの
寸法に対して、摺動面から底面側へ３５％以上離れた位
置に設けられることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項６】請求項１から請求項４までのいずれか１
項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記回転防止部は、円周方向に６箇所以上設けられるこ
とを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項７】弾性体及びその弾性体に接合されその弾
性体に振動を発生する電気機械変換素子を備える振動子
と、前記弾性体の摺動面に加圧接触して相対運動を行う相対
運動部材と、を含む振動アクチュエータにおいて、前記振動子の内径又は外径に当接して、前記振動子の揺
動を防止する揺動防止部を設けたことを特徴とする振動
アクチュエータ。
【請求項８】摺動面側に複数の櫛歯を有する弾性体及
びその弾性体に接合されその弾性体に振動を発生する電
気機械変換素子を備える振動子と、前記弾性体の摺動面に加圧接触して相対運動を行う相対
運動部材と、を含む振動アクチュエータにおいて、前記弾性体の櫛歯間の少なくとも１つに挿入され、前記
振動子の回転を防止する回転防止部と、前記回転防止部とは別に、前記振動子の内径又は外径に
当接して、前記振動子の揺動を防止する揺動防止部を設
けたことを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項９】請求項７又請求項８に記載された振動ア
クチュエータにおいて、前記揺動防止部は、前記振動子との隙間がその振動子の
内径又は外径の当接する径の０．２％以下及び／又は
０．１％以上であることを特徴とする振動アクチュエー
タ。
【請求項１０】請求項７から請求項９までのいずれか
１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記揺動防止部は、加圧方向に所定の幅を有し、断面突
起形状であることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１１】請求項７から請求項１０までのいずれ
か１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記揺動防止部は、スラスト方向に対して、前記振動子
の中立面付近に設けられていることを特徴とする振動ア
クチュエータ。
【請求項１２】請求項７から請求項１１までのいずれ
か１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記揺動防止部は、円周方向に１２箇所以上設けること
を特徴とする振動アクチュエータ。