JP2004297869A

JP2004297869A - 振動波モータ

Info

Publication number: JP2004297869A
Application number: JP2003084829A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Ashizawa; 隆利芦沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP4269739B2

Abstract

【課題】駆動力や駆動効率などの駆動性能を向上させることができる振動波モータを提供する。
【解決手段】ベース部１３ｃをフランジ部１３ｄを境に、くし歯側と接合側とで径方向の幅を変え、圧電体１２の幅をくし歯側のベース部よりも大径にした延出部１３ｅを設け、電極部の幅をｗとすると、電極部の外径端は、弾性体１３のベース部１３ｃの外径端を加圧方向に投影した位置よりも外側にあり、その内径端は、ベース部１３ｃの内径端を加圧方向に投影した位置よりも内側にある。そして、電極部の径方向の幅ｗは、弾性体１３の曲げ中心の径方向の幅よりも広い。フランジ部１３ｄは、接合側に寄っているため、ベース部１３ｃの剛性は、くし歯側の幅に依存している。これにより、十分な曲げ変位が得られ、それにより、十分な曲げ振動振幅が得られるようになり、駆動力や駆動効率等が向上し、性能向上が得られる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性体が断面略矩形の円環状をした振動波モ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を発生させ、この進行波によって、駆動面には楕円運動が生じ、楕円運動の波頭に加圧接触した移動子が駆動される（例えば、特許文献１）。
このような振動波モータは、低回転でも高トルクを有するという特徴があるため、駆動装置に搭載した場合に、その駆動装置のギアを省略することができるので、ギア騒音をなくしたり、位置決め精度が向上できるという利点がある。
振動性進行波を用いた振動波モータの振動子は、圧電体と弾性体とから構成されており、圧電体と弾性体とは接着剤等により強固に接着されている。圧電体は、その両表面にスクリーン印刷等により銀電極が施され、その電極面に駆動信号が印加されるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特公平１−１７３５４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した振動波モータは、弾性体に発生する進行性振動波が、圧電体の励振により生じる二つの曲げ振動の定在波を合成することにより得られる。その定在波の曲げ振動は、圧電体への電圧印加による伸縮力を利用して発生させている（ユニモルフ効果）。このため、圧電体に印加する電極部分が少ない場合には、曲げを発生させる力が減少し、曲げ振動の励振が十分に行えない場合がある。
【０００５】
また、駆動面側に溝を設けた弾性体は、その溝が設けられていない面に圧電体を接着等で接合する。圧電体に電圧を印加して、弾性体に曲げを発生させようとした場合に、曲げ変位の大きさを左右するのは、溝がない部分、いわゆるベース部の剛性である。このベース部は、その厚さが薄いほど、又は、その幅が狭いほど、剛性が小さく、圧電体から同じ曲げの力を与えられた場合には、曲げ変位が大きくなる。
【０００６】
一方、圧電体に施された電極は、印刷ズレによるはみ出しが原因となる、表裏面でのショートを防止するために、通常は、外径端及び内径端よりも隙間を設けて印刷されるので、その分だけ、駆動信号が印加される部分が減少する。それに伴い、圧電体が弾性体に与える曲げようする力は減少し、曲げ振動の振幅の大きさが十分でない場合があった。その場合には、駆動力や駆動効率が十分得られないという問題が生じる。
【０００７】
本発明の課題は、駆動力や駆動効率などの駆動性能を向上させることができる振動波モータを提供することである。
【０００８】
【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、駆動信号により励振される圧電体及びその圧電体に接合され、前記励振により駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動体と、前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と、を備える振動波モータにおいて、前記弾性体は、断面略矩形の円環状の振動拡大部と、前記駆動面側にほぼ等間隔の溝部を有し、前記圧電体の接合面側に前記溝部のないベース部を有しており、前記圧電体は、駆動信号を印加する電極部を有し、前記電極部の外径端は、前記弾性体のベース部の外径端を加圧方向に投影した位置よりも外側にあり、及び／又は、その内径端は、前記弾性体のベース部の内径端を加圧方向に投影した位置よりも内側にあること、を特徴とする振動波モータである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の振動波モータにおいて、前記電極部の径方向の幅は、前記弾性体の曲げ中心の径方向の幅よりも広いこと、を特徴とする振動波モータである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１に記載の振動波モータにおいて、前記弾性体は、前記ベース部の外径及び／又は内径側に延出した延出部を有し、前記電極部の外径端及び／又は内径端は、前記延出部を加圧方向に投影した範囲にあること、を特徴とする振動波モータである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項３に記載の振動波モータにおいて、前記延出部は、前記圧電体を保持又は保護する部材であること、を特徴とする振動波モータである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項３又は請求項４に記載の振動波モータにおいて、前記延出部は、前記ベース部の、前記溝部よりも前記圧電体の接合面側に寄った位置に設けられていること、を特徴とする振動波モータである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる振動波モータの実施形態をあげて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の実施形態は、振動波モータとして、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。
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態による超音波モータを説明する図である。
第一実施形態の超音波モータ１０は、振動子１１と、移動子（相対運動部材）１４とを備え、振動子１１側を固定とし、移動子１４を駆動するようになっている。
【００１４】
振動子１１は、後述するように、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）１２と、圧電体１２を接合した弾性体１３とから構成されている。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、４次の進行波として説明する。
【００１５】
弾性体１３は、共振先鋭度が大きな金属材料から成り、その形状は、断面略矩形の円環形状をしている。この弾性体１３は、圧電体１２が接合される反対面には、溝１３ａが設けられた振動拡大部が形成され、突起部（溝と溝の間）１３ｂの先端面が駆動面となり、移動子１４に加圧接触される。
溝１３ａを切る理由は、進行波の中立面をできる限り圧電体１２側に近づけ、これにより、駆動面の進行波の振幅を増幅させるためである。溝１３ａの切っていない部分を、本実施形態では、ベース部１３ｃと呼ぶ。圧電体１２は、そのベース部１３ｃの溝１３ａ側とは反対面（接合面）に接合される。
【００１６】
ベース部１３ｃには、フランジ部１３ｄが設けられ、その部分を用いて固定部材１６に固定する。フランジ部１３ｄは、圧電体１２と接合する面よりやや駆動面側によった形態となっている。
【００１７】
圧電体１２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相の間には、１／４波長分の間隔が空くようにしてある（図３参照）。
【００１８】
移動子１３は、アルミニウムといった軽金属からなり、摺動面の表面には、耐摩耗性向上のための表面処理が施されている。
【００１９】
出力軸１５は、移動子１４に圧入され、移動子１４と一体に回転するようにされている。出力軸１５と固定部材１６との間には、ベアリング１７，１７が設けられ、固定部材１６に対して、出力軸１５及び移動子１４が回転可能となっている。
【００２０】
加圧部材１８は、２つのベアリング１７，１７間に設けられ、移動子１４が振動体１１の駆動面に加圧接触するようにされている。出力軸１５には、Ｅクリップ等のストッパ１９が設けられ、ベアリング１７，１７及び加圧部材１８の軸方向の位置を決めている。
【００２１】
図２は、第一実施形態による超音波モータの駆動制御装置を説明するブロック図である。まず、超音波モータの駆動制御部について説明する。
発振部２１は、制御部２６の指令により所望の周波数の駆動信号を発生する。移相部２２は、発振器２１で発生した駆動信号を９０゜位相の異なる２つの駆動信号に分ける。増幅部２３，２４は、移相部２２によって分けられた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２３，２４からの駆動信号は、超音波モータ１０に伝達され、この駆動信号の印加により振動体１１に進行波が発生し、移動子１４が駆動される。
【００２２】
検出部２５は、光学式エンコーダや磁気エンコーダ等により構成され、移動子１４の駆動によって駆動された駆動物の位置や速度を検出する。
制御部２６は、ＣＰＵからの駆動指令を基に超音波モータ１０の駆動を制御する。制御部２６は、検出部２５からの検出信号を受け、その値を基にして、位置情報と速度情報を得て、目標位置に位置決めされるように、発振器２１の周波数を制御する。
【００２３】
本実施形態によれば、超音波モータの駆動制御装置は、以下のようにして動作する。
まず、制御部２６に目標位置が伝達される。発振部２１からは駆動信号が発生し、その信号は、移相部２２により９０゜位相の異なる２つの駆動信号に分割され、増幅部２３，２４により所望の電圧に増幅される。駆動信号は、超音波モータ１０の圧電体１２に印加され、圧電体１２は励振され、その励振によって弾性１３体には、９次の曲げ振動が発生する。
圧電体１２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４次曲げ振動とＢ相から発生する４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相駆動信号とＢ相駆動信号とは、９０゜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。
【００２４】
進行波の波頭には、楕円運動が生じている。従って、駆動面に加圧接触された移動子１４は、この楕円運動によって摩擦的に駆動される。移動子１４の駆動により駆動された駆動体（出力軸１５）には、光学式エンコーダなどの検出部２５が配置されていて、そこから、電気パルスが発生し、制御部２６に伝達される。制御部２６は、この信号を基にして、現在の位置と現在の速度を得ることが可能となり、これらの位置情報、速度情報及び目標位置情報を基にして、発振部２１の駆動周波数が制御される。
【００２５】
図３は、第一実施形態による超音波モータの圧電体及び圧電体表面に設けられた電極を説明する図である。
圧電体１２の裏面（接合側）と、表面（非接合側）には、各面を覆うように銀メッキ等により電極１２ａが設けられていて、駆動信号が圧電体１２の全体に印加されるようになっている。
しかし、電極１２ａの印刷ズレ対策、表裏電極のショート対策から、電極１２ａは外内径部から隙間δを持って印刷されている。このように、電極１２ａの幅が圧電体１２の幅よりも小さい場合に、実際に駆動信号により曲げ振動が励起される部分は、電極１２ａの部分であるため、外内径からの隙間δの分、圧電体１２が無駄になっていた。
【００２６】
圧電体１２に電圧を印加して、弾性体１３に曲げを発生させようとした場合、曲げ変位の大きさを左右するのは、溝１３ａがない部分、いわゆるベース部１３ｃの剛性である。このベース部１３ｃの厚さが薄いほど、又は、幅が狭いほど、剛性が小さく、圧電体１２から同じ曲げの力を与えた場合には、曲げ変位は大きくなる。圧電体１２の幅と同じ幅の弾性体１３のベース部１３ｃに、圧電体１２を接合した場合に、曲げたいベース部１３ｃの幅よりも、圧電体１２の電極１２ａの幅が狭いため、十分な曲げ変位が得られない場合があった。
【００２７】
そこで、本実施形態では、フランジ部１３ｄを境に、ベース部１３ｃにベース部１３ｃよりも大径の延出部１３ｅを設け、十分に曲げがなされるようにした。つまり、図１に示すように、電極１２ａの幅をｗとすると、電極１２ａの外径端は、弾性体１３のベース部１３ｃの外径端を加圧方向に投影した位置よりも外側にあり、その内径端は、ベース部１３ｃの内径端を加圧方向に投影した位置よりも内側にある。そして、電極１２ａの径方向の幅ｗは、弾性体１３の曲げ中心の径方向の幅よりも広くしてある。
フランジ部１３ｄは、接合面側に寄っているため、ベース部１３ｃの剛性は、くし歯側の幅に依存している。これにより、弾性体１３は、十分な曲げ変位が得られ、それにより、十分な曲げ振動振幅が得られるようになり、駆動力や駆動効率等が向上し、性能向上が得られる。
【００２８】
本実施形態では、弾性体１３は、フランジ部１３ｄの接合面側に段部が設けられ、その部分が、ベース部１３ｃから外径及び内径側に延出した延出部１３ｅとなっている。電極１２ａの外径端及び内径端は、延出部１３ｅを加圧方向に投影した範囲にある。そして、この延出部１３ｅは、圧電体１２を保持又は保護する役割を果たしている。
【００２９】
また、弾性体１３は、圧電体１２の接合面には、接着強度を上げるために、面を粗くする必要があり、その粗くする面積を必要なだけ確保するために、このような延出部１３ｅを設けることが有効である。
なお、粗くする面積が広くてもいい場合には、圧電体１２の接合面とフランジ部１３ｄの下面とを同じ面にしてもよい。
【００３０】
（第二実施形態）
図４は、第二実施形態による超音波モータを説明する図である。
第二実施形態の超音波モータ１０−２は、フランジ部１５より下のベース部１３ｃ、つまり、延出部１３ｅの幅を、フランジ部１５より上の幅よりも、内径側にのみ広げるようにした。他の構成は、第一実施形態と同じため、省略する。
【００３１】
本実施形態では、外径側は、圧電体１２の電極１２ａの隙間部がベース部１３ｃと重なるが、内径側は、ベース部１３ｃの内径側よりも内側に電極１２ａの内径が配置され、第一実施形態と同様な効果が生じる。
【００３２】
（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。
上記各実施形態に用いた超音波モータは、４波の進行性振動波であるが、他の波数の進行性振動波でも、圧電体の電極部の内径又は外径を弾性体のベース部よりも内側又は外側にするように配置することで、十分な曲げ変位が得られ、それにより、十分な曲げ振動振幅が得られるようになり、駆動力や駆動効率等が向上し、性能向上が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によれば、電極部の外径端は、弾性体のベース部の外径端を加圧方向に投影した位置よりも外側にあり、及び／又は、その内径端は、ベース部の内径端を加圧方向に投影した位置よりも内側にあるので、十分な曲げ変位が得られ、それにより、十分な曲げ振動振幅が得られるようになり、駆動力や駆動効率等が向上し、性能向上が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態による超音波モータを説明する図である。
【図２】第一実施形態による超音波モータの駆動制御装置を説明するブロック図である。
【図３】第一実施形態による超音波モータの圧電体及び圧電体表面に設けられた電極を説明する図である。
【図４】第二実施形態による超音波モータを説明する図である。
【符号の説明】
１０超音波モータ
１１振動子
１２圧電体
１３弾性体
１３ａ溝
１３ｂ突起部分
１３ｃベース部
１４移動子（相対運動部材）
１５出力軸
１６固定部材
１７ベアリング
１８加圧部材
１９ストッパ
２０駆動制御装置
２１発振部
２２移相部
２３，２４増幅部
２５検出部
２６制御部

Claims

駆動信号により励振される圧電体及びその圧電体に接合され、前記励振により駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動体と、
前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と、
を備える振動波モータにおいて、
前記弾性体は、断面略矩形の円環状の振動拡大部と、前記駆動面側にほぼ等間隔の溝部を有し、前記圧電体の接合面側に前記溝部のないベース部を有しており、
前記圧電体は、駆動信号を印加する電極部を有し、
前記電極部の外径端は、前記弾性体のベース部の外径端を加圧方向に投影した位置よりも外側にあり、及び／又は、その内径端は、前記弾性体のベース部の内径端を加圧方向に投影した位置よりも内側にあること、
を特徴とする振動波モータ。
請求項１に記載の振動波モータにおいて、
前記電極部の径方向の幅は、前記弾性体の曲げ中心の径方向の幅よりも広いこと、
を特徴とする振動波モータ。
請求項１に記載の振動波モータにおいて、
前記弾性体は、前記ベース部の外径及び／又は内径側に延出した延出部を有し、
前記電極部の外径端及び／又は内径端は、前記延出部を加圧方向に投影した範囲にあること、
を特徴とする振動波モータ。
請求項３に記載の振動波モータにおいて、
前記延出部は、前記圧電体を保持又は保護する部材であること、
を特徴とする振動波モータ。
請求項３又は請求項４に記載の振動波モータにおいて、
前記延出部は、前記ベース部の、前記溝部よりも前記圧電体の接合面側に寄った位置に設けられていること、
を特徴とする振動波モータ。