JP2004297910A

JP2004297910A - 振動型駆動装置

Info

Publication number: JP2004297910A
Application number: JP2003087408A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shibazaki; 豪柴崎; Takashi Maeno; 隆司前野; Nobuyuki Kojima; 信行小島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】使用環境や負荷変動等に影響されないで、安定した出力、特性を得られる振動型駆動装置を提供する。
【解決手段】振動子１に２つの異なる振動モードを励起し、これら振動モードの組み合わせにより、振動子１に形成される接触部Ｐ１、Ｐ２に楕円運動を発生させ、前記接触部Ｐ１、Ｐ２に加圧接触される被駆動体との間に相対運動を発生させる振動型駆動装置であって、前記２つの振動モード同士は振動子１の長手軸に直交する対称面Ｓに対して略鏡面対称である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波等の振動波により駆動力を得る振動型駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、振動型駆動装置の一例である超音波リニアモータとしては、図７に示すように、振動体１０に図中左右方向の伸縮振動及び図中（ｂ）で示すような曲げ振動の振動モードを励起し、これらの振動を合成した運動を発生させることで、振動子９の被駆動体との接触点１０ａ、１０ｂに楕円運動を励起し、接触点１０ａ、１０ｂに押圧接触される被駆動体を摩擦力により駆動するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１７７７６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来例では、伸縮振動と曲げ振動という形態の異なる２つの振動モードが用いられる。このように変形形状が異なるため、負荷変動や環境変動による振動モードの共振周波数変化の敏感度が異なる。そのため、２つの振動モードの周波数差ΔＦに変化が生じてしまうことがある。
【０００５】
この結果、２つの振動モードの重ねあわせにより生成している、振動子の接触部の楕円運動が所望の形態にならず、被駆動体の送り力、速度が低下してしまうという問題が生じることがある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る振動型駆動装置の構成は、振動子に２つの異なる振動モードを励振し、これらの組み合わせにより振動子に形成される接触部に楕円運動を発生させ、前記接触部に加圧接触される被駆動体との間に相対運動を発生させる振動型駆動装置であって、前記２つの振動モード同士は振動子の長手軸に直交する対称面に対して略鏡面対称であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
振動型駆動装置において、被駆動体の送り力及び速度を低下しないように、振動子の接触部の楕円運動を適正にするためには、振動子に励起される２つの振動モードの周波数差ΔＦが生じないようにするか、又はΔＦを低減することが必要とされる。
【０００８】
周波数差ΔＦが生じない、又はΔＦを低減するためには、次に示す２つの条件のうちいずれかが満たされていれば良い。
【０００９】
（１）２つの振動モードを比較した時に振動子の振動成分の大きさが一致する。
【００１０】
（２）２つの振動モードが、ある対称面に対して略鏡面対称である。
【００１１】
上記（１）の条件を満たす場合は、例えば振動子が被駆動体からの反力を受けるとき、この反力の影響は２つの振動モードに等しく作用する。これによって、使用環境や負荷等、振動子の使用環境に関わらず、２つの振動モードの周波数差ΔＦは殆ど変化しない。
【００１２】
上記（２）の条件を満たす場合も同様に、振動子が被駆動体から反力を受けるときを考える。振動子が被駆動体と接触する部位は、一般的に偶数でかつ対称面に対して対称位置に対になって形成される。被駆動体からの反力は対になっている接触部位に同じ量で作用するため、結果として２つの振動モードは同様の作用を受けることになる。これによって、振動モードの周波数の変化は同様の傾向となるので周波数差ΔＦの変化は発生しない。
【００１３】
すなわち、上記した条件（１）又は（２）によって、周波数差ΔＦが変化しなければ、略一致した周波数の振動モードの場合では反力などを受けてもΔＦが生じないことになる。
【００１４】
本発明は上記（１）及び（２）のいずれかの条件を満たすものである。
【００１５】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本実施の形態における例示が本発明を限定することはない。
【００１６】
（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る第１の実施の形態について図１から図３を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本第１の実施の形態に係る振動型駆動装置に用いられる振動子１の斜視図である。
【００１８】
図１において、振動子１は略直方体形状であり、金属材料により形成される振動体２と、前記振動体２の底面に配置され前記振動体２と一体化された２枚の圧電素子３−１、３−２とを有する。なお、前記振動子１の形状は、本第１の実施の形態に限定されることなく、その他の直方体形状、板形状、棒形状などを適用することもできる。
【００１９】
前記振動体２は、例えば、鉄系金属で形成され、その寸法は図中Ｘ軸方向に３０ｍｍ、Ｚ方向に８ｍｍ、Ｙ方向に１０ｍｍである。
【００２０】
前記振動体２の上面、すなわち前記圧電素子３−１、３−２に対向する面には、２箇所に突起部Ｐ１、Ｐ２が形成される。前記突起部Ｐ１、Ｐ２の上端面は不図示の被駆動体と加圧接触する。前記突起部Ｐ１、Ｐ２は摩擦力により被駆動体との相対移動を行なうため、前記被駆動体との摩擦力の確保と磨耗耐久性を満たすように、その上端面には摩擦材が形成されている。
【００２１】
前記振動子１は図中記号Ｓで示す対称面Ｓに対して概略対称形状に形成される。振動体２の上面には、前記対称面Ｓに対して略対称になるように段差が設けられており、その段差上には前記対称面Ｓに対して略対称になるように前記突起部Ｐ１、Ｐ２が配置される。
【００２２】
また、前記対称面Ｓに対して略対称となる位置に、非対称部Ｔ１及びＴ２が形成されている。前記非対称部Ｔ１は、前記振動子１の底面側で長手方向一方端を切り欠くように形成される。前記非対称部Ｔ２は、前記振動子１の底面側で長手方向他方端を突出させるように形成される。
【００２３】
前記２枚の圧電素子３−１と３−２には、両端面に電極が形成されており、これら電極を用いて予め分極処理が行なわれている。前記振動体２をコモン電位として、圧電素子３−１、３−２の露出面の電極に各々交流電位を与えることで、振動子１は交流電位の周波数に対応する機械振動を発生する。
【００２４】
図２は、前記振動子１の固有振動モードであるＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂの変形形状を示す。
【００２５】
本第１の実施の形態では、周波数が略一致する２つの異なる振動モード（図２に示すＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂ）によって前記振動子１を励振する。そして、これらの２つの振動モードを組み合わせることにより前記接触部Ｐ１、Ｐ２に楕円運動を発生させる。
【００２６】
ＭＯＤＥ−Ａは上記した２枚の圧電素子３−１、３−２のうちいずれか一方により励振され、ＭＯＤＥ−Ｂは２枚の圧電素子３−１、３−２のうちいずれか他方により励振される。ＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂは、略一致する周波数によって励振されると、図２に示すように、対称面Ｓに対して互いに略鏡面対称な変形形状となる。これは、振動子１に非対称部Ｔ１、Ｔ２が形成されているためである。
【００２７】
ＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂは、共にＸＹ面に対して面外曲げの変形成分と軸に対して伸縮の変形成分とを有する。
【００２８】
また、ＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂが有する面外曲げの変形成分の変形量は符号を反転させることで互いに略一致する。また、ＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂの伸縮の変形成分は互いに略一致する。
【００２９】
これら２つの振動モードＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂを励振させるとき、時間的な位相をずらすことで前記２箇所の突起部Ｐ１、Ｐ２の先端は略楕円軌跡を描く。
【００３０】
そして、突起部Ｐ１、Ｐ２の楕円運動により、突起部Ｐ１、Ｐ２に加圧接触される被駆動体が振動子１と相対移動運動する。
【００３１】
駆動に用いる振動モードは共振周波数を有する。ＭＯＤＥ−Ａに対応する共振周波数をＦＡとし、ＭＯＤＥ−Ｂに対応する共振周波数をＦＢとする。これら共振周波数ＦＡ、ＦＢは略一致している。
【００３２】
振動子１は環境温度、被駆動体との摩擦力を確保するための加圧力、被駆動体との相対運動に対する外部からの負荷等にさらされる。そのため、共振周波数ＦＡ、ＦＢは常に変化する。
【００３３】
ここで、ＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂを比較すると、対称面Ｓに対して対称位置にある点の振動成分の大きさが略一致する。振動成分とは振動モードによる変形を任意の直交座標系に分解して表現した値であり、個別のベクトル成分である。
【００３４】
このような構成によれば、ＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂを比較したときに、対称面Ｓに対して鏡面対称となる位置の振動成分が略等しいため、負荷等環境変動に対する敏感度は等しいことになる。このことから、ＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂの共振周波数ＦＡ、ＦＢは略一致した変化となる。
【００３５】
この結果、上記した条件（１）及び（２）のいずれかにより、これら振動モードにより生成する突起部Ｐ１、Ｐ２の楕円運動は環境変化等の影響を受けず、常に安定した駆動特性を実現することができる。
【００３６】
図３は、本第１の実施の形態のうち上記した以外の形態を示す振動子１の斜視図である。
【００３７】
図３において、対称面Ｓに対して略対称位置に非対称部Ｔ１及びＴ２が形成されている。非対称部Ｔ１は振動体２の側面に長手軸方向一方側に設けられた凹形状であり、非対称部Ｔ２は振動体２の側面に長手軸方向他方側に設けられた凸形状である。このような構成によれば図１に示した振動子と同様の効果が得られる。
【００３８】
本第１の実施の形態において、振動子１の形態は上記した形態に限定されない。例えば、非対称部はＴ１のみでも同様の効果が得られる。また、非対称部は形状によるものではなく密度や弾性係数の異なる材料を用いるものとしても同様の効果が得られる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
以下、本発明に係る第２の実施の形態について図４を参照して説明する。
【００４０】
上記した第１の実施の形態と同様の構成については説明を省略し、本第２の実施の形態に特徴的な部分について説明する。
【００４１】
図４は、本第２の実施の形態に係る振動子１の平面図である。
【００４２】
図４において、振動子１の基本形状は対称面Ｓに対して略対称である。そして、対称面Ｓに対して略対称となる位置に非対称部Ｔ１、Ｔ２が形成されている。前記非対称部Ｔ１は、前記振動子１の底面側で長手方向一方端を切り欠くように形成される。前記非対称部Ｔ２は、前記振動子１の底面側で長手方向他方端を突出させるように形成される。
【００４３】
振動子１の底面部には、一つの部材からなる圧電素子３が配置される。圧電素子３が露出する面には、図５に示すように２つの電極４−１、４−２が形成されている。これらと対応する圧電素子部は独立した圧電素子領域として作用する。
【００４４】
本第２の実施の形態に係る振動モードであるＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂを図６に示す。
【００４５】
ＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂとは対称面Ｓに対して略鏡面対称の関係となっている。各々のモードの振動成分は略一致している。このため、図１に示す振動子と同様にＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂに対応する共振周波数ＦＡ、ＦＢは、環境変動に対して略一致する変化を示す。
【００４６】
この結果、これら振動モードにより生成する突起部の楕円運動は環境変化の影響を受けず、常に安定した駆動特性を実現することができる。
【００４７】
さらに、以上説明した各実施の形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例でもあり、下記の各発明は上記各実施の形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【００４８】
〔発明１〕周波数が略一致する２つの異なる振動モードを電気−機械エネルギー変換により振動体に励起し、前記２つの振動モードの組み合わせにより２箇所以上に設けられた接触部に円又は楕円運動を発生させる振動子と、前記接触部に加圧接触し前記振動子からの振動を受けることによって前記振動子に対して相対的に運動する被駆動体と、を有する振動型駆動装置であって、前記２つの振動モード同士は、前記振動子の長手軸に直交する平面に対して略鏡面対称であることを特徴とする振動型駆動装置。
【００４９】
上記した発明１によれば、前記２つの振動モード同士は前記振動子の長手軸に直交する平面に対して略鏡面対称であり、使用環境の変化に対して同様の周波数変化を示す。
【００５０】
なお、上記した実施の形態に示したＭＯＤＥ−Ａ及びＭＯＤＥ−Ｂは発明１における２つの異なる振動モードの一形態であり、上記した実施の形態に示した突起部Ｐ１、Ｐ２は発明１における接触部の一形態であり、また、上記した実施の形態に示した対称面Ｓは発明１における振動子１に直交する平面の一形態である。
【００５１】
〔発明２〕上記発明１において、前記振動モードは、前記振動子の長手軸方向に伸縮する振動成分と、長手軸に対する曲げ変形の振動成分とを有することを特徴とする振動型駆動装置。
【００５２】
上記した発明２によれば、振動子の長手軸方向に伸縮する成分の変形量は略対称となり、振動子の長手軸に対する曲げ変形の成分の変形量は符号を反転させることで互いに一致するため、効果的に楕円運動を発生することができる。
【００５３】
〔発明３〕上記発明１又は２において、前記振動子は長手軸に直交する平面に対して略対称となる基本形状であり、前記振動子の対称形状を阻害する１以上の非対称部位を有することを特徴とする振動型駆動装置。
【００５４】
上記した発明３によれば、振動子は長手軸に直交する平面に対して略対称となる基本形状であり、対称形状を阻害する形状を併せ持つことで上記振動モードを発生することができる。
【００５５】
〔発明４〕上記発明３において、前記非対称部位は、形状によるもの、あるいは密度や弾性率等の異なる材料によるものにより形成されることを特徴とする振動型駆動装置。
【００５６】
上記した発明４によれば、非対称部位は形状、あるいは密度や弾性率等の異なる材料により形成することができる。
【００５７】
〔発明５〕上記発明１又は２において、前記振動子は長手軸に直交する平面に対して略対称となる基本形状であり、当該平面に対して略対称となる位置に、前記振動子の対称形状を阻害する非対称部位を有することを特徴とする振動型駆動装置。
【００５８】
上記した発明５によれば、振動子の長手軸に直交する平面に対する対称位置に対にして対称形状を阻害する非対称部位を併せ持つことで効果が得られる。
【００５９】
〔発明６〕上記発明５において、前記非対称部位は、前記振動子に形成された凸形状、及び前記振動子の長手軸に直交する平面に対して前記凸形状と略対称となる位置で前記振動子に形成された凹形状を有することを特徴とする振動型駆動装置。
【００６０】
上記した発明６によれば、振動子の長手軸に直交する平面に対する対称位置に第１及び第２の非対称部位を形成し、第１の対称部位が凸形状であるとき第２の対称部位は凹形状とすることで上記振動モードを確実に発生すると共に初期の周波数差ΔＦを小さくすることができる。
【００６１】
〔発明７〕上記発明１から６のいずれかにおいて、前記振動子の長手軸に直交する平面に略対称となるように、電気−機械エネルギー変換により前記振動体に振動を励起させる電気−機械エネルギー変換素子領域を有し、これら複数の電気−機械エネルギー変換素子領域により前記２つの振動モードを励振することを特徴とする振動型駆動装置。
【００６２】
上記した発明７によれば、上記２つのモードを効果的に励振することができる。例えば、上記した実施の形態のように、電気−機械エネルギー変換素子領域を２つ設け、一方の領域で一方の振動モードを励振し、他方の領域で他方の振動モードを励振することができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、前記２つのモード同士は振動子の長手軸に直交する対称面に対して略鏡面対称であることで、被駆動体との加圧力、温度変化、駆動時の負荷等に係らず一定した楕円運動の生成が可能となる。この結果、安定して出力と効率を確保しうる振動型駆動装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る振動型駆動装置における振動子の斜視図である。
【図２】図１において振動モードを示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る振動型駆動装置における振動子の斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る振動型駆動装置における振動子の平面図である。
【図５】図４において圧電素子を示す図である。
【図６】図４において振動モードを示す模式図である。
【図７】従来例の振動型駆動装置を説明するための平面図（ａ）、及びその振動モードを示す模式図（ｂ）である。
【符号の説明】
１振動子
２振動体
３圧電素子
４電極
９振動子
１０振動体
１１圧電素子
Ｐ突起部
Ｔ非対称部

Claims

振動子に２つの異なる振動モードを励振し、これらの組み合わせにより振動子に形成される接触部に楕円運動を発生させ、前記接触部に加圧接触される被駆動体との間に相対運動を発生させる振動型駆動装置であって、前記２つの振動モード同士は振動子の長手軸に直交する対称面に対して略鏡面対称であることを特徴とする振動型駆動装置。