JP2005160267A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動波モータのロータにおいて、酸化皮膜形成後の研磨を不要とする。
【解決手段】 動子側に焼入れ焼戻し処理により硬質にしたステンレス鋼からなる接触バネを１体または別体で設けるとともに、ロータはステンレス鋼をプレスして摩擦面以外の領域に周方向および径方向にそれぞれ複数のビードを設けるような形状に形成し、焼入れ焼戻し処理により硬質にした後に摩擦面を研磨し、さらに200℃以上の高温高湿下で酸化皮膜による摩擦接触層を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は振動波モータにおいて、薄型、長寿命およびローコストを両立させる構成に関するものである。

図９は従来の振動波モータの側断面図である（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。この中で、振動子は図１０に示すように２つの円板状弾性体１ａ、１ｂの間に圧電素子２を挟持あるいは接着により接合して構成したものであり、振動姿態を実線で示している。圧電素子２は図１１に示すように１周8分割の電極パターン（＋、−は分極方向）、すなわち空間的位相差が９０°のＡ相（Ａ＋、Ａ−）、Ｂ相（Ｂ＋、Ｂ−）が設けられたものを多数積層しており、Ａ、Ｂ相に同一周波数で時間的位相差が９０°の交流電界が印加されると、圧電素子２は厚み方向に伸縮し弾性体１ａ、１ｂには面外曲げ（ここでは周方向２次）の進行波が生ずる。この結果、弾性体１ａ、１ｂの駆動部の表面粒子は同じ方向の円または楕円運動を行い、これに移動子としてのロータを圧接すれば、ロータは同方向に摩擦駆動される。なお、図１１の電極パターンにおいて、内周の斜線部には電極が存在していないが、これはこの部分がほとんど歪まず駆動に寄与しないためである。

図９において、３ａ、３ｂはロータであり各々ゴム７を介して加圧用の薄板バネ５により押圧され、弾性体１ａ、１ｂに圧接される。ロータ３ａ、３ｂはそれぞれ本体3aa、3baおよび接触バネ3ab、3bbからなり、接触バネ3ab、3bbはプレス加工されたステンレス鋼（例えばSUS420J2）を焼入れ焼戻し処理して硬質にすることにより形成され、接着などによって本体3aa、3baに接合されている。また、弾性体１ａ、１ｂも焼入れ焼戻し処理して硬質にしたステンレス鋼からなり、ステンレス鋼どうしの組合せの摩擦部材となっている。薄板バネ５は内周部においてスラスト方向の位置決め用部品８とかしめ結合していて、ラジアル・スラスト両方向に拘束されている。なお、１１は位置決め用部品８をモータ軸９に固定するためのビスである。したがって、各ロータ３ａ、３ｂは共通のモータ軸９と連結して回転することによりモータ軸９を回転出力とすることができる。なお、弾性体１ａ、１ｂの破線は、周方向に複数のスリットを設けて回転方向の変位を拡大したものである。

径方向に延出した振動子支持用薄円板４の外周部はケース部材としてのモータケース６に固定されている。これにより、振動子はモータケース６によって支持される。振動子支持用薄円板４には加圧力は作用しないため、これに抗する剛性は不要で、モータ負荷反力に抗するねじり剛性が確保できればよい。１０はベアリングでモータケース６に結合されていて、このベアリング１０に軸支されたモータ軸９がモータケース６の両軸方向に突出している。
特開平7-95777号公報 特開2001-16875号公報

上記のような振動波モータは、薄型の割に高出力であるというメリットがあるが以下の問題点がある。すなわち、摩擦部材がステンレス鋼どうしの組合せであるため、いかに硬質化処理（焼入れ焼戻し）を施しても耐摩耗性に難点がある。弾性体１ａ、１ｂの摩擦面側にアルミナセラミックスのような硬質な部材を接合することも考えられるが、接合方法や信頼性、さらに研磨など後加工で時間がかかることを考慮すると、コストアップとなってしまう。また、特開平8-275557のようにステンレス鋼の少なくともいずれか一方に200℃以上の高温高湿処理によって酸化皮膜による摩擦接触層を設けて耐摩耗性をあげるという方法もあるが、図９のような場合ロータ接触バネ3ab、3bbにその処理を施すと形状が複雑なため、皮膜形成後平面度が悪化していまい、研磨が必要になる。ところが、この酸化皮膜の膜厚は10nm程度なので研磨すると削りとられてしまう。弾性体１ａ、１ｂ側に酸化皮膜を形成する場合も、圧電素子２を挟持する前に平面度を出して酸化皮膜を設けても、挟持によって平面度が狂い、挟持後に研磨をすると皮膜がとれてしまう。言うまでもなく、挟持、研磨後の酸化皮膜処理は、圧電素子２の分極がとれてしまうのでできない。

本発明は、振動子側に接触バネを設け、ロータ形状を工夫することによって、薄型、ローコスト、しかも耐摩耗性の良好なモータを提供する。

具体的には、振動子側に焼入れ焼戻し処理により硬質にしたステンレス鋼からなる接触バネを１体または別体で設けるとともに、ロータはステンレス鋼をプレスして摩擦面以外の領域に周方向および径方向にそれぞれ複数のビードを設けるような形状に形成し、焼入れ焼戻し処理により硬質にした後に摩擦面を研磨し、さらに200℃以上の高温高湿下で酸化皮膜による摩擦接触層を設ける。ロータをこのような形状にすることによって摩擦面研磨後の酸化皮膜形成時の平面度悪化を抑え、その後の研磨を不要にする。

本発明によれば、移動子をプレスによって形成されたステンレス鋼からなる円板状のものとし、焼入れ焼戻しによって硬質化し、摩擦面を研磨してから酸化皮膜による摩擦接触層を形成させる。そして酸化皮膜を形成させる際、高温によって変形しないように接触部以外の領域に複数の円周方向と径方向のビードを設ける。このような構成することによって、薄型、ローコストで耐摩耗性のよいモータを提供することができる。

以下に図１ないし図２を参照して本発明による改良された振動波モータの実施例について説明する。

（第１の実施例）
図１は本発明を適用して構成された振動波モータの第１実施例の概略断面図、図２は図１におけるロータ２３ａの斜視図である。なお、図１のロータ２３ａは、図２に示す１点鎖線Ａ−Ａにおける断面を表している。図中、図９に示された符号と同じ符号で示された部分は従来例の構成要素と同じものであるから必要がない限り説明を省略する。

振動子は図１に示すように焼入れ焼戻し処理により硬質にしたステンレス鋼からなる２つの円板状弾性体２１ａ、２１bの間に圧電素子２を挟持あるいは接着により接合して構成したものであり、弾性体の破線の外周側に周方向の複数のスリットを入れることによって弾性体にバネ性を持たせており、これによりロータと振動子を良好な接触状態にしている。２３ａ、２３ｂはステンレス鋼をプレスして形成された円板状ロータであり、図２の斜視図に示すように摩擦面より内周側に円周方向のビード23aaと径方向のビード23abを設けている。さらにプレス成形後に、焼入れ焼戻し処理により硬質化し、摩擦面を研磨して平面度、表面粗度を良好なものにした後に200℃以上の高温高湿下において酸化皮膜による摩擦接触層を形成させ、耐摩耗性をアップさせている。一般に、図３の実線に示すように、プレスに用いる板金は圧延方向とそれと垂直な方向とで異方性を有するため、円板状の部材２３ｃはこれに熱をかけると円周方向で２つ山ができるような２つ折れの変形を生じてしまう。また、円板状部材の断面形状が上下非対称の場合、熱をかけると異方性がなくとも図４の実線のように全周が反り返ってしまう。本実施例では、図３のような変形を防止するために円周方向のビード23aaを、図４のような変形を防止するために径方向のビード23abを複数設けている。なお、プレスのバランスを良くするために、ビードの個数は円周方向、径方向で同数がよく、しかも図３のような変形の防止には奇数個がよいので、本実施例ではそれぞれ３箇所とした。

このような構成にすると、図９の従来例と比べて薄型化がはかれ、しかもローコストで耐摩耗性のよいモータを提供することができる。

（第２の実施例）
図５は本発明を適用して構成された振動波モータの第２実施例の概略断面図を示す。この図で弾性体３１ａ、３１ｂは金属等からなる弾性体本体31aa、31baに焼入れ焼戻し処理により硬質化されたステンレス鋼からなる接触バネ31ab、31bbを接着などにより接合してなる。ここで、弾性体本体31aa、31baの最外周の立ち上がり部は送り方向（円周方向）の振動振幅を大きくするために高く設けられており、さらにバネ性を有するように接触バネ31ab、31bbを接合している。したがってロータ２３ａ、２３ｂは第１実施例と同様、バネ性を設ける必要がなく単純な円板状にし、酸化皮膜形成時の変形を抑えるための円周方向と径方向のビードを設けている。

（第３の実施例）
図６は本発明を適用して構成された振動波モータの第３実施例の概略断面図を示す。第１ないし第２実施例では、振動子は２つの円板状弾性体の間に圧電素子２を挟持あるいは接着により接合して構成したものであり、この振動子を用いた振動波モータは図１や図５のように２つのロータをそれぞれ弾性体に圧接させて摩擦駆動されていた。本実施例では、振動子は１つの弾性体と１つの支持部材の間に圧電素子を挟持あるいは接着により接合して構成しており、ロータも１つで構成されている。

図６では、ロータ３３がSUS420J2など磁性材料であることを利用して、磁石１５を弾性体４１とロータ３３の間に配置することにより弾性体４１の接触バネ４１ｂに圧接される。ロータ３３は図２のロータ２３ａと同様、内周部に円周方向のビード３３ａと径方向のビード３３ｂを有し、酸化皮膜による摩擦接触層が形成されており、モータ軸２９に一体的に接合されて、回転することによりモータ軸２９を回転出力とすることができる。支持部材１４は振動がほとんどしないように設計されており、モータケース２６'に固定されている。これにより、振動子はモータケース２６'によって支持される。ベアリング１０はモータケース２６に、ベアリング１０'は支持部材１４に結合されていて、モータ軸２９がこれらベアリング１０、１０'に軸支されている。

このようなモータの構成では、第１、第２実施例のようなロータを２つ利用したタイプに比べるとやや出力は落ちるものの、一段と薄型化がはかれるとともにコストダウンもはかれる。

（第４の実施例）
図７は本発明を適用して構成された棒状振動波モータであり、振動エネルギー発生体となる振動子５１は、金属等からなる弾性体５１ａ、５１ｂおよび、弾性体５１ａの先端に接着によって接合された接触バネ５１ｃと、該弾性体５１ａおよび５１ｂの間に挟圧保持された積層圧電素子５２とで構成されている。接触バネ５１ｃは接触部の拡大図（図８）に示すように、主に径方向にたわみ得る薄肉のバネ部51ca、フランジ部すなわち軸方向にたわみ得る薄肉のバネ部51cbおよび先端のマス部51ccからなっており、ステンレス鋼の板材をプレスすることによって形成されている。そして焼入れ焼戻し処理によって硬質にし、弾性体と接合された後に、摺動面を研磨により平面度と表面粗さをおさえている。弾性体５１ａは該モータの骨格部材となる支持棒５９に嵌着され、振動子ナット５６を該支持棒５９の下端ネジ部５９ｂに螺着され大径部５９ａに押されることにより、弾性体５１ｂとの間に積層圧電素子５２を挟圧保持している。支持棒５９は特開平10-337051に開示されているように、ヘッダー加工および転造加工により形成されている。５３は接触バネ５１ｃの先端のマス部51ccに対向して配置されたロータ（すなわち移動子）であり、ロータ５３はステンレス鋼の板材をプレスすることによって形成された後、焼入れ焼戻し処理によって硬質にし、摩擦面を研磨、さらに200℃以上の高温高湿下で酸化皮膜を形成させ耐摩耗性を上げている。なお、ロータ５３は図２におけるロータ２３ａの形状と同様に酸化皮膜形成時に摩擦面の平面度が悪化しないように、内周部に円周方向のビード５３ａと径方向のビード５３ｂをそれぞれ３個ずつ設けている。

ロータ５３は出力ギヤ５４に一体的に取付けられた加圧バネ５５によって、ゴム５７を介して振動子５１の接触バネ５１ｃに圧接されており、該ギヤ５４はモータ取り付け用フランジ５８との間で潤滑油などを介して摺動し該フランジ５８は該支持棒５９の先端ネジ部５９ｃに嵌着固定されている。

前記の振動波モータの駆動原理は次の通りである。積層圧電素子５２の詳細説明は省略するが、２相の交流電圧を印加すると、積層圧電素子５２の伸縮によって、振動子５１には図７において紙面に水平な方向と紙面に垂直な方向の１次曲げ固有振動が励起されるようになっており、２つの振動を時間的にも９０度位相を違えて加えると、振動子には長手軸に対して右または左回りの円運動が発生する。弾性体５１ａは変位拡大のための周溝51aaを有するため、弾性体５１ａの先端には図７の矢印のような首振り運動が生ずる。接触面（接触バネ上面）からみると、この振動は１波の進行波に相当する。この接触バネ５１ｃを有する振動子５１にロータ５３を加圧接触させると、ロータ５３は波頭付近の１カ所のみで接触バネ５１ｃと接触し、逆方向に回転する。出力はギヤ５４により取り出される。

このような構成にすることによって、本実施例における棒状振動波モータは従来のようなロータ側に接触バネを設けるタイプ（特開平11-235057の図３）と比べて短軸化がはかれる。また、振動子の摩擦部材としてアルミナセラミックスのような研磨などの後加工がしづらい材料を用いていないため、コストダウンもはかれる。

本発明の第１実施例の振動波モータの概略断面図。 図1の振動波モータにおけるロータの斜視図。 ロータの熱変形の様子を示す斜視図。 ロータの熱変形の様子を示す断面図。 本発明の第２実施例の振動波モータの概略断面図。 本発明の第３実施例の振動波モータの概略断面図。 本発明の第４実施例の棒状振動波モータの概略断面図。 本発明の第４実施例の棒状振動波モータの接触部の拡大断面図。 従来の振動波モータの概略断面図。 従来の振動波モータの振動子形状およびその振動姿態を示す図。 従来の振動波モータにおける圧電素子の電極パターン図。

符号の説明

５１ 振動子
１ａ,１ｂ,２１ａ,２１ｂ,３１ａ,３１ｂ,４１,５１ａ,５１ｂ 弾性体
31aa,31ba,４１ａ 弾性体本体
２,５２ 圧電素子
３ａ,３ｂ,２３ａ,２３ｂ,３３,５３ ロータ
23aa,３３ａ,５３ａ 円周方向のビード
23ab,３３ｂ,５３ｂ 円周方向のビード
3aa,3ba ロータ本体
3ab,3bb,31ab,31bb,51c 接触バネ
４ 振動子支持用薄板円板
１４ 振動子支持部材
５,５５ 加圧バネ
１５ 加圧用磁石
６,２６,２６' モータケース
７,５７ ゴム
８ 位置決め用部品
９,２９ モータ軸
１０,１０' ベアリング
１１ ビス
５４ 出力ギヤ
５６ 振動子ナット
５８ フランジ
５９ 支持棒

Claims (5)

1. 電気―機械エネルギー変換素子へ電気信号を印加することにより摩擦駆動部に振動を発生させる振動子と、該振動子の摩擦駆動部に接触し、該振動子の振動によって該振動子と相対移動する移動子とからなる振動波モータにおいて、該移動子は、プレスによって形成され、接触部以外の領域に複数の円周方向にのびるビードと複数の径方向にのびるビードを設けるとともに、酸化皮膜による摩擦接触層を形成したことを特徴とする振動波モータ。
2. 該円周方向にのびるビードと該径方向にのびるビードの数は、等しいことを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
3. 該円周方向にのびるビードと該径方向にのびるビードの数は、それぞれ３以上の奇数であることを特徴とする請求項１ないし２に記載の振動波モータ。
4. 該摩擦接触層は、鉄または鉄系合金であることを特徴とする請求項１ないし３に記載の振動波モータ。
5. 鉄系合金はステンレス鋼であることを特徴とする請求項４に記載の振動波モータ。
   

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