JP2006115559A - 振動波駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は振動波駆動装置において、小型化を目論むと振動モードの共振周波数が高くなり、楕円運動の振動振幅を大きくできず、部品精度が性能のばらつき等に大きく影響する等の課題と、振動モードの発生する振動変位を効果的に用い、振動波駆動装置の高出力化する課題を鑑みて、為された発明である。
【解決手段】 電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の供給により振動を発生する振動体２と、この振動体２に接触し、前記振動体２からの振動を受けて駆動される接触体１とを有する振動波駆動装置において、前記振動体２が板状形状を有し、前記振動体２に、節の発生方向が略直交し、且つ、共振周波数の略一致する二つの面外１次曲げの振動モードを励起することにより、振動体２の一部に楕円運動を発生させて、前記振動体２と前記接触体１の相対運動を発生させることを特徴とする振動波駆動装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は振動波駆動装置、振動体と接触体との間に相対運動を発生するための超音波モータに関する。

従来、特にリニア用の超音波モータとして、特に平板状の振動体を用いるものとしては以下のような形態が提案されている。
（１）平板状に形成された振動体の弾性体に対し、曲げ振動と縦振動を励起するタイプがある（例えば、特許文献１参照。）。板状の振動体に対して、例えば曲げ４次モードと縦振動１次モードで振動を励起し、これらの振動モードにより発生する振動変位を合成することで楕円または円運動を発生させる。振動体に対して他の部材を加圧接触することで振動体との間に相対移動運動をもたらす。
（２）もう一つの形態として、２つの曲げ振動モードを用いるものがある（例えば、特許文献２参照。）。図１２に基づいて説明する。

１００は板状の弾性体で、片面側に圧電素子が接合されており、この圧電素子を用いて（ｂ）の形態の曲げ振動モードと（ｃ）の形態の曲げ振動モードが励起される。（ｂ）の形態は十文字状の節を持つ曲げ振動モードであり、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの突起部にZ方向の振動変位を発生する。（ｃ）の形態はY方向に２つの節を持つ面外曲げ振動であり１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄの突起部にX方向の振動変位を発生する。

これら、２つの曲げ振動により発生する振動変位を組み合わせることでXZ面内に楕円運動を起すことで不図示の接触体との相対移動運動を生み出すものである。
特開平７−１４３７７１号公報 特開平６−３１１７６５号公報

上述した２タイプの超音波モータに対し、夫々以下に述べるような課題が指摘されている。
（１）板状弾性体に対して縦１次振動モードで振動を励起しているため、小型化を目論むと振動モードの共振周波数が高くなってしまう。このために楕円運動の振動振幅を大きくすることができないので部品精度が性能のばらつき等に大きく影響してしまう等の課題を生じてしまう。
（２）板状の弾性体に面外曲げモードを励起するので弾性体の小型化には有利である。しかし図１２に示す（ｂ）の形態の振動モードは十文字状に節を持つ面外曲げモードであるため歪の分布が複雑であり、この振動を励起するには工夫を要する。また、突起部は（ｃ）の形態の曲げ振動モードにおける略節位置に配置してX方向の振動変位を確保しているが、この時（ｂ）の形態の振動モードにおけるZ方向最大変位個所からは離れている。このように各々の振動モードの発生する振動変位を効果的に用いることができないため、結果として振動波駆動装置の高出力化に課題を残している。

本発明による第一の発明は、電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の供給により振動を発生する振動体と、この振動体に接触し、前記振動体からの振動を受けて駆動される接触体とを有する振動波駆動装置において、前記振動体が板状形状を有し、前記振動体に、節の発生方向が略直交し、且つ、共振周波数の略一致する二つの面外１次曲げの振動モードを励起することにより、振動体の一部に楕円運動を発生させて、前記振動体と前記接触体の相対運動を発生させることを特徴とする。

本発明による第二の発明は、本発明の第二の発明において、前記振動体の、前記接触体と接触する位置が、二つの面外１次曲げの振動モードの、一方の振動モードの略節の位置で、且つ、他方の振動モードの略腹の位置であることを特徴とする。

本発明による第三の発明は、本発明の第一、二の発明において、前記振動体が略正方形の板状形状であることを特徴とする。

本発明による第四の発明は、本発明の第一、二、三の発明において、前記振動体の、前記接触体と接触する位置が１箇所であることを特徴とする。
本発明による第五の発明は、本発明の第一から第四の発明において、前記振動体が、前記接触体と接触する位置を含み、且つ、前記振動体の少なくともひとつの辺に略平行である直線上に、前記振動体の他の位置とは動剛性の異なる部位を有することを特徴とする。

本発明による第六の発明は、本発明の第一から第五の発明において、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、板状の圧電素子であることを特徴とする。

本発明による第七の発明は、本発明の第一から第六の発明において、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、板状の積層圧電素子であることを特徴とする。

本発明による第八の発明は、本発明の第一から第七の発明において、振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、電極パターンによって面内に４分割されていることを特徴とする。

本発明による第九の発明は、本発明の第一から第八の発明において、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、電極パターンによって面内に４分割されており、前記４分割の境界が、前記振動体の２つの対角線上に位置することを特徴とする。

本発明による第一の発明によれば、振動体に励起する２つの振動モードが、板状振動体の面外曲げの１次モードであるため、低い共振周波数を実現し、楕円運動の振動振幅を大きくすることが可能で、部品精度が性能に与える影響を小さくできるとともに、振幅の大きい楕円運動を実現することが可能となる。

本発明による第二の発明によれば、振動体の、前記接触体と接触する位置が、前記接触体を相対移動させる方向の振動振幅が大きい振動モードの略節の位置であり、且つ、前記接触体との接触方向の振動振幅が大きい振動モードの略腹の位置であり、第一の発明の効果とともに、振動モードの発生する振動変位を効果的に用いることが可能となる。

本発明による第三の発明によれば、前記振動体が略正方形の板状形状であるため、２つの振動モードの共振周波数を略一致させることが容易となるとともに、限られた材料から有効に部品を製造することが可能となる。

本発明による第四の発明によれば、前記振動体の、前記接触体と接触する位置が１箇所であるため、複数の位置で接触する構成で起こる複数の接触状態のばらつきが起こらないため、優れた性能の実現が可能となる。

本発明による第五の発明によれば、前記振動体が、前記接触体と接触する位置を含み、且つ、前記振動体の少なくともひとつの辺に略平行である直線状に、前記振動体の他の位置とは動剛性の異なる部位を有するため、前記振動体の前記接触体と接触する位置の構成が前記振動体の動剛性のアンバランスを相殺することができ、優れた性能の実現が可能となる。

本発明による第六の発明によれば、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、板状の圧電素子であるため、製造が容易であるばかりでなく、限られた材料から有効に部品を製造することが可能となる。

本発明による第七の発明によれば、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、板状の積層圧電素子であるため、低い電圧で駆動することが可能となる。

本発明による第八の発明によれば、振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、電極パターンによって面内に４分割されているため、前記振動体に励起する２つの振動モードに対し、各々の独立した電気信号を印加することができ、良好な性能の実現が可能となる。

本発明による第九の発明によれば、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、電極パターンによって面内に４分割されており、前記４分割の境界が、前記振動体の２つの対角線上に位置するため、前記第８の発明の効果とともに、各々の振動モードに対し有効な歪の大きい部分に、電気信号を印加することができ、優れた性能の実現が可能となる。

（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態である振動波駆動装置の外観斜視図、図２に接触体１と振動体２を分離させた時の外観斜視図、図３に電気−機械エネルギ変換素子の電極パターンを模式的に示した図、図４に第一の振動モードの変形図、図５に第二の振動モードの変形図とを示す。

同図において、１は接触体であり、材料はステンレス鋼であり、振動体２の突起２−３と接触する面が、熱処理、メッキ処理、窒化処理等の耐摩耗性が向上する処理が施されている。

２は、交番信号が印加されることで振動する振動体であり、２−１の正方形板形状の電気−機械エネルギ変換素子である積層圧電素子と、２−２の正方形板形状のステンレス鋼の金属板と、２−３の１つの正四角柱の突起で構成されている。金属板２−２と突起２−３は、溶接により接合されているが、プレス加工や鍛造によって一体成形も可能である。突起２−３は、振動体２の第一のモードの節、且つ、第二のモードの腹の位置に配置されており、突起２−３の接触体１と接触する面は、熱処理、メッキ処理、窒化処理等の耐摩耗性が向上する処理が施されている。積層圧電素子２−１の各層は、一様に板厚方向の分極が施されており、図３に示されるように、２本の対角線を境界とする電極パターンによって４分割されている。ここで、板厚方向で二分割し、分極方向を逆方向にすることで、大きな出力を得ることも可能である。

ここで、本発明の振動波駆動装置の駆動方法について説明する。積層圧電素子２−１の各層の電極パターンA（図３）に、交番信号を印加し、振動体２に、板の面外１次曲げモードである図４に示す第一のモード振動モードを励起する。この時、突起２−３は、第一の振動モードの節の位置に配置されているため、突起２−３の先端は接触体１の長手方向に大きく変位する。さらに積層圧電素子２−１の各層の電極パターンB（図３）に、各層の電極パターンAに印加した交番信号と位相の９０°ずれた交番信号を印加し、振動体２に、板の面外１次曲げモードである図５に示す第二のモード振動モードを励起する。この時、突起２−３は、第二の振動モードの腹の位置に配置されているため、突起２−３の先端は振動体１の板厚方向に大きく変位する。第一の振動モードと第二の振動モードの組み合わせにより、突起２−３の先端は楕円運動する。楕円運動している突起２−３の先端に、接触体１を不図示の加圧手段によって加圧することで、接触体１は、接触体１の長手方向に移動する。ここで、各層の電極パターンAに印加する交番信号と各層の電極パターンBに印加する交番信号の位相を操作することで、正逆方向のリニア駆動が可能となる。この時、振動体２に励起する振動モードが板の面外曲げの１次モードであるため、低い共振周波数を実現し、楕円運動の振動振幅を大きくすることが可能で、部品精度が性能に与える影響を小さくできるとともに、振幅の大きい楕円運動を実現することが可能となり、良好な振動波駆動装置となる。

ここで、接触体１と振動体２の接触する位置が１箇所であることの効果を説明する。

振動波駆動装置は、接触体１と振動体２の接触状態が性能に大きく影響する。複数の接触位置を持つ場合、それぞれの形状や加圧力のばらつきによって接触状態のばらつきが生じ、性能が安定しない。接触位置を１箇所にすることで接触状態のばらつきを抑えることが可能となる。また、節の発生方向が略直交し、且つ、共振周波数の略一致する二つの面外１次曲げの振動モードを励起し、接触位置を一方の振動モードの略節の位置で、且つ、他方の振動モードの略腹の位置とした場合、複数の接触位置で同じ楕円運動を得るのは困難である。

ここで、積層圧電素子２−１の各層の電極パターンA及びBが、振動体の２本の対角線を境界として４分割されている効果を説明する。例えば、各層の電極パターンが、振動体２の各辺の中線を境界とし４分割され、そのうちの２つに第一の交番信号を、残りの２つに位相の異なる第二の交番信号を印加した場合には、第一の交番信号に対して、第一の振動モードと第二の振動モードの応答の度合いが同じであるため、第一の振動モードと第二の振動モードが同時に励起されてしまう。同様に、第二の交番信号に対しても、第一の振動モードと第二の振動モードが同時に励起されてしまう。よって、第一の振動モードと第二の振動モードを独立に制御することが不可能となり、突起２−３の先端に良好な楕円運動が発生せず、接触体１の挙動が不安定になる。これに対し、本実施例のように積層圧電素子２−１の各層の電極パターンA及びBが、振動体の２本の対角線を境界として４分割され、対向する２つの電極パターンAに第一の交番信号を印加し、残りの２つに位相の異なる第二の交番信号を印加する場合には、第一の交番信号に対して、第一の振動モードと第二の振動モードの応答の度合いが異なる、かつ、第二の交番信号に対して、第一の振動モードと第二の振動モードの応答の度合いが異なるため、第一の振動モードと第二の振動モードを独立に制御することが可能となり、突起２−３の先端に良好な楕円運動が発生し、接触体１の挙動が安定となる。

（第２実施形態）
図６に本発明の第２実施形態である振動波駆動装置における振動体２の外観斜視図を示す。

第２の実施形態は、第１の実施形態において、突起２−３が配置された位置を含み、且つ、振動体２の少なくともひとつの辺に略平行である直線５上に、切り欠き２−４が設けられた構成となっている。

ここで、切り欠き２−４の効果について説明する。切り欠き２−４がない構成では、振動体２は、突起２−３の部分の動剛性が高くなり、前記第一の振動モードと前記第二の振動モードに対し、動剛性の対称性が崩れ、突起２−３の先端に良好な楕円運動が得られない。切り欠き２−４を設けることで、前記第一の振動モード及び前記第二の振動モードの動剛性の対称性を得ることが可能となり、突起２−３の先端に良好な楕円運動を得ることが可能となる。また、より簡易的に動剛性の対称性を得るには、切り欠き２−４を設ける位置は、突起２−３が配置された位置を含み、且つ、振動体２の少なくともひとつの辺に略平行である直線５上に設けることが有効である。

（第３実施形態）
図７に本発明の第３実施形態である振動波駆動装置の外観斜視図を示す。

第３の実施形態は、第１の実施形態において、接触体１がリング形状となっている。接触体１は不図示の構成により回転運動が許容されおり、振動体２に振動を励起し、接触体１に回転運動を起こすことが可能となっている。また接触体１はネオジウム磁石を含む構成となっており、振動体２との加圧力を発生させる。

（第４実施形態）
図８に本発明の第４実施形態である振動波駆動装置の外観斜視図を示す。

第４の実施形態は、第１の実施形態において、接触体１に対し３つの振動体２が作用する構成となっている。これにより、接触体１を移動させる推進力が増大する。ここで、複数の振動体２の配置は、接触体１を挟み対向する配置でもよく、任意の位置に配置することが可能である。

（第５実施形態）
図９に本発明の第５実施形態である振動波駆動装置における振動体２の外観上面図を示す。

第５の実施形態は、第１の実施形態において、振動体２がｘ方向（図９）に９列、y方向（図９）に５列配置された構成となっている。

６は第一の振動体群で、不図示の接触体１をx方向に移動させ、７は第二の振動体群で、不図示の接触体１をｙ方向に移動させる。これにより、x方向とｙ方向の２自由度の移動が可能となる。

（第６実施形態）
図１０に本発明の第６実施形態である振動波駆動装置における振動体２の外観斜視図を示す。

第６の実施形態は、第１の実施形態において、振動体２が正六角形の板形状になっており、材料は電気−機械エネルギ変換素子の積層圧電素子２−１となっており、板厚方向に２分割され、突起２−３の反対側の部分にのみ分極が施され、突起２−３は材料が圧電素子で先端面がメッキ処理を施された円筒形状となった構成である。ここで、積層圧電素子の分極が為されていない部分は、第１の実施例における金属板２−２の役割を果たしており、積層圧電素子２−１と突起２−３は一体成形され、振動体２となっている。

（第７実施形態）
図１１に本発明の第７実施形態である振動波駆動装置における振動体２の外観斜視図を示す。

第１１の実施形態は、第６の実施形態において、積層圧電素子２−１の形状が中空円筒型となった構成である。中空部分を設けることで、振動体２の共振周波数を下げる働きがあるとともに、光学機器関連のアクチュエータとして使用する際に、中空部分に光軸を配置でき、ユニットとしての小型化が可能となる。

第１実施形態である振動波駆動装置の外観斜視図 接触体１と振動体２を分離させた時の外観斜視図 電気−機械エネルギ変換素子の電極パターンを模式的に示した図 第一の振動モードの変形図 第二の振動モードの変形図 第２実施形態である振動波駆動装置における振動体２の外観斜視図 第３実施形態である振動波駆動装置の外観斜視図 第４実施形態である振動波駆動装置の外観斜視図 第５実施形態である振動波駆動装置における振動体２の外観上面図 従来の技術における振動体の斜視図 第７実施形態である振動波駆動装置における振動体２の外観斜視図 ２つの曲げ振動モードを説明する図

符号の説明

１ 接触体
２ 振動体
２−１ 積層圧電素子
２−２ 金属板
２−３ 突起
２−４ 切り欠き
３ 節
４ 腹
５ 突起２−３が配置された位置を含み、且つ、振動体２の少なくともひとつの辺に略平行である直線
６ 第一の振動体群
７ 第二の振動体群
A 電極パターンA
B 電極パターンB

Claims (9)

1. 電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の供給により振動を発生する振動体と、この振動体に接触し、前記振動体からの振動を受けて駆動される接触体とを有する振動波駆動装置において、
   前記振動体が板状形状を有し、前記振動体に、節の発生方向が略直交し、且つ、共振周波数の略一致する二つの面外１次曲げの振動モードを励起することにより、振動体の一部に楕円運動を発生させて、前記振動体と前記接触体の相対運動を発生させることを特徴とする振動波駆動装置。
2. 請求項１において、前記振動体の、前記接触体と接触する位置が、二つの面外１次曲げの振動モードの、一方の振動モードの略節の位置で、且つ、他方の振動モードの略腹の位置であることを特徴とする振動波駆動装置。
3. 請求項１、２において、前記振動体が略正方形の板状形状であることを特徴とする振動波駆動装置。
4. 請求項１、２、３において、前記振動体の、前記接触体と接触する位置が１箇所であることを特徴とする振動波駆動装置。
5. 請求項１、２、３、４において、前記振動体が、前記接触体と接触する位置を含み、且つ、前記振動体の少なくともひとつの辺に略平行である直線上に、前記振動体の他の位置とは動剛性の異なる部位を有することを特徴とする振動波駆動装置。
6. 請求項１から５において、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、板状の圧電素子であることを特徴とする振動波駆動装置。
7. 請求項１から６において、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、板状の積層圧電素子であることを特徴とする振動波駆動装置。
8. 請求項１から７において、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、電極パターンによって面内に４分割されていることを特徴とする振動波駆動装置。
9. 請求項１から８において、前記振動体の電気−機械エネルギ変換素子が、電極パターンによって面内に４分割されており、前記４分割の境界が、前記振動体の２つの対角線上に位置することを特徴とする振動波駆動装置。

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