JP2006340443A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 移動体の加圧機構とガイド機構とを備えると同時に薄型化を実現できるようにし、さらに復元力の影響を除去できるようにする。
【解決手段】 互いに固定された永久磁石１と圧電素子３とからなる弾性振動体４と、永久磁石１に設けられた複数の運動抽出部２Ａ，２Ｂと、複数の運動抽出部２Ａ，２Ｂに加圧接触される移動体５とを有し、複数の運動抽出部２Ａ，２Ｂを介して弾性振動体４と移動体５とを結ぶ磁束の閉磁路を形成し、かつ移動体５中の磁束の流れ方向と移動体５の移動方向とを一致させるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動波モータに関し、特に、複数の振動モードで励振される弾性振動体により移動体を駆動する振動波モータに関する。

従来、複数の振動モードでそれぞれ得られる複数の振動を合成し、板状に形成された弾性振動体を、該合成振動を用いて駆動し、これによって、加圧されて弾性振動体に摩擦接触する移動体を駆動するようにした振動波モータが知られる。こうした振動波モータとして代表的なものに、２つの曲げ振動モードを合成した振動波モータがある（例えば、特許文献１参照）。

また、縦振動モードと屈曲振動モードとを合成した振動波モータがある（例えば、特許文献２参照）。

かかる振動波モータにおける弾性振動体と移動体との間の摩擦を発生させるための加圧方法として、ばね等を用いた機械的方法がある（例えば、特許文献３参照）。

また、磁力を用いた方法がある（例えば、特許文献４、特許文献５及び特許文献６参照）。

さらに磁力を用いて、加圧を行うとともに、移動体に対して移動方向のガイドを行う装置が提案されている（例えば、特許文献７及び特許文献８参照）。
特開平６−３１１７６５号公報（特許第３３６３５１０号） 特開平７−１４３７７１号公報（特許第３２７９０２１号） 特開平７−１４３７７０号公報（特許第３２７９０２０号） 特開昭５９−１８５１７９号公報（特公平４−７７５５４号公報） 特開平４−８８８９０号公報 特開平６−２９２３７４号公報 特開平１１−２８５２７９号公報 特開２００４−２５７８４４号公報

しかしながら、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている板状に形成された振動波モータの最大の特徴は、振動波モータを薄型化することを可能にしている点である。

この特徴を生かすためには、移動体の加圧機構とガイド機構とに工夫が必要である。

例えば特許文献３には機械的方法による加圧機構とガイド機構とが開示されているが薄型化には難がある。

例えば特許文献４、特許文献５及び特許文献６には磁力を用いた加圧機構が開示されており、薄型化には有効であるが、ガイド機構に関しての考慮がなされていない。

また、例えば特許文献７及び特許文献８には振動波モータの加圧機構とガイド機構とを共に磁力を利用して構成する装置が提案されている。

すなわち、特許文献７において提案されているような、永久磁石の磁束の流れを閉磁路にして磁力で加圧する装置は、磁力を有効に活用する上で望ましい。しかしながら、閉磁路を形成するために、コの字型のリニアガイドとコの字型のヨークとを向かい合わせる必要があるので、薄型化には不向きである。またガイド機構に専用の部品が必要であるためコスト的にも不利である。

特許文献８において帯状永久磁石を向かい合わせて双方の吸引力により加圧とガイドとを行う装置が提案されている。しかしながら、回転型モータにおいては問題にならないことであるが、リニア型モータにおいて、２つの永久磁石どうしの組み合わせで吸着力を利用する場合には、以下の不具合が発生する。

図７は、従来のリニア型の振動波モータを構成する２つの帯状永久磁石を示す側面図である。

例えば、永久磁石（Ｎ極）１０１が移動体に固定され、永久磁石（Ｓ極）１０２が弾性振動体に固定され、永久磁石（Ｎ極）１０１と永久磁石（Ｓ極）１０２とが所定の間隔を置いて対向するように配置される。

一般に磁束は、磁気抵抗が最小になるように流れようとする。永久磁石（Ｎ極）１０１および永久磁石（Ｓ極）１０２の相対位置関係が、図７（Ａ）に示す位置関係にあるとき、磁気抵抗は最小となる。これに対して、永久磁石（Ｎ極）１０１および永久磁石（Ｓ極）１０２が、図７（Ｂ）に示す相対位置関係になると磁気抵抗が増加し、その結果、磁気抵抗最小の位置に戻そうとする方向に磁力が作用する。このため、永久磁石（Ｎ極）１０１に復元力Ｆが働く。この復元力Ｆは、図７（Ａ）に示す磁気抵抗最小の位置関係からずれればずれるほど大きくなる。その結果、移動体のストロークが長くなるほど、その位置での復元力Ｆを相殺する推力を弾性振動体が発生する必要がある。

さらに、図７（Ａ）に示す磁気抵抗最小の位置からずれた位置で停止している移動体を、磁気抵抗最小の位置の方向に微小量戻す動作を行うと、復元力Ｆが存在するために指令位置に対してオーバランを発生してしまうという問題もある。

図８は、従来のリニア型振動波モータにおける移動体のオーバランを示す図であり、（Ａ）は振動波モータに入力される駆動パルス信号を示し、（Ｂ）は駆動パルス信号に従い振動波モータが動作したときの移動速度の変化を示す。

図８において特性Ｃ０は、復元力Ｆが存在しない場合の理想的な移動速度を示し、一方、特性Ｃ１は、復元力Ｆが存在する場合の移動速度を示す。特性Ｃ１は、特性Ｃ０に対してオーバランを発生している。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、移動体の加圧機構とガイド機構とを備えると同時に薄型化を実現できるようにし、さらに復元力の影響を除去できるようにした振動波モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、互いに固定された永久磁石と圧電素子とからなる弾性振動体と、前記弾性振動体に設けられた複数の運動抽出部と、前記複数の運動抽出部に加圧接触される移動体とを有し、前記複数の運動抽出部を介して前記弾性振動体と前記移動体とを結ぶ磁束の閉磁路を形成し、かつ前記移動体中の磁束の流れ方向と前記移動体の移動方向とを一致させることを特徴とする振動波モータが提供される。

また好ましくは、前記移動体の移動方向に直交する方向における前記移動体と前記複数の運動抽出部との各接触幅を一致させて、磁束が前記移動体と前記複数の運動抽出部とに集中して流れるように磁路を形成する。

また好ましくは、前記複数の運動抽出部が面方向において交互に逆極性となるように着磁される。

本発明によれば、複数の運動抽出部を介して弾性振動体と移動体とで磁束の閉磁路を形成し、かつ移動体中の磁束の流れ方向と移動体の移動方向を一致させる。また移動体の移動方向に直交する方向においては複数の運動抽出部と移動体との接触幅を一致させ、磁束が両者間に集中して流れるように磁束の磁路を形成する。弾性振動体は永久磁石であり、かつ複数の運動抽出部にはそれぞれ逆極性となるように着磁する。

これにより、移動体の加圧機構とガイド機構とを備えると同時に薄型化を実現でき、さらに復元力の影響を除去することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る振動波モータの構成を示す斜視図である。この振動波モータはリニア型の振動波モータである。（Ａ）は弾性振動体を、（Ｂ）は移動体を示す。

図１（Ａ）において、１は永久磁石であり、３は圧電素子である。永久磁石１と圧電素子３とにより弾性振動体４が構成される。永久磁石１には片面２極着磁を施す。永久磁石１の片面２極着磁が施された一方面側には、複数の運動抽出部２Ａ，２Ｂが設けられ、他方面側には圧電素子３が、例えば接着によって固定される。運動抽出部２ＡにはＮ極が着磁され、永久磁石１のＮ極側に固定される。また、運動抽出部２ＢにはＳ極が着磁され、永久磁石１のＳ極側に固定される。

圧電素子３において永久磁石１が接着された面と反対の面には、複数の振動モードで圧電素子３を励振するための電気電極パターン（図示せず）が形成されている。この電気電極パターンに外部電源から高周波交番電圧を印加することにより、圧電素子３が複数の振動モードで振動して運動抽出部２Ａ，２Ｂに楕円運動を発生せしめる。

図１（Ｂ）において、５は方向性電磁鋼板を素材とする移動体である。移動体５では、その移動方向と方向性電磁鋼板の磁化容易軸方向とを一致させてある。また移動体５は、図２で示すように、運動抽出部２Ａ，２Ｂと接触するように弾性振動体４に対して配置される。移動体５の移動方向に直交する方向における移動体５の幅を、少なくとも移動ストローク内では、運動抽出部２Ａ、２Ｂの幅（永久磁石１の磁極方向に直交する方向における幅）と一致するように、すなわち両者を接触幅Ｗに設定する。

図２は、永久磁石１と運動抽出部２Ａ，２Ｂと移動体５との位置関係を示す側面図である。

第１の実施の形態に係る振動波モータ（リニア型振動波モータ）では、永久磁石１に設けられた運動抽出部２Ａ，２Ｂと移動体５とが接触する。これにより、運動抽出部２Ａ（Ｎ極）から出た磁束は、移動体５の中を、移動体５の移動方向と同一方向へ流れ、運動抽出部２Ｂ（Ｓ極）に入り、続いて永久磁石１の中をＳ極からＮ極へ流れて運動抽出部２Ａ（Ｎ極）に戻るという磁束の閉磁路が形成される。

磁束の閉磁路が形成されることによって、運動抽出部２Ａ，２Ｂと移動体５との接触面に磁束が集中して、運動抽出部２Ａ，２Ｂに対する移動体５の効率の良い加圧が可能となる。

また、接触面に常に磁束が集中するとともに、磁束が移動体５の中を通って流れるために、磁気抵抗が一定となる。したがって、移動体５が弾性振動体４に対して相対的に移動することによって運動抽出部２Ａ，２Ｂとの接触位置が変化しても、図７（Ｂ）に示すような移動方向に対する復元力Ｆを発生しない。

また、磁束の流れ方向を移動体５の移動方向と一致させているので、移動体５の移動方向と直交する方向においても磁気抵抗が最小の状態になっている。このため、移動方向と直交する方向に移動体５が動こうとすると、磁気抵抗が大きくなる側への変化となるので、変化に対する調心力が働き、移動方向からの横ずれを防止することができる。これにより、移動体５のためのガイド機構を設ける必要がなく、部品点数を削減できる。

さらに、移動体５の移動方向に直交する方向における移動体５の幅と運動抽出部２Ａ，２Ｂの幅とを、少なくとも移動ストローク内では接触幅Ｗに一致させる。これにより、移動体５が、移動方向に対して横ずれした際の磁気抵抗の変化が急峻となり、調心力の応答性が向上して、精度の高い磁気ガイドが可能となる。

弾性振動体４の一部として使用する永久磁石１は、粉体焼結法により製造された焼結磁石で構成することも可能ではあるが、焼結磁石では割れや欠けが発生し易く、機械加工時、組立て時における不良率が高い。また焼結磁石では弾性限が低いので、変位の大きい変形を与えると破損するなどの欠点がある。

そこで本実施の形態における永久磁石１を、鉄−クロム−コバルト（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ）系鋳造磁石で構成する。Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系鋳造磁石は、磁石でありながら一般の金属材料と同様の性質も持ち、切削加工、塑性加工が可能であり、弾性限も高い。エッチングなどによりＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系鋳造磁石に運動抽出部２Ａ，２Ｂを形成することができるので、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系鋳造磁石を永久磁石１として使用することは適切である。

なお、運動抽出部２Ａ，２Ｂを、軟磁性体（例えば、鉄系合金など）の永久磁石１とは別部材で形成し、平板状の永久磁石１に接着などにより結合する方法も考えられるが、運動抽出部２Ａ，２Ｂの組み付け精度、結合強度に関する信頼性の観点からは望ましくない。

第１の実施の形態においては、永久磁石１に片面２極の着磁を施す例を説明したが、図３に示すように、永久磁石１と圧電素子３（図３では図示省略）との間に軟磁性体からなるバックヨーク６を、例えば接着によって固定するとともに、永久磁石１に上下２極の着磁を施すようにしてもよい。これにより、バックヨーク６を通過する磁束の閉磁路が形成され、移動体５と運動抽出部２Ａ，２Ｂとの間に、図２に示す構成に比べ、より強い吸着力が発生する。

また、移動体５は軟磁性体であれば十分機能を果たせるが、電磁モータやトランス用途に広く普及している電磁鋼板、とりわけリニア型振動波モータにおいては方向性電磁鋼板を使用するようにすることが、磁気効率的にもコスト的にも有効である。

なお、第１の実施の形態においては、移動体５が弾性振動体４に対して移動することを想定して説明したが、弾性振動体４が移動体５に対して移動する構成であってもよい。

また、第１の実施の形態では、永久磁石１と圧電素子３とが板状であるが、例えば、移動体の形を球体に貼り付けた弓のような形状としたり、永久磁石と圧電素子とに更なる厚みを持たせ、これらを柱のような形状としたりすることも可能である。

また、第１の実施の形態では、永久磁石１と圧電素子３とが、例えば接着によって固定されているが、永久磁石と別部材の間に圧電素子を挟みこむことで、永久磁石と圧電素子とを固定するようにしてもよい。

〔第２の実施の形態〕
図４は、第２の実施の形態に係る振動波モータの弾性振動体の構成を示す平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。この振動波モータは回転型の振動波モータである。

１１は円板状永久磁石、１３は円板状圧電素子であり、円板状永久磁石１１と円板状圧電素子１３とより円板状弾性振動体１４が構成される。

円板状永久磁石１１には片面４極着磁を施す。円板状永久磁石１１の片面４極着磁が施された一方面側には、複数の運動抽出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄが、円板状永久磁石１１の周方向に沿って設けられ、他方面側には圧電素子１３が、例えば接着によって固定される。運動抽出部１２ＡにはＮ極が着磁され、円板状永久磁石１１のＮ極側に固定される。同様に、運動抽出部１２ＢにはＳ極が着磁され、円板状永久磁石１１のＳ極側に固定され、運動抽出部１２ＣにはＮ極が着磁され、円板状永久磁石１１のＮ極側に固定され、運動抽出部１２ＤにはＳ極が着磁され、円板状永久磁石１１のＳ極側に固定される。

円板状圧電素子１３において円板状永久磁石１１が接着された面と反対の面には、複数の振動モードで円板状圧電素子１３を励振するための電気電極パターン（図示せず）が形成されている。この電気電極パターンに外部電源から高周波交番電圧を印加することにより、円板状圧電素子１３が複数の振動モードで振動して運動抽出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄに楕円運動を発生せしめる。

図５は、第２の実施の形態に係る振動波モータの回転移動体の構成を示す平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。

図５において、１５は無方向性電磁鋼板を素材とする回転移動体である。回転移動体１５に方向性電磁鋼板を使用することは好ましくない。回転移動体１５は、図６で示すように、運動抽出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄと接触するように円板状弾性振動体１４に対して配置される。回転移動体１５の周方向に直交する方向（半径方向）における回転移動体１５の幅を、運動抽出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄの幅（円板状永久磁石１１の半径方向における幅）と一致するように、すなわち両者を接触幅Ｗに設定する。

図６は、円板状永久磁石１１と運動抽出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄと回転移動体１５との位置関係を示す周方向に展開した展開側面図である。

第２の実施の形態に係る振動波モータ（回転型振動波モータ）では、円板状永久磁石１１に設けられた運動抽出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄと回転移動体１５とが接触する。これにより、運動抽出部１２Ａ（Ｎ極）および運動抽出部１２Ｃ（Ｎ極）からそれぞれ出た磁束は、回転移動体１５の中を、回転移動体１５の移動方向と同一方向へ流れ、運動抽出部１２Ｄ（Ｓ極）および運動抽出部１２Ｂ（Ｓ極）にそれぞれ入り、続いて円板状永久磁石１１の中をＳ極からＮ極へ流れて運動抽出部１２Ａ（Ｎ極）および運動抽出部１２Ｃ（Ｎ極）にそれぞれ戻るという磁束の閉磁路が形成される。

磁束の閉磁路が形成されることによって、運動抽出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄと回転移動体１５との接触面に磁束が集中して、運動抽出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄに対する回転移動体１５の効率の良い加圧が可能となる。

また、接触面に常に磁束が集中するとともに、磁束が移動体５の中を通って流れるために、磁気抵抗が一定となる。したがって、移動体５が弾性振動体４に対して相対的に移動することによって運動抽出部２Ａ，２Ｂとの接触位置が変化しても、図７（Ｂ）に示すような移動方向に対する復元力Ｆを発生しない。

また、磁束の流れ方向を回転移動体１５の回転方向（移動方向）と一致させているので、回転移動体１５の半径方向においても磁気抵抗が最小の状態になっている。このため、半径方向に回転移動体１５が動こうとすると、磁気抵抗が大きくなる側への変化となるので、変化に対する調心力が働き、回転方向からの横ずれを防止することができる。これにより、回転移動体１５のためのガイド機構を設ける必要がなく、部品点数を削減できる。

さらに、回転移動体１５の半径方向における回転移動体１５の幅と運動抽出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄの幅とを接触幅Ｗに一致させる。これにより、回転移動体１５が、回転方向に対して横ずれした際の磁気抵抗の変化が急峻となり、調心力の応答性が向上して、精度の高い磁気ガイドが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動波モータの構成を示す斜視図である。 永久磁石と運動抽出部と移動体との位置関係を示す側面図である。 永久磁石と圧電素子との間にバックヨークを接着するとともに、永久磁石に上下２極の着磁を施すようにした振動波モータを示す側面図である。 第２の実施の形態に係る振動波モータの弾性振動体の構成を示す平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。 第２の実施の形態に係る振動波モータの回転移動体の構成を示す平面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。 円板状永久磁石と運動抽出部と回転移動体との位置関係を示す周方向に展開した展開側面図である。 従来のリニア型の振動波モータを構成する２つの帯状永久磁石を示す側面図である。 従来のリニア型振動波モータにおける移動体のオーバランを示す図である。

符号の説明

１，１１…永久磁石
２Ａ，２Ｂ，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ…運動抽出部
３，１３…圧電素子
４，１４…弾性振動体
５，１５…移動体
６…バックヨーク（軟磁性体）

Claims (8)

1. 互いに固定された永久磁石と圧電素子とからなる弾性振動体と、
   前記弾性振動体に設けられた複数の運動抽出部と、
   前記複数の運動抽出部に加圧接触される移動体とを有し、
   前記複数の運動抽出部を介して前記弾性振動体と前記移動体とを結ぶ磁束の閉磁路を形成し、かつ前記移動体中の磁束の流れ方向と前記移動体の移動方向とを一致させることを特徴とする振動波モータ。
2. 前記弾性振動体は、複数の振動モードによる各振動を発生し、各振動を合成して前記複数の運動抽出部を楕円運動させることを特徴とする請求項１記載の振動波モータ。
3. 前記移動体の移動方向に直交する方向における前記移動体と前記複数の運動抽出部との各接触幅を一致させて、磁束が前記移動体と前記複数の運動抽出部とに集中して流れるように磁路を形成することを特徴とする請求項１記載の振動波モータ。
4. 前記複数の運動抽出部が面方向において交互に逆極性となるように着磁されることを特徴とする請求項１記載の振動波モータ。
5. 前記移動体を方向性電磁鋼板で構成し、かつ前記移動体の移動方向と磁化容易軸方向とを一致させてリニア駆動することを特徴とする請求項１記載の振動波モータ。
6. 前記移動体を無方向性電磁鋼板で構成し、かつ前記移動体および前記弾性振動体が円板状に形成され、前記移動体が前記弾性振動体によって回転駆動されることを特徴とする請求項１記載の振動波モータ。
7. 前記弾性振動体を構成する永久磁石は片面２極着磁を施され、前記複数の運動抽出部は、前記永久磁石に極性を揃えて固定されることを特徴とする請求項１記載の振動波モータ。
8. 前記弾性振動体を構成する永久磁石と圧電素子との間に軟磁性体を配置するとともに、前記永久磁石に厚み方向の２極着磁を行い、前記複数の運動抽出部および前記永久磁石を介して前記軟磁性体と前記移動体とを結ぶ磁束の閉磁路を形成することを特徴とする請求項１記載の振動波モータ。

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