JP2008017603A - 円筒型超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】重心回転振動子の振動低下を最小限に抑え安定したモータ特性を長期間にわたって発現できるように、円筒状圧電素子の保持・導通を図ることができるようにし、信頼度を高める。
【解決手段】円筒状圧電素子１４を主体とし、中心軸に対して重心が右回り又は左回りの回転運動をする重心回転振動子１０と、該重心回転振動子に圧着され摩擦力を介して受ける回転トルクを利用して回転するロータ１２とを組み合わせた構造の円筒型超音波モータである。駆動源である円筒状圧電素子の保持と電極への導通を、金属材料と高分子材料を組み合わせた保持と導通を兼ねる導電性弾性保持部材２０を用いて、該導電性弾性保持部材の先端部を前記円筒状圧電素子の外周面軸方向中央位置で電極に圧接することで行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒型超音波モータに関し、更に詳しく述べると、中心軸に対して重心が右回り又は左回りの回転運動をする超音波３Ｄトルク共振子等の重心回転振動子の支持・導通構造に関するものである。

円筒型超音波モータとして、円筒状圧電素子を主体とし、中心軸に対して重心が右回り又は左回りの回転運動をする重心回転振動子と、該重心回転振動子に圧着され摩擦力を介して受ける回転トルクを利用して回転するロータとを組み合わせた構造がある（例えば特許文献１）。ここで重心回転振動子は、ステータとして機能するものであり、円筒状圧電素子の振動が阻害されないように、しかも安定に筐体に固定する必要がある。また、円筒状圧電素子に形成されている電極に外部から電圧を印加するために、電極と外部回路との間で導通を図る必要がある。

重心回転振動子の保持・導通手段として、従来、板バネや弾性接着材を用いる技術（例えば特許文献２参照）、あるいは可撓性のある配線基板を用いる技術（例えば特許文献３参照）などがある。しかし、このような従来の保持・導通手段は、様々な問題がある。例えば板バネを用いた場合には、バネ定数のばらつきのためバランス良く保持固定することが難しい。弾性接着材を用いた場合は、経時的な変化に対し信頼度が低い。更に、可撓性のある配線基板を用いた場合は、保持が点で行われるため、接触している部分に局所的にロータ出力に応じた力が反作用として作用し、破断の恐れがあるため、長期安定性に欠ける問題がある。
特開昭６３−１８１６７７号公報 特開２００２−３５９９８４号公報 特開２００２−３５９９８６号公報

本発明が解決しようとする課題は、重心回転振動子の振動低下を最小限に抑え安定したモータ特性を長期間にわたって発現できるように、円筒状圧電素子の保持・導通を図ることができるようにし、信頼度を高めることである。

本発明は、円筒状圧電素子を主体とし、中心軸に対して重心が右回り又は左回りの回転運動をする重心回転振動子と、該重心回転振動子に圧着され摩擦力を介して受ける回転トルクを利用して回転するロータとを組み合わせた構造の超音波モータにおいて、駆動源である円筒状圧電素子の保持と電極への導通を、金属材料と高分子材料を組み合わせた保持と導通を兼ねる導電性弾性保持部材を用いて、該導電性弾性保持部材の先端部を前記円筒状圧電素子の外周面軸方向中央位置で電極に圧接することで行うようにしたことを特徴とする円筒型超音波モータである。

ここで導電性弾性保持部材は、例えば高分子材料からなる部材本体の表面に金属材料皮膜を付着した構造とする。導電性弾性保持部材の先端部の軸方向の長さは、円筒状圧電素子の軸方向高さの１／２以下、好ましくは１／４以下とする。円筒状圧電素子の外周面の軸方向高さの中央に円周方向の切欠き溝を形成し、導電性弾性保持部材の先端部が前記切欠き溝に嵌入するように圧接して、保持及び導通箇所が一義的に定まるようにするのも好ましい。

本発明の円筒型超音波モータは、保持と導通を兼ねる導電性弾性保持部材を用いているので、組み立て作業が容易になる。また、回転軸に対して半径方向のモーメントが作用しても、筐体に対する円筒状圧電素子の支持が柔軟になるため前記モーメントを打ち消すことができ、重心回転振動子とロータとの間で安定した圧着力が確保できるため、円筒状圧電素子の振動を安定してロータに伝達することができ、より安定したモータ回転が得られる。

本発明において、導電性弾性保持部材の基材として合成樹脂などを用いると、合成樹脂自身の変形により、円筒状圧電素子との良好な面接触が実現し、該円筒状圧電素子に対して局所的な力が作用することを防ぐことができ円筒状圧電素子が破損し難くなる。また、合成樹脂の変形が加工公差を吸収するため、各部材の加工公差を大きく設計できるため、コストを低くすることが出来る。

更に、円筒状圧電素子の外周面の軸方向高さの中央部に円周方向の切欠き溝を形成し、導電性弾性保持部材の先端部が前記切欠き溝に嵌入するように圧接すると、保持位置がずれず明確に規定できる。

図１は、本発明に係る円筒型超音波モータの一実施例を示す説明図である。この円筒型超音波モータは、図１のＡに示すように、中心軸に対して重心が右回り又は左回りの回転運動をする重心回転振動子１０と、該重心回転振動子１０の上端面に圧着され摩擦力を介して受ける回転トルクを利用して回転するロータ１２とを組み合わせた構造である。ここで重心回転振動子１０は、主として円筒状圧電素子１４からなる。

円筒状圧電素子１４は、図１のＢに示すように、径方向外向きに分極処理した（分極方向を白抜き矢印で示す）ＰＺＴなどのセラミックスであり、その内周面全体に内側電極１６が、また外周面を４分割して各外側電極１８が形成された構造である。各電極は、例えば導電ペーストを塗布し、焼き付けるなどの方法で形成できる。この種の円筒状圧電素子は、内側電極と各外側電極との間に、９０度ずれた時間位相で矩形波などの駆動電圧を印加することによって非対称励振される。それによって重心回転振動子１０は、中心軸に対して重心が右回り又は左回りの回転運動をする。

このような円筒状圧電素子１４の保持と外側電極１８への導通を図るため、金属材料と高分子材料を組み合わせた保持と導通を兼ねる導電性弾性保持部材２０を用いる。ここでは、図１のＣに示すように、導電性弾性保持部材２０は、合成樹脂（例えばポリアセタール樹脂など）あるいはゴムなどからなり、先端側が狭幅、基端側が広幅の板状基材２２の表面に、金属材料皮膜２４を付着した構造である。金属材料皮膜２４の形成は、スパッタ法あるいは無電界めっき法などでもよいし、金属箔を張り付ける方法でもよい。４個の各導電性弾性保持部材２０の先端面を、前記円筒状圧電素子１４の外周面軸方向中央位置で４箇所の各外側電極１８に圧接させることにより、保持と導通が行われる。なお、導電性弾性保持部材２０の先端部の厚さは、円筒状圧電素子の軸方向高さの１／２以下、より好ましくは１／４以下とする。図１のＤに示すように、各導電性弾性保持部材２０を、その基端部で四角枠状の筐体２６に固定し、円筒状圧電素子１４の保持と外部回路との導通を図る。

ロータは、図１のＡに示すように、ここでは、円板部１２ａの中心を軸部１２ｂが貫通する構造である。軸部１２ｂの下部が、重心回転振動子１０の円筒状圧電素子１４の中心孔に挿通し、円板部１２ａの下面が円筒状圧電素子１４の上面に圧着した状態になっており、ロータ１２は摩擦力を介して受ける回転トルクによって回転する。

導電性弾性保持部材２０は、例えば次のように製作できる。ポリアセタール樹脂で穴あき板を製作する。穴の大きさは円筒状圧電素子１４の外径とほぼ同じにし、穴あき板は４分割にする。分割した際の切り代は、円筒状圧電素子１４の外周に形成した外側電極１８間の隙間より大きくし、外側電極１８間で短絡しないようにする。分割した樹脂片（基材２２）の表面に無電界銅めっきを行い、円筒状圧電素子１４と接触する先端面で外側電極１８との導通をとるようにする。円筒状圧電素子１４の外側電極１８と導通がとれ、外力に対して過度に動かない程度に各樹脂片を押し付けるように組み立てる。なお、軸部１２ｂに作用する半径方向のモーメントに対処するために、導電性弾性保持部材２０による保持力を柔軟に設計することで、ロータ１２と円筒状圧電素子１４との間に隙間が生じないようにし、モータ特性の安定した超音波モータを実現できる。

前記のように、重心回転振動子１０を構成している円筒状圧電素子１４は、モータとして筐体２６内で保持され、且つ駆動のために各外側電極１８に電圧が印加される（即ち、外部回路との接続を行う）必要がある。しかし、保持によって振動が抑制されると、モータとしての出力は低下する。ところで、前記重心回転振動子１０は、軸方向に縦振動し且つ周方向へも公転運動している。振動変位分布を求めると、軸方向中央部は変位の小さい領域であり、変位の大きい領域が軸方向の両端部に存在することが分かる。つまり、軸方向の中央部が振動の節となっている。そこで本発明では、円筒状圧電素子１４を、その軸方向の中央部で保持することで、振動をできるだけ抑制しないようにし、モータ特性の安定化を図っている。また、保持と導通を同一部材で行うことで、重心回転振動子１０との接触箇所を極力少なくし、振動を阻害しないように構成している。

ところでＰＺＴなどの円筒状圧電素子１４はセラミックス製であり、一般に脆い材料である。そのため、局部的な力が印加されると、該円筒状圧電素子１４は局部的に破壊される恐れがある。この問題は、ある程度の面積に均一な力をかけることで解決でき、しかも安定的な保持を行なうことができる。本発明では、導電性弾性保持部材２０としてセラミックスよりも柔らかい高分子材料を用いることで、加工における公差を吸収し、均一な押付け力をある程度の面積で与えることができるようになり、また薄い金属材料皮膜２４で導通をとるようにすることで、高分子材料の柔らかさが損なわれることもない。

高分子材料等からなる導電性弾性保持部材２０は、基端部が筐体２６に固定され、先端部で円筒状圧電素子１４を適切な弾性力によって保持する。その場合、軸方向に対して長く保持すると振動を阻害するため、保持厚を小さく（薄く）する方が好ましい。保持厚を薄くすると、軸方向に対する保持長さが小さくなり、特に半径方向のモーメントに対する剛性を低くできる。一方、モータ出力はロータ１２と円筒圧電素子１４の圧着力で決まることから、安定した圧着力確保がモータ出力安定化には不可欠な要素である。そのため、外力によりロータに作用するモーメントにより圧着力が変化する状況は好ましく無い。しかし、本発明では、導電性弾性保持部材２０の柔軟性によってモータの安定回転を実現することができる。その様子を図２に示す。ロータ１２の軸部に半径方向の外力Ｆが加わりモーメントが作用したとき、本発明では円筒状圧電素子１４が柔軟に保持されているので該円筒状圧電素子１４も一緒に傾く。そのため、ロータ１２と円筒状圧電素子１４との良好な圧着状態が保たれ、重心回転振動子１０の振動がロータ１２に伝えられ、常に一定のモータ出力が得られる。因みに、ロータを剛に保持（完全拘束）した場合は、ロータに半径方向のモーメントが作用して傾いても、円筒状圧電素子は傾かず、ロータと円筒状圧電素子との間にギャップができてしまう。このギャップは、サブミクロンオーダでも回転力が伝達され難くなる。本発明は、上記のように適切な弾性力により円筒状圧電素子を保持することで、この問題を解決している。

導電性弾性保持部材の軸方向保持長さ（円筒状圧電素子との接触箇所の軸方向高さ）に対する電気機械結合係数（電気エネルギーと機械エネルギーの変換効率）の関係の一例を図３に示す。ここで円筒状圧電素子の軸方向長さは６ｍｍとしている。シミュレーションの結果によれば、保持長さが３ｍｍ（円筒状圧電素子の軸方向長さの１／２）に達すると電気機械結合係数がほぼゼロになり、モータとして機能し難い。モータとして有効に機能するためには、保持長さが２ｍｍ（円筒状圧電素子の軸方向長さの１／３）以下、より好ましくは保持長さが１．５ｍｍ（円筒状圧電素子の軸方向長さの１／４）以下とすることである。しかし保持長さが小さくなりすぎると、保持面積が小さくなりすぎ、円筒状圧電素子の保持強度が低下する。従って、保持長さは１ｍｍ（円筒状圧電素子の軸方向長さの１／６）程度以上に設定することが好ましい。

図４に本発明に係る円筒型超音波モータの他の実施例を示す。基本的な構造は、図１に示す例と同様なので、説明を簡略化するため対応する部材に同一符号を付し、それらについての詳細な説明は省略する。この実施例では、図４のＡに示すように、円筒状圧電素子１４の外周面の軸方向高さの中央に円周方向の切欠き溝３０を４箇所形成してある。切欠き溝３０の内部にも外側電極１８と導通するように電極膜を形成しておく。図４のＢに示すように、導電性弾性保持部材２０が前記切欠き溝３０に嵌入させ圧接すると、保持及び導通箇所が一義的に定まる。ここで導電性弾性保持部材２０は四角板状であり、四角枠状の筐体２６の各内壁から内向きに突出している。なお、導電性弾性保持部材２０は、前記実施例と同様、高分子材料からなる基材と、その表面に金属材料皮膜を付着させたものである。前記導電性弾性保持部材２０の一方の長辺面が、円筒状圧電素子１４に形成されている切欠き溝３０に嵌入し、保持と導通がなされる。このように、円筒状圧電素子１４の軸方向中央部に円周状に切欠き溝を設けた構造であれば、切欠き溝３０の大きさを調整することで保持領域の確定ができ、より安定した製品が製造可能となる。

本発明に係る円筒型超音波モータの一実施例を示す説明図。 ロータに作用するモーメントに対する円筒状圧電素子の傾き追随性を示す説明図。 導電性弾性保持部材の保持長さに対する電気機械結合効率の関係を示すグラフ。 本発明に係る円筒型超音波モータの他の実施例を示す説明図。

符号の説明

１０ 重心回転振動子
１２ ロータ
１４ 円筒状圧電素子
１６ 内側電極
１８ 外側電極
２０ 導電性弾性保持部材
２６ 筐体

Claims (4)

1. 円筒状圧電素子を主体とし、中心軸に対して重心が右回り又は左回りの回転運動をする重心回転振動子と、該重心回転振動子に圧着され摩擦力を介して受ける回転トルクを利用して回転するロータとを組み合わせた構造の超音波モータにおいて、
   駆動源である円筒状圧電素子の保持と電極への導通を、金属材料と高分子材料を組み合わせた保持と導通を兼ねる導電性弾性保持部材を用いて、該導電性弾性保持部材の先端部を前記円筒状圧電素子の外周面軸方向中央位置で電極に圧接することで行うようにしたことを特徴とする円筒型超音波モータ。
2. 導電性弾性保持部材が、高分子材料からなる基材の表面に金属材料皮膜を付着した構造である請求項１記載の円筒型超音波モータ。
3. 導電性弾性保持部材の先端部の軸方向の長さを、円筒状圧電素子の軸方向高さの１／２以下とした請求項１又は２記載の円筒型超音波モータ。
4. 円筒状圧電素子の外周面の軸方向高さの中央部に円周方向の切欠き溝を形成し、導電性弾性保持部材の先端部が前記切欠き溝に嵌入するように圧接することで、保持及び導通箇所が一義的に定まるようにした請求項２又は３記載の円筒型超音波モータ。
   

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