JP2009136066A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 ボルト締めランジュバン型振動子の2つの共振モードの周波数差を小さくし、超音波モータの性能安定化を図ること。
【解決手段】 超音波モータの振動子を構成する第一の弾性体とこれを貫通し締め付け力を発生するシャフトとの半径方向隙間部に該弾性体およびシャフトよりも材料硬度が低い材料で形成された結合部材を配置し、該シャフトを締め付け挟持するときの軸力を該結合部材に作用させることにより該結合部材を塑性変形させ、係合部のシャフト外周と弾性体とが該結合部材を介して均一に一体化するように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は超音波モータに係り、特に小型の回転型超音波モータの振動子の構造に関するものである。

超音波モータはカメラレンズの駆動用途等への製品応用がなされており、円環型のものと棒状型のものが存在する。

図8に棒状振動子の構造図8（ａ）とその振動モード図8（ｂ）を示し、図9から図11にこれらの振動子を使い、現在カメラレンズ駆動用に用いられている振動波モータの構成図を示す。

（図9は棒状超音波モータであり、図10はこれをさらに端軸化した超音波モータの断面図である）
これらの図において、1は第一の弾性体、2は第二の弾性体、3は積層圧電素子、4はシャフト、5はナットであり、部品1〜3は該シャフト4及びナット5によって所定の挟持力が付与されるように締め付けられている。

ロータ7の一方の面は接触幅が小さく、かつ適度なバネ性を有する構造をしており、この面が振動体の摩擦面6に接触する。また、ロータ7のもう一方の面には、ロータといっしょに回転し、モータの出力を伝達するギア8の凹部（又は凸部）と係合するよう凸部（または凹部）が形成されている。さらに、ギア8はモータを取り付けるためのフランジ11によりシャフト4のスラスト方向に位置が固定されており、前記ロータ7に加圧力を付与するための加圧バネ15がこのギアとロータとの間に設けられている。

ここにおいて、積層圧電素子3は電極が2つの電極郡にグループ化されており、不図示の電源からそれぞれの電極郡に位相の異なる交流電界を印加すると、振動子には図8（ｂ）に示す姿態の直交する2つの曲げ振動が励振される（もう一方は紙面に垂直な方向の振動）。この印加電界の位相を調整することにより、2つの振動間に９０度の時間的な位相差を与えることができ、その結果、棒状振動子の曲げ振動は振動子の軸周りに回転する。

この結果、ロータ7に接触する第一の弾性体の上面にはダ円運動が形成され、耐摩耗性を有する部材6に押圧されたロータ7が摩擦駆動されるため、該ロータ7、ギア8、加圧バネ15が一体となって回転する。

この様なボルト締めランジュバン振動子の振動特性を向上させるための方策としては、各部品（例えば第一の弾性体、第二の弾性体、積層圧電素子など）の振動減衰が小さくなるように材料を選定すること、および各部品の合わせ面（例えば図11（ａ）の1-100〜1-104）での相対すべりによる損失をできる限り小さくするなどの対策が必要になる。特に後者に対しては、締め付け力を大きくするなどの施策により合わせ面での密着力を上げ、すべり損失を小さくするなどの対策は当然のごとく実施されている。しかし、それだけでは振動特性を安定的に、かつ十分に高く維持することが困難であるため、特に振動による歪みが大きい部分（第一の弾性体1とシャフト4の段部の突き当て部1-100）では、図11（ｂ）のように弾性体1のシャフトとの当接面１ａに積極的に塑性変形させる部分1ｂを設け、シャフトの締め付け力を利用して弾性体の1ｂ部を塑性変形させ、弾性体とシャフトとが一体化できるような構造をとっている。（図1１（ｃ））
また、図1１（ｄ）には第一の弾性体がＳＵＳ材のように材料硬度が高く、弾性体1を塑性変形させることが出来ない場合の例が示されており、本実施例では積極的に変形させる別部材14が設けられている。
特開平11-122955号公報 特開2003-199376号公報

しかしながら、モータの出力パフォーマンスを上げるために、体積当たりの高出力化を実現しようとすると、各部品には振動減衰が小さいことのほかに高強度であることが求められる。特に、図10に示すような短軸タイプのモータでは形状的にくびれている部分に振動応力や挟持応力などが集中し、部品の材料や形状の設計もふくめた更なる強度対策が必要となる。

さらに、本図の構造ではシャフトと弾性体との単に密着性だけではなく、シャフトと弾性体の円周方向での接触状態（または結合状態）のムラにより振動子に励振される直交する2つの振動モードの共振周波数差が大きくなり、モータ性能が低下することが検討の結果分かってきた。

そのために第一の弾性体とシャフトとは、突き当て面において軸方向だけではなく、貫通穴の内周面とシャフトの外周面での接触状態、または結合状態の不均一さが無いように接合しなければならないという課題がある。

また、弾性体の強度を高めようとするとどうしても材料硬度を高くする方向にいってしまうため、どうしても加工性が良くなくなり、部品の形状精度上げることが出来ない（量産加工ができない）という課題がある。

本課題を解決するための第１の手段は、電気-機械エネルギー変換素子を軸方向に挟持する第一、第二の弾性体とこれらの中心部を貫通し、該部材に圧縮力を付与するシャフトとを有し、該電気-機械エネルギー変換素子に交番電界を印加することにより、該弾性体の表面に円または楕円運動を生ぜしめる振動子を備える超音波モータにおいて、該第一の弾性体には振動振幅を増大させる弾性振動部と該円または楕円運動により該被駆動体を摩擦駆動する摩擦板とが一体的に設けられており、該第一の弾性体の中心部には一部穴径の異なる段部1ａが形成されていて、前記シャフトに設けられたフランジ部4ｃと軸方向に当接し、均一に密着するように構成されると共に、該第一の弾性体の貫通穴の内周面と該シャフトとの係合する部分の半径方向隙間に結合部材が挿入されている構成にすることによって目的を達成するものである。

本課題を解決するための第2の手段は前記結合部材は第一の弾性体およびシャフトよりも硬度が低い材料である構成することを主旨としている。

本課題を解決するための第3の手段は、前記結合部材の内径を前記第一の弾性体の貫通穴の最小径よりも小さく形成することを主旨としている。

本課題を解決するための第4の手段は、前記第一の弾性体の前記結合部材と契合する部分を径の異なる貫通穴部で形成し、その軸方向断面は径大部側の一方の端部から径小部へ緩やかなテーパで連結されるように形成することを主旨としている。

本課題を解決するための第5の手段は、前記結合部材はほぼ円筒形状をしており、内径側の軸方向長さが外形側よりも長くなるように形成することを主旨としている。

本課題を解決するための第6の手段は、前記結合部材の形状は円筒状であり、少なくとも外周面には円筒面に対し凹凸が形成されていることを主旨としている。

本課題を解決するための第7の手段は、前記結合部材の軸垂方向断面は円周方向に不均一になるように形成されていることを主巣としている。

本課題を解決するための第8の手段は、前記結合部材の軸垂方向断面形状は直交する2方向に対して軸対称な形状であることを主旨としている。

本課題を解決するための第9の手段は、前記結合部材の直交する2方向と電気-機械エネルギ-変換素子により発生する振動の方向が一致するよう組立てられていることを主旨としている。

本発明によれば、第一の弾性体とその貫通穴に通すシャフトとの間に同心円状の結合部材を係合させることにより、組み立てた時に弾性体とシャフトの中心軸がずれることが無く、かつ、シャフトの締め付け力により結合部材が塑性変形し、該弾性体とシャフトとを一体的に結合するため振動損失の少ない振動子が得られ、モータ性能の向上が実現できた。

また、硬度が高い弾性体とシャフトとが直接不均一に接触することがないため、2つの振動モードの共振周波数差が大きくなることは無く、安定した振動特性が得られる。

さらに、弾性体とシャフトとを硬度が低い結合部材で結合するため、硬度が高く、難加工材で構成されるこれらの部材の加工精度を厳しく管理する必要が無いため、量産性が向上し、コストダウンにも大きな効果がある。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

図1〜図2に本発明による第1の実施例を示す。図1には超音波モータおよび振動子の断面図、図2には第一の弾性体とシャフトとの係合部の説明図を示す。図1においてシャフト４は中央部の段部4ａの両側に大径部4ｂと小径部4ｃとで形成されており、大径部側に円筒状の結合部材16を介して第一の弾性体1、積層圧電素子3、フレキシブル基板のそれぞれの中央部を貫通し、第二の弾性体2に施されたネジ部によりこれらの部材を適切な軸力が付与されるように締め付け挟持し、振動子を形成している。一方ロータはロータ本環７にステンレスの板材をプレス成型した接触部材１2を接合して構成され、該ロータと係合して回転力を伝達するギア８との間に設けられた圧縮コイルバネ１５によって該接触部材１2の一面が前記振動子の弾性体１に圧接されている。また、該ギア８はシャフト４の一端から挿入されスラスト方向に位置決めされて固定されたフランジ１０と軸勘合しており、ギアおよびロータが触れ回りすることなく安定して回転できるように設定されている。

不図示の電源よりフレキ１3を通して積層圧電素子３に交流電界を印加すると、振動子には2つの曲げの振動が同時に励振され、これら2つの振動が合成されてこの振動子がシャフト軸回りに縄跳び運動をする。この結果、この振動の腹近傍に位置している弾性体1の摩擦部6は前記振動の回転軸に対し傾きながら旋回運動するため、ロータとの接触面には楕円運動が発生する。そのためこの弾性体に接触しているロータは、この楕円運動による摩擦力で軸回りに回転する。

ここにおいて弾性体１には結合部材16と係合する部分17が内径の異なる段差形状（φｄ1とφｄ2）で構成されており、結合部材16の外径φＣ2に対し僅かにφｄ2が大きく、かつ、結合部材16の内径φＣ1に対しφｄ1は大きくなるように設定されている。こうすることでシャフト4の大径部4ｂと弾性体の内径部φｄ1、φｄ2とは直接接触することが無いように設定されている。

また、第一の弾性体内径部のφｄ2部の長さＬ1は結合部材16の軸方向長さＬｃよりも短くなるよう設定されている。その結果、振動子組立て時にシャフト4が軸方向に押し込まれ、挟持力を付与すると結合部材の（Ｌｃ-Ｌ1）部が潰されて結合部材が矢印Ｅの方向に流動し、第一の弾性体とシャフトとの半径方向隙間を埋めるため弾性体とシャフトとが全周に渡って均一に固定され一体化される。

これにより、弾性体とシャフトとが中心ズレを起こした状態で組立てられることがなくなり、従来発生していたシャフトの外周面と弾性体内径部の片当たりによる共振周波数差（Δｆ）が発生しなくなり、モータ性能のバラツキ改善に大きな効果が得られた。

尚、本実施例では、第一の弾性体1の材質はＳＵＳ440Ｃ、シャフト4はＳＵＳ420ｊ2、結合部材はＢｓ材を使用し、組立て時に結合部材のみが容易に変形し3部品が一体化できるようにした。

第2の実施例を図3に示す。本実施例では、第1の実施例における第一の弾性体の結合部材との係合部17の段部形状を改善している。第一の実施例ではφｄ2とφｄ1とは直角な段を形成していたが、本実施例では潰れた結合部材16が軸押し込み方向（Ｅ方向）に流れやすくするために緩やかなテーパ形状にしている。

第3の実施例を図4に示す。本実施例では結合部材の軸方向長さを内周側と外周側とで変えることにより、結合部材が弾性体とシャフトとの隙間により充填されやすくしたものである。図4（ａ）には長さが外周から内周に行くにしたがって長くなるような形状を示している。また、図4（ｂ）には外周側と内周側とで長さがステップ状に変化する形状を示している。

尚、本実施例ではシャフト段部４ａで結合部材16を押しつぶす時に、その潰された材料がシャフト段部4ａの突き当て面側に流れないように、シャフト段部4ａの内径部に結合部材16の端部が入りこむような窪み4ｄを設けている。

第4の実施例を図5に示す。本実施例では結合部材16がより潰れやすくなるように、結合部材の外形面に複数の凹凸が形成されるような加工を施した。これにより、潰された結合部材の肉が円周方向にも流れる易くなり、円周方向にも均一な結合ができるようになった。

第5の実施例を図6に示す。本実施例では、結合部材16の軸垂直方向断面が円周方向に断続的になるように形成されている。図6（ａ）に示した結合部材は、円周方向に4本の柱（１６ａ〜6ｄ）と軸方向中央の連結部１６ｅとで構成されており、16ａ、16ｂを結ぶ方向と16ｃ、16ｄを結ぶ方向は直交している。図6（ｂ）にはこの結合部材をシャフトと弾性体との間に組み込んだときの図を示しており、図6（ｃ）は図6（ｂ）の断面Ｃ-Ｃの様子を示している。

ここで矢印Ａ、および矢印Ｂは振動子に組み立てたときの2つの曲げ振動モードの振動方向を示しており、Ａ，Ｂは直交している。また、図6（ｃ）の黒く塗りつぶした部分は図6（ａ）の柱の部分１６ａ〜16ｄの断面部を示しており、16ａ-16ｂの方向と16ｃ-16ｄの方向は前述した振動モードＡ，Ｂの方向と一致するようにしている。

このように結合部材の形状と振動方向を合わせることで、それらの方向における弾性体とシャフトとの密着状態がほぼ等しくなり、これら２方向の共振周波数がほぼ一致するため特性の良い振動子を作ることができる。

尚、本実施例では円周方向に4分割した例を示したが、これに限定されるものではなく、直交する2軸に対して軸対称形状であれば問題ない。

第6の実施例を図7に示す。本実施例では結合部材16の形状を図7の断面図に示すように軸係合部の一端にツバをつけた形状にしている。このツバ部の上下面（１６ａ、16ｂ）がシャフトのフランジ部４ａと弾性体の突き当て部1ａとで挟まれることによりさらに密着性を上げることで、振動子の特性をさらに向上することが出来た。

尚、本形状の部品は薄板をプレス加工し、円筒部はバーリング加工により形成している。

本発明における第一の実施例の断面図 本発明における第一の実施例の説明図 本発明における第ニの実施例の説明図 本発明における第三の実施例の説明図 本発明における第四の実施例の説明図 本発明における第五の実施例の説明図 本発明における第六の実施例の説明図 従来例における振動子の断面図および振動モード図 従来例における棒状超音波モータの断面図 従来例における短軸化した超音波モータの断面図 従来例の説明図

符号の説明

１ 第一の弾性体
２ 第二の弾性体
３ 圧電素子
４ シャフト
５ ナット
７ ロータ
８ ギア
１０ モータ取り付けフランジ
１５ 加圧バネ
１６ 結合部材

Claims (9)

1. 電気-機械エネルギー変換素子を軸方向に挟持する第一、第二の弾性体とこれらの中心部を貫通し、該部材に圧縮力を付与するシャフトとを有し、
   該電気-機械エネルギー変換素子に交番電界を印加することにより、該弾性体の表面に円または楕円運動を生ぜしめる振動子を備える超音波モータにおいて、
   該第一の弾性体には振動振幅を増大させる弾性振動部と該円または楕円運動により該被駆動体を摩擦駆動する摩擦板とが一体的に設けられており、
   該第一の弾性体の中心部には一部穴径の異なる段部１ａが形成されていて、前記シャフトに設けられたフランジ部4ｃと軸方向に当接し、均一に密着するように構成されると共に、
   該第一の弾性体の貫通穴の内周面と該シャフトとの係合する部分の半径方向隙間に結合部材が挿入されていることを特徴とした超音波モータ。
2. 請求項1に記載の超音波モータにおいて、前記結合部材は第一の弾性体およびシャフトよりも硬度が低い材料で作られていることを特徴とした超音波モータ。
3. 請求項2に記載の超音波モータにおいて、前記結合部材の内径は前記第一の弾性体の貫通穴の最小径よりも小さく形成されていることを特徴とした超音波モータ。
4. 請求項2又は、請求項3に記載の超音波モータにおいて、前記第一の弾性体の前記結合部材と契合する部分は径の異なる貫通穴部で形成され、その軸方向断面は径大部側の一方の端部から径小部へ緩やかなテーパで連結されていることを特徴とした超音波モータ。
5. 請求項2又は、請求項3に記載の超音波モータにおいて、前記結合部材はほぼ円筒形状をしており、内径側の軸方向長さが外形側よりも長くなるように形成されていることを特徴とした超音波モータ。
6. 請求項2〜請求項５のいずれかに記載の超音波モータにおいて、前記結合部材の形状は円筒状であり、少なくとも外周面には円筒面に対し凹凸が形成されていることを特徴とした超音波モータ。
7. 請求項2〜請求項６のいずれかに記載の超音波モータにおいて、前記結合部材の軸垂方向断面は円周方向に不均一になるように形成されていることを特徴とする超音波モータ。
8. 請求項7に記載の超音波モータにおいて、前記結合部材の軸垂方向断面形状は直交する2方向に対して軸対称な形状であることを特徴とする超音波モータ。
9. 請求項8に記載の超音波モータにおいて、前記結合部材の直交する2方向と電気-機械エネルギ-変換素子により発生する振動の方向が一致するよう組立てられていることを特徴とする超音波モータ。

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