JP2009273226A - 振動型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動型アクチュエータの振動体が円形である場合、この振動体に振動を発生させると、移動体との接触部の内周側と外周側とで振動変位の角度に差が生じてしまうため、接触部の面積を広げることができず、高い駆動効率を得ることができなかった。
【解決手段】 移動体と振動体の間に配置される摩擦部材を、振動体に固定される複数の固定部と、前記移動体に接触する接触面が形成された接触部と、前記接触部と前記複数の固定部の間に位置する変換部とから構成する。そして、この変換部を、固定部から延伸した斜面で構成し、かつ、円形の振動体の外周側よりも内周側で斜面の傾斜角度を緩やかに形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は振動体に振動を発生させ、その振動エネルギーを利用して駆動力を与える超音波モータ等の振動型アクチュエータに関するものである。

超音波モータ等の振動型アクチュエータは、圧電素子を固定した金属、あるいは、圧電素子そのもので構成された振動体と、この振動体に加圧されて接触する移動体（ローター）を有している。そして、振動体を構成する圧電素子に交流電圧を供給することで、振動体に複数の定在波を発生させ、これらの定在波を時間的な位相をずらして合成することによって、振動体の表面に楕円運動を発生させる。移動体はこの振動体の表面に発生した楕円運動によって駆動される。

図１０は、円形の振動型アクチュエータの断面図であり、図１１は振動型アクチュエータを構成する従来の振動体の斜視図である。

これらの図において、１は片面に櫛歯状の複数の突部１ａが形成された円形の振動体であり、金属体２と、この金属体の底面に固定された圧電素子３から構成されている。

１４は、圧電素子３とは反対側の振動体１の単面、すなわち、突部１ａの表面に固定された摩擦部材である。５は筒状の接触ばね、６は接触ばね５が固定された円形のローターである。

摩擦部材１４は板材をプレスで打ち抜いた平板のチップ形状をしており、複数の櫛歯１ａのそれぞれの表面に固定される。そして、ローター６に固定された接触ばね５が摩擦部材１４介して、突部１ａに加圧接触する。

７はローター６の回転力を伝達するためのシャフトであり、ディスク８および加圧ばね９を介して、ローター６に固定されている。加圧ばね９は円形であり、外周側がローター６に固定され、内周側がディスク８によってシャフト７に固定されている。ローター６は加圧ばね９によってシャフトに沿って振動体１に向けて加圧される。

圧電素子３には振動体１に面外振動からなる進行波を生じさせる不図示の分極パターンが施されている。圧電素子３に交流電圧を供給し、位置位相がπ／２ずれた２つの定在波を、時間的位相差π／２を持たせて励起することによって、振動体１の表面に進行性の振動波を生じさせる。そして、櫛歯状の突部１ａによって、その振動の周方向の振幅が増幅され、摩擦部材１４と接触ばね５との接触部に楕円振動が生じ、ローター６が進行波の移動方向と逆の方向へ回転駆動される。

ここで、円形の振動体１を構成する金属体２は、突部１ａと圧電素子３に挟まれた部分よりも内側に、径方向に薄く延びた支持部が形成され、この支持部の内周側の端部が振動型アクチュエータのケースに固定される。この支持部に適度な剛性を持たせることで、この支持部が振動体１全体をケース内で支持するという役割と、振動体１に生じた振動がケースに伝達されることを抑制するという役割を果たす。

この振動体１に振動を生じさせると、ケースに固定された支持部の端部を中心として揺れるように振動体１が振動する。このとき、振動体１に固定された摩擦部材１４の接触ばね５との接点は、振動角を有することになる。振動角とは、振動発生時に接点が変位する方向を示すものであり、振動体１の径方向と軸方向におけるそれぞれの振動成分の比で表せる角度とする。

図１２（ａ）は摩擦部材１４の接点Ａにおける振動角θを示す図であり、図１２（ｂ）は接触ばね５が摩擦部材１４の接点Ａからの振動を受けて変形したときの変形角φを示す図である。振動角θ、および、変形角φは、円形の振動体１の中心軸に対して直交する水平面からの角度で定義される。

接触ばね５の変形角φは、接触ばね５のそれ自身の形状で決まる。接触ばね５の振動体１と接触する側の端部が、その円形の中心側に向かって傾斜しているのは、接触ばね５の先端部の変形角φを、振動体の振動角θに一致させるためである。振動体の振動角θと接触ばねの先端の変形角φの一致度が高いほど、これらの間で生じる径方向の滑りが抑制される。つまり、摩擦摺動損失が小さくなり、振動型アクチュエータの駆動効率を向上させることになる。

図１１の接触部Ａにおける接触面圧と駆動による摩耗率の間には相関性があることから、振動型アクチュエータの高耐久化を図るには接触部の面圧を下げることが重要である。したがって、接触部Ａの幅を広げる接触部の面積を広げることが求められている。

しかしながら、接触部の面積を広げようとすると、摺動損失が増大するという問題が生じてしまう。

図１３は、円形の振動体をその中心軸を通る平面でカットした断面で見たときの、凸部１ａの上面における変位の分布を示す図である。図１４は突部１ａの上面に固定された摩擦部材１４と、ローター６に固定された接触ばね５の、接触部分の拡大図である。

振動方向θおよび振動変位量は、内周側では小さく、外周側にシフトするにつれて大きくなる。そのため、接触面積を広げるために接触部Ａの幅を単純に広げようとすると、接触ばね５の先端部の内周側と外周側における凸部１ａの振動方向θと振動変位量の差が大きく異なっていまい、径方向の滑りによって摺動損失が増えてしまう。

これを解決するため、例えば、図１５のように３つの接触ばね２４を同軸上に配置する構成のものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。各接触ばね２４は、それぞれの接触径における振動体の振動方向θに対応した変形方向φを備え、かつそれぞれの径における軸方向の振幅に対して必要なばね性を有している。
特開２００２−３１５３６４号公報

しかしながら、図１５に示す構造は複雑であるため、高い精度を維持しつつも大量に安定した供給を実現することは難しかった。

本発明は、簡単な接触構造によって接触面積を径方向に拡大することを可能とするものであり、この構造を使用する振動型アクチュエータの高耐久化を実現するものである。また、本構造は接触部における径方向の滑りに基づく効率低下のない振動型アクチュエータを提供せんとするものである。

上記課題を解決するため、本願発明は、面外振動を励起する円形の振動体と、前記振動体に発生した面外振動によって駆動される移動体と、前記振動体に固定されて前記移動体と接触する摩擦部材とを備えた振動型アクチュエータにおいて、前記摩擦部材は、前記振動体に固定される複数の固定部と、前記移動体に接触する接触面が形成された接触部と、前記接触部と前記複数の固定部の間に位置する変換部を有し、前記変換部は、前記変換部と前記接触部との境界部が前記固定部よりも前記移動体から離れるように前記固定部から延伸した斜面で構成され、かつ、前記円形の振動体の外周側よりも内周側で前記斜面の傾斜角度が緩やかに形成されていることを特徴とするものである。

同様に、上記課題を解決するため、本願発明は、面外振動を励起する円形の振動体と、前記振動体に発生した面外振動によって駆動される移動体と、前記振動体に固定されて前記移動体と接触する摩擦部材とを備えた振動型アクチュエータにおいて、前記摩擦部材は、前記振動体に固定される複数の固定部と、前記移動体に接触する接触面が形成された接触部と、前記接触部と前記複数の固定部の間に位置する変換部を有し、前記変換部は、前記変換部と前記接触部との境界部が前記固定部よりも前記移動体から離れるように前記固定部から延伸した斜面で構成され、かつ、前記円形の振動体の外周側よりも内周側で前記斜面の剛性が高く形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、振動体と移動体の接触面における面圧の低減を図り、振動型アクチュエータの高耐久化を実現するとともに、この接触面における滑りに基づく駆動効率の損失を抑制した振動型アクチュエータを提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細な説明を行う。

図１は本発明の実施形態における振動型アクチュエータである超音波モータを構成する振動体の斜視図である。この振動型アクチュエータは、図１０に示す振動型アクチュエータの摩擦部材１４を後述する摩擦部材４に変更した以外は、図１０に示す振動型アクチュエータと同じものである。

図１において、１は片面に櫛歯状の複数の突部１ａが形成された円形の振動体であり、金属体２と、この金属体の底面に固定された圧電素子３から構成されている。

４は、圧電素子３とは反対側の振動体１の単面、すなわち、突部１ａの表面に固定された摩擦部材である。本実施形態の摩擦部材４は、隣接する突部１ａにまたがるように配置されている。

この摩擦部材４には、図１０に示すように、ローター６に固定された筒状の接触ばね５が接触している。

圧電素子３には振動体１に面外振動からなる進行波を生じさせる不図示の分極パターンが施されている。圧電素子３に交流電圧を供給し、位置位相がπ／２ずれた２つの定在波を、時間的位相差π／２を持たせて励起することによって、振動体１の表面に進行性の振動波を生じさせる。そして、櫛歯状の突部１ａによって、その振動の周方向の振幅が増幅され、摩擦部材４と接触ばね５との接触部に楕円振動が生じ、ローター６が進行波の移動方向と逆の方向へ回転駆動される。

ここで、図１０に示す振動体と同様に、円形の振動体１を構成する金属体２は、突部１ａと圧電素子３に挟まれた部分よりも内側に、径方向に薄く延びた支持部が形成され、この支持部の内周側の端部が振動型アクチュエータのケースに固定される。この支持部に適度な剛性を持たせることで、この支持部が振動体１全体をケース内で支持するという役割と、振動体１に生じた振動がケースに伝達されることを抑制するという役割を果たす。

振動体１に振動を生じさせると、ケースに固定された支持部の端部を中心として揺れるように振動体１が振動する。

摩擦部材４は、隣り合う突部１ａの間の中央部に一つの接触面が配置されるように振動体１に固定される。したがって、振動体は突部１ａと同数の接触面を有し、全周に渡って周方向に接触面が並ぶ構成になっている。

本実施形態では複数の摩擦部材４を周方向に並べる構成としているが、コスト面や製造工程の簡単さを考慮し、これら個々の摩擦部材４を接続して１つの円形部材としても構わない。また、本実施形態では、突部１と接触部材４を同数としたが、突部１よりも少なくすることも可能である。

図２は、隣り合う２つの突部１ａの間に配置される１つの摩擦部材４の斜視図である。円形の振動体１に固定された摩擦部材４と接触ばね５は、その周方向において複数の位置で接触しているが、図２のＸ軸はこの複数の接触位置を含む平面に平行であって、かつ、円形の振動体１の径方向と平行な軸である。Ｙ軸は同じく複数の接触位置を含む平面に平行であって、かつ、Ｘ軸と直交する軸である。そして、Ｚ軸はＸ軸およびＹ軸に直交する軸である。

摩擦部材４は、固定部１０１、変換部１０２、および、接触部１０３から構成される。両端に設けられた固定部１０１は、それぞれ隣接する２つの突部１ａの上面に接合される。固定部１０１は、接触部１０３の上面に位置する接触面１０４と平行に形成されており、その一部が振動体１の突部１ａの上面に溶接や接着などによって固定される。ただし、周方向に拘束されているならば、固定しなくとも同等の機能が得られる。なお、本実施形態では、接触面１０４は、振動体１の摩擦部材４と接触ばね５の複数の接触位置を含む平面と平行に形成されている。

接触部１０３は、その上面に形成された接触面１０４でローター６に固定された接触ばね５と接触する必要があるため、固定部１０１および変換部１０２に比較して、軸方向（Ｚ軸の方向）に突出するように形成されている。接触部１０３はブロック体で構成され、曲げ剛性が高い構造となっている。曲げ剛性を高くしている理由は、変形によって接触面１０４が曲げを発生して曲面になることを防止するためである。

この接触部１０３は、その曲げ剛性を維持できるのであれば、ブロック体でなく、プレス加工で成形したものであってもよい。プレス加工により成形する場合は、剛性を高くする別の手段として、接触部１０３を形成する部分の板厚を厚くする、あるいは接触面の下部にリブ構造を設けるなどの方法が効果的である。

接触部１０３と固定部１０１の間には、変換部１０２が設けられている。変換部１０２は、接触部１０３の接触面１０４に対して傾斜し、かつ、変換部１０２と接触部１０３の境界部が固定部１０１よりもローターから離れるように、固定部１０１から延伸した斜面を有している。２つの固定部１０１が相対的に接近あるいは離隔することで、変換部１０２の斜面の接触面１０４に対する傾斜角度が変化し、接触面１０４を固定部１０１に対して面外方向に変位させる。

そして、本実施形態の大きな特徴であるが、図２のＸ軸において、手前側よりも奥側のほうが、Ｙ軸に対する変換部１０２の斜面の傾斜角度が大きくなるように形成されている。

図３は、図２のＸ軸上の異なる３箇所におけるＹＺ平面に平行な面による摩擦部材４の断面図である。

図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図２のＸ１、Ｘ２、Ｘ３を通るＹＺ平面に平行な平面における断面図である。Ｘ２はＸ１とＸ３の中点である。変換部１０２の傾斜の長さＬと傾斜角度αが、振動体１の内周側ほど長くなり、緩やかになるよう変化している。

次に、この構成における振動発生時の突部１ａと摩擦部材４の挙動を説明する。

図４は、振動体１に振動を発生させたときの、振動の形態と突部１ａの動きを誇張して示した図であり、図５は、突部１ａの先端部の距離の変化によって変換部１０２が変形する様子を示す図である。

進行波の１波長分の長さの中には複数の突部１ａが含まれ、進行波の山の位置では隣接する突部１ａの先端部が離隔し、進行波の谷の位置では隣接する突部１ａの先端部が接近する。それぞれの摩擦部材４は２つの固定部８が別々の突部１ａに固着されているから、突部１ａの先端部が離隔すれば、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように変換部１０２が変形する。具体的には、突部１ａの先端部が離隔することにより、接触部１０３が図５（ａ）に示す矢印の方向、すなわち、図３に示す傾斜角度αが緩やかな側から急な側に向かって傾斜する。

図６は、図５の断面Ｆにおける接触部１０３の変位の分布を示す図であり、図５に示すＹ軸のプラス方向から断面Ｆを見たものである。

この摩擦部材４を、図３（ｃ）に示す傾斜角度αの小さい側が円形の振動体１の内周側に位置し、傾斜角度αの大きい側が円形の外周側に位置するように配置する。振動体１に生じた進行波の山の位置における突上げ運動によって、突部１ａの先端は図１３に示すように変位し、これに同期して摩擦部材４の接触部１０３は固定部１０１に対して図６に示す方向に変位する。このとき、接触部１０３の接触面１０４の最終的な変位は、図１３と図６に示す変位を足し合わせたものとなる。

図７は、接触部材４の接触面１０４の変位を示す図である。図７において、図１３に示す変位が破線のベクトルで、図６に示す変位が一点鎖線のベクトルで、そして、それらを足し合わせた接触面１０４の変位が実線のベクトルで示されている。すなわち、振動体１に振動を発生させると、接触面１０４はその法線方向とほぼ平行に移動する。

振動体１の接触面１０４の振動方向が接触面１０４に対してほぼ垂直であると、従来技術のように振動体１の径方向に沿って別々の接触ばねを設けなくとも、径方向に幅広い範囲にて接触面１０４と接触ばねを接触させることが可能となる。そのため、摩擦部材４の接触面１０４と接触ばねの面圧を低く抑え、振動型アクチュエータの高耐久化を図ることが可能となる。ローターの構成を簡略化して部品点数を削減することができるため、振動型アクチュエータのローコスト化を達成することが可能となる。

なお、上述した摩擦部材４は、変換部１０２を構成する斜面がまっすぐな平板で形成されていたが、これに限られるものではない。変換部１０２を構成する斜面にカーブを持たせても構わない。この斜面の曲率を変えることで、振動体１の径方向における変換部１０２の変形率を異ならしめることによって、本実施例と同じ機能を有する摩擦部材ユニットを形成することができる。

この固定部１０１は、その長さ、厚さ、あるいは、その形状によって、振動型アクチュエータの摩擦部材４に必要なばね特性を調節することができる。変換部１０２の斜面は接触部１０３の変位方向を決定する構造であると同時に、接触ばね５から接触面１０４に加わる加圧力を受け止めるためのばね特性を有する。ただし、変換部１０２の斜面の形状によってばね特性と変位方向の両方を同時に調節することは困難であるので、固定部１０１の長さ、厚さ、あるいは、その形状を調整することによって摩擦部材４のばね特性を管理している。

次に、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に本実施形態における摩擦部材４の変形例を示す。この変形例では、円形の振動体１の径方向と平行なＸ軸に沿って、内周側から外周側に向かって摩擦部材４の変換部の剛性を高く形成することで、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

たとえば、図８（ａ）に示す構成では、内周側から外周側に向かって固定部２０１、接触部２０２の板厚が徐々に厚く形成されている。図８（ｂ）に示す構成では、固定部３０１と変換部３０２の境界にカーブＲを持たせ、そのカーブＲの曲率を内周側から外周側に向かって徐々に大きく形成されている。また、図８（ｃ）に示す構成では、変換部４０２に穴やスリット等の切欠き４０２ａを設け、この切欠き４０２ａが占める面積の割合を内周側から外周側に向かって徐々に小さく形成されている。これらの構成によれば、突部１ａの先端部が離隔したときにそれぞれの接触部２０３、３０３、４０３を、固定部２０１、３０１、４０１に対して外周側に傾斜させることができる。

図９は本実施形態における摩擦部材４の別の変形例を示す図である。図９（ａ）、（ｂ）に示すように、摩擦部材４の接触面５０４と固定部５０１を形成する平面を非平行にすることにより振動方向を調整することも可能である。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す摩擦部材を、それぞれ図９（ａ）のＸ軸のプラス方向およびＹ軸のマイナス方向から見た図である。振動体と固定部５０１の接合面を接触部５０３の接触面５０４に対して傾斜させることで、振動体の内周側と外周側とで変換部５０２の傾斜角度に差が出るように構成している。

本発明の実施形態における振動型アクチュエータを構成する振動体の斜視図である。 摩擦部材４の斜視図である。 図２のＸ軸上の異なる３箇所における、ＹＺ平面に平行な面による摩擦部材４の断面図である。 振動体１に振動を発生させたときの、振動の形態と突部１ａの動きを誇張して示した図である。 突部１ａの先端部の距離の変化によって変換部１０２が変形する様子を示す図である 図５の断面Ｆにおける接触部１０３の変位の分布を示す図である。 接触部材４の接触面１０４の変位を示す図である。 本実施形態における摩擦部材４の変形例を示す図である。 本実施形態における摩擦部材４の別の変形例を示す図である。 従来の円形の振動型アクチュエータの断面図である。 振動型アクチュエータを構成する従来の振動体の斜視図である。 摩擦部材１４の接点Ａにおける振動角θを示す図と、接触ばね５が摩擦部材１４の接点Ａからの振動を受けて変形したときの変形角φを示す図である。 円形の振動体をその中心軸を通る平面でカットした断面で見たときの、凸部１ａの上面における変位の分布を示す図である。 突部１ａの上面に固定された摩擦部材１４と、ローター６に固定された接触ばね５の、接触部分の拡大図である。 高耐久化を図ることを目的とした従来の接触ばねの断面図である。

符号の説明

１ 振動体
１ａ 突部
２ 金属体
３ 圧電素子
４ 摩擦部材
１０１、２０１、３０１、４０１ 固定部
１０２、２０２、３０２、４０２ 変換部
１０３、２０３、３０３、４０３ 接触部
１０４ 接触面

Claims (5)

1. 面外振動を励起する円形の振動体と、前記振動体に発生した面外振動によって駆動される移動体と、前記振動体に固定されて前記移動体と接触する摩擦部材とを備えた振動型アクチュエータにおいて、
   前記摩擦部材は、前記振動体に固定される複数の固定部と、前記移動体に接触する接触面が形成された接触部と、前記接触部と前記複数の固定部の間に位置する変換部を有し、
   前記変換部は、前記変換部と前記接触部との境界部が前記固定部よりも前記移動体から離れるように前記固定部から延伸した斜面で構成され、かつ、前記円形の振動体の外周側よりも内周側で前記斜面の傾斜角度が緩やかに形成されていることを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 面外振動を励起する円形の振動体と、前記振動体に発生した面外振動によって駆動される移動体と、前記振動体に固定されて前記移動体と接触する摩擦部材とを備えた振動型アクチュエータにおいて、
   前記摩擦部材は、前記振動体に固定される複数の固定部と、前記移動体に接触する接触面が形成された接触部と、前記接触部と前記複数の固定部の間に位置する変換部を有し、
   前記変換部は、前記変換部と前記接触部との境界部が前記固定部よりも前記移動体から離れるように前記固定部から延伸した斜面で構成され、かつ、前記円形の振動体の外周側よりも内周側で前記斜面の剛性が高く形成されていることを特徴とする振動型アクチュエータ。
3. 前記変換部は、前記円形の振動体の外周側よりも内周側で前記斜面の厚さが厚く形成されていることを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記変換部は、前記円形の振動体の外周側よりも内周側で前記固定部と前記変換部の境界部における曲率が小さく形成されていることを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記変換部は、前記円形の振動体の外周側よりも内周側で前記変換部の剛性が小さく形成されたことを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータ。

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