JP2010130889A - リニア駆動型超音波モータ - Google Patents

リニア駆動型超音波モータ Download PDF

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Abstract

【課題】被駆動部材を確実にガイドしながら被駆動部材の移動抵抗及び摩擦抵抗を低減可能な構成を備え、さらに小型化を維持又は促進可能なリニア駆動型超音波モータを提供する。
【解決手段】圧電素子を有する超音波振動子と、超音波振動子との間の摩擦力により駆動される被駆動部材と、超音波振動子と被駆動部材との間に摩擦力が生じるように超音波振動子を押圧する押圧部材と、被駆動部材に当接する球状の転動部材と、転動部材を介して被駆動部材を移動可能に支持するベース部材と、を少なくとも具備するリニア駆動型超音波モータであって、転動部材は、ベース部材と第1の当接点で当接し、かつ、被駆動部材と2つの第2の当接点で当接しており、第1の当接点と2つの第2の当接点とをそれぞれ結ぶ2本の直線の長さが略等しい。
【選択図】図5

Description

本発明は、リニア駆動型超音波モータに関するものである。
従来のリニア駆動型超音波モータとしては、例えば特許文献1記載の振動装置が挙げられる(図9、10)。ここで、図9、10は、従来のリニア駆動型超音波モータの構成を示す図であって、図9は分解斜視図、図10は縦断面図である。
図9、10に示す振動装置は、振動体901を収容したケース906、ケース906内を通って振動体901に接触する移動体904、及び、移動体904と振動体901とを加圧接触させる押圧力(付勢力)を発生する押圧バネ905を備えている。押圧バネ905は、ケース906の外側に取り付けられている。ケース906の振動体901に面する側には開口部が形成され、押圧バネ905の押圧力は、開口部を通して振動体901に作用している。すなわち、この振動装置は、押圧バネ905がケース906の開口部を覆いながらケース906の外側に取り付けられた構造をしており、押圧力を発生させる押圧バネ905の変形部(開口部を覆っている平面部)が露出している。
特許文献1記載の振動装置のように、主要な構成要件をパッケージしたユニット構造にすることは汎用性、特性安定化の点で有効である。一方、超音波モータ装置においては、小型かつ高出力にすることが求められている。
特許第3524248号明細書
特許文献1記載の振動装置においては、ケース906の穴に設けられた滑り軸受けで、移動体904を移動方向及び移動体904の軸周りにガイドする構造をしている。この構造では、移動体904は押圧バネ905によってケース906に押圧されているため、ケース906の穴に設けられた滑り軸受けとの接触部の接触圧力が高く、移動体904が移動する際に滑り摩擦が大きい。このため、摺動抵抗が大きくなり出力低下の要因となる。また、移動体904は振動体901によって振動しているために滑り摩擦部における磨耗が促進されるという問題がある。例えばこの部分に一般的に用いられているスラスト軸受けなどのベアリングを使用すると装置の大型化につながってしまう。また、特許文献1記載の振動装置においては、ケース906の内部に移動体904をガイドするガイド機構を設けることは小型化の観点で困難であり、さらに、小型化を維持しつつ摩擦抵抗の少ないガイド機構をケース内部に構成することも難しい。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被駆動部材の移動抵抗及び摩擦抵抗を低減しつつ確実にガイドすることができ、かつ、小型化可能なリニア駆動型超音波モータを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るリニア駆動型超音波モータは、圧電素子を有する超音波振動子と、超音波振動子との間の摩擦力により相対的に駆動される被駆動部材と、超音波振動子と被駆動部材との間に摩擦力が生じるように超音波振動子を押圧する押圧部材と、被駆動部材に当接する球状の転動部材と、転動部材を介して被駆動部材を移動可能に支持するベース部材と、を少なくとも具備するリニア駆動型超音波モータであって、転動部材は、ベース部材と第1の当接点で当接し、かつ、被駆動部材と2つの第2の当接点で当接しており、第1の当接点と2つの第2の当接点とをそれぞれ結ぶ2本の直線の長さが略等しいことを特徴としている。
本発明のリニア駆動型超音波モータにおいて、ベース部材は、少なくとも第1の当接点が存在する範囲内において、曲面を有することが好ましい。
本発明のリニア駆動型超音波モータにおいて、被駆動部材は、転動部材側に、2つの第2の当接点に対してそれぞれ独立して対応する2つの平面を有していることが好ましい。
本発明のリニア駆動型超音波モータでは、被駆動部材における、2つの第2の当接点にそれぞれ対応する2つの平面の成す角が直角であることが好ましい。
なお、平面がなす直角の部分には、すみ肉が形成されていても良い。
本発明のリニア駆動型超音波モータでは、被駆動部材における、2つの第2の当接点にそれぞれ対応する2つの平面の成す角が鈍角であることが好ましい。
本発明のリニア駆動型超音波モータにおいて、ベース部材は、被駆動部材の駆動方向と直交する方向に突出し、かつ、被駆動部材の駆動方向に沿って連続して形成された突出部を有していることが好ましい。
本発明に係るリニア駆動型超音波モータは、被駆動部材を確実にガイドしながら被駆動部材の移動抵抗及び摩擦抵抗を低減可能な構成を備え、さらに小型化を維持又は促進可能である、という効果を奏する。
以下に、本発明に係るリニア駆動型超音波モータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
(第1実施形態)
第1実施形態に係る超音波モータ10(リニア駆動型超音波モータ)について、図1から図6を参照しつつ説明する。
ここで、図1は、超音波モータ10の外観構成を示す斜視図である。図2は、超音波モータ10の構成を示す分解斜視図である。図3は、超音波モータ10の長手方向、別言すれば、被駆動部材24の駆動方向、に沿った縦断面図である。図4は、図3のIV−IV線に沿った断面図である。図5は、図4のうち、被駆動部材24、転動部材25、26、27、28、及びベース部材12について拡大して示す断面図であり、被駆動部材24が水平な状態を示す図である。図6は、図5に対して、被駆動部材24が角度θ1だけ傾斜した状態を示す断面図である。
超音波モータ10は、超音波振動子としての振動子22、被駆動部材24、押圧部材21、転動部材25、26、27、28、ケース部材11、及びベース部材12を備える。以下各部材について詳細に説明する。
振動子22及びケース部材11はいずれも略直方体状の外形を備え、ケース部材11の内部には収容凹部16が形成されており、ベース部材12を配置することによって閉じられる開口部13から外部へ至る。収容凹部16内には、超音波モータ10の高さ方向(図1から図4の上下方向)において開口部13側から順に、振動子22、押圧部材21が収容されている。
ケース部材11の下部の四つの角部には、ベース部材12に対して固定するために用いる係止部11eが設けられている。ベース部材12の上端には、ケース部材11の係止部11eが係止される突出部12eが設けられている。
突出部12eは、平面視長方形状のベース部材12の長手方向に沿って連続して形成され、幅方向外側へ向かって突出している。したがって、ベース部材12をケース部材11に固定したとき、突出部12eは、被駆動部材24の駆動方向と直交する方向に突出し、かつ、被駆動部材24の駆動方向に沿って連続して形成されている。この突出部12eは、押し出しあるいは引き抜き加工によって成形することが可能であり、これにより製造コストを低減できる。
係止部11e及び突出部12eは、互いに係止したときに、支持部材23及びケース部材11の押圧部11a、11bによる、押圧部材21の撓み量が所定量となるように、係止位置及び形状が設定されている。すなわち、ケース部材11とベース部材12が互いに係止固定されることで、振動子22が所定の押圧力で被駆動部材24へ付勢される。
押圧部材21は、長板状の板バネであり、その長手方向が、超音波モータ10及びケース部材11の長手方向(図3の左右方向)に沿うように配置される。なお、ケース部材11は図1に示す形状以外の形状とすることもでき、また、ケース部材11という独立した形態を取らない構成も可能である。
押圧部材21は、長手方向の両端部21a、21bの上面が、ケース部材11の内面の上側角部に形成した二つの押圧部11a、11bにそれぞれ当接する。さらに、押圧部材21は、中央部21cの下面が振動子22の位置決め用の支持部材23と当接する。ここで、支持部材23は、振動子22の長手方向(図3の左右方向)中央に固定されている。
振動子22は、超音波振動子(例えば圧電素子)によって構成される。振動子22の上面には、支持部材23を挟むように通電用のフレキシブルケーブル31、32が固着されている。このフレキシブルケーブル31、32は、ケース部材11の側面に形成された開口11f、11gから外部へ延出する。
ベース部材12上には、球状の転動部材25、26、27、28を介して、被駆動部材24がケース部材11の長手方向に沿って移動可能に配置されている。被駆動部材24は、振動子22の下面に設けた駆動子22aと転動部材25、26、27、28とによって移動可能に挟持されている。なお、転動部材25、26、27、28は互いに同一外径を備える。
ベース部材12は、ケース部材11の長手方向に沿って延び、内面は、長手方向に直交する断面形状が半円状の円筒面12fとなっている。転動部材25、26、27、28は、被駆動部材24およびベース部材12の円筒面12fとで挟持される。
被駆動部材24は、平面視略長方形状であって、図5に示すように、長手方向直交断面が略T字状をなしている。具体的には、被駆動部材24は、上面が振動子22の駆動子22aに当接する略直方体状の基部24aと、基部24aの幅方向中央から下方に突出する凸部24bと、からなる。基部24aの幅はWであり、基部24aの上面から凸部24bの下面までの高さはtである。
次に、転動部材25、26、27、28と、ベース部材12及び被駆動部材24との位置関係について、図5、図6を参照しつつ説明する。なお、転動部材25、26と転動部材27、28は同様の構成であるため、転動部材25、26について説明し、転動部材27、28についての説明は省略する。
ベース部材12の円筒面12fは、半径rの曲面がベース部材12の長手方向に連続した面である。円筒面12fの半径rの中心Oは、被駆動部材24の幅方向に並べて配置した転動部材25、26について、(1)転動部材25と円筒面12fとの当接点25a(第1の当接点)と、転動部材25の中心と、を通る直線L3と、(2)転動部材26と円筒面12fとの当接点26a(第1の当接点)と、転動部材26の中心と、を通る直線L6と、が交わる点である。
転動部材25は、ベース部材12の円筒面12fとは当接点25aの1点で接触する一方、被駆動部材24に対しては、2つの当接点25b、25c(第2の当接点)で接触する。具体的には、転動部材25は、被駆動部材24の基部24aの下面である平面24cに対して当接点25bで接触するとともに、凸部24bの側面である平面24dに対して当接点25cで接触する。別言すると、被駆動部材24は転動部材25と対向する側に、直角に互いに隣接する二つの平面24c、24dを有し、転動部材25はこれらの平面24c、24dとそれぞれ当接している。
ここで、平面24cの幅、及び、平面24dの高さは、転動部材25の半径より長く、かつ、ベース部材12と転動部材25との当接点25aまでの距離より短い形状となっている。
なお、転動部材25が被駆動部材24と当接する平面は、平面24c、24dのように互いに隣接していなくてもよい。具体的には、例えば24cと24dの交線部にすみ肉を設けたことによる別の平面あるいは曲面があっても良い。
また、ベース部材12の円筒面12fとの当接点25aと、平面24cとの当接点25bと、を結ぶ直線L1の長さは、当接点25aと、平面24dとの当接点25cとを結ぶ直線L2の長さに等しい。
転動部材25と同様に、転動部材26は、ベース部材12の円筒面12fとは当接点26aの1点で接触するとともに、被駆動部材24に対しては、2つの当接点26b、26c(第2の当接点)で接触する。すなわち、転動部材26は、被駆動部材24の基部24aの下面である平面24eに対して当接点26bで接触するとともに、凸部24bの側面である平面24fに対して当接点26cで接触する。ここで、被駆動部材24は転動部材26と対向する側に、直角に互いに隣接する二つの平面24e、24fを有し、転動部材26はこれらの平面24e、24fとそれぞれ当接している。
ここで、平面24eの幅、及び、平面24fの高さは、転動部材26の半径より長く、かつ、ベース部材12と転動部材26との当接点26aまでの距離より短い形状となっている。
なお、転動部材26が被駆動部材24と当接する平面は、平面24e、24fのように互いに隣接していなくてもよい。
また、ベース部材12の円筒面12fとの当接点26aと、平面24eとの当接点26bと、を結ぶ直線L4の長さは、当接点26aと、平面24fとの当接点26cとを結ぶ直線L5の長さに等しい。
被駆動部材24と転動部材25、26をこのように配置することにより、被駆動部材24が駆動された場合に、その駆動方向において、当接点25bで転がり接触する長さと、当接点25cで転がり接触する長さと、が互いに等しくなり、また、当接点26bで転がり接触する長さと、当接点26cで転がり接触する長さと、が互いに等しくなる。このため、被駆動部材24と転動部材25、26との間で滑りが発生しない。
また、転動部材25において、当接点25b、25cが当接点25aに対して対象な位置にあるため、当接点25b、25cでの抗力が均等となり、転がり抵抗が均等になる。同様に、転動部材26においても、当接点26b、26cが当接点26aに対して対象な位置にあるため、当接点26b、26cでの抗力が均等となり、転がり抵抗が均等になる。
さらにまた、被駆動部材24はベース部材12側に付勢された状態で、さらに振動子22の振動を受けて強制振動されているが、このような構造にすることにより、常に滑ることがなく転がり支持されているため、被駆動部材24の移動抵抗を小さくして出力の低減を防ぎ、磨耗を低減する効果がある。
また、一般には、被駆動体が撓み変形すると駆動特性が低下するおそれがあり、被駆動体の厚さを増やして剛性を確保することが重要であるが、厚さを増やすことによって装置が大型になってしまうという問題がある。これに対して、本実施形態に係る超音波モータ10においては、被駆動体たる被駆動部材24が、略T字の断面形状を有するように、基部24aの幅方向中央から下方に突出する凸部24bを形成している。
被駆動部材24をこのような断面形状にして、超音波モータ10の高さ方向(図5の上下方向)の厚さtを増やすことにより、被駆動体たる被駆動部材24が、押圧部材21などの部材による押圧機構によって付勢された場合でも、超音波モータ10の高さ方向(図5の上下方向)に撓みにくい剛性を有することとなる。さらに、転動部材25、26、27、28を、基部24aの幅方向(図5の左右方向)においては、被駆動部材24の幅Wより狭い範囲に収めることができる。また、高さ方向では、転動部材25、26、27、28と被駆動部材24との当接点を、被駆動部材24の高さtより短い位置、すなわち、被駆動部材24の最下部より高い位置に配置できる。
このような配置により、超音波モータ10の高さ方向および幅方向の寸法を小さくすることができる。したがって、このような被駆動部材24やベース部材12の形状、配置による転がり支持構造を内包した超音波モータ10においては、剛性不足による特性劣化を防ぎ、かつ小型に構成することが可能である。
また、転動部材25、26、27、28がベース部材12の円筒面12fと当接している構成により、振動子22と被駆動部材24との当接面の角度が変化した場合でも、被駆動部材24及びベース部材12と、転動部材25、26、27、28との当接関係は維持される。
具体的には、転動部材25、26を例に取れば、図6のように被駆動部材24が水平方向に対して角度θ1(0<θ1)だけ傾斜した場合でも、転動部材25において直線L1と直線L2の長さが同一である点、及び、26において直線L4と直線L5の長さが同一である点は、被駆動部材24の傾斜角度θ1によらず一定である。よって、組み付けばらつきによって、振動子22と被駆動部材24との当接面が水平方向から角度θ1傾斜しても、その影響を低減できる。ここで、振動子22と被駆動部材24との当接面の傾きは、当接点25a、26aがベース部材12の円筒面12fと接する範囲内であれば許容できる。
なお、直線L1と直線L2の長さは、転動部材25、26、27、28が、ベース部材12および被駆動部材24に対して滑りが発生することなく転がり支持されれば、同一でなく略等しければよい。同様に、直線L4と直線L5の長さは、転動部材25、26、27、28が、ベース部材12および被駆動部材24に対して滑りが発生することなく転がり支持されれば、同一でなく略等しければよい。
以上説明したように、第1実施形態に係る超音波モータ10においては、ベース部材12が円筒面12fを有しており、この円筒面12fに球状の転動部材25、26、27、28が載置されている。被駆動部材24は略T字状の断面形状を有しており、凸部24bがベース部材12に対向するような姿勢で、転動部材25、26、27、28により、幅方向両側から支持される。さらに、転動部材25、26、27、28は、それぞれ、被駆動部材24とは2点で当接し、ベース部材12とは1点で当接する。
また、転動部材25、26、27、28のそれぞれについて、被駆動部材24との二つの当接点と、ベース部材12との一つの当接点と、互いにを結ぶ二本の直線の長さが略等しくなるように、ベース部材の円筒面の半径と中心が設定されている。このことにより、転動部材25、26、27、28は、ベース部材12および被駆動部材24に対して滑りが発生することなく転がり支持されるので、被駆動部材24が押圧部材21によってベース部材12側へ付勢されていても移動抵抗が低減される。
さらに、被駆動部材24が振動子22の駆動を受けて振動していても、転動部材25、26、27、28がベース部材12および被駆動部材24に対して滑ることなく支持されるため、磨耗も低減できる。また、被駆動部材24、転動部材25、26、27、28、及び、ベース部材12の構造及び配置によって、このような転がり支持構造を内包した超音波モータとして小型に構成できる。
(第2実施形態)
第2実施形態に係る超音波モータにおいては、図7、図8に示すように、被駆動部材124において転動部材125、126と接する2平面の隣接角度が直角ではなく鈍角である点が第1実施形態に係る超音波モータ10と異なる。
ここで、図7は、被駆動部材124、転動部材125、126、及びベース部材112の関係を示す、図5に対応する断面図であり、被駆動部材124が水平な状態を示す図である。図8は、図7に対して、被駆動部材124が角度θ2だけ傾斜した状態を示す断面図である。
また、第2実施形態のベース部材12では、内面のうち、幅方向中央が平面112gとなっており、この平面112gの両側には、直線L103と直線L106の交点Oを中心とする半径rの円の一部を形成する円筒面112fが形成されている。
ここで、第2実施形態の超音波モータのベース部材112、被駆動部材124、及び、転動部材125、126は、第1実施形態の超音波モータ10のベース部材12、被駆動部材24、及び、転動部材25、26にそれぞれ対応する。また、当接点125a、126a(第1の当接点)、及び、当接点125b、125c、126b、126c(第2の当接点)は、第1実施形態の当接点25a、26a、及び当接点25b、25c、26b、26c(第2の当接点)にそれぞれ対応する。
さらに、第2実施形態の被駆動部材124における、基部124a、凸部124b、平面124c、124d、124e、124fは、第1実施形態の被駆動部材24における、基部24a、凸部24b、平面24c、24d、24e、24fにそれぞれ対応する。また、直線L101、L102、L103、L104、L105、L106は、第1実施形態の直線L1、L2、L3、L4、L5、L6にそれぞれ対応する。
また、図7、図8には示さないが、第2実施形態の超音波モータは、転動部材125、126のほかに、第1実施形態の超音波モータ10における転動部材27、28に対応する転動部材を備える。
第2実施形態の超音波モータにおいても、第1実施形態の超音波モータ10と同様な効果が得られ、図8のように被駆動部材124が傾いても、転動部材125において直線L101と直線L102の長さが同一である点、及び、転動部材126において直線L104と直線L105の長さが同一である点は、被駆動部材124の傾斜角度θ2によらず一定である。
よって、組み付けばらつきによって、振動子22と被駆動部材124との当接面が水平方向から角度θ2傾斜しても、その影響を低減できる。また、振動子22と被駆動部材124との当接面の傾きについても、第1実施形態と同様に、当接点125a、126aがベース部材112の円筒面112fと接する範囲内であれば許容できる。
このような形状とすることにより、第1実施形態と比べて、転動部材125と転動部材126との間隔は広くなるが、ベース部材12と被駆動部材124との間隔を小さくすることができる。すなわち、被駆動部材124、および、ベース部材112の形状を変えることで超音波モータの高さ方向及び幅方向の寸法を必要に応じ選択的に小さくすることができ、設計の自由度が広くなる。
なお、その他の構成、作用、効果については、第1実施形態と同様である。
以上のように、本発明に係るリニア駆動型超音波モータは、小型機器の精度の高い駆動に適している。
本発明の第1実施形態に係る超音波モータの外観構成を示す斜視図である。 本発明の第1実施形態に係る超音波モータの構成を示す分解斜視図である。 本発明の第1実施形態に係る超音波モータの長手方向に沿った縦断面図である。 図3のIV−IV線に沿った断面図である。 図4のうち、被駆動部材、転動部材、及びベース部材について拡大して示す断面図である。 図5に対して、被駆動部材が角度θ1だけ傾斜した状態を示す断面図である。 第2実施形態に係る被駆動部材、転動部材、及びベース部材の関係を示す、図5に対応する断面図である。 図7に対して、被駆動部材が角度θ2だけ傾斜した状態を示す断面図である。 従来のリニア駆動型超音波モータの構成を示す分解斜視図である。 図9に示す従来のリニア駆動型超音波モータの縦断面図である。
符号の説明
10 超音波モータ(リニア駆動型超音波モータ)
11 ケース部材
11a、11b 押圧部
11e 係止部
11f、11g 開口
12 ベース部材
12e 突出部
12f 円筒面
13 開口部
16 収容凹部
21 押圧部材
21a、21b 端部
21c 中央部
22 振動子(超音波振動子)
22a 駆動子
23 支持部材
24 被駆動部材
24a 基部
24b 凸部
24c、24d、24e、24f 平面
25 転動部材
25a 当接点(第1の当接点)
25b、25c 当接点(第2の当接点)
26 転動部材
26a 当接点(第1の当接点)
26b、26c 当接点(第2の当接点)
27、28 転動部材
31、32 フレキシブルケーブル
112 ベース部材
112f 円筒面
112g 平面
124 被駆動部材
124a 基部
124b 凸部
124c、124d、124e、124f 平面
125 転動部材
125a 当接点(第1の当接点)
125b、125c 当接点(第2の当接点)
126 転動部材
126a 当接点(第1の当接点)
126b、126c 当接点(第2の当接点)

Claims (6)

  1. 圧電素子を有する超音波振動子と、
    前記超音波振動子との間の摩擦力により相対的に駆動される被駆動部材と、
    前記超音波振動子と前記被駆動部材との間に摩擦力が生じるように前記超音波振動子を押圧する押圧部材と、
    前記被駆動部材に当接する球状の転動部材と、
    前記転動部材を介して前記被駆動部材を移動可能に支持するベース部材と、
    を少なくとも具備するリニア駆動型超音波モータであって、
    前記転動部材は、前記ベース部材と第1の当接点で当接し、かつ、前記被駆動部材と2つの第2の当接点で当接しており、
    前記第1の当接点と前記2つの第2の当接点とをそれぞれ結ぶ2本の直線の長さが略等しいことを特徴とするリニア駆動型超音波モータ。
  2. 前記ベース部材は、少なくとも前記第1の当接点が存在する範囲内において、曲面を有することを特徴とする請求項1に記載のリニア駆動型超音波モータ。
  3. 前記被駆動部材は、前記転動部材側に、前記2つの第2の当接点に対してそれぞれ独立して対応する2つの平面を有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリニア駆動型超音波モータ。
  4. 前記被駆動部材において、前記2つの平面の成す角が直角であることを特徴とする請求項3に記載のリニア駆動型超音波モータ。
  5. 前記被駆動部材において、前記2つの平面の成す角が鈍角であることを特徴とする請求項3に記載のリニア駆動型超音波モータ。
  6. 前記ベース部材は、前記被駆動部材の駆動方向と直交する方向に突出し、かつ、前記被駆動部材の駆動方向に沿って連続して形成された突出部を有していることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のリニア駆動型超音波モータ。
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