JP2011155761A - Vibrator friction contact member for ultrasonic motor and vibrator for ultrasonic motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は超音波モータ用振動子に関し、特に、被駆動体を摩擦接触で駆動する振動子先端の摩擦接触部の構造に関する。 The present invention relates to a vibrator for an ultrasonic motor, and more particularly to a structure of a friction contact portion at the tip of a vibrator that drives a driven body by friction contact.
電子・情報技術の急速な発展に伴ない、精密部品の更なる微細化、高集積化が求められており、ナノオーダ(10-9m)での検査や超微細加工に対応する超精密位置決め装置が必要となっている。また、医療やバイオ研究において、タンパク質や細胞の制御による応用技術開発が進み、より微細な領域での位置決めが可能な顕微鏡用ステージに対するニーズが高まっている。さらに近年では高精度化への要求と併せて、検査、加工、測定などの対象物が小さくなるに伴ない、位置決め装置やその駆動源の小形化、軽量化も求められている。 With the rapid development of electronic and information technology, there is a need for further miniaturization and higher integration of precision parts, and ultra-precision positioning equipment that supports nano-order (10 -9 m) inspection and ultra-fine processing. Is required. In medical and bio-research, the development of applied technology by controlling proteins and cells has progressed, and the need for a microscope stage capable of positioning in a finer region is increasing. Furthermore, in recent years, along with the demand for higher accuracy, as the objects for inspection, processing, measurement, etc. become smaller, the positioning device and its drive source are also required to be smaller and lighter.
このようなナノオーダでの微細領域に対処する駆動装置として、従来の電磁モータに代わって、特許文献1〜3に記載されるような圧電振動素子を用いた超音波モータが開発されている。これらの特許文献には、後述するように被駆動体と摩擦接触する振動素子先端の摩擦接触子の材質、硬度、耐摩耗性などについて詳述されている。
As a drive device that copes with such a fine region in the nano-order, an ultrasonic motor using a piezoelectric vibration element as described in
この超音波モータは、電磁モータとは全く異なる駆動原理に基づく駆動装置であり、低速、高トルク、無音、停止時の保持性など優れた特長を有している。また、振動子の構造が単純なことから小形化に有利であり、小型アクチュエータとしても期待されている。 This ultrasonic motor is a driving device based on a driving principle that is completely different from that of an electromagnetic motor, and has excellent features such as low speed, high torque, silence, and retention when stopped. Further, since the structure of the vibrator is simple, it is advantageous for downsizing and is expected as a small actuator.
一般に超音波モータは振動子と移動体(被駆動体)とにより構成されており、この振動子の摩擦接触部を前記移動体に押し付け、加圧した状態で機能する。この状態で前記振動子の摩擦接触部に楕円運動を発生させることで、摩擦接触部が移動体に間欠的に圧接しながら前記移動体を一方向に送り出す。前記移動体の動作速度は楕円運動の振幅の大きさを変えることで制御される。 In general, an ultrasonic motor is composed of a vibrator and a moving body (driven body), and functions in a state where the frictional contact portion of the vibrator is pressed against the moving body and pressurized. In this state, an elliptical motion is generated in the frictional contact portion of the vibrator, so that the frictional contact portion intermittently presses the moving body and sends the moving body in one direction. The moving speed of the moving body is controlled by changing the amplitude of the elliptical motion.
超音波モータでは動作特性が安定することが必要であり、そのためには振動子の楕円運動を被駆動体に伝達する振動子先端の摩擦接触部の材質、形状などの選定が特に重要となる。しかし従来は前記摩擦接触部の材質のみに配慮し、摩擦接触部の形状や構造自体には細かな注意が払われていない。前記接触部の耐摩耗性が優れていても、その形状によって動作特性が変動し、移動速度や推力の安定性、共振周波数の安定性がくずれてしまうことがある。 Ultrasonic motors need to have stable operating characteristics. For this purpose, selection of the material and shape of the frictional contact portion at the tip of the vibrator that transmits the elliptical motion of the vibrator to the driven body is particularly important. However, conventionally, only the material of the friction contact portion is considered, and detailed attention is not paid to the shape and structure of the friction contact portion. Even if the contact portion has excellent wear resistance, the operating characteristics may vary depending on its shape, and the movement speed, thrust stability, and resonance frequency stability may be impaired.
例えば、前記摩擦接触部を半球体で構成した場合、長期使用で前記半球体が摩耗すると、被駆動体との接触面積が当初の状態より増加して共振周波数が上昇し、速度低下や動作停止の事態をひき起こす。また、前記摩擦接触が角柱など稜部をもつ矩形体で構成した場合、稜部の接触でチッピングを起こすことがあり、かつ稜部の摩耗による初期動作が持続せず、寿命が短くなる。さらに、前記摩擦接触部の面積が大きすぎると、接触面の摩耗が全面均等にならず、動作性が悪くなり、逆に前記摩擦接触部の面積が小さすぎると、摩耗の進行が早く、短寿命となってしまう。 For example, when the frictional contact portion is composed of a hemisphere, if the hemisphere wears out after long-term use, the contact area with the driven body increases from the initial state, the resonance frequency increases, and the speed decreases or the operation stops. Cause the situation. Further, when the frictional contact is constituted by a rectangular body having a ridge such as a prism, chipping may occur due to the contact of the ridge, and the initial operation due to wear of the ridge is not maintained, resulting in a short life. Furthermore, if the area of the frictional contact portion is too large, the wear on the contact surface is not even and the operability is deteriorated. Conversely, if the area of the frictional contact portion is too small, the progress of wear is rapid and short. End of life.
特許文献1では、振動子先端の摩擦接触部にステンレス材などの摩耗に強い鋼材を使用し、被駆動体をアルミナセラミックス、ジルコニアセラミックスその他の耐摩耗性のセラミックス材で構成して接触部全体の耐摩耗性を高めた構成について記載しているが、同文献1の図2に見られるように振動子先端の接触部は半球体であり、前述したように接触摩耗による接触面積の変化が生じる。
In
また、特許文献2においても、振動子先端の押圧部材(摩擦接触部)の材質や表面粗さ、機械的強度など摩耗量低減についての対策がなされているものの、前記押圧部材の形状については言及されておらず、90°の稜部をもつ部材が図示されているのみである。特許文献3においても、摩擦部材をアルミナやアルミナと炭化チタンとの複合材料、ジルコニアなどで形成することで耐摩耗性を高めることが示されているものの、同文献3に図示された摩擦部材は半球体となっており、特許文献1と同様の問題がある。
Also in Patent Document 2, although measures are taken for reducing the amount of wear such as the material, surface roughness, mechanical strength of the pressing member (friction contact portion) at the tip of the vibrator, the shape of the pressing member is mentioned. Only members with 90 ° ridges are shown. Even in
従って、本発明は、振動子先端の摩擦接触部の形状により初期動作が持続して安定な速度、推力、安定な共振周波数が保たれ、安定した動作特性が長期にわたって得られる超音波モータ用振動子を提供することを課題とするものである。 Therefore, according to the present invention, the vibration for an ultrasonic motor that maintains the stable speed, thrust, and stable resonance frequency by the shape of the frictional contact portion at the tip of the vibrator, maintains a stable speed, thrust, and stable resonance frequency, and provides stable operating characteristics over a long period. The challenge is to provide a child.
本発明によれば、(1)被駆動体を摩擦接触で駆動する超音波モータ用振動子の摩擦接触部材において、振動子先端の接触子を前記被駆動体との摩擦接触で摩耗する際に軸方向に沿って横断面の外形と横断面積が同一の状態を保つピン形部材で構成したことを特徴とする超音波モータ用振動子摩擦接触部材が提供される。 According to the present invention, (1) in a frictional contact member of a vibrator for an ultrasonic motor that drives a driven body by frictional contact, when the contact at the tip of the vibrator is worn by frictional contact with the driven body. A vibrator frictional contact member for an ultrasonic motor, characterized in that it is constituted by a pin-shaped member that maintains the same cross sectional area and cross sectional area along the axial direction.
また、本発明によれば、(2)前記ピン形部材が、横断面が直径0.3mm以上、1.0mm以下の円形状で、かつ長さが0.3mm以上、2.0mm以下である前記(1)に記載の超音波モータ用振動子摩擦接触部材が提供される。 According to the invention, (2) the pin-shaped member has a circular shape with a cross section of a diameter of 0.3 mm or more and 1.0 mm or less, and a length of 0.3 mm or more and 2.0 mm or less. The vibrator frictional contact member for an ultrasonic motor according to (1) is provided.
また、本発明によれば、(3)前記ピン形部材が、横断面が1辺0.3mm以上、1.0mm以下で、長さ0.3mm以上、2.0mm以下の矩形状であり、前記矩形の稜部がR面取りされている前記(1)に記載の超音波モータ用振動子摩擦接触部材が提供される。 According to the present invention, (3) the pin-shaped member has a rectangular shape with a side cross-section of 0.3 mm to 1.0 mm and a length of 0.3 mm to 2.0 mm. The vibrator friction contact member for an ultrasonic motor according to (1), wherein the rectangular ridge portion is rounded.
また、本発明によれば、(4)前記ピン形部材が振動子先端部分のピン台に設けられ、前記ピン台が直径1mm以上の円柱形もしくは角柱形である前記(2)または(3)に記載の超音波モータ用振動子摩擦接触部材が提供される。 According to the present invention, (4) the pin-shaped member is provided on a pin base at the tip of the vibrator, and the pin base is a columnar or prismatic shape having a diameter of 1 mm or more. The vibrator friction contact member for ultrasonic motors described in 1) is provided.
さらに、本発明によれば、(5)前記(1)〜(4)のいずれかに記載の超音波モータ用振動子摩擦接触部材を備えた超音波モータ用振動子が提供される。 Furthermore, according to the present invention, there is provided (5) an ultrasonic motor vibrator comprising the ultrasonic motor vibrator frictional contact member according to any one of (1) to (4).
本発明によれば、超音波モータ用振動子における振動子先端の摩擦接触部が摩擦摩耗した後も、被駆動体との接触面積が一定となる形状とすることで、動作特性の安定した超音波モータ用振動子が実現できる。
また、摩擦接触部の稜部でのチッピングが起こらず、摩耗の進行や毀損が抑制され、寿命の長い超音波モータ用振動子が実現できる。
According to the present invention, even after the frictional contact portion at the tip of the vibrator in the ultrasonic motor vibrator is frictionally worn, the shape in which the contact area with the driven body is constant makes it possible to achieve super stable operation characteristics. A vibrator for a sonic motor can be realized.
Further, chipping at the ridge portion of the frictional contact portion does not occur, progress of wear and damage are suppressed, and an ultrasonic motor vibrator having a long life can be realized.
次に、本発明を、図面を参照しながら実施形態に係る超音波モータについて説明する。図4は本発明が適用される超音波モータの作動原理を模型的に示した図である。この超音波モータは振動子1とスライダ(被駆動体)2を含み、振動子1は圧電振動素子で構成され、この側面に設けた電極(図示省略)を印加することにより、伸縮動作と屈曲動作が同時に生成され、その組み合せにより、少なくともその一部が、特に被駆動体2と摩擦接触する振動子先端部が楕円運動を行って被駆動体2を間欠的に移動動作させる。例えば、図4(A)中のp点(振動子の左端面の中心点)は、(a)〜(d)の4つの状態を経て同図(B)に示す軌跡を描く。図中、xは振動子の長手方向軸線、yは振動子の上下側面1aに垂直な軸線である。
Next, the ultrasonic motor according to the embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 4 is a diagram schematically showing the operating principle of an ultrasonic motor to which the present invention is applied. This ultrasonic motor includes a
振動子1の楕円運動している先端部分には、摩擦接触子3が固着(接着)されている。振動子1の楕円運動は摩擦接触子3を介して被駆動体2に伝達され、被駆動体2を動かす駆動力となる。図4の例では、この楕円運動の反復により被駆動体2はガイド4に沿って下方へと送られる。また、被駆動2を円環状にすれば、ガイド4のまわりの回転運動を生じさせることも可能である。なお、楕円運動の大きさは前記圧電振動素子1の電極への入力電圧によって制御される。
A
次に、本発明を各種の実施例について具体的に説明する。 Next, the present invention will be specifically described with reference to various examples.
図1は本発明の実施例1による超音波モータ用振動子の平面図(A)および側面図(B)、図2は図1に示す振動子先端の摩擦接触子(ピン形部材)6およびピン台5を示す拡大斜視図であり、使用継続により同図の(a)から(c)へとピン形部材6の摩耗が進行していく状態を示している。図1のように振動子1の先端部にはピン台5が設けられ、さらにこのピン台5の上面に、被駆動体と摩擦接触するピン形部材6が設けられている。
FIG. 1 is a plan view (A) and a side view (B) of a vibrator for an ultrasonic motor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a friction contact (pin-shaped member) 6 at the tip of the vibrator shown in FIG. It is an expansion perspective view which shows the
実施例1のピン形部材6は横断面が軸方向に沿って同一の外径を成す円柱形に形成されている。したがって、被駆動体との摩擦接触でピン形部材6が摩耗して図2に示すように初期状態(a)から(b)、(c)へと摩耗が進んでいっても、長さが減少するだけで被駆動体との接触面積は変わらず、これにより、初期動作が持続して安定した速度、推力、共振周波数が保たれる。なお、ピン台5に設けるピン形部材6は接着手段によってピン台5に固着してもよいし、ピン台5と一体に形成してもよい。
The pin-shaped
図5は振動子先端の摩擦接触子3を半球体で構成した従来例の振動子の摩耗進行状態を示した平面図である。初期状態(a)から(b)、(c)へと摩耗が進むにつれて被駆動体との接触部3aの面積は平坦状に増大していき、それにつれて共振周波数が上昇し、速度が次第に遅くなり、最終的には停止するに至る。
FIG. 5 is a plan view showing a state of progress of wear of a conventional vibrator in which the
本発明に係る実施例1の円柱形のピン形部材6はピン直径が0.3mm以上、1.0mm以下であり、好ましくは、0.5mm以上、0.8mm以下がよい。ピン形部材6の直径が1mmを超えると接触面が大きすぎてピン先端の摩耗が全面均等にならず、動作性が悪くなる。また、ピン直径が0.3mmより小さくなると、摩耗の進行が早く、寿命が短くなる。
The cylindrical pin-shaped
ピン形部材6の長さは0.3mm以上、2mm以下が好ましい。長さが2mmを超えると、ピンの根元にかかる応力でピン形部材6の破壊が起こり易くなると共に、ピン自身の振動が発生し、超音波モータの位置決め精度が低下する。
また、ピン形部材6の横断面を円形状とすることにより、被駆動体に対する接触の方向性がなくなり、セッティングの自由度が高くなり、量産性にも優れる。
The length of the pin-shaped
Moreover, by making the cross-section of the pin-shaped
実施例1では、図1のようにピン形部材6が固着されたピン台5はその横断面が直径1mm以上の円形状に構成されている。ピン台5の直径が1mm以下になると、振動子1との接着面の曲げ応力により、ピン台5が振動子1に対して脱落し易くなる。
In the first embodiment, the
図3は本発明の実施例2による超音波モータ用振動子の平面図(A)および側面図(B)である。この場合は、振動子先端部分のピン台5はその横断面が矩形状に形成されている。一例として矩形状ピン台の短辺の長さが2mm、長辺の長さが3mmである。なお、矩形状ピン台5はその横断面が正方形であってもよい。この場合、正方形断面の一辺の長さは円柱形のピン台と同様に1mm以上とするのがよい。
FIG. 3 is a plan view (A) and a side view (B) of the ultrasonic motor transducer according to the second embodiment of the present invention. In this case, the pin table 5 at the tip of the vibrator has a rectangular cross section. As an example, the rectangular pin base has a short side length of 2 mm and a long side length of 3 mm. The
ピン形部材はその横断面が矩形状の角柱であってもよい。図6は角柱形のピン形部材7の拡大平面図であり、この場合、角柱の4側部7aの稜部がR面取りが施されている。この実施例における角柱の一辺の長さは前述した円柱形のピン形部材の直径と大略同じでよい。また、角柱形の場合もピン長さは2mm以下が好ましい。角柱の稜部にR面取りがなされない場合は、摩擦接触中に稜部でチッピングが起こり、この部分で摩耗が加速され、初期動作が維持されず、寿命が短くなるが、稜部のR面取りにより、このような問題は起こらなくなることが確認された。
The pin-shaped member may be a prism having a rectangular cross section. FIG. 6 is an enlarged plan view of the prismatic pin-shaped
図7は被駆動体の移動が進んでいった場合の共振周波数の変化を、本発明による摩擦接触子と従来の摩擦接触子とで比較して示した図である。図中、aは従来の半径2mmの半球体の摩擦接触子の場合、bは従来の半径2mmの円柱体を中心で軸方向に沿って分割して所定長さの半円柱とした摩擦接触子の場合であり、cは本発明による直径0.8mmの横断面の等しい円柱のピン形部材の接触子である。なお、前記半円柱の場合は円柱の分割面を振動子の先端部に固着している。また、この例では振動子側の接触子および被駆動体を部分安定化ジルコニアで形成した。この図からも分るように、半球体の場合は移動距離1000mあたりから、半円柱の場合は、移動距離500mあたりから急激に共振周波数が上昇するのに対し、本発明の横断面積一定の円柱ピン形部材では略全移動範囲にわたって共振周波数が概ね一定化し、超音波モータの動作特性が安定している。 FIG. 7 is a diagram showing a change in the resonance frequency when the movement of the driven body proceeds, comparing the friction contact according to the present invention and the conventional friction contact. In the figure, a is a conventional hemispherical friction contact having a radius of 2 mm, and b is a conventional friction contact having a predetermined length of a cylindrical body having a radius of 2 mm divided along the axial direction. And c is a contact of a cylindrical pin-shaped member having a transverse cross section with a diameter of 0.8 mm according to the present invention. In the case of the semi-cylinder, the divided surface of the cylinder is fixed to the tip of the vibrator. In this example, the vibrator side contactor and driven body are formed of partially stabilized zirconia. As can be seen from this figure, the resonance frequency suddenly increases from around 1000 m in the case of a hemisphere and from around 500 m in the case of a semi-cylinder, whereas the cylinder with a constant cross-sectional area according to the present invention. In the pin-shaped member, the resonance frequency is substantially constant over substantially the entire movement range, and the operating characteristics of the ultrasonic motor are stable.
本発明におけるピン形部材の材質としては、各種のアルミナセラミックその他の耐摩耗性部材が採用可能である。一例を挙げると、エンジニアリングプラスチック、特にPPSを使用した場合、被駆動体は部分安定化ジルコニアもしくは96%以上のアルミナが望ましい。また、ピン形部材の材質にセラミックを選択した場合は、ピン形部材を部分安定化ジルコニアとし、被駆動体側は96%以上のアルミナとするのが望ましい。 As the material of the pin-shaped member in the present invention, various types of alumina ceramics and other wear-resistant members can be employed. For example, when an engineering plastic, particularly PPS is used, the driven body is preferably partially stabilized zirconia or 96% alumina or more. Further, when ceramic is selected as the material of the pin-shaped member, it is desirable that the pin-shaped member is partially stabilized zirconia and the driven body side is 96% or more alumina.
1 振動子
2 被駆動体(スライダ)
5 ピン台
6 円柱形のピン形部材
7 角柱形のピン形部材
1 vibrator 2 driven body (slider)
5
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