JP2011217569A

JP2011217569A - ケースユニットおよびケースユニットによる超音波モータの設置方法

Info

Publication number: JP2011217569A
Application number: JP2010085459A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Tateyama; 雄一館山
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】設置後の予圧調整の必要をなくし格段に作業性を向上できる超音波モータ用のケースユニットを提供する。
【解決手段】ケースユニット１００は、被駆動体に当接される超音波モータ２００に用いられ、駆動子２１０を一体に保持する内部ケース２３０に対して、押圧力を与える外部ケース２４０に装着可能であり、外部ケース２４０に固着されたとき、押圧力に対抗して内部ケース２３０を外部ケース２４０に仮止め可能である。したがって、仮止めの際に内部ケース２３０にかかる押圧力を確定させておき、超音波モータ２００を所定の位置に設置し、仮止めを外すことで容易に駆動子２１０を被駆動体に当接させことができる。その結果、超音波モータ２００の設置後に予圧調整を行う必要がなくなり格段に作業性が向上する。また、超音波モータ２００の設置前に駆動子２１０の脱落を防止することができる。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、超音波モータのケースユニットおよびケースユニットによる超音波モータの設置方法に関する。

従来、矩形板状の圧電素子を駆動させる超音波モータが知られており、スライダやステ
ージ等を駆動させる駆動機構に用いられている。そのような超音波モータでは圧電素子がケースに保持された構造を有している。

そのような超音波モータについてＬ１Ｂ２モードで駆動される矩形板状の圧電アクチュエータを保持するアクチュエータケースについても提案がなされている（たとえば、特許文献1参照）。特許文献１記載のアクチュエータケースでは、第1ケース部が圧電アクチュエータを直接に把持しており、第2ケース部は、第1ケース部を嵌挿保持している。
そして、円柱形状で第1ケース部の側壁部に取り付けられたコマを具備し、第1ケース部の側壁部を圧電アクチュエータに押し付け、圧電アクチュエータは側壁部を介して外壁部を押しつけている。このときコマの側面が外壁部と接触することで、圧電アクチュエータの厚さ方向でのぶれを抑制している。上記の機構では、圧電素子の被駆動体との当接側とは逆の側からバネにより押圧力が掛けられている。

特開２００８−１８７７５６号公報

しかしながら、上記のような予圧機構では、スライダのような被駆動体に圧電素子を当接させた後、第２ケース部の外底壁部（第２ケース部を押圧する部分）の後側から被駆動体に向かって押圧するためのバネ調整用のネジを締めたり緩めたりすることで予圧を調整するか、直接の押し付けにより予圧を調整するしかなく、それらの作業は困難かつ煩雑である。特に、あらかじめケースから出ている圧電素子を押し付け、バネを押し縮めながら超音波モータを設置するのは困難である。又、バネ調整用のネジを締めたり緩めたりする予圧の調整ではミリオーダーの違いで予圧の大きさが変わるので、予圧調整の度に予圧の大きさが異なることになり、圧電素子の被駆動体との当接側とは逆の側からバネにより予圧を掛ける度に駆動試験を何度も繰り返して、正常に駆動しているかを確認する必要があった。結果として１台の超音波モータを被駆動体に当接して、適切な予圧を掛けるには調整時間にかなりの時間を要することになった。更に、圧電アクチュエータを所定位置に取り付ける前の搬送時等にケースが外に飛び出すこともあり、取り扱いが不便である。このように圧電アクチュエータの設置には困難が伴う。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、超音波モータを設置した後の予圧調整を不要にし、格段に作業性を向上できる超音波モータのケースユニットおよびケースユニットによる超音波モータの設置方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は駆動子を保持する内部ケースと、前記内部ケースに押圧力を与える外部ケースと、前記内部ケースに与えられる押圧力を調整するコイルバネと、前記外部ケースを覆うように装着される外部カバーからなり、前記外部カバーが有する孔から柱状体を挿通し、前記柱状体の先と前記外部ケースを接することによって前記内部ケースを前記外部ケース内の設定した位置に仮止めすることを特徴としている。ここで、押圧力とは前記コイルバネによって前記内部ケース底面に加えられる力のことを指す。また、予圧力とは前記コイルバネによって、被駆動体が前記駆動子の先端に接着されている摺動チップから与えられる力のことを指す。

このように本発明は、押圧力に対抗して内部ケースを外部ケース内の設定した位置に仮止めすることができる。したがって、仮止めの際に内部ケースにかかる押圧力を確定させておき、超音波モータを所定の位置に設置し、仮止めを外すことで容易に駆動子を被駆動体に当接させることができる。その結果、超音波モータの設置後に予圧調整を行う必要がなくなり、格段に作業性が向上する。また、超音波モータの設置前の搬送時等において駆動子の脱落を防止することができる。

また、本発明は、駆動子を保持する内部ケースと、前記内部ケースに押圧力を与える外部ケースと、前記内部ケースに与えられる押圧力を調整するコイルバネで構成される超音波モータを覆うように外部カバーを装着するステップと、前記外部カバーが有する孔から柱状体を挿通し、前記柱状体の先と前記外部ケースを接することによって前記内部ケースを前記外部ケースに仮止めするステップと、前記柱状体の先と前記外部ケースを離間することにより被駆動体に前記駆動子の先端の摺動チップを当接するステップからなることを特徴としている。

このように本発明は、外部カバーの貫通孔に柱状体が挿通されて、柱状体の先が外部ケースと接することによって、内部ケースを外部ケース内に仮止めすることができる。これにより、外部カバーから外部ケースへの柱状体の接触および抜出しにより、容易に内部ケースを外部ケースに仮止めすることができる。

更に本発明は、仮止めの際に内部ケースにかかる押圧力を確定させておき、超音波モータを所定位置に設置し、仮止めを外すことで容易に圧電素子を被駆動体に当接させることができる。その結果、超音波モータの設置後に予圧調整を行う必要がなくなり格段に作業性が向上する。また、超音波モータの設置前の搬送時等において駆動子の脱落を防止することができる。

本発明によれば、超音波モータを設置した後の予圧調整を不要にすることができるので、格段に作業性を向上できる上に、超音波モータの設置時間が大幅に短縮できる。また、外部ケースの設置前の搬送時等において圧電素子の脱落を防止することが出来る。

外部カバーおよび超音波モータの分解斜視図である。外部カバーと超音波モータを取り付けたケースユニットの斜視図である。ケースユニットの正面図である。ケースユニットの上面図である。ケースユニットの側面図である。柱状体を取り外したケースユニットの背面図である。超音波モータの底面図である。仮止め時のＧ−Ｇ’線で切断した時の被駆動体と超音波モータの断面図である。仮止めを外した時のＧ−Ｇ’線で切断した時の被駆動体と超音波モータの断面図である。仮止め時の超音波モータの摺動チップと被駆動体の位置関係を示す図である。仮止め時の超音波モータの柱状体と外部ケースの位置関係を示す図である。仮止めを外した時の超音波モータの摺動チップと被駆動体の位置関係を示す図である。仮止めを外した時の超音波モータの柱状体と外部ケースの位置関係を示す図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１Ａは外部カバーおよび超音波モータの分解斜視図である。そして図１Ｂは外部カバーに超音波モータを取り付けたケースユニット２５０の斜視図である。本発明のケースユニット２５０は外部カバー１００に超音波モータ２００を取り付けたものである。そして図１Ａは、外部カバー１００を超音波モータ２００から外している状態、図１Ｂは、外部カバー１００を超音波モータ２００に取り付け、仮止めしている状態を示している。

また、図２Ａ〜図２Ｄは、それぞれケースユニットの正面図、上面図、側面図、柱状体を取り外したケースユニットの背面図を示し、超音波モータ２００が外部カバー１００により仮止めされている状態を示している。そして図２Ａ中の矢印２Ｂ、図２Ｂ中の矢印２Ｃ、図２Ｃ中の矢印２Ｄは、それぞれの方向から見た図面が図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄに対応することを示している。例えば、図２Ａにおける矢印２Ｂは矢印の方角から見ると図２Ｂの図に該当することを示す。同様に図２Ｂにおける矢印２Ｃは矢印の方角から見ると図２Ｃの図に該当することを示す。又、図２Ｃにおける矢印２Ｄは矢印の方角から見ると図２Ｄの図に該当することを示す。

（外部カバー）
図４は図２Ｃに示す仮止め時のＧ−Ｇ’線で切断した時の被駆動体と超音波モータの断面図である。ここで、外部カバー１００は、本体部１１０、爪部１１１および柱状体１２０を備えている。本体部１１０は直方体の内部をくりぬいた形に形成されており、正面に切欠き１１３、背面に柱状体挿通用の貫通孔１１５を有している。切欠き１１３は、外部カバー１００を外部ケース２４０に装着させたときに、摺動チップ２１５の突出を阻害しないよう切り抜かれて形成されている。爪部１１１は、仮止め時に内部ケース２３０の当接面２３１と接触する外部カバー１００の接触部分である。外部カバー１００は、前記爪部１１１で、内部ケース２３０からの押圧力に対抗して内部ケース２３０を外部ケース２４０に仮止めして超音波モータ２００を所定位置に固着するため、ステンレスなどの比較的固い材質で形成されていることが好ましい。尚、この仮止めにより超音波モータ２００（内部ケース２３０と外部ケース２４０からなる）を固着する位置は仕様に応じて自由に設定できる。

柱状体挿通用の貫通穴１１５は、本体部１１０を外部ケース２４０に装着させた状態で、柱状体１２０を挿通させるための孔である。したがって、孔の大きさは柱状体１２０の外径より少し大きい程度であり、柱状体１２０の挿通および抜き出しが容易で、かつ柱状体１２０の位置がずれない程度にフィットする大きさであることが好ましい。

柱状体挿通用の貫通孔１１５に挿通させた柱状体１２０における柱体部１２６の先を外部ケース２４０の背面に当接させることで、外部カバー１００と内部ケース２３０を予め設定した仮止め位置に固着させることができるので、内部ケース２３０を外部ケース２４０内の設定した位置に仮止めできる。ここで、柱状体１２０を貫通孔１１５より抜き出し、柱体部１２６の先と外部ケース２４０への当接を外すことで、外部カバー１００と外部ケース２４０の固着が外れ、予め確定されている予圧を被駆動体３００に掛けることができる。この際、柱状体１２０は外部カバー１００より抜いてしまっても構わないし、そのまま挿通させておいても構わない。

このようにして、外部カバー１００は外部ケース２４０の背面に柱体部１２６の先が当接されることで、予め設定した位置に固着されたとき、押圧力に対抗して内部ケース２３０を外部ケース２４０内の設定した位置に仮止めできる。この時、外部ケース２４０は、ネジ止め穴２０１にてネジ止めすることにより一定の位置に継続して止まっているので、内部ケース２３０も同様に一定の位置に止めることができる。したがって、仮止めの際に内部ケース２３０にかかる押圧力を確定させておき、超音波モータ２００を所定位置に設置し、仮止めを外す（外部ケース２４０の背面と柱体部１２６の先の当接を外す）ことで容易に圧電素子からなる駆動子２１０の端面中央付近に接着された摺動チップ２１５を被駆動体３００に当接させることができる。ここで、外部ケース２４０から内部ケース２３０にかかる押圧力は、コイルバネ２３５の弾性定数を変えることで決定できる。その結果、超音波モータ２００を設定した位置に設置後に予圧調整を行う必要がなくなり格段に作業性が向上する。また、内部ケース２３０を外部ケース２４０内の設定した位置に仮止めすることにより、超音波モータ２００の設置前の搬送時等において駆動子２１０の脱落を防止することができる。

柱状体１２０は、ボルト形状に形成されており、頭部１２５および柱体部１２６を有している。柱体部１２６は、外部カバー１００を外部ケース２４０に安定して確実に固着させるため、柱体部１２６および貫通孔１１５に互いに係合するネジ山が切られていることが望ましい。

（超音波モータ）
超音波モータ２００は、駆動子２１０、内部ケース２３０、外部ケース２４０を有している。駆動子２１０は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス等の材料で構成された矩形の圧電素子であり、その厚さ方向（駆動子２１０に摺動チップ２１５が接着されている面が厚さに相当する）に分極されている。ただし、駆動子２１０はこれに限らず、様々な材料及び形状の圧電素子を用いることができる。図示しないが、駆動電極および共通電極は、例えば、圧電体に銀ペーストを塗布し、焼成することによって形成される。駆動子２１０は、交流電圧の印加により駆動し、主面に平行な面内の方向に楕円運動する。また駆動子２１０は、駆動モードに限らず使うことができるものである。また、駆動子２１０は、摺動チップ２１５を有し、この摺動チップ２１５を介してスライダ等の被駆動体３００に当接することで被駆動体３００を駆動する。摺動チップ２１５には、アルミナや窒化珪素、炭化珪素等の耐摩耗性に優れる材料が好適に用いられ、これらは接着力の強いエポキシ樹脂接着剤等を用いて圧電素子に固定されている。

内部ケース２３０は、駆動子２１０を一体に保持する。内部ケース２３０は、凹形状に形成されており、所定箇所で駆動子２１０を挟み固定することで把持している。内部ケース２３０は駆動子２１０に直接接触するため、比較的柔らかい材質で形成されていることが好ましく、また駆動子２１０とともに運動するため、軽い材質で形成されていることが好ましい。

また、内部ケース２３０は、駆動子２１０の温度上昇および駆動子２１０からの熱伝導による内部ケース２３０自体の温度上昇に耐える材質により形成されていることが好ましく、超音波モータ２００の振動に対して耐久性のある樹脂材料、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）や、ＰＩ（ポリイミド）などのエンジニアリングプラスチックが好適に用いられる。特に好適なのは、セラゾール（ポリベンゾイミダゾール）である。

外部ケース２４０は、直方体状で一端に開口部を有する中空に形成されており、駆動子２１０を内部ケース２３０ごと収容する。外部ケース２４０には、アルミニウムやステンレス等の金属材料あるいは樹脂材料が好適に用いられる。外部ケース２４０は、内部にコイルバネ２３５を有しており、コイルバネ２３５は内部ケース２３０を被駆動体３００側に押圧している。外部ケース２４０の内部の構成については後述する。

（予圧調整方法および超音波モータの設置方法）
次に、外部カバー１００を用いた予圧調整方法および超音波モータ２００の設置方法を説明する。あらかじめ、外部ケース２４０から被駆動体３００の方向に押圧力が与えられている内部ケース２３０を外部ケース２４０内に収容しておく。

まず、駆動子２１０を内部ケース２３０に収容し所定位置に把持、固定する。そして、コイルバネ２３５の弾性定数を変えることで外部ケース２４０から内部ケース２３０にかかる押圧力を決定する。次に、外部カバー１００の本体部１１０を、外部ケース２４０を覆うように装着する。そして、柱状体１２０を貫通孔１１５に挿通させ、柱状体１２０における柱体部１２６の先が外部ケース２４０の背面に接することで、内部ケース２３０の外部ケース２４０からの押圧力を押さえ込みつつ設定した位置に仮止めする。このようにして、予圧力を調整した超音波モータ２００を被駆動体３００に対する所定の設定位置に設置する。その後、柱状体１２０における柱体部１２６の先を外部ケース２４０の背面に当接している状態から外して抜き出すことにより、爪部１１１による内部ケース２４０の当接面２３１への押さえ込みが外れて、内部ケース２３０の外部ケース２４０からの押圧力が解放され、駆動子２１０の摺動チップ２１５が被駆動体３００に当接される。このようにして、予圧調整および超音波モータ２００の設置を行う。図４は、仮止め時のＧ−Ｇ’線で切断した時の被駆動体３００と超音波モータ２００の断面図であり、図４中のＴ１は、被駆動体３００に駆動子２１０の端面の摺動チップ２１５が当接される時の位置、Ｔ２は、内部ケース２３０が外部ケース２４０内の設定した位置に仮止めがなされている状態でのα点の位置を示している。ここでα点とは、摺動チップ２１５の先端部を示している。また、Ｌ１は、内部ケース２３０が外部ケース２４０内の設定した位置に仮止めがなされている状態での外部ケース２４０の背面と柱状体１２０における柱体部１２６の先が当接する面の位置、Ｌ２は、内部ケース２３０が外部ケース２４０内の設定した位置に仮止めがなされている状態での、外部カバー１００の背面側における内側の面を示している。これらＴ１、Ｔ２、Ｌ１、Ｌ２はＹ軸方向に見たときの夫々の位置を示す。そして図６Ａは、仮止めがなされている状態での超音波モータ２００の摺動チップ２１５と被駆動体３００の位置関係、図６Ｂは、仮止め時の超音波モータの柱状体と外部ケースの位置関係を示す図であり、より具体的には仮止めがなされている状態での外部ケース２４０の背面と外部カバー１００の内側の面と柱状体１２０の位置関係を、それぞれ示している。又、図５は、仮止めを外した時のＧ−Ｇ’線で切断した時の被駆動体３００と超音波モータ２００の断面図であり、図５中のＴ１は、先に説明したように被駆動体３００に駆動子２１０の端面の摺動チップ２１５が当接される時の位置を示している。そして図７Ａは、仮止めを外した状態での超音波モータ２００の摺動チップ２１５と被駆動体３００の位置関係、図７Ｂは、仮止めを外した時の超音波モータの柱状体と外部ケースの位置関係を示す図であり、より具体的には仮止めを外した状態での外部ケース２４０の背面と外部カバー１００の内側の面と柱状体１２０の位置関係をそれぞれ示している。図７Ｂに示すように、内部ケース２３０の仮止めを外すことによって、外部カバー１００の背面側における内側の面は仮止め時のＬ２の位置からＬ１の位置に移動し、α点は仮止め時のＴ２の位置からＴ１の位置に移動して、摺動チップ２１５は被駆動体３００に当接する。この際、外部カバー１００の背面側における内側の面およびα点の移動は、それぞれの図中のＹ軸に対し平行になされている。なお、α点を被駆動体３００に確実に当接させるために、Ｌ１とＬ２間の幅は、Ｔ１とＴ２間の幅よりもマージンをとり、数ｍｍ程広くしておく方が好ましい。

（内部構造）
次に、外部ケース２４０の内部構造を図１、図４、図５にて説明する。

超音波モータ２００は、スライド自在に配置された被駆動体３００に当接され、超音波モータ２００の駆動により被駆動体３００はスライドされる。駆動子２１０には圧電素子が用いられる。駆動子２１０は、一方の主面に設けられた２つの駆動電極（図示せず）と、他方の主面に設けられた共通電極（図示せず）とを有している。そして、駆動子２１０における外部ケース２４０の開口側には、被駆動体３００に当接する摺動チップ２１５が設けられている。

内部ケース２３０は、駆動子２１０の側面の一部を把持するための把持部２３２を有している。把持部２３２は摺動子２１０の変形の対称性を考慮し、駆動子２１０の各側面の中心を把持する位置に設けることが好ましい。なお、「把持」とは、対象物を厚み方向（図４の紙面に対して垂直な方向）に挟み込んで保持することをいう。但し、挟み込んだ状態において、把持部２３２と摺動子２１０の接触面を接着剤で接着することを除外するものではない。コイルバネ２３５は、駆動子２１０の主面に平行な面内において内部ケース２３０を被駆動体３００への当接方向（Ｙ軸方向）へ押圧している。一方、板バネ２３３は、駆動子２１０の主面に平行な面内において上記の当接方向に直交する方向（Ｘ軸方向）に内部ケース２３０を押圧している。

板バネ２３３、コイルバネ２３５は、外部ケース２４０の本体と内部ケース２３０との間に配設される。図示していないが、外部ケース２４０の内側壁および内底壁には、板バネ２３３およびコイルバネ２３５を配置するための凹部が形成されている。板バネ２３３およびコイルバネ２３５は、把持部２３２からの距離が等しい位置に配置されていることが好ましく、これにより、把持部２３２が駆動子２１０を安定して把持して、内部ケース２３０を介して駆動子２１０を押圧することができる。

又、外部カバー１００を用いれば、摺動チップ２１５を被駆動体３００に当接することと、外部カバー１００と超音波モータ２００を設定した位置に仮止めすることを極めて簡便にすることが容易である。そして、コイルバネ２３５の弾性定数を変更することで押圧力が調整できるので、予圧調整も容易である。したがって、コイルバネ２３５の伸縮を調節するための調節ネジ等は必要ではないが、後で微調整が可能なように外部ケース２４０の内底壁部に凹部を設けておいて、コイルバネ２３５の取り外しを容易にすることが好ましい。

駆動子２１０は、被駆動体３００への当接方向に変形するため、駆動子２１０の被駆動体３００への当接方向の変位を妨げないようにしなくてはならない。したがって、内部ケース２３０の材質を樹脂製にするなどして、内部ケース２３０が外部ケース２４０に対して動摩擦力により動作を阻害しないように連動して滑る状態にしておかなければならない。

１００外部カバー
１１０本体部
１１１爪部
１１３切欠き
１１５貫通孔
１１６ネジ止め孔
１２０柱状体
１２５頭部
１２６柱体部
２００超音波モータ
２０１ネジ止め穴
２１０駆動子
２１５摺動チップ
２３０内部ケース
２３１当接面
２３２把持部
２３３板バネ
２３５コイルバネ
２４０外部ケース
２４１ネジ止め孔
２５０ケースユニット
３００被駆動体

Claims

駆動子を保持する内部ケースと、前記内部ケースに押圧力を与える外部ケースと、前記内部ケースに与えられる押圧力を調整するコイルバネと、前記外部ケースを覆うように装着される外部カバーからなり、前記外部カバーが有する孔から柱状体を挿通し、前記柱状体の先と前記外部ケースを接することによって前記内部ケースを前記外部ケース内の設定した位置に仮止めすることを特徴とするケースユニット。
駆動子を保持する内部ケースと、前記内部ケースに押圧力を与える外部ケースと、前記内部ケースに与えられる押圧力を調整するコイルバネで構成される超音波モータを覆うように外部カバーを装着するステップと、前記外部カバーが有する孔から柱状体を挿通し、前記柱状体の先と前記外部ケースを接することによって前記内部ケースを前記外部ケースに仮止めするステップと、前記柱状体の先と前記外部ケースを離間することにより被駆動体に前記駆動子の先端の摺動チップを当接するステップからなることを特徴とするケースユニットによる超音波モータの設置方法。