JP2011254587A

JP2011254587A - 振動型駆動装置

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Publication number: JP2011254587A
Application number: JP2010124911A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Kojima; 信行小島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: JP5669444B2

Abstract

【課題】振動子の支持部に設けられた固定部からの振動エネルギーの消費を抑制し、出力及び効率の向上を図ることが可能となる振動型駆動装置を提供する。
【解決手段】少なくとも電気−機械エネルギー変換素子と、電気−機械エネルギー変換素子が接合され接触部が形成された略矩形状の弾性振動体とを有し、接触部に楕円運動が生成可能に構成された振動子と、
振動子の接触部と加圧接触し楕円運動によって相対移動する被駆動体と、を有する振動型駆動装置であって、
振動子は、略矩形状の弾性振動体におけるいずれか一方の対向する両側面側から対称形状に延出する支持部を有し、
支持部には、振動子を保持固定する振動子保持部と接合させるための固定部と、固定部と弾性振動体とを結合させるための連結部と、固定部の振動変位を抑制する振動変位抑制部と、が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波モータ等と称される振動型駆動装置に関する。

電気−機械変換素子を用いた振動子で被駆動体を駆動する振動型駆動装置として、例えば金属弾性部材から形成される振動板と圧電素子を接着等により一体化した振動子を用いるものがある（例えば特許文献１）。
この振動型駆動装置における振動子には、振動子の側方に延出するように２つの支持部が形成されている。
そして、この支持部には振動子を保持固定するための振動子保持部と接合させる固定部が設けられている。

特開２００５−３５４７８７号公報

ところで、振動子を用いた振動型駆動装置の出力及び効率は、振動子に生じる振動エネルギーの被駆動体との相対運動への変換効率に依存する。
その際、振動子の振動エネルギーが消費される一因として、振動子に生じる振動エネルギーが被駆動体に伝達する際に、その振動エネルギーの一部が振動子の支持部に設けられた固定部に集中することによる場合がある。
すなわち、このような振動子の支持部に設けられた固定部からの振動エネルギーの消費量あるいは割合が、振動型駆動装置の性能に直接影響を及ぼすこととなる。
そのため、振動型駆動装置の性能の向上を図るためには、振動子の支持部に設けられた固定部からの振動エネルギーの消費を抑制することが必要となる。

本発明は、上記課題に鑑み、振動子の支持部に設けられた固定部からの振動エネルギーの消費を抑制し、出力及び効率の向上を図ることが可能となる振動型駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の振動型駆動装置は、少なくとも電気−機械エネルギー変換素子と、前記電気−機械エネルギー変換素子が接合され接触部が形成された略矩形状の弾性振動体とを有し、前記接触部に楕円運動が生成可能に構成された振動子と、
前記振動子の接触部と加圧接触し前記楕円運動によって相対移動する被駆動体と、を有する振動型駆動装置であって、
前記振動子は、前記略矩形状の弾性振動体におけるいずれか一方の対向する両側面側から対称形状に延出する支持部を有し、
前記支持部には、振動子を保持固定する振動子保持部と接合させるための固定部と、該固定部と弾性振動体とを結合させるための連結部と、該固定部の振動変位を抑制する振動変位抑制部と、
が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、振動子の支持部に設けられた固定部からの振動エネルギーの消費を抑制し、出力及び効率の向上を図ることが可能となる振動型駆動装置を実現することができる。

本発明の実施形態及び実施例１における振動型駆動装置の構成を説明する斜視図。本発明の実施形態及び実施例１における振動型駆動装置の振動子の構成を説明する平面図。本発明の実施例１における振動子の振動モードを表わす斜視図。本発明の実施例１における別の形態による振動型駆動装置の構成例を説明する平面図。本発明の実施例２における振動型駆動装置の振動板の構成を説明する平面図。本発明の実施例２における振動子の振動モードを表わす斜視図。本発明の振動変位抑制部を設けない振動体の振動モードを表わす斜視図。

本発明の実施形態における振動型駆動装置の構成例を、図１、図２を参照して説明する。
本実施形態の振動型駆動装置は、少なくとも電気−機械エネルギー変換素子１３と、前記電気−機械エネルギー変換素子が接合され接触部１２が形成された略矩形状の弾性振動体１１とを有し、前記接触部１２に楕円運動が生成可能に構成された振動子１を備える。
また、振動子１の接触部１２と加圧接触し前記楕円運動によって相対移動する被駆動体３と、を備える。
振動子１は、前記略矩形状の弾性振動体１１におけるいずれか一方の対向する両側面側から対称形状に延出する支持部を有している。
そして、支持部には、振動子１を保持固定する振動子保持部２と接合させるための固定部１１−Ｂと、該固定部１１−Ｂと弾性振動体１１とを結合させるための連結部１１−Ｃ、１１−Ｄが形成されている。
さらに、固定部１１−Ｂから弾性振動体１１に向けて張り出された固定部の振動変位を抑制する振動変位抑制部（本発明においては張り出し部ともいう）１１−Ｅが形成されている。
このような張り出し部１１−Ｅとして、固定部に比して大きな振動変位を生じさせ、振動変位抑制部として機能する張り出し部を構成することによって、張り出し部１１−Ｅに振動エネルギーを蓄えさせ、固定部１１−Ｂへの振動エネルギーの集中を避けることができる。
このような構成とすることより、固定部の振動変位を抑制し、固定部からのエネルギーの消散を防ぐことが可能となる。
その際、連結部は対称面の法線方向に対して一定の角度が与えられていることが望ましい。これにより振動部と固定部とを連結する連結部の長さを稼ぐことができ、固定部への振動エネルギーの伝搬を更に低減することができる。
また、連結部の少なくとも一部は、固定部１１−Ｂ及び張出し部１１−Ｅより薄く形成されていることが望ましい。これにより、連結部の剛性を下げることができ、固定部への振動エネルギーの伝搬を更に低減することが可能となる。
また、前記楕円運動を生成するため、弾性振動体１１に２つの異なる形状の面外曲げ振動モードを励振し、これら振動モードの合成振動により弾性振動体１１の表面に設けた接触部を介して被駆動体との相対運動を行うように構成することが望ましい。これにより、特に振動形態に適応する支持部を形成することができ、薄型且つ小型で振動エネルギー効率に優れる振動子を実現することができる。
本発明において、振動変位抑制部（張り出し部）の形状、大きさ、質量については、他の振動特性、加工上、コスト上の問題がなければ特に制約はない。例えば、板状（方形、円形）、棒状、ブロック状の形状を採用することができる。また質量調整等を行う為に必要に応じて振動変位抑制部（張り出し部）に孔、又は溝を設けることもできる。

本発明において振動変位抑制部（張り出し部）は以下の手順により容易に設計することができる。
（１）接触部の振動変位量を測定する（振動子の振動変位の代表値として用いることで容易に振動変位抑制部の効果を確認することができるが、他の振動の基準となる個所の変位量を採用することもできる）。
（２）支持部の平均振動変位量を測定する。
（３）＝（２）／（１）が小さくなるように振動変位抑制部（張り出し部）の大きさ、形状、質量を調整する。
振動変位量の測定方法としては、振動子に接触させずに測定できることが望ましく、レーザ振動計等を用いれば良い。
上記（３）の工程において（２）／（１）の値は理想的には０となるように設計することであるが、本発明者らの知見によれば、上記のように求めた（３）の値ではＭｏｄｅＡの場合好ましくは０．２以下、より好ましくは０．１以下である。同様にＭｏｄｅＢの場合好ましくは１．０以下、より好ましくは０．５以下である。また振動変位抑制部（張り出し部）の大きさ、形状、質量の調整方法は、張り出し部の切断、切削、穴あけ加工、或いは、接着、溶接等による質量体を増加させる加工を行うことによって調整することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明の振動型駆動装置の構成を適用した超音波モータの構成例を図１を用いて説明する。
本実施例の超音波モータ４は、図１に示すように主として、振動子１と、振動子１を保持固定するための振動子保持部２、振動子１に加圧接触状態で保持される被駆動体３とを備える。
超音波モータ４は、振動子１と外部との電気的な接続を行うフレキシブル基板、被駆動体３のガイド部材等を備えるが、これらの構成要素は公知であるのでそれらの詳細な説明は省略する。

被駆動体３は、磁石材料から成る角棒状の被駆動体基部３１と、被駆動体基部３１に接合され、高摩擦係数と摩擦耐久性を兼ね備える材料、及び本実施例では、表面を窒化処理したマルテンサイト系のＳＵＳ４４０Ｃから成る板状の摩擦部材３２とを備える。
振動子１は、例えば厚さ０．３ｍｍの強磁性のマルテンサイト系ステンレスであるＳＵＳ４２０Ｊ２の板材から加工される。
その一方の面における後述する２つの接触部１２（図２）で被駆動体３の摩擦部材３２が加圧接触する矩形平板状の弾性振動体１１と、同様に矩形平板状である。弾性振動体１１の他方の面に接着等で接合された例えば厚さ０．５ｍｍの圧電素子板１３（電気−機械エネルギー変換素子）とから成り、いわゆるユニモルフ構造をなす。
被駆動体基部３１を構成する磁石材料は、弾性振動体１１を構成する強磁性のＳＵＳ４２０Ｊ２と協働して磁気回路を形成する。
また、摩擦部材３２は、振動子１に対する被駆動体３の加圧時に接触部１２との間で摩擦力を発生する。

図２は、図１における振動子１の平面図である。
図２の振動子１において、弾性振動体１１は略矩形の振動部１１−Ａを備える。また、振動子保持部２と接合して振動子１の保持固定を行う固定部１１−Ｂ（図中網かけ部）、及び振動部１１−Ａと固定部１１−Ｂとの結合を行う連結部１１−Ｃ、１１−Ｄ、及び振動変位抑制部である張り出し部１１−Ｅが形成されている。
振動子１は図中ＸＺ面に対して対称形状に形成されている。

超音波モータ４を動作させるには、圧電素子板１３に交流電界を印加して、振動子１に２つの面外曲げモードを励振する。
図３に、このとき用いられる振動モードの形状を示す。
ＭＯＤＥ−Ａは、弾性振動体１１に図中Ｘ方向に平行に２つの節が現れる面外曲げ一次モードである。
ＭＯＤＥ−Ｂは弾性振動体１１に図中Ｙ方向に略平行に３つの節が現れる面外曲げ二次モードである。
これら二つのモードを重ね合わせることで接触部１２の表面に楕円運動が発生し、接触部１２と加圧接触している被駆動体３と振動子１との間に相対運動が発生する。
同様に、図７に本発明の振動変位抑制部である張り出し部を設けない振動子の振動モードの形状を示す。

超音波モータ４の出力や効率に対して、振動子１の２つの振動モードの変位量や振動時のエネルギー消費は、超音波モータ４の出力や効率に直接影響を及ぼす。
そのために、振動子１の固定方法は超音波モータ４の性能に対して重要な要件である。
具体的には図２に示した二つの振動モードにおいて固定部１１−Ｂの振動変位が小さいことが求められる。
本実施例においてはＭＯＤＥ−Ａの振動モード形状においての節位置近傍に連結部１１−Ｄを形成して固定部１１−Ｂの振動変位の増大を防いでいる。
しかし、ＭＯＤＥ−Ｂにおける節位置はＭＯＤＥ−Ａと異なる箇所であり、結果として連結部１１−Ｄの振動変位は大きな状態である。

本実施例では、連結部１１−Ｄの変位を固定部１１−Ｂで抑えるように、支持部周辺の構成をつぎの（１）〜（４）のように構成する。
（１）連結部１１−Ｄの曲げ剛性を下げるため、弾性振動体１１の他の部位より板厚を薄く形成する。また、ＸＺ面に対して角度をもって延出することにより長さを確保するように構成する。
（２）第２の連結部１１−Ｃを固定部１１−ＢよりＸ方向に幅を狭くし、Ｙ方向に延出することで長さを確保し、曲げ剛性を下げるように構成する。
（３）第２の連結部１１−Ｃは連結部１１−Ｂとの結合箇所よりもＹ方向に延出し、この部分に変位を発生させることにより、振動エネルギーを蓄えさせて支持部１１−Ｂの振動エネルギーの集中を避けるように構成する。
（４）支持部１１−Ｂから振動部１１−Ａに向けて張り出し部１１−Ｅを形成させ、この張り出し部１１−Ｅに振動エネルギーを蓄えさせて支持部１１−Ｂの振動エネルギーの集中を避けるように構成する。
以上の構成により、図３に示すＭＯＤＥ−Ｂのように、支持部の変位量を抑えるようにした超音波モータを実現することができる。

本実施例においては、以下の振動子の代表点の変位量を測定することで、変位抑制部（張り出し部）の有無と支持部の変位量との関係を調べた。その結果を表１に示す。
表中の値は、以下の（３）の値を示し、数値が小さい方が変位抑制効果が大きい。
（１）振動子代表点の振動変位
図２の１１−Ａ部における、Ｙ方向中央、Ｘ方向端部
（２）支持部の平均振動変位量
（３）＝（２）／（１）
表１から明らかなように、本発明の変位抑制部（張り出し部）を設けることにより、支持部の変位量（平均振動変位量）を小さくすることができる。
［表１］

上記した実施例１の構成と異なる形態の振動型駆動装置の構成例を、図４を用いて説明する。
本実施例においては、被駆動体３は円環形状であり、その中心軸回りに回転運動を行うように構成されている。
振動子１及び振動子保持部２は２対が用いられており、被駆動体の中心軸に対して対向する位置に配置されている。
各々の振動子１は振動子保持部２を介して円環形状の固定部材５に固定されている。
弾性振動体１１の部位１１−Ｂ〜１１−Ｅは、図２に示した弾性振動体１１と同様の構成と機能を持つが、本実施例では、図４に示すように固定部材の内外径に投影的に収まるように形状が決められている。

［実施例２］
図５は、本発明の実施例２に係る振動型駆動装置に用いられる振動子１の平面図である。
図２で説明した弾性振動体１１と異なる部分のみについて、以下で説明する。
弾性振動体１１により形成される振動子１と不図示の被駆動体３とは、図中Ｘ方向に相対運動を行う。この相対運動方向と直交する図中Ｙ方向に１１−Ｂ〜１１−Ｅが延出している。
弾性振動体１１はＹＺ面に対して対称形状を成している。連結部１１−ＤはＹＺ面に対して略並行に振動部１１−Ａから延出している。
連結部１１−Ｄの弾性が十分に得られる場合は、本実施例に示すように連結部１１−ＤはＹＺ面に対して角度を持たせる必要はない。

弾性振動体１１を用いた振動子における駆動時の振動モードを図６に示す。
図３に示した実施例１における振動モードとは、振動部１１−Ａの変形形状は同一である。
本実施例においてはＭＯＤＥ−Ｂの振動モード形状においての節位置近傍に連結部１１−Ｄを形成して固定部１１−Ｂの振動変位の増大を防いでいる。
しかしＭＯＤＥ−Ａにおける節位置はＭＯＤＥ−Ｂと異なる箇所であるので連結部１１−Ｄの振動変位は大きな状態となっている。
本実施例においても、実施例１と同様に支持部１１−Ｂの変位量を抑えることが実現できる。

１：振動子
２：振動子保持部
３：被駆動体
４：超音波モータ
１１：弾性振動体
１３：圧電素子板（電気−機械エネルギー変換素子）

Claims

少なくとも電気−機械エネルギー変換素子と、前記電気−機械エネルギー変換素子が接合され接触部が形成された略矩形状の弾性振動体とを有し、前記接触部に楕円運動が生成可能に構成された振動子と、
前記振動子の接触部と加圧接触し前記楕円運動によって相対移動する被駆動体と、を有する振動型駆動装置であって、
前記振動子は、前記略矩形状の弾性振動体におけるいずれか一方の対向する両側面側から対称形状に延出する支持部を有し、
前記支持部には、振動子を保持固定する振動子保持部と接合させるための固定部と、該固定部と弾性振動体とを結合させるための連結部と、該固定部の振動変位を抑制する振動変位抑制部と、
が形成されていることを特徴とする振動型駆動装置。
前記振動変位抑制部が、前記固定部に比して大きな振動変位を生じる張り出し部によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
前記連結部は、前記支持部が延出する方向に対して角度を与えて形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動型駆動装置。
前記連結部は、その少なくとも一部が前記固定部及び前記張出し部よりも薄く形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
前記楕円運動が、前記弾性振動体に２つの異なる形状の面外曲げ振動モードの励振による、これら振動モードの合成振動により形成される楕円運動であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。