JP2012100482A - 振動型駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させて駆動する振動型駆動装置を構成するに当たり、低速で安定した駆動ができ、駆動速度のダイナミックレンジを大きくすることが可能な振動型駆動装置を提供する。
【解決手段】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固定された弾性体とを備え、
電気−機械エネルギー変換素子への駆動信号の印加により、振動子に同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させ、弾性体に形成された摩擦駆動部に楕円運動が生成可能に構成された振動子と、
振動子の摩擦駆動部と摩擦接触し、楕円運動によって該振動子に対し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、
摩擦駆動部が、駆動信号の印加により発生する、被駆動体の相対移動方向における弾性体の振動振幅の極大部に設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動型駆動装置に関する。特に、電気−機械エネルギー変換素子により振動子の表面の移動体との接触部分に楕円運動を形成し、該振動子と移動体とを相対移動させ、カメラ用レンズやＯＡ機器等に用いられるいわゆる振動型駆動装置（超音波モータ）の振動子の構成に関するものである。

電界や磁界が作用したことに応じて機械的歪みを生じる歪み発生素子によって振動子を振動させ、該振動子の振動を連続的もしくは断続的な機械的運動に変換して出力する振動波アクチュエータは現在では種々の分野で使用されている。
また、該圧電素子を利用する圧電アクチュエータのうちで、超音波モータと称されるアクチュエータは連続回転式の回転駆動源を構成することができる。
このようなことから、これを従来の回転式電磁駆動モータに代わる駆動源として、既にカメラ等の光学機器に搭載されており、超音波モータの駆動制御技術も多く蓄積されている。
現在では超音波モータに関する技術は、一定の技術水準に達しているが、回転駆動する速度領域のダイナミックレンジを広くする技術には、更に改善を必要としている。

このような 超音波モータの一つとして、定存波型の振動型駆動装置が例えば特許文献１などで提案されている。
この定存波型の振動型駆動装置では、一つの電源を用いて正逆方向の駆動力を生じさせる観点から、振動子に単一振動モードによる定存波を生じさせるものが知られている。
また、他のタイプの超音波モータとして、同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させるようにした進行波型の振動型駆動装置が、例えば特許文献２などで提案されている。
この進行波型の振動型駆動装置では、振動モードが同じ変形の分布を持つモードであることから、振動方向による共振周波数の変化が出にくく、２つのモードの共振周波数を一致させるためにほとんど調整を必要としないというメリットを有している。
以下にその構成の概略について説明する。
このような進行波型の振動型駆動装置は、一般に振動子は電気−機械エネルギー変換素子と、弾性部材とで構成されている。
また、振動子は電気−機械エネルギー変換素子を両側から弾性部材で挟持固定され、振動子の表面粒子（移動体と接触させる表面の一部分）に楕円運動を発生させ、この楕円運動を発生させた部分に移動体を加圧接触させて連続的に駆動するように構成されている。
圧電素子にはパターン電極が形成されており、それぞれの電極には、順に時間位相が９０°ずつ異なる略サイン波形状の交流電圧が印加される。
励起する振動モードの固有振動数付近の周波数で交流電圧を印加すると、圧電素子の伸縮により振動子に加わる曲げモーメントによって振動子が共振する。
９０°ずつ異なる交流電圧に対してそれぞれ励起される振動モードは同形状で、かつ位相が異なり、これらの位相が異なる振動の合成によって進行性振動（進行波）が励起され、これにより振動子の表面に楕円運動が形成される。

特許第０３１２４５１４号公報 特開平４−９１６７１号公報

しかしながら、上記した同形の屈曲モード（振動モード）の振動を異なる複数の平面内に励起させる進行波型の振動型駆動装置では、つぎのような課題を有している。
同形の屈曲モード（振動モード）を位置的位相を９０°ずらして重ね合わせて用いるものであるため、振動型駆動装置を低速で駆動するために振動子の変位量を小さく制御した際に、以下のような問題が生じる。
これを図を用いて説明する。図２は振動子１０１と移動体１０２との接触、駆動状態を模式的に示した図であり、図中１０１及び１０２の凹凸は、振動子１０１の振動変位と、移動体１０２の応答変位を示している。
図中、実線矢印は振動子１０１の各部分における振動振幅による送り方向を示しており、この振動振幅によって移動体１０２が白抜き矢印で示した方向に駆動される。
図２（ａ）は振動振幅が大きい高速駆動時を示しており、図２（ｂ）は上記図２（ａ）の場合よりも振動振幅が小さい低速駆動時の振動状態を示している。
図２（ｂ）のように、振動振幅を小さくすることにより各位置での送り速度を下げることによって、速度を落とすことができる（速度は白抜き矢印の長さで表している）。
移動体１０２は、振動子１０１の振動振幅の変位が大きい部分に一部が接触するようにその曲げ剛性と応答性を持たせている。
しかし、速度を下げるに従って、移動体１０２との接触領域が増加し、最終的には図２（ｂ）に示すようにほとんど全面で接触した状態で低速駆動されることになる。
このような接触状態になると、接触面のほぼ全域に、部分的な振動子と移動体との速度差による滑り摩擦が働く（即ち送り方向に変位する部分と、送り方向とは反対の方向に変位する部分との両方に接触する）ために効率が低下する。
さらに、接触面で生じた摩耗粉が外部に排出されにくくなり、一種の砥粒として働くため、移動体および振動子の摩耗量が増加する。

一方、ある程度の振動振幅を維持しながら速度を下げる手法としては、Ａ相振動とＢ相振動間の時間位相を９０°から段階的または連続的に小さくする手法が知られている。
しかしながら、このような方法では、つぎのように振動子と移動体との接触面に悪影響を及ぼす。
図３（ａ）は、振動子の振動を模式的に示した展開図である。Ａ相、Ｂ相の振動振幅が同一で、圧電素子１０３のＡ相、Ｂ相にそれぞれ時間位相が９０°（もしくは−９０°）異なる駆動電圧を印加した場合の、振動子表面の摩擦駆動部１１７に楕円運動が発生する様子を示している。
Ｘ軸は円周方向を示し、Ｙ軸は振動子の対称軸方向（振動子から見た移動体の方向をプラスとしている）を示している。
振動子１０１の各部に示した楕円ａからｄは、振動子の摩擦駆動部１１７の各位置（ａは４５°位置、ｂは１３５°、ｃは２２５°、ｄは３１５°）に生じる楕円運動を示している。
ｘ１軸は振動振幅の送り方向（速度が遅いときは、この送り方向成分が小さくなる）を表し、ｙ１軸は振動振幅の突き上げ方向（移動体回転軸方向成分、振動振幅の変位が小さい場合にはこの突き上げ方向の成分が小さくなる）を表している。
楕円の中に示した矢印Ａ、Ｂは、各位置における、楕円運動を構成するＡ相、Ｂ相（実線矢印ＡがＡ相を、点線矢印ＢがＢ相を示す）の各振動成分の大きさと方向を示す。
楕円運動を構成するＡ相、Ｂ相の各相の振動成分の方向は、位置によって方向が異なっていて、時間と共に方向は３６０°回転する。
図３（ａ）では、振動子と移動体（ロータ）が接触するのは、ａの位置（４５°）である（Ａ相とＢ相の振動の合成ベクトルがｙ１軸方向と一致する箇所で接触する。）。
時間の経過と共に接触する位置は順次移動して行き、各相の振動成分の方向がＸ軸方向３６０°あたり１回転している（３６０°回転している。）。
時間位相が９０°（もしくは−９０°）、かつ各々の振動成分の大きさが同じ場合は、楕円軌跡が円となり、摩擦駆動部１１７に生じる楕円形状（楕円比）は全て同じとなる。

図３（ｂ）は、Ａ相振動、Ｂ相振動間の時間位相を９０°よりも小さくした場合の振動の様子を示している。即ち矢印Ａと矢印Ｂとのなす角度が時間位相差を表している。
このように場所によって振動振幅の送り成分と突き上げ成分が大きい所と小さい所とが分布して生じることにより、摩擦状態の不均一が生じている。
この不均一は、摩擦面の摩耗する速さに差を生じさせるため、摩擦面の劣化を生じ、性能の低下の原因になる。

本発明は、上記課題に鑑み、同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させて駆動する振動型駆動装置を構成するに当たり、
低速で安定した駆動をすることができ、駆動速度のダイナミックレンジを大きくすることが可能となる振動型駆動装置の提供を目的とする。

本発明の振動型駆動装置は、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固定された弾性体とを備え、
前記電気−機械エネルギー変換素子への駆動信号の印加により、前記振動子に同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させ、前記弾性体に形成された摩擦駆動部に楕円運動が生成可能に構成された振動子と、
前記振動子の摩擦駆動部と摩擦接触し、前記楕円運動によって該振動子に対し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、
前記摩擦駆動部が、前記駆動信号の印加により発生する、前記被駆動体の相対移動方向における前記弾性体の振動振幅の極大部に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させて駆動する振動型駆動装置を構成するに当たり、
低速で安定した駆動をすることができ、駆動速度のダイナミックレンジを大きくす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。

本発明の実施例における進行波型の振動型駆動装置を説明する図であり、（ａ）はその振動型駆動装置用いられる振動子の斜視図、（ｂ）その上面図。 従来例の進行波型の振動型駆動装置における振動子と移動体の接触状態および駆動状態を示す図。 従来例の進行波型の振動型駆動装置における振動子の振動を説明する模式図であり、（ａ）は振動子の振動を説明する模式的展開図、（ｂ）はＡ相振動、Ｂ相振動間の時間位相を９０°より小さくした場合の振動の様子を示した模式的展開図。 本発明の実施例における進行波型の振動型駆動装置の制御装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施例における進行波型の振動型駆動装置の構成を示す断面図。 本発明の実施例における進行波型の振動型駆動装置の振動子の振動を説明するための模式的展開図。 本発明の実施例における進行波型の振動型駆動装置の構成を示す断面図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

本発明の実施例として、本発明の振動子の摩擦駆動部に同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させて楕円運動を生じさせ、振動子の摩擦駆動部に接触する移動体を相対移動させる進行波型の振動型駆動装置の構成を適用した構成例について説明する。
本実施例の振動型駆動装置は、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た弾性体とを有し、弾性体に形成された摩擦駆動部に楕円運動が生成可能に構成された振動子を備える。
そして、被駆動体（移動体）を振動子の摩擦駆動部と摩擦接触させ、楕円運動によって振動子に対して相対移動するように構成されている。
図４は、このように構成された振動型駆動装置における制御装置（駆動信号制御手段）の構成を示すブロック図である。
まず、振動型モータの構成の一例を、図５、図１を参照して説明する。
図５において１００は振動型駆動装置（振動型モータ）である。
また、１０１は振動子であり、金属等の振動減衰損失の小さい材料で構成された第１の弾性体１０１Ａと、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子１０３で構成されている。
１０４は不図示の電源より圧電素子１０３に交番信号を印加するためのフレキシブル基板、１０１Ｂは第２の弾性体、１０５Ａはシャフト１０６の下端に形成されたネジ部と嵌合する第１の締付け部材である。
第１の弾性体１０１Ａ、圧電素子１０３、フレキシブル基板１０４、および、第２の弾性体１０１Ｂの中心部に設けられた貫通孔にシャフト１０６を挿入する。シャフト１０６の途中には段差が設けられており、この段差が第１の弾性体１０１Ａの内壁に設けられた段差に突き当たる。
シャフト１０６の先端（下端）部にはネジが形成され、このネジに締結部材である第１の締め付け部材１０５Ａを嵌合させて締め付ける。
これにより、第２の弾性体１０１Ｂ、フレキシブル基板１０４、圧電素子１０３、および第１の弾性体１０１Ａを固定することができる。

第１の弾性体１０１Ａの圧電素子１０３と接触していない側の摩擦駆動部１１７の表面には、移動体であるロータ１０７に固定された接触バネ１０８が加圧接触する。
この接触バネ１０８は弾性を有しており、ロータ１０７に固定されて一体となって回転する。
１０９は出力手段であるギアであり、ロータ１０７の回転軸方向の移動を許容し、ロータ１０７の回転運動の移動に追従するようにロータ１０７と２箇所の回り止め１１９にて嵌合している。
１１０はコイルバネ等の加圧手段であり、ロータ１０７のバネ受け部とギア１０９との間に配置され、ロータ１０７を第１の弾性体１０１Ａの方向に押し下げるように加圧している。
ギア１０９はシャフト１０６と結合した固定部材１１１に軸支持されており、その軸方向における位置は固定部材１１１によって規制されている。
シャフト１０６の第１の締め付け部材１０５Ａと嵌合しない側の先端（上端）部にもネジが形成されており、このネジに第２の締め付け部材１０５Ｂを嵌合させて、固定部材１１１にシャフト１０６を固定している。
固定部材１１１にはネジ穴が設けてあり、この固定部材１１１を所望の個所にネジを用いて固定することで、振動型モータを所望の個所に取り付けることができる。
圧電素子１０３は、例えば、１つの圧電体の両面に電極膜が形成されており、片面の電極膜を４つの電極膜に分割し、Ａ（＋）、Ａ（−）、Ｂ（＋）、Ｂ（−）相を構成している。
電極膜が形成された４つの領域には、Ａ（＋）とＡ（−）及びＢ（＋）とＢ（−）は互いに逆向きとなるように圧電素子１０３の厚み方向に分極が施され、Ａ相、Ｂ相の２つのグループから構成されている。

この一方のグループ電極に駆動信号を印加すると、圧電素子１０３の一方の領域は厚み方向に膨張し、他方の領域は厚み方向に収縮する。
また、もう一方のグループの圧電体に時間的に９０度位相のずれた駆動信号を印加する。すると、振動子には第１の弾性体１０１Ａを左右に振るような２つの屈曲振動（１つは振幅方向がシャフト１０６の軸方向と垂直な方向、もう１つはもう一方の方向と９０度位相がずれた方向）が発生する。
これらの振動が合成されると、振動子の移動体と相対する第１の弾性体１０１Ａの表面の摩擦駆動部１１７には、楕円運動が形成される。
この楕円運動が励起された第１の弾性体１０１Ａの表面の摩擦駆動部１１７に接触バネ１０８を加圧接触させれば、接触バネ１０８およびロータ１０７（移動体）がこの楕円運動に押し出されるようにして移動する。
図１（ａ）は振動子の斜視図であり、摩擦駆動部１１７は、移動体と接触し、相対する面において、凸面を備えた２つの突起部によって上記弾性体１０１Ａの表面に形成されている。本実施例においては、突起部の高さは１０μｍとした。本発明においては、突起部の高さは好ましくは０．５μｍから１００μｍの範囲で設計することができる。
また、図１（ｂ）は振動子を上面から見た上面図であり、摩擦駆動部１１７と圧電素子１０３のパターンとの位置関係のみを示している。
摩擦駆動部１１７は、Ｂ（−）圧電素子とＡ（＋）圧電素子、Ｂ（＋）圧電素子とＡ（−）圧電素子の各々の境界領域に設けられるように構成されている。

図４に戻り説明すると、この制御装置は、振動型駆動装置１００（図５に示した振動型駆動装置）の速度制御を行うものであり、つぎのように構成されている。
この制御装置は、振動型駆動装置１００に備え付けたエンコーダなどの速度検出器１１２からの速度情報と、
外部（例えば、振動型駆動装置１００を駆動源とする作動装置の主制御回路）から与えられた速度指令値１１３と、
から、それらの偏差に応じて周波数制御回路１１４によって駆動信号の周波数を決定する。
さらに同様に、速度偏差に応じて位相制御回路１１５で位相を決定し、振幅制御回路１１６Ａ、１１６Ｂで振幅を決定する。
各パラメータとしては、予め速度に対して最適な値が不図示のメモリに記憶されており、速度検出器１１２によって検出された速度に応じたパラメータが該メモリから読み出され、決定される。
位相制御回路１１５の位相により周波数制御回路１１４からの出力の一方に位相差を与え、位相差を与えた信号ともう一方の信号をそれぞれＡ相、Ｂ相の駆動波形とする。
Ａ相、Ｂ相に対して独立に設けられた振幅制御回路１１６Ａ、１１６Ｂには、２相の振幅値がそれぞれ設定され、各振幅制御回路１１６Ａ、１１６Ｂから増幅回路１１８を介して振動型駆動装置１００のＡ相、Ｂ相の圧電素子に駆動信号がそれぞれ印加される。

つぎに、前記摩擦駆動部が、上記駆動信号の印加により発生する、上記移動体（被駆動体）の相対移動方向における上記弾性体の振動振幅の極大部に設けられた構成例について説明する。
図６は、本実施例における振動子の振動を模式的に示した展開図であり、摩擦駆動部１１７と移動体１０２との接触状態および振動子表面の各部の振動の様子をＡ相、Ｂ相の振動成分に分けて示した模式図である。
図６に示すように、振動子の表面粒子に楕円運動を構成する振動成分の方向は、Ｘ軸方向３６０°で１回転する（ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ａで振動成分の矢印が３６０°回転している）。
そして、移動体の移動方向（Ｘ軸方向）に３６０°回転当たり、２箇所（ａ、ｃ）の摩擦駆動部１１７で移動体１０２と接触している。
また、２箇所（ａ、ｃ）の摩擦駆動部１１７は、振動振幅の突き上げ方向成分が大きい箇所に形成されている。さらに、この振動振幅の大きい箇所は、常に同じ位置に存在し、この２箇所（ａ、ｃ）の楕円形状つまり楕円比は同じである。
この２箇所に移動体を加圧接触させた場合には、摩擦面の不均一が生じないため、簡単な駆動回路構成で、速度ムラのない移動体の移動を行うことができる。｜Ａ相位相−Ｂ相位相｜を０°に近づけることによって、この２箇所での振動振幅の突き上げ方向成分の大きさを大きく保ったまま、振動振幅の送り方向成分を極めて小さくできるので、安定した低速駆動を実現することが可能である。

本実施例では、２箇所（ａ、ｃ）の摩擦駆動部１１７で移動体と接触する例をあげて説明しているが、１箇所（ａ）の摩擦駆動部１１７のみまたは１箇所（ｃ）の摩擦駆動部１１７のみで移動体と接触しても同様の効果が得られる。
また、摩擦駆動部１１７の楕円比が同じである２箇所の振動振幅の大きい箇所は、Ａ相、Ｂ相間の時間位相または振動振幅比、もしくは両者を同時に変更することで、任意の位置に設定することが可能である。
そのため、振動型モータの構成、特に圧電素子の分極パターンと摩擦駆動部１１７の位置関係は、上記の構成に限定されるものではない。
また、振動型モータの構成も、上記の構成に限定されるものではない。
例えば、図７のような構成で、振動子を左右に振るような２つの屈曲振動（１つは振幅方向がシャフト１０６の軸方向と垂直な方向、もう１つはもう一方の方向と９０度位相がずれた方向）が発生するものでも良い。
これらの振動が合成されると、第１の弾性体１０１の表面の摩擦駆動部１１７には、楕円運動が形成される。
そして、この振動子の楕円運動によって、加圧接触されたロータ等の移動体が回転するように構成されたモータであればよい。

以上に説明した本実施例での構成は一例であり、本発明は上記実施例の構成に限定されるものではなく、また上記実施例に様々な変更や改良が加えられて実施することが可能である。
そして、以上の構成によれば、同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させる振動型駆動装置において、２つの振動モードの時間位相を０°に近づけることによって、振動振幅の送り方向成分を小さくすることができる。
これにより、常に異なる楕円形状（楕円比）の複数の場所が接触することはないので、摩擦状態の不均一を生じることなく、低速での安定した駆動と回転数のダイナミックレンジを大きくすることができる。

１００：振動型駆動装置（振動型モータ）
１０１：振動子
１０１Ａ：弾性体
１０３：圧電素子
１０４：フレキシブル基板
１１７：摩擦駆動部

Claims (4)

1. 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固定された弾性体とを備え、
   前記電気−機械エネルギー変換素子への駆動信号の印加により、前記振動子に同形の屈曲モードの振動を異なる複数の平面内に励起させ、前記弾性体に形成された摩擦駆動部に楕円運動が生成可能に構成された振動子と、
   前記振動子の摩擦駆動部と摩擦接触し、前記楕円運動によって該振動子に対し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、
   前記摩擦駆動部が、前記駆動信号の印加により発生する、前記被駆動体の相対移動方向における前記弾性体の振動振幅の極大部に設けられていることを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記摩擦駆動部は、前記楕円運動を構成する振動成分が該楕円運動における前記被駆動体の相対移動する方向に３６０°回転当たり、１つまたは２つ設けら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。
3. 前記摩擦駆動部が、凸面を備えた突起部によって前記弾性体に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。
4. 前記駆動信号における振幅と時間位相の少なくとも１つ以上を変更することができる駆動信号制御手段を有し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。

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