JP2012231610A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】振動子の突起部の振動方向を被駆動体の接触部の変位方向に対応させることができ、振動子の突起部と被駆動体の接触部とを安定的に接触させて駆動することが可能となる振動波モータを提供する。
【解決手段】電気−機械エネルギー変換素子への印加による楕円運動により弾性体に形成された振動子の突起部と接触する被駆動体を相対移動させる振動波モータであって、
被駆動体は環状の移動体で構成され、接触部がバネ性を有する片持ち構造を備え、
弾性体は長方形状に構成され、突起部は該弾性体の長手方向における第一の曲げモードの振動の腹となる位置と振動の節となる位置の間であって、弾性体の長手方向における第二の曲げモードの振動の節となる位置の近傍に設けられ、
振動子の突起部の振動方向が、被駆動体の接触部の変位方向に対応する方向となるように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加することによって振動体に振動波を発生させ、その振動波によって移動体を駆動する振動波モータに関する。

被駆動物を直線状に駆動するリニア型超音波モータとして、従来において特許文献１のような振動型駆動装置（リニア型超音波モータ）が提案されている。
このようなリニア型超音波モータの駆動原理について、図４を用いて説明する。図４（ａ）のリニア型超音波モータの外観斜視図に示されるように、リニア型超音波モータ４１０は、振動子４０１とスライダ４０６および振動子をスライダ４０６に加圧するための加圧部材（不図示）から構成されている。
振動子４０１は、圧電素子等に代表される電気−機械エネルギー変換素子４０５と、該電気−機械エネルギー変換素子４０５の片面に接合されて一体化される矩形の形状に形成された弾性体４０２を備える。
また、更にこの弾性体４０２の上面に対して凸状に形成された２つの突起部４０３、４０４を備える。
超音波モータにおいては、圧電素子に特定の周波数の電圧を印加することで、所望の振動モードを複数励振し、これら振動モードを重ね合わせることにより、駆動するための振動を形成する。

図４（ａ）のモータでは、図４（ｂ−１）、（ｂ−２）に示す２つの曲げ振動モードを振動子４０１に励振させる。
この２つの曲げ振動モードはどちらも、板状の振動子４０１の面外方向の曲げ振動モードである。
一方の振動モードは、振動子４０１の長手方向に２次の曲げ振動モード（Ｍｏｄｅ−Ａ）であり、他方の振動モードは、振動子４０１の短手方向に１次の曲げ振動モード（Ｍｏｄｅ−Ｂ）である。
振動子４０１の形状は、２つの振動モードの共振周波数が一致するか、近くなるように設計される。
突起部４０３、４０４は、Ｍｏｄｅ−Ａの振動において振動の節となる位置の近傍に配置されており、Ｍｏｄｅ−Ａの振動によって、突起部先端面４０３−１、４０４−１は振動の節を支点として振り子運動をするため、Ｘ方向に往復運動する。
また突起部４０３、４０４は、Ｍｏｄｅ−Ｂの振動において振動の腹となる位置の近傍に配置されており、Ｍｏｄｅ−Ｂの振動によって、突起部先端面４０３−１、０４−１はＺ方向に往復運動する。

これら２つの振動モード（Ｍｏｄｅ−ＡとＭｏｄｅ−Ｂ）の振動位相差が±π／２近傍となるように同時に励振し、重ね合わせることで、突起部先端面４０３−１、４０４−１が、ＸＺ面内で楕円運動する。
この楕円運動により、加圧接触されたスライダ４０６を一方向に駆動することが出来る。

一方、被駆動物を回転させる回転型超音波モータとして、従来において特許文献２に示す振動波モータ（回転型超音波モータ）が提案されている。
この種の振動波モータを図５（ａ）に示す。
図５（ａ）において、弾性体５０２は円環状をしており、弾性体５０２の上部には複数の突起５０２ｂが全周にわたって設けられている。弾性体５０２に対して移動体５０３は、不図示の加圧部材によって加圧接触されている。
移動体５０３は、弾性部材で形成されたリング状の本体部５０３ａ、本体部５０３ａより延出したフランジ部５０３ｂ、フランジ部５０３ｂの端部から延出し、かつ弾性体５０２に摩擦接触する摩擦面を有する接触部５０３ｃから構成されている。
圧電素子５０１は、弾性体５０２の底面に接着剤にて接着され、モータ駆動時に不図示の駆動回路により位相差を有する交流電圧が印加され、進行性振動波を発生させる。進行性振動波の進行方向がθ方向正の向き（図５（ａ）の矢印参照）の場合、摩擦により駆動される移動体５０３の移動方向は、θ方向負の向きとなっている。

ここで、特許文献２の弾性体５０３と圧電素子５０１の代わりに、特許文献１の振動子４０１を該振動子４０１の長手方向が移動体の回転方向と一致するように複数配置することで特許文献２の移動体５０３を回転させるモータを作製することが出来る。
例えば、振動子４０１を３個配置した場合を図５（ｂ）に示す。振動子４０１の突起部先端面４０３−１、４０４−１と移動体５０２の接触部５０３ｃを加圧接触し振動子４０１に２つの曲げ振動モードを励振させると回転する。

特開２００４−３０４８８７号公報 特開昭６１−２２４８８２号公報

しかしながら、図５（ｂ）に示すような構成の振動波モータは、つぎのような課題を有している。
上記特許文献２に記載された移動体５０３はバネ性を有する片持ち構造となっており、移動体５０３の接触部５０３ｃが変位する際には、図５（ｃ）に示すように接触部５０３ｃがＺ方向変位だけでなく径方向にも変位する。
一方、振動子４０１の短手方向に１次の曲げ振動モードにおいて、振動子４０１の各突起部先端面４０３−１、４０４−１の振動方向は、図４（ｂ−２）に示すようにＺ方向変位のみである。
そのため、移動体５０３の接触部５０３ｃの変位方向と突起部先端面４０３−１、４０４−１の振動軌跡の方向とが一致せず、径方向の滑りが生じて接触が安定せず駆動効率が低下する。

本発明は、上記課題に鑑み、振動子の突起部の振動方向を被駆動体の接触部の変位方向に対応させることができ、振動子の突起部と被駆動体の接触部とを安定的に接触させて駆動することが可能となる振動波モータの提供を目的とするものである。

本発明の振動波モータは、電気−機械エネルギー変換素子及び突起部が形成された弾性体とを有する振動子と、前記振動子の突起部と接触する接触部を有する被駆動体と、を備え、
前記電気−機械エネルギー変換素子への印加によって節線が略直交する第一の曲げモードと第二の曲げモードとによる２つの曲げモードによる楕円運動を前記振動子の突起部に励起し、該突起部と接触する前記被駆動体を相対移動させる振動波モータであって、
前記被駆動体は環状の移動体で構成され、前記接触部がバネ性を有する片持ち構造を備え、
前記弾性体は長方形状に構成され、前記突起部は該弾性体の長手方向における前記第一の曲げモードの振動の腹となる位置と振動の節となる位置の間であって、該弾性体の長手方向における前記第二の曲げモードの振動の節となる位置の近傍に設けられ、
前記振動子の突起部の振動方向が、前記被駆動体の接触部の変位方向に対応する方向となるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、振動子の突起部の振動方向を被駆動体の接触部の変位方向に対応させることができ、振動子の突起部と被駆動体の接触部とを安定的に接触させて駆動することが可能となる振動波モータを実現することができる。

本発明の実施例１における振動子を説明する図であり、（ａ）は振動子の外観斜視図、（ｂ−１）、（ｂ−２）はその振動子に励振される振動モードを示す図である。 本発明の実施例１における振動子と移動体の接触部の位置関係を鉛直方向から見た図である。 振動子の突起と移動体の接触部の変位方向を示す図である。 従来例であるリニア型超音波モータを説明する図であり、（ａ）は特許文献１のリニア型超音波モータの外観斜視図、（ｂ−１）、（ｂ−２）はその振動子に励振される振動モードを示す図である。 （ａ）は従来例に係る回転型超音波モータの斜視図である。（ｂ）は従来例に係るリニア型振動子を用いて、回転型超音波モータを構成した鉛直方向真上図である。（ｃ）は図５（ｂ）における移動体の接触部の変位方向を示す図である。 本発明の実施例２における振動子のＸ方向に２次の曲げモード図である。 本発明の実施例１における振動子の鉛直方向真上図である。 突起部の配置の違いによる振動子の短手方向に１次の曲げ振動モードにおける突起部の振動角度の変化を示す図である。 突起部の配置の違いによる振動子の短手方向に１次の曲げ振動モードにおける突起部の振動角度の変化を示す図である。 本発明の実施例２における振動子の真上図である。

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。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動波モータにおける振動子の構成例について説明する。
本実施例の振動波モータは、電気−機械エネルギー変換素子及び突起部が形成された弾性体とを有する振動子と、該振動子の突起部と接触する接触部を有する被駆動体と、を備える。
そして、上記電気−機械エネルギー変換素子への印加によって節線が略直交する第一の曲げモードと第二の曲げモードとによる２つの曲げモードによる楕円運動を上記振動子の突起部に励起する。
これにより、該突起部と接触する上記被駆動体を相対移動させるように構成されている。

図１は、本実施例における振動波モータの振動子の構成を示す図である。
図１において、１１１は振動子である。本実施例における振動子１１１は、長方形状の弾性体１０１と、圧電素子１０７と、この弾性体上に設けられた２つの突起部１０９、１１０と、から構成されている。
突起部１０９、１１０は、長手方向に上記２つの曲げモードのうちの２次の曲げ振動モードにおいて振動の節となる位置の近傍に設けられる。本発明において「節となる位置の近傍」とは、厳密に「節となる位置」だけでなく、一定の許容範囲内で「節となる位置からずれた位置」を含む。例えば、製造時の誤差等により、節となる位置から厳密にはズレているが、節となる位置に設けた場合と実質的に同様の機能が発揮される位置であれば「節となる位置の近傍」となる。即ち設計通りの振動を生起させることが可能な位置であれば「節となる位置の近傍」となる。
また、短手方向に上記２つの曲げモードのうちの１次の曲げ振動モードにおいて振動の腹となる位置と振動の節となる位置の間に設けられている。
本実施例では、図７に示すように、弾性体１０１の長手方向の中心軸Ｌから弾性体１０１の短手方向に同じ量離しての弾性体１０１の上面に２つの突起部１０９、１１０が設けられている。

図２は、振動子１１１と被駆動体である移動体５０３の配置関係を真上から見た図である。
本実施例の移動体５０３は、図５（ａ）において従来技術で示したものと基本的に同じ構成を備えている。
本実施例の移動体は、環状の移動体で構成され、接触部がバネ性を有する片持ち構造を備えている。
具体的には、弾性部材で形成されたリング状の本体部５０３ａ、本体部５０３ａより延出したフランジ部５０３ｂ、フランジ部５０３ｂの端部から延出し、かつ弾性体５０２に摩擦接触する摩擦面を有する接触部５０３ｃから構成されている。接触部５０３ｃは本体部５０３ａに対して径方向内側に設けられている。
図２に示すように、振動子１１１の長手方向が移動体５０３の回転方向と一致するように複数配置する。
その際、２つの突起部１０９、１１０が共に、短手方向に１次の曲げ振動モードにおける振動の腹に対して径方向内側にくるようにする。
振動子１１１の突起部１０９、１１０と移動体の接触部５０３ｃを加圧接触させる。
電源（不図示）から圧電素子１０７に交流電界を印加すると、振動子１１１に２つの曲げ振動モードが励振され、突起部１０９、１１０の接触面には楕円運動が励振される。
その結果、突起部１０９、１１０と加圧接触している移動体は、摩擦駆動力を受け、振動子１０１の長手方向に駆動され、リングの中心を軸として回転する。
ここで、突起部１０９、１１０は図５（ｃ）で示したロータの接触部の変位（角度）と一致する位置に設けている。

図８に突起部の位置と突起部の変位の関係を示す。
図８（ａ）は突起部を振動子の短手方向に１次の曲げ振動モードにおいて振動の腹となる位置に設けた場合、図８（ｂ）は突起部を前記振動の腹となる位置からずらした場合、図８（ｃ）は図８（ｂ）よりも突起部を前記振動の腹となる位置からずらした場合である。
図に示すように径方向側への変位量は突起の位置が振動の腹の位置からずれるほど大きくなる。
従って、突起部のＺ（鉛直）方向の変位とＸ（径）方向の変位との振動角度はＺ方向のみに変位した場合を９０°とすると、図９に示すように、突起部の振動角度は、振動の腹の位置からずれるほど小さくなる。
このような原理を用いて、本実施例では突起部１０９、１１０を弾性体１０１上の上記した位置に配置することで、前記突起部の振動方向が、前記接触部の変位方向に対応する振動方向となるように構成される。
これにより、１次の曲げ振動モードにおける振動子の弾性体１０１の突起部１１０の振動方向を、移動体５０３の接触面の変位方向に略一致させること可能となり、図３に示すように径方向の滑りが低減し接触の安定した駆動を起こすことができる。

｛実施例２｝
実施例２として、実施例１と異なる形態の振動波モータにおける振動子の構成例について、図１を用いて説明する。
実施例１が移動体の接触面の変位方向を合わせるために短手方向に１次の曲げモードを用いたのに対して、本発明の実施例２は、２次以上の曲げモードを用いている点において相違する。
本実施例のその他の点（圧電素子、移動体、振動子と移動体との組み合わせ方、２つの曲げモードを励振させて駆動する原理）は、上述した実施例１と同様であるので、説明を省略する。

図１０に、本発明の実施例２に係る振動波駆動装置の振動子３１１を上面から見た図を示す。
本実施例では、Ｘ方向に２次の曲げモードとＹ方向に２次の曲げモードを用いて駆動する。Ｘ方向に２次の曲げモードを励振させると節線ｘ１、ｘ２、ｘ３が生じる。またＹ方向に２次の曲げモードを励振させると節線ｙ１、ｙ２、ｙ３が生じる。
実施例１と同様に、移動体の接触面の変位方向とＸ方向に２次の曲げ振動モードにおける振動子３１１の突起部３１０の振動方向が略一致するように突起部３０９、３１０を設ける。

図６は、本発明の実施例２に係る振動波駆動装置の振動子３１１のＸ方向に２次の曲げモード図である。
突起部３１０を２つの振動の腹の位置の間で中心線に対して径方向外側に設けた場合を図６（ａ）に示す。また突起部３１０を２つの振動の腹の位置の両外側のうち、ロータの軸方向に近い場所に設けた場合を図６（ｂ）に示す。
どちらに突起部を設けるかは、ロータの接触部の位置や振動子の配置できるスペースを勘案して決定する。
これらの構成にすることで径方向の滑りを低減させることが出来る。
以上に説明したように、本発明の各実施例の構成によれば、移動体の接触面の変位方向に合わせて、弾性体の突起部の位置を短手方向に１次の曲げ振動モードにおける振動の腹の位置からずらすことができる。
これにより、突起部の振動方向を移動体の接触面の変位方向と同じ方向にさせ、安定的に接触し駆動できる振動波モータを実現することができる。

１０１：弾性体
１０７：圧電素子
１０９、１１０：突起部
１１１：振動子
５０３：移動体
５０３ｃ：接触部

Claims (2)

1. 電気−機械エネルギー変換素子及び突起部が形成された弾性体とを有する振動子と、前記振動子の突起部と接触する接触部を有する被駆動体と、を備え、
   前記電気−機械エネルギー変換素子への印加によって節線が略直交する第一の曲げモードと第二の曲げモードとによる２つの曲げモードによる楕円運動を前記振動子の突起部に励起し、該突起部と接触する前記被駆動体を相対移動させる振動波モータであって、
   前記被駆動体は環状の移動体で構成され、前記接触部がバネ性を有する片持ち構造を備え、
   前記弾性体は長方形状に構成され、前記突起部は該弾性体の長手方向における前記第一の曲げモードの振動の腹となる位置と振動の節となる位置の間であって、該弾性体の長手方向における前記第二の曲げモードの振動の節となる位置の近傍に設けられ、
   前記振動子の突起部の振動方向が、前記被駆動体の接触部の変位方向に対応する方向となるように構成されていることを特徴とする振動波モータ。
2. 前記振動子の突起部の振動方向が、前記被駆動体の接触部の変位方向と略一致するように、該振動子の突起部が前記弾性体上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。

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