JP2016226161A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】振動波モータにおいて、弾性体の製造バラつきの影響を大きく受けて、安定したモータ性能が得られない恐れがあった。
【解決手段】圧電素子と、突起部を有する弾性体と、突起部との接触面を有し弾性体に対して相対移動する摩擦部材と、突起部を接触面の垂線方向を加圧方向として加圧接触させる加圧手段とを有し、圧電素子と弾性体は固着されており、圧電素子に印加される交流電圧によって圧電素子と弾性体が振動する振動波モータにおいて、突起部は、摩擦部材に対向する側であって、突起部の中央に設けられた球面部と、球面部の中心の近傍に設けられ、接触面と接触する接触部と、球面部の周囲に設けられた平坦部と、平坦部の周囲に設けられた角部とを有し、球面部、平坦部、角部が均一な肉厚を有するように構成され、球面部、平坦部、角部が接触部を中心として加圧方向に可撓性を有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、押圧された振動子に楕円振動を発生させることにより摩擦部材を駆動する振動波モータに関する。

振動波モータでは、圧電素子が固着された弾性体の接触部と摩擦部材とが加圧接触状態となるように構成する。加圧接触状態下で圧電素子に２相の電圧を印加して、弾性体に２相の振動が励起されると、弾性体の接触部に楕円振動が生じ、摩擦部材が弾性体に対して相対的に移動する。接触部に生じた楕円振動に安定して追従するために、接触部と摩擦部材の間には所定量の可撓性が必要である。特許文献１には、厚肉の接触部の周囲に薄肉で可撓性を有した連結部を設けることで、接触部に可撓性を持たせた振動波モータが開示されている。

特開２０１１−２３４６０８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された振動波モータでは、弾性体の製造時のバラつきの影響を大きく受けて、安定したモータ性能が得られない恐れがあった。

特許文献１の振動波モータでは、接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の変形だけで可撓性を持たせている。薄肉の連結部のみの局所的な変形のため、連結部の寸法変化に対する可撓性変化の敏感度が高い。そのため連結部の寸法ばらつきによって可撓性が大きく変わってしまい、安定したモータ性能が得られない恐れがあった。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、製造時のバラつきの影響を受けにくく、安定したモータ性能を有する振動波モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の振動波モータは、
圧電素子と、
突起部を有する弾性体と、
前記突起部との接触面を有し前記弾性体に対して相対移動する摩擦部材と、
前記突起部を前記接触面の垂線方向を加圧方向として加圧接触させる加圧手段とを有し、
前記圧電素子と前記弾性体は固着されており、前記圧電素子に印加される交流電圧によって前記圧電素子と前記弾性体が振動する振動波モータにおいて、
前記突起部は、
前記摩擦部材に対向する側であって、前記突起部の中央に設けられた球面部と、
該球面部の中心の近傍に設けられ、前記接触面と接触する接触部と、
該球面部の周囲に設けられた平坦部と、
該平坦部の周囲に設けられた角部とを有し、
前記球面部、前記平坦部、前記角部が均一な肉厚を有するように構成され、
前記球面部、前記平坦部、前記角部が前記接触部を中心として前記加圧方向に可撓性を有することを特徴としている。

本発明によれば、製造時のバラつきの影響を受けにくくなり、安定したモータ性能を有する振動波モータを提供することができる。

本発明の振動波モータの分解斜視図である。 図１に示される各部材を組込んだ状態を示す図である。 振動子と支持部材の接合状態を示す拡大斜視図である。 各部材を組込んだ状態を示す拡大断面図である。 振動子の部分断面図である。 突起部２００が変形する状態を示す部分断面図である。 製造バラつきによる可撓性変化の敏感度が低減している状態を説明するグラフである。 接触部と球面凹部の関係と、段部と球面凹部の関係を説明する部分断面図である。 圧電素子に印加する交流電圧を説明するグラフである。 突起部のＺ方向の変形の共振周波数と駆動周波数の関係を示すグラフである。 突起部の方向の変形の共振周波数によって駆動効率が変わる状態を示すグラフである。

［実施例］
本発明を適用した基本的な実施例を、添付図面を参照して以下、具体的に説明する。尚、図面において同一部分は同一符号で示してある。以下説明する実施例は例示として説明するものであり、本発明を限定するものではないことは言うまでもない。

なお、本実施例の振動波モータは、デジタルカメラ用のレンズ鏡筒などの駆動用アクチュエータとしてユニット化した直動駆動型モータを例に説明するが、使用用途はこれに限られるものではない。

図１は、本発明の一実施例である振動波モータ１の分解斜視図である。なお、図において同一部材は同一符号で図示されている。

本明細書中において、後述する振動子１０９に発生する楕円振動（楕円運動）により振動子１０９が移動する方向をＸ方向と定義する。また、後述するバネ部材１０７による加圧方向をＺ方向と定義する。Ｚ方向において、振動子１０９が後述する摩擦部材１０１から遠ざかる向きを＋Ｚ方向、振動子１０９が摩擦部材１０１に近づく方向を−Ｚ方向と定義する。さらに、Ｘ方向とＺ方向のそれぞれに垂直な方向をＹ方向と定義する。

振動波モータ１の構成要素を保持する固定台１１０には、２本の固定ビス１１１で摩擦部材１０１が固定されている。摩擦部材１０１は、後述する振動子１０９が加圧接触する接触面１０１ａを備える。

弾性体１０２は、接触面１０１ａに押圧を伴う加圧接触状態で接触する。また、圧電素子１０３は、弾性体１０２に接着剤などにより圧着されている。更に、弾性体１０２に圧電素子１０３が圧着された状態で、圧電素子１０３に電圧を印加することにより振動を発生させ、弾性体１０２に楕円振動を発生させることができる。本発明の振動波モータ１では、弾性体１０２と圧電素子１０３とで振動子１０９を構成している。摩擦部材１０１は、弾性体１０２に対して相対移動する。

遮断部材１１５は、圧電素子１０３の振動を他の部品に伝わらないように遮断するため、圧電素子１０３と後述の小基台１０４との間に設けられている。これにより、圧電素子１０３が発生する振動を減衰させることなく、小基台１０４への振動の伝播を防ぐ機能をもっている。遮断部材１１５の材料としては、フェルト生地が適している。小基台１０４は、遮断部材１１５を介して圧電素子１０３と面接触し、後述するバネ部材１０７による加圧力を圧電素子１０３に伝える。

振動子１０９とその周辺の部材は保持部材１０５によって保持されている。また、加圧部材１０６が加圧受け部材１０８の貫通穴部１０８ａに嵌合し、摩擦部材１０１の接触面１０１ａに対して垂直な方向にのみ移動可能に保持されている。加圧部材１０６は、後述するバネ部材１０７からの押圧力を、遮断部材１１５と小基台１０４を介して振動子１０９に伝え、振動子１０９を摩擦部材１０１に加圧接触させる。

加圧部材１０６に嵌合するバネ部材１０７は、圧縮コイルバネで構成されている。バネ部材１０７の一方の端部は加圧受け部材１０８で固定されている。バネ部材１０７の他方の端部は加圧部材１０６に押圧力を伝えることで、摩擦部材１０１の接触面１０１ａの垂線方向に押圧力を発生する。図示のＺ方向がバネ部材１０７による加圧方向である。そのバネ部材１０７による押圧力により振動子１０９と摩擦部材１０１を加圧接触させる。加圧部材１０６とバネ部材１０７とで本発明の加圧手段を構成する。

加圧受け部材１０８は中央に丸穴のあいた円板形状をしており、外周側面に形成されたネジ部で保持部材１０５のネジ部１０５ｂにねじ込み固定される。また、中央にあいた丸穴である貫通穴部１０８ａで、加圧部材１０６を嵌合保持している。

弾性体１０２と保持部材１０５の下方に設けられる支持部材１１４は薄板形状で形成されており、Ｘ方向よりもＺ方向の方が弱い剛性を有する。支持部材１１４は、保持部材１０５に対して弾性体１０２がＺ方向には自由に動けるが、Ｘ方向にはガタなく位置を固定できるような機能を有する。

支持部材１１４と押さえ板１１３は、２本の固定ビス１１２で保持部材１０５に固定される。また、押さえ板１１３は、振動子１０９との間に所定量の隙間を設けて配置されている。このため、振動子１０９が−Ｚ方向に所定量以上移動すると、振動子１０９は押さえ板１１３に当接して、それ以上移動できない構成になっている。押さえ板１１３は、振動子１０９が−Ｚ方向に所定量以上移動するのを規制する機能を有する。

また、保持部材１０５に形成された溝１０５ｄと後述する天板１１７に形成された溝(不図示)との間に転動ボール１１６を介在させることで、天板１１７に対して保持部材１０５が転動支持されている。

天板１１７は、振動子１０９を保持した保持部材１０５を摩擦部材１０１と天板１１７との間で挟み込むことで、保持部材１０５を転動可能に保持している。天板１１７は４本の固定ビス１１８で固定台１１０に固定されている。
以上説明した構成要素をユニット化することで振動波モータ１が構成される。

図２は、図１で説明した各部材を組込んだ状態を示す図である。図２（ａ）は各部材を組み込んだ状態を＋Ｚ方向から見た図であり、図２（ｂ）は−Ｙ方向から見た図である。固定台１１０には２本の固定ビス１１１で摩擦部材１０１が固定されている。更に、天板１１７が四隅を４本の固定ビス１１８で固定台１１０に固定されている。天板１１７の中央には長方形の開口１１７ａが設けられ、保持部材１０５の突出部１０５ｃが天板１１７からＺ方向の上方に露出している。

摩擦部材１０１の上には弾性体１０２が当接した状態で載置されている。弾性体１０２は薄板形状の支持部材１１４を介して保持部材１０５に固定されている。そのため、弾性体１０２は、支持部材１１４の変形により、保持部材１０５に対してＺ方向には自由に動けるが、Ｘ方向にはガタなく位置決めと固定ができる構成になっている。

不図示の電源からの給電により振動子１０９に発生した楕円振動によって、振動子１０９と摩擦部材１０１との間にＸ方向の相対的な移動が発生した場合、固定台１１０、摩擦部材１０１、固定ビス１１１、天板１１７、固定ビス１１８が固定部となる。一方、振動子１０９を含めた、遮断部材１１５と、小基台１０４と、固定ネジ１１２、押さえ板１１３、支持部材１１４、加圧部材１０６、バネ部材１０７、加圧受け部材１０８、更にそれらを保持する保持部材１０５とが可動部となる。つまり本発明の振動波モータ１は、駆動源である振動子１０９自身が可動する自走式のモータユニットとなっている。なお、実際のレンズ鏡筒などに組み込まれる際には、保持部材１０５をフォーカス機構やズーム機構に連結して駆動する。

次に、振動波モータの構成部材の詳細について説明する。図３は、図１及び図２における弾性体１０２と支持部材１１４の接合状態を説明するための拡大斜視図で、摩擦部材１０１の側から見た図である。図３において弾性体１０２の中央の接合部１０２ａには、２か所の突起部が形成される。突起部の上端面には、球面部１０２ｂが形成されている。球面部１０２ｂは摩擦部材１０１の接触面１０１ａと当接する。２か所の球面部１０２ｂは同一平面上に形成され、摩擦部材１０１に対向する側に設けられ、摩擦部材１０１の接触面１０１ａとの当接状態を良好にするため、製造工程時には研磨などにより接触面１０１ａが均一な面に仕上げられている。

一方、図３に示す接合部１０２ａの裏面側（２か所の突起部が形成されている面と反対の面側）には圧電素子１０３が接着剤などにより圧着されている。なお、接合部１０２ａの裏面と圧電素子１０３の圧着は、圧着されればその方法は限定されない。この圧電素子１０３は複数の圧電素子膜を積層して一体化して形成されている。更に、この積層された圧電素子１０３に所望の交流電圧を印加することで励振させ、圧電素子１０３が圧着された弾性体１０２に２つの振動モードを励起する。このとき２つの振動モードの振動位相が所望の位相差となるように設定することで、球面部１０２ｂには、図３において矢印で示すような楕円振動が発生する。この楕円振動を図１及び図２に示すような振動子１０９で発生させ、摩擦部材１０１の接触面１０１ａに伝達することで、摩擦部材１０１に対して振動子１０９自身が直動駆動することが可能となる。

次に、支持部材１１４の２つの球面部１０２ｂを挟んだ両側には、弾性体１０２と接合するため、凹部１１４ａが形成されている。支持部材１１４は、凹部１１４ａにおいて溶接や接着などにより弾性体１０２に接合される。しかしながら、支持部材１１４と弾性体１０２が接合されれば、その方法は限定されない。

弾性体１０２は、薄板形状の支持部材１１４を介して保持部材１０５に固定される。これにより弾性体１０２は、加圧方向であるＺ方向には保持部材１０５に対して自由に移動可能だが、駆動方向であるＸ方向には保持部材１０５に対して位置ずれなく固定される。

図４は、各部材を組込んだ状態を示す振動波モータ１の拡大断面図である。図４（ａ）は、図２におけるＹ軸に垂直な面で加圧部材１０６の中心を通る面に沿った断面図である。また、図４（ｂ）は、図２におけるＸ軸に垂直な面で加圧部材１０６の中心を通る面に沿った断面図である。

図４（ａ）に示す中心線２０１及び図４（ｂ）に示す中心線２０２は、弾性体１０２の接触面１０１ａと接触する球面部１０２ｂの重心を通過し、接触面１０１ａの法線を含む。

球面部１０２ｂは、摩擦部材１０１の接触面１０１ａと当接し、加圧接触状態にある。また、弾性体１０２は、両端で支持部材１１４と接合されている。そして、圧電素子１０３は遮断部材１１５を介して小基台１０４に面接触している。

保持部材１０５には２か所の穴部１０５ａが設けられ、小基台１０４に形成された２か所の軸部１０４ａが嵌合している。保持部材１０５に設けられた２か所の穴部１０５ａは、Ｘ方向に伸びた長穴形状になっており、小基台１０４が所定範囲で傾動することができる。

小基台１０４の上側中央には当接部１０４ｂが設けられている。当接部１０４ｂは、図４（ａ）の断面図において円弧形状を有し、紙面奥行方向（図４（ｂ）においては左右方向）に延在する円筒の一部からなる形状を有する。当接部１０４ｂには加圧部材１０６の下端面１０６ａが線接触で接している。下端面１０６ａは平面で形成されているため、当接部１０４ｂとの線接触部は、図４（ａ）の紙面奥行方向（図４（ｂ）においては左右方向）に長さを有する線接触となる。従って、図４（ａ）の断面図においては、小基台１０４が傾動可能な構成となっている。仮に、製造時の寸法誤差や組み立て誤差、また外乱による部材の傾きが生じた場合でも、摩擦部材１０１の当接面１０１ａに弾性体１０２の球面部１０２ｂが倣うように小基台１０４が傾動するため、良好な加圧接触状態を保つことができる。

保持部材１０５にはネジ部１０５ｂが形成されており、加圧受け部材１０８の外径側面に設けられたネジ部１０８ｂが螺合する。螺合量を部品ばらつきに合わせて変えることで、加圧力の調整を行う。加圧受け部材１０８の中央に形成された貫通穴部１０８ａには、加圧部材１０６の嵌合軸部１０６ｂが嵌合保持されることで、加圧部材１０６がＺ方向にのみ移動可能な構成となっている。

天板１１７は固定台１１０に固定され、バネ部材１０７のバネ力で弾性体１０２の球面部１０２ｂを摩擦部材１０１の接触面１０１ａに加圧接触させたときの反力を受ける機能を有する。その際、天板１１７の下面に形成された溝部（不図示）と保持部材１０５に形成された溝部１０５ｄに転動ボール１１６を挟むことで、保持部材１０５と天板１１７とが転動支持されるように構成している。これにより、Ｚ方向の加圧接触の反力を受けながら、Ｘ方向に移動する際の摩擦抵抗を極力小さくしている。また、天板１１７の溝部（不図示）と保持部材１０５の溝部１０５ｄに転動ボールが挟まれることで、Ｙ方向の位置が決まるように構成されている。本発明の振動波モータ１では、４つの転動ボール１１６でバネ部材１０７のバネ力を受けることで、保持部材１０５が天板１１７に対して傾くことなく転動支持されている。

圧電素子１０３と小基台１０４との間には、遮断部材１１５が挟み込まれている。遮断部材１１５は、振動を阻害することなく、振動の伝播を遮断する機能を有する材料を用いることで、圧電素子１０３が発生する振動を阻害することなく、小基台１０４への振動の伝播を抑える。遮断部材１１５に適した材質として、例えばフェルト生地などが挙げられる。

球面部１０２ｂを摩擦部材１０１の接触面１０１ａに加圧接触させるための加圧力を伝えるために、振動子１０９はＺ方向には自由に動ける必要がある。また、フォーカス機構やズーム機構に連結した保持部材１０５を精度よく駆動するために、振動子１０９は保持部材１０５にガタなく保持されている必要がある。そこで、振動子１０９は、薄板形状で形成された支持部材１１４を介して保持部材１０５に固定されている。これにより、Ｚ方向には自由に動け、Ｘ方向にはガタなく駆動可能な構成となっている。

図５は、振動子１０９のＸＺ平面に沿った部分断面図である。図５では、球面部１０２ｂの近傍を拡大して示している。

図５において、圧電素子１０３と固着される接合部１０２ａにおいて、圧電素子１０３と弾性体１０２とが固着され、振動子１０９を形成している。

弾性体１０２は、摩擦部材１０１に対向して突出する突起部２００を備えている。突起部２００は、摩擦部材１０１の側の中央に設けた球面部１０２ｂ、摩擦部材１０１の接触面１０１ａと当接する接触部１０２ｃを含む。接触部１０２ｃは球面部１０２ｂの中央近傍に設けられている。また、突起部２００は、球面部１０２ｂの周囲に設けられた平坦部１０２ｅ、球面部１０２ｂと平坦部１０２ｅとの間に設けられた段部１０２ｄを含む。平坦部１０２ｅは肉厚Ｄ３を有するように形成される。突起部２００は、更に平坦部１０２ｅの周囲に設けられた角部１０２ｆ、圧電素子１０３と反対側に突出するように設けられた側壁部１０２ｇをも含む。

２つの接触部１０２ｃの間隔は、接触部１０２ｃに発生する振動の振幅に大きく影響し、モータ性能を大きく左右する。そのため、２つの接触部１０２ｃの間隔は、測定・検査の際には高精度に測る必要がある。もし球面部１０２ｂと平坦部１０２ｅとの間に段部１０２ｄが無く滑らかにつながっていると、境界線が不明瞭で測定が非常に困難である。そこで球面部１０２ｂの周囲に段部１０２ｄを設けることで、−Ｚ方向から球面部１０２ｂの領域を視認しやすくしている。これにより、球面部１０２ｂ及び接触部１０２ｃの位置を測定する際に、高精度に測ることができる。

側壁部１０２ｇは圧電素子１０３の固着面から延びる円錐面となるようなテーパ面で形成されている。円錐面は、圧電素子１０３の側から摩擦部材１０１の側へと径が小さくなるように形成されている。これにより、プレス加工時の側壁部１０２ｇの厚さバラつきを軽減するとともに、接触部１０２ｃに作用する斜め方向の力に対して安定した可撓性を実現することができる。

球面部１０２ｂの＋Ｚ方向側の面には球面凹部１０２ｈが設けられている。球面凹部１０２ｈは、球面部１０２ｂの＋Ｚ方向側の面が球面状に凹んだ形状をしており、球面部１０２ｂと球面凹部１０２ｈとで挟まれた部位は、均一な肉厚を有するように構成されている。球面部１０２ｂ、平坦部１０２ｅ、角部１０２ｆがそれぞれ均一（同一）な肉厚を有するように構成されている。

以上のように、接触部１０２ｃ、球面部１０２ｂ、段部１０２ｄ、平坦部１０２ｅ、角部１０２ｆ、側壁部１０２ｇとで、突起部２００を構成している。

図６は、突起部２００が変形する状態を示す部分断面図である。図６も図５と同様に、振動子１０９をＸＺ平面に沿って示す球面部１０２ｂの近傍を拡大した部分断面図である。図６において、実線が変形前の形状であり、点線が＋Ｚ方向に変形した形状である。接触部１０２ｃと接触面１０１ａとの間は、振動によって接触と非接触を繰り返す。これにより、突起部２００は振動に同期した変形をする。この突起部２００の変形は、図６に示すようにバネ部材１０７による加圧方向（Ｚ方向）の変形である。図６では、説明をわかりやすくするため、＋Ｚ方向に変形した突起部２００の形状を描いている。しかし、実際の突起部２００の変形は、＋Ｚ方向への変形と−Ｚ方向の変形を振動に同期して繰り返して行う。また図６において実線で描かれた変形前の形状は、図５と同じであるため、説明を省略する。

図６に点線で示す変形後の突起部２００は、＋Ｚ方向に変形した状態の接触部１０２ｃ−２、＋Ｚ方向に変形した状態の球面部１０２ｂ−２、＋Ｚ方向に変形した状態の段部１０２ｄ−２、＋Ｚ方向に変形した状態の平坦部１０２ｅ−２、＋Ｚ方向に変形した状態の角部１０２ｆ−２から構成されている。球面凹部１０２ｈは＋Ｚ方向に変形した状態の球面凹部１０２ｈ−２となっている。図６に示すように、球面部１０２ｂ−２と平坦部１０２ｅ−２と角部１０２ｆ−２のそれぞれが少しずつ変形して、全体として変形をするように構成している。これにより一部の部位だけで局所的に大きく変形することを防止している。このように球面部１０２ｂ−２と平坦部１０２ｅ−２と角部１０２ｆ−２とが接触部１０２ｃ−２を中心として少しずつ変形することで、Ｚ方向に可撓性を持たせている。

特許文献１に開示されているような従来の振動波モータでは、接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の局所的な変形だけで可撓性を持たせていた。局所的な変形の場合、製造バラつきなどで変形発生部位の剛性が変わった場合に、可撓性変化も非常に大きい。つまり製造バラツキによる可撓性変化の敏感度が非常に高くなってしまうという問題があった。

しかしながら本発明の振動波モータのようにそれぞれの部位が少しずつ変形する全体変形の場合には、製造バラツキによる可撓性変化の敏感度を下げることができる。これにより製造バラつきの影響を受けにくい安定した可撓性を実現することができる。

このように球面部１０２ｂ−２と平坦部１０２ｅ−２と角部１０２ｆ−２とが接触部１０２ｃ−２を中心として変形することで、バネ部材１０７による加圧方向（Ｚ方向）に、安定した可撓性を実現することができる。

図７は、製造バラつきによる可撓性変化の敏感度が低減している様子を説明するグラフである。図７では、製造バラつきによって平坦部１０２ｅの肉厚Ｄ３が変化してしまった場合を例にとって説明する。図７（ａ）は本発明の振動波モータにおいて、製造バラつきによって平坦部１０２ｅの肉厚Ｄ３が変化した際の可撓性変化を説明する図である。図７（ｂ）は特許文献１に記載の振動波モータにおいて、製造バラつきによって接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚が変化した際の可撓性変化を説明する図である。

まず図７（ｂ）を用いて、従来の振動波モータでの製造バラつきによる可撓性変化の様子を説明する。特許文献１において、本発明の平坦部１０２ｅの肉厚Ｄ３に相当する部位は、接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚であるため、図７（ｂ）では接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚の変化による可撓性変化を説明する。図７（ｂ）において、横軸は特許文献１の接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚Ｄ４である。縦軸は特許文献１の加圧方向（Ｚ方向）の可撓性の値、言い換えればバネ定数である。ΔＤ４ｅｒｒは、製造バラつきによる薄肉部の肉厚Ｄ４の変化量、ΔＫｅｒｒ４は薄肉部の肉厚Ｄ４の変化によって発生するバネ定数の変化量である。

特許文献１に開示されている振動波モータでは、接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の局所的な大変形によって加圧方向の可撓性を出しているため、薄肉部の肉厚の変化量ΔＤ４ｅｒｒによって生じてしまうバネ定数の変化量ΔＫｅｒｒ４が非常に大きくなる。つまり、製造バラツキによる可撓性変化の敏感度が非常に高くなっていることが分かる。

次に、図７（ａ）を用いて、本発明の振動波モータでの製造バラつきによる可撓性変化の様子を説明する。図７（ａ）において、横軸は平坦部１０２ｅの肉厚Ｄ３である。縦軸は球面部１０２ｂと平坦部１０２ｅと角部１０２ｆとが接触部１０２ｃを中心として変形による加圧方向（Ｚ方向）の可撓性の値、言い換えればバネ定数である。ΔＤ３ｅｒｒは、製造バラつきによる平坦部１０２ｅの肉厚Ｄ３の変化量、ΔＫｅｒｒ３は平坦部１０２ｅの肉厚Ｄ３の変化によって発生するバネ定数の変化量である。

本発明の振動波モータ１では、球面部１０２ｂと平坦部１０２ｅと角部１０２ｆとが接触部１０２ｃを中心として少しずつ変形して全体として変形しているため、平坦部１０２ｅの変形量は小さい。そのため、ΔＤ３ｅｒｒとΔＤ４ｅｒｒとが同程度の場合、平坦部１０２ｅの肉厚Ｄ３の変化量ΔＤ３ｅｒｒによって生じるバネ定数の変化量ΔＫｅｒｒ３は、従来のバネ定数変化量ΔＫｅｒｒ４に比べて小さくすることができる。つまり平坦部１０２ｅの肉厚Ｄ３の変化ΔＤ３ｅｒｒに対して可撓性変化の敏感度を小さくすることができる。これにより製造バラつきの影響を受けにくく、安定した可撓性を実現することができる。

以上、図７を用いて説明したように、本発明の振動波モータでは、それぞれの部位が少しずつ変形することで全体として変形とする構成としたため、製造バラツキによる可撓性変化の敏感度を下げることができる。これにより製造バラつきの影響を受けにくい安定した可撓性を実現することができる。

図８は、接触部１０２ｃと球面凹部１０２ｈの関係や、段部１０２ｄと球面凹部１０２ｈの関係を説明する部分断面図である。図８も、図５や図６と同様に、振動子１０９をＸＺ平面に沿って球面部１０２ｂの近傍を拡大した部分断面図である。図８において、図５と同じものについては説明を省略する。

球面部１０２ｂは球面半径ＳＲ１、球面凹部１０２ｈは球面半径ＳＲ２を有する。また、球面部１０２ｂと球面凹部１０２ｈの接触部１０２ｃにおける肉厚Ｄ１、球面半径ＳＲ１、球面半径ＳＲ２は、下記式を満たすように構成する。
ＳＲ１ ＞ ＳＲ２ ＋ Ｄ１ ・・・（１）

もし、球面部１０２ｂと球面凹部１０２ｈが全域に渡って均肉だった場合、段部１０２ｄの近傍の肉厚Ｄ２が段差分だけ局所的に薄肉になってしまう。するとプレス加工時の球面部１０２ｂと平坦部１０２ｅとの間の肉の移動が阻害され、突起部２００の加工精度が低下してしまう恐れがあった。そこで本発明の振動波モータでは、式（１）の関係を満足するように構成することで、球面部１０２ｂと球面凹部１０２ｈとの間の肉厚は、接触部１０２ｃで最も薄くなり、接触部１０２ｃから離れるにつれて少しずつ厚くなるようにする。

球面部１０２ｂと球面凹部１０２ｈとの間の肉厚は均一に構成するが、式（１）のような関係となるような球面半径ＳＲ１と球面半径ＳＲ２とすることで、段部１０２ｄの近傍での局所的な薄肉部の発生を防いでいる。これにより突起部２００の加工精度が低下してしまうのを軽減している。

図８において、段部１０２ｄの接触部１０２ｃを中心とする半径Ｒ１、球面凹部１０２ｈの接触部１０２ｃを中心とする半径Ｒ２は、下記式（２）を満たすように構成する。
Ｒ２ ＜ Ｒ１ ・・・（２）

もし、半径Ｒ２が半径Ｒ１より大きかった場合、段部１０２ｄと球面凹部１０２ｈとが近接し、肉厚が局所的に薄い部位が発生してしまう。するとプレス加工時の球面部１０２ｂと平坦部１０２ｅとの間の肉の移動が阻害され、突起部２００の加工精度が低下してしまう恐れがある。

そこで本発明の振動波モータ１では、式（２）の関係を満たすように構成することで、段部１０２ｄと球面凹部１０２ｈとが近接しないようにした。これにより段部１０２ｄと球面凹部１０２ｈとか近接して生じる局所的な薄肉部の発生を防いでいる。その結果、突起部２００の加工精度が低下してしまうのを軽減している。

以上、本発明の振動波モータ１では、接触部１０２ｃと球面凹部１０２ｈとの関係や、段部１０２ｄと球面凹部１０２ｈとの関係を図８で説明したような関係とすることで、突起部２００の加工精度低下を軽減できる。これにより製造バラつきの影響を受けにくく安定したモータ性能を有する振動波モータを実現することができる。

図９は、圧電素子１０３に印加する交流電圧を説明するグラフである。図９において、横軸は時間、縦軸は電圧である。Ｖ１とＶ２は圧電素子１０３に印加する２相の電圧である。本発明の振動波モータ１では、圧電素子１０３に位相角が約９０°の２相の交流電圧である交流電圧Ｖ１と交流電圧Ｖ２を印加する。Ｔ１は交流電圧Ｖ１と交流電圧Ｖ２の周期である。交流電圧Ｖ１と交流電圧Ｖ２は周期Ｔ１は同じで、位相角が約９０°ずれている。このとき、圧電素子１０３に印加する交流電圧Ｖ１と交流電圧Ｖ２の周波数ｆｒｄは下記式（３）のように表わせる。
ｆｒｄ ＝ １ ／ Ｔ１ ・・・（３）

図１０は、突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数ｆｒｂと駆動周波数ｆｒｄの関係を説明するグラフである。図１０において、横軸は周波数、縦軸は振幅である。

図６で説明したように、突起部２００はＺ方向の可撓性によって、振動に同期したＺ方向の変形をする。この変形モードの共振周波数をｆｒｂとすると、突起部２００は共振周波数ｆｒｂ近傍で共振して振動の振幅が急激に大きくなり、共振周波数ｆｒｂから離れると振動の振幅が小さくなる図１０のような周波数特性となる。

周波数ｆｒｄは圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数である。周波数ｆｒｄの交流電圧によって、振動子１０９には振動が励起される。この振動によって、接触部１０２ｃはＸ方向及びＺ方向に周波数ｆｒｄで振動する。接触部１０２ｃと接触面１０１ａとの間の安定した接触を実現するためには、図６で説明したように突起部２００は共振周波数ｆｒｂと同期してＺ方向に変形する必要がある。そこで本発明の振動波モータ１では、図１０に示すように、突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数ｆｒｂを、交流電圧の周波数ｆｒｄよりも大きくなるように構成する。この関係を数式で示すと下記式（４）のようになる。
ｆｒｄ ＜ ｆｒｂ ・・・（４）

このように本発明の振動波モータ１では、数式（４）に示すように突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数ｆｒｂを、交流電圧の周波数ｆｒｄよりも大きくなるように構成する。このようにすることで、接触部１０２ｃと接触面１０１ａとの間の安定した接触を維持し、安定したモータ性能を実現している。

図１１は突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数によって、駆動効率が変わる様子を示している。図１１において、横軸は突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数、縦軸は振動波モータ１の駆動効率である。

周波数ｆｒｄは圧電素子に印加する交流電圧の周波数である。ｆｒｂ１とｆｒｂ２は駆動効率が急激に変わる変化点における突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数であり、低周波側の変化点の周波数をｆｒｂ１、高周波側の変化点の周波数をｆｒｂ２とする。

まず低周波側の変化点の周波数ｆｒｂ１で急激に効率が変わる理由を説明する。突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数ｆｒｂが小さ過ぎると、接触部１０２ｃが振動に追従できなくなってくる。すると駆動効率が急激に悪化する。通常、突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数ｆｒｂが、圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数の２倍より小さくなると、接触部１０２ｃが振動に追従できなくなり、駆動効率が急激に悪くなる。そのため、低周波側の変化点の周波数ｆｒｂ１は、圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数の２倍とするのがよい。

次に高周波側の変化点の周波数ｆｒｂ２で急激に効率が変わる理由を説明する。突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数ｆｒｂが大き過ぎる、つまり突起部２００の剛性が高過ぎると、突起部２００の振動に追従して変形しなくなってしまう。すると接触部１０２ｃと接触面１０１ａの間で摩擦接触する時間が短くなり過ぎて、駆動効率が悪化する。通常、突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数ｆｒｂが、圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数の６倍より大きくなると、接触部１０２ｃが変形しなくなり、駆動効率が急激に悪くなる。そのため、高周波側の変化点の周波数ｆｒｂ２は、圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数の６倍とするのがよい。以上のことをまとめると、可撓性による突起部２００の変形の共振周波数は、交流電圧の周波数の２倍以上かつ６倍以下とすることがよい。

本発明の振動波モータ１では、圧電素子１０３に印加する交流電圧の周波数ｆｒｄと突起部２００のＺ方向の可撓性による変形の共振周波数ｆｒｂを図９〜図１１を用いて説明したような関係とする。このようにすることで、接触部１０２ｃと接触面１０１ａの間の安定した接触を維持でき、安定したモータ性能を有する振動波モータ１を実現することができる。

以上、図１乃至図１１で説明したように、接触部１０２ｃ、球面部１０２ｂ、段部１０２ｄ、平坦部１０２ｅ、角部１０２ｆ、側壁部１０２ｇとで弾性体１０２の突起部２００が構成されている。球面部１０２ｂと平坦部１０２ｅと角部１０２ｆが均一な肉厚を有するように構成され、球面部１０２ｂと平坦部１０２ｅと角部１０２ｆとが接触部１０２ｃを中心として変形することで、バネ部材１０７による加圧に対して安定した可撓性を実現する。球面部１０２ｂと平坦部１０２ｅと角部１０２ｆとが少しずつ変形して全体として変形を行うことで、局所的に大きな変形をさせないようにしている。局所的な大きな変形がないため、製造バラつきによる可撓性変化の敏感度が低くなり、安定した可撓性を実現できる。これにより、製造バラつきの影響を受けにくく、安定したモータ性能を有する振動波モータを実現することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、振動波モータは、例えば圧電素子と弾性体が超音波振動する超音波モータである。

１０１ 摩擦部材
１０１ａ 接触面
１０２ 弾性体
１０２ａ 接合部
１０２ｂ 球面部
１０２ｃ 接触部
１０２ｄ 段部
１０２ｅ 平坦部
１０２ｆ 角部
１０２ｇ 側壁部
１０２ｈ 球面凹部
２００ 突起部
１０３ 圧電素子
１０７ バネ部材
１０９ 振動子
Ｖ１ 交流電圧
Ｖ２ 交流電圧
ｆｒｂ 突起部２００の変形の共振周波数
ｆｒｄ 交流電圧Ｖ１及び交流電圧Ｖ２の周波数
Ｔ１ 交流電圧Ｖ１及び交流電圧Ｖ２の周期
ＳＲ１ 球面部１０２ｂの球面半径
ＳＲ２ 球面凹部１０２ｈの球面半径
Ｄ１ 球面部１０２ｂと球面凹部１０２ｈの接触部１０２ｃにおける肉厚
Ｄ３ 平坦部１０２ｅの肉厚
Ｄ４ 接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚
ΔＤ３ｅｒｒ 製造バラつきによる肉厚Ｄ３の変化量（本発明）
ΔＤ４ｅｒｒ 製造バラつきによる肉厚Ｄ４の変化量（従来例）
ΔＫｅｒｒ３ 肉厚Ｄ3の変化によって発生するバネ定数の変化量
ΔＫｅｒｒ４ 肉厚Ｄ４の変化によって発生するバネ定数の変化量
Ｒ１ 段部１０２ｄの接触部１０２ｃを中心とする半径
Ｒ２ 球面凹部１０２ｈの接触部１０２ｃを中心とする半径

Claims (6)

1. 圧電素子と、
   突起部を有する弾性体と、
   前記突起部との接触面を有し前記弾性体に対して相対移動する摩擦部材と、
   前記突起部を前記接触面の垂線方向を加圧方向として加圧接触させる加圧手段とを有し、
   前記圧電素子と前記弾性体は固着されており、前記圧電素子に印加される交流電圧によって前記圧電素子と前記弾性体が振動する振動波モータにおいて、
   前記突起部は、
   前記摩擦部材に対向する側であって、前記突起部の中央に設けられた球面部と、
   該球面部の中心の近傍に設けられ、前記接触面と接触する接触部と、
   該球面部の周囲に設けられた平坦部と、
   該平坦部の周囲に設けられた角部とを有し、
   前記球面部、前記平坦部、前記角部が均一な肉厚を有するように構成され、
   前記球面部、前記平坦部、前記角部が前記接触部を中心として前記加圧方向に可撓性を有することを特徴とする振動波モータ。
2. 前記可撓性による前記突起部の変形の共振周波数は、前記交流電圧の周波数よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
3. 前記可撓性による前記突起部の変形の共振周波数は、前記交流電圧の周波数の２倍以上かつ６倍以下であることを特徴とする請求項２に記載の振動波モータ。
4. 前記突起部は、
   前記球面部の前記圧電素子の側に球面状に凹んだ球面凹部とを有し、
   前記球面部の球面半径をＳＲ１、前記球面凹部の球面半径をＳＲ２、前記球面部と前記球面凹部の前記接触部における肉厚をＤ１とすると、ＳＲ１、ＳＲ２、Ｄ１は下記関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
   ＳＲ１ ＞ ＳＲ２ ＋ Ｄ１。
5. 前記突起部は、
   前記接触部と前記平坦部との間に段部と、
   前記接触部の前記圧電素子の側に球面状に凹んだ球面凹部とを有し、
   前記段部の前記接触部を中心とする半径をＲ１、前記球面凹部と前記平坦部が交わる位置の前記接触部を中心とする半径をＲ２とすると、Ｒ１とＲ２は下記関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
   Ｒ２ ＜ Ｒ１。
6. 前記振動波モータは、前記圧電素子と前記弾性体が超音波振動する超音波モータであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動波モータ。

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