JP2019201465A - 振動波モータ及び駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトで大きな駆動力を得ることができる振動波モータを提供する。【解決手段】 振動波モータ１は、圧電素子１０３と振動体１０１とからなる複数の振動子１００と、該複数の振動子１００のそれぞれと摩擦接触する複数の摩擦部材１０４と、複数の振動子１００を複数の摩擦部材１０４に対して加圧する加圧手段１１３と、を備え、圧電素子１０３に発生する振動により複数の振動子１００と複数の摩擦部材１０４とが相対移動し、複数の摩擦部材１０４は、それぞれ斜面形状１０４ｂを備え、該斜面形状１０４ｂが互いに向き合うように、近接かつ非接触に相対移動の方向と直交する方向に並列に配置され、向き合った斜面形状１０４ｂによって形成される溝部１０５に転動部材１０６が配置され、転動部材１０６が転動することで複数の振動子１００と複数の摩擦部材１０４とが相対移動するように案内される。【選択図】 図４

Description

本発明は、振動波モータ及び駆動装置に関する。

従来の振動波モータ及び駆動装置は、高周波電圧の印加により周期的に振動する振動子を摺動部材に圧接することで摺動部材を相対的に駆動する技術が知られている。

特開２００９−２６８２３７号公報

上記の特許文献１に開示された超音波モータでは、振動子と被駆動部材を備え、被駆動部材に沿ってガイドする案内部材を更に備えており、案内部材は振動子と被駆動部材の相対駆動を直進ガイドするガイド機能を有している。

しかしながら、特許文献１に開示された超音波モータでは、案内部材は被駆動部材の底面に４つ配置され、案内部材を受けるベース部材で箱型に覆うことで固定されているので、振動子を複数使用して高出力化する場合には装置が大型化してしまう。一方、複数の振動子を一つの被駆動部材に圧接させて駆動させる場合には、複数の振動子が共通の摩擦部材を介して互いの振動によって悪影響を与え、性能が低化してしまう可能性がある。

そこで、本発明の目的は、コンパクトで大きな駆動力を得ることができる振動波モータを提供することである。

本発明の振動波モータは、圧電素子と振動体とからなる複数の振動子と、該複数の振動子のそれぞれと摩擦接触する複数の摩擦部材と、複数の振動子を複数の摩擦部材に対して加圧する加圧手段と、を備え、圧電素子に発生する振動により複数の振動子と複数の摩擦部材とが相対移動し、複数の摩擦部材は、それぞれ斜面形状を備え、該斜面形状が互いに向き合うように、近接かつ非接触に相対移動の方向と直交する方向に並列に配置され、向き合った斜面形状によって形成される溝部に転動部材が配置され、転動部材が転動することで複数の振動子と複数の摩擦部材とが相対移動するように案内されることを特徴とする。

本発明によれば、コンパクトで大きな駆動力を得ることができる振動波モータを提供することができる。

本発明の実施例における振動波モータ１の構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施例における振動波モータ１を示す平面図である。 本発明の実施例における振動波モータ１を示す底面図である。 （Ａ）、（Ｂ）本発明の実施例における振動波モータ１を示す断面図である。 斜面形状１０４ｂを示す拡大図である。 本発明の実施例における振動波モータ１を示す斜視図である。 本発明における振動波モータ１を適用したレンズ駆動装置を示す断面図である。

（実施例）
以下に、本発明の好ましい実施の形態を示す実施例を添付の図面に基づいて詳細に説明する。図面において、後述の振動子１００と摩擦部材１０４の相対移動の方向をＸ軸方向とする。また、振動子１００を摩擦部材１０４に加圧する加圧方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸方向とＺ軸方向に直交する方向をＹ軸方向とする。

図１は本発明の実施例における振動波モータ１の構成を示す分解斜視図である。図２は振動波モータ１を示す平面図である。図３は振動波モータ１を示す底面図である。図４（Ａ）は図２の断面線ＩＶＡ−ＩＶＡにおける振動波モータ１の断面図である。図４（Ｂ）は図２の断面線ＩＶＢ−ＩＶＢにおける振動波モータ１の断面図である。図５は、斜面形状１０４ｂを示す拡大図である。図６は振動波モータ１を示す斜視図である。

図１〜図６を参照して、本発明の実施例における振動波モータ１を詳説する。振動波モータ１は、振動子１００を備え、振動子１００は振動体１０１、基材１０２、圧電素子１０３により構成される。振動体１０１は、基材１０２に対して溶接や公知の接着剤などにより固定される。振動体１０１には圧電素子１０３が公知の接着剤などにより固定されている。圧電素子１０３に高周波電圧が印加されると、圧電素子１０３が振動し振動体１０１が共振を起こす。すなわち振動子１００は、高周波電圧が印加されることにより超音波振動（超音波領域の周波数の振動）を起こすように構成されている。その結果、振動子１００に形成された１つ又は複数の突起部１００ａの先端が楕円振動を起こす。突起部１００ａは、金属板である振動体１０１の一部を突出させて形成されたものでもよいし、振動体１０１に取り付けられたものでもよい。

圧電素子１０３に印加する高周波電圧の周波数や位相を変えることにより、振動子１００の突起部１００ａに生じる楕円振動の回転方向や楕円比を適切に変化させて所望の楕円運動を発生させることができる。そして、振動子１００を相手部品である摩擦部材１０４の摩擦接触面１０４ａに圧接させることにより相対的に移動させる駆動力を発生させ、振動子１００を摩擦部材１０４に対して振動子１００と摩擦部材１０４の相対移動の方向（Ｘ軸方向）に進退可能となる。又は、振動子１００を固定部とすれば、摩擦部材１０４を振動子１００に対してＸ軸方向に進退させることが可能となる。このように、振動子１００と摩擦部材１０４は、振動子１００に発生する超音波振動により相対的に移動する。

振動波モータ１により駆動される被駆動部の重量が重い場合、大きな駆動力を得るために振動子１００を複数用いることが必要である。本実施例では、振動子１００を２つ用いた構成を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、３つ以上の振動子１００を用いた構成にも適用可能である。

本実施例では、２つの振動子１００がそれぞれ２つの摩擦部材１０４の一方の面（摩擦接触面１０４ａ）で摩擦接触するように、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に２つの摩擦部材１０４が並列に配置されている。図４（Ａ）を参照すると、２つの摩擦部材１０４には、それぞれ斜面形状１０４ｂが形成されている。斜面形状１０４ｂは、摩擦接触面１０４ａとは異なる側面に形成され、それぞれの斜面形状１０４ｂが互いに向き合うように、また近接かつ非接触になるように２つの摩擦部材１０４が配置される。このように配置された２つの摩擦部材１０４によって、２つの斜面形状１０４ｂは、略Ｖ溝形状となる溝部１０５を形成する。溝部１０５には転動部材１０６が配置される。振動子１００を摩擦部材１０４に加圧する際の加圧方向（Ｚ軸方向）において、転動部材１０６に関して溝部１０５と逆側には転動部材１０６を保持するガイド部材１０７が配置される。

上記のように、２つの摩擦部材１０４は、近接かつ非接触に配置されるので、２つの摩擦部材１０４の間には空間が設けられている。次に図５を参照して、２つの摩擦部材１０４の間に設けられる空間について説明する。２つの摩擦部材１０４の間に設けられる空間を形成する片方の摩擦部材１０４のＸ軸方向の切欠き長さｘ１、摩擦部材１０４のＺ軸方向の厚さｔ、斜面形状１０４ｂの角度θ及び転動部材１０６の直径ｄと規定する。

転動部材１０６が摩擦部材１０４に接する接点Ａと、２つの摩擦部材１０４がＸ軸方向で接する接点Ｂとを結ぶ線を直線Ｌとする。直線Ｌ、転動部材１０６の直径ｄ及び斜面形状１０４ｂの斜面の角度θの関係は次式で表される。
ｄ／２・１／Ｌ＝ｔａｎθ 式１
２つの摩擦部材１０４の間に空間を設けるための、片方の摩擦部材１０４における切欠き可能な長さである切欠き長さｘ１は、次式で表される。
ｘ１＝Ｌｓｉｎθ 式２
式１、式２より、次式が得られる。
ｘ１＝ｄ／２ｃｏｓθ 式３
２つの摩擦部材１０４の間の空間の幅については、次式の条件で表される。
ｔ・ｔａｎθ＞ｘ１ 式４
式３、式４より、角度θと直径ｄの関係を示す次式が得られる。
ｔ・ｔａｎθ＞ｄ／２ｃｏｓθ 式５

また、接点ＡのＺ軸方向の位置を示す長さｘ２は次式で表される。
ｘ２＝Ｌｃｏｓθ 式６
式１、式６より、次式が得られる。
ｘ２＝ｄ／２・ｃｏｓθ／ｔａｎθ 式７
摩擦部材１０４の厚さｔについては、次式の条件で表される。
ｔ＞ｘ２ 式８
式６、式８より、角度θと直径ｄの関係を示す次式が得られる。
ｔ・ｔａｎθ＞ｄ／２ｃｏｓθ 式９

上記式５と式９は同じ関係式となる。これら関係式を用いて実施例における寸法を解析する。斜面形状１０４ｂの角度θを３０度、摩擦部材１０４の厚さｔを１．５ｍｍとすると、ｔ・ｔａｎ＝０．８６６となる。一方、転動部材１０６の直径ｄを１．５ｍｍとすると、ｄ／２ｃｏｓθ＝０．６５０となり、上記式５と式９は満たされる。次に、実施可能な寸法を解析する。転動部材１０６の直径ｄを１．５ｍｍ、摩擦部材１０４の厚さｔを１．５ｍｍとした場合、斜面形状１０４ｂの角度θは２５度以上であれば上記式５と式９は満たされる。また、斜面形状１０４ｂの角度θを３０度とした場合、式３よりｘ１＝０．６５０ｍｍとなり、２つの摩擦部材１０４の空間の幅（２倍のｘ１）は、１．３０ｍｍとなる。斜面形状１０４ｂの角度θを４５度とした場合、式３よりｘ１＝０．５３０ｍｍとなり、２つの摩擦部材１０４の空間の幅は、１．０６ｍｍとなるが実施可能な寸法である。斜面形状１０４ｂの角度θが大きくなると、転動部材１０６が脱落することが懸念されるが、もし、斜面形状１０４ｂの角度θを６０度としても２つの摩擦部材１０４の空間の幅は０．７５ｍｍとなるが、これは実施可能な寸法である。

次に加圧手段１１３について、図１、３を参照して説明する。ガイド部材１０７には、加圧ばね１０９を保持する腕部１０７ａが形成される。加圧ばね１０９は、ガイド部材１０７と、Ｚ軸方向において振動子１００を挟んでガイド部材１０７とは逆側に配置される加圧部材１１０とによって保持される。本実施例においては、引っ張りばねである加圧ばね１０９がガイド部材１０７の腕部１０７ａと、加圧部材１１０に形成されているばね架け部１１０ａに係合されることで、引っ張りばね力を発生させることができる。この引っ張りばね力は、加圧部材１１０に接触して配置されるボール１１２と加圧伝達部材１１１と中継部材１１９を介して振動子１００に伝達される。この引っ張りばね力は中継部材１１９によって中継されることで、振動子１００は均一な加圧力で加圧される。その結果、振動子１００は摩擦部材１０４に向かってＺ軸方向に加圧され、振動子１００の突起部１００ａと摩擦部材１０４の摩擦接触面１０４ａが圧接する。この状態で振動子１００に超音波振動を発生させると、振動子１００の突起部１００ａが楕円運動を行い、振動子１００と摩擦部材１０４が相対移動することになる。４つの加圧ばね１０９、加圧部材１１０、加圧伝達部材１１１、ボール１１２により加圧手段１１３が構成され加圧力を発生する。

加圧ばね１０９の引っ張りばね力によって、加圧ばね１０９を保持するガイド部材１０７はＺ軸方向に引っ張られる。その結果、ガイド部材１０７は、転動部材１０６を摩擦部材１０４の斜面形状１０４ｂによって構成された溝部１０５に押し付けることになる。転動部材１０６は、加圧ばね１０９の引っ張りばね力によって、溝部１０５とガイド部材１０７に挟持され、振動子１００と摩擦部材１０４のＸ軸方向における相対移動を案内する。溝部１０５、転動部材１０６、ガイド部材１０７によりガイド部１０８が構成される。

摩擦部材１０４の斜面形状１０４ｂが設けられた側面と異なる側面には、突起部１０４ｃが形成されている。転動部材１０６は、加圧ばね１０９によって発生する引っ張りばね力を、ガイド部材１０７を介して受けることで、溝部１０５をＺ軸方向に押し上げる力を伝達する。したがって、摩擦部材１０４の斜面形状１０４ｂは、転動部材１０６によってＺ軸方向に押し上げられる力を受ける。斜面形状１０４ｂが受けたＺ軸方向へ押し上げられる力から、Ｙ軸方向の分力が作用し、２つの摩擦部材１０４はＹ軸方向において互いに広がる方向に力を受ける。地板１１８は、２つの摩擦部材１０４を取り囲むように形成され、摩擦部材１０４に設けられた突起部１０４ｃとＹ軸方向に当接するようになっている。この構成によって、摩擦部材１０４は、地板１１８に対してＹ軸方向において位置決めされるとともに、固定される。

図１を参照すると、振動子保持部材１１４は、Ｙ軸方向において並列に配置された２つの振動子１００を略一体的に保持する。振動子１００と振動子保持部材１１４との間には、Ｘ軸方向に離間する２つのローラー１１５及び１つの板ばね１１６からなる付勢手段１１７が組み込まれる。所定の弾性を有する弾性部材である板ばね１１６は、振動子保持部材１１４に公知の接着剤などによって固定される。ローラー１１５は、板ばね１１６と振動子１００との間に挟持され、Ｚ軸方向に移動可能である。本実施例において、付勢手段１１７は、ローラー１１５及び板ばね１１６を備えているが、ローラー１１５については、Ｚ軸方向に自由に移動可能であればこれに限定されるものではない。また、板ばね１１６については、Ｘ軸方向において付勢機能を有していればこれに限定されるものではない。

振動子１００は、板ばね１１６の付勢力によりローラー１１５を介して、振動子１００と摩擦部材１０４との相対移動の方向（Ｘ軸方向）に付勢され、振動子保持部材１１４はＸ軸方向に付勢される。その結果、他方に組み込まれたローラー１１５も、振動子保持部材１１４と振動子１００との間で挟持される。

このような構成により、振動子１００と摩擦部材１０４との相対移動の方向にはガタの発生がなく、加圧方向にはローラー１１５の作用により摺動抵抗が実質的に発生しない付勢手段１１７を実現することができる。このとき、板ばね１１６の付勢力は、振動子保持部材１１４並びに被駆動部の作動開始及び停止時に生じる加減速による慣性力よりも大きくなるように設定されている。この設定により、振動子１００と振動子保持部材１１４とは、駆動時の慣性力によるＸ軸方向の相対変位が発生せず、安定した駆動制御を実現することができる。

振動子１００と摩擦部材１０４の相対移動の方向（Ｘ軸方向）において、摩擦部材１０４には突起部１０４ｃを２つ離間して配置する。転動部材１０６は、振動子１００と摩擦部材１０４の相対移動の際中や停止中にかかわらず、Ｘ軸方向に２つ離間して配置された突起部１０４ｃの間に少なくとも１つが常に存在するように配置される。これによって、転動部材１０６が摩擦部材１０４をＹ軸方向に押し広げようとする力が作用した際に、突起部１０４ｃと転動部材１０６及び地板１１８によってＹ軸方向に位置規制される。すなわち、摩擦部材１０４が転動部材１０６を支点としたモーメントによって回転しようとする動きを規制することができ、振動子１００と摩擦部材１０４はＸ軸方向において正常に相対移動を行うことが可能となる。

また摩擦部材１０４に離間して配置された２つの突起部１０４ｃは、振動子１００に生じる超音波振動によって励起される摩擦部材１０４の面内振動の節の位置に配置することが望ましい。これによって、振動子１００に生じた超音波振動を阻害することなく、振動子１００と摩擦部材１０４の相対移動の安定した駆動を実現することができる。

摩擦部材１０４は、Ｘ軸方向において位置変動しないように地板１１８に固定されている。Ｚ軸方向においては、前述のとおり、加圧手段１１３によって生じる加圧力で転動部材１０６が摩擦部材１０４の斜面形状１０４ｂからなる溝部１０５を押し上げるように配置されているため、結果的に地板１１８に対して固定される。また、Ｙ軸方向においても、転動部材１０６が摩擦部材１０４の斜面形状１０４ｂを押し上げる力のＹ軸方向の分力によって、摩擦部材１０４に配置された突起部１０４ｃと地板１１８が接触し固定される。振動子１００を保持する振動子保持部材１１４を固定部、摩擦部材１０４を可動部とする場合、地板１１８はＸ軸方向において摩擦部材１０４と略一体的に移動する。逆に、地板１１８を固定部とすれば、地板１１８に位置決めされて固定される摩擦部材１０４は固定部となり、振動子１００が可動部となって、Ｘ軸方向に相対移動する。

以上、本実施例では、２つの振動子１００が２つの摩擦部材１０４の一方の面である摩擦接触面１０４ａで摩擦接触するように、Ｙ軸方向に並列に配置される。２つの摩擦部材１０４のそれぞれには、斜面形状１０４ｂが相対移動の方向に沿って延在するように形成されている。斜面形状１０４ｂは、摩擦接触面１０４ａとは異なる面に形成され、それぞれの斜面形状１０４ｂが互いに向き合うように、近接かつ非接触に２つの摩擦部材１０４が配置される。このように配置された２つの摩擦部材１０４によって、２つの斜面形状１０４ｂは、略Ｖ溝形状となる溝部１０５を形成する。溝部１０５には転動部材１０６が配置される。この構成により、複数の振動子１００が互いに性能を阻害することなく、また振動波モータ１の大型化を抑えつつ、大きな駆動力を得ることができる。なお、上記の実施例では、互いに離間して配置された２つの摩擦部材１０４にて略Ｖ溝形状となる溝部１０５を形成し、その溝部１０５に転動部材１０６を配置する例を説明したが、転動部材１０６が配置される溝部１０５の形状は略Ｖ溝形状に限定されない。例えば、２つの摩擦部材１０４のうちの一方の摩擦部材１０４（第１の摩擦部材）にのみ斜面形状１０４ｂを設け、該斜面形状１０４ｂと他方の摩擦部材１０４（第２の摩擦部材）における側面とで形成される片側傾斜溝部に転動部材１０６を配置してもよい。また、上記の実施例では、２つの振動子１００及び２つの摩擦部材１０４が並列に配置される構成の例を説明したが、２つの振動子１００及び２つの摩擦部材１０４が互いに傾いて配置される構成でもよい。すなわち、２つの振動子１００の一方の振動子１００（第１の振動子）と摩擦接触する一方の摩擦部材１０４（第１の摩擦部材）と他方の振動子１００（第２の振動子）と摩擦接触する他方の摩擦部材１０４（第２の摩擦部材）とを互い離間し、傾斜して配置する。このような構成により、一方の摩擦部材１０４と他方の摩擦部材１０４のそれぞれを加圧する加圧方向が交差する構成でもよい。そのような構成の場合、２つの摩擦部材１０４は互いに傾いて配置されるため、２つの摩擦部材１０４のどちらにも斜面形状１０４ｂを設けることなく、２つの摩擦部材１０４により略Ｖ溝形状となる間隙溝部を形成することができる。以上のように、転動部材１０６が配置される溝部１０５は、転動部材１０６を保持するガイド部材１０７に近いほど２つの摩擦部材１０４の間隔が広くなる空間に形成されればよい。

（適用例）
図７は、本発明の振動波モータ１が組み込まれている駆動装置の適用例としてのレンズ鏡筒３を示している。なお、当該レンズ鏡筒３は略回転対称形であるため、上側半分のみが図示されている。

撮像装置としてのカメラ本体２にはレンズ鏡筒３が着脱自在に取りつけられ、カメラ本体２内には撮像素子４が設けられている。カメラ本体２のマウント５とは不図示のビスに固定されている。固定筒６には更に、レンズＧ１を保持する前鏡筒７とレンズＧ３を保持する後鏡筒８とが固定される。レンズ鏡筒３は更にフォーカスレンズ保持枠９を備え、レンズＧ２を保持している。フォーカスレンズ保持枠９は更に、前鏡筒７と後鏡筒８に保持されたガイドバー１０によって直進移動可能に保持されている。振動波モータ１の地板１１８にはフランジ部（不図示）が形成されており、後鏡筒８にビス等を用いて固定されている。

上記のような構成で、振動波モータ１の振動子１００を含む可動部が駆動すると、振動波モータ１の駆動力は、振動子保持部材１１４を介してフォーカスレンズ保持枠９に伝達される。フォーカスレンズ保持枠９はガイドバー１０によって案内されて直進移動する。

以上、本発明に関わる振動波モータ１を備えた駆動装置に関してその適用例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、請求項記載の範囲に示したものであればどのような形態をとることも可能である。例えば、振動波モータ１を備えた駆動装置は、振動波モータ１の被駆動部をレンズ保持枠としたレンズ鏡筒３に限定されず、撮像装置の撮像素子４やステージ装置のステージなどを被駆動部としてもよい。

１ 振動波モータ
１００ 振動子
１０１ 振動体
１０３ 圧電素子
１０４ 摩擦部材
１０４ｂ 斜面形状
１０４ｃ 突起部
１０５ 溝部
１０６ 転動部材
１１３ 加圧手段

Claims (8)

1. 圧電素子と振動体とからなる複数の振動子と、
   該複数の振動子のそれぞれと摩擦接触する複数の摩擦部材と、
   前記複数の振動子を前記複数の摩擦部材に対して加圧する加圧手段と、
   を備え、
   前記圧電素子に発生する振動により前記複数の振動子と前記複数の摩擦部材とが相対移動し、
   前記複数の摩擦部材は、それぞれ斜面形状を備え、該斜面形状が互いに向き合うように、近接かつ非接触に前記相対移動の方向と直交する方向に並列に配置され、
   向き合った前記斜面形状によって形成される溝部に転動部材が配置され、前記転動部材が転動することで前記複数の振動子と前記複数の摩擦部材とが前記相対移動するように案内されることを特徴とする振動波モータ。
2. 前記斜面形状は、前記相対移動の方向に沿って延在することを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
3. 前記複数の摩擦部材の間には空間が設けられ、前記斜面形状の斜面の角度（θ）と、前記転動部材の直径（ｄ）と、前記複数の摩擦部材の厚さ（ｔ）とには、以下の関係があることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動波モータ。
   ｔ・ｔａｎθ＞ｄ／２ｃｏｓθ
4. 前記複数の摩擦部材のそれぞれは突起部を備え、
   該突起部は、前記複数の摩擦部材のそれぞれを前記相対移動の方向と直交する方向に位置決めするとともに前記振動の節に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波モータ。
5. 前記突起部は前記相対移動の方向において、少なくとも２つが離間して配置され、
   前記転動部材は前記相対移動の方向において、少なくとも２つが離間して配置され、
   前記転動部材のうちの少なくとも１つは、前記相対移動の方向において、前記突起部の間に配置されることを特徴とする請求項４に記載の振動波モータ。
6. 圧電素子と振動体とからなる第１及び第２の振動子と、
   前記第１及び第２の振動子のそれぞれと摩擦接触する第１及び第２の摩擦部材と、
   前記第１の摩擦部材と前記第２の摩擦部材との間に形成される溝部に配置される転動部材と、
   前記転動部材を保持するガイド部材と、
   を備え、
   前記圧電素子に発生する振動により前記第１及び第２の振動子と前記第１及び第２の摩擦部材とが相対移動し、
   前記第１の摩擦部材と前記第２の摩擦部材とは、互いに離間して配置され、
   前記溝部は、前記ガイド部材に近いほど前記第１の摩擦部材と前記第２の摩擦部材の間隔が広くなる空間に形成されることを特徴とする振動波モータ。
7. 前記振動は、超音波領域の周波数の振動であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動波モータ。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動波モータを備えることを特徴とする駆動装置。

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