JP2020089047A - 振動波モータ、光学機器、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性がよい振動波モータを提供する。【解決手段】振動波駆動装置は、弾性体および電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体１と、振動体と接触する回転ユニットを構成する接触体２と、接触体とばね性のある部品で連結された第一シャフト５と、接触体と連結しばね性のある部品よりも熱伝導率が高い部材である円盤１０と、円盤と第二シャフト１２を支持する滑り軸受１１とを備える。接触体は、円盤および滑り軸受を介して第二シャフトに熱的に連結されて摩擦接触部からケース８−１，８−２までの放熱経路を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、振動体が発生する振動エネルギーを利用して接触体に駆動力を与える振動波モータに関するものである。

一般的に、振動波モータ（超音波モータ）は、駆動振動が形成される振動体と、振動体に加圧接触する接触体を有し、振動体と接触体が振動体に発生した振動により相対的に移動する。図６は特許文献１に記載されている、いわゆる円環型の振動波モータユニットの断面図である。振動体１はベース６に固定され、接触体２は加圧ばね３によって振動体１に加圧接触され、摩擦力によって接触体２は回転する。接触体２の回転トルクは加圧ばね３およびディスク４を介してシャフト５に伝えられ外部に伝達される。図６に記載の振動波モータにおいては、接触体２を構成する円筒状の接触ばね構造１１３が、振動体の一部を構成する摩擦部材１０３に当接している。

駆動中の振動波モータにおいては、振動体１と接触体２が接触する界面で摩擦による滑りが発生していることが知られている。この滑りに起因する損失によって生じる熱は主に二つの経路で放熱される。一つは振動体１からベース６への熱伝導経路、もう一つはケース内の空気への対流熱伝達経路である。

駆動中の接触体２の放熱のメカニズムについて述べる。振動波モータを長時間連続で駆動するとケース内の空気温度は上昇し、空気温度と熱源との温度差が小さくなるため、対流熱伝達による放熱がほとんど生じなくなる。また、振動体１と接触体２が接触する界面は振動しているため、ある瞬間の両者の接触面積は微小であり、熱の行き来が少ない高熱抵抗部となっている。

一方で、加圧ばね３の肉厚は接触体の肉厚よりも大幅に薄いため、第一シャフト５への熱伝導経路は熱抵抗が大きくほとんど放熱効果は得られない。

したがって、振動体１と接触体２が接触する界面で生じて接触体２側に流入した熱はどこにも逃げることができず接触体２およびその上部構造の錘部品７に蓄えられる。そしてさらに駆動を続けると接触体２の温度が上昇してモータの摩擦接触部がダメージを受ける恐れがある。

特許第５９２４８７９号

本願は、放熱性がよい優れた振動波モータを提供するものである。

上記課題を解決するための振動波駆動装置は、
弾性体および電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体と、
前記振動体と接触する接触体と、
接触体とばね性のある部品で連結された第一の軸と、
前記接触体と連結し前記ばね性のある部品よりも熱伝導率が高い部材と、
前記部材とケースをすべり支持する機構を備える。

放熱性がよい優れた振動波モータを提供することができる。

図１は、本発明の第一の実施例に係る振動波モータの断面図である。 図２は、放熱軸の機能をもつ第二シャフト周辺構造を説明する斜視図である。 図３は、ばね性のある部品を説明する斜視図である。 図４は、本発明の第二の実施例に係る振動波モータの断面図である。 図５は、本発明の第三の実施例に係る振動波モータの断面図である。 図６は、一般的な振動波モータの断面図である。

本願発明を以下に図面を用いて説明する。

本願発明の振動波駆動装置は以下の要素を備えている。すなわち、弾性体および電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体と、振動体と接触する接触体と、接触体とばね性のある部品で連結された第一の軸である。それらに加えて、接触体と連結し前記ばね性のある部品よりも熱伝導率が高い部材と、部材とケースをすべり支持する機構を備えている。

「接触体」とは、振動体と接触し、振動体に発生した振動によって、振動体に対して相対移動する部材のことをいう。接触体と振動体の接触は、接触体と振動体の間に他の部材が介在しない直接接触に限られない。接触体と振動体の接触は、振動体に発生した振動によって、接触体が振動体に対して相対移動するならば、接触体と振動体の間に他の部材が介在する間接接触であってもよい。「他の部材」は、接触体及び振動体とは独立した部材（例えば焼結体よりなる高摩擦材）に限られない。「他の部材」は、接触体又は振動体に、メッキや窒化処理などによって形成された表面処理部分であってもよい。

以下、さらに具体的な実施例を、図面を用いて順に説明する。

（第一の実施例）
本発明の第一の実施例を以下に説明する。図１は、本発明の第一の実施例に係る振動波モータの断面図である。図１において、振動体１はベース６に固定されており、コネクタ部９から不図示のフレキシブルケーブルを介して入力される交番電圧を印加することで、振動が励起するように構成されている。振動体１と接触体２が互いに押圧されるように加圧ばね３（ばね性のある部品）が設けられている。

加圧ばね３の図１中の中央付近には第一シャフト５（第一の軸）に取り付けられており、一方で加圧ばね３の端部には接触体２が取り付けられるような構造となっている。第一シャフト５を図中下側に押し下げて配置することにより、加圧ばね３を介して接触体２と振動体１が互いに押圧される。

さらに接触体２は、円盤１０および加圧ばね３を介して第一シャフト５まで連結されて回転ユニットを構成する。接触体２、円盤１０、および加圧ばね３を一体的に構成してもよい。

また、接触体２は円盤１０および滑り軸受１１（すべり支持する機構）を介して第二シャフト１２（第二の軸）に熱的に連結されて摩擦接触部からケース８までの放熱経路を形成する。

すなわち、円盤１０は、加圧ばね３（ばね性のある部品）よりも熱伝導率が高い部材として、振動波モータの一部を担っている。ここでは熱伝導により伝熱する構造を熱的に連結していると表現する。

以下、放熱経路を構成する部品について個別に説明する。

まず接触体２と円盤１０の連結部について述べる。本実施例では接触体２と円盤１０を熱伝導性接着剤（ＬＯＣＴＩＴＥ３８３）で接着している。これは放熱性を高めることの他に接触体２から第一シャフト５までの捩り剛性を高める効果があるからで、振動波モータの制御性を高める効果を得るためである。したがって接着以外でも圧入やビス締結などでも熱的および制御性の面で同様の効果が得られる。

また、高い精度の制御性が不要な場合は、接着による連結以外に厚さ１ｍｍ以下の高熱伝導性ゴムを２部品の間に挟む構成でも構わない。さらに、前述した図６に例示されるような、接触体２であって錘部品７と円盤１０が一体化され摩擦接触部近傍の構造のみを有する小さなプレス部品などを用いてもよい。

円盤１０は放熱性の観点から熱抵抗を加圧ばね３より下げるとともに、前述の錘部品７の機能も同時に有することが求められる。したがって、材質はＣ３６０４を使用した。円盤の厚さは放熱する上で十分に低い熱抵抗値を得るのに必要な厚さを有している。

図２は放熱軸の機能をもつ第二シャフト周辺構造を説明する図で、図１のケース８−１と８−２を取り除いたときのモータ斜視図である。本実施例では滑り軸受１１を円盤１０に固定し、放熱軸である第二シャフト１２の小径部側面１２２が軸方向フリーな状態で滑り軸受１１に挿入される。

このとき、滑り軸受１１と第二シャフト１２は滑らかに摺動するとともに熱伝導による放熱が行われる。滑り軸受１１は放熱性の観点から黄銅系の母材を用いたタイプが最良である。しかし、より安価な焼結体タイプのものや二層構造のものであっても厚さ１ｍｍ以下の薄型タイプであれば十分な放熱性を発揮する。

また、第二シャフト１２の大径部側面１２１がケース８−２の中央穴に圧入固定され熱伝導による放熱が行われる。第二シャフトは放熱軸であるから材質はＡＬ１０５０を用いた。摺動する部分は耐摩耗性を要するのでアルマイト処理を施した。アルミニウム以外のものであれば熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。より好ましくは５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上２４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である材質が好適であり、ステンレス系のように熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ前後の材質を使うことは困難である。図２の第二シャフト１２のように短軸にしても熱抵抗値を下げることが設計的に難しいからである。

以上の構成部品を使用して接触体２からケース８−２までの熱伝導経路を形成している。ケース８−１、ケース８−２、および第二シャフト１２を一体に形成し、ひとつのケースとして用いてもよい。

すなわち、熱伝導経路を形成するにあたり、ばね性のある部品よりも熱伝導率が高い部材（たとえば円盤１０）を設け、その部材とケースをすべり支持する機構を備えている点が重要である。

次に、加圧ばね３について図３で説明する。放熱性の観点では、可とう性を有する加圧ばね３は、厚みが薄いため断面積が小さく熱抵抗が大きい。

加圧ばね３と出力軸である第一シャフト５は一体化されており、振動体と接触体の相対的な回転による駆動力が効果的に伝達されるように構成されている。図３の矢印の向きが図１中の下方に対応しており、第一シャフト５を矢印方向に引張り固定することで、板ばね部３３が軸方向に弾性変形してフランジ部３１で連結する円盤１０を介してその先の接触体に矢印の方向の与圧を生じさせる。

加圧ばね３が円筒部３２を有することが好ましく、その理由は一体的な回転ユニットである円盤１０と第一シャフト５がそれぞれ滑り軸受１１と玉軸受１３に支持されるからである。つまり、一体的な回転ユニットが偏角を有する二つの軸受けで支持されていると、互いの芯ずれの影響で接触体２の暴れが生じてしまうからである。したがって接触体２の暴れを抑制するため、円筒部３２を有することが好ましい。

円筒部３２があることで芯ずれの影響を緩和して接触体の回転が安定する。

この構造だけでは回転の安定化が不十分なときは、回転ユニットのいずれか二部品の接続界面にゴムなどを挟むことで芯ずれあるいは偏角による応力分散を補い、改善を図ることができる。

（第二の実施例）
本発明の第二の実施例を図４の断面図で説明する。

本実施例において、接触体２は円盤１０を介して第二シャフト１２に一体的に連結される。

滑り軸受１１でケースと熱的に連結されて振動子と接触体の界面からケース８までの放熱経路を形成する。

本実施例では滑り軸受１１をケース８−２に固定し、放熱軸である第二シャフト１２の小径部側１２２を軸方向フリーな状態で滑り軸受１１に挿入する。

また、第二シャフト１２の大径部側面１２１が円盤１０の中央穴に圧入固定され熱伝導による放熱が行われる。また、円盤１０を介して第二シャフト１２を一体に形成し、接触体と連結し前記ばね性のある部品よりも熱伝導率が高いひとつの部材として設けてもよい。他の内容は第一の実施形態と同じであり説明を省略する。

（第三の実施例）
本発明の第三の実施例を図５の断面図で説明する。

本実施例では円盤１０を放熱軸としても使用する。円盤１０の側面をダイレクトに滑り軸受１１に滑り込ませることで２体を熱的に連結させて摩擦接触部からケース８までの放熱経路を形成する。すなわち、接触体と連結し前記ばね性のある部品よりも熱伝導率が高い部材を設け、その部材とケースをすべり支持する機構を形成している。

本実施例では滑り軸受１１をケース８−１やケース８−２に固定し、放熱軸である円盤１０の側面が軸方向フリーな状態で滑り軸受１１に挿入される。

他の内容は第一の実施形態と同じであり説明を省略する。

（その他の実施例）
光学素子と、その光学素子を駆動する前述の振動波モータを備える光学機器を提供することができる。このような光学機器は放熱性がよいため取扱いが容易であり、また熱による部材の変形等の影響が小さいため、カメラ等に適用した場合はより精度のよい撮影が可能となる。

他方で、振動波モータとその振動波モータで駆動する可動部を備えた電子機器を提供することができる。このような光学機器は放熱性がよいため取扱いが容易であり、また熱による部材の変形等の影響が小さいため、精密駆動が必要とされるアクチュエータ機器、ロボット機器等の電子機器に好適に適用できる。

１ 振動体
２ 接触体
３ 加圧バネ
４ ディスク
５ 第一シャフト
６ ベース
７ 錘部品
８、８−１、８−２ ケース
９ コネクタ部
１０ 円盤部品
１１ 滑り軸受
１２ 第二シャフト
１３ 玉軸受

Claims (10)

1. 弾性体および電気−機械エネルギー変換素子を有する振動体と、
   前記振動体と接触する接触体と、
   接触体とばね性のある部品で連結された第一の軸と、
   前記接触体と連結し前記ばね性のある部品よりも熱伝導率が高い部材と、
   前記部材とケースをすべり支持する機構を備えた振動波駆動装置。
2. 前記機構は滑り軸受である請求項１記載の振動波モータ。
3. 前記ケースと連結された第二の軸をさらに有し、
   前記滑り軸受は前記部材および前記第二の軸の間に設けられている請求項２記載の振動波モータ。
4. 前記部材と連結する第二の軸をさらに有し、
   前記滑り軸受は前記部材および前記ケースの間に設けられている請求項２記載の振動波モータ。
5. 前記第二の軸は熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項３または４に記載の振動波モータ。
6. 前記部材は円盤である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動波モータ。
7. 前記ばね性のある部品は出力軸の軸方向に可とう性を有す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. 前記ばね性のある部品は、フランジ部、円筒部および板ばね部を備え、前記第一の軸は前記板ばね部と連結していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動波モータ。
9. 光学素子と
   前記光学素子を駆動する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動波モータを備える光学機器。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項記載の振動波モータと、
    前記振動波モータで駆動する可動部を備えた電子機器。

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