JP2803939B2 - 振動波装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動波装置に係り、振
動波装置としての振動波モータ（超音波モータ称される
場合もある）、特にカメラ等の光学機器、プリンタ等の
事務機器に適用される振動波装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】振動波装置としての棒形状の振動波モー
タは、図２に示すように、棒形状の振動子１と、振動子
１の端面に当接するロータ２とを基本的な構成部材と
し、振動子１の圧電素子１ｂ１１，１ｂ１２，１ｂ２
１，１ｂ２２の位置的位相差、及び印加する交流電圧の
時間的位相差を適当に選択することにより、振動子１の
駆動面をなす端面の表面粒子に円又は楕円運動を形成
し、この駆動面に当接するロータ２を回転駆動する。

【０００３】振動子は、Ｂｓ，ＳＵＳ，アルミニュウム
等の振動減衰の少ない金属等の材料からなる円柱形状の
振動子構造体１ａ１と１ａ２の間に、駆動用圧電素子１
ｂ１１，１ｂ１２，１ｂ２１，１ｂ２２，振動検出用圧
電素子１ｂ３を配置すると共に、これら圧電素子の間に
電極板１ｃ３〜１ｃ６を配置し、振動子構造体１ａ２側
から挿入した締結ボルト３を振動子構造体１ａのめねじ
部に螺着することにより、圧電素子を挟持固定して一体
的な振動子を構成している。

【０００４】また、ロータ２は振動子１の駆動面に、加
圧バネ５のバネ力によりバネケース５ａを介して加圧接
触し摩擦力が得られるようになっている。６はバネケー
ス５ａと摩擦接触する回転出力部材で、例えば外周面に
歯車部を有しており、不図示の歯車と噛合してロータ２
の回転力を外部に伝達する。７は回転出力部材６の軸受
けである。

【０００５】したがって、振動子１の駆動面が円又は楕
円運動を行えば、ロータ２は例えば該楕円運動の軌跡の
頂傍に接触するため、その接線速度に概比例した速度で
摩擦駆動されることになり、モータ回転数を増加するに
は駆動面における振動振幅を増加させる必要がある。

【０００６】ところで、振動子でのエネルギー損失の大
部分は振動により振動子が歪むことによる内部摩擦損失
であり、歪みの総和に依存する。

【０００７】そのため、モータ回転数を増加させ、かつ
エネルギー損失を少なくするためには接触部付近のみの
振幅を増加させることが望ましい。

【０００８】このことから、本出願人は振動子１に周溝
１ｄを形成し、接触部付近のみの振幅が大きくなる振動
子を提案した。

【０００９】図３は、振動子１の周溝１ｄの有無によ
る、振動子軸部の径方向変位分布を示し、図３の（ａ）
は周溝１ｄのない場合、図３の（ｂ）はある場合を示
し、図３の（ｂ）に示すように周溝１ｄを有する振動子
は、周溝１ｄの存在により、この部分の剛性が下がり、
駆動面であるロータとの接触部側で大きな変位が得られ
ることがわかる。

【００１０】このことから、図３の（ａ），（ｂ）にお
いて、ロータとの接触部での変位を等しくしたいとき、
他部位での変位は総じて（ｂ）の方が小さく、歪みの総
和が小、つまり振動子での内部損失が小となることがわ
かる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、棒状振動波
モータは、２方向の直交する屈曲固有振動を駆動に利用
している。したがって、両固有振動数が略等しくなけれ
ば、同一周波数で２方向共に大きな振幅を得ることは不
可能であり、振動子の表面粒子が円運動から大きくはず
れ直線に近い運動となってしまう。

【００１２】その結果、モータ出力として高回転を得る
ことができず、効率の悪いものとなってしまう。

【００１３】なお、上記した２つの固有振動数は、本来
設計計算により合わせることが可能である。しかし、現
実には両固有振動数の差（以下Δｆと称す）は生じてお
り、振動子の固体差も大きかった。その結果、モータ性
能の固体間にバラツキが生じていた。

【００１４】そこで、その原因を調べたところ、上振動
子構造体１ａ１と下振動子構造体１ａ２を挟持固定する
ためのネジ部４が周溝１ｄ付近に存在すると、Δｆのバ
ラツキが大きいことが判明した。

【００１５】この原因としては、雄ネジ、雌ネジの加工
誤差によってかみ合いの強い所と弱い所が存在すること
が考えられる。つまり、これは剛性に不均一の原因とな
り、剛性の大小により固有振動数に差を与えると考えら
れる。

【００１６】ところで、図３の（ｂ）に示すように、剛
性の低い周溝１ｄ位置では、振動モードの傾斜角の変化
（θ₂ −θ₂ ）が大きく、大きな歪みの生じていること
がわかる。

【００１７】したがって、この位置における剛性差は、
屈曲固有振動数の差となって現れやすいことになる。

【００１８】本発明の目的は、上記した問題を解決する
ことにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
具体的構成は、電気−機械エネルギー変換素子を第１の
弾性部材と第２の弾性部材との間に挟持すると共に、前
記両弾性部材を締結部材によって締結して一体化し、前
記電気−機械エネルギー変換素子への交番信号の印加に
よって、方向の異なる複数の屈曲振動を生じさせ、この
複数の屈曲振動の合成によって、前記第１の弾性部材に
形成された駆動部に円又は楕円運動を行わせる振動子を
有し、前記駆動部と接触する接触部材と、前記振動子と
を相対移動させる振動波装置において、前記第１の弾性
部材の前記駆動部と前記変換素子の挟持部の間に、前記
駆動部より剛性を低下させて前記駆動部における振幅を
拡大する作用部が形成され、前記締結部材は少なくとも
前記作用部の近傍では、前記第１の弾性部材とは非接触
となるようにしたことを特徴とする。また、前記作用部
は、前記第１の弾性部材を部分的に断面積を小さくした
ものであることを特徴とする。

【００２０】

【実施例】図１は本発明による振動波モータの第１実施
例を示す断面図である。

【００２１】１ａ１，１ａ２はＢｓ，ＳＵＳ，アルミ等
の減衰の少ない金属等でできた振動子構造体、１ｂ１１
〜１ｂ３は電気機械エネルギー変換素子でここではＰＺ
Ｔを用いている。１ｃ１〜１ｃ６はＰＺＴに電界を印加
するためのＣｕ等の導電体でできた電極板であり、プレ
ス、エッチング等により製造される。

【００２２】尚１ｃ１，１ｃ３，１ｃ５はグランド用電
極でその内径側はＦｅ等でできたボルト３に接触して導
通している。したがってグランド用電極１ｃ１のみをグ
ランド用給電口としている。

【００２３】そして、ＰＺＴ，１ｂ１１，１ｂ１２は、
一対となっており、１つの屈曲振動を励振する。そして
これに直交する方向の屈曲振動をＰＺＴ，１ｂ２１，１
ｂ２２にて励振する。

【００２４】１ｂ３はセンサー用ＰＺＴで、その歪に応
じた起電圧を、電極、１ｃ１，１ｃ６間に発生する。し
たがって電極板１ｃ６と接触導通しているＰＺＴ，１ａ
２がグランドたるボルト３と導通せぬようポリイミド、
テフロン等の絶縁シート１ｅが挿入されている。そして
以上の部品が、ボルト３を用いて一体となるよう挟持固
定されている。

【００２５】なお、ネジ締めにて挟持固定する際、軸力
一定となるようボルト３と絶縁シート１ｅ、絶縁シート
１ｅと下構造体１ａ２の間に潤滑油を入れ、各間での摩
擦定数を低減安定化し、ボルト締め付けトルクにより、
軸力の管理をはかれるようにしている。このとき、絶縁
シートを複数枚として、その間に潤滑剤、例えばグリス
などを塗布するとさらに効果が大きい。

【００２６】さらに、ボルト３と構造体１ａ２との接触
圧力を均一化するため、ボルト３の下面に図７に示すよ
うに周溝３ａを形成しバネ構造としたり、図８に示すよ
うにワッシャー１１あるいは皿バネを挿入したりすると
良い。

【００２７】またネジ部４の摩擦定数やかみ合いを均一
化するためにＲタップやＲダイス加工を施すこともあ
る。これは、後に述べる振動子の固有振動数を安定化さ
せるうえでも効果がある。

【００２８】さらに、ネジ挿入時、ネジ部からの金属片
の脱落物が、振動子内部での電極ショートの原因となら
ぬよう、ネジ部に粘りを有する樹脂等を塗付しておくこ
とで脱落物の移動を防ぐような処理を施すと良い。

【００２９】またＰＺＴ外側面に水分等が付着したとき
の漏電防止、防錆等の目的で、吸水性の少ない樹脂等の
コーティング剤が塗付されると良い。

【００３０】２はアルミ製のロータで、耐摩耗性向上の
ためにアルマイト処理が施され、Ｆｅ，Ｂｓ，アルミ，
Ｚｎ等の金属でできたバネケース５ａが接着されてい
る。したがってロータ２とパネケース５ａは一体となっ
ているため、ロータ２の剛性が向上し、バネ５による加
圧、ギア６によるトルク等による変形が小さくなり、振
動子と常に滑かな接触を得ることができる。

【００３１】８はＺｎ等でできたダイキャスト製の固定
用のフランジであり、ボルト３の先端部とは接着又は圧
入方式にて結合しており、ゴム１２を介してモータ固定
部材１４にビス止めされている。尚ビス１３はフランジ
８にセルフタップにて取り付けられる。ゴム１２は、固
定部材１４の面精度が出ていないときこの影響を受けて
フランジ８が変形しないよう緩衡材の機能を有するとと
もに、フランジ８の微小振動を固定部材へ伝えないため
の振動絶縁機能を合わせもつ。

【００３２】以上のように構成された振動波モータに於
て、先に述べた問題点を解決するため従来例に対し以下
に述べる改良を施した。

【００３３】振動子構造体１ａ１，１ａ２を挟持固定す
るボルトは、上振動子構造体１ａ１に形成された周溝１
ｄ付近をさけ、ＰＺＴ側に配置している。

【００３４】このときネジ部４は図３の（ｂ）に示す振
動モードから分るように、傾斜角の変化が小さくネジ部
剛性不均一がΔｆへ与える影響も小さくなる。この結
果、振動子のΔｆは設計値（概ね零付近）に対し、バラ
ツキは小さくなりモータ性能は安定した。

【００３５】図４は第２実施例を示す。

【００３６】本実施例は、上振動子構造体１ａ１と下振
動子構造体１ａ２を接着又は圧入によって挟持固定した
もので、接着層又は圧入部等の固着部９は周溝部をはず
して構成した。接着層又は圧入部等の固着部９は、ネジ
結合同様剛性の不均一の因子であるから、本実施例によ
りその不均一のΔｆへの影響を小さくすることができ
る。

【００３７】図５は第３実施例を示す。

【００３８】本実施例は、上下の振動子構造体１ａ１，
１ａ２を締結するボルト３に段部３ｂを形成すると共
に、最下部に雄ネジ部を形成し、下振動子構造体１ａ２
の外側でナット１０によりボルト締めを行うようにした
ものである。すなわち、雄ネジ部とナット１０によりネ
ジ部４が構成されるものであり、この位置は振動の自由
端であり、振動モードの傾斜変化が小さく歪が少ない。

【００３９】なお、図６に示すように、上振動構造体１
ａ１にボルト３を一体的に形成し、図５で示した実施例
と同様に、ボルト３の下部に形成した雄ネジ部をナット
１０により螺着して締結するようにしても同様の効果が
得られる他、部品点数の削減を図ることができる。

【００４０】以上の各実施例は、ネジ結合、接着結合、
圧入結合等の剛性不確定因子の固有振動数へ与える影響
の関点から、歪の大きな場所から上記因子をはずす旨を
詳述してきたが、一般に、これら因子は、内部損失が大
きいためこの関点からも歪の大きな場所をさけ構成する
ことが望ましい。

【００４１】図９は本発明による振動波装置としての棒
状振動波モータ、例えば第１実施例の振動波モータを駆
動源とする駆動装置の概略図である。

【００４２】５４は大歯車部５４ａと小歯車部５４ｂと
からなる連結ギアで、超音波モータの回転出力部材６の
外周部に形成された歯車部が大歯車部５４ａに噛合して
いる。

【００４３】また、小歯車部５４ｂは、例えばカメラの
レンズ鏡筒等の駆動部５５の歯車部５５ａと噛合し、モ
ータの回転力により回転される。

【００４４】一方、連結ギア５４にはエンコーダスリッ
ト板５６が固定され、フォトカップラー５７にて回転数
及び回転角度が検出される。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
振動子の剛性を低下させて駆動部における振幅を拡大す
る作用部の近傍では、締結部材と第１の弾性部材とは例
えばネジ結合、接着結合等が行われない非接触としてい
るので、振動子の固有振動数のバラツキが小さくなる。
この結果Δｆのバラツキも小さくなり、モータ性能は安
定する。

【００４６】また、該結合部での損失も小さくなるた
め、モータ効率も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動波モータの第１実施例を示す
断面図。

【図２】従来の振動波モータの断面図。

【図３】振動モードを示す図。

【図４】本発明による振動波モータの第２実施例を示す
断面図。

【図５】本発明による振動波モータの第３実施例を示す
概略断面図。

【図６】本発明による振動波モータの第４実施例を示す
概略断面図。

【図７】締結ボルトの頭部構造を示す図。

【図８】締結ボルトと下振動子構造体との間にワッシャ
ーを設けた構造を示す図。

【図９】振動波モータを駆動源とする駆動装置の概略
図。

【符号の説明】

１ａ１，１ａ２…振動子構造体 １ｂ１１〜１ｂ３…ＰＺＴ（圧電素子） １ｃ１〜１ｃ６…電極板 １ｄ…周溝 ３…ボルト ４…ネジ結合部 ５…バネ ６…ギア ７…ベアリング ８…フランジ ９…接着（圧入）結合部 １０…ナット １１…ワッシャー １２…ゴム １３…ビス １４…モータ固定
部材

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気−機械エネルギー変換素子を第１の
   弾性部材と第２の弾性部材との間に挟持すると共に、前
   記両弾性部材を締結部材によって締結して一体化し、前
   記電気−機械エネルギー変換素子への交番信号の印加に
   よって、方向の異なる複数の屈曲振動を生じさせ、この
   複数の屈曲振動の合成によって、前記第１の弾性部材に
   形成された駆動部に円又は楕円運動を行わせる振動子を
   有し、前記駆動部と接触する接触部材と、前記振動子と
   を相対移動させる振動波装置において、 前記第１の弾性部材の前記駆動部と前記変換素子の挟持
   部の間に、前記駆動部より剛性を低下させて前記駆動部
   における振幅を拡大する作用部が形成され、前記締結部
   材は少なくとも前記作用部の近傍では、前記第１の弾性
   部材とは非接触となるようにしたことを特徴とする振動
   波装置。
2. 【請求項２】 前記作用部は、前記第１の弾性部材を部
   分的に断面積を小さくしたものであることを特徴とする
   請求項１記載の振動波装置。