JP2996477B2

JP2996477B2 - 振動波駆動装置

Info

Publication number: JP2996477B2
Application number: JP2025732A
Authority: JP
Inventors: 貴之月本; 隆司前野; 仁向島; 元金沢; 進一是枝; 一郎千葉; 暁生熱田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-02-05
Filing date: 1990-02-05
Publication date: 1999-12-27
Anticipated expiration: 2014-12-27
Also published as: DE69120307T2; US5298829A; EP0441540B1; JPH03230772A; DE69120307D1; EP0441540A1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、電気−機械エネルギー変換素子により電気
エネルギーを振動エネルギーに変換し、摩擦を介して振
動エネルギーから機械出力を得る振動波モータ等の振動
波駆動装置に関するものである。

［従来の技術］一般に、振動波駆動装置としての振動波モータは、弾
性体に圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子を固
着した振動子と、該弾性体に圧接される移動体とにより
構成され、該圧電素子の２相の駆動相に交流電圧を印加
して該弾性体に進行波を励起し、進行波による振動エネ
ルギーを該移動体との摩擦力を介して弾性体と移動体と
を相対移動させ、モータ出力としている。このことか
ら、モータ効率向上のために弾性体は振動損失（内部損
失）の小さい材料を用いて構成しており、弾性体の材料
としては、ｑ＝100〜300程度の非常に高いものを用い、
小さなエネルギーで振動を発生しやすいようにしてい
る。

［発明が解決しようとしている課題］ところで、このような振動波モータにおいて、モータ
出力を取り出すために、移動体は弾性体に対して加圧さ
れた状態にあることから、弾性体はモータ駆動中に垂直
力（圧接方向の力）や摩擦力（摩擦力によるモーメン
ト）を受け、この力が原因で駆動波以外の振動も励起さ
れる場合がある。

そして、これらの振動は、主に、振動子の固有振動
（移動体と摩擦力を介して弱い連成はしているが）であ
り、この振動数が可聴域にある場合は鳴きとして騒音と
なる。又、この振動数自身が可聴域になくとも、移動体
と組み合わされた状態での振動子の振動非線形性によ
り、駆動用モードの振動数との差分や、分調波も発生
し、これらが可聴域にあれば、鳴きとして問題となる。

本出願に係る発明の目的は、このような従来の問題を
解決し、鳴き発生のない振動波駆動装置を提供すること
にある。

［課題を解決するための手段及び作用］本出願に係る発明の目的を実現する第１の構成は、弾
性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子に交番
信号を印加することによって、該弾性体に位置的および
時間的に位相の異なる複数の定在波を励起し、これらの
定在波の合成によって該弾性体に駆動用の進行波を生じ
させ、該弾性体に接触した接触部材と、該弾性体と、を
相対移動させる振動波駆動装置において、該弾性体と該
接触部材との接触部に不均一な接触圧を付与する接触圧
付与手段を設け、更に該弾性体または該接触部材の少な
くとも一方は、前記駆動用の進行波の振動の次数よりも
１次下の次数の進行波の振動での半波長の略整数倍のピ
ッチの動剛性を不均一に形成し、前記１次下の次数の進
行波の振動における位相の異なる複数の定在波の固有振
動数に差を生じさせるようにして、前記１次下の次数の
進行波を生じにくくしたものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第２の構成は、上
記第１の構成で、前記接触圧付与手段は、加圧力を部分
的に作用させるための複数の加圧用部材を有するもので
ある。

本出願に係る発明の目的を実現する第３の構成は、上
記いずれかの構成で、前記弾性体または接触部材の少な
くとも一方は、前記１次下の次数の進行波の振動におけ
る位相の異なる複数の定在波の固有振動数に差を生じさ
せるように、特定の位置に動剛性の低い部分を設けるこ
とにより動剛性を不均一に形成したものである。

本出願に係る発明の目的を実現する第４の構成は、上
記第１または第２の構成で、前記弾性体または前記接触
部材の少なくとも一方は、前記１次下の次数の進行波の
振動における位相の異なる複数の定在波の固有振動数に
差を生じさせるように、特定の位置に動剛性の高い部分
を設けることにより動剛性を不均一に形成したものであ
る。

本発明の構成は、以下に述べる観点により見い出した
ものである。

鳴きの発生要因となる不要振動が予想できなければそ
の対策は困難である。そこで、本発明者は種々のモータ
を試作して鳴きの振動モードについて調べた。その結
果、鳴きは主に２通りあり、１つは強制振動により駆動
用モードの分調波が発生するもの、もう１つは摩擦力に
より発生する自励振動である。

そして、後者の自励振動についてはさらに主に２つに
分かれ、移動体、振動体の寸法や、接触部動剛性、摩擦
定数等により鳴き振動モードが決定されるものと、寸法
にかかわらず、定在波の合成によって生じる複数の進行
波としての振動の中で、駆動波となるある次数（波数）
のは別の次数（波数）の進行波としての振動（面外モー
ド）で発生する、２通りの原因があることがわかった。

そして、前記駆動波となるある次数（波数）とは別の
次数（波数）として、１次下、すなわち駆動用の進行波
の振動の次数より１次下の次数（波数）の進行波として
の振動で鳴きの発生する状況を調べると、移動体と弾性
体の接触が均一に保たれていないときに発生することが
わかった。

第２図にこのときの振動スペクトルの代表例を示す。
なお、振動子は円環形状のものを使用している。縦軸は
振動子に設けられたセンサー層（電気−機械エネルギー
変換素子からの圧電効果により、振動により歪に応じた
電圧を発生する）からの出力で、横軸は周波数である。

「ｆ」は駆動用振動モード（円環の面外曲げ７次モー
ド）であり、「ｇ」は摩擦力による自励振動として発生
した振動モードであり、「ｆ」の１次下のモード、つま
り面外曲げ６次の進行波振動である。そして、「ｈ」は
「ｆ」と「ｇ」の差分であり、約8KHzで鳴きとして聞こ
える。このように、弾性体と移動体に接触ムラ（圧力ム
ラ）があると、駆動波の１つ下の振動モードが発生し、
他の不要な振動モードが発生しなくなることを本発明者
は、実験的に確めることができた。即ち、接触ムラ（圧
力ムラ）がある場合、鳴きの原因となる振動は、駆動用
モードより１次低いモードの振動に限られることがわか
った。

また、前者すなわち接触ムラ（圧力ムラ）が小さいと
きの鳴きを調べてみると、移動体、弾性体の構造・材料
・摩擦定数・駆動次数等により鳴き振動モードは変わる
が、７波駆動とした場合、3,4,5,6波のうちどれか１
つ、又はその組み合わせに限られていることがわかっ
た。

第９図に、圧力ムラがないときの鳴きの代表例を示
す。

「ｆ」は駆動用振動モードであり、「ｋ」は３次、
「ｊ」は４次モードである。

以上より、圧力ムラの発生しない構造とした場合、７
波駆動では3,4,5,6次モードについて鳴き対策をほどこ
せば、鳴きのないモードが実現できることがわかった。

一方、鳴き対策の一手段として不均一剛性部を弾性体
等に設ける方法がある。

振動波モータの駆動原理は、位置的位相差を有する圧
電素子に時間的にπ/2ずれた交流電圧を印加すると２つ
の定在波、すなわちsinモードの定在波とcosモードの定
在波が弾性体に励起され、双方の定在波の合成によって
進行波が形成されるものであり、前記圧電素子により前
記sinモードの定在波が励起される前記弾性体の振動系
と、前記cosモードの定在波が励起される前記弾性体の
振動系との固有振動数が略等しいことが進行波の形成に
必要とされる。したがって、前記２つの振動系の固有振
動数に差が生じると、進行波が形成されなくなる。

このことから、鳴きの発生の原因となる不要な次数の
進行波の発生を防止するには、当該次数における双方の
位相の異なる定在波の固有振動数に差を生じさせれば良
い。

定在波の励起される振動系間の固有振動数に差を設け
る方法の一つとしては、例えば弾性体を環状とし、その
上面に周方向に沿って複数のスリットを等ピッチで形成
している場合、例えば一方の定在波の節にあたるが他方
の定在波では腹にあたる位置におけるスリットの深さ
を、他のスリットよりも深くすることにより、一方の定
在波の励起される振動系と他方の定在波の励起される振
動系との固有振動数に差を設けることが可能となる。

したがって、本発明は、駆動モードの次数よりも１つ
下の次数のモードを強制的に発生させ、かかる次数にお
いては上述した動剛性不均一部の作用によって当該モー
ドの発生を抑え、結果として鳴き発生を防止したもので
ある。

［実施例］以下本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

実施例１第１図は本発明による振動波駆動装置を振動波モータ
に適用した実施例１を示す一部切欠斜視図である。な
お、本実施例は７波駆動とする。

ａは円環形状に形成された弾性体で、その裏面には圧
電素子Ｐが接着剤により接着されている。弾性体ａの上
面には多数のスリットＳが等ピッチで形成されている
が、これらのスリットＳの中でいくつかのスリットＳ−
１（本実施例では６箇所）は他のスリットよりも深溝に
形成され、これらのスリットＳ−１により前述したよう
に動剛性不均一部を作り、６波（次）の進行波の発生を
妨げるようにしている。

すなわち、加圧の不均一によって発生する鳴きの原因
となる６波の進行波が発生するような状況となっても、
６波の進行波の発生が妨げられることになる。

ｂは環状の移動体、ｃはゴムで、ゴムｃの上面に複数
個このコロｄが配置され、これらのコロｄ上に加圧用構
造体ｅが配置されている。このような構造とすることに
よって、弾性体ａに進行波が形成されると移動体ｂが回
転し、コロｄを介してモータ増減速が可能である。ま
た、コロｄによって、弾性体ａと移動体ｂの接触駆動面
に周上３ヶ所の面圧が高い部分を強制的に作り出してい
る。

したがって、面圧の不均一が原因で、駆動モードより
も１次下のモードが発生する、すなわち６波の進行波が
発生することになるが、６波の進行波はスリットＳ−１
による剛性不均一部の作用によって、発生が妨げられ、
鳴き発生が抑制されることになる。

なお、コロｄに代えて第３図に示す如く、球d₂を用い
ても同様であり、球d₂に軸を通すことにより出力が取り
出せ、また出力は直接移動体ｂから伝達されてもよい。

実施例２第４図は実施例２を示す。

本実施例は、実施例１と同様に６波の不要モードの発
生を弾性体ａのスリットＳ−１の作用によって妨げてお
り、面圧の不均一をゴムc₂を分割配置することによって
生じさせている。

実施例３第５図は実施例３を示す。

本実施例は、不要モードの発生を弾性体ａのスリット
１−Ｓの作用によって妨げる構成の弾性体１を、３箇所
に配したコイルバネによって保持することで圧力ムラを
発生させている。

実施例４第６図は実施例４を示す。

本実施例は第１図に示す弾性体ａを、軸線ｌを中心と
して２つ折れ状態に変形し、圧力ムラを発生させてい
る。この折れ量が数μｍ程度（駆動モードの振動程度）
あると、圧力ムラが原因の鳴きを生じることがある。

なお、３つ折れ、４つ折れに弾性体ａを変形させても
同様に圧力ムラを発生させることができる。

実施例５第７図は実施例５を示す。

本実施例は、図に示す如く、弾性体ａに形成されるス
リットＳを部分的に周方向に２ヶ所まびき、不等ピッチ
とすることによって、圧力ムラを発生させたもので、上
述の各実施例と同様に、弾性体１には、不要モード（駆
動モードよりも１次下）の発生を動剛性不均一部により
抑えるスリットＳ−１が設けられている。

実施例６第８図は実施例６を示す。

本実施例は、振動子を固定する固定部材ｑ上に複数配
置した支持部材ｒにより生じた振動子の面変形により圧
力ムラを発生させ、また固定部材ｑの周部６ヶ所に等ピ
ッチで設けた切欠き部１−ｑにより、動剛性不均一部を
設け、鳴き防止対策を施したものである。

なお、上記した各実施例における圧力ムラを生じる機
構、構造はモータ実装上、製造コスト等の関係で生じる
ことが多く、各実施例の構造等を夫々組み合わせること
もできる。

また、駆動用振動モードより１次低い振動モードの1/
2波長の整数のピッチで動剛性不均一部分を設ける手段
として、溝（スリット）を深くする方法のみを示した
が、逆に溝を浅くする、質量を付け加える等の方法で
も、上述の各種の圧力ムラ発生手段と組み合わせれば、
同様の効果が得られる。

［発明の効果］請求項１に係る発明によれば、接触圧付与手段により
与えられた不均一な接触圧により、駆動用の進行波の振
動の次数よりも１次下の次数において鳴きの発生する状
態を作り出すが、この状態を生じさせる駆動用の進行波
の振動の次数よりも１次下の次数における弾性体と接触
部材で構成される複数の振動系の固有振動数に差が生じ
るので、駆動用の進行波の振動の次数よりも１次下の次
数での位相の異なる複数の定在波の固有振動数に差が生
じ、これらの定在波を合成しても鳴きの原因となる駆動
用の進行波の振動の次数よりも１次下の次数での進行波
が生じなくなり、鳴きの発生を防止することができる。

請求項２に係る発明によれば、簡単な構成で接触圧付
与手段を構成することができる。

請求項３、４に係る発明によれば、簡単な構成で駆動
用の進行波の振動の次数よりも１次下の次数における弾
性体と接触部材で構成される複数の振動系の固有振動数
に差を生じさせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による振動波駆動装置を振動波モータに
適用した実施例１を示す一部切欠き斜視図、第２図は振
動スペクトルを示す図、第３図は実施例１の変形例を示
す斜視図、第４図は実施例２の一部切欠き斜視図、第５
図は実施例３の斜視図、第６図は実施例４の斜視図、第
７図は実施例５の斜視図、第８図は実施例６の一部切欠
き斜視図、第９図は振動スペクトルを示す図である。 a:弾性体、b:移動体 c:ゴム、d:コロ e:加圧用構造体 f:駆動用振動スペクトル g:駆動用モードの１次下の振動 s:スリット、p:圧電素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金沢元東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者是枝進一東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者千葉一郎東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者熱田暁生東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (56)参考文献特開昭62−262673（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−193569（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体に固定された電気−機械エネルギー
変換素子に交番信号を印加することによって、該弾性体
に位置的および時間的に位相の異なる複数の定在波を励
起し、これらの定在波の合成によって該弾性体に駆動用
の進行波を生じさせ、該弾性体に接触した接触部材と、
該弾性体と、を相対移動させる振動波駆動装置におい
て、該弾性体と該接触部材との接触部に不均一な接触圧を付
与する接触圧付与手段を設け、更に該弾性体または該接
触部材の少なくとも一方は、前記駆動用の進行波の振動
の次数よりも１次下の次数の進行波の振動での半波長の
略整数倍のピッチの動剛性を不均一に形成し、前記１次
下の次数の進行波の振動における位相の異なる複数の定
在波の固有振動数に差を生じさせるようにして前記１次
下の次数の進行波を生じにくくしたことを特徴とする振
動波駆動装置。
【請求項２】前記接触圧付与手段は、加圧力を部分的に
作用させるための複数の加圧用部材を有することを特徴
とする請求項１記載の振動波駆動装置。
【請求項３】前記弾性体または接触部材の少なくとも一
方は、前記１次下の次数の進行波の振動における位相の
異なる複数の定在波の固有振動数に差を生じさせるよう
に、特定の位置に動剛性の低い部分を設けることにより
動剛性を不均一に形成したことを特徴とする請求項１ま
たは２記載の振動波駆動装置。
【請求項４】前記弾性体または前記接触部材の少なくと
も一方は、前記１次下の次数の進行波の振動における位
相の異なる複数の定在波の固有振動数に差を生じさせる
ように、特定の位置に動剛性の高い部分を設けることに
より動剛性を不均一に形成したことを特徴とする請求項
１または２記載の振動波駆動装置。