JP3016577B2

JP3016577B2 - 振動波装置

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Publication number: JP3016577B2
Application number: JP2206241A
Authority: JP
Inventors: 淳玉井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-08-03
Filing date: 1990-08-03
Publication date: 2000-03-06
Anticipated expiration: 2015-03-06
Also published as: JPH0491676A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、振動波モータ等の振動波装置に関するもの
である。

［従来の技術］従来の振動波装置である振動波モータとしては、第２
図（ａ）、（ｂ）に示すような構成のものが提案されて
いる。なお、第２図（ｂ）は圧電素子を４枚にして、低
電圧化を計った構成で、絶縁板７は不用である。

１は先端部の小径軸部1aと後端部の大径軸部1bとの間
に径が先端部に向け漸減するホーン形状のホーン部1cを
形成した金属丸棒からなる振動体、２は振動体１の大径
軸部1bと同径の外径に形成された軸心にボルト通し孔を
有する金属丸棒からなる押え体、３及び４は大径軸部1b
と同径の外径に形成された円環形状の圧電素子板、５は
圧電素子板3,4の電極板で、振動体１と押え体２との間
に、電極板５を挟むようにして圧電素子板3,4を配し、
ボルト６により押え体２を振動体１に固定することによ
り、圧電素子板3,4を振動体１と押え体２との間に固定
して、振動子Ａを構成している。ボルト６はその頭部が
円環状の絶縁体７を介して押え体２に接し、且つ軸部が
圧電素子板3,4及び電極板５と電気的に非接触状態に保
持されている。

圧電素子板3,4は、片面側に分極方向が互いに異な
り、且つ厚み方向に分極された２つの電極（＋電極ａ、
−電極ｂ）が中心軸線位置に形成された絶縁部ｂの両側
に対称に形成されると共に、他面側に＋電極ａ、−電極
ｂの共通電極ｃが形成されていて、振動子Ａの軸線に対
して互いに位置的位相が90゜の角度ずれて配置されてい
る。なお、圧電素子板３の分極電極（＋電極ａ、−電極
ｂ）は導電体である振動体１の後端面に接し、また圧電
素子板４は導電体である押え体２の前端面に接してい
る。

そして、電極板５と振動子１との間に交番信号として
の交流電圧V₁を、また電極板５と押え体２との間に交番
信号としての交流電圧V₂を印加することにより、圧電素
子板３の厚み方向における伸縮変位による振動と、圧電
素子板４の厚み方向における伸縮変位による振動との合
成により振動子Ａを振動させる。

交流電圧V₁と交流電圧V₂とは、第３図に示すように、
振幅及び周波数が共に同じで、時間的位相が90゜のずれ
を有している。

したがって、振動子Ａは、軸心を中心とし、縄飛びの
縄のような円運動（以下縄飛び振動と称す）を行なうこ
とになる。なお、この円運動が生じる原理については、
公知であるので説明は省略する。

ロータ８は第８図に示すように、振動子Ａの軸心ｌと
同軸に嵌合し、ロータ８の内径部の後端部（以下摩擦接
触部と称す）8bを摺動部Ｂに対応する位置まで延出し、
摩擦接触部8bをホーン部1cの摺動部Ｂに当接させてい
る。該ホーン部は軸方向の加圧力を受ける事で、摺動部
Ｂにおいて適切な摩擦力を得るため設けられている。そ
して、この摺動部Ｂは振動体１において、縄飛び振動の
腹になっている。

ロータ８の内径部8aの内径は、低摩擦係数の部材8dを
介して、振動体１において縄飛び振動の節の位置に接す
る構造になっており、摺動部Ｂ以外で生じる振動に対し
て接触して音を発生するのを防ぐため、ロータ８には逃
げ8cが設けられている。

ロータ８の摩擦接触部8bは、摺動部Ｂの外周形状と合
致する内径が漸増する形状に拡開し、振動体１の縄飛び
運動時に摺動部Ｂと面接触する。

ロータ８は、例えば不図示のスラストベアリングを介
して不図示のバネ等により図中矢印方向に押されて、前
述の適切な漸増形状を有する摺動部により摩擦接触部8b
と摺動部Ｂとの接触部に所定の摩擦力を発生させ、また
該スラストベアリングにより軸方向の回転が許容されて
いる。

以上の構造よりロータの摩擦接触部8bに振動体１の振
動が回転力となって、伝わりロータを回転させる。

［発明が解決しようとしている課題］ところで、このような構造の振動波装置である振動波
モータでは、摩擦摺動面の幅が重大な要素になってい
る。ここで幅とは第９図におけるｃのことである。

つまり、該幅が狭いと前記摩擦摺動面の摩耗が激しく
起こり、モータの寿命が短くなり、逆に広いと振動体と
移動体が吸着を起こし、モータが起動しなくなることも
ある。ここで、吸着について説明しておくと、例えば、
平面度と表面粗度を良好に仕上げられた２枚の平板を互
いに合わせると密着してしまって、平面に垂直な方向に
２枚の平板を分離するために力を必要とする現象であ
る。これは、平面同士の接合部に外気よりも低圧力部が
生じるからと考えられている。

ここで、モータの発生トルクをＴ、摩擦摺動面中心直
径をＤ、該摩擦摺動面に垂直に加える圧接力をＮ及び振
動波駆動特有の摩擦係数をμ′とすれば、発生トルクＴ
はとなる。ところが、モータを小径化として同時に摩擦摺
動面中心直径が例えば５分の１になった場合、摩擦摺動
面の摩耗からくる寿命を同等に維持するため面圧を等し
くするのには、圧接力Ｎも５分の１にする必要があるた
め、発生するトルクはと大巾に低下してしまう。そこで、摩擦摺動面の幅Ｃを
増加させることが考えられるが、これをそのまま実施す
ると吸着現象を助長させてしまうので好ましくない。

本発明の目的は摩擦摺動面における摩耗と吸着が発生
しにくい構造の振動波装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本発明の目的を実現するための構成は、棒状弾性体に
配置された電気−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、該棒状弾性体に同形の屈曲モー
ドの振動を励起させ、且つ時間的に適当な位相差を持た
せることにより、該弾性体に軸心を中心とした円又は楕
円運動を行なわせしめ、該弾性体と接触する接触体を摩
擦駆動する振動波装置において、該弾性体と該接触体と
が駆動に供するために接触する摺動面の少なくともいず
れか一方で、且つその摺動面の間に前記軸心の周方向に
延出した周溝のみを凹部として形成したことを特徴とす
るものである。

［作用］上記した構成の振動波装置は、弾性体と接触体とが駆
動に供するために接触する摺動面の少なくともいずれか
一方で、且つその摺動面の間に軸心の周方向に延出した
周溝のみを凹部として形成したので、前記凹部によって
摺動面が分断され、実質的に分断された摺動面は幅がな
いので吸着は防止されることになる。さらに、凹部によ
り摺動面が分割されるが、実質的に摺動面積を広くする
ことができ、前記凹部の影響で摩耗が促進されることが
なく、摺動面の摩耗を低減するために摺動面の幅を広く
設定しても、接触体と弾性体とが吸着する現象を防止す
ることができる。

また、棒状弾性体に励起される振動は、同形の屈曲モ
ードの合成により得られることで、該弾性体に軸心を中
心とした円又は楕円運動となる。すなわち、周溝と同心
的に振動が発生することになり、その際、摺動面は凹部
としての周溝が形成されていることで、振動変位に追従
した摺動面の変形が拡大し、摺動面同士の摺動面積を実
質的に大きくすることができるので、駆動効率を高め、
大トルク化が実現できることになる。

［実施例］第１図（ａ）は本発明の前提となる技術を示す前提例
で、振動波装置を振動波モータに適用した一部断面斜視
図である。

前提例は、振動体１の摺動面をなすテーパ面に、溝1d
を放射方向に沿って複数形成している。

これらの溝1dは、移動体（ロータ）８が摺動面Ｂに接
触した状態において、移動体８と摺動面Ｂとの接触面間
に空気層を形成するための空気供給源として作用し、移
動体８と振動体１の摺動面とが吸着するのを防止する。

したがって、摩擦摺動面Ｂの全幅Ｃを大きくとって
も、移動体８と振動体１との吸着は生じにくくなる。

なお、溝1dの幅を0.5mmとし、これを全周に16本形成
し、摩擦摺動面Ｂの全幅Ｃを溝1dのない場合と比べて２
倍とすると共に、移動体８の振動体１への圧接力を２倍
にしたところ、約２倍の起動トルクが得られた。

第１図（ｂ）は上記した前提例の変形例で、振動体１
の摺動面Ｂに、溝1dに代えて円形の凹み1eを多数点在さ
せたものであり、上記実施例１と同様の効果が得られ
る。

もちろん、第１図（ｃ）のように、振動体１とロータ
８の両方に溝1d,8eを設けても同様の効果が得られる。

第４図（ａ）は本発明の実施例１を示している。

本実施例は、振動体１の前部にくびれ部を有し、ロー
タ８に対し、摺動面Ｂと、離隔接触部Ｅを有している。

おおよその外径寸法は直径10mm、長さ30mmで、それぞ
れ振動対１、押え体２はともに材質はJIS C3601黄銅を
用いている。なお、摩擦摺動面ＢにはKN−SiCメッキが
ほどこされている。移動体８の材質はA5056で、表面に
は厚さ30μｍのアルマイト膜が付着されている。６は先
端部にバネポストの付いた挟持用ボルト部材で、引張り
コイルバネ11の一端を引掛け、バネの他端はフランジ付
ベアリング10に同軸的に内接するポリカーボネイト製の
バネポスト９に掛けられている。その結果、摩擦摺動面
Ｂには移動体８から、バネの引張り力に応じた圧接力が
加わることになる。

第５図は、第４図（ａ）における摺動面Ｂの拡大図を
示し、振動体１の摺動面Ｂには、複数（本実施例では２
本）の周溝1fを同軸上に形成しており、上記した実施例
１と同様に、周溝1fによりロータ８と振動体との吸着を
防止することができるようにしている。

本実施例において、摩擦摺動面Ｂの全幅Ｃを2mm、周
溝1fの開口部の幅を約0.15mmとし、2mmの幅の内に周溝1
fを２本設けている。これらの寸法については、全幅Ｃ
が0.3〜3mm程度の場合十分な効果が認められ0.3mm未満
であると、摩耗が激しくなり、上限の方は縄飛び振動の
波長にもよるが、一般に3mmを超えると振動体の表面粒
子の振動方向が、該摩擦摺動面内でも大きく異なってく
るため、局部的すべりを生じやすくなり、効率の低いモ
ータとなる傾向にあった。なお、周溝1fの開口部寸法は
前記寸法に限らない。但し、摩擦摺動部一面の幅Ｄは0.
1〜1mmの範囲が望ましい。

ここで、摩擦摺動面の幅Ｃを増加させてＣ′とし、周
溝1fの幅をＥとした場合、Ｃ′＝3D＋2E,D＝Ｃとする
と、発生するトルクは、摩擦面積が約３倍となることか
ら圧接力を３倍にすると、小型化に伴ない中心直径が1/
5となる前述した式より、となり、単純にモータを小型化した場合に比較して、吸
着を発生させないでトルクを向上させることができる。

また、振動体１の前部がくびれた形状としては、第４
図（ａ）に示す振動体以外に第４図（ｂ），（ｃ）に示
す形状のものがあり、夫々摺動面Ｂに周溝1fが形成され
ている。

第４図（ｂ）に示す振動波モータは摺動面Ｂを縄飛び
振動の端部に設けており、ロータ加圧用のバネ11は圧縮
バネを用いている。

ギヤ12とロータ８との間は摩擦クラッチになってお
り、過負荷に対してはその間ですべる様になっている。
又、ロータ回転軸出し部材17は摩擦係数が小さく、離隔
接触部Ｅでのクリアランスが温度変化によっても余り変
わらない様に熱膨張係数もなるべく金属に近いことが望
ましく、材質はガラス入りのポリアセタール樹脂を用い
ており、これがボルトのネジ先端部に接触してロータの
傾きを防止している。これにより、ロータは軸心に対し
てすりこぎ運動又は偏心運動といった好ましくない運動
をせず、純粋な回転運動をするので、摺動面Ｂではロー
タと振動子の接触が常に均一に保たれる。5aは内径接触
電極板でボルトと接触する構造になっていて、簡単に接
地することができる。

第４図（ｃ）に示す振動波モータは、離隔接触部Ｅが
振動子の内径側にあり、ロータ回転軸出し部材17はロー
タ８に圧入接着されたロータとの一体構造になってい
る。又、離隔接触部Ｅの位置は、振動面Ｅを延長してモ
ータの軸心と交わる点を含み軸心との垂直な面上にある
ことが、ロータが軸心から傾くことを最も拘束できる。
小径部6aは振動子の振動を絶縁するために設けられてい
る。

第６図は実施例２の断面図である。

本実施例は接触体としての移動体（ロータ）８側にロ
ータの軸と同軸でかつ垂直な方向に複数の周溝8eを深く
形成したものである。このように構成することで、ロー
タ８の振動体１への加圧方向、すなわちモータの軸方向
への応力に対しても、あるいは摩擦摺動面Ｂの振動方向
に対しても、前述した実施例に比較して摩擦摺動面が弾
性変形しやすいため、該摺動面Ｂがより均一に接するよ
うになり、摩耗はさらに減少する。

摩擦摺動面が弾性変形する様子を第７図に示してある
が、振動体１及びロータ８のテーパ部加工誤差を吸収し
て、実質の接触面積を増大させることができたため、摩
耗が減少したと考えられる。

第10図は、本発明によるモータを使用して、光学レン
ズの鏡筒を駆動する場合の構成例である。

12は移動体８と同軸的に接合された歯車で、回転出力
を歯車13に伝達し、歯車13と噛み合う歯車をもった鏡筒
14を回転させる。

移動体８および鏡筒14の回転位置、回転速度を検出す
るために、光学式エンコーダスリット板15が歯車13と同
軸に配置され、フォトカプラ16で位置、速度を検出す
る。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、一定のトルク
を発生させるために摩擦摺動面に加える加圧力と、摩擦
摺動面積を殆ど変化させなくても、弾性体と接触体との
吸着現象を抑えることが可能となり、また振動波モータ
等の振動波装置の小型化に伴って生じる摺動面の摩耗も
低減することができる。

また、摺動面に溝幅Ｅの周溝を例えば２条形成して３
条の摩擦摺動面（幅Ｄ）に分割した場合、振動波モータ
等の振動波装置の小型化に伴い摺動面の幅をＣからＣ′
に広げ、Ｃ′＝3D＋2E,D＝Ｃとすると、発生するトルク
は、摩擦面積が約３倍になることから圧接力を３倍に
し、振動波モータ等の振動波装置の小型化に伴い摺動面
の中心直径が５分の１となったとするならば、となり、単純に振動波モータ等の振動波装置を小型化し
た場合に比較して吸着を発生させないでトルクを向上さ
せることができる。

また、接触体側に周溝の凹部を形成した場合には、上
記した効果に加え、接触体の摩擦摺動面が弾性変形し易
くなり、弾性体及び接触体の摺動面の加工誤差を吸収
し、実質の接触面積を増大させることができ、摩耗の大
幅減少を図ることができる。

また、棒状弾性体に励起される振動は、同形の屈曲モ
ードの合成により得られることで、該弾性体に軸心を中
心とした円又は楕円運動となる。すなわち、周溝と同心
的に振動が発生することになり、その際、摺動面は凹部
としての周溝が形成されていることで、振動変位に追従
した摺動面の変形が拡大し、摺動面同士の摺動面積を実
質的に大きくできるので、駆動効率を高め、大トルク化
が実現できることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の前提となる技術を示す前提例
で、振動波装置を振動波モータに適用した一部断面斜視
図、同図（ｂ），（ｃ）は前提例の変形例を夫々示す一
部断面斜視図である。第２図（ａ）は本発明を構成する
基本的な振動子の分解斜視図、同図（ｂ）は圧電素子が
４枚構成の振動波モータの分解斜視図、第３図は圧電素
子板に印加する交流電圧の波形図を示している。第４図
（ａ）は実施例１の振動波モータの断面図、同図
（ｂ），（ｃ）は実施例１の変形例を夫々示す部分斜視
図、第５図は実施例１の部分拡大図である。第６図は実
施例３の断面図、第７図は実施例３における摩擦摺動面
が弾性変形している状態を示す図である。第８図は従来
の振動波モータの断面図、第９図は摩擦摺動面の形状を
示す図、第10図は振動波モータを用いた光学レンズの鏡
筒を駆動する装置の断面図である。１……振動体、1d……溝 1e……凹部、1f……周溝２……押え体、3,4……圧電素子５……電極板、5a……内径接触電極板６……ボルト部材、6a……小径部７……絶縁板、８……移動体 8e……周溝、９……バネポスト 10……回転可動部材、11……バネ 12,13……出力伝達用歯車 14……光学レンズ鏡筒 15……光学式エンコーダスリット板 16……フォトカプラ 17……ロータ回転軸出し部材 18……モータ取付け用フランジＢ……摩擦摺動面、Ｃ……摩擦摺動面の幅Ｄ……摩擦摺動面一面の幅Ｅ……離隔接触部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】棒状弾性体に配置された電気−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、該棒
状弾性体に同形の屈曲モードの振動を励起させ、且つ時
間的に適当な位相差を持たせることにより、該弾性体に
軸心を中心とした円又は楕円運動を行なわせしめ、該弾
性体と接触する接触体を摩擦駆動する振動波装置におい
て、該弾性体と該接触体とが駆動に供するために接触する摺
動面の少なくともいずれか一方で、且つその摺動面の間
に前記軸心の周方向に延出した周溝のみを凹部として形
成したことを特徴とする振動波装置。
【請求項２】請求項１において、前記周溝を複数形成し
たことを特徴とする振動波装置。
【請求項３】請求項１又は２において、弾性体に接触す
る接触体を摩擦駆動により回転させ、該接触体から駆動
力を得る出力部材を有することを特徴とする振動波装
置。