JP3107946B2 - 振動波駆動装置 - Google Patents

振動波駆動装置

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JP3107946B2 JP05106376A JP10637693A JP3107946B2 JP 3107946 B2 JP3107946 B2 JP 3107946B2 JP 05106376 A JP05106376 A JP 05106376A JP 10637693 A JP10637693 A JP 10637693A JP 3107946 B2 JP3107946 B2 JP 3107946B2
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/106Langevin motors

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は棒状弾性体に設けられた
電気−機械エネルギー変換素子に電気エネルギーを供給
することにより棒状振動子を振動させ、振動子に円又は
楕円運動させることで振動子に押圧した接触体を相対的
摩擦駆動させる振動波駆動装置、特にカメラ等の光学
機器、プリンタ等の事務機器に好適な振動波駆動装置に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、振動波駆動装置としては、円環に
曲げ振動を起こし、摩擦力により移動体を駆動させるタ
イプのものが、カメラ用AF機構などで実用化されてい
る。しかし、リング形状であるため、加圧機構を含めた
ユニットとしては意外とコスト高であり、中空を要求さ
れぬモータ用途としてはコスト上不利である。そこで、
中実型で加圧系などの構成が容易なタイプのモータとし
て本出願人から特開平4−117185号公報が提案さ
れていた。
【0003】図2は該提案にかかる振動波駆動装置の要
部断面図であり、a1,a2の夫々は、電位−機械エネ
ルギー変換素子としての中空円板状の圧電素子で、中心
線を挟んで厚み方向に(+)(−)に分極されており、
また圧電素子a1,a2は90°位置的にずれた状態で
配置されている。b2は、下側振動体、b1は上側振動
体で、該上側振動体b1の上方であって接触部Aの近傍
には、径の細い部分b1aが設けられている。圧電素子
a1,a2の夫々に位相差のある電気信号が不図示の駆
動回路から印加されると、振動体には、異なる平面内で
曲げ振動が生じ、かつ時間的に所定の位相差をもった振
動が生じるので、振動体の表面粒子は回転運動を行な
う。なおこの原理については公知であるのでその詳細は
省略する。
【0004】又、図2中のAは接触体としての移動体d
Aを駆動する為の振動体側接触部で、該移動体dAは振
動子b1に対し、前記接触部Aにて加圧接触され、駆動
力を受ける接触部dAAを有する。
【0005】
【発明が解決しようとしている課題】ところで、最近の
光学機器、プリンタ等の事務機器では、形状の小型化が
強く求められている。しかしながら前記従来例では棒状
振動波駆動装置の小型化を進めた場合、駆動に利用する
モードの共振周波数がωn=Knd(√E/ρ)/l2
(E=ヤング率、ρ=密度、l=全長、d=直径、Kn
=定数)の式に従って、全長の2乗に反比例して小さく
なる為、次の様な欠点が有った。
【0006】(1)駆動の制御を、センサー用圧電素子
により検出した検出信号と駆動信号の位相差をフィード
バックする事により行う場合、該検出信号及び該駆動信
号の周波数が高い為、正確な位相差が検出出来ず、精度
の良い制御が出来なくなる。
【0007】(2)振動波駆動装置では振動子の駆動面
に対して、移動体を全周にわたり接触させる為、移動体
側に於ける接触部にバネ性を付与している。ここで駆動
時の振動子の変位分布は正弦波状であり、これに押圧さ
れた該接触バネ部の受ける加振力は概ね図3に示したよ
うな半波整流波形状となる。
【0008】この時、加振力成分として駆動振動数の2
倍の成分も多く含み、この振動数付近に該接触バネ部の
固有振動数が存在すれば、これが振幅拡大し、正常な回
転を妨げたり、駆動中に鳴きを発生する事になる。
【0009】これに対して、従来は該接触バネ部の全て
のモードの固有振動数を駆動振動数の2倍より高く設定
する事により、この現象をさけてきた。
【0010】しかしながら前述したように棒状振動波駆
動装置を小型化する場合、形状を相似のまま小型化する
と、駆動振動数が軸方向長さの2乗に反比例して高くな
る為、必然的に該接触バネ部の固有振動数も高くする必
要がある。ところが接触部のバネ特性が剛くなり過ぎる
と駆動面に必ず存在するうねりに追従できず、モータの
出力が低下するという欠点があった。
【0011】本発明の目的は、棒状振動子の全長を短く
しても、駆動に利用するモードの共振周波数を低下させ
ることができ、それにより振動子と加圧接触して相対移
動する部材の追従性も向上させることができる振動波駆
動装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段および作用】本発明の目的
を実現する構成は、棒状の振動子に具備された電気−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
り、該振動子を構成する振動弾性体の駆動部に円又は楕
円運動を行わせ、該駆動に加圧接触した接触体と該振
動子とを摩擦力により相対的に移動させる振動波駆動装
置において、該振動子は、該電気−機械エネルギー変換
素子を狭持する第1の弾性体部と、該駆動部を有する第
2の弾性体部とを中心軸部上に独立して備え、該第2の
弾性体部は該中心軸部と同心の周溝部を内周部に形成
し、該中心軸部に対して軸方向の一部のみで支持されて
軸方向に自由端を有することを特徴とし、前記第2の弾
性体部の質量を殆ど減らすことなく前記振動子全体の剛
性を下げて該振動子の固有振動数を下げることができ、
駆動に利用するモード、特に1次モードの共振周波数を
低くすることができ、前記第2の弾性体部の他の部分よ
り比重の大きい材料で構成すれば、より以上に周波数を
下げることができる。
【0013】
【実施例】図1は本発明による振動波駆動装置の第1実
施例を示す要部(振動子)縦断面図である。
【0014】図1において、3は振動子の中心軸部をな
す金属性のピン部材で、ピン本体3aの一端部には駆動
用等の、例えばPZTで構成される電気−機械エネルギ
ー変換素子としての圧電素子板a1 〜a5 を挟持するた
めのフランジ部3bが一体的に形成され、またピン本体
3aにはねじ部3c,3dが形成されている。
【0015】圧電素子板a1 〜a5 は中空円形状に形成
され、互いに同位相に配置される圧電素子a1 とa2
駆動用のA相圧電素子をなし、同様に配置される圧電素
子板a3 とa4 はB相圧電素子をなし、圧電素子板a5
はセンサ用として用いられ、その歪に応じた起電圧を検
出信号として発生する。A相圧電素子とB相圧電素子と
は互いに90°の位相差を有している。なお、A相圧電
素子とB相圧電素子とは夫々2枚の圧電素子板で構成し
ているが、各相とも1枚の圧電素子板で構成するように
してもよい。また、各圧電素子a1 〜a5 は従来例と同
様に中心線を挟んで厚み方向に(+)(−)に分極され
ている。
【0016】2はピン部材3のねじ部3cに螺合する第
1の振動弾性体で、ピン部材のフランジ部3bとの間に
不図示の電極板を介装して積層配置された圧電素子板a
1 〜a5 を挟持固定する。
【0017】1はピン部材3のねじ部3dに螺合する先
端質量部材である第2の振動弾性体で、内周上端部にの
み該ねじ部3dに螺合するねじ部1aが形成され、該ね
じ部1aの下部には円周状の溝部1bが形成され、この
溝部1bとピン部材3の外周面との間に空間部分b2が
形成される。
【0018】第2の振動弾性体1と第1の振動弾性体2
とは、図1に示す所定位置に固定された状態において、
長さ方向にくびれた隙間b1が形成され、第2の振動弾
性体1の独立性が維持されている。
【0019】すなわち、第2の振動弾性体1は、ピン部
材3に対して一部分のみで支持されているため、振動子
の見掛上の軸方向における長さを短くしても、空間部分
b2の軸方向の長さ部分だけ振動子の長さが長くなる。
このため、振動子の寸法を小さくしても、固有振動数を
低くすることができることになる。
【0020】なお、4は支持ピンで、ピン部材3に駆動
振動の節位置で圧入されている。
【0021】ここで、A相、B相圧電素子に位相の差を
有する駆動信号が不図示の駆動回路より印加されると、
図2に示す従来例と同様に、振動子には異なる平面内で
振動が生じ、かつ時間的に所定の位相差をもった振動が
生じるので、振動体の表面粒子は回転運動を行なう。な
お、この原理については公知であるのでその詳細は省略
する。そして、本実施例の場合では、従来例と比較し
て、第2の振動弾性体1とピン部材3の間に円筒系の空
間部分b2が存在する為、全体のスラスト方向の長さを
伸す事なく、駆動に利用するモードの共振周波数を著し
く低くする事が出来るものである。
【0022】ここで図1から明かな様に、単に隙間b1
の径方向の長さを長くする方法では、駆動振動の節の部
分5に圧入されている支持ピン1が存在する為、圧入部
5のピン部材3の肉厚が薄くなってしまい、支持損失の
増大等の悪影響が出る事になる。ちなみにFEMによる
計算を実施した結果、全長11.5mm、外径5mmと
し空間部分b2のスラスト方向の長さを2mmとした場
合、空間部分b2がない場合と比較して1次モードの共
振周波数が53.9Hzから34.6kHzへと19.
3kHzの低下となった。
【0023】なお、第2の振動弾性体1は、第1の振動
弾性体2及びピン部材3と異なる材質とする事が可能で
ある。この場合第2の振動弾性体1の材質を他より比重
の大きいものとすれば、同一の場合よりもさらに駆動に
用いるモードの共振周波が下がる事になる。
【0024】図4は第2実施例を示す。本実施例では、
ピン部材3と第2振動弾性体1を接着又は圧入等によっ
て挟持固定したもので、接着又は圧入等の固着部6は、
第1実施例のネジ結合の場合と比較して剛性の不均一の
原因となりにくいので、本実施例では第1実施例と比べ
てその不均一による駆動への悪影響を小さくする事が出
来る。
【0025】図5は第3実施例を示す。本実施例では中
心軸と第2の振動弾性体1を一体化して一体化ボルト9
としており、第1の振動弾性体2と該一体ボルト9は固
着部7で接着又は圧入又は嵌合により固定されている。
そして、下端振動弾性体10と該一体ボルト9はネジ結
合部8で結合され、圧電素子a1〜a5を挟持してい
る。本実施例の場合も、第1実施例と比較してネジ結合
部分が小さい為、その不均一による駆動への悪影響を小
さくする事が出来る。又、空間部分b2は円錐台形をし
ており、一体ボルト9の製造性が考慮されている。
【0026】図6は第4実施例を示す。本実施例では第
3実施例と比較して、第1の振動弾性体2と一体ボルト
9の固着部7が短くなっており、残り部分には円筒形の
空間部分b3が存在する。
【0027】従って本実施例の場合は、円錐台形の空間
部分b2のみしか存在しない第3実施例の場合よりさら
に全体の剛性が低くなり、より大きく駆動の周波数を下
げる事が出来る。
【0028】図7は第5実施例を示す。本実施例では中
心軸と第1の振動弾性体及び支持ピンを一体化して一体
ボルト11としており、第2の振動弾性体1と該一体ボ
ルト11はネジ締めにより固定されている。本実施例の
場合は支持ピンの一体化により部品数の削減がはかられ
ている。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
振動子の全長を延すことなく、駆動に利用するモードの
共振周波数を著しく低くする事が出来る。この結果、駆
動の制御をセンサー用圧電素子からの検出信号を利用し
て行う場合の精度が高くなり、しかも接触体との接触部
のバネ特性を柔くする事が可能となることにより接触体
の追従性を向上させる事が出来る。従って、棒状振動波
駆動装置の小型化が簡単に出来る事になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による棒状振動波駆動装置の第1実施例
を示す断面図。
【図2】従来の棒状振動波駆動装置の断面図。
【図3】加振力を示す波形図。
【図4】第2実施例を示す棒状振動波駆動装置の断面
図。
【図5】第3実施例を示す棒状振動波駆動装置の断面
図。
【図6】第4実施例を示す棒状振動波駆動装置の断面
図。
【図7】第5実施例を示す棒状振動波駆動装置の断面
図。
【符号の説明】
1…第2の振動弾性体 2…第1の振動弾
性体 3…ボルト 4…支持ピン 9,11…一体ボルト 10…下側振動体 a1〜a5…圧電素子
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 2/00

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 棒状の振動子に具備された電気−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り、該
    振動子を構成する振動弾性体の駆動部に円又は楕円運動
    を行わせ、該駆動に加圧接触した接触体と該振動子と
    を摩擦力により相対的に移動させる振動波駆動装置にお
    いて、 該振動子は、該電気−機械エネルギー変換素子を狭持す
    る第1の弾性体部と、該駆動部を有する第2の弾性体部
    とを中心軸部上に独立して備え、該第2の弾性体部は
    中心軸部と同心の周溝部を内周部に形成し、該中心軸部
    に対して軸方向の一部のみで支持されて軸方向に自由端
    を有することを特徴とする振動波駆動装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記第1の弾性体部
    は前記中心軸部に対して軸方向の一部のみで支持されて
    軸方向に自由端を有することを特徴とする振動波駆動装
    置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2において、前記第1の弾
    性体部又は前記第2の弾性体部は、前記中心軸部の周囲
    に他端を開放した該中心軸部と同心の周溝部を形成し、
    該中心軸部に対して一端部のみで支持すると共に、他端
    側を自由端としたことを特徴とする振動波駆動装置。
  4. 【請求項4】 請求項3において、前記周溝部は円筒形
    又は円錐台形としたことを特徴とする振動波駆動装置。
  5. 【請求項5】 請求項1、2、3又は4において、前記
    第2の弾性体部を前記振動子を構成する他の弾性部より
    も比重の高い材料で構成したことを特徴とする振動波駆
    動装置。
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