JP3133202B2 - 振動波モータ及び該モータを有する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動波モータ及び振動波
モータを有する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子等の電気−機械エネルギー変換
素子を固定した弾性体の表面に進行波振動を生ぜしめ、
その振動エネルギーを一方向の連続した機械運動に変換
させて取出すように構成した振動波モータは本出願人に
より実用化されて以来、現在ではカメラ等の光学機器に
搭載されて一般にも広く知られるようになっている。

【０００３】従来公知の回転型振動波モータには、円環
型及び円板型のものと、棒状タイプのものとがあり、円
環型のものと棒状タイプのものは本出願人の製造する光
学機器に搭載されている。

【０００４】以下には、本発明の先行技術としての棒状
タイプの振動波モータの従来例について説明する。

【０００５】図１０に示された棒状振動波モータにおい
て振動エネルギー発生体となる振動子１は、金属等から
成る弾性体９及び１０と、該弾性体９及び１０の間に挟
圧保持された圧電素子群１１と、で構成されている。弾
性体９は該モータの骨格部材となるボルト状の支持棒５
の大径のねじ部５ａに螺着され、弾性体１０は該支持棒
５の大径の頭部５ｂに押されることにより弾性体９との
間に圧電素子群１１を挟圧保持している。２は弾性体９
の先端面に対向して配置されたロータ（すなわち移動
子）であり、ロータ２の先端面には軸方向にたわみ得る
薄肉のばね部２ａが形成され、該ばね部２ａが弾性体９
の先端面に圧接されている。ロータ２には出力ギア４が
嵌着固定されており、該ギア４は球軸受３の外輪に嵌着
されている。球軸受３の内輪はモータ取付け用フランジ
６に嵌着固定され、該フランジ６は該支持棒５の先端部
近傍の部分５ｃに嵌着固定されている。ロータ２の内周
部にはばね受け７が嵌着固定されており、該ばね受け７
の振動子側先端と出力ギア４の端部との間にはロータ２
のばね部２ａを振動子１の弾性体９の先端面に圧接させ
るための加圧ばね８が配置されている。

【０００６】図１１に該振動子１に設けられている圧電
素子群１１の配置と分極パターンと圧電素子の構成を示
す。圧電素子群１１は、Ａ相駆動信号が印加されるＡ相
圧電素子１１ａ及び１１ｂと、Ｂ相駆動信号が印加され
るＢ相圧電素子１１ｃ及び１１ｄと、共振検出用のＳ相
圧電素子１１ｅと、から構成されている。各圧電素子１
１ａ〜１１ｅは中心線を境に左右反転して分極されてお
り、各圧電素子１１ａ〜１１ｅの間には不図示の電極板
が挿入されている。

【０００７】前記の振動波モータの駆動原理は次の通り
である。

【０００８】Ａ相だけに交流電圧を印加すると、圧電素
子の伸縮によって、振動子１には図１０において紙面に
水平な方向の１次曲げ固有振動が励起される。またＢ相
だけに交流電界を印加すると、紙面に垂直な方向へ振動
する。

【０００９】Ａ相によって励起される水平方向の振動
と、Ｂ相による垂直方向の振動を、時間的にも９０度位
相を違えて加えると、振動子には長手軸に対して右また
は左回りの円運動が発生する。弾性体９は変位拡大のた
めの周溝９ａを有するため、弾性体９の先端には図１０
に示したような首振り運動が生ずる。接触面（振動子上
面）からみると、この振動は１波の進行波に相当する。
この振動子に、ばね部２ａを有するロータ２を加圧接触
させると、ロータ２は波頭付近の１か所のみで弾性体９
と接触し、逆方向に回転する。出力はロータ２と球軸受
３の外輪に嵌着されたギア４により取り出される。

【００１０】また、棒状振動波モータでは、支持棒５の
先端に取付けられたフランジ６も一体の系として振動子
の固有モードをフランジ６の振動振幅が非常に小さくな
るように設計しているので、円環型と較べて支持損失は
きわめて小さい。ロータ２のばね部２ａは円環型振動波
モータと同様に、固有振動数が振動子の加振周波数より
も十分高く、振動に追従するように設計されている。ま
た、ロータ本環は慣性質量が十分大きく、振動子１の加
振によって振動が励起されないように設計されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】振動波モータの短所の
一つに耐久寿命の短いことが挙げられる。

【００１２】その原因は、振動波モータが摩擦力により
駆動力を得ていることにある。

【００１３】すなわち、高トルクを出すためには、大き
な摩擦力を得ることが必要であるが、この時滑りが生ず
れば、摩擦面で大きなエネルギーを消費するため摩耗が
進む。公知の振動波モータでは、ロータと振動子との相
互圧接面に耐摩耗性の摺動材が用いられており、この摺
動材の摩耗が振動波モータの寿命を決している。

【００１４】この摺動材に関しては最近、多数の研究が
なされ、有機材料と無機材料の組み合わせで、数万時間
に達する高寿命の摺動材が見つかっている。

【００１５】したがって、上記組み合わせの摺動材を用
いることで振動波モータの寿命を増すことができるが、
この場合、温度変化によりモータ特性が変わってしまう
という問題点があった。

【００１６】前記したモータ特性の変化は、温度が変化
することによって摺動材たる有機材料の弾性率が変化す
ることに起因する。

【００１７】以下には図１２及び１３を参照して、従来
の振動波モータのロータと振動子の接触部分の温度変化
に基く特性変化のメカニズムについて説明する。なお、
図１２に示す振動波モータは、ロータ２の接触部に前記
ばね部２ａが設けられていない構造のものである。ま
た、金属製のロータ２の先端面にはエポキシ樹脂とふっ
素樹脂との混合物から成る耐摩耗性の被覆材１２が摺動
材として接着されており、振動子の弾性体９は焼き入れ
したステンレス鋼で形成されている。

【００１８】振動子に振動を発生させた時、図１３に示
すように該被覆材１２の樹脂自体の有する弾性変形のた
め、該被覆材１２は図中δｊｚで示す量だけ振動に対し
て沈み込む。（ここに接触部のばね定数をロータ２と振
動子弾性体９との加圧力に対する沈み込み量δｊｚの比
として定義する。）この時、良く知られているように、
振動子弾性体９の表面点の周速度はＡ点にて早くＢ点に
て遅い。そして、ロータの周速度はこれらの周速度に依
存して決まり、Ａ点とＢ点の間の値となる。ここで、該
被覆材の弾性率が低下すると、加圧力が変化しなくて
も、接触部のばね定数が小さくなるため、沈み込み量δ
が増加する。このとき、Ｂ点より周速度の小さいＢ′点
にわたって接触が起きるため、振動子弾性体９の振動変
位が変わらなくともロータ２の周速度は低下することに
なる。逆に、被覆材１２の弾性率が高くなると、ロータ
周速度は大きくなる。一方、被覆材１２の有機材料の弾
性率は数十度の温度変化でも大きく変化し得るから、沈
み込み量が大きく変化し、モータ特性はこれに依存して
変化することになる。

【００１９】それ故、本発明の目的は、前記問題点を解
決し、ロータと振動子との相互圧接部に設けられる該被
覆材の弾性率の変化が生じてもモータ特性の変化が生じ
ない、改善された振動波モータを提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
構成は、電気−機械エネルギー変換素子と弾性体から 成
り、該電気−機械エネルギー変換素子に電気信号を印加
することにより弾性体に振動を発生する振動子と、該振
動子に圧接され該振動により該振動子に対して所定方向
に駆動される移動子とを有し、該振動子と該移動子の相
互圧接部の少なくとも一方が無機材料から成るばね部と
して構成され、該振動子と該移動子の相互圧接部分の間
には有機材料を主体とする弾性力を有する耐摩耗性の被
覆材が介在された振動波モータにおいて、前記ばね部と
前記被覆材とは加圧接触し、該ばね部の合成ばね定数よ
りも該被覆材のばね定数が大きくなるように設定されて
いることを特徴とする。上記した発明では、前記被覆材
の弾性率が温度変化で変動が生じても、モータ特性の変
動が生じないようにするために、該被覆材の弾性率の変
動を補償できるように移動子及び振動子のばね定数の関
係が該ばね部の合成ばね定数よりも該被覆材のばね定数
を大きくした。

【００２１】

【実施例】以下に図１乃至図９を参照して本発明による
改良された振動波モータの実施例について説明する。

【００２２】図１は本発明を適用して構成された棒状振
動波モータの第１実施例の概略縦断面図である。

【００２３】同図において、１１は前述した公知の振動
波モータに装備されているものと同じ構成の圧電素子群
であり、詳細構造については図１１を準用する。１３は
図１０に示した弾性体９に相当する弾性体、１４は図１
０に示した弾性体１０に相当する弾性体、１５は図１０
に示した支持棒５に相当する支持棒、１６はロータ、１
７はロータ１６の先端面に固着された耐摩耗性の被覆
材、１８はロータ１６を弾性体１３に圧接させるための
加圧ばね、１９はロータ１６に固定されてロータ１６と
ともに回転可能な出力ギア、２０は支持棒１５の先端の
小径ねじ部１５ｂに螺着された取付用のフランジ、２１
は出力ギア１９を回転可能に支持する球体である。な
お、弾性体１３は従来構造と同じく、支持棒１５の大径
のねじ軸部１５ａに螺着されており、弾性体１３及び１
４と両者の間に挟圧保持された圧電素子群１１とによっ
て振動子２２が構成されていることは従来の振動波モー
タと同じである。

【００２４】なお、本実施例の振動波モータでは、出力
ギア１９を回転可能に支持するために樹脂製または金属
製の球体２１がフランジ２０と該ギア１９との間に３〜
１０個挿入されており、このような構造によれば、スラ
スト方向の力がラジアル方向に発生する力より大きいた
めスラスト方向では支持棒１５の部分１５ｃに対して転
がり摩擦となり、ラジアル方向は滑り摩擦となるが、ラ
ジアル方向の力は小さいので、該ギア１９の軸受として
何らの支障はなく、従って、従来のボールベアリングよ
りもローコストな軸受構造を実現している。

【００２５】本実施例の振動波モータにおいては、弾性
体１３の先端部の外周面に円周方向に沿って延在する溝
１３ａが形成されており、この溝１３ａにより弾性体１
３の先端面外周部には軸線方向にたわみ得るフランジ状
のばね部１３ｂが形成されている。

【００２６】一方、弾性体１３の先端面に対向するロー
タ１６の先端面の外周部近傍には周方向に延在する溝１
６ａが形成されており、該溝１６ａとロータ外周面との
間には半径方向に厚みの薄い円筒状のばね部１６ｂが形
成され、該ばね部１６ｂの先端面に耐摩耗性の被覆材１
７が固着され、該被覆材１７が弾性体１３の前記ばね部
１３ｂに圧接されている。従って、本実施例の構造で
は、振動子２２の先端面には軸方向にたわみ得るばね部
１３ｂが形成される一方、ロータ１６の先端面には半径
方向にたわみ得るばね部１６ｂが形成され、該ばね部１
６ｂが被覆材１７を介して弾性体１３のばね部１３ｂに
圧接されているので、ロータと振動子との接触部におい
て互いに直交する２方向のばね定数を有したばねが被覆
材１７を介して配置された構造となっている。

【００２７】ロータ１６のばね部１６ｂは半径方向にお
いて柔らかくて軸方向に剛であり、振動子側に設けたば
ね部１３ｂは軸方向に柔らかくて半径方向に剛であるた
め、各々の方向に対してばね硬さの最適化を図ることが
できる。

【００２８】図２は該振動波モータの作動時における両
ばね部１３ｂ及び１６ｂの半径方向の変位（δｊｒ，δ
ｍｒ）と軸方向の変位δｍｚを示した模式図である。

【００２９】なお、本実施例においては、該被覆材１７
は該ばね部１６ｂの先端面に樹脂を３０μｍの厚さに塗
布して焼き付けたものである。

【００３０】図３は被覆材１７の半径方向の弾性変形の
ばね定数とロータ１６のばね部１６ｂのばね定数との比
を縦軸にとり、該被覆材１７の樹脂の厚さを横軸にとっ
て該ばね定数比と樹脂厚との関係を示したものである。

【００３１】また、図４は被覆材１７の軸方向の弾性変
形のばね定数と弾性体１３のばね部１３ｂの軸方向の弾
性変形のばね定数との比を縦軸にとり、該被覆材１７の
樹脂厚を横軸にとって両者の関係を示したグラフであ
る。

【００３２】図３及び図４を参照すると、被覆材１７の
樹脂厚が３０μｍである場合には軸方向のばね定数比は
５０、径方向のばね定数比は８、であることがわかる。
この場合、該ばね部１３ｂ及び１６ｂと該被覆材１７の
それぞれの弾性変形による合成ばね定数は該ばね部１３
ｂ及び１６ｂのばね定数が支配的であり、この状態で該
被覆材１７の弾性率がたとえば半分に減少すると、合成
ばね定数の変化は径方向では２０％であり、軸方向にお
いては更にわずかである。

【００３３】一方、実験によれば、合成ばねの剛性が３
０％程度変化した時にはモータの特性（回転数や効率
等）の変化は１０％以下であった。従って、本実施例の
ような構造にすることにより、被覆材１７の弾性率が変
化しても合成ばね定数の変化を小さくすることができる
ためモータの性能に悪影響を及ぼす恐れがなくなり、従
来の振動波モータにおける問題点が解決される。

【００３４】なお、本実施例のようにばね部１３ｂ及び
１６ｂのばね定数を該被覆材１７のばね定数の１／６以
下まで小さくしなくとも温度の影響はかなり緩和され
る。また、合成ばねの剛性が３０％程度まで変化した場
合でもモータ特性に悪影響を及ぼさないようにすること
が可能であるが、該被覆材１７の構成材料として熱硬化
性樹脂を主体とする材料を選択した場合は弾性率の変化
を前述の倍程度まで許容できるので樹脂材料の弾性変形
によるばね定数は該ばね部１３ｂ及び１６ｂのばね定数
と同程度以上あればよいことになる。

【００３５】図５に本発明の第２実施例を示す。本実施
例では、ロータ１６の先端面に対向する弾性体１３の先
端面の全面に被覆材２３が塗布形成されており、ロータ
１６側には被覆材が設けられていない。この構成による
と、振動子の径方向のばね剛性が高くなり、振動子の径
方向の変位を小さくできる効果がある。

【００３６】なお、図５において図１と同じ符号で表示
されている部材は図１にて説明した構成要素であるから
説明を省略する。また、被覆材２３の構成材料は前述の
被覆材１７と同じであり、樹脂等の有機材料を主体とす
るものである。

【００３７】図６は本発明の第３実施例である。本実施
例では、ロータ１６の溝１６ａの内面とばね部１６ｂの
全面とロータ１６の先端面及び外周面に被覆材３５が塗
着されている点が第２実施例とは異なっている。この構
成によれば、ロータ１６のばね部１６ｂが曲げ変形を受
けた時に減衰の大きな被覆材３５が主として歪むため該
ばね部１６ｂの振動に対する応答速度を大きくすること
ができる。なお、被覆材３５の成分は前記被覆材１７と
同じである。

【００３８】図７は本発明の第４実施例を示したもので
ある。本実施例においては、弾性体１３の先端面に被覆
材として該樹脂製のシート３６を接着したことを特徴と
する。なお、これ以外の構成は図５及び図６の構成と同
じであるから説明を省略する。また、本実施例では、ロ
ータ１６のばね部１６ｂの先端面は該シート３６に対し
て滑りが少なくなるように粗面として構成してある。本
実施例の構成では該モータの組立時に該シート３６を弾
性体１３の先端面に貼り付けるので、図５及び６の実施
例にくらべて被覆材の形成のための工程が不要となり、
製造能率がよくなる効果がある。

【００３９】図８は本発明の第５の実施例であり、本実
施例は本発明を適用して構成されたリニア駆動式振動波
モータの実施例である。

【００４０】図８において、２５は固定部材３４に固定
された振動子支持部材であり、該部材２５は前記回転式
振動波モータの支持棒１５に該当する。２６は前記弾性
体１４に該当する弾性体、２７は前記圧電素子群１１と
同じ構成の圧電素子群、２８は前記弾性体１３に該当す
る弾性体、である。弾性体２８が該支持部材２５に固定
されていることも前記実施例の構造と同じである。圧電
素子群２７は弾性体２６と弾性体２８との間で挟圧保持
されていて、弾性体２６及び２８と圧電素子群２７及び
支持部材２５とによって振動子２４が構成されている。

【００４１】弾性体２８の外周面には半径方向外向きに
突出する突出片２８ａが設けられており、該突出片２８
ａは矢印方向に（弾性体２８の外周面に対して接線方向
に）移動可能な直線移動子２９の張出しフランジ部２９
ａの上面の被覆材３０に所定圧力で接触している。直線
移動子２９は硬球３１と支持体３２とからなるリニアボ
ールベアリング３３に支持されていて矢印方向に極めて
軽快に移動できるようになっている。

【００４２】図８の構成において、圧電素子群２７に前
記したように互いに位相の異なる交流電圧が印加される
と弾性体２８の突出部２８ａに接している直線移動子２
９には矢印方向の駆動力が与えられて該移動子２９が移
動することにより該リニア振動波モータの出力が生じ
る。

【００４３】本実施例の場合も、弾性体２８の突出部２
８ａと移動子２９の張出しフランジ部２９ａがそれぞれ
のばね部を構成しており、両ばね部の間に被覆材３０が
介在されているという構成は前記各実施例と同じである
ため、該突出部２８ａ及び該張出しフランジ部２９ａの
合成ばね定数と該被覆材３０のばね定数との比を実施例
１の場合と同じように、図３及び図４の関係に基づいて
設定することにより前記実施例と同じ効果を得ることが
できる。

【００４４】図９は本発明の回転型振動波モータを内蔵
した光学機器を示す図である。

【００４５】同図において、６０は図１に示した回転型
振動波モータであり、該モータ６０の構成要素は図１と
同じ符号で表示されている。５０は該光学機器の鏡筒５
１に保持されているレンズ、５５は該光学機器に固定さ
れていてヘリコイド５６により該鏡筒５１を回転及び軸
線方向移動可能に支持している固定筒、５２は該モータ
６０のフランジ２０に締結されるモータ取付け板、５３
は該モータ６０の出力ギア１９に噛み合って該ギア１９
により回転駆動される機器側被動ギア、５４は該ギア５
３と同軸に設けられた滑りクラッチ、である。該モータ
６０が駆動されると、該ギア１９が回転され、機器側の
被動ギア５３が回転駆動され、該ギア５３を介して不図
示のギア機構を介して鏡筒５１が回転されることにより
レンズ５０を保持している鏡筒５１が光軸を中心として
回転しつつ軸方向移動される。

【００４６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の振動波
モータでは、移動子（ロータ）と振動子との相互圧接部
に、両者の圧力作用方向及び該圧力作用方向に対する直
交方向にたわみ得るばね部を設けるとともに該ばね部の
相互接触部に耐摩耗性の被覆材を介在させ、該ばね部の
ばね定数よりも該被覆材のばね定数が大きくなるように
したので、周囲温度の変化により該モータの特性が変化
することを効果的に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の回転型振動波モータの縦
断面図。

【図２】図１に示したモータのロータと振動子弾性体と
に形成されているばね部の変位を示す模式図。

【図３】図１に示した振動波モータのロータと振動子と
の相互圧接部におけるばね部のばね定数比（半径方向）
と該ばね部間の被覆材の厚みとの関係を示した図。

【図４】図１に示した振動波モータのロータと振動子先
端とに設けたばね部のばね定数比（軸方向）と前記被覆
材の厚みとの関係を示す図。

【図５】本発明の第２実施例の振動波モータの一部概略
縦断面図。

【図６】本発明の第３の実施例の振動波モータの一部概
略断面図。

【図７】本発明の第４実施例の振動波モータの一部概略
縦断面図。

【図８】本発明の第５の実施例としてのリニア型振動波
モータの概略構成を示す斜視図。

【図９】本発明の回転型振動波モータを搭載している光
学機器の一部の縦断面図。

【図１０】従来の回転型振動波モータの縦断面図。

【図１１】図１１の振動波モータに使用されている圧電
素子群の構成と配置とを示した図。

【図１２】従来の棒状振動波モータにおけるロータと振
動子との接触部の構造の説明図。

【図１３】図１２の構造において振動している時の振動
子先端と被覆材の変形状態を説明するための誇張した拡
大図。

【符号の説明】

１，２２，２４…振動子 １１，２７…圧
電素子群 ９，１０，１３，１４，２６，２８…弾性体 ２，１６…ロータ ２９…移動子 ５，１５…支持棒 ４，１９…出力
ギア ６，２０…フランジ ８，１８…ロー
タ加圧ばね １２，１７，２３，３５…被覆材 ３６…樹脂シー
ト ５０…レンズ ５１…鏡筒 ５５…固定筒 ５６…ヘリコイ
ド ６０…回転型振動波モータ ５２…モータ取
付け板 ５３…被動ギア ３３…リニアボ
ールベアリング ３１…硬球 ３２…支持体

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−244784（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−285974（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−178577（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/16

Claims (6)

(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と弾性体
   から成り、該電気−機械エネルギー変換素子に電気信号
   を印加することにより弾性体に振動を発生する振動子
   と、該振動子に圧接され該振動により該振動子に対して
   所定方向に駆動される移動子とを有し、該振動子と該移
   動子の相互圧接部の少なくとも一方が無機材料から成る
   ばね部として構成され、該振動子と該移動子の相互圧接
   部分の間には有機材料を主体とする弾性力を有する耐摩
   耗性の被覆材が介在された振動波モータにおいて、 前記ばね部と前記被覆材とは加圧接触し、 該ばね部の合
   成ばね定数よりも該被覆材のばね定数が大きくなるよう
   に設定されていることを特徴とする振動波モータ。
2. 【請求項２】 前記振動子と前記移動子の双方の相互圧
   接部が無機材料から成るばね部として構成され、該振動
   子に設けられた第一のばね部と該移動子に設けられた第
   二のばね部のいずれか一方が相互圧接力の作用方向と平
   行な方向にたわみうるばね部として構成され、他方のば
   ね部は該相互圧接力の作用方向と該作用方向に対して直
   交方向にもたわみうるばね部として構成されていること
   を特徴とする請求項１の振動波モータ。
3. 【請求項３】 振動波モータが振動波リニアモータとし
   て構成され、前記振動子は棒状に構成された棒状振動子
   であり、該棒状振動子はそれ自身の外周部から半径方向
   に突出する第一のばね部を有し、 該移動子は該棒状振動子の外周に対して接線方向に直線
   移動可能な直線移動子として構成されるとともに該棒状
   振動子の該ばね部に圧接される第二のばね部を具備して
   おり、該第二のばね部の表面には有機材料を主体として
   構成された被覆材が固定されていることを特徴とする請
   求項１の振動波モータ。
4. 【請求項４】 前記被覆材が前記ばね部以外の部分にも
   被覆されていることを特徴とする請求項１の振動波モー
   タ。
5. 【請求項５】 前記被覆材が樹脂製のシートであり、該
   シートが前記移動子の表面に対向する前記振動子の表面
   に接着されていることを特徴とする請求項１の振動波モ
   ータ。
6. 【請求項６】 請求項１に記載した振動波モータを駆動
   源として具備していることを特徴とする振動波モータを
   有する装置。