JP3167432B2 - 振動波駆動装置および振動波駆動装置を備えた機器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子等の電気−機
械エネルギー変換素子を用いて励起した２以上の振動の
合成により振動子の略棒状の金属材料部材に円振動を形
成し、該振動子に加圧接触した接触体を相対的に移動
し、機械エネルギーを得る振動波駆動装置および振動波
駆動装置を備えた機器に関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、特願平２−２０６２４１号
において、図１１に示す振動波駆動装置を提案してい
る。１は金属材料からなる振動子で、筒形状の金属ブロ
ック間に複数の圧電素子３を介装し、ボルト７によりこ
れら金属ブロックを締結することで該複数の圧電素子３
を挟持固定し、振動子を構成している。振動子１は、該
圧電素子の駆動用圧電素子に位相の異なる交流電圧を印
加することにより、直交する２つの振動を励起し、その
合成により振動子の先端部に駆動のための円振動を形成
する。なお、振動子１の上部にはくびれた周溝が形成さ
れ、駆動のための振動の変位を大きくしている。

【０００３】２は接触体としてのロータで、振動子１に
加圧用のバネＳにより加圧接触し駆動のための摩擦力を
得るようにしている。６はベアリングで、ロータ２を回
転可能に支持している。

【０００４】このように構成した振動波駆動装置におけ
る振動子は、金属ブロックの材質を選定する基準として
振動減衰性の少ない材料を主眼とし、さらにこの中から
機械的加工の容易な材料例えば、ＪＩＳＣ３６０１（銅
５９〜６３％、鉛１．８〜３．７％、残Ｚ_n ）なる快削
黄銅を選んでいた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成の振動波駆動装置において、励起される２つの
振動モードを合成して理想的な真円運動を振動子の軸心
に対して形成し、加圧接触するロータに対して常に一定
の摩擦駆動力を伝達するには、どうしてもそれら２つの
振動モードの共振周波数を一致させる必要がある。さも
ないと、振動子の駆動面に形成される駆動振動が周状の
駆動面に形成される円運動の軌跡が一定しないことにな
る。そのため、ロータに対して一定の摩擦駆動力の伝達
ができず、効率の低下を招くことになる。

【０００６】このため、振動子の２つの振動モードの共
振周波数を一致させようとしたが、両振動モードの共振
周波数を一致させることが難しかった。

【０００７】本発明者は、この共振周波数の不一致の原
因について種々検討し、両振動モードにおける振動子の
固有振動数の不一致に起因することを見いだした。

【０００８】そこで、振動子における直交する２つの振
動系の固有振動数が異るのならば、これを一致させるた
めに、例えば振動子の一部に切欠きを入れたり、あるい
は質量を付加したりするれば良く、本出願人はこのよう
な外的負荷を振動子に設けた内容の出願を既に行ってい
る。

【０００９】しかし、このような外的負荷を設けること
は、振動子個々により条件が異なるため非常に面倒であ
ると云え、振動子の材料そのものによって直交する２つ
の振動の振動方向における固有振動数の一致が得られる
ことが望まれる。

【００１０】このため、本発明者は振動子の金属材料の
成分組成に止まらず、ミクロ的視野から振動子の金属材
料をさらに検討し、本来振動子の金属材料が持っている
結晶構造の異方性、特にヤング率の異方性が上記した固
有振動数の不一致の原因であることを見いだした。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】本発明の目的は、このような従来の問題を
解決し、振動子に外的負荷等を特に設けることなく駆動
に供する２つの振動の共振周波数を等しくすることがで
きる振動波駆動装置および振動波駆動装置を備えた機器
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
には、振動子の金属材料部材の弾性係数を直交する２つ
の振動の振動方向において等しくすれば良いと云える。

【００１６】ここで、屈曲モードの合成によるタイプの
振動子を有する振動波駆動装置においては、振動波駆動
装置の振動子に使用される金属材料の固有振動数（これ
は材料のヤング率と密度に依存するのだが、特にヤング
率が直接的要因である。）の異方性について考慮されな
ければならない。

【００１７】

【００１８】つまり、振動子に一種類の曲げ振動モード
の２方向の振動を使った従来例のような振動波駆動装置
の振動子を構成する金属材料としては、該振動モードの
軸心に対し、そのヤング率は高い同軸性を保証する必要
がある。

【００１９】さて、一般的に入手される振動波駆動装置
の振動子を構成する金属材料の製造方法には圧延と引抜
き（押出し）が考えられるが、どちらもその材料成分及
び加工法に依存した結晶方位異方性が存在する。例え
ば、圧延板の場合、圧延方向とそれに直角な方向ではヤ
ング率が異なる。そして、その程度は材料成分、圧下
率、焼きなまし温度等で異なる。

【００２０】一方、引抜き棒（パイプ）の場合は、軸方
向と半径方向でヤング率は異なる。そして、その程度は
圧延板と同様に材料成分及び製造条件によって異なる。

【００２１】さらに、振動子の金属ブロックをニアネッ
トシェイプに製作しようとすると、焼結、鍛造、鋳造等
の各加工法をとってみても、粉末形状異方性、プレス方
向によるファイバーフローの形成、凝固組織の異方性等
が存在して、ヤング率の等方性の達成は難しい。さらに
困ったことには、例えば前述した押出し棒にしても、そ
の半径方向同士ならヤング率が同じかというと、結晶粒
が大き過ぎるとそれさえも異なってくる。

【００２２】以上のことから、使用する金属材料の結晶
粒を微細球形状にすることで、製造上同一なる方向（例
えば、押出し丸棒なら半径方向同士）のヤング率は略一
致する。

【００２３】よって、材料成分や製造条件を適当に選ぶ
ことにより、結晶粒が微細球状になり、その結果安定し
た固有振動数が得られるようになった。

【００２４】本出願に係る発明の目的を実現する振動波
駆動装置の第１の構成は、圧電素子等の電気−機械エネ
ルギー変換素子と略棒状の金属材料部材によって構成さ
れ、２つ以上の方向の異なる曲げ振動を合成して、該金
属材料部材の駆動部に軸心を中心とする円振動を発生さ
せる振動子と、該振動子の該駆動部に加圧接触させた接
触体と、を有し、該振動子の該円振動によって該振動子
と該接触体とを相対回転させる振動波駆動装置におい
て、該振動子を構成する該金属材料部材は、冷間引抜き
と焼きなましを複数回繰り返すことにより、前記金属材
料部材の結晶粒を微細球形状化することによって、該振
動子に形成される該２つ以上の曲げ振動の各々に対応し
た曲げ振動方向における弾性係数のずれを小さくしたこ
とを特徴とする。

【００２５】本出願に係る発明の目的を実現する振動波
駆動装置の第２の構成は、上記第１の構成で、前記振動
子に形成される前記２つの以上の曲げ振動の各々に対応
した曲げ振動方向における弾性係数のずれを0.6 ％以内
にしたことを特徴とする。

【００２６】本出願に係る発明の目的を実現する振動波
駆動装置を備えた機器の構成は、上記した第１または第
２の構成の振動波駆動装置を駆動源として用いて被駆動
部材を駆動したことを特徴とする。

【００２７】

【実施例】図１は本発明による振動波駆動装置の一実施
例を示す断面図である。

【００２８】本実施例の振動波駆動装置は、従来例とし
て参照した特願平２−２０６２４１号にその駆動原理等
が詳細に示されているので、ここではその詳細は省略す
るが、電極板４に不図示の駆動回路より交流電圧を印加
すると共に、複数の圧電素子３の中の１つのセンサ用の
圧電素子から振動状態を検出しながら駆動制御し、直交
する２つの曲げ振動を合成して振動子１に円運動を発生
させ、それをロータ２に伝え、ベアリング６に支持され
ている出力歯車５に伝達する。

【００２９】ここで問題となるのは、直交する２つの曲
げ振動の固有振動数（共振周波数）をいかに略一致させ
るかということである。振動子を構成する金属ブロック
部材１には、本実施例では快削黄銅（ＪＩＳＣ３６０
４）を使用している。以前は同じ６−４黄銅である高力
黄銅を使用していたが、２つの曲げ共振周波数が一致せ
ず、すなわち周波数が分離して困っていた。そこで、黄
銅材料の結晶組織異方性について調べてみた。図２の
（ａ）、（ｂ）は以前使用していた高力黄銅丸棒と、加
工硬化と焼きなましを繰り返し与えて製造された本実施
例の快削黄銅丸棒の輪切り顕微鏡組織を示している。

【００３０】高力黄銅はβ相から粗大針状のα相を析出
している。一方快削黄銅は、直径０．０２ｍｍ程度の微
細球状結晶粒になっている。これらの組織の差は高力黄
銅に微量含有されているＡｌ、Ｍｎなどの元素にもよる
が、むしろ製造工程でいかに加工硬化と焼きなまし（再
結晶）を繰り返したかによるところが大きい。したがっ
て、微細球状結晶粒の大きさは０．０５ｍｍ以下である
ことが好ましいとわかった。

【００３１】図３の（ａ）および（ｂ）は、夫々高力黄
銅と快削黄銅の輪切り断面において、その周辺付近をビ
ッカース硬さ試験機（荷重５０ｇｆ）により試験した結
果を示している。高力黄銅の方が硬さのバラツキが大き
く、圧痕形状がゆがんでいることが多い。このことは、
ミクロ的には変形抵抗の差が大きいことを示唆してい
る。したがって、ビッカース硬さの分布のバラツキが±
１０％以下であることがわかった。

【００３２】また、金属材料単体の周波数分離量を見る
ために、本発明者は以下の方法を用いた。

【００３３】この方法は、図４に示すように、振動子の
金属ブロック部材と類似形状の図５に示すダミー１−ａ
（外径１０ｍｍ、内径４ｍｍ、長さ９ｍｍ、くびれ部の
直径６ｍｍ、長さ２ｍｍ、上端からの長さ３ｍｍ）を各
々の材料で作製し、定盤８の上に落とし、発生する音を
高感度指向性マイクロフォン９で拾い、これをアンプ１
０で増幅し、ＦＥＴ（高速フーリエ変換器）１１で分析
するもので、以下打診法と称す。

【００３４】従来の材料（高力黄銅）では、図６の
（ａ）のように、５０４８６Ｈ_Z と５０８１７Ｈ_Z に２
つのスペクトルピークが現れた。このことは、該ダミー
の最低次曲げ振動モードの剛い方向は５０８１７Ｈ_Z の
固有振動数をもっており、逆に柔らかい方向は５０４８
６Ｈ_Z の固有振動数をもっていることになり、このよう
な材料を振動波駆動装置の振動子の材料として使用する
と、それらの周波数の差分（周波数分離量）３３１Ｈ_Z
に応じて、圧電素子等の電気−機械エネルギー変換素子
を組み込んだ振動子においても周波数が分離してしま
う。

【００３５】図６の（ａ）、（ｂ）は夫々高力黄銅と快
削黄銅を使用して作製された振動子を、インピーダンス
アナライザー（ＹＨＰ４１９４Ａ）で周波数とアドミッ
タンスの関係を測定した結果である。

【００３６】打診法により３３１Ｈ_Z もの分離があった
高力黄銅を使用した振動子は、この測定でも２５０Ｈ_Z
も分離していた。一方、快削黄銅は図５の（ｂ）に示す
ように、打診法では５１２１２Ｈ_Z の所に１つのピーク
が立つだけで、その材料を使用して組み立てられた振動
子も、また図６の（ｂ）に示すように僅か２０Ｈ_Z しか
分離しなかった。この２０Ｈ_Z は調査の結果、振動子の
他の構成部品の寸法精度に起因するものだとわかった。

【００３７】以上説明したように、振動子の周波数分離
量に及ぼす要因として、金属ブロック材料の結晶組織異
方性が大きくきいていることがわかった。

【００３８】そして多くの実験結果からこの周波数の分
離の程度、すなわち周波数の分離量／固有振動数 ＜
０．３％であることがわかった。

【００３９】なおこの周波数の分離の程度を弾性係数に
置き換えれば、振動方向の弾性係数のずれが０．６％以
内であることが好ましいといえる。

【００４０】つまり、ヤング率：Ｅ（ｋｇ／ｍｍ² ），
密度：ρ（ｋｇ），周波数ｆ（Ｈ_Z）とすると、 曲げ振動の場合 ｆ∝ｖ 一方 Ｅ＝ρｖ² ∝ρ×ｆ² の関係にある。例えばｆで０．３％、すなわ
ち１０００Ｈ_Z と１００３Ｈ_Z の差なら、振動子の長さ
が同じであると、Ｅで０．６％、すなわち１と１．００
６の差になる。

【００４１】さらに、今まで比較として使用してきた高
力黄銅と本実施例の快削黄銅の他に、諸工程で製造され
た快削黄銅材料をサンプルとして、その輪切り断面にＸ
線を当て、その反射強度を測定し、結晶方位を同定し
て、α相（面心立方）の２方位とβ相（体心立方）のピ
ーク高さをＸ線ディフラクトメータを用いて調べ、前記
打診法による周波数分離量との関係をグラフに表したの
が図７である。

【００４２】図７において、Ａは８インチビレットを熱
間押出しにより外径を５０ｍｍ、内径を３０ｍｍとし、
これを冷間引抜きと完全焼きなましを９回繰り返し、外
径を１０．５ｍｍ、内径を３ｍｍとしたもの。Ｂは８イ
ンチビレットを熱間押出しにより直径２０ｍｍとし、こ
れを冷間引抜きと完全焼きなましを３回繰り返して直径
１２ｍｍとしたもの。Ｃは６インチビレットを熱間押出
しにより直径１４ｍｍとし、これを冷間引抜きと完全焼
きなましを１回行い、直径を１２ｍｍとしたもの。Ｄは
８インチビレットを熱間押出しにより直径２０ｍｍとし
たもの。Ｅは６インチビレットを熱間押出しにより直径
１４ｍｍとしたもの。Ｆは鋳造のままのもの。なおこれ
らの材料はＪＩＳＣ３６０４に相当するものである。

【００４３】図８はＸ線ディフラクトメータにより得ら
れるＸ線強度のピークを高力黄銅を一例として提示した
ものである。

【００４４】共振周波数が約５０ｋＨ_Z で、その時モー
タ効率に大きな影響を与えない周波数分離量を１５０Ｈ
_Z 以内とすると、すなわち０．３％以内の周波数分離量
を得るには、図７よりＢ相Ｘ線強度比 β₁₁₀ ／α₁₁₁
で１．５以下であることが必要だとわかる。

【００４５】これは、加工硬化と再結晶を繰り返した材
料は平衡状態に近づき、β相が減少するからと考えられ
る。そして、同時に結晶粒も球状微細になる。

【００４６】図９は黄銅材料の結晶粒はその相（α相と
β相）及びその方位で３種のヤング率をもった結晶粒が
混在していることをわかりやすく示した模式図である。
このことからも、結晶粒が極端に大きくなって、例え
ば、上記３種のヤング率をもった結晶粒が一粒ずつしか
存在しない３つの結晶粒からなる材料を想定すれば、周
波数分離量がいかに大きく、又そのバラツキが大きくな
るか予測できる。３種の結晶粒が球状に細かく分散すれ
ば、バランスが良くなることが推定できる。

【００４７】図１０は、各種材料｛高力黄銅、熱間押出
し快削黄銅、純銅丸棒、アルミ合金丸棒、炭素鋼（Ｓ４
５Ｃ）丸棒、快削黄銅丸棒（引抜きと焼きなましを９回
繰り返した）｝を図５に示すダミー形状に各１０個切削
加工し、上記の打診法により周波数分離量のバラツキを
グラフ化したもので、高力黄銅は周波数分離量が大きい
だけでなく、そのバラツキも著しく大きい。

【００４８】また、純銅でも周波数分離が生じるのはや
はりα（１１１方位）とα（１００方位）という２種類
のヤング率をもった結晶粒の存在によると思われる。一
方、炭素鋼のそれはかなり小さい。これは炭素鋼の場合
はα相（体心立方）は１１０方位しか現れず、セメンタ
イトとの共析組織のパーライトになっているにしても、
その組織は一般的に黄銅等と比べて微細なものが簡単に
得られるからであろう。

【００４９】したがって、振動子として使用する材料
は、快削黄銅（引き抜きと焼きなましを複数回繰り返し
たもの）、アルミ合金（引き抜きと焼きなましを複数回
繰り返したもの）炭素鋼（引き抜きと焼きなましを複数
回繰り返したもの）が好ましい。

【００５０】

【００５１】図１２は図１に示す振動波駆動装置を駆動
源とする機器、例えばカメラのＡＦ駆動機構を示し、大
ギア１４ａと小ギア１４ｂとを同軸的に有するギア１４
の大ギア１４ａが振動波駆動装置側の出力歯車５に噛合
しており、ギア１４の小ギア１４ｂがレンズ鏡筒の回転
筒１５のギア１５ａに噛合し、振動波駆動装置の回転を
ギア１４を介して回転筒１５を回転させ、例えばフォー
カス用のレンズ（不図示）を移動させる。一方、ギア１
４にはパルス板１２が固定され、ギア１４の回転により
フォトカップラ１３によりパルス板１２の回転を検出
し、検出情報をＡＦ制御回路（不図示）に送り、ＡＦ制
御を行うように振動波駆動装置の駆動制御が行われる。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、振
動子の金属材料部材を冷間引抜きと焼きなましを複数回
繰り返すことにより、前記金属材料部材の結晶粒を微細
球形状化することによって、該振動子に形成される該２
つ以上の曲げ振動の各々に対応した曲げ振動方向におけ
る弾性係数のずれを小さくしたので、振動子に励起され
る振動の共振周波数を略一致させることができ、効率の
高い振動波駆動装置および振動波駆動装置を備えた機器
を提供することができ、特に同一性能の振動波駆動装置
を大量に生産することができるといった多大な効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動波駆動装置の一実施例を示す
断面図。

【図２】（ａ）は高力黄銅の輪切り断面の顕微鏡写真
（４００倍）、（ｂ）は快削黄銅の輪切り断面の顕微鏡
写真（４００倍）。

【図３】（ａ）は高力黄銅の輪切り断面の硬さ試験結
果、（ｂ）は快削黄銅の輪切り断面の硬さ試験結果。

【図４】打診法により周波数分離量を測定する装置の概
略図。

【図５】打診法のためのダミーサンプルを示す図。

【図６】（ａ）打診法で求めた高力黄銅の一次曲げモー
ドのスペクトルピークとインピーダンスアナライザーで
求めた振動子のアドミッタンスとの関係を示す図、
（ｂ）打診法で求めた快削黄銅の一次曲げモードのスペ
クトルピークとインピーダンスアナライザーで求めた振
動子のアドミッタンスとの関係を示す図。

【図７】Ｘ線反射法により求めた各種黄銅材料の輪切り
断面のβ（１１０方位）ピーク高さ比と周波数分離量の
関係を示す図。

【図８】Ｘ線反射法で測定されるＸ線反射強度チャート
の例を示す図。

【図９】黄銅材料を構成する結晶粒の模式図。

【図１０】打診法で求めた各種材料の周波数分離量とそ
のバラツキを示す図。

【図１１】従来の材料を使用した振動波駆動装置を示す
図。

【図１２】本発明の振動波駆動装置を駆動源とする機器
の概略図。

【符号の説明】

１ 振動子 ２ ロータ ３ 圧電素子 ４ 電極板 ５ 出力歯車 ６ ベアリング １２ パルス板 １３ フォトカップラ １４ ギア １５ 回転筒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−12514（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−91676（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−91670（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子等の電気−機械エネルギー変換
   素子と略棒状の金属材料部材によって構成され、２つ以
   上の方向の異なる曲げ振動を合成して、該金属材料部材
   の駆動部に軸心を中心とする円振動を発生させる振動子
   と、該振動子の該駆動部に加圧接触させた接触体と、を
   有し、該振動子の該円振動によって該振動子と該接触体
   とを相対回転させる振動波駆動装置において、 該振動子を構成する該金属材料部材は、冷間引抜きと焼
   きなましを複数回繰り返すことにより、前記金属材料部
   材の結晶粒を微細球形状化することによって、該振動子
   に形成される該２つ以上の曲げ振動の各々に対応した曲
   げ振動方向における弾性係数のずれを小さくしたことを
   特徴とする振動波駆動装置。
2. 【請求項２】 前記振動子に形成される前記２つ以上の
   曲げ振動の各々に対応した曲げ振動方向における弾性係
   数のずれを0.6 ％以内にしたことを特徴とする請求項１
   記載の振動波駆動装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の振動波駆動装置
   を駆動源として用いて被駆動部材を駆動したことを特徴
   とする振動波駆動装置を備えた機器。