JP3830265B2

JP3830265B2 - 振動波アクチュエータ

Info

Publication number: JP3830265B2
Application number: JP07311298A
Authority: JP
Inventors: 保太朗宮谷
Original assignee: 遠山茂樹
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: JPH11252949A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ステータに発生した振動波によってロータやスライダ等の移動子を駆動する振動波アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の振動波アクチュエータの構造を図１に示す。振動波アクチュエータ１にあっては、４個のステータ２，２，３，３を略球面状をしたロータ４の最大外周円に沿って配置し、これらのステータ２，２，３，３によって合成樹脂製のロータ４を支持している。各ステータ２，２，３，３は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、金属等の弾性材料によって形成された皿状のステータ本体５の裏面にＰＺＴ等の圧電素子７を接合したものである。ステータ本体５の外周部には、円環状をした弾性部材１０が設けられており、弾性部材１０の表面には多数の接触子６が一定ピッチ毎に突設され、各接触子６間はスリット９によって分離されている。圧電素子７は弾性部材１０の裏面に接合されている。ステータ２，２，３，３は、接触子６をロータ４と接触させるようにしてロータ４を支持しており、そのため接触子６の表面（接触駆動面８）にはロータ４の半径と同一の曲率半径を有する凹状のアールが施されている。
【０００３】
しかして、ステータ２，２，３，３は超音波モータの原理によってロータ４を駆動するものであって、圧電素子７を振動させることによって弾性部材１０の接触子６の接触駆動面８にたわみ振動や伸縮振動等の表面波振動を発生させるものである。各ステータ２，２，３，３は、ばね（図示せず）の弾性力によってロータ４に圧接しているので、ステータ２，２，３，３が駆動されていない場合には、ロータ４は回転できない。しかし、圧電素子７を所定の駆動モードで駆動すると、接触駆動面８で円周方向に進む進行波（たわみ進行波）により接触子６の表面の分子が楕円軌道を描いて運動し、ロータ４の表面がステータ２，２，３，３の円周方向に沿って移動する。この結果、ロータ４は駆動されているステータ２，２，３，３の軸心の回りに回転する。なお、進行波を発生させないステータ２，２，３，３には定在波を発生させてロータ４との摩擦を軽減する。
【０００４】
また、図示しないが、振動波アクチュエータとしては、円板状のロータを１個のステータ上に接触配置し、ステータによってロータを回転させるようにした１自由度のものも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような摩擦駆動の振動波アクチュエータでは、ロータから出力される出力パワーを向上させるためには、金属等の弾性体よりなるステータの接触駆動面と合成樹脂等で形成されたロータの表面との接触を均一にし、かつ広い面積で密着させることが非常に重要である。
【０００６】
しかしながら、一方では、ステータを駆動して接触駆動面に進行波を励起させても、ロータが駆動しないという現象が確認されている。これは、ロータとステータの接触駆動面との密着によって摩擦抵抗が増大するためである。これを解決する方法としては、ステータの接触駆動面を狭くして密着面積を小さくすることが提案されている（特開昭６３−１３６９８４号公報）。
【０００７】
従って、従来にあっては、出力を高くするためにロータとステータの密着面積を大きくすると、摩擦が増大してロータを駆動できなくなり、摩擦抵抗を低減するために密着面積を小さくすると、振動波アクチュエータの出力が低下するという相反する問題があり、出力を向上させ、かつ、安定駆動させることは不可能であった。
【０００８】
特に、球面体のロータを駆動する振動波アクチュエータの場合には、ロータを回転駆動していると、摩擦熱によってロータが熱膨張するので、出力が著しく低下したり、再起動時にロータが回転しないといった現象が生じている。これは、接触面がロータの凸湾曲面（表面）とステータの凹湾曲面（接触駆動面）で構成されるため、駆動による発熱でロータが膨張すると、ロータがステータの接触駆動面に食い込むためである。従って、ステータとロータの押し付け圧を大きくできず、出力トルクを効率的に取り出すことができなかった。あるいは、押し付け圧を大きくすると、ロータを再起動できなくなっていた。しかも、この再起動しないという現象は、ステータの接触駆動面の幅を狭くすることだけでは回避できないことが実験により確認されている。
【０００９】
本発明は上記の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ロータ等の移動子を確実に起動させることができ、しかも大きな出力トルクを得ることができる振動波アクチュエータを提供することにある。
【００１０】
【発明の開示】
本発明の振動波アクチュエータは、ステータの接触駆動面に移動子を接触させ、ステータに発生させた微少振動波で移動子を駆動する振動波アクチュエータであって、前記ステータと前記移動子との接触位置を通過し、かつ前記接触駆動面に発生する振動波の励起方向と垂直な断面において、前記接触駆動面と前記移動子表面とが、ほぼ相似形状の円弧又は楕円弧形状で、かつ同一形状でないことを特徴としている。ここで、接触駆動面と接触子表面とがほぼ相似形状であるとは、例えば、一方が真円弧で他方が楕円弧の場合を含む意味である。
【００１１】
本発明の振動波アクチュエータにあっては、接触駆動面と移動子表面とが同一形状ではないが、ほぼ相似形状の円弧又は楕円弧形状となっているので、移動子が駆動されていない場合には、ステータの接触駆動面と移動子との接触幅が狭く、静止摩擦が小さくなっている。従って、振動波アクチュエータの起動トルクが小さくて済み、移動子の起動や再起動を確実に行わせることができる。一方、振動波アクチュエータの駆動中においては、励起された振動波のために、ステータの接触駆動面には数ミクロンの起伏が発生し、ステータの接触駆動面と移動子の接触幅は広がっている。従って、振動波アクチュエータの駆動中においては、ステータの接触駆動面と移動子の間の摩擦抵抗が大きくなり、出力を増大させることができる。
【００１２】
本発明の適用にあたっては、移動子の曲率半径をステータの接触駆動面の曲率半径よりも小さくする場合が多いが、特に、移動子が球面体の場合には、ステータの接触駆動面の曲率半径に対する、移動子表面の曲率半径の比率を０.７以上１未満とするのが望ましい。ステータの接触駆動面の曲率半径に対する、移動子表面の曲率半径の比率を０.７よりも小さくすると、振動波アクチュエータの駆動中においても、ステータの接触駆動面とロータの接触面の幅が小さく、充分な出力が得られないからである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態）
図３は本発明の一実施形態による振動波アクチュエータ２１を示す正面側からの斜視図、図４はその断面図である。振動波アクチュエータ２１は、ケーシング２２内に取り付けられた４個のステータ２３，２３，２４，２４で球面状をした合成樹脂製のロータ２５を保持した構造となっている。
【００１４】
微小振動を発生する４個のステータ２３，２３，２４，２４は、ケーシング２２内に取り付けられ、ロータ２５の最大外周円に沿って配置されている。対向するステータ２３，２３又は２４，２４のうち、一方のステータ２３，２４はケーシング２２内に板バネ２６を介して取り付けられており、他方のステータ２３，２４は皿バネ２７とバネ押さえ２８を介してケーシング２２内に取り付けられており、板バネ２６と皿バネ２７の弾性力によって両ステータ２３，２３，２４，２４をロータ２５に押圧させると共に、調整ネジ２９によってバネ押さえ２８を動かすことで皿バネ２７の弾性力を変化させ、ステータ２３，２３，２４，２４のロータ２５への圧接力を調整できるようにしている。また、ステータ２３，２３，２４，２４及びロータ２５等をケーシング２２内に組み込んだ後、ケーシング２２の正面及び背面にそれぞれカバー３０，３１を取り付けることによってロータ２５等の脱落を防止している。正面のカバー２９の窓からは、ロータ２５と出力軸３２等が露出している。なお、３３は各ステータ２３，２３，２４，２４を駆動するための信号線を通すための孔である。
【００１５】
図５は各ステータ２３，２４の形状を示す斜視図である。ステータ２３，２４は、金属等の弾性材料によって形成されたステータ本体３４の裏面にＰＺＴ等の圧電素子３５を接合したものである。ステータ本体３４は、円環状をした弾性部材３６の表面に多数の接触子３７を一定ピッチ毎に突設したものであって、各接触子３７間はスリット３８によって分離されており、弾性部材３６の内周側には、皿状をした支持部材３９が連設されている。圧電素子３５は接着剤によって弾性部材３６の裏面に接合されている。各接触子３７は略台形板状となっているが、その内周側に位置する面は球面状に加工された接触駆動面４０となっている。
【００１６】
さらに、このステータ２３，２４においては、図６に示すように、接触駆動面４０の曲率半径Ｒが、球面状をしたロータ２５の半径ｒよりもわずかに大きくなっている。具体的には、ロ一夕２５の半径をｒ、ステータ２３，２４の接触駆動面４０の曲率半径をＲとするとき、
０.７≦ｒ／Ｒ＜１
とするのが望ましい。例えば、半径ｒが２２.４ｍｍのロータ２５に対しては、ステータ２３，２４の接触駆動面４０の曲率半径Ｒは２２.５ｍｍとする。
【００１７】
この振動波アクチュエータ２１のように、ステータ２３，２４の接触駆動面４０とロータ２５の表面とが、同一ではないが近似した（ほぼ相似な）形状となっていると、ステータ２３，２４及びロータ２５が完全な剛体の場合には、理論上ロータ２５とステータ２３，２４とは線接触することになる。しかし、実際にはステータ２３，２４及びロータ２５は弾性体であるので、押し付け圧によってロータ２５及びステータ２３，２４が弾性変形して面接触となる。しかも、その接触駆動面４０は、全面にわたってロータ２５と密着することはなく、一部で密着しながらその近傍では軽接触ないし極く近接し、接触駆動面４０とロータ２５の間の押圧力も最大圧の位置から両側へ向かって徐々に小さくなるように分布する。そして、振動波アクチュエータ２１が駆動されておらず、ロータ２５が静止している場合には、ステータ２３，２４の接触駆動面４０とロータ２５との接触幅が狭く、静止摩擦が小さくなっている。このため、振動波アクチュエータ２１の起動トルクが小さくて済み、ロータ２５の起動や再起動を確実に行わせることができる。一方、振動波アクチュエータ２１が駆動されてロータ２５が回転している場合には、接触子３７に励起された振動波のため、ステータ２３，２４の接触駆動面４０には数ミクロンの起伏（分子の運動）が発生し、ステータ２３，２４の接触駆動面４０とロータ２５の接触幅は広がっている。さらに、駆動中のロータ２５の熱膨張によっても接触駆動面４０とロータ２５の接触幅が広がる。よって、振動波アクチュエータ２１の駆動中においては、ステータ２３，２４の接触駆動面４０とロータ２５の間の摩擦抵抗が大きくなり、出力を増大させることができる。
【００１８】
ただし、ｒ／Ｒの値は、上記のとおり０.７以上１未満とするのが望ましい。ｒ／Ｒが０.７未満の場合には、ロ一夕２５が、完全にステータ２３，２４の中心を軸とする円周線上のみで接触駆動面４０に線接触することになり、出力が低下するためである。また、ｒ＝Ｒにすると、従来例のようにステータの接触駆動面はロータに全面密着するからである。
【００１９】
この結果、本発明の振動波アクチュエータ２１にあっては、ロータ２５の熱膨張によって駆動出力の低下が起きなくなり、常に安定した起動特性が得られる。さらに、押し付け圧を高めることができるので、出力トルクが一層向上する。しかも、起動特性を改善させるためにアクチュエータ起動時に印加電圧を大きくするなど、特別な制御回路や制御アルゴリズムを必要としない。また、ロ一夕２５とステータ２３，２４の接触駆動面４０の曲率が同一の場合に比べ、ロータ２５が摩耗した際の接触面積変化が少ないので、振動波アクチュエータ２１の寿命が向上する。さらに、駆動時の発生音も減少した。さらに、ロータ製作の際、ロータ２５の曲率をステータ２３，２４の接触駆動面４０の曲率に一致させる必要がなく、接触駆動面４０の曲率をロータ２５の曲率に対して変化させるだけであるので、加工精度が要求されず、コストダウンが可能になる。
【００２０】
なお、ここでは、複数のステータにより球面状のロータを回転させる実施例について説明したが、本発明は、１つのステータにより円板状のロータを回転させるようにした振動波アクチュエータにも適用できる。また、直線状のステータに沿ってスライダを移動させるリニア型の振動波アクチュエータにも適用できる。
【００２１】
（実験１）
つぎに、実験結果について説明する。サンプル１は、半径２２.４ｍｍのロータと、接触駆動面の曲率半径が２２.５ｍｍのステータを用い、両者の接触幅（接触駆動面の幅）を１.０５６６６２３ｍｍとした振動波アクチュエータ（本発明品）である。サンプル２は、半径２２.５ｍｍのロータと、接触駆動面の曲率半径が２２.５ｍｍのステータを用い、両者の接触幅（接触駆動面の幅）を１.０５６６６２３ｍｍとした振動波アクチュエータ（第１の従来品）である。サンプル３は、半径２２.５ｍｍのロータと、接触駆動面の曲率半径が２２.５ｍｍのステータを用い、両者の接触幅（接触駆動面の幅）を０.４１２１７４４１ｍｍとした振動波アクチュエータ（第２の従来品）である。これらのサンプル１〜３を用いて実験を行い、その起動特性、出力の大小、発生音、出力の変化、耐久性を測定した。この結果を表１に示す。ただし、出力の大小は、サンプル２を基準として（この出力の大きさを１とした）測定した。
【００２２】
【表１】

【００２３】
これより、ロータの半径とステータの接触駆動面の曲率半径を少し異ならせることにより、起動特性、出力、発生音、出力の変化、耐久性等が向上しているのが確認できる。
【００２４】
（実験２）
つぎに、各サンプル１〜３について、それぞれの駆動時間と回転数変化率の関係を測定した。この結果を図７に示す。ただし、サンプル１〜３による差異が明確になるよう、この実験では、いずれのサンプルも摩耗の大きな素材で形成したロータを用いた。図７に示す曲線Ｃ１はサンプル１（本発明品）の場合、曲線Ｃ２はサンプル２又は３（従来品）の場合である。これより、従来品では、当初の回転数の約６０％程度まで回転数が低下していたのが、本発明品では、当初の回転数の約９４％の低下に抑えることができるのが分かる。
【００２５】
なお、ステータの接触駆動面の摩耗状態の観察からは、サンプル１の振動波アクチュエータは、駆動中においては接触駆動面は全体でロータに接触していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の振動波アクチュエータの構造を示す一部破断した正面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は同上の振動波アクチュエータに用いられているステータの正面図及び断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による振動波アクチュエータの斜視図である。
【図４】同上の振動波アクチュエータの断面図である。
【図５】同上の振動波アクチュエータに用いられているステータの斜視図である。
【図６】同上のステータとロータとの接触状態を説明する図である。
【図７】振動波アクチュエータの駆動時間とロータの回転数の変化との関係を示す図である。
【符号の説明】
２３，２４ステータ
２５ロータ
３４ステータ本体
３５圧電素子
３６弾性部材
３７接触子
４０接触駆動面

Claims

ステータの接触駆動面に移動子を接触させ、ステータに発生させた微少振動波で移動子を駆動する振動波アクチュエータであって、
前記ステータと前記移動子との接触位置を通過し、かつ前記接触駆動面に発生する振動波の励起方向と垂直な断面において、前記接触駆動面と前記移動子表面とが、ほぼ相似形状の円弧又は楕円弧形状で、かつ同一形状でないことを特徴とする振動波アクチュエータ。
前記移動子と前記ステータの接触位置において、移動子の曲率半径がステータの曲率半径よりも小さくなっていることを特徴とする、請求項１に記載の振動波アクチュエータ。
前記移動子は球面体で、前記ステータの接触駆動面も球面によって構成されており、移動子表面の曲率半径の、ステータの接触駆動面の曲率半径に対する比が０．７以上１未満であることを特徴とする、請求項１に記載の振動波アクチュエータ。