JP3902955B2

JP3902955B2 - 振動体および振動波駆動装置

Info

Publication number: JP3902955B2
Application number: JP2002004196A
Authority: JP
Inventors: 潔日塔; 裕丸山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2022-01-11
Also published as: JP2003209983A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動波駆動装置に関するものであり、特に棒状振動波駆動装置の振動体の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動波駆動装置の一つである振動波モータは、カメラレンズ駆動用途等への製品応用がなされており、円環型のものと棒状型のものが存在する。
【０００３】
図８はカメラレンズ駆動用に用いられている振動波モータの構成図である。図９（ａ）は図８の振動波モータに用いられている振動体の構成図であり、図９（ｂ）はこの振動体の振動モードを示した図である。
【０００４】
これらの図において、１１１は第１の弾性体、１１２は第２の弾性体、１１３は電気−機械エネルギー変換素子である積層圧電素子である。１１５はシャフトであり、第１の弾性体１１１、第２の弾性体１１２および積層圧電素子１１３の中心部を貫通し、先端部が後述する固定フランジ１２１に結合されている。このシャフト１１５の他端部にはねじ部が設けられており、ナット１１５ａを螺合させることで、シャフト１１５の中部に設けられたフランジ部とナット１１５ａとの間に配置された第１の弾性体１１１、第２の弾性体１１２および圧電素子１１３を所定の力によって挟持固定する。
【０００５】
１１８はロータであり、外周部に接触幅が小さく、かつ、適度なバネ性を有する接触バネを有しており、この接触バネが第１の弾性体１１１の上面に設けられた摩擦部材１２２に接触する。１１９はモータの出力を伝達するギアである。ロータ１１８、ギア１１９の一方に凹部を、他方に凸部が設けられており、この凹部と凸部とを係合させることで、ロータ１１８とギア１１９は回転方向において互いに規制される。１２０は加圧バネであり、ロータ１１８とギア１１９との間に配置され、ロータ１１８を摩擦部材１２２に加圧接触させるための加圧力を付与している。１２１は固定フランジであり、モータに固定されることで振動波モータ全体を固定する。
【０００６】
積層圧電素子１１３は電極が２つの電極群にグループ化されており、不図示の電源からそれぞれの電極群に位相の異なる交流電界を印加すると、振動体には図９（ｂ）に示す姿勢の曲げ振動と、変位方向がこの振動と直交する曲げ振動とが励振される。この印加電界の位相を調整することにより、２つの振動間に９０度の時間的な位相差を与えることができ、この結果、振動体は軸周りを回転する首振り運動を行い、これに接触するロータ１１８を回転駆動させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示した棒状振動波モータは、ロータの径方向の大きさを小さくし、小型化を達成したものであるが、このような棒状振動体モータよりも更に小さくし、製造コストも抑えたいという要望がある。この要望に応えるためにモータの長さを短くし、比較的コストが高い圧電素子を小径、薄型にしてローコスト化を実現しようとするものが提案されている。これを図１０に示す。
【０００８】
図１０（ａ）は振動体の構成図であり、図１０（ｂ）はこの振動体の振動モードを示した図である。小型化を図るために、図１０(ａ)に示すようにフランジ状（ディスク状）弾性体１３４と圧電素子１３３を第１の弾性体１３１、第２の弾性体１３２で挟持固定して振動体を構成し、フランジ状の突出部に駆動面を設けて、ロータを第１の弾性体の外周部に配置する構成にした。
【０００９】
しかしながら、このようなモータは従来の棒状振動型モータよりも、やはり小型化に伴い振動速度が小さくなる傾向が現れてしまう。したがって小型化を行っても出力トルクを従来と同様に保持できるような改良を行う余地があると思われる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、弾性体間に電気−機械エネルギー変換素子を固定し、該電気−機械エネルギー変換素子に駆動振動を印加することによって曲げ振動を励起する振動体と、該振動体に接触する回転子と、を有する振動波駆動装置において、該弾性体は、該振動体の軸と直交する方向に延びたフランジ状弾性部を有し、該フランジ状弾性部の厚み方向における両面に振動変位拡大用の溝が設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
フランジ状弾性部の厚み方向における両面に溝を設ける構成にすることで、フランジ状弾性部の外周部での面外変位を拡大させ、出力を高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１に本発明の第１の実施形態にかかる振動波駆動装置の振動体の断面図を示す。
【００１３】
１は中空円柱状の第１の弾性体１で、真鍮等の振動減損失の小さい材料で構成されている。２は平たい円柱状の第２の弾性体２であり、第１の弾性体１と同様に振動減衰損失が小さい材料で構成されている。４は振動体の軸方向と直交する方向に延びたフランジ状（円盤状）弾性体であり、５はシャフトである。
【００１４】
シャフト５の一端にはねじ部が設けられており、第２の弾性体２をシャフト５のねじ部に螺合させることにより、第１の弾性体１、フランジ状弾性体４および積層圧電素子３とが、シャフト５のフランジ部と第２の弾性体２との間で一体的に挟持固定されている。
【００１５】
このフランジ状弾性体４は耐摩耗性を有する材料で構成されており、外周近傍の面で不図示のロータと接触し、ロータを回転駆動させる。ロータと接触するフランジ状弾性体４の摺動面は、隣接する第１の弾性体１および圧電素子３の外径よりも外側に位置している。
【００１６】
シャフト５は先端部が不図示の装置に固定され、振動体を支えるための支持ピンとして作用する。シャフト５のうちフランジ状弾性体４よりもロータ側に延びた部分は、一部が十分に細く形成されており、振動体が発生する振動を吸収して振動が被駆動装置等へ伝搬するのを防止できるように構成されている。
【００１７】
なお、便宜上、振動体の軸方向においてフランジ状弾性体を挟んで第１の弾性体を備えた側を上側、第２の弾性体を備えた側を下側として説明を行う。
【００１８】
本実施の形態において、フランジ状弾性体４を境にして上側に位置する第１の弾性体１の直径を小径とし、下側に位置する圧電素子３および第２の弾性体２の直径を大径としている。これによりフランジ状弾性体４を境として、振動体の上側が下側よりも曲げ振動に対する剛性が大きくなり、フランジ状弾性体４を境とした両側での動剛性が大きく異なるよう構成されている。
【００１９】
このようにフランジ状弾性体４を中心として軸方向両側の外径を異なる非対称形状とすると、例えば紙面と平行な面において、積層圧電素子３に駆動信号を印加すると、振動体は２種類の１次の曲げ振動モードを得ることができる。具体的にはフランジ状弾性体４の下側が大きく変形する振動モードと、フランジ状弾性体４の上側が大きく変形する振動モードとなる。つまり同じ変位方向の曲げ振動であっても、振動体の両端の変位する相対的割合が全く異なる２つの振動モードを励起することができる。
【００２０】
本実施形態における振動体は、フランジ状弾性体４を中心として軸方向両側の動剛性を大きく異ならせており、フランジ状弾性体４の近傍の曲げ振動による変位は小さいものとなる。したがってフランジ状弾性体の近傍に圧電素子３を配置すれば、圧電素子３の歪みを小さく抑えることができ、内部損失の小さいエネルギー効率の高い棒状振動体を提供することができる。
【００２１】
また、ロータを第１の弾性体１の外側に配置して振動波駆動装置を小型化することができ、突出したフランジ状弾性体４を金属で構成すれば、ここに歪みが集中しても金属材料の減衰特性は圧電素子に比べて優れているため、内部損失の増加は最小限にとどまり効率の良い短い振動体が構成できる。
【００２２】
しかし、上述したように、このような振動波モータは従来の棒状振動型モータよりも、やはり小型化に伴い振動速度が小さくなる傾向が現れてしまう。
【００２３】
そこでフランジ状弾性体４のロータとの摺動面と、摺動面の反対側の面に、振動変位拡大用の凹型溝７を設けた。摺動面側に設けられた凹型溝７は、ロータとの摺動部よりも内周側に設けられる。
【００２４】
図２に、図１で示すフランジ状弾性体４を上面から見た図を示しており、溝７がフランジ状弾性体と同心円上に円周形状で設けられている。この溝７によって、フランジ状弾性体４の外周部での振動による面外変位が拡大される。図２に示した溝７は円周形状であるが、溝の形状はこれに限られるものではなく、振動体の固有振動数の調整を考慮した形状を設計すればよい。
【００２５】
また、ロータが摺動する振動体の摺動面には、ラップ加工等による面仕上げ加工を行う必要があるが、フランジ状弾性体４の摺動面に溝７を設けることにより、ラップ加工を施す面積を縮小でき、ラップ加工時間を短縮することにもなる。
【００２６】
（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態にかかる振動波駆動装置の振動体の断面図を示す。
【００２７】
１１は第１の弾性体、１２は第２の弾性体、１３は積層圧電素子であり、１４はフランジ状弾性体である。
【００２８】
図１の振動体と異なる点は、フランジ状弾性体１４を中心に上下対称形状となるように振動体が構成されている点である。フランジ状弾性体１４を中心に上下対称に構成することで、振動体に駆動信号を印加した際には、フランジ状弾性体１４の厚み方向両面に発生する歪みの絶対値分布が対称となる。
【００２９】
フランジ状弾性体１４の外周部での面外変位を最大限大きくするために、溝１７は駆動に供する振動モードを励振したときの歪みが大きい場所に設けてある。本実施形態における振動体は、駆動に供する振動モードを励起したときの歪みは上下対称に発生するので、溝１７もフランジ状弾性体１４の上下両面において対称に形成されている。
【００３０】
なお、フランジ状弾性体１４には図２の円周溝７と同様形状である溝１７が刻まれている。
【００３１】
これらの円周溝１７が、フランジ状弾性体１４の外周部での面外変位を大きくする役割を担うと共に、フランジ状弾性体１４のラップ加工時間を短縮することができる。また、フランジ状弾性体１４の厚み方向両面を対称形状にすることによって、加工時の反りを減少させる効果も有する。
【００３２】
（第３の実施形態）
図４は本発明の第３の実施形態にかかる振動波駆動装置の振動体の断面図を示す。
【００３３】
２１は第１の弾性体、２２は第２の弾性体、２３は積層圧電素子、２４はフランジ状弾性体である。このフランジ状弾性体２４には、円周形状の溝２７が刻まれている。
【００３４】
本実施の形態では、図１に示した振動体と同様、フランジ状弾性体２４を中心に上下非対称に振動体が構成されている。フランジ状弾性体２４を中心に上下非対称に構成することで、振動体に駆動信号を印加した際には、フランジ状弾性体２４の厚み方向両面に発生する歪みの絶対値分布が非対称となる。
【００３５】
フランジ状弾性体２４の外周部での面外変位を最大限大きくするために、溝２７は駆動に供する振動モードを励振したときの歪みが大きい場所に設けてある。本実施形態における振動体は、駆動に供する振動モードを励起したときの歪みは上下非対称に発生するので、溝２７もフランジ状弾性体２４の上下両面において非対称に形成されている。
【００３６】
これらの円周溝２７も、フランジ状弾性体２４の外周部での面外変位を大きくする役割を担うと共に、フランジ状弾性体１４のラップ加工時間を短縮することができる。
【００３７】
図５に示した振動体は、図１の振動体とほぼ同様のものであるが、フランジ状弾性体１０４に変位拡大用の溝が設けられていない点が図１の振動体と異なる。図５に示す振動体に駆動に供する振動モードを励振したときの、フランジ状弾性体２４の歪みの絶対値分布を図６に示す。
【００３８】
図６の歪みの絶対値分布は、フランジ状弾性体１０４の上面ＡからＢの間、および下面ＣからＤの間について示すものである。図６から明らかなように、フランジ状弾性体１０４を境として軸方向上下において非対称に形成された振動体は、フランジ状弾性体１０４の上面と下面とで、歪みが最も大きくなる部位が異なる。振動体の形状によってこの歪みの絶対値分布は異なる。よってフランジ状弾性体の摺動面の振動変位を最大限に大きくするためには、各々の振動体のフランジ状弾性体において最も歪みの大きくなる部位に適宜溝を設けることが望ましい。
【００３９】
（第４の実施の形態）
図７は本発明の第４の実施形態にかかる振動波モータの構成図である。
【００４０】
３１は第１の弾性体、３２は第２の弾性体、３３は圧電素子であり、３４は振動体の軸方向と直交する方向に延びたフランジ状弾性体である。
【００４１】
３５はシャフトであり、シャフト３５の中部に設けられたフランジ部と第２の弾性体との間に、第１の弾性体３１、フランジ状弾性体３４および圧電素子３３を挟持固定している。
【００４２】
３８はロータであり、ロータ３８の外周には接触用のバネ３８ｂが接着等により結合され、また内周にはバネケース３８ａが嵌合している。３９は出力用ギアで、バネケース３８ａに対してラジアル方向に相対移動せぬよう嵌合結合している。３４は加圧用のコイルバネである。バネケース３８ｂの下端と出力ギア３９との間に加圧用のバネ３４が配置され、このバネ３４のバネ力により、ロータ３８の外周部に固定された接触バネ３８ａのバネ端がディスク状弾性体３５の上面に加圧接触している。４１はモータ固定用フランジであり、シャフト３５のフランジ部とシャフト３５に螺合されたボルトによって挟持固定されている。モータ固定用フランジ４１とギア３９との結合部は滑り軸受けを構成している。４４は圧電素子３３への給電用のフレキシブル基板である。
【００４３】
第１の弾性体３１は第２の弾性体３２よりも外径が小さく構成されており、本実施の形態においても、図１、図２に示した振動体と同様に２つの異なる曲げ振動モードを励起することができる。
【００４４】
フランジ状弾性体３４の上下面には円周溝３７が設けられており、フランジ状弾性体３４の外周近傍の振動変位を拡大している。
【００４５】
フレキシブル基板４４には、不図示の駆動回路が連結されており、この駆動回路から圧電素子３３に時間的にのπ／２位相差を有する交流電界を印加すると、振動体は互いに直交した２方向に２つの曲げ振動を励振する。この振動の合成により、ロータの接触するフランジ状弾性体３４の上端面には円運動が形成され、耐摩耗性を有するフランジ状弾性体３４に押圧されたロータ３８は摩擦駆動される。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によればフランジ状弾性体の両面に溝を設け、外周部での面外変位を大きくすることで、軸方向に小型化した振動波モータの出力を増加させることができる。特に、駆動に供する振動モードにより発生する歪みが大きい位置に凹型の溝を設けることで、効果的に出力を増加させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る振動波モータの振動体の断面図
【図２】図１のフランジ状弾性体の上面図
【図３】本発明の第２の実施形態に係る振動波モータの振動体の断面図
【図４】本発明の第３の実施形態に係る振動波モータの振動体の断面図
【図５】歪みを説明するための振動波モータの振動体の断面図
【図６】図５の振動体の歪み曲線を示す図
【図７】本発明の第４の実施形態に係る振動波モータの断面図
【図８】従来の棒状振動波モータの断面図
【図９】図８の棒状振動体の断面図および振動モードを示す図
【図１０】別の振動体の断面図および振動モードを示す図
【符号の説明】
１，１１，２１，３１第１の弾性体
２，１２，２２，３２第２の弾性体
３，１３，２３，３３積層圧電素子
４，１４，２４，３４フランジ状弾性体
５，３５シャフト
６，３６フレキシブル基板
７，１７，２７，３７凹型溝
３８ロータ
３９ギア
４０加圧用コイルバネ
４１モータ固定用フランジ

Claims

第１の弾性体と第２の弾性体との間に電気−機械エネルギー変換素子を有し、前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより曲げ振動を励起する振動体において、
前記第１の弾性体と前記第２の弾性体との間に、振動体の軸方向と直交する方向に延びたフランジ状弾性部を有し、前記フランジ状弾性部の厚み方向における両面に振動変位拡大用の溝が周方向に設けられていることを特徴とする振動体。
第１の弾性体と第２の弾性体との間に電気−機械エネルギー変換素子を有し、前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより曲げ振動を励起する振動体において、
前記第１の弾性体と前記第２の弾性体との間に、振動体の軸方向と直交する方向に延び、外径が前記電気−機械エネルギー変換素子よりも大きいフランジ状弾性部を有し、前記フランジ状弾性部の厚み方向における両面に振動変位拡大用の溝が周方向に設けられていることを特徴とする振動体。
前記フランジ状弾性部は、外周部に摩擦駆動部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動波駆動装置。
前記フランジ状弾性部の溝は、前記摩擦駆動部よりも内周側に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の振動体。
前記フランジ状弾性部の溝は、前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動振動モードを励起させたときに発生する歪みが大きい個所に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動体。
前記フランジ状弾性部の厚み方向における両面が、対称な形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動体。
前記フランジ状弾性部の厚み方向における両面が、非対称な形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の振動体。
請求項３から７のいずれかに記載の振動体と、前記振動体の摩擦接触部と接触する接触体とを備え、前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより前記振動体に励起される曲げ振動により駆動波を形成し、前記振動体と前記接触体とを相対的に移動させることを特徴とする振動波駆動装置。