JP4085646B2

JP4085646B2 - 振動波モータとその製造方法

Info

Publication number: JP4085646B2
Application number: JP2002042909A
Authority: JP
Inventors: 隆利芦沢; 信一大塚; 亮一菅沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2022-02-20
Also published as: JP2003244975A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溝部を備えた弾性体を有する振動波モータとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の振動波モータは、特公平１−１７３５４号等で公知のように、圧電体の伸縮を利用して、弾性体の駆動面に進行性振動波を発生させ、この進行波によって、駆動面には楕円運動が生じ、この楕円運動の波頭に加圧接触した移動子が駆動される。このような振動波モータは、低回転でも高トルクを有するという特徴があるので、駆動装置に搭載した場合に、その駆動装置のギアを省略することができるため、ギア騒音をなくしたり、位置決め精度が向上できるという利点がある。
【０００３】
このような振行性進行波を用いた振動波モータの振動子は、圧電体と弾性体とから構成されており、圧電体と弾性体とは、接着剤等により強固に接着されている。また、弾性体は、圧電体接合面とは反対側の駆動面側に、ほぼ等間隔で、等幅の溝が設けられている。弾性体は、この溝により、内部に生じる曲げ振動の中立面が圧電体側にシフトし、それにより、駆動面側の進行性振動波の振幅が拡大する。
【０００４】
この弾性体に発生する進行性振動波は、圧電体の励振により生じる２つの曲げ振動の定在波を合成することにより得られる。この曲げ振動の定在波の共振周波数の値は、振動の次数や外内径を固定した場合に、主に、弾性体の厚さ、特に、弾性体の底部の厚さの値に対応している。例えば、底部の厚さが厚くなると、曲げ振動の定在波の共振周波数は高くなり、それにともない、振動波モータの駆動周波数帯域が高い周波数の方へシフトする。また、底部の厚さが薄くなると、曲げ振動の定在波の共振周波数は低くなり、それにともない、振動波モータの駆動周波数帯域が低い周波数の方へシフトする。
【０００５】
この振動波モータの速度制御は、周波数を変えて行う場合が大半である。速度制御を正確に行うためにも、速度ゼロの周波数、ある速度の周波数、最大速度の周波数等、速度と周波数の関係を個々のモータごとに検査して、調整する必要がある。従って、駆動周波数帯域のシフト量が振動波モータの個体差により大きい場合には、適正な駆動周波数帯域を探し出すこと自体に工数が発生する。
【０００６】
また、駆動周波数帯域のシフト量が大きいと、駆動回路の発振部もシフト量に対応できない場合が生じる。そのため、周波数帯域が異なった幾つかの発振部を用意して、その帯域のシフト量に応じて選択する必要が生じて、工程が煩雑化するという問題があった。
従って、上述したような工数増、工程の煩雑化を防止して、コスト増をなくすめにも、底部の厚さのばらつきを抑え、駆動周波数帯域のシフト量を小さくする必要があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の振動波モータでは、弾性体の溝部の加工は、フライス盤等で行っている場合が通常であり、弾性体１個当たり、４０〜８０程度存在する溝の１溝１溝の加工を行っており、溝加工におけるバイトの使用頻度は、非常に大きい。従って、弾性体を何個も加工していくうちに、バイトの端部が摩耗してしまい、底部の隅部にＲ形状が生じてしまう。例えば、１つのバイトで、溝加工を行っていくと、最初の弾性体は、溝部の隅部にＲ形状がないが、数個目の弾性体の溝部の隅部に小さなＲ形状がつき、数十個目の弾性体の溝部の隅部には大きなＲ形状がつくというようになってしまう。
一方、回転砥石を用いた加工では、外周端部に応力が集中するために、回転砥石自身が摩耗しやすく、底部の隅部にＲ形状が生じやすかった。
【０００８】
図１０は、底部の周方向断面を見た場合であって、底部の隅部のＲ形状と曲げ振動の共振周波数の関係を示したグラフである。隅部のＲ形状が大きくなってくると、２次曲線的に周波数が高い方に変化していることがわかる。
このように、バイトの加工数目にともない、振動波モータの駆動周波数帯域が高くなってゆくという現象が生じていた。個々のモータで駆動周波数帯域が大きく異なっている場合に、上述したように、駆動周波数帯域を探し出すこと自体に工数が生じたり、駆動回路の発振部を幾つかの種類に分けて選択するという工程の煩雑化が生じたりする、という問題点が生じる。
【０００９】
本発明の課題は、駆動周波数帯域のシフト量を抑え、組立調整のコストが低減された振動波モータとその製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、駆動信号により励振される圧電体及びその圧電体に接合され、前記励振により前記圧電体が接合される面と反対側の駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動子と；前記駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と；を含む振動波モータにおいて、前記弾性体は、前記駆動面に溝部を備え、前記溝部は、底部の隅部に形成された曲形状部と、前記底部の中央部に隆起形成された隆起部とを有すること、を特徴とする振動波モータである。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の振動波モータにおいて、前記弾性体は、円環状であり、前記溝部は、前記円環に対して放射方向に延在し、前記曲形状部及び前記隆起部は、前記放射方向に延在し、前記曲形状部は、前記底部と前記駆動面からその底部へ延在する壁部とを結ぶ滑らかな凹面部であること、を特徴とする振動波モータである。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の振動波モータにおいて、前記曲形状部の周方向の長さＲｘとし、前記曲形状部の前記溝部の深さ方向の高さをＲｚとした場合に、ＲｘをＲｚよりも大きくしたこと、を特徴とする振動波モータである。
請求項４の発明は、請求項３に記載の振動波モータにおいて、前記Ｒｚと前記Ｒｘとの関係が、Ｒｚ：Ｒｘ＝１：２〜２：３の比率であること、を特徴とする振動波モータである。
請求項５の発明は、請求項１又は請求項２に記載の振動波モータにおいて、前記曲形状部の周方向の長さをＲｘとし、前記隆起部の前記底部からの高さをｔｒとした場合に、Ｒｘ：ｔｒ＝１００：４〜１０：４の比率であること、を特徴とする振動波モータである。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、前記底部は、前記曲形状部と前記隆起部との変曲部を含むこと、を特徴とする振動波モータである。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動波モータを製造する振動波モータの製造方法において、円盤形状でありその円盤形状の外周面の端部が滑らかな面であり、前記外周面の中央部に周状凹部を備えた砥石によって、前記弾性体の溝部を加工する加工工程を備えること、を特徴とする振動波モータの製造方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる振動波モータの実施形態を添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の実施形態は、振動波モータとして、超音波の振動域を利用した超音波モータを例にとって説明する。
図１は、本発明の実施形態の超音波モータ１０を説明する図である。図２は、本実施形態の超音波モータ１０の振動子１１及び移動子１７を示す外観斜視図である。
【００１６】
本実施形態の超音波モータ１０は、振動子１１と移動子１７とを備え、振動子１１側を固定とし、移動子（相対運動部材）１７側を回転駆動する形態となっている。そして、振動子１１の下側には、緩衝部材１４、加圧板１５、加圧部材１６、支持部材１９Ａが配置され、移動子１７の上側には、振動吸収部材１８、回転部材１９Ｂが配置されている。
【００１７】
振動子１１は、弾性体１２と、弾性体１２に接合され、後述する電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電素子や電歪素子等を例とした電気機械変換素子（以下、圧電体と称する）１３とから構成されている。この振動体１１には、進行波が発生するが、本実施形態では、一例として、９波の進行波として説明する。
【００１８】
弾性体１２は、共振先鋭度が大きな金属材料からなり、その形状は、円環形状となっている。この弾性体１２は、圧電体１３が接合される反対面には、溝１２ａが切ってあり、突起部（溝１２ａがない箇所）１２ｂの先端面が、駆動面１２ｃとなり、移動子１７に加圧接触される。
溝１２ａを切る理由は、進行波の中立面をできる限り圧電体１３側に近づけ、これにより、駆動面１２ｃの進行波の振幅を増幅させるためである。
【００１９】
圧電体１３は、円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれており、各相においては、１／２波長毎に分極が交互となった要素が並べられていて、Ａ相とＢ相との間には、１／４波長分間隔が空くようにしてある。
【００２０】
圧電体１３の下には、緩衝部材１４、加圧板１５、加圧部材１６、支持部材１９Ａが配置されている。緩衝部材１４は、圧電体１３の下に配置されており、振動子１１の振動を加圧板１５や加圧部材１６に伝えないようするための部材であり、例えば、不織布、フェルトなどが使用されている。加圧板１５は、加圧部材１６の加圧を受けるための板である。加圧部材１６は、加圧板１５の下に配置されていて、加圧力を発生させる部材である。本実施形態では、加圧部材１６を皿バネとしたが、皿バネでなくとも、コイルバネやウェーブバネでもよい。支持部材１９Ａは、この超音波モータ１０を、固定側に支持する部材である。
【００２１】
移動子１７は、アルミニウム等の軽金属からなり、摺動面１７ａの表面には、耐摩耗性向上のための表面処理がなされている。この移動子１７の上には、移動子１７の加圧方向の振動を吸収するために、ゴムなどの振動吸収部材１８が配置され、その上には、ベアリングなどの回転部材１９Ｂが配置されている。
【００２２】
図３は、本実施形態による超音波モータの駆動制御装置２０を説明するブロック図である。まず、超音波モータの駆動制御装置２０の構成を説明する。この駆動制御装置２０は、発振部２１と、制御部２２と、移相部２３と、増幅部２４，２５と、検出部２６等とを備えている。
【００２３】
発振部２１は、制御部２２の指令により、所望の周波数の駆動信号を発生する。移相部２３は、発振器２１で発生した駆動信号を９０゜位相の異なる２つの駆動信号に分ける。増幅部２４，２５は、移相部２３によって分けられた２つの駆動信号を、それぞれ所望の電圧に昇圧する。増幅部２４，２５からの駆動信号は、超音波モータ１０に伝達され、この駆動信号の印加により、振動体１１に進行波が発生し、移動子１７が駆動される。
検出部２６は、光学式リニアエンコーダ等により構成され、移動子１７の駆動によって駆動される被駆動体（不図示）の位置や速度を検出する。
【００２４】
制御部２２は、ＣＰＵからの駆動指令に基づいて、超音波モータ１０の駆動を制御する。そして、制御部２２は、検出部２６からの検出信号を受け、その値に基づいて、位置情報と速度情報を得て、目標位置に位置決めされるように、発振器２１の周波数を制御する。
【００２５】
次に、本実施形態の超音波モータの駆動制御装置２０の動作を説明する。まず、制御部２２に目標位置が伝達される。発振部２１からは、駆動信号が発生し、その信号は、移相部２３により９０゜位相の異なる２つの駆動信号に分割され、増幅部２４，２５により、所望の電圧に増幅される。駆動信号は、超音波モータ１０の圧電体１３に印加され、圧電体１３は、励振され、その励振によって、弾性体１２には、９次の曲げ振動が発生する。
圧電体１３は、Ａ相とＢ相とに分けられており、駆動信号は、それぞれＡ相とＢ相に印加される。Ａ相から発生する９次曲げ振動とＢ相から発生する９次曲げ振動とは、位置的な位相が１／４波長ずれるようになっており、また、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号とは、９０゜位相がずれているために、２つの曲げ振動が合成されて、９波の進行波となる。
【００２６】
進行波は、その波頭には楕円運動が生じている。従って、移動子１７は、駆動面１２ｃに加圧接触されいるので、この楕円運動によって摩擦的に駆動される。検出部２６は、移動子１７の駆動により駆動される被駆動体に配置されており、検出部２６から発生した電気パルスの信号が制御部２２に伝達される。制御部２２は、この信号に基づいて、現在の位置と現在の速度を得ることが可能となり、これらの位置情報、速度情報及び目標位置情報を基に、発振部２１の駆動周波数を制御する。
【００２７】
図４は、本実施形態による超音波モータの弾性体の底部の形状を説明する図である。
本実施形態では、弾性体１２は、駆動面１２ｃ側に溝１２ａを備えている。この溝部１２ａは、周方向に沿って等間隔、等幅で、５４個設けられており、底部１２ａ−１の隅部に形成された曲形状部１２ｄと、底部１２ａ−１の中央部に高さｔｒの凸状に隆起形成された隆起部１２ｅとを有している。
弾性体１２は、図２に示したように、円環状をしており、溝部１２ａは、円環に対して放射方向に延在している。また、曲形状部１２ｄ及び隆起部１２ｅも、同様に、その放射方向に延在している。そして、曲形状部１２ｄは、底部１２ａ−１と駆動面１２ｃからその底部１２ａ−１へ延在する壁部１２ｆとを結ぶ滑らかな凹面部である。底部１２ａ−１は、曲形状部１２ｄと隆起部１２ｅとの変曲部１２ｆが含まれている。
この曲形状部１２ｄは、周方向の長さＲｘとし、溝部１２ａの深さ方向の高さをＲｚとした場合に、ＲｘをＲｚよりも大きくしてある。本願発明者の実験によれば、Ｒｚ：Ｒｘ＝１：２〜２：３の比率であることが好ましいことがわかった。
【００２８】
溝加工は、上記形状になるように行われるので、溝加工を連続的に行った場合に、弾性体は、共振周波数の変動が低減される。具体的には、一個目の弾性体の共振周波数と、数十個目の共振周波数のシフト量が低減される。
【００２９】
図５は、本実施形態による溝加工方法を示す図である。溝加工工程は、砥石３０で行うと好適である。砥石３０は、バインダがレジンであり、砥粒がＣＢＮ＃１７０のものが好適に用いられる。この砥石３０は、上述した溝形状に適合する形状にドレスして溝加工を行う。つまり、砥石３０は、図５に示すように、円盤形状であり、その円盤形状の外周面の端部３１が滑らかな面であり、外周面の中央部に周状凹部３２を備えている。
【００３０】
図６は、砥石により溝加工を連続的に行った場合の底部の形状を示す値Ｒｚ、Ｒｘ、ｔｒ値の変化を示した図である。
図６において、連続加工回数が多くなると徐々にＲｘ値が大きくなり、また、中央部の隆起部１２ｅの深さ方向の長さｔｒが大きくなっている。このとき、Ｒｚ値は、余り変化していない。このことより、砥石は、溝加工において、摩耗が最も激しいのは、先端面の角部（Ｒｘの位置に相当）と、先端面の中央部（ｔｒの位置に相当）であることがわかる。
【００３１】
ここで、溝加工を連続的に行うと、徐々にＲｘ値を大きくなり、中央部の凸が大きくなるのであるが、これが弾性体の周波数変動の低減に関連しているのかを、試作品（比較例１〜３）を用いて調査した結果を、図７〜図９を参照しながら説明する。
【００３２】
図７は、曲形状部のＲｚ値（Ｒｘ値＝０．１ｍｍ一定）と共振周波数の関係を試作品（比較例１）を用いて調査した結果である。Ｒｚ値が大きくなると、共振周波数値が大きくなっていることがわかる。
【００３３】
図８は、曲形状部のＲｘ値（Ｒｚ値＝０．１ｍｍ一定）と共振周波数の関係を試作品（比較例２）を用いて調査した結果である。Ｒｚ値が大きくなると、共振周波数値が大きくなっているが、Ｒｚ値の変化よりも変化量が小さいことがわかる。
【００３４】
図９は、中央部の凸形状の隆起部の値ｔｒ値と共振周波数の関係を試作品（比較例３）を用いて調査した結果である。ｔｒ値が大きくなると、共振周波数値が小さくなっていることがわかる。
【００３５】
これらの結果より、Ｒｘ値と共振周波数とは、Ｒｘ値が大きくなると共振周波数も大きくなる正の関係、ｔｒ値と共振周波数とは、ｔｒ値が大きくなると共振周波数は小さくなる負の関係を持っており、周波数変動を、互いにキャンセルしていることがわかった。
また、本実施形態では、Ｒｘ値をＲｚ値よりも大きくするようにしたが、予めこのような関係にしておくと、Ｒｚ値の変動が小さく、共振周波数の変動を小さくすることができる。
【００３６】
本実施形態においては、Ｒｘ値は０．１０〜０．２５ｍｍの範囲が好適であり、Ｒｚ値は０．０５〜０．１５ｍｍの範囲が好適であり、ｔｒ値は０．００１〜０．０４ｍｍの範囲が好適である。従って、前記曲形状部の周方向の長さをＲｘとし、前記隆起部の前記底部からの高さをｔｒとした場合に、Ｒｘ：ｔｒ＝１００：４〜１０：４の比率であること好ましい。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、溝部は、曲形状部の深さ方向の長さＲｚよりも、周方向の長さＲｘを大きくし、中央部に凸形状の隆起部を設けたような底部の形状にしたので、連続加工による曲げ振動の定在波の共振周波数の変動が小さくなった。
これにより、超音波モータは、駆動周波数帯域のシフト量の個体差を低減させることができるようになった。従って、組立調整時に必要であった周波数帯域を探し出す工程を省略することができた。また、以前のように周波数帯域が異なった幾つかの発振部を用意して、周波数帯域のシフト量に応じて選択することがなくなり、コスト減を達成できた。
さらに、底部の隅部の形状を一定にするために、従来は、バイトや砥石の連続加工数を数十個に程度に制限していたが、本実施形態では、連続加工数を増加できるようになった。例えば、砥石は、フライス盤のバイトよりも高価であっても、加工回数を増加できることによって、結果的に、製造コストを下げることができる。
【００３８】
一方、予め底部の隅部をＲ形状（曲形状部）としたので、回転砥石を用いても、応力が外周端部に集中することなく、分散するため、砥石自身の摩耗は、極めて少なくなった。
つまり、底部の隅部にＲ形状を付けない場合は、加工時に、砥石の外周端部に応力が集中し、砥石自身が摩耗してしまう。しかし、Ｒ形状をつけることにより、加工時の応力集中が防げ、砥石自身の摩耗による変形が少なくなる。このため、回転砥石を用いても、底部の隅部の形状が安定し、連続加工を行っても、形状変化が小さくなった。
このような砥石を使用した結果、弾性体は、溝部の中央部に凸形状の隆起部が形成されるので、底部の隅部の形状が変化しても、共振周波数の変動が小さくなった。
【００３９】
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
例えば、本実施形態に用いた超音波モータは、９波の進行性振動波で、５４個の溝がある弾性体を例に説明したが、他の波数の進行性振動波でも、他の数の溝数でも、進行性振動波を用いた超音波モータであれば、同様に適用でき、同様な効果が得られる。
【００４０】
また、上述した弾性体の溝部の周方向断面における底部の隅部に形成された曲形状部及びその底部の中央部に形成された隆起部は、砥石で加工した例で説明したが、この形状は、プレス加工する場合にも、同様の効果がある。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によれば、弾性体は、駆動面に溝部を備え、その溝部は、底部の隅部に形成された曲形状部と、前記底部の中央部に隆起形成された隆起部とを有するので、連続加工による曲げ振動の定在波の共振周波数の変動が小さくなった。
これにより、超音波モータは、駆動周波数帯域のシフト量の個体差を低減させることができるようになった。また、溝部の底部の形状を所定の形状としたので、砥石の連続加工数を増加できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の超音波モータ１０を説明する図である。
【図２】本実施形態の超音波モータ１０の振動子１１及び移動子１７を示す外観斜視図である。
【図３】本実施形態による超音波モータの駆動制御装置２０を説明するブロック図である。
【図４】本実施形態による超音波モータの弾性体の底部の形状を説明する図である。
【図５】本実施形態による超音波モータの製造方法を示す図である。
【図６】超音波モータの溝部を砥石により溝加工を連続的に行った場合の底部形状を示す値Ｒｚ、Ｒｘ、ｔｒ値の変化を示した線図である。
【図７】曲形状部のＲｚ値（Ｒｘ値＝０．１ｍｍ一定）と共振周波数の関係を試作品（比較例１）を用いて調査した結果を示した線図である。
【図８】曲形状部のＲｘ値（Ｒｚ値＝０．１ｍｍ一定）と共振周波数の関係を試作品（比較例２）を用いて調査した結果を示した線図である。
【図９】中央部の凸形状の隆起部のｔｒ値と共振周波数の関係を試作品（比較例３）を用いて調査した結果を示した線図である。
【図１０】底部の周方向断面を見た場合であって、底部の隅部のＲ形状と曲げ振動の共振周波数の関係を示した線図である。
【符号の説明】
１０超音波モータ
１１振動子
１２弾性体
１２ａ溝部
１２ｂ突起部
１２ｃ駆動面
１２ｄ曲形状部
１２ｅ隆起部
１３圧電体
１４緩衝部材
１５加圧板
１６加圧部材
１７移動子
１８振動吸収部材
１９Ａ支持部材
１９Ｂ回転部材
２０駆動制御装置
２１発振部
２２制御部
２３移相部
２４，２５増幅部
２６検出部

Claims

駆動信号により励振される圧電体及びその圧電体に接合され、前記励振により前記圧電体が接合される面と反対側の駆動面に進行性振動波を生じる弾性体とを有する振動子と；
前記駆動面に加圧接触され、前記進行性振動波によって駆動される移動子と；
を含む振動波モータにおいて、
前記弾性体は、前記駆動面に溝部を備え、
前記溝部は、底部の隅部に形成された曲形状部と、前記底部の中央部に隆起形成された隆起部とを有すること、
を特徴とする振動波モータ。
請求項１に記載の振動波モータにおいて、
前記弾性体は、円環状であり、
前記溝部は、前記円環に対して放射方向に延在し、
前記曲形状部及び前記隆起部は、前記放射方向に延在し、
前記曲形状部は、前記底部と前記駆動面からその底部へ延在する壁部とを結ぶ滑らかな凹面部であること、
を特徴とする振動波モータ。
請求項１又は請求項２に記載の振動波モータにおいて、
前記曲形状部の周方向の長さＲｘとし、前記曲形状部の前記溝部の深さ方向の高さをＲｚとした場合に、ＲｘをＲｚよりも大きくしたこと、
を特徴とする振動波モータ。
請求項３に記載の振動波モータにおいて、
前記Ｒｚと前記Ｒｘとの関係が、Ｒｚ：Ｒｘ＝１：２〜２：３の比率であること、
を特徴とする振動波モータ。
請求項１又は請求項２に記載の振動波モータにおいて、
前記曲形状部の周方向の長さをＲｘとし、前記隆起部の前記底部からの高さをｔｒとした場合に、Ｒｘ：ｔｒ＝１００：４〜１０：４の比率であること、
を特徴とする振動波モータ。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
前記底部は、前記曲形状部と前記隆起部との変曲部を含むこと、
を特徴とする振動波モータ。
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の振動波モータを製造する振動波モータの製造方法において、
円盤形状でありその円盤形状の外周面の端部が滑らかな面であり、前記外周面の中央部に周状凹部を備えた砥石によって、前記弾性体の溝部を加工する加工工程を備えること、
を特徴とする振動波モータの製造方法。