JP4574731B2 - 振動波駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は出力軸を有する振動波駆動装置に関するものである。

従来より、出力軸を有する振動モータ（振動波駆動装置）はいくつか知られている。例えば図４に示すように、特許文献１に開示されているモータがある。このモータは、中空筒状の弾性体としての金属ブロック１５０と金属ブロック１５２の間に圧電素子１４２と１４４とを配置し、これら金属ブロック１５０，１５２の内周側に配置した筒状の結合ボルト１５４により両金属ブロック１５０，１５２を結合したものを振動体１４０としている。一方、モータハウジング（外側ケース）は、モータ中心部の筒部がモータ支持部をなしており、該モータ支持部には軸受１７２が配置されて出力軸１３４を軸支し、さらに結合ボルト１５４の内径部に設けられたリング状ツバ部１７５が固定され、振動体１４０を支持している。また、振動体１４０の片側には、接触体としてのロータ部１３０が配置されており、このロータ部１３０は、出力軸１３４に回転方向において固定のロータ本体（円板）１３２と支持プレート１３６との間にバネ１３３を配置した構成で、バネ１３３のバネ力によりロータ本体１３２を金属ブロック１５２の端面に加圧接触させるようにしている。

特開平５−３８１７０号公報

しかしながら、上記従来例では、軸受が１つであるため、出力軸に側面からの力が加わると、前記軸受を支点にして出力軸が傾き、前記ロータ部が振動体に対してずれる。その結果、ロータ本体１３２が金属ブロック１５２と接するロータ接触面１６０での摩擦接触状態が不均一になり、モータの効率低下、鳴き発生及び接触面の摩耗（モータの寿命低下）といった問題を生じた。

本出願に係る発明の目的は、出力軸に種々の方向から外力が作用しても、安定に駆動することができる振動波駆動装置を提供しようとするものである。

本出願に係る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振動体支持部材を弾性部材に固定し２つの曲げ振動を合成して円または楕円運動を形成する振動体と、前記振動体に加圧接触し前記円または楕円運動により回転する回転体と、前記振動体および前記回転体に設けられた貫通孔を貫通する出力軸と、を有し、該出力軸が前記回転体と一体になって回転する振動波駆動装置において、前記振動体及び回転体を内蔵し、前記振動体支持部材を介して前記振動体を支持するケースと、前記ケースに設けられ、前記出力軸を軸支する複数の軸受と、前記軸受を両側からはさみ、前記出力軸の前記ケースに対する位置を決める手段と、前記振動体の貫通孔に設けられ、前記出力軸を軸支する軸受と、を有し、前記振動子の貫通孔に設けられた前記軸受は、前記２つの曲げ振動の節となる位置に配置されていることを特徴とする。

以上の構成により、出力軸にギヤなどを取り付けて外部に出力を取り出す場合の様に、出力軸に側面からの力が作用する場合にも、前記回転体がずれたり、傾いたりすることがないため、振動体の振動が安定して回転体に伝達され、優れた性能のモータになる。

なお、軸受と出力軸はすべて遊嵌（隙ばめ、出力軸が軸受に対して回転可能）しているため、振動体は出力軸に対して傾かない。

さらに、前記軸受と前記出力軸が遊嵌する部分において、互いに接触する表面の部材のうち少なくとも一方を樹脂で形成すれば、金属同士である場合のように、振動体の振動が出力軸に伝達されて騒音の原因になりやすいが、このようなことはない。

また、潤滑油を前記遊嵌する部分に与えることは一般には避けなければならない。なぜなら、その潤滑油が摩擦接触面に移動した場合、著しくモータのトルクが減少してしまうからである。軸受部の摩擦損失や摩耗を低減させたい時は、含油金属や含油樹脂を使用することが望しい。

以上説明した様に本発明によれば、振動体の貫通孔及びケースに対して出力軸の位置関係が決まるため、たとえ出力軸に種々の方向から力が加わったとしても摩擦摺動面の接触状態が安定するので、高効率、長寿命の振動波駆動装置になった。

また、回転体の貫通孔にも軸受を設けることで、回転体が回転する時、振動体軸心に対する偏心も減少するので、より優れたモータになった。さらにすべり軸受の軸受面、あるいは該軸受面に軸支される出力軸の表面を樹脂にすることで、騒音の発生も抑えられた。

第１の実施の形態を示す断面図。 第２の実施の形態を示す断面図。 第３の実施の形態を示す断面図。 従来の振動モータの断面図。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態を示す。

本実施の形態の振動波駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子としての円環形状の圧電素子４及び金属等の薄板で形成された振動体支持部材３を２つの弾性体としての棒状の中空金属部材５，６で挟み、この金属部材５，６を締結部材である金属製の中空ボルト１とナット７により挟持固定して振動体を構成している。

本実施の形態の振動体は、２つの曲げ振動を合成して、駆動面に円または楕円運動を形成するものであり、その駆動原理については特開平３−０１１９８１号公報等に記載され周知であるため説明は省略する。

本実施の形態の振動波駆動装置において、前記振動体の片側には回転体８が配置され、回転体８の外周部に筒状の摺動部材８ａが固定されていて、この回転体側の摩擦摺動部材８ａの先端部が振動体を構成する金属部材５の端面の外周端部に設けられた振動体側の摩擦摺動部材５ａに接触するようになっている。回転体８は、かしめ部材１２によって出力軸２との同軸度及び傾きを規制された皿バネの加圧バネ９の外径部と嵌合し、加圧バネ９のバネ力により回転体８の摺動部材８ａと振動体側の摩擦摺動部材５ａとが加圧接触するようになっている。

本実施の形態の振動体は、圧電素子４と同時に振動体支持部材３を挟持固定して構成している。振動体支持部材は円板形状で、その外周部は外側の２分割構成のケースのケース部１５及び１６の突き合わせ面に接合される。この接合は電気抵抗溶接、レーザ溶接、接着剤による接着あるいはろう付けなどで実施する。

振動体支持部材３の役割は振動体を支持することであるが、該振動体支持部材が厚すぎて剛性が大きすぎると、振動体で発生する振動が前記ケースに伝達してしまい、効率の高い振動エネルギーを発生しなくなる。そのため、前記振動体支持部材３は適当な柔軟性を有している。それが原因で、振動体は外側ケースに対してその空間的位置がしっかりとは決まらず、傾いたり、偏心したりする。

その結果、回転体８の摩擦摺動部材８ａに振動体の振動が効率よく伝達されず、次の様な問題を生じてしまう。
１．モータ騒音の発生
２．摩擦摺動部材が偏摩耗し、モータ寿命の低下３．モータ効率の低下
これらの弊害を防止するため、本実施の形態では、中空ボルト１の貫通孔１ａが出力軸２を軸支する軸受の役割を果すようにしている。

本実施の形態において、一方の外側ケース部１５には焼結金属含油軸受１１がかしめられており、反対側には他方の外側ケース１６にボールベアリング軸受１０が圧入されている。それら２つの軸受１０，１１により出力軸２が軸支されている。

さらに、２つの止めリング１７がボールベアリング軸受１０を両側からはさむように配置しているため、出力軸２は前記外側ケースに対してその空間的位置が決定する。つまり、前記外側ケースに対してまず出力軸２の位置が決まり、出力軸２に対しては貫通孔１ａが軸受として作用するため、前記振動体の位置が決まることになる。

一方、回転体８は、かしめ部材１２によって出力軸２との同軸度及び傾きを規制された加圧バネ９の外径部と嵌合している。よって、出力軸２に対して回転体８は略その空間的位置を決められる。

以上より、前記振動体と回転体８は出力軸２を基準にして、互いの位置が決定するので、回転体側摩擦摺動部材８ａと振動体側摩擦摺動部材５ａは互いに安定した接触が可能になった。

なお、本実施の形態では、回転体８と加圧バネ９との間に防振ゴム２３を介在させており、これにより回転体８の振動が出力軸２に伝搬するのを防ぐことができ、回転体８と加圧バネ９を接合する役割も果している。

ボールベアリング軸受１０の近傍には、回転位置を検出するためのエンコーダ部品である回転板１３が出力軸２に固定されている。回転板１３には放射方向に多数の孔があけられており、ケース１６の内側に固定されているフォトインターラプター１４からの光の遮断と通過によって、該回転をカウントすることで位置を検出する。なお、フォトインターラプター１４はファイバー型の細い光線が得られるものなら分解能が向上し、位置決め精度も高められるのでさらに望しい。本実施の形態では光検出型のセンサーを用いたが、電気抵抗値の変化で回転位置を検出するポテンショメータなどをケースに内蔵しても良い。

（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態を示す。

本実施の形態の振動体は、第１の実施の形態とは異なり締結部材である中空ボルトは使用していない。２つの弾性部材としての金属部材５，６と、振動体支持部材３及び圧電素子４は接着剤により接着されて結合されている。

本実施の形態において、摩擦摺動部は振動体の両端にあり、回転体８も２つ設けてある。これにより、通常は回転体が１ヶのモータに比べて、発生トルクは２倍になる。また、回転体８の軸心には大径の孔部が外端側から形成され、内端部側を小径とし、加圧用のコイルバネ９がこの大径の孔部内に抜け落ちることがないように配置されている。

また、各回転体８の外端部側の前記大径の孔部には回転止め１２が取り付けられており、回転止め１２の外周にはスプラインが切ってあり、回転体８に嵌合している。回転止め１２は、出力軸２に圧入されて加圧バネ９を圧縮させながら回転体８の内側スプライン部に挿入される。回転体８は回転止め１２に対して、回転は拘束されるが、軸方向へは自由にスライド出来る。よって、回転体８の回転力だけを出力軸２に伝達出来る。

弾性部材５，６の内径端部には、フランジ付きのすべり軸受タイプのすべり軸受１８が設けられている。本実施の形態において、すべり軸受１８の軸受部はポリアセタール製のものを用いているが、モータの使用温度によってはナイロン、テフロン（登録商標）、ＰＰＳなどの様に耐熱温度が高いものの方がよい場合もある。

本実施の形態において、すべり軸受１８は弾性部材としての金属部材５及び６の外側に固定され、出力軸２はすべり軸受１８に対して回転するが、出力軸２とすべり軸受１８を固定して、該すべり軸受１８と前記金属部材５及び６との間で回転自在にしてもよい。この場合、出力軸２に樹脂製の熱収縮チューブなどをかぶせてもよいし、又出力軸２にテフロン（登録商標）などの樹脂をコーティングしてもよい。さらに、樹脂の内部には油が含有されている方が、出力軸２がよりスムーズに回転出来るので望しい。

この油は外部に流れ出すものではないので、振動体又は回転体の摩擦摺動部への油の回り込みの心配もない。又、すべり軸受１８の位置は振動体の振動の節となる位置に配置することが振動もれが少なくてよい。すべり軸受１８は含油焼結金属製でもよいが、振動体の振動により騒音が発生しやすいので樹脂の方が望しい。

振動体と回転体とは、回転止め１２を出力軸２に圧入して、予めケース外で組立てておき、プレス絞りで成形した外側ケース３０の中に挿入する。

振動体支持板３は、放射状に３本の足が外側に向かって延びており、図２に示す様に先端部が折り曲げられているので、外側ケース３０内への挿入はスムーズに出来る。回転止め１２がすべり軸受タイプのすべり軸受１１につき当たると、振動体を出力軸を中心に外側ケースに対して回転させ、外側ケース３０に設けられた３ヶの孔３０ａに振動体支持部材３の３本の足をそれらの弾性復元力を利用してはめ込む。

前記振動体支持部材の足は３本に限られず、１本でも良い。前記支持部材の役割は、振動体の振動をケースに伝達させずに、振動体に加わるねじれ力に抵抗することである。振動体の中央付近の変位は微小で、出力軸に対して略直角なので、前記支持部材はこの方向に柔らかく、振動体のねじれ方向に剛く設計している。

そして、蓋体３１を外側ケース３０にはめ込むが、この時樹脂製スペーサ１９を出力軸２に入れる。このスペーサ１９により、出力軸２に軸方向の力が加わった時でも、振動体支持部材３等に無理な力がかからない。

最後に、振動体支持部材３を外側ケース３０の孔３０ａにハンダ付けし、外側ケース３０と蓋体３１を接着剤により接合した。これらの場合、接合は溶接などでも勿論かまわない。なお、本実施の形態では、加圧バネ９で回転体８を振動体側摩擦摺動部材５ａに圧接させているが、その反力は出力軸２に圧入された２つの回転止め１２でそれぞれ受けているので、軸受１１に軸方向に生じる力による摩擦損失がない。

上記した第１の実施の形態にあっては、加圧バネ９を加圧することで生じる反力は外側ケースの外部にある止めリング１７を介して、ボールベアリングタイプのボールベアリング軸受１０で受けている。そのため、このボールベアリング軸受１０は摩擦損失を低減させるため高価なボールベアリングを使用していたが、本第２の実施の形態ではボールベアリングを使用する必要はない。

また、回転体側摩擦摺動部材８ａは摺動部にあたる所が折り曲げられている。これは摩擦摺動面積を広くして、摩擦摺動面の面圧を低減して、摩擦材の摩耗を減らし、モータの寿命を長くする手段である。

（第３の実施の形態）
図３は第３の実施の形態を示す。

本第３の実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、振動体の両端部に回転体８を設けた形式で、それぞれの回転体８の内端側の小径部側の孔部に第２の実施の形態のすべり軸受１８と同様のすべり軸受で構成されたすべり軸受２２を設けている。このすべり軸受２２は、樹脂製で各回転体８の前述した内径に圧入されている。このすべり軸受２２により、各回転体８も出力軸２に対して偏心せずに回転することが可能になった。そのためモータの回転ムラが少なくなった。

また、本実施の形態においては、中空ボルト１の内径部の両端に、すべり軸受タイプのすべり軸受３２をそれぞれ圧入している。

振動体支持部材３は外側ケース部１５と２１の間にはさみ込まれて固定されている。

２つの弾性部材５，６の間には、圧電素子４、振動体支持部材３の他、フレキシブルプリント基板２０が挟持固定され、外側ケース部１５，２１の内面に沿って外部へ延出している。このフレキシブルプリント基板２０は、圧電素子４への電流供給、圧電素子で発生した電圧で生じた電流、さらにはポテンショメータの様な回転位置検出素子への電流供給のための配線として使用される。

１ 中空ボルト
２ 出力軸
３ 振動体支持部材
４ 圧電素子
５，６ 弾性部材
５ａ，６ａ 振動体側摩擦摺動部材
７ ナット
８ 回転体
８ａ 回転体側摩擦摺動部材
９ 加圧バネ
１０ ボールベアリング軸受
１１ すべり軸受
１２ 回転止め
１３ 回転板
１４ フォトインターラプター
１５ 外側ケース
１６ 外側ケース
１７ 止めリング
１８ すべり軸受
１９ スペーサ
２０ フレキシブルプリント基板
２１ 外側ケース
２２ すべり軸受
２３ 防振ゴム

Claims (5)

1. 電気−機械エネルギー変換素子と振動体支持部材を弾性部材に固定し２つの曲げ振動を合成して円または楕円運動を形成する振動体と、前記振動体に加圧接触し前記円または楕円運動により回転する回転体と、前記振動体および前記回転体に設けられた貫通孔を貫通する出力軸と、を有し、該出力軸が前記回転体と一体になって回転する振動波駆動装置において、
   前記振動体及び回転体を内蔵し、前記振動体支持部材を介して前記振動体を支持するケースと、
   前記ケースに設けられ、前記出力軸を軸支する複数の軸受と、
   前記軸受を両側からはさみ、前記出力軸の前記ケースに対する位置を決める手段と、
   前記振動体の貫通孔に設けられ、前記出力軸を軸支する軸受と、を有し、
   前記振動子の貫通孔に設けられた前記軸受は、前記２つの曲げ振動の節となる位置に配置されていることを特徴とする振動波駆動装置。
2. 前記回転体の貫通孔に設けられ、前記出力軸を軸支する軸受を有することを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
3. 前記振動体の貫通孔に設けられた前記軸受は、すべり軸受であ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。
4. 前記振動体の貫通孔に設けられた前記軸受は、樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
5. 前記弾性部材に固定された、前記電気−機械エネルギー変換素子に電流を供給するためのプリント基板が、前記ケースの内面に沿って外部へ延出するように設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。

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