JP4731737B2 - 振動波モータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動波モータに関し、特に、振動体に接合された電気−機械エネルギー変換素子に複数の交番信号を印加することにより、該振動体の駆動面に振動波を励振し、振動体に接触する回転体を回転させる振動波モータに関する。
【０００２】
とくに、電気−機械エネルギー変換素子の素子構造に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
電気−機械エネルギー変換素子を用いた振動波モータが、特公平１−１７３５４号公報等で知られている。その構造は、例えば円環型の弾性体に電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子を接着した振動体と、弾性体に加圧接触する回転体と、モータ中心に配置され回転体に連結された回転軸（出力軸）と、振動体を保持する部材（ケースとハウジングで構成される）とから成る。そして、圧電素子に駆動用の周波信号を印加することにより、例えば曲げ振動の合成による進行波としての駆動波が弾性体に形成され、弾性体が振動する。これによって、弾性体の駆動面に加圧接触している回転体が摩擦駆動されて回転し、その回転力が回転軸に伝達されるようになっている。
【０００４】
圧電素子は、特開平１１−１８７６７７号公報等によって示されるように、回転体の回転面に垂直な方向に分極した素子の集合体であり、各素子が素子毎に分極方向を反転しながら、上記回転面に平行な面上に配列されている。圧電素子の両面には電極が設けられ、一方の面の電極は接地用であり、他方の面の電極は電気エネルギーの入力用である。これらの電極に交番電圧を印加すると、各素子が定在性の振動を行うが、各素子を２つのグループに分け、それぞれに、位相をずらした２つ交番電圧を印加すると、位相のずれた２つの定在性振動が合成されて、圧電素子に進行性の振動が発生する。
【０００５】
図１１は、従来の圧電素子における各素子の分極状態を示す図である。
【０００６】
図の左側の２対の素子グループと、右側の２対の素子グループとには、位相の異なる交番電圧がそれぞれ印加される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示すような圧電素子を備えた従来の振動波モータでは以下のような問題があった。
【０００８】
すなわち、図１１の左側の２対の素子グループと、右側の２対の素子グループとの位置関係によっては、進行性振動波が周方向において不均等になる可能性があり、この場合、弾性体の駆動面において局所ごとに、回転体を送る量や送る力にむらが発生する。
【０００９】
図１２は、従来の不均等な進行性振動波を示す図である。横軸は圧電素子の周方向の距離を表す。
【００１０】
図１２（Ａ）は、一点鎖線の左側に、図１１の左側の２対の素子グループにおける定在性振動を示し、一点鎖線の右側に、図１１の右側の２対の素子グループにおける定在性振動を示す。このような定在性振動を合成して得られる進行性振動波を図１２（Ｃ）に示す。図１２（Ｃ）に示すように、進行性振動波が圧電素子の周方向において不均等になり、この結果、図１２（Ｂ）に示すように、弾性体の駆動面において局所ごとに、回転体を送る量や送る力にむらが発生する。そのため、駆動面と回転体との間に『すべり』が発生し、進行性振動波エネルギーを効率よく、振動体から回転体に伝えることができない。こうしたことが原因となって、
・振動波モータから異音が発生する、
・振動波モータの回転数が上がらない、
・振動波モータの効率が下がる、
・振動体に貼付されている摺動材の摩耗が加速され、振動波モータの寿命を著しく低下させる
等の問題があった。
【００１１】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、異音の発生がなく、高回転数が得られ、エネルギー効率がよく、寿命が長い振動波モータを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の振動波モータは、弾性体及び該弾性体に接合された電気−機械エネルギー変換素子から成る振動体と、該振動体の駆動面に接触される回転体とを備え、前記電気−機械エネルギー変換素子に複数の交番信号を印加することにより前記振動体の駆動面に進行波を励振し、前記回転体を回転させる振動波モータにおいて、前記電気−機械エネルギー変換素子は、円盤形状をなすとともに、前記円盤を半分に分割した場合の一方側の外周上及び他方側の内周上に位置する第１の素子群と、前記一方側の内周上及び前記他方側の外周上に位置する第２の素子群で構成され、前記第１の素子群に形成された電極膜に交番電圧が印加されることで生じる第１の定在性振動と、前記第２の素子群に形成された電極膜に交番電圧が印加されることで生じる第２の定在性振動を合成することで、前記進行波を励振することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る振動波モータの第１の実施の形態の構成を示す断面図である。
【００２０】
図中、４は振動体であり、弾性体１と、圧電素子２と、摺動材３とから構成される。弾性体１の一方の面に、電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子２が接着され、他方の面に、摺動材３が接着される。圧電素子２はその両面に電極を備え、一方の面の電極は接地（グランド）用として、他方の面の電極は電気エネルギーの入力用として用いられる。
【００２１】
この振動体４の摺動材３に対して回転体６が接触し、加圧機構１８によって加圧される。加圧機構１８は加圧バネ８とバネ受け９とから成り、バネ受け９は回転軸１２に固定され、回転体６及び加圧バネ８は、バネ受け９を介して回転軸１２と一体に回転する。
【００２２】
ハウジング５及びケース１０が振動波モータを覆い、ハウジング５に軸受け１１ａが装着されるとともに、ケース１０に軸受け１１ｂが装着される。軸受け１１ａ，１１ｂによって回転軸１２が回転自在に支持される。
【００２３】
図２は、弾性体１及び圧電素子２を示す斜視図である。
【００２４】
圧電素子２は、回転体６の回転面に垂直な方向に分極した多数の素子から成る集合体として構成されるが、詳しくは図３を参照して説明する。
【００２５】
図３は、第１の実施の形態における圧電素子２の構成を示す平面図である。
【００２６】
圧電素子２は、陽分極（＋）と陰分極（−）とに分極した各素子が、素子毎に分極方向を反転しながら、回転体６の回転面に平行な面上に配列されている。さらに各素子は、半径の異なる２つの同心円の周上に配列される。そして第１の素子群が、左側外周の素子２０１〜２０６と右側内周の素子２０７〜２１２とで構成され、また第２の素子群が、右側外周の素子３０１〜３０６と左側内周の素子３０７〜３１２とで構成される。第１の素子群には、図４に示す電極膜２２ａから位相φ＝０°の交番電圧が印加され、第２の素子群には、図４に示す電極膜２２ｂから位相φ＝９０°の上記交番電圧と同一波長、同一振幅の交番電圧が印加される。これらの交番電圧の印加により、第１及び第２の素子群ではそれぞれ、５サイクル分の定在性振動が発生する。
【００２７】
図４は、圧電素子２に設けられる交番電圧印加用の２つの電極膜２２ａ，２２ｂを示す図である。これらの電極膜２２ａ，２２ｂは、スクリーン印刷、蒸着などの製造方法によって圧電素子２に設けられる。
【００２８】
図５は、圧電素子２における各素子の大きさ及び位置関係を示す図である。
【００２９】
各素子は周方向において、上記定在性振動の波長の１／２の大きさを持つとともに、外周と内周とにおいて、１／４波長だけ周方向にずれて配置される。なお、図５の表示面における各素子の面積が、外周上の素子と内周上の素子とで略同一となるように、素子の放射（半径）方向の幅が設定される。すなわち、内周上の素子の放射（半径）方向の幅を、外周上の素子の放射（半径）方向の幅よりも太くする。これにより、内外周における曲げ力の違いを分散できる。
【００３０】
この各素子の面積の同一について、図３を参照して更に説明するならば、素子２０２〜２０５，２０８〜２１１，３０２〜３０５，３０８〜３１１の図３の表示面における各面積を互いに同一にするとともに、素子２０１と素子２１２との合計面積、素子２０６と素子２０７との合計面積、素子３０１と素子３１２との合計面積、素子３０６と素子３０７との合計面積を、上記各面積を同一にする。
【００３１】
図６は、圧電素子２の第１及び第２の素子群に発生する各定在性振動と、それらの合成振動とを示す波形図である。横軸は圧電素子２の周方向の距離を表す。
【００３２】
図６（Ｃ）は第１の素子群に発生する定在性振動を示し、図６（Ｄ）は第２の素子群に発生する定在性振動を示す。前述のように、圧電素子２の第１及び第２の素子群には、位相差９０°の同一波長、同一振幅の交番電圧がそれぞれ印加され、また圧電素子２が、図３に示すように配列された素子群から構成されるので、これらの定在性振動を合成すると、図６（Ｂ）のような進行性振動波が得られる。この進行性振動波は圧電素子２の周方向において均等になり、この結果、図６（Ａ）に示すように、回転体６を送る量や送る力が、弾性体１の駆動面上のいずれの位置でも同じとなる。そのため、駆動面と回転体６との間に、従来のように『すべり』が発生することなく、進行性振動波エネルギーを効率よく、弾性体１から回転体６に伝えることができる。したがって、異音の発生がなく、高回転数が得られ、エネルギー効率がよく、寿命が長い振動波モータを提供することが可能となる。
【００３３】
なお、上記第１の実施の形態においては、圧電素子２に第１及び第２の素子群を設定したが、３つ以上の素子群を設定し、それらに互いに異なる位相の交番電圧を印加するようにしてもよい。その場合、図３に示す圧電素子２において、各素子群が同じ素子数から成り、かつ同じ分割角度分の素子配列から成るようにする。
【００３４】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を説明する。
【００３５】
第２の実施の形態の構成は、基本的に第１の実施の形態の構成と同じであるので、第２の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態の構成を流用する。
【００３６】
第２の実施の形態では、圧電素子を構成する各素子の配置が、第１の実施の形態と異なる。
【００３７】
図７は、第２の実施の形態における圧電素子の構成を示す平面図である。
【００３８】
第２の実施の形態でも、圧電素子は、陽分極（＋）と陰分極（−）とに分極した各素子が、素子毎に分極方向を反転しながら、回転体６の回転面に平行な面上に配列されている。さらに各素子は、半径の異なる２つの同心円の周上に配列される。ただし第２の実施の形態では、第１の素子群が、図７に示す外周の各素子で構成され、第２の素子群が内周の各素子で構成される。
【００３９】
また、各素子は周方向において、上記定在性振動の波長の１／２の大きさを持つとともに、外周と内周とにおいて、１／４波長だけずれて配置される。さらに、図５の表示面における各素子の面積が、外周上の素子と内周上の素子とで同一となるように、素子の放射（半径）方向の幅が設定される。
【００４０】
そして、第１及び第２の素子群に、位相が９０°異なる同一波長、同一振幅の交番電圧がそれぞれ印加される。
【００４１】
かくして、第２の実施の形態においても、定在性振動の合成の結果得られる進行性振動波は、圧電素子の周方向において均等になり、図６（Ａ）に示すように、回転体６を送る量や送る力が、弾性体１の駆動面上のいずれの位置でも同じとなる。そのため、駆動面と回転体６との間に、従来のように『すべり』が発生することなく、進行性振動波エネルギーを効率よく、弾性体１から回転体６に伝えることができる。したがって、異音の発生がなく、高回転数が得られ、エネルギー効率がよく、寿命が長い振動波モータを提供することが可能となる。
【００４２】
（第３の実施の形態）
次に第３の実施の形態を説明する。
【００４３】
第３の実施の形態の構成は、基本的に第１の実施の形態の構成と同じであるので、第３の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態の構成を流用する。
【００４４】
第３の実施の形態では、圧電素子を構成する素子の数が全部で１６であり、圧電素子の全素子数が２４である第１の実施の形態と、その点で異なっているが、その他の構成においては、第１の実施の形態における圧電素子と同じである。
【００４５】
図８は、第３の実施の形態における圧電素子の構成を示す平面図である。
【００４６】
圧電素子の各素子は、半径の異なる２つの同心円の周上に配列される。第１の素子群が、左側外周の素子４００〜４０３と右側内周の素子４０４〜４０７とで構成され、また第２の素子群が、右側外周の素子５００〜５０３と左側内周の素子５０４〜５０７とで構成される。第１及び第２の素子群には、位相が９０°異なる同一波長、同一振幅の交番電圧がそれぞれ印加される。この交番電圧の印加により、第３の実施の形態では、第１及び第２の素子群でそれぞれ、３サイクル分の定在性振動が発生する。
【００４７】
また、圧電素子の各素子は周方向において、定在性振動の波長の１／２の大きさを持つとともに、外周と内周とにおいて、１／４波長だけずれて配置される。さらに、図８の表示面における各素子の面積が同一となるように、放射（半径）方向の素子の幅が設定される。具体的には、素子４０１〜４０２，４０５〜４０６，５０１〜５０２，５０５〜５０６の図８の表示面における各面積を互いに同一にするとともに、素子４００と素子４０７との合計面積、素子４０３と素子４０４との合計面積、素子５００と素子５０７との合計面積、素子５０３と素子５０４との合計面積を、上記各面積を同一にする。
【００４８】
かくして、第３の実施の形態においても、定在性振動の合成の結果得られる進行性振動波は、圧電素子の周方向において均等になり、図６（Ａ）に示すように、回転体６を送る量や送る力が、弾性体１の駆動面のいずれの位置でも同じとなる。そのため、駆動面と回転体６との間に、従来のように『すべり』が発生することなく、進行性振動波エネルギーを効率よく、弾性体１から回転体６に伝えることができる。したがって、異音の発生がなく、高回転数が得られ、エネルギー効率がよく、寿命が長い振動波モータを提供することが可能となる。
【００４９】
第１及び第３の実施の形態によって、第１及び第２の素子群にそれぞれ発生する定在性振動のサイクル数は、本発明の実施に何ら制限を加えないことが分かる。
【００５０】
（第４の実施の形態）
次に第４の実施の形態を説明する。
【００５１】
第４の実施の形態の構成は、基本的に第１の実施の形態の構成と同じであるので、第４の実施の形態の説明においては、第１の実施の形態の構成を流用する。
【００５２】
第４の実施の形態では、圧電素子を構成する素子の数が全部で１６であり、圧電素子の全素子数が２２である第１の実施の形態と、その点で異なっているが、その他の構成においては、第１の実施の形態における圧電素子と同じである。
【００５３】
図９は、第４の実施の形態における圧電素子の構成を示す平面図である。
【００５４】
圧電素子の各素子は、半径の異なる２つの同心円の周上に配列される。第１の素子群が、上側外周の素子６００〜６０４と下側内周の素子６１０〜６１５とで構成され、また第２の素子群が、下側外周の素子７００〜７０５と上側内周の素子７１０〜７１４とで構成される。第１及び第２の素子群には、位相が９０°異なる同一波長、同一振幅の交番電圧がそれぞれ印加される。この交番電圧の印加により、第４の実施の形態では、第１及び第２の素子群でそれぞれ、３サイクル分の定在性振動が発生する。
【００５５】
また、圧電素子の各素子は周方向において、定在性振動の波長の１／２の大きさを持つともに、外周と内周とにおいて、１／４波長だけずれて配置される。さらに、図９の表示面における各素子の面積が同一となるように、放射（半径）方向の素子の幅が設定される。また、電極面積が多く取れるように、素子群の内周と外周との入れ替わる分割個所を、定在性振動の波長の１／２の節となるところに配置する。これにより、スリット数が減り、電極面積が多く取れる。
【００５６】
具体的には、図９の表示面において、定在性振動の波長の１／２の節となる位置に相当する素子６００と素子７００の間、素子６１０と素子７１０の間、素子６０４と素子７０５の間、素子６１５と素子７１４の間で内周と外周とを入れ替え、且つ、素子６００〜６０４、６１０〜６１５の各面積と素子７００〜７０５、７１０〜７１４の各面積とを互いに同一にする。
【００５７】
かくして、第４の実施の形態においても、定在性振動の合成の結果得られる進行性振動波は、圧電素子の周方向において均等になり、図６（Ａ）に示すように、回転体６を送る量や送る力が、弾性体１の駆動面のいずれの位置でも同じとなる。そのため、駆動面と回転体６との間に、従来のように「すべり」が発生することなく、進行性振動波エネルギーを効率よく、弾性体１から回転体６に伝えることができる。したがって、異音の発生がなく、高回転数が得られ、エネルギー効率がよく、寿命が長い振動波モータを提供することが可能となる。
【００５８】
第４の実施の形態で定在性振動のサイクル数が３の場合を図１０に示した。
【００５９】
なお、第１及び第２の素子群にそれぞれ発生する定在性振動のサイクル数は、上記の各実施の形態におけるサイクル数に限定されるものではない。
【００６３】
本発明によれば、従来の製造技術のままで、円盤の内外周における製造時の素子の分極量のばらつきに起因する曲げ力の偏りや、素子形状のばらつきに起因する曲げ力の偏りを分散でき、より均等な進行性振動を発生できる。
【００６５】
本発明によれば、前記円盤の端面上における各素子の面積を互いに略同一にするので、円盤の内外周における素子形状のばらつきに起因する曲げ力の偏りを分散でき、より均等な進行性振動を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動波モータの第１の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図２】弾性体及び圧電素子を示す斜視図である。
【図３】第１の実施の形態における圧電素子の構成を示す平面図である。
【図４】圧電素子に設けられる交番電圧印加用の２つの電極膜を示す図である。
【図５】圧電素子における各素子の大きさ及び位置関係を示す図である。
【図６】圧電素子の第１及び第２の素子群に発生する各定在性振動と、それらの合成振動とを示す波形図である。
【図７】第２の実施の形態における圧電素子の構成を示す平面図である。
【図８】第３の実施の形態における圧電素子の構成を示す平面図である。
【図９】第４の実施の形態における圧電素子の構成を示す平面図である。
【図１０】図９に示す第４の実施の形態において定在性振動のサイクル数が３の場合の圧電素子の構成を示す平面図である。
【図１１】従来の圧電素子における各素子の分極状態を示す図である。
【図１２】従来の不均等な進行性振動波を示す図である。
【符号の説明】
１ 弾性体
２ 圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）
３ 摺動材
４ 振動体
５ ハウジング
６ 回転体
８ 加圧ばね
９ ばね受け
１０ ケース
１１ａ 軸受け
１１ｂ 軸受け
１２ 回転軸
１８ 加圧機構
２２ａ 電極膜
２２ｂ 電極膜
２０１〜２１２ 素子
３０１〜３１２ 素子

Claims (4)

1. 弾性体及び該弾性体に接合された電気−機械エネルギー変換素子から成る振動体と、該振動体の駆動面に接触される回転体とを備え、前記電気−機械エネルギー変換素子に複数の交番信号を印加することにより前記振動体の駆動面に進行波を励振し、前記回転体を回転させる振動波モータにおいて、
   前記電気−機械エネルギー変換素子は、円盤形状をなすとともに、前記円盤を半分に分割した場合の一方側の外周上及び他方側の内周上に位置する第１の素子群と、前記一方側の内周上及び前記他方側の外周上に位置する第２の素子群で構成され、
   前記第１の素子群に形成された電極膜に交番電圧が印加されることで生じる第１の定在性振動と、前記第２の素子群に形成された電極膜に交番電圧が印加されることで生じる第２の定在性振動を合成することで、前記進行波を励振することを特徴とする振動波モータ。
2. 前記第１の素子群と前記第２の素子群に、位相の異なる交番信号を印加する印加手段を有することを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
3. 前記円盤における前記第１の素子群及び前記第２の素子群を構成する各素子の周方向の大きさは、前記振動体が発生する前記第１の定在性振動及び前記第２の定在性振動の波長の１／２であり、かつ、外周上の素子と内周上の素子とが前記第１の定在性振動及び前記第２の定在性振動の波長の１／４だけ周方向にずれていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動波モータ。
4. 前記円盤における前記第１の素子群及び前記第２の素子群を構成する各素子の面積が同一であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波モータ。

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