JP4881064B2 - 振動型駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波モータ等と称される振動型駆動装置に関する。

電気−機械エネルギ変換によって振動が励起された振動子に接触部材を接触させて両者を相対移動させる振動型駆動装置には、特許文献１にて開示されたものがある。この振動型駆動装置は、平板状振動体の一側面に駆動力伝達のための突起形状の接触部を形成し、該接触部を接触部材に圧接させることにより、両者を相対移動させる。

この振動型駆動装置では、振動体は、支持軸に取り付けられた加圧用の板ばねによって弾性的に支持されている。支持軸は振動体の幅方向に突出するよう形成されており、これに伴い板ばねは振動体の側方に配置されている。

また、これ以外に、振動体と接触部材をばねで挟み込み、該ばねによって圧接に必要な加圧力の発生と振動体および接触部材の支持とを行った振動型駆動装置も古くから採用されている。

一方、振動型駆動装置の空間効率を向上する方法として、磁力を用いて振動体と接触体とを圧接させるための加圧力を生じさせる手法が従来提案されている。この手法によれば、加圧力を発生させるための付勢部材や該付勢部材から受ける力を支持する構造が不要となるので、装置構成を単純化することができる。

特許文献２には、振動体と接触部材（被駆動部材）とを永久磁石により発生した磁力を用いて圧接させる方法が開示されている。該文献では、接触部材に磁石を一体的に設ける構成が開示されている。

また、特許文献３には、振動体と磁石とが結合部材を介して結合され、振動体が接触する駆動面と磁石とを非接触状態に維持するようにした振動型駆動装置が開示されている。
特許第３１９２０２２号公報（段落００１２〜００１６、図１等） 特公平４−７７５５４号公報（２頁右下欄８〜２０行、図４等） 特開平８−６６０６１号公報（段落０００９〜００１１、図１，２等）

振動型駆動装置、特に直進駆動に適したリニアタイプの振動型駆動装置では、出力を低下させることなく小型化を図る場合に、加圧構造、振動体の支持および固定のための構造が大型化し易いという問題がある。

従来の振動型駆動装置では、電気−機械エネルギ変換作用を有する振動体の体積に対して、振動体の加圧と保持を行う機構の占める体積がかなり大きい。このように振動体以外の機構の体積が大きくなると、振動型駆動装置の全体の大きさに対して、駆動力を発生する振動体の大きさが小さくなるため、装置の大きさに対する出力効率が大きくならない。

また、磁力によって振動体と接触部材とを圧接させる場合には、以下の問題がある。

まず、振動体に磁石を設けると、磁石を含めた振動体としての設計が必要となるため、設計が複雑化する。しかも、所望の振動特性を得るために振動体が大きくなり易く、振動型駆動装置の大型化を招いてしまう。

また、振動体と磁石との固定に用いる接着剤による振動損失の発生や、磁着部材の振動損失によるエネルギの消散が発生し、出力効率が低下してしまう。また、振動体として、強磁性材料を選択する必要が生じる場合には、強磁性と振動損失に優れる材料選択が困難であるという問題もある。

さらに、接触部材（被駆動部材）に磁気回路を形成する場合には、該接触部材の質量が増加し、駆動特性が悪化する。また、振動体と接触部材とを相対的に直進移動させる場合には、振動体と接触部材との相対位置による磁気吸引力の変動も問題となる。

また、特許文献３に開示された振動型駆動装置では、振動体又は駆動面から独立した構成で磁石を支持しているので、振動体の特性上の問題や、接触部材に磁気回路を設けた場合の磁気吸引力の変動といった問題は生じない。しかしながら、該特許文献３でも、上記の問題を解決するための、磁石等の磁気部材の具体的な配置に関しては開示されていない。なお、特許文献３にて開示されているように、棒状の振動子の両側面に沿って磁石を配置すると、振動型駆動装置としての小型化が難しい。

本発明は、小型でありながらも出力特性が良好で、設計も容易に行うことができる振動型駆動装置を提供することを目的の１つとしている。

本発明の一側面としての振動型駆動装置は、電気−機械エネルギ変換により振動が励起される振動体と、該振動体を保持する保持部材とを有する。振動体は、該振動体の第１面から突出して、該振動体との相対移動が可能な接触部材に接触する接触部を有し、保持部材は、振動体の第１面と接触部材との間に配置され、上記接触部以外で該振動体を保持することを特徴とする。

また、本発明の他の側面としての振動型駆動装置は、電気−機械エネルギ変換により振動が励起される振動体と、磁気部材とを有する。振動体は、該振動体の第１面から突出して、該振動体との相対移動が可能な接触部材に接触する接触部を有し、該接触部および接触部材が磁気部材の磁力によって互いに圧接する。そして、磁気部材は、振動体の第１面と接触部材との間に配置され、振動体は、該振動体の第１面と接触部材との間において上記接触部以外の部分で保持されることを特徴とする。

なお、上記振動型駆動装置を利用して動作する装置も、本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、保持部材を、振動体に接触部が設けられることによって振動体（第１面）と接触部材との間に形成されたスペースに配置することで、空間効率に優れ、小型で出力特性に優れる振動型駆動装置を実現できる。

また、本発明によれば、磁気部材を、振動体に接触部が設けられることによって振動体（第１面）と接触部材との間に形成されたスペースに配置することで、空間効率に優れた小型の振動型駆動装置を実現できる。しかも、振動体や接触部材に磁気部材を設けないことにより、振動特性や駆動特性の低下、設計の困難さといった問題が少なく、出力特性に優れた振動型駆動装置を実現できる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１および図２Ａ〜図２Ｃには、本発明における実施例１である振動型駆動装置の構成を示している。図１では、振動型駆動装置を分解して示しており、図２Ａには、振動型駆動装置をＺ軸方向から見たときの上面図を示している。また、図２Ｂおよび図２Ｃにはそれぞれ、図２Ａ中のＸ−Ｘ線およびＹ−Ｙ線で切断したときのＸＹ断面およびＹＺ断面を示している。

２は振動体であり、金属材等の弾性体である振動板３と、電気−機械エネルギ変換素子である圧電セラミックス等で作られた圧電素子板４とが接合されて構成されている。５は圧電素子板４と不図示の制御回路との電気的接続を行うためのフレキシブルプリント基板５である。

振動体２は全体として矩形平板形状に形成されている。そして、振動板３における圧電素子板４の接合面とは反対側の面（以下、第１面という）３ａにおける少なくとも２箇所には、該第１面からＹ方向（接触部材側）に突出する接触部としての突起部８が設けられている。

振動板３の材料としては、振動特性に優れた材料であるステンレス等を用いることができる。突起部８は、プレス加工等により振動板３とともに一体的に形成してもよいし、振動体３とは別部品として形成し、両者を接合してもよい。後述する被駆動部材２０と直接接触する突起部８は、摩擦係数や耐摩耗性に優れたものである必要があるため、熱処理等によって耐摩耗性を確保するとよい。

突起部８は、圧電素子板４の電気−機械エネルギ変換作用によって振動板３に励起された振動の変位を拡大し、Ｘ方向に延びる棒状の被駆動部材（接触部材）２０と接触することで、被駆動部材２０を効率良くＸ方向に駆動する。被駆動部材２０の少なくとも一部は、例えば電磁軟鉄であるＳＵＹＢ−０等の強磁性材料により形成されている。

振動体２には、例えば曲げ振動と縦振動が励起され、各振動により発生する変位を合成することで、突起部８の先端に楕円又は円運動を発生させる。また、振動体２に、２つの曲げ振動を励起し、各曲げ振動により発生する変位を組み合わせることで突起部８の先端に楕円運動を発生させてもよい（特開２００４−３０４８８７号公報参照）。突起部８は、振動の仕方によっても異なるが、振動の節や腹に対応する位置等、可能な限り大きな振動変位の拡大効果が得られる位置に設けられる。

但し、本発明においては、振動の種類やその周波数、振幅等のパラメータはどのようなものであってもよく、突起部８の位置も振動の節や腹に限定されない。さらに、本実施例では、突起部８を２つ設けている場合について説明するが、このことは、本発明での突起部（接触部）の数を限定するものではない。また、突起部８の先端に、摩擦材を貼り付けてもよい。この場合、突起部８と該摩擦材とが接触部を構成する。被駆動部材２０に摩擦材を貼り付けた場合は、これらが接触部材を構成する。

振動体２は、弾性支持部材６（弾性部材）を介して、製品装置５０の筐体等に固定される保持部材７によって保持される。ここにいう製品装置５０は、例えば被駆動部材２０の移動を利用して動作したり他の部材を駆動したりする機構４０を有する各種装置を意味する。

弾性支持部材６は、振動板３の第１面３ａ上に設けられている。弾性支持部材６は、リン青銅等、高い弾性を持った材料により形成されており、振動体２の振動を損なうことなく、保持部材７による該振動体２の保持を可能とする。

保持部材７の上面（Ｚ方向における振動体２とは反対側の面）には、振動体３と被駆動部材２０との接触方向（Ｚ方向）において、被駆動部材２０の少なくとも一部が挿入される挿入溝部７ｂ（挿入部）がＸ方向に延びるように形成されている。本実施例では、保持部材７の下面部を構成する板状部材７ｃの上面に、Ｙ方向に離間させて２つの板状部材７ｄを接合することで保持部材７を構成している。２つの板状部材７ｄが離間することで、板状部材７ｃの上に挿入溝部７ｂが形成される。但し、このような形状の保持部材を一体形成部品として製作してもよい。

そして、該挿入溝部７ｂの内側には、被駆動部材２０をその移動方向（振動体２に対する相対移動方向）であるＸ方向にガイドするよう、Ｙ方向での被駆動部材２０の移動を制限するガイド部１８が設けられている。

本実施例では、このガイド部１８を、保持部材７とは別部品として構成し、保持部材７に取り付けた場合について説明を図示しているが、保持部材７をガイド部１８を有する一体形成部品としてもよい。

このように、保持部材７における挿入溝部７ｂの底面から該保持部材７の下面までの部分、すなわち板状部材７ｃは、該挿入溝部７ｂ内に挿入（配置）される被駆動部材２０と振動板３の第１面３ａとの間のスペースＳに配置されている。言い換えれば、保持部材７は、該スペースＳに配置されている。このスペースＳは、振動板３に突起部８が設けられ、その上端面に被駆動部材２０の下面が当接することによって形成されるスペースである。

なお、図示しないが、保持部材７に挿入溝部７ｂを設けず、保持部材７の上面より上に被駆動部材２０が配置される場合も、同様に、保持部材７は被駆動部材２０と振動板３の第１面３ａとの間のスペースＳに配置されることになる。

また、保持部材７を構成する板状部材７ｃのＸ方向２箇所には、Ｚ方向に延びて挿入溝部７ｂ内にて開口する開口部７ａが形成されている。突起部８は、この開口部７ａの内側を通って被駆動部材２０側に突出する。

ここで、本実施例では、開口部７ａをその内面が閉じた穴として形成しているが、内面の一部が開放された、Ｚ方向視においてＵ字やＬ字等の形状を持つ開口形状部、すなわち開口と同等の形状を有する部分であればよい。つまり、その内側のスペースに突起部８を通すことができれば、穴である必要はない。

さらに、図２Ｃに示すように、板状部材７ｃにおける開口部７ａの間には、その上面（挿入溝部７ｂの底面）よりもさらに一段下がった底面を有する凹部７ｅが形成されている。この凹部７ｅ内には、Ｘ方向に延びる棒状の永久磁石１６が収容されている。さらに、板状部材７ｃの下面および側面には、磁石１６の下方から側方を囲むようにヨーク１７が取り付けられている。磁石１６とヨーク１７は、振動板３の第１面３ａと被駆動部材２０との間のスペースＳに配置されている。また、磁石１６とヨーク１７は、Ｘ方向に離間して設けられている２つの突起部８の間に配置されている。

磁石１６は、Ｚ方向に着磁されている。また、ヨーク１７は、ＳＵＹＢ−０等の強磁性材料で形成されている。

そして、磁石１６とヨーク１７により磁気回路を構成する磁気部材１５が構成される。該磁気部材１５は、振動体２（振動板３）および被駆動部材２０に接触しない非接触状態で保持部材７（板状部材７ｃ）により保持されることにより、振動体２（振動板３）と被駆動部材２０とをＺ方向に引き寄せる磁気吸引力ＭＦを発生する。この磁気吸引力ＭＦ（磁力）によって、振動体２の突起部８と被駆動部材２０とが圧接され、被駆動部材２０の駆動に必要な摩擦力が得られる。

以上のような構成を採用することにより、振動体２に磁石等の磁気部材を備えることによって発生する、振動損失の増大や振動体設計の制約を除去することができる。この結果、エネルギ効率に優れた振動型駆動装置を実現できる。

また、本実施例によれば、図２Ｂ，２Ｃに示すように、振動体２を保持する構造、振動体２と被駆動部材２０とを加圧して接触させる構造、および被駆動部材２０の移動をガイドする構造を確保した上で、振動型駆動装置のサイズ増加を抑えることができる。つまり、空間効率に優れた振動型駆動装置を実現することができる。

図３には、本発明の実施例２である振動型駆動装置における保持部材７と磁気部材１５′のＹＺ断面を示している。

実施例１では、永久磁石１６とヨーク１７によって磁気部材１５を構成した場合について説明したが、図３に示すように、永久磁石１６′のみで磁気部材１５′を構成してもよい。また、実施例１では、磁石１６をＺ方向に着磁した場合について説明したが、本発明において、磁石の着磁方向はこれに限定されない。本実施例では、磁気部材１５′（磁石１６′）をＹ方向に着磁している。これにより、磁石１６′の２つのＹ方向端面に磁束が集中する。この２つの面と被駆動部材２０との間で磁束（磁路）が形成されることで、Ｚ方向の磁気吸引力が発生し、振動体２の突起部８と被駆動部材２０とを圧接させることができる。

特に、磁石のＺ方向寸法が小さい場合に、本実施例のような着磁方向を選択することで、Ｚ方向に着磁した場合に比べて大きな磁気吸引力が得られる。

なお、上記各実施例では、磁気部材として永久磁石を用いた場合について説明したが、電磁石を用いてもよい。

また、上記各実施例では、接触部材に相当する被駆動部材２０が、固定される振動体２に対して相対移動する場合について説明するが、固定された接触部材に対して振動体２を移動させ、その移動を利用して製品装置を動作させるようにしてもよい。

本発明の実施例１である振動型駆動装置の構成を示す斜視図。 実施例１の振動型駆動装置の平面図。 実施例１の振動型駆動装置のＸＹ断面図。 実施例１の振動型駆動装置のＹＺ断面図。 本発明の実施例２である振動型駆動装置の磁石および保持部材の断面図。

符号の説明

１ 振動型駆動装置
２ 振動体
３ 弾性体
４ 圧電素子
６ 弾性支持板
７ 保持板
８ 突起部
１５ 磁気部材
１６ 磁石
１７ ヨーク
１８ ガイド部
２０ 被駆動部材
５０ 製品装置

Claims (12)

1. 電気−機械エネルギ変換により振動が励起される振動体と、
   該振動体を保持する保持部材とを有し、
   前記振動体は、該振動体の第１面から突出して、該振動体との相対移動が可能な接触部材に接触する接触部を有し、
   前記保持部材は、前記振動体の前記第１面と前記接触部材との間に配置され、前記接触部以外で該振動体を保持することを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記保持部材は、前記振動体の前記第１面に設けられた弾性部材を介して前記振動体を保持することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
3. 前記保持部材は、該保持部材と前記接触部材との相対移動をガイドするガイド部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
4. 前記保持部材は、前記接触部材のうち少なくとも一部が前記振動体と前記接触部材との接触方向において挿入される挿入部を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の振動型駆動装置。
5. 前記保持部材は、前記第１面から前記接触部材側に延びる前記接触部が内側を通る開口形状部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の振動型駆動装置。
6. 前記振動体と前記接触部材を磁力によって互いに圧接させる磁気部材を有し、
   前記振動体は、前記接触部を少なくとも２つ有し、
   前記磁気部材は、前記接触部の間に配置され、前記保持部材により保持されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の振動型駆動装置。
7. 電気−機械エネルギ変換により振動が励起される振動体と、
   磁気部材とを有し、
   前記振動体は、該振動体の第１面から突出して、前記振動体との相対移動が可能な接触部材に接触する接触部を有し、
   該接触部および前記接触部材が前記磁気部材の磁力によって互いに圧接し、
   前記磁気部材は、前記振動体の前記第１面と前記接触部材との間に配置され、
   前記振動体は、前記振動体の前記第１面と前記接触部材との間において前記接触部以外の部分で保持されることを特徴とする振動型駆動装置。
8. 前記振動体は、前記接触部を少なくとも２つ有し、
   前記磁気部材は、前記接触部の間に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の振動型駆動装置。
9. 前記磁気部材は、前記振動体と前記接触部材とに非接触状態で保持されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の振動型駆動装置。
10. 前記磁気部材は、磁石とヨークとにより構成されていることを特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の振動型駆動装置。
11. 前記磁気部材は、磁石を含み、
    該磁石は、前記振動体と前記接触部材の接触方向および相対移動方向とは異なる方向に着磁されていることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１つに記載の振動型駆動装置。
12. 請求項１から１１のいずれか１つに記載の振動型駆動装置を備え、
    前記振動体と前記接触部材との相対移動を利用して動作することを特徴とする装置。