JP5610707B2 - 振動波駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動子（振動体）に駆動振動を励振させることで駆動力を得る振動波モータ等の振動波駆動装置に関する。

既に超音波モータもしくは、圧電モータまたは振動波モータと称される振動型モータが開発され、実用化されている。このモータは、圧電素子もしくは電歪素子等の電気機械−機械エネルギー変換素子に交番電圧、電流を印加することにより該素子に高周波振動を発生させて振動エネルギーを連続的な機械運動として取り出すように構成されたモータである（特許文献１参照）。

図５は、従来の振動波駆動装置としての棒型振動波モータの構成図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は断面図である。従来の振動波モータは、金属からなる弾性体２０１と圧電素子２０３の一方の挟持部としての弾性体２０２がねじからなる挟持体２０４で加圧締結されている。

また、従来の振動波モータは、振動の高周波振動のエネルギーを受けて回転するロータ２０５が加圧ばね２０７の押圧力を受けて振動子と加圧接触する構造になっている。ロータ２０５の回転力を取り出す手段として歯車２０６が備わり、回転軸２０６により挟持体２０４に対して回転自在に保持されており、モータとしての回転出力を得る。

特開２０００−６０１６１号公報

図６は、従来の振動波モータの印加交番電圧周波数と回転数の関係を示す特性図である。従来の印加交番電圧周波数とモータ回転数の関係では、最高回転数近傍において急激な回転数低下を起こし、最も効率の良い振動子の共振周波数（固有振動数）近傍で回転させることができなかった。よって、原理的には本来、効率良く出力の高いはずのモータが出力の低い、効率の悪いモータとなっていた。

また、振動子は、振動エネルギーを蓄積する機能があり、運動エネルギーとして質量と加速度の積の量がエネルギーであることは一般的に知られている。これからも、判るように、加速度は任意に設計できる値とすると質量をいかに多く増やせるかが課題であった。弾性体２０１を大きくするとモータの構成が大きくなり、モータとして大型化してしまう欠点が長年の課題であった。

本発明の目的は、小型、高出力、高効率の振動波駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の振動波駆動装置は、電気−機械変換素子と、前記電気−機械変換素子の軸方向両側に設けられた質量部とを有する振動子と、前記電気−機械変換素子と前記質量部とに挟持されると共に、前記振動子の外周側に設けられた筒状部材に固定された振動板と、前記振動子の軸方向の動きを規制する支持部材と、を備え、前記電気−機械変換素子の軸方向の一方の側に設けられた前記質量部は回転子と接触し、前記電気−機械変換素子の軸方向の他方の側に設けられた前記質量部は、前記軸方向における前記電気−機械変換素子に対向する側とは反対側の部分において、他の部材とは無接触状態にあり、前記支持部材は、前記電気−機械変換素子の軸方向の他方の側に設けられた前記質量部の内側に配置され、前記他方の側に設けられた前記質量部を前記軸方向に支持することを特徴とする。

本発明によれば、小型、高出力、高効率の振動波駆動装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動波駆動装置の構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る振動波駆動装置の構成図である。 （ａ）、（ｂ）は、振動子の概念図である。 図１の振動波駆動装置の印加交番電圧周波数と回転数の関係を示す特性図である。 （ａ）、（ｂ）は、従来の振動波駆動装置としての棒型振動波モータの構成図である。 従来の振動波モータの印加交番電圧周波数と回転数の関係を示す特性図である。

以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る振動波駆動装置の構成図である。図１に示すように、本実施の形態では、振動子１７の２つの弾性体（質量部）７（７ａ、７ｂ）が圧電素子（電気−機械変換素子）９の軸方向両側（図面の左右側）に形成されている。振動子１７は、従来例と同様に、金属からなる弾性体７が圧電素子９と圧電素子９に電圧を供給する給電基板８と振動子１７の回転方向を規制するための支持板１０を挟持してねじ・溶着・接着等の締結方法で接合されることで構成されている。

一方の弾性体（主質量部）７ｂの回転力を取り出しているのは、図中右側の摺動部材１１とロータ１２からなる回転子１６であり、他方の弾性体（副質量部）７ａは、他の部材とは無接触状態にある。

また、振動子１７は、支持部材（カラー）６と軸受け（ベアリング）４でスラスト方向の規制がなされている。振動子１７の回転方向の規制は、支持板１０が外筒５に固定されることでなされている。軸受け４及び軸受け（スライダ）は、固定部としての外筒５に対して軸１が回転自在となるように組み込まれる。軸受け４は、軸１が右方向にスライドしないように、Ｃリング等の固定部材２で軸１に固定され、回転部の安定生を高めるためワッシャ３が挟持されている。

一方、回転力を取り出す構造として、振動子１７の弾性体７ｂには回転子１６が圧接されている。回転子１６は、回転質量となるロータ１２にＳＵＳ等の摺動部材１１が接着されており、振動子１７の回転力をスムーズに取り出し慣性力として蓄える構造となっている。また、圧接力は、コイルばね、スクロウェーブばね等で知られる加圧ばね１３により発生しており、弾性体７ｂと摺動材１１の摩擦力により力を伝達する。

上述したように、弾性体７ｂの回転力を取り出しているのは、図中右側の摺動部材１１とロータ１２からなる回転子１６であり、対方向（左側）の弾性体７ａは、他の部材とは無接触状態にある。回転子１６の回転力は、回転伝達部材１４によって軸１に伝わり駆動する。軸１にはギヤ１８等が取り付けられている。

図１のように、振動子７ａと振動子７ｂを略同一形状にすることで、同じ加工機械で加工できるために安価な構造にすることが可能となる。また、振動子１７を支える支持部材６を貫通穴近傍に設けることで、振動子１７の振動を阻害することなく支持することができる。支持部材６として、バネ・ＡＢＳ樹脂・ＰＥ樹脂・ゴム等の制振効果の高い材料を使うことで、更に高い効果が出る。

図２は、本発明の第２の実施の形態に係る振動波駆動装置の構成図である。第２の実施の形態に係る振動波駆動装置では、振動子１７の副質量部（弾性体７ａ）を支持ばね２０で固定している。当然、回転方向も固定により規制され、支持板と兼用することができる。更に取り付け板２１を備えることにより、外筒５に嵌合穴２２を設け、支持ばね２０に突起２３を設けることにより、装置の組立が容易になる。

従来の構成では、振動エネルギーを蓄積している振動子１７は、回転子１６が常に接触しているため回転子１６の機械的影響を常に受けることになる。特に、振動子１７の振動振幅が高くなるにつれて回転数速度が高くなる。その結果、質量部における回転子１６の運動エネルギーは大きくなり、このエネルギーが振動子１７に音・振動等の形で伝達してしまう。

そこで、本発明では、振動子に副質量部を持たせ、回転子の振動運動が伝達しない振動エネルギーを蓄積することで、振動子全体の振動を安定化させるものである。

図３は、振動子の概念図である。図３において、質量部の質量をＭで表している。（ｂ）は、従来の振動子であり、支持部に対して一方向の質量Ｍ１が首振り運動をしている。それに対して、（ａ）に示す本発明の振動子の上部は従来同様であるが、下部に副共振系の質量Ｍ２を設け、首振り運動をさせることで、上部運動部分が外乱を受けた場合でも下部の共振系は安定的に首振り運動を続けることができる。上部が拘束を受けるとそのエネルギーは、下部に蓄えられるだけ吸収される。

図４は、図１の振動波駆動装置の印加交番電圧周波数と回転数の関係を示す特性図である。本実施の形態の振動波駆動装置では、急激に回転数速度が低下する現象が無くなり緩やかな低下を示すことがわかる。よって、共振近傍において、高回転、高出力領域の確保を図ることができる。

７（７ａ、７ｂ） 弾性体
１６ 回転子
１７ 振動子

Claims (7)

1. 電気−機械変換素子と、前記電気−機械変換素子の軸方向両側に設けられた質量部とを有する振動子と、
   前記電気−機械変換素子と前記質量部とに挟持されると共に、前記振動子の外周側に設けられた筒状部材に固定された振動板と、
   前記振動子の軸方向の動きを規制する支持部材と、を備え、
   前記電気−機械変換素子の軸方向の一方の側に設けられた前記質量部は回転子と接触し、
   前記電気−機械変換素子の軸方向の他方の側に設けられた前記質量部は、前記軸方向における前記電気−機械変換素子に対向する側とは反対側の部分において、他の部材とは無接触状態にあり、
   前記支持部材は、前記電気−機械変換素子の軸方向の他方の側に設けられた前記質量部の内側に配置され、前記他方の側に設けられた前記質量部を前記軸方向に支持することを特徴とする振動波駆動装置。
2. 前記電気−機械変換素子の軸方向両側に設けられた２つの前記質量部は弾性体で構成されることを特徴とする請求項１記載の振動波駆動装置。
3. 前記電気−機械変換素子の軸方向両側に設けられた２つの前記質量部は略同一形状であることを特徴とする請求項１または２記載の振動波駆動装置。
4. 前記電気−機械変換素子の軸方向の他方の側に設けられた前記質量部は、前記電気−機械変換素子の軸方向の一方の側に設けられた前記質量部が外乱を受けた場合でも、首振り運動を維持可能に構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. 電気−機械変換素子と、前記電気−機械変換素子の軸方向両側に設けられた質量部とを有する振動子を備え、
   前記電気−機械変換素子の軸方向の一方の側に設けられた前記質量部は回転子と接触し、
   前記電気−機械変換素子の軸方向の他方の側に設けられた前記質量部は、前記軸方向における前記電気−機械変換素子に対向する側とは反対側の部分において、支持ばねにより前記振動子の外周側に設けられた筒状部材に固定され、
   前記電気−機械変換素子の軸方向の他方の側に設けられた前記質量部は、副共振系の質量部として機能可能であることを特徴とする振動波駆動装置。
6. 前記電気−機械変換素子の軸方向両側に設けられた２つの前記質量部は弾性体で構成されることを特徴とする請求項５記載の振動波駆動装置。
7. 前記電気−機械変換素子の軸方向両側に設けられた２つの前記質量部は略同一形状であることを特徴とする請求項５または６記載の振動波駆動装置。