JP5656429B2 - 振動波駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波モータと称される振動波駆動装置に関する。

振動波駆動装置の分野において、超音波モータと呼ばれる回転運動や直線運動を生成する振動波駆動装置が提案され実用化されている。
一般に、超音波モータは振動子と被駆動体との間の摩擦力を用いて、振動子の発生する超音波領域の振動により振動子と被駆動体との相対移動を行う装置である。
そのため摩擦力を発生させる手段として振動子と被駆動体間の加圧構造を備える必要がある。
一般に実用化されている加圧構造は、金属等で形成されるバネの変形力を利用している。
バネを用いる加圧構造は安定した加圧力が得られるので超音波モータとしても安定した出力が得られるが、部品点数を要するため加圧構造のためのスペースを必要とする。
超音波モータは小型機器への搭載が求められており、加圧構造の小型、簡素化が課題となっている。

従来において、バネの変形力を用いない方法として、磁力を用いた加圧構造が知られている。
ここでは、振動体として作用する略矩形状の圧電基板の第一の面に、永久磁石を有する被駆動体を配置し、圧電基板の第一の面と対向する面に永久磁石との間で磁気吸引力を発生する軟磁性体からなる磁気ヨークを有する構造が開示されている。
一方、近年は直線運動を生成するいわゆるリニア型超音波モータが開発されている。
このようなリニア型超音波モータとして、例えば、特許文献１ではつぎのようなものが開示されている。
振動子は凸状に形成された突起部を有し、少なくとも電気−機械エネルギ変換素子からなる板状の振動体と、突起部に加圧接触する被駆動体とを備える。
振動体は、電気−機械エネルギ変換素子への駆動信号の入力を受けることで、節の発生方向が互いに略直交し、周波数が略一致する２つの曲げ振動モードを励起し、突起部を介して被駆動体に対して相対的に移動するように構成されている。ここで提案されているリニア型超音波モータにおいても、磁力を用いた加圧構造を形成することができる。
その際、例えば、特許文献２で提案されているリニア型超音波モータのように、加圧構造を形成することが可能である。
すなわち、被駆動体の少なくとも一部を永久磁石として、さらに板状の振動体を構成する部品を軟磁性体とすることで、突起部において振動体と被駆動体との間の加圧力を発生させることが可能である。
そして、被駆動体であるスライダは、磁石材料から成る角棒状のスライダ基部を備え、振動板を構成する軟磁性材と合わせて磁気回路を形成し、スライダと振動板との間で摩擦力を発生させる。

特開２００４−３０４８８７号公報 特開２００５−３５４７８７号公報

しかしながら、従来のリニア型超音波モータにおいては、つぎのような課題を有している。
リニア型超音波モータにおける振動子と被駆動体は、支持部材、あるいはガイド部材により拘束や位置決めが行われる。
これらの支持部材やガイド部材においては、寸法精度や組立時の位置ずれを避けることが困難であり、そのため振動子と被駆動体との間において相対的な位置ずれが常に生じることになる。
例えば、特許文献２のリニア型超音波モータの場合、振動子と被駆動体が、これらの相対駆動方向と直交する方向にずれた場合、振動子と被駆動体の接触面に発生する加圧力に偏りが生じる。
そのため、加圧力が大きくなる付近は駆動時の摩耗が進み、加圧力が小さい箇所は駆動力が低下してしまうこととなる。
このような振動子と被駆動体の位置ずれが、結果としてリニア型超音波モータの出力性能や耐久性を低下させるという課題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、磁力を用いた加圧構造のリニア型超音波モータを構成するに当たり、加圧力の偏りが生じることを抑制することができ、出力性能の安定化と耐久性の向上を図ることが可能となる振動波駆動装置の提供を目的とするものである。

本発明の振動波駆動装置は、少なくとも電気−機械エネルギー変換素子と接触部とを有する振動子と、前記接触部と加圧接触する被駆動体とを備え、
前記振動子と前記被駆動体は第１の方向に相対的に移動可能に構成され、
前記被駆動体は、第一の磁力発生部を備え、
前記振動子は、前記第１の方向と直交し前記加圧の方向とも直交する方向において第一の磁力発生部の幅より狭い範囲に第二の磁力発生部を備え、
前記被駆動体の前記接触部との前記第２の方向への加圧接触が、前記第一の磁力発生部と前記第二の磁力発生部との間で発生する磁気吸引力により行われることを特徴とする。

本発明によれば、磁力を用いた加圧構造のリニア型超音波モータを構成するに当たり、加圧力の偏りが生じることを抑制することができ、出力性能の安定化と耐久性の向上を図ることが可能となる振動波駆動装置を実現することができる。

本発明の実施例１におけるリニア型超音波モータの斜視図。 本発明の実施例１における振動子の斜視図。 本発明の実施例１におけるリニア型超音波モータの断面図。 本発明の実施例２におけるリニア型超音波モータに用いられる振動子の斜視図。 本発明の実施例２におけるリニア型超音波モータのＸＹ平面内の断面図。 本発明の実施例３におけるリニア型超音波モータの正面図。 本発明の実施例３におけるリニア型超音波モータの断面図。

以下、本発明の電気−機械エネルギー変換素子への印加によって振動子の接触部に楕円運動を生じさせ、該接触部と加圧接触する被駆動体を振動子に対して相対移動させる振動波駆動装置を実施するための形態を、つぎの実施例によって説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明の振動波駆動装置を適用したリニア型超音波モータの構成例について、図１、図２を用いて説明する。
これらの図に示されるように、本実施例のリニア型超音波モータにおいて、振動子１は平板状の金属板から成る振動板１２、矩形平板状の電気―機械変換素子１３、加圧部材１１を備える。
振動板１２はオーステナイト系ステンレスであるＳＵＳ３０４の板材から所望の形に加工して形成されている。
振動板１２は矩形状に形成される振動部位１２−１と振動子の支持及び固定の用途を成す２つの支持部位１２−２とから構成される。
振動板１２の第一の面には電気―機械変換素子１３が接着により一体化されている。振動板１２の第一の面と対向する第二の面には加圧部材１１が接着により一体化されている。

加圧部材１１は、長手方向が振動板１２のＸ方向に平行で、且つ加圧部材１１のＹ方向中央と振動板１２のＹ方向中央とが一致する位置に配設される。
振動板１２の振動部位１２−１、電気―機械変換素子１３、加圧部材１１はそれぞれ図２中Ｙ方向に対称形状であり、支持部位１２−２を除き振動子１はＹ方向に対称となるように形成されている。
加圧部材１１には、接触部として２か所の接触面１１−１が形成されている。接触面１１−１はＺ方向に凸状に形成された箇所であり、振動子１においてＺ方向に一番上部に位置している。
加圧部材１１は軟磁性体であるマルテンサイト系ステンレスであるＳＵＳ４２０Ｊ２を選択し焼き入れ処理により硬度を確保している。
加圧部材１１に形成される接触面１１−１は被駆動体２との加圧接触を行う部位であり、耐摩耗性が得られる材料と処理方法が選択される。この加圧部材１１は第二の磁力発生部として作用する。

図１に示されるように、本実施例のリニア型超音波モータ３は、振動子１及び被駆動体２より構成される。
被駆動体２は略直方体形状で、永久磁石により形成され、第一の磁力発生部として作用する。
本実施例では磁力を確保するためにＮｄＦｅ磁石を選択している。また、被駆動体２の表面は全面に防錆のためのＮｉメッキ処理が施されている。
被駆動体２は、被駆動体接触面２−１（図３参照）において振動子接触面１１−１と加圧接触しており、前述のＮｉメッキは被駆動体２における摩擦材の用途を兼ねている。

振動子１の寸法を選択し、電気―機械変換素子１３に所望の交流信号を印加することで振動子１に２つの面外曲げ振動モードを同時に発生させることができる。
ここで、発生させる曲げ振動モードの作用により接触面１１−１はＸ−Ｚ面内の楕円運動を生じる。この接触面１１−１に発生させる楕円運動の作用により、被駆動体２とのＸ方向の相対移動が行われる。
この相対移動の詳しい説明は、例えば特許文献１に記載されており、ここでの詳述は略す。

図３はリニア型超音波モータ３における接触面１１−１を含んだＹＺ面の断面図である。
被駆動体２は前述のようにＮｄＦｅ磁石で形成されており、図中Ｚ方向に着磁処理が施されている。
振動子１の加圧部材１１は前述のように軟磁性体であるマルテンサイト系ステンレスで形成されており、被駆動体２との間で磁力による吸引力が発生する。
この作用により被駆動体接触面２−１と振動子接触面１１−１は加圧接触される。
振動子接触面１１−１は、被駆動体接触面２−１よりＹ方向に短くなるように形成されている。
振動体１は２つの支持部１２−２において、不図示の保持部材に固定されている。
被駆動体２は不図示のガイド部材によりＹ方向に移動しないように、且つＸ方向に移動可能なように保持されている。

これら各部材の寸法及び組立の精度により振動子１と被駆動体２とはＹ方向の相対位置ずれが発生する。
振動子１において磁気吸引力を発生させる部位は加圧部材１１のみであり、他の部位は作用しない。
このことから磁気吸引力はＹ方向において振動子の中央位置に集中していることとなる。
相対位置ずれにより磁気吸引力はＹ方向に偏りを生じるが、これにより生じるＸ軸回りのモーメント力を抑えることができる。
また、相対位置ずれの量を考慮して、上記のように振動子接触面１１−１は、被駆動体接触面２−１よりＹ方向に短くなるようにすることで、振動子接触面１１−１はＹ方向に被駆動体接触面２−１より常に内側に配置されるように、Ｙ方向の幅が選択されている。
これにより、振動子は、被駆動体との相対移動の方向と直交する方向において上記第一の磁力発生部の幅より狭い範囲に、上記第二の磁力発生部を備えた構成とすることができ、出力性能の安定化と耐久性の向上を図ることが可能となる。
すなわち、磁気による吸引力は被駆動体２の角部、即ち図中２−２の個所に集中する。
そのため、仮に振動子接触面１１−１が角部２−２を含むように接触した状態で超音波モータの動作を行っていると角部２−２及び振動子接触面１１−１の角部２−２と接する箇所、各々が局所的な摩耗が急速に進行してしまう。
この結果、超音波モータの本来の耐久性を確保できず、短期間での性能低下が生じてしまう。
これに対して、本実施例の上記した第一の磁力発生部の幅より狭い範囲に、上記第二の磁力発生部を備えた構成によれば、振動子接触面１１−１が角部２−２と接触せずに駆動することができる。そのため、耐久性を維持し、長期の安定駆動を実現することが可能となる。
また、加圧部材１１は上記したように振動子接触面１１−１を含んでおり、被駆動体２に近接しているので、磁気吸引力を効果的に発生させることができる。そして、被駆動体２及び加圧部材１１はサイズを大きくすることなく所望の磁気吸引力が得られる。

本実施例での振動子１は、既に述べたように２つの面外曲げ振動を同時に発生させることで、振動子１と被駆動体２との間の相対移動運動を行うものである。この面外曲げ振動モードを発生させるには振動子１を板状に形成すれば良いので厚さを必要としない。
振動子１を薄くできる利点を生かした上で、本発明の構成を採用することでリニア型超音波モータの小型化を実現することが可能となる。
また、本実施例では被駆動体２は永久磁石により形成され、振動子１の加圧部材１１は軟磁性体で形成されているが、このような構成に限定されるものではない。加圧部材部材を永久磁石により形成しても良く、被駆動体または加圧部材の少なくとも一方が永久磁石を含む構成であれば良い。

［実施例２］
実施例２として、本発明の振動波駆動装置を適用したリニア型超音波モータの構成例について、図４、図５を用いて説明する。
これらの図に示されるように、本実施例のリニア型超音波モータにおいて、振動子は振動板１２、電気―機械変換素子１３、接触部材１４、及び磁気部材１５を備える。
振動板１２及び電気―機械変換素子１３は、図２を用いて説明した実施例１と同一であるのでここでの説明は略す。

接触部材１４は矩形平板状の部位とその両端から突出するように形成し、その端面を振動子接触面１４−１として作用させる部位とから形成される。
接触部材１４はＳＵＳ４４０Ａに焼き入れ処理を施しており、軟磁性材料であることと振動子の摩擦材料としての作用を併せ持つ。
接触部材１４は、振動板１２の上面でありＸ及びＹ方向の略中央に配置される。磁気部材１５は接触部材１４の表面に重ねるように配置される。磁気部材１５の寸法は、図中Ｘ方向は２つの振動子接触面１４−１の間隔に収まる長さでありＺ方向は振動子接触面１４−１の高さを超えないように選ばれている。
また、磁気部材１５のＹ方向は接触部材１４のＹ方向寸法を超えないように選ばれている。磁気部材１５はＮｄＦｅ磁石で形成されており、図５の矢印で示す方向に着磁処理がなされている。
接触部材１４は軟磁性体であるので磁気部材１５の発生する磁場に対する磁路を形成するヨークとしても作用する。
このように、振動子１には接触部材１４および磁気部材１５により第二の磁力発生部が形成される。
被駆動体２は略棒状であることは実施例１と同一であるが、材料は電磁軟鉄を用いている。
被駆動体２の表面にはＮｉメッキが施されている。被駆動体２は第一の磁力発生部として作用する。

図５に示すように、振動子接触面１４−１と被駆動体２は磁力により吸引加圧される。磁気部材１５の両極を囲うように接触部材１４と被駆動体２により閉磁場が形成されるので省スペースでありながら十分な加圧力が得られる。
接触部材１４及び磁気部材１５のＹ方向寸法は、実施例１と同様に被駆動体２のＹ方向寸法より狭くなるように形成されている。
このような構成とすることで、実施例１と同様に被駆動体２と振動子１のＹ方向の相対ずれが生じても、磁気吸引力により報じるＸ軸回りのモーメントの発生を抑えることができる。
永久磁石とヨークを振動子１上に配置することで、磁力発生手段を省スペースに抑えることができる。

［実施例３］
実施例３として、本発明の振動波駆動装置を適用したリニア型超音波モータの構成例について、図６、図７を用いて説明する。図６において被駆動体２のＸ方向正側は略して示している。
これらの図に示されるように、本実施例のリニア型超音波モータにおいて、被駆動体２は実施例１と同様にＮｄＦｅ磁石材料を用いた永久磁石によって形成されており、図７の矢印の方向に着磁処理が施されている。被駆動体２の表面にはＮｉメッキが施されている。
本実施例においては、図６で示すように振動子接触面１２−３は振動板１２と同一部材で一体に形成されている。
軟磁性体により形成される加圧部材１４は２つの振動子接触面１２−３の間に位置する箇所において振動板１２上に固定されている。
被駆動体２と加圧部材１４の磁気作用により被駆動体接触面２−１と振動子接触面１２−３に間に加圧力が生じる。
この加圧部材１４は被駆動体２とは接触しない厚さを選択している。図７に示すように加圧部材１４は被駆動体２のＹ方向の幅に対して狭く形成されている。

本実施例の構成によれば、実施例１と同様に被駆動体２と振動子１のＹ方向の相対ずれが生じても、磁気吸引力により報じるＸ軸回りのモーメントの発生を抑えることができる。
また、振動子接触面１２−３と加圧部材１４を別の部品で形成することで、振動子接触面１２−３は軟磁性体に限定されることなく任意の材料を選択することができる。

１：振動子
２：被駆動体
３：振動型駆動装置（リニア型超音波モータ）
１１：加圧部材
１１−１：接触面
１２：振動板
１２−１：振動部位
１２−２：支持部位
１３：電気−機械変換素子

Claims (6)

1. 少なくとも電気−機械エネルギー変換素子と接触部とを有する振動子と、前記接触部と加圧接触する被駆動体とを備え、
   前記振動子と前記被駆動体は第１の方向に相対的に移動可能に構成され、
   前記被駆動体は、第一の磁力発生部を備え、
   前記振動子は、前記第１の方向と直交し前記加圧の方向とも直交する第２の方向において第一の磁力発生部の幅より狭い範囲に第二の磁力発生部を備え、
   前記被駆動体の前記接触部との前記第２の方向への加圧接触が、前記第一の磁力発生部と前記第二の磁力発生部との間で発生する磁気吸引力により行われることを特徴とする振動波駆動装置。
2. 前記接触部が、前記第二の磁力発生部を構成してい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. 前記第一の磁力発生部と前記第二の磁力発生部の少なくとも一方が、永久磁石を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動波駆動装置。
4. 前記接触部が平板状の振動板に配設され、前記振動板に面外曲げ振動モードを発生させ、前記接触部に楕円運動を生じさせることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
5. 前記電気−機械エネルギー変換素子への交流信号の印加によって前記接触部に楕円運動を生じさせ、該接触部と加圧接触する前記被駆動体を前記振動子に対して相対移動させる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
6. 前記第２の方向において、前記第二の磁力発生部は、全体が前記被駆動部材の接触面よりも内側に配置されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。

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