JP5709631B2 - 振動波モータ - Google Patents

Description

本発明は、振動子に移動体を接触させ摩擦駆動するいわゆる振動波モータに関し、振動波モータの熱対策技術に関するものである。

振動波モータは低速・大トルクなどの特徴から、例えば一眼レフカメラの撮影レンズにおけるオートフォーカスの駆動用モータとして実用化されているが、近年、さらに大出力化が求められている。
このような課題に対し、特許文献１や特許文献２では、複数の振動子と複数の移動体を組み合わせることで大出力を得る振動波モータが提案されている。

特開２００１−０１６８７５号公報 特開２００３−０４７２６３号公報

しかしながら、上記従来技術では、振動波モータを使用する際の熱対策を実施する環境によっては、振動波モータの構成部品間における温度分布の差が大きくなり、振動波モータの耐久性の低下を招くことがあった。
これらについて、特許文献１や特許文献２のように、２つの振動子と２つの移動体を備え、振動子と移動体が２つの接触面を形成する振動波モータを例に取って説明する。
このような振動波モータにおいて、２つの接触面が置かれる環境は必ずしも同じとは限らない。
冷却ファンを当てることが困難であったり、熱がこもりやすいことにより局所的に放熱性が悪化することがある。
このような場合、放熱上不利な方に置かれた接触面に近い構成部品が、その機能を劣化させるほどに異常に昇温してしまう。この異常昇温は、振動波モータの性能に影響し、耐久性の低下を招いてしまうこととなる。

本発明は、上記課題に鑑み、振動波モータを使用する際の熱対策を実施する環境に対応して振動波モータの構成部品間における温度分布の差を抑制でき、局所的な異常昇温による耐久性低下の抑制を図ることが可能となる振動波モータの提供を目的とする。

本発明の振動波モータは、電気−機械エネルギー変換素子が接合された弾性体を有する振動子と、前記振動子と接触する移動体を備え、前記振動子と前記移動体とが加圧部材により加圧されて複数の接触面を構成しており、
前記電気−機械エネルギー変換素子への電気信号の印加により前記複数の接触面に生じる運動によって前記移動体を摩擦駆動し、該複数の接触面による複数の駆動力を共通の出力軸により出力させる振動波モータであって、
前記摩擦駆動によって発生する発熱量を前記複数の接触面間で異なるように調整可能に構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、振動波モータを使用する際の熱対策を実施する環境に対応して振動波モータの構成部品間における温度分布の差を抑制でき、局所的な異常昇温による耐久性低下の抑制を図ることが可能となる振動波モータを実現することができる。

本発明の実施例１における振動波モータの構成を説明する断面図。 本発明の実施例１の変形例１における振動波モータの構成を説明する断面図。 本発明の実施例１の変形例２における振動波モータの構成を説明する断面図。 本発明の実施例１の変形例３における振動波モータの構成を説明する断面図。 本発明の実施例１の変形例４における振動波モータの構成を説明する断面図。 本発明の実施例１の変形例５における振動波モータの構成を説明する断面図。 本発明の実施例２における振動波モータの構成を説明する断面図。 本発明の実施例２の変形例４における振動波モータの構成を説明する断面図。 本発明の実施例２の変形例５における振動波モータの構成を説明する断面図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動波モータの構成例について説明する。本実施例の電気−機械エネルギー変換素子が接合された弾性体を有する振動子と、前記振動子と接触する移動体を備え、前記振動子と前記移動体とが加圧部材により加圧されて複数の接触面を構成している。
そして、この電気−機械エネルギー変換素子への電気信号の印加により複数の接触面に生じる楕円運動によって複数の接触面により前記移動体を摩擦駆動し、該複数の接触面による複数の駆動力を共通の出力軸により出力させる。
具体的には、本実施例の振動波モータは、図１に示されているように、第１の部品群１００ａと第２の部品群１００ｂ、振動子固定部材１０９、出力軸２０１により構成されている。
第１および第２の部品群１００ａ、１００ｂは、それぞれ振動子１０１ａ、１０１ｂ、移動体１０４ａ、１０４ｂ、加圧部材１０７ａ、１０７ｂ、加圧ばね固定部材１０８ａ、１０８ｂ、ケース１１０ａ、１１０ｂ、軸受１１１ａ、１１１ｂから構成される。
第１の部品群１００ａと第２の部品群１００ｂは、振動子固定部材１０９を挟んで対称な関係である。

まず、第１の部品群１００ａについて説明する。
振動子１０１ａは、圧電素子１０３ａが接合された金属からなる弾性体１０２ａにより円環状に構成されている。圧電素子１０３ａは、電気量を機械量に変換する電気−機械エネルギー変換素子である。振動子１０１ａは振動子固定部材１０９に固定される。
振動子固定部材１０９には、軸受１１１ａを備えるケース１１０ａが取りつけられている。
振動子固定部材１０９とケース１１０ａは、振動子１０１ａ、移動体１０４ａ、加圧部材１０７ａ、加圧ばね固定部材１０８ａを囲っている。ケース１１０ａには放熱性向上のために図示しない通気口が設けられている。

移動体１０４ａは、それぞれ金属からなる振動減衰部材１０５ａと摩擦部材１０６ａにより円環状に構成されている。
摩擦部材１０６ａは断面がＬ字形状をしている。移動体１０４ａの摩擦部材１０６ａの先端は振動子１０１ａに接触しており、第１の接触面を形成する。
第１の接触面は、板ばねである加圧部材１０７ａにより加圧されている。
加圧部材１０７ａは、加圧ばね固定部材１０８ａに固定されている。加圧ばね固定部材１０８ａは出力軸２０１に固定されている。

つぎに、第２の部品群について説明する。
第２の部品群１００ｂは第１の部品群１００ａと振動子固定部材１０９を挟んで対称な構成である。第２の部品群は、振動子１０１ｂ、移動体１０４ｂ、加圧部材１０７ｂ、加圧ばね固定部材１０８ｂ、ケース１１０ｂ、軸受１１１ｂで構成されており、第１の部品群１００ａと同じ形状である。
第２の部品群１００ｂは、第１の部品群１００ａと共通の振動子固定部材１０９および出力軸２０１に固定されている。ケース１１０ｂには放熱性向上のために図示しない通気口が設けられている。

ここで、振動波モータの２つの接触面の加圧調整方法について説明する。
振動波モータの出力軸２０１は、外力が働かない状態では、加圧部材１０７ａ、１０７ｂの加圧力が釣り合ったところに位置する。
そこに、振動子固定部材１０９を支持し、図１に図示する矢印の向きの外力を出力軸２０１に与え、第２のケース１１０ｂ側から第１のケース１１０ａ側に出力軸２０１を変位させる。
すると、第２の加圧部材１０７ｂの撓みは大きくなり、第１の加圧部材１０７ａの撓みは小さくなる。
この状態で、出力軸２０１と第１の軸受１１１ａを、第１のケース１１０ａの外側で加圧調整部材２０２により固定する。加圧調整部材２０２はＥリングが考えられる。
これにより、第１の部品群１００ａ内の第１の接触面の加圧力が第２の部品群１００ｂ内の第２の接触面の加圧力よりも小さくなり、これらの接触面間で異ならせることができる。

出力軸２０１の固定位置までのずれ量、つまり、加圧調整部材２０２を出力軸２０１に取り付ける位置は、設定すべき第１と第２の接触面の加圧力の差と、加圧部材１０７ａ、１０７ｂのばね剛性から定められる。

このような振動波モータの駆動原理について説明する。
振動子１０１ａ、１０１ｂの圧電素子１０３ａ、１０３ｂへの交流信号の印加により、振動子１０１ａ、１０１ｂの移動体１０４ａ、１０４ｂとの接触面に楕円運動を生じさせ、移動体１０４ａ、１０４ｂをそれぞれ摩擦駆動するように構成される。
移動体１０４ａ、１０４ｂは同一方向に回転し、回転出力は、加圧部材１０７ａ、１０７ｂ、加圧ばね固定部材１０８ａ、１０８ｂを介して共通の出力軸２０１に伝えられる。

以上に説明した本実施例の効果について説明する。
振動波モータを摩擦駆動した場合に、２つの接触面の加圧力の差に起因して、第２の接触面と比較し、第１の接触面における摩擦力が小さくなり、摩擦による発熱量が小さくなる。
これにより、第２の部品群１００ｂと比較し、第１の部品群１００ａの自己発熱による温度上昇が小さくなる。
このような形態の振動波モータを図１に示すように装置筐体２０３に取り付ける場合、装置筐体２０３に囲われた側では冷却ファンなどの熱対策の実施が困難である。
そこで、自己発熱による温度上昇が小さい第１の部品群１００ａを放熱上不利な位置に配置し、自己発熱による温度上昇が大きい第２の部品群１００ｂを放熱上有利な位置に配置することにより、振動波モータ全体の温度分布の差を抑制することができる。
このように、摩擦駆動によって発生する発熱量を前記複数の接触面間で異なるように調整可能に構成することで、振動波モータの構成部材の局所的な異常昇温による耐久性低下を改善した振動波モータを実現することができる。

図１に示す本実施例の変形例を説明する。
変形例１を説明する。
本実施例の振動波モータ駆動中に、２つの接触面の加圧力を積極的に随時変化させることで、周辺環境の変化に随時対応することができる。具体的には、図２のように、加圧調整用圧電素子（加圧調整用部材）２０５を備えた出力軸２０１を用い、圧電素子２０５に通電することで出力軸２０１の軸方向位置を変化させて、２つの接触面の加圧力を同時に変化させる方法が考えられる。
より具体的には、摩擦駆動中のモータ温度及び／又は周辺環境の温度を検知する温度検知センサを構成する。
そして、この温度検知センサの検知結果に基づいて加圧調整用圧電素子２０５を作動させ出力軸２０１を軸方向に変位させるようにした構成を採ることができる。また、本変形例では、出力軸の軸方向変位手段として、圧電素子を挙げたが、それに限らない。他の手段として、磁歪素子や空気圧アクチュエータ等が考えられる。
変形例２を説明する。
本実施例では、振動波モータの出力軸２０１の固定方法として、加圧調整部材２０２を用いる方法を説明した。
変形例として、図３に示すように、振動波モータを装置筐体２０３に取り付けた後、被駆動体２０４と出力軸２０１を連結する際に、出力軸２０１の位置を、第１および第２の接触面の加圧力が等しくなる位置からずらして固定する方法が考えられる。
変形例３を説明する。
本実施例では、２つの接触面の加圧力を、出力軸２０１の固定位置により同時に調整する例を説明した。変形例として、図４に示すように、出力軸２０１を第１と第２の部品群１００ａ、１００ｂの間で軸方向に拘束し、第１と第２の接触面の加圧力を独立に調整する振動波モータが考えられる。

変形例４を説明する。本実施例では、２つの振動子１０１ａ、１０１ｂと、２つの移動体１０４ａ、１０４ｂを備える振動波モータの例を説明したが、この構成に限らず、複数の接触面を持ち、複数の加圧の方向が対向した振動波モータであればどのような構成でもよい。
例えば、変形例として、図５に示すような１つの振動子１０１と、２つの移動体１０４ａ、１０４ｂを備える振動波モータや、図６に示すような２つの振動子１０１ａ、１０１ｂと、１つの移動体１０４を備える振動波モータが挙げられる。図６に示す振動波モータにおいては、加圧部材１０７ａ、１０７ｂは弾性体１０２ａ、１０２ｂと一体化されている。
変形例５を説明する。
本実施例では、回転型の振動波モータの例を説明したが、この構成に限らず、複数の接触面を持ち、複数の加圧の方向が対向した振動波モータであれば直動型の振動波モータでもよい。
変形例６を説明する。
本実施例では、振動子の接触面が楕円運動することによって移動体を駆動する振動波モータの例を説明したが、この構成に限られない。例えば、振動子の接触面が往復運動し、移動体を突っつく（例えば伸縮運動により一方向に複数回押す運動）ことで移動体を駆動する振動波モータでもよい。
変形例７を説明する。
本実施例では、摩擦駆動中の複数の接触面の発熱量を調整する方法として、加圧力を調整する方法を説明したが、この方法に限られない。例えば、摩擦駆動中の接触面の滑り量や滑り速度を複数の接触面で異なるようにしておくことで、複数の接触面の発熱量を調整することができる。

［実施例２］
実施例２として、実施例１とは異なる形態の振動波モータの構成例について説明する。
実施例１では、変形例も含め、複数の接触面における加圧の方向が対向した振動波モータを説明した。実施例２では、複数の接触面における加圧の方向が同一である場合を説明する。
本実施例の振動波モータは、図７に示すように、第１の部品群と第２の部品群が平行に重なって構成される。
振動波モータは、２つの接触面を形成し、加圧部材１０７ａ、１０７ｂによる接触面の加圧の方向は同一である。

振動波モータの２つの接触面の加圧調整方法について説明する。
本実施例の振動波モータは、２つの接触面の加圧力を異ならせる方法として、実施例１のように、出力軸２０１に外力を与えて変位させ、出力軸２０１の位置を固定するだけでは不十分である。
さらに、第１と第２の加圧部材１０７ａ、１０７ｂにばね剛性の異なるものを使用する必要がある。
それにより、出力軸２０１に外力を与え、軸方向に変位させることで第１と第２の接触面の加圧力を異ならせることができる。

出力軸２０１に外力が働かない状態で、第１と第２の接触面の加圧力が等しい場合について説明する。
振動波モータの２つの接触面の加圧調整するためには、出力軸２０１に外力を与え、第２のケース１１０ｂ側から第１のケース１１０ａ側に変位させる。
すると、第１および第２の加圧部材１０７ａ、１０７ｂの撓み量は両方とも増加するが、ばね剛性の差により２つの接触面の加圧力に差が発生する。
ばね剛性の大きい加圧部材に加圧される接触面の加圧力が大きくなる。
この位置で、出力軸２０１の第１のケース１１０ａの外側に加圧調整部材２０２を固定する。加圧調整部材２０２はＥリングが考えられる。
出力軸２０１の固定位置、つまり、加圧調整部材２０２の取り付ける位置は、設定すべき第１と第２の接触面の加圧力の差と、第１と第２の加圧ばねのばね剛性から定められる。

以上の本実施例の効果について説明する。
第１の加圧部材１０７ａのばね剛性が、第２の加圧部材１０７ｂのばね剛性よりも小さい場合について説明する。
第１の接触面の加圧力は第２接触面の加圧力よりも小さくなる。振動波モータを摩擦駆動した場合に、第２の接触面と比較し、加圧力の低い第１の接触面における摩擦力が小さくなり、発熱量が小さくなる。つまり、第２の部品群１００ｂと比較し、第１の部品群１００ａの温度上昇が小さくなる。
このような形態の振動波モータを図１に示すように装置筐体２０３に取り付ける場合、装置筐体２０３に囲われた側では冷却ファンなどの熱対策の実施が困難である。
そこで、自己発熱による温度上昇が小さい第１の部品群１００ａを放熱上不利な位置に配置し、自己発熱による温度上昇が大きい第２の部品群１００ｂを放熱上有利な位置に配置することにより、振動波モータ全体の温度分布の差を抑制することができる。
これにより、振動波モータの構成部材の局所的な異常昇温による耐久性低下を改善した振動波モータを実現することができる。

図７に示す本実施例の変形例を説明する。
変形例１を説明する。
本実施例の振動波モータの駆動中に接触面の加圧力を積極的に随時変化させることで、振動波モータの駆動中に周辺環境が変化に対応することができる。
具体的には、出力軸２０１と被駆動体２０４の間に加圧調整用圧電素子２０５を挟み、圧電素子２０５に通電することで出力軸２０１の軸方向位置を変化させて、２つの接触面の加圧力を同時に変化させる方法が考えられる。
より具体的には、摩擦駆動によって複数の接触面に発生する発熱による温度及び／又は周辺環境の温度を検知する温度検知センサを構成する。
そして、この温度検知センサの検知結果に基づいて加圧調整用圧電素子２０５を作動させ出力軸２０１を軸方向に変位させるようにした構成を採ることができる。また、本変形例では、出力軸の軸方向変位手段として、圧電素子を挙げたが、それに限られない。他の手段として、磁歪素子や空気圧アクチュエータ等が考えられる。
変形例２を説明する。
本実施例では、振動波モータの出力軸２０１の固定方法として、加圧調整部材２０２を用いる方法を説明した。
変形例として、振動波モータを装置筐体２０３に取り付けた後、被駆動体２０４と出力軸２０１を固定する際に、出力軸２０１の位置を、第１および第２の接触面の加圧力が等しくなる位置からずらして固定する方法が挙げられる。
変形例３を説明する。
本実施例では、ばね剛性が異なる２つの加圧部材１０７ａ、１０７ｂを使用し、且つ出力軸の位置を外力により変位させることで２つの接触面の加圧力を異ならせる方法を説明した。
変形例として、ばね剛性が等しい２つの加圧部材１０７ａ、１０７ｂを用い、予め２つの加圧部材１０７ａ、１０７ｂの撓み量を異ならせておく方法が考えられる。

変形例４を説明する。
本実施例では、２つの振動子１０１ａ、１０１ｂと２つの移動体１０４ａ、１０４ｂを備える振動波モータを説明したが、この構成に限らず、複数の加圧の方向が同一である振動波モータであればどのような構成でもよい。
変形例として、図８に示すように、１つの振動子１０１に対し２つの移動体１０４ａ、１０４ｂを持ち、２つの移動体１０４ａ、１０４ｂの軌道が同心円状である構成が挙げられる。
変形例５を説明する。
図９に示すように、本実施例の変形例４を、１つの振動子１０１に対し同心円状に配置された２つの移動体１０４ａ、１０４ｂを持つ部品群を第１部品群とし、振動子固定部材を中心に対称に折り返した構成も考えられる。
この場合では１つの振動子と４つの移動体１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを持ち、４つの接触面の加圧の方向が対向と同一のものが混在している。
この場合でも、４つの接触面の加圧力を全て同一にしておかないことにより、本発明の効果が得られる。
変形例６を説明する。
本実施例では、回転型の振動波モータの例を説明したが、この構成に限らず、複数の接触面を持ち、複数の加圧の方向が同一である振動波モータであれば直動型の振動波モータでもよい。
変形例７を説明する。
本実施例では振動子の接触面が楕円運動することによって移動体を駆動する振動波モータの例を説明したが、この構成に限らず、振動子の接触面が往復運動し、移動体を突っつくことで移動体を駆動する振動波モータでもよい。
変形例８を説明する。
本実施例では、摩擦駆動中の複数の接触面の発熱量を調整する方法として、加圧力を調整する方法を説明したが、この方法に限らない。例えば、摩擦駆動中の接触面の滑り量や滑り速度を複数の接触面で異なるようにしておくことで、複数の接触面の発熱量を調整することができる。

１００ａ、１００ｂ：部品群
１０１、１０１ａ、１０１ｂ：振動子
１０２、１０２ａ、１０２ｂ：弾性体
１０３、１０３ａ、１０３ｂ：圧電素子
１０４、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ：移動体
１０５、１０５ａ：振動減衰部材
１０６、１０６ａ：摩擦部材
１０７、１０７ａ、１０７ｂ：加圧部材
１０８、１０８ａ、１０８ｂ：加圧ばね固定部材
１０９：振動子固定部材
１１０、１１０ａ、１１０ｂ：ケース
１１１、１１１ａ、１１１ｂ：軸受
２０１：出力軸
２０２：加圧調整部材
２０３：装置筐体

Claims (6)

1. 電気−機械エネルギー変換素子が接合された弾性体を有する振動子と、前記振動子と接触する移動体を備え、前記振動子と前記移動体とが加圧部材により加圧されて複数の接触面を構成しており、
   前記電気−機械エネルギー変換素子への電気信号の印加により前記複数の接触面に生じる運動によって前記移動体を摩擦駆動し、該複数の接触面による複数の駆動力を共通の出力軸により出力させる振動波モータであって、
   前記摩擦駆動によって発生する発熱量を前記複数の接触面間で異なるように調整可能に構成されていることを特徴とする振動波モータ。
2. 前記加圧部材による加圧力を調整する加圧調整部材を備え、
   前記加圧調整部材は、前記複数の接触面間の加圧力を調整することによって、前記発熱量を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
3. １つの前記振動子及び２つの前記移動体あるいは２つの前記振動子及び１つの前記移動体と、これらをそれぞれ加圧する２つの前記加圧部材と、を備え、
   前記２つの加圧部材は前記共通の出力軸に連結され、前記出力軸の軸方向への変位によって前記２つの加圧部材の加圧力が同時に調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動波モータ。
4. 前記摩擦駆動中のモータ温度及び／又は周辺環境の温度を検知する温度検知センサと、
   前記温度検知センサの検知結果に基づいて検知された温度によって前記出力軸を軸方向に変位させる加圧調整用部材と、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の振動波モータ。
5. 前記２つの加圧部材は、前記振動子と前記移動体との接触面における加圧の方向が対向するように設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の振動波モータ。
6. 前記２つの加圧部材は、前記振動子と前記移動体との接触面における加圧の方向が同一となるように設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の振動波モータ。

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