JP5791237B2 - 振動型駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動型駆動装置に関する。特に、異なる振動モードの振動を組み合わせることにより振動子と被駆動体を相対移動させる振動型駆動装置に関する。

異なる振動モード（形状）の振動を組み合わせるタイプの振動子を用いた振動型駆動装置において、出力の確保のために複数の振動子を配する形態が提案されている。特許文献１では、振動子長手方向の伸縮振動モードと面外曲げ振動モードとを組み合わせた振動を生成する振動子を同心円上に複数配置し、複数の振動子に加圧接触する被駆動体を複数の振動子に対して相対的に回転させる形態について開示している。

特開２００６−１５８０５４号公報

異なる２つの振動モードの振動を組み合わせるタイプの振動子を用いた振動型駆動装置において、出力の確保のために複数の振動子を配する場合、動作寿命の低下が課題となる。振動型駆動装置の動作の寿命は、振動子の接触部が接触する被駆動体の摺動領域の摩耗に依存している場合がある。

特許文献１の振動型駆動装置においては、被駆動体の回転角度は特に制限されておらず、被駆動体は所望の回転角度に回転する。また、特許文献１の振動型駆動装置の場合、複数の振動子に対して被駆動体の摺動領域は同一の個所となっている。そのため、単一の振動子で駆動している場合と比較して、振動子の個数が増加するのに略比例して被駆動体の摺動領域の摩耗量が増加する。よって、振動型駆動装置の寿命が早く低下する可能性がある。また、摺動領域のある一部の領域の摩耗量だけが他の部位と比較して多い場合に関しても、この一部の領域の摩耗量が限界に達することで、他の領域は性能を維持しているにも関わらず寿命に達してしまう可能性がある。

図１４は、上記した局所的な摩耗状態を模式的に示したものである。１つの被駆動体５の同一面上に不図示の２つの振動子の接触部が加圧接触されている例を用いて説明する。図１４（ａ）では、被駆動体５における２つの振動子各々との摺動領域をハッチングで表わし、摺動領域Ａ１，Ａ２として示している。摺動領域Ａ１，Ａ２は被駆動体５の略中央付近で重なっている。振動型駆動装置の駆動により生じる被駆動体５の摩耗状態の断面模式図を図１４（ｂ）に示す。摺動領域Ａ１のみの箇所での断面をＣ１、摺動領域Ａ２のみの箇所での断面をＣ２、摺動領域Ａ１，Ａ２が重なる位置での断面をＣ３としている。Ｃ１，Ｃ２部はそれぞれ１つの振動子と摩擦接触するのに対して、Ｃ３部は２つの振動子と摩擦接触することになる。このためＣ３部はＣ１，Ｃ２部と比較すると略２倍の摩耗が生じる。Ｃ３部が限界まで摩耗すると振動型駆動装置は寿命に達してしまう。

よって、本発明は、複数の振動子を用いた場合に、被駆動体の摺動領域における摩耗量の増加を避け、振動型駆動装置の動作寿命の低下を抑制することを目的とする。

本発明の振動型駆動装置は、異なる振動モードの振動を組み合わせることにより接触部が楕円運動を行う複数の振動子と、前記接触部に接触する摺動領域を有し前記複数の振動子と相対移動する被駆動体と、を備える振動型駆動装置であって、前記複数の振動子は、前記被駆動体の相対移動する方向の異なる位置で、且つ前記相対移動する方向と直交する方向の異なる位置、に夫々配置されることで、前記振動子毎の摺動領域が互いに重ならないように駆動されることを特徴とする。

複数の振動子を用いた場合に、被駆動体の摺動領域の摩耗が進むことを避け、振動型駆動装置の寿命低下を抑制することができる。

本発明の実施形態１の振動型駆動装置の斜視図。 本発明の実施形態１の振動型駆動装置の平面図。 本発明の実施形態１が適用できる振動子の振動モードを表わす斜視図。 本発明の実施形態１の変形例を表わす振動型駆動装置の斜視図。 本発明の実施形態２の振動型駆動装置の斜視図。 本発明の実施形態２の振動型駆動装置の平面図。 本発明の実施形態３の振動型駆動装置の斜視図。 本発明の実施形態３の振動型駆動装置の側面図。 本発明の実施形態４の振動型駆動装置の斜視図。 本発明の実施形態４の振動型駆動装置の平面図。 本発明の実施形態５の振動型駆動装置の斜視図。 本発明の実施形態５の振動型駆動装置の平面図。 本発明の実施形態５における変形例を表わす振動型駆動装置の平面図。 本発明の課題を表わす模式図。 本発明の適用できる振動子の形状及び振動モードを表わす模式図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。

（実施形態１）
本実施形態では、連続的な回転駆動動作ではなく、所望の回転角度の往復動作が必要な機器へ適用される振動型駆動装置について説明する。例えばレンズ駆動機構における円筒形状回転カムの回転動作によるレンズの直動機構や、回転動作による絞りの駆動等に用いられる。

図１は、本発明の実施形態１における振動型駆動装置１０の主要部の構成を示す斜視図である。図１の振動型駆動装置１０は、３個の振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３と、振動子ユニットを保持する保持部材４と、振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３に対して加圧接触状態で保持される被駆動体５とを備える。振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は全て同一の形状であり、振動子ユニットは振動子１と振動子１を保持部材に連結する連結部材３とで構成される。振動子１は、被駆動体５との接触部として２つの突起部を有する板状の弾性体からなる振動板６と、振動板６に接合した略矩形形状の電気−機械エネルギー変換素子７とを備える。また、振動子１には、電気−機械エネルギー変換素子７と外部との電気的な接続を行う不図示のフレキシブルプリント基板が設けられている。電気−機械エネルギー変換素子としては、圧電素子や電歪素子と呼ばれる素子を用いることができる。

ここで、図３を用いて本実施形態の振動子１に励起される２つの振動モード（形状）の振動について説明する。本実施形態では、振動子１の電気−機械エネルギー変換素子７に交流電圧を印加して振動子１に２つの面外曲げ振動モード（ＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂ）を励振する。ＭＯＤＥ−Ａは、振動子１の長手方向である図中Ｘ軸方向に平行に２つの節が現れる一次の面外曲げ振動モードである。ＭＯＤＥ−Ａの振動により、突起部２−１、２−２には、被駆動体と接触する面と垂直な方向（Ｚ軸方向）に変位する振幅が励起される。ＭＯＤＥ−Ｂは振動子１の図中Ｙ軸方向に略平行に３つの節が現れる二次の面外曲げ振動モードである。ＭＯＤＥ−Ｂの振動によって、突起部２−１、２−２には、被駆動体と接触する面と平行な方向（Ｘ軸方向）に変位する振幅が励起される。

これら二つの振動モードを組み合わせることで接触部である突起部２−１，２−２の上面に略ＸＺ面内の楕円運動が発生し、Ｘ軸方向に略一致する方向に被駆動体を相対移動させる力が発生する。ただし、本発明は上記した振動子の構成に限定されず、他の面外曲げ振動モードの振動を励起する振動子でも良く、また、図１５に示すような他の振動モードを励起する構成の振動子を用いても良い。図１５（ａ）に示す振動子１は略直方体形状であり、振動子１には、図１５（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に伸縮する一次の伸縮振動モード（ＭＯＤＥ−Ａ）と、Ｙ軸方向に略平行に３つの節が現れる二次の面外曲げ振動モード（ＭＯＤＥ−Ｂ）と、が励起される。この２つの異なる振動モードの重ね合わせにより、突起部２−１，２−２の上面に略ＸＺ面内の楕円振動が生成される。よって、このように図１５の振動子を動作させることで、図３に示した振動子と同様に本発明に適用することができる。

図１に戻り、本実施形態の振動型駆動装置の構成について説明する。連結部材３は保持部材４に対して振動子１を所望の位置に固定する用途を成す。被駆動体５は円環状に形成されており、図中下部の底面側はＸＹ面に平行となるようにフラットに形成されている。この底面が振動子１と接触する。被駆動体５は円環状の中心軸（以下、中心軸）回りに回転可能となるように、不図示のガイド部材で他の軸回りや直線移動が規制されている。

図２に示すように、３個の振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は中心軸に対して略同心円上で、且つ円周を略３等分する位置に配置される。各振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、被駆動体５との接触面を有する突起部２−１，２−２の上面がＸＹ面に平行となるように保持部材４に固定される。

また、本実施形態においては、振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３と被駆動体５との相対移動量を規定するため機械的に動作範囲を制限する制限部材を設けている。具体的には、保持部材４の外周側に２箇所の回り止め２２が形成され、被駆動体５には突起２１が形成されている。突起２１は回り止め２２で挟まれる範囲内で移動可能となっている。つまり、回り止め２２と突起２１とが被駆動体の相対移動の範囲を機械的に制限する制限部材として機能する。

図２において、振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３の位置や形状が明示できるように被駆動体５は輪郭のみを鎖線で表わしている。各振動子と接触する被駆動体５の摺動領域は、各振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３に対応して、摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３として図２中ハッチングで表わす。本実施形態においては、摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３が重ならず各々円周方向に独立した（円周方向に位置が異なった）摺動領域となるように、振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３と被駆動体５との相対移動量θ（回転角度）が規定されている。

ただし、本発明は、制限部材のような機械的な構造で相対移動量θを制限する形態に限定されない。本実施形態の変形例としては、例えば、回転量を検出することにより得られる検出信号に応じて相対位置を規定する構成が考えられる。図４は、相対移動量θを電気的に検出する検出部材を備えた振動型駆動装置の例（実施形態１の変形例）を示した模式図である。図４においては、被駆動体５の上面側に被駆動体５と離間して光学式エンコーダの検出ヘッド２３が配置され、この検出ヘッドと対向して被駆動体５の上面に光学式エンコーダのスケール２４が配されている。検出ヘッド２３は保持部材４の外周側から延出する光学ヘッド保持部２５により固定されている。本変形例では、検出部材である光学式エンコーダの検出信号から被駆動体５の相対位置情報が得られ、この相対位置情報に基づき被駆動体５の相対移動の範囲を規定し、摺動領域が重ならないよう制御すると良い。相対位置情報を得るための検出部材は上記以外にも磁気方式等、任意の方式や形態のものを選択可能である。

以上、説明したように本実施形態においては、振動子毎の摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３が重ならならずに位置が異なるよう、相対移動の範囲を規制することで、摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の各領域は摩耗が略均等に生じる。摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の夫々が一部重なっている場合と比較して、略２倍の駆動寿命を得ることができる。本実施形態の振動型駆動装置を用いる機構においては、摺動領域が重ならないよう所望の相対移動量θに基づいて設計を行えばよい。また、上記した振動型駆動装置１０では振動子ユニットを３個としていたが、本発明において、個数はこれに限定する必要はない。必要なトルク等に応じて振動子ユニットは２個以上の任意の個数を用いることができる。

（実施形態２）
本実施形態では、連続的な回転駆動用に適用される振動型駆動装置について説明する。図５は、本発明の実施形態２における振動型駆動装置１０の主要部の構成を示す斜視図である。図１に示した実施形態１における振動型駆動装置と同様の箇所の説明は略し、異なる箇所のみを説明する。図６は、図５に示す振動型駆動装置１０の平面図であり、振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３の位置や形状が理解できるように被駆動体５は輪郭のみを鎖線で表わしている。被駆動体５における摺動領域は各振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３に対応してＡ１，Ａ２，Ａ３で表わしている。振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は円周を略３等分する位置であり、中心軸から各振動子の突起部までの距離が各々異なる値となるように保持部材４上に配置される。つまり、振動子毎の摺動領域は重ならないよう半径方向に夫々位置が異なっており、中心軸から各振動子の突起部までの距離は、摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３が互いに重ならない値が選択される。

よって、本実施形態においては、摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３が互いに重ならずに位置が異なっているため、各摺動領域は摩耗が略均等に生じる。３つの摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３が重なるように振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３が配置されている状態と比較すると、被駆動体５の摺動領域の摩耗量は略１／３となり、動作寿命の向上する。また、実施形態１と同様に、振動子ユニットの個数は３個に限定する必要はない。必要なトルク等に応じて振動子ユニットは２個以上の任意の個数を用いれば良い。更に、図６において、振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は円周を略３等分する位置に配置したが、本実施形態において振動子ユニットの円周方向における位置はこれに限定されず、任意の位置に配置すると良い。

（実施形態３）
本実施形態の振動型駆動装置は、実施形態１、２と異なり、振動子が被駆動体の側面に配置される。図７は、本発明の実施形態３における振動型駆動装置１０の構成を概略的に示す斜視図である。本実施形態において被駆動体５は略円筒形状であり、被駆動体５の摺動領域は外周側の側面に形成される。被駆動体５は保持部材４に対して円筒形状の中心軸回りに相対的に回転可能に保持されており、他の軸回りや並進移動は拘束されている。

振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は被駆動体５との接触部となる突起部の上面が被駆動体５の外周側面に接するように保持部材４に固定される。振動子の構成は実施形態１、２と同様である。図８は、図７に示す振動型駆動装置１０の側面図であり、振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３の配置箇所及び被駆動体５の摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３が確認できるように、保持部材４を除去して図示している。被駆動体５における摺動領域は、各振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３に対応してＡ１，Ａ２，Ａ３で表わしている。

振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、円周を略３等分する位置であり、被駆動体５の円筒形状の中心軸方向（図中Ｚ方向であり回転軸方向と同義）に各々異なる位置となるように配置される。この中心軸方向における位置は、図８に示すように被駆動体５における摺動領域Ａ１，Ａ２，Ａ３が互いに重ならない値が選択されている。つまり、本実施形態において、振動子毎の摺動領域が重ならないよう回転軸方向に夫々位置が異なっているため、各摺動領域は摩擦が略均等に生じる。また、実施形態１、２と同様に、振動子ユニットの個数は３個に限定する必要はない。必要なトルク等に応じて振動子ユニットは２個以上の任意の個数を用いれば良い。更に、振動子ユニットＳ１，Ｓ２，Ｓ３は円周を略３等分する位置に配置したが、本実施形態において振動子ユニットの円周方向における位置はこれに限定されず、任意の位置に配置すると良い。

（実施形態４）
本実施形態では、実施形態１〜３と異なり、複数の振動子に対して被駆動体を相対的に直線移動（並進運動）させる形態について説明する。図９は、実施形態４における振動型駆動装置１０の主要部の構成を示す斜視図である。２つの振動子ユニットＳ１，Ｓ２は図中Ｘ方向（直線移動の方向）に略一列に並べて配置され、保持部材４に固定されている。振動子の構成は実施形態１〜３と同じである。本実施形態において被駆動体５は略直方体形状であり、Ｘ方向に延びている。被駆動体５は振動子ユニットＳ１，Ｓ２に対してＸ方向に相対移動する。被駆動体５はＸ方向の並進自由度のみが生じるように不図示のガイドで保持されている。

図１０は、図９に示す振動型駆動装置１０の平面図であり、被駆動体５と振動子ユニットＳ１，Ｓ２の位置関係が確認できるように図示している。２つの振動子ユニットＳ１，Ｓ２のＸ方向の間隔は、必要なストロークの直線移動を行ったときに摺動領域Ａ１，Ａ２が重ならないように決められている。各摺動領域が重ならないよう、振動子毎に位置を異ならせる方法は、実施形態１で示したように、被駆動体の相対移動量を制限する制限部材を設けてもよい。また、検出部材により被駆動体の相対位置情報を取得して相対移動の範囲を規定しても良い。

以上説明したように、本実施形態においては、各摺動領域は振動子毎に直線移動の方向に位置が異なり互いに重ならないため、各摺動領域は摩耗が略均等に生じる。また、振動子ユニットの個数は２個に限定する必要はない。必要なトルク等に応じて振動子ユニットは２個以上の任意の個数を用いれば良い。

（実施形態５）
本実施形態では、実施形態４と同様に、複数の振動子に対して被駆動体を相対的に直線移動させる形態について説明する。実施形態４とは、直線移動と垂直な方向における振動体ユニットの配置位置が異なる。

図１１は、実施形態５における振動型駆動装置１０の構成を概略的に示す斜視図である。図１２は、図１１に示す振動型駆動装置１０の平面図であり、被駆動体５と振動子ユニットＳ１，Ｓ２の位置関係が確認できるように図示している。本実施形態において被駆動体５は、２つの振動子ユニットＳ１，Ｓ２に対してＸ方向に相対的に直線移動する。振動子ユニットＳ１とＳ２はＹ方向（直線移動と垂直な方向）に並べて保持部材４上に配置される。被駆動体５は、Ｙ方向に並んだ２つの振動子ユニットＳ１，Ｓ２と接触する摺動領域が確保できるＸ，Ｙ方向寸法を持つよう直方体形状に形成される。

このように振動子ユニットを配置することで、被駆動体５における２つの摺動領域Ａ１，Ａ２は位置が異なり互いに重ならないため、各摺動領域は摩耗が略均等に生じる。また、振動子ユニットの個数は２個に限定する必要はない。必要なトルク等に応じて振動子ユニットは２個以上の任意の個数を用いれば良い。更に、図１２では、２つの振動子ユニットＳ１，Ｓ２はＹ方向に並べて配置したが、摺動領域Ａ１，Ａ２が重ならなければ、上記形態に限定されない。例えば、図１３に示すように振動子ユニットＳ１，Ｓ２を直線移動方向及び直線移動と垂直な方向にずらして配置しても良い。図１３のように配置することで、直線移動と直交する方向の被駆動体の寸法を抑えることができる。

１ 振動子
３ 連結部材
４ 保持部材
５ 被駆動体
６ 振動板
７ 電気−機械エネルギー変換素子
１０ 振動型駆動装置
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 振動子ユニット

Claims (5)

1. 異なる振動モードの振動を組み合わせることにより接触部が楕円運動を行う複数の振動子と、前記接触部に接触する摺動領域を有し前記複数の振動子と相対移動する被駆動体と、を備える振動型駆動装置であって、
   前記複数の振動子は、前記被駆動体の相対移動する方向の異なる位置で、且つ前記相対移動する方向と直交する方向の異なる位置、に夫々配置されることで、前記振動子毎の摺動領域が互いに重ならないように駆動されることを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記被駆動体は、前記複数の振動子と相対的に回転し、前記振動子毎の摺動領域は中心軸より半径方向の異なる位置に夫々配置されてい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. 前記被駆動体は、前記複数の振動子と相対的に直線移動し、前記振動子毎の摺動領域は前記直線移動の方向と垂直な方向に夫々位置が異なっていることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
4. 前記被駆動体の相対移動の範囲が機械的に規定されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
5. 前記被駆動体の相対移動の範囲を機械的に制限する制限部材を有することを特徴とする請求項４に記載の振動型駆動装置。

Images