JP5818500B2 - 振動波駆動装置とその振動体の製造方法 - Google Patents
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Description
このようなリニア型超音波モータの駆動原理について、図7を用いて説明する。図7(a)のリニア型超音波モータの外観斜視図に示されるように、リニア型超音波モータ510は、振動子501とスライダ506および振動子をスライダに加圧するための加圧部材(不図示)から構成されている。
振動子501は、圧電素子等に代表される電気−機械エネルギー変換素子505と、前記電気−機械エネルギー変換素子505の片面に接合されて一体化される振動体から構成される。
振動体は、矩形状に形成された基部502と、この基部の上面に対して凸状に形成された2つの突起部503、504とを有している。
図7(a)のモータでは、図7(b−1)、(b−2)に示す2つの曲げ振動モードを振動子501に励振させる。
この2つの曲げ振動モードはどちらも、板状の振動子501の面外方向の曲げ振動モードである。一方の振動モードは、振動子501の長手方向に2次の曲げ振動モード(Mode−A)であり、他方の振動モードは、振動子501の幅方向に1次の曲げ振動モード(Mode−B)である。
振動子501の形状は、2つの振動モードの共振周波数が一致するか、近くなるように設計される。
突起部503、504は、Mode−Aの振動において振動の節となる位置の近傍に配置されており、Mode−Aの振動によって、突起部先端面503−1、504−1は振動の節を支点として振り子運動をするため、X方向に往復運動する。
また、突起部503、504は、Mode−Bの振動において振動の腹となる位置の近傍に配置されており、Mode−Bの振動によって、突起部先端面503−1、504−1はZ方向に往復運動する。
この楕円運動により、加圧接触されたスライダ506を一方向に駆動することが出来る。
このとき、振動子501の突起部503、504とスライダ506とは、振動子501の駆動周波数(数十kHz以上)で断続接触を繰返すことになるため、一方が適切なばね特性を有していないと、良好な接触状態が得られない。
一方、突起部503、504には前述したように、X方向の振動を増幅する機能も有している。
また、特許文献2では、図8に示されるように、突起部503、504にばね性を持たせ、かつ突起部503、504を適切な形状にすることで、静寂な駆動を実現する振動アクチュエータが提案されている。
送り方向(X方向)の振動振幅を拡大させる方法の1つとして突起部の高さを高くすることが挙げられる。
しかし、特許文献2の振動子601において突起部の高さを高くすると送り方向の突起部の剛性が低くなり駆動効率が落ちると共に、上記Mode−Bである突上げモードにおいて突起部先端の振動角度を所望の値にする上で、必ずしも満足の得られないこととなる。その結果、Z方向の不要振幅が生じスライダとの接触が不安定になる。
一方、特許文献1の振動子では、突起高さを高くすると高速化を実現することが出来るものの、製造上におけるコストの点で課題を有している。
前記振動体が、基部と、バネ性を有する突起部を備え、前記突起部の運動によって前記突起部と接触する被駆動体を駆動するように構成され、
前記突起部は、
前記基部に対して面外方向に伸びる、前記被駆動体の駆動方向と直交した方向に平行に形成された2つの壁部及び前記被駆動体の駆動方向と平行に形成された2つの壁部と、
前記それぞれの各壁部の間を連結して形成された前記被駆動体との接触面を備えた接触部と、
によって構成され、
前記被駆動体の駆動方向と直交した方向に平行に形成された2つの壁部及び前記被駆動体の駆動方向と平行に形成された2つの壁部のうち、隣接している壁部同士の間には隙間があることを特徴とする。
また、本発明の振動波駆動装置における振動体の製造方法は、少なくとも、バネ性を有する突起部が形成された振動体と電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動子を備え、前記突起部と接触する被駆動体を駆動する振動波駆動装置における振動体の製造方法であって、
前記突起部と前記振動体とを一体的に形成するための一つの部材を用意し、前記部材の一部の領域に複数のスリット又は切り欠きを形成する工程と、
前記スリット又は切り欠きに挟まれた部分の一部で、前記駆動方向と直交した方向に平行な2つの壁部と前記駆動方向と平行に2つの壁部を有した前記突起部を、曲げ加工又は絞り加工を用いて形成する工程と、
を有することを特徴とする。
実施例1として、本発明の振動波駆動装置の構成について説明する。
本実施例の振動波駆動装置は、少なくとも、バネ性を有する突起部が形成された振動体と電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動子を備え、前記振動子の楕円運動によって前記突起部と接触する被駆動体を駆動するように構成される。
具体的には図1に示されるように、本実施例の振動子111は、矩形の薄板状に形成された圧電素子107と、この圧電素子107の一端面に接合されて一体化される振動体101とにより構成されている。
振動体101には、スライダ(不図示)と接触する2つの突起部109、110が設けられており、この突起部109、110を介してスライダと振動体101とが加圧接触している。圧電素子107に交流電界を印加すると、振動子111に2つの曲げ振動モードが励振され、突起部109、110の接触面には楕円運動が励振される。その結果、突起部109、110と加圧接触しているスライダは、摩擦駆動力を受け、X方向(送り方向)に駆動される。
振動体は、基部と突起部とによって形成される。そして、この突起部は基部に対して面外方向に伸びる上記被駆動体の駆動方向と直交した平行な方向に形成された2つの壁部及び上記被駆動体の駆動方向と平行な方向に形成された2つの壁部とを備える。
また、これらそれぞれの各壁部の間を連結して形成された上記被駆動体との接触面を有する接触部を備える。
具体的には、振動体101は、基部102と突起部109、110からなる。
これらの突起部109、110は、従来の技術で示した図7(b−1)と同様の2次の曲げモード(送りモード)の節部近傍に形成されている。
突起部109、110は、4つの壁部14a、14b、14c、14dと接触部16と固定部13a、13b、13c、13dからなる。
接触部16は、スライダに押圧接触される接触面を表面に形成している。壁部14a、14bは同一のZY面内にある。つまり突起部109、110は送り方向(X方向)と直交した方向(Y方向)に平行な2つの付け根を有する。
接触部16を高い位置に形成すればするほど、X方向の剛性が低下し、駆動力を十分に伝えることができない。そこで、X方向の剛性を高め、振動子が発生する推力に対する変形量が振動振幅に対して十分小さくなるように、壁部14a、14bのX方向の幅の大きさを決定する。
また、壁部14c、14dを設けることで、X方向に対する剛性を大きくすることもでき、駆動力を十分に伝えることが出来る。
また、高速化のために突起部109、110の高さを高くしても突起部109、110は壁部14a、14bによりスライダの駆動方向であるX方向の剛性が確保されているため、振動子111の駆動力を効率良くスライダに伝達することが出来る。
また、図7に示す剛体の突起部503−1、504−1が設けられている振動体501と比較し、本実施例の振動体101では突起部109、110がバネ性を有する構造に構成される。
更に、突起部109、110は、上記それぞれの各壁部を含む接触部16と基部102の間に空間を有する構造に構成される。
一般に、振動体101の板厚が小さいほど、曲げ剛性が小さくなるので、本実施例の形態にすることで、突上げモードでの曲げ剛性が小さくなり、その結果電力効率を高くすることが出来る。
本実施例では、振動体の材質としてステンレス材料、特に耐摩耗性の高いSUS420J2やSUS440Cなどを用いている。
突起部109、110は板材からプレス加工等により別体で成形する。基部102は平板を用いる。
突起部109、110を基部102に位置決めした後、突起部109、110と基部102の接触している固定部13a、13b、13c、13dをレーザー溶接や接着等で接合することにより、振動体101を製作する。
以上の本実施例の構成によれば、突起部が送り方向と平行な方向に2つの壁部を有し、また送り方向と垂直な方向に2つの壁部を有することで、突起部を高くしても突上げモードの際、突起部の接触部を圧電素子と同じ方向に変位させることができる。
これにより、スライダと安定接触することができ、モータの高速化が可能となる。
図2を用いて、本発明における実施例2の構成例について説明する。振動体201には、スライダ(不図示)と接触する2つの突起部209、210が設けられており、この突起部209、210を介してスライダと振動体201とが加圧接触している。圧電素子(不図示)は、実施例1と同様に振動体201の突起部209、210とは反対側の面に接着されている。
圧電素子に交流電界を印加すると、振動子に2つの曲げ振動モードが励振され、突起部209、210の接触面には楕円運動が励振される。その結果、突起部209、210と加圧接触しているスライダは、摩擦駆動力を受け、X方向(送り方向)に駆動される。
そして振動体201は、このような貫通穴21が設けられた平板状の基部202と、突起部209、210とからなる。
これらの突起部209、210は、従来の技術で示した図7(b−1)と同様の2次の曲げモード(送りモード)の節部近傍に形成されている。
ここで、突起部209、210は、4つの壁部24a、24b、24c、24dと接触部26とからなる。接触部26は、スライダに押圧接触される接触面を表面に形成している。壁部24a、24bは同一のZY面内にある。つまり突起部209、210は送り方向(X方向)と直交した方向(Y方向)に平行な2つの付け根を有する。本実施例においても実施例1と同様に、X方向の剛性を高め、振動子が発生する推力に対する変形量が振動振幅に対して十分小さくなるように、壁部24a、24bのX方向の幅の大きさを決定する。
壁部24c、24dを設け接触部26を支えることで、突上げモードを励振した際、接触部26下の圧電素子のZ方向の変位方向と同じ方向に接触部26が変位し安定した駆動をさせることが出来る。
壁部24c、24dを設けることで、X方向に対する剛性を大きくすることもでき、駆動力を十分に伝えることが出来る。
また、図7に示す剛体の突起部503−1、504−1が設けられている振動体501と比較し、本実施例の振動体201では突起部209、210がバネ性を有する構造に構成される。
更に、突起部209、210は、上記それぞれの各壁部を含む接触部26と圧電素子の間に空間を有する構造に構成される。
一般に、振動体の板厚が小さいほど、曲げ剛性が小さくなるので、本実施例の形態にすることで、突上げモードでの曲げ剛性が小さくなり、その結果電力効率を高くすることが出来る。
本実施例では、振動体の材質としてステンレス材料、特に耐摩耗性の高いSUS420J2やSUS440Cなどを用いている。
突起部209、210と基部202は平板部材から一体的に成形する。突起部209、210は、平板から絞り加工により成形する。
図3、図4を用いて、本発明における実施例3の構成例について説明する。
振動体301には、スライダ(不図示)と接触する2つの突起部309、310が設けられており、この突起部309、310を介してスライダと振動体301とが加圧接触している。圧電素子(不図示)は、実施例1と同様に振動体301の突起部309、310とは反対側の面に接着されている。
圧電素子に交流電界を印加すると、振動子に2つの曲げ振動モードが励振され、突起部309、310の接触面には楕円運動が励振される。その結果、突起部309、310と加圧接触しているスライダは、摩擦駆動力を受け、X方向(送り方向)に駆動される。
振動体301は、複数に分断された平板状の基部302と突起部309、310からなる。つまり、振動体301の接触部36下には貫通穴31があり、突起部309、310を取り除いた時に基部302が複数に分かれるように複数の切り欠き部32が設けられている。切り欠き部32によりX方向と平行な基部の端部が分離し、Y方向と平行な基部の端部に切り欠き部は存在しない。
これらの突起部309、310は、従来の技術で示した図7(b−1)と同様の2次の曲げモード(送りモード)の節部近傍に形成されている。突起部309、310は、4つの壁部34a、34b、34c、34dと接触部36とからなる。接触部36は、スライダに押圧接触される接触面を表面に形成している。
壁部34c、34dは壁部34a、34bと直交した方向に形成している。実施例1と同様に、壁部34a、34bのみでは、上記した突上げモードを励振した際、接触部36下の圧電素子のZ方向の変位方向と反対方向に接触部36が変位し安定した駆動をさせることが出来ない。
壁部34c、34dを設け接触部36を支えることで、突上げモードを励振した際、接触部36下の圧電素子のZ方向の変位方向と同じ方向に接触部36が変位し安定した駆動をさせることが出来る。壁部34c、34dを設けることで、X方向に対する剛性を大きくすることもでき、駆動力を十分に伝えることが出来る。
更に、突起部309、310は、上記それぞれの各壁部を含む接触部36と圧電素子の間に空間を有する構造に構成される。
一般に、振動体の板厚が小さいほど、曲げ剛性が小さくなるので、本実施例の形態にすることで、突上げモードでの曲げ剛性が小さくなり、その結果電力効率を高くすることが出来る。図2に示す構成にしつつ、スライダにバネ性を持たせることで振動子とスライダは良好な接触状態を実現できる。
本実施例では、振動体の材質としてステンレス材料、特に耐摩耗性の高いSUS420J2やSUS440Cなどを用いている。
作製する振動体301の全長よりも寸法が大きな平板を用意し、図3(b)に示すように、切り欠き部やスリットを設け、同一の突起部の各壁部に隣接する基部がお互いに接しないようにする。
前記切り欠き部の加工は、エッチングやプレス加工による打抜き等により行い、その後、突起曲げ部39a、39b、39c、39dを曲げ加工することにより突起部309、310を平板から一体で成型する。加工後の形状は図3(a)となり、切欠き部の一部は幅の狭いスリットとなる。
このように、スリット又は切り欠きに挟まれた部分である基部の一部を曲げ加工で突起部309、310を成形することで、加工前と加工後の突起部309、310の板厚をほぼ変えることなく加工が可能となる。
その結果、板の高い伸び率が求められる絞出し加工や鍛造等と違い、作製できる突起部309、310の高さや形状の制約が少なくなる。また絞り加工と比べ突起部の板厚の減少が少なく剛性の大きい壁部34a、34b、34c、34dを成型することが出来る。
振動子を支持するために振動体に支持部を一体で設ける場合は、振動体の振動を抑制しないように支持部を振動の節近傍に設ける。従来例の図7のモード図に示されるように、送りモードの振動の節は振動体のXZ面に平行な各端部に3か所、突上げモードの振動の節は振動体のYZ面に平行な各端部に2か所ある。振動体から支持部の腕部を延出する位置は送りモードの振動の節でも突上げモードの振動の節でもよい。振動体と支持部の固定部をつなぐ腕部は1つでも2つでもよい。
支持部303の腕部39を振動体301の各端部から1本延出させる場合は、送りモードにおいて振動の節近傍に位置する、XZ面に平行な振動体301の端部の中央から支持部303の腕部39を延出することができる。これにより、支持部303の2つの腕部39間が曲げ加工前後で一定に保たれ、支持部303の一部が湾曲することを回避出来る。この時、X方向に関して振動子の小型化が実現でき、X方向に関して、振動子サイズの制約が小さくなる。
図4(a)に示す振動体形状は、本実施例で示した図3(a)とは、基部302に設けられる複数の切り欠き部32の位置が異なり、切り欠き部32によりYZ面に平行な基部302の端部が分離し、XZ面に平行な基部302の端部に切り欠き部はない。図4(a)に示す振動体形状は、図4(b)に示す形状から、前述した方法と同様に加工出来る。
支持部303の腕部39を振動体301の各端部から1本延出させる場合は、送りモードにおいて振動の節近傍に位置する、XZ面に平行な振動体301の端部の中央から支持部の腕部39を延出する。この時、X方向に関して振動子の小型化が実現でき、X方向に関して、振動子サイズの制約が小さくなる。
14a、14b、14c、14d:壁部
16:接触部
101:振動体
102:基部
107:圧電素子
109、110:突起部
111:振動子
Claims (9)
- 少なくとも、振動体と電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動子を備え、
前記振動体が、基部と、バネ性を有する突起部を備え、
前記突起部の運動によって前記突起部と接触する被駆動体を駆動するように構成され、
前記突起部は、
前記基部に対して面外方向に伸びる、前記被駆動体の駆動方向と直交した方向に平行に形成された2つの壁部及び前記被駆動体の駆動方向と平行に形成された2つの壁部と、
前記それぞれの各壁部の間を連結して形成された前記被駆動体との接触面を備えた接触部と、
によって構成され、
前記被駆動体の駆動方向と直交した方向に平行に形成された2つの壁部及び前記被駆動体の駆動方向と平行に形成された2つの壁部のうち、隣接している壁部同士の間には隙間があることを特徴とする振動波駆動装置。 - 前記突起部は、前記壁部、及び前記接触部に囲まれた空間を有する中空構造に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の振動波駆動装置。
- 前記突起部と前記電気−機械エネルギ変換素子に挟まれた前記基部の一部の領域に、貫通穴が設けられ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。
- 前記突起部が、該基部を構成する一つの部材から一体的に形成され、
前記基部は、複数のスリット又は切り欠きを有し、
前記それぞれの各壁部に隣接する前記基部がお互いに接することなく構成されていることを特徴とする請求項1または3に記載の振動波駆動装置。 - 前記突起部の運動は、楕円運動であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の振動波駆動装置。
- 前記突起部の運動は、前記振動体に励起される2つの曲げ振動によるものであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の振動波駆動装置。
- 前記2つの曲げ振動は、前記電気−機械エネルギ変換素子に電圧が印加されることで励起されることを特徴とする請求項6に記載の振動型駆動装置。
- 少なくとも、バネ性を有する突起部が形成された振動体と電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動子を備え、前記突起部と接触する被駆動体を駆動する振動波駆動装置における振動体の製造方法であって、
前記突起部と前記振動体とを一体的に形成するための一つの部材を用意し、前記部材の一部の領域に複数のスリット又は切り欠きを形成する工程と、
前記スリット又は切り欠きに挟まれた部分の一部で、前記駆動方向と直交した方向に平行な2つの壁部と前記駆動方向と平行に2つの壁部を有した前記突起部を、曲げ加工又は絞り加工を用いて形成する工程と、
を有することを特徴とする振動体の製造方法。 - 前記被駆動体は、前記振動子の突起部の楕円運動によって駆動されることを特徴とする請求項8に記載の振動体の製造方法。
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