JP5843498B2 - 振動波モータ - Google Patents

Description

本発明は、振動体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、特に回転型の振動波モータの冷却効果を向上させる技術に関するものである。

近年、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、さらに小型化、大出力化が求められている。
小型化・大出力化を図るうえで、振動波モータの発熱および温度上昇に対する対策は重要である。
それは、つぎのような理由による。振動波モータに投入される入力エネルギーのうち、出力エネルギーにならない損失エネルギー分は、熱エネルギーに変換される。しかし、振動波モータが小型化・大出力化していくと、体積あたりの損失エネルギー発生量、表面積あたりの損失エネルギー発生量が大きくなる。
それらが、振動波モータの構成部材の機能を劣化させ、性能へ影響を及ぼすほどの温度上昇を生じることから、振動波モータの発熱および温度上昇に対する対策は重要となる。

このような問題に対し、特許文献１では、移動体と一体で回転する冷却ファンを備えた振動波モータが提案されている。
また、特許文献２では、移動体と一体で回転する放熱フィンが冷却ファンを兼ねた振動アクチュエータが提案されている。

特開平０３−２５３２７０号公報 特開平０９−０６５６７３号公報

しかしながら、上記従来技術では、振動波モータのさらなる小型化、高出力化に対して、振動波モータの冷却効果が必ずしも満足の得られるものではなく、その改善が求められている。

本発明は、上記課題に鑑み、従来のものよりも更に冷却効果の向上を図ることが可能となる振動波モータを提供することを目的とする。

本発明の一様態は、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と、が円環状に形成された構成を備え、
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り前記振動子の前記移動体との接触部に生じる運動によって前記移動体を摩擦駆動する振動波モータであって、前記振動子と前記移動体とは摩擦部材を介して接触しており、
前記振動子と前記移動体とで構成された円環の外周部及び内周部の少なくとも一方に設けられた遠心ファンを有し、該遠心ファンが前記移動体と一体となって回転するように構成され、前記円環状の軸を有する断面において、前記遠心ファンは、回転時、前記弾性体及び前記移動体両方の、前記接触部を含む少なくとも一部に対向する領域を通過するように構成される振動波モータに関する。

本発明によれば、従来のものよりも更に冷却効果の向上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における振動波モータの構成を説明する斜視図。 本発明の実施例１における外部ファンを取り外した振動波モータの斜視図。 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における振動波モータの構成を説明する斜視図。 本発明の実施例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３における外部ファンおよび移動体を取り外した振動波モータの斜視図。 （ａ）は本発明の実施例４における振動波モータの構成を説明する断面図。（ｂ）は実施例４の変形例における振動波モータの断面図。

本発明の実施形態における振動波モータについて説明する。
本実施形態における振動波モータは、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、振動子と接触する移動体とを備え、これらが円環状に形成される。
そして、前記振動子と移動体とを接触させ、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り前記振動子の前記移動体との接触部に生じる運動（円運動、楕円運動も含む）によって前記移動体を摩擦駆動するように構成される。その際、前記振動子と移動体とで構成された円環の外周部及び／又は内周部に遠心ファンを設け、これを移動体と一体となって回転させ、振動波モータの回転径方向に空気の流れを発生させ、接触部を直接空冷することを可能に構成する。これにより、振動波モータの駆動中の温度分布において、最も高温になる接触部を直接空冷することにより冷却効率を上げ、振動波モータの温度上昇を抑制し、その性能劣化を低減することが可能となる。
また、上記遠心ファンと移動体とを、一体的に構成することで、さらに遠心ファンの冷却効果を向上させることができる。

本発明は、振動子と移動体との接触部における磨耗を抑制する為、又は移動体に振動子の振動を効率良く伝達する為に、振動子と移動体との間に摩擦部材を設けることができる。そして摩擦部材を設ける場合には、当該摩擦部材と遠心ファンとを一体的に構成することで、さらに遠心ファンの冷却効果を向上させることができる。
さらに摩擦部材と遠心ファンとを（好ましくは所定の機械強度を有する熱の良導体からなる）同一部材で一体的に構成することにより熱の伝達効率を向上させることができる。そして、接触部で発生した摩擦熱を、冷却用遠心ファンの羽根に効率良く熱伝導により伝え、羽根が放熱フィンとしての役割を果たして羽根表面から外気へ熱伝達により伝えることができる。
そのため、遠心ファンは回転により発生する空気の流れにより、羽根から外気への熱伝達をより一層促進することが可能となる。
また、外周部及び／又は内周部に設けられた遠心ファンと摩擦部材とを、一体的に構成し、移動体を構成する振動減衰部材に接合することで、異音を低減することができる。この場合にも、遠心ファンと摩擦部材とを同一部材（好ましくは所定の機械強度を有する熱の良導体）で構成することにより熱の伝達効率をより向上させることができる。
すなわち、移動体は摩擦部材を介して振動子に接触して摩擦駆動されるため、摩擦部材は振動子から駆動振動を受けるが、ファンの羽根と摩擦部材が同一部材で一体的に構成されていると、ファンの羽根が摩擦部材と一体で振動し、異音を発生する場合が生じる。
しかし、これらを上記振動減衰部材に接合することにより、ファンの羽根への振動が遮断され、ファンの羽根による異音を低減することができる。

本発明においては、必要に応じて弾性体の移動体との接触側に振動変位拡大用の複数の突起を設けることができる。このような複数の突起を設けた場合には、複数の突起部間の間隙（溝という場合もある）の数と遠心ファンを構成する羽根の数が、互いに整数倍とならないように構成することで、更に遠心ファンの冷却効果を向上させることができる。以下に、その理由を説明する。
遠心ファンの冷却効果を向上させるために風量を増加させると、振動子に設けられた突起間の間隙（突起間の溝）を通過する空気の流れと、ファンの羽根の間を通過する空気の流れの位置関係によって、周期的に空気の流れが変化し、異音が発生する場合がある。
さらに、この周期的な空気の流れの変化は、複数の溝、羽根において同時に発生すると考えられ、同時に多数の空気の流れが変化すると、異音の音圧レベルは増加する。
その際、溝の数と羽根の数とが互いに整数倍でないように構成することにより、周期的な空気の流れの変化が、同時に起きることを低減することができる。
更に、上記溝と上記羽根の数を、互いに素にすることにより、さらに遠心ファンの冷却効果を向上させることができる。本発明において、上記「互いに素」とは、前記複数の突起部間の間隙の数と前記遠心ファンを構成する羽根の数とが、１と−１以外に共通の約数を持たないように構成されることを意味する。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した振動波モータの構成例について、図１、図２及び図３を用いて説明する。
本実施例の振動波モータは、図１に示されているように、振動子１００、移動体１０１、振動子固定部材１１３、ベアリング１１４、出力シャフト１１２を備える。
更に、加圧手段１１５、複数の羽根２０１から成る外部冷却用遠心ファン（以降、外部ファン）２００を備える。

つぎに、外部ファン２００以外の部品および振動波モータの駆動原理について説明する。
まず、振動子１００について説明する。
振動子１００は、金属からなる弾性体１０２と弾性体１０２に接着された圧電素子１０５により円環状に構成されている。
圧電素子１０５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。
弾性体１０２の圧電素子接着面の反対面には、駆動方向の振幅を拡大するための突起１０３が形成されている。この突起間には溝１０４が形成される。
次に、移動体１０１について説明する。
移動体１０１は、金属からなる振動減衰部材１０８に接着された摩擦部材１０６により円環状に構成されている。
摩擦部材１０６は断面がＬ字形状をしており、摩擦部材１０６の先端が振動子１００の突起１０３に接触している。
次に、加圧手段１１５について説明する。
加圧手段１１５は、金属からなる加圧ゴム１０９、加圧ばね１１０、加圧ばね固定部材１１１により円環状に構成されている。
加圧ばね固定部材１１１は出力シャフト１１２に嵌合している。加圧ばね１１０は加圧ばね固定部材１１１に固定され、加圧ゴム１０９を介して移動体１０１と振動子１００を加圧接触させる。
加圧ばね１１０は、図２、図３に示すように、放射状の板ばねで形成されている。
次に、その他の部材について説明する。
振動子固定部材１１３は振動子１００をカシメによって固定している。出力シャフト１１２は振動子固定部材に保持されたベアリング１１４とすべり軸受け１１６によって保持され、回転自由になっている。

駆動原理について説明する。
圧電素子１０５に交流電圧を印加することにより、振動子１００に進行波が励起される。振動子１００の突起１０３と摩擦部材１０６が接触部１０７にて加圧接触しているため、移動体１０１は摩擦により回転する。
移動体１０１が回転すると、その回転力は加圧ゴム１０９、加圧ばね１１０、加圧ばね固定部材１１１を介して出力シャフト１１２に伝えられる。
次に、外部ファン２００およびその作用について説明する。
外部ファン２００は振動減衰部材１０８に熱伝導性が得られるように接着されている。
外部ファン２００は、移動体１０１と一体的に回転することで回転径方向に空気の流れを発生させるようにシロッコファン形状に構成されている。
したがって、羽根２０１は径方向に曲率を持った形状をしているが、図１の断面図では、羽根２０１は四角形で表した。また、外部ファンは本実施例ではシロッコファン形状をしているが、ターボファン等その他の遠心ファンでもよい。

次に、外部ファンの作用について説明する。
外部ファン２００は、上記駆動原理により回転した移動体１０１と一体となって回転する。外部ファン２００が回転することにより、大きく２系統の空気の流れが発生し、振動波モータを冷却する。
１つは、放射状に形成された加圧ばね１１０の間から振動波モータの内側に入り、振動子１００に形成された溝１０４を通過し、羽根２０１を径方向外側に向けて通過する空気の流れである。
２つめは、振動子１０１と外部ファン２００の間から入り、羽根２０１を径方向外側に向けて通過する空気の流れである。
羽根２０１の形状や、外部ファン２００の回転数によって、発生させる空気の流れを強くすることで冷却効果を高めることができるが、上記説明した１つめの空気の流れによって異音が発生することがある。
そのため、異音を低減するために、振動子１００の溝１０４の数と外部ファン２００の羽根２０１の数は、互いに整数倍でないことが好ましい。
例えば、溝１０４の数が２２であった場合、羽根２０１の数は１１の整数倍である１１、２２、４４、６６、８８という数以外の数である。
さらに、異音を低減するために、溝１０４と羽根２０１の数は、互いに素であることが好ましい。
溝の数が２３であった場合、羽根２０１の数は２０である。本実施例の図面は、溝の数２３、羽根の数２０となっている。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の振動波モータの構成例について、図４及び図５を用いて説明する。
ファン以外の振動波モータの部品、駆動原理は実施例１の振動波モータと同じであるため、それらについての説明は省略する。
本実施例の振動波モータは、図４及び図５に示すように、摩擦部材１０６ｂと同一部材で一体的に構成された外部ファン２００ｂを備えている。
摩擦部材１０６ｂと外部ファン２００ｂが同一部材で一体的に形成されているため、接触部１０７で発生した摩擦熱が外部ファン２００ｂの羽根２０１ｂへ伝わりやすくなり、羽根２０１ｂの放熱フィンとしての効果が向上する。
外部ファン２００ｂの回転による空気の流れと空冷効果は実施例１の外部ファン２００と同じである。

摩擦部材１０６ｂと外部ファンの羽根２０１ｂが、振動減衰部材１０８ｂに接着されている。
これにより、羽根２０１ｂの振動による異音を低減することができる。
羽根２０１ｂの数は、溝１０４の数に対して互いに整数倍でないように構成されている。これにより、溝１０４を通過する空気の流れによる異音を低減することができる。
さらには、羽根２０１ｂの数は、溝１０４の数に対して互いに素であることが好ましい。

［実施例３］
実施例３として、実施例１、２と異なる形態の振動波モータの構成例について、図６及び図７を用いて説明する。
ファン以外の振動波モータの部品、駆動原理は実施例１、２の振動波モータと同じであるため、それらについての説明は省略する。
本実施例の振動波モータは、図６及び図７に示すように、外部ファン２００と内部冷却用遠心ファン（以降、内部ファン）２０２を備えている。
外部ファン２００は実施例１における外部ファン２００と同じ構成、効果を持つ。内部ファン２０２は、振動子１００、移動体１０１、加圧ばね１１０に囲まれた空間に配置されている。
内部ファン２０２は、出力シャフト１１２に嵌合しており、移動体１０１、出力シャフト１１２と一体で回転する。

内部ファン２０２は外部ファン２００と同様にシロッコファン形状をしている。内部ファン２０２は振動波モータの回転により、空気の流れを作り出す。その流路は、加圧ばね１１０の間から入り、内部ファン２０２と出力シャフト１１２の間へ下降し、内部ファン２０２の羽根２０３を径方向外側に向かって通過し、振動子１００の溝１０４の間を通過する。
羽根２０１、羽根２０３の数は、溝１０４の数に対して互いに整数倍でないように構成されている。
これにより、溝１０４を通過する空気の流れによる異音を低減することができる。さらには、羽根２０１、羽根２０３の数は、溝１０４の数に対して互いに素であることが好ましい。
また、本実施例では、内部ファン２０２は出力シャフトに嵌合した構成であるが、内部ファンは振動減衰部材１０８に接合した構成でもよい。

［実施例４］
実施例４として、実施例１、２、３と異なる形態の振動波モータの構成例について、図８（ａ）を用いて説明する。
ファン以外の振動波モータの部品、駆動原理は実施例１、２、３の振動波モータと同じであるため、それらについての説明は省略する。
本実施例の振動波モータは、図８（ａ）に示すように、内部ファン２０２ｂと外部ファン２００を備えている。
外部ファン２００は、実施例１における外部ファン２００と同じ構成、効果である。
内部ファン２０２ｂは複数の内部ファンの羽２０３ｂで構成されている。内部ファンの羽根２０３ｂは、摩擦部材１０６ｂと同一部材で一体的に形成されている。
内部ファンの羽根２０３ｂが、摩擦部材１０６ｂと同一部材で一体的に形成されているため、内部ファンの羽根２０３ｂに放熱フィンとしての機能が向上する。内部ファン２０２ｂの回転による空気の流れと空冷効果は実施例３の内部ファン２０２と同じである。
内部ファンの羽根２０３ｂと摩擦部材１０６ｂには振動減衰部材１０８ｂが接着されている。これにより、羽根２０３ｂの振動による異音を低減することができる。
羽根２０１ｂ、羽根２０３ｂの数は、溝１０４の数に対して互いに整数倍でないように構成されている。
これにより、溝１０４を通過する空気の流れによる異音を低減することができる。さらには、羽根２０１ｂ、羽根２０３ｂの数は、溝１０４の数に対して互いに素であることが好ましい。

図８（ｂ）に、本実施例の変形例による振動波モータの断面図を示す。
本実施例の図８（ａ）に示すものでは、外部ファンの羽根２０１は、摩擦部材１０６ｂと同一部材で一体的に構成されていない。
これに対して、図８（ｂ）のように外部ファンの羽根２０１ｂ、摩擦部材１０６ｂが全て同一部材で一体的に形成すると、さらに冷却効果を向上させることができる。
これは、内部ファンの羽根２０３ｂおよび外部ファンの羽根２０１ｂの両方に放熱フィンとしての機能を持たせることができるためである。
また、本実施例では、内部ファン２０２ｂは、出力シャフト１１２と接触していないが、内部ファン２０２ｂが出力シャフト１１２と接触していてもよい。
この場合、接触部１０７で発生した摩擦熱を、摩擦部材１０６ｂ、内部ファン２０２ｂを通して出力シャフト１１２に放熱することができ、冷却効果が向上する。
また、上記実施例１〜４では、外部ファンのみ、もしくは内外２種類のファンを備えた振動波モータを示したが、内部ファンのみ備えた振動波モータでもよい。この場合、振動波モータを大型化することなく、冷却効果を向上させることができる。

１００：振動子
１０１：移動体
１０２：弾性体
１０３：突起
１０４：溝
１０５：圧電素子
１０６、１０６ｂ：摩擦部材
１０７：接触部
１０８、１０８ｂ：振動減衰部材
１０９：加圧ゴム
１１０：加圧ばね
１１１：加圧ばね固定部材
１１２：出力シャフト
１１３：振動子固定部材
１１４：ベアリング
１１５：加圧手段
１１６：すべり軸受け
２００：外部冷却用遠心ファン（外部ファン）
２０１：外部ファンの羽根

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と、が円環状に形成された構成を備え、
   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り前記振動子の前記移動体との接触部に生じる運動によって前記移動体を摩擦駆動する振動波モータであって、
   前記振動子と前記移動体とは摩擦部材を介して接触しており、
   前記振動子と前記移動体とで構成された円環の外周部及び内周部の少なくとも一方に設けられた遠心ファンを有し、
   前記遠心ファンが前記移動体と一体となって回転するよう構成され、
   前記円環状の軸を有する断面において、前記遠心ファンは、回転時、前記弾性体及び前記移動体両方の、前記接触部を含む少なくとも一部に対向する領域を通過するように構成されることを特徴とする振動波モータ。
2. 前記遠心ファンと前記摩擦部材とが、同一部材で一体的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. 前記外周部及び内周部の少なくとも一方に設けられた遠心ファンが、前記振動減衰部材に接合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. 前記移動体は、前記摩擦部材が振動減衰部材に接合された構成を備え、
   前記外周部及び内周部の少なくとも一方に設けられた遠心ファンと前記移動体の摩擦部材とが、前記振動減衰部材に接合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。
5. 前記弾性体は、前記移動体との接触側に複数の突起部を有し、
   前記複数の突起部間の間隙の数と前記遠心ファンを構成する羽根の数とが、互いに整数倍とならないように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動波モータ。
6. 前記溝の数と前記羽根の数とが、互いに素であることを特徴とする請求項５に記載の振動波モータ。

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