JP5979817B2 - 振動波駆動装置 - 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10を用いて説明する。
図10(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−機械エネルギ変換素子505と、該電気−機械エネルギ変換素子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10(a)のモータでは、図10(b)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。
特許文献2の振動子601では、前述したように突起部609、610と基部602とを別体で加工し、その後接合等の手段により一体化して形成されている。しかしながら、一体化される際に、突起部609、610と基部602とは、相対的に位置ズレが無くかつ均一に接合されることが望ましいが、現実的には加工上、これらの条件を満足し、安定的に振動体を製造することは困難である。
また、2体加工し、接合するという工程では、生産時の工数がかかり、コスト高の要因ともなる。
1つには、突起部609、610の形状が一体化に適していないという点がある。
前述したように、突起部609、610は、機能を満足するために、下に凸部分があり、この部分が基部602と接触しないように、基部602に凹部612を設けている。
仮に、突起部609、610の形状のまま一体化した振動体を得て、圧電素子と接合し、振動子とするには、圧電素子に凹部を設ける必要がある。しかし、圧電素子に後加工で凹部を設けようとすると、コスト高になるとともに、加工により微細なクラック等が発生し強度低下を引き起こす可能性もある。
一方、成型時に凹部を形成した場合には、焼結時の収縮精度のバラツキにより凹部の寸法のバラツキが大きくなるため、凹部の端部を固定端とする突起部のばね特性がばらつく原因となり得る。
2つ目として、加工上の課題がある。突起部は、形状が複雑であることに加え、摺動特性(耐磨耗性)が要求されるため一般的にSUS等材料の硬度が高い(伸びが小さい)難加工材を用いることが多い。
そのため絞り加工等により、突起部となる部分の板を延ばし板厚を小さくする加工では、前述のように形状が複雑な突起を成型することは困難である。
このため、従来においては、突起部と基部とを1つの部材から一体で加工することが困難であった。
実施例1として、本発明の振動波駆動装置の構成を適用したリニア型超音波モータとその振動体の製造方法の構成例を、図1、図2、図3を用いて説明する。これらの図に示されるように、本実施例のモータは、振動子111、スライダ108、振動子111を支持する支持部材112、113、振動子とスライダを加圧接触するための加圧部材(不図示)からなる。
振動子111は、振動体101と圧電素子107とを接着して構成されており、また支持部材112、113は振動体101と同一部材で一体的に形成されている。
貫通穴103、104は、振動体成型時の位置決めに用いるために設けており、また貫通穴105、106は、支持部材をねじで他部品に取り付けるために設けている。
一方、振動体101には、スライダ108と接触している2つの突起部109、110が同一部材で一体的に形成されており、この突起部109、110を介して磁化されたスライダ108と振動体101とが、磁気吸引力により加圧接触している。
その結果、突起部109、110と加圧接触しているスライダ108は、摩擦駆動力を受け、スライダ108の長手方向に駆動される。
振動体101は、基部102(102−1、102−2、102−3から構成される。以下同じ)と突起部109、110からなる。
これらの突起部109、110は、振動体101の長手方向と幅方向とにおける一部の領域に、これらの突起部と隣接する複数のスリット114、115を介して、振動体を構成する一つの部材における基部102と一体的に形成されている。
また、突起部109、110は、変換部109−2、109−3と接触部109−1とによって形成されている。
接触部109−1は、スライダに押圧接触される接触面を表面に形成しており、スライダ108との接触時に、相対的にほぼ剛体としてふるまう部分である。
変換部109−2、109−3は、突起部109、110から接触部109−1を除いた部分であって、接触部109−1と基部102とを連結しており、スライダ108との接触時に、撓んで変形する部分である。
ここにおいて、変換部109−2、109−3は、上記接触部に繋る下に凸の形状部と、該下に凸の形状部と繋る上に凸の形状部を有している。
そして、この変換部は振動体101の接着面102−1(振動体に形成された突起部と反対側の面)と、接触部109−1の接触面109−11(接触部における被駆動体との接触面)との間に設けられている。
これらにより、突起部109が変形しても、変換部109−2、109−3がスライダ108の表面あるいは基部102と接合される圧電素子の表面に接触することなく、変換部がバネ性を有するように設計されている。
例えば、突起部が図3(b)に示す形状の場合、振動により圧電素子が矢印Aの方向に伸び縮みすると、突起部の変換部も矢印Aの方向に伸び縮みし、その結果、接触部が矢印Bの方向に振動してしまう。
実際の2次の曲げ振動では、接触部表面中央部が点709−13から点709−12に変位し、Z方向変位が生じている。
そのためもう一つの駆動振動モード(突起部をZ方向に振動させるモード:不図示)と合成して駆動振動を生成すると、接触部109−1は傾いた楕円振動となってしまい、駆動力を効率よく伝達することができない。
一方、突起部が図2(b)の形状の場合、振動子111の長手方向に2次の曲げ振動が生じ、圧電素子が変形しても、図3(a)のように、突起部109は、変形前後において、接触部表面中央部のZ方向変位が極力小さくなるように設計されている。
実施例の形状を用いた振動子では、図3(a)に示すように、変形前の接触部表面中央部109−13と変形後の接触部表面中央部109−12の変位方向(振動角度)は、X方向を0°、Z方向を90°とすると、6°以下にすることができる。そして、もう一つのZ方向振動モードとの合成で傾きが小さい楕円振動を形成することができる。
本実施例では、振動体101を電気−機械エネルギ変換素子など他材と接着や接合する際に、接合強度を十分確保するために、振動体101の成形後の前記スリット部叉は切り欠き部を可能な限り小さくし、接合(接着)面積を大きくできるように設計している。
なお、振動子が十分に大きく、前記スリットを小さくしなくても接合面積を十分に確保できる場合は、図4に示すような形状でもよい。
また、本実施例の振動体は、つぎのような工程による製造方法によって作製することができる。
まず、突起部と前記振動体とを一体的に形成するための基部となる一つの部材を用意し、該部材の一部の領域に該突起部を形成するために複数のスリット又は切り欠きを形成する。
次に、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し、突起部を形成する。このように基部の一部を曲げ加工することで、接触部と変換部とからなる突起部を形成することができる。
図5(a)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。
本実施例では、振動体201のスリットの形状を曲線にしている。
図1のようにスリットを短手方向と平行に設けた場合、曲げモードの腹部または節部と平行になるため、曲げ剛性を下げてしまう要因となる。この影響を小さくするために、図5(a)のように曲線にしている。
図5(b)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。
本実施例では、振動体301の基部302の板厚(基部の厚さ)を不均一にした例を示しており、ここでは押し出し、叉は引抜き、叉は圧延加工等により、予め部分的に板厚を変えた異形材を使用している。
これにより、基部302の肉厚(基部の厚さ)の薄い部分に突起部を形成する構成を採ることができる。
例えば、突起部309のばね剛性を所望の値にしたまま、振動体301の体積を増やし、更に基部302とスライダ(不図示)との距離を縮めることにより、磁化したスライダとの磁力吸引力を向上させることができる。
また、曲げモードにおける板厚方向の引張応力分布を調整することが出来るので、圧電素子の出力を効率良く引き出せるよう設定できる。
なお、本実施例で用いた板は、あらかじめ板厚を変えた異形材を採用したが、エッチング等により所望の部分の厚さを調整するなどの加工を施してもよい。
図6(a)を用いて、本発明における実施例4の構成例について説明する。
本実施例では、変換部409−2、409−3の一部、特に下に凸の部分409−4、409−5の板厚を小さくした例を示す。
このように構成することで、変換部の一部の曲げ剛性を、振動体を形成する部材の基部の曲げ剛性と比較して小さくなるように調節したり、振動モードの突起部における接触面の振動角度を調整したりすることが可能となる。
なお、図6(b)のように、変換部509−2、509−3の一部に穴509−4、509−5等、複数の穴を設けても、同様の効果を得ることができる。
穴の径や穴の数、穴の配置は、振動角度やバネ剛性の観点から調整を行う。図6(c)は、図6(b)の穴509−4を通る断面図であり、変換部509−2、509−3の上に凸部に穴509−4、509−5を設けている。
一方、図6(d)では、変換部609−2、609−3の下に凸部に穴609−4、609−5を設けている。
図7(a)を用いて、本発明における実施例5の構成例について説明する。
本実施例では、振動体101と電気−機械エネルギ変換素子による圧電素子107の間に板部材121を設けて振動子を構成した。
これによりスライダとの磁力吸引力向上や前述した様に曲げ振動による(引張りの)応力分布を調整することができる。
なお、板の材質としては特に制限はないが、振動子の振動損失を低減する観点から、鉄系叉は銅系などの金属材料が望ましい。
図7(b−1)、(b−2)を用いて、本発明における実施例6の構成例について説明する。
本実施例では、特許文献2に記載の突起形状と同様、突起部の変換部が、振動板と圧電素子との接合面より下に出た形状をしている。
そのため、本実施例では、圧電素子に凹部を設けその変換部に当たらないように逃げている。
なお、実施例5に示すように、板121を挟む場合は、この板に凹部を設けても差し支えない。
図8を用いて、本発明における実施例7の構成例について説明する。
本実施例では、スリット815、816、817が振動板801の長手方向に対して平行に配置されている。
そして、スリット816、817の端は振動板801の幅方向の端面と接する。これにより、スライダを駆動する方向(X方向)の突起部の剛性を、スライダの駆動方向と垂直な方向(Z方向)の突起部の剛性と独立して、高く設定することができる。
図9を用いて、本発明における実施例8の構成例について説明する。
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101の全長L5(長手方向の寸法)よりも長手方向の寸法L4が大きな板を用意し、図9(a)のように、切り欠き部151〜154を作製予定の突起部109、110の両側に設ける。
該切り欠き部151〜154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、突起部109、110を曲げ加工を用いて成型する。
加工後の形状は図9(b)となり、切欠き部151〜154の一部は幅の狭いスリット114〜117となる。
このように、曲げ加工で突起部を成形することで、加工前と加工後の突起部109、110の板厚をほとんど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、作製できる突起部の形状の制約が少なくなる。
図12、図13を用いて、本発明における実施例9の構成例について説明する。
他の実施例と異なる点は、振動子に縦振動(伸縮振動)及び屈曲振動(曲げ振動)を発生させ、それらの振動を合成し楕円運動を起こさせる点である。
上記モードを起こす方法の一例を説明する。図12のように振動体101に圧電素子107を配置し、左側の圧電素子A相と右側の圧電素子B相の位相を同位相にし、交番電圧を印加すると、図13(a)に示すような1次の共振縦振動が励起される。
一方、A相とB相の位相を逆位相にすると、図13(b)に示すような2次の共振屈曲振動が励起される。
A相とB相の位相を90度近傍にずらすと、表面の数箇所において楕円振動を励起することができる。楕円運動が起きる箇所に突起を設けることで、加圧接触されたスライダを一方向に駆動することが出来る。
上記の振動モードにおいても実施例8までに示した振動体形状とすることで、例えば図14に示すように突起部を含めた振動体101を一つの部材から一体的に形成することが可能となる。
なお、突起部と一体となった振動体と圧電素子との間に、弾性体を設けても良い。
このような構成とすることで、スリット部を有する振動体の、当該スリット部の存在により圧電素子の変位が緩和される場合であっても、これらの間に設けた弾性体により振動体の変位量を大きくすることができる。
さらに、弾性体として、当該弾性体の熱膨張係数を、圧電素子と振動体との間の大きさの材料を選択することにより、圧電素子と振動体との接合部の応力歪を緩和することができる。
102:基部
107:圧電素子
108:スライダ
109、110:突起部
109−1:接触部
109−2、109−3:変換部
111:振動子
112、113:支持部材
114、115、116、117:スリット
Claims (9)
- 少なくとも、基部、及びバネ性を有する突起部を有する振動体と、前記基部に固定された電気−機械エネルギ変換素子と、
を有する振動子を備え、
前記突起部が、一つの部材によって前記基部と一体的に形成され、
前記突起部は、被駆動体との接触面を有する接触部と変換部とを有し、
前記変換部は、前記接触部に繋る、下に凸の形状部と、該下に凸の形状部と繋る、上に凸の形状部と、該上に凸の形状部と繋がる下に凸の形状部と、を有し、
前記突起部は、前記被駆動体の駆動方向に垂直で且つ前記駆動方向と交差する方向にも垂直な方向において、前記電気−機械エネルギ変換素子と重なる位置に設けられ、
前記変換部は、前記2つの下に凸の形状部と前記上に凸の形状部と前記電気−機械エネルギ変換素子の間に空隙を有するように構成されていることを特徴とする振動波駆動装置。 - 前記振動子の楕円運動によって前記突起部と接触する前記被駆動体が駆動されることを特徴とする請求項1に記載の振動型駆動装置。
- 前記基部と前記基部との間に設けられ、前記空隙から延在しているスリットを有することを特徴とする請求項1に記載の振動波駆動装置。
- 前記変換部の一部の曲げ剛性が、前記基部と比較して小さい曲げ剛性に形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。
- 前記変換部の一部の厚さが前記基部より小さい、若しくは前記変換部の一部に穴が形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。
- 前記基部は、厚さが不均一に形成されてい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。
- 前記基部の厚さの薄い部分に、前記突起部が形成されていることを特徴とする請求項6に記載の振動波駆動装置。
- 前記振動子が、前記振動体と該電気−機械エネルギ変換素子との間に板部材を設けて構成されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の振動波駆動装置。
- 前記スリットが、前記振動子の駆動方向と交差する方向に延在し、前記基部の端部まで延びていることを特徴とする請求項3及び6乃至8のいずれか1項に記載の振動型駆動装置。
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