JP5990013B2 - 振動波アクチュエータとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は弾性体に振動を発生させ、その振動エネルギーを利用して駆動力を得る振動波アクチュエータとその製造方法に関する。

従来から振動波モータにおいては、被駆動体を相対的に移動させる振動子本体部を、可撓性の高い支持部により支持するようにしたタイプのものがいくつか提案されている。
特許文献１のような被駆動体を直線状に駆動するリニア型振動波モータもその１つである。
以下に、このようなリニア型振動波モータの駆動原理について図８、図９を用いて説明する。
図８はリニア型振動波モータの概観斜視図である。図８において、この振動波モータは、振動波アクチュエータ（振動子）の主要部である振動子本体部１０と、この振動波アクチュエータによって駆動される被駆動体１２と、を含んだ構成を備えている。
被駆動体１２は、振動子本体部１０に生じる楕円運動によって直線方向、かつ、両方向に移動するようになっており、被駆動体１２は摩擦駆動力を発生させるために不図示の加圧手段により振動子本体部１０に対して所定の加圧力がかかっている。
振動子本体部１０は、弾性体振動部１４の一方の面に圧電素子１６が設けられて、圧電素子１６に印加される交流電圧によって定在波が生じるようになっている。なお、交流電圧を印加するための電極については、図示及び説明を省略する。弾性体振動部１４の他方の面には、複数の突起１８が一体的に形成されている。この突起１８が被駆動体１２との接触部となる。各突起１８は、被駆動体１２の移動方向と直交するレール状をなし、一定の間隔で平行に並んでいる。

図９は、振動子本体部１０に生じる定在波の波形を説明する図である。
同図に示すように、この振動子本体部１０には、第１定在波２４及び第２定在波２６が生じるようになっている。
第１定在波２４と第２定在波２６の共振周波数は近似するが異なる周波数となっている。
また、第１定在波２４及び第２定在波２６は、波長についても、固有振動の波長にほぼ等しくなっている。
ただし、第１定在波２４は、振動子本体部１０の両端に波の節が位置するのに対して、第２定在波２６は、振動子本体部１０の両端に波の腹が位置するようになっている。

この形態のものでは、このように振動子本体部１０上で節の位置がずれた２つの定在波を発生させている。その構成について以下簡単に説明する。
図９に示すように、圧電素子１６は、第１分極部１６ａ及び第２分極部１６ｂを有する。
第１分極部１６ａは、分極の極性を反転させたプラス部１６ａ−１及びマイナス部１６ａ−２で構成されている。
ここで、プラス部１６ａ−１とマイナス部１６ａ−２とは、分極の極性が反転しているので、それぞれに同一の電位を同時に印加すると、一方は伸びて他方は縮み波の山と谷が形成され第１定在波２４が励起される。
同様に、第２分極部１６ｂも、分極の極性を反転させたプラス部１６ｂ−１及びマイナス部１６ｂ−２で構成され、それぞれに同一の電位を同時に印加すると、第２定在波２６が励起される。

第１定在波２４と第２定在波２６とは、波の節（又は腹）の位置が１／４波長ずれるようになっている。
そして、突起１８は、第１定在波２４と第２定在波２６との交点に対応する位置に設けられている。
詳しくは、図９において、第１定在波２４の腹の右側であって、かつ、第２定在波２６の腹の左側に突起１８は位置している。
そして、第１定在波２４と第２定在波２６とは、山側及び谷側で交差するので、突起１８、１８間の間隔は１／２波長となっている。
したがって、第１定在波２４が発生すると図中右方向に、第２定在波２６が発生すると図中左方向に被駆動体１２を駆動するようになる。
なお、圧電素子１６の第１分極部１６ａおよび第２分極部１６ｂ以外の領域２８はセンサ用として使用している。

振動子本体部１０の両端は、支持部２０にて支持される。支持部２０は、弾性体振動部１４の両端から一体的に延設されるもので、薄肉状をなし、固定部２２の固定穴２２ａを利用して他の部材に固定される。
支持部２０は薄肉状になっているので、弾性体振動部１４よりも可撓性が高く変形し易い。
したがって、支持部２０は、弾性体振動部１４とは異なった振動をするようになる。
言い換えると、支持部２０は、弾性体振動部１４の振動の一部を両端において吸収するようになり、固定部２２を固定することによる弾性体振動部１４の振動の阻害を防止している。

振動子本体部が、可撓性の高い支持部により支持される例はリニア型振動波モータに限ったものではなく、特許文献２に示されるような回転型振動波モータの例もある。
図１０は回転型振動波モータの概略斜視図、図１１は図１０の変形例を示す部分断面図である。
図１０のように、被駆動体１１２に摩擦接触する突起１１８ａを有する弾性体振動部１１４と圧電素子１１６からなる振動子本体部１１０は、フランジ状薄肉支持部１２０を介して固定部１２２で固定されている。そして、支持部の剛性をさらに下げるために穴部１２０ａが設けられている。
その変形例として、図１１の部分断面図に示すように穴部１２０ａの代わりに凹部１２０ｂを設けている。

特開平９−２９８８９１号公報 特開平３−１０３０８４号公報

しかしながら、上記従来例の振動波アクチュエータ（振動子）の構成においては、以下のような課題を有している。
特許文献１および特許文献２のような振動波アクチュエータ（振動子）における振動子本体部の支持部は、振動子本体部との結合部から固定部との結合部まで、板厚が一様に薄くされている。
ところが、振動子の小型化をはかるために、支持部を小さくするとその剛性が上がり振動を阻害する。一方、支持部の剛性を下げるためにさらに薄くすると加圧力によって本体部と支持部あるいは固定部と支持部との結合部での応力集中により変形、破断してしまう恐れが生じる。
また、特許文献２の変形例のように支持部の剛性を下げるために支持部上面の一部に凹部を設けると、その加工歪により図１１に示した破線のような変形が起きて振動子の特性バラツキが大きくなるという問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、振動子本体部における振動が阻害されることを抑制することができると共に、支持部における振動子本体部及び固定部との結合部の強度の減少を抑制することができ、
また、形状精度を向上させ、小型化を図ることが可能となる振動波アクチュエータとその製造方法の提供を目的とする。

本願発明の振動波アクチュエータは、電気−機械エネルギー変換素子と弾性体振動部とを有する振動子本体部と、
前記振動子本体部を両側で固定部材に固定するための固定部と、
前記振動子本体部とそれぞれの前記固定部とを連結するそれぞれの支持部と、
を備え、被駆動体を振動子本体部に対して相対的に移動させる振動波アクチュエータであって、
前記支持部は、可撓性を有する板状支持部で構成され、
前記板状支持部は、前記板状支持部における前記弾性体振動部と連結するための第一の結合部と、
前記板状支持部における前記固定部と連結するための第二の結合部と、
前記第一および第二の結合部の間に設けられた前記板状支持部の両面に凹部を有し、
これらの凹部によって前記第一の結合部及び前記第二の結合部の板厚より薄い薄肉部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、振動子本体部における振動が阻害されることを抑制することができると共に、支持部における振動子本体部及び固定部との結合部の強度の減少を抑制することができ、
また、形状精度を向上させ、小型化を図ることが可能となる振動波アクチュエータとその製造方法を実現することができる。

本発明の実施例１における振動波アクチュエータの構成例を説明する側面図。 本発明の実施例２における振動波アクチュエータの構成例を説明する側面図。 本発明の実施例３におけるリニア型振動波モータの基本構成を示す外観斜視図。 本発明の実施例３における図３に示すリニア型振動波モータの振動子本体部に励振される振動モードを示す図。 本発明の実施例３の構成を説明する図であり、（ａ）は振動波アクチュエータ（振動子）の斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）は部分側面図。 本発明の実施例４における振動波アクチュエータ（振動子）の構成を説明する図であり、（ａ）は振動波アクチュエータの斜視図、（ｂ）は部分側面図。 本発明の実施例５における振動波アクチュエータ（振動子）の構成を説明する図であり、（ａ）は振動波アクチュエータの斜視図、（ｂ）は部分側面図。 従来例におけるリニア型振動波モータの外観斜視図。 従来例である図８に示す振動子本体部に生じる定在波の波形を説明する図。 従来例の回転型振動波モータの外観斜視図。 従来例である図１０に示す回転型振動波モータの変形例を示す部分断面図。

本発明における振動波アクチュエータとその製造方法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アクチュエータ（振動子）の構成例を、図１を用いて説明する。
本実施例は、従来例の図８および図９で説明したリニア型の振動波アクチュエータを改良したものであり、駆動原理は上記従来例と同様であるからその説明を省略する。
本実施例の振動波アクチュエータは、電気−機械エネルギー変換素子と弾性体振動部とを有し、電気−機械エネルギー変換素子への印加によって楕円運動が生成可能とされた振動子本体部を備える。
また、固定部材に固定するための固定部と、前記振動子本体部と前記固定部とを連結する可撓性を有する板状支持部２と、を備える。
そして、前記弾性体振動部に摩擦接触させ前記楕円運動により被駆動体を相対的に移動させるように構成されている。
具体的には、図１に示すように、振動子本体部１は弾性体振動部４の一方の面に圧電素子６が、他方の面に複数の突起８が設けられ、両端は板状支持部２にて支持される。
板状支持部２は、弾性体振動部４の両端から一体的に延設されるもので、薄肉状をなし、固定部３の固定穴（不図示）を利用して他の部材に固定される。
板状支持部２は上面および下面に凹部２ａ、２ｂが設けられ、これによりさらに板厚の小さい領域が形成されている。
すなわち、弾性体振動部４と板状支持部２との結合部２ｃおよび固定部３と板状支持部２との結合部２ｄの板厚より薄い薄肉部２ｅが形成されている。

板状支持部２をこのような形状にすると、振動子の小型化をはかるために板状支持部２を小さくしたときでも、可撓性が減じて振動子本体部１の振動を阻害するということが防げる。
また、結合部２ｃ、２ｄと薄肉部２ｅで２段階の剛性を有しているため、被移動体からの押圧力を受けたときにも結合部２ｃ、２ｄでの応力集中が緩和され、板状支持部２が変形、破断してしまうことを抑制することが可能となる。
さらに、上下両面に略対称に凹部２ａ、２ｂを形成するため、その加工歪によるそり変形を防止することができる。

［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アクチュエータ（振動子）の構成例を、図２を用いて説明する。
図２は、本実施例における図１に示す実施例１の変形例である振動波アクチュエータ（振動子）の側面図である。
本実施例においては、実施例１の凹部の変形例として円弧状の凹部を形成したものである。
即ち、本実施例では板状支持部１０２の板厚が弾性体振動部１０４と板状支持部１０２との結合部１０２ｃおよび固定部１０３と板状支持部１０２との結合部１０２ｄから離れるに従って徐々に小さくなるように、円弧状の凹部１０２ａ、１０２ｂが形成されている。
このような連続的な形状にすることにより、実施例１以上に被移動体からの押圧力を受けたときの応力集中を防ぐことができる。
そして、上下両面に略対称に凹部１０２ａ、１０２ｂを形成するため、その加工歪によるそり変形を防止することができる。

［実施例３］
実施例３として、リニア型振動波モータの構成例について説明する。
図３は、本実施例におけるリニア型振動波モータの基本構成を示す外観斜視図である。
図３において、リニア型振動波モータ２００は振動子本体部２０１およびスライダ２１２によって構成されている。
振動子本体部２０１は矩形の薄板状に形成された圧電素子２０６と、この圧電素子２０６の一端面で接合されて一体化される弾性体振動部２０４とにより構成されている。
弾性体振動部２０４は矩形状に形成された基部と、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２０８とを有している。

図４は、図３における振動子本体部に励振される２つの振動モード（ＭＯＤＥ−Ａ、ＭＯＤＥ−Ｂ）の変形形状を示す図である。
ここで、２つの振動モードは、どちらも板状の振動子本体部２０１の面外方向の曲げ振動モードであり、共振周波数が略一致するように振動子本体部２０１の形状は選択されている。
図４（ａ）の下２つの図は、振動子本体部２０１をＹ方向から見た図であり、振動子本体部２０１にＭＯＤＥ−Ａの振動を励起すると、同図の下に示すように振動の節（α）が３ヶ所現れる（２次の曲げ振動モード）。この節は、振動子本体部２０１のＹ方向に延びている。
突起部２０８は、図４（ａ）に示すようにＭＯＤＥ−Ａの振動において節となる位置の近傍に配置されており、ＭＯＤＥ−Ａの振動によって接触面２０５には矢印で示すようにＸ方向の往復運動が生じる。

図４（ｂ）の下２つの図は、振動子本体部２０１をＸ方向から見た図であり、振動子本体部２０１にＭＯＤＥ−Ｂの振動を励起すると、同図の下に示すように振動の節（β）が２ヶ所現れる（１次の曲げ振動モード）。
この節は、振動子本体部２０１のＸ方向に延びている。すなわち、ＭＯＤＥ−Ａにおける振動の節とＭＯＤＥ−Ｂにおける振動の節とが、ＸＹ平面内において互いに直交するようになっている。
突起２０８は、図４（ｂ）に示すようにＭＯＤＥ−Ｂの振動において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、接触面２０５には矢印で示すようにＺ方向の往復運動が生じる。
圧電素子２０６に所望の交流信号を入力すると、逆圧電効果により振動子本体部２０１に上述した振動モードが励起される。
振動モードＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂとの時間的位相差が略±π／２となるように励起することで、接触面２０５には、図３のＸＺ面内の略楕円運動が生成される。
この楕円運動により振動子本体部２０１と接触面２０５に加圧接触する被駆動体２１２との間には相対移動運動が発生する。

図５は、本実施例での上記原理を用いたリニア型振動波モータにおける振動波アクチュエータ（振動子）の構成を示す。
図５（ａ）は振動波アクチュエータ（振動子）の斜視図であり、図３、図４で説明したように振動子本体部３０１は弾性体振動部３０４と圧電素子３０６からなり、弾性体振動部３０４の両端に板状支持部３０２、さらに固定部３０３が設けられている。
この弾性体振動部３０４には２つの円筒状の突起３０８が設けられており、その断面Ａ−Ａは図５（ｂ）のように円筒状の縦壁部３１８、不図示の被駆動体との接触面３０５を有する接触部３１５、縦壁部３１８と接触部３１５を連結する連結部３１９からなる。
連結部３１９は接触部３１５より板厚が薄くなっており、Ｚ方向の剛性を下げて所定のバネ性を持たせているため、振動子と被駆動体はなめらかな接触が実現できる。
板状支持部３０２は、弾性体振動部３０４の両端から一体的に延設されるもので、薄肉状をなし、溶接や接着などにより固定部３０３が不図示の固定部材に接合される。２つの穴３１２は振動子を所定の位置に配置するための位置決め穴である。
板状支持部３０２は図５（ａ）のＢ方向から見た部分側面図を示す図５（ｃ）のように、上面および下面に凹部３０２ａ、３０２ｂを設けることにより、さらに板厚が小さい領域を設けている。
すなわち、弾性体振動部３０４と板状支持部３０２との結合部３０２ｃおよび固定部３０３と板状支持部３０２との結合部３０２ｄの板厚より薄い薄肉部３０２ｅが形成されている。

このような構成の振動子は、板材の絞り加工により２つの円筒状突起３０８が形成される。
さらに、板状支持部３０２の一部を上下からつぶすことにより薄肉部３０２ｅが形成されている。
上面および下面の凹部３０２ａ、３０２ｂを上下略対称形状とすれば、プレスによるつぶし加工によって形成する工程で上面の凹部と下面の凹部とを形成する際に、反り変形の方向を逆にして変形量を略同じとすることによって、反り量を小さく抑えることができる。
具体的には、上面の上記つぶし加工による反り変形（図中破線３１０ａ）と下面の上記つぶし加工による反り変形（図中破線３１０ｂ）で打ち消し合い、その結果反り量を小さく抑えることができる。
これにより、圧電素子３０６との接合面の研磨が短時間ででき、形状のバラツキも少なく、量産性に優れた振動波アクチュエータを製造する製造方法を実現することができる。

［実施例４］
実施例４として、板状支持部に形成される凹部が実施例３とは異なる形態とされている構成例について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は振動子の斜視図、図６（ｂ）はＢ方向から見た部分側面図を示す。
図６（ａ）における振動子本体部４０１の構造は実施例３と同様であるので説明を省略する。
本実施例は図６（ｂ）に示すように、板状支持部４０２の上面に２つの凹部４０２１ａ、４０２２ａが設けられ、下面に１つの凹部４０２ｂが設けられている。これにより、弾性体振動部４０４と板状支持部４０２との結合部４０２ｃおよび固定部４０３と板状支持部４０２との結合部４０２ｄの板厚より薄い、薄肉部４０２１ｅ、４０２２ｅ、４０２３ｅが形成されている。
ここでの凹部は上下対称形状を成していないが、上面のつぶし加工による反り変形（図中破線４１０ａ）と下面のつぶし加工による反り変形（図中破線４１０ｂ）で打ち消し合う。その結果、反り量を小さく抑えることができる。
また、上記凹部によって形成されている薄肉部を、弾性体振動部との結合部側における振動子本体部の振動の中立面近傍に形成することによって、振動子本体部の振動の阻害をさらに小さくすることが可能となる。
具体的には、振動子本体部４０１の振動の中立面が圧電素子４０６との接着面に近い領域にある場合には、本実施例のように弾性体振動部４０４に近い板状支持部４０２の薄肉部４０２３ｅが中立面に近い位置に配置する。これによって、固定部４０３を不図示の固定部材に接合することによる振動の阻害をさらに小さくすることができる。

［実施例５］
実施例５として、板状支持部に形成される凹部が実施例３及び実施例４とは異なる形態とされている構成例について、図７を用いて説明する。図７（ａ）は振動子の斜視図、図７（ｂ）はＢ方向から見た部分側面図を示す。
図７（ａ）における振動子本体部５０１の構造は実施例３、実施例４と同様であるので説明を省略する。
本実施例は図７（ｂ）に示すように、弾性体振動部５０４に近い板状支持部５０２の上面に凹部５０２ａが設けられ、固定部５０３に近い板状支持部５０２の下面に凹部５０２ｂが設けられている。これにより、弾性体振動部５０４と板状支持部５０２との結合部５０２ｃおよび固定部５０３と板状支持部５０２との結合部５０２ｄの板厚より薄い薄肉部５０２１ｅ、５０２２ｅが形成されている。
ここでの凹部も上下対称形状を成していないが、上面のつぶし加工による反り変形（図中破線５１０ａ）と下面のつぶし加工による反り変形（図中破線５１０ｂ）で打ち消し合い、その結果反り量を小さく抑えることができる。
また、実施例４と同様に、振動子本体部５０１の振動の中立面が圧電素子５０６との接着面に近い領域にある場合には、本実施例のように弾性体振動部５０４に近い板状支持部５０２の薄肉部５０２２ｅが中立面に近い位置に配置する。これによって、固定部５０３を不図示の固定部材に接合することによる振動の阻害をさらに小さくすることができる。
以上の各実施例において、本発明を振動子本体部が矩形薄板状に構成されているリニア型振動波モータに適用した構成例を中心に説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
本発明は特許文献２に示されるような振動子本体部が円環状に構成されている回転型振動波モータなど、あらゆるタイプの振動子に適用できることは言うまでもない。

１：振動子本体部
２：板状支持部
２ａ、２ｂ：凹部
２ｃ、２ｄ：結合部
２ｅ：支持薄肉部
３：固定部
４：弾性体振動部
６：圧電素子
８：突起

Claims (6)

1. 電気−機械エネルギー変換素子と弾性体振動部とを有する振動子本体部と、
   前記振動子本体部を両側で固定部材に固定するための固定部と、
   前記振動子本体部とそれぞれの前記固定部とを連結するそれぞれの支持部と、
   を備え、被駆動体を振動子本体部に対して相対的に移動させる振動波アクチュエータであって、
   前記支持部は、可撓性を有する板状支持部で構成され、
   前記板状支持部は、前記板状支持部における前記弾性体振動部と連結するための第一の結合部と、
   前記板状支持部における前記固定部と連結するための第二の結合部と、
   前記第一および第二の結合部の間に設けられた前記板状支持部の両面に凹部を有し、
   これらの凹部によって前記第一の結合部及び前記第二の結合部の板厚より薄い薄肉部が形成されていることを特徴とする振動波アクチュエータ。
2. 前記凹部は、前記板状支持部の両面に略対称に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動波アクチュエータ。
3. 前記凹部は、前記板状支持部の一方の面の凹部と他方の面の凹部の容積が略同じとされていることを特徴とする請求項１に記載の振動波アクチュエータ。
4. 前記振動子本体部が、矩形薄板状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ。
5. 前記振動子本体部が、円環状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の振動波アクチュエータにおける前記凹部を、プレスによるつぶし加工で形成する工程を有することを特徴とする振動波アクチュエータの製造方法。

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