JP6324208B2 - 超音波モータ - Google Patents

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Description

本発明は、摩擦部材に対して押圧された振動子に楕円振動を発生させることで駆動力を発生する超音波モータに関する。
従来から、無音動作が可能、低速から高速までの駆動が可能、高トルクの出力が可能という特徴を活かして、例えば、カメラやレンズの駆動源として超音波モータが採用されている。
特許文献1に開示された超音波モータは、角棒状の摩擦部材と、摩擦部材と接触する接触部を備える振動子とから構成されている。振動子は摩擦部材に押圧された状態で保持されており、振動子の接触部が摩擦部材に対して押圧されて接触している状態、所謂、摩擦接触状態となっている。摩擦接触状態下で振動子に超音波振動が励起されると、振動子の接触部に楕円運動が生じ、摩擦部材と振動子が相対移動する。
特許文献1の超音波モータでは、振動子を薄板形状の支持部材(第2の保持部材)を介して保持することで、振動子は押圧方向には自由に動けるが、相対移動方向にはガタなく位置を固定できるような構成となっている。振動子と支持部材の間にはスペーサ部材(第1の保持部材)を介在させることで、振動子の超音波振動が支持部材に伝播しにくくしている。
特開2012−213271号公報 特開2004−304887号公報
しかしながら、特許文献1 に開示された超音波モータでは、振動子、スペーサ部材、そして支持部材の3つの部材が押圧方向に並ぶため、超音波モータの押圧方向サイズが大きくなってしまうという問題があった。
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、押圧方向サイズが従来に比べて小さい超音波モータを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の超音波モータは、圧電素子と、該圧電素子が固着された面と反対側に接触部を先端に備える少なくとも1つの突起部とを有する振動子と、前記接触部と摩擦接触する接触面を有し、前記圧電素子によって前記振動子に励振された超音波振動により前記振動子に対して相対移動する摩擦部材と、前記接触部に対し、前記摩擦部材に向かって押圧力を付与する押圧手段と、前記振動子を保持し、前記超音波振動の伝播を抑制する第1の保持部材と、前記第1の保持部材を保持する第2の保持部材と、前記第1の保持部材と前記第2の部材を介して前記振動子を保持するともに前記押圧手段を保持する第3の保持部材とを備えた超音波モータにおいて、前記第2の保持部材は、前記押圧手段の押圧方向において前記圧電素子と前記摩擦部材の間に配置される構成とした。
本発明によれば、従来に比べて押圧方向のサイズを小さくした超音波モータを提供することができる。
本発明の一実施例にかかる超音波モータの分解斜視図である。 図1に示される各部材を組込んだ状態の図であり、図2(A)は各部材を組み込んだ状態を+Z方向から見た図であり、図2(B)は−Y方向から見た図である。 振動子と第1の保持部材が固定された状態を示す斜視図である。 第1の保持部材と第2の保持部材を介して振動子が第3の保持部材に固定された状態を示す図であり、図4(A)は摩擦部材側から見た斜視図、図4(B)は−Y方向から見た図である。 各部材を組込んだ状態を示す拡大断面図であり、図5(A)は、図2におけるY軸に垂直な面で押圧部材106の中心を通るような面における断面図であり、図5(B)は、図2におけるX軸に垂直な面で押圧部材106の中心を通るような面における断面図である。 本発明の超音波モータの押圧方向サイズを説明する図であり、図6(A)は−Y方向から見た図、図6(B)は+X方向から見た図である。 従来の超音波モータの押圧方向サイズを説明する図であり、図7(A)は−Y方向から見た図、図7(B)は+X方向から見た図である。
以下、図面を用いて本発明の実施例について詳細に説明する。なお、本実施例の超音波モータは、デジタルカメラ用のレンズ鏡筒に用いられる駆動用アクチュエータとしてユニット化した直動駆動型モータを例に説明するが、使用用途はこれに限られたものではない。
図1は、本発明の一実施例にかかる超音波モータの分解斜視図である。なお、各図面において同一部材(部分)は同一符号で図示されている。
本明細書中において、後述する振動子109に発生する楕円運動により振動子109と摩擦部材101が相対移動する方向をX方向と定義する。また、後述するバネ部材107による押圧方向をZ方向と定義する。Z方向において、振動子109が後述する摩擦部材101から遠ざかる向きを+Z向き、振動子109が摩擦部材101に近づく方向を−Z向きと定義する。さらに、X方向とZ方向に垂直な方向をY方向と定義する。
図1において、摩擦部材101は2本の固定ビス111で固定台110に固定されている。固定台110はユニット全体を保持している。摩擦部材101は、後述する振動子109が加圧接触する接触面101aを備えている。
摩擦部材101の上方には、接触面101aに押圧を伴う摩擦接触状態で接触する振動板102が設けられている。振動板102には接着剤により圧電素子103が圧着されている。振動板102に圧電素子103が圧着された状態で、圧電素子103に電圧を印加することにより超音波振動を発生させ、振動板102に楕円運動を発生させることができる。本発明の超音波モータでは、振動板102と圧電素子103とで振動子109を構成している。
圧電素子103の超音波振動を減衰させないため、圧電素子103の上にフェルト生地からできたフェルト部材115が設けられている。フェルト部材115は、圧電素子103の超音波振動を減衰させない機能と、後述する小基台104への超音波振動の伝播を軽減する機能も担っている。
フェルト部材115の上には基台104が設けられている。基台104は、フェルト部材115を介して圧電素子103と面接触し、後述するバネ部材107による加圧力を圧電素子103に伝える。
第3の保持部材105は振動子109周辺の部材を保持している。押圧部材106は受け部材108の貫通穴部108aに嵌合し、摩擦部材101の接触面101aに対して概ね垂直な方向にのみ移動可能に保持されている。押圧部材106は、後述するバネ部材107からの押圧力を、フェルト部材115と基台104を介して振動子109に付与し、振動子109を摩擦部材101に摩擦接触させる。
押圧部材106に嵌合するバネ部材107は、圧縮コイルバネで構成されている。バネ部材107の一方の端部は受け部材108で固定され、もう一方の端部は押圧部材106で固定されることにより押圧力を発生し、その押圧力により振動子109と摩擦部材101とを摩擦接触させる。押圧部材106、バネ部材107、受け部材108で本発明の押圧手段を構成している。
受け部材108は中央に穴部108aが貫通する円板形状をしており、外周側面に形成されたネジ部108bで第3の保持部材105のネジ部105bにねじ込み固定される。また、中央に設けた穴部108aで押圧部材106を嵌合保持している。
第2の保持部材114は薄板形状で形成されており、X方向(相対移動方向)の剛性よりもZ方向(押圧方向)の剛性の方が低い。第2の保持部材114は、振動子109と第3の保持部材105の間に介在し、第3の保持部材105に対して振動板102がZ方向には自由に動けるが、X方向にはガタなく位置を固定できるような機能を果たしている。
第1の保持部材112は、振動子109と第2の保持部材114の間に介在し、振動子109に発生する超音波振動が第2の保持部材114に伝播するのを抑制する機能を果たしている。第1の保持部材112は、振動子109に発生する超音波振動の周波数に対して特に高い減衰性をもつ樹脂材で構成する。
転動ボール116は、第3の保持部材105に形成された溝と後述する天板117に形成された溝との間に介在することで、天板117に対して第3の保持部材105を転動支持している。
天板117は、振動子109を保持した第3の保持部材105を、摩擦部材101と天板117との間で挟み込むことで、第3の保持部材105を転動保持している。天板117は4本の固定ビス118で固定台110に固定されている。
以上のように、上述した各部材が組込まれ、超音波モータとしてユニット化される。
図2は、図1の各部材を組込んだ状態の図である。図2(A)は各部材を組み込んだ状態を+Z方向から見た図であり、図2(B)は−Y方向から見た図である。
固定台110には2本の固定ビス111で摩擦部材101が固定されている。さらに天板117が四隅を4本の固定ビス118で固定台110に固定されている。天板117の中央には長方形開口117aが空いており、第3の保持部材105の突出部105cが天板117の表面から突出している。
摩擦部材101の上には振動板102が当接した状態で載置されている。振動板102は薄板形状の第2の保持部材114を介して第3の保持部材105に固定されている。そのため、振動板102は、第2の保持部材114の変形により、第3の保持部材105に対してZ方向には自由に動けるが、X方向にはガタなく位置決めを固定できる構成になっている。また、振動板102と第2の保持部材114との間には第1の保持部材112が介在しているため、振動板102に発生する超音波振動は第2の保持部材114に伝播しにくい構成となっている。
振動子109に発生した楕円運動により、振動子109と摩擦部材101との間にX方向の相対移動が発生した場合、固定台110、摩擦部材101、固定ビス111、天板117、固定ビス118が固定側となる。一方、振動子109を含めた、フェルト部材115、基台104、第1の保持部材112、第2の保持部材114、押圧部材106、バネ部材107、受け部材108、それらを保持する第3の保持部材105が可動側となる。つまり本発明の超音波モータは、駆動源である振動子109自身が移動する自走式のモータユニットとなっている。
なお、実際のレンズ鏡筒などに組み込まれる際には、第3の保持部材105をフォーカス機構やズーム機構に連結して駆動する。
次に、超音波モータの構成部材の詳細について説明する。図3は、図1及び図2における振動子109と第1の保持部材112が固定された状態を示す斜視図で、摩擦部材101側から見た図である。図3に示すように振動板102において、圧電素子103が固着された固着部102aの圧電素子103と反対側の面には、2か所の突起部102dが形成される。また、突起部102dの上端面には接触部102bが形成され、、摩擦部材101の接触面101aと当接している。接触部102bは2個の突起部102dの先端それぞれに設けられているので、固着部102aから距離を離すことで、圧電素子103による微小変形を接触部102b上で増幅するように構成している。突起部102dの高さが高いほど増幅率は大きくなり、より高速な駆動が可能となる。2個の接触部102bは同一平面上に形成され、摩擦部材101の接触面101aとの摩擦接触状態を良好にするため、製造工程時には研磨などにより均一な面に仕上げられている。
一方、図3に示す固着部102aの裏面側(2か所の突起部が形成されている面と反対の面側)には圧電素子103が接着剤などにより圧着されている。なお、固着部102aの裏面と圧電素子103の圧着は、圧着されればその方法は限定されないため、接着剤以外で圧着することも可能である。圧電素子103は複数の圧電素子膜を積層して一体化したものである。
圧電素子103に所望の交流電圧を印加することで励振させ、圧電素子103が圧着された振動板102に2つの振動モードを励起する。このとき2つの振動モードの振動位相が所望の位相差となるように設定することで、接触部102bには、図3の矢印で示すような楕円運動が発生する。この楕円運動を図1及び図2に示すような振動子109で発生させ、摩擦部材101の接触面101aに伝達することで、摩擦部材101に対して振動子109自身が移動することが可能となる。なお、前述の圧電素子103の構造や振動モードに関する詳細は、特許文献2に記載されている内容と同様であるため、それらの説明は省略する。
振動板102の両端には、第1の保持部材112の両側に形成された一段高い段差部112aと接合するための接合部102cが形成されている。振動板102は、段差部112aから突出するダボ部112bで位置決めされた状態で、この接合部102cにおいて接着などにより振動子109を保持する第1の保持部材112に接合される。振動板102と第1の保持部材112が接合されれば、その方法は限定されないため、接着以外で接合することも可能である。
接合部102cと固着部102aとの間には腕部102d(固着部の102aの両端)が形成され、この腕部102dを介して、圧電素子103が圧着された固着部102aは第1の保持部材112に固定される。腕部102dは、固着部102aに発生する振動を接合部102cに伝達しにくい構成とするため、図3に示すように固着部102a及び接合部102cより細い形状となっている。言い換えると、振動子保持部材112が固着部102aに発生する振動を阻害しないような連結の構成を、腕部102dによって実現している。
図4は、第1の保持部材112と第2の保持部材114を介して振動子109が第3の保持部材105に固定された状態を示す図である。図4(A)は摩擦部材101側から見た斜視図、図4(B)は−Y方向から見た図である。
第2の保持部材114は固定ダボ105eで位置決め固定されている。また、第2の保持部材114は固定部114bを備え、固定部114bに設けられた貫通孔に固定ダボ105eが嵌合することで第3の保持部材105に位置決め及び固定されている。固定ダボ105eと固定部114bはそれぞれ4ヶ所(四隅に)設けられている。
第1の保持部材112は、第2の保持部材114を位置決め結合するための結合ダボ112cを有している。一方で、第2の保持部材114は、結合部114eを備え、結合部114eに設けられた貫通孔に結合ダボ112cが嵌合することで第1の保持部材112と結合される。結合ダボ112cと結合部114eは、それぞれ4ヶ所設けられている。
第2の保持部材114には振動板102の2個の突起部102dが通る開口部114aが設けられている。第2の保持部材114の両側には切欠114cが設けられている。切欠114cは、第1の保持部材112のダボ部112bと振動板102の接合部102cを接合するための接着剤が、振動子保持部材112と干渉するのを避けるために設けられている。
第2の保持部材114は、固定部114bを両端に有する2つの側部114f、2つの側部114fを両端に備え、開口部114aを有する本体部114g、側部114fから本体部114gに沿って延在し、本体部の両側に配置されたバネ部114d(後述)を一体的に備えている。
第2の保持部材114のバネ部114dは細長い板が本体部11gの中央付近でX方向(相対移動方向)に1回折り返したような形状となっている。そのため、Z方向(押圧方向)には剛性が低く、X方向(相対移動方向)には剛性が高い板バネを形成することが可能となる。バネ部114dは、Z方向の剛性を低くするために、バネ長を長くする必要がある。そのため、バネ部114dはXY平面に広い面積を占有してしまい、超音波モータを大型化させてしまう。そこで、本発明では、占有面積の大きいバネ部114dを圧電素子103と摩擦部材101の間に配置することで、超音波モータの小型化に寄与している。また、同様に開口部114aも圧電素子103と摩擦部材101の間に配置される。
第3の保持部材105は固定ダボ105eで第2の保持部材114を保持する。そして第2の保持部材114は、結合ダボ112cで第1の保持部材112と結合する。さらに第1の保持部材112は段差部112aで振動板102と接合される。つまり第3の保持部材105は第2の保持部材114と第1の保持部材112を介して振動板102を保持している。そのため、第3の保持部材105に対して振動板102はZ方向に自由に動けるが、X方向にはガタなく位置を固定できるような構成となっている。
図5は、各部材を組込んだ状態を示す拡大断面図である。図5では、摩擦部材101を下側とした図になっている。図5(A)は、図2におけるY軸に垂直な面で押圧部材106の中心を通るような面における断面図であり、図5(B)は、図2におけるX軸に垂直な面で押圧部材106の中心を通るような面における断面図である。
図5(A)及び図(B)において、中心線201は、振動板102の接触面101aと接触する2ヶ所の接触部の重心を通過し、当該接触面101aの法線を含む。
接触部102bは、摩擦部材101の接触面101aと当接し、摩擦接触状態にある。また、振動板102は、両端の接合部102cが2か所の段差部114aで第2の保持部材114と接合されている。圧電素子103はフェルト部材115を介して基台104に面接触している。
第3の保持部材105には2個の穴部105aが設けられ、基台104に形成された2個の軸部104aが嵌合している。第3の保持部材105に設けられた穴部105aは、X方向に伸びた長穴形状になっている。軸部104aと穴部105aとの間には所定のクリアランスが設けられている。このため、基台104が所定角度傾くことができる。
基台104の上側中央には当接部104bが設けられている。当接部104bは、図5(A)の断面において押圧部材106の方に頂点を有する円弧形状を有し、紙面奥行方向(図5(B)においては左右方向)に延在する円筒の一部からなる形状を有する。当接部104bには押圧部材106の下端面106aが線接触で接している。
下端面106aは平面で形成されているため、当接部104bとの線接触部は、図5(A)の紙面奥行方向(図5(B)においては左右方向)に長さを有する線接触となる。従って、図5(A)における断面においては、基台104が傾斜可能な構成となっている。製造時の寸法誤差や組み立て誤差、また外乱による部材の傾きが生じた場合でも、摩擦部材101の当接面101aに振動板102の接触部102bが倣うように基台104が傾くため、良好な摩擦接触状態を保つことができる。
第3の保持部材105にはネジ穴105bが形成されており、受け部材108の外径側面に設けられたネジ部108bがねじ込まれる。ねじ込み量を部品ばらつきに合わせて変えることで、加圧力の調整を行う。受け部材108の中央に形成された嵌合穴108aには、押圧部材106の嵌合軸部106bが嵌合保持されることで、押圧部材106がZ方向にのみ移動可能な構成となっている。
天板117は固定台110に固定され、バネ部材107のバネ力で振動板102の接触部102bを摩擦部材101の接触面101aに押圧させたときの反力を受ける構成となっている。その際、天板117に形成された溝部117aと保持部材105に形成された溝部105dに転動ボール116を挟むことで、第3の保持部材105と天板117とが転動支持されるように構成している。これにより、Z方向の押圧力の反力を受けながら、X方向に移動する際の摩擦抵抗を極力小さくしている。
また、天板117の溝部117aと保持部材105の溝部105dに転動ボール116が挟まれることで、Y方向の位置が決まるように構成されている。本発明の超音波モータでは、4つの転動ボール116でバネ部材107のバネ力を受けることで、第3の保持部材105が天板117に対して傾くことなく転動支持している。
圧電素子103と基台104の間には、フェルト部材115が挟み込まれている。フェルト部材115は、振動を阻害することなく、振動の伝播を遮断する機能を有する材料を用いることで、圧電素子103の超音波振動を阻害することなく、基台104への振動の伝播を抑える。接触部102bを摩擦部材101の接触面101aに押圧接触させるための押圧力を伝えるために、振動子109はZ方向には自由に動ける必要がある。また、フォーカス機構やズーム機構に連結した第3の保持部材105を精度よく駆動するために、振動子109は第3の保持部材105にガタなく保持されている必要がある。そこで、振動子109は、薄板形状で形成された第2の保持部材114を介して第3の保持部材105に固定されている。これにより、Z方向には自由に動け、X方向にはガタなく駆動可能な構成となっている。
図6は、本発明の超音波モータの加圧方向サイズを説明する図である。図6(A)は−Y方向から見た図、図6(B)は+X方向から見た図である。図6では各部品の位置関係が分かりやすいように、形状を模式的に描いている。振動板102には摩擦部材101に向かって突出した突起102dがある。突起102dは図3で説明したように、圧電素子103の振動を接触部102b上で増幅させる機能を有する。
より高い増幅率を得るために、加工可能な範囲でできるだけ突起102dは高く構成する。そのため、圧電素子103と摩擦部材101の間に大きな隙間が存在する。そこで本発明の超音波モータでは、押圧手段の押圧方向において圧電素子103と摩擦部材101の間に第2の保持部材114を配置した。これによりZ方向のサイズT1を従来のZ方向サイズT2に比べて大幅に小さくすることが可能となる。
図7は、従来の超音波モータの押圧方向サイズを説明する図である。図7(A)は−Y方向から見た図、図7(B)は+X方向から見た図である。図7では各部品の位置関係が分かりやすいように、形状を模式的に描いている。従来の超音波モータでは、振動板102の+Z側にスペーサ部材120(第1の保持部材に対応)を配置し、スペーサ部材120の+Z側に支持部材114(第2の保持部材に対応)を配置し、さらにその支持部材114の+Z側に保持部材105(第3の保持部材に対応)を配置していた。そのため、摩擦部材101、振動板102、スペース部材120、支持部材114、そして保持部材105がZ方向に並んでしまい、Z方向のサイズT2が非常に大きくなってしまっていた。
以上のように、振動子109に発生する超音波振動により被駆動部を駆動する超音波モータにおいて、第2の保持部材114を圧電素子103と摩擦部材101の間に配置することにより、押圧方向のサイズが小さい超音波モータを実現することが可能となった。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
101 摩擦部材
101a 接触面
102 振動板
102a 固着部
102b 接触部
102d 突起部
103 圧電素子
104 基台
105 第3の保持部材
106 押圧部材
107 バネ部材
108 受け部材
109 振動子
110 固定台
112 第1の保持部材
114 第2の保持部材
114a 開口部
114d バネ部
115 フェルト部材
116 転動ボール
117 天板

Claims (5)

  1. 圧電素子と、
    該圧電素子が固着された面と反対側に接触部を先端に備える少なくとも1つの突起部とを有する振動子と、
    前記接触部と摩擦接触する接触面を有し、前記圧電素子によって前記振動子に励振された超音波振動により前記振動子に対して相対移動する摩擦部材と、
    前記接触部に対し、前記摩擦部材に向かって押圧力を付与する押圧手段と、
    前記振動子を保持し、前記超音波振動の伝播を抑制する第1の保持部材と、
    前記第1の保持部材を保持する第2の保持部材と、
    前記第1の保持部材と前記第2の部材を介して前記振動子を保持するともに前記押圧手段を保持する第3の保持部材と
    を備えた超音波モータにおいて、
    前記第2の保持部材は、前記押圧手段の押圧方向において前記圧電素子と前記摩擦部材の間に配置されることを特徴とする超音波モータ。
  2. 前記第2の保持部材は薄板形状で、前記相対移動方向の剛性よりも前記押圧方向の剛性が低いことを特徴とする請求項1に記載の超音波モータ。
  3. 前記第2の保持部材は前記突起部が貫通する開口部を有することを特徴とする、請求項1に記載の超音波モータ。
  4. 前記第2の保持部材は前記相対移動方向に折り返すバネ部を有することを特徴とする、請求項1に記載の超音波モータ。
  5. 前記開口部と前記バネ部は、前記押圧手段の押圧方向において前記圧電素子と前記摩擦部材の間に配置されることを特徴とする請求項3または4に記載の超音波モータ。
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