JP6598488B2 - 振動波モータ - Google Patents

Description

本発明は、光学機器などに適用される振動波モータに関するものである。

従来、超音波モータは、周期的に振動する振動子を摩擦部材に加圧し摩擦接触させることで、振動子と摩擦部材を相対移動させる技術として知られている。この超音波モータを直動型として構成し、撮影レンズの直動フォーカス駆動に用いた例がある。特許文献１には、四角柱状の摩擦部材を配置し、その上に移動可能に配置された振動子が超音波周期で楕円振動することにより直動駆動を可能とする構成が開示されている。その構成は、摩擦部材上に振動子を配置し、更にその上部に振動子の摩擦接触のための加圧機構を重ねたものであるため、超音波モータが大型化している。

特開２０１４−１８３７２４号公報

従来の構成の超音波モータを薄型化するために摩擦部材を薄くすることが提案されているが、しかしながら、単に摩擦部材を薄くすると振動共振点が増加するため、不要振動により摩擦接触状態が悪化し、超音波モータの駆動性能の低下につながっていた。したがって、摩擦部材はある程度の厚さ方向の寸法が必要となるので、超音波モータの薄型化を妨げていた。

そこで本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、駆動性能を低下させずに薄型化が可能な振動波モータ（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に、本発明における振動波モータは、圧電素子と振動板からなる振動子と、振動子と接触する摩擦接触面を有する摩擦部材と、振動子を摩擦部材に加圧する加圧手段とを備え、振動子に発生する振動波を用いて、振動子と摩擦部材とを相対移動させ、振動板は、圧電素子が固定される平板部と摩擦部材に接触する突起部からなり、摩擦部材は、平板部と摩擦部材との間の領域に、相対移動の方向に沿って摩擦部材の強度を補う補強部を少なくとも一つ備える構成とした。

本発明によれば、駆動性能を低下させずに薄型化が可能な振動波モータを提供することができる。

図４の断面線Ｉ−Ｉにおける実施例１の振動波モータ１００の断面図である。 図４の断面線ＩＩ−ＩＩにおける実施例１の振動波モータ１００の断面図である。 実施例１における振動板１０１の斜視図である。 実施例１における振動波モータ１００の平面図である。 （ａ）従来例における摩擦部材２０の斜視図である。（ｂ）実施例１における摩擦部材１２０の斜視図である。 実施例２における振動波モータ１００の要部断面図である。 変形例を示す図である。

以下に、本発明の実施例を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

（実施例１）
本発明を示す図面において、ＸＹＺ座標系が図示のように定義されている。図１は図４の断面線Ｉ−Ｉにおける実施例１の振動波モータ１００（超音波モータ）の断面図である。図２は図４の断面線ＩＩ−ＩＩにおける実施例１の振動波モータ１００の断面図である。図面を用いて振動波モータ１００の構造を説明する。

図１、２において、１００は振動波モータを示す。１０１は振動板で、１０２は圧電素子である。振動板１０１と圧電素子１０２とは、接着剤等の手段により固着された状態となっている。そして、振動板１０１と圧電素子１０２とによって振動子１０３が形成されている。振動板１０１は、平板部１０１ａと２つの突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２を備える。なお、振動板１０１には、突起部が二つ並んで形成されているが、突起部の数は一つでもよいし、複数でもよい。

図３は、この振動板１０１を突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２側から見た斜視図である。振動板１０１は中央に矩形の平板部１０１ａを有し、その平板部１０１ａに截頭錐体状または円柱状の突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２を備える。突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２の頂部には平面部が備えられ、この平面部が後述する摩擦部材１２０の摩擦接触面１２０ａと摩擦接触する。振動板１０１を後述する振動子保持部材１０６に固定するための保持部１０１ｄ−１、１０１ｄ−２が振動板１０１の長手方向の両側に備えられている。保持部１０１ｄ−１、１０１ｄ−２は、腕部１０１ｃ−１、１０１ｃ−２を介して平板部１０１ａと連結される。

突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２が設けられた振動板１０１の平板部１０１ａの反対側の面には圧電素子１０２が固定され、圧電素子１０２に駆動信号を与えることで楕円振動（超音波振動）が突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２に発生する。そして、この突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２を後述の摩擦部材１２０に摩擦接触させることで駆動力を発生させることができる。

図２において、１０６は振動子保持部材である。突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２がＺ軸方向下向きとなるように、振動板１０１の保持部１０１ｄ−１、１０１ｄ−２が振動子保持部材１０６の底部に固定される。このようにして、振動子１０３全体が振動子保持部材１０６に保持される。１２０は摩擦部材で、振動板１０１の２つの突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２と摩擦接触する摩擦接触面１２０ａを有する。摩擦部材１２０は、樹脂材料により樹脂モールドで形成されており、摩擦接触面１２０ａには、ＤＬＣコート（ダイヤモンドライクカーボンコート）が施されている。また、摩擦部材１２０は金属材料で形成されてもよく、この場合、ＤＬＣ等のコートによらず、表面処理や熱処理により表面に硬質層を形成してもよい。更には、摩擦部材１２０はセラミックで形成されてもよく、この場合、特別な処理によらなくても高い硬度を得ることができるため、表面の面粗さを所望の粗さに整えるだけでよい。

１０４は緩衝部材であり、Ｚ軸方向において圧電素子１０２の上面側に配置されている。緩衝部材１０４は、振動子１０３で発生する振動が緩衝部材１０４の上部に設けられた部材へ伝達するのを防止している。１０５は加圧伝達部材で、緩衝部材１０４上部に配置される。

１０９は加圧部材、１１０はバネ部材であり、加圧部材１０９とバネ部材１１０とによって加圧手段が構成される。加圧手段は、振動子１０３を摩擦部材１２０へ加圧するための加圧力を発生する。

図１において、１０８は移動部材であり、前述した部材のうち摩擦部材１２０以外のすべての部材を保持しながらＸ軸方向に移動する。移動部材１０８は半球状の突起部１０８ｄを有し、この突起部１０８ｄに別部材を係合させることにより（不図示）、振動波モータの駆動力を取り出すことができる。また、移動部材１０８は、図４に示すように移動を案内するための３つのガイド部１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃを備える。なお、図４は、図１及び図２における振動波モータをＺ軸側から見た平面図を示し、構造を理解しやすくするため図１、２におけるカバープレート１１２の記載が省略されている。

図４において、１１１は筐体部材であり、１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは転動部材である。筐体部材１１１は摩擦部材１２０とカバープレート１１２とを保持する。なお、摩擦部材１２０とカバープレート１１２は、ビスなどの固定手段により筐体部材１１１に固定される。転動部材１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは、それぞれガイド部１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃとその上部に配置されるカバープレート１１２の不図示のガイド部とに係合している。移動部材１０８は、転動部材１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを介してＸ方向に移動可能にカバープレート１１２に案内される。

図２において、加圧部材１０９は、移動部材１０８に対してＺ軸方向に変位自在に配置され、バネ部材１１０のバネ力による加圧力Ｆ１（図２の矢印）を加圧伝達部材１０５に与える。加圧伝達部材１０５は、その中央部付近に設けられた円柱突起部１０５ａにおいて加圧部材１０９と当接し、図２に示すように両端部に設けられた軸部１０５ａ−１、１０５ａ−２がそれぞれ移動部材１０８の穴部１０８ｈ−１、１０８ｈ−２に係合している。このとき、図２の断面図（Ｙ軸方向視）では、軸部１０５ａ−１と穴部１０８ｈ−１、軸部１０５ａ−２と穴部１０８ｈ−２とは、それぞれ隙間を有して係合している一方、図１の断面図（Ｘ軸方向視）では、それぞれ隙間を有さずに（不図示）嵌合している。すなわち、加圧伝達部材１０５は、移動部材１０８に遊嵌されている。したがって、加圧伝達部材１０５は移動部材１０８に対して、Ｙ軸方向のある軸周りに傾動可能に保持されている。

加圧伝達部材１０５に作用する加圧力Ｆ１は、緩衝部材１０４と圧電素子１０２とを介して、振動板１０１の２つの突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２に、それぞれ分配された加圧力Ｆ２−１、Ｆ２−２として伝達される。このとき分配された加圧力Ｆ２−１とＦ２−２とは互いに等しい大きさであり、それらの合計の力は加圧力Ｆ１となる。この分配された加圧力Ｆ２−１、Ｆ２−２により、突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２を摩擦部材１２０に接触させることができる。

図１において、振動子保持部材１０６は、その外側面部に曲面突起部１０６ａ−１、１０６ａ−２を備え、移動部材１０８に対してＹ軸方向に微小隙間ｄ１、ｄ２を有している。一方、図２において、振動子保持部材１０６は、外側面部と移動部材１０８の内側面部との間に設けられたローラー部材１０７ａ、１０７ｂを介して移動部材１０８に保持されている。移動部材１０８の外側面部には、溝部１０８ｅ、１０８ｆが設けられており、振動子保持部材１０６を移動部材１０８に組み付ける際、溝部１０８ｅ、１０８ｆが容易に弾性変形することができる。

この弾性変形によって、振動子保持部材１０６とローラー部材１０７ａ、１０７ｂとは、移動部材１０８にＸ方向に所定の力でチャージされた状態となる。すなわち、組み付けに際し、振動子保持部材１０６とローラー部材１０７ａ、１０７ｂとは移動部材１０８に弱圧入され、振動子保持部材１０６は、ローラー部材１０７ａ、１０７ｂを介して移動部材１０８に嵌合された状態となる。したがって、Ｘ軸方向において振動子保持部材１０６と移動部材１０８とはガタなく一体で移動することを可能としながらも、振動子保持部材１０６はＺ軸方向に変位自在に保持されている。この構成により、前述したような加圧伝達部材１０５がＹ軸方向のある軸周りに傾動することも可能となる。

したがって、カバープレート１１２や摩擦部材１２０に製造誤差などにより傾きが生じても、加圧伝達部材１０５が傾動することにより、振動子１０３と摩擦部材１２０との接触状態を良好に維持することが可能となる。また、摩擦部材１２０の摩擦接触面１２０ａの平面性が悪い場合でも、同様に良好な接触状態を維持することができる。

以上のように本発明の振動波モータ１００は構成され、振動子１０３に発生する楕円振動により振動子１０３と摩擦部材１２０とはＸ軸方向で相対移動し、直動駆動する振動波モータ１００が実現される。本発明では、摩擦部材１２０の構成を工夫することで、摩擦部材１２０のＺ軸方向の寸法を薄型化することができる。

図５（ａ）は、従来例の四角柱形状を有する摩擦部材２０の斜視図である。摩擦部材２０は、振動板１０１の突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２が接触する摩擦接触面２０ａを備える。摩擦部材２０は、Ｘ軸方向の長さＬ１及びＺ軸方向の厚さｔ１の寸法を有する。長さＬ１は、振動波モータ１００の移動量に応じて決定される。すなわち、ある程度の移動量が必要な場合、摩擦部材２０は、移動方向であるＸ軸方向に長い形状とすることが必要である。

振動波モータ１００を薄型化するために、単に摩擦部材２０の厚さｔ１を薄くすると、摩擦部材２０のＸ軸方向の曲げ強度が低下するため、摩擦部材２０の共振モードが低周波側にシフトしてしまう。そして、各振動共振点の周波数間隔が狭くなり、共振モードが駆動周波数域と干渉してしまう。振動波モータ１００の駆動周波数域に摩擦部材２０の振動共振点が存在すると、振動子１０３と摩擦部材２０の摩擦接触状態が悪化してしまう。そうすると所望の駆動速度を達成できなくなり、振動波モータ１００の駆動特性及び制御性が悪化する。

図５（ｂ）は、本発明の摩擦部材１２０の斜視図である。摩擦部材１２０は摩擦接触面１２０ａに加え、更に補強部１２０ｂを備える。この補強部１２０ｂは、摩擦部材１２０のＸ軸方向（長手方向）の曲げ強度を補強する役割を担う。摩擦部材１２０の強度を決めるにあたっては、振動波モータ１００で使用する駆動周波数域に、摩擦部材１２０の振動共振点が存在しないように摩擦部材１２０の各寸法ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４を決める必要がある。すなわち、摩擦部材１２０の振動共振点は、様々な共振モード、次数において多数存在するため、摩擦部材１２０の曲げ強度を確保するとともに、各振動共振点の周波数間隔を拡げるように各寸法を決める必要がある。そして、その周波数間隔内に振動波モータ１００の駆動周波数域を設定する必要がある。

本発明では摩擦部材１２０に補強部１２０ｂを設けることで、厚さｔ１を薄くしても摩擦部材１２０の曲げ強度が低下しないので、各振動共振点の周波数間隔を十分に保つことができる。このとき補強部１２０ｂは、図１の破線で囲む領域Ａに位置するように設けられる。この領域Ａは、振動板１０１の平板部１０１ａと摩擦接触面１２０ａとの間の領域である。本発明の実施例のような振動子に突起部を備えた振動波モータでは、領域Ａは空間部（デッドスペース）となっている。このデッドスペースである領域Ａに補強部１２０ｂを設けているため、摩擦部材１２０のＺ軸方向の寸法ｔ１を薄くすることが可能であり、その結果、振動波モータ１００を薄型化することができる。

上述のように、摩擦部材１２０の曲げ強度と各振動共振点の周波数間隔とに留意して摩擦部材１２０の各寸法を決める必要がある。図５（ａ）に示す従来例の四角柱形状では、摩擦部材２０の設計に際し、寸法ｔ１、ｔ２、Ｌ１を設計する程度の自由度しかなかった。しかしながら、図５（ｂ）に示す摩擦部材１２０では、各寸法ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、Ｌ１を設計することができるので、従来例の四角柱形状と比べると設計の自由度が向上している。

振動板１０１の駆動力の発生個所は、突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２が摩擦接触面１２０ａに接触している部分のみであり、それ以外の部分で振動板１０１と摩擦部材１２０とが接触すると駆動負荷となる。したがって、補強部１２０ｂは、振動板１０１に接触しないように領域Ａに設ける必要がある。

以上のような構成で、本発明の実施例１の振動波モータは、駆動性能を低下させずに薄型化を実現することが可能となる。なお、直動駆動の振動波モータを例に説明したが、回転型の振動波モータにも本発明を適用することが可能である。

（実施例２）
実施例２は、実施例１の摩擦部材１２０を更に薄型化した実施例である。本実施例２では、摩擦部材２２０に２つの補強部２２０ｂ−１、２２０ｂ−２が設けられている。補強部２２０ｂ−１、２２０ｂ−２は、振動板１０１の平板部１０１ａと摩擦接触面２２０ａとの間の領域Ａ及び領域Ｂに設けられる。すなわち、突起部１０１ｂ−１、１０１ｂ−２の両側に補強部２２０ｂ−１、２２０ｂ−２が設けられている。なお、領域Ａ、領域Ｂは、いずれも実施例１と同様の空間部（デッドスペース）である。また、摩擦部材２２０の各寸法は、実施例１と同様に摩擦部材２２０の曲げ強度と振動共振点との関係を考慮して決められる。

実施例２のように２つの補強部２２０ｂ−１、２２０ｂ−２を設けることで、摩擦部材２２０の曲げ強度を実施例１よりも高められる。更に、領域Ａ、領域Ｂはともに実施例１と同様のデッドスペースであるので、このデッドスペースを利用することにより、摩擦部材２２０の寸法ｔ１を薄くすることができるという効果が得られる。その結果、振動波モータ１００を更に薄型化することができる。

（変形例）
図２において、振動子１０３が左端の駆動端まで駆動された場合、摩擦接触面１２０ａと平板部１０１ａとの間には空間部（デッドスペース）が生じる。同様に右端まで駆動された場合にもデッドスペースが生じる。これらの駆動端におけるデッドスペースを利用して摩擦部材１２０を変形し、薄型化（小型化）した例を図７に示す。３２０は変形された摩擦部材である。左端、右端の両駆動端部付近に摩擦部材３２０の一部が設けられることにより変形された摩擦部材３２０は、薄型化されている。このような摩擦部材３２０によって、振動波モータ１００を更に薄型化することができる。

振動波モータ １００
振動板 １０１
平板部 １０１ａ
突起部 １０１ｂ−１、１０１ｂ−２
圧電素子 １０２
振動子 １０３
加圧部材 １０９（加圧手段）
バネ部材 １１０（加圧手段）
摩擦部材 １２０、２２０、３２０
摩擦接触面 １２０ａ、２２０ａ、３２０ａ
補強部 １２０ｂ、２２０ｂ−１、２２０ｂ−２
領域 Ａ、Ｂ

Claims (11)

1. 圧電素子と振動板とからなる振動子と、
   前記振動子と接触する摩擦接触面を有する摩擦部材と、
   を備えた、前記振動子に発生する振動を用いて前記振動子と前記摩擦部材とを相対移動させる振動波モータにおいて、
   前記振動板は、前記圧電素子が固定される平板部と前記摩擦部材に接触する突起部からなり、前記摩擦部材は、前記平板部と前記摩擦接触面により規定される平面との間の領域に、前記相対移動の方向に沿って前記摩擦部材の強度を補う補強部を一つ備えた振動波モータ。
2. 圧電素子と振動板とからなる振動子と、
   前記振動子と接触する摩擦接触面を有する摩擦部材と、
   を備えた、前記振動子に発生する振動を用いて前記振動子と前記摩擦部材とを相対移動させる振動波モータにおいて、
   前記振動板は、前記圧電素子が固定される平板部と前記摩擦部材に接触する突起部からなり、前記摩擦部材は、前記平板部と前記摩擦接触面により規定される平面との間の領域に、前記相対移動の方向に沿って前記摩擦部材の強度を補う補強部を少なくとも一つ備え、
   前記補強部は、前記振動子と接触しないことを特徴とする振動波モータ。
3. 前記補強部は、前記突起部の両側に設けられることを特徴とする請求項２に記載の振動波モータ。
4. 前記補強部は、前記摩擦部材の長手方向の強度を少なくとも補強することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波モータ。
5. 前記摩擦部材の各寸法は、前記振動波モータの駆動周波数域に前記摩擦部材の振動共振点が存在しないように決められていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動波モータ。
6. 前記摩擦接触面には、ＤＬＣコートが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項に記載の振動波モータ。
7. 前記摩擦部材は、樹脂材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動波モータ。
8. 前記振動子が前記相対移動した駆動端部において、前記平板部と前記摩擦接触面との間の領域に前記摩擦部材の一部が設けられることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動波モータ。
9. 前記突起部は、複数あることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の振動波モータ。
10. 前記振動波モータは、前記振動が超音波振動する超音波モータであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動波モータ。
11. 前記振動波モータは、前記振動子を前記摩擦部材に加圧する加圧手段を有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動波モータ。

Images