JPH11252949A - 振動波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータ等の移動子を確実に起動させることが
でき、しかも大きな出力トルクを得ることができる振動
波アクチュエータを提供する。 【解決手段】 ステータ２３，２４の接触駆動面４０に
ロータ２５を接触させ、接触駆動面４０に励起した振動
波によってロータ２５を回転駆動する。接触駆動面４０
も球面（凹面）状に形成し、ロータ２５の半径をステー
タ２３，２４の曲率半径よりも小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステータに発生し
た振動波によってロータやスライダ等の移動子を駆動す
る振動波アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動波アクチュエータの構造を図
１に示す。振動波アクチュエータ１にあっては、４個の
ステータ２，２，３，３を略球面状をしたロータ４の最
大外周円に沿って配置し、これらのステータ２，２，
３，３によって合成樹脂製のロータ４を支持している。
各ステータ２，２，３，３は、図２（ａ）（ｂ）に示す
ように、金属等の弾性材料によって形成された皿状のス
テータ本体５の裏面にＰＺＴ等の圧電素子７を接合した
ものである。ステータ本体５の外周部には、円環状をし
た弾性部材１０が設けられており、弾性部材１０の表面
には多数の接触子６が一定ピッチ毎に突設され、各接触
子６間はスリット９によって分離されている。圧電素子
７は弾性部材１０の裏面に接合されている。ステータ
２，２，３，３は、接触子６をロータ４と接触させるよ
うにしてロータ４を支持しており、そのため接触子６の
表面（接触駆動面８）にはロータ４の半径と同一の曲率
半径を有する凹状のアールが施されている。

【０００３】しかして、ステータ２，２，３，３は超音
波モータの原理によってロータ４を駆動するものであっ
て、圧電素子７を振動させることによって弾性部材１０
の接触子６の接触駆動面８にたわみ振動や伸縮振動等の
表面波振動を発生させるものである。各ステータ２，
２，３，３は、ばね（図示せず）の弾性力によってロー
タ４に圧接しているので、ステータ２，２，３，３が駆
動されていない場合には、ロータ４は回転できない。し
かし、圧電素子７を所定の駆動モードで駆動すると、接
触駆動面８で円周方向に進む進行波（たわみ進行波）に
より接触子６の表面の分子が楕円軌道を描いて運動し、
ロータ４の表面がステータ２，２，３，３の円周方向に
沿って移動する。この結果、ロータ４は駆動されている
ステータ２，２，３，３の軸心の回りに回転する。な
お、進行波を発生させないステータ２，２，３，３には
定在波を発生させてロータ４との摩擦を軽減する。

【０００４】また、図示しないが、振動波アクチュエー
タとしては、円板状のロータを１個のステータ上に接触
配置し、ステータによってロータを回転させるようにし
た１自由度のものも知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような摩擦駆動
の振動波アクチュエータでは、ロータから出力される出
力パワーを向上させるためには、金属等の弾性体よりな
るステータの接触駆動面と合成樹脂等で形成されたロー
タの表面との接触を均一にし、かつ広い面積で密着させ
ることが非常に重要である。

【０００６】しかしながら、一方では、ステータを駆動
して接触駆動面に進行波を励起させても、ロータが駆動
しないという現象が確認されている。これは、ロータと
ステータの接触駆動面との密着によって摩擦抵抗が増大
するためである。これを解決する方法としては、ステー
タの接触駆動面を狭くして密着面積を小さくすることが
提案されている（特開昭６３−１３６９８４号公報）。

【０００７】従って、従来にあっては、出力を高くする
ためにロータとステータの密着面積を大きくすると、摩
擦が増大してロータを駆動できなくなり、摩擦抵抗を低
減するために密着面積を小さくすると、振動波アクチュ
エータの出力が低下するという相反する問題があり、出
力を向上させ、かつ、安定駆動させることは不可能であ
った。

【０００８】特に、球面体のロータを駆動する振動波ア
クチュエータの場合には、ロータを回転駆動している
と、摩擦熱によってロータが熱膨張するので、出力が著
しく低下したり、再起動時にロータが回転しないといっ
た現象が生じている。これは、接触面がロータの凸湾曲
面（表面）とステータの凹湾曲面（接触駆動面）で構成
されるため、駆動による発熱でロータが膨張すると、ロ
ータがステータの接触駆動面に食い込むためである。従
って、ステータとロータの押し付け圧を大きくできず、
出力トルクを効率的に取り出すことができなかった。あ
るいは、押し付け圧を大きくすると、ロータを再起動で
きなくなっていた。しかも、この再起動しないという現
象は、ステータの接触駆動面の幅を狭くすることだけで
は回避できないことが実験により確認されている。

【０００９】本発明は上記の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、ロータ等の
移動子を確実に起動させることができ、しかも大きな出
力トルクを得ることができる振動波アクチュエータを提
供することにある。

【００１０】

【発明の開示】本発明の振動波アクチュエータは、ステ
ータの接触駆動面に移動子を接触させ、ステータに発生
させた微少振動波で移動子を駆動する振動波アクチュエ
ータであって、前記ステータと前記移動子との接触位置
を通過し、かつ前記接触駆動面に発生する振動波の励起
方向と垂直な断面において、前記接触駆動面と前記移動
子表面とがほぼ相似形状で、かつ同一形状でないことを
特徴としている。ここで、接触駆動面と接触子表面とが
ほぼ相似形状であるとは、例えば、一方が円弧で他方が
直線であるような場合を含まない意味であり、また、一
方が真円弧で他方が楕円弧の場合を含む意味である。

【００１１】本発明の振動波アクチュエータにあって
は、接触駆動面と移動子表面とが同一形状ではないが、
ほぼ相似形状となっているので、移動子が駆動されてい
ない場合には、ステータの接触駆動面と移動子との接触
幅が狭く、静止摩擦が小さくなっている。従って、振動
波アクチュエータの起動トルクが小さくて済み、移動子
の起動や再起動を確実に行わせることができる。一方、
振動波アクチュエータの駆動中においては、励起された
振動波のために、ステータの接触駆動面には数ミクロン
の起伏が発生し、ステータの接触駆動面と移動子の接触
幅は広がっている。従って、振動波アクチュエータの駆
動中においては、ステータの接触駆動面と移動子の間の
摩擦抵抗が大きくなり、出力を増大させることができ
る。

【００１２】本発明の適用にあたっては、移動子の曲率
半径をステータの接触駆動面の曲率半径よりも小さくす
る場合が多いが、特に、移動子が球面体の場合には、ス
テータの接触駆動面の曲率半径に対する、移動子表面の
曲率半径の比率を０.７以上１未満とするのが望まし
い。ステータの接触駆動面の曲率半径に対する、移動子
表面の曲率半径の比率を０.７よりも小さくすると、振
動波アクチュエータの駆動中においても、ステータの接
触駆動面とロータの接触面の幅が小さく、充分な出力が
得られないからである。

【００１３】

【発明の実施の形態】（実施形態）図３は本発明の一実
施形態による振動波アクチュエータ２１を示す正面側か
らの斜視図、図４はその断面図である。振動波アクチュ
エータ２１は、ケーシング２２内に取り付けられた４個
のステータ２３，２３，２４，２４で球面状をした合成
樹脂製のロータ２５を保持した構造となっている。

【００１４】微小振動を発生する４個のステータ２３，
２３，２４，２４は、ケーシング２２内に取り付けら
れ、ロータ２５の最大外周円に沿って配置されている。
対向するステータ２３，２３又は２４，２４のうち、一
方のステータ２３，２４はケーシング２２内に板バネ２
６を介して取り付けられており、他方のステータ２３，
２４は皿バネ２７とバネ押さえ２８を介してケーシング
２２内に取り付けられており、板バネ２６と皿バネ２７
の弾性力によって両ステータ２３，２３，２４，２４を
ロータ２５に押圧させると共に、調整ネジ２９によって
バネ押さえ２８を動かすことで皿バネ２７の弾性力を変
化させ、ステータ２３，２３，２４，２４のロータ２５
への圧接力を調整できるようにしている。また、ステー
タ２３，２３，２４，２４及びロータ２５等をケーシン
グ２２内に組み込んだ後、ケーシング２２の正面及び背
面にそれぞれカバー３０，３１を取り付けることによっ
てロータ２５等の脱落を防止している。正面のカバー２
９の窓からは、ロータ２５と出力軸３２等が露出してい
る。なお、３３は各ステータ２３，２３，２４，２４を
駆動するための信号線を通すための孔である。

【００１５】図５は各ステータ２３，２４の形状を示す
斜視図である。ステータ２３，２４は、金属等の弾性材
料によって形成されたステータ本体３４の裏面にＰＺＴ
等の圧電素子３５を接合したものである。ステータ本体
３４は、円環状をした弾性部材３６の表面に多数の接触
子３７を一定ピッチ毎に突設したものであって、各接触
子３７間はスリット３８によって分離されており、弾性
部材３６の内周側には、皿状をした支持部材３９が連設
されている。圧電素子３５は接着剤によって弾性部材３
６の裏面に接合されている。各接触子３７は略台形板状
となっているが、その内周側に位置する面は球面状に加
工された接触駆動面４０となっている。

【００１６】さらに、このステータ２３，２４において
は、図６に示すように、接触駆動面４０の曲率半径Ｒ
が、球面状をしたロータ２５の半径ｒよりもわずかに大
きくなっている。具体的には、ロ一夕２５の半径をｒ、
ステータ２３，２４の接触駆動面４０の曲率半径をＲと
するとき、 ０.７≦ｒ／Ｒ＜１ とするのが望ましい。例えば、半径ｒが２２.４ｍｍの
ロータ２５に対しては、ステータ２３，２４の接触駆動
面４０の曲率半径Ｒは２２.５ｍｍとする。

【００１７】この振動波アクチュエータ２１のように、
ステータ２３，２４の接触駆動面４０とロータ２５の表
面とが、同一ではないが近似した（ほぼ相似な）形状と
なっていると、ステータ２３，２４及びロータ２５が完
全な剛体の場合には、理論上ロータ２５とステータ２
３，２４とは線接触することになる。しかし、実際には
ステータ２３，２４及びロータ２５は弾性体であるの
で、押し付け圧によってロータ２５及びステータ２３，
２４が弾性変形して面接触となる。しかも、その接触駆
動面４０は、全面にわたってロータ２５と密着すること
はなく、一部で密着しながらその近傍では軽接触ないし
極く近接し、接触駆動面４０とロータ２５の間の押圧力
も最大圧の位置から両側へ向かって徐々に小さくなるよ
うに分布する。そして、振動波アクチュエータ２１が駆
動されておらず、ロータ２５が静止している場合には、
ステータ２３，２４の接触駆動面４０とロータ２５との
接触幅が狭く、静止摩擦が小さくなっている。このた
め、振動波アクチュエータ２１の起動トルクが小さくて
済み、ロータ２５の起動や再起動を確実に行わせること
ができる。一方、振動波アクチュエータ２１が駆動され
てロータ２５が回転している場合には、接触子３７に励
起された振動波のため、ステータ２３，２４の接触駆動
面４０には数ミクロンの起伏（分子の運動）が発生し、
ステータ２３，２４の接触駆動面４０とロータ２５の接
触幅は広がっている。さらに、駆動中のロータ２５の熱
膨張によっても接触駆動面４０とロータ２５の接触幅が
広がる。よって、振動波アクチュエータ２１の駆動中に
おいては、ステータ２３，２４の接触駆動面４０とロー
タ２５の間の摩擦抵抗が大きくなり、出力を増大させる
ことができる。

【００１８】ただし、ｒ／Ｒの値は、上記のとおり０.
７以上１未満とするのが望ましい。ｒ／Ｒが０.７未満
の場合には、ロ一夕２５が、完全にステータ２３，２４
の中心を軸とする円周線上のみで接触駆動面４０に線接
触することになり、出力が低下するためである。また、
ｒ＝Ｒにすると、従来例のようにステータの接触駆動面
はロータに全面密着するからである。

【００１９】この結果、本発明の振動波アクチュエータ
２１にあっては、ロータ２５の熱膨張によって駆動出力
の低下が起きなくなり、常に安定した起動特性が得られ
る。さらに、押し付け圧を高めることができるので、出
力トルクが一層向上する。しかも、起動特性を改善させ
るためにアクチュエータ起動時に印加電圧を大きくする
など、特別な制御回路や制御アルゴリズムを必要としな
い。また、ロ一夕２５とステータ２３，２４の接触駆動
面４０の曲率が同一の場合に比べ、ロータ２５が摩耗し
た際の接触面積変化が少ないので、振動波アクチュエー
タ２１の寿命が向上する。さらに、駆動時の発生音も減
少した。さらに、ロータ製作の際、ロータ２５の曲率を
ステータ２３，２４の接触駆動面４０の曲率に一致させ
る必要がなく、接触駆動面４０の曲率をロータ２５の曲
率に対して変化させるだけであるので、加工精度が要求
されず、コストダウンが可能になる。

【００２０】なお、ここでは、複数のステータにより球
面状のロータを回転させる実施例について説明したが、
本発明は、１つのステータにより円板状のロータを回転
させるようにした振動波アクチュエータにも適用でき
る。また、直線状のステータに沿ってスライダを移動さ
せるリニア型の振動波アクチュエータにも適用できる。

【００２１】（実験１）つぎに、実験結果について説明
する。サンプル１は、半径２２.４ｍｍのロータと、接
触駆動面の曲率半径が２２.５ｍｍのステータを用い、
両者の接触幅（接触駆動面の幅）を１.０５６６６２３
ｍｍとした振動波アクチュエータ（本発明品）である。
サンプル２は、半径２２.５ｍｍのロータと、接触駆動
面の曲率半径が２２.５ｍｍのステータを用い、両者の
接触幅（接触駆動面の幅）を１.０５６６６２３ｍｍと
した振動波アクチュエータ（第１の従来品）である。サ
ンプル３は、半径２２.５ｍｍのロータと、接触駆動面
の曲率半径が２２.５ｍｍのステータを用い、両者の接
触幅（接触駆動面の幅）を０.４１２１７４４１ｍｍと
した振動波アクチュエータ（第２の従来品）である。こ
れらのサンプル１〜３を用いて実験を行い、その起動特
性、出力の大小、発生音、出力の変化、耐久性を測定し
た。この結果を表１に示す。ただし、出力の大小は、サ
ンプル２を基準として（この出力の大きさを１とした）
測定した。

【００２２】

【表１】

【００２３】これより、ロータの半径とステータの接触
駆動面の曲率半径を少し異ならせることにより、起動特
性、出力、発生音、出力の変化、耐久性等が向上してい
るのが確認できる。

【００２４】（実験２）つぎに、各サンプル１〜３につ
いて、それぞれの駆動時間と回転数変化率の関係を測定
した。この結果を図７に示す。ただし、サンプル１〜３
による差異が明確になるよう、この実験では、いずれの
サンプルも摩耗の大きな素材で形成したロータを用い
た。図７に示す曲線Ｃ１はサンプル１（本発明品）の場
合、曲線Ｃ２はサンプル２又は３（従来品）の場合であ
る。これより、従来品では、当初の回転数の約６０％程
度まで回転数が低下していたのが、本発明品では、当初
の回転数の約９４％の低下に抑えることができるのが分
かる。

【００２５】なお、ステータの接触駆動面の摩耗状態の
観察からは、サンプル１の振動波アクチュエータは、駆
動中においては接触駆動面は全体でロータに接触してい
ることが確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の振動波アクチュエータの構造を示す一部
破断した正面図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は同上の振動波アクチュエータに
用いられているステータの正面図及び断面図である。

【図３】本発明の一実施形態による振動波アクチュエー
タの斜視図である。

【図４】同上の振動波アクチュエータの断面図である。

【図５】同上の振動波アクチュエータに用いられている
ステータの斜視図である。

【図６】同上のステータとロータとの接触状態を説明す
る図である。

【図７】振動波アクチュエータの駆動時間とロータの回
転数の変化との関係を示す図である。

【符号の説明】

２３，２４ ステータ ２５ ロータ ３４ ステータ本体 ３５ 圧電素子 ３６ 弾性部材 ３７ 接触子 ４０ 接触駆動面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータの接触駆動面に移動子を接触さ
   せ、ステータに発生させた微少振動波で移動子を駆動す
   る振動波アクチュエータであって、 前記ステータと前記移動子との接触位置を通過し、かつ
   前記接触駆動面に発生する振動波の励起方向と垂直な断
   面において、前記接触駆動面と前記移動子表面とがほぼ
   相似形状で、かつ同一形状でないことを特徴とする振動
   波アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記移動子と前記ステータの接触位置に
   おいて、移動子の曲率半径がステータの曲率半径よりも
   小さくなっ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. 【請求項３】 前記移動子は球面体で、前記ステータの
   接触駆動面も球面によって構成されており、移動子表面
   の曲率半径の、ステータの接触駆動面の曲率半径に対す
   る比が０.７以上１未満であ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。