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技術 振動波モータ

出願人 キヤノン株式会社
発明者 追川真
出願日 2015年5月29日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2015-110427
公開日 2016年12月28日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 2016-226161
状態 特許登録済
技術分野 超音波モータ、圧電モータ、静電モータ
主要キーワード フェルト生地 加圧接触状態 圧電素子膜 変形発生 直動駆動 球面半径 振動位相 転動ボール
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題

振動波モータにおいて、弾性体の製造バラつきの影響を大きく受けて、安定したモータ性能が得られない恐れがあった。

解決手段

圧電素子と、突起部を有する弾性体と、突起部との接触面を有し弾性体に対して相対移動する摩擦部材と、突起部を接触面の垂線方向加圧方向として加圧接触させる加圧手段とを有し、圧電素子と弾性体は固着されており、圧電素子に印加される交流電圧によって圧電素子と弾性体が振動する振動波モータにおいて、突起部は、摩擦部材に対向する側であって、突起部の中央に設けられた球面部と、球面部の中心の近傍に設けられ、接触面と接触する接触部と、球面部の周囲に設けられた平坦部と、平坦部の周囲に設けられた角部とを有し、球面部、平坦部、角部が均一な肉厚を有するように構成され、球面部、平坦部、角部が接触部を中心として加圧方向に可撓性を有する。

概要

背景

振動波モータでは、圧電素子が固着された弾性体の接触部と摩擦部材とが加圧接触状態となるように構成する。加圧接触状態下で圧電素子に2相電圧印加して、弾性体に2相の振動励起されると、弾性体の接触部に楕円振動が生じ、摩擦部材が弾性体に対して相対的に移動する。接触部に生じた楕円振動に安定して追従するために、接触部と摩擦部材の間には所定量の可撓性が必要である。特許文献1には、厚肉の接触部の周囲に薄肉で可撓性を有した連結部を設けることで、接触部に可撓性を持たせた振動波モータが開示されている。

概要

振動波モータにおいて、弾性体の製造バラつきの影響を大きく受けて、安定したモータ性能が得られない恐れがあった。圧電素子と、突起部を有する弾性体と、突起部との接触面を有し弾性体に対して相対移動する摩擦部材と、突起部を接触面の垂線方向加圧方向として加圧接触させる加圧手段とを有し、圧電素子と弾性体は固着されており、圧電素子に印加される交流電圧によって圧電素子と弾性体が振動する振動波モータにおいて、突起部は、摩擦部材に対向する側であって、突起部の中央に設けられた球面部と、球面部の中心の近傍に設けられ、接触面と接触する接触部と、球面部の周囲に設けられた平坦部と、平坦部の周囲に設けられた角部とを有し、球面部、平坦部、角部が均一な肉厚を有するように構成され、球面部、平坦部、角部が接触部を中心として加圧方向に可撓性を有する。

目的

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、製造時のバラつきの影響を受けにくく、安定したモータ性能を有する振動波モータを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

圧電素子と、突起部を有する弾性体と、前記突起部との接触面を有し前記弾性体に対して相対移動する摩擦部材と、前記突起部を前記接触面の垂線方向加圧方向として加圧接触させる加圧手段とを有し、前記圧電素子と前記弾性体は固着されており、前記圧電素子に印加される交流電圧によって前記圧電素子と前記弾性体が振動する振動波モータにおいて、前記突起部は、前記摩擦部材に対向する側であって、前記突起部の中央に設けられた球面部と、該球面部の中心の近傍に設けられ、前記接触面と接触する接触部と、該球面部の周囲に設けられた平坦部と、該平坦部の周囲に設けられた角部とを有し、前記球面部、前記平坦部、前記角部が均一な肉厚を有するように構成され、前記球面部、前記平坦部、前記角部が前記接触部を中心として前記加圧方向に可撓性を有することを特徴とする振動波モータ。

請求項2

前記可撓性による前記突起部の変形の共振周波数は、前記交流電圧の周波数よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の振動波モータ。

請求項3

前記可撓性による前記突起部の変形の共振周波数は、前記交流電圧の周波数の2倍以上かつ6倍以下であることを特徴とする請求項2に記載の振動波モータ。

請求項4

前記突起部は、前記球面部の前記圧電素子の側に球面状に凹んだ球面凹部とを有し、前記球面部の球面半径をSR1、前記球面凹部の球面半径をSR2、前記球面部と前記球面凹部の前記接触部における肉厚をD1とすると、SR1、SR2、D1は下記関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の振動波モータ。SR1>SR2+D1。

請求項5

前記突起部は、前記接触部と前記平坦部との間に段部と、前記接触部の前記圧電素子の側に球面状に凹んだ球面凹部とを有し、前記段部の前記接触部を中心とする半径をR1、前記球面凹部と前記平坦部が交わる位置の前記接触部を中心とする半径をR2とすると、R1とR2は下記関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の振動波モータ。R2<R1。

請求項6

前記振動波モータは、前記圧電素子と前記弾性体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5のいずれか1項に記載の振動波モータ。

技術分野

0001

本発明は、押圧された振動子楕円振動を発生させることにより摩擦部材を駆動する振動波モータに関する。

背景技術

0002

振動波モータでは、圧電素子が固着された弾性体の接触部と摩擦部材とが加圧接触状態となるように構成する。加圧接触状態下で圧電素子に2相電圧印加して、弾性体に2相の振動励起されると、弾性体の接触部に楕円振動が生じ、摩擦部材が弾性体に対して相対的に移動する。接触部に生じた楕円振動に安定して追従するために、接触部と摩擦部材の間には所定量の可撓性が必要である。特許文献1には、厚肉の接触部の周囲に薄肉で可撓性を有した連結部を設けることで、接触部に可撓性を持たせた振動波モータが開示されている。

先行技術

0003

特開2011−234608号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、特許文献1に開示された振動波モータでは、弾性体の製造時のバラつきの影響を大きく受けて、安定したモータ性能が得られない恐れがあった。

0005

特許文献1の振動波モータでは、接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の変形だけで可撓性を持たせている。薄肉の連結部のみの局所的な変形のため、連結部の寸法変化に対する可撓性変化の敏感度が高い。そのため連結部の寸法ばらつきによって可撓性が大きく変わってしまい、安定したモータ性能が得られない恐れがあった。

0006

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、製造時のバラつきの影響を受けにくく、安定したモータ性能を有する振動波モータを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記目的を達成するため、本発明の振動波モータは、
圧電素子と、
突起部を有する弾性体と、
前記突起部との接触面を有し前記弾性体に対して相対移動する摩擦部材と、
前記突起部を前記接触面の垂線方向加圧方向として加圧接触させる加圧手段とを有し、
前記圧電素子と前記弾性体は固着されており、前記圧電素子に印加される交流電圧によって前記圧電素子と前記弾性体が振動する振動波モータにおいて、
前記突起部は、
前記摩擦部材に対向する側であって、前記突起部の中央に設けられた球面部と、
該球面部の中心の近傍に設けられ、前記接触面と接触する接触部と、
該球面部の周囲に設けられた平坦部と、
該平坦部の周囲に設けられた角部とを有し、
前記球面部、前記平坦部、前記角部が均一な肉厚を有するように構成され、
前記球面部、前記平坦部、前記角部が前記接触部を中心として前記加圧方向に可撓性を有することを特徴としている。

発明の効果

0008

本発明によれば、製造時のバラつきの影響を受けにくくなり、安定したモータ性能を有する振動波モータを提供することができる。

図面の簡単な説明

0009

本発明の振動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を示す図である。
振動子と支持部材接合状態を示す拡大斜視図である。
各部材を組込んだ状態を示す拡大断面図である。
振動子の部分断面図である。
突起部200が変形する状態を示す部分断面図である。
製造バラつきによる可撓性変化の敏感度が低減している状態を説明するグラフである。
接触部と球面凹部の関係と、段部と球面凹部の関係を説明する部分断面図である。
圧電素子に印加する交流電圧を説明するグラフである。
突起部のZ方向の変形の共振周波数駆動周波数の関係を示すグラフである。
突起部の方向の変形の共振周波数によって駆動効率が変わる状態を示すグラフである。

実施例

0010

[実施例]
本発明を適用した基本的な実施例を、添付図面を参照して以下、具体的に説明する。尚、図面において同一部分は同一符号で示してある。以下説明する実施例は例示として説明するものであり、本発明を限定するものではないことは言うまでもない。

0011

なお、本実施例の振動波モータは、デジタルカメラ用のレンズ鏡筒などの駆動用アクチュエータとしてユニット化した直動駆動モータを例に説明するが、使用用途はこれに限られるものではない。

0012

図1は、本発明の一実施例である振動波モータ1の分解斜視図である。なお、図において同一部材は同一符号で図示されている。

0013

明細書中において、後述する振動子109に発生する楕円振動(楕円運動)により振動子109が移動する方向をX方向と定義する。また、後述するバネ部材107による加圧方向を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方向、振動子109が摩擦部材101に近づく方向を−Z方向と定義する。さらに、X方向とZ方向のそれぞれに垂直な方向をY方向と定義する。

0014

振動波モータ1の構成要素を保持する固定台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。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を備える。

0015

弾性体102は、接触面101aに押圧を伴う加圧接触状態で接触する。また、圧電素子103は、弾性体102に接着剤などにより圧着されている。更に、弾性体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振動を発生させ、弾性体102に楕円振動を発生させることができる。本発明の振動波モータ1では、弾性体102と圧電素子103とで振動子109を構成している。摩擦部材101は、弾性体102に対して相対移動する。

0016

遮断部材115は、圧電素子103の振動を他の部品に伝わらないように遮断するため、圧電素子103と後述の小基台104との間に設けられている。これにより、圧電素子103が発生する振動を減衰させることなく、小基台104への振動の伝播を防ぐ機能をもっている。遮断部材115の材料としては、フェルト生地が適している。小基台104は、遮断部材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。

0017

振動子109とその周辺の部材は保持部材105によって保持されている。また、加圧部材106が加圧受け部材108の貫通穴部108aに嵌合し、摩擦部材101の接触面101aに対して垂直な方向にのみ移動可能に保持されている。加圧部材106は、後述するバネ部材107からの押圧力を、遮断部材115と小基台104を介して振動子109に伝え、振動子109を摩擦部材101に加圧接触させる。

0018

加圧部材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の一方の端部は加圧受け部材108で固定されている。バネ部材107の他方の端部は加圧部材106に押圧力を伝えることで、摩擦部材101の接触面101aの垂線方向に押圧力を発生する。図示のZ方向がバネ部材107による加圧方向である。そのバネ部材107による押圧力により振動子109と摩擦部材101を加圧接触させる。加圧部材106とバネ部材107とで本発明の加圧手段を構成する。

0019

加圧受け部材108は中央に丸穴のあいた円板形状をしており、外周側面に形成されたネジ部で保持部材105のネジ部105bにねじ込み固定される。また、中央にあいた丸穴である貫通穴部108aで、加圧部材106を嵌合保持している。

0020

弾性体102と保持部材105の下方に設けられる支持部材114は薄板形状で形成されており、X方向よりもZ方向の方が弱い剛性を有する。支持部材114は、保持部材105に対して弾性体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有する。

0021

支持部材114と押さえ板113は、2本の固定ビス112で保持部材105に固定される。また、押さえ板113は、振動子109との間に所定量の隙間を設けて配置されている。このため、振動子109が−Z方向に所定量以上移動すると、振動子109は押さえ板113に当接して、それ以上移動できない構成になっている。押さえ板113は、振動子109が−Z方向に所定量以上移動するのを規制する機能を有する。

0022

また、保持部材105に形成された溝105dと後述する天板117に形成された溝(不図示)との間に転動ボール116を介在させることで、天板117に対して保持部材105が転動支持されている。

0023

天板117は、振動子109を保持した保持部材105を摩擦部材101と天板117との間で挟み込むことで、保持部材105を転動可能に保持している。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。
以上説明した構成要素をユニット化することで振動波モータ1が構成される。

0024

図2は、図1で説明した各部材を組込んだ状態を示す図である。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。更に、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の中央には長方形の開口117aが設けられ、保持部材105の突出部105cが天板117からZ方向の上方に露出している。

0025

摩擦部材101の上には弾性体102が当接した状態で載置されている。弾性体102は薄板形状の支持部材114を介して保持部材105に固定されている。そのため、弾性体102は、支持部材114の変形により、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と固定ができる構成になっている。

0026

不図示の電源からの給電により振動子109に発生した楕円振動によって、振動子109と摩擦部材101との間にX方向の相対的な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が固定部となる。一方、振動子109を含めた、遮断部材115と、小基台104と、固定ネジ112、押さえ板113、支持部材114、加圧部材106、バネ部材107、加圧受け部材108、更にそれらを保持する保持部材105とが可動部となる。つまり本発明の振動波モータ1は、駆動源である振動子109自身が可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、保持部材105をフォーカス機構ズーム機構に連結して駆動する。

0027

次に、振動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における弾性体102と支持部材114の接合状態を説明するための拡大斜視図で、摩擦部材101の側から見た図である。図3において弾性体102の中央の接合部102aには、2か所の突起部が形成される。突起部の上端面には、球面部102bが形成されている。球面部102bは摩擦部材101の接触面101aと当接する。2か所の球面部102bは同一平面上に形成され、摩擦部材101に対向する側に設けられ、摩擦部材101の接触面101aとの当接状態を良好にするため、製造工程時には研磨などにより接触面101aが均一な面に仕上げられている。

0028

一方、図3に示す接合部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、接合部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。この圧電素子103は複数の圧電素子膜を積層して一体化して形成されている。更に、この積層された圧電素子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が圧着された弾性体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、球面部102bには、図3において矢印で示すような楕円振動が発生する。この楕円振動を図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自身が直動駆動することが可能となる。

0029

次に、支持部材114の2つの球面部102bを挟んだ両側には、弾性体102と接合するため、凹部114aが形成されている。支持部材114は、凹部114aにおいて溶接接着などにより弾性体102に接合される。しかしながら、支持部材114と弾性体102が接合されれば、その方法は限定されない。

0030

弾性体102は、薄板形状の支持部材114を介して保持部材105に固定される。これにより弾性体102は、加圧方向であるZ方向には保持部材105に対して自由に移動可能だが、駆動方向であるX方向には保持部材105に対して位置ずれなく固定される。

0031

図4は、各部材を組込んだ状態を示す振動波モータ1の拡大断面図である。図4(a)は、図2におけるY軸に垂直な面で加圧部材106の中心を通る面に沿った断面図である。また、図4(b)は、図2におけるX軸に垂直な面で加圧部材106の中心を通る面に沿った断面図である。

0032

図4(a)に示す中心線201及び図4(b)に示す中心線202は、弾性体102の接触面101aと接触する球面部102bの重心を通過し、接触面101aの法線を含む。

0033

球面部102bは、摩擦部材101の接触面101aと当接し、加圧接触状態にある。また、弾性体102は、両端で支持部材114と接合されている。そして、圧電素子103は遮断部材115を介して小基台104に面接触している。

0034

保持部材105には2か所の穴部105aが設けられ、小基台104に形成された2か所の軸部104aが嵌合している。保持部材105に設けられた2か所の穴部105aは、X方向に伸び長穴形状になっており、小基台104が所定範囲傾動することができる。

0035

小基台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4(a)の断面図において円弧形状を有し、紙面行方向(図4(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には加圧部材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4(a)の紙面奥行方向(図4(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4(a)の断面図においては、小基台104が傾動可能な構成となっている。仮に、製造時の寸法誤差組み立て誤差、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に弾性体102の球面部102bが倣うように小基台104が傾動するため、良好な加圧接触状態を保つことができる。

0036

保持部材105にはネジ部105bが形成されており、加圧受け部材108の外径側面に設けられたネジ部108bが螺合する。螺合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。加圧受け部材108の中央に形成された貫通穴部108aには、加圧部材106の嵌合軸部106bが嵌合保持されることで、加圧部材106がZ方向にのみ移動可能な構成となっている。

0037

天板117は固定台110に固定され、バネ部材107のバネ力で弾性体102の球面部102bを摩擦部材101の接触面101aに加圧接触させたときの反力を受ける機能を有する。その際、天板117の下面に形成された溝部(不図示)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、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方向の加圧接触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(不図示)と保持部材105の溝部105dに転動ボールが挟まれることで、Y方向の位置が決まるように構成されている。本発明の振動波モータ1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、保持部材105が天板117に対して傾くことなく転動支持されている。

0038

圧電素子103と小基台104との間には、遮断部材115が挟み込まれている。遮断部材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が発生する振動を阻害することなく、小基台104への振動の伝播を抑える。遮断部材115に適した材質として、例えばフェルト生地などが挙げられる。

0039

球面部102bを摩擦部材101の接触面101aに加圧接触させるための加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保持部材105を精度よく駆動するために、振動子109は保持部材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支持部材114を介して保持部材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。

0040

図5は、振動子109のXZ平面に沿った部分断面図である。図5では、球面部102bの近傍を拡大して示している。

0041

図5において、圧電素子103と固着される接合部102aにおいて、圧電素子103と弾性体102とが固着され、振動子109を形成している。

0042

弾性体102は、摩擦部材101に対向して突出する突起部200を備えている。突起部200は、摩擦部材101の側の中央に設けた球面部102b、摩擦部材101の接触面101aと当接する接触部102cを含む。接触部102cは球面部102bの中央近傍に設けられている。また、突起部200は、球面部102bの周囲に設けられた平坦部102e、球面部102bと平坦部102eとの間に設けられた段部102dを含む。平坦部102eは肉厚D3を有するように形成される。突起部200は、更に平坦部102eの周囲に設けられた角部102f、圧電素子103と反対側に突出するように設けられた側壁部102gをも含む。

0043

2つの接触部102cの間隔は、接触部102cに発生する振動の振幅に大きく影響し、モータ性能を大きく左右する。そのため、2つの接触部102cの間隔は、測定・検査の際には高精度に測る必要がある。もし球面部102bと平坦部102eとの間に段部102dが無く滑らかにつながっていると、境界線不明瞭で測定が非常に困難である。そこで球面部102bの周囲に段部102dを設けることで、−Z方向から球面部102bの領域を視認しやすくしている。これにより、球面部102b及び接触部102cの位置を測定する際に、高精度に測ることができる。

0044

側壁部102gは圧電素子103の固着面から延びる円錐面となるようなテーパ面で形成されている。円錐面は、圧電素子103の側から摩擦部材101の側へと径が小さくなるように形成されている。これにより、プレス加工時の側壁部102gの厚さバラつきを軽減するとともに、接触部102cに作用する斜め方向の力に対して安定した可撓性を実現することができる。

0045

球面部102bの+Z方向側の面には球面凹部102hが設けられている。球面凹部102hは、球面部102bの+Z方向側の面が球面状に凹んだ形状をしており、球面部102bと球面凹部102hとで挟まれた部位は、均一な肉厚を有するように構成されている。球面部102b、平坦部102e、角部102fがそれぞれ均一(同一)な肉厚を有するように構成されている。

0046

以上のように、接触部102c、球面部102b、段部102d、平坦部102e、角部102f、側壁部102gとで、突起部200を構成している。

0047

図6は、突起部200が変形する状態を示す部分断面図である。図6図5と同様に、振動子109をXZ平面に沿って示す球面部102bの近傍を拡大した部分断面図である。図6において、実線が変形前の形状であり、点線が+Z方向に変形した形状である。接触部102cと接触面101aとの間は、振動によって接触と非接触を繰り返す。これにより、突起部200は振動に同期した変形をする。この突起部200の変形は、図6に示すようにバネ部材107による加圧方向(Z方向)の変形である。図6では、説明をわかりやすくするため、+Z方向に変形した突起部200の形状を描いている。しかし、実際の突起部200の変形は、+Z方向への変形と−Z方向の変形を振動に同期して繰り返して行う。また図6において実線で描かれた変形前の形状は、図5と同じであるため、説明を省略する。

0048

図6に点線で示す変形後の突起部200は、+Z方向に変形した状態の接触部102c−2、+Z方向に変形した状態の球面部102b−2、+Z方向に変形した状態の段部102d−2、+Z方向に変形した状態の平坦部102e−2、+Z方向に変形した状態の角部102f−2から構成されている。球面凹部102hは+Z方向に変形した状態の球面凹部102h−2となっている。図6に示すように、球面部102b−2と平坦部102e−2と角部102f−2のそれぞれが少しずつ変形して、全体として変形をするように構成している。これにより一部の部位だけで局所的に大きく変形することを防止している。このように球面部102b−2と平坦部102e−2と角部102f−2とが接触部102c−2を中心として少しずつ変形することで、Z方向に可撓性を持たせている。

0049

特許文献1に開示されているような従来の振動波モータでは、接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の局所的な変形だけで可撓性を持たせていた。局所的な変形の場合、製造バラつきなどで変形発生部位の剛性が変わった場合に、可撓性変化も非常に大きい。つまり製造バラツキによる可撓性変化の敏感度が非常に高くなってしまうという問題があった。

0050

しかしながら本発明の振動波モータのようにそれぞれの部位が少しずつ変形する全体変形の場合には、製造バラツキによる可撓性変化の敏感度を下げることができる。これにより製造バラつきの影響を受けにくい安定した可撓性を実現することができる。

0051

このように球面部102b−2と平坦部102e−2と角部102f−2とが接触部102c−2を中心として変形することで、バネ部材107による加圧方向(Z方向)に、安定した可撓性を実現することができる。

0052

図7は、製造バラつきによる可撓性変化の敏感度が低減している様子を説明するグラフである。図7では、製造バラつきによって平坦部102eの肉厚D3が変化してしまった場合を例にとって説明する。図7(a)は本発明の振動波モータにおいて、製造バラつきによって平坦部102eの肉厚D3が変化した際の可撓性変化を説明する図である。図7(b)は特許文献1に記載の振動波モータにおいて、製造バラつきによって接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚が変化した際の可撓性変化を説明する図である。

0053

まず図7(b)を用いて、従来の振動波モータでの製造バラつきによる可撓性変化の様子を説明する。特許文献1において、本発明の平坦部102eの肉厚D3に相当する部位は、接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚であるため、図7(b)では接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚の変化による可撓性変化を説明する。図7(b)において、横軸は特許文献1の接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚D4である。縦軸は特許文献1の加圧方向(Z方向)の可撓性の値、言い換えればバネ定数である。ΔD4errは、製造バラつきによる薄肉部の肉厚D4の変化量、ΔKerr4は薄肉部の肉厚D4の変化によって発生するバネ定数の変化量である。

0054

特許文献1に開示されている振動波モータでは、接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の局所的な大変形によって加圧方向の可撓性を出しているため、薄肉部の肉厚の変化量ΔD4errによって生じてしまうバネ定数の変化量ΔKerr4が非常に大きくなる。つまり、製造バラツキによる可撓性変化の敏感度が非常に高くなっていることが分かる。

0055

次に、図7(a)を用いて、本発明の振動波モータでの製造バラつきによる可撓性変化の様子を説明する。図7(a)において、横軸は平坦部102eの肉厚D3である。縦軸は球面部102bと平坦部102eと角部102fとが接触部102cを中心として変形による加圧方向(Z方向)の可撓性の値、言い換えればバネ定数である。ΔD3errは、製造バラつきによる平坦部102eの肉厚D3の変化量、ΔKerr3は平坦部102eの肉厚D3の変化によって発生するバネ定数の変化量である。

0056

本発明の振動波モータ1では、球面部102bと平坦部102eと角部102fとが接触部102cを中心として少しずつ変形して全体として変形しているため、平坦部102eの変形量は小さい。そのため、ΔD3errとΔD4errとが同程度の場合、平坦部102eの肉厚D3の変化量ΔD3errによって生じるバネ定数の変化量ΔKerr3は、従来のバネ定数変化量ΔKerr4に比べて小さくすることができる。つまり平坦部102eの肉厚D3の変化ΔD3errに対して可撓性変化の敏感度を小さくすることができる。これにより製造バラつきの影響を受けにくく、安定した可撓性を実現することができる。

0057

以上、図7を用いて説明したように、本発明の振動波モータでは、それぞれの部位が少しずつ変形することで全体として変形とする構成としたため、製造バラツキによる可撓性変化の敏感度を下げることができる。これにより製造バラつきの影響を受けにくい安定した可撓性を実現することができる。

0058

図8は、接触部102cと球面凹部102hの関係や、段部102dと球面凹部102hの関係を説明する部分断面図である。図8も、図5図6と同様に、振動子109をXZ平面に沿って球面部102bの近傍を拡大した部分断面図である。図8において、図5と同じものについては説明を省略する。

0059

球面部102bは球面半径SR1、球面凹部102hは球面半径SR2を有する。また、球面部102bと球面凹部102hの接触部102cにおける肉厚D1、球面半径SR1、球面半径SR2は、下記式を満たすように構成する。
SR1 > SR2 + D1 ・・・(1)

0060

もし、球面部102bと球面凹部102hが全域に渡って均肉だった場合、段部102dの近傍の肉厚D2が段差分だけ局所的に薄肉になってしまう。するとプレス加工時の球面部102bと平坦部102eとの間の肉の移動が阻害され、突起部200の加工精度が低下してしまう恐れがあった。そこで本発明の振動波モータでは、式(1)の関係を満足するように構成することで、球面部102bと球面凹部102hとの間の肉厚は、接触部102cで最も薄くなり、接触部102cから離れるにつれて少しずつ厚くなるようにする。

0061

球面部102bと球面凹部102hとの間の肉厚は均一に構成するが、式(1)のような関係となるような球面半径SR1と球面半径SR2とすることで、段部102dの近傍での局所的な薄肉部の発生を防いでいる。これにより突起部200の加工精度が低下してしまうのを軽減している。

0062

図8において、段部102dの接触部102cを中心とする半径R1、球面凹部102hの接触部102cを中心とする半径R2は、下記式(2)を満たすように構成する。
R2 < R1 ・・・(2)

0063

もし、半径R2が半径R1より大きかった場合、段部102dと球面凹部102hとが近接し、肉厚が局所的に薄い部位が発生してしまう。するとプレス加工時の球面部102bと平坦部102eとの間の肉の移動が阻害され、突起部200の加工精度が低下してしまう恐れがある。

0064

そこで本発明の振動波モータ1では、式(2)の関係を満たすように構成することで、段部102dと球面凹部102hとが近接しないようにした。これにより段部102dと球面凹部102hとか近接して生じる局所的な薄肉部の発生を防いでいる。その結果、突起部200の加工精度が低下してしまうのを軽減している。

0065

以上、本発明の振動波モータ1では、接触部102cと球面凹部102hとの関係や、段部102dと球面凹部102hとの関係を図8で説明したような関係とすることで、突起部200の加工精度低下を軽減できる。これにより製造バラつきの影響を受けにくく安定したモータ性能を有する振動波モータを実現することができる。

0066

図9は、圧電素子103に印加する交流電圧を説明するグラフである。図9において、横軸は時間、縦軸は電圧である。V1とV2は圧電素子103に印加する2相の電圧である。本発明の振動波モータ1では、圧電素子103に位相角が約90°の2相の交流電圧である交流電圧V1と交流電圧V2を印加する。T1は交流電圧V1と交流電圧V2の周期である。交流電圧V1と交流電圧V2は周期T1は同じで、位相角が約90°ずれている。このとき、圧電素子103に印加する交流電圧V1と交流電圧V2の周波数frdは下記式(3)のように表わせる。
frd = 1 / T1 ・・・(3)

0067

図10は、突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数frbと駆動周波数frdの関係を説明するグラフである。図10において、横軸は周波数、縦軸は振幅である。

0068

図6で説明したように、突起部200はZ方向の可撓性によって、振動に同期したZ方向の変形をする。この変形モードの共振周波数をfrbとすると、突起部200は共振周波数frb近傍で共振して振動の振幅が急激に大きくなり、共振周波数frbから離れると振動の振幅が小さくなる図10のような周波数特性となる。

0069

周波数frdは圧電素子103に印加する交流電圧の周波数である。周波数frdの交流電圧によって、振動子109には振動が励起される。この振動によって、接触部102cはX方向及びZ方向に周波数frdで振動する。接触部102cと接触面101aとの間の安定した接触を実現するためには、図6で説明したように突起部200は共振周波数frbと同期してZ方向に変形する必要がある。そこで本発明の振動波モータ1では、図10に示すように、突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数frbを、交流電圧の周波数frdよりも大きくなるように構成する。この関係を数式で示すと下記式(4)のようになる。
frd < frb ・・・(4)

0070

このように本発明の振動波モータ1では、数式(4)に示すように突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数frbを、交流電圧の周波数frdよりも大きくなるように構成する。このようにすることで、接触部102cと接触面101aとの間の安定した接触を維持し、安定したモータ性能を実現している。

0071

図11は突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数によって、駆動効率が変わる様子を示している。図11において、横軸は突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数、縦軸は振動波モータ1の駆動効率である。

0072

周波数frdは圧電素子に印加する交流電圧の周波数である。frb1とfrb2は駆動効率が急激に変わる変化点における突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数であり、低周波側の変化点の周波数をfrb1、高周波側の変化点の周波数をfrb2とする。

0073

まず低周波側の変化点の周波数frb1で急激に効率が変わる理由を説明する。突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数frbが小さ過ぎると、接触部102cが振動に追従できなくなってくる。すると駆動効率が急激に悪化する。通常、突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数frbが、圧電素子103に印加する交流電圧の周波数の2倍より小さくなると、接触部102cが振動に追従できなくなり、駆動効率が急激に悪くなる。そのため、低周波側の変化点の周波数frb1は、圧電素子103に印加する交流電圧の周波数の2倍とするのがよい。

0074

次に高周波側の変化点の周波数frb2で急激に効率が変わる理由を説明する。突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数frbが大き過ぎる、つまり突起部200の剛性が高過ぎると、突起部200の振動に追従して変形しなくなってしまう。すると接触部102cと接触面101aの間で摩擦接触する時間が短くなり過ぎて、駆動効率が悪化する。通常、突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数frbが、圧電素子103に印加する交流電圧の周波数の6倍より大きくなると、接触部102cが変形しなくなり、駆動効率が急激に悪くなる。そのため、高周波側の変化点の周波数frb2は、圧電素子103に印加する交流電圧の周波数の6倍とするのがよい。以上のことをまとめると、可撓性による突起部200の変形の共振周波数は、交流電圧の周波数の2倍以上かつ6倍以下とすることがよい。

0075

本発明の振動波モータ1では、圧電素子103に印加する交流電圧の周波数frdと突起部200のZ方向の可撓性による変形の共振周波数frbを図9図11を用いて説明したような関係とする。このようにすることで、接触部102cと接触面101aの間の安定した接触を維持でき、安定したモータ性能を有する振動波モータ1を実現することができる。

0076

以上、図1乃至図11で説明したように、接触部102c、球面部102b、段部102d、平坦部102e、角部102f、側壁部102gとで弾性体102の突起部200が構成されている。球面部102bと平坦部102eと角部102fが均一な肉厚を有するように構成され、球面部102bと平坦部102eと角部102fとが接触部102cを中心として変形することで、バネ部材107による加圧に対して安定した可撓性を実現する。球面部102bと平坦部102eと角部102fとが少しずつ変形して全体として変形を行うことで、局所的に大きな変形をさせないようにしている。局所的な大きな変形がないため、製造バラつきによる可撓性変化の敏感度が低くなり、安定した可撓性を実現できる。これにより、製造バラつきの影響を受けにくく、安定したモータ性能を有する振動波モータを実現することができる。

0077

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。また、振動波モータは、例えば圧電素子と弾性体が超音波振動する超音波モータである。

0078

101摩擦部材
101a 接触面
102弾性体
102a接合部
102b 球面部
102c 接触部
102d 段部
102e平坦部
102f 角部
102g側壁部
102h 球面凹部
200突起部
103圧電素子
107バネ部材
109振動子
V1交流電圧
V2 交流電圧
frb 突起部200の変形の共振周波数
frd 交流電圧V1及び交流電圧V2の周波数
T1 交流電圧V1及び交流電圧V2の周期
SR1 球面部102bの球面半径
SR2 球面凹部102hの球面半径
D1 球面部102bと球面凹部102hの接触部102cにおける肉厚
D3 平坦部102eの肉厚
D4 接触部の周囲に設けた薄肉の連結部の肉厚
ΔD3err 製造バラつきによる肉厚D3の変化量(本発明)
ΔD4err 製造バラつきによる肉厚D4の変化量(従来例)
ΔKerr3 肉厚D3の変化によって発生するバネ定数の変化量
ΔKerr4 肉厚D4の変化によって発生するバネ定数の変化量
R1 段部102dの接触部102cを中心とする半径
R2 球面凹部102hの接触部102cを中心とする半径

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