JP4438029B2 - 振動波駆動装置及び振動波駆動装置に用いる振動子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカメラ用レンズやOA機器などに用いられる振動波駆動装置及び振動波駆動装置に用いる振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
棒状タイプの振動波駆動装置、例えば超音波モータとしては、例えば特開平４−９１６７１などがあり、駆動原理等はこれらに記載されている。
【０００３】
ここに開示された振動子は電気ー機械エネルギー変換素子（以下圧電素子と称す）を両側から弾性体で挟持固定し、圧電素子及び弾性体から振動子を構成している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前者の例では振動子は電気―機械エネルギー変換素子を複数の金属などの弾性体で挟み込む構成としていたため、各部品間に存在する界面の圧力分布のばらつき等の影響で振動子性能に個体差が生じ、また界面の高精度な仕上げがコストアップの原因になっていた。
【０００５】
そこで、本発明者は振動子における振動体を電気―機械エネルギー変換素子自体で構成し、かかる界面の存在をなくすことで振動子性能の安定化およびコストの低減を図ることを創案した。
【０００６】
ところで、電気―機械エネルギー変換素子自体で振動子の振動体を構成する場合、以下の問題点を考慮することが望ましいことを発明者は認識した。
【０００７】
第１点は素子強度が低いこと。すなわち、電気―機械エネルギー変換素子としては一般にPZT等の圧電素子が用いられるが、脆い材料で特に引張強度が小さく、支持や振動によって破損してしまうことが考えられる。
【０００８】
第２点は素子内でのエネルギー損失が大きいこと。すなわち、PZT等の圧電素子のうち、高Q材（低損失材料）を使用すれば、振動のQ値として1000以上の値を得ることが可能であり、アクチュエータ用の振動子としては十分に使用可能であるが、振動により素子内に生ずる歪み量が、ある値を越えると急激に損失が増加する特徴を有しているため、大出力のモータへの適用はできない。
【０００９】
本発明では上記課題の少なくとも１つを解決し、安価で個体差の小さい振動波駆動装置及び振動子を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願の振動波駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子と、前記電気−機械エネルギー変換素子の外周に形成される電極と、固定端を有し前記電気−機械エネルギー変換素子の中心穴を貫通する軸棒とを備えた振動子と、前記振動子に接触する接触体と、を有し、前記電気−機械エネルギー変換素子の内面と前記軸棒の外面とが前記中心穴で結合し、前記軸棒が前記電気−機械エネルギー変換素子を支持しており、前記電極に交番信号が供給されて生じる曲げ振動によって円又は楕円運動を行う前記振動子が、前記接触体を回転駆動することを特徴とする。
【００１１】
同様に、上記課題を解決するために、本願の振動子は、電気−機械エネルギー変換素子と、前記電気−機械エネルギー変換素子の外周に形成される電極と、固定端を有し前記電気−機械エネルギー変換素子の中心穴を貫通する軸棒とを備え、前記電気−機械エネルギー変換素子の内面と前記軸棒の外面とが前記中心穴で結合し、前記軸棒が前記電気−機械エネルギー変換素子を支持しており、前記電極に交番信号が供給されて生じる曲げ振動によって円又は楕円運動を行うことを特徴とする。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１に第１の実施形態を示す。
【００３８】
aは振動体としての円柱状圧電素子であって、中心穴部を貫通して、鉄系合金である軸棒bが一体的に形成され、円柱状圧電素子ａ及び軸棒ｂで振動子ｓを形成している。
【００３９】
軸棒ｂと圧電素子ａは接着・ネジ締結等強固に結合しており、振動的に一体と見なせる状態となっている。
【００４０】
cはフレキシブル基板で、振動発生のために電気エネルギーの振動子ｓへの供給または振動子ｓで発生した振動検出のために電荷を外部へ取り出すために用いられる。
【００４１】
dは振動子ｓの外周部または内周部から端面（図においては下端面）まで導電性塗料等で形成された電極面と、フレキシブル基板ｃとの導通を取るために、フレキシブル基板ｃと圧電素子ａを圧着するためのナットである。したがって、軸棒ｂにはネジが切ってある。
【００４２】
軸棒ｂは上端部が固定され、下端部が支持されており、振動子ｓを支えている。
【００４３】
圧電素子ａはフレキシブル基板ｃからの位相の異なる交番信号、例えば交流信号の供給により、軸棒ｂを方向の異なる（例えば９０度）曲げ振動（点線は軸の曲げ変位分布である）を発生させ、合成振動として圧電素子ａ自体が軸棒ｂを回転中心とする円又は楕円運動を行う。
【００４４】
Ｒは振動子ｓの上端部と接触する接触体であり、振動子ｓ合成振動により回転駆動される。Ｒ１は直接振動子ｓと接触する接触ばねであり、Ｂは接触体Ｒを軸棒ｂに対して回転可能に支持するベアリングである。ＳＰは接触体Ｒを振動子ｓに対して押圧するバネ部材としてのコイルバネであり、振動子ｓと接触体の摩擦接触を可能とする。
【００４５】
なお、振動子ｓの上端部内径面に形成した切り欠き部Ａ―Ｘは、接触体Ｒの駆動部近傍の振幅を拡大するための剛性減少部である。
【００４６】
図１に示した振動子ｓは円柱状の外形形状であるため、加工自由度も大きく安価に作成されるが、大振幅を得るのに適しない。
【００４７】
図２に一次の曲げ振動を励起したときに生ずる歪み分布を示す。等高線に記載された数値は歪みの絶対値を示す。（数値の大きいほど歪み大）。
【００４８】
（第２の実施の形態）
図１及び図２に示した実施の形態では、軸方向において振動子ｓの中央部かつ径方向において外周部における歪みが最大となる。
【００４９】
すなわち、外周部の歪みが大きいことから曲げ振動の振幅を等しくして歪みを小さくするには径を小さくすれば良いが、圧電素子の軸に垂直な面の面積が小さくなるため振動子で発生する力が小さくなり、振動波駆動装置としての超音波モータ用の振動子として使用する場合、発生トルクが小さくなってしまう。
【００５０】
そこで、径を小さくせずに最大歪みを低減する方法が望ましい。
【００５１】
中央部付近の歪みが大きい理由は、図２中線で示したように振動モードの歪み形状１乃至３が振動子ｓの中央すなわち振動の腹付近で急激に変化するためである。
【００５２】
この現象を緩和するためには、本実施の形態としての図３に示すように、振動の腹付近の剛性を高くすれば良い。
【００５３】
具体的には振動の自由端である振動子ｓ（圧電素子ａ）の端部径ａ２より振動腹の存在する中央部付近ａ１の径を大きくすれば良い。
【００５４】
図３に振動子の外形図を、図４に改善後の歪み分布を示す。
【００５５】
図４に示す歪み値は、図２の振動子ｓと端部における径方向変位を等しくしたときのものである（両振動子の周波数はほぼ等しいため端部の周速度は変位に比例する）。
【００５６】
このように腹位置を端部より太くすることで、歪み分布を均一化でき、端部の変位を等しくしたまま小さな歪みで振動子ｓを駆動する事ができる。
【００５７】
なお、図においては省略したが、振動子ｓの上端部には第１の実施の形態で示した接触体を含む構成が形成されているものとする。
【００５８】
（第３の実施の形態）
図５に第３の実施の形態を示す。図３に示す実施の形態では圧電素子ａを段付き円柱の形状としたが、本実施の形態では中央部ａ１を大径とし両端部ａ２に向かって徐々に径を小さくするようにしたもので、第２の実施形態に比べて段部が存在しないため応力集中による強度低下もなく連続的に剛性が変化するので、軸方向の歪み分布をより均一にすることが可能で、より大きな振動を得ることができる。
【００５９】
ただし、図３では圧電シートをプレス加工後焼結という安価な製造工程がとれるが、本実施の形態ではとれない。そこで図３における径の差の段数を増やして図５の形状に近づけても良い。
【００６０】
なお、図においては省略したが、振動子ｓの上端部には第１の実施の形態で示した接触体を含む構成が形成されているものとする。
【００６１】
（第４の実施の形態）
図６に第４の実施の形態を示す。
【００６２】
本実施の形態では、２次の曲げ振動を利用したものであるため、２カ所存在する腹位置付近ａ３を太く（外径を大きく）したものである。なお、図中の線は軸の曲げ２次の変位分布を示している。
【００６３】
ただし、２次の曲げ振動における節位置付近、すなわち振動子ｓ（圧電素子ａ）の中央部ａ５の歪みは振動の自由端である端部ａ４に比べて大きいため、端部付近より太く、または腹付近と同径としても良い。
【００６４】
なお、図においては省略したが、振動子ｓの上端部には第１の実施の形態で示した接触体を含む構成が形成されているものとする。
【００６５】
（第５の実施の形態）
図７に示す実施形態は図６の振動子ｓをシート搬送装置として構成した例である。
【００６６】
圧電素子ａは、そのままでは耐摩耗性が小さいため、耐摩耗性の高いアルミナ等のセラミックシートｉ１、ｉ２が振動子ｓの側面に貼られている。
【００６７】
eは搬送される接触体としてのシート、fは軸棒で、g1、g2は軸棒ｆを中心として回転するローラー。hはバネを示し、振動子ｓとシートｅをローラｇ１，ｇ２を介して押圧する役目を果たす。
【００６８】
尚不図示であるがローラｇ１，ｇ２にはエンコーダが取り付けられており、この信号をフィードバックして振動子ｓの振動が制御される。
【００６９】
（第６の実施の形態）
図８は本実施の形態に用いる振動子の電極および分極の具体例を示すものである。圧電素子ａの内周部には全面に電極ａ−ｄ６が形成されており、外周部には周方向に４分割された電極ａ−ｄ２，ａ−ｄ３，ａ−ｄ４，ａ−ｄ５が軸方向に平行に形成されている。
【００７０】
いずれの電極も振動子ｓの下端面側までまわりこんでおり、ここからフレキシブル基板ｃで駆動用の電気信号（交流信号）が供給される。なお、断面図中矢印はこの圧電素子ａの分極方向を示す。
【００７１】
駆動の際には、圧電素子ａは内周電極ａ−ｄ６はグランドに落とされ、外周電極ａ−ｄ２乃至ａ−ｄ５には２相の交流電界が印加され、時間位相の異なる２組の曲げ振動が励起される。具体的には、圧電素子ａは軸棒ｂを中心として電極ａ−ｄ２と電極ａ−ｄ５の方向に生じる曲げ振動と、それとは９０度空間位相の異なる電極ａ−ｄ３と電極ａ−ｄ４の方向に生じる曲げ振動とが、時間位相をずらして発生することになり、結果として合成振動として圧電素子ａ（振動子ｓ）を軸棒ｂを中心として円又は楕円運動させる。ここで、ｓｉｎｗｔ，ｃｏｓｗｔは印加する交流電界の時間位相関係を示すものであり、電極a−ｄ2,a−ｄ5にＶa・sin(wt)なる交流電界を印加すると分極の向きが逆であるから、電極a−ｄ2部が圧電横効果により軸方向に伸びるとき、電極a−ｄ5部では縮み振動子全体は曲げ振動をする。電極a−ｄ3,a−ｄ4部によっても印加電界の時間位相が９０度異なる同様な曲げ振動を行う。
【００７２】
（第７の実施の形態）
図９は本実施の形態に用いる振動子の電極および分極の他の具体例を示すものである。
【００７３】
この例は、２組の曲げ振動励起用の電極を軸方向の上下に分けたものである。電極a−ｄ7,a−ｄ8はほぼ半周にわたって圧電素子ａの周面に形成されており、これと９０度空間位相をずらして電極a−ｄ9,a−ｄ10が同じく周面に形成されている。
【００７４】
振動子ｓの下端面から電気信号としての交流電界を供給するため、周面に形成された電極a−ｄ7,a−ｄ8から図中圧電素子ａの下端部まで電極が伸びている。
【００７５】
本実施の形態においても、図８同様に内周部電極a−ｄ11を利用して径方向に分極しても良いが、断面B-B'図に見られるように対抗する電極間すなわち、電極a−ｄ7，a−ｄ8間および電極a−ｄ9，a−ｄ10間で分極を施したり、振動子駆動用の電界を印可しても良い。
【００７６】
したがって、図では内周電極ａ−ｄ１１を設けたが、電極a−ｄ7，a−ｄ8間およびｓ電極a−ｄ9，a−ｄ10間で分極や振動子駆動用の電界を印可する場合は内周電極を設ける必要がないというメリットもあり、軸棒を振動子に貫通させぬ構成の場合特に有効である。
【００７７】
振動子ｓの下端面に形成した電極a−ｄ12,a−ｄ13は振動検出用電極で、２方向の曲げ振動を独立に検出するためのもので、２組の曲げ振動の方向に合わせて配置されている。
【００７８】
（第８の実施の形態）
図１０は実施の形態に示した振動子ｓを用いた振動波駆動装置としての棒状超音波モータである。
【００７９】
振動子ｓは形状としては図３のものを示したが、他の振動子を用いても同様な動作を行うことができる。
【００８０】
この棒状超音波モータは振動子ｓの端面に生ずる円又は楕円運動により、これに押圧された接触体としてのロータKを回転させるものである。
【００８１】
i3は摩擦材でアルミナ等の高強度のセラミック等が振動子ｓの摺動部となる上端面に接着されており、振動子ｓの端部径より大きな外径寸法となっている。
【００８２】
jはロータＫに突出形成された円筒状の接触バネであり、摩擦材ｉ３の外周部付近に接触するように設けられている。このような構成にすることで、小加圧力でモータ出力トルクが稼げるため、摩擦面に生ずる圧力が下がり、長寿命化を図るのに有利である。
【００８３】
接触バネｊはコイルバネlにより振動子ｓに加圧接触される。また接触バネｊの摩擦面と逆側の端部は周上数カ所に軸方向に突起を有しており、該突起部と回転出力部材としてのギアmの凹部が嵌合し、ロータＫの摩擦駆動回転力がギアｍに伝達されてギアｍは回転される。
【００８４】
nは付加質量で軸棒ｂと一体的に締結されている。この結果、付加質量ｎを通じて軸棒ｂは装置に固定される。
【００８５】
尚、本図において不図示であるがナットdと圧電素子aとの間にフレキシブル基板が設けられている。
【００８６】
（第９の実施の形態）
図１１は主に振動子および軸棒の短軸化のための形状を示してある。
【００８７】
b20およびb30は軸棒ｂの一部を細くして剛性を下げ、軸棒端部への振動エネルギーの流出を低減している。
【００８８】
0は付加質量で、軸棒最端部での振動変位を小さくして、装置への振動の伝搬を押さえるためのものである。
【００８９】
a20は振動子ｓの固有振動数を下げるための周溝であるが、この周溝ａ２０の存在により、主溝部に外周での歪みが増すため大振幅は得難くなるが小型・小出力用途には良い。
【００９０】
また、内周縦溝（切り欠き）a30の存在により、軸棒ｂの上部の長さｌｏを短くすることができる。
【００９１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明においては、電気―機械エネルギー変換素子自体で振動体を形成したので、振動体を金属の弾性体で形成したものに比べて挟持面の界面の圧力分布の影響を受けることがなく、安価で且つエネルギーロス等の固体差の少ない振動子を提供することができる。
【００９２】
なお、振動体を電気―機械エネルギー変換素子自体で形成した際の強度の問題も、電気―機械エネルギー変換素子で形成した振動体の中心穴に軸棒を一体的に結合させれば、電気―機械エネルギー変換素子に作用する加重を分散することで対処できる。この構成によれば、引張強度に関しても問題無く、更には脆さゆえの振動による破損も防止することが可能であり、大出力の振動波駆動装置及び振動子が提供できる。
【００９３】
なお、振動体の曲げ振動の腹位置の剛性を高めるためにその外径寸法を端部より大きくすれば、歪み分布を均一化することにより振動により発生する電気―機械エネルギー変換素子での歪みを緩和できる。この構成によれば、振動により電気―機械エネルギー変換素子内に生じる歪みの量が、ある値を超えると急激に損失が増加することを押さえることが可能となる。
【００９４】
なお、振動体の外形面及び中心穴の面に電極を形成すれば、径方向に分極処理することにより、曲げ振動の励振を簡易に実現することができる。
【００９６】
なお、振動体の端面に駆動用及び／又は振動検出用の電極を配置したことにより、電気信号の供給／検出を簡易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態としての振動波駆動装置の断面図。
【図２】第１の実施形態での振動子の振動歪みを表す図。
【図３】第２の実施形態としての振動波駆動装置の断面図。
【図４】第２実施形態での振動子の振動歪みを表す図。
【図５】第３の実施形態としての振動波駆動装置の断面図。
【図６】第４の実施形態としての振動波駆動装置の断面図。
【図７】第５の実施形態としての振動波駆動装置の断面図。
【図８】第６の実施形態としての振動子の分極の具体例を示す図。
【図９】第７の実施形態としての振動子の分極の具体例を示す図。
【図１０】第８の実施形態としての振動波駆動装置の断面図。
【図１１】第９の実施形態としての振動波駆動装置の断面図。
【符号の説明】
ａ 振動体としての円柱状圧電素子
ｂ 軸棒
ｃ フレキシブル基板
ｓ 振動子
Ｒ 接触体

Claims (12)

1. 電気−機械エネルギー変換素子と、前記電気−機械エネルギー変換素子の外周に形成される電極と、固定端を有し前記電気−機械エネルギー変換素子の中心穴を貫通する軸棒とを備えた振動子と、
   前記振動子に接触する接触体と、
   を有し、
   前記電気−機械エネルギー変換素子の内面と前記軸棒の外面とが前記中心穴で結合し、前記軸棒が前記電気−機械エネルギー変換素子を支持しており、
   前記電極に交番信号が供給されて生じる曲げ振動によって円又は楕円運動を行う前記振動子が、前記接触体を回転駆動することを特徴とする振動波駆動装置。
2. 前記振動子の前記曲げ振動の腹位置における部位の剛性が、前記曲げ振動の自由端である前記振動子の端部よりも高く構成されたことを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
3. 前記振動子の前記曲げ振動の腹位置における部位が、前記曲げ振動の自由端である前記振動子の端部よりも太く構成されたことを特徴とする請求項２に記載の振動波駆動装置。
4. 前記電気−機械エネルギー変換素子の内周部に電極が形成されており、前記内周部に形成された電極を介して前記電気−機械エネルギー変換素子の内面と前記軸棒の外面とが結合していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の振動波駆動装置。
5. 前記内周部と外周部に形成された電極は前記電気−機械エネルギー変換素子の端面にまわりこんでおり、前記交番信号を供給する基板が前記端面に接することを特徴とする請求項４に記載の振動波駆動装置。
6. 前記電気−機械エネルギー変換素子と前記軸棒とが、接着又はネジ締結により結合されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の振動波駆動装置。
7. 電気−機械エネルギー変換素子と、前記電気−機械エネルギー変換素子の外周に形成される電極と、固定端を有し前記電気−機械エネルギー変換素子の中心穴を貫通する軸棒とを備え、
   前記電気−機械エネルギー変換素子の内面と前記軸棒の外面とが前記中心穴で結合し、前記軸棒が前記電気−機械エネルギー変換素子を支持しており、
   前記電極に交番信号が供給されて生じる曲げ振動によって円又は楕円運動を行うことを特徴とする振動波駆動装置に用いる振動子。
8. 前記振動子の前記曲げ振動の腹位置における部位の剛性が、前記曲げ振動の自由端である前記振動子の端部よりも高く構成されたことを特徴とする請求項７に記載の振動波駆動装置に用いる振動子。
9. 前記振動子の前記曲げ振動の腹位置における部位が、前記曲げ振動の自由端である前記振動子の端部よりも太く構成されたことを特徴とする請求項８に記載の振動波駆動装置に用いる振動子。
10. 前記電気−機械エネルギー変換素子の内周部に電極が形成されており、前記内周部に形成された電極を介して前記電気−機械エネルギー変換素子の内面と前記軸棒の外面とが結合していることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の振動波駆動装置に用いる振動子。
11. 前記内周部と外周部に形成された電極は前記電気−機械エネルギー変換素子の端面にまわりこんでいることを特徴とする請求項１０に記載の振動波駆動装置に用いる振動子。
12. 前記電気−機械エネルギー変換素子と前記軸棒とが、接着又はネジ締結により結合されていることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の振動波駆動装置に用いられる振動子。

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