JP5932402B2 - 振動波駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動波駆動装置に関し、特に、振動子に一方端で接触して該振動子に励振される振動によって摩擦駆動されるロータと、該ロータの他方端と係合して該回転子の出力を外部に伝達する出力伝達部材とからなる振動波駆動装置に関する。

一般に、振動波駆動装置である振動波モータは、カメラレンズの駆動用などに製品応用がなされており、円環型のものと棒状型のものとが存在する。以下に、従来の棒状型の振動波駆動装置について説明する（例えば、特許文献１参照）。図３は、従来の棒状の振動子を用いた振動波駆動装置の構成を示す断面図である。
図３において３０１は第１の弾性体、３０２は第２の弾性体、３０３は圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）、３０４はシャフト、３０５は下部ナット、３１１は上部ナットである。
第１の弾性体３０１、第２の弾性体３０２、積層圧電素子３０３は、シャフト３０４及び下部ナット３０５によって、所定の挟持力が付与されるように締め付けられている。
第１の弾性体３０１、第２の弾性体３０２、圧電素子３０３、シャフト３０４、下部ナット３０５によって、振動子３１２が構成されている（図５参照）。
３０６は摺動部材であり、下方端の面が第１の弾性体３０１に接触する。摺動部材３０６は接触面積が小さく、かつ適度なバネ性を有する構造となっている。３０７はロータ（回転子）であり、摺動部材３０６と固定されているため摺動部材３０６と一体に回転する。

また、ロータ３０７の上部の面にはギア（出力伝達部材）３０８が設けられ、ギア３０８は、ロータ３０７と一緒に回転し、振動波駆動装置の出力を外部に伝達する。ロータ３０７の上面には凹部が形成され、ギア３０８に形成された凸部と係合する。
さらに、ギア３０８には、振動波駆動装置を取り付けるためのフランジ３１０が嵌合され、シャフト３０４のスラスト方向に位置が固定されており、ロータ３０７に加圧力を付与するための加圧バネ３０９が、このギア３０８とロータ３０７との間に設けられている。
また、フランジ３１０の摩耗を防止するために、フランジキャップ３１０ａがフランジ３１０に圧入されている。
積層圧電素子３０３には、それぞれが２つの電極からなる電極群が含まれ、不図示の電源からそれぞれの電極群に位相の異なる交流電界が印加されると、振動子に、直交する２つの曲げ振動が励振される。

図５の（ａ）は棒状の振動子３１２の断面図、（ｂ）は振動子３１２の振動モードにおける振動振幅の大きさを示している。
図５（ｂ）は、２つの曲げ振動のうちの一方を図示し、他方は、紙面に垂直な方向に発生する。
この印加交流電界の位相を調整することにより、２つの曲げ振動間に、９０度の時間的な位相差を与えることができる。その結果、振動子３１２が曲げ振動によりシャフト３０４の軸周りに回転する。
この結果、摺動部材３０６に接触する第１の弾性体３０１の面には楕円運動が形成され、第１の弾性体３０１に押圧された摺動部材３０６が摩擦駆動される。
これによって、摺動部材３０６、ロータ３０７、ギア３０８、加圧バネ３０９が一体となってシャフト３０４の軸周りに回転する。

振動波駆動装置の出力は、ロータ３０７を介してギア３０８から外部ギアへ伝達される構造になっている。
ロータ３０７は、回転軸回りの振れ回りを拘束するために、ギア３０８と内径で嵌合しており、ギア３０８もまた、フランジキャップ３１０ａの内径で嵌合する構造になっている。
このような構造により、ロータ３０７が回転中心からずれたり、ロータ３０７本体をギア３０８の摺動面に対して倒すようなモーメントが作用したりすることをなくし、ロータ３０７の第１の弾性体３０１との安定した接触状態を保つことが可能とされている。

特願２００２−４１９８号公報

しかしながら、カメラの小型化に伴い振動波駆動装置を小型化することが益々望まれているが、上記の従来の振動波駆動装置では小型化を図る上で次のような課題を有している。
つまり、ギア３０８とフランジ３１０の嵌合部での出力低下や損失増大を避けることや、面圧の増大によるギア３０８とフランジ３１０の摩耗の発生を抑制するため、上記嵌合部の軸長を一定以上の長さにする必要がある。これが、従来の振動波駆動装置の小型化を阻む大きな理由となっていた。これらについて、以下に更に説明する。

図４は、ギヤ３０８とフランジ３１０との嵌合部の断面模式図である。
図４に示すように、ギア３０８に回転力が発生すると、ギア３０８とかみ合う不図示の外部ギアからの径方向の力（矢印Ａ方向）がギア３０８に働くことになる。
ここで、隙間δＲが大き過ぎるとフランジ３１０に対してギア３０８が傾くことになり（３１０’）、出力低下を引き起こしてしまう。
反対に、隙間δＲが小さすぎると、ギア３０８とフランジ３１０との摺動損失が増大することになる。
このような状況において、隙間δＲを所定の大きさに設定することは、高精度な機械加工で製造しなければならないが、これは、製造コストを増大させることになる。
そのため、隙間δＲがある程度大きくても、フランジ３１０に対するギア３０８の傾きを抑えるために、ギア３０８とフランジ３１０との嵌合部の軸長を一定以上の長さにする必要があった。
また、ギア３０８とフランジ３１０との嵌合部の軸長が短い場合、摺動面が上述の径方向の力を受けた時に、面圧が高くなり、ギア３０８またはフランジ３１０の摩耗を引き起こしてしまう。
この観点からも、ギア３０８とフランジ３１０との嵌合部の軸長を一定以上の長さにする必要があった。
そのため、従来においては振動波駆動装置の回転軸方向におけるこのようなギア３０８とフランジ３１０との嵌合部の軸長の占める割合が大きく、小型化を図る上での制約となっていた。

本発明は、上記課題に鑑み、性能を低下させることなく、安価に、小型化を図ることが可能となる振動波駆動装置を提供することを目的とするものである。

本発明の振動波駆動装置は、回転軸方向に、第１の弾性体と、第２の弾性体と、前記第１及び第２の弾性体の間に設けられた電気−機械エネルギー変換素子と、が配置された振動子と、
前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより前記第１の弾性体に励起される振動により回転運動を行うロータと、
前記ロータと同期回転する出力伝達部と、
前記回転軸方向に、前記振動子と前記ロータと前記出力伝達部とを貫通するシャフトと、を有する振動波駆動装置であって、
前記出力伝達部は、前記シャフト又は前記シャフトと固定されたフランジと嵌合する嵌合部を備え、
前記出力伝達部の前記嵌合部の領域の一部と、前記第１の弾性体の一部とが、前記回転軸方向に垂直な同一平面内で、かつ、前記第１の弾性体の一部が、前記出力伝達部の内側に位置するように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、性能を低下させることなく、安価に、小型化を図ることが可能となる振動波駆動装置を実現することができる。

本発明の実施例１における振動波駆動装置の構成例を説明する断面図。 本発明の実施例２における振動波駆動装置の構成例を説明する断面図。 従来例の振動波駆動装置の断面図。 従来例の振動波駆動装置におけるシャフトとフランジの嵌合部を示す断面模式図。 従来例の振動波駆動装置における楕円運動について説明する図であり、（ａ）は棒状振動子、（ｂ）は棒状振動子の振動モードを示す図。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動波駆動装置の構成例について説明する。実施例の振動波駆動装置は、回転軸方向に、第１の弾性体、第２の弾性体、これらの間に設けられた電気−機械エネルギー変換素子が配置された振動子を備える。また、前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより前記第１の弾性体に励起される振動により回転運動を行うロータと、前記ロータと同期回転する出力伝達部とを備える。
その具体的構成は、図１に示されており、１は第１の弾性体、２は第２の弾性体、３は圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）、４はシャフト、４ａは上部突起部、４ｂは下部突起部、５は下部ナット、５ａは突起部である。
また、６は摺動部材、７はロータ、８はギア（出力伝達部）、９は加圧バネ、１０はフランジ、１１は上部ナットである。

そして、本実施例の振動波駆動装置は、第１の弾性体１、第２の弾性体２、圧電素子３、シャフト４、下部ナット５によって、棒状の振動子１２が構成されている。シャフト４は、回転軸方向に、振動子１２とロータ７とギア８とを貫通している。フランジ１０は外部と固定された固定端を有する。
振動波駆動装置の駆動原理は上述の従来例と同様であり、ここでは従来の振動波駆動装置と異なる構成を中心に説明する。
フランジ１０はシャフト４に内径嵌合し、またシャフト４の上部突起部４ａと接触することでスラスト方向（回転軸方向と同じ方向）に位置決めされ、上部ナット１１によって固定されている。
ギア８はフランジ１０に内径嵌合している。ロータ７に加圧力を付与する加圧バネ９の反力によってスラスト方向に加圧され、この加圧力をフランジ１０の突起部との接触面で受けている。ただし、本発明においては、ギア８とシャフト４とが嵌合してもよい。つまり、必ずしもギア８とシャフトとの間に、フランジ１０を介する必要はない。
ロータ７が回転するとき、ギア８はフランジとの接触面および、内径側の面で滑りながら、ロータ７と一緒に回転する。

ここでギア８とフランジ１０の嵌合部の隙間δＲはすべり軸受としての安定性および負荷を顧み、適正な値に設定されている。
つまり、この隙間δＲが小さ過ぎると面圧が大きくなるために負荷が増大し、大き過ぎると振れ回りによる出力低下が起こる。
また、嵌合部の軸長も適正な値に設定されている。つまり小さ過ぎると振れ回りによる出力低下が起こり、大き過ぎると接触面積が増えるために負荷が増大する。また小さ過ぎる場合には摺動面への面圧が増加し、ギア８またはフランジ１０の摩耗を引き起こしてしまう。
第１の弾性体１はシャフト４と下部ナット５によって挟持されている。シャフト４には第１の弾性体１を挟持するための下部突起部４ｂが設けられている。この下部突起部４ｂを通すための空間を含む中空部が、第１の弾性体１の内径側の上部に設けられている。

以上のように、本実施形態では、ギア８は、フランジ１０との嵌合部を備え、この嵌合部においてフランジ１０と嵌合する。またフランジ１０とシャフト４とは固定され、フランジ１０は上部の固定端で外部と固定されている。さらに、シャフト４は下部ナット５との間で第１の弾性体を狭持することにより第１の弾性体を支持している。
そして、ギア８のフランジ１０との嵌合部における領域の一部と、第１の弾性体１の一部とが、回転軸方向に垂直な同一平面に位置するように構成されている。言い換えると、第１の弾性体１の内径側とシャフト４との間に形成された中空部内において、第１の弾性体１の前記中空部における内径側の面と、ギア８の嵌合部における外径面が互いに向かい合うように配置されている。
すなわち、ギア８の嵌合部における領域の一部が、前記中空部内に位置するように構成されている。
これによって、嵌合部の軸長を適正な値としたまま、振動波駆動装置の全長を短くすることが可能となる。
さらに、本実施例の場合、第１の弾性体１の内径側にギア８とフランジ１０との嵌合部が配置されており、従来例と比較してギア８とフランジ１０の摺動径が小さいため、同じ回転速度においても線速度が小さくなり、摺動による負荷も小さくなる。
よって、振動波駆動装置である振動波モータの負荷を低減できる。またギア８やフランジ１０の摩耗による特性低下も低減できる。
フランジ１０の材料は強度があり、かつ耐摩耗性に優れた材料、例えばステンレス等を用いる。
ギアは加工性、コストの観点から、好ましくは樹脂を用いる。またギア８の摩耗を低減するために、フランジ１０とギア８の間にグリス等の潤滑剤を用いてもよい。
また、上述したように、本発明においては、ギア８とシャフト４とが嵌合してもよい。つまり、ギア８のシャフト４との嵌合部における領域の一部と、第１の弾性体１の一部とが、回転軸方向に垂直な同一平面に位置するように構成されていてもよい。
この場合でも、第１の弾性体１の内径側とシャフト４との間に形成された中空部内において、第１の弾性体１の前記中空部における内径側の面と、ギア８の嵌合部における外径面が互いに向かい合うように配置されている。すなわち、ギア８の嵌合部における領域の一部が、前記中空部内に位置するように構成されている。

本実施例ではさらなる小型化を実現するために、下部ナット５は以下の構造になっている。
棒状の振動子の振動によるネジの緩みや摩耗を防ぐために、下部ナット５は所定のネジ長が必要となる。
また、前述のように、下部ナット５はシャフト４とともに第１の弾性体１および第２の弾性体２、圧電素子３を締め付ける必要がある。
ここで下部ナット５は径方向への突起部５ａを設けた構造となっている。この突起部５ａにより第２の弾性体２を締め付けている。
また、下部ナット５の上方の部分は第２の弾性体２の内径側に位置するよう構成されており、下部ナット５の外径側の面で第２の弾性体２と嵌合している。
以上の構成により、下部ナット５は所定のネジ長を有しながら、小型化を実現することができる。

［実施例２］
実施例２として、実施例１とは異なる形態の振動波駆動装置の構成例について、図２を用いて説明する。
振動波駆動装置の駆動原理は上述の従来例と同様であり、ここでは実施例１の振動波駆動装置と異なる点について説明する。
本実施例においても、ギア１０８とフランジ１１０の嵌合部の領域の一部と、第１の弾性体１の一部が、回転軸に垂直な同一平面内に位置するように構成されている。
ただし、本実施例では、実施例１のようにギア８とフランジ１０との嵌合部の一部が、第１の弾性体１に形成されたシャフト４との間の中空部内に位置するように構成されているものとは相違し、第１の弾性体１に形成された前記中空部の外側に位置するように構成されている。言い換えると、ギア１０８とフランジ１１０との嵌合部の領域の一部と、シャフト４と、の間に第１の弾性体１の一部が位置するよう構成されている。
すなわち、第１の弾性体１の一部の面と、ギア１０８と外径嵌合しているフランジ１１０の一部の面とが互いに向かい合うように配置されている。
そして、フランジ１１０の嵌合部における外径面とギア１０８の嵌合部における内径面とが摺動するように構成されている。
また、図２に示すようにフランジ１１０の内径側の一部は、第１の弾性体１の中空部における内径側の面と互いに向かい合う構造となっていることが好ましい。以上の構造により、シャフト４とフランジ１１０、フランジ１１０とギア１０８の嵌合部の軸長を適正な値としたまま、振動波駆動装置の全長を短くすることが可能となる。

１：第１の弾性体
２：第２の弾性体
３：圧電素子
４：シャフト
４ａ：上部突起部
４ｂ：下部突起部
５：下部ナット
５ａ：突起部
６：摺動部材
７：ロータ
８：ギア
９：加圧バネ
１０：フランジ
１１：上部ナット
１２：振動子
１０８：ギア
１１０：フランジ

Claims (4)

1. 回転軸方向に、第１の弾性体と、第２の弾性体と、前記第１及び第２の弾性体の間に設けられた電気−機械エネルギー変換素子と、が配置された振動子と、
   前記電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより前記第１の弾性体に励起される振動により回転運動を行うロータと、
   前記ロータと同期回転する出力伝達部と、
   前記回転軸方向に、前記振動子と前記ロータと前記出力伝達部とを貫通するシャフトと、を有する振動波駆動装置であって、
   前記出力伝達部は、前記シャフト又は前記シャフトと固定されたフランジと嵌合する嵌合部を備え、
   前記出力伝達部の前記嵌合部の領域の一部と、前記第１の弾性体の一部とが、前記回転軸方向に垂直な同一平面内で、かつ、前記第１の弾性体の一部が、前記出力伝達部の内側に位置するように構成されていることを特徴とする振動波駆動装置。
2. 前記第１の弾性体には、該第１の弾性体の内径側と前記シャフトとの間に中空部が形成されており、
   前記出力伝達部の前記嵌合部の領域の一部が、
   前記第１の弾性体に形成された前記中空部内に位置していることを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
3. 前記出力伝達部の前記嵌合部の領域の一部と前記シャフトとの間に、前記第１の弾性体の一部が位置していることを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
4. 前記シャフトとの間で、前記振動子を狭持するナットを備え、
   前記ナットの一部は、前記第２の弾性体の内径側に位置していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。

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