JP5959915B2 - 振動子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動子、振動波駆動装置及び振動子の製造方法に関するものである。

従来より、弾性体で発生した振動により移動体を駆動する振動波駆動装置（超音波モータ）が知られている。
この振動波駆動装置では、電気−機械エネルギー変換素子（例えば圧電素子など）とこれを接合した弾性体（主に金属からなる弾性体）とで構成される振動子に、複数の振動モードを励振させる。
そして、これら複数の振動を合成することによりこの弾性体の表面に楕円運動を発生させ、この弾性体に接触させた被駆動体を相対的に駆動する。
このような振動波駆動装置としては、様々な形態のものが提案されており、例えば、カメラなどのレンズ鏡筒を回転駆動する振動波モータに関しては、リング形状の振動波モータや棒状の回転型振動波モータ等が提案されている。
更には、振動部分が薄板状の平板部分と突起部で構成された平板形状の弾性体を円周上に複数配置して回転型アクチュエータとして構成した振動波モータなど、モータ構成、形態などを工夫したもの等が多数提案されている。
また、上述した平板型の弾性体を直線形状のスライダに接触させて直線駆動するリニアタイプの振動波モータも数多く提案されている。

ここで、平板型弾性体により構成された振動波モータについて、特許文献１に開示されている振動波駆動装置を例に採り、その構成の概要を説明する。
この振動波駆動装置は、振動子とこれに接触するスライダとから構成されている。
この振動子は、一方の面に２つの突起部が形成された平板状の振動体からなる平板型弾性体に電気−機械エネルギー変換素子（たとえば圧電素子など）が接合されて構成されている。
この圧電素子に位相の異なる交流電界を印加すると、この振動子には２つの面外曲げ振動が励振され、２つの突起部の先端には楕円運動が生成される。
その結果、突起部と接触するスライダは摩擦駆動力を受けて、一方向に駆動される。

特開２００４−３０４８８７号公報

ところが、上記した振動波駆動装置における弾性体は、突起部の寸法に加工精度上のばらつきがあると、複数の突起部先端の移動体に対する接触面積、接触方向が駆動装置内でばらつくため、駆動性能に悪影響を及ぼしていた。
よって、複数の突起部接触面を同一平面上にあるように、かつ各々の突起部接触面の面積が均一になるように、高精度に加工する必要があり、そのためコストアップを招いていた。
また、図１９に示すように突起部の先端をラップ加工や研削加工等の手段により後加工を施し、高精度に仕上げる場合、複数の突起部接触面の平面度は比較的容易に同一平面上に加工できる。
しかし、後加工を施された突起部接触面の面積を同等にするためには、図２０に示す状態つまり、片方の突起部のラップは完了しているが、もう片方の突起部のラップは完了していない状態を経由する。そのため、片方の突起部は必要以上にラップしなければならず、ラップ時間がそれだけ多くかかり、コストアップを招いていた。

本発明は、上記課題に鑑み、振動子における突起部を高精度に加工することを必要とすることなく、移動体に対する接触面積を均一として駆動性能の向上を図ることが可能となる振動子、振動波駆動装置及び振動子の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の振動子の製造方法は、電気−機械エネルギー変換素子に接合された弾性体に形成された１つ以上の接触部を、被駆動体に摩擦接触させ該弾性体で発生した振動により該被駆動体を相対的に移動させる振動子の製造方法であって、
前記接触部を、前記被駆動体に向かって凸の球面形状に形成するに際し、
前記凸の球面形状の一部を、ラッピングまたは研削加工により該凸の球面形状が同一平面上になるように加工する工程を含み、
前記ラッピングまたは研削加工は、前記弾性体がシート状に一体的に複数連なったシート状部材の形態で行うことを特徴とする。

本発明によれば、振動子における突起部を高精度に加工することを必要とすることなく、移動体に対する接触面積を均一として駆動性能の向上を図ることが可能となる振動子、振動波駆動装置及び振動子の製造方法を実現することができる。

本発明の実施例１における平板状振動子の構成例を示す図。 本発明の実施例１における板状振動子の弾性体の構成例を示した図。 本発明の実施例１における振動波駆動装置の主要部の構成を示した図。 本発明の実施例１における図３の構成を部品単位に展開して示した図。 本発明の実施例１における板状振動子の弾性体突起部の立ち上がり方向を示した図。 本発明の実施例１における平板状振動子の振動モードを説明する図。 本発明の実施例２における板状振動子の弾性体の構成例を示した図。 本発明の実施例２の振動波駆動装置の製造方法における弾性体のラッピングまたは研削加工の様子を示した図。 本発明の実施例２における図８の弾性体を拡大した図。 本発明の実施例２における振動波駆動装置の主要部の構成を示した図。 本発明の実施例２における図１０の構成を部品単位に展開して示した図。 本発明の実施例３における板状振動子の弾性体の構成例を示した図。 本発明の実施例３における振動波駆動装置の主要部の構成を示した図。 本発明の実施例３における振動波駆動装置のステータ部を示した図。 本発明の実施例３における弾性体のラッピングまたは研削加工の様子を示した図。 本発明の実施例３における図１５の弾性体を拡大した図。 本発明の実施例２におけるシート状の弾性体を示した図。 本発明の実施例２におけるシート状の弾性体を示した図。 従来における弾性体のラッピングまたは研削加工の様子を示した図。 従来における弾性体のラッピングまたは研削加工の途中の状態を示した図。

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振動子の構成例について、図１〜図６を用いて説明する。
本実施例の振動波駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子に接合され、１つ以上の接触部を有する弾性体を備える。そして、該弾性体の接触部を被駆動体に摩擦接触させ該弾性体で発生した振動により該被駆動体を相対的に移動させるように構成されている。
具体的には、図１に示すように平板状振動子１が弾性体２と、電気−機械エネルギー変換素子の一つである圧電素子３と、該圧電素子３に電源を供給するフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）４と、で構成されている。
また、圧電素子３は弾性体２に接着等により固定されている。
弾性体２は、圧電素子３とともに振動する振動部２−３と、該振動部からの振動がほぼ絶縁された支持部２−５、およびこれら２つの部位を連結する。そして、一方の端部は該振動部２−３の振動にならいつつ、他端では支持部２−５に振動を伝搬しないように機能する連結部２−４とで構成されている。
２−６は支持部２−５に形成された長丸穴であり、後述（図３、４）のピン８が長丸穴２−６長手方向に所定のクリアランスを以って嵌合するためのものである。

ここで、上記接触部は、被駆動体に向かって凸の球面形状に構成されている。具体的には、図１、図２に示すように振動部２−３には、圧電素子３の固定面の反対側に摩擦接触部である複数の突起部２−２が形成されている。本実施例は、その先端が球体の一部をなす形状であることを特徴としている。
なお、突起部２−２の長手軸と垂直な断面Ｈ−Ｈは円形状に限らず、形成可能な多角形等の他の形状でも構わない。
また、弾性体２はプレス加工、切削加工、引き抜き、押し出し加工等あらゆる加工法によって形成することが可能であり、製造コスト、要求精度により最適な加工法を採用すればよい。

図３、図４に示すように、平板状振動子１はフェルト５を挟んでイコライズプレート９上に載置されており、イコライズプレート９は円柱状のシャフト１０を挟んで基台６に支持されている。つまり、基台６は振動子１を支持している。また、本実施例においては、イコライズプレート９と円柱状のシャフト１０とでイコライズ部材を構成する。イコライズ部材は、振動子１と基台６との間に設けられ、複数の突起部２−２にかかる荷重を均一化するための部材である。本発明において、荷重を均一化するとは、完全に荷重を均一にする場合だけでなく、実質的に荷重が均一な場合や、イコライズ部材を設けることにより荷重分布のばらつきが低減されている場合も含む。
また、本実施例では、イコライズ部材を構成するイコライズプレート９と振動子１との間にフェルト５を設けている。フェルト５は、振動子１とイコライズプレート９との間で振動が伝わるのを遮断するための振動絶縁部材として機能する。イコライズプレート９下面と基台６上面にはＶ溝が形成されており、そこに前記シャフト１０が嵌まることにより、イコライズプレート９および平板状振動子１が図３中Ａ方向にイコライズしつつイコライズプレート９のＢ方向の移動を規制している。
８は基台６に立てられたピンであり、弾性体２の長丸穴２−６に嵌合することにより、平板状振動子１のＢ方向の移動を所定のマージン（がたつき）を以って規制している。
このマージンにより平板状振動子１のＡ方向のイコライズが可能となっている。７はスライダー(被駆動体)であり一方の面に耐摩耗処理が施された摩擦接触部７−１を有しており、この摩擦接触部７−１が前記振動子１の摩擦接触面と対向して接触するように配置されている。
平板状振動子１とスライダー７は不図示のバネ要素により適切な加圧力が付与されている。

本実施例においては、突起部２−２の先端が球体の一部をなす形状である。
そのため、図５に示すように突起部２−２の立ち上がり方向が製造上の誤差により如何様な方向になっていようとも、複数の突起部２−２はスライダー７に対して均等な力によって接触し、かつ同一な接触面積となる。本発明において、「同一」とは厳密に同一である場合だけでなく、実質的に同一と見なせる場合をも含む。
なお、幾何学的には球面と平面の接触部は点になるが、現実には材料の撓みにより接触部はある面積を持つことに注意されたい。

ＦＰＣ４から圧電素子３に交流電界を印加すると、平板状振動子１には図６に示すような第１の振動モード（モード１）と第２の振動モード（モード２）とが励振される。
このモード１は、図６中の短手方向と直交する方向に２本の節線（振動の節となる線状の部分）ｌ１、ｌ２を有し、それらの中央部が振動の腹となる平板状振動子１の短手方向における１次の面外屈曲振動モードである。
一方、モード２は図６中の前記２本の節線ｌ１、ｌ２と直交する３本の節線（ｌ３、ｌ４、ｌ５）を有する、平板状振動子１の長手方向における２次の面外屈曲振動モードである。
図に示すように、突起部２−２はｌ４、ｌ５の位置とほぼ一致するように設定されているため、モード２が励振された時には、この突起部２−２の先端（上面）はＺ方向の振動振幅はほぼゼロで、Ｘ方向の振動振幅のみ発生する。
また、モード１が励振された時には、突起部２−２はモード１と同様の変形をするため、同突起部はＸ方向の振動振幅はほぼゼロでＺ方向の振動振幅が最大となる。
そこで、これら２つの振動モードを同時に励振し、振動の位相を適切に調整して合成すると、弾性体２に形成された突起部２−２には楕円運動が生成される。
そのため、この突起部に図３に示すようなスライダー７を接触させると、スライダー７は前記楕円運動による摩擦力で矢印Ｂの方向に駆動されることになる。
以上の構成によれば、振動波駆動装置における摩擦接触部である弾性体突起部の先端を球体の一部をなす形状とすることにより、突起部を高精度に加工せずとも、移動体に対する接触面積がモータ内で均一になり、モータ特性の悪化を防止することができる。また、突起部高精度化に伴うコストアップを避けることができる。

［実施例２］
実施例２として、振動波駆動装置における振動子の製造方法の構成例について、図７〜図１１、図１７、図１８を用いて説明する。
本実施例の弾性体は実施例１の弾性体に後加工を施し、形状を変更したものである。
本実施例では、図７に示すように複数の突起部２−２（先端形状が球体の一部）の先端が研削またはラッピング加工により、同一平面上になるように加工されており、その切り口（削り取られた面）形状が同一径の円形状とされている。
弾性体２およびスライダー７の材質や接触部表面状態によっては、突起部２−２に研削またはラッピング加工を施すと耐摩耗性が向上することが知られており、本実施例はそのような場合に好適である。
また、この突起部２−２先端形状に伴い、平板状振動子１のイコライズ構成も異なっている。
実施例１に対して異なる箇所は以上の２点である。弾性体２には丸長穴２−６の代わりに、ピン８の外径に対して所定のがたつき（クリアランス）を持った丸穴２−７が形成されているが、これは上記イコライズ構成に付随するものである（後述する）。

図８、図９において、２１はラップ盤あるいは研削盤であり、図中Ｅ方向に回転する。
弾性体２は、その平面部がラップ盤２１に対して略平行かつ突起部２−２の先端がラップ盤２１に接触し、図８中Ｃ方向に複数の突起部２−２に均等な荷重がかかるようにセットされている。
また、ラップ盤の径方向による周長差により削り量に不均等が生じないように弾性体２自体が不図示の回転機構によりＤ方向に回転しながら削られるようになっている。
このように突起部２−２先端を加工することにより、図９に示すように突起部２−２の立ち上がり方向が製造上の誤差により如何様な方向になっていようとも、その先端は同一平面上にあり、かつ同一面積の円形状となる。

また、弾性体２を順送型でのプレス加工によって製造する場合、図１７、図１８に示すようにその製造工程の途中で弾性体２がシート状に一体的に複数連なったシート状部材の形態になる。その形態でラップまたは研削加工を施すことも可能である。
その際、弾性体およびフレーム部をつなぐ繋ぎ部を備え、該繋ぎ部は前記接触部の配列と略直角方向の１軸上にあるようにした、例えば図１８に示すような構成を採ることができる。
図１８は図１７の形態を発展させたものであり、弾性体２とフレーム部４１のつなぎ部４２を突起部２−２間を結ぶ線分の垂直２等分線と一致するようにかつ適度なねじり剛性を持たせて形成したものである。
それにより、ラップ時にＣ方向の荷重をかけた際、つなぎ部４２を回動中心軸として、弾性体２はラップ盤２１に容易にならい、１つの弾性体２の中の複数の突起部２−２に対してより均等な荷重をかけやすくなる。
このようにシート形態でラップまたは研削加工を施すことにより、ラップ盤２１上で単品の弾性体２を整列配置させる工程を省略できる。

図１０、１１に示すように、平板状振動子１はフェルト５を挟んでイコライズプレート９上に載置されており、イコライズプレート９は球体２５を挟んで基台６によって支持されている。
イコライズプレート９下面と基台６上面にはそれぞれ円錐溝が形成されており、そこに前記球体２５が嵌まることにより、イコライズプレート９および平板状振動子１が図１０中Ｆ方向にイコライズしつつイコライズプレート９のＢ方向の移動を規制している。
なお、上記Ｆ方向とは９０°向きが異なる２本の矢印で表現されているが、１本の矢印を鉛直軸を中心として３６０°回転させた全方向を表すものとする。
ピン８は弾性体２の丸穴２−７に嵌合することにより、平板状振動子１のＢ方向の移動を所定のマージン（がたつき）を以って規制している。
このマージンにより平板状振動子１のＦ方向のイコライズが可能となっている。７はスライダーであり一方の面に耐摩耗処理が施された摩擦接触部７−１を有しており、この摩擦接触部７−１が前記振動子１の摩擦接触面と対向し接触するように配置されている。
平板状振動子１とスライダー７は不図示のバネ要素により適切な加圧力が付与されている。
それにより、全ての突起部２−２先端が摩擦接触部７−１にならい、均等な接触面積と均等な加圧力が接触部において確保される。

このように、本実施例においては、複数の突起部２−２の先端が同一平面上にあり、かつ同一面積の円形状となっている。
そのため、突起部２−２の立ち上がり方向が製造上の誤差により如何様な方向になっていようとも、複数の突起部２−２はスライダー７に対して均等な力によって接触し、かつ同一な接触面積となる。
その結果、突起部を高精度に加工せずとも、移動体に対する接触面積がモータ内で均一になり、モータ特性の悪化を防止することができた。
また、突起部高精度化に伴うコストアップを避けることができた。

［実施例３］
実施例３として、実施例２と異なる形態の振動波駆動装置における振動子の製造方法の構成例について、図１２〜図１６を用いて説明する。
図１２は本実施例における弾性体を示したものである。実施例２のように、突起部２−２の先端は球体の一部をなし、それに対してラップまたは研削加工を施して同一径の円形状の切り口を形成したものではある。実施例２に対してその切り口の平面の方向に更なる制約が加わっており、従ってその製造工程も異なっている。
図１３は複数の振動子１を同一円周上に配置し、円環形状の移動体３１を図１３中Ａ方向に移動させるタイプの振動波駆動装置の構成図である。
このような形態の振動波駆動装置において、良好なモータ特性を得るためには、移動体３１に接触する全ての振動子１の全ての接触部（突起部２−２の円形状の切り口）は、高精度に１平面上に存在している必要がある。本実施例はこのように複数の振動子により移動体を駆動する形態の振動波駆動装置に好適である。

図１４は図１３の振動波駆動装置のステータ部３０を示したものである。３２は円環状の基台であり、その上面には振動子１と同数の凹形状の段差部が形成されており、そこに振動子１が沈み込む形で入る。
基台３２の上面と、弾性体２の支持部２−５の下面が接着や溶接等の手段により固定されている。振動子１の最下面（ＦＰＣ４：不図示）は基台３２とは接触しておらず、振動部２−３の振動を阻害しないようになっている。
ここでの特徴は、複数の振動子の弾性体が共通のベース部材に対して組み付けられた形態、すなわちステータ部３０を組み上げた状態で突起部２−２先端に対してラップまたは研削加工を施すことである。図１５はその様子を示したものである。

図１５において、２１はラップ盤あるいは研削盤であり、図中Ｅ方向に回転する。
ステータ部３０は、全ての突起部２−２の先端がラップ盤２１に接触し、図８中Ｃ方向に複数の突起部２−２に均等な荷重がかかるようにセットされている。
ここで幾何学的には突起部２−２（図１５では６個）のうち３個の突起部のみがラップ盤２１に接触した状態からラップまたは研削加工が開始されることになる。
更に、ラップまたは研削加工が進んだことにより初めて全ての突起部がラップ盤２１に触れ、切り口の円形状の大きさに不均等が生じることになってしまう。
しかし、現実にはステータ部３０構成部材の撓みにより、Ｃ方向の荷重をステータ部３０の中心付近にかけた時点で全ての突起部２−２はほぼ等荷重でラップ盤２１に押し付けられることになる。
そのため、切り口の円形状の大きさにモータ特性上問題となるレベルの不均等が生ずることはない。
また、ラップ盤の径方向による周長差により削り量に不均等が生じないようにステータ部３０自体が不図示の回転機構によりＤ方向に回転しながら削られるようになっている。

このように突起部２−２先端を加工することにより、図１６に示すように突起部２−２の立ち上がり方向が製造上の誤差により如何様な方向になっていようとも、その先端は同一平面上にあり、かつ同一面積の円形状となる。
なお、本実施例では弾性体２は突起部２−２を複数持つ構成で説明しているが１つでも本発明の本質を損なうことはない。
再び図１３に戻り、本実施例における振動波駆動装置の構成を説明する。
３３は少なくとも３個の圧縮ばねによる付勢力を示したものであり、ステータ部３０を移動体３１に適切な圧力で押圧している。
このような構成により、ステータ部３０上の全ての摩擦接触部（突起部２−２）は移動体３１下面に対して同一接触面積かつ等しい加圧力を確保しながらならうことになる。

以上のように、複数の振動子をもつ振動波駆動装置において、摩擦接触部である弾性体突起部の先端を球体の一部により形成し、ステータに組み付けた状態でラップまたは研削加工を行う。
これによって、突起部を高精度に加工せずとも、移動体に対する接触面積がモータ内で均一になり、モータ特性の悪化を防止することができる。また、突起部高精度化に伴うコストアップを避けることができる。

１：振動子
２：弾性体
２−２：突起部
２−３：振動部
２−４：連結部
２−５：支持部
２−６：長丸穴
３：圧電素子
４：ＦＰＣ

Claims (3)

1. 電気−機械エネルギー変換素子に接合された弾性体に形成された１つ以上の接触部を、被駆動体に摩擦接触させ該弾性体で発生した振動により該被駆動体を相対的に移動させる振動子の製造方法であって、
   前記接触部を、前記被駆動体に向かって凸の球面形状に形成するに際し、
   前記凸の球面形状の一部を、ラッピングまたは研削加工により該凸の球面形状が同一平面上になるように加工する工程を含み、
   前記ラッピングまたは研削加工は、前記弾性体がシート状に一体的に複数連なったシート状部材の形態で行うことを特徴とする振動子の製造方法。
2. 前記ラッピングまたは研削加工は、複数の前記振動子の弾性体を共通のベース部材に対して組み付けた形態で行うことを特徴とする請求項１に記載の振動子の製造方法。
3. 前記シート状部材は、前記弾性体と、フレーム部と、該弾性体および該フレーム部をつなぐ繋ぎ部と、を備え、該繋ぎ部は前記接触部の配列と略直角方向の１軸上にあることを特徴とする請求項１に記載の振動子の製造方法。
   

Images