(57)【要約】【課題】弾性体の溶接時に発生する散りによる溶接強度の低下を抑える。【解決手段】振動型駆動装置は、電気−機械エネルギ変換素子９および該電気−機械エネルギ変換素子により振動が励起される弾性体により構成された振動子１７と、弾性体に接触する接触体１６とが相対移動することで駆動力を発生する。該振動型駆動装置において、弾性体は、電気−機械エネルギ変換素子と振動子を挟持する第１の弾性部材７ａおよび第２の弾性部材７ｂにより構成され、該第１および第２の弾性部材が、それらの接合部において溶接により互いに接合されている。第１および第２の弾性部材のうち少なくとも一方の弾性部材の接合部は、他方の弾性部材に接合される接合面７ｍと、該接合面に隣接して該接合面よりも該他方の弾性部材から退避した退避面７ｎとを有する。【選択図】図２
2014007881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギ変換素子および該電気−機械エネルギ変換素子により振動が励起される弾性体により構成された振動子と、前記弾性体に接触する接触子とが相対移動することで駆動力を発生する振動型駆動装置であって、
前記弾性体は、前記電気−機械エネルギ変換素子を挟持する第１の弾性部材および第２の弾性部材により構成され、該第１および第２の弾性部材は、それらの接合部において溶接により互いに接合されており、
前記第１および第２の弾性部材のうち少なくとも一方の弾性部材の前記接合部は、他方の弾性部材に接合される接合面と、前記接合面に隣接して該接合面よりも前記他方の弾性部材から退避した退避面とを有することを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】
前記退避面は、前記接合面から離れるほど退避量が大きくなる形状を有することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
【請求項３】
前記一方の弾性部材に前記退避面が形成されており、
前記退避面の前記接合面に対してなす退避角度が、１５°より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の振動型駆動装置。
【請求項４】
前記第１および第２の弾性部材の双方に前記退避面が形成されており、
前記退避面同士がなす角度が、１５°より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の振動型駆動装置。
【請求項５】
前記溶接は、前記第１および第２の弾性部材に電流を流して行われる抵抗溶接であり、
前記第１および第２の弾性部材は、前記接合面および前記退避面の酸化被膜が除去された状態で前記溶接が行われて接合されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動型駆動装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の振動型駆動装置と、
該振動型駆動装置から発生された駆動力により駆動される被駆動部材とを有することを特徴とする機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に振動波モータや振動型モータ等と称される振動型駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動型駆動装置は、圧電素子や電歪素子と称される電気−機械エネルギ変換素子および該電気−機械エネルギ変換素子により振動が励起される弾性体により構成される振動子と、弾性体に圧接する接触子とが相対移動することで駆動力を発生する。
【０００３】
特許文献１には、出力軸の軸方向に配置された２つの弾性体の間に圧電素子を挟持して振動子を構成し、該２つの弾性体のそれぞれに接触する２つのロータ（接触子）を介して出力軸を回転させる振動型駆動装置が開示されている。２つの弾性体の間には、圧電素子とともに、該圧電素子に通電するための給電基板および振動子全体を装置ケースに対して支持するための支持部材も挟持されている。圧電素子等を挟持する挟持部を有する２つの弾性体は、その挟持部よりも内周側において中空ボルトや溶接により結合または接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２３７８０  号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した振動型駆動装置において、特に２つの弾性体を溶接により接合する場合に、溶接部である接合部の強度に対して振動子に励起する振動の振幅が大きいと、該接合部にて変形や破断が生じるおそれがある。この結果、回転数の低下等、振動型駆動装置の性能（特性）が劣化する。
【０００６】
弾性体は多くの場合、鉄をベースとしてクロムやニッケル等を混ぜた合金であるステンレスにより形成されている。ステンレスの表面には、クロム等による強い酸化被膜（不動態被膜）が形成され、腐食に対しては強い金属である。
【０００７】
一方、酸化被膜（酸化鉄）は電気抵抗が高く、鉄よりも溶融温度が低いことから、弾性体の溶接には、抵抗溶接（スポット溶接）が用いられることが多い。ただし、抵抗溶接では、短時間の間に極めて小さな面積部分に大電流を集中させて溶融を進行させるため、抵抗値が高い酸化鉄は急激な温度上昇を起こし、すぐに溶融する結果、膨張作用とナゲットの成長とのバランスが崩れて溶融した酸化鉄の一部が飛散する、いわゆる「散り」（スパッタ）が発生し易い。この「散り」により飛散した酸化鉄は半溶融状態で接合部に残り、良好な接合を妨げるため、溶接強度が低下する。
【０００８】
本発明は、弾性体の溶接時に発生する散りによる溶接強度の低下を抑え、溶接強度不足による性能劣化を防止できるようにした振動型駆動装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての振動型駆動装置は、電気−機械エネルギ変換素子および該電気−機械エネルギ変換素子により振動が励起される弾性体により構成された振動子と、弾性体に接触する接触体とが相対移動することで駆動力を発生する。該振動型駆動装置において、弾性体は、電気−機械エネルギ変換素子と振動子を挟持する第１の弾性部材および第２の弾性部材により構成され、該第１および第２の弾性部材が、それらの接合部において溶接により互いに接合されている。そして、第１および第２の弾性部材のうち少なくとも一方の弾性部材の接合部は、他方の弾性部材に接合される接合面と、該接合面に隣接して該接合面よりも該他方の弾性部材から退避した退避面とを有することを特徴とする。
【００１０】
なお、上記振動型駆動装置と、該振動型駆動装置から発生された駆動力により駆動される被駆動部材とを有する機器も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、少なくとも一方の弾性部材の接合部に接合面よりも他方の弾性部材から退避した退避面を設けることで、溶接により発生した散りが接合面の周囲に挟まって良好な接合を妨げることを防止できる。これにより、弾性部材間の十分な溶接強度を確保でき、より性能が高い振動型駆動装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１である振動型モータの構成を示す断面図。
【図２】実施例１の振動型モータにおける弾性体の接合部を示す図。
【図３】実施例１における接合部の形状と散りとの関係を示す図。
【図４】実施例１の振動型モータにおける接合部に作用する応力を説明する図。
【図５】実施例１の振動型モータの駆動電圧と回転数との関係を示すグラフ図。
【図６】実施例１の振動型モータの駆動電圧周波数と回転数との関係を示すグラフ図。
【図７】本発明の実施例２である振動型モータにおける弾性体の接合部を示す図。
【図８】実施例１，２の効果を示す図。
【図９】本発明の実施例３である振動型モータにおける弾性体の接合部を示す図。
【図１０】実施例３における酸化被膜の除去手順を示すフローチャート。
【図１１】実施例１の振動型モータの変形例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１には、本発明の実施例である振動型モータ（振動型駆動装置）の構成を示している。図１において、１は出力軸であり、以下の説明において、この出力軸１の長手方向を軸方向という。５は振動型モータのケース（装置ケース）であり、軸方向のほぼ中央にて分割された２つの底面部付き円筒部材の周壁部のうち開口側の端面同士が互いに組み合わされることで形成され、その内部に後述する振動子１７や回転子１６等を収容する空間を有する。２つの円筒部材のうち一方の底面部に形成された穴部には玉軸受け４が、他方の円筒部材の底面部に形成された穴部にはすべり軸受け１５がそれぞれ嵌め込まれており、これら軸受け４，１５によって出力軸１が回転自在に保持されている。出力軸１には、玉軸受け４との間にワッシャ２を挟むようにＣリング３が取り付けられており、Ｃリング３は出力軸１のすべり軸受け１５側への移動を阻止している。
【００１５】
また、出力軸１の先端には、歯車、プーリ、アーム等の駆動力伝達部材１８が取り付けられており、該駆動力伝達部材１８は、該振動型モータを搭載した機器２５に移動や回転等が可能に設けられた被駆動部材２０に機械的に接続されている。これにより、振動型モータにて発生した駆動力は、駆動力伝達部材１８を介して被駆動部材２０に伝達され、これを駆動する。機器２５および被駆動部材２０の例としては、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置のレンズ、プリンタの印字ヘッド、複写機の感光ドラム等が挙げられる。また、ステージ・チャック・ロボット等の産業用自動化機器や、ＭＲＩ装置、術野旋回台等の医療機器が挙げられる。
【００１６】
振動子１７は、軸方向に配置された２つの弾性体（第１の弾性部材および第２の弾性部材）７ａ，７ｂと、これら弾性体７ａ，７ｂの間に配置された圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）９と、圧電素子９と弾性体７ｂとの間に配置された支持部材１０とにより構成されている。圧電素子９における支持部材１０とは反対側には、該圧電素子９への通電（駆動電圧の入力）を行うためのフレキシブルプリント基板（給電基板）８が配置されている。
【００１７】
弾性体７ａ，７ｂは、ステンレス等の金属により形成されており、軸方向における互いに近接する部分にはリング状に形成された圧電素子９の内周に挿入される小径部７ｃ，７ｄを有する。また、弾性体７ａ，７ｂは、小径部７ｃ，７ｄから軸方向に離れる側に向かって順に、圧電素子９の軸方向端面（リング面）に接触する振動受け部７ｅ，７ｆと、該振動受け部７ｅ，７ｆよりも径が小さい括れ部７ｇ，７ｈと、振動受け部７ｅ，７ｆよりも径が大きい振動増幅部７ｉ，７ｊとを有する。２つの弾性体７ａ，７ｂは、小径部７ｃ，７ｄの端面である接合部同士が溶接されることで一体化されている。この際、弾性体７ａ，７ｂは、接合部同士が圧接する方向に加圧される。これにより、振動受け部７ｅ，７ｆの端面である挟持面により、フレキシブルプリント基板８と、圧電素子９と、支持部材１０とがまとめて挟持される。このようにして、弾性体７ａ，７ｂによりフレキシブルプリント基板８、圧電素子９および支持部材１０を挟持した挟持部を有する振動子１７が構成される。
【００１８】
振動子１７は、出力軸１の外周に配置されたカラー６の軸方向の両端が玉軸受け４の端面と弾性体７ａとに当接し、さらに支持部材１０のうち弾性体７ａ，７ｂおよび圧電素子９の外周面から延出した部分がケース５を構成する２つの円筒部材により挟持されることで、ケース５内での軸方向および径方向での位置が決められて支持される。フレキシブルプリント基板８は、ケース５の周壁部に形成された開口を通して外部に引き出されている。
【００１９】
弾性体７ｂのうち振動増幅部７ｊの端面には、摺動部材１１が接触している。摺動部材１１は、これを保持するロータ本体１２とともに回転子（ロータ）１６を構成する。出力軸１のうちすべり軸受け１５側の端部近傍の外周には、ロータ本体１２と出力軸１とを一体回転可能に結合する連結部材１４が取り付けられている。出力軸１の外周における連結部材１４とロータ本体１２との間には、コイルばねである加圧ばね１３が軸方向に圧縮された状態で配置されている。加圧ばね１３にて発生したばね力は、ロータ本体１２を介して摺動部材１１を弾性体７ｂの端面に圧接される。
【００２０】
以上のように構成された振動型モータにおいて、フレキシブルプリント基板８を通じて圧電素子９に交番電圧としての駆動電圧が入力（印加）されると、該駆動電圧の周波数に応じて伸び変形と縮み変形とが圧電素子９の周方向における互いに異なる位置に交互に発生する。これにより、弾性体７ａ，７ｂの振動受け部７ｅ，７ｆに振動が励起される。そして、この振動（振幅）が括れ部７ｇ，７ｈおよび振動増幅部７ｉ，７ｊによって増幅されることで、図４に示すように振動子１７全体に曲げ振動が生ずる。この曲げ振動における曲げ方向は、振動子１７の周方向一方に変化していく。このため、弾性体７ｂの振動増幅部７ｊに接触している摺動部材１１を介してロータ１６が回転する。ロータ１６が回転すると、ロータ本体１２に連結部材１４を介して連結された出力軸１も回転し、振動型モータとしての駆動力が発生する。
【００２１】
図５には、駆動電圧と振動型モータの回転数との関係を実線グラフで示している。駆動電圧を高くするほど、回転数も上昇する。また、図６には、駆動電圧の周波数と回転数との関係を実線グラフで示している。共振周波数Ｆよりも低い周波数域では駆動電圧の変化に対する回転数の変化が大きいため、共振周波数Ｆよりも高い周波数域で使用することで、回転数の制御を容易に行うことができる。
【００２２】
なお、圧電素子９には、該圧電素子９の振動状態を検出するための不図示のセンサが設けられており、該センサからの出力信号はフレキシブルプリント基板８を通じて機器２５の制御回路（図示せず）に送られる。制御回路は、センサからの出力に基づいて、圧電素子９の振動状態（つまりは振動型モータの回転状態）が目標とする状態となるように、駆動電圧の大きさや周波数のフィードバック制御を行う。
【００２３】
また、本実施例では、接触子としてのロータ１６が振動子１７に対して回転する場合について説明するが、固定された接触子に対して振動子が移動してもよい。つまり、振動子と接触子は相対移動すればよい。
【００２４】
上述したように圧電素子９への通電を行ってこれを駆動すると、図４に示すように振動子１７に曲げ振動が生じ、これにより弾性体７ａ，７ｂの接合部に引っ張り応力が作用する。このため、この引っ張り応力によって接合部が変形したり破断したりしないように該接合部の溶接強度を確保する必要がある。すなわち、抵抗溶接（スポット溶接）時に散りが発生しても、安定した形状で十分な大きさのナゲットが形成されるように接合部の形状を設定する必要がある。
【００２５】
図２には、接合部の具体的な形状（断面形状）を示している。図２（ａ）〜（ｃ）において、弾性体７ａ，７ｂのうち少なくとも一方の弾性体における接合部は、他方の弾性体に接合される面である接合面７ｍと、該接合面７ｍに隣接して接合面７ｍよりも他方の弾性体から退避した退避面７ｎとを有するように形成されている。
【００２６】
図２（ａ）には、弾性体７ａの接合面７ｍをほぼ線状（断面では点状）に小さく設け、退避面７ｎを含めた接合部の断面形状をほぼ三角形状とした例を示している。図２（ｂ）には、弾性体７ａの接合面７ｍをある程度幅広に設け、退避面７ｎを含めた接合部の断面形状を台形形状とした例を示している。さらに、図２（ｃ）には、両方の弾性体７ａ，７ｂの接合部の断面形状を台形形状とした例を示している。
【００２７】
このように接合部に接合面７ｍに隣接した退避面７ｎを設ける、言い換えれば接合面７ｍに隣接した開口を設けることにより、溶接時に散りが発生しても、その散りが接合面７ｍの周囲にて両弾性体７ａ，７ｂの間に挟まって良好な接合を妨げることを防止できる。
【００２８】
図２（ａ）〜（ｃ）に示す退避面７ｎは、接合面７ｍから離れるほど退避量が大きくなるように形状が設定されている。これにより、散りが飛散していく方向に形成される開口の大きさを大きくすることができ、散りが両弾性体７ａ，７ｂの間に挟まって接合を妨げることをより効果的に防止できる。
【００２９】
また、図２（ａ），（ｂ）に示すように退避面７ｎを一方の弾性体７ａにのみ設ける場合は、退避面７ｎが接合面７ｍに対してなす角度（退避角度）θは、１５°より大きい角度であることが望ましい。溶接条件によっても異なるが、図３（ｂ）に示すように退避角度θを１５°以下に設定すると、散りが退避面７ｎと他方の弾性体（図では弾性体７ｂ）との間に挟まってしまい接合を妨げる可能性が高くなるためである。これに対して、図３（ａ）に示すように退避角度θを１５°より大きく設定すると、散りが退避面７ｎと他方の弾性体（図では弾性体７ｂ）との間に挟まって接合を妨げることはほとんどなくなる。図２（ｃ）に示すように、退避面７ｎを双方の弾性体７ａ，７ｂに設ける場合は、退避面７ｎ同士がなす退避角度（和）θが１５°より大きければよい。
【００３０】
また、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、接合部の断面形状を台形形状とすることで、図３（ａ）に示すように、接合面７ｍの面積として溶接電流が通過するのに十分な大きさを確保できる。このため、溶接電流の集中による急激な溶融を緩和して、散りの発生を抑制することができる。なお、図２（ａ）に示したように接合部の断面形状がほぼ三角形状であると、図３（ｂ）に示すように小さな接合面７ｍに溶接電流が集中するため、散りの発生を抑制する効果はなくなる。ただし、前述したように、退避角度θを１５°より大きく設定することで、散りが退避面７ｎと他方の弾性体（弾性体７ｂ）との間に挟まって接合を妨げることはほとんどない。
【００３１】
図８には、図２（ｂ）に示すように弾性体７ａに退避面７ｎを設けた場合の回転強度（溶接強度）の実験結果を示している。左から、退避角度θが３０°の場合と１５°の場合の回転強度（Ｎ・ｍ）を示している。溶接電流の大きさや溶接時間等の溶接条件は同じである。横方向に延びる実線は退避面７ｎを形成しない従来の溶接方法により得られる強度を示し、二点鎖線は計算により得られた理論値としての強度を示している。
この図から分かるように、退避角度が１５°のときは、従来よりも高い強度が得られるものの理論値に対してはまだかなり低い強度しか得られない。しかし、退避角度が３０°まで大きくなると、かなり理論値に近い十分な強度が得られる。なお、退避角度が１５°以下であっても溶接条件によって十分な強度が得られる場合には、退避角度を１５°以下に設定してもよい。
【００３２】
以上説明したように、本実施例によれば、弾性体７ａ，７ｂのうち少なくとも一方の弾性体に接合面７ｍに隣接する退避面７ｎを形成することで、溶接により発生した散りが接合面７ｍの周囲にて両弾性体７ａ，７ｂの間に挟まって接合を不完全とすることを防止できる。これにより、溶接後の弾性体７ａ，７ｂの強度が向上し、より性能が高い振動型モータを実現することができる。
【００３３】
なお、図１には、弾性体７ｂ側にロータ１６が１つのみ設けられた振動型モータを示しているが、本発明の他の実施例は、図１１に示すように、弾性体７ａ側および弾性体７ｂ側の双方にロータ１６ａ，１６ｂが設けられた振動型モータも含む。図１１において、１１ａ，１１ｂは図１に示した摺動部材１１に相当し、１２ａ，１２ｂは図１に示したロータ本体１２に相当する。また、１３ａ，１３ｂは図１に示した加圧ばね１３に相当し、１４ａ，１４ｂは図１に示した連結部材１４に相当する。そして、この実施例でも、一方の弾性体（ここでは、弾性体７ｂ）の接合部における接合面７ｍに隣接した部分に退避面７ｎが形成されている。
【実施例２】
【００３４】
図７には、本発明の実施例２である振動型モータにおける弾性体７ａ，７ｂの形状を示す。図７（ａ）には、一方の弾性体７ａの接合部における接合面７ｍに隣接する退避面７ｎが、曲面形状に形成されている例を示している。また、図７（ｂ）には、双方の弾性体７ａ，７ｂの接合部における接合面７ｍに隣接する退避面７ｎがいずれも曲面形状に形成されている例を示している。各退避面７ｎは、接合面７ｍから離れるほど退避量が大きくなるように形成されている。本実施例では、接合面７ｍも、退避面７ｎと連続した曲面として形成されている。
【００３５】
また、図７（ａ）において、退避面７ｎの接合面７ｍに対してなす退避角度（接合面７ｍの頂点での接線と、退避面７ｎ上におけるいずれかの位置での接線とがなす角度）θは、１５°より大きい。また、図７（ｂ）において、双方の弾性体７ａ，７ｂの退避面７ｎ同士がなす退避角度（両接合面７ｍの頂点での接線と、両退避面７ｎ上におけるいずれかの位置での接線とがなす角度の和）θも１５°より大きい。
【００３６】
本実施例のように、退避面７ｎを曲面形状にすることで、接合面７ｍの面積を減らすことなく、散りが飛散していく方向により大きな開口を形成することができる。しかも、退避面７ｎとともに接合面７ｍが曲率を有するため、溶接時の弾性体７ａ，７ｂ間での加圧により、接合面７ｍ側から外側に向かって連続して、溶接により発生した散りを押し出すことができる。これにより、半溶融状態の散りが接合面７ｍの周囲にて両弾性体７ａ，７ｂの間に挟まって接合を妨げることを、実施例１よりもさらに効果的に防止することができる。
【実施例３】
【００３７】
図９（ａ）には、本発明の実施例３である振動型モータにおける弾性体７ａ，７ｂを示す。本実施例は、弾性体７ａの接合部に接合面７ｍと退避面７ｎを形成する点については実施例１，２と同じである。
【００３８】
図９（ｂ）に示すように、弾性体７ａの接合面７ｍおよび退避面７ｎ上の酸化被膜を残したまま溶接を行ってもよい。しかし、図９（ａ）に示すように、溶接前にラップ等の機械的な方法やエッチング等の化学的な方法によって接合面７ｍおよび退避面７ｎ上の酸化被膜を除去しておくとさらによい。これにより、散りの供給源である溶融温度の低い酸化鉄を減らし、散りの発生を抑制することができる。なお、接合面７ｍ上の酸化被膜だけを除去してもよいが、より散りの発生を抑制するためには退避面７ｎ上の酸化被膜も予め除去しておくとよい。
【００３９】
図１０のフローチャートには、化学的あるいは電気化学的に表面を溶解する処理（化学研磨や電解研磨）によって酸化被膜を除去する手順を示す。酸化被膜の除去は、各弾性体（接合部）の脱脂および洗浄を行った後に、化学研磨および電解研磨のうち適宜選択された研磨方法で行われる。そして、酸化被膜が除去された弾性体は、洗浄された後、乾燥されて、対となる弾性体と溶接される。
【００４０】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
良好な性能を有する振動型駆動装置を提供できる。
【符号の説明】
【００４２】
１  出力軸
５  ケース
７ａ，７ｂ  弾性体
７ｍ  接合面
７ｎ  退避面
８  フレキシブルプリント基板
９  圧電素子
１０  支持部材
１１  摺動部材
１２  ロータ本体
１３  加圧ばね
１４  連結部材
１６  回転子
１７  振動子
【図１】
2014007881.tif 000003
【図２】
2014007881.tif 000004
【図３】
2014007881.tif 000005
【図４】
2014007881.tif 000006
【図５】
2014007881.tif 000007
【図６】
2014007881.tif 000008
【図７】
2014007881.tif 000009
【図８】
2014007881.tif 000010
【図９】
2014007881.tif 000011
【図１０】
2014007881.tif 000012
【図１１】
2014007881.tif 000013