(57)【要約】【課題】振動型駆動装置において、振動子の温度上昇を抑える。【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７ａ，７ｂにより構成された振動子１７と、弾性体に接触する接触子１６とが相対移動することで駆動力を発生する。電気−機械エネルギ変換素子と振動子を支持する支持部材１０とが、弾性体によって挟持されている。電気−機械エネルギ変換素子と支持部材との間に、空気よりも熱伝導率が高い熱伝導部材１８が配置されている。【選択図】図１
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【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、
前記電気−機械エネルギ変換素子と前記振動子を支持する支持部材とが、前記弾性体によって挟持されており、
前記電気−機械エネルギ変換素子と前記支持部材との間に、空気よりも熱伝導率が高い熱伝導部材が配置されていることを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】
前記熱伝導部材が、黒鉛により形成されてい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】
前記熱伝導部材が、高分子フィルムから焼成されたグラファイトシートとして形成されていることを特徴とする請求項２に記載の振動型駆動装置。
【請求項４】
前記熱伝導部材の前記弾性体による挟持方向での厚さが、２５μｍ以下である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】
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。この構成により、圧電素子と給電基板と支持部材とがそれらの相対的位置が変化しないように保持される。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加圧されて結合される。
【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】
振動型駆動装置において、圧電素子に通電して装置を駆動すると、圧電素子から発生した熱（摩擦熱）が振動子全体の温度を上昇させる。振動子の温度が高くなると共振抵抗が高くなり、装置の性能劣化（例えば、同じ入力電圧に対する出力回転数の低下）が発生する。
【０００６】
特に、特許文献１にて開示された振動型駆動装置のように、２つの弾性体が加圧されて結合されると、図８に示すように、弾性体１０７ａ，１０７ｂに数μｍレベルの変形が生じて挟持部に僅かな空隙が発生する（１０９は圧電素子、１０８は給電基板、１１０は支持部材である）。この空隙内の空気は熱伝導性が非常に低い。このため、空隙の発生によって挟持部から外部への熱の伝導量が減少し、挟持部（つまりは振動子）に熱が蓄積されて振動子の温度が上昇し易くなり、装置の性能劣化も生じ易くなる。
【０００７】
本発明は、弾性体により電気−機械エネルギ変換素子と支持部材とを挟持した構成を有する振動子の温度上昇を抑えることが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】
【０００８】
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子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、電気−機械エネルギ変換素子と振動子を支持する支持部材とが、弾性体によって挟持されている。そして、電気−機械エネルギ変換素子と支持部材との間に、空気よりも熱伝導率が高い熱伝導部材が配置されていることを特徴とする。
【０００９】
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】
【００１０】
本発明によれば、電気−機械エネルギ変換素子と支持部材との間に、従来の空隙を埋める役割を有して空気よりも熱伝導率が高い熱伝導部材を配置したので、電気−機械エネルギ変換素子で発生した熱を、熱伝導部材および支持部材を介して効率良く振動子の外部に逃がすことができる。これにより、振動子の温度上昇による振動型駆動装置の性能劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例である振動型モータの断面図。
【図２】実施例の振動型モータにおける振動子を示す図。
【図３】実施例の振動型モータに用いられた黒鉛シートの結晶構造を示す図。
【図４】上記黒鉛シートの製造プロセスを示す図。
【図５】上記振動子が振動する様子を示す模式図。
【図６】実施例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７】実施例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８】従来の振動子に発生する空隙を示す模式図。
【図９】本発明の他の実施例である振動型モータの断面図。
【図１０】実施例における黒鉛シートの厚さと特性との関係を示す表図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。また、図２には、該振動型モータのうち振動子の構成を示している。
【００１４】
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、図２にも示すように、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】
なお、弾性体７ａ，７ｂの一体化のために、中空ボルト（その外周に小径部７ｃ，７ｄの内周に着られた雌ねじに螺合する雄ねじが切られ、その内周に出力軸１が通る中空部を有するボルト）を用いてもよい。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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５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。
【００２２】
図６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７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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
このように圧電素子９への通電を行ってこれを駆動すると圧電素子９にて摩擦による熱が発生するが、図８を用いて先に説明したように、振動子１７内（例えば、圧電素子９と支持部材１０との間）に空隙が発生した結果として振動子１７の温度が上昇するおそれがある。振動子１７の温度が上昇すると、例えば図６の点線グラフにより示すように、同じ駆動電圧に対して得られる回転数が減少する。すなわち、振動型モータの性能（駆動特性）が劣化する。
【００２６】
そこで、本実施例では、圧電素子９と支持部材１０との間に熱伝導性材料により形成された熱伝導部材１８を配置している。言い換えれば、振動子１７（弾性体７ａ，７ｂ）の挟持部にて、熱伝導部材１８を圧電素子９と支持部材１０とともに挟持する。熱伝導部材１８は、少なくとも空気の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有しており、図５に示すように、上述した空隙を埋めて圧電素子９にて発生した熱を支持部材１０を介して効率良くケース５に伝達し、ケース５から外部に放熱させる役割を有する。
【００２７】
ここで、熱伝導部材１８には、振動子１７の振動を阻害するものでないことが要求される。例えば、一般的な高分子ポリマーにより熱伝導部材１８を形成すると、振動子１７が発生する振動を熱伝導部材１８が緩衝してしまい、該振動のエネルギを更なる熱に変えてしまう。したがって、一般的な高分子ポリマーを使用しても問題がない駆動条件で振動型モータを使用する場合を除いては、熱伝導部材１８としてそのような一般的な高分子ポリマーを使用することは避けた方が好ましい。本実施例では、熱伝導部材１８の例として、グラファイト化した黒鉛をシート状に形成したもの（以下、黒鉛シートという）を用いる。この黒鉛シートの製法については後述する。
【００２８】
また、熱伝導部材１８の弾性体７ａ，７ｂによる挟持方向（軸方向）での厚みが大きいと、熱の伝達量が低下し、振動型モータの性能劣化を十分に抑えることができなくなる可能性がある。このため、熱伝導部材１８の厚さはできるだけ小さい方がよい。例えば、厚みが４倍になると、熱の伝達量が０．４倍に低下する。圧電素子９と弾性体７ａ，７ｂとの間の振動振幅は数μｍ以下であるため、熱伝導部材１８の厚みも極力これと同じ程度の厚さであることが好ましい。
【００２９】
図１０には、２５μｍの厚さを有する黒鉛シート（グラファイトシート）を熱伝導部材１８として用いた場合と該黒鉛シートを用いない場合とで、同等のトルク−回転数特性が得られることを検証した試験結果を示している。この試験結果から、黒鉛シートの厚さを、２５μｍ以下とすることで、振動型モータの性能劣化を十分に抑えることができることが分かる。
【００３０】
このように熱伝導部材１８の材料と厚みを適切に選択することで、熱伝導部材１８の熱伝導性を銅等の金属よりも２〜４倍程度高くすることが可能となり、振動子１７の温度上昇を抑制する効果を得ることができる。
【００３１】
黒鉛シートの製法について、図４を用いて説明する。まず、材料となる縮合系高分子フィルムシート（ポリイミド等）に対して、不活性ガス雰囲気内中で予備焼成（超高温加熱）を行う。その結果、原料高分子が熱分解されて炭素前駆体構造が生成される。次に、炭素前駆体構造に対して本焼成を行うことで炭素構造を組み換え、再結晶化させて結晶性グラファイトを作る（すなわちグラファイト化する）。図３には、本実施例にて使用される黒鉛シートの結晶構造を模式的に示している。この結晶構造では、六角形格子を形成するように結合した炭素原子が3.354〜3.356×10-8cmピッチで積層されている。
【００３２】
このように本実施例では、高分子グラファイト化法を用いて黒鉛シートを生成する。これにより、従来の炭化水素ガス堆積法ではできなかった薄膜化を達成したり、柔軟性および高い熱伝導性を与えたりすることができる。また、層状の結晶構造を有するため、各層の長手方向（層方向）での熱伝導率が特によい。一般に、黒鉛は厚さ方向での熱伝導率が層方向で熱伝導率の約１００分の１であるが、本実施例で用いる黒鉛シートの層方向で熱伝導率は５０分の１である。
【００３３】
また、高分子グラファイト化法を用いて製造された黒鉛シートに、前述した適切な厚みを与えることで、本実施例にて使用される黒鉛シートが完成する。
【００３４】
なお、本実施例では、熱伝導部材１８の材料として黒鉛シートを用いた場合について説明したが、前述した一般的な高分子ポリマーのように振動子１７が発生する振動を熱に変える特性を持つものを除いた他の材料、例えば、高分子に強磁場を印加して磁場方向にｎｍレベルで配向制御した高分子フィルムを熱伝導部材１８の材料として用いてもよい。
【００３５】
以上説明したように、本実施例によれば、熱伝導部材１８を圧電素子９と支持部材１０との間に配置して、従来の空隙を埋めるようにすることで、圧電素子９で発生した熱による振動子１７の温度上昇を抑えることができ、振動子１７の温度上昇に伴う振動型モータの性能劣化を防止することができる。
【００３６】
なお、図１および図２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９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９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、圧電素子９と支持部材１０との間に熱伝導部材１８が配置されている。
【００３７】
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】
【００３８】
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】
【００３９】
１  出力軸
５  ケース
７ａ，７ｂ  弾性体
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
１８  熱伝導部材
【図１】
2014007865.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014007865.tif 000009
【図８】
2014007865.tif 000010
【図９】
2014007865.tif 000011
【図１０】
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