(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギー変換素子と弾性体を有する振動子と、前記振動子と接触する移動体とを備え、
前記電気−機械エネルギー変換素子への交流電圧の印加により前記振動子に楕円運動を励振させ、前記振動子と接触する前記移動体を相対移動させる振動型駆動装置であって、前記移動体は、本環部と複数の板ばね部とを備え、
前記複数の各板ばね部は、該板ばね部と前記本環部を接合する固定部と、前記振動子と接触する接触部と、前記接触部と固定部を連結する連結部と、を有し、
前記接触部における前記振動子との接触面が、前記複数の板ばね部同士をつなぎ部により連結することにより構成され、
前記接触部に前記振動子が接触して前記連結部が変形した際に、前記板ばね部に所定のバネ剛性を持たせるように、前記本環部と前記接触部との間に空間部を設けて前記複数の板ばね部が前記固定部を介して前記本環部と接合されることを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】
前記摺動面が、リング状の摺動部材からなる摺動リングを配設することにより構成され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】
前記板ばね部と前記つなぎ部は同一平板から一体的に形成され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４】
前記接触面は連続的な面であることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型駆動装置とその移動体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被駆動体を直線状に駆動するリニア型超音波モータとして、従来において特許文献１のような振動型駆動装置（リニア型超音波モータ）が提案されている。
このようなリニア型超音波モータの駆動原理について、図９を用いて説明する。図９（ａ）のリニア型超音波モータの外観斜視図に示されるように、リニア型超音波モータ５１０は、振動子５０１とスライダ５０６および振動子５０１をスライダ５０６に加圧するための加圧部材（不図示）から構成されている。
振動子５０１は、圧電素子等に代表される電気−機械エネルギー変換素子５０５と、該電気−機械エネルギー変換素子５０５の片面に接合されて一体化される矩形の形状に形成された弾性体５０２と、を備える。そして、この弾性体５０２の上面に対して凸状に形成された２つの突起部５０３、５０４から構成される。
【０００３】
このような振動型駆動装置（超音波モータ）においては、圧電素子に特定の周波数の電圧を印加することで、所望の振動モードを複数励振し、これら振動モードを重ね合わせることにより、駆動するための振動を形成する。
図９（ａ）のモータでは、図９（ｂ−１）、（ｂ−２）に示す２つの曲げ振動モードを振動子５０１に励振させる。
この２つの曲げ振動モードはどちらも、板状の振動子５０１の面外方向の曲げ振動モードである。
一方の振動モードは、振動子５０１の長手方向に２次の曲げ振動モード（Ｍｏｄｅ−Ａ）であり、他方の振動モードは、振動子５０１の短手方向に１次の曲げ振動モード（Ｍｏｄｅ−Ｂ）である。
振動子５０１の形状は、２つの振動モードの共振周波数が一致するか、近くなるように設計される。
突起部５０３、５０４は、Ｍｏｄｅ−Ａの振動において振動の節となる位置の近傍に配置されており、Ｍｏｄｅ−Ａの振動によって、突起部先端面５０３−１、５０４−１は振動の節を支点として振り子運動をするため、Ｘ方向に往復運動する。
また突起部５０３、５０４は、Ｍｏｄｅ−Ｂの振動において振動の腹となる位置の近傍に配置されており、Ｍｏｄｅ−Ｂの振動によって、突起部先端面５０３−１、５０４−１はＺ方向に往復運動する。
これら２つの振動モード（Ｍｏｄｅ−ＡとＭｏｄｅ−Ｂ）の振動位相差が±π／２近傍となるように同時に励振し、重ね合わせることで、突起部先端面５０３−１、５０４−１が、ＸＺ面内で楕円運動する。
この楕円運動により、加圧接触されたスライダ５０６を一方向に駆動することが出来る。
【０００４】
一方、被駆動体を回転させる回転型超音波モータとして、従来において特許文献２に示す振動波モータ（回転型超音波モータ）が提案されている。
この種の振動波モータを図１０に示す。
図１０において、弾性体１０２は円環状をしており、弾性体１０２の上部には複数の突起１０２ｂが全周にわたって設けられている。弾性体１０２に対して移動体１０３は、不図示の加圧部材によって加圧接触されている。
移動体１０３は、弾性部材で形成されたリング状の本体部１０３ａ、本体部１０３ａより延出したフランジ部１０３ｂ、フランジ部１０３ｂの端部から延出し、かつ弾性体１０２に摩擦接触する摩擦面を有する接触部１０３ｃから構成されている。
圧電素子１０１は、弾性体１０２の底面に接着剤にて接着され、モータ駆動時に不図示の駆動回路により位相差を有する交流電圧が印加され、進行性振動波を発生させる。進行性振動波の進行方向がθ方向正の向き（図１０の矢印参照）の場合、摩擦により駆動される移動体１０３の移動方向は、θ方向負の向きとなっている。
【０００５】
ここで、特許文献２の弾性体１０２と圧電素子１０１の代わりに、特許文献１の振動子５０１を振動子５０１の長手方向が移動体の回転方向と一致するように複数配置することで特許文献２の移動体１０３を回転させるモータを作製することが出来る。
例えば、振動子５０１を３個配置した場合を図１１に示す。振動子５０１の突起部先端面５０３−１、５０４−１と移動体１０３の接触部１０３ｃを加圧接触し振動子５０１に２つの曲げ振動モードを励振させると回転する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３０４８８７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６３７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献２に記載された移動体１０３はバネ性を有する片持ち構造となっており、移動体１０３の接触部１０３ｃが変位する際には、図１２に示すように接触部１０３ｃがＺ方向変位のみならず径方向にも変位する。
一方、振動子５０１の短手方向に１次の曲げ振動モードにおいて、振動子５０１の各突起部先端面５０３−１、５０４−１の振動方向は図９（ｂ−２）に示すようにＺ方向変位のみである。そのため、突起部先端面５０３−１、５０４−１の振動軌跡の方向と移動体１０３の接触部１０３ｃの変位方向が一致せず、径方向の滑りが生じ接触が安定せず駆動効率が低下する。
【０００８】
これらを解決する移動体の形状として、例えば図１３に示すバネ性を有する両持ち構造の移動体が挙げられる。移動体の斜視図を図１３（ａ）に、移動体の断面図を図１３（ｂ）に示す。
移動体は、弾性部材で形成された円環状の本環部６１２と板ばね部６１３とからなる。
板ばね部６１３は接触部６１３ａと連結部６１３ｃと固定部６１３ｂからなり薄板から一体で作製され、固定部６１３ｂが本環部６１２と接合されている。
接触部６１３ａの両端は、連結部６１３ｃを介して固定部６１３ｂで支持されている。
接触部６１３ａがＺ方向の力を受けた際に、接触部６１３ａの両端に位置する連結部６１３ｃは、ともに同じ変位量、変位するように、内径側と外形側の連結部６１３ｃが変形する。これにより、移動体はバネ性を持つとともに、接触部６１３ａの変位方向が、接触面に対して垂直となり、接触が安定する。
【０００９】
板ばね部は摺動特性（耐磨耗性）が要求されるため一般的にＳＵＳ等材料の硬度が高い（伸びが小さい）難加工材を用いることが多い。このような移動体の板ばね部は切削加工等をすることにより製作することが出来る。しかし、板ばね部を製造コストの観点から絞り加工を用いて成形しようとすると、材料の硬度が高かったり、以下で説明するように接触部の内径側と外径側では金属の伸び率が異なったりするため、高精度に加工することは困難である。
【００１０】
ここで、例えば、リング状の薄肉平板からリング状に突出した形状を絞り加工で形成する場合を考える。
図１４（ａ）は絞り加工前のリング状の薄肉平板である。
図１４（ｂ）は、図１４（ａ）を真上から見た図であり、絞り加工時に板を押さえる個所と絞り加工される個所を便宜上分けるために、補助線を円周上に設け、リング状の薄肉平板をＶ０〜Ｖ４の５ヶ所に分けている。
Ｖ０とＶ４が絞り加工時に板を押さえる個所である。Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を絞り加工することによって、リング状に突出した形状を形成する。
【００１１】
図１４（ｃ）は、絞り加工後のＸＺ平面の断面図である。
絞り加工時に押さえられたＶ０とＶ４はほぼ塑性変形せず、Ｖ１、Ｖ３がそれぞれ垂直方向（Ｚ方向）に絞られ、壁部Ｖ１１と壁部Ｖ１３の形状に塑性変形する。Ｖ１とＶ３との境界に位置するＶ２の一部も円弧状に塑性変形し、Ｖ１２に示す形状となる。
壁部Ｖ１１と壁部Ｖ１３は、それぞれＲ１２とＲ３２の円周上の近傍に設けられる。
壁部Ｖ１１は、主に平板部Ｖ１が塑性変形したものであり、絞り加工前のリング状の薄肉平板の板厚をｔとすると、体積は｛（Ｒ１２）2−（Ｒ１１）2｝π×ｔ  で表される。
また、壁部Ｖ１３は、主に平板部Ｖ３が塑性変形したものであり、体積は｛（Ｒ３３）2−（Ｒ３２）2｝π×ｔ  で表される。
一方、絞り加工後であるＶ１１とＶ１３の板厚をｔ１とｔ３として、壁部Ｖ１１の体積をｔ１を用いて表すと、約２π（Ｒ１２）×ｔ１×高さｈと表せる。
【００１２】
また、壁部Ｖ１３の体積は約２π（Ｒ３２）×ｔ１×高さｈと表せる。
以上より、ｔ１、ｔ３は以下のように求まる。ただしｃは定数である。
ｔ１／ｃ＝Ｒ１２−（Ｒ１１）2／（Ｒ１２）
ｔ３／ｃ＝（Ｒ３３）2／（Ｒ３２）−Ｒ３２
ここで、Ｒ１２−Ｒ１１＝Ｒ３３−Ｒ３２＝ｋ（定数）とすると、
ｔ１／ｃ＝２ｋ−２ｋ／Ｒ１２＜２ｋ
ｔ３／ｃ＝２ｋ＋２ｋ／Ｒ３２＞２ｋ
従って、ｔ１よりもｔ３のほうが値が大きくなり、絞り加工する際に内径側のほうがより伸び率が高くなり、その結果、絞り加工時に皺が形成されたり、所望の寸法精度を出すことが困難となる。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑み、低コスト化、高精度化を図ることが可能となる振動型駆動装置とその移動体の製造方法の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の振動型駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子と弾性体を有する振動子と、前記振動子と接触する移動体とを備え、
前記電気−機械エネルギー変換素子への交流電圧の印加により前記振動子に楕円運動を励振させ、前記振動子と接触する前記移動体を相対移動させる振動型駆動装置であって、前記移動体は、本環部と複数の板ばね部とを備え、
前記複数の各板ばね部は、該板ばね部と前記本環部を接合する固定部と、前記振動子と接触する接触部と、前記接触部と固定部を連結する連結部と、を有し、
前記接触部における前記振動子との接触面が、前記複数の板ばね部同士をつなぎ部により連結することにより構成され、
前記接触部に前記振動子が接触して前記連結部が変形した際に、前記板ばね部に所定のバネ剛性を持たせるように、前記本環部と前記接触部との間に空間部を設けて前記複数の板ばね部が前記固定部を介して前記本環部と接合されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の振動型駆動装置における移動体の製造方法は、電気−機械エネルギー変換素子と弾性体を有する振動子と、
前記振動子と接触する、本環部と複数の板ばね部とからなる移動体とを備え、  前記電気−機械エネルギー変換素子への交流電圧の印加により前記振動子に楕円運動を励振させ、前記振動子と接触する前記移動体を相対移動させる振動型駆動装置における移動体の製造方法であって、
前記移動体における前記本環部を接合する固定部と、前記振動子と接触する接触部と、前記接触部と固定部を連結する連結部と、を有する前記複数の板ばね部を製造するに際し、
平板部材を用い、少なくとも板ばね部の連結部となる個所を曲げ加工し、前記接触部と前記固定部と前記連結部とを有する前記複数の板ばね部を形成する工程と、
前記接触部に前記振動子が接触して前記連結部が変形した際に、前記板ばね部に所定のバネ剛性を持たせるように、前記本環部と前記接触部との間に空間部を設けて前記複数の板ばね部が前記固定部を介して前記本環部と接合される工程と、
を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低コスト化、高精度化を図ることが可能となる振動型駆動装置とその移動体の製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例１における振動型駆動装置を説明する図であり、（ａ）は振動型駆動装置の外観斜視図、（ｂ）は移動体の断面図、（ｃ）は板ばね部の外観斜視図である。
【図２】本発明の実施例１における加工前の板ばね部の斜視図である。
【図３】本発明の実施例２における移動体を説明する図である。
【図４】本発明の実施例２における移動体を説明する図である。
【図５】本発明の実施例２における移動体を説明する図である。
【図６】本発明の実施例３における移動体を説明する図である。
【図７】本発明の実施例３における加工前の板ばね部の斜視図である。
【図８】本発明の実施例１における振動子の斜視図である。
【図９】従来例であるリニア型超音波モータを説明する図であり、（ａ）は特許文献１のリニア型超音波モータの外観斜視図、（ｂ−１）、（ｂ−２）はその振動子に励振される振動モードを示す図である。
【図１０】従来例に係る回転型超音波モータの斜視図である。
【図１１】従来例に係るリニア型振動子を用いて、回転型超音波モータを構成した鉛直方向真上図である。
【図１２】図１１における移動体の接触部の変位方向を示す図である。
【図１３】従来例に係る回転型超音波モータ構成品である両持ち支持ロータである。
【図１４】従来例に係る絞り加工を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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】
【００１９】
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動型駆動装置の構成例について説明する。
本実施例の振動型駆動装置は、円環状に形成された回転型の振動型駆動装置を構成する、電気−機械エネルギー変換素子と弾性体を有する３つの振動子と、該振動子と接触する移動体を備えている。
そして、前記電気−機械エネルギー変換素子への交流電圧の印加により前記振動子に楕円運動を励振させ、前記振動子と接触する前記移動体を相対移動させるように構成されている。
図８に本発明の実施例１に係る振動子７０１を示す。
振動子７０１は、矩形状の圧電素子７０７と弾性体７０２と２つの突起部７０３、７０４から構成されている。
弾性体７０２は、金属製の弾性部材であり、２つの突起部７０３、７０４が接合により又は一体的に設けられる。圧電素子７０５は、電気量を機械量に変換する電気−機械エネルギー変換素子であり、弾性体７０２と結合されている。
振動子７０１と移動体とは、不図示の加圧手段による加圧力により、振動子の突起部と加圧接触するように構成されており、圧電素子に特定の周波数の電圧を印加することで、振動子の突起部に楕円運動を起こさせ、摩擦によって摩擦駆動される。
【００２０】
図１（ａ）は本発明の実施例１に係る振動型駆動装置の斜視図であり、図１（ｂ）は移動体１１１の断面図である。
移動体１１１は、弾性部材で形成された円環状の本環部１１２と複数の板ばね部１１３とからなる。
本環部１１２は、均一な板厚を有するリング構造となっている。
板ばね部１１３は、接触部１１３ａと固定部１１３ｂと連結部１１３ｃからなり、薄板をプレス加工することで製作され、本環部１１２の円周方向に沿って複数配置される。
図１（ｃ）に板ばね部１１３の斜視図を示す。板ばね部１１３は、振動子の突起部先端と接触する接触部１１３ａを有している。
振動子の突起部７０３、７０４と板ばね部の接触部１１３ａは、振動子７０１の駆動周波数（数十ｋＨｚ以上）で断続接触を繰り返すことになり、駆動力を十分伝えつつ、異音を抑えるため少なくとも一方が適切なばね剛性を有する必要がある。
【００２１】
本実施例では、板ばね部１１３は両持ち構造であり、本環部１１２と板ばね部１１３には板ばね部１１３の変形を逃がすための空間部１１４を設けることで、板ばね部１１３にバネ性を持たしている。
板ばね部１１３の接触部１１３ａが連続した周状の面を形成するように板ばね部１１３を複数、本環部１１２に配置する。
本実施例では、移動体が摺動する摺動面が、複数の板ばね部同士を隙間なく配設することにより構成される（振動子と移動体（の接触部）とが接触して摺動する面が摺動面となる）。
具体的には、複数の板ばね部１１３同士の境界部１１５に隙間が生じないように板ばね部１１３の幅の大きさＬ１やＬ２等を決める。
移動体の摺動面である接触部１１３ａが連続な平面となるようにすることで、振動子の突起部が板ばね部１１３同士の隣接した境界部１１５に引っ掛かり、駆動効率が低下するのを防ぐ。
本環部１１２と板ばね部１１３の接合は、板ばね部１１３の固定部１１３ｂを接着や溶接することで行う。
【００２２】
板ばね部の形状は、バネ性があればよく、接合やスペース等の観点から図４や図５に示すような形状にしてもよい。
例えば、図４の形状では、板ばね部３１３との接合を本環部３１２の側面３１２ｃではなく、本環部３１２の平面である上面３１２ａで行うことができる。
このため、板ばね部３１３の固定部３１３ｂと本環部３１２に隙間が生じにくく、また固定部３１３ｂの上方からレーザ溶接等がし易い構造となっている。
本環部３１２を大きくしてもよい場合にこの構成を取ることができる。
また図５の形状では、本環部の幅を図４より小さくできるため、スペースの有効利用や軽量化を図ることができる。
【００２３】
図４と図５を用いて、本実施例における移動体の構成について以下で説明する。
図４は、移動体３１１の断面図である。本環部３１２は、均一な板厚を持つ円環である。
一方、板ばね部３１３は、接触部３１３ａと固定部３１３ｂと連結部３１３ｃからなる。
接触部３１３ａと固定部３１３ｂは連結部３１３ｃにより連結される。接触部３１３ａに振動子が摩擦接触した際に所定のバネ性を有するように連結部３１３ｃの形状を決める。
固定部３１３ｂの面は、本環部３１２の面と平行に水平状に形成されている。固定部３１３ｂを溶接や接着することにより、本環部３１２と板ばね部３１３を接合する。
【００２４】
図５は、移動体４１１の断面図である。
本環部４１２は、均一な板厚を持つ円環である。一方、板ばね部４１３は、接触部４１３ａと固定部４１３ｂと連結部４１３ｃを有する。
接触部４１３ａと固定部４１３ｂは連結部４１３ｃにより連結される。接触部に振動子が摩擦接触した際にバネ性を有するように連結部４１３ｃの形状を決める。
両持ち構造の板ばね部４１３を構成している２ヶ所の固定部４１３ｂのうち、片方の固定部４１３ｂを接触部に対して垂直方向に設ける。
【００２５】
つぎに、図１の板ばね部１１３の製造方法について説明する。
板ばね部１１３の成形は、金属の薄板を曲げ加工等を用いて行う。
まず、平板部材による薄板から図２に示すような台形形状を含む形に打ち抜く。台形形状とするのは、本環部１１２に板ばね部１１３を複数設置して、移動体を形成するときに、隙間を極力なくすためであり、内径側の幅Ｌ１を外形側の幅Ｌ２よりも適度に小さくする。この時、接触部１１３ａの面も台形形状となる。
その後、駆動方向（短手方向）に沿って、板ばね部の連結部１１３ｃとなる個所を曲げ加工することで、図１（ｃ）に示す板ばね部１１３を作製する。
【００２６】
板ばね部は摺動特性（耐磨耗性）が要求されるため一般的にＳＵＳ等材料の硬度が高い（伸びが小さい）難加工材を用いることが多い。
移動体の板ばね部をリング上の板から絞り加工等により一体で作製する場合と比較し、上記のように曲げ加工を取り入れることで、材料の伸び率を抑えることが出来るため、加工できる形状の制約が少なくなる。また精度よく加工することができる。
板ばね部１１３の個数を多くして構成するほど、面の台形形状が、長方形形状に近づき、結果として板ばね部１１３を複数配置した時に均一なバネ剛性を得ることが出来る。
【００２７】
本構成を採ることで、単純な本環部の径を変更するだけで、板ばね部は、径によらず使用できるか、僅かな寸法変更で所望の形状にすることで使用でき、移動体の径に対して汎用性がある低コストな両持ちロータを提供することが出来る。本実施例では、リニア型超音波モータを構成している振動子を用いて回転駆動させるために、両持ち構造のロータを用い、ロータの接触部の振動角度が振動子の突起部の方向と一致するようにした。
従来技術で示した図１０の弾性体１０２と圧電素子１０１を用いた円環型振動子を用いる場合は、両持ちロータの接触部の振動角度を円環振動子の接触部の振動角度と合うように、両持ちロータの連結部の形状を決める。これにより、同様に円環型振動子に対応した両持ちロータを提供することが出来る。
以上の本実施例の構成によれば、複数の板ばね部により移動体に所定のバネ剛性を持たせる構成にすることで、板ばね部を曲げ加工により製作することができ、製造コストが低く、高精度に加工可能な振動型駆動装置とその移動体の製造方法を実現することができる。
【００２８】
［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の振動型駆動装置の構成例について説明する。
図３は、本実施例の移動体２１１を振動子の突起部が接触する側から見た図である。
本実施例は、上記した実施例１に対して、さらに、リング状の摺動部材からなる摺動リング２１６が設けられている点において相違するが、それ以外の構成は上記した実施例１と基本的に同じ構成であるから、重複する説明は省略する。
移動体２１１は、弾性部材で形成された円環状の本環部２１２と複数の板ばね部２１３と摺動リング２１６からなる。
図３に示すように、２１５は境界部であり、摺動リング２１６は複数の板ばね部２１３上に設けられる。
摺動リング２１６は、リング状の薄肉金属板である。この摺動リング２１６を複数の板ばね部２１３の摺動面側に配置することにより、移動体２１１の摺動面が連続平面となり、複数の板ばね部２１３同士に隙間が生じていたとしても、連続的な摺動面を形成することができる。
【００２９】
［実施例３］
実施例３として、実施例１と異なる形態の振動型駆動装置の構成例について説明する。
図６は、本実施例の移動体５１１を振動子の突起部が接触する側から見た図である。５１２は本環部である。
本実施例は、上記した実施例１に対して、移動体５１１の板ばね部５１３を図６に示す構造とした点において相違が、それ以外の構成は上記した実施例１と基本的に同じ構成であるから、重複する説明は省略する。
まず、実施例１に対して板ばね部の異なる構造について説明する。
実施例１では、複数の板ばね部間同士の隙間を設けることなく、本環部と接合することで連続的な摺動面を構成している。
これに対して、本実施例では、複数の板ばね部５１３がつなぎ部５１７により連結されており、一体的な形状となっている。
つなぎ部５１７は、板ばね部５１３同士の接触部５１３ａを連結する部分であり同一平面で連続的な摺動面を構成するために設けている。
そのため、板ばね部同士の隙間が空いている場合であっても、実施例２で用いた摺動リングを用いず、部品点数を削減できる。
【００３０】
つぎに、この板ばね部の加工法について説明する。
まず、金属の平板からプレス加工により図７に示すような、リング形状と前記リング形状の径方向両側から一定間隔、径方向に張り出した形状を一体のまま打ち抜く。
その後、径方向にそって、板ばね部の曲部となる個所を曲げ加工することで、図６に示す板ばね部５１３を作製する。
【符号の説明】
【００３１】
１１１：移動体
１１２：本環部
１１３：板ばね部
１１３ａ：接触部
１１３ｂ：固定部
１１３ｃ：連結部
１１４：空間部
７０１：振動子
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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