(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、基部、及びバネ性を有する突起部を有する振動体と、前記基部に固定された電気−機械エネルギ変換素子と、
を有する振動子を備え、
前記突起部が、一つの部材によって前記基部と一体的に形成され、
前記突起部は、被駆動体との接触面を有する接触部と変換部とを有し、
前記変換部は、前記接触部に繋る、下に凸の形状部と、該下に凸の形状部と繋る、上に凸の形状部と、該上に凸の形状部と繋がる下に凸の形状部と、を有し、
前記突起部は、前記被駆動体の駆動方向に垂直で且つ前記駆動方向と交差する方向にも垂直な方向において、前記電気−機械エネルギ変換素子と重なる位置に設けられ、
前記変換部は、前記２つの下に凸の形状部と前記上に凸の形状部と前記電気−機械エネルギ変換素子の間に空隙を有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。
【請求項２】
前記振動子の楕円運動によって前記突起部と接触する前記被駆動体が駆動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】
前記基部と前記基部との間に設けられ、前記空隙から延在しているスリットを有することを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
【請求項４】
前記変換部の一部の曲げ剛性が、前記基部と比較して小さい曲げ剛性に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
【請求項５】
前記変換部の一部の厚さが前記基部より小さい、若しくは前記変換部の一部に穴が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
【請求項６】
前記基部は、厚さが不均一に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
【請求項７】
前記基部の厚さの薄い部分に、前記突起部が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の振動波駆動装置。
【請求項８】
前記振動子が、前記振動体と該電気−機械エネルギ変換素子との間に板部材を設けて構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動波駆動装置。
【請求項９】
前記スリットが、前記振動子の駆動方向と交差する方向に延在し、前記基部の端部まで延びていることを特徴とする請求項３及び６乃至８のいずれか１項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、振動波駆動装置とその振動体の製造方法に関し、特に、リニア型超音波モータの構成品である振動体と振動体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被駆動物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のような振動波駆動装置（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１０を用いて説明する。
図１０（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および振動子をスライダ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−機械エネルギ変換素子５０５と、該電気−機械エネルギ変換素子５０５の片面に接合されて一体化される振動体から構成される。
振動体は、矩形状に形成された基部５０２と、この基部の上面に対して凸状に形成された２つの突起部５０３、５０４とを有している。
【０００３】
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１０（ａ）のモータでは、図１０（ｂ）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の幅方向に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。
【０００４】
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には、ＸＺ面内の楕円運動が生成される。
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。
このとき、振動子５０１の突起部５０３、５０４とスライダ５０６とは、振動子５０１の駆動周波数（数十ｋＨｚ以上）で断続接触を繰返すことになるため、一方が適切なばね特性を有していないと、良好な接触状態が得られない。
一方、突起部５０３、５０４には前述したように、Ｘ方向の振動を増幅する機能も有している。
【０００５】
このようなことから、これら２つの機能を満足させるため、特許文献２では、図１１に示されるように、突起部６０９、６１０にばね性を持たせ、かつ突起部６０９、６１０を適切な形状にすることで、静寂な駆動を実現する振動アクチュエータが提案されている。この振動アクチュエータにおいては、ばね性を有した突起部６０９、６１０が別部材として加工され、基部６０２に接合されることで振動体が形成されている。
【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２００８−１２５１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献２の振動アクチュエータによると、前述したように接触状態を確保し、振動の増幅機能を得ることが可能となるが、一方ではつぎのような課題を有している。
特許文献２の振動子６０１では、前述したように突起部６０９、６１０と基部６０２とを別体で加工し、その後接合等の手段により一体化して形成されている。しかしながら、一体化される際に、突起部６０９、６１０と基部６０２とは、相対的に位置ズレが無くかつ均一に接合されることが望ましいが、現実的には加工上、これらの条件を満足し、安定的に振動体を製造することは困難である。
また、２体加工し、接合するという工程では、生産時の工数がかかり、コスト高の要因ともなる。
【０００８】
これらの課題を解決する方法として、突起部６０９、６１０と基部６０２とを１つの部材から一体で加工することが挙げられるが、これを実現するためには、つぎのような問題が生じる。
１つには、突起部６０９、６１０の形状が一体化に適していないという点がある。
前述したように、突起部６０９、６１０は、機能を満足するために、下に凸部分があり、この部分が基部６０２と接触しないように、基部６０２に凹部６１２を設けている。
仮に、突起部６０９、６１０の形状のまま一体化した振動体を得て、圧電素子と接合し、振動子とするには、圧電素子に凹部を設ける必要がある。しかし、圧電素子に後加工で凹部を設けようとすると、コスト高になるとともに、加工により微細なクラック等が発生し強度低下を引き起こす可能性もある。
一方、成型時に凹部を形成した場合には、焼結時の収縮精度のバラツキにより凹部の寸法のバラツキが大きくなるため、凹部の端部を固定端とする突起部のばね特性がばらつく原因となり得る。
２つ目として、加工上の課題がある。突起部は、形状が複雑であることに加え、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。
そのため絞り加工等により、突起部となる部分の板を延ばし板厚を小さくする加工では、前述のように形状が複雑な突起を成型することは困難である。
このため、従来においては、突起部と基部とを１つの部材から一体で加工することが困難であった。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、突起部を含めた振動体を、一つの部材から一体的に、低コストで信頼性高く形成することが可能となる振動波駆動装置とその振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】
【００１０】
本発明の一様態は、少なくとも、基部、及びバネ性を有する突起部を有する振動体と、前記基部に固定された電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動子を備え、前記突起部が、一つの部材によって前記基部と一体的に形成され、前記突起部は、被駆動体との接触面を有する接触部と変換部とを有し、前記変換部は、前記接触部に繋る、下に凸の形状部と、該下に凸の形状部と繋る、上に凸の形状部と、該上に凸の形状部と繋がる下に凸の形状部と、を有し、前記突起部は、前記駆動方向及び前記駆動方向と交差する方向に垂直な方向において、前記電気−機械エネルギ変換素子と重なる位置に設けられ、前記変換部は、前記２つの下に凸の形状部と前記上に凸の形状部と前記電気−機械エネルギ変換素子の間に空隙を有するように構成されている振動波駆動装置に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、突起部を含めた振動体を、一つの部材から一体的に、低コストで信頼性高く形成することが可能となる振動波駆動装置とその振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】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１におけるリニア型超音波モータを説明する斜視図である。
【図２】本発明の実施例１における振動体を説明する図であり、（ａ）は振動体の斜視図、（ｂ）は突起部の断面図である。
【図３】本発明の実施例１における突起部の機能を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１におけるスリット幅が大きい振動体の構成例を説明する斜視図である。
【図５】（ａ）は本発明の実施例２における振動体を説明する斜視図、（ｂ）は実施例３における振動体を説明する斜視図である。
【図６】本発明の実施例４における振動体の突起部を説明する断面図及び斜視図である。
【図７】（ａ）は本発明の実施例５における振動体を説明する斜視図、（ｂ−１）は実施例６における振動子の斜視図、（ｂ−２）はその突起部付近の断面図である。
【図８】本発明の実施例７における振動体を説明する斜視図である。
【図９】（ａ）は本発明の実施例８における突起部加工前の振動体の斜視図、（ｂ）は本発明の実施例８における突起部加工後の振動体の斜視図である。
【図１０】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１１】従来例である特許文献２に記載のリニア型超音波モータの（ａ）振動子の斜視図、（ｂ）突起部拡大図と（ｃ）突起部の断面図である。
【図１２】本発明の実施例９における振動体を説明する断面図である。
【図１３】（ａ）は本発明の実施例９における振動体に励起される１次の共振縦振動を説明する斜視図、（ｂ）は本発明の実施例９における振動体に励起される２次の共振屈曲振動を説明する斜視図である。
【図１４】本発明の実施例９における振動体を説明する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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】
【００１４】
［実施例１］
実施例１として、本発明の振動波駆動装置の構成を適用したリニア型超音波モータとその振動体の製造方法の構成例を、図１、図２、図３を用いて説明する。これらの図に示されるように、本実施例のモータは、振動子１１１、スライダ１０８、振動子１１１を支持する支持部材１１２、１１３、振動子とスライダを加圧接触するための加圧部材（不図示）からなる。
振動子１１１は、振動体１０１と圧電素子１０７とを接着して構成されており、また支持部材１１２、１１３は振動体１０１と同一部材で一体的に形成されている。
【００１５】
ここで、該支持部材１１２、１１３は、駆動に用いる振動を極力阻害しない様に、２次の曲げ振動モードの節となる位置（振動板１０１の中央）から延出されて形成されている。
貫通穴１０３、１０４は、振動体成型時の位置決めに用いるために設けており、また貫通穴１０５、１０６は、支持部材をねじで他部品に取り付けるために設けている。
一方、振動体１０１には、スライダ１０８と接触している２つの突起部１０９、１１０が同一部材で一体的に形成されており、この突起部１０９、１１０を介して磁化されたスライダ１０８と振動体１０１とが、磁気吸引力により加圧接触している。
【００１６】
電源（不図示）から圧電素子１０７に交流電界を印加すると、振動子１１１に２つの曲げ振動モードが励振され、突起部１０９、１１０の接触面には楕円運動が励振される。
その結果、突起部１０９、１１０と加圧接触しているスライダ１０８は、摩擦駆動力を受け、スライダ１０８の長手方向に駆動される。
【００１７】
ここで、本実施例のポイントとなる振動体の構成について、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
振動体１０１は、基部１０２（１０２−１、１０２−２、１０２−３から構成される。以下同じ）と突起部１０９、１１０からなる。
これらの突起部１０９、１１０は、振動体１０１の長手方向と幅方向とにおける一部の領域に、これらの突起部と隣接する複数のスリット１１４、１１５を介して、振動体を構成する一つの部材における基部１０２と一体的に形成されている。
また、突起部１０９、１１０は、変換部１０９−２、１０９−３と接触部１０９−１とによって形成されている。
接触部１０９−１は、スライダに押圧接触される接触面を表面に形成しており、スライダ１０８との接触時に、相対的にほぼ剛体としてふるまう部分である。
変換部１０９−２、１０９−３は、突起部１０９、１１０から接触部１０９−１を除いた部分であって、接触部１０９−１と基部１０２とを連結しており、スライダ１０８との接触時に、撓んで変形する部分である。
ここにおいて、変換部１０９−２、１０９−３は、上記接触部に繋る下に凸の形状部と、該下に凸の形状部と繋る上に凸の形状部を有している。
そして、この変換部は振動体１０１の接着面１０２−１（振動体に形成された突起部と反対側の面）と、接触部１０９−１の接触面１０９−１１（接触部における被駆動体との接触面）との間に設けられている。
これらにより、突起部１０９が変形しても、変換部１０９−２、１０９−３がスライダ１０８の表面あるいは基部１０２と接合される圧電素子の表面に接触することなく、変換部がバネ性を有するように設計されている。
【００１８】
また、この変換部１０９−２、１０９−３は、基部１０２が曲げ振動による変形を起こす際に、接触部１０９−１と連動して変形する部分であり、接触部１０９−１が所望の振動をするように、変換部１０９−２、１０９−３が適切な形状に設計されている。
例えば、突起部が図３（ｂ）に示す形状の場合、振動により圧電素子が矢印Ａの方向に伸び縮みすると、突起部の変換部も矢印Ａの方向に伸び縮みし、その結果、接触部が矢印Ｂの方向に振動してしまう。
実際の２次の曲げ振動では、接触部表面中央部が点７０９−１３から点７０９−１２に変位し、Ｚ方向変位が生じている。
そのためもう一つの駆動振動モード（突起部をＺ方向に振動させるモード：不図示）と合成して駆動振動を生成すると、接触部１０９−１は傾いた楕円振動となってしまい、駆動力を効率よく伝達することができない。
一方、突起部が図２（ｂ）の形状の場合、振動子１１１の長手方向に２次の曲げ振動が生じ、圧電素子が変形しても、図３（ａ）のように、突起部１０９は、変形前後において、接触部表面中央部のＺ方向変位が極力小さくなるように設計されている。
実施例の形状を用いた振動子では、図３（ａ）に示すように、変形前の接触部表面中央部１０９−１３と変形後の接触部表面中央部１０９−１２の変位方向（振動角度）は、Ｘ方向を０°、Ｚ方向を９０°とすると、６°以下にすることができる。そして、もう一つのＺ方向振動モードとの合成で傾きが小さい楕円振動を形成することができる。
【００１９】
本実施例では、振動体１０１の材質はステンレス材料、特に耐摩耗性の高いＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４４０Ｃなどを用いた。
本実施例では、振動体１０１を電気−機械エネルギ変換素子など他材と接着や接合する際に、接合強度を十分確保するために、振動体１０１の成形後の前記スリット部叉は切り欠き部を可能な限り小さくし、接合（接着）面積を大きくできるように設計している。
なお、振動子が十分に大きく、前記スリットを小さくしなくても接合面積を十分に確保できる場合は、図４に示すような形状でもよい。
また、本実施例の振動体は、つぎのような工程による製造方法によって作製することができる。
まず、突起部と前記振動体とを一体的に形成するための基部となる一つの部材を用意し、該部材の一部の領域に該突起部を形成するために複数のスリット又は切り欠きを形成する。
次に、スリット又は切り欠きに挟まれた部分である基部の一部を曲げ加工し、突起部を形成する。このように基部の一部を曲げ加工することで、接触部と変換部とからなる突起部を形成することができる。
【００２０】
［実施例２］
図５（ａ）を用いて、本発明における実施例２の構成例について説明する。
本実施例では、振動体２０１のスリットの形状を曲線にしている。
図１のようにスリットを短手方向と平行に設けた場合、曲げモードの腹部または節部と平行になるため、曲げ剛性を下げてしまう要因となる。この影響を小さくするために、図５（ａ）のように曲線にしている。
【００２１】
［実施例３］
図５（ｂ）を用いて、本発明における実施例３の構成例について説明する。
本実施例では、振動体３０１の基部３０２の板厚（基部の厚さ）を不均一にした例を示しており、ここでは押し出し、叉は引抜き、叉は圧延加工等により、予め部分的に板厚を変えた異形材を使用している。
これにより、基部３０２の肉厚（基部の厚さ）の薄い部分に突起部を形成する構成を採ることができる。
例えば、突起部３０９のばね剛性を所望の値にしたまま、振動体３０１の体積を増やし、更に基部３０２とスライダ（不図示）との距離を縮めることにより、磁化したスライダとの磁力吸引力を向上させることができる。
また、曲げモードにおける板厚方向の引張応力分布を調整することが出来るので、圧電素子の出力を効率良く引き出せるよう設定できる。
なお、本実施例で用いた板は、あらかじめ板厚を変えた異形材を採用したが、エッチング等により所望の部分の厚さを調整するなどの加工を施してもよい。
【００２２】
［実施例４］
図６（ａ）を用いて、本発明における実施例４の構成例について説明する。
本実施例では、変換部４０９−２、４０９−３の一部、特に下に凸の部分４０９−４、４０９−５の板厚を小さくした例を示す。
このように構成することで、変換部の一部の曲げ剛性を、振動体を形成する部材の基部の曲げ剛性と比較して小さくなるように調節したり、振動モードの突起部における接触面の振動角度を調整したりすることが可能となる。
なお、図６（ｂ）のように、変換部５０９−２、５０９−３の一部に穴５０９−４、５０９−５等、複数の穴を設けても、同様の効果を得ることができる。
穴の径や穴の数、穴の配置は、振動角度やバネ剛性の観点から調整を行う。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の穴５０９−４を通る断面図であり、変換部５０９−２、５０９−３の上に凸部に穴５０９−４、５０９−５を設けている。
一方、図６（ｄ）では、変換部６０９−２、６０９−３の下に凸部に穴６０９−４、６０９−５を設けている。
【００２３】
［実施例５］
図７（ａ）を用いて、本発明における実施例５の構成例について説明する。
本実施例では、振動体１０１と電気−機械エネルギ変換素子による圧電素子１０７の間に板部材１２１を設けて振動子を構成した。
これによりスライダとの磁力吸引力向上や前述した様に曲げ振動による（引張りの）応力分布を調整することができる。
なお、板の材質としては特に制限はないが、振動子の振動損失を低減する観点から、鉄系叉は銅系などの金属材料が望ましい。
【００２４】
［実施例６］
図７（ｂ−１）、（ｂ−２）を用いて、本発明における実施例６の構成例について説明する。
本実施例では、特許文献２に記載の突起形状と同様、突起部の変換部が、振動板と圧電素子との接合面より下に出た形状をしている。
そのため、本実施例では、圧電素子に凹部を設けその変換部に当たらないように逃げている。
なお、実施例５に示すように、板１２１を挟む場合は、この板に凹部を設けても差し支えない。
【００２５】
［実施例７］
図８を用いて、本発明における実施例７の構成例について説明する。
本実施例では、スリット８１５、８１６、８１７が振動板８０１の長手方向に対して平行に配置されている。
そして、スリット８１６、８１７の端は振動板８０１の幅方向の端面と接する。これにより、スライダを駆動する方向（Ｘ方向）の突起部の剛性を、スライダの駆動方向と垂直な方向（Ｚ方向）の突起部の剛性と独立して、高く設定することができる。
【００２６】
［実施例８］
図９を用いて、本発明における実施例８の構成例について説明する。
本実施例では、振動体の材質としてステンレス材料、特に耐摩耗性の高いＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４４０Ｃなどを用いている。
作製する振動体１０１の全長Ｌ５（長手方向の寸法）よりも長手方向の寸法Ｌ４が大きな板を用意し、図９（ａ）のように、切り欠き部１５１〜１５４を作製予定の突起部１０９、１１０の両側に設ける。
該切り欠き部１５１〜１５４の加工は、エッチングやプレス加工による打抜き等により行い、その後、突起部１０９、１１０を曲げ加工を用いて成型する。
加工後の形状は図９（ｂ）となり、切欠き部１５１〜１５４の一部は幅の狭いスリット１１４〜１１７となる。
このように、曲げ加工で突起部を成形することで、加工前と加工後の突起部１０９、１１０の板厚をほとんど変えることなく加工が可能となる。
その結果、板の高い伸び率が求められる絞出し加工や鍛造等と違い、作製できる突起部の形状の制約が少なくなる。
【００２７】
［実施例９］
図１２、図１３を用いて、本発明における実施例９の構成例について説明する。
他の実施例と異なる点は、振動子に縦振動（伸縮振動）及び屈曲振動（曲げ振動）を発生させ、それらの振動を合成し楕円運動を起こさせる点である。
上記モードを起こす方法の一例を説明する。図１２のように振動体１０１に圧電素子１０７を配置し、左側の圧電素子Ａ相と右側の圧電素子Ｂ相の位相を同位相にし、交番電圧を印加すると、図１３（ａ）に示すような１次の共振縦振動が励起される。
一方、Ａ相とＢ相の位相を逆位相にすると、図１３（ｂ）に示すような２次の共振屈曲振動が励起される。
Ａ相とＢ相の位相を９０度近傍にずらすと、表面の数箇所において楕円振動を励起することができる。楕円運動が起きる箇所に突起を設けることで、加圧接触されたスライダを一方向に駆動することが出来る。
上記の振動モードにおいても実施例８までに示した振動体形状とすることで、例えば図１４に示すように突起部を含めた振動体１０１を一つの部材から一体的に形成することが可能となる。
なお、突起部と一体となった振動体と圧電素子との間に、弾性体を設けても良い。
このような構成とすることで、スリット部を有する振動体の、当該スリット部の存在により圧電素子の変位が緩和される場合であっても、これらの間に設けた弾性体により振動体の変位量を大きくすることができる。
さらに、弾性体として、当該弾性体の熱膨張係数を、圧電素子と振動体との間の大きさの材料を選択することにより、圧電素子と振動体との接合部の応力歪を緩和することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０１：振動体
１０２：基部
１０７：圧電素子
１０８：スライダ
１０９、１１０：突起部
１０９−１：接触部
１０９−２、１０９−３：変換部
１１１：振動子
１１２、１１３：支持部材
１１４、１１５、１１６、１１７：スリット
【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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