(57)【要約】【課題】径方向寸法を小さくして小型化を図ることができるとともに、移動子の駆動効率を高めて高出力を取り出すことができる振動波駆動装置を提供する。【解決手段】この振動波駆動装置は、中空状の弾性体３の一方の端部に圧電素子４が結合されるとともに、弾性体３の他方の端部に中空状の移動子１６が接触する面が設けられた振動子１を備える。弾性体３の移動子１６が接触する面には、該移動子１６の内径部に対向するとともに、前記接触する面に発生する曲げ振動とは変位方向の異なる曲げ振動を発生する突出弾性部２が形成されている。そして、圧電素子４側に振動子１を支持する支持部材６が配置されて、軸出力構造とされている。【選択図】図１
2008011651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空状の弾性体の一方の端部に電気エネルギーを機械エネルギーに変換する中空状のエネルギー変換素子が結合されるとともに、前記弾性体の他方の端部に中空状の移動子が接触する面が設けられた振動子を備え、
前記弾性体の前記移動子が接触する面に、該移動子の内径部に対向するとともに、前記接触する面に発生する曲げ振動とは変位方向の異なる曲げ振動を発生する突出弾性部が形成された振動波駆動装置において、
前記エネルギー変換素子側に前記振動子を支持する支持部材を配置したことを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項２】
前記移動子に出力軸を結合して、該出力軸を前記振動子の中空孔に挿入するとともに、前記支持部材と前記出力軸との間に軸受を介装した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３】
前記エネルギー変換素子に交番信号を印加することにより前記振動子に振動波を発生させて前記移動子を駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載の振動波駆動装置。
【請求項４】
前記エネルギー変換素子の中空孔の内径を前記弾性体の中空孔の内径より大きくして、該エネルギー変換素子の前記中空孔に前記弾性体の一方の端面を露出させ、該露出面に前記支持部材を固定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動波駆動装置。
【請求項５】
前記露出面に前記支持部材を溶接により固定したことを特徴とする請求項４に記載の振動波駆動装置。
【請求項６】
前記支持部材を、前記エネルギー変換素子の中空孔の周囲に形成された環状凹部に配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動波駆動装置。
【請求項７】
前記環状凹部に、前記エネルギー変換素子の給電部を設けた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】
前記環状凹部が、前記エネルギー変換素子の曲げ振動の節であることを特徴とする請求項６又は７に記載の振動波駆動装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか一項に記載の振動波駆動装置であって、前記エネルギー変換素子が電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有する材料に電極領域を配置したものを複数層重ねて形成され、
該複数層の各電極領域を、電極領域接続用導電膜を介して互いに接続するとともに、前記環状凹部に設けた給電用電極膜に給電部接続用導電膜を介して接続することを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項１０】
請求項６〜８のいずれか一項に記載の振動波駆動装置であって、前記エネルギー変換素子が電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有する材料に電極領域を配置したものを複数層重ねて形成され、
前記環状凹部の周囲に配置された電極領域接続用導電膜と該環状凹部の底部側に配置された電極領域接続用導電膜とを、給電部接続用導電膜及び前記電極領域のいずれかを介して接続することを特徴とする振動波駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、超音波モータ等の振動波駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータ等の振動波駆動装置は、例えば金属からなる弾性体に電気エネルギーを機械エネルギー変換する素子である圧電素子が固定された振動子を有しており、この圧電素子に交番信号を印加することで、弾性体の表面に進行性振動波を発生させる。そして、この進行性振動波によって弾性体の表面に加圧接触する移動子（ロータ）を駆動するようになっている。
【０００３】
図７及び図８を参照して、従来のこの種の振動波駆動装置の一例を説明すると、この振動波駆動装置は、円環状の金属からなる弾性体１０１の底面に圧電素子（エネルギー変換素子）１０２が固定された振動子１００を備えている。弾性体１０１の上面には、振動変位を拡大するための溝１０１ａが形成されており。この溝１０１ａによって形成された突起部１０１ｂの先端にはロータ（移動子）１０４に加圧接触する摩擦部材１０３が設けられている。
【０００４】
弾性体１０１の内径部にはばね性を有する薄肉のフランジ１０１ｃが径方向内方に延設されており、このフランジ１０１ｃはベース部材１０８に固定されている。弾性体１０１とベース部材１０８との間にばね性を有するフランジ１０１ｃを設けることにより、振動子１００の振動を妨げることなくベース部材１０８によって該振動子１００を支持することができる。
【０００５】
ロータ１０４には、ロータ１０４を振動子１００に向けて加圧する皿ばね１０６が固定されている。この皿バネ１０６はベース部材１０８に転がり軸受１０７を介して回転可能に支持された回転軸１０５に固定されており、従って、ロータ１０４は回転軸１０５と一体となって回転する。
【０００６】
圧電素子１０２には、互いに１／４波長だけずれた定在波を発生させることが可能な電極パターンが形成されており、この２つの定在波を時間的に９０°位相をずらして励起することにより、弾性体１０１の表面には進行性振動波が発生する。そして、この進行性振動波によって、弾性体１０１の表面に加圧接触するロータ１０４が押し出されるようにして回転駆動する。
【０００７】
しかし、上記従来の振動波駆動装置においては、弾性体１０１の内径部に設けたフランジ１０１ｃによって振動子１００を支持する構造を採用しているので、回転軸１０５の径が振動子１００の大きさと比べて相対的に小さくなる。このため、装置を小型化した場合には、小型高出力モータの出力を十分に取り出すことができなくなり、従って、装置を小型化するには限界がある。なお、弾性体の外径部から径方向外方に延設されたフランジによって振動子を支持する構造も知られているが、この場合、必要な回転軸の径を確保できても、装置の径方向の寸法が大きくなる。
【０００８】
そこで、図９に示すように、弾性体の内外径部に振動子を支持するフランジを設けることなく、径方向の寸法を小さくして装置の小型化を可能した振動波駆動装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
この振動波駆動装置１１０は、振動子１１１を備えている。振動子１１１は、中空状の弾性体１１２の底部に圧電素子１１４が結合され、弾性体１１２の上端部には、ロータ（移動子）１１７の摺動部材１１７ａが加圧接触する面が設けられている。また、弾性体１１２の摺動部材１１７ａが加圧接触する面の略中央部には、ロータ１１７が外挿される突出弾性部１１３が形成されており、該突出弾性部１１３はロータ１１７の内径部に対向している。
【００１０】
振動子１１１の中心孔の内壁には段差１１１ａが形成されており、段差１１１ａには圧電素子１１４の反対側の端部から振動子１１１の中心孔に挿入された支持部材１１５のフランジ１１５ａが当接している。支持部材１１５の圧電素子１１４側の端部には、ナット１１６が螺合され、該ナット１１６を締め付けることで、弾性体１１２及び突出弾性部１１３が固定される。かかる固定状態においては、ナット１１６は、圧電素子１１４の中空孔内に配置される。
【００１１】
ロータ１１７の圧電素子１１４から離間する側の端部には、該ロータ１１７と一体に回転するとともに、ロータ１１７の軸方向の移動を許容するギヤ等の出力部材１１８が取り付けられている。出力部材１１８とロータ１１７の内径部に形成されたばね受け部１１７ｂとの間には、ロータ１１７を圧電素子１１４側に付勢して該ロータ１１７の摺動部材１１７ａを弾性体１１２に加圧接触させるばね等の加圧部材１１９が介装されている。
【００１２】
支持部材１１５の圧電素子１１４の反対側の端部には固定部材１２０が結合されており、該固定部材１２０には出力部材１１８が回転可能に支持されている。また、支持部材１１５の固定部材１２０から突出する端部にはナット１２１が螺合されており、該ナット１２１を締め付けることで、支持部材１１５が固定部材１２０に固定される。なお、ナット１２１が螺合される支持部材１１５の突出端１１５ａに例えばＤカットを施すことで、固定部材１２０に対する支持部材１１５の回転を規制することが可能となる。
【００１３】
そして、圧電素子１１４に交番信号を印加することで、突出弾性部１１３に複数の同次数の２つの曲げ振動が励起され、この２つの曲げ振動が合成されることで、振動子１１０には支持部材１１５を略中心として弾性体１１２が円を描くような回転運動が発生する。この回転運動により、弾性体１１２の表面に加圧接触しているロータ１１７が押し出されるようにして回転駆動される。
【特許文献１】特許第３５６６７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記特許文献１に記載の振動波駆動装置においては、弾性体の内外径部に振動子を支持するフランジを設けることなく、径方向寸法を小さくして、装置を小型化することができる。
【００１５】
しかし、振動子１１１を支持する支持部材１１５が該振動子１１１の中空孔に挿通しているため、軸出力構造とすることができない。このため、ロータ１１３の回転運動に寄与する振動が減衰しやすくなって駆動効率が低下し、高出力を取り出すことが難しいという問題がある。
【００１６】
そこで、本発明は、径方向寸法を小さくして小型化を図ることができるとともに、移動子の駆動効率を高めて高出力を取り出すことができる振動波駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明は、中空状の弾性体の一方の端部に電気エネルギーを機械エネルギーに変換する中空状のエネルギー変換素子が結合されるとともに、前記弾性体の他方の端部に中空状の移動子が接触する面が設けられた振動子を備え、前記弾性体の前記移動子が接触する面に、該移動子の内径部に対向するとともに、前記接触する面に発生する曲げ振動とは変位方向の異なる曲げ振動を発生する突出弾性部が形成された振動波駆動装置において、前記エネルギー変換素子側に前記振動子を支持する支持部材を配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、振動子のエネルギー変換素子側に該振動子を支持する支持部材を配置しているので、容易に軸出力構造とすることができる。これにより、弾性体の内外径部に振動子を支持するフランジを設けることなく、振動波駆動装置の径方向寸法を小さくして小型化を図ることができるとともに、移動子の駆動効率を高めて高出力を取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である振動波駆動装置を説明するための断面図、図２（Ａ）は図１に示す振動波駆動装置に組み込まれる振動子を示す図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。また、図３（Ａ）はエネルギー変換素子である圧電素子の模式的な分解斜視図、図３（Ｂ）は圧電素子の軸方向に沿う断面図である。
【００２０】
本発明の実施の形態の一例である振動波駆動装置は、図１及び図２に示すように、振動子１を備えている。振動子１は、金属等の振動減衰損失の小さい材料からなる短円筒状の弾性体３の底部に圧電素子（エネルギー変換素子）４が結合され、弾性体３の上端部には、ロータ（移動子）１６の摺動部材１５が加圧接触する面が設けられている。摺動部材１５は弾性を有しており、ロータ１６に固定されてロータ１６と一体に回転する。また、弾性体３の前記摺動部材１５が加圧接触する面の略中央部には、ロータ１６が外挿される突出弾性部２が形成されており、該突出弾性部２はロータ１６の内径部に対向している。
【００２１】
圧電素子４は、内外径寸法が弾性体４と略同一の環状積層板状に形成されており、弾性体３の底部に接着剤等を介して結合されている。また、圧電素子４の弾性体３から離間する側に開口する孔の周囲には、環状凹部４ａが形成されている。この環状凹部４ａの底面には、弾性体３に発生する２次の曲げ振動の節が現れるようになっている。また、圧電素子４の環状凹部４ａの底面には、該圧電素子４へ印加する交番信号を不図示の電源より供給するためのフレキシブル基板５が固定されている。
【００２２】
図３に、圧電素子４の電極領域、環状凹部４ａに設けた給電用電極膜（給電部）及び接続用導電膜の形成パターン例を示す。
【００２３】
図３に示すように、圧電素子４は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有する材料に電極領域７を配置した環状板材を複数層重ねて形成されている。そして、複数層の各電極領域７が、複数の電極領域接続用導電膜８を介して互いに接続されるとともに、環状凹部４ａの底面に設けた給電用電極膜９に複数の給電部接続用導電膜１０を介して接続されている。
【００２４】
図１及び図２に戻って、圧電素子４の環状凹部４ａの底面には、振動子１を支持する支持部材６が固定されている。支持部材６は、圧電素子４と略同径の環状板状に形成されており、内径部の周囲には環状凹部４ａの底部にフレキシブル基板５を介して接触する環状凸部６ａが形成されている。なお、フレキシブル基板５に形成された交番信号を供給するための電極は、振動子に形成された電極のうち、電極領域７とは接触せずに給電用電極膜９と接触する。
【００２５】
また、ロータ１６の圧電素子４から離間する側の端部には、該ロータ１６と一体に回転するとともに、ロータ１６の軸方向の移動を許容する環状板状の板ばね１１が嵌合されている。板ばね１１とロータ１６の内径部に形成されたばね受け部１６ａとの間には、ロータ１６を圧電素子４側に付勢して該ロータ１６の摺動部材１５を弾性体３に加圧接触させるばね等の加圧部材１８が介装されている。
【００２６】
また、板ばね１１の内径部には、連結部材１２を介して出力軸１３が固定されている。出力軸１３は振動子１の内径部を挿通して、軸方向の両端部が固定部材１９と支持部材６とにそれぞれ転がり軸受１７を介してロータ１６及び板ばね１１と一体回転可能に支持されている。出力軸１３の支持部材６から突出する端部には、出力ギヤ１４が取り付けられており、この出力ギヤ１４から出力を取り出すようになっている。
【００２７】
そして、不図示の電源から圧電素子４に時間的にπ／２の位相差を有する交流電界を印加すると、弾性体３には、圧電素子４の結合面に対して略垂直方向に変位し、かつ、互いの波長方向が直交または略直交する２つの２次の曲げ振動（１つは波長方向が紙面と平行であり、もう１つは波長方向が紙面と垂直）が発生する。
【００２８】
一方、突出弾性部２には、圧電素子４の結合面に対して略平行方向に変位し、かつ互いの変位方向が直交または略直交する２つの１次の曲げ振動（１つは変位方向が紙面と平行であり、もう１つは変位方向が紙面と垂直）が発生する。
【００２９】
これらの振動が合成されることにより、弾性体３の圧電素子４から離間する側の端面に周方向に沿った１次の進行性振動波が励起される。この進行性振動波により、弾性体３に加圧接触するロータ１６が進行性振動波に押し出されるようにして回転駆動され、この回転力が板ばね１１及び出力軸１３を介して出力ギヤ１４に伝達され、該出力ギヤ１４から出力が取り出される。
【００３０】
このように、この実施の形態では、振動子１の圧電素子４側に該振動子１を支持する支持部材６を配置しているので、容易に軸出力構造とすることができる。これにより、弾性体の内外径部に振動子を支持するフランジを設けることなく、振動波駆動装置の径方向寸法を小さくして小型化を図ることができる。また、ロータ１６の回転運動に寄与する振動を減衰させずに、該ロータ１６の駆動効率を高めて高出力を取り出すことができる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施の形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００３２】
例えば、図４及び図５に、圧電素子４の電極領域、環状凹部４ａに設けた給電用電極膜（給電部）及び接続用導電膜の形成パターンの変形例を示す。
【００３３】
まず、図４は、圧電素子４の複数層の各電極領域７が、環状凹部４ａの周囲に配置された複数の電極領域接続用導電膜８ｂ及び環状凹部４ａの底部側に配置された複数の電極領域接続用導電膜８ａを介して接続されている。また、電極領域７と環状凹部４ａに設けられた給電用電極膜９とを接続する複数の給電部接続用導電膜１０を介して複数の電極領域接続用導電膜８ｂと複数の電極領域接続用導電膜８ａとが接続されている。
【００３４】
一方、図５は、圧電素子４の複数層の各電極領域７が、環状凹部４ａの周囲に配置された複数の電極領域接続用導電膜８ｂを介して接続されている。また、任意の電極領域７と環状凹部４ａに設けられた給電用電極膜９とが、環状凹部４ａの底部側に配置された複数の電極領域接続用導電膜８ａを介して接続されている。従って、複数の電極領域接続用導電膜８ｂと複数の電極領域接続用導電膜８ａとは、任意の電極領域７を介して接続される。
【００３５】
また、図６に、振動子の変形例を示す。
【００３６】
この振動子１ａは、圧電素子４の内径を弾性体３の内径より大きくして、該圧電素子４の内径に弾性体３の端面を露出させ、該露出面に支持部材６を固定している。このようにすると、弾性体３に発生する２次の曲げ振動の節が、弾性体３と圧電素子４との結合面と同一平面上に現れる。なお、支持部材６が金属製であれば、支持部材６と弾性体３とを溶接等で固定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態の一例である振動波駆動装置を説明するための断面図である。
【図２】（Ａ）は図１に示す振動波駆動装置に組み込まれる振動子を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図に支持部材を配置した図である。
【図３】（Ａ）はエネルギー変換素子である圧電素子の模式的な分解斜視図、（Ｂ）は圧電素子の軸方向に沿う断面図である。
【図４】（Ａ）は圧電素子の変形例を示す模式的な分解斜視図、（Ｂ）は圧電素子の軸方向に沿う断面図である。
【図５】（Ａ）は圧電素子の変形例を示す模式的な分解斜視図、（Ｂ）は圧電素子の軸方向に沿う断面図である。
【図６】（Ａ）は振動子の変形例を示す図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図に支持部材を配置した図である。
【図７】従来の振動波駆動装置の一例を示す断面図である。
【図８】図７に示す振動波駆動装置に組み込まれる振動子及び移動子の一部を破断した図である。
【図９】従来の他の振動波駆動装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１    振動子
２    突出弾性部
３    弾性体
４    圧電素子（エネルギー変換素子）
４ａ  環状凹部
６    支持部材
７    電極領域
８    電極領域接続用導電膜
９    給電用電極膜（給電部）
１０  給電部接続用導電膜
１３  出力軸
１６  ロータ（移動子）
１７  転がり軸受
【図１】
2008011651.tif 000003
【図２】
2008011651.tif 000004
【図３】
2008011651.tif 000005
【図４】
2008011651.tif 000006
【図５】
2008011651.tif 000007
【図６】
2008011651.tif 000008
【図７】
2008011651.tif 000009
【図８】
2008011651.tif 000010
【図９】
2008011651.tif 000011