(57)【要約】【課題】超音波モータ（振動波駆動装置）の振動子とロータとの摺動部の僅かな隙間に水分が付着して摺動部の摩擦係数が低下しまい、モータの起動トルクが下がってしまう。しかし、起動トルクを高めるためにロータをより強い力振動子に押し付けると、摺動部での摩耗が助長されてしまうという問題がある。【解決手段】振動子、あるいは、ロータの一方の摺動部に複数の溝を設け、他方の摺動部が弾性によって溝に沈み込む構成とし、この溝の幅をＢ、摺動部の平均長をＬとしたとき、Ｂ／Ｌが０．００７以上となるように設定する。【選択図】　　　図３
2004112972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性部材と電気−機械エネルギー変換素子により構成された振動子と、該弾性部材に加圧接触する被駆動体とを備え、該電気−機械エネルギー変換素子に交番信号を印加することによって該弾性部材に駆動振動を励起し、摩擦によって該被駆動体を該弾性部材に対して相対移動させる振動波駆動装置において、
該弾性部材の接触部と該被駆動体の接触部のうち、一方の接触部は複数の凹部が形成され、他方の接触部は該凹部と接触する面が加圧される方向に弾性変形可能であって、該凹部は、該凹部の摺動方向における幅をＢとし、該接触部の平均長をＬとすると、Ｂ／Ｌ＞０．００７を満足することを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項２】
該弾性体の接触部と該被駆動体の接触部は円形部材で構成され、該複数の凹部は一方の接触部の表面に設けられた複数の溝であることを特徴とする請求項１記載の振動波駆動装置。
【請求項３】
該複数の溝は接触部の表面に放射状に等間隔で設けられていることを特徴とする請求項２記載の振動波駆動装置。
【請求項４】
該複数の溝は接触部の表面に放射状に不等間隔で設けられていることを特徴とする請求項２記載の振動波駆動装置。
【請求項５】
該複数の溝は、接触部の周方向における幅が異なるものが含まれていることを特徴とする請求項２記載の振動波駆動装置。
【請求項６】
該複数の溝は、該弾性部材または該被駆動体に形成された突起部の隙間によって設けられることを特徴とする請求項２乃至５記載の振動波駆動装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波モータ等を含む振動波駆動装置に関するものであり、特に振動子と被駆動体との接触部構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動波駆動装置はカメラレンズの駆動の他にも時計のカレンダー駆動、複写機の感光ドラムの駆動等多くの製品への応用がなされており、その振動体形状（構造）も円環型のもの、棒状のもの、円盤形のもの等多種多様のものが存在する。
【０００３】
図１２から図１４にはこれらのモータのうち、カメラレンズのオートフォーカス駆動に用いられている棒状の振動波駆動装置の説明図を示す。
【０００４】
図１２（ａ）に棒状振動子の構造を、図１２（ｂ）にその振動モードを示し、図１３、図１４にこの振動子を使い、現在カメラレンズ駆動用に用いられている振動波駆動装置の構成図を示す。
【０００５】
これらの図において、１は第１の弾性体、２は第２の弾性体、３は積層圧電素子（または単板の圧電素子の積層体）、４はシャフト、５はナットであり、部品１〜３は該シャフト４、あるいはシャフト４とナット５によって所定の挟持力が付与されるように締め付けられている。
【０００６】
ロータ７の一方の面は接触幅が小さく、かつ適度なバネ性を有する構造をしており、この面が振動体の摩擦面６に接触する。また、ロータ７のもう一方の面には凸部（または凹部）が形成されており、ギア８の凹部（または凸部）と係合し、ロータ７の回転をギア８に伝達する。
【０００７】
さらに、ギア８はモータを取り付けるためのフランジ１０によりシャフト４のスラスト方向に位置が固定されており、前記ロータ７に加圧力を付与するための加圧バネ１５がこのギアとロータとの間に設けられている。
【０００８】
積層圧電素子３（または単板の圧電素子の積層体）は電極が２つの電極郡にグループ化されており、不図示の電源からそれぞれの電極郡に位相の異なる交流電界を印加すると、振動子には図１２（ｂ）に示す姿態の直交する２つの曲げ振動が励振される（もう一方は紙面に垂直な方向の振動）。この印加電界の位相を調整することにより、２つの振動間に９０度の時間的な位相差を与えることができ、その結果、棒状振動子の曲げ振動は振動子の軸周りに回転する。
【０００９】
この結果、ロータ７に接触する第１の弾性体の表面には楕円運動が形成され、耐摩耗性を有する部材６に押圧されたロータ７が摩擦駆動されるため、該ロータ７、ギア８、加圧バネ１５が一体となって回転するものである。
【００１０】
ここに示した棒状の振動波駆動装置においては、摺動部の摩擦材として振動子側には黄銅製の弾性体１に無電解ニッケル（ＮｉＰ）、ＳｉＣ粒子コンポジットメッキを用い、もう一方のロータにはアルミニウムにアルマイト処理を施して構成していた。
【００１１】
この摩擦材の組み合わせは摩擦係数も高く、比較的良好な摩擦特性を示すものの摩耗量が多いためにモータの寿命が短いという欠点があり、カメラレンズの様な比較的実質使用時間が短い用途でしか使われていなかった。
【００１２】
この摩擦材の寿命を伸ばし更に幅広い用途への応用展開を図るために、耐摩耗特性に優れたアルミナ等のセラミック、またはＳＵＳ等の摩擦材の検討が進められてきた。この一例として図１４には弾性部材１にアルミナ製の摩擦リング６を接合して振動子側の摩擦面を形成し、また、これと接触するロータには黄銅製のロータ本環７にＳＵＳ板をプレス成型した接触部材１６を接合した例を示している。これらの摩擦材の組み合わせは非常に耐摩耗性に優れているため、前者と比較するとモータの寿命を飛躍的に伸ばすことができた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの摩擦材には高湿度環境下において摩擦係数が極端に低下してしまうという欠点があることが判明した。この結果、モータを長時間高温高湿下に放置したり、また、高湿度の環境下でこのモータを作動させようとしたとき、ロータの起動が遅れたり、また動いたとしてもすぐには本来のスピードを出せず、性能が復活するまでには時間がかかってしまうという問題が発生した。
【００１４】
これらの現象は、高湿度中に振動波駆動装置を放置した時に摺動面の僅かの隙間に微小な水分が付着することにより、振動子とロータとの摩擦係数が低下し、モータの起動時に発生するトルクを低下させてしまうために起こることが判明した。
【００１５】
このような接触部界面に水分が介在した場合の対策としては、これらの面に加える加圧力を上げて接触面での面圧を上げ、水分を排除するような対策を講ずるのが一般的である。しかし、振動波駆動装置においては、単純に加圧力のみを上げるのは摩擦面への負担を増加させ、摩耗を助長するばかりでなく、加圧反力を受ける軸受けにも負担がかかり、軸受けの耐久性を悪化させるとともにこの軸受けでの損失も増加させることになる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願請求項１記載の発明は、弾性部材と電気−機械エネルギー変換素子により構成された振動子と、該弾性部材に加圧接触する被駆動体とを備え、該電気−機械エネルギー変換素子に交番信号を印加することによって該弾性部材に駆動振動を励起し、摩擦によって該被駆動体を該弾性部材に対して相対移動させる振動波駆動装置において、該弾性部材の接触部と該被駆動体の接触部のうち、一方の接触部は複数の凹部が形成され、他方の接触部は該凹部と接触する面が加圧される方向に弾性変形可能であって、該凹部は、該凹部の摺動方向における幅をＢとし、該接触部の平均長をＬとすると、Ｂ／Ｌ＞０．００７を満足することを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１〜図３に本発明による第１の実施形態を示す。図１にはモータの斜視図、図２にはモータの断面図、図３には振動子の斜視図を示す。図中シャフト４は第３の弾性体１３に圧入されており、これらの部材と第２の弾性体２（下ナット）とで第１の弾性体１２と積層圧電素子３および給電用のフレキシブルプリント基板１７とを挟持し、第２の弾性体２とシャフト４に設けられたネジ部により所定の力で締結して振動子を構成している。一方、被駆動体であるロータはロータ本環７にＳＵＳの板材をプレス成型した接触部材１６を接合して構成され、該ロータと係合して回転力を伝達するギア８との間に設けられた圧縮コイルバネ１５によって該接触部材１６の端部が前記振動子の弾性体１２に圧接されている。また、該ギア８は、シャフト４の一端から挿入されスラスト方向に位置決めされて固定されたフランジ１０と勘合して軸支されており、ギアおよびロータが揺動することなく安定して回転できるように設定されている。
【００１８】
不図示の電源よりフレキシブルプリント基板１７を通して積層圧電素子３に交流電界を印加すると、振動子には図４（ｂ）に示すような曲げの振動（紙面に平行方向）と、この振動に直交する方向（紙面に垂直方向）の振動が同時に励振され、これら２つの振動が合成されると、弾性体１２がシャフト軸を中心として回転移動する運動が振動子に励起される。この結果、この振動の腹近傍に位置している弾性体１２は振動の回転軸に対し傾きながら旋回運動するため、ロータとの接触面には楕円運動が発生する。そのためこの弾性体に接触しているロータは、この楕円運動による摩擦力で軸回りに回転し、振動体に対して相対移動する。
【００１９】
具体的に説明すると、図４（ｂ）に示す振動を励起したとき、図４（ａ）の弾性体１２は左側にスライドする。シャフト４の長手方向における弾性体１２の中心位置は、振動の腹よりもロータ側に位置しているため、平板形状の弾性体１２は左側が持ち上がり右側が下がった状態となる。このとき、弾性体１２の持ち上がった左側の摺動部（接触部）がロータと最も強く接している。圧電素子３に駆動振動が印加されると、この図４（ｂ）に示す振動がシャフト４の軸周りを回転するように励起される。その結果、ロータと最も強く接する振動子の摺動部の位置が、シャフト４を中心として回転することになる。
【００２０】
弾性体１２にはロータとの接触面側の摺動部に放射方向に延びた８本の溝（凹部）が設けられており、一方のロータの接触部はＳＵＳ４２０ｊ２の板金プレス部品により周方向および加圧方向に適度な弾性を有する構造になっている。
【００２１】
本願発明者は、様々な検討により、弾性体にこれらの溝を設ける事によってこの溝部のエッヂにおいてロータとの面圧が局部的に増大し、高湿下での環境においても摺動面に付着する水分の影響を受けずにトルクの低下を防ぐ事ができることを見出した。以下この原理について説明する。
【００２２】
図５には摺動面に溝部を設けた弾性体１２の平面図（ａ）とこれにロータが圧接されたときの接触部の拡大図（説明図）を示す。図に示すようにロータ接触部は弾性を有する構造をしているので、弾性体の溝部ではロータ接触部が落ち込むように加圧される方向に変形し、その結果エッヂ部の面圧は局部的に大きくなる（Ｐｍａｘ）。
【００２３】
このＰｍａｘの大きさは溝幅Ｂに大きく依存し、Ｂの設定の仕方により効果的に面圧ムラを形成できることが検討の結果判明した。図６は摺動部平均長さ（全長）Ｌと溝部１つ当たりの周方向幅Ｂとの比に対し、摺動部に発生する平均面圧Ｐａｖｅ　と最大面圧Ｐｍａｘとの比Ｐｍａｘ／Ｐａｖｅとの関係を計算した結果である。このグラフの縦軸比Ｐｍａｘ／Ｐａｖｅが大きい値を示すことは、すなわち、少ないロータ加圧力でも大きなピーク面圧を形成できることを示しており、効果的な面圧ムラを形成できる事を意味している。
【００２４】
グラフから分かるように、Ｐｍａｘ／ＰａｖｅのカーブはＢ／Ｌが０．００７付近に編曲点があり、ここから急激に大きくなる。すなわち、Ｂ／Ｌが０．００７より大きくなるように溝幅Ｂを設定すれば、効果的に面圧ムラを設定できることになる。
【００２５】
なお、ロータの接触部剛性を２倍程度に変化させてもこの関係はほとんど変化しないことが確認されており、この一例として、接触部剛性を１／２にしたときの値も図６のグラフに示した。
【００２６】
本実施形態においては、弾性体１２の外径はφ１０ｍｍ、厚さは１．５ｍｍ、であり、横幅Ｂは０．５ｍｍ、摺動部の平均直径はφ９．２ｍｍである。摺動部Ｌは、Ｌ＝φ９．２×πであるため、Ｂ／Ｌ＝０．０１７となる。ロータ接触部は板厚８０μｍのＳＵＳ４２０ｊ２板を板金プレスで摺動径が小さくなるようにクランク形状に成型している（接触部分φ９．２ｍｍ、本環との係合部φ９．４ｍｍ）。また、溝の深さは、ロータが変形して溝の底に接触しなけらば良いので、通常は振動振幅以上に設定していれば問題ない。
【００２７】
（第２の実施形態）
図７には第２の実施形態における弾性部材１２の溝形状を示す。本実施形態においては溝幅を不均一に形成することによりＰｍａｘの値に分布を持たせ、局部的にさらに高い面圧部を形成することにより、モータの性能低下を招くことなく湿度下でのトルク低下防止効果を高めたものである。図において、溝は合計８本設け、摺動面の中心に対して対向する位置であるａとａ’の位置では溝幅を広くし（２ｍｍ）この部分でのＰｍａｘを大きくする。一方、これと直交する溝ｂ，ｂ’は溝幅を狭く（０．５ｍｍ）設定している。なお、これらの溝は全てＢ／Ｌが０．００７以上の値となっている。
【００２８】
（第３の実施形態）
図８には第３の実施形態における弾性部材１２の溝形状を示す。本実施形態において各々の溝幅は均等（０．５ｍｍ）とし、溝を形成するピッチを図のように不均等に形成することにより、摺動面内にＰｍａｘである部分が密な領域（ｃおよびｃ’の領域）を設け、水分除去効果を高めようとするものである。溝を形成するピッチは、弾性部材１２の中心を境に、点対称になっている。
【００２９】
（第４の実施形態）
図９には第４の実施形態における弾性部材１２の溝形状を示す。本実施形態においては一方向に溝幅が均等な平行溝を形成することにより、周方向の場所により接触部の有効溝幅を変え、以って面圧ムラを形成するように設定したものである。すなわち、図中ｄ部では他の摺動部よりも実質的に溝部の長さＢが長くなり、この部分でのＰｍａｘが大きくなることで、水分の排除効果を高めようとするものである。
【００３０】
（第５の実施形態）
図１０には第５の実施形態における弾性部材１２の溝形状を示す。本実施形態においては溝の方向を放射方向に対し４５°傾けて形成しており、今まで述べてきたようなエッヂ効果の他に、モータ駆動時に該弾性部材とロータとが順次回転方向に接触していく際に水分を外周側（又は内周側）に排除する効果をもたせたものである。
【００３１】
（第６の実施形態）
図１１には第６の実施形態における弾性部材１２の溝形状を示す。第５の実施形態までは弾性部材に溝部を形成したが、本実施形態においては逆に弾性体上に複数の突起部を設け、突起部間に形成された隙間によって同様の効果を持たせるものである。突起部間の形状、形態を調整することで、所望の溝部の形状を得ることができる。
【００３２】
尚、本実施形態では、等ピッチに突起を設けた例を示したがこの形状に限定されるものではなく、実施形態１〜５の効果をもたせるもの（不等ピッチ等）であればどのような構造であっても良いことは言うまでもない。
【００３３】
また、上記の各実施形態では溝部、もしくは、突起部をＳＵＳの板材をプレス成型した振動子の摺動部に設けたが、同様の摺動部材を被駆動体であるロータの摺動部に設け、上記の実施形態とは反対に、弾性を有する振動子の摺動部がロータの摺動部の溝に沈み込む構成であっても構わない。勿論、溝部もしくは突起が設けられた摺動部のほうが、他方の摺動部よりも硬度が大きいことは言うまでもないであろう。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、振動子と被駆動体との摺動部の一方に溝部を形成し、加圧された他方の摺動部がこの溝部に弾性で沈み込むことで、他の摺動部よりも面圧の高い部分を複数箇所形成することによって、高湿度下でのモータトルクの低下現象を効果的に防止できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる振動波駆動装置の斜視図。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる振動波駆動装置の断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる振動子の斜視図。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる振動子の断面図と振動モード図。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる弾性体の平面図及び面圧分布説明図。
【図６】本発明の第１の実施形態にかかる溝幅と面圧の関係を示すグラフ。
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる弾性体の平面図。
【図８】本発明の第３の実施形態にかかる弾性体の平面図。
【図９】本発明の第４の実施形態にかかる弾性体の平面図。
【図１０】本発明の第５の実施形態にかかる弾性体の平面図。
【図１１】本発明の第６の実施形態にかかる弾性体の平面図と側面図。
【図１２】従来の棒状振動子の断面図と振動モード図。
【図１３】従来の棒状振動子を用いた振動波駆動装置の構成図。
【図１４】従来の棒状振動子を用いた振動波駆動装置の構成図。
【符号の説明】
１　第１の弾性体
２　第２の弾性体
３　圧電素子
４　シャフト
５　ナット
６　摩擦板
７　ロータ
８　ギア
９　軸受け
１０　モータ取り付け用フランジ
１１　ナット
１２　弾性部材（摩擦板）
１３　第３の弾性体
１５　加圧バネ
１６　接触部材
１７　フレキシブル基板
【図１】
2004112972.tif 000003
【図２】
2004112972.tif 000004
【図３】
2004112972.tif 000005
【図４】
2004112972.tif 000006
【図５】
2004112972.tif 000007
【図６】
2004112972.tif 000008
【図７】
2004112972.tif 000009
【図８】
2004112972.tif 000010
【図９】
2004112972.tif 000011
【図１０】
2004112972.tif 000012
【図１１】
2004112972.tif 000013
【図１２】
2004112972.tif 000014
【図１３】
2004112972.tif 000015
【図１４】
2004112972.tif 000016