(57)【要約】【課題】従来の棒状型の振動波駆動装置よりも更に小型化可能な振動波駆動装置を提供する。【解決手段】振動子の形状を以下のようにする。摩擦面を有する第１の弾性体を、ロータの内周に配置可能な第２の弾性体と圧電素子の間に配置する。第２の弾性体の内部に形成された段差面と、振動子の中央部を貫通するシャフトの段差面とを突き当て、シャフトの端部に係合するナットを締め付けることで、シャフトの段差面とナットとの間に、第２の弾性体、第１の弾性体、および、圧電素子を挟持固定する。ここで、第２の弾性体の段差面とシャフトの段差面を、外周側から接触する形状とする。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギー変換素子を有する振動子と、該振動子の摩擦面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振動子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、
該振動子は、中央部をシャフト部材が貫通し、摩擦面を有する第１の弾性体を、第２の弾性体と該電気−機械エネルギー変換素子との間に配置し、該第２の弾性体の内部に設けられた段差面に、該シャフト部材の外周に設けられた段差面を突き当てることで、第１の弾性体、第２の弾性体、および、該電気−機械エネルギー変換素子を挟持固定するものであって、該第２の弾性体の段差面と該シャフト部材の段差面とが外周側から接触することを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項２】
該シャフト部材の段差面との間に、第１の弾性体、第２の弾性体、および、圧電素子を配置する締結部材を有し、該締結部材を締め付けることにより、該第１の弾性体、第２の弾性体、および、圧電素子を挟持固定す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】
第２の弾性体の段差面と該シャフト部材の段差面の少なくとも一方が、テーパー形状であることを特徴とする請求項１または２記載の振動波駆動装置。
【請求項４】
第２の弾性体の段差面と該シャフト部材の段差面の少なくとも一方が、内周側を削り取った形状の段差が設けられていることを特徴とする請求項１または２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、超音波モータ等の振動波駆動装置に関するものであり、特に圧電素子に信号を印加することによって振動が励起される振動子の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータ等の振動波駆動装置はカメラレンズの駆動用モータなどの製品応用がなされており、円環型のものと棒状型のものが存在する。
【０００３】
カメラレンズの駆動用モータとしての棒状型の振動波駆動装置は、例えば後述の特許文献１に記載されている。
【０００４】
図１３に棒状型の動波駆動装置の構成図を示す。
【０００５】
１０１は第１の弾性体、１０２は積層圧電素子、１０３は不図示の電源からの交番信号を積層圧電素子１０２に印加するためのフレキシブル基板、１０４はナット、１０５は第２の弾性体、１０６はシャフトであり、第１の弾性体１０１、積層圧電素子１０２、フレキシブル基板１０３、および、第２の弾性体１０５は、シャフト１０６の中ほどに設けられたフランジと、ナット１０４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１０７の外周には接触バネ１０８が固定されており、この接触バネ１０８はロータの径方向と軸方向に適度なバネ性を有し、先端面が第１の弾性体１０１の先端部に接着固定された摩擦部材１１３に接触する。また、ロータ１０７の上部では、ロータ１０７とともに回転し、モータの出力を伝達するギア１０９が係合されている。さらに、ギア１０９はモータを取り付けるための固定部材１１１により、シャフト１０６のスラスト方向に位置が固定されており、前記ロータ１０７に加圧力を付与するための加圧バネ１１０がこのギアとロータとの間に設けられている。なお、シャフト１０６はナット１１２によって固定部材１１１に固定されている。
【０００７】
図１４（ａ）に図１３の振動波駆動装置の振動子を示す。積層圧電素子１０２には２つの電極群にグループ化された複数の電極が形成されており、不図示の電源からフレキシブル基板１０３を介してそれぞれの電極群に位相の異なる交番信号を印加すると、振動子には図１４（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）。この交番信号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る。その結果、棒状振動子の曲げ振動は振動子の軸でシャフト１０６の位置を中心として旋回運動し、ロータ１０７の接触バネ１０８に接触する第１の弾性体１０１の上面には楕円運動が形成される。この楕円運動によって耐摩耗性を有する摩擦部材１１３に押圧された接触バネ１０８が摩擦駆動され、接触バネ１０８、ロータ１０７、ギア１０９、および、加圧バネ１１０が一体となって回転する。
【０００８】
この振動波駆動装置は、振動子がリング型である振動波駆動装置に比べると非常に小さく設計されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１５０９６３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の振動波駆動装置はシャフト１０６の長手方向の小型化はさほど達成されておらず、世の中のニーズとして、このような棒状振動子モータよりも更に小さく、安くしたいという要望がある。そこで本発明は、更なる小型化が可能になる振動波駆動装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明は、電気−機械エネルギー変換素子を有する振動子と、該振動子の摩擦面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振動子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、該振動子は、中央部をシャフト部材が貫通し、摩擦面を有する第１の弾性体を、第２の弾性体と該電気−機械エネルギー変換素子との間に配置し、該第２の弾性体の内部に設けられた段差面に、該シャフト部材の外周に設けられた段差面を突き当てることで、第１の弾性体、第２の弾性体、および、該電気−機械エネルギー変換素子を挟持固定するものであって、該第２の弾性体の段差面と該シャフト部材の段差面とが外周側から接触することを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１から図４は本発明に係る振動波駆動装置の構成を説明するための図である。図１は振動波駆動装置の分解斜視図、図２は図１の振動波駆動装置の組立て後の斜視図、図３は図１の振動波駆動装置の振動子の斜視図、図４は図１の振動波駆動装置の断面図、図５は図３の振動子の断面図、および、曲げ振動による振動子の変位を示す模式的に示す図である。
【００１３】
これらの図において、１は金属等の振動減衰損失の小さい材料で構成された板（円板）状の第１の弾性体、２は電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子、３は不図示の電源より圧電素子２に交番信号を印加するためのフレキシブル基板、４はシャフト６の下端に形成されたネジ部と嵌合する下ナット、５は第２の弾性体である。
【００１４】
第１の弾性体１、圧電素子２、フレキシブル基板３、および、第２の弾性体５の中心部に設けられた貫通孔にシャフト６を挿入する。シャフト６の途中には段差が設けられており、この段差が第２の弾性体５の内壁に設けられた段差に突き当たる。シャフト６の先端部にはネジが形成され、このネジに締結部材である下ナット４を嵌合させて締め付けることで、第２の弾性体５、第１の弾性体１、圧電素子２、および、フレキシブル基板３を固定することができる。
【００１５】
第１の弾性体１の圧電素子２と接触していない側の表面には、ロータ７に固定された接触バネ８が加圧接触する。この接触バネ８は弾性を有しており、ロータ７に固定されて一体となって回転する。９は出力手段であるギアで、ロータ７の回転軸方向の移動を許容し、ロータ７の回転運動の移動を追従するようにロータ７と嵌合している。１０はバネ等の加圧手段であり、ロータ７のバネ受け部とギア９との間に配置され、ロータ７を振動子方向に押し下げるように加圧している。ギア９はシャフト６を結合した固定部材１１に軸支されており、その軸方向における位置は固定部材１１によって規制されている。シャフト６の下ナット４と嵌合しない側の先端部にもネジが形成されており、このネジに上ナット１２を嵌合させて、固定部材１１にシャフト６を固定している。この固定部材１１と勘合する先端部に例えばＤカットを施せば、固定部材１１に対してシャフト６が回転してしまうことを防ぐことができる。固定部材１１にはネジ穴が設けてあり、この固定部材１１を所望の個所にネジを用いて固定することで、振動波駆動装置を所望の個所に取り付けることができる。
【００１６】
圧電素子２は例えば、１つの圧電体の両面に電極膜が形成されており、片面の電極膜を２つの電極膜に分割し、電極膜が形成された２つの領域には、互いに逆向きとなるように圧電素子２の厚み方向に分極が施されている。この２つの電極膜に同一の交番信号を印加すると、圧電素子２の一方の領域は厚み方向に膨張し、他方の領域は厚み方向に収縮する。
【００１７】
この圧電体にさらに電極膜の位相が９０度ずれるように、もう１枚の圧電体を重ね合わせ、この２つの圧電体に時間的に９０度位相のずれた交番信号を印加する。
【００１８】
すると、図５に示すように、振動子には第１の弾性体１を左右に振るような２つの曲げ振動（１つは振幅方向が紙面と平行、もう１つは振幅方向が紙面と垂直）が発生する。これらの振動が合成されると、圧電素子２が固定されていない側の第１の弾性体１の表面には、楕円運動が励起される。
【００１９】
圧電素子２の電極膜の形成パターンは上記したものに限定されるものではなく、例えば圧電素子２の片面を４分割して１８０度位相がずれた位置にある電極を１組として、時間的に９０度位相のずれた交番信号を印加する構成としても構わない。また、分極方向も厚み方向に限定されるものではない。圧電素子が固定された弾性体の表面に進行性振動波を発生させるための圧電素子の電極膜パターンとしては、様々なパターンが周知となっているため説明を省略する。
【００２０】
この楕円運動が励起された第１の弾性体１の表面に接触バネ８を加圧接触させれば、接触バネがこの楕円運動に押し出されるようにして移動する。
【００２１】
この振動波駆動装置は、圧電素子２に交番信号を印加することで、振動子に曲げ振動を励起させ、第１の弾性体１の表面に楕円運動を発生させている。この第１の弾性体１の中央部に、圧電素子２の面と直交するように突出した柱状の第２の弾性体５を設けることで、振動子全体の固有振動数を低下させることができる。振動子の固有振動数を下げるために振動子の質量を増加させることが考えられるが、第１の弾性体１の中央部に柱状の第２の弾性体５を設けた形状とすると、第２の弾性体５をロータ７中央の貫通孔の内径部に対向させて配置することができ、モータの回転軸方向長を小型化に大きく寄与することが可能となる。また、第２の弾性体５に外径の小さい個所を設けて、変位拡大用の溝とすることも振動子の固有振動数を下げるためには効果的である。この変位拡大用の溝を設けた形状とすることにより、固有振動数を下げつつも、ロータ７の内径部に無駄なく配置できる振動子１を提供することができる。
【００２２】
しかしながら、上述したような構成では、フランジ状の第１の弾性体１を、互いの動剛性の異なる第２の弾性体５と圧電素子２とで挟持することになるため、内周強圧構造になり、振動子の特性が悪くなるという問題がある。内周強圧構造になることにより、外周部の面厚が低くなり、微小振幅から大振幅になるにつれて、急激に振動子の密着性が著しく悪化するためである。内周強圧構造になるのを防ぐために、第１の弾性体１と第２の弾性体５の接触面のいずれかにテーパーを設けて外周強圧構造にする手段も考えられるが、機械加工等により該接触面をテーパー状にすると、このテーパー状の面がラップ加工を施した他の面よりも表面が粗くなるため、振動子の特性が悪化してしまう。また、第１の弾性体１に耐摩耗性の高い脆性材料を使用した場合、内周強圧構造では、内周側に応力集中が起こり、クラックが発生してしまうという問題があった。
【００２３】
本願発明者は、第２の弾性体５とシャフト６のフランジが突き当たる部位の形状を工夫することで、上記の問題を解決することを見出した。
【００２４】
具体的には、図６（ａ）に示すように、第２の弾性体５とシャフト６のフランジ部との突き当て部において、第２の弾性体５の段差面５１とシャフト６の段差面６１とがテーパー状に形成されており、これらが外周側から接触する構成となっている。図６（ｂ）は、図６（ａ）の段差部の拡大図である。
【００２５】
図７は、図８に示す第２の弾性体５の段差面のＡ、Ｂ、Ｃの各位置に荷重をかけた時の、第２の弾性体５の下面５０に発生する応力分布の変化を示している。第２の段差面の外周側に荷重をかけた場合をＡ、内周側に荷重をかけた場合をＢ、内周側で、かつ、Ｂの２倍の高さの位置で荷重をかけた場合をＣとする。
【００２６】
図７に示すように、荷重点が低く、かつ、内周側であるＢの場合が内周強圧構造となった。同じ内周側であっても、高さを２倍にしたＣの場合は外周強圧構造になる傾向となり、荷重点を高くすればするほど、外周強圧構造になっていく。しかし、荷重点を２倍の高さにすれば、それに伴い振動子の軸方向長が大きさが大きくなってしまい、振動方駆動装置の小型化という目的に対しては好ましいことではない。
【００２７】
これに対し、荷重点が外周側であるＡの場合は、荷重点の高さがＣの場合の半分であるにもかかわらず、Ｃの場合と同様の外周強圧構造とすることができる。したがって、振動子を小型化するために、限られたスペースの中で外周強圧構造にするためには、図６に示すように荷重点をより外周側に持っていくように構成することが重要となる。
【００２８】
図９に示すように、荷重点をより外周側に持っていくために、シャフト６の段差面は、荷重点よりも圧電素子側における振動子の軸となす角θ１がθ＜９０度となるよう構成され、第２の弾性体２の段差面は、荷重点よりも圧電素子側における振動子の軸となす角度θ２が、θ＞９０度となるよう構成されている。この条件を満たさずとも、θ１＜θ２となっていれば足りる。
【００２９】
例えば、図１０に示すものは、第２の弾性体５の段差面とシャフト６の段差面の、いずれか一方が振動子の軸となす角度を９０度とし、他方が上記のθ１＜θ２を満たすようにテーパー状に形成された図である。
【００３０】
また、段差面の形状は必ずしもテーパー状である必要はない。図１１に示すものは、第２の弾性体５の段差面の内周側、あるいは、シャフト６の段差面の内周側のいずれかを削りとった形状となっている。この構成によっても、第２の弾性体５の段差面とシャフト６の段差面とが外周側で突き当たる構成とすることができ、外周強圧構造とすることが可能である。
【００３１】
図１２は第２の弾性体５の段差面を、その内周側を削りとった形状とし、シャフト６の段差面を上記のθ１＜９０度となるテーパー状としている。この形状であっても外周強圧構造とすることができる。無論、第２の弾性体５の段差面をテーパー状とし、シャフト６の段差面を、その内周側を削りとった形状としても構わない。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、更に小型化を可能とする振動方駆動装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動波駆動装置の分解斜視図。
【図２】本発明に係る振動波駆動装置の組立て後の斜視図。
【図３】本発明に係る振動波駆動装置の振動子の斜視図。
【図４】本発明に係る振動波駆動装置の断面図。
【図５】本発明に係る振動波駆動装置の振動子の断面図、および、曲げ振動による振動子の変位を模式的に示す図。
【図６】振動子を構成する第２の弾性体とシャフトとが突き当たる部位の形状を説明するための図。
【図７】第２の弾性体の荷重点の位置と、第１の弾性体と第２の弾性体との接触面における応力分布との関係を示す図。
【図８】図７における荷重点の位置を示す図。
【図９】第２の弾性体の段差面とシャフトの段差面の傾斜角を説明するための図。
【図１０】第２の弾性体とシャフトとが突き当たる部位の形状の変形例。
【図１１】第２の弾性体とシャフトとが突き当たる部位の形状の別の変形例。
【図１２】第２の弾性体とシャフトとが突き当たる部位の形状の更に別の変形例。
【図１３】従来の棒状型振動波駆動装置の断面図。
【図１４】図１３の振動波駆動装置の振動子の断面図、および、曲げ振動による振動子の変位を模式的に示す図。
【符号の説明】
１　第１の弾性体
２　圧電素子（電器−機械エネルギー変換素子）
３　フレキシブル基板
４　下ナット
５　第２の弾性体
６　シャフト
７　ロータ（被駆動体）
８　接触バネ
９　ギア
１０　加圧バネ
１１　固定部材
１２　上ナット
【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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