(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状の圧電素子からなり円筒端面に公転トルクを発生するステータと、該円筒端面に対して摺動的に圧接して該公転トルクにより自転運動を行なうロータと、該ステータの円筒外周面を囲む様に配された円筒内周面を有して該ステータを収納する枠部材と、該枠部材に対して該ステータを弾性的に支持固定する弾性部材とからなるピエゾモータ装置において、
前記弾性部材は、該ステータの円筒外周面と該枠部材の円筒内周面との間に介在する板バネからなり、
前記板バネは一部が該枠部材の円筒内周面に固定され、他部が該ステータの円筒外周面に圧接されていることを特徴とする超音波モータ装置。
【請求項２】
前記ステータの円筒外周面には電極が形成されており、前記板バネは該電極を外部に引き出す為の接続端子を兼ていることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ装置。
【請求項３】
前記板バネは、該ステータの円筒外周面に圧接される部分が凸曲面形状に加工されていることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ装置。
【請求項４】
前記ステータは、その円筒外周面より径方向内側に位置する該板バネの部分を径方向外側に押し分けて該枠部材の内側に支持固定されていることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ装置。
【請求項５】
円筒形状の圧電素子からなり円筒端面に公転トルクを発生するステータと、該円筒端面に対して摺動的に圧接して該公転トルクにより自転運動を行なうロータと、該ステータの円筒外周面を囲む様に配された内周面を有して該ステータを収納する枠部材と、該枠部材に対して該ステータを弾性的に支持固定する弾性部材とからなる超音波モータ装置において、
前記弾性部材は、該ステータの円筒外周面と該枠部材の内周面との間に配された弾性接着剤からなることを特徴とする超音波モータ装置。
【請求項６】
前記弾性接着剤は、該ステータの円筒外周面の周方向に離散して複数ケ所に配されていることを特徴とする請求項５記載の超音波モータ装置。
【請求項７】
前記枠部材は、該ステータの円筒外周面に当接してその径方向位置を規制する位置決め部を有していることを特徴とする請求項５記載の超音波モータ装置。
【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装置（以下ピエゾモータ装置とも言う）に関する。より詳しくは、ステータの支持固定構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータ（ピエゾモータ）は、その振動子の重心固定の対称励振モードである定在波型モータと進行波型モータの２種類と、さらに振動子である円板又は円筒を例えば４分割し左右の振幅が逆になる非対称モードにより励振することで重心が中心の周りを回転移動し、円の外周がフラフープのように偏心する電歪公転子型モータとが知られている。こうした超音波モータ（以下ピエゾモータとも言う）は、ステータとなる圧電素子に高周波の交流電圧を印加して、約２０ｋＨｚ以上の超音波振動を発生させることにより、ステータに圧接されたロータを回転駆動させている。この種のピエゾモータは、構造が簡単で小型軽量化に適するとともに、低速回転時でも高いトルクが得られる上、駆動音も少なく静かであるという利点を有している。特に後者の電歪公転子型モータは、特開平１０−２７２４２０号公報に示されているように、円筒状公転子の径および周方向に加えて軸方向のモードも結合させた３Ｄ公転トルク発生子として利用できるという特長を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ピエゾモータは、超音波振動を励起しているステータの摺動面に、ロータを圧接させて自転運動を行ない駆動トルクを取り出している。ロータは、ステータの摺動面に対して適切な圧力で圧接する構造となっている。一方、ステータ自体は周囲の枠部材に対して安定的に支持固定する必要がある。しかしながら、ステータを枠部材に強固に固定すると、ステータの振動が阻害される為好ましくない。又、ステータは通常セラミックなどの圧電素子でできている為、枠部材に対してネジなどにより直接締め付けて組み込むと、破損する恐れがある。場合によっては、外部から加わる衝撃によって破損する恐れがある。
【０００４】
従って、ステータは振動を阻害しない様にある程度の自由度を持って枠部材に固定する必要がある。しかしながら、自由度が高過ぎるとステータ自体が回転したり、ロータに対する位置精度が出ないなどの不都合が生じる。そこで、ステータを弾性的な力で枠部材に保持する構造が提案されている。例えば、コイルバネを用い、一端をステータの表面電極に半田付けする一方、他端を枠部材に固定する。しかしながら、この様な半田付けとコイルバネを用いたステータの保持機構は複雑であり、組立性や加工性も悪い。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明はピエゾモータを外部の衝撃から保護するとともに安定動作が可能なステータの支持固定構造を提供することを目的とする。係る目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち、本発明は、円筒形状の圧電素子からなり円筒端面に公転トルクを発生するステータと、該円筒端面に対して摺動的に圧接して該公転トルクにより自転運動を行なうロータと、該ステータの円筒外周面を囲む様に配された円筒内周面を有して該ステータを収納する枠部材と、該枠部材に対して該ステータを弾性的に支持固定する弾性部材とからなるピエゾモータ装置において、前記弾性部材は、該ステータの円筒外周面と該枠部材の円筒内周面との間に介在する板バネからなり、前記板バネは一部が該枠部材の円筒内周面に固定され、他部が該ステータの円筒外周面に圧接されていることを特徴とする。好ましくは、前記ステータの円筒外周面には電極が形成されており、前記板バネは該電極を外部に引き出す為の接続端子を兼ている。又、前記板バネは、該ステータの円筒外周面に圧接される部分が凸曲面形状に加工されている。又、前記ステータは、その円筒外周面より径方向内側に位置する該板バネの部分を径方向外側に押し分けて該枠部材の内側に支持固定されている。
【０００６】
又本発明は、円筒形状の圧電素子からなり円筒端面に公転トルクを発生するステータと、該円筒端面に対して摺動的に圧接して該公転トルクにより自転運動を行なうロータと、該ステータの円筒外周面を囲む様に配された内周面を有して該ステータを収納する枠部材と、該枠部材に対して該ステータを弾性的に支持固定する弾性部材とからなるピエゾモータ装置において、前記弾性部材は、該ステータの円筒外周面と該枠部材の内周面との間に配された弾性接着剤からなることを特徴とする。好ましくは、前記弾性接着剤は、該ステータの円筒外周面の周方向に離散して複数ケ所に配されている。又、前記枠部材は、該ステータの円筒外周面に当接してその径方向位置を規制する位置決め部を有している。
【０００７】
本発明の一面によれば、ステータの円筒外周面とこれを囲む枠部材の円筒内周面との間に板バネを配して、ステータを弾性的に支持固定している。これにより、ステータを外部の衝撃から保護できる。又、ステータ自体の回転や移動を抑制できるとともに、ロータに対して精度よくステータを位置決めできる。又、この板部材を、ステータの表面電極に対する電気的な接続端子に利用することができる。本発明の他の面によれば、ステータの円筒外周面とこれを囲む枠部材の内周面との間に弾性接着剤を配して、ステータを弾性的に支持固定している。シリコンゴムなどの弾性接着剤を用いるので、ステータの振動を阻害せずに確実に支持固定できる。外部から加わる衝撃は、弾性接着剤で吸収でき、ステータ自体の破損を招かない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係るピエゾモータ装置の第一実施形態を示す模式図であり、（Ａ）は横断面形状を表わし、（Ｂ）は側面形状を表わしている。図示する様に、本ピエゾモータ装置は、前述した特開平１０-２７２４２０号公報に示されている３Ｄ公転トルク共振子よりなる電歪公転子型モータであって、ステータ１とロータ２と枠部材６と弾性部材とで構成されている。ステータ１は円筒形状の圧電素子からなり、円筒端面に公転トルクを発生する。（Ｂ）に示す様に、ロータ２は、ステータ１の円筒端面に対して摺動的に圧接して、公転トルクにより自転運動を行なう。尚、図示の例では、ロータ２は受板７の上に搭載されている。受板７は枠部材６の底部に取り付けられている。枠部材６は、ステータ１の円筒外周面を囲む様に配された円筒内周面を有して、ステータ１を収納している。
【０００９】
本発明の特徴事項として、枠部材６に対してステータ１を弾性的に支持固定する為に、弾性部材を用いている。具体的には、この弾性部材はステータ１の円筒外周面と枠部材６の円筒内周面との間に介在する板バネ６１，６２，６３，６４からなる。各板バネ６１，６２，６３，６４は、一部が枠部材６の円筒内周面に固定され、他部がステータ１の円筒外周面に圧接されている。係る構成により、枠部材６に対してステータ１を精度よく位置決め固定できる。板バネ６１〜６４を用いて支持固定するので、ステータ１の振動を阻害することなく、ロータ２を回転できる。又、外部から加わる衝撃は板バネ６１〜６４が吸収して、セラミックスなどからなるステータ１に伝達しない様にしている。
【００１０】
ステータ１の円筒外周面には例えば四分割された電極１１，１２，１３，１４が形成されている。又、ステータ１の円筒内周面にも全面的に電極１０が形成されている。板バネ６１〜６４は、電極１１〜１４を外部に引き出す為の接続端子を兼ねている。即ち、板バネ６１〜６４には、外部から四相の駆動電圧Ａ，ＡＸ，Ｂ，ＢＸが印加され、これに応じてステータ１は振動する。この様に、本実施形態では、板バネ６１〜６４がステータ１を保持固定する機械部品として用いられる他、電気的な接続端子をも兼ねており、コスト的に有利な構成となっている。
【００１１】
図２は、図１に示した第一実施形態の改良例を表わした横断面図であり、（Ａ）は枠部材にステータ１を組み込んだ後の状態を示し、（Ｂ）は枠部材６にステータ１を組み込む前の状態を表わしている。（Ａ）に示す様に、各板バネ６１〜６４は、それぞれステータ１の円筒外周面に圧接される端部が、凸曲面形状（Ｒ）に加工されている。この様に、ステータ１の外周面に対する板バネ６１〜６４の接触面積を少なくする様に工夫して、ステータ１の振動損失を抑える様にしている。尚、図では理解を容易にする為、ステータ１の表面及び裏面に形成された電極の図示を省略している。
【００１２】
（Ｂ）に示す様に、ステータ１を組み込まない状態では、各板バネ６１〜６４の先端は、枠部材６の内部で径方向内側に突出している。この状態で、ステータ１はその円筒外周面より径方向内側に位置する各板バネ６１〜６４の先端Ｒを径方向外側に押し分けて、枠部材６の内側に支持固定される。単に、ステータ１を枠部材６に挿入することで、自動的にステータ１の位置出しが可能となり、組立工程の簡略化につながる。尚、板バネ６１〜６４は、例えばリン青銅からなる。あるいは、ステンレス材料の表面に金メッキを施した板バネを用いてもよい。
【００１３】
図３は、図１に示したピエゾモータ装置の応用例を表わしており、ピエゾモータ装置を動力源としたカメラ用レンズ駆動装置を示している。尚、本発明に係るピエゾモータ装置の応用例はカメラ用レンズ駆動装置に限られるものではないことは言うまでもない。本カメラ用レンズ駆動装置は、基本的にステータ１及びロータ２を含むピエゾモータと、レンズ鏡筒３と、これらを連結する伝達部材とで構成されている。ステータ１は圧電素子からなり交流電圧の印加を受けて超音波振動を励振し公転トルクを発生する。ロータ２はステータ１に圧接されており、公転トルクにより自転運動を行なう。レンズ鏡筒３はカメラ用のレンズ（図示せず）を搭載し、且つレンズの光軸Ｚ方向に直線変位可能に組み込まれている。ステータ１、ロータ２及びレンズ鏡筒３は枠部材６に組み込まれている。枠部材６の光軸Ｚ方向後端は受板７で遮蔽されている。ピエゾモータのロータ２とレンズ鏡筒３を接続する伝達部材は、ロータ２の自転運動をレンズ鏡筒３の直線変位に変換して伝達する。
【００１４】
ステータ１は、光軸Ｚと平行な円筒軸を有する円筒型の圧電素子からなる。一方、レンズ鏡筒３は円筒型のステータ１の内側に配されており、光軸Ｚに沿って枠部材６の前方端から進退可能になっている。この様に、円筒型ステータ１の内部にレンズ鏡筒３を配することで、カメラ用レンズ駆動装置の小型化が可能になる。
【００１５】
本実施形態では、ロータ２とレンズ鏡筒３を結ぶ伝達部材は、レンズ鏡筒３と一体になったヘリコイド筒４を含んでいる。但し、レンズ鏡筒３とヘリコイド筒４を必ずしも一体に形成する必要はなく、場合によってはヘリコイド筒４に後からレンズ鏡筒３を組み込む構成としてもよい。ヘリコイド筒４は、内部にレンズ鏡筒３を収納する様に基本的には円筒型となっており、その外周面にはネジ４１が切られている。又、ヘリコイド筒４の前方端には、ヘリコイド筒４自体の回転を防止する為にストッパ４２が取り付けられており、枠部材６に係合している。この結果、ヘリコイド筒４は光軸Ｚ方向に沿った直線運動を行なう。上記伝達部材は更に、ロータ２と連結し且つヘリコイド筒４に螺合したヘリコイドギヤ５を含む。本実施形態では環状金属からなるロータ２とポリカーボネートなどの樹脂からなるヘリコイドギヤ５は、ロータ２側のキー溝とヘリコイドギヤ５側のキー５２とで連結されている。ロータ２の自転運動に伴ってヘリコイドギヤ５も回転する。ヘリコイドギヤ５はその内周面にネジ５１が切られている。ヘリコイド筒４の外周面に形成されたネジ４１とヘリコイドギヤ５の内周面に形成されたネジ５１は互いに噛み合っている。ロータ２の自転に伴ってヘリコイドギヤ５が回転すると、ヘリコイド筒４は光軸Ｚに沿って直線変位する。尚、ロータ２は円筒型ステータ１の後端に取り付けられている。受板７とロータ２との間には回転補助手段８が配されており、ロータ２をステータ１の後端に摺動的に圧接して、ステータ１の公転トルクをロータ２の自転運動として取り出す。回転補助手段８は、ロータ２に接触するベアリング８１と、ベアリング８１を抑える押え板８２と、押え板８２をロータ２側に与圧するコイルバネ８３とで構成されている。
【００１６】
係る構成において、枠部材６とステータ１との間に、板バネ６２，６３が介在している。ステータ１はこれらの板バネ６２，６３により、枠部材６に対して弾性的に支持固定されている。更に、板バネ６２，６３はステータ１の電極に対する接続端子も兼ねている。板バネ６２，６３を介してステータ１の表面電極に駆動電圧が印加され、ステータ１は超音波振動を励振する。その際、ステータ１は板バネ６２，６３で弾性的に保持されているので、振動が阻害される恐れがない。ステータ１の円筒端面に生じた公転トルクは、この円筒端面に対して摺動的に圧接したロータ２によって自転運動に変換される。
【００１７】
図４は、本発明に係るピエゾモータ装置の第二実施形態を示す模式図であり、（Ａ）は横断面形状を示し、（Ｂ）は縦断面形状を表わしている。尚、理解を容易にする為、図３に示した応用例と対応する部分には対応する参照番号を付してある。本ピエゾモータ装置は、基本的に、ステータ１とロータ２と枠部材６と弾性部材とで構成されている。ステータ１は、円筒形状の圧電素子からなり円筒端面に公転トルクを発生する。ロータ２はこの円筒端面に対して摺動的に圧接して公転トルクにより自転運動を行なう。枠部材６はステータ１の円筒外周面を囲む様に配された内周面を有して、ステータ１を収納している。
【００１８】
枠部材６に対してステータ１を弾性的に支持固定する為に弾性部材を用いている。本実施形態では、この弾性部材としてシリコンゴムなどの弾性接着剤６Ｓを用いており、ステータ１の円筒外周面と枠部材６の内周面との間に配されている。この弾性接着剤６Ｓは、ステータ１の円筒外周面の周方向に離散して複数ケ所（図示の例では３ヶ所）均等に配されている。尚、枠部材６はステータ１の円筒外周面に当接してその径方向位置を規制する位置決め部６Ｇを有している。本実施形態では、枠部材６の径方向内側に突出した位置決め部６Ｇに、ちょうど前述した弾性接着剤６Ｓが配されている。
【００１９】
この様に、本実施形態では、ステータ１の外周を枠部材６で位置決めしておき、シリコンゴムなどの弾性接着剤６Ｓを用いて、ステータ１と枠部材６を互いに接着する。ステータ１の外周を枠部材６の内径で位置決めしている。ステータ１の振動は非常に微小である為、ステータ１を枠部材６の位置決め部６Ｇに嵌合することにより、非常に精度の高い位置決めができる。そして、シリコン系の弾性接着剤６Ｓでステータ１を枠部材６に接着しているので、ステータ１の振動を阻害せずに確実に固定できる。従って、ステータ１自体が回転する様なことはない。
【００２０】
図５は、図３又は図４に示したピエゾモータの外観を示す模式的な斜視図である。ここで、図３に示したピエゾモータの場合には、板バネを介して四相の交流駆動電圧Ａ，Ｂ，ＡＸ，ＢＸが、ステータ１の表面電極１１，１２，・・・に印加されることになる。これに対し、図４に示したピエゾモータでは、支持固定の為に設けた弾性接着剤の他、電極取り出し用のフレキシブル基板などを用いて、四相の交流駆動電圧Ａ，Ｂ，ＡＸ，ＢＸをステータ１の表面電極１１，１２，１３，１４に印加することになる。図示する様に、ピエゾモータは円筒型のステータ１と、その後端に圧接された環状のロータ２とで構成されている。円筒型ステータ１の外周面には、電極１１，１２，１３，１４が形成されている。図示しないが、円筒の内周面にも電極が形成されている。円筒の外周面に形成された電極は四分割されており、それぞれ位相の異なる交流駆動電圧Ａ，Ｂ，ＡＸ，ＢＸが印加される。Ａ相電圧とＢ相電圧は位相が互いに９０度異なっている。又、Ａ相電圧とＡＸ相電圧は位相が１８０度異なっている。換言すると、Ａ相とＡＸ相は互いに反対極性である。同様に、Ｂ相とＢＸ相も反対極性となっている。
【００２１】
図６は、図５に示したステータの模式的な横断面図である。図示する様に、セラミックなどの圧電素子からなる円筒型ステータ１の内周面には、全面的に基準電位を与える電極１０が形成されている。円筒の外周面には四分割された駆動用の電極１１〜１４が形成されている。これら四分割された電極１１〜１４には、互いに位相が９０度ずつシフトした四相の交流電圧Ａ，Ｂ，ＡＸ，ＢＸが印加される。
【００２２】
図７を参照して、図５及び図６に示したピエゾモータの動作を説明する。ピエゾモータでは動力源となる超音波振動が一定の共振周波数であるから、電流はほぼ一定値となる。共振器はＱが高く、振動振幅の立ち上がりは１サイクル以内と考えられ、非慣性機構と見なすことができる。負荷の慣性が影響する範囲でしか電流は変化しない。係る特徴を有するピエゾモータは様々な構成が開発されているが、特に電歪公転型が有力である。電歪公転型は、従来の様に振動をトルクに変えるのではなく、周面全面に亘って一様な公転トルクを直接励振することができる共振子を使っている。従来の超音波振動子は定在波型と進行波型の二種類あるが、共に重心固定の対称モードでしか励振できない。これに反して、円筒を左右の伸縮が逆になるモードで励振すると、重心が中心を離れて振動する。この非対称励振を行なうと、従来の対称励振では観測できなかった円筒の共振モードが得られる。そこで、ステータ円筒の電極を例えば四分割し、９０度ずつ位相の異なる回転電場で励振すると、図７に示す様に、重心が中心の周りを回転するモードの共振が見られる。この時円筒の外周は元の形を保ったまま、フラフープの様に偏心するので、振動子が公転回転を行なう。係る構成の電歪公転子型モータでは、直接回転モードが励振され、円筒状公転子の径および周方向に加えて軸方向のモードも結合させた３Ｄ公転トルク発生子として利用できる。このトルクは、直接ロータの自転運動として取り出される。
【００２３】
図８は、四等分割されたステータ電極のそれぞれに印加されるＡ相、Ｂ相、ＡＸ相、ＢＸ相電圧の波形図である。図示する様に、Ａ相に対しＢ相は９０度シフトし、ＡＸ相は１８０度シフトし、ＢＸ相は２７０度シフトしている。この様に９０度ずつ位相の異なる交流電圧をステータに印加することで回転電場が形成され、これに応じてステータは直接回転モードを励振する。
【００２４】
最後に図９は、ピエゾモータの駆動回路を表わしている。図示する様に、一対の駆動信号Ａ，ＡＸはＨブリッジＡを介してステータ１の互いに対向する一対の電極に印加される。同様に、他の一対の信号Ｂ，ＢＸもＨブリッジＢを介して互いに対向する他の一対のステータ電極に印加される。Ｈブリッジは、それぞれ入力信号に応答して、ステータ電極に充分な出力電流を供給する為のドライバ回路となっている。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の第一側面によれば、板バネを用いてステータを枠部材に固定しており、ステータの振動を阻害することなく支持できるとともに、外部からの衝撃に対してステータを保護することができる。更には、ステータに対する支持固定機構と電極取り出し機構を兼用することにより、コスト面でも有利となる。又、本発明の第二側面によれば、シリコンゴムなどの弾性接着剤を用いてステータを枠部材に取り付けることで、ステータの振動を阻害することなく保持固定が可能になる。特に、枠部材の内径を利用してステータの外周を位置決めすることにより、精度の高いステータの保持機構が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るピエゾモータ装置の第一実施形態を示す模式的な平面図及び側面図である。
【図２】図１に示したピエゾモータ装置の変形例を示す模式的な平面図である。
【図３】図１に示したピエゾモータ装置を組み込んだカメラ用レンズ駆動装置を示す模式的な縦断面図である。
【図４】本発明に係るピエゾモータ装置の第二実施形態を示す模式的な横断面図及び縦断面図である。
【図５】本発明に係るピエゾモータ装置の外観を示す模式的な斜視図である。
【図６】本発明に係るピエゾモータ装置の横断面図である。
【図７】本発明に係るピエゾモータ装置の動作説明に供する模式図である。
【図８】本発明に係るピエゾモータ装置の動作説明に供する波形図である。
【図９】本発明に係るピエゾモータ装置の駆動回路図である。
【符号の説明】
１・・・ステータ、２・・・ロータ、６・・・枠部材、６Ｇ・・・位置決め部、６Ｓ・・・弾性接着剤、7・・・受板、１１・・・電極、１２・・・電極、１３・・・電極、１４・・・電極、６１・・・板バネ、６２・・・板バネ、６３・・・板バネ、６４・・・板バネ
【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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