(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
締結部にて２つの弾性体を締結し、電気−機械エネルギー変換素子を前記２つの弾性体間に挟持固定した振動体と、
前記振動体の両側に配置され、前記各弾性体に対して加圧接触し、前記各弾性体に形成された駆動波によって駆動される２つの移動体と、
前記２つの移動体が取り付けられた１つの出力軸と、
前記振動体及び前記移動体を覆うケース部材と、
前記ケース部材に固定され、前記振動体を支持するための支持部材と、
前記ケース部材に固定され、前記出力軸を支持する複数の軸受部材とを有し、
前記締結部には前記出力軸が貫通する貫通孔が形成され、前記支持部材が前記一方の弾性体と前記電気−機械エネルギー変換素子の間に固定されていることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動体と前記移動体との間に出力軸に固定されたファンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は出力軸を有する振動波モータなどの振動アクチュエータおよび振動アクチュエータにおける振動体の締結部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動アクチュエータとしての棒状振動波モータは、弾性体間に電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子を挟持した振動体と、この振動体の例えば端面の駆動面に加圧接触する回転体とを基本的構成として有し、出力軸を有するタイプとしては、特開平１−２５２１７８号公報に開示されている。この出力軸を有するタイプの棒状振動波モータは、図５に示すように、外側ケース１９０内に棒状振動体１８０が配置され、振動体１８０の他端部を底蓋１３５に支持している。外側ケース１９０の一端部にはベアリング１４０が設けられ、ベアリング１４０に回転体１１３に固定の出力軸１１３’を支持する構造になっている。振動体１８０の一端側には、リテーナ１０９，１１１，１１４で支持されたボール１１０，１１２，１１５が順次積み重ねられ、ばね１３８で回転体１１３がボール１１５に圧接され、またばね１３８の一端はケース１９０に装着されたスラストベアリング１３９で支持されている。そして、振動体１８０の圧電素子に駆動信号を印加すると、振動体は上記のボールを回転させ、回転体１１３が回転して出力軸１１３’も回転する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では出力軸を振動体の片側にのみ配置しているため、該出力軸を支持する２つの軸受の間の距離が短くなっている。一方、該出力軸には一般にギヤ、プーリー等の回転力伝達部材が取り付けられる。そして、外部より前記回転力伝達部材に負荷が与えられると、前記出力軸には側力が加わり、該出力軸に傾きを生じる。その結果、前記摩擦摺動面は偏荷重を受けることになり、均一な摩擦駆動力を生じなくなり、モータ効率の低下、騒音の発生、摩擦材料の偏摩耗により寿命低下を引き起こす。
【０００４】
本出願に係る発明の目的は、振動アクチュエータの効率等の改善を図ろうとするものでる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の振動アクチュエータは、締結部にて２つの弾性体を締結し、電気−機械エネルギー変換素子を前記２つの弾性体間に挟持固定した振動体と、前記振動体の両側に配置され、前記各弾性体に対して加圧接触し、前記各弾性体に形成された駆動波によって駆動される２つの移動体と、前記２つの移動体が取り付けられた１つの出力軸と、前記振動体及び前記移動体を覆うケース部材と、前記ケース部材に固定され、前記振動体を支持するための支持部材と、前記ケース部材に固定され、前記出力軸を支持する複数の軸受部材とを有し、前記締結部には前記出力軸が貫通する貫通孔が形成され、前記支持部材が前記一方の弾性体と前記電気−機械エネルギー変換素子の間に固定されていることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態を示す。
【００１５】
図１において、電気−機械エネルギー変換素子としての円環形状の圧電素子４及び図２に詳細を示す支持部材３を２つの弾性体としての棒状の中空金属部材５，６で挟み、締結部材としての中空ボルト１とナット７により挟持固定して振動体を構成している。
【００１６】
本実施の形態の振動体は、２つの曲げ振動を合成して、首ふり運動を生じさせる形式のものであり、その駆動原理については特開平０３−０１１９８１号公報等に記載のように周知であるため、その説明は省略する。但し、該振動体は２つの曲げ振動だけでなく、例えばねじれと縦振動を合成するものでもよい。振動体の軸心部にボルトが貫通していて、圧電素子を該ボルトにて挟持固定するものであるなら、本実施の形態と同様の効果を発揮できる。
【００１７】
本実施の形態の振動体は、圧電素子４と同時に支持部材３が挟持されて構成されている。支持部材３は、図２に示すように円板形状に形成され、その外周部が外側のケース１５及び１６の突き合わせ面に接合されている。
【００１８】
支持部材３の役割は、振動体を固定することと、振動体で発生する振動を前記ケース１５，１６に伝達しないようにすることである。そのため、支持部材３は適当な厚さを有している。薄すぎると固定の役割を十分には果たせず、振動体がその空間位置を決められず、移動体側の摩擦部材８ａと振動体側の摩擦部材５ａとの摩擦接触が不安定になり、移動体８への摩擦伝達効率が低下し、騒音発生、モータ効率低下の原因になる。
【００１９】
一方、支持部材３が厚すぎると、振動体の振動を制圧することになり、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率の低い振動体になってしまう。さらに、振動体の振動がケース１５，１６に伝達してしまう。ケース１５，１６に振動が発生している状態では、該振動アクチュエータを取り付けた装置などにその影響が及んでしまう。以上の理由により、支持部材３は前記した役割に対して、効果を発生するように設計されたものである必要がある。
【００２０】
本実施の形態において、支持部材３は、図２に示すように、中心部に中心孔３ａが形成され、さらに同心上に弧上の長孔３ｂ、３ｃが４５度の位相差を有して形成されている。また、最外周の長孔３ｃよりも外周の部分３ｄがケース１５と１６との接合部分であり、中心孔３ａと長孔３ｂとの間の部分３ｅが弾性体６と圧電素子４との挟持部分である。
【００２１】
そして、長孔３ｂ、３ｃにより、しっかりした固定が必要な方向には剛性が高く、振動体が振動する方向には柔らかくなっている。又、振動以外にも、移動体の回転によるねじれ反力に対しても充分剛くなっている必要がある。
【００２２】
さらに、振動体の振動に対して、支持部材３が共振を生じる現象（サージング）も避けなければならない。但し、該孔形状は振動体を支持する位置によってもその最適形状は変化する。例えば、振動体の振動の腹の位置付近に支持部材３を設ける時は、支持部材３は放射方向に対して柔らかい必要がある。
【００２３】
一方、節の位置付近に支持部材３を設ける時は、支持部材３の板厚方向に対して柔らかい必要がある。以上の考慮をして、支持部材３を設計した上で、さらに振動体の振動をケースに伝達させないという目的を、より完全に達成するのもよい。
【００２４】
この目的のために、図示はしていないが、該支持部材３とケース１５及び１６の間に振動減衰能力の高い部材をはさみ込むことが効果ある。該振動減衰能力の高い部材としては、ゴム、フェルト及び樹脂等がある。
【００２５】
さらに支持部材３自身が振動減衰能力の高い部材で作られていても良い。又、支持部材３と前記ケース１５、１６との接合は電気抵抗溶接で行ったが、レーザ溶接、電子ビーム溶接、ろう付け、接着剤による接合でも良い。
【００２６】
次に挟持用ボルト１には、マルテンサイト系ステンレス製の出力軸２が通るため貫通孔１ａが中心に形成されている。本実施の形態では、挟持用ボルト１の頭部１ｂは弾性部材５の孔部５ｂに対して隙間ばめを設けているが、圧入でも良い。又、ボルト１が弾性部材５に対して回転することを防ぐため、ボルトまたは金属部材の内径あるいはその両方にスプライン、二面取りなどの回り止めを設けたものでもよい。本実施の形態ではナット７を締める時、ボルト１が回転しないように、ボルト１の頭部１ｂに軸力を与え、ボルト１の頭部１ｂと弾性部材５との間に摩擦力を発生させている。弾性部材５の端部には摩擦摺動部材５ａが接合されている。
【００２７】
ボルト１の貫通孔１ａを貫通する出力軸２は、ケース１５側に移動体８が取り付けられ、ケース１６側にエンコーダの回転体１３が取り付けられている。移動体８と皿バネ９との間にブチルゴム１８が接着されており、また皿バネ９は出力軸２に圧入された黄銅製のかしめ部材１２に中心部がかしめ方式で固定され、移動体８の摩擦摺動部材８ａを弾性体５の摩擦摺動部材５ａに対して加圧接触させる。
【００２８】
そして、圧電素子４に不図示の駆動回路より駆動信号としての交番信号が印加されると、位相の異なる２つの曲げ振動が励起され、その合成により形成される進行波としての駆動波が弾性体５の摩擦摺動部材５ａに形成され、その振動変位は、摩擦力を介して移動体８側のばね性を有する摩擦摺動部材８ａに伝達され、移動体８は回転運動を行う。その際、皿バネ９と移動体８の間にはブチルゴム１８が接着されているので、移動体８側の摩擦摺動部材８ａが回転すれば、ガタを生じることなく出力軸２は回転する。なお、移動体８側の摩擦摺動部材８ａは、ステンレスの薄板をプレス加工することにより作られている。
【００２９】
一方、移動体８とは反対の出力軸２には、出力軸２に設けられたくびれ部に止めリング１７がはめられており、止めリング１７とかしめ部材１２との間を所定の距離とすることで、皿バネ９に一定の変位を生じさせ、振動体側の摩擦部材５ａに対して摩擦摺動部材８ａが所定の圧接力で加圧接触するようになっている。なお、外側ケース１５に同軸的に固定されている軸受１１はステンレス焼結部材に潤滑油を含浸したものを使用し、摩擦抵抗を減じている。黄銅でもステンレス軸との相性はよい。また、ポリアセタールなどの樹脂を使用してもよい。また、外側ケース１６にはベアリング１０が同様に固定されている。ベアリング１０の軸方向には、前記した圧接力の反力が加わっているため、摩擦抵抗を減じる手段としてボールベアリングを使用している。勿論、スラストベアリングを使用してもよい。
【００３０】
ベアリング１０の近傍には、回転位置を検出するためのエンコーダ部品である回転板１３が出力軸２に固定されている。回転板１３には放射方向に多数の孔があけられており、ケース１６に固定されているフォトインターラプター１４からの光の遮断と通過によって、該回転をカウントすることで位置を検出する。なお、フォトインターラプター１４はファイバー型の細い光線が得られるものなら、分解能が向上し、位置決め精度も高められるのでさらに望ましい。
【００３１】
ここで、本実施の形態で採用したボルト１の製造方法について説明する。切削加工で作る場合なら、丸棒の軸心にドリルで貫通孔を加工するか、パイプ材を切削しても良い。しかし、本実施の形態で採用した製造方法は圧造（鍛造の一種、ヘッダ加工とも言う）と転造を組み合わせたものである。
【００３２】
この方法によると、切削困難なじん性の高い材料、例えば、ニッケル−クロム−モリブデン鋼なども加工可能である。しかも、引き抜き加工で軸方向に延びた繊維組織を切断することなく、また塑性加工と熱処理を組み合わせることで、結晶粒が微細化するので強靭なボルトができる。本実施の形態の中空ボルトはこの塑性加工で製造している。
【００３３】
この方法を図３に示す。素材としてはパイプ材Ｐと、その孔部Ｐ１に隙間をもって入る丸棒Ｄを用意する。丸棒Ｄ又はパイプ材Ｐあるいは両方にはそれらの表面にりん酸亜鉛潤滑皮膜処理（ＴＲＡＤＥ  ＭＡＲＫ  ボンデ処理）を施しておく。
【００３４】
その上で、図３の（ａ）〜（ｂ）に示すように、丸棒Ｄをパイプ材Ｐの孔部Ｐ１に挿入する。次に、図３の（ｃ）に示すように、丸棒Ｄが挿入され状態でのパイプ材Ｐを所定の長さに切断した上、図３の（ｄ）に示すように、金型を用いて圧造してボルト頭部１ｂを形成する。その後、該形成品を熱すると前記したりん酸亜鉛潤滑皮膜処理の潤滑成分が溶けるため、図３の（ｅ）に示すように、変形した丸棒素材を簡単に形成品から取り出すことができ、図３の（ｆ）に示すように、最後に転造加工によりネジ山を形成して、形状が出来上がる。なお、防錆はニッケルメッキにより行ったが、黒染めなどでも良い。
【００３５】
本実施の形態では、従来の棒状振動波モータの振動体における圧電素子を挟持する弾性体間固定する締結部材としての中実ボルトを中空ボルトに代えるだけの変更で、出力軸を振動体に貫通させることができるようになる。
【００３６】
その上、締結部材としてのボルトには耐ねじり応力が必要であるが、中心付近の部材は該応力低減に対してほとんど寄与しておらず、本実施の形態の孔あきボルトであることで不利な点はほとんどない。
【００３７】
また、そのことは曲げ応力についても同様で、振動体の設計にもほとんど影響を及ぼさないので、中実ボルトを使用して設計された振動体をそのまま中空ボルトに置き換えればよい。
【００３８】
（第２の実施の形態）
図４は第２の実施の形態を示す。
【００３９】
本実施の形態における振動体は、圧電素子４を中空で内周部にめねじ部が形成された同形状のネジ付き弾性部材５の間にはさみ込み、ステンレスパイプを切削加工し、両端部の外周にネジ部を形成して得られた締結部材としての中空ボルト１を両ネジ付き弾性部材５のめねじ部に螺着させることにより挟持固定した構成としている。
【００４０】
本実施の形態の圧電素子４の外形は両弾性部材５の外径より小径に形成されていて、圧電素子４と片方の弾性体５との間には、円錐台形状に形成された支持部材３０の小径フランジ部３０ａが挟持されている。このように、支持部材３０の小径フランジ部３０ａは、挟み込まれて固定されている部分が小径部であるため、振動体の振動を拘束しにくく、限られた空間の中において支持部材３０の挟持固定されていない部分を広く確保できるので、支持部材３０の設計自由度が増すという効果がある。
【００４１】
一方、支持部材３０の大径側の筒部３０ｂは、外側ケース１５，１６の嵌合形式の接合部に挟まれて固定されている。
【００４２】
外側ケース１５はプレス絞り加工の後、飲料缶などの製法で用いられる口をつぼめる加工を施してある。支持部材３０が外側ケースに挟み込まれている部分である大径側の筒部３０ｂには、接着剤が塗布され、ケースがはずれないようにしている。
【００４３】
外側ケース１５及び１６の底板部の中心部には、中空ボルト１を貫通する出力軸２を軸支する含油樹脂製の軸受１１がそれぞれ圧入されている。軸受１１には、第１の実施の形態の時のような軸方向の力が掛からない構造になっているので、特にボールベアリングのような高級な軸受けを要しない。
【００４４】
本実施の形態において、振動体の両側にはそれぞれ移動体８が配置され、移動体の各弾性体５に対して各移動体８ごとに設けた加圧用コイルバネ１９により加圧接触している。
【００４５】
前記移動体８の中心部に装着されているコイルバネ１９は、出力軸２に圧入のかしめ回り止め部材２０により一端側の位置が規制されて加圧力を移動体８に付与している。また、かしめ回り止め部材２０は、その外周部には２面取り、スプラインなどの回り止めが設けられているので、移動体８と出力軸２は軸方向には相対的位置を移動できるが、同軸方向に対しては一体となって動くようになっている。
【００４６】
又、出力軸２には２つのファン２１が圧入されており、出力軸２の回転とともに回転するようになっている。ファン２１は移動体８と弾性体５との間に設けられることで、前記摩擦摺動面に発生する摩耗粉を、該ファン２１で発生する風により外側ケース１５、１６の内壁に付着するようにしている。このように、摩耗粉を排除して、それを機能上影響ないところへ付着させることで、安定した摩擦力を維持し、研磨材として作用する摩耗粉による摩耗促進を抑え、かつ軸受け可動部や前記かしめ部材２０と移動体８との間の狭い隙間に該摩耗分が堆積して、軸受けや加圧機能を阻害することがない。
【００４７】
また、出力軸２の回転によって、ファン２１は軸方向にも風を送るようにしており、これにより振動体を冷却している。このとき、２つのファン２１の向きは同じ方向にしているので、空気の流れは貫通孔１ａを通して一定の方向になるようにして、冷却効果を高めている。この事も、ボルト１に孔が貫通しているため得られる効果になっている。
【００４８】
さらに、本実施の形態では１つの出力軸２に同軸に２つの移動体８が取り付けられているため、移動体８が１つの時に比べて２倍のトルクが容易に得られることとなる。高トルクが最大の特徴である振動波モータとしては、この構成は非常に効果的である。
【００４９】
従来の振動波モータでは、１つの振動体に対して移動体は１つであったが、本実施の形態では振動体の両側に２つの移動体１２を設け、かつ前記２つの移動体を同じ出力軸に結合することで、移動体が１つのモータに比べて次の様な効果がある。
【００５０】
▲１▼：起動トルクが約２倍になる。摩耗等の関係で前記圧接力に制限があるが、該圧接力を同等にした場合、出力軸には２倍のトルクを生じる。
【００５１】
▲２▼：回転ムラが小さくなる。回転ムラは通常前記圧接部の不安定な接触状態から生じる。そして、その不安定な接触状態は、摩擦面の平面度や振動体の振動が軸心を中心にして真円になっていない事などが原因である。これらが加工精度の因子が主原因であるので限界がある。しかし、移動体が２つの場合、前記それぞれの不安定な接触状態が相殺されるので回転ムラが小さくなる。
【００５２】
▲３▼：振動体の内部損失が減少して、モータの効率が向上する。移動体が１つの場合は、移動体が設けられていない振動体の端部は自由に振動して、その振動減衰によってエネルギーを消費している。今、移動体が２つあるモータが、移動体が１つのモータの２倍の出力を発生する時を考える。これはトルクが２倍で回転数が同じ時を考えると理解しやすい。その時、振動体の内部損失は同等になる。よって、全体の効率は向上することになる。
【００５３】
なお、弾性部材５には摩擦摺動部材５ａが接合され、移動体８には摩擦部材８ａが嵌合方式で設けられ、両部材５ａと８ａが接触するようにしている。また、本実施の形態の摩擦部材８ａは第１の実施の形態の場合とは異なり、素材の板材の板厚部を摩擦摺動面とはしておらず、摩擦摺動面積を広く確保できるように、板面部を折り曲げて、該曲げ部の凸部をラップ加工した上で、摩擦摺動面としている。
【００５４】
この方法で移動体８側の摩擦摺動部８ａを形成すると、移動体８の摩擦部材８ａを振動体側の摩擦摺動部材５ａに圧接する力を大きくすることが可能となる他、摩擦摺動面の角部が鋭利にならず、相手の振動体８側の摩擦摺動部材５ａを削って摩耗の進行を速めることがない。なお、以上説明した摩擦摺動部材の構成については、振動体側と移動体側を入れ替えても成り立つのは言うまでもない。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電素子などの電気−機械エネルギー変換素子を弾性体で挟持固定する形式の振動アクチュエータにおいては、締結部に貫通孔をあけ、該貫通孔に出力軸を通すことにより、該出力軸を離れた２箇所で支持する構造にすることができる。しかも、既存の振動体の設計を変えずに済むことになる。そのため、出力軸が外力によりその姿勢を変化させ、移動体と振動体との摩擦摺動部の接触状態を不安定にさせることなく、安定した移動体と振動体との摩擦摺動による振動アクチュエータを実現できる。
【００５６】
よって、アクチュエータ出力の安定、摩擦摺動部材の被摩耗量低減、及び騒音発生低減を図ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す断面図。
【図２】図１の支持部材の平面図。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は図１の中空ボルトの製造工程を示す図。
【図４】第２の実施の形態を示す断面図。
【図５】従来の振動アクチュエータを示す断面図。
【符号の説明】
１…中空ボルト
２…出力軸
３…支持部材
４…圧電素子
５，６…金属部材
５ａ…振動体側摩擦部材
７…ナット
８…移動体
８ａ…移動体側摩擦部材
９…加圧皿バネ
１０…ボールベアリング
１１…軸受
１２…かしめ部材
１３…エンコーダ回転板
１４…エンコーダフォトインターラプター
１５，１６…外側ケース
１７…止めリング
１８…防振ゴム
１９…加圧用コイルバネ
２０…かしめ回り止め部材
２１…ファン
【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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