JP2008178250A - 超音波振動子の押圧機構および超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動部材と超音波振動子との接触圧力を均等にバランスさせて、正逆方向の駆動特性を均一にするとともに、被駆動部材を高い駆動効率で駆動する。
【解決手段】超音波振動子２の振動の定在波の腹Ｂ_１，Ｂ_２となる２以上の位置に設けられた摺動部材２ｂを被駆動部材４に押し付ける押圧機構５であって、超音波振動子２の振動の定在波の節Ａ_１，Ａ_３となる２以上の位置において、超音波振動子２に接触する押圧部材６と、該押圧部材６に対し、２以上の定在波の節Ａ_１，Ａ_３の間隔方向に離れた２カ所以上の位置において、摺動部材２ｂを被駆動部材４に押し付ける押圧力Ｆａ，Ｆｂを調節可能に付与する押圧力調節部７とを備える超音波振動子２の押圧機構５を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、超音波振動子の押圧機構および超音波モータに関するものである。

従来、電磁型モータに比べて小型、高トルク、長ストロークかつ高分解能の超音波モータが多く使用されてきている。
超音波モータは、超音波振動子を被駆動部材に押し付けることで、両者間に発生する摩擦力により被駆動部材を駆動するモータであり、超音波振動子を被駆動部材に押し付ける押圧機構としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

この押圧機構は、超音波振動子の長手方向の２カ所に配置され、端部に球面座を有する圧縮バネと、該圧縮バネの圧縮量を調節するためのセットビスとを備えている。各セットビスの締結量を調節することにより、各圧縮バネの圧縮量を調節し、各圧縮バネから球面座を介して超音波振動子に付与する押圧力を変化させて、被駆動部材と超音波振動子との接触圧力をバランスさせるように構成されている。

特開平１１−３１２０１７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された超音波振動子の押圧機構は、単に超音波振動子と被駆動部材との接触面とは反対側の面に複数箇所において押圧力を付与しているに過ぎず、超音波モータの駆動効率について何ら言及するものではない。そのため、２カ所において押圧力を付与することで、被駆動部材と超音波振動子との接触圧力をバランスさせることはできるものの、高い駆動効率で被駆動体を駆動することはできないという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、被駆動部材と超音波振動子との接触圧力を均等にバランスさせて、正逆方向の駆動特性を均一にするとともに、被駆動部材を高い駆動効率で駆動することができる超音波振動子の押圧機構および超音波モータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、超音波振動子の振動の定在波の腹となる２以上の位置に設けられた摺動部材を被駆動部材に押し付ける押圧機構であって、前記超音波振動子の振動の定在波の節となる２以上の位置において、前記超音波振動子に接触する押圧部材と、該押圧部材に対し、前記２以上の定在波の節の間隔方向に離れた２カ所以上の位置において、前記摺動部材を前記被駆動部材に押し付ける押圧力を調節可能に付与する押圧力調節部とを備える超音波振動子の押圧機構を提供する。

本発明によれば、押圧力調節部により調節しながら押圧部材に対して押圧力を付与すると、該押圧部材に接触する超音波振動子に押圧力が伝達され、超音波振動子に設けられた摺動部材が被駆動部材に押し付けられる。摺動部材は超音波振動子の振動の定在波の腹となる位置に設けられているので、この位置において摺動部材と被駆動部材との間には繰り返し変動する摩擦力が発生し、被駆動部材が摩擦力によって駆動されることになる。

この場合において、押圧部材が超音波振動子に２以上の位置において超音波振動子に接触し、かつ、押圧力調節部が同じ方向に離れた２カ所以上の位置において押圧力を付与する。したがって、各押圧力調節部において付与する押圧力を調節することにより、２以上の位置における摺動部材と被駆動部材との接触圧力分布をバランスさせ、正逆方向の駆動特性を均一にすることができる。

また、押圧部材と超音波振動子とが、超音波振動子の振動の定在波の節となる位置において接触しているので、接触位置における超音波振動子の振動が最小限に抑えられており、接触により、超音波振動子の振動が阻害されることがない。すなわち、超音波振動子の振動を妨げることなく、被駆動部材の駆動に有効に利用することができる。したがって、超音波振動子の駆動効率を向上することができる。

上記発明においては、前記押圧部材が、前記超音波振動子の屈曲振動の節に対応する位置において超音波振動子に接触することとしてもよい。
超音波振動子は、縦振動と屈曲振動とを同時に励起することにより、摺動部材を略楕円運動させて被駆動部材を蹴ることにより、被駆動部材を駆動する。したがって、超音波振動子の屈曲振動の節に対応する位置において押圧部材を超音波振動子に接触させることで、屈曲振動が妨げられず、効果的に被駆動部材を駆動することができる。

また、上記発明においては、前記押圧部材が、前記２以上の定在波の節の間隔方向に、前記超音波振動子の全長よりも長く延び、前記２以上の押圧力調節部が、前記押圧部材の両端に配置されていることとしてもよい。
このようにすることで、超音波振動子の長手方向の外側において、超音波振動子の高さ方向に重複する位置に押圧力調節部を配置することができ、超音波モータの薄型化を図ることが可能となる。

また、上記発明においては、前記押圧部材と前記超音波振動子とが、ほぼ点接触させられていることとしてもよい。
このようにすることで、押圧部材と超音波振動子との接触を、定在波の節近傍に限定して、より効果的に超音波振動子の振動が妨げられるのを防止することができる。

また、上記発明においては、前記押圧部材と前記超音波振動子とが、前記２以上の定在波の節の間隔方向に直交する方向にほぼ線接触させられていることとしてもよい。
このようにすることで、押圧部材と超音波振動子とを点接触させるのと同様、定在波の節の間隔方向に発生する超音波振動子の振動を妨げることなく、駆動効率の低下を防止することができる。

また、上記発明においては、前記押圧部材と前記超音波振動子との接触部が、弾性部材により構成されていることとしてもよい。
このようにすることで、超音波振動子の振動に倣って弾性部材からなる接触部が弾性変形するので、超音波振動子の振動が妨げられず、高い駆動効率で被駆動部材を駆動することができる。

また、本発明は、一方向に間隔をあけて２以上の節と２以上の腹とを形成する定在波振動を発生するとともに、前記定在波振動の腹となる２以上の位置に摺動部材を備える超音波振動子と、該超音波振動子の前記摺動部材との間の摩擦力により駆動される被駆動部材と、上記いずれかの押圧機構とを備える超音波モータを提供する。
本発明によれば、押圧機構の作動により、超音波振動子が高い駆動効率で駆動されるように被駆動部材に押し付けられ、消費電力を低減し、高い駆動力を得ることができる。

本発明によれば、被駆動部材と超音波振動子との接触圧力を均等にバランスさせて、正逆方向の駆動特性を均一にするとともに、被駆動部材を高い駆動効率で駆動することができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係る超音波振動子２の押圧機構５および超音波モータ１について、図１〜図７を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る超音波モータ１は、図１に示されるように、超音波振動子２と、該超音波振動子２を保持するホルダ３と、該超音波振動子２に接触させられて、超音波振動子２に対して相対的に駆動される被駆動部材４と、超音波振動子２を被駆動部材４に押し付ける押圧機構５とを備えている。

前記超音波振動子２は、矩形板状の圧電セラミックスシートの片側面にシート状の内部電極を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体２ａと、該圧電積層体２ａの一側面に接着され被駆動部材４に密着させられる２個の摩擦接触子（摺動部材）２ｂと、該摩擦接触子２ｂが設けられた側面に隣接する２側面から各側面に垂直方向に突出する案内ピン２ｃとを備えている。

圧電積層体２ａは、内部電極に所定のパターンの交番電圧を加えることにより、図２に示される１次の縦振動および図３に示される２次の屈曲振動が励起されるようになっている。
特に、図３に示される２次の屈曲振動は、圧電積層体２ａの長手方向に間隔をあけて、３カ所に振動の定在波の節Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３を備え、これら３カ所の節Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の間に、２カ所の腹Ｂ_１，Ｂ_２を形成するようになっている。

前記摩擦接触子２ｂは、直方体ブロック状に形成されており、前記超音波振動子２の２次の屈曲振動の腹Ｂに対応する位置に接着剤等で固定されている。
前記案内ピン２ｃは、図４に示されるように、圧電積層体２ａの摩擦接触子２ｂが固定されている面とは反対側の側面の中央を覆うように接着剤等により固定される案内部材２ｄの両端に設けられ、図４に示すＹ方向に延びている。この案内ピン２ｃの位置は、図１に示されるＸ方向に沿って、圧電積層体２ａの中央に形成される屈曲振動の節Ａ_２に対応し、屈曲振動が発生しても、ほぼ振動しない位置である。

前記ホルダ３は、図４および図６に示されるように、超音波振動子２の側面にＹ方向に間隔をあけて隣接する２枚の平板部３ａと、これら平板部３ａを間隔方向に連結するように掛け渡される固定部３ｂとを備えている。各平板部３ａには、図５に示されるように、その端縁から延びる溝３ｄが設けられている。この溝３ｄの幅寸法は、前記案内ピン２ｃの直径より若干大きく形成されている。これにより、溝３ｄに案内ピン２ｃを挿入することによって、図１および図４に示されるように、ホルダ３に対する超音波振動子２のＸ方向およびＹ方向の移動が制限されるようになっている。

また、固定部３ｂには、ネジ孔３ｅが設けられ、後述する押圧調節部７のボルト７ａを締結することができるようになっている。
前記被駆動部材４は、前記２つの摩擦接触子２ｂを同時に接触させる平板状部材である。被駆動部材４は図示しないガイドレールやステージ等によりＸ方向のみに滑らかに移動するように支持されている。

前記押圧機構５は、前記超音波振動子２に対し、前記摩擦接触子２ｂが固定された側面とは反対側の側面に対向して配置される押圧部材６と、該押圧部材６に、前記摩擦接触子２ｂの方向に付勢する押圧力Ｆａ，Ｆｂを付与する押圧力調節部７とを備えている。
前記押圧部材６は、超音波振動子２ａに隙間をあけて対向配置される押圧板６ａと、該押圧板６ａと超音波振動子２ａとの間に挟まれる球体６ｂとを備えている。押圧板６ａは超音波振動子２ａの全長を越えて長手方向の両側に延び、その両端が、超音波振動子２ａの高さ方向に沿って摩擦接触子２ｂ側に一旦屈曲し、さらに長手方向に屈曲したクランク状の形状を有している。

球体６ｂと接触する押圧板６ａの表面には、図６に示されるように、球体と面接触するように窪む凹部６ｃが設けられている。この凹部６ｃは、前記圧電積層体２ａの有する屈曲振動の３つの節Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の内、両側の節Ａ_１，Ａ_３にそれぞれ対応する位置に設けられている。これにより、凹部６ｃに球体６ｂを収容した状態で、球体６ｂを押圧板６ａと圧電積層体２ａとの間に挟むと、球体６ｂが圧電積層体２ａの振動の節Ａ_１，Ａ_３に対応する位置に点接触させられるようになっている。また、押圧板６ａの両端部には、後述するボルト７ａの外径寸法より十分に大きな内径寸法を有する貫通孔８が設けられている。

前記押圧力調節部７は、図１および図７に示されるように、前記押圧板６ａの両端部に形成された貫通孔８を通過して前記ホルダ３の固定部３ｂのネジ孔３ｅに締結されるボルト７ａと、該ボルト７ａを通過させ、ボルト７ａの頭部と押圧板６ａの両端部との間にワッシャ７ｂを介して挟まれる圧縮コイルバネ７ｃとを備えている。ボルト７ａのネジ孔３ｅへの締結量を調節することにより、圧縮コイルバネ７ｃの圧縮量を変化させ、これによって押圧板６ａから球体６ｂを介して超音波振動子２に付与する押圧力を調節することができるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る超音波振動子２の押圧機構５および超音波モータ１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る押圧機構５により、超音波振動子２を被駆動部材４に対して押し付けるには、押圧力調節部７を構成するボルト７ａをホルダ３に設けられたネジ孔３ｅに対して締結していくことにより、圧縮コイルバネ７ｃの圧縮量を増大させる。これにより、圧縮コイルバネ７ｃの弾発力が増大し押圧板６ａを押圧する押圧力Ｆａ，Ｆｂが増大していく。

押圧板６ａと超音波振動子２の圧電積層体２ａとの間には球体６ｂが挟まれているので、押圧力Ｆａ，Ｆｂは球体６ｂを介して圧電積層体２ａに伝達され、圧電積層体２ａに固定されている摩擦接触子２ｂが被駆動部材４に押し付けられる。この場合において、本実施形態においては、押圧力調節部７が超音波振動子２の長手方向の両側に２カ所に設けられ、かつ、圧電積層体２ａに押し付けられる球体６ｂが、超音波振動子２の長手方向に間隔をあけて２カ所に設けられている。

したがって、各押圧力調節部７において付与する押圧力Ｆａ，Ｆｂを調節することにより、２カ所の球体６ｂを介して圧電積層体２ａに伝達する押圧力をそれぞれ調節することができる。その結果、圧電積層体２ａの屈曲振動の２カ所の腹Ｂ_１，Ｂ_２に対応する位置に設けられている２つの摩擦接触子２ｂと被駆動部材４との接触圧力を均等にバランスさせることができる。すなわち、２つの摩擦接触子２ｂに作用する押圧力を均等にすることにより、摩擦接触子２ｂに発生させる略楕円運動の回転方向を正逆方向に変化させても、同等の駆動特性を達成することができる。

さらに、本実施形態においては、球体６ｂが、圧電積層体２ａの屈曲振動の２カ所の節Ａ_１，Ａ_３に対応する位置において圧電積層体２ａを押圧している。これらの節Ａ_１，Ａ_３に対応する位置は、屈曲振動によってもほとんど変位しない位置であるため、この位置を押圧することで、屈曲振動を妨げることなく押圧することができる。すなわち、超音波振動子２の駆動効率を低下させることなく高効率で駆動することができる。したがって、同一の駆動力を達成するための消費電力を低減することができ、また、同じ消費電力によって高い駆動力を得ることができる。

特に、押圧板６ａと圧電積層体２ａとが球体６ｂにより点接触しているので、その接触面積は最低限に限定され、駆動効率の低下を防止する効果は極めて高い。また、球体６ｂを押圧板６ａおよび圧電積層体２ａとは独立に設けることによって、圧電積層体２ａに縦振動が発生しても、圧電積層体２ａの表面において球体６ｂを転動させることができ、縦振動を妨げることもないのでさらに効果的である。

なお、図１に示されるように、圧電積層体２ａの中央の節Ａ_２からの摩擦接触子２ｂの中央までの距離Ｌ_１，Ｌ_２、圧縮コイルバネ７ｃの中心線までの距離Ｌａ，Ｌｂとし、各圧縮コイルバネ７ｃにより発生する押圧力Ｆａ，Ｆｂとすると、２つの摩擦接触子２ｂに均等に押圧力が付与されるためには、式（１）の関係が成立する必要がある。
Ｆａ／Ｆｂ＝（Ｌｂ＋（Ｌ_１−Ｌ_２）／２）／（Ｌａ−（Ｌ_１−Ｌ_２）／２） …（１）

すなわち、圧縮コイルバネ７ｃの組み付けに際して位置ズレが生じた場合などであっても、超音波振動子２の長手方向の両側に設けられた個々の押圧力調節部７において、圧縮コイルバネ７ｃにより加える押圧力Ｆａ，Ｆｂを適当に調節することにより、２つの摩擦接触子２ｂから被駆動部材４に加えられる押圧力を簡易に均等にすることができる。

なお、この圧縮コイルバネ７ｃに加える押圧力Ｆａ，Ｆｂの調節は、押圧力Ｆａ，Ｆｂの値や圧縮コイルバネ７ｃの位置ズレ量等の測定を行う必要はなく、超音波振動子２を作動させながら、正逆方向の移動速度差をエンコーダや光センサなどで確認して調整することにより、適正に行うことができる。

また、本実施形態に係る超音波モータ１によれば、押圧板６ａを超音波振動子２の長手方向の全長より長く延ばし、クランク状に屈曲させているので、圧縮コイルバネ７ｃおよびボルト７ａを、超音波振動子２の高さ方向の途中位置に配置することができる。その結果、圧縮コイルバネ７ｃおよびボルト７ａの収容スペースを超音波振動子２の高さ方向に重複する位置に配置し、超音波モータ１を薄型化することができるという利点もある。
すなわち、本実施形態に係る超音波モータ１によれば、押圧機構５の作動により、高駆動効率で消費電力が低く、正逆方向に駆動特性が変化せず、薄型に構成することができる。

なお、本実施形態においては、押圧部材６を押圧板６ａと球体６ｂとにより構成したが、これに代えて、図８に示されるような押圧板６ａと円柱体６ｂ′とにより構成してもよい。この場合、円柱体６ｂ′は、押圧板６ａと圧電積層体２ａとの間に、その軸線を圧電積層体２ａの長手方向に直交させて配置すればよい。このようにすることで、球体６ｂの場合と同様に、圧電積層体２ａとの接触を最小限の線接触に留め、屈曲振動および縦振動を妨げないように押圧力を付与することができるという利点がある。

また、球体６ｂに代えて、例えば、図９に示されるような略錐体からなる弾性体９、あるいは、図１０に示されるような略三角柱からなる弾性体９′を採用してもよい。このようにすることで、圧電積層体２ａに点接触あるいは線接触に近い状態で接触して、押圧力を付与する領域を限定することができる。これにより、屈曲振動を妨げることがない。また、縦振動に対しても、略錐体あるいは略三角柱からなる弾性体９，９′を弾性変形させて、これを妨げることなく押圧力を付与することができる。略錐体または略三角柱からなる弾性体９，９′により構成することで、広い面積で押圧板６ａに接触し、安定して押圧力を付与することができる。

なお、弾性体９，９′の材質としては、ブチルゴムやシリコーンゴム、その他の所定の硬度を有するものを採用することができる。また、弾性体９，９′は、押圧板６ａに接着されていることが好ましい。
また、弾性体９，９′の形状としては錐体や三角柱に限定されるものではなく、半球体や半円柱体等の任意の形態のものを採用することができる。

また、本実施形態においては、３カ所の節Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３の内、２カ所の節Ａ_１，Ａ_３に対応する位置において球体６ｂ等により圧電積層体２ａに押圧力を付与することとしたが、これに代えて、３カ所全ての節Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３において押圧力を付与することにしてもよい。

また、本実施形態においては、２カ所の腹Ｂ_１，Ｂ_２に対応する位置に２つの摩擦接触子２ｂを設け、これら摩擦接触子２ｂに付与される押圧力をバランスさせることとしたが、これに代えて、２つの摩擦接触子２ｂを連結した１個の摩擦接触子（図示略）を採用してもよい。この場合、押圧機構５の作動により、押圧力Ｆａ，Ｆｂを調節することにより、定在波の腹Ｂ_１，Ｂ_２に対応する位置における摩擦接触子と被駆動部材４との接触圧力の分布を均等にすることにすればよい。

本発明の一実施形態に係る超音波モータを示す正面図である。 図１の超音波モータの超音波振動子の縦振動を示す模式図である。 図１の超音波モータの超音波振動子の屈曲振動を説明する模式図である。 図１の超音波モータのＡ−Ａ断面を示す縦断面図である。 図１の超音波モータの超音波振動子を指示するホルダを示す正面図である。 図１の超音波モータのＢ−Ｂ断面を示す縦断面図である。 図１の超音波モータの押圧力調節部を示す縦断面図である。 図１の超音波モータの押圧部材の変形例を示す部分的な斜視図である。 図１の超音波モータの押圧部材の変形例を示す縦断面図である。 図９の超音波モータの押圧部材の変形例を示す部分的な斜視図である。

符号の説明

Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３ 定在波の節
Ｂ_１，Ｂ_２ 定在波の腹
１ 超音波モータ
２ 超音波振動子
２ｂ 摩擦接触子（摺動部材）
４ 被駆動部材
５ 押圧機構
６ 押圧部材
７ 押圧力調節部
９，９′ 弾性部材

Claims (7)

1. 超音波振動子の振動の定在波の腹となる２以上の位置に設けられた摺動部材を被駆動部材に押し付ける押圧機構であって、
   前記超音波振動子の振動の定在波の節となる２以上の位置において、前記超音波振動子に接触する押圧部材と、
   該押圧部材に対し、前記２以上の定在波の節の間隔方向に離れた２カ所以上の位置において、前記摺動部材を前記被駆動部材に押し付ける押圧力を調節可能に付与する押圧力調節部とを備える超音波振動子の押圧機構。
2. 前記押圧部材が、前記超音波振動子の屈曲振動の節に対応する位置において超音波振動子に接触する請求項１に記載の超音波振動子の押圧機構。
3. 前記押圧部材が、前記２以上の定在波の節の間隔方向に、前記超音波振動子の全長よりも長く延び、前記２以上の押圧力調節部が、前記押圧部材の両端に配置されている請求項１または請求項２に記載の超音波振動子の押圧機構。
4. 前記押圧部材と前記超音波振動子とが、ほぼ点接触させられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波振動子の押圧機構。
5. 前記押圧部材と前記超音波振動子とが、前記２以上の定在波の節の間隔方向に直交する方向にほぼ線接触させられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波振動子の押圧機構。
6. 前記押圧部材と前記超音波振動子との接触部が、弾性部材により構成されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波振動子の押圧機構。
7. 一方向に間隔をあけて２以上の節と２以上の腹とを形成する定在波振動を発生するとともに、前記定在波振動の腹となる２以上の位置に摺動部材を備える超音波振動子と、
   該超音波振動子の前記摺動部材との間の摩擦力により駆動される被駆動部材と、
   請求項１から請求項６のいずれかに記載の押圧機構とを備える超音波モータ。

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