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【発明の名称】 振動波駆動装置
【発明者】 【氏名】日塔 潔

【要約】 【課題】径方向寸法を小さくして小型化を図ることができるとともに、移動子の駆動効率を高めて高出力を取り出すことができる振動波駆動装置を提供する。

【構成】この振動波駆動装置は、中空状の弾性体3の一方の端部に圧電素子4が結合されるとともに、弾性体3の他方の端部に中空状の移動子16が接触する面が設けられた振動子1を備える。弾性体3の移動子16が接触する面には、該移動子16の内径部に対向するとともに、前記接触する面に発生する曲げ振動とは変位方向の異なる曲げ振動を発生する突出弾性部2が形成されている。そして、圧電素子4側に振動子1を支持する支持部材6が配置されて、軸出力構造とされている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
中空状の弾性体の一方の端部に電気エネルギーを機械エネルギーに変換する中空状のエネルギー変換素子が結合されるとともに、前記弾性体の他方の端部に中空状の移動子が接触する面が設けられた振動子を備え、
前記弾性体の前記移動子が接触する面に、該移動子の内径部に対向するとともに、前記接触する面に発生する曲げ振動とは変位方向の異なる曲げ振動を発生する突出弾性部が形成された振動波駆動装置において、
前記エネルギー変換素子側に前記振動子を支持する支持部材を配置したことを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項2】
前記移動子に出力軸を結合して、該出力軸を前記振動子の中空孔に挿入するとともに、前記支持部材と前記出力軸との間に軸受を介装したことを特徴とする請求項1に記載の振動波駆動装置。
【請求項3】
前記エネルギー変換素子に交番信号を印加することにより前記振動子に振動波を発生させて前記移動子を駆動することを特徴とする請求項1又は2に記載の振動波駆動装置。
【請求項4】
前記エネルギー変換素子の中空孔の内径を前記弾性体の中空孔の内径より大きくして、該エネルギー変換素子の前記中空孔に前記弾性体の一方の端面を露出させ、該露出面に前記支持部材を固定したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の振動波駆動装置。
【請求項5】
前記露出面に前記支持部材を溶接により固定したことを特徴とする請求項4に記載の振動波駆動装置。
【請求項6】
前記支持部材を、前記エネルギー変換素子の中空孔の周囲に形成された環状凹部に配置したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の振動波駆動装置。
【請求項7】
前記環状凹部に、前記エネルギー変換素子の給電部を設けたことを特徴とする請求項6に記載の振動波駆動装置。
【請求項8】
前記環状凹部が、前記エネルギー変換素子の曲げ振動の節であることを特徴とする請求項6又は7に記載の振動波駆動装置。
【請求項9】
請求項6〜8のいずれか一項に記載の振動波駆動装置であって、前記エネルギー変換素子が電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有する材料に電極領域を配置したものを複数層重ねて形成され、
該複数層の各電極領域を、電極領域接続用導電膜を介して互いに接続するとともに、前記環状凹部に設けた給電用電極膜に給電部接続用導電膜を介して接続することを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項10】
請求項6〜8のいずれか一項に記載の振動波駆動装置であって、前記エネルギー変換素子が電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有する材料に電極領域を配置したものを複数層重ねて形成され、
前記環状凹部の周囲に配置された電極領域接続用導電膜と該環状凹部の底部側に配置された電極領域接続用導電膜とを、給電部接続用導電膜及び前記電極領域のいずれかを介して接続することを特徴とする振動波駆動装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば、超音波モータ等の振動波駆動装置に関する。
【背景技術】
【0002】
超音波モータ等の振動波駆動装置は、例えば金属からなる弾性体に電気エネルギーを機械エネルギー変換する素子である圧電素子が固定された振動子を有しており、この圧電素子に交番信号を印加することで、弾性体の表面に進行性振動波を発生させる。そして、この進行性振動波によって弾性体の表面に加圧接触する移動子(ロータ)を駆動するようになっている。
【0003】
図7及び図8を参照して、従来のこの種の振動波駆動装置の一例を説明すると、この振動波駆動装置は、円環状の金属からなる弾性体101の底面に圧電素子(エネルギー変換素子)102が固定された振動子100を備えている。弾性体101の上面には、振動変位を拡大するための溝101aが形成されており。この溝101aによって形成された突起部101bの先端にはロータ(移動子)104に加圧接触する摩擦部材103が設けられている。
【0004】
弾性体101の内径部にはばね性を有する薄肉のフランジ101cが径方向内方に延設されており、このフランジ101cはベース部材108に固定されている。弾性体101とベース部材108との間にばね性を有するフランジ101cを設けることにより、振動子100の振動を妨げることなくベース部材108によって該振動子100を支持することができる。
【0005】
ロータ104には、ロータ104を振動子100に向けて加圧する皿ばね106が固定されている。この皿バネ106はベース部材108に転がり軸受107を介して回転可能に支持された回転軸105に固定されており、従って、ロータ104は回転軸105と一体となって回転する。
【0006】
圧電素子102には、互いに1/4波長だけずれた定在波を発生させることが可能な電極パターンが形成されており、この2つの定在波を時間的に90°位相をずらして励起することにより、弾性体101の表面には進行性振動波が発生する。そして、この進行性振動波によって、弾性体101の表面に加圧接触するロータ104が押し出されるようにして回転駆動する。
【0007】
しかし、上記従来の振動波駆動装置においては、弾性体101の内径部に設けたフランジ101cによって振動子100を支持する構造を採用しているので、回転軸105の径が振動子100の大きさと比べて相対的に小さくなる。このため、装置を小型化した場合には、小型高出力モータの出力を十分に取り出すことができなくなり、従って、装置を小型化するには限界がある。なお、弾性体の外径部から径方向外方に延設されたフランジによって振動子を支持する構造も知られているが、この場合、必要な回転軸の径を確保できても、装置の径方向の寸法が大きくなる。
【0008】
そこで、図9に示すように、弾性体の内外径部に振動子を支持するフランジを設けることなく、径方向の寸法を小さくして装置の小型化を可能した振動波駆動装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0009】
この振動波駆動装置110は、振動子111を備えている。振動子111は、中空状の弾性体112の底部に圧電素子114が結合され、弾性体112の上端部には、ロータ(移動子)117の摺動部材117aが加圧接触する面が設けられている。また、弾性体112の摺動部材117aが加圧接触する面の略中央部には、ロータ117が外挿される突出弾性部113が形成されており、該突出弾性部113はロータ117の内径部に対向している。
【0010】
振動子111の中心孔の内壁には段差111aが形成されており、段差111aには圧電素子114の反対側の端部から振動子111の中心孔に挿入された支持部材115のフランジ115aが当接している。支持部材115の圧電素子114側の端部には、ナット116が螺合され、該ナット116を締め付けることで、弾性体112及び突出弾性部113が固定される。かかる固定状態においては、ナット116は、圧電素子114の中空孔内に配置される。
【0011】
ロータ117の圧電素子114から離間する側の端部には、該ロータ117と一体に回転するとともに、ロータ117の軸方向の移動を許容するギヤ等の出力部材118が取り付けられている。出力部材118とロータ117の内径部に形成されたばね受け部117bとの間には、ロータ117を圧電素子114側に付勢して該ロータ117の摺動部材117aを弾性体112に加圧接触させるばね等の加圧部材119が介装されている。
【0012】
支持部材115の圧電素子114の反対側の端部には固定部材120が結合されており、該固定部材120には出力部材118が回転可能に支持されている。また、支持部材115の固定部材120から突出する端部にはナット121が螺合されており、該ナット121を締め付けることで、支持部材115が固定部材120に固定される。なお、ナット121が螺合される支持部材115の突出端115aに例えばDカットを施すことで、固定部材120に対する支持部材115の回転を規制することが可能となる。
【0013】
そして、圧電素子114に交番信号を印加することで、突出弾性部113に複数の同次数の2つの曲げ振動が励起され、この2つの曲げ振動が合成されることで、振動子110には支持部材115を略中心として弾性体112が円を描くような回転運動が発生する。この回転運動により、弾性体112の表面に加圧接触しているロータ117が押し出されるようにして回転駆動される。
【特許文献1】特許第3566711号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
上記特許文献1に記載の振動波駆動装置においては、弾性体の内外径部に振動子を支持するフランジを設けることなく、径方向寸法を小さくして、装置を小型化することができる。
【0015】
しかし、振動子111を支持する支持部材115が該振動子111の中空孔に挿通しているため、軸出力構造とすることができない。このため、ロータ113の回転運動に寄与する振動が減衰しやすくなって駆動効率が低下し、高出力を取り出すことが難しいという問題がある。
【0016】
そこで、本発明は、径方向寸法を小さくして小型化を図ることができるとともに、移動子の駆動効率を高めて高出力を取り出すことができる振動波駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記目的を達成するために、本発明は、中空状の弾性体の一方の端部に電気エネルギーを機械エネルギーに変換する中空状のエネルギー変換素子が結合されるとともに、前記弾性体の他方の端部に中空状の移動子が接触する面が設けられた振動子を備え、前記弾性体の前記移動子が接触する面に、該移動子の内径部に対向するとともに、前記接触する面に発生する曲げ振動とは変位方向の異なる曲げ振動を発生する突出弾性部が形成された振動波駆動装置において、前記エネルギー変換素子側に前記振動子を支持する支持部材を配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、振動子のエネルギー変換素子側に該振動子を支持する支持部材を配置しているので、容易に軸出力構造とすることができる。これにより、弾性体の内外径部に振動子を支持するフランジを設けることなく、振動波駆動装置の径方向寸法を小さくして小型化を図ることができるとともに、移動子の駆動効率を高めて高出力を取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図1は本発明の実施の形態の一例である振動波駆動装置を説明するための断面図、図2(A)は図1に示す振動波駆動装置に組み込まれる振動子を示す図、図2(B)は図2(A)のB−B線に沿う断面図である。また、図3(A)はエネルギー変換素子である圧電素子の模式的な分解斜視図、図3(B)は圧電素子の軸方向に沿う断面図である。
【0020】
本発明の実施の形態の一例である振動波駆動装置は、図1及び図2に示すように、振動子1を備えている。振動子1は、金属等の振動減衰損失の小さい材料からなる短円筒状の弾性体3の底部に圧電素子(エネルギー変換素子)4が結合され、弾性体3の上端部には、ロータ(移動子)16の摺動部材15が加圧接触する面が設けられている。摺動部材15は弾性を有しており、ロータ16に固定されてロータ16と一体に回転する。また、弾性体3の前記摺動部材15が加圧接触する面の略中央部には、ロータ16が外挿される突出弾性部2が形成されており、該突出弾性部2はロータ16の内径部に対向している。
【0021】
圧電素子4は、内外径寸法が弾性体4と略同一の環状積層板状に形成されており、弾性体3の底部に接着剤等を介して結合されている。また、圧電素子4の弾性体3から離間する側に開口する孔の周囲には、環状凹部4aが形成されている。この環状凹部4aの底面には、弾性体3に発生する2次の曲げ振動の節が現れるようになっている。また、圧電素子4の環状凹部4aの底面には、該圧電素子4へ印加する交番信号を不図示の電源より供給するためのフレキシブル基板5が固定されている。
【0022】
図3に、圧電素子4の電極領域、環状凹部4aに設けた給電用電極膜(給電部)及び接続用導電膜の形成パターン例を示す。
【0023】
図3に示すように、圧電素子4は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有する材料に電極領域7を配置した環状板材を複数層重ねて形成されている。そして、複数層の各電極領域7が、複数の電極領域接続用導電膜8を介して互いに接続されるとともに、環状凹部4aの底面に設けた給電用電極膜9に複数の給電部接続用導電膜10を介して接続されている。
【0024】
図1及び図2に戻って、圧電素子4の環状凹部4aの底面には、振動子1を支持する支持部材6が固定されている。支持部材6は、圧電素子4と略同径の環状板状に形成されており、内径部の周囲には環状凹部4aの底部にフレキシブル基板5を介して接触する環状凸部6aが形成されている。なお、フレキシブル基板5に形成された交番信号を供給するための電極は、振動子に形成された電極のうち、電極領域7とは接触せずに給電用電極膜9と接触する。
【0025】
また、ロータ16の圧電素子4から離間する側の端部には、該ロータ16と一体に回転するとともに、ロータ16の軸方向の移動を許容する環状板状の板ばね11が嵌合されている。板ばね11とロータ16の内径部に形成されたばね受け部16aとの間には、ロータ16を圧電素子4側に付勢して該ロータ16の摺動部材15を弾性体3に加圧接触させるばね等の加圧部材18が介装されている。
【0026】
また、板ばね11の内径部には、連結部材12を介して出力軸13が固定されている。出力軸13は振動子1の内径部を挿通して、軸方向の両端部が固定部材19と支持部材6とにそれぞれ転がり軸受17を介してロータ16及び板ばね11と一体回転可能に支持されている。出力軸13の支持部材6から突出する端部には、出力ギヤ14が取り付けられており、この出力ギヤ14から出力を取り出すようになっている。
【0027】
そして、不図示の電源から圧電素子4に時間的にπ/2の位相差を有する交流電界を印加すると、弾性体3には、圧電素子4の結合面に対して略垂直方向に変位し、かつ、互いの波長方向が直交または略直交する2つの2次の曲げ振動(1つは波長方向が紙面と平行であり、もう1つは波長方向が紙面と垂直)が発生する。
【0028】
一方、突出弾性部2には、圧電素子4の結合面に対して略平行方向に変位し、かつ互いの変位方向が直交または略直交する2つの1次の曲げ振動(1つは変位方向が紙面と平行であり、もう1つは変位方向が紙面と垂直)が発生する。
【0029】
これらの振動が合成されることにより、弾性体3の圧電素子4から離間する側の端面に周方向に沿った1次の進行性振動波が励起される。この進行性振動波により、弾性体3に加圧接触するロータ16が進行性振動波に押し出されるようにして回転駆動され、この回転力が板ばね11及び出力軸13を介して出力ギヤ14に伝達され、該出力ギヤ14から出力が取り出される。
【0030】
このように、この実施の形態では、振動子1の圧電素子4側に該振動子1を支持する支持部材6を配置しているので、容易に軸出力構造とすることができる。これにより、弾性体の内外径部に振動子を支持するフランジを設けることなく、振動波駆動装置の径方向寸法を小さくして小型化を図ることができる。また、ロータ16の回転運動に寄与する振動を減衰させずに、該ロータ16の駆動効率を高めて高出力を取り出すことができる。
【0031】
なお、本発明は上記実施の形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【0032】
例えば、図4及び図5に、圧電素子4の電極領域、環状凹部4aに設けた給電用電極膜(給電部)及び接続用導電膜の形成パターンの変形例を示す。
【0033】
まず、図4は、圧電素子4の複数層の各電極領域7が、環状凹部4aの周囲に配置された複数の電極領域接続用導電膜8b及び環状凹部4aの底部側に配置された複数の電極領域接続用導電膜8aを介して接続されている。また、電極領域7と環状凹部4aに設けられた給電用電極膜9とを接続する複数の給電部接続用導電膜10を介して複数の電極領域接続用導電膜8bと複数の電極領域接続用導電膜8aとが接続されている。
【0034】
一方、図5は、圧電素子4の複数層の各電極領域7が、環状凹部4aの周囲に配置された複数の電極領域接続用導電膜8bを介して接続されている。また、任意の電極領域7と環状凹部4aに設けられた給電用電極膜9とが、環状凹部4aの底部側に配置された複数の電極領域接続用導電膜8aを介して接続されている。従って、複数の電極領域接続用導電膜8bと複数の電極領域接続用導電膜8aとは、任意の電極領域7を介して接続される。
【0035】
また、図6に、振動子の変形例を示す。
【0036】
この振動子1aは、圧電素子4の内径を弾性体3の内径より大きくして、該圧電素子4の内径に弾性体3の端面を露出させ、該露出面に支持部材6を固定している。このようにすると、弾性体3に発生する2次の曲げ振動の節が、弾性体3と圧電素子4との結合面と同一平面上に現れる。なお、支持部材6が金属製であれば、支持部材6と弾性体3とを溶接等で固定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【図1】本発明の実施の形態の一例である振動波駆動装置を説明するための断面図である。
【図2】(A)は図1に示す振動波駆動装置に組み込まれる振動子を示す図、(B)は(A)のB−B線に沿う断面図に支持部材を配置した図である。
【図3】(A)はエネルギー変換素子である圧電素子の模式的な分解斜視図、(B)は圧電素子の軸方向に沿う断面図である。
【図4】(A)は圧電素子の変形例を示す模式的な分解斜視図、(B)は圧電素子の軸方向に沿う断面図である。
【図5】(A)は圧電素子の変形例を示す模式的な分解斜視図、(B)は圧電素子の軸方向に沿う断面図である。
【図6】(A)は振動子の変形例を示す図、(B)は(A)のB−B線に沿う断面図に支持部材を配置した図である。
【図7】従来の振動波駆動装置の一例を示す断面図である。
【図8】図7に示す振動波駆動装置に組み込まれる振動子及び移動子の一部を破断した図である。
【図9】従来の他の振動波駆動装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【0038】
1 振動子
2 突出弾性部
3 弾性体
4 圧電素子(エネルギー変換素子)
4a 環状凹部
6 支持部材
7 電極領域
8 電極領域接続用導電膜
9 給電用電極膜(給電部)
10 給電部接続用導電膜
13 出力軸
16 ロータ(移動子)
17 転がり軸受
【出願人】 【識別番号】000001007
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
【出願日】 平成18年6月29日(2006.6.29)
【代理人】 【識別番号】100125254
【弁理士】
【氏名又は名称】別役 重尚


【公開番号】 特開2008−11651(P2008−11651A)
【公開日】 平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願番号】 特願2006−180234(P2006−180234)