JP5701020B2 - 振動型駆動装置における振動体とその製造方法、振動型駆動装置とその振動子 - Google Patents

Description

本発明は、振動型駆動装置における振動体とその製造方法、振動型駆動装置とその振動子に関し、特にリニア型の超音波モータ（振動型駆動装置）における振動体とその製造方法、振動型駆動装置とその振動子に関する。
また、本発明の振動型駆動装置の振動子は、上記した振動型駆動装置における振動体と、前記電気−機械エネルギー変換素子と、を有することを特徴とする。
また、本発明の振動型駆動装置における振動体は、電気−機械エネルギ変換素子が接合される基部と、
少なくとも１つの突起部と、
を有し、
前記突起部は、前記基部に対して面外方向に伸びる少なくとも２つの壁部と、前記壁部の間を連結する前記被駆動体との接触面を有する接触部と、によって形成され、
前記基部と前記少なくとも１つの突起部は、１つの部材から一体的に形成されていることを特徴とする。

被駆動物を直線状に駆動するリニア型超音波モータとして、従来において特許文献１のような振動型駆動装置が提案されている。
このようなリニア型超音波モータ（振動型駆動装置）の駆動原理について、図を用いて説明する。
図８（ａ）のリニア型超音波モータの外観斜視図に示されるように、リニア型超音波モータ５１０は、振動子５０１とスライダ５０６および振動子をスライダに加圧するための加圧部材（不図示）から構成されている。
振動子５０１は、圧電素子等に代表される電気−機械エネルギ変換素子５０５と、該電気−機械エネルギ変換素子５０５の片面に接合されて一体化される振動体から構成される。
振動体は、矩形状に形成された基部５０２と、この基部の上面に対して凸状に形成された２つの突起部５０３、５０４とを有している。

超音波モータにおいては、圧電素子に特定の周波数の電圧（交番電界ともいう）を印加することで、所望の振動モードを複数励振し、これら振動モードを重ね合わせることにより、駆動するための振動を形成する。
図８（ａ）のモータでは、図８（ｂ−１）、（ｂ−２）に示す２つの曲げ振動モードを振動子５０１に励振させる。
この２つの曲げ振動モードはどちらも、板状の振動子５０１の面外方向の曲げ振動モードである。
一方の振動モードは、振動子５０１の長手方向に２次の曲げ振動モード（Ｍｏｄｅ−Ａ：送りモード）であり、他方の振動モードは、振動子５０１の幅方向に１次の曲げ振動モード（Ｍｏｄｅ−Ｂ：突上げモード）である。
振動子５０１の形状は、２つの振動モードの共振周波数が一致するか、近くなるように設計される。
突起部５０３、５０４は、Ｍｏｄｅ−Ａ（送りモード）の振動において振動の節となる位置の近傍に配置されている。そして、Ｍｏｄｅ−Ａの振動によって、突起部先端面５０３−１、５０４−１は振動の節を支点として振り子運動をするため、Ｘ方向（送り方向）に往復運動する。
また突起部５０３、５０４は、Ｍｏｄｅ−Ｂ（突上げモード）の振動において振動の腹となる位置の近傍に配置されており、Ｍｏｄｅ−Ｂの振動によって、突起部先端面５０３−１、５０４−１はＺ方向（突上げ方向、法線方向ともいう）に往復運動する。

これら２つの振動モード（Ｍｏｄｅ−ＡとＭｏｄｅ−Ｂ）の振動位相差が±π／２近傍となるように同時に励振し、重ね合わせることで、突起部先端面５０３−１、５０４−１には、ＸＺ面内の楕円運動が生成される。
この楕円運動により、加圧接触されたスライダ５０６を一方向に駆動することが出来る。
このとき、振動子５０１の突起部５０３、５０４とスライダ５０６とは、振動子５０１の駆動周波数（数十ｋＨｚ以上）で断続接触を繰返すことになるため、一方が適切なばね特性を有していないと、良好な接触状態が得られない。
一方、突起部５０３、５０４には前述したように、Ｘ方向の振動を増幅する機能も有している。

これら２つの機能を満足させるため、特許文献２では、図９に示されるように、突起部５０３、５０４にばね性を持たせ、かつ突起部５０３、５０４を適切な形状にすることで、静寂な駆動を実現する振動型アクチュエータ（リニア型超音波モータ）が提案されている。
この振動型アクチュエータにおいては、ばね性を有した突起部６０９、６１０が別部材として加工され、基部６０２に接合されることで振動体が形成されている。

特開２００４−３０４８８７号公報 特開２００８−１２５１４７号公報

しかしながら特許文献２の振動型アクチュエータの構成では以下に述べるようにモータの高速化に限界がある。モータをより高速化で駆動するための１つの対策として、前記振動体の突起の送り方向（Ｘ方向）の振動振幅を拡大させるという手法がある。
送り方向（Ｘ方向）の振動振幅を拡大させる方法の１つとして突起部の高さを高くすることが挙げられる。
しかし、特許文献１の振動型駆動装置の振動体では、突起高さを高くすると高速化を実現することが出来るものの、製造上においてコスト高となることが避けられない。
一方、特許文献２の振動子６０１において突起部の高さを高くすると送り方向の突起部の剛性が低くなり駆動効率が落ちる。また送りモード（Ｍｏｄｅ−Ａ）において突起部先端の振動角度を所望の値にすることが困難となる。その結果、Ｚ方向の不要振幅が生じてスライダとの接触が不安定になる恐れが生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、高速化を図ることができる振動体を、低コストで製造することが可能となる振動型駆動装置における振動体とその製造方法、振動型駆動装置とその振動子の提供を目的とするものである。

本発明の振動型駆動装置における振動体は、
電気−機械エネルギ変換素子が第１の面に接合される基部と、
前記基部の第２の面側に設けられた突起部と、
を有し、
前記電気―機械エネルギー変換素子に電圧が印加されることで、前記突起部に楕円運動が生じ、
前記突起部は、前記楕円運動の送り方向と垂直な断面において、前記基部に対して面外方向に伸びる少なくとも２つの壁部と、前記壁部の間を連結する前記被駆動体との接触面を有する接触部と、を有し、
前記楕円運動の前記第１の面の法線方向成分は、面外方向の曲げ振動モードによって得られ、
前記壁部における前記基部とのそれぞれの境界部は、前記法線方向において、変位の方向が同じ位置に設けられ、
前記基部と前記少なくとも１つの突起部は、１つの部材から一体的に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、高速化を図ることができる振動体を、低コストで製造することが可能となる振動型駆動装置における振動体とその製造方法、振動型駆動装置とその振動子を実現することができる。

本発明の実施例１における振動型駆動装置（リニア型超音波モータ）の振動体を説明する斜視図である。 本発明の実施例１における振動型駆動装置の振動体を説明する図である。 本発明の実施例２における振動型駆動装置の振動体を説明する図である。 本発明の実施例３における振動型駆動装置の振動体を説明する図である。 本発明の実施例４における３次の突上げモードを表す図である。 本発明の実施例５における振動型駆動装置の振動体を説明する図である。 本発明の実施例１における振動体の１次の曲げモード（突上げモード）を説明する断面図である。（ａ）は突起部と基部の境界面が、Ｙ方向に関して１次の曲げモードの振動の節と節の間に設けられる場合、（ｂ）はそれらの境界面が、１次の曲げモードの振動の節と節の外側に設けられている場合を説明する図である。 従来例である振動型駆動装置（リニア型超音波モータ）を説明する図であり、（ａ）は特許文献１のリニア型超音波モータの外観斜視図、（ｂ−１）、（ｂ−２）はその振動子に励振される振動モードを示す図である。 従来例である特許文献２に記載の振動型アクチュエータ（リニア型超音波モータ）の（ａ）振動子の斜視図、（ｂ）突起部拡大図と（ｃ）突起部の断面図である。

本発明を実施するための形態を、以下の実施例により説明する。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動型駆動装置の振動子を構成する振動体の構成例を、図１、図２を用いて説明する。
本実施例の振動子は、電気−機械エネルギ変換素子と接合され、１つまたは複数の突起部が形成された振動体を有する。
そして、この振動子は、電気−機械エネルギ変換素子への印加による、振動体の幅方向の１次の曲げ振動モードの振動と、振動体の幅方向と直交する方向の２次の曲げ振動モードの振動との合成によって、振動体の突起部がＸＺ面内において楕円の軌跡を描くように運動する。
これにより、振動体の突起部に接触させた被駆動体を、摩擦駆動により幅方向と交差する（典型的には直交する）方向に移動させることができる。
具体的には、図１、図２に示されるように、本実施例の振動子１１１は、矩形の薄板状に形成された電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子１０７と、この圧電素子１０７の一端面に接合されて一体化される振動体１０１とにより構成されている。
振動体１０１には、被駆動体であるスライダ（不図示）と接触する２つの突起部１０９、１１０が設けられており、この突起部１０９、１１０を介してスライダと振動体１０１とが加圧接触している。
圧電素子１０７に交流電界を印加すると、振動子１１１に２つの曲げ振動モードが励振され、突起部１０９、１１０の接触面には楕円運動が励振される。
その結果、突起部１０９、１１０と加圧接触しているスライダは、摩擦駆動力を受け、Ｘ方向（送り方向）に駆動される。

ここで、上記振動子１１１を構成する振動体１０１の構成について、図２を用いて説明する。
振動体１０１は、基部１０２と突起部１０９、１１０によって構成されている。これらの突起部１０９、１１０は、従来の技術で示した図８（ｂ−１）と同様の２次の曲げモード（送りモード）の節部近傍に形成されている。
ここで、突起部１０９、１１０は、２つの壁部１４ａ、１４ｂと、２つの壁部の間を連結する接触部１６とによって構成されている。本実施例では壁部は２つであるが、必要に応じて壁部を増やしても良い。例えば２つの壁部１４ａ、１４ｂとを間にスリット等を設けて互いに複数に分割することもできる。
接触部１６は、スライダに押圧接触される接触面を表面に形成されている。
基部１０２上に設けられた２つの壁部１４ａ、１４ｂは、同一のＺＹ面内にある。壁部は前記基部の面外方向に伸びるように形成され、典型的には基部に対して垂直方向に伸びるように形成されるが、必ずしも垂直である必要はなく、必要に応じて傾斜角をもたせることもできる。また上記「面外方向」とは前記基部の主面（前記突起部が形成される面）に非平行な方向を意味する。
つまり、突起部１０９、１１０は送り方向（Ｘ方向）と交差する（典型的には直交する）方向（Ｙ方向）に平行な方向に並設された２つの付け根を有する。尚、本発明において、「平行」とは厳密に平行である場合や設計上の誤差だけでなく、振動特性に実用上問題を与えない範囲で平行からずれていても良い。例えば平行から１０°ずれていても、所望の振動を得ることができる場合には許容される。
壁部は、所定の板幅と板厚を有して形成される。本実施例においては該板幅が該板厚より大きい板状部材で形成され、板状部材の板厚方向が振動体の幅方向に向けられ、板状部材の板幅方向が振動体の幅方向と直交する方向に向けられて形成されている。
このような構成とすることにより、壁部１４ａ、１４ｂの板厚方向がＹ方向となっており壁部１４ａ、１４ｂはＸ方向に幅が大きいため、突起部１０９、１１０はＸ方向に対して所定の剛性が確保されている。

図７（ａ）は振動体と圧電素子が接着された状態でＦＥＭ解析（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ：有限要素法）を行った結果の１次の曲げモードの断面図であり、図７（ｂ）はその２次の曲げモードの断面図である。
本実施例の１次の曲げモード場合、図７（ａ）に示すように、突起部の壁部と振動体の基部１０２の境界部１８ａ、１８ｂは、Ｙ方向に関して１次の曲げモード（突上げモード）の振動の節１３ａと節１３ｂの間に位置しているのが望ましい。
即ち、１次の曲げモード（突上げモード）において基部の主面のＺ方向（突き上げ方向／法線方向）の変位方向が互いに同じになる場所（位置）に突起部と基部の境界部である１８ａと１８ｂとを設けることが望ましい。本実施例の場合は、突起部と基部の境界部である１８ａと１８ｂは、基部の中央部のＺ方向の変位方向とも同じ変位方向となる場所（位置）に設けられている。本発明において上記「変位の方向が互いに同じ位置」とは、振動体の振動時における任意の瞬間を取出した場合に、同じ方向に変位している状態にある位置をいう。即ち、同じ瞬間において、同じ方向に変位している状態にある位置をいう。典型的には隣接する節と節との間の変位は、同じ方向の変位である。逆に節が３つＡ，Ｂ、Ｃの順に並んでいる場合、節Ａと節Ｂとの間の変位と、節Ｂと節Ｃとの間の変位は逆方向となる。

本発明においては、基部の主面のＺ方向（突き上げ方向／法線方向）に変位するとは、当該変位する部分の変位方向に基部の主面のＺ方向（突き上げ方向／法線方向）の成分が含まれていれば良い。
また本発明においては、図７（ｂ）に示すように境界部１８ａ、１８ｂが、１次の曲げモードの振動の節１３ａと節１３ｂの外側に設けることもできる。この場合、図７（ａ）と比較すると、基部の中央部と突起部の接触面中央の変形の方向が反対となるため、突起部の接触面がスライダと接触した際にＺ方向の力の伝達効率が相対的に低下する場合もあるが、実用上問題はない。上記突起部と基部の境界部の設計の自由度を向上させる点において意義がある。但し、この場合も、突起部と基部の境界部は、基部の主面のＺ方向（突き上げ方向／法線方向）の変位方向が互いに同じになる場所（位置）に設けることが必要である。突起部と基部の境界部を、基部の主面のＺ方向（突き上げ方向／法線方向）の変位方向が互いに異なる（逆になる）場所（位置）に設けると、突起部の接触面がスライダと接触した際にＺ方向の力の伝達が不安定となり、安定した駆動が得られない。具体的な一例としては、図７（ａ）において、節１３ｂをまたいで突起部と基部の境界部が設けられる場合である。

図２に示す構成において、さらにスライダにバネ性を持たせることで振動子１１１とスライダは良好な接触状態を実現できる。また接触部にバネ性を持たせることで、スライダにバネ性を持たせることなく安定した接触を実現することもできる。このようにスライダ又は接触部の少なくとも一方にバネ性を持たせることで、各々の接触状態を良好にすることができる。また、高速化のために突起部１０９、１１０の高さを高くしても突起部１０９、１１０は壁部１４ａ、１４ｂによりスライダの駆動方向であるＸ方向の剛性が確保されているため、振動子１１１の駆動力を効率良くスライダに伝達することが出来る。
また、図８に示す突起部５０３−１、５０４−１を持つ振動体５０１と比較し、突起部は、基部と、２つの壁部と、該２つの壁部の間を連結する前記接触部とによって囲まれた中空構造とされている。
これにより、接触部下に空間を有することから、突上げモードでの曲げ剛性が小さくなり、電力効率を向上させることができる。
なお、壁部１４ａ、１４ｂの幅と接触部１６のＸ方向の幅は同一でなくてもよい。
また、壁部１４ａ、１４ｂの幅もＺ方向に沿って同一である必要はない。
例えば、基部１０２に近い壁部１４ａ、１４ｂの幅を広くし接触部１６に近い壁部１４ａ、１４ｂの幅を狭くし壁部１４ａ、１４ｂの平均幅を広くすると壁部１４ａ、１４ｂのＸ方向の剛性を高めることが出来る。
本実施例の振動体の製造方法としては、例えば突起部１０９、１１０を形成し、レーザー溶接や接着等の接合により、基部１０２に突起１０９、１１０を形成することにより振動体を製造することができる。

［実施例２］
実施例２として、基部に複数のスリット又は切り欠きを設けて絞り加工を行うことで突起部と基部が一体に形成される振動体の構成例について、図３を用いて説明する。
本実施例では、実施例１と異なり、図３（ａ）に示すように、振動体２０１の接触部２６下の基部２０２の一部の領域に貫通穴２１を設けている。
このため、図３（ｂ）に示すように、絞り加工をする部分の両側にスリット２２を設け、その後、絞り加工をすることで、突起部を含めた振動体２０１を一体的に低コストで作ることができる。
基部２０２の一部に貫通穴２１が設けられることで、突上げ振動を発生させるためのエネルギが少なくて済み、結果として駆動効率を上げることができる。

［実施例３］
実施例３として、上記各実施例と異なる形態の振動型駆動装置における振動体の構成例について、図４を用いて説明する。
本実施例では、上記各実施例と異なり、振動体３０１の接触部３６下に貫通穴３１を設けるとともに、突起部を取り除いた時に基部３０２が２つに分かれるようにスリット３２が設けられている。
これにより、突起部を含めた振動体を曲げ加工によって一体的に作ることができる。
基部３０２の一部に貫通穴３１とスリット３２が設けられることで、突上げ振動を発生させるためのエネルギが少なくて済み、結果として駆動効率を上げることができる。

本実施例では、振動体の材質としてステンレス材料、特に耐摩耗性の高いＳＵＳ４２０Ｊ２やＳＵＳ４４０Ｃなどを用いられる。
作製する振動体３０１の全長Ｌ５（Ｙ方向の寸法）よりも寸法Ｌ４が大きな板を用意し、図４（ｂ）のように、切り欠き部やスリットを設ける。
突起の高さは振動体加工前のＬ１、Ｌ２寸法を調整することで任意の長さにできる。
該切り欠き部の加工は、エッチングやプレス加工による打抜き等により行い、その後、突起部１０９、１１０を曲げ加工を用いて成型する。
加工後の形状は図４（ａ）となり、切欠き部の一部は幅の狭いスリットとなる。このように、曲げ加工で突起部を成形することで、加工前と加工後の突起部１０９、１１０の板厚をほとんど変えることなく加工が可能となる。
その結果、板の高い伸び率が求められる絞り加工や鍛造加工等と違い、作製できる突起部の高さや形状の制約が少なくなる。
また、絞り加工に比べ突起部の板厚の減少が少なく剛性の大きい壁部３４を成型することが出来る。

［実施例４］
実施例４として、上記各実施例と異なる形態の振動型駆動装置における振動体の構成例について、図５を用いて説明する。
本実施例では、基部と突起部の壁部の境界部を、突上げモードの中央部の位相と同じ場所に設けている。
突上げモードとしては１次の曲げモードだけでなく２次や３次の曲げモードを用いてもよい。
例えば、図５（ａ）は基部と圧電素子が３次の曲げモードとなっており、突起部の壁部と基部の境界部を、突上げモードの中央部を含む位相と同じ位相となる場所（位置）に設けている。即ち、基部のＺ方向（突き上げ方向／法線方向）の変位方向が互いに同じになる場所（位置）に突起部と基部の境界部が設けられている。
これにより実施例１で示したように、突起部の２つの壁部の位相と突起部の接触面中央の位相が同じになり、安定した駆動が得られる。図５（ｂ）のように、基部と突起部の壁部の境界部２つを基部の中心に対して左右非対称に設けてもよい。

［実施例５］
実施例５として、上記各実施例と異なる形態の振動型駆動装置における振動体の構成例について、図６を用いて説明する。
図６（ａ）では、接触部５６と壁部５４ａ、５４ｂの間にＺ方向の剛性を下げた連結部５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄを設けることで、スライダにバネ性を持たせなくても安定した接触を実現できる。
連結部５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄの上面と比べ接触部５６の上面は高い位置に設けられており、スライダが連結部５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、５９ｄと接触しないようになっている。
このような形態では壁部５４ａ、５４ｂの幅と接触部の幅５６を独立に設定できるため、壁部の幅を大きくし駆動方向の剛性を更に高めることができる。

図６（ｂ）も同様であり、接触部５６と壁部５４ａ、５４ｂの間にＺ方向の剛性を下げた連結部５９ａ、５９ｂを設けることで、スライダにバネ性を持たせなくても安定した接触を実現できる。
結部５９ａ、５９ｂの上面と比べ接触部５６の上面は高い位置に設けられており、スライダが連結部５９ａ、５９ｂと接触しないようになっている。
このような形態では壁部５４ａ、５４ｂの幅と接触部の幅５６を独立に設定できるため、壁部の幅を大きくし駆動方向の剛性を更に高めることができる。

１３：突上げモードの振動の節
１４：壁部
１６：接触部
２１：貫通穴
３２：スリット
５９：連結部
１０１：振動体
１０２：基部
１０７：圧電素子
１０９、１１０：突起部

Claims (12)

1. 電気−機械エネルギ変換素子が第１の面に接合される基部と、
   前記基部の第２の面側に設けられた突起部と、
   を有し、
   前記電気―機械エネルギー変換素子に電圧が印加されることで、前記突起部に楕円運動が生じ、
   前記突起部は、前記楕円運動の送り方向と垂直な断面において、前記基部に対して面外方向に伸びる少なくとも２つの壁部と、前記壁部の間を連結する被駆動体との接触面を有する接触部と、を有し、
   前記楕円運動の前記第１の面の法線方向成分は、面外方向の曲げ振動モードによって得られ、
   前記壁部における前記基部とのそれぞれの境界部は、前記法線方向において、変位の方向が同じ位置に設けられ、
   前記基部と前記少なくとも１つの突起部は、１つの部材から一体的に形成されていることを特徴とする振動型駆動装置における振動体。
2. 前記突起部は、前記基部と、前記少なくとも２つの壁部と、該壁部の間を連結する前記接触部とによって囲まれた中空構造とされていることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置における振動体。
3. 前記接触部は、バネ性を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動型駆動装置における振動体。
4. 前記壁部は、所定の板幅と板厚を有し、該板幅が該板厚より大きい板状部材で形成され、
   前記板状部材の板厚方向が前記振動体の幅方向に向けられ、前記板状部材の板幅方向が前記振動体の幅方向と交差する方向に向けられて形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動型駆動装置における振動体。
5. 前記突起部と前記電気−機械エネルギ変換素子に挟まれた前記基部の一部の領域に、貫通穴が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動型駆動装置における振動体。
6. 前記突起部が、前記基部に形成された複数のスリット又は切り欠きを介して、一つの基部を構成する部材によって前記振動体と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の振動型駆動装置における振動体。
7. 前記基部の中央部の前記法線方向の変位方向と前記境界部の変位方向とが同じであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の振動型駆動装置における振動体。
8. 前記振動体は、前記電気−機械エネルギ変換素子への交流電界の印加によって、該振動体の突起部が加圧接触される被駆動体を、駆動方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の振動型駆動装置における振動体。
9. 前記振動体は、前記電気−機械エネルギ変換素子への交流電界の印加によって、該振動体の突起部に楕円運動が生成可能に構成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の振動型駆動装置における振動体。
10. 前記接触部と前記電気―機械エネルギー変換素子は、前記法線方向において重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至９に記載の振動型駆動装置における振動子。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の振動型駆動装置における振動体と、
    前記電気−機械エネルギー変換素子と、を有することを特徴とする振動型駆動装置の振動子。
12. 前記請求項１１に記載の振動型駆動装置の振動子と、
    前記振動子と加圧接触される移動体を有することを特徴とする振動型駆動装置。

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