JP2004180493A

JP2004180493A - 振動アクチュエータ装置

Info

Publication number: JP2004180493A
Application number: JP2003379493A
Authority: JP
Inventors: Yoshiko Sumitomo; 美子住友
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】異音発生回転数を高くでき生産性の高い振動アクチュエータを提供す
る。
【解決手段】弾性部材と、該弾性部材に設けられ該弾性体を励振する電気機械
変換素子と、該弾性部材の該電気機械変換素子の設けられる面と対向する面に配
置される相対運動部材と、該相対運動部材と一体的に動く被駆動部材と、該相対
運動部材と該被駆動部材とに挟まれる部分に振動緩衝部材としてアスカーＣ硬度
４０〜６０のゲル状部材を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動アクチュエータ装置に関する。より具体的には、駆動時に発生する可聴域の駆動音を低減した振動アクチュエータ装置に関する。

圧電セラミックス等の圧電体を用いて構成した振動体に弾性振動を励振し、これを駆動力とした振動アクチュエータ、特に、超音波領域の振動を用いた超音波モータは、低速駆動時の推力が大きいこと、駆動が静かであることなどから注目されている。とりわけ、カメラにおいては、静音性や低速時の高推進力といった長所を生かし、超音波モータをオートフォーカスの駆動源等に利用している。

以下、図を参照しながら超音波モータの従来技術について説明を行う。図７は従来の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。図面下方に接着された圧電素子４と弾性体３から成る振動体２１は、外側に延設されたフランジ部５によって振動体支持体９に固設されている。

振動体２１の図面上方には、摺動材２と振動体２１と対向する面に摺動材２が接着された駆動力伝達担体１とから成る駆動力伝達体１１が設けられている。なお、駆動力伝達体１１は、不図示の加圧機構によって振動体２１に加圧接触している。

駆動力伝達担体１は外形肉厚部１ｂと内径肉厚部１ｃと肉薄部１ａを有しており、外形肉厚部１ｂの図面上部においてゴム材１５を介して被駆動体８を支持している。
圧電素子４には、図示しない２群の電極群が設けられ、その電極群に相互にπ／２位相のずれた２つの交流電圧を印加することにより圧電素子４が励振し、弾性体３を振動させている。弾性体３が振動することにより、弾性体３の摺動材２と接する面には楕円運動が発生し、この楕円運動により駆動力伝達体１１を駆動している。同時に駆動力伝達体１１には、駆動力と共に振動も伝えられる。この振動は、肉薄部１ａで減衰し、ゴム材１５でさらに減衰し、被駆動体８には伝わりにくい構造となっている。

これまで説明したように、駆動力伝達担体１に伝わった振動は、肉薄部１ａおよびゴム材１５で減衰する。しかし、十分に減衰しない場合もある。その場合、被駆動体８に振動が伝わり、異音が発生することがあった。

振動を緩衝するために、肉薄部１ａとゴム材１５を設けているが、一般に振動緩衝材として用いられるブチルゴムを用いた場合、ブチルゴムは温度により振動緩衝具合が大きく変わるため、ある温度では騒音が発生しない構造でも、他の温度領域では同じ回転数でも騒音が発生する場合があり、温度毎に騒音の発生を確認しなくてはならない、といった問題があった。また、ゴムに代えてゲルを用いることもあった。ゲルを用いた場合、温度的安定性は向上するが、ゲルは組成により弾性が大きく異なり適切なゲルを得ることが難しかった。さらに、緩衝部材を介して駆動力伝達担体１を振動体２１に加圧する場合は、加圧具合と緩衝部材の特性により超音波モータの駆動特性が変化してしまい、適切な条件を見出すのが難しかった。
特開２００１−５７７８７

解決しようとする課題は、温度状態の変化による騒音発生しない駆動特性の優れた振動アクチュエータ装置を提供することである。

本願の請求項１記載の発明は、アスカーＣ硬度４０〜６０で規定されるゲル状部材は、温度変化に対する振動緩衝効果の変動が小さいことを見出し、被駆動体に伝わる振動を安定的に低減できるという新たな知見に基づいてなされたものである。かかる知見に基づく請求項１の発明による振動アクチュエータ装置は、弾性部材３と、該弾性部材３に設けられ該弾性部材３を励振する電気機械変換素子４と、該弾性部材の該電気機械変換素子の設けられる面と対向する面に配置される相対運動部材１と、該相対運動部材と一体的に動く被駆動部材８と、該相対運動部材と該被駆動部材とに挟まれる部分に振動緩衝部材としてアスカーＣ硬度４０〜６０のゲル部材６とを備えるものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータ装置において、前記ゲル状部材は、非圧縮性のフィラーを含むことを特徴とする振動アクチュエータ装置である。
請求項３の発明は、請求項２に記載の振動アクチュエータにおいて、非圧縮性のフィラーとして炭素繊維を含むことを特徴とする振動アクチュエータである。

請求項４の発明は、請求項１〜３に記載の振動アクチュエータにおいて、ゲル状部材を弾性部材に向けて相対加圧する加圧手段をさらに有し、加圧手段はゲル状部材を面圧2.8〜3.5×10⁴Ｎ／ｍ²で相対加圧していることを特徴とする振動アクチュエータ装置である。

請求項５の発明は、請求項４に記載の振動アクチュエータにおいて、ゲル状部材は、相対加圧方向の厚さが1.2mm以下であることを特徴とする振動アクチュエータ装置である。
請求項６の発明は、請求項１〜５に記載の振動アクチュエータにおいて、ゲル状部材と相対運動部材との間または、ゲル状部材と被駆動部材との間に、ゲル状部材と相対運動部材または被駆動部材とが直接接触することを防ぐ界面部を有することを特徴とする振動アクチュエータ装置である。

請求項７の発明は、請求項６に記載の振動アクチュエータにおいて、界面部は樹脂からなるスペーサに形成されていることを特徴とする振動アクチュエータ装置である。
請求項８の発明は、請求項６〜７に記載の振動アクチュエータにおいて、ゲル状部材あるいは樹脂からなるスペーサーの少なくともいずれか一方は、円周上に切れ目を有するＣ形状をしていることを特徴とする振動アクチュエータ装置である。

本発明によれば、相対運動部材と被駆動体の間に、面圧条件に応じた振動を緩衝するゲル状部材を設けたので、温度変化に対して安定的に騒音の発生が低減できた。

（第１実施形態）

図１により本発明の第１実施形態を説明する。なお、図７と同様な箇所には同一の符号を付して適宜説明を省略する。

図１は、本実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。本実施形態によれば、振動体２１から伝わった振動は駆動力伝達担体１の肉薄部１ａで減衰し、減衰しきれなかった振動をゲル状部材６で減衰しているため、減衰しきれずに騒音になる振動エネルギーを吸収することができる。

本実施形態の構造で、様々な硬度のゲル部材６を用いた超音波モータを駆動させ、異音発生回転数とゲル部材６の硬度との関係を求め、図４に示した。図４から判るようにゲル部材６の硬度がSRIS0101（日本ゴム協会標準規格）で規定するアスカーC 硬度40以下または60以上では急激に異音発生回転数が下がっていることが判る。この結果からアスカーC 硬度40〜60 程度のゲル部材が好適であることが判った。つまり、アスカーＣ硬度が60程度よりも硬いものを用いた場合は、駆動力伝達体１１の振動がゲル部材６で十分に緩衝されず被駆動体８に伝わってしまうことになり、著しい場合には、被駆動体８が暴れてしまい異音が大きくなるといった不具合が発生する場合もある。また、アスカーＣ硬度が40程度よりも軟らかいものを用いた場合は、圧縮によるゲルの防振効果が十分に得られず、騒音が発生してしまう。なお、不図示の加圧機構によるゲル部材６と駆動力伝達体１１との相対加圧については、様々な面圧で試したが、代表例として図４には面圧3.0×10⁴N/m²のデータを示した。

次にアスカーＣ硬度を約50とし、ゲル部材６に加わる面圧を変えて駆動効率を調べた。駆動効率については、入力電力に対する回転数の比を求め、最も比が高かったところを１として規格化した。その結果図５に示すように、面圧が2.8×10⁴[N/m²]より低い範囲および3.5×10⁴[N/m²]より高い範囲では、駆動効率が急激に低下することが判った。なお今回は超音波モータに負荷はかけておらず、実際に超音波モータを用いて装置を駆動するときは、負荷に応じて駆動特性が多少変化するものと考えられる。

また、ゲル部材の主成分として様々なものがあるが、実験から有機ケイ素を主成分とするシリコーン系ゲルが好ましいことがわかっている。さらに、ゲルの充填材としてセラミックス系中空フィラーを用いると、フィラーの振動緩衝効果とゲルの振動吸収遮断効果とが相乗効果をなし、一層効果的である。

ゲルは、均等に分散し性能のばらつきが発生しない範囲でフィラーを充填することにより、ゲルの硬度を高くできることが知られている。ゲルの硬度は図３に示すように様々な硬度のゲルがあり、比較的柔らかい状態の硬度は針進入度（JIS K2530-1976-50gで規定）を用いることが多く、比較的硬い状態の硬度はアスカーＣ（SRIS0101（日本ゴム協会標準規格）で規定）を用いることが多い。

本実施形態では、基材の硬度も大きくするため、通常のシリコーン系ゲル（ゲルＡ）に、ホワイトカーボン（カーボン繊維）を添加させたのゲルＤを使用した。これ以外にも、硬度を大きくするために添加剤を加えた基材を用いることができる。

また、加圧圧縮方向にゲル部材の厚さおよび円周方向の幅も、超音波モータの異音発生と関係があることを見出し、実験を行った。なお、硬度についてはアスカーＣ硬度50を、面圧については3.0×10⁴N/m²として実験を行った。

その結果ゲル部材６の厚さと異音発生回転数の関係を図６に示した。図６から明らかなように、ゲル部材６の厚みが1.2mmより大きくなると、急激に異音発生回転数が低くなることが判った。これはゲル部材６の厚さが1.2mmより大きいと、ゲル部材６が相対運動部材と非駆動部材の間に回転方向、ラジアル方向のズレを生じさせてしまい、過渡応答が悪く結果異音発生をさせるものと考えられる。また、ゲル部材６の厚さが薄くなるにしたがって異音発生回転数が徐々に低下している。これは、ゲル部材６が薄くなるにしたがって、次第に緩衝機能そのものも小さくなってしまうためと考えられる。ただし、0.6mm以下のゲル部材は作成が困難であった。

本実施形態では、面圧やゲル部材の厚さを最適化することにより、従来用いられていた図３のゲルＡやゲルＢといった柔らかい（針進入度１００〜１５０）ゲルよりも、従来は不適当と考えられていた比較的硬い（アスカーＣ硬度３３〜５３）ゲルＤを用いた方が異音発生回転数を高めることができた。また、比較的硬いゲルを用いることにより、取り扱いが容易となり超音波モータの組み立て工数が下げることができた。

また、ロータとゲルの間にテフロンシートを介することによって、駆動効率が向上する。なお、テフロンシートを貼り付けず表面に、固体潤滑剤である二硫化モリブデンやドライルーブをスプレーにて塗布したところテフロンシートを貼り付けた場合と同様な効果が得られた。
（第２実施例）
次に、本発明の第２実施形態の説明をする。

本実施形態が第１実施形態と異なるのは、第１実施形態の樹脂シート２３に替えて、図２（ｃ）に示すように円周上に切れ目のあるＣ型のテフロンシート２４を用いたことである。テフロンシート２４は、厚い方が剛性が増すため、撓み難くなる。そのため、振動が駆動力伝達部材１１からゲル部材６に伝搬する際に駆動方向の振動がテフロンシートに作用しても、テフロンシートは撓むことなく界面での潤滑性が一層高くなる。その結果駆動方向の振動の吸収はより低く抑えることが出来ると考えられる。一方、テフロンシートが薄い場合はテフロンシートにゲル部材６を乗せれば、多少ゲル部材６を圧縮して配置してしまってもテフロンシートが撓むことによりゲル部材６に内部応力が発生することはなかった。しかし、テフロンシートを厚くした場合はゲル部材６との接合を滑らかにしないと、ゲル部材６に内部応力が発生し振動吸収性能が悪化してしまう。

そこで本実施形態ではゲル部材６を厚さ1.2ｍｍのリボン状に加工し、このリボン状のゲル部材６を被駆動体８の所定の位置に乗せ、次にテフロンシートをＣ型形状の一端から静かにゲル部材６へ押しつけた。このようにすることにより、ゲル部材６に内部応力は発生せず、良好な振動吸収性能を高く維持できた。

また、リボン状のゲル部材６は被駆動体８の所定位置へ配置する際に、３６０度に渡って配置しても良いが２〜１０度程度であれば切れ間があっても支障がないことが、実験により判った。このことよりリボン状のゲル部材６を予め所定の長さに切断しておき、被駆動体８の所定位置よりも少し外側に貼り付けることが許容され、作業効率が向上した。

また、Ｃ型に貼り付けられたゲル部材６の切れ目とＣ型のテフロンシートの切れ目については、一致しない場合はゲル部材６の切れ目とテフロンシートの切れ目との両方の位置で振動吸収効果が低下してしまう。そこで、ゲル部材６とテフロンシートの切れ目については、一致させたところ、切れ目のないゲル部材同様と比べても異音発生回転数が低下することはなかった。

以上各実施形態の説明では、振動アクチュエータが超音波領域を利用した超音波モータである場合を例にとった。しかし、本発明は、超音波モータに限定されるものではなく、超音波以外の振動域を利用した振動アクチュエータについても同様に適用される。また、ゲルの材質もシリコーン系ゲルに限ることなくシリカゲルやチタン酸バリウムゲル、五酸化二バナジウム等の有機金属化合物や酸化微粒子やオリゴエチレングリコールとオリゴジメチルシロキサンとの重合により合成したポリサイラオキシエチレンなどの高分子ゲルや水を用いても良い。また、充填材も中空フィラーに限ることなく無機物のセラミックや金属、炭素繊維や高分子材料を用いても良い。

は、本発明の第１実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。は、本発明の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。は、各種市販ゲルの針入度・アスカーＣ硬度を示す表である。は、硬度−異音発生回転数の関係を示すグラフである。は、厚さ−異音発生回転数の関係を示すグラフである。は、面圧−異音発生回転数の関係を示すグラフである。は、従来の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。

符号の説明

１駆動力伝達担体
１ａ肉薄部
１ｂ外径肉厚部
１ｃ内径肉厚部
２摺動材
３弾性体
４圧電素子
５フランジ部
６ゲル部材
８被駆動体
１１駆動力伝達体
２１振動体
２２スペーサ

Claims

弾性部材と、該弾性部材に設けられ該弾性体を励振する電気機械変換素子と、該弾性部材の該電気機械変換素子の設けられる面と対向する面に配置される相対運動部材と、該相対運動部材と一体的に動く被駆動部材と、該相対
運動部材と該被駆動部材とに挟まれる部分に振動緩衝部材としてアスカーＣ硬度４０〜６０のゲル状部材を備えることを特徴とする振動アクチュエータ装置。
前記ゲル状部材は、非圧縮性のフィラーを含む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装置。
前記ゲル状部材は、前記非圧縮性のフィラーとして炭素繊維を含むことを特徴とする請求項２に記載の振動アクチュエータ装置。
前記ゲル状部材を前記弾性部材に向けて相対加圧する加圧手段をさらに有し、前記加圧手段は前記ゲル状部材を面圧2.8〜3.5×10⁴Ｎ／ｍ²で相対加圧していることを特徴とする請求項１〜３に記載の振動アクチュエータ装置。
前記ゲル状部材は、前記相対加圧方向の厚さが1.2mm以下であることを特徴とする請求項４に記載の振動アクチュエータ装置。
前記ゲル状部材と前記相対運動部材との間または、前記ゲル状部材と前記被駆動部材との間に、前記ゲル状部材と前記相対運動部材または前記被駆動部材とが直接接触することを防ぐ界面部を有することを特徴とする請求項１〜
５に記載の振動アクチュエータ装置。
前記界面部は、樹脂からなるスペーサに形成されていることを特徴とする請求項６に記載の振動アクチュエータ装置。
前記ゲル状部材あるいは前記樹脂からなるスペーサの少なくともいずれか一方は、円周上に切れ目を有するＣ形状をしていることを特徴とする請求項６〜７に記載の振動アクチュエータ装置。