JP2009090213A - Oscillatory wave driving apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はカメラ用レンズやOA機器などに用いられる振動波駆動装置に用いる振動子に関するものである。特に小型の回転型振動波駆動装置の振動子の構造に関するものである。 The present invention relates to a vibrator used in a vibration wave driving device used for a camera lens, OA equipment, or the like. In particular, the present invention relates to the structure of a vibrator of a small rotary vibration wave driving device.
振動波駆動装置はカメラレンズの駆動用途等への製品応用がなされており、円環型のものと棒状型のものが存在する。 The vibration wave driving device has been applied to products such as camera lens driving applications, and there are an annular type and a rod type.
棒状タイプの振動波駆動装置、例えば超音波モータとしては、例えば特開平4-91671号公報などがあり、駆動原理等はこれらに記載されている。ここに開示された振動子は電気-機械エネルギー変換素子を両側から弾性部材で挟持固定し、振動体を電気-機械エネルギー変換素子及び弾性部材で構成している。また、特開2004-112924号公報に開示されている振動子は、振動子の挟持構造に関するもので、振動子の特性を向上させるために外周強圧構造になるように構成されている。また、特開平11-122955号公報に開示されている振動子は、弾性体とシャフトを塑性流動させることで一体化し、振動子の特性の向上を図る試みが行われている。
しかしながら振動波駆動装置の長手方向の小型化を図り、単位体積あたりの高出力化を実現するためには、従来以上に様々な部品の密着構造が振動子の特性に大きな影響を与え、各部品にさらなる強度が求められることが分かってきた。 However, in order to reduce the size of the vibration wave drive device in the longitudinal direction and achieve high output per unit volume, the contact structure of various parts has a greater effect on the characteristics of the vibrator than before. It has been found that further strength is required.
従来の棒状型の超音波モータは、弾性体とシャフトを圧入したり、塑性変形させることにより両部品を一体化していた。しかしながら、世の中の要望としては、このような棒状型の振動体モータをさらに安くし、高出力化したいという要望がある。 A conventional bar-shaped ultrasonic motor integrates both parts by press-fitting an elastic body and a shaft or by plastic deformation. However, as a demand in the world, there is a desire to make such a rod-type vibrating body motor more inexpensive and increase its output.
従来の圧入方式ではかなり厳しい寸法公差が要求されるため、どうしてもコストが高くなってしまう。また、振動子の初期特性Δf(振動子のお互いに直交する2つの異なる曲げ振動の共振周波数の差)は、弾性体とシャフトを圧入することにより、円周方向での接触状態(結合状態)にムラが生じるため、大きくなってしまう。モータ性能が低下する要因になるほか、その修正工程を組み立て作業工程に入れる必要があるため、振動子組み立ての完全自動化が行えず、コストが下がらない要因の一つになっている。 The conventional press-fitting method requires fairly strict dimensional tolerances, which inevitably increases costs. In addition, the initial characteristic Δf of the vibrator (difference in the resonance frequency of two different bending vibrations orthogonal to each other) is determined by pressing the elastic body and the shaft into the contact state in the circumferential direction (coupled state). Since unevenness occurs, it becomes large. In addition to reducing the motor performance, it is necessary to put the correction process into the assembly work process, which makes it impossible to fully automate the assembly of the vibrator, which is one of the factors that do not reduce the cost.
また、圧入により一体化するよりも、接触面積をできるだけ小さくし、局所的に面圧を高くして弾性体とシャフトの相対的な滑り摩擦を起こすことなく振動させた方が良好な振動特性が得られる。もし微小な滑り摩擦が生じてしまっても、それにより発生する振動体の振動損失(内部損失)を最小限に押えることができるため、圧入した時よりもさらに良好な振動特性及びモータ性能を得ることが出来るということが最近分かってきた。小さい部品の中でいかにコストをかけないで、そのような構成を実現するかが課題である。 Rather than integrating by press fitting, the vibration characteristics are better when the contact area is made as small as possible and the surface pressure is locally increased to cause vibration without causing relative sliding friction between the elastic body and the shaft. can get. Even if minute sliding friction occurs, vibration loss (internal loss) of the vibrating body caused by it can be suppressed to the minimum, so that even better vibration characteristics and motor performance than when press-fitted are obtained. It has recently been found that it can. The challenge is how to achieve such a configuration without costing small components.
また、高出力化するにあたって各部品に発生する応力が大きくなるために、各部品の強度アップもコストをかけないで行うことが課題となっている。 In addition, since the stress generated in each component increases when the output is increased, it is a problem to increase the strength of each component without incurring costs.
本発明では上記課題を解決し、安価で高出力が取り出せて、個体差の小さい振動波駆動装置及び振動子を実現することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to realize a vibration wave driving device and a vibrator that can obtain high output at low cost and have small individual differences.
上記課題を解決するため、本願の請求項1に係る発明は、段部を有する貫通孔が形成された弾性体と、締め付け部材と、前記弾性体と前記締め付け部材の間に配置され、貫通孔が形成された電気-機械エネルギー変換素子と、前記締め付け部材と螺合するネジ部および前記弾性体のスラスト方向の位置を規制する段部が形成され、前記弾性体と前記電気-機械エネルギー変換素子の貫通孔に挿入されるシャフトとを有し、前記締め付け部材を前記シャフトに締め付けることで前記段部と前記締め付け部材との間に挟まれた前記弾性体と前記電気-機械エネルギー変換素子とを固定する振動体において、前記シャフト段部と前記弾性体段部の接触面の法線方向が外周側ほど軸心方向を向いている振動波駆動装置であることを特徴とするものである。 In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 of the present application is an elastic body in which a through-hole having a step portion is formed, a fastening member, and the elastic body and the fastening member. The elastic body and the electro-mechanical energy conversion element are formed with the electro-mechanical energy conversion element formed with a screw part screwed into the fastening member and a step part for regulating the position of the elastic body in the thrust direction. The elastic body sandwiched between the stepped portion and the fastening member by fastening the fastening member to the shaft, and the electro-mechanical energy conversion element. The vibrating body to be fixed is a vibration wave driving device in which the normal direction of the contact surface between the shaft step portion and the elastic step portion is directed toward the axial direction toward the outer peripheral side.
本願の請求項2に係る発明は、前記弾性体段部は少なくともR部を有している振動波駆動装置であることを特徴とするものである。 The invention according to claim 2 of the present application is a vibration wave driving device in which the elastic step portion has at least an R portion.
本願の請求項3に係る発明は、前記弾性体段部には窒化処理が施されている振動波駆動装置であることを特徴とするものである。 The invention according to claim 3 of the present application is a vibration wave driving device in which the elastic step portion is subjected to nitriding treatment.
本願の請求項4に係る発明は、前記シャフト段部の剛性を部分的に硬さもしくは形状を異ならせている振動波駆動装置であることを特徴とするものである。 The invention according to claim 4 of the present application is a vibration wave drive device in which the rigidity of the shaft step portion is partially different in hardness or shape.
本発明によれば、シャフト段部と弾性体段部の接触面の法線方向が外周側ほど軸心方向を向いているため、簡易な構造で両部品の芯出しを行うことができる。そのため、従来圧入されていた部分の圧力ムラ等により発生していた組み立て初期に発生するΔfが発生しなくなり初期特性を安定させることができる。 According to the present invention, since the normal direction of the contact surface between the shaft step portion and the elastic step portion is directed toward the axial direction toward the outer peripheral side, both parts can be centered with a simple structure. For this reason, Δf generated at the initial stage of assembly, which has been generated due to pressure unevenness or the like of the portion that has been press-fitted in the past, is not generated, and the initial characteristics can be stabilized.
また、振動による弾性体とシャフトの相対的な滑りも外周側ほど軸心方向に作用する力が強いために安定した状態を保つことができ、径方向のズレを防止することができる。そして、外周側に面圧を高くした所を集中させているため、微小な滑りも起こりにくく、振動子の内部損失を小さくすることができる。 In addition, relative slip between the elastic body and the shaft due to vibration can be maintained in a stable state because the force acting in the axial direction is stronger toward the outer peripheral side, and displacement in the radial direction can be prevented. Since the places where the surface pressure is increased are concentrated on the outer peripheral side, minute slips hardly occur and the internal loss of the vibrator can be reduced.
また、弾性体の強度アップを図るために、弾性体の段部部分にまで窒化層を設ける構成にすることによりステンレス部材の強度アップを図ることができ、疲労破壊限界が改善された。 Further, in order to increase the strength of the elastic body, the strength of the stainless steel member can be increased by providing a nitride layer up to the step portion of the elastic body, and the fatigue fracture limit has been improved.
次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。 Next, details of the present invention will be described in accordance with the description of the embodiments.
図1に第1の実施形態を示す。 FIG. 1 shows a first embodiment.
図1(a)において、bは金属等の振動減衰の小さい材料で構成された段部を有する第1の弾性体、cは第1の弾性体のスラスト方向を規制する段部を有し、締め付け部材と螺合するネジ部を有するシャフトである。dは電気-機械エネルギー変換素子である圧電素子、eは第2の弾性体、fはシャフトcに形成されたネジ部と螺合する締め付け部材である。 In FIG. 1 (a), b is a first elastic body having a step portion made of a material with low vibration damping such as metal, and c has a step portion for regulating the thrust direction of the first elastic body. It is a shaft which has a screw part screwed together with a fastening member. d is a piezoelectric element that is an electro-mechanical energy conversion element, e is a second elastic body, and f is a fastening member that is screwed with a screw portion formed on the shaft c.
第1の弾性体b、圧電素子d、及び第2の弾性体eの中心部に設けられた貫通孔にシャフトcを挿入する。シャフトcの途中には段差が設けられており、この段差が第1の弾性体bの内壁に設けられた段差に突き当たる。シャフトcの先端部にはネジ部が形成され、このネジ部に締結部材である締め付け部材fを螺合させて締め付けることで、第1の弾性体b、圧電素子d、及び第2の弾性体eを固定することができ、振動子aとして機能する。 The shaft c is inserted into a through-hole provided in the central part of the first elastic body b, the piezoelectric element d, and the second elastic body e. A step is provided in the middle of the shaft c, and this step hits a step provided on the inner wall of the first elastic body b. A screw part is formed at the tip of the shaft c, and a first elastic body b, a piezoelectric element d, and a second elastic body are formed by screwing and tightening a fastening member f that is a fastening member to the screw part. e can be fixed and functions as the vibrator a.
図1(b)に第1の弾性体bとシャフトcの段部での接触面の様子を示す。(図1(a)の○部)第1の弾性体bの段部のR部に、シャフトcの段部のエッジ部が接触している。このような構成にすることにより、簡易な構造で2部品間に調芯作用を持たせることができるため、第1の弾性体bとシャフトcの側面が接触することなく、安定した隙間gを形成することができる。この隙間gが均一に周上にあるため、初期Δf(振動子のお互いに直交する2つの異なる曲げ振動の共振周波数の差)の発生を抑制することができる。 FIG. 1 (b) shows the state of the contact surface at the step portion of the first elastic body b and the shaft c. (Circle portion in FIG. 1 (a)) The edge portion of the step portion of the shaft c is in contact with the R portion of the step portion of the first elastic body b. By adopting such a configuration, it is possible to provide a centering action between the two parts with a simple structure, so that the side surface of the first elastic body b and the shaft c does not contact each other, and a stable gap g is formed. Can be formed. Since the gap g is uniformly on the circumference, it is possible to suppress the occurrence of the initial Δf (the difference between the resonance frequencies of two different bending vibrations orthogonal to each other of the vibrator).
hはフレキシブル基板で、振動発生のために電気エネルギーを振動子aに供給または振動子aで発生した振動検出のために電荷を外部へ取り出すために用いられる。シャフトcは上端部が固定されており、振動子cを支えている。 h is a flexible substrate, which is used to supply electric energy to the vibrator a to generate vibrations or to extract charges to the outside for detection of vibrations generated by the vibrator a. The upper end of the shaft c is fixed and supports the vibrator c.
駆動の際には、圧電素子dは電極が2つの電極群にグループ化されており、不図示の電源からそれぞれの電極群に位相の異なる交流電界が印加すると、振動子にはお互い直交する2つの曲げ振動が励振される。この印加電圧の位相を調整することにより、2つの振動間に90度の時間的な位相差を与えることができ、その結果、棒状振動子の曲げ振動は振動子の軸周りに回転する。iは振動子aの上端部と接触する接触体であり、振動子aの合成振動により回転駆動される。jは直接振動子aと接触する接触バネであり、kは出力を取り出すギアであり、フランジ1と滑り軸受け構造になっており、接触体iをシャフトcに対して回転可能に
している。mは接触体iを振動子aに対して押圧するバネ部材としてのコイルバネであり、振動子aと接触体iとの摩擦接触を可能としている。
At the time of driving, the electrodes of the piezoelectric element d are grouped into two electrode groups. When an alternating electric field having a different phase is applied to each electrode group from a power source (not shown), the transducers are orthogonal to each other. Two bending vibrations are excited. By adjusting the phase of the applied voltage, a 90-degree temporal phase difference can be given between the two vibrations. As a result, the bending vibration of the rod-shaped vibrator rotates around the axis of the vibrator. i is a contact body that comes into contact with the upper end of the vibrator a, and is rotationally driven by the combined vibration of the vibrator a. j is a contact spring that is in direct contact with the vibrator a, k is a gear for taking out an output, has a flange 1 and a sliding bearing structure, and makes the contact body i rotatable with respect to the shaft c. m is a coil spring as a spring member that presses the contact body i against the vibrator a, and enables frictional contact between the vibrator a and the contact body i.
図2に第2の実施形態を示す。 FIG. 2 shows a second embodiment.
第1の弾性体bの段部がR部のみで構成されている。径方向規制力を大きくするには、曲率の大きい円弧であることが望ましい。R部のみで段部を構成することで、限られた狭いスペースを最大限利用して径方向規制力が最大となる構成を作ることができるため、振動により径方向の位置がずれて、振動子特性が変化するという現象を抑制することができる。 The step portion of the first elastic body b is composed of only the R portion. In order to increase the radial direction regulating force, it is desirable that the arc has a large curvature. By configuring the step part with only the R part, it is possible to create a structure that maximizes the radial restriction force by making the maximum use of the limited narrow space. It is possible to suppress the phenomenon that the child characteristics change.
また、従来は面接触が良いと考えていたが、限りなく線接触に近づけたことで、振動による微小なずれが原因で起こる内部損失の増大も押えることができ、従来以上に振動損失の少ない振動子を提供することができる。 In addition, we thought that surface contact was good in the past, but by bringing it closer to line contact as much as possible, we can suppress the increase in internal loss caused by minute deviation due to vibration, and there is less vibration loss than before A vibrator can be provided.
図3に第3の実施形態を示す。 FIG. 3 shows a third embodiment.
第1の弾性体bの段部の表面が窒化処理され、窒化層nが形成されている様子を示している。第1の弾性体bはステンレス部材であり、その窒化処理後の表面硬さは約1200[Hv]である。ステンレス部材の内外径に窒化層を設けることで、疲労破壊強度を上げることができる。 The surface of the step portion of the first elastic body b is nitrided to show a nitride layer n. The first elastic body b is a stainless steel member, and the surface hardness after nitriding is about 1200 [Hv]. Fatigue fracture strength can be increased by providing a nitride layer on the inner and outer diameters of the stainless steel member.
図4に第4の実施形態を示す。 FIG. 4 shows a fourth embodiment.
シャフトcの段部のうち、第1の弾性体bと接触する部分のみ硬度を下げるように構成されている。そうすることで、第1の弾性体bのR部に沿うようにシャフトcの形状が変形し、お互いが安定する位置に位置決めされる。そのため、初期Δfを小さくするための調芯効果が安定して得られる。また、シャフトcの剛性を形状的に1部軟らかくすることにより、お互いが安定する位置に位置決めされる調芯効果を得ることも可能である。 Of the stepped portion of the shaft c, only the portion in contact with the first elastic body b is configured to reduce the hardness. By doing so, the shape of the shaft c is deformed along the R portion of the first elastic body b, and they are positioned at positions where they are stable. Therefore, the alignment effect for reducing the initial Δf can be stably obtained. In addition, by making the rigidity of the shaft c softer by one part in shape, it is possible to obtain an alignment effect that positions the shafts c at stable positions.
a 振動子
b 第1の弾性体
c シャフト
d 圧電素子
e 第2の弾性体
f 締め付け部材
g 隙間
h フレキシブル基板
i 接触体
j 接触バネ
k ギア
l フランジ
m コイルバネ
n 窒化層
a vibrator
b First elastic body
c shaft
d Piezoelectric element
e Second elastic body
f Tightening member
g Clearance
h Flexible substrate
i Contact
j Contact spring
k gear
l Flange
m Coil spring
n Nitride layer
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JP2007263425A JP2009090213A (en) | 2007-10-09 | 2007-10-09 | Oscillatory wave driving apparatus |
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CN108065964A (en) * | 2018-01-16 | 2018-05-25 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | A kind of ultrasonic imaging method, device, equipment and ultrasound imaging probe |
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2007
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CN108065964A (en) * | 2018-01-16 | 2018-05-25 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | A kind of ultrasonic imaging method, device, equipment and ultrasound imaging probe |
CN108065964B (en) * | 2018-01-16 | 2021-04-20 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | Ultrasonic imaging method, device and equipment and ultrasonic imaging probe |
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