JP2015080329A - 振動型駆動装置の振動子、振動型駆動装置、交換レンズ、撮像装置、自動ステージ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電気−機械エネルギー変換素子及び該電気−機械エネルギー変換素子に固定され中空構造の突起部が設けられた弾性体を有し、
前記電気−機械エネルギー変換素子への交流電圧の印加により前記突起部に楕円運動を励振させ、前記突起部に接触する被駆動体を相対移動させる振動型駆動装置の振動子であって、
前記突起部は、前記被駆動体との接触面を有する接触部と、前記電気−機械エネルギー変換素子と反対側に突出した壁部と、前記壁部と前記接触部とを連結するバネ性を有する連結部と、を有し、
前記接触部は、該接触部の接触面と平行な面内における該接触部の断面積が、前記接触面側から離れる程大きくなる部分を有している。
【選択図】 図1
Description
このようなリニア型超音型モータの駆動原理について、図5を用いて説明する。
図5(a)のリニア型超音型モータの外観斜視図に示されるように、リニア型超音型モータ510は、振動子501と被駆動体506および振動子501を被駆動体506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−機械エネルギー変換素子505と、該電気−機械エネルギー変換素子505の片面に接合されて一体化される矩形の形状に形成された弾性体502と、この弾性体502の上面に対して凸状に形成された2つの突起部503、504から構成される。
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。
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)であり、他方の振動モードは、振動子501の短手方向に1次の曲げ振動モード(Mode−B)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おり、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方向に往復運動する。
また、突起部503、504は、Mode−B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が、XZ面内で楕円運動する。この楕円運動により、加圧接触された被駆動体506を一方向に駆動することが出来る。
ここで、振動子の突起部の剛性が高いと駆動時に異音が発生する場合がある。
また、突起部の剛性が低すぎると電力効率等が悪化する場合がある。
これらを防ぐために、突起部に適度な剛性を持たせることが必要となる。
そのため、例えば、特許文献2では図6に示すバネ性のある突起部を有する振動型駆動装置が提案されている。
突起部5は、被駆動部8と接触する接触部1、振動体の加圧される方向に剛性が低いバネ部3、前記接触部1と前記バネ部3とをつなぐ立ち上げ部2とで構成されている。
前記接触部1にZ方向の力が加わると、電気−機械エネルギー変換素子との接合部4よりも薄くなっている前記バネ部3が前記接合部4との境界部を支点として弾性変形することで、前記接触部1、立ち上げ部2がZ方向に変位し、バネ性を有する突起部の構成が可能
となる。
突起部材29は、図7(b)に示すように円筒状の壁部24、不図示の被駆動体との接触面27を有する接触部26、壁部24と接触部26を連結する連結部21、弾性体22の上面にレーザー溶接などで固着される固定部23からなる。
壁部24は突起部材29の全周に渡って連続しているため、突起部29はXY面内の方向に対して剛性が大きく、駆動時に被駆動体からX方向の反力を受けても変形が少ない。連結部21と接触部26は境界部が段差となっており、被駆動体が連結部21と接触しないようになっている。また連結部21は、厚さを減じるとともに穴部28により4つに分割して幅を狭くすることによりZ方向の剛性を下げてバネ性を持たせている。
接触部26をZ軸の負の方向へ加圧すると、接触部26と連結部21が変形する。このような構成にすることで、突起部29はZ方向のバネ性を有する。前記突起部29の剛性が高いと被駆動体との接触の際、叩きあう音が発生し、剛性が低いと振動子が所望の方向に力が発生しない時にもスライダと接触し効率が悪くなる。
異音を発生させず、かつ効率を低下させないために、連結部21の厚み等を適切な値に設定している。
そのため、適切な剛性にするためには、弾性体と圧電素子との非接着部の半径R2が大きくなる。その結果、弾性体と圧電素子との接着面積が小さくなることで剥がれ等が生じやすくなり、所望の振動を発生することができなくなる場合がある。
ここで、接触部26と連結部21は共に変形するため、図8(b)に示す形状と異なり、非接着部を構成する範囲の突起部でZ方向のばね剛性を下げるのに寄与しない部分がないため、弾性体と圧電素子との非接着部の半径R1を小さくすることができる。
その結果、弾性体と圧電素子との接着面積を大きくすることができる。
また、一体で突起部の形状を絞り加工等でプレス成形するときには、絞り半径が大きい方が加工が容易なため、図8(b)に示すCD間と比べR1が大きい図8(a)に示す形状のほうが容易に加工することができる。
そのため、お互いの接触部の表面をラップ加工することで平滑な面に仕上げている。その結果、ラップ加工した分、突起部の接触部の肉厚が薄くなる。
ここで、特許文献3に示す突起部は、接触部も加圧により変形する構成となっているため、接触部の肉厚が小さくなると、ばね剛性が変化する。
すなわち、プレス加工によって成形された弾性体は個体によって寸法や反りのばらつきがあるため、同じようにラップしても個体によってラップされる量が変わる。ラップ量が個体によってばらつくとばね剛性もばらつき、剛性の高いものや低いものが生じる。
例えば、ラップ量が少ないと突起部の剛性が高くなりすぎ、駆動時に異音が発生し、ラップしすぎた場合は突起部の剛性が低くなりすぎ電力効率等が悪化する場合がある。突起部の剛性低下は、長時間駆動後に突起部の接触部が摩耗する場合にも発生する。
前記電気−機械エネルギー変換素子への交流電圧の印加により前記突起部に楕円運動を励振させ、前記突起部に接触する被駆動体を相対移動させる振動型駆動装置の振動子であって、
前記突起部は、前記被駆動体との接触面を有する接触部と、前記電気−機械エネルギー変換素子と反対側に突出した壁部と、前記壁部と前記接触部とを連結するバネ性を有する連結部と、を有し、
前記接触部は、該接触部の接触面と平行な面内における該接触部の断面積が、前記接触面側から離れる程大きくなる部分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は、上記した振動型駆動装置の振動子と、
前記振動子と加圧接触する被駆動体と、を備え、
前記電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加し、前記楕円運動により前記振動子と接触する前記被駆動体を相対移動させることを特徴とする。
また、本発明の交換レンズは、上記した振動型駆動装置を備え、該振動型駆動装置によって移動可能に構成されたレンズを有することを特徴とする。
また、本発明の撮像装置は、上記した振動型駆動装置を備え、該振動型駆動装置によって移動可能に構成された撮像素子を有することを特徴とする。
また、本発明の自動ステージは、上記した振動型駆動装置を備え、該振動型駆動装置によって移動可能に構成されたステージを有することを特徴とする。
前記電気−機械エネルギー変換素子への交流電圧の印加により前記突起部に楕円運動を励振させ、前記突起部に接触する被駆動体を相対移動させる。
図1は本実施例における振動型駆動装置の振動子を説明するための図であり、(a)は振動子と被駆動体の斜視図、(b)は振動子と被駆動体の突起部周辺の断面図である。
図1(a)に示すように、振動子30は圧電素子35、弾性体32、および弾性体32の上面に対して凸状に設けられた2つの突起部38、39とにより構成されている。
突起部38、39と弾性体32は1つの部材からプレス加工等の加工によって一体的に成型する等、一体加工することで成形しているが、弾性体32の上面にレーザー溶接などで突起部38、39を固着してもよい。
駆動時にはこの突起部38、39を介して被駆動体100と振動子30とが加圧接触している。圧電素子35に交流電界を印加すると、振動子30に2つの曲げ振動モードが励振される。すなわち、この2つの振動モードは節線が略直交する第一の曲げモードと第二の曲げモードからなり、これにより突起部38、39の接触面には楕円運動が励振される。その結果、突起部38、39と加圧接触している被駆動体100は、摩擦駆動力を受け駆動される。この駆動原理は、従来例として説明した駆動原理と同様であるので説明を省略する。
本実施例では突起部38、39は同一形状であるので、突起部39について説明する。
突起部39は、図1(b)に示すように被駆動体100との接触面37を有する接触部36、電気−機械エネルギー変換素子と反対側に突出した壁部34、及び壁部34と接触部36を連結する連結部31からなる。壁部34は、例えば円筒状である。
壁部34は突起部39の全周に渡って連続しているため突起部39はXY面内の方向に対して剛性が大きく、駆動時に被駆動体からX方向の反力を受けても変形が少ない。
接触部36と連結部31の境界は、説明のため便宜的に設けたZ軸に平行な境界線101で分けた所であると定義する。連結部31と被駆動体100との間は空間となっており、被駆動体100が連結部31と接触しないようになっている。
また、連結部31は、厚さを減じることによりZ方向の剛性が低くなっておりバネ性を有している。
同様に、接触部36も加圧を受けると屈曲変形しバネ性を有している。
図1(c)に示す突起部の1/2断面図を用いて、変形後の様子を説明する。
接触部36をZ軸の負の方向へ加圧すると、壁部34と連結部31の境界部を支点として接触部36と連結部31が変形する。このような構成にすることで突起部39はZ方向のバネ性を有する。
前記突起部39の剛性が高いと被駆動体との接触の際叩きあう音が発生し、剛性が低いと振動子が所望の方向に力が発生しない時にもスライダと接触し効率が悪くなる。異音を発生させずかつ効率を低下させないために、接触部36と連結部31の厚みを適切な値に設定している。
連結部31の厚みはほぼ均一である。接触部36は、接触部のXY平面の断面積が接触面側から離れる程大きくなる部分を有しており、接触部は一部の厚みが不均一な不均一部を有している。つまり、接触部のXZ平面(振動子30の駆動方向及び突起部39の突出する方向を面内に有する面)の断面形状は略台形形状を含んだ形状である。略台形形状とは、台形形状そのもののみでなく、台形形状の一部の辺や角が丸みを帯びている場合等、台形形状に類似した形状を含む。
接触部厚みとは、Z軸方向における接触部の最大厚みである。接触部へのラップ加工や被駆動体を駆動することで接触部が摩耗し接触部の厚みが減少する。本発明の形式の振動型駆動装置では、摩耗により接触部厚みが減少する許容範囲は40μm以内であることが実験により得られている。
ラップ加工や摩耗されていない状態のときのばね剛性を1としている。ばね剛性は、Z方向に加圧をかけたときの突起部の中心軸上に位置する接触部の変位量をFEM解析により求めることで算出している。
実線で結ばれたプロットは本発明の形状のものであり、図3(a)に示すように接触部の先端面37の径φAとZ方向を軸として接触部の最大径を構成する根元面102の径φBが異なっておりφAが0.3mmでφBが1.5mmである。
一方、点線で結ばれたプロットは、図3(b)に示す従来形状のものである。接触部の接触面37の径φAと、Z方向を軸として接触部の最大径を構成する根元面102の径φBが同じ0.9mmである。接触部の接触部厚みT36、連結部31の厚みT31は、本発明も従来形状の寸法も同一である。
ここで、連結部の厚みとは、連結部31の圧電素子側の面である連結部下部面103と根元面102との間の距離である。
一方、本発明の形状では、接触部厚みT36が0.27mmからラップ加工や摩耗により0.23mmになっても、その間でばね剛性は0.995倍から1.017倍の間で推移しており、ばね剛性の変化率は2%以下と小さい。
これは、接触部36の厚みが均一で接触面積が同一な従来形状と比較すると、本発明の場合は、接触部の先端面の径に対して根元面の径が5倍大きくなっており、接触部36の厚みが小さくなっても加圧する接触面の面積が増えるため加圧力が径方向側に分散し面圧が低くなるからである。
同じ面圧では、内周側より外周側のほうが支点から力点までの距離が短いため変形が小さ
くなることも利用している。
図2(b)に示すように本発明の寸法形状では、φA/φBが小さくなるにつれて、ばね剛性の変化率が小さくなり、接触部の寸法φAが0.3mm、φBが1.5mmまでφA/φBが小さくなると、接触部厚みが減少しても、ばね剛性比が1より大きくなる接触部厚みが存在する。
本実施例の形態では、突起部のばね剛性の変化が10%以下であれば速度低下や電力消費の増大がほぼないことが実験により確かめられている。
接触部厚みが40μm以内の範囲に減少した時に突起部のばね剛性の変化率が約10%となる接触部の寸法ΦAは0.5mm、ΦBは1.2mmであり、接触部の先端面の径に対して根元面の径は2.4倍である。
つまり、突起部のばね剛性の変化率を10%以下にするには、接触部の先端面の径に対して根元面の径は2倍以上であることが必要である。
実際の設計では、φAとφBの値は想定されるラップ量のばらつきや摩耗量、ばね剛性の変化率の許容範囲等から決定される。図3(a)に示す接触部の傾斜部104は平滑な面に限定されず、例えば、図4に示す接触部の断面形状のように傾斜部204は曲部を有していてもよい。
実施例2においては、本発明の振動型駆動装置の適用例として、カメラなどの撮像装置(光学機器)のレンズ鏡筒に、レンズ(撮像素子)を駆動しオートフォーカスするための振動型駆動装置を組み込んだ例を、図9を用いて説明する。
図9は、レンズ鏡筒のレンズの駆動機構部を説明する図である。
本実施例の振動型駆動装置による被駆動体の駆動機構は、実施例1の振動型駆動装置(振動子及び被駆動体)と、この被駆動体を摺動自在に保持する、平行に配された第一ガイドバーと第二ガイドバーとを備えている。
具体的には、図9に示すように、本実施例の振動型駆動装置による被駆動体の駆動機構100は、主にレンズ保持部材であるレンズホルダ52、レンズ57、フレキシブルプリント基板が結合された振動子1、加圧磁石55、2つのガイドバー53、54及び不図示の基体から構成される。
2本のガイドバーで構成された第一のガイドバー53、第二ガイドバー54は、互いに平行に配置されるようにそれらの各ガイドバーの両端が、不図示の基体により保持固定されている。
レンズホルダ52は、円筒状のホルダ部52a、振動子1及び加圧磁石55を保持固定する保持部52b、第一ガイドバー53と嵌合してガイドの作用をなす第一のガイド部52cから構成される。
弾性体の2箇所の突起部が第二ガイドバー54と加圧接触して第二のガイド部を形成する。第二のガイド部は磁気による吸引力を利用してガイド機構を形成しており、外力を受ける等により振動子1とガイドバー54が引き離される状態が生じるが、これに対しては、つぎのように対処されている。すなわち、レンズホルダ52に備えられる脱落防止部5
2dがガイドバーに当たることで、レンズホルダ52が所望の位置に戻るように対応が施されている。
本実施例では、加圧機構として磁力を利用した例で説明したが、加圧機構をバネとし、振動子1と第二ガイドバー54を、バネ力によって加圧する構成としてもよい。
また、振動型駆動装置の駆動方向とレンズの移動方向が平行な例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明の振動子振動型駆動装置を複数用いて環状の部材を回転させ、その回転力をレンズの移動方向に変換して取り出すことで、レンズを移動させる構成としてもよい。
したがって、本願発明の振動型駆動装置は、レンズ駆動用に、撮像装置に加えて、交換レンズにも搭載することができる。また、撮像素子の駆動に用いることもでき、手ぶれ補正時のレンズや撮像素子の駆動に用いることもできる。
実施例3として、本発明の振動型駆動装置を適用した自動ステージの構成例を、図10を用いて説明する。
実施例2では撮像装置の例を示したが、応用例はこれに限定されず、顕微鏡等の各種の自動ステージの駆動にも用いることができる。例えば、顕微鏡等のステージの駆動にも適用することができる。
図10の顕微鏡は、撮像素子と光学系を内蔵する撮像部60と、基台上に設けられ、振動型駆動装置により移動されるステージ62を有する自動ステージ61と、を有する。
被観察物をステージ62上に置いて、拡大画像を撮像部60で撮影する。観察範囲が広範囲に有る場合には、振動型駆動装置で、ステージ62を移動させることで被観察物を図中のX方向やY方向に移動させて、多数の撮影画像を取得する。
不図示のコンピュータにて、撮影画像を結合し、観察範囲が広範囲で、かつ、高精細な1枚の画像を取得できる。
31:連結部
32:弾性体
34:壁部
35:圧電素子
36:接触部
37:接触面
38:突起部
39:突起部
100:被駆動体
102:根元面
103:連結部下部面
104:傾斜部
Claims (13)
- 電気−機械エネルギー変換素子及び該電気−機械エネルギー変換素子に固定され中空構造の突起部が設けられた弾性体を有し、
前記電気−機械エネルギー変換素子への交流電圧の印加により前記突起部に楕円運動を励振させ、前記突起部に接触する被駆動体を相対移動させる振動型駆動装置の振動子であって、
前記突起部は、前記被駆動体との接触面を有する接触部と、前記電気−機械エネルギー変換素子と反対側に突出した壁部と、前記壁部と前記接触部とを連結するバネ性を有する連結部と、を有し、
前記接触部は、該接触部の接触面と平行な面内における該接触部の断面積が、前記接触面側から離れる程大きくなる部分を有することを特徴とする振動型駆動装置の振動子。 - 前記突起部における前記被駆動体と接触する方向と平行な面で切った前記接触部の断面形状が、略台形形状を有し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の振動子。
- 前記突起部は、前記中空構造が円筒状に形成され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の振動子。
- 前記被駆動体との接触による摩耗により前記接触部の厚みが減少した際における前記突起部のばね剛性の変化が、10%以下とされていることを特徴とする請求項3に記載の振動型駆動装置の振動子。
- 前記接触部の先端面の径に対して、前記接触部の最大径を構成する根元面の径が2倍以上とされることを特徴とする請求項4に記載の振動型駆動装置の振動子。
- 前記接触部の先端面の径が0.3mm、前記接触部の最大径を構成する根元面の径が1.5mmに設定されているとき、前記摩耗により厚みが減少する範囲が40μm以内の範囲とされることを特徴とする請求項4に記載の振動型駆動装置の振動子。
- 前記電気−機械エネルギー変換素子において、前記楕円運動が2つの振動モードにより励振されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の振動型駆動装置の振動子。
- 前記2つの振動モードは節線が略直交する第一の曲げモードと第二の曲げモードであることを特徴とする請求項6記載の振動型駆動装置の振動子。
- 前記電気−機械エネルギー変換素子は矩形形状であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の振動型駆動装置の振動子。
- 請求項1乃至9のいずれか1項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する被駆動体と、を備え、
前記電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加し、前記楕円運動により前記振動子と接触する前記被駆動体を相対移動させることを特徴とする振動型駆動装置。 - 請求項10に記載の振動型駆動装置を備え、該振動型駆動装置によって移動可能に構成されたレンズを有することを特徴とする交換レンズ。
- 請求項10に記載の振動型駆動装置を備え、該振動型駆動装置によって移動可能に構成
された撮像素子を有することを特徴とする撮像装置。 - 請求項10に記載の振動型駆動装置を備え、該振動型駆動装置によって移動可能に構成されたステージを有することを特徴とする自動ステージ。
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