JP2018191382A - 振動型アクチュエータおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】部品および組立がコストアップすることなく、駆動効率が高くしかも回転むらの少ない振動型アクチュエータを提供する。【解決手段】振動型アクチュエータは、一対の弾性部材によって少なくとも圧電素子３が挟持され当該圧電素子に印加される交流電圧に応じて発生した複数の曲げ振動を合成する振動子１９を有し、ロータ７および１２が振動子に接触して振動子の振動に応じて回転する。振動子には圧電素子と弾性部材の一方とによって挟持され振動子をモータ筐体に支持する支持部材４が備えられ、支持部材は弾性部材と圧電素子とに接触する部分において出力軸に対して非軸対称な形状に成形されている。【選択図】図３

Description

本発明は、振動型アクチュエータおよび当該振動型アクチュエータを用いた電子機器に関し、特に、２つの弾性体に挟持された圧電体を備える振動子によってロータを摩擦駆動する振動型アクチュエータに関する。

一般に、振動型アクチュエータは、カメラレンズの駆動などに用いられ、その形状が円環型のものと棒状型のものとがある。ここで、棒状型の振動型アクチュエータについて説明する（特許文献１参照）。

当該振動型アクチュエータは、２つの金属などの弾性部材（弾性体）の間に電気−機械エネルギー変換素子の１つである積層圧電素子を有している。そして、当該圧電素子（圧電体）に交流電圧を印加するためのフレキシブルプリント基板および支持部材を２つの弾性体で挟み込む。これら弾性体同士を抵抗溶接によって固定して振動子を構成する。

積層圧電素子は、圧電層と電極層とが交互に複数積層されており、電極層の各々において電極が２つの電極群にグループ化（Ａ相、Ｂ相）されている。そして、各電極群に位相の異なる交流電圧を印加すると、振動子には互いに直交する曲げ振動が励振される。

この交流電圧の位相を調整することによって、曲げ振動間に９０度の時間的な位相差を与えることができる。これによって、振動子における曲げ振動は軸回りに回転する。

振動を励振するため、積層圧電素子の圧電層の片面に形成される電極層には、円盤部を略４等分する形状で電極が形成されている。積層圧電素子では、電極毎に圧電層が厚さ方向に分極されており、中心軸に対向する位置にある電極は互いに逆方向に分極されている。

積層圧電素子に交流電圧を印加して、互いに直交する曲げ振動を振動子に励起させることによって弾性部材に楕円運動を発生させて、弾性部材にロータを圧接して得られた摩擦力により駆動力を得ている。

ところが、振動子に用いる部品は軸対称となるように設計されているものの、各部品には加工公差が存在するので、Ａ相とＢ相における共振周波数は完全には一致せず、ある程度の差（＝Δｆ）が生じる。

さらに、正圧電効果によって発生した電圧と入力電圧との位相によって、現在の駆動周波数と共振周波数との差を検知するためにセンサ相を設けることがある。ところが、センサ相をＡ相側に設けるとＡ相におけるアドミタンスおよびＱ値（Ｑｍ）が低下する。また、フレキシブルプリント基板に引き出し部を設けると、同様にアドミタンスおよびＱ値が低下する。

図９は、従来の振動型アクチュエータにおける共振周波数の差に起因するモータ損失を説明するための図である。そして、図９（Ａ）は周波数と振動振幅との関係を示す図であり、図９（Ｂ）はＡ相振動振幅とＢ相振動振幅との関係を示す図である。

図９（Ａ）に示すように、Δｆが負となった場合、Ａ相およびＢ相の振動振幅差が大きくなって、楕円比が大きくなってしまう（図９（Ｂ）参照）。その結果、モータ損失が大きくなる。

さらに、振動子の回転位相によって振動振幅が異なるので、ロータの回転むらが大きくなる。また、Ａ相にセンサ相を設けている場合に、Ａ相よりもＢ相の共振周波数が高いと、駆動周波数がＢ相の共振周波数よりも低い状態、つまり、モータ効率が悪い状態となっても駆動周波数と共振周波数との差を検知することができない。

このように問題に対処するため、弾性体の一部を面取りして意図的にＡ相の共振周波数を上げるようにしたものがある（特許文献２参照）。

特開２００３−４７２６５号公報 特開平５−１１５１８３号公報

ところが、弾性体の一部を面取りする場合には、旋盤加工のみで加工が完結しないので、面取りのための加工が必要となる。さらには、振動型アクチュエータを組み立てる際には、積層圧電素子の電極位置と弾性体の回転方向との位置決めも必要となることを考慮すると、組立冶具が複雑となるばかりでなく組立が容易とはいえない。

従って、本発明の目的は、従来よりも部品の加工及び組立が容易な構成で、共振周波数の差を低減することができる振動型アクチュエータおよび振動型アクチュエータを用いた電子機器を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の一側面としての振動型アクチュエータは、一対の弾性部材によって少なくとも電気−機械エネルギー変換素子が挟持され、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加される交流電圧に応じて発生した複数の曲げ振動を合成する振動子と、前記振動子に接触して前記振動子の振動に応じて回転する回転部材と、前記振動子および前記回転部材を貫通し前記回転部材の回転に応じて回転する出力軸と、を有する振動型アクチュエータであって、前記振動子には、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性部材の一方とによって挟持され当該振動子をモータ筐体に支持する支持部材が備えられており、前記支持部材は、前記弾性部材と前記電気−機械エネルギー変換素子とに接触する部分において前記出力軸に対して非軸対称な形状であることを特徴する。

本発明の一側面としての振動型アクチュエータによれば、従来よりも部品の加工及び組立が容易な構成で、共振周波数の差を低減することができる。

本発明の第１の実施形態による振動型アクチュエータの一例を説明するための図である。 図１（Ａ）に示す振動子における曲げ振動モードの一例を説明するための図である。 図１（Ｂ）に示す支持部材の一例を説明するための図である。 図１に示す振動型アクチュエータにおける共振周波数の差に起因するモータ損失を説明するための図である。 図１に示す振動型アクチュエータおよび従来の振動型アクチュエータにおける共振周波数差のばらつきの一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態による振動型アクチュエータで用いられるフレキシブルプリント基板の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態による振動型アクチュエータで用いられるフレキシブルプリント基板の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態による振動型アクチュエータが用いられたデジタルカメラの位一例を示す斜視図である。 従来の振動型アクチュエータにおける共振周波数の差に起因するモータ損失を説明するための図である。

以下に、本発明の実施の形態による振動型アクチュエータの一例について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による振動型アクチュエータの一例を説明するための図である。そして、図１（Ａ）は外観を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は断面図である。

図示の振動型アクチュエータ２０は、振動子１９を備えている。振動子１９は一対の弾性体（弾性部材）１および２、圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）３、支持部材４、およびフレキシブルプリント基板（フレキシブル基板）５を有している。

圧電素子（圧電体）３、支持部材４、およびフレキシブルプリント基板５は、弾性体１および２の抵抗溶接によって所定の挟持力で締め付けられている。また、弾性体１および２は弾性体軸受１６によって出力軸１０に配設されている。つまり、出力軸１０は振動子１９を貫通している。

圧電素子３には、２つの電極からなる電極群（Ａ相およびＢ相）が備えられている。そして、電源（図示せず）からフレキシブルプリント基板５を介してこれら電極群に位相の異なる交流電圧が印加されると、振動子１９には互いに直交する２つの曲げ振動が励振される。そして、振動子１９は２つの曲げ振動を合成する。

なお、圧電素子３は複数の圧電層と電極層を交互に積層して焼成した積層圧電素子（積層体）であってもよく、単板の圧電素子を複数積層して弾性体で挟み込むものであってもよい。

また、圧電素子が圧電体と電極とを交互に積層した積層体である場合に、積層体の１層が正圧電効果によって電圧を出力するセンサ相として用いられる。

圧電素子３のＡ相の一部には振動子１９の曲げ振動によって歪みを生じ、正圧電効果に応じた電荷を発生し当該電荷を検出して振動子１９の振動状態のモニターするためのセンサ相が設けられている。ここで、Ａ相に対する印加電圧とセンサ相の出力信号との位相差は、共振周波数（固有振動数ともいう）において９０度となり、共振周波数より高い周波数では位相差は９０度から徐々にずれる。

よって、この位相差を検出すれば振動周波数と振動体１および２の共振周波数との関係が得られ、振動体１および２を安定して駆動することができる。

図２は、図１（Ａ）に示す振動子における曲げ振動モードの一例を説明するための図である。そして、図２（Ａ）はＡ相に交流電圧を印加した際に生じる曲げ振動を示す図であり、図２（Ｂ）はＢ相に交流電圧を印加した際に生じる曲げ振動を示す図である。なお、図２に示す例では、説明の便宜上、支持部材４およびフレキシブルプリント基板５は省略されている。

Ａ相およびＢ相に印加する交流電圧の位相を調整することによって、図示の曲げ振動に９０度の位相差を与えることができる。これによって、振動子１９における曲げ振動が出力軸８の軸周りに回転して、摺動部材６および１１と振動子１９との接触面には楕円運動が形成される。

支持部材４は振動子１９における振動を阻害しないように、軸方向に適度なバネ性を有している。また、支持部材４は回転方向に関して剛性が高い状態でモータケース（モータ筐体）１７に固定されている。

摺動部材６はその端面が弾性体１に接触している。そして、摺動部材６における接触面積は小さく、摺動部材６は適度なバネ性を有している。ロータ（回転部材）７は摺動部材６と接着又は圧入、かしめなどによって固定されている。

これによって、ロータ７は摺動部材６と一体的に回転する。ロータ７と連結板８、そして、連結板８と圧入部材９とは、接着又はレーザー溶接などによって固定されている。さらに、圧入部材９は出力軸１０に圧入されており、これによって、ロータ７の回転が出力軸１０に伝達される。

図１（Ｂ）において、下側に位置するロータ１２にはバネケース１３が接着などによって固定される。そして、バネケース１３と圧入部材１５との間は加圧バネ１４が配置され、加圧バネ１４によって摺動部材１１は所定の力で弾性体２に加圧接触する。圧入部材１５は出力軸１０に圧入されている。

これによって、出力軸１０は図１（Ｂ）において下方向に加圧力を受け、摺動部材６は弾性体１に加圧接触する状態となる。

なお、バネケース１３および圧入部材１５には回転止めが設けられている。これによって、バネケース１３および圧入部材１５は軸方向に自在に移動しつつ、回転力を伝達する。また、上述の組立体は、モータケース１７に収納され、モータケース１７の開口部は取付部１８によって塞がれる。

上述の振動型アクチュエータ２０では、弾性体１および２の面に生じた楕円運動が摩擦力によって、摺動部材６および１１に伝達される。そして、摺動部材６および１１、ロータ７および１２、連結板８、圧入部材９および１５、出力軸１０、連結板８、バネケース１３、および加圧バネ１４が一体となって軸回りに回転する。

図３は、図１（Ｂ）に示す支持部材の一例を説明するための図である。そして、図３（Ａ）は外観を示す斜視図であり、図３（Ｂ）は軸方向からみた図である。

図示の支持部材４はステンレス、銅合金、又はアルミ合金などの強度が高く、プレス加工が容易な材料で成形されている。支持部材４はリング形状を有しており、リング状の板体（リング体）４ａから径方向外側に９０度の間隔をおいて４本の足（係止部）４ｂが突出している。そして、足４ｂの各々の先端は、図３（Ａ）に示すように、折り曲げられている。

これらの４本の足４ｂの先端をモータケース１７に固定（係止）して、支持部材４によって振動子１９を支持する。図３（Ｂ）に示すように、Ｂ相の振動方向に対応するリング状の板体４ａの外周面には面取りが施され、弾性体と圧電素子３とに接触する部分において出力軸に対して非軸対称な形状に成形されている。つまり、支持部材４は、弾性体と圧電素子３とに接触する部分において互いに直交するＡ相振動方向の長さとＢ相振動方向の長さとを異ならせて非軸対称な形状とされる。

弾性体１には、支持部材４に接する面が凹状に形成されている。つまり、弾性体１は外径に比べて、内径が凹んだ形状に加工され、これによって、外径側が強固となる。

図３（Ｂ）に示すように、面取りを形成すると、その部分における挟持力が弱くなって、Ｂ相に係る共振周波数が低下する。Ａ相はフレキシブルプリント基板の引き出し方向であり、かつ、Ａ相にはセンサ相が形成されているので、アドミタンスおよび振動振幅が低い。

図４は、図１に示す振動型アクチュエータにおける共振周波数の差に起因するモータ損失を説明するための図である。そして、図４（Ａ）は周波数と振動振幅との関係を示す図であり、図４（Ｂ）はＡ相振動振幅とＢ相振動振幅との関係を示す図である。

Ａ相の振動振幅のピーク値はＢ相に比べて低いものの、共振周波数は高い。このため、両相の振動振幅は近似する。また、摩擦面におけるＡ相およびＢ相の振動振幅のシサージュは、図４（Ｂ）に示すように真円に近くなるので、余分な振動エネルギーが使われることなく振動型アクチュエータの駆動効率が高くなる。

さらに、Ｂ相に比べて、Ａ相の共振周波数は同等か又は高い。この結果、前述のセンサ相における検出の際に、高周波数側からスイープして駆動している際に位相差が略９０度になった場合においても、Ａ相の共振周波数はＢ相の共振周波数を下回ることがない。なお、Ａ相およびＢ相の共振周波数差をΔｆとすると、その適正値は−２０〜＋８０Ｈｚ程度（−２０以上で＋８０Ｈｚ以下）が好ましい。

図５は、図１に示す振動型アクチュエータおよび従来の振動型アクチュエータにおける共振周波数差のばらつきの一例を示す図である。

ここでは、フレキシブルプリント基板５の引き出し方向がＡ相側にあるので、従来の振動型アクチュエータにおけるΔｆの中央値は−側にあり、Δｆはその適正値から外れる度数が多い。一方、図１に示す振動型アクチュエータにおいては、Δｆはそのほとんどが適正値の範囲となる。

同様の効果は弾性体１および２に面取りを形成することによっても得られるものの、旋盤加工のみではなく追加の加工が生じて加工コストが増大する恐れがある。さらには、弾性体１および２と圧電素子３の回転方向との位置決めが必要となって、組立工数が増加するばかりでなく、冶具が煩雑となる恐れがある。

一方、図１に示す振動型アクチュエータでは、板部材をプレス加工で打ち抜いて支持部材４を形成すればよく、面取りを設けることによる工数の増加はない。さらに、支持部材４は元々圧電素子３との位置決めを必要とする部品であるので、従来技術と比較して組立工数を小さくすることができる。

このように、本発明の第１の実施形態では、従来よりも部品の加工及び組立が容易で、共振周波数の差を低減することができるため、駆動効率の良い振動型アクチュエータを得ることができる。

［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態による振動型アクチュエータの一例について説明する。

なお、第２の実施形態による振動型アクチュエータの構成は図１に示す振動型アクチュエータと同様であるが、第２の実施形態においては、支持部材４には面取りが施されておらず、フレキシブルプリント基板５の構成が第１の実施形態と異なる。

図６は、本発明の第２の実施形態による振動型アクチュエータで用いられるフレキシブルプリント基板の一例を示す図である。

図示のフレキシブルプリント基板５はベース５１を有しており、ベース５１上には配線パターン５２が形成されている。そして、圧電素子３と接触しない部分およびコネクタ部以外の部分にはカバー５３が積層されている。

なお、ベース５１およびカバー５３にはポリイミドなどの樹脂が用いられ、配線パターン５２は銅にニッケル又は金メッキが施されている。

図６に示すように、フレキシブルプリント基板５はＢ相方向における外周部分が面取りされている。つまり、フレキシブルプリント基板５は、弾性体と圧電素子３とに接触する部分において配線パターンが出力軸に対して非軸対称な形状とされる。ここでは、外周部分においてベース５１には配線パターン５２が存在せず、この部分に面取りを施せば、第１の実施形態と同様にしてＢ相における共振周波数をＡ相における共振周波数よりも低くすることができる。

言い替えると、弾性体と圧電素子に挟持されている部分においてフレキシブルプリント基板の引き出し方向と直交する方向におけるベースの外周面および配線パターンはそれぞれベースの他の外周面および他の配線パターンよりも径方向の距離を短くされる。これによって、第１の実施形態と同様にしてＢ相における共振周波数をＡ相における共振周波数よりも低くすることができる。

図７は、本発明の第２の実施形態による振動型アクチュエータで用いられるフレキシブルプリント基板の他の例を示す図である。

図示の例では、配線パターン５２のみがカットされており、この結果、Ｂ相方向における外周部分においてベース５１が露出し段差が形成される。ここでは、配線パターン５２における段差分だけ隙間が存在するので、当該隙間によって同様にＢ相における共振周波数をＡ相における共振周波数よりも低くすることができる。

言い替えると、弾性体と圧電素子に挟持されている部分においてフレキシブルプリント基板の引き出し方向と直交する方向における配線パターンは他の配線パターンよりも径方向の距離を短くされる。これによって、第１の実施形態と同様にしてＢ相における共振周波数をＡ相における共振周波数よりも低くすることができる。

フレキシブルプリント基板５は圧電素子３に対する位置決めを必要するので、上述のような面取りを施したとしても組立性の低下が発生しにくい。さらに、フレキシブルプリント基板５はエッチング又は打ち抜き工程によって製造されるので、上述のような面取り又はカット部分を形成したとしても部品コストが増大することはない。

ところで、上述の振動型アクチュエータ２０はデジタルカメラなどの撮像装置（電子機器）で用いられ、レンズユニット（駆動部材）に備えられた光学レンズを光軸に沿って駆動する際に用いられる。

図８は、本発明の実施の形態による振動型アクチュエータが用いられたデジタルカメラの位一例を示す斜視図である。

電子機器の１つであるデジタルカメラ１０１はその前面側にレンズ鏡筒１０２が取り付けられている。そして、レンズ鏡筒１０２には、光軸沿って移動可能なレンズ群（図示せず）が配置されている。振動型モータ２０は、第１の実施形態で説明した駆動手法によって駆動され、その駆動力はギア列（図示せず）を介してレンズ鏡筒１０２に配置されたレンズ群を駆動する。例えば、振動型アクチュエータ２０は、ズームレンズの駆動、フォーカスレンズの駆動などに用いられる。

このように、本発明の実施の形態にでは、Ａ相およびＢ相の振動振幅差を小さくできるので、摩擦面における振動軌跡が真円に近くなる。この結果、駆動効率が向上するばかりでなく、回転むらが低減する。そして、部品コストおよび組立コストが増大することもない。

以上、本発明について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

１，２ 弾性体
３ 圧電素子
４ 支持部材
５ フレキシブルプリント基板
６，１１ 摺動部材
７，１２ ロータ
１４ 加圧バネ
１９ 振動子
２０ 振動型アクチュエータ
１０２ レンズ鏡筒

Claims (14)

1. 一対の弾性部材によって少なくとも電気−機械エネルギー変換素子が挟持され、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加される交流電圧に応じて発生した複数の曲げ振動を合成する振動子と、前記振動子に接触して前記振動子の振動に応じて回転する回転部材と、前記振動子および前記回転部材を貫通し前記回転部材の回転に応じて回転する出力軸と、を有する振動型アクチュエータであって、
   前記振動子には、前記電気−機械エネルギー変換素子と前記弾性部材の一方とによって挟持され当該振動子をモータ筐体に支持する支持部材が備えられており、
   前記支持部材は、前記弾性部材と前記電気−機械エネルギー変換素子とに接触する部分において前記出力軸に対して非軸対称な形状であることを特徴する振動型アクチュエータ。
2. 前記複数の曲げ振動は、第１の曲げ振動と当該第１の曲げ振動に直交する方向の第２の曲げ振動とを含み、
   前記支持部材は、前記弾性部材と前記電気−機械エネルギー変換素子とに接触する部分において前記第１の曲げ振動の振動方向における長さと前記第２の曲げ振動の振動方向の長さとを異ならせて前記非軸対称な形状とされることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記支持部材は、面取りによって前記非軸対称な形状に成形されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記支持部材はリング体と当該リング体の外周面から径方向外側に突出し前記モータ筐体に係止される複数の係止部とを有し、前記外周面の一部が面取りされていることを特徴とする請求項３に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記振動子には、前記弾性部材によって挟持され前記電気−機械エネルギー変換素子に前記交流電圧を印加するフレキシブル基板が備えられ、
   前記フレキシブル基板の引き出し方向における第１の曲げ振動の固有振動数と当該第１の曲げ振動に直交する第２の曲げ振動の固有振動数とは所定の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の振動型アクチュエータ。
6. 一対の弾性部材によって少なくとも電気−機械エネルギー変換素子と前記電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧を印加するフレキシブル基板とが挟持され、前記電気−機械エネルギー変換素子に印加される交流電圧に応じて発生した複数の曲げ振動を合成する振動子と、前記振動子に接触して前記振動子の振動に応じて回転する回転部材と、前記回転部材の回転に応じて回転する出力軸と、を有する振動型アクチュエータであって、
   前記フレキシブル基板は少なくともベースと当該ベースに形成された配線パターンとを有し、
   前記配線パターンは、前記弾性部材と前記電気−機械エネルギー変換素子とに接触する部分において前記出力軸に対して非軸対称な形状であることを特徴する振動型アクチュエータ。
7. 前記弾性部材と前記電気−機械エネルギー変換素子とに挟持されている部分において前記フレキシブル基板の引き出し方向と直交する方向における配線パターンについて他の配線パターンよりも径方向の距離を短くしたことを特徴とする請求項６に記載の振動型アクチュエータ。
8. 前記弾性部材と前記電気−機械エネルギー変換素子とに挟持されている部分において前記フレキシブル基板の引き出し方向と直交する方向における前記ベースの外周面および配線パターンについてそれぞれ前記ベースの他の外周面および他の配線パターンよりも径方向の距離を短くしたことを特徴とする請求項６に記載の振動型アクチュエータ。
9. 前記フレキシブル基板の引き出し方向における第１の曲げ振動の固有振動数と当該第１の曲げ振動に直交す第２の曲げ振動の固有振動数とは所定の関係を満たすことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
10. 前記所定の関係は、前記第１の曲げ振動の固有振動数と前記第２の曲げ振動の固有振動数との差が−２０以上で８０Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項５又は９に記載の振動型アクチュエータ。
11. 前記電気−機械エネルギー変換素子には前記振動子の歪に応じて生じた電荷を検出して前記振動子の振動状態のモニターするためのセンサ相が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
12. 前記電気−機械エネルギー変換素子は圧電体と電極とを交互に積層した積層体であり、前記積層体の１層を正圧電効果によって電圧を出力し、当該電圧に応じて前記振動子の振動状態をモニターするためのセンサ相として用いることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、
    前記振動型アクチュエータの駆動によって駆動される駆動部材と、
    を有することを特徴とする電子機器。
14. 前記駆動部材には光学レンズが備えられていることを特徴とする請求項１３に記載の電子機器。