JP2019216573A - 振動波モータ及びこれを有する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型であることと、（ギア出力と比較して出力形態の自由度が高い）軸体出力であることを両立した振動波モータを提供する。【解決手段】 第１の方向を長手方向とする軸体と、電気−機械エネルギ変換素子と、前記電気−機械エネルギ変換素子と嵌合する第１の弾性体と、前記軸体を、前記第１の方向に位置決めする位置決め部材と、前記第１の弾性体と前記位置決め部材を連結する連結部材と、を有し、前記軸体が、前記第１の弾性体及び前記位置決め部材と、前記第１の方向を中心軸にして軸回転可能に嵌合する。【選択図】 図２

Description

本発明は、振動波モータ及びこれを有する装置に関する。

一般に、振動波モータは、カメラレンズの駆動用などに用いられており、リング状振動子を用いたリング型のものと、棒状の振動子を用いた棒型のもの（以下、「棒型ＵＳＭ」という）などが存在する。棒型ＵＳＭとしては、軸周りに回転（軸回転）する軸体から出力を取り出せる軸出力のもの（以下、「軸出力ＵＳＭ」という）と、軸回転するギアから出力を取り出せるギア出力のもの（以下、「ギア出力ＵＳＭ」という）がある。特許文献１，２にはそれぞれ、軸出力ＵＳＭ、ギア出力ＵＳＭが開示されている。

２０００−３０８３７５号公報 ２０１６−１３００９号公報

軸出力ＵＳＭである、特許文献１の振動波モータは、軸回転可能な軸体（出力軸）と、軸体を軸回転（軸周りの回転）駆動するための構成を有する。軸体を軸回転駆動するための構成としては、円筒状の電気−機械エネルギ変換素子（圧電素子）、弾性体（振巾拡大部材）、被駆動部材（回転体）、前記軸体と前記被駆動部を係合する係合部材（回り止め）などを有する。ここで、軸体を軸回転駆動するための構成は、円筒状の圧電素子の径方向の仮想断面の両側に存在する。

特許文献１の振動波モータは、前記軸体を軸回転駆動するための構成が２つ存在するので、駆動力が高い。しかし、同じ構成が面対称に２つ存在するので、大型である。

ギア出力ＵＳＭである、特許文献２の振動波モータを、図７に示した。

特許文献２のギア出力ＵＳＭは、固定軸２０１と、固定軸２０１の周方向に回転可能な被駆動部材２０６と、被駆動部材２０６を軸回転駆動するための構成を有する。被駆動部材２０６を軸回転駆動するための構成としては、円筒状の電気−機械エネルギ変換素子（圧電素子）２０２、弾性体２０３などを有する。ここで、被駆動部材２０６は、円筒状の圧電素子２０２の径方向の仮想断面の片側にのみ存在する。

特許文献２の振動波モータは、被駆動部材が、円筒状の圧電素子２０２の径方向の仮想断面に対して片側にのみ存在するので、小型である。しかし、ギア出力ＵＳＭにおける外部ギアへの出力伝達形態は、平歯車のみに限定されるので、出力形態の自由度が低い。このため、たとえば、カメラレンズにおけるレンズ駆動用モータとして用いる場合には、レンズの光軸（不図示）と振動波モータの固定軸２０１を略平行に配置する必要があった。

このような課題に鑑みて、本発明は、小型であることと、（ギア出力と比較して出力形態の自由度が高い）軸出力であることを両立した振動波モータ及びこれを有する装置を提供することを目的とする。

本発明の振動波モータは、第１の方向を長手方向とする軸体と、電気−機械エネルギ変換素子と、前記電気−機械エネルギ変換素子と嵌合する第１の弾性体と、前記第１の弾性体と嵌合し、前記第１の弾性体と共に、前記電気−機械エネルギ変換素子を挟み込む第２の弾性体と、前記電気−機械エネルギ変換素子及び前記第２の弾性体を、前記第１の弾性体に締め付ける締め付け部材と、前記第１の弾性体の振動により、前記第１の方向を中心軸にして軸回転駆動する被駆動部材と、前記軸体と前記被駆動部材を係合する係合部材と、前記軸体を、前記第１の方向に位置決めする位置決め部材と、前記第１の弾性体と前記位置決め部材を連結する連結部材と、を有し、前記軸体が、前記第１の弾性体及び前記位置決め部材と、前記第１の方向を中心軸にして軸回転可能に嵌合する、ことを特徴とする。

本発明によれば、小型であることと、（ギア出力と比較して出力形態の自由度が高い）軸出力であることを両立した振動波モータを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動波モータの斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る振動波モータの断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る、（ａ）振動子の断面図、（ｂ）第１の弾性体の断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る振動波モータの断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る、（ａ）振動波モータの斜視図、（ｂ）振動波モータの断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るデジタルカメラの斜視図である。 従来例における振動波モータの断面図である。

［実施例１］
本実施例について、図１乃至３を用いて説明する。図１は、本実施例の振動波モータの斜視図、図２は、本実施例の振動波モータの断面図、図３は、本実施例の振動波モータに係る、（ａ）振動子の断面図、（ｂ）第１の弾性体の断面図である。

図１において、１は出力軸（軸体）、５１はナット（第１の締め付け部）、８は固定部材（位置決め部材）、９は連結部材、１０はフレキシブルプリント基板である。

位置決め部材８は、ケース固定部８１、第２の軸受部８２を有し、ケース固定部８１は、溝８ａ、ネジ穴８ｂを有する。連結部材９は、ケース（第１の連結部）９１、ケース支持部（第２の連結部）９２を有する。

図２において、２は圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）、３は第１の弾性体、４は第２の弾性体、５は締め付け部材、６は被駆動部材、７は回転伝達部材（係合部材）である。

第１の弾性体３は、第１の弾性部３１と第２の弾性部３２を有する。第１の弾性部３１は、軸体１の長手方向（第１の方向）に垂直な方法（第２の方向）を長手方向とするフランジ状の形状を有する。第２の弾性部３２は、第１の弾性部３１における圧電素子側（電気−機械エネルギ変換素子側）の面（第１の面）から突出し、第１の方向を長手方向とする。第２の弾性部３２（第１の弾性体３）は、圧電素子２及び第２の弾性体４と嵌合する。第１の弾性部３１（第１の弾性体３）は、第２の弾性体４と共に、圧電素子を挟み込んでいる。また、第１の弾性体３は、第１の弾性部３１における第１の面の反対側の面（第２の面）から、第１の方向を長手方向とするチューブ状の形状を有する第３の弾性部３３と、第１の軸受部３４も有する。第３の弾性部３３は、軸体１を第２の方向で囲繞する。また、第３の弾性部３３と被駆動部材６は、第２の方向で重なる。

振動波モータを第１の方向に小型化するため、第３の弾性部３３を第１の方向に短くすると、共振周波数が増加する。この問題を解決するために、第３の弾性部３３と被駆動部材６を、第２の方向で重ねることにより、共振周波数を変えることなく、振動波モータを第１の方向に小型化している。

締め付け部材５は、第２の弾性部３２と嵌合する、圧電素子２及び第２の弾性体４を、第１の弾性部３１（第１の弾性体３）に締め付ける部材である。締め付け部材５としては、ナット５１と、第１の弾性体３（第２の弾性部３２）に形成された雄ネジ５２（後述する）を用いた。締め付け部材としては、圧電素子及び第２の弾性体を、第１の弾性体に締め付ける部材であればよく、ナットと雄ネジに限られない。

被駆動部材６は、ロータ本環（第１の被駆動部）６１、接触部（第２の被駆動部）６２を有する。被駆動部材６は、圧電素子２から発生する振動により振動する、第１の弾性体３（第１の弾性部３１）の振動により、第１の方向を中心軸にして軸回転（軸周りの回転）駆動する。第２の被駆動部６２の下側の端面は、第１の弾性体３（第１の弾性部３１）の上側の表面に接触している。第２の被駆動部６２は、第１の被駆動部６１に固定されている。

位置決め部材８は、軸体１を、直接的に又は間接的に、第１の方向に位置決めしている。たとえば、図２では、位置決め部材８が、係合部材７と接することにより、係合部材７と係合する軸体１を間接的に、第１の方向に位置決めしている。その他、位置決め部材８は、軸体１と、軸体１が第１の方向を中心に回転可能に嵌合しつつ、軸体１を直接的に、第１の方向に位置決めしてもよい。

連結部材９は、第１の弾性体３と位置決め部材８を連結している。連結部材は、後述するように、それぞれ別体の部材により構成しても良いし（実施例１，２）、一体の部材により構成しても良い（実施例４）。従来例（図７）では、固定軸２０１は軸回転しないので、固定軸２０１により振動波モータの構造が支持されるが、本発明の軸体１は軸回転するので、振動波モータの構造を支持することができない。そこで、連結部材９により、第１の弾性体３と位置決め部材８が連結されることにより、振動波モータの構造が支持される。

図２における、第１の弾性部３１の下方には、板状（フランジ状）のケース支持部９２、圧電素子２、フレキシブルプリント基板１０及び第２の弾性体４を貫通するように、円柱状の突起（第２の弾性部３２）が設けられている。第２の弾性部３２の先端には、雄ネジ５２が形成されている。第１の弾性体３（第２の弾性部３２）に形成された雄ネジ５２と、ナット５１と、からなる締め付け部材５により、ケース支持部９２、圧電素子２、フレキシブルプリント基板１０及び第２の弾性体４を、所定の挟持力が付与されるように締め付けている。これら部材により、振動子１７が構成されている。なお、本実施例では、第２の弾性体４は、ナット５１とは別体に形成されているが、第２の弾性体４は、ナット５１と一体に形成されていてもよい。

理解を助けるため、振動波モータを構成する部材のうち、図３に、（ａ）振動子１７及び（ｂ）第１の弾性体３（第１の軸受部３４を除く）を示した。

第１の弾性体３の材料としては、耐摩耗性を備え、振動の減衰が小さい材料が好ましい。そのような材料としては、マルテンサイト系ステンレスがある。また、第１の弾性体３の材料としては、耐摩耗性をさらに向上させるために、窒化処理が施された材料が好ましい。本実施例における第１の弾性体３の材料としては、窒化処理が施されたマルテンサイト系ステンレスを用いた。

圧電素子２には、それぞれが２つの電極からなる電極群（Ａ相とＢ相）が含まれ、不図示の電源から、フレキシブルプリント基板１０を介して、それぞれの電極群に位相の異なる交流電界が印加されると、振動子１７に、直交する２つの曲げ振動が励振される。

これら２つの振動モードは軸方向まわりの空間的な位相が９０度ずれており、印加交流電界の位相を調整することにより、２つの曲げ振動に、９０度の時間的な位相差を与えることができる。そして、その結果、振動子１７の曲げ振動が軸周りに回転し、第２の被駆動部６２と接触する、第１の弾性部上の接触面に楕円運動が形成される。そして、それにより、駆動力が発生し、第１の弾性体３に押圧された被駆動部材６が駆動される。

圧電素子２は、複数の圧電層と電極層を交互に積層して同時焼成して形成した積層圧電素子でもよいし、単板の圧電素子を複数積層して挟み込む構成でも構わない。また、圧電素子２のＡ相の一部には、振動子１７の曲げ振動により歪みを生じ、正圧電効果により電荷を発生し、この電荷を検出することで振動子１７の振動状態のモニタするためのセンサ相が設けられている。このときの周波数に対するＡ相圧電素子の印加電圧とセンサ相の出力信号の位相差の関係は、共振周波数において９０度となり、共振周波数より高い側の周波数では徐々にずれていく。よって、振動を与えている時にこの位相差の値を検出することで、入力の周波数と振動子１７の共振周波数との関係のモニタが行え、振動子の安定した駆動が行える。

第２の被駆動部６２は、図２における第２の被駆動部６２の下方端の面が第１の弾性部３１に接触する。第１の被駆動部６１には、第２の被駆動部６２が固定され、第２の被駆動部６２と共に、軸体１の長手方向（第１の方向）を中心（中心軸）にして回転可能（軸回転可能）である。第１の被駆動部６１と第２の被駆動部６２は、第１の弾性部３１の振動により、第１の方向を中心（中心軸）にして回転駆動（軸回転駆動）する。

第２の被駆動部６２は、振動子１７の振動にならうように、適度なバネ性を有するのが好ましく、本実施例でもそのような構造となっている。第２の被駆動部６２の材料としては、耐摩耗性、高強度性、耐食性を備えた材料が好ましい。そのような材料としては、ステンレス鋼があるが、ステンレス鋼よりもＳＵＳ４２０Ｊ２の方がより好ましい。本実施例における第２の被駆動部６２の材料としては、ＳＵＳ４２０Ｊ２を用いた。

第２の被駆動部６２の加工方法としては、旋盤加工や３Ｄプリンタ等を採ることができるが、これらよりも、プレス加工の方が、加工精度、コストの点でより好ましい。第２の被駆動部６２は、樹脂接着剤による接着や、半田などの金属ろう付け、レーザ溶接、抵抗溶接などの溶接、圧入、かしめ等の機械的接合により、第１の被駆動部６１に固定される。

第１の被駆動部６１は、ゴム環１２を介して加圧バネ（加圧部材）１１で加圧される。このように加圧されることで、第２の被駆動部６２と第１の弾性部３１の間に摩擦力が生まれ、前述した楕円運動により、第２の被駆動部６２を回転させることができる。なお、ゴム環１２は加圧力を均一化する働きをしている。

回転伝達部材（係合部材）７は、軸体１と第１の被駆動部６１（被駆動体６）と係合する。第１の被駆動部６１には凹部が形成され、軸体１と係合する係合部材７に形成された凸部と係合することで、軸体１は、係合部材７及び被駆動部材６と共に、第１の方向を中心（中心軸）にして回転可能（軸回転可能）である。軸体１が回転（軸回転）することにより、振動波モータの出力が外部に伝達される。

一方で、係合部材７は、第１の被駆動部６１に対して、第１の方向に垂直な方向（第２の方向）には拘束されるが、第１の方向には拘束されておらず、加圧バネ１０の反力を受けながら、第２の軸受部８２に対して摺動する。また、係合部材７は、圧入又は接着などにより、軸体１と係合しており（軸体１に固定されており）、軸体１と共に回転可能（軸回転可能）である。係合部材７の材料は、耐摩耗性、高強度性を備えた材料が好ましい。そのような材料としては、ステンレスがある。本実施例における係合部材７の材料としては、ステンレスを用いた。

軸体１は、後述の第１の軸受部３４及び第２の軸受部８２と嵌合し、これらにより、第１の方向を中心（中心軸）にして回転可能（軸回転可能）可能であり、かつ、径方向（第２の方向）に拘束されている。第１の軸受部３４は、第１の弾性体３に圧入又は接着により固定されている。第１の軸受部３４を固定する場所を、振動子１７における振動の節位置付近にすることで、振動の減衰を最小にしている。軸体１の回転を、第１の軸受部３４のような軸受を介せず、第１の弾性体３が直に受けることも可能である。しかし、振動が軸体１に伝搬しないように、軸受を使用することが好ましい。軸受としては、振動の、軸体１への伝搬抑制効果の高い、樹脂製が好ましい。

軸体１は、第２の弾性部３２を第１の方向に貫通してもよいが、本実施例のように、軸体１は、第２の弾性部３２を第１の方向に貫通せず、軸体１と圧電素子２は、第２の方向で重ならない方がよい。それにより、第２の弾性部３２の第２の方向における径を細くすることができ、第１の弾性体３の設計自由度が増すからである。

連結部材９は、第１の弾性体３と位置決め部材８を連結している。また、振動子１７は、ケース支持部９２を介して、筒状のケース９１に固定されている。このケース支持部９２は、振動子１７の振動を阻害しないように適度なバネ性を有している。ケース９１は位置決め部材８に固定されている。固定方法は、接着や圧入でも可能だが、本実施例では、位置決め部材８（ケース固定部８１）に設けられた３か所の溝８ａに合わせてケース９１をつぶすことによりかしめている。かしめは作業性がよく、安価なため、ケース９１の固定に最適である。

位置決め部材８（ケース固定部８１）には、固定のためのネジ穴８ｂが設けられており、別部材に固定される。位置決め部材８（ケース固定部８１）の内径側には、第２の軸受部８２が設けられている。本実施例ではこれらを別体で形成したが、高強度や耐摩耗性、低摩擦係数の材料を選択することで、一体で形成することも可能である。

軸体１の先端に平歯ギアを付けることで、不図示の被駆動体のギアの軸体と軸体１を平行に配置することが可能となる。また、軸体１の先端にウォームギアを取り付けることで、不図示の被駆動体のギアの軸体と軸体１を垂直に取り付けることができる。また、被駆動体の軸体と軸体１を、カップリンクを介して結合し、ダイレクトに駆動することも可能となる。ダイレクト駆動によりバックラッシュのない精密で制御性のよい駆動系にすることが可能となる。

以上より、本実施例によれば、小型であると共に、軸出力である振動波モータを提供することができる。

［実施例２］
本実施例について、図４を用いて説明する。

図４では、（第１の弾性体１３を構成する）第２の弾性部は、（第１の弾性体１３を構成する）第１の弾性部（及び第３の弾性部）とは別体に形成されている。つまり、第１の弾性部１３１と嵌合する、第１の弾性部１３１（及び第３の弾性部１３３）とは別体のシャフト（第２の弾性部）１３２と、ナット５１で内部の部品（圧電素子、第２の弾性体など）を挟持している。

第１の弾性部１３１は、摩擦駆動させるため耐摩耗性の高い材料が好ましく。特に、高トルクの振動波モータの場合、耐摩耗性の観点でステンレスの中で最も硬いＳＵＳ４４０Ｃが好ましい。ＳＵＳ４４０Ｃを採用した場合、ＳＵＳ４４０Ｃは硬いので、一体で削り出す場合よりも、別体にしたほうのコストが安い場合がある。よって、本実施例では、第１の弾性体１３１（及び第３の弾性体１３３）には、ＳＵＳ４４０Ｃ、第２の弾性部１３２には、加工性と強度のバランスを鑑みて、ＳＵＳ４２０Ｊ２又は、ＳＵＳ４２０Ｆ、ＳＵＳＵ３０３などが好ましい。

第２の弾性部１３２の上部には、第１の軸受部１３４の入る溝が設けられており、そこに第１の軸受部１３４を固定する。その他の機能は実施例１と同じのため説明を省略する。

［実施例３］
本実施例について、図５を用いて説明する。

本実施例では、第１の連結部と第２の連結部が一体で形成され、双方の機能を兼ねた支持ケース（連結部材）１９により振動子１７を支持している。実施例１と同等に第１の弾性部３１と圧電素子２の間に、板状のケース支持部（第２の連結部）９２が配置されている。第１の弾性部３１と圧電素子２の間からは８本の脚が延出し、折れ曲がって円筒部に続いている。このことで、適度なバネ性を有し、振動子１７の振動を阻害しないようになっている。その形状から、支持ケース１９はプレス加工で製作されることが好ましい。

このように一体で形成することで、（実施例１のように）第１の連結部と第２の連結部を固定する工程が省け、かつ、部品点数も減る。そのため、より安価に振動波モータを製造することが可能となる。

［実施例４］
本実施例について、図６を用いて説明する。

本実施例では、上述した振動波モータを電子機器の一例として、撮像装置に搭載した例について説明する。図６は、撮像装置の一例であるデジタルカメラ１０１の概略構造を示す斜視図である。

デジタルカメラ１０１の前面には、レンズ鏡筒１０２が取り付けられており、レンズ鏡筒１０２の内部には、光軸方向に移動可能な不図示のレンズ群（被駆動体）が配置されている。レンズ群は、振動波モータにより駆動可能である。つまり、振動波モータは、実施例１で説明した駆動方法により駆動され、不図示の駆動力伝達部材を介して、レンズ鏡筒１０２に配置されたレンズ群を駆動する。たとえば、振動波モータは、ズームレンズの駆動用及び／又はフォーカスレンズの駆動用等に任意に用いることができる。被駆動体は、レンズ群に限られず、小型で、出力形態に高い自由度が求められる各種装置にも用いることができる。

実施例１で述べたように、小型であると共に、軸出力である振動波モータを提供することができるので、たとえば、撮像装置における光学系の光軸と垂直に配置することで、撮像装置において光軸方向の厚みを小さくすることが可能となる。

１ 出力軸（軸体）
２ 圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）
３，１３ 第１の弾性体
４ 第２の弾性体
５ 締め付け部材
６ 被駆動部材
７ 回転伝達部材（係合部材）
８ 固定部材（位置決め部材）
９ 連結部材

Claims (10)

1. 第１の方向を長手方向とする軸体と、
   電気−機械エネルギ変換素子と、
   前記電気−機械エネルギ変換素子と嵌合する第１の弾性体と、
   前記第１の弾性体と嵌合し、前記第１の弾性体と共に、前記電気−機械エネルギ変換素子を挟み込む第２の弾性体と、
   前記電気−機械エネルギ変換素子及び前記第２の弾性体を、前記第１の弾性体に締め付ける締め付け部材と、
   前記第１の弾性体の振動により、前記第１の方向を中心軸にして軸回転駆動する被駆動部材と、
   前記軸体と前記被駆動部材を係合する係合部材と、
   前記軸体を、前記第１の方向に位置決めする位置決め部材と、
   前記第１の弾性体と前記位置決め部材を連結する連結部材と、を有し、
   前記軸体が、前記第１の弾性体及び前記位置決め部材と、前記第１の方向を中心軸にして軸回転可能に嵌合する、ことを特徴とする振動波モータ。
2. 前記第１の弾性体は、前記第１の方向に垂直な第２の方向を長手方向とするフランジ状の形状を有し、前記電気−機械エネルギ変換素子から発生する振動により振動する第１の弾性部と、前記第１の弾性部における前記電気−機械エネルギ変換素子側の第１の面から突出し、前記第１の方向を長手方向とする第２の弾性部と、を有し、
   前記第２の弾性部は、前記電気−機械エネルギ変換素子及び前記第２の弾性体と嵌合する、ことを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
3. 前記軸体と前記電気−機械エネルギ変換素子は、前記第１の方向に垂直な第２の方向で重ならない、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動波モータ。
4. 前記第１の弾性体は、前記第１の弾性部における前記第１の面の反対側の第２の面から、前記第１の方向を長手方向とするチューブ状の形状を有し、前記軸体を、前記第１の方向に垂直な第２の方向で囲繞する第３の弾性部を有し、
   前記第３の弾性部と前記被駆動部材は、前記第２の方向で重なる、ことを特徴とする請求項２に記載の振動波モータ。
5. 前記第２の弾性部は、前記第１の弾性部と一体に形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載の振動波モータ。
6. 前記第２の弾性部は、前記第１の弾性部とは別体に形成され、前記第１の弾性部と嵌合する、ことを特徴とする請求項２に記載の振動波モータ。
7. 前記第１の弾性体は、第１の軸受部を有し、
   前記位置決め部は、第２の軸受部を有し、
   前記軸体は、前記第１の軸受部及び前記第２の軸受部と嵌合する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動波モータ。
8. 前記締め付け部材は、ナットと、第１の弾性体に形成された雄ネジからなる、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動波モータ。
9. 前記第２の弾性体は、前記ナットと一体に形成されている、ことを特徴とする請求項８に記載の振動波モータ。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動波モータと、
    前記振動波モータにより駆動可能な被駆動体と、を有することを特徴とする装置。

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