JP2021184676A - 振動体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板厚の均一性が高く、圧電素子との接着面の平面度の高い弾性体を備える振動体を提供する。【解決手段】離型剤を塗布していないセラミックス型にステンレス鋼からなる弾性体の中間素材をセットし、窒素雰囲気において所定の温度に加熱した後、所定の冷却速度で冷却するプレスクエンチ処理を行って、平板部の板厚の最大値と最小値の差が５μｍ以下であり、圧電素子１０３が固定される面の平面度が１０μｍ以下の弾性体１０２を得る。得られた弾性体１０２に研磨加工を行わずに圧電素子１０３を接着して、振動体１０４を作製する。【選択図】図３

Description

本発明は、圧電素子と弾性体を有する振動体及びその製造方法に関する。

振動型アクチュエータは、駆動速度の可変範囲が広く、高トルクであり、静粛性や位置制御性に優れる等の特徴を活かして、例えば、撮像装置でのレンズの光軸方向駆動や像振れ補正のためのレンズ又は撮像素子の駆動源等として用いられている。

例えば、特許文献１に開示された振動型アクチュエータは、弾性体と圧電素子からなる振動体を接触体に接触させた構造を有する。弾性体は平板状の形状を有し、一方の面に接触体と接触する２つの突起部が形成され、他方の面に圧電素子が接着されている。２つの突起部に楕円運動が生じるように振動体に所定の振動を励起させることで、接触体と振動体とを相対移動させることができる。

特開２０１１−２５４５８７号公報

上記特許文献１に記載された振動型アクチュエータの振動体では、圧電素子に生じる変形を弾性体に確実に伝えるために圧電素子を弾性体に密着させて接着する必要があり、そのためには、弾性体における圧電素子との接着面に高い平面度が要求される。そこで、一般的に、弾性体の製造工程は、圧電素子が接着される接着面に対する研磨加工を含む。この研磨加工によって、弾性体における圧電素子との接着面の凹凸や反り、バリ等を除去して平面度を高めることができる。

しかしながら、このような弾性体の製造方法では研磨工程に多大な時間を要してしまうために生産性が高いとは言えず、よって、より生産性の高い製造方法が望まれる。また、弾性体の研磨加工を行った場合、研磨加工前の弾性体の反りや形状に応じて研磨量が変わるため、研磨加工後に弾性体の平板部の板厚が不均一となってしまい、例えば、場所によって数十μｍの差が生じるという問題が発生する。

弾性体の板厚が不均一であると突起部に励起される楕円運動の軌跡が歪んでしまうため、振動体ごとに振動特性がばらついてしまう。また、研磨等の機械加工を行わずに平面度の低い状態の弾性体に圧電素子を接着した場合、圧電素子に生じる変形（振動）の弾性体への伝達が良好に行われず、その結果、振動体ごとに振動特性がばらついてしまう。これらの場合、振動型アクチュエータごとに駆動特性のチューニングが必要となる。

本発明は、振動型アクチュエータに用いられる振動体であって、板厚の均一性が高く、圧電素子との接着面の平面度の高い弾性体を備える振動体を提供することを目的とする。

本発明に係る振動体は、平板部を有する弾性体と圧電素子と有する振動体であって、前記弾性体は、プレスクエンチ処理を施したステンレス鋼からなり、前記平板部の板厚の最大値と最小値の差が５μｍ以下であり、前記平板部において前記圧電素子が固定される面の平面度が１０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、振動型アクチュエータに用いられる振動体であって、板厚の均一性が高く、圧電素子との接着面の平面度の高い弾性体を備える振動体を得ることができる。

本実施形態に係る振動体を備える振動型アクチュエータの斜視図である。 図１に示す振動体を構成する弾性体の斜視図である。 実施例及び比較例の製造条件と評価結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る振動体を備える振動型アクチュエータ１００の斜視図である。振動型アクチュエータは、接触体１０１と振動体１０４を備える。接触体１０１は、直線的な棒形状（角柱形状）を有する。振動体１０４は、弾性体１０２と圧電素子１０３を備える。

図２は弾性体１０２の構造を示す斜視図である。図２（ａ）は接触体１０１側から見た弾性体１０２の斜視図であり、図２（ｂ）は圧電素子１０３側から見た弾性体１０２の斜視図である。弾性体１０２は、略矩形で板状の平板部１０２ａと、平板部１０２ａの厚み方向の一方の面に設けられた２か所の突起部１０２ｂを有する。突起部１０２ｂの上面である摩擦摺動面１０２ｃは、接触体１０１の長手方向の一面と接触する。圧電素子１０３は、平板部１０２ａの厚み方向の他方の面（以下「接着面１０２ｄ」という）に接着剤等により接着されて固定される。

接着面１０２ｄに接着される圧電素子１０３には、不図示のフレキシブルプリント基板が接続され、所望の交流電圧を圧電素子１０３に印加することで、接触体１０１に対する加圧方向と相対移動方向の２つの振動モードを振動体１０４に励起する。このとき、２つの振動モードの振動位相が所望の位相差となるように設定することにより、摩擦摺動面１０２ｃに楕円運動を発生させることができる。接触体１０１が突起部１０２ｂに生じた楕円運動による摩擦駆動力を受けることにより、振動体１０４と接触体１０１は、接触体１０１の長手方向で相対移動を行う。つまり、振動型アクチュエータ１００は直線駆動型のアクチュエータである。

なお、振動体１０４は、回転駆動型アクチュエータにも用いることができる。例えば、不図示であるが、回転軸を中心として回転可能に支持された接触体に対して、回転軸を中心とした円の接線方向に摩擦駆動力を与えるように振動体１０４を配置する。これにより、接触体を回転駆動させることができる。なお、このような振動型アクチュエータ１００の駆動原理は周知であるため、ここでのより詳細な説明は省略する。

振動体１０４を構成する弾性体１０２は、一般的にプレス成型によって生産されることが多く、本実施形態でもプレス成型を用いる。プレス成型後には、硬度を高め、また、形状を修正するためにプレスクエンチ処理を行う。一般的なプレスクエンチ処理には、合金鋼や工具鋼又はステンレス鋼等からなる型（金型）が用いられる。その場合、型への焼き付き防止や離型性を高めてサイクルタイムを向上させるために、一般的に油性又は無機系の離型剤が使用される。

振動体１０４は弾性体１０２と圧電素子１０３を接着剤等により接着固定して製造される。そのため、弾性体１０２に離型剤が付着していると、弾性体１０２と圧電素子１０３との接着強度が小さくなり、振動体１０４として駆動した際に剥離が生じやすくなって耐久性が低下してしまう。弾性体１０２の接着面１０２ｄでの離型剤の除去や形状修正のために研磨加工を行うと、従来技術について説明した種々の問題が生じてしまう。一方、離型剤を使用せずに弾性体１０２のプレスクエンチ処理を行うと、弾性体１０２が型へ焼き付いてしまい、プレスクエンチ処理後の弾性体１０２を取り出すことが困難となる。

これらの問題に対して本発明者らは、弾性体に離型剤を付着させることなく、型への焼き付きを防止しながら弾性体のプレスクエンチ処理を実施する方法について鋭意検討を行った。その結果、本発明者らは、セラミックス型を用いることで、離型剤を用いずに弾性体１０２のプレスクエンチ処理を実施しても型への焼き付きが発生しないことを見いだした。なお、セラミックス型とは、型全体がセラミックスからなるものと、少なくともプレスクエンチ処理対象の弾性体と接触する表面にセラミックス被膜が形成されたものを指す。セラミックス被膜が形成された型の母材は、合金鋼、工具鋼又はステンレス鋼等の金属であって構わない。

プレスクエンチ処理で離型剤を用いないため、当然に弾性体１０２に離型剤が付着することはなく、よって、圧電素子１０３との接着性を高めることができる。また、離型剤を塗布する作業が不要なためにサイクルタイムを向上させることができ、しかも、離型剤に掛かるコストを削減することが可能になる。

また、圧電素子１０３に生じる変形（振動）を弾性体１０２へ確実に伝えるために、弾性体１０２での圧電素子１０３との接着面の平面度は１０μｍ以下であることが望まれる。セラミックス型は高温時の硬度が大きく、熱膨張が小さいため、熱により発生する歪みが小さい。そのため、セラミックス型を用いることで、弾性体１０２での圧電素子１０３との接着面１０２ｄの平面度を１０μｍ以下とすることが容易に可能である。これにより、弾性体１０２の接着面１０２ｄの研磨処理も不要となる。

本実施形態でのプレスクエンチ処理では、具体的には、弾性体１０２に均一に熱を伝える観点から、熱伝導度が３Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミックス、例えばジルコニア、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素等からなる型を用いることが望ましい。特に、型の加工性と放熱性の観点から、窒化アルミニウムを用いることがより望ましい。

図３は実施例及び比較例に係る各弾性体の作製条件と評価結果をまとめて示す図である。素材としてステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ４２０Ｊ２）の圧延材を用い、プレス成型により弾性体の中間素材（前駆体）を得た。得られた中間素材のプレスクエンチ処理を加熱炉を用いて行った。具体的には、図３に示される各種の材料からなるプレスクエンチ型を用い、中間素材をプレスクエンチ型にセットして処理炉内に載置し、炉内を密閉して窒素ガスを導入することで炉内を窒素雰囲気（非酸化雰囲気）とした。続いて、オーステナイト変態温度以上の所定の温度まで炉内を加熱し、所定時間保持した後、窒素ガスを炉内に導入することによって冷却を行った。冷却中にプレスクエンチ型を中間素材に押し付けることにより、プレスクエンチ処理を実施した。処理温度から３００℃までを１００℃／分の冷却速度で冷却し、その後、常温近くまで自然冷却した後に、プレスクエンチ型（弾性体１０２）を取り出した。

プレスクエンチ型から取り出した弾性体の板厚（平板部１０２ａの厚み）を、ミツトヨ社製ポイントマイクロメータＣＰＭ１５−２５を用いてそれぞれ１３か所で測定し、最大値と最小値の差を板厚差とした。板厚差は５μｍ以下を合格（○）とし、５μｍ超を不合格（×）とした。弾性体の平面度については、圧電素子との接着面をキーエンス社製ワンショット３Ｄ形状測定機ＶＲ−３０００を用いて測定し、最大値と最小値の差を平面度とした。平面度は１０μｍ以下を合格（○）とし、１０μｍ超を不合格（×）とした。こうして、得られた板厚差と平面度を図３中に示した。

各弾性体に圧電素子を接着して振動体を作製した。図３には、振動体を作製することができなかったものについては「×」で示すと共にその理由を並記している。また、振動体の作製に問題が生じなかったものについては「○」で図３に示した。そして、図１に示した構成の振動型アクチュエータ１００を組み立てて接触体１０１を駆動することで、駆動特性のばらつきの有無を判断した。なお、図３には、プレスクエンチ型への離型剤の塗布の有無と、プレスクエンチ型から取り出した弾性体に対する研磨処理の有無を並記している。

セラミックス型を用いた実施例１〜３では、離型剤を用いる必要はなく、プレスクエンチ処理後の研磨処理も不要である。また、実施例１〜３の弾性体を用いて作製した振動型アクチュエータでは、弾性体と圧電素子とが剥離することなく、また、駆動特性にばらつきは見られなかった。これは、弾性体の接着面における平面度が１０μｍ以下となっているために弾性体と圧電素子との接着性が良好であり、また、弾性体の板厚が５μｍ以下と均一であるためと考えられた。

比較例１では、ステンレス型を用いているために、従前のように離型剤を使用することで中間素材のプレスクエンチ型への焼き付きを防止して、弾性体を得ている。比較例１に係る弾性体を用いて作製した振動型アクチュエータでは、短時間の駆動で弾性体と圧電素子との間に剥離が発生した。これは、弾性体に付着した離型剤が原因と考えられる。

比較例２では、比較例１と同じ条件でプレスクエンチ処理を行い、その後、弾性体に研磨処理を実施している。プレスクエンチ型から取り出した後の弾性体の接着面に離型剤が付着していても、研磨処理により離型剤は除去されるものと考えられる。そのため、比較例２に係る弾性体を用いて作製した振動型アクチュエータを駆動した結果、弾性体と圧電素子とが剥離することはなかった。しかし、振動型アクチュエータを駆動した際の駆動特性にばらつきが生じた。これは、研磨工程によって弾性体の板厚が不均一になっていることが原因と考えられる。

比較例３は、比較例１とはステンレス型を用いている点で共通するが離型剤を用いていない点で異なる。比較例３では、ステンレス型を用いながらも離型剤を用いていないために、弾性体がステンレス型へ焼き付いてしまい、評価可能な弾性体を得ることはできなかった。

比較例４では、中間素材を型に設置せずに焼き入れ処理を行い、炉から取り出した後の研磨処理も行っていない。そのため、比較例４に係る弾性体を用いて作製した振動型アクチュエータを駆動した結果、弾性体と圧電素子とが剥離することはなかったが、駆動特性にばらつきが生じた。駆動特性がばらついた原因は、平面度が低いために圧電素子１０３の変形が弾性体へ良好に伝達されないためと考えられる。

比較例５では、中間素材を型に設置せずに焼き入れ処理を行った後、研磨処理を行っている。比較例５に係る弾性体を用いて作製した振動型アクチュエータを駆動した結果、弾性体と圧電素子とが剥離することはなかったが、駆動特性にばらつきが生じた。駆動特性がばらついた原因は、比較例２と同様に、研磨工程によって弾性体の板厚が不均一になったためと考えられた。

以上の結果から、実施例１〜３に係る弾性体を備える振動体を用いて製造した振動型アクチュエータでは、振動体に安定した振動を励起することができ、また、弾性体と圧電素子の間の剥離を抑制することができる。その結果、振動型アクチュエータごとの駆動特性のばらつきが小さく、よって、振動型アクチュエータごとのチューニングが不要に又は容易となる。また、制御性が良好で、耐久性に優れた振動型アクチュエータを実現することができる。以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではない。

１０１ 接触体
１０２ 弾性体
１０２ａ 平板部
１０２ｂ 突起部
１０２ｃ 摩擦摺動面
１０２ｄ 接着面
１０３ 圧電素子
１０４ 振動体

Claims (7)

1. 平板部を有する弾性体と圧電素子と有する振動体であって、
   前記弾性体は、プレスクエンチ処理を施したステンレス鋼からなり、前記平板部の板厚の最大値と最小値の差が５μｍ以下であり、前記平板部において前記圧電素子が固定される面の平面度が１０μｍ以下であることを特徴とする振動体。
2. 前記弾性体において前記平板部の厚み方向の一方の面に突起部が設けられ、
   前記圧電素子は前記平板部の厚み方向の他方の面に固定されることを特徴とする請求項１に記載の振動体。
3. 弾性体と圧電素子を有する振動体の製造方法であって、
   ステンレス鋼からなる前記弾性体の中間素材をセラミックス型にセットし、窒素雰囲気において所定の温度に加熱した後、所定の冷却速度で冷却するプレスクエンチ処理を行う工程と、
   前記プレスクエンチ処理により得られた弾性体に圧電素子を接着する工程と、を有し、
   前記プレスクエンチ処理の工程では前記セラミックス型に離型剤を塗布しないことを特徴とする振動体の製造方法。
4. 前記セラミックス型は、全体がセラミックスからなる型、又は、金属の表面にセラミックスの被膜が形成された型であることを特徴とする請求項３に記載の振動体の製造方法。
5. 前記セラミックスは、ジルコニア、窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム又は炭化珪素であることを特徴とする請求項４に記載の振動体の製造方法。
6. 前記弾性体は、前記圧電素子を接着する平板部を有し、
   前記プレスクエンチ処理により得られた弾性体における前記平板部の板厚の最大値と最小値の差が５μｍ以下であり、前記平板部において前記圧電素子が固定される面の平面度が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の振動体の製造方法。
7. 前記プレスクエンチ処理により得られた前記弾性体に対する研磨加工を行わずに、前記弾性体に前記圧電素子を接着することを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載の振動体の製造方法。
   

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