JP4729897B2 - 振動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、弾性体を励振して進行波を発生させることにより、回転体を駆動する振動アクチュエータに関するものである。

振動アクチュエータとは、例えば、圧電素子等に交流電圧を印加して生じる振動を利用して、回転運動等の機械的出力を得るものをいい、特に超音波域の振動を利用するものは、超音波モータと称されている。

一般に、超音波モータは、圧電素子等が接合された弾性体と、弾性体と接する回転体と、弾性体を回転体側に加圧する加圧部材等を備えている。
弾性体は、圧電素子等に交流電圧を印加することにより振動する。このとき、弾性体には進行波が生じており、回転体との接触面上の進行波の波頭にあたる点は、楕円運動をしている。弾性体に加圧接触された回転体は、この楕円運動との接触による摩擦力により回転駆動される。

このとき、弾性体は回転体と圧接しながら振動するため、従来、弾性体を加圧支持する加圧部材と弾性体との間には、防振のため、緩衝効果を有するフェルト等が緩衝材として用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
しかし、フェルトは、弾性体の振動エネルギーを吸収しやすいので、振動アクチュエータの駆動効率が低下するという問題があった。

また、流体圧によって作動するピストンを設け、流体圧を加圧・減圧することにより、回転体と弾性体との接触・離間を制御することも知られている（例えば、特許文献２参照。）。
しかし、このような加圧・減圧機構を超音波モータに組み込むことは煩雑であり、生産コストがかかるうえ、超音波モータが通常よく使用されるカメラのレンズ鏡筒等、小型の製品に使用するには、大きすぎるため組み込むことができなかった。

特開平１０−１４６０７１号公報 特開平８−８００７４号公報

本発明の課題は、構造が簡単で、小型の製品に組み込みやすく、しかも駆動効率の高い振動アクチュエータを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。請求項１の発明は、電気機械変換素子（１２）と、前記電気機械変換素子（１２）が接合されるリング状の弾性体（１１）と、前記弾性体（１１）の前記電気機械変換素子（１２）が接合される部分と反対側の部分が接触して回転駆動されるリング状の回転体（２０）と、前記弾性体（１１）を前記回転体（２０）側へ加圧するリング状の加圧部（３０）と、前記加圧部（３０）と前記電気機械変換素子（１２）との間に設けられ、可撓性のある材料により全周にわたって中空に形成され、内部に気体が封入されるリング状の緩衝部（４０）と、を有する振動アクチュエータである。

請求項２の発明は、電気機械変換素子（１２）と、前記電気機械変換素子（１２）が接合されるリング状の弾性体（１１）と、前記弾性体（１１）の前記電気機械変換素子（１２）が接合される部分と反対側の部分が接触して回転駆動されるリング状の回転体（２０）と、前記電気機械変換素子（１２）の前記弾性体（１１）とは反対側に設けられ、可撓性のある材料により全周にわたって中空に形成され、内部に封入される気体の圧力により前記弾性体（１１）を前記回転体（２０）側へ加圧するリング状の緩衝加圧部（６０）と、を備えた振動アクチュエータである。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータにおいて、前記回転体（２０）は、前記弾性体（１１）の前記電気機械変換素子（１２）が接合される側と反対側に接触することを特徴とする振動アクチュエータである。
請求項４の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、前記加圧部（３０）は、前記弾性体（１１）の前記電気機械変換素子（１２）側に設けられることを特徴とする振動アクチュエータである。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記緩衝部（４０）又は前記緩衝加圧部（６０）は、気体を内部に供給可能な気体供給装置（５０）を備えていることを特徴とする振動アクチュエータである。

請求項５の発明は、請求項４に記載の振動アクチュエータにおいて、前記回転体（２０）の回転速度、トルクの少なくとも１つを検知する検知部と、前記検知部の出力に応じて、前記気体供給装置（５０）を制御する制御部とを有することを特徴とする振動アクチュエータである。

本発明により、以下の効果を奏することができる。
（１）緩衝部は、加圧部と電気機械変換素子との間に設けられ、可撓性のある材料により中空に形成され、内部に気体が封入されるため、弾性体に追従して振動する部分の質量が小さく、振動エネルギーの損失が小さくなるので、振動アクチュエータの駆動効率を向上させることができる。

（２）緩衝加圧部は、上述した効果に加え、内部に封入される気体の圧力により弾性体を電気機械変換素子側から加圧するため、独立した加圧部材を用いる必要がなく、振動アクチュエータの構造を簡単にすることができる。また、弾性体を加圧むらなく均一に加圧できる。

（３）気体供給装置は、緩衝部又は緩衝加圧部に備えられているので、緩衝部又は緩衝加圧部に空気漏れが生じたときに、気体を供給し、緩衝部又は緩衝加圧部の内圧を最適な値に維持することができる。

（４）検知部は、回転体の回転速度、トルクの少なくとも１つを検知し、制御部は、検知部の出力により気体供給装置を制御するので、回転体の回転速度、トルクが大きいときには、緩衝部又は緩衝加圧部に気体を供給し、封入される気体の圧力を増大させることができる。

本発明は、構造が簡単で、小型の製品に組み込みやすく、しかも駆動効率の高い振動アクチュエータを提供するという目的を、電気機械変換素子と加圧部との間に、可撓性のある材料で中空に形成された緩衝部を設け、緩衝部の内部に気体を封入することにより実現した。

図１は、本発明による実施例１の振動アクチュエータの断面図である。
なお、以下に示す各実施例又は比較例では、実施例１に示す振動アクチュエータと同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
実施例１の振動アクチュエータは、ステータ部１０、ロータ部２０、加圧部３０、エアクッション４０を備えている。これらは、それぞれリング状であり、その中心が略同心となるように配列されている。

ステータ部１０は、弾性体１１と、圧電素子１２とを有するリング状の部材である。
弾性体１１は、その駆動軸方向に切ってみた断面が略矩形であるリング状の部材であり、その一方の端面１１ａ（駆動面）側は、放射状に溝を切った櫛歯が形成されており、もう一方の端面１１ｂには圧電素子１２が接合されている。
圧電素子１２は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子である。
ロータ部２０は、その駆動軸方向に切ってみた断面が略矩形であるリング状の部材であり、一方の端面が駆動面１１ａと接し、弾性体の周方向に生じる進行波により、その中心を回転軸として回転駆動される回転体である。
ここで、ステータ部１０は、振動によりロータ部２０の駆動軸方向に移動自由であるが、ロータ部２０の径方向や回転方向には拘束されている。また、ロータ部２０は、回転自在に支持されている。

加圧部３０は、加圧板３１、ばね３２、ばね支持部材３３等を備え、ステータ部１０のロータ部２０とは反対側に設けられ、弾性体１１を圧電素子１２側から加圧してロータ部２０と接触させる部分である。
加圧板３１は、リング状の平板の部材であり、一方の端面は後述するエアクッション４０と接し、もう一方の端面は後述するばね３２と接している。
ばね３２は、リング状の部材であり、一方の端面は加圧板３１に接し、もう一方の端面は後述するばね支持部材３３に接しており、加圧板３１をロータ部２０の回転軸方向に付勢する付勢部材であり、これにより、弾性体１１はロータ部２０に加圧接触される。ばね３２は、図では模式的に描かれているが、例えば、リング状に形成され、その周方向に沿って波状に凹凸が設けられたウェーブワッシャーが使用されている。
ばね支持部材３３は、リング状の平板であり、ばね３２を支持する部材である。

エアクッション４０は、ステータ部１０の圧電素子１２と、加圧部３０の加圧板３１との間に設けられ、例えば、ナイロン等の可撓性及び気密性を有するシートによって中空に形成され、その内部に気体が封入されることによって緩衝部として機能するものである。
このエアクッション４０は、リング状に形成され、その全周にわたって中空であり、その駆動軸方向に切ってみた断面は、外径側及び内径側に円弧状部を有する長円状となっている。一方、エアクッション４０の各端面は、それぞれ圧電素子１２、加圧板３１と接し、その接触面に沿った平面状となっている。
エアクッション４０に封入される気体は、例えば、空気等であり、所定の圧力に加圧して封入されている。

ここで、実施例１の振動アクチュエータの効果を確認するために、フェルトを緩衝部として用いた比較例の振動アクチュエータを実施例１と同じ条件で作動させ、駆動状態を比較した。
図４は、比較例の振動アクチュエータを示す断面図である。
比較例の振動アクチュエータは、実施例１の振動アクチュエータと略同様であるが、エアクッション４０を設けず、リング状のフェルト７０を緩衝部として設けている点で相違する。

本実施例の振動アクチュエータ及び比較例の振動アクチュエータの動作について説明する。
圧電素子１２は、交流電圧が印加されることにより伸縮し、弾性体１１に振動を発生させる。このとき、弾性体１１には進行波が発生しており、弾性体１１の駆動面１１ａ上の進行波の波頭にあたる点は、楕円運動している。この状態のステータ部１０をロータ部２０側に加圧すると、ロータ部２０は、駆動面１１ａ上に生じた楕円運動との接触による摩擦力により回転駆動される。

実施例１の振動アクチュエータと、比較例の振動アクチュエータとを、回転数７０ｒｐｍ、負荷トルク２０ｍＮｍとした駆動条件で駆動させたところ、比較例の振動アクチュエータに比べ、実施例１の振動アクチュエータは、駆動効率が１７％向上した。

比較例の振動アクチュエータは、駆動時に、ステータ部１０の振動が、圧電素子１２側からフェルト７０に伝播し、フェルト７０の一部は、ステータ部１０の振動に追従して、振動アクチュエータの駆動軸方向に沿って振動する。
この場合、フェルト７０の一部が振動することによって、振動エネルギーの一部は消費され、吸収される。

これに対し、実施例１の振動アクチュエータは、駆動時に、ステータ部１０の振動は、圧電素子１２側からエアクッション４０に伝播するが、ステータ部１０の振動に追従して振動するエアクッション４０の質量は、フェルト７０に比べて小さいため、振動エネルギーが吸収される量は小さい。
よって、比較例の振動アクチュエータに比べ、エネルギー損失が小さく、結果として、駆動効率が上がったと推定される。

以上のように、実施例１によれば、可撓性を有するシートによって中空に形成され、その内部に気体が封入されるエアクッション４０を、緩衝部としてステータ部１０と加圧部３０との間に設けることにより、振動アクチュエータの駆動効率を向上させることができる。

図２は、本発明による実施例２の振動アクチュエータの断面図である。
実施例２の振動アクチュエータは、エアクッション４０が気体供給装置５０を備えている点で実施例１と異なる。

気体供給装置５０は、エアクッション４０に封入される空気を供給する装置であり、手動ポンプ５１、ホース部５２、図示しない表示部等を有する。
手動ポンプ５１は、後述する表示部を備え、エアクッション４０に空気を手動で供給する部分である。手動ポンプ５１は、実施例２の振動アクチュエータが備えられている、例えば、レンズ鏡筒等の外部に設けられている。
ホース部５２は、エアクッション４０に接続され、手動ポンプ５１から供給される空気をエアクッション４０の内部に封入する部分である。

表示部は、エアクッション４０に封入される空気の圧力不足を警告するものであり、例えば、ランプ等の出力装置を備えている。このランプは、エアクッション４０の内圧を検知する図示しない圧力センサを備えており、内圧が所定の値よりも小さくなると、圧力センサの出力により点灯し、所定の値より大きくなると消灯するように設けられている。

ここで、気体供給装置５０の動作について説明する。
空気漏れ等により、エアクッション４０の内圧が、所定の値よりも小さくなると、ランプが点灯する。そのとき、使用者は、ランプが消灯するまで手動ポンプ５１を操作することにより、エアクッション４０に空気を補給し、エアクッション４０の内圧を所定の値に戻すことができる。
よって、エアクッション４０の内圧を最適な値に保つことができ、振動アクチュエータの駆動効率を高い状態に保つことができる。

図３は、本発明による実施例３の振動アクチュエータの断面図である。
実施例３の振動アクチュエータは、エアクッション６０、気体供給装置５０を備えており、加圧部３０を備えていない点で実施例１と相違する。

図３に示すように、エアクッション６０は、実施例１に示したエアクッション４０と略同様の形状であり、圧電素子１２の弾性体１１とは反対側に設けられ、一方の端面は弾性体１１の端面１１ｂに、もう一方の端面は後述する支持部材６１に沿って接しており、内部に封入される気体の圧力により、ステータ部１０をロータ部２０側へ加圧する緩衝加圧部である。また、エアクッション６０は、実施例１に示したエアクッション４０と同様に、ナイロンにより形成されている。
支持部材６１は、リング状の平板であり、エアクッション６０を支持する部材である。

ここで、エアクッション６０の動作について説明する。
エアクッション６０は、その内部に封入される空気の圧力により、ステータ部１０をロータ部２０側へ加圧する。ロータ部２０の端面は、弾性体１１の駆動面１１ａと加圧接触し、ロータ部２０は、駆動面１１ａ上に生じた進行波により回転駆動される。

従って、エアクッション６０に封入された気体の圧力で、ステータ部１０を加圧するので、ばね３２を用いてステータ部１０を加圧するものに比べ、場所による加圧むらが少なく、ステータ部１０をその周方向にわたって略均一に加圧できる。
また、独立した加圧部３０を設ける必要がないので、振動アクチュエータの構造を簡単にすることができる。
さらに、エアクッション６０は、気体供給装置５０を備えているので、エアクッション６０の内圧を最適な値に保つことができる。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）実施例２及び実施例３において、気体供給装置５０は、手動ポンプ５１、ホース部５２、表示部等を備えている例を示したが、これに限らず、気体供給装置５０は、例えば、電動ポンプ等の動力を備えたポンプを備えてもよい。
さらに、ロータ部２０の回転速度、トルクの少なくとも１つを検知する検知部と、その検知部の出力に基づいて気体供給装置５０を制御する制御部とを備えてもよい。
これにより、エアクッション４０、エアクッション６０の内圧を最適な値に保つことができ、ロータ部２０の回転速度、トルクが、所定の範囲値よりも大きくなったときには、エアクッション４０、エアクッション６０の内圧を上げ、ロータ部２０と駆動面１１ａとの間の摩擦力が不足して、振動アクチュエータの駆動効率が低下することを防止できる。

（２）実施例１から実施例３までにおいて、エアクッション４０、エアクッション６０を形成する材料は、ナイロンである例を示したが、これに限らず、可撓性、気密性を有する材料であればよく、例えば、ポリエチレンや、ブチルゴム等でもよい。
また、これらの材料により形成された単層シートを用いてもよいし、これらの材料によって形成されたシートと他の材料によって形成されたシートとを組み合わせた多層膜シートを用いてもよい。
さらに、非常に薄い膜状に形成され、可撓性があるものであれば、エアクッション４０、エアクッション６０は、金属を用いて形成されてもよい。

（３）実施例１から実施例３までにおいて、エアクッション４０、エアクッション６０は、リング状で、その全周にわたって中空である例を示したが、これに限らず、例えば、エアクッション４０、エアクッション６０の内部に、周方向に分断する仕切りを設けてもよい。

（４）実施例１から実施例３までにおいて、エアクッション４０、エアクッション６０の内部に封入される気体は、空気である例を示したが、他の気体でもよく、例えば、不活性ガスである窒素ガス等を封入すると、気体漏れを少なくすることができる。

（５）実施例２及び実施例３において、気体供給装置５０の表示部はランプ等の出力装置を備えている例を示したが、これに限らず、音声等で出力してもよい。
また、振動アクチュエータがカメラのレンズ鏡筒などに用いられる場合には、例えば、カメラ本体部等に設けられた表示ディスプレイに表示してもよい。

本発明による実施例１の振動アクチュエータの断面図である。 本発明による実施例２の振動アクチュエータの断面図である。 本発明による実施例３の振動アクチュエータの断面図である。 比較例の振動アクチュエータを示す断面図である。

符号の説明

１０ ステータ部
１１ 弾性体
１２ 圧電素子
２０ ロータ部
３０ 加圧部
３１ 加圧板
３２ ばね
３３ ばね支持部材
４０ エアクッション
５０ 気体供給装置
５１ 手動ポンプ
５２ ホース部
６０ エアクッション
６１ 支持部材
７０ フェルト

Claims (6)

1. 電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子が接合されるリング状の弾性体と、
   前記弾性体の前記電気機械変換素子が接合される部分と反対側の部分が接触して回転駆動されるリング状の回転体と、
   前記弾性体を前記回転体側へ加圧するリング状の加圧部と、
   前記加圧部と前記電気機械変換素子との間に設けられ、可撓性のある材料により全周にわたって中空に形成され、内部に気体が封入されるリング状の緩衝部と、
   を有する振動アクチュエータ。
2. 電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子が接合されるリング状の弾性体と、
   前記弾性体の前記電気機械変換素子が接合される部分と反対側の部分が接触して回転駆動されるリング状の回転体と、
   前記電気機械変換素子の前記弾性体とは反対側に設けられ、可撓性のある材料により全周にわたって中空に形成され、内部に封入される気体の圧力により前記弾性体を前記回転体側へ加圧するリング状の緩衝加圧部と、
   を備えた振動アクチュエータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記回転体は、前記弾性体の前記電気機械変換素子が接合される側と反対側に接触すること
   を特徴とする振動アクチュエータ。
4. 請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記加圧部は、前記弾性体の前記電気機械変換素子側に設けられること
   を特徴とする振動アクチュエータ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記緩衝部又は前記緩衝加圧部は、気体を内部に供給可能な気体供給装置を備えていること
   を特徴とする振動アクチュエータ。
6. 請求項５に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記回転体の回転速度、トルクの少なくとも１つを検知する検知部と、
   前記検知部の出力に応じて、前記気体供給装置を制御する制御部とを有すること
   を特徴とする振動アクチュエータ。

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