JP4736161B2

JP4736161B2 - 振動アクチュエータ装置

Info

Publication number: JP4736161B2
Application number: JP2000172266A
Authority: JP
Inventors: 宏之山中; 亮一菅沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 2000-06-08
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2020-06-08
Also published as: JP2001057787A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動アクチュエータ装置に関する。より具体的には、駆動時に発生する可聴域の振動を低減した振動アクチュエータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電セラミックス等の圧電体を用いて構成した振動体に弾性振動を励振し、これを駆動力とした振動アクチュエータ、特に、超音波領域の振動を用いた超音波モータは、低速駆動時の推力が大きいこと、駆動が静かであることなどから注目されている。とりわけ、カメラにおいては、静音性や低速時の高推進力といった長所を生かし、超音波モータをオートフォーカス等に利用している。以下、図を参照しながら超音波モータの従来技術について説明を行う。図６は従来の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。図面下方に接着された圧電素子４と弾性体３から成る振動体２１は、外側に延設されたフランジ部５によって振動体支持体９に固設されている。振動体２１の図面上方には、摺動材２と振動体２１と対向する面に摺動材２が接着された駆動力伝達担体１とから成る駆動力伝達体１１が設けられている。なお、駆動力伝達体１１は、不図示の加圧機構によって振動体２１に加圧接触している。駆動力伝達担体１は外径肉厚部１ｂと内径肉厚部１ｃと肉薄部１ａを有しており、外径肉厚部１ｂの図面上部においてゴム材１５を介して被駆動体８を支持している。圧電素子４には、図示しない２群の電極群が設けられ、その電極群に相互にπ／２位相のずれた２つの交流電圧を印加することにより圧電素子４が励振し、弾性体３を振動させている。弾性体３が振動することにより、弾性体３の摺動材２と接する面には楕円運動が発生し、この楕円運動により駆動力伝達体１１を駆動している。駆動力伝達体１１には、駆動力と共に振動も伝えられる。この振動は、肉薄部１ａで減衰し、ゴム材１５でさらに減衰し、被駆動体８には伝わりにくい構造となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これまで説明したように、駆動力伝達担体１に伝わった振動は、肉薄部１ａおよびゴム材１５で減衰する。しかし、十分に減衰しない場合もある。その場合、被駆動体８に振動が伝わり、その振動によって被駆動体８が共振を起こしてしまうことがあった。
また、超音波モータを格納する筐体で被駆動体８を支持する構造の場合、この筐体に振動が伝わり共鳴を起こし騒音が発生する問題があった。
振動を緩衝するために、肉薄部１ａとゴム材１５を設けているが、一般に振動緩衝材として用いられるブチルゴムを用いた場合、ブチルゴムは温度により振動緩衝具合が大きく変わるため、ある温度では騒音が発生しない構造でも、他の温度領域では同じ回転数でも騒音が発生する場合があり、温度毎に騒音の発生を確認しなくてはならない、といった問題があった。
本発明は、このような課題を解決し、振動体の振動が被駆動体に伝わることを安定的に防止し、温度状態が変化しても騒音が発生しない振動アクチュエータ装置を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１記載の発明は、温度変化による振動緩衝効果の変動が小さいゲル状部材を用いることにより、被駆動体に伝わる振動を低減できるという新たな知見に基づいてなされたものである。かかる知見に基づく請求項１の発明による振動アクチュエータ装置は、弾性部材３と、該弾性部材に設けられ該弾性体を励振する電気機械変換素子４と、該弾性部材の該電気機械変換素子の設けられる面と対向する面に配置される円環形状の相対運動部材１と、該相対運動部材と一体的に動く被駆動部材８と、該相対運動部材と該被駆動部材とに挟まれ振動を緩衝するゲル状部材６とを備え、前記相対運動部材は、外周側に設けられた肉厚部１ｂと前記肉厚部より内周側に設けられた肉薄部１ａとを有し、前記ゲル状部材は前記肉薄部の一部に設けられ、前記肉厚部に接するように設けられるのである。請求項２の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータ装置において、前記ゲル状部材は、前記肉厚部の内周側壁に接するように設けられることを特徴とする振動アクチュエータ装置である。請求項３の発明は、請求項１または２に記載の振動アクチュエータ装置において、前記肉厚部は、前記被駆動部材に当たることにより前記被駆動部材を支持することを特徴とする振動アクチュエータ装置である。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装置において、前記ゲル状部材の断面形状は、前記相対運動部材と接する側を長辺とする台形形状であることを特徴とする振動アクチュエータ装置である。請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ装置において、前記ゲル状部材は、JIS-K2530-1976-50ｇで規定する針入度が５３〜１６０であることを特徴とする。請求項６の発明は、請求項５に記載の振動アクチュエータ装置において、前記ゲル状部材は、充填材を含むことを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）図１により本発明の第１実施形態を説明する。なお、図６と同様な箇所には同一の符号を付して適宜説明を省略する。図１は、第１実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。本実施形態では、振動体２１の振動によって、駆動力伝達体１１は駆動される。駆動力伝達担体１の肉薄部１ａには、断面矩形状のゲル状部材６が外径肉厚部１ｂの内壁に接するように設けられ、このゲル状部材６を介して被駆動体８を支持しており、被駆動体８は、ゲル状部材６を介して駆動力伝達担体１と一体的に駆動する構造となっている。
【０００６】
ゲル状部材６の硬さは、ＪＩＳＫ２５３０−１９７６−５０ｇで規定される針入度（以降、針入度はＪＩＳＫ２５３０−１９７６−５０ｇで規定されているものとする）が５３〜１６０程度のゲル状部材が好適であることが実験により確認されている。つまり、針入度が５３程度よりも硬いものを用いた場合は、駆動力伝達体１１の振動がゲル状部材６で十分に緩衝されず被駆動体８に伝わってしまうことになり、著しい場合には、被駆動体８が跳ねるといった不具合が発生する場合もある。
【０００７】
一方、ゲル状部材６の硬さが針入度１６０程度よりも軟らかいと、ゲル状部材６の振動吸収作用が過剰となり、圧電素子４で発生した振動は弾性体２１及び駆動力伝達体１１を介してゲル状部材５に吸収され、振動の駆動力に変換される効率が著しく低下してしまう。その結果、一定の駆動力を得るために、針入度が適切なゲル状部材を用いる場合よりも多くの電気エネルギーを要することとなる。図７は、駆動周波数ｆと時間当たりの駆動回転数Ｎとの関係を示したものでありｆ−Ｎ特性と呼ばれる。ｆ−Ｎ特性は、本実施形態においても従来の特性と変わらず消費電力も変わらなかった。また、従来の超音波モータでは、周波数ｆａ回転数Ｎａで騒音が発生していたが、本実施形態では、さらに周波数を下げ回転数を上げても騒音は発生せず、周波数ｆｂ回転数Ｎｂに達した時点で騒音が発生した。
【０００８】
また、ゲル状部材の主成分として様々なものがあるが、実験から有機ケイ素を主成分とするシリコーン系ゲルが好ましいことが判った。さらに、ゲルの充填材としてセラミックス系中空フィラーを用いると、フィラーの振動緩衝効果とゲルの振動吸収遮断効果とが相乗効果をなし、一層効果的であることが判った。
本実施形態では、このような事情からゲル状部材６として中空フィラーを充填材として含有した針入度１００程度のゲル状部材を用いた。なお、このような条件を満たす市販品として株式会社シーゲルのαゲルシリーズがあり、図８に示すように様々なゲルが市販されている。
【０００９】
図８の各種市販ゲル状部材でテスト行ったところ、いずれのゲル部材も騒音防止効果があった。また、繰り返しテストを行ったところλゲル（COH2000）、γゲル、βゲルで比較的再現性よく騒音が防止でき、とりわけ針入度１０４のγゲルが、最も再現よく駆動効率を下げずに騒音を防止することができた。このように、ゲル状部材の針入度は５３〜１６０が適当であり、中でも針入度１００〜１２３が好適であり、とりわけ針入度１０４程度が最適であることが判った。
このようなゲルは、一般に３次元の網状または蜂の巣状の構造を持つことから硬度の温度依存性が低く、本実施形態でも通常使用する温度範囲ではムラなく、効率的な騒音防止効果が得られた。そのため、従来は温度ごとに調べていた騒音発生を、特に定めない１つの温度条件の下で調べれば良くなった。
【００１０】
また、本実施形態ではゲル状部材６を外径肉厚部１ｂの内壁に接するように設けることにより、外径肉厚部１ｂおよび内径肉厚部１ｃが制限の役割を果たすため、製品組立誤差によりゲル状部材６が被駆動体８から外れてしまう不良がなく、製品のコストダウンがなされている。なお、ゲル状部材６を肉薄部１ａ全体に設置すると、針入度１０４程度のゲル状部材６を用いても振動吸収効果が大きくなりすぎ、駆動効率が低下してしまうことが実験上判っている。
【００１１】
（第２実施形態）図２により本発明の第２実施形態を説明する。なお、図６および図１と同様な箇所には同一の符号を付して適宜説明を省略する。
図２は、第２実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。本実施形態の超音波モータが第１実施形態の超音波モータと相違するのは、ゲル状部材６を駆動力伝達担体１の外径肉厚部１ｂに設けた点である。これ以外の構成は第１実施形態と同様である。
本実施形態によれば、振動体２１から伝わった振動は駆動力伝達担体１の肉薄部１ａで減衰しているため、ゲル状部材６は第１実施形態に比べ少ない量で効果を得ることが出来る。そのため、コストダウン効果があると共に、振動体２１の騒音になる振動エネルギーをゲル体６が吸収し駆動効率を下げる心配が少ない。
【００１２】
（第３実施形態）図３により本発明の第３実施形態を説明する。なお、図６、図１、図２と同様な箇所には同一の符号を付して適宜説明を省略する。
図３は、第３実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。本実施形態の超音波モータが第１実施形態の超音波モータと相違するのは、ゲル状部材６を駆動力伝達担体１に外径肉厚部１ｂおよび肉薄部１ａを設けていない点である。そのため、本実施形態では第１実施形態の内径肉厚部１ｃに該当する部分にゲル状部材６を設けて被駆動体８を支持している。これ以外の構成は第１実施形態と同様である。
本実施形態によれば、駆動力伝達担体１の構造が簡単となりコストダウンがなされる。
【００１３】
（第４実施形態）図４により本発明の第４実施形態を説明する。なお、図６、図１、図２、図３と同様な箇所には同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００１４】
図は、第４実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。本実施形態の超音波モータが第１実施形態の超音波モータと相違するのは、ゲル状部材６の断面形状が駆動力伝達担体１と接する側を長辺とする台形形状となっている点である。
本実施形態によれば、ゲル状部材６が駆動力伝達担体１と接する部分が増すため当たり損ないによる振動の残存の心配がなく、ゲル状部材６全体としては振動緩衝を適正に行えるため信頼性が増している。
（第５実施形態）図５により本発明の第５実施形態を説明する。なお、図６、図１、図２、図３、図４と同様な箇所には同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００１５】
図５は、第５実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。本実施形態の超音波モータが第１実施形態の超音波モータと相違するのは、被駆動体８がゲル状部材６を介して駆動力伝達担体１に支持されると同時に、駆動力伝達担体１の外径肉厚部１ｂによっても直接支持されている点である。
本実施形態によれば、駆動力伝達担体１からの振動はゲル状部材６によって緩衝されるのと同時に、被駆動体８は外径肉厚部１ｂに当たることにより正確に位置決めされるため、騒音を防止しつつ被駆動体８の正確な位置出しができる。
【００１６】
以上各実施形態の説明では、振動アクチュエータが超音波領域を利用した超音波モータである場合を例にとった。しかし、本発明は、超音波モータに限定されるものではなく、超音波以外の振動域を利用した振動アクチュエータについても同様に適用される。
また、ゲルの材質もシリコーン系ゲルに限ることなくシリカゲルやチタン酸バリウムゲル、五酸化二バナジウム等の有機金属化合物や酸化微粒子やオリゴエチレングリコールとオリゴジメチルシロキサンとの重合により合成したポリサイラオキシエチレンなどの高分子ゲルや水を用いても良い。また、充填材も中空フィラーに限ることなく無機物のセラミックや金属、炭素繊維や高分子材料を用いても良い。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、請求項１〜６の発明によれば、相対運動部材と被駆動体の間に振動を緩衝するゲル状部材を設けたので、温度変化に対して安定的に騒音の発生が防止された。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明の第１実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。
【図２】は、本発明の第２実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。
【図３】は、本発明の第３実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。
【図４】は、本発明の第４実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。
【図５】は、本発明の第５実施形態の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。
【図６】は、従来の円環型超音波モータの主要部を示す断面図である。
【図７】は、ｆ−Ｎ特性をしめす図である。
【図８】は、各種市販ゲルの針入度を示す表である。
【符号の意味】
１駆動力伝達担体
１ａ肉薄部
１ｂ外径肉厚部
１ｃ内径肉厚部
２摺動材
３弾性体
４圧電素子
５フランジ部
６ゲル部材
８被駆動体
１１駆動力伝達体
２１振動体

Claims

弾性部材と、
該弾性部材に設けられ該弾性体を励振する電気機械変換素子と、
該弾性部材の該電気機械変換素子の設けられる面と対向する面に配置される円環形状の相対運動部材と、
該相対運動部材と一体的に動く被駆動部材と、
該相対運動部材と該被駆動部材とに挟まれ振動を緩衝するゲル状部材とを備え、
前記相対運動部材は、外周側に設けられた肉厚部と前記肉厚部より内周側に設けられた肉薄部とを有し、前記ゲル状部材は前記肉薄部の一部に設けられ、前記肉厚部に接するように設けられること
を特徴とする振動アクチュエータ装置。
前記ゲル状部材は、前記肉厚部の内周側壁に接するように設けられることを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ装置。
前記肉厚部は、前記被駆動部材に当たることにより前記被駆動部材を支持することを特徴とする請求項１または２に記載の振動アクチュエータ装置。
前記ゲル状部材の断面形状は、前記相対運動部材と接する側を長辺とする台形形状であることを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ装置。
前記ゲル状部材は、JIS-K2530-1976-50ｇで規定する針入度が５３〜１６０であること
を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ装置。
前記ゲル状部材は、充填材を含むことを特徴とする請求項５に記載の振動アクチュエー
タ装置。