JP4784154B2 - 振動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、振動体に振動を発生させて振動エネルギーを生じさせ、この振動エネルギーを出力として取り出し、駆動力を得る振動アクチュエータに関するものである。

従来、この種の振動アクチュエータでは、特許文献１に開示されているように、圧電体の伸縮を利用して、弾性体の駆動面（移動子との接触面）に進行性振動波を発生させ、この進行性振動波によって、駆動面には楕円運動が生じ、楕円運動の波頭に加圧接触した移動子が駆動される。このような振動アクチュエータは、低回転でも高トルクを有するといった特徴があるので、駆動装置に搭載した場合に駆動装置のギアを省略することができるため、ギア騒音の静音化や、位置決め精度が向上できるといったような利点がある。

しかし、特許文献１の振動アクチュエータは、その振動体、移動体等が中空であり、径が大きく、カメラのレンズ枠等を直接駆動するには適しているが、それ以外の用途等で小型の製品の駆動部に搭載するには大きいため、より小型化、軽量化された振動アクチュエータが提案されてきている。そのような振動アクチュエータでは、外力等により振動体の駆動面と移動体の摺動面とが角度をなし、振動体の駆動面と移動体の摺動面との摺動が安定せず、異音の発生や、駆動効率の低下等が生じるという問題があった。また、異音は、移動体の回転数を上げて高速で回転させた場合等に、より発生しやすくなるという問題があった。
特公平１−１７３５４号公報

本発明の課題は、小型であり、異音発生の少ない振動アクチュエータを提供することである。

前記課題を解決するために、請求項１の発明は、駆動信号により励振され、駆動面に振動波を生じる振動体と、貫通孔部を有し、前記駆動面に加圧接触され、前記振動波により前記貫通孔部を中心として回転駆動される相対運動部材と、前記振動体と前記相対運動部材とを加圧接触させる加圧部と、前記貫通孔部の少なくとも一部と嵌合し、前記相対運動部材とともに回転運動することにより、前記相対運動部材の回転運動を取り出す出力取り出し部材と、を備えた振動アクチュエータにおいて、前記出力取り出し部材と前記相対運動部材とは、前記出力取り出し部材の回転中心線と前記相対運動部材の回転中心線とが所定の範囲内の角度で、相対的に揺動しながら回転可能なように自由度を有して設けられ、前記出力取り出し部材は、前記貫通孔部の内壁の一部に嵌合する嵌合部と、前記貫通孔部の内壁と接しないように外形寸法が小さく設けられた逃げ部と、前記出力取り出し部材の端部に設けられ、前記加圧部の加圧方向において、前記出力取り出し部材に対する前記相対運動部材の位置を規制するフランジ部とを有すること、を特徴とする振動アクチュエータである。
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において、前記嵌合部は、前記フランジ部と前記逃げ部との間に設けられ、前記貫通孔部の前記フランジ部寄りの内壁と嵌合すること、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、前記フランジ部と前記相対運度部材との間に設けられ、前記相対運動部材の回転中心線方向の振動を吸収する緩衝部材を備えること、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のいずれかに記載の振動アクチュエータにおいて、前記出力取り出し部材に嵌合し、前記出力取り出し部材の回転中心線方向に移動可能であり、前記出力取り出し部材とともに回転運動するフランジリング部と、前記加圧部による加圧方向において、前記出力取り出し部材に対する前記フランジリング部及び前記相対運動部材の位置を規制する規制部材とを備えること、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、前記規制部材は、前記出力取り出し部材に設けられた溝部に嵌まる止め輪であること、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項６の発明は、請求項４又は請求項５に記載の振動アクチュエータにおいて、前記フランジリング部と前記相対運動部材との間に設けられ、前記相対運動部材の回転中心線方向の振動を吸収する緩衝部材を備えること、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項７の発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動体は、１つのベアリングを介して前記出力取り出し部材に回転可能に取り付けられ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８の発明は、請求項７に記載の振動アクチュエータにおいて、前記加圧部による加圧方向において、前記相対移動部材と前記ベアリングとの間に前記振動体が配置され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９の発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の振動アクチュエータにおいて、前記加圧部による加圧方向において、前記相対運動部材と前記加圧部との間に前記振動体が配置されていることを特徴とする振動アクチュエータである。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
出力取り出し部材と相対運動部材とは、出力取り出し部材の回転中心線と相対運動部材回転中心線とが所定の範囲内の角度で、相対的に揺動しながら回転可能なように自由度を有して設けられている。従って、出力取り出し部材にその回転中心線方向以外の外力が加わり、出力取り出し部材の回転中心線が相対運動部材と角度をなす場合にも、相対運動部材の摺動面は、振動体との駆動面と角度なすことなく安定して摺動するので、起動性や駆動効率が向上し、異音の発生を低減できる。また、振動体が、組立ばらつきや寸法不良等の理由により、出力取出し部材に対して垂直に固定されていない場合や、温度変化により振動体の駆動面が傾いた場合等にも、振動体の駆動面と相対運動部材との摺動面が安定して摺動し、起動性や駆動効率のよい、異音の発生が低減できる。

本発明は、小型であり、異音発生が小さい振動アクチュエータを提供するという目的を、出力軸とロータとを、出力軸の回転中心線とロータの回転中心線とが所定の範囲内の角度をなす場合にも、相対的に揺動しながら、ともに回転可能なように自由度を有して設けることにより実現した。

図１は、本発明による振動アクチュエータの実施例１を模式的に示す断面図である。
実施例１の振動アクチュエータ１００は、振動体１、ロータ５等を有し、振動体１側を固定とし、ロータ５側を回転駆動する形態となっている。

振動体１は、弾性体２と、弾性体２に接合された圧電体３とを有するステータであり、圧電体３の弾性体２側とは反対側の面には、圧電体３を励振する駆動信号を供給するフレキシブルプリント基板４が接続されている。
振動体１は、圧電体３の励振により進行性振動波（以下、「進行波」とする）が発生する。一例として、１周あたり９波の進行波で説明する。

弾性体２は、共振先鋭度の大きい金属材料からなり、その形状は、略円環形状である。弾性体２は、圧電体３が接合される面の反対側の面に、溝を切った櫛歯部１２ａが形成されており、この先端面が駆動面となり、ロータ５に加圧接触される。櫛歯部１２ａを設ける理由は、進行波の中立面をできる限り圧電体３側に近づけ、駆動面の進行波の振幅を増幅させるためである。
また、弾性体２は、その内周側に弾性体フランジ部２ｂが形成され、この弾性体フランジ部２ｂでステータ取付台６に取り付けられている。ステータ取付台６には、ベアリング７を介して、後述する出力軸１３が回転可能に取り付けられている。

圧電体３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り、例えば、電歪素子や圧電素子等が用いられる。この圧電体３は、弾性体２の周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）の電気信号が入力される範囲があり、各相に対応する範囲においては、１／２波長毎に分極が交互になった要素が並べられており、Ａ相とＢ相との間には、１／４波長分間隔が空くようにしてある。
フレキシブルプリント基板４は、その配線が圧電体３の各相の電極に接続されており、このフレキシブルプリント基板４に外部から供給された駆動信号により、圧電体３は伸縮し、弾性体２を励振する。

ロータ５は、例えば、アルミニウム等の軽金属により形成され、振動体１と加圧接触することにより、櫛歯部１２ａの先端面である弾性体２の駆動面に生じた進行波による楕円運動により回転駆動される相対運動部材である。
ロータ５は、回転中心線を中心軸として形成される回転体であり、その中心には略円筒形状の貫通孔部５ａが形成されている。この貫通孔部５ａは、後述する出力軸１３と嵌合し、その径は出力軸１３の径に対して公差分だけ大きい。

出力軸１３は、樹脂により形成された略円筒形状の部材であり、ロータ５の貫通孔部５ａに嵌合し、ロータ５とともに回転運動することにより、ロータ５の回転運動を取り出す出力取り出し部材である。出力軸１３は、ロータ５の貫通孔部５ａと嵌合する端部の少なくとも一部にはＤカットが施され、他方の端部は、不図示のギア等に接合され、ギアは被駆動部材に出力を伝える。
フランジリング１１は、出力軸１３に嵌合し、出力軸１３の回転中心線方向に移動可能であり、出力軸１３とともに回転する部材である。フランジリング１１とロータ５との間には、緩衝部材１０が設けられている。この緩衝部材１０は、例えば、ゴム等により形成された略円環形状の部材であり、出力軸１３に嵌合し、ロータ５の回転中心線方向の振動を吸収する。
Ｅリング１２は、出力軸１３の端部に設けられた溝部１３ａに嵌められ、後述する加圧部９の加圧方向において、出力軸１３に対するフランジリング１１及びロータ５の位置を規制する規制部材である。

加圧部９は、振動体１とロータ５とを加圧接触させる機構であり、出力軸１３に設けられている。この加圧部９は、加圧力を発生するバネ９ａと、ベアリング７に接して配置され、バネ９ａの一端を押さえる押さえリング９ｂと、バネ９ａの他端を押さえる押さえリング９ｃと、出力軸１３に形成された溝に挿入され、押さえリング９ｃの位置を規制するＥリング９ｄとを備えている。
この加圧部９は、出力軸１３の回転中心線方向に振動体１とロータ５とを加圧する。

ここで、比較例の振動アクチュエータを用いて、本発明による振動アクチュエータの効果を説明する。
図２は、本発明による振動アクチュエータの比較例を模式的に示す断面図である。
比較例１の振動アクチュエータ３００は、図１に示した実施例１の振動アクチュエータ１００と出力軸８の形状等の点が相違する。よって、図１に示した実施例１の振動アクチュエータ１００と略同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

出力軸８は、略円筒形状をしており、ロータ５の貫通孔部５ａに嵌合し、ロータ５とともに回転運動し、ロータ５の回転運動を出力として取り出す出力取り出し部材である。出力軸８の貫通孔部５ａと嵌合する側の端部には、略円盤形状のフランジ部８ａが形成され、他方の端部には、不図示の被駆動部材に出力を伝達する不図示のギア等が接合されている。
このフランジ部８ａとロータ５との間には、ロータ５の回転中心線方向の振動を吸収する緩衝部材１０が設けられている。

このような振動アクチュエータは、出力軸の回転中心線が、ロータの回転中心線と一致しており、ステータの駆動面に対して垂直な状態で駆動されると、ロータの駆動面と弾性体の駆動面との摺動が安定し、異音の発生がなく、起動性や駆動効率もよく、理想的な振動アクチュエータとなる。

しかし、図２に示すような比較例の振動アクチュエータ３００では、出力軸８のフランジ部８ａが緩衝部材１０等を介してロータ５の回転中心線方向の動きを規制しており、かつ、出力軸８の貫通孔部５ａとの嵌合部分が、ロータ５の回転運動の径方向の動きを規制している。
そのため、例えば、出力軸８は、その回転中心線方向以外の方向からの外力、例えば、図中の矢印Ｆに示すような外力を受けると、出力軸８の回転中心線が傾いてロータ５の回転中心線と角度をなし、弾性体２の駆動面に対して垂直ではなくなる。ロータ５は、偏荷重を受けて、この出力軸８の傾きに追従して傾き、その摺動面が弾性体２の駆動面に対して角度をなすため、弾性体２の駆動面とロータ５の摺動面とが安定して摺動しない。
このような状態で比較例の振動アクチュエータ３００を駆動すると、弾性体２の進行波が十分にロータ５に伝わらず、比較例の振動アクチュエータ３００の駆動効率が下がるという問題や、異音が発生するという問題があった。

また、弾性体２の駆動面が、製造の際の組立ばらつきや寸法不良等の理由により、出力軸８の回転中心線に対して垂直に固定されていない場合や、温度変化等により弾性体２の駆動面が傾いた場合等に、ロータ５の摺動面は弾性体２の駆動面に追従して傾き、ロータ５の傾きに追従して出力軸８の回転中心線が傾く。そのため、振動アクチュエータ３００は、異音が発生したり、起動性や駆動効率が低下したりするという問題があった。

しかし、実施例１の振動アクチュエータ１００は、出力軸１３とフランジリング１１とが別部材であるので、例えば、出力軸１３にその回転中心線方向以外の外力がかかって出力軸１３が傾いた場合にも、フランジリング１１は、出力軸１３の傾きに追従して傾き難く、ロータ５を傾けることがない。

従って、このような出力軸１３、フランジリング１１等を設けることにより、ロータ５と出力軸１３とは、ともに回転しながら、相対的に揺動可能となり、ロータ５の摺動面と弾性体２の駆動面との摺動を安定させることができ、小型であり、ロータ５を駆動する速度領域に関わらず異音の発生がなく、起動性や駆動効率のよい振動アクチュエータを提供することができる。
また、実施例１の振動アクチュエータ１００は、弾性体２が組立ばらつきや寸法不良等によって、出力軸１３に対して垂直に固定されていない場合や、温度変化等により弾性体２の駆動面が傾く場合等に対しても、同様の効果が得られる。

図３は、本発明による振動アクチュエータの実施例２を模式的に示す断面図である。
実施例２の振動アクチュエータ２００は、出力軸１４の形状が、実施例１の振動アクチュエータ１００と相違する。よって、図１に示した実施例１の振動アクチュエータ１００と略同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

出力軸１４は、樹脂により形成された略円筒形状の部材であり、一方の端部は、フランジ部１４ａ、嵌合部１４ｂ、逃げ部１４ｃを有し、他方の端部は、不図示のギアに接合されている。
フランジ部１４ａは、出力軸１４の端部に設けられ、略円盤状であり、加圧部９の加圧方向において、出力軸１４に対するロータ５の位置を規制している。このフランジ部１４ａとロータ５との間には、緩衝部材１０が設けられている。
嵌合部１４ｂは、フランジ部１４ａと後述する逃げ部１４ｃとの間に設けられ、ロータ５の貫通孔部５ａの内壁の一部と嵌合する部分である。
逃げ部１４ｃは、貫通孔部５ａの内壁と接しないようにその外形を十分小さく設けられた部分である。

出力軸１４とロータ５とは、図３に示すように、嵌合部１４ｂと貫通孔部５ａのフランジ部１４ａ側の端部の内壁とでのみ嵌合しており、嵌合部１４ｂよりベアリング側には逃げ部１４ｃが設けられており、貫通孔部５ａの内壁とは接していない。

このような出力軸１４とすることにより、嵌合部１４ｂがロータ５の回転運動の径方向のロータ５の動きを規制する点と、フランジ部１４ａがロータ５の回転中心線方向のロータ５の動きを規制する点とが近くなるので、出力軸１４とロータ５とは、ともに回転して駆動力を伝達しながら、より自由度を持つことができる。
また、出力軸１４は、嵌合部１４ｂ、逃げ部１４ｃを有しているので、出力軸１４がロータ５に対して傾く等、ロータ５の回転中心線が出力軸１４の回転中心線と角度をなした場合にも、嵌合部１４ｂ以外の部分がロータ５の貫通孔部５ａの内壁に当接することがない。従って、ロータ５は、その駆動面を弾性体２の駆動面に対して角度をなすことなく、安定して摺動できる。

よって、本実施例によれば、実施例１の振動アクチュエータ２００と略同様に、ロータ５と出力軸１４とがともに回転しながら相対的に揺動可能であり、起動性や駆動効率のよい、異音の発生しない振動アクチュエータを提供することができる。
また、実施例２の振動アクチュエータ２００は、実施例１の振動アクチュエータ１００に比べて部品数が少ないので、製造工程を簡素化でき、生産コストを抑えることができる。
以上、上述の実施例によれば、以下の効果を奏することができる。
実施例１及び２によれば、出力軸１３とロータ５とは、出力軸１３の回転中心線とロータ５回転中心線とが所定の範囲内の角度で、相対的に揺動しながら回転可能なように自由度を有して設けられている。従って、出力軸１３にその回転中心線方向以外の外力が加わり、出力軸１３の回転中心線がロータ５と角度をなす場合にも、ロータ５の摺動面は、振動体１との駆動面と角度なすことなく安定して摺動するので、起動性や駆動効率が向上し、異音の発生を低減できる。また、振動体１が、組立ばらつきや寸法不良等の理由により、出力軸１３に対して垂直に固定されていない場合や、温度変化により振動体１の駆動面が傾いた場合等にも、振動体１の駆動面とロータ５との摺動面が安定して摺動し、起動性や駆動効率のよい、異音の発生が低減できる。
実施例１によれば、フランジリング部１１は、出力軸１３に嵌合し、出力軸１３の回転中心線方向に移動可能であり、出力軸１３とともに回転運動し、規制部材１２は、加圧部９の加圧方向において、出力軸１３に対するフランジリング部１１及びロータ５の位置を規制する。このような構造とすることにより、出力軸１３にその回転中心線方向以外の外力がかかる等により、出力軸１３の回転中心線が、ロータ５の回転中心線と角度をなし、振動体１の駆動面に対して垂直でない場合にも、フランジリング部１１は、出力軸１３とは別部材であるので、出力軸１３の傾きに追従して傾き難く、振動体１の駆動面とロータ５の摺動面との摺動を安定させることができる。
実施例１によれば、規制部材１２は、出力軸１３に設けられた溝部に嵌まるEリング１２であるので、汎用の部材を使用することができ、生産コストを抑えることができる。
実施例１によれば、緩衝部材１０は、フランジリング部１１とロータ５との間に設けられ、ロータ５の回転中心線方向の振動を吸収するので、駆動時に、ロータ５がその回転中心線方向に振動することにより発生する異音を低減でき、かつ、ロータ５の回転運動を安定させ、駆動効率を向上できる。
実施例２によれば、出力軸１３は、ロータ５の貫通孔部５ａの内壁の一部に嵌合する嵌合部１４ｂと、貫通孔部５ａの内壁と接しないように外形寸法が小さく設けられた逃げ部１４ｃと、出力軸１３の端部に設けられ、加圧部９の加圧方向において、出力軸１３に対するロータ５の位置を規制するフランジ部１４ａとを有する。このような構造とすることにより、出力軸１３の回転中心線とロータ５の回転中心線とが角度をなすときに、出力軸１３がロータ５の貫通孔部５ａの内壁に当接してロータ５を傾けることがない。従って、振動体１の駆動面とロータ５の摺動面とが安定して摺動し、起動性や駆動効率を向上でき、異音の発生を低減できる。
実施例２によれば、嵌合部１４ｂは、フランジ部１４ａと逃げ部１４ｃとの間に設けられ、貫通孔部５ａのフランジ部１４ａ寄りの内壁と嵌合するので、出力軸１３の回転中心線とロータ５の回転中心線とが角度をなす場合に、嵌合部１４ｂがロータ５の傾きを規制する点と、フランジ部１４ａがロータ５の傾きを規制する点とが近くなる。従って、出力軸１３とロータ５とは、駆動力を伝達しつつ、より自由度を持った構造とすることができる。
実施例２によれば、緩衝部材１０は、フランジ部１４ａと相対運度部材との間に設けられ、ロータ５の回転中心線方向の振動を吸収するので、ロータ５の回転中心線方向の振動により発生する異音を防止し、かつ、ロータ５の回転運動を安定させ、駆動効率を向上できる。

（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）各実施例において、出力軸１３，１４は樹脂により形成される例を示したが、これに限らず、例えば、金属等により形成してもよいし、特に限定しない。

（２）実施例１において、出力軸１３は、フランジリング１１、Ｅリング１２を有する例を示し、実施例２において、出力軸１４は、フランジ部１４ａ、嵌合部１４ｂ、逃げ部１４ｃを有する例を示したが、これらを適宜組み合わせて実施してもよい。

（３）実施例２において、出力軸１４は、樹脂により一体成形された部材である例を示したが、これに限らず、例えば、フランジ部を、出力軸とは別体としてもよい。

本発明による振動アクチュエータの実施例１を模式的に示す断面図である。 本発明による振動アクチュエータの比較例を模式的に示す断面図である。 本発明による振動アクチュエータの実施例２を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１：振動体、２：弾性体、３：圧電体、５：ロータ、５ａ：貫通孔部、８，１３，１４：出力軸、９：加圧部、１０：緩衝部材、１１：フランジリング、１２：Ｅリング、１４ａ：フランジ部、１４ｂ：嵌合部、１４ｃ：逃げ部、１００，２００，３００：振動アクチュエータ

Claims (9)

1. 駆動信号により励振され、駆動面に振動波を生じる振動体と、
   貫通孔部を有し、前記駆動面に加圧接触され、前記振動波により前記貫通孔部を中心として回転駆動される相対運動部材と、
   前記振動体と前記相対運動部材とを加圧接触させる加圧部と、
   前記貫通孔部の少なくとも一部と嵌合し、前記相対運動部材とともに回転運動することにより、前記相対運動部材の回転運動を取り出す出力取り出し部材と、
   を備えた振動アクチュエータにおいて、
   前記出力取り出し部材と前記相対運動部材とは、前記出力取り出し部材の回転中心線と前記相対運動部材の回転中心線とが所定の範囲内の角度で、相対的に揺動しながら回転可能なように自由度を有して設けられ、
   前記出力取り出し部材は、前記貫通孔部の内壁の一部に嵌合する嵌合部と、前記貫通孔部の内壁と接しないように外形寸法が小さく設けられた逃げ部と、前記出力取り出し部材の端部に設けられ、前記加圧部の加圧方向において、前記出力取り出し部材に対する前記相対運動部材の位置を規制するフランジ部とを有すること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記嵌合部は、前記フランジ部と前記逃げ部との間に設けられ、前記貫通孔部の前記フランジ部寄りの内壁と嵌合すること、
   を特徴とする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、
   前記フランジ部と前記相対運度部材との間に設けられ、前記相対運動部材の回転中心線方向の振動を吸収する緩衝部材を備えること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記出力取り出し部材に嵌合し、前記出力取り出し部材の回転中心線方向に移動可能であり、前記出力取り出し部材とともに回転運動するフランジリング部と、
   前記加圧部による加圧方向において、前記出力取り出し部材に対する前記フランジリング部及び前記相対運動部材の位置を規制する規制部材とを備えること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
5. 請求項４に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記規制部材は、前記出力取り出し部材に設けられた溝部に嵌まる止め輪であること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
6. 請求項４又は請求項５に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記フランジリング部と前記相対運動部材との間に設けられ、前記相対運動部材の回転中心線方向の振動を吸収する緩衝部材を備えること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記振動体は、１つのベアリングを介して前記出力取り出し部材に回転可能に取り付けられていることを特徴とする振動アクチュエータ。
8. 請求項７に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記加圧部による加圧方向において、前記相対移動部材と前記ベアリングとの間に前記振動体が配置されていることを特徴とする振動アクチュエータ。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記加圧部による加圧方向において、前記相対運動部材と前記加圧部との間に前記振動体が配置されていることを特徴とする振動アクチュエータ。

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