JP7476021B2 - 振動型アクチュエータ、雲台、および電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、振動体と接触体を備えた、振動型アクチュエータに関するものである。
環状の振動体とその振動体と接する環状の接触体を備えた振動型アクチュエータは低速・大トルクなどの特徴から、例えば一眼レフカメラの撮影レンズにおけるオートフォーカスの駆動用モータとして実用化されている。近年はカメラ以外のさまざまな電子機器への適用も期待されている。例えば、ロボットアームの関節駆動やロボットハンドの回転駆動、監視カメラ等の撮像装置の雲台の回転駆動、画像形成装置の感光体ドラムの回転駆動への振動型アクチュエータの適用が期待されている。
このようなさまざまな用途への適用に向けて、振動型アクチュエータの生産性の向上とローコスト化が要求されている。接触体は振動体と適切な圧力で接するため、ばね性を有する部位（接触ばね）を備えており、その製造に、板材のプレス加工を用いる技術が提案されている。（特許文献１参照）。これは、環状の接触体の本体部とは別に環状の接触ばねを製造し、のちに両者を接着させるものである。接触ばねは振動体と接する接触面も備えている。
しかしながら、特許文献１の図６に示されるように、接触面を製造するため曲げ加工が必要であるため、環状の接触ばねの接触面と環状の振動体の接触面の寸法や面精度を高精度に加工することは困難である。また、環状の接触ばねの端部はバリ・ダレ等の凹凸があり、加工精度は必ずしも高くない。そのため、接触ばねの摩擦面の平面度が大きくなり、接触体の回転ムラが発生したり、端部の凹凸によって振動体との接触面圧が不安定になり、異常摩耗が発生するという課題もあった。
そこで、本発明は、回転ムラと異常摩耗を抑える振動型アクチュエータを提供する。
上記課題を解決するために、環状の弾性体及び電気－機械エネルギー変換素子を有する振動体と、
前記振動体と接し前記振動体と相対的に移動する環状の接触体を備え、
前記接触体は、
基底部と、
前記基底部から前記接触体の径方向に環状に延在する支持部と、
前記支持部に設けられ前記支持部とは別の部材であり前記振動体と接触する摩擦部材を有し、
前記摩擦部材の一端は、前記支持部との間の第１の間隙と、前記振動体との間の第２の間隙とを設けて配され、
前記摩擦部材は、
前記接触体の中心軸に沿った方向に延在する前記摩擦部材の第１の部位と、
前記径方向に延在する環状の前記摩擦部材の第２の部位とで前記支持部と連結し、
前記第１の間隙は、前記支持部と前記第２の部位との間に設けられ、前記第２の間隙は、前記振動体と前記第２の部位との間に形成されることを特徴とする振動型アクチュエータを提供する。
前記振動体と接し前記振動体と相対的に移動する環状の接触体を備え、
前記接触体は、
基底部と、
前記基底部から前記接触体の径方向に環状に延在する支持部と、
前記支持部に設けられ前記支持部とは別の部材であり前記振動体と接触する摩擦部材を有し、
前記摩擦部材の一端は、前記支持部との間の第１の間隙と、前記振動体との間の第２の間隙とを設けて配され、
前記摩擦部材は、
前記接触体の中心軸に沿った方向に延在する前記摩擦部材の第１の部位と、
前記径方向に延在する環状の前記摩擦部材の第２の部位とで前記支持部と連結し、
前記第１の間隙は、前記支持部と前記第２の部位との間に設けられ、前記第２の間隙は、前記振動体と前記第２の部位との間に形成されることを特徴とする振動型アクチュエータを提供する。
上記発明により、回転ムラと異常摩耗を抑える振動型アクチュエータを提供することができる。
［実施例１］
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。
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。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動型アクチュエータ１０の構成を概略的に示す断面図である。振動型アクチュエータ１０における振動体２０および接触体３００（移動体、被駆動体ともいう）および加圧機構４０等の機械的構成は、例えば特開２０１７－１０８６１５号公報に記載の振動型アクチュエータと機能的には同等である。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動型アクチュエータ１０の構成を概略的に示す断面図である。振動型アクチュエータ１０における振動体２０および接触体３００（移動体、被駆動体ともいう）および加圧機構４０等の機械的構成は、例えば特開２０１７－１０８６１５号公報に記載の振動型アクチュエータと機能的には同等である。
本実施形態の振動型アクチュエータは、弾性体および電気－機械エネルギー変換素子を有する振動体と、振動体と接する接触体を備えている。加えて、電気－機械エネルギー変換素子に給電する給電部材（フレキシブルプリント基板）を備えている。
図１において、振動型アクチュエータ１０は、環状に形成された振動体２０、環状に形成された接触体３００、および加圧機構４０を備える。また、振動型アクチュエータ１０は、シャフト、ハウジング、ベアリングを備える。
振動体２０は、弾性体２１と、弾性体２１に接合された電気－機械エネルギー変換素子である圧電素子２２と、圧電素子２２に接合されて圧電素子２２に交流電圧である駆動電圧を印加するための給電部材１００を有する。
加圧機構４０は制振ゴム４１、加圧ばね受け部材４２、加圧ばね受けゴム４３、加圧ばね４４及び加圧ばね固定部材４５を有する。振動体２０及び接触体３００はシャフトを中心軸として同心円状に配置され、シャフトに固定された加圧機構４０によってシャフトのスラスト方向に関して互いに加圧接触（摩擦接触）する。具体的には、シャフトに固定された加圧ばね固定部材４５によって移動を規制された加圧ばね４４が、制振ゴム４１、加圧ばね受け部材４２及び加圧ばね受けゴム４３を介して接触体３００をスラスト方向に押圧する。このように構成されることにより、接触体３００と振動体２０は安定的に接触する。
振動型アクチュエータ１０では、給電部材１００を通して圧電素子２２へ交流電圧である駆動電圧を印加することにより、振動体２０に駆動振動を励起させる。駆動振動の態様は圧電素子２２が有する複数の電極の数や配置形態に依存するが、励起される駆動振動が振動体１０の周方向に進むｎ次（本実施形態ではｎ＝９）の進行波となるように、圧電素子２２が設計される。なお、ｎ次の駆動振動とは振動体２０の周方向における波数がｎ個となる曲げ振動である。圧電素子２２に発生した駆動振動は振動体２０の接触部２５に生じた進行波によって、接触体３００をシャフト回りの周方向へ駆動する。すなわち、接触体３００は振動体２０と同心を保ったまま、相対的に回転運動する。接触体３００に発生した回転力は加圧機構４０とシャフトを通して外部へ出力される。
図１に描かれている本実施形態の振動型アクチュエータ１０は、例えばハウジングを所望の部材に固定し、シャフトの下方に末広がりに構成されているフランジ面にカメラ等の可動対象を固定することで、可動対象を自由に回転駆動させることができる。他方で、シャフトを固定してハウジングを回転駆動させることも可能である。
図２は、振動体２０に励起される駆動振動の変形の様態を説明するための図である。なお、図２では、振動体２０において励起される駆動振動の変位に対する理解を容易にするために、変位を実際よりも誇張している。
図３は、接触体３００の構成を概略的に示す断面斜視図である。接触体３００は、本体部材３０１と、本体部材３０１と別の部材である摩擦部材３０２を有する。本体部材３０１と摩擦部材３０２は接着又は接合により連結されている。
本体部材３０１は、基底部３０１ａと、接触体３００の径方向に環状に延出した支持部３０１ｂを有する。支持部３０１ｂは断面が略Ｌ字形状をしており、端部に摩擦部材３０２が連結している。本体部材３０１は環状に構成される。
図４は、接触体３００の支持部３０１ｂと摩擦部材３０２の構成を概略的に示す断面斜視図である。摩擦部材３０２は、断面が略Ｌ字形状をしており、環状に構成される。摩擦部材３０２は、接触体３００の中心軸に沿った方向に延在した第１の部位３０２ａと、接触体３００の径方向に沿って延在する第２の部位３０２ｂを有する。
第１の部位３０２ａは、支持部３０１ｂに対して内篏合（支持部３０１ｂの内径側に嵌合）して連結している。第２の部位３０２ｂは、支持部の突き当て面３０１ｄと連結している。後段にて説明するが、第１の部位は内嵌合あるいは外嵌合のいずれか一方で前記支持部と連結しているとよい。
第２の部位の端部３０２ｃは、支持部の突き当て面３０１ｄに対して、径方向に突出しており、端部３０２ｃは支持部３０１ｂと連結していない。また、第２の部位は、突き当て面３０１ｄの反対側の摩擦面３０２ｄで振動体２０と接触しており、第２の部位の端部３０２ｃは、振動体２０から離れる方向に傾斜しており、振動体２０と接触していない。つまり、第２の部位３０２ｂと支持部３０１ｂとの間に第１の間隙３０３が設けられ、第２の部位と３０２ｂと振動体２０の間に第２の間隙３０４が設けられている。
第１の間隙３０３の効果を説明する。本体部材３０１は部品の剛性が高いため、高精度に製造することができるが、摩擦部材３０２は、プレス加工や焼入れ処理等の製造過程で大きな歪みが発生する。摩擦部材３０２は、部品としての剛性が低いため、容易に弾性変形させることができ、支持部の突き当て面３０１ｄに突き当てて倣わせることで、摩擦面３０２ｄの平面度を向上させる（小さくする）ことができる。さらに、第１の間隙３０３を設けることで、摩擦部材の端部３０２ｃの凹凸（バリ・ダレ等）が支持部３０１ｂに接触せず、摩擦面３０２ｄの平面度を向上させることができる。これにより、接触体３００の回転ムラを抑制することができる。
第２の間隙３０４の効果を説明する。第２の間隙３０４を設けることで、第２の部位の端部３０２ｃの凹凸（バリ・ダレ等）が振動体２０と接触せず、摩擦面３０２ｄの接触面圧が安定し、異常摩耗を抑制することができる。また、接触体３００の製造工程において、摩擦面３０２ｄを平滑化するラップ加工等の工程を簡略化又は廃止することができるため、ローコスト化が可能になる。
なお、第２の部位の端部３０２ｃは、端部３０２ｃの凹凸（バリ・ダレ等）の大きさによって必要な範囲が異なるが、端部３０２ｃの厚さをｔとした場合、端部３０２ｃの端面から０．２ｔ以上の長さの領域にすることが好ましい。
接触体３００は、摩擦面３０２ｄで振動体２０と接触し、支持部３０１ｂが接触ばねの機能を持つ。接触ばねのばね剛性のバラツキは振動アクチュエータの異音（鳴き）に原因となる。そのため、接触ばねである支持部３０１ｂは、加工誤差があってもばね剛性にバラツキが発生しないように、アルミニウム合金や真鍮等の低ヤング率の材料で構成することが好ましい。一方、摩擦部材３０２は振動体２０と摩擦接触するため耐摩耗性の高い鉄鋼等の材料が好ましい。一般的に、鉄鋼等の耐摩耗性の高い材料は、アルミニウム合金や真鍮等の材料と比較し、硬くてヤング率が高い。つまり、支持部３０１ｂを構成する材料のヤング率は、摩擦部材３０２を構成する材料よりもヤング率が低いことが好ましい。
また、基底部３０１ａは、制振ゴム４１と接触し、減衰効果により振動アクチュエータの異音を抑制する。
本体部材３０１と摩擦部材３０２の材料とその製造方法について説明する。摩擦部材３０２は、耐摩耗性の高い材料が好ましく、スレンテレス等の鉄鋼材料の板材を用いて、プレス加工と焼入れ処理で製造することができる。一方、本体部材３０１は、振動減衰の機能が求められるため、減衰性が高い材料であり、さらに、高精度に加工できる快削材料が好ましく、摩擦部材３０２よりも快削性の高いアルミニウム合金や真鍮等を用いて、切削加工で製造することができる。本体部材３０１は表面処理されていても良く、例えば、アルミニウム合金であれば、アルマイト処理されていても良い。なお、摩擦部材３０２と本体部材３０１の製造方法は上記挙げた方法に限らない。摩擦部材３０２の製造方法としては、レーザー加工、放電加工、切削、エッチング等、又はそれらを複合した方法が考えられる。また、摩擦部材３０２の熱処理としては、窒化、浸炭等でもよく、熱処理以外にもメッキなどの硬化処理でもよい。また、本体部材３０１の製造方法としては、ダイキャスト、鍛造等、又はそれらを複合した方法が考えられる。
本体部材３０１と摩擦部材３０２の組立について説明する。本体部材３０１は部品の剛性が高いため、摩擦部材３０２よりも高精度に製造することができる。一方、摩擦部材３０２は、プレス加工や焼入れ処理等の製造過程で大きな歪みが発生する。
摩擦部材３０２は部品としての剛性が低いため、容易に弾性変形させることができる。したがって、高精度な本体部材３０１を基準として、摩擦部材３０２を弾性変形させながら、嵌合させることで、摩擦部材３０２の貼りずれを抑制し、摩擦面３０２ｄの真円度を向上させることができる。また、本体部材３０１と摩擦部材３０２は金属同士の摩擦を避けるため、接着、接合により連結させることが好ましい。これにより、振動型アクチュエータに異音（鳴き）を抑制することができる。なお、第１の間隙３０３には、接着、接合に用いる接着剤、接合材が充填されていてもよい。
本実施形態および以下の変形例では、摩擦部材の一端が、前記支持部との間の第１の間隙と、前記振動体との間の第２の間隙とを設けて配されている。そのため、摩擦面の平面度が小さくすることが可能であり、接触体の回転ムラを抑制されている。また、摩擦部材の凹凸（バリ・ダレ等）が振動体と接触しないように構成されているため、異常摩耗が抑制されている。
図５は、本実施形態の変形例の一例を示す図である。接触体は、本体部材３１１と、本体部材３１１とは別部材の摩擦部材３１２を有する。本体部材３１１は、基底部３１１ａと支持部３１１ｂを有し、環状に構成される。摩擦部材３１２は、断面が略Ｊ字形状であり、接触体の中心軸に沿った方向に延在した第１の部位３１２ａと、接触体の径方向に延在する第２の部位３１２ｂを有し、環状に構成される。第１の部位３１２ａが支持部の嵌合面３１１ｃに対して外篏合（支持部３１１ｂの外径側に嵌合）して連結している。また、第２の部位３１２ｂは、支持部の突き当て面３１１ｄに突き当たっており、突き当て面３１１ｄと反対側の摩擦面３１２ｄで振動体２０と接触している。第２の部位の端部３１２ｃは、支持部の突き当て面３１１ｄよりも径方向に突出している。端部３１２ｃにおいて、第２の部位３１２ｂと支持部３１１ｂとの間に第１の間隙３１３が設けられ、第２の部位３１２ｂと振動体２０の間に第２の間隙３１４が設けられている。本変形例の構成でも本実施形態と同様の効果を得ることができる。
図６は、本実施形態の変形例の一例を示す図である。接触体は、本体部材３２１と、本体部材３２１とは別部材の摩擦部材３２２を有する。本体部材３２１は、基底部３２１ａと支持部３２１ｂを有し、環状に構成される。摩擦部材３２２は、断面が端部が曲がった略矩形であり、環状に構成される。本実施形態では、摩擦部材３２２は、支持部３２１ｂに嵌合せず、支持部の突き当て面３２１ｄに突き当たっており、突き当て面３２１ｄと反対側の摩擦面３２２ｄで振動体２０と接触している。両側にある摩擦部材の端部３２２ｃ、３２２ｅは、支持部の突き当て面３２１ｄよりも径方向にそれぞれ突出している。摩擦部材の端部３２２ｃにおいて、摩擦部材３２２と支持部３２１ｂとの間に第１の間隙３２３ａが設けられ、摩擦部材３２２と振動体２０の間に第２の間隙３２４ａが設けられている。また、摩擦部材の端部３２２ｅにおいて、摩擦部材３２２と支持部３２１ｂとの間に第１の間隙３２３ｂが設けられ、摩擦部材３２２と振動体２０の間に第２の間隙３２４ｂが設けられている。本変形例の構成でも本実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変形例の構成は、摩擦部材の寸法が厚く、曲げ加工が困難な場合であっても接触体を製造することができる。
図７は、本実施形態の変形例の一例を示す図である。接触体は、本体部材３３１と、本体部材３３１とは別部材の摩擦部材３３２を有する。本体部材３３１は、基底部３３１ａと支持部３３１ｂを有し、環状に構成される。摩擦部材３３２は、断面が略Ｌ字形状であり、環状の接触体の中心軸に沿った方向に延在した第１の部位３３２ａと、接触体の径方向に延在する第２の部位３３２ｂを有し、環状に構成される。第１の部位３３２ａは、支持部の嵌合面３３１ｂに対して傾斜して内嵌合している。また、第２の部位３３２ｂは、支持部の突き当て面３３１ｄに対して傾斜して突き当たっており、突き当て面３３１ｄと反対側の摩擦面３３２ｄで振動体２０と接触している。なお、摩擦面３３２ｄは、ラップ加工等で曲面を平坦にしてもよい。第２の部位の端部３３２ｃは、支持部の突き当て面３３１ｄよりも径方向に突出している。端部３３２ｃにおいて、第２の部位３３２ｂと支持部３３１ｂとの間に第１の間隙３３３が設けられ、第２の部位と３３２ｂと振動体２０の間に第２の間隙３３４が設けられている。本変形例の構成でも本実施形態と同様の効果を得ることができる。
本実施形態では、接触体の基底部から内径方向に向かって水平に支持部が延在する構成を説明したが、これに限定されない。接触体の基底部から外径方向に向かって支持部が延在していてもよい。また、接触体の基底部から内外径に沿った方向に斜めに支持部が延在していてもよい。これらの構成でも本実施形態と同様の効果を得ることができる。
本実施形態では、接触体の支持部の断面形状が片持ち梁の構成で、梁の端部に摩擦部材が嵌合して設けられた構成を説明したが、これに限定されない。支持部は端部以外の場所に摩擦部材が嵌合して設けられた構成でもよい。また、支持部の断面形状が両持ち梁の構成で、梁の中央部に摩擦部材が嵌合して設けられた構成でもよい。これらの構成でも本実施形態と同様の効果を得ることができる。
本実施形態では、摩擦部材は全周が閉じた環状の構成を説明したが、これに限定されない。摩擦部材は一部が開いていても、概ね環状の構成でもよい。これらの構成でも本実施例と同様の効果を得ることができる。 本実施形態の図面では、製造工程での加工誤差や歪みを考慮していない構成を示したが、これに限らない。実際に製造された接触体は、図面よりも角部や隅部のＲが大きかったり、ダレやバリが発生したり、本体部材と摩擦部材の隙間が不均一だったりする。これらの構成であっても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
本実施形態の図面では、弾性体の接触部との摩擦面の全周が平坦な構成を示したが、これに限定されない。弾性体の接触体側に放射状の溝が形成され、摩擦面が突起上に形成される構成でもよい。この構成であっても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、第１実施形態で説明した振動型アクチュエータ１０を備える装置の一例としての監視カメラ等の撮像装置の雲台の構成について説明する。
第２実施形態では、第１実施形態で説明した振動型アクチュエータ１０を備える装置の一例としての監視カメラ等の撮像装置の雲台の構成について説明する。
本実施形態では、回転台と、回転台に設けられた振動型アクチュエータを備える雲台を以下説明する。
図１１は、雲台８００と、雲台８００に搭載された撮像装置８４０の構成を概略的に示す図である。雲台８００は、ベース８２０と、２つの振動型アクチュエータ８７０、８８０を備えるヘッド８１０と、撮像装置８４０を固定するためのＬアングル８３０を備える。パン軸に設けられた振動型アクチュエータ８８０は、ヘッド８１０とＬアングル８３０と撮像装置８４０を、ベース８２０に対してパン軸まわりに回転させるためのアクチュエータである。また、チルト軸に設けられた振動型アクチュエータ８７０は、Ｌアングル８３０と撮像装置８４０を、ヘッド８１０に対してチルト軸まわりに回転させるためのアクチュエータである。
雲台８００に２つの振動型アクチュエータ８７０、８８０を用いることにより、撮像装置８４０の向きを高速、高応答、静粛、高精度に変える事が可能となる。また、振動型アクチュエータは無通電時でも高い保持トルクを持つため、撮像装置８４０のチルト軸まわりの重心ずれがあっても振動型アクチュエータの電力を消費することなく撮像装置４０の向きを維持することができる。
その他、本発明の利用者が所望する部材と、その部材に設けられた振動型アクチュエータを備える電子機器を提供することができる。
１０ 振動型アクチュエータ
２０ 振動体
２１ 弾性体
２２ 圧電素子
１００ 給電部材
３００ 接触体
３０１，３１１，３２１，３３１ 本体部材
３０１ａ，３１１ａ，３２１ａ，３３１ａ 基底部
３０１ｂ，３１１ｂ，３２１ｂ，３３１ｂ 支持部
３０２，３１２，３２２，３３２ 摩擦部材
３０２ｃ，３１２ｃ，３２２ｃ，３２２ｅ，３３２ｃ 摩擦部材の端部
３０３，３１３，３２３ａ，３２３ｂ，３３３ 第１の間隙
３０４，３１４，３２４ａ，３２４ｂ，３３４ 第２の間隙
２０ 振動体
２１ 弾性体
２２ 圧電素子
１００ 給電部材
３００ 接触体
３０１，３１１，３２１，３３１ 本体部材
３０１ａ，３１１ａ，３２１ａ，３３１ａ 基底部
３０１ｂ，３１１ｂ，３２１ｂ，３３１ｂ 支持部
３０２，３１２，３２２，３３２ 摩擦部材
３０２ｃ，３１２ｃ，３２２ｃ，３２２ｅ，３３２ｃ 摩擦部材の端部
３０３，３１３，３２３ａ，３２３ｂ，３３３ 第１の間隙
３０４，３１４，３２４ａ，３２４ｂ，３３４ 第２の間隙
Claims (8)
- 環状の弾性体及び電気－機械エネルギー変換素子を有する振動体と、
前記振動体と接し前記振動体と相対的に移動する環状の接触体を備え、
前記接触体は、
基底部と、
前記基底部から前記接触体の径方向に環状に延在する支持部と、
前記支持部に設けられ前記支持部とは別の部材であり前記振動体と接触する摩擦部材を有し、
前記摩擦部材の一端は、前記支持部との間の第１の間隙と、前記振動体との間の第２の間隙とを設けて配され、
前記摩擦部材は、
前記接触体の中心軸に沿った方向に延在する前記摩擦部材の第１の部位と、
前記径方向に延在する環状の前記摩擦部材の第２の部位とで前記支持部と連結し、
前記第１の間隙は、前記支持部と前記第２の部位との間に設けられ、前記第２の間隙は、前記振動体と前記第２の部位との間に形成されることを特徴とする振動型アクチュエータ。 - 前記第１の部位は、前記第１の部位は内嵌合あるいは外嵌合のいずれか一方で前記支持部と連結していることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
- 前記摩擦部材の一端は、前記摩擦部材の一端の端面の厚さをｔとし、端面から０．２ｔ以上の長さの領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型アクチュエータ。
- 前記支持部を構成する材料のヤング率が前記摩擦部材を構成する材料のヤング率よりも低いことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
- 前記摩擦部材を構成する材料が鉄鋼であり、前記支持部を構成する材料がアルミニウム合金又は真鍮であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
- 前記摩擦部材は前記支持部の端部に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
- 回転台と、前記回転台に設けられた請求項１から６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータを備える雲台。
- 部材と、前記部材に設けられた請求項１から６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータを備える電子機器。
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