JP7483547B2 - 振動型アクチュエータ、雲台、および電子機器 - Google Patents

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。

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おり、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。

このような他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、これらの要求に対して、移動体（接触体）が備える接触ばねの製造に、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、移動体の本体部とは別に接触ばねを製造し、のちに両者を接着させるものである。

しかしながら、特許文献１（たとえば特許文献１図６）に記載された技術では、接触ばねがプレス加工や焼入等の熱処理で歪むため、移動体の本体部への接着時に貼りずれや接着層の厚みムラが発生し、接触ばねのばね剛性が不均一になることがある。そのため、近年求められているより静穏性におけるより低い音圧レベル基準においては、振動型アクチュエータに異音（鳴き）が発生するという課題があった。また、雲台やロボットハンドの回転駆動など高い位置制御性基準の観点においては、スムーズな動作を行うため接触体と振動体との接触する面を平滑にするといった後加工が必要であった。また、高い耐久性基準の観点においては、接触ばねのスプリングバックによって、接着剥がれが発生するという課題もあった。

また、特許文献１の図７（ｂ）と図７（ｃ）に記載された技術においては、接触部材（摩擦部材）がプレス加工や焼入れ等の熱処理で歪むため、耐久性の低下を起こすおそれがあった。

特許第５６３１０１８号公報

そこで、本発明は、部品の寸法精度が高く低コストで、異音の発生や耐久性の低下を抑制する、振動型アクチュエータを提供する。

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、前記摩擦部材は、接触体の中心軸に沿った方向に延在する第１の面と、前記径方向に延在する環状の第２の面とで、前記支持部と連結し、前記第１の面は前記中心軸の方向に対し傾斜している部位を有す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、部品の寸法精度が高く低コストで、異音の発生や耐久性の低下を抑制する、振動型アクチュエータを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る振動型アクチュエータの構成を概略的に示す断面図である。 図１における振動体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。 図１における接触体の構成を概略的に示す図である。 図１における摩擦部材の篏合による調心を示すである。 図１における接触体の第１の変形例の構成を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータを搭載した雲台と、雲台に搭載された撮像装置の構成を概略的に示す図である。

［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。

＜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）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、円環状に形成された振動体２０、円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（ａ）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。

図３（ｂ）は、本体部材３０１および摩擦部材３０２を分離した状態を概略的に示す断面斜視図である。

本体部材３０１は、基底部３０１ａと、接触体３００の径方向に延在した支持部３０１ｂを有する。支持部３０１ｂは断面が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は円環状に構成される。

摩擦部材３０２は、断面がＬ字形状をしており、円環状に構成される。摩擦部材３０２は、接触体３００の中心軸に沿った方向に延在し、かつ中心軸方向に傾斜した部位を有する第１の面３０２ｂと、接触体３００の径方向に沿って延在する第２の面３０２ｃと、振動体２０と接触する摩擦面３０２ａを有している。すなわち第１の面３０２ｂは、振動体と接触する面から離れていくに従い、支持部との径方向の間隙が広くなる。

第１の面３０２ｂ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の面３０２ｃは、支持部３０１ｂの端部に連結している。なお第１の面の周方向の一部が支持部と連結することで堅牢性が十分な場合は、そのような構成をとってよい。また摩擦部材と支持部との接触は接着剤などの中間材の固着を利用して接触する場合も含まれる。

接触体３００は、摩擦面３０２ａ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の材料と加工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の加工方法としては、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の加工方法としては、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。特に高い位置決め精度を求められる雲台やロボットハンドへの振動型アクチュエータの適用においては、スムーズな動作を行うために接触体と振動体との接触する面の高い平面度が求められる。本体部材３０１は部品の剛性が高いため、振動体２０と接触する側の面３０１ｃが高い平面度を得ることが出来る。

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。しかし摩擦部材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、摩擦面３０２ａが高い平面度の状態で、かつ摩擦部材３０２の貼りずれを抑制し、摩擦面３０２ａの真円度を向上させることができる。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は支持部３０１ｂと摩擦部材３０２の組立時の篏合（挿入）に関する概略図である。精度良く加工された支持部３０１ｂを真円形状、歪みの大きい摩擦部材３０２を楕円形状で模している。図４（ｄ）（ｅ）（ｆ）は摩擦部材３０２の楕円形状における長軸位置の支持部３０１ｂと摩擦部材３０２の断面を示している。図４（ｇ）（ｈ）（ｉ）は摩擦部材３０２の楕円形状における短軸位置の支持部３０１ｂと摩擦部材３０２の断面を示している。また、図４（ａ）（ｄ）（ｇ）は支持部３０１ｂと摩擦部材３０２が挿入する前、（ｂ）（ｅ）（ｈ）は挿入途中を示している。また、図４（ｃ）（ｆ）（ｉ）は支持部３０１ｂの振動体２０と接触する側の面３０１ｃが第２の面３０２ａに接触体３００の中心軸に沿った方向に突き当たった状態を示している。

第１の面３０２ｂは接触体３００の中心軸方向に第２の面３０１ａから離れるに従い、接触体３００の中心軸方向に対し傾斜している。高精度に加工されている支持部３０１ｂに歪が大きい摩擦部材３０２が挿入されていくに従い、第１の面３０２ｂの傾斜に倣い楕円形状から真円形状へと補正されていく。これにより摩擦面３０２ｃの真円度が向上する。また支持部３０１ｂの内径３０１ｄは第１の面３０２ｂの最外径３０２ｄより大きくしている。そのため第１の面３０２ｂと支持部３０１ｂの内径が全周にわたり接触する前に支持部３０１ｂが第２の面３０２ｂに突き当たるため、高精度に加工された支持部３０１ｂに第２の面３０２ａが全周にわたり倣い、摩擦面３０２ａの平面度が良くなる。

振動型アクチュエータがスムーズに動作するためには、接触体と振動体の接触する面が平滑であることが求められる。接触体の組立て時に摩擦面３０２ａの平面度が良くなることから、組立後の摩擦面平滑化の加工時間低減もしくは廃止することが可能となる。

本実施例における第１の面３０２ｂの傾斜は接触体３００の中心軸に対し１０°であるが、この値に限らず摩擦部材３０２が支持部３０１ｂに挿入されるに従い真円形状に補正されればよく、好ましくは０°より大きく４５°以下が良い。

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。

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３１０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、接触体３１０の径方向に延在した端部断面形状がＬ字の支持部３１１ｂを有し、円環状に構成される。摩擦部材３１２は、断面形状がＬ字であり、振動体２０との接触する摩擦面３１２ａと、接触体３１０の中心軸に沿った方向に延在し、かつ中心軸方向に傾斜した部位を有する第１の面３１２ｂを有する。さらには、接触体３１０の径方向に延在する第２の面３１２ｃとを有し、全体としては円環状に構成される。第１の面３１２ｂが支持部３１１ｂのＬ字形状をした部分に対して外篏合（支持部３１１ｂの外径３１１ｅに嵌合）して連結している。第２の面３１２ｃは、支持部３１１ｂの接触体３００の中心軸に沿った方向に突き当たる方向に連結している。支持部３１１ｂの外径３１１ｅは第１の面３１２ｂの最内径３１２ｅより小さくしている。この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。

＜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。

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６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
３００，３１０ 接触体
３０１，３１１ 本体部材
３０１ａ，３１１ａ 基底部
３０１ｂ，３１１ｂ 支持部
３０１ｃ 振動体と接触する側の面
３０１ｄ 支持部の内径
３１１ｅ 支持部の外径
３０２，３１２ 摩擦部材
３０２ａ，３１２ａ 摩擦面
３０２ｂ，３１２ｂ 第１の面
３０２ｃ，３１２ｃ 第２の面
３０２ｄ 第１の面の最外径
３０２ｅ 第１の面の最内径

Claims (7)

1. 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、
   前記摩擦部材は、前記接触体の中心軸に沿った方向に延在する第１の面と、
   前記径方向に延在する環状の第２の面とで、前記支持部と連結し、
   前記第１の面は前記中心軸の方向に対し傾斜している部位を有することを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記第１の面の傾斜している部位が前記振動体と接触する面から離れていくに従い、
   前記支持部との径方向の間隙が広くな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。
3. 前記第１の面の前記接触体の中心軸に対する傾斜が、０°より大きく４５°以下であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記第１の面の周方向の一部が前記支持部と連結することを
   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
5. 前記支持部と前記摩擦部材が接着剤により固着されていることを
   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。
6. 回転台と、前記回転台に設けられた請求項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を備える雲台。
7. 部材と、前記部材に設けられた請求項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を備える電子機器。

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