JPWO2010032826A1 - 振動型アクチュエータの支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外形が長尺形状からなる振動子のノードを適切な加圧力で安定的に支持することを可能とした振動型アクチュエータの支持装置を提供すること。【解決手段】 支持装置１０は、弾性部材４１，４２を備えた下ホルダ２０と、弾性部材４３，４４を備えた上ホルダ３０とから構成されている。振動筒体４の両端のノードの下側に弾性部材４１，４２を、上側に弾性部材４３，４４をそれぞれ装着した振動型アクチュエータ１を、上ホルダ３０と下ホルダ２０との間に挟み込んで保持する。上ホルダ３０と下ホルダ２０との間の対向距離を調整することにより、弾性部材４１，４２，４３，４４がそれぞれ圧縮され、振動筒体４の両端のノードを適切な加圧力で安定して保持することが可能となる。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電素子などの駆動素子によって駆動子を加振させることで、ねじ部を介して駆動子と嵌合している移動子を移動させる振動型アクチュエータの支持装置に係わり、特に外形が長尺形状からなる振動型アクチュエータの支持装置に関する。

以下の特許文献１には、ねじ部を介して互いに嵌合している駆動子と移動子および前記駆動子を加振する圧電素子を有する振動型アクチュエータが開示されている。

前記圧電素子の駆動子に屈曲運動（または屈曲振動、以下同じ）が繰り返されると、駆動子の屈曲運動が移動子に伝達されて、移動子が回転させられる。移動子は駆動子とねじ部を介して嵌合しているため、移動子は自らの回転力で、ねじの軸方向へ移動させられる。この種の振動型アクチュエータは、移動子が比較的低速で回転しながら前記中心軸に沿う方向へ進退移動でき、且つ大きな駆動トルクを得て大きな進退移動力（推進力）を発揮できるという利点を有する。

このような屈曲運動する長尺形状からなるアクチュエータの支持構造としては、例えば以下の特許文献２などが存在する。

特許文献２は、外周面に、駆動用、検出、及び共通アース用の電極パターンが形成され、各電極間に所定の電圧を印加すると全体として屈曲運動を行う長尺状の円柱圧電セラミックスからなる圧電振動子を利用した振動ジャイロに関するものである。

圧電振動子は、その両端から所定の距離を隔てた２箇所の位置に屈曲運動を行うためのノード（振動節）を有しており、このノードの近傍に弾性材質からなる環状支持部材がそれぞれ外挿され、この環状支持部材がホルダに立設された２箇所の鍔部の取り付け穴内にそれぞれ装着されることにより支持固定されている。
特表２００７−５０５５９９号公報 特開２００２−２２４５１号公報

上記のように、長尺状の振動子の場合には、両端のノード（振動節）近傍をそれぞれ弾性材料で支持することで効率良い屈曲運動が可能となっている。

しかし、振動子を支持する位置は適切であっても加圧力が小さすぎると、屈曲運動の度に支持位置が長手方向にずれることがあり、屈曲運動が不安定となって結果として振動子の進退移動力（推進力）が低下してしまうという問題がある。

またこれとは逆に加圧力が大きすぎると、振動子の動きが拘束されて効率の良い屈曲運動を行うことができなくなるため、進退移動力（推進力）が制限されることになる。

このように、支持機構は振動子のノードを適度な加圧力で支持することが必要とされるが、上記従来の構成は構造的に加圧力の調整をすることができないため、必ずしも適切な加圧力で支持することできないものであった。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、外形が長尺形状からなる振動子のノードを適切な加圧力で安定的に支持することを可能とした振動型アクチュエータの支持装置を提供することを目的としている。

本発明は、長尺状の振動筒体と、前記振動筒体の内部に進退自在に設けられた移動子と、前記振動筒体の周囲に設けられて前記振動筒体に屈曲運動を与える圧電素子とを有する振動型アクチュエータの支持装置であって、
上ホルダと、下ホルダと、少なくとも１箇所に不連続部を備えるとともに前記振動型アクチュエータの周囲に装着される弾性部材とを有し、前記弾性部材が前記上ホルダと前記下ホルダとの間に挟み込まれることにより前記振動型アクチュエータが保持されていることを特徴とするものである。

本発明では、上ホルダと下ホルダとの間に弾性部材を介して振動型アクチュエータを挟み込むようにしたことにより、振動型アクチュエータを保持する加圧力を容易に調整することができる。このため、振動型アクチュエータを安定的に支持することが可能となる。
前記弾性部材は、前記振動筒体の周囲に配置された圧電素子を押さえ込むものである。

上記において、前記上ホルダおよび前記下ホルダは、前記振動型アクチュエータが設置される凹部と、前記凹部内の、前記振動筒体の長手方向両端のノード近傍に対応する位置に設けられた一対の溝部とを有しており、前記弾性部材が前記溝部に配置されているものが好ましい。

上記手段では、弾性部材を凹部内の溝部に対して位置決めすることができる。このため、常にノード間距離を維持した状態で支持することができるため、振動型アクチュエータを安定して支持することが可能となる。

また、前記溝部はその切断面がＶ字形状であり、前記Ｖ字状の溝部の谷間に前記溝部をさらに陥没させた逃げ凹部が形成されているものが好ましい。

上記手段では、弾性部材は変形した部分を、予め形成しておいた逃げ凹部に逃がすことができるため、弾性部材が想定外の形状に変形することを防止できる。よって、常に適切な加圧力で振動型アクチュエータを支持することができる。
前記上ホルダと前記下ホルダとは、隙間を介して対向配置されているものが好ましい。

上記手段では、上ホルダと下ホルダとの間の隙間を調整することにより、振動型アクチュエータを保持する加圧力を調整することができる。

本発明では、長尺状の振動子の両端のノードを適切な加圧力で支持することができるため、駆動中の振動子の支持位置のずれを防止し、効率性及び安定性に優れた屈曲運動を行わせることができる。

先ず、振動型アクチュエータの基本的構成について説明する。
図１は本発明の実施の形態の振動型アクチュエータを示す分解斜視図である。

図１に示す振動型アクチュエータ１は、振動子として機能する振動筒体４と、この振動筒体４の内部に挿入される移動子２を有している。

振動筒体４は４つの側面を有しており、Ｘ１又はＸ２方向から見た端面の形状は略正方形状をしている。振動筒体４の４つの側面には、駆動素子として機能する４つの圧電素子６，７，８，９がそれぞれ取り付けられている。圧電素子６，７，８，９は電歪効果を発揮する圧電セラミックで形成されており、それぞれの圧電素子６，７，８，９の誘電分極の向きは厚み方向（Ｚ方向）である。

圧電素子６と圧電素子８は、振動筒体４の対向する一方の側面４Ａ，４Ｃにそれぞれ設けられ、圧電素子７と圧電素子９はこれと直交する他方の側面４Ｂ，４Ｄにそれぞれに設けられている。圧電素子６，７，８，９は、外側の面に電極６ａ，７ａ，８ａ，９ａが、側面４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄと対向する内側の面に電極６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂがそれぞれ設けられている。

４つの圧電素子６，７，８，９の周囲には、フレキシブルケーブル５が巻き付けられており、図示しない外部の駆動回路と圧電素子６，７，８，９の各電極６ａ，７ａ，８ａ，９ａおよび電極６ｂ，７ｂ，８ｂ，９ｂとの間が電気的に接続されている。振動筒体４の中心には軸方向に貫通する貫通穴４ａが形成されており、この貫通穴４ａの内周面には雌ねじ部４ａ１が形成されている。

なお、振動筒体４は一対のノード（振動節）をそれぞれ有している、一方のノードは長尺状の振動筒体４の一端側に設けられ、他方のノードは長尺状の振動筒体４の他端側に設けられている。

移動子２は軸体であり、その軸中心は直線状である。そして、移動子２の外周面には、軸方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に連続する雄ねじ部２ａが形成されている。

雄ねじ部２ａは、振動筒体４の内周面に形成された雌ねじ部４ａ１と同じピッチを有しているが、雄ねじ部２ａの有効径は雌ねじ部４ａ１の有効径よりもやや小さい。そのため、移動子２の雄ねじ部２ａが、振動筒体４の雄ねじ部４ａ１に嵌合したときに、移動子２は軸中心Ｏ１と直交する方向へ若干のがたつきを有しているが、移動子２を軸中心Ｏ１に沿う方向へ移動させようとしても、雄ねじ部２ａのねじ山が、雌ねじ部４ａ１のねじ山を越えることはない。すなわち、移動子２は、振動筒体４に対して軸方向にがたつきを生じるように嵌合されているが、移動子２が振動筒体４に対して軸方向へ抜き出ることはない。

なお、雌ねじ部４ａ１は、上記のように振動筒体４側の貫通穴４ａ内にその全長に渡って形成されていてもよいが、貫通穴４ａ内の両端のノード近傍のみにそれぞれ形成される構成でもよい。このようにすると、雌ねじ部４ａ１と雄ねじ部２ａとの間の摩擦抵抗を低減することができるため、ねじ送りを効率良くスムーズに行うことができるようになる。

各圧電素子６，７，８，９には、所定の駆動信号が図示しない駆動回路からフレキシブルケーブル５を介して与えられる。すなわち、圧電素子６に伸び力を発生させる駆動振動が与えられるときには、これと対向する位置に設けられた圧電素子８に縮み力を発生させる駆動信号が与えられる。次に、圧電素子６に隣接する圧電素子７に伸び力を発生させる駆動信号が与えられるときには、これと対向する位置に設けられた圧電素子９に縮み力を発生させる駆動信号が与えられる。

以下同様に、互いに対向する一方の圧電素子に伸び力を与えると同時に他方の圧電素子に縮み力を与えるようにし、これを一定の周期で時計回り方向、または反時計回り方向に切り換えると、振動筒体４に屈曲運動を繰り返して発生させることができる。このため、振動筒体４を屈曲運動が可能な状態で支持しておくことにより、貫通穴４ａ内に設けられた移動子２を軸方向にねじ送りすることができる。すなわち、移動子２は振動筒体４の内部に進退自在に設けられている。

このような振動型アクチュエータ１は、軸方向に大きな駆動力を発生するため、例えばカメラ装置においてレンズを移動させるフォーカス機構などへの応用が見込まれる。

次に、上記振動型アクチュエータの支持装置について説明する。
図２は本発明の実施の形態として振動型アクチュエータを支持する支持装置の分解斜視図、図３は図２とは逆方向から見た支持装置の分解斜視図である。

図２ないし４に示すように、支持装置１０は、下ホルダ２０、上ホルダ３０およびこれらの間に設けられる弾性部材４０（個別に、符号４１，４２，４３，４４で示す）から構成されている。

下ホルダ２０は台座２０Ａを有し、台座２０Ａ中央に図示Ｙ方向と直交するＸ方向に沿って断面Ｖ字形状に延びる第１凹部２１が形成されている。そして、第１凹部２１の内面には、Ｘ方向に所定の間隔Ｌを有して並ぶＶ字形状の溝部２２，２３が形成されている。溝部２２，２３の間隔Ｌは、振動筒体４の一方のノードと他方のノードとの間のノード間距離にほぼ一致するように設定されている。図５に示すように、溝部２２，２３には、溝部２２，２３の中央部分（Ｖ字の谷間部分）のみをさらに台座２０Ａの底面（Ｚ２）方向に掘り下げて陥没させた第１逃げ凹部２２ａ，２３ａが形成されている。なお、前記第１逃げ凹部２２ａ，２３ａは貫通孔で形成されていてもよく、このような貫通孔も第１逃げ凹部２２ａ，２３ａに含まれる。

台座２０Ａの表面で且つ溝部２２，２３の近傍の位置には、互いに平行に延びる４本の支柱２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが立設されている。支柱２４ａ，２４ｂと支柱２４ｃ，２４ｄとは第１凹部２１を挟んで対称の位置に形成されており、支柱２４ａと支柱２４ｂの距離、および支柱２４ｃと支柱２４ｄの距離は、ほぼノード間距離Ｌに設定されている。

上ホルダ３０は、下ホルダ２０と対向する位置に設けられている。図２および図３に示すように、上ホルダ３０は外面が図示上（Ｚ１）方向に凸をなす形状からなる押圧部３１が設けられ、その周囲の四箇所の位置には係止凸部３２，３３，３４，３５が一体に形成されている。係止凸部３２，３３，３４，３５には、板厚（Ｚ）方向に貫通する係止穴３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａがそれぞれ形成されている。

押圧部３１の下面（Ｚ２側の面）には、図示Ｘ方向に沿って断面Ｖ字形状に延びる第２凹部３１Ａが形成されている。そして、第２凹部３１Ａの内面には、Ｘ方向にノード間距離Ｌを有して並ぶＶ字形状の溝部３６，３７が形成されている。

図５に示すように、溝部３６，３７には、溝部３６，３７の中央部分（Ｖ字の谷間部分）のみをさらに上ホルダ３０の上面（Ｚ１）方向に陥没させた第２逃げ凹部３６ａ，３７ａが形成されている。なお、前記第２逃げ凹部３６ａ，３７ａも貫通孔で形成される構成であってもよく、このような貫通孔も２逃げ凹部３６ａ，３７ａに含まれる。

弾性部材４０（４１，４２，４３，４４）は、例えばシリコーンゴムなどの弾性を有するとともに押圧に対する耐久性を備えた材料で形成されている。弾性部材４０は、「く」の字形状（または略「Ｌ」の字形状）の屈曲部を有している。弾性部材４０の幅寸法は、前記下ホルダ２０側の溝部２２，２３及び上ホルダ３０側の溝部３６，３７の幅寸法とほぼ等しい寸法で形成されおり、各弾性部材４０を溝部２２，２３及び溝部３６，３７内に位置決めすることが可能である。

次に、支持装置１０への振動型アクチュエータの組立てについて説明する。
図４は本発明の実施の形態である振動型アクチュエータの支持装置の組立て後の状態を示す斜視図、図５は加圧前の状態を示す図４のＶ−Ｖ線における断面図、図６は加圧後を示す図４のＶ−Ｖ線における断面図、図７は他の実施の形態としての弾性部材とその装着状態を示す斜視図である。

図４に示すように、振動型アクチュエータ１は、下ホルダ２０と上ホルダ３０との間に設けられる。

より詳しくは、振動型アクチュエータ１は、溝部２２，２３に弾性部材４１，４２が装着された下ホルダ２０の第１凹部２１に、圧電素子７，８が水平面（ＸＹ平面）に対してともに４５度傾くように振動筒体４全体を傾けた状態で設置される。このとき、圧電素子７，８が、Ｘ方向にノード間距離Ｌを置いて並ぶ弾性部材４１と弾性部材４２との上に架設される。

そして、弾性部材４３，４４が溝部３６，３７に装着された上ホルダ３０が、第２凹部３１Ａを振動型アクチュエータ１に向けた状態で下ホルダ２０上に設置される。このとき、下ホルダ２０側の支柱２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが、上ホルダ３０の係止凸部３２，３３，３４，３５に形成された係止穴３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａにそれぞれ挿通される。図５に示すように、この状態では振動型アクチュエータ１の下側に弾性部材４１，４２が装着され、振動型アクチュエータ１の上側に弾性部材４３，４４が装着される。

また、この状態では、上ホルダ３０は下ホルダ２０に対して隙間ｈ（＞０）を有して対向するとともに、水平方向に位置決めされた状態にある。なお、下ホルダ２０と上ホルダ３０は相対的に上下方向に移動することができ、隙間ｈの調整が可能である。

そして、上ホルダ３０が設置されることにより、圧電素子６，９がＸ方向にノード間距離Ｌを置いて並ぶ弾性部材４３と弾性部材４４により保持される。すなわち、振動型アクチュエータ１は、下側の圧電素子７，８と上側の圧電素子６，９が、下ホルダ２０側の弾性部材４１，４２と上ホルダ３０側の弾性部材４３，４４との間に弾性的に挟まれた状態で保持される。

このとき、上下方向において対向する一対の弾性部材４１と弾性部材４３との間に振動筒体４の一方のノードの近傍が支持され、同じく上下方向において対向する一対の弾性部材４３と弾性部材４４との間に振動筒体４の他方のノードの近傍が支持される。このため、振動筒体４は効率良く屈曲運動することが可能な状態となる。

次に、上ホルダ３０が下ホルダ２０に対して固定される。固定方法としては、下方（Ｚ２方向）への一定の加圧力を上ホルダ３０に与えた状態で、支柱２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄと係止穴３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａとの隙間内に、例えば紫外線硬化樹脂又は熱効果樹脂をそれぞれ注入して硬化させることにより行われる。あるいは、支柱２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄの周囲に雄ねじ部をそれぞれ形成し、支柱２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄに図示しないナットを取り付け、このナットを締め付けて固定するようにしてもよい。

これにより、下ホルダ２０と上ホルダ３０との隙間ｈを微調整することができ、振動筒体４のノード部分を適切な加圧力で支持することが可能となる。

図５に示すように、下ホルダ２０に設けられた弾性部材４１，４２は、その屈曲部が第１逃げ凹部２２ａ，２３ａに対向するように、溝部２２，２３内に装着されている。同様に、上ホルダ３０に設けられた弾性部材４３，４４も、その屈曲部が第２逃げ凹部３６ａ，３７ａに対向するように、溝部３６，３７内に装着されている。

図６に示すように、上ホルダ３０に加圧力を与えて下方（図示Ｚ２方向）に押下すると、弾性部材４１，４２，４３，４４が各圧電素子６，７，８，９とこれに対向する各溝部２２、２３及び溝部３６，３７によって板厚方向に圧縮させられるが、圧縮変形した屈曲部が第１逃げ凹部２２ａ，２３ａおよび第２逃げ凹部３６ａ，３７ａにそれぞれ逃げ込むことが可能である。

しかも、圧縮変形した各弾性部材４０の一部（屈曲部）は、必ず第１逃げ凹部２２ａ，２３ａおよび第２逃げ凹部３６ａ，３７ａ内に逃げ込むことになるため、各弾性部材４０が予め想定した形状以外の形状に変形することがなくなる。このため、弾性部材４１，４２，４３，４４は常に適切な弾性力を発生させることが可能であり、振動型アクチュエータ１を安定的に支持することができる。

ここで、下ホルダ２０と上ホルダ３０との隙間ｈは、ｈ＞０であることが好ましい。隙間ｈがｈ＝０である場合には、上ホルダ３０が下ホルダ２０に当接し、振動型アクチュエータ１は支持装置１０に剛体支持されることなる。しかし、ｈ＞０である場合には、弾性部材４０の弾性力が作用するようになり振動型アクチュエータ１を弾性的に支持することが可能となる。

なお、隙間ｈは弾性部材４０（実施例ではシリコーンゴム）の圧縮量を調整する為のものであり、弾性部材４０が弾性変形を開始する寸法以上（変形領域の始端）で、且つ、圧縮状態にある弾性部材４０が振動型アクチュエータ１を保持するのに十分な加圧力を発生させることが可能な寸法以下であることが必要である。理想的には若干の隙間がある状態（ｈ＝０に限りなく近い状態）において前述の弾性部材４０の条件を得られることが実用上好ましく、例えば弾性部材４０の厚み寸法が変形前０．５ｍｍであったものが変更後に０．４ｍｍ程度となるような隙間ｈが好適である。

上記実施の形態では、１箇所のノードが屈曲部を有する（略「く」の字形状からなる）一対の弾性部材４１，４３により上下方向から支持される構造を示して説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば図７に示すような環の少なくとも一箇所に不連続部５１が設けられた略「Ｃ」字形状からなる弾性部材は５０であってもよい。

この点、上記実施の形態においては、図５に示すように、下側に位置する弾性部材４１，４２の両端と、上側に位置する弾性部材４３，４４の両端とが対向する２箇所の部分にそれぞれ形成される間隙４０ａ，４０ａが不連続部に相当している。

なお、不連続部の寸法、つまり間隙４０ａ，４０ａの対向間隔（板厚方向の対向寸法）は、下ホルダ２０と上ホルダ３０との隙間ｈの大きさを調整することにより、すなわち下ホルダ２０と上ホルダ３０との間に与えられる加圧力の大きさに応じて調整される。

本発明の実施の形態の振動型アクチュエータを示す分解斜視図、 本発明の実施の形態として振動型アクチュエータを支持する支持装置の分解斜視図、 図２とは逆方向から見た支持装置の分解斜視図、 本発明の実施の形態である振動型アクチュエータの支持装置の組立て後の状態を示す斜視図、 加圧前の状態を示す図４のＶ−Ｖ線における断面図、 加圧後を示す図４のＶ−Ｖ線における断面図、 他の実施の形態としての弾性部材とその装着状態を示す斜視図、

１ 振動型アクチュエータ
２ 移動子
４ 振動筒体（振動子）
４ａ 貫通穴
５ フレキシブルケーブル
６，７，８，９ 圧電素子
６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ 電極
１０ 支持装置
２０ 下ホルダ
２１ 第１凹部
２２，２３ 溝部
２２ａ，２３ａ 第１逃げ凹部
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ 支柱
３０ 上ホルダ
３１ 押圧部
３１Ａ 第２凹部
３２，３３，３４，３５ 係止凸部
３２ａ，３３ａ，３４ａ，３５ａ 係止穴
３６，３７ 溝部
３６ａ，３７ａ 第２逃げ凹部
４０，４１，４２，４３，４４ 弾性部材
４０ａ 間隙（不連続部）
５０ 弾性部材
５１ 不連続部
Ｌ ノード間距離
ｈ 隙間

Claims (5)

1. 長尺状の振動筒体と、前記振動筒体の内部に進退自在に設けられた移動子と、前記振動筒体の周囲に設けられて前記振動筒体に屈曲運動を与える圧電素子とを有する振動型アクチュエータの支持装置であって、
   上ホルダと、下ホルダと、少なくとも１箇所に不連続部を備えるとともに前記振動型アクチュエータの周囲に装着される弾性部材とを有し、前記弾性部材が前記上ホルダと前記下ホルダとの間に挟み込まれることにより前記振動型アクチュエータが保持されていることを特徴とする振動型アクチュエータの支持装置。
2. 前記弾性部材は、前記振動筒体の周囲に配置された圧電素子を押さえ込むものである請求項１記載の振動型アクチュエータの支持装置。
3. 前記上ホルダおよび前記下ホルダは、前記振動型アクチュエータが設置される凹部と、前記凹部内の、前記振動筒体の長手方向両端のノード近傍に対応する位置に設けられた一対の溝部とを有しており、前記弾性部材が前記溝部に配置されている請求項１記載の振動型アクチュエータの支持装置。
4. 前記溝部はその切断面がＶ字形状であり、前記Ｖ字状の溝部の谷間に前記溝部をさらに陥没させた逃げ凹部が形成されている請求項３記載の振動型アクチュエータの支持装置。
5. 前記上ホルダと前記下ホルダとは、隙間を介して対向配置されている請求項１記載の振動型アクチュエータの支持装置。

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