JP4464108B2 - 振動型アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子等の電気−機械エネルギ変換素子に周波信号を印加して振動体に振動を励起させ、振動体および接触体を相対駆動させる振動型アクチュエータに関するものである。

振動波モータは、振動体に振動を励起させ、この振動体に加圧接触させたロータを振動体およびロータ間の摩擦力によって駆動させるものである。

ここで、従来の振動波モータにおいては、図２に示すように、コイルスプリング１０１の付勢力によってロータ１０２を、圧電素子１０３および弾性体１０４で構成される振動体に加圧接触させているものがある（例えば、特許文献１参照）。また、図３に示すように、板バネ２０１を用いてロータ２０２を圧電素子２０３および弾性体２０４で構成される振動体に加圧接触させているものもある（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、上述したコイルスプリングを用いた振動波モータでは、コイルスプリングの端面を研削加工したとしても、コイルスプリングの両端面のうち円周上での各点での加圧力が異なってしまうため、ロータの端面に対して均一な加圧力を与えることができない。また、コイルスプリングの巻数を増やせば、コイルスプリングが出力軸に対して傾いてしまい、ロータの端面に対して均一な加圧力を与えることができない。

これにより、振動体からロータに伝わる進行波以外の不要振動によって加圧分布ムラが生じ、異常振動や回転スリップを誘発するとともに、動作音として共鳴してしまう。

また、板バネを用いた振動波モータでは、ロータにかかる加圧力が安定せず、加圧力を安定化させるために加圧調整機構を別途設ける必要があるため、部品点数が増えてしまうという問題がある。しかも、板バネでは、コイルスプリング等に比べてバネ定数が大きいため、ロータへの加圧による急激なトルク変化が生じ、振動波モータの寿命を向上させる上で問題となる。

本発明は、少なくとも電気−機械エネルギ変換素子を有し、該電気−機械エネルギ変換素子への周波信号の印加によって振動を励起する振動体と、該振動体に接触する接触体と、該接触体を前記振動体に付勢する付勢手段とを備え、振動体で励起される振動によって振動体および接触体を相対回転させる振動型アクチュエータであって、付勢手段は、山部および谷部を交互に有する長尺状の部材が相対回転の軸周りに多重巻きされて形成されており、少なくとも３つの山部又は谷部が相対回転の軸と直交する面内で軸の周りに等間隔に配置されているとともに、相対回転の軸方向において山部および谷部が互いに接触していることを特徴とする。

本発明の振動型アクチュエータによれば、付勢手段における少なくとも３つの山部又は谷部が相対回転の軸と直交する面内において位置しているため、接触体に対して均一な付勢力を与えて、接触体および振動体が相対回転する際の回転ムラを抑制することができるため、回転ムラによって生じる鳴きや、接触体および振動体の接触部分における摩耗を低減（振動型アクチュエータの寿命を向上）させることができる。ここで、少なくとも３つの山部や谷部を相対回転の軸周りにおいて等しい間隔を空けて位置させれば、接触体に対して均一な付勢力を与えることができる。

しかも、付勢手段における山部および谷部は、相対回転の軸方向において互いに接触しているため、従来のコイルスプリングに比べて付勢手段内での接触部分を増やすことができるため、この接触部分において振動を熱エネルギに変換でき、振動型アクチュエータを駆動した際の不要振動を吸収することができる。

さらに、本発明の付勢手段の構造では、相対回転の軸方向において山部および谷部が接触しているため、相対回転の軸方向における付勢手段の長さを従来のコイルスプリングに比べて短くすることができ、この構造の付勢手段を振動型アクチュエータに設ければ振動型アクチュエータの小型化を図ることも可能となる。

本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例１である振動波モータの断面図を示す。本実施例の振動波モータは、出力軸を有するタイプのモータである。

図１において、１は後述する部材が取り付けられるハウジングである。２は、出力軸１４の一端を支持する軸受け部材であり、振動波モータの外装を構成する外筒１３に形成された凹部に対して圧入によって固定されている。また、外筒１３はハウジング１に圧入によって固定されている。

弾性体５は円環状に形成されており、この弾性体５のうちロータ（接触体）７側の面にはスライダー（摩擦材）６が接着によって固定され、ロータ７側とは反対側の面には、圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）４が接着によって固定されている。この弾性体５は、ハウジング１にカシメ固定されている。

ここで、弾性体５の径方向内側の領域は、後述するように外側の領域（圧電素子４と接触する領域）よりも厚みが薄くなっており、弾性体５は上記の内側の領域を介してハウジング１に固定されている。これにより、弾性体５における内側の領域の厚みを厚くする場合に比べて、弾性体５に発生する屈曲振動の減衰を最小限に抑えることができる。

圧電素子４には、公知の分極処理によって２相の駆動相が形成されている。また、圧電素子４には、不図示の駆動回路からの駆動信号（周波信号）を圧電素子４に伝達するためのフレキシブルプリント基板３が貼り付けられている。

出力軸１４にはスプリング受け部材１１が圧入によって固定されている。軸受け部材１６は、出力軸１４の他端側を支持している。また、出力軸１４には、軸受け部材１６に隣接してＣ型リング１５が取り付けられており、このＣ型リング１５によって、出力軸１４は、この長手方向への移動が阻止されている。すなわち、Ｃ型リング１５は、外部から出力軸１４に加わるスラスト方向の負荷や、後述するようにスプリング１０による加圧力の変動を抑制する。

ロータ７およびロータ受け部材９はカシメにより一体的に構成されている。ここで、ロータ７およびスプリング受け部材１１のうち互いに向かい合う面には、凹部が形成されており、この凹部によって形成されたスペース内に、後述するスプリング１０が収納されている。スプリング１０は、ロータ７の回転軸方向において圧縮された状態で、一端側がロータ７の凹部の底面に接触し、他端側がスプリング受け部材１１の凹部の底面に接触している。これにより、ロータ７は、スプリング１０の付勢力を受けることによって、弾性体５（スライダー６）に加圧接触する。

上記のようなスプリング１０の収納構造によって、スプリング１０の出力軸１４に対する倒れや位置ずれを防止することができる。しかも、ロータ７およびスプリング受け部材１１に上記の凹部を形成しない場合に比べて、振動波モータの小型化（回転軸方向の小型化）を図ることができる。

ロータ受け部材９の外周上に形成された突部９ａは、スプリング受け部材１１の外周平面上に形成された凹部１１ａに係合しており、この凹部１１ａ内において出力軸１４の長手方向に変位可能となっている。ここで、突部９ａは、ロータ受け部材９の周方向複数の位置に設けられており、スプリング受け部材１１には、複数の突部９ａと同位相となる位置に凹部１１ａが設けられている。

複数の突部９ａを位相を合わせた状態で凹部１１ａに組み込むことによって、ロータ受け部材９は、スプリング１０の加圧力に拘わらず凹部１１ａに連結され、ロータ７の回転力をスプリング受け部材１１および出力軸１４に伝達させることができる。

軸受け部材１６とハウジング１との間に形成されたスペースには、出力軸１４の外周面に接触するゴムリング８が配置されており、このゴムリング８、ハウジング１および外筒１３によって形成された空間が密閉状態となっている。そして、この密閉された空間内には、乾燥剤１８が配置されており、密閉空間内の湿気等を除去するようになっている。これにより、弾性体５およびロータ７が湿気等の環境変化に応じて固着してしまうのを防止することができる。

反射式の光センサモジュール１７は外筒１３に固定されており、光センサモジュール１７と対向する位置には、スプリング受け部材１１に固定されたエンコーダ１２が設けられている。この構成により、光センサモジュール１７は、エンコーダ１２からの反射光を受けてスプリング受け部材１１（ロータ７）の回転に応じた信号を出力するようになっている。

本実施例では、反射式の光センサモジュール１７を設けているため、互いに向かい合う位置に投光素子および投光素子からの光を受光する受光素子を設ける場合に比べて振動波モータの小型化（出力軸１４の長手方向の小型化）を図ることができる。
上述した本実施例の振動波モータの構造において、圧電素子４に形成された２相の領域に対して互いに位相の異なる交流電圧を印加すると、弾性体５に進行性の振動波が発生し、弾性体５に加圧接触しているロータ７が弾性体５での進行波によって出力軸１４周りに回転することになる。

このロータ７の回転力は、ロータ受け部材９およびスプリング受け部材１１を介して出力軸１４に伝達され、出力軸１４が回転することになる。ここで、出力軸１４は、不図示の動力伝達機構を介して被駆動部材２０に連結されており、被駆動部材２０は出力軸１４からの駆動力を受けて動作する。この被駆動部材２０としては、例えば、レンズ鏡筒内に設けられたレンズを駆動するためのレンズ駆動部材、画像形成装置内に設けられた感光ドラムやカメラをパン方向およびチルト方向に回転させるための駆動部材がある。

次に、本実施例におけるスプリング（付勢手段）１０の構造について説明する。図４（Ａ）は本実施例のスプリング１０の上面図を示し、図４（Ｂ）はスプリング１０の側面図を示している。

スプリング１０は、波形状に形成された長尺状の部材を出力軸１４周りに多重巻きした構造となっており、このスプリング１０の両端面（図４（Ｂ）に示すＡ面およびＢ面）は凹凸状に形成されている。そして、スプリング１０の両端面には、図４（Ａ）に示すように波形の山となる部分Ｃが、スプリング１０の周方向において略等しい間隔を空けた３箇所に設けられている。また、波形の谷となる部分も、スプリング１０の周方向において略等しい間隔を空けた３箇所の位置に設けられている。

これら３箇所に設けられた山や谷となる部分はそれぞれ、出力軸１４の長手方向と直交する面内に位置している。

スプリング１０の両端面における３箇所の山となる部分Ｃは、ロータ７やロータ受け部材１１に当接することになる。このように、スプリング１０が、この周方向において等間隔の３箇所の領域において、ロータ７やロータ受け部材１１に当接することにより、ロータ７やロータ受け部材１１に対して均一な加圧力を与えることができる。

なお、本実施例では、スプリング１０が３箇所の領域においてロータ７等に接触しているが、この接触領域は、少なくとも３箇所以上設ける（特に、スプリング１０の周方向において等間隔となる複数の位置に設ける）ようにすれば、ロータ７等に対して均一な加圧力を与えることができる。

また、図４（Ｂ）に示すように、スプリング１０の中間層Ｄでは、出力軸１４の長手方向において互いに隣り合い、波形の変極点を含む領域（図４（Ｂ）において、波形の山となる領域と、谷となる領域）が接触している。

一方、スプリング１０を構成する線状部材の断面形状は、図４に示すように、スプリング１０の径方向における長さが出力軸１４の長手方向における長さよりも長くなるように形成されている。この線状部材の断面形状としては、例えば、矩形形状や楕円形状とすることができる。

上述したスプリング１０の構造において、弾性体５に発生させた進行波がロータ７に伝達されると、スプリング１０は、この両端面（３箇所の山となる領域）とロータ７やロータ受け部材１１との間において滑り摩擦が生じるとともに、スプリング１０の中間層Ｄにおいて線状部材（上記の山となる領域および谷となる領域）同士の滑り摩擦が生じる。

このようにスプリング１０における複数の接触領域において滑り摩擦が生じることにより、ロータ７での振動が熱エネルギに変換され、ロータ７に生じる不要振動や異常振動を吸収することができる。

これに似た現象は、図３に示す板バネ構造にも見られ、板バネ２０１に板状のゴムリング２０５を貼り付けて弾性体に進行波を伝えたときに、ゴムを構成する分子間において熱エネルギに変換され、不要振動を吸収する特性と同じ特性をスプリング１０にもたせることができる。

ここで、図２に示すコイルスプリング１０１を用いた従来の振動波モータにおいては、コイルスプリング１０１が螺旋状に形成され、ロータ１０２に加圧力を与えている。このコイルスプリング１０１の構造では、本実施例におけるスプリング１０に比べて滑り摩擦が生じる接触部分が少ないため、熱エネルギの変換が少なく、不要振動等を十分に吸収することができない。しかも、上述したように、コイルスプリング１０１ではロータ１０２に対して均一な加圧力を与えることができず、いわゆる鳴きが発生してしまう。

本実施例のスプリング１０では、上述したようにロータ７に対して均一な加圧力を与えることができるため、ロータ７の回転ムラによって生じるスライダー６の摩耗を低減することができる。

また、スプリング１０のバネ定数を従来の板バネのバネ定数よりも低く設定すれば、ロータ７に対して所定の加圧力を容易に与えることができ、板バネを用いた従来の振動波モータのように加圧調整機構を設ける必要がなくなる。このように、加圧調整機構を不要とすることで、振動波モータの小型化および低コスト化を図ることができる。

本発明の実施例１である振動波モータの断面図である。 コイルスプリングを用いた従来の振動波モータの断面図である。 板バネを用いた従来の振動波モータの断面図である。 実施例１におけるスプリングの上面図（Ａ）および側面図（Ｂ）である。

符号の説明

１：ハウジング
２：軸受部材
３：フレキシブルプリント基板
４：圧電素子
５：ステータ
６：スライダー
７：ロータ
８：ゴムリング
９：ロータ受け部材
１０：スクロールウェイブスプリング
１１：スプリング受け部材
１２：エンコーダ
１３：外筒
１４：出力軸
１５：Ｃ型リング
１６：軸受け部材
１７：光センサモジュール

Claims (1)

1. 少なくとも電気−機械エネルギ変換素子を有し、該電気−機械エネルギ変換素子への周波信号の印加によって振動を励起する振動体と、該振動体に接触する接触体と、該接触体を前記振動体に付勢する付勢手段とを備え、前記振動体で励起される振動によって前記振動体および前記接触体を相対回転させる振動型アクチュエータであって、
   前記付勢手段は、山部および谷部を交互に有する長尺状の部材が前記相対回転の軸周りに多重巻きされて形成されており、少なくとも３つの前記山部又は前記谷部が前記相対回転の軸と直交する面内で前記軸の周りに等間隔に配置されているとともに、前記相対回転の軸方向において前記山部および前記谷部が互いに接触していることを特徴とする振動型アクチュエータ。

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