JP5627258B2 - 振動型アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動型アクチュエータおよびその製造方法に関するものである。
特に、振動子が略矩形の平板状に形成されており、平板状の一面に摩擦部材である突起が形成されている振動型アクチュエータおよびその製造方法に関するものである。

被駆動部を直線状に駆動する振動型アクチュエータとして、従来から様々な提案が行われており、例えば、特許文献１のような振動型駆動装置が提案されている。
その駆動原理について、図１１、図１２を用いて説明する。
図１１に示されるように、振動子は電気−機械エネルギ変換素子１０７を振動子１０６に貼り付けた構成を備えている。
図１２は、該圧電振動子の二つの曲げ振動モードを表した図である。
図１２（ａ）に示される振動モードは、二つの曲げ振動モードのうちの一方の曲げ振動モード（Ａモードとする）を表している。
このＡモードは、矩形の振動子１０６の長辺方向（矢印Ｘ方向）における二次の屈曲運動であり、短辺方向（矢印Ｙ方向）と平行な３本の節を有している。
ここで、突起部１０８はＡモードの振動で節となる位置の近傍に配置されており、Ａモードの振動により矢印Ｘ方向に往復運動を行う。
また、図１２（ｂ）に示される振動モードは、二つの曲げ振動モードのうちの他方の曲げ振動モード（Ｂモードとする）を表している。
このＢモードは、矩形の振動子１０６の短辺方向（矢印Ｙ方向）における一次の屈曲振動であり、長辺方向（矢印Ｘ方向）と平行な２本の節を有している。

ここで、Ａモードにおける節とＢモードにおける節は、ＸＹ平面内において略直交するようになっている。
また、突起部１０８はＢモードの振動で腹となる位置の近傍に配置されており、Ｂモードの振動により矢印Ｚ方向に往復運動を行う。
上記したＡモードとＢモードの振動を所定の位相差で発生させることにより、突起部１０８の先端に楕円運動を発生させることができる。
突起部１０８の先端には図１１に示すように、被駆動部であるスライダ１１６が加圧接触するようになっており、スライダ１１６は突起部１０８の楕円運動によって矢印Ｌ方向に移動することができる。

この超音波モータは、振動を発生する振動子に被駆動部を加圧接触させることで、振動を受けて被駆動部が相対運動を行う構成となっている。
そのため、振動子が発生する振動を受けた被駆動部が跳ねることによる異音の発生や、相対移動が不安定になるなどの現象が発生することがある。
これらの問題に対処するために、振動子から受ける振動を効果的に受ける弾性変形部を設ける必要があり、例えば、特許文献２では図１３に示すように、突起部と対向する面に空間を配置した振動波駆動装置が提案されている。
この装置は、図１３に示されるように、振動型アクチュエータ２０７は、振動子２０６及びスライダ２０４を備え、振動子２０６は電気−機械変換素子２０３と、弾性部材２０１と、弾性部材に接合される突起部２０２とで構成されている。更に、弾性部材２０１の電気−機械変換素子２０３と接合する面には、突起部２０２が接合される面の接合位置と対向する面に空間２０５が設けられている。
空間２０５の面積が、突起部２０２が接合する面積よりも大きいため、空間２０５が設けられている面がダイヤフラムのような働きをして弾性的に変化することにより、バネとして機能するように構成されている。

特開２００４−３２０８４６号公報 特開２００６−１７４５４９号公報

上記した特許文献２では、振動子からの振動を受ける弾性変形部を形成することで、異音の発生を抑制し、相対移動の安定を図ることができるが、つぎのような課題を有している。
すなわち、突起部が別部品で形成され、平板状の弾性体と結合する構成が採られていることから、突起位置の微小なズレによってバネ剛性が所望の値にならなかったり、アクチュエータが所望の性能を発揮できなくなったりする恐れがあった。
また、加工工程が増えるため、コスト高となる課題も有していた。

本発明は、これらの課題に鑑み、バネ剛性の安定化、製造の簡易化を図ることが可能となる振動型アクチュエータおよびその製造方法の提供を目的とするものである。

本発明の一様態は、一つ以上の突起部が形成された弾性体と、電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動体と、を備え、前記弾性体は、前記電気−機械エネルギ変換素子と接合される接合部を有し、前記突起部は、被駆動体と接触する接触部と、前記接触部と前記接合部との間に設けられたバネ部及び環状の立ち上げ部と、を有し、前記接触部と前記電気−機械エネルギ変換素子との間には、前記バネ部及び前記立ち上げ部に囲まれた空間部を有し、前記バネ部は、前記立ち上げ部と前記接触部との間に設けられ、前記接触部は、前記弾性体の一部を加工することで形成されている振動型アクチュエータに関する。また、本発明の一様態は、一つ以上の突起部が形成された弾性体と、電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動体と、を備え、前記弾性体は、前記電気−機械エネルギ変換素子と接合される接合部を有し、前記突起部は、被駆動体と接触する接触部と、前記接触部と前記接合部との間に設けられたバネ部及び環状の立ち上げ部と、を有し、前記接触部と前記電気−機械エネルギ変換素子との間には、前記バネ部及び前記立ち上げ部に囲まれた空間部を有し、前記弾性体と前記突起部は、該突起部と前記電気−機械エネルギ変換素子との接合部を含め、プレス加工によって一体的に形成されていることを特徴とする振動型アクチュエータに関する。
更に、本発明の一様態は、一つ以上の突起部が形成された弾性体と、電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動体を備える振動型アクチュエータの製造方法であって、
前記突起部の、被駆動体との接触部及び環状の立ち上げ部を、プレス加工にて形成する工程と、
前記接触部と、前記弾性体の、前記電気−機械エネルギ変換素子との接合部との間に、バネ部を形成する工程と、
を有する振動型アクチュエータの製造方法に関する。

本発明によれば、バネ剛性の安定化、製造の簡易化を図ることが可能となる振動型アクチュエータおよびその製造方法を実現することができる。

本発明の実施例１における振動型アクチュエータの構成を説明する図である。 本発明の実施例１における突起部のバネの動きを示す図である。 本発明の実施例１の振動型アクチュエータのその他の構成例である。 本発明の実施例２における振動型アクチュエータの構成を説明する図である。 本発明の実施例２における突起部のバネの動きを示す図である。 本発明の実施例３における振動型アクチュエータの構成を説明する図である。 本発明の実施例３における余肉の移動の様子を示す図である。 本発明の実施例３の振動型アクチュエータのその他の構成例である。 本発明の実施例４における振動型アクチュエータの構成を説明する図である。 本発明の実施例４における多自由度駆動の一例を示す図である。 従来例の振動型アクチュエータの構成を示す図である。 振動型アクチュエータの曲げモードを説明する図である。 従来例の突起部対面に空間を持つ振動型アクチュエータの構成を示す図である。

本発明の実施形態における、一つ以上の突起部が形成された弾性体と、電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動体を備え、交流駆動電圧の印加により振動体に発生する二つの振動モードの組合せにより突起部先端に発生する楕円運動により、突起部の接触部と接触する被駆動体を駆動する構成例について説明する。本実施形態の振動型アクチュエータは、弾性体と突起部とは、突起部と電気−機械エネルギ変換素子との接合部を含め、プレス加工によって一体で形成される。そのため、個体差によるバラツキがなく、安定した性能が得られ、加工工程を減らせることができることから製造が容易となり、コストダウンを実現することが可能となる。
また、接触部と、突起部と接合される前記電気−機械エネルギ変換素子との間には、空間部が形成されている。
そして突起部には、突起部と電気−機械エネルギ変換素子との接合部と、接触部との間に、接触部が前記被駆動体との接触で加圧された際、突起部にバネ性をもたせるためのバネ部が形成される。
その際、このようなバネ部として、接触部とバネ部との間をつなぐ立ち上げ部を形成し、接触部、立ち上げ部、電気−機械エネルギ変換素子との接合部よりも、バネ部を薄い厚みで形成する。
あるいは、突起部と電気−機械エネルギ変換素子との接合部と、接触部との間に、これらの間をつなぐ立ち上げ部を形成し、立ち上げ部に一つ以上の穴を形成する。
これらにより、接触部が前記被駆動体との接触で加圧された際、弾性変形してバネ性を有する構造とすることが可能となる。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動型アクチュエータの構成を、図１を用いて説明する。
図１（ａ）は本実施例における振動型アクチュエータの斜視図であり、図１（ｂ）は一つの突起の断面図である。
図１（ａ）に示されるように、本実施例の振動型アクチュエータは、突起部５、弾性体６からなる振動体と、被駆動部８から構成される。
また、図１（ｂ）に示されるように、突起部５は、弾性体６と被駆動部８との接触部１、振動体の加圧される方向に振動の剛性を下げるバネ部３、前記接触部１と前記バネ部３とをつなぐ立ち上げ部２とで構成されている。
前記突起部５と電気−機械エネルギ変換素子との接合部４とをあわせて弾性体６を構成している。

前記弾性体６と前記突起部５は一体で構成され、電気−機械エネルギ変換素子７と前記接触部１との間に空間９を設け、前記バネ部３の厚みを前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４よりも薄くなるようにしている。
本実施例においては、前記弾性体６をプレス加工で成型するときに、前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４の形状と同時に前記バネ部３を成型しても良い。
または、弾性体と前記突起部とを、突起部と電気−機械エネルギ変換素子との接合部を含め、プレス加工によって一体的に形成した後に、バネ部を形成するようにしても良い。
すなわち、前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４とをプレス加工で予め成型する。その後に、放電加工等で前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４より薄くなるように前記バネ部３を追加工しても良い。
また、本実施例では放電加工で追加工しているが、エッチング加工や切削加工などで成型しても良い。

このように構成することで、図２に示すように前記接触部１に力が加わると、前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４よりも薄くなっている前記バネ部３がダイヤフラムとして機能し、弾性変形しバネ性を有する突起部の構成が可能となる。また、図３に示すように突起部を２段構成としても良い。このようにすると、バネ部３と電気−機械変換素子７との間の距離が開くため、振動体６と前記電気−機械変換素子７とを接着する際に用いられる接着剤がバネ部３に付着しにくくなる。

［実施例２］
実施例２として、本発明を適用した振動型アクチュエータの構成を、図４を用いて説明する。
図４（ａ）は本実施例における振動型アクチュエータの斜視図であり、図４（ｂ）は一つの突起の断面図である。
図４（ａ）に示されるように、本実施例の振動型アクチュエータは、突起部５、弾性体６、前記弾性体６に設けられた複数の穴１０とからなる振動体と、被駆動部８から構成される。
また、図４（ｂ）に示されるように、突起部５は、弾性体６と被駆動部８との接触部１、前記接触部１と電気−機械エネルギ変換素子４とをつなぐ立ち上げ部２、前記立ち上げ部２に設けられた複数の穴１０とで構成されている。
本実施例では４つの丸穴を開けているが、穴の個数は一つ以上であればいくつにしても良い。
穴形状については丸穴のほか、長丸穴や突起形状に沿って円弧形状に長穴を開けても良い。前記突起部５と前記電気−機械エネルギ変換素子との接合部４とをあわせて弾性体６を構成している。

本実施例においては、弾性体６をプレス加工で成型するときに、前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４の形状と同時に前記穴部１０を設けても良い。
また、前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４とをプレス加工で予め成型した後に放電加工等で前記穴部１０を設けても良い。本実施例では放電加工で追加工しているが、エッチング加工や切削加工などで成型しても良い。
このように構成にすることで、図５に示すように前記接触部１に力が加わると、前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４よりも穴部１０付近の剛性が下がっているため、前記穴部１０付近で弾性的に変形しバネとなる。

［実施例３］
実施例３として、本発明を適用した振動型アクチュエータの構成を、図６を用いて説明する。
図６（ａ）は本実施例における振動型アクチュエータの斜視図であり、図６（ｂ）は一つの突起の断面図である。
図６（ａ）は突起部５、弾性体６からなり、突起部５の周囲にプレス加工のときに生じる余肉の逃げ部となる長穴１１を設けた振動体と、被駆動部８とから構成されている振動型アクチュエータである。
図６（ａ）に示されるように、本実施例の振動型アクチュエータは、前記突起部５は、弾性体６と被駆動部８との接触部１、振動体の加圧される方向に振動の剛性を下げるバネ部３、前記接触部１と前記バネ部３とをつなぐ立ち上げ部２とで構成されている。
前記突起部５と電気−機械エネルギ変換素子との接合部４とをあわせて弾性体６を構成している。
また、前記弾性体６と前記突起部５は一体で構成され、電気−機械エネルギ変換素子７と前記接触部１との間に空間部９を設け、前記バネ部３の厚みを前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４よりも薄くなるようにしている。

突起部の周囲に突起部を形成する前に前記長丸穴１１を設けておくことで、図７に示すように前記突起部５をプレス加工で成型するときに生じる余肉が前記長丸穴部１１に移動する。
このため、前記バネ部３の厚みが前記長丸穴１１が無い時よりも薄くなるように、プレス加工で前述の接触部１、立ち上げ部２、バネ部３、電気−機械変換素子との接合部４を一体成型することが可能となる。
また、前記接触部１に力が加わると前記バネ部３が前述の接触部１、立ち上げ部２、電気−機械エネルギ変換素子との接合部４よりも薄くなっているためダイヤフラムとして機能し、弾性的に変形しバネとなる。
また、図８に示すように突起部を２段構成としても良い。このようにすることによりバネ部３と電気−機械変換素子７との間の距離が開くため、振動体６と前記電気−機械変換素子７とを接着する際に用いられる接着剤がバネ部３に付着しにくくなる。

［実施例４］
実施例４として、本発明を適用した振動型アクチュエータの構成を、図９を用いて説明する。
図９に示されるように本実施例の振動型アクチュエータは、突起部５、弾性体６からなる振動体と被駆動部８とで構成される。
バネの機構は実施例１と同等であり、突起部を一つとした構成である。突起が１点であるため、突起構成に必要な面積が小さくなり、振動型アクチュエータの小型化が可能となる。
また、突起部５を１点とすることで、例えば図１０に示す構成の多自由度駆動機構を実現することが可能となる。

図１０に示す多自由度駆動装置は、ＣＣＤ等の被駆動体１５を保持する移動体１４をＸ方向およびＹ方向に駆動する一対の本実施例における振動型アクチュエータ１２、１３を備える。
振動型アクチュエータ１２、１３は、それぞれの突起部が移動体１４の角隅部を同一位置で厚さ方向に挟み込むように加圧接触して配置されている。
振動型アクチュエータ１２が移動体１４に対してＸ方向の駆動力を付与し、振動型アクチュエータ１３が移動体１４に対してＹ方向の駆動力を付与する。
また、移動体１４は、不図示のＸ方向ガイド機構によってＸ方向に案内され、不図示のＹ方向ガイド機構によってＹ方向に案内されるようになっている。

１：接触部
２：立ち上げ部
３：バネ部
４：電気−機械エネルギ変換素子接合部
５：突起部
６：弾性体
７：電気−機械エネルギ変換素子
８：被駆動部
９：空間部

Claims (19)

1. 一つ以上の突起部が形成された弾性体と、電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動体と、を備え、
   前記弾性体は、前記電気−機械エネルギ変換素子と接合される接合部を有し、前記突起部は、被駆動体と接触する接触部と、前記接触部と前記接合部との間に設けられたバネ部及び環状の立ち上げ部と、を有し、
   前記接触部と前記電気−機械エネルギ変換素子との間には、前記バネ部及び前記立ち上げ部に囲まれた空間部を有し、
   前記バネ部は、前記立ち上げ部と前記接触部との間に設けられ、
   前記接触部は、前記弾性体の一部を加工することで形成されていることを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記立ち上げ部は、前記接触部と前記バネ部との間に設けられ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。
3. 前記バネ部が、前記接触部及び前記接合部よりも薄い厚みで形成されてい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。
4. 前記弾性体と前記突起部は、該突起部と前記電気−機械エネルギ変換素子との接合部を含め、プレス加工によって一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
5. 一つ以上の突起部が形成された弾性体と、電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動体と、を備え、
   前記弾性体は、前記電気−機械エネルギ変換素子と接合される接合部を有し、前記突起部は、被駆動体と接触する接触部と、前記接触部と前記接合部との間に設けられたバネ部及び環状の立ち上げ部と、を有し、
   前記接触部と前記電気−機械エネルギ変換素子との間には、前記バネ部及び前記立ち上げ部に囲まれた空間部を有し、
   前記弾性体と前記突起部は、該突起部と前記電気−機械エネルギ変換素子との接合部を含め、プレス加工によって一体的に形成されていることを特徴とする振動型アクチュエータ。
6. 前記バネ部は、前記立ち上げ部と前記接触部との間に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータ。
7. 前記立ち上げ部は、前記接触部と前記バネ部との間に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータ。
8. 前記バネ部が、前記接触部及び前記接合部よりも薄い厚みで形成されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
9. 前記バネ部が、前記立ち上げ部に一つ以上の穴が形成されることにより、
   弾性変形してバネ性を有する構造とされていることを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータ。
10. 前記前記電気−機械エネルギ変換素子への交流駆動電圧の印加により、前記弾性体に、節が交差する２つの振動モードが生成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
11. 前記前記電気−機械エネルギ変換素子への交流駆動電圧の印加により、前記弾性体に２つの曲げ振動モードが生成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
12. 前記突起部は、前記電気−機械エネルギ変換素子への交流駆動電圧の印加により振動体に発生する二つの振動モードの組合せによって、楕円運動が励起され、
    前記楕円運動により、前記突起部の接触部と接触する前記被駆動体が駆動されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
13. 前記接触部の被駆動体側の面は、前記バネ部の被駆動体側の面よりも、被駆動体側に突き出していることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
14. 一つ以上の突起部が形成された弾性体と、電気−機械エネルギ変換素子とを有する振動体を備える振動型アクチュエータの製造方法であって、
    前記突起部の、被駆動体との接触部及び環状の立ち上げ部を、プレス加工にて形成する工程と、
    前記接触部と、前記弾性体の、前記電気−機械エネルギ変換素子との接合部との間に、バネ部を形成する工程と、
    を有することを特徴とする振動型アクチュエータの製造方法。
15. 前記バネ部を形成する工程は、前記バネ部を、前記接触部及び前記接合部よりも薄い厚みに加工する工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の振動型アクチュエータの製造方法。
16. 前記バネ部を形成する工程は、前記立ち上げ部に１つ以上の穴を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の振動型アクチュエータの製造方法。
17. 前記バネ部を形成する工程は、前記接触部及び前記立ち上げ部を形成する工程と同時に、プレス加工により行われることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの製造方法。
18. 前記バネ部を形成する工程は、前記前記接触部及び前記立ち上げ部を形成する工程の後に行われることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの製造方法。
19. 前記バネ部を形成する工程を行う前に、前記プレス加工の際に生じる余肉を移動させる穴を、前記突起部の周囲に設ける工程を有することを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータの製造方法。

Images