(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-19
(45)【発行日】2024-04-30
(54)【発明の名称】振動型アクチュエータ、雲台、および電子機器
(51)【国際特許分類】
H02N 2/16 20060101AFI20240422BHJP
H02N 2/12 20060101ALI20240422BHJP
【FI】
H02N2/16
H02N2/12
(21)【出願番号】P 2020126313
(22)【出願日】2020-07-27
【審査請求日】2023-03-07
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】000001007
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100126240
【氏名又は名称】阿部 琢磨
(74)【代理人】
【識別番号】100223941
【氏名又は名称】高橋 佳子
(74)【代理人】
【識別番号】100159695
【氏名又は名称】中辻 七朗
(74)【代理人】
【識別番号】100172476
【氏名又は名称】冨田 一史
(74)【代理人】
【識別番号】100126974
【氏名又は名称】大朋 靖尚
(72)【発明者】
【氏名】土屋 聡司
(72)【発明者】
【氏名】北島 暁
【審査官】宮崎 賢司
(56)【参考文献】
【文献】特開平08-103088(JP,A)
【文献】特開2016-208732(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02N 2/16
H02N 2/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項5】
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。
【請求項6】
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。
【請求項7】
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。
【請求項8】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【発明の効果】
【0008】
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。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】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2】本発明の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3】本発明の接触体の構成を概略的に示す図である。
【
図4】本発明の接触体の支持部と摩擦部材の構成を概略的に示す図である。
【
図5】本発明の接触体の支持部と摩擦部材の第1の変形例の構成を概略的に示す図である。
【
図6】本発明の接触体の支持部と摩擦部材の第2の変形例の構成を概略的に示す図である。
【
図7】本発明の接触体の支持部と摩擦部材の第3の変形例の構成を概略的に示す図である。
【
図8】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。
【発明を実施するための形態】
【0010】
[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。
【0011】
<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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
<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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【符号の説明】
【0045】
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