JP2013176268A - 超音波モータ及びそれを用いたレンズ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動力出力部材に外力が加わった場合にも振動体の出力部と回転体（駆動リング）との異常摩耗を回避することができると共に、小型化及び高出力化を実現することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため、振動体１０の出力部１３が押圧接触されて被駆動体２０が固定軸２１を中心として回転する超音波モータ１において、固定軸２１と被駆動体２０との間に位置して、これら固定軸２１と被駆動体２０により転動可能に挟持される転動部材２３と、転動部材２３が転動しながら固定軸２１の外周を回転する回転力が伝達され、固定軸２１を中心に回転するように配置される駆動力出力部材２４とを備える。
【選択図】図１

Description

本件発明は、振動体を被駆動体に押圧接触させて、振動体の振動を被駆動体に伝達して駆動力を発生させる超音波モータ、及び、当該超音波モータによりレンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動装置に関する。より詳しくは、超音波モータの振動体と被駆動体との押圧接触構成に関する。

超音波モータは、圧電素子等の振動体(ステータ)により発生させた振動を利用して先端の出力部を楕円運動させて、押圧接触された被駆動体(ロータ)を回転駆動させる。このような超音波モータは、小型で、騒音が小さく、高出力を実現することができるため、フォーカス機能やズーム機能を備えた光学機器等において、レンズ駆動機構として採用されている。

例えば、従来の超音波モータを用いたレンズ駆動機構では、特許文献１に示すように、ロータを構成する駆動リング(被駆動体)にステータを構成する振動体（振動子）の出力部を押圧接触させ、振動体から発生された振動を駆動リングに伝えると、出力部と駆動リングの摩擦力により、駆動リングが固定部材を中心として回転駆動する。この駆動リングの回転に付随して回転する駆動力出力部材（回転軸）が回転すると、この駆動力出力部材に設けられたギアが回転し、フォーカスレンズなどのレンズが、レンズ鏡筒に対して光軸方向へスライド移動する。

通常、駆動リングと固定部材との間には、ボールベアリングなどの軸受部材が介設されている。軸受部材に摺接して駆動リングが回転すると、駆動リングに加わった回転力が駆動力出力部材に伝達されて、当該駆動力出力部材が回転し、レンズが光軸方向へスライド移動する。

特開２０１０−２０６９０７号公報

従来より、カメラなどの撮像装置には、オートフォーカス機能やオートズーム機能が設けられている。しかし、従来のレンズ駆動装置は、モータによって、レンズの駆動制御が行われている際に、モータからの駆動力以外の外力が加えられると、当該レンズ駆動装置を構成する部品が直接影響を受けて損傷するなどの問題が生じていた。

例えば、オートフォーカス機能を使用している際に、フォーカスレンズを手動で操作すると、レンズ駆動装置のモータによる所定の駆動力以上に外力が付加され、あるいは、逆方向の力が加わることがある。また、オートズーム機能を使用している際には、ズームレンズが被写体側に伸長するが、誤った操作が行われ、ズームレンズが前方から押し込まれると、レンズ駆動装置自体に大きな負荷が生じる。

外力によって、駆動力出力部材に負荷がかかると、駆動力出力部材に付随して回転する駆動リングが回転し、振動体の出力部と駆動リングとの間に異常摩耗が生じ、発熱や、耐用年数の低下を招く。

従来では、かかる異常摩耗を回避すべく、駆動リングと固定部材との間に複数のギヤを有する減速機構を備え、ギヤ同士の摩擦力を、振動体の出力部と駆動リングとの間の摩擦力より小さく設定し、外力による駆動力出力部材の回転力を駆動リング側に伝達しないようにスリップさせる構成が採用されている。

しかし、かかる構成では、外力による駆動力出力部材の回転によって、駆動リングと振動体の出力部との摩擦が生じないこととなるが、複数のギヤから構成される減速機構を連結する構成となるため、装置全体が大型化してしまう問題がある。レンズ駆動の設置場所は、レンズ鏡筒の限られた箇所に制限されるため、超音波モータ自体の小型化が要求されている。

また、かかる従来の構成では、摩擦力の設定が困難であり、振動体の出力部と駆動リングとの摩擦比を大きくとらざるを得ないため、駆動リングの回転出力を小さめに設定しなければならず、モータ自体の駆動効率が低下する問題がある。

そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、本件発明にかかる超音波モータを採用することで、駆動力出力部材に外力が加わった場合にも振動体の出力部と回転体（駆動リング）との異常摩耗を回避することができると共に、小型化及び高出力化を実現することができることに想到したのである。以下、「超音波モータ」と「レンズ駆動装置」に分けて述べる。

＜本件発明にかかる超音波モータ＞
本件発明にかかる超音波モータは、電圧の印加により励振される圧電素子と、一端に出力部とを有する振動体と、振動体の出力部に接触して圧電素子の振動により固定軸を中心として回転される被駆動体と、振動体の出力部を被駆動体側に押圧接触させる与圧機構とを備えるものであって、固定軸と被駆動体との間に位置して、これら固定軸と被駆動体により転動可能に挟持される転動部材と、転動部材が転動しながら固定軸の外周を回転する回転力が伝達され、固定軸を中心に回転するように配置される駆動力出力部材とを備え、被駆動体と固定軸との間に押圧保持される転動部材との摩擦力を、振動体の出力部と被駆動体との摩擦力よりも小とすることを特徴とする。

本件発明にかかる超音波モータは、転動部材が、ボール部材であり、固定軸と被駆動体との間に位置して、略等間隔をおいて３個以上配置されることがより好ましい。

また、本件発明にかかる超音波モータは、固定軸の外周面に転動部材を摺接保持する断面略円弧状の転動部材受け溝を形成することがより好ましい。

更に、本件発明にかかる超音波モータは、被駆動体は、固定軸側の面に、固定軸側に向けて拡開する略Ｖ字状溝から成る押圧部を有することがより好ましい。

また、本件発明にかかる超音波モータは、転動部材が、円筒部材であり、固定軸と被駆動体との間に位置して、略等間隔をおいて３個以上配置されることがより好ましい。

＜本件発明にかかるレンズ駆動装置＞
本件発明にかかるレンズ駆動装置は、上述した超音波モータを駆動源とし、超音波モータの駆動力出力部材からの回転力を用いて、レンズ保持枠を介してレンズ鏡筒内に収容保持されたレンズを光軸方向に移動させることを特徴とする。

本件発明にかかる超音波モータによれば、固定軸と被駆動体との間に位置して、これら固定軸と被駆動体により転動可能に挟持される転動部材を備えることにより、振動体の出力部からの振動によって回転駆動される被駆動体の回転を維持することができる。また、転動部材によって、被駆動体に伝達された回転力を高効率で駆動力出力部材に伝達し、駆動力出力部材によって、その駆動力を外部に出力することが可能となる。転動部材は、固定軸と被駆動体との間に配置されるため、超音波モータ自体の小型化を実現することができる。

また、本件発明にかかる超音波モータを採用したレンズ駆動装置のように、駆動力出力部材に外力が加わった場合には、被駆動体と固定軸との間に押圧保持される転動部材との摩擦力の方が、振動体の出力部と被駆動体との摩擦力よりも小さいため、転動部材と被駆動体との間に回転力が加わる以前に、転動部材が転動して、振動体の出力部と被駆動体との間に異常摩耗が生じる不都合を未然に回避することができる。

従って、本件発明にかかる超音波モータは、外力による振動体の出力部と被駆動体との間の異常摩耗を考慮することなく、与圧機構によって、振動体の出力部を被駆動体に押圧接触させることができることから、出力効率の向上を図ることができる。

本件発明にかかる超音波モータの部分透視平面図である。 図１の超音波モータの縦断側面図である。 図２の部分拡大図である。 本件発明にかかるレンズ駆動装置の模式断面図である。 図４のレンズ鏡筒内の配置を像面側からみた概略図である。

以下、図面を参照して、本件発明にかかる超音波モータ及びその超音波モータを用いたレンズ駆動装置について説明する。

＜超音波モータ＞
まずはじめに、図１〜図３を用いて本件発明にかかる超音波モータ１について詳述する。図１は本件発明にかかる超音波モータ１の部分透視平面図、図２は図１の超音波モータ１の縦断側面図、図３は図２の部分拡大図をそれぞれ示している。

超音波モータは、例えば圧電素子からなる振動体に所定の電圧を印加することにより、当該振動体を振動させて、被駆動体に当該振動を伝達して所定の駆動力を発生させるものである。

本件発明にかかる超音波モータ１は、ステータ３を構成する振動体１０と、当該振動体１０の一側に当該振動体１０と当接して配置されるロータ４と、振動体１０をロータ４側に押圧接触させる与圧機構５とを取付板２上に設けて構成される。

＜ステータ＞
本件発明にかかる超音波モータ１は、定在波型超音波モータである。そのため、ステータ３を構成する振動体１０は、長方形の平板圧電体１１上に、格子状に４つの電極１２・・を配置して構成されると共に、振動体１０のロータ４側に、突状の出力部１３が形成されている。

そして、対角線上の２つの電極１２、１２に４０〜８０ｋＨｚ程度の高周波電圧を印加すると、振動体１０本体には、一方向に伸縮する運動と、当該方向と直交する方向に屈曲する運動が発生する。かかる伸縮運動と屈曲運動とが合成されて、振動体１０の出力部１３には、定在波が発生し、楕円運動を生ずる。印加する電極の組合せや、印加電圧、印加周期を変更することによって、振動動作を制御することができる。

この振動体１０は、保持部材１４内に収容された状態で取付板２に配設される。この保持部材１４は、振動体１０のロータ４側の面１５Ａ、すなわち、出力部１３が形成される側の面１５Ａと、当該出力部１３側の面１５Ａと対向する側の面１５Ｂが開口して形成され、その他の面によって振動体１０の外面を概ね覆う。これにより、保持部材１４は、振動体１０の振動状態を維持しながら当該振動体１０を収容保持する。

＜与圧機構＞
取付板２に設けられる与圧機構５は、振動体１０のロータ４とは反対側端部の側面１５Ｂ側に当接して配置され、振動体１０をロータ４側に押圧する。本実施の形態では、与圧機構５は、与圧源５１と、与圧伝達アーム５２と、与圧補正部５３とを備える。与圧源５１は、例えば縮退する方向に付勢されたスプリングコイルによって構成され、振動体１０とは離間し、一方の端部５１Ａが取付板２に固定され、他方の端部５１Ｂは与圧伝達アーム５２に接続される。

与圧機構５の与圧伝達アーム５２は、与圧源５１の与圧力を振動体１０側に伝達するアーム部材である。本実施の形態では、与圧伝達アーム５２は、支軸５４を中心として回動可能に取付板２に取り付けられる。そして、与圧伝達アーム５２は、一側に設けられた与圧源接続部５５によって、与圧源５１に接続されると共に、与圧伝達アーム５２の他端５２Ａは、振動体１０の側面１５Ｂ側に当接して配置される。これにより、縮退する方向に付勢された与圧源５１からの与圧力によって、与圧伝達アーム５２は、支軸５４を中心として回動し、与圧伝達アーム５２の振動体１０と対向する端部５２Ａが振動体２をロータ４側に常時、押圧する方向に力が生じる。

与圧機構５の与圧補正部５３は、与圧伝達アーム５２と振動体１０の側面１５Ｂとの間において回動自在に設けられるものである。この与圧補正部５３は、振動体１０の側面１５Ｂに対して、与圧伝達アーム５２の押圧力の角度を補正して振動体１０に対して所定の角度で圧力を付与するものである。これにより、振動体１０をロータ４側に適切な角度で安定して圧力接触させることができる。

＜ロータ＞
次に、本件発明にかかる超音波モータ１のロータ４の構成について詳述する。ロータ４は、振動体１０の出力部１３から伝達された運動に基づき駆動されるものである。このロータ４は、取付板２に固定される固定軸２１と、振動体１０の出力部１３と押圧接触し、当該振動体１０の振動により固定軸２１を中心として回動する被駆動体２０と、この固定軸２１と被駆動体２０との間に配置され、被駆動体２０の回転を維持する複数の転動部材２３と、転動部材２３を転動自在に保持すると共に、転動部材２３の回転により従動回転する駆動力出力部材２４とを備える。

固定軸２１は、振動体１０から伝達される駆動力が加わる方向と略直交する方向に延在して構成される。また、被駆動体２０は、固定軸２１の軸方向に延在して構成される円筒状を呈している。

そして、この固定軸２１と被駆動体２０との間には、これら固定軸２１の外周壁と被駆動体２０の内周壁により転動可能に挟持される転動部材２３が配設されている。本実施の形態では、転動部材２３は、ボール部材により構成されており、固定軸２１と被駆動体２０との間に位置し、これら固定軸２１と被駆動体２０によって挟持される。転動部材２３は、固定軸２１を中心として回動自在に配設される駆動力出力部材２４によって、略等間隔をおいて３個保持されている。なお、ここでは、転動部材２３を３個設けた場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、略等間隔をおいて４個以上配設してもよい。

ここで、各転動部材２３を転動自在に保持する駆動力出力部材２４は、固定軸２１を中心として回動自在に配設される筒状部材であり、各転動部材２３を転動可能に収容保持する各箇所には、所定間隔を存して転動部材収容部２５が形成されている。このとき、転動部材２３が駆動力出力部材２４の転動部材収容部２５内に収容された状態で、当該転動部材２３は、少なくとも被駆動体２０と直接、又は、当該被駆動体２０に付随して回転するガイド部材２６などを介して間接に接触すると共に、固定軸２１の外周面に摺接する構成とされているものとする。

そして、各転動部材２３が固定軸２１の外周を遊星回転する回転力がこの駆動力出力部材２４に伝達されることで、当該駆動力出力部材２４自体も固定軸２１を中心として回動するものであり、この駆動力出力部材２４には、当該回転力を外部に出力するためのギヤ２７が形成されている。

以上の構成により、振動体１０の出力部１３が与圧機構５によってロータ４の被駆動体２０に押圧接触した状態で、振動体１０に電位が印加されると、振動体１０の出力部１３は、楕円運動を発生し、当該楕円運動を行う出力部１３と摩擦接触する被駆動体２０は、固定軸２１を中心として回転する。

このとき、固定軸２１と被駆動体２０との間に位置して、これら固定軸２１と被駆動体２０により転動部材２３が転動可能に挟持されているため、振動体２０からの振動によって回転駆動される被駆動体２０の回転に伴って、当該被駆動体２０の内壁と転動部材２３との摩擦接触により、この転動部材２３自体が固定軸２１を中心として遊星回転する。そして、各転動部材２３が固定軸２１を中心として遊星回転することで、この回転に従動して駆動力出力部材２４が固定軸２１を中心として回転する。この駆動力出力部材２４の回転によって、当該駆動力出力部材２４に形成されたギヤ２７が回転し、当該ギヤ２７に噛合されるギヤを介して外部に回転力を出力することができる。

このように、固定軸２１と被駆動体２０との間には、転動部材２３が転動可能に挟持されているため、この転動部材２３によって被駆動体２０の回転を維持することができる。また、転動部材２３によって、被駆動体２０に伝達された回転駆動力を高効率で駆動力出力部材２４に伝達し、駆動力出力部材２４によって、その回転駆動力を外部に出力することが可能となる。特に、転動部材２３は、固定軸２１と被駆動体２０との間に配置されるため、超音波モータ１自体の小型化を実現することができる。

また、本実施の形態では、転動部材２３は、ボール部材により構成され、略等間隔をおいて３個以上配置されることにより、被駆動体２０の回転を安定して維持することができると共に、駆動力出力部材２４の回転力の安定化を図ることができる。

なお、本実施の形態では、転動部材２３としてボール部材を採用しているが、これに限定されるものではなく、円筒部材を固定軸２１と被駆動体２０との間に配置して、被駆動体２０の回転力を駆動力出力部材２４に伝達する構成としてもよい。円筒部材を採用した場合にも、振動体１０からの振動によって回転駆動される被駆動体２０の回転を維持することができる。また、円筒部材によって、被駆動体２０に伝達された回転力を高効率で駆動力出力部材２４に伝達し、駆動力出力部材２４によって、その駆動力を効率的に外部に出力することが可能となる。円筒部材の場合にも、固定軸２１と被駆動体２０との間に配置されるため、超音波モータ１自体の小型化を実現することができる。

また、転動部材２３としてボール部材を採用した本実施の形態では、図３の部分拡大図に示すように、固定軸２１の外周面には、全周に渡って連続して、転動部材２３を摺接保持する断面略円弧状の転動部材受け溝２８が形成されている。

通常、振動体１０が与圧機構５によって被駆動体２０側に付勢されているため、振動体１０から被駆動体２０に伝達される力の多くは、固定軸２１に直交する方向に加えられる。しかし、被駆動体２０に接触する振動体１０の運動軌跡は、固定軸２１に直交するｘ方向成分だけではなく、固定軸２１に平行なｙ方向成分やその他の方向へ動かす成分も含んでいる。

これに対し、固定軸２１の外周面に転動部材受け溝２８が形成されている場合には、振動体１０から回転力が加えられた被駆動体２０と固定軸２１との間に配置される転動部材２３は、断面略円弧状の転動部材受け溝２８によって、摺接保持される。そのため、振動体１０の出力部１３から被駆動体２０に伝達され、その後、被駆動体２０から転動部材２３に伝達された複数の方向成分からなる回転力は、転動部材２３が円弧状の転動部材受け溝２８の壁面と摺接することで、固定軸２１に平行なｙ方向成分の回転力が、転動部材２３の転動部材受け溝２８内を走行する方向に集約される。

従って、被駆動体２０が固定軸２１に平行な方向に移動してしまう不都合を防止することができ、被駆動体２０を安定して回転させることができる。これにより、振動体１０から伝達された回転力のロス率の低減を図ることができ、超音波モータ１の出力効率の向上を実現することができる。

更に、転動部材２３としてボール部材を採用した本実施の形態では、被駆動体２０は、固定軸２１側の面に、固定軸２１側に向けて拡開する略Ｖ字状の押圧溝２９が形成されている。図３に示す本実施の形態では、被駆動体２０の回転に付随して回転するガイド部材２６の固定軸２１側の面に、押圧溝２９が形成されている。

この場合、転動部材２３は、略Ｖ字状の押圧溝２９を構成する各傾斜面２９Ａ、２９Ｂにおいて被駆動体２０と当接するため、被駆動体２０に振動体１０から伝達された回転力を異なる二方向から固定軸２１に向けて、押し付けることができる。

そのため、転動部材２３は、当該押圧溝２９と固定軸２１側の転動部材受け溝２８との間に転動可能な状態で確実に挟持され、伝達された回転力を当該転動部材２３を転動させる力に変えて、効率的に駆動力出力部材２４に伝達することができる。従って、超音波モータ１の高出力化を実現することができる。

＜レンズ駆動装置＞
次に、図４及び図５を参照して、本件発明にかかるレンズ駆動装置３０について詳述する。図４は本件発明にかかるレンズ駆動装置３０の模式断面図、図５は図４のレンズ鏡筒内の配置を像面側からみた概略図をそれぞれ示している。

本実施の形態におけるレンズ駆動装置３０は、上述した超音波モータ１を駆動源とし、超音波モータ１の駆動力出力部材２４からの回転力を用いて、レンズ保持枠３１を介してレンズ鏡筒３２内に収容保持されたフォーカスレンズ等のレンズ３３を光軸方向（図４中一点破線Ｌにて示す）に移動させるものである。

レンズ駆動装置３０は、固定筒３５と、当該固定筒３５の外周に貫挿配置されるカム筒３６と、超音波モータ１の駆動力出力部材２４に設けられたギヤ２７と噛合して光軸を中心に回転するフォーカスギヤリング４０と、当該フォーカスギヤリング４０とカム筒３６の外周に設けられた突起部３８とを結合するアーム部材４１とを備える。カム筒３６には、突起部３４を介して保持枠３１に保持されたレンズ３３が係合されている。フォーカスギアリング４０が回転駆動されることにより、固定筒３５に対してカム筒３６が回転駆動し、突起部３４により係合されるレンズ保持枠３１が光軸方向に移動する。

これにより、フォーカスレンズ３３の焦点調節を行うオートフォーカス動作において、超音波モータ１の駆動力出力部材２４に伝達された振動体１０からの駆動力が、ギヤ２７及びフォーカスギヤリング４０に伝達されて、レンズ保持枠３１を光軸方向に移動させることができる。

他方、フォーカスレンズ３３のフォーカスギヤリング４０を故意に回動させると、超音波モータ１の駆動力出力部材２４に設けられたギヤ２７も回転することとなるが、被駆動体２０と固定軸２１との間に押圧保持される転動部材２３の摩擦力を振動体１０の出力部１３と被駆動体２０との摩擦力よりも小とすることで、振動体１０の出力部１３と被駆動体２０との間に異常摩耗が生じる不都合を未然に回避することができる。

このように、外力により超音波モータ１の駆動力出力部材２４が回転された場合であっても、振動体１０の出力部と被駆動体２０との間の異常摩耗を回避することができる。そのため、本件出願にかかるレンズ駆動装置３０は、振動体１０の出力部１３と被駆動体２０との間の異常摩耗を考慮することなく、与圧機構５によって、振動体１０の出力部１３を被駆動体２０に押圧接触させることができることから、出力効率の向上を図ることができる。

また、本件発明における転動部材２３は、被駆動体２０の回転を維持する部材として用いられるのみならず、駆動力出力部材２４に加えられた外力を的確に逃がして、振動体１０の出力部１３と被駆動体２０との間の異常摩擦を防止するスリップ機構として共用することができ、従来の複数のギヤを用いた減速機構を採用する場合と比べて、装置全体の小型化を実現することができる。

本件発明に係る超音波モータは、外部から駆動力出力部材を回転させられた場合であっても、外部からの回転力を効果的にスリップさせることで、振動体１０の出力部１３と被駆動体２０との間に生じる異常摩耗を回避することができるので、駆動力出力部材の回転力によりレンズの移動制御を行うレンズ駆動装置に有効である。

１ 超音波モータ
２ 取付板
３ ステータ
４ ロータ
５ 与圧機構
１０ 振動体
１１ 圧電素子
１３ 出力部
１４ 保持部材
１５Ａ ロータ側の面
１５Ｂ 与圧機構側の面
２０ 被駆動体
２１ 固定軸
２３ 転動部材（ボール部材、円筒状部材）
２４ 駆動力出力部材
２５ 転動部材収容部
２６ ガイド部材
２７ ギヤ
２８ 転動部材受け溝
２９ 押圧溝
３０ レンズ駆動装置
３１ レンズ保持枠
３２ レンズ鏡筒
３３ レンズ
３５ 固定筒
３６ カム筒
４０ フォーカスギヤリング

Claims (6)

1. 電圧の印加により励振される圧電素子と、一端に出力部とを有する振動体と、
   当該振動体の出力部に接触して当該圧電素子の振動により固定軸を中心として回転される被駆動体と、
   当該振動体の出力部を当該被駆動体側に押圧接触させる与圧機構とを備える超音波モータにおいて、
   当該固定軸と当該被駆動体との間に位置して、これら固定軸と被駆動体により転動可能に挟持される転動部材と、
   当該転動部材が転動しながら当該固定軸の外周を回転する回転力が伝達され、当該固定軸を中心に回転するように配置される駆動力出力部材とを備え、
   前記被駆動体と前記固定軸との間に押圧保持される前記転動部材との摩擦力を、前記振動体の出力部と前記被駆動体との摩擦力よりも小とすることを特徴とする超音波モータ。
2. 前記転動部材は、ボール部材であり、前記固定軸と前記被駆動体との間に位置して、略等間隔をおいて３個以上配置される請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記固定軸の外周面には、前記転動部材を摺接保持する断面略円弧状の転動部材受け溝を形成した請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記被駆動体は、前記固定軸側の面に、当該固定軸側に向けて拡開する略Ｖ字状溝から成る押圧部を有する請求項２又は請求項３に記載の超音波モータ。
5. 前記転動部材は、円筒部材であり、前記固定軸と前記被駆動体との間に位置して、略等間隔をおいて３個以上配置される請求項１に記載の超音波モータ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の超音波モータを駆動源とし、当該超音波モータの前記駆動力出力部材からの回転力を用いて、レンズ保持枠を介してレンズ鏡筒内に収容保持されたレンズを光軸方向に移動させることを特徴とするレンズ駆動装置。

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