JP5534721B2 - 振動波駆動装置及び振動波駆動装置を用いた撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動波駆動装置及び振動波駆動装置を用いた撮像装置に関する。特に、スチルカメラ、ビデオカメラの撮像装置及びそれらに好適に用いられる振動波駆動装置に関する。

カメラのレンズ駆動用などに製品応用がなされている振動波駆動装置として、棒状型の振動波駆動装置がある。特許文献１では従来の棒状の振動波駆動装置を用いてロータの出力をギヤを用いて外部へ伝達する仕組みが開示されている。図１０を用いてその仕組みを説明する。図１０（ａ）は従来の棒状の振動波駆動装置の断面図であり、図１０（ｂ）は、ロータとギヤとの係合部分を示す斜視図である。

図１０（ａ）において、第１の弾性体１、第２の弾性体２、積層圧電素子３は、シャフト４及びナット５によって、所定の挟持力が付与されるように締め付けられている。７はロータであり、ロータ７の一方の面（図で下方端）が耐摩耗性部材６に接触する。耐摩耗性部材６は、第１の弾性体１の上方端に設けられる。また、ロータ７の他方の面にはギヤ８が設けられ、ギヤ８は、ロータ７と一緒に回転し、振動波駆動装置の出力を外部に伝達する。ギヤ８は、振動波モータを取り付けるためのフランジ（固定部）１０により、シャフト４のスラスト方向に位置が固定されており、ロータ７に加圧力を付与するための加圧バネ１５が、このギヤ８とロータ７との間に設けられている。

図１０（ｂ）に示すように、ロータ７には円形凹部７ｃが設けられると共に、ロータ７の上面に、半径方向に延びた一対の溝部７ａ，７ｂが軸対称に設けられている。ギヤ８の下面には、ロータ７の円形凹部７ｃに係合するように、円筒状凸部８ｃが設けられる。それと共に、ロータ７の溝部７ａ，７ｂにそれぞれ係合するように、一対の突起部８ａ，８ｂ（突起部８ｂは不図示）が設けられる。これらの係合により、ロータ７の回転がギヤ８に伝達されて出力が行われる構成になっている。

特開２００８−１８７８０５号公報

このように、従来の振動波駆動装置は、ギヤ８の外部ギヤへの出力伝達は平歯車によってなされるため、カメラのレンズ鏡筒の光軸と振動波駆動装置の回転軸を略並行に配置する必要があった。

しかしながら、鏡筒の光軸と振動波駆動装置の回転軸を略平行に配置することによって、振動波駆動装置の配置の自由度が制限されスペースを有効利用するには更なる改善が求められていた。本発明はこの課題に鑑みてなされたものであって、部品点数を増やすことなく、振動波駆動装置の回転軸を鏡筒の光軸に対し略垂直に配置することが可能な振動波駆動装置及び該振動波駆動装置を設けたスチルカメラ、ビデオカメラ等の撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の振動波駆動装置は、振動を発生させる振動子と、前記振動子に摩擦接触し前記振動によって回転軸まわりに回転する回転子と、前記回転軸と同軸まわりで回転し前記回転子の回転を外部に伝達する出力伝達部材と、前記振動子を外部に固定する固定部と、を備え、前記出力伝達部材は、前記固定部と前記回転子との間に設けられ、前記出力伝達部材の一部が、ウォームギヤのウォーム部を構成し、前記ウォーム部の出力半径が、前記回転子の外形より小さいことを特徴とする。

本発明により、振動波駆動装置の回転系に設けられたウォームから出力を取り出すことで、振動波駆動装置の回転軸を光軸に対して略垂直な位置に配置することが可能となる。また、回転子とダイレクトに連結される出力伝達部材にウォームを設けるため、部品点数を増やすことなく構成の最適化が可能である。

本発明の第１の実施形態を説明する振動波駆動装置の断面図である。 本発明の第１の実施形態の振動波駆動装置における別のギヤ構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態の振動波駆動装置におけるギヤに設けたスリットを示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態を説明する振動波駆動装置の断面図であり、ウォームギヤによるスラスト力がフランジ側へ作用しているときの状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態を説明する振動波駆動装置の断面図であり、ウォームギヤによるスラスト力がロータ側へ作用しているときの状態を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わるギヤの駆動中の姿勢の変化を表す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わるロータとギヤの別の嵌合の様子を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わるギヤの嵌合部とロータの嵌合部の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に関わる撮像装置の模式図である。 従来の棒状振動子の断面構造とギヤとロータの係合の様子を示す図である。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態を説明する振動波駆動装置の断面図である。図１において、第１の弾性体１、第２の弾性体２、電気−機械エネルギー変換素子である積層圧電素子３は、軸部材であるシャフト４及びナット５によって、所定の挟持力が付与されるように締め付けられている。第１及び第２の弾性体としては、真鍮やステンレス等の金属が用いられ、この第１及び第２の弾性体と積層圧電素子３とでランジュバン型の振動子が構成されている。

７はロータ（回転子）であり、ロータ７の一方の面（図では下面）が耐摩耗性部材６に接触する。耐摩耗性部材６は、第１の弾性体１の上方端に設けられる。ロータ７の一方の面は、他方の面（図では上面）よりも接触面積が小さく、かつ適度なバネ性を有する構造となっている。また、ロータ７の他方の面には出力伝達部材としてギヤ８が設けられ、ギヤ８は、ロータ７と同軸で一緒に回転し、振動波駆動装置の出力（つまり、ロータの回転）を外部に伝達する。ギヤ８の詳細な構成については後述する。

さらに、ギヤ８は、ロータ７に加圧力を付与するための加圧バネ１５により、振動波駆動装置を外部に取り付けるための固定部であるフランジ１０の方向へロータ７に付与される加圧力と同じ大きさの加圧力が付与される。そして、この加圧力に対してフランジ１０の端面に当接することで、シャフト４のスラスト方向に位置が固定されている。

従来の棒状振動波駆動装置と同様に、積層圧電素子３に高周波電圧を印加することで振動子９に例えば超音波帯域の周波数を持つ曲げ振動を発生させる。この結果、ロータ７に接触する第１の弾性体１の上面には楕円運動が形成され、ロータ７は耐摩耗性部材６に押圧されて摩擦接触し回転駆動する。ロータ７とギヤ８の端面には、従来の棒状振動波駆動装置と同様に図１０（ｂ）で示すような一対の溝部と突起部が設けられ、これらの係合により、ロータ７の回転がギヤ８に伝達される構成になっている。これによって、ロータ７、ギヤ８、加圧バネ１５が一体となってシャフト４の軸周りに回転する。ここで、摩擦接触とは、接触する二つの物体の相対運動の方向と逆向きに働く摩擦力を伴う接触状態のことを示す。また、回転子とは、ステータの微小振動（楕円運動）により回転される構成部品であり、加圧ばね１５の加圧力で摩擦板６へ押圧されるように組み込まれ、ステータ側接触面の楕円運動により接触部で発生する摩擦力で回転される。伝達部材とは、モータの駆動力を外部へ伝達するために設けられた構成部品であり、回転子とフランジ間に配置され、回転子の摩擦接触部と反対側の面で一体的に回転するよう係合している。

図１０（ａ）で示す従来の棒状振動波駆動装置のギヤと比較すると本実施形態のギヤ８は軸方向に長いため、シャフト４においてギヤ８の配置部分が長くなる。したがって、本実施形態では従来よりも径を太くし剛性を上げることで、駆動時における振動子９の支持を安定させている。

ギヤ８の詳細な構造を説明する。図１のギヤ８は、出力取り出し部としてウォーム８１（ウォーム部）を有する。ウォーム８１と外部ギヤ（１段目のギヤ）であるウォームホイール１１とでウォームギヤを構成している。ウォームギヤにより、回転子の回転軸と略垂直な回転軸まわりの回転運動を生ぜしめる。一般的に、ウォームギヤとは、ねじ歯車（ウォーム）とそれに合うはす歯歯車（ウォームホイール）とを組み合わせた機構であり、ウォーム径が小さく、噛み合い箇所でウォーム軸方向に推力（スラスト力）を発生する。また、高減速比であることが特徴である。本実施形態のウォーム８１は円筒型ウォームであり、ロータ７とフランジ１０の間に配置されている。もちろん、図２のように、端部ほど径の大きな鼓型ウォームを使用することもできる。鼓型ウォームを使用することでウォームホイール１１との接触面積が広くなり耐磨耗性が向上する。

ウォーム８１の出力伝達径（ウォーム８１のウォームホイール１１との噛み合う箇所の径）は回転子外径よりも小さくなっている。これは、ウォームギヤのトルク伝達により発生するスラスト力Ｆｗが、ギヤ８をシャフトに対して傾斜させるモーメントとして作用するため、出力伝達径が小さいほうが前記傾斜させるモーメントが小さくなるため好ましい。

ギヤ８の一方の端面（図１で上方）はフランジ１０の下部で嵌合している。また、内周方向へ張り出しているストッパ８２はシャフト４と嵌合している。したがって、ギヤ８は軸方向の両端付近の二点で嵌合する構成となっており、スラスト力Ｆｗによってギヤの姿勢が変化する影響を抑制するための支持手段となっている。つまりギヤ８の軸に対する傾きを制限している。また、ストッパ８２はシャフト４の段差に当接する位置に設けられており、スラスト力Ｆｗをシャフト４の段差が受け止めるので、ギヤ８の軸方向に対する移動量を制限している。実施形態１ではギヤ８の位置は軸方向に固定されている。

さらに、ギヤ８は、ウォーム８１よりも径の大きいフランジ部８３を一体的に有している。フランジ部８３に図３のような放射状のスリットを設け、別途設けたフォトインタラプタ１２を用いて回転センサとしての機能を持たせることが可能である。これは、ウォームギヤが高減速比であることを利用し、高回転で駆動している振動波駆動装置の回転をダイレクトに読み取ることで高精度な駆動を可能とするものである。もちろん、フランジ部８３に別に用意したスリットを固着させ回転センサとすることもできる。

スペース上の利点としては、シャフト４を中心とする円周方向のうち、ウォームホイールが占めるスペース以外を自由に利用することが可能である。そのため、本実施形態では、ウォームの外周であり、かつ回転子外径よりも内周側に、電気部品１３を配置している。一般的な電磁モータとは異なり本発明の振動波駆動装置は磁場の影響を受けないため、たとえば磁場を発生するコイルを配置して、振動波駆動装置へ磁束が漏れたとしても問題とならない。

以上、説明したように、本実施形態では、ロータと同軸で回転する出力伝達手段であるギヤの一部をウォームギヤのウォームとして構成したため、部品点数を増やすことなく、振動波駆動装置の回転軸をレンズの鏡筒の光軸に対し略垂直に配置することができる。

（第２の実施形態）
図４と図５は、第２の実施形態を説明する振動波駆動装置の断面図である。第１の実施形態と同一形状の部品について説明は省略する。

本実施形態では、ストッパ８２とシャフト４の段差（ストッパ８２との嵌合部）にスペースＡ（間隙）を設け、ウォームギヤのトルク伝達により発生するスラスト力Ｆｗの方向によって、ギヤ８が軸方向に移動可能としている。

図４は、本実施形態におけるスラスト力Ｆｗの方向がフランジ１０の方向へ作用しているときの状態を示している。以降、第一の状態とする。ギヤ８は加圧バネ１５の圧縮による力Ｆｓとウォームギヤのスラスト力Ｆｗにより、フランジ方向へ加圧力を付与されている。そして、この足し合わされた加圧力によって、ギヤ８はフランジ１０に当接する状態で、シャフト４のスラスト方向に位置が固定されている。また、耐摩耗性部材６とロータ７の摩擦駆動部（耐摩擦性部材との摩擦接触部）には、この状態における加圧バネ１５の圧縮量により決まる加圧力が付与されている。

一方、図５は、本実施形態におけるスラスト力Ｆｗの方向がロータ７の方向へ作用しているときの状態を示している。以降、第二の状態とする。ウォームギヤのスラスト力Ｆｗが、加圧バネ１５によってギヤ８がフランジ１０の方向へ押し上げられる力Ｆｓよりも大きいとき、ギヤ８はロータ７に近づく方向へ動き始め、加圧バネ１５の力Ｆｓとスラスト力Ｆｗが釣り合う軸方向の位置まで移動する。加圧バネ１５の力Ｆｓとスラスト力Ｆｗの差が大きい場合は、ストッパ８２がシャフト４の段差に当接するまで移動する。このとき、スラスト力Ｆｗから加圧バネ１５の力Ｆｓを差し引いた加圧力によって、ギヤ８はシャフト４の段差に当接する状態で、軸方向の位置が固定されている。シャフト４の段差は、ギヤ８がロータ側へ移動したときにギヤ８とロータ７の端面が接しない位置であり、ギヤ８とフランジ１０との間で嵌合を維持できる範囲内の位置に設定している。また、図４のときと同様に、耐摩耗性部材６とロータ７の摩擦駆動部には、この状態における加圧バネ１５の圧縮量により決まる加圧力が付与されている。

したがって、第一と第二の状態では加圧バネ１５の圧縮量が異なり、摩擦駆動部に付与される加圧力が異なる。つまり、図４のようにスラスト力Ｆｗがフランジ１０の方向へ作用する第一の状態よりも、図５のようにロータ７の方向へ作用する第二の状態の方が摩擦駆動部への押圧荷重は増大する。

特に本実施形態では、カメラレンズに本発明の振動波駆動装置を使用するときに、鏡筒の繰り出し、繰り込み動作を行うロータ回転方向とスラスト力Ｆｗの方向を合わせる工夫が成されている。繰り出し動作とはレンズが突出する方向に移動する動作であり、繰り込みとはその反対方向（カメラ本体に収容される方向）に移動する動作を示す。

まず、鏡筒を繰り出すときは、ロータの回転方向が摩擦駆動部の押圧加重を増大する第二の状態となるようにする。そして、鏡筒を繰り込むときは、第二の状態と比較して押圧加重が低減する第一の状態になるようにする。このようにすることで、鏡筒を繰り出すときはトルクの大きい力強い出力となり、繰り込むときは比較的トルクの小さい弱い出力になるように駆動モードを異ならしめることができる。従来の棒状振動波駆動装置は、繰り出しと繰り込み動作時のスラスト力が略一致していたため、異物を巻き込まないために敢えて繰り込み動作時のスラスト力を下げることに伴って、繰り出し動作時のスラスト力も下げざるを得なかった。しかし、この構成により、繰り込み動作時に異物を巻き込むことを防止するとともに、外部から繰り出し動作を抑制する力が加えられた場合であっても力強い繰り出し動作を実現することができる。

また、このとき振動波駆動装置の駆動信号である交番電圧の振幅を、ロータの回転方向によって切り替えるようにしている。具体的には、第一状態と第二状態とで、入力信号を生成するパルスのパルス幅設定を異ならしめることにより、積層圧電素子３へ印加する交番電圧の振幅に差を持たせている。つまり、第二の状態では、摩擦駆動部の押圧荷重が増大し発生する摩擦力が大きくなるので、パルス幅を大きくし印加電圧の振幅をより大きくすることで安定した駆動を実現している。

次に、第二の状態でのギヤ８の挙動について説明する。図６は、本発明の振動波駆動装置を長時間駆動した後のギヤ８の姿勢を表している。図６では、分かりやすくするために特に姿勢変化量の倍率を上げて表現している。

第二の状態では、スラスト力Ｆｗが、ギヤ８におけるシャフト１４との嵌合部に径方向の側力Ｆｗ２をもたらす。この側力Ｆｗ２により、ギヤ８のシャフトとの嵌合部に摩耗あるいは変形を生じさせる。そして、スラスト力Ｆｗはギヤ８のフランジ１０との嵌合部を支点に、ギヤ８を時計回りの方向へ回転させようとするモーメントとして作用する。したがって、ギヤ８は定常的に図６のような姿勢となって回転する。

このとき、シャフト４を中心とする周方向断面で捉えると、加圧バネ１５はウォームホイール１１の付近でより圧縮されるため、ロータ７を耐摩耗性部材６へ押し付ける荷重にムラが発生し、摩擦駆動部に面圧分布をもたらす。また、ロータ７の軸心は、ウォームホイール１１が配置された側とは反対方向へ押し出され、結果として回転に同期した速度変動を発生しやすくなり不安定な駆動となる可能性がある。

上述した摩擦駆動部の面圧分布とロータ７の軸心ズレが発生する状況においては、駆動中にロータ７の軸心がギヤ８によって拘束されることなく、安定して回転できる位置を振動波駆動装置自身が決められる構造が好ましい。すなわち、図７の断面図のように、ロータ７の円形凹部７ｃとギヤ８の円筒状凸部８ｃとの間、又は、ロータ７の丸穴７ｈとギヤ８の円柱状凸部８ｈとの間に、ギヤ８の姿勢変化量以上のクリアランス（間隙）を設けることが好ましい。ここで、円形凹部７ｃ及び丸穴７ｈは、ロータ７におけるギヤ８との嵌合部であり、円筒状凸部８ｃ及び円柱状凸部８ｈは、ギヤ８におけるロータ７との嵌合部である。

図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれロータ７とギヤ８の端面形状を示す斜視図である。図８（ａ）は、ギヤ８の端面に同心円状に４本の円柱状凸部８ｈを９０度間隔で設けた場合の斜視図である。一方、図８（ｂ）は、円柱状凸部８ｈと十分なクリアランスを有する径の丸穴７ｈが、円柱状凸部８ｈと相対する位置に設けられている。丸穴７ｈ及び円柱状凸部８ｈを９０度間隔で設けることにより、少なくとも一つの円柱状凸部８ｈで確実にロータ７からギヤ８へトルクの伝達が可能である。

図８（ｃ）は、軸方向から見たロータ７とギヤ８の嵌合状態を表している。実線がロータ７、破線がギヤ８の外形形状である。この図では、ロータ７がギヤ８に対して同図上方へ偏芯しており、偏芯量は最大で丸穴７ｈと円柱状凸部８ｈの半径の差分だけ偏芯することが可能であり、０．１ｍｍから０．３ｍｍ程度のクリアランスを設けている。ロータ７からギヤ８へのトルクの伝達は、複数ある円柱状凸部８ｈの一部で行われる。同図では、矢印の方向にロータ７が回転する場合、円柱状凸部８ｈでトルクが伝達されている。もちろん、円柱状凸部８ｈの数、および円柱状凸部８ｈと丸穴７ｈのクリアランスの大きさは適切な値に調節することが必要となる。

このように、ロータとギヤの嵌合部に所定の間隙を有することにより、駆動中のロータ７に径方向に拘束する力を与えないので、ギヤ８の姿勢変化に関わらず、ロータ７の軸心は安定して駆動可能な位置を自ら探して滑らかな駆動を維持することができる。

（第３の実施形態）
図９（ａ）は撮像装置であるカメラの外観斜視図であり、４０はレンズの鏡筒を示す。図９（ｂ）は鏡筒の駆動機構を示す模式図である。

図９（ｂ）において、本実施形態のカメラは、振動波駆動装置及び減速ギヤ２０ａ〜２０ｃを鏡筒４０の側面に配置し、振動波駆動装置の出力を減速ギヤ２０ａ〜２０ｃを介して鏡筒４０のギヤ３０に伝達することで、鏡筒が光軸方向に移動する。本実施形態では、ウォームホイール１１の回転出力を減速して鏡筒４０のギヤ３０に伝えるために、３つの減速ギヤ２０ａ〜２０ｃを有しているが、減速ギヤの数は、鏡筒の繰り出し、繰り込み速度応じて所望の数だけ設けると良い。また、減速ギヤを設けず、ウォームホイール１１が直接、鏡筒４０のギヤ３０と噛み合い、鏡筒を駆動してもよい。

本発明の振動波駆動装置は、出力伝達部材の一部がウォームギヤのウォームを構成し、ウォームホイール１１と噛みあうことにより、カメラの上下方向を回転軸とする回転を、光軸方向を回転軸とする回転に変換することができる。よって、本実施形態のように振動波駆動装置を光軸に対して略垂直に配置することが可能となる（つまり、振動波駆動装置の回転軸を鏡筒の光軸に対し略垂直に配置することが可能となる）。

また、図９（ｂ）では、振動波駆動装置を減速ギヤの横に設けているが、振動波駆動装置と減速ギヤは光軸方向で略重なるように設けることで、コンパクトに配置することができる。

１ 第１の弾性体
２ 第２の弾性体
３ 積層圧電素子
４ シャフト
５ ナット
６ 摩擦板
７ ロータ
７ｃ 円形凹部
７ｈ 丸穴
８ ギヤ
８１ ウォーム
８２ ストッパ
８３ 張り出し部
８ｃ 円筒状凸部
８ｈ 円柱状凸部
９ 振動子
１０ フランジ
１１ ウォームホイール
１２ フォトインタラプタ
１３ コイル
１５ 加圧バネ

Claims (7)

1. 振動を発生させる振動子と、前記振動子に摩擦接触し前記振動によって回転軸まわりに回転する回転子と、前記回転軸と同軸まわりに回転し前記回転子の回転を外部に伝達する出力伝達部材と、前記振動子を外部に固定する固定部と、を備え、
   前記出力伝達部材は、前記固定部と前記回転子との間に設けられ、
   前記出力伝達部材の一部が、ウォームギヤのウォーム部を構成し、
   前記ウォーム部の出力半径が、前記回転子の外径より小さいことを特徴とする振動波駆動装置。
2. 前記回転子の軸となる軸部材には段差が設けられており、
   前記出力伝達部材には、前記段差に嵌合することにより、前記出力伝達部材の前記軸に対する傾きと前記軸方向への移動量とを制限するストッパが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の振動波駆動装置。
3. 前記ストッパと前記段差との間に間隙を設け、前記出力伝達部が軸方向に移動可能となることを特徴とする請求項２に記載の振動波駆動装置。
4. 前記回転子における前記出力伝達部材との嵌合部と、前記出力伝達部材における前記回転子との嵌合部との間に間隙が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の振動波駆動装置。
5. 前記ウォーム部は鼓型であり端部ほど外径が大きくなる構造であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の振動波駆動装置。
6. 前記出力伝達部材は、前記ウォーム部よりも径の大きい張り出し部を一体的に有するとともに、前記張り出し部には、フォトインタラプタと共に用いられ、回転センサとして機能する放射状のスリットが設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の振動波駆動装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の振動波駆動装置が鏡筒の光軸に対して略垂直に配置されていることを特徴とする撮像装置。