JP6021559B2 - 振動型駆動装置及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動型駆動装置及び撮像装置に関する。特に、異なる振動モードの振動を組み合わせることにより振動子と被駆動体とを相対移動させる振動型駆動装置及び撮像装置に関する。

異なる振動モードの振動を組み合わせることにより振動子と被駆動体とを相対移動させる振動型駆動装置として、二つの異なる面外方向の曲げ振動モードを組み合わせる形態のものが提案されている（特許文献１参照）。

この振動型駆動装置は、振動子と被駆動体との間に摩擦力を発生させるため、振動子と被駆動体とを加圧接触させるための加圧部材を備えている。更に、振動子と被駆動体との接触が安定するための支持構造を備えている。

支持構造として特許文献２には、振動子の支持位置を振動子の被駆動体との接触部近傍とすることで、振動型駆動装置の発生する推力（相対移動させるための駆動力）に基づく反力によるモーメントの発生を抑える支持構造が開示されている。

特登録４２６１９６４号公報 特登録３３５９１６７号公報

特許文献２のように、振動子の支持位置を振動子の被駆動体との接触部近傍とする構成は、構造が複雑になる可能性がある。

そこで、本発明は、振動子と被駆動体との接触状態の安定化を、簡易な構造で実現することを目的とする。

本発明の振動型駆動装置は、突起部を備える振動子と、前記振動子を支持し外部の部材に固定するための支持部材と、を有し、前記振動子に励起される振動により、前記突起部に加圧された状態で接触する被駆動体を前記振動子に対して第１の方向に相対移動させる振動型駆動装置であって、
前記支持部材は、
前記振動子の前記第１の方向における両方の端部に設けられた結合部と固定される第１の固定部と、前記振動子の前記第１の方向と交差する方向の両端面である両側面の側において前記外部の部材と固定される第２の固定部と、前記第１の固定部と前記第２の固定部との間に夫々設けられた弾性変形部と、を有し、
前記弾性変形部は夫々、前記第１の方向に対して傾斜する傾斜部を備え、
前記第２の固定部に対して対称な位置に設けられた前記傾斜部同士の傾斜方向の交点が、前記第２の固定部よりも、前記突起部と前記被駆動体との接触面側に位置するように前記傾斜部が構成されていることを特徴とする。

本発明によって、振動子と被駆動体との接触状態の安定化を簡易な構成で実現することができる。

実施形態１における振動型駆動装置の構成を示す分解斜視図である。 実施形態１における振動子ユニットの斜視図である。 実施形態１における振動子ユニットの分解斜視図である。 実施形態１における振動子の斜視図である。 実施形態１における支持部材の斜視図である。 実施形態１における振動型駆動装置の断面図である。 振動子の振動モードを表わす模式図である。 参考例における振動型駆動装置の構成を示す斜視図である。 参考例における振動子ユニットの斜視図である。 参考例における振動型駆動装置の断面図である。 撮像装置の模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳述する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態における振動型駆動装置１の構成を示す分解斜視図である。振動型駆動装置１は所謂超音波モータを駆動源とした１自由度の直線駆動が可能な装置である。本実施形態の振動型駆動装置１は、振動子ユニット２と被駆動体４とを備える。

振動子ユニット２は、外部の部材としてのスライド部品３５に設けられており、スライド部品３５は、図１中Ｘ方向に延びるガイド棒３４によりＸ方向にスライド移動可能となるように保持されている。また、ガイド棒３４は、第一基部３１に固定された二つの第二基部３２に挟まれるように保持固定されている。

振動子ユニット２は、後述する振動子３（図３参照）と支持部材１３（図２参照）とを備えており、この支持部材１３を介して振動子３はスライド部品３５の固定部３５ｂにビス止めされる。このように固定されることでスライド部品３５と振動子ユニット２とはＸ方向に一体的に移動可能となる。

スライド部品３５と振動子ユニット２との間には、加圧ばね３６が配置されている。加圧ばね３６は略板バネ形状であり、Ｚ方向の撓みとバネ力の発生を行う加圧部材である。加圧ばね３６の自由端側は振動子ユニット２を形成する振動子３に接触している。

振動子ユニット２のＺ方向上側には、振動子ユニット２とのＸ方向の相対移動運動を行う被駆動体４が配される。本実施形態の被駆動体４は、角棒形状であり、摩擦駆動を行う上で必要とされる耐摩耗性を確保するために、例えばマルテンサイト系ステンレス材で形成される。被駆動体４の両端部は、被駆動体保持部材３３と第二基部３２とに挟まれた状態で固定されている。

被駆動体４と振動子ユニット２との間の推力を発生させるために必要な摩擦力を発生させるため、加圧ばね３６のバネ力により、被駆動体４と振動子ユニット２とは加圧された状態で接触している。ここで、所望の加圧接触を行うには、振動子ユニット２と被駆動体４とがＺ方向にも相対的に移動可能である必要がある。本実施形態では、後述するように、支持部材１３の一部が弾性変形することにより、振動子ユニット２と被駆動体４とがＺ方向に相対移動可能となっている。なお、振動子３と被駆動体４との間に発生する推力により、振動子３及びスライド部品３５は図中Ｘ方向に移動する。

本実施形態においては、スライド部品３５に部材を取り付けてスライド部品３５から駆動力、又は変位を取り出すことにより任意の機器を駆動できる。具体的には、実施形態２に示すようなカメラのレンズ等を駆動することができる。また、本実施形態では、振動子ユニット２が被駆動体４に対して移動する構成であるが、本発明はこれに限定されず、被駆動体４が移動する構成としてもよい。被駆動体４が移動する場合、振動子ユニット２はスライド移動しないよう外部の部材に固定され、被駆動体４が移動可能となるよう保持される。本実施形態の振動型駆動装置１は本発明の説明に用いるための一例であり、任意の構成を選択可能である。

本実施形態の振動子ユニットについて詳細に説明する。図２は、実施形態１における振動型駆動装置１で用いられる振動子ユニット２の斜視図であり、図３は振動子ユニット２の分解斜視図である。振動子ユニット２は、振動子３と支持部材１３とを備える。また、図４に振動子３の斜視図を示す。

本実施形態の振動子３は、金属材料等の弾性体により板状に形成された振動板１１と、電気−機械変換素子である矩形板状に形成された圧電素子板１２とを接着等により一体化することで構成される。振動子３には、外部との電気的な接続を行う、フレキシブル基板１４が配される。

振動板１１は、矩形状の振動部１１ａ、振動部１１ａの上面（圧電素子板１２の固定面とは反対側の面）においてＸ方向の２箇所に形成された突起部１１ｂ、振動部１１ａのＸ方向の両側（つまり振動子３における両方の端部）に形成された結合部１１ｃを備えている。振動板１１はＸ方向及びＹ方向に対称な形状である。なお、本発明において、「対称」な形状とは厳密に対称な形状だけでなく、加工誤差等により略対称な形状も含む。

ここで、図７を用いて振動子３に励起される二つの振動モードについて説明する。本実施形態では、圧電素子板１２に交流電圧を印加して振動子３に２つの面外方向の曲げ振動モード（ＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂ）を合成した振動を励振する。第１の振動モードとしてのＭＯＤＥ−Ａは、振動子３の長手方向である図中Ｘ軸方向に平行に２つの節が現れる一次の面外曲げ振動モードであり、ＹＺ面に対称な形状のモードである。ＭＯＤＥ−Ａの振動により、二つの突起部１１ｂには被駆動体と接触する面と垂直な方向（Ｚ軸方向）に変位する振幅が励振される。つまり、ＭＯＤＥ−Ａの振動により、突起部１１ｂは、被駆動体４を突き上げる方向に変位する。なお、本発明において「平行」とは、厳密に平行な場合だけなく、略平行とみなせる場合も含む。

第２の振動モードであるＭＯＤＥ−Ｂは振動子３の図中Ｙ軸方向に平行に３つの節が現れる二次の面外曲げ振動モードであり、ＹＺ面に逆対称且つＸＺ面に対称な形状のモードである。ＭＯＤＥ−Ｂの振動によって、二つの突起部１１ｂには被駆動体と接触する面と平行な方向（Ｘ軸方向）に変位する振幅が励振される。つまりＭＯＤＥ−Ｂの振動により、突起部１１ｂは、被駆動体４との相対移動方向に変位する。これら二つの振動モードを組み合わせることで接触部である二つの突起部１１ｂの上部はＸＺ面内の楕円運動を行い、Ｘ軸方向に被駆動体４を相対移動させる駆動力（推力）が発生する。この駆動力により、振動子３と被駆動体とは相対的に移動する。

ここで、本実施形態において、Ｘ方向は振動子３と被駆動体４との相対移動方向（第１の方向）と言える。また、Ｚ方向は振動子３と被駆動体４との加圧方向であり、ＭＯＤＥ−Ａにおける突起部の突き上げ方向と言える。

次に本実施形態の支持部材１３について詳細に説明する。図５に支持部材１３の斜視図を示す。本実施形態の支持部材１３は、薄板状の金属材料に、打ち抜き及び曲げ加工を行うことにより形成されている。支持部材１３はＸ方向及びＹ方向に対称な形状である。

支持部材１３は、Ｘ方向の端部に位置する二つの第１の固定部１３ａと、Ｙ方向両側に位置する二つの第２の固定部１３ｂと、第１の固定部１３ａと第２の固定部１３ｂとを繋ぐように弾性変形部１３ｃを備える。第１の固定部１３ａは、振動子３の結合部１１ｃと組み合わされて固定される箇所である。第２の固定部１３ｂは、振動子のＹ方向両側（つまり振動子のＸ方向と交差する方向の両端面である両側面の側）において、スライド部品３５の固定部３５ｂと固定される箇所である。第２の固定部１３ｂにより、振動子ユニット２が外部の部材であるスライド部品３５と取付けられる。弾性変形部１３ｃは、第１の固定部１３ａと第２固定部１３ｂとの間の４箇所に形成されている。

支持部材１３は、振動子３のＺ方向上側に配置されており、これら支持部材１３及び振動子３の中心位置がＸ、Ｙ方向に略一致するように位置が決められているので振動子ユニット２はＸ方向及びＹ方向に対称な形状である。ここでフレキシブル基板１４は他の構成部品と比較して剛性が低いので、本実施形態においては対称性を阻害しないものとみなしている。

支持部材１３の第２の固定部１３ｂがスライド部品３５に固定されている状態で、振動子３の二つの突起部１１ｂに外部からの力、又は変位が加えられると、これらの値に応じて支持部材１３の弾性変形部１３ｃに弾性変形を生じさせる力が発生する。

図６には、支持部材１３の作用を説明するための模式図を示している。図６において、支持部材１３、振動板１１、固定部３５ｂに関して説明に必要な箇所を模式的に示している。支持部材１３は振動型駆動装置１に組み込まれた状態を示しており、図６中では、第２の固定部１３ｂがスライド部品３５の固定部３５ｂに固定された状態を示している。

図６（ａ）は支持部材１３に弾性変形が生じていない状態を示しており、図６（ｂ）は外力の作用により支持部材１３に弾性変形が生じている状態を示している。

弾性変形部１３ｃは、薄板金属材料で形成されている支持部材１３の一部に所望の角度で曲げ加工が施された傾斜部としての調整部１３ｃ２を備えている。この調整部１３ｃ２にはＸ軸に対して角度Ａ２が与えられている。調整部１３ｃ２の断面の延長線の交点Ｃ１（傾斜部同士の傾斜方向の交点）は、支持部材１３が振動子ユニット２に組み込まれた状態において、第２の固定部よりも、突起部１１ｂと被駆動体４との接触面側に位置している。

このように構成することにより、調整部１３ｃ２は矢印Ａ３に示す方向に剛性が低く、この矢印Ａ３とＸＺ面において直交する方向には剛性が大きくなるように形成される。さらに本実施形態においては、交点Ｃ１のＺ方向における位置が、突起部１１ｂのＺ方向における位置の高さと一致（位置が同じ）である。ここで本発明において、位置が「一致」、位置が「同じ」とは、厳密に一致していたり同じ位置にある場合だけでなく、位置が略一致、位置が略同じ場合も含む。なお、交点Ｃ１のＺ方向における位置は上記に限定する必要は無く、各部品の構造や静的な剛性の状態等に応じて調整すれば良い。

図６において、支持部材１３が振動子ユニット２に組み込まれた状態で振動子３の突起部１１ｂが受ける外力を、模式的にＦ１で表わしている。この外力Ｆ１は、振動型駆動装置１を作動させている状態（つまり、振動子ユニット２と被駆動体４とを相対移動させている状態）で、被駆動体４から受ける反力であるのでＸ方向と等しい。

この外力Ｆ１が加えられている時、支持部材１３の２箇所の弾性変形部１３ｃには、振動板１１、第１の固定部１３ａ（図５参照）を介して力が伝達される。また、弾性変形部１３ｃの一端は、第２の固定部１３ｂが固定部３５ｂに固定されていることにより変位が制限されている。

振動子ユニット２は、第２の固定部１３ｂにより保持されており、一方で突起部１１ｂにＸ方向の外力が加えられることになる。このような状態での弾性変形部１３ｃ等の変形や姿勢変化を図６（ｂ）に示している。ただし図６においては変形等を誇張して示しており、実際の変形はより小さいものとなっている。弾性変形部１３ｃのうち、調整部１３ｃ２に生じる曲げ変形は非常に小さく、この箇所以外の弾性変形部１３ｃに曲げ変形が生じることになる。その結果、図６（ｂ）に示されるような変形状態となる。

このように弾性変形部１３ｃが変形すると、振動板１１、つまり図６では省略されている振動子３は、図６中矢印で示したｄＸ、即ちＸ方向に変位するように姿勢変化が生じることになる。これにより、外力Ｆ１による振動子３の姿勢変化からはモーメント力の発生が生じることを抑制することが出来ている。

つまり、本実施形態の支持部材１３の弾性変形部１３ｃは、振動子に対して、Ｙ方向を軸とした回転運動をさせる力よりも、Ｘ方向に変位させる力が多くかかるよう構成されている。

この結果、外力Ｆ１が加えられても突起部１１ｂにはＺ方向の力が発生せず、安定した接触状態を維持することが可能となる。

（参考例）
次に、従来提案されている特許文献２と同様の構成の支持部材を用いた振動型駆動装置の例を説明する。図８は、本参考例における振動型駆動装置１ａの分解斜視図である。本参考例で示す振動型駆動装置１ａは、第一基部３１と二つの第二基部３２とにより基台が形成されている。そして、二つのガイド棒３４が、二つの第二基部に両側を保持され、Ｘ方向に沿うように配される。スライド部品３５は、二つのガイド棒３４と組み合わされてＸ方向のみに相対移動可能となる。

スライド部品３５の上部には振動子ユニット２が配される。スライド部品３５には二つの伝達部３５０ｂが形成されている。この伝達部３５０ｂは図中Ｚ方向に向いた開口が形成されている。一方、振動子ユニット２には後述する伝達部１５ｂが形成されており、スライド部品３５の伝達部３５０ｂと振動子ユニット２の伝達部１５ｂとが嵌め合わされて推力の伝達が行われる。

また、スライド部品３５の上部には加圧ばね３６が配置固定されている。加圧ばね３６は板バネ形状であり、図中Ｚ方向のバネ力の発生を行うものである。加圧ばね３６の自由端側は振動子ユニット２を形成する振動子３に接触している。

振動子ユニット２のＺ方向上部には、振動子ユニット２とのＸ方向の相対移動運動を行う被駆動体４が配される。被駆動体４は実施形態１と同様に角棒形状であり、例えばマルテンサイト系ステンレス材で形成される。被駆動体４は両端部を被駆動体保持部材３３と第二基部３２とで挟み込まれて固定されている。

被駆動体４と振動子ユニット２との間の推力を発生させるにために必要な摩擦力を発生させるため、加圧ばね３６の発生するバネ力を用いて被駆動体４と振動子ユニット２とが加圧接触されている。加圧ばね３６に変形量を与えて所望の加圧接触を行うには、振動子ユニット２とスライド部品３５とがＺ方向に相対的に移動可能である必要があり、この機能は伝達部３５０ｂと１５ｂとがＺ方向に相対移動可能とすることで与えられている。

参考例の振動型駆動装置１ａに用いられている振動子ユニット２を、図９を用いて説明する。振動子ユニット２は、振動子３と支持部材である振動子保持部品１５とを組み合わせて構成されている。振動子ユニット２と被駆動体４とはＸ方向に相対移動運動が行われる。ここで、振動子３の構成や振動方式等は上述の実施形態１と同様であるため重複する説明を省略する。

振動子保持部品１５は金属部品で形成されており、４箇所の枠部１５ｃ及びこれら枠部１５ｃで繋げられるように二つの固定部１５ａ及び二つの伝達部１５ｂが形成されている。振動子保持部品１５は、振動子３と二つの固定部１５ａを介して接合される。伝達部１５ｂはＹ方向に延出するように配された円筒形状の部位であり、この円筒形状の中心軸のＺ方向の位置は振動板１１の二つの突起部１１ｂと一致するように形成されている。

図１０は、振動子ユニット２をＺ方向中央付近で見たＸＺ断面図である。伝達部１５ｂを点線で示している。振動子ユニット２には被駆動体４との間に加圧力ＦＺ０が作用している。また、振動子ユニット２には被駆動体４とＸ方向に相対移動を行うため、二つの突起部１１ｂには被駆動体からの反力が作用する。この相対移動により発生する反力ＦＸ１を矢印で示している。さらに二つの突起部１１ｂが受ける力ＦＸ１により、二つの伝達部１５ｂにはＦｘと逆向きの力ＦＸ２が発生する。

これらの力ＦＸ１とＦＸ２は、大きさが等しく、互いに逆向きである。仮にＦＸ１とＦＸ２がＺ方向に異なる位置であると、振動子ユニット２にはＹ軸回りのモーメント力が生じることとなる。本構成の場合、このモーメント力は突起部１１ｂにＺ方向の力として作用することとなる。このＺ方向の力が生じると元々所望の値として設定している加圧力ＦＺ０を変動させることになり、振動型駆動装置としての性能に変化が生じてしまう。このような影響を避けるため、本参考例では、伝達部１５ｂは二つの突起部１１ｂとＺ方向に略同位置の位置となるように配してＹ軸回りのモーメントが発生しないようにしている。

このように、本参考例では、振動子ユニット２の発生する推力の伝達が、スライド部品３５の伝達部３５０ｂと支持部材である振動子保持部品１５の伝達部１５ｂとの嵌め合いを介して行われている。この伝達部３５０ｂと１５ｂは前述のようにＺ方向に相対移動可能であることが必要であり、そのためわずかながらでもＸ方向に隙間が与えられている。しかしながら、本参考例では、この隙間により振動子ユニット２と被駆動体４とのＸ軸方向の相対移動変位を直接スライド部材３５に伝達することができず、高精度の位置決めが困難なものとなる。また、ばね力を利用して前記隙間を排除するなどの構成も考えられるが、そのためには部品点数や質量、スペースの増加などの課題が生じてしまう。

（実施形態２）
第１の実施形態で説明した振動型駆動装置１は、レンズ駆動用途として用いることができる。本実施形態では、第１の実施形態の振動型駆動装置１を撮像装置（光学機器）に用いた例について図１１を用いて説明する。

図１１は、レンズ鏡筒を備えた撮像装置を説明するためのブロック図である。第１レンズユニット３１０〜第４レンズユニット３４０の光軸上の後方（レンズを通過した光が入射する位置）に撮像素子８１０が配置される。この撮像素子８１０の出力はカメラ処理回路８２０に接続されている。カメラ処理回路８２０の一方の出力はＡＥゲート８３０を介してＣＰＵ８４０に接続され、他方の出力はＡＦゲート８５０、ＡＦ信号処理回路８６０を介してＣＰＵ８４０に接続されている。

第２レンズユニット３２０の位置を検出する第１のリニアエンコーダ８７０、光量調節ユニット３５０の絞りを検出する絞りエンコーダ８８０、第４レンズユニット３４０の位置を検出する第２のリニアエンコーダ８９０の出力はＣＰＵ８４０に接続されている。リニアエンコーダ８７０、８９０はそれぞれ第２レンズユニット３２０及び第４レンズユニット３４０の光軸方向での相対位置（基準位置からの移動量）を検出する。

ＣＰＵ８４０の出力は、振動型駆動装置１（図１参照）の振動子３と、光量調整ユニット３５０の駆動源であるメータ９３０に接続されている。ＣＰＵ８４０は、撮像装置の動作の制御を行う制御回路であり、カメラ処理回路８２０は撮像素子８１０の出力に対して増幅やガンマ補正などを施す。特定の処理を受けた映像信号のコントラスト信号は、ＡＥゲート８３０及びＡＦゲート８５０を通過する。これらのゲート８３０、８５０により、露出決定及びピント合わせのために最適な信号の取り出し範囲が全画面内から設定される。ＡＦ信号処理回路８６０は、オートフォーカス（ＡＦ）用であり、映像信号の高周波成分を抽出してＡＦ評価値信号を生成する。

以上説明したように、第１の実施形態で説明した振動型駆動装置１は、撮像装置のレンズを移動させる用途として用いることができる。

１ 振動型駆動装置
２ 振動子ユニット
３ 振動子
４ 被駆動体
１１ 振動板
１２ 圧電素子板
１３ 支持部材
３１ 第一基部
３２ 第二基部
３３ 被駆動体枠
３４ ガイド棒
３５ スライド部品

Claims (6)

1. 突起部を備える振動子と、前記振動子を支持し外部の部材に固定するための支持部材と、を有し、前記振動子に励起される振動により、前記突起部に加圧された状態で接触する被駆動体を前記振動子に対して第１の方向に相対移動させる振動型駆動装置であって、
   前記支持部材は、
   前記振動子の前記第１の方向における両方の端部に設けられた結合部と固定される第１の固定部と、前記振動子の前記第１の方向と交差する方向の両端面である両側面の側において前記外部の部材と固定される第２の固定部と、前記第１の固定部と前記第２の固定部との間に夫々設けられた弾性変形部と、を有し、
   前記弾性変形部は夫々、前記第１の方向に対して傾斜する傾斜部を備え、
   前記第２の固定部に対して対称な位置に設けられた前記傾斜部同士の傾斜方向の交点が、前記第２の固定部よりも、前記突起部と前記被駆動体との接触面側に位置するように前記傾斜部が構成されていることを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記傾斜部は、前記第１の方向と前記加圧の方向とで規定される面と平行な面内において、前記傾斜方向に直交する方向より、前記傾斜方向の剛性が大きくなることを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
3. 前記第２の固定部に対して対称な位置に設けられた前記傾斜部同士の傾斜方向の交点は、前記突起部と前記被駆動体との接触面と、前記加圧方向における位置が同じであることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
4. 前記振動子には、前記突起部が前記被駆動体を突き上げる方向に変位する振動モードと、前記突起部が前記第１の方向に変位する振動モードと、が合成された振動が励起されることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
5. 前記弾性変形部は、板状の金属部品で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の振動型駆動装置と、前記振動型駆動装置により移動されるレンズと、前記レンズを通過した光が入射する位置に設けられた撮像素子と、を有する撮像装置。