JP6429516B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

本発明は、振動子に楕円振動を発生させ、振動子に加圧接触する被駆動体を駆動する超音波モータに関する。

従来から無音動作、低速から高速までの駆動が可能、高トルク出力などの特徴をいかして、例えば、カメラやレンズの駆動源として超音波モータが採用されている。特許文献１に開示された超音波モータは、回転軸を有する円環状の被駆動体と複数の振動子とから構成され、振動子は被駆動体に加圧された摩擦接触状態で、円環状の被駆動体上に所定の間隔を隔てて配置される。その摩擦接触状態で上記振動子に超音波振動が励起されると、振動子の被駆動体と接している部分に楕円運動が生じ、被駆動体が回転軸を中心に回転駆動される。上記振動子の被駆動体への加圧力は、振動子の中央付近に設定された振動の節にあたる中立軸付近において振動子を、ホルダ部材、押圧部材を介して板バネにより被駆動体へ付勢することで得られる。そして、その加圧力の調節は、上記板バネの固定部近傍に設けられたビスと調整ワッシャーによってなされる。

特開２００６−１５８０５２号公報 特開２００４−３０４８８７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に開示された上記超音波モータにおける上記振動子の保持機構は、構成部品が多く複雑であった。特に、超音波モータの駆動時に圧電素子からもれ出た振動によりホルダ部材や押圧部材から不快な異音が発生してしまう。また、振動子を被駆動体に対して安定した加圧状態で保持するために支持軸を振動子の中立軸付近に設ける必要があり、部品点数が多く、組立も複雑であった。また、大型の圧電素子を用いているためコストが高い構成となっていた。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、簡単な構成で駆動時に超音波振動のもれによる不快な異音を発生させずに振動子を被駆動体に対して安定した加圧状態で保持することが可能な超音波モータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の超音波モータは以下のような構成としている。

振動板と圧電素子からなる振動子と、振動子により駆動される被駆動体と、振動子を保持する保持手段と、保持手段を介して振動子を被駆動体に加圧する加圧手段とを備え、振動子に発生させる振動により被駆動体を駆動する超音波モータにおいて、振動子の中央部には圧電素子が固定され、前記振動子の周辺部には保持手段に位置決めするための位置決め部が設けられ、振動子と保持手段との間には、前記振動子と前記保持手段とに接触して振動子の中央部から周辺部の方向へ延在する緩衝部材が設けられ、加圧手段による加圧時の緩衝部材の変形量は、周辺部よりも中央部で大きくなっている。

本発明によれば、簡単な構成で駆動時に超音波振動のもれによる不快な異音を発生させずに振動子を被駆動体に対して安定した加圧状態で保持することが可能な超音波モータを提供することができる。

本発明による超音波モータの全体を示す斜視図である。 本発明による超音波モータを分解した状態を示す斜視図である。 本発明による超音波モータの振動板と保持部材との連結状態を説明するための拡大斜視図である。 図３の各部材について分解した状態を示す斜視図である。 （Ａ）は各部材を組込んだ状態を示し、相対駆動方向と加圧方向とに平行な拡大断面図であり、（Ｂ）は各部材を組込んだ状態を示し、（Ａ）の断面に直交する拡大断面図である。 ロータが傾いた状態を示し、相対駆動方向と加圧方向とに平行な拡大断面図である。 本発明による超音波モータを有するレンズ鏡筒の断面図である。

［実施例］
以下、図を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、本実施例の超音波モータは、デジタルカメラのレンズ鏡筒の駆動用アクチュエータとしてユニット化した回転駆動型超音波モータを例に説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態である超音波モータ１００を示す図である。図１は本発明による超音波モータ１００の全体を示す斜視図であり、図２は図１の超音波モータ１００を分解した状態を示す斜視図である。なお、それぞれの図において同一部材は同一符号で図示される。

１０１は被駆動体たるロータであり、後述する振動子が摩擦接触する円環形状の接触面１０１ａを備える。１０２は、接触面１０１ａに摩擦接触状態で加圧保持される振動板であり、１０３は、振動板１０２に接着剤などにより圧着された圧電素子である。そして、振動板１０２と圧電素子１０３が圧着された状態で、圧電素子１０３に電圧を印加することにより振動板１０２で楕円運動を発生させることができる。なお、振動子は振動板１０２と圧電素子１０３により構成される。そして、本実施例では３組の振動子でロータ１０１を回転駆動する。なお、図１においては、図の煩雑さを防ぐため３組のうち１組のみに符号を付す。１０４は、圧電素子１０３と後述する保持部材１０５の間に配置され、すなわち、振動子と保持部材１０５とにより挟持され、圧電素子１０３の振動を阻害せずに保持部材１０５に伝搬させないよう吸収する緩衝部材であり、フェルトにより構成される。１０５は、緩衝部材１０４を介して振動子を位置決めして保持する保持手段としての保持部材である。１０６はリング部材であり、保持部材１０５、および、後述する加圧軸１０７、板バネ１０８などを保持する。１０７は、リング部材１０６の穴部１０６ａに受け入れられる加圧軸であり、接触面１０１ａに垂直な方向にのみ進退移動可能に保持され、後述する板バネ１０８により緩衝部材１０４と保持部材１０５を介して振動子を付勢してロータ１０１の接触面１０１ａへ加圧している。１０８は板バネであり、両端部を２本のビス１０９にてリング部材１０６へ固定され、加圧力を発生させる。そして、この加圧軸１０７と板バネ１０８は、本発明の加圧手段を構成している。以上のように、上述した各部材が組み立てられ、超音波モータとしてユニット化される。なお、実際のレンズ鏡筒などに組み込まれる際には、ロータ１０１をフォーカス機構やズーム機構に連結して駆動する。

次に、図３及び図４を用いて振動子保持構造の詳細について説明する。図３は、図１及び図２における振動板１０２と保持部材１０５との連結状態を説明するための拡大斜視図であり、ロータ１０１側からみた図である。図４は、図３の各部材について分解した状態を示す斜視図である。

図において振動板１０２の中央部１０２ａには、２か所の突起部１０２ｂが形成される。突起部の上端面、すなわち、ロータ１０１の接触面１０１ａと当接する２つの面は同一面で形成され、接触面との当接状態を良好にするため、製造時には研磨工程などにより均一な面に仕上げられる。

一方、中央部１０２ａの裏面側には圧電素子１０３が接着剤などにより圧着されている。この圧電素子１０３は複数の圧電素子膜を積層して一体化したものである。そして、この圧電素子１０３に接合されたフレキシブルプリント基板（不図示）などを介して、所望の交流電圧を圧電素子１０３に印加し、振動板１０２に２つの振動モードを励起する。このとき２つの振動モードの振動位相が所望の位相差となるように設定することで、突起部１０２ｂには、図３の矢印Ｒで示すような楕円運動が発生する。この楕円運動を図１及び図２に示すような３か所の振動子で発生させ、ロータ１０１の接触面１０１ａに伝達することで、振動子とロータ１０１の間に相対駆動力を発生させ、ロータ１０１を回転駆動させることが可能となる。なお、上記圧電素子１０３の積層構造や振動モードに関する詳細は、特許文献２に記載されている内容と同様であるため、詳細な説明は省略する。

振動板１０２の両端には、腕部１０２ｃを介して周辺部１０２ｄが形成され接続されている。周辺部１０２ｄには位置決め用の穴部１０２ｅが形成され、保持部材１０５の軸部（位置決めピン）１０５ｃと位置決めされる。なお、本発明の構成において、穴部１０２ｅが位置決め部に対応している。腕部１０２ｃは、図のように中央部１０２ａに対しては十分に細い形状となっており、中央部１０２ａにおいて発生する振動を周辺部１０２ｄに伝達しにくい構成となっている。

圧電素子１０３の圧着面の裏側には緩衝部材１０４が配置され、振動板１０２の中央部１０２ａに対応した中央部１０４ａと、振動板１０２の周辺部１０２ｄに対応した周辺部１０４ｂとが一体で形成される。周辺部１０４ｂには、保持部材１０５の軸部１０５ｃと位置決めするための穴部１０４ｃが形成されている。

緩衝部材１０４の圧電素子１０３との当接面の裏側には保持部材１０５が配置され、保持部材１０５は、緩衝部材１０４の中央部１０４ａに対応した中央部１０５ａと緩衝部材１０４の周辺部１０４ｂに対応した周辺部１０５ｂとから形成され、それらは互いに異なる面高さで構成される。周辺部１０５ｂには軸部１０５ｃが形成され、軸部１０５ｃは、緩衝部材１０４の穴部１０４ｃと振動板１０２の周辺部１０２ｄの穴部１０２ｅとに収容されるようにされており、それらを位置決めしている。

ここで、保持部材１０５の中央部１０５ａは、振動板１０２の裏面側に圧着された圧電素子１０３とフレキシブルプリント基板（不図示）との厚み分を考慮し、加圧方向のその面高さは周辺部１０５ｂより低く形成されている。しかしながら、中央部１０５ａと周辺部１０５ｂとの面高さ差は、圧電素子１０３とフレキシブルプリント基板との厚み分より小さく設定されている。したがって、加圧手段による加圧時の緩衝部材１０４の加圧方向の変形量は中央部１０４ａと周辺部１０４ｂでは異なり、中央部１０４ａの方が大きくなるように設定している。これは、振動板１０２の加圧による周辺部１０２ｄの変形を避けるためと、緩衝部材１０４により不要な振動を吸収することで異音発生を抑制することとの両者を目的としている。

加圧軸１０７と板バネ１０８で発生する加圧力を保持部材１０５と、緩衝部材１０４と、圧電素子１０３と、振動板１０２とを介してロータ１０１へ伝達するため、振動板１０２の中央部１０２ａでは、加圧力に応じた量だけ緩衝部材１０４が変形する。一方、振動板１０２の周辺部１０２ｄでは、緩衝部材１０４が中央部１０４ａと同じ量だけ変形すると、振動板１０２の周辺部１０２ｄに加圧力に近い大きな力が発生してしまうため、強度の弱い腕部１０２ｃ付近で変形が生じてしまう。したがって、振動板１０２の周辺部１０２ｄでは、加圧による変形が発生しない程度の緩衝部材１０４の小さな変形量となるように保持部材１０５の周辺部１０５ｂの面高さを設定している。このとき、振動板１０２の周辺部１０２ｄでは、振動板１０２と緩衝部材１０４が接触しないように構成することも考えられるが、そのような場合、振動板１０２からもれ出た振動が保持部材１０５の軸部を介して伝わることで異音発生の原因となってしまう。したがって、本発明では振動板１０２の周辺部１０２ｄでも振動板１０２と緩衝部材１０４が接触する構成、すなわち、振動板１０２の中央部１０２ａから周辺部１０２ｄまで緩衝部材１０４が振動板１０２と保持部材１０５とに接触して延在する構成とし、振動を阻害せず振動吸収体として優れた特性を有する緩衝部材１０４にて、振動板１０２からもれ出た振動を吸収するようにしている。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、各部材を組込んだ状態を示す拡大断面図で、３か所の振動子のうち１か所のみを拡大している。なお、残りの２か所についても同様の構成であるため説明は省略する。図５（Ａ）は、図３における振動板１０２の２か所の突起部１０２ｂのほぼ中心を結ぶ線を含む面を切断面とした縦断面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の縦断面に直交し、２か所の突起部１０２ｂ間のほぼ中間における横断面図である。

図５（Ａ）において、１１０は、振動板１０２の２か所の突起部１０２ｂ間のほぼ中間に位置し、ロータ１０１の接触面１０１ａに直交する中心線である。また、図５（Ｂ）において、１１０は、突起部１０２ｂのほぼ中心に位置し、ロータ１０１の接触面１０１ａに直交する中心線である。

振動板１０２の突起部１０２ｂの上端面はロータ１０１の接触面１０１ａと当接し、摩擦接触状態にある。振動板１０２には、圧電素子１０３が接合される。圧電素子１０３と保持部材１０５の間には緩衝部材１０４が配置され、緩衝部材１０４の中央部１０４ａの加圧時の寸法は図中Ａで示される加圧時厚さを有する。また、周辺部１０４ｂにおいても、振動板１０２と保持部材１０５の間に緩衝部材が配置され、緩衝部材１０４の周辺部１０４ｂでの加圧時の寸法は図中Ｂで示される加圧時厚さを有する。そして、緩衝部材１０４の加圧が無い状態での厚みをＣとすると、加圧された状態における中央部１０４ａでの緩衝部材１０４の変形量Ｘｃと周辺部１０４ｂでの緩衝部材１０４の変形量Ｘｐとは以下の式（１）、（２）で表される。
Ｘｃ＝Ｃ−Ａ （１）
Ｘｐ＝Ｃ−Ｂ （２）

そして、変形量Ｘｃ、Ｘｐには以下の式（３）で表される大小関係を有している。
Ｘｃ＞Ｘｐ （３）

このとき、変形量Ｘｐは振動板１０２を変形させない程度の小さな量に設定することで、振動板１０２の変形防止と振動板１０２からもれ出る不要な振動の吸収の両者を実現することができる。

保持部材１０５の軸部１０５ｄがリング部材１０６の穴部１０６ｂに受け入れられ、板バネ１０８による加圧方向において保持部材１０５が進退移動可能な状態でリング部材１０６に対して位置決めされる。保持部材１０５の上側中央付近には、図中で示す円１１１を紙面奥行方向に押し出した円筒形状の一部の面で形成された凸部１０５ｅが設けられている。そして、この凸部１０５ｅには加圧軸１０７の下端平面部が接触している。したがって、図５（Ａ）に示す保持部材１０５の縦断面においては、凸部１０５ｅと加圧軸１０７の接触は点接触となり、保持部材１０５は円１１１の中心を回転中心として図５（Ａ）の左右に傾斜可能な構成となっていて、対向する軸部１０５が相対的に搖動変位可能とされている。なお、図５（Ｂ）に示す保持部材１０５の横断面においては、凸部１０５ｅが上述したように円筒面で形成されているため、凸部１０５ｅと加圧軸１０７の接触は線接触となり、図５（Ｂ）の左右に、すなわち、保持部材１０５の横断方向においては傾斜できない構成となっている。

加圧軸１０７は、リング部材１０６の中央付近に形成された穴部１０６ａに受け入れられ、板ばね１０８による加圧方向にのみ進退移動可能に保持される。加圧軸１０７の上側の凸部に、板バネ１０８が変形した状態で、すなわち、加圧力を付加した状態で接触していて、中心軸１１０に沿う加圧方向に加圧軸１０７を付勢している。板バネ１０８は、その両端部をビス１０９によってリング部材１０６に固定される。そして、この板バネ１０８の変形による加圧力が、加圧軸１０７、保持部材１０５、緩衝部材１０４を介して、圧電素子１０３と一体化された振動板１０２へ伝達され、振動板１０２の突起部１０２ｂの上端面をロータ１０１の接触面１０１ａに加圧することが可能となっている。なお、板バネ１０８は、形状を円弧に沿うような形とし、できるだけ長く薄い板材で形成し、バネ定数を小さくするようにしている。そうすることで、部品の誤差が生じた場合でも、調整することなく加圧力のばらつきを小さく抑えることが可能となる。

図６は、図５（Ａ）と同じ断面における各部材を組込んだ状態を示す拡大断面図であり、ロータ１０１がリング部材１０６に対して傾いた状態を示す。図において、振動板１０２の突起部１０２ｂは、ロータ１０１の接触面１０１ａに追従し、摩擦接触状態を保つことができている。

これは、ロータ１０１の傾斜に合わせて、振動板１０２と圧電素子１０３からなる振動子が傾斜し、緩衝部材１０４を介して連結された保持部材１０５が円筒面で形成された凸部１０５ｅの円筒の中心を回転中心として傾斜することが可能だからである。従って、各部材の寸法誤差や組立誤差で傾きが生じた場合や、駆動時の振動や外乱により傾きが生じた場合でも、２か所の突起部１０２ｂにおけるロータ１０１に対する安定した摩擦接触状態を保つことが可能となる。すなわち、ロータ１０１に対する振動子のイコライズ性を向上させることが可能となっている。なお、図６の説明では、傾いた状態を分かりやすく説明するため傾き量を誇張して表示している。実際の傾き量は、保持部材１０５のリング部材１０６に対する組み込みガタの分だけである。

以上のように、本実施例では、緩衝部材１０４を振動板１０２の中央部１０２ａから周辺部１０２ｄまで一体で構成し、振動板１０２の中央部１０２ａに対応した緩衝材１０４の中央部１０４ａと、振動板１０２の周辺部１０２ｄに対応した緩衝材１０４の周辺部１０４ｂで加圧時の変形量を異なるように構成した。具体的には、緩衝部材１０４の周辺部１０４ｂに比べて中央部１０４ａの変形量の方が大きくなるように構成した。これにより、振動のもれによる不快な異音を発生させずに振動子を被駆動体に対して安定した加圧状態で保持することが可能となる。

図７は、本発明の超音波モータ１００を組込んだレンズ駆動装置としてのレンズ鏡筒２００の断面図を示し、レンズ鏡筒２００は撮像装置に着脱自在に取り付けられる（不図示）。

超音波モータ１００はレンズ鏡筒２００のフォーカスレンズ群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を駆動するアクチュエータとして配置されている。レンズ鏡筒２００はレンズ鏡筒の光軸Ｌを中心に略回転対称形であるため、図７では上側半分のみを表示している。また、図の煩雑さを防ぐためにフォーカスレンズ群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３以外のレンズ及びレンズ鏡筒は図７においては省略してある。なお、レンズ鏡筒２００は交換レンズ式のカメラに着脱可能なレンズ鏡筒である。

レンズ鏡筒２００は、超音波モータ１００、固定筒２０１、固定筒２０２、固定筒２０３、固定筒２０４、緩衝部材２０５、回転部材２０６、回転コロ２０７及び回転コロ保持部材２０８を備える。レンズ鏡筒２００は更に、フォーカス調整部材２０９、カム筒２１０、軸部材２１１、ビス２１２、固定筒２１３、レンズ保持枠２１４、フォーカスレンズ群Ｇ１、フォーカスレンズ群Ｇ２及びフォーカスレンズ群Ｇ３を備える。

図において超音波モータ１００は、左側に光軸Ｌを回転中心として回転駆動が可能な可動部、右側に回転駆動が不可能な固定部が配置されている。

レンズ鏡筒２００の本体を構成する固定筒２０１、２０２、２０３、２０４は、それぞれビス等（不図示）により連結されている。そして、固定筒２０３は超音波モータ１００の固定部を保持し、固定筒２０４は可動部であるロータ１０１（被駆動部）を回転可能な状態で保持している。

緩衝部材２０５はロータ１０１に固定され、ロータ１０１と一体で回転する。回転部材２０６もまた、ロータ１０１及び緩衝部材２０５と一体で回転する。

回転コロ２０７は、中心線ＣＬ１を回転中心に回転し、ロータ１０１と一体で回転する回転部材２０６に接触している。回転コロ保持部材２０８は、回転コロ２０７を回転可能に保持し、光軸Ｌを回転中心として回転する。フォーカス調整部材２０９は、撮影者が直接操作可能であり、光軸Ｌを回転中心として回転する。

カム筒２１０は、カム溝を有し、固定筒２０４に形成された溝部（不図示）を介して回転コロ保持部材２０８と連結され、光軸Ｌを回転中心として同時に回転する。

軸部材２１１は、カム筒２１０のカム溝に係合し、ビス２１２によりレンズ保持枠２１４に固定される。固定筒２１３は直進溝を有し、固定筒２０４に固定される。また、軸部材２１０と直進溝で係合しており、カム筒２１０の回転移動により軸部材２１０が直進溝を直進移動する。

フォーカスレンズのレンズ保持枠２１４は、フォーカスレンズ群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３を保持しており、軸部材２１１により固定筒２１３に対し直進に可動に配置される。なお、レンズ保持枠２１４は１か所の軸部材２１１で図示されているが、おおよそ等間隔に配置された３か所以上の軸部材で保持されていても良い。

上記のような構成により、レンズ鏡筒２００は以下のような移動機構を備える。

超音波モータ１００のロータ１０１が回転した際に、回転部材２０６も連動して回転し、それに伴い回転コロ２０７が転動する。このとき、フォーカス調整部材２０９は、固定鏡筒２０３、２０４との摩擦により静止する。その際、回転コロ２０７の転動に伴い、回転コロ保持部材２０８が光軸Ｌを中心として回転し、カム筒２１０、固定筒２１３を介して、フォーカスレンズのレンズ保持枠２１４が直線移動する。

一方、フォーカス調整部材２０９が操作された場合には、超音波モータ１００のロータ１０１が摩擦により静止し、それと連動する回転部材２０６も静止する。その際、回転コロ２０７の転動により、超音波モータ１００でロータ１０１が回転する場合と同様に、フォーカスレンズのレンズ保持枠２１４を直線移動することができる。

以上、本発明に関する上記実施例では、被駆動体たるロータが回転駆動される超音波モータを例に説明したが、本発明はこれに限定されることはない。例えば、被駆動体たるスライダが直線駆動される超音波モータにおいても適用可能である。

１０１ ロータ
１０２ 振動板
１０２ａ 中央部
１０２ｄ 周辺部
１０３ 圧電素子
１０４ 緩衝部材
１０５ 保持部材
１０７ 加圧軸
１０８ 板バネ
２００ レンズ鏡筒

Claims (9)

1. 振動板と圧電素子とからなる振動子と、前記振動子により駆動される被駆動体と、前記振動子を保持する保持手段と、前記保持手段を介して前記振動子を前記被駆動体に加圧する加圧手段とを備え、前記振動子に発生させる振動により前記被駆動体を駆動する超音波モータにおいて、
   前記振動子の中央部には前記圧電素子が固定され、前記振動子の周辺部には前記保持手段に置決めするための位置決め部が設けられ、前記振動子と前記保持手段との間には、前記振動子と前記保持手段とに接触して前記振動子の前記中央部から前記周辺部の方向へ延在する緩衝部材が設けられ、
   前記加圧手段による加圧時の前記緩衝部材の変形量は、前記周辺部よりも前記中央部で大きいことを特徴とする超音波モータ。
2. 請求項１に記載の超音波モータであって、前記中央部と前記周辺部との間には前記中央部より幅が細い腕部が設けられていることを特徴とする超音波モータ。
3. 請求項２に記載の超音波モータであって、前記緩衝部材は前記中央部から前記腕部を含み前記周辺部まで延在することを特徴とする超音波モータ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波モータであって、前記位置決め部は、前記振動子の長手方向の両端に設けられていることを特徴とする超音波モータ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波モータであって、前記振動子の前記位置決め部は穴からなり、前記保持手段に設けられた位置決めピンを収容することを特徴とする超音波モータ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波モータであって、前記被駆動体は回転駆動されるロータであることを特徴とする超音波モータ。
7. 請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波モータであって、前記被駆動体は直線駆動されるスライダであることを特徴とする超音波モータ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波モータと、レンズと、前記レンズを保持するレンズ保持枠と、前記超音波モータの前記被駆動体の駆動に連動して前記レンズ保持枠を移動させる移動機構とを備えることを特徴とするレンズ駆動装置。
9. 請求項８に記載のレンズ駆動装置を有することを特徴とする撮像装置。

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