JP6624961B2 - 旋回駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動体と被駆動体とを加圧接触させ、振動体に励起させた振動によって振動体と被駆動体とを相対的に移動させる振動型アクチュエータを用いた旋回駆動装置に関する。

振動型アクチュエータの特徴である高精度で静粛な駆動を活かした旋回駆動装置が知られている（特許文献１参照）。図９は、周知の旋回駆動装置の一例であるステージ装置４００の概略構成を示す側面図である。ステージ装置４００では、パン駆動用の振動型アクチュエータ４０１ａの駆動軸にケース４２０が固定されており、ケース４２０にはチルト駆動用の振動型アクチュエータ４０１ｂが固定されている。そして、チルト駆動用の振動型アクチュエータ４０１ｂの駆動軸には、旋回ステージ４１０が固定されている。このような構成により、振動型アクチュエータ４０１ｂを駆動することにより、旋回ステージ４１０のみを第１の回転軸Ｌ１回りに回転させるチルト駆動を行うことができる。そして、振動型アクチュエータ４０１ａを駆動することにより、ケース４２０と振動型アクチュエータ４０１ｂと旋回ステージ４１０とを一体的に第２の回転軸Ｌ２回りに回転させるパン駆動を行うことができる。

旋回駆動装置の別の例として、互いに略直交する２つの軸のそれぞれの軸回りに回転自在な球体を回転体とし、回転体を回転駆動するために２つ以上の圧電駆動部を備える回転駆動装置が提案されている（特許文献２参照）。２つ以上の圧電駆動部はそれぞれ、回転体を回転させる第１の運転モードと、縦振動により非回転用の圧電駆動部と回転体との間の摩擦力を低減させる第２の運転モードでの駆動が可能となっている。

特開２００５−３７７２４号公報 特開２００１−２１１６７６号公報

しかしながら、上記のステージ装置４００では、パン駆動の際に、旋回ステージ４１０だけでなくチルト駆動用の振動型アクチュエータ４０１ｂとケース４２０とが一体となって第２の回転軸Ｌ２回りに回転する。そのため、パン駆動用の振動型アクチュエータ４０１ａには大きなトルクが必要となってしまい、パン駆動用の振動型アクチュエータ４０１ａが大型化し、ひいてはステージ装置４００全体が大型化するという問題が生じる。また、チルト駆動用の振動型アクチュエータ４０１ｂが第２の回転軸Ｌ２回りに回転するために、チルト駆動用の振動型アクチュエータ４０１ｂへの給電のためにスリップリング等を用いる必要があり、その分だけステージ装置が大型化してしまうという問題がある。更に、チルト駆動用の振動型アクチュエータ４０１ｂは、旋回ステージ４１０の外径側に配置されているため、パン駆動時のイナーシャが増大し、旋回ステージ４１０の位置決め精度や応答性等が低下するおそれがある。加えて、ステージ装置４００を設置する場所には、チルト駆動用の振動型アクチュエータ４０１ｂが移動可能なスペースを確保する必要があり、設置場所が制限されてしまうという問題がある。

上記特許文献２に記載された回転駆動装置では、複数の圧電駆動部を用いて回転体を駆動する構成となっているため、ステージ装置４００についての上述の問題は生じない。しかし、球体状の回転体を所定の方向に回転させるためには、複数の圧電駆動部のうちの１つを第１の運転モードで駆動し、残りを回転体との間の摩擦力を低減するために第２の運転モードで駆動する必要があるため、消費電力が増大するという問題がある。また、回転体はその表面で圧電駆動部と接触しているため、回転体の表面に高精度な加工が必要となり、生産コストが増加する。更に、回転体が球体状であるため、平板状のステージと比較すると、旋回ステージに取り付ける部材（例えば、カメラ等）の形状や大きさの制限が大きいという問題もある。

本発明は、汎用性が高く、小型で制御性に優れた旋回駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係る旋回駆動装置は、第１の回転体と、前記第１の回転体を第１の軸の軸回りに回転自在に軸支する第２の回転体と、前記第１の軸と略直交する第２の軸の軸回りに前記第２の回転体を回転自在に軸支する基台部と、前記基台部に配置された２つの振動型アクチュエータと、を備え、前記２つの振動型アクチュエータはそれぞれ、前記基台部に支持された支持部材と、前記支持部材に保持された振動体と、前記振動体に励起された振動によって、前記第１の軸および前記第２の軸の両方と略直交する第３の軸の軸方向に駆動される被駆動体と、を有し、前記２つの振動型アクチュエータの前記被駆動体はそれぞれ前記第１の回転体と連結され、前記２つの振動型アクチュエータの前記被駆動体をそれぞれ前記第３の軸の軸方向の同じ向きに駆動したときに前記第１の回転体は前記第１の軸の軸回りに回転し、前記２つの振動型アクチュエータの前記被駆動体をそれぞれ前記第３の軸の軸方向の反対向きに駆動したときに、前記第１の回転体および前記第２の回転体は一体的に前記第２の軸の軸回りに回転することを特徴とする。

本発明によれば、汎用性が高く、小型で制御性に優れた旋回駆動装置を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る監視カメラの概略構成を示す斜視図及び分解斜視図である。 図１に示す監視カメラの側面図である。 図１に示す監視カメラを構成する振動型アクチュエータの概略構成を示す分解斜視図と、振動型アクチュエータを構成する振動体に励起される振動の振動モードを説明する斜視図である。 図１に示す監視カメラをパン駆動させた状態を示す斜視図である。 図１に示す監視カメラをチルト駆動させた状態を示す斜視図である。 図１に示す監視カメラの変形例に係るステージ装置の斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る監視カメラの概略構成を示す斜視図と、監視カメラを構成する振動型アクチュエータ及びその周辺の構造を示す分解斜視図である。 図７に示す監視カメラを構成する振動型アクチュエータにおいて振動体と被駆動体とを加圧接触させる別の構成を説明する図（側面図）である。 周知のステージ装置の概略構成を示す側面図である。

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。本実施形態では、本発明に係る旋回駆動装置として、監視カメラ及びステージ装置を取り上げることとする。但し、本発明に係る旋回駆動装置は、このような用途に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態について説明する。図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る監視カメラ１００の概略構成を示す斜視図である。図１（ｂ）は、監視カメラ１００の分解斜視図である。説明の便宜上、図１（ａ），（ｂ）に示すように、監視カメラ１００に対して、互いに直交するＸ方向（Ｘ軸）、Ｙ方向（Ｙ軸）及びＺ方向（Ｚ軸）を定める。そして、監視カメラ１００は、ＸＹ面が水平面と略平行となり、Ｚ軸が鉛直方向と略平行となるように配置されているものとする。「略平行」とは、実質的に平行とみなすことができることをいい、厳密に平行であることを必要としないことをいう。

監視カメラ１００は、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂ、カメラ本体１１０（第１の回転体（撮像装置））、旋回枠体１２０（第２の回転体）及び基台部１３０を備える。カメラ本体１１０は、レンズ部１１１、２つの取付部１１２及び２つの第１の回転シャフト部１１３を有する。旋回枠体１２０は、第２の回転シャフト部１２２及び２カ所に設けられた第１の軸受１２１を有する。基台部１３０は、第２の軸受１３１及び２本のガイドピン１３２を有する。

カメラ本体１１０に設けられた２つの第１の回転シャフト部１１３はそれぞれ、レンズ部１１１の光軸Ｌ３と略直交する第１の回転軸Ｌ１（第１の軸）を中心軸とする丸棒状シャフトであり、旋回枠体１２０に設けられた第１の軸受１２１に挿入される。これにより、カメラ本体１１０は、旋回枠体１２０に対して第１の回転軸Ｌ１を中心として回転自在に軸支される。なお、第１の軸受１２１は、転がり軸受や滑り軸受等である。旋回枠体１２０の第２の回転シャフト部１２２は、第２の回転軸Ｌ２（第２の軸）を中心軸とした丸棒状シャフトであり、基台部１３０に設けられた第２の軸受１３１に挿入される。これにより、旋回枠体１２０は、基台部１３０に対して第２の回転軸Ｌ２を中心として回転自在に軸支される。なお、第２の軸受１３１は、転がり軸受や滑り軸受等である。

ここで、図１に示されるように、第２の回転軸Ｌ２はＺ方向と略平行であり、第１の回転軸Ｌ１と第２の回転軸Ｌ２とは略直交している。ここで、第１の回転軸Ｌ１と第２の回転軸Ｌ２とが略直交しているとは、部品誤差や組み付け誤差を考慮し、カメラ本体１１０のチルト駆動とパン駆動とが独立して可能な角度で交差していることを指し、厳密に直交していることを必要としないことをいう。レンズ部１１１の光軸Ｌ３と第１の回転軸Ｌ１とが略直交することも、同様に定義される。

基台部１３０に対してカメラ本体１１０と旋回枠体１２０は一体的に第２の回転軸Ｌ２回りに回転自在であり、旋回枠体１２０に対してカメラ本体１１０は、第１の回転軸Ｌ１回りに回転自在となっている。前述の通り、本実施形態では、Ｚ方向を鉛直方向と略平行な方向としているため、第２の回転軸Ｌ２は鉛直方向と略平行であり、第１の回転軸Ｌ１は水平方向と略平行である。そこで、以下の説明では、適宜、第１の回転軸Ｌ１回りにカメラ本体１１０を回転させる駆動をチルト駆動といい、第２の回転軸Ｌ２回りにカメラ本体１１０と旋回枠体１２０とを一体的に回転させる駆動をパン駆動という。

監視カメラ１００が図１（ａ）に示すように第１の回転軸Ｌ１がＹ方向と略平行な状態にあるときにＸ方向から見て、２つの取付部１１２は、カメラ本体１１０において、第２の回転軸Ｌ２を中心としてＹ方向で実質的に対称となる位置に設けられている。第１の回転シャフト部１１３が第１の軸受１２１に軸支されることによりカメラ本体１１０が旋回枠体１２０に支持された状態で、２つの取付部１１２は旋回枠体１２０とは接触していない。２つの取付部１１２はそれぞれ、連結部材の一例である自在継手１０５（図２参照）を介して、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３（図３参照）に連結される。基台部１３０に設けられた２本のガイドピン１３２は、後述するように、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂを支持する役割を担う。

図２は、監視カメラ１００の側面図であり、ホームポジションにある状態を示している。ホームポジションは、パン駆動の回転角度（以下「パン角度」という）とチルト駆動の回転角度（以下「チルト角度」という）がそれぞれ０度である状態を指す。よって、ホームポジションでは、第１の回転軸Ｌ１はＹ方向と略平行であり、且つ、レンズ部１１１の光軸Ｌ３はＸ方向と略平行となっている。ホームポジションでは、Ｙ方向から見て、一方の振動型アクチュエータ１０１ａの被駆動体１０３とカメラ本体１１０の一方の取付部１１２とを連結する自在継手１０５のコマ部１０５ｂの中心が、第２の回転軸Ｌ２上に位置する。このことは、他方の振動型アクチュエータ１０１ｂ（図２には不図示）についても同様である。自在継手１０５の詳細については後述する。

図３（ａ）は、振動型アクチュエータ１０１ａの概略構成を示す分解斜視図である。振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂは共に同じ構造を有するため、振動型アクチュエータ１０１ｂについての説明は省略する。振動型アクチュエータ１０１ａは、振動体１０２、被駆動体１０３及び支持部材１０４を有する。振動体１０２は、弾性体１０２ｂ、固定部１０２ｄ、弾性体１０２ｂの一方の面に設けられた２つの突起部１０２ｃ、弾性体１０２ｂにおいて突起部１０２ｃが設けられている面の反対側の面に設けられた圧電素子１０２ａを有する。ここでは、振動体１０２として、２つの突起部１０２ｃで被駆動体１０３を摩擦駆動する構成を取り上げるが、被駆動体１０３を摩擦駆動するためには突起部１０２ｃは少なくとも１つあればよい。

弾性体１０２ｂは、略矩平板状の形状を有し、例えば、マルテンサイト系のステンレス等の金属材料からなる。振動体１０２を支持部材１０４に固定するための固定部１０２ｄは、弾性体１０２ｂと一体的に振動体１０２の長手方向端に設けられている。突起部１０２ｃは、ばね性を有する厚さ（高さ）で形成されており、例えば、弾性体１０２ｂを構成する板材のプレス加工等によって弾性体１０２ｂと一体的に形成されている。但し、突起部１０２ｃは、これに限らず、溶接等によって弾性体１０２ｂに固定されていてもよい。突起部１０２ｃの先端部（上面）は、被駆動体１０３の摺動部１０３ａと摩擦摺動するため、少なくとも突起部１０２ｃには、耐摩耗性を高めるために焼入処理等の硬化処理が施されている。

電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子１０２ａは、接着剤を用いて弾性体１０２ｂに接合されている。圧電素子１０２ａは、矩形平板状の圧電セラミックスの両面に所定形状の電極が形成された構造を有する。圧電素子１０２ａの電極には、不図示のフレキシブル配線板等を介して、所定の周波数の駆動電圧（交流電圧）が印加される。これにより、振動体１０２に後述する第１の振動モードと第２の振動モードの振動が励起され、２つの突起部１０２ｃを結ぶ方向と突起部１０２ｃの突出方向とを含む面内で、突起部１０２ｃに楕円運動を生じさせることができる。突起部１０２ｃの楕円運動によって被駆動体１０３は摩擦駆動され、被駆動体１０３と振動体１０２とを相対的にＸ方向に移動させることができる。本実施形態では、後述するように、振動体１０２は、支持部材１０４に支持されてＸ方向に移動することができないため、被駆動体１０３がＸ方向に移動する。なお、Ｘ方向は、第１の回転軸Ｌ１及び第２の回転軸Ｌ２の両方と略直交する第３の軸の軸方向（軸が延びる方向）である。

被駆動体１０３は、ステンレス等の金属材料からなり、略丸棒状の形状を有する。被駆動体１０３において、振動体１０２の２つの突起部１０２ｃとの摩擦摺動面である摺動部１０３ａは平面状に形成されており、長手方向の一端には自在継手１０５と連結される連結部１０３ｂが設けられている。摺動部１０３ａは、丸棒状部材の側面（曲面）をプレス加工や切削加工等により平坦にし、平滑な面となるようにラップ加工等を施すことにより形成することができる。また、摺動部１０３ａには、窒化処理等の硬化処理が施されており、耐摩耗性が高められている。振動体１０２と被駆動体１０３とは、被駆動体１０３に内蔵される等して設けられた不図示のネオジウム磁石やフェライト磁石等の磁石による磁力（吸引力）により、所定の加圧力でＺ方向において振動体１０２（突起部１０２ｃ）と加圧接触している。

支持部材１０４は、支持部１０４ａとガイド溝部１０４ｂを有しており、振動体１０２の固定部１０２ｄが支持部１０４ａに対して溶接や接着等により接合されている。支持部１０４ａはＺ方向に突出した形状を有しており、振動振幅の小さい振動体１０２の固定部１０２ｄのみを安定して固定する。これにより、振動体１０２に励起された振動の基台部１３０への伝搬を抑制することができると共に、振動体１０２を支持部材１０４に固定したことによって振動体１０２での振動の励起が阻害されてしまうことを抑制することができる。

支持部材１０４のガイド溝部１０４ｂは、Ｘ方向において２つの突起部１０２ｃの中間に位置しており、Ｙ方向に略平行に伸びた長穴形状を有する。ガイド溝部１０４ｂへは、基台部１３０にＺ方向に突出するように形成されたガイドピン１３２が挿通される。ガイドピン１３２の外径とガイド溝部１０４ｂのＸ方向の幅は、ガイドピン１３２に対して支持部材１０４がＹ方向には移動可能であるがＸ方向では移動不可能となる寸法公差（はめあい公差）に設定されている。したがって、支持部材１０４は、ガイドピン１３２によってＸ方向での移動は規制されているが、Ｙ方向とＺ方向には移動が可能となっている。よって、支持部材１０４に接合された振動体１０２も、基台部１３０に対してＸ方向での移動が規制される一方で、Ｙ方向及びＺ方向へは移動可能となっており、このような構成としている理由については後述する。

自在継手１０５は、所謂、ユニバーサルジョイントであり、コマ部１０５ｂにおいて、Ｙ軸回りとＺ軸回りにそれぞれ回転可能な構造を有している。自在継手１０５の長手方向端にはそれぞれ、取付穴部１０５ａが設けられている。一方の取付穴部１０５ａは、被駆動体１０３に設けられている連結部１０３ｂと嵌合し、これにより、自在継手１０５は被駆動体１０３に連結される。自在継手１０５の他方の取付穴部１０５ａは、カメラ本体１１０の取付部１１２に固定される。こうして、自在継手１０５を介して、カメラ本体１１０の取付部１１２と被駆動体１０３とが連結される。なお、自在継手１０５と被駆動体１０３或いは取付部１１２との連結は、接着や焼嵌め、ピン等を用いて行ってもよい。

続いて、振動型アクチュエータ１０１ａの駆動（被駆動体１０３のＸ方向での駆動）に用いられる固有振動モードについて説明する。図３（ｂ）は、振動型アクチュエータ１０１ａを駆動するために振動体１０２に励起させる第１の振動モードを説明する斜視図である。図３（ｃ）は、振動型アクチュエータ１０１ａを駆動するために振動体１０２に励起させる第２の振動モードを説明する斜視図である。なお、図３（ｂ），（ｃ）では、変形形状の理解を容易にするために、振動体１０２の形状に比べて変位量が拡大されて表示されている。図３（ｂ），（ｃ）に示したＸ，Ｙ，Ｚ方向はそれぞれ、図２や図３（ａ）でのＸ，Ｙ，Ｚ方向と同じ方向となっている。

第１の振動モードは、Ｘ方向において２次の屈曲振動を生じるモードであり、Ｙ方向と略平行な３本の節を有し、突起部１０２ｃは、第１の振動モードの振動によりＸ方向で往復運動を行う。このとき、突起部１０２ｃを第１の振動モードの振動で節となる位置の近傍に設けることにより、突起部１０２ｃをＸ方向で大きく変位させることができる。第２の振動モードは、Ｙ方向において１次の屈曲振動を生じるモードであり、Ｘ方向と略平行な２本の節を有し、突起部１０２ｃは、第２の振動モードの振動によりＺ方向で往復運動を行う。このとき、突起部１０２ｃが第２の振動モードの振動で腹となる位置の近傍に設けることにより、突起部１０２ｃをＺ方向で大きく変位させることができる。なお、振動体１０２の固定部１０２ｄは、第１の振動モードの振動振幅が小さくなる節の近傍で、且つ、第２の振動モードの振動振幅が小さくなる節の近傍で、支持部１０４ａに固定されている。

第１の振動モードと第２の振動モードとを組み合わせることにより、突起部１０２ｃの先端部に略ＺＸ面内で楕円運動を発生させ、これにより、略Ｘ方向に被駆動体１０３を摩擦駆動する駆動力を発生させることができる。このとき、２つの突起部１０２ｃがそれぞれ、第１の振動モードの節の位置、且つ、第２の振動モードの腹の位置に設けられていることで、突起部１０２ｃの振動変位を最も大きくすることができるため、高い出力を得ることができる。

次に、監視カメラ１００でチルト駆動及びパン駆動を行う際の振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂの駆動方法について説明する。ここでは、便宜上、チルト角度のみを±３０度とした場合と、パン角度のみを±３０度とした場合について説明するが、チルト角度及びパン角度はこれに限定されるものではない。監視カメラ１００においてパン角度及びチルト角度が０度となっているとき（ホームポジションにあるとき）の監視カメラ１００の状態は、図１（ａ）及び図２に示されている。

図４は、監視カメラ１００をチルト駆動させた状態を示す斜視図である。図４（ａ）は、ホームポジションからチルト角度のみを−３０度駆動した監視カメラ１００の状態を示している。振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３を、Ｘ方向のプラスの向きである矢印Ｍ２の向きに同じ移動量だけ駆動すると、カメラ本体１１０の２つの取付部１１２はそれぞれ、被駆動体１０３から矢印Ｍ２の向きに力を受ける。取付部１１２が第１の回転軸Ｌ１から一定の距離だけ離れているため、矢印Ｍ２の向きの力は、取付部１１２に対して第１の回転軸Ｌ１回りのモーメントとして作用する。一方、前述の通り、ホームポジションにある監視カメラ１００をＸ方向から見たときに、２つの取付部１１２は第２の回転軸Ｌ２を中心としてＹ方向で実質的に対称となる位置に設けられている。そのため、２つの取付部１１２に作用する矢印Ｍ２の向きの力による第２の回転軸Ｌ２回りのモーメントは打ち消し合い、したがって、旋回枠体１２０が第２の回転軸Ｌ２回りに回転することはない。よって、２つの被駆動体１０３を矢印Ｍ２の向きに同時に同じ移動量で駆動することにより、カメラ本体１１０を第１の回転軸Ｌ１回りに回転させて、図４（ａ）に示すようにカメラ本体１１０をチルト角度のみが−３０度となった状態とすることができる。

なお、チルト角度が０度から−３０度へ変化する間、自在継手１０５のコマ部１０５ｂはＹ軸回りに回転し、これに伴って取付部１１２はＸ方向のプラスの向きへ移動しながらＺ方向のプラスの向きに移動するように第１の回転軸Ｌ１回りに回動する。ここで、振動体１０２は被駆動体１０３に対して磁力で吸引されているため、カメラ本体１１０のチルト駆動に伴い、基台部１３０に対して振動体１０２と支持部材１０４とが一体的にガイドピン１３２の突出方向（Ｚ方向のプラスの向き）に移動する。このとき、支持部材１０４のＸ方向での移動は規制されているため、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂの駆動は安定した状態で維持される。

図４（ｂ）は、ホームポジションからチルト角度のみを＋３０度駆動した監視カメラ１００の状態を示している。振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３を、Ｘ方向のマイナスの向きである矢印Ｍ１の向きに同じ移動量だけ駆動すると、カメラ本体１１０の２つの取付部１１２はそれぞれ、被駆動体１０３から矢印Ｍ１の向きに力を受ける。このとき、先述のチルト角度を−３０度としたチルト駆動の場合と同様に、カメラ本体１１０には第１の回転軸Ｌ１回りのモーメントが作用するが、旋回枠体１２０には第２の回転軸Ｌ２回りのモーメントは発生しない。よって、２つの被駆動体１０３を矢印Ｍ１の向きに同時に同じ移動量で駆動することにより、カメラ本体１１０を第１の回転軸Ｌ１回りに回転させて、図４（ｂ）に示すようにカメラ本体１１０をチルト角度のみが＋３０度となった状態とすることができる。

なお、チルト角度が０度から＋３０度へ変化する間、自在継手１０５のコマ部１０５ｂはＹ軸回りに回転し、取付部１１２はＸ方向のマイナスの向きへ移動しながらＺ方向のプラスの向きに移動するように、第１の回転軸Ｌ１回りに回動する。よって、チルト角度が−３０度になるように駆動した場合と同様に、支持部材１０４と振動体１０２は、カメラ本体１１０のチルト駆動に伴い、一体的にＺ方向のプラスの向きに移動する。

図５は、監視カメラ１００をパン駆動させた状態を示す斜視図である。図５（ａ）は、ホームポジションからパン角度のみを−３０度駆動した監視カメラ１００の状態を示している。一方の振動型アクチュエータ１０１ａを、その被駆動体１０３が矢印Ｍ１の向き（Ｘ方向のマイナスの向き）に移動するように駆動する。また、他方の振動型アクチュエータ１０１ｂを、その被駆動体１０３が矢印Ｍ２の向き（Ｘ方向のプラスの向き）に移動するように駆動する。すると、カメラ本体１１０の２つの取付部１１２はそれぞれ、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３から矢印Ｍ１，Ｍ２の向きの力を受ける。こうして２つの取付部１１２に作用する力は、カメラ本体１１０及び旋回枠体１２０を第２の回転軸Ｌ２回りに回転駆動するモーメントとなるが、第１の回転軸Ｌ１回りでは、互いに打ち消し合うモーメントとなる。したがって、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３を矢印Ｍ１，Ｍ２の向きに同じ移動量だけ駆動することにより、図５（ａ）に示すようにカメラ本体１１０をパン角度のみが−３０度となった状態とすることができる。

なお、パン角度が０度から−３０度に変化する間、自在継手１０５のコマ部１０５ｂはＺ軸回りに回転する。また、振動型アクチュエータ１０１ａの被駆動体１０３はＹ方向をプラスの向きに移動し、振動型アクチュエータ１０１ｂの被駆動体１０３はＹ方向をマイナスの向きに移動する。ここで、振動体１０２は被駆動体１０３に対して磁力で吸引されており、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの支持部材１０４は、基台部１３０に対してＹ方向に移動自在である。そのため、カメラ本体１１０のパン駆動に伴い、振動体１０２と支持部材１０４は一体となってＹ方向を互いに近付くように移動する。このとき、支持部材１０４のＸ方向での移動は規制されているため、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂの駆動は安定した状態で維持される。

図５（ｂ）は、ホームポジションからパン角度のみを＋３０度駆動した監視カメラ１００の状態を示している。パン角度のみを＋３０度駆動する場合には、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３を駆動する向きを、パン角度のみを−３０度駆動した場合と逆にすればよい。つまり、振動型アクチュエータ１０１ａの被駆動体１０３を矢印Ｍ２の向きに、振動型アクチュエータ１０１ｂの被駆動体１０３を矢印Ｍ１の向きに、それぞれ同じ移動量だけ駆動すればよい。これにより、図５（ｂ）に示すようにカメラ本体１１０をパン角度のみが＋３０度となった状態とすることができる。なお、パン角度が０度から＋３０度に変化する間、自在継手１０５のコマ部１０５ｂはＺ軸回りに回転し、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３はＹ方向を互いに近付くように移動する。これに伴い、振動体１０２と支持部材１０４は一体となってＹ方向を互いに近付くように移動する。

図４を参照して説明した通り、監視カメラ１００では、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３をＸ方向の同じ向きに同じ移動量だけ駆動することにより、チルト駆動のみを実現することができる。そして、図５を参照して説明したように、監視カメラ１００では、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３をＸ方向の反対向きに同じ移動量だけ駆動することにより、パン駆動のみを実現することができる。監視カメラ１００の駆動態様は、このようにチルト駆動とパン駆動とを独立させて実行する駆動に限定されるものではない。即ち、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの被駆動体１０３の移動量と移動の向きを調節することにより、パン駆動とチルト駆動を同時に実現して、レンズ部１１１の光軸Ｌ３を所望する方向へ向けることが可能である。

以上の説明の通り、監視カメラ１００では、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂの協調駆動により、カメラ本体１１０のチルト駆動とパン駆動を実現している。つまり、従来の監視カメラのように、一方のアクチュエータによるパン駆動に伴って他方のアクチュエータをカメラ本体と共にパン方向に回転させる構成となっていない。そのため、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂには大きなトルクが不要となることで、監視カメラ１００全体の小型化が可能になる。また、パン駆動時のイナーシャを低減することができることで、カメラ本体１１０の位置決め（角度調整）精度や応答性等の制御性を向上させることができる。更に、チルト駆動とパン駆動の際に振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂが分担するトルクは、１つの振動型アクチュエータでチルト駆動やパン駆動を行う場合の略半分となる。よって、チルト駆動とパン駆動をそれぞれ別のアクチュエータで駆動する構成に比べて、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂの小型化が可能であり、ひいては監視カメラ１００の更なる小型化が可能となる。

監視カメラ１００では、チルト駆動とパン駆動の際に振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂが相互に動作を阻害することなく協調して動作するため、球体状の被駆動体を回転駆動する従来の構造のように摩擦力を低減させための動作を実行させる必要がない。よって、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂのそれぞれの振動体１０２（圧電素子１０２ａ）へは、カメラ本体１１０の駆動にのみ必要な電力を供給すればよいため、消費電力を抑えることができる。また、監視カメラ１００では、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂは、チルト駆動とパン駆動の際のＹ方向及びＺ方向へのそれぞれの移動量が、基台部１３０に対して小さく抑えられる。そのため、パン駆動によってパン駆動軸回りに振動型アクチュエータが回転する構成で必要となるスリップリングを用いる必要はなく、フレキシブル配線板等を用いた簡単な構成で振動体１０２への給電が可能となることで、監視カメラ１００の小型化が可能となる。更に、監視カメラ１００では、振動体１０２を固定する支持部材１０４にガイド溝部１０４ｂを設けて振動体１０２と支持部材１０４とを一体的にＹ方向及びＺ方向に移動可能な構成としている。これにより、振動型アクチュエータとは別にガイド部材を設ける等した場合と比べて部品点数を削減することができ、ひいては、監視カメラ１００の小型化と軽量化が可能となる。

監視カメラ１００では、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂを構成する被駆動体１０３の摺動部１０３ａを平坦な形状としているため、被駆動体が球体のように高精度で複雑な加工が必要となる場合に比べて、生産性の向上とコストの低減が可能となる。また、監視カメラ１００では、被駆動体１０３をＸ方向に駆動するリニア型の振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂを用いている。そのため、ＤＣモータやステッピングモータ等の回転型モータの回転出力をボールねじやギア等を用いて直線的な出力に変換する場合に比べて構造を簡素化することができ、これにより、監視カメラ１００の軽量化が可能となる。そして、ボールねじやギア等を用いないためにバックラッシュ等が発生せず、カメラ本体１１０を直接駆動することで、カメラ本体１１０の高精度な位置決めや応答性の高い制御が可能となる。このとき、監視カメラ１００では、ボールねじやギア等の駆動音（噛み合う音）が発生しないため、静粛な動作が可能となる。

振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂは、摩擦力を利用して被駆動体１０３を駆動しているために保持力を有している。そのため、振動体１０２（圧電素子１０２ａ）に対する無通電時に予期せぬ外力が監視カメラ１００に作用しても、カメラ本体１１０や旋回枠体１２０が動いてしまうのを抑制することができる。特に、監視カメラ１００では、２つの振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂがカメラ本体１１０と連結されている。そのため、チルト回転又はパン回転の一方の回転方向にのみ外力が作用する場合の保持力は、１方向の回転に１つのアクチュエータを用いる場合の２倍となることで、外力に対してカメラ本体１１０を保持する高い効果を有する。よって、監視カメラ１００では、ＤＣモータ等を駆動源として構成される監視カメラで必要となるブレーキ等が不要になり、これにより、装置全体の更なる小型化や軽量化が可能となる。

ここで、監視カメラ１００の変形例の１つであるステージ装置について説明する。図６は、ステージ装置２００の概略構成を示す斜視図である。ステージ装置２００は、振動型アクチュエータ２０１ａ，２０１ｂ、ステージ２１０、旋回枠体２２０及び基台部２３０を備える。ステージ装置２００は、第１実施形態に係る監視カメラ１００のカメラ本体１１０をステージ２１０に取り替えた構造を有する。よって、振動型アクチュエータ２０１ａ，２０１ｂ、旋回枠体２２０及び基台部２３０はそれぞれ、振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂ、旋回枠体１２０及び基台部１３０と同じ構造を有しており、これらについての共通する説明は省略する。

ステージ２１０は、平板状に形状を有し、その表面には複数箇所にねじ穴部２１４が設けられている。複数のねじ穴部２１４を用いて、様々な形状や大きさの被駆動部材をステージ２１０に取り付けることができる。これにより、ステージ装置２００の汎用性を高めることができる。例えば、ステージ装置２００は、デジタルカメラ等の撮像装置を固定する雲台として用いることができる。また、ステージ装置２００を用いれば、ステージ２１０にカメラを取り付けて監視カメラとする場合でも、基台部２３０の実際の取付位置に応じてカメラの光軸の方向を変更することができ、よって、ニーズに応じた監視カメラを実現することができる。

ところで、監視カメラ１００では、自在継手１０５としてコマ部１０５ｂがＹ軸とＺ軸のそれぞれの軸回りに回転可能なものを用いたが、カメラ本体１１０の取付部１１２と被駆動体１０３の連結構造はこれに限定されるものではない。例えば、自在継手１０５においてＹ軸回りの回転可能であると共にＹ方向に移動可能な構成とし、支持部材１０４においてＺ軸回りに回転可能であると共にＺ方向に移動可能な構成としてもよい。つまり、パン駆動とチルト駆動とを独立して行うことができる限りにおいて、カメラ本体１１０の取付部１１２と振動型アクチュエータ１０１ａ，１０１ｂとの連結は、どのような自由度で構成されていてもよい。そして、自在継手１０５は、ユニバーサルジョイントに限定されず、必要な自由度が得られるなら、継手形状や溝形状であってもよい。

また、監視カメラ１００では、基台部１３０に設けられたガイドピン１３２と支持部材１０４に設けられたガイド溝部１０４ｂとの係合により、振動体１０２と支持部材１０４とが一体的にＹ方向とＺ方向の各方向に移動可能とした。しかし、これに限らず、支持部材１０４がＺ方向のみに移動可能となるようにガイド溝部１０４ｂを設計すると共に、被駆動体１０３がＹ方向で移動しても振動体１０２による摩擦駆動が常に可能となるように被駆動体１０３の幅を広げた構成としてもよい。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。図７（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る監視カメラ３００の概略構成を示す斜視図である。監視カメラ３００は、振動型アクチュエータ３０１ａ，３０１ｂ、レンズ部３１１及び取付部３１２を有するカメラ本体３１０、旋回枠体３２０及び基台部３３０を備える。監視カメラ３００が備えるカメラ本体３１０、旋回枠体３２０及び基台部３３０は、第１実施形態に係る監視カメラ１００が備えるカメラ本体１１０、旋回枠体１２０及び基台部１３０と同じであり、よって、これらの説明を省略する。

図７（ｂ）は、監視カメラ３００を構成する振動型アクチュエータ３０１ａ及びその周辺部の概略構成を示す分解斜視図である。なお、振動型アクチュエータ３０１ａ，３０１ｂは同じ構造を有するため、振動型アクチュエータ３０１ｂについての説明は省略する。振動型アクチュエータ３０１ａは、振動体３０２及び被駆動体３０３を有する。振動体３０２は、第１実施形態で説明した振動型アクチュエータ１０１ａを構成する振動体１０２と同じであるため、説明を省略する。

基台部３３０には、振動体３０２を支持する支持ばね部材３０４が設けられている。支持ばね部材３０４には、Ｚ方向に突出した形状を有する支持部３０４ａが設けられており、振動体３０２に設けられている固定部３０２ｄ（振動体１０２の固定部１０２ｄに対応する）は、支持部３０４ａに溶接や接着等で接合されている。第１実施形態と同様に、振動振幅の小さい固定部３０２ｄで振動体３０２が支持ばね部材３０４に固定されることにより、振動体３０２に励起された振動が基台部３３０に伝わるのを抑制することができる。また、振動体３０２を支持ばね部材３０４に固定したことによって振動体３０２での振動励起が阻害されてしまうことを抑制することができる。

支持ばね部材３０４は、Ｙ方向とＺ方向の各方向で変形可能であるが、Ｘ方向では変形し難いばね定数を有する形状に設計された弾性部材である。そのため、支持ばね部材３０４に結合された振動体３０２は、基台部３３０に対して、Ｘ方向での移動は規制されるが、Ｙ方向とＺ方向の各方向に移動することができるようになっている。

カメラ本体３１０の取付部３１２（カメラ本体１１０の取付部１１２に対応する）と振動型アクチュエータ３０１ａの被駆動体３０３とは、連結部材の一例である球面軸受３０５を介して連結されている。球面軸受３０５は、球面部３０５ｂにおいて図中のＹ軸とＺ軸のそれぞれの軸回りに回転可能な構造を有する。球面部３０５ｂには取付ねじ部３０５ａが接合されており、取付ねじ部３０５ａは被駆動体３０３の一端に設けられた連結ねじ穴部３０３ｂと嵌合し、これにより球面軸受３０５は被駆動体３０３に連結される。

被駆動体３０３は、磁石３０３ｃと、振動体３０２との摩擦摺動面となる摺動板３０３ａとを有し、球面軸受３０５と連結される連結ねじ穴部３０３ｂは磁石３０３ｃに設けられている。摺動板３０３ａには、耐摩耗性を高めるために、窒化処理等の硬化処理が施されており、磁石３０３ｃに対して接着剤を用いて接合されている。磁石３０３ｃと振動体３０２を構成する弾性体及び支持ばね部材３０４との間に作用する吸引力によって、振動体３０２と被駆動体３０３は所定の加圧力で接触している。

第１実施形態に係る監視カメラ１００と同様に、監視カメラ３００でも、振動型アクチュエータ３０１ａ，３０１ｂのそれぞれの被駆動体３０３をＸ方向の所定の向きに所定の移動量だけ駆動することにより、カメラ本体３１０のチルト駆動とパン駆動が実現される。振動体３０２は、チルト駆動の際にはＺ方向に被駆動体３０３から力を受けるが、このとき、支持ばね部材３０４がＸ方向での変形が抑制された状態でＺ方向に変形することで、振動体３０２と被駆動体３０３との間を安定した接触状態に維持することができる。また、振動体３０２は、パン駆動の際にはＹ方向に被駆動体３０３から力を受けるが、このとき、支持ばね部材３０４がＸ方向での変形が抑制された状態でＹ方向に変形することで、振動体３０２と被駆動体３０３との間を安定した接触状態に維持することができる。したがって、監視カメラ３００が、第１実施形態に係る監視カメラ１００が奏する効果と同等の効果を奏する。

なお、監視カメラ３００では、磁石３０３ｃを用いて振動体３０２と被駆動体３０３とを加圧接触させているが、振動体３０２と被駆動体３０３とを加圧接触させる方法は、これに限定されるものではない。図８は、振動体３０２と被駆動体３０３´とを加圧接触させる別の概略構成を説明する図（側面図）である。図８の例では、加圧部材３０６を用いて振動体３０２と被駆動体３０３´とを加圧接触させている。ここで、被駆動体３０３に代えて示す被駆動体３０３´には磁石は用いられていない。被駆動体３０３´には、例えば、振動型アクチュエータ１０１ａの被駆動体１０３と同じ材料が用いられ、そのため、被駆動体３０３´には摺動板３０３ａが接合されていない。

加圧部材３０６は、加圧ばね３０６ａ、加圧受け部材３０６ｂ及び従動部３０６ｃを有する。加圧ばね３０６ａは、コイルばね等であり、振動体３０２と被駆動体３０３´とが所定の加圧力で接触可能なばね定数を有する。加圧受け部材３０６ｂは、加圧ばね３０６ａからの加圧力を受けて、従動部３０６ｃを介して被駆動体３０３´を振動体３０２に対して押し付けている。被駆動体３０３´と接触する従動部３０６ｃは、球状体であり、加圧受け部材３０６ｂに回転自在に支持されている。よって、被駆動体３０３´がどの方向に移動しても、被駆動体３０３´に対して加圧を付与し続けることができ、磁石を用いないことによってコストの低減が可能となる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

１００，３００ 監視カメラ
１０１ａ，１０１ｂ，３０１ａ，３０１ｂ 振動型アクチュエータ
１０２，３０２ 振動体
１０２ａ 圧電素子
１０２ｂ 弾性体
１０２ｃ 突起部
１０２ｄ 固定部
１０３，３０３ 被駆動体
１０４ 支持部材
１０４ｂ ガイド溝部
１０５ 自在継手
１１０，３１０ カメラ本体
１２０，３２０ 旋回枠体
１３０，３３０ 基台部
１３２ ガイドピン
２００ ステージ装置
３０４ 支持ばね部材
３０５ 球面軸受

Claims (12)

1. 第１の回転体と、
   前記第１の回転体を第１の軸の軸回りに回転自在に軸支する第２の回転体と、
   前記第１の軸と略直交する第２の軸の軸回りに前記第２の回転体を回転自在に軸支する基台部と、
   前記基台部に配置された２つの振動型アクチュエータと、を備え、
   前記２つの振動型アクチュエータはそれぞれ、
   前記基台部に支持された支持部材と、
   前記支持部材に保持された振動体と、
   前記振動体に励起された振動によって、前記第１の軸および前記第２の軸の両方と略直交する第３の軸の軸方向に駆動される被駆動体と、を有し、
   前記２つの振動型アクチュエータの前記被駆動体はそれぞれ前記第１の回転体と連結され、
   前記２つの振動型アクチュエータの前記被駆動体をそれぞれ前記第３の軸の軸方向の同じ向きに駆動したときに前記第１の回転体は前記第１の軸の軸回りに回転し、
   前記２つの振動型アクチュエータの前記被駆動体をそれぞれ前記第３の軸の軸方向の反対向きに駆動したときに、前記第１の回転体および前記第２の回転体は一体的に前記第２の軸の軸回りに回転することを特徴とする旋回駆動装置。
2. 前記２つの振動型アクチュエータの前記被駆動体はそれぞれ、前記第１の軸に平行な軸と前記第２の軸に平行な軸のそれぞれの軸回りに回転可能な連結部材を介して前記第１の回転体と連結されていることを特徴とする請求項１に記載の旋回駆動装置。
3. 前記連結部材は、ユニバーサルジョイントまたは球面軸受であることを特徴とする請求項２に記載の旋回駆動装置。
4. 前記２つの振動型アクチュエータの前記被駆動体は、前記第２の軸の軸方向において前記第１の軸から離れた位置で、前記連結部材を介して前記第１の回転体に連結されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の旋回駆動装置。
5. 前記２つの振動型アクチュエータの前記被駆動体は、前記第３の軸の軸方向から見たときに、前記第１の軸の軸方向において前記第２の軸を中心として対称となる位置に配置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項に記載の旋回駆動装置。
6. 前記２つの振動型アクチュエータのそれぞれの前記振動体は、前記被駆動体と加圧接触する突起部を有し、
   前記突起部に前記第１の軸と略直交する面内で楕円運動が生じるように前記振動体が駆動されることによって前記被駆動体を前記第３の軸の軸方向で移動させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の旋回駆動装置。
7. 前記振動型アクチュエータにおいて、前記振動体が有する前記突起部の先端部と前記被駆動体とが、前記被駆動体に設けられた磁石の吸引力によって、前記突起部の突出方向で加圧接触していることを特徴とする請求項６に記載の旋回駆動装置。
8. 前記振動型アクチュエータの前記振動体と固定される支持部材を備え、
   前記支持部材は、前記第１の軸と前記第２の軸のそれぞれの軸方向に移動可能であり、前記第３の軸の軸方向では移動が規制されてように前記基台部に支持されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の旋回駆動装置。
9. 前記支持部材は、前記第１の軸の軸方向と平行な方向に伸びる長穴形状のガイド溝部を有し、
   前記基台部は、前記第２の軸の軸方向に突出し、前記ガイド溝部に挿通されるガイドピンを有することを特徴とする請求項８に記載の旋回駆動装置。
10. 前記支持部材は、前記基台部に対して前記第１の軸と前記第２の軸のそれぞれの方向に変形可能な弾性部材であることを特徴とする請求項８に記載の旋回駆動装置。
11. 前記第１の回転体は、平板状のステージであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の旋回駆動装置。
12. 前記第１の回転体は、撮像装置であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の旋回駆動装置。