TWI472143B

TWI472143B - 馬達及透鏡單元

Info

Publication number: TWI472143B
Application number: TW102101098A
Authority: TW
Inventors: Ryo Yamasaki; Makoto Oikawa
Original assignee: Canon Kk
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2015-02-01
Also published as: US9812994B2; US20130193803A1; TW201334391A; CN103227585B; US10972019B2; KR101607079B1; CN103227585A; JP5773900B2; US20140300977A1; US20170272007A1; US9000654B2; KR20130088063A; JP2013158151A

Description

馬達及透鏡單元

本發明涉及超音波馬達，其被構造為使振子產生橢圓振動並且對壓靠被驅動構件的振子進行驅動。

超音波馬達的特徵在於，例如無雜訊操作、以從低速到高速的不同速度水準驅動物體的能力以及高扭矩輸出。為了充分利用這些特徵，傳統地，超音波馬達用作例如照相機和透鏡的驅動源。日本特許第4667839號論述了如下的超音波馬達：該超音波馬達包括多個振子和具有轉動軸的環狀的被驅動構件。振子以如下方式佈置於環狀的被驅動構件：振子以預定間隔分隔開並且以與被驅動構件摩擦接觸的方式壓靠被驅動構件。當在與被驅動構件摩擦接觸的每個振子處激發超音波振動時，在振子的與被驅動構件接觸的部分產生橢圓運動，並且繞轉動軸轉動地驅動被驅動構件。透過利用板簧經由保持構件和加壓構件對振子的中性軸(neutral axis)附近的部分施力得到振子對被驅動構件的加壓力，振子的中性軸附近的部分與設置在振子的中央附近的振動節點相對應。接著，利用佈置在板簧的固定部附近的螺釘和調整墊圈對該加壓力進行調整。

然而，上述日本特許第4667839號論述的超音波馬達中的振子的保持機構由多個部件構成從而具有複雜的結構。特別地，支撐軸應該位於振子的中性軸附近的位置以將振子保持在穩定地壓靠被驅動構件的狀態。存在大量部件並且對部件的組裝是複雜的。另外，該超音波馬達在結構中使用大的壓電元件，由此導致了成本的增加。

本發明旨在如下的超音波馬達：該超音波馬達被構造為透過由振子產生的橢圓振動來移動可相對移動構件，並且能夠用簡單結構使振子穩定地壓靠可相對移動構件。

根據本發明的觀點，一種超音波馬達，其包括：振子，其被構造為產生橢圓振動；可相對移動構件，其被構造為由該振子來移動，其中，根據該振子的橢圓振動來移動該可相對移動構件；保持單元，其用於保持該振子；和加壓單元，其用於使該振子壓靠該可相對移動構件，其中，該保持單元包括第一保持構件和第二保持構件，該第一保持構件被構造為保持該振子，該第二保持構件被構造為使該振子壓靠該可相對移動構件，且其中，該第一保持構件和該第二保持構件能沿與該可相對移動構件和該振子的接觸面垂直的方向相對移動。

通過下面參照附圖對示例性實施方式的詳細說明，本發明的其他特徵和方面將變得明顯。

101‧‧‧轉子

101a‧‧‧接觸面

102‧‧‧振動板

102a‧‧‧中央平板部

102b‧‧‧突起部

102c‧‧‧接合部

102d‧‧‧臂部

103‧‧‧壓電元件

104‧‧‧第一保持構件

104a‧‧‧平面部

104b‧‧‧開口部

105‧‧‧緩衝件

106‧‧‧第二保持構件

106b‧‧‧軸部

106e‧‧‧凸部

107‧‧‧環構件

107a‧‧‧孔部

107b‧‧‧孔部

107c‧‧‧孔部

108‧‧‧加壓軸

109‧‧‧板簧

110‧‧‧螺釘

201‧‧‧中心線

202‧‧‧中心線

203‧‧‧圓

301‧‧‧第二保持構件

400‧‧‧超音波馬達

401、402、403、404‧‧‧固定筒

405‧‧‧緩衝件

406‧‧‧轉動構件

407‧‧‧轉動輥

408‧‧‧轉動輥保持構件

409‧‧‧調焦構件

410‧‧‧凸輪筒

411‧‧‧軸構件

412‧‧‧螺釘

413‧‧‧固定筒

414‧‧‧聚焦鏡筒

CL1‧‧‧中心線

G1、G2、G3‧‧‧聚焦透鏡組

L‧‧‧光軸

包含於說明書並構成說明書的一部分的附圖示出了本發明的示例性實施方式、特徵以及觀點，並和說明書一起用於解釋本發明的原理。

圖1是示出根據本發明的第一示例性實施方式的整個超音波馬達的立體圖。

圖2是示出根據第一示例性實施方式的超音波馬達在分解狀態下的立體圖。

圖3是示出根據第一示例性實施方式的振動板和第一保持構件如何彼此連結的放大立體圖。

圖4A和圖4B是示出根據第一示例性實施方式的各構件在組裝狀態下的放大剖視圖。

圖5是示出在轉子傾斜時根據第一示例性實施方式的超音波馬達的放大剖視圖。

圖6A和圖6B是示出根據本發明的第二示例性實施方式的各構件在組裝狀態下的放大剖視圖。

圖7示出將超音波馬達安裝到鏡筒中時的截面。

以下將參照附圖對本發明的各示例性實施方式、特徵以及方面進行詳細說明。

下面，用於實施本發明的示例性實施方式將被描述為第一示例性實施方式和第二示例性實施方式。

在下面的說明中，將參照圖1至圖5對本發明的第一示例性實施方式進行說明。根據本示例性實施方式的超音波馬達是用作驅動例如數位式照相機的鏡筒用的致動器的轉動驅動型馬達的示例。

圖1和圖2示出根據本發明的第一示例性實施方式的超音波馬達。圖1是示出整個超音波馬達的立體圖。圖2是示出圖1所示的超音波馬達在分解狀態下的立體圖。在圖1和圖2中，用相同的附圖標記表示相同的構件。

在本示例性實施方式中，轉子101與被驅動構件對應並且包括接觸面101a，下面將要說明的振子與接觸面101a摩擦接觸。振動板102以與接觸面101a摩擦接觸的方式保持在壓靠接觸面101a的狀態。壓電元件103通過例如黏合劑壓接到振動板102。在振動板102和壓電元件103彼此壓接的狀態下，透過施加電壓能夠產生橢圓運動。振動板102和壓電元件103形成振子。在本示例性實施方式中，轉子101被三組振子轉動驅動。在圖1中，為使圖示簡化，僅對三組振子中的一組振子標示了附圖標記。

第一保持構件104將振子保持到下文將說明的環構件107。緩衝件105吸收壓電元件103的振動並且由例如氈製成。第二保持構件106經由緩衝件105使振子壓靠轉子101。第二保持構件106佈置在形成於第一保持構件104的中央部分的開口部104b(圖4A)中。在本示例性實施方式中，環構件107與基台對應並且保持例如第一保持構件104、第二保持構件106以及下文將說明的加壓軸108和板簧109。

加壓軸108安裝於環構件107的孔部107a中。加壓軸108被保持為僅能在垂直於接觸面101a的方向上移動，並且加壓軸108通過下文將說明的板簧109經由緩衝件105和第二保持構件106使振子壓靠轉子101的接觸面101a。板簧109的兩端通過兩個螺釘110固定到環構件107並產生加壓力。加壓軸108和板簧109與加壓單元對應。

這樣，上述各構件被組裝以用作超音波馬達。當將超音波馬達安裝在例如實際的鏡筒中時，在轉子101連接到調焦機構或變焦機構的情況下驅動轉子101。

接著，將對超音波馬達的組成構件進行詳細說明。圖3是示出圖1和圖2所示的振動板102與第一保持構件104如何彼此連結的放大立體圖。圖3示出從轉子101的方向觀察的振動板102和第一保持構件104，即，以上下倒置的狀態示出振動板102和第一保持構件104。參照圖3，在振動板102的中央平板部102a形成兩個突起部102b。突起部102b的底面、即與轉子101的接觸面101a接觸的兩個面形成於同一平面中並且在製造時透過例如拋光處理被加工為平滑表面以改進與接觸面101a的接觸狀態。

另一方面，壓電元件103通過例如黏合劑壓接到平板部102a的背面側。該壓電元件103由層疊為一體的多層壓電元件膜構成。隨後，經由接合到壓電元件103的柔性印刷電路板(未示出)施加期望的交流電壓，由此在振動板102處激發兩個振動模式。此時，透過以能夠在兩個振動模式的振動相位之間產生期望的相位差的方式對施加的交流電壓進行設定，在突起部102b處產生如圖3中的箭頭所示的橢圓振動。這些橢圓振動產生於圖1和圖2所示的三個振子處並且被傳遞到轉子101的接觸面101a，以使轉子101能夠被轉動地驅動。壓電元件103的層疊結構和振動模式的細節與日本特開2004-304887號所論述的相同，所以這裡將省略其詳細說明。

接著，在振動板102的待接合到平面部104a的兩端附近形成兩個接合部102c，平面部104a形成在第一保持構件104的兩端並且升高一個臺階。振動板102透過例如熔接或黏接在這些接合部102c處接合到第一保持構件104。

兩個臂部102d形成在兩個接合部102c和平板部102a之間。振子經由這些臂部102d固定到第一保持構件104。如圖3所示，臂部102d以相對於平板部102a和接合部102c足夠窄的方式成形，並且被構造為妨礙平板部102a處所產生的振動傳遞到接合部102c。換言之，臂部102d用來連接第一保持構件104和振動板102，同時防止第一保持構件104受到平板部102a處所產生的振動的干涉。第一保持構件104包括開口部104b(圖4A)，該開口部104b形成於第一保持構件104的與壓電元件103相對的部分，並且第一保持構件104被構造為允許透過第二保持構件106經由緩衝件105傳遞加壓力。將參照圖4A和圖4B所示的剖視圖說明詳細情形。

圖4A和圖4B是示出處於組裝狀態的各構件的放大剖視圖，並且圖4A和圖4B是以放大方式僅示出三個振子中的一個振子的放大剖視圖。其他兩個振子被構造成與所示的振子相同，所以這裡不再重複其說明。圖4A是沿包含了圖3所示的振動板102的兩個突起部102b的中心連線的面截取的剖視圖。圖4B示出與圖4A所示的截面垂直並且透過圖4A所示的截面的中心的截面。

參照圖4A，中心線201定位成距振動板102的兩個突起部102b相同的距離並且與轉子101垂直地延伸。另外，參照圖4B，中心線202通過突起部102b的中心並且與轉子101垂直地延伸。

突起部102b的底面與轉子101的接觸面101a接觸並且是與接觸面101a摩擦接觸。壓電元件103接合至振動板102。另外，振動板102透過兩個平面部104a和位於振動板102兩端的接合部102c接合到第一保持構件104。接著，在第一保持構件104的中央附近形成開口部104b，並且開口部104b以緩衝件105和第二保持構件 106能夠進入開口部104b的方式定位。第一保持構件104的軸部104c和第二保持構件106的軸部106b透過分別被裝配到環構件107的孔部107b和107c中進行定位，使得第一保持構件104和第二保持構件106均構造成能沿中心線201的方向移動。因此，如圖4A和圖4B所示，第一保持構件104和第二保持構件106被構造成在二者之間形成微小的間隙，以防止第一保持構件104和第二保持構件106彼此接觸。

凸部106e形成於第二保持構件106的上側中央附近，凸部106e由沿紙的背面方向推出圖4A所示的圓203而成形的圓筒形狀的部分表面來限定。接著，位於加壓軸108的下端的平面部與凸部106e接觸。因此，在圖4A中，凸部106e和加壓軸108彼此點接觸，使得第二保持構件106和加壓軸108被構造成可傾斜以圍繞圓203的中心轉動。然而，第二保持構件106的軸部106b透過裝配在環構件107的孔部107c中進行定位，使得第二保持構件106和加壓軸108被構造成在可在裝配背隙範圍內略微傾斜。在圖4B中，由於凸部106e由圓筒面限定，所以凸部106e和加壓軸108彼此線接觸，使得第二保持構件106和加壓軸108被構造成在該線接觸的方向上不傾斜。

接著，將加壓軸108裝配在形成於環構件107的中央附近的孔部107a中，並且加壓軸108被保持為僅能在中心線201的方向上移動。板簧109在加壓且變形的狀態下與加壓軸108的上側的凸部接觸。板簧109的兩端透過螺釘110固定到環構件107。於是，由於板簧109的變形而產生的加壓力能夠經由加壓軸108、第二保持構件106以及緩衝件105傳遞至與壓電元件103接合為一體的振動板102，從而將該加壓力施加至轉子101。板簧109被成形為沿圓弧延伸並且由盡可能長且薄的板材製成，從而使板簧109具有小的彈簧係數。結果，即使在部件間產生誤差，也能夠將加壓力的變化減小到小的程度。

在本示例性實施方式中，用於定位保持振動板102的第一保持構件104和用於加壓保持振動板102的第二保持構件106被分開設置，並且第一保持構件104和第二保持構件106被構造為僅能在垂直於轉子101的方向上相對移動。因此，能夠在從振動板102的兩端附近的、幾乎不受振動板102的振動影響的接合部102c處保持振動板102的狀態下經由壓電元件103和緩衝件105對振動板102的上表面側的中央附近的部分進行加壓。另外，本示例性實施方式以如下方式構造：即使壓電元件103或緩衝件105在厚度上具有個體差異，該差異也可以由第二保持構件106的可動機構吸收，從而改善批量(mass)生產性。另外，即使由於掉落事故或衝擊而施加使轉子101和環構件107之間的距離減小的力，該力也可以由第一保持構件104和第二保持構件106的可動機構吸收，從而避免對振動板102施加破壞力以防止振動板102受損。另外，這種力能夠由第二保持構件106經由緩衝件105直接接收，從而防止振動板102和壓電元件103受損。

在本示例性實施方式中，第一保持構件104和第二保持構件106由例如塑膠樹脂製成。特別地，由於第一保持構件104直接接合到振動板102，因此第一保持構件104由對振動的阻尼能力較高的材料製成。

通常，諸如金屬等高剛性材料對振動的阻尼能力低。另一方面，諸如橡膠等剛性較差的材料對振動的阻尼能力高，因此能夠更快地停止振動。然而，近年來，已經開發了在保持剛性的同時具有高的振動阻尼能力的各種材料作為塑膠樹脂。另一方面，在超音波振動過程中，保持振子的周圍部件可能由於受振動影響而產生可聽見的異常雜訊。

然而，在本示例性實施方式中，具有高阻尼能力的上述材料被用於第一保持構件104，使得第一保持構件104能夠吸收從振動板102傳遞的振動。因此，能夠防止第一保持構件104自身成為產生異常雜訊的來源。另外，振動不會傳遞到諸如被連結的環構件107等其他構件，使得第一保持構件104能夠防止其他構件成為產生異常雜訊的來源。

第二保持構件106經由能夠非常大量地吸收振動的緩衝件105與壓電元件103接觸，使得大部分振動在緩衝件105內被阻尼，從而使傳遞到第二保持構件106的振動很少。因此，由於第二保持構件106被構造成直接接收加壓力，所以第二保持構件106由具有較高強度的材料製成。

根據如上所述構造的本示例性實施方式，能夠以低成本且簡單的結構使振子穩定地壓靠被驅動構件，而不像傳統示例那樣需要複雜的調整機構和定位機構。

圖5是與圖4A對應的剖視圖，圖5示出了轉子101傾斜時的超音波馬達。在圖5中，振動板102的突起部102b跟隨轉子101的接觸面101a，從而能夠保持與轉子101的摩擦接觸狀態。

此時，包括振動板102和壓電元件103的振子根據轉子101的傾斜而傾斜，這使得連結到振子的第一保持構件104傾斜。另外，第二保持構件106透過圍繞由圓筒面限定的凸部106e的圓筒形狀的中心轉動而跟隨振子的傾斜，從而經由緩衝件105傾斜。

因此，即使由於各部件的尺寸誤差或組裝誤差而產生傾斜，或者即使由於驅動時的振動或干擾而產生傾斜，均能夠在兩個突起部102b處保持穩定的摩擦接觸狀態。換言之，能夠提高振子相對於轉子101的平衡性(equalization)。在圖5的圖示中，為了便於更好地理解傾斜狀態，以放大的傾斜量示出了傾斜。實際的傾斜量僅為與將第一保持構件104和第二保持構件106裝配於環構件107時的游隙相對應的量。

這樣，本示例性實施方式以如下方式構造：保持振動板102的第一保持構件104和第二保持構件106被分開設置，從而能夠用簡單的結構使振子穩定地壓靠被驅動構件。

本示例性實施方式以如下方式構造：經由緩衝件105對壓電元件103的中央附近的大區域進行加壓，但本示例性實施方式可以以如下方式構造：僅在第二保持構件106的與振動節點相對應的部分設置突起，從而僅對壓電元件103的在節點附近的部分進行加壓。在這種情況下，能夠進一步防止第二保持構件106受到壓電元件103的振動的干擾，從而能夠減少功率消耗。另外，本示例性實施方式以如下方式構造：第一保持構件104和第二保持構件106由考慮到強度和振動阻尼能力而選擇的塑膠樹脂製成。然而，即使在將諸如金屬等剛性更高的材料用於第一保持構件104和第二保持構件106中的每一者的情況下，透過對形狀進行改善以使構件的厚度、構件的長度和構件的截面形狀最優化並且將各個部件配置成不具有接近振子的驅動頻率的諧振點，也能夠減少由於振動而產生的異常雜訊。

另外，第一示例性實施方式是基於轉動驅動的示例進行說明的，但不限於此。例如，第一示例性實施方式也可以適用於直線驅動。

在下面的說明中，將對第二示例性實施方式進行說明。第二示例性實施方式是第一示例性實施方式的變型，並且第二示例性實施方式是將第二保持構件106的裝配在環構件107的孔部107c中的軸部106b從第一示例性實施方式移除的示例。

圖6A和圖6B是示出處於組裝狀態的各個構件的放大剖視圖。圖6A和圖6B分別與圖4A和圖4B對應。在圖6A和圖6B中，與第一示例性實施方式類似的構件用相同的附圖標記表示，並且下文中將不會重複對這些構件的詳細說明。參照圖6A，第二保持構件301以裝配在形成於第一保持構件104的中央附近的開口部104b中的方式佈置，並且第二保持構件301以僅能在沿著中心線201和202的方向上移動的方式構造。其他部件與第一示例性實施方式類似，並且以隨著轉子101的傾斜而傾斜的方式構造。

第二保持構件301不具有軸部，因此，與第一示例性實施方式相比，第二保持構件301的結構更簡單。這種結構上的簡化改善了製造中的批量生產性，並且使得不僅能夠選擇塑膠樹脂而且能夠從包括金屬和陶瓷的寬範圍的材料中選擇任何一種作為第二保持構件301的材料。

另外，當轉子101如圖5所示傾斜時，第一示例性實施方式以第一保持構件104和第二保持構件106經由振子分別傾斜的方式構造。然而，根據第二示例性實施方式，由於第二保持構件301裝配在第一保持構件104中，第二保持構件301能夠根據第一保持構件104的傾斜而傾斜，從而允許第一保持構件104和第二保持構件301彼此一體地傾斜。

<鏡筒>

圖7示出當例如圖1和圖2所示的超音波馬達作為超音波馬達400被安裝到鏡筒中時的截面。超音波馬達400被佈置為用於驅動鏡筒中的聚焦透鏡組的致動器。鏡筒基本為回轉對稱，由此圖7僅示出該構造的上半部。另外，為了簡化圖示，圖7未示出除了聚焦透鏡組G1、G2和G3以外的透鏡以及鏡筒。另外，圖7所示的鏡筒是可拆裝地安裝到可互換透鏡型照相機的鏡筒。

參照圖7，直線L表示鏡筒的光軸。超音波馬達400包括位於左側的轉子單元和位於右側的定子單元，其中轉子單元能圍繞光軸L轉動。固定筒401、402、403和404透過例如未示出的螺釘進行連結。固定筒403保持超音波馬達400的定子單元，且固定筒404將超音波馬達400的轉子單元保持在能轉動狀態。

緩衝件405固定到超音波馬達400的轉子單元並且與轉子單元一體地轉動。轉動構件406也與轉子單元和緩衝件405一體地轉動。能圍繞中心線CL1轉動的轉動輥407和與轉子單元一體地轉動的轉動構件406接觸。轉動輥保持構件408是可轉動地保持轉動輥407並且能圍繞光軸L轉動的構件。攝影者可以直接操作的調焦構件409能圍繞光軸L轉動。

凸輪筒410包括形成於其上的凸輪槽，凸輪筒410經由形成於固定筒404的槽部(未示出)與轉動輥保持構件408連結，同時凸輪筒410圍繞光軸L轉動。與凸輪筒410的凸輪槽接合的軸構件411透過螺釘412固定到下面將說明的聚焦鏡筒414。固定筒413包括形成於其上的直線槽，固定筒413固定到固定筒404。另外，固定筒413在直線槽處與軸構件411接合，軸構件411根據凸輪筒410的轉動運動沿著直線槽直線地移動。

保持聚焦透鏡組G1、G2和G3的聚焦鏡筒414被佈置成能透過軸構件411相對於固定筒413沿直線移動。在圖7中，聚焦鏡筒414僅由單個的軸構件、即軸構件411保持，但實際上，聚焦鏡筒414由彼此基本上均勻地間隔開的三個或更多個軸構件保持。

在上述構造中，當超音波馬達400的轉子單元轉動時，轉動構件406也與轉子單元一體地轉動，並且轉動輥407也相應地轉動。此時，由於調焦構件409與固定筒403和404之間的摩擦，所以調焦構件409不運動。於是，根據轉動輥407的滾動運動，轉動輥保持構件408圍繞光軸L轉動，於是聚焦鏡筒414經由凸輪筒410和固定筒413沿直線移動。

另一方面，當操作調焦構件409時，超音波馬達400的轉子單元由於摩擦而不運動，因此，一體地跟隨轉子單元的轉動構件406也不運動。於是，轉動輥407的滾動運動使得聚焦鏡筒414以與超音波馬達400的轉子單元轉動時的操作類似的方式沿直線運動。

上面已經基於將超音波馬達安裝到鏡筒中的示例說明了構造。在這方面，鏡筒可以是獨立於包括電荷耦合器件(CCD)感測器或互補金屬氧化物半導體 (CMOS)感測器的設備的、在市場上單獨出售的鏡筒，也可以是安裝在包括CCD感測器或CMOS感測器的設備中的、與上述設備一體地出售的鏡筒。

雖然已經參照示例性實施方式說明了本發明，但是可以理解的是，本發明並不限於所公開的示例性實施方式。所附申請專利範圍的範圍應符合最寬泛的解釋，以包含所有的變型、等同結構和功能。