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オートフォーカスレンズ用超音波モータの開発

超音波モータ断面図

図1 超音波モータ断面図

鏡筒内配置図

図2 鏡筒内配置図

分極パターン及び配線図

図3 分極パターン及び配線図

レンズに使用されているモータの仕様

表1 レンズに使用されているモータの仕様

面外振動の発生模式図

図4 面外振動の発生模式図

波動の進行

図5 波動の進行

1.概要

 超音波モータは,圧電性セラミックを用いて,電気エネルギーを振動エネルギーに変換し,これから摩擦力を介してモータ出力を得る新しいタイプのモータである.超音波モータの特長として,以下のことが挙げられる.

 (1)低速・高トルクであるため,減速比を小さくでき,さらには減速機を不要とできるため,高精度な位置決めやギヤしゅう動音の除去または低減を図ることができる.

 (2)起動・停止の応答・制御性が良好である.

 (3)保持トルクが大きく,この時無通電で済む.

 (4)モータ単体からの磁気の発生がない.

 今回,カメラレンズAF用のアクチュエータとして2種類(円環型および棒状)の超音波モータを開発し,世界で初めて製品化・実用化を実現した.

2.円環型超音波モータ

 2・1 モータ構成  超音波モータの構成を図1に,円環型超音波モータのレンズ鏡筒内配置を図2に示す.

 まず,円環型超音波モータの構成を説明する.ステータは,金属環(Fe系合金)に圧電素子(PZT)を接着することによって構成されており,PZTには交流電界が印加される.この結果ステータには面外曲げの進行波が発生し,これに押圧されたロータを摩擦駆動する.この駆動力はロータ上に設けられたゴム板を介して玉軸受けに伝えられ,ヘリコイド筒を駆動する.ステータ下面には,ステータ支持用のフェルト,ロータ加圧用の皿ばねが配置されている.

 2・2 モータ駆動原理  図3にPZTに設けられた電極の配置および配線を示す.振動励起用電極は2群(A群およびB群)存在し,各群は面外振動の半波長のピッチで交互に逆方向に分極されており,導電性塗料により各電極の導通を取っている.したがって電界を印加したとき,隣同志の電極は分極が反転しているため,PZTの伸縮の向きは逆方向となるため図4に示すようにステータは面外曲げ変形をする.また印加交流電界をステータの固有振動数と一致させることによりその変位を共振拡大している.そして,A群およびB群に1/4の位相差を与え,かつ両群に印加する交流電界に1/4周期の位相差を与えているため,両群を同時に駆動すると進行する面外曲げ振動となる.

 面外曲げ振動が進行する様子を図5に示す.ステータ表面上の点は,曲げ振動の進行に伴う中立面の傾斜変化による左右の運動と,これに1/4周期位相のずれた上下動をしているため,だ円運動をしている.

 したがって,これに物体(ロータ)を加圧接触させると,波頭におけるだ円運動の方向,すなわち振動の進行方向と逆向きに摩擦力により駆動される.その速度は,だ円運動の速度に依存することになるが,数~数百mm/sであるため,低速かつ大トルクのモータ特性が得られることになる.

3.棒状超音波モータ

 棒状超音波モータは,円環型超音波モータのコストダウンを図るためモータ構成から全面的に見直して開発したものである.

 円環型超音波モータは前記特長の他,中空形状であることが鏡筒用アクチュエータとして魅力のあるものであったが,レンズの径が異なるとモータ径も変える必要のあること.円環形状は加工,材料のコストを下げるうえで不利であること等から次のような構造の超音波モータを新たに開発した.

 真ちゅう製の円環・PZT・電極板を積み重ね,これらをピン付きボルトにて締結し,ステータを構成する.そして,ピンと同軸上にロータ・加圧用コイルばね・出力ギア等を配置した.この結果,製造の完全自動化も実現し,円環型と比ベコスト,重量ともに1/3とすることができた.

4.AFレンズ駆動用モータの特性

 表1にキヤノンレンズ群に使用されているモータ仕様を示す.いずれの超音波モータも,DCモータに比べ,低速・大トルクのモータ特性となっており,製品の静粛化,高速レスポンスに貢献している.

5.まとめ

 以上説明した2種の超音波モータは,レンズAF用途として前述のサイズとなっているが,より薄型,小径のモータも容易に構成しうる.今後,小型情報機器等種々の製品への応用も期待できる.カメラレンズヘの搭載はその幕開けである.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、1993年、奥村一郎(キヤノン(株))、丸山裕(同左)、玉井淳(同左)、月本貴之(同左)、熱田暁生(同左)に日本機械学会賞(技術賞)を贈った。

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キーワード

オートフォーカスレンズ、超音波モータ、圧電素子、棒状超音波モータ、円環型超音波モータ
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