(57)【要約】【課題】回転軸の軸受部における回転負荷及び回転軸に設けた出力手段における回転負荷を抑制して回転特性を向上した超音波モータ等の回転構造体を提供する。【解決手段】回転駆動される回転軸３を軸方向の一部において支持する軸受部４を備える回転構造体であって、軸受部４は軸方向に対向配置された一対の環座４１，４２と、これら環座の間に介装されたボール４３とを備えるボールベアリングで構成されており、一方の環座４２のボール４３と接する面４２ａを回転軸３に取着した出力歯車６の中心点Ｃを中心とした球面として構成し、他方の環座４１はボール４３に対して径方向に相対移動可能に構成する。回転軸３は出力手段６での干渉によって軸線位置が中心点Ｃの位置に自動修正され、かつ中心点Ｃを支点にして傾くので軸受部４での回転負荷が抑制され、かつ出力手段６での歯合状態の変動が防止されて回転負荷が抑制されて回転特性が向上される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動される回転軸を軸方向の一部において固定側部材に軸支する軸受部を備える回転構造体であって、前記軸受部には前記回転軸の軸方向の他の一部を中心点とする球面が形成されており、前記回転軸が傾くときには当該中心点を支点にして傾くように構成され、前記回転軸は前記中心点の位置に当該回転軸の回転力を外部に出力するための出力手段を備えていることを特徴とする回転構造体。
【請求項２】
前記軸受部は軸方向に対向配置された一対の環座と、これら環座の間に介装されたボールとを備えるボールベアリングで構成されており、前記回転軸の軸方向に沿って前記中心点と反対側に位置する一方の環座は前記ボールと接する面が球面であることを特徴とする請求項１に記載の回転構造体。
【請求項３】
前記他方の環座の前記ボールと接する面は、当該ボールに対し径方向に相対移動する面として形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転構造体。
【請求項４】
前記出力手段は被回転部材側の従動歯車に歯合される出力歯車であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の回転構造体。
【請求項５】
前記他方の環座は前記回転軸と一体的に設けられ、前記一方の環座は前記固定側部材に支持されていることを特徴とする請求項３または４に記載の回転構造体。
【請求項６】
前記一方の環座を前記ボールないし前記他方の環座に対して軸方向に付勢するための弾性手段を備えていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の回転構造体。
【請求項７】
前記回転軸の前記軸受部よりも前記中心点に対して軸方向の反対側の部位に回転駆動部が配設されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の回転構造体。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の回転構造体を備える超音波モータ。
【請求項９】
前記回転駆動部は超音波モータのステータ及びロータであり、前記回転軸は当該ロータに連結されていることを特徴とする請求項８に記載の超音波モータ。
【請求項１０】
前記固定側部材は前記ステータと一体に構成されていることを特徴とする請求項９に記載の超音波モータ。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれかに記載の回転構造体を備えるカメラ。
【請求項１２】
請求項８ないし１０のいずれかに記載の超音波モータを備えるレンズ鏡筒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転軸を回転駆動するための回転構造体、例えば、回転駆動源として用いられる超音波モータの回転駆動時における回転負荷を低減して当該超音波モータの回転特性を向上するようにした回転構造体およびこれを備える装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転構造体の一つとして例示される超音波モータは、複数に分極した圧電体を円周配置したステータと、このステータに所定の圧力で当接した回転可能な円板状あるいは円環状のロータとで構成され、ステータの圧電体に高周波電圧を印加して圧電体を振動させ、この振動を圧電体と一体的に設けた櫛歯体によって円周方向に拡大させて櫛歯体を円周方向に向けて進行波動作させることで、圧電体に摩擦係合しているロータを軸回り方向に回転動作させるものである。この超音波モータは、ステータとロータとの間に生じるトルクが円周方向においてばらつくことがあり、このトルクのばらつきによって回転軸が傾いた状態で回転されることがある。特に、ロータの回転を円滑なものにするためにステータとロータとの圧接面に摺動部材（潤滑部材）を配設している場合には、当該摺動部材が摩耗等によって円周方向の膜厚にばらつきが生じたような場合に回転軸の傾きが生じ易い。このようなモータ等における回転軸の傾きを防止するための技術として、特許文献１や特許文献２の技術が提案されている。これら特許文献１，２の技術は、いずれも回転軸の軸受部を構成しているボールベアリングの内輪や外輪をテーパ面（円錐面）やテーパ状曲面に形成することにより、そのテーパ作用によって内輪で軸支している回転軸の軸芯を一定状態に保持するという技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９２７４８号公報
【特許文献２】特開昭５８−１０２８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１，２のようなテーパ面を利用した技術は、回転軸の軸方向に離れた２箇所において軸受部で軸受けする構成では有効であるが、回転軸の軸方向の１箇所で軸受けする構成では、回転軸が当該軸受部を支点にして傾いてしまうため、回転軸の軸芯位置を固定することは難しい。回転軸が傾くと、回転軸が回転した際に偏心回転、いわゆる歳差回転（みそすり回転、首振り回転）が生じ、この偏心回転によって軸受部を構成している内輪と外輪の動作の円滑性が失われ、両者間に回転負荷が発生し、この回転負荷がモータの回転特性を低下させる要因となっている。
【０００５】
また、回転軸に出力歯車を取着し、この出力歯車を被駆動側の従動歯車に歯合させて回転力を伝達する構成とした場合には、回転軸の傾きによって出力歯車に歯合されている従動歯車との軸間距離が変動し、両歯車間に設定されている歯合余裕（バックラッシュ）が変動され、この歯合余裕が無くなったときに回転負荷が発生して回転特性を低下させることもある。このような問題は、超音波モータに限られるものではなく、回転軸を軸方向の１箇所で軸受けし、かつ当該回転軸に出力歯車を取着した構成のモータであれば同様に生じることになる。
【０００６】
本発明の目的は軸受部における回転負荷及び回転軸に設けた出力歯車等の出力手段における回転負荷を抑制して回転特性を向上したモータ等の回転構造体およびこれを備えるカメラやレンズ鏡筒等の各種装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、回転駆動される回転軸を軸方向の一部において固定側部材に軸支する軸受部を備える回転構造体であって、軸受部には回転軸の軸方向の他の一部を中心点とする球面が形成されており、回転軸が傾くときには当該中心点を支点にして傾くように構成され、回転軸は中心点の位置に当該回転軸の回転力を外部に出力するための出力手段を備えていることを特徴とする。具体的には、軸受部は軸方向に対向配置された一対の環座と、これら環座の間に介装されたボールとを備えるボールベアリングで構成されており、軸方向に沿って中心点と反対側に位置する一方の環座のボールと接する面が球面である構成とする。また他方の環座はボールに対して径方向に相対移動可能な構成とする。
【０００８】
本発明において、出力手段は被回転部材側の従動歯車に歯合される出力歯車である。また、本発明において、他方の環座のボールと接する面は、当該ボールを径方向に移動することを許容する面として形成されることが好ましい。また、当該他方の環座は回転軸と一体的に設けられ、一方の環座は固定側部材に支持される構成とする。さらに、一方の環座をボールないし他方の環座に対して軸方向に付勢するための弾性手段を備えることが好ましい。
【０００９】
本発明の回転構造体は、回転軸の軸受部の中心点に対して軸方向の反対側の部位に回転駆動部が配設される。本発明の回転構造体は超音波モータとして構成でき、この場合には回転駆動部は超音波モータを構成するステータ及びロータであり、回転軸は当該ロータに連結される構成とすることが好ましい。また、固定側部材はステータと一体に構成される構成としてもよい。さらに、本発明の回転構造体はカメラやレンズ鏡筒等の一部として構成することも可能であり、特に超音波モータとして構成したときにはレンズ鏡筒のＡＦモータやズームモータとして構成することが可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば回転駆動部により回転される回転軸が傾くときには、軸受部に設けた球面に沿って回転軸が傾けられるので、回転軸は軸方向の一部に設定した中心点を支点にして傾くことになる。これにより、軸受部における円滑な回転が確保され、当該軸受部における回転負荷の増加が抑制され、回転特性を向上することができる。また、回転軸が傾いたときにはこれに取着されている出力手段も中心点を中心にして傾けられるので、出力手段の中心位置の変動が防止でき、被駆動回転部材との間の回転力伝達に際しての回転負荷の増加が抑制され、回転特性を向上することができる。特に、軸受部において回転軸を径方向に移動可能な構成とすることで、出力手段において回転負荷が生じるような状況においても、回転の始動に伴って回転軸を所定の位置に自動的に設定することができ、回転負荷を未然に防止ないし抑制することができる。
【００１１】
本発明の回転駆動部として超音波モータのステータとロータで構成することにより、ステータとロータとの間に生じるトルクが円周方向においてばらついて回転軸が偏心回転する場合でも、中心点を支点にした歳差回転をさせて出力手段での動作を安定化させ、当該超音波モータを駆動源とする各種機構を安定した特性で駆動さることが可能な超音波モータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を超音波モータに適用した実施形態の縦断面図。
【図２】図１の要部の部分分解斜視図。
【図３】要部の構成を説明するための模式図。
【図４】歳差回転が生じた状態の縦断面図。
【図５】軸受部における回転負荷を説明する図。
【図６】出力歯車における自動位置修正作用を説明する図。
【図７】実施形態の超音波モータの出力トルクを説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明を超音波モータに適用した実施形態の縦断面図である。なお、以降の説明における上下方向は図１を基準にしたものである。所要の平面形状をした基板１はネジ１２により機器の一部１３に固定されている。この基板１は中央に上下方向に向けられた円筒状の軸受筒１１を一体に有しており、この軸受筒１１の外周に円環板状をしたステータ２が嵌装されている。このステータ２はその上側から前記軸受筒１１の外周面に螺合された固定筒２１によって前記基板１に一体的に支持されている。前記ステータ２は円周方向に複数の櫛歯を配列した短円筒状の櫛歯体２２が一体に設けられており、この櫛歯体２２の下面には円周方向に複数に分極された円環薄板状の圧電体２３が一体的に搭載されている。この、圧電体２３には図には表れない駆動回路から高周波電圧が印加されるようになっている。
【００１４】
前記軸受筒１１の内部には回転軸３が上下方向に内挿され、詳細を後述する軸受部４によって当該軸受筒１１内において軸転可能に支持されている。この回転軸３の下端部には平歯車からなる出力歯車６が一体に取着されており、この出力歯車６には図には表れない被駆動部材に連結された従動歯車７が歯合されている。また、回転軸３の上端部には短円筒容器状をしたロータ５がネジ３１によって取着されている。このロータ５と回転軸３は回転方向には一体であるが、ロータと回転軸の上端部との間に設けられた微小寸法の遊びによってロータ５は回転軸に対して径方向及び軸方向に微小寸法で相対移動することが可能とされている。
【００１５】
ロータ５は周壁部５１の下端面が圧接面として前記ステータ２の前記櫛歯体２２の上端面に対向配置されている。また、前記軸受筒１１の内部の前記回転軸３の外側には、前記固定筒２１と前記軸受部４との軸方向の間に圧縮コイルスプリング８が内挿されており、この圧縮コイルスプリング８の軸方向外側に向けての弾性力によって軸受部４を下方向に付勢し、さらにこの軸受部４を介して回転軸３を下方に付勢し、当該回転軸３に取着されている前記ロータ５の周壁部５１の下端面をステータ２の櫛歯体２２の上端面に圧接させている。
【００１６】
前記軸受部４は、図２に分解斜視図を示すように、回転軸３と一体に形成された概ね円形板状をした下環座４１と、この下環座４１と軸方向に対峙するように配置された概ね円環板状をした上環座４２と、これら下環座４１と上環座４２との間に配設された複数個のボール（同図では数を低減して示している）４３とを備えるボールベアリングとして構成されている。前記下環座４１は周壁４１ａを有しており、前記ボール４３が外周方向に脱落しないようにされている。また、前記下環座４１の上面には内底面を平面とした環状の凹溝４１ｂが形成されており、前記ボール４３をこの凹溝４１ｂ内において転動可能に支承している。前記上環座４２の下面４２ａは球面に形成されており、この球面は後述するように前記回転軸３の軸芯Ａｘ上の下端寄りの一部に設定された中心点Ｃを中心とした球面の一部で構成されている。
【００１７】
図３は前記下環座４１と上環座４２の詳細な構成を説明するための模式図である。前記下環座４１に形成した凹溝４１ｂは内底面の径方向の寸法Ｌ１が所要の寸法に形成されており、この所要の寸法によって前記ボール４３は当該凹溝４１ｂの内底面上で径方向に微小寸法で移動されることが可能とされている。また、前記上環座４２の下面４２ａは、前記回転軸３の下端部に取着された前記出力歯車６の中心位置、すなわち前記回転軸３の軸線上で前記出力歯車６の厚み方向の中央位置Ｃを中心点とした所定の半径Ｒ１の球面の一部で形成されている。そして、図１に示したように、前記した圧縮コイルスプリング８の下端は前記上環座４２の上面に弾接されており、その弾性力によって上環座４２を下方に付勢し、さらにボール４３を介して下環座４１を下方に付勢し、ひいてはこの下環座４１と一体の回転軸３を下方に付勢している。
【００１８】
この超音波モータでは、図には示されていない駆動回路から出力される高周波電圧がステータ２の圧電体２３に印加されると当該圧電体２３が振動し、これと一体の櫛歯体２２が振動し、円周方向に配列されている複数の櫛歯が円周方向に変位され進行波動作される。圧縮コイルスプリング８の付勢力によって回転軸３が下方に付勢され、当該回転軸３を介してロータ５の周壁面５１の下端面が櫛歯体２２の上端面に圧接されるため、この圧接による両面での摩擦力によってロータ５が円周方向に移動され、ロータ５及びこれを支持している回転軸３が回転される。回転軸３の回転により出力歯車６が一体に回転され、これに歯合されている従動歯車７が回転される。
【００１９】
この超音波モータの回転動作に際し、例えば図４に示すように、スタータ２とロータ５との間に生じるトルクが円周方向においてばらつくと、ロータ５が偏心回転されるようになり、この偏心回転に伴って回転軸３は軸芯に対し一定方向に角度θｘで傾いた状態で回転される。あるいは、この角度θｘの方向が周方向に変化される状態で回転されることになる。後者の回転はいわゆる歳差回転（みそすり回転、首振り回転）と称される。このように、回転軸３が本来の軸芯に対して傾いて回転すると、従来のボールベアリング構造の軸受部では回転負荷が増加してしまう。例えば、図５は内輪１０１と外輪１０２の環に複数個のボール１０３を介装した従来の一般的なボールベアリングの例であり、ボールベアリングの回転軸が傾いて内輪１０１と外輪１０２が角度θｘだけ傾くことによって同図に示すような放物線に近い関数で回転負荷が生じる。従来の超音波モータでは、平均的に３０分（１度＝６０分）近い角度θｘの傾きが生じることがあるので、その際の回転負荷は無視できないものとなる。
【００２０】
この実施形態の超音波モータにおいては、図４に示したように回転軸３が傾いて回転した場合でも、軸受部４の上環座４２の下面４２ａは球面に形成されているので、上環座４２は当該球面４２ａにおいてボール４３を転動させながら下環座４１に対して回転されることになる。結果として回転軸３は上環座４２の下面４２ａを構成している球面の中心である前記中心点Ｃを支点として傾いて回転されることになるが、回転軸３が傾いて回転しても軸受部４を構成している上環座４２は下環座４１に対してボール４３を転動させながら円滑に相対回転されるため、図５に示したような回転負荷が発生することはなく回転負荷の増加を零ないし極めて小さい増加に抑制することができる。
【００２１】
また、この実施形態では軸部４の下環座４１の上面に、ボール４３が径方向にも微小寸法で移動できるように凹溝４１ｂを形成しているので、回転軸３が傾いて回転したときにはボール４３は回転軸３の傾きに伴って凹溝４１ｂ上で径方向にも移動されるので、下環座４１のさらなる円滑な回転が可能になり、回転負荷をより効果的に抑制することができる。この凹溝４１ｂの径方向の寸法は、ボール４３の径寸法等に対応させて適宜な寸法に設計される。
【００２２】
ここで、超音波モータを組み立てたときに、図６（ａ）に示すように、回転軸３が設計位置から変位された位置、ここでは回転軸３の軸線Ａｘが設計位置の軸線Ａｂから微小寸法ｄだけ変位された状態に組み立てられたような場合には、出力歯車６と従動歯車７の軸間距離が設計距離よりも短くなって両歯車６，７が干渉し、この干渉によって超音波モータが回転されたときの回転負荷が増加してしまう。しかし、前記したように回転軸３は軸受部４の構造によって径方向に移動可能であるので、超音波モータが回転始動されると、両歯車６，７の干渉によって生じる相互反発力Ｆｘによって、図６（ｂ）に示すように、出力歯車６および回転軸３は従動歯車７から離反する方向に微小移動され、両歯車６，７の干渉が解消される。このとき下環座４１がボール４３を転動させながら径方向に移動されることは言うまでもない。これにより、回転軸３の軸線Ａｘは設計位置の軸線Ａｂに移動され、図３に示したように、ボール４３と上環座４２で決まる中心点Ｃ上に位置修正されることになり、以降は出力歯車６と従動歯車７とが干渉しない状態、換言すれば干渉による回転負荷を解消した状態で回転駆動されることになる。
【００２３】
以上のように、この実施形態の超音波モータでは、ステータ２とロータ５との間の周方向でのトルクのばらつきによって回転軸３が傾いた状態で回転され、あるいは歳差回転される場合でも、軸受部４における回転負荷の増加が抑制でき、また出力歯車６における従動歯車７との歯合による回転負荷の増加が抑制できる。これにより、超音波モータの回転特性を向上することができる。例えば、図７は超音波モータにおける回転特性、いわゆるＮ−Ｔ特性であり、破線は従来の超音波モータであり、実線は本実施形態の超音波モータである。これから判るように、実施形態の超音波モータでは従来の超音波モータよりも回転負荷が低減されることによって平均出力トルクが増加されている。
【００２４】
ここで、実施形態では軸受部４の下環座４１を回転軸３と一体に形成しているが、この下間座４１を回転軸３とは別部材として形成し、例えばスプライン結合等によって回転軸３に対して回転方向及び軸方向に結合した構成としてもよい。あるいは、下環座４１を固定側部材、例えば軸受筒１１と一体的に形成し、上環座４２を回転軸３と一体に形成してもよく、このようにしても回転軸３が傾いたときの中心を上環座４２の下面として形成した球面の中心点Ｃに固定することができる。ただし、この場合には圧縮コイルスプリング８と上環座４２との間に回転に伴う摩擦力が発生するため、円滑な傾きを確保するためにはこの摩擦力を低減するための構成が必要になることもある。
【００２５】
実施形態では出力歯車６が平歯車の例を示したが、ウォーム歯車や傘歯車等の歯車であってもよく、これらの歯車の場合には当該出力歯車に歯合される従動歯車との歯合面の中心位置を求め、この中心位置に対応する回転軸の軸線上の位置を軸受部の上環座の球面の中心となるように設計すればよい。例えば、ウォーム歯車の場合には当該ウォーム歯車に歯合するピニオンの回転中心線と回転軸とが交差する位置を球面の中心に設計する。また、傘歯車の場合には従動歯車が取着されている従動軸の軸線と回転軸が交差する位置を球面の中心に設計する。
【００２６】
実施形態では、本発明を超音波モータに適用しているが他の種類のモータであってもよい。すなわち、回転軸を軸方向の一部において軸受部により軸支した構成をとり、駆動したときに回転軸が傾くおそれのある回転構造体であれば本発明を同様に適用することが可能である。また、本発明の回転構造体はカメラの各部に構成される回転構造に適用することが可能である。例えば、カメラのＡＦ（自動焦点）ジョイント等の回転機構部に適用することができる。特に、本発明の回転構造体を実施形態のような超音波モータに適用したときには、当該超音波モータをレンズ鏡筒に内装するＡＦ機構のＡＦモータとして、あるいは可変焦点距離（ズーム）機構のズームモータとして適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は回転軸を１つの軸受部で支持するとともに、当該回転軸に出力歯車を取着する構成のモータを含む回転構造体に採用して有効である。
【符号の説明】
【００２８】
１  基板
２  ステータ
３  回転軸
４  軸受部
５  ロータ
６  出力歯車
７  従動歯車
８  圧縮コイルスプリング
１１  軸筒部
２２  櫛歯体
２３  圧電体
４１  下環座
４１ｂ  凹溝
４２  上環座
４２ａ  下面（球面）
４３  ボール
Ｃ  中心点
【図１】
2015148679.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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