JP5573121B2

JP5573121B2 - 振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラ

Info

Publication number: JP5573121B2
Application number: JP2009266937A
Authority: JP
Inventors: 将光木村; 邦宏桑野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: JP2011114891A

Description

本発明は、振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラに関するものである。

圧電素子等の電気機械変換素子を用いて振動子を振動させ、この振動によって相対移動部材を摩擦駆動させる振動アクチュエータがある。従来、相対移動部材としては、コスト及び加工性の面から、例えばアルミニウム等の剛性の低いものが用いられている。また、振動子としては、一般に高弾性材料、例えば鉄やステンレス鋼といった金属材料が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特公平１−１７３５４号公報

しかし、アルミニウムは剛性が低いため、摩擦、磨耗対策が必要である。また、アルミニウムで製造された相対移動部材と振動子とが共振して駆動音が発生する可能性がある。

本発明の課題は、磨耗が少なく且つ駆動音の小さい振動アクチュエータを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により前記課題を解決する。

請求項１に記載の発明は、ベース部に支持されて設けられた、基部と先端部とを有する振動子と、前記基部を第２の方向に沿って駆動する１対の第１電気機械変換素子と、前記先端部に加圧接触し、前記振動子が振動することにより、前記第２の方向と交差する第１の方向に沿って回転移動する回転移動部材と、前記ベース部に挿通され、前記回転移動部材の回転軸に沿って設けられ、前記回転移動部材を支持する支持軸と、を備え、前記振動子は、前記１対の第１電気機械変換素子が前記第１の方向に沿って前記基部を挟み込むことで前記ベース部に支持されるとともに、前記ベース部に前記第１の方向に沿って配置され、前記回転移動部材の密度が前記振動子より小さく、前記回転移動部材のヤング率が前記振動子より大きいこと、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータであって、前記回転移動部材がセラミック製であること、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の振動アクチュエータであって、前記振動子が、金属製であること、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、前記回転移動部材の軸方向の最大厚みは、前記相対回転移動部材の径方向の最大半径より大きいこと、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の振動アクチュエータであって、前記回転移動部材における、前記軸と平行且つ前記軸を通る断面形状は、矩形であること、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の振動アクチュエータであって、前記回転移動部材における前記軸と平行且つ前記軸を通る断面形状は、八角形であること、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項７に記載の発明は、請求項４に記載の振動アクチュエータであって、前記回転移動部材における前記軸と平行且つ前記軸を通る断面形状は、略円形であること、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項８に記載の発明は、請求項４に記載の振動アクチュエータであって、前記基部と前記先端部との間に、前記先端部を前記第１の方向に沿って振動させる第２電気機械変換素子をさらに備えること、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えること、を特徴とするレンズ鏡筒である。
請求項１０に記載の発明は、請求項１から８のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えること、を特徴とするカメラである。

本発明によれば、磨耗が少なく且つ駆動音の小さい振動アクチュエータを提供することができる。

本発明の１実施形態の圧電モータを備えるレンズ鏡筒およびそのレンズ鏡筒が装着されたカメラの概念図である。圧電モータの正面図である。圧電モータの断面図である。ロータ部の他の形態であって、（ａ）は、軸穴を含む断面が八角形の場合、（ｂ）は、軸穴を含む断面が略円形の場合を示す。

以下、図面等を参照して、本発明の一実施形態の圧電モータ１００について説明する。
図１は、本実施形態における圧電モータ１００を備えるレンズ鏡筒３００が装着されたカメラ２００の概念図である。
カメラ２００は、撮像素子２０２を有するカメラボディ２０１を備え、レンズ鏡筒３００は、カメラボディ２０１に着脱可能な交換レンズである。なお、本実施形態では、レンズ鏡筒３００は、交換レンズである例を示したが、これに限らず、例えば、カメラボディと一体型のレンズ鏡筒であってもよい。

レンズ鏡筒３００は、フォーカシングレンズ３０１、カム筒３０２、圧電モータ１００およびこれらを包囲する筐体３０３等を備えている。
圧電モータ１００は、カム筒３０２と筐体３０３の間の円環状の隙間に配置されている。圧電モータ１００は、そのロータ部１２０の歯車１２５が、カム筒３０２の外周に形成された歯車に噛合して配設され、カム筒３０２を回転駆動する。これにより、カメラ２００のフォーカス動作時においてフォーカシングレンズ３０１を駆動する。

カム筒３０２は、圧電モータ１００による回転操作によって、筐体３０３内に光軸ＯＡと平行する方向に移動可能に設けられている。
フォーカシングレンズ３０１は、カム筒３０２に保持されている。そして、圧電モータ１００の駆動によるカム筒３０２の移動によって光軸ＯＡ方向に移動して焦点調節を行う。
なお、図示しないが、レンズ鏡筒３００は、フォーカシングレンズ３０１の他に複数のレンズ群を備えている。

そして、カメラ２００は、レンズ鏡筒３００内に設けられたフォーカシングレンズ３０１を含むレンズ群によって、撮像素子２０２の撮像面に被写体像が結像される。撮像素子２０２によって、結像された被写体像が電気信号に変換され、その信号をＡ／Ｄ変換することによって、画像データが得られる。

次に、圧電モータ１００について説明する。図２は、圧電モータ１００の正面図である。図３は、圧電モータ１００の断面図である。
圧電モータ１００は、ベース部材１１０と、ベース部材１１０に対して隣接配置されたロータ部１２０と、ベース部材１１０のロータ部１２０と対向する側に構成された支持駆動部１３０と、を備えている。

ベース部材１１０は、例えばステンレス鋼等の金属材料により中空円筒状に形成され、中心軸Ｃに沿って支持軸１１５が挿通固定されている。
ベース部材１１０におけるロータ部１２０と対向する端部には、支持駆動部１３０における駆動機構３０を収容する保持凹部１１１が、ベース部材１１０の周方向（すなわちロータ部１２０の回転方向）に複数（６ヶ所）設けられている。保持凹部１１１は、環状のベース部材１１０の肉厚部分を径方向に通して形成されている。

ロータ部１２０は、ベアリング１１６を介して支持軸１１５によって回転自在に軸支され、支持駆動部１３０上に配置されている。ロータ部の形状については後述する。

支持駆動部１３０は、周方向等間隔（すなわち６０°間隔）で６組の駆動機構３０を備えている（図２には２つのみ図示）。
駆動機構３０は、リフト方向振動子３１と、スライド方向振動子３２と、を備えている。また、リフト方向振動子３１とベース部材１０との間に配置されたリフト用圧電体３３と、リフト方向振動子３１とスライド方向振動子３２との間に配置されたスライド用圧電体３４とを備えている。

リフト方向振動子３１は、直方体状であって、たとえばアルミニウム合金等の軽金属によって形成されているが、これに限定されず、鉄系やステンレス鋼の金属材料でもよい。リフト方向振動子３１は、ベース部材１０における保持凹部１１に収容されている。その上面は、ベース部材１０の上面より所定量上側に突出している。リフト用圧電体３３は、リフト方向振動子３１における、中心軸Ｃを中心とした回転Ｒ方向前後の外面と、保持凹部１１におけるＸ軸方向前後の内壁面との間に、それぞれ配置されている。

前後のリフト用圧電体３３は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電素子によって、所定の縦横比および厚さの薄い矩形の板状に形成され、圧電効果を有している。その振動モードは厚み滑り振動であって、長手方向の変形を利用するように形成されている。

そして、各リフト用圧電体３３は、リフト方向振動子３１の外面に導電性の接着剤によって接着され、保持凹部１１の内壁面には絶縁性の接着剤によって接着されて、その振動方向を中心軸Ｃに沿った方向として設けられている。なお、各リフト用圧電体３３は、導電性でない接着剤を用いてリフト方向振動子３１の外面に接着してもよい。その場合、リフト用圧電体３３とリフト方向振動子３１の外面が直接接触して導通する部分を設けるように接着すればよい。

スライド方向振動子３２は、ステンレス合金鋼等によって断面が山形の六角柱状に形成され、スライド用圧電体３４を介してリフト方向振動子３１の上面に配設されている。スライド方向振動子３２の上面は、ロータ部１２０の被駆動面１２１と対応する平坦な駆動面３２Ａとなっている。

スライド用圧電体３４は、リフト用圧電体３３と同様に、所定の縦横比で所定厚さの薄い板状の圧電素子であって、振動方向をＲ方向として設けられている。

リフト用圧電体３３と、スライド用圧電体３４には、図示しない制御装置によって制御される駆動回路からそれぞれ駆動電圧が印加され、リフト方向振動子３１はアースに接続されている。この駆動電圧によってリフト用圧電体３３が振動してリフト方向振動子３１を昇降駆動すると共に、スライド方向振動子３２を前後駆動する。

すなわち、リフト用圧電体３３は、電圧の印加による圧電素子の変形振動によって、リフト方向振動子３１を保持凹部１１に対して中心軸Ｃに沿った方向に所定のストロークで移動駆動する。また、スライド用圧電体３４は、電圧の印加による圧電素子の変形振動によって、スライド方向振動子３２をリフト方向振動子３１に対して（すなわちベース部材１０に対して）Ｒ方向に所定のストロークで移動駆動する。

上記のように構成された圧電モータ１００は、制御装置に制御された駆動装置から、リフト用圧電体３３およびスライド用圧電体３４にそれぞれ所定の位相で駆動電圧が印加され、駆動機構３０が作動してロータ部１２０をＲ方向に回転する。

６組の駆動機構３０は、１組み置き（交互）の３組でグループ（第１グループＧ１および第２グループＧ２）を構成している。各グループＧ１，Ｇ２を構成する駆動機構３０におけるリフト用圧電体３３には、電源部から同一位相の駆動電圧が印加されるようになっている。また、各グループＧ１，Ｇ２を構成する駆動機構３０におけるスライド用圧電体３４には、電源部から同一位相の駆動電圧が印加されるようになっている。

そして、各駆動機構３０は、スライド方向振動子３２がベース部材１１０の中心軸Ｃを中心として略円運動するように駆動される。同一グループ（Ｇ１またはＧ２）を構成する駆動機構３０は同位相で作動し、かつ、グループＧ１またはグループＧ２を構成する駆動機構３０は異なる位相で作動する。これにより、グループＧ１またはグループＧ２を構成する駆動機構３０がロータ部１２０を回転軸方向において交互に支持し、ベース部材１１０に対して相対的に駆動させる。これによって、支持駆動部１３０は、ロータ部１２０をＲ方向に連続して回転駆動する。

次に、ロータ部１２０について詳述する。ロータ部１２０は、図３に示すように、支持軸１１５の部分も含む断面形状が略矩形となっており、外周面には、歯車１２５が形成されている。そして、ロータ部１２０の軸方向の最大厚みは、ロータ部１２０の径方向の最大半径より大きい。

また、ロータ部１２０は、中実（中身の詰まった状態）であって、その材質は、例えば、密度３．６〜４．０ｇ／ｃｍ^３、ヤング率２３０〜４１０×１０^９Ｎ／ｍ^２のアルミナ等の軽量な且つ硬質のセラミックである。この密度はステンレス等で製造されたスライド方向振動子３２より小さく、またヤング率はスライド方向振動子３２より大きい。ロータ部１２０は、このような材質及び形状であるため、剛性が高く、磨耗しにくい。

このように、ロータ部１２０に硬質のセラミックを用いた場合、以下の効果を有する。
（１）ロータ部１２０が柔らかい素材の場合、スライド方向振動子３２と摩擦駆動をした際、被駆動面が削れてしまう。しかし、本実施形態においてロータ部１２０は硬質のセラミックであるため、ロータ部１２０の磨耗が減少し、耐久性が向上する。

（２）さらに、ステンレス合金等で製造されたスライド方向振動子３２の駆動周波数に対し、セラミック等で製造されたロータ部１２０の１次共振モードの周波数は十分高い位置になる。このため、スライド方向振動子３２とロータ部１２０との間の共振が回避でき、剛体として振舞うことができ、音の発生が低減できる。

（３）ロータ部１２０の被駆動面１２１と、スライド方向振動子３２の駆動面３２Ａとは加圧接触しており、ロータ部１２０の剛性が小さいと、この加圧によりロータ部１２０は変形を起こし、この変形により異音が発生する。しかし、本実施形態のロータ部１２０は、剛性が高いので、ロータ部１２０の変形が少なく、異音発生の可能性が小さい。

（４）ロータ部１２０はセラミックであって不導体である。したがって駆動機構３０（スライド方向振動子３２）が電極の役目を有しているような場合であっても、使用することができる。
（５）ロータ部１２０は、軽量であるために、慣性力が小さい。このため、稼動しやすく、制御の効率が上がる。

（変形形態）
以上、説明した実施形態に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の範囲内である。
（１）図４は、ロータ部１２０の他の形態であって、図４（ａ）は、支持軸１１５を通す軸孔１１５Ａを含む断面が八角形のロータ部１２０Ａ、（ｂ）は、軸孔１１５Ｂを含む断面が略円形のロータ部１２０Ｂを示す。なお、これらの図において歯車は省略する。図示するように、ロータ部は矩形に限らず、５角形以上の多角形、または円形であっても良い。ただし、実施形態で説明したような断面が矩形のロータ部１２０と、図３の他の形状のロータ部１２０Ａ、１２０Ｂとを比較すると、断面積が同じ場合、断面が矩形のロータ部１２０の方が、断面２次モーメントが大きくなるので好ましい。また、断面形状が同じ場合は、断面積が大きいほうが断面２次モーメントは大きくなる。
（２）ロータ部１２０の材質は、アルミナに限定されず、例えば、比重３．１〜３．２ｇ／ｃｍ^３、ヤング率３４０〜４１０×１０^９Ｎ／ｍ^２のシリコンカーバイト等であってもよい。
（３）上述の実施形態では、リフト方向振動子３１とスライド方向振動子３２とをそれぞれ有する複数の駆動機構３０を備える圧電モータ１００について説明したが、本発明はこれに限定されず、圧電素子により励振された弾性体の楕円振動により相対移動部材が駆動される圧電モータに適用しても良い。
（４）上述の実施形態では、中実のロータ部について説明したが、これに限定されず、ヤング率が大きければ中空であっても良い。
なお、実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した実施形態によって限定されることはない。

３２：スライド方向振動子、３３：リフト用圧電体、３４：スライド用圧電体、１００：圧電モータ、１１５：支持軸、１２０：ロータ部、２００：カメラ、３００：レンズ鏡筒

Claims

ベース部に支持されて設けられた、基部と先端部とを有する振動子と、
前記基部を第２の方向に沿って駆動する１対の第１電気機械変換素子と、
前記先端部に加圧接触し、前記振動子が振動することにより、前記第２の方向と交差する第１の方向に沿って回転移動する回転移動部材と、
前記ベース部に挿通され、前記回転移動部材の回転軸に沿って設けられ、前記回転移動部材を支持する支持軸と、を備え、
前記振動子は、前記１対の第１電気機械変換素子が前記第１の方向に沿って前記基部を挟み込むことで前記ベース部に支持されるとともに、前記ベース部に前記第１の方向に沿って配置され、
前記回転移動部材の密度が前記振動子より小さく、前記回転移動部材のヤング率が前記振動子より大きいこと、を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項１に記載の振動アクチュエータであって、
前記回転移動部材がセラミック製であること、を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項１または２に記載の振動アクチュエータであって、
前記振動子が、金属製であること、を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項１から３のいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、
前記回転移動部材の軸方向の最大厚みは、前記相対回転移動部材の径方向の最大半径より大きいこと、を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項４に記載の振動アクチュエータであって、
前記回転移動部材における、前記軸と平行且つ前記軸を通る断面形状は、矩形であること、を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項４に記載の振動アクチュエータであって、
前記回転移動部材における前記軸と平行且つ前記軸を通る断面形状は、八角形であること、を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項４に記載の振動アクチュエータであって、
前記回転移動部材における前記軸と平行且つ前記軸を通る断面形状は、略円形であること、を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項４に記載の振動アクチュエータであって、
前記基部と前記先端部との間に、前記先端部を前記第１の方向に沿って振動させる第２電気機械変換素子をさらに備えること、を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項１から８のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えること、を特徴とするレンズ鏡筒。
請求項１から８のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えること、を特徴とするカメラ。