CN101567642B - 振动执行元件、透镜镜筒、相机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及振动执行元件、透镜镜筒、相机。所述振动执行元件的特征在于,具备:具有第一接合面,被激励的电气机械变换元件;具有与所述第一接合面接合的第二接合面及基于所述激励而产生振动波的驱动面的弹性体;和具有与所述驱动面加压接触的接触面,被所述振动波驱动而相对所述弹性体进行相对移动的相对移动部件;所述第一接合面的外形是与所述接触面的外形不同的形状。
Description
技术领域
本发明涉及振动执行元件、具备该振动执行元件的透镜镜筒以及相机。
背景技术
以往,公知有一种通过电气机械变换元件的伸缩以使弹性体的驱动面产生行进性振动波(以下称作行波),通过该行波以使驱动面产生椭圆运动,对与椭圆运动的波头加压接触的相对移动部件进行驱动的振动执行元件(例如,参照专利文献1)。
专利文献1:日本特公平1-17354号公报
近年来,人们不断要求这种振动执行元件的小型化。但是,随着振动执行元件的小型化,如果电气机械变换元件与弹性体的接合面的面积减小,则在将电气机械变换元件的厚度或介电常数等其他条件设定为一定的情况下,电气机械变换元件的静电电容将减少。如果电气机械变换元件的静电电容降低,则与之相伴振动执行元件的启动扭矩等驱动性能也会降低。
发明内容
本发明的课题在于提供即使在小型化的情况下驱动性能也良好的振动执行元件、具备该驱动执行元件的透镜镜筒及相机。
本发明的第一方案提供一种振动执行元件,其具备:具有第一接合面,被激励的电气机械变换元件;弹性体,其具有与所述第一接合面接合的第二接合面及基于所述激励而产生振动波的驱动面;相对移动部件,其具有与所述驱动面加压接触的接触面,被所述振动波驱动而相对所述弹性体进行相对移动,上述第一接合面的外形是与上述接触面的外形不同的形状。
上述接触面为圆形,上述第一接合面的在与上述相对移动部件的行进方向正交的方向的宽度,因上述相对移动部件的行进方向的位置而不同。
上述接触面为圆形,上述第一接合面的上述接触面的径向的宽度不均一。
上述接触面的外形比上述第二接合面的外形小。
上述驱动面的外形比上述第二接合面的外形小。
上述第一接合面的外形及上述第二接合面的外形为椭圆形状。
上述第二接合面的短径近似等于上述驱动面的在与上述短径平行的方向的尺寸。
上述第二接合面是与上述第一接合面近似一致的形状。
上述驱动面与上述接触面是相似形状。
上述接触面的外形为正圆形状。
本发明的第二方案提供一种电气机械变换元件,具备:外形为正圆以外的形状并与弹性体接合的接合面;在上述接合面的中心部分形成的圆形形状的贯通孔。
本发明的第三方案提供一种弹性体,具备:外形为正圆以外的形状并与电气机械变换元件接合的接合面;基于上述电气机械变换元件的激励而产生振动波的驱动面。
上述驱动面的外形可为正圆形状。
上述接合面的外形可为椭圆形状。
上述驱动面的外形小于上述接合面的外形。
本发明的第四方案提供一种具备第一方案的振动执行元件的透镜镜筒。
上述透镜镜筒具备:被上述振动执行元件驱动的透镜组、保持该透镜组的透镜保持框、包围该透镜保持框的框体,上述振动执行元件被配置在上述透镜保持框与上述框体之间。
本发明的第五方案提供一种具备上述振动执行元件的相机。
根据本发明,可提供即使在小型化的情况下驱动性能也良好的振动执行元件、具备该振动执行元件的透镜镜筒及相机。
附图说明
图1是说明第一实施方式的相机的图。
图2是从被摄体侧观察图1的相机的透镜镜筒内部的图。
图3是第一实施方式的超声波马达的剖面图。
图4是表示第一实施方式的振动件的图。
图5是表示第二实施方式的振动件的图。
具体实施方式
下面,将参照附图等对本实施方式进行说明。其中,以下的实施方式将超声波马达作为振动执行元件进行举例说明。
第一实施方式:
图1是说明第一实施方式的相机1的图。图2是从被摄体侧观察相机1的透镜镜筒3内部的图。
第一实施方式的相机1具备:具有摄像元件的相机主体2、具有透镜7的透镜镜筒3。
透镜镜筒3是能够拆装到相机主体2的更换镜头。另外,虽然本实施方式中例示了透镜镜筒3为更换镜头的例子,但不限定于此,例如也可采用与相机主体一体型的透镜镜筒。
透镜镜筒3具备:透镜7、凸轮筒6、齿轮4、5、超声波马达10及包围这些部件的框体9等。在本实施方式中,如图2所示,超声波马达10被配置在凸轮筒6与框体9之间的间隙中。超声波马达10在相机1的聚焦动作时作为驱动透镜7的驱动源而使用,从超声波马达10得到的驱动力经由齿轮4、5被传递给凸轮筒6。透镜7被凸轮筒6保持,是基于超声波马达10的驱动力近似平行地沿光轴方向(图1中所示的箭头L方向)移动,进行焦点调节的聚焦透镜。
在图1中,通过设置在透镜镜筒3内的未图示的透镜组(包含透镜7)使被摄体像形成在摄像元件8的被摄面。利用摄像元件8将成像后的被摄体像变换为电信号,并通过对该信号进行A/D变换,得到了图像数据。
图3是第一实施方式的超声波马达10的剖面图。
第一实施方式的超声波马达10具备:振动件11、移动件15、输出轴18、加压部件19等,形成将振动件11侧固定,旋转驱动移动件15的形态。
振动件11是具有弹性体12和与弹性体12接合的压电体13的中空形状的部件。如后述的图4(a)所示,本实施方式的振动件11从移动件15侧观察的外形近似为椭圆形状,在其中央部形成有近似圆形形状的贯通孔11c。
弹性体12是由共振尖锐度大的金属材料形成的部件。对于弹性体12而言,从移动件15侧观察的外形为近似椭圆形状的中空形状(参照图4(a)),该弹性体12具有:梳齿部12a、基底部12b、凸缘部12c等。
梳齿部12a通过在与接合压电体13的面(弹性体侧接合面12e)相反侧的面切割多个槽而形成,该梳齿部12a的前端面与移动件15加压接触,成为驱动移动件15的驱动面12d。对该驱动面实施了Ni-P(镍-磷)镀覆等润滑性的表面处理。设置梳齿部12a的原因在于,使基于压电体13的伸缩而在驱动面12d中产生的行波的中立面尽可能接近压电体13侧,由此来放大驱动面12d的行波的振幅。
基底部12b是与弹性体12的周方向连续的部分,压电体13接合在基底部12b与梳齿部12a相反侧的弹性体侧接合面12e。
凸缘部12c是向弹性体12的内径方向突出的锷状部分,并且被配置在基底部12b的厚度方向的中央。通过该凸缘部12c将振动件11固定于固定部件16。
这里,与弹性体侧接合面12e及驱动面12d、后述的压电体侧接合面13a的形状等相关的详细内容,将在后面叙述。
压电体13是将电能变换为机械能的电气机械变换元件。在本实施方式中使用了压电元件作为压电体13,但也可以使用电致伸缩元件等。
压电体13为近似平板形状,具有与弹性体12接合的压电体侧接合面13a,是在压电体侧接合面13a的中心部分形成有圆形形状的贯通孔13c的中空形状部件(参照图4)。对于压电体13而言,压电体侧接合面13a被利用粘接剂粘接到弹性体侧接合面12e。
该压电体13上形成有用于输入驱动信号的未图示的电极部。
挠性印刷基板14的布线与压电体13的电极部连接。挠性印刷基板14具有向压电体13供给驱动信号的功能。
压电体13基于从该挠性印刷基板14供给的驱动信号伸缩,由此激励弹性体12,在弹性体12的驱动面产生行波。在本实施方式中产生了4波行波。
移动件15是基于在弹性体12的驱动面产生的行波而被旋转驱动的部件。移动件15是由铝等轻金属形成的近似圆盘形状的部件,具有与振动件11(弹性体12的驱动面12d)接触的接触面15a。
接触面15a近似为圆环形状,在接触面15a的表面实施了用于提高耐磨耗性的耐酸铝等表面处理。
输出轴18近似为圆柱形状的部件。输出轴18被设置成一端部经由橡胶部件23与移动件15相接,和移动件15一体旋转。
橡胶部件23是由橡胶形成的近似圆环形状的部件。该橡胶部件23具有:利用橡胶的粘弹性能够使移动件15与输出轴18一体旋转的功能、和吸收振动不使来自振动件15的振动传递给输出轴18的功能,可采用丁基合成橡胶、硅酮橡胶、丙烯橡胶等。
加压部件19是产生使振动件11与移动件15加压接触的加压力的部件。该加压部件19被设置在齿轮4与轴承支承部件21之间。
在本实施方式中,加压部件19采用了压缩螺旋弹簧,但不限定于此。
齿轮4按照嵌入到输出轴18的D形截面部的方式被插入,由挡环等限位件22固定,被设置成在旋转方向及轴向与输出轴成为一体。齿轮4通过与输出轴18的旋转一同旋转而将驱动力传递给齿轮5(参照图1)。
另外,轴承支承部件21被配置在轴承17的内径侧,轴承17成为被配置在固定部件16的内径侧的构造。
加压部件19将移动件11向移动件15侧沿输出轴18的轴向加压,通过该加压力使得移动件15与振动件11的驱动面加压接触,并被旋转驱动。另外,也可以在加压部件19与轴承支承部件21之间设置加压力调整垫片,以便得到适合于超声波马达10的驱动的加压力。
接着,对本实施方式的驱动面12d及弹性体侧接合面12e与压电体侧接合面13a的形状进行说明。
图4是表示第一实施方式的振动件11的图。其中,为了便于理解在图4及以下所示的图5中设置了XYZ直角坐标系。设与输出轴18的轴向平行的方向为Z轴方向,将Z轴方向中朝向移动件15侧的方向设为Z轴的正方向。而且,将从Z轴正方向(移动件15侧)观察的与振动件11的外形的椭圆形状的长径(长轴)平行的方向设为X轴方向,将与短径(短轴)平行的方向设为Y轴方向。
图4(a)是从移动件15侧观察振动件11的图,图4(b)是与XZ平面平行的箭头S1-S2剖面下的振动件11的剖面图,图4(c)是与YZ平面平行的箭头S3-S4剖面下的振动件11的剖面图。其中,图4(a)中用虚线表示的形状,是与驱动面12d相接的移动件15的接触面15a的形状,接触面15a在由该虚线表示的区域中与驱动面12d相接。
压电体13近似为平板形状的部件,具有接合弹性体12的压电体侧接合面13a,在压电体侧接合面13a的中心部分形成有圆形形状的贯通孔13c。该压电体侧接合面13a从弹性体12侧(Z轴正侧)观察的外形为椭圆形状。
如图4所示,弹性体12在Z轴方向正侧的端面为驱动面12d,在Z轴方向负侧的端面为弹性体侧接合面12e。
弹性体侧接合面12e的外形为椭圆形状。该弹性体侧接合面12e的形状与压电体侧接合面13a的形状近似一致。而且,在本实施方式中,驱动面12d的外形与弹性体侧接合面12e的外形近似一致,当沿着Z轴方向从移动件15进行观察时,如图4(a)所示,压电体侧接合面13a、弹性体侧接合面12e、驱动面12d的外形近似一致。
在本实施方式中,如果将成为压电体侧接合面13a、弹性体侧接合面12e、驱动面12d的外形的椭圆形状的长半径设为a、短半径设为b,则长半径与短半径的尺寸比为a∶b=1.5∶1。
表1是与压电体的静电电容等相关联地对本实施方式的超声波马达和比较例的超声波马达进行比较的图。
【表1】
比较例1 | 本实施例 | 比较例2 | |
长半径与短半径之比a∶b | 1∶1 | 1.5∶1 | 3∶1 |
压电体的静电电容之比(内径为零) | 1 | 1.5 | 3 |
驱动面的径向振幅之差 | ○ | △ | × |
移动件的周方向的转速不均 | ○ | △ | × |
○=好;△=可使用;×=不可使用
未图示的比较例1及比较例2的超声波马达,除了压电体侧接合面13a等的外形不同之外,是与本实施方式的超声波马达10近似相同的形态。
对于比较例1的超声波马达而言,振动件呈近似圆环形状。因此,比较例1的压电体侧接合面和弹性体侧接合面及驱动面的外形为圆形形状,a∶b=1∶1。该比较例1的压电体侧接合面和弹性体侧接合面及驱动面的外径,与本实施方式的压电体侧接合面13a的外形的短半径b为相同的尺寸。
对于比较例2的超声波马达而言,压电体侧接合面和弹性体侧接合面及驱动面的外形为椭圆形状,该椭圆形状的长半径与短半径之比a∶b=3∶1。对于该比较例2的压电体侧接合面而言,短半径是与本实施方式的压电体侧接合面13a的短半径相同的尺寸,长半径是本实施方式的压电体侧接合面13a的长半径的两倍的尺寸。
表1中表示的压电体的静电电容之比是在将比较例1的压电体的静电电容设为1时,本实施方式及各比较例的压电体的静电电容之比。这里,该静电电容是在各压电体的中央形成的贯通孔的内径c=0的情况下、即没有形成贯通孔的状态下进行比较的。
驱动面的径向的振动振幅之差是指,针对驱动面中产生的行波的振动振幅的大小,对驱动面的内周侧和外周侧进行比较的结果。对于驱动面的径向的振动振幅的大小之差小,在表1中用○表示为好,对于多少存在径向的差但能够使用,在表1中用△表示为可使用,对于径向的差大得不适合使用,在表1中用×表示为不可使用。
另外,移动件的轴方向的转速不均是指,移动件15基于驱动面的行波被旋转驱动时,接触面15a的轴方向的转速不均。在接触面15a的轴方向,转速不均小的情况在表1中用○表示为好,存在转速不均但能够使用的情况在表1中用△表示为可使用,转速不均大得不适合使用的情况在表1中用×表示为不可使用。
如表1所示,静电电容随着长半径a增大而增大。其原因在于,在将厚度、介电常数等条件设为一定的情况下,由于压电体的静电电容与压电体被极化的区域的面积成比例,所以通过扩展压电体的面积,可以扩展被极化的区域。即,如果压电体与弹性体的接合面的面积扩展,则可以扩展压电体被极化的区域,从而能够增大压电体的静电电容。由此可得到更大的驱动力。
但是,如表1所示,随着长半径a与短半径b之比增大,驱动面的径向的振动振幅之差增大,行波的振动振幅在驱动面的径向具有越靠向外周侧越增大的倾向。因此,通常与驱动面的内周侧相比,外周侧的行波的振动振幅大。
当驱动面的外形为椭圆形状时,例如本实施方式中在驱动面12d的短径方向的外周端附近的点t1和长径方向的外周端附近的点t2处,振动振幅的大小不同,点t2处的振动振幅大于点t1处的振动振幅。
由于该振动振幅的大小的变化,不单纯与径向的位置成比例,所以在移动件15的接触面15a所接触的区域(图4(a)的由虚线包围的区域)中,例如在本实施方式的位于驱动面12d的短径方向的点t3、和位于长径方向的外周端附近的点t4处,点t3处的振动振幅大于点t4处的振动振幅。
如该点t3和点t4处的行波的振动振幅之差那样,接触面15a所接触的区域中的振动振幅之差,随着驱动面的椭圆形状的长半径a与短半径b之比增大而增大(参照表1)。
如上所述,由于在接触面15a与驱动面接触的区域中,振动振幅产生差异,所以移动件15在其轴方向转速产生不均。如果该转速不均增大,则无法进行移动件15的稳定的驱动,将引起超声波马达的驱动性能与驱动效率的降低等。
但是,在本实施方式中,由于将成为驱动面12d等的外径的椭圆形状的长半径a与短半径b之比设为a∶b=1.5∶1,所以能够兼顾所希望的驱动力和稳定的驱动。
因此,根据本实施方式,即使在小型化的情况下,也能实现驱动性能良好的超声波马达。例如,相比于使振动件为圆环形状的以往超声波马达小径化,并将振动件的外径设成与本实施方式的短半径b相同的尺寸的情况,在本实施方式的超声波马达10中能够得到大的扭矩。
而且,根据本实施方式,从Z轴方向观察的外形为椭圆形状。因此当从Z轴方向观察时,在X轴及Y轴方向上,可以配置到一方的尺寸大、另一方的尺寸小的空间,例如图3所示,配置在透镜镜筒3内部的凸轮筒6与透镜镜筒3的外筒之间的间隙中,来提高空间效率。
第二实施方式:
第二实施方式的超声波马达,除了振动件31的驱动面32d的外形不同之外,与第一实施方式近似相同的方式。因此,对与上述第一实施方式起同样功能的部分赋予同一符号,适当省略重复的说明。
图5是表示第二实施方式的超声波马达的振动件31的图。图5(a)是从移动件15侧观察振动件31的图,图5(b)是与XZ平面平行的箭头S5-S6剖面下的振动件31的剖面图,图5(c)是与YZ平面平行的箭头S7-S8剖面下的振动件31的剖面图。其中,图5(a)中用虚线表示的区域,是与驱动面32d接触的移动件15的接触面15a的形状,与接触面15a和驱动面32d接触的区域大致相等。
第二实施方式的振动件31具有:弹性体32、压电体13以及贯通孔31c。贯通孔31c是与第一实施方式的贯通孔11c近似同样的形状。
第二实施方式的弹性体32具有:梳齿部32a、基底部32b,凸缘部32c、驱动面32d和弹性体侧接合面32e。梳齿部32a、基底部32b,凸缘部32c、弹性体侧接合面32e是起到与第一实施方式所示的功能近似相同的功能的部分,但驱动面32d的外形与第一实施方式不同,因此,梳齿部32a、基底部32b的外周侧的形状与第一实施方式不同(参照图5(b))。对于该形状的差异将在后面叙述。
如图5(a)等所示,驱动面32d从移动件15侧(Z轴正侧)观察的形状是外径为r的圆环形状,与移动件15的接触面15a是相似形。
驱动面32d的中心和弹性体侧接合面32e的椭圆形状的中心,位于与Z轴方向平行的同一直线上,驱动面32d的外径r的尺寸与弹性体侧接合面32e的短半径b的尺寸相等,为r=b=(2/3)×a。
如图5(b)及(c)所示,在弹性体侧接合面32e的短径方向(Y轴方向),弹性体侧接合面32e的尺寸(2×b)与驱动面32d的尺寸(2×r)相等,但在弹性体侧接合面32e的长径方向(X轴方向),驱动面32d的尺寸(2×r)小于弹性体侧接合面32e的尺寸(2×a)。
因此,驱动面32d的外形比弹性体侧接合面32e的外形小,如图5(b)所示,梳齿部32a及基底部32b的一部分的外周侧,成为朝向内周侧倾斜的形状。
本实施方式的驱动面32d由于外形为圆形形状,所以对于驱动面32d中产生的行波而言,周方向的振动振幅的大小之差小。例如驱动面32d中的位于Y轴方向的外周端附近的点t5与位于X轴方向的外周端附近的点t6的行波的振动振幅的大小之差,比上述第一实施方式所示的点t1与点t2(参照图4(a))处的行波的振动振幅之差小。
另外,通过驱动面32d的外形形成为圆形形状,接触面15a与驱动面32d接触的区域按照相对驱动面32d的外径的径向的位置与周方向的位置无关地近似一定。
因此,在接触面15a所接触的驱动面32d的区域(图5(a)中所示的虚线区域)中,位于Y轴方向的点t7与位于X轴方向的点t8的振动振幅的大小之差减小。
综上所述,根据本实施方式,可以减小接触面15a所接触的驱动面32d的区域中的周方向的振动振幅的大小之差,使移动件15周方向的转速不均减小。因此,能够稳定驱动移动件15,从而提高超声波马达的驱动性能。
另外,根据本实施方式,与第一实施方式同样,能够不降低超声波马达的驱动力地实现小型化。
并且,由于驱动面32d的半径r与弹性体侧接合面32e的短半径b尺寸相等,所以,可以与周方向的位置无关,将与接触面15a接触的区域设定为驱动面32d的径向的外周侧。因此,能够以更大的振动振幅驱动移动件15,从而可提高超声波马达的扭矩。
变形方式:
本发明不限定于以上说明的实施方式,还能够进行各种变形和变更。
(1)在各实施方式中,举例说明了压电体侧接合面13a及弹性体侧接合面12e、32e的外形为椭圆形状的情况,但不限定于此,例如也可以形成为多边形形状,来进一步实现空间效率的提高等。
(2)在各实施方式中,举例说明了移动件15被旋转驱动的超声波马达,但不限定于此,也可以在移动件沿着直线方向被驱动的线形振动执行元件中应用。
(3)在各实施方式中,举例说明了使用超声波区域的振动的超声波马达,但不限定于此,例如也可以在使用超声波区域以外的振动的振动执行元件中应用。
(4)在各实施方式中,例示了超声波马达在聚焦动作时被用于透镜的驱动的情况,但不限定于此,例如也可以作为在透镜的变焦动作时用于进行驱动的超声波马达。
在各实施方式中,表示了超声波马达被应用到相机的例子,但不限定于此,例如还可以在复印机的驱动部、汽车的方向盘倾斜装置或头枕的驱动部中使用。
另外,上述实施方式及变形方式还能够适当组合使用,但省略详细的说明。而且,本发明不由以上说明的各实施方式限定。
Claims (13)
1.一种振动执行元件,其特征在于,具备:
具有第一接合面,被激励的电气机械变换元件;
弹性体,其具有与所述第一接合面接合的第二接合面及基于所述激励而产生振动波的驱动面;
相对移动部件,其具有与所述驱动面加压接触的接触面,被所述振动波驱动而相对所述弹性体相对移动,
其中,所述第一接合面的外形是与所述接触面的外形不同的形状。
2.根据权利要求1所述的振动执行元件,其特征在于,
所述接触面为圆形,
所述第一接合面的与所述相对移动部件的行进方向正交的方向的宽度,因所述相对移动部件的行进方向的位置而不同。
3.根据权利要求1所述的振动执行元件,其特征在于,
所述接触面为圆形,
所述第一接合面的在所述接触面的径向的宽度不均一。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的振动执行元件,其特征在于,
所述接触面的外形比所述第二接合面的外形小。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的振动执行元件,其特征在于,
所述驱动面的外形比所述第二接合面的外形小。
6.根据权利要求5所述的振动执行元件,其特征在于,
所述第一接合面的外形及所述第二接合面的外形为椭圆形状。
7.根据权利要求6所述的振动执行元件,其特征在于,
所述第二接合面的短径近似等于所述驱动面的与所述短径平行的方向的尺寸。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述的振动执行元件,其特征在于,所述第二接合面与所述第一接合面是近似一致的形状。
9.根据权利要求1至3中任意一项所述的振动执行元件,其特征在于,所述驱动面与所述接触面是相似形状。
10.根据权利要求1至3中任意一项所述的振动执行元件,其特征在于,所述接触面的外形为正圆形状。
11.一种透镜镜筒,其特征在于,具备权利要求1至10中任意一项所述的振动执行元件。
12.根据权利要求11所述的透镜镜筒,其特征在于,
具备:被所述振动执行元件驱动的透镜组、保持该透镜组的透镜保持框、包围该透镜保持框的框体,
所述振动执行元件被配置在所述透镜保持框与所述框体之间。
13.一种相机,其特征在于,具备权利要求1至10中任意一项所述的振动执行元件。
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