JP2006280047A - 振動アクチュエータ装置及びレンズ鏡筒 - Google Patents

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Abstract

【課題】回転時の摩擦抵抗が小さくかつ性能が安定した振動アクチュエータ装置等を提供する。
【解決手段】駆動信号により励振される電気機械変換素子106と、電気機械変換素子106に接合された環状の弾性体105と、弾性体105に加圧接触し、この弾性体105に対してその中心軸I回りに相対的に回転する回転体108と、弾性体105の中心軸Iに対して放射状に配置された回転軸回りに回転可能に支持され、その外周面が回転体108に追従して回転する転動面部110aと接触する転動体111とを備える振動アクチュエータ装置100において、転動体111は、弾性体105の中心軸Iからの距離に応じてその外径が増加する円すいころ状に形成した構成とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、振動アクチュエータ装置及びこのような振動アクチュエータ装置を有するレンズ鏡筒に関するものである。
振動アクチュエータは、例えば円環状の弾性体を有するステータを圧電体によって励振してその周方向に進行する進行振動波を形成し、この弾性体に加圧接触されるロータを回転駆動するものであって、特に超音波帯域の振動を用いるものは超音波モータと称されている。
このような振動アクチュエータは、ステータに加圧接触されるロータの回転軸方向における位置決めをするため、ロータに接続された支持部材をベアリングによって支持したものが知られている(例えば、特許文献1)。
振動アクチュエータは、支持部材を支持するベアリングとして転がり軸受を用いると、回転時に生ずる摩擦抵抗を低減してその駆動性能を向上することができる。特に、転動体として円筒コロを用いると、玉軸受(ボールベアリング)の場合よりも耐スラスト荷重性能の確保が容易となる。
しかし、円筒コロは、例えばその中心軸を振動アクチュエータの回転軸に対して放射状に配列した場合、支持部材に設けられた転動面の周速は回転軸からの距離に比例して増加するが、円筒コロの外周面の周速はその全長にわたって一定であるから、支持部材の内径側では円筒コロの周速が支持部材の周速よりも速くなる一方、支持部材の外径側では逆の状態となって、支持部材と円筒コロとの間にスリップが発生し、その摩擦抵抗によって振動アクチュエータの性能が低下したり、また、支持部材と円筒コロの相方の表面状態を均質にしなければ安定的な特性が得られないおそれがあった。
特開平3−135382号公報
本発明の課題は、回転時の摩擦抵抗が小さくかつ性能が安定した振動アクチュエータ装置及びこのような振動アクチュエータ装置を有するレンズ鏡筒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。なお、理解を容易にするために本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項1の発明は、駆動信号により励振される電気機械変換素子(106)と、前記電気機械変換素子(106)に接合された環状の弾性体(105)と、前記弾性体(105)に加圧接触し、この弾性体(105)に対してその中心軸(I)回りに相対的に回転する転動面部(110a)を有する回転体(108)と、前記弾性体(105)の前記中心軸(I)に対して外側に向けて配置された回転軸(A)回りに回転可能に支持され、その外周面が前記回転体(108)の前記転動面部(110a)と接触する転動体(111)とを備える振動アクチュエータ装置(100)において、前記転動体(111)は、前記弾性体(105)の前記中心軸(I)からの距離に応じてその外径が増加する円すいころ状に形成されたことを特徴とする振動アクチュエータ装置(100)である。
請求項2の発明は、請求項1に記載の振動アクチュエータ装置(100)において、前記転動体(111)は、その外径が前記弾性体(105)の前記中心軸(I)からの距離に略比例することを特徴とする振動アクチュエータ装置(100)である。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の振動アクチュエータ装置(100)において、前記転動体(111)は、前記中心軸(I)側の端部(111a)、その反対側の端部(111b)における外周面の半径をそれぞれr1,r2とし、前記中心軸(I)側の端部(111a)及び反対側の端部(111b)がそれぞれ前記転動面部(110a)と接する位置の前記中心軸(I)からの距離をそれぞれR1,R2としたときに、前記転動体(111)の外周面と前記回転軸(A)を含む平面とが交わる直線と、前記回転軸(A)とのなす勾配が、(r2−r1)/(R2−R1)で表されることを特徴とする振動アクチュエータ装置(100)である。
請求項4の発明は、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の振動アクチュエータ装置(100)において、前記転動面部(110a)は、前記中心軸(I)を中心とする直円すいの円すい面に沿ったテーパ状に形成されていることを特徴とする振動アクチュエータ装置(100)である。
請求項5の発明は、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の振動アクチュエータ装置(100)において、前記転動面部(110a)に対して前記転動体(111)を挟んで対向して設けられ、前記転動体(111)の前記外周面が加圧接触する転動面(130a)が形成された軌道盤部(130)と、前記弾性体(105)及び前記軌道盤部(130)のそれぞれに対して、前記回転軸(A)を前記中心軸(I)回りに回転可能に支持する遊星キャリア部(120)とを備えることを特徴とする振動アクチュエータ装置(100)である。
請求項6の発明は、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の振動アクチュエータ装置(100)と、複数のレンズを有し、前記振動アクチュエータ装置(100)によってその少なくとも一部(30)が駆動されるレンズ群とを備えるレンズ鏡筒である。
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
(1)転動体は円すいころ状に形成されているから、その外周面における周速が中心軸からの距離に応じて増加する。これによって、転動体の回転軸方向におけるその外周面の周速分布と回転体の転動面の周速分布との差が低減されスリップが抑制されるから、その摩擦抵抗を低減でき、また、性能を安定化することができる。また、スリップが抑制されることによって、転動体及び軌道面部の磨耗も低減される。
(2)転動体の外径は弾性体の中心軸からの距離に略比例するから、その外周面における周速もこの中心軸からの距離に略比例することになり、転動面との間のスリップの発生をより低減することができる。
(3)転動体の外周面の回転軸に対する傾斜を(r2−r1)/(R2−R1)としたから、転動体の外周面の周速をその全長にわたって転動面の周速と略一致させることができる。
(4)転動面部をテーパ状に形成したから、回転体、弾性体それぞれの中心軸にずれや傾きが発生した場合にこれを調心する効果が得られ、振動アクチュエータの性能安定性をより向上することができる。
(5)転動体の回転軸を弾性体の中心軸回りに回転可能に支持する遊星キャリア部を設けたから、この遊星キャリア部を振動アクチュエータの出力部として用いることができる。この場合、簡単な構成によって回転体の出力を減速することができるから、組み込まれる装置の設計自由度を向上できる。
本発明は、回転時の摩擦抵抗が小さくかつ性能が安定した振動アクチュエータ装置等を提供するという目的を、中心軸からの距離に略比例した外径を有する円すいころを用いてロータに接続された中間リングを支持することによって実現した。
以下、図面等を参照して、本発明の実施例をあげてさらに詳しく説明する。
図1は、本発明を適用した振動アクチュエータ装置を有するレンズ鏡筒の実施例1における要部断面図である。
レンズ鏡筒1は、固定筒10と、MF操作環20と、フォーカシングレンズ群30と、振動アクチュエータ装置100とを備えている。
固定筒10は、レンズ鏡筒1の鏡胴の一部を構成し、内筒11と、外筒12と、接続部13とを備えている。
内筒11は、略円筒状に形成され、その内径側に図示しない撮影用レンズ群を収容するものであって、この撮影用レンズ群の光軸Iと略同心に形成されている。
外筒12は、内筒11よりも直径が大きい円筒状に形成され、この内筒11に対して略同心に配置されている。
接続部13は、内筒11の外周面から外径側に突き出して形成されたつば状の部材であって、その外周縁部は外筒12の一方の端部に接続されている。
なお、これらの内筒11、外筒12、接続部13は、一体に形成されている。
MF操作環20は、その操作部が外筒12の外周面部に備えられ、後述する振動アクチュエータ装置100の保持部材102に固定されたMF連結リング21に対して、板バネ22を介して接続されている。
MF操作環20は、固定筒10に対してこれを光軸I回りに回転させる操作によって、振動アクチュエータ100全体を固定筒10に対して回転させ、フォーカシングレンズ群30の手動駆動を行う操作部である。なお、上述した板バネ22の付勢力は、例えば特許第3134345号に記載されているように、オートフォーカス駆動の際にMF操作環20が回転しないように設定されている。
フォーカシングレンズ群30は、撮影用レンズ群の一部を構成し、その光軸I方向への移動によって撮影用レンズ群の撮影距離を変更するものであって、可動レンズ枠31と、連結キー32とを備えている。
可動レンズ枠31は、その内径側にフォーカシングレンズ群30が収容され固定される円環状の枠体であって、固定筒10の内筒11の内径側に光軸I方向に移動可能に支持されている。
連結キー32は、振動アクチュエータ装置100の出力を可動レンズ枠31に伝達する動力伝達部材であって、可動レンズ枠31と後述する振動アクチュエータ装置100の中間リング110とにわたして設けられ、内筒11に形成されたカム溝を介して回転力を直線運動に変換するように配置されている。
振動アクチュエータ装置100は、固定筒10の内筒11の外周面と、外筒12の内周面との間の空間部に配置された円環型の超音波モータであって、ベース部材101と、保持部材102と、加圧部材103と、加圧力調整板104と、ステータ105と、圧電素子106と、下部吸振材107と、ロータ108と、上部吸振材109と、中間リング110と、円すいころ111と、給電用基板112とを備えている。
ベース部材101は、固定筒11の外周面に備えられるスリーブ状の部材であって、振動アクチュエータ装置100の基部となるものである。このベース部材101は、ピン101a及びころ101bによって、固定筒11に対して光軸I方向の移動は制限されかつ光軸I回りの回転は可能となるように装着されている。
保持部材102は、ベース部材101の外周面の一方の端部から、その外径側に突き出して形成されたつば状の部材であって、ベース部材101の外周面に形成されたネジ部に対して、その内周縁部に形成されたネジ部を締結することによって固定されている。
加圧部材103は、弾性を有する材料によって例えば皿バネ状に形成され、ステータ105を光軸I方向においてロータ108側に付勢して加圧接触させるものである。加圧部材103は、保持部材のステータ105側の面部に備えられている。
加圧調整部材104は、加圧部材103の光軸I方向における厚さを規制してその予圧を調節するスペーサであって、加圧部材103の保持部材102側とは反対の面部に備えられている。
ステータ105は、例えばステンレス合金等の共振先鋭度の大きな材料によって、光軸Iを略中心とする円環状に形成された弾性体であって、後述する圧電素子106によって励振されることによってその周方向に進行する進行振動波が形成されるものである。ステータ105は、加圧部材103によってロータ108に加圧接触し、この接触面に形成される進行振動波の波頭部の楕円運動によってロータ108を回転駆動する。
ステータ105は、そのロータ108側の面部を凹ませて形成され、放射状に配列された複数の溝を有する櫛歯105aを備えている。
圧電素子106は、後述する給電用基板112から供給される駆動電力に応じて伸縮し、機械的な振動を発生する電気機械変換素子であって、ステータ105のロータ108とは反対側の面部に備えられている。
下部吸振材107は、例えばフェルト等の振動吸収性を備えた材料をリング状のシートに形成したものであって、圧電素子106と、加圧調整部材104との間に挟まれて配置され、圧電素子106側から加圧調整部材104側への振動の伝搬を低減するものである。
ロータ108は、軽金属等によって光軸Iを略中心とする円環状に形成され、ステータ105によって駆動されることによって固定筒10に対して光軸I回りに回転する被駆動部材である。
上部吸振材109は、例えばフェルト等の振動吸収性を備えた材料をリング状のシートに形成したものであって、ロータ108のステータ105とは反対側の面部に備えられ、ロータ108と中間リング110との間に挟まれて配置されている。
中間リング110は、ロータ108のステータ105とは反対側に設けられ、光軸Iを略中心とする円環状の部材であって、上部吸振材109を介してロータ108と接続され、ロータ108に追従して光軸I回りに回転するようになっている。中間リング110のロータ108とは反対側の面部は、円すいころ110の外周面と接し、この円すいころ111が転動する転動面110aが形成されている。
転動面110aは、光軸Iをその中心とする直円すいの円すい台の円すい面に沿ったテーパ状に形成され、その傾斜の方向は外径側(光軸Iから遠い側)よりも内径側が転動体111側に突き出している。
円すいころ111は、ベース部材101に対して位置を固定された回転軸A回りに自転可能に支持された円すい台状の転動体であって、その外周面が中間リング110の転動面110aに接することによってその光軸I方向の位置決めを行うものである。
円すいころ111は、図1においては1つのみ図示するが、実際には円すいころ111は、中間リング110の周方向に略等間隔に分布して、少なくとも3つが設けられている。
円すいころ111の回転軸Aは、光軸Iに対して略直交しており、複数の円すいころ111それぞれの回転軸Aは光軸Iを中心とする放射状に配置されている。
図2は、この円すいころ111の形状を示す図である。
ここで、円すいころ111の光軸I側の端部111aにおける半径をr1、その反対側の端部111bにおける半径をr2、光軸Iから端部111a、端部111bまでの距離をそれぞれR1,R2とすると、これらは以下示す式1の関係を有している。

R1:R2=r1:r2 ・・・(式1)

すなわち、円すいころ111の外径は、光軸Iからの距離に比例して増加し、円すいころ111の外周面と回転軸Aを含む平面とが交わる直線と、この回転軸Aとがなす傾斜(勾配)は、(r2−r1)/(R2−R1)となっている。
また、上述した中間リング110の転動面110aは、円すいころ111の外表面の上述した直線と線接触するように形成された勾配を備えている。
給電用基板112は、保持部材102のステータ105とは反対側の面部に沿って配置され、図示しない駆動制御部から固定筒10に固定された給電用ブラシを介して供給される駆動電力を圧電体106に供給するものである。
次に、上述したレンズ鏡筒1のフォーカシング時の動作について説明する。
圧電体106は、駆動制御部からの供給される駆動電力が給電用基板112を介して入力されることによって振動し、ステータ105を励振する。
これによって、ステータ105は、その周方向に進行する振動波が形成され、その櫛歯105aの先端部は楕円状に運動してロータ108を回転駆動する。
ロータ108は、中間リング110及び連結キー32を介して可動レンズ枠31に動力を伝達し、これによってフォーカシングレンズ群30は光軸I方向に駆動され、撮影用レンズ群のフォーカシングが行われる。
このとき、ロータ108は、加圧部材103の付勢力によってステータ105が押圧されているが、転動体111が中間リング110を介してこの押圧力を受けることによって、ロータ108の光軸I方向における位置決めがなされている。そして、転動体111は、ロータ108及び中間リング110が光軸I回りに回転する際に、その回転軸A回りに自転する。
また、振動アクチュエータ装置100は、以下説明する自動調心(偏心防止)機能を備えている。
図3は、振動アクチュエータ100の運転中に中間リング110の中心軸Xが光軸I(各円すいころ111の回転軸Aの交点を含む)に対して偏心した状態を示す図である。
この場合、加圧部材103が発生する付勢力の反力によって円すいころ111が中間リング110を光軸I方向に押す力Fは、偏心量が微小な場合には各円すいころ111とも略同じとなる。これに対し、この力Fが中間リング110に作用する作用点の位置は、光軸Iに対する中間リング110の偏心による移動方向側の円すいころ111においては光軸I側(内径側)の端部側となり、その反対側の円すいころ111においては光軸Iとは反対側(外径側)の端部側となる。
ここで、図3に示すように、中間リング110の中心軸Xから上述した各作用点までの距離をそれぞれRa,Rbとすると、中間リング110には、図面に向かって反時計回りの回転モーメントF×Raと、時計回りの回転モーメントF×Rbとが作用することになるが、上述したようにRa<Rbであることから、これらを合成したモーメントMは中間リング110を時計回りに回転させるように作用し、これによって中間リング110の偏心は矯正される。
以上のように、本実施例によれば、光軸Iからの距離と略比例する外径分布を有する円すいころ111によってロータ108に追従して回転する中間リング110を支持するようにしたから、円すいころ111の外周面の周速分布と、これが接する中間リング110の転動面110aの周速分布との差を小さくすることができ、これらの間のスリップを低減し、振動アクチュエータ装置100の回転時に生ずる摩擦抵抗を低減してその駆動性能を向上するとともに、性能を安定化することができる。また、円すいころ111及び中間リング110の転動面110aの磨耗も低減することができ、その磨耗量も均質化されるから、装置の寿命を長くすることができる。
さらに、中間リング110の転動面110aは光軸Iを中心軸とする直円すいの円すい面に沿ったテーパ状に形成されているから、万一中間リング110の中心軸が光軸Iに対して傾斜(偏心)した場合であってもその調心作用によって復元させることができる。
次に、本発明を適用した振動アクチュエータ装置を有するレンズ鏡筒の実施例2について説明する。なお、上述した実施例1と実質的に同様の箇所については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図4は、レンズ鏡筒1の要部断面図であって、円すいころ111の周囲の構成を示す図である。
実施例2のレンズ鏡筒1は、遊星リング(遊星キャリア)120と、軌道盤部130とを備えている。
遊星リング120は、光軸Iを略中心とする円環状の部材であって、固定筒10に対して光軸I回りに回転可能となっている。遊星リング120は、その内周面を転動体111の光軸Iから離れた側の端面に対向して配置され、転動体111は、光軸I側から挿入されるビスによって、ベース部材101ではなくこの遊星リング120に固定されている。これによって、転動体111は、その回転軸Aを光軸I回りに回転可能に支持される。
また、フォーカシングレンズ群30に振動アクチュエータ装置100の出力を伝達する連結キー32は、その振動アクチュエータ装置100側の端部を遊星リング120の外周面に固定され、ここから出力を取り出すようになっている。
軌道盤部130は、固定筒10に固定され、その内筒11の外周面から外径側につば状に突き出して形成された部材であって、転動体111の外周面と接しかつ、各転動体111の回転軸Aを含む平面に対して中間リング110の転動面110aと対称に形成された軌道面130aを備えている。
実施例2においては、振動アクチュエータ装置100が駆動され、中間リング110が光軸I回りに回転すると、転動体111がその自転によって軌道盤部130に対して相対移動することによって、遊星リング120は中間リング110の半分の角速度で光軸I回りに回転し、そのトルクは増加する。
以上のように、実施例2によれば、実施例1と同様の効果に加え、以下の効果を得ることができる。
(1)転動体111に対して回転軸Aを曲げるように作用するラジアル方向の入力が加わらないので、転動体111の支持部における負荷を軽減することができる。
(2)減速用のギア列等を設けることなく、簡単な構成によってロータの回転を減速(トルク増加)することができ、レンズ鏡筒の設計上の自由度が向上する。
(変形例)
本発明は、以上説明した各実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
(1)実施例の振動アクチュエータ装置は、レンズ鏡筒のフォーカシングレンズ群を駆動するものであるが、本発明の振動アクチュエータ装置はこれに限らず他の用途にも適用することができる。
(2)実施例においては、転動体の回転軸は光軸(中心軸)に対して直交して配置されているが、転動体の回転軸が中心軸に対して傾斜して交わる構成としてもよい。
(3)実施例においては、レンズ交換式レンズ鏡筒について図示されているが、本発明のレンズ鏡筒はこれに限らず他の用途にも適用することができる。
(4)実施例2において、軌道盤部130を回転可能にし、軌道盤部130と中間リング110の合力が遊星リング111を経て出力する構成としてもよい。
本発明を適用した振動アクチュエータ装置を有するレンズ鏡筒の実施例1の要部断面図である。 図1の振動アクチュエータ装置における円すいころの形状を示す図である。 図1の振動アクチュエータ装置における自動調心機能を示す図である。 本発明を適用した振動アクチュエータ装置を有するレンズ鏡筒の実施例2の要部断面図である。
符号の説明
1 レンズ鏡筒
10 固定筒
30 フォーカシングレンズ群
100 振動アクチュエータ装置
101 ベース部材
102 保持部材
103 加圧部材
105 ステータ
106 圧電素子
108 ロータ
110 中間リング
110a 転動面
111 円すいころ

Claims (6)

  1. 駆動信号により励振される電気機械変換素子と、
    前記電気機械変換素子に接合された環状の弾性体と、
    前記弾性体に加圧接触し、この弾性体に対してその中心軸回りに相対的に回転する転動面部を有する回転体と、
    前記弾性体の前記中心軸に対して外側に向けて配置された回転軸回りに回転可能に支持され、その外周面が前記回転体の前記転動面部と接触する転動体と
    を備える振動アクチュエータ装置において、
    前記転動体は、前記弾性体の前記中心軸からの距離に応じてその外径が増加する円すいころ状に形成されたこと
    を特徴とする振動アクチュエータ装置。
  2. 請求項1に記載の振動アクチュエータ装置において、
    前記転動体は、その外径が前記弾性体の前記中心軸からの距離に略比例すること
    を特徴とする振動アクチュエータ装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の振動アクチュエータ装置において、
    前記転動体は、前記中心軸側の端部、その反対側の端部における外周面の半径をそれぞれr1,r2とし、
    前記中心軸側の端部及び反対側の端部がそれぞれ前記転動面部と接する位置の前記中心軸からの距離をそれぞれR1,R2としたときに、
    前記転動体の外周面と前記回転軸を含む平面とが交わる直線と、前記回転軸とのなす勾配が、(r2−r1)/(R2−R1)で表されること
    を特徴とする振動アクチュエータ装置。
  4. 請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の振動アクチュエータ装置において、
    前記転動面部は、前記中心軸を中心とする直円すいの円すい面に沿ったテーパ状に形成されていること
    を特徴とする振動アクチュエータ装置。
  5. 請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の振動アクチュエータ装置において、
    前記転動面部に対して前記回転体を挟んで対向して設けられ、前記転動体の前記外周面が加圧接触する転動面が形成された軌道盤部と、
    前記弾性体及び前記軌道盤部のそれぞれに対して、前記回転軸を前記中心軸回りに回転可能に支持する遊星キャリア部とを備えること
    を特徴とする振動アクチュエータ装置。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の振動アクチュエータ装置と、
    複数のレンズを有し、前記振動アクチュエータ装置によってその少なくとも一部が駆動されるレンズ群と
    を備えるレンズ鏡筒。


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8094392B2 (en) 2006-09-29 2012-01-10 Nikon Corporation Driving device for optical component and lens barrel
CN105453289A (zh) * 2013-07-08 2016-03-30 株式会社村田制作所 致动器

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