JP2009254026A - 振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータとステータとの固着を抑止できる振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、及び、光学機器を提供すること。
【解決手段】振動アクチュエータ（１０）を、円環状に形成されるステータ（１１）と、前記ステータに接触する円環状の接触面を有し、前記ステータの振動に応じて回転するロータ（１５）と、前記ステータと前記ロータとを前記接触面に交差する方向から加圧する加圧部（１９）とを備える構成とし、前記ロータを、円環状に形成された本体部（３０）と、前記接触面を有する接触部（３１）と、前記本体部から前記接触面と略平行な方向へ延在して設けられ、前記本体部と前記接触部とを接続する接続部（３２）とを有する構成とし、前記加圧部による加圧状態において、回転軸（１８）と直交する面と前記接続部が延在する方向とがなす角度（Ａ１）を、前記回転軸と直交する面と前記接触部の接触面とがなす角度（Ａ２）よりも大きくした。
【選択図】図３

Description

本発明は、振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、及び、光学機器に関するものである。

従来、駆動信号に応じて振動するステータと、ステータの振動に応じて駆動されるロータとを備えた振動アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−６９８５０号公報

この種の振動アクチュエータでは、ロータとステータとを加圧接触させており、これらが固着して、ロータの駆動ができなくなる可能性がある。
本発明の課題は、ロータとステータとの固着を抑止できる振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、及び、光学機器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、本発明の実施形態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、円環状に形成されるステータ（１１）と、前記ステータに接触する円環状の接触面を有し、前記ステータの振動に応じて回転するロータ（１５）と、前記ステータと前記ロータとを前記接触面に交差する方向から加圧する加圧部（１９）とを備え、前記ロータは、円環状に形成された本体部（３０）と、前記接触面を有する接触部（３１）と、前記本体部から前記接触面と略平行な方向へ延在して設けられ、前記本体部と前記接触部とを接続する接続部（３２）とを有し、前記加圧部による加圧状態において、前記ロータが回転する回転軸（１８）と直交する面と前記接続部が延在する方向とがなす角度（Ａ１）が、前記回転軸と直交する面と前記接触部の接触面とがなす角度（Ａ２）よりも大きいことを特徴とする振動アクチュエータ（１０）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において、前記回転軸（１８）と直交する面と前記接続部（３２）が延在する方向とがなす角度（Ａ１）は、前記回転軸と直交する面と前記接触部（３１）の接触面とがなす角度（Ａ２）の４倍以上であることを特徴とする振動アクチュエータ（１０）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において、前記ステータ（１１）は、前記ロータ（１５）との接触面に高分子膜が形成されていることを特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項４の発明は、請求項３に記載の振動アクチュエータにおいて、前記高分子膜は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂の少なくともひとつを含むことを特徴とする振動アクチュエータ（１０）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（１０）と、前記振動アクチュエータに備えられた出力軸に連動するレンズ（７）とを備えるレンズ鏡筒（３）である。
請求項６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（１０）を備えることを特徴とする光学機器（１）である。
なお、符号を付して説明した構成は、適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替してもよい。

本発明によれば、ロータとステータとの固着を抑止できる振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、及び、光学機器を提供することができる。

以下、振動アクチュエータの実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態では、振動アクチュエータとして、超音波の振動域を利用した超音波モータを例にとって説明する。
図１は、実施形態のカメラシステムを説明する図である。
実施形態のカメラシステム１は、撮像素子８を有するカメラボディ２と、レンズ７を有するレンズ鏡筒３とを備えている。レンズ鏡筒３は、カメラボディ２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３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としてもよい。

レンズ鏡筒３は、レンズ７、カム筒６、ギア５、超音波モータ１０等を備えている。本実施形態では、超音波モータ１０は、カメラシステム１のフォーカス動作時にレンズ７を駆動する駆動源として用いられており、超音波モータ１０の出力は、ギア５を介してレンズ７を保持するカム筒６に伝えられる。レンズ７は、超音波モータ１０の出力によって光軸方向へ移動し、焦点調節を行うフォーカスレンズである。

図２は、実施形態の超音波モータの断面図である。
本実施形態の超音波モータ１０は、ステータ１１、ロータ１５、出力軸１８、加圧部材１９等を備え、ステータ１１側を固定とし、ロータ１５を回転駆動する形態となっている。
ステータ１１は、弾性体１２と、弾性体１２に接合された圧電体１３とを有する略円環形状の部材である。
弾性体１２は、共振先鋭度が大きな金属材料によって形成され、その形状は、略円環形状である。この弾性体１２は、櫛歯部１２ａ、ベース部１２ｂ、フランジ部１２ｃを有する。
櫛歯部１２ａは、圧電体１３が接合される面とは反対側の面に、複数の溝を切って形成されている。櫛歯部１２ａの先端面は、ロータ１５に加圧接触され、ロータ１５を駆動する駆動面となる。この駆動面には、エポキシ樹脂等の潤滑性の高分子膜が形成されている。櫛歯部１２ａを設ける理由は、圧電体１３の伸縮により駆動面に生じる進行性振動波（以下、進行波とする）の中立面をできる限り圧電体１３側へ近づけ、これにより駆動面の進行波の振幅を増幅させるためである。

ベース部１２ｂは、弾性体１２の周方向に連続した部分であり、ベース部１２ｂの櫛歯部１２ａとは反対側の面に、圧電体１３が接合されている。
フランジ部１２ｃは、ベース部１２ｂよりも内径側に設けられ、弾性体１２の内径方向に突出したつば状の部分である。このフランジ部１２ｃにより、ステータ１１は、固定部材１６に固定されている。

圧電体１３は、電気エネルギーを機械的変位に変換する電気機械変換素子であり、例えば、圧電素子や電歪素子等が用いられる。圧電体１３は、弾性体１２の周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）の電気信号が入力される範囲に分かれている。各相には、１／２波長毎に分極が交互となった要素が並べられており、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔があくようにしてある。
フレキシブルプリント基板１４は、その配線が圧電体１３の各相の電極に接続されている。圧電体１３は、このフレキシブルプリント基板１４を介して供給される駆動信号によって伸縮動作を行う。ステータ１１には、この圧電体１３の伸縮により、弾性体１２の駆動面に進行波が発生する。

ロータ１５は、アルミニウム等の軽金属によって形成され、弾性体１２の駆動面に生じる進行波によって回転駆動される部材である。ロータ１５は、ステータ１１（弾性体１２の駆動面）に対する接触面に、耐磨耗性向上のための陽極酸化処理等の表面処理が施されている。

出力軸１８は、ステータ１１及びロータ１５の内径側を貫通して設けられており、一方の端部には、ギア４が取り付けられている。出力軸１８は、他方の端部がゴム部材２３を介してロータ１５に接しており、ロータ１５と一体に回転する。
ゴム部材２３は、ゴム系の材料によって形成された略円環形状の部材である。このゴム部材２３は、ゴムによる粘弾性でロータ１５と出力軸１８とを一体に回転可能とする機能と、ロータ１５からの振動を出力軸１８へ伝えないように振動を吸収する機能とを有しており、ブチルゴム、シリコンゴム、プロピレンゴム等が用いられている。

加圧部材１９は、ステータ１１とロータ１５とを加圧接触させる加圧力を発生する部材であり、ギア４とベアリング受け部材２１との間に設けられている。本実施形態では、加圧部材１９は、コイルバネを用いているが、これに限定されるものではない。
ギア４は、出力軸１８のＤカットに嵌まるように挿入され、Ｅリング等のストッパ２２で固定され、回転方向及び軸方向に出力軸１８と一体となるように設けられている。
また、ベアリング受け部材２１は、ベアリング１７の内径側に配置され、ベアリング１７は、固定部材１６の内径側に配置された構造となっている。
加圧部材１９は、ロータ１５をステータ１１側へ出力軸１８の軸方向に加圧している。ロータ１５は、この加圧力によってステータ１１の駆動面に加圧接触し、回転駆動される。ステータ１１の駆動面とロータ１５の接触面との間に発生する接触面圧は、例えば、６〜１５Ｎ程度となるように加圧部材１９のバネ定数が設定されている。なお、加圧部材１９とベアリング受け部材２１との間には、加圧力調整ワッシャーを設けて、超音波モータ１０の駆動に適正な加圧力が得られるようにしてもよい。

ここで、ロータ１５の構成について説明する。
図３は、図２に示す超音波モータに備えられたロータを示す要部拡大図である。
ロータ１５は、本体部３０、接触部３１、及び、接続部３２を備えている。
本体部３０は、円環状（円筒状）に形成されており、その内径側に出力軸１８が通過している。前述のゴム部材２３は、本体部３０の一方の端部に当接している。
接触部３１は、本体部３０の外径寸法よりも内径寸法が大きな円環状（円筒状）に形成されており、その一方の端部がステータ１１（弾性体１２の駆動面）に接触する接触面（摺動面）となっている。

接続部３２は、本体部３０の他方の端部と接触部３１の他方の端部とを接続する部分である。接続部３２は、ロータ１５が加圧部材１９によって加圧されていない状態では接触部３１の接触面と略平行な方向に延在する円形の板状部分である。
本体部３０、接触部３１、及び、接続部３２は、例えば、金属材料を切削加工することによって一体に形成されている。

ロータ１５は、加圧部材１９によってステータ１１に対して加圧されている。この加圧状態において、円形の板状に形成された接続部３２は、図３に示すように、本体部３０及び接触部３１に対してそれぞれ撓むようになっている。
また、接触部３１は、接続部３２によって本体部３０に片持ち支持される構造であるため、接触部３１の弾性体１２に対する接触面（摺動面）のうち、内径側の領域が弾性体１２の駆動面に接触し、外径側の領域が弾性体１２の駆動面から離間している。
このように、超音波モータ１０は、接触部３１の接触面の一部のみが弾性体１２の駆動面に接触する構成であるため、接触面積の狭さ（加圧力の集中）に起因してステータ１１とロータ１５とが固着する可能性がある。

これに対し、本実施形態のロータ１５は、出力軸１８と直交する平面（図３において符号Ｐ１を付す）と接続部３２が延在する平面（図３において符号Ｐ２を付す）とがなす角度Ａ１が、平面Ｐ１と接触部３１の接触面を含む平面（図３において符号Ｐ３を付す）とがなす角度Ａ２の４倍以上となるようにロータ１５の各部の寸法が設定されている。超音波モータ１０は、これによって、ステータ１１とロータ１５との固着を抑止している。
具体的に説明すると、本実施形態のロータ１５は、接続部３２の厚さＴと接触部３１の高さＨとを適切に設定することによって、角度Ａ１が角度Ａ２の４倍となるように調整している。

表１は、接続部３２の厚さＴと、接触部３１の高さＨとを変化させた５種類の超音波モータにおける固着の有無を示している。

表１に示すように、角度Ａ１が角度Ａ２の４倍以上であれば、接触面変位差Ｄ２が小さく、接触面は、比較的広い領域が弾性体１２の駆動面に接触する。なお、接触面変位差Ｄ２とは、出力軸１８の軸線方向における接触面の内周側の縁部と外周側の縁部との位置の差を意味する。角度Ａは、接触部３１の接触面変位差Ｄ２と接触部３１の径方向の長さとから求められる。
また、ロータ１５とステータ１１とが加圧接触されていることによって、接続部３２は、出力軸１８の軸線方向に変位する。その変位量は、接続部３２の内周側と外周側とで異なる。接続部変位差Ｄ１とは、接続部３２の出力軸１８の軸線方向の内周側の縁部での変位量と外周側の縁部での変位量との差を意味する。角度Ａ１は、接続部変位差Ｄ１と接続部３２の径方向の長さとから求められる。
そして、角度Ａ１が角度Ａ２の４倍以上となるようにするには、接続部３２の厚さＴに対して接触部３１の高さＨを大きくするのが好ましい。表１に示すように、接触部３１の高さＨが接続部３２の厚さＴの２．２倍以上であることが好ましい。
そして、このように構成された接触部３１と弾性体１２との接触面積の広い超音波モータは、表１に示すいずれの場合であってもステータ１１とロータ１５との固着は発生せず、ロータ１５の駆動ができなくなることもない。

以上説明した実施形態のレンズ鏡筒によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）出力軸１８に直交する平面Ｐ１と接続部３２が延在する方向とがなす角度Ａ１が、平面Ｐ１と接触面とがなす角度Ａ２の４倍以上となるように接触部３１の高さＨ及び接続部３２の厚さＴを設定し、接触部３１のステータ１１に対する接触面を増加させたので、ステータ１１とロータ１５との固着を抑止できる。
（２）接続部３２の厚さＴ、及び、接触部３１の高さＨの寸法設定によって角度Ａ１が角度Ａ２の４倍以上となるようにしたので、超音波モータ１０の基本性能を低下させることなくステータ１１とロータ１５との固着を抑止できる。
（３）ステータ１１におけるロータ１５との接触面に高分子膜を形成したので、ステータ１１とロータ１５との間の摺動抵抗が低減し、エネルギーのロスを低減できる。

［変形形態］
本実施形態は、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る。
（１）実施形態の超音波モータは、接続部の厚さ及び接触部の高さを適切に設定することによって、出力軸に直交する平面と接続部が延在する方向とがなす角度が、出力軸に直交する平面と接触面とがなす角度よりも大きくなるようにしたが、これに限らず、例えば、ロータの本体部、接触部、接続部をそれぞれ別の材料で形成し、これらの材料の弾性係数の差によって、実施形態と同様の効果が得られるようにしてもよい。また、例えば、加圧部の加圧力を調整してもよい。
（２）実施形態の超音波モータは、レンズ鏡筒に備えられたフォーカスレンズを駆動するものであったが、これに限らず、例えば、ズームレンズ等を駆動してもよい。また、レンズ鏡筒は、カメラシステム等の撮影装置に用いられるものに限らず、例えば、顕微鏡、双眼鏡、望遠鏡等の他の光学機器に用いられてもよい。
（３）実施形態において、ステータの駆動面に形成された高分子膜は、エポキシ樹脂であったが、これに限らず、例えば、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂等によって形成してもよい。また、ステータの駆動面には、Ｎｉ−Ｐ（ニッケル−リン）メッキ等の表面処理を施してもよい。

実施形態のカメラシステムを説明する図である。 実施形態の超音波モータの断面図である。 図２に示す超音波モータに備えられたロータを示す要部拡大図である。

符号の説明

１０ 超音波モータ ： １１ ステータ ： １５ ロータ ： １８ 回転軸 ： １９ 加圧部材 ： ３０ 本体部 ： ３１ 接触部 ： ３２ 接続部

Claims (6)

1. 円環状に形成されるステータと、
   前記ステータに接触する円環状の接触面を有し、前記ステータの振動に応じて回転するロータと、
   前記ステータと前記ロータとを前記接触面に交差する方向から加圧する加圧部と
   を備え、
   前記ロータは、円環状に形成された本体部と、前記接触面を有する接触部と、前記本体部から前記接触面と略平行な方向へ延在して設けられ、前記本体部と前記接触部とを接続する接続部とを有し、
   前記加圧部による加圧状態において、前記ロータが回転する回転軸と直交する面と前記接続部が延在する方向とがなす角度が、前記回転軸と直交する面と前記接触部の接触面とがなす角度よりも大きいこと
   を特徴とする振動アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記回転軸と直交する面と前記接続部が延在する方向とがなす角度は、前記回転軸と直交する面と前記接触部の接触面とがなす角度の４倍以上であること
   を特徴とする振動アクチュエータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記ステータは、前記ロータとの接触面に高分子膜が形成されていること
   を特徴とする振動アクチュエータ。
4. 請求項３に記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記高分子膜は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂の少なくともひとつを含むこと
   を特徴とする振動アクチュエータ。
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と、
   前記振動アクチュエータに備えられた出力軸に連動するレンズと
   を備えるレンズ鏡筒。
6. 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を備えること
   を特徴とする光学機器。

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