JP5309719B2

JP5309719B2 - 振動アクチュエータ、それを備えるレンズ鏡筒及びカメラ

Info

Publication number: JP5309719B2
Application number: JP2008163080A
Authority: JP
Inventors: 高広佐藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: WO2009157405A1; JP2010002817A; KR20110039273A; US20110102610A1; US8803986B2; CN102067004B; CN102067004A

Description

本発明は、振動アクチュエータ、それを備えるレンズ鏡筒及びカメラに関するものである。

振動アクチュエータは振動体を備え、その振動体は、弾性体と電気機械変換素子とを有している。そして振動アクチュエータは、電気機械変換素子を駆動信号によって伸縮させ、この伸縮を利用して弾性体の駆動面に進行性振動波（以下、進行波とする）を発生させる。この進行波によって、振動体の駆動面に楕円運動が生じ、楕円運動の波頭に加圧接触した相対移動部材が駆動される。このような振動アクチュエータは、高温や低温の環境下において、常温の状態から駆動特性が変化する。

振動アクチュエータの温度に対する駆動特性を安定させるために、振動体を構成する圧電体（電気機械変換素子）にセンサ電極を設け、振動体の温度を検出し、移動体（相対移動部材）の速度制御の温度補正を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−３４４７６１号公報

しかし、上記従来技術は、検出や制御のための回路等が必要であり、構成が複雑になり、生産コストが高くなるという問題がある。

本発明の課題は、安定した駆動特性を有する振動アクチュエータ、それを備えるレンズ鏡筒及びカメラを、簡単な構造で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、振動部材に加圧接触され、前記振動部材の振動により、前記振動部材との間で相対移動する相対移動部材と、前記振動部材と前記相対移動部材とを加圧接触させる加圧部材と、前記加圧部材の加圧力を、磁力によって調整する磁力発生部とを備え、前記加圧部材は、前記振動部材を前記相対移動部材側に加圧する弾性部材を有し、前記磁力発生部は、該弾性部材の加圧を抑制する方向に磁力を発生させること、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において、前記磁力発生部は、磁性体と磁石とを有し、前記弾性部材は、前記磁性体と前記磁石との間に配置されていること、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２に記載の振動アクチュエータにおいて、前記磁石は永久磁石であること、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２または３に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動部材は、前記磁石に対して前記磁性体と反対側に配置されていること、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において、前記相対移動部材は、前記振動部材に対して前記磁石と反対側に配置されていること、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１〜５のいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動部材は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の励振により前記振動を発生する弾性体を有し、前記電気機械変換素子は前記弾性体に対して前記相対移動部材と反対側に設けられてい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１〜請求項６のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えるレンズ鏡筒である。
請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えるカメラである。

本発明によれば、安定した駆動特性を有する振動アクチュエータ、それを備えるレンズ鏡筒及びカメラを簡単な構造で提供することができる。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態は、振動アクチュエータとして、超音波領域の振動を利用した超音波モータ１０を例に説明する。

図１は、本実施形態の超音波モータ１０を有するカメラ１を示す図である。カメラ１は、撮像素子６を有するカメラボディ２と、レンズ鏡筒３とを備える。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、本実施形態でカメラ１は、レンズ鏡筒３が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３は、レンズ４、カム筒５、超音波モータ１０等を備える。超音波モータ１０は、略円環形状であり、その円環中心軸方向が光軸方向（図１中の矢印Ａ方向）と略一致するようにレンズ鏡筒３内に配置されている。この超音波モータ１０は、カメラ１のフォーカス動作時にレンズ４を駆動する駆動源として用いられている。超音波モータ１０から得られた駆動力は、カム筒５に伝えられる。レンズ４は、カム筒５とカム係合しており、超音波モータ１０の駆動力によってカム筒５が回転すると、レンズ４は、カム筒５とのカム係合によって光軸方向へ移動し、焦点調節が行われる。

図２は、超音波モータ１０の円環中心軸方向での断面を示す。超音波モータ１０は、振動子１１，移動体１４，緩衝部材１５，支持体１６，緩衝部材１７，加圧部材１８を備える。

振動子１１は、略円環形状の部材であり、弾性体１２及び圧電体１３を備える。弾性体１２は、ステンレス材料やインバー材料等の鉄合金や真鍮等の弾性変形が可能な金属材料を用いて形成された略円環形状の部材である。弾性体１２の一方の端面に圧電体１３が設けられている。圧電体１３の他方の面には、複数の溝１２ａを切って形成された櫛歯部１２ｂが形成されている。この櫛歯部１２ｂの先端面は、圧電体１３の励振により、進行波が発生し、移動体１４を駆動する駆動面となる。

圧電体１３は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子である。本実施形態で圧電体１３は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いて形成され、導電性の接着剤等を用いて、弾性体１２に接合されている。圧電体１３上には、不図示のフレキシブルプリント基板と電気的に接続された不図示の電極が形成されている。このフレキシブルプリント基板から供給される駆動信号によって、圧電体１３が励振される。

移動体１４は、略円環形状の部材であり、後述する加圧部材１８の加圧力によって弾性体１２の駆動面に加圧接触され、弾性体１２の進行波によって摩擦駆動される。緩衝部材１５は、ゴム等を用いて形成された略円環形状の部材である。この緩衝部材１５は、移動体１４の振動を支持体１６側へ伝えないようにする部材であり、移動体１４と支持体１６との間に設けられている。支持体１６は、移動体１４を支持する部材である。支持体１６は、移動体１４と一体となって回転して移動体１４の回転運動を不図示の被駆動部材に伝達し、かつ、移動体１４の回転中心軸方向の位置を規制する部材である。緩衝部材１７は、不織布やフェルト等を用いて形成された略円環形状の部材である。この緩衝部材１７は、振動子１１の振動を加圧部材１８側へ伝えないようにする部材であり、圧電体１３と加圧部材１８との間に設けられている。

加圧部材１８は、バネ等の弾性部材から構成され、振動子１１を移動体１４に加圧接触させる加圧力を発生する部材である。加圧部材１８は、バネ部材１８ｂ、及びその両端に配置された加圧板１８ａと押さえ板１８ｃとを備える。バネ部材１８ｂは、本実施形態では皿バネを使用する。ただし、バネ部材１８ｂは皿バネに限定されず、図中上下方向に伸縮可能であれば、例えば、円周に沿って波状に形成された円環部材であってもよい。

加圧板１８ａは、永久磁石で製造された略円環板状部材である。なお、永久磁石の材料は、これらに限定されるものではないが、フェライト磁石、サマリウム・コバルト磁石、ネオジウム磁石、アルニコ磁石等である。押さえ板１８ｃは、磁性体で製造された略円環板状部材であり、超音波モータ１０をレンズ鏡筒３に固定する機能も有する。なお、磁性体とは、平易には磁性を帯びる事が可能な物質をいう。

このように、加圧板１８ａが永久磁石、押さえ板１８ｃが磁性体で製造されているため、加圧板１８ａと押さえ板１８ｃとの間には磁力が生じる。この磁力の強さは環境温度によって変化し、温度変化による永久磁石の磁力の変化量Ｍは、以下の式で表される。
Ｍ×α×Δｔ＝ΔＭ（１）
ここで、Ｍは常温における永久磁石の磁力、αは永久磁石の温度係数（％）、Δｔは常温と実際の温度の差である。

温度係数αは、フェライト磁石の場合−０．１８、サマリウム・コバルト磁石の場合−０．０３、ネオジウム磁石の場合−０．１２、アルニコ磁石の場合−０．０２である。これらの温度係数はマイナスであるので、加圧板１８ａと押さえ板１８ｃとの間の磁力は、温度が下がると強くなり、温度が上がると弱くなる。

図３は、（ａ）常温、（ｂ）低温、（ｃ）高温時における加圧部材１８の力関係を示した図である。例えば、バネ部材１８ｂが生じる振動子１１を移動体１４側に押す方向の加圧力量を２．０ｋｇとする。この加圧力量は、（ａ）常温、（ｂ）低温、（ｃ）高温時において変化しない。また、常温における加圧板１８ａと押さえ板１８ｃとの間の磁力を、１．０ｋｇとする。そうすると、常温において、加圧板１８ａが振動子１１を移動体１４方向に押す力は、図３（ａ）に示すように、２．０ｋｇから１．０ｋｇを引いた１．０ｋｇとなる。

低温時における加圧板１８ａと押さえ板１８ｃとの間の磁力は、常温の場合よりも大きくなるので、例えば１．１ｋｇとする。そうすると、加圧板１８ａが振動子１１を移動体１４方向に押す力は、図３（ｂ）に示すように、２．０ｋｇから１．１ｋｇを引いた０．９ｋｇとなる。すなわち、常温の場合よりも小さくなる。

高温時における加圧板１８ａと押さえ板１８ｃとの間の磁力は、常温の場合よりも小さくなるので、例えば０．９ｋｇとする。そうすると、加圧板１８ａが振動子１１を移動体１４方向に押す力は、図３（ｃ）に示すように、２．０ｋｇから０．９ｋｇを引いた１．１ｋｇとなる。すなわち、常温の場合よりも大きくなる。

また、超音波モータ１０は、使用される環境の温度変化によって、その駆動特性が変化する。これは、温度変化によって、弾性体１２と圧電体１３との熱膨張係数の違いから弾性体１２と圧電体１３の接合面が変形したり、使用される環境下の空気の湿度が変化して振動子１１と移動体１４との摩擦接触面の摩擦係数が変化したり、圧電体１３の静電容量が変化したりするためである。

例えば、超音波モータ１０が低温環境下に置かれた場合、圧電体１３の静電容量が小さくなり、振動子１１の発する進行波が移動体１４を駆動する力は減少する。そうすると超音波モータ１０の発する駆動力は小さくなる。また、低温環境下では、空気中の水分量が低下するため、振動子１１と移動体１４との摩擦接触面の摩擦係数が上がる。このようなことから、超音波モータ１０は、低温環境下では、起動特性や低速での駆動特性等が常温時に比べて劣るという傾向がある。

しかし、本実施形態では、低温環境下において、上述のように加圧板１８ａが振動子１１を移動体１４方向に押す加圧力は減少する。加圧力が減少することにより、移動体１４を押圧する力が減少し、移動体１４は常温の場合と比べて回転しやすくなる。このため、温度低下による上述の駆動力の減少を補うことができ、常温時に対する駆動特性の変化を少なくすることができる。

一方、超音波モータ１０が高温環境下に置かれた場合、圧電体１３の静電容量が大きくなり、振動子１１の発する進行波が移動体１４を駆動する力は増大する。そうすると、移動体１４の回転数が上がり、超音波モータ１０の発する駆動力が大きくなる。また、弾性体１２と圧電体１３との接合面が変形し、移動体１４の駆動が不安定になりやすくなる。そのため、超音波モータ１０は、高温環境下では、常温時に比べ移動体１４の振動によって異音が発生しやすくなるという傾向がある。

しかし、本実施形態では、高温環境下において、上述のように加圧部材１８全体が発生する加圧力が増加する。加圧力が増加することにより、移動体１４を押圧する力が増加し、移動体１４は常温の場合と比べて回転しにくくなる。このため、温度上昇に伴う回転数の上昇を抑え、異音の発生を低減することができる。

以上、本実施形態によると、以下の効果を有する。
（１）上述のように本実施形態によれば、低温環境下における超音波モータ１０の駆動力の減少を補うことができ、常温時に対する超音波モータ１０の駆動特性の変化を少なくすることができる。また、高温環境下における、回転数の上昇を緩和し、異音の発生を低減することができる。このように、超音波モータ１０において温度変化によらない安定した駆動を得ることができる。
（２）また、本実施形態によると、振動子１１が移動体１４を押圧する力の調整を、加圧板１８ａを永久磁石、押さえ板１８ｃを磁性体で製造するといった簡単な構造で達成することができる。したがって、製造が容易で、生産コストを抑えることもができる。

（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）本実施形態において、永久磁石（加圧板１８ａ）をバネ部材１８ｂの振動子１１側に配置し、磁性体（押さえ板１８ｃ）をバネ部材１８ｂにおけるその反対側に配置した。しかし本発明はこれに限定されない。磁性体（押さえ板１８ｃ）をバネ部材１８ｂの振動子１１側に配置し、永久磁石（加圧板１８ａ）をバネ部材１８ｂにおけるその反対側に配置してもよい。

（２）本実施形態において、超音波モータ１０は、その円環中心軸が光軸方向と略一致するようにレンズ鏡筒３内に配置される例を示した。しかし本発明はこれに限定されない。例えば小型の超音波モータ１０の場合など、レンズ鏡筒３の光軸と超音波モータ１０の中心軸とが異なるように配置してもよい。

（３）本実施形態において、振動アクチュエータとして、移動体１４が回転駆動される超音波モータ１０を例に挙げて説明した。しかし本発明はこれに限定されない。例えば、移動体１４が直線方向に駆動されるリニア型の振動アクチュエータとしてもよい。また、ロッド型、ペンシル型、円盤型等の振動アクチュエータとしてもよい。

（４）本実施形態において、振動アクチュエータとして、超音波領域の振動を用いる超音波モータ１０を例に挙げて説明したが、これに限定さない。例えば、超音波領域以外の振動を利用する振動アクチュエータとしてもよい。

（５）本実施形態において、超音波モータ１０は、カメラ１のフォーカス動作時のレンズ４の駆動源として用いられる例を示した。しかし本発明はこれに限定されない。例えば、カメラ１のズーム動作時の駆動源としてもよい。また、カメラ１の撮像系の一部を駆動して手振れを補正する手振れ補正機構の駆動源として用いてもよい。複写機の駆動部、自動車のハンドルチルト装置やヘッドレストの駆動部、時計の駆動装置等に用いてもよい。
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。

本発明の一実施形態の超音波モータを有するカメラを示す図である。超音波モータの円環中心軸方向での断面を示す。加圧部材の力関係を示した図であり、（ａ）は常温、（ｂ）は低温、（ｃ）は高温時を示す。

符号の説明

１：カメラ、１０：超音波モータ、１１：振動子、１２：弾性体、１３：圧電体、１４：移動体、１８：加圧部材、１８ａ：加圧板（永久磁石）、１８ｂ：バネ部材、１８ｃ：押さえ板（磁性体）

Claims

振動部材に加圧接触され、前記振動部材の振動により、前記振動部材との間で相対移動する相対移動部材と、
前記振動部材と前記相対移動部材とを加圧接触させる加圧部材と、
前記加圧部材の加圧力を、磁力によって調整する磁力発生部とを備え、
前記加圧部材は、前記振動部材を前記相対移動部材側に加圧する弾性部材を有し、前記磁力発生部は、該弾性部材による前記振動部材への加圧を抑制する方向に磁力を発生させること、
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において、
前記磁力発生部は、磁性体と磁石とを有し、前記弾性部材は、前記磁性体と前記磁石との間に配置されていること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項２に記載の振動アクチュエータにおいて、前記磁石は永久磁石であること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項２または３に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記振動部材は、前記磁石に対して前記磁性体と反対側に配置されていること、
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において、
前記相対移動部材は、前記振動部材に対して前記磁石と反対側に配置されていること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記振動部材は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の励振により前記振動を発生する弾性体を有し、前記電気機械変換素子は前記弾性体に対して前記相対移動部材と反対側に設けられていることを特徴とする振動アクチュエータ。
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えるレンズ鏡筒。
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えるカメラ。