JP5515677B2 - アクチュエータ、レンズ鏡筒および撮像装置 - Google Patents

アクチュエータ、レンズ鏡筒および撮像装置 Download PDF

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本発明は、アクチュエータ、レンズ鏡筒および撮像装置に関する。
超音波帯域の周波数で駆動される圧電素子を用いて線形の変位を生じるアクチュエータがある。特許文献1には、L1B2モードで動作する駆動部を備えた超音波モータの構造が記載される。特許文献2には、圧電振動子を圧縮した状態で動作させるランジュバン型振動子の構造が記載される。
特開2008−072814号公報 特開2008−078718号公報
振動子を含む駆動部は、駆動部および被駆動部の相対的移動方向に対して交差する方向から被駆動部に当接して駆動力を発生する。このため、アクチュエータの寸法は、当該当接の方向について大きくなる。
上記課題を解決すべく、本発明の第一態様として、筒状の駆動部と、駆動部に挿通された被駆動部とを備え、駆動部と被駆動部とが相対移動するアクチュエータであって、駆動部は、被駆動部の相対移動の方向と平行な表面に接する接触部と、被駆動部が挿通され、被駆動部および接触部の接触点を含み且つ相対移動の方向と平行な平面の上で接触部に楕円運動を生じさせる振動子とを有するアクチュエータが提供される。
本発明の第二態様として、上記アクチュエータを備えたレンズ鏡筒が提供される。また、本発明の第3態様として、上記アクチュエータを備えた撮像装置が提供される。
上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となり得る。
アクチュエータ100の断面図である。 ボルト120および被駆動部180の接触点Cを示す図である。 駆動部101の分解斜視図である。 振動子140の構造を模式的に示す断面図である。 振動子140の駆動電圧波形を示すグラフである。 振動子140の動作を模式的に示す断面図である。 動作する振動子140の斜視図である。 カメラシステム400の模式的断面図である。 アクチュエータ100の他の構造を示す断面図である。 アクチュエータ100のまた他の構造を示す断面図である。 V溝124および被駆動部180の接触点Cを示す図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1は、アクチュエータ100の断面図である。アクチュエータ100は、駆動部101および被駆動部180を含む。
被駆動部180は、円柱状の長尺材であり、図中で水平に配される。以下、被駆動部180の長手方向を、軸方向Mと記載する。
駆動部101は、全体して円筒状の形状をなし、被駆動部180を挿通されている。駆動部101に駆動力が生じた場合、被駆動部180および駆動部101は、被駆動部180に沿って軸方向Mに相対移動する。
なお、アクチュエータ100においては、駆動部101を固定して被駆動部180を変位させてもよいし、被駆動部180を固定して駆動部101を変位させてもよい。図示の例では、被駆動部180が案内軸を兼ねて固定され、駆動部101が被駆動部180に沿って変位する。また、駆動部101は、負荷として、レンズ枠301と、レンズ枠301に保持されたレンズLを搬送する。
駆動部101は、円筒弾性体110、ボルト120、121、摩擦部130、131および振動子140を有する。円筒弾性体110、ボルト120、121、摩擦部130、131および振動子140は、いずれも円筒状または環状の形状を有し、被駆動部180を挿通される。
円筒弾性体110は、両端近傍の内面にネジ溝部112を有する。一対のボルト120、121は、それぞれ一端にネジ山部122、123を有する。ネジ山部122、123は、ネジ溝部112、113と螺合する。
円筒弾性体110の下部には、係合部114が配される。係合部114は、レンズ枠301の係合部302と係合する。一対の係合部114、302の間には、伸長方向に付勢された与圧部150が挟まれる。これにより、駆動部101全体が、図中で上方に向かって付勢される。
摩擦部130、131は、ネジ山部122、123と反対側において、ボルト120、121の内側に配される。摩擦部130、131の内径は、ボルト120、121の内径よりも小さい。これにより、駆動部101は、摩擦部130、131の内面において、被駆動部180の周面に接触し、駆動部101および被駆動部108が相対移動する場合には、被駆動部180に対して摺動する。
振動子140は、円筒弾性体110の内側において、ボルト120、121のネジ山部122、123側の端面に挟まれる。振動子140は、その両端に配された一対の径方向振動部142、146と、径方向振動部142、146に挟まれた軸方向振動部144、148とを含む。
図2は、摩擦部130および被駆動部180の接触点Cを示す図である。図2は、被駆動部180の軸方向に沿って駆動部101の一方の端面を見た様子を示す。
図示のように、摩擦部130の内径は、被駆動部180の外径よりも大きい。また、駆動部101は、与圧部150により上方に向かって付勢されている。これにより、摩擦部130の内面は、単一の接触点Cにおいて被駆動部180に接触する。
なお、駆動部101の他端に配された摩擦部131も同様に、被駆動部180に対して一点で接触する。駆動部101の他の部分は、被駆動部180に接触しない。
なお、図示の例では、駆動部101および被駆動部180の断面形状を円形としている。しかしながら、駆動部101および被駆動部180の断面形状は、円形に限られるわけではない。振動子140が発生する後述の駆動力が被駆動部180に伝わる接触部が形成されれば、任意の断面形状を選ぶことができる。
図3は、駆動部101の分解斜視図である。図1および図2と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
振動子140において、軸方向振動部144、148は、水平な面により振動子140の中央部を周方向に分割して配される。振動子140の外径は、円筒弾性体110の内径よりも小さく、振動子140は円筒弾性体110の内側に挿入される。
ボルト120、121は、ネジ山部122、123をネジ溝部112、113にねじ込むことにより、円筒弾性体110の内部において、振動子140を軸方向Mに挟む。更にボルト120、121をねじ込むことにより、振動子140は軸方向Mに圧縮される。
摩擦部130、131は、ボルト120、121の軸方向M端面に陥没して形成された取付部125に装着される。摩擦部130、131は、接着等により、ボルト120、121と一体化される。
円筒弾性体110およびボルト120、121は、振動子140が発生する振動により弾性変形する材料により形成される。また、円筒弾性体110は、ボルト120、121による振動子140圧縮の反力に耐える強度を有する。これらの観点から、円筒弾性体110およびボルト120、121は、ステンレス鋼等の金属により形成することが好ましい。
振動子140は、PZT等の圧電材料により形成できる。径方向振動部142、146および軸方向振動部144、148の各部は、単一の円筒状圧電体に、各部に対応した電極を配することにより画成できる。
摩擦部130、131は、被駆動部180に対する高い摩擦係数を有すると共に、被駆動部180との摺動による磨耗に耐える材料であることが好ましい。具体的には、アルミナ等のセラミックス材料を例示できる。
図4は、振動子140の構造を模式的に示す断面図である。振動子140の両端に配された径方向振動部142、146は、図中に矢印Dにより示すように、振動子140の径方向に伸縮する振動を利用する。振動子140の中央に配された軸方向振動部144、148は、軸方向Mと平行な方向に伸縮する振動を利用する。
以下に説明するように、一対の径方向振動部142、146における径方向の伸縮振動と、軸方向振動部144、148における軸方向Mの伸縮振動とを組み合わせることにより、振動子140に大きな変位を生じさせることができる。よって、アクチュエータ100を効率よく動作させることができる。
図5は、振動子140の駆動電圧波形を示すグラフである。図示のように、径方向振動部142、146には、互いに同じ周期を有し、位相が反転した駆動電圧V142、V146を印加する。これにより、径方向振動部142、146は、振動子140の径方向に交互に伸縮する。
軸方向振動部144、148には、径方向振動部142、146の駆動電圧V142、V146に対して4倍の周期を有する駆動電圧V144、V148を印加する。ここで、駆動電圧V144、V148は、互いにsinωt、cosωtの関係にある。
図6は、動作する振動子140の斜視図である。図5に示した波形の駆動電圧V142、V144、V146、V148を同時に振動子140に印加した場合、径方向Dの振動と軸方向Mの振動とが合成され、振動子140全体が図示のように波打つ振動が生じる。
図7は、振動子140の動作を模式的に示す断面図である。図6に示した振動を生じる振動子140について端面上の点Aに着目すると、振動子140の端面において、一対の軸方向振動部144、148を分割する水平面と直交する面内に生じる楕円運動Mが生じていることが判る。このように、一対の軸方向振動部144、148を相互に逆位相で動作させることにより、振動子140により大きな変位を生じさせることができる。
再び図1を参照すると、振動子140の端面に生じた運動は、ボルト120、121を介して摩擦部130、131に伝達される。既に説明したように、摩擦部130、131は被駆動部180に接しているので駆動力が生じて、駆動部101および被駆動部180は軸方向Mに相対移動する。振動子140において生じる発生力Fは、下記の式(1)により表すことができる。

Figure 0005515677
更に、上記式1に数値を代入して、下記の式2に示すように、振動子140の発生力Fを計算する。なお、積層数nは25とした。
Figure 0005515677
更に、上記発生力Fに基づいて、アクチュエータ100の駆動力Fを下記の式(3)のように計算する。
Figure 0005515677
計算結果から判るように、アクチュエータ100は、寸法に比して高い駆動力を発生する。また、この駆動力は、引っ張り強度の低い振動子140を圧縮した状態で動作させることにより効率よく利用できる。
図8は、上記アクチュエータ100を備えたカメラシステム400の模式的断面図である。カメラシステム400は、相互に結合されたカメラボディ200およびレンズ鏡筒300の全体を意味する。
カメラボディ200は、メインミラー240、ペンタプリズム270、ファインダ290を含む光学系と、主制御部230とを有する。メインミラー240は、レンズ鏡筒300の光学系から入射した入射光の光路上に傾斜して配置される下降位置と、当該光路を避けて上昇する上昇位置(図中に点線で示す)との間を移動する。
下降位置にあるメインミラー240は、入射光を、上方に配置されたフォーカシングスクリーン272に導く。フォーカシングスクリーン272は、レンズ鏡筒300の光学系が合焦した場合に像を結ぶ位置に配置され、当該像を可視化する。
フォーカシングスクリーン272に結ばれた像は、ペンタプリズム270を介してファインダ290からユーザに観察される。これにより、フォーカシングスクリーン272上の像は、ファインダ290から正像として見られる。
ペンタプリズム270の出射光の一部は、測光部232に導かれる。測光部232は、入射光の輝度およびその分布等を測定する。測定結果は、撮影条件を決定する場合に主制御部230から参照される。
メインミラー240の裏面には、サブミラー242が配される。サブミラー242は、メインミラー240を透過した入射光の一部を、サブミラー242の下方に配された測距部250に導く。測距部250は、レンズ鏡筒300の光学系の焦点位置を検出する。メインミラー240が上昇位置に移動した場合は、サブミラー242も入射光の光路から退避する。
レンズ鏡筒300からの入射光に対してメインミラー240の後方には、シャッタ220、光学フィルタ212およびイメージセンサ210が、入射光の光路に沿って配される。シャッタレリーズボタンが押されてシャッタ220が開放される場合は、その直前にメインミラー240が上昇位置に移動する。従って、入射光は直進してイメージセンサ210に入射する。これにより、入射光の形成する光像がイメージセンサ210において電気信号に変換される。
主制御部230は、上記のような種々の動作を総合的に制御する。また、測距部250が検出した合焦位置をレンズ鏡筒300の鏡筒制御部311に伝えて、オートフォーカスシステムを形成する。また、主制御部230は、測光部232から得られた輝度情報に基づいて適正な露出が得られるシャッタスピードおよび絞り値を判定する。そして、主制御部230はその絞り値(絞り優先モードの場合には設定された絞り値)を鏡筒制御部311に通知して、絞り装置222の動作を制御させる。
イメージセンサ210の後方においてカメラボディ200の背面に配される表示部292は、カメラボディ200の設定状態、動作状態等をユーザに伝える他、撮像された画像を表示して確認する場合にも用いられる。
レンズ鏡筒300は、固定筒310と、固定筒310の内部に配された複数のレンズL1、L2、L3と、固定筒310に配された鏡筒制御部311とを含む。固定筒310の一端は、カメラボディ200のマウント部260に嵌合して、カメラボディ200に対して固定される。
固定筒310の外周面には、フォーカスリング320およびズームリング330が配される。フォーカスリング320はユーザの操作により固定筒310の周面に沿って回転され、焦点合わせ用のレンズ群、例えばレンズL2を光軸Xに沿って移動させる。これにより、レンズ鏡筒300の焦点位置を変化させて光学系を合焦させる。
ズームリング330はユーザの操作により固定筒310の周面に沿って回転して、ズーム用レンズ群、例えばレンズL3を光軸Xに沿って移動させる。これにより、レンズ鏡筒300の焦点距離を変化させ、撮像する画像の倍率を変化させることができる。
鏡筒制御部311は、カメラボディ200に配された主制御部230と通信して、レンズ鏡筒300の仕様および状態を主制御部230に知らせる。また、主制御部230からの指示を受信して、後述する駆動部101等の動作を制御する。
固定筒310の内部には、個別のレンズ枠340、350、360に保持されたレンズL1、L2、L3が配される。レンズL1、L2、L3は共通の光軸X上に配されて光学系をなす。レンズL1、L2、L3は、それぞれが複数の光学部品を含むレンズ群であり得る。また、レンズ枠350は、レンズL2の他に、絞り装置222も保持する。
一部のレンズL2、L3を保持するレンズ枠350、360は、一対の案内軸190、191に支持される。即ち、案内軸190、191は、固定筒310の内面に、光軸Xと平行に配される。図示の例では、レンズ枠350、360の上端に係合する駆動部101に一方の案内軸190が挿通されている。これにより、駆動部101は、案内軸190と共にアクチュエータ100を形成する。
また、レンズ枠350、360の下端に係合する従動部102に他方の案内軸191が挿通されている。従動部102は、案内軸191に対して低摩擦で摺動可能に配される。これにより、レンズ枠350、360が移動した場合、従動部102は、レンズ枠350、360に連れ従って移動する。
なお、従動部102は、案内軸191に対するガタを抑制する与圧部150を備えていない。しかしながら、レンズ枠350、360は、一対の案内軸190、191の双方から支持されているので、アクチュエータ100の与圧部150の作用が、アクチュエータ100および従動部102の両方に及ぶ。
駆動部101が動作した場合、レンズ枠350、360は、案内軸190に沿って移動する駆動部101と共に、光軸Xに沿って移動する。既に説明した通り、駆動部101は、案内軸190を内部に挿通されるので、駆動部101を含むアクチュエータがレンズ鏡筒300の径方向に占める空間は小さい。従って、アクチュエータ100を設けたことによりレンズ鏡筒300の径が増すことが防止される。
上記形態ではレンズ鏡筒を脱着できる一眼レフカメラを例に挙げて説明した。しかしながら、レンズ一体型のデジタルカメラ、ビデオカメラ等のレンズ鏡筒においても、アクチュエータがレンズ鏡筒の径方向に占める空間が小さいことが望ましいことに変わりはない。
図9は、アクチュエータ100の他の構造を示す断面図である。なお、図1等と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
アクチュエータ100は、円筒弾性体110が振動子140の内側に配されている点に固有の構造を有する。即ち、円筒弾性体110は、被駆動部180の外径よりも僅かに大きな内径を有して被駆動部180を内部に挿通される。円筒弾性体110の内面は、被駆動部180の周面に直接に対面する。
また、円筒弾性体110は、振動子140の内径よりも小径の外径を有する。ただし、軸方向Mについて円筒弾性体110の略中央において、円筒弾性体110は、径方向外側に向かって延在するフランジ部116を有する。
円筒弾性体110は、フランジ部116の下端に係合部114を有する。また、円筒弾性体110のフランジ部116以外の部分は、円筒弾性体110の外径よりも大きな内径を有する振動子140の内側に挿通される。
更に、円筒弾性体110は、端部近傍の外面にネジ溝部112、113を有する。ネジ溝部112、113には、内側にネジ山部122、123を有する一対のボルト120、121がねじ込まれる。これにより、振動子140は、一対のボルト120、121により挟まれて軸方向Mに圧縮される。
また更に、円筒弾性体110は、フランジ部116を介して与圧部150に押されるので、駆動部101全体が上方に付勢される。こうして、図1に示したアクチュエータ100と同様に動作するアクチュエータ100が形成される。
図10は、アクチュエータ100のまた他の構造を示す断面図である。図1等と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
アクチュエータ100は、図9に示したアクチュエータ100と同様に、振動子140の内側に配された円筒弾性体110を有する。更に、アクチュエータ100においては、与圧部150が、円筒弾性体110と被駆動部180との間に配される。
即ち、アクチュエータ100の円筒弾性体110は、フランジ部116の内側に配された与圧部150を備える。伸長方向に付勢された与圧部150の上端は、フランジ部116の内面に下方から当接する。また、与圧部150の下端は、摺動皿152を介して被駆動部180に当接する。これにより、駆動部101全体が上方に押し上げられ、摩擦部130、131の内面が被駆動部180に押し付けられる。
このように、与圧部150を駆動部101の内側に配することにより、アクチュエータ100全体の径方向の寸法を一層小型化できる。なお、駆動部101が被駆動部180に沿って移動する場合、摺動皿152の下面は被駆動部180に対して摺動する。従って、摺動皿152および被駆動部180の間の摩擦は、より小さいことが好ましい。
図11は、V溝124および被駆動部180の接触点Cを示す図である。図2と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
図に示すアクチュエータ100において、摩擦部130は、互いに交差する一対の平面を含むV溝124を内面に有する。被駆動部180の周面は、V溝124の一対の平面にそれぞれ接触するので接触点Cも2つになる。
このような構造により、移動方向である軸方向Mに直交する面内において、摩擦部130および被駆動部180の位置関係が一義的に決まる。従って、軸方向Mを除くあらゆる方向について相対位置が安定する。
よって、例えば、図7に示したように、アクチュエータ100を光学系の駆動装置として用いた場合に、光学系の光軸Xにブレが生じることが防止される。なお、上記のようなV溝124の特徴は、図1に示した円筒弾性体110が振動子140の外側に位置する構造においても、図8および、図9に示した円筒弾性体110が振動子140の内側に位置する構造においても有効になる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置およびシステムの動作、手順、ステップおよび段階等の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、前の処理の出力を後の処理で用いる場合でない限り、任意の順序で実現し得る。特許請求の範囲、明細書および図面において、便宜上「まず」、「次に」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するわけではない。
100 アクチュエータ、101 駆動部、102 従動部、110 円筒弾性体、112、113 ネジ溝部、114、302 係合部、116 フランジ部、120、121 ボルト、122、123 ネジ山部、124 V溝、125 取付部、130、131 摩擦部、140 振動子、142、146 径方向振動部、144、148 軸方向振動部、150 与圧部、152 摺動皿、180 被駆動部、190、191 案内軸、200 カメラボディ、210 イメージセンサ、212 光学フィルタ、220 シャッタ、222 絞り装置、230 主制御部、232 測光部、240 メインミラー、242 サブミラー、250 測距部、260 マウント部、270 ペンタプリズム、272 フォーカシングスクリーン、290 ファインダ、292 表示部、300 レンズ鏡筒、301、340、350、360 レンズ枠、310 固定筒、311 鏡筒制御部、320 フォーカスリング、330 ズームリング、400 カメラシステム

Claims (7)

  1. 筒状の駆動部と、前記駆動部に挿通された被駆動部とを備え、前記駆動部と前記被駆動部とが相対移動するアクチュエータであって、
    前記駆動部は、
    前記被駆動部の前記相対移動の方向と平行な表面に接する接触部と、
    前記被駆動部が挿通され、前記被駆動部および前記接触部の接触点を含み且つ前記相対移動の方向と平行な平面の上で前記接触部に楕円運動を生じさせる振動子とを有し、
    前記振動子は、前記被駆動部が挿通されて前記相対移動の移動方向に伸縮する移動方向振動子と、前記被駆動部が挿通されて前記移動方向振動子を前記移動方向に挟みつつ前記移動方向と交差する方向に伸縮する一対の交差方向振動子とを含み、
    前記移動方向振動子は、前記相対移動の方向と平行であり、且つ、前記楕円運動の軌跡を含む面と直交する面に対して対称な領域を有し、前記対称な領域は相互に逆位相で駆動されるアクチュエータ。
  2. 前記接触部は、前記移動方向に沿って前記振動子の外側から前記振動子に当接する一対の当接部を含む請求項1に記載のアクチュエータ。
  3. 筒状の駆動部と、前記駆動部に挿通された被駆動部とを備え、前記駆動部と前記被駆動部とが相対移動するアクチュエータであって、
    前記駆動部は、
    前記被駆動部の前記相対移動の方向と平行な表面に接する接触部と、
    前記被駆動部が挿通され、前記被駆動部および前記接触部の接触点を含み且つ前記相対移動の方向と平行な平面の上で前記接触部に楕円運動を生じさせる振動子とを有し、
    前記接触部は、前記移動方向に沿って前記振動子の外側から前記振動子に当接する一対の当接部を含み、
    前記駆動部は、前記一対の当接部を相互に引き付けて前記振動子を圧縮し、前記振動子の内面に沿って配される圧縮部を有し、
    前記圧縮部および前記被駆動部の間に配され、前記接触部を前記被駆動部に向かって押し付ける与圧部を更に備えるアクチュエータ。
  4. 前記接触部は、前記一対の当接部および前記被駆動部の双方に接する摺動部を更に含む請求項2または請求項3に記載のアクチュエータ。
  5. 前記接触部は、前記被駆動部に対して2面で接するV溝を含む請求項1から請求項までのいずれか一項に記載のアクチュエータ。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載されたアクチュエータを備えたレンズ鏡筒。
  7. 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載されたアクチュエータを備えた撮像装置。
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