JP5668683B2 - 圧電アクチュエータ、レンズ鏡筒およびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関するものである。

圧電アクチュエータは、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。そして圧電アクチュエータは、この進行波によって、駆動面に楕円運動を生じさせ、楕円運動の波頭に加圧接触した相対移動部材を駆動させることにより、駆動力を取り出している（特許文献１参照）。

特開昭５８−１４８６８２号公報

しかし、従来の圧電アクチュエータは、楕円運動を利用しているため、接触部で摩擦や擦れが生じる、また速度の制御も複雑であった。

本発明の課題は、摩擦や擦れの生じにくい圧電アクチュエータ、およびそれを用いたレンズ鏡筒、カメラを提供することである。

上記課題の解決のため、請求項１に係る発明は、ベース部材と移動部材との間に設けられ、前記ベース部材の第１面と交差する交差方向に伸縮可能な第１圧電素子と、前記第１圧電素子と前記移動部材との間に設けられ、前記交差方向と異なる方向に伸縮可能な第２圧電素子と、前記第１圧電素子と前記移動部材との間に設けられ、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の伸縮により、前記移動部材に駆動力を伝達する円形形状の伝達部材と、を備え、前記第２圧電素子は、前記伝達部材の周方向に沿って複数設けられ、前記周 方向に伸縮可能であることを特徴とする圧電アクチュエータである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の圧電アクチュエータであって、前記移動部材は、前記第２圧電素子の伸縮方向に沿って移動することを特徴とするものである。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータであって、前記伝達部材は、前記第１圧電素子と接して設けられ前記第１圧電素子の伸縮によって前記交差方向に駆動される第１部材と、前記第２圧電素子に接して設けられ前記第２圧電素子の伸縮によって前記交差方向と異なる方向に駆動される第２部材と備えることを特徴とするものである。

また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の圧電アクチュエータであって、前記第２圧電素子は、前記第２部材と接する面と反対側の面が前記第１部材と接することを特徴とするものである。

また、請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータであって、前記第１圧電素子は、前記ベース部材の前記第１面に設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータであって、前記第２圧電素子は、複数設けられていることを特徴とするものである。

また、請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータであって、前記移動部材は、前記第１圧電素子が収縮した状態において、前記支持部材で支持され、前記第１圧電素子が伸びた状態において、前記伝達部材で支持されることを特徴とするものである。

また、請求項８に係る発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを備えたレンズ鏡筒である。

また、請求項９に係る発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを備えたカメラである。

本発明によれば、摩擦や擦れの生じにくい圧電アクチュエータを提供することができる。

本発明の実施形態による圧電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の実施形態による圧電アクチュエータの構成を示す図であり、（ａ）は、図１の圧電アクチュエータから移動部材１２を取り外した状態の図、（ｂ）は、図１の圧電アクチュエータのベース部材の構成を示す図である。 実施形態による圧電アクチュエータの動作を説明するタイミングチャートである。 実施形態による圧電アクチュエータの動作をステップ毎に説明する図である。 実施形態による圧電アクチュエータを備えたレンズ鏡筒、カメラの構成を示す図である。

図１および図２は、本発明の実施形態による圧電アクチュエータの構成を示す図である。図１は、実施形態による圧電アクチュエータの全体構成を示す図であり、図２（ａ）は、図１の圧電アクチュエータから移動部材１２を取り外した状態の図、図２（ｂ）は、図１の圧電アクチュエータのベース部材の構成を示す図である。

以下、図１、図２に基づいて説明する。圧電アクチュエータ１０は、ベース部材１１、リフタ２１、スライダ２２、リフト駆動体２３、スライド駆動体２４、移動部材１２から構成されている。

ベース部材１１は、円盤形状であり、円形の平面１１ａにリフト駆動体２３が設けられている。リフト駆動体２３は円筒形状であり、その円筒形状の外周面がベース部材１１の平面１１ａの周方向に沿うように設けられる。

リフト駆動体２３上には、リフタ２１が設けられている。リフタ２１は、中心部に貫通孔を有する円盤形状であり、外周側には、周方向に沿って突起部２１ａが複数設けられている。そして、リフタ２１の底面（突起部２１ａが設けられている側と反対側の面）の周方向に沿ってリフト駆動体２３に接するように設けられている。リフタ２１のそれぞれの突起部２１ａの周方向Ｒと交差する側面には、スライド駆動体２４が設けられている。

スライダ２２は、中心部に貫通孔を有する円盤形状であり、外周側には、周方向に沿って突起部２２ａが複数設けられている。それぞれの突起部２２ａが、リフタ２１のそれぞれの突起部２１ａに設けられたスライド駆動体２４と接するように配置されている。

なお、本実施形態では、リフタ２１とスライダ２２は、同じ形状の部材であり、スライダ２２は、リフタ２１に対して、図１において、上下方向（Ｙ方向）を逆にして配置されている。

スライダ２２の上面（突起部２２ａがある側と反対側の面）には移動部材１２が載置される。移動部材１２は、円盤形状であり、中心部から回転軸１２ａが図１中のＹ方向上方に延在して設けられている。回転軸１２aには、移動部材１２の回転を伝達するための部材であるギア等が設けられる。

ベース部材１１には、中心部から延びる円柱形状の突起部１１ｂが設けられている。この突起部１１ｂは、リフタ２１の貫通孔、スライダ２２の貫通孔を貫通し、上面が移動部材１２と接することで、移動部材１２を支持可能な構成となっている。

リフト駆動体２３、スライド駆動体２４は、それぞれ圧電効果を有する圧電セラミックス等によって構成された圧電素子である。リフト駆動体２３は、円筒形状の内周面、外周面に電極が形成されている。スライド駆動体２４は、リフタ２１あるいはスライダ２２の円環形状の周方向と交わる面（すなわち、リフタ２１と接する側の面およびスライダ２２と接する側の面）に電極が形成されている。そして、リフト駆動体２３、スライド駆動体２４は、電極に電圧が印加されることによって所定量変形する。この場合、リフト駆動体２３は、円筒形状の高さ方向（図１におけるＹ方向）に変形し、スライド駆動体２４は、リフタ２１あるいはスライダ２２の円環形状の円周方向（図１におけるＲ方向）の接線方向に変形する。すなわち、電極に印加する電圧のＯＮ／ＯＦＦによって所定方向に伸縮（ＯＮで伸長，ＯＦＦで収縮）し、これによって操作駆動を行うものである。リフト駆動体２３、スライド駆動体２４には、それぞれ制御装置が備える駆動回路から電圧が印加されるようになっており、制御装置によって駆動制御される。

リフト駆動体２３を形成する圧電素子は、主としてｄ３１の圧電効果による変位が生じる圧電素子である。つまり、リフト駆動体２３は、円柱形状の径方向に分極されており、この分極方向と平行な方向よりも、分極方向と直交する方向（図１におけるＹ方向）に伸び縮みしやすい（すなわち、大きく変位する）性質を有している。これにより、リフト駆動体２３は、制御装置の制御によってＹ方向に伸縮し、リフタ２１をベース部材１１に対してＹ方向に所定のストロークで移動操作するようになっている。

スライド駆動体２４を形成する圧電素子は、主としてｄ３３の圧電効果による変位が生じる圧電体である。つまり、スライド駆動体２４は、円周方向（Ｒ方向）の接線方向に分極されており、その分極方向と直交する方向よりも、分極方向と平行な方向（Ｒ方向の接線方向）に伸び縮みしやすい（すなわち、大きく変位する）性質を有している。これにより、スライド駆動体２３は、制御装置の制御によって円周方向（Ｒ方向）の接線方向に伸縮し、スライダ２２をリフタ２１に対して円周方向（Ｒ方向）の接線方向に所定のストロークで移動操作するようになっている。

上記のように、リフト駆動体２３の駆動によってリフタ２１がベース部材１１に対してＹ方向に所定のストロークで移動操作され、スライド駆動体２４の駆動によってスライダ２２がリフタ２１に対して円周方向（Ｒ方向）の接線方向に所定のストロークで移動操作される。

上記のような構成の圧電アクチュエータ１０は、制御装置によって、リフト駆動体２３、スライド駆動体２４に印加される電圧が制御され、移動部材１２を連続的に移動制御する。その結果、移動部材１２は周方向Ｒに回転運動をする。

次に、前述した図１、２に加え、図３および図４を参照して、制御装置による、移動部材１２を連続的に移動駆動する制御について説明する。図３は、圧電アクチュエータ１０の動作を説明するタイミングチャートであって、図３（ａ）は移動部材１２を矢印Ｒ方向に駆動する例、図３（ｂ）は移動部材１２を矢印Ｒ方向と逆方向に駆動する例を示す。図４は、圧電アクチュエータ１０の動作をステップ毎に説明する図であって、移動部材１２を矢印Ｒ方向に駆動する例である。

図４（ａ）は、非駆動状態を示しており、リフト駆動体２３、スライド駆動体２４は縮んだ状態となっている。この状態のとき、移動部材１２は、ベース部材１１の突起部１１ｂにより支持されている。そのため、スライダ２２の上面と移動部材１２の底面とは接しておらず、離れた状態となっている。

まず、図４（ａ）に示す非駆動状態から、リフト駆動体２３を駆動（ＯＮ）する。これにより、図４（ｂ）に示すように、スライダ２２の上面と移動部材１２の底面とが接する状態となる。すなわち、突起部１１ｂによって支持されていた移動部材１２が、スライダ２２によって支持される状態となる。リフト駆動体２３の駆動から所定時間（Δｔ１）後、スライド駆動体２４を駆動（ＯＮ）する。これにより、図４（ｃ）に示すように、スライダ２２がＸ軸プラス方向（図１の周方向Ｒの接線方向）に移動操作される。その結果、スライダ２２に支持された移動部材１２は、このスライド駆動体２４によるスライダ２２の移動ストローク分、Ｘ軸プラス方向に移動する。

その後、リフト駆動体２３の駆動を停止（ＯＦＦ）する。これにより、図４（ｄ）に示すように、スライダ２２による移動部材１２の保持が解除され、移動部材１２は突起部１１ｂに支持される。すなわち、スライダ２２の上面と移動部材１２の底面とが離れた状態となる。そして、リフト駆動体２３の駆動を停止（ＯＦＦ）した所定時間（Δｔ２）後、スライド駆動体２４の駆動を停止（ＯＦＦ）する。これにより、図４（ａ）に示す非作動位置に戻る。このスライダ２２が非作動位置に戻る際には、スライダ２２は移動部材１２を支持しておらず、移動部材１２を移動操作することはない。以後、前述したステップを高速で繰り返すことで、移動部材１２を円滑にＸ軸プラス方向に移動駆動することができる。

上述したステップは、移動部材１２をＸ軸プラス方向に駆動する例であるが、図３（ｂ）に示すタイミングチャートのようにリフト駆動体２３、スライド駆動体２４を駆動することで、移動部材１２をＸ軸マイナス方向に駆動できる。すなわち、図４（ａ）に示す非駆動状態から、スライド駆動体２４を駆動（ＯＮ）し、その所定時間（Δｔ３）後、リフト駆動体２３を駆動（ＯＮ）する。これにより、スライダ２２によって移動部材１２を支持する。

次いで、スライド駆動体２４の駆動を停止（ＯＦＦ）する。これにより、スライダ２２がＸ軸マイナス方向に移動操作され、このスライド駆動体２４によるスライダ２２の移動ストローク分、移動部材１２がＸ軸マイナス方向に移動する。

スライド駆動体２４の駆動を停止して所定時間（Δｔ４）後、リフト駆動体２３の駆動を停止（ＯＦＦ）し、スライダ２２による移動部材１２の保持を解除する。これによって、移動部材１２が突起部１１ａに支持された、図４（ａ）に示す非駆動状態に戻る。

以上のステップを繰り返すことで、移動部材１２をＸ軸マイナス方向に移動駆動することができる。
（１）本実施形態の構成では、リフト駆動体２３の駆動によって移動部材１２を支持し、スライド駆動体２４の駆動によってその支持した移動部材１２を移動操作する。つまり、リフト駆動体２３とスライド駆動体２４とは、それぞれその作用方向が移動部材１２を操作する方向に一致しており、且つ、両者の作用は独立して行われる。それぞれの操作に係る力の速度（速さおよび方向）は一定であり、スライダ２２と移動部材１２との間に速度の変化による不要な相対変位（こすり）は生じない。その結果、こすりに起因する磨耗を抑制できる。
（２）移動部材１２の支持をリフト駆動体２３が行い、移動部材１２の移動操作をスライド駆動体２４が行う。リフト駆動体２３とスライド駆動体２４とは接触していないため、一方の駆動体の駆動時の振動が他方の駆動体に与える影響もきわめて小さい。つまり、移動部材１２の支持と移動の駆動が完全に分離しており、独立して駆動制御できる。このため、制御の自由度が高く、高い駆動精度に構成できる。
（３）スライド駆動体２４が接している複数の突起部２１ａ、２２ａは、それぞれがリフタ２１、スライダ２２に形成されており、それぞれ一体化された部材として構成されている。このため、それぞれのスライド駆動体２４の変位量の誤差がある場合でも、スライダ２２の突起部２２ａのそれぞれ駆動量は平均化される。このため、スライド駆動体２４のそれぞれの変位量の誤差に対するスライダ２２の駆動量への影響を小さくすることができ、制御性を高めることができる。

図５は、本実施の形態におけるカメラ１０１の構成を模式的に示す概略構成図である。

図５に示すように、カメラ１０１は、撮像素子１０８が内蔵されたカメラボディ１０２と、レンズ１０７を有するレンズ鏡筒１０３とを備えている。

レンズ鏡筒１０３は、カメラボディ１０２に着脱可能な交換レンズである。レンズ鏡筒１０３は、レンズ１０７、カム筒１０６、圧電アクチュエータ１０等を備えている。圧電アクチュエータ１０は、カメラ１０１のフォーカス動作時にレンズ１０７を駆動する駆動源として用いられている。圧電アクチュエータ１０の移動部材の回転軸（図１中の回転軸１２ｂ）に設けられたギア４から得られた駆動力は、直接、カム筒１０６に伝えられる。レンズ１０７は、カム筒１０６に保持されており、圧電アクチュエータ１０の駆動力により、光軸方向Ｌに略平行に移動して、焦点調節を行うフォーカスレンズである。

カメラ１０１の使用時には、レンズ鏡筒１０３内に設けられたレンズ群（レンズ１０７を含む）によって、撮像素子１０８の撮像面に被写体像が結像される。撮像素子１０８によって、結像された被写体像は電気信号に変換され、その信号をＡ／Ｄ変換することによって、画像データが得られる。

以上説明したように、本実施の形態のカメラ１０１及びレンズ鏡筒１０３は、上記の実施の形態で説明した圧電アクチュエータ１０を備えている。したがって、従来よりも出力効率が向上した圧電アクチュエータ１０によって、カム筒１０６を直接駆動させることができる。したがって、エネルギーの損失が少なく省エネルギー効果が得られる。また、部品点数の削減が可能になる。

本実施の形態では、レンズ鏡筒１０３は、交換レンズである例を示したが、これに限らず、例えば、カメラ本体と一体化したレンズの駆動の圧電アクチュエータ１０を用いてもよい。

なお、本実施の形態では、リフト駆動体２３は、厚さ方向と直交する方向に伸縮する（厚み滑り振動モード）圧電素子を用いており、スライド駆動体２４は、厚さ方向に伸縮する（縦振動モード）圧電素子を用いている。しかしながら、リフト駆動体２３に縦振動モードの圧電素子を用い、スライド駆動体２４を厚み滑り振動モードの厚圧電素子を用いてもよい。この場合、図１におけるリフト駆動体２３がリフタ２１を周方向Ｒに駆動するのに用いられ、スライド駆動体２４がスライダ２２を縦方向（Ｙ軸方向）に駆動するのに用いられることになる。すなわち、リフト駆動体とスライド駆動体の働きが逆になり、リフタとスライダの働きが逆になる。したがって、前述の実施の形態におけるリフト駆動体とスライド駆動体の制御のしかたを入れ替えればよい。

１０：圧電アクチュエータ、１１：ベース部材、１１ａ：平面、１１ｂ：突起部、１２：移動部材、２１：リフタ、２１ａ：突起部、２２：スライダ、２２ａ：突起部、２３：リフト駆動体、２４：スライド駆動体。

Claims (10)

1. ベース部材と移動部材との間に設けられ、前記ベース部材の第１面と交差する交差方向に伸縮可能な第１圧電素子と、
   前記第１圧電素子と前記移動部材との間に設けられ、前記交差方向と異なる方向に伸縮可能な第２圧電素子と、
   前記第１圧電素子と前記移動部材との間に設けられ、前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の伸縮により、前記移動部材に駆動力を伝達する円形形状の伝達部材と、を備え 、
   前記第２圧電素子は、前記伝達部材の周方向に沿って複数設けられ、前記周方向に伸縮 可能であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、
   前記伝達部材は、前記交差方向に貫通する貫通孔を備え、
   前記貫通孔を貫通し、前記移動部材を支持可能な支持部材を備えることを特徴とする圧 電アクチュエータ。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータであって、
   前記移動部材は、前記第２圧電素子の伸縮方向に沿って移動すること
   を特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータであって、
   前記伝達部材は、前記第１圧電素子と接して設けられ前記第１圧電素子の伸縮によって前記交差方向に駆動される第１部材と、前記第２圧電素子に接して設けられ前記第２圧電素子の伸縮によって前記交差方向と異なる方向に駆動される第２部材と備えること
   を特徴とする圧電アクチュエータ。
5. 請求項４に記載の圧電アクチュエータであって、
   前記第２圧電素子は、前記第２部材と接する面と反対側の面が前記第１部材と接すること
   を特徴とする圧電アクチュエータ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータであって、
   前記第１圧電素子は、前記ベース部材の前記第１面に設けられていること
   を特徴とする圧電アクチュエータ。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータであって、
   前記第２圧電素子は、複数設けられていること
   を特徴とする圧電アクチュエータ。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータであって、
   前記移動部材は、前記第１圧電素子が収縮した状態において、前記支持部材で支持され、前記第１圧電素子が伸びた状態において、前記伝達部材で支持されること
   を特徴とする圧電アクチュエータ。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを備えたレンズ鏡筒。
10. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを備えたカメラ。

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