JP5814543B2

JP5814543B2 - 駆動装置、レンズ鏡筒及びレンズ鏡筒を有する光学機器

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Publication number: JP5814543B2
Application number: JP2010271697A
Authority: JP
Inventors: 真也工藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2030-12-06
Also published as: CN102540394B; JP2012124994A; CN102540394A; US8792051B2; US20120140115A1

Description

本発明は、駆動装置、レンズ鏡筒、及びレンズ鏡筒を有する光学機器に関する。特に、振動体と接触部材とを相対的に移動させる技術に関する。

振動型アクチュエータの分野において、所謂リニア型超音波モータと呼ばれる直線運動を行わせる振動型アクチュエータの開発が行われている。リニア型超音波モータは、振動体の大きさに比して大きな出力が得られ、また制御性に優れるなどの特徴を有している。このような直線運動を行わせる振動型アクチュエータは、カメラなどのレンズ鏡筒に設けられたレンズ群の駆動用として用いられている。

このような振動型アクチュエータにおいて、振動体と、振動体に接触する被駆動体としての接触部材と、を加圧するための構成として、特許文献１では、次のような提案がなされている。特許文献１では、振動体と接触部材とを永久磁石による磁力を用いて加圧接触させる方法が開示されており、該文献では、振動体側に永久磁石を設ける構成が開示されている。具体的には、永久磁石は、振動体と接触部材の間に設けられた保持部材により保持されている。そして振動体と接触部材を磁気吸引力により圧接している。特許文献１では、永久磁石を、振動体と接触部材との間に形成されたスペースに配置することで、空間効率に優れた小型の振動型アクチュエータを実現している。

また、特許文献２では、接触部材側に永久磁石を配置している構成について提案されている。特許文献２では、磁石材料から成る角棒状のスライダ基部と、スライダ基部の振動体との接触面側に設けられた摩擦部材と、からなる接触部材が開示されている。

特開２００７−３１２５１９号公報特開２００５−３５４７８７号公報

しかしながら、特許文献１のように、永久磁石を、振動体と接触部材との間に形成されたスペースに配置した場合、永久磁石のサイズはスペースの大きさに拘束されるため、十分な加圧力が得られない可能性があった。また、接触部材が鏡筒部分に固定され、振動体を移動させる場合、振動体側に永久磁石が配置されていると、永久磁石の重さで振動体の応答性が低下してしまう可能性があった。

また、特許文献２のように、接触部材側に永久磁石を配置した場合には、駆動する長さ以上の永久磁石を必要とするため、駆動する長さに比例してコストが大きくなってしまうという課題があった。

そこで、本発明は、コストを増大させずに、振動体と接触部との間に所望の加圧力を与えることを目的とする。

本発明の駆動装置は、弾性体と、前記弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子と、を備えた振動体と、前記振動体に接触する接触部材と、永久磁石と、前記永久磁石との間に吸引力を発生させる磁性体と、前記振動体と、前記永久磁石と、を保持する保持部材と、前記保持部材の移動方向を規制するガイド部材と、を有し、前記ガイド部材の案内方向に垂直な面内において、前記保持部材は前記ガイド部材を軸中心として回転可能に構成され、前記面内において、前記ガイド部材から前記永久磁石までの距離よりも前記ガイド部材から前記振動体までの距離のほうが短く、前記面内において、前記永久磁石と前記磁性体との間の吸引力が、前記ガイド部材の軸周りに前記保持部材を回転させる力として働き、前記回転させる力により前記振動体は前記接触部材に加圧され、前記振動体の前記電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧が印加されることで前記振動体と前記接触部材とが相対的に移動することを特徴とする。

また、本発明のレンズ鏡筒は、弾性体と、前記弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子と、を備えた振動体と、前記振動体に接触する接触部材と、永久磁石と、前記永久磁石との間に吸引力を発生させる磁性体と、レンズと、前記振動体と、前記永久磁石と、前記レンズと、を保持する保持部材と、前記保持部材の移動方向を規制するガイド部材と、を有し、前記ガイド部材の案内方向に垂直な面内において、前記保持部材は前記ガイド部材を軸中心として回転可能に構成され、前記面内において、前記ガイド部材から前記永久磁石までの距離よりも前記ガイド部材から前記振動体までの距離のほうが短く、前記面内において、前記永久磁石と前記磁性体との間の吸引力が、前記ガイド部材の軸周りに前記保持部材を回転させる力として働き、前記回転させる力により前記振動体は前記接触部材に加圧され、前記振動体の前記電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧が印加されることで、前記保持部材が前記レンズに入射する光の光軸方向に移動することを特徴とする。

本発明によれば、磁気加圧手段を、振動体や接触部材から離れた位置に設けることで、磁気吸引力をてこの原理により増幅して、振動体を接触部材側へ加圧する加圧力とすることができる。よって、コストが増大せずに、十分な加圧力を得ることができる。

本発明の実施形態１における駆動装置の構成を説明するための斜視図。本発明の適用できる振動型アクチュエータの構成と振動モードを説明するための外観斜視図である。本発明の実施形態１における駆動機構の断面図。本発明の実施形態２における駆動装置の上面図。本発明の実施形態２における磁気加圧手段の断面図。本発明の実施形態３における駆動装置の上面図。本発明の実施形態３における磁気加圧手段の断面図。本発明の実施形態４におけるレンズ鏡筒と撮像装置を説明するための模式図である。本発明の適用できる振動体の振動モードを説明するための斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態として、本発明を適用できる駆動装置の構成例を、図１を用いて説明する。本実施形態の駆動装置は、振動体９、接触部材１０、永久磁石７、磁性体８、保持部材６、ガイド部材５、を備える。振動体９は、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子２（図２参照）により振動が励起され、振動体９と、振動体９に接触している接触部材１０と、は相対的に移動する。本発明においては、振動体９と接触部材１０とで振動型アクチュエータを構成している。

また、本実施形態においては、永久磁石７と磁性体８とで磁気加圧手段１２を構成しており、永久磁石７と磁性体８との間の磁気吸引力を振動体９と接触部材１０との間の加圧に用いる。磁性体８としては、鉄、コバルト、ニッケルとそれらの合金、マルテンサイト系ステンレス等、の強磁性体材料が用いられる。

保持部材６は、振動体９と永久磁石７とを保持し、中心部にレンズ１５を設けた場合はレンズホルダとして機能する。保持部材６は、保持部材６の移動方向を規制するガイド部材５を軸中心として回転可能、且つ、ガイド部材５に沿って移動可能に構成されている。本実施形態では、ガイド部材５と接触部材１０と磁性体８とは不図示の基体に固定支持されている。よって、電気−機械エネルギー変換素子２に駆動電圧（交流電圧）を印加することにより、振動体９と接触部材１０との間に相対移動力を発生させ、保持部材６はガイド部材５に沿って移動する。

ここで、本発明を適用できる振動型アクチュエータの駆動原理を、図２を用いて説明する。図２は（ａ）は、振動型アクチュエータの基本構成を示す外観斜視図である。この振動型アクチュエータの振動体９は、矩形の板状に形成された金属材料から成る弾性体３を備え、弾性体３の裏面には圧電素子（電気−機械エネルギー変換素子）２が接合されている。弾性体３の上面の所定位置には、被駆動体１と接触する接触部として２つの突起部４が設けられている。なお、図１の接触部材１０が図２における被駆動体１に相当する。図１では接触部材１０が不図示の基体に固定され振動体９が移動する構成であるが、図２においては、説明の都合上、振動体９が固定され接触部材である被駆動体１が移動する例を説明する。

本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、振動体９の電気−機械エネルギー変換素子２に交流電圧を印加して振動体９に２つの面外曲げ振動モード（ＭＯＤＥ−ＡとＭＯＤＥ−Ｂ）を励振する。ＭＯＤＥ−Ａは、振動体９の長手方向である図中Ｙ軸方向に平行に２つの節が現れる一次の面外曲げ振動モードである。ＭＯＤＥ−Ａの振動により、突起部４には、被駆動体１と接触する面と垂直な方向（Ｚ軸方向）に変位する振動が励起される。ＭＯＤＥ−Ｂは振動体９の図中Ｘ軸方向に略平行に３つの節が現れる二次の面外曲げ振動モードである。ＭＯＤＥ−Ｂの振動によって、突起部４には、被駆動体１と接触する面と平行な方向（Ｙ軸方向）に変位する振動が励起される。

これら二つの振動モードを組み合わせることで接触部である突起部４の上面に略ＹＺ面内の楕円運動が発生し、Ｙ軸方向に略一致する方向に被駆動体１を駆動させる力が発生する。この駆動力により、被駆動体１は振動体９と相対的に移動する。ただし、本発明は上記した振動体の構成に限定されず、他の面外曲げ振動モードの振動を励起する振動体でも良く、また、図９に示すような他の振動モードを励起する構成の振動体を用いても良い。図９（ａ）に示す振動体９は略直方体形状である。振動体９には、図９（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に伸縮する一次の伸縮振動モード（ＭＯＤＥ−Ａ）と、Ｙ軸方向に略平行に３つの節が現れる二次の面外曲げ振動モード（ＭＯＤＥ−Ｂ）と、が励起される。この２つの異なる振動モードの重ね合わせにより、突起部４の上面に略ＸＺ面内の楕円振動が生成される。よって、このように振動体を動作させることで、図２に示した振動体と同様に本発明に適用することができる。

以上説明したような振動モードの振動を、突起部４に被駆動体１を加圧接触した状態で振動体に励起することにより、突起部４の楕円運動によって被駆動体１を直線的に移動させることができる。もちろん、図１のように接触部材１０が固定されている場合は、振動体９が移動する。

次に、本発明が適用できる駆動装置の加圧機構の構成例を、図３を用いて説明する。図３は図１の駆動装置のガイド部材５の軸方向（ガイド部材５の案内方向）に対して直交する面の断面図である。

保持部材６はガイド部材５の軸周りに自由度が与えられ、該軸中心に回転することができる。また、ガイド部材５の軸方向に直線移動することができる。永久磁石７と基体（不図示）に固定された磁性体８とは、磁気により吸引力を発生する。この吸引力によって、ガイド部材５の軸周りにトルクが発生する。このトルクは、保持部材６がガイド部材５の軸周りに回転する力として働き、この回転する力により振動体９は接触部材１０に加圧される。

本発明において、永久磁石７と磁性体８で発生するトルクにより振動体９と接触部材１０に与えている加圧力は、ガイド部材５と永久磁石７と振動体９の位置関係により、てこの原理を用いることで増幅されている。すなわち、本発明では、ガイド部材５の軸方向に垂直な面内において、ガイド部材５から永久磁石７までの距離よりもガイド部材５から振動体９までの距離のほうが短い。ガイド部材５は支点、永久磁石７は力点、振動体９は作用点となる位置関係となり、このような構成にすることにより、永久磁石７と磁性体８との間の磁気吸引力を増幅して、振動体９と接触部材１０との間の加圧力として用いることができる。

また、振動体９が接触部材１０と加圧接触することにより、保持部材６は軸周りの回転を規制される。そして、本実施形態においては、永久磁石７と磁性体８との間には間隙（エアギャップ）が設けられており非接触となっている。よって、永久磁石７と磁性体８との間では摩擦による抵抗が発生しない構成となっている。永久磁石７と磁性体８の相対位置を調整することにより、エアギャップを調整し加圧力を調整することができる。

また、本実施形態において、図３に示した断面のガイド部材５、永久磁石７、振動体９の位置関係は保持部材６がガイド部材５に沿って移動しても維持される。これにより、上述したように、てこの原理を用いて加圧力を増幅しているので、必要な加圧力に対して永久磁石を小型化することが可能となる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態では、第１の実施形態と磁気加圧手段１２の構成が異なる形態の駆動装置の構成例について、図４、５を用いて説明する。磁気加圧手段１２以外の構成は第１の実施形態と同様のため、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図４は、本実施形態の駆動装置の上面図である。図４において、磁気加圧手段１２は、永久磁石７、摺動部材１１、磁性体８により構成される。図４のＡ−Ａ線における断面図を図５に示す。図５に示されるように、摺動部材１１は永久磁石７と磁性体８との間に配置されている。摺動部材１１を挟むことで、永久磁石７と磁性体８のギャップを一定にすることができる。

また、摺動部材１１としては、摩擦係数が低い材料を用いることが好ましい。具体的には、永久磁石７と摺動部材１１との摩擦力は振動体９と接触部材１０の摩擦力より低い摩擦力となる摩擦係数の材料を選択することが好ましい。このような摺動部材１１を用いることで、保持部材６が移動する際の負荷が増大することを抑制できる。

また、摺動部材１１を所定のピッチで着磁された磁気スケールとし、保持部材６に磁気センサを配置することにより位置センサを兼用しても良い。

［第３の実施形態］
第３の実施形態では、第１、第２の実施形態とは磁気加圧手段１２が異なる形態の駆動装置の構成例について、図６、７を用いて説明する。磁気加圧手段１２と保持部材６以外の構成は第１の実施形態と同様のため、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図６は、本実施形態の駆動装置の上面図である。図６に示されているように、本実施形態の磁気加圧手段１２は、永久磁石からなるコロ１４と摺動部材１１とから構成される。また、保持部材６には、コロを回転可能とするための回転軸が設けられている。図６のＢ−Ｂ線における断面図を図７に示す。図７に示す永久磁石からなるコロ１４は磁性体８と接触し、回転することができるようになっている。本実施形態によれば、永久磁石コロ１４が磁性体８と接触し、転がることにより、接触部材の摩擦力より低い摩擦力とすることができる。つまり、永久磁石と磁性体の摩擦力を低減するように、永久磁石コロ１４が転がり機構となっている。

［第４の実施形態］
第１〜第３の実施形態で説明した駆動装置は、レンズ駆動用途として用いることができる。本実施形態では、第１〜第３の実施形態の駆動装置を撮影装置（光学機器）に用いた例について図８を用いて説明する。

図８（ａ）は、本発明が適用できるレンズ鏡筒の模式的な断面図である。図８（ａ）に示すように、レンズ鏡筒には、固定の第１レンズユニット３１、変倍のために入射する光の光軸方向に移動する第２レンズユニット３２、固定の第３レンズユニット３３、焦点調整のために光軸方向に移動する第４レンズユニット３４が配されている。光量調整ユニット３５は、一対の絞り羽根を上下方向に平行移動させることにより、開口径を増減させる絞り機構である。

各レンズユニットは撮影レンズを備えており、移動する第２レンズユニット３２は、レンズ１５１とレンズ１５１を保持するレンズホルダとしての保持部材６１を備えている。また、同じく移動する第４レンズユニット３４は、レンズ１５２とレンズ１５２を保持するレンズホルダとしての保持部材６２を備えている。

第２レンズユニットは、接触部材１０１が固定されているため、振動体９１が駆動すると、振動体９１と一体的に光軸方向に移動する。また、同じく第３レンズユニットも、接触部材１０２が固定されているため、振動体９２が駆動すると、振動体９２と一体的に光軸方向に移動する。また、図８（ａ）では、図１で示したようなガイド部５や磁気加圧機構の構成は省略している。

図８（ｂ）は、該レンズ鏡筒を備えた撮影装置（光学機器）を説明するためのブロック図である。第１レンズユニット３１〜第４レンズユニット３４の光軸上の後方に撮像素子８１が配置される。この撮像素子８１の出力はカメラ処理回路８２に接続されている。カメラ処理回路８２の一方の出力はＡＥゲート８３を介してＣＰＵ８４に接続され、他方の出力はＡＦゲート８５、ＡＦ信号処理回路８６を介してＣＰＵ８４に接続されている。

第２レンズユニット３２の位置を検出する第１のリニアエンコーダ８７、光量調節ユニット３５の絞りを検出する絞りエンコーダ８８、第４レンズユニット３４の位置を検出する第２のリニアエンコーダ８９の出力はＣＰＵ８４に接続されている。リニアエンコーダ８７、８９はそれぞれ第２レンズユニット３２及び第４レンズユニット３４の光軸方向での相対位置（基準位置からの移動量）を検出する。

ＣＰＵ８４の出力は、振動体９１、９２と、光量調整ユニット３５の駆動源であるメータ９３に接続されている。ＣＰＵ８４は、撮影装置の動作の制御を行う制御回路であり、カメラ処理回路８２は撮像素子８１の出力に対して増幅やガンマ補正などを施す。特定の処理を受けた映像信号のコントラスト信号は、ＡＥゲート８３及びＡＦゲート８５を通過する。これらのゲート８３、８５により、露出決定及びピント合わせのために最適な信号の取り出し範囲が全画面内から設定される。ＡＦ信号処理回路８６は、オートフォーカス（ＡＦ）用であり、映像信号の高周波成分を抽出してＡＦ評価値信号を生成する。

以上説明したように、第１〜第４の実施形態で説明した駆動装置は、撮影装置のレンズ駆動用途として用いることができる。

１被駆動体
２圧電素子
３弾性体
４突起部
５ガイド部材
６保持部材
７永久磁石
８磁性体
９振動体
１０接触部材
１１摺動部材
１２磁気加圧手段
１４コロ

Claims

弾性体と、前記弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子と、を備えた振動体と、
前記振動体に接触する接触部材と、
永久磁石と、
前記永久磁石との間に吸引力を発生させる磁性体と、
前記振動体と、前記永久磁石と、を保持する保持部材と、
前記保持部材の移動方向を規制するガイド部材と、を有し、
前記ガイド部材の案内方向に垂直な面内において、前記保持部材は前記ガイド部材を軸中心として回転可能に構成され、
前記面内において、前記ガイド部材から前記永久磁石までの距離よりも前記ガイド部材から前記振動体までの距離のほうが短く、
前記面内において、前記永久磁石と前記磁性体との間の吸引力が、前記ガイド部材の軸周りに前記保持部材を回転させる力として働き、前記回転させる力により前記振動体は前記接触部材に加圧され、
前記振動体の前記電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧が印加されることで前記振動体と前記接触部材とが相対的に移動することを特徴とする駆動装置。
前記永久磁石と前記磁性体とが非接触であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記磁性体には摺動部材が形成され、前記永久磁石と前記磁性体とは前記摺動部材を介して接触しており、
前記振動体と前記接触部材との摩擦力よりも、前記摺動部材と前記永久磁石との摩擦力のほうが小さいことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記永久磁石と前記磁性体とは接触しており、
前記保持部材には回転軸が設けられ、前記永久磁石が前記回転軸を中心として回転可能に構成され、前記振動体と前記接触部材とが相対的に移動する際、前記永久磁石が回転することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記保持部材の回転の回転軸と、前記ガイド部材が略平行であり、前記磁性体は前記ガイド部材の案内方向に延在していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の駆動装置。
弾性体と、前記弾性体に固定された電気−機械エネルギー変換素子と、を備えた振動体と、
前記振動体に接触する接触部材と、
永久磁石と、
前記永久磁石との間に吸引力を発生させる磁性体と、
レンズと、
前記振動体と、前記永久磁石と、前記レンズと、を保持する保持部材と、
前記保持部材の移動方向を規制するガイド部材と、を有し、
前記ガイド部材の案内方向に垂直な面内において、前記保持部材は前記ガイド部材を軸中心として回転可能に構成され、
前記面内において、前記ガイド部材から前記永久磁石までの距離よりも前記ガイド部材から前記振動体までの距離のほうが短く、
前記面内において、前記永久磁石と前記磁性体との間の吸引力が、前記ガイド部材の軸周りに前記保持部材を回転させる力として働き、前記回転させる力により前記振動体は前記接触部材に加圧され、
前記振動体の前記電気−機械エネルギー変換素子に交流電圧が印加されることで、前記保持部材が前記レンズに入射する光の光軸方向に移動することを特徴とするレンズ鏡筒。
前記永久磁石と前記磁性体とが非接触であることを特徴とする請求項６に記載のレンズ鏡筒。
前記磁性体には摺動部材が形成され、前記永久磁石と前記磁性体とは前記摺動部材を介して接触しており、
前記振動体と前記接触部材との摩擦力よりも、前記摺動部材と前記永久磁石との摩擦力のほうが小さいことを特徴とする請求項６に記載のレンズ鏡筒。
前記永久磁石と前記磁性体とは接触しており、
前記保持部材には回転軸が設けられ、前記永久磁石が前記回転軸を中心として回転可能に構成され、前記保持部材が移動する際、前記永久磁石が回転することを特徴とする請求項６に記載のレンズ鏡筒。
前記保持部材の回転の回転軸と、前記ガイド部材が略平行であり、前記磁性体は前記ガイド部材の案内方向に延在していることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載のレンズ鏡筒。
請求項６乃至１０のいずれか１項に記載のレンズ鏡筒と、前記レンズを通過した光が入射する位置に設けられた撮像素子と、を有することを特徴とする光学機器。