JP6056180B2

JP6056180B2 - 振動アクチュエータ、光学機器及び振動アクチュエータの組立方法

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Publication number: JP6056180B2
Application number: JP2012100157A
Authority: JP
Inventors: 光輝日野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2012-04-25
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-04-25
Also published as: JP2013229997A

Description

本発明は、振動アクチュエータ、光学機器及び振動アクチュエータの組立方法に関するものである。

近年、動画撮影も可能なカメラが開発されている。このようなカメラは、動画撮影時に音声も記録するため、変倍光学系や合焦光学系を駆動するアクチュエータは、駆動音が小さいものが好ましい。また、変倍光学系と合焦光学系とを移動させるためには複数の出力が必要である。
このため、従来、駆動音が小さい振動アクチュエータにおいて、２つの出力を取り出すことが可能な振動アクチュエータが開発されている（例えば、特許文献１参照）。

実開平４−１８５号公報

しかし、上記の振動アクチュエータは、単に２つの振動アクチュエータを重ねて配置したもので、スペース効率が悪い。

本発明の課題は、複数出力、静音化及び小型化が可能な振動アクチュエータ、光学機器及び振動アクチュエータの組立方法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。

本発明の振動アクチュエータは、第１電気機械変換素子を有する第１振動部と、前記第１電気機械変換素子により振動する前記第１振動部によって、前記第１振動部に対して相対的に移動する第１相対移動部と、第２電気機械変換素子を含む第２振動部と、前記第２電気機械変換素子により振動する前記第２振動部によって、前記第２振動部に対して相対的に移動する第２相対移動部と、を備える第２アクチュエータ部と、前記第１振動部と前記第１相対移動部、および前記第２振動部と前記第２相対移動部を加圧する加圧部と、前記第１電気機械変換素子と前記第２電気機械変換素子との間に配置される振動吸収部とを備える構成とした。
本発明の光学機器は、振動アクチュエータと、変倍光学系と合焦光学系と、を備える光学機器であって、前記第１相対移動部からの出力は前記変倍光学系を駆動し、前記第２相対移動部からの出力は前記合焦光学系を駆動する構成とした。
本発明の振動アクチュエータの組立方法は、一端にフランジ部を有し、前記フランジ部に第１ベアリングが配置された中筒の他端より、前記第１相対移動部からの出力を取り出す第１出力部が設けられた円環状の第１相対移動部保持部を挿入し、前記第１相対移動部を挿入し、前記第１相対移動部保持部及び前記第１相対移動部と、前記中筒との間に前記第１筒部材を挿入し、前記第１電気機械変換素子を有する前記第１振動部を、前記第１電気機械変換素子が前記第１相対移動部と逆側になるように挿入するとともに前記第１位置規制部に係合させ、前記振動吸収部材を挿入し、前記第２電気機械変換素子を有する前記第２振動部を、前記第２電気機械変換素子が前記振動吸収部材側となるように挿入し、前記第２振動部と前記中筒との間に前記第２筒部材を挿入するとともに、前記第２位置規制部を前記第２振動部に係合させ、前記第２相対移動部を挿入し、前記第２相対移動部からの出力を取り出す第２出力部が設けられた円環状の第２相対移動部保持部を挿入し、第２ベアリングが外周に配置された加圧受け部材を挿入し、加圧部材を挿入し、さらに締結部材を挿入して前記中筒に固定する。

本発明によれば、複数出力、静音化及び小型化が可能な振動アクチュエータ、光学機器及び振動アクチュエータの組立方法を提供することができる。

本発明の一実施形態の振動アクチュエータを備えるカメラを示す図である。振動アクチュエータの部分拡大断面図である。振動アクチュエータの分解斜視図である。振動アクチュエータの斜視図である。

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、以下に示す各図において、光軸に沿った被写体側をＺプラス側、像側をＺマイナス側として説明する。光軸は振動アクチュエータ１０の中心の軸線方向でもある。

図１は、本発明の一実施形態の振動アクチュエータ１０を備えるカメラ１を示す図である。
本実施形態のカメラ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、本実施形態のカメラ１は、レンズ鏡筒３が交換レンズである例を示すが、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、変倍光学系Ｌ１、合焦光学系Ｌ２、第１カム筒４、第２カム筒５、振動アクチュエータ１０等を備える。
振動アクチュエータ１０は、略円環形状であり、その軸線方向が光軸方向（Ｚ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。この振動アクチュエータ１０は、カメラ１の変倍動作時に変倍光学系Ｌ１を駆動し、カメラ１のフォーカス動作時に合焦光学系Ｌ２を駆動する駆動源として用いられている。

振動アクチュエータ１０から得られた駆動力は、第１カム筒４、第２カム筒５に伝えられる。変倍光学系Ｌ１のレンズ枠４ａは、第１カム筒４とカム係合しており、振動アクチュエータ１０の駆動力によって第１カム筒４が光軸回りに回転すると、変倍光学系Ｌ１は、光軸方向へ移動して変倍動作が行なわれる。
また、合焦光学系Ｌ２のレンズ枠５ａは、第２カム筒５とカム係合しており、振動アクチュエータ１０の駆動力によって第２カム筒５が光軸回りに回転すると、合焦光学系Ｌ２は、光軸方向へ移動して合焦動作が行なわれる。

図１において、レンズ鏡筒３内に設けられた光学系Ｌ１，Ｌ２によって、撮像素子６の撮像面に被写体像が結像される。撮像素子６によって、結像された被写体像が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。

次に、本実施形態の振動アクチュエータ１０について詳細に説明する。図２は、振動アクチュエータ１０の部分拡大断面図である。図３は振動アクチュエータ１０の分解斜視図である。図４は振動アクチュエータ１０の斜視図である。
本実施形態の振動アクチュエータ１０は、中筒８と、その外周に配置された第１アクチュエータ部１００と、第２アクチュエータ部２００と、加圧受け部材２３と、加圧部材１６と、締結部材２５と、を備える。

中筒８は、軸線を中心とした円筒部材で、Ｚプラス側（図１における被写体側）の端部に、外周側より外方に延びる中筒フランジ部８ａが設けられている。この中筒フランジ部８ａの外周には、図３に示すように、ベアリング８ｂが３箇所均等に配置されている。

第１アクチュエータ部１００は、中筒８の外周に嵌合される円筒状のステータ位置規制筒１０８を備える。中筒８とステータ位置規制筒１０８とは、例えばキー等を設けることにより互いに相対回転しないようになっている。
ステータ位置規制筒１０８は円筒部材で、外周に位置規制突起部１０８ａが設けられている。なお、本実施形態で位置規制突起部１０８ａは、ステータ位置規制筒１０８の外周の同一円周上の３箇所に外方に突き出すようにして設けられている。
位置規制突起部１０８ａも含めてステータ位置規制筒１０８はポリカーボネートなどの可塑性材料（プラスチック）で製造されている。

ステータ位置規制筒１０８の外周には、第１アクチュエータ部１００を構成する他の構成部材が配置されている。それらの構成部材をステータ１１３から説明する。

ステータ１１３は、ステータ位置規制筒１０８の外周に配置された円環部材で、圧電素子１１１及び弾性体１１２を備える。

圧電素子１１１は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有する。本実施形態では、圧電素子１１１として圧電素子を用いているが、電歪素子を用いてもよい。
圧電素子１１１は、不図示の電極部が形成されている。圧電素子１１１は、この電極部と電気的に接続された不図示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り伸縮し、弾性体１１２を振動させる。

弾性体１１２は、圧電素子１１１の伸縮により進行波を発生する部材である。弾性体１１２は、高弾性率を有するステンレス鋼、真鍮等により形成される。
弾性体１１２は、略円環形状の部材であり、導電性を有する接着剤等により圧電素子１１１が接着され、圧電素子１１１が接着されている側と反対側には複数の溝を切って形成された櫛歯部１１２ａが設けられている。

櫛歯部１１２ａの先端面は、後述するロータ１１４と加圧接触する接触面であり、この面に発生する進行波によってロータ１１４が回転駆動される。
また、この櫛歯部１１２ａの溝に、上述した３つの位置規制突起部１０８ａがはめ込まれている。これにより、ステータ位置規制筒１０８に対するステータ１１３の径方向の位置が規定され、また、ステータ位置規制筒１０８に対するステータ１１３の回転が防止される。

ロータ１１４は、略円環形状の部材であり、本実施形態のロータ１１４は、アルミニウム合金により形成されている。
ロータ１１４は、ステータ１１３（弾性体１１２）に加圧接触され、進行波により摩擦駆動される。このロータ１１４のステータ１１３に対する接触面には、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の摺動材が設けられている。

ステータ１１３とロータ１１４とは、後述する加圧部材１６により圧接されている。この圧接により、ステータ１１３（弾性体１１２）の先端面で発生する進行波がロータ１１４に回転力として変換される。

ロータ１１４の内周側からは、当該内周側から更にステータ１１３と逆側に延びるロータホルダ１１７が配置されている。

ロータホルダ１１７は、ステータ１１３の内周に挿入されて該ロータホルダ１１７の内周に固定される第１円筒部１１７ａと、該第１円筒部１１７ａよりさらに、ステータ１１３の逆側に延び、かつ第１円筒部１１７ａより大径の第２円筒部１１７ｂとを備える。

ロータホルダ１１７の外周には、図３及び図４に示す出力取り出しピン１１７ｃが、均等に３箇所設けられている。
この出力取り出しピン１１７ｃは、図１に示す第１カム筒４に連結され、ロータホルダ１１７が回転すると、その回転力を第１カム筒４に伝達して変倍光学系Ｌ１を駆動する。

第１円筒部１１７ａの外周における、ロータ１１４と第２円筒部１１７ｂとの間には、ロータ１１４側から順に円環状のロータ受け材１１５及び吸振材１１８が配置されている。吸振材１１８は、ロータ１１４のスラスト方向（Ｚ方向）の振動を吸振する。

第２アクチュエータ部２００も、第１アクチュエータ部１００と同様の構成であるのでその説明は省略する。
第１アクチュエータ部１００の構成部材は、１００番代の参照符号で示したが、第２アクチュエータ部２００の構成部材は２００番代の参照符号で示す。そして、第１アクチュエータ部１００と同じ構成部材の場合、第２アクチュエータ部２００の構成部材の参照符号は、第１アクチュエータ部１００の構成部材の参照符号と１０番代以下同じである。

第１アクチュエータ部１００は、中筒８の外周における中筒フランジ部８ａ側に配置されている。第１アクチュエータ部１００の、ロータホルダ１１７の側面は、中筒フランジ部８ａの外周に設けられたベアリング８ｂの側面と当接している。
これにより、ロータホルダ１１７の中筒８に対するスラスト方向の位置が規制される。しかし、ロータホルダ１１７をスラスト方向に支えている部材はベアリングであるので、中筒８に対するロータホルダ１１７の相対回転は可能である。

第２アクチュエータ部２００は、中筒８の外周における第１アクチュエータ部１００の圧電素子１１１側に、第１アクチュエータ部１００と圧電素子１１１と圧電素子２１１とが対向するようにして互いに逆向きに配置されている。第１アクチュエータ部１００のステータ１１３と、第２アクチュエータ部２００のステータ２１３とは、内径及び外径がそれぞれ略同一である。

そして第１アクチュエータ部１００と第２アクチュエータ部２００との間には、振動吸収部材３０が配置されている。
振動吸収部材３０は圧電素子１１１，２１１の振動を他の部材に伝達し可聴域の音を発生させないために必要である。圧電素子１１１，２１１の超音波振動をなるべく阻害せずに、他の部材への振動伝達を阻止するためには不織布やフェルトのように内部に空気が入っているものが好適である。
特に、振動吸収部材３０としてポリエステルとポリウレタンからなるフェルトもしくはポリエステルやポリプロピレンの不織布が適している。また、複数枚の不織布やフェルトから構成することも有効で、本実施形態では３枚構成とし、圧電素子１１１，２１１側に配置されたポリエステルやポリプロピレンの不織布３０ａ，３０ｂの間に、ポリエステルとポリウレタンからなるフェルト３０ｃが配置されている。
なお、本実施形態において不織布とフェルトとの差は、単位体積当たりに含まれる空気量であり、単位体積当たりに含まれる空気量が少ないものをフェルトという。

第２アクチュエータ部２００のロータホルダ２１７側には円環状の加圧受け部材２３が配置されている。
この加圧受け部材２３の外周には、図３に示すように、ベアリング２３ａが３箇所均等に配置されている。なお、３箇所に限定されるものではない。
これらのベアリング２３ａの側面は、ロータホルダ２１７の側面と当接している。

加圧受け部材２３における第２アクチュエータ部２００との逆側には、加圧部材１６が配置されている。加圧部材１６は、第１アクチュエータ部１１０の上述したロータ１１４とステータ１１３との間の圧接力、及び第２アクチュエータ部２１０の上述したロータ２１４とステータ２１３との間の圧接力を与えるためのものである。
加圧部材１６は、本実施形態でウェーブ調整ワッシャもしくはコイルドウェーブバネである。巻き数は、例えば２巻き等である。

加圧部材１６における第２アクチュエータ部２００と反対側には、締結部材２５が配置されている。
この締結部材２５は、締結部材２５における内周側には、雌ねじ２５ｃが設けられている。一方、ステータ位置規制筒１０８の外周おける中筒フランジ部８ａのＺプラス側には、雄ねじ８ｃが設けられている。この雌ねじ２５ｃと雄ねじ８ｃとのねじ係合により、締結部材２５は中筒８に固定される。

本実施形態の振動アクチュエータ１０は、以下のように組み立てる。
中筒８にベアリング８ｂを３個取り付けた後、中筒８の外周にロータホルダ１１７、吸振材１１８、ロータ受け材１１５、ロータ１１４を組み込む。
その後、ステータ位置規制筒１０８を、ロータホルダ１１７、吸振材１１８、ロータ受け材１１５及びロータ１１４と、中筒８との間に挿入する。

さらに、圧電素子１１１を貼り付けたステータ１１３を組み込む。
この際、ステータ１１３の弾性体１１２の櫛歯部１１２ａの間の溝に、位置規制突起部１０８ａが挿入されるようにする。
次いで、圧電素子１１１と接するように、振動吸収部材３０を、不織布３０ａ、フェルト３０ｃ、不織布３０ｂの順に挿入する。

圧電素子２１１を貼り付けたステータ２１３を、圧電素子２１１側から挿入する。
そして、ステータ位置規制筒２０８をステータ２１３と中筒８との間に入れる。
この際、ステータ２１３の弾性体２１２の櫛歯部２１２ａの間の溝に、位置規制突起部２０８ａが挿入されるようにする。
ロータ２１４、ロータ受け材２１５、吸振材２１８、ロータホルダ２１７を挿入する。
ベアリング２３ａを３個取り付けた加圧受け部材２３、ウェーブワッシャ等からなる加圧部材１６を入れ、締結部材２５をネジ止めする。

この、締結部材２５の締め付け角度により、加圧部材１６の加圧力を調整する。
加圧部材１６により加圧された加圧受け部材２３は、ベアリング２３ａを介してロータホルダ２１７を加圧する。
ロータホルダ２１７はロータ２１４に接着されているため、ロータ２１４はステータ２１３に圧接される。ロータ２１４とステータ２１３との間の圧接によって、ステータ１１３のロータ側面で発生する進行波はロータ２１４の回転力に変換される。

ステータ２１３は、スラスト方向には移動可能であるので、加圧部材１６の加圧力は振動吸収部材３０を介してステータ１１３に伝達される。この加圧力により、第１アクチュエータ部１００においてステータ１１３とロータ１１４とが圧接され、ステータ１１３のロータ側面で発生する進行波はロータ１１４の回転力に変換される。

ロータ２１４の回転力は、ロータホルダ２１７の出力取り出しピン２１７ｃを介して、第２カム筒５を回転させ、合焦光学系Ｌ２を光軸方向に駆動する。
また、ロータ１１４の回転力は、ロータホルダ１１７の出力取り出しピン１１７ｃを介して、第１カム筒４を回転させ、変倍光学系Ｌ１を光軸方向に駆動する。

以上、本実施形態によると、以下の効果を有する。
（１）異なる出力が可能な第１アクチュエータ部１００と、第２アクチュエータ部２００とを搭載しているが、互いに逆向きに配置して振動吸収部材３０を共通化することで全長の短縮が図られる。これにより、振動アクチュエータの大出力を利用した高質量の光学系を精度良く静寂に移動することが可能で、全長が短縮された光学機器を得ることができる。

（２）振動吸収部材３０は、圧電素子１１１，２１１と接する部分に配置された不織布３０ａ，３０ｂの間にフェルト３０ｃを配置した構造となっている。圧電素子１１１，２１１と接する部分が不織布３０ａ，３０ｂであるので、圧電素子１１１，２１１の振動を阻害せず、また不織布３０ａ，３０ｂの間に空気の密度が不織布より小さいフェルト３０ｃが配置されているので、２つの圧電素子１１１，２１１の振動が互いに影響しあうことがない。

（３）位置規制突起部１０８ａ，２０８ａが設けられたステータ位置規制筒１０８，２０８を配置し、この位置規制突起部１０８ａ，２０８ａによりステータ１１３，２１３の回転を防止している。ステータ１１３，２１３の回転防止には、弾性体にひれ部を設ける構造が多く用いられているが、本実施形態によると、ひれ部を設ける必要がないため、径方向の大きさの拡大が防止される。

（４）位置規制突起部１０８ａ，２０８ａも含めてステータ位置規制筒１０８，２０８はポリカーボネートなどの可塑性材料（プラスチック）で製造されている。位置規制突起部１０８ａ，２０８ａは弾性体に接触するが、可塑性材料で製造されているため、弾性体の振動による音の発生が低減される。

（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）本実施形態では、レンズ鏡筒３が交換レンズである例を示すが、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。
（２）また、本実施形態では、ベアリング、出力取り出し部、位置規制部を、円周上の３箇所に均等に配置した。３箇所が好ましいがこれに限定されるものではなく、１以上であればよい。
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。

１：カメラ、３：レンズ鏡筒、８：中筒、１０：振動アクチュエータ、１６：加圧部材、２３：加圧受け部材、３０：振動吸収部材、３０ａ：不織布、３０ｂ：不織布、３０ｃ：フェルト、１００：第１アクチュエータ部、１０８：ステータ位置規制筒、１０８ａ：位置規制突起部、１１０：第１アクチュエータ部、１１１：圧電素子、１１２：弾性体、１１３：ステータ、１１４：ロータ、１１７：ロータホルダ、２００：第２アクチュエータ部、２０８：ステータ位置規制筒、２０８ａ：位置規制突起部、２１０：第２アクチュエータ部、２１１：圧電素子、２１２：弾性体、２１３：ステータ、２１４：ロータ、２１７：ロータホルダ

Claims

第１電気機械変換素子を有する第１振動部と、
前記第１電気機械変換素子により振動する前記第１振動部によって、前記第１振動部に対して相対的に移動する第１相対移動部と、
第２電気機械変換素子を含む第２振動部と、
前記第２電気機械変換素子により振動する前記第２振動部によって、前記第２振動部に対して相対的に移動する第２相対移動部と、を備える第２アクチュエータ部と、
前記第１振動部と前記第１相対移動部、および前記第２振動部と前記第２相対移動部を加圧する加圧部と、
前記第１電気機械変換素子と前記第２電気機械変換素子との間に配置される振動吸収部とを備え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であって、
前記第１相対移動部、前記第１振動部、振動吸収部、前記第２振動部、前記第２相対移動部、加圧部の順に配置される振動アクチュエータ。
請求項１または２に記載の振動アクチュエータであって、
前記第１振動部と前記第２振動部とは、互いに逆向きに配置される振動アクチュエータ。
請求項１から３のいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、
前記振動吸収部は、１以上の布部材を層状に配置した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であって、
前記布部材は、前記第１電気機械変換素子と前記第２電気機械変換素子とのそれぞれに接する２枚の第１布部材と、
前記２枚の第１布部材との間に配置される第２布部材とを備え、
前記第１布部材は、単位体積当たりに含まれる空気量が前記第２布部材より多い振動アクチュエータ。
請求項１から５のいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、
前記第１振動部と前記第１相対移動部、および前記第２振動部と前記第２相対移動部は円環であり、
前記第１振動部及び前記第１相対移動部を外周に保持する第１筒部材と、
前記第１振動部の前記第１筒部材に対する回転を防止するとともに前記第１筒部材に対する径方向の位置決めをする第１位置規制部と、
前記第２振動部及び前記第２相対移動部を外周に保持する第２筒部材と、前記第２振動部の前記第２筒部材に対する回転を防止するとともに前記第２筒部材に対する径方向の位置決めをする第２位置規制部と、
を備える振動アクチュエータ。
請求項６に記載の振動アクチュエータであって、
前記第１位置規制部及び前記第２位置規制部は、可塑性材料で製造されている振動アクチュエータ。
請求項１から７のいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、
前記第１振動部と前記第２振動部とは、内径及び外径がそれぞれ略同一であること、
を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項１から８のいずれか１項に記載の振動アクチュエータと、変倍光学系と合焦光学系と、を備える光学機器であって、
前記第１相対移動部からの出力は前記変倍光学系を駆動し、
前記第２相対移動部からの出力は前記合焦光学系を駆動する光学機器。
請求項６または７に記載の振動アクチュエータの組立方法あって、
一端にフランジ部を有し、前記フランジ部に第１ベアリングが配置された中筒の他端より、
前記第１相対移動部からの出力を取り出す第１出力部が設けられた円環状の第１相対移動部保持部を挿入し、
前記第１相対移動部を挿入し、
前記第１相対移動部保持部及び前記第１相対移動部と、前記中筒との間に前記第１筒部材を挿入し、
前記第１電気機械変換素子を有する前記第１振動部を、前記第１電気機械変換素子が前記第１相対移動部と逆側になるように挿入するとともに前記第１位置規制部に係合させ、
前記振動吸収部材を挿入し、
前記第２電気機械変換素子を有する前記第２振動部を、前記第２電気機械変換素子が前記振動吸収部材側となるように挿入し、
前記第２振動部と前記中筒との間に前記第２筒部材を挿入するとともに、前記第２位置規制部を前記第２振動部に係合させ、
前記第２相対移動部を挿入し、
前記第２相対移動部からの出力を取り出す第２出力部が設けられた円環状の第２相対移動部保持部を挿入し、
第２ベアリングが外周に配置された加圧受け部材を挿入し、
加圧部材を挿入し、
さらに締結部材を挿入して前記中筒に固定すること、
を特徴とする振動アクチュエータの組立方法。