JP6176974B2 - 振動型アクチュエータおよびレンズ鏡筒 - Google Patents

Description

本発明は、小型軽量かつ高速駆動が求められるレンズ鏡筒等に用いる振動型アクチュエータや、振動および騒音対策を要するレンズ鏡筒等に適用される振動型アクチュエータに関するものである。

振動型アクチュエータを有するリニア駆動ユニットを利用したレンズ鏡筒が知られている。特許文献１には、高周波電圧の印加により周期的に振動する周期振動部材と、周期振動部材の周期振動に伴って駆動される可動体とを備えた超音波駆動装置が開示されている。特許文献２には、振動板に形成された接触部に楕円運動が生成可能に構成された振動子と、振動子の接触部と加圧接触し楕円運動によって該振動子に対して相対移動する被駆動体と、を有する振動型駆動装置が開示されている。

特開２００１−２９２５８４号公報 特開２０１２− １６１０７号公報

圧電素子の超音波振動を利用した超音波モータ等の振動型アクチュエータは小型であって、大きな駆動力が得られること、また広い速度レンジに対応でき、低振動かつ低騒音であるという特徴を有する。しかし、振動子と振動子ホルダとを連結する連結部材を使用する構成では、駆動方向に高い剛性が要求され、振動方向には柔軟性が要求される。例えば、連結部材は駆動方向の寸法が数ｍｍであって、かつ振動方向の寸法（板厚）が０．１ｍｍ程度の薄いプレス部品となる。この場合、連結部材は多数の固有振動モードを有する梁となる。梁の面外の曲げ方向、面内の曲げ方向、伸縮方向、および捩れ方向のそれぞれに対して高次の振動モードまで考慮すると、超音波モータの駆動周波数の近傍から、連結部材の固有振動モードの周波数を除外することが困難になる。

本発明の目的は、振動型アクチュエータにおいて、駆動周波数の近傍から連結部材の固有振動モードの周波数を容易に除外でき、低騒音かつ低振動で大きな駆動力を得ることである。

上記課題を解決するために、本発明に係る装置は、振動子と、前記振動子に連結される連結部材と、前記連結部材を介して前記振動子を保持するホルダと、を備え、前記振動子と摩擦部材とを加圧接触させた状態で前記振動子を振動させることにより、前記振動子と前記摩擦部材とを相対移動させることが可能な振動型アクチュエータであって、前記連結部材は、前記振動子と前記摩擦部材との加圧方向および前記振動子と前記摩擦部材との相対移動方向と直交する方向に、延在する一対の腕部を有し、前記直交する方向にて片側から、前記一対の腕部で前記振動子と連結されている。

本発明によれば、駆動周波数の近傍から連結部材の固有振動モードの周波数を容易に除外でき、低騒音かつ低振動で大きな駆動力を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る振動型アクチュエータの説明図である。 本発明の第１実施形態の効果を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る振動型アクチュエータの説明図である。 本発明の第３実施形態に係る振動型アクチュエータの説明図である。 レンズ鏡筒の構成例を示す図である。 比較例に係る振動型アクチュエータの説明図である。 比較例の特性上の問題点を説明するための図である。

以下に、本発明の各実施形態を説明する。本発明は、小型軽量かつ高速駆動が求められるレンズ鏡筒や、振動および騒音対策を十分に講じる必要のある動画撮影対応のレンズ鏡筒等に適用できる。なお、各実施形態について比較例と対比して説明する。
まず、図５を参照して、本発明の実施形態に係るレンズ鏡筒の構成例を説明する。図５は振動型アクチュエータを有するリニア駆動ユニットを利用したレンズ鏡筒を示す。図５（Ａ）はレンズ鏡筒の正面図であり、図５（Ｂ）はレンズ鏡筒の一部を切り欠いて示す側面図である。図５では、移動可能な光学素子としてフォーカスレンズを例示する。

円筒状の外枠１０１は、内部にフォーカスレンズ１０２とフォーカスレンズホルダ１０３を備える。フォーカスレンズホルダ１０３は一対の腕部１０３ａおよび１０３ｂを有する保持部材である。第１の腕部１０３ａは第１ガイド軸１０４に嵌合し、第２の腕部１０３ｂは第２ガイド軸１０５に嵌合している。これらのガイド軸１０４，１０５は、フォーカスレンズホルダ１０３を支持し、光軸方向（図５（Ｂ）のＸ方向）に案内する。
リニア駆動ユニット１０６は、フォーカスレンズホルダ１０３を光軸方向に移動させる駆動機構部である。図示しない制御部からの移動命令に従い、リニア駆動ユニット１０６が指定距離を移動することにより、フォーカスレンズホルダ１０３が光軸方向に移動する。これにより、フォーカスレンズ１０２が合焦位置に到達する。

本発明に各実施形態に係るリニア駆動ユニット１０６を説明する前に、比較例として図６に示すリニア駆動ユニットの構成を説明する。図６（Ａ）はリニア駆動ユニットを示す図であり、一部を切り欠いて示す部分断面図である。振動子２０１は超音波モータ本体であり、超音波振動する２つの突起部を有する。振動子ホルダ２０２は振動子２０１を保持する保持部材であり、振動子２０１と同期して移動する。

ガイド軸２０３は、リニア駆動ユニットを光軸方向に案内する案内部材である。振動子２０１と接触する可動部材としてのスライダー２０４は、振動子２０１の突起部に当接することで摩擦駆動される摩擦部材である。スライダー２０４は振動子２０１に対して相対移動する。ローラ２０５はスライダー２０４の面に回転摺動する部材である。枠体２０６は振動子ホルダ２０２とローラ２０５とを連結する。枠体２０６は、駆動伝達部位２０７によりフォーカスレンズホルダ１０３（図５参照）と連結されている。図６の構成の場合、スライダー２０４だけでは振動子２０１の直進性が保証できない。このため、ガイド軸２０３の案内作用により振動子２０１および振動子ホルダ２０２が直線的に駆動される。また、ローラ２０５は駆動時の摺動抵抗を軽減するために設けられている。

振動子２０１の裏面に貼り付けられた圧電素子３０１は、加圧板３０３を介してばね３０２により図６（Ａ）の上側に付勢されている。つまり、ばね３０２は圧電素子３０１を介して振動子２０１をスライダー２０４へ加圧する。図示しない高周波駆動制御部の電圧印加により圧電素子３０１が伸縮することによって、振動子２０１が超音波振動し、スライダー２０４に沿って摩擦駆動が行われる。

図６（Ｂ）および（Ｃ）は、振動子２０１と振動子ホルダ２０２との連結構造を説明するための図である。図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断した場合の断面図である。Ｘ方向を駆動方向とする。図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）のＢ−Ｂ線に沿って切断した場合の断面図である。Ｙ方向に振動子２０１の振動方向を示す。
図６（Ｂ）にて、矩形枠形状の連結部材４０１は、振動子２０１と振動子ホルダ２０２とを連結する。連結部材４０１は振動子２０１の一部である連結部２０１ａに溶接され、振動子ホルダ２０２の部分２０２ａでビス締結されている。

カメラの動画撮影時には、結像面における許容錯乱円の範囲でフォーカスレンズを駆動方向（Ｘ方向）に沿って微小に往復移動させてピントずれ方向を判定する、いわゆる「ウォブリング動作」が行われる。ウォブリング動作の周期は、動画撮影のフレームレートの高速化にともなって短くなり、近年では６０ｆｐｓや１２０ｆｐｓのフレームレートまで対応する必要がある。従って、連結部材４０１にはフィードバック制御に対する高い周波数特性が要求される。このため、振動子２０１と振動子ホルダ２０２との間において、駆動方向（Ｘ方向）のガタ要素や弾性変形要素を排除する必要がある。振動子２０１と振動子ホルダ２０２とを連結する連結部材４０１には、少なくとも駆動方向（Ｘ方向）にて高い剛性を保証できる板金部品が用いられる。また、各部材の結合方法には溶接やビス締結等が用いられる。

更に、連結部材４０１には、以下の２つの理由から、厚さが０．１ｍｍ程度の薄い板部材を用いる。尚、図６には見易さに配慮して、板厚方向の寸法を誇張して示している。
第１の理由は、連結部材４０１の剛性が高すぎると振動子２０１の超音波振動が阻害され、振動方向（Ｙ方向）の振幅が小さくなり、駆動力が低下することである。振動子ホルダ２０２の部分２０２ａから振動子２０１の連結部２０１ａに至る連結部材４０１の曲げ剛性を十分に弱くして、振動子２０１の振動を阻害しないことによって、超音波モータに高い駆動力が得られる。
第２の理由は、スライダー２０４の部品寸法のばらつきや組立寸法のばらつきの範囲内で、振動子２０１はスライダー２０４の寸法ばらつきを許容して追従する必要があることによる。スライダー２０４およびスライダー２０４を固定する部品は高精度に加工されるものの、部品寸法のばらつきと組立寸法のばらつきを考慮する必要がある。例えば、振動方向（Ｙ方向）に０．３ｍｍ程度、又はそれ以上のばらつきを許容する必要がある。連結部材４０１の板厚を０．１ｍｍ程度に設定し、振動子２０１の振動方向（Ｙ方向）に必要な柔軟性を確保することによって、スライダー２０４の寸法ばらつきを許容して追従することができる。

次に、図７を参照して、比較例に係る連結部材４０１の固有振動モードについて説明する。図７は、連結部材４０１の固有振動モードの周波数の分布を例示する。図７（Ａ）は連結部材４０１の板厚が０．１ｍｍの場合を示し、図７（Ｂ）は板厚が０．３ｍｍの場合を示している。横軸は固有振動モードの次数を示し、縦軸は固有振動モードの周波数（単位：ｋＨｚ）を示す。

一般的に、梁の全長を短くするか、又は、梁の断面の厚さを大きくすることで剛性を高くすれば、梁の固有振動モードの数は減少する。このことは、図７（Ａ）では固有振動モードの周波数の分布が密であり、図７（Ｂ）では固有振動モードの周波数の分布が疎であることからも判る。例えば、振動型アクチュエータの駆動周波数を９２ｋＨｚ前後とする。図７（Ａ）に示す板厚０．１ｍｍの場合、範囲Ａにおいて、連結部材４０１が次数９，１０の固有振動数と共振する可能性が高い。この共振が、分数調波振動等により低周波領域に不要な振動を励起した場合には、振動や騒音の原因となるか、又は、振動子の振動を阻害して駆動力を低下させる原因となる。これに対して、図７（Ｂ）に示す板厚０．３ｍｍの場合には、固有振動モードの周波数の分布が疎になり、駆動周波数９２ｋＨｚの近傍（範囲Ｂ）から連結部材４０１の固有振動モードの周波数が除外されていることが分かる。このように単に連結部材の、梁としての剛性を高くした場合、振動方向の柔軟性が損なわれ、駆動力やスライダー２０４への追従性を損なう結果となる。

本発明の実施形態では、駆動力やスライダーへの追従性を確保しつつ、駆動周波数の近傍から連結部材の固有振動モードの周波数を除外できる振動型アクチュエータの構成について説明する。

［第１実施形態］
図１および図２を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る振動型アクチュエータの振動子２０１と振動子ホルダ２０２との連結構造を説明する図である。図１（Ａ）は平面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断した場合の断面図である。振動子２０１と振動子ホルダ２０２とを連結する連結部材１はコ字形状の板部材であり、駆動方向（Ｘ方向）および振動方向（Ｙ方向）に直交する方向に延在する２つの腕部１ａを有する。連結部材１は、腕部１ａの先端部がそれぞれ振動子２０１の連結部２０１ａに溶接され、振動子ホルダ２０２とは部分２０２ａでビス締結されている。

連結部材１は比較例の連結部材４０１と比べて、梁となる腕部１ａの厚さＴはほぼ同等である。しかし、腕部１ａの長さＬを短くすることによって、梁の剛性が高くなっている。この構成により、固有振動モードの数が減少し、駆動周波数の近傍から連結部材の固有振動モードの周波数を除外することが容易となる。その結果、分数調波振動等により低周波領域に不要な振動を励起することなく、振動や騒音が発生せず、かつ、振動子の振動を阻害することもなく駆動力が低下することもない。

図２は、連結部材１の固有振動モードの周波数の分布を例示する。図２と図７（Ａ）を比較すると分かるように、図２では固有振動モードの周波数の分布が疎になる。駆動周波数９２ｋＨｚの近傍の範囲Ａから、連結部材１の固有振動モードの周波数が除外されている。
本実施形態の連結部材１は、比較例の連結部材４０１に比べて、腕部１ａの長さＬ（図１（Ａ）参照）が短いため、梁の剛性が高くなっている。連結部材１は腕部１ａが振動子２０１側に突出する方向、すなわち振動子２０１との連結部２０１ａが存在する方向において、片側だけに設けられている。このようにＸ方向に延びる振動子２０１の中心軸に関して連結部材１は非対称であり、各腕部１ａは片持ち梁として連結部２０１ａにそれぞれ接続される。この結果、振動方向（Ｙ方向）における単位変位量当たりの反力が低下し、振動方向の柔軟性が確保できる。

連結部材１は、駆動方向（Ｘ方向）に対して平行に延在する部分が振動子ホルダ２０２の部分２０２ａと連結されている。連結部材１と振動子２０１とは複数の位置で連結されている。つまり連結部材１の２つの腕部１ａは駆動方向において２箇所で振動子２０１に連結されている。この結果、駆動方向のガタ要素や弾性変形要素を排除でき、フィードバック制御に対する高い周波数特性を確保できる。
本実施形態では、連結部材の剛性が高いにも関わらず、振動方向の柔軟性を確保でき、駆動方向のガタや弾性変形を排除できる。よって、フィードバック制御に対する高い周波数特性、大きな駆動力、および、スライダーへの追従性を確保しつつ、駆動周波数の近傍の範囲から連結部材の固有振動モードの周波数を除外することが容易となる。この結果、低騒音かつ低振動で、駆動力の大きい振動型アクチュエータを実現できる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態では、連結部材の固有振動モードの数を減少させるための構成を説明する。連結部材の腕部の長さを短くする構成以外の方法は、腕部の板厚を厚くして剛性を高くする方法である。
図３は、本実施形態に係る連結部材１１と振動子２０１および振動子ホルダ２０２を示す。図３（Ａ）は平面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断した場合の断面図である。尚、第１実施形態の場合と同様の部分については既に使用した符号を用いることにより、それらの詳細な説明を省略し、主に相違点を説明する。このような説明の省略の仕方は後述の実施形態でも同様である。

連結部材１１は、その一部分が振動子ホルダ２０２の部分２０２ａにビス締結されている。連結部材１１は２つの腕部１１ａが振動子２０１の各連結部２０１ａにそれぞれ溶接されている。比較例の連結部材４０１と比べた場合、腕部１１ａの長さＬはほぼ同等であるが、腕部１１ａの厚さＴを厚くすることによって、梁の剛性が高くなっている（図３（Ｂ）には板厚方向の寸法を誇張して示している）。この結果、連結部材１１の固有振動モードの数を減少させることができる。
本実施形態では、連結部材１１の板厚Ｔを大きくした場合でも、振動方向の柔軟性を確保できる。これは、連結部材１１の腕部１１ａがそれぞれ、振動子２０１に対して片側だけで連結部２０１ａに固定されているからである。ただし、振動子２０１の振動を阻害せず、かつ、振動方向（Ｙ方向）の柔軟性を損なわない範囲内の板厚とすることが重要である。

［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態では、連結部材の固有振動モードの数を減少させるための、連結部材の構成を説明する。
図４は本実施形態に係る連結部材２０と振動子２０１および振動子ホルダ２０２を示す。図４（Ａ）は平面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断した場合の断面図である。図４（Ｃ）は連結部材２０の厚み方向の構成を説明する詳細図である。

連結部材２０は、板厚を十分に大きくした部分と、その一部にだけ板厚を小さくした部分を有する。図４には、連結部材２０にて板厚が十分大きい第１部分２１と、板厚の小さい第２部分（薄肉部）２２を示す。図４（Ｃ）に示す第１部分２１および第２部分２２は、図４（Ｂ）の点線枠内に相当する箇所を拡大して分解した状態で示したものである。第２部分２２には、例えばポリエステル等の樹脂製シート材を使用する。第２部分２２は、第１部分２１を構成する上半部２１ａと下半部２１ｂとに挟まれた状態で、接着等により固定される。上半部２１ａと下半部２１ｂはそれぞれ３分割されている。図４（Ｃ）にて、右側に位置して、第２部分２２を挟んで対向する上半部２１ａと下半部２１ｂは、腕部を構成する。また、図４（Ｃ）にて、左側に位置して、第２部分２２を挟んで対向する上半部２１ａと下半部２１ｂは、振動子ホルダ２０２への取り付け部分を構成する。一例として、第２部分２２の厚さＴ２２と、長さＬ２２（図４（Ａ）に示す間隙長）は０．２ｍｍ程度であり、薄く短い寸法となっている（図面には寸法を誇張して示す）。

本実施形態では、第１部分２１は板厚が十分に大きく、第２部分２２は厚さＴ２２が小さくて長さＬ２２が短い。この結果、連結部材２０（第１部分２１および第２部分２２）の固有振動モードの数を減少させることができる。このように、長さＬ２２を短くしても、振動方向の柔軟性を確保できる。これは、連結部材２０の各腕部が振動子２０１に対して片側だけで連結部２０１ａに固定されているからである。更に、本実施形態では、第２部分２２が樹脂製シートであり、曲げ剛性は非常に小さいので、第１部分２１が十分厚く弾性変形しなくても、振動子の振動を阻害せず、かつ、振動方向の柔軟性を損なうことはない。
なお、前記実施形態の組み合わせることや、連結部材の固有振動モードの数を減少させる構造をさらに採用することにより、駆動周波数の近傍から連結部材の固有振動モードの周波数を除外できる。

１，１１，２０ 連結部材
２０１ 振動子
２０１ａ 連結部
２０２ 振動子ホルダ

Claims (6)

1. 振動子と、
   前記振動子に連結される連結部材と、
   前記連結部材を介して前記振動子を保持するホルダと、を備え、
   前記振動子と摩擦部材とを加圧接触させた状態で前記振動子を振動させることにより、前記振動子と前記摩擦部材とを相対移動させることが可能な振動型アクチュエータであって、
   前記連結部材は、前記振動子と前記摩擦部材との加圧方向および前記振動子と前記摩擦部材との相対移動方向と直交する方向に、延在する一対の腕部を有し、前記直交する方向にて片側から、前記一対の腕部で前記振動子と連結されていることを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記振動子と前記摩擦部材との相対移動方向において、前記振動子と前記摩擦部材との接触位置が前記振動子と前記連結部材との連結位置の間となるように、前記振動子と前記連結部材とが連結されていることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記連結部材は、前記一対の腕部の先端部分で前記振動子と連結されていて、前記一対の腕部の根元部分で前記ホルダと連結されていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記連結部材は、前記振動子と連結されている部分及び前記ホルダと連結されている部分の間に屈曲部分を有することを特徴とする請求項３に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記連結部材は、前記加圧方向において、前記振動子よりも薄い部分を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータと、
   光学素子を保持する保持部材と、
   前記振動子と前記摩擦部材との相対移動により前記保持部材を駆動させる駆動機構部を備えることを特徴とするレンズ鏡筒。
   

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