JP2014018016A - 振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】良好な起動特性を有する振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラを提供する。
【解決手段】本発明の振動アクチュエータ１０は、ベース部８に対して相対回転不能に保持されるとともに電気機械素子１１により振動される振動部１３と、前記振動によって前記振動部１３に対して相対的に回転する相対移動部１４と、前記相対移動部１４を保持するとともに該相対移動部１４と一体的に回転し、前記ベース部８に対して、転動部材２０を挟んで相対回転可能に保持される保持部材１７と、を備え、前記保持部材１７はアルミニウム製であり、該保持部材１７における前記転動部材２０との接触部分には、硬度７００以上の表面被膜１７ｄ，１７ｅが形成されていること、を特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラに関するものである。

従来より、カメラのレンズの駆動等に、振動アクチュエータが用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような振動アクチュエータは、ベースとなる部材に対して相対回転不能に保持されたステータと、ステータに対して相対回転するロータとを備える。ロータはロータホルダに固定され、ロータホルダは、ベース部に対して相対回転可能に保持されている。そして、このロータホルダは、一般に、磨耗防止用のニッケルメッキがなされた鉄で製造されている。

特開平１１−１４６６６６号公報

ロータホルダは、このように一般に鉄で製造されているため、重く、またイナーシャ（慣性モーメント）も大きい。イナーシャが大きいと、ロータが所定の回転速度に到達するまでに時間がかかり、振動アクチュエータの良好な起動性が得られない。

本発明の課題は、良好な起動特性を有する振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラ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。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１に記載の発明は、ベース部（８）に対して相対回転不能に保持されるとともに電気機械素子（１１）により振動される振動部（１３）と、前記振動によって前記振動部（１３）に対して相対的に回転する相対移動部（１４）と、前記相対移動部（１４）を保持するとともに該相対移動部（１４）と一体的に回転し、前記ベース部（８）に対して、転動部材（２０）を挟んで相対回転可能に保持される保持部材（１７）と、を備え、前記保持部材（１７）はアルミニウム製であり、該保持部材（１７）における前記転動部材（２０）との接触部分には、硬度７００以上の表面被膜（１７ｄ，１７ｅ）が形成されていること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータ（１０）であって、前記表面被膜（１７ｄ１，１７ｅ１）はニッケル−ボロン被膜であること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の振動アクチュエータ（１０）であって、前記表面被膜（１７ｄ１，１７ｅ１）の厚さは、１０ミクロン以上であること、を特徴とする振動アクチュエータ（１０）である。
請求項４に記載の発明は、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（１０）を備えるレンズ鏡筒（３）である。
請求項５に記載の発明は、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（１０）を備えるカメラ（１）である。

なお、符号を付して説明した構成は、適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替してもよい。

本発明によれば、良好な起動特性を有する振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラ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。 図２のロータホルダ部分の拡大図である。 振動アクチュエータの分解斜視図である。 ロータの回転速度と時間の関係を示したグラフである。

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。Ｚプラス側は、振動アクチュエータにおいて、後述の加圧部材側、Ｚマイナス側は後述のステータ側ともいう。

図１は、本発明の一実施形態の振動アクチュエータ１０を備えるレンズ鏡筒３が装着されたカメラ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、レンズ４、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のフォーカス動作時にレンズ４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、カム筒５に伝えられる。レンズ４のレンズ枠４ａは、カム筒５とカム係合しており、振動アクチュエータ１０の駆動力によってカム筒５が光軸回りに回転すると、レンズ４は光軸方向へ移動し、焦点調節が行なわれる。

図１において、レンズ鏡筒３内に設けられた不図示のレンズ群（レンズ４を含む）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。

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は図２のロータホルダ１７の拡大図である。図４は振動アクチュエータ１０の分解斜視図である。
振動アクチュエータ１０は、ベース部となる中筒８と、該中筒８の外周側に配置されたアクチュエータ部９と、を備える。
中筒８は、軸線を中心とした円筒部材で、Ｚプラス側の径が、Ｚマイナス側の径よりも大きくなっている。その大径側のＺプラス側端部には、筒状部の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。

アクチュエータ部９は、上述のように中筒８の外周側に配置されている。アクチュエータ部９の構成部材を中筒８のＺマイナス側より説明する。ただし、この配置に限定されるものではなく、例えば逆の並びで配置されていても良い。

中筒８のＺマイナス側の端部の外周には、雄ねじ８ｂが設けられている。
中筒８におけるこの雄ねじ８ｂが設けられている部分の外周側には、内周側に雌ねじ１５ａが設けられた円筒状の固定部材１５が嵌合され、雌ねじ１５ａと雄ねじ８ｃとが螺合することによって、固定部材１５は中筒８に固定されている。

固定部材１５のＺプラス側には、ステータ１３が配置されている。
ステータ１３は、中筒８の外周に配置された圧電体１１及び弾性体１２を備える。
ステータ１３における圧電体１１が配置されている部分（圧電体１１のＺマイナス側面）と固定部材１５との間には隙間１５ｂが設けられている。この隙間１５ｂにより圧電体１１の振動の固定部材１５への伝達が防止される。

圧電体１１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、圧電体１１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。
圧電体１１は、不図示の電極部が形成されている。圧電体１１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１２を振動させる。

弾性体１２は、圧電体１１の伸縮により進行波を発生する部材である。弾性体１２は、高弾性率を有するステンレス鋼、インバー鋼等の鉄合金により形成される。
弾性体１２は、略円環形状の部材であり、Ｚマイナス側面には導電性を有する接着剤等により圧電体１１が接着され、Ｚプラス側には複数の溝を切って形成された櫛歯部１２ａが設けられている。
櫛歯部１２ａの先端面は、後述するロータ１４と摺動材１４ａを介して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１４が回転駆動される。
弾性体１２における、Ｚマイナス側の外周からは、ひれ部１２ｂが外方に延び、固定部材１５に接着されている。

ロータ１４は、略円環形状の部材であり、本実施形態において、アルミニウム合金により形成されている。
ロータ１４は、ステータ１３（弾性体１２）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１４のステータ１３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１４ａが設けられている。

ステータ１３とロータ１４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１３（弾性体１２）のＺプラス側の面で発生する進行波がロータ１４に回転力として変換される。
ロータ１４の内周側には、吸振材１８が配置されている。吸振材１８は、ロータ１４のスラスト方向（軸方向，Ｚ方向）の振動を吸振する。

ロータ１４のＺプラス側には、ロータ１４と一体的に回転するロータホルダ１７が配置されている。
ロータホルダ１７は、ロータ１４の内周側における吸振材１８よりもＺプラス側に配置される円筒状の第一部分１７ａと、該第一部分１７ａよりも更にＺプラス側に延びるとともにＺプラス側に向かうに従って内径が略漸増する第二部分１７ｂと、第二部分１７ｂの先端（Ｚプラス側端部）から、さらにＺプラス側に延びる円筒状の第三部分１７ｃと、を有する。

第二部分１７ｂの内面は、上述のように内径が漸増することにより、斜面が形成されている。この斜面の一部は、後述するベアリング球２０の外周側斜め下（Ｚマイナス側且つ外方側）と接触する第１接触面１７ｄとなっている。この第１接触面１７ｄにはベアリング球２０に押圧されてＺマイナス方向の力が加えられる。この押圧力によって、ロータ１４の接触面はステータ１３に押圧される。
なお、第二部分１７ｂの内周面の、第１接触面１７ｄよりＺマイナス側には、後述のベアリングホルダ１９と接触しないように、円周に沿って溝１７ｆが設けられている。

ロータホルダ１７は、さらに、第三部分１７ｃの内周側に環状の押さえ環１７ｆを備える。この押さえ環１７ｆは、ベアリング球２０に対して、外周側斜め上（Ｚプラス側且つ外方側）、すなわち第１接触面１７ｄと約９０度異なる角度から接触する第２接触面１７ｅを有する。

第三部分１７ｃの外周側には、複数個所に穴が設けられている。この穴に出力取り出しピン２２が挿入され、出力取り出しピン２２から取り出された出力（回転力）は、図１に示したカム筒５に伝達されて、カム筒５が回転される。

一方、中筒８の外周側の、上述の接触面１７ｄに対応する位置には、中筒８に対してスラスト方向に移動可能な、環状の球受け部材２１がはめ込まれている。球受け部材２１の外周側には、凹部２１ａが形成されている。

中筒８とロータホルダ１７との間には、球受け部材２１及びベアリング球２０が配置されている。ベアリング球２０は、環状のベアリングホルダ１９に設けられた円形の貫通穴に挿入されて、転動可能、且つ周方向の移動は規制されている。

本実施形態においてロータホルダ１７は、アルミウム製である。そして、ロータホルダ１７における、ベアリング球２０と接する第１接触面１７ｄ及び第２接触面１７ｅには、ビッカース硬度が７００Ｈｖで、厚さが１０μｍのニッケルボロン（Ｎｉ−Ｂ）被膜１７ｄ１，１７ｅ１が形成されている。
ただし、本発明において接触面及び押圧面に形成される被膜はＮｉ−Ｂ被膜に限定されず、一般にアルミニムに対して行なわれているアルマイト被膜（ビッカース硬度３５０Ｈｖ程度）よりも硬い、例えば７００Ｈｖ以上の被膜であれば種類は限定されない。
また、厚さも１０μｍに限定されず、これ以上であってもよい。ただし、製造コストの面より本実施形態では１０μｍである。

ベアリング球２０のＺプラス側における、中筒８の外周には、加圧受け部材２３が配置され、加圧受け部材２３のさらにＺプラス側には、加圧部材１６が配置されている。

加圧受け部材２３は、中筒８の外径に嵌合する円筒状の嵌合部２３ａと、嵌合部２３ａから外周側に延びる加圧受け部２３ｂとを備える。加圧受け部２３ｂのＺプラス側は、後述する調整ワッシャ２４を介して加圧部材１６によって加圧される加圧受け面２３ｃになっている。

この加圧受け部材２３の材質は可塑性材料（プラスチック）で、特にポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂が好ましく、特にポリカーボネートが好適である。これらを材質として用いる理由は、摩擦係数の低減と、また表面粗さの調整の容易さのためである。なお、これらの素材にグラスファイバー、カーボンファイバーを加えてもよい。

加圧部材１６は、上述したロータ１４とステータ１３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と加圧受け面２３ｃとの間には加圧を調整するための調整ワッシャ２４が適宜配置される。
この調整ワッシャ２４は、加圧部材１６と加圧受け面２３ｃとの間に限定されず、加圧部材１６と締結部材２５との間に配置しても良い。

加圧部材１６のＺプラス側には、締結部材２５が配置されている。
この締結部材２５は、中筒８の外周に嵌合する嵌合円筒部２５ａと、嵌合円筒部２５ａのＺマイナス側において外方に延びる締結フランジ部２５ｂとを有する。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、中筒８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。

また、中筒８には、上述のように、中筒フランジ部８ａが設けられている。締結部材２５の雌ねじ２５ｃを中筒８の雄ねじに螺合したとき、中筒フランジ部８ａのＺプラス側面８ａａは締結フランジ部２５ｂのＺマイナス側面と接触する。これの接触によって中筒８に対する締結部材２５の位置が規定される。

本実施形態の振動アクチュエータ１０は以下のように動作する。
振動アクチュエータ１０の圧電体１１の電極部に、フレキシブルプリント基板から駆動信号が入力されると、圧電体１１は伸縮を開始し、ステータ１３（弾性体１２）の振幅が所定量になると進行波が発生する。
弾性体１２の進行波により、該弾性体１２に加圧接触されたロータ１４及びロータホルダ１７が回転を開始する。
ロータホルダ１７の側面に取り付けられた出力取り出しピン２２から取り出された出力（回転力）は、図１に示したカム筒５に伝達されて、カム筒５が回転される。

ここで、振動アクチュエータ１０（ロータ１４）の回転速度は、圧電体１１に駆動信号が入力された瞬間に目標速度になるのではなく、図５に示すように時間とともに徐々に速度（回転数）が増加する。このときのロータ１４の角速度は、以下の近似式に略従った増加を示す。

ここで、
Ｔｍａｘ：最大トルク
Ｔｆ ：定格トルク
ω０ ：無負荷時の角速度（回転数）
Ｉ ：ＡＦ駆動部及び振動アクチュエータのイナーシャ

すなわち、角速度の立ち上がり時間は、上式に含まれるイナーシャＩに依存し、Ｉが大きいと立ち上がりが遅くなる。また、一般に円環状物体のイナーシャＩは以下の式で表される。
Ｉ＝１／２×ρπａ^４ ・・・・式（２）
ρ ：物体の密度
ａ ：物体の半径
すなわち、イナーシャＩは物体の密度に依存し、密度が大きい物体の場合、密度が小さい物体よりもイナーシャＩが大きくなる。

本実施形態では、ロータホルダ１７として、アルミニウムを用いる。アルミニウムは、例えば鉄と比較すると約３５％の比重であり、密度ρは２．７ｇ／ｃｍ^３（鉄は７．８ｇ／ｃｍ^３）である。従って、ロータホルダ１７自体のイナーシャＩは例えば鉄を用いた場合と比べて、約３５％となる。
ゆえに、ロータホルダ１７としてアルミニウムを用いた場合は、鉄を用いた場合よりも角速度の立ち上がりが速くなり、振動アクチュエータ１０としての起動性が向上する。

実測したところ、例えば最終目標速度の６３．２％（図５の点線で示す速度）程度に到達する時間は、
（１）比較としてＦｅを用いた場合（実測値）
振動アクチュエータ単体 １０ｍｓ
振動アクチュエータを含む鏡筒 １５ｍｓ
である。これに対して、
（２）本実施形態のようにアルミニウムを用いた場合（実測値）
振動アクチュエータ単体 ７．７ｍｓ
振動アクチュエータを含む鏡筒 １１．６ｍｓ
となり、起動性の向上が確認された。

また、例えば、レンズ鏡筒３が、例えば６００ｍｍ程度の超高倍率レンズの場合、ロータホルダを鉄で製造すると、全体の重量が５０６０グラム程度となり重く、持ち運びに不便である。
しかし、本実施形態にようにロータホルダ１７をアルミニウムで製造するとアクチュエータユニットで約１１５ｇとなり、約２５％の軽量化が可能となる。

また、ロータホルダ１７が無垢のアルミニウムの場合、ベアリング球２０と接触すると磨耗量が大きくなる。しかし、本実施形態では、ベアリング球２０と接する第１接触面１７ｄ及び第２接触面１７ｅには、ビッカース硬度が７００Ｈｖで、厚さが１０μｍのニッケルボロン（Ｎｉ−Ｂ）被膜１７ｄ１，１７ｅ１が形成されている。
このように硬度が高い被膜が形成されているため、接触部の磨耗量が低減される。
さらに、ニッケルボロン（Ｎｉ−Ｂ）被膜１７ｄ１，１７ｅ１の厚さは１０μｍであるので、十分な駆動時間を確保することができる。
ゆえに、耐久性の高い振動アクチュエータを提供することが出来る。さらに、磨耗粉の発生量が少なく、清浄な振動アクチュエータを提供することが出来る。

（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、振動アクチュエータ１０のアクチュエータ部９の構成部材野の配置順序は、上述の順序に限定されず逆の順序であってもよい。
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、８ａ：中筒フランジ部、９：アクチュエータ部、１０：振動アクチュエータ、１１：圧電体、１２：弾性体、１３：ステータ、１４：ロータ、１５：固定部材、１６：加圧部材、１７：ロータホルダ、１７ｄ１，１７ｅ１：表面被膜、２３：加圧受け部材、２４：調整ワッシャ、２５：締結部材

Claims (5)

1. ベース部に対して相対回転不能に保持されるとともに電気機械素子により振動される振動部と、
   前記振動によって前記振動部に対して相対的に回転する相対移動部と、
   前記相対移動部を保持するとともに該相対移動部と一体的に回転し、前記ベース部に対して、転動部材を挟んで相対回転可能に保持される保持部材と、を備え
   前記保持部材はアルミニウム製であり、該保持部材における前記転動部材との接触部分には、硬度７００以上の表面被膜が形成されていること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の振動アクチュエータであって、
   前記表面被膜はニッケルボロン被膜であること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
3. 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、
   前記表面被膜の厚さは、１０ミクロン以上であること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
4. 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を備えるレンズ鏡筒。
5. 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を備えるカメラ。

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