特許 5966430 振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、カメラ及び電気機械変換部材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5966430

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、カメラ及び電気機械変換部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/12 20060101AFI20160728BHJP

   G02B 7/04 20060101ALI20160728BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/12

   G02B7/04 E

【請求項の数】11

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2012-41091(P2012-41091)

(22)【出願日】2012年2月28日

(65)【公開番号】特開2013-179730(P2013-179730A)

(43)【公開日】2013年9月9日

【審査請求日】2015年2月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100092576

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 久男

(72)【発明者】

【氏名】日野 光輝

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 高広

(72)【発明者】

【氏名】西原 慎二

【審査官】 宮地 将斗

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０４８９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１３５７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−０４１９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２４５７７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ ２／００−２／１８

Ｇ０２Ｂ ７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動波を生じる電気機械変換素子を有する電気機械変換部材と、
前記電気機械変換素子の一面側に配置されて前記電気機械変換部材に接触し、前記振動波によって駆動されるとともに、前記電気機械変換部材に対して進行方向に相対移動する相対移動部材と、備え、
前記電気機械変換素子は、前記一面が前記進行方向に沿って山部と谷部とが交互に形成され、
前記山部を形成する２つの側面間の幅は、前記相対移動部材側に向かうに従って狭くなる振動アクチュエータ。

【請求項2】

請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記山部の側面は、テーパ状に形成されている振動アクチュエータ。

【請求項3】

振動波を生じる電気機械変換素子を有する電気機械変換部材と、
前記電気機械変換素子の一面側に配置されて前記電気機械変換部材に接触し、前記振動波によって駆動されるとともに、前記電気機械変換部材に対して進行方向に相対移動する相対移動部材と、備え、
前記電気機械変換素子は、前記一面が前記進行方向に沿って山部と谷部とが交互に形成され、前記山部の側面と前記山部の突出面との角及び前記谷部の底部は、曲面状に形成されている振動アクチュエータ。

【請求項4】

振動波を生じる電気機械変換素子を有する電気機械変換部材と、
前記電気機械変換素子の一面側に配置されて前記電気機械変換部材に接触し、前記振動波によって駆動されるとともに、前記電気機械変換部材に対して進行方向に相対移動する相対移動部材と、備え、
前記電気機械変換素子は、前記一面が前記進行方向に沿って山部と谷部とが交互に形成され、前記電気機械変換素子の前記相対移動部材側に形成される電極部と、前記電極部の前記相対移動部材側に形成される摺動部材と、振動アクチュエータ。

【請求項5】

請求項４に記載の振動アクチュエータであって、
前記摺動部材は、熱可塑性樹脂である振動アクチュエータ。

【請求項6】

請求項４に記載の振動アクチュエータであって、
前記摺動部材は、熱硬化性樹脂により構成される潤滑塗装膜である振動アクチュエータ。

【請求項7】

請求項６に記載の振動アクチュエータであって、
前記潤滑塗装膜は、厚さが５〜１００マイクロメータである振動アクチュエータ。

【請求項8】

請求項４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、
前記電気機械変換素子は、円環形状であり、
前記電気機械変換素子における交互に形成された前記山部と前記谷部とは、該電気機械変換素子の全周に亘って形成され、
前記電極部は、前記電気機械変換素子における交互に形成された前記山部と前記谷部との全周に亘って形成されている振動アクチュエータ。

【請求項9】

請求項４から８のいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、
前記電極部は、ＧＮＤ電極である振動アクチュエータ。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを有するレンズ鏡筒。

【請求項11】

請求項１から９のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを有するカメラ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、カメラ及び電気機械変換部材の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、振動アクチュエータは、圧電体の伸縮を利用して弾性体の駆動面に進行性振動波（後は進行波と略する）を発生させ、この進行波によって駆動面に生じた楕円運動を利用し、楕円運動の波頭に加圧接触した相対運動部材を駆動するものである（特許文献１参照）。

【0003】

また、圧電体に適切な電極を配置することにより、容易に進行波を発生することが可能な振動アクチュエータがある（特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特公平１−１７３５３号公報

【特許文献2】特公平１−１７３５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の振動アクチュエータにおいては、圧電体は、接着剤等を用いて弾性体と接合されている。しかし、接着剤により形成される接着剤層の厚さのばらつきによって、圧電体が発生させる進行波の伝達効率が変動する場合がある。特に、接着剤層が厚い場合には、進行波の伝達効率が低下する。

【0006】

本発明の課題は、進行波の伝達効率を向上させることができる振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、カメラ及び電気機械変換部材の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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。

【0008】

本発明の振動アクチュエータは、振動波を生じる電気機械変換素子を有する電気機械変換部材と、前記電気機械変換素子の一面側に配置されて前記電気機械変換部材に接触し、前記振動波によって駆動されるとともに、前記電気機械変換部材に対して進行方向に相対移動する相対移動部材と、備え、前記電気機械変換素子は、前記一面が前記進行方向に沿って山部と谷部とが交互に形成され、前記山部を形成する２つの側面間の幅は、前記相対移動部材側に向かうに従って狭くなる構成とした。
また、本発明のレンズ鏡筒は、上記振動アクチュエータを備える構成とした。
さらに、本発明のカメラは、上記振動アクチュエータを備える構成とした。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、進行波の伝達効率を向上させることができる振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、カメラ及び電気機械変換部材の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施形態の超音波モータを用いたカメラを示す図である。

【図2】本実施形態の超音波モータの断面図である。

【図3】本実施形態の電気機械変換部材を示す斜視図である。

【図4】本実施形態の電気機械変換部材を示す図であり、（Ａ）は図３のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図３のＢ−Ｂ線断面図である。

【図5】本実施形態の電気機械変換部材を加圧部側から見た図である。

【図6】本実施形態の電気機械変換部材の製造方法を示す工程図である。

【図7】変形形態の電気機械変換部材を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態を挙げて、さらに詳しく説明する。なお、以下の実施形態は、振動アクチュエータとして超音波の振動域を利用する超音波モータを例に挙げて説明する。

【0012】

（実施形態）
図１は、本実施形態の超音波モータ１０を用いたカメラ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では、レンズ鏡筒３が交換レンズである例を示したが、これに限らず、例えば、カメラボディと一体型のレンズ鏡筒であってもよい。

【0013】

レンズ鏡筒３は、レンズ４、カム筒５、超音波モータ１０等を備える。本実施形態では、超音波モータ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おり、超音波モータ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は、カム筒５とカム係合しており、超音波モータ１０の駆動力によってカム筒５が回転すると、レンズ４は、カム筒５とのカム係合によって光軸方向へ移動し、焦点調節が行われる。

【0014】

図２は、本実施形態の超音波モータ１０の断面図である。本実施形態の超音波モータ１０は、電気機械変換部材１１、移動体１４、緩衝部材１５、出力伝達部材１６、緩衝部材１７、加圧部１８、固定部材１９、カム環２０等を備えている。

【0015】

電気機械変換部材１１は、主に圧電体１３により構成されている。電気機械変換部材１１は、圧電体１３と、圧電体１３の加圧部１８側の表面に形成される分割電極パターン１１２（図４（Ａ）及び（Ｂ）参照）と、圧電体１３の移動体１４側の表面に形成されるグランド電極パターン１１１（図４（Ａ）及び（Ｂ）参照）と、グランド電極パターン１１１を被覆する潤滑塗装層１１３（図４（Ａ）及び（Ｂ）参照）と、を備える。
本実施形態においては、分割電極パターン１１２及びグランド電極パターン１１１の厚さが０．５〜２０μｍ程度、潤滑塗装層１１３の厚さが５〜１００μｍ程度であるため、圧電体１３の形状は、電気機械変換部材１１の外観形状と略同じである。そのため、本実施形態においては、圧電体１３の形状を説明する場合に、電気機械変換部材１１の外観形状を援用して説明する場合がある。

【0016】

圧電体１３は、略円環形状の部材である。圧電体１３の加圧部１８側の面には、緩衝部材１７が設けられている。圧電体１３の移動体１４側の面には、複数の山部１３５及び複数の谷部１３３を有する櫛歯部１３２が形成されている。この櫛歯部１３２の山部１３５の突出面１３５ｂは、圧電体１３の励振により、進行波が発生し、移動体１４を駆動する駆動面となる。
本実施形態の電気機械変換部材１１の詳細については後述する。

【0017】

移動体１４は、略円環形状の部材である。移動体１４は、圧電体１３の櫛歯部１３２の突出面１３５ｂ側に配置されている。移動体１４は、後述する加圧部１８の加圧力によって電気機械変換部材１１の駆動面に加圧接触され、電気機械変換部材１１の進行波によって摩擦駆動される。移動体１４は、電気機械変換部材１１に対して相対移動する。

【0018】

緩衝部材１５は、ゴム等を用いて形成された略円環形状の部材である。この緩衝部材１５は、移動体１４の振動を出力伝達部材１６側へ伝えないようにする部材であり、移動体１４と出力伝達部材１６との間に設けられている。

【0019】

出力伝達部材１６は、一方で移動体１４を支持しており、他方にカム環２０が接続されている。出力伝達部材１６は、移動体１４と一体となって回転して移動体１４の回転運動をカム環２０に伝達する。出力伝達部材１６は、固定部材１９に設けられたベアリング２１により、加圧方向と径方向とを規制し、これにより、移動体１４の加圧方向と径方向とが規制される。

【0020】

カム環２０は、略円環形状の部材であり、出力伝達部材１６の回転とともに回転される。
カム環２０の内周面には、カム筒５が対向して配置され、内周面側に向けて突出する突出ピン２０ａが設けられている。
カム筒５には、周方向に対して斜めにキー溝５ａが切られている。突出ピン２０ａは、キー溝５ａに嵌合していて、カム環２０が回転駆動することにより、カム筒５は光軸直進方向に駆動され、所望の位置に停止できるようになっている。

【0021】

加圧部１８は、電気機械変換部材１１と移動体１４とを加圧接触させる加圧力を発生する部分であり、加圧板１８ａ、皿バネ１８ｂを備えている。加圧板１８ａは、皿バネ１８ｂが発生する加圧力を受ける、略円環形状の板である。
緩衝部材１７は、不織布やフェルト等を用いて形成された略円環形状の部材である。この緩衝部材１７は、電気機械変換部材１１の振動を加圧部１８側へ伝えないようにする部材であり、電気機械変換部材１１と加圧板１８ａとの間に設けられている。
固定部材１９は、本実施形態の超音波モータ１０をレンズ鏡筒３に固定する部材である。

【0022】

ここで、電気機械変換部材１１について詳しく説明する。
図３は、本実施形態の電気機械変換部材１１を示す斜視図である。図４は、本実施形態の電気機械変換部材１１を示す図であり、（Ａ）は図３のＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）は図３のＢ−Ｂ線断面図である。図５は、本実施形態の電気機械変換部材１１を加圧部側から見た図である。

【0023】

図３に示すように、電気機械変換部材１１は、略円環形状の部材である。
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、電気機械変換部材１１は、圧電体１３と、分割電極パターン１１２と、グランド電極パターン１１１と、潤滑塗装層１１３と、を備えている。圧電体１３は、前述したように、電気機械変換部材１１の外形形状と略同じ形状に形成されている。

【0024】

圧電体１３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し、本実施形態では、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いて形成されている。分割電極パターン１１２は、不図示のフレキシブルプリント基板と電気的に接続しており、こ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って、圧電体１３が励振される。

【0025】

圧電体１３は、図３に示すように、基部１３１と櫛歯部１３２とを一体で形成したものである。本実施形態における電気機械変換部材１１は、従来のような圧電体１３に接合される櫛歯形状の弾性体を有していない。本実施形態における電気機械変換部材１１は、圧電体１３を主体として構成され、圧電体１３は、櫛歯形状の櫛歯部１３２の部分を含めて、電気機械変換素子の材料粉体が焼結されることで全体が一体的に形成されている。

【0026】

基部１３１は、所定厚さを有する略円環状に形成されている。
櫛歯部１３２は、基部１３１の一方の面において、山部１３５と谷部１３３とが交互に並ぶ櫛歯形状に形成されている。山部１３５は、基部１３１の略円環形状の軸線を中心として放射状に形成され、かつ、基部１３１の周方向に沿って複数並んで形成されている。すなわち、複数の山部１３５は、移動体１４の進行方向（回転方向）に沿って圧電体１３の全周に亘って並んでいる。

【0027】

山部１３５は、基部１３１の円周に沿った形状が略台形に形成された突起である。山部１３５の先端側の面は、突出面１３５ｂである。突出面１３５ｂは、圧電体１３の励振により、進行波が発生し、移動体１４を駆動する駆動面となる。山部１３５同士の間には、谷部１３３が形成されている。超音波モータ１０は、圧電体１３の励振により突出面１３５ｂに進行波を発生させ、この進行波によって移動体１４を駆動する。

【0028】

圧電体１３の周方向における山部１３５の幅は、突出面１３５ｂ側が基部１３１側よりも短く形成されている。すなわち、圧電体１３の山部１３５の側面１３５ａは、谷部１３３側から山部１３５の頂部側に向かうにしたがって互いに近づくように傾斜するテーパ状に形成されている。

【0029】

山部１３５の突出面１３５ｂ、山部１３５の側面１３５ａ、１３５ａ及び谷部１３３の谷底面１３３ａには、圧電体１３の周方向に沿って全周に亘って、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、厚さ０．５μｍ〜２０μｍ程度のグランド電極パターン１１１が形成されている。

【0030】

グランド電極パターン１１１は、厚さ５μｍ〜１００μｍ程度の潤滑塗装層１１３で被覆されている。潤滑塗装層１１３は、グランド電極パターン１１１の移動体１４側に形成されている。潤滑塗装層１１３は、超音波モータの耐久性を向上させるため、厚さが５μｍ以上必要である。潤滑塗装層１１３は、例えば、熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂により構成される潤滑塗装膜である。

【0031】

潤滑塗装層１１３は、厚さ１０μｍ以上の潤滑塗装をした後、平面ラップを施すことにより厚さ５μｍに削られた潤滑塗装膜である。潤滑塗装層１１３は、厚過ぎると熱硬化させるときに熱が均等に伝わらない。熱が均等に伝わらないと、潤滑塗装層１１３には、部分的に強度差が発生し、耐摩耗性が劣化する。さらに、潤滑塗装層１１３の内部で損失が発生する。従って、潤滑塗装層１１３の上限の厚さは１００μｍであることが好ましい。

【0032】

圧電体１３において、グランド電極パターン１１１は、圧電体１３の分割電極パターン１１２の共通のＧＮＤとなっている。そして、圧電体１３のＡ相及びＢ相に互いに位相が９０度異なる交流電圧が印加されると、圧電体１３は、全周で連続的に撓む。その結果、櫛歯部１３２において撓みが拡大される。そして、山部１３５の突出面１３５ｂに進行波が発生する。この進行波は、櫛歯部１３２に圧接された移動体１４に伝達されて、移動体１４の回転運動に変換される。

【0033】

圧電体１３の分割電極パターン１１２は、圧電体１３の周方向に沿って、９波長（９λ）になるように分割されて配置されている。分割電極パターンは、Ａ相と、Ｂ相と、Ａ相とＢ相とを互いに４分の１波長分ずらすための圧電体の（λ／４）部Ｃと、残りの圧電体の（３λ／４）部Ｄとからなる。Ａ相及びＢ相は、半波長ごとに分極方向を変えた分割部分Ａ１，Ｂ２，Ａ１，Ｂ２に分かれている。

【0034】

次に、本実施形態の電気機械変換部材１１の製造方法を説明する。
図６は、本実施形態の電気機械変換部材１１の製造方法を示す工程図である。
図６に示すように、電気機械変換部材１１の製造工程は、粉体調合工程Ｓ１と、成形工程Ｓ２と、焼結工程Ｓ３と、第１ラップ工程Ｓ４と、電極形成工程Ｓ５と、分極工程Ｓ６と、摺動部材形成工程Ｓ７と、第２ラップ工程Ｓ８とを備える。

【0035】

まず、粉体調合工程Ｓ１において、圧電体１３の原料となる電気機械変換素子の材料粉体を用意する。実際には、原料を仮焼結後、所定の大きさに粉砕し、所定の成分比になるように原料を調合し、均質になるように混ぜ合わせる。
そして、成形工程Ｓ２において、櫛歯形状を有する円環状の圧電体１３の成形型に、粉体調合工程Ｓ１において調合された粉体を投入し、圧力を加えて、圧電体１３の形状を形成する。
次に、焼結工程Ｓ３において、成形型から圧電体１３を取り出して、圧電体１３の形状が形成された成形体を焼結処理する。これにより、一面が櫛歯形状の圧電体１３が形成される。

【0036】

次いで、第１ラップ工程Ｓ４において、少なくとも山部１３５の突出面１３５ｂにラップ処理をして、突出面１３５ｂ側の面を平坦にして所定の平面度になるように加工する。また、分割電極パターン１１２を形成する側の面も、平坦にして所定の平面度になるように加工する。そして、圧電体１３の全体の厚さ（高さ）を均一にする。さらに、谷部１３３には、形状の精度を向上させるための機械加工を行う。このように、第１ラップ工程Ｓ４においては、形状の精度を向上させるための機械加工を行う。

【0037】

続いて、電極形成工程Ｓ５において、山部１３５の突出面１３５ｂ、山部１３５の側面１３５ａ及び谷部１３３の谷底面１３３ａの面形状に合わせてグランド電極パターン１１１を形成する。また、圧電体１３における山部１３５の突出面１３５ｂ、山部１３５の側面１３５ａ及び谷部１３３の谷底面１３３ａとは反対側の面に、分割電極パターン１１２を形成する。

【0038】

そして、分極工程Ｓ６において、分極される前の分割電極パターン１１２を各電極セグメントに必要な分極方向にするために、分極される前の分割電極パターン１１２に高電圧を印加して分極する。

【0039】

次に、摺動部材形成工程Ｓ７において、圧電体１３におけるグランド電極パターン１１１が形成された面を被覆するように、潤滑塗装層１１３を形成する。潤滑塗装層１１３は、潤滑塗装を塗布して焼き固めるか、或いは、熱可塑性樹脂を貼り合わせる（接着する）かにより形成する。

【0040】

次いで、第２ラップ工程Ｓ８において、潤滑塗装層１１３の表面を、平坦にして所定の平面度になるように加工する。これにより、焼結によって生じる平面度の低下を低減して、その平面度を向上させることができる。
なお、上記電極形成工程Ｓ５において、平面度が低下することがある。しかし、そのままの状態でラップ処理をすると、グランド電極パターン１１１を損傷させて、グランド電極パターン１１１の性能を確保できない場合がある。そのため、潤滑塗装層１１３を形成した後に、潤滑塗装層１１３のラップ処理を行うことが必要である。潤滑塗装層１１３の厚さは、超音波モータ１０の耐久性を確保するため、５μｍ以上、好ましくは、５μｍ〜１００μｍ程度である。

【0041】

本実施形態によると、以下の効果を有する。
（１）櫛歯形状を含めた圧電体１３の全体は、電気機械変換素子で一体的に形成されている。そのため、電気機械変換部材１１は、従来のように接着剤等を用いて弾性体と接合されている場合に比べて、進行波の伝達効率を向上させることができる。
（２）電気機械変換部材１１の圧電体１３の山部１３５の側面１３５ａは、テーパ状に形成されている。そのため、圧電体１３は、山部１３５の側面１３５ａが互いに平行に形成されている場合よりも、山部１３５の先端側が細いので、山部１３５の先端側を振動させることができる。したがって、圧電体１３は、移動体１４への進行波の伝達効率を向上させることができる。
（３）電気機械変換部材１１は、櫛歯形状を有する圧電体１３を、焼結により一体的に形成することができる。そのため、圧電体１３の櫛歯部１３２の形成が容易であり、量産性に優れて、コストを低減することができる。

【0042】

（変形形態）
（１）前述の実施形態における電気機械変換部材１１においては、圧電体１３の山部１３５の側面１３５ａは、テーパ状に形成される例を示した。
しかし、電気機械変換部材１１は、図７のように形成してもよい。図７は、変形形態の電気機械変換部材１１を示す斜視図である。図７に示すように、例えば、圧電体１３における山部１３５の側面１３５ａと山部１３５の突出面１３５ｂとの角及び谷部１３３の底部１３８は、曲面状に形成されていてもよい。
具体的には、例えば、図７に示すように、圧電体１３の山部１３５の側面１３５ａは、先端側が突出面１３５ｂに徐々に近づく滑らかな曲面状に形成されている。また、谷部１３３の底部１３８は、隣り合う山部１３５の側面１３５ａ、１３５ａを滑らかにつなぐ基部１３１側に突出するような曲面状に形成されている。
このように形成された圧電体１３は、山部１３５の側面１３５ａと山部１３５の突出面１３５ｂとの角及び谷部１３３の底部１３８が曲面状に形成されているため、圧電体１３の全体でたわみを発生させることができる。したがって、圧電体１３は、移動体１４への進行波の伝達効率を一層高めることができる。

【0043】

（２）また、前述の実施形態においては、潤滑塗装層１１３は、熱硬化性樹脂を塗装することにより形成した例であったが、熱硬化性樹脂を接着によって貼り合わせても良い。この場合、潤滑塗装層１１３の熱硬化性樹脂の厚さは５０μｍ以上が好ましい。なお、この場合、潤滑塗装層１１３が必要な部分は、櫛歯部１３２の山部１３５の突出面１３５ｂのみであり、山部１３５の側面１３５ａ及び谷部１３３の谷底面１３３ａには必要ない。

【符号の説明】

【0044】

１：カメラ、３：レンズ鏡筒、１０：超音波モータ、１１：電気機械変換部材、１３：圧電体、１４：移動体、１１１：グランド電極パターン、１１２：分割電極パターン、１１３：潤滑塗装層、１３３：谷部、１３５：山部、１３５ａ：側面、１３５ｂ：突出面、１３８：底部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】