JP2013172510A - 振動アクチュエータ装置、レンズ鏡筒及びカメラ - Google Patents

Abstract

【課題】高速域と低速域とにおいて好適な駆動性能が得られる振動アクチュエータ装置を提供する。
【解決手段】本発明の振動アクチュエータ装置１０は、駆動信号により振動が励起される電気機械変換素子１３、該電気機械変換素子１３に接合され、振動により駆動面１８ａに進行性振動波を生じる弾性体１４、駆動面１８ａに加圧接触された相対運動部材１２、及び駆動面１８ａと相対運動部材１２とを加圧接触するための加圧部材２２をそれぞれ有し、駆動面１８ａと相対運動部材１２との間の接触状態がそれぞれ異なる複数の振動アクチュエータ１１０，１２０と、振動アクチュエータ１１０，１２０に駆動信号を入力する駆動信号入力部２０１、及び複数の振動アクチュエータ１１０，１２０のうちの少なくとも１つを選択して、選択された振動アクチュエータ１１０，１２０に駆動信号を入力する選択部２０２、を有する駆動装置２００と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、振動アクチュエータ装置、レンズ鏡筒及びカメラに関するものである。

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は楕円運動が生じ、楕円運動の波頭に加圧接触した移動子は駆動される。この様な振動波モ−タは、低回転でも高トルクを有するといった特徴があるため、駆動装置に搭載した場合に、駆動装置のギアを省略することができる。このため、ギア騒音をなくすことで静寂化を達成したり、位置決め精度が向上したりできるといった利点がある。

近年、複数台のモータを同時駆動させることで、振動アクチュエータ装置の高トルク化が図られることが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、デジタルスチルカメラへ動画撮影機能が採用されるに伴い、ＡＦ（オートフォーカス）高速化の需要に加え、ウォブリング動作のような極低速駆動においても安定的に駆動することが求められている。

特願平１−１９６５５９号公報

このように、振動アクチュエータにおいては高速域、低速域の両方において安定駆動することが求められるが、振動アクチュエータのある速度域での駆動状態は振動体と移動体の接触状態によるところが大きい。これまで、この接触状態を移動体の剛性や加圧力を変更することで高速域と低速域のどちらかに特化した設計が行われているが、高速域と低速域とにおいて安定駆動が可能なアクチュエータについての開示はない。

本発明は、このような課題点を鑑みて、高速域と低速域とにおいて好適な駆動性能が得られる振動アクチュエータ装置、レンズ鏡筒及びカメラを提供することを目的とする。

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、駆動信号により振動が励起される電気機械変換素子（１３）、該電気機械変換素子（１３）に接合され、前記振動により駆動面（１８ａ）に進行性振動波を生じる弾性体（１４）、前記駆動面（１８ａ）に加圧接触された相対運動部材（１２）、及び前記駆動面（１８ａ）と前記相対運動部材（１２）とを加圧接触するための加圧部材（２２）をそれぞれ有し、前記駆動面（１８ａ）と前記相対運動部材（１２）との間の接触状態がそれぞれ異なる複数の振動アクチュエータ（１１０，１２０）と、前記振動アクチュエータ（１１０，１２０）に駆動信号を入力する駆動信号入力部（２０１）、及び前記複数の振動アクチュエータ（１１０，１２０）のうちの少なくとも１つを選択して、選択された振動アクチュエータ（１１０，１２０）に前記駆動信号を入力する選択部（２０２）、を有する駆動装置（２００）と、を備える振動アクチュエータ装置（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装置（１０）であって、前記複数の振動アクチュエータ（１１０，１２０）は、前記相対運動部材（１２）の硬度がそれぞれ異なることによって、前記接触状態が異なっていること、を特徴とする振動アクチュエータ装置（１０）である。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータ装置（１０）であって、前記複数の振動アクチュエータ（１１０，１２０）は、前記加圧部材（２２）の加圧力がそれぞれ異なることによって、前記接触状態が異なっている、ことを特徴とする振動アクチュエータ装置（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に記載の振動アクチュエータ装置（１０）であって、前記駆動装置（２００）は、前記駆動信号の周波数を検出する周波数検出部（２０３）、及び前記周波数検出部（２０３）により検出された周波数と所定のしきい値とを比較する比較部（２０４）を有し、前記選択部（２０２）は、前記比較部（２０４）の比較結果に基づいて、前記複数の振動アクチュエータ（１１０，１２０）のうちのいずれを選択すること、を特徴とする振動アクチュエータ装置（１０）である。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の振動アクチュエータ装置（１０）であって、前記振動アクチュエータ（１１０，１２０）の周囲の温度を測定する温度測定部（２１０）を備え、前記温度測定部（２１０）により測定された温度に基づいて、前記しきい値の値を変えること、を特徴とする振動アクチュエータ装置（１０）である。
請求項６に記載の発明は、請求項１から３のいずれか１に記載の振動アクチュエータ装置（１０）であって、前記駆動装置（２００）は、前記振動アクチュエータ（１１０，１２０）の周囲の温度を測定する温度測定部（２１０）を備え、前記選択部（２０２）は、前記温度測定部（２１０）により測定された温度に基づいて、前記複数の振動アクチュエータ（１１０，１２０）のうちのいずれかを選択すること、を特徴とする振動アクチュエータ装置（１０）である。
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１に記載の振動アクチュエータ装置（１０）と、前記振動アクチュエータ（１１０，１２０）により駆動されるレンズ群（７）と、を備え、前記複数の振動アクチュエータ（１１０，１２０）はそれぞれの出力軸（２０，１２１）を有し、前記レンズ群（７）を駆動する被駆動部の駆動力入力軸（１０Ａ）と前記出力軸（２０，１２１）とは増減速手段（１０１，１３０，１１１）で連結され、前記選択部（２０２）により選択された前記振動アクチュエータ（１１０，１２０）の出力軸（２０，１２１）からの出力が、前記増減速手段（１０１，１３０，１１１）により前記駆動力入力軸（１０Ａ）に伝達されること、ことを特徴とするレンズ鏡筒（３）である。
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のレンズ鏡筒を備えるカメラ（１）である。

本発明によれば、高速域と低速域とにおいて好適な駆動性能が得られる振動アクチュエータ装置、レンズ鏡筒及びカメラを提供することができる。

本実施形態の駆動装置振動アクチュエータ装置が搭載されたレンズ鏡筒を備えるカメラの図である。 振動アクチュエータ装置のモータ部分の概略構成図である。 図２のＡ−Ａ方向から見た図である。 振動アクチュエータ装置の第一モータを説明する図である。 第一実施形態の振動アクチュエータ装置を示すブロック図である。 駆動信号の入力周波数とモータの回転数との関係を第一モータ及び第二モータのそれぞれについて示すグラフである。 本発明の第三実施形態を示す図である。 本発明の第四実施形態を示す図である。

以下、本発明の実施形態にかかる振動アクチュエータ装置１０について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す各図には、説明と理解を容易にするために、ＸＹＺ直交座標系を設けた。この座標系では、撮影者が光軸Ａを水平として横長の画像を撮影する場合のカメラの位置（以下、正位置という）において撮影者から見て左側に向かう方向をＸプラス方向とする。また、正位置において上側に向かう方向をＹプラス方向とする。さらに、正位置において被写体に向かう方向をＺプラス方向とする。

図１は、本実施形態の振動アクチュエータ装置１０が搭載されたレンズ鏡筒３を備えるカメラ１を説明する図である。
カメラ１は、撮像素子８を有するカメラボディ２と、レンズ７を有するレンズ鏡筒３とを備えている。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。

レンズ鏡筒３は、レンズ７、カム筒６、ギア４，５、振動アクチュエータ装置１０等を備えている。本実施形態では、振動アクチュエータ装置１０から得られた駆動力は、出力軸１０ａ及びギア４，５を介してカム筒６に伝えられる。レンズ７は、カム筒６にレンズ枠７ａを介して保持されており、振動アクチュエータ装置１０の駆動力により、光軸方向（図１中に示す、Ｚ方向）に略平行に移動する。

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７を含む）によって、撮像素子８の撮像面に被写体像が結像される。撮像素子８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装置１０のモータ部分の概略構成図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ方向から見た図である。
振動アクチュエータ装置１０は、図２に示すように、第一モータ１１０と第二モータ１２０との２つのモータを備える。

第二モータ１２０の回転軸１２１には、小径歯車１２２が取り付けられている。小径歯車１２２の外周には、その小径歯車１２２とかみ合う４つの出力歯車１３０が配置されている。出力歯車１３０の外周には、それらの出力歯車１３０を囲むようにして、内側に歯が形成された環状の大径歯車１１１が配置されている。大径歯車１１１は、第一モータ１１０により回転される。

図４は、本発明の振動アクチュエータ装置１０の第一モータ１１０を説明する図である。なお、第二モータ１２０も同様の構成であるので、第二モータ１２０の詳細な説明は省略する。
第一モータ１１０は振動子１１側を固定とし、相対運動部材（移動子）１２を駆動する様になっている。

振動子１１は、電気エネルギを機械エネルギに変換する圧電素子や電歪素子等を例とした電気機械変換素子（以下、圧電体１３と称する）と、圧電体１３を接合した弾性体１４とから構成されている。振動子１１には進行波が発生するようにされているが、本実施形態では一例として４波の進行波として説明する。

弾性体１４は、共振先鋭度が大きな金属材料から成り、形状は、円環形状となっている。圧電体１３が接合される反対面には溝１７が切ってあり、突起部分１８（溝１７がない箇所）の先端面が駆動面１８ａとなり移動子１２に加圧接触される。
溝１７を切る理由は、進行波の中立面をできる限り圧電体１３側に近づけ、これにより駆動面１８ａの進行波の振幅を増幅させるためである。溝１７の切っていない部分を本実施形態ではベース部１９と呼ぶ。そのベース部１９の溝１７側とは反対面に圧電体１３を接合する。

圧電体１３は、一般的には通称ＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛といった材料から構成されているが、近年では環境問題から鉛フリーの材料であるニオブ酸カリウムナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム等から構成されることもある。
圧電体１３表面には電極（図示せず）が配置され、それは円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれている。各相においては、１／２波長毎に交互に分極され、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔が空く様に電極が配置されている。

移動子１２は、アルミニウムといった軽金属からなり、摺動面１２ａの表面には耐摩耗性向上のためのアルマイト処理が成されている。

出力軸２０は、ゴム部材２１を介して移動子１２に結合され、移動子１２と一体に回転する様にされている。出力軸２０と移動子１２との間のゴム部材２１は、ゴムによる粘着性で移動子１２と出力軸２０を結合する機能と、移動子１２からの振動を出力軸２０へ伝えないための振動吸収との機能が求められており、ブチルゴム等が好適である。

加圧部材２２は、出力軸２０に固定されたギア部材２３とベアリング受け部材２４との間に設けられている。ギア部材２３は軸のＤカットにはまるように挿入され、Ｅクリップ等のストッパー２５で固定され、回転方向および軸方向に出力軸２０と一体になるようにされている。また、ベアリング受け部材２４はベアリング２６内径側に挿入され、ベアリ
ング２６は固定部材２７の内径側に挿入された構造となっている。この様な構造とることで、移動子１２が振動子１１の駆動面１８ａに加圧接触する様になっている。

なお、第一モータ１１０の弾性体駆動面には耐摩耗性に優れた潤滑性の表面処理がなされている。その材料は、ポリアミドイミドを主成分とし、ＰＴＦＥが添加された物であり、物性としてはヤング率が４ＧＰａ以上、厚さが５０μｍ以下とされている。

本実施形態で用いる第一モータ１１０及び第二モータ１２０は、上述のような構造を有しているが、その特性は異なっている。以下の表１にそれぞれのモータの特性を示す。

モータにおける、ある速度域での駆動状態は振動子１１と移動子１２の接触状態によるところが大きい。接触状態が密の場合は、高速域で安定駆動する一方で、起動性や極低速域での回転ムラが悪くなる傾向にある。逆に接触状態が疎の場合は、低速域で安定駆動するものの、高速域では振動子１１の大振幅に対して移動子１２が暴れてしまい、異音発生や回転数が上がらない等の問題が発生しやすい。

この接触状態については移動子１２の変形量と加圧力により大きく左右される。
移動子１２はその変形量をｂ値とすると、その大きさは下記式にて近似される。
ｂ＝１／３８４×ｐ×λ^４÷（Ｅ×（Ｂ×Ｈ^３／１２））
また、単位当たりの加重は下記式にて表される。
ｐ＝荷重（Ｎ）÷（Ｄ×π） （Ｎ／ｍｍ）
ここで、
Ｅ：移動子の摺動部のヤング率（Ｎ／ｍｍ^２）
Ｂ：移動子の摺動部の幅（ｍｍ）
Ｈ：移動子の摺動部の高さ（ｍｍ）
である。

本実施形態では、２台のモータで構成されているが、表１に示すように第一モータ１１０変形量ｂが高く、加圧力も高く設定されているため接触状態が密の構成になっている。したがって、高速域での安定性に優れている。
第二モータ１２０は、変形量ｂが小さく、加圧力も低いため接触状態はより疎になっている。したがって低速域での安定性に優れている。

（第一実施形態）
次に、このような２つのモータの特性に基づいた、本発明の第一実施形態にかかる振動アクチュエータ装置１０の駆動について説明する。
図５は、第一実施形態の振動アクチュエータ装置１０を示すブロック図である。振動アクチュエータ装置１０は、駆動装置２００と、第一モータ１１０及び第二モータ１２０を有するモータ部分と、駆動力伝達部２０７とを備える。
駆動装置２００は、第一モータ１１０または第二モータ１２０に入力する交番信号を生成する信号入力部２０１、交番信号をどちらのモータを入力するか選択する駆動信号切替え部（選択部）２０２、交番信号の周波数を検出する周波数検出部２０３、及び周波数検出部２０３で検出された交番信号の周波数を所定のしきい値と比較する周波数比較部２０４を備える。

そして、駆動装置２００は、周波数検出部２０３で交番信号の周波数を検出し、周波数比較部２０４により閾値と比較し、その結果により、駆動信号切替え部２０２は第一モータ１１０及び第二モータ１２０のどちらのモータに交番信号を入力するかまたは両方に入力するかを選択する。

図６は、駆動信号の入力周波数とモータの回転数との関係を第一モータ１１０及び第二モータ１２０のそれぞれについて示すグラフである。
まず、信号入力部２０１からレンズの駆動信号が入力されると、駆動信号切替え部２０２は、接触状態が疎の第二モータ１２０を選択する。そして、入力された駆動信号により第二モータ１２０によって駆動力伝達部２０７を介して被駆動部２０５(ギア４，５）を駆動する（図６のＡの位置）。

被駆動部２０５の回転速度は上昇していくが、ある決まった周波数(中速)までは第二モータ１２０単独で駆動させる。そして、周波数検出部２０３で検出された周波数が、周波数比較部２０４において、しきい値を超えたと判断されたとき（図６のＢの位置）で、駆動信号切替え部２０２は、信号の入力を第二モータ１２０から接触状態の密な第一モータ１１０に切り替える。

振動アクチュエータ装置１０において、起動が開始されてまだ低速な場合、低速の起動性能が良好な第二モータ１２０が用いられる。そして、駆動信号の周波数（回転速度に対応）がしきい値を超えた高速域になると、高速の起動性能が良好な第一モータ１１０を用が用いられる。したがって、低速及び高速のいずれにおいても、好適な駆動性能を得ることができる。

（第二実施形態）
本実施形態の振動アクチュエータ装置１０は、図１に示すようなレンズ鏡筒に搭載してレンズ７を駆動するために使用されている。レンズ７はＡＦレンズであって、このＡＦレンズ７へ繋がる入力軸と第一モータ１１０及び第二モータ１２０は、上述の図３のように連結されている。これらの２台のモータを組み合わせることで入力軸は様々な動作が可能となる。

第二実施形態では、この２台の組み合わせを利用するものである。第二実施形態では、レンズ鏡筒３にモード選択スイッチを設け、撮影者の撮影シーンに合わせて通常ＡＦモードと高速ＡＦモードとを選択出来るようになっている。

起動から、駆動周波数がしきい値を超える一定の速度まで（低速域）は、第一実施形態と同様に動作する。第一実施形態と異なる点は、駆動周波数がしきい値を超えた領域（高速域）において、通常ＡＦモードと高速ＡＦモードとを備える点である。
下の表２はそれぞれのモードが選択された場合のモータの回転方向を示したものである。

撮影者は、静止物を撮影する場合はそれほどＡＦスピードが必要ない為、通常ＡＦモードを選択する。その場合、上記の表２の通常モードの正転又は反転に示すように、第一モータ１１０のみ駆動される。これに対し、被写体が動体の場合、より高速のＡＦ動作が必要となるため、撮影者は高速ＡＦモードを選択する。この場合、高速域では第一モータ１１０に加え、第二モータ１２０も同時駆動させる。

以上、本実施形態によると、通常モードの場合、第一モータ１１０のみ用いるので、消費電力を抑えることができる。また、それほどの出力は必要でないため、第一モータ１１０のみで十分な出力が得られる。
高速モードでは、第一モータ１１０に加え、第二モータ１２０も同時駆動させることで入力軸をより高出力化させることができる。この場合、２台を同時駆動させるため多くの電力が必要となるが、通常の単独駆動に比べより高速にＡＦを行うことが可能となる。

（第三実施形態）
図７は本発明の第三実施形態を示す図である。第三実施形態では、第一モータ１１０と第二モータ１２０の周囲の温度を測定する温度測定部２１０が設けられている。

起動から、駆動周波数がしきい値を超える一定の速度まで（低速域）は、第一実施形態と同様に動作する。第一実施形態と異なる点は、駆動周波数がしきい値を超えたときに（高速域）の動作である。このとき、第一モータ１１０と第二モータ１２０の周囲の温度が高温の場合、第二実施形態の通常ＡＦモードと同様に第一モータ１１０のみで駆動し、低温の場合、第二実施形態の高速ＡＦモードと同様に、第一モータ１１０に加えて第二モータも駆動する。
これは、振動アクチュエータ装置１０が低温で使用される場合、高出力が必要である。一方、高温で使用される場合、低温と比べると出力は低くてよいからである。

以上、本実施形態によると、低温使用時には、高出力が確保され、被駆動体の移動に支障をきたすことがない。また、高温使用時には、高出力でなくとも必要な駆動力は確保されるため、電力消費が抑えられる。

（第四実施形態）
図８は本発明の第四実施形態を示す図である。第四実施形態では、第一実施形態と同様に周波数検出部２０３及び周波数比較部２０４を備え、さらに第三実施形態と同様に第一モータ１１０と第二モータ１２０の周囲の温度を測定する温度測定部２１０が設けられている。

本実施形態において、第一モータ１１０と第二モータ１２０との周囲の温度を温度測定部２１０で測定する。
そして、測定された温度に応じて、モータを切り替える際の周波数のしきい値を変更する。

温度が高いときは、周波数のしきい値を下げ、第二モータ１２０から第一モータ１１０への切り替わりを遅くする。これによって消費電力の高い第一モータの駆動時間が短縮されるため、電力消費が抑えられる。

温度が低いときは、周波数のしきい値を上げる。これにより早く第一モータへ切り替わる。これによって、駆動力が必要な低温時に駆動力の大きい第一モータへ早く切り替わるため、安定して駆動力を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、なお、本実施形態では、レンズ鏡筒３は、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としてもよい。
また、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。

１：カメラ、２：カメラボディ、３：レンズ鏡筒、１０：振動アクチュエータ装置、１０ａ：出力軸、１１：振動子、１２：移動子、１３：圧電体、１４：弾性体、１８ａ：駆動面、２０：出力軸、１１０：第一モータ、１１１：大径歯車、１２０：第二モータ、１２１：回転軸、１２２：小径歯車、１３０：出力歯車、２００：駆動装置、２０１：信号入力部、２０２：信号切替え部、２０３：周波数検出部、２０５：被駆動部、２０７：駆動力伝達部、２１０：温度測定部

Claims (8)

1. 駆動信号により振動が励起される電気機械変換素子、該電気機械変換素子に接合され、前記振動により駆動面に進行性振動波を生じる弾性体、前記駆動面に加圧接触された相対運動部材、及び前記駆動面と前記相対運動部材とを加圧接触するための加圧部材をそれぞれ有し、前記駆動面と前記相対運動部材との間の接触状態がそれぞれ異なる複数の振動アクチュエータと、
   前記振動アクチュエータに入力する駆動信号を発生する駆動信号発生部、及び前記複数の振動アクチュエータのうちの少なくとも１つを選択して、選択された振動アクチュエータに前記駆動信号を入力する選択部、を有する駆動装置と、
   を備える振動アクチュエータ装置。
2. 請求項１に記載の振動アクチュエータ装置であって、
   前記複数の振動アクチュエータは、前記相対運動部材の硬度がそれぞれ異なることによって、前記接触状態が異なっていること、
   を特徴とする振動アクチュエータ装置。
3. 請求項１に記載の振動アクチュエータ装置であって、
   前記複数の振動アクチュエータは、前記加圧部材の加圧力がそれぞれ異なることによって、前記接触状態が異なっていること、
   を特徴とする振動アクチュエータ装置。
4. 請求項１から３のいずれか１に記載の振動アクチュエータ装置であって、
   前記駆動装置は、
   前記駆動信号の周波数を検出する周波数検出部、及び
   前記周波数検出部により検出された周波数と所定のしきい値とを比較する比較部を有し、
   前記選択部は、前記比較部の比較結果に基づいて、前記複数の振動アクチュエータのうちのいずれを選択すること、
   を特徴とする振動アクチュエータ装置。
5. 請求項４に記載の振動アクチュエータ装置であって、
   前記振動アクチュエータの周囲の温度を測定する温度測定部を備え、
   前記温度測定部により測定された温度に基づいて、前記しきい値の値を変えること、
   を特徴とする振動アクチュエータ装置。
6. 請求項１から３のいずれか１に記載の振動アクチュエータ装置であって、
   前記駆動装置は、
   前記振動アクチュエータの周囲の温度を測定する温度測定部を備え、
   前記選択部は、前記温度測定部により測定された温度に基づいて、前記複数の振動アクチュエータのうちのいずれかを選択すること、
   を特徴とする振動アクチュエータ装置。
7. 請求項１から６のいずれか１に記載の振動アクチュエータ装置と、
   前記振動アクチュエータにより駆動されるレンズ群と、を備え、
   前記複数の振動アクチュエータはそれぞれの出力軸を有し、
   前記レンズ群を駆動する被駆動部の駆動力入力軸と前記出力軸とは増減速手段で連結され、
   前記選択部により選択された前記振動アクチュエータの出力軸からの出力が、前記増減速手段により前記駆動力入力軸に伝達されること、
   ことを特徴とするレンズ鏡筒。
8. 請求項７に記載のレンズ鏡筒を備えるカメラ。

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