JP2014233166A - 振動アクチュエータの駆動装置、振動アクチュエータおよび光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を削減可能な振動アクチュエータの駆動装置、振動アクチュエータおよび光学機器を提供する。
【解決手段】本発明の振動アクチュエータ１００の駆動装置２００は、振動部材１１０と、前記振動部材１１０に接触配置された被駆動部材１２０と、を備え、２相の交流駆動電流によって前記振動部材１１０に励起される進行波によって前記被駆動部材１２０を相対移動駆動する振動アクチュエータ１００の駆動制御装置であって、前記２相の駆動電流の位相差を変化させて、前記被駆動部材１２０の移動速度を制御すること、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の駆動装置、振動アクチュエータおよび光学機器に関するものである。

従来、駆動信号により振動する振動子によって相対運動部材を駆動し、駆動力を取り出す振動アクチュエータが知られている。このような振動アクチュエータは、たとえば、カメラにおけるレンズを駆動する駆動モータとして用いられている。そして、振動アクチュエータにおける速度（回転数）の制御は、駆動電流の周波数を変えることにより行われている（特許文献１参照）。

特開２０１１−４２７９号公報

しかしながら、カメラ等の振動アクチュエータを用いる装置では、性能向上と多機能に伴って消費電力が増大する一方、小型・軽量化の要求から電池容量の増加にも限界があり、消費電力の削減が望まれている。

本発明の課題は、消費電力を削減可能な振動アクチュエータの駆動装置、振動アクチュエータおよび光学機器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。
請求項１に記載の発明は、振動部材と、前記振動部材に接触配置された被駆動部材と、を備え、２相の交流駆動電流によって前記振動部材に励起される進行波によって前記被駆動部材を相対移動駆動する振動アクチュエータの駆動制御装置であって、前記２相の駆動電流の位相差を変化させて、前記被駆動部材の移動速度を制御すること、を特徴とする振動アクチュエータの駆動制御装置である。
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の駆動制御装置であって、前記駆動電流の周波数は一定であること、を特徴とする振動アクチュエータの駆動制御装置である。
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の駆動制御装置であって、前記駆動電流の周波数は、当該駆動電流の周波数を変化させて前記振動アクチュエータにおける前記被駆動部材の前記振動部材に対する相対移動速度を制御する場合において消費電力が極小値を示す領域の周波数に設定されていること、を特徴とする振動アクチュエータの駆動制御装置である。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動制御装置によって制御される振動アクチュエータであって、前記振動部材と前記被駆動部材との接触面の少なくとも一方には、低摩擦係数の潤滑層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である。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動制御装置または振動アクチュエータを備える光学装置である。

本発明によれば、消費電力を削減可能な振動アクチュエータの駆動装置、振動アクチュエータおよび光学機器を提供できる。

本発明の実施の形態を適用したカメラのブロック構成図である。 駆動ユニットのブロック構成図である。 駆動信号の位相差とモータ本体の出力回転数の関係を示す図である。 駆動信号の周波数設定を説明する図である。

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。
図１は、本発明の実施の形態を適用した光学装置としてのカメラ１のブロック構成図である。
カメラ１は、カメラボディ１０と、レンズ鏡筒２０とを備えている。レンズ鏡筒２０は、カメラボディ１０に着脱可能な交換レンズである。なお、本実施形態では、レンズ鏡筒２０が交換可能な例を示したが、これに限らず、例えば、カメラボディとレンズ鏡筒が一体型のカメラであってもよい。

カメラボディ１０は、撮像素子１１と、制御装置１２と、ＡＦセンサ１３等を備えている。
撮像素子１１は、レンズ鏡筒２０によってその撮像面に結像された画像を電気信号に変換して出力する、たとえば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子である。
制御装置１２は、レンズ鏡筒２０におけるフォーカス群の移動量演算や、当該カメラ１全体の制御を行う。
ＡＦセンサ１３は、焦点検出を行うためのたとえばＣＣＤラインセンサ等である。

レンズ鏡筒２０は、合焦レンズ２１を含む図示しないレンズ群からなる結像光学系と、内設された合焦レンズ２１を移動操作するカム筒２２と、カム筒２２を回転駆動する駆動ユニット３０と、合焦レンズ２１の位置や速度を検出する検出部２３と、を備えている。

駆動ユニット３０は、合焦レンズ２１を駆動する駆動源である後述する超音波モータ１００（図２参照）を備えている。駆動ユニット３０は、カム筒２２を回転駆動し、回転駆動されたカム筒２２が内設された合焦レンズ２１を移動駆動するようになっている。駆動ユニット３０は、カメラ１の制御装置１２から入力される合焦指令に基づいて駆動する。この駆動ユニット３０については、後に詳述する。

検出部２３は、光学式エンコーダや磁気エンコーダ等により構成され、合焦レンズ２１の位置や速度を検出する。本実施例では、カム筒２２の位置や速度を検出することにより、合焦レンズ２１の位置や速度を検出している。

そして、上記のように構成されたカメラ１は、レンズ鏡筒２０における合焦レンズ２１を含む結像光学系によって、カメラボディ１０における撮像素子１１の撮像面に被写体像が結像される。
そして、撮像素子１１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変換および画像処理して画像データを得る（撮影する）。これらカメラ１における撮影に係る一連の動作は、カメラボディ１０が備える制御装置１２によって制御される。
また、制御装置１２は、撮影時においては、ＡＦセンサ１３の検知情報に基づいてレンズ鏡筒２０の駆動ユニット３０を駆動させ、焦点調節を行う。

つぎに、図２〜図４を参照して、駆動ユニット３０について詳細に説明する。
図２は、駆動ユニット３０のブロック構成図である。図３（ａ）はＡ相駆動信号に対するＢ相駆動信号のずれを示した図であり、図３（ｂ）は、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号との間の位相差と超音波モータ１００の出力回転数の関係を示す図である。図４は、発振部２０２による駆動信号の周波数設定を説明する図である。

駆動ユニット３０は、超音波モータ１００と、駆動回路２００と、により構成されている。
超音波モータ１００は、図２中に概念的に示すように、振動子１１０および移動子１２０等を備え、振動子１１０を固定とし、移動子１２０を回転駆動する形態となっている。
振動子１１０は、弾性体１１１と、弾性体１１１に接合された圧電体１１２とを有する略円環形状の部材である。
なお、超音波モータの形状はこれに限定されず、円環形状でなく、例えばレンズ鏡筒の外周の所定箇所に配置する小型のものであっても良い。

弾性体１１１は、共振先鋭度が大きな金属材料によって形成され、その形状は、略円環形状である。
弾性体１１１の圧電体１１２が接合される面とは反対側の面には、複数の溝を有する櫛歯部１１１ａが形成されている。この櫛歯部１１１ａの先端面は、移動子１２０に加圧接触され、移動子１２０を駆動する駆動面となる。この駆動面には、Ｎｉ−Ｐ（ニッケル−リン）メッキ等の潤滑性の表面処理が施されている。

圧電体１１２は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子であり、例えば、圧電素子や電歪素子等が用いられる。圧電体１１２は、弾性体１１１の周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）の電気信号が入力される範囲に分かれている。各相には、１／２波長毎に分極が交互となった要素が並べられており、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔が空くようにしてある。

圧電体１１２には、その各相の電極に接続されたフレキシブルプリント基板（図示せず）を介して後述する駆動回路２００から所定の電圧および周波数の駆動信号が供給されるようになっている。この駆動信号によって圧電体１１２が伸縮し、弾性体１１１の駆動面に進行波を生ずる。本実施例では、４波の進行波が発生する。

移動子１２０は、アルミニウム等の軽金属によって形成され、弾性体１１１の駆動面に生じる進行波によって回転駆動される部材である。移動子１２０は、振動子１１０（弾性体１１１の駆動面）と接触する面の表面に、耐磨耗性向上のためのアルマイト等の表面処理が施されている。

そして、超音波モータ１００は、後述する駆動回路２００から供給される２相の交流の駆動信号（Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号）によって振動子１１０に進行波を生じ、これによって移動子１２０が回転駆動される。移動子１２０の移動速度（回転数）は、後述するように、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号の位相差に応じて変化する。

つぎに、駆動ユニット３０における駆動回路２００について説明する。
図２に示すように、駆動回路２００は、モータ制御部２０１と、発振部２０２と、移相部２０３と、増幅部２０４Ａ，２０４Ｂと、を備えている。
モータ制御部２０１は、カメラ１本体の制御装置１２からの駆動指令と、検出部２３による合焦レンズ２１の位置や速度情報と、に基づいて、超音波モータ１００の駆動を制御する。すなわち、モータ制御部２０１は、検出部１０６からの検出信号を受け、その値を基に、位置情報と速度情報を得て、制御装置１２から指令された目標位置に合焦レンズ２１が位置するように、後述する移相部２０３による駆動信号の位相差を制御する。

発振部２０２は、モータ制御部２０１の指令により所定の周波数の交流の駆動信号を発生する。この発振部２０２による駆動信号の周波数については、後に詳述する。
移相部２０３は、該発振部２０２で発生した駆動信号を位相の異なる２つの駆動信号（Ａ相駆動信号およびＢ相駆動信号）に分ける。また、移相部２０３は、モータ制御部２０１の指令により、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号の位相差を変化させる。
増幅部２０４Ａ，２０４Ｂは、移相部２０３によって分けられた２つの駆動信号をそれぞれ所望の電圧に昇圧する。増幅部２０４Ａ，２０４Ｂからの駆動信号は、超音波モータ１００の圧電体１１２に印加される。

上記構成の駆動回路２００によって、超音波モータ１００は以下のように動作する。
カメラボディ１０における制御装置１２からモータ制御部２０１に合焦レンズ２１の移動目標位置が入力されると、モータ制御部２０１は、入力された目標位置と検出部２３から入力された合焦レンズ２１の位置情報とに基づいて、超音波モータ１００の駆動量を演算する。モータ制御部２０１は、発振部２０２から交流の駆動信号を発生させ、この駆動信号から、移相部２０３が位相差のある駆動信号（Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号）を生成し、増幅部２０４Ａ，２０４Ｂによりそれぞれ所望の電圧に増幅する。

Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号は、超音波モータ１００の圧電体１１２のそれぞれＡ相とＢ相とに印加される。これにより、圧電体１１２が励振され、弾性体１１１にはＡ相とＢ相とで位置的な位相が１／４波長ずれた４次の曲げ振動が発生し、２つの曲げ振動は合成されて４波の進行波となる。
進行波の波頭には楕円運動が生じ、この楕円運動によって、弾性体１１１の駆動面に加圧接触された移動子１２０を進行波の進行方向とは逆方向に摩擦駆動する。すなわち、移動子１２０が回転し、超音波モータ１００から回転力を出力する。

移動子１２０の回転（超音波モータ１００の出力回転数）は、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号の位相差の変化によって変化する。
すなわち、超音波モータ１００の出力回転数は、図３（ｂ）に示すように、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号の位相差が９０°の時最大であって（図３（ａ）においてＢ相が点線で示す（１）の場合)、それから位相差が大小いずれの側に変化しても漸減し、位相差が０°（図３（ａ）においてＢ相が二点鎖線で示す（２）の場合，または１８０°）では圧電体１１２の振動は定在波となって「０」となり（移動子１２０を回転駆動しなくなり）、それを超えると逆回転に転ずる。そして位相差が−９０°（または２７０°）のとき、逆回転の出力回転数が最大となる。

モータ制御部２０１は、移相部２０３による２つの駆動信号（Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号）の位相差を、たとえば、０°±９０°の範囲で変化させて、出力回転数を制御する。
超音波モータ１００の出力回転数の範囲は、駆動対象である合焦レンズ２１が、移動開始（速度０）から最大移動速度（最高速度）で、前後両方向の移動が可能となるように設定する。

つぎに、図４を参照して、駆動回路２００における発振部２０２による駆動信号の周波数について説明する。
図４（ａ）は、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号との位相ずれを９０°の固定とし、周波数を変化させて超音波モータ１００の回転数および超音波モータ１００に流れる電流（消費電流）を測定した一例の結果を示す。これは、図４（ｂ）の周波数とインピーダンスの関係のグラフ中に示すようにモータ駆動範囲（周波数）を共振点ｆｍおよび反共振点ｆｎより高周波数側の所定範囲に設定した例である。

超音波モータ１００は、図４（ａ）に示すように、駆動信号の周波数を変化させることによっても回転数が変化する。すなわち、駆動信号の周波数が高周波数から低周波数に変化すると回転は低速回転から高速回転へと変化する。
この時、電流も周波数（つまり回転数）によって変化する。電流は、効率の良い周波数において極小値を示す。図の例で、低速回転側における電流値は、極小値の略３倍となっている。合焦レンズ２１の合焦位置微調整の際には、図中に示す低速回転域が多用されるため、周波数による制御では効率が悪いこととなる。

このため、発振部２０２による駆動信号の周波数は、電流が極小値を示す、図４（ｂ）中矢印ｆｘで示す周波数（その近傍の周波数）に設定する。
これにより、超音波モータ１００は、駆動信号の位相差を変化させて回転数を変化させても、その全域に亘って図中２点鎖線で示す効率の良い低い電流値で駆動することが可能となり、消費電力を削減できる。この例の場合では、合焦位置微調整の際に多用される低速回転域において消費電力を略１／３に低減できるものである。

ここで、超音波モータ１００の出力回転数（移動子１２０の移動駆動）を駆動信号の位相差によって制御する場合、移動子１２０の駆動が不安定となる虞がある。
このような駆動の不安定は、移動子１２０と弾性体１１１の接触面の少なくとも一方に、低摩擦係数の潤滑層（たとえばフッ素樹脂等）を設けることにより抑制できる。また、移動子１２０をある程度の弾性変形が可能なように低剛性に構成することによっても抑制することができる。

以上、本実施形態によると、以下の効果を有する。
（１）カメラ１において合焦レンズ２１を駆動する駆動ユニット３０は、超音波モータ１００と駆動回路２００とにより構成され、駆動回路２００におけるモータ制御部２０１が移相部２０３を制御してＡ相駆動信号とＢ相駆動信号の位相差を変化させ、超音波モータ１００の回転数を変化させる。これにより、駆動信号を効率が良く消費電力の少ない周波数に固定することができ、その結果、消費電力の削減が可能となる。

（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、振動アクチュエータとして超音波領域の振動を用いる超音波モータを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限らず、超音波領域以外の振動を用いる振動アクチュエータに適用してもよい。

（２）本実施形態において、駆動ユニット３０は、レンズ鏡筒１０に設けられ、フォーカス動作を行う駆動部に用いられる例を示したが、これに限らず、例えば、ズーム動作を行う駆動部に用いてもよい。
（３）本実施形態では、カメラ１は、撮像素子１１を備えて画像を電子情報として記録（撮影）する例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、フィルムを用いるカメラに適用してもて良い。
（４）本実施形態で、一例として図２にレンズ鏡筒の外周にはめ込むようにして取り付ける円環型の超音波モータを図示したが、この形状に限定されず、例えば、はめ込み型でなく、例えばレンズ鏡筒の外周の所定箇所に配置する小型の超音波モータであっても良い。

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、１０：カメラボディ、１１：撮像素子、１２：制御装置、２０：レンズ鏡筒、２１：合焦レンズ、３０：駆動ユニット、１００：超音波モータ、１１０：振動子、１２０：移動子、２００：駆動回路、２０１：モータ制御部、２０３：移相部

Claims (5)

1. 振動部材と、前記振動部材に接触配置された被駆動部材と、を備え、２相の交流駆動電流によって前記振動部材に励起される進行波によって前記被駆動部材を相対移動駆動する振動アクチュエータの駆動制御装置であって、
   前記２相の駆動電流の位相差を変化させて、前記被駆動部材の移動速度を制御すること、
   を特徴とする振動アクチュエータの駆動制御装置。
2. 請求項１に記載の振動アクチュエータの駆動制御装置であって、
   前記駆動電流の周波数は一定であること、
   を特徴とする振動アクチュエータの駆動制御装置。
3. 請求項１または２に記載の振動アクチュエータの駆動制御装置であって、
   前記駆動電流の周波数は、前記駆動電流の周波数を変化させて前記振動アクチュエータにおける前記被駆動部材の前記振動部材に対する相対移動速度を制御する場合において消費電力が極小値を示す領域の周波数に設定されていること、
   を特徴とする振動アクチュエータの駆動制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動制御装置によって制御される振動アクチュエータであって、
   前記振動部材と前記被駆動部材との接触面の少なくとも一方には、低摩擦係数の潤滑層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。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動制御装置によって制御される振動アクチュエータまたは請求項４の振動アクチュエータを備える光学装置。

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