JP2015050811A - 振動波モータ及び光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】向上した振動特性を有し、それに伴い駆動力や駆動効率も向上した振動波モ−タ及び光学機器を提供する。
【解決手段】本発明の振動波モータ１は、駆動信号が入力される電気機械変換素子５と、前記電気機械変換素子５への前記駆動信号の入力により振動波を生じ、相対移動部材と接触する接触部を有する弾性体６と、を備え、前記電気機械変換素子５は、前記接触部の位置が振動の腹部になる曲げ振動を発生させる第１相の駆動信号が入力され、前記弾性体６の第１面に配置されている第１電気機械変換素子５Ａと、前記接触部の位置が振動の節部になる曲げ振動を発生させる第２相の駆動信号が入力され、前記弾性体６の前記第１面と反対の第２面に配置されている第２電気機械変換素子５Ｂと、を備えること、を特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、振動波モータ及び光学機器に関するものである。

振動波モータは、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（以降、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行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、振動波モータは、径を従来の１／３〜１／５倍程度と小さくし、小型化、軽量化する傾向がある。この様な小型化された振動波モータは、機器の組み込みに対しての使い勝手が良く、アプリケーションへの適用化が進み、出荷台数を大幅に伸ばしている（特許文献１参照）。

特開２００６−３３３６２９号公報

本発明は、駆動効率が向上した振動波モータ及び光学機器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。
請求項１に記載の発明は、駆動信号が入力される電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子への前記駆動信号の入力により振動波を生じ、相対移動部材と接触する接触部を有する弾性体と、を備え、前記電気機械変換素子は、前記接触部の位置が振動の腹部になる曲げ振動を発生させる第１相の駆動信号が入力され、前記弾性体の第１面に配置されている第１電気機械変換素子と、前記接触部の位置が振動の節部になる曲げ振動を発生させる第２相の駆動信号が入力され、前記弾性体の前記第１面と反対の第２面に配置されている第２電気機械変換素子と、を備えること、を特徴とする振動波モータである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動波モ−タにおいて、前記接触部は、３以上設けられていること、を特徴とする振動波モータである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の振動波モータにおいて、前記振動は、前記接触部の位置が振動の腹部になる面外曲げ振動と、前記接触部の位置が振動の節部になる面外曲げ振動であること、を特徴とする振動波モータである。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の振動波モ−タにおいて、前記面外曲げ振動は３次モードの振動であること、を特徴とする振動波モータである。
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項に記載の振動波モ−タにおいて、前記第１電気機械変換素子は円環状であり、円周方向に対して分極方向が交互になっており、前記第２電気機械変換素子は矩形状であり、円周方向に対して分極方向が交互になっていること、を特徴とする振動波モータである。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の振動波モ−タにおいて、前記第１電気機械変換素子はｄ３１圧電現象を利用さして前記曲げ振動を発生させ、前記第２電気機械変換素子はｄ１５圧電現象を利用させて前記曲げ振動を発生させること、を特徴とする特徴とする振動波モータである。
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか１項に記載の振動波モ−タを備える光学機器である。
なお、上記構成は、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、駆動効率が向上した振動波モ−タ及び光学機器を提供することができる。

本実施形態の振動波モータをレンズ鏡筒に搭載した例を示した図である。 振動波モータを説明する図である。 弾性体の形状を説明する図である。 圧電体および電極パターンを説明する図である。 圧電現象を説明する図である。 振動波モータの駆動装置を説明するブロック図である。 振動波モータの動作を説明する図である。 駆動信号Ａ相、Ｂ相を示す図である。 突起部の時系列的な動きを説明する図である。

以下、本発明にかかる振動波モータ１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の振動波モータ１をレンズ鏡筒１００に搭載した例を示した図である。
振動波モータ１はギアユニットモジュール１０１に取り付けられ、ギアユニットモジュール１０１はレンズ鏡筒１００の固定筒１０２に取り付けられている。
振動波モータ１の出力ギア２は、ギアユニットモジュール１０１の減速ギア１０３を介して、カム環１０４に回転運動が伝達され、カム環１０４は回転駆動する。
カム環１０４には、周方向に対して斜めにキー溝１０５が切られており、そのキー溝１０５に固定ピン１０６が挿入されたＡＦ環１０７は、カム環１０４が回転駆動することにより、光軸方向に直進方向に駆動され、所望の位置に停止できる。
回路１０８は、レンズ鏡筒１００の外側固定筒１０２Ａと内側固定筒１０２Ｂの間に設けられ、振動波モータ１の駆動、制御、回転数の検出等を行う。

図２は、実施形態の振動波モータ１を説明する図である。
実施形態では振動子３側を固定とし、相対運動部材４（移動子）を駆動する。
振動子３は、後で説明する様に電気エネルギーを機械エネルギー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５と称する）と、圧電体５を接合した弾性体６とを備え、振動子３には振動波が発生する。

弾性体６は、共振先鋭度が大きな金属材料から成っている。図３は弾性体６の形状を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図示するように弾性体６は円環形状となっている。
弾性体６はベース部７を有し、そのベース部７の上面には、後述の駆動用圧電体５Ｂが円周方向に等分に６個設けられている。弾性体６は、それぞれの駆動用圧電体５Ｂ上に設けられた突起部８も備える。
突起部８の先端面が駆動面８ａとなり相対運動部材４に加圧接触される接触部である。また、ベース部７の下面の突起部８が無い面に後述のクラッチ用圧電体５Ａが接合される。

ベース部７には内径側にフランジ７ａが延伸され、フランジ７ａの最内径部にて固定部材９により固定されている。なお、図３はフランジ７ａを省略した図となっている。
弾性体６の突起部８の駆動面８ａには摺動部材として塗装膜や潤滑メッキが施されている。
弾性体６のベース部７には、後述する様に、周方向に沿って二種類の面外曲げ３次振動が発生する。
一つの振動は、突起部８の位置が振動の腹部になる振動で、もう片方の振動は、突起部８の位置が振動の節部になる振動であり、突起部８から突起部８までの距離がこの曲げ振動の１／２波長分にあたる。

圧電体５は、ＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛、または、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、カリウムチタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナト２リウム、チタン酸ビスマスカリウム等から構成してもよい。

圧電体５は、駆動用圧電体５Ｂとクラッチ用圧電体５Ａとの２種類から構成されている。駆動用圧電体５Ｂは、直方体形状で弾性体のベース部７の上面に配置されている。クラッチ用圧電体５Ａは、円環型形状でベース部７の下面に配置されている。
駆動用圧電体５Ｂおよびクラッチ用圧電体５Ａには、駆動信号を伝達するためにリード線またはフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１０が接合され、回路１０８に伸びている。
相対運動部材４は、アルミニウムといった軽金属からなり、摺動面の表面には耐摩耗性向上のための表面処理が成されている。

出力軸１１は、ゴム部材１２と軸のＤカットにはまるように挿入されたストッパー部材１３を介して相対運動部材４に結合されている。
出力軸１１とストッパー部材１３はＥクリップ１４等により固定され、相対運動部材４と一体に回転する。ストッパー部材１３と相対運動部材４との間のゴム部材１２は、ゴムによる粘着性で相対運動部材４とストッパー部材１３と結合する機能があり、かつ相対運動部材４からの振動を出力軸１１へ伝えないための振動吸収との機能があるブチルゴム等が好適である。

加圧部材１５は、出力軸１１の出力ギア２とベアリング１６の間に設けられている。この様な構造をとることで、相対運動部材４が振動子３の駆動面８ａに加圧接触する。

図４は圧電体５における電極パターンを説明する図である、（ａ）はクラッチ用圧電体５Ａ、（ｂ）は駆動用圧電体５Ｂを示す。
クラッチ用圧電体５Ａの片面５ａは、図４（ａ）の様な電極Ｄ１のパターンが設けられている。本実施形態では、図示する面５ａは、弾性体６との接合面５ｂと反対面となっている。
圧電体５の弾性体６との接合面５ｂは、全面電極となっており、弾性体６がＧＮＤになる。

電極Ｄのパターンは、面外曲げ振動の波長の１／２波長の大きさとなっており、円周方向に対して、電極Ｄ１の真ん中に突起部８が位置する様に配置されている。また、電極Ｄ１は、円周方向に沿って（＋）（−）の交互に分極されている。

図５は圧電現象を説明する図であり、（ａ）はｄ３１圧電現象、（ｂ）はｄ１５圧電現象である。
本実施形態でクラッチ用圧電体５Ａは、図５（ａ）に示すｄ３１圧電現象を利用している。これは、分極方向（３方向）に電圧を印加すると、円周方向（１方向）に変位が生じる現象である。圧電体５Ａの厚さ方向に電圧を加えると、圧電体５Ａには伸び変位、縮み変位が発生し、これにより弾性体６のベース部７が曲げ変位が生じる。駆動信号を交流電圧とすると、ベース部７には面外曲げ振動（定在波）が発生する。
従って、弾性体６のベース部７には、突起部８が面外曲げ振動の腹部に位置する振動が生じる。

一方、図４（ｂ）に示す駆動用圧電体５Ｂにおいては、両面に四角形の電極Ｄ２が設けられており、突起部８に接合される側の面は、電極が一部側面に伸び（Ｄ３）、その側面でリード線やＦＰＣが接合され、駆動信号が与えられるようになっている。弾性体側がＧＮＤになる。
各駆動用圧電体５Ｂの分極方向は、円周方向の接線方向となっており、その方向は図４（ｂ）に示すように交互に反対方向となる。

本実施形態で駆動用圧電体５Ｂは、図５（ｂ）に示すｄ１５圧電現象を利用している。これは、厚み方向（１方向）に電圧を印加すると、１方向と垂直な２方向の軸周りに変位（すべり変位）が生じる現象である。圧電体５Ｂの厚さ方向に電圧を加えると、圧電体５Ｂには厚みすべり変位が生じる。駆動信号を交流電圧とすると、突起部８の周方向に運動（振動）することによる慣性が生じ、弾性体６のベース部７に曲げ変位の振動が生じ、ベース部７には面外曲げ振動（定在波）が発生する。

図６は、本実施形態の振動波モータ１の駆動装置２０を説明するブロック図である。まず、振動波モータ１の駆動／制御について説明する。

発振部２２は、制御部２１の指令により所望の周波数の駆動信号を発生する。
移相部２３は、該発振部２２で発生した駆動信号を９０°位相の異なる２つの駆動信号に分ける。
増幅部２４は、移相部２３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２４からの駆動信号は、振動波モータ１に伝達される。振動波モータ１では、この駆動信号の印加により振動子３に振動が発生し、その振動により相対運動部材４が駆動される。

位置・速度検出部２５は、光学式エンコーダや磁気エンコ−ダ等により構成され、相対運動部材４の駆動によって駆動された駆動物の位置や速度を検出し、検出値を電気信号として制御部２１に伝達する。
制御部２１は、レンズ鏡筒１００内またはカメラ本体のＣＰＵからの駆動指令を基に振動波モータ１の駆動を制御する。制御部２１は、位置・速度検出部２５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、目標位置に位置決めされるように発振部２２の周波数を制御する。

図７を用いて、実施形態の振動波モータ１の動作を説明する。図７（ａ）は加圧方向の振動を示し、（ｂ）は駆動方向の振動を示す。

制御部２１から駆動指令が発令されると、発振部２２からは駆動信号が発生される。その駆動信号は位相部により９０度位相の異なる２つの駆動信号（Ａ相、Ｂ相）に分割され、増幅部２４により所望の電圧に増幅される。図８は、駆動信号を示すグラフであり、（ａ）はＡ相、（ｂ）はＢ相を示す。

圧電体５はＡ相の駆動信号が入力されるクラッチ用圧電体５Ａと、Ｂ相の駆動信号が入力される駆動用圧電体５Ｂとに分けられている。
クラッチ用圧電体５ＡへのＡ相の駆動信号の入力により、弾性体６のベース部７には、突起部８が面外曲げ振動の腹部に位置する３次モード振動（定在波）が発生する（図７（ａ））。
それとともに、駆動用圧電体５ＢへのＢ相の駆動信号の入力により、弾性体６のベース部７には、突起部８が面外曲げ振動の節部に位置する３次モード振動（定在波）が発生する（図７（ｂ））。

突起部８が面外曲げ振動の腹部に位置する振動は、突起部８を上下方向即ち加圧方向に変位する振動となる（図７（ａ））。
突起部８が面外曲げ振動の節部に位置する振動は、突起部８を回転運動させ、即ち駆動方向に変位する振動となる（図７（ｂ））。

図９は、突起部８（８１，８２）の時系列的な動きを説明する図である。（ａ）は突起部８１、（ｂ）は突起部８１の隣に配置される突起部８２の動きを示す。
突起部８１は、
ｔ＝１の時は、上側へ運動し、
ｔ＝２の時は、右側へ運動し、
ｔ＝３の時は、下側へ運動し、
ｔ＝４の時は、左側へ運動し、
ｔ＝５の時は、上側へ運動、即ちｔ＝１の時に戻る。
この様に突起部８１の駆動面８１ａは楕円運動を発生する。

突起部８１の隣の突起部８２は、
ｔ＝１の時は、下側へ運動し、
ｔ＝２の時は、左側へ運動し、
ｔ＝３の時は、上側へ運動し、
ｔ＝４の時は、右側へ運動し、
ｔ＝５の時は、下側へ運動、即ちｔ＝１の時に戻る。
この様に突起部８２の駆動面８２ａも楕円運動を発生する。
突起部８１と突起部８２とは、交互に位置しており、お互いの楕円運動は１８０度位相がずれたようになっている。

本発明においては、ベース部７上面に６枚の駆動用圧電体５Ｂを設け、その圧電体の上に突起部８を配置、また、ベース部７の下面には１枚のクラッチ用圧電体５Ａを接合といった構成により、振動子３の構造が非常に単純となる。
これにより駆動に必要な振動のみを励起させることが可能となり、従来の構造よりも駆動力や駆動効率を大幅に向上させることが可能となる。
また、部品点数が非常に少なくなり、組立工数も大幅に削減するため、大幅なコストダウンも達成することが出来る。
本発明の振動波モータ１は、Ａ相入力で加圧方向の振動を発生させ、Ｂ相の入力で駆動方向の振動を発生させる方式であるが、この方式の振動波モータ１は、楕円運動の大きさや形状をコントロールできる。

比較として、進行波型振動波モータを例について説明すると、速度制御は主に周波数や電圧によって行うが、速度を下げるため、周波数を高くする（または電圧を小さくする）と、楕円運動の駆動方向だけではなく、加圧方向も小さくなってしまう。
このため、低速時に駆動面８ａの面粗さや平面度の状態によっては、回転ムラが大きくなったり、急激停止したりする場合がある。

速度を上げるため、周波数を低くする（または電圧を大きくする）と、楕円運動の駆動方向だけではなく、加圧方向も大きくなってしまい、低加圧方向の振動が大きくなりすぎる故に異音が発生したり、消費電力が大きくなったりする場合がある。

これに対し、この方式の振動波モータ１は、速度を下げる時には、Ａ相の電圧を維持し、Ｂ相の電圧を下げていけば、加圧方向の振幅は確保しながら、駆動方向の振幅を小さくする状態が可能となり（この状態は楕円が縦長形状となっている）、超低速度の駆動が可能となる。
また、速度を上げる時には、Ａ相の電圧を維持し、Ｂ相の電圧を上げていけば、駆動方向の振幅のみを大きくする状態が可能となり（この状態は楕円が横長形状となっている）、進行波型と比較して高回転でも異音の発生が生じず、消費電力も抑えることが可能となる。

本発明においては、突起部８は６箇所で、面内３次曲げ振動モードを例としたが、この組み合わせに限定されない。例えば、駆動性能面では劣るが、突起部８を３箇所で、面内３次曲げ振動モードでも駆動可能となる。

突起部８は、移動子摺動面との接触を確保するためには、３箇所以上が好適である。

また、駆動性能面では、突起部数÷２の次数の曲げ振動が好適である。例えば、突起部数８なら、４次曲げ振動。突起部数１０なら、５次曲げ振動、等。３次の曲げ振動は、振幅が大きく出来るため、振動次数が大きい場合よりも有利である。

実施形態では突起部８を設け、その突起部８の駆動面８ａが相対運動部材４の摺動面と接触するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、突起部８を設けず、ベース部７の表面が直接、相対運動部材４の摺動面と接触する構成であってもよい。

１：振動波モータ、３：振動子、４：相対運動部材、５：圧電体、５Ａ：クラッチ用圧電体、５Ｂ：駆動用圧電体、５Ｂ：駆動用圧電体、５ｂ：接合面、６：弾性体、７：ベース部、８：突起部、８ａ：駆動面、８１：突起部、８１ａ：駆動面、８２：突起部、８２ａ：駆動面、１００：レンズ鏡筒、Ｄ：電極、

Claims (7)

1. 駆動信号が入力される電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子への前記駆動信号の入力により振動波を生じ、相対移動部材と接触する接触部を有する弾性体と、を備え、
   前記電気機械変換素子は、
   前記接触部の位置が振動の腹部になる曲げ振動を発生させる第１相の駆動信号が入力され、前記弾性体の第１面に配置されている第１電気機械変換素子と、
   前記接触部の位置が振動の節部になる曲げ振動を発生させる第２相の駆動信号が入力され、前記弾性体の前記第１面と反対の第２面に配置されている第２電気機械変換素子と、
   を備えること、を特徴とする振動波モータ。
2. 請求項１に記載の振動波モ−タにおいて、
   前記接触部は、３以上設けられていること、
   を特徴とする振動波モータ。
3. 請求項１または２に記載の振動波モータにおいて、
   前記振動は、前記接触部の位置が振動の腹部になる面外曲げ振動と、前記接触部の位置が振動の節部になる面外曲げ振動であること、
   を特徴とする振動波モータ。
4. 請求項３に記載の振動波モ−タにおいて、
   前記面外曲げ振動は３次モードの振動であること、
   を特徴とする振動波モータ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の振動波モ−タにおいて、
   前記第１電気機械変換素子は円環状であり、円周方向に対して分極方向が交互になっており、
   前記第２電気機械変換素子は矩形状であり、円周方向に対して分極方向が交互になっていること、
   を特徴とする振動波モータ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の振動波モ−タにおいて、
   前記第１電気機械変換素子はｄ３１圧電現象を利用さして前記曲げ振動を発生させ、
   前記第２電気機械変換素子はｄ１５圧電現象を利用させて前記曲げ振動を発生させること、
   を特徴とする特徴とする振動波モータ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の振動波モ−タを備える光学機器。
   

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