JP2015107000A - 振動アクチュエータ及び光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電圧を２相入力と３相入力とで切替可能な振動アクチュエータ及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１０は、空間的な位相が互いに略１２０度異なるように設けられた３つの領域を有し、入力される駆動電圧によって振動する電気機械変換素子１３と、前記電気機械変換素子１３の振動によって進行波を生じる弾性体１２と、前記進行波によって前記弾性体１２に対して相対移動する移動体１５と、前記電気機械変換素子１３の前記３つの領域に、時間的な位相が互いに略１２０度異なる３相の駆動電圧を入力して前記電気機械変換素子１３を振動させる３相入力と、前記電気機械変換素子１３の前記２つの領域に、時間的な位相が互いに略６０度異なる２相の駆動電圧を入力して前記電気機械変換素子１３を振動させる２相入力とを切り換える制御部４０Aと、を備えることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、振動アクチュエータ及び光学機器に関するものである。

電気機械変換素子を用いて弾性体に進行波を発生させ、移動子を動かす振動アクチュエータがある。このような振動アクチュエータは、一般的に２相の駆動信号を入力することで進行波を発生させるが、３相以上の駆動信号で進行波を発生させるものもある。
円環型超音波モータの電気機械変換素子の入力部が２相式となっているものでは、電気機械変換素子の配置が、位相が空間的に９０°ずれるように配置されていて、駆動電圧の位相は９０°位相差となっている（特許文献１参照）。

特開昭６０−２４５４８２号公報

ここで、３相入力式においては、電気機械変換素子の電極の配置が、位相が空間的に１２０°ずれて配置されている。３相全てを使用して駆動する場合には、各相に１２０°ずつ位相をずらした電圧を印加する。この振動アクチュエータにおいて２相のみ使用して駆動する場合、駆動電圧を１２０°位相差とすると、相対運動部材であるロータが上下方向に異振動してしまい、異音の発生や回転ムラが生じ、駆動効率が低下する。
本発明の課題は、駆動効率のよい振動アクチュエータ及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、空間的な位相が互いに略１２０度異なるように設けられた３つの領域を有し、入力される駆動電圧によって振動する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の振動によって進行波を生じる弾性体と、前記進行波によって前記弾性体に対して相対移動する移動体と、前記電気機械変換素子の前記３つの領域に、時間的な位相が互いに略１２０度異なる３相の駆動電圧を入力して前記電気機械変換素子を振動させる３相入力と、前記電気機械変換素子の前記２つの領域に、時間的な位相が互いに略６０度異なる２相の駆動電圧を入力して前記電気機械変換素子を振動させる２相入力とを切り換える制御部と、を備えることを特徴とする振動アクチュエータである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータであって、前記領域には、それぞれ駆動電圧が入力される電極が配置され、前記２相入力の場合、前記３つの領域のうちの、電極の面積が同じ２つの領域に駆動電圧を入力すること、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の振動アクチュエータであって、前記３相入力の場合、前記３相入力の場合にのみ用いる領域に入力する駆動電圧は、前記２相入力の場合に用いる２つの領域に対する駆動電圧よりも低くすること、を特徴とする振動アクチュエータである。
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であって、前記振動アクチュエータの起動時には３相入力を行い、前記振動アクチュエータの回転数が所定の回数に達したら２相入力を行うこと、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から４のいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、前記振動アクチュエータの通常起動時には２相入力を行い、前記振動アクチュエータにおいて高出力が必要な場合に３相入力を行うこと、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか１項に記載の駆動装置と、前記駆動装置によって駆動される前記振動アクチュエータと、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、駆動効率のよい振動アクチュエータ及び光学機器を提供することができる。

本発明の実施形態の電子カメラを説明する図である。 レンズ鏡筒を説明する図である。 振動アクチュエータの斜視図である。 振動アクチュエータおよび駆動装置を説明するブロック図である。 本実施形態の電気機械変換素子を示した図である。 本実施形態の比較形態における駆動電圧の振幅を示したグラフである。 本実施形態の駆動電圧の振幅を示したグラフである。 本実施形態の変形形態の電気機械変換素子を示した図である。

図１は、本発明の実施形態の電子カメラ１を説明する図である。
本実施形態の電子カメラ１は、撮像光学系（レンズ鏡筒２０）と、撮像素子３０と、ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ）回路６０と、画像処理部７０と、バッファメモリ１１０と、記録インターフェイス１２０と、モニタ１４０と、操作部材９０と、メモリ１３０と、ＣＰＵ１００とから構成され、外部機器のＰＣ１００との接続が可能となっている。

レンズ鏡筒２０は、複数の光学レンズにより構成され、被写体像を撮像素子３０の受光面に結像させる。図１では光学レンズ系を簡略化して、単レンズＬとして図示している。また、光学レンズ群の内、ＡＦ用の光学レンズＬは、振動アクチュエータ１０の駆動により駆動される。

撮像素子３０は、受光面に受光素子が二次元的に配列されたＣＭＯＳイメージセンサなどによって構成される。撮像素子３０は、撮像光学系２０を通過した光束による被写体増を光電変換してアナログ画像信号を生成する。アナログ画像信号は、ＡＦＥ回路６０に入力される。

ＡＦＥ回路６０は、アナログ画像信号に対するゲイン調整（ＩＳＯ感度に応じて信号増幅）行う。具体的には、ＣＰＵ１００からの感度設定指示に応じて、撮像感度を所定範囲内で変更する。ＡＦＥ回路６０は、さらに、内蔵するＡ／Ｄ変換回路によってアナログ処理後の画像信号をデジタルデータに変換する。そのデジタルデータは、画像処理部７０に入力される。

画像処理部７０は、デジタル画像データに対して、各種の画像処理を行う。
バッファメモリ１１０は、画像処理部７０による画像処理の前工程や後工程での画像データを一時的に記録する。

記録インターフェイス１２０は、不図示のコネクタを有し、該コネクタにメモリカード１２１が接続され、接続されたメモリカード１２１に対して、データの書き込みや、記録媒体からのデータの読み込みを行う。
モニタ１４０は、液晶パネルによって構成され、ＣＰＵ１００からの指示に応じて画像や操作メニューなどを表示する。
操作部材９０は、モードダイヤル、十字キー、決定ボタンやレリーズボタンを示し、各操作に応じた操作信号をＣＰＵ１００へ送出する。静止画撮影や動画撮影の設定は、該操作部材９０により設定される。

ＣＰＵ１００は、不図示のＲＯＭに格納されたプログラムを実行することによって電子カメラ１が行う動作を統括的に制御する。例えば、ＡＦ（オートフォーカス）動作制御、ＡＥ（自動露出）動作制御、オートホワイトバランス制御などを行う。
メモリ１３０は、画像処理した一連の画像データを記録する。

図２は、レンズ鏡筒２０を説明する図であり、リング状の振動アクチュエータ１０をレンズ鏡筒２０に組み込んだ状態の図である。また、図３は、振動アクチュエータ１０の斜視図である。

振動子１１は、電気エネルギ−を機械エネルギ−に変換する電気機械変換素子１３や電歪素子等を例とした電気機械変換素子１３と、電気機械変換素子１３を接合した弾性体１２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１０波の進行波として説明する。

弾性体１２は、共振先鋭度が大きな例えば主にＳＵＳ材から成り、円環形状を有する。弾性体１２における電気機械変換素子１３が接合される接合面の反対側は溝が切ってある。そして、突起部分１２ｂ（溝がない箇所）の先端面が駆動面１２ａとなり移動子１５に加圧接触される。溝を切る理由は、進行波の中立面をできる限り電気機械変換素子１３側に近づけ、これにより駆動面１２ａの進行波の振幅を増幅させるためである。

電気機械変換素子１３は主にＰＺＴであり、詳細については後に説明する。
電気機械変換素子１３の下には、不織布１６、加圧板１７、加圧部材１８が配置されている。
不織布１６は、例えばフェルトの材質で製造されて降り、電気機械変換素子１３の下に配置されて、振動子１１の振動を加圧板１７や加圧部材１８に伝えないように機能する。
加圧板１７は、加圧部材１８の加圧を受ける。
加圧部材１８は、加圧板１７の下に配置され、加圧力を発生する。本実施形態では、加圧部材１８を皿バネとしたが、皿バネでなくともコイルバネやウェーブバネでも良い。加圧部材１８は、固定部材１４に固定される押さえ環１９に固定されることで、保持される。

移動子１５は、主に硬質アルマイトといった金属からなり、摺動面１５ａの表面には耐摩耗性向上のための摺動材料が設けられている。
移動子１５の摺動面１５ａと反対側（図３のＺプラス方向、光軸方向被写体側）には、移動子１５の縦方向（図３のＺ方向）の振動を吸収するために、ゴムの様な振動吸収部材２３が配置され、さらにそのＺプラス方向には、出力伝達部材２４が配置されている。

出力伝達部材２４は、固定部材１４に設けられたベアリング２５により、加圧方向（Ｚ方向）と径方向とを規制している。これにより移動子１５は、加圧方向と径方向とが規制される。
出力伝達部材２４は、突起部２４ａがあり、そこからカム環３６に接続されたフォーク３５がかん合しており、出力伝達部材２４の回転とともに、カム環３６が回転される。

カム環３６には、キー溝３７が斜めに切られており、ＡＦ環３４に設けられた固定ピン３８が、キー溝３７にかん合していて、カム環３６が回転駆動することにより、光軸方向に直進方向にＡＦ環３４が駆動され、所望の位置に停止できる様にされている。
出力伝達部材２４は、突起部２４ａがあり、そこからカム環３６に接続された固定部材１４は、押さえ環１９がネジにより取り付けられ、これを取り付けることで、出力伝達部材２４から移動子１５、振動子１１、加圧部材１８までを一つのモータユニットとして構成できるようになる。

図４は、振動アクチュエータ１０および振動アクチュエータ１０の駆動装置４０Ａを説明するブロック図である。
まず、振動アクチュエータ１０の制御部４１について説明する。

発振部４２は、制御部４１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４３は、制御部４１の指令により、該発振部４２で発生した駆動信号を位相の異なる２つまたは３つの駆動信号に分ける。
増幅部４４は、移相部４３によって分けられた２つまたは３つの駆動信号をそれぞれ所望の電圧に昇圧する。
増幅部４４からの駆動信号は、振動アクチュエータ１０に伝達され、この駆動信号の印加により、後述する振動アクチュエータ１０の振動子１１に進行波が発生し、移動子１５が駆動される。

回転検出部４６は、光学式エンコーダや磁気エンコ−ダ等により構成され、移動子１５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４１に伝達する。

制御部４１は、レンズ鏡筒２０内またはカメラ１本体のＣＰＵ１００からの駆動指令を基に振動アクチュエータ１０の駆動および振動アクチュエータ１０の動作を制御する。制御部４１は、回転検出部４６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４２の周波数や位相差等を制御する。

図５は、本実施形態の電気機械変換素子１３を示した図である。図示するように、本実施形態の電気機械変換素子１３は、複数の電極が設けられている。それぞれの電極は角度にして１８度であり、電極が設けられている部分は分極されている。
図中のＡ相、Ｂ相、Ｃ相は、各電極に入力させる電圧の位相が異なる領域を表す。＋と−は分極方向の向きをあらわしており、＋と−では向きが逆となる。

各電極のサイズは一律であり、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相は略１２０°ごとに配置されている。電極が設けられている領域は、交互に逆方向（＋と−）に分極されており、この＋と−両方に同電圧を印加するとそれぞれが逆方向に変形し、これら＋と−との１セットで１波長となる。なお、本実施形態でＡ相、Ｂ相、Ｃ相は空間的に略１２０°異なるように設けられているが、厳密に１２０°ではなく、１１５°〜１２５°の範囲であればよい。すなわち、プラスマイナス５°程度は許容される。

図５の実施形態では、全周で１０波が発生する。本実施形態の駆動装置４０Ａは、このＡ相、Ｂ相、Ｃ相全ての電極を使用して駆動する３相入力と、このうちの２つ（例えばＡ相、Ｂ相のみ）を使用して駆動する２相入力との切替が可能である。

本実施形態では、フォーカスレンズが静止している状態から起動させる場合、駆動装置４０Ａは、発振部４２によって発振された駆動電圧を、移相部４３において、互いに略１２０度位相が異なる３つの信号に分離し、その３つの駆動電圧をＡ相、Ｂ相、Ｃ相に入力して、振動アクチュエータ１０の移動を開始する。なお、位相差は厳密に１２０°ではなく、１１５°〜１２５°の範囲であればよい。すなわち、プラスマイナス５°程度は許容される。

そして、振動アクチュエータ１０の回転数が所定の回数、例えば５０ｒｐｍから５５ｒｐｍに達したらたら、駆動装置４０Ａは、発振部４２によって発振された駆動電圧を、移相部４３において、後述するように互いに略６０度位相が異なる２つの信号に分離し、その２つの駆動電圧をＡ相、Ｂ相に入力して、２相による振動アクチュエータ１０の移動に切り替える。なお、位相差は厳密に６０°ではなく、５５°〜６５°の範囲であればよい。すなわち、プラスマイナス５°程度は許容される。

このように切り替えることにより、出力パワーが必要な起動時には３相入力を行うが、必要回転数に達したら２相に切り替えるので、常に３相入力を用いる場合と比べて消費電力を小さくすることができる。

次に、３相入力と２相入力のうちの、２相入力による駆動について詳細に説明する。
本実施形態では、２相としてＡ相とＢ相を使用する。
振動アクチュエータ１０のＡ相とＢ相とに正弦波が入力されると、各相で全周に定在波が発生する。そして、Ａ相とＢ相に入力する電圧に位相差を設けると、この定在波が合成され、進行波が発生する。

図６は本実施形態の比較形態における、２相駆動時のＡ相とＢ相とに入力する駆動電圧の振幅を示したグラフである。Ａ相を基準とし、Ｂ相はＡ相より１２０°位相をずらしたものである。Ａ相の定在波は点線で示してあり、Ｂ相の定在波は一点鎖線、Ａ相とＢ相の合成波である進行波は太い実線で示している。時間間隔としては、入力正弦波、１周期分を５分割したタイムスケールとなっている。
図示するように、位相差を１２０°とすると、進行波の振幅が時間と共に増減し、相対運動部材であるロータまで上下動を起こしてしまう。

これに対して、図７は本実施形態を示したグラフである。本実施形態では、駆動装置４０Ａは、振動アクチュエータ１０のＡ相とＢ相に入力する電圧の位相差を略６０°に設定する。
このようにすると、図７に示すように、太い実線で示されている進行波の振幅が、時間に関係なく、常に一定となっている。
したがって、振幅を一定に保てることにより、相対運動部材の異常上下振動を抑えることができ、異音発生や回転ムラを防止することができる。

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。
例えば、上述の実施形態ではＡ相、Ｂ相、Ｃ相が同じ面積の場合について説明したが、これに限定されない。
例えば、図８に示すようにＡ相とＢ相との面積をＣ相より大きくすることもできる。この形態によると、２相の駆動電力を入力する場合、第１実施形態と比べて、Ａ領域及びＢ領域は大きいので、より大きな駆動力を得ることができる。一方、３相の駆動電圧を入力する場合、Ｃ領域は小さいので、Ｃ領域による進行波に対するアシスト(補助効果)は弱めとなる。
また、３相入力の場合、３相入力の際にのみ用いる領域に入力する駆動電圧は、２相入力の際に用いる領域に対する駆動電圧よりも低くしてもよい。

１：カメラ、１０：振動アクチュエータ、１１：振動子、１２：弾性体、１３：電気機械変換素子、１５：移動子、２０：レンズ鏡筒、４０Ａ：駆動装置、４１：制御部、４２：発振部、４３：移相部、４４：増幅部

Claims (6)

1. 空間的な位相が互いに略１２０度異なるように設けられた３つの領域を有し、入力される駆動電圧によって振動する電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子の振動によって進行波を生じる弾性体と、
   前記進行波によって前記弾性体に対して相対移動する移動体と、
   前記電気機械変換素子の前記３つの領域に、時間的な位相が互いに略１２０度異なる３相の駆動電圧を入力して前記電気機械変換素子を振動させる３相入力と、前記電気機械変換素子の前記２つの領域に、時間的な位相が互いに略６０度異なる２相の駆動電圧を入力して前記電気機械変換素子を振動させる２相入力とを切り換える制御部と、
   を備え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、
   前記領域には、それぞれ駆動電圧が入力される電極が配置され、
   前記２相入力の場合、前記３つの領域のうちの、電極の面積が同じ２つの領域に駆動電圧を入力すること、
   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３相入力の場合、前記３相入力の場合にのみ用いる領域に入力する駆動電圧は、前記２相入力の場合に用いる２つの領域に対する駆動電圧よりも低くすること、
   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であって、
   前記振動アクチュエータの起動時には３相入力を行い、
   前記振動アクチュエータの回転数が所定の回数に達したら２相入力を行うこと、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の振動アクチュエータであって、
   前記振動アクチュエータの通常起動時には２相入力を行い、
   前記振動アクチュエータにおいて高出力が必要な場合に３相入力を行うこと、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の駆動装置と、前記駆動装置によって駆動される前記振動アクチュエータと、を備える光学機器。

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