JP2015107002A - 振動アクチュエータ及び光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明によれば、安定性が向上した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。
【解決手段】本発明の振動アクチュエータ１０は、駆動信号が入力される圧電体１３と、前記圧電体１３に接合され、前記圧電体１３への前記駆動信号の入力により、振動が励起されて駆動面に振動波を生じる弾性体１２と、前記弾性体１２の駆動面に加圧接触され、前記振動波によって駆動される移動体１５と、を備える振動アクチュエータにおいて、前記弾性体１２は、複数の突起部１２ａを前記移動体１５側に有し、前記突起部１２ａの数は、前記弾性体１２に生じる前記振動波の振動モードの次数に対して４．５倍以上であること、を特徴とする。
【選択図】図５

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。

従来、圧電体を交流電圧で駆動して、圧電体と弾性体とから構成される振動体に弾性進行波を励振することにより、振動体上に接触して設置された移動体を移動させる振動アクチュエータがある。この振動アクチュエータにおいて、振動体として円板形の振動体を用い、振動モードとして径方向に２次、周方向に３次以上の曲げ振動を用い、且つ振動体に複数の同心円状複数個の突起を備えているものがある（特許文献１参照）。

特公平２−２３０７６号公報

しかし、従来の振動アクチュエータは、励起される振動モード、弾性体の突起部と移動体との接触性等の条件により性能が悪化するという現象がある。駆動時の安定性の向上を求められる振動アクチュエータとしては、このようなモータ性能の非安定性は課題となっていた。

本発明の課題は、安定性が向上した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、駆動信号が入力される圧電体と、前記圧電体に接合され、前記圧電体への前記駆動信号の入力により、振動が励起されて駆動面に振動波を生じる弾性体と、前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記振動波によって駆動される移動体と、を備える振動アクチュエータにおいて、前記弾性体は、複数の突起部を前記移動体側に有し、前記突起部の数は、前記弾性体に生じる前記振動波の振動モードの次数に対して４．５倍以上であること、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記載の振動アクチュエータにおいて、前記突起部と前記移動体の接触部の面圧が、０．５２ＭＰａ以上であること、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において、前記弾性体に生じる前記振動波の振動モードの次数は、４〜１５であること、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において、前記弾性体において、前記突起部と前記突起部との間に設けられた溝部の、前記突起部の連続方向の幅を１としたとき、前記突起部の前記連続方向の幅が２〜４であること、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から４のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えた光学機器である。
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、安定性が向上した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。

本発明の一実施形態の電子カメラを説明する図である。 本発明の一実施形態のレンズ鏡筒を説明する図である。 本発明の一実施形態の振動アクチュエータの振動子及び移動体の斜視図である。 振動アクチュエータの駆動装置を説明するブロック図である。 突起部と振動モードを示した図である。 弾性体の接触状態について示した図である。

図１は、本発明の一実施形態の本発明にかかる振動アクチュエータ１０を備えた光学機器の一例としての電子カメラ１を説明する図である。
電子カメラ１は、静止画及び動画撮影が可能なカメラであって、撮像光学系であるレンズ鏡筒２０と、撮像素子３０と、ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ）回路６０と、画像処理部７０と、音声検出部８０と、操作部材９０と、ＣＰＵ１００と、バッファメモリ１１０と、記録インターフェース１２０と、メモリ１３０と、モニタ１４０とから構成され、外部機器のＰＣ１５０との接続が可能となっている。

レンズ鏡筒２０は、複数の光学レンズ群Ｌ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、複数の光学レンズ群Ｌを簡略化して、単レンズとして図示している。この光学レンズ群Ｌのうちの、後述するＡＦ用の第３レンズ群Ｌ３（図２に図示）は、振動アクチュエータ１０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、レンズ鏡筒２０を通過した光束による被写体像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感度に応じた信号増幅）を行う。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。

音声検出部８０は、マイクと信号増幅部とから構成され、主に動画撮影時に被写体方向からの音声を検出して取り込み、そのデータをＣＰＵ１００へ伝達する。

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。

記録インターフェース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等の記録媒体が接続され、接続された記録媒体に対して、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。

メモリ１３０は、画像処理した一連の画像データを記録する。本実施形態の電子カメラ１においては、動画に対応した画像を取り込む。
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、操作メニュー、静止画像及び動画などを表示する。

次に、レンズ鏡筒２０について説明する。
図２は、本発明の一実施形態のレンズ鏡筒２０を説明する図である。図３は、本発明の一実施形態の振動アクチュエータ１０の振動子１１を説明する図である。
レンズ鏡筒２０は、レンズ鏡筒２０の外周部を覆う外側固定筒３１と、外側固定筒３１よりも内周側に位置する内側固定筒３２と、を備え、さらに外側固定筒３１と内側固定筒３２との間に振動アクチュエータ１０を備える。

内側固定筒３２には、被写体側から第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２、ＡＦ環３４に保持されたＡＦレンズである第３レンズ群Ｌ３、第４レンズ群Ｌ４が配置されている。第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２及び第４レンズ群Ｌ４は、内側固定筒３２に固定されている。第３レンズ群Ｌ３は、ＡＦ環３４が移動することにより内側固定筒３２に対して移動可能に構成される。

図２に示すように、振動アクチュエータ１０は、振動子１１、移動体１５、加圧部材１８等を備え、振動子１１側を固定とし、移動体１５を回転駆動する形態となっている。
振動子１１について説明する。図３に示すように、振動子１１は、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１３と称する）と、圧電体１３を接合した弾性体１２とから構成されている。

弾性体１２は、共振先鋭度が大きな金属材料から成り、形状は、円環形状である。弾性体１２における圧電体１３が接合される反対面は、等間隔で溝が切られた櫛歯部（等間隔で配置された突起部）１２ａが複数設けられ、突起部分（溝がない箇所）の先端面が駆動面となり移動体１５に加圧接触される。櫛歯部１２ａの数については後述する。
振動アクチュエータ１０は、圧電体１３の励振により駆動面に発生する駆動力を用いて移動体１５を駆動することによって第３レンズ群Ｌ３を駆動する。溝を切る理由は、進行波の中立面をできる限り圧電体１３側に近づけ、これにより駆動面の進行波の振幅を増幅させるためである。溝の切っていない部分を本実施形態ではベース部１２ｂと呼ぶ。

ベース部１２ｂの櫛歯部１２ａとは反対面に圧電体１３が接合されている。弾性体１２の駆動面には潤滑性の表面処理がなされている。圧電体１３は、円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれており、各相においては、１／２波長毎に分極が交互となった要素が並べられていて、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。

図２に示すように、圧電体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、フェルトを例としたものであり、圧電体１３の下に配置されていて、振動子１１の振動を加圧板１７や加圧部材１８に伝えないようにしてある。

加圧板１７は、加圧部材１８の加圧を受けるようにされている。加圧部材１８は、皿バネにより構成され、加圧板１７の下に配置されていて、加圧力を発生させるものである。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、押さえ環１９が固定部材１４に固定されることで、保持される。

移動体１５は、アルミニウム等の軽金属からなり、摺動面の表面１５ａには耐摩耗性向上のための摺動材料等の表面処理がなされている（図３参照）。

移動体１５の上には、移動体１５の縦方向の振動を吸収するために、ゴム等により形成された振動吸収部材２３が配置され、その上には、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、加圧方向と径方向とを規制し、これにより、移動体１５の加圧方向と径方向とが規制されるようにされている。

出力伝達部材２４は、出力取出部２４ａがあり、そこからカム環３６に接続されたフォーク３５が嵌合している。カム環３６は、出力伝達部材２４の回転とともに回転される。

カム環３６には、周方向に対して斜めにキー溝３７が切られている。また、ＡＦ環３４の外周側には、固定ピン３８が設けられている。固定ピン３８は、キー溝３７に嵌合していて、カム環３６が回転駆動することにより、ＡＦ環３４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。

固定部材１４には、押さえ環１９がネジにより取り付けられている。押さえ環１９を固定部材１４に取り付けることで、出力伝達部材２４から移動体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。

次に、振動アクチュエータ１０を駆動する駆動装置４０Ａについて説明する。
図４は、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。駆動装置４０Ａは、基板４０（図２参照）に設けられている。
駆動装置４０Ａは、図４に示すように、振動アクチュエータ１０に接続されており、振動アクチュエータ１０に設けられた位置検出部４５から振動アクチュエータ１０の回転速度情報を受信するとともに、振動アクチュエータ１０の制御も行う。

駆動装置４０Ａは、駆動制御部４１と、発振部４２と、移相部４３と、増幅部４４とを備える。
駆動制御部４１は、レンズ鏡筒２０内又はカメラ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の駆動を制御する。駆動制御部４１には、振動アクチュエータ１０の位置を検出する位置検出部４５から、制御情報として振動アクチュエータ１０の回転情報が入力されるようになっている。

発振部４２は、駆動制御部４１の指令により所望の周波数の駆動信号を発生する。駆動信号は、電位ゼロを基準として、＋方向及び−方向で非対称形状となっている。
移相部４３は、発振部４２で発生した駆動信号を位相の異なる２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２つの駆動信号は、振動アクチュエータ１０に伝達され、この２つの駆動信号の印加により振動子１１に進行波が発生し、移動体１５が駆動される。

位置検出部４５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、移動体１５の駆動によって駆動された被駆動体（第３レンズ群Ｌ３）の位置を直接又は間接的に検出し、検出値を電気信号として駆動制御部４１に出力する。

上記構成の駆動装置４０Ａは、駆動制御部４１が、レンズ鏡筒２０内またはカメラ１本体のＣＰＵ１００からの駆動指令に基づいて、振動アクチュエータ１０の駆動を制御する。すなわち、駆動制御部４１は、位置検出部４５からの位置検出信号を受信すると、その値を基に、位置情報と速度情報とを得て、目標位置に位置決めされるように、駆動信号を制御する。すなわち、発振部４２による周波数、移相部４３による位相差、及び増幅部４４による電圧を制御する。

本実施形態の構成によれば、振動アクチュエータ制御装置は以下の様にして動作する。
まず、駆動制御部４１に目標位置が伝達される。発振部４２からは駆動信号が発生し、その信号は移相部４３により９０°位相の異なる２つの駆動信号に分割され、増幅部により所望の電圧に増幅される。

駆動信号は、振動アクチュエータ１０の圧電体１３に印加され、圧電体１３は励振され、その励振によって弾性体１２には曲げ振動が発生する。圧電体１２はＡ相とＢ相とに分けられており、駆動信号はそれぞれＡ相とＢ相に印加される。
Ａ相から発生する曲げ振動とＢ相から発生する曲げ振動とは位置的な位相が１／４波長ずれるようになっており、また、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号とは９０°位相がずれているため、２つの曲げ振動は合成され、進行波となる。

図５は、突起部１２ａと振動モードについて示した図であり、図６は接触状態について示した図である。
表１は、振動モードの次数と突起部の数の比によるモータ性能の違いを示したものであり、他の条件を一定にした状態で、所定の駆動周波数の駆動信号が圧電体１３の電極に入力されたときに、弾性体１２に励起される振動モードの次数ｎと、移動体１５と加圧接触される弾性体１２の突起部１２ａの数ｍとの比（ｍ／ｎ）を変更して駆動効率、トルク、及び静粛性能について測定した結果である。

表に示すように、駆動効率については、ｍ／ｎが４以上の場合が許容範囲であり、４．５以上が好ましい結果となった。また、トルクについては、ｍ／ｎが４．５以上の場合が好ましく、静粛性能についても、ｍ／ｎが４．５以上の場合が好ましい結果となった。
この結果より、本実施形態は、弾性体１２に励起される振動モードの次数ｎと、突起部１２ａの数ｍとの比（ｍ／ｎ）を、４．５以上とする。

本実施形態においては、ｍ／ｎが４．５であるので、駆動効率、トルク、及び、静粛性能において、良好な結果を得ることができる。

表２は、摺動面圧によるモータ性能の違いを示した表であり、他の条件を一定にした状態で、加圧接触されている弾性体１２と移動体１５の間の接触部分の面圧のみ変更して駆動効率、トルク、及び静粛性能について測定した結果である。

表に示すように、駆動効率については、面圧が０．４６ＭＰａ以上の場合が許容範囲であり、０．５２以上が好ましい結果となった。また、トルクについては、面圧が０．５２以上の場合が好ましく、静粛性能についても、面圧が０．５２以上が好ましい結果となった。
この結果より、本実施形態では、加圧接触されている弾性体１２と移動体１５の間の接触部分の面圧を０．５２［ＭＰａ］以上とする。
本実施形態においては、面圧が０．５２［ＭＰａ］以上であるので、駆動効率、トルク、及び、静粛性能において、良好な結果を得ることができる。

また、本実施形態において、櫛歯部１２ａが連続する方向（周方向）における、櫛歯部１２ａ同士の間に設けられた溝部の幅を１としたとき、櫛歯部１２ａの幅は２〜４である。
さらに、弾性体１２に発生する振動波の振動モードの次数の範囲は、４〜１５である。

このように、本実施形態において、ｍ／ｎを４．５以上とし、弾性体１２と移動体１５の間の接触部分の面圧を０．５２［ＭＰａ］以上とすることにより、モータ性能の悪化が抑制され、諸特性の安定性を向上させることができる。

（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）本実施形態は、本発明を円環型の振動アクチュエータ１０に適用したものである。しかし、本発明は円環型に限るものではなく、軸出力型の振動アクチュエータに適用しても良い。

（２）また、振動アクチュエータ１０から被駆動部材（ＡＦ環３４）への駆動力伝達構造は、本実施形態に限らず適宜変更可能なものである。
（３）本実施形態は、本発明をＡＦレンズである第３レンズ群Ｌ３を移動駆動する振動アクチュエータ１０に適用したものであるが、移動操作する被駆動部材はＡＦレンズに限らず、ズーミングレンズ等他の構成要素を移動操作するものにも適用可能である。
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：振動アクチュエータ、１１：振動子、１２：圧電体、１２：弾性体、１２ａ：櫛歯部、１３：圧電体、１５：移動体、２０：レンズ鏡筒、２３：振動吸収部材、２４：出力伝達部材

Claims (5)

1. 駆動信号が入力される圧電体と、
   前記圧電体に接合され、前記圧電体への前記駆動信号の入力により、振動が励起されて駆動面に振動波を生じる弾性体と、
   前記弾性体の駆動面に加圧接触され、前記振動波によって駆動される移動体と、
   を備える振動アクチュエータにおいて、
   前記弾性体は複数の突起部を前記移動体側に有し、前記突起部の数は、前記弾性体に生じる前記振動波の振動モードの次数に対して４．５倍以上であること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
2. 請求項１記載の振動アクチュエータにおいて、
   前記突起部と前記移動体の接触部の面圧が、０．５２ＭＰａ以上であること、
   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において、
   前記弾性体に生じる前記振動波の振動モードの次数は、４〜１５であること、
   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において、
   前記弾性体において、前記突起部と前記突起部との間に設けられた溝部の、前記突起部の連続方向の幅を１としたとき、前記突起部の前記連続方向の幅が２〜４であること、
   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を備えた光学機器。

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