JP2016063664A - 振動型アクチュエータ、光学機器、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧手段によって振動子を摩擦部材に圧接させた状態で振動子に発生する振動によって摩擦部材を相対移動させる際に加圧力を変更する制御が可能な振動型アクチュエータを提供すること。【解決手段】超音波モータ１００は、圧電素子１０３が固定された振動子１０４と、振動子１０４との摩擦接触面１０１ａを有する摩擦部材１０１を備える。加圧部材１０６は、コイルばね１０７の弾性力によって振動子１１を摩擦部材１０１に向けて加圧する。加圧力設定部１３１は、加圧力設定モータ１１０の駆動力を保持部材１０８に伝達し、加圧部材１０６に対する保持部材１０８の相対位置に応じてコイルばね１０７の撓み量を変更することにより、加圧力を設定する。加圧力により振動板１０２の突出部１０２ａが摩擦部材１０１の摩擦接触面１０１ａに圧接された状態で、振動子１０４の楕円振動により摩擦部材１０１が振動子１０４に対して相対駆動される。【選択図】 図４

Description

本発明は、振動子に振動を発生させることにより駆動力を発生させる振動型アクチュエータと、当該振動型アクチュエータを備える光学機器及び撮像装置に関する。

超音波モータは、無音動作で低速から高速までの駆動が可能であり、高トルク出力であるといった特徴をもち、例えば、カメラレンズの駆動源として使用されている。特許文献１に開示された超音波モータは、板ばねにより振動子を加圧し、その加圧接触状態下で振動子に超音波振動が励起される。摩擦部材と接している振動子の接触部に楕円運動が生じ、振動子が直進駆動される。板ばねは、振動子と摩擦部材との加圧力量の調整手段を備えているので、超音波モータの組み立て時に加圧力を調整できる。振動子と摩擦部材との間に適切な摩擦力を発生させて振動子の駆動効率を向上させることができる。

特許４６５２７８４号公報 特開２００４−３０４８８７号公報

一般的に、超音波モータの組み立て時において振動子の駆動効率のみを考慮した最適な加圧力が調整手段によって設定される。この場合、振動子と摩擦部材との間の摩擦力によって発生する保持力は、被駆動部に衝撃や姿勢変化が生じた際には十分でない可能性がある。

本発明は、加圧手段によって振動子を摩擦部材に圧接させた状態で振動子に発生する振動によって摩擦部材を相対移動させる際に加圧力を変更する制御が可能な振動型アクチュエータの提供を目的とする。

本発明に係る装置は、振動子及び該振動子と接触して相対的に移動する摩擦部材を備える振動型アクチュエータであって、加圧力により前記振動子を前記摩擦部材に圧接させる加圧手段と、前記加圧手段による加圧力を設定する設定手段と、前記設定手段により設定される加圧力を変更する制御手段を備える。

本発明によれば、加圧手段による加圧力を変更する制御が可能な振動型アクチュエータを提供することができる。

本発明の実施形態における超音波モータの分解斜視図である。 本発明の実施形態における振動子と振動子基台との接合状態を示す拡大斜視図である。 本発明の実施形態における振動板と圧電素子との接合状態を示す拡大斜視図である。 本発明の実施形態における超音波モータの断面図である。 本発明の実施形態における超音波モータを組み込んだレンズ駆動部の斜視図である。 本発明の実施形態における超音波モータを組み込んだ撮像装置のブロック図である。 本発明の実施形態における動作を説明するフローチャートである。 図７のＳ２０４とＳ２１０に示す加圧力変更処理を説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータについて説明する。本実施形態に係る振動型アクチュエータは、小型軽量かつ広い駆動速度レンジが要求される電子機器に適用可能である。例えば振動型アクチュエータは、小型で高出力なモータが求められるカメラのレンズ鏡筒内においてレンズ駆動等に適用可能である。本発明の技術的範囲には、レンズやプリズム等の光学素子の駆動装置、レンズ鏡筒等の光学機器、撮像装置が含まれる。以下では、電気−機械エネルギー変換素子として圧電素子を用いる超音波モータを例示して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る超音波モータ１００の分解斜視図である。被駆動部材である摩擦部材１０１は、振動子１０４が加圧接触する摩擦接触面１０１ａを有する。振動子１０４の振動板１０２は、摩擦部材１０１の摩擦接触面１０１ａに接触する接触部（図２：複数の突出部１０２ａ）を備える。振動子１０４の圧電素子１０３は、振動板１０２に対して接着剤などにより圧着されている。振動板１０２に圧電素子１０３が圧着された状態にて、駆動制御部が圧電素子１０３に電圧を印加することにより超音波振動が発生し、振動板１０２の突出部１０２ａに楕円運動が発生する。振動子基台１０５は振動子１０４を保持するための保持部である。加圧部材１０６はコイルばね１０７の力によって振動子１０４を摩擦部材１０１に付勢して圧接させる。本実施形態では、加圧部材１０６と、付勢部材であるコイルばね１０７により加圧手段が構成される。ただし、振動子１０４を加圧できる手段であれば、弾性部材としてのコイルばね１０７に限定されず、電磁気的な手段（電磁コイル及びマグネット）でもよい。

コイルばね１０７の一端部は、ばね弾性による加圧反力を受ける保持部材１０８と当接している。保持部材１０８は加圧部材１０６の一部（突軸部）と嵌合し、保持部材１０８と加圧部材１０６によってコイルばね１０７が弾性変形可能な状態で支持されている。ギヤ部材１０９は保持部材１０８の外周に設けたギヤ部１０８ｂと係合する。伝達部材であるギヤ部材１０９は、加圧力設定モータ１１０と一体に組み立てられて、モータ軸とともに回転する。駆動源である加圧力設定モータ１１０はベース部材１１１に、ねじ部材１１２により締結固定される。本実施形態では、保持部材１０８、ギヤ部材１０９、加圧力設定モータ１１０が加圧力設定部１３１を構成する。ベース部材１１１は複数の転動部材１１３と案内溝１１１ａで当接し、対向する側にてカバー部材１１４に設けられた案内溝（不図示）に沿って案内される。複数の転動部材１１３はいずれも球形状の可動支持部材である。カバー部材１１４は固定部材１１５に固定され、摩擦部材１０１も固定部材１１５に固定される。

ベース部材１１１は振動子基台１０５と相対移動方向にて所定の部分（接合部）１０５ａで嵌合する。圧電素子１０３の超音波振動が発生し、振動子１０４は楕円振動により摩擦部材１０１の長手方向へ相対的に移動する。これに伴い、振動子１０４を接着固定した振動子基台１０５が移動し、振動子基台１０５と嵌合したベース部材１１１が駆動される。以下、振動子１０４と摩擦部材１０１とが相対的に移動する方向を、駆動方向と定義する。

次に、超音波モータ１００の構成を詳細に説明する。図２は、図１に示す振動板１０２と振動子基台１０５との接合状態を説明する為の拡大斜視図であり、摩擦部材１０１側から見た場合を示す。図３は、振動板１０２と圧電素子１０３との接合状態を示す拡大斜視図である。

振動板１０２と振動子基台１０５は、接着や溶接などにより、十字形状部（接合部）１０２ｃで接合される。振動板１０２の中央部には、相対移動方向に並んだ２個の突出部１０２ａ（図２参照）が形成されている。一方、図３に示す振動板１０２の裏面部１０２ｂには圧電素子１０３が接着剤などにより圧着される。なお、振動板１０２と圧電素子１０３との圧着方法については接着のみに限定されない。

圧電素子１０３は、複数の圧電素子膜を積層して一体化した構造を有する。圧電素子１０３に対して駆動制御部が交流電圧を印加することで励振すると、圧電素子１０３が圧着された振動板１０２には２つの振動モードが励起される。このとき、２つの振動モードの振動位相が所望の位相差となるように設定されるので、図２の矢印Ｒで示すように楕円運動が発生する。この楕円運動が振動子１０４で発生すると、摩擦部材１０１の摩擦接触面１０１ａに伝達される。よって、摩擦部材１０１に対して振動子１０４を相対的に移動させることができる。なお、圧電素子１０３の積層構造や振動モードに関する詳細については特許文献２に記載されているため、それらの説明は割愛する。

図４は超音波モータ１００の断面図であり、振動子１０４における２つの突出部１０２ａの中心部を通る切断面での断面構造を示す。
加圧部材１０６は圧電素子１０３と当接し、摩擦部材１０１及び振動子１０４と垂直な方向へコイルばね１０７により付勢される。振動子１０４は加圧部材１０６から加圧力を受け、摩擦部材１０１に摩擦接触面１０１ａで接触する。２つの突出部１０２ａが楕円運動することにより、摩擦部材１０１に対して図４に矢印Ｌで示す方向（加圧方向に直交する方向）に振動板１０２が移動する。

一方、振動板１０２に固定された振動子基台１０５は振動板１０２に追従して移動する。振動子基台１０５は、ベース部材１１１と２箇所の接合部１０５ａで当接し、ベース部材１１１は振動子基台１０５に追従して相対移動する。本実施形態では、振動子基台１０５とベース部材１１１が振動子１０４の超音波振動を阻害しない為に適度なクリアランスを有する構成である。ただし、ベース部材１１１と２箇所の接合部１０５ａとの当接方法は嵌合に限ったものではない。振動子基台１０５とベース部材１１１が、おおよそ一体的に駆動可能に当接されていればよいので、例えば、両部材をばね部材により相対移動方向に付勢し、反転駆動時におけるヒステリシスを打ち消すようにした構成でも構わない。

ベース部材１１１は、相対移動方向において振動子基台１０５から駆動力を与えられるとともに、コイルばね１０７から保持部材１０８を介して加圧力の反力を受ける。加圧部材１０６は、摩擦部材１０１の摩擦接触面１０１ａとおおよそ垂直な方向のみに移動可能な状態で保持部材１０８により支持される。保持部材１０８は螺旋状の斜面部１０８ａでベース部材１１１の複数の突起部１１１ｂと接触する。保持部材１０８は加圧力設定手段、すなわち加圧力設定モータ１１０、ギヤ部材１０９により、保持部材１０８の外周部に設けられたギヤ部１０８ｂを介して回転する。保持部材１０８の螺旋状の斜面部１０８ａには、ベース部材１１１の複数の突起部１１１ｂが接触し、保持部材１０８が回転することで、ベース部材１１１に対して保持部材１０８は摩擦接触面１０１ａに垂直な方向に上下動する。コイルばね１０７は、保持部材１０８及び加圧部材１０６の相対位置（加圧方向における高さ）によって撓み量が決まる。つまり、保持部材１０８が上下動することで、振動子１０４に与える加圧力を自在に設定または変更することができる。

次に超音波モータ１００を撮像装置に組み込んだ場合の構成例を説明する。図５は超音波モータ１００を撮像装置に組み込んだ場合のレンズ駆動部を示す斜視図である。焦点位置調整レンズ（フォーカスレンズ）１２１はレンズ枠１２２に保持されており、光軸方向に移動可能に支持される。レンズ枠１２２は、対をなす第１ガイド軸１２５及び第２ガイド軸１２６により案内される。連結部材１２３はベース部材１１１とレンズ枠１２２を連結しており、超音波モータ１００が駆動されると、その駆動力がレンズ枠１２２に伝達される。これにより、ベース部材１１１とレンズ枠１２２とが一体となって光軸方向に移動する。

図６は撮像装置の構成例を示すブロック図である。撮像装置はレンズ鏡筒と装置本体部から構成される。例えば交換レンズ式のカメラシステムの場合にはレンズ装置を装置本体部に装着可能であるが、レンズ部と装置本体部とが一体化された構成でもよい。

撮像装置は、ジャイロセンサ等を用いた姿勢検出部１４１を備える。姿勢検出部１４１が検出した姿勢情報は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１４２が処理する。ＣＰＵ１４２は、圧電素子制御部１４３、加圧力制御部１４４、シャッタ制御部１４５にそれぞれ制御指令を与える。加圧力制御部１４４は、レンズ装置またはレンズ部の加圧力設定部１３１を制御し、振動子１０４に与える加圧力を設定する。圧電素子制御部１４３は圧電素子１０３に電圧を印加して振動子１０４を駆動する。超音波モータ１００を駆動すると、図６の矢印Ｌに示す光軸方向に焦点位置調整レンズ１２１が移動する。また、レンズ枠１２２は位置検出センサ１２４を備える。位置検出センサ１２４により検出される位置情報は、ＣＰＵ１４２に入力され、圧電素子制御部１４３による超音波モータ１００のフィードバック制御が行われる。シャッタ制御部１４５はシャッタ部１４６に制御指令を出力して露光時間を制御する。撮像部１４７は、焦点位置調整レンズ１２１を含む撮像光学系によって結像する光を受光して被写体像の信号に光電変換する。

図７は本実施形態の撮像装置にて実行される処理例を示すフローチャートである。以下の処理は、ＣＰＵ１４２がメモリから読み出して実行するプログラムにしたがって行われる。

一連の撮影動作において、Ｓ２０１ではユーザがシャッタレリーズボタンの半押し操作等により、フォーカスサーチの開始操作を行う。シャッタスイッチ１４８（図６）の第１スイッチＳＷ１がオンになったことが判定されるとＳ２０２に処理を進め、第１スイッチＳＷ１がオフである場合にはＳ２０１の判定処理が繰り返される。

Ｓ２０２で姿勢検出部１４１は撮像装置の姿勢を検出し、姿勢検出信号をＣＰＵ１４２に出力する。Ｓ２０３でＣＰＵ１４２は、加圧力の変更について必要性の有無を判断する。例えば撮像装置の撮影姿勢が上向きである場合、焦点位置調整レンズ１２１の自重、つまり重力が超音波モータ１００の振動子１０４と摩擦部材１０１との摩擦力と同一の方向に作用する。そのため、衝撃等が生じた場合に、焦点位置調整レンズ１２１などのレンズの位置を保持する力が弱まる。また、焦点位置調整レンズ１２１を駆動する場合の推進力に不足が発生する可能性がある。そこで、Ｓ２０３にてＣＰＵ１４２が加圧力を変更する必要性があると判断した場合にはＳ２０４に処理を進め、その必要がないと判断した場合にはＳ２０５に移行する。Ｓ２０４にて加圧力の変更処理が実行される。この処理の詳細については、図８にサブルーチンとして示すフローチャートを参照して後述する。なお、本実施形態では、超音波モータ１００の駆動方向が重力の方向に沿うこと（方向の一致または設定された角度差範囲内であること）が検出された場合に加圧力の変更処理（加圧力の増加）が実行される場合を説明する。勿論、その他の検出結果や制御状態に応じてＣＰＵ１４２は加圧力の変更処理の必要性を適宜に判断する。

Ｓ２０５にて超音波モータ１００が駆動され、フォーカスサーチ動作が開始する。焦点位置調整レンズ１２１が光軸方向に駆動され、Ｓ２０６でＣＰＵ１４２は位置検出センサ１２４により検出される位置情報を逐一取得する。Ｓ２０７でＣＰＵ１４２は焦点位置調整レンズ１２１の位置が目標位置に到達したかどうかを判断する。焦点位置調整レンズ１２１の位置が目標位置に到達した場合、フォーカスサーチ動作を終了してＳ２０８に処理を進め、目標位置に到達していない場合、Ｓ２０５に処理を戻す。

Ｓ２０８にてＣＰＵ１４２はシャッタレリーズボタンの全押し操作によりシャッタスイッチ１４８の第２スイッチＳＷ２がオンになり、撮影動作の開始指示が行われたか否かを判定する。撮影動作の開始指示が行われた場合、Ｓ２０９へと進み、開始指示が行われない場合にはＳ２０８の判定処理を繰り返す。Ｓ２０９でＣＰＵ１４２は、シャッタ部１４６の作動時の衝撃に対して、焦点位置調整レンズ１２１の状態を維持するために必要な加圧力量になっているか否かを判断する。加圧力の変更が必要である場合にＣＰＵ１４２はＳ２１０に進み、Ｓ２０４と同様に加圧力変更用のサブルーチンを呼び出して実行する。これにより、焦点位置調整レンズ１２１の保持に十分な加圧力が得られる。また、加圧力の変更が必要でない場合にはＳ２１１に処理を進める。

Ｓ２１１でＣＰＵ１４２は露光条件を算出する。Ｓ２１２でＣＰＵ１４２は、Ｓ２１１で算出された露光条件に基づき、シャッタ速度等の、シャッタ部１４６への制御指令に従ってシャッタを作動させる。Ｓ２１３で撮像部１４７を用いて撮影動作が行われる。

次に図８に示すフローチャートを参照して、図７のＳ２０４，Ｓ２１０に示す加圧力変更処理を説明する。
Ｓ２１４にて加圧力制御部１４４はＣＰＵ１４２からの制御指令にしたがって、撮像装置の姿勢とレンズ駆動の推進力と消費電力との関係から最適となる加圧力を算出する。例えば、撮像装置の姿勢検出情報と、レンズ駆動の推進力及び消費電力の各情報は、所定の参照テーブルデータとしてメモリに記憶されており、ＣＰＵ１４２が参照して演算に使用する。Ｓ２１５で加圧力制御部１４４は加圧力設定部１３１に対して、加圧力の変更を行うための制御指令を送信する。Ｓ２１６で加圧力設定部１３１は加圧力制御部１４４の制御指令に基づいて加圧力の設定処理を行い、リターン処理に移行する。

本実施形態では、被駆動部（制御対象）の駆動中や停止中といった制御状況や撮像装置の姿勢変化に応じて適時に摩擦保持力を制御して被駆動部に与えると同時に駆動効率の最適化及び低消費電力を実現できる。本実施形態によれば、振動子に発生する超音波振動を利用した振動型アクチュエータを備えた撮像装置において、衝撃や姿勢変化に対して十分な摩擦保持力を被駆動部に与えることができる。

前記構成にて、焦点位置調整レンズの駆動後であって、シャッタの作動前に加圧力の変更処理が実行される。本実施形態によれば、衝撃や姿勢変化に応じた十分な摩擦保持力を被駆動部に与えることを実現した、超音波モータを備えた撮像装置を提供できる。なお、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００ 超音波モータ
１０１ 摩擦部材
１０２ 振動板
１０２ａ 突出部
１０３ 圧電素子
１０４ 振動子
１０６ 加圧部材
１０７ コイルばね
１０８ 保持部材
１１０ 加圧力設定モータ
１１１ ベース部材
１２１ 焦点位置調整レンズ
１３１ 加圧力設定部
１４４ 加圧力制御部

Claims (9)

1. 振動子及び該振動子と接触して相対的に移動する摩擦部材を備える振動型アクチュエータであって、
   加圧力により前記振動子を前記摩擦部材に圧接させる加圧手段と、
   前記加圧手段による加圧力を設定する設定手段と、
   前記設定手段により設定される加圧力を変更する制御手段を備えることを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記加圧手段は加圧部材及び付勢手段を備え、前記付勢手段の力によって前記加圧部材が前記振動子を前記摩擦部材に圧接させることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記設定手段は、
   前記加圧部材を保持し、前記加圧手段による加圧反力を受ける保持部材と、
   前記保持部材を駆動する駆動源を備え、
   前記制御手段からの制御指令にしたがって、前記駆動源により加圧方向における前記保持部材の位置を変更して前記付勢手段による加圧力を設定することを特徴とする請求項２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記付勢手段は弾性部材であって、前記加圧部材に対する前記保持部材の相対位置によって前記弾性部材の撓み量が変更されて加圧力が設定されることを特徴とする請求項３に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記振動子は前記摩擦部材と接触する複数の突出部を備え、
   前記設定手段により設定される加圧力で前記摩擦部材に圧接された前記突出部が楕円運動を行うことにより、前記摩擦部材が前記振動子に対して相対的に移動することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータを用いて光学素子を駆動することを特徴とする光学機器。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータを用いて光学素子を駆動することを特徴とする撮像装置。
8. 撮像装置の姿勢を検出する検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記検出手段によって前記振動型アクチュエータに係る駆動方向が重力の方向に沿うことが検出された場合、前記加圧手段による加圧力を変更する制御を行うことを特徴とする請求項７に記載の撮像装置。
9. 前記光学素子としての焦点位置調整レンズと、
   前記焦点位置調整レンズを介して被写体を撮像する撮像手段と、
   露光時間を変更するシャッタ手段を備え、
   前記制御手段は、前記焦点位置調整レンズが駆動された後であって、前記シャッタ手段が作動する前に前記加圧力を変更する制御を行うことを特徴とする請求項７または８に記載の撮像装置。

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