JP2018007398A

JP2018007398A - 振動波モータ及び光学機器

Info

Publication number: JP2018007398A
Application number: JP2016130663A
Authority: JP
Inventors: 将光木村; Masamitsu Kimura
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-11

Abstract

【課題】駆動出力が拡大された振動波モータを提供する。【解決手段】本発明の振動波モータ１０は、電気機械変換素子１３と、前記電気機械変換素子１３の振動を進行波に変換する弾性体１２と、前記弾性体１２と接触し、前記進行波によって回転する相対運動部材１５と、を備える振動波モータにおいて、前記電気機械変換素子１３の厚みＴを前記進行波及び定在波の波長λで割ったＴ／λの値が、前記弾性体１２のヤング率の値Ｅ［Ｇｐａ］が、１００＜Ｅ＜２００の場合、０．０４２５＜Ｔ／λ＜８．５×１０−４×Ｅ−０．０３５である。【選択図】図７

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。

従来より、電気機械変換素子と、電気機械変換素子により振動される振動子と、振動子に加圧接触され、振動子の振動によって回転移動する移動子とを備える振動波モータがある（特許文献１参照）。このような振動波モータは、材料の特性あるいは大きさによっては性能が異なってしまう。

特開平２−３１１１８０号公報

本発明の振動波モータは、電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の振動を進行波に変換する弾性体と、前記弾性体と接触し、前記進行波によって回転する相対運動部材と、を備える振動波モータにおいて、前記電気機械変換素子の厚みＴを前記進行波及び定在波の波長λで割ったＴ／λの値が、前記弾性体のヤング率の値Ｅ［Ｇｐａ］が、１００＜Ｅ＜２００の場合、０．０４２５＜Ｔ／λ＜８．５×１０−４×Ｅ−０．０３５という構成にした。

また、本発明の光学機器は、上記記載の振動波モータを備える構成とした。

本発明の実施形態の振動波モータ１０を組み込んだレンズ鏡筒２０及びカメラ１の概略断面図である。振動子１１および移動子１５の一部を切り欠いた斜視図である。振動波モータ１０の斜視図である。圧電体１３を示す図で、（ａ）は弾性体との接合面、（ｂ）その裏面である。実施形態の振動波モータ１０の駆動装置を説明するブロック図である。Ｔ／λが異なる振動波モータ１０における、ヤング率ＥとＡ×Ｋ×Ｑとの関係を求めたシミュレーション解析の結果である。図６の結果を、ヤング率ＥとＴ／λの関係として表したものである。Ａ×Ｋ×Ｑと共振周波数との関係を示した図である。密度と共振周波数の関係を示した図である。ベース厚と共振周波数との関係を示したグラフである。ベース厚を説明する図である。

以下、本発明にかかる振動波モータ１０の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態の振動波モータ１０を組み込んだレンズ鏡筒２０及びカメラ１の概略断面図である。

実施形態は、振動波モータとして、円環型振動波モータ１０について説明する。
レンズ鏡筒２０は外側固定筒３１と内側固定筒３２を有する。その外側固定筒３１と内側固定筒３２との間に振動波モータ１０を有するモータユニットを固定する機構となっている。

駆動回路４０は、レンズ鏡筒２０の外側固定筒３１と内側固定筒３２の間に設けられ、振動波モータ１０の駆動、制御、回転数の検出、振動センサーの検出等を行う。

次に振動波モータ１０について説明する。
振動波モータ１０は、振動子１１と移動子１５とを有する。図２は、振動子１１および移動子１５の一部を切り欠いた斜視図である。図３は振動波モータ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（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。圧電体１３と弾性体１２は、例えば接着剤などにより接着されている。また、圧電体１３と弾性体１２が、真空中で接合されていてもよい。圧電体１３は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。
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９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金属材料（主にＳＵＳ材）から成り、円環形状を有する。弾性体１２における圧電体１３が接合される反対面には溝１２ｃが切ってある。突起部分１２ｂ（溝１２ｃ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。

弾性体１２の内周側には、径方向に延伸したフランジ部１２ｅが設けられており、固定部１４に固定されている。

移動子１５は、主に硬質アルマイトからなり、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の振動子１１と反対面には、移動子１５の縦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、その上には出力伝達部２４が配置されている。

出力伝達部２４は、固定部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が規制され、これにより移動子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２４は、突起部２４ａを有し、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がカム環３６に斜めに切られている。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。

圧電体１３と加圧バネ１８の間には、不織布またはフェルトの様な振動伝達防止部材１６が設けられており、振動子１１の振動を加圧バネ１８や押え環１９等に伝わらない様にされている。
加圧バネ１８は、皿バネまたはウエーブワッシャーにより構成されている。
固定部１４は、押え環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２４から移動子１５、振動子１１、加圧バネ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、圧電体１３を示す図で、（ａ）は弾性体との接合面、（ｂ）その裏面である。
圧電体１３の接合面である第一面１３Ａには、複数の電極部１３１が設けられている。本実施形態においては、周方向に沿って進行波の波長の１／２波長に相当する長さの電極部１３１を１６個設ける。
その電極部１３１を、それを左右８個ずつに分けた群とする。片方の群はＡ相の駆動電圧が伝わる様にし、もう片方の群はＢ相の駆動電圧が伝わるようにする。Ａ相とＢ相との間には、１／４波長分の電極部１３１Ｃと３／４波長分の電極１３１Ｄとを設け、計１８個の電極部１３１が設けられている。
実施形態では、この１８個の電極部１３１が設けられている側が、弾性体１２に接合する。

一方、図４（ｂ）に示す第一面と反対面である第２面には、第一面においてＡ相の電極部がある位置に、Ａ相の電極群を結合した様な電極を設ける。
同様に、Ｂ相の電極群の位置に、Ｂ相の電極群を結合した様な電極を設け、Ａ相とＢ相との間には、１／４波長分の電極部１３２Ｃと３／４波長分の電極部１３２Ｄとを設け、計４個の電極部１３２が設けられている。

実施形態においては、この第２面にＡ相駆動信号とＢ相駆動信号を加え、１／４波長部は、導電塗料で弾性体１２と短絡させ、ＧＮＤをとる様にしている。

図５は、実施形態の振動波モータ１０の駆動装置を説明するブロック図である。
まず、振動波モータ１０の駆動／制御部６８について説明する。
発振部６０は、制御部６８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６２は、発振部６０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６４は、移相部６２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６４からの駆動信号は、振動波モータ１０に伝達され、この駆動信号の印加により振動体に進行波が発生し、移動子１５が駆動される。

回転検出部６６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６８に伝達する。

制御部６８は、レンズ鏡筒２０内またはカメラ１本体のＣＰＵからの駆動指令を基に振動波モータ１０の駆動を制御する。制御部６８は、回転検出部６６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６０の周波数を制御する。制御部６８は、回転方向に切換時には移相部６２の位相差を変更する。

本発明の振動波モータ１０の動作を説明すると、制御部６８から、駆動指令が発令されると、発振部６０は駆動信号を発生させる。駆動信号は移相部６２により９０度位相の異なる２つの駆動信号に分割され、増幅部６４により所望の電圧に増幅される。

弾性体１２の相対運動部材１５に対する裏側には主にＰＺＴの圧電体１３が接着させている。この圧電体１３に周期的な電圧である駆動信号を印加することによって、弾性体１２が振動する。

圧電体１３は円盤型の単板である。表面には電極面があり、第１相（Ａ相）と第２相（Ｂ相）が左右対称に配置されている。
圧電体１３に周期的な電圧を印加すると、定在波が発生する。Ａ相とＢ相の空間的配置は、発生する定在波の波長の１／４波長分（９０°）ずれて配置されている。
このＡ相とＢ相に時間的に９０°位相のずれた周期的な電圧を印加すると、Ａ相とＢ相でそれぞれ定在波が発生する。
そして圧電体１３に接着されている弾性体１２と共に振動し、波の合成によって進行波が発生する。この進行波の波頭により、回転子が持ち上げられ、そして進行波の移動に伴う摩擦力によって回転子が回転駆動を始める。

次に、振動波モータ１０の性能向上すなわち、高加圧かつ低電力化について説明する。
ここで、サンプルとした振動波モータについて、
Ａ：振動子１１から出せる力（トルク）に関係する力係数、
Ｋ：電気エネルギから出力への変換効率に関係する電気機械結合係数、
Ｑ：最高回転数、損失に関係する共振の鋭さ、
として、シミュレーション解析を行うと、Ａ×Ｋ×Ｑは、３８．９となる。

また、実機測定結果より、力係数Ａ、電気機械結合係数Ｋ及び共振の鋭さＱが変化した場合、振動波モータ１０の性能としては下記のように変化する事が分かっている。
Ａが０．０１上昇すると最大トルクが約４．９Ｎｍｍ上昇する。
Ｋが０．０１上昇すると起動可能電圧を約０．５Ｖ下げる事ができる（駆動回路の消費電力減）。
Ｑが１００上昇すると振動波モータ１０の有効電力が約２５ｍＷ下がる。

このことから、上記の３指標の掛け算であるＡ×Ｋ×Ｑをサンプルより上昇させることにより、振動子１１の性能が上昇し、より高加圧かつ低電力化する事ができると考えられる。

そこで、まず、圧電体１３の厚みＴ、進行波の波長λとし、Ｔ／λが異なる振動波モータを複数用意し、ヤング率ＥとＡ×Ｋ×Ｑとの関係を求めるシミュレーション解析を行った。
図６は、Ｔ／λが異なる複数の振動波モータ１０における、ヤング率ＥとＡ×Ｋ×Ｑとの関係を求めたシミュレーション解析の結果である。
なお、振動波モータ１０のサンプルは、弾性体１２がＳＵＳ３０３（ヤング率１９２ＧＰａ）で製造され、圧電体１３の厚みＴ（図２に図示）が０．５ｍｍで、進行波の波長λが２０ｍｍである。したがってＴ／λ＝０．０２５である。

図示するように、Ｔ／λが大きくなると、Ａ×Ｋ×Ｑも大きくなる傾向がある。
振動波モータ１０の性能をサンプルより向上させるためには、Ａ×Ｋ×Ｑが、の３８．９よりも上になるようにする。

図７は、図６の結果を、ヤング率ＥとＴ／λの関係として表したものである。
図７においては、図６でＡ×Ｋ×Ｑが３８．９を超えていた値をマル（○）とし、３８．９以下となっていた値をバツ（×）と、して表した。

ここで、上述のように、現行製品よりＡ×Ｋ×Ｑが向上する範囲、即ち図７においてマルのついているＴ／λの範囲を求める。
ただし、圧電体１３が厚くなりすぎると、分極する際に高電圧になりすぎ、ショートしやすくなるので、Ｔ／λの上限は０．１３５が限界である。

図７において斜線で示した領域が、上述の条件を満たすＴ／λである。これを数値で表すと、下記のようになる。
（１）弾性体１２のヤング率の値Ｅ［Ｇｐａ］が、１００＜Ｅ＜２００の場合
（ａ）Ｔ／λの上限値８．５×１０^−４×Ｅ−０．０３５（Ｅ＝ヤング率［Ｇｐａ］）
（ｂ）Ｔ／λの下限値０．０４２５
すなわち、０．０４２５＜Ｔ／λ＜８．５×１０^−４×Ｅ−０．０３５となる。

（２）弾性体１２のヤング率の値Ｅ［Ｇｐａ］が、２００≦Ｅ＜５００ＧＰａの場合
（ａ）Ｔ／λの上限値０．１３５
（ｂ）Ｔ／λの下限値０．０４２５
すなわち、０．０４２５＜Ｔ／λ＜０．１３５となる。

なお、圧電体１３の厚さＴが薄くなるとＣｄ（制動容量値）が上昇し、電力の消費量が増大し、供給可能な電力をオーバーする。
波長λが長くなると、ロータ剛性を高くしなければ低速の安定が悪くなるが、剛性を確保するにはサイズＵｐが必要となる。

ここで、ヤング率Ｅ及びＴ／λを変更することによりＡ×Ｋ×Ｑは変更されるが、弾性体１２が同じ形状の場合、Ａ×Ｋ×Ｑが変わると共振周波数は図８のように変化する。ここで共振周波数とは、振動波モータ１０の圧電体１３と弾性体１２とによって決まる値である。
サンプルの２７ｋＨｚより周波数が下がると、同じ回転数を出すためには、振幅を大きくする必要が生じ、それによって異音が発生しやすくなる。
したがって、振動波モータ１０は、図８に示すように、Ａ×Ｋ×Ｑが、サンプルを１として規格化した場合に１より大きく、且つ駆動信号の周波数が２７ｋＨｚ以上となる図中の領域Ｓに入るようにする。
なお、図中丸で囲った部分は、周波数を上げる寸法や密度で使用可能である。

共振周波数を調整方法としては、弾性体１２の密度を変更する方法や、ベース厚を変える方法がある。
（１）弾性体１２の密度変更による周波数調整
弾性体１２の密度と共振周波数の関係を図９に示す。図より概算すると、密度が１ｇ／ｃｍ^３変化すると、周波数は１．７５ｋＨｚ変化する。
すなわち
１．７５ｋＨｚ／（１ｇ／ｃｍ^３）
と言う関係になる。

（２）弾性体１２の溝部の厚み（ベース厚ｔｂ）の変更による調整
図１１は、ベース厚ｔｂを説明する図である。上記モデルにおいて、ベース厚ｔｂと共振周波数との間には図１０のような関係がある。図より概算すると、ベース厚ｔｂが１ｍｍ変化すると、周波数は、１８．５５ｋＨｚ変化する。
すなわち
１８．５５ｋＨｚ／（１ｍｍ）
と言う関係となる。

以上、本実施形態の振動波モータ１０は、
（１）弾性体１２のヤング率の値Ｅ［Ｇｐａ］が、１００＜Ｅ＜２００の場合
０．０４２５＜Ｔ／λ＜８．５×１０^−４×Ｅ−０．０３５
とする。
（２）弾性体１２のヤング率の値Ｅ［Ｇｐａ］が、２００≦Ｅ＜５００ＧＰａの場合
０．０４２５＜Ｔ／λ＜０．１３５
とする。
これにより、現行製品よりＡ×Ｋ×Ｑが向上する。このようにＡ×Ｋ×Ｑを現行製品より上昇させることにより、振動波モータ１０の性能が上昇し、より高加圧かつ低電力化する事ができる。

また、その際、共振周波数が２７ｋＨｚより小さくなる場合は、弾性体１２の密度、または弾性体１２の溝部の厚み（ベース厚ｔｂ）を変更し、共振周波数を２７ｋＨｚ以上とする。

以上、実施形態ついて説明したが、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：振動波モータ１１：振動子１２：弾性体１２ａ：駆動面１２ｃ：溝１３：圧電体１５：移動子２０：レンズ鏡筒

Claims

電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の振動を進行波に変換する弾性体と、
前記弾性体と接触し、前記進行波によって回転する相対運動部材と、
を備える振動波モータにおいて、
前記電気機械変換素子の厚みＴを前記進行波及び定在波の波長λで割ったＴ／λの値が、
前記弾性体のヤング率の値Ｅ［Ｇｐａ］が、１００＜Ｅ＜２００の場合、
０．０４２５＜Ｔ／λ＜８．５×１０^−４×Ｅ−０．０３５
である振動波モータ。
前記弾性体のヤング率の値Ｅ［Ｇｐａ］が、２００≦Ｅ＜５００ＧＰａの場合、
０．０４２５＜Ｔ／λ＜０．１３５
である請求項１に記載の振動波モータ。
前記電気機械変換素子と前記弾性体によって決まる共振周波数は、２７ｋＨｚ以上である
請求項１または２に記載の振動波モータ。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動波モータを備える光学機器。