JP4985796B2 - 振動波モータ、レンズ鏡筒及びカメラ - Google Patents

Description

振動波モータ、レンズ鏡筒及びカメラに関するものである。

振動波モータは、特許文献１等で公知の様に、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（以下、進行波と略する）を発生させるものである。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。この様な振動波モータは、低回転でも高トルクを有するという特徴がある。このため、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、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。

上記のような構成においては振動子と移動子が摩擦伝達している構成上、モータの効率や駆動特性が振動子と移動子の接触状態の影響を受ける。
例えば、移動子の剛性が低く、変形量が大きすぎると、振動子の振幅に追従して変形しすぎる為、進行波の節部（逆速度部）の影響を受け、低速回転時の駆動特性・効率が悪くなる。
逆に移動子の剛性が高く、変形量が小さすぎると、振動子の振幅が大きくなったときに接触状態が不安定になり、異音発生を引き起こす原因になる。
従来は、摺動材料の摩耗性不足から比較的振幅の小さい領域で駆動されていたため、上記課題は特に顕在化していなかったが、近年、駆動面の材料の耐摩耗性が進歩し、振動子に大きな振動振幅を発生させて駆動させた場合の摩擦磨耗量が低減したため、上記の課題が顕在化してきている。

特公平１−１７３５４号公報

これらのことから、変形量が適正な範囲となる移動子を用いることが、異音を防止し、駆動特性を向上するために重要と考えられる。

本発明は、好適な駆動性能が得られ、静寂に駆動可能な振動波モータ、レンズ鏡筒及びカメラ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。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

請求項１に記載の発明は、電気機械変換素子（１３）の振動により駆動面（１８ａ）に振動波を生じる振動子（１１）と、前記振動子（１１）の前記駆動面（１８ａ）に加圧接触される摺動面（１２ａ）を有し、前記振動波によって駆動される相対運動部材（１２）と、を備える振動波モータ（１０）において、前記相対運動部材（１２）の前記摺動面（１２ａ）を前記振動子（１１）の前記駆動面（１８ａ）に加圧接触させ、前記駆動面（１８ａ）に前記振動波を生じさせたときの、前記摺動面（１２ａ）に生じる加圧方向の変形量をｂ、前記振動子（１１）の駆動面（１８ａ）に発生する進行波の波長をλ、と定義した時、０．００９≦ｂ／λ≦０．０３（％）であること、を特徴とする振動波モータ（１０）である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動波モータ（１０）であって、該電気機械変換素子（１３）は、前記振動子（１１）における、前記駆動面（１８ａ）と反対側の面に接合され、前記電気機械変換素子（１３）には、互いに１／２波長異なる２つの相の電圧が交互に入力される電極が配置され、該電気機械変換素子（１３）の振動により、前記振動子（１１）の前記駆動面（１８ａ）に前記振動波が生じること、を特徴とする振動波モータ（１０）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（１０）において、前記振動子（１１）の前記駆動面（１８ａ）、または前記相対運動部材（１２）の前記摺動面（１２ａ）に耐久性の薄膜が塗布されていること、を特徴とする振動波モータ（１０）である。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の振動波モータ（１０）において、前記耐久性の薄膜は、ポリアミドイミドを主成分とし、ヤング率が４Ｇｐａ以上で、膜厚が５０μｍ以下であること、を特徴とする振動波モータ（１０）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ータ（１０）において、前記波長が４〜１５ｍｍであること、を特徴とする振動波モータ（１０）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ータ（１０）において、摺動する中心径が５ｍｍ〜４０ｍｍであること、を特徴とする振動波モータ（１０）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ータ（１０）において、前記相対運動部材（１２）の摺動部の高さＨが０．７（ｍｍ）≦Ｈ≦１．２（ｍｍ）であること、を特徴とする振動波モータ（１０）である。
請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の振動波モータ（１０）において、前記振動子（１１）と前記相対運動部材（１２）とを加圧接触している加圧力をＮとし、前記相対運動部材（１２）の摺動径をＤとするとＮ／πＤ＝ｐが０．２（Ｎ／ｍｍ）≦ｐ≦０．９（Ｎ／ｍｍ）の範囲であること、を特徴とする振動波モータ（１０）である。
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動波モータ（１０）と、該振動波モータ（１０）を駆動するための駆動装置と、を備えたレンズ鏡筒である。
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動波モータ（１０）と、該振動波モータ（１０）を駆動するための駆動装置と、を備えたカメラである。

本発明によれば、好適な駆動性能が得られ、静寂に駆動可能な振動波モータ、レンズ鏡筒及びカメラを提供することができる。

実施形態の振動波モータを備えるカメラを説明する図である。 実施形態の振動波モータを説明する図である。 移動子の摺動面の変形量ｂと振動子で発生している振動波の波長λを示した図である。

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、一実施形態の振動波モータ１０を備えるカメラ１を説明する図である。
カメラ１は、撮像素子８を有するカメラボディ２と、レンズ７を有するレンズ鏡筒３とを備えている。レンズ鏡筒３は、カメラボディ２に着脱可能な交換レンズである。なお、本実施形態では、レンズ鏡筒３は、交換レンズである例を示したが、これに限らず、例えば、カメラボディと一体型のレンズ鏡筒としてもよい。

レンズ鏡筒３は、レンズ７、カム筒６、ギア４，５、振動波モータ１０等を備えている。本実施形態では、振動波モータ１０から得られた駆動力は、ギア４，５を介してカム筒６に伝えられる。レンズ７は、カム筒６にレンズ枠７ａを介して保持されており、振動波モータ１０の駆動力により、光軸方向（図１中に示す、矢印Ｌ方向）に略平行に移動する。
図１において、レンズ鏡筒３内に設けられた不図示のレンズ群（レンズ７を含む）によって、撮像素子８の撮像面に被写体像が結像される。撮像素子８によって、結像された被写体像が電気信号に変換され、その信号をＡ／Ｄ変換することによって、画像データが得られる。

図２は、本発明の一実施形態の振動波モータ１０を説明する図である。
本実施形態では振動子１１側を固定とし、相対運動部材（移動子）１２を駆動する様になっている。

振動子１１は、後で説明する様に電気エネルギを機械エネルギ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１４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４波または９波の進行波として説明する。

弾性体１４は、共振先鋭度が大きな金属材料から成り、形状は、円環形状となっている。圧電体１３が接合される反対面には溝１７が切ってあり、突起部分１８（溝１７がない箇所）の先端面が駆動面１８ａとなり移動子１２に加圧接触される。
溝１７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１８ａの進行波の振幅を増幅させるためである。溝１７の切っていない部分を本実施形態ではベース部１９と呼ぶ。そのベース部１９の溝１７側とは反対面に圧電体１３を接合する。

弾性体１４の駆動面１８ａには、高速駆動した時の耐磨耗性確保のため、潤滑性の表面処理がなされている。その材料は、ポリアミドイミドを主成分とし、ＰＴＦＥが添加された物であり、物性としてはヤング率が４〜８ＧＰａ程度、厚さ５０μｍ以下とされている。

圧電体１３表面には電極（図示せず）が配置され、それは円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれている。各相においては、１／２波長毎に交互に分極され、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔が空く様に電極が配置されている。

移動子１２は、アルミニウムといった軽金属からなり、摺動面１２ａの表面には耐摩耗性向上のためのアルマイト処理が成されている。

出力軸２０は、ゴム部材２１を介して移動子１２に結合され、移動子１２と一体に回転する様にされている。出力軸２０と移動子１２との間のゴム部材２１は、ゴムによる粘着性で移動子１２と出力軸２０を結合する機能と、移動子１２からの振動を出力軸２０へ伝えないための振動吸収との機能が求められており、ブチルゴム等が好適である。

加圧部材２２は、出力軸２０に固定されたギア部２３とベアリング受け部材２４との間に設けられている。ギア部２３材は軸のＤカットにはまるように挿入され、Ｅクリップ等のストッパー２５で固定され、回転方向および軸方向に出力軸２０と一体になるようにされている。また、ベアリング受け部材２４はベアリング２６内径側に挿入され、ベアリング２６は固定部材２７の内径側に挿入された構造となっている。
この様な構造とることで、移動子１２が振動子１１駆動面１８ａに加圧接触される。

次に、本実施形態で用いる移動子１２について詳細に説明する。
上述のように、移動子１２は、振動子１１の駆動面１８ａに加圧接触しているため、進行波に沿って摺動面１２ａが変形する。その変形量ｂをｂ値としたときに、その変形量ｂが大きすぎると、振動子１１の振幅に対して変形しすぎる為、進行波の節部（逆速度部）の影響を受け、低速回転時の駆動特性・効率が悪くなる。逆に変形量ｂが小さすぎると、振動子１１の振幅が大きくなったときに接触状態が不安定になり、異音発生を引き起こす原因になる。

その変形量ｂの大きさは下記式にて近似される。

ｂ＝１／３８４×ｐ×λ^４÷（Ｅ×（Ｂ×Ｈ^３／１２）） （１）

ここで、
λ：振動子１１で発生している波の波長（ｍｍ）
ｐ：荷重（Ｎ）÷（Ｄ×π） 単位長さあたりの荷重（Ｎ／ｍｍ）
Ｅ：移動子１２の摺動部のヤング率（Ｎ／ｍｍ^２）
Ｂ：移動子１２の摺動部の幅（ｍｍ）
Ｈ：移動子１２の摺動部の高さ（ｍｍ）
である。

Ｂ、Ｈの値は図２に示すように、移動子１２の摺動部の幅、高さである。図２では摺動部の支持部材が内径側に延びているが、外径側に延びていても同じ定義である。また、摺動面１２ａに高分子材の摺動材料が貼られている場合には、摺動材料は金属よりもヤング率が極めて小さいため、摺動材料の部分を除いた部分で定義する。

本実施形態では、変形量ｂの適正な範囲についての検討を行った。その結果、移動子１２において適正な変形量ｂは存在するが、その変形量ｂの範囲は、振動波モータ１０の種類により異なることが判明した。しかし、検討を重ねた結果、変形量ｂを、振動波モータ１０で発生している波長λで割った値（ｂ／λ）において、振動波モータ１０の大きさ等に関係のない適正な範囲が存在することがわかった。
以下、そのｂ／λの適正な範囲を小型の振動波モータ１０と、円環型の振動波モータ１０について求めた実験結果について説明する。
なお、小型の振動波モータ１０における好ましい範囲は、λについて４ｍｍ〜１５ｍｍである。移動子１２が摺動する摺動径Ｄ（図２に図示）は５ｍｍ〜４０ｍｍである。移動子１２の摺動部の高さＨは０．７（ｍｍ）≦Ｈ≦１．２（ｍｍ）である。加重ｐは０．２（Ｎ／ｍｍ）〜０．９（Ｎ／ｍｍ）である。

［実験結果１］
摺動径Ｄ＝１０．６ｍｍ、波数＝４、波長８．３３ｍｍの小型の振動波モータ１０において、変形量ｂを変更して異音特性及び駆動特性について調べた結果を表１に示す。

Ｎｏ．１−ａは、ｂ／λ＝０．００９６６４の場合である。異音発生は無く、また、駆動特性も問題はない。

Ｎｏ．１−ｂは、Ｎｏ．１−ａに対して移動子１２の摺動部の高さＨを小さくし、かつ加圧力ｐを高くした場合であり、ｂ／λは０．０３０８４９となる。この場合、移動子１２の変形量ｂがさらに大きくなり、振動子１１との接触状態が密になるため異音は発生しない。また、低振幅時（低速駆動時）に進行波の逆速度部の影響を受け、駆動効率が極端に低下しており、弊害として表れている。

Ｎｏ．１−ｃは、Ｎｏ．１−ａに対して移動子１２の摺動部の高さＨを大きくした場合であり、ｂ／λは０．００６４７４となる。この場合、振動子１１の変形量ｂが小さくなり、振動子１１の振幅が大きい場合に振動子１１の振動力を吸収できずに異音が発生する。

Ｎｏ．１−ｄは、Ｎｏ．１−ａと比べて加圧力ｐを小さくした場合であり、ｂ／λは０．００７９５９となる。加圧力ｐが小さいと、加圧による抑えが効かず、ｂが見かけ上小さくなるため、異音が発生する。

Ｎｏ．１−ｅは、Ｎｏ．１−ａと比べて加圧ｐを大きくした場合であり、ｂ／λは０．０１１３７０となる。この場合、異音及び駆動特性も問題は無い。

［実験結果２］
摺動径Ｄ＝５７．３ｍｍ、波数＝９、波長２０．００ｍｍの円環型の振動波モータ１０を使用した場合における、異なるｂ／λに対する異音特性及び駆動特性の検討結果を表２に示す。

Ｎｏ．２−ａは、ｂ／λ＝０．０１０６８１の場合である。異音発生は無く、また、駆動特性も問題はない。

Ｎｏ．２−ｂは、Ｎｏ．１−ａに対して移動子１２の摺動部の高さＨを小さくした場合であり、ｂ／λは０．０２５３１９となる。この場合、移動子１２の変形量ｂが大きくなり、振動子１１との接触状態が密になるため異音は発生しない。ただし、低振幅時（低速駆動時）に進行波の逆速度部の影響を受け、駆動効率の低下が弊害として表れ始めている。

Ｎｏ．２−ｃは、Ｎｏ．２−ａに対して移動子１２の摺動部の高さＨを大きくした場合であり、ｂ／λは０．００７５０２となる。この場合、振動子１１の変形量ｂが小さくなり、振動子１１の振幅が大きい場合に振動子１１の振動力を吸収できずに異音が発生する。

Ｎｏ．２−ｄは、Ｎｏ．２−ａと比べて加圧力ｐを小さくした場合であり、ｂ／λは０．００６９２３となる。加圧力ｐが小さいと、加圧による抑えが効かず、ｂが見かけ上小さくなるため、異音が発生する。

Ｎｏ．２−ｅは、Ｎｏ．２−ａに対し、移動子１２の摺動部の高さＨをさらに小さくした場合であり、ｂ／λは０．０３２８７１となる。この場合、移動子１２の変形量ｂがさらに大きくなり、振動子１１との接触状態が密になるため異音は発生しない。また、低振幅時（低速駆動時）に進行波の逆速度部の影響を受け、駆動効率が極端に低下しており、弊害として表れている。
以上、表２においても、上記表１で示した実験結果と同様の傾向が見られる。

上記、実験結果１及び実験結果２をまとめたものが表３である。

表３に示すように、異音発生と駆動特性の両方を満足するｂ／λの範囲は、０．００９≦ｂ／λ≦０．０３となる。

上述したように、弾性体の駆動面１８ａには潤滑性の表面処理がなされている。その材料は、ポリアミドイミドを主成分とし、ＰＴＦＥが添加された物であり、物性としてはヤング率が４ＧＰａ以上、厚さが５０μｍ以下である。
表面の潤滑材料のヤング率がこれ以上小さい場合や、厚さがこれ以上大きい場合には、移動子１２の摺動面１２ａの接触する駆動面１８ａの箇所に、食い込み変形が生じ、複雑な摩擦駆動となる可能性がある。このため、０．００９％≦ｂ／λ≦０．０３において、良好な異音特性及び駆動特性を確実に得るには、ヤング率が４ＧＰａ以上、厚さが５０μｍ以下であることが好ましいと考えられる。

なお、振動子１１の駆動面１８ａが金属材料または金属メッキであり、移動子１２の摺動面１２ａが金属材料または金属メッキという組み合わせでは、金属同士の摩擦駆動のため、移動子１２の変形量ｂを大きくすると駆動速度が大きい場合に摩擦磨耗が激しくなる。このため、通常、ｂ値をλに対し大きくすることができない。このような場合は、ｂ／λも小さく、ｂを大きくしたときに発生する駆動特性の問題に対する検討はあまり必要ない可能性がある。

しかし、近年、駆動面１８ａまたは摺動面１２ａにヤング率が大きく、薄い潤滑皮膜を施し、振動振幅を大きくして駆動速度を上げた際の摩擦磨耗を低減することが可能となってきた。この場合、ｂを大きくすることが可能となる。このような摩擦磨耗が低い場合において、本実施形態の効果がより顕著に表れる。

ただし、従来の振動子１１駆動面１８ａが金属材料か、金属メッキ、移動子１２摺動面１２ａが金属材料か、金属メッキという組み合わせにおいても、高速駆動時の摩擦磨耗が発生しない場合は、本実施形態の効果は十分に表れる。

以上、本実施形態によると、進行波の波数、波長が異なっていても、０．００９％≦ｂ／λ≦０．０３％の範囲が好適であり、この範囲に移動子１２の材質・形状または加圧条件を設定することで、静寂かつ、駆動特性に優れた進行波型振動波モータ１０が進行波の波数、波長によらず得られる。
なお、本実施形態では、進行性振動波を用いた振動波モータ１０で、波数４、９の場合を開示したが、他の波数、５、６、７、８、１０以上でも、同様な手段により、同様な効果が得られると考えられる。

１：カメラ、３：レンズ鏡筒、１１：振動子、１２：移動子、１２ａ：摺動面、１３：圧電体、１４：弾性体、１８ａ：駆動面

Claims (10)

1. 電気機械変換素子の振動により駆動面に振動波を生じる振動子と、
   前記振動子の前記駆動面に加圧接触される摺動面を有し、前記振動波によって駆動される相対運動部材と、
   を備え、
   前記相対運動部材の前記摺動面を前記振動子の前記駆動面に加圧接触させ、前記駆動面に前記振動波を生じさせたときの、前記摺動面に生じる加圧方向の変形量をｂ、
   前記振動子の駆動面に発生する進行波の波長をλ、
   と定義した時、
   ０．００９≦ｂ／λ≦０．０３（％）であること、
   を特徴とする振動波モータ。
2. 請求項１に記載の振動波モータであって、
   該電気機械変換素子は、前記振動子における、前記駆動面と反対側の面に接合され、
   前記電気機械変換素子には、互いに１／２波長異なる２つの相の電圧が交互に入力される電極が配置され、
   該電気機械変換素子の振動により、前記振動子の前記駆動面に前記振動波が生じること、
   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、
   前記振動子の前記駆動面、または前記相対運動部材の前記摺動面に耐久性の薄膜が塗布されていること、
   を特徴とする振動波モータ。
4. 請求項３に記載の振動波モータにおいて、
   前記耐久性の薄膜は、ポリアミドイミドを主成分とし、ヤング率が４Ｇｐａ以上で、膜厚が５０μｍ以下であること、
   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ータにおいて、
   前記波長が４〜１５ｍｍであること、
   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ータにおいて、
   摺動する中心径が５ｍｍ〜４０ｍｍであること、
   を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ータにおいて、
   前記相対運動部材の摺動部の高さＨが０．７（ｍｍ）≦Ｈ≦１．２（ｍｍ）であること、
   を特徴とする振動波モータ。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
   前記振動子と前記相対運動部材とを加圧接触している加圧力をＮとし、前記相対運動部材の摺動径をＤとするとＮ／πＤ＝ｐが０．２（Ｎ／ｍｍ）≦ｐ≦０．９（Ｎ／ｍｍ）の範囲であること、
   を特徴とする振動波モータ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動波モータと、該振動波モータを駆動するための駆動装置と、を備えたレンズ鏡筒。
10. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動波モータと、該振動波モータを駆動するための駆動装置と、を備えたカメラ。

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