JP5164397B2 - 振動アクチュエータ及び該振動アクチュエータを備えた光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、異物除去機能を有する光学機器に関するものである。

弾性体や高摩擦材に圧電素子を圧着し、複数の交流電圧を印加することにより楕円運動を励起することで、推進駆動力を得る振動アクチュエータが知られている。

この振動アクチュエータでは振動子と固定子の接触面に、塵埃やアクチュエータ自体の磨耗粉が付着すると、耐久性の低下や異音の発生等の問題が生ずる。この問題を解決する方法として、特許文献１では振動アクチュエータの超音波振動により振動子に楕円運動を生じさせ、この楕円運動によって運動部材を相対運動させることによる塵埃除去手段を有し、摺動動作等により異物の除去を行っている。また特許文献２では、塵埃除去部材を多孔質物質により形成し、摺動動作により異物の除去を行っている。

特開平１１−１８４４６号公報 特開２００４−１８７３８４号公報

上述したように、従来では振動アクチュエータ自体に付着した異物除去は摺動動作により行っている。しかし、この摺動動作による異物除去は、ブラシやフェルト、多孔質部材等から成る除去部材が必要であるため、コストアップとなったり、振動アクチュエータが通常の動作を開始するまでに時間がかかるという問題がある。また、異物除去を実行するタイミングについての明確な提案はない。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、振動により異物を確実に除去することが可能な光学機器を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る光学機器の技術的特徴は、振動を発生する振動子及び該振動子に接触する固定子を有し、かつ前記振動子に周期電圧を印加することによりレンズ群を光軸方向に移動させる振動アクチュエータと、前記レンズ群の基準位置を検出する基準位置検出センサとを備える光学機器において、前記基準位置検出センサによる前記レンズ群の基準位置の検出動作前に、前記振動子に定在波の周期電圧を断続的に印加する異物除去振動動作を行うことにある。

本発明に係る光学機器によれば、通常動作前に短時間で異物除去動作を完了することができると共に、低コストで耐久性の向上及び静音化を実現することが可能となる。

また、異物を吸着する吸着手段を設けることで、異物が再度付着することを防止できる。

更に、周期電圧の印加を断続的に行うことで、振動子の駆動周波数に依存することなく、異物除去に適した振動を振動子及び固定子により励振することができる。

本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１の直動型の振動アクチュエータを用いた光学機器の断面図である。
固定鏡筒１内にレンズホルダ２が設けられ、このレンズホルダ２にフォーカスレンズ或いは変倍レンズ等のレンズ群３が保持されている。また、レンズホルダ２はスリーブ４を介して保持バー５に取り付けられ、レンズホルダ２、レンズ群３は光軸方向への直進駆動を可能とされている。

レンズホルダ２には圧電素子を用いた振動子６が固定され、振動子６は固定鏡筒１に固定された固定子であるスライダ７と接触している。また固定鏡筒１内には、レンズ群３の基準位置を検出する基準位置検出センサ８が設けられ、更にレンズ群３の位置は位置検出センサ９により検出されるようになっている。

スライダ７は高摩擦係数と摩擦耐久性を兼ね備えた材料で形成され、振動子６と加圧状態で接触しており、振動子６とスライダ７により振動アクチュエータ１０が構成されている。

一般的な振動アクチュエータ１０では、振動子６を形成する圧電素子に複数回の周期電圧を断続的に印加することで、曲げモード＋曲げモード或いは曲げモード＋伸縮モードなどの駆動モードを励起する。この駆動モードにより、振動子６を楕円運動させることで、スライダ７に対して相対的な駆動力を得ている。

図２は振動子６に印加する周期電圧の駆動周波数ｆと駆動速度との関係を示している。振動子６に印加する周期電圧を１つだけとすることで、曲げモードや伸縮モード等の単一モードで励振することが可能である。また、複数の周期電圧信号同士の位相を０°或いは１８０°ずらすことで、推力を得ることなく、振動アクチュエータ１０は静止した状態で振動子６を励振することが可能である。この場合の駆動信号は定在波であり、本実施例ではこの定在波を用いて振動子６やスライダ７に付着した異物を振るい落す。更に、この振動はレンズ群３にも伝達されるため、レンズ群３に付着した異物の除去も可能である。

しかし、定在波による振動が最も効率的に得ることが可能な共振周波数ｆ０は数１０ｋＨｚ以上であり、スライダ７やレンズ群３の共振周波数とは異なる場合がある。そのため、図３に示すように数１０ｋＨｚの定在波の周期電圧を断続的に加えることで、駆動周波数よりも低い周波数の振動を擬似的に発生させることが可能である。このような異物除去振動周波数はスライダ７やレンズ群３の共振周波数、或いは付着している異物の大きさを加味して設定することが望ましい。

定在波の周期電圧を断続的に加える際に２種類の方法が考えられる。１つには、定在波と非通電（又は定電位）を周期的に切換える方法である。この場合に、振動アクチュエータは移動することなく、定在波振動と停止状態が繰り返され、この繰り返し動作を異物除去振動として利用する方法である。他の１つは定在波と進行波を繰り返し印加する方法である。この方法では、振動アクチュエータは断続的に定在波振動と移動を繰り返し、この繰り返し動作を異物除去振動として利用する。つまり、振動アクチュエータを徐々に移動しながら、所望の異物除去振動を得ることが可能である。

このような異物除去動作を行うと振動音が発生する。例えば、本手段をビデオカメラに用いた場合に、通常撮影中に振動音が録音されてしまう可能性がある。そこで、基準位置検出動作前や検出期間中に実施することで、短時間で効率的に異物除去を行うことが可能となる。

レンズ群３を振動アクチュエータ１０により駆動するには、振動子６に外部から電気信号を印加することで、振動子６が励振され楕円運動が発生し、レンズ群３は矢印方向に移動する。つまり、振動アクチュエータ１０では、振動子６とスライダ７との間に発生する摩擦力を利用して推力を得ている。そのため、摩擦を阻害するような塵埃が摩擦面に付着すると、耐久性の低下や異音の発生の原因となり性能が劣化する。なお、振動子６とスライダ７の位置を入れ換えても、同様の振動アクチュエータ１０を構成することができる。

基準位置検出センサ８にはフォトインタラプタなどが使用され、レンズ群３と一体となって移動するレンズホルダ２等の移動部材に遮光部を設け、移動部材の移動に応じて遮光部が光路を遮ぎることにより駆動時等の基準位置を検出できる。これにより、出力がハイレベルからローレベル又はローレベルからハイレベルに変化するので、出力が変化した時点での位置を基準位置とすることができる。

また、作動中のレンズ群３の位置は位置検出センサ９により検出される。位置検出センサ９では、例えばレンズ群３の移動部に取り付けられた光学式スケールに対して、固定鏡筒１側に配置された発光部と受光部により、光学式スケールに刻まれたパターンを光学的に検出することができる。また、所定ピッチで着磁された磁気パターンを磁気抵抗素子の変化を検出することで位置を検出するセンサ等もある。

図４は振動アクチュエータ１０のブロック回路構成図であり、フィードバック制御系が構成されている。目標位置発生回路１１の出力は、減算器１２を介して通常駆動制御回路１３に接続されている。通常駆動制御回路１３の出力と振動発生回路１４の出力とは、駆動モード切換回路１５によって駆動される切換器１６により択一的に選択され、モータドライバ１７を介し振動アクチュエータ１０に接続されている。振動アクチュエータ１０の出力は、基準位置検出センサ８、位置検出センサ９に並列的に接続され、位置検出センサ９の出力は信号処理回路１８を経て、基準位置演算回路１９に接続されると同時に減算器１２にフィードバックされている。また、基準位置検出センサ８の出力は基準位置演算回路１９に接続され、基準位置演算回路１９の出力は目標位置発生回路１１に接続されている。

通常のレンズ群３の駆動動作を行う場合には、目標位置発生回路１１は振動アクチュエータ１０が向かうべき目標位置を指示し、振動アクチュエータ１０の位置は位置検出センサ９により検出され、信号処理回路１８により所望の信号に変換される。例えば、位置検出センサ９の出力がパルス信号の場合に、これを信号処理回路１８で計数することにより、振動アクチュエータ１０の現在位置を検出することが可能である。減算器１２は目標位置発生回路１１と信号処理回路１８のそれぞれの位置信号とから位置偏差信号を生成する。

この位置偏差信号は通常駆動制御回路１３に入力され、通常駆動制御回路１３は偏差値がゼロとなるように所望の電圧・電流に変換した駆動信号をモータドライバ１７に送信し、振動アクチュエータ１０を駆動する。基準位置演算回路１９は信号処理回路１８が出力する位置情報と基準位置検出センサ８が出力する基準位置情報から、レンズ群３の位置情報の絶対値化を行う。この基準位置検出動作は機器の電源投入直後の起動時に行うことが一般的である。

振動アクチュエータ１０により異物除去を行う場合には、駆動モード切換回路１５は切換器１６を介して通常駆動制御回路１３との接続を切断し、振動発生回路１４の出力をモータドライバ１７に接続する。振動発生回路１４は振動子６に対して異物除去に適した励振をするための定在波を発生する。

図５は実施例１の異物除去振動動作のフローチャート図である。

（ステップＳ１１）装置の電源投入後に、駆動モード切換回路１５により切換器１６を介して、振動発生回路１４の出力をモータドライバ１７に接続し駆動モードの切換えを行い、異物除去駆動モードにする。

（ステップＳ１２）振動発生回路１４は前述した定在波を発生させることで、振動アクチュエータ１０は振動により振動子６、スライダ７、レンズ群３に付着した異物を除去する。その際に、定在波の周期電圧を断続的に加えることで、駆動周波数よりも低い周波数の振動を擬似的に発生させることが可能である。これにより異物除去を効率的に行うことができる。

（ステップＳ１３）駆動モード切換回路１５により、通常駆動制御回路１３の出力をモータドライバ１７に接続し、駆動モードをフィードバック制御による通常駆動モードに切換える。

（ステップＳ１４）通常駆動により振動アクチュエータ１０を駆動し、レンズ群３の基準位置の検出動作を行う。基準位置検出センサ８がフォトインタラプタの場合に、フォトインタラプタの出力のハイレベルとローレベルの切換わりを検出するように、振動アクチュエータ１０を光軸方向に移動させる。この際に、振動アクチュエータ１０の位置が基準位置検出センサ８から遠い場合は、基準位置検出センサ８まで推進動作中に摺動動作を兼ねることが可能である。つまり、可動部にブラシ等の異物除去部材を設置すれば、摺動により異物を払うこともできる。

（ステップＳ１５）基準位置検出センサ８の出力信号からレンズ群３の基準位置を検出及び算出し、レンズ群３の位置を絶対値化する。

上述したように、基準位置検出の動作前に異物除去振動駆動を行うことで、スライダ７や振動子６、レンズ群３に付着した塵埃を振るい落とすことが可能であり、通常動作移行後の不具合を改善することが可能である。更に、異物除去のための摺動動作を行う必要がなく、短時間で異物を除去できる。

図６は実施例２の光学機器の断面図を示し、実施例１と同等の部材は同じ符号を付している。

固定鏡筒１には振動子６、スライダ７から成る振動アクチュエータ１０の磨耗粉や塵埃を吸着するための吸着材２１が設けられている。これにより、異物除去振動動作後に振るい落とされた塵埃が、再び振動アクチュエータ１０やレンズ群３に付着することを防止することができる。なお、吸着材２１を用いることで、異物が再び付着することを軽減することもできる。

図７は実施例２の異物除去振動動作のフローチャート図である。

（ステップＳ２１）装置の電源投入後に、駆動モードの切換えを行い異物除去駆動モードにする。

（ステップＳ２２）振動発生回路１４から定在波を発生させることで、振動アクチュエータ１０により異物を除去する。その際に、定在波の周期電圧を断続的に加えることで、駆動周波数よりも低い周波数の振動を擬似的に発生させることが可能である。これにより異物除去を効率的に行うことができる。

（ステップＳ２３）振動アクチュエータに定在波と進行波を周期的に印加するために、駆動モード切換回路１５により、通常駆動制御回路１３と振動発生回路１４への接続を周期的に切換える。切換周期は装置や移動部の共振周波数、或いは付着している異物の大きさを加味して設定するとよい。

（ステップＳ２４）被写体方向に振動アクチュエータ１０を断続的に駆動しながら、基準位置検出の検出を行う。その際に、駆動可能な端位置まで移動することにより、異物除去部材による異物除去を兼ねた摺動動作が可能である。また、機構端に突き当て動作を行うようにすれば、突き当ての衝撃による異物除去も可能である。

（ステップＳ２５）撮像面方向に振動アクチュエータ１０を駆動しながら、レンズ群３の基準位置検出の検出を行う。この際にも、駆動可能な端位置まで移動することにより、異物除去のための摺動動作を兼ねることができる。

（ステップＳ２６）通常駆動モードにより振動アクチュエータ１０を駆動し、基準位置の検出動作を行う。

（ステップＳ２７）基準位置検出センサ８の出力信号から基準位置を検出及び算出し、レンズ群３の位置を絶対値化する。

上述したように、基準位置の検出動作前或いは基準位置の検出動作中に異物除去振動駆動を行うことで、スライダ７や振動子６、レンズ群３に付着した塵埃を振るい落とすことが可能であり、通常駆動モードへの移行後の不具合を改善することが可能である。また、振動アクチュエータ１０は基準位置検出と摺動による異物除去動作を兼ねることで、短時間かつ効果的に異物除去を実現できる。

実施例１の光学機器の断面図である。 振動アクチュエータの特性図である。 異物除去振動動作の駆動波形図である。 振動アクチュエータのブロック回路構成図である。 動作フローチャート図である。 実施例２の光学機器の断面図である。 動作フローチャート図である。

符号の説明

１ 固定鏡筒
２ レンズホルダ
３ レンズ群
６ 振動子
７ スライダ
８ 基準位置検出センサ
９ 位置検出センサ
１０ 振動アクチュエータ
１１ 目標位置発生回路
１２ 減算器
１３ 通常駆動制御回路
１４ 振動発生回路
１５ 駆動モード切換回路
１６ 切換器
１７ モータドライバ
１８ 信号処理回路
１９ 基準位置演算回路
２１ 吸着材

Claims (6)

1. 振動を発生する振動子及び該振動子に接触する固定子を有し、かつ前記振動子に周期電圧を印加することによりレンズ群を光軸方向に移動させる振動アクチュエータと、前記レンズ群の基準位置を検出する基準位置検出センサとを備える光学機器において、
   前記基準位置検出センサによる前記レンズ群の基準位置の検出動作前に、前記振動子に定在波の周期電圧を断続的に印加する異物除去振動動作を行うことを特徴とする光学機器。
2. 異物除去振動動作は、前記振動子に定在波の周期電圧を断続的に印加して、定在波振動と停止状態とを繰り返すことで行うことを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
3. 異物除去振動動作は、前記振動子に定在波の周期電圧と進行波の周期電圧を繰り返し印加して、定在波振動と進行波振動とを繰り返すことで行うことを特徴とする請求項１に記載の光学機器。
4. 前記定在波の振動周波数は前記固定子の共振周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学機器。
5. 前記異物除去振動動作を行った後、前記振動子に進行波の周期電圧を印加して前記基準位置の検出動作を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学機器。
6. 異物を吸着する吸着手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学機器。

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