JP6136137B2 - 振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラ - Google Patents

Description

本発明は、振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラに関するものである。

従来の進行波型振動アクチュエータの電気機械変換素子は、プラス電圧を印加して分極したプラス領域と、マイナス電圧を印加して分極したマイナス領域とが等しい角度（面積）で設けられている（特許文献１参照）。
また、アクチュエータの駆動トルクをより大きくしたい場合や起動特性を向上させたい場合は、駆動電圧の上昇等が行なわれている。

特開２００６−３４７２５７号公報

本発明の課題は、駆動電圧を上昇させることなく、大きな駆動トルクを得ることができる振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラを提供することである。

本発明の振動アクチュエータは、円環形状であり、周方向に分割された複数の第１分割領域と複数の第２分割領域とを有する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の振動により駆動力を発生する弾性体と、前記弾性体に加圧接触し、前記駆動力により、該弾性体に対して相対移動する相対移動部材と、を備え、該第１分割領域と該第２分割領域は、互いに逆方向に分極され、複数の前記第２分割領域のそれぞれは、前記周方向に沿って２つの前記第１分割領域の間に配置され、前記第１分割領域の径方向に沿った２つの縁辺によって形成される中心角は、前記第２分割領域の径方向に沿った２つの縁辺によって形成される中心角よりも大きい構成とした。

本発明によれば、大きな駆動トルクを得ることができる振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラ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。 レンズ鏡筒を説明する図であり、リング状の振動波モータをレンズ鏡筒に組み込んだ状態の図である。 振動子と移動子との一部破断斜視図である。 振動波モータおよび振動波モータの駆動装置を説明するブロック図である。 移相部によって分けられた２つの駆動信号の位相差と振動波モータの回転速度との関係を示したグラフである。 本実施形態の圧電体の分極割合を示す図である。 比較形態における圧電体の分極割合を示す図である。 圧電体に駆動信号を印加したときに発生する変位を示した図であり、図（ａ）は比較形態、（ｂ）は本実施形態を示す。 本実施形態の変形形態における圧電体の分極割合を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態の電子カメラ１を説明する図である。
本実施形態の電子カメラ１は、撮像光学系（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、バッファメモリ１１０と、記録インターフェイス１２０と、モニタ１４０と、操作部材９０と、メモリ１３０と、ＣＰＵ１００とから構成され、外部機器のＰＣ１００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では光学レンズ系を簡略化して、単レンズＬとして図示している。また、光学レンズ群の内、ＡＦ用の光学レンズＬは、振動波モータ１０の駆動により駆動される。

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、撮像光学系２０を通過した光束による被写体増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感度に応じて信号増幅）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４４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。

記録インターフェイス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が接続され、接続されたメモリカード１２１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。
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画像や操作メニューなどを表示する。
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。
メモリ１３０は、画像処理した一連の画像データを記録する。

図２は、レンズ鏡筒２０を説明する図であり、リング状の振動波モータ１０をレンズ鏡筒２０に組み込んだ状態の図である。また、図３は、振動子１１と移動子１５との一部破断斜視図である。

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、圧電体と称する）１３と、圧電体１３を接合した弾性体１２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が接合される接合面１２ｄの反対側は溝１２ｃが切ってある。そして、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。溝１２ｃ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１２ａの進行波の振幅を増幅させるためである。

圧電体１３は、後に詳述するが、円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれている。そして、各相においては、周方向に分割された第１分割領域１３Ａと、第１分割領域と分極方向が互いに逆方向である第２分割領域１３Ｂとが、１／２波長毎に一つずつ交互に配置されている（後述の図６参照）。

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、例えばフェルトの材質で製造されて降り、圧電体１３の下に配置されて、振動子１１の振動を加圧板１７や加圧部材１８に伝えないように機能する。
加圧板１７は、加圧部材１８の加圧を受ける。
加圧部材１８は、加圧板１７の下に配置され、加圧力を発生する。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、固定部材１４に固定される押さえ環１９に固定されることで、保持される。

移動子１５は、アルミニウムといった軽金属からなり、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の摺動面１５ａと反対側（図３のＺプラス方向、光軸方向被写体側）には、移動子１５の縦方向（図３のＺ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、さらにそのＺプラス方向には、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（Ｚ方向）と径方向とを規制している。これにより移動子１５は、加圧方向と径方向とが規制される。
出力伝達部材２４は、突起部２４ａがあり、そこからカム環３６に接続されたフォーク３５がかん合しており、出力伝達部材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が斜めに切られており、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。
固定部材１４は、押さえ環１９がネジにより取り付けられ、これを取り付けることで、出力伝達部材２４から移動子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ようになる。

図４は、振動波モータ１０および振動波モータ１０の駆動装置４０Ａ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４１について説明する。

発振部４２は、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。
移相部４３は、制御部４１の指令により、該発振部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、後述する振動波モータ１０の振動子１１に進行波が発生し、移動子１５が駆動される。

回転検出部４６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４１に伝達する。

制御部４１は、レンズ鏡筒２０内またはカメラ１本体のＣＰＵ１００からの駆動指令を基に振動波モータ１０の駆動および振動波モータ１０の動作を制御する。制御部４１は、回転検出部４６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４２の周波数や位相差等を制御する。

図５は、移相部４３によって分けられた２つの駆動信号の位相差と振動波モータ１０の回転速度との関係を示したグラフである。振動波モータ１０は、通常駆動時において、最も回転速度が速くなる位相差９０度で駆動されている。そして、位相差が０近くになると、弾性体１２の駆動面１２ａで発生する波は、進行波でなくなり定在波となり、移動子１５の回転は停止する。

図６は、本実施形態の圧電体１３の分極割合を示す図である。また、図７は比較形態における圧電体１１３の分極割合を示す図である。
本実施形態の圧電体１３及び比較形態の圧電体１１３は、円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれている。

まず、説明を容易にするために、図７の比較形態から説明する。
比較形態においては、Ａ相，Ｂ相のそれぞれにおいて、周方向に沿って分割された第１分割領域１１３Ａと第２分割領域１１３Ｂとが、１／２波長（中心角２２．５０°）毎に一つずつ交互に配置されている。第１分割領域１１３Ａと第２分割領域とは分極方向が逆向きである。
なお、中心角とは、分割領域の周方向の両端を通る２つの半径が挟む角であり、分割領域の径方向に沿った２つの縁辺を含む半径が成す角である。

第１分割領域１１３Ａは、図６で示す面（弾性体１２が接合される面と反対側の面）が、分極時にプラス電圧が印加された面である領域である（図中、「＋」の記号を付す）。また、第２分割領域１１３Ｂは、図６で示す面（弾性体１２が接合される面と反対側の面）が、分極時にマイナス電圧が印加された面である領域である（図中、「−」の記号を付す）。
Ａ相とＢ相との間には、３／４波長（１６．８７５°×２＝３３．７５°）分の間隔が空くようにして設けられた第１グランド領域１１３Ｇ１と、第１グランド領域１１３Ｇ１と中心を挟んで対向する領域に設けられた、１／４波長（１１．２５°）分の間隔が空くようにして設けられた第２グランド領域１１３Ｇ２とを有する。

一方、図６の本実施形態の圧電体１３も、Ａ相，Ｂ相のそれぞれにおいて、周方向に沿って分割された第１分割領域１３Ａと、第１分割領域１３Ａと分極方向が逆の第２分割領域１３Ｂとが、一つずつ交互に配置されている。
しかし、本実施形態の第１分割領域１３Ａと第２分割領域１３Ｂは、比較形態と異なり、その中心角が、１／２波長に相当する角度ではない。

本実施形態において、第１分割領域１３Ａの中心角は全て等しい第１角度の２４．５０°である。また、第２分割領域１３Ｂの中心角は全て等しい第２角度の２０．５０°である。
すなわち、第１分割領域１３Ａの中心角は、比較形態の２２．５０°から２°増加しており、第２分割領域１３Ｂの中心角は、比較形態の２２．５０°から、２°減少している。また、割合で表すと、第１分割領域１３Ａの中心角は、第２分割領域１３Ｂの中心角より１９．５％多い。

ただし、これに限定されず、第１分割領域１３Ａの中心角または第２分割領域１３Ｂの中心角の一方が、他方より１％〜３０％の面積増加であればよい。また、拡大、縮小の割合を逆、すなわち第１分割領域１３Ａの中心角を第２分割領域１３Ｂの中心角より小さくしても良い。

このように、第２分割領域１３Ｂの減少量は、第１分割領域１３Ａの増加量と等しい。そして、Ａ相とＢ相それぞれにおいて、図示するように、第１分割領域１３Ａの数が４、第２分割領域の数３である。すなわち第１分割領域１３Ａから始まって第１分割領域１３Ｂで終わっている。このため、Ａ相とＢ相それぞれにおいて、全体として第１分割領域１３Ａの１つの角度増加分（２°）、比較形態と比べて領域が増加している。

このため、本実施形態においては、第２グランド領域１３Ｇ２の角度がＡ相の角度増加分（２°）とＢ相の角度増加分（２°）、合計で４°減少している。
すなわち、第２グランド領域１３Ｇ２の角度は、比較形態の１１．２５°から４°減少した７．２５°となる。
なお、第１グランド領域１３Ｇ１は、本実施形態においても、３／４波長分（３３．７５°）の間隔が空くようにして設けられている。

図８は、圧電体１３，１１３に駆動信号を印加したときに発生する変位を示した図であり、図８（ａ）は比較形態、図８（ｂ）は本実施形態を示す。
図８（ａ）に示す比較形態の場合、第１分割領域１１３Ａと第２分割領域１１３Ｂの中心角、周方向の長さ、及び面積が等しい（分極比率が等しい）。
よって、例えば正弦波等の駆動信号を入力すると、図中Ｚ方向（圧電体１１３の厚み方向）の変位が、Ｚプラス方向とＺマイナス方向とで等しくなる。

これに対して、図８（ｂ）に示す本実施形態の場合、第１分割領域１３Ａと第２分割領域１３Ｂの中心角、周方向の長さ、及び面積が異なる（分極比率が異なる）。

このため、図８（ｂ）に示すように、第１分割領域１３Ａと第２分割領域１３Ｂの変位量が異なる。すなわち角度が大きい第１分割領域１３Ａの領域変位が大きくなる。したがって、圧電体１３が移動子１５を持ち上げる力が大きくなり、振動アクチュエータ１０の駆動トルクが大きくなる。
以上、本実施形態によると、圧電体１３の分極の角度配分を変化させるだけで、アクチュエータ１０の駆動トルクを大きくすることができる。また、駆動トルクが大きいので、起動性特性が向上した振動アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラを提供することができる。

（変形形態）
本発明は、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）上述の実施形態では、Ａ相の角度増加分（２°）とＢ相の角度増加分（２°）、合計で４°を、第２グランド領域１３Ｇ２の角度から減少させた。
しかし、これに限定されず、例えば図９に示すように、Ａ相の角度増加分（２°）とＢ相の角度増加分（２°）の合計（４°）を、第１グランド領域１３Ｇ１’と第２グランド領域１３Ｇ２’との両方から均等に減少させてもよい。
（２）また、Ａ相の角度増加分（２°）とＢ相の角度増加分（２°）の合計（４°）の全体を、第１グランド領域から減少させてもよい。
（３）第１グランド領域１３Ｇ１と第２グランド領域１３Ｇ２の面積を面積は変えないように、第１分割領域と第２分割領域との面積を調整してもよい。
（４）さらに、第２グランド領域の面積を増大させ、第１グランド領域の面積を減少させても良い。
（５）第１グランド領域と第２グランド領域の面積の増減をＡ相とＢ相とで変更してもよい。
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：振動波モータ、１１：振動子、１２：弾性体、１２ａ：駆動面、１２ｄ：接合面、１３：圧電体、１３Ａ：第１分割領域、１３Ｂ：第２分割領域、１３Ｇ１：第１グランド領域、１３Ｇ２：第２グランド領域、１５：移動子、１５ａ：摺動面、２０：レンズ鏡筒

Claims (7)

1. 円環形状であり、周方向に分割された複数の第１分割領域と複数の第２分割領域とを有する電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子の振動により駆動力を発生する弾性体と、
   前記弾性体に加圧接触し、前記駆動力により、該弾性体に対して相対移動する相対移動部材と、を備え、
   該第１分割領域と該第２分割領域は、互いに逆方向に分極され、複数の前記第２分割領域のそれぞれは、前記周方向に沿って２つの前記第１分割領域の間に配置され、
   前記第１分割領域の径方向に沿った２つの縁辺によって形成される中心角は、前記第２分割領域の径方向に沿った２つの縁辺によって形成される中心角よりも大きいこと、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の振動アクチュエータであって、
   前記第１分割領域の面積は前記第２分割領域の面積よりも大きいこと、
   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であって、
   前記第１分割領域の径方向に沿った２つの縁辺によって形成される中心角は、互いに等しい第１角度であり、
   前記第２分割領域の径方向に沿った２つの縁辺によって形成される中心角は、互いに等しく且つ前記第１角度とは異なる第２角度であり、
   前記第１角度と前記第２角度とは、互いに１〜３０％異なること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
4. 請求項３に記載の振動アクチュエータであって、
   前記電気機械変換素子は、
   互いに位相が異なる駆動信号が入力され、それぞれが、複数の第１分割領域及び複数の第２分割領域を含むＡ相とＢ相と、
   前記Ａ相と前記Ｂ相との間に設けられた第１グランド領域と、前記第１グランド領域に対して中心を挟んだ反対側における前記Ａ相と前記Ｂ相との間に設けられた第２グランド領域と、を含み、
   前記第１角度は、駆動信号の１／２波長に相当する角度から、所定の第３角度、増加させた角度で、
   前記第２角度は、駆動信号の１／２波長に相当する角度から、前記第３角度、減少させた角度で、
   前記第２グランド領域の径方向に沿った２つの縁辺によって形成される中心角は、駆動信号の１／４波長に相当する角度から、前記第３角度の２倍減少させた角度であること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
5. 請求項３に記載の振動アクチュエータであって、
   前記電気機械変換素子は、
   互いに位相が異なる駆動信号が入力され、それぞれが、複数の第１分割領域及び複数の第２分割領域、を含むＡ相とＢ相と、
   前記Ａ相と前記Ｂ相との間に設けられた第１グランド領域と、前記第１グランド領域に対して中心を挟んだ反対側における前記Ａ相と前記Ｂ相との間に設けられた第２グランド領域と、を含み、
   前記第１角度は、駆動信号の１／２波長に相当する角度から、所定の第３角度、増加させた角度で、
   前記第２角度は、駆動信号の１／２波長に相当する角度から、前記第３角度、減少させた角度で、
   前記第１グランド領域の中心角は、駆動信号の３／４波長に相当する角度から、前記第３角度、減少させた角度であり、
   前記第２グランド領域の中心角は、駆動信号の１／４波長に相当する角度から、前記第３角度、減少させた角度であること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えるレンズ鏡筒。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動アクチュエータを備えるカメラ。

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