JP6221522B2 - 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。

超音波モータでは、使用されて実際に位置制御を行なう場合に、モータへの通電をオフすることで目標位置に停止させているものが存在する（例えば、特許文献１）。

しかし、超音波モータではモータへの通電をオン／オフすることにより起動／停止を行った場合に、通電をオン／オフするタイミングに伴い、モータ側から異音が発生するといった問題があった。

特許第３７８９０１７号公報

そこで本発明の課題は、モータ側の異音が発生するといった問題を解決す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。

本発明は、以下のような解決手段により前記課題を解決する。
請求項１の発明は、電圧の印加により変位する素子と、駆動信号が入力された前記素子の振動により所定の振動モードの振動で駆動面に振動波を生じる弾性体と、前記弾性体の駆動面に接触し、前記振動波によって駆動される移動子と、を有する振動アクチュエータ本体を有し、入力信号の周波数によって前記移動子の回転又は停止を切り替える制御部を有し、前記制御部は、前記移動子が回転しない所定の周波数領域まで入力信号の周波数を掃引し、前記振動アクチュエータ本体を停止保持する周波数範囲をｆstop、前記振動アクチュエータ本体の駆動に使用する振動モードの共振周波数をｆｎ、前記ｆｎに対し高周波数側の隣の振動モードの共振周波数をｆｎ＋１とした場合に、前記ｆstopは、下記の数式（１）で設定された周波数範囲にて停止保持して前記振動アクチュエータ本体への通電を行った状態のまま、前記移動子の停止を行うこと、を特徴とする振動アクチュエータである。
請求項２の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータであって、前記制御部は、前記周波数範囲ｆstopを記憶する記憶部を有すること、を特徴とする振動アクチュエータである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータを備えるレンズ鏡筒である。
請求項４の発明は、請求項３に記載のレンズ鏡筒を備え、静止画撮影モード、動画撮影モードを選択する選択部を有し、前記選択部が前記動画撮影モードを選択した場合に、使用者による動画撮影中に、前記振動アクチュエータ本体の前記移動子の停止を行う制御装置を有すること、を特徴とするカメラである。

本発明によれば、モータの異音を低減することができる。

本実施形態の振動アクチュエータを備えるカメラを説明する図である。 本実施形態の振動アクチュエータを説明する図である。 本実施形態のカメラの制御を説明する制御ブロック図である。 本実施形態の振動アクチュエータの共振特性を説明する図である。 本実施形態の振動アクチュエータの回転数／周波数特性を説明する図である。

以下、本発明にかかる超音波モータ３０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、本発明の実施の形態を適用した光学装置としてのカメラ１の構成図である。
カメラ１は、カメラボディ１０と、レンズ鏡筒２０とを備えている。レンズ鏡筒２０は、カメラボディ１０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２０が交換可能な例を示したが、これに限らず、例えば、カメラボディとレンズ鏡筒が一体型のカメラであってもよい。

カメラボディ１０は、撮像素子１１と、制御装置１２と、ＡＦセンサ１３、スピーカ２５、選択部２６（選択スイッチ）等を備えている。
撮像素子１１は、レンズ鏡筒２０によってその撮像面に結像された画像を電気信号に変換して出力する、たとえば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子である。
制御装置１２は、レンズ鏡筒２０におけるフォーカス群の移動量演算や、当該カメラ１全体の制御を行う。
ＡＦセンサ１３は、焦点検出を行うためのたとえばＣＣＤラインセンサ等である。
マイクロフォン２５は、録画モードで電源がオンされると並行して音声データの取得を行い、動画データと関連付けられて取り込みを行う。
選択部２６は、静止画撮影モード、動画撮影モードを選択する機能を有するスイッチであり、使用者のＯＮ／ＯＦＦによって、選択可能である。

レンズ鏡筒２０は、合焦レンズ２１を含む図示しないレンズ群からなる結像光学系と、内設された合焦レンズ２１を移動操作するカム筒２２と、カム筒２２を回転駆動する超音波モータ３０（振動アクチュエータ）と、合焦レンズ２１の位置や速度を検出する検出部２３と、を備えている。

超音波モータ３０は、合焦レンズ２１を駆動する駆動源である。超音波モータ３０の出力ギア１５０の回転力はアイドルギア２４を介してカム筒２２に伝えられ、カム筒２２は回転によって内設された合焦レンズ２１を移動駆動するようになっている。この超音波モータ３０は、カメラ１の制御装置１２から入力される合焦指令に基づいて駆動する。この超音波モータ３０については、後に詳述する。

検出部２３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、合焦レンズ２１の位置や速度を検出する。本実施例では、カム筒２２の位置や速度を検出することにより、合焦レンズ２１の位置や速度を検出している。

そして、上記のように構成されたカメラ１は、レンズ鏡筒２０における合焦レンズ２１を含む結像光学系によって、カメラボディ１０における撮像素子１１の撮像面に被写体像が結像される。そして、撮像素子１１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変換及び画像処理して画像データを得る（撮影する）。
これらカメラ１における撮影に係る一連の動作は、カメラボディ１０が備える制御装置１２によって制御される。また、制御装置１２は、撮影時においては、ＡＦセンサ１３の検知情報に基づいてレンズ鏡筒２０の超音波モータ３０を駆動させ、焦点調節を行う。

つぎに、図２及び図３を参照して、超音波モータ３０について詳細に説明する。
図２は、超音波モータ３０におけるモータ本体１００の縦断面図である。図３は、超音波モータ３０のブロック構成図である。
超音波モータ３０は、進行波型のモータ本体１００と、駆動回路２００と、により構成されている。
モータ本体１００は、振動子１１０、移動子１２０、出力軸１３０、加圧部１４０、出力ギア１５０等を備え、振動子１１０側を固定とし、移動子１２０を回転駆動する形態となっている。

振動子１１０は、弾性体１１１と、弾性体１１１に接合された圧電体（第１電気機械変換素子）１１２とを有する略円環形状の部材である。
弾性体１１１は、共振先鋭度が大きな金属材料によって形成され、その形状は、略円環形状である。この弾性体１１１は、櫛歯部１１１ａ、ベース部１１１ｂ、フランジ部１１１ｃを有する。

櫛歯部１１１ａは、圧電体１１２が接合される面とは反対側の面に、複数の溝を切って形成され、この櫛歯部１１１ａの先端面は、移動子１２０に加圧接触され、移動子１２０を駆動する駆動面１１１ｄとなる。この駆動面１１１ｄには、Ｎｉ‐Ｐ（ニッケル‐リン）メッキ等の潤滑性の表面処理が施されている。

ベース部１１１ｂは、弾性体１１１の周方向に連続した部分であり、ベース部１１１ｂの櫛歯部１１１ａとは反対側の面に、圧電体１１２が接合されている。
フランジ部１１１ｃは、弾性体１１１の内径方向に突出した鍔状の部分であり、ベース部１１１ｂの厚さ方向の中央に配置されている。このフランジ部１１１ｃにより、振動子１１０は、固定部材１０１に固定されている。

圧電体１１２は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子であり、例えば、圧電素子や電歪素子等が用いられる。圧電体１１２は、弾性体１１１の周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）の電気信号が入力される範囲に分かれている。各相には、１／２波長毎に分極が交互となった要素が並べられており、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔があくようにしてある。

圧電体１１２には、その各相の電極に接続されたフレキシブルプリント基板１０２を介して後述する駆動回路２００から所定の電圧及び周波数の駆動信号が供給されるようになっている。この駆動信号によって圧電体１１２が伸縮し、弾性体１１１の駆動面１１１ｄに進行波を生ずる。本実施例では、４波の進行波が発生する。

移動子１２０は、アルミニウム等の軽金属によって形成され、弾性体１１１の駆動面１１１ｄに生じる進行波によって回転駆動される部材である。移動子１２０は、振動子１１０（弾性体１１１の駆動面１１１ｄ）と接触する摺動面１２０ａの表面に、耐磨耗性向上のためのアルマイト等の表面処理が施されている。

出力軸１３０は、略円柱形状の部材である。出力軸１３０は、一方の端部がゴム部材１０３を介して移動子１２０に接しており、移動子１２０と一体に回転するように設けられている。
ゴム部材１０３は、ゴムにより形成された略円環形状の部材である。このゴム部材１０３は、ゴムによる粘弾性で移動子１２０と出力軸１３０とを一体に回転可能とする機能と、移動子１２０からの振動を出力軸１３０へ伝えないように振動を吸収する機能とを有しており、ブチルゴム、シリコンゴム、プロピレンゴム等が用いられている。

加圧部１４０は、コイルスプリング１４１と電気機械変換素子（第２電気機械変換素子）１４２とにより構成されており、後述する出力ギア１５０とベアリング受け１０４との間に配置されて振動子１１０と移動子１２０とを加圧接触させる加圧力を発生する。

コイルスプリング１４１は、出力軸１３０の軸方向に所定量圧縮変形した状態で、電気機械変換素子１４２と出力ギア１５０との間に配置されている。
電気機械変換素子１４２は、印加電圧に応じて変位するたとえば圧電デバイスであって、その変位方向を出力軸１３０の軸方向としてコイルスプリング１４１とベアリング受け１０４との間に配置されている。
この電気機械変換素子１４２は、回転開始時及び回転停止時において、後述する駆動回路２００におけるモータ制御部２０１によって印加電圧が制御されて伸縮する。なお、電気機械変換素子１４２は、圧電デバイスに限らず静電力デバイスや磁力デバイス等を用いても良い。

加圧部１４０は、出力ギア１５０とベアリング受け１０４とが、出力軸１３０の軸方向において互いに離れるように作用する。その力は出力ギア１５０，出力軸１３０及びゴム部材１０３を介して移動子１２０を振動子１１０に圧接させる加圧力となる。
なお、加圧部１４０の構成は、これに限定されるものではなく、たとえば、圧電素子のみでコイルスプリングを備えない構成であっても良い。

出力ギア１５０は、出力軸１３０のＤカットに嵌まるように挿入され、Ｅリング等のストッパ１０６で固定され、回転方向及び軸方向に出力軸１３０と一体となるように設けられている。出力ギア１５０は、出力軸１３０の回転に伴って回転し、アイドルギア２４（図１参照）に駆動力を伝達する。
また、ベアリング受け１０４は、ベアリング１０５の内径側に配置され、ベアリング１０５は、固定部材１０１の内径側に配置された構造となっている。

上記のように構成されたモータ本体１００は、加圧部１４０により発生された加圧力で、移動子１２０が振動子１１０の駆動面１１１ｄに加圧接触し、後述する駆動回路２００から振動子１１０に供給される駆動信号によって振動子１１０の櫛歯部１１１ａに生ずる進行波で回転駆動される。
そして、モータ本体１００は、この移動子１２０の回転を、ゴム部材１０３及び出力軸１３０を介して出力ギア１５０から出力する。

移動子１２０の回転速度（すなわちモータ本体１００の出力回転数）は、駆動回路２００から供給される駆動信号の周波数の変更によって変化する。この駆動信号の周波数、電圧は、駆動回路２００のモータ制御部２０１によって制御される。つまり、モータ本体１００の回転速度は、駆動回路２００のモータ制御部２０１によって制御されるようになっている。
また、加圧部１４０による移動子１２０の振動子１１０への加圧力は、モータ制御部２０１によって制御される。

つぎに、超音波モータ３０における駆動回路２００について説明する。
図３に示すように、駆動回路２００は、モータ制御部２０１と、発振部２０２と、移相部２０３と、増幅部２０４と、を備えている。

モータ制御部２０１は、レンズ鏡筒２０内又はカメラ１本体の制御装置１２からの駆動指令と、検出部２３による合焦レンズ２１の位置等と、に基づいて、モータ本体１００を回転制御する。
すなわち、モータ制御部２０１は、検出部２３からの位置検出信号と、制御装置１２から指令された目標位置情報と、に基づいて、モータ本体１００に出力する駆動信号の周波数を制御する。
さらに、モータ制御部２０１は、モータ本体１００の回転開始時及び回転停止時、さらには通常駆動時において、加圧部１４０の圧電素子への印加電圧を変化させて移動子１２０の振動子１１０への加圧力を変化させ、これによって回転開始及び回転停止を円滑に行わせる制御（以下、回転開始制御、回転停止制御と呼ぶ）を行う。

発振部２０２は、モータ制御部２０１の指令により、所定の周波数の駆動信号を発生する。この周波数は、モータ制御部２０１の指令によって可変である。
移相部２０３は、発振部２０２で発生した駆動信号を位相の異なる２つの駆動信号（Ａ相及びＢ相）に分ける。２つの駆動信号の位相差は本実施形態において９０度である。

増幅部２０４は、移相部２０３によって分けられた２つの駆動信号をＡ相増幅部２０４ＡとＢ相増幅部２０４Ｂとでそれぞれ所望の電圧に昇圧する。
増幅部２０４によって増幅された駆動信号は、モータ本体１００の圧電体１１２に印加される。

上記構成の駆動回路２００は、以下のようにモータ本体１００を駆動する。
カメラボディ１０における制御装置１２からモータ制御部２０１に合焦レンズ２１の移動目標位置が入力されると、モータ制御部２０１は、入力された目標位置と検出部２３から入力された合焦レンズ２１の位置情報とに基づいて、モータ本体１００の駆動量を演算する。
モータ制御部２０１は、発振部２０２から交流の駆動信号を発生させ、この駆動信号から移相部２０３が位相差のある駆動信号（Ａ相及びＢ相）を生成し、増幅部２０４によりそれぞれ所望の電圧に増幅する。

２相の駆動信号は、モータ本体１００の圧電体１１２のそれぞれＡ相とＢ相とに印加される。
これにより、モータ本体１００は、圧電体１１２が励振されて弾性体１１１にＡ相とＢ相とで位置的な位相が１／４波長ずれた４次の曲げ振動が発生し、２つの曲げ振動は合成されて４波の進行波となる。進行波の波頭には楕円運動が生じ、この楕円運動によって、弾性体１１１の駆動面１１１ｄに加圧接触された移動子１２０を進行波の進行方向とは逆方向に摩擦駆動する。すなわち、移動子１２０が回転し、出力ギア１５０から回転力を出力する。

移動子１２０の通常回転速度制御は、前述したように、モータ制御部２０１によって、駆動信号の周波数を変化させて行なう。

図４は、図２の構成で示される超音波モータの共振特性を説明する図である。図４左から最初のインピーダンス上昇ピークは、実際の駆動に使用する振動モードであり、ｆｎは、この振動モードにおける共振周波数を示している。

また、図４におけるｆｎ＋１右側のインピーダンス上昇ピークは、駆動に使用する振動モードと隣接する高次モードで、ｆｎ＋１は、この駆動モードにおける共振周波数を示している。なお、高次モードは、駆動には使用しない。

図５は、このモータの回転数／周波数特性を説明する図である。共振周波数ｆｎに対し、右肩下がりの曲線になり、ある周波数ｆ１で移動子１２０の回転が停止する。さらに高周波数側まで周波数を掃引していくと今度は隣接する振動モードの影響を受け、モータ１００は、ある周波数ｆ２で逆転駆動を始める。

この場合における停止領域は、ｆ１からｆ２までとなるが、ｆ１及びｆ２は、モータのｆ−Ｎカーブや回転ムラなどの駆動特性やモータ毎の個体バラつきにより変化しやすく、停止領域の範囲をｆ１やｆ２をもとに設定すると個体によっては起動してしまうものが発生しやすい。よって、停止領域の範囲をｆ１やｆ２の設定によらず、停止することが必要となる。

そこで本実施形態によれば、駆動信号により励起される圧電体１１２と圧電体１１２に接合され、励振によりある所望の振動モードの振動が励起されて駆動面に振動波を生じる弾性体１１１ａとを有する振動子１１１と、弾性体１１１ａの駆動面に加圧接触され、振動波によって駆動される移動子１２０と、を有する超音波モータ本体１００を有し、入力信号の周波数によって移動子１２０の回転／停止を切り替える制御部（モータ制御部２０１）を有し、モータ制御部２０１は、移動子１２０が回転しない所定の周波数領域まで入力信号の周波数を掃引し、モータ本体１００への通電を行った状態のまま、移動子１２０の停止を行う。

モータ制御部２０１は、モータを停止保持する周波数範囲をｆｓｔｏｐ、モータの駆動に使用する振動モードの共振周波数をｆｎ、ｆｎに対し高周波数側に隣接した振動モードの共振周波数をｆｎ＋１とした場合、ｆｓｔｏｐは、下記の数式で設定された周波数範囲にて停止保持することで、モータ本体１００への通電を行った状態のまま、移動子１２０の停止を行う。ｆｓｔｏｐは、モータ制御部２０１の記憶部に記憶される。

カメラ１の制御装置１２の選択部２６は、動画撮影モードを選択中、モータ本体１００の電源ＯＮ／ＯＦＦによってモータ騒音が生じて撮影動画画像に紛れ込んでしまう。カメラ１は、これを防止するため、モータ側で上記所定の周波数範囲に停止制御を行う。

つまり、本出願人らによる実験によると、モータの共振特性における駆動に使用する振動モードの共振周波数ｆｎ、高周波数側に隣接する振動モードの共振周波数ｆｎ＋１から計算される範囲内では、モータは安定的に停止していることが判明された。

以上、本実施形態によると、以下の効果を有する。
（１）モータ本体１００ではモータへの通電をオン／オフすることにより起動／停止を行った場合、通電オン／オフのタイミングに伴いモータ側から異音が発生する問題があったが、本実施形態にかかる超音波モータ３０によれば、モータ本体１００の電源ＯＮ／ＯＦＦによって、騒音が生じてしまうことなく、モータの駆動音を低減できる。
（２）モータへの通電を行ったまま、モータに入力する二つの交番信号の位相差を連続的に制御する場合、通電したままモータを安定的に停止させる必要があるが、本実施形態にかかるモータ３０によれば、モータの共振特性における駆動に使用する振動モードの共振周波数ｆｎ、高周波数側に隣接する振動モードの共振周波数ｆｎ＋１から計算されるある範囲内でモータを停止させることで、停止領域の範囲をｆ１やｆ２の設定によらず、停止することが可能となる。つまり、モータの個体バラつきや駆動特性の影響等の外乱を受けずに安定して停止させることが可能となる。
（３）カメラ１は、本実施形態にかかるモータ３０を有するので、選択部が動画撮影モードを選択し、使用者により動画撮影を実行中に、超音波モータが有する前記移動子の停止を行うことにより、騒音が生じてしまうことなく、動画撮影モード中の撮影に適している。

（変形形態）
以上、説明した実施形態に限定されることなく、例えば、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）本実施形態では、レンズ鏡筒３が交換レンズである例を示すが、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であってもよい。
（２）また、本実施形態では、超音波モータ３０の配置順序は、上述の順序に限定されず逆の順序であってもよい。
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：カメラボディ、２０：レンズ鏡筒、３０：超音波モータ、１１０：振動子、１１１ａ：弾性体、１１２：圧電体

Claims (4)

1. 電圧の印加により変位する素子と、
   駆動信号が入力された前記素子の振動により所定の振動モードの振動で駆動面に振動波を生じる弾性体と、
   前記弾性体の駆動面に接触し、前記振動波によって駆動される移動子と、
   を有する振動アクチュエータ本体を有し、
   入力信号の周波数によって前記移動子の回転又は停止を切り替える制御部を有し、
   前記制御部は、前記移動子が回転しない所定の周波数領域まで入力信号の周波数を掃引し、
   前記振動アクチュエータ本体を停止保持する周波数範囲をｆstop、前記振動アクチュエータ本体の駆動に使用する振動モードの共振周波数をｆｎ、前記ｆｎに対し高周波数側の隣の振動モードの共振周波数をｆｎ＋１とした場合に、前記ｆstopは、下記の数式（１）で設定された周波数範囲にて停止保持して前記振動アクチュエータ本体への通電を行った状態のまま、前記移動子の停止を行うこと、
   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、
   前記制御部は、前記周波数範囲ｆstopを記憶する記憶部を有すること、
   を特徴とする振動アクチュエータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の振動アクチュエータを備えるレンズ鏡筒。
4. 請求項３に記載のレンズ鏡筒を備え、
   静止画撮影モード、動画撮影モードを選択する選択部を有し、
   前記選択部が前記動画撮影モードを選択した場合に、使用者による動画撮影中に、前記振動アクチュエータ本体の前記移動子の停止を行う制御装置を有すること、
   を特徴とするカメラ。