JP5978646B2 - 振動波モータ、レンズ鏡筒、カメラ及び振動波モータの制御方法 - Google Patents
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これに対して、立ち上がり時間の短縮のため、最大トルクが発生する駆動周波数で駆動させる方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、本発明の振動波モータの制御方法は、駆動信号により振動が発生される電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子と接触し、前記振動により振動波を生じる振動体と、前記振動体に接触する摺動面を有し、前記振動波によって駆動される相対運動部材と、を備える振動波モータの制御方法において、前記駆動信号の周波数を該振動波モータに回転が生じない第1周波数帯域から徐々に下げていったときに、それに伴い上昇していく該振動波モータの最大トルクの上昇率が変化する第2周波数帯域にある周波数を、前記振動波モータの起動時における前記駆動信号の開始周波数とした。
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、本発明の第一実施形態の振動波モータ10を説明する図である。本実施形態の振動波モータ10は、振動子11と移動子20とを備え、振動子11側を固定とし、移動子20を駆動する。
溝が切られていない部分はベース部18と称し、そのベース部18から内径側にフランジ22が延伸され、フランジ22の最内径部にて固定部材23により固定されている。
弾性体14には摺動部材として、駆動面16に金属メッキや潤滑塗装膜等の摺動材料30が施されている。
圧電体13表面には電極が配置され、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。
出力軸40は、ゴム41部材と軸のDカットにはまるように挿入されたストッパー部材42を介して移動子20に結合され、出力軸40とストッパー部材42はEクリップ43等により固定されていて、移動子20と一体に回転する様にされている。
加圧部材50は、出力軸40のギア部51とベアリング52の間に設けられている。この様な構造とることで、移動子20が振動子11の駆動面16に加圧接触する。
移相部62は、制御部68の指令により、該発振器で発生した駆動信号を所望の位相の異なる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子に進行波が発生し、移動子20が駆動される。
制御部68は、レンズ鏡筒110内またはカメラ本体のCPU70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振動波モータ10発振器の周波数や位相差等を制御する。
振動波モータ10はギアユニットモジュール113に取り付けられ、ギアユニットモジュール113はレンズ鏡筒110の固定筒114に取り付けられる。振動波モータ10のギア部51は、ギアユニットモジュール113の減速ギア115を介して、カム環116に回転運動が伝達され、カム環116は回転駆動する。カム環116には、周方向に対して斜めにキー溝117が切られており、該キー溝117に固定ピン118が挿入されたAF環119は、カム環116が回転駆動することにより、光軸方向に直進方向に駆動され、所望の位置に停止できる。
回路121は、レンズ鏡筒110の外側固定筒114aと内側固定筒114bとの間に設けられ、振動波モータ10の駆動、制御、回転数の検出、振動センサの検出等を行う。
制御部68から駆動指令が発令され、振動波モータ10の発振部60から駆動信号が発させられる。その信号は位相部により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。
圧電体13はA相とB相とに分けられており、駆動信号はそれぞれA相とB相に印加される。
A相から発生する4次曲げ振動とB相から発生する4次曲げ振動とは位置的な位相が1/4波長ずれるようになっている。
また、A相駆動信号とB相駆動信号とは90度位相がずれているため、2つの曲げ振動は合成され、4波の進行波となる。
制御部68は、この信号を基に、現在の位置と現在の速度を得ることが可能となる。
カム環116は、固定筒114およびAF環119の間に配置され、振動波モータ10の回転駆動を受けて、固定筒114およびAF環119に対して回転しながら摺動駆動する。
図4は、AF駆動部のイナーシャや目標回転速度に対する立ち上がり時間を説明する図である。
図4(a)は振動波モータ10の目標回転数(目標速度)と、それに至る時間との関係を示したグラフである。図示するように、目標回転数が同じ場合で、AF駆動部のイナーシャが大きい場合と、小さい場合とで、立ち上がり時間を比較した場合、AF駆動部のイナーシャの大きい場合は、立ち上がり時間が大幅に増加している。
AFレンズ群の重量が増え、それに伴いイナーシャが増加した場合、立ち上がり時間が長くなり、制御指令と実際の動作とにタイムラグが生じ、制御時間が要したり、スキャンタイムが要したりすることとなる。
図示するように、AF駆動部のイナーシャが同じ場合、目標回転数が小さい(low)と、目標回転数に至る時間(立ち上がり時間)が短いが、目標回転数が高い(high)と、立ち上がり時間がかかることを示している。
図示するように、最大トルクが大きい振動波モータ10は、最大トルクが小さい振動波モータ10と比べて立ち上がり時間が大幅に小さくなっていることもわかる。
(1)最大トルクを大きくし
(2)目標速度(無負加時の角速度ω0)を低めにすること、
が効果的である。
図5は、振動波モータ10の特性を説明する図である。
図5(a)に示すように、AFレンズ等を駆動する場合、電源ON時は、駆動信号の駆動周波数を振動波モータに回転が生じない第1周波数帯域にある周波数fs0からスタートし、徐々に下げていく。駆動周波数f0で回転が開始し、最大使用回転数のflowまでが駆動帯域となる。frは共振周波数となるが、共振点は挙動が不安定のため、通常はここの周波数までは使用しない。
図5(b)は、駆動周波数flow、fs2、fs1、f1時のトルク−回転速度を示した図であるが、振動波モータ10は、共振する振動子11の駆動力を摩擦駆動する原理から、振動子11の振幅が共振に近づき大きくなっても、最大トルクが大きくなるといった特性でなく、ある振幅(駆動周波数)で最大トルクは頭打ちになる様な特性となる。
すなわち、以下の式を満たす。
{fs1−fr(n)}÷{fr(n+1)−fr(n)}≒0.25〜0.40
好ましくは、
({fs1−fr(n)}÷{fr(n+1)−fr(n)}≒0.34〜0.36)
さらに好ましくは、
({fs1−fr(n)}÷{fr(n+1)−fr(n)}≒0.35)
すなわち、以下の式を満たす。
Rev0/Rev1<0.5
好ましくは、
(Rev0/Rev1≒0.7〜0.35)
さらに好ましくは、
(Rev0/Rev1≒0.11〜0.15)
0.02≦{flow−fr(n)}/(fr(n+1)−fr(n))≦0.0
制御部68からの駆動指令がない状態(t0)では、
駆動周波数:fs0
駆動電圧:電圧V0(=0V)
A相とB相との位相差:0度
となっている。
駆動周波数:fs1
駆動電圧:電圧V1
A相とB相との位相差:90度(反転駆動時は−90度)
と設定され、回転速度Rev0で駆動される。
t1時に、立ち上がり時間が最も良好はfs1に駆動周波数が設定されるため、制御指令とのタイムラグが最小となり、そのため、最大回転数や目標回転数に達する時間が短縮され、制御時間やスキャン時間が短縮される。
制御部68から駆動指令が来たとき(t1)
駆動周波数:fs0
駆動電圧:電圧V1
A相とB相との位相差:90度
と設定され、徐々に駆動周波数をflowに変更するが、周波数f0まで回転は発生せず、制御指令の駆動周波数がflowになっても回転速度が追いつかず、大きなタイムラグが発生することがわかる。この場合には、大きなタイムラグのため、制御性が良くない。
(1)振動子状態でインピーダンスを測定し、fr(n)、fr(n+1)を検出し、
fs1−fr(n)=(fr(n+1)−fr(n))×0.35
とする方法。
(2)振動モータユニットで回転駆動させ、最大使用回転数の13%程度の回転数が生じる駆動周波数を検出し、その値をfs1と設定する。
(1)fs1の値は、{fs1−fr(n)}/(fr(n+1)−fr(n))の範囲が、0.25〜0.40であれば、実用的には効果が得られることがわかった。このため、振動子状態でのインピーダンスで設定する場合には、fs1=(fr(n+1)−fr(n))×αとしたとき、αを0.25〜0.40で設定すれば良い。
(2)最大使用回転速度からのfs1の設定についても数Rev0/Rev1の範囲が0.07〜0.35の範囲であれば、実用的には効果が得られることがわかったため、最大使用回転数の7〜35%の回転数が生じる駆動周波数を検出し、その値をfs1と設定しても良い。
図9は、本発明の第二実施形態のレンズ鏡筒200を説明する図であり、リング状の振動波モータ210をレンズ鏡筒200に組み込んだ状態の図である。
不織布252は、フェルトを例としたものであり、圧電体213の下に配置されていて、振動子211の振動を加圧板254や加圧部材250に伝えないようにしてある。
加圧板254は、加圧部材250の加圧を受けるようにされている。
加圧部材250は、加圧板254の下に配置されていて、加圧力を発生させるものである。
移動子220における振動子211の反対側には、移動子220の縦方向の振動を吸収するために、ゴム243の様な振動吸収部材が配置され、さらに出力伝達部材242が配置されている。
出力伝達部材242は、突起部241があり、そこからカム環260に接続されたフォーク230がかん合しており、出力伝達部材242の回転とともに、カム環260が回転される。
固定部材223は、押さえ環251がネジにより取り付けられ、これを取り付けることで、出力伝達部から移動子220、振動子211、バネ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。
駆動周波数fs1の値の設定は、第一実施形態と同様に、
(1)振動子状態でのインピーダンスで設定する場合には、
fs1−fr(n)=(fr(n+1)−fr(n))×αとしたとき、αを0.25〜0.40、好ましくは0.34〜0.36、さらに好ましくは0.35で設定する。
(2)最大使用回転速度からのfs1の設定については、最大使用回転数の、約1/2以下であり、好ましくは7〜35%程度、さらに好ましくは11〜15%の回転数が生じる駆動周波数を検出し、その値をfs1と設定する。
図10は、本発明の第三実施形態のレンズ鏡筒300を説明する図であり、振動波モータ310をレンズ鏡筒300に組み込んだ状態の図である。
振動子311は、支持部材333に設置された設けられた加圧バネ334により、移動子320に加圧され、加圧バネ334が振動子311中央部の溝335に嵌ることで、長手方向に支持されている。振動子311への加圧の方向は、レンズ鏡筒300の周方向の接線方向に一致させていて、加圧バネ334の配置によってレンズ鏡筒300の径方向への大型化を防止している。
AF環362は、固定筒314に設けられた第1直線レール341および第2直線レール342に沿って可動な構造となっている。直線レール341,342には、AF環362に設けられたガイド部343,344がかん合し、移動子320の直進駆動に伴って、光軸方向に直進方向に駆動され、所望の位置に停止できる様にされている。
駆動周波数fs1の値の設定は、第一や第二実施形態と同様に、
(1)fs1の値は、{fs1−fr(n)}/(fr(n+1)−fr(n))の範囲が、0.25〜0.40であれば、実用的には効果が得られることがわかった。このため、振動子状態でのインピーダンスで設定する場合には、fs1=(fr(n+1)−fr(n))×αとしたとき、αを0.25〜0.40で設定すれば良い。
(2)最大使用回転速度からのfs1の設定についても数Rev0/Rev1の範囲が0.07〜0.35の範囲であれば、実用的には効果が得られることがわかったため、最大使用回転数の7〜35%の回転数が生じる駆動周波数を検出し、その値をfs1と設定しても良い。
以上、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。
例えば、本実施形態では、進行性振動波を用いた振動波モータで、第一実施形態は波数4の進行性振動波モータ210、第二実施形態では、波数9の進行性振動波モータ210を開示したが、他の波数、例えば5、6、7、8、10以上でも、同様な構成と方法で、同様な効果が得られる。
Claims (10)
- 駆動信号により振動が発生される電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子と接触し、前記振動により振動波を生じる振動体と、
前記振動体に接触する摺動面を有し、前記振動波によって駆動される相対運動部材と、を備える振動波モータにおいて、
前記駆動信号の周波数を該振動波モータに回転が生じない第1周波数帯域から徐々に下げていったときに、それに伴い上昇していく該振動波モータの最大トルクの上昇率が変化する第2周波数帯域にある周波数を、前記振動波モータ起動時における前記駆動信号の開始周波数とすることを特徴とする振動波モータ。 - 請求項1記載の振動波モータにおいて、
前記開始周波数は、前記振動波モータにおける最大使用回転速度の半分以下の回転速度が得られる周波数であることを特徴とする振動波モータ。 - 請求項1または2に記載の振動波モータにおいて、
前記振動波モータを駆動する振動モードの次数をn次、その振動モードの共振周波数をfr(n)とし、前記n次の振動モードの一つ上のn+1次の振動モードの共振周波数をfr(n+1)とした時、
前記第2周波数帯域は、
fr(n)+α×(fr(n+1)−fr(n)) 0.25≦α≦0.40
となる周波数帯域であることを特徴とする振動波モータ。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の振動波モータにおいて、
前記振動波モータの最大使用回転数をRev1、前記開始周波数で達成される最大回転数をRev0とした時、
0.07≦Rev0/Rev1≦0.35
となることを特徴とする振動波モータ。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の振動波モータを備えるレンズ鏡筒。
- 請求項1から4のいずれか1項に記載の振動波モータを備えるカメラ。
- 駆動信号により振動が発生される電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子と接触し、前記振動により振動波を生じる振動体と、
前記振動体に接触する摺動面を有し、前記振動波によって駆動される相対運動部材と、を備える振動波モータの制御方法において、
前記駆動信号の周波数を該振動波モータに回転が生じない第1周波数帯域から徐々に下げていったときに、それに伴い上昇していく該振動波モータの最大トルクの上昇率が変化する第2周波数帯域にある周波数を、前記振動波モータの起動時における前記駆動信号の開始周波数とすることを特徴とする振動波モータの制御方法。 - 請求項7記載の振動波モータの制御方法において、
前記開始周波数は、前記振動波モータにおける最大使用回転速度の半分以下の回転速度が得られる周波数であることを特徴とする振動波モータの制御方法。 - 請求項7または8に記載の振動波モータの制御方法において、
前記振動波モータを駆動する振動モードの次数をn次、その振動モードの共振周波数をfr(n)とし、前記n次の振動モードの一つ上のn+1次の振動モードの共
振周波数をfr(n+1)とした時、
前記第2周波数帯域は、
fr(n)+α×(fr(n+1)−fr(n)) 0.25≦α≦0.40
となる周波数帯域であることを特徴とする振動波モータの制御方法。 - 請求項8から9のいずれか1項に記載の振動波モータの制御方法において、
前記振動波モータの最大使用回転数をRev1、前記開始周波数で達成される最大回転数をRev0とした時、
0.07≦Rev0/Rev1≦0.35
となることを特徴とする振動波モータの制御方法。
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