JP6221521B2 - 振動波モータ及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動波モータ及び光学機器に関するものである。

振動波モータは、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（以降、進行波と略する）を発生させ、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−タは、低回転でも高トルクを有すると行った特徴があるため、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るため、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。
近年、振動波モータは、径を従来の１／３〜１／５倍程度と小さくし、小型化、軽量化する傾向がある。この様な小型化された振動波モータは、機器の組み込みに対しての使い勝手が良く、アプリケーションへの適用化が進み、出荷台数を大幅に伸ばしている（特許文献１参照）。

特開２００６−３３３６２９号公報

本発明は、駆動効率が向上した振動波モータ及び光学機器を提供することを目的とする。

本発明は、電極を介して駆動信号が入力される電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子への前記駆動信号の入力により振動波を生じ、移動部材と接触する接触部を有する弾性体と、を備え、前記電気機械変換素子の前記電極は、前記接触部の位置が振動の腹部になる曲げ振動を発生させる第１相の駆動信号が入力される第１電極と、前記接触部の位置が振動の節部になる曲げ振動を発生させる第２相の駆動信号が入力される第２電極とに分離されていて、前記移動部材を移動させている間に前記第１相の駆動信号の電圧の大きさと前記第２相の駆動信号の電圧の大きさを異ならせて前記移動部材の速度を変更させる制御部を備える振動波モータに関する。
また、本発明は、上記振動波モータを備える光学機器に関する。

本発明によれば、駆動効率が向上した振動波モ−タ及び光学機器を提供することができる。

本実施形態の振動波モータをレンズ鏡筒に搭載した例を示した図である。 第１実施形態の振動波モータを説明する図である。 弾性体の形状を説明する図である。 第１実施形態の圧電体および電極パターンを説明する図である。 振動波モータの駆動装置を説明するブロック図である。 第１実施形態の振動波モータの動作を説明する図である。 駆動信号Ａ相、Ｂ相を示す図である。 突起部の時系列的な動きを説明する図である。 第２実施形態の圧電体および電極パターンを説明する図である。 第２実施形態の振動波モータの動作を説明する図である。

（第１実施形態）
以下、本発明にかかる振動波モータ１の第１実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の振動波モータ１をレンズ鏡筒１００に搭載した例を示した図である。
振動波モータ１はギアユニットモジュール１０１に取り付けられ、ギアユニットモジュール１０１はレンズ鏡筒１００の固定筒１０２に取り付けられている。
振動波モータ１の出力ギア２は、ギアユニットモジュール１０１の減速ギア１０３を介して、カム環１０４に回転運動が伝達され、カム環１０４は回転駆動する。
カム環１０４には、周方向に対して斜めにキー溝１０５が切られており、そのキー溝１０５に固定ピン１０６が挿入されたＡＦ環１０７は、カム環１０４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１０８は、レンズ鏡筒１００の外側固定筒１０２Ａと内側固定筒１０２Ｂの間に設けられ、振動波モータ１の駆動、制御、回転数の検出等を行う。

図２は、第１実施形態の振動波モータ１を説明する図である。
第１実施形態では振動子３側を固定とし、相対運動部材４（移動子）を駆動する。
振動子３は、後で説明する様に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５と称する）と、圧電体５を接合した弾性体６とを備え、振動子３には振動波が発生する。

弾性体６は、共振先鋭度が大きな金属材料から成っている。図３は弾性体６の形状を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図示するように弾性体６は円環形状となっている。
弾性体６はベース部７と突起部８とを有する。
突起部８は、ベース部７の上面に円周方向に対して等分に６箇所設けられており、突起部８の先端面が駆動面８ａとなり相対運動部材４に加圧接触される接触部である。また、ベース部７の下面の突起部８が無い面に圧電体５が接合される。

ベース部７には内径側にフランジ７ａが延伸され、フランジ７ａの最内径部にて固定部材９により固定されている。なお、図３はフランジ７ａを省略した図となっている。
弾性体６の突起部８の駆動面８ａには摺動部材として塗装膜や潤滑メッキが施されている。
弾性体６のベース部７には、後で説明する様に、周方向に沿って二種類の面外曲げ３次振動が発生する。
一つの振動は、突起部８の位置が振動の腹部になる振動で、もう片方の振動は、突起部８の位置が振動の節部になる振動であり、突起部８から突起部８までの距離がこの曲げ振動の１／２波長分にあたる。

圧電体５は、ＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛、または、環境問題から鉛フリーの材料であるニオブ酸カリウムナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウム、カリウムチタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナト２リウム、チタン酸ビスマスカリウム等から構成してもよい。
圧電体５の表面には、後で詳細を説明するが、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ている。
圧電体５の弾性体６の接着面側との反対面には、駆動信号を伝達するためにフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１０が接合され、回路１０８に伸びている。
相対運動部材４は、アルミニウムといった軽金属からなり、摺動面の表面には耐摩耗性向上のための表面処理が成されている。

出力軸１１は、ゴム部材１２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１３を介して相対運動部材４に結合されている。
出力軸１１とストッパー部材１３はＥクリップ１４等により固定され、相対運動部材４と一体に回転する。ストッパー部材１３と相対運動部材４との間のゴム部材１２は、ゴムによる粘着性で相対運動部材４とストッパー部材１３と結合する機能があり、かつ相対運動部材４からの振動を出力軸１１へ伝えないための振動吸収との機能があるブチルゴム等が好適である。

加圧部材１５は、出力軸１１の出力ギア２とベアリング１６の間に設けられている。この様な構造をとることで、相対運動部材４が振動子３の駆動面８ａに加圧接触する。

図４は圧電体５および電極パターンを説明する図である。
圧電体５の片面側は、図４の様な電極パターンが設けられている。本実施形態では、図示する面５ａは、弾性体６との接合面５ｂと反対側の面となっている。
一方、弾性体６の接合面５ｂは、全面電極となっており、弾性体６がＧＮＤになる様にされている。

電極パターンは、面外曲げ振動の波長の１／４波長の大きさで、周方向に配置され、Ａ相が入力される電極Ａと、Ｂ相が入力される電極Ｂとが交互に配置されている。
電極Ａは、円周方向に対して、電極の真ん中が突起部８に位置する様になっており、電極Ｂは、円周方向に対して、突起部８と突起部８との間に電極の真ん中が位置する。

電極Ａだけ見ると、円周方向に沿って（＋）（−）と交互に分極されている。また、電極Ｂだけ見ると、円周方向に沿って（＋）（−）と交互に分極されている。

本実施形態で圧電体５は、ｄ３１圧電現象を利用している。
これは、分極方向（３方向）に電圧を印加すると、円周方向（１方向）に変位が生じる現象である。圧電体５の厚さ方向に電圧を加えると、圧電体５には伸び変位、縮み変位が発生し、これにより弾性体６ベース部７が曲げ変位が生じる。駆動信号を交流電圧とすると、ベース部７には面外曲げ振動（定在波）が発生する。

従って、電極ＡへのＡ相の入力により、弾性体６のベース部７には、突起部８が面外曲げ振動の腹部に位置する振動が生じ、電極ＢへのＢ相の入力により、弾性体６ベース部７には、突起部８が面外曲げ振動の節部に位置する振動が生じる。

図５は、本実施形態の振動波モータ１の駆動装置２０を説明するブロック図である。まず、振動波モータ１の駆動／制御について説明する。

発振部２２は、制御部２１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２３は、該発振部２２で発生した駆動信号を９０°位相の異なる２つの駆動信号に分ける。
増幅部２４は、移相部２３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２４からの駆動信号は、振動波モータ１に伝達される。振動波モータ１では、この駆動信号の印加により振動子３に振動が発生し、その振動により相対運動部材４が駆動される。

位置・速度検出部２５は、光学式エンコーダや磁気エンコ−ダ等により構成され、相対運動部材４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２１に伝達する。
制御部２１は、レンズ鏡筒１００内またはカメラ本体のＣＰＵからの駆動指令を基に振動波モータ１の駆動を制御する。制御部２１は、位置・速度検出部２５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２２の周波数を制御する。

図６を用いて、第１実施形態の振動波モータ１の動作を説明する。図６（ａ）は加圧方向の振動を示し、（ｂ）は駆動方向の振動を示す。
制御部２１から駆動指令が発令されると、発振部２２からは駆動信号が発生される。その駆動信号は位相部により９０度位相の異なる２つの駆動信号（Ａ相、Ｂ相）に分割され、増幅部２４により所望の電圧に増幅される。図７は、駆動信号を示すグラフであり、（ａ）はＡ相、（ｂ）はＢ相を示す。

圧電体５の電極パターンは、上述の図４の説明のようにＡ相の駆動信号が入力される電極Ａと、Ｂ相の駆動信号が入力される電極Ｂとに分けられている。
電極ＡへのＡ相の駆動信号の入力により、弾性体６のベース部７には、突起部８が面外曲げ振動の腹部に位置する３次モード振動（定在波）が発生する（図６（ａ））。
それとともに、電極ＢへのＢ相の駆動信号の入力により、弾性体６のベース部７には、突起部８が面外曲げ振動の節部に位置する３次モード振動（定在波）が発生する（図６（ｂ））。

突起部８が面外曲げ振動の腹部に位置する振動は、突起部８を上下方向即ち加圧方向に変位する振動となる（図６（ａ））。
突起部８が面外曲げ振動の節部に位置する振動は、突起部８を回転運動させ、即ち駆動方向に変位する振動となる（図６（ｂ））。

図８は、突起部８（８１，８２）の時系列的な動きを説明する図である。（ａ）は突起部８１、（ｂ）は突起部８１の隣に配置される突起８２の動きを示す。
突起部８１は、
ｔ＝１の時は、上側へ運動し、
ｔ＝２の時は、右側へ運動し、
ｔ＝３の時は、下側へ運動し、
ｔ＝４の時は、左側へ運動し、
ｔ＝５の時は、上側へ運動、即ちｔ＝１の時に戻る。
この様に突起部８１の駆動面８１ａは楕円運動を発生する。

突起部８１の隣の突起部８２は、
ｔ＝１の時は、下側へ運動し、
ｔ＝２の時は、左側へ運動し、
ｔ＝３の時は、上側へ運動し、
ｔ＝４の時は、右側へ運動し、
ｔ＝５の時は、下側へ運動、即ちｔ＝１の時に戻る。
この様に突起部８２の駆動面８２ａも楕円運動を発生する。
突起部８１と突起部８２とは、交互に位置しており、お互いの楕円運動は１８０度位相がずれたようになっている。

本発明においては、ベース部７に突起部８（８１，８２）を配置し、１枚の圧電体５の接合といった構成により、振動子３の構造が非常に単純となる。
これにより駆動に必要な振動のみを励起させることが可能となり、従来の構造よりも駆動力や駆動効率を大幅に向上させることが可能となる。
また、部品点数が非常に少なくなり、組立工数も大幅に削減したため、大幅なコストダウンも達成することが出来る。
本発明の振動波モータ１は、Ａ相入力で加圧方向の振動を発生させ、Ｂ相の入力で駆動方向の振動を発生させる方式であるが、この方式の振動波モータ１は、楕円運動の大きさや形状をコントロールできる。

比較として、進行波型振動波モータを例について説明すると、速度制御は主に周波数や電圧によって行うが、速度を下げるため、周波数を高くする（または電圧を小さくする）と、楕円運動の駆動方向だけではなく、加圧方向も小さくなってしまう。
このため、低速時に駆動面８ａの面粗さや平面度の状態によっては、回転ムラが大きくなったり、急激停止したりする場合がある。

速度を上げるため、周波数を低くする（または電圧を大きくする）と、楕円運動の駆動方向だけではなく、加圧方向も大きくなってしまい、低加圧方向の振動が大きくなりすぎる故に異音が発生したり、消費電力が大きくなったりする場合がある。

これに対し、この方式の振動波モータ１は、速度を下げる時には、Ａ相の電圧を維持し、Ｂ相の電圧を下げていけば、加圧方向の振幅は確保しながら、駆動方向の振幅を小さくする状態が可能となり（この状態は楕円が縦長形状となっている）、超低速度の駆動が可能となる。
また、速度を上げる時には、Ａ相の電圧を維持し、Ｂ相の電圧を上げていけば、駆動方向の振幅のみを大きくする状態が可能となり（この状態は楕円が横長形状となっている）、進行波型と比較して高回転でも異音の発生が生じず、消費電力も抑えることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態は第１実施形態に対して、圧電体５Ａの電極パターンが異なる。図９は第２実施形態の圧電体５Ａおよび電極パターンを説明する図である。振動波モータの外観、レンズ鏡筒１００に組み込んだ外観や駆動回路１０８については、第１実施形態と同様なため説明は省略する。

圧電体５Ａの片面側は、図９の様な電極パターンが設けられている。
第２実施形態では、図示する面５Ａａは、弾性体６との接合面とは反対面となっている。
一方、弾性体６の接合面は、第１実施形態と同様に全面電極となっており、弾性体６がＧＮＤになる様にされている。

電極パターンは、面外曲げ振動の波長の１／２波長の大きさで、Ａ相が入力される電極Ａが内側に、Ｂ相が入力される電極Ｂが外側に配置されている。
電極Ａは、円周方向に対して、電極の真ん中が突起部８Ａに位置する。
電極Ｂは、円周方向に対して、突起部８Ａと突起部８Ａとの間に電極の真ん中が位置する。

電極Ａだけ見ると、円周方向に沿って（＋）（−）と交互に分極されていて、電極Ｂだけ見ると、円周方向に沿って（＋）（−）と交互に分極されている。

電極ＡへのＡ相の入力により、弾性体６のベース部７には、突起部８が面外曲げ振動の腹部に位置する振動が生じ、電極ＢへのＢ相の入力により、弾性体６ベース部７には、突起部８が面外曲げ振動の節部に位置する振動が生じる。
なお、第２実施形態においても、ｄ３１圧電現象を利用している。

図１０を用いて、第２実施形態の振動波モータの動作を説明する。図１０（ａ）は加圧方向の振動を示し、（ｂ）は駆動方向の振動を示す。
第１実施形態と同様に、制御部２１から駆動指令が発令されると、発振部２２からは駆動信号が発生される。その駆動信号は移相部２３により９０度位相の異なる２つの駆動信号（Ａ相、Ｂ相）に分割され、増幅部２４により所望の電圧に増幅される。駆動信号Ａ相、Ｂ相は、第１実施形態の図７と同様である。

圧電体５Ａは上述のようにＡ相の駆動信号が入力される電極Ａと、Ｂ相の駆動信号が入力される電極Ｂとに分けられている。
駆動信号Ａ相、Ｂ相はそれぞれ圧電体５Ａの電極Ａと電極Ｂとに印加される。すると、電極ＡへのＡ相の入力により、弾性体６のベース部７には、突起部８Ａ１が面外曲げ振動の腹部に位置する３次モード振動が発生する。電極ＢへのＢ相の入力により、弾性体６のベース部７には、突起部８Ａ２が面外曲げ振動の節部に位置する３次モード振動が発生する。
突起部８が面外曲げ振動の腹部に位置する振動は、突起部８を上下方向即ち加圧方向に変位する振動となる（図１０（ａ））。突起部８が面外曲げ振動の節部に位置する振動は、突起部８を回転運動させ、即ち駆動方向に変位する振動となる（図１０（ｂ））。

本実施形態においても、ベース部７に突起部８Ａ（８Ａ１，８Ａ２）を配置し、１枚の圧電体５の接合といった構成により、振動子３の構造が非常に単純となり、これにより駆動に必要な振動のみを励起させることが可能となる。これにより、従来の構造よりも駆動力や駆動効率を大幅に向上させることが可能となる。

また、部品点数が非常に少なくなり、組立工数も大幅に削減したため、大幅なコストダウンも達成することが出来る。
第１実施形態においては、円周方向に対して、電極パターンは１／４波長となっているが、第２実施形態では、Ａ相、Ｂ相とも円周方向に対して、電極パターンを１／２波長を確保することができる。このため、第１実施形態よりも曲げ振動の励起が有利になることから、駆動力を向上させることが可能である。
また、第１実施形態と同様に、Ａ相入力で加圧方向の振動を発生させ、Ｂ相の入力で駆動方向の振動を発生させる方式であるが、この方式の振動波モータ１は、楕円運動の大きさや形状をコントロールできる。

以上、上述の実施形態において、突起部８，８Ａは６箇所で、面内３次曲げ振動モードを例として説明した。しかし、この組み合わせに限定されない。例えば、駆動性能面では劣るが、突起部８を３箇所で、面内３次曲げ振動モードでも駆動可能となる。

突起部８，８Ａは、相対運動部材４の摺動面との接触を確保するためには、３箇所以上が好適である。

また、駆動性能面では、（突起部数÷２）の次数の曲げ振動が好適である。例えば、突起部数が８なら、４次曲げ振動が好適である。突起部数が１０なら、５次曲げ振動が好適である。３次の曲げ振動は、振幅が大きく出来るため、振動次数が大きい場合よりも有利である。

実施形態では突起部８，８Ａを設け、その突起部８，８Ａの駆動面８ａが相対運動部材４の摺動面と接触するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、突起部８，８Ａを設けず、ベース部７の表面が直接、相対運動部材４の摺動面と接触する構成であってもよい。

１：振動波モータ、３：振動子、４：相対運動部材、５：圧電体、６：弾性体、７：ベース部、８：突起部、８ａ：駆動面、２０：駆動装置、８１：突起部、１００：レンズ鏡筒、Ａ：電極、Ｂ：電極

Claims (12)

1. 電極を介して駆動信号が入力される電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子への前記駆動信号の入力により振動波を生じ、移動部材と接触する接触部を有する弾性体と、を備え、
   前記電気機械変換素子の前記電極は、前記接触部の位置が振動の腹部になる曲げ振動を発生させる第１相の駆動信号が入力される第１電極と、前記接触部の位置が振動の節部になる曲げ振動を発生させる第２相の駆動信号が入力される第２電極とに分離されていて、
   前記移動部材を移動させている間に前記第１相の駆動信号の電圧の大きさと前記第２相の駆動信号の電圧の大きさを異ならせて前記移動部材の速度を変更させる制御部を備える振動波モータ。
2. 請求項１に記載の振動波モ−タにおいて、
   前記接触部は、３以上設けられている振動波モータ。
3. 請求項１または２に記載の振動波モータにおいて、
   前記振動は、前記接触部の位置が振動の腹部になる面外曲げ振動と、該接触部の位置が振動の節部になる面外曲げ振動である振動波モータ。
4. 請求項３に記載の振動波モ−タにおいて、
   前記面外曲げ振動は３次モードの振動である振動波モータ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の振動波モ−タにおいて、
   前記接触部は、前記振動の腹部になる面外曲げ振動により、駆動方向に対して略垂直方向に運動し、
   前記接触部は、前記振動の節部になる面外曲げ振動により、駆動方向に運動する振動波モータ。
6. 第１電極を介して第１相の駆動信号が入力され、２つの前記第１電極の間に配置された第２電極を介して第２相の駆動信号が入力される電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子への駆動信号の入力により振動波を生じる弾性体と、
   前記振動波により移動する移動部材と、
   前記移動部材を移動させている間に前記第１相の駆動信号の電圧の大きさと前記第２相の駆動信号の電圧の大きさを異ならせて前記移動部材の速度を変更させる制御部と、
   を備える振動波モータ。
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、
   前記制御部は、前記第２相の駆動信号の電圧の大きさを前記第１相の駆動信号の電圧の大きさよりも小さくすることにより前記移動部材の移動速度を遅くする振動波モータ。
8. 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、
   前記制御部は、前記第２相の駆動信号の電圧の大きさを前記第１相の駆動信号の電圧の大きさよりも大きくすることにより前記移動部材の移動速度を早くする振動波モータ。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の振動波モ−タにおいて、
   前記電気機械変換素子は円環状であり、円周に沿って前記第１電極と前記第２電極とが交互に配置されている振動波モータ。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の振動波モ−タにおいて、
    前記電気機械変換素子は円環状であり、内周側に前記第１電極が配置され、外周側に前記第２電極が配置されている振動波モータ。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の振動波モ−タにおいて、
    前記第１相の駆動信号と前記第２相の駆動信号とは９０°の位相差を有する振動波モータ。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の振動波モータを備える光学機器。

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