(57)【要約】【課題】低速から高速まで安定して動作することが可能な振動アクチュエータと、そのアクチュエータを有するレンズ鏡筒および光学装置を提供すること。【解決手段】電気機械変換素子１０４に交流電圧が印加されることにより、振動波が発生する振動部材１０３と、振動波によって振動部材１０３に対して相対移動する相対移動部材１０２と、電気機械変換素子１０４に前記交流電圧を印加する電圧印加手段２２，２３，２５と、振動部材１０３と相対移動部材１０２との相対移動速度に応じて交流電圧の振幅を変化させる制御手段２０とを有する振動アクチュエータ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械変換素子に交流電圧が印加されることにより、振動波が発生する振動部材と、
前記振動波によって前記振動部材に対して相対移動する相対移動部材と、
前記電気機械変換素子に前記交流電圧を印加する電圧印加手段と、
前記振動部材と前記相対移動部材との相対移動速度に応じて交流電圧の振幅を変化させる制御手段とを有する振動アクチュエータ。
【請求項２】
前記相対移動部材の移動速度が所定の値より小さい場合に、前記所定の値より大きい場合の交流電圧の振幅に対して、交流電圧の振幅を増大させることを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ。
【請求項３】
前記交流電圧の振幅を、段階的に変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の振動アクチュエータ。
【請求項４】
前記交流電圧の振幅を、連続的に変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の振動アクチュエータ。
【請求項５】
前記相対移動部材の移動速度を検出する検出手段をさらに有し、前記検出手段が認識する前記相対移動部材の移動速度に応じて制御をすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の振動アクチュエータ。
【請求項６】
前記相対移動部材の移動速度が所定時間以上で所定値以下と判断された場合には、前記制御手段が、前記電圧印加手段から前記電気機械変換素子に印加される前記交流電圧を遮断することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の振動アクチュエータ。
【請求項７】
前記電圧印加手段と前記電気機械変換素子とによって共振回路が形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の振動アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の振動アクチュエータを有するレンズ鏡筒。
【請求項９】
請求項８に記載のレンズ鏡筒を有する光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動アクチュエータ、レンズ鏡筒、および光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばカメラのオートフォーカス駆動機構においては、超音波モータが用いられることがある。超音波モータは、圧電素子が設けられた弾性体（ステータ）と、移動子（ロータ）とが重ねられて構成されており、圧電体に超音波域の周波数（駆動周波数）を有する高周波電圧を印加することによって弾性体を振動させ、進行性振動波を発生させる。その進行性振動波の影響により、バネによって加圧されているロータが回転駆動する。
【０００３】
超音波モータは、共振周波数よりも高い周波数領域で使用されるために、駆動周波数（ｆ）を下げるにしたがい、共振周波数に近づき、回転速度が指数関数的に増加する。すなわち、超音波モータのロータの回転速度は、駆動周波数（ｆ）が低いと高速回転し、駆動周波数（ｆ）が高いと低速回転になるが、低速回転状態では、ロータの回転が止まりやすく、安定して低速回転を続けることが困難であるという問題点があった。
【０００４】
なお、超音波モータのロータの回転速度の制御に関して、駆動周波数が低い場合に、低電圧から高電圧に駆動電圧を切り替える技術が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、従来の超音波モータでは、ロータが低速回転している場合にロータの安定した回転を実現させることが困難であった。
【特許文献１】特開２００２−３０５８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、低速から高速まで安定して動作することが可能な振動アクチュエータと、そのアクチュエータを有するレンズ鏡筒および光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る振動アクチュエータは、
電気機械変換素子（１０４）に交流電圧が印加されることにより、振動波が発生する振動部材（１０３）と、
前記振動波によって前記振動部材（１０３）に対して相対移動する相対移動部材（１０２）と、
前記電気機械変換素子（１０４）に前記交流電圧を印加する電圧印加手段（２２，２３，２５）と、
前記振動部材（１０３）と前記相対移動部材（１０２）との相対移動速度に応じて交流電圧の振幅を変化させる制御手段（２０）とを有する。
【０００７】
本発明の振動アクチュエータは、振動部材（１０３）と相対移動部材（１０２）との相対移動速度に応じて、交流電圧の振幅を変化させる制御手段（２０）を有する。そのため、アクチュエータの低速回転時には、アクチュエータに高電圧を印加することが可能になり、低速回転時に安定してアクチュエータを動作させることが可能となる。また、アクチュエータの高速回転時には、低電圧を印加させても、慣性力により相対移動部材（１０２）は安定して動作することができ、しかも省エネルギーにも寄与する。
【０００８】
振動アクチュエータは、前記相対移動部材（１０２）の移動速度が所定の値（Ｎｓ）より小さい場合に、前記所定の値（Ｎｓ）より大きい場合の交流電圧の振幅に対して、前記交流電圧の振幅を増大させるようにしてもよい。ロータ（１０２）の回転速度が所定の値より小さい場合に、電圧を上げることにより、ロータ（１０２）の低速回転時に安定してアクチュエータを駆動することができる。
【０００９】
振動アクチュエータは、前記交流電圧の振幅を、段階的に変化させるようにしてもよい。アクチュエータの駆動速度に応じ、交流電圧を段階的に変化させることにより、アクチュエータの駆動速度を滑らかに変化させることができる。
【００１０】
振動アクチュエータは、前記交流電圧の振幅を、連続的に変化させるようにしてもよい。アクチュエータの駆動速度に応じ、交流電圧を連続的に変化させることにより、アクチュエータの駆動速度をより滑らかに変化させることができる。
【００１１】
振動アクチュエータは、前記相対移動部材（１０２）の移動速度を検出する検出手段（２６）をさらに有し、前記検出手段が認識する前記相対移動部材（１０２）の移動速度に応じて制御をするようにしてもよい。これにより、アクチュエータの駆動速度がモニターされるので、制御回路２０によりフィードバック制御されるようになり、アクチュエータの高精度な制御が可能になる。
【００１２】
振動アクチュエータは、前記相対移動部材（１０２）の移動速度が所定時間以上で所定値以下と判断された場合には、前記制御手段（２０）が、前記電圧印加手段（２２，２３，２５）から前記電気機械変換素子（１０２）に印加される前記交流電圧を遮断するようにしてもよい。故障等の何らかの原因によりアクチュエータが駆動されない場合に電圧を出力し続けていると、アクチュエータが過熱し、故障の原因になってしまう。そこで、交流電圧を遮断することでアクチュエータの故障を防止することができる。
【００１３】
振動アクチュエータは、前記電圧印加手段（２５）と前記電気機械変換素子（１０４）とによって共振回路（２７）が形成されるようにしてもよい。電圧印加手段とは別に共振回路を準備する必要が無くなり、装置のコンパクト化に寄与する。
【００１４】
本発明に係るレンズ鏡筒は、上記のいずれかに記載の振動アクチュエータを有する。本発明に係る光学装置は、上記のいずれかに記載の振動アクチュエータを有する。
【００１５】
なお、上述の説明では、本発明をわかりやすく説明するために、実施形態を示す図面の符号に対応つけて説明したが、本発明は、これに限定されるものでない。後述の実施形態の構成を適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替させてもよい。更に、その配置について特に限定のない構成要件は、実施形態で開示した配置に限らず、その機能を達成できる位置に配置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るカメラの概略構成図、
図２は図１に示すＡＦモータの駆動回路図、
図３は図１に示すＡＦモータとして用いられる超音波モータの側面図、
図４は図２に示す駆動回路の制御の一例を示すフローチャート図、
図５は図２に示す駆動回路におけるタイミングチャート図、
図６は超音波モータにおける駆動周波数（ｆ）と回転速度（Ｎ）との関係を示すグラフである。
【００１７】
まず、図１に基づき、本発明の一実施形態のカメラの全体構成について説明する。以下の説明では、レンズ鏡筒１００とカメラボディ２００とが着脱自在となる一眼レフカメラについて説明する。図１に示すように、カメラボディ２００には、レンズ鏡筒１００が着脱自在に装着される。
【００１８】
図１に示すように、カメラボディ２００は、その内部に着脱自在に内蔵される電池１を有する。この電池１の負極端子は、カメラボディ２００の共通接地線７に接続されると共に、電気接点６６に接続される。また、この電池１の負極端子は、電源回路２にも接続される。
【００１９】
カメラボディ２００とレンズ鏡筒１００とが連結された状態で、カメラボディ２００の共通接地線７は、レンズ鏡筒１００の共通接地線８に接続され、導通が確保される。また、カメラボディ２００とレンズ鏡筒１００とが連結された状態では、電気接点６１〜６６を介して、レンズ鏡筒１００内の電気回路と、カメラボディ２００内の電気回路とが電気的に接続される。
【００２０】
電池１の正極端子は、ボディＣＰＵ３にて制御される給電スイッチ５に接続され、この給電スイッチ５がオンされると、電気接点６１を介してレンズ鏡筒１００の電源回路１１、ブレ補正用モータ（ＶＲモータ）１５、絞り駆動回路１６および電圧モニタ回路１８に電圧を供給可能になっている。電池１の正極端子は、さらにカメラボディ２００内の電源回路２に接続される。電源回路２はボディＣＰＵ３により制御される。
【００２１】
ボディＣＰＵ３のＧＮＤ端子は、共通接地線７に接続してあり、ＣＰＵ３のＶＤＤ端子は、それぞれのダイオードを介して、電池１の正極端子および電源回路２の出力端子に接続してある。このため、ボディＣＰＵ３は、電池投入時より起動することが可能になっている。カメラボディ２００の外部スイッチ群４の操作は、ボディＣＰＵ３に入力され、所定のスイッチ入力を検出した場合、ボディＣＰＵ３は、電源回路２をｏｎ／ｏｆｆ制御する。
【００２２】
たとえばカメラの動作として、通常、不図示のシャッターボタンを半押しした場合には、ボディＣＰＵ３は、電源回路２をｏｎ制御する。これにより電源回路２は電圧を出力し、電気接点６２を介してレンズＣＰＵ９に対して給電し、レンズＣＰＵ９が動作可能となる。レンズＣＰＵ９には、共通接地線８との間で、各種スイッチ１０が接続してあり、各種スイッチ１０が操作されることにより、レンズＣＰＵ９の各種設定や制御を変更可能になっている。
【００２３】
レンズＣＰＵ９が動作可能となると、電気接点６３〜６５を介して、レンズＣＰＵ９はボディＣＰＵ３と通信を行う。その結果、ボディＣＰＵ３は給電スイッチ５をｏｎ状態に切り替え、レンズＣＰＵ９は電源回路１１を起動し、レンズ内に存在するＡＦモータ駆動回路１２、ブレ補正回路１３に給電を行い、各機能の動作を開始する。また、給電スイッチ５がｏｎ状態にあるので、レンズ内のＡＦモータ１４、ＶＲモータ１５および絞りモータ１７はいずれも動作可能状態である。
【００２４】
レンズ鏡筒１００の内部回路において、レンズ内のＡＦモータ１４およびＶＲモータ１５が動作状態時に、電源回路１１の出力が何らかの理由でダウンすることがある。そのような場合には、電源回路１１からのＡＦモータ駆動回路１２およびブレ補正回路１３への給電が停止し、ＡＦモータ１４およびＶＲモータ１５の負荷は、電気接点６１を介して供給される電池１の電源経路から自動的に切り離されるようになっている。
【００２５】
図１に示すＡＦモータ１４は、図３に示す超音波モータ１４ａで構成されている。この超音波モータ１４ａでは、バネ１０１によりロータ１０２がステータ１０３に対して加圧接触され、ステータ１０３には、圧電素子１０４が接合してあり、圧電素子１０４は、基板１０６が接合してある。圧電素子１０４に対して電極引き出し線１０５を介して交流電圧が印加され、圧電素子１０４が励振することにより、ステータ１０３に進行性振動波が発生し、ロータ１０２が回転駆動するようになっている。
【００２６】
図３に示す圧電素子１０４を有する超音波モータ１４ａは、図２に示すように、電気回路ではキャパシタ成分Ｃで表すことができ、ＡＦモータ駆動回路１２内のトランス（変圧器）２５の２次側インダクタンスＬ２と対になり、共振回路２７を構成している。
【００２７】
ＡＦモータ駆動回路１２内では、トランス（変圧器）２５の２次側インダクタンスＬ２と対を成す１次側インダクタンスＬ１が配置してあり、それとグランドラインとの間にはスイッチング素子２４が接続され、そのスイッチング素子２４の制御は、制御回路２０の出力ポートＯＵＴにて行われる。出力ポートＯＵＴから出力される高周波パルス信号の周波数を変化させることで、超音波モータ１４ａの駆動周波数（ｆ）を変化させることができる。
【００２８】
トランス２５の１次側インダクタンスＬ１には、電源回路２２，２３からの電圧Ｅ１のみ、あるいは電圧Ｅ１＋Ｅ２が印加されるようになっている。１次側インダクタンスＬ１への電圧Ｅ１のみ、あるいは電圧Ｅ１＋Ｅ２の切替は、スイッチング素子２１により行われ、その素子２１は、制御回路２０の制御ポートＣＴＬからの出力信号により制御される。
【００２９】
また、図２に示すように、超音波モータ１４ａの回転状態は回転検出センサ２６により検出され、制御回路２０のモニタポートＭＯＮに入力され、常に回転状態を認識できるようになっている。図２に示す制御回路２０は、図１に示すレンズＣＰＵ９に組み込まれていても良く、あるいは、別の制御回路であっても良い。図２に示す電源回路２２および２３は、図１に示す電源回路１１に組み込まれてあっても良く、あるいは別の回路でも良い。
【００３０】
次に、主として図４に基づき、たとえば図１に示すＡＦモータ１４として用いられる図２および図３に示す超音波モータ１４ａの制御について説明する。
【００３１】
図４に示すステップＳ１にて、制御がスタートすると、図２に示す制御回路２０の制御端子ＣＴＬからの出力信号に基づき、スイッチング素子２１がＯＮになり、図４に示すステップＳ２にて、トランス２５の１次側インダクタンスＬ１には、電源回路２２からの電圧Ｅ１のみが印加される。図５では、その状態を時刻ｔ０からｔ１の間で示される。その状態では、図２に示す制御回路２０の出力ポートＯＵＴからは何ら駆動信号が出力されない。そのため、超音波モータ１４ａに振動進行波は発生せず、制御回路２０のモニタポートＭＯＮでは、超音波モータ１４ａの回転検出が０である旨の信号が入力される。
【００３２】
次に、ステップＳ２では、図１に示すボディＣＰＵ３への入力信号に基づき、レリーズボタンが半押し状態か否かを判断し、そうでない場合には、ステップＳ２およびステップＳ３を繰り返し、半押しの場合には、ステップＳ４の動作を行う。
【００３３】
ステップＳ４では、図５に示す時刻ｔ１に示すように、図２に示す制御ポートＣＴＬからスイッチング素子２１へ制御信号を送り、スイッチング素子２１をオフ状態とさせる。その結果、一次側インダクタンスＬ１には、電源回路２２および２３からの加重電圧Ｅ１＋Ｅ２が電圧Ｖ１として印加される。また、ステップＳ４では、図２に示す出力ポートＯＵＴから、図５に示すように、比較的に高周波のパルス信号が図２に示すスイッチング素子２４に印加される。そのため、図２に示す二次側インダクタンスＬ２および超音波モータ１４ａには、図５に示す時刻ｔ１からｔ２の間の波形で示すように、比較的に高周波で高電圧の電圧Ｖ２が印加される。
【００３４】
次に、図４に示すステップＳ５では、図２に示す制御回路２０は、回転検出センサ２６にて検出された回転速度が所定時間以上０か否かを判断する。ステップＳ４にて、図５に示す時刻ｔ１からｔ２の間におけるパルス状電圧Ｖ２が図２に示す超音波モータ１４ａに印加されれば、制御回路２０のモニタポートＭＯＮで検出されるように、超音波モータ１４ａは、低速回転しているはずである。
【００３５】
それにもかかわらず、図４に示すステップＳ５にて、制御回路２０のモニタポートＭＯＮで検出される回転速度の検出が０である場合とは、何らかの故障が生じているか、あるいはオートフォーカス制御が終了している場合である。したがって、そのような場合には、図４に示すステップＳ７に行き、図２に示す制御回路２０または図１に示すレンズＣＰＵ９から制御信号を電源回路１１に出力し、ＡＦモータ１４である超音波モータ１４ａへの電圧の供給を遮断する。
【００３６】
また、図４に示すステップＳ５にて、制御回路２０のモニタポートＭＯＮで検出される回転速度の検出が０で無い場合には、オートフォーカス制御が正常状態で続行中であると考えられる。そのような場合には、ステップＳ６に行き、図２に示す制御回路２０は、超音波モータの回転速度が、図６に示す所定回転速度Ｎｓよりも高いか否かを判断する。
【００３７】
超音波モータの回転速度が、図６に示す所定回転速度Ｎｓよりも低い場合には、ステップＳ４に戻り、ステップＳ４およびＳ５を繰り返す。制御回路２０は、オートフォーカス動作を素早くするために、たとえば図５に示す時刻ｔ２のタイミングで、図２に示す出力端子ＯＵＴからの駆動周波数を低くし、超音波モータ１４ａの回転速度を上げる。
【００３８】
その結果、図２に示す制御回路２０は、モニタポートＭＯＮからの入力信号に基づき、超音波モータ１４ａの回転速度が、図６に示す所定回転速度Ｎｓよりも高いことを検出する。所定回転速度Ｎｓよりも高い回転速度が検知される場合とは、安定して回転し続けることができる回転速度であると判断することができる。そのような場合には、図４に示すステップＳ２に戻り、図５に示す時刻ｔ２からｔ３で示すように、図２に示す制御回路２０は、制御ポートＣＴＬから制御信号を出力し、スイッチング素子２１をオンにする。そのため、１次側インダクタンスＬ１には、電圧Ｖ１として、電圧Ｅ１のみが印加される。
【００３９】
その結果、図２に示す超音波モータ１４ａには、図５に示す時刻ｔ２からｔ３までの高速回転時の駆動波形の電圧Ｖ２が印加される。高速回転時の駆動波形の電圧Ｖ２の振幅は、低速回転時の駆動波形の電圧Ｖ２よりも短く、この実施形態では、約半分である。
【００４０】
オートフォーカス制御を終了させるために、超音波モータ１４ａの回転速度を高速回転から低速回転に移行させるために、図２に示す制御回路２０が、たとえば図５に示す時刻ｔ３のタイミングで、図２に示す出力端子ＯＵＴからの駆動周波数を高くし、超音波モータ１４ａの回転速度を下げる。
【００４１】
その結果、図２に示す制御回路２０は、モニタポートＭＯＮからの入力信号に基づき、図４に示すステップＳ６にて、超音波モータ１４ａの回転速度が、図６に示す所定回転速度Ｎｓよりも低いことを検出する。そこで、図４に示すステップＳ４に戻り、図５に示す時刻ｔ３からｔ４で示すように、図２に示す制御回路２０は、制御ポートＣＴＬから制御信号を出力し、スイッチング素子２１をオフにする。そのため、１次側インダクタンスＬ１には、電圧Ｖ１として、電圧Ｅ１＋Ｅ２が印加される。
【００４２】
その結果、図２に示す超音波モータ１４ａには、図５に示す時刻ｔ３からｔ４までの低速回転時の駆動波形の電圧Ｖ２が印加される。そして、図２に示す制御回路２０が、オートフォーカス動作の終了を検知すれば、出力ポートＯＵＴからの駆動パルス信号の出力を停止させ、超音波モータ１４ａの駆動を停止させる。
【００４３】
本実施形態に係る超音波モータ１４ａを含む駆動回路１２と、それを用いたレンズ鏡筒１００を含むカメラによれば、超音波モータ１４ａの低速回転時には高電圧を印加して、駆動トルクを増大させ、低速回転時にも安定してモータ１４ａを駆動し続けることができる。また、超音波モータ１４ａの高速回転時には低電圧を印加させても、慣性力によりロータ１０２は安定して回転することができ、しかも省エネルギーにも寄与する。
【００４４】
なお、図６において、所定回転速度Ｎｓよりも低い回転領域では、不安定な低速回転領域であることが言える。不安定な低速回転領域とは、超音波モータ１４ａの特性の基づくものであり、図６に示すように、駆動周波数ｆを高い方から低い方に移動させた場合に回転速度が停止する駆動周波数ｆ１と、その逆の駆動周波数ｆ２が異なるヒステリシスが生じる領域である。
【００４５】
このような低速回転領域では、従来では、安定して低速回転させることが困難であったが、本実施形態では、上述したように、高速回転時に比較して、電圧を上げることで、低速回転時にも安定してモータ１４ａを駆動し続けることができる。図６に示す所定回転速度Ｎｓは、たとえばヒステリシスが生じる最大回転数Ｎｍの１．２倍〜１．３倍以上の値である。
【００４６】
なお、上述した実施形態では、図５に示すように、図２に示す制御回路２０の出力ポートＯＵＴから出力される駆動信号の周波数が、時刻ｔ２またはｔ３にて、急激に変化しているが、それに限らず、多段階に変化させても良く、あるいはなだらかに徐々に変化させても良い。また、同様に、図２に示す超音波モータ１４ａに印加される電圧Ｖ２の振幅に関しても、時刻ｔ２またはｔ３にて、急激に変化しているが、それに限らず、多段階に変化させても良く、あるいはなだらかに徐々に変化させても良い。
【００４７】
さらに上述した実施形態では、図２に示す回転検出センサ２６を用いて、超音波モータ１４ａの回転速度を検出し、その検出結果に基づき、超音波モータ１４ａに印加される電圧Ｖ２の振幅を変化させたが、それに限らない。たとえば、回転検出センサ２６を具備させることなく、制御回路２０の出力ポートＯＵＴから出力される駆動周波数信号を、制御回路２０自体がモニタリングし、その駆動周波数に対応して、超音波モータ１４ａに印加される電圧Ｖ２の振幅を変化させてもよい。その駆動周波数は、超音波モータ１４ａの回転速度と対応するからである。
【００４８】
さらにまた、上述した実施形態では、本発明の振動アクチュエータを、一眼レフカメラに組み込んだ例について説明したが、一眼レフカメラに限らず、コンパクトカメラ、ビデオカメラ、顕微鏡、携帯電話などの光学機器に組み込んでも良く、さらには、その他の装置に組み込んでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は本発明の一実施形態に係るカメラの概略構成図である。
【図２】図２は図１に示すＡＦモータの駆動回路図である。
【図３】図３は図１に示すＡＦモータとして用いられる超音波モータの側面図である。
【図４】図４は図２に示す駆動回路の制御の一例を示すフローチャート図である。
【図５】図５は図２に示す駆動回路におけるタイミングチャート図ある。
【図６】超音波モータにおける駆動周波数（f）と回転速度（Ｎ）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
１４…ＡＦモータ
１４ａ…超音波モータ
２０…制御回路
２１,２４…スイッチング素子
２２…電源回路
２３…電源回路
２５…トランス
２６…回転検出センサ
２７…共振回路
１００…レンズ鏡筒
１０２…ロータ
１０３…ステータ
１０４…圧電素子
２００…カメラボディ
【図１】
2010148206.tif 000003
【図２】
2010148206.tif 000004
【図３】
2010148206.tif 000005
【図４】
2010148206.tif 000006
【図５】
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【図６】
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