(57)【要約】【課題】良好な性能を有する振動波モータ、レンズ鏡筒およびカメラを提供する。【解決手段】本発明の振動波モータ、レンズ鏡筒およびカメラは、電気機械変換素子１３の励振により、弾性体１４に振動を発生する振動子１１と、前記振動子１１に加圧接触され、前記振動により、その振動子１１との間で相対運動を行う相対運動部材２０と、前記振動子１１と前記相対運動部材２０とを加圧接触させる加圧部材５０と、を備えた振動波モータ１０において、前記振動子１１と前記相対運動部材２０の摺動部１６ａ，２５の動摩擦係数が０．０２〜０．１５であり、前記相対運動部材２０の外径がφ５〜２０ｍｍであり、前記加圧部材の横弾性係数が７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械変換素子の励振により、弾性体に振動を発生する振動子と、
前記振動子に加圧接触され、前記振動により、その振動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、
前記振動子と前記相対運動部材とを加圧接触させる加圧部材と、
を備えた振動波モータにおいて、
前記振動子と前記相対運動部材の摺動部の動摩擦係数が０．０２〜０．１５であり、
前記相対運動部材の外径がφ５〜２０ｍｍであり、
前記加圧部材の横弾性係数が７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とする振動波モータ。
【請求項２】
電気機械変換素子の励振により、弾性体に振動を発生する振動子と、
前記振動子に加圧接触され、前記振動により、その振動子との間で相対運動を行う相対運動部材と、
前記振動子と前記相対運動部材とを加圧接触させる加圧部材と、
前記相対運動部材を支持する相対運動部材側支持部材と、を備えた振動波モータにおいて、
前記振動子と前記相対運動部材の摺動部の動摩擦係数が０．０２〜０．１５であり、
前記振動子と前記相対運動部材の摺動部の面圧が１０〜３０Ｎ／ｍｍ２であり、
前記加圧部材の横弾性係数が７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とする振動波モータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の振動波モータにおいて、
前記加圧部材は、非表面処理のステンレス材で製造されていること、
を特徴とする振動波モータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動波モータにおいて、
前記加圧部材は、ＳＵＳ３０１またはＳＵＳ６３１で製造されていること、
を特徴とする振動波モータ。
【請求項５】
請求項１〜４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６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動波モータを備えるカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性体に振動を発生させて弾性体に振動エネルギーを生じさせ、この振動エネルギーを出力として取り出し駆動力を得る振動波モータ振動波モータ、レンズ鏡筒およびカメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動波モータは、特許文献１等で公知のように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を発生させるものである。この進行波によって、弾性体の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。また、特許文献２等には小型振動波モータにおいて、圧縮ばねを用いた加圧機構の構成が開示されている。
【０００３】
弾性体表面に潤滑塗装膜として塗布する熱硬化性樹脂膜は、鍍金処理等と比較し摩擦係数が小さい。このため、移動子に十分に駆動力を伝達するためには加圧力（荷重）を大きくする必要がある。しかし、一方で、小型振動波モータは、省スペース化が求められており、加圧部材であるばね部材の有効巻き数、コイル径を大きくするとスペース効率が悪くなるため、可能な限り線径を大きくする以外は、横弾性係数の大きい材料を用いる必要がある。そのため、これまでは、熱硬化性樹脂膜を用いた小型振動波モータに用いるばね部材として、ピアノ線に防錆処理として表面処理し、ばね定数を高くしたばね部材が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平１−１７３５４号公報
【特許文献２】特開２００６−３３３６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ピアノ線に表面処理を施したばねは、表面処理の影響により、経時変化等によってばねのヘタリが発生する可能性がある。従来とは異なり、周速度が大きい出力が求められる小型振動波モータにおいては、ヘタリにより加圧力が減少し、加圧ばらつきが１０％を超えると、トルクの低下・異音の発生等、モータ性能が変化する問題が生じる。
【０００６】
本発明の課題は、良好な性能を有する振動波モータ、レンズ鏡筒およびカメラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、電気機械変換素子（１３）の励振により、弾性体（１４）に振動を発生する振動子（１１）と、前記振動子（１１）に加圧接触され、前記振動により、その振動子（１１）との間で相対運動を行う相対運動部材（２０）と、前記振動子（１１）と前記相対運動部材（２０）とを加圧接触させる加圧部材（５０）と、を備えた振動波モータ（１０）において、前記振動子（１１）と前記相対運動部材（２０）の摺動部（１６ａ，２５）の動摩擦係数が０．０２〜０．１５であり、前記相対運動部材（２０）の外径がφ５〜２０ｍｍであり、前記加圧部材の横弾性係数が７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とする振動波モータ（１０）である。
請求項２に記載の発明は、電気機械変換素子（１３）の励振により、弾性体（１４）に振動を発生する振動子（１１）と、前記振動子（１１）に加圧接触され、前記振動により、その振動子（１１）との間で相対運動を行う相対運動部材（２０）と、前記振動子（１１）と前記相対運動部材（２０）とを加圧接触させる加圧部材（５０）と、を備えた振動波モータ（１０）において、前記振動子（１１）と前記相対運動部材（２０）の摺動部（１６ａ，２５）の動摩擦係数が０．０２〜０．１５であり、前記振動子（１１）と前記相対運動部材（２０）の摺動部（１６ａ，２５）の間の面圧が１０〜３０Ｎ／ｍｍ２であり、前記加圧部材の横弾性係数が７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２であることを特徴とする振動波モータ（１０）である。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の振動波モータ（１０）において、前記加圧部材（５０）は、非表面処理のステンレス材で製造されていること、を特徴とする振動波モータ（１０）である。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動波モータ（１０）において、前記加圧部材（５０）は、ＳＵＳ３０１またはＳＵＳ６３１で製造されていること、を特徴とする振動波モータ（１０）である。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動波モータ（１０）を備えるレンズ鏡筒（３）である。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動波モータ（１０）を備えるカメラ（１）である。
なお、符号を付して説明した構成は、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してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、良好な性能を有する振動波モータ、レンズ鏡筒およびカメラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態のカメラを説明する図である。
【図２】振動波モータを説明する図である。
【図３】本実施形態の振動波モータの駆動装置を説明するブロック図である。
【図４】ばね部材の横弾性係数と、加圧力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明にかかる振動波モータ１０の一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態のカメラ１を説明する図である。
カメラ１は、撮像素子８を有するカメラボディ２と、レンズ７を有するレンズ鏡筒３とを備えている。
レンズ鏡筒３は、カメラボディ２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３は、交換レンズである例を示したが、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としてもよい。
【００１２】
レンズ鏡筒３は、レンズ７、カム筒６、ギア４，５１、振動波モータ１０等を備えている。本実施形態では、振動波モータ１０は、カメラ１のフォーカス動作時にレンズ７を駆動する駆動源として用いられており、振動波モータ１０から得られた駆動力は、ギア４，５１を介してカム筒６に伝えられる。レンズ７は、カム筒６にレンズ枠７ａを介して保持されており、振動波モータ１０の駆動力により、光軸方向（図１中に示す、矢印Ｌ方向）に略平行に移動して、焦点調節を行うフォーカスレンズである。
図１において、レンズ鏡筒３内に設けられた不図示のレンズ群（レンズ７を含む）によって、撮像素子８の撮像面に被写体像が結像される。撮像素子８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変換することによって、画像データが得られる。
【００１３】
図２は、振動波モータ１０を説明する図である。
本実施形態では振動子１１側を固定とし、移動子２０を駆動する。
振動子１１は、後述するよう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、圧電体と称する）１３と、圧電体１３を接合した弾性体１４とから構成され、振動子１１には進行性振動波が発生される。
【００１４】
弾性体１４は、共振先鋭度が大きな金属材料から成り、形状は円環形状である。弾性体１４には、摺動部材として潤滑塗装膜３０が施されている。
弾性体１４は、圧電体１３に接合される接合面１５が設けられたベース部１８、およびそのベース部１８から移動子２０側に連続するとともに径方向に延びる溝１７が周方向に一定の間隔で形成された櫛歯部１９を有する。
この櫛歯部１９の先端面が駆動面１６ａとなり移動子２０に加圧接触される。ベース部１８から内径側にフランジ部２２が延伸され、フランジ部２２の最内径部にて固定部材２３により固定されている。
【００１５】
圧電体１３は、一般的には通称ＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛といった材料から構成されているが、近年で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、チタン酸バリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム等から構成されることもある。圧電体１３表面には電極（図示せず）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波長分間隔が空くように電極が配置されている。
【００１６】
移動子２０は、アルミニウムといった軽金属からなり、駆動面１６ａと接触する摺動面２５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。本実施形態では、移動子２０の外径はφ５〜２０ｍｍである。
【００１７】
出力軸４０は、ゴム部材４１と出力軸４０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。ストッパー部材４２と移動子２０との間のゴム部材４１は、粘着性で移動子２０とストッパー部材４２と結合する機能があり、かつ移動子２０からの振動を出力軸４０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。
【００１８】
加圧部材は、出力軸４０のギア部５１とベアリング５２の間に設けられたばね部材５０である。この構造により、移動子２０が振動子１１の駆動面１６ａに加圧接触される。なお、ばね部材５０については後述する。
【００１９】
図３は、本実施形態の振動波モータ１０の駆動装置１００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／制御部について説明する。
発振部１０１は、制御部１０２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１０３は、発振部１０１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。
【００２０】
増幅部１０４は、移相部１０３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１０４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。
【００２１】
回転検出部１０５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２０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１０２に伝達する。
【００２２】
制御部１０２は、レンズ鏡筒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１０の駆動を制御する。制御部１０２は、回転検出部１０５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１０１の周波数を制御する。
【００２３】
次に、本実施形態の振動波モータ１０の動作を説明する。
制御部１０２からの駆動指令により、発振部１０１から駆動信号が発生される。その駆動信号は移相部１０３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１０４により所望の電圧に増幅される。駆動信号は、振動波モータ１０の圧電体１３に印加され、圧電体１３は励振され、その励振によって弾性体１４には４次の曲げ振動が発生する。
【００２４】
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おり、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。
【００２５】
進行波の波頭には楕円運動が生じている。従って、駆動面１６ａに加圧接触された移動子２０は、この楕円運動によって摩擦により駆動される。本実施形態で移動子２０は、周速度２５０〜３００ｍｍ／ｓｅｃで回転する。
移動子２０の駆動により駆動された移動子２０には、光学式エンコーダが配置されており、そこから、電気パルスが発生し、制御部１０２に伝達される。制御部１０２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。
【００２６】
次に、本実施形態の、振動波モータのばね部材５０について説明する。
上述したが、弾性体１４には、摺動部材として潤滑塗装膜３０が施されている。潤滑塗装膜３０として、熱硬化性樹脂膜を使用する場合、鍍金処理等と比較し摩擦係数が小さい。本実施形態では、振動子１１の駆動面１６ａと移動子２０の摺動面２５との間の動摩擦係数は０．０２〜０．１５である。
【００２７】
このため、移動子２０に十分な駆動力を伝達するためには、ばね部材５０の加圧力（荷重）を大きくする必要がある。一方で、小型振動波モータは、省スペース化が求められており、加圧部材であるばねの有効巻き数、コイル径を大きくするとスペース効率が悪くなる。したがって、横弾性係数の大きい材料を用いる必要がある。ばね部材の加圧力は、ばね定数により定まるが、ばね定数は以下の式で表される。
ｋ＝Ｐ／δ＝Ｇｄ４／８・Ｎ・Ｄ３

ここで
ｋ：ばね定数（Ｎ／ｍｍ）
Ｐ：荷重（Ｎ）
δ：変位（ｍｍ）
Ｇ：ばね部材の材料の横弾性係数（Ｎ／ｍｍ２）
ｄ：ばねの線径（ｍｍ）
Ｎ：有効巻き数
Ｄ：平均コイル径（ｍｍ）
である。
【００２８】
図４は、ばね部材５０の横弾性係数と、加圧力及びバネ定数との関係を示すグラフである。
ばね部材５０の加圧力は、７Ｎ以下の場合、加圧力が小さすぎて十分な駆動力を得ることができないため、φ５〜２０ｍｍの振動波モータのばね部材５０としては、横弾性係数が７０×１０３Ｎ／ｍｍ２以上の材料が求められる。一方で、バネ定数が２．４Ｎ／ｍｍより大きいと、つぶし量による加圧力の変化量が大きすぎることで、振動波モータの性能のばらつきが大きくなってしまう。たとえば、加圧力が大きくなると、振動波モータの起動性が悪くなる傾向がある。
【００２９】
ばね部材５０における、加圧力７Ｎ以上に対応する横弾性係数Ｇは、グラフより７０×１０３Ｎ／ｍｍ２以上であり、バネ定数が２．４Ｎ／ｍｍ以下に対応する横弾性係数Ｇは、グラフより８５×１０３Ｎ／ｍｍ２以下である。したがって、本実施形態におけるばね部材の好適な横弾性係数は７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２である。
【００３０】
また、本実施形態のような、移動子２０の外径はφ５〜２０ｍｍである小型振動波モータにおいては、周速度が大きい出力が求められ、加圧ばらつきが１０％を超えると、ヘタリによる加圧力の減少から、トルクの低下・異音の発生等、モータ性能が変化する問題が生じる。したがって、ばね部材５０の経時的なばらつきが１０％以内となる材料が好ましい。
【００３１】
上記の条件を満たす材料として、本実施形態としては、以下の材質が適切である。
１）ＳＵＳ３０１（オーステナイト系：ＳＵＳ３０４からクロムとニッケルを低減させることにより、高い硬度、及び強さをもち耐久性に優れている）
２）ＳＵＳ６３１（析出硬化系：熱処理によって強度を高めている）
これらの横弾性係数は、それぞれ、Ｇ＝７３．５×１０３Ｎ／ｍｍ２であり、上述の７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２の範囲に含まれる。また加圧部材の経時的なばらつきも１０％以内である。
【００３２】
汎用コストを考慮した場合、ＳＵＳ３０１は、ＳＵＳ６３１材と比較し、コストが高いため、ＳＵＳ３０１がより好適と考えられる。
また、ＳＵＳ３０１であるハーキュリー材は、ばね用ステンレス鋼線に比べ、更なる高強度・高靭性を達成し、ピアノ線並のばね特性があり、高温でのヘタリ性はピアノ線を遥かにしのぐ。また、耐食性においては６価クロム被膜などの防錆処理の必要がなく環境にやさしい材料であるため、小型化、高荷重、高温でのヘタリ防止、低コスト化を、併せ持つ材料として最適である。
【００３３】
次に、比較形態１として、ばね部材にピアノ線を用いる場合について説明する。
ピアノ線は、横弾性係数が、７８．５×１０３Ｎ／ｍｍ２であり、十分な横弾性係数を有する。しかし、錆やすいため、防錆処理として、表面処理（例としてＢＺｎ鍍金等）が必要となる。防錆処理を行うと、信頼性（経時変化、温度サイクルが繰り返されると、表面処理の劣化により、へたりが発生し、加圧力が１０％程度劣化する。したがって、ピアノ線は、ばね部材としては好ましくない。
【００３４】
比較形態２として、ばね部材にＳＵＳ３０４を用いる場合について説明する。
ＳＵＳ３０４は、耐食性が良く、硬鋼線・ピアノ線に比較し、錆びにくい。しかし、ＳＵＳ３０４は、横弾性係数が、６８．６×１０３Ｎ／ｍｍ２であり、十分な加圧力を得ることはできない。したがって、ＳＵＳ３０４はばね部材としては好ましくない。
【００３５】
以上、本実施形態によると、以下の効果を有する。
（１）本実施形態では、移動子２０の外径がφ５〜２０ｍｍ程度であり、周速度２５０〜３００ｍｍ／ｓｅｃで回転し、振動子１１の駆動面１６ａと移動子２０の摺動面２５との間の動摩擦係数が０．０２〜０．１５である小型振動波モータにおいて、横弾性係数が７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２のばね部材を加圧部材として用いる。これにより、低摩擦係数による十分な高荷重が得ることができる。
（２）また、ＳＵＳ３０１やＳＵＳ６３１といった、横弾性係数７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２を満たしつつ、非表面処理のばね部材使用することで、小型化、高荷重、高温におけるヘタリ防止、低コスト化を、実現することができる。さらに、ヘタリが生じないため、加圧力が減少せず、加圧ばらつきが１０％以下となり、トルクの低下・異音の発生等、モータ性能が変化が低減される。
【００３６】
（変形形態）
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。
（１）本実施形態では、ＳＵＳ３０１またはＳＵＳ６３１を用いたがこれに限らず、横弾性係数は７０×１０３Ｎ／ｍｍ２〜８５×１０３Ｎ／ｍｍ２であって、ばね部材５０の経時的なばらつきが１０％以内となる材料であれば他の材料であってもよい。
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。
【符号の説明】
【００３７】
１：カメラ、３：レンズ鏡筒、１０：振動波モータ、１１：振動子、１３：移動子、１４：弾性体、２０：移動子、５０：加圧ばね
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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