(57)【要約】      （修正有）【課題】振動体の外径が小さくても、起動トルクを大きくすることができる振動アクチュエータを提供する。【解決手段】駆動信号により振動する、円環形状の振動体２０１と、前記振動体の振動により、前記振動体に対して相対運動を行う相対運動部材２０５とを備え、前記振動体の外径が１０〜１５ｍｍであり、力係数が０．０５以上である。【選択図】図２
2008072831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動信号により振動する、円環形状の振動体と、
前記振動体の振動により、前記振動体に対して相対運動を行う相対運動部材とを備え、
前記振動体の外径が１０〜１５ｍｍであり、力係数が０．０５以上であることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、
前記振動体は、円環形状のベース部と、前記ベース部に対して前記相対運動部材側に設けられる弾性体と、前記ベース部の前記弾性体が設けられる面と反対側の面に設けられる圧電素子とを有し、前記ベース部の前記圧電素子が設けられた側の面に、凸部を設けたことを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】
振動アクチュエータに駆動電圧を供給する駆動電圧出力手段と、
所定の周期内の途中で、前記駆動電圧を急降下させる制御を行い、前記所定の周期内の始点から急降下点までの時間をａ、前記急降下点から前記所定の周期内の終点までの時間をｂとするとき、ａ／ｂが１．７以下であるように制御を行う制御手段と
を備えることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
【請求項４】
１次側巻線に直流電源を接続し、２次側巻線から振動アクチュエータの振動体に電圧を供給するトランスと、
前記トランスの１次側巻線に流れる電流をオンオフする第１のスイッチング手段と、
前記トランスの２次側巻線に流れる電流をオンオフする第２のスイッチング手段と、
所定の周期内で、第１のスイッチング手段を時間ａだけオンし、その後時間ｂだけ第１のスイッチング手段をオフし、第２のスイッチング手段をオンする制御を行い、ａ／ｂが１．７以下となるように制御するスイッチング制御手段と
を備えることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
【請求項５】
１次側巻線に直流電源を接続し、２次側巻線から振動アクチュエータの振動体に電圧を供給するトランスと、
前記トランスの１次側巻線あるいは２次側巻線に流れる電流をオンオフする制御手段を備え、
前記振動アクチュエータの圧電素子の静電容量Ｃdが１[ｎＦ]＜Ｃd＜１．２５[ｎＦ]であるとき、前記トランスの２次側巻線のインダクタンス値Ｌを１．９[ｍＨ]＜Ｌ＜２．５[ｍＨ]としたことを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
【請求項６】
請求項５に記載の振動アクチュエータの駆動装置において、
前記トランスの入力電圧が３Ｖ、トランス昇圧比が１：２４であることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
【請求項７】
請求項３から６の何れか一項に記載の振動アクチュエータの駆動装置において、
前記振動アクチュエータは、振動体の外径が１０〜１５ｍｍであり、力係数が０．０５以上であることを特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。
【請求項８】
請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータと、
前記振動アクチュエータによって駆動されるレンズと
を備えたことを特徴とするレンズ鏡筒。
【請求項９】
請求項３から６のいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動装置と、
前記駆動装置によって駆動される振動アクチュエータと、
前記振動アクチュエータによって駆動されるレンズと
を備えたことを特徴とするレンズ鏡筒。
【請求項１０】
請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータと、
前記振動アクチュエータによって駆動されるレンズと
を備えたことを特徴とするカメラ。
【請求項１１】
請求項３から６のいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動装置と、
前記駆動装置によって駆動される振動アクチュエータと、
前記振動アクチュエータによって駆動されるレンズと
を備えたことを特徴とするカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動体に振動を発生させて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、駆動力を得る振動アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、この種の振動アクチュエータは、例えば、カメラの交換レンズ等に備えられ、オートフォーカスレンズを駆動する駆動モータとして実用化されている。振動アクチュエータの振動体を振動させ、振動アクチュエータを駆動するために、振動アクチュエータを駆動する駆動速度、すなわち回転速度に応じた周波数の駆動信号を与える駆動装置が用いられる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１６３７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、振動体の外径が小さい振動アクチュエータにおいては、起動トルクが小さいという問題があった。特に低温環境での使用においては、起動しないことがあるという問題があった。
【０００４】
本発明は、振動体の外径が小さくても、起動トルクを大きくすることができる振動アクチュエータとその駆動装置、その振動アクチュエータを用いたレンズ鏡筒、カメラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題の解決のため、請求項１に記載の振動アクチュエータは、駆動信号により振動する、円環形状の振動体と、前記振動体の振動により、前記振動体に対して相対運動を行う相対運動部材とを備え、前記振動体の外径が１０〜１５ｍｍであり、力係数が０．０５以上であることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の振動アクチュエータは、請求項１に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動体は、円環形状のベース部と、前記ベース部に対して前記相対運動部材側に設けられる弾性体と、前記ベース部の前記弾性体が設けられる面と反対側の面に設けられる圧電素子とを有し、前記ベース部の前記圧電素子が設けられた側の面に、凸部を設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の振動アクチュエータの駆動装置は、振動アクチュエータに駆動電圧を供給する駆動電圧出力手段と、所定の周期内の途中で、前記駆動電圧を急降下させる制御を行い、所定の周期内の途中で、前記駆動電圧を急降下させる制御を行い、前記所定の周期内の始点から急降下点までの時間をａ、前記急降下点から前記所定の周期内の終点までの時間をｂとするとき、ａ／ｂが１．７以下であるように制御を行う制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項４に記載の振動アクチュエータの駆動装置は、１次側巻線に直流電源を接続し、２次側巻線から振動アクチュエータの振動体に電圧を供給するトランスと、前記トランスの１次側巻線に流れる電流をオンオフする第１のスイッチング手段と、前記トランスの２次側巻線に流れる電流をオンオフする第２のスイッチング手段と、所定の周期内で、第１のスイッチング手段を時間ａだけオンし、その後時間ｂだけ第１のスイッチング手段をオフし、第２のスイッチング手段をオンする制御を行い、ａ／ｂが１．７以下となるように制御するスイッチング制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項５に記載の振動アクチュエータの駆動装置は、１次側巻線に直流電源を接続し、２次側巻線から振動アクチュエータの振動体に電圧を供給するトランスと、前記トランスの１次側巻線あるいは２次側巻線に流れる電流をオンオフする制御手段を備え、前記振動アクチュエータの圧電素子の静電容量Ｃdが１[ｎＦ]＜Ｃd＜１．２５[ｎＦ]であるとき、前記トランスの２次側巻線のインダクタンス値Ｌを１．９[ｍＨ]＜Ｌ＜２．５[ｍＨ]としたことを特徴とする。
【００１０】
請求項６に記載の振動アクチュエータの駆動装置は、請求項５に記載の振動アクチュエータの駆動装置において、前記トランスの入力電圧が３Ｖ、トランス昇圧比が１：２４であることを特徴とする。
【００１１】
請求項７に記載の振動アクチュエータの駆動装置は、請求項３から６の何れか一項に記載の振動アクチュエータの駆動装置において、前記振動アクチュエータは、振動体の外径が１０〜１５ｍｍであり、力係数が０．０５以上であることを特徴とする。
【００１２】
請求項８に記載のレンズ鏡筒は、請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータと、前記振動アクチュエータによって駆動されるレンズとを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項９に記載のレンズ鏡筒は、請求項３から６のいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動装置と、前記駆動装置によって駆動される振動アクチュエータと、前記振動アクチュエータによって駆動されるレンズとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項１０に記載のカメラは、請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータと、前記振動アクチュエータによって駆動されるレンズとを備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項１１に記載のカメラは、請求項３から６のいずれか１項に記載の振動アクチュエータの駆動装置と、前記駆動装置によって駆動される振動アクチュエータと、前記振動アクチュエータによって駆動されるレンズとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、振動体の外径が小さくても、振動アクチュエータの起動トルクを大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、振動アクチュエータ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。なお、本実施形態では、振動アクチュエータとして、超音波の振動域を利用した超音波モータを例にとって説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態のカメラシステム１０１を説明する図である。本実施形態のカメラシステム１０１は、撮像素子１０８を有するカメラボディ１０２と、レンズ１０７を有するレンズ鏡筒１０３とを備えている。レンズ鏡筒１０３は、カメラボディ１０２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１０３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。レンズ鏡筒１０３は、レンズ１０７、カム筒１０６、ギア１０４，１０５、超音波モータ１１０等を備えている。本実施形態では、超音波モータ１１０は、カメラシステム１０１のフォーカス動作時にレンズ１０７を駆動する駆動源として用いられており、超音波モータ１１０から得られた駆動力は、ギア１０４，１０５を介してカム筒１０６に伝えられる。レンズ１０７は、カム筒１０６に保持されており、超音波モータ１１０の駆動力により、光軸方向へ移動して、焦点調節を行うフォーカスレンズである。
【００１９】
図２は、本実施形態の超音波モータの構成を示す断面図である。超音波モータ１１０は、振動体２０１、ロータ２０５等を有し、振動体２０１側を固定とし、ロータ２０５側を回転駆動する形態となっている。振動体２０１は、弾性体２０２と、弾性体２０２に接合された圧電体２０３とを有するステータであり、圧電体２０３の弾性体２０２側とは反対側の面には、圧電体２０３を励振する駆動信号を供給するフレキシブルプリント基板２０４が接続されている。振動体２０１は、圧電体２０３の励振により進行性振動波（以下、「進行波」とする）が発生する。一例として、１周あたり９波の進行波で説明する。
【００２０】
振動体２０１は、弾性体２０２と、弾性体２０２に接合された圧電体２０３とを有する略円環形状の部材である。弾性体２０２は、共振先鋭度の大きい金属材料からなり、その形状は略円環形状である。弾性体２０２は、櫛歯部２０２ａ、ベース部２０２ｂ、フランジ部２０２ｃ、凸部２０２ｄを有する。弾性体２０２は、圧電体２０３が接合される面の反対側の面に、溝を切った櫛歯部２０２ａが形成されており、この先端面が駆動面となり、ロータ２０５に加圧接触される。櫛歯部２０２ａを設ける理由は、進行波の中立面をできる限り圧電体２０３側に近づけ、駆動面の進行波の振幅を増幅させるためである。
【００２１】
ベース部２０２ｂは、弾性体２０２の周方向に連続した部分であり、ベース部２０２ｂの櫛歯部２０２ａとは反対側の面に、圧電体２０３が接合されている。凸部２０２ｄは、ベース部２０２ｂの内径側であり、かつ、後述のフランジ部２０２ｃよりも圧電体２０３側に設けられている。本実施形態では、圧電体２０３を接合する際の位置決めが容易となるように、圧電体２０３の接合面よりわずかに突出して形成されている。フランジ部２０２ｃは、凸部２０２ｄよりも内径側に設けられ、弾性体２０２の内径方向に突出した鍔状の部分であり、ベース部２０２ｂの厚さ方向の中央に配置されている。弾性体２０２は、フランジ部２０２ｃによりステータ取付台２０６に取り付けられている。ステータ取付台２０６には、ベアリング２０７を介して、後述する出力軸２１３が回転可能に取り付けられている。
【００２２】
圧電体２０３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、電歪素子や圧電素子等が用いられる。この圧電体２０３は、弾性体２０２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があり、各相に対応する範囲においては、１／２波長毎に分極が交互に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波長分間隔が空くようにしてある。フレキシブルプリント基板２０４は、その配線が圧電体２０３の各相の電極に接続されており、このフレキシブルプリント基板２０４に外部から供給された駆動信号により、圧電体２０３は伸縮し、弾性体２０２を励振する。
【００２３】
ロータ２０５は、例えば、アルミニウム等の軽金属により形成され、振動体２０１と加圧接触することにより、櫛歯部２０２ａの先端面である弾性体２０２の駆動面に生じた進行波による楕円運動により回転駆動される相対運動部材である。ロータ２０５は、回転中心線を中心軸として形成される回転体であり、その中心には略円筒形状の貫通孔部２０５ａが形成されている。この貫通孔部２０５ａは、後述する出力軸２１３と嵌合し、その径は出力軸２１３の径に対して公差分だけ大きい。
【００２４】
出力軸２１３は、樹脂により形成された略円筒形状の部材であり、ロータ２０５の貫通孔部２０５ａに嵌合し、ロータ２０５とともに回転運動することにより、ロータ２０５の回転運動を取り出す出力取り出し部材である。出力軸２１３は、ロータ２０５の貫通孔部２０５ａと嵌合する端部の少なくとも一部にはＤカットが施され、他方の端部は、ギア１０４に接合され、ギア１０４は被駆動部材に出力を伝える。フランジリング２１１は、出力軸２１３に嵌合し、出力軸２１３の回転中心線方向に移動可能であり、出力軸２１３とともに回転する部材である。フランジリング２１１とロータ２０５との間には、緩衝部材２１０が設けられている。この緩衝部材２１０は、例えば、ゴム等により形成された略円環形状の部材であり、出力軸２１３に嵌合し、ロータ２０５の回転中心線方向の振動を吸収する。
【００２５】
Ｅリング２１２は、出力軸２１３の端部に設けられた溝部２１３ａに嵌められ、後述する加圧部２０９の加圧方向において、出力軸２１３に対するフランジリング２１１及びロータ２０５の位置を規制する規制部材である。加圧部２０９は、振動体２０１とロータ２０５とを加圧接触させる機構であり、出力軸２１３に設けられている。この加圧部２０９は、加圧力を発生するバネで構成されている。この加圧部２０９は、出力軸２１３の回転中心線方向に振動体２０１とロータ２０５とを加圧する。
【００２６】
図３は、超音波モータの振動体の構成を示す図である。図３（ａ）は比較例の振動体を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の振動体の櫛歯部と櫛歯部の間を通る直径方向の直線での断面図である。図３（ｃ）は、本実施形態の超音波モータ（図２）の振動体２０１を示す図であり、図３（ｄ）は、図３（ｃ）の振動体の図３（ｂ）と同様の断面図である。ともに外径（外周の直径）は１２ｍｍである。
【００２７】
図３（ｂ）と図３（ｄ）を比較するとわかるように、本実施形態の振動体２０１の櫛歯部２０２ａは、比較例（図３（ｂ））と比べて、径方向の長さが長い。また、本実施形態の振動体２０１は、凸部２０２ｄが形成されている。このような構成により、振動体２０１は、比較例の振動体と比べて、体積が大きくなっており、その結果質量も大きくなっている。このような構成により、本実施形態の振動体２０１は、力係数を０．０５以上にすることを実現している。
【００２８】
ここで、力係数について説明する。
【００２９】
振動子の圧電体として圧電セラミックスを用いた超音波モータの挙動は、次の方程式で記述される。
−Ｆ＝ＡＶ−Ｚｖ  ・・・（１）
Ｉ＝ＹdＶ＋Ａｖ  ・・・（２）
Ａ：力係数
Ｆ：機械端子の力
ｖ：機械端子の速度
Ｖ：電気端子の電圧
Ｉ：電気端子の電流
Ｚ：圧電セラミックスの機械インピーダンス
Ｙd：制止アドミタンス
印加した電圧ＶのＡ倍が圧電セラミックス内部で力に変換され、このＡＶの値から、内部機械インピーダンスＺと速度ｖの積によるインピーダンス降下を差し引いた値が、外部に取り出せる力の大きさを示す。
【００３０】
また、超音波モータの等価回路を図４とし、図４の等価回路のインピーダンス曲線を図５とした場合、
ｆm：共振周波数
ｆn：反共振周波数
ｍ：振動子の質量
ｋ：電気機械結合係数
Ｃd：圧電セラミックスの静電容量
Ｌ：インダクタンス
とすると、
Ｌ＝ｍ/Ａ2   ・・・（３）
Ｌ＝｛１／（２π）2｝×（１／Ｃd）×｛１／（ｆn2−ｆm2）｝  ・・・（４）
で表すことができる。
【００３１】
すなわち、式（３）より、振動子の質量ｍによって、力係数Ａを変化させることができる。質量ｍを大きくすれば、力係数Ａも大きくなる。また、Ｃd値を一定とした場合、図５のインピーダンス曲線における共振周波数ｆm、反共振周波数ｆnによって、力係数を変化させることができる。
【００３２】
本実施形態では、超音波モータの外部に取り出せる力を大きくするために、櫛歯部の径方向の長さを内径方向に広げ、かつ圧電素子接着面（ベース部２０２ｂ）に凸部２０２ｄを設け、弾性体の体積を増すことによって質量を増し、力係数を大きくした。これにより、外径が１０〜１５ｍｍにおける円環型の超音波モータにおいて、発生する起動トルクを大きくし、特に低温時においての性能向上を実現した。
【００３３】
力係数を算出するための測定は以下のようにした。Ｃd値については、各相に対してＬＣＲメータを用いて測定した。共振周波数ｆm、反共振周波数ｆnについては、ステータ単体状態（ロータとの接触加圧なしの状態）にて、インピーダンス測定器（１Ｖrms印加）で測定した測定値に基づいて求めた。質量ｍはステータの質量を流用して近似換算している。
【００３４】
以上のように、力係数を大きくすることにより、起動トルクを大きくすることができるわけであるが、この場合、圧電体に印加する駆動信号の波形に制限を設ける必要があることがわかった。その制限から外れる場合は、特に低温時において、超音波モータが正常に駆動しないことがわかった。
【００３５】
以下、本実施形態における超音波モータの駆動装置について説明する。図６は、本実施形態における超音波モータの駆動装置の構成を示す図である。超音波モータの円環状の振動子は、円環状の弾性体とこの弾性体に接合された円環状の圧電素子（電気機械エネルギー変換素子）とから構成され、円環状の圧電素子は周回方向に適宜電極が分極されている（例えば１２極程度）。このように分極された圧電素子に、位相が９０度ずれた２つの交流信号を、それらの反転信号と組み合わせて、分極された電極ごとに適宜交互に供給する。これにより圧電素子を振動させ、弾性体に進行波の振動を発生させる。弾性体に加圧接触された相対運動部材は、弾性体に発生した進行波の振動を受けて回転駆動される。
【００３６】
図６では、図を簡略化するため、位相が９０度ずれた２つの交流信号が２つの圧電素子１ａ、１ｂに供給するものとして記載されている。しかし、圧電素子１ａは、一方の交流信号およびその反転信号が供給される分極された圧電素子すべてを意味し、圧電素子１ｂは、他方の交流信号およびその反転信号が供給される分極された圧電素子すべてを意味するものとする。
【００３７】
図６において、超音波モータ駆動装置は、直流電源回路２、パルス発生回路３、スイッチング制御回路４、５、駆動回路６ａ、７ａから構成される。駆動回路６ａは、トランス１１、ＭＯＳＦＥＴ１２、１３、４１、ダイオード１４、１５、４２、４３、インバータ１６から構成される。駆動回路７ａは、駆動回路６ａと同様に、トランス２１、ＭＯＳＦＥＴ２２、２３、５１、ダイオード２４、２５、５２、５３、インバータ２６から構成される。
【００３８】
図７は、スイッチング制御回路４の内部の構成を示す図である。スイッチング制御回路４は、図７に示すように、抵抗３１、ダイオード３２、シュミットトリガバッファ３３、抵抗３４、コンデンサ３５、シュミットトリガインバータ３６、インバータ３７、フリップフロップ３８、ＮＡＮＤゲート３９から構成される。スイッチング制御回路４の動作については後述する。スイッチング制御回路５もスイッチング制御回路４と同様な構成である。
【００３９】
図８は、超音波モータの駆動周波数対回転速度（回転数）特性を示す図である。ｆ０は超音波モータが回転を始める駆動周波数であり、ｆ１は制御範囲の最高回転速度となる駆動周波数であり、ｆｒは超音波モータの振動子に機械的な共振が生じる駆動周波数である。本実施の形態では、制御の安定性等を考え、超音波モータの振動子の機械的な共振に対応する駆動周波数ｆｒより右肩下がりの特性を使用する。すなわち、駆動周波数ｆ０から駆動周波数を下げることにより超音波モータの回転速度を上げていく制御を行う。
【００４０】
このように構成された駆動装置において、パルス発生回路３は、超音波モータを所望の回転速度Ｎで回転させるべく、所望の回転速度Ｎに対応した駆動周波数ｆの位相が９０度ずれた２つのパルス信号Ｐ１、Ｐ２を出力する。パルス発生回路３から出力されたパルス信号Ｐ１、Ｐ２は、スイッチング制御回路４、５を経て信号Ｂ１、Ｂ２となり駆動回路６ａ、７ａのＭＯＳＦＥＴ１２、２２をオン／オフする。ＭＯＳＦＥＴ１２、２２がオン／オフ制御されることにより、トランス１１、２１の２次巻線側にパルス信号と同じ周波数ｆの昇圧された信号Ｃ１、Ｃ２が発生する。
【００４１】
２次巻線側に発生する昇圧された信号Ｃ１、Ｃ２は、圧電素子１ａ、１ｂに供給され、圧電素子１ａ、１ｂはパルス信号と同じ周波数ｆで振動する。信号Ｃ１、Ｃ２は、位相が９０度ずれている。圧電素子１ａは、前述したように、分極された複数の圧電素子の集合であり、信号Ｃ１、信号−Ｃ１が供給される圧電素子の集合である。圧電素子１ｂは、同様に、分極された複数の圧電素子の集合であり、信号Ｃ２、信号−Ｃ２が供給される圧電素子の集合である。信号−Ｃ１、信号−Ｃ２は、信号Ｃ１、信号Ｃ２に対して、グランドと各信号の配線を逆にして配線する信号である。このようにして圧電素子１ａ、１ｂに信号Ｃ１、Ｃ２が供給されると、圧電素子１ａ、１ｂに接合された弾性体に進行波が発生する。弾性体に加圧接触された相対運動部材は、弾性体に発生した進行波の振動を受け、駆動周波数ｆに対応した回転速度Ｎで回転駆動される。
【００４２】
本実施の形態では、このようにして超音波モータが駆動されるとき、駆動周波数ｆの周期において、トランス１１、２１の二次側巻線と圧電素子１ａ、１ｂとの直列回路上に設けられたＭＯＳＦＥＴ１３、２３を一定期間オフすることにより、トランス１１、２１と圧電素子１ａ、１ｂ間で発生する自由振動を抑えるようにしている。以下、この制御についてさらに詳細に説明する。
【００４３】
図９は、超音波モータの駆動のタイミングチャートを示す図である。駆動回路６ａおよび駆動回路７ａで自由振動を抑える動作は同じ原理に基づくものである。従って、代表して駆動回路６ａでの動作、すなわち圧電素子１ａへの信号の供給について説明する。
【００４４】
パルス発生回路３は、図９（ａ）で示すように、所望の周波数（周期ｔ１−ｔ４）のパルス信号Ｐ１を出力する。スイッチング制御回路４は、パルス信号Ｐ１および駆動回路６ａのトランス１１の１次側からの駆動波形帰還信号を入力して、図９（ｂ）に示す信号Ｂ１、図９（ｃ）に示す信号Ａ１を出力する。信号Ｂ１、信号Ａ１の生成については後述する。信号Ｂ１のｔ１−ｔ２時間は駆動回路６ａのトランス１１などの回路定数で決まる値であり、外部から制御できない値である。すなわち、トランス１１の２次巻線のインダクタンスＬと圧電素子１ａの静電容量Ｃの共振周波数ｆｃに依存し、駆動周波数ｆには依存しない値である。一方、信号Ｂ１のｔ１−ｔ４時間は駆動周波数で決まる時間であり、外部から制御できる値である。従って、ｔ１−ｔ４時間が長くなると、ｔ１−ｔ２時間は一定のため、ｔ２−ｔ４時間は長くなる。
【００４５】
図６に示すように信号Ｂ１はＭＯＳＦＥＴ１２のゲート端子に入力され、信号Ｂ１がロー（Ｌｏｗ）の間（ｔ１−ｔ２）、ＭＯＳＦＥＴ１２はオフし、信号Ｂ１がハイ（Ｈｉｇｈ）の間（ｔ２−ｔ４）、ＭＯＳＦＥＴ１２はオンするようスイッチング制御される。一方、信号Ｂ１はインバータ１６により反転されてＭＯＳＦＥＴ１３のゲート端子に入力され、信号Ｂ１がローの間（ｔ１−ｔ２）ＭＯＳＦＥＴ１３はオンし、信号Ｂ１がハイの間（ｔ２−ｔ４）ＭＯＳＦＥＴ１３はオフするようスイッチング制御される。
【００４６】
信号Ａ１はＭＯＳＦＥＴ４１のゲート端子に入力され、信号Ａ１がロー（Ｌｏｗ）の間（ｔ１−ｔ２、ｔ３−ｔ４）、ＭＯＳＦＥＴ４１はオンし、信号Ａ１がハイ（Ｈｉｇｈ）の間（ｔ２−ｔ３）、ＭＯＳＦＥＴ４１はオフするようスイッチング制御される。ＭＯＳＦＥＴ１２、１４はＮｃｈ−ＭＯＳＦＥＴであるが、ＭＯＳＦＥＴ４１はＰｃｈ−ＭＯＳＦＥＴであるので、ゲート信号に対するオンオフの動作は逆になる。
【００４７】
ＭＯＳＦＥＴ１２がオンしている間、トランス１１の１次巻線には直流電源回路２から電流Ｉ１が流れようとするが、信号Ａ１によりｔ２−ｔ３間はＭＯＳＦＥＴ４１がオフされ、トランス１１の１次巻線には電流が流れない。信号Ａ１がロー（Ｌｏｗ）になる間（ｔ３−ｔ４）にトランス１１の１次巻線には電流が流れ（図９（ｄ））、トランス１１の１次巻線にはエネルギーが蓄えられる。このようにして、ＭＯＳＦＥＴ１２がオンオフ制御されることにより、図９（ｅ）に示すような駆動電圧が圧電素子１ａに供給される。
【００４８】
圧電素子１ａに供給される駆動電圧は、タイミングｔ２以降に自由振動が発生すると考えられる。しかし、本実施の形態では、タイミングｔ２以降においてＭＯＳＦＥＴ１３をオフすることにより、この自由振動を抑制している。すなわち、圧電素子１ａとトランス１１の２次巻線とグランド間の直列回路上に、ＭＯＳＦＥＴ１３のスイッチング素子を挿入し、ＭＯＳＦＥＴ１２をオフすることにより自由振動の発生を抑制している。
【００４９】
駆動周波数と圧電素子１ａに印加される駆動電圧の関係について説明する。図９に示すように、ｔ２からｔ４の間ＭＯＳＦＥＴ１２はオンしているため、ｔ２から電流Ｉ１が流れようとするが、信号Ａ１によりｔ２−ｔ３間は電流Ｉ１が流れないようにしている。仮に、ｔ２からｔ４の間電流Ｉ１が流れ続けると、トランス１１に蓄えられるエネルギーが大きくなり、圧電素子１ａへ印加される電圧も大きくなる。駆動周波数を変化させた場合、前述したようにｔ２からｔ４までの時間が変化することから、駆動周波数を低くするにつれｔ２からｔ４までの時間が長くなる。その結果、圧電素子１ａへ印加される電圧も大きくなり、圧電素子１ａの振幅も大きくなり、超音波モータの回転速度が上がる。しかし、圧電素子１ａに印加する電圧は必要以上に大きくしても、熱エネルギーとなるだけで、効率が悪い。そこで、本実施形態では、不必要に圧電素子１ａに印加する電圧を上昇させないように、信号Ａ１によりＭＯＳＦＥＴ４１をオフして、トランス１１の１次巻線には電流が流れないようにしている。
【００５０】
図１０は、図７のスイッチング制御回路４において信号Ａ１、信号Ｂ１が生成される過程のタイミングチャートを示す図である。図１０（ａ）は、駆動回路６ａからの駆動波形帰還信号を表し、トランス１１の１次巻線の直流電源回路２に接続される端子とは反対側の端子での信号波形を示している。駆動波形帰還信号は、抵抗３１、ダイオード３２を経て、図１０（ｂ）のように波形が整形され、さらに、シュミットトリガバッファ３３を経て、図１０（ｃ）のようなパルス信号が出力される。
【００５１】
図１０（ｃ）のパルス信号は、抵抗３４とコンデンサ３５の積分回路を経て図１０（ｄ）のような波形になり、シュミットトリガインバータ３６からは図１０（ｅ）のタイミングのパルス信号が出力される。抵抗３４やコンデンサ３１０の定数は、シュミットトリガインバータ３６の出力の立ち上がりがタイミングｔ２すなわち図１０（ａ）の駆動波形帰還信号の下限点あたりに来るように決定される。
【００５２】
シュミットトリガインバータ３６の出力は、フリップフロップ３８のクロック端子（ＣＬＫ）に入力される。このときフリップフロップ３８のＤ端子は常時グランドである。一方、パルス発生回路３からのパルス信号Ｐ１（図１０（ｆ））は、インバータ３７で反転されてフリップフロップ３８のプリセット端子（ＰＲＥ）に入力される。
【００５３】
このような信号が入力されるフリップフロップ３８は、図１０（ｇ）に示す反転Ｑの信号を出力し、信号Ａ１として出力する。一方、非反転信号Ｑは、インバータ３７の出力とＮＡＮＤゲート３９でＮＡＮＤが取られ、ＮＡＮＤゲート３９は、信号Ｂ１を出力する。
【００５４】
なお、本実施の形態の超音波モータ駆動装置は、ＭＯＳＦＥＴ１２をオンしてトランス１１の１次側にエネルギーを蓄え、ＭＯＳＦＥＴ１２をオフすることによってトランス１１の２次側に発生する振動信号（減衰信号）のうち１つ目の波形のみを圧電素子１ａの駆動に使用し、それ以降の波形を自由振動として排除するものと言える。スイッチング制御回路４は、この１つ目の波形を有効信号として抽出するものと言える。１つ目の波形とは振動信号の最初の半周期の信号であり、最初の半周期以降の信号が自由振動の信号である。
【００５５】
駆動回路７ａ側およびスイッチング制御回路５の動作についても、図９および図１０のタイミングチャートを使用して同様に説明できるので、その説明を省略する。
【００５６】
ここで、図９（ｅ）の駆動電圧の波形について説明する。図１１は、本実施形態の超音波モータの駆動装置における駆動電圧の１周期の波形を示す図である。図１１の波形は、いわゆる擬似正弦波と呼ばれるものである。図１１に示す波形の１周期において、周期の始点から電圧の急降下が始まる点までの時間をａとし、その電圧の急降下が始まる点から周期の終点までの時間をｂとする。また、周期内における電圧が最大となる点（図１１においては、周期の始点）における電圧と、電圧が最小となる点（図１１においては、区間ｂにおける極小点）の電圧との差をｃとする。この場合、区間ａでは、図６の駆動装置の説明でも述べたように、トランス１１、２１にエネルギーが蓄えられる。そして、区間ｂでは、蓄えられたエネルギーが超音波モータに供給されることになる。
【００５７】
力係数の大きい超音波モータの場合、超音波モータへ供給する駆動電圧の波形によって、振動振幅の軌跡（リサージュ形状）が異なり、その結果、超音波モータのロータへ伝達するステータの振動エネルギーが異なる。
【００５８】
以下、駆動電圧の波形と振動振幅の軌跡との関係についてさらに詳しく説明する。まず、振動振幅の軌跡の測定について説明する。図１２は、振動振幅の測定点について説明するための図である。振動体の測定点における振動の軌跡は、図１２（ｂ）に示すように、回転方向（横軸）、回転軸方向（縦軸）に対して楕円形状になる。本実施形態では、振動振幅の軌跡測定は、図１２（ａ）に示す振動体のロータとの摺動面近くの側面を、レーザ干渉計により速度計測することにより、回転方向の振動振幅とモータ軸（回転軸）方向の振動振幅を算出し、２方向の振動振幅を合成によって作られるリサージュ形状を得た。ただし、この振動振幅は、駆動モードとして使用している４次の屈曲モードを示す。
【００５９】
図１３は、振動体のロータとの摺動面とは反対側の面に設けられた圧電素子の電極のパターンを示す図である。電極は複数の領域に分割されており、図中右側の４つの電極は図６の圧電素子１ａに対応し、左側の４つの電極は１ｂに対応している。ＧＮＤは接地を示している。また、図中黒丸印が付けられた電極は、黒丸印のない電極に対して、反対方向に分極されている。
【００６０】
図１４、図１５は、気温−１０度環境下において、図３（ｂ）の振動体（力係数０．０５以上）を図６の駆動装置を用いて駆動した場合（振動体単体時、すなわちロータとの接触加圧なしの状態）の、駆動波形（図１３の電極に供給する駆動電圧の波形）と、そのときの振動体の摺動面付近（図１２参照）における振動振幅の軌跡を示す図である。
【００６１】
図１４の正弦波は、電圧の実効値７５Ｖrmsの場合である。波形（１）は、図６のトランス１１、２１の２次インダクタンス値１．８ｍＨ、入力電圧３Ｖ、昇圧比１：２２の場合である。波形（２）は、図６のトランス１１、２１の２次インダクタンス値１．８ｍＨ、入力電圧３Ｖ、昇圧比１：２２、かつ、図６の圧電素子１ａおよび１ｂそれぞれに２００ｐＦのコンデンサを並列に追加した場合である。図１５の波形（３）は、図６のトランス１１、２１の２次インダクタンス値１．８ｍＨ、入力電圧３Ｖ、昇圧比１：２２、かつ、図６の圧電素子１ａおよび１ｂそれぞれに５００ｐＦのコンデンサを並列に追加した場合である。波形（４）は、図６のトランス１１、２１の２次インダクタンス値２．２ｍＨ、入力電圧３Ｖ、昇圧比１：２４の場合である。
【００６２】
図１６（ａ）は、図１４、図１５の各駆動波形における、図１１で説明した区間ａ、区間ｂからａ／ｂの値を求め、駆動波形とａ／ｂの値との関係を示した図である。図１６（ｂ）は、図１４、図１５の各駆動波形におけるステータ（振動体）振動振幅の円周方向（回転方向）振幅と軸（回転軸）方向振幅を求め、駆動波形とステータ（振動体）振動振幅との関係を示した図である。図１７は、図１６（ａ）（ｂ）の関係から、振動波形のａ／ｂの値とステータ（振動体）振動振幅との関係を示した図である。図１７から、振動波形のａ／ｂの値が大きくなるほど、振動振幅は小さくなることがわかる。
【００６３】
図６の駆動装置を用いて、図１４、図１５の波形（１）〜波形（４）の駆動波形で超音波モータを駆動させてみると、図３（ａ）の振動体を用いた超音波モータでは、波形（１）〜波形（４）のいずれの駆動波形でも正常に駆動できる。しかし、図３（ｂ）の力係数の大きい振動体を用いた超音波モータでは、波形（１）では駆動できないことがある。これは、図１６（ａ）からわかるように、波形（１）はａ／ｂの値が大きく、その結果、図１７からわかるように、振動振幅が小さくなってしまうからだと考えられる。したがって、本実施形態のような力係数が０．０５以上の超音波モータを駆動するためには、ａ／ｂの値は１．７以下とする必要がある。
【００６４】
ａ／ｂの値が大きくなるのは、ｂの値が小さいときである。しかしながら、振動振幅が小さくなる原因は、ｂの値が小さくなって、その結果ａ／ｂの値が大きくなることだけが要因ではないとも考えられる。図１１で示した電圧値ｃが小さくなることによって、振動振幅が小さくなることも考えられる。逆にｃの値が大きくなると、振動振幅が大きくなると考えられる。したがって、ａ／ｂの値が１．７より大きいのであるなら、ｃの値が大きい駆動波形を用いることによって、超音波モータを正常に駆動させることができる。
【００６５】
このように、力係数が大きい超音波モータに対しては、駆動波形のａ／ｂの値、あるいはｃの値を調整した駆動信号で駆動することにより、超音波モータの起動トルクを大きくして、適切な駆動を行うことができる。
【００６６】
以上のように、本実施形態においては、超音波モータの力係数を大きくし、かつ、駆動電圧の波形に制限を設けることにより、超音波モータの起動トルクを大きくして、適切な駆動を行うことができる。
【００６７】
また、図６の駆動装置におけるトランス１１、２１の２次インダクタンス値Ｌと、超音波モータの圧電素子の静電容量であるＣd値とが適合していることも、超音波モータを正常に駆動させるために重要である。本実施形態においては、超音波モータの圧電セラミックス（圧電素子）の静電容量Ｃd値が、１[ｎＦ]＜Ｃｄ＜１．２５[ｎＦ]の範囲であるのに対して、駆動装置のトランス１１、２１の２次インダクタンス値Ｌを、１．９[ｍＨ]＜Ｌ＜２．５[ｍＨ]の範囲とし、トランス入力電圧Ｖin＝３Ｖ、トランス昇圧比１：２４とするのが好ましい。
【００６８】
このように、力係数が大きい超音波モータに対しては、超音波モータのＣd値の範囲を規定するとともに、駆動装置側のトランスの２次インダクタンス値Ｌを規定することにより、ＬとＣd値を適合させることにより、超音波モータの起動トルクを大きくして、適切な駆動を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施形態のカメラシステムの構成図。
【図２】本発明の実施形態の超音波モータの構成を示す断面図。
【図３】超音波モータの振動体（ステータ）の構成を示す図。
【図４】超音波モータの等価回路を示す図。
【図５】図４の等価回路のインピーダンス曲線を示す図。
【図６】本発明の実施形態の超音波モータの駆動装置の構成を示す図。
【図７】図６のスイッチング回路の構成を示す図。
【図８】超音波モータの駆動周波数対回転速度特性を示す図。
【図９】超音波モータの駆動のタイミングチャートを示す図。
【図１０】本発明の実施形態の超音波モータの駆動装置で用いる信号Ａ１、Ｂ１が生成される過程を説明するための図。
【図１１】本発明の実施形態の超音波モータの駆動装置における駆動電圧の１周期の波形を示す図。
【図１２】駆動振幅の測定点について説明するための図。
【図１３】振動体に設けられた圧電素子の電極のパターンを示す図。
【図１４】図３（ｂ）の振動体を駆動した場合の、駆動波形と振動振幅の軌跡を示す図。
【図１５】図３（ｂ）の振動体を駆動した場合の、駆動波形と振動振幅の軌跡を示す図。
【図１６】（ａ）は、駆動波形と振動波形のａ／ｂの値との関係を示す図、振動波形と振動振幅との関係を示す図。
【図１７】振動波形のａ／ｂの値と振動波形の振幅との関係を示す図。
【符号の説明】
【００７０】
１ａ、１ｂ：圧電素子、２：直流電源回路、３：パルス発生回路、４、５：スイッチング制御回路、６ａ、７ａ：駆動回路、１１、２１：トランス、１２、１３、２２、２３：ＭＯＳＦＥＴ、１０１：カメラシステム、１０２：カメラボディ、１０３：レンズ鏡筒、１０７：レンズ、１１０：超音波モータ、２０１：振動体（ステータ）、２０２：弾性体、２０２ａ、櫛歯部、２０２ｂ：ベース部、２０２ｄ：凸部、２０３：圧電体、２０５：ロータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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