(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械変換素子により振動する振動子と、
前記振動子の振動により駆動される移動子と、を備え、
前記振動子は、
前記電気機械変換素子と接するベース部と、
前記ベース部から前記移動子側に形成された櫛歯部と、を有し、
前記櫛歯部の高さをＫｈ、前記ベース部の高さをＢｈ、前記櫛歯部及び前記ベース部の径方向の幅をＫｒ、前記電気機械変換素子に入力される駆動信号の波長をλとしたときに、係数Ｃ＝（Ｋｈ／Ｂｈ）×（Ｋｒ／λ）が、０．１７以上で０．５以下であること、
を特徴とする振動波モータ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動波モータであって、
前記係数Ｃは０．２〜０．３６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又は請求項２に記載の振動はモータであって、
前記振動子は円環形状であり、前記櫛歯部及び前記ベース部の幅は、前記櫛歯部及び前記ベース部の径方向の幅であることを特徴とする振動波モータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の振動はモータであって、
前記櫛歯部は、前記ベース部から前記移動子側に伸び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から請求項４までのいずれか一項に記載の振動波モータを備える光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動波モータを備えるレンズ鏡筒がある。振動波モータは、電気機械変換素子と、電気機械変換素子により振動される振動子と、振動子に加圧接触され、振動子の振動によって回転移動する移動子とを備える（特許文献１参照）。このような振動波モータは、ダイナミックレンジを上げすぎると異音を発生する恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３３３６７９号公報
【発明の概要】
【０００４】
本発明の振動波モータは、電気機械変換素子の振動により振動する振動子と、前記振動子に加圧接触され、前記振動子に対して相対移動する移動子と、を備える円環形状であり、前記振動子は、前記電気機械変換素子と接するベース部と、前記ベース部から前記移動子側に延びる櫛歯状に形成された櫛歯部と、を有し、前記櫛歯部における、前記電気機械変換素子から前記移動子に向かう高さをＫｈ、前記ベース部の前記高さをＢｈ、前記櫛歯部及び前記ベース部の径方向の幅をＫｒ、前記電気機械変換素子に入力される駆動信号の波長をλ、としたときに、係数Ｃ＝（Ｋｈ／Ｂｈ）×（Ｋｒ／λ）が、０．１７〜０．５という構成にした。
また本発明の光学機器は、上記振動波モータを備える構成とした。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】実施形態の振動波モータを備えるレンズ鏡筒を備えたカメラ１を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態のレンズ鏡筒２０を説明する図である。
【図３】実施形態の振動波モータ１０の振動子１１を説明する図である。
【図４】振動波モータ１０の駆動装置４０Ａを説明するブロック図である。
【図５】実施形態の振動波モータ１０の断面図である。
【図６】力係数と係数Ｃとの関係を示したグラフである。
【図７】電気機械結合係数と係数Ｃとの関係を示したグラフである。
【図８】係数Ｃの値を変えて、起動可能電圧を測定した結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
以下、本発明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、実施形態の振動波モータを備えるレンズ鏡筒２０を備えたカメラ１を説明する図である。
カメラ１は、静止画及び動画撮影が可能なカメラであって、撮像光学系であるレンズ鏡筒２０と、撮像素子３０と、ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ  ｆｒｏｎｔ  ｅｎｄ）回路６０と、画像処理部７０と、音声検出部８０と、操作部材９０と、ＣＰＵ１００と、バッファメモリ１１０と、記録インターフェース１２０と、メモリ１３０と、モニタ１４０とから構成され、外部機器のＰＣ１５０との接続が可能となっている。
【０００７】
レンズ鏡筒２０は、複数の光学レンズ群Ｌにより構成され、被写体像を撮像素子３０の受光面に結像させる。図１では、複数の光学レンズ群Ｌを簡略化して、単レンズとして図示している。この光学レンズ群Ｌのうちの、後述するＡＦ用の第３レンズ群Ｌ３（図２に図示）は、振動波モータ１０により駆動される。
【０００８】
撮像素子３０は、受光面に受光素子が二次元的に配列されたＣＭＯＳイメージセンサ等によって構成される。撮像素子３０は、レンズ鏡筒２０を通過した光束による被写体像を光電変換してアナログ画像信号を生成する。
【０００９】
アナログ画像信号は、ＡＦＥ回路６０に入力される。ＡＦＥ回路６０は、アナログ画像信号に対するゲイン調整（ＩＳＯ感度に応じた信号増幅）を行う。具体的には、ＣＰＵ１００からの感度設定指示に応じて、撮像感度を所定範囲内で変更する。ＡＦＥ回路６０は、更に、内蔵するＡ／Ｄ変換回路によってアナログ処理後の画像信号をデジタルデータに変換する。そのデジタルデータは、画像処理部７０に入力される。
【００１０】
画像処理部７０は、デジタル画像データに対して、各種の画像処理を行う。
バッファメモリ１１０は、画像処理部７０による画像処理の前工程や後工程での画像データを一時的に記録する。
【００１１】
音声検出部８０は、マイクと信号増幅部とから構成され、主に動画撮影時に被写体方向からの音声を検出して取り込み、そのデータをＣＰＵ１００へ伝達する。
【００１２】
操作部材９０は、モードダイヤル、十字キー、決定ボタンやレリーズボタンを示し、各操作に応じた操作信号をＣＰＵ１００へ送出する。静止画撮影や動画撮影の設定は、該操作部材９０により設定される。
【００１３】
ＣＰＵ１００は、不図示のＲＯＭに格納されたプログラムを実行することによってカメラ１が行う動作を統括的に制御する。例えば、ＡＦ（オートフォーカス）動作制御、ＡＥ（自動露出）動作制御、オートホワイトバランス制御等を行う。
【００１４】
記録インターフェース１２０は、不図示のコネクタを有し、該コネクタにメモリカード１２１等の記録媒体が接続され、接続された記録媒体に対して、データの書き込みや、記録媒体からのデータの読み込みを行う。
【００１５】
メモリ１３０は、画像処理した一連の画像データを記録する。本実施形態のカメラ１においては、動画に対応した画像を取り込む。
モニタ１４０は、液晶パネルによって構成され、ＣＰＵ１００からの指示に応じて、操作メニュー、静止画像及び動画等を表示する。
【００１６】
次に、レンズ鏡筒２０について説明する。
図２は、実施形態のレンズ鏡筒２０を説明する図である。図３は、実施形態の振動波モータ１０の振動子１１を説明する図である。
レンズ鏡筒２０は、レンズ鏡筒２０の外周部を覆う外側固定筒３１と、外側固定筒３１よりも内周側に位置する内側固定筒３２と、を備え、更に外側固定筒３１と内側固定筒３２との間に振動波モータ１０を備える。
【００１７】
内側固定筒３２には、被写体側から第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２、ＡＦ環３４に保持されたＡＦレンズである第３レンズ群Ｌ３、第４レンズ群Ｌ４が配置されている。第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２及び第４レンズ群Ｌ４は、内側固定筒３２に固定されている。第３レンズ群Ｌ３は、ＡＦ環３４が移動することにより内側固定筒３２に対して移動可能に構成される。
【００１８】
図２に示すように、振動波モータ１０は、振動子１１、移動子１５、加圧部材１８等を備え、振動子１１側を固定とし、移動子１５を回転駆動する形態となっている。
振動子１１について説明する。図３に示すように、振動子１１は、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１３と称する）と、圧電体１３を接合した弾性体１２とから構成されている。振動子１１には進行波が発生するようにされている。
【００１９】
弾性体１２は、共振先鋭度が大きな金属材料から成っている。弾性体２の形状は、円環形状である。弾性体１２における圧電体１３が接触する面の反対の面には、溝１２ｃが切られた櫛歯部１２ａとなっており、突起部分（溝がない箇所）の先端面が駆動面となり移動子１５に加圧接触される。
振動波モータ１０は、圧電体１３の励振により駆動面に発生する駆動力を用いて移動子１５を駆動することによって第３レンズ群Ｌ３を駆動する。溝１２ｃを切る理由は、進行波の中立面をできる限り圧電体１３側に近づけ、これにより駆動面の進行波の振幅を増幅させるためである。弾性体１２のうち、圧電体１３が接触する接触面から移動子１５が接触する接触面までのうち、溝１２ｃの切っていない部分を本実施形態ではベース部１２ｂと呼ぶ。
【００２０】
ベース部１２ｂの櫛歯部１２ａとは反対面に圧電体１３が接して配置されている。弾性体１２の駆動面には潤滑性の表面処理がなされている。
【００２１】
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、ＰＺＴに限らずその他の材料を用いてもよい。例えば、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ていてもよい。
【００２２】
図２に示すように、圧電体１３の下には、不織布１６、加圧板１７、加圧部材１８が配置されている。不織布１６は、フェルトを例としたものであり、圧電体１３の下に配置されていて、振動子１１の振動を加圧板１７や加圧部材１８に伝えないようにしてある。
【００２３】
加圧板１７は、加圧部材１８の加圧を受けるようにされている。加圧部材１８は、皿バネにより構成され、加圧板１７の下に配置されていて、加圧力を発生させるものである。本実施形態では、加圧部材１８を皿バネとしたが、皿バネでなくともコイルバネやウェーブバネでも良い。加圧部材１８は、押さえ環１９が固定部材１４に固定されることで、保持される。
【００２４】
移動子１５は、アルミニウム等の軽金属からなり、摺動面の表面１５ａには耐摩耗性向上のための摺動材料等の表面処理がなされている（図３参照）。
【００２５】
移動子１５の上には、移動子１５の縦方向の振動を吸収するために、ゴム等により形成された振動吸収部材２３が配置され、その上には、出力伝達部材２４が配置されている。
【００２６】
出力伝達部材２４は、固定部材１４に設けられたベアリング２５により、加圧方向と径方向とを規制し、これにより、移動子１５の加圧方向と径方向とが規制されるようにされている。
【００２７】
出力伝達部材２４は、突起部２４ａがあり、そこからカム環３６に接続されたフォーク３５が嵌合している。カム環３６は、出力伝達部材２４の回転とともに回転される。
【００２８】
カム環３６には、周方向に対して斜めにキー溝３７が切られている。また、ＡＦ環３４の外周側には、固定ピン３８が設けられている。固定ピン３８は、キー溝３７に嵌合していて、カム環３６が回転駆動することにより、ＡＦ環３４は光軸直進方向に駆動され、所望の位置に停止できるようになっている。
【００２９】
固定部材１４には、押さえ環１９がネジにより取り付けられている。押さえ環１９を固定部材１４に取り付けることで、出力伝達部材２４から移動子１５、振動子１１、加圧部材１８までを一つのモータユニットとして構成できる。
【００３０】
次に、振動波モータ１０を駆動する駆動装置４０Ａについて説明する。
図４は、振動波モータ１０の駆動装置４０Ａを説明するブロック図である。駆動装置４０Ａは、基板４０（図２参照）に設けられている。
駆動装置４０Ａは、図４に示すように、振動波モータ１０に接続されており、振動波モータ１０に設けられた回転検出部４５から振動波モータ１０の回転速度情報を受信するとともに、振動波モータ１０の制御も行う。
【００３１】
駆動装置４０Ａは、駆動制御部４１と、発振部４２と、移相部４３と、増幅部４４とを備える。
駆動制御部４１は、レンズ鏡筒２０内又はカメラ１本体のＣＰＵ１００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。駆動制御部４１には、振動波モータ１０に取り付けられた回転検出部４５から、制御情報として振動波モータ１０の回転情報が入力されるようになっている。
【００３２】
発振部４２は、駆動制御部４１の指令により所望の波長及び周波数の駆動信号を発生する。
移相部４３は、発振部４２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。
増幅部４４は、移相部４３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４４からの２つの駆動信号は、振動波モータ１０に伝達され、この２つの駆動信号の印加により振動子１１に進行波が発生し、移動子１５が駆動される。
【００３３】
回転検出部４５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１５の駆動によって駆動された被駆動物の位置や速度を検出し、検出値を電気信号として駆動制御部４１に出力する。
【００３４】
上記構成の駆動装置４０Ａは、駆動制御部４１が、レンズ鏡筒２０内又はカメラ１本体のＣＰＵ１００からの駆動指令に基づいて、振動波モータ１０の駆動を制御する。すなわち、駆動制御部４１は、回転検出部４５からの検出信号を受信すると、その値を基に、位置情報と速度情報とを得て、目標位置に位置決めされるように、駆動信号を制御する。すなわち、発振部４２による周波数、移相部４３による位相差、及び増幅部４４による電圧を制御する。
【００３５】
本実施形態は、上述の構成のレンズ鏡筒２０の性能を向上するために、振動波モータ１０の回転数のダイナミックレンジを拡張する。振動波モータ１０の回転数のダイナミックレンジの拡張とは、振動波モータ１０において使用可能な回転数の範囲を拡大することである。
【００３６】
そこで、回転数の下限について検討する。
振動波モータ１０の駆動周波数や位相差を操作することで、振動波モータ１０の回転数を下げることはできるが、回転数が一定の値以下になると、振動子１１から移動子１５へ駆動力が伝達できずに、移動子１５の回転が停止する。
【００３７】
ここで、力係数Ａ及び電気機械結合係数Ｋｖｎについて説明する。
力係数Ａとは、圧電体１３を等価回路で表した時のインダクタンスと、圧電体１３及び弾性体１２等からなるステータの質量ｍで表されるパラメータである。
電気機械結合係数Ｋｖｎとは、振動波モータ１０に加えられた電気的エネルギーのうち、機械的エネルギーに変えられる割合の平方根である。電気機械結合係数Ｋｖｎは、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率（電気機械結合係数）を示す。この値が大きいほど、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率が高い。
【００３８】
これらの力係数Ａ又は電気機械結合係数Ｋｖｎを高くすることにより、電気的エネルギーと機械的エネルギー間の変換効率が向上するので、振動波モータ１０の回転数の下限を下げることができると考えられる。
【００３９】
図５は、実施形態の振動波モータ１０に備えられている振動子１１の断面図である。図示するように、櫛歯部１２ａの高さ：Ｋｈ、ベース部１２ｂの高さ：Ｂｈ、櫛歯部１２ａ及びベース部１２ｂの径方向の幅（内径と外径との差）：Ｋｒとし、発振部４２により発振されて圧電体１３に入力される入力電圧の波長：λとする。
そして、これらの値より算出される以下の係数Ｃを導入する。
Ｃ＝（Ｋｈ／Ｂｈ）×（Ｋｒ／λ）
ここで、櫛歯部１２ａの高さＫｈとは、櫛歯部１２ａのうちの圧電体１３が接触する接触面側から移動子が接触する接触面までの距離（長さ）である。ベース部１２ｂの高さＢｈとは、弾性体１２の圧電体１３が接触する接触面から移動子の接触面までの距離（長さ）のうち、櫛歯部１２ａの高さを除く部分の距離（長さ）である。
【００４０】
この係数Ｃと、力係数及びＫｖｎとの関係をシミュレーションにより求めた。
図６は力係数と係数Ｃとの関係を示したグラフである。図７は電気機械結合係数と係数Ｃとの関係を示したグラフである。
図６に図示するように、係数Ｃの値が大きくなると、力係数Ａも大きくなる。
【００４１】
すなわち、Ｃ＝（Ｋｈ／Ｂｈ）×（Ｋｒ／λ）における、櫛歯部１２ａの高さ：Ｋｈ、ベース部１２ｂの高さ：Ｂｈ、櫛歯部１２ａ及びベース部１２ｂの径方向の幅（内径と外径との差）：Ｋｒ、入力電圧の波長：λのいずれかの値を調整して係数Ｃの値を大きくすることにより、力係数Ａを大きくすることができる。
【００４２】
振動波モータ１０の回転数は、駆動電圧が低ければ低く、駆動電圧が高ければ大きくなるが、駆動電圧があまり低いと、移動子１５に駆動力が伝達されず、回転しない。
しかし、上述のように、係数Ｃを大きくすると、力係数Ａが大きくなり、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率が向上する。そのため、力係数Ａが大きくなると、より小さい電気エネルギーでも回転数を出すことができる。したがって係数Ｃを大きくすることにより、回転力を伝達することができる下限の電圧（起動可能電圧）を下げることができ、回転数のダイナミックレンズを広げることができると考えられる。
【００４３】
図８は、実際の係数Ｃの値を変えて、起動可能電圧を測定した結果を示したグラフである。
ここで、実際に測定した結果、係数Ｃ＜０．１７においては、振動波モータ１０より異音が発生した。この理由は、係数Ｃが小さくなると、振動波モータ１０における振動子１１と移動子１５との間の加圧力が小さくなるからと考えられる。
また、０．５＜係数Ｃにおいても、振動波モータ１０より異音が発生した。これは係数Ｃが０．５より大きくなると、櫛歯部１２ａにおいて、移動子１５を回転駆動する振動モード以外の他の振動モードが発生し、この他の振動モードの干渉によって、振動波モータ１０の挙動が安定しないからと考えられる。
したがって、振動波モータ１０を駆動させて異音を発生させないためには、係数Ｃは、０．１７≦Ｃ≦０．５が好ましい。
【００４４】
そして、この係数Ｃの利用可能な範囲である、０．１７≦Ｃ≦０．５における、更なる範囲０．１７≦Ｃ≦０．２においては、図８に示すように係数Ｃが大きくなるにつれ起動可能電圧も下がってくる。
これは、上述のように係数Ｃが大きくなると、力係数Ａが大きくなり、伝達効率が大きくなるからと考えられる。
【００４５】
図示するように、係数Ｃが０．２を超えると、係数Ｃの値の増加に伴う起動可能電圧の減少しなくなるが、係数Ｃが０．３６程度までであれば駆動可能電圧は２５Ｖより少し大きい程度の値である。そのため、起動可能電圧を考慮した場合の係数Ｃの更に好適な範囲は、０．２≦Ｃ≦０．３６である。更に、係数Ｃが０．２８程度までは起動可能電圧が２０Ｖ程度を維持する。したがって、係数Ｃの更に好適な範囲は、０．２≦Ｃ≦０．２８である。
【００４６】
しかし、係数Ｃが０．２８以上になると、起動可能電圧は上昇する。これは係数Ｃが大きくなると、上述したように、櫛歯部１２ａにおいて、移動子１５を回転駆動する振動モード以外の他の振動モードが発生し、この他の振動モードの干渉することによって、振動波モータ１０の挙動が不安定になるからと考えられる。
【００４７】
以上、本実施形態によると、係数Ｃは、０．１７≦Ｃ≦０．５が好ましく、より好ましくは０．２≦Ｃ≦０．３６であり、更に好ましくは０．２≦Ｃ≦０．２８である。本実施形態においては、係数Ｃが、これらの範囲内の所望の値となるように、櫛歯部１２ａの高さ：Ｋｈ、ベース部１２ｂの高さ：Ｂｈ、櫛歯部１２ａ及びベース部１２ｂの径方向の幅（内径と外径との差）：Ｋｒ、入力電圧の波長：λを調整する。
このように調整することにより、振動波モータ１０の起動可能電圧を下げることができ、ダイナミックレンジを拡張することができ、レンズ鏡筒の性能を向上することができる。
【００４８】
（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、実施形態の振動波モータを備えるレンズ鏡筒２０が、カメラボディに対して着脱可能な例について説明したが、これに限定されず、カメラボディとレンズ鏡筒とは一体であっても良い。
（２）また、本実施形態では、被駆動体が、円環状の弾性体１２の内部に有する振動波モータ１０について説明したが、これに限らず、弾性体１２の内部に軸部材が配置され、軸部材の回転により被駆動体を回転する構造であっても良い。
なお、実施形態は、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】
【００４９】
１：カメラ、１０：振動波モータ、１１：振動子、１２：弾性体、１２ａ：櫛歯部、１２ｂ：ベース部、１３：圧電体、１５：移動子
【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】
0006659995.tif 000007
【図７】
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【図８】
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