特許 6007788 振動アクチュエータの駆動装置、駆動方法及び光学機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6007788

(24)【登録日】2016年9月23日

(45)【発行日】2016年10月12日

(54)【発明の名称】振動アクチュエータの駆動装置、駆動方法及び光学機器

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/06 20060101AFI20160929BHJP

   G02B 7/04 20060101ALI20160929BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/06

   G02B7/04 E

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-286941(P2012-286941)

(22)【出願日】2012年12月28日

(65)【公開番号】特開2014-131381(P2014-131381A)

(43)【公開日】2014年7月10日

【審査請求日】2015年11月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100092576

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 久男

(72)【発明者】

【氏名】大根 一泰

(72)【発明者】

【氏名】芦沢 隆利

【審査官】 沖田 孝裕

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１１５５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０８３７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０７５４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６７０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２００２８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ ２／０６

Ｇ０２Ｂ ７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

位相差を変更可能な２つの駆動信号が入力される電気機械エネルギー変換素子を有する振動部と、
前記電気機械エネルギー変換素子の振動により前記振動部に生じた駆動力によって、前記振動部に対して相対移動する相対移動部と、
前記相対移動部が停止状態となる位相差に保持した状態で、駆動に用いる駆動周波数よりも高い起動周波数で、前記２つの駆動信号を前記電気機械エネルギー変換素子に入力し、前記２つの駆動信号の周波数を、前記起動周波数から漸次減少させ前記駆動周波数になったときに、前記位相差を、前記相対移動部が前記振動部に対して相対移動可能な位相差にする制御部とを備えたこと、
を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。

【請求項2】

請求項１に記載の振動アクチュエータの駆動装置であって、
前記起動周波数は、前記駆動周波数を含む振動モードの次の高次の振動モードの共振周波数以上の周波数であること、
を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。

【請求項3】

請求項１に記載の振動アクチュエータの駆動装置であって、
前記相対移動部が停止状態を保持する位相差は、０度又は１８０度の±１５度であること、
を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置。

【請求項4】

位相差を変更可能な２つの駆動信号が入力される電気機械エネルギー変換素子を有する振動部と、
前記電気機械エネルギー変換素子の振動により前記振動部に生じた駆動力によって、前記振動部に対して相対移動する相対移動部と、
を備える振動アクチュエータの駆動方法であって、
前記振動アクチュエータの起動時に、
互いの位相差を前記相対移動部が停止状態を保つ位相差に保持した状態、かつ、前記振動アクチュエータの駆動に用いる駆動周波数よりも高い起動周波数で、前記２つの駆動信号を前記電気機械エネルギー変換素子に入力し、
前記２つの駆動信号の周波数を、前記起動周波数から漸次減少させ前記駆動周波数になった際に、前記位相差を、前記相対移動部が前記振動部に対して相対移動可能な位相差にすること、
を特徴とする振動アクチュエータの駆動方法。

【請求項5】

請求項１から３の駆動装置を備える光学機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動アクチュエータの駆動装置、駆動方法及び光学機器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、振動アクチュエータを駆動するために、圧電素子に対して、互いの位相が異なる２つの振動信号を印加している。入力される振動信号の周波数は、振動アクチュエータを駆動するために用いられる駆動周波数と、その駆動周波数を含む振動モード（駆動モード）の次の高次の振動モードの共振周波数との間の周波数（起動周波数）から開始して、徐々に駆動周波数に下げている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平３−２２８７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、上記起動周波数は、駆動周波数と、その駆動モードの次の高次の振動モードの共振周波数との間の周波数と限定されるため、あまり高い周波数とすることができない。したがって、起動時において、十分に高い周波数から開始されないため、振動子２０が急に振動を開始して突発音が発生する場合がある。
近年、動画撮影用のカメラに振動アクチュエータが用いられる場合が多く、この場合、動画撮影時等にこの突発音が録音されてしまう。特に、動画撮影時は、ウォブリング動作が行われ、電源が頻繁にＯＮ−ＯＦＦされるために、この異音の発生がさらに顕在化する。

【0005】

本発明の課題は、静音化された振動アクチュエータの駆動装置、駆動方法及び光学機器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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。

【0007】

請求項１に記載の発明は、位相差を変更可能な２つの駆動信号が入力される電気機械エネルギー変換素子を有する振動部と、前記電気機械エネルギー変換素子の振動により前記振動部に生じた駆動力によって、前記振動部に対して相対移動する相対移動部と、前記相対移動部が停止状態となる位相差に保持した状態で、駆動に用いる駆動周波数よりも高い起動周波数で、前記２つの駆動信号を前記電気機械エネルギー変換素子に入力し、前記２つの駆動信号の周波数を、前記起動周波数から漸次減少させ前記駆動周波数になったときに、前記位相差を、前記相対移動部が前記振動部に対して相対移動可能な位相差にする制御部とを備えたこと、を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータの駆動装置であって、前記起動周波数は、前記駆動周波数を含む振動モードの次の高次の振動モードの共振周波数以上の周波数であること、を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置である。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の振動アクチュエータの駆動装置であって、前記相対移動部が停止状態を保持する位相差は、０度又は１８０度の±１５度であること、を特徴とする振動アクチュエータの駆動装置である。
請求項４に記載の発明は、位相差を変更可能な２つの駆動信号が入力される電気機械エネルギー変換素子を有する振動部と、前記電気機械エネルギー変換素子の振動により前記振動部に生じた駆動力によって、前記振動部に対して相対移動する相対移動部と、を備える振動アクチュエータの駆動方法であって、前記振動アクチュエータの起動時に、互いの位相差を前記相対移動部が停止状態を保つ位相差に保持した状態、かつ、前記振動アクチュエータの駆動に用いる駆動周波数よりも高い起動周波数で、前記２つの駆動信号を前記電気機械エネルギー変換素子に入力し、前記２つの駆動信号の周波数を、前記起動周波数から漸次減少させ前記駆動周波数になった際に、前記位相差を、前記相対移動部が前記振動部に対して相対移動可能な位相差にすること、を特徴とする振動アクチュエータの駆動方法である。
請求項５に記載の発明は、請求項１から３の駆動装置を備える光学機器である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、静音化された振動アクチュエータの駆動装置、駆動方法及び光学機器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態の駆動装置で駆動される振動アクチュエータを備えるレンズ鏡筒を含むカメラを説明する図である。

【図2】実施形態の振動アクチュエータおよび振動波アクチュエータの駆動装置を説明するブロック図である。

【図3】実施形態の駆動装置で駆動される振動アクチュエータを備えるレンズ鏡筒を説明する図である。

【図4】Ａ相とＢ相との間の位相差と、移動子の回転速度との関係を示す図である。

【図5】駆動信号の周波数と、振動アクチュエータのインピーダンスの関係を示す図である。

【図6】本実施形態による振動アクチュエータによるレンズ駆動の例を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、本発明の実施形態の駆動装置で駆動される振動アクチュエータ１００を備えるレンズ鏡筒１を含むカメラ２を説明する図である。
本実施形態においてレンズ鏡筒１はカメラ２の本体に対して着脱可能であるが、これに限定されず、着脱不能なものであっても良い。

【0011】

本実施形態のカメラ２は、レンズ鏡筒１内に撮像光学系（レンズ）３を備える。
またカメラ２の本体内に、撮像素子４と、ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ）回路５と、画像処理部６と、音声検出部７と、バッファメモリ８と、記録インターフェイス９と、モニタ１０と、操作部材１１と、メモリ１２と、ＣＰＵ１３とから構成され、外部機器のＰＣ１４との接続が可能となっている。

【0012】

撮像光学系３は、複数の光学レンズにより構成され、被写体像を撮像素子４の受光面に結像させる。図１では光学レンズ系を簡略化して、単レンズとして符号３で示している。
また、光学レンズ群の内、ＡＦ用の光学レンズは、振動アクチュエータ１００の駆動により駆動される。

【0013】

操作部材１１または画像の状況により撮像素子４への露光時間（シャッタースピード）が決定される。
撮像素子４は、受光面に受光素子が二次元的に配列されたＣＭＯＳイメージセンサなどによって構成される。撮像素子４は、撮像光学系３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。アナログ画像信号は、ＡＦＥ回路５に入力される。

【0014】

ＡＦＥ回路５は、アナログ画像信号に対するゲイン調整（ＩＳＯ感度に応じて信号増幅）行う。具体的には、ＣＰＵ１３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５は、さらに、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６に入力される。

【0015】

画像処理部６は、デジタル画像データに対して、各種の画像処理を行う。
メモリ１２は、画像処理部６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。
音声検出部７は、マイクと信号増幅部１０５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ＣＰＵ１３へ伝達する。

【0016】

記録インターフェイス９は、不図示のコネクタを有し、該コネクタに記録媒体１５が接続され、接続された記録媒体１５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。
モニタ１０は、液晶パネルによって構成され、ＣＰＵ１３からの指示に応じて画像や操作メニューなどを表示する。
操作部材１１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ＣＰＵ１３へ送出する。静止画撮影や動画撮影の設定は、該操作部材１１により設定される。

【0017】

ＣＰＵ１３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２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などを行う。
メモリ１２は、画像処理した一連の画像データを記録する。
この様な構成のカメラ２において、本発明は、動画に対応した画像を取り込む。

【0018】

図２は、実施形態の振動アクチュエータ１００および振動波アクチュエータの駆動装置１０１を説明するブロック図である。駆動装置１０１は、発振部１０２、移相部１０４、増幅部１０５、検出部１０６及びそれらを制御する制御部１０３を備える。

【0019】

発振部１０２は、制御部１０３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１０４は、制御部１０３の指令により、該発振部１０２で発生した駆動信号を所望の位相の異なる２つの駆動信号に分ける。
増幅部１０５は、移相部１０４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１０５からの駆動信号は、振動アクチュエータ１００に伝達され、この駆動信号の印加により、振動アクチュエータ１００の、後述する振動子２０に進行波が発生し、移動子２８が駆動される。

【0020】

回転検出部１０６は、光学式エンコーダや磁気エンコ−ダ等により構成され、移動子２８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１０３に伝達する。
制御部１０３は、レンズ鏡筒１内またはカメラ本体のＣＰＵ１３からの駆動指令を基に振動アクチュエータ１００の駆動および振動波アクチュエータの動作を制御する。制御部１０３は、回転検出部１０６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振動アクチュエータ１００発振部１０２の周波数や位相差等を制御する。

【0021】

図３は、本発明の実施形態の駆動装置で駆動される振動アクチュエータ１００を備えるレンズ鏡筒１を説明する図であり、リング状の振動アクチュエータ１００をレンズ鏡筒１に組み込んだ状態の図である。

【0022】

振動子２０は、電気エネルギを機械エネルギに変換する圧電素子や電歪素子等を例とした電気機械エネルギ変換素子（以下、圧電体と称する）２１と、圧電素子２１を接合した弾性体２２とから構成されている。振動子２０には、本実施形態において一例として９波の進行波が発生する。

【0023】

弾性体２２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２２の、圧電素子２１が接合される反対面には溝が切ってあり、突起部分（溝がない箇所）の先端面が駆動面２２ａとなり移動子２８に加圧接触される。溝を切る理由は、進行波の中立面をできる限り圧電素子２１側に近づけ、これにより駆動面２２ａの進行波の振幅を増幅させるためである。

【0024】

圧電素子２１は、円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれており、各相においては、１／２波長毎に分極が交互となった要素が並べられていて、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。

【0025】

圧電素子２１の下には、不織布２３、加圧板２４、加圧部材２５が配置されている。
不織布２３は、例えばフェルトで、圧電素子２１の下に配置されていて、振動子２０の振動を加圧板２４や加圧部材２５に伝えないようにしてある。

【0026】

加圧板２４は、加圧部材２５の加圧を受けるようにされている。
加圧部材２５は、加圧板２４の下に配置され、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２５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２５は、押さえ環２６に保持され、押さえ環２６は固定部材２７に固定されている。

【0027】

移動子２８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摺動材料が設けられている。
移動子２８の上には、移動子２８の縦方向の振動を吸収するために、ゴムの様な振動吸収部材２９が配置され、その上には出力伝達部材３０が配置されている。

【0028】

出力伝達部材３０は、固定部材２７に設けられたベアリング３１により、加圧方向と径方向とが規制され、これにより移動子２８の加圧方向と径方向とが規制されている。
出力伝達部材３０は、突起部３２があり、そこからカム環３３に接続されたフォークがかん合しており、出力伝達部材３０の回転とともに、カム環３３が回転される。

【0029】

カム環３３には、キー溝３４がカム環３３に斜めに切られており、ＡＦ環３５に設けられた固定ピン３６が、キー溝３４にかん合している。
そして、カム環３３が回転駆動することにより、光軸方向に直進方向にＡＦ環３５が駆動され、所望の位置に停止できる様にされている。
固定部材２７は、押さえ環２６がネジにより取り付けられ、これを取り付けることで、出力伝達部材３０から移動子２８、振動子２０、加圧部材２５までが一つのモータユニットとして構成可能となる。

【0030】

図２の移相部１０４は、発振部１０２より発生された駆動信号を、互いに位相が異なるＡ相とＢ相の駆動信号に分離する。このＡ相とＢ相の駆動信号は、圧電素子２１のそれぞれの電極に印加されるものである。
Ａ相とＢ相の駆動信号の間に位相差が存在する場合、圧電素子２１で励起された振動により弾性体２２の駆動面２２ａで発生する波は、進行波となり、移動子２８を回転させる。

【0031】

図４は、Ａ相とＢ相との間の位相差と、移動子２８の回転速度との関係を示す図である。
図示するように、Ａ相とＢ相との位相差が±９０度のときは、移動子２８の回転速度は最も速くなる。そして位相差が０（又は１８０度）の近くになると、駆動面２２ａで発生する波が、進行波でなく定在波となり、移動子２８の回転は停止する。

【0032】

図５は、駆動信号の周波数と、振動アクチュエータ１００のインピーダンスの関係を示す図である。図中ｆｓで示す部分は、レンズを駆動する際に用いる駆動周波数である。
振動アクチュエータ１００の駆動時においては、振動アクチュエータ１００を低速から開始するのが好ましいため、圧電素子２１に印加する駆動信号の周波数は、駆動周波数より高い周波数（以下、起動周波数という）から開始して、徐々に駆動周波数へ下げていくのが一般的である。

【0033】

この起動周波数について説明容易のため、まず、本実施形態に対する比較形態について説明する。比較形態では、振動アクチュエータ１００を駆動する際に、圧電素子２１に印加するＡ相とＢ相との駆動信号の位相差を、例えば９０度に固定されている。
この場合、起動周波数は、駆動周波数ｆｓと、その駆動周波数ｆｓが含まれる振動モード（駆動モード）の次の高次の振動モードの共振周波数ｆ３との間の周波数ｆ１から開始して、徐々に駆動周波数ｆｓまで下げていく。

【0034】

このように、ｆ１を、振動モードの次の高次の振動モードの共振周波数ｆ３よりも高い周波数は用いない理由は、駆動信号の周波数が共振周波数ｆ３を越える際に、振動アクチュエータ１００のインピーダンスが増加して動作の制御が困難となるからである。

【0035】

しかし、この比較形態の場合、電源がＯＮになると同時に、位相差が９０度で起動周波数ｆ１のＡ相とＢ相とが圧電素子２１に印加される。起動周波数ｆ１は、ｆ３をより小さいので、十分に高い周波数とすることができず、振動アクチュエータ１００の振動子２０が急に大きな振動を開始して、突発音が発生する可能性がある。

【0036】

そこで、本実施形態では、駆動振動モードの次の高次の振動モードの共振周波数ｆ３を超えた周波数ｆ２から、圧電素子２１への電力印加を開始する。
本実施形態においても、駆動周波数ｆｓまで周波数を下げる際に共振周波数ｆ３を超えなくてはならない。
共振周波数ｆ３を越える際に、移動子２８が駆動していると、上述したように振動アクチュエータ１００の動作が不安定になる可能性がある。

【0037】

そこで、本実施形態では、駆動周波数ｆｓに到達するまではＡ相とＢ相との間の位相差を０または１８０度にする。ただし、０度、１８０度は厳密な値ではなく、移動子２８が回転しない範囲であれば、例えば±５度程度までは許容範囲である。
そして、振動周波数が駆動周波数ｆｓに到達したら、Ａ相とＢ相との位相差を約９０度にする。位相差が９０度になると、移動子２８は回転を始め、振動アクチュエータ１００によるレンズ駆動が可能となる。

【0038】

本実施形態によると、振動周波数が駆動周波数ｆｓに到達するまでは、振動子２０の駆動面２２ａには、進行波ではなく定在波が生じるので、移動子２８に回転力は伝達されない。したがって、振動アクチュエータ１００は停止しているので、動作に不具合を生じることがない。一方、振動子２０の振動は、小さい振動から開始されるので、突発音の可能性が低い。

【0039】

図６は、本実施形態による振動アクチュエータ１００によるレンズ駆動の例を示した図である。
はまず、振動アクチュエータ１００への電圧供給が開始された時点ｔ１において、位相差は０であるため、レンズは停止したままである。したがって、レンズがいきなり駆動し始めて突発音が発生することがない。
そして、駆動信号の周波数を減少させていき、共振周波数ｆ３を越えて駆動周波数ｆｓに入ったｔ２で、Ａ相とＢ相との間に位相差を生じさせる。本実施形態では約９０度である。なお、９０度が効率が良いが、これに限定されるものではない。
そして、レンズ３が所望の位置に到達した時点ｔ３で位相差を約０度とする。これによりレンズ３は停止する。
再度レンズ３の駆動の必要が生じた時点ｔ４で、またＡ相とＢ相との間に位相差を生じさせる。この際、時刻ｔ２からｔ３の間の移動と逆向きにレンズ３を駆動させる場合は位相差をマイナス９０度にする。

【0040】

以上、本実施形態によると、以下の効果を有する。
（１）従来、振動アクチュエータ１００の起動時には、電源電圧をゆっくり投入したり、駆動周波数よりも少し高い周波数で起動していた。しかし、それでも電源ＯＮ時の突発音はなくならなかった。動画撮影中などは、アクチュエータＯＮするたびに突発音が発生していた。また、異音発生を抑えたくとも、従来は、起動時の周波数を次のモードの共振点前までしか広げていなかった。
しかし、本発明では、起動時の周波数を次の駆動モードまで広げ、十分振動が小さい状態から起動させることにより、起動時の突発音の発生が低減される。
（２）電源ＯＮ時の駆動信号の位相差を０又は１８０度とすることで、振動子２０が振動を開始しても、移動子２８が動きだす事がなく、駆動信号の振動周波数が共振周波数を超える際の不具合も生じない。

【0041】

（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、レンズ鏡筒１はカメラ２の本体に対して着脱可能であるが、これに限定されず、着脱不能であっても良い。
（２）また、本実施形態で振動アクチュエータ１００はレンズを内部に搭載する円環型を例に説明したが、これに限定されず、レンズ保持筒の外部において、保持筒の軸線と別の軸線周りに回転する小型なものであってもよい。
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】

【0042】

１：レンズ鏡筒、２：カメラ、２０：振動子、２１：圧電素子、２２：弾性体、２２ａ：駆動面、２８：移動子、１００：振動アクチュエータ、１０１：駆動装置、ｆ１：起動周波数、ｆ３：共振周波数、ｆｓ：駆動周波数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】