JP2005354866A

JP2005354866A - アクチュエータ

Info

Publication number: JP2005354866A
Application number: JP2004175648A
Authority: JP
Inventors: Ryuta Sasaki; 竜太佐々木; Tomonari Masuzawa; 智成増沢
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】駆動方向が逆向きになるように二つの駆動ユニットを設けることによって、ヒステリシスによる誤差を抑制でき、被駆動部材を正確に移動させることができるアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータは、二つの駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂを備える。各駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、圧電素子３４Ａ、３４Ｂに駆動部材３６Ａ、３６Ａを取り付けて構成されており、駆動部材３６Ａ、３６Ｂは圧縮ばね３８Ａ、３８Ｂの付勢力によって被駆動板３０に摩擦係合される。二つの駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、駆動方向が逆向きになるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明はアクチュエータに係り、特にデジタルカメラや携帯電話機等の小型精密機器に搭載され、ズームレンズやフォーカスレンズを駆動するアクチュエータに関する。

デジタルカメラ等のレンズ部の駆動装置として圧電素子を用いたアクチュエータがある。例えば特許文献１のアクチュエータは、圧電素子の端面に駆動棒が固着され、その駆動棒に鏡筒がスライド自在に支持される。鏡筒には板ばねが取り付けられ、この板ばねの弾性力によって駆動棒との間に摩擦力が働くようになっている。そして、圧電素子には、略鋸歯状の波形をした駆動パルスが印加され、圧電素子は伸び方向と縮み方向で異なる速度で変形する。例えば圧電素子が緩やかに変形すると、駆動棒とともに鏡筒が移動する。逆に、圧電素子が速く変形すると、鏡筒がその質量の慣性によって同じ位置に停まる。したがって、圧電素子に略鋸歯状の波形をした駆動パルスを繰り返し印加することによって、鏡筒を細かなピッチで間欠的に移動させることができる。

しかし、特許文献１に記載のアクチュエータは、長尺状の駆動棒を介して駆動力を伝達するため、圧電素子の振動が駆動棒に吸収されて減衰してしまい、鏡筒を正確に移動させることができないという問題があった。特に高周波の振動は、駆動棒による減衰率が大きいため、鏡筒の応答性が悪くなる。したがって、特許文献１のアクチュエータは、低周波の駆動パルスでしか制御することができず、単位時間あたりの鏡筒の移動回数が少なくなるという問題があった。このため、特許文献１のアクチュエータにおいて鏡筒の移動速度を増加させるには、印加電圧を大きくして圧電素子の変位量を大きくし、鏡筒の一回の移動量を大きくする必要があった。

特許文献２では、５Ｖの電源電圧を３０Ｖに昇圧することによって、一回の移動量を増加させ、鏡筒の移動速度を増加させている。このため、特許文献２では、昇圧装置が必要になり、装置が大型化するとともに、複雑な制御が必要になるという問題があった。

特許文献３に記載されるアクチュエータは、圧電素子の変位方向の端面に係合部材が取り付けられており、この係合部材が移動板に摩擦係合され、移動板に鏡筒が取り付けられている。そして、圧電素子に駆動パルスを印加することによって、係合部材を介して振動が伝達し、移動板と鏡筒が移動される。
特許第２６３３０６６号特開２０００−５０６６０号公報特開平１０−２３２３３７号公報

ところで、特許文献１〜３に記載のアクチュエータは、圧電素子の変位量と印加電圧との間にヒステリシスが存在するため、変位量をフィードバックしたり、実験によって求めた数式モデルを用いたりすることによって、ヒステリシスによる誤差を取り除く必要があった。このため、従来のアクチュエータは、制御が複雑になるという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ヒステリシスによる誤差を抑制でき、被駆動部材を正確に移動させることができるアクチュエータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、圧電素子と、該圧電素子に一体的に取り付けられた駆動部材と、該駆動部材に摩擦係合されるとともに駆動方向に延設された被駆動部材とを備えたアクチュエータにおいて、前記圧電素子、及び前記駆動部材を備えた駆動ユニットが少なくとも二つ設けられるとともに、該二つの駆動ユニットは、駆動方向が互いに逆向きになるように構成されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、駆動方向が逆向きになるように二つの駆動ユニットを設けたので、圧電素子のヒステリシスによる誤差が互いに打ち消される。よって、被駆動部材を精度良く移動させることができる。ここで、「駆動方向が互いに逆向き」とは、二つの圧電素子にパルス波形の電圧を同じ位相で印加した場合に、被駆動部材が反対方向に駆動することを意味する。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記駆動ユニットは、前記駆動方向の異なるものが同数ずつ設けられることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、駆動方向の異なる駆動ユニットが同数ずつ設けられているので、ヒステリシスによる誤差をより効果的に抑制することができる。

請求項３に記載の発明は請求項１又は２の発明において、前記アクチュエータは、前記被駆動部材に一体的に取り付けられたレンズ枠を光軸に沿って移動させるレンズ移動用のアクチュエータであることを特徴とする。

本発明に係るアクチュエータによれば、駆動方向が互いに逆向きになるように二つの駆動ユニットを設けたので、圧電素子のヒステリシスによる誤差を抑制することができ、被駆動部材を精度良く移動させることができる。

以下、添付図面に従って本発明に係るアクチュエータの好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明に係るアクチュエータが適用されたレンズ装置の構成を示す斜視図である。同図に示すアクチュエータは、箱型のケース１２の内部に設けられる。ケース１２の側面には、固定レンズ１６が取り付けられる。

ケース１２の内部には、レンズ枠２０が設けられ、このレンズ枠２０にズームレンズ等の移動レンズ１８が保持される。

レンズ枠２０の外周面には係合部２２が突出形成される。係合部２２には円弧状の溝２３が形成され、この溝２３にガイド棒２４が係合される。ガイド棒２４は、固定レンズ１６の光軸（以下、単に光軸という）と平行に配置されており、ケース１２に固定されている。また、レンズ枠２０の外周面には、係合部２２の反対側にガイド部（不図示）が設けられ、このガイド部に形成された貫通孔にガイド棒２６が挿通されている。ガイド棒２６は、ガイド棒２４と同様に光軸と平行に配置されており、ケース１２に固定される。これにより、レンズ枠２０はガイド棒２４、２６にガイドされ、光軸方向にスライド自在に支持される。

さらに、レンズ枠１２の外周面には、一対の固定部２８、２８が突出形成され、この固定部２８、２８に被駆動板（被駆動部材に相当）３０が挟持されて固定される。被駆動板３０は、細長い矩形状に形成されており、その長手方向が光軸と平行になるように配置される。被駆動板３０の材質等は、特に限定されるものではないが、軽量で、且つ剛性の強い材質、例えばセラミック等が選択される。

本実施の形態のアクチュエータは、被駆動板３０の上側に配置された駆動ユニット３２Ａと、被駆動板３０の下側に配置された駆動ユニット３２Ｂを備える。駆動ユニット３２Ａは、圧電素子３４Ａ、駆動部材３６Ａ、及び圧縮ばね３８Ａで構成されており、圧電素子３４Ａは、その変位方向が光軸と平行になるように配置されている。圧電素子３４Ａの変位方向の一方の端面（図１中、右側の端面）は、ケース１２に一体形成された押え板４０Ａに当接される。また、圧電素子３４Ａの変位方向のもう一方の端面（図１中、左側の端面）には駆動部材３６Ａが固定されている。駆動部材３６Ａは、略矩形のブロック状に形成されており、上述した被駆動板３０と同様に、軽量で剛性の強い材質、例えばセラミックで構成されている。圧電素子３４Ａ及び駆動部材３６Ａは、圧縮ばね３８Ａによって被駆動板３０側に付勢されており、駆動部材３６Ａが被駆動板３０の上面に摩擦係合される。

一方、駆動ユニット３２Ｂは、駆動ユニット３２Ａと同様に、圧電素子３４Ｂ、駆動部材３６Ｂ、及び圧縮ばね３８Ｂで構成されており、圧電素子３４Ｂは、その変位方向が光軸と平行になるように配置されている。圧電素子３４Ｂの変位方向の一方の端面（図１中、左側の端面）は、ケース１２に一体形成された押え板４０Ｂに当接される。また、圧電素子３４Ｂの変位方向のもう一方の端面（図１中、右側の端面）には駆動部材３６Ｂが固定されている。駆動部材３６Ｂは、略矩形のブロック状に形成されており、上述した被駆動板３０や駆動部材３６Ａと同様に、軽量で剛性の大きい材質、例えばセラミックで構成されている。圧電素子３４Ｂ及び駆動部材３６Ｂは、圧縮ばね３８Ｂによって被駆動板３０側に付勢されており、駆動部材３６Ｂが被駆動板３０の下面に摩擦係合される。

上記の如く構成された駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、圧電素子３４Ａ、３４Ｂに対する駆動部材３６Ａ、３６Ｂの配置が反対になっている。すなわち、駆動部材３６Ａが圧電素子３４Ａの左側に配置されるのに対し、駆動部材３６Ｂは圧電素子３４Ｂの右側に配置されている。したがって、駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、駆動方向が逆向きになるように配置されており、圧電素子３４Ａを伸長させた場合と、圧電素子３４Ｂを伸長させた場合とで、被駆動板３０が反対方向に移動するようになっている。

なお、図１には、圧縮ばね３８Ａ、３８Ｂで圧電素子３４Ａ、３４Ｂを付勢する例を示したが、駆動部材３６Ａ、３６Ｂを圧縮ばね３８Ａ、３８Ｂで付勢するようにしてもよい。また、付勢手段は、圧縮ばね３８Ａ、３８Ｂに限定されるものではなく、ゴム等の弾性体であってもよい。また、図３に示すように、共通の板ばね４０によって駆動部材３６Ａ、３６Ｂを被駆動板３０に摩擦係合させるようにしてもよい。

圧縮ばね３８Ａ、３８Ｂ等の付勢手段は、駆動部材３６Ａ、３６Ｂと被駆動板３０との間に所定の摩擦力が働くように設定される。ここで所定の摩擦力とは、後述するように、圧電素子３４Ａ、３４Ｂに緩やかな電圧変化の駆動パルスを印加した際にその駆動力よりも摩擦力が大きくなるように、そして、圧電素子３４Ａ、３４Ｂに急激な電圧変化の駆動パルスを印加した際にその駆動力よりも摩擦力が小さくなるように設定される。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）は圧電素子３４Ａ、３４Ｂに印加する駆動パルスの例を示したものである。図２（Ａ）は、図１のレンズ枠２０を左方向に移動させる際の駆動パルスであり、図２（Ｂ）は図１のレンズ枠２０を右方向に移動させる際の駆動パルスである。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、二つの圧電素子３４Ａ、３４Ｂには、正逆反対の駆動パルスを同時に印加している。図２（Ａ）の場合、圧電素子３４Ａには、時刻β１から時刻β２にかけて緩やかに立ち上がり、時刻β３で急激に立ち下がる略鋸歯状の駆動パルスを印加している。そして、圧電素子３４Ｂには、時刻β１から時刻β２にかけて緩やかに立ち下がり、時刻β３で急激に立ち上がる略鋸歯状の駆動パルスを印加している。したがって、時刻β１から時刻β２では、圧電素子３４Ａが緩やかに伸長するとともに、圧電素子３４Ｂが緩やかに縮むので、駆動部材３６Ａ、３６Ｂは図１の左方向に移動する。その際、駆動部材３６Ａ、３６Ｂが緩やかに移動するので、被駆動板３０は駆動部材３６Ａ、３６Ｂとともに移動する。これにより、被駆動板３０を図１の左方向に移動させることができる。また、時刻β３では、圧電素子３４Ａが急激に縮むとともに圧電素子３４Ｂが急激に伸長するので、駆動部材３６Ａ、３６Ｂは図１の右方向に移動する。その際、駆動部材３６Ａ、３６Ｂが急激に移動するので、被駆動板３０は慣性によってその位置に停止したまま、駆動部材３６Ａ、３６Ｂだけが移動する。したがって、図２（Ａ）に示した鋸歯状の駆動パルスを繰り返し印加することによって、図１の被駆動板３０は左方向への移動と停止を繰り返すので、レンズ枠２０を左方向に移動させることができる。

図２（Ｂ）の場合、圧電素子３４Ａには、時刻β４から時刻β５にかけて緩やかに立ち下がり、時刻β６で急激に立ち上がる略鋸歯状の駆動パルスを印加している。そして、圧電素子３４Ｂには、時刻β４から時刻β５にかけて緩やかに立ち上がり、時刻β６で急激に立ち下がる略鋸歯状の駆動パルスを印加している。したがって、時刻β４から時刻β５では、圧電素子３４Ａが緩やかに縮むとともに、圧電素子３４Ｂが緩やかに伸長するので、駆動部材３６Ａ、３６Ｂは図１の右方向に変位する。その際、駆動部材３６Ａ、３６Ｂが緩やかに変位するので、被駆動板３０は駆動部材３６Ａ、３６Ｂとともに移動する。これにより、被駆動板３０を図１の左方向に移動させることができる。また、時刻β６では、圧電素子３４Ａが急激に伸長するとともに圧電素子３４Ｂが急激に短縮するので、駆動部材３６Ａ、３６Ｂは図１の左方向に移動する。その際、駆動部材３６Ａ、３６Ｂが急激に移動するので、被駆動板３０は慣性によってその位置に停止したまま、駆動部材３６Ａ、３６Ｂだけが移動する。したがって、図２（Ｂ）に示した鋸歯状の駆動パルスを繰り返し印加することによって、図１の被駆動板３０は右方向への移動と停止を繰り返すので、レンズ枠２０を右方向に移動させることができる。

上述したように本実施の形態では、駆動方向が逆向きになるように駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂが配設されており、圧電素子３４Ａ、３４Ｂには正逆反対の駆動パルスが同時に印加される。したがって、圧電素子３４Ａと圧電素子３４Ｂのヒステリシス特性が互いに打ち消し合うように作用するので、圧電素子３４Ａ、３４Ｂのヒステリシスによる誤差を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、被駆動板３０が駆動方向に延設されており、被駆動板３０と駆動部材３６Ａ、３６Ｂとの摩擦係合面が、圧電素子３４Ａ、３４Ｂに対して常に一定の位置関係に保たれる構造なので、前記摩擦係合面を、圧電素子３４Ａ、３４Ｂの近傍に保つことができる。したがって、圧電素子３４Ａ、３４Ｂによる駆動力が常に正確に被駆動板３０に伝達されるので、高周波の駆動パルスで制御することができる。これにより、低い電圧であっても、被駆動板３０（すなわちレンズ枠２０）を高速で移動させることができる。

なお、上述した実施の形態は、被駆動部材として矩形の板状に形成された被駆動板３０を用いたが、被駆動部材の形状はこれに限定されるものではなく、駆動方向に長い形状であればよい。例えば、被駆動部材を円柱状に形成したり、三角柱状に形成したりしてもよい。

また、上述した実施の形態は、二つの駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂを被駆動板３０の両側に分けて配置したが、これに限定するものではなく、例えば図４（Ａ）に示すように、被駆動板３０の片側に駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂをまとめて配置してもよい。この場合にも、駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂの駆動方向が互いに逆向きになるように構成することによって、ヒステリシスの発生を抑制することができる。

さらに、駆動ユニットの数は二つに限定されるものではなく、三つ以上の駆動ユニットを設けるようにしてもよい。三つ以上の駆動ユニットを設ける場合には、駆動方向の異なる駆動ユニットの数が略同数となるようにすることが好ましい。例えば、図４（Ｂ）には、四つの駆動ユニット３２Ａ〜３２Ｄが設けられている。駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、被駆動板３０に対して同じ側に並んで配置されており、駆動ユニット３２Ｃ、３２Ｄは、被駆動板３０を挟んで駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂの反対側に配置されている。また、駆動ユニット３２Ａ、３２Ｄは駆動方向が同じ向きになるように配設されており、駆動ユニット３２Ｂ、３２Ｃは駆動方向が、駆動ユニット３２Ａ、３２Ｄと逆向きになるように配置されている。そして、圧電素子３４Ａ、３４Ｄと圧電素子３４Ｂ、３４Ｃには逆位相のパルス形状の電圧が印加される。これにより、被駆動板３０の長手方向においても直交方向においても、駆動方向が逆向きの二つの駆動ユニットが存在するので、圧電素子３４Ａ〜３４Ｄのヒステリシスをより効果的に抑制することができる。

また、上述した実施の形態は、被駆動部材を光軸方向に駆動させる例で説明したが、被駆動部材の駆動方向はこれに限定するものではない。例えば図５に示すレンズ装置は、光軸と直交する方向に駆動させる例である。このレンズ装置は、移動レンズ５０を含むレンズ群を保持するレンズ枠５２と、移動レンズ５４を含むレンズ群を保持するレンズ枠５６を備える。各レンズ枠５２、５６は、光軸方向に配置された二本のガイド棒５８、６０によってスライド自在に支持される。また、各レンズ枠５２、５６には、カムピン６２、６４が設けられており、このカムピン６２、６４が、移動板６６に形成されたカム溝６８、７０に係合されている。移動板６６は図５の上下方向にスライド自在に支持されており、この移動板６６の端部に二つの駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂが上下に配設されている。各駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、圧電素子３４Ａ、３４Ｂと駆動部材３６Ａ、３６Ｂを備え、圧電素子３４Ａ、３４Ｂはその変位方向が上下方向になるように取り付けられている。圧電素子３４Ａの上面には不図示の押え板が設けられ、下面には駆動部材３６Ａが一体的に取り付けられる。また、圧電素子３４Ｂの下面には不図示の押え板が設けられ、上面には駆動部材３６Ｂが一体的に取り付けられる。したがって、二つの駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、駆動方向が逆になるように構成されている。これにより、圧電素子３４Ａ、３４Ｂのヒステリシスによる誤差を抑制することができる。なお、駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは移動板６６を挟んで両側に取り付けてもよい。

図６に示すレンズ装置では、レンズ枠５２、５６に形成されたカムピン６２、６４が、揺動板７２に形成されたカム溝７４、７６に係合される。揺動板７２には孔７８が形成されており、この孔７８に挿通された軸（不図示）を介して揺動板７２が揺動自在に支持される。駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、揺動板７２の揺動方向（すなわち駆動方向）に並べて配置される。また二つの駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、駆動方向が逆向きになるように配置される。したがって、圧電素子３４Ａ、３４Ｂのヒステリシスによる誤差を抑制することができる。なお、駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは移動板６６を挟んで両側に取り付けてもよい。

図７に示すレンズ装置は、固定筒８０を有し、この固定筒８０の内部に、移動レンズ８２のレンズ枠８４が光軸方向にスライド自在に支持される。固定筒８０の外部には、駆動筒８６が回動自在に支持されており、この駆動筒８６を回動操作することによって、レンズ枠８４が光軸方向に前後移動するように構成される。駆動筒８６にはフランジ８８が形成されており、このフランジ８８に沿って、二つの駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂが配置されている。駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂは、駆動筒８６の回転方向に並んで配置されるとともに、その駆動方向が逆向きになるように配置されている。したがって、圧電素子３４Ａ、３４Ｂのヒステリシスによる誤差を抑制することができる。この場合にも、駆動ユニット３２Ａ、３２Ｂをフランジ８８の両側に配置してもよい。

なお、圧電素子３２Ａ、３２Ｂに印加する駆動パルスの形状は上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示す駆動パルスを印加するようにしてもよい。図８（Ａ）の場合、圧電素子３４Ａには、時刻α１から時刻α２にかけて緩やかに立ち上がり、時刻α３で急激に立ち下がる略鋸歯状の駆動パルスの電圧を印加しており、圧電素子３４Ｂには、時刻α１から時刻α２にかけて緩やかに立ち下がり、時刻α４で急激に立ち上がる略鋸歯状の駆動パルスの電圧を印加している。したがって、圧電素子３４Ａが急激に縮むタイミングと圧電素子３４Ｂが急激に伸長するタイミングが、時刻α３と時刻α４の間隔だけずれている。同様に、図８（Ｂ）の場合、圧電素子３４Ａには、時刻α５から時刻α６にかけて緩やかに立ち下がり、時刻α７で急激に立ち上がる略鋸歯状の駆動パルスの電圧を印加しており、圧電素子３４Ｂには、時刻α５から時刻α６にかけて緩やかに立ち上がり、時刻α８で急激に立ち下がる略鋸歯状の駆動パルスの電圧を印加している。したがって、圧電素子３４Ａが急激に伸長するタイミングと圧電素子３４Ｂが急激に縮むタイミングが、時刻α７と時刻α８の間隔だけずれている。

このように圧電素子３４Ａ、３４Ｂが急激に変形するタイミングをずらした場合、駆動部材３６Ａが急激に移動する際には駆動部材３６Ｂが停止しており、駆動部材３６Ｂが急激に移動する際には駆動部材３６Ａが停止している。このため、被駆動板３０は駆動部材３６Ａ、３６Ｂにつられて移動しにくくなり、被駆動板３０を確実に停止させておくことができる。よって、上記の駆動パルスの如く電圧を印加することによって、被駆動板３０の移動と停止を確実に制御することができ、被駆動板３０の駆動制御を正確に行うことができる。

なお、本発明に係るアクチュエータの用途としては、例えばデジタルカメラや携帯電話機等の小型精密機器に適用することができる。特に携帯電話機は、３Ｖ以下の低い電圧で駆動する必要があるが、本発明のアクチュエータを用いることによって、２０ｋＨｚ程度の高周波で駆動することができ、レンズ枠２０を２ｍｍ／ｓ以上の高速度で移動させることができる。よって、１０ｍｍ程度の移動が必要となるズームレンズであっても、迅速に移動させることができる。

本発明に係るアクチュエータが適用されたレンズ装置の構成を示す分解斜視図図１の圧電素子に印加される駆動パルスの波形図図１と異なる付勢手段を説明する斜視図図１と異なる構成のアクチュエータを説明する断面図図１と異なるレンズ装置の主要構成を示す斜視図図１と異なるレンズ装置の主要構成を示す斜視図図１と異なるレンズ装置の主要構成を示す斜視図図２と異なる駆動パルスの波形図

符号の説明

２０…レンズ枠、３０…被駆動板、３２Ａ、３２Ｂ…駆動ユニット、３４Ａ、３４Ｂ…圧電素子、３６Ａ、３６Ｂ…駆動部材、３８Ａ、３８Ｂ…圧縮ばね

Claims

圧電素子と、該圧電素子に一体的に取り付けられた駆動部材と、該駆動部材に摩擦係合されるとともに駆動方向に延設された被駆動部材とを備えたアクチュエータにおいて、
前記圧電素子、及び前記駆動部材を備えた駆動ユニットが少なくとも二つ設けられるとともに、該二つの駆動ユニットは、駆動方向が互いに逆向きになるように構成されることを特徴とするアクチュエータ。
前記駆動ユニットは、前記駆動方向の異なるものが同数ずつ設けられることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記アクチュエータは、前記被駆動部材に一体的に取り付けられたレンズ枠を光軸に沿って移動させるレンズ移動用のアクチュエータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。