JP2006050837A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品数を少なくして小型化を図ることができるとともに、駆動力が大きな駆動装置を提供する。
【解決手段】 電圧の印加と除去によって変形する電気機械エネルギ変換素子５２と、前記電気機械エネルギ変換素子５２が接合されて前記変形に伴う運動が伝達される支持体５１と、前記支持体５１に形成された内周部６０に挿入される移動体５３とを有している。前記電気機械エネルギ変換素子５２が変形前状態から前記変形後状態になるときの変形速度と、前記変形後状態から前記変形前状態になるときの変形速度が異なっており、前記変形速度のうち前記電気機械エネルギ変換素子５２が遅い速度で変形するときに、前記移動体５３が前記内周部６０との間で生じた摩擦力によって前記支持体５１とともに移動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電機機械エネルギー変換素子の伸縮を利用して移動体に駆動力を与える駆動装置に係り、特に部品数を少なくして小型化を図ることができるとともに、駆動力が大きな駆動装置に関する。

以下に示す特許文献１の図１ないし図７には、筒状の案内部１に形成された内周面（案内面１ａ）に移動部２が挿入された構造の駆動装置が説明されて開示されている。この駆動装置では、前記移動部２が、前記移動部２を前記案内部１の軸方向に駆動させるための駆動部３に接合され、前記駆動部３に慣性部４が接合されている。これら移動部２、駆動部３および慣性部４は、前記案内面１ａに挿入されている。

前記移動部２には、舌片状に構成された押圧体６が形成されている。
前記駆動部３は、前記案内部１の軸方向に伸縮し、前記移動部２に駆動力を生じさせるための圧電素子７を有しており、この圧電素子７に前記慣性部４が接合されている。

この慣性部４は、円板状の保持板９と、この保持板９に保持固定されたレンズ１０とを有している。

前記特許文献１に開示された前記駆動装置では、前記押圧体６の側端縁６ｅが弾性力を発揮した状態で前記案内面１ａに当接し、この当接に伴う摩擦力によって、前記移動部２および前記駆動部３とが、前記案内面１ａに支持されている。

この特許文献１に開示された駆動装置では、特許文献１の図３に記載されているように、前記圧電素子７に電圧を急激に印加させることによって前記圧電素子７を急激に伸長させると、前記慣性部４の慣性力により、前記移動部２の前記押圧体６と前記案内面１ａとの間に生じている摩擦力に打ち勝って、前記移動部２が特許文献１の図３（ａ）に示す矢印Ｒａ方向に移動する。

一方、前記移動部２が移動した後、前記圧電素子７に印加された電圧を徐々に減少させると、前記圧電素子７は徐々に縮小する。このとき、前記移動部２の前記押圧体６と前記案内面１ａとの間に生じている摩擦力によって、前記移動部２は静止した状態のままとなる。

また、前記圧電素子７に電圧を徐々に印加させて、前記圧電素子７を徐々に伸縮させたあと、前記圧電素子７の印加電圧を急激に減少させると、前記特許文献１の図５に示すように、前記移動部２を前記特許文献１の図３に示す場合と逆方向に、前記移動体を移動させることができる。

これと同じ原理を利用し、同様の構造を有した駆動装置は、前記特許文献１の図８ないし図１３によっても説明されて開示されている。

以上のような圧電素子７の伸縮動作を繰り返すことによって、前記移動部２が前記案内部の軸方向へ移動される。
特開平７−３０８０８３号公報

しかし、前記特許文献１に開示された駆動装置では、前記移動部２を前記案内面１ａに支持させるための摩擦力を、弾性を有する押圧体６によって発生させている。そのため、前記特許文献１に開示された駆動装置では、前記移動部２を適切に移動させるためには前記押圧体６を欠かすことができないため、部品数が多くなり、駆動装置の小型化を図るには限界があった。

また、前記特許文献１に開示された駆動装置は、駆動力を発生させるための圧電素子７が前記案内部１の前記案内面１ａ内に挿入される駆動部３に形成されている。ここで、前記案内面１ａは、筒状に形成された前記案内部１の内周面によって構成されていることから、大きさを大きくするには限界がある。

したがって、前記押圧体６などの部品を小さなスペースに形成しなければならず、製造が困難であるとともに、前記圧電素子７も小さなものとせざるを得ず、大きな駆動力を発生させるには限界があった。

本発明は前記従来の課題を解決するものであり、部品数を少なくして小型化を図ることができるとともに、駆動力が大きな駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、電圧の印加および除去を行うことによって変形する電気機械エネルギ変換素子と、前記電気機械エネルギ変換素子が接合されて前記変形に伴う運動が伝達される支持体と、前記支持体に形成された内周部に挿入される移動体とを有し、
前記電気機械エネルギ変換素子の前記変形前の状態を変形前状態とし、前記変形後の状態を変形後状態としたときに、前記変形前状態から前記変形後状態になるときの前記電気機械エネルギ変換素子の変形速度と、前記変形後状態から前記変形前状態になるときの前記電気機械エネルギ変換素子の変形速度とが異なっており、
前記変形速度のうち前記電気機械エネルギ変換素子が遅い速度で変形するときに、前記移動体が前記内周面との間で生じた摩擦力によって前記支持体とともに移動することを特徴とするものである。

本発明の駆動装置では、前記支持体に形成された前記内周部に、前記移動体が挿入され、前記内周部と前記移動体の前記表面との間で静摩擦力が生じている。

また、前記電気機械エネルギ変換素子は、前記移動体ではなく、前記支持体に固定された構造となっている。

したがって、前記支持体の内周部と前記移動体との間に静摩擦力を発生させるために、弾性力を有する押圧体などの部品を設ける必要がないため、駆動装置の小型化を図ることが可能となる。

また、前記電気機械エネルギ変換素子が、前記支持体に固定されていることから、前記電気機械エネルギ変換素子を大きくすることができる。したがって、前記駆動装置の発生駆動力を大きくすることが可能となる。

すなわち、本願発明の駆動装置では、小型化と駆動力の増大という相反する効果を同時に達成することが可能となるのである。

この場合、前記電気機械エネルギ変換素子は、前記内周部の長手方向に変形するものとして構成することができる。

また、前記電気機械エネルギ変換素子が固定部材に固定されているものとして構成することが好ましい。

このように、前記電気機械エネルギ変換素子が固定部材に固定されていると、前記電気機械エネルギ変換素子の変形運動を適切に前記支持体に伝達することができる。

本発明の駆動装置では、前記支持体に形成された前記内周部に、前記移動体が挿入され、前記内周部と前記移動体の前記表面との間で静摩擦力が生じている。

また、前記電気機械エネルギ変換素子は、前記移動体ではなく、前記支持体に固定された構造となっている。

したがって、前記支持体の内周部と前記移動体との間に静摩擦力を発生させるために、弾性力を有する押圧体などの部品を設ける必要がないため、駆動装置の小型化を図ることが可能となる。

また、前記電気機械エネルギ変換素子が、前記支持体に固定されていることから、前記電気機械エネルギ変換素子を大きくすることができる。したがって、前記駆動装置の発生駆動力を大きくすることが可能となる。

すなわち、本願発明の駆動装置では、小型化と駆動力の増大という相反する効果を同時に達成することが可能となるのである。

なお、前記電気機械エネルギ変換素子の前記後端面が前記固定部材の表面に固定されている構造では、前記電気機械エネルギ変換素子の変形運動を適切に前記支持体に伝達することが可能となる。

図１は本発明の駆動装置５０を示す斜視図である。また、図２（ａ）ないし（ｃ）は、前記駆動装置５０を図１に示す符号Ｘ１方向から見た矢視図であり、同図の（ａ）ないし（ｃ）は前記駆動装置５０の駆動状態を経時的に示すものである。また図３（ａ）ないし（ｃ）は、前記図１に示す駆動装置５０に印加する電圧の波形を示す波形図であり、図３の（ａ）ないし（ｃ）は、それぞれ図２の（ａ）ないし（ｃ）に示す状態と対応している。

図１に示すように、前記駆動装置５０は、例えばセラミックス材料などで形成される支持体５１と、この支持体５１に接合された電気機械エネルギ変換素子５２と、例えば金属材料などで形成される移動体５３とを有して構成されている。

図１に示すように、前記支持体５１は内周部６０を有する中空状の円形筒体として構成されている。前記内周部６０の直径寸法はＤ１で形成されている。図１に示す実施形態では、前記内周部６０は、前記支持体５１の前端面５１ａから延びて後端面５１ｂまで連続して形成されている。ただし、前記内周部６０は、前記前端面５１ａから延びて、前記後端面５１ｂに至る手前まで形成されたものとして構成しても良い。後端面５１ｂが前記電気機械エネルギ変換素子５２の前端面５２ａと接合されている。

前記電気機械エネルギ変換素子５２は、前記支持体５１の直径寸法と同じ直径寸法を有する円柱形状に構成されている。ただし、前記電気機械エネルギ変換素子５２の直径寸法は前記支持体５１の直径寸法と異なるように構成されていても良く、また円柱形状以外の他の形状で構成されていても良い。

前記電気機械エネルギ変換素子５２には図示しない電気導体が接続されており、この電気導体を介して電圧を印加および除去を行うと、これに伴って変形する。図１に示す実施形態では、前記支持体５１に形成された前記内周部６０の長手方向（図示Ｙ１−Ｙ２方向）における長さ寸法が伸縮変形する。この電気機械エネルギ変換素子５２の変形に伴う伸縮運動が、前記支持体５１に伝達される。前記電気機械エネルギ変換素子５２としては、圧電素子、電歪素子、あるいは磁歪素子などを使用することができる。

前記移動体５３は円柱形状に構成されており、直径寸法Ｄ２は、前記内周部６０の直径寸法Ｄ１よりも若干小さい寸法である。前記移動体５３は、少なくとも一部が前記内周部６０内に挿入されている。図１に示す状態では、前記移動体５３の前端面５３ａは前記内周部６０の外側に位置し、前記移動体５３の後端面５３ｂが前記内周部６０の内部に位置した状態となっている。そして、前記内周部６０と前記移動体５３の表面５３ｃとの間で静摩擦力が生じている。

本発明の前記駆動装置５０は、前記電気機械エネルギ変換素子５２の変形を利用して駆動を行うものである。以下に、図２および図３を用いて前記駆動装置５０の駆動動作について説明する。なお、図２に示すように、前記駆動装置５０は、前記電気機械エネルギ変換素子５２の後端面５２ｂが、固定部材７０の表面７０ａに接合されて固定されている。

まず、図２（ａ）に示す状態では、前記移動体５３の前記前端面５３ａが、前記固定部材７０の前記表面７０ａから間隔Ｌ１０だけ離れて位置している。また、このとき、前記表面７０ａから前記支持体５１の前記前端面５１ａまでの間隔はＬ２０である。またこのとき、前記移動体５３の前記前端面５３ａから前記支持体５１の前記前端面５１ａまでの間隔はＬ３０である。またこのとき、前記電気機械エネルギ変換素子５２の長手方向（図示Ｙ１−Ｙ２方向）における長さ寸法はＬ４０である。本発明では、前記固定部材７０の前記表面７０ａを基準位置とし、また図２（ａ）に示す状態を基準状態とする。また、この基準状態での前記電気機械エネルギ変換素子５２を変形前状態とする。この基準状態では、図３（ａ）のＮｏ．１に示すように、前記電気機械エネルギ変換素子５２に印加される印加電圧がゼロとなっている。

次に図３（ｂ）のＮｏ．２に示すように、前記電気機械エネルギ変換素子５２に対して電圧を急激に印加すると、図２（ｂ）に示すように、前記電気機械エネルギ変換素子５２が前記内周部６０の長手方向（図示Ｙ１−Ｙ２方向）に、後記する図２（ｃ）における動作時の前記電気機械エネルギ変換素子５２の短縮変形速度よりも早い変形速度で急激に伸長変形し、長手方向における長さ寸法がＬ４０からＬ４１へと伸長する。このときの前記電気機械エネルギ変換素子５２を変形後状態とする。この前記電気機械エネルギ変換素子５２の急激な伸長変形に伴って、前記電気機械エネルギ変換素子５２に固定された前記支持体５１も前記電気機械エネルギ変換素子５２から離れる方向（図示Ｙ１方向）に移動して、前記表面７０ａから前記支持体５１の前記前端面５１ａまでの間隔は、Ｌ２０からＬ２１へと変化する。しかし、前記移動体５３は移動せずに、前記前端面５３ａが図２（ａ）に示す基準状態の時と同じ位置に留まったままである。したがって、前記移動体５３の前記前端面５３ａが、前記固定部材７０の前記表面７０ａから間隔Ｌ１０だけ離れて位置している。また、前記移動体５３の前記前端面５３ａから前記支持体５１の前記前端面５１ａまでの間隔は、Ｌ３０からＬ３１へと短縮させられる。これは、前記電圧印加が急激なため、前記電気機械エネルギ変換素子５２の伸長変形も急激になされる。したがって、前記支持体５１の前記移動も急激に行われるため、前記支持体５１の前記内周部６０と前記移動体５３の前記表面５３ｃとの間に生じている静摩擦力に打ち勝って、前記支持体５１のみが、前記移動体５３の前記前端面５３ａ方向に移動させられるためである。

次に図３（ｃ）のＮｏ．３に示すように、前記電気機械エネルギ変換素子５２に印加した電圧を徐々に緩やかに除去すると、図２（ｃ）に示すように、前記電気機械エネルギ変換素子５２が前記内周部６０の長手方向に短縮変形し、この長手方向における長さ寸法Ｌ４１が、前記変形後状態の長さ寸法Ｌ４１から、前記変形前状態と同じ長さ寸法Ｌ４０に戻る。この前記電気機械エネルギ変換素子５２の短縮変形に伴って、前記電気機械エネルギ変換素子５２に固定された前記支持体５１も前記電気機械エネルギ変換素子５２方向（図示Ｙ２方向）に移動して、前記表面７０ａから前記支持体５１の前記前端面５１ａまでの間隔が、Ｌ２１から基準状態と同じＬ２０へと変化する。このとき、前記印加電圧の除去が徐々に緩やかに行われるため、前記電気機械エネルギ変換素子５２の短縮変形も徐々に、前記図２（ｂ）における動作時の前記電気機械エネルギ変換素子５２の伸長変形速度よりも遅い変形速度で緩やかになされる。したがって、前記支持体５１の前記移動も徐々に緩やかに行われるため、前記支持体５１と前記移動体５３の前記表面５３ｃとの間に生じている静摩擦力によって、前記移動体５３が、前記支持体５１とともに前記電気機械エネルギ変換素子１０１方向に移動させられる。なお、このとき、前記移動体５３の前記表面５３ｃと前記支持体５１との間には静摩擦力が生じているため、前記移動体５３と前記支持体５１との相対位置は変化せず、前記移動体５３の前端面５３ａと前記支持体５１の前記前端面５１ａとの間隔は、図２（ｂ）に示す状態と同じＬ３１のままである。このように、前記移動体５３が、前記支持体５１とともに前記電気機械エネルギ変換素子５２方向へ移動するため、前記移動体５３の前記前端面５３ａと前記表面７０ａとの間隔がＬ１０からＬ１１に短縮させられ、前記移動体５３の前記前端面５３ａが、前記固定部材７０の前記表面７０ａから間隔Ｌ１１だけ離れて位置することとなる。

前記移動体５３を、前記電気機械エネルギ変換素子５２３から離れる方向（図示Ｙ２方向）へ移動させるには、図２（ａ）から図２（ｃ）とは逆の行程を行うことによって可能となる。

このように、前記電気機械エネルギ変換素子５２に図３（ａ）から図３（ｃ）に示すような電圧の印加および減少を繰り返すことによって、図２（ａ）ないし図２（ｃ）に示す行程を繰り返し、またはこの逆工程を繰り返すことによって、前記移動体５３の移動量を調節することが可能となる。

前記内周部６０の前記直径寸法Ｄ１と、前記移動体５３の前記直径寸法Ｄ２との差は、０．５〜１．５μｍの範囲内であることが好ましい。前記差が０．５μｍ以下であると、前記移動体５３の前記表面と前記内周部６０との間に生じている静摩擦力が大きくなり過ぎて、図２（ｂ）に示す動作のとき、前記支持体５１と共に前記移動体５３も移動してしまう。

また、前記差が１．５μｍよりも大きいと、前記移動体５３の前記表面５３ｃと前記内周部６０との静摩擦力が小さくなり過ぎて、図２（ｃ）に示す動作のとき、前記移動体５３が前記支持体５１とともに移動するのを妨げ易くなる。

本発明の駆動装置５０では、前記支持体５１に形成された前記内周部６０に、前記移動体５３が挿入され、前記内周部６０と前記移動体５３の前記表面５３ｃとの間で静摩擦力が生じている。

また、前記電気機械エネルギ変換素子５２は、前記移動体５３ではなく、前記支持体５１に固定された構造となっている。

したがって、前記支持体５１の内周部６０と前記移動体５３との間に静摩擦力を発生させるために、弾性力を有する押圧体などの部品を設ける必要がないため、駆動装置の小型化を図ることが可能となる。

また、前記電気機械エネルギ変換素子５２が、前記支持体５１に固定されていることから、前記電気機械エネルギ変換素子５２を大きくすることができる。したがって、前記駆動装置５０の発生駆動力を大きくすることが可能となる。

すなわち、本願発明の駆動装置５０では、小型化と駆動力の増大という相反する効果を同時に達成することが可能となるのである。

なお、前記電気機械エネルギ変換素子５２の前記後端面５３ｂが前記固定部材７０の表面７０ａに固定されているため、前記電気機械エネルギ変換素子５２の変形運動を適切に前記支持体５１に伝達することが可能となっている。

なお図１に示すように、前記駆動装置５０では、前記電気機械エネルギ変換素子５２の後端面５２ｂおよび前記移動体５３の前端面５３ａが、図示Ｘ１−Ｘ２方向に向かった横置きの状態として図示しているが、本発明では前記駆動装置５０の向きはどの方向であっても良く、例えば前記電気機械エネルギ変換素子５２の前記後端面５２ｂおよび前記移動体５３の前記前端面５３ａが、図示Ｙ１−Ｙ２方向に向かった縦置きの状態で使用されても良い。

なお、前記駆動装置５０では、前記移動体５３の前記前端面５３ａに、例えばカメラレンズや絞り羽を付けることが可能である。

本発明の駆動装置を示す斜視図、である。また、図２（ａ）ないし（ｃ）は、前記駆動装置５０を図１に示す符号Ｘ１方向から見た矢視図であり、同図の（ａ）ないし（ｃ）は前記駆動装置５０の駆動状態を経時的に示すものである。また図３（ａ）ないし（ｃ）は、前記図１に示す駆動装置５０に印加する電圧の波形を示す波形図であり、図３の（ａ）ないし（ｃ）は、それぞれ図２の（ａ）ないし（ｃ）に示す状態と対応している。 （ａ）は図１に示す駆動装置の駆動状態を図１に示す符号Ｘ１方向から見た矢視図、（ｂ）は（ａ）の次の駆動状態を示す矢視図、（ｃ）は（ｂ）の次の駆動状態を示す矢視図、 （ａ）は図１に示す絞り装置に印加する電圧波形を示す図、（ｂ）は（ａ）に示す電圧波形の次に印加する電圧波形を示す図、（ｃ）は（ｂ）に示す電圧波形の次に印加する電圧波形を示す図、

符号の説明

５０ 駆動装置
５１ 支持体
５２ 電気機械エネルギ変換素子
５３ 移動体
６０ 内周部
７０ 固定部材

Claims (3)

1. 電圧の印加および除去を行うことによって変形する電気機械エネルギ変換素子と、前記電気機械エネルギ変換素子が接合されて前記変形に伴う運動が伝達される支持体と、前記支持体に形成された内周部に挿入される移動体とを有し、
   前記電気機械エネルギ変換素子の前記変形前の状態を変形前状態とし、前記変形後の状態を変形後状態としたときに、前記変形前状態から前記変形後状態になるときの前記電気機械エネルギ変換素子の変形速度と、前記変形後状態から前記変形前状態になるときの前記電気機械エネルギ変換素子の変形速度とが異なっており、
   前記変形速度のうち前記電気機械エネルギ変換素子が遅い速度で変形するときに、前記移動体が前記内周面との間で生じた摩擦力によって前記支持体とともに移動することを特徴とする駆動装置。
2. 前記電気機械エネルギ変換素子は、前記内周部の長手方向に変形する請求項１記載の駆動装置。
3. 前記電気機械エネルギ変換素子が固定部材に固定されている請求項１または２記載の駆動装置。

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