JP2006091210A - 駆動装置、レンズユニット、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動軸の安定性を向上させた駆動装置を提供する。
【解決手段】 電圧アクチュエータ２６は、印加される駆動パルスに応じて伸縮する圧電素子２７と、この圧電素子２７とともに変位し、レンズ鏡筒９の摺動嵌合部４６に摩擦係合した駆動軸４０と、駆動軸４０及び圧電素子２７を保持するフレーム部材４１とを備える。フレーム部材４１は、圧電素子２７の一端２７ａに固着した第１支持部４２と、駆動軸４０の一端４０ａに固着した第２支持部４３とを有する。圧電素子２７の他端２７ｂと、駆動軸４０の他端４０ｂとが当接するように付勢されている。圧電素子２７の伸び速度と縮み速度を異ならせることでレンズ鏡筒９が移動する。また、第２支持部４３の剛性は、第１支持部４２の剛性より低い。
【選択図】 図４

Description

本発明は、圧電素子を使用した駆動装置、並びに、この駆動装置を備えたレンズユニット及び撮像装置に関するものである。

カメラなどの精密機器を構成する部材を駆動するための駆動装置として、電気−機械変換を行う圧電素子を用いた圧電アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

図９は、カメラのレンズ駆動に応用された従来の圧電アクチュエータを示す。被駆動部材としてのレンズ鏡筒１００は、その外周面から突出した突出部１０１に、光軸と平行な孔１０１ａ，１０１ｂを備えている。孔１０１ａ，１０１ｂには、駆動軸１０２が嵌合し、摺動自在に摩擦係合している。駆動軸１０２は、フレーム１０３に形成された孔１０４，１０５に嵌合し、軸方向に摺動自在に支持されている。圧電素子１０６は、一端がフレーム１０３に、他端が駆動軸１０２の端部に固着されている。

圧電素子１０６は、外部から印加される駆動パルスに応答してその厚み方向に伸び縮みし、駆動軸１０２を軸方向に変位させる。図８（Ａ）に示すような、緩やかな立ち上がり期間Ｐ１と、これに続く急速な立ち下がり期間Ｐ２とからなる波形の駆動パルスを圧電素子１０６に印加すると、圧電素子１０６は、立ち上がり期間Ｐ１では矢印Ａの方向に低速に伸び変位を行い、立ち下がり期間Ｐ２では矢印Ａと反対方向に高速に縮み変位を行う。

立ち上がり期間Ｐ１では、駆動軸１０２は矢印Ａの方向に低速に変位するので、レンズ鏡筒１００は、孔１０１ａ，１０１ｂにおいて駆動軸１０２と摩擦結合した状態を維持したまま、駆動軸１０２とともに矢印Ａの方向に変位する。続く立ち下がり期間Ｐ２では、駆動軸１０２は矢印Ａと反対方向に高速に変位するので、孔１０１ａ，１０１ｂにおける駆動軸１０２との摩擦結合が解除され、レンズ鏡筒１００は慣性力によってほぼその場にとどまる。この結果、レンズ鏡筒１００の駆動軸１０２に対する相対位置が変化し、レンズ鏡筒１００は元の位置から矢印Ａの方向に移動することとなる。

このような駆動パルスを連続して圧電素子１０６に印加することにより、レンズ鏡筒１００は矢印Ａの方向に連続して移動する。一方、レンズ鏡筒１００を矢印Ａと反対方向に移動させる場合には、図８（Ｂ）に示すような、急速な立ち上がり期間Ｐ３と、これに続く緩やかな立ち下がり期間Ｐ４とからなる波形の駆動パルスが圧電素子１０６に印加される。
特開平４−０６９０７０号公報 特開平７−２７４５４３号公報

ところで、上記の駆動装置では、駆動軸１０２の一端は圧電素子１０６に固着されているが、他端はフレーム１０３の孔１０４に遊貫した状態となっているので、圧電素子１０６による駆動軸１０２の変位が繰り返し行われるに伴って、駆動軸１０２及び孔１０４が磨耗し、駆動軸１０２にブレが生じて不安定になるといった問題がある。駆動軸１０２がブレると、駆動軸１０２に保持されたレンズ鏡筒１００の光軸の方向にずれが生じる。駆動軸１０２に保持される被駆部材がレンズ鏡筒１００以外の場合であっても同様に問題となる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、駆動軸の安定性を向上させた駆動装置、並びに、この駆動装置を備えたレンズユニット及び撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の駆動装置は、印加される駆動パルスに応じて伸縮する圧電素子と、この圧電素子とともに変位し、被駆動部材に摩擦係合した駆動軸と、前記駆動軸及び前記圧電素子を保持するフレーム部材とを備え、前記圧電素子の伸び速度と縮み速度を異ならせることで前記被駆動部材を移動させる駆動装置において、前記フレーム部材は、前記圧電素子の一端に固着した第１支持部と、前記駆動軸の一端に固着した第２支持部とを有し、前記圧電素子の他端と、前記駆動軸の他端とが当接するように付勢されていることを特徴とするものである。

なお、前記第２支持部の剛性は、前記第１支持部の剛性より低いことが好ましい。また、前記第１支持部と前記第２支持部とが一体に形成されていてもよい。さらに、前記駆動軸は、中空の棒状部材であることが好ましい。

また、本発明のレンズユニットは、前記駆動装置と、撮影レンズを保持したレンズ枠体とを備え、前記駆動装置の被駆動部材として、前記レンズ枠体が移動されることを特徴とするものである。

また、本発明の撮像装置は、前記レンズユニットと、前記撮影レンズによって結像された被写体光を電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の駆動装置によれば、印加される駆動パルスに応じて伸縮する圧電素子と、この圧電素子とともに変位し、被駆動部材に摩擦係合した駆動軸と、駆動軸及び圧電素子を保持するフレーム部材とを備え、圧電素子の伸び速度と縮み速度を異ならせることで被駆動部材を移動させる駆動装置において、フレーム部材は、圧電素子の一端に固着した第１部材と、駆動軸に固着した第２部材とからなり、圧電素子の他端と、駆動軸の他端とが当接するように付勢されているので、駆動軸の安定性が向上する。

図１及び図２は、本発明を適用したカメラ付き携帯電話機２の外観を示す。カメラ付き携帯電話機２は、ヒンジ部３により折り畳み自在に連結された受話器ユニット４と送話器ユニット５とからなる。

受話器ユニット４の正面には、受話音声を出力する受話スピーカ６と、各種メニュー画面や内蔵カメラによる撮影画像を表示する液晶表示装置（ＬＣＤ）７とが設けられている。受話器ユニット４の背面には、電波を送受信するアンテナ８が取り付けられており、また、レンズ鏡筒（レンズ枠体）９（図４参照）に保持された撮影レンズ１０が露呈している。送話器ユニット５の正面には、送話音声を電気的な音声信号に変換する送話マイク１１のほか、各種の操作ボタンからなる入力操作部１２が設けられている。

図３は、カメラ付き携帯電話機２の電気的構成を示す。ＣＣＤ型イメージセンサ（ＣＣＤ）２０は、レンズ鏡筒９が備える撮影レンズ１０によって受光面に結像された被写体光を電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子である。ＣＣＤ２０は、タイミングジェネレータ２１によって、電子シャッタ速度の設定を含む動作制御が行われる。信号処理回路２２は、ＣＣＤ２０から出力された撮像信号に対して、サンプリング、増幅、Ａ／Ｄ変換を施し、デジタル化された画像データを出力する。フレームメモリ２３は、信号処理回路２２から逐次に出力される画像データを一時的に格納する。

オートフォーカス（ＡＦ）回路２４は、フレームメモリ２３に格納された画像データの所定領域から輝度成分を抽出し、隣接する画素ごとに輝度成分の変化量を求める。輝度成分の変化量は、画像のコントラストが高くなるほど大きくなるから、この輝度成分の変化量の総和がピークに達したときがピント（フォーカス）の合った状態とみなせる。ＡＦ回路２４は、この輝度成分の変化量の総和をＡＦ信号としてＣＰＵ２５に入力する。

圧電アクチュエータ（駆動装置）２６は、印加される電圧に応答してその厚み方向に変位（伸び縮み）する圧電素子２７（図４参照）を備えた駆動装置であり、後述するようにレンズ鏡筒９を光軸を一定方向に保ったまま移動させる。駆動パルス発生回路２８は、圧電素子２７に印加するための駆動パルスをＣＰＵ２５の制御に基づいて発生する。ＣＰＵ２５は、ＡＦ回路２４から逐次に入力されてくるＡＦ信号を監視しながら駆動パルス発生回路２８を制御してレンズ鏡筒９を移動させ、ＡＦ信号がピークとなる位置にレンズ鏡筒９を位置決めする。このようにして、被写体のピント合わせが行われる。以上のようにカメラ付き携帯電話機２のカメラ部（撮像装置）が構成されている。

音声処理回路２９は、受話スピーカ６及び送話マイク１１で入出力される音声に対してノイズ除去などの各種処理を施す。電波通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）３０は、通話時に、アンテナ８を介して基地局との間で電波の送受信を行う。ＬＣＤドライバ３１は、ＬＣＤ７の表示制御を行う。

メモリ３２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）３２ａとＲＡＭ（Random Access Memory）３２ｂとからなり、ＲＯＭ３２ａは不揮発性メモリであり、ＣＰＵ２５が上記各部を制御するためのプログラムや、カメラ部によって撮影された画像データなどを格納する。ＲＡＭ３２ｂは揮発性メモリであり、動作中に生成されるデータを一時的に記憶する。

ＣＰＵ２５は、入力操作部１２から入力される信号に基づいてカメラ付き携帯電話機２の全体の動作を統括的に制御し、カメラ付き携帯電話機２を通話モードとカメラモードとの間で切り替える。

図４において、圧電アクチュエータ２６は、圧電素子２７、駆動軸４０、及びそれらを保持するフレーム部材４１によって構成されている。フレーム部材４１は、第１支持部４２、第２支持部４３、嵌合部４４、及びベース部４５からなる。圧電素子２７の一端２７ａは、ベース部４５の端部に設けられた第１支持部４２に固着されている。駆動軸４０は、ベース部４５の中央部に設けられた嵌合部４４の孔４４ａに摺動自在に挿通している。駆動軸４０の一端４０ａは、図５の断面図に示すように、ベース部４５の端部に設けられた第２支持部４３の凹部４３ａに嵌合した状態で固着されている。駆動軸４０の他端４０ｂは、圧電素子２７の他端２７ｂに当接している。

第２支持部４３は、第１支持部４２より剛性の低い部材で形成されている。また、第２支持部４３は、ベース部４５に固着された根元付近に、厚みが薄い肉薄部４３ｂが形成されており、可撓性を有している。駆動軸４０は、圧電素子２７に当接する方向へ付勢されており、圧電素子２７が厚さ方向（駆動軸４０の軸方向）に伸び縮みした場合においても、駆動軸４０と圧電素子２７との当接は解除されることはない。

駆動軸４０は、軽量でかつ高剛性であることが好ましく、カーボンやベリリウムなどの部材で形成されている。また、高剛性を保ったまま軽量化を図るように、駆動軸４０は、図６に示すように中空に形成された棒状部材であってもよい。

図５に示すように、第１支持部４２には、孔４２ａが形成されている。孔４２ａは、圧電アクチュエータ２６の組み立て時に使用される。組み立て時には、まず、駆動軸４０を孔４２ａ、孔４４ａの順に挿通し、駆動軸４０の一端４０ａを第２支持部４３の凹部４３ａに嵌合させて取り付ける。この状態で、圧電素子２７を駆動軸４０の他端４０ｂと第１支持部４２との間に挟みこみ、圧電素子２７の一端２７ａを第１支持部４２に取り付ければよい。

図４において、レンズ鏡筒９には、その外周から突出し、駆動軸４０が摺動自在に嵌合する摺動嵌合部４６が設けられている。摺動嵌合部４６には、板バネ４７が取り付けられており、板バネ４７と駆動軸４０との間には、Ｖ字金具（摩擦板）４８が介装されている。板バネ４７は、駆動軸４０とＶ字金具４８が圧接するように、Ｖ字金具４８を付勢している。レンズ鏡筒９は、摺動嵌合部４６、板バネ４７、及びＶ字金具４８により、駆動軸４０に安定して保持されるとともに、適度な摩擦力をもって駆動軸４０に摩擦係合している。

レンズ鏡筒９は、撮影レンズ１０を保持している。撮影レンズ１０は、例えば図７に示すように、被写体側から順に並べられた第１レンズ１０ａ、第２レンズ１０ｂ、及び第３レンズ１０ｃからなるレンズ群によって構成されている。第１レンズ１０ａは、被写体側が凸面形状、像側が平面状であり、正のパワーを有するメニスカス形状である。第２レンズ１０ｂ、被写体側が凹面形状、像側が非球面形状であり、負のパワーを有するメニスカス形状である。第３レンズ１０ｃは、被写体側及び像側がともに非球面形状であり、像側が光軸Ｌの近傍において凹面形状の、負のパワーを有する形状である。

このような撮影レンズ１０を保持したレンズ鏡筒９と、圧電アクチュエータ２６とによって構成されるレンズユニットは、光軸Ｌに沿って撮影レンズ１０を通過した被写体光をＣＣＤ２０の受光面に結像するように受話器ユニット４の内部に組み込まれている。

以上のように構成されたカメラ付き携帯電話機２は、入力操作部１２の操作によってカメラモードに切り替えられると、ＣＣＤ２０によって撮像され、信号処理回路２２からフレームメモリ２３に順次格納される画像データが、ＬＣＤドライバ３１を介してＬＣＤ７にスルー画像として表示される。このとき、前述のオートフォーカス（ＡＦ）動作が、ＡＦ回路２４、ＣＰＵ２５、及び圧電アクチュエータ２６によって実行される。所望の被写体にピントの合った状態で、入力操作部１２の操作によってシャッタレリーズが行われると、１画面分の画像データがＲＯＭ３２ａ或いは不図示のメモリカードに記録される。

次に、ＡＦ動作時に行われる圧電アクチュエータ２６の作用について説明する。被駆動部材であるレンズ鏡筒９を図４の矢印Ｂの方向へ移動させる場合には、図８（Ａ）に示す波形の駆動パルスが駆動パルス発生回路２８から圧電素子２７に印加される。この駆動パルスに応じて圧電素子２７は厚さ方向に伸縮運動を行う。この駆動パルスにおいて、立ち上がり期間Ｐ１は、立ち下がり期間Ｐ２より長い。圧電素子２７は、緩やかな立ち上がり期間Ｐ１では矢印Ｂの方向へ低速に伸び変位を行い、続く急速な立ち下がり期間Ｐ２では矢印Ｂと反対方向へ高速に縮み変位を行う。

立ち上がり期間Ｐ１では、駆動軸４０は、圧電素子２７の伸び変位とともに、矢印Ｂの方向に低速に変位する。このとき、レンズ鏡筒９は、摺動嵌合部４６において駆動軸４０と摩擦結合した状態を保持したまま、駆動軸４０とともに矢印Ｂの方向に変位する。続く立ち下がり期間Ｐ２では、駆動軸４０は矢印Ｂと反対方向に高速に変位するが、レンズ鏡筒９の慣性力によって摺動嵌合部４６の摩擦結合部において滑りが生じる。その結果、レンズ鏡筒９は、ほぼその場（期間Ｐ１直後の位置）にとどまる。この結果、レンズ鏡筒９の駆動軸４０に対する相対位置が変化し、レンズ鏡筒９は元の位置から矢印Ｂの方向に移動することとなる。さらに、緩やかな立ち上がり期間Ｐ１及び急速な立ち下がり期間Ｐ２からなる駆動パルスが連続して圧電素子２７に印加されることにより、レンズ鏡筒９は矢印Ｂの方向に連続して移動する。

一方、レンズ鏡筒９を矢印Ｂと反対方向に移動させる場合には、図８（Ｂ）に示す駆動パルスが駆動パルス発生回路２８から圧電素子２７に印加される。この駆動パルスに応じて圧電素子２７は厚さ方向に伸縮運動を行う。この駆動パルスにおいて、立ち上がり期間Ｐ３は、立ち下がり期間Ｐ４より短い。圧電素子２７は、急速な立ち上がり期間Ｐ３では矢印Ｂの方向へ高速に伸び変位を行い、続く緩やかな立ち下がり期間Ｐ２では矢印Ｂと反対方向へ低速に縮み変位を行う。

立ち上がり期間Ｐ３では、駆動軸４０は、圧電素子２７の伸び変位とともに、矢印Ｂの方向に高速に変位する。このとき、レンズ鏡筒９は、駆動軸４０に対して滑り、慣性力によってほぼその場にとどまる。続く立ち下がり期間Ｐ４では、駆動軸４０は矢印Ｂと反対方向に低速に変位するので、レンズ鏡筒９は、摺動嵌合部４６において駆動軸４０と摩擦結合した状態を保持した状態となる。このとき、レンズ鏡筒９は、駆動軸４０とともに矢印Ｂの反対方向に変位する。この結果、レンズ鏡筒９の駆動軸４０に対する相対位置が変化し、レンズ鏡筒９は元の位置から矢印Ｂの反対方向に移動することとなる。さらに、急速な立ち上がり期間Ｐ３及び緩やかな立ち下がり期間Ｐ４からなる駆動パルスが連続して圧電素子２７に印加されることにより、レンズ鏡筒９は矢印Ｂの反対方向に連続して移動する。

駆動軸４０は、一端４０ａが第２支持部４３に固着されているので、圧電素子２７の伸縮に伴う変位によってブレて不安定になることはない。また、第２支持部４３は、その剛性が第１支持部４２より小さいので、駆動軸４０の変位に追従して自在に変形することができる。なお、摺動嵌合部４６における駆動軸４０の摩擦力は、板バネ４７の付勢力を変えることによって調整することができる。この摩擦力は、駆動軸４０が摺動嵌合部４６に対して、期間Ｐ１,Ｐ４では結合するように、期間Ｐ２,Ｐ３では結合が解除されるように設定されている。

上記実施形態において、第１支持部４２と第２支持部４３を別の部材で構成するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、フレーム部材４１を単一の部材で形成し、第１支持部４２と第２支持部４３とを一体にするようにしてもよい。

また、上記実施形態において、駆動軸４０の他端４０ｂを圧電素子２７の他端２７ｂに対して付勢するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、駆動軸４０の他端４０ｂを圧電素子２７の他端２７ｂに固着するようにしてもよい。

また、上記実施形態において、圧電アクチュエータ２６によって駆動する被駆動部材として、レンズ鏡筒９を例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、絞り部材などの他の部材を被駆動部材としてもよい。また、圧電アクチュエータ２６は、上記実施形態で例示したカメラ付き携帯電話機２には限られず、デジタルカメラやＰＤＡ（Personal Digital Assistant）などの他の電子機器に適用することができる。

カメラ付き携帯電話機を示す外観図である。 半折り畳み状態のカメラ付き携帯電話機を示す外観図である。 カメラ付き携帯電話機の電気的構成を示すブロック図である。 圧電アクチュエータの構成を示す外観図である。 圧電アクチュエータの断面図である。 中空の駆動軸を示す図である。 レンズ鏡筒の断面図である。 駆動パルスの波形を示す図である。 従来の圧電アクチュエータの構成を示す外観図である。

符号の説明

２ カメラ付き携帯電話機
９ レンズ鏡筒
１０ 撮影レンズ
２６ 圧電アクチュエータ
２７ 圧電素子
２８ 駆動パルス発生回路
４０ 駆動軸
４１ フレーム部材
４２ 第１支持部
４２ａ 孔
４３ 第２支持部
４３ａ 凹部
４３ｂ 肉薄部
４４ 嵌合部
４４ａ 孔
４５ ベース部
４６ 摺動嵌合部
４７ 板バネ
４８ Ｖ字金具

Claims (6)

1. 印加される駆動パルスに応じて伸縮する圧電素子と、この圧電素子とともに変位し、被駆動部材に摩擦係合した駆動軸と、前記駆動軸及び前記圧電素子を保持するフレーム部材とを備え、前記圧電素子の伸び速度と縮み速度を異ならせることで前記被駆動部材を移動させる駆動装置において、
   前記フレーム部材は、前記圧電素子の一端に固着した第１支持部と、前記駆動軸の一端に固着した第２支持部とを有し、前記圧電素子の他端と、前記駆動軸の他端とが当接するように付勢されていることを特徴とする駆動装置。
2. 前記第２支持部の剛性は、前記第１支持部の剛性より低いことを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
3. 前記第１支持部と前記第２支持部とが一体に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の駆動装置。
4. 前記駆動軸は、中空の棒状部材であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか記載の駆動装置。
5. 請求項１ないし４いずれか記載の駆動装置と、撮影レンズを保持したレンズ枠体とを備え、前記駆動装置の被駆動部材として、前記レンズ枠体が移動されることを特徴とするレンズユニット。
6. 請求項５記載のレンズユニットと、前記撮影レンズによって結像された被写体光を電気的な撮像信号に変換する固体撮像素子とを備えたことを特徴とする撮像装置。
   

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