JP2007053831A

JP2007053831A - 駆動装置

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Publication number: JP2007053831A
Application number: JP2005235824A
Authority: JP
Inventors: Taketo Namikawa; 威人並川
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2005-08-16
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-08-16
Also published as: US20070040475A1; US7567012B2; JP5124920B2

Abstract

【課題】規制部材を用いて移動体を停止させる場合に移動体の傾きを生じさせないようにすることができる。
【解決手段】駆動装置は、圧電素子２４と圧電素子の一端に設けられたロッド２５と、ロッドに摩擦係合された移動体３０と、圧電素子２４に駆動信号を印加する駆動パルス発生手段３３，３４を備え、駆動パルス発生手段３３，３４は、移動体３０を移動させるときはロッドの伸縮の差が生じるようにロッド２５を振動させるデューティー比が０．５以外の矩形波形の駆動信号を圧電素子２４に印加し、移動体３０が規制部材２２に当接していることが検出されたときは移動体３０を実質的に移動させないようにロッド２５を振動させるデューティー比０．５の矩形波形の駆動信号を圧電素子２４に印加する。
【選択図】図５

Description

本発明は、主に、カメラ、ＤＶＤ、ＣＤ、ＭＤ、内視鏡などに用いられるレンズなどの光学部品が配置された移動体を駆動する駆動装置に関する。

電圧の印加によって長さが変化する（伸縮する）圧電素子等の電気機械変換素子を利用した駆動装置として、例えば、図１（ａ）の分解斜視図および図１（ｂ）の組立斜視図に示したものが知られている（特許文献１）。

圧電素子４は、多数の圧電板を積層して構成されており、伸縮方向一端４ａが台座１に固定されるとともに他端４ｂがロッド５の第一端５ａに固定される。ロッド５は、台座１に一体的に形成された支持部２および３に摺動可能に支持される。

移動体１０は、本体１１とキャップ１２とでロッド５を挟み込むとともに、押圧バネ１３で本体１１およびキャップ１２に挟み込み方向の付勢力を与えることによって、ロッド５の周囲に摩擦結合される。

圧電素子４には不図示の電圧制御回路（駆動パルス発生手段）が接続されている。圧電素子４に対して、例えば、矩形波などの所定の駆動電圧を印加すると、圧電素子４は、駆動電圧とほぼ同形状の変位をもって振動する。そして、ロッドの可撓性などの性質故に、ロッド５は圧電素子４の変位に伴ってノコギリ刃状の変位をもってその長さ方向に振動する（図２）。

具体的に説明すると、第１の振動変位１００の期間Ａにおける緩やかな立上がり傾斜部１０１では、ロッド５は比較的ゆっくりと伸長し、図１(ｂ)中矢印Ｉ方向へとゆっくりと移動する。次に、期間Ｂにおいて、ロッド５は急速に縮んで初期長さに戻り(立下がり傾斜部１０２で示される波形部分)、急激に矢印ＩＩ方向へと移動する。

以下同様の移動が繰り返され、結果として、ロッド５は、Ｉ方向へのゆっくりとした移動とＩＩ方向への急激な移動とを繰り返して振動する。このようにして、ロッド５は、図２に示したような、緩急のついたノコギリ刃状の振動波形を描きながら振動する。

ここで、図３に示したように、ロッド５がゆっくりと移動する場合には移動体１０が該ロッド５と共に移動し、ロッド５が急激に移動する場合には移動体１０が慣性によってその場に止まる（または、ロッド５よりも少量だけ移動する）ように、移動体１０の押圧バネ１３のバネ力（移動体１０のロッド５に対する摩擦結合力）が調節されている。したがって、ロッド５が振動する間に移動体１０は台座１に対して相対的にＩ方向に移動することとなる。

なお、移動体１０を図１（ｂ）中矢印ＩＩ方向へと移動させる場合には、ロッド５の振動波形が図２に示したものと逆になるように、すなわち、急激な立上がり部と緩やかな立下がり部を有する波形とすればよい。移動体１０の移動原理は、上記の場合と同様である。この場合、圧電素子４に印加される矩形波のデューティー比を変化させることにより、ロッドの振動変位を図２に示したものと逆にすることができる。

この駆動装置は、台座（固定台）１に対して移動体１０を相対的に移動させることができ、例えば、カメラのレンズ駆動装置として使用できる。すなわち、移動体１０をレンズ玉枠と連結することにより、移動体１０の移動に伴いレンズを移動させることができる。

上記のような原理を有する圧電素子を用いた駆動装置を光学部材の移動に用いた場合、当該移動体１０の位置制御が重要となる。移動体１０の位置制御は、移動体１０の位置を常に検出し、移動可能範囲の終端部分の直前で精度よく停止できるようにすればよい。しかし、圧電素子を用いた駆動装置は高精度な位置制御を行うことが難しいため、ロッドを支持する支持部３を移動体の移動範囲を規制する規制部材として用い、移動体の動きを規制する支持部３に確実に当接させることによって停止位置の精度を確保することとしている（図４Ａ参照）。
特開平１１-９８８６５号公報

しかし、移動体を規制部材（支持部３）に当接して停止させる場合、移動体が規制部材に当接してからすぐに圧電素子の駆動を停止しなければ、図４Ｂに示すように移動体が傾くという問題があった。すなわち、実際にカメラの鏡胴などに用いられている駆動装置の場合、ロッドは約直径１ｍｍ程度で構成されているのに対し、移動体に接続されている玉枠１１は１０ｍｍ程度もあり、移動体から張り出している部材の大きさや重量が移動体に比べて大きい。したがって、圧電素子４が移動体１０を移動させるために駆動しているにもかかわらず、移動体１０の動きが規制部材３によって規制された状態が続くと、移動体１０の傾きが発生しやすくなる。この移動体の傾きは、ごくわずかなものではあるが、レンズ１２などの光学部材を連結した駆動装置においては、光学系の性能を著しく劣化させる原因となる。

この問題を解消すべく、規制部材を大きく構成したり、移動体の位置を高精度に検出することができるセンサを設けることにより、移動体の傾きを生じさせないようにすることもできるが、近年の鏡胴などの光学系の小型化の観点からみれば好ましくなく、また、センサを設けることでコストが高くなるという問題も生じる。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、規制部材に接触した位置に移動体を停止させる場合に移動体の傾きを生じさせないようにすることができる駆動装置を提供することである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成の駆動装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、駆動信号が印加されることで伸縮可能な電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の伸縮方向端部に固定されたロッドと、
前記ロッドの周囲に摩擦結合していて、前記電気機械変換素子の伸縮による前記ロッドの振動に起因して、当該ロッドに沿って移動する光学部品が配置された移動体と、
前記移動体の移動可能範囲を規制する規制部材と、
前記電気機械変換素子に、駆動信号を印加する駆動パルス発生手段とを備えた駆動装置であって、
前記駆動パルス発生手段は、前記移動体を前記規制部材に接触する位置に移動させるときは、前記ロッドの伸縮の差が生じるように前記ロッドを振動させる第１の波形の駆動信号を印加し、前記移動体が前記規制部材に当接した後は前記移動体を実質的に移動させないように前記ロッドを振動させる第２の波形の駆動信号を印加することを特徴とする、駆動装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、前記第２の波形の駆動信号は、デューティー比０．５の矩形波であることを特徴とする第１態様の駆動装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、前記第１の波形の駆動信号は、デューティー比が０．５以外である矩形波であることを特徴とする、第１又は第２態様の駆動装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、前記規制部材は、前記駆動装置の移動体の位置を検出するための基準位置に設けられていることを特徴とする、第１から第３態様のいずれか１つの駆動装置を提供する。

本発明の第１態様によれば、規制部材に移動体を接触させた位置に移動体を停止させる場合において、移動体と規制部材との当接により生じる移動体の傾きを修正することができる。すなわち、移動体を当接部材に接触させた後、移動体が実質的に移動しないようにロッドを振動させることによって、規制部材に接触することによって生じた傾きを修正することができる。これにより、センサなどを設けることなく位置あわせを行うことができまた、移動体に設けられている光学部材のずれにより生じる光軸のずれの発生を防止することができる。

本発明の第２態様によれば、第二の波形としてのデューティー比０．５の矩形波形状の駆動信号を印加することにより、電気機械変換素子の振動を確保した状態で、移動体を移動させない状態とすることができる。したがって、移動体の位置を変更させることなく、移動体の傾きを修正することができる。

本発明の第３態様によれば、第一の波形としてのデューティー比が０．５以外の矩形波形状の駆動信号により、移動体を所定の方向に高速で移動させることができる。

本発明の第４態様によれば、規制部材に当接している移動体の位置は高精度に検出可能であるため、当該位置を基準位置とすることにより、移動体の位置検出を容易にすることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る駆動装置について、図面を参照しながら説明する。

図５は、本発明の実施形態にかかる駆動装置の構成を示す模式図である。本実施形態にかかる駆動装置２０は、カメラの鏡胴に用いられる光学レンズ３２が設けられている玉枠３１を駆動させるための装置である。

駆動装置２０は、図１に示した圧電素子２４を利用した駆動装置と同じ原理により移動体３０を駆動させる。圧電素子２４は、多数の圧電板を積層して構成されており、伸縮方向一端がフレーム２１に固定されるとともに他端がロッド２５に固定される。ロッド２５は、フレーム２１に一体的に形成された支持部２２、２３に摺動可能に支持される。

移動体３０は、ロッド２５の周囲に摩擦結合され、ロッドに沿って移動可能に構成される。移動体３０には、玉枠３１が固定され、移動体の移動に伴って玉枠３１が移動する。

圧電素子２４には、駆動回路３３が接続されている。駆動回路３３は、制御部３４からの制御により、圧電素子２４に所定のデューティー比を有する矩形の駆動電圧を印加する。すなわち、制御部３４は、駆動回路３３を制御して、移動体３０を移動させる方向、速度に応じて所定のデューティー比を有する矩形の駆動電圧を印加し、移動体３０の位置を調整する。

駆動電圧の印加により発生する圧電素子２４の伸縮によってロッドに沿って移動体３０が移動する。移動体３０は、２つの支持部２２，２３の間を移動可能範囲とし、支持部２２との当接位置が位置制御のための原点となっている。すなわち、移動体３０は、その位置制御において、支持部２２に当接させることによって、その位置検出のための原点を検出することができる。なお、支持部２２，２３は移動体に比較して十分な大きさに構成することにより、後述する原点検出において移動体の傾きを生じさせることなく、移動体の移動を規制することができるが、本実施形態においては、駆動装置を小型に構成するため、支持部を小さく構成している。

また、移動可能範囲の支持部２３側の端部には、センサ２３ａが設けられており、移動体３０が支持部２３に当接することを検出する。センサ２３ａの出力は、制御部３４に入力される。

図６に、図１の駆動装置における、圧電素子に電圧を印加するための駆動回路の構成例を示す。駆動回路３３は、４つのスイッチＱ１〜Ｑ４と、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２とでＨブリッジ回路を構成し、圧電素子２４に駆動電圧を印加する。スイッチＱ１、Ｑ２は、Ｐチャネル形のＭＯＳＦＥＴで構成されていて、スイッチＱ３、Ｑ４は、Ｎチャネル形のＭＯＳＦＥＴで構成されている。

スイッチＱ１は、ソースがＶｐ端に接続され、ゲートが制御回路のＳｃ１端に接続されている。スイッチＱ２は、ソースがＶｐ端に接続され、ゲートが制御回路のＳｃ２端に接続されている。スイッチＱ３は、ドレインがスイッチＱ１のドレイン側に接続され、ソース側がアースされている。また、スイッチＱ３のゲートは、制御回路のＳｃ３端に接続されている。スイッチＱ４は、ドレインがスイッチＱ２のドレイン側に接続され、ソース側がアースされている。また、スイッチＱ４のゲートは、制御回路のＳｃ４端に接続されている。

圧電素子２４は、一端が、スイッチＱ１およびＱ３のドレイン間に接続されており、他端が、スイッチＱ２およびＱ４のドレイン間に接続されている。また、コンデンサＣ１、Ｃ２は、図示したように、スイッチＱ３、スイッチＱ４と、それぞれ並列に接続されている。両コンデンサＣ１、Ｃ２は、ともに圧電素子の容量と等しい容量を有する。制御部３４は、当該スイッチＱ１〜Ｑ４に入力する電圧を切り替えることにより、圧電素子２４に印加される電圧を制御する。具体的には、例えば、スイッチＱ１、Ｑ３に電圧を印加（Ｈ）し、スイッチＱ２、Ｑ４に電圧を印加しない(Ｌ)とすると、圧電素子には、−Ｖｐの電圧が印加される。一方、スイッチＱ１、Ｑ３に電圧を印加せず（Ｌ）、スイッチＱ２、Ｑ４に電圧を印加（Ｈ）すると、圧電素子には、Ｖｐの電圧が印加される。

制御部３４は、このように各スイッチＱ１〜Ｑ４のドレインへの印加電圧のオンオフを切り替えることにより、圧電素子に印加される電圧を制御し、駆動回路３３を通して圧電素子に矩形波形状の駆動電圧を入力する。具体的には、図７に示すようにスイッチＱ１〜Ｑ４のゲート電圧を図７に示したように制御すると、圧電素子に負荷される駆動電圧は、図７のＬｏａｄに示したような矩形波となる。図７から分かるように、ｔａ〜ｔｄはそれぞれの電圧印加時間を示しており、ｔａ〜ｔｄで１サイクルを構成する。

まず、区間ｔａではスイッチＱ２、Ｑ４がＨとなり、スイッチＱ１、Ｑ３がＬとなる。一方、区間ｔｃでは、スイッチＱ２、Ｑ４がＬとなり、スイッチＱ１、Ｑ３がＨとなる。したがって、区間ｔａおよび区間ｔｃでは、圧電素子に負荷される電圧は、絶対値が等しく符号が逆になる。

区間ｔｂ及びＴｄにおいては、スイッチＱ１〜Ｑ４がともにＨとなるので、圧電素子に印加される電圧は０である。したがって、ｔａ〜ｔｄのサイクルを繰り返すことにより、図７に示したような矩形波状の駆動電圧が、圧電素子２４に周期的に印加されることとなる。なお、区間Ｔｂと区間Ｔｄは、圧電素子の形状変化を元に戻すための時間であり、区間Ｔａと区間Ｔｃに比べて著しく短く、区間Ｔｂと区間Ｔｄの時間を０とすることもできる。ここで、駆動電圧のデューティー比を変えるには、区間Ｔａと区間Ｔｃとの時間の比を調整すればよい。

図８にデューティー比と移動体との移動速度の関係の一例を示す。移動体３０はデューティー比は０から増加するにしたがって、正の向きに速度を増加させ、０．３において正の最大速度を有する。また、０．３を超えると徐々に速度を緩めていき、デューティー比０．５において速度０となる。このとき、ロッドは伸びと縮みの速度が等しく、移動体はミクロ的には移動を行う余地があるが、伸びと縮みで移動量が同じであるため、相対的にみれば速度が０となっている状態になっている。また、デューティー比が０．５より大きくなると、移動体は負の向きに速度を早め、０．７で負の最大速度を有する。また、０．７を超えると、負の速度が徐々にゆるまりデューティー比１．０において移動体が停止する。

次に、本実施形態の駆動装置の駆動制御について説明する。上記のように、駆動装置は、制御部によって決定される所定のデューティー比を有する矩形波形状の駆動電圧を圧電素子２４に印加することによって、移動体３０をロッド２５に沿って所望の方向に移動させる。このときの駆動電圧は、移動体３０を高速で移動させるためにデューティー比０．３あるいは０．７近傍であることが好ましい。

ここで、移動体３０が移動可能範囲の終端部分に移動したとき、すなわち、支持部２２，２３に当接した状態で圧電素子２４に駆動電圧が印加されると、移動体３０に傾きを生じさせることとなる。本実施形態の駆動装置では、この傾きの発生を防止または解消するために、以下の制御を行う。

移動体３０が先端側の終端部分、すなわち支持部２３に当接する場合は、センサ２３ａによる位置検出を行う。すなわち、センサ２３ａが、移動体３０が支持部２３ａに当接したことを検出すると、圧電素子への駆動電圧の印加を停止させる。これにより支持部２３に移動体が当接した状態で駆動電圧が印加されることがないため、移動体の傾きの発生を防止する。

一方、移動体３０が根本側の終端部分、すなわち支持部２２に当接する場合は、次のように処理を行う。なお、上述のように支持部２２により規制される移動可能範囲の限界位置は、移動体３０の位置制御の原点として用いられるものであり、移動体３０の待機位置となっている。すなわち、駆動装置が搭載されるカメラの電源をオフにするとき、あるいは、電源をオンにして状態のリセットをし直す場合など、移動体３０は根本側の支持部２２に当接するように制御され、原点検出が行われる。

図９は、移動体の位置検出のための原点検出を行う処理のフローである。まず、移動体の原点検出のため、０．５以外の所定のデューティー比の矩形波形の駆動電圧を圧電素子２４に印加させ、移動体を根本側に移動させる（＃１）。このときの処理においては、移動体がロッド上のどの位置に存在するかに関係なく、予め制御部に記憶されている所定回数のパルスを圧電素子２４に印加する。当該所定回数のパルスは、移動体３０が移動可能範囲のどの位置にいたとしても、支持部２２に当接できるような移動幅を確保できるパルス数であり、具体的な数値はロッド２５の長さ、圧電素子２４の変位量などによって予め設定されている。

なお、移動体３０の位置によっては、所定回数のパルスが印加されるまでに支持部２２に当接することが考えられるが、制御部３４は、移動体３０が支持部２２に当接しているか否かにかかわらず所定回数のパルスを印加する。すなわち、所定回数のパルスが圧電素子２４に印加されることによって、処理開始時に移動体がどの位置に存在していようと、移動体３０を根本側の支持部２２へ当接させることができる（＃３）。なお、この動作により移動体３０が支持部に当接しているにもかかわらず圧電素子２４の駆動が行われることがあり、この場合、移動体３０に傾きが生じる場合がある。

次いで、所定回数のパルスの印加が終了すると、制御部３４は、駆動電圧のデューティー比を０．５にして、所定回数圧電素子に印加する（＃４）。この処理により圧電素子２４は、移動体３０の位置を変えることなく振動することができ、移動体の傾きを修正することができる（＃５）。

ステップ４において行われるデューティー比０．５の駆動電圧のパルス数は、その装置の設計に応じて数回から数十回と適宜選択することができる。本実施形態では、６０回のパルスにより移動体３０の傾きが修正されたことが確認された。

以上説明したように、本発明の駆動装置によれば、センサなどの補機を設けることなく移動体の原点検出を容易にかつ確実にすることができる。また、原点検出のために移動体を支持部２２に当接させる際に生じる移動体の傾きを簡単な処理で修正することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、上記実施形態では、移動可能範囲の限界位置に移動体を移動させるために、根本側の位置検出のみデューティー比０．５の駆動電圧を印加し、傾きを修正するように構成されているが、移動可能範囲の両端でこの処理を行ってもよい。すなわち、センサ２３ａを設ける代わりに、先端側支持部においても、当接により生じた移動体の傾きを修正することができる。

また、移動体を支持部に当接させる制御及び、移動体の傾きを修正するための制御について、上記実施形態においては、いずれもパルス数により制御を行っているが、駆動電圧の印加時間によりこれを制御してもよい。

また、傾き修正のために印加される駆動電圧は、デューティー比０．５の駆動電圧だけではなく、例えば、正弦波、三角波、台形波などであってもよく、一般的にロッドの伸びと縮みで速度が等しくなるような振動を起こさせるような波形の駆動電圧であればよい。

また、駆動装置は、カメラの鏡胴に用いられるレンズを移動させるための構成としたが、これに限定されるものではなく、例えば、ＭＤ，ＣＤ，ＤＶＤなどのレンズを駆動させるアクチュエータとして用いることもできる。

従来の駆動装置を示す分解斜視図および組立図である。図１の駆動装置におけるロッドの振動変位を示す図である。図１の駆動装置における駆動原理を説明する図である。図１の駆動装置における移動体の原点検出の方法について説明する図である。図１の駆動装置における移動体の傾きが生じている状態を示す図である。本発明の実施形態にかかる駆動装置の外観構成図である。図５の駆動装置の駆動回路及び制御部の構成を示す図である。図６の駆動回路に対する制御信号、および圧電素子に印加される電圧を示す図である。駆動電圧のデューティー比と移動体の相対的な移動速度の関係の一例を示すグラフである。図５の駆動装置の原点検出を行う処理を示すフロー図である。

符号の説明

２０駆動装置
２１フレーム
２２，２３支持部
２４圧電素子
３０移動体
３１玉枠
３２レンズ
３３駆動回路
３４制御部

Claims

駆動信号が印加されることで伸縮可能な電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の伸縮方向端部に固定されたロッドと、
前記ロッドの周囲に摩擦結合していて、前記電気機械変換素子の伸縮による前記ロッドの振動に起因して、当該ロッドに沿って移動する光学部品が配置された移動体と、
前記移動体の移動可能範囲を規制する規制部材と、
前記電気機械変換素子に、駆動信号を印加する駆動パルス発生手段とを備えた駆動装置であって、
前記駆動パルス発生手段は、前記移動体を前記規制部材に接触する位置に移動させるときは、前記ロッドの伸縮の差が生じるように前記ロッドを振動させる第１の波形の駆動信号を印加し、前記移動体が前記規制部材に当接した後は前記移動体を実質的に移動させないように前記ロッドを振動させる第２の波形の駆動信号を印加することを特徴とする、駆動装置。
前記第２の波形の駆動信号は、デューティー比０．５の矩形波であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記第１の波形の駆動信号は、デューティー比が０．５以外である矩形波であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の駆動装置。
前記規制部材は、前記駆動装置の移動体の位置を検出するための基準位置に設けられていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１つに記載の駆動装置。