JP2007252103A - Drive unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は圧電アクチュエータを備えた駆動装置に関し、特に、小型光学レンズの自動焦点ユニット等として好適な駆動装置に関する。 The present invention relates to a drive device including a piezoelectric actuator, and more particularly to a drive device suitable as an autofocus unit for a small optical lens.
近時、デジタルカメラにおける1つの開発動向として、小型化・軽量化が進められており、そのようなカメラのための小型軽量な自動焦点機構の開発が鋭意行われている。また、カメラ付き携帯電話においては、従来の単焦点レンズを用いたカメラに代えて、自動焦点機能を有するカメラが搭載されるようになってきている。 Recently, as a development trend in digital cameras, miniaturization and weight reduction have been promoted, and development of a compact and lightweight autofocus mechanism for such a camera has been carried out. Further, in camera-equipped mobile phones, cameras having an autofocus function are being mounted instead of conventional cameras using single focus lenses.
このような小型自動焦点装置として、圧電素子を用いたものが種々提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。例えば、特許文献1に開示された駆動装置は、伸縮変位を生じる圧電素子の伸縮方向端に棒部材を固定し、レンズを保持した係合部材をこの棒部材に係合させた構造を有している。この駆動装置では、圧電素子をゆっくり変位させ、棒部材と係合部材との間の摩擦力を利用して係合部材とレンズとを圧電素子の変位量だけ移動させる。そして次に、圧電素子を瞬時に変位させて棒部材を係合部材に対して滑らせ、係合部材とレンズの位置を変えることなく圧電素子の状態を元に戻す自動焦点装置が開示されている。 Various devices using piezoelectric elements have been proposed as such small autofocus devices (see, for example, Patent Documents 1 and 2). For example, the driving device disclosed in Patent Document 1 has a structure in which a rod member is fixed to an end of a piezoelectric element that causes expansion / contraction displacement, and an engagement member holding a lens is engaged with the rod member. ing. In this drive device, the piezoelectric element is slowly displaced, and the engaging member and the lens are moved by the displacement amount of the piezoelectric element by utilizing the frictional force between the rod member and the engaging member. And then, an autofocus device is disclosed in which the piezoelectric element is instantaneously displaced to slide the rod member relative to the engaging member, and restore the state of the piezoelectric element without changing the position of the engaging member and the lens. Yes.
また、特許文献2に開示されたアクチュエータは、特許文献1に開示されている駆動装置と比較すると、圧電素子と被駆動体であるレンズ枠との配置に違いはあるものの、基本的に、圧電素子の駆動方法は同じである。 In addition, the actuator disclosed in Patent Document 2 is basically piezoelectric, although there is a difference in the arrangement of the piezoelectric element and the lens frame that is the driven body, compared to the driving device disclosed in Patent Document 1. The element driving method is the same.
しかしながら、これらの駆動装置等では、被駆動体たるレンズの移動方向と圧電素子の伸縮方向とが同じである。そのため、駆動装置の厚さが、レンズの制動距離と圧電素子の素子長の両方の影響を受けて厚くなってしまうので、例えば、携帯電話等の薄型機器への搭載には不向きである。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、薄型の駆動装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a thin drive device.
本発明によれば、所定の電圧を印加することにより屈曲変位を生じる圧電素子と、前記圧電素子の一端を保持する保持部材と、前記圧電素子の自由端と摩擦接触する被駆動体と、前記圧電素子と前記被駆動体とを一定の力で押し付けるための与圧機構と、前記被駆動体を所定の方向にスライド自在に保持するガイドとを具備し、前記圧電素子に所定の電圧を印加して該圧電素子を屈曲させることにより、該圧電素子と前記被駆動体との間の摩擦力によって該被駆動体を前記ガイドによるガイド方向にスライドさせることを特徴とする駆動装置が提供される。 According to the present invention, a piezoelectric element that generates a bending displacement by applying a predetermined voltage, a holding member that holds one end of the piezoelectric element, a driven body that frictionally contacts the free end of the piezoelectric element, A pressurizing mechanism for pressing the piezoelectric element and the driven body with a constant force; and a guide for slidably holding the driven body in a predetermined direction, and applying a predetermined voltage to the piezoelectric element. Then, by bending the piezoelectric element, a driving device is provided in which the driven body is slid in a guide direction by the guide by a frictional force between the piezoelectric element and the driven body. .
この駆動装置においては、圧電素子を屈曲させて被駆動体を所定の向きへスライドさせ、その後に被駆動体を移動させる向きとは逆の向きに圧電素子を変位させる際には、被駆動体の戻りが小さくなるように圧電素子が被駆動体に対して滑るように圧電素子の変位速度を調整して駆動することが好ましい。また、圧電素子は固有振動数と異なる周波数で駆動する、つまり非共振駆動が好適である。 In this drive device, when the piezoelectric element is bent and the driven body is slid in a predetermined direction and then the piezoelectric element is displaced in a direction opposite to the direction in which the driven body is moved, Preferably, the piezoelectric element is driven by adjusting the displacement speed so that the piezoelectric element slides relative to the driven body so that the return of the piezoelectric element is reduced. The piezoelectric element is preferably driven at a frequency different from the natural frequency, that is, non-resonant driving.
圧電素子の自由端には耐摩耗性材料からなる摺動部を設けることが好ましい。この摺動部および被駆動体においてこの摺動部と接触する被摺動部を共に円柱状,半円柱状,楕円柱状,半楕円柱状のいずれかとし、摺動部の長さ方向軸と被摺動部の長さ方向軸とが直交する構成とすることが好ましい。 It is preferable to provide a sliding portion made of a wear-resistant material at the free end of the piezoelectric element. The sliding part and the sliding part in contact with the sliding part in the driven body are either cylindrical, semi-cylindrical, elliptical column, or semi-elliptical column. It is preferable to have a configuration in which the longitudinal axis of the sliding portion is orthogonal.
本発明の駆動装置は、圧電素子の長さ方向および幅方向を被駆動体の移動方向と直交させることができ、圧電素子の厚さを被駆動体の移動方向と一致させても、その厚さは被駆動体の制動距離の範囲内に納めることができるので、極めて薄い構造とすることができる。 In the driving device of the present invention, the length direction and the width direction of the piezoelectric element can be orthogonal to the moving direction of the driven body, and even if the thickness of the piezoelectric element matches the moving direction of the driven body, Since the length can be kept within the range of the braking distance of the driven body, the structure can be made extremely thin.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、ここでは、本発明の駆動装置をカメラのフォーカスレンズを移動させる自動焦点機構(AFユニット)に適用した場合について説明することとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, a case where the driving device of the present invention is applied to an automatic focus mechanism (AF unit) that moves a focus lens of a camera will be described. I will do it.
図1にAFユニット10の概略構造を示す斜視図を示し、図2に図1中のAA断面図を示す。このAFユニット10は、所定の電圧を印加することにより屈曲変位を生じる圧電素子12と、圧電素子12の長さ方向の一端を保持する保持部材14と、圧電素子12の自由端と摩擦接触する被駆動部材16と、被駆動部材16に連結されたレンズ枠18と、圧電素子12と被駆動部材16とを一定の力で押し付けるための図示しない与圧機構と、被駆動部材16をZ方向にスライド自在に保持するガイド20と、これらを収容するユニットケース22を有している。また、このAFユニット10には、圧電素子12を駆動するための駆動制御装置10Aが接続される。
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic structure of the
圧電素子12としては、図2に示すように、金属製の補強板31の両主面にそれぞれ圧電板32が貼り付けられた構造を有するバイモルフ素子が好適に用いられる。圧電素子12は、補強板31の片側主面に圧電板32が貼り付けられたユニモルフ素子であってもよく、圧電板32は積層構造であってもよい。
As the
圧電素子12は、その長さ方向がX方向となり、その幅方向がY方向となり、その厚み方向がZ方向となるように、配置されている。図2に示されるように、圧電素子12の圧電板32に所定の電圧を印加することにより、圧電素子12の先端部には、Z方向の変位を主成分とする屈曲変位が生じる。
The
圧電素子12の自由端には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、窒化珪素や炭化珪素、アルミナ等のセラミックス材料またはステンレス鋼や鋳鉄等の金属材料からなる摺動部材26が取り付けられている。摺動部材26は、圧電素子12の幅方向に延在する半円柱状の形状を有している。
A sliding
摺動部材26を設けることなく、補強板31の先端部を被駆動部材16に直接に摩擦接触させてもよいが、補強板31にはバネ性の高い材料を用いることが好ましく、その場合に十分な耐久性が得られない場合がある。そのため、補強板31よりも耐摩耗性に優れる摺動部材26を設けることは、耐久性を高める観点から好ましい。なお、被駆動部材16を構成する材料との相対的な関係で、補強板31に十分な耐摩耗性を有する材料を用いている場合には、摺動部材26を設ける必要はない。
The tip of the reinforcing
圧電素子12の一端を保持している保持部材14は、ユニットケース22に固定されており、これにより圧電素子12の一端は不動に固定される。保持部材14はユニットケース22と一体であってもよい。
The
被駆動部材16において、摺動部材26と接触する部分には、半円柱状の被摺動部28が、その長さ方向がZ方向となるように形成されている。また、前述の通り、圧電素子12に取り付けられた摺動部材26は、半円柱状でその長さ方向はY方向となっている。したがって、摺動部材26と被摺動部28は直交接触するので、これらの接点は、一定の面積を有するが点接触となる。
A portion of the driven
例えば、圧電素子12と被駆動部材16とを仮に面と面で突き合わせて接触させる構造とした場合には、圧電素子12と被駆動部材16の配置に高い精度が要求され、これが満たされないときには駆動特性が極端に低下するという問題を生じる。しかし、上述の通り、摺動部材26と被摺動部28とを反円柱とすることにより、圧電素子12の幅方向がY軸から少しずれたり、また、被摺動部28の長さ方向がZ方向から多少ずれたりしても、これらの接触の確保が容易であり、駆動特性が大きく低下することを回避することができる。
For example, in the case where the
摺動部材26と被摺動部28の形状は、半円柱に限定されるものではなく、円柱状,楕円柱状,半楕円柱状であっても、上記と同様の効果が得られる、なお、圧電素子12に摺動部材26を設けない場合には、補強板31の自由端側の側面を半円柱状等にすることが好ましい。
The shapes of the sliding
与圧機構は、圧電素子12を被駆動部材16に押し付けるものであってもよいし、被駆動部材16を圧電素子12に押し付けるものであってもよい。この与圧機構は図示していないが、例えば、板バネやコイルバネ等を用いることができる。被駆動部材16を圧電素子12に押し付ける構造を採用する場合には、被駆動部材16のZ方向での移動を妨げないように、例えば、X方向に、被駆動部材16、ベアリング、板部材、板バネ、ユニットケース22の壁部の順で接触しているような構成が挙げられる。
The pressurizing mechanism may be one that presses the
また与圧機構としては、ユニットケース22を構成する1枚の側板22aをこの側板22aと直交する側板22bに嵌め込み、固定する構成のものが挙げられる。すなわち、側板22aに返しを有する爪部を設け、側板22bに爪部の返しが脱けなくなるように爪部を嵌め込むための穴部を設け、圧電素子12が被駆動部材16に接触した状態でさらに一定の力を加えることによってこの爪部が穴部に嵌め込まれて固定されるようにする。これによれば側板22aを側板22bに取り付けられた時点で、圧電素子12が一定の力で被駆動部材16に与圧を加えた状態となる。
Moreover, as a pressurization mechanism, the thing of the structure which fits and fixes the one
ガイド20はユニットケース22に固定されており、断面略T字型の形状を有し、その長さ方向はZ方向となっている。被駆動部材16は、このガイド20に沿ってZ方向に移動可能となるように、このガイド20を嵌合するための溝部を備えている。
The
レンズ枠18は、被駆動部材16に連結されているので、被駆動部材16の移動にしたがって移動する。駆動制御装置10Aは圧電素子12の駆動電圧を発生させる。
Since the
次にAFユニット10の駆動態様について説明する。図3に圧電素子12を駆動するための電圧波形の一例を示す。また図4に圧電素子12の変位と被駆動部材16の移動の態様を模式的に示す。ここでは、圧電素子12は、圧電板32に正の電圧を印加すると+Zの向き(上向き)に変位し、圧電板32に負の電圧を印加すると−Zの向き(下向き)に変位するものとする。
Next, the driving mode of the
最初に時間t0,電圧V0の時点で被駆動部材16は静止状態にある。駆動制御装置10Aにより、電圧V0から電圧V1へ一定勾配で電圧を上げると、圧電素子12の自由端が+Z側へ移動するように屈曲し、このとき摺動部材26と被摺動部28の摩擦力によって被駆動部材16が+Z側に移動する。このときの被駆動部材16の移動量を図4ではδで示している。
First, the driven
このとき、摺動部材26の位置に着目すると、摺動部材26の+Z側への移動量が大きくなると−X側への移動量も大きくなるので、これに伴って摺動部材26と被摺動部28の間の摩擦力は小さくなる。したがって、圧電素子12を一定変位量以上に変位させると被駆動部材16は移動できなくなる。電圧V1は、被駆動部材16が移動できなくなっている電圧であってもよいし移動できる電圧であってもよい。
At this time, paying attention to the position of the sliding
また、電圧V1の値と電圧V0から電圧V1への電圧勾配によって、被駆動部材16の移動態様に違いが生じる。例えば、この電圧勾配が緩やかで、かつ、電圧V1では摺動部材26と被摺動部28の間に十分な摩擦力がある場合には、被駆動部材16は摺動部材26の動きに合わせて移動する。一方、この電圧勾配が急で、かつ、電圧V1では摺動部材26と被摺動部28の間に被駆動部材16を移動させるための十分な摩擦力がない場合には、被駆動部材16は摺動部材26によって蹴動されて移動する。
Further, the voltage gradient from the value of the voltage V 0 which voltages V 1 to the voltages V 1, the difference in the movement mode of the driven
なお、圧電素子12と被駆動部材16との間に与圧が与えられているために、圧電素子12を変位させても、一定範囲の変位量であれば摺動部材26はこの与圧によって被摺動部28に接した状態に維持される。摺動部材26が常に被摺動部28に接触するように駆動してもよいし、被摺動部28と離間するように駆動してもよい。
Since a pressurized pressure is applied between the
次に電圧V1から電圧V2に急峻に電圧を下げる。例えば、電圧V2=−V1とする。これにより圧電素子12の変位は逆転する。このとき、圧電素子12の変位速度が速いために摺動部材26が被摺動部28に対して滑り、これによって摺動部材26の位置を−Z側へ移動させるとともに、被駆動部材16の位置を+Z側に保持することができる。なお、実際には電圧をV1からV2へと変化させる際に摺動部材26と被摺動部28の間に一定の摩擦力が作用し、被駆動部材16は一定量だけ−Z側へ戻されるが、図4ではこの戻りは無視している。
Then lowered steeply voltage from voltages V 1 to the voltage V 2. For example, the voltage V 2 = −V 1 . As a result, the displacement of the
次に、電圧V2から電圧V1へ一定勾配で電圧を上げると、圧電素子12の自由端が+Z側へ移動するように屈曲し、摺動部材26と被摺動部28の間の摩擦力が徐々に大きくなって、この摩擦力によって被駆動部材16が+Z側に移動する。このときの被駆動部材16の移動量を図4ではηで示している。当然にη>δとなる。こうして電圧V1とした以降は、電圧V1〜V2の駆動を繰り返し、被駆動部材16を所定位置まで移動させた時点で急峻に電圧を0Vとするか、またはその電圧で保持する。被駆動部材16を−Z側へ移動させる場合には、図3に示した駆動電圧を逆転させればよい。
Next, when the voltage is increased from the voltage V 2 to the voltage V 1 with a constant gradient, the free end of the
上述した圧電素子12の駆動は、圧電素子12の固有振動数と異なる周波数での駆動、つまり非共振駆動である。共振駆動を利用すると他の振動モードが現れてしまい、上述した圧電素子12の動きが妨げられるおそれがある。また、共振周波数は形状依存性があるために、駆動周波数が一定の駆動電源を用いると、AFユニットごとの性能差が大きくなってしまうおそれがある。非共振駆動方法を用いることでこれらの問題の発生が抑えられる。
The driving of the
このようにAFユニット10では、圧電素子12に所定の電圧を印加して圧電素子12を屈曲させることにより、圧電素子12と被駆動部材16との間の摩擦力、つまり摺動部材26と被摺動部28との間の摩擦力によって、被駆動部材16をガイド20によるガイド方向にスライドさせることができる。
As described above, in the
AFユニット10では、被駆動部材16とこれに連結されたレンズ枠18のスライド方向はZ方向であり、かつ、圧電素子12は最も寸法の短い厚み方向がZ方向となるように配置することができ、しかも、圧電素子12の厚さはレンズ枠18の制動距離よりも薄く構成することができるので、AFユニット10の厚さは圧電素子12の形状に依存せず、これによりAFユニット10の厚さをレンズ枠18の制動範囲と同等の薄さとすることができる。
In the
以上、本発明の実施の形態について説明したが本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、実際にAFユニット10をカメラに搭載した場合には、レンズ枠18に保持されるレンズ位置を検出するための、または視認できるデジタル画像のぼやけ具合からフォーカスの適否を判断するためのセンシング部を設け、このセンシング部からの信号に基づいて圧電素子12をフィードバック制御する必要が生じる。駆動制御装置10Aにこのようなフィードバック機能をもたせてもよいことは言うまでもない。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such a form. For example, when the
10…AFユニット、10A…駆動制御装置、12…圧電素子、14…保持部材、16…被駆動部材、18…レンズ枠、20…ガイド、22…ユニットケース、22a・22b…側板、26…摺動部材、28…被摺動部、31…補強板、32…圧電板。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記圧電素子の一端を保持する保持部材と、
前記圧電素子の自由端と摩擦接触する被駆動体と、
前記圧電素子と前記被駆動体とを一定の力で押し付けるための与圧機構と、
前記被駆動体を所定の方向にスライド自在に保持するガイドとを具備し、
前記圧電素子に所定の電圧を印加して該圧電素子を屈曲させることにより、該圧電素子と前記被駆動体との間の摩擦力によって該被駆動体を前記ガイドによるガイド方向にスライドさせることを特徴とする駆動装置。 A piezoelectric element that generates a bending displacement by applying a predetermined voltage;
A holding member for holding one end of the piezoelectric element;
A driven body in frictional contact with the free end of the piezoelectric element;
A pressurizing mechanism for pressing the piezoelectric element and the driven body with a constant force;
A guide that slidably holds the driven body in a predetermined direction;
By applying a predetermined voltage to the piezoelectric element and bending the piezoelectric element, the driven body is slid in a guide direction by the guide by a frictional force between the piezoelectric element and the driven body. The drive device characterized.
前記摺動部の長さ方向軸と前記被摺動部の長さ方向軸とが直交していることを特徴とする請求項4に記載の駆動装置。 Both the sliding part and the sliding part in contact with the sliding part in the driven body are either a cylindrical shape, a semi-cylindrical shape, an elliptical cylindrical shape, or a semi-elliptical cylindrical shape,
The drive device according to claim 4, wherein a length direction axis of the sliding portion and a length direction axis of the slid portion are orthogonal to each other.
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