JP2007274746A

JP2007274746A - 駆動装置

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Publication number: JP2007274746A
Application number: JP2006093468A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Manabe; 充雄真鍋
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18
Also published as: US7732986B2; CN101047347A; US20070228883A1

Abstract

【課題】装置の小型化が図れる駆動装置を提供すること。
【解決手段】圧電素子１の伸縮に応じて駆動部材２を往復移動させ、駆動部材２に摩擦係合される被駆動部材３を移動させる駆動装置であって、駆動部材２は圧電素子１を被うように配置される筒部２１を有し、その筒部２１に被駆動部材３が摩擦係合されている。このため、圧電素子１の端面から駆動部材２が伸縮方向へ長く伸びる構成を採ることなく、装置を構成することができる。従って、装置の伸縮方向の長さを短いものとすることができ、装置の小型化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子などの電気機械変換素子を用いた駆動装置に関するものである。

従来、圧電素子などの電気機械変換素子を用いた駆動装置として、特許第２６３３０６６号公報に記載されるように、電気機械変換素子（圧電素子）の伸縮に応じて駆動部材（駆動棒）を往復移動させ、その駆動部材に摩擦係合される鏡筒を駆動部材に沿って移動させる駆動装置が知られている。この駆動装置では、電気機械変換素子の端面に駆動部材が取り付けられ、その駆動部材が電気機械変換素子と連続して同軸上に配設されている。
特許第２６３３０６６号公報

しかしながら、このような駆動装置は、電気機械変換素子と駆動部材が連続的に接続され、電気機械変換素子の伸縮方向に駆動部材が伸びているため、この電気機械変換素子と駆動部材を合わせた長さ以下に装置を小型化することが困難である。このような駆動装置が携帯電話の撮像レンズ系などの携帯用小型機器に搭載される場合、できるだけ小さいものであることが望ましい。特に、携帯用小型機器の厚さを薄くするためには、駆動装置において電気機械変換素子の伸縮方向に短いことが望ましい。

そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、装置の小型化が図れる駆動装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る駆動装置は、電気機械変換素子の伸縮に応じて駆動部材を往復移動させ、前記駆動部材に摩擦係合される被駆動部材を移動させる駆動装置において、前記駆動部材は、前記電気機械変換素子の側方位置で伸縮方向に向けて伸びる軸部を有し、前記被駆動部材は、前記軸部に摩擦係合されていることを特徴とする。

この発明によれば、駆動部材が電気機械変換素子の側方位置で伸縮方向に向けて伸びる軸部を有し被駆動部材がその軸部に摩擦係合されている。このため、電気機械変換素子の端面から駆動部材が伸縮方向へ長く伸びることが避けられ、装置の伸縮方向の長さを短いものとすることができる。従って、装置の小型化が図れる。

また本発明に係る駆動装置において、前記軸部は、前記電気機械変換素子の周囲を被うように配置されることが好ましい。また本発明に係る駆動装置において、前記軸部は、円柱形状又は円筒形状であることが好ましい。

また本発明に係る駆動装置において、前記駆動部材は、複合樹脂材料からなることが好ましい。

本発明によれば、駆動装置を圧電素子の伸縮方向に短く構成することができ、装置の小型化が図れる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る駆動装置の断面図である。図１のII−IIにおける被駆動部材の取付部分の断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る駆動装置は、圧電素子１の伸縮に応じて駆動部材２を往復移動させ、駆動部材２に摩擦係合される被駆動部材３を駆動部材２に沿って移動させるものである。

圧電素子１は、電気信号の入力により伸縮可能な電気機械変換素子であり、所定の方向へ伸長及び収縮可能となっている。この圧電素子１は、制御部８１に接続され、その制御部８１により電気信号を入力されることにより伸縮する。例えば、圧電素子１には、二つの入力端子１１、１２が設置される。この入力端子１１、１２に印加される電圧を繰り返して増減させることにより、圧電素子１が伸長及び収縮を繰り返すこととなる。

駆動部材２は、圧電素子１の端部に取り付けられており、圧電素子１の伸縮に応じてその伸縮方向に沿って往復移動する。駆動部材２としては、例えば、筒部２１の一方の端部２２を閉塞した筒状体が用いられる。この駆動部材２は、筒部２１が圧電素子１の周囲を被うように配設され、端部２２の内面が圧電素子１の端部に当接して取り付けられている。筒部２１は、圧電素子１の側方位置で伸縮方向に向けて伸びる軸部として機能する。筒部２１の外側には、被駆動部材３が摩擦係合されて取り付けられている。

駆動部材２の筒部２１は、固定枠４に軸受けされており、固定枠４に対して圧電素子１の伸縮方向へ往復移動可能に支持されている。固定枠４は、圧電素子１、駆動部材２及び被駆動部材３などを収容し組み付けるための筐体として機能する。

この駆動部材２は、比較的複雑な構造となるため、熱可塑性樹脂の射出成形によって形成されるのが好ましく、熱可塑性樹脂のなかでも高性能なエンジニアリングプラスチック（ポリアミド、ポリアセタール又はポリカーボネート樹脂など）にて形成されるのがより好ましい。また、より強度を向上させるために上述の樹脂材料に、ガラスやカーボンを混入した複合樹脂材料にて形成されることが最も好ましい。尚、このガラスやカーボンは繊維状のものや粒状のものなど目的や用途に応じて様々なものが用いられる。

なお、図１では、駆動部材２が基端側及び先端側の２ヵ所において支持された態様を示しているが、駆動部材２をその基端側又は先端側のいずれか一方で支持する場合もある。

また、図１では、駆動部材２を支持する部分が固定枠４と一体になっている場合について示したが、これらの支持部分は固定枠４と別体のものを固定枠４に取り付けて設けてもよい。別体の場合であっても、一体となっている場合と同様な機能、効果が得られる。

また、駆動部材２の筒部２２は、例えば断面円形の円筒形のものが用いられるが、円形の一部を切り欠いた断面形状であってもよい。例えば円形の両側部をそれぞれ切り欠いて断面小判形の筒体としたのものを用いてもよい。

被駆動部材３は、駆動部材２に移動可能に取り付けられている。この被駆動部材３は、駆動部材２に対し摩擦係合されて取り付けられ、圧電素子１の伸縮方向に沿って移動可能となっている。例えば、被駆動部材３は、板バネ７により駆動部材２に圧接されて所定の摩擦係数で係合しており、一定の押圧力で駆動部材２に押し付けられることによってその移動の際に一定の摩擦力が生ずるように取り付けられている。この摩擦力を超えるように駆動部材２が移動することにより、慣性により被駆動部材３がその位置を維持し、その被駆動部材３に対し相対的に駆動部材２が移動する。

圧電素子１は、支持部材５により固定枠４に取り付けられている。支持部材５は、圧電素子１をその伸縮方向に対して側方から支持して取り付けるものであり、圧電素子１と固定枠４との間に配設されている。この場合、支持部材５により圧電素子１２をその伸縮方向と直交する方向から支持することが好ましい。この支持部材５は、圧電素子１を側方から支持して取り付ける取付部材として機能している。

支持部材５は、所定以上の弾性特性を有する弾性体により形成され、例えばシリコーン樹脂により形成される。支持部材５は、圧電素子１を挿通させる挿通孔を形成して構成され、その挿通孔に圧電素子１を挿通させた状態で固定枠４に組み付けられている。支持部材５の固定枠４への固着は、接着剤による接着により行われる。また、支持部材５と圧電素子１の間の固着も、接着剤による接着により行われる。この支持部材５を弾性体によって構成することにより、圧電素子１をその伸縮方向に移動可能に支持することができる。図１において、支持部材５が圧電素子１の両側に二つ図示されているが、この支持部材５、５は環状の支持部材５の断面をとることによって二つに図示されたものである。

なお、支持部材５の固定枠４への固着及び圧電素子１への固着は、固定枠４と圧電素子１の間に支持部材５を圧入し、支持部材５の押圧によって行ってもよい。例えば、支持部材５を弾性体により構成し、かつ、固定枠４と圧電素子１の間より大きく形成して、その間に圧入して設置する。これにより、支持部材５は、固定枠４及び圧電素子１に密着して配設される。この場合、圧電素子１は、支持部材５により伸縮方向に直交する方向の両側から押圧される。これによって、圧電素子１が支持される。

また、ここでは支持部材５をシリコーン樹脂で形成する場合について説明したが、支持部材５をバネ部材により構成してもよい。例えば、固定枠４と圧電素子１の間にバネ部材を配置し、このバネ部材によって圧電素子１を固定枠４に対し支持してもよい。

圧電素子１の端部には、錘部材６が取り付けられている。錘部材６は、圧電素子１の伸縮力を駆動部材２側へ伝達させるための部材であって、圧電素子１の駆動部材２が取り付けられる端部と反対側の端部に取り付けられている。錘部材６としては、駆動部材２より重いものが用いられる。また、錘部材６として、弾性変形可能な部材に金属粉を混入させたものを用いることが好ましい。金属粉を混入させることにより重量を大きくすることができ、弾性変形可能な部材を用いることにより圧電素子１の作動時における不要な共振を減衰させることができる。

錘部材６の材質は、圧電素子１及び駆動部材２よりもヤング率の小さい材料のものが用いられる。錘部材６のヤング率としては、１ＧＰａ以下が好ましく、３００ＭＰａ以下がより好ましい。このような錘部材６は、ゴム等の弾性体に比重の大きい金属粉を混ぜ合わせることによって形成され、例えばウレタンゴムやウレタン樹脂にタングステンの粉末を混合することによって製造される。錘部材６の比重は、装置の小型化のためにできるだけ高いことが好ましく、例えば８〜１２程度に設定される。また、ウレタンゴムやウレタン樹脂にタングステンの粉末を混合することによって製造される錘部材６のヤング率は６０ＭＰａ程度、比重は１１．７程度となる。したがって、錘部材６を出来るだけ小さい体積で設計する場合は、出来るだけ比重が大きく且つヤング率の小さい組み合わせが最適となるが、錘部材６は駆動軸２の比重より大きく（比重１．８以上）、且つヤング率が１ＧＰａ以下のものであれば利用可能である。すなわち、比重をヤング率で除した数値（比重／ヤング率）が１．８×１０^−９以上であれば錘部材６として適している。なお、錘部材６と圧電素子１とを固着する接着剤としては、弾性接着剤を用いることが好ましい。

また、錘部材６を軟性部材により構成することにより、圧電素子１、駆動部材２における共振周波数を圧電素子１の駆動周波数に対し十分に小さくすることができ、共振の影響を低減できる。例えば、圧電素子１の駆動周波数をｆとし、圧電素子１及び駆動部材２における振動の共振周波数をｆ_０とした場合、ｆ≧２^１／２・ｆ_０の関係を満たすことが好ましい。この場合、圧電素子１の伸縮動作による振動の振動伝達率を１以下の範囲に抑えることができ、共振の影響を低減することができる。周波数の組み合わせとしては、例えば共振周波数ｆ_０を７０ｋＨｚ以下とし、駆動周波数ｆを５０〜１００ｋＨｚとすることにより、上述したｆ≧２^１／２・ｆ_０の関係を満たすことができる。

また、錘部材６は、固定枠４に対し支持固定されない状態で設けられている。すなわち、錘部材６は、固定枠４に対し直接支持されたり固定されていない。この錘部材６が取り付けられる圧電素子１の端部は、自由端となっている。

なお、圧電素子１の端部に錘部材６を取り付けずに、圧電素子１の自由端側のダミー層を他方側のダミー層より重く形成して錘部材６の設置を省略してもよい。この場合、錘部材６の設置を省略することにより、装置の伸縮方向の長さをより短くすることができ、装置をより小型化することができる。

被駆動部材３には、レンズ枠９１を介して移動レンズ９０が取り付けられている。移動レンズ９０は、カメラの撮影光学系を構成するものであり、駆動装置の移動対象物となるものである。この移動レンズ９０は、被駆動部材３と一体的に設けられ、被駆動部材３と共に移動するように設けられている。移動レンズ９０の光軸Ｏ上には、図示しない固定レンズなどが配設され、カメラの撮影光学系を構成している。また、光軸Ｏ上には、撮像素子８２が配設されている。撮像素子８２は、撮影光学系により結像された画像を電気信号に変換する撮像手段であり、例えばＣＣＤにより構成される。撮像素子８２は、制御部８１と接続されており、画像信号を制御部８１に出力する。

駆動装置には、被駆動部材３の移動位置を検出する検出器８３が設けられている。検出器８３としては、例えば光学式の検出器が用いられ、フォトリフレクタ、フォトインタラプタなどが用いられる。具体的には、検出器８３としてリフレクタ８３ａ、検出部８３ｂを備えたものを用いる場合、被駆動部材３と一体に形成されるレンズ枠９１にリフレクタ８３ａを取り付け、検出部８３ｂからリフレクタ８３ａ側へ検出光を出射し、リフレクタ８３ａ側で反射してくる反射光を検出部８３ｂで検出することにより被駆動部材３及び移動レンズ９０の移動位置を検出する。

検出器８３は、制御部８１に接続されている。検出器８３の出力信号は制御部８１に入力される。制御部８１は、駆動装置全体の制御を行うものであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力信号回路、出力信号回路などにより構成される。また、制御部８１は、圧電素子１を作動させるための駆動回路を備えており、圧電素子１に対し駆動のための電気信号を出力する。

なお、移動レンズ９０の移動制御をシーケンス制御する場合など、移動レンズ９０の位置検出を行わない場合には検出器８３の設置を省略する場合もある。

図２は、図１のII−IIにおける被駆動部材３の摩擦係合部分の断面図である。

図２に示すように、被駆動部材３は、板バネ７により駆動部材２に圧接されて摩擦係合している。被駆動部材３にはＶ字状の溝３ａが形成されている。この溝３ａ内に駆動部材２の筒部２１が配設されている。この駆動部材２を被駆動部材３との間で挟むように、板バネ７が設けられている。板バネ７は、例えばＬ字状に屈曲したものが用いられ、一方の板片が被駆動部材３に取り付けられ、他方の板片が駆動部材２の筒部２１に掛止され、被駆動部材３と駆動部材２を押圧している。

このように、板バネ７と被駆動部材３によって駆動部材２を挟み込むことにより、被駆動部材３が駆動部材２に複数箇所で線接触することになり、駆動部材２に対し安定して摩擦係合させることができる。また、複数箇所の線接触状態により被駆動部材３が駆動部材２に係合しているため、実質的に被駆動部材３が駆動部材２に面接触状態で係合していると同様な係合状態となり、安定した摩擦係合が実現できる。

なお、板バネ７及び被駆動部材３における当接部分を駆動部材２の周面に沿った断面円弧状として構成して、駆動部材２に面接触させてもよい。この場合、被駆動部材３が駆動部材２に面接触状態で係合するため、被駆動部材３を駆動部材２に対しより安定して摩擦係合することができる。

なお、図２では、駆動部材２の筒部２１が断面円形の筒体である場合について図示しているが、この筒部２１が断面矩形の筒体である場合であってもよい。また、図２は、筒部２１の内部に配置される圧電素子１が断面矩形の場合について図示しているが、この圧電素子１が断面円形に形成したものであってもよい。

図３は、圧電素子１を作動させる駆動回路の回路図である。

図３に示すように、駆動回路８５は、制御部８１内に配置されて設けられている。この駆動回路８５は、圧電素子１のドライブ回路として機能するものであり、圧電素子１に対し駆動用の電気信号を出力する。駆動回路８５は、制御部８１の制御信号生成部（図示なし）から制御信号を入力し、その制御信号を電圧増幅又は電流増幅して圧電素子１の駆動用電気信号を出力する。駆動回路８５は、例えば入力段を論理回路Ｕ１〜Ｕ３により構成し、出力段に電界効果型のトランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ１、Ｑ２を備えたものが用いられる。トランジスタＱ１、Ｑ２は、出力信号として、Ｈ出力（高電位出力）、Ｌ出力（低電位出力）及びＯＦＦ出力（オープン出力）を出力可能に構成されている。

図４に駆動回路８５に入力される入力信号、図５に駆動回路８５から出力される出力信号を示す。図４（Ａ）は、被駆動部材３を圧電素子１の中央位置に接近させる方向（図１において右方向）に移動させる際に入力される入力信号であり、図４（Ｂ）は、被駆動部材３を圧電素子１の中央位置から離間させる方向（図１において左方向）に移動させる際に入力される入力信号である。また、図５（Ａ）は、被駆動部材３を圧電素子１の中央位置に接近させる方向（図１において右方向）に移動させる際に出力される出力信号であり、図５（Ｂ）は、被駆動部材３を圧電素子１の中央位置から離間させる方向（図１において左方向）に移動させる際に出力される出力信号である。

図５（Ａ）、（Ｂ）の出力信号は、図４（Ａ）、（Ｂ）の入力信号と同一タイミングでオンオフするパルス信号となっている。図５（Ａ）、（Ｂ）における二つの信号は、圧電素子１の入力端子１１、１２に入力される。この入力端子１１、１２には、台形波形状の電圧信号を入力してもよいが、図５に示す矩形状のパルス信号を入力して圧電素子１を作動させることができる。この場合、圧電素子１の駆動信号が矩形状のパルス信号でよいため、その信号生成が容易なものとなる。

図５（Ａ）、（Ｂ）の出力信号は、同一周波数となる二つの矩形状のパルス信号により構成されている。この二つのパルス信号は、互いの位相を異ならせることにより、互いの信号の電位差が段階的に大きくなり急激に小さくなる信号又は電位差が急激に大きくなって段階的に小さくなる信号となっている。このような二つの信号を入力することにより、圧電素子１の伸長速度と収縮速度を異ならせることができ、被駆動部材３を移動させることができる。

例えば、図５（Ａ）、（Ｂ）において、一方の信号がＨ（ハイ）となりＬ（ロー）に低下した後に他方の信号がＨとなるように設定されている。それらの信号において、一方の信号がＬになった際に一定のタイムラグｔ_ＯＦＦの経過後、他方の信号がＨとなるように設定される。また、二つの信号が両方ともＬの場合には、出力としてはオフ状態（オープン状態）とされる。

この図５の（Ａ）、（Ｂ）の出力信号、すなわち圧電素子１を作動させる電気信号は、可聴周波数を超える周波数の信号が用いられる。図５（Ａ）、（Ｂ）において、二つの信号の周波数は、可聴周波数を超える周波数信号とされ、例えば、３０〜８０ｋＨｚの周波数信号とされ、より好ましくは４０〜６０ｋＨｚとされる。このようは周波数の信号を用いることにより、圧電素子１の可聴領域における作動音を低減することができる。

次に、本実施形態に係る駆動装置の動作について説明する。

図１において、圧電素子１に電気信号が入力され、その電気信号の入力により圧電素子１が伸長及び収縮を繰り返す。この伸長及び収縮に応じて駆動部材２が往復運動する。このとき、圧電素子１の伸長速度と収縮速度を異ならせることにより、駆動部材２が一定の方向へ移動する速度とその逆方向へ移動する速度が異なることとなる。これにより、被駆動部材３及び移動レンズ９０を所望の方向へ移動させることができる。

例えば、圧電素子１が速い伸長動作と遅い収縮動作を繰り返す場合、駆動部材２に対し被駆動部材３が圧電素子１の中央位置へ接近する方向へ移動していく。一方、圧電素子１が遅い伸長動作と速い収縮動作を繰り返す場合、駆動部材２に対し被駆動部材３が圧電素子１の中央位置から離間する方向へ移動していくこととなる。

以上のように、本実施形態に係る駆動装置によれば、駆動部材２が圧電素子１の側方位置で伸縮方向に向けて伸びる筒部２１を有しており、被駆動部材３がその筒部２１に摩擦係合されている。このため、圧電素子１の端面から駆動部材２が伸縮方向へ長く伸びることが避けられ、装置における伸縮方向の長さを短いものとすることができる。従って、装置の小型化が図れる。

例えば、図６に示すように、本実施形態に係る駆動装置において、連結した圧電素子１と駆動部材２の伸縮方向における長さＬは、従来の駆動装置における圧電素子１と駆動部材２との伸縮方向における長さＬ０と比べて短いものとなる。このため、駆動装置を圧電素子１の伸縮方向に薄く構成することができ、駆動装置の小型化が図れる。

なお、本実施形態では、圧電素子１を伸縮方向の側方から支持して取り付けて、圧電素子１の端部を自由端としたものについて説明したが、本発明に係る駆動装置はそのようなものに限られるものではなく、図７に構成概要を示すように、圧電素子１の端部を固定枠４に固定したものであってもよい。この場合、圧電素子１の端部に錘部材６を取り付ける必要がないため、装置の小型化が図れる。

また、図８に示すように、駆動部材２を筒状とせず、圧電素子１に取り付けられた端部２２から圧電素子１の側方側へ伸び、その側方位置で伸縮方向に向けて設けられる軸部２３を備えたものとしてもよい。この場合、軸部２３は、筒状でなく、棒状に形成されている。この軸部２３に対し、被駆動部材３が移動可能に摩擦係合されている。軸部２３としては、例えば断面円形の円柱状のものが用いられる。また、軸部２３として、円形の一部を切り欠いた断面形状であってもよい。例えば円形の両側部をそれぞれ切り欠いて断面小判形に形成されたものを用いてもよい。このような駆動装置であっても、装置における伸縮方向の長さを短いものとすることができ、装置の小型化が図れる。また、このような駆動装置であれば、図１の駆動装置に比べて駆動部材２を小さく構成でき被駆動部材３の摩擦係合部分も小さく構成できるため、駆動装置全体をさらに小型化することができる。

なお、上述した実施形態に係る駆動装置及びその変形例は、本発明に係る駆動装置の一例を示すものである。本発明に係る駆動装置は、これらの実施形態に係る駆動装置及びその変形例に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、実施形態に係る駆動装置及びその変形例を更に変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

本発明の実施形態に係る駆動装置を示す断面図である。図１のII−IIにおける被駆動部材の断面図である。図１の駆動装置における駆動回路を示す図である。図４の駆動回路に入力される入力信号の波形図である。図４の駆動回路から出力される出力信号の波形図である。図１の駆動装置と従来技術との大きさを比較した説明図である。本発明の実施形態に係る駆動装置の変形例の説明図である。本発明の実施形態に係る駆動装置の変形例の説明図である。

符号の説明

１…圧電素子、２…駆動部材、３…被駆動部材、４…固定枠、５…支持部材、６…錘部材、７…板バネ、１１…入力端子、１２…入力端子、２１…筒部（軸部）、２２…端部。

Claims

電気機械変換素子の伸縮に応じて駆動部材を往復移動させ、前記駆動部材に摩擦係合される被駆動部材を移動させる駆動装置において、
前記駆動部材は、前記電気機械変換素子の側方位置で伸縮方向に向けて伸びる軸部を有し、
前記被駆動部材は、前記軸部に摩擦係合されていること、
を特徴とする駆動装置。
前記軸部は、前記電気機械変換素子の周囲を被うように配置されることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記軸部は、円柱形状又は円筒形状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。
前記駆動部材は、複合樹脂材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動装置。