JP2007274790A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型で被駆動体の移動効率が高い駆動装置を提供する。
【解決手段】駆動装置の一形態であるＡＦユニット１０は、圧電素子１２と、圧電素子１２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、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と、圧電素子１２を駆動する制御部１０Ａを有する。制御部１０Ａは、圧電素子１２の屈曲変位量を小さくしていく過程において被駆動体１６をガイド２０にしたがう所定の向きにスライドさせ、圧電素子１２の屈曲変位量を大きくするときに圧電素子１２を被駆動体１６に対して滑らせて被駆動体１６の戻りを小さくする。
【選択図】図１

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。

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。

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）。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。

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。

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、携帯電話等の薄型機器への搭載には不向きである。
特許第３７１１９３５号明細書（図１、図１７、段落［０００８］等） 特開２００５−３５４８２９号公報（図２、段落［００２３］、［００２５］〜［００２７］等）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、薄型構造を有する駆動装置を提供することを目的とし、これに際してさらに被駆動体の移動効率を向上させた駆動装置を提供することを目的とする。

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、前記圧電素子の駆動制御を行う制御部とを具備し、前記制御部は、前記圧電素子に印加する電圧を調整して該圧電素子の屈曲変位量を小さくしていく過程において該被駆動体を前記ガイドにしたがう所定の向きにスライドさせ、該圧電素子に印加する電圧を調整して該圧電素子の屈曲変位量を大きくするときに該圧電素子を該被駆動体に対して滑らせて該被駆動体の戻りを小さくすることを特徴とする駆動装置が提供される。

この駆動装置の好ましい具体的な構成は、圧電素子の厚み方向とガイドによる被駆動体のスライド方向を平行とし、また圧電素子をその厚み方向に対称で片側部分ごとに独立駆動可能な構造として、制御部が圧電素子において被駆動体をスライドさせる向きとは反対の側の厚み方向片側部分を駆動する構成である。

この構成では、圧電素子の厚み方向片側部分はそれぞれ、一定の厚さの圧電体と、この圧電体を挟む電極とを備えているので、制御部は圧電体の分極の向きと同じ向きに駆動電圧を印加する構成とすることができ、これにより圧電体の脱分極を防止することができる。圧電素子の駆動には、固有振動数と異なる周波数での駆動、すなわち非共振駆動が好適である。

本発明の駆動装置は、圧電素子の屈曲変位を用いることにより極めて薄い構造を実現することができる。また本発明の駆動装置は、圧電素子に電圧を印加して屈曲変位量を大きくするときに圧電素子を被駆動体に対して滑らせる。これにより被駆動体の戻りを小さくし、被駆動体の移動効率を高めて、移動速度を速くすることができる。

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。

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を駆動するための制御部１０Ａが接続される。

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、配置されており、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３２，３３が貼り付けられた構造を有している。

圧電板３２は圧電セラミックス等の圧電体３２ａの両主面に電極３２ｂが形成された構造を有しており、同様に、圧電板３３は圧電セラミックス等の圧電体３３ａの両主面に電極３３ｂが形成された構造を有している。図２において、圧電体３２ａ，３３ａにそれぞれ示された“＋”，“−”は圧電体３２ａ，３３ａの分極処理時の印加電圧の向きを示している。

圧電板３２，３３はそれぞれ、圧電体３２ａ，３３ａの“−”側が補強板３１側に位置し、“＋”側が外表面側に位置するように、補強板３１に貼り付けられている。この点で圧電素子１２は通常のバイモルフ素子とは異なる構造を有している。

制御部１０Ａは圧電素子１２の駆動電圧を発生させるが、図２に示されるように、制御部１０Ａは圧電素子１２を構成する圧電板３２と圧電板３３を独立駆動する構成を有している。圧電体３２ａに印加する電圧の向きは圧電体３２ａの分極時の電圧の向きと同じであり、圧電体３３ａに印加する電圧の向きは圧電体３３ａの分極時の電圧の向きと同じとする。また、補強板３１が共通のアース電極となっている。このような構成により、圧電素子１２の駆動時における圧電体３２ａ，３３ａの脱分極を防止することができる。

圧電板３３を駆動することなく、圧電板３２の電極３２ｂに一定の電圧を印加すると、ｄ_３１効果（圧電縦横歪み効果）により、圧電体３２ａはその長さ方向に縮むために、圧電素子１２にはその先端が＋Ｚ側に変位する屈曲変位を生じる。反対に、圧電板３２を駆動することなく、圧電板３３の電極３３ｂに一定の電圧を印加すると、圧電体３３ａが長さ方向に縮むことによって、圧電素子１２にはその先端が−Ｚ側に変位する屈曲変位を生じる。

圧電素子１２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を、その自由端に備えている。この摺動部材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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次にＡＦユニット１０の駆動態様について、圧電素子１２を圧電板３２のみに電圧を印加して駆動した場合について説明する。図３に圧電板３２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。

圧電素子１２は時間ｔ_０に至るまで駆動電圧が印加されておらず（Ｖ_０＝０）、平坦な状態（以下「初期状態」と言う）にある。この状態で被駆動部材１６は与圧機構により一定の力で被摺動部２８に当接している。

時間ｔ_０で、制御部１０Ａにより、圧電板３２に印加する電圧をＶ_０からＶ_１へ急速に上げると、圧電板３２はｄ_３１効果により長さ方向（Ｘ方向）に急速に縮むため、圧電素子１２をその自由端が＋Ｚ側へ移動するように、急速に屈曲させることができる。これにより摺動部材２６を被摺動部２８に対して滑らせて、被駆動部材１６の＋Ｚ向側への移動を抑制する。

なお、圧電素子１２と被駆動部材１６との間には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。圧電素子１２は、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。

次に、圧電板３２に印加している電圧をＶ_１からＶ_０へ一定勾配で低下させると、圧電素子１２の変位量が印加電圧にしたがって小さくなり、こうして摺動部材２６が−Ｚ側へ移動して初期位置に戻る間に、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体１６は−Ｚ側にδだけ移動する。なお、圧電板３２に印加する電圧が０Ｖになっても、圧電体３２ａのヒステリシスによって圧電素子１２は初期状態に完全には戻らないが、このことは被駆動体１６の移動速度に大きな影響を与えるものではない。圧電板３２には常に分極の向きと同じ向きでの電圧が印加されるために、摺動部材２６が初期状態の位置から−Ｚ側へ移動することはない。

これ以降、被駆動体１６が所定の位置に到達するまで上記電圧印加を繰り返す。図４では２サイクルまでの被駆動体１６の移動態様が示されているので、これについて説明すると、圧電板３２に印加する電圧がＶ_０に戻ったら再び急速に電圧をＶ_１に上げ、こうして摺動部材２６を被摺動部２８に対して滑らせて、被駆動部材１６の＋Ｚ側への移動を抑制しながら、圧電素子１２をその自由端が＋Ｚ側へ移動するように急速に屈曲させる。続いて、圧電板３２に印加している電圧をＶ_１からＶ_０へ一定勾配で低下させ、摺動部材２６が−Ｚ側へ移動して初期位置に戻る間に、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体１６を−Ｚ側に移動させる。これによりトータルの移動量はηとなり、ηは約２δである。

図３には、被駆動体１６が所定の位置に到達したときに、その電圧Ｖ_２で圧電板３２に印加する電圧を保持する形態を示している。

圧電板３２を駆動することなく、図３に示した駆動電圧を圧電板３３に印加した場合には、図４に示した被駆動体１６の駆動形態をＺ方向で逆とした駆動形態が実現されるので、被駆動体１６を＋Ｚ側へ移動させることができる。

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、つまり非共振駆動による。なお、共振現象では変位速度に差を設けることができないために、被駆動体１６を移動させることができない。

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。

このように駆動装置１０では、圧電素子１２の屈曲変位量を小さくしていく過程において被駆動体１６をガイド２０にしたがう所定の向きに移動させ、圧電素子１２の屈曲変位量を大きくするときに圧電素子１２を被駆動体１６に対して滑らせて被駆動体１６の戻りを小さくしているので移動効率が高く、その結果、被駆動体１６の移動速度を速くすることができる。

より詳しく説明すると、例えば、圧電板３２に電圧を印加すると、圧電素子１２の屈曲変位量は増大する。例えば、所定の電圧が印加されたときの＋Ｚ側への変位量をδとすれば、圧電素子１２の先端（摺動部材２６の先端）はわずかではあるが、δ×δ／Ｌ（Ｌは圧電素子１２の長さ）だけ被摺動部２８から離れる方向（Ｘ方向）に動く。ここで、摺動部材２６と被摺動部２８とは接触するように与圧がかけられているが、応答周波数より速い速度で圧電素子１２を変位させれば、理想的には摺動部材２６は被摺動部２８から離れる。このとき少なくとも摩擦力は、圧電板３２に印加した電圧を低下させて圧電素子１２の変位を減少させる方向の摩擦力よりも低減するので、被駆動体１６の戻りを少なくすることができる。

次に、駆動装置１０に好適に用いられる別の圧電素子について説明する。図５に圧電素子１２Ａの概略構造を示す側面図を示す。この圧電素子１２Ａは、Ｚ方向対象構造を有しており、＋Ｚ側半分が第１駆動部４１で、−Ｚ側半分が第２駆動部４２となっている。

第１駆動部４１は圧電体４３を挟んで交互に電極４４，４５が設けられた構造を有しており、第２駆動部４２は圧電体４３を挟んで交互に電極４４，４６が設けられた構造を有している。一層おきに接続された電極４４は共通電極（アース電極）となっており、第１駆動部４１においては電極４５どうしが接続され、第２駆動部４２においては電極４６どうしが接続されている。圧電板３２は、電極４４をアース電極とし、電極４５，４６をそれぞれ一定の高電位に保持することで分極処理が施されている。

電極４４，４５間に一定の電圧を印加すると、第１駆動部４１に位置する圧電板３２はｄ_３１効果により長さ方向に縮み、一方、第２駆動部４２は非駆動状態にあるので、圧電素子１２Ａの自由端が＋Ｚ側へ移動するように屈曲する。一方、電極４４，４６間に一定の電圧を印加すると、第２駆動部４２に位置する圧電板３２がｄ_３１効果により長さ方向に縮み、一方、第１駆動部４１は非駆動状態にあるので、圧電素子１２Ａの自由端が−Ｚ側へ移動するように屈曲する。このような積層構造の圧電素子１２を用いることにより低電圧駆動が可能となる。

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。制御部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。

また、制御部１０Ａを２電源構成としたが、図６に示す制御部１０Ｂのように、１個の電源５１を備え、スイッチ５２のスイッチングにより圧電板３２，３３のいずれか一方にのみ電圧が印加される構成としてもよい。

本発明の一実施形態に係るＡＦユニットの概略構造を示す斜視図。 ＡＦユニットのＡＡ断面図。 圧電素子を駆動するための電圧波形の一例を示す図。 圧電素子の変位と被駆動部材の移動の態様を模式的に示す図。 別の圧電素子の構成を示す断面図。 別の制御部の構成を示すブロック図。

符号の説明

１０…ＡＦユニット、１０Ａ・１０Ｂ…制御部、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・３３…圧電板、３２ａ・３３ａ…圧電体、３２ｂ・３３ｂ…電極、４１…第１駆動部、４２…第２駆動部、４３…圧電体、４４，４５，４６…電極、５１…電源、５２…スイッチ。

Claims (4)

1. 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、
   前記圧電素子の駆動制御を行う制御部とを具備し、
   前記制御部は、前記圧電素子に印加する電圧を調整して該圧電素子の屈曲変位量を小さくしていく過程において該被駆動体を前記ガイドにしたがう所定の向きにスライドさせ、該圧電素子に印加する電圧を調整して該圧電素子の屈曲変位量を大きくするときに該圧電素子を該被駆動体に対して滑らせて該被駆動体の戻りを小さくすることを特徴とする駆動装置。
2. 前記圧電素子の厚み方向と前記ガイドによる前記被駆動体のスライド方向は平行であり、
   前記圧電素子は厚み方向に対称で片側部分ごとに独立駆動可能な構造を有し、
   前記制御部は、前記圧電素子において前記被駆動体をスライドさせる向きとは反対の側の厚み方向片側部分を駆動することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記圧電素子の厚み方向片側部分はそれぞれ、一定の厚さの圧電体と、前記圧電体を挟む電極とを具備し、
   前記制御部は、前記圧電体の分極の向きと同じ向きに駆動電圧を印加することを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記制御部は、前記圧電素子を該圧電素子の固有振動数と異なる周波数で駆動することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の駆動装置。

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