JP2007306763A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動部材と移動部材との係合部分の耐衝撃性に優れた圧電アクチュエータを提供すること。
【解決手段】圧電素子１０と、圧電素子１０に連結されたＸ方向に細長い駆動部材１２と、駆動部材１２に対してＸ方向に沿って摺動可能に配置された移動部材３０とを備える。圧電素子１０に電圧が印加されたとき圧電素子１０から駆動部材１２に伝わる振動によって、駆動部材１２と移動部材３０との間の摩擦力を介して移動部材３０をＸ方向に沿って移動させるようになっている。Ｘ方向に対して垂直方向から見た断面で、移動部材３０の駆動部材１２に対する摺動面１６ｕとその摺動面１６ｕに隣り合う端面とが作るコーナ部が湾曲している。
【選択図】図１

Description

この発明は圧電アクチュエータに関する。より詳しくは、この発明は、圧電素子と、この圧電素子に連結された一方向に細長い駆動部材と、この駆動部材の長手方向に沿って摺動可能に配置された移動部材とを備え、上記圧電素子に電圧が印加されたとき上記圧電素子から駆動部材に伝わる振動によって、上記駆動部材と移動部材との間の摩擦力を介して上記移動部材を上記長手方向に沿って移動させるリニアアクチュエータに関する。

近年、携帯電子機器に内蔵されるカメラは高機能化が図られており、光学ズーム機能、オートフォーカス機能が設けられているものが見受けられる。光学ズーム、またはオートフォーカスを行うために、寸法的な設計自由度が高く小型化が可能な圧電アクチュエータを用いて内部の光学系を移動させることが多い。

この種の圧電アクチュエータとして、圧電素子と、この圧電素子に連結された一方向に細長い駆動部材と、この駆動部材の長手方向に沿って摺動可能に配置された移動部材とを備え、上記圧電素子に高周波電圧が印加されたとき上記圧電素子から駆動部材に伝わる振動によって、上記駆動部材と移動部材との間の摩擦力を介して上記移動部材を上記長手方向に沿って移動させるもの（リニアアクチュエータ）が普及している。上記駆動部材の材料としては一般的にカーボンファイバが用いられている。圧電素子の振動を応答遅れなく追従し、かつ駆動部材内部の損失が少ない材料が好適であるからである。また、上記移動部材の材料としては、適度な慣性が必要であるため、亜鉛合金やアルミ合金等の金属材料が用いられている。

ここで、携帯機器では、機器の落下時に加速度数千Ｇ〜１万Ｇ（Ｇは重力加速度）以上の衝撃が加わることがあり、そのような衝撃が加えられた後においても、機器が正常に動作することが要求される。例えば特許文献１（特開２００５−３３３７６６号公報）では、移動部材と駆動部材との間に摩擦力を付与している板バネの過度な変形を防ぐように、規制構造（直接規制構造と間接規制構造）を設けたものが提案されている。これにより、機器の落下時に板バネの破損を防ぐようにしている。
特開２００５−３３３７６６号公報

しかしながら、従来の圧電アクチュエータ（特許文献１のものを含む。）では、図７に示すように、駆動部材１１２の長手方向に対して垂直な方向から見た場合、移動部材１１３，１１７の摺動面（駆動部材１１２に接して摺動する面）１１３ａ，１１７ａとそれに隣り合う端面１１３ｂ，１１３ｃ；１１７ｂ，１１７ｃとが作るコーナ部１２３ｂ，１２３ｃ；１２７ｂ，１２７ｃが直角になっている。このため、図７中に示すように、機器の落下時の衝撃で、移動部材１１３，１１７が駆動部材１１２に対して傾斜した場合、この例では移動部材１１３，１１７のコーナ部１２３ｂ，１２７ｃの角（かど）のみが駆動部材１１２の外面に接する状態（接触面積が小さい状態）となり、接触箇所に応力が集中して、駆動部材１１２の外面または移動部材１１３，１１７のコーナ部１２３ｂ，１２７ｃが傷つくおそれがある。

駆動部材１１２の材料として一般的に用いられているカーボンファイバは、軽量でありかつ剛性が高いという長所があるが、一方では耐衝撃性が低く、傷が発生しやすいという短所がある。そして、駆動部材１１２または移動部材１１３，１１７に一旦傷が付いた場合、その傷により発生した凸部にてお互いを引掻くため、さらに傷が拡大する。この結果、急速に摩耗が進展し、アクチュエータの寿命の低下や、光学部材に摩耗粉が付着することによる機器の光学特性の低下につながる。

このように、従来の圧電アクチュエータでは、落下時の衝撃で、駆動部材と移動部材との係合部分に傷が発生するという問題がある。

そこで、この発明の課題は、駆動部材と移動部材との係合部分の耐衝撃性に優れた圧電アクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の圧電アクチュエータは、
圧電素子と、
圧電素子に連結された一方向に細長い駆動部材と、
この駆動部材の長手方向に沿って摺動可能に配置された移動部材とを備え、
上記圧電素子に電圧が印加されたとき上記圧電素子から駆動部材に伝わる振動によって、上記駆動部材と移動部材との間の摩擦力を介して上記移動部材を上記長手方向に沿って移動させるようになっており、
上記駆動部材の長手方向に対して垂直方向から見た断面で、上記移動部材の上記駆動部材に対する摺動面とその摺動面に隣り合う端面とが作るコーナ部が湾曲していることを特徴とする。

この発明の圧電アクチュエータでは、衝撃が加わった場合、従来と同様に移動部材が駆動部材に対して傾斜して、移動部材の上記コーナ部のみが駆動部材の外面に接する状態（接触面積が小さい状態）となる。しかし、この圧電アクチュエータでは、上記移動部材の上記コーナ部が湾曲しているので、従来に比して接触箇所に対する応力が緩和される。したがって、駆動部材の外面または移動部材のコーナ部が傷つくのを防止できる。この結果、アクチュエータの寿命の低下や、光学部材に摩耗粉が付着することによる機器の光学特性の低下を防止できる。

一実施形態の圧電アクチュエータは、上記駆動部材がカーボンファイバを含んだ複合樹脂材料からなり、上記移動部材のうち上記複合樹脂材料と接する部分が金属材料からなることを特徴とする。

この一実施形態の圧電アクチュエータでは、衝撃が加わった際に、駆動部材の外面または移動部材のコーナ部が傷つくのをさらに防止できる。

一実施形態の圧電アクチュエータは、上記コーナ部の曲率半径が０．１ｍｍ乃至０．３ｍｍの範囲内であることを特徴とする。

この一実施形態の圧電アクチュエータでは、上記コーナ部の曲率半径が０．１ｍｍ以上であるから、従来に比して接触箇所に対する応力を緩和でき、駆動部材の外面または移動部材のコーナ部が傷つくのを防止できる。しかも、上記コーナ部の曲率半径が０．３ｍｍ以下であるから、上記駆動部材の長手方向に関して上記移動部材の寸法を不必要に大きくすることが無い。したがって、上記駆動部材の長手方向に関して上記移動部材の摺動部の寸法をチルト（上記駆動部材と移動部材との間の傾斜）変動低減に必要な量だけ確保しながら、この圧電アクチュエータ寸法が大型化するのを抑制できる。したがって、この圧電アクチュエータが設けられる機器の小型化を図ることが可能となる。

別の曲面では、この発明の圧電アクチュエータは、
圧電素子と、
圧電素子に連結された一方向に細長い駆動部材と、
この駆動部材の長手方向に沿って摺動可能に配置された移動部材とを備え、
上記圧電素子に電圧が印加されたとき上記圧電素子から駆動部材に伝わる振動によって、上記駆動部材と移動部材との間の摩擦力を介して上記移動部材を上記長手方向に沿って移動させるようになっており、
上記駆動部材の長手方向に対して垂直方向から見た断面で、上記移動部材の上記駆動部材に対する摺動面とその摺動面に隣り合う端面とが作るコーナ部が面取りされていることを特徴とする。

この発明の圧電アクチュエータでは、衝撃が加わった場合、従来と同様に移動部材が駆動部材に対して傾斜して、移動部材の上記コーナ部のみが駆動部材の外面に接する状態（接触面積が小さい状態）となる。しかし、この圧電アクチュエータでは、上記移動部材の上記コーナ部が面取りされているので、従来に比して接触箇所に対する応力が緩和される。したがって、駆動部材の外面または移動部材のコーナ部が傷つくのを防止できる。この結果、アクチュエータの寿命の低下や、光学部材に摩耗粉が付着することによる機器の光学特性の低下を防止できる。

一実施形態の圧電アクチュエータは、上記駆動部材がカーボンファイバを含んだ複合樹脂材料からなり、上記移動部材のうち上記複合樹脂材料と接する部分が金属材料からなることを特徴とする。

この一実施形態の圧電アクチュエータでは、衝撃が加わった際に、駆動部材の外面または移動部材のコーナ部が傷つくのをさらに防止できる。

一実施形態の圧電アクチュエータは、上記面取りがＣ面取りであることを特徴とする。

ここで「Ｃ面取り」とは、交差する面と面とが作るコーナ部分をそれらの面に対して４５°にカットする加工の仕方を意味する。

この一実施形態の圧電アクチュエータでは、上記移動部材の上記コーナ部の加工が比較的容易になるため、短時間で安価に仕上げることができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１はこの発明の一実施形態の圧電アクチュエータの構成要素を斜めから見たところを示し、図２は図１の圧電アクチュエータを分解状態で示している。

この圧電アクチュエータは、円柱状の外形をもつ圧電素子１０と、この圧電素子と同軸に連結された一方向（これをＸ方向とする。）に細長い円柱状の駆動部材１２と、この駆動部材１２に対して略＋Ｙ方向に離間し駆動部材１２と平行に配置されたＸ方向に細長い円柱状の案内部材１４と、駆動部材１２と案内部材１４との間にまたがって設けられた移動部材３０とを備えている。

圧電素子１０は、一端（−Ｘ側端部）が固定部材（後述する図６中に示すフレーム４１に取り付けられている）１１に固定され、他端（＋Ｘ側端部）が駆動部材１２に対して接着剤によって取付けられている。この圧電素子１０は、図示しない電極を介して高周波駆動電圧が印加されることにより、その駆動電圧の周波数に応じて±Ｘ方向に振動するようになっている。

駆動部材１２は、一端（−Ｘ側端部）１２ａが圧電素子１０に取り付けられ、他端（＋Ｘ側端部）１２ｂがＸ方向に関して自由端となっている。この駆動部材１２は、圧電素子１０の振動に応じて±Ｘ方向に振動するようになっている。この例では、駆動部材１２はカーボンファイバを含んだ複合樹脂材料、この例では軽量で高剛性である高分子繊維強化樹脂からなる。これにより、圧電素子１０の振動に対して応答遅れなく追従し、かつ駆動部材１２内部の損失が少なくなる。

案内部材１４は、金属材料からなり、一端（−Ｘ側端部）１４ａおよび他端（＋Ｘ側端部）１４ｂが、後述するフレーム（図６中に示すフレーム４１，４２）に固定されている。この案内部材１４は、駆動部材１２と協働して、移動部材３０を±Ｘ方向に案内するとともに、移動部材３０のＸ軸周りの回転を規制（回転止め）するために働く。

移動部材３０は、図３（＋Ｘ方向から見た図）に示すように、円形の開口を有する略円環状の光学部材支持部３１と、光学部材支持部３１の一方の側部（−Ｙ側側部）に設けられた第１係合部１３と、光学部材支持部３１の他方の側部（＋Ｙ側側部）に設けられた第２係合部１６とを備えている。光学部材支持部３１には、その円形の開口に光学部材（この例では凸レンズ）１５が嵌合して取り付けられている。

移動部材３０の第１係合部１３は、−Ｙ側に開いた略Ｕ字状の窪み１３ｕを有し、この窪み１３ｕ内に案内部材１４を収容するようになっている。窪み１３ｕのＵ字の曲率半径は案内部材１４の半径よりも若干大きく設定されている。第１係合部１３の窪み１３ｕと案内部材１４の外面との間には、特段の外力（重力を除く。）が付与されているわけではない。この結果、移動部材３０の第１係合部１３に案内部材１４が収容された状態で、移動部材３０と案内部材１４とが±Ｘ方向に相対的に移動しようとしても、移動部材３０の第１係合部１３と案内部材１４との間には摩擦力は殆ど生じない。したがって、移動部材３０が±Ｘ方向に移動しようとするとき、案内部材１４は移動部材３０（の第１係合部１３）を円滑に案内することができる。

移動部材３０の第２係合部１６は、＋Ｙ側に開いた略Ｖ字状（底を有する）の窪み１６ｕを有し、この窪み１６ｕ内に駆動部材１２を収容するようになっている。窪み１６ｕの寸法は、駆動部材１２の断面寸法よりも若干大きく設定されている。窪み１６ｕ内に駆動部材１２を収容した状態で、−Ｙ側に開いた略Ｖ字状（底を有する）の窪み１７ｕを有する係合補助部材１７が被せられている。この係合補助部材１７は、第２係合部１６にネジ１９によって取り付けられたＬ状の板バネ１８によって、所定の押圧力で−Ｙ方向に付勢されている。これにより、駆動部材１２の外面と、第２係合部１６の窪み１６ｕの内面、係合補助部材１７の窪み１７ｕの内面との間にそれぞれ垂直抗力が発生している。この状態で、駆動部材１２が±Ｘ方向に移動しようとするとき、駆動部材１２の外面と窪み１６ｕ，１７ｕの内面（つまり、図４中に示す摺動面１６ａ，１７ａ）との間に摩擦力が生ずる。

この圧電アクチュエータの動作時には、圧電素子１０に対して図８に示すような波形をもつ数十ｋＨｚの高周波駆動電圧が印加されて、圧電素子１０がその駆動電圧の周波数に応じて±Ｘ方向に振動する。この高周波駆動電圧の波形は鋸波であり、電圧の立ち上がりが急峻である一方、電圧の立ち下りが緩やかになっている。電圧の変化が緩やかな部分では、圧電素子１０とそれに連結されている駆動部材１２は緩やかに変位するから、駆動部材１２と移動部材３０との間の摩擦力が移動部材３０の慣性力よりも優勢になっている。したがって、移動部材３０は駆動部材１２とともに一体に移動する。一方、電圧の変化が急激な部分では、圧電素子１０とそれに連結されている駆動部材１２は急速に変位するから、移動部材３０の慣性力が駆動部材１２と移動部材３０との間の摩擦力よりも優勢になる。したがって、移動部材３０は、駆動部材１２の変位に追従せず、その位置にとどまる。この動作を繰り返し行なうことにより、Ｘ方向（＋Ｘ方向または−Ｘ方向）に沿って移動部材３０が平行移動する。これにより、圧電素子１０に対する高周波駆動電圧の波形に応じて、光学部材１５の焦点位置をＸ方向に関して変位させることができる。

このような動作原理から、移動部材３０（係合補助部材１７を含む。）は、剛性があり、慣性も適度である亜鉛合金、アルミ合金等の金属材料からなるのが好ましい。

さて、図４は図３におけるＡ−Ａ線矢視断面、つまりＸ方向に対して垂直方向から見た断面を示している。この図４に示すように、移動部材３０の第２係合部１６の摺動面１６ａとその摺動面１６ａに隣り合う端面１６ｂ，１６ｃとが作るコーナ部２６ｂ，２６ｃが湾曲している。また、移動部材３０の係合補助部材１７の摺動面１７ａとその摺動面１７ａに隣り合う端面１７ａ，１７ｂとが作るコーナ部２７ｂ，２７ｃが湾曲している。

移動部材３０（の第２係合部１６、係合補助部材１７）の摺動面１６ａ，１７ａのＸ方向寸法は、２ｍｍ〜３ｍｍの範囲内に設定するのが望ましい。その理由は、移動部材３０をＸ方向に平行移動させようとするときに、移動部材３０がＸ方向に対して傾斜（チルト）しないようにするためである。

図６に示すように、この種の圧電アクチュエータは、フレーム４１，４２，４３，４４に取り付けられて、携帯機器４０に組み込まれることが多い。そのような場合、機器４０の落下時の衝撃で、図６中に破線の矢印で示すように、駆動部材１２に対して摩擦力をもって係合している第２係合部１６の周りに移動部材３０が変形して回転しようとすることがある（図６中の点２０は移動部材３０の重心を示している）。このとき、図５に示すように、従来（図７参照）と同様に、移動部材３０の第２係合部１６、係合補助部材１７が駆動部材１２に対して傾斜する。つまり、移動部材３０のコーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃのみが駆動部材１２の外面に接する状態（接触面積が小さい状態）となる。しかし、この圧電アクチュエータでは、移動部材３０のコーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃが湾曲しているので、従来に比して接触箇所に対する応力が緩和される。したがって、駆動部材１２の外面または移動部材３０のコーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃが傷つくのを防止できる。この結果、圧電アクチュエータの寿命の低下や、光学部材に摩耗粉が付着することによる機器の光学特性の低下を防止できる。

また、コーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃの曲率半径は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲内であるのが望ましい。この理由を次に説明する。

すなわち、上記コーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃの曲率半径が０．１ｍｍ以上であれば、従来に比して接触箇所に対する応力を緩和でき、駆動部材１２の外面または移動部材３０のコーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃが傷つくのを防止できる。

また、上記コーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃの曲率半径が０．３ｍｍ以下であれば、移動部材３０の第２係合部１６、係合補助部材１７のＸ方向寸法を不必要に大きくすることが無い。したがって、第２係合部１６、係合補助部材１７の摺動面１６ａ，１７ａ（図４において駆動部材１２の外面に接している直線部）のＸ方向寸法をチルト変動低減に必要な量だけ確保しながら、この圧電アクチュエータ寸法が大型化するのを抑制できる。したがって、この圧電アクチュエータが設けられる機器の小型化を図ることが可能となる。

上述の実施形態では、上記コーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃが湾曲している例について説明した。しかしながら、この発明はそれに限られるものではなく、上記コーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃは面取りされていても良い。例えば、上記コーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃはＣ面取り加工された状態になっていても良い。すなわち、移動部材３０の第２係合部１６の摺動面１６ａとその摺動面１６ａに隣り合う端面１６ｂ，１６ｃとが作るコーナ部２６ｂ，２６ｃが、摺動面１６ａと端面１６ｂ，１６ｃとに対してそれぞれ４５°にカットされていても良い。また、移動部材３０の係合補助部材１７の摺動面１７ａとその摺動面１７ａに隣り合う端面１７ａ，１７ｂとが作るコーナ部２７ｂ，２７ｃが、摺動面１７ａと端面１７ｂ，１７ｃとに対してそれぞれ４５°にカットされていても良い。このようにした場合、上記コーナ部２６ｂ，２６ｃ；２７ｂ，２７ｃの加工が比較的容易になるため、短時間で安価に仕上げることができる。

以上、実施形態により本発明を説明したが、本発明の精神と範囲から逸脱市内範囲で、種々変更してもよい。当業者にとって自明であるような変更はすべて、本発明の範囲に含まれる。

この発明の圧電アクチュエータは、携帯機器に搭載されるカメラ等、各種電子機器に広く適用することができる。そして、簡単な構成で、機器の落下等の衝撃に対する耐性を向上することができる。

この発明の一実施形態の圧電アクチュエータの構成要素を斜めから見たところを示す図である。 図１の圧電アクチュエータを分解状態で示す図である。 図１の圧電アクチュエータを＋Ｘ方向から見たところを示す図である。 図３におけるＡ−Ａ線矢視断面を示す図である。 上記圧電アクチュエータの耐衝撃性を説明する図である。 機器の落下時に上記圧電アクチュエータが受ける変形を説明する図である。 従来の圧電アクチュエータの耐衝撃性を説明する図である。 上記圧電アクチュエータの圧電素子に印加される高周波駆動電圧の波形を例示する図である。

符号の説明

１０ 圧電素子
１２ 駆動部材
１３ 第１係合部
１６ 第２係合部
１６ａ，１７ａ 摺動面
１６ｂ，１６ｃ，１７ａ，１７ｂ 端面
１７ 係合補助部材
２６ｂ，２６ｃ，２７ｂ，２７ｃ コーナ部
３０ 移動部材

Claims (6)

1. 圧電素子と、
   この圧電素子に連結された一方向に細長い駆動部材と、
   この駆動部材の長手方向に沿って摺動可能に配置された移動部材とを備え、
   上記圧電素子に電圧が印加されたとき上記圧電素子から駆動部材に伝わる振動によって、上記駆動部材と移動部材との間の摩擦力を介して上記移動部材を上記長手方向に沿って移動させるようになっており、
   上記駆動部材の長手方向に対して垂直方向から見た断面で、上記移動部材の上記駆動部材に対する摺動面とその摺動面に隣り合う端面とが作るコーナ部が湾曲していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、
   上記駆動部材がカーボンファイバを含んだ複合樹脂材料からなり、上記移動部材のうち上記複合樹脂材料と接する部分が金属材料からなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. 請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、
   上記コーナ部の曲率半径が０．１ｍｍ乃至０．３ｍｍの範囲内であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 圧電素子と、
   この圧電素子に連結された一方向に細長い駆動部材と、
   この駆動部材の長手方向に沿って摺動可能に配置された移動部材とを備え、
   上記圧電素子に電圧が印加されたとき上記圧電素子から駆動部材に伝わる振動によって、上記駆動部材と移動部材との間の摩擦力を介して上記移動部材を上記長手方向に沿って移動させるようになっており、
   上記駆動部材の長手方向に対して垂直方向から見た断面で、上記移動部材の上記駆動部材に対する摺動面とその摺動面に隣り合う端面とが作るコーナ部が面取りされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
5. 請求項４に記載の圧電アクチュエータにおいて、
   上記駆動部材がカーボンファイバを含んだ複合樹脂材料からなり、上記移動部材のうち上記複合樹脂材料と接する部分が金属材料からなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
6. 請求項４に記載の圧電アクチュエータにおいて、
   上記面取りがＣ面取りであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
   

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