JP2007336623A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型構造を有し、ゴミの発生を抑制した駆動装置を提供する
【解決手段】駆動装置の一実施形態であるＡＦユニット１０は、短冊状の形状を有し、駆動電圧の印加によって屈曲変位を生じる２個の圧電素子１２と、略Ｈ型の平面形状を有する被駆動体たるレンズキャリア１４と、レンズキャリア１４と係合するガイド１６と、これらを収容するユニットケース１８を有しており、圧電素子１２は電源たる制御部１０Ａにより駆動される。圧電素子１２にレンズキャリア１４を移動させる向きに凸となる屈曲変位をレンズキャリア１４が移動しない変位速度で生じさせ、圧電素子１２の屈曲変位の解除または反転をその際に圧電素子１２に生じる慣性力を利用してレンズキャリア１４を所定の向きに移動させることができる変位速度で行う。
【選択図】図１

Description

本発明は圧電素子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機構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ることで、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に開示された駆動装置は、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影響を受けて厚くなってしまう。一方、圧電素子の素子長を短くすれば、圧電素子の変位量が小さくなるために、フォーカス速度が遅くなってしまう。また、これらの駆動装置では、棒部材と係合部材との間の摩擦により発生するゴミ（粉塵）がレンズを汚すおそれがある。
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、薄型構造を有し、ゴミの発生を抑制し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、短冊状の形状を有し所定の電圧が印加されることによって屈曲変位を生じる圧電素子と、前記圧電素子の長手方向端をこの圧電素子の屈曲変位が妨げられないように架設保持する被駆動体と、前記圧電素子の主面に垂直な方向に前記被駆動体をスライド自在に保持するガイドと、前記圧電素子に所定の電圧を印加する駆動制御部とを具備し、前記駆動制御部は、前記圧電素子に前記被駆動体を移動させる向きに凸となる屈曲変位を前記被駆動体が移動しない変位速度で生じさせ、前記圧電素子の屈曲変位の解除または反転をその際に前記圧電素子に生じる慣性力を利用して前記被駆動体を所定の向きに移動させることができる変位速度で行うことを特徴とする駆動装置が提供される。

また、本発明によれば、短冊状の形状を有し所定の電圧が印加されることによって屈曲変位を生じる２個の圧電素子と、Ｈ型の平面形状を有しその平行な２辺に前記２個の圧電素子を架設保持する被駆動体と、前記圧電素子の主面に垂直な方向に前記被駆動体をスライド自在に保持するガイドと、前記圧電素子に所定の電圧を印加する駆動制御部とを具備し、前記駆動制御部は、前記圧電素子に前記被駆動体を移動させる向きに凸となる屈曲変位を前記被駆動体が移動しない変位速度で生じさせ、前記圧電素子の屈曲変位の解除または反転をその際に前記圧電素子に生じる慣性力を利用して前記被駆動体を所定の向きに移動させることができる変位速度で行うことを特徴とする駆動装置が提供される。

この駆動装置において被駆動体に２個の圧電素子が取り付けられた状態の構造は、被駆動体の移動方向に平行かつ被駆動体の中心を通る軸について対象な構造であることが好ましい。また、圧電素子の長手方向中央に重錘を取り付けた構造とすることも好ましい。被駆動体はレンズを保持するレンズ保持部を有し、圧電素子を駆動して被駆動体をガイドに沿ってスライドさせることによりレンズの焦点位置を調節することができる。なお、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、すなわち非共振周波数による駆動が用いられる。

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。また被駆動体を移動させる際に、被駆動体とガイドとの係合部分以外には摺動部を有さない構造であるので粉塵の発生を抑制することができる利点がある。

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。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スライド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。ＡＦユニット１０に対してＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の三次元直交座標を図１に示す通りに設定する。Ｚ軸については後述するＡＦユニット１０を構成するレンズキャリアのスライド方向と圧電素子の変位形態を説明するために、＋Ｚと−Ｚの各向きを設定している。

ＡＦユニット１０は、短冊状の形状を有し、所定の駆動電圧が印加されることによって屈曲（湾曲）変位を生じる２個の圧電素子１２と、略Ｈ型の平面形状を有する被駆動体たるレンズキャリア１４と、レンズキャリア１４と係合するガイド１６と、これらを収容するユニットケース１８を有している。また、このＡＦユニット１０には、圧電素子１２を駆動するための電源である制御部１０Ａが接続される。

レンズキャリア１４は、Ｙ方向に延在する２本の平行な平行辺部１４ａと、これら平行辺部１４ａをＸ方向で連結する連結辺部１４ｂから構成されており、連結辺部１４ｂの中央部には、レンズ（図示せず）を保持するための円筒状部１４ｃが形成されている。

ガイド１６は円筒形状を有しており、このガイド１６はユニットケース１８の底面（図示せず）に固定されている。ガイド１６は円筒状部１４ｃと係合しており、これによりレンズキャリア１４はＺ軸方向においてスライド自在となっている。

２個の圧電素子１２はそれぞれ、長さ方向がＸ軸方向となり、主面に垂直な方向がＺ軸方向となるようにして、レンズキャリア１４の平行辺部１４ａのＹ方向端に架設されている。圧電素子１２の平行辺部１４ａへの固定には接着剤、特に樹脂接着剤が好適に用いられる。後に詳細に説明する通り、ＡＦユニット１０では、圧電素子１２を屈曲変位させることでレンズキャリア１４をＺ方向にスライドさせるが、圧電素子１２の屈曲変位にはこの接着部分の変形が関与する。すなわち、硬度の大きい接着剤（例えば、エポキシ接着剤）を用いるかまたは硬度が小さい接着剤（例えば、シリコン接着剤）を用いるかで、圧電素子１２の変位量や圧電素子１２を急峻に変位させたときに圧電素子１２に生じる慣性力の大きさが変わってくる。

図２に示すように、圧電素子１２として、補強板２２の両主面に圧電セラミックス等の圧電材料からなる圧電板２４が貼り付けられたバイモルフ素子を示している。例えば、補強板２２はバネ性を有する金属板であり、圧電板２４の両主面には図示しない電極膜が形成されており、補強板２２側の電極膜は補強板２２と導通している。１個の圧電素子１２を構成する２枚の圧電板２４の分極の向きは共に＋Ｚ向き（または共に−Ｚ向き）となっており、制御部１０Ａを用いて圧電素子１２に直流電圧を印加すると、厚み−横効果により圧電板２４の一方は長さ方向に伸び、他方は長さ方向に縮むので、圧電素子１２は略円弧状に屈曲（湾曲）する。したがって、圧電素子１２に印加する駆動電圧の正負を制御することによって、圧電素子１２が＋Ｚ側に凸となるようにまたは−Ｚ側に凸となるように、圧電素子１２の屈曲形状を制御することができる。

図３に、レンズキャリア１４を＋Ｚ向きにスライドさせる場合に圧電素子１２に印加する駆動電圧波形の一例を示す。２個の圧電素子１２には、同じタイミングで同じ波形の駆動電圧が印加される。また、図４に、図３に示した駆動電圧により圧電素子１２を駆動させた場合の圧電素子１２の変位形態とレンズキャリア１４のスライド形態を平行辺部１４ａの位置の変化で示す。

図３中のａ点では圧電素子１２に印加されている駆動電圧は０Ｖであり、圧電素子１２は静止状態にあり、このときの圧電素子１２の状態は図４上図に示されている。図４上図の状態は図２に示した状態と同じであり、圧電素子１２は平坦形状を維持している。このａ点から圧電素子１２への駆動電圧の印加が始まり、ｂ点で駆動電圧がピーク値Ｖ_１Ｖに到達するようにする。図４中図はｂ点での圧電素子１２の屈曲状態を示している。ここでは、圧電素子１２を構成する圧電板２４の分極の向きを考慮して、＋Ｚ側の圧電板はＸ軸方向に伸びて、−Ｚ側の圧電板はＸ軸方向で縮むように、圧電板２４に電圧が印加されており、これによって圧電素子１２はレンズキャリア１４の進行方向である＋Ｚ側に凸となるように屈曲している。

圧電素子１２に図４中図に示す屈曲変位を生じさせる際には、その屈曲変位によってレンズキャリア１４がＺ方向でスライドしないように、その変位速度（駆動電圧勾配）を調節する。レンズキャリア１４の単位時間あたりのスライド速度（レンズキャリア１４のスライド量をａ点間の時間で除した値）を速める観点からは、レンズキャリア１４がスライドしない限りにおいて、ａ点からｂ点に至る時間を短くすることが好ましい。

圧電素子１２に印加する駆動電圧がＶ_１Ｖ（ｂ点）に到達したら、圧電素子１２に印加する電圧を０Ｖに戻し、これにより圧電素子１２の屈曲状態を急峻に解除する。これにより図３中のｃ点では圧電素子１２には駆動電圧が印加されていない状態となり、そのときの圧電素子１２の状態は図４下図に示されている。

ｂ点の状態からｃ点の状態へ至る過程において、圧電素子１２には、圧電素子１２自体の質量と変位によって生じる慣性によって、圧電素子１２の中央部が−Ｚ側に動くと同時に、圧電素子１２のＸ方向端は＋Ｚ側に動く変形が生じる。ＡＦユニット１０では、圧電素子１２のこのような変形を利用して、レンズキャリア１４をＺ方向でスライドさせる。

ｃ点では圧電素子１２はほぼ元の直状に戻り、圧電素子１２およびレンズキャリア１４は、圧電素子１２のＸ方向端の変位分δだけ＋Ｚ側にスライドしている。以降、ａ〜ｂ〜ｃ点の１サイクルの駆動電圧を、レンズキャリア１４が所定位置へスライドするまで繰り返す。

なお、図３の駆動電圧波形では、ｃ点とその後のａ点との間に、圧電素子１２に印加する駆動電圧の値を０Ｖに保持する一定の時間（以下「休止時間」と呼ぶ）を設けているが、この休止時間は必ずしも必要なものではない。また、図３の駆動電圧波形では、駆動電圧がＶ_１Ｖ（ｂ点）に到達すると速やかに駆動電圧を０（Ｖ）に降下させているが、ｂ点の状態を一定時間維持してもよい。すなわち、レンズキャリア１４をスライドさせないような圧電素子１２のゆっくりした変位と、レンズキャリア１４をスライドさせるための圧電素子１２の急峻な変位とが組み合わされている限りにおいて、駆動電圧の波形に限定はない。圧電素子１２を上述の通りに駆動するための図３に示す駆動電圧の周波数は、ＡＦユニット１０の固有振動数と異なる周波数、すなわち非共振周波数である。

ＡＦユニット１０では、圧電素子１２の長さ方向をレンズキャリア１４のスライド方向と直交させているために、薄型のＡＦユニットを実現することができる。また、レンズキャリア１４をスライドさせる際には、圧電素子１２に生じる慣性力を利用し、ガイド１６との係合部分以外には摺動部を有しない構造となっているために、ゴミの発生を抑制することができる。

圧電素子１２に印加する電圧を図３中のｂ点からｃ点に変化させるときに、圧電素子１２に生じる慣性力を大きくすることによって、ａ点〜ｂ点〜ｃ点の１サイクルの駆動電圧の印加によるレンズキャリア１４のスライド量を大きくすることができる。

その方法の１つとして、圧電素子１２の長さ方向中央部に重錘２６を取り付ける方法が挙げられる。図５に圧電素子１２に重錘２６を取り付けた形態の断面図および重錘２６が取り付けられた圧電素子１２を図３に示した駆動電圧によって変位させた場合の圧電素子１２の変位形態とレンズキャリア１４のスライド形態を平行辺部１４ａの位置の変化で示す。図５上図では−Ｚ側にのみ重錘２６を取り付けた構成を示しているが、勿論、重錘２６は＋Ｚ側に取り付けてもよく、＋Ｚ側と−Ｚ側の両方に取り付けてもよい。重錘２６には金属塊が好適である。

図５中図は図３中のｂ点での状態を、図５下図は図３中のｃ点での状態をそれぞれ示しており、図３中のａ点での状態は図５上図に示した通りである。

図５中図に示す状態における圧電素子１２の変位量は、重錘２６の質量によっては、図４中図に示す変位量よりも小さくなることがある。駆動電圧がｂ点に到達した後に速やかに圧電素子１２に印加している駆動電圧を０（Ｖ）とすると、圧電素子１２には、ｂ点からｃ点へ至る過程において、重錘２６に生じる慣性力によって−Ｚ側に凸となるような屈曲が生じ、このときに圧電素子１２の長さ方向端は＋Ｚ側に距離ηだけスライドする。これによりレンズキャリア１４も距離ηだけ＋Ｚ側にスライドする。

図３に示す駆動電圧波形のように、ｃ点とその後のａ点との間に休止時間を設けると、圧電素子１２の状態を図５下図に示す状態から図５上図に示す状態に戻すことができ、これにより図５下図の状態から図５上図の状態に急峻に変化することによってレンズキャリア１４が−Ｚ側にスライドするのを、そのスライド量は微少ではあるが、防止することができる。一方で、休止時間を設けることでレンズキャリア１４の単位時間当たりのスライド速度が遅くなるおれがある。したがって、休止時間を設けるか否かはどちらのデメリットが小さいかで判断することができ、休止時間を設ける場合には、それによるデメリットができる限り小さくなるようにその長さを設定すればよい。

圧電素子１２を急峻に変位させることによって圧電素子１２に生じる慣性力の大きさは、駆動電圧の波形によって変えることもできる。図６に圧電素子１２に印加する駆動電圧の別の波形を示す。この駆動電圧波形は、圧電素子１２を＋Ｚ側に凸に屈曲した状態（ｂ点）から−Ｚ側に凸となるように屈曲する状態（ｄ点）へと急峻に遷移させるものである。このような駆動電圧によって、圧電素子１２に生じる慣性力をさらに大きくすることができ、特に重錘２６が設けられている場合での効果は大きい。

なお、図３および図６にそれぞれ示した駆動電圧の正負を逆転させた波形で圧電素子１２を駆動することによって、レンズキャリア１４を−Ｚ側へスライドさせることができることは言うまでもない。

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、ＡＦユニット１０は、２個の圧電素子１２によってレンズキャリア１４をスライドさせる構成であるが、圧電素子は２個以上であってもよい。例えば、３個の圧電素子を用いる場合には、レンズキャリアの円筒状部の周囲に３個の短冊状の圧電素子が正三角形の各辺を構成するように配置された構成とすることができ、４個の圧電素子を用いる場合には、円筒状部の周囲に４個の短冊状の圧電素子が正方形の各辺を構成するように配置された構成としてもよい。そして、このような圧電素子の配置を行うことができるように、レンズキャリアの形状は、Ｈ型に限定されることなく、適宜、変形することができる。

また、圧電素子としてバイモルフ構造のものを示したが、圧電素子としては、補強板の一面にのみ圧電板が貼り付けられた構造を有する、所謂、ユニモルフ素子を用いることもできる。ユニモルフ素子を図３に示した駆動電圧によって駆動させるとレンズキャリアを＋Ｚ側にスライドさせることができる構成の場合には、図３に示した駆動電圧の波形を０ＶとＶ_１Ｖとの間で反転させた駆動電圧（つまり、図３の駆動電圧の波形は＋Ｚ側に凸となるようにゆっくり屈曲させて急峻に元に戻す駆動電圧であるが、これとは逆に、＋Ｚ側に急峻に屈曲させてゆっくり元に戻す駆動電圧）によって、 圧電板の脱分極を回避しながら、レンズキャリアを−Ｚ側にスライドさせることができる。このような駆動方法は、バイモルフ素子にも適用することができる。バイモルフ素子やユニモルフ素子を構成する圧電板は積層構造であってもよい。さらにバイモルフ素子やユニモルフ素子は図２に示されるように両端支持でもよいし、片側支持でもよい。

さらにガイドはレンズキャリア１４の円筒状部１４ｃと係合するものに限定されず、例えば、レンズキャリア１４の平板状の部分である平行辺部１４ａと連結辺部１４ｂのいずれかに所定形状の孔または切り欠き部を設け、この孔または切り欠き部に挿通し、かつ、Ｚ方向に延在する柱状のガイドを設けてもよい。

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。 圧電素子の駆動電圧波形の一例を示す図。 図３の駆動電圧による圧電素子の変位状態とレンズキャリアのスライド態様を模式的に示す図。 ＡＦユニットに設けられる圧電素子の別の形態を示す断面図およびこの圧電素子の図３の駆動電圧による変位状態とレンズキャリアのスライド態様を模式的に示す図。 圧電素子の駆動電圧波形の別の例を示す図。

符号の説明

１０…ＡＦユニット、１０Ａ…制御部、１２…圧電素子、１４…レンズキャリア、１６…ガイド、２０…ユニットケース、２２…補強板、２４…圧電板、２６…重錘。

Claims (5)

1. 短冊状の形状を有し、所定の電圧が印加されることによって屈曲変位を生じる圧電素子と、
   前記圧電素子の長手方向端を、この圧電素子の屈曲変位が妨げられないように、架設保持する被駆動体と、
   前記圧電素子の主面に垂直な方向に前記被駆動体をスライド自在に保持するガイドと、
   前記圧電素子に所定の電圧を印加する駆動制御部とを具備し、
   前記駆動制御部は、前記圧電素子に前記被駆動体を移動させる向きに凸となる屈曲変位を前記被駆動体が移動しない変位速度で生じさせ、前記圧電素子の屈曲変位の解除または反転をその際に前記圧電素子に生じる慣性力を利用して前記被駆動体を所定の向きに移動させることができる変位速度で行うことを特徴とする駆動装置。
2. 短冊状の形状を有し、所定の電圧が印加されることによって屈曲変位を生じる２個の圧電素子と、
   Ｈ型の平面形状を有し、その平行な２辺に前記２個の圧電素子を架設保持する被駆動体と、
   前記圧電素子の主面に垂直な方向に前記被駆動体をスライド自在に保持するガイドと、
   前記圧電素子に所定の電圧を印加する駆動制御部とを具備し、
   前記駆動制御部は、前記圧電素子に前記被駆動体を移動させる向きに凸となる屈曲変位を前記被駆動体が移動しない変位速度で生じさせ、前記圧電素子の屈曲変位の解除または反転をその際に前記圧電素子に生じる慣性力を利用して前記被駆動体を所定の向きに移動させることができる変位速度で行うことを特徴とする駆動装置。
3. 前記被駆動体に前記２個の圧電素子が取り付けられた状態の構造は、前記被駆動体の移動方向に平行かつ前記被駆動体の中心を通る軸について対象な構造であることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記圧電素子の長手方向中央に重錘が取り付けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の駆動装置。
5. 前記被駆動体はレンズを保持するレンズ保持部を有し、
   前記圧電素子を駆動して前記被駆動体を前記ガイドに沿ってスライドさせることにより前記レンズの焦点位置を調節することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の駆動装置。

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