JP2008215438A - 流体アクチュエータ、およびカメラモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で小型・軽量化に寄与することができ、且つ大きな変位量を得ることができる流体アクチュエータを提供する。
【解決手段】カメラモジュール２に組み込まれた流体アクチュエータ２５は、流体３６が貯留される貯留室３０と、流体圧によって変位可能な可動部３１と、貯留室３０と可動部３１とを繋ぐ連結路３２、３３とを備える。可動部３１は、外皮３７と内皮３８を有する二重構造の蛇腹形状からなる。連結路３２、３３には、連結路３２、３３を介して貯留室３０と可動部３１との間で流体３６を相互に移動させるためのマイクロポンプ４７、４８が設けられている。マイクロポンプ４７、４８は、圧電素子５３により弁５０、５２の開閉動作を行う。圧電素子５３は、アクチュエータドライバ７４により駆動制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、小型・軽量化が要求される機器に好適な流体アクチュエータ、およびこれを用いたカメラモジュールに関する。

従来、流体や電気、熱、あるいは光などを利用した様々なアクチュエータが開発されている。中でも流体アクチュエータは、他のものに比べて変位量を大きくすることができ、動きの滑らかさや耐久性、安全性の面も優れているため、多くの分野で用いられている。

従来の流体アクチュエータとしては、例えば、複数の板と軸間に、伸縮する複数のポンプユニットを設けて可動部とし、ポンプユニット毎に設けられたポンプから各ポンプユニットに流体を注入して、ポンプユニットの伸縮によって可動部を屈曲させるものが提案されている（特許文献１参照）。

また、複数の主液室と、主液室の間で流体が移動する複数のリザーバ室とを交互に配置した可動部、および流体移動を行わせるポンプを備え、流体の移動により可動部を屈曲させるフレキシブルアクチュエータが提案されている（特許文献２、３参照）。さらに、二つの流体収納セルで可動部を構成し、流体収納セル間で流体をポンプ駆動させることにより、可動部を伸縮させる人工筋肉が提案されている（特許文献４参照）。

ところで、最近、情報端末機器、例えば、カメラ付き携帯電話やＰＤＡ、ノート型パソコンなどの小型・軽量化が益々加速してきている。このため、これらの情報端末機器に搭載されるカメラモジュールを、よりコンパクトな機構で実現する要求が高まっている。カメラモジュールの中には、ズームレンズを搭載して変倍機能を付加したものや、より鮮明な画像を得るためにピント合わせ機能を持たせたものがある。このようなカメラモジュールでは、ズームレンズやフォーカスレンズを動かすために、多くのアクチュエータが用いられている。したがって、カメラモジュール、延いては情報端末機器の小型・軽量化を促進するためには、アクチュエータの小型・軽量化を実現することが重要な課題となっている。
特表平１０−５０２９９０号公報 特開２００３−１８４８１８号公報 特開２００３−１８４８１９号公報 特表２００５−５２４８０２号公報

しかしながら、特許文献１〜３に記載のアクチュエータは、可動部の構造が複雑で小型・軽量化には不向きであり、可動部自体の変位量もさほど期待することができない。また、特許文献４に記載の発明では、二つの流体収納セル間を流体が移動するだけなので、可動部全体の体積は変化せず、これもあまり大きな変位量とはならない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、構造が簡単で小型・軽量化に寄与することができ、且つ大きな変位量を得ることができる流体アクチュエータを提供することを目的とする。

また、本発明は、小型・軽量化を実現することが可能なカメラモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、流体アクチュエータであって、流体が貯留される貯留室と、流体圧によって変位可能な可動部と、前記貯留室と前記可動部とを繋ぐ連結路と、前記連結路に設けられ、前記連結路を介して前記貯留室と前記可動部との間で前記流体を相互に移動させるための圧力発生手段と、前記圧力発生手段の駆動を制御する駆動制御手段とを備え、前記可動部は、外皮と内皮を有する二重構造の蛇腹形状からなることを特徴とする。

前記圧力発生手段は、圧電体、および電極が交互に複数積層された積層型圧電素子からなることが好ましい。

あるいは、前記圧力発生手段は、誘電エラストマー、および前記誘電エラストマーを挟む伸縮または湾曲自在な一対の電極を有する誘電エラストマーアクチュエータからなることが好ましい。

前記貯留室、または前記可動部のいずれか一方向のみに前記流体を移動させる整流弁を備えることが好ましい。この場合、前記整流弁は、構成部品となる複数の基板を接合して形成されていることが好ましい。

前記駆動制御手段は、前記圧力発生手段の駆動回数を制御することで、前記流体の移動量を変化させることが好ましい。

前記可動部から外部に流体が漏洩することを防止する防漏部材を備えることが好ましい。

前記流体は、生理食塩水、水、空気、窒素、および希ガスのうちのいずれかであることが好ましい。

請求項９に記載の発明は、可動レンズを備えたカメラモジュールであって、請求項１ないし８のいずれかに記載の流体アクチュエータが組み込まれ、前記流体アクチュエータにより前記可動レンズが移動されることを特徴とする。

本発明の流体アクチュエータによれば、外皮と内皮を有する二重構造の蛇腹形状からなる可動部を備えるので、構造が簡単で小型・軽量化に寄与することができ、且つ大きな変位量を得ることができる。

また、本発明のカメラモジュールによれば、請求項１ないし８のいずれかに記載の流体アクチュエータを用いて可動レンズを移動させるので、小型・軽量化を実現することが可能となる。

図１において、カメラモジュール２は、カメラ付き携帯電話などの携帯型の情報端末機器に内蔵されるもので、レンズ装置１０とＣＣＤイメージセンサ（以下、ＣＣＤと略す）１１とからなる。

レンズ装置１０は、可動鏡筒１２と、可動鏡筒１２を移動自在に支持する固定鏡筒１３とを含む。可動鏡筒１２の前端（被写体側を前、ＣＣＤ１１側を後とする）には、Ｇ１レンズ１４が固定されている。Ｇ１レンズ１４の背面を保持している可動鏡筒１２のフランジ面１２ａには、光軸Ｌを中心とする円周を三等分する位置に、それぞれ光軸Ｌと平行に後端側に延びた三本のガイドロッド１５（図示は二本）が設けられている。ガイドロッド１５の中央部分には、Ｇ２レンズ１６を保持したレンズ枠１７が移動自在に支持されている。また、ガイドロッド１５の後端には、Ｇ３レンズ１８を保持したレンズ枠１９が接着剤などで固着されている。つまり、Ｇ１レンズ１４とＧ３レンズ１８とが可動鏡筒１２に固定され、Ｇ２レンズ１６は、可動鏡筒１２に対して相対的に光軸Ｌの方向に移動自在な変倍レンズとなっている。

固定鏡筒１３の後端に設けられたセンサ枠２０には、ＣＣＤ１１が固定されている。なお、図示は省略したが、固定鏡筒１３の後端のフランジ部１３ａは、情報端末機器の筐体に取り付けられた回路基板に固定されている。また、ＣＣＤ１１は、フレキシブル配線板などを介して、回路基板の所要の回路ユニット部分と電気的に接続されている。

可動鏡筒１２の後端には、光軸Ｌの方向に延びたスロット２１が形成されている。スロット２１には、固定鏡筒１３から突設したピン２２が係合している。スロット２１とピン２２とは、ガイドロッド１５と同様に、光軸を中心とする円周を三等分する位置にそれぞれ設けられている。これらのスロット２１、およびピン２２により、可動鏡筒１２の光軸Ｌの方向の移動が案内される。また、スロット２１の後端にピン２２が当接した図示する前進位置と、可動鏡筒１２の後端縁がフランジ部１３ａの根元に当接した後退位置とで、可動鏡筒１２が位置決めされる。

レンズ枠１７、１９の前面には、それぞれ位置決めピン２３、２４が一体に形成されている。位置決めピン２３は、レンズ枠１７、すなわちＧ２レンズ１６が前進して、図示するテレ側変倍位置に移動したときに、その先端がフランジ面１２ａに当接し、これによりＧ２レンズ１６がテレ側変倍位置に位置決めされる。また、位置決めピン２４は、Ｇ２レンズ１６が後退してワイド側変倍位置に移動したときに、その先端がレンズ枠１７の背面に当接し、これによりＧ２レンズ１６がワイド側変倍位置に位置決めされる。

可動鏡筒１２の前端側内部、およびセンサ枠２０には、流体アクチュエータ２５、２６がそれぞれ設けられている。流体アクチュエータ２５、２６は、ガイドロッド１５やスロット２１、ピン２２と同様に、光軸を中心とする円周を三等分する位置にそれぞれ設けられている。流体アクチュエータ２５は、Ｇ２レンズ１６をテレ側、またはワイド側変倍位置に移動させる。流体アクチュエータ２６は、可動鏡筒１２を前進、または後退位置に移動させる。なお、流体アクチュエータ２５、２６は同様の構成を有するので、以下、流体アクチュエータ２５を挙げて説明する。

図２および図３において、流体アクチュエータ２５は、貯留室３０、可動部３１、および貯留室３０と可動部３１とを繋ぐ二つの連結路３２、３３などからなる。貯留室３０は、矩形状に形成され、その内部には、ピストン３４が設けられている。ピストン３４は、貯留室３０の天板および底板と同じ矩形状を有し、その側縁を貯留室３０の側板に摺接させながら、図の上下方向に移動自在となっている。ピストン３４には、貯留室３０の底板に一端が取り付けられたバネ３５の他端が取り付けられており、バネ３５によって上方向に緩く付勢されている。

貯留室３０の天板と側板、およびピストン３４で囲まれる空間には、流体３６が密閉収容されている。流体３６は、例えば、生理食塩水、水、空気、窒素、またはアルゴンやヘリウムなどの希ガスのうちのいずれかからなる。流体３６は、連結路３２、３３を介して、貯留室３０と可動部３１との間を移動可能となっている。

可動部３１は、略筒状に形成されており、外皮３７、および内皮３８を有する二重構造となっている。外皮３７、および内皮３８は、例えば、ポリエチレンやフッ素樹脂のシートからなり、山折り、谷折りを繰り返したいわゆる蛇腹形状を有する。外皮３７、および内皮３８は、その上端で互いに接着され、そのまま筒の中心方向に延設されて可動部３１の上端面３１ａを形成している。上端面３１ａには、内皮３８により形成される中空部分の空気を、外部に逃がすための複数の空気孔３９が穿たれている。なお、流体アクチュエータ２５の場合、上端面３１ａがレンズ枠１７に、貯留室３０の底板がフランジ面１２ａにそれぞれ取り付けられている。流体アクチュエータ２６の場合は、上端面３１ａがレンズ枠１９に、貯留室３０の底板がセンサ枠２０にそれぞれ取り付けられている（ともに図１参照）。

外皮３７の下端は、環状の留め具４０の下に敷かれている。留め具４０は、ネジ４１で貯留室３０の天板に締結固定されている。これにより、可動部３１から外部への流体３６の漏洩が防がれる。一方、内皮３８の下端は、袋状となっている。

連結路３２は、貯留室３０の上部端に設けられた供給入口４２と、貯留室３０の天板の中央部分に設けられた供給出口４３とを結んでいる。また、連結路３３は、供給出口４３の近傍に設けられた排出入口４４と、供給入口４２の反対側に設けられた排出出口４５とを結んでいる。供給出口４３と排出入口４４とは、外皮３７と内皮３８とで形成される空間４６に繋がっている。供給入口４２、および供給出口４３を介して、貯留室３０から空間４６へ流体３６が供給される。また、排出入口４４、および排出出口４５を介して、空間４６から貯留室３０へ流体３６が排出される。

連結路３２、３３には、マイクロポンプ４７、４８が設けられている。マイクロポンプ４７は、貯留室３０から空間４６へ流体３６を供給する際に駆動する。一方、マイクロポンプ４８は、空間４６から貯留室３０へ流体３６を排出する際に駆動する。なお、マイクロポンプ４７、４８は同様の構成を有するので、以下、マイクロポンプ４７を挙げて説明する。

図４において、マイクロポンプ４７は、供給入口４２を開閉する弁５０、供給出口４３の手前に設けられた中継口５１を開閉する弁５２、およびこれらの弁５０、５２を開閉動作させるための圧電素子５３からなる。

圧電素子５３の上下面は、貯留室３０の天板、およびマイクロポンプ４７の可動板５４にそれぞれ取り付けられている。圧電素子５３に電圧を印加し続けた状態では、図示するように可動板５４が連結路３２側に撓み、これにより弁５０、５２が閉じられる。逆に、圧電素子５３を振動させた場合は、図２のマイクロポンプ４７のように、可動板５４が貯留室３０の天板側に撓み、これにより弁５０、５２が開かれる。

図５に示すように、圧電素子５３には、圧電体５５ａ〜５５ｅ（５５ｂ〜５５ｄは図示省略）と、表面、裏面電極５６、５７、および内部電極５８ａ〜５８ｄ（５８ｂ、５８ｃは図示省略）とが交互に積層された積層構造体５９、および積層構造体５９の対向する両側面に形成された側面電極６０ａ、６０ｂを有する積層型圧電素子が用いられている。

圧電体５５ａ〜５５ｅは、例えば、リラクサー系ＰＭＮ（Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃）／ＰＴ(PbTiO₃)や、ＰＺＮ(Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃)／ＰＴからなる。圧電体５５ａ〜５５ｅは、表面、裏面電極５６、５７、および内部電極５８ａ〜５８ｄで表裏全面を覆うように挟まれている。圧電体５５ａ〜５５ｅは、上下で互い違いに逆向きの極性となるように分極処理されている。表面、裏面電極５６、５７、および内部電極５８ａ〜５８ｄは、例えば、パラジウム銀（AgPd）薄膜からなる。側面電極６０ａ、６０ｂは、例えば、Pt/Ti、Au/Ni/Cr薄膜や、銀ペースト塗布膜からなる。

内部電極５８ａ〜５８ｄの片側の端部には、絶縁材６１が全体的に設けられている。絶縁材６１は、上下の内部電極５８ａ〜５８ｄで互い違いとなるように配されている。絶縁材６１は、例えば、エポキシ樹脂などからなり、内部電極５８ａ〜５８ｄよりも若干幅広に形成されている。

側面電極６０ａ、６０ｂは、積層構造体５９の側面に露出した裏面電極５７の端面から表面電極５６の手前までと、表面電極５６の端面から裏面電極５７の手前までをそれぞれ覆っている。側面電極６０ａは、裏面電極５７、および圧電体５５ａ〜５５ｅのうち「−」に分極された側に接する内部電極５８ａ、５８ｃを電気的に接続し、圧電体５５ａ〜５５ｅのうち「＋」に分極された側に接する内部電極５８ｂ、５８ｄとは、絶縁材６１により絶縁されている。一方、側面電極６０ｂは、表面電極５６、および内部電極５８ｂ、５８ｄを電気的に接続し、絶縁材６１により内部電極５８ａ、５８ｃから絶縁されている。これにより、表面電極５６と内部電極５８ｂ、５８ｄ、および裏面電極５７と内部電極５８ａ、５８ｃは、それぞれ等電位となり、圧電体５５ａ〜５５ｅの分極状態に見合った電圧が印加される。なお、図示は省略したが、表面、裏面電極５６、５７には、アクチュエータドライバ７４（図６参照）からの配線が接続されている。

マイクロポンプ４８の圧電素子５３に電圧を印加し続け、弁５０、５２を閉じた状態で、マイクロポンプ４７の圧電素子５３を振動させて弁５０、５２を開くと、供給入口４２、連結路３２、および供給出口４３を伝って、貯留室３０から空間４６へ流体３６が供給される。これにより、可動部３１が図２に示すように伸張される。また、このとき、流体３６の移動に伴って、ピストン３４がバネ３５の付勢によって上方に移動する。

逆に、マイクロポンプ４７の圧電素子５３に電圧を印加し続け、弁５０、５２を閉じた状態で、マイクロポンプ４８の圧電素子５３を振動させてマイクロポンプ４８の弁５０、５２を開くと、排出入口４４、連結路３３、および排出出口４５を伝って、空間４６から貯留室３０へ流体３６が排出される。これにより、可動部３１が図３に示すように収縮される。また、このとき、流体３６の移動に伴って、ピストン３４がバネ３５の付勢に抗して下方に移動し、内皮３８により形成される中空部分の空気が、空気孔３９から外部に排出される。

なお、貯留室３０は、例えば、外形寸法が縦横高さ１０×１０×６ｍｍ、流体３６が貯留される天板と側板、およびピストン３４で囲まれる空間の寸法（可動部３１収縮時）が縦横高さ９×９×３ｍｍに形成されている。また、可動部３１は、例えば、上端面３１ａの径がφ３ｍｍ、伸張時の高さ（貯留室３０の天板から上端面３１ａまでの距離）１４ｍｍ、収縮時の高さ４ｍｍ、すなわち変位量１０ｍｍに形成されている。

図６において、ＣＰＵ７０は、カメラモジュール２を含む情報端末機器全体の動作を統括的に制御する。ＣＰＵ７０は、プログラムＲＯＭ（図示せず）に書き込まれた処理プログラムにしたがって、各種処理を実行する。

ＣＣＤ１１から出力された撮像信号は、アナログ信号処理部７１に入力される。アナログ信号処理部７１は、撮像信号に対して相関二重サンプリングを施し、ＣＣＤ１１の各セルの蓄積電荷量に正確に対応したＲ、Ｇ、Ｂの画像信号を出力する。そして、この画像信号を所定の増幅率で増幅した後、Ａ／Ｄ変換してデジタルの画像データを出力する。

デジタル信号処理部７２は、アナログ信号処理部７１からの画像データに対して、階調変換、ホワイトバランス補正、γ補正などの各種画像処理を施す。デジタル信号処理部７２で各種画像処理を施された画像データは、情報端末機器に備え付けられた液晶表示器などの表示器に送られて映像として出力される他、メモリカードなどの記録媒体に記録される。

操作部７３は、カメラモジュール２に撮影動作を行わせるためのレリーズボタンや、Ｇ２レンズ１６をワイド側、テレ側変倍位置に移動させるためのズーム操作スイッチを備えている。ＣＰＵ７０は、この操作部７３からの操作入力信号に応じて、各部を動作させる。

流体アクチュエータ２５、２６には、アクチュエータドライバ７４が接続されている。アクチュエータドライバ７４は、操作部７３からの操作入力信号に応じてＣＰＵ７０から出力される制御信号に基づいて、流体アクチュエータ２５、２６の駆動を制御する。

次に、上記構成を有するカメラモジュール２の動作について説明する。なお、以下の説明では、便宜上、流体アクチュエータ２５の構成部品の符号にズームのＺ、流体アクチュエータ２６の構成部品の符号にフォーカスのＦを付して区別する。

まず、情報端末機器の電源投入後の初期状態では、アクチュエータドライバ７４により、マイクロポンプ４８Ｚの圧電素子５３Ｚに電圧が印加され続けた状態（弁５０Ｚ、５２Ｚが閉じた状態）で、マイクロポンプ４７Ｚが駆動される。これにより、マイクロポンプ４７Ｚの圧電素子５３Ｚが振動されて弁５０Ｚ、５２Ｚが開かれ、供給入口４２Ｚ、連結路３２Ｚ、および供給出口４３Ｚを伝って、貯留室３０Ｚから空間４６Ｚへ流体３６Ｚが供給され、可動部３１Ｚが伸張される。この結果、Ｇ２レンズ１６を保持したレンズ枠１７が後退してワイド側変倍位置に移動された状態となる。なお、初期状態では、流体アクチュエータ２６によるピント合わせは行われない。

Ｇ１〜Ｇ３レンズ１４、１６、１８を透過した被写体像は、ＣＣＤ１１の撮像面に結像され、これによりＣＣＤ１１から撮像信号が出力される。ＣＣＤ１１から出力された撮像信号は、アナログ信号処理部７１、およびデジタル信号処理部７２を経て、表示器にスルー画像として表示される。

被写体のフレーミングに際して操作部７３のズーム操作スイッチが操作され、Ｇ２レンズ１６をワイド側変倍位置に移動させる指示がなされた場合、アクチュエータドライバ７４により、マイクロポンプ４８Ｚの圧電素子５３Ｚに電圧が印加され続けた状態（弁５０Ｚ、５２Ｚが閉じた状態）で、マイクロポンプ４７Ｚが駆動される。これにより、マイクロポンプ４７Ｚの圧電素子５３Ｚが振動されて弁５０Ｚ、５２Ｚが開かれ、供給入口４２Ｚ、連結路３２Ｚ、および供給出口４３Ｚを伝って、貯留室３０Ｚから空間４６Ｚへ流体３６Ｚが供給され、可動部３１Ｚが伸張される。この結果、Ｇ２レンズ１６を保持したレンズ枠１７が後退してワイド側変倍位置に移動される。

逆に、Ｇ２レンズ１６をテレ側変倍位置に移動させる指示がなされた場合、アクチュエータドライバ７４により、マイクロポンプ４７Ｚの圧電素子５３Ｚに電圧が印加され続けた状態（弁５０Ｚ、５２Ｚが閉じた状態）で、マイクロポンプ４８Ｚが駆動される。これにより、マイクロポンプ４８Ｚの圧電素子５３Ｚが振動されて弁５０Ｚ、５２Ｚが開かれ、排出入口４４Ｚ、連結路３３Ｚ、および排出出口４５Ｚを伝って、空間４６Ｚから貯留室３０Ｚへ流体３６Ｚが排出され、可動部３１Ｚが収縮される。この結果、Ｇ２レンズ１６を保持したレンズ枠１７が前進してテレ側変倍位置に移動される。操作部７３のレリーズボタンを操作する前であれば、ズーム操作スイッチを操作する度に、流体アクチュエータ２５の伸縮によってＧ２レンズ１６がテレ変倍位置とワイド変倍位置との二箇所を交互に移動され、二段階の変倍を行うことができる。

レリーズボタンの操作により撮影準備の指示がなされると、測距センサ（図示せず）で被写体までの距離が測定される。測距センサの測定結果は、ＣＰＵ７０に送られ、これに応じた制御信号がＣＰＵ７０からアクチュエータドライバ７４に送られる。

被写体までの距離が近距離（例えば、２ｍ以内）であった場合は、Ｇ２レンズ１６をテレ変倍位置、またはワイド変倍位置に保持したまま、アクチュエータドライバ７４により、マイクロポンプ４８Ｆの圧電素子５３Ｆに電圧が印加され続けた状態（弁５０Ｆ、５２Ｆが閉じた状態）で、マイクロポンプ４７Ｆが駆動される。これにより、マイクロポンプ４７Ｆの圧電素子５３Ｆが振動されて弁５０Ｆ、５２Ｆが開かれ、供給入口４２Ｆ、連結路３２Ｆ、および供給出口４３Ｆを伝って、貯留室３０Ｆから空間４６Ｆへ流体３６Ｆが供給され、可動部３１Ｆが伸張される。この結果、レンズ枠１９、すなわちレンズ枠１９に固着された可動鏡筒１２が前進位置に移動され、近距離の被写体に対するピント合わせが行われる。

逆に、被写体までの距離が遠距離（例えば、２ｍ以上）であった場合は、上記と同様にＧ２レンズ１６をテレ変倍位置、またはワイド変倍位置に保持したまま、アクチュエータドライバ７４により、マイクロポンプ４７Ｆの圧電素子５３Ｆに電圧が印加され続けた状態（弁５０Ｆ、５２Ｆが閉じた状態）で、マイクロポンプ４８Ｆが駆動される。これにより、マイクロポンプ４８Ｆの弁５０Ｆ、５２Ｆが開かれ、排出入口４４Ｆ、連結路３３Ｆ、および排出出口４５Ｆを伝って、空間４６Ｆから貯留室３０Ｆへ流体３６Ｆが排出され、可動部３１Ｆが収縮される。この結果、可動鏡筒１２が後退位置に移動され、遠距離の被写体に対するピント合わせが行われる。

変倍、ピント合わせは操作部７３の操作に応答して行われるが、その処理はマイクロポンプ４７、４８の圧電素子５３に電圧を印加し続け、Ｇ２レンズ１６、または可動鏡筒１２をそれぞれの位置に移動させるだけなので、瞬時に完了する。

ピント合わせの後、引き続きレリーズボタンが操作されて撮影の指示がなされると、そのときＣＣＤ１１から出力された撮像信号に基づいた画像データが記録媒体に記録される。なお、ピント合わせの後にレリーズボタンの操作を解除した場合には、Ｇ２レンズ１６の変倍位置は保持されるが、ピント合わせについてはクリアされ、再度レリーズボタンを操作したときに、新たに測距、ピント合わせが行われることになる。

以上のように、簡素な構造の可動部３１を有する小型・軽量な流体アクチュエータ２５、２６を用いて、ズーム、およびフォーカス駆動を行うので、アクチュエータの組み込みスペースを大幅に節約することができる。したがって、カメラモジュール２は、カメラ付き携帯電話やＰＤＡなどの情報端末機器に組み込むカメラモジュールとして好適である。また、マイクロポンプ４７、４８を用いているので、小型・軽量化をさらに促進することができ、変位量も稼ぐことができる。

流体３６が貯留される天板と側板、およびピストン３４で囲まれる空間の寸法（可動部３１収縮時）を縦横高さ９×９×３ｍｍ、圧電素子の大きさを縦横２×２ｍｍ（厚さ５０μｍの圧電体を２０層積層）、変位量を１．４μｍ（電圧１００Ｖ印加時）として、流体アクチュエータの動作シミュレーションを行った。なお、貯留室３０の体積は９×９×３≒２４０ｍｍ^３、圧電素子の体積変化量は２×２×１．４×１０^―３＝５．６×１０^―３ｍｍである。

シミュレーション結果を示す図７において、縦軸の応答時間は、貯留室の流体を全て可動部に供給する、もしくは、可動部の流体を全て貯留室に排出するのに要する時間であり、横軸の駆動周波数は、圧電素子に印加する電圧の駆動周波数である。圧電素子の駆動周波数を１０ｋＨｚとした場合、応答時間は４．３ｓｅｃ、１００ｋＨｚとした場合は０．４３ｓｅｃの応答時間が見込まれる。ここで挙げた貯留室や圧電素子のスペックは、現在の技術で十分実現可能な範囲の値である。したがって、本発明によれば、小型・軽量で、且つ大きな変位量で応答速度の速い高性能な流体アクチュエータを提供することができることが確認された。

なお、マイクロポンプ４７、４８の弁５０、５２を開閉させる手段として、積層型の圧電素子５３を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図８に示す誘電エラストマーアクチュエータ８０を用いてもよい。誘電エラストマーアクチュエータ８０は、誘電エラストマー８１と、これを挟む一対の電極８２、８３より構成される。誘電エラストマー８１は、電極８２、８３間に電圧を印加したときに電極８２、８３間で発生する静電力によって、電界方向と垂直な矢印方向に伸縮するもので、例えば、シリコーンゴムなどからなる。電極８２、８３は、伸縮または湾曲自在な材料、例えば、炭素微粒子を混ぜた高分子材料などからなる。電極８２、８３間に電圧を印加すると、誘電エラストマー８１が膨張、または収縮し、これによりマイクロポンプ４７、４８の弁５０、５２が開閉される。

また、図９に示すように、図８の誘電エラストマーアクチュエータ８０を円筒状に丸めた誘電エラストマーアクチュエータ９０を用いてもよい。この場合、伸縮方向は矢印で示すように円筒の軸方向となるので、図１０に示す流体アクチュエータ１００のように、誘電エラストマーアクチュエータ９０の上下面を、貯留室３０の天板とマイクロポンプ４７、４８の可動板５４とに取り付ける。

なお、マイクロポンプ４７は、例えば、以下に説明するプロセスで作製される（特開２０００−１５４７８３号公報も参照）。すなわち、図１１の上段に示すように、マイクロポンプ４７の構成部品を含む基板１１０ａ〜１１０ｅを用意する。基板１１０ａ〜１１０ｅは、単結晶シリコンを母材とし、シリコン熱酸化膜をマスクとして、連結路３２や供給入口４２、供給出口４３、弁５０、５２となる部分を水酸化カリウム水溶液でエッチングすることにより形成される。

基板１１０ａ〜１１０ｅの形成後、基板１１０ａ〜１１０ｅを加熱して全面に熱酸化膜を形成し、基板１１０ａ〜１１０ｅの各々の接合面に金属膜を成膜する。そして、真空中で金属膜にＡｒプラズマを照射して表面を清浄・活性化した後、基板１１０ａ〜１１０ｅの所定位置に各々の接合面が対向するように位置合わせを行い、各基板１１０ａ〜１１０ｅを順次重ね合わせて加熱・加圧して接合する。この際、基板１１０ａと１１０ｂとの間に圧電素子５３を固着させる。以上のようにして、図１１の下段に示すように、連結路３２、供給入口４２、供給出口４３を含むマイクロポンプ４７の部分を完成させる。貯留室３０なども同様の方法で作製することができる。このようにすれば、数ｍｍオーダーのマイクロポンプを、簡単且つ歩留りよく作製することができる。

上記実施形態では、テレ側、ワイド側変倍位置、および前進、後退位置の二段階で、Ｇ２レンズ１６、および可動鏡筒１２を移動させているが、マイクロポンプの駆動回数を制御することで、流体の移動量を変化させ、これにより可動部３１の変位量を多段階で調整することもできる。

上記実施形態では、供給出口４３、および排出入口４４を一個ずつ設け、それぞれ一個のマイクロポンプ４７、４８で流体３６の供給、および排出を行っているが、これらを複数個、例えば、図１２に示す流体アクチュエータ１２０のように、二個ずつ設けてもよい。このようにすれば、一個の場合に比べて、流体３６の供給、および排出時の流量を多くすることができ、結果として流体アクチュエータの応答速度を速めることができる。また、流量を一個の場合と同じにした場合は、マイクロポンプの駆動負担が減るので、マイクロポンプの駆動に要する電力を低減させることができる。

なお、上記実施形態の可動部３１は、伸張、収縮するのみで屈曲することはできないが、例えば、図１３に模式的に示すように、流体アクチュエータを複数個並列に配置して、各々の動作を独立して制御するか、あるいは、図１４に示すように、可動部の空間を幾つかの隔壁１３０で仕切り、各空間に供給、排出口、およびマイクロポンプを配置して、各空間の動作を独立して制御すれば、動作させる対象物Ｘを屈曲させることができる。

図１３に示す例では、上から見た図にも示すように、正三角形の頂点に三個の流体アクチュエータがそれぞれ位置するように配置し、対象物Ｘを屈曲させる際には、屈曲させる方向の流体アクチュエータの可動部を収縮させ、他の流体アクチュエータの可動部を伸張させる。図１４に示す例では、上から見た図にも示すように、可動部を周方向に八等分した位置に隔壁１３０を設け、八個の空間を形成している。対象物Ｘを屈曲させる際には、屈曲させる方向の数個の空間を収縮させ、他の空間を伸張させる。なお、流体アクチュエータを複数個直列に繋いだり、斜めに繋いだりすれば、より複雑な動作を対象物に行わせることが可能となる。

さらに、図１５に示す流体アクチュエータ１４０のように、可動部の構造を簡単化して、外皮、および内皮からなる二重構造とせず、外皮１４１のみの可動部１４２とし、外皮１４１により形成される空間１４３に流体３６を充満させるようにしてもよい。但し、この場合は流体３６の量が多くなるので、貯留室３０が大型化し、マイクロポンプ４７、４８の駆動負担も増加する。

上記実施形態では、ピストン３４およびバネ３５を用いて、空間４６と貯留室３０との間の流体３６の移動を補助しているが、図１６、および図１７に示す流体アクチュエータ１５０のように、ピストン３４の代わりに弾性部材１５１を設けてもよい。弾性部材１５１は、可動部３１と同様に、例えば、ポリエチレンやフッ素樹脂のシートからなり、貯留室３０の側板に端部が取り付けられている。図１６において、弾性部材１５１は、可動部３１の伸張による流体３６の移動に伴って、上方に収縮する。また、図１７において、弾性部材１５１は、可動部３１の収縮による流体３６の移動に伴って、下方に伸張する。なお、弾性部材１５１の中央部分が下方に撓んでいるのは、流体３６の重さが加わっているためである。

また、図１８、および図１９に示す流体アクチュエータ１６０のように、上下方向に伸縮する構造（図示は例として蛇腹構造）をもつ弾性部材１６１を設けてもよい。弾性部材１６１は、上記同様に、例えば、ポリエチレンやフッ素樹脂のシートからなり、貯留室３０の側板に端部が取り付けられている。図１８において、弾性部材１６１は、可動部３１の伸張による流体３６の移動に伴って、上方に収縮する。また、図１９において、弾性部材１６１は、可動部３１の収縮による流体３６の移動に伴って、下方に伸張する。このようにすれば、ピストン３４と貯留室３０の側板の摺接部分から流体３６が漏れるなどの心配がなく、貯留室３０の機密性をさらに高めることができる。

なお、圧電素子は、上記実施形態で例示した側面電極と絶縁材を用いた構成に限らず、適宜変更することが可能である。また、上記実施形態では、カメラモジュールに流体アクチュエータを組み込んだ例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、他の如何なる対象物についても、適用することができる。

カメラモジュールの構成を示す断面図である。 流体アクチュエータの構成を示す断面図であり、可動部が伸張した状態を示す。 流体アクチュエータの構成を示す断面図であり、可動部が収縮した状態を示す。 マイクロポンプ周辺の構成を示す拡大断面図である。 圧電素子の構成を示す平面図である。 カメラモジュールが搭載される情報端末機器の電気的構成を示すブロック図である。 圧電素子の駆動周波数と可動部の応答時間との関係を示すグラフである。 誘電エラストマーアクチュエータの構成を示す平面図である。 円筒状の誘電エラストマーアクチュエータの構成を示す斜視図である。 図９に示す誘電エラストマーアクチュエータを設けた流体アクチュエータの構成を示す断面図である。 マイクロポンプ周辺の作製手順の例を示す説明図である。 供給出口、排出入口、およびマイクロポンプを複数設けた例を示す平面図である。 流体アクチュエータを複数並列に配置して、対象物を屈曲させる例を示す模式図である。 可動部の空間を複数の隔壁で仕切った流体アクチュエータを用いて、対象物を屈曲させる例を示す模式図である。 可動部を外皮のみの構成とした流体アクチュエータの例を示す断面図である。 貯留室に弾性部材を設けた流体アクチュエータの例を示す断面図であり、可動部が伸張した状態を示す。 貯留室に弾性部材を設けた流体アクチュエータの例を示す断面図であり、可動部が収縮した状態を示す。 貯留室に弾性部材を設けた流体アクチュエータの別の例を示す断面図であり、可動部が伸張した状態を示す。 貯留室に弾性部材を設けた流体アクチュエータの別の例を示す断面図であり、可動部が収縮した状態を示す。

符号の説明

２ カメラモジュール
１４、１６、１８ Ｇ１〜Ｇ３レンズ
２５、２６、１００、１２０、１４０、１５０、１６０ 流体アクチュエータ
３０ 貯留室
３１、１４２ 可動部
３２、３３ 連結路
３６ 流体
３７、１４１ 外皮
３８ 内皮
４０ 留め具
４１ ネジ
４７、４８ マイクロポンプ
５０、５２ 弁
５３ 圧電素子
５５ａ〜５５ｅ 圧電体
５６、５７ 表面、裏面電極
５８ａ〜５８ｄ 内部電極
６０ａ、６０ｂ 側面電極
７４ アクチュエータドライバ
８０、９０ 誘電エラストマーアクチュエータ
８１ 誘電エラストマー
８２、８３ 電極
１１０ａ〜１１０ｅ 基板

Claims (9)

1. 流体が貯留される貯留室と、
   流体圧によって変位可能な可動部と、
   前記貯留室と前記可動部とを繋ぐ連結路と、
   前記連結路に設けられ、前記連結路を介して前記貯留室と前記可動部との間で前記流体を相互に移動させるための圧力発生手段と、
   前記圧力発生手段の駆動を制御する駆動制御手段とを備え、
   前記可動部は、外皮と内皮を有する二重構造の蛇腹形状からなることを特徴とする流体アクチュエータ。
2. 前記圧力発生手段は、圧電体、および電極が交互に複数積層された積層型圧電素子からなることを特徴とする請求項１に記載の流体アクチュエータ。
3. 前記圧力発生手段は、誘電エラストマー、および前記誘電エラストマーを挟む伸縮または湾曲自在な一対の電極を有する誘電エラストマーアクチュエータからなることを特徴とする請求項１に記載の流体アクチュエータ。
4. 前記貯留室、または前記可動部のいずれか一方向のみに前記流体を移動させる整流弁を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の流体アクチュエータ。
5. 前記整流弁は、構成部品となる複数の基板を接合して形成されていることを特徴とする請求項４に記載の流体アクチュエータ。
6. 前記駆動制御手段は、前記圧力発生手段の駆動回数を制御することで、前記流体の移動量を変化させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の流体アクチュエータ。
7. 前記可動部から外部に流体が漏洩することを防止する防漏部材を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の流体アクチュエータ。
8. 前記流体は、生理食塩水、水、空気、窒素、および希ガスのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の流体アクチュエータ。
9. 可動レンズを備えたカメラモジュールであって、
   請求項１ないし８のいずれかに記載の流体アクチュエータが組み込まれ、前記流体アクチュエータにより前記可動レンズが移動されることを特徴とするカメラモジュール。

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