JP2008253107A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気機械変換素子の伸縮に伴う共振の影響を防止しつつ、被駆動部材の駆動特性のばらつきを抑制することができる駆動装置を提供する。
【解決手段】 駆動装置１は、所定の伸縮方向に沿って伸縮する圧電素子１２と、伸縮方向における圧電素子１２の一端１２ａに取り付けられた駆動軸１４と、駆動軸１４に摩擦係合された被駆動部材１６と、を備えている。そして、伸縮方向における圧電素子１２の他端１２ｂは、無負荷状態となっている。そのため、伸縮方向における圧電素子１２の他端１２ｂに支持部材が固定されたものと異なり、圧電素子１２の伸縮に伴う共振の影響を防止することができる。更に、伸縮方向における圧電素子１２の他端１２ｂに錘部材が取り付けられたものに比べ、被駆動部材１６の駆動特性のばらつきを容易且つ確実に抑制することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばカメラ付き携帯電話機や小型デジタルカメラ等においてレンズ等を駆動するのに好適な駆動装置に関する。

従来における上記技術分野の駆動装置として、所定の伸縮方向に沿って伸縮する電気機械変換素子と、伸縮方向における電気機械変換素子の一端に取り付けられた駆動部材と、駆動部材に摩擦係合された被駆動部材と、伸縮方向における電気機械変換素子の他端に固定された支持部材と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような駆動装置においては、鋸歯状の波形を有する駆動パルスが電気機械変換素子に印加されて、伸長速度と収縮速度とが異なった状態で電気機械変換素子が変形させられる。そして、電気機械変換素子が遅い速度で変形すると、被駆動部材は摩擦によって駆動部材に対して静止し、逆に、電気機械変換素子が速い速度で変形すると、被駆動部材は慣性によって駆動部材に対して移動する。従って、鋸歯状の波形を有する駆動パルスを電気機械変換素子に繰り返し印加することで、被駆動部材を細かなピッチで間欠的に移動させることができる。
特開２００２−１４２４７０号公報

しかしながら、上述したような駆動装置にあっては、伸縮方向における電気機械変換素子の他端に支持部材が固定されているため、電気機械変換素子の伸縮に伴って支持部材が共振してしまい、被駆動部材が確実に移動しないという問題がある。

このような問題を解決するためには、伸縮方向における電気機械変換素子の他端に支持部材を固定せず、錘部材を取り付ける技術が有効である。ところが、電気機械変換素子の他端に対する錘部材の取付状態によっては、被駆動部材の駆動特性がばらつくおそれがある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電気機械変換素子の伸縮に伴う共振の影響を防止しつつ、被駆動部材の駆動特性のばらつきを抑制することができる駆動装置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、本発明に係る駆動装置は、所定の伸縮方向に沿って伸縮する電気機械変換素子と、伸縮方向における電気機械変換素子の一端に取り付けられた駆動部材と、駆動部材に摩擦係合された被駆動部材と、を備える駆動装置であって、伸縮方向における電気機械変換素子の他端は、無負荷状態となっていることを特徴とする。

この駆動装置では、伸縮方向における電気機械変換素子の他端が無負荷状態（すなわち、当該他端に何も取り付けられておらず且つ何も接触していない状態）となっている。そのため、伸縮方向における電気機械変換素子の他端に支持部材が固定されたものと異なり、電気機械変換素子の伸縮に伴う共振の影響を防止することができる。更に、伸縮方向における電気機械変換素子の他端に錘部材が取り付けられたものに比べ、被駆動部材の駆動特性のばらつきを容易且つ確実に抑制することができる。

本発明に係る駆動装置においては、電気機械変換素子は、伸縮方向に対して側方から支持部材によって支持されていることが好ましい。この構成によれば、駆動部材に対して被駆動部材を確実に移動させることができる。しかも、電気機械変換素子の伸縮による振動が支持部材に伝達され難いため、電気機械変換素子の伸縮に伴う共振の影響を防止することができる。

本発明に係る駆動装置においては、電気機械変換素子は、電気機械変換素子と駆動部材とを合わせた部分の重心位置の側方から支持部材によって支持されていることが好ましい。電気機械変換素子は、当該重心位置を中心として伸縮方向に沿って伸縮する。そのため、電気機械変換素子が当該重心位置の側方から支持部材によって支持されることで、電気機械変換素子の伸縮が駆動部材に効率良く伝達される。従って、駆動部材に対する被駆動部材の移動速度を速くすることができる。

本発明に係る駆動装置においては、電気機械変換素子は、支持部材によって弾性的に支持されていることが好ましい。この構成によれば、電気機械変換素子の伸縮に伴う共振の影響をより一層確実に防止することができる。

本発明によれば、電気機械変換素子の伸縮に伴う共振の影響を防止しつつ、被駆動部材の駆動特性のばらつきを抑制することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明に係る駆動装置の一実施形態を示す断面図である。

図１に示されるように、駆動装置１は、移動レンズ７０を移動対象物として移動レンズ７０の駆動を行うものであり、例えばカメラ付き携帯電話機や小型デジタルカメラ等に好適なものである。駆動装置１は、圧電素子（電気機械変換素子）１２、駆動軸（駆動部材）１４及び被駆動部材１６を有するアクチュエータ１０と、アクチュエータ１０を支持する支持部材６０と、を備えている。

圧電素子１２は、所定の伸縮方向に沿って伸長及び収縮可能となっている。圧電素子１２は、制御部７１に接続されており、制御部７１によって電気信号を入力されることで伸縮する。例えば、圧電素子１２に設置された入力端子７２Ａ，７２Ｂに印加される電圧を繰り返し増減させることにより、圧電素子１２が伸長及び収縮を繰り返すこととなる。

駆動軸１４は、長尺状（例えば円柱状）に形成されており、その長手方向を圧電素子１２の伸縮方向と略一致させた状態で圧電素子１２の一端１２ａに取り付けられている。例えば、駆動軸１４は、その基端が圧電素子１２の一端１２ａに当接された状態で接着剤２７によって接着されている。なお、伸縮方向における圧電素子１２の他端１２ｂは、その他端１２ｂに何も取り付けられておらず且つ何も接触していない無負荷状態となっている。

駆動軸１４は、固定枠２４から内側へ延びる仕切り部２４Ｂ，２４Ｃによって長手方向に沿って移動可能に支持されている。仕切り部２４Ｂ，２４Ｃは、被駆動部材１６の移動領域を仕切るための部材であり、駆動軸１４の支持部材としても機能している。固定枠２４は、アクチュエータ１０を収容するための筐体として機能している。

各仕切り部２４Ｂ，２４Ｃには、駆動軸１４が貫通する貫通孔２４Ａが形成されている。仕切り部２４Ｂは、駆動軸１４における圧電素子１２の近傍箇所、すなわち駆動軸１４の基端箇所を支持している。仕切り部２４Ｃは、駆動軸１４の先端箇所を支持している。固定枠２４は、アクチュエータ１０を組み付けるための枠体若しくはフレーム部材として機能するものである。駆動軸１４は、圧電素子１２に取り付けられることにより、圧電素子１２の伸長及び収縮の繰り返し動作に応じて、その長手方向に沿って往復移動する。

なお、駆動軸１４は、先端側及び基端側の両方ではなく、先端側又は基端側の一方で支持されていてもよい。例えば、仕切り部２４Ｂの貫通孔２４Ａが駆動軸１４の外径より大きく形成されれば、駆動軸１４は、仕切り部２４Ｃによって先端箇所のみで支持されることとなる。また、仕切り部２４Ｃの貫通孔２４Ａが駆動軸１４の外径より大きく形成されれば、駆動軸１４は、仕切り部２４Ｂによって基端箇所のみで支持されることとなる。また、仕切り部２４Ｂ，２４Ｃは、固定枠２４と一体ではなく、固定枠２４と別体に形成されて、固定枠２４に取り付けられていてもよい。別体の場合であっても、一体の場合と同様な機能、効果が得られる。

被駆動部材１６は、駆動軸１４に移動可能に取り付けられている。被駆動部材１６は、駆動軸１４に対して摩擦係合されており、その長手方向に沿って移動可能となっている。例えば、被駆動部材１６は、駆動軸１４に対して所定の摩擦係数で係合しており、一定の押圧力で駆動軸１４に押し付けられることで、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。被駆動部材１６にその摩擦力を超える移動力が付与されると、被駆動部材１６は、その摩擦力に抗して駆動軸１４に沿って移動する。

支持部材６０は、アクチュエータ１０を収容する固定枠２４と圧電素子１２との間に配設され、圧電素子１２の伸縮方向に対して側方から（例えば、圧電素子１２の伸縮方向と略直交する方向から）圧電素子１２を支持している。位置的には、支持部材６０は、圧電素子１２と駆動軸１４とを合わせた部分の重心位置Ｇの側方から圧電素子１２を支持している。

支持部材６０は、所定の値以上の弾性係数を有する弾性体（例えばシリコーン樹脂）により形成されている。これにより、圧電素子１２は、支持部材６０によって弾性的に支持されることになる。支持部材６０は、圧電素子１２が挿通される挿通孔６０Ａを有しており、その挿通孔６０Ａに圧電素子１２が挿通された状態で固定枠２４に組み付けられている。支持部材６０は、接着剤６１によって固定枠２４に接着され、圧電素子１２は、接着剤６２によって支持部材６０に接着されている。

なお、固定枠２４に対する支持部材６０の固定及び支持部材６０に対する圧電素子１２の固定は、固定枠２４と圧電素子１２との間に支持部材６０を圧入し、支持部材６０の押圧力によって行ってもよい。例えば、固定枠２４と圧電素子１２との間隙よりも若干大きくなるように支持部材６０を弾性体で形成し、その間隙に支持部材６０を圧入して設置する。これにより、支持部材６０は、固定枠２４及び圧電素子１２に密着して配設される。この場合、圧電素子１２が支持部材６０によって伸縮方向と略直交する方向から押圧されて、アクチュエータ１０が支持される。また、支持部材６０は、シリコーン樹脂ではなく、バネ部材によって構成されていてもよい。この場合、例えば、固定枠２４と圧電素子１２との間にバネ部材を配置し、このバネ部材によってアクチュエータ１０を固定枠２４に対して支持する。

被駆動部材１６には、レンズ枠６８を介して移動レンズ７０が取り付けられている。移動レンズ７０は、カメラの撮影光学系を構成するものであり、駆動装置１の移動対象物となるものである。移動レンズ７０は、被駆動部材１６と一体的に結合され、被駆動部材１６と共に移動するように設けられている。移動レンズ７０の光軸Ｏ上には、固定レンズ（図示せず）等が配設され、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６５が配設されている。撮像素子６５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６５は、制御部７１と接続されており、画像信号を制御部７１に出力する。

制御部７１は、駆動装置１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、出力信号回路等により構成される。また、制御部７１は、圧電素子１２を作動させるための駆動回路を備えており、圧電素子１２に対して駆動のための電気信号を出力する。

図２は、図１に示されたII−II線に沿っての断面図である。

図２に示されるように、被駆動部材１６は、例えば、本体部１６Ａ、押圧部１６Ｂ及び摺動部１６Ｃを有している。本体部１６Ａは、押圧部１６Ｂによって駆動軸１４に一定の力で押圧されている。本体部１６Ａには、Ｖ字状の溝１６Ｄが形成されている。溝１６Ｄ内には、２つの摺動部１６Ｃ，１６Ｃに挟持された状態で駆動軸１４が配置されている。摺動部１６Ｃ，１６Ｃは、断面Ｖ字状の板体であり、互いに凹部側を向き合わせて配置され、駆動軸１４を挟んで設けられている。このようにＶ字状の溝１６Ｄ内に駆動軸１４を配置することで、被駆動部材１６を安定して駆動軸１４に取り付けることができる。

押圧部１６Ｂとしては、例えば、断面Ｌ字状の板バネ材が用いられる。押圧部１６Ｂの一辺を本体部１６Ａに掛止させ、他の一辺を溝１６Ｄの対向位置に配することで、他の一辺によって、溝１６Ｄ内に配置された駆動軸１４を本体部１６Ａ及び摺動部１６Ｃと共に挟み込むことができる。これにより、本体部１６Ａを駆動軸１４側へ押圧することができる。

このように、被駆動部材１６は、押圧部１６Ｂが本体部１６Ａを駆動軸１４側に一定の力で押圧することで、駆動軸１４に対して摩擦係合されている。すなわち、被駆動部材１６は、その移動に際し一定の摩擦力が生ずるように駆動軸１４に取り付けられている。

また、断面Ｖ字状の摺動部１６Ｃ，１６Ｃによって駆動軸１４が挟み込まれることで、被駆動部材１６が駆動軸１４に複数箇所で線接触することになる。そのため、駆動軸１４に対して被駆動部材１６を安定して摩擦係合させることができる。更に、複数箇所の線接触状態で被駆動部材１６が駆動軸１４に係合しているため、実質的に被駆動部材１６が駆動軸１４に面接触状態で係合しているのと同様な係合状態となり、安定した摩擦係合を実現することができる。

なお、摺動部１６Ｃは、断面Ｖ状の板体ではなく、断面円弧状の板体として構成されて、駆動軸１４に面接触していてもよい。この場合、被駆動部材１６が駆動軸１４に面接触状態で係合するため、被駆動部材１６を駆動軸１４に対してより一層安定して摩擦係合させることができる。

図３は、図１に示された圧電素子を作動させる駆動回路の回路図である。

図３に示されるように、駆動回路７７は、制御部７１内に配置されて設けられている。駆動回路７７は、圧電素子１２のドライブ回路として機能するものであり、圧電素子１２に対して駆動用の電気信号を出力する。駆動回路７７は、制御部７１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１２の駆動用電気信号を出力する。駆動回路７７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、Ｈｉ出力（高電位出力）、Ｌｏ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は、図３に示された駆動回路に入力される入力信号の波形図であり、（Ａ）に、圧電素子１２に接近するように被駆動部材１６を移動させる際に入力される入力信号を示し、（Ｂ）に、圧電素子１２から離間するように被駆動部材１６を移動させる際に入力される入力信号を示す。また、図５は、図３に示された駆動回路から出力される出力信号の波形図であり、（Ａ）に、圧電素子１２に接近するように被駆動部材１６を移動させる際に出力される出力信号を示し、（Ｂ）に、圧電素子１２から離間するように被駆動部材１６を移動させる際に出力される出力信号を示す。

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ＯＮ／ＯＦＦするパルス信号となっている。図５（Ａ），（Ｂ）の２つの信号は、圧電素子１２の入力端子７２Ａ，７２Ｂに入力される。この入力端子７２Ａ，７２Ｂには、鋸歯状の波形を有するパルス信号を入力してもよいが、図５に示されるように、矩形状の波形を有するパルス信号を入力して圧電素子１２を作動させることができる。この場合、圧電素子１２の駆動信号が矩形状の波形を有するパルス信号でよいため、信号生成が容易となる。

図５（Ａ），（Ｂ）の出力信号は、同一周波数となる２つのパルス信号により構成されている。この２つのパルス信号は、互いの位相を異ならせることで、互いの信号の電位差が段階的に大きくなって急激に小さくなる信号、又は互いの信号の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２つの信号を入力することにより、圧電素子１２の伸長速度と収縮速度とを異ならせることができ、被駆動部材１６を移動させることが可能となる。

例えば、図５（Ａ），（Ｂ）においては、一方の信号がＨｉ（ハイ）からＬｏ（ロー）となった後に、他方の信号がＨｉとなるように設定されている。それらの信号においては、一方の信号がＬｏとなった際に、一定のタイムラグｔ_ＯＦＦの経過後、他方の信号がＨｉとなるように設定される。また、２つの信号が両方ともＬｏ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。

図５の（Ａ），（Ｂ）の出力信号、すなわち圧電素子１２を作動させる電気信号としては、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）においては、２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、より好ましくは４０〜６０ｋＨｚの周波数信号とされる。このような周波数の信号を用いることで、圧電素子１２の可聴領域における作動音を低減することができる。

以上のように構成された駆動装置１は、次のように動作する。すなわち、圧電素子１２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１２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軸１４が往復運動する。このとき、圧電素子１２の伸長速度と収縮速度とを異ならせることで、駆動軸１４が一方向へ移動する速度と他方向へ移動する速度とが異なることとなる。これにより、被駆動部材１６及び移動レンズ７０が所望の方向へ移動させられる。

以上説明したように、駆動装置１では、伸縮方向における圧電素子１２の他端１２ｂが無負荷状態となっている。そのため、伸縮方向における圧電素子１２の他端１２ｂに支持部材が固定されたものと異なり、圧電素子１２の伸縮に伴う共振の影響を防止することができる。更に、伸縮方向における圧電素子１２の他端１２ｂに錘部材が取り付けられたものに比べ、被駆動部材１６の駆動特性のばらつきを容易且つ確実に抑制することができる。

そして、錘部材が不要となることにより、駆動装置１の低コスト化や、鉛レス化を図ることができる。更に、錘部材の分だけ駆動装置１を小型化したり、逆に、錘部材の分だけ圧電素子１２を大型化したりすることができる。錘部材の分だけ圧電素子１２を大型化する場合には、圧電素子１２の変位量を増加させて、被駆動部材１６の移動速度を高速化したり、圧電セラミック層を厚くすることで静電容量を下げて、省電力化したりすることが可能である。

また、圧電素子１２は、圧電素子１２と駆動軸１４とを合わせた部分の重心位置Ｇにおいて、伸縮方向に対して側方から支持部材６０によって支持されている。この構成によれば、圧電素子１２の伸縮が駆動軸１４に効率良く伝達されるため、駆動軸１４に対して被駆動部材１６を速い移動速度で且つ確実に移動させることができる。

また、圧電素子１２は、伸縮方向に対して側方から支持部材６０によって弾性的に支持されている。この構成によれば、圧電素子１２の伸縮による振動が支持部材６０に伝達され難いため、圧電素子１２の伸縮に伴う共振の影響をより一層確実に防止することができる。

ここで、駆動軸１４に対する被駆動部材１６の移動速度の測定結果について説明する。測定対象は、図６に示された駆動装置１００及び図１に示された駆動装置１であり、測定対象の数量は、各駆動装置１００，１について１９個である。駆動装置１００は、圧電素子１２の他端１２ｂに錘部材１８が取り付けられている点で、駆動装置１と異なっている。

図７は、錘部材１８が取り付けられた駆動装置１００についての移動速度毎の度数分布を示すグラフであり、図８は、駆動装置１についての移動速度毎の度数分布を示すグラフである。図７及び８において、（Ａ）に、被駆動部材１６が圧電素子１２から離れる場合を示し、（Ｂ）に、被駆動部材１６が圧電素子１２に近付く場合を示す。なお、各グラフにおいて、縦軸は度数であり、横軸は移動速度（ｍｍ／ｓ）である。

図７及び８に示されるように、錘部材１８が取り付けられた駆動装置１００に比べ、駆動装置１では、駆動軸１４に対する被駆動部材１６の移動速度の平均値（図中の一点鎖線）が下がっているものの、被駆動部材１６の駆動特性の１つである当該移動速度のばらつきが抑制されている。

このように、被駆動部材１６の駆動特性のばらつきを抑制する上で、伸縮方向における圧電素子１２の他端１２ｂを無負荷状態とすることは極めて有効である。そして、駆動軸１４に対する被駆動部材１６の移動速度については、圧電素子１２の変位量を増加させることで容易且つ確実に高速化することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態の駆動装置１は、移動レンズ７０を駆動するものであったが、移動レンズ７０以外の移動対象物を駆動するものであってもよい。

本発明に係る駆動装置の一実施形態を示す断面図である。 図１に示されたII−II線に沿っての断面図である。 図１に示された圧電素子を作動させる駆動回路の回路図である。 図３に示された駆動回路に入力される入力信号の波形図である。 図３に示された駆動回路から出力される出力信号の波形図である。 錘部材が取り付けられた駆動装置の断面図である。 図６に示された駆動装置についての移動速度毎の度数分布を示すグラフである。 図１に示された駆動装置についての移動速度毎の度数分布を示すグラフである。

符号の説明

１…駆動装置、１２…圧電素子（電気機械変換素子）、１２ａ…一端、１２ｂ…他端、１４…駆動軸（駆動部材）、１６…被駆動部材、６０…支持部材。

Claims (4)

1. 所定の伸縮方向に沿って伸縮する電気機械変換素子と、前記伸縮方向における前記電気機械変換素子の一端に取り付けられた駆動部材と、前記駆動部材に摩擦係合された被駆動部材と、を備える駆動装置であって、
   前記伸縮方向における前記電気機械変換素子の他端は、無負荷状態となっていることを特徴とする駆動装置。
2. 前記電気機械変換素子は、前記伸縮方向に対して側方から支持部材によって支持されていることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
3. 前記電気機械変換素子は、前記電気機械変換素子と前記駆動部材とを合わせた部分の重心位置の側方から前記支持部材によって支持されていることを特徴とする請求項２記載の駆動装置。
4. 前記電気機械変換素子は、前記支持部材によって弾性的に支持されていることを特徴とする請求項２又は３記載の駆動装置。

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