JP2008289348A - 駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】安定した周波数特性を得ること。
【解決手段】駆動装置(20)は、伸縮方向で互いに対向する第1及び第2の端部を持つ電気機械変換素子(441)と、この電気機械変換素子の第1の端部に結合された静止部材(442)と、電気機械変換素子の第2の端部に取り付けられた振動摩擦部(443)と、この振動摩擦部と摩擦結合される棒状の移動部(423)とを備え、電気機械変換素子(441)の伸縮方向に移動部(423)が移動可能である。駆動装置(20)は筐体(30)で覆われ、筐体(30)と静止部材(442)との間に弾性部材(446)が介在している。弾性部材は、筐体(30)から所定距離離間して配置され、静止部材(442)に固定された板金(446)から構成されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は駆動装置に関し、特に、圧電素子等の電気機械変換素子を用いた駆動装置に関する。
従来から、カメラのオートフォーカス用アクチュエータやズーム用アクチュエータとして、圧電素子、電歪素子、磁歪素子等の電気機械変換素子を使用した(駆動装置)リニアアクチュエータが使用されている。
例えば、特許文献1は、レンズホルダ(被駆動部材、移動部)を移動させるのに、圧電素子の伸縮方向の一端にガイド棒(駆動部材、振動摩擦部)を接着し、ガイド棒にレンズホルダ(移動部)を移動可能に支持させ、ガイド棒とレンズホルダとの間に摩擦力を発生させる板バネとを備えた駆動装置を開示している。特許文献1では、圧電素子に伸びの速度と縮みの速度とを異ならせるように電圧を印加している。
また、特許文献2は、圧電素子と、この圧電素子に結合して圧電素子の伸縮方向に延在する駆動軸(耐摩耗性の振動棒、振動摩擦部)と、この駆動軸に摩擦結合した被駆動部材(ズームレンズ鏡筒、移動部)とを備えた駆動装置を開示している。この特許文献2では、圧電素子に印加する駆動信号を工夫して、被駆動部材(ズームレンズ鏡筒、移動部)を駆動している。特許文献3では、駆動軸(駆動部材、振動摩擦部)を繊維強化樹脂複合体で構成したものを開示している。
特許文献4は、第1の圧電素子に取り付けた駆動部材(振動摩擦部)と被駆動部材(移動部)との摩擦係合を確保、或いは解除する第2の圧電素子を設けることによって、被駆動部材を安定して正確に移動させることができるアクチュエータを開示している。特許文献4に開示されたアクチュエータは、駆動用の一対の第1の圧電素子、係合用の第2の圧電素子、一対の駆動部材、及び押さえばねで構成される。一対の第1の圧電素子及び一対の駆動部材は被駆動板を挟んで両側に配置される。一対の駆動部材の間隔が第2の圧電素子によって拡縮される。この第2の圧電素子によって、一対の駆動部材と被駆動板との摩擦係合が確保、或いは解除される。
特許文献5は、構成部材の弾性変形の影響を受けることのない電気機械変換素子を使用した直線駆動機構を開示している。特許文献5において、固定鏡筒に固着された内筒には半径方向に延びた延長部の軸受に光軸に平行に配置された駆動軸(移動部)が移動自在に支持されている。延長部と作用部材(振動摩擦部)との間には圧電素子(電気機械変換素子)が配置され固着結合される。作用部材の上半分は駆動軸に接触し、作用部材の下半分はばねにより付勢されたパッドが装着され、作用部材及びパッドは駆動軸に対し適当な摩擦力で摩擦結合する。圧電素子に速度の異なる伸縮変位を発生させると、作用部材を介して駆動軸が変位し、駆動軸は被駆動部材であるレンズ保持枠と共に繰り出し繰り込みがなされる。
特許文献6は、携帯端末などに組み込み可能なレンズユニットを開示している。この特許文献6に開示されたレンズユニットは、ハウジングと、レンズを保持し、ハウジングに対して移動可能である鏡枠と、ハウジングに対して鏡枠を駆動する駆動装置と、駆動装置をハウジングに固定する固定手段とを有する。固定手段は、駆動装置に取り付けられた板材と、ハウジングの凹部に装着されたときに発生する摩擦力を利用して板材をハウジングに取り付ける固定具とを備えている。駆動装置は、板材に対して錘と共に取り付けられた電機機械変換素子と、この電気機械変換素子の一端に固定され鏡枠に相対移動可能に連結された駆動部材(振動摩擦部)とを有する。
特許第2633066号公報 特許第3218851号公報 特許第3180557号公報 特開2006−54979号公報 特開平9−191665号公報 特開2006−113155号公報
前述した特許文献1〜4には、それぞれ、以下に説明するような問題点がある。
特許文献1に開示された駆動装置では、圧電素子に接着されたガイド棒(駆動部材、振動摩擦部)にレンズホルダ(被駆動部材、移動部)が移動可能に支持されているので、ガイド棒(駆動部材、振動摩擦部)がレンズホルダ(被駆動部材、移動部)よりも長く、ガイド棒(駆動部材、振動摩擦部)が往復運動することによって傾きを生じやすい。また、レンズホルダ(被駆動部材、移動部)の移動距離を長くする程、ガイド棒(駆動部材、振動摩擦部)も長くなり、不要な振動モードを発生し易い。さらに、圧電素子とガイド棒(駆動部材、振動摩擦部)との結合部の延長上に摩擦係合部があるので、低背化には不利である。
特許文献2に開示された駆動装置においても、駆動軸(駆動部材、振動摩擦部)が電気機械変換素子の伸縮方向に延在しているので、駆動軸(駆動部材、振動摩擦部)がズームレンズ鏡筒(被駆動部材、移動部)よりも長く、駆動軸(駆動部材、振動摩擦部)が往復運動することによって傾きを生じやすい。また、ズームレンズ鏡筒(被駆動部材、移動部)の移動距離を長くする程、駆動軸(駆動部材、振動摩擦部)も長くなり、不要な振動モードを発生し易い。更に、電気機械変換素子と駆動軸(駆動部材、振動摩擦部)との結合部の延長上に摩擦係合部があるので、低背化には不利である。また、ズームレンズ鏡筒(被駆動部材、移動部)を駆動軸(駆動部材、振動摩擦部)で片持ち支持する構造をしているので、レンズのような大重量物を移動させるには力学的に無理がある。
特許文献3は、駆動軸(駆動部材、振動摩擦部)を繊維強化樹脂複合体で構成したものを開示しているに過ぎず、基本的構成は特許文献2に開示された駆動装置と同様であるので、特許文献2と同様の問題点がある。
また、特許文献1乃至3に開示された駆動装置においてはいずれも、電気機械変換素子(圧電素子)は、錘を介することなく、直接、支持部材(支持板)に接着固定されている。
特許文献4は、駆動部材(振動摩擦部)が被駆動部材(移動部)よりも短いけれども、複数の圧電素子を備えるので、構成が複雑になると共に、サイズを縮小するのは不利である。
一方、特許文献5は、移動部材(移動部)がロッド形状をしており、作用部材(振動摩擦部)が複雑な形状をしている、直線駆動機構を開示している。しかしながら、特許文献5は、圧電素子を内筒の延長部に、直接、接着固定することを開示しているだけである。
特許文献6は、駆動装置をハウジングに固定する固定手段を有するレンズユニットを開示している。特許文献6において、固定手段を構成する板材は、駆動装置をハウジングに固定するためのものであって、錘とハウジングの間に介在されていない。換言すれば、板材は弾性部材としては使用されていない。
一方、静止部材を直接的に筐体に接着固定すると、次に述べるような問題がある。静止部材の材料としては、一般的に、密度、ヤング率の高いタングステンが使用される。この静止部材を筐体に対して直接的に固定すると、駆動装置の共振周波数は静止部材より密度、ヤング率の低い電気機械変換素子、振動摩擦部の2部材で構成される駆動装置と同等の値に低下する。通常、駆動装置の動作周波数は60kHz付近に設定されているが、安定した周波数特性を得るためには、駆動装置の共振周波数を動作周波数から十分離さなくてはならない。しかしながら、静止部材を直接的に筐体に接着固定すると、駆動装置の共振周波数を動作周波数から離すことが困難となる。したがって、安定した周波数特性を得ることができない。
したがって、本発明の課題は、安定した周波数特性を得ることができる、駆動装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、説明が進むにつれて明らかになるだろう。
本発明によれば、伸縮方向で互いに対向する第1及び第2の端部(441a、441b)を持つ電気機械変換素子(441)と、該電気機械変換素子の前記第1の端部に結合された静止部材(442)と、前記電気機械変換素子の前記第2の端部に取り付けられた振動摩擦部(443)と、該振動摩擦部と摩擦結合される棒状の移動部(423)とを備え、前記電気機械変換素子の伸縮方向に前記移動部が移動可能な駆動装置(20)において、前記駆動装置を覆う筐体(30)を備え、該筐体と前記静止部材との間に介在する弾性部材(446)を備えたことを特徴とする駆動装置が得られる。
上記本発明による駆動装置において、前記弾性部材(446)は弾性変形を起こす材質から構成される。前記弾性部材は、例えば、前記筐体から所定距離離間して配置され、前記静止部材(442)に固定された板金(446)から構成されてよい。その代わりに、前記弾性部材は、ゴムやスポンジから構成されてよい。
尚、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例に過ぎず、これらに限定されないのは勿論である。
本発明では、筐体と静止部材との間に弾性部材を介在させたので、安定した周波数特性を得ることができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図5を参照して、本発明の一実施の形態による駆動装置20について説明する。図1は本発明の第1の実施の形態による駆動装置20の部分断面斜視図である。図2は図1に示した駆動装置20からオートフォーカスレンズ駆動ユニット40のレンズ駆動部44と棒状の移動部423とを省いて示す部分断面斜視図である。図3はオートフォーカスレンズ駆動ユニット40のレンズ駆動部44を棒状の移動軸423と共に示す斜視図である。図4は図3に図示したオートフォーカスレンズ駆動ユニット40のレンズ駆動部44の主要部を板金(弾性部材)446と共に示す斜視図である。図5は図3に示したレンズ駆動部44に使用される圧電ユニットを示す斜視図である。
ここでは、図1乃至図4に示されるように、直交座標系(X,Y,Z)を使用している。図1乃至図4に図示した状態では、直交座標系(X,Y,Z)において、X軸は前後方向(奥行方向)であり、Y軸は左右方向(幅方向)であり、Z軸は上下方向(高さ方向)である。そして、図1乃至図5に示す例においては、上下方向Zがレンズの光軸O方向である。
図1に示されるように、駆動装置20は、略直方体形状の筐体(外装)30で覆われている。この筐体(外装)30内には、後述するオートフォーカスレンズ駆動ユニット40が配置される。筐体(外装)30は、カップ状の上側カバー32と下側ベース34とを含む。筐体30の下側ベース34上には、後述するように、板金446を介して静止部材(錘)442が搭載される。上側カバー32の上面は、レンズの光軸Oを中心軸とした円筒部32aを有する。
一方、図示はしないが、下側ベース34の中央部には、基板に配置された撮像素子が搭載される。この撮像素子は、可動レンズ(後述する)により結像された被写体像を撮像して電気信号に変換する。撮像素子は、例えば、CCD(charge coupled device)型イメージセンサ、CMOS(complementary metal oxide semiconductor)型イメージセンサ等により構成される。
図2に示されるように、下側ベース34は、板金(弾性部材)446を搭載するための3つの突起341を有する。すなわち、3つの突起341上に板金446が接着剤によって固定されている。換言すれば、板金(弾性部材)446は、3つの突起341を介して筐体30と接触している。したがって、板金(弾性部材)446は、筐体30から所定距離離間して配置され、静止部材442に固定されている。図示の例では、板金446は、厚さ約0.1mmのステンレス鋼(SUS)等から構成される。
筐体(外装)30内には、左奥側に案内軸36が設けられている。この案内軸36は、レンズの光軸Oと平行に延在している。案内軸36は筐体30の下側ベース34上に立設している。このレンズの光軸Oを間に挟んで、案内軸36と反対側である右手前側には、後で詳述する、棒状の移動部(移動軸)423が設けられている。すなわち、案内軸36と移動軸423とは、レンズの光軸Oまわりに回転対称な位置に配置されている。
オートフォーカスレンズ駆動ユニット40は、レンズ可動部42とレンズ駆動部44とから構成される。レンズ可動部42は、可動レンズであるオートフォーカスレンズAFLを保持するレンズ保持枠421を含む。レンズ保持枠421は、略円筒状の可動鏡筒422の上部に固定されている。可動鏡筒422は、左奥側で半径方向外側に延びる一対の延在部4221(但し、図1および図2では上側のみ図示する)を有する。この一対の延在部4221は、上記案内軸36が貫通する貫通孔(図示せず)を持つ。また、可動鏡筒422は、右手前側で半径方向外側に延びる一対の延在部4222を有する。この一対の延在部4222は、棒状の移動軸423が貫通して嵌合される嵌合孔4222aを持つ。このような構成により、レンズ可動部42は、筐体30に対してレンズの光軸O方向にのみ移動可能である。
レンズ駆動部44は、レンズ可動部42をレンズの光軸O方向に摺動可能に支持しながら、後述するようにレンズ可動部42を駆動する。
図3を参照して、オートフォーカスレンズ駆動ユニット40のレンズ駆動部44について説明する。
レンズ駆動部44は、電気機械変換素子として働く積層圧電素子441と、静止部材(錘)442と、振動摩擦部443とを有する。積層圧電素子441は、レンズの光軸O方向(上下方向Z)に伸縮する。積層圧電素子441は、レンズの光軸O方向に複数の圧電層を積層した構造を有する。図5に示されるように、積層圧電素子441は、伸縮方向で互いに対向する第1の端部(下端部)441aと第2の端部(上端部)441bとを持つ。静止部材(錘)442は、積層圧電素子441の第1の端部(下端部)441aに接着剤等で結合される。振動摩擦部443は、積層圧電素子441の第2の端部(上端部)441bに接着剤等で取り付けられている。図示の例では、振動摩擦部443が積層圧電素子441の第2の端部441bに直接結合されているが、振動摩擦部443と積層圧電素子441の第2の端部441bとの間に何らかの部材が介在されてもよい。
なお、図5に示されるような、積層圧電素子441と静止部材442との組合せは、圧電ユニットと呼ばれる。
棒状の移動軸423は、この振動摩擦部443と摩擦結合される。振動摩擦部443には、当該振動摩擦部443と棒状の移動軸423との間の摩擦結合部に断面V字状の溝443aが形成されている。
レンズ駆動部44は、棒状の移動軸423を振動摩擦部443に対して押し付ける(付勢する)ためのばね444を備える。すなわち、ばね444は、振動摩擦部443に固定され移動部423を押えるための押付力を発生する付勢手段として働く。ばね444と棒状の移動軸423との間にV字型構造のパッド445が挟み込まれている。パッド445は、移動部423を間に挟んで振動摩擦部443と対向して配置されている。振動摩擦部443と同様に、パッド445も、当該パッド445と棒状の移動軸423との間の接触部に断面V字状の溝445aが形成されている。振動摩擦部443は、ばね444を保持するための溝443bが設けられている。ばね444は、その一端部がこの溝443bで振動摩擦部443に係合され、その他端部が移動部423側に延在している。これにより、振動摩擦部443とパッド445をばね444で棒状の移動軸423に押し付けている。この結果、棒状の移動軸423は振動摩擦部443に安定して摩擦結合される。
レンズ駆動部44とレンズ移動部42とは、図1に示されるように、レンズの光軸Oに対して並置されている。したがって、フォーカスレンズ駆動ユニット40を低背化することができる。その結果、駆動装置20も低背化することができる。
次に、図6を参照して、積層圧電素子441に供給される電流と積層圧電素子441に発生する変位について説明する。なお、図6は、上記特許文献2の図5に図示されたものと同じものである。図6(A)および(B)は、それぞれ、駆動回路(図示せず)により積層圧電素子441に供給される電流の変化と、積層圧電素子441の変位を示すものである。
図6(A)に示すように、積層圧電素子441に大電流(正方向)と所定の一定電流(負方向)とを交互に流す。このような状況では、図6(B)に示すように、積層圧電素子441は、大電流(正方向)に対応した急激な変位(伸び)と、一定電流(負方向)に対応した穏やかな変位(縮み)とが交互に生じる。
すなわち、積層圧電素子441に矩形波電流を印加して(図6(A))、積層圧電素子441に対してのこぎり波状の変位(伸縮)を生じ(図6(B))させる。
図6に加えて図1をも参照して、オートフォーカスレンズ駆動ユニット40の動作について説明する。先ず、レンズ可動部42を上下方向Zに沿って下方向に移動する場合の動作について説明する。
先ず、図6(A)に示すように、積層圧電素子441に正方向の大電流を流すと、図6(B)に示すように、積層圧電素子441は急速に厚み方向の伸び変位を生じる。その結果、振動摩擦部443はレンズの光軸O方向(上下方向Z)に沿って上方向に急速に移動する。このとき、レンズ可動部42は、その慣性力により、振動摩擦部443と棒状の移動軸423との間の摩擦力に打ち勝って実質的にその位置にとどまるので、移動しない。
次に、図6(A)に示すように、積層圧電素子441に負方向の一定電流を流すと、積層圧電素子441は緩やかに厚み方向の縮み変位を生じる。その結果、振動摩擦部443はレンズの光軸O方向(上下方向Z)に沿って下方向に緩やかに移動する。このとき、振動摩擦部443と棒状の移動軸423とはそれらの間の接触面に発生する摩擦力により結合しているので、レンズ可動部42は振動摩擦部443と共に実質的にレンズの光軸O方向(上下方向Z)に沿って下方向に移動する。
このように、積層圧電素子441に正方向の大電流と負方向の所定の一定電流を交互に流して、積層圧電素子441に伸び変位と縮み変位を交互に生じさせることにより、レンズ保持枠421(レンズ可動部42)をレンズ光軸O方向(上下方向Z)に沿って下方向へ連続して移動させることができる。
レンズ可動部42をレンズ光軸O方向(上下方向Z)に沿って上方向に移動させるには、上記と逆に積層圧電素子441に負方向の大電流と、正方向の所定の一定電流とを交互に流すことによって、達成することができる。
次に、積層圧電素子441について説明する。積層圧電素子441は直方体の形状をしており、その素子サイズは、0.9[mm]×0.9[mm]×1.5[mm]である。圧電材料としてPZTのような低Qm材を使用している。厚さ20[μm]の圧電材料と厚さ2[μm]の内部電極とを交互に櫛形に50層積層することによって、積層圧電素子441を製造する。そして、積層圧電素子441の有効内部電極サイズは、0.6[mm]×0.6[mm]である。換言すれば、積層圧電素子441の有効内部電極の外側に位置する周辺部には、幅0.15[mm]のリング状の不感帯部分(クリアランス)が存在する。
下記の表1は、従来のように静止部材441を筐体30に直接的に固定(以下、「直接固定」と呼ぶ)したときと、本発明のように静止部材441を弾性部材446を介して筐体30に間接的に固定(以下、「間接固定」と呼ぶ)したときの、オートフォーカスレンズ駆動ユニット40(駆動装置20)の共振周波数を示す。なお、表1は直接固定したときと間接固定したときのシミュレーションによる各共振次数での共振周波数を示す。
Figure 2008289348
上記表1から、各共振次数の共振周波数とも、直接固定したときよりも、板金等の弾性部材446を介して間接固定したときの方が高くなっていることが分かる。
前述したように、駆動装置20の動作周波数は60kHz付近であるため、1次共振周波数値が問題となる。表1より、直接固定よりも間接固定した方が、1次共振周波数値は、動作周波数よりも遥かに高い周波数となっている。したがって、直接固定よりも間接固定した方が、動作周波数付近における周波数特性が安定する。製品毎の駆動装置20の性能ばらつきは、振動摩擦部443、電気機械変換素子441の設計値からの寸法誤差、電気機械変換素子441の製造時の特性ばらつき、駆動装置20の組立ばらつきなどが起因となる。このような製品毎の駆動装置20の性能ばらつきによる共振周波数のシフトがあったとしても、駆動装置20の動作周波数と駆動装置20の共振周波数とは十分に離れているので、駆動装置20の振幅(電気機械変換素子が伸縮したときの振動摩擦部材の移動幅)などの性能に影響を与えることがない。
なお、板金(弾性部材)446の材質、厚さ、形状を変更することにより、駆動装置20の共振周波数を調整することが可能である。
以上、本発明についてその好ましい実施の形態によって説明してきたが、本発明の精神を逸脱しない範囲内で、種々の変形が当業者によって可能であるのは明らかである。例えば、上記実施の形態では、弾性部材として板金446を使用しているが、本発明はこれに限定されず、弾性変形を起こす材質であれば良い。例えば、弾性部材としてゴムやスポンジ等を使用してもよい。また、上記実施の形態では、弾性部材(板金)446を筐体30に接着剤を使用して固定しているが、これに限定されず、ネジ止めや引っ掛けなどによって、弾性部材446を筐体30に固定してもよい。さらに、上記実施の形態では、筐体30側の弾性部材446との接触面は突起形状となっているが、本発明はこれに限定されず、平面接触や線接触などであってもよい。上記実施の形態では、弾性部材446の形状として板状のものを使用しているが、本発明はこれに限定されず、折り曲げなどの複雑な形状であってよい。
本発明の一実施の形態による駆動装置の部分断面斜視図である。 図1に示した駆動装置からオートフォーカスレンズ駆動ユニットのレンズ駆動部と棒状の移動部とを省いて示す部分断面斜視図である。 図1に示した駆動装置に使用されるオートフォーカスレンズ駆動ユニットのレンズ駆動部を棒状の移動軸と共に示す斜視図である。 図3に図示したオートフォーカスレンズ駆動ユニットのレンズ駆動部の主要部を板金(弾性部材)と共に示す斜視図である。 図3に示したレンズ駆動部に使用される圧電ユニットを示す斜視図である。 積層圧電素子に供給される電流と積層圧電素子に発生する変位を説明するための波形図である。
符号の説明
20 駆動装置
30 筐体
32 上側カバー
34 下側ベース
341 突起
36 案内軸
40 オートフォーカスレンズ駆動ユニット
42 レンズ可動部
421 レンズ保持枠
422 可動鏡筒
4221 延在部
4222 延在部
4222a 嵌合孔
423 棒状の移動部(移動軸)
44 レンズ駆動部
441 積層圧電素子(電気機械変換素子)
441a 第1の端部(下端部)
441b 第2の端部(上端部)
442 静止部材(錘)
443 振動摩擦部
443a 断面V字状の溝
443b 溝
444 ばね
445 V字型構造のパッド
445a 断面V字状の溝
446 板金(弾性部材)
O レンズの光軸
AFL オートフォーカスレンズ

Claims (5)

  1. 伸縮方向で互いに対向する第1及び第2の端部を持つ電気機械変換素子と、該電気機械変換素子の前記第1の端部に結合された静止部材と、前記電気機械変換素子の前記第2の端部に取り付けられた振動摩擦部と、該振動摩擦部と摩擦結合される棒状の移動部とを備え、前記電気機械変換素子の伸縮方向に前記移動部が移動可能な駆動装置において、
    前記駆動装置を覆う筐体を備え、該筐体と前記静止部材との間に介在する弾性部材を備えたことを特徴とする駆動装置。
  2. 前記弾性部材は弾性変形を起こす材質から構成される、請求項1に記載の駆動装置。
  3. 前記弾性部材は、前記筐体から所定距離離間して配置され、前記静止部材に固定された板金から構成されている、請求項2に記載の駆動装置。
  4. 前記弾性部材はゴムから構成される、請求項2に記載の駆動装置。
  5. 前記弾性部材はスポンジから構成される、請求項2に記載の駆動装置。
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