JP2009086142A

JP2009086142A - 駆動装置、及びレンズ駆動装置

Info

Publication number: JP2009086142A
Application number: JP2007253757A
Authority: JP
Inventors: Shinya Miki; 伸哉三木; Shigeru Wada; 滋和田
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP5029260B2

Abstract

【課題】環境温度に影響されることなく、高い精度で被駆動体の位置制御を行うことが可能な駆動装置、及びレンズ駆動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】通電加熱により変形する形状記憶合金線と、形状記憶合金線の変形によって移動される被駆動体と、を有する駆動装置において、被駆動体の有効移動範囲に対応する前記形状記憶合金線の歪率が、使用環境温度範囲における非通電時の歪率より小さくなるように有効移動範囲を設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、駆動装置、及びレンズ駆動装置に関し、特に形状記憶合金線を備えた駆動装置、及びレンズ駆動装置に関する。

近年、様々な駆動装置に形状記憶合金線（以下、ＳＭＡとも記する）を用いることが試みられている。このような駆動装置では、ＳＭＡが変態温度よりも低い温度下で変形しても、変態温度よりも高い温度に加熱されると記憶された元の形状に回復する性質を利用している。通常、ＳＭＡは紐状の形態に形成され、通電加熱制御により長さ方向に伸縮させることで、アクチュエータとしての動作をさせることができる。

一方、ＳＭＡは、記憶した形状への復帰方向にのみ変形するため、使用に際しては、ＳＭＡを復帰方向と反対方向に変形させる他のアクチュエータが必要とされる。このため、通常、ＳＭＡは、バイアス用のバネとセットにした構成で用いられている。ＳＭＡを安価で制御が不要なバネとセットとした構成のアクチュエータとすることで、装置の簡素化と低価格化を図ることができ、種々の機器への応用が検討されている。

例えば、レンズ支持枠を、互いに逆方向に移動可能に付勢するＳＭＡとバネを備え、ＳＭＡの通電制御により発生力を変化させ、ＳＭＡの発生力とバネの張力とが均衡する位置を制御することで、レンズ支持枠を所定の位置に移動させるレンズ駆動装置が知られている（特許文献１参照）。
特開２００５−３３７２６２号公報

ところで、このような機器においては、ＳＭＡは、反応温度（変態温度）より低い温度では全く変形せず、反応温度より高い温度で直線に近い変形をするような理想的な性質を前提として用いられている。しかしながら、実際は、ＳＭＡは、反応温度より低い温度においても微小に変形し、反応温度に近づくに伴い変形の割合が大きくなるものである。

特許文献１に開示されているレンズ駆動装置においては、このようなＳＭＡの反応温度より低い温度における性質を考慮されていない。すなわち、環境温度がＳＭＡの反応温度より低い常温領域においても、環境温度の変化によりＳＭＡが微小に変形することにより、レンズの位置が変化し、レンズは定まった位置を維持することができない。したがって、特に自動焦点カメラで用いられる無限位置からの繰出し量制御といったレンズ駆動では、環境温度の変化によりレンズが無限位置から移動し撮影範囲が狭りＡＦ性能に大きく影響を及ぼすといった問題がある。

また、ＳＭＡは、加熱に伴い急激な反応を開始するオーステナイト変態開始点（Ａｓ点）と、より高温で反応が劣化するオーステナイト変態終了点（Ａｆ点）と、反応が飽和し記憶状態になって後、冷却するに伴い再び急激な逆反応が開始するマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）と、急激な逆反応からゆっくりとした反応に切替わるマルテンサイト変態終了点（Ｍｆ点）と、を有している。そして、ＳＭＡの温度と歪率の関係は、ヒステリシスを示し、Ａｓ点とＭｆ点は、歪率は近似しているが（若干Ｍｆ点の歪率が大きい）、温度はＡｓ点のほうが高い。また、同様にＡｆ点とＭｓ点は、歪率は近似しているが（若干Ｍｓ点の歪率が大きい）、温度はＡｆ点のほうが高い。

このように、ＳＭＡの温度と歪率の関係は、ヒステリシスを示すことから、環境温度がＭｆ点より高い場合、ＳＭＡを通電加熱する前のレンズの位置と、ＳＭＡを一旦通電加熱し、その後通電を停止しＳＭＡの温度が冷却されて環境温度に戻った時のレンズの位置は、大きく異なる。その結果、ＡＦ性能さらに低下させるといった問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、環境温度に影響されることなく、高い精度で被駆動体の位置制御を行うことが可能な駆動装置、及びレンズ駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１乃至４のいずれか１項に記載の発明によって達成される。

１．通電加熱により変形する形状記憶合金線と、
前記形状記憶合金線の変形によって移動される被駆動体と、を有する駆動装置において、
前記被駆動体の有効移動範囲に対応する前記形状記憶合金線の歪率が、
使用環境温度範囲における非通電時の歪率より小さくなるように前記有効移動範囲を設定することを特徴とする駆動装置。

２．前記使用環境温度範囲の上限は、前記形状記憶合金線のマルテンサイト変態終了点に相当する温度より高く、オーステナイト変態開始点に相当する温度より低いことを特徴とする前記１に記載の駆動装置。

３．前記１または２に記載の駆動装置と、
前記被駆動体に支持されるレンズと、を有することを特徴とするレンズ駆動装置。

４．前記有効移動範囲の一方の端は、前記レンズの無限位置であり、
他方の端は、前記レンズの最近接位置であることを特徴とする前記３に記載のレンズ駆動装置。

本発明によれば、被駆動体の有効移動範囲に対応する形状記憶合金線の歪率が、使用環境温度範囲における非通電時の歪率より小さくなるように有効移動範囲を設定する構成とした。すなわち、使用環境温度範囲における非通電時の被駆動体の位置が、有効移動範囲の外に位置する構成とした。したがって、被駆動体の有効移動範囲は、環境温度の変化による被駆動体の位置変化やヒステリシスによる通電加熱前後の環境温度における被駆動体の位置ずれ等に影響されることなく所定の範囲を維持される。その結果、高い精度で被駆動体の位置制御を行うことが可能となる。

また、前述の被駆動体でレンズを支持する構成としたので、高い精度でレンズの焦点位置制御を行うことができ、ＡＦ性能を高めることができる。

以下図面に基づいて、本発明に係る駆動装置、及びレンズ駆動装置の実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。

〔実施形態１〕
最初に、実施形態１による駆動装置の要部構成を図１を用いて説明する。図１は、実施形態１による駆動装置１０の要部構成を示す模式図である。

駆動装置１０は、図１に示すように、所定温度を境に急激に反応し所定方向（矢印Ｙ１方向）に収縮するＳＭＡ１０２と、ＳＭＡ１０２の収縮方向とは逆の方向（矢印Ｙ２方向）に負荷を発生させるバイアスバネ１０３と、ＳＭＡ１０２とバイアスバネ１０３の双方の発生力を受け、双方の力が均衡する位置に移動される被駆動体１０１と、ＳＭＡ１０２を通電制御する図示しない駆動回路と、ＳＭＡ１０２が通電されていない時に、バイアスバネ１０３に引張られる被駆動体１０１の移動を規制するストッパー１０４等から構成される。

ＳＭＡ１０２は通電による自身のジュール熱で温度が制御される。使用環境下における非通電時にはＳＭＡ１０２は超弾性を示し、負荷の軽い状態で伸びており、被駆動体１０１は、バイアスバネ１０３の張力でストッパー１０４に押し付けられている。バイアスバネ１０３の張力は、ＳＭＡ１０２の許容応力より小さいが比較的大きめに設定されている。使用環境下の中心温度におけるＳＭＡ１０２にかかる応力は、バイアスバネ１０３の張力に相当する応力未満に設定される。

ここで、ＳＭＡ１０２の温度と歪の関係について図２を用いて説明する。図２は、ＳＭＡ１０２の温度と歪率の関係を示す図である。

ＳＭＡ１０２は、図２に示すように、加熱に伴い急激な反応を開始するオーステナイト変態開始点（Ａｓ点）と、より高温で反応が劣化するオーステナイト変態終了点（Ａｆ点）と、反応が飽和し記憶状態になった後、冷却するに伴い再び急激な逆反応が開始するマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）と、急激な逆反応からゆっくりとした反応に切替わるマルテンサイト変態終了点（Ｍｆ点）と、を有している。また、ＳＭＡ１０２の温度と歪率の関係は、ヒステリシスを示し、Ａｓ点とＭｆ点は、歪率は近似しているが（若干Ｍｆ点の歪率が大きい）、温度はＡｓ点のほうが高い。また、同様にＡｆ点とＭｓ点は、歪率は近似しているが（若干Ｍｓ点の歪率が大きい）、温度はＡｆ点のほうが高い。

各反応の切替わり点（Ａｓ点、Ａｆ点、Ｍｓ点、Ｍｆ点）は、鋭角的に切替わるのが理想ではあるが、比較的急激な切替わりが起こるＴｉとＮｉの合金、あるいは、ＴｉとＮｉ及びＣｕの合金からなるＳＭＡでさえ緩やかな反応を示している。各反応切替わり点は、図２に示すように、直線的に反応する領域の接線の延長の交点で決定される。

ＳＭＡは、記憶状態が決まっているのでその歪率は、ＳＭＡにかかる初期応力によって異なってくる。初期応力が大きければ歪率は大きく取れ、小さければ歪率は小さい。また、歪率に応じて反応温度も高くなる。

つまり被駆動体１０１を駆動させるのに使用する歪（ストローク）をどの領域で使用するかによって温度による反応が異なってくる。

図１に示す構成の駆動装置１０においては、駆動中は、ＳＭＡ１０２の応力は、バイアスバネ１０３の張力と均衡しているので、ＳＭＡ１０２の温度と歪率の関係は、図２に示す実線の曲線上を移動するが、非通電時には低応力時の反応曲線（破線）上の左端Ｐｏ点に位置する。尚、このときのＳＭＡ１０２の応力は、バイアスバネ１０３の張力より小さく、被駆動体１０１は、ストッパー１０４に押し付けられている。反応が進むとＳＭＡ１０２は、記憶状態に戻ろうとし力を発生するが駆動応力以下であれば被駆動体１０１は、移動せず応力が上がるのみである（矢印Ｘ１）。ＳＭＡ１０２の応力がバイアスバネ１０３の張力と均衡する値を上回るとようやく被駆動体１０１が移動される。均衡の取れた位置は、駆動応力時の反応曲線（実線）上の初期設定歪の位置Ｐｓ点にあたる。

ここで、環境温度がＭｆ点より高い例えば図２に示すｔ１の場合におけるＳＭＡ１０２の動きについて図１、図２を用いて説明する。ＳＭＡ１０２を通電加熱すると、前述のようにＳＭＡ１０２の応力は高まり、ＳＭＡ１０２は、Ｐｓ点からＡｆ点に向けて実線に沿って収縮する。所定量収縮した後、通電を停止すると、ＳＭＡ１０２は、冷却され戻り側の実線に沿ってＭｆ点に向けて伸長し環境温度ｔ１に対応するＰｔ１点で平衡に達する。すなわち、環境温度がＭｆ点より高い場合、ヒステリシスの影響を大きく受け環境温度が同じｔ１であるにも係らず通電加熱前後で、図２に示すように、ＳＭＡ１０２の歪率（伸び）にｄ１の差が発生し、通電過熱前のＰｓ点に相当する歪率まで戻らない。つまり、ＳＭＡ１０２に通電加熱していない時の被駆動体１０１の基準位置が変化する。その結果、被駆動体１０１の図２に示す使用領域、すなわち有効移動範囲が変化し（狭まり）、高い精度で被駆動体１０１の位置制御を行うことが困難になる。

そこで、本発明の実施形態１に係る駆動装置１０は、このような問題に対応する為に、被駆動体１０１の有効移動範囲に対応するＳＭＡ１０２の歪率（伸び）が、使用環境温度範囲における非通電時の歪率（伸び）より小さくなるように有効移動範囲を設定する構成とした。すなわち、使用環境温度範囲における非通電時の被駆動体１０１の位置が、有効移動範囲の外に位置する構成とした。

具体的には、図１に示すように、被駆動体１０１を駆動制御する際の基準位置Ｐｉ点を、前述の温度ｔ１における被駆動体１０１の位置Ｐｔ１点よりもＳＭＡ１０２の収縮方向（矢印Ｙ１方向）、すなわち歪率（伸び）が小さくなる方向に所定量ｄ２隔てた位置に設定し、被駆動体１０１の有効移動範囲Ｄを基準位置Ｐｉ点からＰｎ点とする構成とした。ここで、温度ｔ１は、使用温度範囲の上限値とし、Ｍｆ点より高くＡｓ点より低い温度とする。

これにより、被駆動体１０１の有効移動範囲Ｄは、環境温度の変化による被駆動体１０１の位置変化やヒステリシスによる通電加熱前後の環境温度における被駆動体１０１の位置ずれ等に影響されることなく所定の範囲を維持される。その結果、高い精度で被駆動体１０１の位置制御を行うことが可能となる。

尚、本実施形態による駆動装置１０においては、ＳＭＡ１０２の温度と歪率の関係は、非通電時には低応力時の反応曲線（破線）上を移動し、駆動時には駆動応力時の反応曲線（実線）上を移動する構成としたが、非通電時、駆動時の何れも駆動応力時の反応曲線（実線）上を移動する構成としても、同様の効果が得られる。

〔実施形態２〕
実施形態２によるレンズ駆動装置の要部構成を図３を用いて説明する。図３は、実施形態２によるレンズ駆動装置１の要部構成を示す模式図である。

レンズ駆動装置１は、前述の駆動装置１０を用いたカメラの焦点調整装置である。レンズ駆動装置１は、図示しない距離測定手段による距離情報に基づいて、レンズ１１０を合焦位置に移動させるものである。

レンズ１１０は、移動ガイド１０６に移動可能に支持された被駆動体１０１に固定されている。レンズ１１０は、被駆動体１０１がバイアスバネ１０３によりストッパー１０４に押し付けられている位置Ｐｓ点から破線で示す最近接位置Ｐｎ点まで移動可能に構成されている。ＳＭＡ１０２に図示しない駆動回路より通電が行われるとＳＭＡ１０２の応力がバイアスバネ１０３の相当の応力以上になりレンズ１１０が移動ガイド１０６に沿って矢印Ｙ１方向に繰出される。

このような構成のレンズ駆動装置１は、前述の実施形態１による駆動装置１０の場合と同様に、環境温度がＭｆ点より高い場合、ヒステリシスの影響を大きく受け環境温度が同じｔ１であるにも係らず通電加熱前後で、ＳＭＡ１０２の歪率（伸び）にｄ１の差が発生する。その結果、レンズ１１０は、通電加熱前のＰｓ点まで戻らずＰｔ１点で均衡する。つまり、ＳＭＡ１０２に通電加熱していない時の被駆動体１０１の基準位置が変化する。

そこで、駆動装置１０の場合と同様に、図３に示すように、レンズ１１０を駆動制御する際の基準位置Ｐｉ点（無限位置）を、前述の温度ｔ１におけるレンズ１１０の位置Ｐｔ１点よりもＳＭＡ１０２の収縮方向（矢印Ｙ１方向）、すなわち歪率（伸び）が小さくなる方向に所定量ｄ２隔てた位置に設定し、被駆動体１０１の有効移動範囲Ｄを基準位置Ｐｉ点（無限位置）から最近接位置Ｐｎ点とする構成とした。

これにより、レンズ１１０の有効移動範囲Ｄは、環境温度がＭｆ点より高い場合であっても環境温度に影響されることなく所定の範囲を維持される。その結果、無限位置Ｐｉ点と最近接位置Ｐｎ点の間で高い精度でレンズ１１０の位置制御を行うことが可能となる。尚、本実施形態においては、Ｐｉ、Ｐｎをレンズ１１０のそれぞれ無限位置、最近接位置としたが、Ｐｉ、Ｐｎをレンズ１１０のそれぞれ最近接位置、無限位置としてもよい。

ここで、このような構成のレンズ駆動装置１の駆動制御について図４を用いて説明する。図４は、レンズ１１０の移動量とＳＭＡ１０２の抵抗値の関係を示す図である。

通常、ＳＭＡ１０２は、変態に伴い抵抗値が減少する。ＳＭＡ１０２の収縮により、レンズ１１０を移動する構成としているため、レンズ１１０の移動に伴い、抵抗値は減少する。図示しない駆動回路とＳＭＡ１０２の両端が接続されており、ＳＭＡ１０２に通電を行い加熱する。レンズ１１０がストッパー１０４に当たっている位置において、通電前の抵抗値をＲｏとすると、通電開始に伴い抵抗値は減少する。図２のＰｓ点に相当する温度まで加熱された時点でレンズ１１０はストッパー１０４から離間し、このときの抵抗値はＲｓとなっている。さらに加熱をつづけるとレンズ１１０は、無限合焦位置Ｐｉ点に到達し、抵抗値はＲｉとなる。被写体に合焦する位置Ｐ点の抵抗値をＲとすれば、駆動回路は、ＳＭＡ１０２の抵抗値を検知しながら、抵抗値がＲとなるよにフィードバック制御等の方法により通電制御する。

ここで、環境温度が前述のｔ１の場合、通電停止後、レンズ１１０は、ストッパー１０４の位置Ｐｓ点には復帰せず、図４に示すＰｔ１点に位置する。この時の抵抗値をＲｔ１とすると、本実施形態の構成においては、Ｒｔ１＞Ｒｉの関係にあるため、この位置Ｐｉ点から通電加熱制御を行ってＲｉ（無限合焦位置Ｐｉ点における抵抗値）とＲｎ（最近接位置Ｐｎにおける抵抗値）間の任意の抵抗値に相当する位置にレンズ１１０を移動させることができる。つまり環境温度ｔ１においても、無限位置Ｐｉ点と最近接位置Ｐｎ点の間で高い精度でレンズ１１０の位置制御を行うことが可能となる。

本発明の実施形態１に係る駆動装置の要部構成を示す模式図である。ＳＭＡの温度と歪率の関係を示す図である。本発明の実施形態２に係るレンズ駆動装置の要部構成を示す模式図である。レンズの移動量とＳＭＡの抵抗値の関係を示す図である。

符号の説明

１レンズ駆動装置
１０駆動装置
１０１被駆動体
１０２ＳＭＡ
１０３バイアスバネ
１０４ストッパー
１０５固定部材
１０６移動ガイド
１１０レンズ

Claims

通電加熱により変形する形状記憶合金線と、
前記形状記憶合金線の変形によって移動される被駆動体と、を有する駆動装置において、
前記被駆動体の有効移動範囲に対応する前記形状記憶合金線の歪率が、
使用環境温度範囲における非通電時の歪率より小さくなるように前記有効移動範囲を設定することを特徴とする駆動装置。
前記使用環境温度範囲の上限は、前記形状記憶合金線のマルテンサイト変態終了点に相当する温度より高く、オーステナイト変態開始点に相当する温度より低いことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
請求項１または２に記載の駆動装置と、
前記被駆動体に支持されるレンズと、を有することを特徴とするレンズ駆動装置。
前記有効移動範囲の一方の端は、前記レンズの無限位置であり、
他方の端は、前記レンズの最近接位置であることを特徴とする請求項３に記載のレンズ駆動装置。