JP2009177974A - 慣性駆動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】長時間使用し続け、移動部材と駆動部材との間に磨耗が生じた場合でも、安定した摩擦力が発生する構成にすることにより、長時間使用しても駆動速度や位置制御の低下が生じない慣性駆動アクチュエータを提供すること。
【解決手段】固定部材１と、固定部材１上に配置された振動基板３と、固定部材１に対して振動基板３を往復移動させる変位発生手段２と、振動基板３上に配置され、振動基板３の往復移動に対して慣性により振動基板３に対して移動する磁性体からなる移動体４と、移動体４に設けられたコイル５と、移動体４を往復運動させるための電圧を印加するとともに、コイル５に電流を印加して電磁気力を作用させることにより、振動基板３と移動体４との間に生じる摩擦力を制御する駆動手段２０とを備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動部材と移動部材との摩擦力によって移動部材を所定の方向に移動させる慣性駆動アクチュエータに関するものである。

従来の慣性駆動アクチュエータについて構成を説明する。
電気機械変換素子、例えば圧電素子に緩やかな立ち上り部とこれに続く急速な立ち下り部からなる波形の駆動パルスを印加する。このとき、圧電素子は、駆動パルスの緩やかな立ち上り部では緩やかに厚み方向に伸び変位を生じ、急速な立ち下り部では急速な縮み変位を生じる。そこで、この特性を利用し、圧電素子に上記したような波形の駆動パルスを印加して異なる速度で充放電を繰り返し、圧電素子に速度の異なる厚み方向の振動を発生させる。圧電素子に固着された駆動部材は、異なる速度で往復移動し、駆動部材に摩擦結合した移動部材を所定の方向に移動させる。慣性駆動アクチュエータでは、移動部材は、駆動部材と移動部材との間の摩擦力を用いて所定の方向に運ばれる。

図１３に、従来の慣性駆動アクチュエータの駆動部材１３と移動部材１４に関わる構成を示す。従来の慣性駆動アクチュエータは、駆動部材（駆動軸）１３に移動部材１４が押圧されることによって摩擦力を得ている。摩擦力を得る方法として板ばねを用いる方法がよく用いられているが、ここでは挟み込み部材１５を挿入し、その上から弾性部材１６によりはさみ込み部材１５を押さえ込むことによって駆動部材１３に摩擦力を与えている。挟み込み部材１５は、駆動部材１３の移動方向に対して移動部材１４に緩みなく嵌合されている。これにより弾性部材１６により発生する押圧力は移動部材１４に対して変位しない挟み込み部材１５を介して駆動部材１３に伝えられる。そして、駆動部材１３が軸方向に正方向、負方向に異なる速度で変化しても弾性部材１６が弾性変形することがない。これにより、移動部材１４を高速で安定して駆動することができる。

特許第３１４１７１４号公報

しかしながら、挟み込み部材１５を弾性部材１６で押圧する従来の構成では、それぞれの部品が大きくなってしまうため、小型化には向かない。また、挟みこみ部材１５は駆動部材１３と常に接触して摩擦を発生させ、駆動部材１３上を相対的に移動している。そのため、長時間移動させ続けると挟みこみ部材１５と駆動部材１３の間の磨耗によって駆動部材１３あるいは挟み込み部材１５が磨り減ってしまう。そうなると弾性部材１６が与える押圧力を移動部材１４に正確に伝達できなくなる。その結果、移動部材１４を十分に駆動させることができないなどといった不都合が生じる。さらに磨耗が大きくなった場合には、動作しなくなるという問題が生じるおそれもある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、移動部材と駆動部材との間に安定した摩擦力が発生する構成にすることにより、長時間使用しても駆動速度や位置制御の低下が生じない慣性駆動アクチュエータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、固定部材と、一端が固定部材に固定され他端が往復運動する変位発生手段と、変位発生手段に接続され、変位発生手段の往復運動に伴い固定基板に対して往復運動する振動基板と、振動基板上に配置され、振動基板の往復移動に対して慣性により振動基板に対して移動する磁性体からなる移動体と、移動体に設けられたコイルと、変位発生手段を往復運動させるための電圧を印加するとともに、コイルに電流を印加して電磁気力を作用させることにより、振動基板と移動体との間に生じる摩擦力を制御する駆動手段とを備えていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、変位発生手段の往復運動の往路の速度と復路の速度とは、ともに等しいことが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、移動体には、吸着部が少なくとも１つ形成され、吸着部と振動基板との間に電磁気力に起因する磁気吸着力による摩擦力が生じることが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、吸着部の振動基板と対向する面の面積はコイルの径方向の断面積よりも大きく、吸着部の幅は振動基板の幅と少なくとも同じあるいは前記振動基板の幅よりも小さいことが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、コイルが形成された移動体を複数備え、駆動手段は複数の移動体のコイルに独立に電流を印加することによって、振動基板と複数の移動体との間の磁気吸着力を独立に変化させることが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、移動体には、更に連結部材を介して光学素子が取り付けられていることが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、吸着部は、移動体が移動する方向に２つ並んで形成され、コイルは２つの吸着部の間にあるとともに、コイルの軸が移動体の移動方向と一致していることが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、吸着部にはコイルを形成するための突起が、振動基板と対向する面に垂直な方向に形成されていることが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、突起が連結部材を兼ねていることが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、振動基板及び固定部材の少なくとも一方が磁性体からなることが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、固定部材の移動体と対向しない面に永久磁石が配置されていることが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、固定部材は、絶縁体からなり、移動体の移動方向と垂直方向の移動とを規制するためのガイドが形成されていることが望ましい。

本発明の好ましい態様によれば、振動基板には、移動体の移動方向と垂直方向の移動とを規制するためのガイドが形成されていることが望ましい。

本発明にかかる慣性駆動アクチュエータは、移動に必要な摩擦力を磁気吸着力によって得ているので、長時間使用した場合でも、振動基板や吸着部が磨耗することによる摩擦力の低下が起きない。したがって、磨耗による駆動速度や位置制御の低下が起きないので、長時間移動させ続けても、移動部材を十分に安定して駆動させることができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる慣性駆動アクチュエータの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明にかかる慣性駆動アクチュエータの第１の実施例の構成を示す図である。以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１において、圧電素子２の一端が固定部材１に固定され、他端は振動基板３の一端に固定されている。振動基板３上には圧電素子２の振動方向に移動可能な移動体４が配置されている。移動体４は、吸着部４ａとコイル５と突起７とで形成される。突起７は、吸着部４ａの振動基板３と対向する面と反対側に設けられる。また、突起７にはコイル５が形成されている。
駆動回路２０は、圧電素子２とコイル５とにそれぞれ接続される。なお、変位発生手段は、圧電素子２に相当する。

ここで、固定基板１または振動基板３は、磁性体（例えば鉄、磁性を持つステンレス）からなっており、吸着部４ａもまた磁性体である。吸着部４ａの底面は振動基板３に接触しており、コイル５に電流を印加すると磁界が発生する。発生した磁界は磁性体である移動体４を通り吸着部４ａにも磁界を生じる。吸着部４ａに発生した磁界によって、磁性体である振動基板３または固定部材１に対し磁気吸着力が発生し、移動体４と振動基板３とが密着し、その間に摩擦力が発生するようになっている。
図２、３に本アクチュエータの駆動波形を示す。図２（ａ）、（ｂ）は移動体４を右に移動させる波形であり、図３（ａ）、（ｂ）は移動体４を左に移動させる波形である。図２と図３を用いて駆動原理を説明する。

圧電素子２への印加波形が急峻に立ち上がっている部分では、圧電素子２が伸び変位を生じ、急激に左へ変位する。これに伴い振動基板３も急激に左へ移動する。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、この圧電素子２への印加波形が立ち上がっている間、コイル５へ電流を印加する。電流に応じて、移動体４の吸着部４ａと振動基板３との間に磁気吸着力が発生し摩擦が生じている。従って、振動基板３の移動と共に移動体４も左へと移動する。

逆に圧電素子２への印加波形が立ち下がっているところでは、圧電素子２が縮み変位を生じ、振動基板３が右へ変位する。この間、コイル５への電流を停止する。このとき、移動体４と振動基板３との間に電磁気力は無く、吸着力すなわち摩擦力が働かない。そのため、振動基板３が右に移動するときには、移動体４は振動基板３に対しすべりが生じると同時に慣性の力によりその位置にとどまろうとする。これを繰り返すことにより移動体４は、振動基板３に対して左へ移動することになる。
移動体４を右に移動させる場合には図２（ａ）、（ｂ）に示すように、電圧の立ち下り時、すなわち圧電素子２を急激に縮める際に、コイル５に電流を流し磁界を発生させればよい。以上が本アクチュエータの基本的な駆動原理である。

このように圧電振動に同期させて磁気吸着力によって摩擦を与えているため、摩擦が増加したときのみ移動体は移動するので、駆動効率が上がる。さらに、摩擦力は、コイル５に印加する電流によって発生する磁気吸着力で制御しているため、磨耗等によって変化することがなくなる。したがって、長期にわたって使用しても安定した動作が可能になる。
また、従来であれば、摩擦力の発生に弾性部材による力を用いていたため、変位の制御に複雑な波形が必要であった。実施例では、磁気吸着力で制御するので図２、３に示すように、圧電素子２の変位速度を往復とも同じ速さで慣性駆動させることが可能である。したがって、圧電素子２を動作させる際に複雑な波形を作成することもない。

図４に本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態は移動体４１に第１の吸着部４１ａ、第２の吸着部４１ｂの２つの吸着部が形成されている。吸着部４１ａ、４１ｂの間には、移動体４１の移動方向に軸をもつコイル５１が形成されている。コイル５１に電流を印加するとコイル５１に発生した磁界が２つの吸着部４１ａ、４１ｂに発生する。２つの吸着部４１ａ、４１ｂにおいて磁気吸着力を得るので、より大きな磁気吸着力が得られる。

本実施例ではコイル５１の軸を移動体４１の移動方向と同じ方向とし、振動基板３との吸着部分として吸着部４１ａ、４１ｂの２つを設けることによって、小型化しても摩擦力を得るために十分な吸着力が得られるようになっている。また、コイル５１の断面積を吸着部４１ａ、４１ｂの面積より小さくし、かつ吸着部４１ａ、４１ｂの幅（移動方向と垂直方向の長さ）は振動基板の幅と同じにすることによって、アクチュエータを小さくしている。

図５は、本発明の第３の実施例を示す。固定部材１に移動体４１の移動方向と垂直の方向の移動を規制するためのガイド１１を設けている。ガイド１１を設けることによって移動体４１の移動方向を圧電素子２の振動すなわち振動基板３の振動方向と一致させることができる。更に、ガイド１１及び固定部材１の材質は絶縁体とし、振動基板３を磁性体とすることによって、ガイド１１が発生する磁界の影響を受けず、吸着部４１ａ、４１ｂと振動基板３のみに磁界による磁気吸着力が発生する。

更に、図６、７のように永久磁石６を固定部材１の振動基板３と対向する位置に設けても良い。このように配置することによって、コイル５、５１に通電していないときにも永久磁石６の磁界によって移動体４、４１をその位置に保持することができる。

図８は第３の実施例の変形例を示したものである。固定部材１にガイド１１を設けるのではなく、振動基板３にガイド１１を設けている。振動基板３を磁性体にすることによって、吸着部４１に発生する磁界が振動基板３と対向する面だけでなく、ガイド１１にも磁界が生じ、磁気吸着が起こる。そのため、磁気吸着面積を増やすことができ、アクチュエータのサイズを小さくしても安定した駆動が可能となる。

図９に本発明の第４の実施例の構成を示す。また、図１０、１１にその駆動波形を示す。本実施例では２つの移動体４２、４３を振動基板３上に離して配置している。図１０に示す駆動波形のように、圧電素子２への電圧印加のタイミングに合わせて、コイル５２とコイル５３のそれぞれに別のタイミングで電流を印加する。このようにして、一方の移動体を右へ、もう一方の移動体を左に移動させることができる。図１１はコイル５２、５３へ印加する電流のタイミングを同じにしているので、２つの移動体４２、４３が同じ方向へ移動する。このように、１つの圧電素子２および振動基板３で移動体４２、４３のコイル５２、５３に印加する電流のタイミングを変えるだけで、アクチュエータのサイズ、主に移動方向と垂直方向へのサイズを大きくすることなく２つの移動体４２、４３を別々の方向あるいは同じ方向に移動させることができる。

図１２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第５の実施例の構成とそのＡ−Ａ断面図を示している。本実施例は移動体４にレンズＬ２を連結しレンズＬ２を移動させる。レンズＬ２のほか固定されているレンズＬ１およびレンズＬ３などから光学系を形成し、更に、レンズＬ３側に撮像素子（不図示）を配置することによって光学装置を構築できる。本実施例ではひとつの移動体４とレンズの組合せであるが、移動体４とレンズの組合せを増やすことによって多群レンズ駆動によるズーム、オートフォーカスなどが実現できる。また、図１２に示すようにコイル５を形成している突起部がレンズとの連結部を共有することによって、レンズ駆動系そのものを小さくすることも可能である。

以上のように、本発明にかかる慣性駆動アクチュエータは、駆動部材と移動部材との摩擦力によって移動部材を所定の方向に移動させる慣性駆動アクチュエータに有用であり、特に、長時間使用し続けても、安定した駆動速度や位置制御の必要な慣性駆動アクチュエータに適している。

第１の実施例の構成を示す図である。 第１の実施例の駆動波形を説明する図である。 第１の実施例の駆動波形を説明する他の図である。 第２の実施例の構成を示す図である。 第３の実施例の構成を示す図である。 第３の実施例の変形例の構成を示す図である。 実施例の変形例の構成を示す図である。 第３の実施例の変形例の構成を示す図である。 第４の実施例の構成を示す図である。 第４の実施例の駆動波形を説明する図である。 第４の実施例の駆動波形を説明する図である。 第５の実施例の構成を示す図である。 従来の構成を示す図である。

符号の説明

１ 固定部材
２ 圧電素子
３ 振動基板
１３ 駆動基板
４、４１、４２、４３ 移動体
４ａ、４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ 吸着部
５、５１、５２、５３ コイル
６ 永久磁石
７ 突起
１１ ガイド
１４ 移動部材
１５ 挟み込み部
１６ 弾性部材
２０ 駆動回路

Claims (13)

1. 固定部材と、
   一端が前記固定部材に固定され他端が往復運動する変位発生手段と、
   前記変位発生手段に接続され、前記変位発生手段の往復運動に伴い前記固定基板に対して往復運動する振動基板と、
   前記振動基板上に配置され、前記振動基板の往復移動に対して慣性により前記振動基板に対して移動する磁性体からなる移動体と、
   前記移動体に設けられたコイルと、
   前記変位発生手段を往復運動させるための電圧を印加するとともに、前記コイルに電流を印加して電磁気力を作用させることにより、前記振動基板と前記移動体との間に生じる摩擦力を制御するための電流を印加する駆動手段と、を備えていることを特徴とする慣性駆動アクチュエータ。
2. 前記変位発生手段の前記往復運動の往路の速度と復路の速度とは、ともに等しいことを特徴とする請求項１に記載の慣性駆動アクチュエータ。
3. 前記移動体には、吸着部が少なくとも１つ形成され、前記吸着部と前記振動基板との間に前記電磁気力に起因する磁気吸着力による摩擦力が生じることを特徴とする請求項２に記載の慣性駆動アクチュエータ。
4. 前記吸着部の前記振動基板と対向する面の面積は前記コイルの径方向の断面積よりも大きく、前記吸着部の幅は前記振動基板の幅と少なくとも同じあるいは前記振動基板の幅よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の慣性駆動アクチュエータ。
5. 前記コイルが形成された前記移動体を複数備え、前記駆動手段は前記複数の移動体のコイルに独立に電流を印加することによって、前記振動基板と前記複数の移動体との間の前記磁気吸着力を独立に変化させることを特徴とする請求項４に記載の慣性駆動アクチュエータ。
6. 前記移動体には、更に連結部材を介して光学素子が取り付けられていることを特徴とする請求項４または５に記載の慣性駆動アクチュエータ。
7. 前記吸着部は、前記移動体が移動する方向に２つ並んで形成され、前記コイルは前記２つの吸着部の間にあるとともに、前記コイルの軸が前記移動体の移動方向と一致していることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
8. 前記吸着部には前記コイルを形成するための突起が、前記振動基板と対向する面に垂直な方向に形成されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
9. 前記突起が前記連結部材を兼ねていることを特徴とする請求項８に記載の慣性駆動アクチュエータ。
10. 前記振動基板及び前記固定部材の少なくとも一方が磁性体からなることを特徴とする請求項４から６に記載の慣性駆動アクチュエータ。
11. 前記固定部材の前記移動体と対向しない面に永久磁石が配置されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
12. 前記固定部材は、絶縁体からなり、前記移動体の移動方向と垂直方向の移動とを規制するためのガイドが形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の慣性駆動アクチュエータ。
13. 前記振動基板には、前記移動体の移動方向と垂直方向の移動とを規制するためのガイドが形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の慣性駆動アクチュエータ。
    
    
    

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