JP2010206876A - 駆動装置、カメラモジュール、及び駆動装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新たなタイプの駆動装置を実現すること。
【解決手段】駆動装置は、ピエゾ素子４２及び伝達軸４４が連結した連結体と、伝達軸４４の長手方向に沿って摺動可能な状態で直接的又は間接的に伝達軸４４が係合した固定側部材（ケース５０）と、ピエゾ素子４２に対する駆動電圧の印加に応じて固定側部材に対して連結体と共に変位するレンズホルダ３１と、を備える。レンズホルダ３１は、駆動電圧の電圧値が相対的に短時間に第１電圧レベルと第２電圧レベル間を変化する第１期間に固定側部材に対して変位し、駆動電圧の電圧値が相対的に長い時間をかけて第１電圧レベルと第２電圧レベル間を変化する第２期間に固定側部材に対して実質的に変位しない。従来とは異なる新たなタイプの駆動装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動装置、カメラモジュール、及び駆動装置の制御方法に関する。

近年、カメラ等の撮像装置は多種多様な製品に組み込まれている。携帯電話、ノートパソコン等といった小型な電子機器にカメラを実装する場合、カメラ自体の小型化も強く要求される。

カメラ内にはオートフォーカスレンズが組み込まれる場合がある。この場合、レンズを変位させるアクチュエータの小型化が強く望まれている。小型なアクチュエータとしては、圧電素子を駆動することで移動対象物を変位させるタイプが知られている。このタイプのアクチュエータでは、圧電素子に対する電圧波形の印加に伴って生じる振動を、圧電素子に連結した軸を介して、この軸に摺動可能な状態で係合したレンズ鏡筒に伝達する。圧電素子に印加される電圧波形の波形を適切に設定することで、圧電素子の伸び速度と縮み速度とを異ならしめる。レンズ鏡筒と軸間の摩擦、及びレンズ鏡筒の慣性によって、レンズ鏡筒は、圧電素子の伸縮状況に応じて変位したり、変位しなかったりする。

移動対象物を変位させるアクチュエータの特性としては、移動対象物であるレンズを効率的に変位させ、移動対象物を所望の位置へ短時間に移動させる特性が要求される。一般的に、ピエゾ素子に印加される駆動電圧は、スイッチング素子の動作状態（オン、オフ）の制御によって生成される。この場合、スイッチング素子の動作状態を制御するスイッチング信号を高周波に設定することでレンズを高速に変位させることができる。しかしながら、従来のタイプのアクチュエータ（特許文献１及び２参照）では、共振等の影響により、スイッチング信号を高周波側に設定することに限界がある。

特許文献１には、所定の条件で圧電素子の共振周波数に対して所定の関係を有する駆動電圧を印加する技術が開示されている。特許文献２には、簡単な回路構成でノコギリ刃状波形の駆動電圧を生成でき、消費電力も少ない駆動装置が開示されている。

特開２００１−２６８９５１号公報 特開２００６−１５８１４４号公報

上述の説明から明らかなように、新たなタイプの駆動装置の実現が望まれている。

本発明の係るレンズ駆動装置は、圧電素子及び駆動軸が連結した連結体と、前記駆動軸の長手方向に沿って摺動可能な状態で直接的又は間接的に前記駆動軸が係合した固定側部材と、前記圧電素子に対する駆動電圧の印加に応じて前記固定側部材に対して前記連結体と共に変位する被駆動部材と、を備え、前記被駆動部材は、前記駆動電圧の電圧値が相対的に短時間に第１電圧レベルと第２電圧レベル間を変化する第１期間に前記固定側部材に対して変位し、前記駆動電圧の電圧値が相対的に長い時間をかけて前記第１電圧レベルと前記第２電圧レベル間を変化する第２期間に前記固定側部材に対して実質的に変位しない。従来とは異なる新たなタイプの駆動装置を提供することができる。

前記固定側部材は、前記被駆動部材を少なくとも部分的に外囲する外囲器である、と良い。

前記被駆動部材と前記外囲器とは、前記駆動軸に対して摺動可能に係合する係合部を少なくとも介して互いに連結している、と良い。

前記駆動電圧は、デューティー比が１０％以下のパルス信号に基づいて生成される、と良い。

前記被駆動部材は、レンズ保持体である、と良い。

本発明に係るカメラモジュールは、上述の駆動装置と、前記レンズ保持体が保持するレンズを介して入力する像を撮像する撮像素子と、を備える。

本発明に係る駆動装置は、圧電素子及び駆動軸が連結した連結体と、前記駆動軸の長手方向に沿って摺動可能な状態で直接的又は間接的に前記駆動軸が係合した固定側部材と、前記圧電素子に対する駆動電圧の印加に応じて前記固定側部材に対して前記連結体と共に変位する被駆動部材と、を備え、前記被駆動部材は、前記圧電素子を相対的に短い時間で伸縮させたとき前記固定側部材に対して変位し、前記圧電素子を相対的に長い時間で伸縮させたとき前記固定側部材に対して実質的に変位しない。

本発明に係る駆動装置の制御方法は、圧電素子及び駆動軸が連結した連結体と、前記駆動軸の長手方向に沿って摺動可能な状態で直接的又は間接的に前記駆動軸が係合した固定側部材と、前記圧電素子に対する駆動電圧の印加に応じて前記固定側部材に対して前記連結体と共に変位する被駆動部材と、を備える駆動装置の制御方法であって、相対的に短時間に第１電圧レベルと第２電圧レベル間で前記駆動電圧の電圧値を変化させることで前記固定側部材に対して前記被駆動部材を変位させ、相対的に長い時間をかけて前記第１電圧レベルと前記第２電圧レベル間で前記駆動電圧の電圧値を変化させることで前記固定側部材に対して前記被駆動部材を実質的に変位させない。

本発明によれば、新たなタイプの駆動装置を実現することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態は、説明の便宜上、簡略化されている。図面は簡略的なものであるから、図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。図面は、もっぱら技術的事項の説明のためのものであり、図面に示された要素の正確な大きさ等は反映していない。同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。上下左右といった方向を示す言葉は、図面を正面視した場合を前提として用いるものとする。

〔第１の実施の形態〕
以下、図１乃至図１２を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、カメラモジュールの概略的構成を示す模式図である。図２は、係合部の概略的な構成を示す模式図である。図３は、駆動部の概略的な構成を示すブロック図である。図４は、圧電素子に入力される電圧波形を示す波形図である。図５は、駆動電圧生成回路の概略的な回路図である。図６は、駆動電圧生成回路の動作を説明するための表である。図７は、信号波形とレンズの移動状態との関係を示す概略的なタイミングチャートである。図８は、ピエゾ素子の伸縮とレンズホルダの変位との関係を示す概略的な説明図である。図９は、スイッチング信号のデューティー比の調整がレンズホルダの変位に与える影響を説明するための説明図である。図１０は、所定の範囲の周波数でスイッチング信号のデューティー比を変更した場合のアクチュエータの動作状態を評価した結果を示す表である。図１１は、比較例に係るカメラモジュールを示す概略図である。図１２は、図１０と同様にして、比較例に係るアクチュエータの動作状態を評価した結果を示す表である。図１３は、アクチュエータのタイプ毎のレンズ移動特性を示す概略図である。図１４は、携帯電話の概略的な構成を示す模式図である。図１５は、携帯電話の前面の概略的な構成を示す模式図である。

図１に示すように、カメラモジュール（撮像装置）１５０は、配線基板１０、ケース（固定側部材、外囲器、筐体）５０、イメージセンサ（撮像素子）１２、レンズホルダ（レンズ保持体）３１、ピエゾ素子（圧電素子）４２、伝達軸（駆動軸）４４、及び係合部４５を有する。レンズホルダ３１は、複数のレンズＬ１、Ｌ２（移動対象物）を保持している。レンズＬ１、Ｌ２は、光軸ＡＸに沿って配置されている。なお、ピエゾ素子４２に対して伝達軸４４が連結することで連結体が形成される。ピエゾ素子４２と伝達軸４４間の連結方法は任意である。

カメラモジュール１５０は、レンズホルダ３１に保持されたレンズＬ１、Ｌ２を介して外部から入力する像をイメージセンサ１２で撮像する。ピエゾ素子４２の駆動に応じて、レンズホルダ３１は、光軸ＡＸに沿って前方又は後方に移動する。この原理を活用することで、カメラモジュール１５０にオートフォーカス機能又はズーム機能を具備させることができる。なお、レンズＬ２に対するレンズＬ１の変位によりオートフォーカスを実現し、レンズＬ１に対するレンズＬ２の変位によりズームを実現する。後述の説明から明らかなように、本実施形態では、従来よりもレンズＬ１、Ｌ２を高速に変位させることができる。従って、本アクチュエータを活用すれば、カメラモジュール１５０にこれらの機能を好適に組み込むこともできる。

ケース５０は、イメージセンサ１２、ピエゾ素子４２、伝達軸４４、係合部４５、及びレンズホルダ３１を内部に収納する筒状体である。ケース５０は、黒色の樹脂材料を金型等で成型することで製造される。黒色樹脂の金型成型によりカバーを製造することでカメラモジュール１５０の遮光性能を向上させることができる。より好ましくは、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、及びポリフタル酸アミド樹脂（ＰＰＡ）等のリフロー耐熱性のある樹脂が良い。

ケース５０は、天板部５０ａ、及び側壁部５０ｂを有する。天板部５０ａには、レンズＬ１、Ｌ２の光軸ＡＸに対応する位置に開口が形成されている。側壁部５０ｂの内壁には係合部４５が固設されている。なお、ケース５０は、この形状に限定されるべきものではなく、他の様々な形状とすることができる。

配線基板１０上には、光軸ＡＸに沿って、イメージセンサ１２、及びレンズホルダ３１が、この順で配置されている。

イメージセンサ１２は、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)センサ、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサといった一般的な固体撮像素子である。イメージセンサ１２は、ＸＺ平面にてマトリクス状に配置された複数の画素を画素配置領域１２ａに有する。各画素で光電変換をすることによって入力像を像データに変換して出力する。

ピエゾ素子４２は、セラミックス層（圧電層）がｙ軸に沿って積層された一般的な圧電素子である。ピエゾ素子４２の側面には、一対の端子電極が形成されている。ピエゾ素子４２の一方の端子電極は、リード線を介して、配線基板１０上の電極パットに接続される。同様に、ピエゾ素子４２の他方の端子電極は、リード線を介して、配線基板１０上の電極パットに接続される。一方の端子電極を接地させた状態で、他方の端子電極に電圧を印加することによってピエゾ素子４２はｙ軸方向（光軸ＡＸに沿う方向）に伸縮する。

伝達軸４４は、ピエゾ素子４２の上面に固着されている。詳細には、伝達軸４４の下端面がピエゾ素子４２の上面に載置された状態で、伝達軸４４はピエゾ素子４２に対して接着剤を介して固着されている。接着剤は、エポキシ系等の熱硬化型の接着剤等を用いると良い。

伝達軸４４は、棒状体であって、ピエゾ素子４２で生じた振動をレンズホルダ３１に伝達する。伝達軸４４は、軽量でかつ剛性が高いことが望ましい。伝達軸４４を軽量化することで共振周波数を高周波帯域に設定することができる。そして、ピエゾ素子４２の駆動に用いられるスイッチング信号（パルス信号）を、より高い周波数に設定することが可能になる。これによって、ピエゾ素子４２の駆動に応じて、レンズホルダ３１をより高速に変位させることができる。伝達軸４４の剛性を高めることによっても同様の結果を得ることができる。

伝達軸４４は、黒鉛を含むガラス状炭素複合材から構成されている。具体的には、ガラス状炭素を成形し、これを焼成することで伝達軸４４を製造する。なお、エポキシ樹脂系等の熱硬化樹脂、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）、カーボンＣＦＲＰ、熱可塑性樹脂等をガラス状炭素に加えて伝達軸４４を製造しても良い。特に繊維を混在させることで伝達軸４４の強度を高めることができる。

伝達軸４４は、比重２．１以下の材料からなる。より好ましくは、伝達軸４４は、比重２．１以下であり、弾性率２０ＧＰａ以上の材料からなる。更に好ましくは、伝達軸４４は、比重２．１以下であり、弾性率３０ＧＰａ以上の材料からなる。これによって、共振周波数を高周波側へシフトさせることができ、連続した使用可能周波数帯域を得ることができる。

レンズホルダ３１は、筒状体であって、レンズＬ１、Ｌ２を保持する。レンズＬ１、Ｌ２らは、光軸ＡＸに沿って順次配置されている。レンズホルダ３１は、黒色の樹脂が金型等で成型されることで製造される。

レンズＬ１、Ｌ２は、レンズホルダ３１の開口への圧入によってレンズホルダ３１に組み込まれている。具体的には、レンズホルダ３１の開口径をレンズＬ１、Ｌ２の径と同程度に設定し、レンズＬ１、Ｌ２をレンズホルダ３１の開口内に圧力をかけて入れ込む。このようにして、レンズホルダ３１に対してレンズＬ１、Ｌ２は組み込まれる。なお、図１では、レンズホルダ３１によるレンズＬ１、Ｌ２の保持態様を簡略化して表示している。

レンズホルダ３１は、レンズＬ１、Ｌ２から離間する方向へ存在する平板部（支持部）３２を有する。平板部３２は、伝達軸４４の径よりも若干大きい径の開口を有する。平板部３２の開口へ伝達軸４４を挿入し、両者を接着剤４３によって固着させる。このようにして、平板部３２に伝達軸４４が取り付けられる。

伝達軸４４は、その上端部分で平板部３２ａにより移動不能に保持され、その下端部分で平板部３２ｂにより移動不能に保持されている。平板部３２と伝達軸４４間は、接着剤４３により固着されている。なお、平板部３２ａ、３２ｂに用いる接着剤４３は、ショアＤ８０以上の硬い接着剤（例えば、エポキシ樹脂等）が好ましい。硬度の低い接着剤では共振周波数が低周波数域となり、動作に影響を与えるからである。

係合部４５は、ケース５０の側壁部５０ｂの内壁に固設されている。係合部４５は、伝達軸４４をケース５０に対して摩擦係合させる。なお、摩擦係合とは、摺動可能な状態で係合している状態に等しい。なお、係合部４５は、ケース５０と一体であっても別体であっても良い。

図２に伝達軸４４と係合部４５間の係合状態を示す。係合部４５は、伝達軸４４を受け入れる軸受け部を有し、軸受け部に受け入れられた伝達軸４４を後述の付勢機構によって付勢する。図２（ａ）は、付勢状態を説明するための説明図であり、図２（ｂ）は押え板と伝達軸４４の当接状態を説明するための説明図である。

図２（ａ）に示すように、係合部４５は、平板部４８に形成された開口内に、押え板（押圧部材）４６及びバネ（付勢部材、弾性部材）４７を有する。

図２（ｂ）に示すように、押え板４６ａは、上面視形状がくの字状の部材である。押え板４６ａは、伝達軸４４に対して２点で当接する。押え板４６ａは、例えば金属からなる。押え板４６ｂは、押え板４６ａと同様の構成を有する。押え板４６ａと伝達軸４４の間には空間ＯＰ５が形成される。押え板４６ｂと伝達軸４４との間には空間ＯＰ６が形成される。

バネ４７は、押え板４６ｂを外側から内側へ付勢する。バネ４７によって付勢された押え板４６ｂは、伝達軸４４と押え板４６ａを内側へ押圧する。このようにして伝達軸４４と係合部４５が摩擦係合し、レンズホルダ３１と伝達軸４４が摩擦係合する。

なお、図１に示す配線基板１０は、イメージセンサ１２に入力される制御信号、及びイメージセンサ１２から出力されるビデオ信号の伝送路として機能する。また、配線基板１０は、ピエゾ素子４２に入力される電圧信号（電圧波形）の伝送路として機能する。なお、ここでは、黒色の配線基板１０を採用することで、カメラモジュール１５０内に迷光が侵入することを抑制している。配線基板１０としてフレキシブル配線基板を採用しても良い。

次に、図３を参照して、カメラモジュール１５０を動作させるためのシステム構成（アクチュエータの駆動部の構成）について説明する。図３に示すように、コントローラ８０の出力は、駆動電圧生成回路８１に接続される。駆動電圧生成回路８１の出力は、ピエゾ素子８２に接続される。なお、駆動電圧生成回路８１については、図５及び図６を参照して後述する。

コントローラ８０は、携帯電話９０（図１４参照）内に組み込まれたＣＰＵであり、プログラムを実行して様々な指令を生成する。コントローラ８０は、操作者による携帯電話９０の操作に応じて、カメラモジュールの機能を活性化する。駆動電圧生成回路８１は、コントローラ８０からの制御信号に応じて、ピエゾ素子８２に印加されるノコギリ状の駆動電圧を生成する。このとき、カメラモジュールのオートフォーカス機能はオン状態にあり、また撮像素子も撮像モードになっている。なお、ピエゾ素子８２は、上述のピエゾ素子４２に対応する。

上述の点を前提としたうえで、図４を参照して、カメラモジュール１５０の動作（特にそのレンズホルダ３１を変位させる動作）について説明する。ここでは、ノコギリ歯波形の駆動電圧（以下、単に駆動波形と呼ぶこともある）をピエゾ素子４２に印加する。なお、駆動電圧の波形はノコギリ波状に限定されるべきではない。

はじめに、図４（ａ）に示す駆動波形をピエゾ素子４２に印加する場合について説明する。なお、図４（ａ）に示す場合、駆動波形は、立ち上がり期間ＴＲ１は、立ち下がり期間ＴＲ２に比べて短い。

駆動波形の立ち上がり期間ＴＲ１に、レンズホルダ３１は前方に変位する。他方、駆動波形の立ち下がり期間ＴＲ２に、レンズホルダ３１は変位しない。立ち上がり期間ＴＲ１が立ち下がり期間ＴＲ２よりも短い駆動波形をピエゾ素子４２に印加することによってレンズホルダ３１を順方向（物体側）に変位させることができる。

次に、図４（ｂ）に示す駆動波形をピエゾ素子４２に印加する場合について説明する。なお、図４（ｂ）に示す場合、駆動波形は、立ち上がり期間ＴＲ３は、立ち下がり期間ＴＲ４に比べて長い。

駆動波形の立ち上がり期間ＴＲ３に、レンズホルダ３１は変位しない。他方、駆動波形の立ち下がり期間ＴＲ４に、レンズホルダ３１は後方に変位する。立ち上がり期間ＴＲ３が立ち下がり期間ＴＲ４よりも長い駆動波形をピエゾ素子４２に印加することによって、レンズホルダ３１を逆方向（撮像素子側）に変位させることができる。駆動波形は、立上がり信号の立上がり期間をT１、立下り信号の立下り期間をT２とした場合、次の関係式を満足すると良い。この点は、後述の説明から明らかである。
Ｍｉｎ（Ｔ１、Ｔ２）／（Ｔ１＋Ｔ２）≦０．１

図５及び図６を参照して、駆動電圧生成回路８１の回路及びその動作について説明する。

図５に示すように、駆動電圧生成回路８１は、スイッチング信号生成回路（パルス信号生成回路）８５、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４、電流源ＣＳ１、ＣＳ２、及び電源ＰＳを有する。なお、スイッチング信号生成回路８５には、コントローラ８０の出力が接続される。

電源ＰＳと接地電位ＧＮＤ間には、スイッチＳＷ１、電流源ＣＳ１、スイッチＳＷ２が直列に接続される。電源ＰＳと接地電位ＧＮＤ間には、スイッチＳＷ３、電流源ＣＳ２、スイッチＳＷ４が直列に接続される。電流源ＣＳ１とスイッチＳＷ２間の節点は、スイッチＳＷ３と電流源ＣＳ２間の節点に接続される。また、電流源ＣＳ１とスイッチＳＷ２間の節点及びスイッチＳＷ３と電流源ＣＳ２間の節点は、ピエゾ素子ＰＺの一端に接続される。ピエゾ素子ＰＺの他端は、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ４、及び接地電位ＧＮＤに接続される。なお、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、ＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ等のスイッチング素子である。

スイッチＳＷ１〜ＳＷ４の動作状態は、図６に示すようにスイッチング信号生成回路８５によって制御される。スイッチング信号生成回路８５は、端子Ｔ１〜Ｔ４を有する。各端子Ｔ１〜Ｔ４から出力されるスイッチング信号ＶＳ１〜ＶＳ４によってスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の動作状態が決定付けられる。例えば、スイッチング信号がハイレベルのとき、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がオン状態となる。スイッチング信号がローレベルのとき、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がオフ状態となる。

図６に示す第１状態のとき、ピエゾ素子ＰＺは電流源ＣＳ１によって急速に充電される。第２状態のとき、ピエゾ素子ＰＺは、緩慢に放電する。第３状態のとき、ピエゾ素子ＰＺは、電流源ＣＳ１、ＣＳ２によって、緩慢に充電される。第４状態のとき、ピエゾ素子ＰＺは、急速に放電する。第１状態と第２状態間を繰り返し切り替えることで、レンズホルダ３１は順方向に変位する。第３状態と第４状態間を繰り返し切り替えることで、レンズホルダ３１は逆方向に変位する。

図７乃至図１０を参照してアクチュエータの動作制御について更に説明する。

図７に示すように、スイッチング信号生成回路８５の端子Ｔ１からのスイッチング信号ＶＳ１がスイッチＳＷ１に供給され、端子Ｔ２からのスイッチング信号ＶＳ２がスイッチＳＷ２に供給される。これに応じて駆動電圧ＶＷ１がピエゾ素子ＰＺに印加される。これに応じて、レンズホルダ３１は、順方向に変位する。図７では、レンズホルダ３１の変位を矢印で模式的に示している。すなわち、レンズホルダ３１は、時刻ｔ１と時刻ｔ２間に変位し、時刻ｔ２と時刻ｔ３間には変位しない。他の期間についても同様である。

なお、スイッチング信号ＶＳ１とスイッチング信号ＶＳ２は、互いに反転した関係にある。一方のスイッチング信号は、他方のスイッチング信号を反転して生成すれば良いため、スイッチング信号生成回路の回路構成を簡素化することができる。また、時刻ｔ１と時刻ｔ２間の時間間隔は、時刻ｔ２と時刻ｔ３間の時間間隔よりも十分に短い。この点は、後述のデューティー比に関する説明から明らかである。

本実施形態では、スイッチング信号ＶＳ１、ＶＳ２に含まれるスイッチングパルスＳＰの供給時期に対応する時期にレンズホルダ３１は変位する。発明者らの検討によれば、図８に示すように、ピエゾ素子４２の伸縮とレンズホルダ３１の変位とが連関している。時刻ｔ２０（図７の時刻ｔ１に対応）と時刻ｔ２１（図７の時刻ｔ２に対応）間は、駆動電圧ＶＷ１は急峻に立ち上がる。駆動電圧ＶＷ１の立ち上がりに応じて、ピエゾ素子ＰＺは伸張する。ピエゾ素子ＰＺの伸張に応じてレンズホルダ３１は係合部４５から離間する方向に変位する。時刻ｔ２１以降時刻ｔ２５（図７の時刻ｔ３に対応）の間は、駆動電圧ＶＷ１は緩慢に立ち下がる。駆動電圧ＶＷ１の立ち下がりに応じて、ピエゾ素子４２は、比較的緩慢に収縮する。このとき、ピエゾ素子ＰＺは、その慣性によってその場に居留まる。

上述の説明から明らかなように、本実施形態に係るアクチュエータでは、ピエゾ素子４２が急激に伸張するときにレンズホルダ３１が係合部４５に対して変位する。換言すると、ピエゾ素子４２が緩慢に収縮するとき、レンズホルダ３１は、係合部４５に対して変位しない。この場合、レンズホルダ３１を効率的に変位させるためには、スイッチングパルスＳＰのパルス幅を狭めることによってピエゾ素子４２を短時間に伸張させると良い、と考察できる。ピエゾ素子４２に蓄積された電流の放電時間を確保することが必要である点を考慮すれば、スイッチング信号のデューティー比を小さく設定すると良い、と考察できる。

より具体的には、図９に示すように、スイッチング信号のデューティー比をα％からβ％（但し、β％＜α％とする）に設定することによって、レンズホルダ３１を効率的に変位させることができる、と考察できる。レンズホルダ３１を効率的に変位させることで、レンズホルダ３１を高速に変位させることが可能になる。なお、デューティー比Ｄは、パルス幅／周期によって算出することができる。図９（ａ）に示すように、ｔａ／Ｔａ＝αにより算出される。図９（ｂ）に示すように、ｔｂ／Ｔｂ＝βにより算出される。ｔａ、ｔｂは、パルス巾である。Ｔａ、Ｔｂは、周期である。

図１０を参照して、スイッチング信号の設定について説明する。なお、図１０では、スイッチング信号のデューティー比を４％〜４０％とした。また、スイッチング信号の周波数を４０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲とした。デューティー比を２％以下とすると、ピエゾ素子に印加される駆動電圧のレベルが低下することが予想される。従って、ここでは、デューティー比を２％以上の値（つまり、最低デューティー比＝４％）とした。

なお、試験結果については、○△×の三段階で評価している。○＞△＞×の順でアクチュエータの特性が良くなる。○の場合、アクチュエータは動作速度１ｍｍ／ｓ以上の高速度で問題なく動作する。△の場合、○の場合と比較して、アクチュエータの動作特性が劣化する。×の場合、アクチュエータの通常の動作を確保することが難しい。

図１０に示すように、本実施形態に係るアクチュエータの試作評価結果によれば、スイッチング信号のデューティー比Ｄが２５％であれば、適切な周波数を選定することを条件としてアクチュエータを通常動作させることができる。デューティー比Ｄが３０％を超える場合と比較して、駆動電圧の波形が急峻になり、効率的にレンズホルダ３１を変位させることが可能になる。

より好ましくは、スイッチング信号のデューティー比Ｄは、２０％であれば良い。これによって、上述と同様の効果に加えて、選択可能な周波数帯域を拡大することができる。選択可能な周波数帯域の拡大によって設計時の自由度が向上する。また、実際に生成されるスイッチング信号の周波数の変動による悪影響（歩留まりの劣化等）を回避することができる。

更により好ましくは、スイッチング信号のデューティー比Ｄは、１５％であれば良い。これによって、上述と同様の効果に加えて、選択可能な周波数帯域を更に拡大することができ、上述と同様の効果を得ることができる。

更により好ましくは、スイッチング信号のデューティー比Ｄは、１０％以下であれば良い。これによって、上述と同様の効果に加えて、選択可能な周波数帯域を更に拡大することができ、上述と同様の効果を得ることができる。

更に好ましくは、スイッチング信号のデューティー比Ｄは、８％以下であれば良い。これによって、上述と同様の効果に加えて、選択可能な周波数帯域を更に拡大することができ、上述と同様の効果を得ることができる。今回の試験では、３００ｋＨｚ程度まで正常動作を確認できた。

更に好ましくは、スイッチング信号のデューティー比Ｄは、６％以下であれば良い。これによって、上述と同様の効果に加えて、選択可能な周波数帯域を更に拡大することができ、上述と同様の効果を得ることができる。なお、図１０に示す結果は、順方向へのレンズホルダ３１の変位を前提としている。逆方向へレンズホルダ３１を変位させる場合、デューティー比Ｄは異なる値となる。例えば、順方向時に適用されるデューティー比Ｄ＝１０％と同様の結果を得るため、逆方向時にはデューティー比Ｄ＝９０％と設定する。

上述の説明から明かなように、スイッチング信号のデューティー比Ｄを小さく設定することで、レンズホルダ３１を効率的に変位させることができることに加えて、選択可能な周波数帯域を顕著に拡大することができる。選択可能な周波数帯域の拡大によって設計時の自由度が向上する。また、実際に生成されるスイッチング信号の周波数の変動による悪影響（歩留まりの劣化等）を回避することができる。スイッチング信号ＶＳ１、ＶＳ２を高周波帯域に設定すれば、従来よりも高速にレンズホルダ３１を変位させることができる。これによって、アクチュエータの動作特性を向上させることができる。

本実施形態では、デューティー比が１０％（Ｄ≦１０％）以下のスイッチング信号に基づいて駆動電圧ＶＷ１を生成し、この駆動電圧ＶＷ１によってピエゾ素子ＰＺを駆動する。これによって、高速かつ効率的にレンズホルダ３１を変位させ、かつ適用可能な周波数帯域を拡大することができる。

なお、図７に模式的に示すように、デューティー比Ｄは、Ｄ＝Ｄ２／Ｄ１×１００によって算出される。但し、Ｄ２は、スイッチングパルスＳＰのパルス幅に対応する。Ｄ１は、スイッチングパルスＳＰの周期に対応する。

また、上述の説明から明らかなように、本実施形態では、レンズホルダ３１、ピエゾ素子４２、及び伝達軸４４をケース５０に対して可動とする。換言すると、レンズホルダ３１、ピエゾ素子４２、及び伝達軸４４を可動部ＭＵとする。これによって、共振周波数を高周波側へシフトさせることができ、連続した使用可能周波数帯域を得ることができる。スイッチング信号を適切なデューティー比に設定することで、更に、連続した使用可能周波数帯域を得ることができる。また、レンズホルダ３１が変位する急峻な立ち上がり信号或いは急峻な立ち下がり信号の立ち上がり度合いや立ち下がり度合いを急にすることによって、変位動作時の伝達軸４４と係合部４５間のすべりを減少させ、高効率な動作を得ることができる。スイッチング信号の周波数を高周波側へシフトさせることで、レンズを高速に変位させることが可能になる。

選択可能な周波数帯域が狭い場合には、ピエゾ素子単体特性のバラツキ、アクチュエータの動作環境の変化などによって動作周波数が選択した周波数帯域からはずれるような原因によって、レンズホルダ３１を変位させることが困難になるおそれがある。他方、本実施形態では、選択可能な周波数帯域自体が拡大されている。従って、何らかの予期しない原因によって選択した周波数が共振周波数帯に含まれることを効果的に抑制することができる。

以下、図１１及び図１２を参照して、比較例について説明する。なお、図１２では、図１０の場合と同様にして、アクチュエータの動作結果を評価している。なお、比較例の場合も、図５と同様の回路を採用するものとする。

図１１に比較例に係るカメラモジュールを示す。図１１に示すように、可動部ＭＵは、レンズホルダ３１と係合部４５で形成される。また、伝達軸４４は、その上端がケース５０に固着し、ケース５０に対して移動不能である。係合部４５は、伝達軸４４に対して摩擦係合している。

比較例と本実施形態とを比較した場合、ノコギリ歯状の駆動電圧ＶＷ１でピエゾ素子ＰＺを駆動する点は一致する。しかしながら、両者の間では、駆動電圧ＶＷ１の波形とレンズホルダ３１が変位するタイミングとの関係が異なる。すなわち、本実施形態の場合には、駆動電圧ＶＷ１の波形が短時間で変化する時にレンズホルダ３１が変位するが、比較例の場合、駆動電圧ＶＷ１の波形が緩慢に変化する時にレンズホルダ３１が変位する。従って、比較例の場合、駆動電圧ＶＷ１の波形が緩慢に変化する期間を十分に確保することが要求される。この場合、スイッチング信号のデューティー比を小さく設定することは特に意義はない。比較例の場合には、駆動電圧ＶＷ１の波形が急峻に変化する場合、レンズホルダ３１は実質的に変位しないためである。

図１２に示すように、比較例の場合、スイッチング信号のデューティー比の選択範囲が狭い。また、スイッチング信号の周波数の選択範囲が狭い。選択可能な周波数帯域が狭いのは、比較例の場合、伝達軸４４がケース５０に連結し、ケース５０を含む系によって共振が生じるためである。

図１３に示すように、本実施形態の場合、比較例の場合と比較して、所望のデューティー比にスイッチング信号を設定した条件で、スイッチング信号の周波数帯域を拡大することができる。これは、本実施形態の場合、共振周波数が高周波側にシフトしているためである。本実施形態では、比較例の場合と比較して、スイッチング信号をより高い周波数に設定することができる。これによって、レンズホルダ３１を高速に変位させることができる。

選択可能な周波数帯域が狭い場合には、ピエゾ素子単体特性のバラツキ、アクチュエータの動作環境の変化などによって動作周波数が選択した周波数帯域からはずれるような原因によって、レンズホルダ３１を変位させることが困難になるおそれがある。他方、本実施形態では、選択可能な周波数帯域自体が拡大されている。従って、何らかの予期しない原因によって選択した周波数が共振周波数帯に含まれることを効果的に抑制することができる。

共振周波数は、筐体の形状、重量、及び圧電素子と筐体間の接着状態に依存する。駆動装置が組み込まれる製品ごとに共振周波数が異なる場合がある。共振周波数が存在する帯域では、アクチュエータを正確に制御することが困難になるおそれがある。換言すると、アクチュエータが正常に機能するか否かの判断は、製品にアクチュエータを組み込むことを待たなければならない。スイッチング信号の周波数の設定誤りによっては、製品の歩留まりが低下してしまうおそれがある。本実施形態では、このような問題が生じることも効果的に抑制することができる。

最後に、本実施形態に係るカメラモジュール１５０が組み込まれる携帯電話９０について図１４及び図１５を参照して説明する。

カメラモジュール１５０は、図１４に示す携帯電話（電子機器）９０に組み込まれる。

図１４に示すように、携帯電話９０は、上側本体（第１部材）９１、下側本体（第２部材）９２、及びヒンジ９３を有する。上側本体９１と下側本体９２とは、共にプラスチック製の平板部材であって、ヒンジ９３を介して連結される。上側本体９１と下側本体９２とはヒンジ９３によって開閉自在に構成される。上側本体９１と下側本体９２とが閉じた状態のとき、携帯電話９０は上側本体９１と下側本体９２とが重ね合わされた平板状の部材になる。

上側本体９１は、その内面に表示部９４を有する。表示部９４には、着信相手を特定する情報（名前、電話番号）、携帯電話９０の記憶部に格納されたアドレス帳等が表示される。表示部９４の下には液晶表示装置が組み込まれている。

下側本体９２は、その内面に複数のボタン９５を有する。携帯電話９０の操作者は、ボタン９５を操作することによって、アドレス帳を開いたり、電話を掛けたり、マナーモードに設定したりし、携帯電話９０を意図したように操作する。携帯電話９０の操作者は、このボタン９５を操作することに基づいて、携帯電話９０内のカメラモジュール１５０を起動する。

図１５に、携帯電話９０の前面（上面）の構成を示す。図１５に示すように、上側本体９１の前面には、表示領域９６が形成されている。表示領域９６に配置されたＬＥＤが発光することで着信状態を操作者に報知することができる。上側本体９１の前面の領域９７には、上述のカメラモジュール１５０が組み込まれる。

本発明の技術的範囲は上述の実施形態に限定されない。駆動電圧の波形は、任意であり、ノコギリ状に限定されるべきではない。駆動電圧の波形は、急峻に電圧値が変化する部分を有していれば良い。駆動電圧の波形が急峻に変化する方向は、正の方向であっても、負の方向であっても良い。駆動軸の具体的な形状は任意である。移動対象物は、レンズに限定されるべきではない。レンズ以外の部品を移動させても良い。

本発明の第１の実施形態にかかるカメラモジュールの概略的構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態にかかる係合部の概略的な構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態にかかる駆動部の概略的な構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態にかかる圧電素子に入力される電圧波形を示す概略的な波形図である。 本発明の第１の実施形態にかかる駆動電圧生成回路の概略的な回路図である。 本発明の第１の実施形態にかかる駆動電圧生成回路の動作を説明するための表である。 本発明の第１の実施形態にかかる信号波形とレンズの移動状態との関係を示す概略的なタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態にかかるピエゾ素子の伸縮とレンズホルダの変位との関係を示す概略的な説明図である。 本発明の第１の実施形態にかかるスイッチング信号のデューティー比の調整がレンズホルダの変位に与える影響を説明するための説明図である。 本発明の第１の実施形態にかかるアクチュエータの動作状態を評価した結果を示す表である。 本発明の第１の実施形態の比較例に係るカメラモジュールを示す概略図である。 本発明の第１の実施形態の比較例に係るアクチュエータの動作状態を評価した結果を示す表である。 アクチュエータのタイプ毎のレンズ移動特性を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る携帯電話の概略的な構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る携帯電話の前面の概略的な構成を示す模式図である。

１５０ カメラモジュール
１０ フレキシブル配線基板
１２ イメージセンサ
１２ａ 画素配置領域
３１ レンズホルダ
３２ 平板部
４２ ピエゾ素子
４３ 接着剤
４４ 伝達軸
４５ 係合部
４６ 押え板
４７ バネ
４８ 平板部
５０ ケース

８０ コントローラ
８１ 駆動電圧生成回路
８２ ピエゾ素子
ＶＳ１ スイッチング信号（パルス信号）
ＶＳ２ スイッチング信号（パルス信号）
ＶＷ１ 駆動電圧

ＰＳ 電源
ＰＺ ピエゾ素子
ＳＷ１-ＳＷ４ スイッチ
ＣＳ１ 電流源
ＣＳ２ 電流源

Claims (8)

1. 圧電素子及び駆動軸が連結した連結体と、
   前記駆動軸の長手方向に沿って摺動可能な状態で直接的又は間接的に前記駆動軸が係合した固定側部材と、
   前記圧電素子に対する駆動電圧の印加に応じて前記固定側部材に対して前記連結体と共に変位する被駆動部材と、
   を備え、
   前記被駆動部材は、前記駆動電圧の電圧値が相対的に短時間に第１電圧レベルと第２電圧レベル間を変化する第１期間に前記固定側部材に対して変位し、前記駆動電圧の電圧値が相対的に長い時間をかけて前記第１電圧レベルと前記第２電圧レベル間を変化する第２期間に前記固定側部材に対して実質的に変位しない、駆動装置。
2. 前記固定側部材は、前記被駆動部材を少なくとも部分的に外囲する外囲器であることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記被駆動部材と前記外囲器とは、前記駆動軸に対して摺動可能に係合する係合部を少なくとも介して互いに連結していることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記駆動電圧は、デューティー比が１０％以下のパルス信号に基づいて生成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の駆動装置。
5. 前記被駆動部材は、レンズ保持体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の駆動装置。
6. 請求項５に記載の駆動装置と、
   前記レンズ保持体が保持するレンズを介して入力する像を撮像する撮像素子と、
   を備える、カメラモジュール。
7. 圧電素子及び駆動軸が連結した連結体と、
   前記駆動軸の長手方向に沿って摺動可能な状態で直接的又は間接的に前記駆動軸が係合した固定側部材と、
   前記圧電素子に対する駆動電圧の印加に応じて前記固定側部材に対して前記連結体と共に変位する被駆動部材と、
   を備え、
   前記被駆動部材は、前記圧電素子を相対的に短い時間で伸縮させたとき前記固定側部材に対して変位し、前記圧電素子を相対的に長い時間で伸縮させたとき前記固定側部材に対して実質的に変位しない、駆動装置。
8. 圧電素子及び駆動軸が連結した連結体と、
   前記駆動軸の長手方向に沿って摺動可能な状態で直接的又は間接的に前記駆動軸が係合した固定側部材と、
   前記圧電素子に対する駆動電圧の印加に応じて前記固定側部材に対して前記連結体と共に変位する被駆動部材と、
   を備える駆動装置の制御方法であって、
   相対的に短時間に第１電圧レベルと第２電圧レベル間で前記駆動電圧の電圧値を変化させることで前記固定側部材に対して前記被駆動部材を変位させ、
   相対的に長い時間をかけて前記第１電圧レベルと前記第２電圧レベル間で前記駆動電圧の電圧値を変化させることで前記固定側部材に対して前記被駆動部材を実質的に変位させない、駆動装置の制御方法。

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