JP2012159046A - アクチュエータの駆動装置およびレンズ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】形状記憶合金（ＳＭＡ）を用いたアクチュエータの駆動装置において、さらなる低消費電力化を達成したアクチュエータの駆動装置を提供する。
【解決手段】ＰＮＰトランジスタ１０１からＳＭＡアクチュエータ３に電流を供給する電流回路と、ＳＭＡアクチュエータ３に直列に接続された検出抵抗Ｒ５と、検出抵抗Ｒ５による電圧の分圧によりＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値に対応した電圧を検出し、該検出電圧を増幅する増幅回路２００と、増幅回路２００の出力電圧に基づいてパルス幅変調したパルス信号により、ＰＮＰトランジスタ１０１のオン、オフ制御を行うパルス幅変調回路１１０とを備えている。
【選択図】図８

Description

本発明は、形状記憶合金を用いたアクチュエータの駆動装置およびそれによって駆動されるレンズ駆動装置に関する。

近年、カメラ付き携帯電話機等に搭載される撮像素子の画素数が増大する等、高画質化が飛躍的に進んでおり、これに伴い、画像撮影という基本機能に加えて、フォーカス機能やズーム機能等を付加することが求められている。

これらの機能を付加するには、レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動装置が必要であり、最近では、形状記憶合金（Shape Memory Alloy：ＳＭＡ）をアクチュエータに用いたレンズ駆動装置が考案されている。この装置は、ＳＭＡに通電するなどして加熱し、加熱による収縮力を発生させて、当該収縮力をレンズ駆動力として利用するもので、小型化、軽量化が容易かつ比較的大きな駆動力を得ることができるという利点がある。

また、ＳＭＡは、その抵抗値が収縮量によって変化するという特性がある。具体的には長さが１％縮むと、抵抗値は５〜６％小さくなるという特性を有している。従って、これをアクチュエータとして利用した場合、被駆動物の位置を検出するための位置センサを設けずとも、その位置を知ることができるという利点も有している。

すなわち、ＳＭＡを用いたアクチュエータでは、駆動時のＳＭＡの抵抗値を測定することにより、当該アクチュエータによって駆動する被駆動物の現在位置を知ることができる。

このように、ＳＭＡの抵抗値を測定して、その値から被駆動物の現在位置を取得する技術は、例えば特許文献１に開示されている。

この特許文献１においては、ＳＭＡの抵抗値に基づいて環境温度を検知したり、検知した環境温度により、ＳＭＡの駆動特性を変更する技術も開示されている。

また、特許文献２においては、ＳＭＡの抵抗値を検出するためにＳＭＡに直列に電圧検出のための検出抵抗を接続し、ＳＭＡを駆動させる場合は検出抵抗に電流を流さず、電圧検出に際してのみ検出抵抗に電流を流す構成が開示されている。

特開２００８−２７４８９８号公報 特開２０１０−１２８５５２号公報

以上説明したように、ＳＭＡの抵抗値を測定して、その値から被駆動物の現在位置を取得する技術は周知であり、ＳＭＡの抵抗値を測定するには、ＳＭＡに定電流（Ｉ）を流した時のＳＭＡ両端の電圧（Ｖ）を測定し、Ｒ＝Ｖ／Ｉの式から抵抗値（Ｒ）を求める方法が最も簡単で一般的である。

従って、抵抗値を検出するという観点から、ＳＭＡの駆動回路としては定電流回路が適しており、その電流量を制御するためにはＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御等が必要となる。

一方、携帯電話等のバッテリーを電源とする小型機器のアクチュエータにおいては、電源電圧は数ボルトと低電圧のものが多く、消費電力をより低く抑えることが要求されているが、定電流回路では駆動用トランジスタのコレクタ損失が大きく、これまでは、低消費電力化が十分達成されていなかった。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、ＳＭＡを用いたアクチュエータの駆動装置において、さらなる低消費電力化を達成したアクチュエータの駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係るアクチュエータの駆動装置の第１の態様は、形状記憶合金ワイヤで構成され、該形状記憶合金ワイヤに電流を流すことで発生する熱に応じて前記形状記憶合金ワイヤが伸縮することに連動して、被駆動物を駆動するアクチュエータの駆動装置であって、電流源トランジスタから前記形状記憶合金ワイヤに電流を供給する電流回路と、前記形状記憶合金ワイヤに直列に接続された抵抗素子と、前記抵抗素子による電圧の分圧により前記形状記憶合金ワイヤの抵抗値に対応した電圧を検出し、該検出電圧を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の出力電圧に基づいてパルス幅変調したパルス信号により、前記電流源トランジスタのオン、オフ制御を行うパルス幅変調回路とを備えている。

本発明に係るアクチュエータの駆動装置の第２の態様は、前記パルス幅変調回路が、前記被駆動物の駆動量を設定する目標位置電圧と、前記検出電圧との差に基づいてパルス出力のデューティ比を決める。

本発明に係るアクチュエータの駆動装置の第３の態様は、前記形状記憶合金ワイヤの抵抗値に対する前記抵抗素子の抵抗値の比が、１０：１〜２０：１となるように前記抵抗素子の抵抗値を設定する。

本発明に係るレンズ駆動装置は、レンズユニットと、前記レンズユニットを移動する形状記憶合金ワイヤで構成された形状記憶合金アクチュエータとを備えたレンズ駆動装置であって、第１ないし第３の態様の何れか１つに記載のアクチュエータの駆動装置によって前記形状記憶合金アクチュエータが駆動される。

本発明に係るアクチュエータの駆動装置の第１の態様によれば、さらなる低消費電力化を達成することができる。

本発明に係るアクチュエータの駆動装置の第２の態様によれば、フィードバック制御に適したパルス出力を得ることができる。

本発明に係るアクチュエータの駆動装置の第３の態様によれば、消費電力の増加を抑制することができる。

本発明に係るレンズ駆動装置の態様によれば、さらなる低消費電力化を達成することができる。

ＳＭＡアクチュエータを駆動源とするレンズ駆動装置の構成を概略的に示す平面図である。 ＳＭＡアクチュエータを駆動源とするレンズ駆動装置の構成を概略的に示す側面図である。 ＳＭＡアクチュエータを駆動源とするレンズ駆動装置の構成を概略的に示す側面図である。 一般的な定電流回路の構成の一例を示す図である。 本発明に係るアクチュエータの駆動装置に使用される増幅回路の構成を示す図である。 検出電圧と差動増幅器の出力電圧との関係を示す図である。 レンズユニットのオートフォーカス動作における駆動量に対する抵抗値の特性を示す図である。 本発明に係るアクチュエータの駆動装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。 サンプルホールド回路、タイミング発生回路およびパルス幅変調回路の基本動作を説明するフローチャートである。

＜レンズ駆動装置の構成＞
発明に実施の形態の説明に先立って、ＳＭＡを用いたアクチュエータ（ＳＭＡアクチュエータ）の適用例について図１〜図３を用いて説明する。

図１および図２は、ＳＭＡを用いたアクチュエータを駆動源とするレンズ駆動装置１００の主要構成部分を概略的に示しており、図１は、レンズ側から見た平面図であり、図２および図３は、図１における矢示Ａ方向から見た側面図を示している。なお、図２は、駆動前の状態を、図３は、駆動後の状態を表している。

このレンズ駆動装置１００は、主に、レンズユニット１（被駆動物）、このレンズユニット１を光軸ＡＸ方向（第１軸方向）に移動させるレバー部材２、ＳＭＡアクチュエータ３、ベース部材４、天板５、平行板バネ６ａ，６ｂおよびバイアスバネ７等を備え、ベース部材４に対してレンズユニット１等が組み付けられた構成となっている。天板５および平行板バネ６ａ，６ｂは、便宜上、図１では省略している。なお、レンズ駆動装置１００は、バッテリー駆動の携帯機器に搭載されるものである。

ベース部材４は、レンズ駆動装置１００の取り付け対象となる部材（例えば携帯電話機のフレームやマウント基板等）に固定されるものであり、レンズ駆動装置１００の底辺を構成する不動の部材である。このベース部材４は、平面視正方形の板状に形成され、全体が樹脂材料等により構成されている。なお、ベース部材４には、撮像センサが取付けられるが、図示は省略している。

レンズユニット１は円筒形を有し、撮像レンズ１０と、この撮像レンズ１０を保持するレンズ駆動枠１２と、該レンズ駆動枠１２が収納される鏡筒１４とから構成されている。撮像レンズ１０は、対物レンズ、フォーカスレンズ、ズームレンズ等を有し、図外の撮像素子に対する被写体像の結像光学系を構成している。レンズ駆動枠１２は、所謂玉枠であって、鏡筒１４と共に光軸ＡＸ方向に移動する。レンズ駆動枠１２の対物側先端の外周縁部には、周方向に１８０°の角度差を有して一対の支持部１６が突設されている。

レンズユニット１は、天板５に形成される開口部分に挿入された状態でベース部材４上に配置されている。詳しくは、一対の支持部１６がベース部材４の一対の対角の近傍に位置するように配置されている（図１参照）。

ベース部材４および天板５には、それぞれ平行板バネ６ａ，６ｂが固定されており、これら平行板バネ６ａ，６ｂにレンズユニット１が固定されている。これによってレンズユニット１がベース部材４等に対して変位可能に支持されると共に、その変位自由度が、光軸ＡＸに沿った方向に規制されている。なお、天板５は、ベース部材４に対して図外の支柱等を介して固定しても良いし、ベース部材４と一体となる構造でも良い。

レバー部材２は、支持部１６を介してレンズユニット１に係合することによってレンズユニット１に光軸ＡＸ方向の駆動力を付与するものである。

このレバー部材２は、レンズユニット１の側方、具体的には、ベース部材４の角部であってレンズユニット１の支持部１６が位置する角部以外の一の角部に設置されている。このレバー部材２は、光軸ＡＸと直交し、かつ一対の支持部１６の並び方向（図１では上下方向）に延びる軸線回りに揺動可能に支持されている。

図２に示すように、レバー部材２は、アーム部分２１と、このアーム部分２１の基端部分から光軸ＡＸ方向に延びる延設部分２２とを有した側面視逆Ｌ字型の形状を有しており、アーム部分２１と延設部分２２との境となる屈曲部分が、ベース部材４に立設された支持脚８の先端で支持されることによってベース部材４上に支持されている。

支持脚８の先端（以下、レバー支持部８ａという）の形状は、光軸ＡＸ方向と直交する方向（図２の紙面と直交する方向）に延びる略円柱形状とされている。これにより、レバー部材２が、当該レバー支持部８ａを支点として光軸ＡＸ方向と直交する軸線回りに揺動可能に支持されている。

アーム部分２１は平面視で円弧状に形成されている。詳しくは、図１に示すように、延設部分２２からからレンズユニット１の両側に二股に分かれて当該レンズユニット１の外周面に近接してそれぞれ均等に延び、全体としてレンズユニット１の片側半分を包囲するように形成されている。アーム部分２１の先端（両端）は、それぞれレンズユニット１の各支持部１６の位置に達している。そして、延設部分２２にＳＭＡアクチュエータ３が架け渡され、この架け渡し位置（変位入力部２ａという）に光軸ＡＸ方向と直交する方向（第２軸方向：図２の左右方向）の移動力Ｆ１（図３参照）が入力されることにより、レバー部材２が揺動する。この揺動に伴いアーム部分２１の先端（変位出力部２ｂという）が光軸ＡＸ方向に変位し、当該変位出力部２ｂが各支持部１６に係合してレンズユニット１に光軸ＡＸ方向の駆動力が付与されることとなる。

ＳＭＡアクチュエータ３は、レバー部材２に対して移動力Ｆ１（図３参照）を付与するもので、例えばＮｉ−Ｔｉ合金等のＳＭＡワイヤで構成される線状アクチュエータである。このＳＭＡアクチュエータ３は、低温で弾性係数が低い状態（マルテンサイト相）において所定の張力を与えられることで伸長し、この伸長状態において熱が与えられると相変態して弾性係数が高い状態（オーステナイト相：母相）に移行し、伸長状態から元の長さに戻る（形状回復する）という性質を有している。

本例では、ＳＭＡアクチュエータ３を通電加熱することで、上述の相変態を行わせる構成が採用されている。すなわち、ＳＭＡアクチュエータ３は所定の抵抗値を有する導体であることから、当該ＳＭＡアクチュエータ３自身に通電することでジュール熱を発生させ、該ジュール熱に基づく自己発熱によりマルテンサイト相からオーステナイト相へ変態させる構成とされている。このため、ＳＭＡアクチュエータ３の両端には、通電加熱用の第１電極３０ａおよび第２電極３０ｂが固着されている。これら電極３０ａ，３０ｂはベース部材４に設けられる所定の電極固定部に固定されている。

ＳＭＡアクチュエータ３は、図１に示すように、レバー部材２の延設部分２２に係合する部分を折り返し地点として、電極３０ａおよび３０ｂの間に架け渡されている。かかる構成により、ＳＭＡアクチュエータ３が電極３０ａ，３０ｂを介して通電加熱され、作動（収縮）すると、レバー部材２に対して移動力Ｆ１（図３参照）が付与され、この移動力Ｆ１によりレバー部材２が揺動することとなる。

なお、電極３０ａ，３０ｂは、ベース部材４のうちレンズユニット１の支持部１６の近傍にそれぞれ配置されている。ＳＭＡアクチュエータ３のうち各電極３０ａ，３０ｂから折り返し地点までのそれぞれの長さは等しく設定されており、これによって変位入力部２ａ両側のＳＭＡアクチュエータ３の伸縮量が等しくなってＳＭＡアクチュエータ３作動時のレバー部材２とＳＭＡアクチュエータ３との擦れが防止される。また、延設部分２２にはＶ溝２１ａ（上記変位入力部２ａに相当する）が形成されており、当該Ｖ溝２１ａに嵌り込むようにＳＭＡアクチュエータ３が架け渡されることにより、レバー部材２に対してＳＭＡアクチュエータ３が安定的に懸架されている。

バイアスバネ７は、ＳＭＡアクチュエータ３の作動（収縮）により変位出力部２ｂが移動する向きとは逆向に、レンズユニット１を光軸ＡＸ方向に付勢するものである。このバイアスバネ７は、レンズ駆動枠１２の周縁サイズと略合致した径の圧縮コイルバネからなり、レンズ駆動枠１２の頂面に一端側（下端側）が当接している。なお、バイアスバネ７の他端側（上端側）は、図示しないカバー部材の内壁Ｎに当接される。

なお、ＳＭＡアクチュエータ３は、作動していない状態では、レンズユニット１（支持部１６）およびレバー部材２を介して作用するバイアスバネ７の押圧力を受けて緊張するようにその線長が設定されている。つまり、その作動状態に拘わらず、常にレバー部材２（アーム部分２１）をレンズユニット１（支持部１６）に当接（圧接）させるようにその線長が設定されている。この構成により、当実施形態では、支持脚８とレバー部材２とを直接連結することなく支持脚８の先端にレバー部材２を揺動可能に支持しており、また、ＳＭＡアクチュエータ３の作動時には、その変位を速やかに伝えて当該レバー部材２を揺動させる構成となっている。

＜一般的な定電流回路の構成＞
ＳＭＡの駆動回路としては定電流回路が適していることは先に説明したが、図４には一般的な定電流回路の構成の一例を示す。

図４において、電源電圧Ｖｃｃ（例えば３Ｖ）を供給する電源ラインＰＬと接地ラインＧＬとの間に、電源ラインＰＬ側から、ＰＮＰトランジスタ１０１（電流源トランジスタ）、ＳＭＡアクチュエータ３（抵抗値Ｒ_SMA）および抵抗Ｒ１１が直列に接続されている。ＳＭＡアクチュエータ３は、図１〜図３に示したレンズ駆動装置１００のＳＭＡアクチュエータ３に相当する。

そして、ＳＭＡアクチュエータ３と抵抗Ｒ１１との接続ノードはコンパレータ１０２の非反転入力（＋）に接続され、コンパレータ１０２の出力は、抵抗Ｒ１２を介して、ＰＮＰトランジスタ１０１のベースに接続されている。また、コンパレータ１０２の反転入力（−）には、基準電圧Ｖｒが与えられる構成となっている。なお、ＳＭＡアクチュエータ３の両端の電位差が、図示しない差動増幅器によって増幅され、ＰＷＭ制御回路に与えられるが、簡単化のため図示は省略している。

このような構成の定電流回路においては、抵抗Ｒ１１に発生する電圧Ｖ１と基準電圧Ｖｒとが等しくなるようにコンパレータ１０２とＰＮＰトランジスタ１０１とで帰還制御を行う。

ここで定電流Ｉは、Ｉ＝Ｖｒ／Ｒ１１で与えられ、Ｉ＝１００ｍＡの場合、Ｒ１１＝１Ω、Ｖｒ＝０．１Ｖに設定する。これは、基準電圧Ｖｒをできるだけ小さくして、抵抗Ｒ１１で消費される電力（無効電力）を小さくするための設定である。

ここで、ＳＭＡアクチュエータ３の上端の電圧Ｖａは、Ｖａ＝（Ｒ１１＋Ｒ_SMA）・Ｉ＝Ｖｒ＋Ｒ_SMA・Ｉとなり、電圧Ｖａは基準電圧Ｖｒと定電流Ｉが一定でも、抵抗値Ｒ_SMAにより変動する。しかし、この電圧Ｖａは、電源電圧Ｖｃｃを超えてはならず、超えると定電流が維持できなくなる。

一方、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値Ｒ_SMAは、ＳＭＡアクチュエータ３の個々のばらつきや、環境温度、経時変化等により１０％以上変動する。従って、定電流Ｉを固定値とした場合は、電圧Ｖａは抵抗値Ｒ_SMAのあらゆる条件下での最大値を考慮して、電源電圧Ｖｃｃよりも十分低くなるように設定する必要があるが、そうすると定電流Ｉの設定値は制限を受け、消費電力効率も低下する。定電流駆動にはこのような問題を含んでいる。

＜定電流駆動を採用しない場合の構成＞
ここで、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値を検出するには、ＳＭＡアクチュエータ３に直列に検出抵抗を入れる必要があり、検出抵抗を入れた分だけ消費電力が増えるので、検出抵抗の抵抗値は極力小さくすることが望ましい。しかし、抵抗値が小さくなると検出電圧も小さくなるので、検出電圧を増幅するための構成が必要となる。

以下、図５を用いて検出電圧の増幅回路２００の構成について説明する。図５において、電源電圧Ｖｃｃ（例えば３Ｖ）を供給する電源ラインＰＬと接地ラインＧＬとの間に、電源ラインＰＬ側から、ＰＮＰトランジスタ１０１（電流源トランジスタ）、ＳＭＡアクチュエータ３（抵抗値Ｒ_SMA）および抵抗Ｒ５が直列に接続されている。なお、ＰＮＰトランジスタ１０１のベースにはＰＷＭ制御のための制御信号が与えられるが、これについては後に説明する。

そして、ＳＭＡアクチュエータ３と抵抗Ｒ５との接続ノードは抵抗Ｒ２を介して差動増幅器１０３の非反転入力（＋）に接続され、差動増幅器１０３の出力は、抵抗Ｒ３を介して、差動増幅器１０３の反転入力（−）に接続されている。また、差動増幅器１０３の反転入力（−）は、抵抗Ｒ１を介して接地ラインＧＬに接続され、非反転入力（＋）は抵抗Ｒ４を介して接地ラインＧＬに接続される構成となっている。

なお、差動増幅器１０３は、ＳＭＡアクチュエータ３と抵抗Ｒ５との接続ノードの電圧（検出電圧）Ｖｉｎをｎ倍に増幅するものであり、その出力Ｖｏｕｔが増幅回路２００の出力であり、その値はｎ・Ｖｉｎとなる。

このような構成において、検出電圧Ｖｉｎは、Ｖｉｎ＝（Ｖｃｃ−Ｖｓａｔ）・Ｒ５／（Ｒ_SMA＋Ｒ５）となる。なお、Ｖｃｃはこの回路の電源電圧であり、ＶｓａｔはＰＮＰトランジスタ１０１の飽和電圧、Ｒ_SMAはＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値である。

ここで、Ｖｃｃ＝３Ｖ、Ｖｓａｔ＝０．１Ｖ、Ｒ５＝１Ωとすると、Ｒ_SMAが２０Ωから１８Ωまで変化した場合、検出電圧Ｖｉｎは以下のように変化する。

すなわち、Ｒ_SMA＝２０Ωの場合は、Ｖｉｎ＝（３−０．１）・１／（２０＋１）＝０．１３８１Ｖとなる。

Ｒ_SMA＝１８Ωの場合は、Ｖｉｎ＝（３−０．１）・１／（１８＋１）＝０．１５２６Ｖとなる。

このように、検出電圧Ｖｉｎ自体の変化は１５ｍＶ程度であるので、差動増幅器１０３を用いて、実用的な電圧にまで増幅する。

なお、増幅を考慮すると、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値に対する検出抵抗Ｒ５の抵抗値の比は、１０：１〜２０：１となるように検出抵抗Ｒ５の抵抗値を設定することが望ましい。

ここで、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値と、検出電圧Ｖｉｎと、図５に示した差動増幅器１０３の出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を図６に示す。図６においては横軸にＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値（Ω）を示し、縦軸に電圧（Ｖ）を示している。なお、差動増幅器１０３の増幅率は１０倍となっている。

図６から明らかなように、検出Ｖｉｎの値は明らかに小さく、変化量も少ないが、これを１０倍に増幅した出力電圧Ｖｏｕｔは実用的な値となり、変化量も大きくなっている。

このように、ＳＭＡアクチュエータ３を定電流で駆動しなくても、固定抵抗Ｒ５をＳＭＡアクチュエータ３に直列に接続し、抵抗Ｒ５により検出した電圧に基づいて、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値を検出することができる。このため、ＰＮＰトランジスタ１０１等で消費される無効電力を大幅に減らすことが可能となる。

ここで、本発明に係る駆動装置において、図４に示した定電流回路に比べてどの程度の無効電力の削減効果があるかについての試算を行う。

電源電圧Ｖｃｃを２．７〜３．３Ｖとし、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値を、個々のばらつき、温度特性、収縮による変動等をすべて含ませて１４Ω〜２２Ωとする。

ここで、図７に、図１〜３に示したレンズユニット１のオートフォーカス動作における駆動量に対する抵抗値の特性を示す。図７において、横軸にレンズの駆動量（μｍ）、縦軸に抵抗値（Ω）を示し、環境温度が６０℃、４０℃、２０℃、０℃および−２０℃の場合の特性を示している。

図７より、レンズ駆動量（収縮量）が大きくなると、抵抗値が下がり、また、環境温度が高くなると、抵抗値が高くなることが判る。このように、ＳＭＡの抵抗値は、収縮量と環境温度により変化する。

まず、図４に示した定電流回路での無効電力比（無効電力／消費電力）を求める。定電流値の設計は、電源電圧を超えない範囲で、可能な限り大きい値が望ましい。電源電圧の最小値は２．７Ｖであるので、ＰＮＰトランジスタ１０１の飽和電圧Ｖｓａｔの最大値を考慮すると、２．４Ｖが上限となる。

さらに、定電流回路に必要な検出抵抗Ｒ１１で発生する電圧を０．１Ｖとすると、上限値は２．３Ｖとなる。この結果、定電流値は２．３Ｖ／２２Ω＝１０５ｍＡとなるが、電流のばらつきも考慮して、設計値は１００ｍＡとする。

また、実際にＳＭＡアクチュエータ３が収縮した場合の抵抗値は、図７の例から中心値は１７Ω程度であることが判るので、１７Ωとする。

この条件下において、ＳＭＡアクチュエータ３で消費される電力Ｐ１は、Ｐ１＝０．１・０．１・１７＝１７０ｍＷとなる。一方、消費電力Ｐ０は、電源電圧の中心値を３Ｖとすると、Ｐ０＝０．１・３＝３００ｍＷとなる。従って、ＰＮＰトランジスタ１０１および検出抵抗Ｒ１１で消費される無効電力は、Ｐ０−Ｐ１＝１３０ｍＷとなる。以上より、無効電力比は１３０／３００＝４３％となり、消費電力の約４割が、無効な電力として消費されることとなる。

次に、図５に示した検出電圧の増幅回路２００を有した本発明に係る駆動装置での無効電力比を求める。

ここで、電源電圧Ｖｃｃの中心値を３Ｖとし、ＰＮＰトランジスタ１０１の飽和電圧Ｖｓａｔの中心値を０．１Ｖとし、検出抵抗Ｒ５の抵抗値を１Ω、ＭＡアクチュエータ３の抵抗値を１７Ωとすると、ＳＭＡアクチュエータ３で消費される電力Ｐ１は、Ｐ１＝１７・｛２．９／（１７＋１）｝²＝４４１ｍＷとなる。一方、消費電力Ｐ０は、Ｐ０＝３・｛２．９／（１７＋１）｝＝４８３ｍＷとなる。従って、ＰＮＰトランジスタ１０１および検出抵抗Ｒ５で消費される無効電力は、Ｐ０−Ｐ１＝４２ｍＷとなる。以上より、無効電力比は、４２／４８３＝８．７％となり、定電流回路で駆動する場合に比べて、無効電力を大幅に低減することができる。この結果、アクチュエータ全体の消費電力を削減できる。

＜実施の形態＞
＜装置構成＞
以上説明した検出電圧の増幅回路２００を有したアクチュエータの駆動装置を、本発明に係る実施の形態として以下に説明する。図８は、実施の形態のアクチュエータの駆動装置の構成を示すブロック図である。

図８において、電源電圧Ｖｃｃ（例えば３Ｖ）を供給する電源ラインＰＬと接地ラインＧＬとの間に、電源ラインＰＬ側から、ＰＮＰトランジスタ１０１（電流源トランジスタ）、ＳＭＡアクチュエータ３（抵抗値Ｒ_SMA）および抵抗Ｒ５が直列に接続されている。ＳＭＡアクチュエータ３は、図１〜図３に示したレンズ駆動装置１００のＳＭＡアクチュエータ３に相当する。

ＳＭＡアクチュエータ３と抵抗Ｒ５との接続ノードは抵抗Ｒ２を介して差動増幅器１０３の非反転入力（＋）に接続され、差動増幅器１０３の出力は、抵抗Ｒ３を介して、差動増幅器１０３の反転入力（−）に接続されている。また、差動増幅器１０３の反転入力（−）は、抵抗Ｒ１を介して接地ラインＧＬに接続され、非反転入力（＋）は抵抗Ｒ４を介して接地ラインＧＬに接続される構成となっている。

なお、差動増幅器１０３は、ＳＭＡアクチュエータ３と抵抗Ｒ５との接続ノードの電圧（検出電圧）Ｖｉｎをｎ倍に増幅するものであり、差動増幅器１０３の出力は、サンプルホールド回路１０７に与えられる構成となっている。

サンプルホールド回路１０７は、ＰＷＭ制御におけるパルスがオンとなってＰＮＰトランジスタ１０１がオンするタイミングで差動増幅器１０３の出力電圧をサンプリングし、当該電圧をＰＷＭ制御におけるパルスがオフとなっている期間も保持して出力する回路である。

サンプルホールド回路１０７から出力されるホールドされた電圧は、差動増幅器１０４の非反転入力（＋）に与えられる。従って、ＰＮＰトランジスタ１０１がオフの場合も、差動増幅器１０４の非反転入力には、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値によって決まる電圧が入力され続ける。

また、差動増幅器１０４の反転入力（−）には、目標位置電圧設定回路１０８から出力される目標位置電圧が与えられる構成となっており、差動増幅器１０４の出力は、パルス幅変調（ＰＷＭ）回路１１０に与えられる。

パルス幅変調回路１１０は、差動増幅器１０４の出力に基づいてパルス幅変調したパルス信号を、スイッチ回路１０６に与え、パルス幅変調されたパルス信号に基づいてＰＮＰトランジスタ１０１のオン、オフ制御を行う。

すなわち、スイッチ回路１０６がオンの場合にＰＮＰトランジスタ１０１がオンし、ＳＭＡアクチュエータ３および検出抵抗Ｒ５に電流が流れる。この時の電流は、電源電圧Ｖｃｃから、ＰＮＰトランジスタ１０１の飽和電圧（０．１Ｖ程度）を差し引いた電圧を、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値と検出抵抗Ｒ５の抵抗値で割った値となる。

スイッチ回路１０６とＰＮＰトランジスタ１０１のベースとの間には抵抗Ｒ６が介挿されている。抵抗Ｒ６は、ＰＮＰトランジスタ１０１がオンしている場合のベース電流制限抵抗であり、その値は、ＳＭＡアクチュエータ３に流す電流の最大値（Ｉ_SMAmax）と、ＰＮＰトランジスタ１０１の電流増幅率（ｈｆｅ）の最小値（ｈｆｅ_min）と電源電圧Ｖｃｃと、ベース-エミッタ間電圧（Ｖ_BE）とに基づいて設定される。すなわち、ベース電流制限抵抗Ｒ６の抵抗値（Ｒ６と記載）は、Ｒ６≦｛（Ｖｃｃ-Ｖ_BE）／（Ｉ_SMAmax／ｈｆｅ_min）｝となるように設定される。

タイミング発生回路１０９は、サンプルホールド回路１０７に、サンプリングおよびホールドのタイミング信号を供給すると共に、パルス幅変調回路１１０にも同様のタイミング信号を供給する。

目標位置電圧設定回路１０８は、予め設定された当初の目標位置、あるいは、被写体にフォーカスするための目標位置を定め、目標位置に相当する電圧を設定して、目標位置電圧として出力する回路であり、図６を用いて説明したＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値と検出電圧との関係および図７を用いて説明したＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値とレンズ駆動量との関係に基づいて目標位置に相当する電圧が設定される。

差動増幅器１０４は、サンプルホールド回路１０７の出力電圧と目標位置電圧設定回路１０８の出力電圧とを比較し、その差を増幅して出力し、目標位置電圧に対して、サンプルホールド回路１０７の出力電圧が高いほど、差動増幅器１０４の出力電圧は高くなる。

パルス幅変調回路１１０は、差動増幅器１０４の出力をパルス幅変調して出力するが、ここでは差動増幅器１０４の出力電圧が高いほど、すなわち目標位置電圧に対して、サンプルホールド回路１０７の出力電圧が高いほど、オン幅が小さくなるように（デューティ比が小さくなるように）ＰＷＭ変調され、逆に、サンプルホールド回路１０７の出力電圧に対して、目標位置電圧が高いほど、オン幅が大きくなるように（デューティ比が大きくなるように）ＰＷＭ変調される。

ここで、パルスのオン幅が大きいほど、ＳＭＡアクチュエータ３には多くの電流が流れ、その発熱によってＳＭＡアクチュエータ３の収縮量は増えることとなり、オン幅が小さいほど、ＳＭＡアクチュエータ３の発熱は少なく、収縮量も少ない。 なお、一度収縮した後は、放熱により伸長する。なお、パルスのオン幅が予め定めた閾値以下では、収縮量は０（ゼロ）となるように設定されている。

次に、図９に示すタイミングチャートを用いて、サンプルホールド回路１０７、タイミング発生回路１０９およびパルス幅変調回路１１０の基本動作について説明する。

タイミング発生回路１０９は、図９の（ａ）部に示すようなタイミング発生回路１０９外部から与えられる基本タイミングパルスの立ち上がりおよび立ち下がりのタイミングにそれぞれ基づいて、図９の（ｂ）部および（ｃ）部に示すリセットパルスおよびホールドパルスを発生させて出力する。

サンプルホールド回路１０７では、タイミング発生回路１０９から与えられるホールドパルスにより差動増幅器１０３の出力電圧をサンプリングして保持し、リセットパルスによりホールドを解除する。図９の（ｄ）部にはサンプルホールド回路１０７の出力波形を示しており、リセットパルスが与えられるタイミングによりホールドが解除され、ホールドパルスが与えられるタイミングにより電圧がホールドされることが判る。

図９の（ｅ）部には、差動増幅器１０４の出力波形を示しており、図９の（ｄ）部に示したサンプルホールド回路１０７の出力波形と、目標位置電圧設定回路１０８の出力電圧である目標位置電圧との差が増幅されて出力されている。

図９の（ｆ）部には、パルス幅変調回路１１０内のコンパレータ（図示せず）に入力される、差動増幅器１０４の出力波形と、三角波掃引波形とを重ねて示しており、上記コンパレータにおいて両波形の重なりを検出することで、パルス幅変調を行う。

図９の（ｇ）部には、上記コンパレータの出力波形を示しており、これがパルス幅変調回路１１０の出力波形となる。

＜装置動作＞
次に、図８に示すアクチュエータの駆動装置の一連の動作について説明する。電源投入後、目標位置電圧設定回路１０８において、レンズの繰り出し量（レンズ駆動量）について、予め設定された当初の目標位置、あるいは、被写体にフォーカスするための目標位置を定め、目標位置に相当する電圧を設定して「目標位置電圧」として出力する。

この電圧は、図６を用いて説明したＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値と検出電圧との関係および図７を用いて説明したＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値とレンズ駆動量との関係に基づいて設定される。具体的には、例えば、温度２０℃の場合に、レンズ繰り出し量（レンズ駆動量）を２５０μｍに設定すると、図７より、ＳＭＡアクチュエータ３の目標抵抗値は１７．０Ωとなり、そのときの差動増幅器１０４の出力電圧は、図６より１．６１Ｖとなる。従って、目標とするレンズ繰り出し量が２５０μｍ（温度２０℃）の場合は、「目標位置電圧」として、１．６１Ｖを出力する。

この目標位置電圧は、具体的には、マイクロコンピュータ等のメモリから上記電圧に対応するデータを読み出し、それをＤ／Ａ変換器においてデジタル−アナログ変換してアナログ電圧として出力することで得られる。従って、目標位置電圧設定回路１０８は、図示しないメモリやＤ／Ａ変換器を構成要素として含むこととなる。

電源投入時直後は、ＳＭＡアクチュエータ３は収縮しておらず、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値は大きい（ＳＭＡは収縮すると抵抗値が小さくなる）。そのために、目標値電圧に対して、検出抵抗Ｒ５の両端電圧を増幅した差動増幅器１０３の出力は低く、これをホールドしたサンプルホールド回路１０７の出力も低い。

差動増幅器１０４は、サンプルホールド回路１０７の出力、すなわち差動増幅器１０３の出力電圧と目標位置電圧との差を増幅するので、差動増幅器１０４の出力も低電圧である（サンプルホールド回路１０７の出力が、目標位置電圧よりも高い場合に差動増幅器１０４の出力が高くなる）。

パルス幅変調回路１１０は、差動増幅器１０４の出力電圧が低い場合には”Ｈ（ハイレベル）”のパルス幅は小さく、出力電圧が高い場合には”Ｈ”のパルス幅が大きくなるように構成されている。

そして、パルス幅変調回路１１０の出力が”Ｈ”である場合に、スイッチ回路１０６がオフし、パルス幅変調回路１１０の出力が”Ｌ”である場合にスイッチ回路１０６がオンする（”Ｌｏｗアクティブ”）。

以上より、目標位置電圧に対して、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値が大きい場合（収縮していない場合）は、パルス幅変調回路１１０の出力電圧は、”Ｈ”のパルス幅が小さく、”Ｌ”のパルス幅が大きい。このため、スイッチ回路１０６のオン時間が長く、ＳＭＡアクチュエータ３に高い割合で電流が流れる。この電流により、ＳＭＡアクチュエータ３が発熱し、収縮を始める。

ＳＭＡアクチュエータ３が収縮すると、ＳＭＡアクチュエータ３と機械的に連動した可動物（レンズ鏡胴等）は目標位置に向かって移動する。そして、収縮量に応じて、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値が下がり、ＳＭＡアクチュエータ３と検出抵抗Ｒ５に流れる電流は大きくなり検出抵抗Ｒ５の両端の電圧が上昇する。

この結果、差動増幅器１０３の出力電圧も上昇し、その電圧がサンプルホールド回路１０７でホールドされて、差動増幅器１０４の非反転入力（＋）に与えられる。差動増幅器１０４の反転入力（−）には、目標位置電圧設定回路１０８から目標位置電圧が入力されているが、この値は一定であるので、差動増幅器１０４の非反転入力（＋）の電圧が上昇すると、差動増幅器１０４の出力電圧も上昇する。

パルス幅変調回路１１０の入出力特性は、前述の通り、入力電圧が低い場合には”Ｌ”のパルス幅が大きく、入力電圧が高くなるに従い、”Ｈ”のパルス幅が大きくなるので、ＳＭＡアクチュエータ３が収縮すると、パルス幅変調回路１１０の出力は、収縮前に比べて、”Ｈ”のパルス幅が大きくなる。

先に説明したように、スイッチ回路１０６は”Ｌｏｗアクティブ”であるので、ＳＭＡアクチュエータ３が収縮すると、ＰＮＰトランジスタ１０１のオンしている期間は短くなり、オフしている期間が長くなる。

このように、ＳＭＡアクチュエータ３が収縮して、可動物（レンズ鏡胴等）が目標位置に近づくにつれて、ＳＭＡアクチュエータ３を駆動するＰＮＰトランジスタ１０１のオンしている期間が短くなる。そして、レンズ駆動量が目標位置に達すると、オン期間の減少は止まり、目標位置近傍で安定する。

なお、可動物を別の位置に移動させる場合は、目標位置電圧を更新し、新しい目標位置電圧を差動増幅器１０４の反転入力（−）に入力し、上述したフィードバック制御により、新しい目標位置に向かってＳＭＡアクチュエータ３が収縮または伸長し、新しい目標位置近傍で安定する。

＜効果＞
以上説明したように、本発明に係るアクチュエータの駆動装置においては、ＳＭＡアクチュエータ３に直列に接続した固定抵抗による電圧の分圧により、ＳＭＡアクチュエータ３の抵抗値に対応した電圧を検出し、当該検出電圧に基づいて電流源トランジスタであるＰＮＰトランジスタ１０１のオン、オフをフィードバック制御するので、電流源トランジスタを定電流制御する場合よりも簡単な回路構成で、かつ低消費電力（回路内で消費される無効電力が少ない）での動作が可能となる。この結果、アクチュエータの駆動装置の小型化、低コスト化および低消費電力化を達成できる。

１ レンズユニット
２ レバー部材
２ａ 変位入力部
２ｂ 変位出力部
３ 形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータ
４ ベース部材
６ａ，６ｂ 平行板バネ
８ 支持脚
８ａ レバー支持部
１０ 撮像レンズ
１００ レンズ駆動装置
１０１ ＰＮＰトランジスタ

Claims (4)

1. 形状記憶合金ワイヤで構成され、該形状記憶合金ワイヤに電流を流すことで発生する熱に応じて前記形状記憶合金ワイヤが伸縮することに連動して、被駆動物を駆動するアクチュエータの駆動装置であって、
   電流源トランジスタから前記形状記憶合金ワイヤに電流を供給する電流回路と、
   前記形状記憶合金ワイヤに直列に接続された抵抗素子と、
   前記抵抗素子による電圧の分圧により前記形状記憶合金ワイヤの抵抗値に対応した電圧を検出し、該検出電圧を増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路の出力電圧に基づいてパルス幅変調したパルス信号により、前記電流源トランジスタのオン、オフ制御を行うパルス幅変調回路とを備える、アクチュエータの駆動装置。
2. 前記パルス幅変調回路は、
   前記被駆動物の駆動量を設定する目標位置電圧と、前記検出電圧との差に基づいてパルス出力のデューティ比を決める、請求項１記載のアクチュエータの駆動装置。
3. 前記形状記憶合金ワイヤの抵抗値に対する前記抵抗素子の抵抗値の比が、１０：１〜２０：１である、請求項１または請求項２記載のアクチュエータの駆動装置。
4. レンズユニットと、前記レンズユニットを移動する形状記憶合金ワイヤで構成された形状記憶合金アクチュエータとを備えたレンズ駆動装置であって、
   請求項１ないし請求項３に何れか１項に記載のアクチュエータの駆動装置によって前記形状記憶合金アクチュエータが駆動される、レンズ駆動装置。

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