JP2013120375A - Driving device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状記憶合金アクチュエータを用いて小型の機械要素を駆動する駆動装置に関し、特に、撮像光学系を構成するレンズユニット(被駆動体)を光軸方向に移動するのに好適な駆動装置に関する。 The present invention relates to a driving device that drives a small mechanical element using a shape memory alloy actuator, and particularly, a driving device suitable for moving a lens unit (driven body) constituting an imaging optical system in an optical axis direction. About.
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。 In recent years, there has been a dramatic increase in image quality, such as an increase in the number of pixels in an image sensor mounted on a camera-equipped mobile phone, etc. In addition to this, in addition to the basic function of image shooting, a focus function and zoom function Etc. are required.
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と称する)アクチュエータを用いたレンズ駆動装置の適用が種々検討されている。この装置は、SMAを通電加熱する等して収縮力を発生させ、該収縮力をレンズ駆動力として利用するもので、小型化、軽量化が容易で、且つ、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。 In order to add these functions, a lens driving device that moves the lens in the optical axis direction is necessary. Recently, a lens driving device using a shape memory alloy (SMA) actuator has been applied. Various studies have been made. This device generates contraction force by energizing and heating the SMA, and uses the contraction force as a lens driving force. It is easy to reduce the size and weight and obtain a relatively large driving force. There is an advantage that can be.
SMAアクチュエータを適用したレンズ駆動装置としては、例えば、特許文献1が開示する駆動装置の構成では、図8で示されるように、形状記憶合金ワイヤ101を収縮して駆動力を得る際に、駆動張力の付勢方向AFを、光軸から所定角度θ傾斜させて、レンズユニット104が備えるスリーブ102の内壁をスライドガイド軸103に押し当てる押圧力を発揮しながら駆動するように構成されている。換言すると、傾斜θをつけて懸架した形状記憶合金ワイヤ101が収縮する際に発生する張力AFの水平方向AH成分を利用してスライドガイド軸103をスリーブ102に押圧するように構成されている。
As a lens driving device to which the SMA actuator is applied, for example, in the configuration of the driving device disclosed in
また、特許文献2に開示された駆動装置の構成では、図9で示されるように、固定部201の一角に、SMAワイヤ209の作動により揺動するレバー部材202の駆動支点部202aを設け、該一角と対向する第二の角に、被駆動体203の本体部からガイド体204を突設し、このガイド体204を摺動自在に支持すると共に、該ガイド体204を付勢するバイアスバネ205を備える駆動ガイド部206を設け、該駆動ガイド部206には、ガイド軸207を摺動自在に保持する上下のガイドスリーブ208a,208bを備える構成となっている。
In the configuration of the driving device disclosed in
しかしながら、特許文献1及び2で開示された駆動装置の構成では、摩擦を伴う移動機構の駆動源に次のような問題がある。すなわち、静止状態から被駆動体を移動状態に変化させる際に、静止摩擦から動摩擦に移動負荷が減少するのに加え、動き始めた瞬間に線状であるSMAが緩むため、摩擦を発生する軸抗力そのものが減少し、移動負荷が急激に減少する。その結果、静止状態から移動状態に変化した直後の被駆動体の動作は非常に不安定となる。また、一般的にSMAを用いた駆動装置では、所定の位置に階段状のステップで移動するため、各ステップにおいてこのような不安定な挙動になってしまうという問題がある。
However, in the configuration of the driving device disclosed in
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、SMAを用いた駆動装置において、被駆動体が静止状態から移動状態に変化した直後も安定した動作が可能な駆動装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a drive device using an SMA that can operate stably even after the driven body has changed from a stationary state to a moving state. For the purpose.
上記課題を解決するために、請求項1の発明は、所定の方向に往復移動自在に駆動される被駆動体と、前記被駆動体を駆動する機構部材と、前記機構部材を移動させる駆動力を発生する形状記憶合金アクチュエータと、軸部材の軸方向に沿って前記被駆動体を移動させることができるガイド機構部と、を備え、前記軸部材に対して、前記被駆動体の移動方向に垂直な方向に側圧を与える弾性部材、をさらに備えることを特徴とする、駆動装置ある。
In order to solve the above problems, the invention of
また、請求項2の発明は、請求項1に記載の駆動装置であって、固定部材を有し、前記固定部材は一角部に前記機構部材との駆動支点部を有し、前記機構部材は、前記一角部に設けられ且つ前記形状記憶合金アクチュエータが係合する変位入力部と、平面視して所定の対向位置に前記被駆動体を当接により変位可能に設けられる当接部と該当接部と前記変位入力部とを連結する変位出力部とを有することを特徴とする。
The invention according to
また、請求項3の発明は、請求項2に記載の駆動装置であって、前記被駆動体は本体部と該本体部から突設されるガイド胴部とを有し、前記軸部材は前記ガイド胴部と一体形成され、前記機構部材の前記当接部が前記ガイド胴部に当接して前記被駆動体を駆動し、前記ガイド機構部は、前記ガイド胴部及び前記軸部材を含み、前記固定部材に形成され、前記軸部材を摺動自在に保持可能に、前記ガイド胴部に対し前記固定部材の上下に設けられた第1および第2の軸受部をさらに含むことを特徴とする。
The invention according to
また、請求項4の発明は、請求項3に記載の駆動装置であって、前記弾性部材は、その両端が前記固定部材の所定の位置に固定され、且つ、その中央部が前記ガイド胴部の側面に架設されるばね部材を含み、前記ばね部材の弾性によって前記ガイド胴部を介して前記軸部材と前記第1及び第2の軸受部との間に前記側圧が付与される。
The invention according to
また、請求項5の発明は、請求項4に記載の駆動装置であって、前記ばね部材は、引っ張りばねを含む。
The invention according to
また、請求項6の発明は、請求項4に記載の駆動装置であって、前記ばね部材は、線ばねを含む。
Moreover, invention of Claim 6 is a drive device of
また、請求項7の発明は、請求項4に記載の駆動装置であって、前記ばね部材は、ねじりばねを含む。
The invention according to
また、請求項8の発明は、請求項1ないし請求項7の何れかに記載の駆動装置であって前記被駆動体がレンズユニットであり、前記被駆動体が駆動される方向が光軸方向であり、前記形状記憶合金アクチュエータが形状記憶合金ワイヤであることを特徴とする。
The invention according to claim 8 is the drive device according to any one of
請求項1ないし請求項4の発明である駆動装置によれば、軸部材に対して、被駆動体の移動方向に垂直な方向に側圧を与える弾性部材を備えることを特徴とする。本発明は上記特徴を有することにより、常に一定の側圧が軸部材に対して付加されるため、軸部材にかかる力を全体にわたって一定方向で安定させることができる。その結果、被駆動体が静止状態から移動状態に変化した直後も安定した動作が可能となる。また、軸部材の軸方向に沿った被駆動体に対する機構部材による駆動性能を安定させることができ、位置制御精度の向上が実現される。 According to the drive device of the first to fourth aspects of the present invention, an elastic member that applies a lateral pressure to the shaft member in a direction perpendicular to the moving direction of the driven body is provided. Since the present invention has the above characteristics, a constant lateral pressure is always applied to the shaft member, so that the force applied to the shaft member can be stabilized in a constant direction throughout. As a result, stable operation is possible even immediately after the driven body changes from the stationary state to the moving state. Moreover, the drive performance by the mechanism member with respect to the driven body along the axial direction of the shaft member can be stabilized, and the position control accuracy can be improved.
請求項3の発明によれば、前記固定部材の上下に設けられた第1および第2の軸受部を備えることにより、上記側圧によって該第1および第2の軸受部に軸部材を安定した力で当接させながら、被駆動体の移動方向に沿って駆動することが可能となる。すなわち、拡大機構部材がガイド胴部を当接する力によって、第1および第2の軸受部にそれぞれ第1及び第2のモーメントが生じていても、軸受部と接触する最低限の側圧を付加することにより、被駆動体の移動方向に移動する際に、軸部材は軸振れせず、被駆動体を安定して移動させることができる。このため、被駆動体が静止状態から移動状態に変化した直後もより安定した動作が可能となる。また、駆動性能をより安定させることができ、位置制御精度の更なる向上が図れる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、ばね部材の両端を該固定部材の所定の位置に固定し、且つ、該ばね部材の中央部をガイド胴部の側面に架設することにより、ばね部材の弾性によりガイド胴部を介して軸部材と前記第1及び第2の軸受部との間に側圧を付与することができるため、被駆動体が静止状態から移動状態に変化した直後もより安定した動作が可能となる。また、駆動性能をより安定させることができ、位置制御精度の更なる向上が図れる。
According to the invention of
請求項5の発明によれば、引っ張りばねを用いて、請求項1ないし請求項4の発明と同様の効果を奏する駆動装置を得ることができる。
According to the invention of
請求項6の発明によれば、線ばねを用いて、請求項1ないし請求項4の発明と同様の効果を奏する駆動装置を得ることができる。
According to the invention of claim 6, it is possible to obtain a drive device having the same effects as those of the inventions of
請求項7の発明によれば、ねじりばねを用いて、請求項1ないし請求項4の発明と同様の効果を奏する駆動装置を得ることができる。 According to the seventh aspect of the present invention, it is possible to obtain a drive device having the same effects as the first to fourth aspects of the present invention using the torsion spring.
請求項8の発明によれば、被駆動体がレンズユニットであり、被駆動体が駆動される方向が光軸方向であり、形状記憶合金アクチュエータが形状記憶合金ワイヤであることにより、レンズユニットを光軸に沿って精度良く駆動することができる。 According to the invention of claim 8, the driven unit is a lens unit, the direction in which the driven unit is driven is the optical axis direction, and the shape memory alloy actuator is a shape memory alloy wire. It can be driven with high accuracy along the optical axis.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、図面においては同様な構成および機能を有する部分については同じ符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は正確に図示されたものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, parts having the same configuration and function are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted in the following description. Further, the drawings are schematically shown, and the sizes, positional relationships, and the like of various structures in the drawings are not accurately illustrated.
<1.駆動装置の概要および全体構成>
<1−1.基本構成>
図1および図2は、この発明の実施の形態に係るSMAアクチュエータを用いて被駆動体を駆動する駆動機構を使用して構成した駆動装置100のうち、構成要素を概略的に示す図である。このうち、図1は、被駆動体1側から見た駆動装置100の平面図を示し、図2は、図1のI−I線で切断した駆動装置100の断面図である。
<1. Overview and overall configuration of drive unit>
<1-1. Basic configuration>
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams schematically showing components of a
図1および図2で示されるように、本実施形態に係る駆動装置100は、被駆動体1(例えば、撮像レンズを備えるレンズユニット)をその軸線(例えば光軸)AX方向に移動する駆動装置であって、貫通孔部4aを有する固定部材4と、貫通孔部4a内をその軸線AX方向に往復移動自在に支持される被駆動体1と、この被駆動体1を移動するための駆動力を付与する形状記憶合金アクチュエータ(SMAアクチュエータ)3と、該SMAアクチュエータ3から駆動力を受けて被駆動体1を移動させる拡大機構部材2と、を備えた構成とされている。また、駆動装置100は、被駆動体1をSMAアクチュエータ3の収縮による駆動力に抗する方向に付勢するバイアスバネ7を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the driving
被駆動体1は、撮像レンズユニットLUを固定状態で収納可能な本体部14と本体部14から突設されるガイド胴部12とを備えている。
The driven
固定部材4は、当該駆動機構が採用される部材(例えば、携帯電話機の撮像素子基板等)に固定されるものであり、例えば駆動装置の底辺を構成する不動の部材であり、全体が樹脂材料等により構成されている。なお、本実施形態では、固定部材4の形状は平面視四角形とし、第一角部C1、第二角部C2、第三角部C3、及び、第四角部C4の角部を有している(図1参照)。
The fixing
そこで、拡大機構部材2の駆動支点部4bを第一角部C1に設け、この第一角部C1と対角線状に位置する第二角部C2にバイアスバネ7を備えるガイド機構部10を設けた構成としている。また、形状記憶合金アクチュエータ3を通電可能に保持する支持部として通電支持部30Aを第三角部C3に設け、通電支持部30Bを第四角部C4に設けた構成としている。
Therefore, the driving
第二角部C2に配設されるガイド機構部10は、被駆動体1の本体部14から突設されるガイド胴部12と一体化形成されている軸部材13を摺動自在に支持すると共に、バイアスバネ7を介して、拡大機構部材2が発揮する駆動力に抗する方向に被駆動体1を付勢する機能を有する。そのために、固定部材4の貫通孔部4aに変位自在に装着している被駆動体1の円形の本体部14に他の部材が緩衝しない構成となる。
The
拡大機構部材2は、第一角部C1に設けられ且つSMAアクチュエータ3が係合する変位入力部2aと、第二角部C2に被駆動体1を当接により変位可能に設けられる当接部22bと該当接部22bと変位入力部2aとを連結し平面視してリング状形態となるリング形態部21bとからなる変位出力部2bとを有して、図1のI−I線で切断した断面においては、側面視L字型の形状をしている(図2参照)。拡大機構部材2は、移動力F1の入力による変位入力部2aの変位量よりも変位出力部2bの軸線AX方向への変位量が大きくなるように構成されている。すなわち、被駆動体1は、当接部22bからの出力によって、変位入力部2aへの移動力F1の入力よりも大きな変位量でもって、軸線AX方向に移動される。
The
SMAアクチュエータ3は、拡大機構部材2に対して移動力F1を付与するもので、例えばNi−Ti合金等の形状記憶合金(SMA)ワイヤ(線状体)からな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。当実施形態では、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及び第2電極30Bが固着されている。これら電極30A,30Bは固定部材4に設けられる所定の電極固定部(不図示)に固定されている。
The
SMAアクチュエータ3は、図1に示すように、拡大機構部材2の延設部分23に対して「く」字状に折り返すよう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が付与され、この移動力F1により拡大機構部材2が揺動することとなる。
As shown in FIG. 1, the
バイアスバネ7は、平面視円形の被駆動体1に収納する構成部品のサイズをできるだけ大きくし被駆動体1を安定して移動させることを可能とするために、被駆動体1の本体部14ではなく、本体部14から突設されるガイド胴部12を付勢する位置に設けられている。このように、本実施形態に係る駆動装置100は、平面視円形の被駆動体1の本体部14から突出して離れた位置にバイアスバネ7を装着するガイド機構部10を備えた構成とされている。なお、バイアスバネ7は、例えば、軸部材13の外周部に装着し易く所定の付勢力が得やすい圧縮コイルバネを好適に用いることができる。
The
ガイド機構部10を構成する一部材であるガイド体11は、被駆動体1の一部であるガイド胴部12と軸部材13とを備えている。軸部材13は、軸線AXである光軸方向に延設されており、ガイド胴部12に対して、固定部材4の上端部および下端部のそれぞれに設けられる第1及び第2の軸受部4c1,4c2により摺動自在に支持されている。また、ガイド胴部12の上面と固定部材4との間に、軸部材13を囲むようにバイアスバネ7が装着され、バイアスバネ7は軸部材13に嵌装されている。なお、ガイド胴部12と軸部材13とは一体化されて構成されているため、被駆動体1の動きとともに軸部材13も同時に動くことになる。このように、ガイド胴部12と軸部材13とは一体化されて構成されているため、同一材料で一体的に形成することが可能となる。
A
上記したように、本実施形態に係る駆動装置100の基本構成は、貫通孔部4aを有する固定部材4と、当該貫通孔の軸線AXに沿う方向に往復移動自在に駆動される被駆動体1と、被駆動体1を駆動する拡大機構部材2と、拡大機構部材2を移動させる駆動力を発生する形状記憶合金アクチュエータ3と、を備えている。そして、固定部材4は一角部(第一角部C1)に拡大機構部材2との駆動支点部4aを有し、被駆動体1は、本体部14と、平面視して第一角部C1と軸線AXを挟んで対向する所定の対向位置(第二角部C2)に該本体部14から突設して形成されるガイド胴部12と、ガイド胴部12と一体化された軸部材13を有している。ガイド機構部10における第1及び第2の軸受部4c1,4c2は、該軸部材13を上下させることによりガイド体11を摺動自在に支持するとともに、ガイド体11を拡大機構部材2が発揮する駆動力に抗する方向に付勢するバイアスバネ7をさらに有する。拡大機構部材2は、第一角部C1に設けられ且つ形状記憶合金アクチュエータ3が係合する変位入力部2aと、平面視して第二角部C2に被駆動体1を当接により変位可能に設けられる当接部22bと該当接部22bと該変位入力部2aとを連結し平面視してリング状形態となるリング形態部21bとからなる変位出力部2bとを有する。
As described above, the basic configuration of the
<1−2.SMAを用いた駆動装置の駆動における一般的性質と前提事情>
この実施形態における駆動装置100の詳細を説明する準備として、この実施形態の前提となるSMAを用いた駆動装置の駆動の一般的性質と、それに伴って生じる現象、すなわち従来技術で生じていた事情を説明しておく。
<1-2. General Properties and Preconditions for Driving a Drive Device Using SMA>
In preparation for explaining the details of the
図8及び図9は、先述したように、従来の駆動装置の構成要素を示した概略断面図であり、図10は、従来の駆動装置における被駆動体の動作を説明する図である。図10(a)は、SMA通電量(横軸)に対して軸受部に発生する抗力(縦軸)を説明する図であり、図10(b)は、SMA通電量(横軸)に対する被駆動体の変位(縦軸)を説明する図である。 8 and 9 are schematic cross-sectional views showing the components of the conventional driving device as described above, and FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the driven body in the conventional driving device. FIG. 10A is a diagram for explaining the drag (vertical axis) generated in the bearing portion with respect to the SMA energization amount (horizontal axis), and FIG. It is a figure explaining the displacement (vertical axis) of a driver.
一般的にSMAを用いた駆動装置においては、静止状態のSMA(図8では形状記憶合金ワイヤ101に、図9ではSMAワイヤ209に該当する)に通電を開始するとSMAの温度は通電量増加に伴って上昇し、SMAの駆動力も上昇する。ここで被駆動体は摩擦を伴うのでSMAに対抗する抗力(図8では抗力Naに、図9では抗力Nbに該当する)が軸受部(図8ではスリーブ102に、図9ではガイドスリーブ208a,208bに該当する)に発生し、この抗力による静止摩擦力が発生している。そのため、図10(a)で示されるように、SMAの駆動力は「静止摩擦力+バイアス力」を超えるまでは被駆動体は移動を開始しない(点P0から点P1に到達する前の状態)。その後SMAの通電を増やし発生力が「静止摩擦力+バイアス力」を超えた瞬間に被駆動体は移動を開始する(点P1に到達した状態)。
In general, in a drive device using SMA, when energization is started in a stationary SMA (corresponding to shape
しかしながら、自己形態を保持するほどの剛性を持たない線状SMAは、被駆動体が移動を開始した瞬間に緩みを発生する。このため、SMAを用いた駆動装置でなければ静止摩擦力が動摩擦力に変化して安定するが、SMAを用いた駆動装置ではSMAが緩んだことにより軸受部に発生していた抗力そのものが短時間に大きく減少することになる(点P1から点P2まで減少する状態)。すなわち、SMAを用いた駆動装置でなければ軸受部に発生する抗力がN1からN2に減少して安定するのに対し、SMAを用いた駆動装置では、抗力がN1から短時間でN3まで減少し、その後更なる通電によるSMAの張力増加に伴いN2にて安定するという動作となる(点P2から点P3まで増加する状態)。つまり、図10(a)で示される抗力N1と抗力N2との差の区間Raは静止摩擦力と動摩擦力との差に相当する領域であり、抗力N2と抗力N3との差の区間RbはSMAが緩むことによる抗力の領域となる。 However, the linear SMA that does not have rigidity enough to maintain the self-form causes loosening at the moment when the driven body starts moving. For this reason, if the driving device does not use SMA, the static frictional force changes to dynamic frictional force and stabilizes. However, in the driving device using SMA, the drag itself generated in the bearing portion due to the loosening of SMA is short. It greatly decreases with time (a state in which it decreases from the point P1 to the point P2). That is, the drag generated in the bearing portion decreases from N1 to N2 and stabilizes unless the drive device uses SMA, whereas the drag decreases from N1 to N3 in a short time in the drive device using SMA. Then, the operation is stabilized at N2 as the SMA tension increases due to further energization (increase from point P2 to point P3). That is, the difference Ra between the drag N1 and the drag N2 shown in FIG. 10A is an area corresponding to the difference between the static friction force and the dynamic friction force, and the difference Rb between the drag N2 and the drag N3 is It becomes a region of drag due to loosening of SMA.
続いて、被駆動体の動作について、図10(b)を参照して説明する。静止状態のSMAに通電を開始するとSMAの温度は通電量増加に伴い上昇し、SMAの駆動力も上昇するが、被駆動体はSMAの駆動力が「静止摩擦力+バイアス力」を超えるまで移動を開始しない(点Q0から点Q1に到達する前の状態)。その後SMAの通電を増やし、SMAの駆動力が「静止摩擦力+バイアス力」を超えた瞬間に被駆動体は移動を開始する(点Q1に到達した状態)。その際、静止摩擦力が動摩擦力に減少したことに加え、前述の通り摩擦を発生していた抗力が短時間に減少することから、大きな加速度を得ることとなる(点Q1から点Q2まで増加する状態)。大きな加速度を持って移動を開始した被駆動体はそのエネルギーを動摩擦およびバイアスばね(図8ではばね部材105に、図9ではバイアスバネ205に該当する)により減少しながら移動を続け(点Q2から点Q3まで増加する状態)、更に通電量を増し張力を増したSMAと釣り合う位置(点Q3に到達した状態)で同期した移動となり安定する。
Next, the operation of the driven body will be described with reference to FIG. When energization is started in a stationary SMA, the temperature of the SMA rises as the amount of energization increases, and the driving force of the SMA also rises, but the driven body moves until the driving force of the SMA exceeds “static friction force + bias force” Is not started (state before reaching point Q1 from point Q0). Thereafter, the energization of the SMA is increased, and the driven body starts moving at the moment when the driving force of the SMA exceeds the “static friction force + bias force” (a state where the driving body has reached the point Q1). At that time, in addition to the reduction of the static friction force to the dynamic friction force, the drag that generated the friction is reduced in a short time as described above, so that a large acceleration is obtained (increase from the point Q1 to the point Q2). State to do). The driven body that has started to move with a large acceleration continues to move (from point Q2) while reducing its energy by dynamic friction and a bias spring (corresponding to the
大きな加速度で移動を開始した被駆動体は、その時点でSMAが緩んでいることもあり、ブレーキをかける手段はない。したがって被駆動体が動摩擦およびバイアス力によりエネルギーを消費し、通電量を増し張力を増したSMAにより安定して移動可能となるまでの区間Paは制御不能領域となる。 The driven body that has started to move with a large acceleration may have a loose SMA at that time, and there is no means for braking. Therefore, the section Pa until the driven body consumes energy due to dynamic friction and bias force and can be stably moved by the SMA with increased energization and tension is an uncontrollable area.
SMAはその小ささ、シンプルさから小型精密機器に組み込まれることが多く、特にカメラのフォーカスなど、μmオーダーの位置制御が必要となる機器にとって、動き出し時の移動が安定しないことは大きな課題となる。また実際のカメラのフォーカス駆動では、小さな階段状のステップでレンズを動作させることがほとんどであり、各ステップでの初期動作が不安定であれば致命的な問題である。 SMAs are often incorporated into small precision devices due to their small size and simplicity. Especially for devices that require position control on the order of μm, such as camera focus, it is a big problem that movement at the start of movement is not stable. . In actual camera focus driving, the lens is usually operated in small stepped steps, which is a fatal problem if the initial operation at each step is unstable.
このような背景の下、本発明では、SMAを用いた駆動装置において、被駆動体が静止状態から移動状態に変化した直後も安定した動作が可能な駆動装置を実現する。 Under such a background, the present invention realizes a driving device that can stably operate even after the driven body is changed from the stationary state to the moving state in the driving device using the SMA.
以上の基本構成に加え、実施形態の特徴部となる具体的構成を以下に説明する。 In addition to the above basic configuration, a specific configuration that is a characteristic part of the embodiment will be described below.
<2.実施形態の具体的構成>
本発明の実施形態の説明に戻る。本実施形態に係る駆動装置100では、拡大機構部材2の当接部22bが被駆動体1と係合し、SMAアクチュエータ3により回転された拡大機構部材2が被駆動体1を押し上げる構成であるが、押し上げる当接部22bの位置はガイド機構部10から所定の距離離反している。このため、被駆動体1は拡大機構部材2に押し上げられる際、ガイド機構部10周りにモーメント力を受けることになる。
<2. Specific Configuration of Embodiment>
Returning to the description of the embodiment of the present invention. In the
そこで、本実施形態に係る駆動装置100では、このモーメント力を利用して軸部材13を第1及び第2の軸受部4c1,4c2に押し当てる構成を採用する。すなわち、駆動装置100では、側圧SPを軸線AXに沿う方向に垂直な方向で且つ固定部材4の中心方向に付与するために、弾性部材5を備える(図1参照)。つまり、図1で示されるように、弾性部材5は、その両端が固定部材4の所定の位置(固定端35A,35B)に固定され、且つ、その中央部がガイド胴部12の側面に架設されるばね部材(詳細は後述する)を含み、該ばね部材の伸縮によって該ガイド胴部12を介して軸部材13と第1及び第2の軸受部4c1,4c2との間に側圧SPが付与されることになる。
Therefore, the
ここで、再び図10を参照し、本実施形態に係る駆動装置100の駆動について説明する。従来と同様に、被駆動体1の静止状態から徐々にSMAアクチュエータ3に対し通電加熱してゆくと、SMAアクチュエータ3に駆動力が発生する(図10(a)の点P0から点P1に到達する前の状態、図10(b)の点Q0から点Q1に到達する前の状態)。SMAアクチュエータ3による駆動力が2箇所の第1及び第2の軸受部4c1,4c2で発生している「静止摩擦力+バイアス力」を超えた時点で被駆動体1は移動を開始する(図10(a)の点P1、図10(b)の点Q1に到達した状態)。このとき前述したように、SMAアクチュエータ3が緩む現象が生じる。側圧SPがない場合は、従来と同様に、SMAアクチュエータ3の緩みにより被駆動体1に与えられていた回転モーメントが急激に減少することから、第1及び第2の軸受部4c1,4c2に発生していた抗力、つまり、摩擦力が急激に減少することになるため(図10(a)の点P1から点P2まで減少する状態)、被駆動体1は不安定な動作となる(図10(b)の点Q1から点Q2を経由し点Q3に至る状態)。
Here, with reference to FIG. 10 again, driving of the driving
しかしながら、駆動装置100では、側圧SPを設けていることからSMAアクチュエータ3が緩んだ際に軸部材13を第1及び第2の軸受部4c1,4c2に押しつけるため、抗力の減少を最小限に抑えることが可能となる。これにより、図10(b)の従来生じていた区間Paにおける被駆動体の不安定な移動は最小限に抑制され、制御不能領域は小さくなる。すなわち、駆動装置100では、図10(b)の破線L1に示すような理想的な被駆動体1の移動を実現することが可能となる。
However, in the
以上のように、自己形態を保持するほどの剛性をもたない線状のSMAアクチュエータ3を用いた駆動装置100においては、側圧SPが付与されることにより、駆動開始直後に、SMAアクチュエータ3が緩むことによる制御不能領域(図10(b)の区間Pa)が大幅に改善される。これにより、被駆動体が静止状態から移動状態に変化した直後もより安定した動作が可能となる。
As described above, in the
<2−1.拡大機構部材の当接部の位置とモーメントとの関係>
拡大機構部材2の当接部22bの位置と上述のモーメントとの関係について、図3および図4を参照して説明する。図3および図4は、駆動装置100に作用する力を模式的に説明する図であり、図3では、拡大機構部材2の当接部22bがガイド機構部10から離れて当接しているのに対し、図4では、拡大機構部材2の当接部22bがガイド胴部12と当接しており、ガイド機構部10に限りなく近い関係にある。
<2-1. Relationship between the position of the contact portion of the expansion mechanism member and the moment>
The relationship between the position of the
被駆動体1を軸線AX方向に駆動する際に、軸部材13が第1および第2の軸受部4c1,4c2に対して、同方向に押し付けられ、軸部材13が第1および第2の軸受部4c1,4c2に当接した状態を維持したまま往復駆動されることが望ましい。
When driving the driven
しかしながら、図3で示される当接部22bの位置では、拡大機構部材2がレンズを収納した被駆動体1を押し上げる駆動力Fに対して、第1の軸受部4c1に発生する第1のモーメントM1aと第2の軸受部4c2に発生する第2のモーメントM2aとが逆向きの方向に生じるとともに、レンズの重さWによって第2の軸受部4c2に発生するモーメントMW(図示せず)が発生し、とりわけ、第1及び第2の軸受部4c1,4c2に発生する第1及び第2のモーメントM1a,M2aの影響がモーメントMWと比べて大きいため、モーメントMWの影響は無視できる。このため、軸部材13が第1および第2の軸受部4c1,4c2に対して、同方向に押し付けられた状態を維持することは困難となり、結果として、軸部材13の軸振れが生じやすい状況になる。
However, at the position of the
これに対して、図4で示される当接部22bの位置では、拡大機構部材2の当接部22bがガイド胴部12と当接しており、ガイド機構部10に限りなく近い位置に設けられる。ここで、モーメントは位置ベクトルと運動量ベクトルとの外積を言うところ、位置ベクトルに相当する、当接部22bから軸部材13までの距離が大きくなれば、第1の軸受部4c1に発生する第1のモーメントM1(M1a,M1b)と第2の軸受部4c2に発生する第2のモーメントM2(M2a,M2b)とが大きくなることになる。つまり、この原理からすると、図3の構成は図4の構成における第1及び第2のモーメントM1b,M2bと比べて、第1及び第2モーメントM1a,M2aが遙かに大きくなる(M1a>M1b,M2a>M2b)ことになる。したがって、軸部材13の軸振れを防止するためには、図3の構成は図4の構成と比べて、第1および第2の軸受部4c1,4c2に対してより大きな側圧SP(少なくともSP>M1a)が必要となるため、ガイド胴部12に対して比較的大きな側圧SPを付与する必要がある。
On the other hand, at the position of the
このように、側圧SPの大きさは、被駆動体1を駆動させる際に、軸部材13が第1及び第2の軸受部4c1,4c2から浮き始める直前で浮かない程度の力量が必要であり、図3で示す構成では、少なくとも「側圧SP>第1のモーメントM1a」の関係を満足する必要がある。
As described above, when the driven
そこで、本実施形態に係る駆動装置100では、図4で示されるように、拡大機構部材2の当接部22bがガイド胴部12と当接するなど、当接部22bからガイド機構部10までの距離を可能な限り小さく構成することが望ましい。これにより、付加する側圧SPを比較的小さくする(SP>M1bを満足すれば十分)ことが可能となる。このため、軸線AX方向に移動する際に、第1および第2の軸受部4c1,4c2にそれぞれ発生する第1及び第2のモーメントの影響により、軸部材13の軸振れが起こりやすくなる状況に対しては、効果的に抑制することが可能となる。
Therefore, in the
以上のような本実施形態に係る駆動装置100によれば、軸部材13に対して、軸線AXに沿う方向に垂直な方向で且つ固定部材4の中心方向(図1の方向AR)に側圧SPを与える弾性部材5を備えることにより、常に一定の側圧SPが軸部材13に対して付加されるため、第1および第2の軸受部4c1,4c2と接触する最低限の側圧SPを付与することにより軸部材13にかかる力を全体にわたって一定方向(軸部材13を第1および第2の軸受部4c1,4c2に当接させる方向)で安定させることができる。その結果、軸部材13の軸方向に沿った被駆動体1に対する拡大機構部材2による駆動性能を安定させることができ、位置制御精度の向上が実現される。以下、この点を詳述する。
According to the
固定部材4の上下に設けられた第1および第2の軸受部4c1,4c2を備えることにより、側圧SPによって該第1および第2の軸受部4c1,4c2に軸部材13を安定した力で当接させながら、被駆動体1を軸線AX方向に沿って駆動することが可能となる。すなわち、拡大機構部材2がガイド胴部12を当接する部分に対して、第1および第2の軸受部4c1,4c2にそれぞれ第1及び第2のモーメントM1(M1a,M1b),M2(M2a,M2b)が生じていても、第1および第2の軸受部4c1,4c2と接触する最低限の側圧SP(SP>M1a,SP>M2a)にすることにより、軸線AX方向に移動する際に、軸部材13は軸振れせず、被駆動体1を安定して移動させることができる。このため、駆動性能をより安定させることができ、位置制御精度の更なる向上が図れる。
By providing the first and second bearing portions 4c1 and 4c2 provided above and below the fixed
なお、側圧SPの方向は、軸線AX(中心点)に正確に向かう方向AR(図1参照)と厳密に完全一致している必要はなく、側圧SPの方向のうち、方向ARが含まれていれば足りる。すなわち、側圧SPの方向は、正確に方向ARに加え、おおよそ方向ARに向かう方向(つまり、方向ARから少しずれた方向)をも含む。 Note that the direction of the side pressure SP does not have to be exactly exactly the same as the direction AR (see FIG. 1) that is accurately directed to the axis AX (center point), and the direction AR is included in the direction of the side pressure SP. If it is enough. That is, the direction of the side pressure SP includes not only the direction AR accurately but also a direction toward the direction AR (that is, a direction slightly deviated from the direction AR).
さらに、本実施形態に係る駆動装置100に対して、被駆動体1をレンズユニットとし、被駆動体が駆動される方向(軸線AX方向)を光軸方向とし、SMAアクチュエータ3をSMAワイヤとすると、レンズユニットを光軸に沿って精度良く駆動することができる。
Furthermore, with respect to the
<3.弾性部材の構成例>
以下、上述した弾性部材5の具体的構成例を図5〜図7を参照して説明する。
<3. Configuration example of elastic member>
Hereinafter, a specific configuration example of the
<3−1.第1の弾性部材の構成例>
図5は、上述した弾性部材5を構成するばね部材として、引っ張りばね5Aを用いた例を説明する図である。なお、図1で示すばね部材も、引っ張りばね5Aを示すものであり、図5は、図1の駆動装置100を簡略化して示した模式図である。
<3-1. Configuration Example of First Elastic Member>
FIG. 5 is a diagram illustrating an example in which a
引っ張りばね5Aの両端を固定部材4の固定端35A,35Bに固定し、且つ、該引っ張りばね5Aの中央部をガイド胴部12の側面に架設することにより、引っ張りばね5Aの収縮力5A1,5A2によりガイド胴部12を介して軸部材13と第1及び第2の軸受部4c1,4c2との間に側圧SPを付与することができるため、駆動性能をより安定させることができ、位置制御精度の更なる向上が図れる。
Both ends of the
<3−2.第2の弾性部材の構成例>
図6は、上述した弾性部材5を構成するばね部材として、線ばね5Bを用いた例を説明する図である。なお、図6は、図1の駆動装置100を簡略化して示した模式図である。
<3-2. Configuration Example of Second Elastic Member>
FIG. 6 is a diagram for explaining an example in which a
線ばね5Bの両端を固定部材4の固定端35A,35Bに固定し、且つ、該線ばね5Bの中央部をガイド胴部12の側面に架設することにより、線ばね5Bの収縮力5B1,5B2によりガイド胴部12を介して軸部材13と第1及び第2の軸受部4c1,4c2との間に側圧SPを付与することができるため、駆動性能をより安定させることができ、位置制御精度の更なる向上が図れる。
Both ends of the
なお、図6において、線ばね5Bが曲線形状をしているのは、被駆動体1との干渉を回避するためである。
In FIG. 6, the
<3−3.第3の弾性部材の構成例>
図7は、上述した弾性部材5を構成するばね部材として、ねじりばね5Cを用いた例を説明する図である。なお、図7は、図1の駆動装置100を簡略化して示した模式図である。
<3-3. Configuration Example of Third Elastic Member>
FIG. 7 is a diagram for explaining an example in which a torsion spring 5C is used as the spring member constituting the
ねじりばね5Cの両端を固定部材4の固定端35A,35Bに固定し、且つ、該ねじりばね5Cの中央部をガイド胴部12の側面に架設することにより、ねじりばね5Cの収縮力5C1,5C2によりガイド胴部12を介して軸部材13と第1及び第2の軸受部4c1,4c2との間に側圧SPを付与することができるため、駆動性能をより安定させることができ、位置制御精度の更なる向上が図れる。
Both ends of the torsion spring 5C are fixed to the fixing ends 35A and 35B of the fixing
なお、図7において、ねじりばね5Cが曲線形状をしているのは、被駆動体1との干渉を回避するためである。また、被駆動体100においてねじりばね5Cを採用する場合は、例えば、図2で示される被駆動体1の凹部1Aの堀を深くしてばねをねじる位置の確保をする点に留意する。
In FIG. 7, the
<4.変形例>
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
<4. Modification>
As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible.
※ 本実施形態に係る駆動装置100では、被駆動体1と拡大機構部材2とを貫通孔部4aの外周部に沿って円形状に形成されたが、これに限られず、多角形状の被駆動体1と拡大機構部材2とを備えてもよい。
* In the
※ 本実施形態に係る駆動装置100では、固定部材4の平面視の形状を四角形としたが、円形でも多角形でもよく、固定部材4に設ける駆動支点部4bと変位入力部2aの設置位置(一角)に軸線AXを挟んで対向する位置(第二の位置)にバイアスバネ7を備えるガイド機構部10を設ける構成であればよい。
* In the
※ 本実施形態に係る駆動装置100では、ガイド機構部10のガイド体11において、被駆動体1の一部に相当するガイド胴部12と軸部材13とは一体化されて構成されていたが、ガイド胴部12と軸部材13とを分離して構成されても良い。具体的には、軸部材13は、第1及び第2の軸受部4c1,4c2と一体化されて構成され、被駆動体1と一体化したガイド胴部12が軸部材13に摺動して移動する。なお、ガイド胴部12は上記実施形態に係る駆動装置100と同様に弾性部材5により軸部材13に押圧されている。なお、図8で示されるような形状記憶合金ワイヤ101で直接被駆動体(レンズユニット104)を移動させる構成においては、被駆動体と一体化したガイド胴部(スリーブ102)を弾性部材5により軸部材(スライドガイド軸103)に押圧する構成でも良い。
* In the
1 被駆動体
2 拡大機構部材
2a 変位入力部
2b 変位出力部
3 形状記憶合金ワイヤ(SMAアクチュエータ)
4 固定部材
4a 貫通部
4b 駆動支点部
4c1 第1の軸受部
4c2 第2の軸受部
7 バイアスバネ
10 ガイド機構部
11 ガイド体
12 ガイド胴部
13 軸部材
14 本体部
21b リング形態部
22b 当接部
100 駆動装置
AX 光軸(軸線)
F 駆動力
M1 第1のモーメント
M2 第2のモーメント
SP 側圧
DESCRIPTION OF
4 fixing
F Driving force M1 First moment M2 Second moment SP Side pressure
Claims (8)
前記被駆動体を駆動する機構部材と、
前記機構部材を移動させる駆動力を発生する形状記憶合金アクチュエータと、
軸部材の軸方向に沿って前記被駆動体を移動させることができるガイド機構部と、
を備え、
前記軸部材に対して、前記被駆動体の移動方向に垂直な方向に側圧を与える弾性部材、
をさらに備えることを特徴とする、
駆動装置。 A driven body driven to reciprocate in a predetermined direction;
A mechanism member for driving the driven body;
A shape memory alloy actuator that generates a driving force for moving the mechanism member;
A guide mechanism capable of moving the driven body along the axial direction of the shaft member;
With
An elastic member that applies a lateral pressure to the shaft member in a direction perpendicular to the moving direction of the driven body;
Further comprising:
Drive device.
固定部材を有し、前記固定部材は一角部に前記機構部材との駆動支点部を有し、
前記機構部材は、前記一角部に設けられ且つ前記形状記憶合金アクチュエータが係合する変位入力部と、平面視して所定の対向位置に前記被駆動体を当接により変位可能に設けられる当接部と該当接部と前記変位入力部とを連結する変位出力部とを有することを特徴とする、
駆動装置。 The drive device according to claim 1,
A fixing member, the fixing member has a driving fulcrum portion with the mechanism member at one corner,
The mechanism member is provided at the corner portion and a displacement input portion with which the shape memory alloy actuator is engaged is abutted so as to be displaceable by abutting the driven body at a predetermined opposed position in plan view. A displacement output unit that connects the portion, the corresponding contact portion, and the displacement input unit,
Drive device.
前記被駆動体は本体部と該本体部から突設されるガイド胴部とを有し、
前記軸部材は前記ガイド胴部と一体形成され、
前記機構部材の前記当接部が前記ガイド胴部に当接して前記被駆動体を駆動し、
前記ガイド機構部は、前記ガイド胴部及び前記軸部材を含み、前記固定部材に形成され、
前記軸部材を摺動自在に保持可能に、前記ガイド胴部に対し前記固定部材の上下に設けられた第1および第2の軸受部をさらに含むことを特徴とする、
駆動装置。 The drive device according to claim 2,
The driven body has a main body part and a guide body part protruding from the main body part,
The shaft member is integrally formed with the guide body;
The contact portion of the mechanism member contacts the guide body portion to drive the driven body;
The guide mechanism portion includes the guide body portion and the shaft member, and is formed on the fixing member.
The shaft member further includes first and second bearing portions provided above and below the fixed member so as to be slidably held,
Drive device.
前記弾性部材は、その両端が前記固定部材の所定の位置に固定され、且つ、その中央部が前記ガイド胴部の側面に架設されるばね部材を含み、前記ばね部材の弾性によって前記ガイド胴部を介して前記軸部材と前記第1及び第2の軸受部との間に前記側圧が付与される、
駆動装置。 The drive device according to claim 3,
The elastic member includes a spring member whose both ends are fixed at predetermined positions of the fixing member, and a central portion of which is installed on a side surface of the guide body portion, and the guide body portion is formed by elasticity of the spring member. The lateral pressure is applied between the shaft member and the first and second bearing portions via
Drive device.
前記ばね部材は、引っ張りばねを含む、
駆動装置。 The drive device according to claim 4,
The spring member includes a tension spring,
Drive device.
前記ばね部材は、線ばねを含む、
駆動装置。 The drive device according to claim 4,
The spring member includes a wire spring,
Drive device.
前記ばね部材は、ねじりばねを含む、
駆動装置。 The drive device according to claim 4,
The spring member includes a torsion spring,
Drive device.
前記被駆動体がレンズユニットであり、
前記被駆動体が駆動される方向が光軸方向であり、
前記形状記憶合金アクチュエータが形状記憶合金ワイヤであることを特徴とする、
駆動装置。 The drive device according to any one of claims 1 to 7,
The driven body is a lens unit;
The direction in which the driven body is driven is the optical axis direction,
The shape memory alloy actuator is a shape memory alloy wire,
Drive device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120230665A1 (en) * | 2009-11-24 | 2012-09-13 | Konica Minolta Advanced Layers, Inc. | Drive device |
JP6024798B1 (en) * | 2015-08-20 | 2016-11-16 | Tdk株式会社 | Lens drive device |
CN110703540A (en) * | 2018-07-09 | 2020-01-17 | 格科微电子(上海)有限公司 | Method for realizing optical fingerprint camera module |
-
2011
- 2011-12-09 JP JP2011269628A patent/JP2013120375A/en active Pending
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