JP2014158348A - 慣性駆動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化しても磁歪素子及び移動体の移動時の動作が安定している慣性駆動アクチュエータを提供する。
【解決手段】駆動部が磁界発生手段を駆動することによって、磁気−機械変換素子が第１の速度で伸縮すると、摩擦発生部材は固定部材との摩擦力でその位置が保持され、移動体は磁界発生手段に対して相対的に移動し、第１の速度よりも速い第２の速度で磁気−機械変換素子が伸縮すると、移動体は、その慣性によって位置が保持され、摩擦発生部材は磁界発生手段に対して相対的に移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、慣性駆動アクチュエータに関するものである。

従来のアクチュエータとして、（１）所定の筐体内に移動可能に設けられ、周辺の磁界変化に応じて伸縮変化する磁歪素子と、（２）磁歪素子の外周部に設けられ、この磁歪素子の周辺の磁界を変化させるコイルと、（３）磁歪素子の一方の端部に連結され、コイルの磁界変化に応じて、筐体に対する自らの位置を移動する移動体とを備えているものがある。このアクチュエータの磁歪素子は、他方の端部に、筐体に設けられた摩擦体と当接して、この摩擦体との摩擦力で筐体に対する自らの位置を摩擦保持する摩擦保持部を有し、摩擦保持部は、磁歪素子の伸縮変化に応じて、筐体に対する自らの位置を移動する。以下、このようなアクチュエータを「慣性駆動アクチュエータ」という。このような慣性駆動アクチュエータは、例えば、特許文献１に提案されている。

特開２００９−１８９０７７号公報

上述のように磁歪素子が移動体とともに移動するアクチュエータでは、磁歪素子を変位させるために配置したコイルも磁歪素子及び移動体の移動とともに移動する。さらに、通電のためにコイルに接続されている配線も、コイルとともに移動する。このように配線が移動することによる影響は、アクチュエータが大きく駆動力が大きい場合には問題とはなりにくいが、アクチュエータを小型化すると駆動力も大きさに伴い低下するため影響が出やすくなり、コイルの配線のテンションや応力が移動体に作用して、アクチュエータの動作が不安定になるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型化しても磁歪素子及び移動体の移動時の動作が安定している慣性駆動アクチュエータを提供することを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る慣性駆動アクチュエータは、固定部材と、外部からの磁界の変化に応じて伸縮する磁気−機械変換素子と、固定部材に固定されるとともに、磁気−機械変換素子の外周部に設けられ、磁界を変化させる磁界発生手段と、磁気−機械変換素子の一端に連結され、磁界発生手段に対して相対的に磁気−機械変換素子とともに移動する移動体と、磁気−機械変換素子の他端に連結され、磁界発生手段に対して相対的に磁気−機械変換素子とともに移動するとともに、固定部材と摩擦結合する摩擦発生部材と、磁界発生手段を駆動する駆動部と、を具備し、駆動部が磁界発生手段を駆動することによって、磁気−機械変換素子が第１の速度で伸縮すると、摩擦発生部材は固定部材との摩擦力でその位置が保持され、移動体は磁界発生手段に対して相対的に移動し、第１の速度よりも速い第２の速度で磁気−機械変換素子が伸縮すると、移動体は、その慣性によって位置が保持され、摩擦発生部材は磁界発生手段に対して相対的に移動することを特徴としている。

本発明に係る慣性駆動アクチュエータにおいて、移動体及び摩擦発生手段の少なくともどちらか一方に、連結部材を介して光学素子が接続されており、慣性駆動アクチュエータの移動軸と光学素子の光軸の方向が略一致していることが好ましい。

本発明に係る慣性駆動アクチュエータにおいて、固定部材は磁性体からなり、摩擦発生部材は永久磁石からなることが好ましい。

本発明に係る慣性駆動アクチュエータにおいて、磁界発生手段はコイルからなり、また、永久磁石は移動体の移動方向と同一となるように着磁されており、コイルと永久磁石との距離に応じて変化する磁束に対応する信号をコイルから検出する検出回路を備えることが好ましい。

本発明に係る慣性駆動アクチュエータにおいて、検出回路は移動体の移動が終了した後に位置検出を行うことが好ましい。

本発明に係る慣性駆動アクチュエータにおいて、コイルはコイルボビンに巻かれており、コイルボビンが固定部材に固定されていることが好ましい。

本発明に係る慣性駆動アクチュエータにおいて、コイルの外周には磁性体からなるヨークが配置されており、ヨークが固定部材に固定されていることが好ましい。

本発明に係る慣性駆動アクチュエータにおいて、ヨークと固定部材は一体的に作られていることが好ましい。

本発明に係る慣性駆動アクチュエータは、小型化しても磁歪素子及び移動体の移動時の動作が安定している、という効果を奏する。

第１実施形態に係る慣性駆動アクチュエータの構成を示す断面図である。 第１実施形態に係る慣性駆動アクチュエータの動作を示す断面図である。 第１実施形態におけるコイルに印加する電流波形の例を示すグラフである。 第１実施形態の変形例に係る慣性駆動アクチュエータの構成を示す断面図である。 第２実施形態に係る慣性駆動アクチュエータの構成を示す断面図である。 第２実施形態の第１変形例に係る慣性駆動アクチュエータの構成を示す断面図である。 第２実施形態の第２変形例に係る慣性駆動アクチュエータの構成を示す断面図である。 第３実施形態に係る慣性駆動アクチュエータの構成を示す断面図である。

以下に、本発明に係る慣性駆動アクチュエータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ１００の構成を示す断面図である。図１に示す慣性駆動アクチュエータ１００は、磁歪素子１２０を駆動源とした自走式のインパクト駆動アクチュエータである。図１、図２は、慣性駆動アクチュエータ１００の移動軸Ａ１００を含む縦断面図である。
慣性駆動アクチュエータ１００は、固定部材としての磁性体１１０と、磁気−機械変換素子としての磁歪素子１２０と、磁界発生手段としてのコイル１３０と、移動体１４０と、摩擦発生部材としての磁石１５０と、コイル１３０に接続された駆動回路１３１（駆動部）と、を備える。

移動体１４０には光学素子１６０が接続されており、慣性駆動アクチュエータ１００の移動軸Ａ１００と光学素子１６０の光軸ＡＸの方向が略一致している。
ここで、光学素子は、移動体１４０及び磁石１５０（摩擦発生手段）の少なくともどちらか一方に、連結部材を介して接続されていることが好ましい。図１に示す例では、移動体１４０が連結部材を兼ねている。光学素子は、例えばレンズ、絞りである。

磁性体１１０は、慣性駆動アクチュエータ１００の移動軸Ａ１００に沿って延びるように配置されている。
磁歪素子１２０は、外部からの磁界の変化に応じて伸縮する磁気−機械変換素子であって、移動軸Ａ１００に沿って延設された棒状の素子である。この磁歪素子１２０は、コイル１３０内に挿入され、コイル１３０が発生する磁界の変化に応じて移動軸Ａ１００に沿った方向に伸縮する。
コイル１３０は、磁歪素子１２０の外周部に設けられており、例えば接着によって、磁性体１１０に固定されている。コイル１３０は、駆動回路１３１によって駆動され、駆動回路１３１から印加される電流に応じて発生する磁界が変化する。

移動体１４０は、磁歪素子１２０の長手方向（移動軸Ａ１００に沿った方向）の一端に連結され、磁歪素子１２０の伸縮にともなって、磁性体１１０及び磁性体１１０に固定されたコイル１３０に対して相対的に移動する。移動体１４０の移動方向は、移動軸Ａ１００に沿った方向である。

磁石１５０は、磁歪素子１２０の長手方向の他端に連結され、磁歪素子１２０の伸縮にともなって、磁性体１１０及びコイル１３０に対して相対的に移動する永久磁石である。磁石１５０は、その着磁方向が移動体１４０の移動方向と同一となるように磁性体１１０上に配置される。また、磁石１５０は、磁性体１１０との間で摩擦結合している。
なお、磁石１５０と磁性体１１０に代えて、例えば静電気や弾性力を用いて、摩擦発生部材と固定部材を摩擦結合させることもできる。

慣性駆動アクチュエータ１００においては、駆動回路１３１がコイル１３０を駆動することによって、磁歪素子１２０が伸縮する。
磁歪素子１２０が第１の速度で移動軸Ａ１００に沿って伸縮すると、磁石１５０は磁性体１１０との間の摩擦力によってその位置が保持され、移動体１４０はコイル１３０に対して相対的に移動する。
これに対して、第１の速度よりも速い第２の速度で磁歪素子１２０が伸縮すると、移動体１４０は、その慣性によって位置が保持され、磁石１５０はコイル１３０に対して相対的に移動する。

次に、図２及び図３を参照して、慣性駆動アクチュエータ１００の動作例について説明する。ここでは、移動体１４０及び磁石１５０を左に移動させる例を説明する。
図２は、慣性駆動アクチュエータ１００の動作を示す断面図であって、（ａ）は図３の時間ゼロのときの状態を示し、（ｂ）は図３の時間Ｔ１のときの状態を示し、（ｃ）は図３の時間Ｔ２のときの状態を示している。図３は、コイル１３０に印加する電流波形の例を示すグラフである。

コイル１３０に印加する電流を増加させると、コイル１３０に磁界が発生し、磁歪素子１２０が伸長する。コイル１３０に印加する電流を、図３の区間Ｐ１に示すように緩やかに増加させると、磁石１５０が磁性体１１０に摩擦結合されているため、移動体１４０が磁歪素子１２０の変位に伴って移動する（図２（ｂ））。
次に、区間Ｐ２に示すように、コイル１３０に印加する電流を急峻に低下させると、磁歪素子１２０は急峻に縮む動作をするため、移動体１４０は慣性によりその位置にとどまろうとする。一方、磁石１５０と磁性体１１０の間にはすべりが生じるため、磁石１５０が左に移動する（図２（ｃ））。
慣性駆動アクチュエータ１００においては、以上の動作を繰り返すことによって移動体１４０及び磁石１５０を左へ移動させている。
これに対して、移動体１４０及び磁石１５０を右へ移動させる場合には、図３の区間Ｐ１で急峻に電流を増加させ、区間Ｐ２で緩やかに電流を減少させればよい。

第１実施形態の慣性駆動アクチュエータ１００においては、コイル１３０を磁性体１１０に固定し、移動体１４０、磁石１５０、及び磁歪素子１２０を移動させる構成としているため、コイル１３０への配線が移動時の駆動力に影響を与えないこととなり、これにより安定した動作が得られる。
別言すると、慣性駆動アクチュエータ１００は、上述の構成により以下の効果を得ることが出来る。
（１）磁界発生手段であるコイル１３０を磁性体１１０に固定しているため、コイル１３０への配線が移動に対する負荷にならず、安定した動作が得られる。
（２）摩擦発生部材としての磁石１５０と、固定部材としての磁性体１１０と、が互いに摩擦結合するため、両者間の磁力によって、常に一定した摩擦力を与えることが出来ることとなり、これにより機械的に摩擦するよりも長期的に安定動作が得られる。
（３）レンズなどの光学素子１６０を移動体１４０に接続した構成にすることで焦点距離などを正確に変えることができる。

（第１実施形態の変形例）
図４は第１実施形態の変形例に係る慣性駆動アクチュエータの構成を示す断面図である。図４は、移動軸Ａ１００を含む縦断面図である。
図４に示す慣性駆動アクチュエータにおいては、コイル１３０がボビン１３２（コイルボビン）に巻かれており、磁歪素子１２０はボビン１３２にあけられた穴に挿入されている。ボビン１３２は、コイル１３０が磁性体１１０に対して移動しないように磁性体１１０に固定されている。また、ボビン１３２は非磁性体であることが望ましい。
ここで、磁歪素子１２０が移動軸Ａ１００に沿って延びるように配置される点は第１実施形態の場合と同様である。また、磁性体１１０、駆動回路１３１、移動体１４０、磁石１５０、及び光学素子１６０は第１実施形態と同様であるため、同じ符号を用いている。

このようにボビン１３２を用いた形態にすることで、コイル１３０を磁歪素子１２０の周囲に巻きやすくなる。さらに、磁歪素子１２０は、ボビン１３２内に挿通されているため、第１実施形態のようにコイル１３０内に挿通される場合に比べて摺動性が向上する。
別言すると、本変形例によれば、コイル１３０を製作しやすくなる。また、磁歪素子１２０は凹凸のあるコイル１３０ではなくボビン１３２の内面と接することになるため、伸縮の際の摺動性が良くなりアクチュエータの動作が安定する。さらに、ボビン１３２にコイル１３０を巻いた構成であるため、アクチュエータの製作が簡単になる。また、磁性体１１０に対してボビン１３２を接合することにより、磁性体１１０に対するコイル１３０の固定も容易になる。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ２００の構成を示す断面図である。図５は、慣性駆動アクチュエータ２００の移動軸Ａ２００を含む縦断面図である。
第２実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ２００においては、コイル２３０の外周に、磁性体からなるヨーク２３２を配置し、ヨーク２３２の内側にコイル２３０を固定し、このヨーク２３２が磁性体２１０に固定されている点が第１実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ１００と異なる。磁性体２１０、磁歪素子２２０、駆動回路２３１、移動体２４０、磁石２５０、及び光学素子２６０の構成及び配置は、第１実施形態の磁性体１１０、磁歪素子１２０、駆動回路１３１、移動体１４０、磁石１５０、及び光学素子１６０とそれぞれ同様であるため、詳細な説明は省略する。
第２実施形態の慣性駆動アクチュエータ２００では、磁性体からなるヨーク２３２を用いることによって、磁歪素子２２０へ効率よく磁束を供給できる。したがって、磁歪素子２２０の変位量が大きく取れるため、アクチュエータの移動がより安定する。
なお、その他の構成、作用、効果については、第１実施形態と同様である。

（第２実施形態の第１変形例）
図６は、第２実施形態の第１変形例に係る慣性駆動アクチュエータの構成を示す断面図である。
図５に示すヨーク２３２に代えて、図６に示すように固定部材としての磁性体２１３にヨーク２３３を一体形成し、このヨーク２３３の内側にコイル２３０を固定しても良い。この構成によれば、磁性体２１３にヨーク２３３を固定するときの精度が向上するため、磁性体２１３に対する移動体２４０の移動の直進性の低下を抑えることができる。また、ヨーク２３３を用いるため、コイル２３０からの磁束が集中的に磁歪素子２２０へ流れるため、より効率の良いアクチュエータとなる。

（第２実施形態の第２変形例）
図７は、第２実施形態の第２変形例に係る慣性駆動アクチュエータの構成を示す断面図である。
第２変形例においては、図７に示すように、ヨーク２３４の本体部２３４ａの移動軸Ａ２００に沿った方向の両端部２３４ｂ、２３４ｃを、内側に突出した形状としている。このように、磁歪素子２２０を囲むようにヨーク２３４を形成したため、コイル２３０からの磁束をより効率よく供給できる。また、ヨーク２３４をコイル２３０の外周に配置することで、コイル２３０が発生する磁束をより磁歪素子２２０に集めることができる。

なお、第２実施形態、第１変形例、第２変形例においても、図４と同様にボビンを使用すると、コイル２３０が磁歪素子２２０の周囲に配置しやすくなるなど、第１実施形態の変形例と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ３００においては、図５に示す第２実施形態の慣性駆動アクチュエータ２００に対して、駆動回路２３１に代えて、駆動部及び検出回路としての駆動・検出回路３３２を用いている点が異なる。磁性体３１０、磁歪素子３２０、コイル３３０、駆動・検出回路３３２、移動体３４０、磁石３５０、及び光学素子３６０の構成及び配置は、第２実施形態の磁性体２１０、磁歪素子２２０、コイル２３０、ヨーク２３２、移動体２４０、磁石２５０、及び光学素子２６０とそれぞれ同様であるため、詳細な説明は省略する。

図８は、第３実施形態に係る慣性駆動アクチュエータ３００の構成を示す断面図である。図８は、慣性駆動アクチュエータ３００の移動軸Ａ３００を含む縦断面図である。
駆動・検出回路３３２は、コイル３３０と磁石３５０との距離に応じて変化する磁束に対応する信号をコイル３３０から検出する回路である。
慣性駆動アクチュエータ３００においては、磁石３５０の移動方向は移動軸Ａ３００に沿った方向であり、磁石３５０の磁極の配置を、その移動方向に沿うようにしている。このような配置において、磁石３５０をコイル３３０に対して移動させることにより、コイル３３０を通る磁束が変化し、コイル３３０のインダクタンスが変化することから、移動体３４０、磁石３５０、及び光学素子３６０の位置検出が可能になる。

移動体３４０、磁石３５０、及び光学素子３６０の位置検出は次のように行う。まず、現在の位置でのコイル３３０のインダクタンスを駆動・検出回路３３２で測定する。次に、アクチュエータを駆動するための駆動信号を駆動・検出回路３３２からコイル３３０へ印加することによって、アクチュエータを駆動して、移動体３４０、磁石３５０、及び光学素子３６０を移動させる。移動完了後に駆動・検出回路３３２でコイル３３０のインダクタンスを測定する。移動の前後で測定したインダクタンスに基づいて磁石３５０の位置を求める。

慣性駆動アクチュエータ３００においては、アクチュエータの外部に位置センサを別途配置することが無いため、小型化したままアクチュエータの位置検出ができ、フィードバック制御することにより移動の位置精度を向上させることが出来る。

なお、第３実施形態では移動体３４０が磁性体３１０に接触していないが、これに限らず移動体３４０が磁性体３１０に接触していても構わない。また、磁歪素子３２０の移動体３４０側にも磁石３５０より弱い磁石を設置しても構わない。また、光学素子３６０は、移動体３４０側ではなく、磁石３５０側に接続してもかまわない。
なお、その他の構成、作用、効果については、第２実施形態と同様である。

また、第３実施形態として、図５に示す慣性駆動アクチュエータ２００の駆動回路２３１を駆動・検出回路３３２に置き換えた例を示したが、第１実施形態、第１実施形態の変形例、第２実施形態の各変形例における駆動回路を駆動・検出回路３３２に置き換えても第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上のように、本発明に係る慣性駆動アクチュエータは、小型化しても磁歪素子及び移動体の移動時の動作の安定性が求められる場合に有用である。

１００ 慣性駆動アクチュエータ
１１０ 磁性体（固定部材）
１２０ 磁歪素子（磁気−機械変換素子）
１３０ コイル（磁界発生手段）
１３１ 駆動回路（駆動部）
１３２ ボビン
１４０ 移動体
１５０ 磁石（摩擦発生部材）
１６０ 光学素子
２００ 慣性駆動アクチュエータ
２１０、２１３ 磁性体（固定部材）
２２０ 磁歪素子（磁気−機械変換素子）
２３０ コイル（磁界発生手段）
２３１ 駆動回路（駆動部）
２３２、２３３、２３４ ヨーク
２４０ 移動体
２５０ 磁石（摩擦発生部材）
２６０ 光学素子
３００ 慣性駆動アクチュエータ
３１０ 磁性体（固定部材）
３２０ 磁歪素子（磁気−機械変換素子）
３３０ コイル（磁界発生手段）
３３２ 駆動・検出回路（駆動部、検出回路）
３４０ 移動体
３５０ 磁石（摩擦発生部材）
３６０ 光学素子
Ａ１００、Ａ２００、Ａ３００ 移動軸
ＡＸ 光軸

Claims (8)

1. 固定部材と、
   外部からの磁界の変化に応じて伸縮する磁気−機械変換素子と、
   前記固定部材に固定されるとともに、前記磁気−機械変換素子の外周部に設けられ、前記磁界を変化させる磁界発生手段と、
   前記磁気−機械変換素子の一端に連結され、前記磁界発生手段に対して相対的に前記磁気−機械変換素子とともに移動する移動体と、
   前記磁気−機械変換素子の他端に連結され、前記磁界発生手段に対して相対的に前記磁気−機械変換素子とともに移動するとともに、前記固定部材と摩擦結合する摩擦発生部材と、
   前記磁界発生手段を駆動する駆動部と、
   を具備し、
   前記駆動部が前記磁界発生手段を駆動することによって、前記磁気−機械変換素子が第１の速度で伸縮すると、前記摩擦発生部材は前記固定部材との摩擦力でその位置が保持され、前記移動体は前記磁界発生手段に対して相対的に移動し、前記第１の速度よりも速い第２の速度で前記磁気−機械変換素子が伸縮すると、前記移動体は、その慣性によって位置が保持され、前記摩擦発生部材は前記磁界発生手段に対して相対的に移動することを特徴とする慣性駆動アクチュエータ。
2. 前記移動体及び前記摩擦発生手段の少なくともどちらか一方に、連結部材を介して光学素子が接続されており、前記慣性駆動アクチュエータの移動軸と前記光学素子の光軸の方向が略一致している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. 前記固定部材は磁性体からなり、前記摩擦発生部材は永久磁石からな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. 前記磁界発生手段はコイルからなり、また、前記永久磁石は前記移動体の移動方向と同一となるように着磁されており、前記コイルと前記永久磁石との距離に応じて変化する磁束に対応する信号を前記コイルから検出する検出回路を備える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. 前記検出回路は前記移動体の移動が終了した後に位置検出を行う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. 前記コイルはコイルボビンに巻かれており、前記コイルボビンが前記固定部材に固定されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の慣性駆動アクチュエータ。
7. 前記コイルの外周には磁性体からなるヨークが配置されており、前記ヨークが前記固定部材に固定されていることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の慣性駆動アクチュエータ。
8. 前記ヨークと前記固定部材は一体的に作られていることを特徴とする請求項７に記載の慣性駆動アクチュエータ。

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