JP2014239595A - アクチュエータ及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電気機械変換素子に軸方向と垂直方向の外力がかかり難く、電気機械変換素子が損傷したり、圧電素子端部の接合面が剥がれるおそれの少ないアクチュエータ及び撮像装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明のアクチュエータ１は、電気機械変換素子である圧電素子２と、圧電素子２の一端に接合された被振動部材３と、圧電素子２の他端を保持した保持部材としての錘４とを備える。被振動部材３は、被振動部材用筒状部３２を備え、又、錘４は、錘用筒状部４２を備える。そして、被振動部材用筒状部３２と錘用筒状部４２とは、圧電素子２の軸方向に移動可能且つ軸方向と垂直な方向に移動不能に連結されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、撮像装置等に好適に用いられるアクチュエータ及び撮像装置に関するものである。

近年、携帯電話・スマートフォンなど向けのマイクロカメラユニット（ＭＣＵ）は小型化・薄型化が進み、それを構成する各部品も小型化・薄型化することが求められる。小型化・薄型化にマッチし、携帯電話などに搭載可能な撮像装置に好適に用いられるアクチュエータとして、例えばＳＩＤＭ（Ｓｍｏｏｔｈ・Ｉｍｐａｃｔ・Ｄｒｉｖｅ・Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ、「ＳＩＤＭ」は登録商標）と称されるアクチュエータが知られている。このアクチュエータは、電気機械変換素子である圧電素子と、前記圧電素子の一端に接合された被振動部材である駆動軸とを備えている。そして、このアクチュエータは、前記圧電素子の伸縮に伴う振動を駆動軸に伝え、駆動軸に摩擦係合された移動体を、前記圧電素子の伸張時と縮小時との速度差を利用して駆動させる。より詳しくは、このようなアクチュエータでは、例えば駆動軸をゆっくりと伸張させることによって、その駆動軸に摩擦係合された移動体も駆動して移動する一方、前記摩擦係合された摩擦力を超える程、駆動軸を瞬時に縮小させると、前記移動体が伸張位置に取り残される。このような駆動軸の伸長と収縮とを繰返し行うことで、アクチュエータは、前記移動体を前記駆動軸の軸方向に駆動させることができる。

このようなアクチュエータにおいて、例えば特許文献１では、圧電素子と、前記圧電素子の軸方向の一端に固定された振動伝達部材（被振動部材）と、前記振動伝達部材に固定された中空状の駆動摩擦部材と、前記駆動摩擦部材に摩擦係合する係合部材とを備えたアクチュエータが開示されている。そして、特許文献１に開示のアクチュエータは、前記構成によって、中空状の駆動摩擦部材の内部に電気機械変換素子を配置できるようにしている。

特開２００６−１２９６２５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示のアクチュエータでは、駆動摩擦部材が振動伝達部材に固定されているだけのため、駆動摩擦部材に軸方向と垂直方向の外力がかかると、その外力が振動伝達部材を介して圧電素子の軸方向の一端にかかる。その結果、圧電素子に軸方向と垂直方向の外力がかかって圧電素子が損傷したり、圧電素子端部の接合面が剥がれたりするおそれがある。特に、小型化したアクチュエータでは、圧電素子の耐衝撃性が低く、前記垂直方向の外力がかかると損傷するおそれが高い。

本発明は、電気機械変換素子に軸方向と垂直方向の外力がかかり難く、電気機械変換素子が損傷したり、圧電素子端部の接合面が剥がれるおそれの少ないアクチュエータ及び撮像装置の提供を目的とする。

本発明のアクチュエータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換して軸方向に振動可能な電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の振動が伝達されるように、前記電気機械変換素子の軸方向の一端に接合された被振動部材と、前記電気機械変換素子の軸方向の他端を保持した保持部材とを備え、前記被振動部材と保持部材との少なくとも一方は、前記電気機械変換素子を内包するように前記電気機械変換素子の軸方向に延ばされた筒状部を備え、前記被振動部材と保持部材とは、前記電気機械変換素子の軸方向に移動可能且つ前記軸方向と垂直な方向に移動不能に前記筒状部を介して互いに連結されていることを特徴とする。

この構成によれば、被振動部材と保持部材とは電気機械変換素子の軸方向に移動可能且つ軸方向と垂直な方向に移動不能に互いに連結されているため、例えば被振動部材に、電気機械変換素子の軸方向と垂直方向の外力がかかった場合でも、その外力が被振動部材と保持部材とで受けられ、その外力が電気機械変換素子にかかるおそれを少なくできる。これにより、電気機械変換素子が外力で損傷するおそれが少なく、又、圧電素子端部の接合面が剥がれるおそれを少なくできる。

他の一態様では、前記アクチュエータにおいて、前記筒状部の内周と前記電気機械変換素子の外周との間に配設された弾性体を、更に備えていることを特徴とする。

この構成によれば、弾性体が被振動部材にかかった垂直方向の外力を吸収でき、外力が電気機械変換素子にかかるおそれを、より一層、少なくできる。

他の一態様では、前記アクチュエータにおいて、前記電気機械変換素子は、前記電気エネルギーを前記電気機械変換素子に供給するための給電用接続部材と接続され、前記筒状部は、前記給電用接続部材を前記筒状部内の前記電気機械変換素子から前記筒状部の外に導くための開口部を備え、前記開口部は、前記筒状部の内周面から外周面に貫通するように形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、被振動部材は保持部材に対して移動する際に、給電用接続部材が支障になることがなく、被振動部材は保持部材に対して円滑に移動できる。

他の一態様では、前記アクチュエータにおいて、前記筒状部は、その軸方向の長さが前記電気機械変換素子の軸方向の長さよりも長くなるように、前記被振動部材に形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、被振動部材にのみ、筒状部を形成すればよく、構成を簡素化できる。又、筒状部は、電気機械変換素子の軸方向の一端から他端に延ばされるため、その外周に、移動体が摩擦係合するようにすれば、アクチュエータ全体の低背化及び小型化を図ることができる。

又、本発明の撮像装置は、前記いずれかのアクチュエータと、前記アクチュエータの被振動部材に軸方向移動可能に摩擦係合された移動体と、光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、１又は複数の光学素子を備え、物体の光学像を前記撮像素子の受光面上に結像する撮像光学系とを備え、前記撮像光学系における前記１又は複数の光学素子のうちの光軸方向に沿って移動する光学素子は、前記移動体に保持されていることを特徴とする。

この構成によれば、例えば撮像装置に外力がかかり、その外力が電気機械変換素子に、電気機械変換素子の軸方向と垂直方向にかかった場合でも、その外力が電気機械変換素子にかかるおそれを少なくでき、電気機械変換素子が外力で損傷するおそれが少なく、又、圧電素子端部の接合面が剥がれるおそれを少なくでき、耐衝撃力を有する撮像装置にできる。

本発明のアクチュエータ及び撮像装置は、電気機械変換素子に軸方向と垂直方向の外力がかかり難く、電気機械変換素子が損傷したり、圧電素子端部の接合面が剥がれるおそれが少ない。

本発明の一実施の形態のアクチュエータの斜視図である。 図１のアクチュエータの平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 アクチュエータの他の実施の形態の断面図である。 アクチュエータの更に他の実施の形態の断面図である。 アクチュエータの更に他のもう一つの実施の形態の断面図である。 （ａ）は、アクチュエータを有する撮像装置の断面図、（ｂ）は、図８（ａ）の要部の拡大平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態のアクチュエータ斜視図、図２は、図１のアクチュエータの平面図、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図、図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。尚、以下の説明において、図１〜図におけるＸ方向を上側とし、Ｙ方向を下側として説明する。

本発明のアクチュエータ１は、図１〜図３に示すように、軸方向である上下方向（Ｘ−Ｙ方向）に伸縮して振動する電気機械変換素子である圧電素子２（図３に図示）と、圧電素子２の軸方向の上端（一端）に接合された被振動部材３と、圧電素子２の軸方向の下端（他端）を保持した錘（保持部材）４とを備えている。

圧電素子２は、入力の電気エネルギーを、伸縮して振動する機械エネルギー、すなわち、機械的な運動に変換する素子であり、例えば、入力の電気エネルギーを圧電効果によって機械的な伸縮運動に変換する圧電素子等である。この実施形態の圧電素子は、例えば、積層体と、一対の外部電極とを備えている。

積層体は、圧電材料から成る薄膜状（層状）の圧電層と導電性を有する薄膜状（層状）の内部電極層とを交互に複数積層して成るものである。積層体は、本実施形態では、四角柱形状となっているが、これに限定されるものではなく、例えば、多角柱状や円柱形状等であってよい。

複数の内部電極層は、その一部が互いに対向する一対の外周側面で外部に臨むようにそれぞれ構成されている。

一対の外部電極は、積層体における前記一対の外周側面上に積層方向に沿って形成され、前記電気エネルギーを積層体に供給するものであり、前記複数の内部電極と順次交互に接続されている。そして、これらの一対の外部電極は、それぞれ、電気機械変換素子２に電気エネルギーを供給するための電極端子（給電用接続部材）５と接続されている。

圧電材料は、例えば、いわゆるＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）等の無機圧電材料である。

被振動部材３は、被振動部材本体３１と、被振動部材本体３１と一体成形により形成された被振動部材用筒状部（筒状部）３２とを備えている。尚、この実施形態では、被振動部材３は、アルミニウム、ステンレス、リン青銅、黄銅等の金属から構成されているが、被振動部材３の材質は、特に限定されず、例えばセラミックなどの非金属から構成することもでき、適宜変更し得る。

被振動部材本体３１は、円板状を呈しており、その下面が圧電素子２の上端面に接着剤により接着されて接合されている。この接着剤は、この実施形態では、直径５μｍ程度の樹脂性のビーズをエポキシ系接着剤に混入したものが用いられている。ただし、接着剤は、これに限定されず、種々のものを使用できる。

被振動部材用筒状部３２は、円筒状を呈しており、被振動部材本体３１から下方側に、圧電素子２を内包するように延設されている。尚、この被振動部材用筒状部３２の外周面３２ａは、後述する移動体６と軸方向摺動可能に摩擦係合する係合部となる。

又、被振動部材用筒状部３２は、左方側に、一対の電極端子５を被振動部材用筒状部３２の内部の圧電素子２から被振動部材用筒状部３２の外部に導くための２つの被振動部材用開口部３３を備えている。

被振動部材用開口部３３は、この実施形態では、被振動部材用筒状部３２の下端から所定の深さで、内周面から外周面に貫通するように形成されている。

錘４は、圧電素子２の伸縮による変位を被振動部材３側のみに発生させるためのものである。この実施形態では、錘４は、錘本体４１と、錘本体４１と一体成形により形成された錘用筒状部（筒状部）４２とを備えている。尚、この実施形態では、被振動部材３よりも比重の高い材料から構成されている。例えば錘４は、タングステンやタングステン合金などから構成される。

錘本体４１は、円板状を呈しており、その上面が圧電素子２の下端面に接合されている。錘本体４１と圧電素子２との接合は、この実施形態では、接着剤により接着されることにより行われている。接着剤は、被振動部材本体３１と圧電素子２との接合に用いたものと同じものを使用できる。

錘用筒状部４２は、円筒状を呈しており、錘４から上方側に、圧電素子２を内包するように延設されている。又、この錘用筒状部４２は、その外周径が被振動部材用筒状部３２の内径よりも小さく形成されており、被振動部材用筒状部３２の内側に軸方向移動可能且つ径方向移動不能に嵌挿されている。

又、錘用筒状部４２は、左方側に、一対の電極端子５を錘用筒状部４２の内部の圧電素子２から錘用筒状部４２の外部に導くための２つの錘用開口部（開口部）４３を備えている。

錘用開口部４３は、この実施形態では、被振動部材用開口部３３に対応する周方向の位置に、錘用筒状部４２の上端から所定の深さで、内周面から外周面に貫通するように形成されている。

このように構成されたアクチュエータ１は、例えば図８に示すように撮像装置１０に装着されて使用される。詳しくは、アクチュエータ１の錘４が、撮像装置１０に設けられた装置本体１０ａに接着されて取り付けられるとともに、被振動部材用筒状部３２の外周面３２ａに、撮像装置１０に設けられた移動体６が軸方向摺動可能に摩擦係合される。

この移動体６は、レンズ群（撮像光学系）６３を保持し、被振動部材用筒状部３２の外周面３２ａを摺動する摺動部６１ａを有する移動体本体６１と、摺動部６１ａを被振動部材用筒状部３２の外周面３２ａに押し付けて摩擦係合させるバネ体６２とを備えている。

又、装置本体１０ａは、レンズ群６３の下方側に、ＩＲカットフィルタ１０２及び撮像素子１０３を有するセンサ基板１０４を備えている。

撮像素子１０３は、全体を図示していない撮像光学系によって結像された物体（被写体）の光学像における光量に応じてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各成分の画像信号に光電変換して所定の画像処理回路（不図示）へ出力する素子である。撮像素子１０３は、例えば、ＣＣＤ型のイメージセンサや、ＣＭＯＳ型のイメージセンサ等である。

前記レンズ群６３は、１または複数のレンズ（光学素子）を備え、物体の光学像を撮像素子１０３の受光面上に結像する。レンズ群６３は、このような撮像光学系における前記１または複数の光学素子のうちの光軸に沿って移動する光学素子である。レンズ群６３は、１枚のレンズであってよく、また複数のレンズを備えるものであってもよい。レンズ群６３は、例えば、フォーカシング（合焦）を行うために光軸に沿って移動するレンズであってよく、また例えば、ズーミング（変倍）を行うために光軸に沿って移動するレンズであってよい。このようなレンズ群６３を備える撮像光学系によって物体の光学像が、撮像光学系によりその光軸に沿って撮像素子１０３の受光面まで導かれ、撮像素子１０３によって前記物体の光学像が撮像される。

そして、例えば携帯電話機の回路基板に、電極端子５が接続され、電極端子５を介して電力が圧電素子２に供給されると、圧電素子２が軸方向に振動してその振動によって被振動部材３が往復移動する。

より詳しくは、圧電素子２に所定のデューティ比の矩形波が付与されることによって圧電素子２の変位が三角波状となり、その矩形波のデューティ比を変えることによって振幅の上昇時と下降時とで傾きの異なる三角波が発生する。アクチュエータ１の駆動メカニズムは、これを利用するものである。

例えば、被振動部材３をゆっくりと振動させることで、その被振動部材３に摩擦係合している移動体６もその振動に応じて移動し、摩擦係合した摩擦力を超える程の瞬時に、被振動部材３を振動させると、移動体６がそのまま取り残される。このような被振動部材３の軸方向の振動を繰返し行うことで、移動体６が被振動部材３の軸方向に移動する。

以上のようにアクチュエータ１及びアクチュエータ１を備えた撮像装置１０を構成することにより、被振動部材３と錘４とが圧電素子２の軸方向に移動可能且つ軸方向と垂直な方向に移動不能に互いに連結されているため、例えば被振動部材３に、圧電素子２の軸方向と垂直方向の外力Ｐ（図３に図示）がかかった場合でも、その外力Ｐが被振動部材３と保持部材４とで受けられ、その外力Ｐが圧電素子２にかかるおそれを少なくできる。これにより、圧電素子２が外力で損傷するおそれを少なくできるとともに、圧電素子端部の接合面が剥がれるおそれを少なくでき、圧電素子２が破損するようなことを防止できる。

尚、上記実施形態では、アクチュエータ１は、錘４の錘用筒状部４２の内周と圧電素子２の外周との間に隙間７を有するものに形成されたが、この形態のものに限らず、例えば、この隙間７に、弾性体８が配設されてもよい。

詳しくは、図５に示すように、弾性体８は、圧電素子２の外周の全周に亘って、錘用筒状部４２の内周面と圧電素子２の外周面とのそれぞれに接するように配設されている。この弾性体８は、例えば合成ゴム、接着剤、発泡接着剤、ゲル等を使用できる。

このように構成すれば、例えば被振動部材３に、圧電素子２の軸方向と垂直な方向成分を有する外力Ｐがかかった場合に、その外力Ｐが弾性体８に吸収され、その外力Ｐが、より一層、圧電素子２にかかるおそれを少なくでき、圧電素子２が外力Ｐで損傷したり、圧電素子端部の接合面が剥がれたりするおそれを、より一層、少なくできる。

又、上記実施形態では、被振動部材３と錘４とは、それぞれ、筒状部である被振動部材用筒状部３２、錘用筒状部４２を備えているが、この形態のものに限らず、被振動部材３と錘４とのいれか一方が筒状部を備えたものであればよく、適宜変更できる。

例えば、図６に示すように被振動部材３は、被振動部材用筒状部３２を備え、錘４は、錘用筒状部を有しない錘本体４１のみから構成されてもよい。

より詳しくは、被振動部材３は、圧電素子２の軸方向の長さよりも長い被振動部材用筒状部３２を備え、そして、被振動部材用筒状部３２の下端内周が、錘本体４１の外周に軸方向摺動可能且つ径方向移動不能に連結されている。

このように構成すれば、被振動部材３にのみ、被振動部材用筒状部３２を形成すればよく、構成を簡素化できるとともに、アクチュエータ１全体の低背化及び小型化を図ることができる。

或いは、図７に示すように錘４は、錘用筒状部４２を備え、被振動部材３は、被振動部材用筒状部３２を有しない被振動部材本体３１のみから構成されてもよい。

又、上記実施形態では、被振動部材３の被振動部材用筒状部３２は、被振動部材本体３１と一体成形により形成されているとともに、錘４の錘用筒状部４２は、錘本体４１と一体成形により形成されたが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。

例えば図７に示すように、錘本体４１と錘用筒状部４２とは別体のものから構成され、又は、被振動部材本体３１と被振動部材用筒状部３２とは別体のものから構成されてもよい（図７では、錘本体４１と錘用筒状部４２とが別体のものから構成されたものを例示している）。

このように錘本体４１と錘用筒状部４２とは別体のものから構成され、又は、被振動部材本体３１と被振動部材用筒状部３２とは別体のものから構成されれば、構造の自由度が上がり、材質を変えることによる形状の最適化や加工性の向上が容易になる。

又、上記実施形態では、被振動部材用筒状部３２と錘用筒状部４２とは、円筒状に形成されたが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。例えば被振動部材用筒状部３２と錘用筒状部４２との一方又は両方は、角筒状や楕円筒状に形成されてもよい。又、被振動部材用筒状部３２と錘用筒状部４２との一方又は両方の内周形状と外周形状とが異なるものでもよい。例えば内周形状が断面円形状で、外周形状が断面矩形状であってもよい。

又、上記実施形態では、圧電素子２に接続された電極端子５は、圧電素子２の軸方向と略垂直な方向に延ばされて錘用開口部４３及び被振動部材用開口部３３から外部に導かれているが、この形態のものに限らず、適宜変更できる。

例えば圧電素子２に接続された電極端子５は、圧電素子２の軸方向に延ばされるようにして錘本体４１に開けられた開口から外部に導かれてもよい。従って、この場合は、錘用開口部４３及び被振動部材用開口部３３を設けておいてもよいが、設けなくてもよい。

又、上記実施形態では、錘４が圧電素子２を保持した保持部材をなしているが、錘４を設けないものとして実施することもできる。その場合は、例えば圧電素子２が撮像装置等の装置本体に直接取付けられて保持されることになり、装置本体が保持部材をなす。

又、上記実施形態では、被振動部材３及び錘４は導体で構成されたが、被振動部材３及び錘４と電極端子５とが接触する可能性があるため、被振動部材３及び錘４は、絶縁性を確保する表面加工を施すことが好ましい。又、被振動部材３は、移動体６と摩擦係合する外周面に、耐磨耗性を高くする表面加工を施すのが好ましい。例えばＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）成膜を行うと絶縁性を確保しながら同時に耐摩耗性を高くすることができる。

１ アクチュエータ
２ 圧電素子（電気機械変換素子）
３ 被振動部材
４ 錘（保持部材）
５ 電極端子（給電用接続部材）
６ 移動体
１０ 撮像装置
３１ 被振動部材本体
３２ 被振動部材用筒状部（筒状部）
４１ 錘本体
４２ 錘用筒状部（筒状部）

Claims (5)

1. 電気エネルギーを機械エネルギーに変換して軸方向に振動可能な電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子の振動が伝達されるように、前記電気機械変換素子の軸方向の一端に接合された被振動部材と、
   前記電気機械変換素子の軸方向の他端を保持した保持部材とを備え、
   前記被振動部材と保持部材との少なくとも一方は、前記電気機械変換素子を内包するように前記電気機械変換素子の軸方向に延ばされた筒状部を備え、
   前記被振動部材と保持部材とは、前記電気機械変換素子の軸方向に移動可能且つ前記軸方向と垂直な方向に移動不能に前記筒状部を介して互いに連結されていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記筒状部の内周と前記電気機械変換素子の外周との間に配設された弾性体を、更に備えていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記電気機械変換素子は、前記電気エネルギーを前記電気機械変換素子に供給するための給電用接続部材と接続され、
   前記筒状部は、前記給電用接続部材を前記筒状部内の前記電気機械変換素子から前記筒状部の外に導くための開口部を備え、
   前記開口部は、前記筒状部の内周面から外周面に貫通するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
4. 前記筒状部は、その軸方向の長さが前記電気機械変換素子の軸方向の長さよりも長くなるように、前記被振動部材に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のアクチュエータ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のアクチュエータと、
   前記アクチュエータの被振動部材に軸方向移動可能に摩擦係合された移動体と、
   光学像を電気的な信号に変換する撮像素子と、
   １又は複数の光学素子を備え、物体の光学像を前記撮像素子の受光面上に結像する撮像光学系とを備え、
   前記撮像光学系における前記１又は複数の光学素子のうちの光軸方向に沿って移動する光学素子は、前記移動体に保持されていること
   を特徴とする撮像装置。

Images