JP4826796B2 - 形状記憶合金アクチュエータ、撮像ユニット - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金アクチュエータ、及び該形状記憶合金アクチュエータを備えた撮像ユニットに関し、特にＵ字状構成の形状記憶合金アクチュエータ、及び該形状記憶合金アクチュエータを備えた撮像ユニットに関する。

近年、様々な移動装置に形状記憶合金（以下、ＳＭＡとも記する）を備えたＳＭＡアクチュエータを用いることが試みられている。ＳＭＡアクチュエータは、通常、ＳＭＡワイヤと、ＳＭＡワイヤを掛止する掛止部を備た移動部材等から構成される。ＳＭＡアクチュエータは、ＳＭＡワイヤを通電加熱制御し、長さ方向に伸縮させることにより、ＳＭＡワイヤが掛止された移動部材を移動させるものである。

通常、この様なＳＭＡワイヤは、その線径が数十μｍと細いことから、ＳＭＡアクチュエータを備えた装置の小型化、特に、ＳＭＡワイヤの径方向の薄型化を図ることができる。

ＳＭＡワイヤの架設構成としては、直線状のＳＭＡワイヤをその両端に設けられた掛止部に掛止する直線状構成や、ＳＭＡワイヤをＵ字型に折り曲げ、Ｕ字部を掛止部に掛止してＵターンさせるＵ字状構成等がある。Ｕ字状構成は、直線状構成に比べてＳＭＡワイヤの長さを約２倍にできるので取り出せる出力も２倍にでき、さらに、ＳＭＡワイヤ両端における通電のための電気接続端子を１ヶ所にまとめ易くなるので配線を簡素化することができる。

この様に、Ｕ字状構成のＳＭＡアクチュエータは、直線状の場合に比べ大きな出力を得ることができ、また、装置の簡素化を図ることができるので種々検討されている。

例えば、Ｕ字状構成のＳＭＡアクチュエータをハードディスク装置の磁気ヘッドアームの退避機構に用いたもの（特許文献１参照）や、内視鏡の湾曲機構に用いたもの（特許文献２参照）。また、電子カメラや携帯電話に搭載される撮像ユニットにおけるレンズの駆動機構として用いたもの（特許文献３参照）などが従来より知られている。
特開平６−６０５７７号公報 特開平５−１８４５２５号公報 特開２００６−３８８９１号公報

ところで、特許文献１や特許文献２に開示されているＵ字型のＳＭＡワイヤ５１を掛止する掛止部３１ｄは、円柱形状に形成され、図６に示す様に、掛止部３１ｄのＳＭＡワイヤ５１のＵ字形状部分と接触する領域は、曲率半径が一定値Ｒの円弧形状に形成されている。図６は、掛止部３１ｄの径方向の断面形状を示す模式図である。

この様に従来のＵ字状構成のＳＭＡアクチュエータにおける掛止部３１ｄの断面形状は、円、または円弧形状に形成され所定の厚みＤを有する。この為、Ｕ字状構成のＳＭＡアクチュエータを搭載した装置において厚みＤ方向の寸法が直線状構成の場合に比べて大きくなり、装置の薄型化を阻害するといった問題がある。

一方、厚みＤを薄くする為に、掛止部３１ｄの曲率半径を小さくすることも考えられるが、この場合、曲率半径が小さくなることによりＳＭＡワイヤ５１の外周面上の曲げ応力が大きくなり、繰返し動作寿命が低下するといった問題がある。尚、ＳＭＡワイヤの応力と繰返し動作寿命の関係は、古河テクノマテリアル社の技術情報（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｉｔｅｃ．ｃｏ．ｊｐ／ｆｔｍ／ｎｔ／ａｃｔｕａｔｏｒ０２．ｈｔｍ）における形状記憶合金特性データ（Ｓ−Ｎ曲線）に示されている様に、応力が大きくなるに従い動作寿命は短くなる関係にある。

また、特許文献３においては、Ｕ字型のＳＭＡワイヤ５１を掛止する掛止部３１ｄの形状についての記載はされていない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、温度により伸縮する形状記憶合金を備えたＵ字状構成の形状記憶合金アクチュエータ、及び該形状記憶合金アクチュエータを備えた撮像ユニットにおいて、形状記憶合金の伸縮による繰返し動作寿命の低下を招くことなく、装置の小型化を実現する事が可能な形状記憶合金アクチュエータ、及び撮像ユニットを提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１乃至４のいずれか１項に記載の発明によって達成される。

１．Ｕ字形状部分を有し、温度の変化により伸縮する線状または帯状の形状記憶合金と、
前記Ｕ字形状部分と接触して前記形状記憶合金を非固定的に掛止する掛止部を有し、前記形状記憶合金の伸縮に伴い移動する移動部材と、
を備えた形状記憶合金アクチュエータにおいて、
前記掛止部の前記Ｕ字形状部分と接触する領域は、
(a)複数の曲率半径から形成される円弧状の形状をなし、
(b)該接触する領域の両端部を含む所定の領域の第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径の領域を有するとともに、前記第１曲率半径で該接触する領域全体が形成されたときよりも、該接触する領域の両端部間の距離が短くなるように形成されたことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。

２．Ｕ字形状に折り返して張架され、両端がその近傍で固定される線状または帯状の形状記憶合金と、
前記Ｕ字形状に折り返して形成されたＵ字形状部分と接触して前記形状記憶合金を非固定的に掛止する掛止部を有し、前記形状記憶合金の伸縮に伴って移動する移動部材と、
を備えて薄型の筐体の内部に収納された形状記憶合金アクチュエータにおいて、
前記移動部材は、前記筐体の薄い方向と直交する方向に移動するよう設置され、
前記掛止部の前記Ｕ字形状部分と接触する領域は、
(A)複数の曲率半径から形成され、
(B)該接触する領域の両端部を含む所定の領域の第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径の領域を有するとともに、前記第１曲率半径で該接触する領域全体が形成されたときよりも、前記筐体の薄い方向において前記掛止部が薄くなる扁平円弧形状をなし、
前記扁平円弧形状の短径方向が前記薄型の筐体の薄い方向に収納可能に設置されるとともに、
前記扁平円弧形状の長径方向に前記形状記憶合金が前記Ｕ字形状に折り返されて張架されていること、
を特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
３．前記複数の曲率半径のうち前記接触領域の中心部を含む領域の曲率半径が最も小さく、
前記形状記憶合金の非変形領域が該中心部に形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。

４．１から３の何れか１つに記載の形状記憶合金アクチュエータと、
前記形状記憶合金アクチュエータにより移動可能に支持されるレンズと、
前記レンズにより結像された被写体光学像を光電変換し画像信号を生成する撮像素子と、
を有することを特徴とする撮像ユニット。

本発明によれば、掛止部における形状記憶合金のＵ字形状部分と接触する領域は、複数の曲率半径から形成される円弧状の形状をなす様にした。これにより、掛止部の形状を扁平化することができ、装置を薄型化することができる。

また、掛止部における形状記憶合金のＵ字形状部分と接触する円弧状の領域は、該領域の両端部を含む所定の領域の曲率半径よりも小さい曲率半径の領域を有する様にした。これにより、形状記憶合金の伸縮による繰返し動作寿命の低下を抑制することができる。

詳細には、Ｕ字状構成によるＳＭＡワイヤは、その通電領域すべてが形状記憶変形を行うわけではなく、掛止部とＳＭＡワイヤとの間に生じる摩擦力や、掛止部への伝熱による熱エネルギーロスにより、Ｕ字形状部分の折り曲げ部の中央部分は形状記憶変形を行わない。この非変形部分の繰返し動作寿命に対する許容応力は変形部分のそれに比べてはるかに大きい。したがって、その非変形部分の許容応力を超えない範囲であれば、非変形部分の応力を変形部分の応力より大きくしても繰返し動作寿命の低下を招かない。

そこで、掛止部における形状記憶合金のＵ字形状部分と接触する円弧状の領域において、曲率半径をＳＭＡワイヤの非変形領域である中心部のみ小さくし、変形領域である両端部では小さくしない様な構成にする。これにより、曲率半径の縮小による応力の増加をＳＭＡワイヤの中央部分だけに留めることができる。

一方、前述の様に、非変形部分の応力を変形部分の応力よりある程度大きくしても繰返し動作寿命には影響を及ぼさないことから、繰り返し動作寿命の低下を招くことはない。

この様に、本発明によれば、形状記憶合金の伸縮による繰返し動作寿命の低下を招くことなく、装置の小型化を実現する事ができる。

以下図面に基づいて、本発明に係るＳＭＡアクチュエータ、及びＳＭＡアクチュエータを備えた撮像ユニットの実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。

〔実施形態１〕
最初に、実施形態１による撮像ユニットの構成を図１を用いて説明する。図１（ａ）は、実施形態１による撮像ユニット１の全体構成を示す正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）中Ａ−Ａ′方向から見た側面断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）中Ｂ−Ｂ′方向から見た平面断面図、図１（ｄ）は、カム環１１とレンズ玉枠４１との当接状態を示す図である。

撮像ユニット１は、図１に示す様に、レンズ２１、撮像素子６１、レンズ玉枠４１、押さえバネ４２、カム環１１、駆動レバー３１、ＳＭＡワイヤ５１，５４、ＳＭＡワイヤ固定端子５２，５３，５５、及びベース８１等を有している。尚、ＳＭＡアクチュエータ２は、本発明における移動部材に該当する駆動レバー３１、及び形状記憶合金に該当するＳＭＡワイヤ５１，５４等から構成される。

撮像素子６１は、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳセンサ等のカラーエリア撮像センサであり、レンズ２１により結像された被写体光学像を光電変換し画像信号を生成する。

レンズ２１は、図１（ｂ）に示す様に、レンズ玉枠４１に支持される。レンズ玉枠４１は押えバネ４２により付勢されカム環１１に当接する。

ベース８１は、レンズ玉枠４１を光軸Ｌ方向に移動可能に支持する。また、ベース８１はカム環１１を光軸Ｌを中心に回動可能に支持する。

カム環１１は、図１（ａ）、図１（ｄ）に示す様に、レンズ玉枠４１との当接部分にカム斜面１１ｃを３箇所有し、カム環１１の回転をレンズ玉枠４１の直進運動に変換することでレンズ２１の繰出し、及び繰込みを行う。レンズ２１が繰込まれた位置が通常撮影状態、繰出された位置が近接撮影状態である。

駆動レバー３１は、図１（ａ）に示す様に、先端３１ｂがカム環１１の凹部１１ｂに係合し、回転軸３１ｃを中心に回動可能に構成されている。駆動レバー３１の回転によってカム環１１が回転される。

ＳＭＡワイヤ５１は、その一端５１ａがＳＭＡワイヤ固定端子５２に、他端５１ｂがＳＭＡワイヤ固定端子５３に接続されている。ＳＭＡワイヤ固定端子５２，５３は、ベース８１にそれぞれ固定されている。また、ＳＭＡワイヤ５１は、図１（ｃ）に示す様に、Ｕ字型に折り曲げられ、駆動レバー３１に設けられた掛止部３１ｄでＵターンする様に掛止されている。同様に、ＳＭＡワイヤ５４は、その一端５４ａがＳＭＡワイヤ固定端子５５に、他端５４ｂがＳＭＡワイヤ固定端子５３に接続されている。ＳＭＡワイヤ固定端子５５は、ベース８１に固定されている。また、ＳＭＡワイヤ５４は、Ｕ字型に折り曲げられ、駆動レバー３１に設けられた掛止部３１ｆでＵターンする様に掛止されている。

次に、この様な構成の撮像ユニット１で行われるレンズ２１の駆動動作について図４、図５を用いて説明する。図４は、レンズ玉枠が繰込み位置にある状態を示す図である。図５は、レンズ玉枠が繰出し位置にある状態を示す図である。

ＳＭＡワイヤ５４を通電加熱するとＳＭＡワイヤ５４の収縮による引張力の増加により、図４（ａ）に示す様に、駆動レバー３１は時計方向に回転し、カム環１１は反時計方向に回転する。カム環１１が反時計方向に回転すと、図４（ｄ）に示す様に、カム斜面１１ｃがレンズ玉枠４１をリフトダウンし、レンズ玉枠４１は、図４（ｂ）に示す様に、矢印Ｒ方向に繰込まれる。

一方、ＳＭＡワイヤ５４への通電加熱を停止して、ＳＭＡワイヤ５１を通電加熱すると、ＳＭＡワイヤ５４の引張力の減少と、ＳＭＡワイヤ５１の収縮による引張力の増加により、図５（ａ）に示す様に、駆動レバー３１は反時計方向に回転し、カム環１１は時計方向に回転する。カム環１１が時計方向に回転すと、図５（ｄ）に示す様に、カム斜面１１ｃがレンズ玉枠４１をリフトアップし、レンズ玉枠４１は、図５（ｂ）に示す様に、矢印Ｆ方向に繰出される。

次に、駆動レバー３１、及びＳＭＡワイヤ５１，５４等を有するＳＭＡアクチュエータ２について図２を用いて説明する。

図２（ａ）は、図１（ｃ）中の掛止部３１ｄを拡大して示した図であり、掛止部３１ｄの径方向の断面形状を示す模式図、図２（ｂ）は、図６を用いて説明した従来のＳＭＡアクチュエータの掛止部３１ｄを拡大して示した図であり、掛止部３１ｄの径方向の断面形状を示す模式図である。

従来の駆動レバー３１に設けられた掛止部３１ｄ（３１ｆ）は、図２（ｂ）に示す様に、曲率半径Ｒ０が一定値Ｒの円弧形状に形成されている。

一方、本実施形態による駆動レバー３１に設けられた掛止部３１ｄ（３１ｆ）は、図２（ａ）に示す様に、複数の曲率半径Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３から形成される円弧状の形状をなしている。ＳＭＡワイヤ５１（５４）の変形領域である両端部の領域Ｃ２，Ｃ３の曲率半径Ｒ２、Ｒ３は、従来の場合と同様にＲであるが、中心部の領域Ｃ１の曲率半径Ｒ１は、両端部の領域Ｃ２，Ｃ３の半分のＲ／２とし、掛止部３１ｄ（３１ｆ）の径方向の形状を扁平化している。これにより、掛止部３１ｄ（３１ｆ）の径方向の厚みＤ１を、従来の厚みＤ０よりも約３割薄くすることができる。その結果、撮像ユニット１のＳＭＡワイヤ５１（５４）と駆動レバー３１等から構成されるＳＭＡアクチュエータ２の厚みについても、従来の場合は、ＳＭＡワイヤ５１（５４）のＵターン幅が最大厚部分であったが、本実施形態ではＵターン幅を狭くできるのでＳＭＡアクチュエータ２の厚みも薄くすることができる。

尚、両端部の領域Ｃ２（Ｃ３）は、図２（ａ）に示す様に、その両端Ｐ１，Ｑ１（Ｐ２，Ｑ２）におけるそれぞれの接線Ｌ１とＭ１（Ｌ２，Ｍ２）とのなす角Θが例えば４５度となる領域である。

一方、中心部の領域Ｃ１の曲率半径Ｒ１を両端部の領域Ｃ２，Ｃ３よりも小さくすることにより、ＳＭＡワイヤ５１（５４）の領域Ｃ１における曲げ応力が大きくなるが、前述の様に、中心部の領域Ｃ１は形状記憶変形動作を行わないので繰返し動作寿命の低下を招くことはない。

この様に、本発明の実施形態に係るＳＭＡアクチュエータ２においては、掛止部３１ｄ（３１ｆ）におけるＳＭＡワイヤ５１（５４）のＵ字形状部分と接触する領域は、複数の曲率半径から形成される円弧状の形状をなす様にした。また、円弧状の領域において、中心部の領域Ｃ１の曲率半径Ｒ１を両端部の領域Ｃ２，Ｃ３の曲率半径Ｒ２，Ｒ３よりも小さくする様にした。これにより、ＳＭＡワイヤ５１（５４）の伸縮による繰返し動作寿命の低下を招くことなく、掛止部３１ｄ（３１ｆ）の形状を扁平化することができ、装置を薄型化することができる。

〔実施形態２〕
次に、実施形態２による掛止部３１ｄ（３１ｆ）について図３を用いて説明する。図３は、掛止部３１ｄ（３１ｆ）の径方向の断面形状を示す模式図である。

本実施形態による駆動レバー３１に設けられた掛止部３１ｄ（３１ｆ）は、図３に示す様に、複数の曲率半径Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ２１，Ｒ３１から形成される円弧状の形状をなしている。両端部の領域Ｃ２１，Ｃ３１の曲率半径Ｒ２１，Ｒ３１は、実施形態１の場合と同様にＲであるが、中心部の領域Ｃ１１の曲率半径Ｒ１１もＲである。一方、両端部の領域Ｃ２１，Ｃ３１と中心部の領域Ｃ１１に挟まれた領域Ｃ１２，Ｃ１３の曲率半径１２，Ｒ１３は、Ｒ／２とし、掛止部３１ｄ（３１ｆ）の径方向の形状を扁平化している。尚、ＳＭＡワイヤ５１（５４）は、中心部の領域Ｃ１１と同様に領域Ｃ１２，Ｃ１３においても形状記憶変形を行わない。

これにより、ＳＭＡワイヤ５１（５４）のＵターン幅を薄くできるのでＳＭＡアクチュエータ２の厚みも薄くすることができる。その結果、ＳＭＡワイヤ５１（５４）の伸縮による繰返し動作寿命の低下を招くことなく、掛止部３１ｄ（３１ｆ）の形状を扁平化することができ、装置を薄型化することができる。この様に、曲率半径の縮小は円弧状の形状の両端部の領域以外であれば必ずしも中央部の領域でなくとも実施形態１の場合と同等の効果を得ることができる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。例えば、前述の実施形態においては、形状記憶合金として、断面が円形状の線状ＳＭＡワイヤを用いたが、断面が矩形状の帯状ＳＭＡを用いても前述の実施形態の場合と同等の効果を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る撮像ユニットの全体構成図である。 実施形態１に係る駆動レバーにおける掛止部の平面模式図である。 実施形態２に係る駆動レバーにおける掛止部の平面模式図である。 レンズ玉枠が繰込み位置にある状態を示す図である。 レンズ玉枠が繰出し位置にある状態を示す図である。 従来の駆動レバーにおける掛止部の平面模式図である。

符号の説明

１ 撮像ユニット
２ ＳＭＡアクチュエータ
１１ カム環
２１ レンズ
３１ 駆動レバー
４１ レンズ玉枠
４２ 押さえバネ
５１，５４ 形状記憶合金ワイヤ（ＳＭＡワイヤ）
５２，５３，５５ ＳＭＡワイヤ固定端子
６１ 撮像素子
８１ ベース
Ｌ 光軸

Claims (4)

1. Ｕ字形状部分を有し、温度の変化により伸縮する線状または帯状の形状記憶合金と、
   前記Ｕ字形状部分と接触して前記形状記憶合金を非固定的に掛止する掛止部を有し、前記形状記憶合金の伸縮に伴い移動する移動部材と、
   を備えた形状記憶合金アクチュエータにおいて、
   前記掛止部の前記Ｕ字形状部分と接触する領域は、
   (a)複数の曲率半径から形成される円弧状の形状をなし、
   (b)該接触する領域の両端部を含む所定の領域の第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径の領域を有するとともに、前記第１曲率半径で該接触する領域全体が形成されたときよりも、該接触する領域の両端部間の距離が短くなるように形成されたことを特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
2. Ｕ字形状に折り返して張架され、両端がその近傍で固定される線状または帯状の形状記憶合金と、
   前記Ｕ字形状に折り返して形成されたＵ字形状部分と接触して前記形状記憶合金を非固定的に掛止する掛止部を有し、前記形状記憶合金の伸縮に伴って移動する移動部材と、
   を備えて薄型の筐体の内部に収納された形状記憶合金アクチュエータにおいて、
   前記移動部材は、前記筐体の薄い方向と直交する方向に移動するよう設置され、
   前記掛止部の前記Ｕ字形状部分と接触する領域は、
   (A)複数の曲率半径から形成され、
   (B)該接触する領域の両端部を含む所定の領域の第１曲率半径よりも小さい第２曲率半径の領域を有するとともに、前記第１曲率半径で該接触する領域全体が形成されたときよりも、前記筐体の薄い方向において前記掛止部が薄くなる扁平円弧形状をなし、
   前記扁平円弧形状の短径方向が前記薄型の筐体の薄い方向に収納可能に設置されるとともに、
   前記扁平円弧形状の長径方向に前記形状記憶合金が前記Ｕ字形状に折り返されて張架されていること、
   を特徴とする形状記憶合金アクチュエータ。
3. 前記複数の曲率半径のうち前記接触する領域の中心部を含む領域の曲率半径が最も小さく、
   前記形状記憶合金の非変形領域が該中心部に形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の形状記憶合金アクチュエータ。
4. 請求項１から請求項３の何れか１つの請求項に記載の形状記憶合金アクチュエータと、
   前記形状記憶合金アクチュエータにより移動可能に支持されるレンズと、
   前記レンズにより結像された被写体光学像を光電変換し画像信号を生成する撮像素子と、
   を有することを特徴とする撮像ユニット。

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