JP4879641B2 - 圧電駆動装置、撮像装置、および携帯端末装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子などの電気機械変換素子を用いた駆動装置に関し、また、駆動装置を備えるカメラ等の撮像装置や、更にこの撮像装置を備える携帯端末に関するものである。

従来、圧電素子を用いた駆動装置に関しては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の駆動装置は、ズームレンズにおいて２つのレンズ群とこれらをそれぞれ駆動する駆動手段が設けられており、お互いのレンズ群の移動に要する領域で利用されていなかった光軸方向の領域を有効に利用するものである。

この構成により、レンズ駆動機構の光軸方向の寸法を小さくすることができる。つまり、２つのレンズ群の駆動手段を逆向きに配置して光軸方向にオーバーラップさせることによって、レンズ駆動機構をより小型化することが可能であるとしている（特許文献１参照）。

また、特許文献２には圧電素子に鋸歯形状駆動電圧を与えることにより、圧電素子を急激に伸縮させる駆動装置が記載されている。
図６に、圧電素子を用いた駆動装置の一例の概略構成図を示す。図６に示す駆動装置１００は、圧電素子１０３と、圧電素子１０３の一端側に設けられる錘１０２と、圧電素子１０３の他端側に設けられる駆動軸１０４とを備え、それぞれが接着材等で接着固定されている。

駆動軸１０４には、軸の両側から軸をつかむように係合部材（移動体）が設けられている。ここで、係合部材とは、スライダー１０７とホルダー１０５およびこのスライダー１０７とホルダー１０５を駆動軸に摩擦係合させるための付勢手段としてのばね１０６より構成されている。

圧電素子１０３は、チタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴ）による圧電素子がスタック（堆積）されて構成されるものである。例えば、ＰＺＴは、約５０[μｍ]の厚さで、直径Φが１．８[ｍｍ]のシート状のものがある。その両面に電界を与えるための電極が銀・パラジウム等により設けられている。このシートを約６０層スタックすると、全厚みを約３．５[ｍｍ]となる。

錘１０２は、直径Φが３[ｍｍ]で長さが１[ｍｍ]であり、密度の高いタングステン等の金属で構成されている。駆動軸１０４は、直径Φが１[ｍｍ]で長さが４[ｍｍ]であるカーボン長繊維を軸方向に整列させバインダーとしてエポキシ樹脂で固めたものである。

この圧電素子１０３に鋸歯形状駆動電圧を与えることにより、圧電素子に取り付けられた駆動軸が急激に伸縮され、駆動軸に摩擦保持された移動体が「滑り」、「非滑り」を繰り返し移動可能となる（特許文献２参照）。
特開２００２−１３１６１１ 号公報 （第３−４頁、図６） 特開２００２−２１８７７３ 号公報 （第３−４頁、図１および図３）

駆動装置１００の適用例として、図７に、駆動装置１００を用いた撮像装置１２０の概略構成図を示す。図７に示すように、撮像装置１２０は、筐体１２５の中に光軸に沿って配置された非球面レンズ１２１と、光学フィルタ１２３と、半導体撮像素子１２４とを有している。レンズ１２１は鏡筒１２２により保持されており、鏡筒１２２の一部には駆動装置１００の駆動軸１０４に対して係合する係合部材１２７設けられている。

鏡筒１２２は、光軸と平行に駆動軸１０４が配置された駆動装置１００により光軸方向に移動可能となっている。これにより、被写体の距離に対して撮像素子１２４の撮像面にぴったり被写体を結像するために、鏡筒１２２を光軸方向に移動させることができる。

しかしながら、図６に示すような圧電素子を用いた駆動装置は、駆動部材と圧電素子と錘とが、圧電素子の伸縮方向に直列的に配置されるものである。駆動部材は移動に必要な距離に加えて摩擦保持される係合部材の長さを確保しておくことを要し、全長が長くなってしまうものであった。従って、圧電駆動装置を、レンズを移動させオートフォーカス（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）機構や、ズーム（Ｚｏｏｍ）機構に適用する場合、図７に示す撮像装置１２０のＡ部分のように、光軸方向の移動に必要な距離に係合部材の長さを加えた長さが必要となるため、圧電駆動装置を搭載する装置の小型・薄型化の際の障害となっている。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、圧電駆動装置が搭載される装置の小型化・薄型化を実現する圧電駆動装置を提供することを目的とする。

また、本発明の駆動装置は、凹部を有する圧電素子と、圧電素子の伸縮方向の一端に固定される平坦部と前記圧電素子の凹部内に収容される凸部とを有する錘と、圧電素子の他端に固定される駆動部材とを備えるものである。

この構成により、圧電素子の凹部内に錘の凸部が収容されることから、圧電素子と錘を加えた長さ方向の寸法を短くすることができ、駆動装置全体を小型化することができる。

また、本発明の駆動装置は、前記圧電素子と錘とが略同軸上に配置されている。

この構成により、圧電素子の伸縮によって錘に発生するモーメントを低減させることができ、圧電素子の伸縮方向と直交する成分を有する回転運動が発生しにくくなるので、効率を低下させることなく騒音の発生を防ぐことができる。

また、本発明の撮像装置は、凹部を有する圧電素子と、圧電素子の伸縮方向の一端に固定される平坦部と前記圧電素子の凹部内に収容される凸部とを有する錘と、圧電素子の他端に固定される駆動部材とを備える駆動装置と、前記駆動部材とレンズを保持する鏡筒とを係合する係合部材と、レンズからの光を電気信号に変化する撮像素子と、を備え、圧電素子の伸縮に応じて鏡筒がレンズの光軸方向に移動する。

この構成により、一般的に光学系に移動する部分を有する撮像装置において、撮像装置の厚さは光学系の光路長でなく、光学系を光軸方向に移動する部分によって大きく左右されるが、この部分の長さを短縮することが可能となり撮像装置の薄型化が実現できる。

また、本発明の撮像装置は、上記構成に加えて、レンズを保持する鏡筒が光軸方向に移動することにより前記撮像素子の撮像面に対する結像倍率が変化するものである。

この構成により、変倍機構部分の寸法を短く構成できるので、ズームレンズを有する撮像装置の小型化が可能となる。また、ズームレンズにおいては、複数群のレンズをそれぞれに移動させることが必要のため、設計の自由度が低下しやすいが、変倍機構部分の寸法を短くできるために、配置を含めて設計の自由度を高めることが可能となる。

また、本発明の携帯端末装置は、上記の撮像装置を備えるものである。

この構成により、携帯端末装置の耐衝撃性を向上する。すなわち、撮像装置のレンズ移動する部分の長さが短くできるので、携帯端末装置において落下衝撃などが印加された場合にも、圧電素子と錘とが、圧電素子の伸縮方向に対して重なりを持って配置してあるために各々の境界面に印加される衝撃力によるモーメントが、長さが短縮されていることで低減される。これにより、携帯端末装置の耐衝撃特性を改善することができ、信頼性が向上する。

本発明の駆動装置によれば、衝撃耐性の向上と装置の小型化・薄型化を実現することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態に係る駆動装置について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明における第１の実施の形態を示す駆動装置１の要部断面図である。

図１に示す本実施の形態１の駆動装置１は、圧電素子３と、圧電素子３の一端側に設けられる錘２と、圧電素子３の他方側に設けられる駆動部材としての駆動軸４とを備え、それぞれが接着材（図示せず）により接着固定されている。

圧電素子３は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴ）による圧電素子をスタック（堆積）させて構成されるものである。本実施の形態１の圧電素子３は、円盤状のＰＺＴをスタックしてある部分３aと、中央部分が中空のドーナッツ状のＰＺＴをスタックしてある部分３ｂとが一体に構成されている。すなわち、圧電素子３は一定の深さの円柱状の空間９を有する形状である。

圧電素子３の一端側に設けられる錘２は、例えばタングステン等の密度の高い金属で形成され、段付形状をしており、直径の細い部分が、空間９に対応して挿入される形状としてある。錘２は直径の大きな段付部分２ｂにて、圧電素子３に接着固定されている。この際、錘２の直径の細い部分２ａの先端部分と圧電素子３との間には隙間１０が設けられていることが必要である。

これは、錘２が圧電素子３の端部に配置させてあるものとするためで、これにより機械的に錘２を折り返したさせてあるものと等価にすることができる。また、圧電素子３と錘２とは同軸になるように配置してある。具体的には、例えば、錘２の段付部分２ｂの直径部分がΦ３．５[ｍｍ]で長さが０．４８[ｍｍ]とし、細い部分２ａの直径部分がΦ１．８[ｍｍ]で長さが０．９８[ｍｍ]とした。また、圧電素子３の外径をΦ３．２[ｍｍ]で長さが１．５[ｍｍ]とし、空間９をΦ２[ｍｍ]で長さが１．０[ｍｍ]として成形した。

駆動軸４は、Φ１．０[ｍｍ]で長さが４．０[ｍｍ]であるカーボン長繊維を軸方向に整列させ、バインダーとしてエポキシ樹脂で固めて耐磨耗性を向上して形成した。

この構成により、図１に示すように、錘２の重心Ｇは、圧電素子３と錘２とが接着する当接平面と同軸Ｄとの交点付近に位置している。

駆動軸４には、軸の両側から軸をつかむように係合部材が設けられている。ここで、係合部材とは、スライダー７とホルダー５およびこのスライダー７とホルダー５を駆動軸に摩擦係合させるための付勢手段としてのばね６より構成される。

次に、駆動装置１の動作について説明をする。この駆動装置１の圧電素子３に、図示しないＨブリッジなどにより構成された駆動回路により鋸歯状波などの駆動電圧を印加する。駆動電圧を増加させると図１において圧電素子３は伸びる方向（同図中左側の方向）に変形する。駆動電圧を徐々に上昇させると圧電素子３はゆっくり伸び、これに伴い駆動軸４もゆっくりと左方向に変位する。

駆動軸４と係合部材とは静摩擦により係合された状態で同じ位置関係で変位する。つまり徐々に電圧を上昇させると係合部材は図の左側へ変位する。

次に、駆動電圧を逆方向に急激に変化させると、圧電素子３は急激に縮み、これに伴い駆動軸４は右方向へと急速に変位する。このとき、係合部材は駆動軸４との摩擦に打ち勝ってその場にとどまり、移動しない（慣性の法則による）。その結果、駆動軸４に対して係合部材左に移動することになる。これを繰り返すことにより、係合部を連続して移動させることができる。

また、移動方向を変えるには、電圧の印加を逆にしたり、駆動波形を反転したりすることによって実現できる。本実施の形態においては、駆動回路を前述のようにＨブリッジとしてあるので印加電圧の極性を簡単に逆転させることができるので便利である。印加電圧の電圧波形や印加方法および時間間隔などは、種々変更することは可能であるが、実際の系により効率・移動速度・騒音などの特性から最適化することが大切である。

このように、本実施の形態１の駆動装置１は、係合部材を移動させることができる。また、圧電素子３と錘２が同軸になるように配置してあるために、圧電素子３の伸縮によって錘２に発生する不要なモーメントを低減することができ、振動や騒音の発生防止できる。

さらに、本実施の形態１の駆動装置１は、駆動軸４については同じ形状であるが、錘２の直径の細い部分が、圧電素子３の空間９に対応して挿入される形状であるので、圧電素子３と錘２を加えた長さ方向の寸法を短くすることができる。具体的には、圧電素子３と錘２を加えた長さ方向の寸法を３[ｍｍ]からおよそ２[ｍｍ]とすることができ、１[ｍｍ]短縮することができた。これにより、駆動装置１全体も小型化することができ、駆動装置１を適用する撮像装置等も小型・薄型化することができる。

具体的な寸法については、圧電素子と錘の形状の変更により適宜変更することが可能であるが、同様の特性を得るためには圧電素子と錘とは変更の前後で同程度の体積にすることが望ましい。

（実施の形態２）
図２Ａは本発明における第２の実施の形態を示す駆動装置２１の要部断面図である。
なお、以下の説明では、上述した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本発明の実施の形態２の駆動装置２１の説明を行う。本実施の形態２の圧電素子２３は従来例と同様な円柱形をしている。一方、錘２２は中央部分に円筒形の空間を設けてその中に、圧電素子２３が収納できるように形成されている。そして、錘２２の円筒形の底面部において圧電素子２３と錘２２とが接着固定されている。

この構成により、錘２２の中央部分に設けられた円筒形の空間の中に、圧電素子２３が収納できるように形成されているので、圧電素子２３と錘２２を加えた長さ方向の寸法を短くすることができ、駆動装置２１全体としても小型化することができる。

さらに、本実施の形態２の駆動装置２１は、実施の形態１の駆動装置１と比較して、錘の形状は若干複雑になるが、錘の製作には一般的にダイカストや、旋盤などによる機械加工によるので、加工における困難さは殆ど変化しないで行うことができる。よって、圧電素子を２種類用意してスタックする実施の形態１と比較して、圧電素子の作成が容易となる。

また、本実施の形態２の駆動装置２１の構成によれば、錘２２が圧電素子２３の外形を覆うので圧電素子を保護することができる。すなわち、例えば、ハンドリング等で圧電素子２３が傷付くのを防止できるという利点を有する。

また、図２Ｂに示すように、実施の形態１と２を組み合わせて用いることも可能である。すなわち、錘２２に設けられた凹部の内側に圧電素子２３と接触しないように凸部を設ける構造としても良い。これによって、設計の自由度が向上できる。また、錘の形状を比較的大きくできるので、タングステンなどの高価な材料を真鍮などの安価な材料に変更することも可能である。

（実施の形態３）
本実施の形態３における撮像装置３０について説明する。図３は、本実施の形態３の撮像装置３０の要部断面図である。なお、以下の説明では、上述した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図３に示すように、撮像装置３０は、筐体３５の中に光軸に沿って配置された非球面レンズ３８と、光学フィルタ３４と、半導体撮像素子３６とを有している。レンズ３８は鏡筒３７により保持されており、鏡筒３７の一部には駆動装置３１の駆動軸４に対して係合する係合部材２７が設けられている。

鏡筒３７は、光軸と平行に駆動軸４が配置された駆動装置３１により光軸方向に移動可能となっている。レンズ３８は非球面形状を有するレンズで（以下、「レンズ」という）簡単のためレンズを１枚しか示さないが、実際には２枚以上のレンズによって構成されている。被写体の距離に対して撮像素子３６の撮像面に（図示せず）ぴったり被写体を結像するために、鏡筒３７を光軸方向に移動させる、いわゆるオートフォーカス（Auto focus）機能を有している。

オートフォーカスの方法は、周知技術の画像の読み出しを行い読み出し信号の高調波成分が最大になる点を求める方法を用いている。

駆動装置３１は、上述の実施の形態１または２の駆動装置を用いており、動作は前述の説明したものと同じである。これによって、レンズ３８から結像面までのいわゆるバックフォーカス位置を駆動装置３１によって調整する形態の撮像装置である。

光学フィルタ３４は、屈折率の異なる誘電膜を積層して構成する反射型で可視光領域以外の光の透過を抑制する。半導体撮像素子３６は、例えば、画素数が約１３０万の１／４インチ形のＣＣＤで、画素サイズは約２．８[μｍ]である。

このように構成された本実施の形態３の撮像装置３０は、上述の実施の形態１または２の駆動装置３１を用いており、駆動装置３１は圧電素子３３と錘３２とが駆動軸４の軸方向に対して重なりを有するように構成されているので、同じ駆動軸４を用いても、全長が短縮化されている。

従って、駆動装置を光軸と平行に設置する構成であっても撮像装置全体の厚さを薄くすることができる。また、撮像装置３０に駆動装置３１が飛び出さない場合に対しても、全長が低減できることは明らかである。また、このような撮像装置において、オートフォーカスをする際に光学系を光軸方向に移動する駆動装置を光軸方向と平行に配置しておくことは、効率面から形状的にも有利であるが、駆動装置を光軸と直交する方向に配置して、カム等による変換機構を設けるものへの応用も可能である。

また、光軸に沿って配置された非球面レンズ３８が複数のレンズ群である場合、レンズ群の光軸方向の関係および、撮像素子３６との関係を変更させることも可能である。この場合には像面に対しての結像倍率を変更することが可能となる。いわゆるズームレンズ（Ｚｏｏｍ ｌｅｎｓ）を用いた撮像装置が実現できる。

非球面レンズ３８が複数のレンズ郡である場合、レンズ群ごとに移動が必要となるので複数の駆動装置が必要となり、軸方向に対しての大きさが大きくなり薄型化が困難になる。しかし、駆動装置３１を用いる本実施の形態によれば、レンズ群のうち移動距離の長いレンズに対する駆動装置に対して、他より光軸方向の圧電素子と錘の重なりを大きくすることで薄型化を実現できる。なお、これらの寸法・形状などは、適宜変更することが可能であることは当業者にとって明らかである。

（実施の形態４）
本実施の形態４における携帯端末装置４０について説明する。図４に、本実施の形態４の携帯端末装置４０の正面図である。図５（ａ）は、本実施の形態４の携帯端末装置４０の側面図である。図５（ｂ）は、従来の携帯端末装置５０の側面図である。
なお、以下の説明では、上述した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、本実施の形態４の携帯端末装置４０は、折りたたみ型の携帯電話である。携帯端末装置４０は、上側筐体４１と下側筐体４２とがヒンジ４５を介して折りたたみ可能な構成としてある。上側筐体４１は、液晶による表示画面４４、スピーカ４３、送受信を行うアンテナ４６、撮像装置３０などを備えている。下側筐体４２は、入力キー４７、マイク４４等を備えている。

撮像装置３０は、上述の実施の形態３におけるオートフォーカス機能付の撮像装置を用いている。撮像装置３０の一部には駆動装置３１が配置されている。撮像装置３０の撮像方向は、図４中の表示画面４４を含む平面に対して垂直方向であり、つまり光軸が同図中の正面方向である。オートフォーカスによる光学系の移動方向も同様に正面方向である。

携帯端末装置４０は、使用時には、上側筐体４１と下側筐体４２とを開いて使用し、使用しない時には折りたたんでおく形態のものである。

携帯端末装置４０は、上述のように実施の形態３に示した撮像装置３０を搭載しており、薄型化の向上を実現している。折り畳み携帯端末の場合、上側筐体に搭載される撮像装置が上側筐体の厚さを支配的に決定するが、図５（ａ）に示すように、本実施の形態４の携帯端末装置４０の上側筐体４１の厚さはＴ１となる一方で、従来の携帯端末装置５０は、従来の駆動装置１００を備える撮像装置１２０を搭載しており図５（ｂ）に示すように、上側筐体５１の厚さはＴ３となっている。

すなわち、撮像装置３０の駆動装置４１の光軸方向に対する厚さの差によってそれぞれＴ１およびＴ３となり、Ｔ１＜Ｔ３の関係となっている。また、撮像装置が上側筐体の厚さを支配的に決定しない場合であっても、上側筐体４１の内部での厚さ方向の余裕ができるために他の部品などの配置や、他の部品を追加できるなどの設計の自由度を向上させることが可能となる。

なお、本実施の形態の駆動装置または撮像装置はこの構成に限定されず、様々な形態の携帯情報装置に適用可能である。たとえば、ＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスタント）や、パーソナルコンピュータ、パーソナルコンピュータの外付け機器等の携帯情報装置などにも応用できることは明らかである。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

本発明の駆動装置は、カメラ、携帯電話、ＰＤＡ（パーソナル・デジタル・アシスタント）や、パーソナルコンピュータ、パーソナルコンピュータの外付け機器等の携帯情報装置などに適用することができ、適用する装置を小型・薄型化することができる駆動装置として有用である。

第１の実施の形態の駆動装置１の要部断面図 第２の実施の形態の駆動装置２１の要部断面図 駆動装置の変形例の要部断面図 第３の実施の形態の撮像装置３０の要部断面図 第４の実施の形態の携帯端末装置４０の正面図 （ａ）第４の実施の形態の携帯端末装置４０の側面図（ｂ）従来の携帯端末装置５０の側面図 従来の圧電素子を用いた駆動装置の概略構成図 従来の駆動装置を搭載した撮像装置の概略構成図

符号の説明

１ 駆動装置
２ 錘
３ 圧電素子
４ 駆動軸
５ ホルダー
６ ばね
７ スライダー
９ 空間
１０ 隙間
３０ 撮像装置
３１ 駆動装置
３８ 非球面レンズ
３７ 鏡筒
３４ 光学フィルタ
３６ 半導体撮像素子
３５ 筐体
２７ 係合部材
４０ 携帯電話装置
４１ 上側筐体
４２ 下側筐体
４３ スピーカ
４４ 表示画面
４５ ヒンジ
４６ アンテナ
４７ 入力キー

Claims (5)

1. 凹部を有する圧電素子と、
   圧電素子の伸縮方向の一端に固定される平坦部と前記圧電素子の凹部内に収容される凸部とを有する錘と、
   圧電素子の他端に固定される駆動部材とを備える駆動装置。
2. 前記圧電素子と錘とが略同軸上に配置されている請求項１に記載の駆動装置。
3. 凹部を有する圧電素子と、圧電素子の伸縮方向の一端に固定される平坦部と前記圧電素子の凹部内に収容される凸部とを有する錘と、圧電素子の他端に固定される駆動部材とを備える駆動装置と、
   前記駆動部材とレンズを保持する鏡筒とを係合する係合部材と、
   レンズからの光を電気信号に変化する撮像素子と、を備え、
   圧電素子の伸縮に応じて鏡筒がレンズの光軸方向に移動する撮像装置。
4. レンズを保持する鏡筒が光軸方向に移動することにより前記撮像素子の撮像面に対する結像倍率が変化する請求項３に記載の撮像装置。
5. 請求項３または４に記載の撮像装置を備える携帯端末装置。

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