JP4899634B2 - リニア駆動装置、レンズ駆動装置及びカメラの手振れ防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、被移動体を直線移動するリニア駆動装置、リニア駆動装置の被移動体をレンズホルダとしたレンズ駆動装置、及びリニア駆動装置の被移動体を画像センサとしたカメラの手振れ防止装置に関する。

特許文献１には、マグネットとコイルとヨークとから構成されるリニアモータでレンズホルダを光軸方向に駆動するレンズ駆動装置が開示されている。

特許文献２には、ピエゾ素子（圧電素子）を反射鏡の端部に設け、ピエゾ素子に通電することにより反射鏡の端部を僅かに変形させて位置決めを行うことが開示されている。

特開２００２−２３０３７号公報 特開２０００−１２１９５０号公報

しかし、特許文献１の技術では、レンズホルダの移動方向に、マグネットやコイル等で構成されるリニアモータ機構を設けているので、レンズ駆動装置の小型化に限界があった。

特許文献２はピエゾ素子を利用して反射鏡を僅かに変形させるだけのものであり、ピエゾ素子はその可動範囲での利用に限られるものであった。

一方、レンズ駆動等に用いられるリニア駆動装置においては、更なる小型化の要求が高い。

そこで、本発明は、簡易な構成で被移動体を直線移動でき且つ小型のリニア駆動装置、そのリニア駆動装置を利用したレンズ駆動装置及びカメラの手振れ防止装置の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、対向配置した一方及び他方のピエゾ素子と、ピエゾ素子間に挟持した弾性体と、弾性体に基端を固定した軸部材と、軸部材の側面に摩擦係合した被移動体とを備え、一方及び他方のピエゾ素子にパルス電流を印加することにより弾性体を軸部材の軸線方向に振動させ、軸部材の側面に摩擦係合している被移動体を軸部材の軸線方向に移動するリニア駆動装置であって、前記軸部材の先端部の直径が、被移動体が移動する軸部材の本体部の直径と異なっており、各ピエゾ素子に相対的にプラスのパルス電流を印加すると一方向に被移動体が移動し、相対的にマイナスのパルス電流を印加すると他方向に移動することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のリニア駆動装置と、レンズを保持するレンズホルダとを備え、被移動体はレンズホルダであり、軸部材はレンズの光軸に沿って設けてあり、レンズホルダが保持したレンズを光軸方向に移動することを特徴とするレンズ駆動装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のリニア駆動装置と、レンズの結像位置に配置された画像センサとを備え、リニア駆動装置の被移動体は画像センサであり、画像センサの位置変動に応じてリニア駆動装置を駆動して画像センサの位置制御を行うことを特徴とするカメラの手振れ防止装置である。

請求項１に記載の発明によれば、一方及び他方のピエゾ素子にパルス電流を印加することにより、一方及び他方のピエゾ素子が弾性体に対して相対的な伸縮を繰り返すので、一方及び他方のピエゾ素子間に挟持してある弾性体が一方及び他方のピエゾ素子間で振動し、弾性体に基端を固定してある軸部材が軸線方向に細かく振動する。軸部材は軸線方向の振動により側面がパルス波で波打つように細かく振動し、軸部材の側面に摩擦係合してある被移動体が軸部材を軸線方向にリニア移動する。

実験では被移動体は軸部材の軸線方向に滑らかに移動したが、これは軸部材の側面に発生するパルス波の振動は極めて細かい振動であるため、被移動体との摩擦係合部では、非接触面積が小さくなり、移動時に被移動体と軸部材との間に作用する摩擦力は小さくなって、被移動体は被移動体がパルス波（進行波）に押されると共に軸部材表面を滑らかに移動することができたものと考えられる。

本発明のリニア駆動装置によれば、ピエゾ素子と、弾性体と、軸部材と、軸部材に摩擦係合した被移動体のみの構成であるから、リニアモータ機構のようなマグネットやコイル等が不用となり、簡易で且つ極めて小型にできる。

パルス電流の向きを変えるだけで、被移動体を軸部材の軸線方向に往復移動することができる。

基端から先端に向けて軸部材の側面を進行する進行波の干渉を防止でき、被移動体を軸部材に沿ってスムーズに移動させることができる。例えば、軸部材の側面に生じるパルス波は、基端から先端に向けて進行するが（図７（ｂ））、軸部材の径が本体部と先端部とで同じ場合（図７（ｄ）参照）、パルス波が先端で反転して戻り、その戻り波が進行波と干渉する（図７（ｅ）参照）おそれがあるが、先端部の径を本端部と異ならせることにより（図７（ａ）参照）、かかる進行波の反転を低減することができる（図７（ｂ）（ｃ）参照）。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の作用効果を奏するレンズ駆動装置を得ることができる。特に、フォーカスレンズや倍率レンズの駆動に利用することにより、従来よりも簡易で小型のオートフォカスや倍率機能を備えたカメラを提供することができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の作用効果を奏する共にカメラの手振れ防止装置を簡易で小型にできる。

以下に、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は第１実施の形態にかかるレンズ駆動装置を図３のＡ―Ａ位置で切断して示す断面図であり、図２は第１実施の形態にかかるレンズ駆動装置を図３のＢ―Ｂ位置で切断して示す断面図であり、図３は第１実施の形態にかかるレンズ駆動装置を図１のＣ―Ｃ位置で切断して示す断面図であり、図４は駆動軸とピエゾ素子との関係を示す概略構成図であり、図５は第１実施の形態にかかるリニア駆動装置の図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図であり、図６はピエゾ素子に供給するパルス電流の波形図であり、図７はリニア駆動装置の作用を説明する図であり、（ａ）は軸部材の正面図、（ｂ）及び（ｃ）は軸部材の側面に生じる波形を示す図であり、（ｄ）は軸部材の先端部が本体部と同じ径の場合を示す比較例であり、（ｅ）は（ｄ）に示す軸部材の側面に生じる波形を示す図である。

第１実施の形態にかかるレンズ駆動装置１は、携帯電話に組み込まれるデジタルカメラ２に用いられるものであり、光学ズーム付きオートフォーカスデジタルカメラのレンズ駆動装置である。

レンズ駆動装置１は、図１及び図２に示すように、第１レンズホルダ（被移動体）３及び第２レンズホルダ（被移動体）５と、第１レンズホルダ３を駆動する第１リニア駆動装置７と、第２レンズホルダ５を駆動する第２リニア駆動装置９とを備えている。

第１レンズホルダ３は、本実施の形態では光学ズームレンズ１４を保持しており、第２レンズホルダ５は、フォーカスレンズ１６を保持しており、光学ズームレンズ１４とフォーカスレンズ１６とは光軸を同一にしてあり、光軸上には結象位置に画像センサ１１が設けてある。この画像センサ１１には本発明の第２実施形態にかかる手振れ防止装置１０が設けてあるが、この手振れ防止装置１０については後述する。

第１リニア駆動装置７と第２リニア駆動装置９とは略同じ構成であるから、第１リニア駆動装置７を説明して第２リニア駆動装置９には同一作用効果を奏する部分には同一の符号を付することによりその部分の説明を省略する。

第１リニア駆動装置７は、筐体１３の基底１５に固定した一方のピエゾ素子１７ａと、一方のピエゾ素子１７ａに対向配置した他方のピエゾ素子１７ｂと、一方及び他方のピエゾ素子１７ａ、１７ｂ間に配置した振動子（弾性体）１９と、振動子１９に基端を固定した駆動軸（軸部材）２１とを備えており、第１レンズホルダ（被移動体）３が駆動軸２１の側面に摩擦係合している。尚、軸部材２１の基端２１ａ側は光学ズームの拡大側であり、軸部材２１の先端部２１ｂ側は光学ズームの望遠側である。

振動子１９は銅板であり、図４に示すように、一方及び他方のピエゾ素子１７ａ、１７ｂと、振動子１９とには電源制御部２７が接続されており、各ピエゾ素子１７ａ、１７ｂには同極で同位相のパルス電流が印加されると共に、振動子１９に対して各ピエゾ素子１７ａ、１７ｂには相対的にプラス又はマイナスのパルス電流が印加されるものである。

駆動軸２１は基端２１ａを振動子１９に固定してあり、先端部２１ｂは筐体１３に固定してある。この駆動軸２１の本体部２１ｃは径ｒが１．３ｍｍの円柱状であり、先端部２１ｂは本体部２１ｃよりも径Ｒを大きくしてあり、本実施の形態では、径Ｒが２．５ｍｍで長さＨが２ｍｍの円柱部材を取り付けている（図５参照）。

第１レンズホルダ３は、一端部に駆動軸２１との摩擦係合部３１を有しおり、摩擦係合部３１は、ばね部材でできており、駆動軸２１にばね力で挟持して、摩擦力を付与している。

第１レンズホルダ３の他端部には補助軸３５との係合部３３が設けてあり、係合部３３は筐体１３の基底１５に駆動軸２１と平行に立設された補助軸３５に係合して、第１レンズホルダ３の移動を案内している。

次に、本発明にかかる実施の形態の作用及び効果について説明する。

本実施の形態では、第１レンズホルダ３を移動して光学ズームで倍率を変え、同時に第２レンズホルダを移動して焦点位置をあわせるものである。

第１レンズホルダ３を、望遠側（前側）に移動する場合には、振動子１９を０ボルトとしてピエゾ素子１７ａ、１７ｂに各々、図６に示すような波形のプラスのパルス電流を印加する。

ピエゾ素子１７ａ、１７ｂにプラスのパルス電流を印加すると、ピエゾ素子１７ａ、１７ｂは伸び（体積を膨張）次に元に戻ることを繰り返し、ピエゾ素子１７ａ、１７ｂ間にある振動子１９が振動する。このような振動子１９の振動により、振動子１９に基端２１ａが固定されている駆動軸２１の側面には、図７（ｂ）に示すように、駆動軸２１の先端部２１ｂに向けて移動する波状の振動が発生する。

本実施の形態では、電圧Ｖが数十Ｖであり、周波数Ｈが数十ＫＨｚでスムーズな移動を図ることができた。実験では、電圧Ｖが３５Ｖで、周波数Ｈが５６ＫＨｚとした場合、２０ｍｍ／秒の移動を得ることができた。尚、摺動トルクは３５ｇ・ｆであった。

同様に、第１レンズホルダ３を、拡大側（後側）に移動する場合には、電圧の極性を切り替えて、ピエゾ素子１７、１７に振動子１９に対して相対的にマイナスのパルス電流を印加すると、図７（ｃ）に示すように駆動軸２１の側面には、駆動軸２１の基端側に向かう波状の振動が発生し、駆動軸２１の基端２１ａに向けて移動する。

一方、摩擦係合部３１では、摩擦係合している駆動軸２１の側面が振動するとばねでできている摩擦係合部３１の係合面も同様に振動して駆動軸２１の側面との摩擦接触面積が小さくなるので、移動時には小さな摩擦力でスムーズに移動することができる。

また、第２レンズホルダ５の駆動も第１レンズホルダ３と同様にピエゾ素子１７、１７と振動子１９との間に所定パルスの電流を供給することにより、第２レンズホルダを前進又は後退させることができる。

本実施の形態によれば、第１及び第２レンズホルダ３、５を移動させるリニア駆動装置７、９は一方及び他方のピエゾ素子１７ａ、１７ｂと、振動子１９と、駆動軸２１のみであるから、従来のリニアモータ機構のようなマグネットやヨークやコイル等が不用であるから、簡易で且つ極めて小型にできる。

特に、ピエゾ素子１７ａ、１７ｂは筐体の基底１５に設けると共に駆動軸２１は光軸方向に設けるので、第１及び第２レンズホルダ３、５の周囲部には駆動機構が無いので、レンズの口径方向の幅を小さくすることができる。

また、補助軸３５により第１及び第２レンズホルダ３、５を支持しているので、各レンズホルダ３、５を安定に移動できる。

本実施の形態では、駆動軸（軸部材）２１は先端部２１ｂの径が本体部２１ｃと異なる径としているので、駆動軸２１の側面に一方向に向けて進行する振動波（進行波）の干渉を防止でき、第１レンズホルダ（被移動体）３を駆動軸２１に沿ってスムーズに移動させることができる。即ち、図７（ｂ）（ｃ）に示すように、軸部材の側面に生じるパルス波は、基端から先端に向けて一方向に進行するが、図７（ｄ）に示すように、駆動軸２１の径が軸部材本体２１ｃと先端部２１ｂとで同じ場合には、図７（ｅ）で示すように、パルス波Ｓが先端で反転して戻り（破線Ｔで示す）、戻り波Ｔが進行波Ｓと干渉するおそれがあるが、図７（ａ）に示すように駆動軸２１の先端部２１ｂの径Ｒを本端部２１ｃの径ｒと異ならせることにより、かかる進行波の反転を低減することができる。

尚、駆動軸の先端部の形状を図７（ａ）に示す場合と、図７（ｄ）に示す場合とで、略同一の条件で比較実験を行ったところ、図７（ａ）の場合には上述したように、２２ｍ／ｓで駆動軸２１の長さ方向全体にわたって一定の速度を得ることができたが、図７（ｄ）の場合には、最も早い箇所の速度が１９ｍ／ｓであり、場所ごとに速度が異なり、一定の速度を得ることができなかった。

以下に本発明の他の実施の形態を説明するが、以下に説明する他の実施の形態において、上述した第１実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付することにより、その部分の詳細な説明を省略する。

図８に第２実施の形態を示す。この第２実施の形態では、カメラの手振れ防止装置１０として第１リニア駆動装置７と第２リニア駆動装置９とを用いたものである。即ち、図１に示す画像センサ１１は支持体４３に対して一方向（Ｘ方向）にスライド自在に保持されていると共に支持体４３には第１リニア駆動装置７のピエゾ素子１７ａ、１７ｂが固定されており、駆動軸２１が画像センサ１１の一側縁に沿うＸ方向に沿って配置されている。また、カメラの筐体１３には、第２リニア駆動装置９のピエゾ素子１７ａ、１７ｂが固定されており、駆動軸２１が画像センサ１１の他側縁に沿うＹ方向に配置されており、支持部材４３をＹ方向に移動するようになっている。

第２実施の形態では、電源制御部２７では、手振れにより生じた画像センサ１１の位置変動量に応じて、第１及び第２リニア駆動装置９、１１を各々駆動し、手振れ等による画像のぶれを防止する。

この第２実施の形態によれば、従来モータにより駆動制御していた手振れ防止装置にピエゾ素子１７ａ、１７ｂによるリニア駆動装置７、９を利用するので、簡易な構成で且つ小型にすることができる。

本発明は上述した実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、駆動軸２１の先端部２１ｂは、本体部２１ｃに円柱部材を取付けることに限らず、図９に示すように、略球状のものを取り付けても良いし、図１０に示すように、先端部２１は円錐形状のものを取り付けるものであっても良い。

先端部２１ｂは本体部２１ｃと別体で形成したものを取付けることに限らず、本体部２１ｃと先端部２１ｂとを一体に形成して、径を異ならせるものであっても良い。

図１１に示すように、一方及び他方のピエゾ素子１７ａ、１７ｂは、各々複数枚を積層するものであってもよい。このようにピエゾ素子を複数枚積層することにより、大きな駆動力を得ることができる。

駆動軸２１は先端部２１ｂを筐体１３に固定することに限らず、図１２に示すように、本体部１７ｃを筐体１３に固定するものであっても良い。

レンズ駆動装置１は、フォーカス用の第２レンズホルダ５のみとし、一つの駆動軸２１とピエゾ素子１７ａ、１７ｂと、振動子１９とで構成するものであってもよい。

上述した実施の形態では、携帯電話に搭載されるレンズ駆動装置やカメラの手振れ防止装置を例に用いて説明したが、デジタルスチルカメラのレンズ駆動装置やカメラの手振れ防止装置として用いるものでも良い。

被移動体は、上述したレンズホルダ３、５や画像センサ１１に限らず、直線移動するものであればその用途は特に制限されない。

第１実施の形態にかかるレンズ駆動装置を図３のＡ―Ａ位置で切断して示す断面図である。 第１実施の形態にかかるレンズ駆動装置を図３のＢ―Ｂ位置で切断して示す断面図である。 第１実施の形態にかかるレンズ駆動装置を図１のＣ―Ｃ位置で切断して示す断面図である。 駆動軸とピエゾ素子との関係を示す概略構成図である。 第１実施の形態にかかるリニア駆動装置の図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 ピエゾ素子に供給するパルス電流の波形図である。 リニア駆動装置の作用を説明する図であり、（ａ）は軸部材の正面図、（ｂ）及び（ｃ）は（ａ）に示す軸部材の側面に生じる波形を示す図であり、（ｄ）は軸部材の先端部が本体部と同じ径の場合を示す比較例であり、（ｅ）は（ｄ）に示す軸部材の側面に生じる波形を示す図である。 第２実施の形態にかかるカメラの手振れ防止装置の構成を示す正面図である。ズ駆動装置を図３のＢ―Ｂ位置で切断して示す縦断面図である。 本発明の変形例にかかるリニア駆動装置の正面図である。 本発明の変形例にかかるリニア駆動装置の正面図である。 本発明の変形例にかかるリニア駆動装置の正面図である。 本発明の変形例にかかるリニア駆動装置の正面図である。

１ レンズ駆動装置
３ 第１レンズホルダ（被移動体）
５ 第２レンズホルダ（被移動体）
７ 第１リニア駆動装置
９ 第２リニア駆動装置
１０ カメラの手振れ防止装置
１３ 筐体
１７ａ 一方のピエゾ素子
１７ｂ 他方のピエゾ素子
１９ 振動子（弾性体）
２１ 駆動軸（軸部材）
２１ａ 基端部
２１ｂ 先端部
２１ｃ 本体部

Claims (3)

1. 対向配置した一方及び他方のピエゾ素子と、ピエゾ素子間に挟持した弾性体と、弾性体に基端を固定した軸部材と、軸部材の側面に摩擦係合した被移動体とを備え、一方及び他方のピエゾ素子にパルス電流を印加することにより弾性体を軸部材の軸線方向に振動させ、軸部材の側面に摩擦係合している被移動体を軸部材の軸線方向に移動するリニア駆動装置であって、
   前記軸部材の先端部の直径が、被移動体が移動する軸部材の本体部の直径と異なっており、各ピエゾ素子に相対的にプラスのパルス電流を印加すると一方向に被移動体が移動し、相対的にマイナスのパルス電流を印加すると他方向に移動することを特徴とするリニア駆動装置。
2. 請求項１に記載のリニア駆動装置と、レンズを保持するレンズホルダとを備え、被移動体はレンズホルダであり、軸部材はレンズの光軸に沿って設けてあり、レンズホルダが保持したレンズを光軸方向に移動することを特徴とするレンズ駆動装置。
3. 請求項１に記載のリニア駆動装置と、レンズの結像位置に配置された画像センサとを備え、リニア駆動装置の被移動体は画像センサであり、画像センサの位置変動に応じてリニア駆動装置を駆動して画像センサの位置制御を行うことを特徴とするカメラの手振れ防止装置。
   

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