JP4924519B2 - 駆動装置、駆動装置の製造方法 - Google Patents

駆動装置、駆動装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、駆動装置、及び駆動装置の製造方法に関し、特に形状記憶合金を備えた駆動装置、及び駆動装置の製造方法に関する。
近年、様々な駆動装置に形状記憶合金(以下、SMAとも記する)を備えたアクチュエータを用いることが試みられている。SMAは、チタンとニッケルの合金等に代表され、変態点と呼ばれる温度以下で変形しても、その温度以上に加熱すると、マルテンサイト変態によって元の形状に回復する性質を持った合金である。通常、SMAは紐状の形態に形成され、通電加熱制御により長さ方向に伸縮させることで、アクチュエータとしての動作をさせることができる。
このようなSMA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を図ることができ、種々の機器への搭載が検討されている。
ところで、このような紐状のSMAは、通常、被駆動部材に架設された状態で、その両端を固定する固定部材を介して、フレームや筐体等に設けられたベース部材に支持されている。また、SMAに通電する為のリード線、フレキシブル基板等を接続する為の結線端子が固定部材や固定部材の周辺等に設けられている。
例えば、板状部材を屈曲させて形成される狭持部にSMAが挟持されて圧着固定され、狭持部に併設された輪形状のワッシャ部材とベース部材との間にSMAに通電する為のリード線を挟み込み、ビスにより固定する方法が知られている(特許文献1参照)。
また、SMAを、ベース部材に設けられた穴に、球または楔とともに圧入することで固定し、ベース部材の穴の近傍に設けられた結線端子にSMAに通電する為のリード線を半田付けにより接続する構成が知られている(特許文献2参照)。
特開2006−189036号公報 特開2002−98911号公報
しかしながら、特許文献1に開示されている方法では、SMAが挟持されて圧着固定される狭持部とリード線が接続されるワッシャ部材とが平面状に一体化された、所謂ラグ板の構成であるので、配置する為の二次元の広いスペースが必要とされ、装置の小型化を阻害する恐れがある。
また、特許文献2に開示されている方法では、SMAが固定されるベース部材の穴とリードが半田付けされる結線端子とが近接して配置されている為、半田付け作業の際の熱伝導よりSMAの性能に影響を及ぼす恐れがある。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、装置の小型化を阻害することなく、また、SMAの性能に影響を及ぼすことなく、SMAを安定して固定することが可能な駆動装置、及び駆動装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的は、下記の1乃至10の何れか1項に記載の発明によって達成される。
1.紐状の形状記憶合金を駆動源として備えた駆動装置において、
前記駆動装置の土台となるベース部材と、
全体が円柱状または多角柱形状からなり、前記ベース部材を貫通し、該ベース部材に固定される金属からなる棒状部材と、を有し、
前記棒状部材は、ヤング率が50GPa以上、250GPa以下の金属であり、かつ、
記棒状部材の一端側において、前記紐状の形状記憶合金を狭持する溝部が前記棒状部材に一体的に形成され、該溝部が加圧によりかしめられることによって、前記紐状の形状記憶合金が狭持されるかしめ部と、
記棒状部材の他端側には、前記加圧を受ける端面および前記形状記憶合金に電流を供給する為の通電接続部を備えたことを特徴とする駆動装置。
.前記棒状部材は、銅系金属からなることを特徴とする前記に記載の駆動装置。
.前記棒状部材は、SUS鋼からなることを特徴とする前記に記載の駆動装置。
.前記棒状部材の少なくとも前記通電接続部が接続される部分には、ニッケルメッキが施されていることを特徴とする前記1乃至の何れか1項に記載の駆動装置。
.前記棒状部材の一端側の側面には、前記形状記憶合金が挟持されるかしめ部が形成されていることを特徴とする前記1乃至の何れか1項に記載の駆動装置。
.前記棒状部材の一端側の端面には、前記形状記憶合金が挟持されるかしめ部が形成されていることを特徴とする前記1乃至の何れか1項に記載の駆動装置。
.前記棒状部材の径方向の断面は、円形状または多角形状に形成されていることを特徴とする前記1乃至の何れか1項に記載の駆動装置。
.紐状の形状記憶合金を駆動源として備えた駆動装置の製造方法において、
ヤング率が50GPa以上、250GPa以下の金属からなる棒状部材を、前記駆動装置の土台となるベース部材に貫通させて固定する工程と、
前記棒状部材の一端側において、一体的に形成された溝部に前記紐状の形状記憶合金を挟みこみ、前記溝部への加圧を前記棒状部材の他端側の端面で受けるように固定して行うことで前記溝部をかしめて、前記形状記憶合金を挟持する工程と、
前記棒状部材の他端側に、前記形状記憶合金に電流を供給する為の通電部材を接続する工程と、を有することを特徴とする駆動装置の製造方法。
.前記棒状部材のかしめにより圧縮される部分の断面の径は、非圧縮部分の断面の径よりも小さいことを特徴とする前記に記載の駆動装置の製造方法。
10.前記棒状部材の一端側には、かしめにより圧縮されるV字状の溝が形成され、
前記V字状の溝に前記形状記憶合金を挟んで、前記棒状部材の前記V字状の溝が形成されている側の端部を加圧することにより、前記V字状の溝に前記形状記憶合金を挟持して固定するものであって、
前記V字状の溝の屈曲部の角度をΘ、前記棒状部材と前記形状記憶合金との間の静止摩擦係数をμとすると、屈曲部の角度Θと摩擦係数μは、下記式の関係を満足することを特徴とする前記またはに記載の駆動装置の製造方法。

式:tanΘ<μ
本発明によれば、SMAの固定とSMAに電流を供給する為の通電部材との接続を1つの棒状部材を用いて行い、該棒状部材をベース部材に貫通させた態様で固定するようにした。これにより、棒状部材を径方向の断面積に相当する小さなスペースで配置することが可能になり、装置の小型化を図ることができる。
また、ベース部材を貫通した棒状部材の一端にSMAを固定し、他端に通電部材を接続するようにした。この場合、ベース部材が棒状部材を充分な強度を保って貫通保持する為には所定の厚みが必要とされる。これにより、接続部材を、例えば、半田付けにより棒状部材に接続する場合、半田付け作業の際の熱伝導がSMAの性能に影響を及ぼさない距離を確保することができ、SMAの性能の劣化を防止することができる。
また、棒状部材の圧着作業、すなわちかしめ作業を行う場合、棒状部材はベース部材を貫通し固定されているので、棒状部材のかしめに用いる端面と反対側の端面を受けることができる。これにより、かしめ力は他の部材を介することなく、棒状部材に直接荷重を与えることができるので、かしめ作業の不安定要因が排除される。その結果、SMAを確実に固定し、安定した生産を行うことができる。
以下図面に基づいて、本発明に係る駆動装置の代表的な実施形態の1つであるレンズ駆動装置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。
最初に、レンズ駆動装置の構成を図1を用いて説明する。図1(a)は、レンズ駆動装置1の外観を示す平面図、図1(b)は、正面図である。
レンズ駆動装置1の要部は、図1(a)に示すように、ベース部材100、パンタ部110、SMA固定部材121、SMA125、及び鏡筒150等から構成される。
図1(b)に示すように、金属からなる2本の棒状のSMA固定部材121がベース部材100を貫通した態様で固定されている。尚、SMA固定部材121は、本発明の棒状部材に該当するものである。
SMA固定部材121の上端側には、SMA125の両端がそれぞれかしめによって固定されている。尚、SMA125のかしめによる固定方法の詳細は後述する。
SMA125は、例えば、線径が数十μm程度の紐形状であり、パンタ部110に設けられた2つのスペーサ112、及びベース部材100に設けられたテンションガイド101を周回するように架設されている。
ベース部材100の中央には、図示しないレンズを備えた鏡筒150がフック部152でパンタ部110に保持されている。鏡筒150の底部には、レンズによって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、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOSセンサ等の撮像素子151が設けられている。
次に、パンタ部110の構成、及びその動作を図2を用いて説明する。図2(a)は、SMA125が通電されていない場合のパンタ部110の態様を示す正面模式図、図2(b)は、SMA125が通電されている場合のパンタ部110の態様を示す正面模式図である。
パンタ部110は、図2(a)に示すように、上下に設けられた2枚のシート状の駆動アーム111、及び2つの駆動アーム111の間に挟持された2つのスペーサ112等から構成される。駆動アーム112の材料としては、例えば、ポリイミドを用いる。
SMA125が通電されると、図2(b)に示すように、SMA125が収縮することで、2つのスペーサ112がそれぞれ矢印X1、X2方向に引っ張られて内側に移動する。スペーサ112が内側に移動するに伴って、2つの駆動アーム111が、それぞれ矢印Y1、Y2方向に撓み、駆動アーム111にフック部152を介して保持された鏡筒150が押し上げられ矢印Y1方向に移動する。このようにして、SMA125を通電制御することで鏡筒を駆動することができる。
次に、SMA固定部材121について、図3、図4を用いて説明する。図3(a)は、SMA固定部材121のかしめ部の一例による形状を示す正面模式図、図3(b)乃至図3(d)は、SMA固定部121のかしめ部の別例による形状を示す正面模式図、図3(e)、図3(f)は、SMA固定部121のかしめ部を正面斜め前方から見た別例による形状を示す模式図である。図4(a)は、SMA固定部材121の一例による形状を示す斜視模式図、図4(b)は、別例による形状を示す斜視模式図である。
SMA固定部材121には、図3(a)に示すように、V字状の溝121vが側面を周回して形成され、この溝121vにSMA125が挟持される。SMA固定部材121の端面121aに荷重がY2方向に加えられることにより、SMA固定部材121のかしめ部である端部121bが変形し、SMA125が圧着固定(かしめ)される。尚、かしめにより変形する端部121bが非変形部121cを覆うようにかぶることによるSMA125の断線を防ぐ為、端部121bの径d1は、非変形部121cの径d2よりも小さくする。また、後述のように、SMA固定部材121をベース部材100に圧入により固定する場合は、SMA固定部材121の端部121bを押すと変形する恐れがある為、非変形部121cを押して圧入する。この場合、端部121bがベース部材100の圧入穴に引っ掛らないように、同様に、端部121bの径d1は、非変形部121cの径d2よりも小さくする。
ここで、かしめ部の別例による形状を図3(b)に示す。図3(b)に示すように、溝121vをSMA固定部材121の端部121bの側面の一部にV字状に形成してもよい。
また、かしめ部の他の別例による形状を図3(c)に示す。図3(c)に示すように、溝121vをSMA固定部材121の端面121aに形成してもよい。この場合、図3(c)に示す内面にテーパー5aが形成されたかしめ冶具5をSMA固定部材121の端部121bに被せてY2方向に加圧することよりSMA固定部材121はかしめられる。また、図3(d)に示すように、SMA固定部材121の端部121bにテーパー121tを形成してもよい。これにより、前述のSMA固定部材121をベース部材100に圧入により固定する(固定工程)場合の引っ掛かりを防止することができる。
また、かしめ部の他の別例による形状を図3(e)に示す。図3(e)に示すように、溝121vをSMA固定部材121の端面121aに十字に2本形成してもよい。これにより、SMA固定部材121をベース部材100に圧入する際の、回転方向の自由度が増大する。また、図3(f)に示すように、SMA固定部材121の端部121bにテーパー121tを形成してもよい。これにより、前述のSMA固定部材121をベース部材100に圧入により固定する場合の引っ掛かりを防止することができる。尚、図3(a)乃至図3(f)に示した何れの形状も、周知の機械加工により容易に加工することができる。
SMA固定部材121の形状は、図4(a)、図4(b)に示すように、円筒状、または多角柱状に形成される。溝121vが、図3(a)に示したように、SMA固定部材121の側面を周回して形成されている場合は、SMA固定部材121のベース部材100への固定が方向性を必要とされないことから、SMA固定部材121の形状は、図4(a)に示すように、円筒状が好ましい。一方、溝121vが、図3(b)に示したように、SMA固定部材121の側面の一部に「く」の字状に形成されている場合は、SMA固定部材121のベース部材100への固定が方向性を必要とされることから、SMA固定部材121の形状は、図4(b)に示すように、方向性を有する多角柱状が好ましい。尚、図4(b)に示すSMA固定部材121は、一例として八角柱の形状に形成されているが、これに限定されるものではなく、N角柱(Nは正の整数)でもよいし、また、Dカット形状でもよい。
SMA固定部材121の材料としては、かしめられたSMA固定部材121の弾性力によってSMA125を保持することから、保持力とかしめの加圧力を鑑みヤング率が50〜250GPaのSUS鋼や銅系の金属材料を用いることが好ましい。さらに、かかる金属材料では、合金比率、添加剤の含有量或いは熱処理等により所望のヤング率が得られるように調製可能である。SUS鋼の場合は、その合金組成或いは熱処理等により、かしめに最適な状態となるよう調整される。また、ここで銅系金属とは、純銅も含め銅を主体とする合金を示し、SUS鋼の場合と同様に、その合金組成或いは熱処理等により、かしめに最適な状態となるよう調整される。尚、銅系金属の場合は、切削が容易であり、且つ、素材に直接半田付けが可能であることから、後述のめっき処理等を必要とせず製造コストを抑えることができる。また、SMA125へ電流を供給する為のリード線、フレキシブル基板などの通電部材を、後述のように、半田付けする際の作業性を高める為、SMA固定部材121にSUS鋼を用いた場合、その表面には、ニッケルメッキ処理が施されていることが好ましい。
このように、SMA125の固定とSMA125に電流を供給する為の通電部材との接続を1つの棒状部材すなわち、SMA固定部材121を用いて行い、該SMA固定部材121をベース部材110に貫通させた態様で固定するようにした。これにより、SMA固定部材121を径方向の断面積に相当する小さなスペースで配置することが可能なり、装置の小型化を図ることができる。
次に、SMA125へ電流を供給する為のリード線、フレキシブル基板などの通電部材のSMA固定部材121への接続方法について、図5を用いて説明する。図5は、SMA固定部材121とリード線180との接続方法を示す模式図である。
図5に示すように、SMA固定部材121のかしめ部121bとベース部材100を挟んだ反対側の端部121d(本発明の通電接続部に該当)にリード線180を半田付けにより接続する(接続工程)。この場合、SMA125が圧着固定されるかしめ部121bとリード線180が半田接続される端部121dとの距離は、少なくともベース部材100の厚み分は確保される。また、ベース部材100への放熱もある。これにより、半田付け作業の際のSMA125への熱伝導を抑えることができ、SMA125の性能の劣化を防止することができる。
次に、SMA固定部材121のベース部材100への固定方法について説明する。
ベース部材100は、かしめ作業の荷重に対する強度や鏡筒150等を安定して保持することができる強度が必要とされることから、所定の厚みに形成されている。また、ベース部材100の材料としては、通電部材が接続される2つのSMA固定部材121が電気的に短絡しないように、非導電性材料を用いる。尚、ベース部材100の材料として、導電性材料を用いる場合は、ベース部材100と2つのSMA固定部材121との間に絶縁処理を施す。
SMA固定部材121のベース部材100への固定方法(固定工程)としては、SMA固定部材121をベース部材100と一体で成形するインサート成形や、ベース部材100にSMA固定部材121が入る穴を予め設けておき、SMA固定部材121を圧入することで固定する方法等がある。
また、SMA固定部材121のV字状の溝121vが、前述の図3(b)で示したように、軸対称でなく方向性がある場合は、SMA125の架設方向に応じて、溝121vの方向を合わせる必要がある。この場合、SMA固定部材121は、図4(b)で示したような方向性を有する形状のものを用い、その方向に対して溝121vの位置を設定する。例えば、インサート成形の場合は、金型で方向を設定できるような形状を設ける。また、圧入の場合は、圧入用の穴形状を方向を設定できる多角形やDカットなどの形状とする。
次に、かしめ手順について、図6、図7を用いて説明する。図6は、SMA125の架設方法を説明する模式図、図7は、SMA固定部材121とSMA125とのかしめ方法を説明する模式図である。
最初に、図6に示すように、SMA125をパンタ部110に設けられた2つのスペーサ112とベース部材100に設けられたテンションガイド101に係止し、所定の張力が付加された状態に架設する。
次に、図7に示すように、架設されたSMA125の両端に位置するSMA固定部材121のかしめ部121bを矢印Y2方向からかしめによる加圧を行い、SMA固定部材121にSMA125が挟み込まれるような態様で固定する(挟持工程)。
SMA固定部材121はベース部材100を貫通し固定されているので、かしめ作業を行う際、SMA固定部材121のかしめに用いる端面121aと反対側の端面121eを受けることができる。これにより、かしめ力は他の部材を介することなく、SMA固定部材121に直接荷重を与えることができるので、かしめ作業の不安定要因が排除される。その結果、SMAを確実に固定し、安定した生産を行うことができる。
次に、SMA固定部材121に形成されたV字状の溝121vの切れ込み角度について、図8を用いて説明する。図8は、溝121vの切れ込み角度と、SMA125とSMA固定部材121との間の静止摩擦力、との関係を説明する模式図である。
かしめ作業を行う際に、溝121vからSMA125の抜けを防止する為に、切れ込み角度を適正な値に設定する必要がある。具体的には以下に説明する。
かしめ力をF、溝121vの切れ込み角度をΘ、SMA125とSMA固定部材121との間の静止摩擦係数をμとすると、溝121vの上面(斜面)121vUにおける抜け力P1、摩擦力Q1は、図8より、それぞれ下記(式1)、(式2)で求められる。
P1=F・cosΘ・sinΘ (式1)
Q1=μ・F・cosΘ・cosΘ (式2)
ここで、溝121vからのSMA125の抜けを防止する為には、摩擦力の成分Q1を抜け力の成分P1よりも大きくする必要がある。すなわち(式1)、(式2)より、切れ込み角度Θと静止摩擦係数μは、下記(式3)の関係を満たす必要がある。
F・cosΘ・sinΘ<μ・F・cosΘ・cosΘ (式3)
ここで、(式3)を簡略化し(式4)を得る。これにより、切れ込み角度Θは、(式4)を満たす値に設定する。
tanΘ<μ (式4)
次に、レンズ駆動装置1の駆動方法について説明する。SMA125の制御は、SMA125の抵抗値が変形量と線形の関係にあることを用いるものである。具体的には、鏡筒150を所定量移動させるのに必要な変形量はSMA125の全長から算出できるので、鏡筒150を目標位置まで駆動するのに必要なSMA125の変形量に対応した抵抗値を算出する。次に、SMA125の抵抗値が目標抵抗値となるようにSMA125の駆動電圧を制御することで鏡筒150を駆動する。
図9にレンズ駆動装置1の制御系10の一例を示す。制御系10は、図9に示すように、比較部201、制御部202、駆動部203、及び抵抗値検出部204等を有し、図示しない、例えばカメラ本体から入力された目標抵抗値にSMA125の抵抗値を近づけるようにSMA125の駆動電圧を制御するものである。
最初に、抵抗値検出部204は、レンズ駆動装置1に設けられたSMA125の抵抗値を検出する。比較部201は、抵抗値検出部204で検出されたSMA125の抵抗値とカメラ本体からの目標抵抗値とを比較し、差分を算出する。制御部202は、抵抗値検出部204で算出された差分に応じたSMA125の駆動電圧値を算出する。駆動部203は、制御部202で算出されたSMA125の駆動電圧値に基づいた駆動電圧を生成し、SMA125に印加する。SMA125は、駆動部203から印加された駆動電圧により変形し鏡筒150が駆動される。このような動作を比較部201で算出される差分が0になるまで繰り返すことで、鏡筒150を目標位置まで駆動することができる。
本発明の実施形態に係るレンズ駆動装置の外観図である。 パンタ部の動作を説明する模式図である。 SMA固定部材のかしめ部の形状を示す模式図である。 SMA固定部材の形状を示す模式図である。 SMA固定部材とリード線との接続方法を示す模式図である。 SMAの架設方法を説明する模式図である。 SMA固定部材とSMAとのかしめ方法を説明する模式図である。 SMA固定部材のかしめ部の切れ込み角度を説明する模式図である。 制御系のブロック図である。
符号の説明
1 レンズ駆動装置
100 ベース部材
101 テンションガイド
110 パンタ部
111 駆動アーム
112 スペーサ
121 SMA固定部材
125 SMA
150 鏡筒
151 撮像素子
152 フック部
180 リード線
5 かしめ治具

Claims (10)

  1. 紐状の形状記憶合金を駆動源として備えた駆動装置において、
    前記駆動装置の土台となるベース部材と、
    全体が円柱状または多角柱形状からなり、前記ベース部材を貫通し、該ベース部材に固定される金属からなる棒状部材と、を有し、
    前記棒状部材は、ヤング率が50GPa以上、250GPa以下の金属であり、かつ、
    前記棒状部材の一端側において、前記紐状の形状記憶合金を狭持する溝部が前記棒状部材に一体的に形成され、該溝部が加圧によりかしめられることによって、前記紐状の形状記憶合金が狭持されるかしめ部と、
    前記棒状部材の他端側には、前記加圧を受ける端面および前記形状記憶合金に電流を供給する為の通電接続部を備えたことを特徴とする駆動装置。
  2. 前記棒状部材は、銅系金属からなることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  3. 前記棒状部材は、SUS鋼からなることを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  4. 前記棒状部材の少なくとも前記通電接続部が接続される部分には、ニッケルメッキが施されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の駆動装置。
  5. 前記棒状部材の一端側の側面には、前記形状記憶合金が挟持されるかしめ部が形成されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の駆動装置。
  6. 前記棒状部材の一端側の端面には、前記形状記憶合金が挟持されるかしめ部が形成されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の駆動装置。
  7. 前記棒状部材の径方向の断面は、円形状または多角形状に形成されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の駆動装置。
  8. 紐状の形状記憶合金を駆動源として備えた駆動装置の製造方法において、
    ヤング率が50GPa以上、250GPa以下の金属からなる棒状部材を、前記駆動装置の土台となるベース部材に貫通させて固定する工程と、
    前記棒状部材の一端側において、一体的に形成された溝部に前記紐状の形状記憶合金を挟みこみ、前記溝部への加圧を前記棒状部材の他端側の端面で受けるように固定して行うことで前記溝部をかしめて、前記形状記憶合金を挟持する工程と、
    前記棒状部材の他端側に、前記形状記憶合金に電流を供給する為の通電部材を接続する工程と、を有することを特徴とする駆動装置の製造方法。
  9. 前記棒状部材のかしめにより圧縮される部分の断面の径は、非圧縮部分の断面の径よりも小さいことを特徴とする請求項8に記載の駆動装置の製造方法。
  10. 前記棒状部材の一端側には、かしめにより圧縮されるV字状の溝が形成され、
    前記V字状の溝に前記形状記憶合金を挟んで、前記棒状部材の前記V字状の溝が形成されている側の端部を加圧することにより、前記V字状の溝に前記形状記憶合金を挟持して固定するものであって、
    前記V字状の溝の屈曲部の角度をΘ、前記棒状部材と前記形状記憶合金との間の静止摩擦係数をμとすると、屈曲部の角度Θと摩擦係数μは、下記式の関係を満足することを特徴とする請求項8または9に記載の駆動装置の製造方法。
    式:tanΘ<μ
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