JP5047768B2

JP5047768B2 - ステップ動作型の駆動装置

Info

Publication number: JP5047768B2
Application number: JP2007323304A
Authority: JP
Inventors: 富裕若山; 千春片桐
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: JP2009148086A

Description

本発明は、特に、携帯電話、カメラなどの電子機器や、医療機器などの精密機器に利用されるステップ動作型の駆動装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、特開平２−２６６８８１号公報がある。この公報に記載された駆動装置(超音波リニアモータ)の振動体は、胴部に固定された２個の圧電素子を備え、各圧電素子の先端には、脚部がそれぞれ固定されている。そして、各圧電素子に交番電圧を印加して、圧電素子を高速で振動させ、これによって、レール上で振動体を移動させている。

特開平２−２６６８８１号公報

しかしながら、前述した従来の駆動装置は、圧電素子を高速で単に振動させるのみで、このような駆動装置の振動体は、摺り足のような動作を行うので、移動は可能であるが、確実なステップ動作を行うことができないといった問題点がある。

本発明は、確実なステップ動作が可能な駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係るステップ動作型の駆動装置は、電圧の印加により伸縮すると共に、一端が基部に固定された第１の電気機械変換素子と、第１の電気機械変換素子の他端に固定された第１のフット部とを有する第１の脚部と、電圧印加により伸縮すると共に、第１の電気機械変換素子に対して所定の開き角度をもって一端が基部に固定された第２の電気機械変換素子と、第２の電気機械変換素子の他端に固定された第２のフット部とを有する第２の脚部と、第１の電気機械変換素子を収縮させた後に第１のフット部の着地が予定された時間経過後に、第２の電気機械変換素子を収縮させ、その後、第２のフット部の着地が予定された時間経過前に、第１の電気機械変換素子を伸長させるように、第１及び第２の電気機械変換素子に電圧を印加させる制御部と、を備えたことを特徴とする。

このステップ動作型の駆動装置においては、第１の電気機械変換素子を収縮させた後に第１のフット部の着地が予定された時間経過後に、第２の電気機械変換素子を収縮させ、その後、第２のフット部の着地が予定された時間経過前に、第１の電気機械変換素子を伸長させるように、第１及び第２の電気機械変換素子に電圧を印加させる制御部を備えているので、脚部を一歩ずつ進めることができ、駆動装置に設けられた基部の１ステップずつの送りが達成される。そして、電気機械変換素子の伸縮量や第１の電気機械変換素子と第２の電気機械変換素子との開き角度を設計変更するだけで、ステップ量を簡単に変更することができる。

また、基部の移動方向に延在するリード軸と、第１のフット部に略Ｖ字状に形成されると共に、リード軸に当接される第１の足裏面と、第２のフット部に略Ｖ字状に形成されると共に、リード軸に当接される第２の足裏面と、第１及び第２の脚部との協働でリード軸を挟み込むバネ部と、を更に備えると好適である。
このような構成は、簡単な構成をもって安定したステップ動作を可能にしている。

また、第１及び第２の電気機械変換素子は、圧電素子であると好適である。
このような構成を採用すると、駆動装置の小型化を可能にし、携帯電話やデジタルカメラなどの小型の電子機器への組み込みが可能になり、例えば、カメラ部内でのレンズのステップ駆動を可能にする。

また、第１及び第２の電気機械変換素子は、電磁ソレノイドであると好適である。
このような構成を採用すると、駆動装置自体が比較的大型化するが、医療機器などの精密機器への組み込みが可能になる。

本発明によれば、確実なステップ動作が可能になる。

以下、図面を参照しつつ本発明に係るステップ動作型の駆動装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１〜図３に示すように、携帯電話やデジタルカメラなどの小型の電子機器に利用される光学装置１は、図示しない筐体内に収容されたステップ動作型の駆動装置２と、駆動装置２の基部３に固定されると共に、集光レンズ(図示せず)が固定されたレンズホルダＲと、集光レンズを介して形成された被写体の光学像をデジタル画像データに変換する図示しない撮像素子(例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳ)とから主として構成されている。なお、基部３には、被駆動部品の装着が予定され、この場合の被駆動部品はレンズホルダＲである。

駆動装置２の基部３に設けられた台形状の股部３ａには、第１及び第２の脚部１０，２０が固定されている。第１及び第２の脚部１０，２０は、股部３ａに一端が固定された電気機械変換素子の一例である第１及び第２の圧電素子４，５と、第１及び第２の圧電素子４，５の他端に固定された第１及び第２のフット部６，７とからなる。そして、第１の圧電素子４と第２の圧電素子５との開き角度αは、９０度になるように設定され、基部３の股部３ａと第１及び第２の脚部１０，２０とによってアクチュエータ４０が構成される。

なお、各圧電素子４，５は、同一の長さ及び同一の伸縮特性を有し、両端に交流電圧を印加することで、伸縮する。例えば、圧電素子４の一端に＋を印加し、他端に−を印加することで、圧電素子４は伸長し、圧電素子４の一端に−を印加し、他端に＋を印加することで、圧電素子４は収縮する。圧電素子５も同様である。

そして、安定したステップ動作を可能にするために、第１及び第２のフット部６，７には、Ｖ字状の第１及び第２の足裏面６ａ，７ａが形成され、各足裏面６ａ，７ａは、基部３の移動方向すなわちレンズホルダＲの移動方向に筐体(図示せず)内で延在するリード軸９の周面に当接されている。さらに、リード軸９上で第１及び第２のフット部６，７の歩行を確実なものにするため、バネ手段１１によって第１及び第２のフット部６，７は、所定のバネ力によってリード軸９に付勢されている。

このバネ手段１１は、基部３の側面にネジ１４によって固定される保持部１１ａと、保持部１１ａの端部で直交して延在する板バネ状のバネ部１１ｂとからなる。そして、バネ部１１ｂの上面には、リード軸９の長手方向に延在するＶ溝１１ｃが形成され、このＶ溝１１ｃの壁面がリード軸９の周面に当接する。従って、バネ手段１１のＶ溝１１ｃの壁面と第１及び第２のフット部６，７の第１及び第２の足裏面６ａ，７ａとの協働によって、リード軸９を挟み込んでいるので、リード軸９上で第１及び第２の脚部１０，２０を安定的に且つ確実にステップ動作させることができる。

また、基部３には、集光レンズが装着されたレンズホルダＲが固定されている。レンズホルダＲは、図示しない撮像素子(例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳ)の前方に配置され、撮像素子の前方で駆動装置２によって直線的に往復運動する。また、レンズホルダＲの確実な進退を可能にするために、筐体(図示せず)内には、リード軸９と平行に延在するガイド軸１２が配置され、ガイド軸１２は、基部３に設けられたガイド穴１３内に挿入されている。

さらに、駆動装置２は、第1の脚部１０の第1の圧電素子４と第２の脚部２０の第２の圧電素子５とに、プラスとマイナスを切り替えながら所望の電圧を印加する制御部３０を備えている。そして、リード軸９上で第１及び第２の脚部１０，２０による歩行を可能にするために、マイコンなどからなる制御部３０は、第１の圧電素子４を収縮させた後に第１のフット部６の着地(すなわち第１のフット部６がリード軸９上に着地)が予定された時間経過後に、第２の圧電素子５を収縮させ、その後、第２のフット部７の着地(すなわち第２のフット部７がリード軸９上に着地)が予定された時間経過前に、第１の圧電素子４を伸長させるように、第１及び第２の圧電素子４，５に対して、プラスとマイナスを切り替えながら所望の電圧を印加する。

次に、制御部３０による第１及び第２の脚部１０，２０のステップ動作について、図４〜図６に基づいて説明する。

図４には、基部３に第１及び第２の脚部１０，２０が固定されたアクチュエータ４０Ａが示され、このアクチュエータ４０Ａは、前述したアクチュエータ４０を模式的に示したものである。

図５に示すように、第１の脚部１０の第１の圧電素子４の両端に電圧を印加して第１の圧電素子４を収縮させ(ｓｔｅｐ１参照)、所定時間(実験やシミュレーションに基づいて適宜決定される時間)経過後に、第１の脚部１０の第１のフット部６が着地する(ｓｔｅｐ２参照)。着地後、第２の脚部２０の第２の圧電素子５の両端に電圧を印加して第２の圧電素子５を収縮させ(ｓｔｅｐ３参照)、第２の脚部２０の着地が予定された時間(実験やシミュレーションに基づいて適宜決定される時間)経過前、すなわち第２の脚部１０の第２のフット部７の着地前に、第１の脚部１０の第１の圧電素子４の両端に、＋−を反転させた電圧を印加して第１の圧電素子４を伸長させる(ｓｔｅｐ４参照)。

その後、第２の脚部２０の第２のフット部７の着地前において、第１の脚部１０の第１の圧電素子４の伸長と同時(図６参照)、又は第１の脚部１０の第１の圧電素子４の伸長後(図７参照)に、第２の脚部２０の第２の圧電素子５の両端に、＋−を反転させた電圧を印加して第２の圧電素子５を伸長させる(ｓｔｅｐ５参照)。このような動作によって、アクチュエータ４０Ａは、所定量だけ一歩前進する。そして、前述した動作を１サイクルとして、アクチュエータ４０Ａのステップ数すなわち移動量に応じ、制御部３０の制御に基づいて、アクチュエータ４０Ａは、所定回数のサイクル動作を繰り返す。アクチュエータ４０Ａの後退も、前述と逆の動作によって行われる。

前述した説明において、アクチュエータ４０Ａをアクチュエータ４０に適用させる場合、「着地」とはリード軸９に第１及び第２のフット部６，７の第１及び第２の足裏面６ａ，７ａが当接した状態を言う。

本発明は、前述した実施形態に限定されないことは言うまでもない。

例えば、図８に示すように、アクチュエータ５０の基部３に設けられた台形状の股部３ａには、第１及び第２の脚部６０，７０が固定されている。第１及び第２の脚部６０，７０は、股部３ａに一端が固定された電気機械変換素子の一例である第１及び第２の自己保持型の電磁ソレノイド６１，７１と、第１及び第２の電磁ソレノイド６１，７１のプランジャの先端に固定された第１及び第２のフット部６２，７２とからなる。そして、第１及び第２のフット部６２，７２の先端面は、アクチュエータ５０の歩行動作を確実にするために摩擦力をもった半円柱面として形成されている。なお、フット部６２，７２には、図１に示されたフット部６，７の適用も可能である。

このアクチュエータ５０の動作は、前述したアクチュエータ４０Ａの動作と同様であり、図９に基づいて説明する。

先ず、第１の脚部６０の第１の電磁ソレノイド６１に通電して第１の電磁ソレノイド６１のプランジャを収縮させ(ｓｔｅｐ１参照)、所定時間経過後に、第１の脚部６０の第１のフット部６２が着地する(ｓｔｅｐ２参照)。着地後、第２の脚部７０の第２の電磁ソレノイド７１に電圧を印加して第２の電磁ソレノイド７１のプランジャを収縮させ(ｓｔｅｐ３参照)、第２の脚部７０の第２のフット部７２の着地前に、＋−を反転させた状態で、第１の脚部６０の第１の電磁ソレノイド６１に通電して、バネ力との協働によって第１の電磁ソレノイド６１のプランジャを伸長させる。

その後、第２の脚部７０の第２のフット部７２の着地前において、第１の脚部６０の第１の電磁ソレノイド６１のプランジャの伸長と同時、又は第１の脚部６０の第１の電磁ソレノイド６１のプランジャの伸長後に、＋−を反転させた状態で、第２の脚部７０の第２の電磁ソレノイド７１に通電して、バネ力との協働によって第２の電磁ソレノイド７１のプランジャを伸長させる(ｓｔｅｐ４参照)。このような動作によって、アクチュエータ５０は、一歩前進する。そして、前述した動作を１サイクルとして、アクチュエータ５０のステップ量に応じて、所定回数のサイクル動作を繰り返す。このようなアクチュエータ５０の利用は、駆動装置自体が比較的大型化するが、医療機器などの精密機器への組み込みが可能になる。

本発明に係る駆動装置は、Ｘ−Ｙテーブル等の直動装置にも適用可能である。また、電気機械変換素子として、磁歪素子、電歪素子も適用可能である。

本発明に係るステップ動作型の駆動装置の一実施形態を示す分解斜視図である。図１に示された駆動装置の組立て後の状態を示す斜視図である。図２の駆動装置を別の角度から見た斜視図である。アクチュエータを示す正面図である。図４に示されたアクチュエータの動作を示す図である。アクチュエータの動作を示すタイミングチャートである。アクチュエータの他の動作を示すタイミングチャートである。アクチュエータの他の例を示す斜視図である。図８に示されたアクチュエータの動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

２…ステップ動作型の駆動装置、３…基部、４…第１の圧電素子(第１の電気機械変換素子)、５…第２の圧電素子(第２の電気機械変換素子)、６…第１のフット部、７…第２のフット部、６ａ…第１の足裏面、７ａ…第２の足裏面、９…リード軸、１０…第１の脚部、１１ｂ…バネ部、２０…第２の脚部、３０…制御部、４０，４０Ａ，５０…アクチュエータ、６０…第１の脚部、６１…第１の電磁ソレノイド(第１の電気機械変換素子)、６２…第１のフット部、７０…第２の脚部、７１…第２の電磁ソレノイド(第２の電気機械変換素子)、７２…第２のフット部、α…開き角度。

Claims

電圧の印加により伸縮すると共に、一端が基部に固定された第１の電気機械変換素子と、前記第１の電気機械変換素子の他端に固定された第１のフット部とを有する第１の脚部と、
電圧印加により伸縮すると共に、前記第１の電気機械変換素子に対して所定の開き角度をもって一端が前記基部に固定された第２の電気機械変換素子と、前記第２の電気機械変換素子の他端に固定された第２のフット部とを有する第２の脚部と、
前記第１の電気機械変換素子を収縮させた後に前記第１のフット部の着地が予定された時間経過後に、前記第２の電気機械変換素子を収縮させ、その後、前記第２のフット部の着地が予定された時間経過前に、第１の電気機械変換素子を伸長させるように、前記第１及び第２の電気機械変換素子に電圧を印加させる制御部と、を備えたことを特徴とするステップ動作型の駆動装置。
前記基部の移動方向に延在するリード軸と、
前記第１のフット部に略Ｖ字状に形成されると共に、前記リード軸に当接される第１の足裏面と、
前記第２のフット部に略Ｖ字状に形成されると共に、前記リード軸に当接される第２の足裏面と、
前記第１及び第２の脚部との協働で前記リード軸を挟み込むバネ部と、を更に備えたことを特徴とする請求項１記載のステップ動作型の駆動装置。
前記第１及び第２の電気機械変換素子は、圧電素子であることを特徴とする請求項１又は２記載のステップ動作型の駆動装置。
前記第１及び第２の電気機械変換素子は、電磁ソレノイドであることを特徴とする請求項１又は２記載のステップ動作型の駆動装置。