JP5050337B2 - 駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、形状記憶合金を用いた駆動装置に関する。
温度によって形状を変化させる特性を有する形状記憶合金が存在する。棒状(ないし線状)の形状記憶合金で形成された駆動部材(「形状記憶部材」とも称する)を用いて駆動機構を構成し、形状記憶部材に通電する電流量を調節することで、駆動を実現する駆動装置が知られている(特開2001−170900)。また、この駆動装置においては、形状記憶部材の端部は、圧着端子によって駆動装置の可動部に対して圧着により固定されている。
特開2001−170900号公報
ところで、上記公報のような駆動装置を、俊敏な動作が要求される環境において用いるには、線状の形状記憶部材の断面直径(線径)を従来より細くすることによって、駆動装置の応答速度を向上させることが求められる。
しかしながら、形状記憶部材の線径を細くすると、形状記憶部材と圧着端子との圧着による保持力が低下し、上述のような動作環境に耐えられないという問題が生じる。
また、一般的に、大きな駆動力を必要とする動作環境において、上記公報のような駆動装置を用いて安定的な動作を得るには、形状記憶部材と圧着端子との保持力を向上させることが求められる。
そこで、この発明の課題は、圧着による形状記憶部材と圧着端子との保持力を増大させ、大きい保持力が要求される環境においても、安定して駆動できる駆動装置を提供することにある。
上記の課題を解決するため、請求項1の発明は、固定部に対して可動部を動作させる駆動装置であって、形状記憶合金で形成された線状の駆動部材と、前記駆動部材の一端側を前記固定部または前記可動部に保持する圧着端子とを備え、前記圧着端子のうち、少なくとも前記駆動部材を圧着する部分が、ステンレス鋼で構成され、前記圧着端子は、板状部材を屈曲させて形成される一対の狭持部を有し、前記駆動部材は、前記一対の狭持部が対向する部分において、当該駆動部材の伸延方向に沿って前記板状部材の板幅wにわたり前記一対の狭持部に狭持されて圧着固定され、前記板状部材の板幅wは、下記の式を満足することを特徴とする。
式:w>Pm/(2・μ・D・J)
ただし、Pmは前記駆動部材の最大駆動力、μは前記板状部材と前記駆動部材との間の静止摩擦係数、Dは前記駆動部材の線径、Jは前記板状部材の耐力を表すものとする。
また、請求項2の発明は、固定部に対して可動部を動作させる駆動装置であって、形状記憶合金で形成された線状の駆動部材と、前記駆動部材の一端側を前記固定部または前記可動部に保持する圧着端子とを備え、前記圧着端子のうち、少なくとも前記駆動部材を圧着する部分が、ステンレス鋼で構成され、前記圧着端子は、板状部材を屈曲させて形成される一対の狭持部を有し、前記駆動部材は、前記一対の狭持部が対向する部分において、当該駆動部材の伸延方向に沿って前記板状部材の板幅wにわたり前記一対の狭持部に狭持されて圧着固定され、前記駆動部材による駆動力の方向と前記一対の狭持部の狭持面とが角度θをなしており、前記駆動力によって前記一対の狭持部を互いに引き離そうとする力が前記狭持面の法線方向に作用する場合において、前記板状部材の板厚tは、下記の式を満足することを特徴とする。
式:t4>4・Pm・sinθ・c3/(E・w・δ)
ただし、Pmは前記駆動部材の最大駆動力、cは前記板状部材の屈曲断面における前記板状部材の屈曲部の根元位置から当該屈曲断面における前記駆動部材の被狭持位置までの距離、Eは前記板状部材のヤング率、δは前記駆動部材を圧着する部分の弾性限界ひずみを表すものとする
また、請求項の発明は、請求項1または請求項2の発明に係る駆動装置において、前記圧着端子のうち、少なくとも前記駆動部材を圧着する部分に、ニッケルによるメッキが施されていることを特徴とする。
また、請求項の発明は、固定部に対して可動部を動作させる駆動装置であって、形状記憶合金で形成された線状の駆動部材と、前記駆動部材の一端側を前記固定部または前記可動部に保持する圧着端子とを備え、前記圧着端子は、板状部材を屈曲させて形成される一対の狭持部を有し、前記駆動部材は、前記一対の狭持部が対向する部分において、当該駆動部材の伸延方向に沿って前記板状部材の板幅wにわたり前記一対の狭持部に狭持されて圧着固定され、前記板状部材の板幅wは、下記の式を満足することを特徴とする。
式:w>Pm/(2・μ・D・J)
ただし、Pmは前記駆動部材の最大駆動力、μは前記板状部材と前記駆動部材との間の静止摩擦係数、Dは前記駆動部材の線径、Jは前記板状部材の耐力を表すものとする。
また、請求項の発明は、固定部に対して可動部を動作させる駆動装置であって、形状記憶合金で形成された線状の駆動部材と、前記駆動部材の一端側を前記固定部または前記可動部に保持する圧着端子とを備え、前記圧着端子は、板状部材を屈曲させて形成される一対の狭持部を有し、前記駆動部材は、前記一対の狭持部が対向する部分において、当該駆動部材の伸延方向に沿って前記板状部材の板幅wにわたり前記一対の狭持部に狭持されて圧着固定され、前記駆動部材による駆動力の方向と前記一対の狭持部の狭持面とが角度θをなしており、前記駆動力によって前記一対の狭持部を互いに引き離そうとする力が前記狭持面の法線方向に作用する場合において、前記板状部材の板厚tは、下記の式を満足することを特徴とする。
式:t4>4・Pm・sinθ・c3/(E・w・δ)
ただし、Pmは前記駆動部材の最大駆動力、cは前記板状部材の屈曲断面における前記板状部材の屈曲部の根元位置から当該屈曲断面における前記駆動部材の被狭持位置までの距離、Eは前記板状部材のヤング率、δは前記駆動部材を圧着する部分の弾性限界ひずみを表すものとする。
た、請求項の発明は、請求項5または請求項6の発明に係る駆動装置において、前記圧着端子のうち、少なくとも前記駆動部材を圧着する部分が、ニッケルまたは冷間圧延鋼板で構成されることを特徴とする。
請求項1から請求項に記載の発明によれば、形状記憶部材と圧着端子間の保持力が増大し、大きな保持力が要求される環境においても安定して駆動することが可能となる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
<手ぶれ補正装置の構成および動作概要>
図1は、本発明の実施形態に係る手ぶれ補正装置10の手ぶれ補正ユニット1の構成を示す平面図である。手ぶれ補正装置10は、デジタルカメラ、携帯電話などの撮像装置に組み込まれ、手ぶれによる撮影画像の劣化を防止する機能を有している。図1に示す手ぶれ補正ユニット1は、X軸方向の手ぶれ補正を行う駆動装置である。手ぶれ補正装置10には、手ぶれ補正ユニット1と同一構成であるY軸方向の手ぶれ補正を行う手ぶれ補正ユニット2も存在する。上述のX軸方向補正ユニット1とY軸方向補正ユニット2とは、鏡筒内にあるレンズ(不図示)と、撮像素子(不図示)との間において、同一光軸OP上に並べて配置される(図2参照)。このような構成をとることによって、光軸OPに対して垂直なXY平面での手ぶれ補正が可能となる。
次に、手ぶれ補正ユニット1の内部構成について詳細に説明する。
手ぶれ補正ユニット1は、開口部14を有する固定部13に、保持枠11によって保持されている補正レンズ12が、当該開口部14に位置するように構成されている。
また、保持枠11の一端に形成されているアーム17の中空部17cが、X軸方向に平行な案内棒16に摺動自在に取り付けられている。つまり、保持枠11は、固定部13に対する可動部に相当している。
さらに、固定部13上に設けられたピン13aと保持枠11のアーム17の端部に設けられたピン17aとの間には、後述の形状記憶部材15が架設されている。より詳細には、形状記憶部材15の両端に圧着端子50が圧着により取り付けられており、さらに、取り付けられた一端側の圧着端子50は、ピン13aによって固定部13に対して固定されており、他端側の圧着端子50は、ピン17aによって保持枠11のアーム17に対して固定されている。
また、固定部13上に設けたピン13bと保持枠11のアーム17の端部に設けられた鉤17bとの間には、弾性部材18(例えば、コイルばね)が架設されている。
ここで、形状記憶部材15について詳細に説明する。
図3は、SMAで形成された形状記憶部材15に印加する電流と当該形状記憶部材15が生じる収縮力との関係を示す図である。
形状記憶部材15は、形状記憶合金(Shape Memory Alloy、以下、「SMA」とも略記する)を用いて形成された棒状の部材であり、可動部を固定部に対して駆動する駆動部材として機能する。
SMAは、通電によって加熱されることにより所定の温度(以下、変態温度とも称する)に達すると、予め記憶されている所定の縮み形状(以下、記憶状態とも称する)に復元するという特性を有している。
つまり、図3に示すように、SMAは、印加される電流量が増加し、SMAの温度が上昇すると、記憶状態に復元しようと縮むため、収縮力が増大する。逆に、SMAは、印加される電流量が減少し、SMAの温度が低下すると、収縮力が減少し、変形しやすい状態(柔らかい状態)となる。
なお、本明細書において示される実験では、形状記憶部材15として製法の異なる2種類の形状記憶部材15a、15bを用いた。ここで、製法の異なる2種類の形状記憶部材15a、15bについて説明する。
形状記憶部材15は、NiTiCu形状記憶合金鋳塊に(1)熱間加工、(2)冷間伸線加工、(3)形状付与、(4)形状記憶熱処理をこの順に施す常法により製造される。形状記憶部材15aと形状記憶部材15bとは、その製造において、工程(1)〜(3)まで同じ手法を採用し、工程(4)において異なる手法を用いて製造される。詳細には、NiTiCu合金鋳塊に熱間加工を施し、次に適宜中間焼鈍を入れつつ冷間で伸線加工を施して線径D=38μmのNiTiCu合金ワイヤを製造する。そして、形状記憶部材15aの製造工程(4)では、形状記憶熱処理温度を570℃とし、形状記憶熱処理温度に0.5分間保持する手法を用いる。一方、形状記憶部材15bの製造工程(4)では、形状記憶熱処理温度を550℃とし、形状記憶熱処理温度に0.5分間保持する手法を用いる。このように、製造工程(4)において形状記憶熱処理温度を変更して形状記憶部材15aと形状記憶部材15bとを製造する。
次に、形状記憶部材15を用いた駆動原理について詳細に説明する。
形状記憶部材15にSMAを採用した図1の手ぶれ補正ユニット1においては、弾性部材18によるX軸負方向に牽引する弾性力と形状記憶部材15に印加される電流による発熱量に応じて変化するX軸正方向の収縮力とが、保持枠11に作用している。つまり、形状記憶部材15に印加する電流量を調整することによって収縮力を変化させ、保持枠11の位置を調整することができる。
より詳細には、手ぶれ補正を行わない場合(保持枠11が基準位置(スタンバイ位置)に位置する状態)は、基準位置での弾性部材18による弾性力と等しい収縮力が発生するように、形状記憶部材15に印加する電流量を調整すればよい。また、保持枠11を基準位置よりX軸の正方向に移動させる場合は、印加する電流量を増加させ、収縮力を大きくすればよい。逆に、保持枠11を基準位置よりX軸の負方向に移動させる場合は、印加する電流量を減少させ、収縮力を小さくすればよい。
なお、弾性部材18は、本手ぶれ補正ユニット1の保持枠11の可動範囲では、常に自然長から伸びた状態となるように設置されており、自然長以下になることはない。
また、Y軸方向の手ぶれ補正を行う手ぶれ補正ユニット2も上述の手ぶれ補正ユニット1の動作原理と同様である。つまり、手ぶれ補正ユニット2は、X軸方向の手ぶれ補正ユニット1を反時計まわりに90°回転して鏡筒内に配置したものである。
以下では、手ぶれ補正ユニット1および2の制御系統について説明する。
図2は、本発明の実施形態に係る手ぶれ補正ユニット1および2の制御系の概要を示す図である。図2に示すように、手ぶれセンサ28は、例えば、手ぶれを検出するジャイロセンサであり、手ぶれセンサ28からの出力信号は、ぶれ検出回路29において増幅され且つフィルタリング処理が施された上で、コントローラ24に入力される。
コントローラ24は、中央処理装置(CPU)によって構成され、CPUが、記憶装置25に保存されている所定の制御プログラムを実行することによって手ぶれ補正の実行を統括制御する。
また、記憶装置25には、手ぶれ補正量に対応した形状記憶部材15に通電する電流データが記憶されている。当該電流データは、予め計測された形状記憶部材15に通電する電流値と形状記憶部材15の収縮力との関係と、予め決定された収縮力に対応した手ぶれ補正量とによって定められたものである。
コントローラ24は、ぶれ検出回路29によって検出された手ぶれを打ち消すように、手ぶれ補正ユニット1および2を駆動させるための制御指令値を電流データを基に生成し、駆動回路(ドライバ)23に出力する。そして、ドライバ23は、コントローラ24からの制御指令値に基づいてX軸方向駆動部21およびY軸方向駆動部22を駆動する。これによって、手ぶれ補正ユニット1および2は、手ぶれ量を補正する最適な位置に駆動され、手ぶれが補正される。
また、手ぶれ補正スイッチ26は、撮影の際に、手ぶれ補正の実行の有無を選択するスイッチであり、ON状態では手ぶれ補正が実行され、OFF状態では手ぶれ補正が実行されない。
また、シャッタボタン(レリーズボタンとも称する)27は、2段階の押し込み式のボタンとして構成されている。コントローラ24は、シャッタボタン27が半押し状態(状態S1とも称する)まで押し込まれたときに、AF処理およびAE処理を開始する。また、コントローラ24は、シャッタボタン27がさらに全押し状態(状態S2とも称する)にまで押し込まれたときには、記録用画像を撮影するための露出動作を行う。
また、コントローラ24は、手ぶれ補正スイッチ26がON状態であり、且つ、半押し状態S1になった時点で(半押し状態S1を検出する信号に応答して)、手ぶれ補正の開始指示が入力されたものとみなし、手ぶれ補正を開始するものとする。なお、これに限定されず、シャッタボタン27以外の入力操作に応じて、手ぶれ補正を開始するようにしてもよい。また、手ぶれ補正は、撮影準備の開始指示時点(半押し状態S1になった時点)だけでなく、撮影開始の指示入力時点(全押し状態S2になった時点)から開始されるようにしてもよい。
次に、図4を用いて手ぶれ補正動作の流れについて説明する。
まず、シャッタボタン27の半押しによる撮影準備の開始指示信号を待ち(ステップS401)、開始指示信号が入力(状態S1)されたときは、手ぶれ補正スイッチ26のON/OFF状態を確認する(ステップS402)。
手ぶれ補正スイッチ26がOFF状態であれば、手ぶれ補正を行わない通常の撮影動作が実行され(ステップS403)、その後、終了する。一方、ON状態であれば、手ぶれ補正が開始される(ステップS404)。
具体的には、手ぶれセンサ28により、手ぶれが検出されるとコントローラ24で生成された制御指令値に基づいて、形状記憶部材15への通電電流の制御が開始され、手ぶれ補正が行われる。
さらに、上記状態において、シャッタボタン27の全押しによる撮影開始の指示信号を待ち(ステップS405)、シャッタボタン27が全押しされた時には、露出動作を開始する(ステップS406)。
その後、シャッタボタン27の全押し状態S2および半押し状態S1の解除を待ち(ステップS407)、解除されたときは、上記手ぶれ補正を終了し(ステップS408)、全処理工程を終了する。
<保持力について>
ところで、SMAを用いた形状記憶部材15を俊敏な動作が要求される上述のような手ぶれ補正ユニット(駆動装置)1の駆動機構として用いるには、その手ぶれ補正ユニット1の応答速度を向上させることが求められる。
以下、手ぶれ補正ユニット1の応答速度を向上させる手法について詳細に説明する。
手ぶれ補正ユニット1の駆動原理は、温度によって形状を変化するSMAの特性を利用したものである。つまり、当該手ぶれ補正ユニット1の応答速度を向上させるためには、SMAを用いた形状記憶部材15の温度調整を敏捷に行うことが求められる。
温度調整は、上昇させる場合と低下させる場合とによってその方法が大きく異なっている。具体的には、形状記憶部材15の温度を上昇させる方法としては、通電量を増大させる等の人為的な方法が存在し、容易に実行可能である。一方、形状記憶部材15の温度を低下させる方法としては、人為による直接的な方法が存在せず、形状記憶部材15自体の放熱が形状記憶部材15の温度を低下させる主要素である。即ち、形状記憶部材15の温度調整を敏捷に行うために温度を素早く低下させる方法の一つとしては、形状記憶部材15自体の放熱性能を向上させることが考えられる。
棒状物体の放熱性能は、一般的に物体の質量に対する表面積の大きさに支配されている。よって、棒状(線状)物体の断面直径(線径)を細くすることで、質量に対する表面積の比を増すことができ、放熱性能の向上が可能となる。
このため、形状記憶部材15の温度調整を敏捷に行う、即ち、手ぶれ補正ユニット1の応答速度を向上させるためには、形状記憶部材15の線径を細くすることが有効な方法となる。
しかしながら、線径を細くした形状記憶部材15を、上述の手ぶれ補正ユニット1に使用し駆動した場合、圧着端子50から形状記憶部材15が抜けるという問題が発生した。これは、圧着端子50が形状記憶部材15を圧着によって保持する力(以下、保持力とも称する)が、当該手ぶれ補正ユニット1の動作によって加わる引っ張り力を下回ったためである。
図5は、本発明の実施形態で用いられる圧着端子50の構成図であり、圧着前の状態を示している。図6は、圧着されたかしめ部51の拡大図であり、図7は、圧着端子50の圧着後の状態を示している。以下、図5〜図7を参照しながら、圧着状態について考察する。
図5に示すように、圧着端子50は、形状記憶部材15を圧着によって保持するU字形状(ないしL字形状)のかしめ部51と、固定部13上に設けられたピン13aあるいは保持枠11のアーム17に設けられたピン17aと嵌合する穴HLを有する取付部52とを備えて構成されている。また、かしめ部51は、一対の狭持部51a,51b(図6参照)を有している。当該一対の狭持部51a,51bは、板厚t、板幅wの板状部材を屈曲して形成される。
形状記憶部材15を圧着する際は、かしめ部51のU字部分、詳細には一対の狭持部51a,51bが対向する部分において形状記憶部材15が差し込まれた状態で、N方向(狭持部51a,51bの対向面に垂直な方向)より加圧される。この加圧により、かしめ部51の屈曲部KBは塑性変形を起こし、形状記憶部材15は圧着端子50のかしめ部51(詳細には一対の狭持部51a,51bの狭持面BL)によって圧着により保持される(図7)。図6に示すように、この圧着状態においては、形状記憶部材15は、一対の狭持部51a,51bによって、当該形状記憶部材15の(かしめ部51における)伸延方向Qに沿って板幅wにわたって狭持された状態で圧着固定されている。また、図6においては、伸延方向Qに垂直な面(かしめ部51の一端面)と狭持面BLとの交線が、一対の狭持部51a,51bによって形状記憶部材15が狭持され得る範囲v(「狭持範囲」とも称する)として示されるとともに、狭持範囲vの中央部において、形状記憶部材15が狭持される場合が示されている。
ここで、図7において、形状記憶部材15をその伸延方向Qに引張った際、形状記憶部材15とかしめ部51との間に相対的にずれが生じてはいけない。つまり、手ぶれ補正ユニット1として駆動した場合に、上述のずれを生じてはいけない。また、ずれが生じる際の引張力は、かしめ部51が形状記憶部材15を保持している最大保持力である。
<保持力と端子材料との関係>
次に、最大保持力と端子材料との関係について詳細に説明する。
図8は、かしめ部51の圧着後の状態を示す拡大断面図である。図8においては、形状記憶部材15が圧着前の略円形断面(図の破線で示す)から楕円形状断面へと歪み、弾性変形している様子が示されている。
図8に示すように、最大保持力は、主にかしめ部51との接触部における形状記憶部材15の弾性変形によって発生する力Fと当該接触部の静止摩擦係数μとの積(最大静止摩擦力に相当)として求められる。
よって、最大保持力を大きくする方策の一つとしては、SMAを用いた形状記憶部材15の弾性変形によって発生する力Fを大きくすればよい。
ここで、形状記憶部材15の弾性変形によって発生する力Fを大きくするには、形状記憶部材15の弾性変形量を増やせばよい。また、この弾性変形量を増やすには、従来用いていた材料よりも硬い材料つまりヤング率Eの高い材料でかしめ部51を構成し、形状記憶部材15にさらに大きな歪みを生じさせた状態(端的に言えばさらに潰した状態)で圧着すればよいものと考察される。
圧着端子の材料としては、一般的には電気伝導性または加工性等の観点から銅系材料が広く用いられており、本実施形態における問題発生時において、かしめ部51の材料として使用していたものは、無酸素銅であった。そこで、本発明の実施形態で用いる圧着端子50のかしめ部51の材料を、ヤング率Eの高い材料で構成し、最大保持力の測定を試みた。
また、従来圧着端子材料として用いられている無酸素銅のヤング率Eが約120GPa(ギガパスカル)であることから、本発明の実施形態においては、ヤング率Eの高い材料として、ステンレス鋼(ヤング率E=約200GPa)を採用した。
ステンレス鋼とは、耐食性を目的としてクロム(Cr)単独またはクロムとニッケル(Ni)とを多量に含む鉄基合金である。また、ステンレス鋼の呼称として一般的に用いられているSUS(サス)は、JIS規格で定められたステンレス鋼を示す記号である。
図9は、かしめ部51の材料を無酸素銅、フェライト系ステンレス鋼(SUS430)およびオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304)で構成したときの最大保持力を示しており、各材料につき3回ずつ実験(静止荷重の測定試験)を行ったときの値を示している。
具体的には、かしめ部51と形状記憶部材15との間に引張力(静荷重)を加え、かしめ部51と形状記憶部材15との間に相対的なずれ(すなわち「抜け」)が生じたときの静荷重を原則として最大保持力として求めている。
ただし、形状記憶部材15の線径は非常に小さく形状記憶部材15は比較的破断しやすいため、相対的なずれ(抜け)が生じる前に形状記憶部材15が破断することがある。このような場合(抜けが生じる前に形状記憶部材15が破断する場合)には、例外的に、破断時点における静荷重を最大保持力として求めている。図9等においてはこのような場合の最大保持力の値に(*)を付して示している。また、図9等における最大保持力の平均値については、3回の実験のうち2回以上の実験で破断した場合に(*)を付して示している。
なお、本実験で用いた圧着端子50のかしめ部51は、板厚t=0.2mm、板幅w=1.0mm(図6参照)を有している。また、本実験では、線径38μmの形状記憶部材15aを用い、当該形状記憶部材15aは、狭持範囲v=0.6mmの中央部において圧着されている。
図9に示すように、かしめ部51の材料が無酸素銅であるときは、最大保持力の平均は、0.81Nである。しかし、かしめ部51の材料をSUS430およびSUS304に変更すると、最大保持力の平均はそれぞれ1.43N(*)および1.44N(*)に向上している。
ただし、かしめ部の材料をSUS430またはSUS304に変更したときの最大保持力の値は、上述したように厳密な意味での最大保持力ではなく、当該実験において形状記憶部材15aが破断したときの静荷重を示している。かしめ部51の材料をSUS430、SUS304に変更したときには、それぞれ1.43N、1.44N以上の保持力がかしめ部51と形状記憶部材15との間に作用し得ると考えられる。
上記の結果より、銅系材料よりもヤング率Eの高い材料であるステンレス鋼をかしめ部51の材料に用いることにより、圧着による保持力が向上していることが判る。
また、実際に、ステンレス鋼であるSUS430またはSUS304を本発明の実施形態で用いる圧着端子50のかしめ部51に採用したところ、手ぶれ補正ユニット1は、安定した駆動動作を行うことが可能となった。
以上の結果より、俊敏な動作が要求される手ぶれ補正ユニット1の駆動機構として、SMAを用いた形状記憶部材15を用いるには、圧着端子50のかしめ部51の材料にステンレス鋼を採用し、保持力を向上させることが好ましいことが判る。
<かしめ位置について>
次に、形状記憶部材15のかしめ位置について詳述する。
図10は、圧着によって屈曲されたかしめ部51を形状記憶部材15の伸延方向Qに垂直な平面で仮想的に切断したときの断面図、すなわち、かしめ部51の屈曲状態を示す断面(「屈曲断面」とも称する)を表す図である。
上述のように形状記憶部材15は、かしめ部51の狭持範囲vの中央部に差し入れた状態で、N方向より加圧され(図5参照)、固定(保持)される(図6参照)。
屈曲部KBは、圧着力が除去された後に弾性変形分の形状を回復するため、一対の狭持部51a、51bの開口端KFで間隙が生じる(図10参照)。この弾性変形分の形状回復による影響によって、狭持範囲vにおける形状記憶部材15の圧着位置(「被狭持位置」または「かしめ位置」とも称する)に応じて、保持力に変化が生じるものと考えられる。
図11は、上述の屈曲断面における形状記憶部材15の様々な圧着位置(TA,TB,TC)を示す図である。図12は、形状記憶部材15の圧着位置を変更して圧着したときの各位置における最大保持力を示す図であり、各位置につき3回ずつ実験(静止荷重の測定試験)を行ったときの値を示している。なお、本実験で用いた圧着端子50のかしめ部51の材料はSUS304であり、かしめ部51は板厚t=0.2mm、板幅w=1.0mmを有している。また、図12に示される実験では、線径38μmの形状記憶部材15bを用いる。
図12に示されるように、狭持範囲v=0.6mmのうち屈曲部KB側の根元位置(内側屈曲点(折曲点)とも称する)TPからY軸負方向へ0.1mm移動した位置TA(図11)において圧着された場合の最大保持力の平均は1.28N(*)となり、狭持範囲vのうち屈曲部KB側の根元位置TPからY軸負方向へ0.3mm移動した中央位置TB(図11)で圧着された場合の最大保持力の平均は1.27N(*)となった。これに対して、狭持範囲vのうち屈曲部KB側の根元位置TPからY軸負方向へ0.5mm移動した位置TCで圧着された場合の最大保持力の平均は1.01Nとなった。
このように、位置TCでは、静荷重1.01Nにおいて抜けが生じているが、位置TA、TBでは、それ以上の静荷重を加えることが可能であった。
上記結果により、圧着による保持力は形状記憶部材15のかしめ位置によって変化すること、具体的には、かしめ位置が開口端KFに近い場合には、圧着による保持力が低下することが判る。そのため、所望の保持力を得るには、形状記憶部材15は、板状部材の屈曲断面(図11参照)において、位置TPから位置TBまでの間に位置するように圧着されることが好ましいことが判る。ここで、位置TPは板状部材の屈曲部の根元位置であり、位置TBは、板状部材の屈曲部の根元位置TPと狭持部の反根元側(開口側)端部との中間位置(中央位置)である。
<かしめ部の幅wについて>
次に、かしめ部51に用いられる板状部材(狭持部51a、51b)の形状について考察する。まず、板状部材の幅wについて考察する。
図13は、略円柱状の形状記憶部材15の側面の投影面を示す図である。
上述のように、かしめ部51が形状記憶部材15を保持する最大保持力は、主にかしめ部51との接触部における形状記憶部材15の弾性変形によって発生する力Fと当該接触部の静止摩擦係数μとの積(最大静止摩擦力に相当)として求められる(図8参照)。
形状記憶部材15の弾性変形によって発生する力Fは、接触部におけるかしめ部51の弾性変形による反力FRに等しい。また、接触部においては、形状記憶部材15よりもかしめ部51の方が早く塑性変形を開始するため、接触部におけるかしめ部51の弾性変形量が最大となるときに、反力FRは最大となり、上述の力Fは最大となると考えられる。
本実施形態では、かしめ部51に用いられる材料(ステンレス鋼)が0.2%の永久伸びを起こすときの応力(「0.2%耐力」または「耐力」とも称する)を塑性変形の開始点とし、接触部におけるかしめ部51の弾性変形量が最大となるときの応力は、当該耐力(0.2%耐力)に等しいものとして取り扱う。
この耐力Jおよび静止摩擦係数μを用いると、形状記憶部材15の略円柱側面にわたって作用する静止摩擦力の最大値(すなわち最大静止摩擦力)Fmは、式(1)のように表せる。
Figure 0005050337
ただし、ここでは、略円柱状の形状記憶部材15の圧着部分における側面1周(面積(π・D・w))に働く垂直抗力を、2・D・w・Jで近似している。具体的には、図13に示されるような略円柱状の形状記憶部材15をその中心軸LXを通る切断面LSで上側と下側とに分け、形状記憶部材15の当該上側(面積=(π・D・w/2))を当該切断面LSに平行な面に投影した投影面La(面積=D・w)と形状記憶部材15の当該下側(面積=(π・D・w/2))を当該切断面LSに平行な面に投影した投影面Lb(面積=D・w)とにそれぞれ平均して耐力Jが加わり、各投影面La、LbにD・w・Jの垂直抗力がそれぞれ作用するものと仮定している。
この最大保持力(最大静止摩擦力Fm)が形状記憶部材15の収縮による最大引張力Pm(「最大駆動力」とも称する)を上回ると、手ぶれ補正ユニット1は安定した駆動動作を行うことが可能となる。よって、最大保持力(最大静止摩擦力Fm)と最大引張力Pmとの関係はFm>Pmとなり、具体的には、式(2)のように表される。
Figure 0005050337
そして、式(2)を変形すると、形状部材の板幅wに関して式(3)に示されるような関係を導出することができる。
Figure 0005050337
例えば、Pm=0.68N、D=38μm、μ=0.4、J=0.205GPaとすると、かしめ部51の板幅wは、0.11mmより大きい値であることが好ましいことが判る。
このように、式(3)に示される関係を満たす板幅wを有するかしめ部51を用いると、安定した駆動動作が可能となる。
<かしめ部の厚さtについて>
次に、かしめ部51の厚さtについて考察する。
図14は、形状記憶部材15の両端に取り付けられた2つの圧着端子50が相対的にずれた位置で固定されている状態を示す図であり、図15は、かしめ部51付近の拡大図である。図16は、かしめ部51の屈曲断面図である。
ここでは、図14に示されるように、形状記憶部材15の両端に取り付けられた2つの圧着端子50が相対的にZ軸方向にずれた位置で固定されている状態で駆動される場合、換言すれば、図15に示されるように、形状記憶部材15の駆動方向R(図15)が、一対の狭持部51a、51bの狭持面に平行でない場合について考える。
この場合、図15に示されるように、圧着端子50は形状記憶部材15の収縮によってR方向の引張力Pmを受け、この引張力PmのZ軸方向の分力Pzは、かしめ部51の圧着部分(狭持部分)を開くように作用する(図16参照)。つまり、引張力PmのZ軸方向の分力Pzは、一対の狭持部における狭持面の法線方向に働き、一対の狭持部51a、51bを互いに引き離すように作用する。
仮に、このZ軸方向の分力Pzによる作用によって、かしめ部51の圧着部分に塑性変形が発生すると、形状記憶部材15と圧着端子50との圧着による保持力が低下してしまう。そのため、Z軸方向の分力Pzによる作用によって、かしめ部51の圧着部分に塑性変形が発生しないことが好ましい。
ここで、図16に示されるZ軸方向の分力Pzがかしめ部51に及ぼす作用について、一対の狭持部51a、51bのうち一方の狭持部51aを図17に示されるような板厚t、板幅wの片持はりにモデル化して考える。
図17に示されるモデルにおいては、はりの固定端から仮想的な集中荷重点Mまでの距離は、屈曲断面における屈曲部KB側の根元位置TPから屈曲断面における形状記憶部材15の圧着位置(被狭持位置)までの距離cとして表される。このとき、集中荷重点Mにおけるはりのたわみ量hは、片持はり(板状部材)の板厚(すなわち狭持部51aの板厚)tと板幅(すなわち狭持部51aの板幅)wとを用いて式(4)のように表される。
Figure 0005050337
ただし、Pmは形状記憶部材15の最大引張力、θは形状記憶部材15の駆動方向Rと一対の狭持部51a、51bの狭持面とがなす角度、Eはかしめ部51に用いた部材のヤング率を表すものとする。
一方、分力Pzによって、かしめ部51(狭持部51a)の圧着部分が塑性変形を開始する直前の最大弾性変形量αは、かしめ部51(狭持部51a)の弾性限界ひずみδを用いて、式(5)のように表される。
Figure 0005050337
はりのたわみ量h(すなわち分力Pzによる圧着部分の弾性変形量)がこの最大弾性変形量αよりも小さいときに、手ぶれ補正ユニット1は安定した駆動動作を行うことが可能となる。よって、はりのたわみ量hと最大弾性変形量αとの関係は式(6)のように表される。
Figure 0005050337
そして、式(6)を変形すると、板厚tに関して式(7)に示されるような関係を導出することができる。
Figure 0005050337
すなわち、形状記憶部材15による駆動力の方向Rと一対の狭持部51a,51bの狭持面とが角度θをなしており、当該駆動力によって一対の狭持部51a,51bを互いに引き離そうとする力が狭持面の法線方向に作用する場合において、狭持部51aを構成する板状部材の板厚tは、式(7)を満足することが好ましい。例えば、w=0.6mm、Pm=0.68N、θ=10°、E=200GPa、c=0.1mm、δ=0.2%とすると、かしめ部51の板厚tは、0.04mmより大きい値であることが好ましい。
このように、形状記憶部材15の両端に取り付けられた2つの圧着端子50がZ軸方向に相対的にずれた位置で固定されている状態(図14)で駆動される場合において、式(7)の関係を満たす板厚tを有するかしめ部51を用いると、安定した駆動動作が可能となる。
<変形例>
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明は上記説明した内容のものに限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、線径の変更に伴う保持力低下を補うために、圧着端子50のかしめ部51の材料にステンレス鋼を採用したが、大きい保持力が必要とされる動作環境においても、かしめ部の材料としてステンレス鋼を採用することで、形状記憶部材を用いた駆動機構を用いることが可能となる。
具体的には、上記駆動機構による駆動動作の対象物が重量物である場合には、動作時に形状記憶部材に加わる力も大きくなる。これにより、駆動動作の際、形状記憶部材と圧着端子間に大きな保持力が要求されることになる。よって、かしめ部の材料としてステンレス鋼を用い保持力を向上させることが、安定した駆動動作を行う上で、有効な手段となる。
また、本発明の実施形態では、圧着端子50のかしめ部51に用いられる材料として、SUS430およびSUS304を例示したがこれに限られるものではない。例えば、SUS301(オーステナイト系ステンレス鋼)等を用いてもよい。さらには、ステンレス鋼に限定されず、ヤング率Eの高いニッケルを用いてもよい。あるいは、冷間圧延鋼板(SPCC)を用いてかしめ部51を形成するようにしてもよい。
また、本発明の実施形態では、圧着端子50のかしめ部51に所定の表面加工等を行わず、そのまま用いていたがこれに限定されない。具体的には、圧着端子50のかしめ部51の材料にステンレス鋼を用い、その表面にニッケル(Ni)によるメッキ(メッキ)を施してもよい。
図18は、圧着端子50のかしめ部51の材料をSUS304で構成したときの最大保持力と、かしめ部51の材料にSUS304を用いてその表面にニッケルメッキを施したときの最大保持力とを示している。具体的には、それぞれ、3回ずつ実験(静止荷重の測定試験)を行ったときの実験結果を示している。なお、本実験で用いた圧着端子50のかしめ部51は、板厚t=0.2mm、板幅w=1.0mmを有している。また、図18に示される実験では、線径38μmの形状記憶部材15bを用い、当該形状記憶部材15bは、狭持範囲v=0.6mmの中央部で圧着されている。
図18に示されるように、かしめ部51にニッケルメッキを施したときの最大保持力の平均は、1.29N(*)である。一方、かしめ部51の材料にSUS304を用いたときの最大保持力の平均は、1.27N(*)である。
上記の結果により、かしめ部51にニッケルメッキを施したときも、かしめ部51の材料にステンレス鋼を用いたときと同様の保持力を得ることが可能となることがわかる。
また、かしめ部51にニッケルメッキを施すことによって、かしめ部51の耐食性が増し、かしめ部51の形態が長期にわたって維持される。これによれば、かしめ部51と形状記憶部材15との接触部の形態が安定し、形状記憶部材15と圧着端子50との保持力を長期に渡って維持することが可能となる。
第1の実施形態に係る手ぶれ補正ユニット1の構成を示す平面図である。 手ぶれ補正ユニット1および2の制御概要を示す図である。 形状記憶部材に印加する電流と当該形状記憶部材が生じる収縮力との関係を示す図である。 手ぶれ補正動作を示すフローチャートである。 第1の実施形態で用いられる圧着端子の圧着前の状態を示す図である。 圧着されたかしめ部51の拡大図である。 第1の実施形態で用いられる圧着端子の圧着後の状態を示す図である。 かしめ部の圧着後の状態を示す拡大断面図である。 かしめ部の材料を変更したときの最大保持力を示す図である。 かしめ部の圧着後の状態を示す断面図である。 形状記憶部材の挿入位置を示す図である。 形状記憶部材の挿入位置を変更して圧着したときの各位置における最大保持力を示す図である。 略円柱状の形状記憶部材15の側面の投影面を示す図である。 形状記憶部材の両端に取り付けられた2つの圧着端子が相対的にずれた位置で固定されている状態を示す図である。 かしめ部付近の拡大図である。 かしめ部の状態を示す断面図である。 かしめ部を板厚、板幅の片持はりにモデル化した図である。 圧着端子のかしめ部にニッケルメッキを施したときの最大保持力を示す図である。
符号の説明
1 X軸方向の手ぶれ補正ユニット
2 Y軸方向の手ぶれ補正ユニット
11 保持枠
12 補正レンズ
13 固定部
15 形状記憶部材
18 弾性部材
50 圧着端子
OP 光軸

Claims (6)

  1. 固定部に対して可動部を動作させる駆動装置であって、
    形状記憶合金で形成された線状の駆動部材と、
    前記駆動部材の一端側を前記固定部または前記可動部に保持する圧着端子と、
    を備え、
    前記圧着端子のうち、少なくとも前記駆動部材を圧着する部分が、ステンレス鋼で構成され、
    前記圧着端子は、板状部材を屈曲させて形成される一対の狭持部を有し、
    前記駆動部材は、前記一対の狭持部が対向する部分において、当該駆動部材の伸延方向に沿って前記板状部材の板幅wにわたり前記一対の狭持部に狭持されて圧着固定され、
    前記板状部材の板幅wは、下記の式を満足することを特徴とする駆動装置。
    式:w>Pm/(2・μ・D・J)
    ただし、Pmは前記駆動部材の最大駆動力、μは前記板状部材と前記駆動部材との間の静止摩擦係数、Dは前記駆動部材の線径、Jは前記板状部材の耐力を表すものとする。
  2. 固定部に対して可動部を動作させる駆動装置であって、
    形状記憶合金で形成された線状の駆動部材と、
    前記駆動部材の一端側を前記固定部または前記可動部に保持する圧着端子と、
    を備え、
    前記圧着端子のうち、少なくとも前記駆動部材を圧着する部分が、ステンレス鋼で構成され、
    前記圧着端子は、板状部材を屈曲させて形成される一対の狭持部を有し、
    前記駆動部材は、前記一対の狭持部が対向する部分において、当該駆動部材の伸延方向に沿って前記板状部材の板幅wにわたり前記一対の狭持部に狭持されて圧着固定され、
    前記駆動部材による駆動力の方向と前記一対の狭持部の狭持面とが角度θをなしており、前記駆動力によって前記一対の狭持部を互いに引き離そうとする力が前記狭持面の法線方向に作用する場合において、前記板状部材の板厚tは、下記の式を満足することを特徴とする駆動装置。
    式:t4>4・Pm・sinθ・c3/(E・w・δ)
    ただし、Pmは前記駆動部材の最大駆動力、cは前記板状部材の屈曲断面における前記板状部材の屈曲部の根元位置から当該屈曲断面における前記駆動部材の被狭持位置までの距離、Eは前記板状部材のヤング率、δは前記駆動部材を圧着する部分の弾性限界ひずみを表すものとする。
  3. 請求項1または請求項2に記載の駆動装置において、
    前記圧着端子のうち、少なくとも前記駆動部材を圧着する部分に、ニッケルによるメッキが施されていることを特徴とする駆動装置。
  4. 固定部に対して可動部を動作させる駆動装置であって、
    形状記憶合金で形成された線状の駆動部材と、
    前記駆動部材の一端側を前記固定部または前記可動部に保持する圧着端子と、
    を備え、
    前記圧着端子は、板状部材を屈曲させて形成される一対の狭持部を有し、
    前記駆動部材は、前記一対の狭持部が対向する部分において、当該駆動部材の伸延方向に沿って前記板状部材の板幅wにわたり前記一対の狭持部に狭持されて圧着固定され、
    前記板状部材の板幅wは、下記の式を満足することを特徴とする駆動装置。
    式:w>Pm/(2・μ・D・J)
    ただし、Pmは前記駆動部材の最大駆動力、μは前記板状部材と前記駆動部材との間の静止摩擦係数、Dは前記駆動部材の線径、Jは前記板状部材の耐力を表すものとする。
  5. 固定部に対して可動部を動作させる駆動装置であって、
    形状記憶合金で形成された線状の駆動部材と、
    前記駆動部材の一端側を前記固定部または前記可動部に保持する圧着端子と、
    を備え、
    前記圧着端子は、板状部材を屈曲させて形成される一対の狭持部を有し、
    前記駆動部材は、前記一対の狭持部が対向する部分において、当該駆動部材の伸延方向に沿って前記板状部材の板幅wにわたり前記一対の狭持部に狭持されて圧着固定され、
    前記駆動部材による駆動力の方向と前記一対の狭持部の狭持面とが角度θをなしており、前記駆動力によって前記一対の狭持部を互いに引き離そうとする力が前記狭持面の法線方向に作用する場合において、前記板状部材の板厚tは、下記の式を満足することを特徴とする駆動装置。
    式:t4>4・Pm・sinθ・c3/(E・w・δ)
    ただし、Pmは前記駆動部材の最大駆動力、cは前記板状部材の屈曲断面における前記板状部材の屈曲部の根元位置から当該屈曲断面における前記駆動部材の被狭持位置までの距離、Eは前記板状部材のヤング率、δは前記駆動部材を圧着する部分の弾性限界ひずみを表すものとする。
  6. 請求項4または請求項5に記載の駆動装置において、
    前記圧着端子のうち、少なくとも前記駆動部材を圧着する部分が、ニッケルまたは冷間圧延鋼板で構成されることを特徴とする駆動装置。
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