JP5446551B2 - 圧電アクチュエータ、レンズ鏡筒及びカメラ - Google Patents
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Description
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の圧電アクチュエータであって、前記第1駆動信号は三角波信号で、前記第2駆動信号は矩形波信号であること、を特徴とする圧電アクチュエータである。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の圧電アクチュエータであって、
前記複数の電圧部材は3以上のグループにグループ分けされていること、を特徴とする圧電アクチュエータである。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータであって、前記ベース部材と前記圧電部材との間に、前記第2の方向に変位可能であって、前記第1の方向に沿って配置された第1の部分と第2の部分とを有する第3圧電素子を備えること、を特徴とする圧電アクチュエータである。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の圧電アクチュエータであって、前記駆動部は、前記第1圧電素子を前記第1の方向へ変位させることにより前記相対移動部材を前記第1の方向に移動させた後、前記第2圧電素子を前記第2の方向に変位させることにより前記相対移動部材と前記圧電部材とを離間させたときに前記圧電部材に加わる衝撃により生じる前記圧電部材の振動を打ち消すように、前記第3圧電素子の前記第1の部分と前記第2の部分とに異なる波形の電圧信号を加えること、を特徴とする圧電アクチュエータである。
請求項6に記載の発明は、請求項4に記載の圧電アクチュエータであって、前記第1の部分と前記第2の部分に生じる電圧を検出する検出部を前記ベース部材と前記第3圧電素子との間に備え、前記駆動部は、前記第1圧電素子を前記第1の方向へ変位させることにより前記相対移動部材を前記第1の方向に移動させた後、前記第2圧電素子を前記第2の方向に変位させることにより前記相対移動部材と前記圧電部材とを離間させたときに前記検出部で検出される電圧を打ち消すような電圧信号を、前記第3圧電素子の前記第1の部分と前記第2の部分とにそれぞれ加えること、を特徴とする圧電アクチュエータである。
請求項7に記載の発明は、請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータであって、前記第1圧電素子が前記第2圧電素子よりも前記相対移動部材側に配置されていること、を特徴とする圧電アクチュエータである。
請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータを備えるレンズ鏡筒である。
請求項9に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータを備えるカメラである。
請求項10に記載の発明は、円環状部分を有するベース部材と、第1の方向に変位可能な第1圧電素子、及び前記第1の方向と交差する第2の方向に変位可能な第2圧電素子を有し、前記ベース部材の前記円環状部分において該円環状部分の周方向に沿って、前記第1の方向が前記周方向の接線方向となるように配置されている複数の圧電部材と、前記圧電部材と接触する接触面を有し、前記圧電部材に対して前記第1の方向に相対移動する相対移動部材と、前記複数の圧電部材のうちの所定のグループの圧電部材が前記接触面に接触している状態のときに、前記所定のグループの前記圧電部材の前記第1圧電素子を駆動することにより前記相対移動部材を前記第1の方向に相対移動させ、前記所定のグループの前記圧電部材の前記第1圧電素子を駆動する際に、前記所定のグループ以外のグループの前記圧電部材の前記第2圧電素子を駆動することにより、前記所定のグループ以外のグループの前記圧電部材を前記接触面から離間させた状態とする駆動部と、を備え、前記駆動部は、前記第1圧電素子を前記第1の方向の変位を制御する第1駆動信号として三角波信号、前記第2圧電素子の前記第2の方向の変位を制御する第2駆動信号として矩形波信号を発振すること、を特徴とする圧電アクチュエータである。
以下、図面等を参照して、本発明の第1実施形態について説明する。
図1は、本発明の第1実施形態である圧電アクチュエータ1の構成を概念的に示す図である。図2は、圧電アクチュエータ1の圧電部材20の拡大図である。なお、以下の説明では、図中に示すように、X−Y座標によって方向を示す。すなわち、図中左右方向をX軸方向とし、右側を+側、左側を−側とする。また、X軸と直交する図中上下方向をY軸方向とし、上側を+側、下側を−側とする。
ベース部材11と移動部材12とは、それぞれ所定厚さの板状体で、X軸方向に延在している。圧電部材20は、ベース部材11と移動部材12との間に配置されている。移動部材12は、図示しない付勢手段によって、ベース部材11に向けて(Y軸方向−側に)所定の力Fで押圧付勢されている。これにより、ベース部材11と移動部材12とは、圧電部材20によって規定される間隔で、平行に配置されている。
圧電部材20は、3組の圧電部材20A,20B,20Cにより構成されている。3組の圧電部材20A,20B,20Cは、後述する制御が異なる以外は全く同一に構成されており、以下の説明では、特に必要のある場合を除いて、圧電部材20として説明する。なお、図1は、3組の圧電部材20A,20B,20Cを全て同一の作動状態として示しているが、実際にはそれぞれが異なる作動状態をとる。その作動については後に詳述する。
圧電部材20A,20B,20Cは、それぞれ駆動信号を受けて、移動部材12を移動駆動する動作を異なるタイミングで行う。各圧電部材20A,20B,20Cにおける上面(後述する摩擦材23の上面)は、研削またはラッピング加工されて同一の作動状態においてY方向の同一の位置(同一平面)となるように形成されている。
図2に示すように、圧電部材20は、4枚の圧電素子21A,21B,22A,22Bが積層一体化されると共に、その最上面に摩擦材23が貼着されて構成されている。
圧電素子21A,21B,22A,22Bは、上下2枚ずつで機能が異なり、図2中上側2枚の圧電素子21A,21Bは駆動用圧電素子部21を構成し、下側2枚の圧電素子22A,22Bはクラッチ用圧電素子部22を構成している。
この駆動用圧電素子部21(圧電素子21A,21B)には、後述の図4に示すように、駆動制御装置30のA相信号発生部32AからのA相駆動信号(電圧)が印加されるようになっている。
この、クラッチ用圧電素子部22の圧電素子22A,22Bには、後述の図4に示すように、駆動制御装置30のB相信号発生部32BからB相駆動信号(電圧)が印加されるようになっている。
本実施形態では、クラッチ用圧電素子部22(圧電素子22A,22B)には分極方向と反対の直流電圧が印加されるように構成されており、電圧の印加によって厚さ方向に収縮するように設定されている。
図3は、圧電部材20による移動部材12の移動駆動をステップ毎に説明する図である。図3(a)に示す状態を初期状態とする。初期状態は、クラッチ用圧電素子部22に電圧が印加されていない状態で摩擦材23の上面は移動部材12の下面(被駆動面12A)に圧接されている。
そして、図3(b)に示すように、駆動用圧電素子部21を駆動変位させて移動部材12を移動駆動させる。
移動部材12が移動駆動された後、図3(c)に示すようにクラッチ用圧電素子部22に電圧を印加し、クラッチ用圧電素子部22を圧縮させてクラッチ方向に変位させ、摩擦材23の移動部材12への圧接を解除する。
この状態で、図3(d)に示すように駆動用圧電素子部21を変位ゼロの状態に復帰させる。
これらのステップを繰り返すことで、移動部材12をX軸+方向に移動駆動することができる。なお、図3(c)および図3(d)に示す摩擦材23の移動部材12への圧接が解除された状態では、図示しない他の圧電部材が移動部材12に圧接して移動部材12の位置を規定している。
A相信号発生部32Aは、駆動用圧電素子部21に加えるA相駆動信号を発生する。
A相駆動信号は、非対称のこぎり波である。このA相駆動信号のピーク電圧値を変えることで、速度を制御する。
B相信号発生部32Bは、クラッチ用圧電素子部22に加えるB相駆動信号を発生する。
B相駆動信号は、負(−)の矩形波である。B相駆動信号は、速度の制御に関わらず、ピーク電圧値は一定である。
すなわち、A相移相部33Aは、A相信号発生部32Aによって生成されたA相駆動信号を、位相をずらして圧電部材20A,20B,20Cにそれぞれ入力する。
B相移相部33Bは、B相信号発生部32Bによって生成されたB相駆動信号を、位相をずらして圧電部材20A,20B,20Cにそれぞれ入力する。
前述したように、駆動用圧電素子部21を駆動するA相駆動信号は、非対称のこぎり波である。A相駆動信号は、0Vを挟んで、負(−V1)から正(+V1)へ、正から負へとそれぞれ直線的に変化する。A相駆動信号の負から正方向への変化によって駆動用圧電素子部21はX+軸方向に漸次駆動変位し、正から負方向への変化によってX−方向に戻る。
ここで、A相駆動信号における、負側のピークから正側のピークまでの半周期の時間に対する、正側のピークから負側のピークまでの半周期の時間の比は、0.5に設定されている。つまり、初期状態から駆動変位する時間の半分の時間で、駆動変位から初期状態に戻るように設定されている。
[時間:t1]
圧電部材20A:A相駆動信号は負の値であるが増加する方向に変化している。B相駆動電圧は、0Vである。
圧電部材20B:A相駆動信号は正の値でありさらに増加する方向に変化している。B相駆動電圧は、0Vである。
圧電部材20C:A相駆動信号は、正の値から負の値に変化しており、B相駆動電圧は−V2である。
圧電部材20Cは、クラッチ変位方向において収縮した状態にあって移動部材12と離間し、X−方向に駆動変位している。この時点で圧電部材20Cと移動部材12とは離間しているので、移動部材12は圧電部材20Cによっては駆動変位されない。
圧電部材20A:A相駆動信号は正の値でありさらに増加する方向に変化している。B相駆動電圧は、0Vである。
圧電部材20B:A相駆動信号は正の値から負の値に変化している。B相駆動電圧は、−V2である。
圧電部材20C:A相駆動信号は負の値であるが増加する方向に変化している。B相駆動電圧は、0Vである。
圧電部材20A:A相駆動信号は正の値から負の値に変化しており、B相駆動電圧は−V2である。
圧電部材20B:A相駆動信号は負の値であるが増加する方向に変化している。B相駆動電圧は、0Vである。
圧電部材20C:A相駆動信号は正の値でありさらに増加する方向に変化している。B相駆動電圧は、0Vである。
圧電部材20Bと圧電部材20Cとは、クラッチ変位方向において収縮していない状態にあって移動部材12に圧接し、移動部材12をX+方向に駆動変位している。
前述した[時間:t1]と同様である。
(3)また、移動部材12への圧接および移動の駆動が完全に分離しており、独立して駆動制御できるため、圧電部材20と移動部材12との間に不要な相対変位(こすり)が生じない。その結果、こすりに起因する磨耗を抑制できる。
つぎに、本発明の第2実施形態について、図7〜図10を参照して説明する。
図7は、本発明の第2実施形態における圧電アクチュエータ10の構成を概念的に示す図である。図8は、圧電アクチュエータ10の圧電部材120の拡大図である。図9は、振動発生のメカニズムを説明する図である。図10は、圧電アクチュエータ1を駆動制御する駆動制御装置130のブロック構成図である。
なお、図中、前述の第1実施形態と同じ機能を有する構成要素には同符号を付し、説明は省略する。
図8に示すように、圧電部材120は、2枚の圧電素子121A,121Bから成る駆動用圧電素子部121と、2枚の圧電素子122A,122Bから成るクラッチ用圧電素子部122と、最上面に貼着された摩擦材123と、検出用圧電素子部124とが積層されて構成されている。
すなわち、図9に図示するように、圧電アクチュエータ10(圧電部材120)を前述の第1実施形態のような制御によって駆動すると、下記のようなメカニズムによって振動が発生する可能性がある。
ところが、圧電部材120が移動部材12から離間する瞬間に、圧電部材20は移動部材12から反力を受け、図9(d)に示すように上面(圧電部材120の上面)に傾きが生ずる。これによって、圧電部材120が図中左右に振動し、図9(e)に示すように、圧電部材120の上面角部が移動部材12の下面(被駆動面12A)に衝突接触し、これが移動部材12の異常振動を誘発して、異音や駆動力低下といった現象を招来する。
減衰信号発生部36は、振動検出部35から入力された振動情報に基づいて、この振動を打ち消す駆動信号を発生させ、これをクラッチ用圧電素子部122の入力電極122(第1入力電極122Caおよび第2入力電極122Cb)に入力する。
A相駆動信号は正方向に変化している。B相駆動電圧は0Vである。
図11(a)に示すように、圧電部材120は、クラッチ変位方向において収縮していない状態にあって移動部材12に圧接し、移動部材12をX+方向に駆動変位する移動駆動ストロークの始端の状態である。
A相駆動信号は正方向に変化している。B相駆動電圧は、0Vである。
図11(b)に示すように、圧電部材120は、クラッチ変位方向において収縮していない状態にあって移動部材12に圧接し、移動部材12をX+方向に駆動変位する移動駆動ストロークの終端に近い状態である。
A相駆動信号は正側のピークとなっている。B相駆動電圧は、−V2となった直後である。
図11(c)に示すように、圧電部材120は、移動部材12から離間する状態となったが、移動部材12への駆動力を与えていたその反力が発生し、駆動方向とは反対の方向へ力を受け、圧電アクチュエータ10の揺れ振動が発生する。その振動状態を検出相が検出し、その検出その振動を押さえるため、減衰信号が、クラッチ用圧電素子部122に印加される。
A相駆動信号は負方向に変化している。B相駆動電圧は、−V2である。
図11(d)に示すように、圧電アクチュエータ10の揺れ振動が抑えられ、圧電部材120は振動のない状態で、移動部材12離間する。
つぎに、本発明の第3実施形態について、図13及び図14を参照して説明する。第3実施形態における圧電アクチュエータ200は、第1実施形態の圧電アクチュエータ1と同様に複数の圧電部材220を備え、個々の圧電部材220の構成も第1実施形態と同様であり、駆動用圧電素子部221とクラッチ用圧電素子部222とを備える。第1実施形態と第3実施形態との相違点は、第3実施形態において圧電部材220が円環状に配置され、レンズ鏡筒の内部に配置されている点である。
また、圧電アクチュエータ200のベース部材211は、円筒形状の略中央部が外径側に突出した突出部211Aと、円筒におけるその突出した部分より先(被写体側)の先端部211Bと、先端部211Bより厚い後(像側)の後端部211Cとを有する。
以上、説明した実施形態に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の範囲内である。
(1)本実施形態では、クラッチ用圧電素子部21,121および駆動用圧電素子部22,122は、それぞれ2層の圧電素子(圧電素子21A,21Bまたは圧電素子22A,22B)によって構成されている。しかし、これは説明を簡単にするためのものであって、圧電素子を4層以上の多層に積層することも可能である。より多層とすることで、必要な移動量に対する電圧を下げることができる。
(3)第3実施形態では、第1実施形態の圧電アクチュエータを備える円環型アクチュエータについて説明したが、これに限定されず、第2実施形態の圧電アクチュエータを備える円環型アクチュエータであってもよい。
Claims (10)
- 円環状部分を有するベース部材と、
第1の方向に変位可能であり、前記第1の方向と略平行な方向に分極された第1圧電素子、及び前記第1の方向と交差する第2の方向に変位可能であり、前記第2の方向と略平行な方向に分極された第2圧電素子を有し、前記ベース部材の前記円環状部分において該円環状部分の周方向に沿って、前記第1の方向が前記周方向の接線方向となるように配置されている複数の圧電部材と、
前記圧電部材と接触する接触面を有し、前記圧電部材に対して前記第1の方向に相対移動する相対移動部材と、
前記複数の圧電部材のうちの所定のグループの圧電部材が前記接触面に接触している状態のときに、前記所定のグループの前記圧電部材の前記第1圧電素子を駆動することにより前記相対移動部材を前記第1の方向に相対移動させ、前記所定のグループの前記圧電部材の前記第1圧電素子を駆動する際に、前記所定のグループ以外のグループの前記圧電部材の前記第2圧電素子を駆動することにより、前記所定のグループ以外のグループの前記圧電部材を前記接触面から離間させた状態とする駆動部と、を備え、
前記駆動部は、前記第1圧電素子を前記第1の方向の変位を制御する第1駆動信号と、前記第2圧電素子の前記第2の方向の変位を制御するとともに該第1駆動信号と異なる波形を有する第2駆動信号と、を発振すること、
を特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項1に記載の圧電アクチュエータであって、
前記第1駆動信号は三角波信号で、前記第2駆動信号は矩形波信号であること、
を特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項1または2に記載の圧電アクチュエータであって、
前記複数の電圧部材は3以上のグループにグループ分けされていること、
を特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータであって、
前記ベース部材と前記圧電部材との間に、前記第2の方向に変位可能であって、前記第1の方向に沿って配置された第1の部分と第2の部分とを有する第3圧電素子を備えること、
を特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項4に記載の圧電アクチュエータであって、
前記駆動部は、前記第1圧電素子を前記第1の方向へ変位させることにより前記相対移動部材を前記第1の方向に移動させた後、前記第2圧電素子を前記第2の方向に変位させることにより前記相対移動部材と前記圧電部材とを離間させたときに前記圧電部材に加わる衝撃により生じる前記圧電部材の振動を打ち消すように、前記第3圧電素子の前記第1の部分と前記第2の部分とに異なる波形の電圧信号を加えること、
を特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項4に記載の圧電アクチュエータであって、
前記第1の部分と前記第2の部分に生じる電圧を検出する検出部を前記ベース部材と前記第3圧電素子との間に備え、
前記駆動部は、前記第1圧電素子を前記第1の方向へ変位させることにより前記相対移動部材を前記第1の方向に移動させた後、前記第2圧電素子を前記第2の方向に変位させることにより前記相対移動部材と前記圧電部材とを離間させたときに前記検出部で検出される電圧を打ち消すような電圧信号を、前記第3圧電素子の前記第1の部分と前記第2の部分とにそれぞれ加えること、
を特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータであって、
前記第1圧電素子が前記第2圧電素子よりも前記相対移動部材側に配置されていること、
を特徴とする圧電アクチュエータ。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータを備えるレンズ鏡筒。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータを備えるカメラ。
- 円環状部分を有するベース部材と、
第1の方向に変位可能な第1圧電素子、及び前記第1の方向と交差する第2の方向に変位可能な第2圧電素子を有し、前記ベース部材の前記円環状部分において該円環状部分の周方向に沿って、前記第1の方向が前記周方向の接線方向となるように配置されている複数の圧電部材と、
前記圧電部材と接触する接触面を有し、前記圧電部材に対して前記第1の方向に相対移動する相対移動部材と、
前記複数の圧電部材のうちの所定のグループの圧電部材が前記接触面に接触している状態のときに、前記所定のグループの前記圧電部材の前記第1圧電素子を駆動することにより前記相対移動部材を前記第1の方向に相対移動させ、前記所定のグループの前記圧電部材の前記第1圧電素子を駆動する際に、前記所定のグループ以外のグループの前記圧電部材の前記第2圧電素子を駆動することにより、前記所定のグループ以外のグループの前記圧電部材を前記接触面から離間させた状態とする駆動部と、を備え、
前記駆動部は、前記第1圧電素子を前記第1の方向の変位を制御する第1駆動信号として三角波信号、前記第2圧電素子の前記第2の方向の変位を制御する第2駆動信号として矩形波信号を発振すること、
を特徴とする圧電アクチュエータ。
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