JP5540188B2 - リニア駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体を直線移動させるリニア駆動装置に関する。

特許文献１には、圧電素子に弾性を有する金属製の振動子を重ねて固定した振動部材に駆動軸の基端を固定して、駆動軸をその軸線方向に振動させることにより、駆動軸に摩擦接触した移動体を直線移動させるリニア駆動装置が開示されている。
また、この種の従来のリニア駆動装置では、一般に、図４に示すように、円柱形状の駆動軸５１の端面を圧電素子５３に重ねた板状の振動子５５の面の中央に固定している。

特開２００８−２５９３４５号公報

近年、この種のリニア駆動装置においては、駆動電力の大きさや圧電素子の特性を変えることなく所定の駆動トルクを得ながら装置の小型化が要求されている。

係る要求に対して発明者らは、研究及び実験の結果、圧電素子と振動子とからなる振動部材において、駆動軸に摩擦係合する移動体に作用するトルクは、主として駆動軸の質量と圧電素子の伸縮を受けて弾性変形する振動子の変形に依存することを解明した。

即ち、駆動軸の振動により移動体に作用するトルクＦは、一般にＦ＝ｍａの式で求められる。ここで、ｍは質量であり、ａは加速度である。

したがって、駆動軸の質量をｍとした場合に、加速度ａは振動子が弾性変形するときの加速度となる為、駆動軸の質量ｍをほとんど変えないで且つ振動子では所定の加速度（弾性変形）ａを得ながら振動部材を小さくすることを課題として研究してきた。

本発明は、駆動電力の大きさや圧電素子の特性を変えることなく所定の駆動トルクを得ながら装置の小型化を図ることができるリニア駆動装置の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、振動部材と、振動部材に基端を固定した駆動軸とを備え、振動部材の振動により駆動軸がその軸線方向に振動することにより、駆動軸に摩擦係合した移動体が駆動軸の軸線方向に沿って摺動するリニア駆動装置において、振動部材は、通電により伸縮する圧電素子と、弾性を有する金属板製の振動子とを有し、振動子は圧電素子に板面を重ねて固定してあり、振動子は圧電素子へのパルス電流の供給により駆動軸側に突出するように変形し次に凹状に変形することを繰り返し、駆動軸は中実部材であり、移動体が摺動する胴部と、振動子に固定する基端部とを有し、基端部の基端面を振動子に当接固定してあり、基端面の面積を胴部の断面積よりも小さくすることで振動子が変形に寄与する面積を大きくしてあることを特徴とするリニア駆動装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、駆動軸は振動子に接着剤で固定してあり、駆動軸の基端部と振動子との間に接着剤を充填していることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、移動体はレンズを保持するレンズ支持体であり、振動部材の振動によりレンズ支持体をレンズの光軸方向に移動することを特徴とする。

発明者らは、振動子の振動面に駆動軸の端面を当接固定する場合に、振動子においては、駆動軸が振動子に当接固定する部分は振動子の変形（振動）に寄与せず、駆動軸が当接固定していない領域が振動に寄与することを見出した。
従って、請求項１に記載の発明によれば、駆動軸が振動子に当接固定する面積を従来よりも小さくしているので、その分、振動子の変形（振動）に寄与する振動子の面積を大きくできるから、振動子全体の面積を小さくしても所定の振動を得ることができる。
即ち、本発明によれば、振動子が変形に貢献する面積の比率が従来よりも大きく取れるので、所定の振動を得ながら振動子の面積を小さくできる。
また、駆動軸は基端部のみをその断面積が小さくなるようにすれば良いので、駆動軸の質量にはほとんど影響がなく、移動体に作用するトルクにほとんど影響を与えることなく、振動部材を小さくできる。

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と共に、駆動軸の基端部と振動子との間を接着剤で固定した場合、接着部分が振動子の変形に悪影響を与えるが、図１（ａ）に示すように、駆動軸に対する接着剤の食み出し部分を、図４に示す従来よりも少なくできるから接着剤による振動子の変形に与える悪影響を低減できる。
接着剤は駆動軸の径が細くなっている傾斜面と接着する為、駆動軸との接着面積が従来よりも多く取れるから、強固な接着を図ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の作用効果を奏すると共に、リニア駆動装置をカメラのレンズ駆動装置として用いることができ、カメラの小型化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係るリニア駆動装置の概略的構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は駆動軸の先端側から見た平面図である。 本実施の形態に係るカメラの構成を示す縦断面図である。 図２に示すＡ―Ａ断面図である。 従来のリニア駆動装置の概略的構成を示す縦断面図である。

以下に、添付図面の図１〜図３を参照して本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態に係るリニア駆動装置は、携帯電話に組み込まれる光学ズーム付きオートフォーカスカメラ１のレンズを駆動するリニア駆動装置７である。

本実施の形態にかかるカメラ１は、図２に示すように、筐体２内に、ズームレンズホルダ（移動体）３、フォーカスレンズホルダ５（移動体）と、ズームレンズホルダ３を駆動するズームレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）７と、フォーカスレンズホルダ５を駆動するフォーカスレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）９と、画像センサ１１が設けてある基板４とを備えている。更に、図３に示すように、筐体２内には、ズームレンズホルダ３の位置を検知するズームレンズ位置検出手段４３と、フォーカスレンズホルダ５の位置を検知するフォーカスレンズ位置検出手段４５とが設けてある。

ズームレンズホルダ３は、光学ズームレンズ１４を保持しており、フォーカスレンズホルダ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０を同一にしてあり、光軸０上の結象位置に画像センサ１１が設けてある。更に、筐体２には被写体側レンズ１８と結像側レンズ２０とがズームレンズ１４とフォーカスレンズ１６と光軸０を一致して設けてある。尚、本実施の形態では、被写体側は光学ズームの望遠側であり、結像側は光学ズームの拡大側である。

ズームレンズ駆動手段（リニア駆動装置）７とフォーカスレンズ駆動手段（リニア駆動装置）９とは略同じ構成であるから、ズームレンズ駆動手段７を説明してフォーカスレンズ駆動手段９には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説明を省略する。

ズームレンズ駆動手段７は、筐体２の基底２ａに配置した振動部材１７と、光軸方向に配置した駆動軸２１（２２）とから構成されており、駆動軸２１（２２）の基端は振動部材１７に固定してある。

振動部材１７は、図１に示すように、圧電素子２３と圧電素子２３の被写体側（駆動軸側）面に接着固定された振動子１９とから構成されている。

圧電素子２３は平面視矩形であり、圧電素子２３には電源制御部２７の端子が接続されている。圧電素子の厚みは約０．２５ｍｍである。

振動子１９は圧電素子２３よりも面積が大きい平面視矩形（図１（ｂ）参照）であり、圧電素子２３に重ねて接着固定されている。振動子１９は弾性を有する金属製板であり、本実施の形態では全体に亘って略均一の厚み（約０．２５ｍｍ）に形成された銅板である。この振動子１９には電源制御部２７の端子が接続されている。

図１（ａ）に示すように、振動子１９には、その内周側の略中央部に駆動軸２１の基端部２６が接着固定されており、駆動軸２１の基端面２４は振動子１９に当接して固定されている。
駆動軸２１は、カーボン製であり、軸線方向に長い円柱形状を成し、ズームレンズホルダ（移動体）３が摺動する胴部２５と、振動子１９に固定される基端部２６とを有し、基端部２６は基端ほど細くなるようにテーパを付けて次第に径を小さくしている。
駆動軸２１の基端面２４の面積Ａ１は胴部２５における断面積Ａ２よりも小さくしてあり、本実施の形態では略半分にしている。
駆動軸２１の基端部２６には、振動子１９との間に接着剤２８を充填して、駆動軸２１を振動子１９に接着固定している。

図２に示すように、駆動軸２１の先端部は筐体２に固定した保持具４１ａに挿通されて筐体２に保持されており、振動部材１７も保持具４１ｂにより筐体２に保持されている。

ズームレンズホルダ３の一端部には駆動軸２１の胴部２５（図１（ａ）参照）と圧接する樹脂製又は金属製の圧接部５１が設けてあり、圧接部５１は、図３に示すように、駆動軸２１を取巻く一側に開口部５３が形成されており、開口部５３はねじ５５により開口部５３の隙間を調整して、圧接部５１と駆動軸２１との間の摩擦（圧接力）を調整自在にしている。尚、ねじ５５を設けないで、圧接部５１の弾性を利用して予め設定された摩擦を付与するものであってもよいし、ねじを駆動軸２１に当接させて圧接するものであっても良い。

圧接部５１の内周面は、横断面が多角形、本実施の形態では四角形の孔になっており、横断面が円形の駆動軸２１と内周面において点接触している。このように、点接触することにより、駆動軸２１とズームレンズホルダ３の圧接部５１との間の摩擦により生じる粉や塵等を非接触箇所に逃すことができるので、駆動の信頼性が高くできる。

ズームレンズホルダ３の他端部は、フォーカスレンズホルダ５の駆動軸２２との係合部３３が設けてあり、係合部３３はフォーカスレンズホルダの駆動軸２２に係合して支持されており、ズームレンズホルダ３の移動を案内している。係合部３３は横断面が略Ｕ字であり、Ｕ字内にフォーカスレンズホルダ５の駆動軸２２が挿通されている。

フォーカスレンズホルダ５の構成はズームレンズホルダ３と同じ構成であり、フォーカスレンズホルダ５の駆動軸２２はズームレンズホルダ３の駆動軸２１と同様に基端を振動部材１７に取り付けてある。

ここで、図３を参照して、ズームレンズホルダ３の位置を検知するズームレンズ位置検出手段４３と、光学フォーカスレンズホルダ５の位置を検知するフォーカスレンズ位置検出手手段４５とについて説明する。ズームレンズ位置検手段４３とフォーカスレンズ位置検出器４５とは同じ構成であり、各々、レンズの光軸０方向に沿って異なる磁極（Ｓ極とＮ極）を交互に配置した磁極部材５７と、磁界強度を検知するＭＲセンサ５９とから構成されている。ＭＲセンサ５９は各ホルダ３、５に固定されており、各ホルダ３、５と共に移動して、各ホルダの基準位置（又は初期位置）からの移動量及び移動方向を検知可能になっている。各ＭＲセンサ５９の位置情報信号は、フレキシブル配線板６０により位置制御部に送られるようになっている。

次に、第１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、ズームレンズホルダ３を移動して光学ズームで倍率を変え、フォーカスレンズホルダ５を移動して焦点距離をあわせるものである。

ズームレンズホルダ３を、望遠側（被写体側）に移動する場合には、振動部材１７の圧電素子２３に所定パルスの電流を供給して、圧電素子２３の伸縮を振動子１９で増幅させて振動させる。圧電素子２３にパルス電流が供給されると、圧電素子２３は前側に突設するようにして変形し、駆動軸２１は、前側に向けて変形し、ズーム１レンズホルダ３は圧接部５１で駆動軸２１との摩擦力があるので前側に移動する。次に、圧電素子２３が縮むと振動子１９が弾性変形した反力により急激に元の位置に戻ろうとするが慣性力により凹み状に変形して急激に後方に移動する。このような振動子１９の変形動作を繰り返すことにより、ズームレンズホルダ３は駆動軸２１に沿って前進する。

ここで振動子１９の変形について説明する。図１に示すように、駆動軸２１の基端面２４が当接している部分は振動子１９の変形に寄与しないことになるが、本実施の形態では駆動軸２１の基端部２６を胴部２５よりも細くして、基端２４の面積を胴部２５の断面積よりも小さくしているので、振動子１９の周縁から駆動軸２１の当接面までの距離Ｍを大きくとることができる。即ち、本実施の形態によれば、振動子１９の振動（変形）に寄与する面積Ｍの比率を、図４に示す基端部２６を細くしていない従来と比較して、大きく取るこができるから、従来と同じ変形量（振動）を得る場合にも振動子１９の面積を小さくできる。したがって、、駆動電力の大きさや圧電素子の特性を変えることなく所定の駆動トルクを得ながらリニア駆動装置７の小型化を図ることができる。
また、駆動軸２１は基端部２６を胴部２５よりも細くなるようにすれば良いので、駆動軸２１の質量にはほとんど影響がなく、ズームレンズホルダ（移動体）３に作用するトルクにほとんど影響を与えることなく、振動部材１７の面積を小さくできる。基端部２６を胴部２５よりも細くした駆動軸２１は、特殊な加工を必要とせず、その成形や切削により容易に製造できる。
本実施の形態では、駆動軸２１の基端面２４の面積を胴部２５の断面積の略半分としているが、この場合で、従来（図４参照）一辺が約３.９ｍｍの矩形の振動子を一辺が２.５ｍｍの矩形の振動子１９（面積比で約４０％減）としても、ズームレンズホルダ（移動体）３に同じトルクを作用することができた。実験の結果、駆動軸２１において、振動子１９に当接する基端面２４の面積は、胴部２５の断面積に比較して１/３〜３/４が好ましい。１/３よりも小さくなると固定強度が低下し、３/４よりも大きくなると振動子の変形面積比の増加が得られ難いからである。

駆動軸２１の基端部２６と振動子１９との間は接着剤２８で固定しているが、接着部分では振動子１９の変形に悪影響を与えるが、図１（ａ）に示すように、駆動軸２１に対する接着剤２８の食み出し部分Ｎの面積は、図４に示す従来と比較して少なくできるから接着剤２８による振動子１９の変形に与える悪影響を低減できる。
更に、接着剤２８は駆動軸２１の径が細くなっている傾斜面２９と接着する為、駆動軸２１との接着面積が従来よりも多く取れるから、強固な接着を図ることができる。

尚、振動部材１７に供給する電流は、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。

ズームレンズホルダ３を、拡大側（結像側）に移動する場合には、振動部材１７の圧電素子２３に反対向きのパルスの電流を供給すると振動子１９による振動の増幅を伴って振動し、ズームレンズホルダ３は後退する。

また、フォーカスレンズホルダ５の駆動もズームレンズホルダ３と同様に振動部材１７に所定パルスの電流を供給することにより、フォーカスレンズホルダ５をその駆動軸２２に沿って前進又は後退させることができる。

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、圧電素子２３及び振動子１９は、平面視四角形状に限らず、平面視円形や６角形等の多角形にしてもよく、形状は限定されない。

駆動軸２１の両端に振動部材１７を設けて、各振動部材１７の振動子１９を同期させて振動（変形）するようにしても良い。この場合には、ズームレンズホルダ（移動体）３やフォーカスレンズホルダ（移動体）５に作用するトルクを約２倍にできる。

３ ズームレンズホルダ（移動体）
５ フォーカスレンズホルダ（移動体）
７ ズームレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）
９ フォーカスレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）
１７ 振動部材
１９ 振動子
２１ ズームレンズホルダの駆動軸（駆動軸）
２２ フォーカスレンズホルダの駆動軸（駆動軸）
２４ 基端面
２５ 胴部
２６ 基端部
２８ 接着剤

Claims (3)

1. 振動部材と、振動部材に基端を固定した駆動軸とを備え、振動部材の振動により駆動軸がその軸線方向に振動することにより、駆動軸に摩擦係合した移動体が駆動軸の軸線方向に沿って摺動するリニア駆動装置において、
   振動部材は、通電により伸縮する圧電素子と、弾性を有する金属板製の振動子とを有し、振動子は圧電素子に板面を重ねて固定してあり、振動子は圧電素子へのパルス電流の供給により駆動軸側に突出するように変形し次に凹状に変形することを繰り返し、駆動軸は中実部材であり、移動体が摺動する胴部と、振動子に固定する基端部とを有し、基端部の基端面を振動子に当接固定してあり、基端面の面積を胴部の断面積よりも小さくすることで振動子が変形に寄与する面積を大きくしてあることを特徴とするリニア駆動装置。
2. 駆動軸は振動子に接着剤で固定してあり、駆動軸の基端部と振動子との間に接着剤を充填していることを特徴とする請求項１に記載のリニア駆動装置。
3. 移動体はレンズを保持するレンズ支持体であり、振動部材の振動によりレンズ支持体をレンズの光軸方向に移動することを特徴とする請求項１又は２に記載のリニア駆動装置。

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