JP5686330B2 - リニア駆動装置、レンズ駆動装置、カメラ及びカメラ付き携帯電話 - 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、リニア駆動装置を用いたレンズ駆動装置、カメラ及びカメラ付き携帯電話に関する。

特許文献１及び２には、圧電素子と金属製の振動子とからなる振動部材に、駆動軸の基端を固定し、駆動軸を軸線方向に振動させて移動体を移動するリニア駆動装置が開示されている。

特許文献１及び２に記載の振動部材は、圧電素子及び振動子が共に平面視が円形形状であり、円形に形成した圧電素子と円形に形成した振動子とを重ねて固定した構造になっている。

国際公開ＷＯ２００５／０８３８７４ Ａ１号公報 特開２００７−３１８８５０号公報

従来、圧電素子及び振動子は平面視が円形でないと整った振動が得られないと考えられていた。

一方、圧電素子や振動子の形状が平面視円形であると、振動部材を設置する筺体の壁面が平坦面や線直を成す場合には、デッドスペースが生じるという問題があった。

また、振動部材を製造する場合には、例えば、図１０に示すように、（ａ）円柱状に製造した圧電部材６１を輪切りに切断して所定厚みの圧電素子６３を得て、次に、（ｂ）振動子６５を金属基板６７から円形に打ち抜き、（ｃ）圧電素子６３の一面に振動子６５の一面を固定するという手順で製造していた。係る従来の振動部材６９の製造方法では、振動子６５は金属基板６７を円形に打ち抜くので（図１０（ｃ）参照）歩留まりが低いと共に、振動部材６９を上述した手順で一つ一つ製造していたので製造に手間が係るという問題があった。

そこで、本発明は、歩留まりが高く、製造が容易で、矩形の筺体部分に設置してもデッドスペースを少なくできるリニア駆動装置、レンズ駆動装置、カメラ及びカメラ付き携帯電話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、振動部材の振動で駆動軸が軸線方向に振動することにより、駆動軸に摩擦接触した移動体が直線移動するリニア駆動装置において、振動部材は板状の圧電素子と、弾性を有する板状の金属製の振動子とを有し、圧電素子の一面の全部又は周囲部のみに振動子が固定してあり、振動子又は圧電素子の中央部に駆動軸の基端が固定されており、駆動軸は基端側部と先端側部を摺動自在に支持部材に支持してあり、振動部材は駆動軸のみに固定してあり且つ支持部材との間に隙間を空けて配置してあり、圧電素子にパルス電流を流すことにより、振動部材は、周縁も含めた全体として中央部が駆動軸側に突出する椀型と、中央部が凹む逆の椀型とに交互に変形す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、支持部材と駆動軸との間には、駆動軸を摺動自在に保持するホルダが設けてあ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に記載のリニア駆動装置を備え、駆動軸に摩擦接触する移動体は、カメラのフォーカスレンズホルダ及び光学ズームレンズホルダの少なくとも一方であることを特徴とするレンズ駆動装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項３記載のレンズ駆動装置と、レンズの光軸上に設けた画像センサと備えることを特徴とするカメラである。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のカメラを搭載したことを特徴とするカメラ付き携帯電話である。

従来、振動部材はその輪郭が平面視円形であり、面が円形の圧電素子と面が円形の振動子に限られており、円形のものでないと駆動できないと考えられていたが、発明者らは、研究と実験の結果、これらの部材の面が矩形であっても、所定の条件を整えれば充分に駆動できることを見出して本発明に到達したのである。
即ち、請求項１及び２に記載の発明によれば、圧電素子にパルス電流を供給して圧電素子がその面方向に伸びると、振動子が弾性変形により中央部が前側（被写体側）に向けて移動し（図５（ａ）参照）、その反力で急激に元の位置に戻ると共に圧電素子が収縮する変形をして中央部が後側に向けて突出する変形（図５（ｂ））を繰り返して駆動軸をその軸線方向に振動する。

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レンズ駆動装置を提供できる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の作用効果を奏するカメラを提供できる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の作用効果を奏するカメラ付き携帯電話を提供できる。

本実施の形態に係るリニア駆動装置の図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は平面図である。 本実施の形態に係るレンズ駆動装置を用いたカメラの縦断面図である。 本実施の形態に係るレンズ駆動装置を後側から見た斜視図である。 図３に示すレンズ駆動装置を後側見た平面図である。 本実施の形態に係る振動部材を実験したときの振動子をシュミレーションした図であり、（ａ）は凸変形状態、（ｂ）は凹変形状態を示す図である。 振動子の厚みと圧電素子に供給する電流の周波数との関係を示すグラフである。 本実施の形態に係る振動部材の製造方法を説明する斜視図である。 他の実施の形態に係るリニア駆動装置の図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は平面図である。 振動子に供給する周波数が所定範囲を超えたときの振動子をシュミレーションした図であり、（ａ）は凸変形状態、（ｂ）は凹変形状態を示す図である。 従来の振動部材の製造方法を説明する斜視図である。

以下に、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、まず、図１〜図７を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態に係るリニア駆動装置の図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は平面図であり、図２は本実施の形態に係るレンズ駆動装置を用いたカメラの縦断面図であり、図３は本実施の形態に係るレンズ駆動装置を後側から見た斜視図であり、図４は図３に示すレンズ駆動装置を後側から見た平面図であり、図５は本実施の形態に係る振動部材を実験したときの振動子をシュミレーションした図であり、（ａ）は凸変形状態、（ｂ）は凹変形状態を示す図であり、図６は、振動子の厚みと圧電素子に供給する電力の周波数との関係を示すグラフであり、図７は振動部材の製造方法を説明する斜視図である。

尚、図３において、レンズ駆動装置の前側には、ミラー装置Ｍが装着されているが、他の図では、省略している。

本発明の実施の形態に係るレンズ駆動装置１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２のレンズ駆動装置である。

図２に示すように、カメラ２において、レンズ駆動装置１は、筐体（支持部材）１３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（リニア駆動手段）９とを備えている。このレンズ駆動装置１は画像センサ１１が設けてある基板４に装着されている。更に、図４に示すように、筐体１３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。

図２に示すように、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とは光軸を同一にしてあり、光軸上には結象位置に画像センサ１１が設けてある。更に、筐体１３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と光軸を一致して設けてある。尚、図３及び図４には各レンズを省略して示している。

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、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２１ａは振動部材１７に固定されている。駆動軸２１（２２）の振動部材１７側部と先端部２１ｂとは、駆動軸２１（２２）を摺動自在に保持するホルダ１２により、筺体１３に保持されている。

振動部材１７は、図１に示すように、その輪郭が平面視矩形の圧電素子（ピエゾ素子）２３と、圧電素子２３の表面に接着固定された振動子１９とから構成されおり、振動子１９の表面には、駆動軸２１の基端２１ａが接着固定されている。振動子１９も圧電素子２３と同じ平面視矩形であり、本実施の形態では、圧電素子２３及び振動子１９は共に平面視が同一寸法の正方形として且つ各角と辺とを一致させている。尚、この実施の形態では、圧電素子２３の一面全部に振動子１９を接着固定している。

振動部材１７は、図２に示すように、駆動軸２１（２２）のみに固定してあり、筺体１３の壁との間には隙間を空けて配置されている。

図１（ｂ）に示すように、駆動軸２１（２２）は円柱形状であり、基端２１ａを平面視正方向の振動子１９の中央部に固定してある。

振動子１９は、厚みＷが好ましくは０．１〜０．３ｍｍの銅板であり、本実施の形態では０．１５ｍｍであり、一辺が３．８５ｍｍの正方形である。

図１（ａ）に示すように、圧電素子２３と振動子１９とには電源制御部２７が接続されており、圧電素子２３に所定の周波数のパルス電流を供給している。

圧電素子２３にパルス電流を供給して圧電素子２３がその面方向に伸びると、振動子１９が弾性変形により中央部が前側（被写体側）に向けて移動し（図５（ａ）参照）、その反力で急激に元の位置に戻ると共に圧電素子が収縮する変形をして中央部が後側に向けて突出する変形（図５（ｂ））を繰り返して駆動軸２１をその軸線方向に振動するようになっている。

一方、図２及び図３に示すように、ズームレンズホルダ３の一端部には駆動軸２１と圧接する圧接部３１が設けてあり、図３に示すように、圧接部３１は、スプリング３２により駆動軸２１の側面に圧接されている。

図２に示すように、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字内にズームスレンズホルダ３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と略同じ構成であり、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に取付けてある。

次に、図４に示す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。磁極部材５７は駆動軸２１、２２に沿って筺体１３の内面に固定されており、ＭＲセンサ５９は各ホルダ３、５に固定されており、磁極部材５７に対面した状態で各ホルダ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。

筺体１３は、図３及び図４に示すように、略直方体を成しており、正面から見て長方形の中央部にズームレンズ１４、フォーカスレンズ１６が位置し、これらのレンズ１４、１６を挟む両側にズームレンズホルダ駆動手段７とフォーカスレンズホルダ駆動手段９とが配置してある。即ち、略直方体形状の筺体１３の後側（図２及び図３参照）に、振動部材１７が配置されており、振動部材１７が配置される空間は平面視が矩形となっており、筺体１３の平坦な側壁（内壁）に沿って振動部材１７の一辺を配置できるので、振動部材１７が平面視円形の場合に比較してデッドスペースを少なくできる。

特に、レンズ１４，１５を挟む筺体の一側に、ズームレンズ駆動手段７及びズームレンズ位置検出手段４３を配置し、他側にフォーカスレンズ駆動手段９とフォーカスレンズ位置検出手段４５とを配置するような場合には、振動部材１７の面積を大きくとっても平面視矩形にすることにより、これらを直方体の筺体１３内にコンパクトに纏めて配置でき且つデットスペースを少なくできるので、レンズ駆動装置１を小さくできる。

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に所定パルスの電流を供給して、圧電素子２３の伸縮と振動子１９の弾性変形及び弾性復帰により振動部材１７を駆動軸２１の軸線方向に振動させる。

即ち、圧電素子２３はパルス電流が供給されると、例えば、図５（ａ）に示すように、振動子１９の中央部が前側に突設するようにして変形し、これにより、駆動軸２１は、前側に向けて移動し、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、図５（ｂ）に示すように、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ると共に圧電素子２３が縮む（或いは元に戻る）ことにより、振動部材１７の伸縮を繰り返して、ズームレンズホルダ３は駆動軸２１に沿って前進する。

尚、振動部材１７に供給する電流の向きや、パルス波形、パルスのデューティ比を変えることにより、振動子１９の変形を前進とは逆（図５（ｂ）から図５（ａ））にして、ズームレンズホルダは駆動軸に沿って後退することができる。

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。

ここで、振動板の厚みＷと圧電素子２３に供給するパルス電流の周波数Ｈとを変えた場合の駆動トルク及び駆動速度について、実験を行ったのでその結果を、下記表１及び図６を参照して説明する。

実験では、振動子１９として銅板を用い、厚みを０．１ｍｍ、０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３ｍｍと変えた場合において、所定の周波数のパルス電流を供給してその時の駆動トルク、駆動速度を測定した。下記表１には、各振動子１９の厚みＷに対して最適な駆動トルクと駆動速度を得たときの周波数を示している。

表１に示す実験の結果から明らかなように、各銅板（振動子）の厚みに対して、所定の周波数で駆動トルク６〜１２ｇを得ることができた。上述した実施の形態では、レンズの重さが１〜２ｇであるから、駆動トルクは６ｇ以上得られれば充分である。

一方、各振動子１９の厚みＷに対して、表１に示している周波数の前後の周波数（＋２、＋４、＋５、＋７（ｋＨｚ）及び−２，−４、−５、−７（ｋＨｚ））でも実験を行った。その結果を図６に示す。各振動子１９の厚みに対して、各々＋５ｋＨｚ、−５ｋＨｚの範囲では略同様の駆動トルクと駆動速度を得ることができたが、各々プラス５ｋＨｚ、マイナス５ｋＨｚの範囲Ｆ（図６に一点鎖線し示す範囲）を超えるとほとんど駆動できなかった。

この図６から、振動子１９の厚みＷに対する周波数Ｈの関係は、Ｈ≒（２３＋２１５Ｗ）±５ｋＨｚの式（式１）で表すことができる。

尚、図９（ａ）（ｂ）には、振動子１９の厚みＷが０．１５で圧電素子２３に供給する周波数を３１５ｋＨｚとした時の振動子１９のシュミレーションを示しているが、上述したように、上記式を外れた範囲の周波数では、振動子１９が整った形で伸縮できず、駆動軸をほとんど振動させることができなかった。

ここで、図７を参照して、本実施の形態に係る振動部材１７の製造方法について、説明する。本実施の形態に係る振動部材１７は、平面視四角形状の銅製の金属基板３４と圧電基板３６とを接着固定した後、縦線３８と横線３９とにより碁盤の目のように切断することより、簡単に多数の振動部材１７を得ることができ、製造が容易である。

次に、図８を参照して本発明の他の実施の形態について説明する。尚、以下に説明する他の実施形態において、上述した実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には、同一の符号を付してその部分の説明を省略し、以下の説明では、上述した実施の形態と主に異なる点を説明する。

図８に示す実施の形態では、圧電素子２３の周囲部のみに振動子１９が固定してあり、圧電素子２３の中央部は振動子側面が露出してあり、圧電素子２３が露出している中央部に直接駆動軸２１（２２）の基端が固定されている。

この図８に示す他の実施の形態においても、上述した実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

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、振動部材１７は、平面視正方形に限らず、長方形状であっても良いし、ひし形であっても良い。

リニア駆動装置７、９は、カメラ２のレンズ駆動装置１に用いることに限らず、精密加工機械の被加工物を直線移動したり、切削工具等を直線移動させるものであっても良い。

金属製の振動子１９は銅板に限らず、アルミニウムや鋼材等の他の種類の金属であっても良い。

図７に示す振動部材１７の製造方法では、金属基板３４の面上に圧電基板３６を形成した後、縦線３８と横線３９とにより碁盤の目のように切断するものであっても良い。

１ レンズ駆動装置
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）
１２ ホルダ
１３ 筐体（支持部材）
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）
２３ 圧電素子
Ｈ 周波数
Ｗ 振動子の厚み

Claims (5)

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、振動部材の振動で駆動軸が軸線方向に振動することにより、駆動軸に摩擦接触した移動体が直線移動するリニア駆動装置において、
   振動部材は板状の圧電素子と、弾性を有する板状の金属製の振動子とを有し、圧電素子の一面の全部又は周囲部のみに振動子が固定してあり、振動子又は圧電素子の中央部に駆動軸の基端が固定されており、
   駆動軸は基端側部と先端側部を摺動自在に支持部材に支持してあり、振動部材は駆動軸のみに固定してあり且つ支持部材との間に隙間を空けて配置してあり、
   圧電素子にパルス電流を流すことにより、振動部材は、周縁も含めた全体として中央部が駆動軸側に突出する椀型と、中央部が凹む逆の椀型とに交互に変形することを特徴とするリニア駆動装置。
2. 支持部材と駆動軸との間には、駆動軸を摺動自在に保持するホルダが設けてあ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. 請求項１又は２に記載のリニア駆動装置を備え、駆動軸に摩擦接触する移動体は、カメラのフォーカスレンズホルダ及び光学ズームレンズホルダの少なくとも一方であることを特徴とするレンズ駆動装置。
4. 請求項３記載のレンズ駆動装置と、レンズの光軸上に設けた画像センサと備えることを特徴とするカメラ。
5. 請求項４に記載のカメラを搭載したことを特徴とするカメラ付き携帯電話。

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