JP6731026B2 - 圧電式駆動装置、光学部材駆動装置、カメラ装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電式駆動装置、光学部材駆動装置、カメラ装置及び電子機器に関する。

従来の圧電式駆動装置として、例えば特許文献１に示すように、平面状に複数に分割された圧電素子を並べ、それぞれの圧電素子に電圧を印加して駆動するようにしたものが知られている。

特許第４２６１９６４号公報

しかしながら、上記従来の圧電式駆動装置は、Ｘ軸方向の振動モードと、このＸ軸方向とは直交するＹ軸方向の振動モードとを組み合わせて一つの軸方向に被駆動体を駆動させるようにしているので、１方向のみの駆動しかできないという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点を解消し、１方向の振動モードのみで駆動することができ、これを組み合わせることで２方向に駆動することができる圧電式駆動装置、光学部材駆動装置、カメラ装置及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様は圧電式駆動装置であり、この圧電式駆動装置は、被駆動体に摩擦接触する駆動部と、前記駆動部に設けられ、前記駆動部を間に挟んだ平面上に配置され、電圧を印加した場合、前記平面に対して湾曲する２つの圧電部と、を有する。または、この圧電式駆動装置は、被駆動体に摩擦接触する駆動部と、前記駆動部に固定され、前記駆動部の周囲にあって平面上に循環配置され、電圧を印加した場合、前記平面に対して湾曲する４つの圧電部と、を有する。

好適には、前記駆動部は、前記２つの圧電部が並べられた方向に沿って往復傾斜し、往路と復路で傾斜速度が異なる。また、板状の圧電素子と、前記板状の圧電素子の一面に固定された板状の弾性体と、前記一面とは反対側の前記圧電素子の他面に固定された電極とを有し、前記電極が２つ又は４つに分割されている。圧電素子は、電極に対応して分割するようにしてもよい。また、弾性体も圧電素子及び電極に対応して分割することもできる。

また、好適には、前記圧電部にパルス電圧を印加して前記圧電部の駆動を制御する制御手段をさらに有する。この制御手段は、前記圧電部に対するパルス電圧の位相差又はデューティー比を制御する。

ＸＹ２方向に駆動する場合は、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれ２つの圧電部を配置する。ここで、Ｘ方向に前記被駆動体を移動させる場合は、Ｙ方向に並べられた２つの圧電部から構成された２つの組に対して位相差をもってパルス電圧を印加し、Ｙ方向に前記被駆動体を移動させる場合は、Ｘ方向に並べられた２つの圧電部から構成された２つの組に対して位相差をもってパルス電圧を印加する。Ｘ方向又はＹ方向の＋方向と−方向に前記被駆動体の移動を切り換える場合は、前記圧電部に印加するパルス電圧の位相差を切り替えたり、パルス電圧のデューティー比を切り替える。

本発明の他の態様は光学部材駆動装置であり、前記被駆動体を光学部材としたものである。

また、本発明の他の態様は、上記光学部材駆動装置を有するカメラ装置である。

さらに、本発明の他の態様は、上記カメラ装置を有する電子機器である。

本発明によれば、駆動部を間に挟んだ平面上に配置され、電圧を印加した場合、平面に対して湾曲する２つの圧電部を配置したので、駆動部に摩擦接触する被駆動体を１方向の振動モードのみで駆動することができる。また、駆動部の周囲にあって平面上に４つの圧電部を循環配置したので、駆動部に摩擦接触する被駆動体を２方向に駆動することができる。

本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置を示す平面図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置の制御部を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置において、圧電部に電圧を印加する一例を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置において、固有振動数ｆｓに対して０．７倍であり、デューティー比が３０％である矩形波電圧を印加した場合の被駆動体の振動変位を示すグラフである。 本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置の動作例を示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置において、入力Ａに対して入力Ｂが２７０度の位相差があるようにした場合の波形図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置の制御例をまとめた図表である。 本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置において、デューティー比を７０％にした場合の波形図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置において、固有振動数ｆｓに対して０．７倍であり、デューティー比が７０％である矩形波電圧を印加した場合の被駆動体の振動変位を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る圧電式駆動装置を示す平面図である。 本発明の第３実施形態に係る圧電式駆動装置を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係る圧電式駆動装置を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係る圧電式駆動装置を示し、図１３のＡ−Ａ線断面図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係る圧電式駆動装置１０を示す。
圧電式駆動装置１０は、圧電部１４の中央に駆動部１２が配置されている。この駆動部１２は、例えば球形であり、適切な摩擦係数を有し、且つ耐摩耗性がある材料から構成されている。この駆動部１２の上端が後述する被駆動体３２に摩擦接触するようになっている。

また、圧電部１４は板状の圧電素子１６と、板状の圧電素子１６の一面に固定された板状の弾性体２０と、この一面とは反対側の圧電素子１６の他面に固定された電極１８とを有している。電極１８は、図２に示すように、例えば４つの電極１８ａ〜１８ｄに分割されており、圧電部１４も電極１８ａ〜１８ｄに対応して４つの圧電部１４ａ〜１４ｄを有する。電極部１８ａ〜１８ｄ（圧電部１４ａ〜１４ｄ）はそれぞれ正方形に形成され、駆動部１２の周囲にあって平面上に循環配置されている。

圧電素子１６は、例えば圧電セラミック等の材料、電極１８は、例えば銅や銅合金等の材料で構成される。圧電素子１６は圧電材料としているが、電歪効果を有する材料と置き換えても構わない。

図２に示すように、一辺の方向をＸ方向とし、この一辺と直交する他辺の方向をＹ方向とすれば、Ｘ方向に２つの圧電部１４ａと圧電部１４ｄとが並べられた第１組と、Ｘ方向に２つの圧電部１４ｂと圧電部１４ｃとが並べられた第２組とがＹ方向に並べられている。一方、Ｙ方向から見れば、Ｙ方向に２つの圧電部１４ａと圧電部１４ｂとが並べられた第１組と、Ｙ方向に２つの圧電部１４ｃと圧電部１４ｄとが並べられた第２組とがＸ方向に並べられている。ここで、図２は、図１の圧電部１４を紙面上方から見たときの透視図として書かれている。

圧電部１４ａ〜１４ｄの電極１８ａ〜１８ｄにはそれぞれ電圧Ｖ１〜Ｖ４が印加される。電圧Ｖ１〜Ｖ４は矩形波（パルス電圧）として与えられる。圧電素子１６は弾性体２０からアースされている。
なお、図２に示す＋は分極方向を示している。

図３は、圧電部１４ａ〜１４ｄを制御するための制御部２２を示す。
制御部２２は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）で制御しており、駆動周波数生成回路２４、デューティー比設定回路２６、矩形波生成回路２８及び位相差回路３０を有する。

駆動周波数生成回路２４は、例えば周波数に対応した三角波を生成する。また、デューティー比設定回路２６は、駆動周波数生成回路２４で生成された三角波に対する閾値として設定される。矩形波生成回路２８は、駆動周波数生成回路２４で生成された三角波の電圧がデューティー比設定回路２６の閾値よりも高いときに電源電圧を出力することによって矩形波を生成する。

位相差回路３０は、圧電部１４ａ〜１４ｄに対して印加する矩形波に位相差があるように、それぞれの立上り時期と立下り時期とをずらすようにする。

圧電部１４ａ〜１４ｄに電圧Ｖ１〜Ｖ４を印加することによって圧電部１４ａ〜１４ｄが振動し、前述した駆動部１２を介して被駆動体３２を駆動するようになっている。被駆動体３２は、駆動部１２と接する部分については、適切な摩擦係数を有し、耐摩耗性に優れた材料で形成される。

周知のように、圧電部１４ａ〜１４ｄは、駆動周波数とデューティー比を調整することにより鋸波状の振動変位を誘起することができる。
図４は、圧電部１４ａ〜１４ｄに電圧Ｖ１〜Ｖ４を印加する方法の一例を示す。
入力Ａ及び入力Ｂは、駆動周波数ｆｄが圧電部１４ａ〜１４ｄの固有振動数ｆｓに対して０．７倍であり、デューティー比Ｄｕ（ｔ２/ｔ１）が３０％である矩形波電圧である。入力Ｂは、入力Ａに対して９０度の遅れる方向の位相差がある。ここで、入力Ａは、Ｖ１、Ｖ２として圧電部１４ａ，１４ｂに印加する。一方、入力Ｂは、Ｖ３，Ｖ４として圧電部１４ｃ，１４ｄに印加する。

図５は、駆動周波数ｆｄが圧電部１４ａ〜１４ｄの固有振動数ｆｓに対して０．７倍であり、デューティー比（ｔ２/ｔ１）が３０％である矩形波電圧を印加した場合の被駆動体３２の振動変位を示す。図５から理解されるように、振動変位は、鋸波状となり、立上りはゆっくりであり、その後急激に立下がるようになる。

図６は、圧電式駆動装置１０の動作例を示す。
圧電部１４ａ〜１４ｄは、電圧が印加されていない場合は、図６（ａ）に示すように平面状となっている。ここで、圧電部１４ａ，１４ｂに入力Ａ（Ｖ１，Ｖ２）を印加すると、図６（ｂ）に示すように、圧電素子１６が膨張し弾性体２０は変化しないので平面状であった圧電部１４ａ，１４ｂが下方に湾曲する。また、簡単のため、１８０度の位相差をもって圧電部１４ｃ，１４ｄに入力Ｂ（Ｖ３，Ｖ４）が印加されるものとする。圧電素子１６が収縮し弾性体２０は変化しないので同じく平面状であった圧電部１４ｃ，１４ｄが上方に湾曲する。この場合、駆動部１２がゆっくりと＋Ｘ方向に傾斜する。駆動部１２がゆっくりと＋Ｘ方向に傾斜すると、駆動部１２と摩擦接触している被駆動体３２は摩擦力により駆動部１２に追従し、＋Ｘ方向に移動する。

次に、図６（ｃ）に示すように、圧電部１４ａ〜１４ｄがそれぞれ反対側に湾曲し、駆動部１２が逆方向である−Ｘ方向に急激に戻ろうとする。即ち−Ｘ方向に急激に傾こうとする。駆動部１２が急激に戻ると、被駆動体３２は慣性力でその場に留まろうとする。この一連の動作により、被駆動体３２が＋Ｘ方向へわずかに移動する。このような動作を繰り返すことにより被駆動体３２を＋Ｘ方向へ駆動することができる。

被駆動体３２を＋Ｙ方向に駆動する場合は、圧電部１４ａ，１４ｄを一つの組として入力Ａを印加し、圧電部１４ｂ，１４ｃを他の組として入力Ｂを印加すればよい。したがって、Ｘ方向の駆動とＹ方向の駆動を交互に繰り返すことにより、被駆動体３２を斜め方向にも駆動することができる。

また、図４に示すように、入力Ａに対して入力Ｂが９０度の位相遅れがある場合、圧電部１４ａ，１４ｂの動きを圧電部１４ｃ，１４ｄが後から追随するような動きになり、被駆動体３２を＋Ｘ方向に駆動することができる。同様に＋Ｙ方向にも駆動することができる。図７に示すように、入力Ａに対して入力Ｂが２７０度の位相差があるようにした場合は、９０度の場合と比較して被駆動体３２に対する駆動部１２の緩急方向を逆にすることができ、被駆動体３２を−Ｘ方向又は−Ｙ方向に駆動することができる。

以上の動作をまとめると、図８に示すように、電圧Ｖ１〜Ｖ４の印加する圧電部１４ａ〜１４ｄの対象及び位相差を制御することにより被駆動体３２を±Ｘ方向と±Ｙ方向に駆動することができる。
なお、かっこ内は逆方向に駆動する場合の位相差を示している。

上記実施形態においては、＋Ｘ方向又は＋Ｙ方向から−Ｘ方向又は−Ｙ方向に駆動方向を切り替えるのに、位相差により行うようにしたが、これに限定されるものではなく、例えばデューティー比を変えることにより駆動方向を切り替えることができる。即ち、図９（ａ），（ｂ）に示すように、デューティー比を７０％にすると、図１０に示すように、被駆動体３２の振動変位は、立上りが急で、立下りが緩いように緩急を逆転させることができる。このため、被駆動体３２は、デューティー比が３０％の場合と比較して逆方向に駆動されるようになる。

上記実施形態の圧電式駆動装置１０は、被駆動体に摩擦接触する駆動部１２と、駆動部１２に固定され、駆動部１２の周囲にあって平面上に循環配置され、電圧を印加した場合、平面に対して湾曲する４つの圧電部１４ａ〜１４ｄと、を有するものとして取り扱ってきた。しかし、例えば、圧電部１４ａと１４ｂを一つの圧電部、圧電部１４ｃと１４ｄを他の一つの圧電部と考えることもできる。すると、この圧電式駆動装置１０は、被駆動体に摩擦接触する駆動部１２と、駆動部１２に固定され、駆動部１２を間に挟んだ平面上に配置され、電圧を印加した場合、前記平面に対して湾曲する２つの圧電部と、を有するとも考えることができる。

図１１は、本発明の圧電式駆動装置１０に係る第２実施形態を示す。
この実施形態においては、圧電式駆動装置１０は、円板状に形成され、電極１８を電極１８ａ〜１８ｈの８つに分割することによって８つの圧電部１４ａ〜１４ｈを備えている。この実施形態においては、対向する電極、例えば電極１８ａと電極１８ｅに位相差のあるパルス電圧を印加するようにしてもよいし、電極１８ａ〜１４ｄと電極１８ｅ〜１８ｈに位相差のあるパルス電圧を印加するようにしてもよい。この実施形態によれば、前述した実施形態と比較して、被駆動体を駆動する方向に対してより自由度を持たせることができる。

図１２は、本発明の圧電式駆動装置１０に係る第３実施形態を示す。
この第３実施形態は、前述した第１実施形態と比較して、圧電素子１６を分割した点が異なる。即ち、圧電素子１６は、電極１８の各電極部１８ａ〜１８ｄに対応して4つの圧電素子部１６ａ〜１６ｄに分割されている。圧電素子部１６ａ〜１６ｄは、電極部１８ａ〜１８ｄの外形よりもやや大きい。圧電素子部１６ａ〜１６ｄの間は接触するようにしてもよいが、好ましくは数十μm程度離れているようにする。このように、圧電素子１６を分割することにより圧電素子部１６ａ〜１６ｄ間の干渉が弾性体２０を除いて無いので、圧電素子１６を自由に動かすことができる。
なお、弾性体２０は、図１２に示すように、圧電素子１６よりも大きくしても構わない。

図１３及び図１４は、本発明の圧電式駆動装置１０に係る第４実施形態を示す。
この第４実施形態は、前述した第３実施形態と比較して、さらに弾性体２０も分割した点が異なる。即ち、弾性体２０は、圧電素子１６の各圧電素子部１６ａ〜１６ｄ及び電極１８の各電極部１８ａ〜１８ｄに対応して4つの弾性体部２０ａ〜２０ｄに分割されている。この４つに分割された弾性体部２０ａ〜２０ｄは、中心に設けられた駆動部１２により連結されている。駆動部１２は、弾性体部２０ａ〜２０ｄと一体に形成され、半球状に突出している。この駆動部１２の先端が前述した被駆動体３２に当接する。この第４の実施形態は、第３実施形態と比較して、さらに圧電素子部１６ａ〜１６ｄ間の干渉を少なくすることができる。

このように、駆動部１２を間に挟んだ平面上に配置され、電圧を印加した場合、平面に対して湾曲する２つの圧電部１４ａ（１４ｂ）と圧電部１４ｃ（１４ｄ）を配置したので、駆動部１２に摩擦接触する被駆動体３２を１方向の振動モードのみで駆動することができる。また、駆動部１２の周囲にあって平面上に４つの圧電部１４ａ〜１４ｄを循環配置したので、駆動部１２に摩擦接触する被駆動体３２を２方向に駆動することができる。なお、上記実施形態における被駆動体３２は、光学部材であってもよい。例えばレンズ体や画像センサをＸＹ方向に駆動し、手振れ補正させるようにした光学部材駆動装置として構成することができる。光学部材駆動装置を搭載したカメラ装置、さらにはカメラ装置を有する携帯電話やスマートフォン等の電子機器として構成してもよい。

１０ 圧電式駆動装置
１２ 駆動部
１４、１４ａ〜１４ｈ 圧電部
１６ 圧電素子
１６ａ〜１６ｄ 圧電素子部
１８ 電極
１８ａ〜１８ｄ 電極部
２０ 弾性体
２０ａ〜２０ｄ 弾性体部
２２ 制御部
２４ 駆動周波数生成回路
２６ デューティー比設定回路
２８ 矩形波生成回路
３０ 位相差回路
３２ 被駆動体

Claims (16)

1. 被駆動体に摩擦接触する駆動部と、
   前記駆動部に設けられ、前記駆動部を間に挟んだ平面上に配置され、電圧を印加した場合、前記平面に対して湾曲する２つの圧電部と、
   を有し、
   ２つの前記圧電部の前記湾曲は、立上り時間と立下り時間が異なる鋸歯状の振動変位が所定の位相差をもって誘起され、
   前記駆動部は、前記２つの圧電部が並べられた方向に沿って前記被駆動体に常に接触して往復傾斜し、往路と復路で傾斜速度が異なる
   圧電式駆動装置。
2. 被駆動体に摩擦接触する駆動部と、
   前記駆動部に固定され、前記駆動部の周囲にあって平面上に循環配置され、電圧を印加した場合、前記平面に対して湾曲する４つの圧電部と、
   を有し、
   隣り合う２つの前記圧電部の前記湾曲は、立上り時間と立下り時間が異なる鋸歯状の振動変位が所定の位相差をもって誘起され、
   前記駆動部は、前記２つの圧電部が並べられた方向に沿って前記被駆動体に常に接触して往復傾斜し、往路と復路で傾斜速度が異なる
   圧電式駆動装置。
3. 前記圧電部は、板状の圧電素子と、前記板状の圧電素子の一面に固定された板状の弾性体と、前記一面とは反対側の前記圧電素子の他面に固定された電極とを有し、前記電極が２つ又は４つに分割されている請求項１又は２記載の圧電式駆動装置。
4. 前記圧電素子は、前記電極に対応して分割されている請求項３記載の圧電式駆動装置。
5. 前記弾性体は、前記電極及び前記圧電素子に対応して分割された弾性体部を有し、前記弾性体部が前記駆動部を介して接続されている請求項４記載の圧電式駆動装置。
6. 一方向であるＸ方向とこのＸ方向とは直交するＹ方向にそれぞれ２つの圧電部を並べている請求項２記載の圧電式駆動装置。
7. 前記圧電部にパルス電圧を印加して前記圧電部の駆動を制御する制御手段をさらに有する請求項１又は２記載の圧電式駆動装置。
8. 前記制御手段は、前記圧電部に対するパルス電圧の位相差を制御する請求項７記載の圧電式駆動装置。
9. 前記制御手段は、前記圧電部に対するパルス電圧のデューティー比を制御する請求項７又は８記載の圧電式駆動装置。
10. 前記制御手段は、固有振動数に対して予め定められた関係になるように前記圧電部に対するパルス電圧の周波数を制御する請求項７から９いずれかに記載の圧電式駆動装置。
11. Ｘ方向に前記被駆動体を移動させる場合は、Ｙ方向に並べられた２つの圧電部から構成された２つの組に対して位相差をもってパルス電圧を印加し、Ｙ方向に前記被駆動体を移動させる場合は、Ｘ方向に並べられた２つの圧電部から構成された２つの組に対して位相差をもってパルス電圧を印加する請求項６記載の圧電式駆動装置。
12. Ｘ方向又はＹ方向の＋方向と−方向に前記被駆動体の移動を切り換える場合は、前記圧電部に印加するパルス電圧の位相差を切り替える請求項１１記載の圧電式駆動装置。
13. Ｘ方向又はＹ方向の＋方向と−方向に前記被駆動体の移動を切り換える場合は、前記圧電部に印加するパルス電圧のデューティー比を切り替える請求項１１記載の圧電式駆動装置。
14. 前記被駆動体は光学部材であり、請求項１から１３いずれか記載の圧電式駆動装置を備えた光学部材駆動装置。
15. 請求項１４記載の光学部材駆動装置を備えたカメラ装置。
16. 請求項１５記載のカメラ装置を備えた電子機器。

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