KR101659630B1 - 리니어 구동장치 - Google Patents

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KR101659630B1
KR101659630B1 KR1020100101655A KR20100101655A KR101659630B1 KR 101659630 B1 KR101659630 B1 KR 101659630B1 KR 1020100101655 A KR1020100101655 A KR 1020100101655A KR 20100101655 A KR20100101655 A KR 20100101655A KR 101659630 B1 KR101659630 B1 KR 101659630B1
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lens holder
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마나부 시라키
주니치 타다
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신시코 카기 가부시키가이샤
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Abstract

진동 부재(17)의 진동에 의해 구동축(21)이 그 축선방향으로 진동함으로써, 구동축(21)에 마찰 계합한 이동체(3)가 구동축(21)의 축선방향을 따라 접동하는 리니어 구동장치(7)에 있어서, 진동 부재(21)은, 통전(通電)에 의해 신축하는 압전 소자(23)과 탄성을 가진 금속판제의 진동자(19)를 가지며, 진동자(19)는 압전 소자(23)에 판면을 겹쳐 고정되어 있고, 구동축(21)은 이동체 (3)이 접동하는 동체부(25)와, 진동자(19)에 고정하는 기단부(26)을 가지며, 기단부(26)의 기단면(24)은 진동자(19)에 맞닿아 고정되어 있어, 기단면(24)의 면적은 동체부(25)의 단면적보다 작게 되어 있다.

Description

리니어 구동장치{Linear Driving Device}
본 발명은 이동체를 직선 이동시키는 리니어 구동장치에 관한 것이다.
특허 문헌 1에는 압전(壓電) 소자에 탄성을 가진 금속제의 진동자(振動子)를 겹쳐 고정한 진동부재(振動部材)에 구동축의 기단(基端)을 고정하고, 구동축을 그 축선방향으로 진동시킴으로써, 구동축에 마찰 접촉한 이동체를 직선 이동시키는 리니어 구동장치가 개시되어 있다. 또한, 이런 종류의 종래의 리니어 구동장치에서는, 일반적으로, 도4에 나온 바와 같이, 원주형상의 구동축(51)의 단면(端面)을 압전 소자(53)에 겹친 판상(板狀)의 진동자(55)의 면의 중앙에 고정하고 있다.
근년, 이런 종류의 리니어 구동장치에 있어서는, 구동 전력의 크기나 압전 소자의 특성을 바꾸는 일이 없이 소정의 구동 토르크를 얻으면서 장치의 소형화가 요구되고 있다.
이러한 요구에 대해서 발명자들은, 연구 및 실험의 결과, 압전 소자와 진동자로 된 진동 부재에 있어서, 구동축에 마찰 계합(係合)하는 이동체에 작용하는 토르크는, 주로 구동축의 질량과 압전 소자의 신축을 받아 탄성변형하는 진동자의 변형에 의존하는 것을 해명했다.
즉, 구동축의 진동에 의해 이동체에 작용하는 토르크 F는, 일반적으로 F=ma의 식에 의해서 구할 수 있다. 여기서, m은 질량이고, a는 가속도이다.
따라서, 구동축의 질량을 m로 했을 경우에, 가속도 a는 진동자가 탄성변형할 때의 가속도가 되기 때문에, 구동축의 질량 m을 거의 바꾸지 않는 한편, 진동자에서는 소정의 가속도(탄성변형) a를 얻으면서 진동 부재를 작게 하는 것을 과제로 해서 연구해 왔다.
특허 문헌 1 : 일본국 특개 2008-259345호 공보
본 발명은, 구동 전력의 크기나 압전 소자의 특성을 바꾸는 일이 없이 소정의 구동 토르크를 얻으면서 장치의 소형화를 도모할 수 있는 리니어 구동장치의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은, 통전(通電)에 의해 신축하는 압전 소자와 탄성을 가진 금속판제의 진동자를 가지며, 진동자는 압전 소자에 판면(板面)을 겹쳐 고정되어 있는 진동 부재와, 이 진동 부재에 기단((基端)을 고정해 두고, 진동 부재의 진동에 의해 축선방향으로 진동하는 구동축을 구비하고, 구동축에 마찰 계합(係合)한 이동체가 구동축의 축선방향을 따라서 접동(摺動; sliding)하는 리니어 구동장치에 있어서, 진동 부재는, 구동축은 이동체가 접동하는 동체부(胴體部)와, 진동자에 고정하는 기단부를 가지며, 기단부의 기단면을 진동자에 맞닿아 고정되어 있고, 기단면의 면적이 동체부의 단면적보다 작게 되어 있는 것을 특징으로 한다.
발명자들은, 진동자의 진동면에 구동축의 단면을 맞닿아 고정할 경우에, 진동자에 있어서는 구동축이 진동자에 맞닿아 고정하는 부분은 진동자의 변형(진동)에 기여하지 않고, 구동축이 맞닿아 고정되어 있지 않는 영역이 진동에 기여하는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명에 의하면, 구동축이 진동자에 맞닿아 고정하는 면적을 종래보다 작게하고 있기 때문에, 그 만큼 진동자의 변형(진동)에 기여하는 진동자의 면적을 크게 할 수 있으므로, 진동자 전체의 면적을 작게 해도 소정의 진동을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 진동자가 변형에 공헌하는 면적의 비율이 종래보다 크게 잡히므로, 소정의 진동을 얻으면서 진동자의 면적을 작게 할 수 있다. 또한, 구동축은 기단부만을 그 단면적이 작아지도록 하면 되므로, 구동축의 질량에는 거의 영향이 없고, 이동체에 작용하는 토르크에 거의 영향을 주지 않고 진동 부재를 작게 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 구동축은 진동자에 접착제로 고정되어 있고, 구동축의 기단부와 진동자와의 사이에 접착제를 충전해 있는 것이 바람직하다. 구동축의 기단부와 진동자와의 사이를 접착제로 고정했을 경우, 접착 부분이 진동자의 변형에 악영향을 주지만, 도 1(a)에 나온 바와 같이, 구동축에 대하여 접착제가 밀려 나오는 부분을, 도 4에 나온 바와 같이 종래보다 줄일 수 있기 때문에 접착제에 의한 진동자의 변형에 미치는 악영향을 줄일 수 있다. 접착제는 구동축의 지름이 가늘게 되어 있는 경사면과 접착하기 때문에, 구동축과의 접착 면적이 종래보다 많이 잡히므로 강고한 접착을 도모할 수 있다.
본 발명에 있어서, 이동체는 렌즈를 유지하는 렌즈 지지체이며, 진동 부재의 진동에 의해 렌즈 지지체를 렌즈의 광축 방향으로 이동하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의한 리니어 구동장치를 카메라의 렌즈 구동장치로서 이용할 수 있어, 카메라의 소형화를 도모할 수 있다.
도 1은 발명의 실시의 형태와 관련되는 리니어 구동장치의 개략적 구성을 나타내는 도면으로서, (a)는 종단면도이고, (b)는 구동축의 선단(先端)쪽에서 본 평면도.
도 2는본 실시의 형태와 관련되는 카메라의 구성을 나타내는 종단면도.
도 3은 도 2에 나타내는 A―A단면도.
도 4는종래의 리니어 구동장치의 개략적 구성을 나타내는 종단면도.
이하에, 첨부 도면의 도 1 내지 도 3을 참조해서 본 발명의 실시의 형태를 설명한다. 본 실시의 형태와 관련되는 리니어 구동장치는, 휴대 전화에 조립되는 광학 줌 오토포커스 카메라(1)의 렌즈를 구동하는 리니어 구동장치(7)이다.
본 실시의 형태와 관련한 카메라(1)는, 도 2에 나타낸바와 같이, 케이스(2)내에, 줌 렌즈 홀더(이동체)(3), 포커스 렌즈 홀더(5)(이동체)와 줌 렌즈 홀더(3)을 구동하는 줌 렌즈 홀더 구동수단(리니어 구동장치)(7)과, 포커스 렌즈 홀더(5)를 구동하는 포커스 렌즈 홀더 구동수단(리니어 구동장치)(9)와, 화상 센서(11)이 설치되어 있는 기판(4)를 갖추고 있다. 또한, 도 3에 나타낸바와 같이, 케이스(2)내에는, 줌 렌즈 홀더(3)의 위치를 검지하는 줌 렌즈 위치 검출수단(43)과, 포커스 렌즈 홀더(5)의 위치를 검지하는 포커스 렌즈 위치검출수단(45)가 설치되어 있다.
줌 렌즈 홀더(3)은 광학 줌 렌즈(14)를 유지하고 있고, 포커스 렌즈 홀더(5)는 포커스 렌즈(16)을 유지하고 있어, 광학 줌 렌즈(14)와 포커스 렌즈(16)는 광축(0)을 동일하게 되어 있으며, 광축(0)상의 결상(結像)위치에 화상 센서(11)이 설치되어 있다. 또한, 케이스(2)에는 피사체쪽 렌즈(18)와 결상쪽 렌즈(20)가 줌 렌즈(14)와 포커스 렌즈(16)와 광축(0)을 일치해서 설치되어 있다. 그리고 본 실시의 형태에서는 피사체쪽은 광학 줌의 망원쪽이며, 결상쪽은 광학 줌의 확대쪽이다.
줌 렌즈 구동수단(리니어 구동장치)(7)과 포커스 렌즈 구동수단(리니어 구동장치)(9)는 거의 동일한 구성이기 때문에, 줌 렌즈 구동수단(7)을 설명함에 있어서 포커스 렌즈 구동수단(9)에는 동일한 작용 효과를 나타내는 부분에는 동일한 부호를 붙임으로써 그 부분의 설명을 생략한다.
줌 렌즈 구동수단(7)은, 케이스(2)의 바닥(2a)에 배치한 진동 부재(17)과, 광축방향으로 배치한 구동축(21)(22)으로 구성되어 있고, 구동축(21)(22)의 기단(基端)은 진동 부재(17)에 고정되어 있다.
진동 부재(17)은, 도1에 나타낸바와 같이, 압전 소자(23)와, 압전 소자(23)의 피사체쪽(구동축쪽) 면에 접착 고정된 진동자(19)로 구성되어 있다.
압전 소자(23)은 평면시(平面視) 직사각형이며, 압전 소자(23)에는 전원 제어부(27)의 단자가 접속되어 있다. 압전 소자의 두께는 약 0.25mm이다.
진동자(19)는 압전 소자(23)보다 면적이 큰 평면시 직사각형[도1(b) 참조]이고, 압전 소자(23)에 겹쳐서 접착 고정되어 있다. 진동자(19)는 탄성을 가진 금속제 판이며, 본 실시의 형태에서는 전체에 걸쳐 거의 균일한 두께(약 0.25 mm)로 형성된 동판(銅版)이다. 이 진동자(19)에는 전원 제어부(27)의 단자가 접속되어 있다.
도 1(a)에 나타낸바와 같이, 진동자(19)에는, 그 내주(內周)쪽의 거의 중앙부에 구동축(21)의 기단부(26)가 접착 고정되어 있고, 구동축(21)의 기단면(24)은 진동자(19)에 맞닿아 고정되어 있다.
구동축(21)은 카본제이며, 축선방향으로 긴 원주 형상을 이루고, 줌 렌즈 홀더(이동체)(3)이 접동(摺動)하는 동체부(胴體部)(25)와 진동자(19)에 고정되는 기단부(26)를 가지며, 기단부(26)은 기단만큼 가늘어지도록 테이퍼(taper)를 형성하여 점차 지름을 작게하고 있다.
구동축(21)의 기단면(24)의 면적(A1)은 동체부(25)에 있어서의 단면적(A2)보다 작게 되어 있어, 본 실시의 형태에서는 거의 절반으로 하고 있다.
구동축(21)의 기단부(26)에는 진동자(19)와의 사이에 접착제(28)을 충전하고, 구동축(21)을 진동자(19)에 접착 고정하고 있다.
도 2에 나타낸바와 같이, 구동축(21)의 선단부는 케이스(2)에 고정한 유지구(41a)에 삽통(揷通)되어 케이스(2)에 유지되고 있고, 진동 부재(17)도 유지구(41b)에 의해 케이스(2)에 유지되어 있다.
줌 렌즈 홀더(3)의 한 쪽 끝부분에는 구동축(21)의 동체부(25)[도1(a) 참조]와 압접(壓接)하는 수지제 또는 금속제의 압접부(51)이 구성되어 있고, 압접부(51)은, 도3에 나타낸바와 같이, 구동축(21)을 둘러싸는 한 쪽에 개구부(53)가 형성되어 있으며, 개구부(53)은 나사(55)에 의해 개구부(53)의 틈새를 조정하고, 압접부(51)와 구동축(21)과의 사이의 마찰(압접력)을 자유롭게 조정하고 있다. 더욱이, 나사(55)를 구성하지 말고, 압접부(51)의 탄성을 이용해서 미리 설정된 마찰을 부여하는 것이어도 좋고, 나사를 구동축(21)에 맞닿도록 하여 압접하는 것이어도 좋다.
압접부(51)의 내주면은 횡단면이 다각형인데, 본 실시의 형태에서는 사각형의 구멍으로 되어 있고, 횡단면이 원형의 구동축(21)과 내주면에서 점(点) 접촉하고 있다. 이와 같이, 점 접촉함으로써, 구동축(21)과 줌 렌즈 홀더(3)의 압접부(51)와의 사이의 마찰에 의해 생기는 가루나 티끌 등을 비접촉 개소에 넣을 수 있으므로, 구동의 신뢰성을 높게 할 수 있다.
줌 렌즈 홀더(3)의 타단부(他端部)는, 포커스 렌즈 홀더(5)의 구동축(22)와의 계합부(係合部)(33)이 형성되어 있고, 이 계합부(33)은 포커스 렌즈 홀더의 구동축(22)에 계합해서 지지되고 있으며, 줌 렌즈 홀더(3)의 이동을 안내하고 있다. 계합부(33)는 횡단면이 거의 U자형이며, U자내에 포커스 렌즈 홀더(5)의 구동축(22)가 삽통되어 있다.
포커스 렌즈 홀더(5)의 구성은 줌 렌즈 홀더(3)와 같은 구성이며, 포커스 렌즈 홀더(5)의 구동축(22)는 줌 렌즈 홀더(3)의 구동축(21)과 마찬가지로 기단을 진동 부재(17)에 설치되어 있다.
여기서, 도3을 참조하여, 줌 렌즈 홀더(3)의 위치를 검지하는 줌 렌즈 위치검출 수단(43)과, 광학 포커스 렌즈 홀더(5)의 위치를 검지하는 포커스 렌즈 위치검출 수단(45)에 대해서 설명한다. 줌 렌즈 위치검출 수단(43)과 포커스 렌즈 위치검출기(45)는 같은 구성이며, 각각 렌즈의 광축(0) 방향을 따라 다른 자극(磁極)(S극과 N극)을 교대로 배치한 자극 부재(部材 )(57)과 자계 강도를 검지하는 MR센서(59)로 구성되어 있다. MR센서(59)는 각 홀더(3,5)에 고정되어 있고, 각 홀더(3,5)와 함께 이동하여, 각 홀더의 기준위치(또는 초기위치)로부터의 이동량 및 이동방향을 검지할 수 있게 되어 있다. 각 MR센서(59)의 위치정보 신호는 플렉시블 배선판(60)에 의해 위치 제어부에 보내지게 되어 있다.
다음에, 제1 실시의 형태의 작용 및 효과에 대해 설명한다. 본 실시의 형태에서는, 줌 렌즈 홀더(3)을 이동시켜 광학 줌으로 배율을 바꾸고, 포커스 렌즈 홀더(5)를 이동시켜 촛점거리를 맞추는 것이다.
줌 렌즈 홀더(3)을 망원쪽(피사체쪽)으로 이동시킬 경우에는, 진동 부재(17)의 압전 소자(23)에 소정 펄스의 전류를 공급하고, 압전 소자(23)의 신축을 진동자(19)에 의해 증폭시켜 진동시킨다. 압전 소자(23)에 펄스 전류가 공급되면, 압전소자(23)은 앞쪽으로 돌설하도록 해서 변형하고, 구동축(21)은 앞쪽을 향하여 변형하며, 줌 렌즈 홀더(3)은 압접부(51)에서 구동축(21)과의 마찰력이 있기 때문에, 앞쪽으로 이동한다. 다음에, 압전 소자(23)이 줄어들면 진동자(19)가 탄성변형한 반력(反力)에 의해 급격하게 원래의 위치로 돌아오려고 하지만 관성력에 의해 凹홈 형상으로 변형해서 급격하게 후방으로 이동한다. 이와 같은 진동자(19)의 변형 동작을 반복함으로써, 줌 렌즈 홀더(3)은 구동축(21)을 따라서 전진한다.
여기서, 진동자(19)의 변형에 대해 설명한다. 도1에 나타낸바와 같이, 구동축(21)의 기단면(24)가 맞닿아 있는 부분은 진동자(19)의 변형에 기여하지 않게 되지만, 본 실시의 형태에서는 구동축(21)의 기단부(26)을 동체부(25)보다 가늘게 하고, 기단 (24)의 면적을 동체부(25)의 단면적보다 작게 하고 있으므로, 진동자(19)의 둘레 가장자리로부터 구동축(21)의 맞닿는 면까지의 거리(M)를 크게 취할 수 있다. 즉, 본 실시의 형태에 의하면, 진동자(19)의 진동(변형)에 기여하는 면적(M)의 비율을, 도 4에 나타낸 기단부(26)을 가늘게 하지 않고 있었던 종래와 비교하여 크게 취할 수 있기 때문에, 종래와 같은 변형량(진동)을 얻는 경우에도 진동자(19)의 면적을 작게 할 수 있다. 따라서, 구동 전력의 크기나 압전 소자의 특성을 바꾸는 일이 없이 소정의 구동 토르크를 얻으면서 리니어 구동장치(7)의 소형화를 도모할 수 있다.
또한, 구동축(21)은 기단부(26)을 동체부(25)보다 가늘어지도록 하면 좋기 때문에
, 구동축(21)의 질량에는 거의 영향이 없고 줌 렌즈 홀더(이동체)(3)에 작용하는 토르크에 거의 영향을 주는 일이 없이 진동 부재(17)의 면적을 작게 할 수 있다. 기단부(26)을 동체부(25)보다 가늘게 한 구동축(21)은 특수한 가공의 필요없이
형성형(型成形)이나 절삭에 의해 용이하게 제조할 수 있다.
본 실시의 형태에서는, 구동축(21)의 기단면(24)의 면적을 동체부(25)의 단면적의 약 절반으로 하고 있지만, 이 경우에 있어서, 종래(도4 참조) 한 변이 약 3.9 mm인 직사각형의 진동자를 한 변이 2.5 mm인 직사각형의 진동자(19)(면적비로 약 40%감소)로 하더라도, 줌 렌즈 홀더(이동체)(3)에 같은 토르크를 작용시킬 수 있었다. 실험 결과, 구동축(21)에 있어서, 진동자(19)에 맞닿는 기단면(24)의 면적은, 동체부(25)의 단면적과 비교해서 1/3∼3/4이 바람직하다. 1/3보다 작아지면 고정강도가 저하하고, 3/4보다 커지면 진동자의 변형 면적비의 증가를 얻기 어렵기 때문이다.
구동축(21)의 기단부(26)와 진동자(19)와의 사이는 접착제(28)로써 고정하고 있으며, 접착부분에서는 진동자(19)의 변형에 악영향을 주지만, 도 1(a)에 나타낸바와 같이, 구동축(21)에 대한 접착제(28)의 밀려 나오는 부분(N)의 면적은, 도 4에 나타낸 종래와 비교해서 작게할 수 있기 때문에 접착제(28)에 의한 진동자(19)의 변형에 미치는 악영향을 적게 할 수 있다.
또한, 접착제(28)은 구동축(21)의 지름이 가늘게 되어 있는 경사면29)과 접착하기 때문에, 구동축(21)과의 접착 면적이 종래보다 많이 잡히므로 강고한 접착을 도모할 수 있다.
더욱이, 진동 부재(17)에 공급하는 전류는 전압(V)이 수십 V이고, 주파수(H)가 수십 KHz이어서 부드러운 이동을 도모할 수 있었다.
줌 렌즈 홀더(3)을 확대쪽(결상쪽)으로 이동시킬 경우에는, 진동 부재(17)의 압전 소자(23)에 반대 방향의 펄스의 전류를 공급하면 진동자(19)에 의한 진동의 증폭을 수반해서 진동하고, 줌 렌즈 홀더(3)은 후퇴한다.
또한, 포커스 렌즈 홀더(5)의 구동도 줌 렌즈 홀더(3)과 마찬가지로 진동부재(17)에 소정 펄스의 전류를 공급함으로써, 포커스 렌즈 홀더(5)를 그 구동축(22)을 따라서 전진 또는 후퇴시킬 수 있다.
본 발명은, 위에서 설명한 실시의 형태에 한정하지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능하다.
예를 들면, 압전 소자(23) 및 진동자(19)는, 평면시 4각형 모양에 한정하지 않고, 평면시 원형이나 6각형 등의 다각형으로 해도 좋고, 형상은 한정되지 않는다.
구동축(21)의 양단에 진동 부재(17)을 구성하고, 각 진동 부재(17)의 진동자(19)를 동기(同期)시켜 진동(변형)하도록 해도 좋다. 이 경우에는, 줌 렌즈 홀더 (이동체)(3)이나 포커스 렌즈 홀더(이동체)(5)에 작용하는 토르크를 약 2배로 할 수 있다.

Claims (5)

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  4. 통전(通電)에 의해 신축하는 압전 소자와 탄성을 가진 금속판제의 진동자를 가지고, 진동자는 압전 소자에 판면을 겹쳐 고정되어 있는 진동 부재와；
    진동 부재에 기단(基端)이 고정되어 있고, 진동 부재의 진동에 의해 축선방향으로 진동하는 구동축을 구비하고, 구동축에 마찰 계합한 이동체가 구동축의 축선방향을 따라서 접동(摺動)하는 리니어 구동장치에 있어서,
    구동축은 진동자에 접착제로 고정되어 있고, 구동축의 기단부와 진동자와의 사이에 접착제를 충전해 있는 것을 특징으로 하는 리니어 구동장치.
  5. 통전(通電)에 의해 신축하는 압전 소자와 탄성을 가진 금속판제의 진동자를 가지고, 진동자는 압전 소자에 판면을 겹쳐 고정되어 있는 진동 부재와；
    진동 부재에 기단(基端)이 고정되어 있고, 진동 부재의 진동에 의해 축선방향으로 진동하는 구동축을 구비하고, 구동축에 마찰 계합한 이동체가 구동축의 축선방향을 따라서 접동(摺動)하는 리니어 구동장치에 있어서,
    이동체는 렌즈를 유지하기 위한 렌즈 지지체이고, 진동 부재의 진동에 의해 렌즈 지지체를 렌즈의 광축 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 리니어 구동장치.

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