TWI410743B - Drive device drive method - Google Patents

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TWI410743B
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本間俊彥
鈴木孝廣
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Description

驅動裝置的驅動方法
本發明涉及驅動裝置的驅動方法，尤其涉及使用了壓電元件等機電式變換元件的驅動裝置的驅動方法。
一直以來，作為照相機的自動調焦用驅動器或變焦距用驅動器，使用的是(驅動裝置)線性驅動器，該線性驅動器使用了壓電元件、電致伸縮元件及磁致伸縮元件等機電式變換元件。
日本特許第3218851號公報(專利文獻1)公開了使用抑制壓電元件等機電式變換元件所發生的阻尼振動並能高速驅動的機電式變換元件的驅動裝置的驅動方法。專利文獻1所公開的驅動裝置具備：壓電元件等機電式變換元件；與該變換元件結合並與變換元件一起位移的驅動部件(振動軸)；以及，與該驅動部件摩擦結合的被驅動部件(可變焦距物鏡鏡筒)。該專利文獻1研究了對壓電元件(機電式變換元件)施加的驅動信號並驅動被驅動部件(可變焦距物鏡鏡筒)。
對專利文獻1所公開的驅動裝置的驅動方法進行詳細敍述。若在壓電元件中交替地流過正方向大電流和規定的負方向一定電流，則壓電元件將交替地產生與正方向大電流對應的急劇的伸長位移和與負方向一定電流對應的緩慢的縮短位移。就壓電元件的急劇的伸長位移引起的驅動軸的移動而言，與驅動軸摩擦結合的被驅動部件克服摩擦力而停留在其實際位置上未移動，壓電元件的緩慢的縮短位移引起的驅動軸的移動，實際上使與驅動軸摩擦結合的被驅動部件移動。通過在壓電元件中交替地流過正方向大電流和規定的負方向一定電流而交替地產生的伸長位移和縮短位移使被驅動部件連續地移動。由於控制供給壓電元件的電流，因此抑制壓電元件所發生的阻尼振動，能夠以更高的速度驅動被驅動部件。
另外，日本特開2006-304529號公報(專利文獻2)公開了以下裝置，即通過用含有碳纖維的液晶聚合物形成可動元件，從而與用金屬材料形成的情況相比較，實現低成本和輕量化的同時，使用了不降低移動速度和驅動力且高彎曲彈性係數的可動元件的高性能的驅動裝置。專利文獻2所公開的驅動裝置具備：通過施加電壓而使其伸縮的壓電元件(機電式變換元件)；固定在壓電元件的伸縮方向一端的驅動軸(振動摩擦部)；可滑動地與驅動軸摩擦配合的可動元件(移動部件)；以及連接並固定在壓電元件的伸縮方向另一端的平衡塊(靜止部件、錘)。通過使壓電元件的伸長和縮短的速度或加速度不同而使驅動軸振動，從而使可動元件(移動部件)沿著驅動軸(振動摩擦部)移動。
對專利文獻2所公開的驅動裝置的驅動方法(動作)進行說明。通過電壓施加裝置對壓電元件(機電式變換元件)施加具有緩慢的上升邊和急劇的下降邊的鋸齒狀波形的驅動脈衝。在驅動脈衝的緩慢的上升邊，壓電元件緩慢地沿其厚度方向伸長位移，固定在壓電元件上的驅動軸隨之沿軸向緩慢地位移。此時與驅動軸摩擦結合的可動元件利用摩擦力與驅動軸一起移動。另一方面，在驅動脈衝的急劇的下降邊，壓電元件急劇地沿厚度方向縮短位移，固定在壓電元件上的驅動軸也隨之急劇地沿著軸向位移。此時，與驅動軸摩擦結合的可動元件利用慣性力克服與驅動軸的摩擦結合力而實際上停留在其位置不移動。通過對壓電元件連續地施加鋸齒狀波形的驅動脈衝，能夠使可動元件沿著驅動軸向離開壓電元件的方向移動。與此相對，要想使可動元件向相反方向(即、接近壓電元件的方向)移動，只要將對壓電元件施加的鋸齒狀的驅動脈衝的波形變更為由急劇的上升邊和緩慢的下降邊構成，便能夠通過與上述相反的作用來實現。還有，驅動脈衝也能使用矩形波或其他波形。
再有，日本特許第3141714號公報(專利文獻3)公開了一種能夠以高速穩定地驅動移動部件的驅動裝置。專利文獻3所公開的驅動裝置具備：靜止部件；將其伸縮方向的一端固定在該靜止部件上的機電式變換元件；與該機電式變換元件的伸縮方向的另一端結合且以能夠向機電式變換元件的伸縮方向移動的方式支撐的驅動部件(振動摩擦部)；與該驅動部件摩擦結合且以能夠向機電式變換元件的伸縮方向移動的方式支撐的移動部件；以及在驅動部件(振動摩擦部)和移動部件之間產生摩擦力的摩擦力給與機構。該摩擦力給與機構由固定在移動部件上並產生推壓力的彈性部件和將利用彈性部件產生的推壓力傳遞給驅動部件的夾入部件構成。而且，將移動部件和驅動部件的接觸部以及夾入部件的接觸部做成剖面為V字狀。
專利文獻3所公開的驅動裝置利用上述專利文獻2所公開的驅動裝置的驅動方法驅動。
日本特開2002-119074號公報(專利文獻4)公開了使用了機電式變換元件的驅動裝置。專利文獻4所公開的驅動裝置具備：一端固定在支撐座(靜止部件)上的機電式變換元件；固定在該機電式變換元件的另一端的振動部件(振動摩擦部)；以及相對該振動部件以規定的摩擦力進行配合的移動體(移動部件)。作為振動部件(振動摩擦部)，使用了碳棒。
專利文獻4所公開的驅動裝置也利用上述專利文獻2所公開的驅動裝置的驅動方法驅動。
另外，日本特開2006-141133號公報(專利文獻5)公開了總長較短的驅動裝置。專利文獻5所公開的驅動裝置具備：一端固定在固定體(錘、靜止部件)上的機電式變換元件；固定在該機電式變換元件的另一端的驅動摩擦部件(振動摩擦部)；以及與該振動摩擦部摩擦配合的移動體(移動部件)。作為驅動摩擦部件的材料，使用了陶瓷材料、聚苯硫醚樹脂(PPS樹脂)或液晶聚合物(LCP樹脂)等工程塑料、碳強化樹脂以及玻璃纖維強化樹脂等。
專利文獻5所公開的驅動裝置也通利用上述專利文獻2所公開的驅動裝置的驅動方法驅動。
日本特開2007-226234號公報(專利文獻6)公開了以下透鏡移送裝置。即通過將結構簡化而能夠實現超小型化，即使是低輸入功率也能夠得到大的位移，移送的分辨率優良而且能使對驅動施加的動力損失最小化，引導透鏡的移送的導向機構的構造簡單，能夠準確且穩定地進行透鏡的移送。專利文獻6所公開的透鏡移送裝置包括：具備從在內部空間至少配置有一個透鏡的透鏡容納部延長的延長部的透鏡筒體；在前端具備與上述延長部相接的摩擦部件並具有施加電壓時伸縮及彎曲變形的壓電體且對上述透鏡筒體的移送提供必需的驅動力的壓電振動元件；以保持上述延長部和摩擦部件之間的壓電狀態的方式提供使上述壓電體的後端和自由端彈性地接觸且將上述壓電振動元件向上述延長部一側加壓的彈性力的預壓部件；以及引導上述透鏡筒體向光軸方向移送的導向部。
對專利文獻6所公開的透鏡移送裝置的驅動方法進行說明。壓電振動元件以20kHz以上的超聲波區域的共振頻率同時施加鄰接的長度變形模式和彎曲變形模式的勵振，使在安裝於壓電體的一端的摩擦部件上發生橢圓形的軌跡。這種橢圓形的軌跡的運動方向通過由壓電體的內、外部電極決定的勵振 區域來決定，由此可以變更透鏡的移送方向。施加選擇的電源時，以多層層疊的壓電體同時實行長度變形模式和彎曲模式，並且使其一端所具備的摩擦部件向上方或下方進行直線運動。此時，彎曲模式的振動方向與壓電體的層疊方向相同，這與AF模組的光軸方向一致。壓電振動元件以抑制橢圓運動的方式固定在基座的垂直肋上，因此，摩擦部件僅進行上下往復直線運動，利用向壓電體施加電壓的電極將振動軌跡的方向切換成向上或向下。因此，僅形成垂直方向的振動軌跡的摩擦部件通過作為移送對象物的透鏡筒體的延長部所具備的被摩擦部件傳遞驅動力，因此透鏡筒體沿著導向部的第一導向棒及第二導向棒沿光軸方向上升或下降。
日本特許第3646154號公報(第八圖)(專利文獻7)公開了一種能以簡單的電路結構進行穩定的低速驅動的驅動裝置。該專利文獻7所公開的驅動裝置具備：若施加電壓則進行伸縮的機電式變換元件；固定在該機電式變換元件的伸縮方向一端的驅動摩擦部；以摩擦力與該驅動摩擦部配合的配合部件；以及對機電式變換元件施加電壓的驅動電路。驅動電路重複進行以下順序的迴圈：電壓為最大值或最小值的任意一方的第一值，最大值和最小值的中間的第二值，最大值和最小值的任意另一方的第三值。這裡，第一值和第三值的絕對值相等，符號不同，第二值為0伏特。
在上述的專利文獻1~5所公開的驅動裝置中，均為機電式變換元件的端面和振動摩擦部(振動部件)的端面直接結合。振動摩擦部必需將利用機電式變換元件的伸縮產生的振動(往復位移)有效地傳遞到移動體(移動部件)。然而，就專利文獻1~5所公開的驅動裝置的驅動方法而言，將利用機電式變換元件的伸縮產生的振動(往復位移)有效地傳遞到移動體(移動部件)是困難的。其結果，存在難以使移動部件的移動(位移)順利地進行之類的問題。
就專利文獻6所公開的透鏡移送裝置的驅動方法而言，以長度變形模式和彎曲變形模式對壓電振動元件同時勵振，並使在安裝於壓電體的一端的摩擦部件上產生橢圓形的軌跡，使摩擦部件進行上下往復運動。因此，存在壓電體的結構(構造)複雜之類的問題。
在專利文獻7所公開的驅動裝置中，也是機電式變換元件的伸縮方向的一端面和驅動摩擦部的端面被直接固定。因此，與上述專利文獻1~5所公開的驅動裝置的驅動方法同樣，即使在專利文獻7所公開的驅動裝置中，也難以將利用機電式變換元件的伸縮產生的振動(往復位移)有效地傳遞到移動體(移動部件)上。其結果，存在難以使移動部件的移動(位移)順利地進行之類的問題。
因此，本發明所要解決的課題是提供一種能使移動部件的移動順利進行的驅動裝置的驅動方法。
本發明所要解決的其他課題是提供一種能使機電式變換元件的往復位移有效地傳遞到移動部件上的驅動裝置的驅動方法。
本發明的其他目的隨著說明的進展便可清楚。
根據本發明，可得到一種驅動裝置的驅動方法，該驅動裝置10、10A、10B具備：在伸縮方向具有相互面對的一對端面13a、13b的機電式變換元件13，安裝在該機電式變換元件的一對端面的一方13b的振動摩擦部14、14A，與該振動摩擦部摩擦結合的移動部件121、122，以及配置在機電式變換元件13的一對端面的一方13b和振動摩擦部14、14A的端面之間的振動傳遞部件19；並且移動部件可沿機電式變換元件的伸縮方向移動；該驅動裝置10、10A、10B的驅動方法的特徵是使機電式變換元件13以鋸齒狀波往復位移，將該機電式變換元件的往復位移通過振動傳遞部件19傳遞到振動摩擦部14、14A，由此，向規定的方向線性驅動移動部件121、122。
在上述本發明的第一方案的驅動裝置的驅動方法中，優選對機電式變換元件13施加矩形波電壓而使機電式變換元件13以鋸齒狀波位移。希望矩形波電壓的負荷比在75/25~65/35的範圍。更優選負荷比實際上為70/30。
在上述本發明的第二方案的驅動裝置的驅動方法中，優選對機電式變換元件13反復施加驅動電壓，上述驅動電壓在一個週期具有由具有規定的負荷比的反極性的矩形波電壓和與該矩形波電壓連續且為0V的待機電壓構成的驅動電壓，由此，使機電式變換元件13以鋸齒狀波位移。希望上述規定的負荷比在75/25~65/35的範圍。更優選上述規定的負荷比實際上為70/30。上述待機電壓具有上述一個週期的規定百分比的待機時間。希望上述規定的百分比在20%~90%的範圍。更優選上述規定的百分比實際上等於90%。
還有，上述的參照符號是為了容易理解而標注的符號，只不過是一個例子而已，當然並不限定於此。
本發明的效果如下。
在本發明中，由於使機電式變換元件以鋸齒狀波往復位移，並將該機電式變換元件的往復位移通過振動傳遞部件傳遞到振動摩擦部，因此，能夠向規定方向順利地線形驅動移動部件。
以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
參照第一圖至第四圖對應用了本發明的驅動方法的驅動裝置10的第一例進行說明。第一圖是表示驅動裝置10的立體圖。第二圖是放大表示第一圖所示的驅動裝置10的主要部分的局部放大立體圖。第三圖是驅動裝置10的側視圖。第四圖是放大表示第三圖所示的驅動裝置的主要部分的局部放大側視圖。這裡，如第一圖至第四圖所示，使用了正交坐標系(X、Y、Z)。在第一圖至第四圖所示的狀態下，在正交坐標系(X、Y、Z)中，X軸是前後方向(進深方向)，Y軸是左右方向(寬度方向)，Z軸是上下方向(高度方向)。
圖示的驅動裝置10作為例如可變焦距物鏡驅動單元的透鏡驅動部而使用。該場合，在第一圖至第四圖所示的例子中，上下方向Z是透鏡的光軸O方向。
還有，可變焦距物鏡驅動單元由透鏡可動部和透鏡驅動部構成。透鏡驅動部沿光軸O方向可滑動地支撐透鏡可動部，並且如下文那樣驅動透鏡可動部。
圖示的驅動裝置10配置在未圖示的框體內。框體包含杯狀的上側罩(未圖示)和下側基座(未圖示)。在框體的下側基座上搭載有靜止部件(錘)11。上側罩的上面具有以透鏡的光軸O為中心軸的圓筒部(未圖示)。另一方面，雖然未圖示，但在下側基座的中央部搭載有配置在基板上的攝像元件。該攝像元件拍攝由可動透鏡(後述)成像的被拍攝體像並變換成電信號。攝像元件由例如電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)型圖像感測器、互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semeconductor,CMOS)型圖像感測器構成。
在框體內容納有作為被驅動部件的可動鏡筒(透鏡架)17。可動鏡筒(透鏡架、透鏡支撐體)17具有用於保持透鏡筒體(透鏡元件)18的圓筒狀的筒狀部170。透鏡筒體(透鏡組件)18保可變焦距物鏡AFL。在透鏡架17的筒狀部170的內周壁上切刻有內螺紋(未圖示)。另一方面，在透鏡筒體18的外周壁上切刻有與上述內螺紋螺紋連接的外螺紋(圖示)。因而，為了將透鏡筒體18裝配在透鏡架17上，通過將透鏡筒體18相對透鏡架17的筒狀部170繞光軸O旋轉並沿著光軸O方向螺紋連接，從而將透鏡筒體18容納在透鏡架17內，並用粘接劑等相互接合。
透鏡架17具有相對於光軸O在筒狀部170的左右方向Y的右側向半徑方向外側突出的突條部172。該突條部172與光軸O平行地向上下方向Z延伸。在該突條172的後壁固定有棒狀的第一移動體(移動軸)121。在圖示的例子中，第一移動體121做成圓柱狀。
透鏡架17具有在圓筒部170的後端向左右方向Y的左側延伸的延伸部174。在該延伸部174上設有用於保持彈簧15的第一端部15a的卡定槽174a。彈簧15沿著延伸部174從該第一端部15a向左右方向Y的右側延伸到第二端部15b。在該彈簧15的第二端部15b安裝有棒狀的第二移動體(移動軸)122。在圖示的例子中，第二移動體122也與第一移動體121同樣地做成圓柱狀。
該第二移動體(移動軸)122通過彈簧15向接近於第一移動體(移動軸)121的方向(前後方向X的前方向)加力。後述的振動摩擦部(振動部件)14被該第一及第二摩擦面141、142夾持在第一移動體(移動軸)121和第二移動體(移動軸)122之間。第一及第二摩擦面141、142在與光軸O方向正交的方向相互面對。換言之，第一及第二摩擦面141、142在與後述的層疊壓電元件13的伸縮方向正交的方向相互面對。
在圖示的例子中，第一移動體121的長度比第二移動體122的長度長。第一移動體121和第二移動體122用相同材料構成。第一移動體121和第二移動體122的組合作為移動部件而工作。
通過可動鏡筒(透鏡架)17、透鏡筒體(透鏡組件)18、彈簧15、第一及第二移動體121、122的組合，構成可變焦距物鏡驅動單元的透鏡可動部。如下文所述，在振動摩擦部14的第一及第二摩擦面141、142的至少一方形成有剖面V字狀的槽。這樣，即使不設置特別(專用)的導向部件，透鏡可動部也可以相對框體僅在光軸O方向直線移動。因此，不需要上述的專利文獻1至6所公開的驅動裝置那樣的導向部件。
其次，對可變焦距物鏡驅動單元的透鏡驅動部進行說明。透鏡驅動部(驅動裝置10)包括作為機電式變換元件而工作的層疊壓電元件13、上述靜止部件(錘)11、上述振動摩擦部(振動部件)14以及振動傳遞部件19。
層疊壓電元件13沿著光軸O方向進行伸縮。層疊壓電元件13具有沿光軸O方向層疊了多個壓電層的構造。如第四圖所示，層疊壓電元件13具有在伸縮方向相互面對的第一端面(下端面)13a和第二端面(上端面)13b。靜止部件(錘)11用粘接劑等與層疊壓電元件13的第一端面(下端面)13a結合。層疊壓電元件13和靜止部件11的組合稱為壓電單元。
振動摩擦部(振動部件)14通過振動傳遞部件19用粘接劑等安裝在層疊壓電元件13的第二端面(上端面)13b。即、層疊壓電元件13的上端面13b用粘接劑(粘接樹脂)與振動傳遞部件19的下端面19a結合(接合)，振動摩擦部(振動部件)14的下端面14a用粘接劑(粘接樹脂)與振動傳遞部件19的上端面19b結合(接合)。
這樣，在本實施方式中，由於在振動摩擦部(振動部件)14和層疊壓電元件(機電式變換元件)13之間追加(安裝)振動傳遞部件19，因此振動摩擦部(振動部件)14只要是考慮了與第一及第二移動體121、122的滑動性的結構即可。因此，振動摩擦部(振動部件)14不必考慮與機電式變換元件(層疊壓電元件)13的樹脂粘接性來選定該材料。由此，振動摩擦部(振動部件)14不僅具有選定其材料的自由度，而且其形狀的自由度也較大。在圖示的例子中，作為振動摩擦部(振動部件)14的材料，使用的是在表面實施了含氟潤滑材料塗層的鋁。另一方面，作為振動傳遞部件19的材料，使用的是鐵合金(冷軋鋼板(SPCC)、不銹鋼(SUS)等)。
另外，通過追加振動傳遞部件19，並使其材質、形狀與其他部件一致，從而能夠抑制彈簧15的共振現象。而且還可以用形狀比較簡單的振動傳遞部件19來補償因彈簧15的尺寸不均而產生的每個產品的性能不均。換言之，由於能夠以簡單的形狀製作振動傳遞部件19，因此能夠減少驅動裝置10的每個產品的性能不均。
再有，通過追加振動傳遞部件19，如下文所述，可以使由機電式變換元件(層疊壓電元件)13的伸縮而發生的振動(往復位移)有效地地傳遞到移動部件(121、122)。其結果，能夠使移動部件(121、122)的移動(位移)順利地進行。
參照第五圖及第六圖，對振動摩擦部14和第一及第二移動體121、122之間的關係進行詳細說明。第五圖是驅動裝置10的俯視圖，第六圖是放大表示用第五圖的橢圓包圍的部分的局部放大剖視圖。
棒狀的第一及第二移動軸121、122與該振動摩擦部(振動部件)14摩擦結合。在振動摩擦部(振動部件)14上，在前後方向X的前端的、該振動摩擦部14和棒狀的第一移動軸121之間的第一摩擦結合部(第一摩擦面)141上形成有第一剖面V字狀槽141a，在前後方向X的後端的、該振動摩擦部14和棒狀的第二移動軸122之間的第二摩擦結合部(第二摩擦面)142上形成有第二剖面V字狀槽142a。
如上所述，透鏡移動部具備用於將振動摩擦部(振動部件)14用棒狀的第一及第二移動體(移動軸)121、122夾入的彈簧15。即、彈簧15其第一端部15a保持在卡定槽174a中，用安裝在其第二端部15b的第二移動體(移動軸)122產生將振動摩擦部(振動部件)14向第一移動體(移動軸)121推壓的推壓力。換言之，彈簧15通過使第二移動體(移動軸)122向振動摩擦部(振動部件)14加力，並用第一及第二移動體121、122夾持振動摩擦部(振動部件)14，從而作為在振動摩擦部(振動部件)14和第一及第二移動體121、122之間施加摩擦力的摩擦力施加機構(加力機構)而發揮作用。
這樣，振動摩擦部(振動部件)14在其兩端面(形成於第一摩擦面141的第一剖面V字狀槽141a和形成於第二摩擦面142的第二剖面V字狀槽142a)由第一及第二移動體121、122夾入，因此能夠限制透鏡可動部的位置，並且能夠抑制透鏡可動部繞第一移動體121旋轉。即使不使用任何特別的(專用的)導向部件，也能夠防止作為被驅動部件的透鏡架17如第六圖的箭頭所示的那樣繞第一移動體121旋轉。
另外，在圖示的實施方式中，第一移動體121和第二移動體122用相同的材料構成。因此，能夠使第一移動體121和振動摩擦部14的第一摩擦面141之間的第一摩擦係數、與第二移動體122和振動摩擦部14的第二摩擦面142之間的第二摩擦係數實際上相等。其結果，如第六圖所示，能夠使在第一移動體121和振動摩擦部14的第一摩擦面141之間的接觸線(第六圖的左側的兩個黑圓點)發揮作用的第一摩擦力、與在第二移動體122和振動摩擦部14的第二摩擦面142之間的接觸線(第六圖的右側的兩個黑圓點)發揮作用的第二摩擦力實際上相等。由此，能夠使透鏡可動部穩定地進行直線驅動。其結果，可以將由層疊壓電元件(機電式變換元件)13的伸縮產生的振動運動有效地地傳遞到第一及第二移動體121、122上。
在振動摩擦部14中，在振動摩擦部14和第一移動體121之間的第一摩擦結合部(第一摩擦面141)上形成有第一剖面V字狀的槽141a。通過振動摩擦部14的第一剖面V字狀的槽141a形成的與第一移動體121的兩直線接觸，可得到第一摩擦結合部(第一摩擦面)141的接觸狀態穩定，且再現性良好的摩擦驅動，並且具有提高第一移動體121的作為一軸移動體的直進移動性之類的效果。而且，該第一剖面V字狀的槽141a的角度θ1 希望在30度至不足180度的範圍。
同樣，在振動摩擦部14中，在振動摩擦部14和第二移動體122之間的第二摩擦結合部(第二摩擦面142)上形成有第二剖面V字狀槽142a。通過振動摩擦部14的第二剖面V字狀槽142a形成的與第二移動體122的兩直線接觸，可得到第二摩擦結合部(第二摩擦面)142的接觸狀態穩定，再現性良好的摩擦驅動，並且具有提高第二移動體122的作為一軸移動體的直進移動性之類的效果。而且，該第二剖面V字狀槽142a的角度θ2 希望在30度至不足180度的範圍。
另外，將第一及第二移動體121、122用彈簧15推壓到振動摩擦部14。由此，通過將第一及第二移動體121、122分別推壓到振動摩擦部14的第一剖面V字狀槽141a和第二剖面V字狀槽142a，從而可實現三部件(第一及第二移動體121、122，振動摩擦部14)的穩定的四線接觸。
參照第七圖對彈簧15的有效長度Ls進行說明。第七圖是第一圖所示的驅動裝置10的立體圖。如第七圖所示，驅動裝置10可以將彈簧15的有效長度Ls設計得較長。因此，即使彈簧15的尺寸或組裝尺寸不均，也能減少對負載的影響。其結果，能夠減少每個產品的性能不均地製造驅動裝置10。
這樣，由於能夠將彈簧15的有效長度Ls設計得較長，因此作為彈簧15的材料，不僅可以是金屬，即使是樹脂成型品也能發揮充分的彈性效果。
另外，將彈簧15不是安裝在振動摩擦部14上，而是安裝在透鏡可動部一側。這樣，通過使振動摩擦部14和彈簧15分離，從而能夠防止引起彈簧15的共振現象。因此，消除了振動摩擦部14和彈簧15倒相，可以使透鏡可動部有效地移動。另外，透鏡移動部的行進方向也可以控制為向所需的方向前進。
透鏡驅動部和透鏡可動部如第一圖所示，相對光軸O並排配置。因此能使驅動裝置10實現低高度化。
另外，在圖示的實施方式中，使第一移動體121的長度比第二移動體122的長度長。其理由如下。第一移動體121為了與振動摩擦部14實現穩定的摩擦結合而使其長度稍長。另一方面，第二移動體122起到用於驅動裝置10的穩定驅動的輔助作用，因而使其長度稍短。由此，實現驅動裝置10的小型化、低高度化。
其次，參照第八圖，對本發明的第一實施方式的驅動裝置的驅動方法進行說明。第八圖(A)及第八圖(B)分別表示利用驅動電路(未圖示)對層疊壓電元件13施加的驅動電壓的變化和層疊壓電元件13的位移。第八圖(C)是表示沒有振動傳遞部件19的場合(現有的驅動裝置)的移動部件(121、122)的位移圖。第八圖(D)是表示有振動傳遞部件19的場合(本發明的驅動裝置10)的移動部件(121、122)的位移圖。在第八圖(A)~(D)中，橫軸表示時間[μsec]。第八圖(A)的縱軸表示電壓[V]。在第八圖(B)~第八圖(D)中，縱軸表示位移[nm]。
如第八圖所示，對層疊壓電元件13施加由負電壓和正電壓的重複波形構成的矩形波電壓作為驅動電壓。在圖示的例子中，負電壓為-2.8V，正電壓為+2.8V。矩形波電壓的驅動頻率為96kHz，負荷比(在圖示例中，負電壓的脈衝寬度和正電壓的脈衝寬度之比)為30/70。還有，在圖示的例子中，表示了使透鏡架17(透鏡筒體18)沿著光軸O方向(上下方向Z)向下方連續移動的例子。
在這種狀況下，如第八圖(B)所示，層疊壓電元件13交替產生與脈衝寬度短的負電壓對應的急劇位移(伸長)、和與脈衝寬度長的正電壓對應的緩慢位移(縮短)。
即，對層疊壓電元件13施加矩形波電壓(驅動電壓)(第八圖(A))，相對層疊壓電元件13產生鋸齒波狀的往復位移(伸縮)(第八圖(B))。
除了第八圖外還參照第一圖，對驅動裝置10的動作進行說明。首先，對使透鏡可動部沿著上下方向Z向下方移動的場合的動作進行說明。
首先，如第八圖(A)所示，若對層疊壓電元件13施加脈衝寬度短的負電壓，則如第八圖(B)所示，層疊壓電元件13迅速產生厚度方向的伸長位移。其結果，振動摩擦部14通過振動傳遞部件19沿著光軸O方向(上下方向Z)迅速向上方移動。此時，透鏡可動部(第一及第二移動體121、122)利用其慣性力克服振動摩擦部14和棒狀的第一及第二移動體121、122之間的摩擦力實際上停在該位置而不移動。
其次，如第八圖(A)所示，若對層疊壓電元件13施加脈衝寬度長的正電壓，則如第八圖(B)所示，層疊壓電元件13緩慢地產生厚度方向的縮短位移。其結果，振動摩擦部14通過振動傳遞部件19沿著光軸O方向(上下方向Z)緩慢地向下方移動。此時，振動摩擦部14和棒狀的第一及第二移動體121、122利用在它們之間接觸面(第一及第二摩擦面141、142)產生的摩擦力而結合，因此透鏡可動部(第一及第二移動體121、122)與振動摩擦部14一起實際上沿著光軸O方向(上下方向Z)向下方移動。
這樣，通過對層疊壓電元件13交替施加脈衝寬度短的負電壓和脈衝寬度長的正電壓，使層疊壓電元件13交替產生伸長位移和縮短位移，從而能夠使透鏡架17(透鏡筒體18)沿著光軸O方向(上下方向Z)向下方連續移動。
這裡，在沒有振動傳遞部件19的現有的驅動裝置中，層疊壓電元件(機電式變換元件)13的往復位移(振動)直接傳遞到振動摩擦部14。因此，難以使通過層疊壓電元件(機電式變換元件)13的伸縮產生的振動(往復位移)有效地傳遞到移動部件(121、122)上。其結果，如第八圖(C)所示，不能使透鏡可動部(移動部件)順利地移動。
另一方面，在具有振動傳遞部件19的本實施方式的驅動裝置10中，層疊壓電元件(機電式變換元件)13的往復位移(振動)通過振動傳遞部件19傳遞到振動摩擦部14。因此，能夠使通過層疊壓電元件(機電式變換元件)13的伸縮產生的振動(往復位移)有效地傳遞到移動部件(121、122)上。其結果，如第八圖(D)所示，能夠使透鏡可動部(移動部件)順利地移動。
如上所述，通過使機電式變換元件13以鋸齒波狀往復位移，並將該機電式變換元件13的往復位移通過振動傳遞部件19傳遞到振動摩擦部14，從而能夠向規定的方向(在上述例子中為下方)順利地線性驅動移動部件(121、122)。
還有，要想使透鏡可動部沿著光軸O方向(上下方向Z)向上方移動，通過與上述相反地對層疊壓電元件13交替施加脈衝寬度長的負電壓和脈衝寬度短的正電壓而可實現。
還有，在上述的第一實施方式中，以矩形電壓波的負荷比(正電壓的脈衝寬度和負電壓的脈衝寬度之比或負電壓的脈衝寬度和正電壓的脈衝寬度之比)為70/30的情況為例進行了說明。然而，本發明的發明者通過實驗確認，上述負荷比只要在75/25~65/35的範圍，就能夠使透鏡可動部(移動部件)順利地移動。
另外，在上述的第一實施方式中，對機電式變換元件13施加矩形波電壓而使機電式變換元件13以鋸齒狀波往復位移，不言而喻，使機電式變換元件13以鋸齒狀波往復位移的方法並不限定於此。
再有，在上述的第一實施方式中，通過使移動部件(121、122)相對振動傳遞部件14重複不滑動的狀態和滑動的狀態，從而使移動部件(121、122)向規定的方向進行線性移動。換言之，以如下方式驅動驅動裝置10，即，在機電式變換元件13伸長時和縮短時的一方，使其在振動摩擦部14和移動部件(121、122)之間產生滑動，在伸長時和縮短時的另一方，使其在振動摩擦部14和移動部件(121、122)之間不產生滑動。這種驅動方法在該技術領域稱為不滑動/滑動驅動。
然而，也可以通過使移動部件(121、122)相對振動傳遞部件14重複滑動的狀態，從而使移動部件(121、122)向規定的方向進行線性移動。換言之，也可以如下方式驅動驅動裝置10，即，不論在機電式變換元件13的伸長時和縮短時的哪一方，都在振動摩擦部14和移動部件(121、122)之間產生滑動。這種驅動方法在該技術領域稱為滑動/滑動驅動。
其次，對層疊壓電元件13進行說明。層疊壓電元件13做成長方體形狀，該元件尺寸為0.9[mm]×0.9[mm]×1.5[mm]。作為壓電材料，使用了如PZT那樣的低Qm材料。通過將厚度20[μm]的壓電材料和厚度2[μm]的內部電極以梳形交替層疊50層來製造層疊壓電元件13。並且，層疊壓電元件13的有效內部電極尺寸為0.6[mm]×0.6[mm]。換言之，在位於層疊壓電元件13的有效內部電極的外側的周邊部分存在寬度0.5[mm]的環狀的不靈敏區部分(間隙)。
在第一圖至第七圖所示的驅動裝置10中，第一移動體121和可動鏡筒(透鏡架、透鏡支撐體)17相互分開固定，但也可以如第九圖及第十圖所示的驅動裝置10A那樣，將第一移動體121和可動鏡筒(透鏡架、透鏡支撐體)17構成為一體。該場合，可動鏡筒(透鏡架、透鏡支撐體)17和第一移動體121用同一材料構成。
參照第十一圖，對應用了本發明的驅動方法的驅動裝置10B的第二例進行說明。驅動裝置10B除了振動摩擦部如下文那樣改變這點外，具有與第一圖至第七圖所示的驅動裝置10同樣的結構。因此，對振動摩擦部標上14A的參照符號。第十一圖是與第六圖同樣的表示振動摩擦部14A和第一及第二移動體121、122的配置關係的俯視剖視圖。
與第六圖所示的振動摩擦部14不同，振動摩擦部14A僅在其第一摩擦面141上形成剖面V字狀的槽141a。因此，振動摩擦部14A的第二摩擦面142做成平面構造。
即，在具有第六圖所示的振動摩擦部14的驅動裝置10中，移動部件(第一及第二移動體121、122)與振動摩擦部14為四線接觸，但在具有第十一圖所示的振動摩擦部14A的驅動裝置10B中，移動部件(第一及第二移動體121、122)與振動摩擦部14A為三線接觸。
即使在該驅動裝置10B中，也能將第一及第二移動體121、122用彈簧15(參照第一圖)推壓到振動摩擦部14A上。由此，通過將第一及第二移動體分別推壓到振動摩擦部14A的第一剖面V字狀槽141a和第二摩擦面142上，從而可以實現三部件(第一及第二移動體121、122，振動摩擦部14A)的穩定的三線接觸。
這樣，振動摩擦部(振動部件)14A在其兩端面(形成於第一摩擦面141的第一剖面V字狀槽141a和第二摩擦面142)由第一及第二移動體121、122夾入，因此能夠限制透鏡可動部的位置，並且能夠抑制透鏡可動部繞第一移動體121旋轉。即，即使不使用任何特別的(專用的)導向部件，也能夠防止作為被驅動部件的透鏡架17如第十一圖的箭頭所示的那樣繞第一移動體121旋轉。
另外，在本實施方式中，也設定成使第一移動體121和振動摩擦部14A的第一摩擦面141之間的第一摩擦係數、與第二移動體122和振動摩擦部14A的第二摩擦面142之間的第二摩擦係數實際上相等。換言之，以第一及第二摩擦係數實際上相等的方式選定(選擇)第一及第二移動體121、122的材料。其結果，如第十一圖所示，能夠使在第一移動體121和振動摩擦部14A的第一摩擦面141之間的接觸線(第十一圖的左側的兩個黑圓點)發揮作用的第一摩擦力、與在第二移動體122和振動摩擦部14A的第二摩擦面142之間的接觸線(第十一圖的右側的一個黑圓點)發揮作用的第二摩擦力實際上相等。由此，能夠穩定地驅動透鏡可動部。
根據這種結構的驅動裝置10B，通過由形成於振動摩擦部14A的第一摩擦面141上的剖面V字狀槽141a得到的與第一移動體121的兩直線接觸、和由形成於振動摩擦部14A的第二摩擦面142得到的與第二移動體122的一直線接觸，從而可得到摩擦結合部(第一及第二摩擦面141、142的接觸狀態穩定，再現性良好的摩擦驅動，並且具有提高移動部件(第一及第二移動體121、122)的作為一軸移動體的直進移動性之類的效果。
還有，在第十一圖所示的驅動裝置10B中，僅在振動摩擦部14A的第一摩擦面141上形成剖面V字狀槽141a，但也可以與其相反，僅在振動摩擦部的第二摩擦面上形成剖面V字狀的槽。
在對機電式變換元件(層疊壓電元件)13簡單地施加矩形波電壓作為驅動電壓的、上述本發明的第一實施方式的驅動方法中，如以下詳細說明的那樣，本發明的發明者們通過實驗確認到難以用寬頻頻率進行驅動。
於是，在本發明的第二實施方式的驅動方法中，對機電式變換元件(層疊壓電元件)13反復施加在一個週期具有由以規定的負荷比的反極性的矩形波電壓、和與該矩形波電壓連續且為0V的待機電壓構成的驅動電壓。
第十二圖及第十三圖表示改變待機電壓的待機時間wait時的頻率(kHz)和動作速度(mm/s)的關係。這裡，將一週期作為100%時的待機時間wait用百分比(%)表示。另外，在圖示的例子中，作為驅動條件，表示了電壓的最大值的絕對值為2.8V，規定的負荷比為70/30的情況。
在第十二圖(A)、第十二圖(B)、第十二圖(C)、第十三圖(A)、第十三圖(B)、第十三圖(C)的各圖中，左側表示對機電式變換元件(層疊壓電元件)13施加的驅動電壓的輸入波形，右側表示驅動頻率(kHz)對透鏡可動部的動作速度(mm/s)的特性圖。另外，在這些圖的右側的特性圖中，圓標記表示透鏡下降的方向的速度，四角標記表示透鏡上升的方向的速度。
第十二圖(A)表示待機時間wait為0%的輸入波形和頻率對動作速度的特性圖。即第十二圖(A)表示根據本發明的第一驅動方法的特性。
對機電式變換元件(層疊壓電元件)13施加的驅動電壓的待機時間wait為0%的場合，從第十二圖(A)的右側的特性圖可知，作為工作頻帶，存在50kHz~55kHz和68kHz這兩個區域。但是，在這兩個區域，透鏡可動部都只能在狹窄的頻帶工作。而且還產生透鏡位移方向的逆轉現象。這顯示出，根據產品在工作條件相同的情況下，只要透鏡向下降方向動作，透鏡就有向上升方向動作的可能性。
第十二圖(B)表示待機時間wait為20%的輸入波形和頻率對動作速度的特性圖。第十二圖(C)表示待機時間wait為40%的輸入波形和頻率對動作速度的特性圖。第十三圖(A)表示待機時間wait為60%的輸入波形和頻率對動作速度的特性圖。第十三圖(B)表示待機時間wait為80%的輸入波形和頻率對動作速度的特性圖。第十三圖(C)表示待機時間wait為90%的輸入波形和頻率對動作速度的特性圖。即這些圖表示根據本發明的第二驅動方法的特性。
對機電式變換元件(層疊壓電元件)13施加的驅動電壓的待機電壓的待機時間wait為20%的場合，從第十二圖(B)的右側的特性圖可知，作為工作頻帶，存在45kHz~70kHz和88kHz以上的兩個區域。因此，就這兩個區域而言，與第十二圖(A)相比較，能以較寬頻帶驅動透鏡可動部。而且還能改善透鏡位移方向的逆轉現象。
對機電式變換元件(層疊壓電元件)13施加的驅動電壓的待機電壓的待機時間wait為40%的場合，從第十二圖(C)的右側的特性圖可知，作為工作頻帶，存在55kHz~83kHz的一個區域。因此，就這一個區域而言，與第十二圖(A)相比較，能以較寬頻帶驅動透鏡可動部。而且還能改善透鏡位移方向的逆轉現象。
對機電式變換元件(層疊壓電元件)13施加的驅動電壓的待機電壓的待機時間wait為60%的場合，從第十三圖(A)的右側的特性圖可知，作為工作頻帶，存在58kHz以下和73kHz~75kHz這兩個區域。因此，就這兩個區域而言，與第十二圖(A)相比較，能以較寬頻帶驅動透鏡可動部。而且還能改善透鏡位移方向的逆轉現象。
對機電式變換元件(層疊壓電元件)13施加的驅動電壓的待機電壓之待機時間wait為80%的場合，從第十三圖(B)的右側的特性圖可知，作為工作頻帶，存在65kHz以上的一個區域。因此，就這一個區域而言，與第十二圖(A)相比較，能以較寬頻帶驅動透鏡可動部。而且還能改善透鏡位移方向的逆轉現象。
對機電式變換元件(層疊壓電元件)13施加的驅動電壓的待機電壓之待機時間wait為90%的場合，從第十三圖(C)的右側的特性圖可知，作為工作頻帶，存在80kHz以下和94kHz以上這兩個區域。因此，就這兩個區域而言，與第十二圖(A)相比較，能以較寬頻帶驅動透鏡可動部。而且還能改善透鏡位移方向的逆轉現象。
這樣，通過設定待機電壓為0V的待機時間，從而能以較寬頻帶驅動透鏡可動部。其結果，能夠抑制每個產品的驅動條件的波動。另外，由於能夠抑制透鏡位移方向的逆轉現象，因此能夠穩定地驅動透鏡可動部。還有，為0V的待機電壓的待機時間越長，越能抑制驅動裝置10的消耗電力。
還有，在上述本發明的第二實施方式中，雖以規定的負荷比為70/30的情況為例子進行了說明。然而，本發明的發明者通過實驗確認，只要上述規定的負荷比在75/25~65/35的範圍，就能夠使透鏡可動部(移動部件)順利地移動。另外，在上述本發明的第二實施方式中，雖以待機電壓的待機時間在一週期的20%~90%的範圍的情況為例子進行了說明，不言而喻，待機電壓的待機時間並不限定於此。
以上雖通過其優選實施方式對本發明進行了說明，但很顯然，在不脫離本發明的精神的範圍內，可由本行業人員進行各種變更。例如，在上述的實施方式中，第一及第二移動體做成圓柱狀，不言而喻，第一及第二移動體的形狀並不限定於此。另外，在上述的實施方式中，振動摩擦部做成複雜的形狀(異形)，但也可以是圓柱狀(棒狀)。
10、10A、10B．．．驅動裝置
11．．．靜止部件
121．．．第一移動體(第一移動軸)
122．．．第二移動體(第二移動軸)
13．．．層疊壓電元件(機電式變換元件)
13a．．．端面(第一端面、下端面)
13b．．．端面(第二端面、上端面)
14、14A．．．振動摩擦部
14a．．．端面
141．．．第一摩擦面(第一摩擦結合部)
141a．．．第一剖面V字狀槽
142．．．第二摩擦面(第二摩擦結合部)
142a．．．第二剖面V字狀槽
15．．．彈簧
15a．．．第一端部
15b．．．第二端部
17．．．可動鏡筒(透鏡架、透鏡支撐體)
170．．．筒狀部
172．．．突條部
174．．．延伸部
174a．．．卡定槽
18．．．透鏡筒體(透鏡元件)
19．．．振動傳遞部件
19a．．．下端面
19b．．．上端面
O．．．透鏡的光軸
AFL．．．可變焦距物鏡
第一圖是表示應用了本發明的驅動方法的驅動裝置的第一例的立體圖。
第二圖是放大表示第一圖所示的驅動裝置的主要部分的局部放大立體圖。
第三圖是第一圖所示的驅動裝置的側視圖。
第四圖是放大表示第三圖所示的驅動裝置的主要部分的局部放大側視圖。
第五圖是第一圖所示的驅動裝置的俯視圖。
第六圖是放大表示用第五圖的橢圓包圍的部分的局部放大剖視圖。
第七圖是用於說明彈簧的有效長度的第一圖所示的驅動裝置的立體圖。
第八圖是用於說明本發明的第一實施方式的驅動裝置的驅動方法的波形圖。
第九圖是表示第一圖所示的驅動裝置的變形例的立體圖。
第十圖是放大表示第九圖所示的驅動裝置的主要部分的局部放大立體圖。
第十一圖是應用了本發明的驅動方法的驅動裝置的第二例所使用的、表示振動摩擦部和第一及第二移動體的配置關係的俯視剖視圖。
第十二圖是表示改變待機電壓的待機時間時的頻率和動作速度的關係的圖。
第十三圖是表示改變待機電壓的待機時間時的頻率和動作速度的關係的圖。

Claims (10)

  1. 一種驅動裝置的驅動方法，該驅動裝置具備：具有在伸縮方向相互面對的一對端面的機電式變換元件，安裝在該機電式變換元件的上述一對端面的一方的振動摩擦部，與該振動摩擦部摩擦結合的移動部件，以及配置在上述機電式變換元件的上述一對端面的一方和上述振動摩擦部的端面之間的振動傳遞部件；上述振動摩擦部的相對的一對摩擦面的至少一方形成剖面V字狀的槽，上述移動部件具有棒狀的第一移動體及第二移動體且上述振動摩擦部被上述摩擦面夾持在上述第一移動體及上述第二移動體之間，並且上述移動部件可沿上述機電式變換元件的伸縮方向移動；該驅動裝置的驅動方法的特徵在於，使上述機電式變換元件以鋸齒狀波往復位移，使該機電式變換元件的往復位移通過上述振動傳遞部件傳遞到上述振動摩擦部，由此，沿規定的方向線性驅動上述移動部件。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之驅動裝置的驅動方法，其中，對上述機電式變換元件施加矩形波電壓而使上述機電式變換元件以上述鋸齒狀波位移。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之驅動裝置的驅動方法，其中，上述矩形波電壓的負荷比在75/25~65/35的範圍。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之驅動裝置的驅動方法，其中，上述負荷比實際上為70/30。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之驅動裝置的驅動 方法，其中，對上述機電式變換元件反復施加上述驅動電壓，上述驅動電壓在一個週期具有由以規定的負荷比的反極性的矩形波電壓、和與該矩形波電壓連續且為0V的待機電壓構成的驅動電壓，由此，使上述機電式變換元件以上述鋸齒狀波位移。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之驅動裝置的驅動方法，其中，上述規定的負荷比在75/25~65/35的範圍。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之驅動裝置的驅動方法，其中，上述規定的負荷比實際上為70/30。
  8. 如申請專利範圍第5項至第7項中任何一項所述之驅動裝置的驅動方法，其中，上述待機電壓具有上述一個週期的規定百分比的待機時間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之驅動裝置的驅動方法，其中，上述規定的百分比在20%~90%的範圍。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之驅動裝置的驅動方法，其中，上述規定的百分比實際上等於90%。
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