WO2010032624A1 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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淳一郎 米竹
柴谷 一弘
義弘 佐伯
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    • H02N2/02Electric machines in general using piezo-electric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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    • G02B7/08Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with mechanism for focusing or varying magnification adapted to co-operate with a remote control mechanism

Abstract

 SIDM装置1は、電圧の印加によって軸方向に伸縮する柱状の圧電素子2と、圧電素子2の軸方向の端面に固定され、圧電素子2の伸縮によって変位する柱状の駆動軸3と、駆動軸3に固定された固定部分40を有するとともに固定部分40を介して圧電素子2及び駆動軸3を支持する支持部材4と、駆動軸3に対して摩擦係合されて駆動軸3の軸方向に移動する移動体5とを備える。圧電素子2の中心軸L2と、駆動軸3の中心軸L3とは互いにオフセットされており、かつ、駆動軸3の中心軸L3と、固定部分40全体についての、駆動軸3の軸方向での中心軸L4とは互いにオフセットされている。これにより、駆動軸に首振り運動を確実に行わせることが出来る。

Description

圧電アクチュエータ

 本発明は、圧電アクチュエータに関する。

 従来、電圧の印加によって移動体をナノメートルのオーダーで往復運動させる圧電アクチュエータとして、SIDM装置(以下、SIDM装置とする。「SIDM」は登録商標)と呼ばれるアクチュエータが提案されている。また、SIDM装置の駆動方法の一種で、LVA方式と呼ばれる圧電アクチュエータが提案されている(例えば、特許文献1参照)。

 このSIDM装置は、電圧の印加によって伸縮する圧電素子と、圧電素子の伸縮によって変位する駆動軸と、圧電素子または駆動軸を支持する支持部材と、駆動軸に対して摩擦係合されて当該駆動軸の軸方向に移動する移動体等とを備えており、圧電素子の急峻な体積変化と、移動体の慣性力及び摩擦力とを利用して、当該移動体を駆動軸の軸方向に移動させるようになっている。なお、このようなSIDM装置は、一般には支持部材が圧電素子における駆動軸とは反対側の端部を支持する構成となっているものの、特にLVA方式と称されるSIDM装置においては、支持部材が駆動軸を支持する構成、或いは駆動軸と圧電素子との接合部付近を支持する構成となっている。

 ところで、このようなSIDM装置においては、圧電素子の伸長時と収縮時とで、駆動軸が首振り運動することがある。このような駆動軸の首振り運動を用いれば、小型カメラやレーザーモジュールなどの光学装置内で、より正確に光学素子の光軸合わせを行うことが可能となる。

特開2002-95274号公報

 しかしながら、従来のSIDM装置においては、圧電素子を駆動軸の軸方向に変位させることを主題としており、首振り運動がどのような状況で発生しているのか明確でなく確実に首振り運動を行わせることができなかった。

 本発明の課題は、駆動軸に首振り運動を確実に行わせることのできる圧電アクチュエータを提供することである。

 請求項1記載の発明は、圧電アクチュエータにおいて、
 電圧の印加によって軸方向に伸縮する柱状の圧電素子と、
 前記圧電素子の軸方向の端面に固定され、前記圧電素子の伸縮によって変位する柱状の駆動軸と、
 前記圧電素子または前記駆動軸に固定された固定部分を有するとともに、前記固定部分を介して前記圧電素子及び前記駆動軸を支持する支持部材と、
 前記駆動軸に対して摩擦係合されて前記駆動軸の軸方向に移動する移動体とを備え、
 前記圧電素子の中心軸と、
 前記駆動軸の中心軸とがオフセットされていることを特徴とする。

 請求項2記載の発明は、圧電アクチュエータにおいて、
 電圧の印加によって軸方向に伸縮する柱状の圧電素子と、
 前記圧電素子の軸方向の端面に固定され、前記圧電素子の伸縮によって変位する柱状の駆動軸と、
 前記圧電素子に固定された固定部分を有するとともに、前記固定部分を介して前記圧電素子及び前記駆動軸を支持する支持部材と、
 前記駆動軸に対して摩擦係合されて前記駆動軸の軸方向に移動する移動体とを備え、
 前記圧電素子の中心軸と、
 前記固定部分全体についての、前記圧電素子の軸方向での中心軸とがオフセットされていることを特徴とする。

 請求項3記載の発明は、圧電アクチュエータにおいて、
 電圧の印加によって軸方向に伸縮する柱状の圧電素子と、
 前記圧電素子の軸方向の端面に固定され、前記圧電素子の伸縮によって変位する柱状の駆動軸と、
 前記駆動軸に固定された固定部分を有するとともに、前記固定部分を介して前記圧電素子及び前記駆動軸を支持する支持部材と、
 前記駆動軸に対して摩擦係合されて前記駆動軸の軸方向に移動する移動体とを備え、
 前記駆動軸の中心軸と、
 前記固定部分全体についての、前記駆動軸の軸方向での中心軸とがオフセットされていることを特徴とする。

 請求項4記載の発明は、請求項1記載の圧電アクチュエータにおいて、
 前記圧電素子の中心軸は、
 前記駆動軸における軸方向と垂直な断面内での最大径を100%とした場合に、20~50%の距離だけ前記駆動軸の中心軸に対してオフセットされていることを特徴とする。

 請求項5記載の発明は、請求項2記載の圧電アクチュエータにおいて、
 前記支持部材は、
 前記圧電素子の側周面のうち、周方向における一部の領域のみに対して固定されていることを特徴とする。

 請求項6記載の発明は、請求項5記載の圧電アクチュエータにおいて、
 前記支持部材は、
 U字状に形成され、前記圧電素子の側周面における前記一部の領域のみに当接することを特徴とする。

 請求項7記載の発明は、請求項2記載の圧電アクチュエータにおいて、
 前記支持部材は、
 前記圧電素子の軸方向における前記駆動軸とは反対側の端面に当接するとともに、当該端面の一部の領域のみに対して固定されており、
 前記固定部分全体における前記圧電素子の軸方向の中心軸は、前記圧電素子の中心軸に対してオフセットされていることを特徴とする。

 請求項8記載の発明は、請求項3記載の圧電アクチュエータにおいて、
 前記支持部材は、
 前記駆動軸の側周面のうち、周方向における一部の領域のみに対して固定されていることを特徴とする。

 請求項9記載の発明は、請求項8記載の圧電アクチュエータにおいて、
 前記支持部材は、
 U字状に形成され、前記駆動軸の側周面における前記一部の領域のみに当接することを特徴とする。

 請求項10記載の発明は、請求項1,3,4,8,9の何れか一項に記載の圧電アクチュエータにおいて、
 前記支持部材は、前記駆動軸に固定されており、
 前記駆動軸の中心軸は、前記圧電素子の中心軸に対して所定の方向にオフセットされており、かつ、
 前記固定部分全体についての前記中心軸は、前記駆動軸の中心軸に対して前記所定の方向にオフセットされていることを特徴とする。

 請求項11記載の発明は、請求項1,3,4,8,9の何れか一項に記載の圧電アクチュエータにおいて、
 前記支持部材は、前記駆動軸に固定されており、
 前記駆動軸の中心軸は、前記圧電素子の中心軸に対して所定の方向にオフセットされており、かつ、
 前記固定部分全体についての前記中心軸は、前記駆動軸の中心軸に対して前記所定の方向とは反対の方向にオフセットされていることを特徴とする。

 請求項1記載の発明によれば、圧電素子の中心軸と駆動軸の中心軸とが互いにオフセットされているので、電圧の印加により圧電素子を伸縮させると、駆動軸が軸方向と、中心軸同士のオフセット方向とに変位する結果、首振り運動を行う。従って、駆動軸に確実に首振り運動を行わせることができる。

 請求項2記載の発明によれば、圧電素子の中心軸と、固定部分全体についての圧電素子の軸方向での中心軸とが互いにオフセットされているので、電圧の印加により圧電素子を伸縮させると、駆動軸が軸方向と、中心軸同士のオフセット方向とに変位する結果、首振り運動を行う。従って、駆動軸に確実に首振り運動を行わせることができる。

 請求項3記載の発明によれば、駆動軸の中心軸と、固定部分全体についての駆動軸の軸方向での中心軸とが互いにオフセットされているので、電圧の印加により圧電素子を伸縮させると、駆動軸が軸方向と、中心軸同士のオフセット方向とに変位する結果、首振り運動を行う。従って、駆動軸に確実に首振り運動を行わせることができる。

 請求項4記載の発明によれば、圧電素子の中心軸は駆動軸における軸方向と垂直な断面内での最大径を100%とした場合に、20~50%の距離だけ駆動軸の中心軸に対してオフセットされているので、20%より小さい距離だけオフセットされた場合や、50%より大きい距離だけオフセットされた場合と比較して、より確実に駆動軸に首振り運動を行わせることができる。

 請求項5記載の発明によれば、支持部材は圧電素子の側周面のうち、周方向における一部の領域のみに対して固定されているので、圧電素子の中心軸と、固定部分全体についての前記中心軸とが互いにオフセットされた状態となる。従って、電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、圧電素子の中心軸と、固定部分全体についての前記中心軸とのオフセット方向に、首振り運動を行わせることができる。

 請求項6記載の発明によれば、支持部材はU字状に形成され、圧電素子の側周面における一部の領域のみに当接するので、一部の領域以外にも当接する場合と異なり、支持部材を一部の領域に接着固定する際に、接着剤が接触部分を伝わって一部の領域の外部に広がってしまうのを防止することができる。従って、支持部材と圧電素子との接着の手間を軽減することができるため、圧電アクチュエータの製造を容易化することができる。

 請求項7記載の発明によれば、支持部材は圧電素子の軸方向における駆動軸とは反対側の端面に当接するとともに、この端面の一部の領域のみに対して固定されており、固定部分全体における圧電素子の軸方向の中心軸は圧電素子の中心軸に対してオフセットされているので、電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、圧電素子の中心軸と、支持部材における固定部分全体の中心軸とのオフセット方向に、首振り運動を行わせることができる。

 請求項8記載の発明によれば、支持部材は駆動軸の側周面のうち、周方向における一部の領域のみに対して固定されているので、駆動軸の中心軸と、固定部分全体についての中心軸とが互いにオフセットされた状態となる。従って、電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、駆動軸の中心軸と、固定部分全体についての前記中心軸とのオフセット方向に、首振り運動を行わせることができる。

 請求項9記載の発明によれば、支持部材はU字状に形成され、駆動軸の側周面における一部の領域のみに当接するので、一部の領域以外にも当接する場合と異なり、支持部材を一部の領域に接着固定する際に、接着剤が接触部分を伝わって前記一部の領域の外部に広がってしまうのを防止することができる。従って、支持部材と駆動軸との接着の手間を軽減することができるため、圧電アクチュエータの製造を容易化することができる。

 請求項10記載の発明によれば、駆動軸の中心軸は圧電素子の中心軸に対して所定の方向にオフセットされているので、このオフセット(以下、前者のオフセットとする)によって、圧電素子の伸長時には駆動軸が所定の方向に首振り運動し、圧電素子の収縮時には所定の方向とは反対の方向に首振り運動する。

 一方、支持部材は駆動軸に固定されており、固定部分全体についての中心軸は駆動軸の中心軸に対して所定の方向にオフセットされているので、このオフセット(以下、後者のオフセットとする)によって、圧電素子の伸長時には駆動軸が所定の方向とは反対の方向に首振り運動し、圧電素子の収縮時には所定の方向に首振り運動する、つまり、前者のオフセットによる首振り運動とは逆方向に首振り運動することとなる。

 そして、前者のオフセットに起因する首振りの変位量よりも、後者のオフセットに起因する首振りの変位量の方が大きいため、結果として駆動軸は微細な首振り運動を行うこととなる。

 よって、単純に前者のオフセット、或いは後者のオフセットのみによって首振りの変位量を制御する場合と比較して、微細な制御を行うことができる。

 請求項11記載の発明によれば、駆動軸の中心軸は圧電素子の中心軸に対して所定の方向にオフセットされているので、このオフセット(以下、前者のオフセットとする)によって、圧電素子の伸長時には駆動軸が所定の方向に首振り運動し、圧電素子の収縮時には所定の方向とは反対の方向に首振り運動する。

 また、支持部材は駆動軸に固定されており、固定部分全体についての中心軸は駆動軸の中心軸に対して所定の方向とは反対の方向にオフセットされているので、このオフセット(以下、後者のオフセットとする)によって、圧電素子の伸長時には駆動軸が所定の方向に首振り運動し、圧電素子の収縮時には所定の方向とは反対の方向に首振り運動する、つまり、前者のオフセットによる首振り運動と同方向に首振り運動することとなる。

 従って、前者のオフセット、或いは後者のオフセットのみによって首振り運動を行わせる場合と比較して、変位量の大きい首振り運動を行わせることができる。

本発明に係る圧電アクチュエータの概略構成を示す概念図である。 圧電素子、駆動軸及び支持部材を示す斜視図である。 (a),(b)は圧電素子と、駆動軸と、支持部材の固定部分との各中心軸を示す図であり、(c)は本発明に係る圧電アクチュエータにおける各部材の物性を示す図である。 本発明に係る圧電アクチュエータの動作を説明するための図である。 圧電素子と、駆動軸と、支持部材の固定部分との各中心軸を示す図である。 (a),(b)は実施例の圧電アクチュエータにおける駆動軸の首振り運動を説明するための図であり、(c)は実施例の圧電アクチュエータによる首振り動作の評価結果を示す図である。

 以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について説明する。

 図1は、本発明に係る圧電アクチュエータとしてのSIDM装置1を用い、レンズを光軸と直交方向に変位させる、いわゆる手ブレ補正装置の概略構成を示す図である。

 図1に示すように、SIDM装置1は、圧電素子2と、駆動軸3と、支持部材4と、移動体5等とを備えている。さらに、移動体5にレンズ50が設けられている。

 圧電素子2は、図示しない制御装置からの電圧の印加により軸方向(以下、Y軸方向とし、駆動軸3の先端側を正のY軸方向とする)に沿って伸縮する4角柱状の部材であり、本実施の形態においては、ピエゾ素子となっている。

 駆動軸3は、Y軸方向に延在する4角柱状の部材であり、Y軸方向における圧電素子2の一端面に固定され、圧電素子2の伸縮によってY軸方向に変位するようになっている。

 支持部材4は、ベース部材41上で圧電素子2及び駆動軸3を支持する部材であり、本実施の形態においては、駆動軸3に対して固定された固定部分40を有しており、固定部分40を介して圧電素子2及び駆動軸3を支持している。

 移動体5は、駆動軸3に対して摺動するものであり、駆動軸3に摩擦係合され、圧電素子2の伸縮によってY軸方向に変位するようになっている。なお、本実施の形態においては、移動体5は、撮像ユニット(図示せず)におけるレンズ50を支持しており、移動体5の移動に追従させてレンズ50を移動させるようになっている。より詳細には、レンズ50の光軸方向はZ軸方向に一致しており、移動体5のY軸方向などへの移動によって撮像ユニットの手振れ補正が行われるようになっている。

 続いて、SIDM装置1について、より詳細に説明する。

 図2は圧電素子2、駆動軸3及び支持部材4を示す斜視図であり、図3(a)は圧電素子2と駆動軸3と、支持部材4の固定部分40との各中心軸L2~L4を示す図である。

 図2に示すように、駆動軸3は、圧電素子2に対して互いの中心軸L3、L2がオフセットされるよう固定されている。より詳細には、図3(a)に示すように、駆動軸3の中心軸L3は圧電素子2の中心軸L2に対してX軸方向(以下、正のX軸方向とする)にオフセットされており、このオフセットの大きさ、つまり2つの中心軸L2、L3間の距離は、XZ断面内での圧電素子2の最大径(本実施の形態においてはXZ断面の対角線の長さ)を100%とした場合に、20~50%の距離となっている。

 また、図2、図3(a)に示すように、固定部分40はU字型に形成されており、駆動軸3の側周面のうち、正のX軸方向における一面(図中、上側の面)を除いた3つの面のみに当接して固定されている。これにより、固定部分40全体についてのY軸方向での中心軸L4は、駆動軸3の中心軸L3に対して負のX軸方向にオフセットされている。

 なお、図2に示すように、圧電素子2の幅方向をZ軸方向、厚さ方向をX軸方向とすると、本実施の形態における圧電素子のX軸方向、Z軸方向、Y軸方向の寸法は、0.5mm、0.5mm、1.6mmとなっている。このような圧電素子2としては、従来より公知の圧電素子を用いることができる。

 また、駆動軸3は圧電素子2と同様に、X軸方向が厚さ方向、Z軸方向が幅方向となっており、X軸方向、Z軸方向、Y軸方向の寸法は、1.0mm、1.7mm、3.0mmとなっている。このような駆動軸3としては、従来より公知の駆動軸を用いることができる。また、上記のような駆動軸3と圧電素子2の固定は、接着剤により行われることが好ましい。

 また、支持部材4のY軸方向の寸法は0.5mmとなっている。また、内周側の寸法(固定部分40の寸法)は駆動軸3のX軸方向、Z軸方向の寸法に対応しており、外周側のX軸方向、Z軸方向の寸法は、1.5mm、2.7mmとなっている。このような支持部材4としては、従来より公知のSUS製の支持部材を用いることができる。また、上記のような支持部材4と駆動軸3との固定は、接着剤により行われることが好ましい。

 以上のSIDM装置1における駆動軸3や支持部材4、圧電素子(ピエゾ素子)2、部材間の接着剤の物性は、例えば図3(c)に示す通りとすることができる。

 続いて、SIDM装置1の動作について説明する。

 図4(a)は圧電素子2が収縮した状態を示しており、図4(b)は伸長した状態を示している。なお、これら図4(a)、(b)では、SIDM装置1を簡略化して図示している。

 まず、図4(a)に示すように、収縮した状態の圧電素子2に対し、緩やかに立上って急速に立下る鋸歯状波駆動パルスを印加する。

 これにより、駆動パルスの緩やかな立上り時には、圧電素子2がY軸の負方向(図4(a)の右から左へ向かう方向)へ緩やかに伸長する。

 このとき、本実施の形態においては、駆動軸3の中心軸L3は圧電素子2の中心軸L2に対して正のX軸方向にオフセットされているため、駆動軸3は、図4(b)に示すように、正のX軸方向側(図の上側)の部分が負のX軸方向側(図の下側)の部分よりも大きく変位する結果、正のX軸方向に曲がる、つまり正のX軸方向に首振りを行うこととなる。

 また、本実施の形態においては、固定部分40全体についてのY軸方向での中心軸L4は駆動軸3の中心軸L3に対して負のX軸方向にオフセットされているため、駆動軸3は、正のX軸方向側の部分が負のX軸方向側の部分よりも大きく変位する結果、更に正のX軸方向に曲がることとなる。

 なお、上記のような首振り動作の原理については十分には解明されていないが、図4(b)に破線矢印で示すように、圧電素子2が形状変化して駆動軸3に動力を伝達する際に、圧電素子2における図中の右上部分が駆動軸3の上側部分を引き込むようにY軸の負方向に変形する結果、駆動軸3が上側に首振り動作をするものと推測される。

 また、以上のように駆動軸3の中心軸L3と圧電素子2の中心軸L2とをオフセットさせることで駆動軸3をX軸方向へ変位させ、かつ、固定部分40全体についての中心軸L4と駆動軸3の中心軸L3とをオフセットさせることで駆動軸3をX軸方向へ変位させる場合には、前者のオフセットに起因するX軸方向への変位量よりも、後者のオフセットに起因するX軸方向への変位量の方が大きい。

 そして、駆動軸3が緩やかに変位すると、移動体5は駆動軸3に対する摩擦係合力によって駆動軸3とともに正のX軸方向に移動する。これにより、本発明のSIDM装置1を用いた手ブレ補正装置(図1参照)においては、移動体5に支持されたレンズ50が正のX軸方向に移動する結果、前記撮像ユニットの手振れ補正が行われる。ここで、X軸方向への移動体5の変位を大きくするには、移動体5を支持部材4から遠くに離して配設すれば良い。なお、このとき、レンズ50の光軸方向はZ軸方向に一致したままであるので、撮像ユニットの撮像性能低下が防止される。

 一方、駆動パルスの急速な立下り時には、圧電素子2が急速に収縮する。

 このとき、本実施の形態においては、駆動軸3の中心軸L3は圧電素子2の中心軸L2に対して正のX軸方向にオフセットされているため、上述の図4(a)に示すように、駆動軸3は、正のX軸方向側の部分が負のX軸方向側の部分よりも大きく変位する結果、負のX軸方向に曲がる、つまり負のX軸方向に首振りを行うこととなる。

 また、本実施の形態においては、固定部分40全体についてのY軸方向での中心軸L4は、駆動軸3の中心軸L3に対して負のX軸方向にオフセットされているため、駆動軸3は、正のX軸方向側の部分が負のX軸方向側の部分よりも大きく変位する結果、更に負のX軸方向に曲がることとなる。

 そして、駆動軸3が急速に変位すると、移動体5は慣性力により摩擦結合力に打ち勝って、留まった位置で保持される。

 以降、圧電素子2に前記駆動パルスを連続的に印加することにより、駆動軸3に速度の異なる往復振動を発生させ、移動体5を連続的に正のX軸方向に移動させることができる。

 なお、上記の動作において、駆動軸3がY軸方向に緩やかに変位するときには、移動体5は駆動軸3に対する摩擦係合力によって駆動軸3とともにY軸方向に移動する一方、駆動軸3がY軸方向に急速に変位するときには、移動体5は慣性力による摩擦係合力に打ち勝って、Y軸方向に関して留まった位置で保持されることとなる。このようなY軸方向の移動や、上述のX軸方向の移動を逆向きにするには、圧電素子2に印加する鋸歯状波駆動パルスの波形を、急速に立上って緩やかに立下る波形とすれば良い。なお、印加される駆動波形としては、ここで示した鋸歯状駆動パルスに限らず、駆動に適したduty比をもつ矩形波や、その他の駆動に適した立ち上がり/立下り特性を持つ波形を適用することも可能である。

 以上のSIDM装置1によれば、圧電素子2の中心軸L2と駆動軸3の中心軸L3とが互いにX軸方向にオフセットされているので、電圧の印加により圧電素子2を伸縮させると、駆動軸3がY軸方向と、中心軸L2、L3同士のオフセット方向、つまりX軸方向とに変位する結果、首振り運動を行う。また、圧電素子2の中心軸L2は駆動軸3におけるXZ断面内での最大径を100%とした場合に、20~50%の距離だけ駆動軸3の中心軸L3に対してオフセットされているので、20%より小さい距離だけオフセットされた場合や、50%より大きい距離だけオフセットされた場合と比較して、より確実に駆動軸に首振り運動を行う。

 更に、支持部材4に固定された駆動軸3の中心軸L3と、固定部分40全体についてのY軸方向での中心軸L4とが互いにX軸方向にオフセットされているので、電圧の印加により圧電素子2を伸縮させると、駆動軸3がY軸方向と、中心軸L3、L4同士のオフセット方向、つまりX軸方向とに変位する結果、首振り運動を行う。

 そして、駆動軸3の中心軸L3と圧電素子2の中心軸L2とのオフセットによるX軸方向への駆動軸3の変位と、固定部分40全体についての中心軸L4と駆動軸3の中心軸L3とのオフセットによるX軸方向への駆動軸3の変位とは同じ方向に生じるため、駆動軸3はより確実に、変位量の大きい首振り運動を行う。

 以上より、駆動軸3に変位量の大きな首振り運動を行わせることができる。

 また、圧電素子2の中心軸L2と駆動軸3の中心軸L3とが互いにオフセットされており、かつ、駆動軸3の中心軸L3と、固定部分40全体についての中心軸L4とが互いにオフセットされているので、SIDM装置1のインピーダンス特性を向上させることができる。

 また、支持部材4の固定部分40はU字状に形成され、駆動軸3の側周面のうち、正のX軸方向における一面を除いた3つの面のみに当接するので、正のX軸方向における前記一面にも当接する場合と異なり、支持部材4を駆動軸3に接着固定する際に、接着剤が接触部分を伝わって前記一面側に広がってしまうのを防止することができる。従って、支持部材4と駆動軸3との接着の手間を軽減することができるため、SIDM装置1の製造を容易化することができる。

 なお、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

 例えば、上記の実施形態においては、駆動軸3の中心軸L3が圧電素子2の中心軸L2に対して正のX軸方向にオフセットされ、支持部材4の固定部分40における中心軸L4が駆動軸3の中心軸L3に対して負のX軸方向にオフセットされていることとして説明したが、駆動軸3の中心軸L3が圧電素子2の中心軸L2に対して正のX軸方向にオフセットされ、同様に、支持部材4の固定部分40における中心軸L4が駆動軸3の中心軸L3に対して正のX軸方向にオフセットされることとしても良い。この場合には、駆動軸3の中心軸L3と圧電素子2の中心軸L2とのオフセットによるX軸方向への駆動軸3の変位と、固定部分40全体についての中心軸L4と駆動軸3の中心軸L3とのオフセットによるX軸方向への駆動軸3の変位とは逆方向に生じることとなるが、上述したように前者のオフセットによる変位量よりも、後者のオフセットによる変位量の方が大きいため、結果として駆動軸3は僅かに首振りを行うこととなる。従って、単純に前者のオフセット、或いは後者のオフセットのみによって首振りの変位量を制御する場合と比較して、微細な制御を行うことができる。

 また、駆動軸3の中心軸L3が圧電素子2の中心軸L2に対してオフセットされ、支持部材4の固定部分40における中心軸L4が駆動軸3の中心軸L3に対してオフセットされていることとして説明したが、何れか一方のみがオフセットされることとしても良い。

 また、支持部材4が駆動軸3の側周面の三面に当接して固定されることで固定部分40の中心軸L4が駆動軸3の中心軸L3に対してオフセットされることとして説明したが、固定部分40のY軸方向の中心軸L4が駆動軸3の中心軸L3に対してオフセットされる限りにおいて、図5(a)、(b)に示すように、支持部材4が駆動軸3の側周面に対し、周方向の全面(四面)に当接して、この当接面の一部のみで固定される(この一部のみに固定部分40が設けられる)こととしても良い。なお、この図では、固定部分40を太線で示している。

 また、駆動軸3の中心軸L3が圧電素子2の中心軸L2に対して正のX軸方向にオフセットされることとして説明したが、例えば図3(b)や図5(c)に示すように、負のX軸方向にオフセットされることとしても良いし、図5(a)、(b)に示すように、正のX軸方向と、正または負のZ軸方向とにオフセットされることとしても良いし、Z軸方向のみにオフセットされることとしても良い(図示せず)。

 また、支持部材4が駆動軸3に固定されることとして説明したが、圧電素子2に固定されることとしても良い。この場合には、固定部分40が圧電素子2の側周面の三面に当接して固定されることで当該固定部分40の中心軸L4が圧電素子2の中心軸L2に対してオフセットされることとしても良いし、支持部材4が圧電素子2の駆動軸3とは反対側の端面に当接して、当該端面の一部の領域のみに固定されることで、固定部分40のY軸方向の中心軸L4が圧電素子2の中心軸L2に対してオフセットされることとしても良い。

 また、圧電素子2及び駆動軸3をそれぞれ四角柱状として説明したが、円柱状や三角柱状など、他の形の柱状としても良い。

 以下、実施例および比較例を挙げることにより、本発明に係る圧電アクチュエータをさらに具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
 本発明に係る圧電アクチュエータの実施例として、図6(a)に示すようなSIDM装置1を形成した。

 図6(a)におけるSIDM装置1では、支持部材4は、駆動軸3の側周面のうち、正のX軸方向における一面(図中、左奥の面)を除いた3つの面のみに当接して固定されている。これにより、支持部材4における固定部分40の中心軸L4は、駆動軸3の中心軸L3に対して負のX軸方向にオフセットされている。

 なお、図6(a)におけるSIDM装置1では、圧電素子2の中心軸L2と駆動軸3の中心軸L3とは一致した状態となっている。また、SIDM装置1において、駆動軸3や支持部材4、圧電素子(ピエゾ素子)2、部材間の接着剤の物性は、上述の図3(c)に示す通りとなっている。更に、各部材の寸法は、上記実施の形態で説明した通りとなっている。

 以上のSIDM装置1に対し、3Vの電圧を印加して圧電素子2を伸長させたところ、図6(a)に示すように、X軸方向に沿って駆動軸3の変位量が異なり、正のX軸方向に最大で5.6mm、首振り動作を行うことが確認された。なお、この図6(a)や後述の図6(b)では、網掛けの濃度によって駆動軸3の各部位のX方向への変位量を示しており、濃度の薄い方が大きく変位していることを意味する。
[実施例2]
 本発明に係る圧電アクチュエータの実施例として、図6(b)に示すようなSIDM装置1を形成した。

 図6(b)におけるSIDM装置1では、支持部材4は、駆動軸3の側周面のうち、負のZ軸方向、かつ負のX軸方向の角部(図中、右手前の角部)を除いた4つの面に当接して固定されている。これにより、支持部材4における固定部分40の中心軸L4は、駆動軸3の中心軸L3に対して正のZ軸方向、かつ正のX軸方向にオフセットされている。

 なお、図6(b)におけるSIDM装置1では、圧電素子2の中心軸L2と駆動軸3の中心軸L3とは一致した状態となっている。また、このSIDM装置1において、駆動軸3や支持部材4、圧電素子(ピエゾ素子)2、部材間の接着剤の物性は、上述の図3(c)に示す通りとなっている。

 以上のSIDM装置1に対し、3Vの電圧を印加して圧電素子2を伸長させたところ、図6(b)に示すように、X軸方向に沿って駆動軸3の変位量が異なり、負のX軸方向、かつ負のZ軸方向に最大で5.6mm、首振り動作を行うことが確認された。
[実施例3]
 本発明に係る圧電アクチュエータの実施例として、上述の図2、図3に示すようなSIDM装置1を複数形成した。

 これらのSIDM装置1では、圧電素子2の中心軸L2と駆動軸3の中心軸L3とは互いにオフセットされた状態となっており、このオフセットの大きさ(XZ断面内での圧電素子2の最大径を100%とした場合での、中心軸L2、L3間の距離。図3(a)参照)が異なっている。なお、このSIDM装置1における各部材の寸法は、上記実施の形態と同様となっている。また、このSIDM装置1において、駆動軸3や支持部材4、圧電素子(ピエゾ素子)2、部材間の接着剤の物性は、上述の図3(c)に示す通りとなっている。

 以上の各SIDM装置1に対し、3Vの電圧を印加して圧電素子2を伸長させ、以下の基準に従って首振り動作の大きさを評価したところ、図6(c)に示すような結果となった。

 ×:首振り動作を行わない
 ○:首振り動作は行うものの、首振り動作の大きさが1mm未満
 ◎:首振り動作の大きさが1mm以上
 以上の結果から、中心軸L2、L3がオフセットされている場合には首振り動作が生じることが確認された。但し、オフセットの大きさが0~10%の場合には、オフセット量が少ないため、首振りが殆ど計測されず実用的でなかった。また、オフセットの大きさが60%以上の場合には、やはり首振り動作が殆ど計測されず実用的でなかった。これは、圧電素子2の形状変化による駆動力が駆動軸3に効率よく伝達されないためと考えられた。

 一方、オフセットの大きさが20~50%の場合には、首振り動作が大きくなることが確認された。

 1 SIDM装置(圧電アクチュエータ)
 2 圧電素子
 3 駆動軸
 4 支持部材
 5 移動体
 40 固定部分
 L2 圧電素子の中心軸
 L3 駆動軸の中心軸
 L4 固定部材のZ軸方向の中心軸

Claims (11)

  1.  電圧の印加によって軸方向に伸縮する柱状の圧電素子と、
     前記圧電素子の軸方向の端面に固定され、前記圧電素子の伸縮によって変位する柱状の駆動軸と、
     前記圧電素子または前記駆動軸に固定された固定部分を有するとともに、前記固定部分を介して前記圧電素子及び前記駆動軸を支持する支持部材と、
     前記駆動軸に対して摩擦係合されて前記駆動軸の軸方向に移動する移動体とを備え、
     前記圧電素子の中心軸と、
     前記駆動軸の中心軸とがオフセットされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2.  電圧の印加によって軸方向に伸縮する柱状の圧電素子と、
     前記圧電素子の軸方向の端面に固定され、前記圧電素子の伸縮によって変位する柱状の駆動軸と、
     前記圧電素子に固定された固定部分を有するとともに、前記固定部分を介して前記圧電素子及び前記駆動軸を支持する支持部材と、
     前記駆動軸に対して摩擦係合されて前記駆動軸の軸方向に移動する移動体とを備え、
     前記圧電素子の中心軸と、
     前記固定部分全体についての、前記圧電素子の軸方向での中心軸とがオフセットされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  3.  電圧の印加によって軸方向に伸縮する柱状の圧電素子と、
     前記圧電素子の軸方向の端面に固定され、前記圧電素子の伸縮によって変位する柱状の駆動軸と、
     前記駆動軸に固定された固定部分を有するとともに、前記固定部分を介して前記圧電素子及び前記駆動軸を支持する支持部材と、
     前記駆動軸に対して摩擦係合されて前記駆動軸の軸方向に移動する移動体とを備え、
     前記駆動軸の中心軸と、
     前記固定部分全体についての、前記駆動軸の軸方向での中心軸とがオフセットされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  4.  請求項1記載の圧電アクチュエータにおいて、
     前記圧電素子の中心軸は、
     前記駆動軸における軸方向と垂直な断面内での最大径を100%とした場合に、20~50%の距離だけ前記駆動軸の中心軸に対してオフセットされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  5.  請求項2記載の圧電アクチュエータにおいて、
     前記支持部材は、
     前記圧電素子の側周面のうち、周方向における一部の領域のみに対して固定されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  6.  請求項5記載の圧電アクチュエータにおいて、
     前記支持部材は、
     U字状に形成され、前記圧電素子の側周面における前記一部の領域のみに当接することを特徴とする圧電アクチュエータ。
  7.  請求項2記載の圧電アクチュエータにおいて、
     前記支持部材は、
     前記圧電素子の軸方向における前記駆動軸とは反対側の端面に当接するとともに、当該端面の一部の領域のみに対して固定されており、
     前記固定部分全体における前記圧電素子の軸方向の中心軸は、前記圧電素子の中心軸に対してオフセットされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  8.  請求項3記載の圧電アクチュエータにおいて、
     前記支持部材は、
     前記駆動軸の側周面のうち、周方向における一部の領域のみに対して固定されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  9.  請求項8記載の圧電アクチュエータにおいて、
     前記支持部材は、
     U字状に形成され、前記駆動軸の側周面における前記一部の領域のみに当接することを特徴とする圧電アクチュエータ。
  10.  請求項1,3,4,8,9の何れか一項に記載の圧電アクチュエータにおいて、
     前記支持部材は、前記駆動軸に固定されており、
     前記駆動軸の中心軸は、前記圧電素子の中心軸に対して所定の方向にオフセットされており、かつ、
     前記固定部分全体についての前記中心軸は、前記駆動軸の中心軸に対して前記所定の方向にオフセットされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  11.  請求項1,3,4,8,9の何れか一項に記載の圧電アクチュエータにおいて、
     前記支持部材は、前記駆動軸に固定されており、
     前記駆動軸の中心軸は、前記圧電素子の中心軸に対して所定の方向にオフセットされており、かつ、
     前記固定部分全体についての前記中心軸は、前記駆動軸の中心軸に対して前記所定の方向とは反対の方向にオフセットされていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
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