JP2007104761A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動部材の十分な推進力を確実に得ることができ、且つ、駆動方向に小型化することのできるアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータ１０は、圧電素子１２と、圧電素子１２の端面１２Ａに取り付けられるとともに被駆動部材１６が摩擦係合された駆動軸１４と、圧電素子１２の端面１２Ｂに取りつけられた錘部材１８とを備える。錘部材１８の少なくとも一部は、圧電素子１２の端面１２Ｂよりも端面１２Ａ側に配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明はアクチュエータに係り、特にデジタルカメラやカメラ付き携帯電話機等のレンズを駆動するアクチュエータに関する。

デジタルカメラ等のレンズの駆動装置として、圧電素子を用いたアクチュエータが知られている。例えば特許文献１のアクチュエータは、圧電素子、駆動部材、及び、台座で構成される。前記圧電素子の伸縮方向の一方の端面には駆動部材が固着され、この駆動部材に被駆動部材が摩擦係合される。また、圧電素子の伸縮方向の他方の端面には、台座が固着される。この台座は慣性体としての錘りの機能があり、このような構成で前記圧電素子にパルス状の電圧が印加され、圧電素子の伸び方向と縮み方向との動きが台座の慣性作用により駆動部材に伝達される。圧電素子が遅い速度で変形した場合には、被駆動部材が駆動部材とともに移動し、圧電素子が速い速度で変形した場合には、被駆動部材がその質量の慣性によって同じ位置に停まる。したがって、パルス状の電圧の印加を繰り返すことによって、被駆動部材を細かなピッチで間欠的に移動させることができる。

このような構成のアクチュエータは、台座と、圧電素子と、駆動部材との間で共振するという問題を発生する。また、本体との取り付け時に共振の影響が出ないように特許文献１のアクチュエータは、台座を本体にゴム系接着剤で固着することにより、アクチュエータを本体に弾性的に支持している。ところがこのような駆動方式は台座と、圧電素子と、駆動部材との構成のバラツキのコントロールが非常に困難となる。

このような共振を利用すると、駆動部材の移動量が増加するという利点がある。例えば特許文献２には、この共振を利用したアクチュエータが記載されている。このアクチュエータによれば、共振時の圧電素子の変位に合わせてパルス状の電圧を印加することによって、被駆動部材の変位量を大きくしている。
特開２００２−１４２４７０号公報 特許第３１７１１８７号公報

しかしながら、特許文献１、２のアクチュエータは、圧電素子、駆動部材、台座（或いは支持部材）が駆動方向に並んで配置されているため、駆動方向に大きくなり、特に大きな台座を用いた場合にはアクチュエータが大型化するという問題があり、小型化可能なアクチュエータが要望されている。

また、特許文献１、２のアクチュエータは、圧電素子、駆動部材、台座から成るアクチュエータの内部で生じる共振状態を利用しているため、共振による悪影響を受けて、駆動部材が圧電素子の伸縮方向以外にも変位するという問題を生じる。例えば図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すように、駆動部材２は、前記共振の影響を受けて、圧電素子の伸縮方向以外に変位するという問題を生じる。このため、圧電素子１の伸縮による駆動力が被駆動部材３に正確に伝わらず、被駆動部材３を圧電素子１の伸縮方向に正確に移動させることが困難となる。特に、被駆動部材３の推進力を大きくするために台座（錘部材）を大きくすると、共振が生じやすくなり、共振を生じにくい構造のアクチュエータが要望されている。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、被駆動部材の十分な推進力を確実に得ることができ、且つ、駆動方向に小型化することのできるアクチュエータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、電気機械変換素子と、該電気機械変換素子の伸縮方向の一方側に取り付けられるとともに被駆動部材が摩擦係合される駆動摩擦部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向の他方側に取りつけられた錘部材と、から成るアクチュエータにおいて、前記錘部材の少なくとも一部は、前記電気機械変換素子の他方側の端面よりも前記一方側に配置されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、錘部材の少なくとも一部が電気機械変換素子の他方側の端面よりも一方側に配置されるので、アクチュエータを駆動方向（すなわち電気機械変換素子の伸縮方向）に小型化することができる。

また、請求項１に記載の発明によれば、アクチュエータを駆動方向に大型化することなく、錘部材を大きくすることができ、被駆動部材の十分な推進力を確保することができる。

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、前記電気機械変換素子の他方側の端面には連結部材が取りつけられ、該連結部材に前記錘部材が取りつけられることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、連結部材を介して錘部材が電気機械変換素子の他方側の端面に取りつけられるので、錘部材の配置の自由度が増えて、アクチュエータをさらに小型化することができる。

請求項３に記載の発明は請求項１又は２に記載の発明において、前記錘部材は筒状に形成され、該錘部材の内側に前記電気機械変換素子の少なくとも一部が配置されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、錘部材が筒状に形成されるので、アクチュエータをより小型化することができる。

本発明に係るアクチュエータによれば、錘部材の少なくとも一部を、電気機械変換素子の端面よりも内側に配置したので、アクチュエータを駆動方向に小型化することができる。

以下添付図面に従って本発明に係るアクチュエータの好ましい実施の形態について詳述する。図１は本発明に係るアクチュエータを示す構成図である。

図１に示すように、アクチュエータ１０は主として、圧電素子（電気機械変換素子に相当）１２、駆動軸（駆動摩擦部材に相当）１４、被駆動部材１６、及び、錘部材１８で構成される。

圧電素子１２は矢印方向に積層されて直方体状に形成されており、電圧を印加することによって積層方向に変形（伸縮）するように構成される。したがって、圧電素子１２は、長手方向の端面１２Ａ、１２Ｂが変位するようになっている。

圧電素子１２の端面１２Ａ、１２Ｂのうち、一方の端面１２Ａには、駆動軸１４の基端が固着されている。駆動軸１４は例えば円柱状に形成されており、その軸が矢印方向（すなわち、圧電素子の伸縮方向）に配置されている。駆動軸１４の材質は、黒鉛結晶を強固に複合させた黒鉛結晶複合体、例えばカーボングラファイトが用いられる。なお、駆動軸１４の形状は円柱状に限定されるものではなく、角柱状でもよい。

被駆動部材１６はレンズ枠（不図示）に連結される部材であり、駆動軸１４に所定の摩擦力で係合され、駆動軸１４に沿ってスライド自在に支持される。被駆動部材１６と駆動軸１４との摩擦力は、圧電素子１２に緩やかな変化の電圧を印加した際に、その駆動力よりも静摩擦力が大きくなるように、且つ、圧電素子１２に急激な変化の電圧を印加した際に、その駆動力よりも静摩擦力が小さくなるように設定される。

錘部材１８は、矩形の筒状に形成されており、圧電素子１２の断面よりも大きい矩形の孔１８が形成されている。この孔１８に錘部材１８を挿通した状態で、錘部材１８の基端側の面１８Ｂが板状の連結部材２２に接着剤によって固着され、この連結部材２２が圧電素子１２の端面１２Ｂに弾性の接着剤２０によって固着される。これにより、錘部材１８が連結部材２２を介して圧電素子１２の端面１２Ｂに取り付けられ、錘部材１８は圧電素子１２の端面１２Ｂよりも端面１２Ａ側に配置される。

錘部材１８は、圧電素子１２の端面１２Ｂに負荷を与えることによって、端面１２Ｂが端面１２Ａよりも大きく変位することを防止するものであり、駆動軸１４よりも重量の大きいものが好ましい。例えば、駆動軸１４が８ｍｇ、圧電素子１２が３２ｍｇの場合に、３２ｍｇの錘部材１８が用いられる。

また、錘部材１８は、軟性材料によって形成されている。錘部材１８の材質は、圧電素子１２及び駆動軸１４よりもヤング率の小さい材料のものが用いられる。錘部材１８のヤング率としては、１ＧＰａ以下が好ましく、３００ＭＰａ以下がより好ましい。このような錘部材１８は、ゴム等の弾性体に比重の大きい金属粉を混ぜ合わせることによって形成され、例えばウレタンゴムやウレタン樹脂にタングステンの粉末を混合することによって製造される。錘部材１８の比重は、装置の小型化のためにできるだけ高いことが好ましく、例えば８〜１２程度に設定される。

錘部材１８は、先端側の面１８Ｃで固定枠２４に接着剤によって固定されている。これにより、錘部材１８、連結部材２２、圧電素子１２、及び駆動軸１４から成るアクチュエータ１０が固定枠２４に支持される。固定枠２４は、携帯電話等の本体（不図示）に取り付けられる部材であり、二つの貫通孔２４Ａ、２４Ａを備えている。貫通孔２４Ａ、２４Ａは駆動軸１４よりも若干大きな径で形成されており、駆動軸１４を貫通孔２４Ａ、２４Ａに挿通させることによって、駆動軸１４が矢印方向にスライド自在に支持される。

前述した圧電素子１２には不図示の駆動パルス供給装置が電気的に接続されており、この駆動パルス供給装置によって、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示す波形の電圧が印加される。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）は圧電素子１２に印加するパルス波形の一例を示したものである。図２（Ａ）は、図１の被駆動部材１６を矢印の左方向に移動させる際のパルス波形であり、図２（Ｂ）は図１の被駆動部材１６を矢印の右方向に移動させる際のパルス波形である。

図２（Ａ）の場合、圧電素子１２には、時刻α１から時刻α２にかけて緩やかに立ち上がり、時刻α３で急激に立ち下がる略鋸歯状の駆動パルスを印加している。したがって、時刻α１から時刻α２では、圧電素子１２が緩やかに伸長する。その際、駆動軸１４が緩やかな速度で移動するので、被駆動部材１６は駆動軸１４とともに移動する。これにより、被駆動部材１６を図１の左方向に移動させることができる。時刻α３では、圧電素子１２が急激に縮まるので、駆動軸１４は図１の右方向に移動する。その際、駆動軸１４が急激に移動するので、被駆動部材１６は慣性によってその位置に停止したまま、駆動軸１４だけが移動する。したがって、図２（Ａ）に示した鋸歯状の駆動パルスを繰り返し印加することによって、図１の被駆動部材１６は左方向への移動と停止を繰り返すので、左方向へ移動させることができる。

図２（Ｂ）の場合、圧電素子１２には、時刻β１で急激に立ち上がり、時刻β２から時刻β３にかけて緩やかに立ち下がる略鋸歯状の駆動パルスを印加している。したがって、時刻β１では圧電素子１２が急激に伸長し、駆動軸１４は図１の左方向に移動する。その際、駆動軸１４が急激に移動するので、被駆動部材１６は慣性によってその位置に停止したまま、駆動軸１４だけが移動する。時刻β２から時刻β３では、圧電素子１２が緩やかに縮まる。その際、駆動軸１４が緩やかに変位するので、被駆動部材１６は駆動軸１４とともに移動する。これにより、被駆動部材１６を図１の右方向に移動させることができる。したがって、図２（Ｂ）に示した鋸歯状の駆動パルスを繰り返し印加することによって、図１の被駆動部材１６は右方向への移動と停止を繰り返すので、右方向へ移動させることができる。

上記の如く構成された実施形態のアクチュエータ１０は、錘部材１８が、圧電素子１２の端面１２Ｂよりも端面１２Ａ側に配置されているので、図７に示した従来装置（すなわち、圧電素子１、駆動軸２、台座が駆動方向に並んだ場合）に比べて、駆動方向に小型化することができる。

また、本実施の形態のアクチュエータ１０は、錘部材１８として軟性材料を用いたので、アクチュエータ１０そのもので発生する共振を抑制することができる。すなわち、軟性材料から成る錘部材１８を用いた場合には、圧電素子１２、駆動軸１４、及び、錘部材１８から成る系の共振周波数が低くなる。具体的には圧電素子１２と駆動軸１４とを質量として、錘部材１８を弾性体とした等価１自由系の共振周波数ｆ_０を大幅に下げることができる。共振周波数ｆ_０が低くなることで、駆動周波数ｆは、ｆ≧２^1/2 ・ｆ_０、となる防振領域に設定しやすくなり、共振の影響が少なくなる。したがって、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に示すように、錘部材１８を硬性材料で構成した場合に発生する、圧電素子１２の伸縮方向以外の振れを防止することができる。これにより、駆動軸１４が圧電素子１２の伸縮方向に変位するので、圧電素子１２の伸縮による駆動力が被駆動部材１６に正確に伝わり、被駆動部材１６を圧電素子１２の伸縮方向に正確に駆動制御することができる。また、共振周波数ｆ_０が低くなることで圧電素子１２、駆動軸１４、及び、錘部材１８の構成のバラツキによる影響が少なくなり、安定した駆動力を得ることができる。

このように軟性の錘部材１８を用いることによって、アクチュエータ１０の内部での共振が抑制されるので、大きな錘部材１８を用いた場合にも共振の影響が少なくなり、被駆動部材１６をより正確に移動させることができる。

なお、上述した実施形態は、錘部材１８全体を圧電素子１２の端面１２Ｂよりも端面１２Ａ側に配置したが、これに限定するものではなく、錘部材１８の一部のみを端面１２Ｂよりも端面１２Ａ側に配置してもよい。

また、上述した実施形態は、錘部材１８を先端側の面１８Ｃで固定枠２４に固着したが、これに限定するものではなく、図３に示すように錘部材１８の外側面１８Ｄで固定枠２４に固着するようにしてもよい。この場合、錘部材１８の外側面１８Ｄと固定枠２４との隙間を弾性の接着剤３０によって充填するとよい。

なお、上述した実施形態は、アクチュエータ１０を錘部材１８側で支持するようにしたが、アクチュエータ１０の支持方法はこれに限定するものではなく、例えば、図４に示すように、圧電素子１２の端面１２Ａ側で支持するようにしてもよい。図４に示すアクチュエータ１０は、圧電素子１２の端面１２Ａに支持部材３２が固着されている。この支持部材３２には孔３２Ａが形成されており、この孔３２Ａに駆動軸２４が挿通されている。また、支持部材３２は、固定枠２４の段差部２４Ｂに当接した状態で接着剤により固定されている。

上記の如く支持されたアクチュエータ１０は、中空に吊設したのに近い状態で支持される。よって、アクチュエータ１０と固定枠２４との間で振動が伝わりにくくなり、共振の影響が小さくなるので、被駆動部材１６を正確に移動させることができる。

なお、図４の固定枠２４の両端部には、保護板２６、３４が取りつけられている。保護板２６は、板状に形成され、駆動軸１４の先端面に接触した状態で両面テープ２８によって固定枠２４に取り付けられる。保護板３４は、金属や樹脂等によってコ状に形成され、錘部材１８と非接触の状態で取り付けられる。これらの保護板２６、３４を固定枠２４に取り付けることによってアクチュエータ１０が補強され、落下等の衝撃を受けた際に損傷することが防止される。保護板２６は、駆動軸１４に非接触で取りつけてもよい。また、保護板３４は、錘部材１８に接触した状態で取りつけてもよい。

図５は、アクチュエータ１０の別の支持方法を示す構成図である。同図に示すアクチュエータ１０は、一対の支持板４０、４２によって、圧電素子１２の伸縮方向に両側から押圧された状態で支持されている。支持板４０は、薄い金属板によってコ状に形成されており、錘部材１８を押圧した状態で固定枠２４に取りつけられている。支持板４２は、薄い金属板から成り、駆動軸１４の先端面を押圧した状態で、接着剤４４によって固定枠２４に固着されている。

上記の如く構成されたアクチュエータ１０を支持すると、アクチュエータ１０は、中に浮いた状態に近い状態で支持されている。このような状態で支持されたアクチュエータ１０は、固定枠２４との固着部分がないので、アクチュエータ１０と固定枠２４との間で振動が伝達しにくくなり、アクチュエータ１０と固定枠２４との間で共振が生じにくくなる。よって、共振による影響が少なくなるように支持されるので、被駆動部材１６を正確に移動させることができる。特に錘部材１８が軟性材料から成る場合には、上述したようにアクチュエータ１０の内部で共振が生じにくいので、上記の如く挟圧して支持することによって、アクチュエータ１０を共振のない状態に保つことができる。

また、図６に示すように、アクチュエータ１０を支持してもよい。図６のアクチュエータ１０は、一対の支持部材３６、３６によって圧電素子１２の側面が両側から押圧された状態で支持されている。支持部材３６、３６は、金属、樹脂、或いはゴム等から成り、固定枠２４に取りつけられている。なお、支持部材３６、３６の先端と圧電素子１２の側面とを弾性の接着剤によって接着してもよい。また、一対の支持部材３６、３６の代わりに筒状の支持部材を用い、圧電素子１２の側面を全周において押圧して支持するようにしてもよい。

上記の如く支持されたアクチュエータ１０は、一対の支持部材３６、３６によって圧電素子１２の側面を両側から押圧して支持するようにしたので、アクチュエータ１０は、中に浮いたのと近い状態で支持される。よって、アクチュエータ１０と固定枠２４との間で振動が伝達しにくくなるので、アクチュエータ１０は共振の影響が少なくなり、被駆動部材１６を正確に移動させることができる。

なお、上述した実施形態では、軟性材料から成る錘部材１８を用いたが、これに限定するものではなく、硬性材料から成る錘部材を用いてもよい。この場合にも、上記の如くアクチュエータ１０を支持することによって、共振の影響を小さくすることができ、被駆動部材１６を正確に移動させることができる。

また、上述した実施形態は、錘部材１８を筒状に形成したが、これに限定するものではなく、錘部材１８を複数個に分割して取り付けるようにしてもよい。

なお、本発明に係るアクチュエータ１０の用途としては、例えばデジタルカメラや携帯電話機等の小型精密機器に適用することができる。特に携帯電話機は、３Ｖ以下の低い電圧で駆動する必要があるが、本発明のアクチュエータ１０を用いることによって、２０ｋＨｚ程度の高周波で駆動することができ、被駆動部材１６を２ｍｍ／ｓ以上の高速度で移動させることができる。よって、１０ｍｍ程度の移動が必要となるズームレンズであっても、迅速に移動させることができる。また、本発明に係るアクチュエータ１０の用途としてはフォーカスレンズやズームレンズ等の移動レンズを移動する用途に限定されず、ＣＣＤを移動する用途等に用いてもよい。

本発明に係るアクチュエータの実施形態を示す断面図 圧電素子に印加される駆動パルスの波形図 図１と支持方法が異なるアクチュエータを示す断面図 図１と支持方法が異なるアクチュエータを示す断面図 図１と支持方法が異なるアクチュエータを示す断面図 図１と支持方法が異なるアクチュエータを示す断面図 従来のアクチュエータの不具合を説明する説明図

符号の説明

１０…アクチュエータ、１２…圧電素子、１４…駆動軸、１６…被駆動部材、１８…錘部材、２２…連結部材、２４…固定枠

Claims (3)

1. 電気機械変換素子と、該電気機械変換素子の伸縮方向の一方側に取り付けられるとともに被駆動部材が摩擦係合される駆動摩擦部材と、前記電気機械変換素子の伸縮方向の他方側に取りつけられた錘部材と、から成るアクチュエータにおいて、
   前記錘部材の少なくとも一部は、前記電気機械変換素子の他方側の端面よりも前記一方側に配置されることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記電気機械変換素子の他方側の端面には連結部材が取りつけられ、該連結部材に前記錘部材が取りつけられることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記錘部材は筒状に形成され、該錘部材の内側に前記電気機械変換素子の少なくとも一部が配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。

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