(57)【要約】【課題】駆動電力の大きさや圧電素子の特性を変えることなく駆動トルクを高めることができる小型のリニア駆動装置を提供する。【解決手段】振動部材１７の振動により駆動軸２１が軸線方向に振動することにより、駆動軸２１に摩擦接触した移動体３、５が直線移動するリニア駆動装置において、振動部材１７は、通電により伸縮する圧電素子２３と、弾性を有する金属板製の振動子１９とを有し、振動子１９は圧電素子２３に板面を重ねて固定してあると共に駆動軸２１の基端は振動子１９の中央位置で振動子１９又は圧電素子２３に固定してあり、振動子１９の外周部１９ａに質量を大きくする質量付加部２８を設けてある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動部材と、振動部材に基端を固定した駆動軸とを備え、振動部材の振動により駆動軸が軸線方向に振動することにより、駆動軸に摩擦接触した移動体が直線移動するリニア駆動装置において、
振動部材は、通電により伸縮する圧電素子と、弾性を有する金属板製の振動子とを有し、振動子は圧電素子に板面を重ねて固定してあると共に駆動軸の基端は振動子の中央位置で振動子又は圧電素子に固定してあり、振動子の外周部に質量を大きくする質量付加部を設けてあることを特徴とするリニア駆動装置。
【請求項２】
質量付加部は、振動子の輪郭と同形状の枠部材であり、枠部材を振動子の外周面に固定していることを特徴とする請求項１に記載のリニア駆動装置。
【請求項３】
質量付加部は、振動子の外周部の厚みを厚くした肉厚増加部であることを特徴とする請求項１に記載のリニア駆動装置。
【請求項４】
質量付加部は、振動子の質量の５〜１５％であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のリニア駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体を直線移動させるリニア駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、圧電素子に弾性を有する金属製の振動子を重ねて固定した振動部材に駆動軸の基端を固定して、駆動軸をその軸線方向に振動させることにより、駆動軸に摩擦接触した移動体を直線移動させるリニア駆動装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２５９３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、この種のリニア駆動装置においては、駆動電力の大きさや圧電素子の特性を変えることなく駆動トルクを高めることが要求されている。
【０００５】
係る要求に対して発明者らは、研究及び実験の結果、圧電素子と振動子とからなる振動部材において、駆動軸に作用する振動のトルクは、圧電素子の伸縮を受けて弾性変形する振動子に依存することを解明した。
【０００６】
振動により駆動軸に作用するトルクＦは、一般にＦ＝ｍａの式で求められる。ここで、ｍは質量であり、ａは加速度である。
【０００７】
したがって、振動子の質量をｍとした場合に、加速度ａは振動子が弾性変形するときの加速度となる為、振動子のみの質量を増加させることにより駆動軸に作用する振動トルクＦを高めることができるのである。
【０００８】
この場合、振動子の厚みを厚くして振動子の質量を大きくすることが考えられるが、振動子の厚みを厚くした場合には、振動子の弾性が低下するという不都合がある。
【０００９】
また、振動子の面積を大きくした場合には、振動部材が大型化するという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、駆動電力の大きさや圧電素子の特性を変えることなく駆動トルクを高めることができる小型のリニア駆動装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の発明は、振動部材と、振動部材に基端を固定した駆動軸とを備え、振動部材の振動により駆動軸が軸線方向に振動することにより、駆動軸に摩擦接触した移動体が直線移動するリニア駆動装置において、振動部材は、通電により伸縮する圧電素子と、弾性を有する金属板製の振動子とを有し、振動子は圧電素子に板面を重ねて固定してあると共に駆動軸の基端は振動子の中央位置で振動子又は圧電素子に固定してあり、振動子の外周部に質量を大きくする質量付加部を設けてあることを特徴とする。
【００１２】
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、質量付加部は、振動子の輪郭と同形状の枠部材であり、枠部材を振動子の外周面に固定していることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、質量付加部は、振動子の外周部の厚みを厚くした肉厚増加部であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明において、質量付加部は、振動子の質量の５〜１５％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、振動子に質量付加部を設けているので、圧電素子の特性を変えたり駆動電力を大きくすることなく、振動部材の駆動トルクを高めることができる。
【００１６】
質量付加部は振動子の外周部に設けてあるので、振動子が主に弾性変形する中央部の弾性に影響を与えることなく振動子の質量を大きくでき、振動部材の駆動トルクを高めることができる。
【００１７】
振動子の面積は大きくしていないので、振動トルクが大きくなっても振動部材が大型化することがない。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の作用効果を奏すると共に、振動子に枠部材を固定しているので、振動子に後付けすることにより容易に製造できる。また、増加する質量の調整も容易にできる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の作用効果を奏すると共に、振動子の外周部の厚みを変えるだけであるから、部品点数を増加することなく、振動子の質量を高めることができる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３の何れか一項に記載の作用効果を奏すると共に、図３に示すように、実験の結果、増加する質量を５〜１５％とした場合に、有効な増加トルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係るリニア駆動装置の概略的構成を示す図であり、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は駆動軸の先端側から見た平面図である。
【図２】図１に示すリニア駆動装置の作用を示す図である。
【図３】図１に示すリニア駆動装置において、振動子における外周部の増加質量と駆動軸に作用する増加トルクとの関係を示すグラフである。
【図４】本実施の形態に係るカメラの構成を示す縦断面図である。
【図５】図４に示すＡ―Ａ断面図である。
【図６】第２実施の形態に係るリニア駆動の概略的構成を示す縦断面図である。
【図７】第３実施の形態に係るリニア駆動の概略的構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、まず、図１〜図５を参照して本発明の第１実施の形態を説明する。第１実施の形態に係るリニア駆動装置は、携帯電話に組み込まれる光学ズーム付きオートフォーカスカメラ１のレンズを駆動するリニア駆動装置７である。
【００２３】
カメラ１は、図４に示すように、筐体２内に、ズームレンズホルダ（移動体）３、フォーカスレンズホルダ５（移動体）と、ズームレンズホルダ３を駆動するズームレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）７と、フォーカスレンズホルダ５を駆動するフォーカスレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）９と、画像センサ１１が設けてある基板４とを備えている。更に、図５に示すように、筐体２内には、ズームレンズホルダ３の位置を検知するズームレンズ位置検出手段４３と、フォーカスレンズホルダ５の位置を検知するフォーカスレンズ位置検出手段４５とが設けてある。
【００２４】
ズームレンズホルダ３は、光学ズームレンズ１４を保持しており、フォーカスレンズホルダ５は、フォーカスレンズ１６を保持しており、光学ズームレンズ１４とフォーカスレンズ１６とは光軸０を同一にしてあり、光軸０上の結象位置に画像センサ１１が設けてある。更に、筐体２には被写体側レンズ１８と結像側レンズ２０とがズームレンズ１４とフォーカスレンズ１６と光軸０を一致して設けてある。尚、本実施の形態では、被写体側は光学ズームの望遠側であり、結像側は光学ズームの拡大側である。
【００２５】
ズームレンズ駆動手段（リニア駆動装置）７とフォーカスレンズ駆動手段（リニア駆動装置）９とは略同じ構成であるから、ズームレンズ駆動手段７を説明してフォーカスレンズ駆動手段９には同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付することによりその部分の説明を省略する。
【００２６】
ズームレンズ駆動手段７は、筐体２の基底２ａに固定した振動部材１７と、光軸方向に配置した駆動軸２１（２２）とから構成されており、駆動軸２１（２２）の基端は振動部材１７に固定してある。
【００２７】
振動部材１７は、図１に示すように、圧電素子２３と圧電素子２３の被写体側面（駆動軸側面）に接着固定された振動子１９とから構成されている。
【００２８】
圧電素子２３は平面視矩形であり、圧電素子２３には振動子１９と反対側の面に電極層が形成されており、電源制御部２７の端子が接続されている。圧電素子の厚みは約０．２５ｍｍである。
【００２９】
振動子１９は圧電素子２３と略同じ寸法の平面視矩形（図１（ｂ）参照）であり、圧電素子２３に重ねて接着固定されている。振動子１９は弾性を有する金属製板であり、本実施の形態では全体に亘って略均一の厚み（約０．２５ｍｍ）に形成された銅板である。この振動子１９には電源制御部２７の端子が接続されている。
【００３０】
振動子１９には、その内周側の略中央部に駆動軸２１の基端が接着固定されており、駆動軸２１側の面において、外周部１９ａには四角環形状の枠部材（質量付加部）２８を重ねて接着固定してある。枠部材２８は、振動子１９と同じ材質と厚みの銅製であり、振動子１９の質量に対して約１０％の質量を有している。
【００３１】
図４に示すように、駆動軸２１の先端部は筐体２に固定した保持具４１ａに挿通されて筐体２に保持されており、振動部材１７も保持具４１ｂにより筐体２に保持されている。
【００３２】
ズームレンズホルダ３の一端部には駆動軸２１と圧接する樹脂製又は金属製の圧接部５１が設けてあり、圧接部５１は、図５に示すように、駆動軸２１を取巻く一側に開口部５３が形成されており、開口部５３はねじ５５により開口部５３の隙間を調整して、圧接部５１と駆動軸２１との間の摩擦（圧接力）を調整自在にしている。尚、ねじ５５を設けないで、圧接部５１の弾性を利用して予め設定された摩擦を付与するものであってもよいし、ねじを駆動軸２１に当接させて圧接するものであっても良い。
【００３３】
圧接部５１の内周面は、横断面が多角形、本実施の形態では四角形の孔になっており、横断面が円形の駆動軸２１と内周面において点接触している。このように、点接触することにより、駆動軸２１とズームレンズホルダ３の圧接部５１との間の摩擦により生じる粉や塵等を非接触箇所に逃すことができるので、駆動の信頼性が高くできる。
【００３４】
ズームレンズホルダ３の他端部は、フォーカスレンズホルダ５の駆動軸２２との係合部３３が設けてあり、係合部３３はフォーカスレンズホルダの駆動軸２２に係合して支持されており、ズームレンズホルダ３の移動を案内している。係合部３３は横断面が略Ｕ字であり、Ｕ字内にフォーカスレンズホルダ５の駆動軸２２が挿通されている。
【００３５】
フォーカスレンズホルダ５の構成はズームレンズホルダ３と同じ構成であり、フォーカスレンズホルダ５の駆動軸２２はズームレンズホルダ３の駆動軸２１と同様に基端を振動部材１７に取り付けてある。
【００３６】
次に、ズームレンズホルダ３の位置を検知するズームレンズ位置検出手段４３と、光学フォーカスレンズホルダ５の位置を検知するフォーカスレンズ位置検出手手段４５とについて説明する。ズームレンズ位置検手段４３とフォーカスレンズ位置検出器４５とは同じ構成であり、各々、レンズの光軸０方向に沿って異なる磁極（Ｓ極とＮ極）を交互に配置した磁極部材５７と、磁界強度を検知するＭＲセンサ５９とから構成されている。ＭＲセンサ５９は各ホルダ３、５に固定されており、各ホルダ３、５と共に移動して、各ホルダの基準位置（又は初期位置）からの移動量及び移動方向を検知可能になっている。各ＭＲセンサ５９の位置情報信号は、フレキシブル配線板６０により位置制御部に送られるようになっている。
【００３７】
次に、第１実施の形態の作用及び効果について説明する。本実施の形態では、ズームレンズホルダ３を移動して光学ズームで倍率を変え、フォーカスレンズホルダ５を移動して焦点距離をあわせるものである。
【００３８】
ズームレンズホルダ３を、望遠側（被写体側）に移動する場合には、振動部材１７の圧電素子２３に所定パルスの電流を供給して、圧電素子２５の伸縮を振動子１９で増幅させて振動させる。図２に示す（ａ）の状態から圧電素子２３はパルス電流が供給されると、図２（ｂ）に示すように、圧電素子２３は前側に突設するようにして変形し、駆動軸２１は、前側に向けてｈ寸法移動し、ズーム１レンズホルダ３は圧接部５１で駆動軸２１との摩擦力があるので前側に移動する。次に、図２（ｃ）に示すように、圧電素子２３が縮むと振動子１９が弾性変形した反力により急激に元の位置に戻ろうとするが慣性力により凹み状に変形して急激にｈ寸法分後方に移動する。このような動作を繰り返すことにより、ズームレンズホルダ３は駆動軸２１に沿って前進する。
【００３９】
振動部材１７に供給する電流は、電圧Ｖが数十Ｖであり、周波数Ｈが数十ＫＨｚでスムーズな移動を図ることができた。
【００４０】
ここで、第１実施の形態における枠部材２８の質量を種々変えたものを振動子１９に取り付けて、振動子１９の増加質量と、駆動軸２１が受けるトルクとの関係を測定したので、その結果を図３に示す。実験の結果では、振動子１９にその約１０％の質量を増加した場合には、増加するトルクが最大になったが、１０％を越えて質量を増加させた場合には次第に増加するトルクが低減した。これは、増加する質量が所定値以上に大きくなると、振動子１９の弾性に影響を与え、弾性変形時における振動子の加速度が低下する為と考えられる。
【００４１】
本実験では、図３のグラフから明らかなように、増加する質量は、得られる増加トルクとの関係から５〜１５％が好ましく、８〜１２％が最も好ましいことが明らかである。
【００４２】
同様に、ズームレンズホルダ３を、拡大側（結像側）に移動する場合には、振動部材１７の圧電素子２３に反対向きのパルスの電流を供給すると振動子１９による振動の増幅を伴って振動し、ズームレンズホルダ３は後退する。
【００４３】
また、フォーカスレンズホルダ５の駆動もズームレンズホルダ３と同様に振動部材１７に所定パルスの電流を供給することにより、フォーカスレンズホルダ５をその駆動軸２２に沿って前進又は後退させることができる。
【００４４】
第１実施の形態によれば、振動子１９の質量のみを大きくすることで、圧電素子２３の特性を変えたり駆動電力を大きくすることなく、ズームレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）７及びフォーカスレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）の駆動トルクを高めることができる。
【００４５】
振動子１９の外周部１９ａの質量を中央部よりも大きくしてあるので、振動子１９が主に弾性変形する中央部の弾性に影響をほとんど与えることなく振動子の質量を大きくして、駆動トルクを高めることができる。
【００４６】
しかも、振動子１９の面積を大きくしていないので、振動トルクが大きくなっても振動部材１７が大型化することがない。
【００４７】
振動子１９には、枠部材２８を固定しているのだけなので、既製の振動子１９に後付けが容易にできる。また、枠部材２８を切削加工したり、質量の異なる枠部材１９を複数種類用意しておくことにより増加する質量の調整も容易にできる。
【００４８】
また、駆動軸２１、２２の駆動トルクを大きくすることができるから、従来よりも大型のレンズ（ズームレンズやフォーカスレンズ）を駆動することができ、大型化することなく、大型のレンズを用いることによりカメラの画質を高めるたり、ズーム倍率を大きくすることができる。
【００４９】
駆動軸２１、２２に作用する駆動トルクを大きくして、ズームレンズホルダ（移動体）３及びファーカスレンズホルダ（移動体）５の移動速度が速くなっても、位置検出手段４３、４５は光軸Ｏ方向の磁極部材５７に沿って配置して、レンズホルダ３、５と共に移動するＭＲセンサ５９で検知するので、各レンズホルダ３、５の位置を連続的に且つ精度良く検知でき、位置制御に優れる。
【００５０】
以下に、本発明の他の実施の形態を説明するが、以下に説明する実施の形態では、上述の第１実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には、同一の符号を付することにより、その部分の詳細な説明を省略し、以下の説明では、第１実施の形態と主に異なる点を説明する。
【００５１】
図６を参照して本発明の第２実施の形態を説明する。この第２実施の形態では、振動部材１７において、振動子１９の外周部１９ａの厚みを厚く形成することにより質量付加部２９を設けて、外周部１９ａの質量を大きくしたものである。また、この第２実施の形態では、駆動軸２１の基端は圧電素子２３に接着固定されている。
【００５２】
この第２実施の形態によれば、上述した第１実施の形態と同様の作用効果を奏すると共に、振動子１９に質量を付加する質量付加部２９を振動子１９に一体に形成してあるので、上述した第１実施の形態のように枠部材２８を接着する場合に比較して、部品点数が少なく且つ組立てが容易にできる。
【００５３】
図７を参照して本発明の第３実施の形態を説明する。この第３実施の形態では、振動子１９を駆動軸２１の軸方向両側から挟むように２つの圧電素子２３ａ、２３ｂを配置してあり、振動子１９の外周部１９ａを駆動軸の軸方向両側に各々突設させて質量付加部２９ａ、２９ｂを形成したものである。尚、この第３実施の形態でも、駆動軸２１の基端は圧電素子２３ａに接着固定されている。
【００５４】
この第３実施の形態によれば、上述した第２実施の形態と同様な作用効果を奏すると共に、一方の圧電素子２３ａと他方の圧電素子２３ｂとに異なる方向のパルス電力を同時に印加することにより、振動の振幅を第１実施の形態よりも大きくすることができる。
【００５５】
また、質量付加部２９ａ、２９ｂが圧電素子２３ａ、２３ｂの収納位置を決める位置決め部を兼ねているので、組立て易い。
【００５６】
本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
【００５７】
例えば、圧電素子２３、２３ａ、２３ｂ及び振動子１９は、平面視四角形状に限らず、平面視円形や６角形等の多角形にしてもよく、形状は限定されない。
【００５８】
枠部材２８や質量付加部２９、２９ａ、２９ｂは、振動子１９の外周に周方向に連続して設けることに限らず、周方向に間隔をあけて設けてもよい。
【００５９】
第１実施の形態において、枠部材２８は、振動子１９と異なる材質であっても良い。
【００６０】
第１実施の形態において、振動子１９の中央部に孔を形成して、駆動軸２１は振動子１９の孔に挿通して駆動軸の基端を圧電素子２３に固定するものであっても良い。
【００６１】
第１実施の形態において、振動子１９の外周部は圧電素子２３の外周からはみ出していてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
３      ズームレンズホルダ（移動体）
５      フォーカスレンズホルダ（移動体）
７      ズームレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）
９      フォーカスレンズホルダ駆動手段（リニア駆動装置）
１７    振動部材
１９    振動子
２１    ズームレンズホルダの駆動軸（駆動軸）
２２    フォーカスレンズホルダの駆動軸（駆動軸）
２３、２３ａ、２３ｂ    電素子
２８    枠部材（質量付加部）
２９ａ、２９ｂ  質量付加部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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