(57)【要約】      （修正有）【課題】レンズなどの光学素子の駆動に好適であり、薄形化を図れるリニアアクチュエータを提供する。【解決手段】超磁歪素子３１〜３４は円筒状であるので、周方向に一様な強度の磁界中に配置され、膨縮量が均一となる。これにより超磁歪素子３１〜３４を軸線が傾くことなく膨縮させることができる。又、コイル５０に給電することで膨縮する超磁歪素子３１〜３４の形状を筒状としたことにより、超磁歪素子３１〜３４の支持端面が増加し、被駆動部材２０からの反力により大きな力を受けても略回転対象形状のため、軸線方向に均一に並進膨張できる構造とすることができ、また何らガイド機構を用いることなく直進性を確保して、被駆動部材２０を傾くことなく高剛性で直進運動させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の超磁歪素子と、前記超磁歪素子の軸線直交方向外側に前記超磁歪素子と略同軸に配置されたコイルとを有し、前記コイルから発生した磁界により前記超磁歪素子を駆動することにより、固定部に対して被駆動部材を移動させることを特徴とするリニアアクチュエータ。
【請求項２】
前記超磁歪素子はＮ個（Ｎは２以上の整数）配置され、各超磁歪素子の径が異なっており、且つ各超磁歪素子は同軸に配置されており、軸線直交方向外側からｎ（ｎは１以上且つＮ−１以下の整数）番目の前記超磁歪素子の変位は、軸線直交方向外側から（ｎ＋１）番目の前記超磁歪素子に梃子を介して伝達されるようになっていることを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項３】
最も外周側にある前記超磁歪素子の一端は、前記固定部に連結され、最も内周側にある前記超磁歪素子の一端は、前記被駆動部材に連結されていることを特徴とする請求項２に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項４】
前記ｎ番目の超磁歪素子と、前記（ｎ＋１）番目の超磁歪素子とを連結する梃子は複数個設けられ、周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のリニアアクチュエータ。
【請求項５】
光学素子の駆動に用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のリニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアアクチュエータに関し、特に大きな移動量を確保できるリニアアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
小さい光学部品等を高精度に移動させるリニアアクチュエータが知られている。従来のリニアアクチュエータでは、移動子の位置検出手段が外付けであるものが一般的であり、このため部品点数やコストの増大を招き、また位置検出手段を実装したリニアアクチュエータは比較的体積が大きく、かかるリニアアクチュエータを搭載する装置の大型化を招いていた。
【０００３】
これに対し、特許文献１に示すように、圧電素子を用いてよりシンプルな構成を実現したリニアアクチュエータも知られている。かかるリニアアクチュエータは、所定の電気信号を与えることによってその電気信号に応じた変位を発生する圧電素子の積層方向すなわち変位方向の一方の端面に棒状の係合部材が固定されており、また被駆動部材に固定された板ばねの弾発力によって被駆動部材の摺接穴が係合部材に圧接され、係合部材と被駆動部材とが摩擦係合するようになっている。
【０００４】
圧電素子に高周波電流を付与して繰り返し膨縮させることにより、係合部材を微小に往復移動させることができる。ここで、係合部材がゆっくり移動するときには、被駆動部材は、摩擦係合部における摩擦力によって係合部材とともに移動する。一方、係合部材がある程度以上速く移動して慣性力が摩擦係合部の摩擦力より大きくなったときには、摩擦係合部において滑りが生じ、被駆動部材は静止または略静止したまま、係合部材だけが移動する。したがって、係合部材の一方向の移動時には、被駆動部材を係合部材とともに一体的に移動して送る一方、係合部材の他方向の移動時には、滑りによって被駆動部材を静止または略静止させたまま係合部材を移動させ、これを繰り返すことによって、被駆動部材を一方向に間欠的に移動させることができる。
【０００５】
ところで、従来のリニアアクチュエータで用いられる圧電素子は、比較的安価で入手しやすいという利点があるが、一般的に駆動には数１００Ｖの高電圧が必要な割に、変位量が１μｍ程度と非常に小さく、小型軽量にすると絶縁性や変位量が低下し、信頼性や機能が低下するという問題がある。また、圧電素子は容量成分が大きく、駆動時に遅れが生じやすいこと、クリープ特性などがあり一定では無いため位置検出とフィードバック回路が必要なことなどにより、小型軽量なアクチュエータには使いにくい材料であったといえる。これに対し、特許文献２には、超磁歪素子を用いたリニアアクチュエータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０４−６９０７０号公報
【特許文献２】特開平０６−１４０６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に示すような超磁歪素子は、コイルに付与した電流により生じた磁界中で膨縮する性質を有するが、わずか数Ｖで駆動できるので、圧電素子に比べると回路負担が遙かに軽く、他の回路との整合性も取り易いという利点がある。また、負荷がリアクタンスのため高速駆動ができ、非接触で駆動できること、かつ変位量や発生力も圧電素子などに比べ遙かに大きいこと、さらに耐熱性が３８０℃と高いため回路基板の半田付けリフロー炉（２６０℃程）に直接投入することも可能であり、耐リフロー性があることから、リニアアクチュエータの駆動源としてもすぐれている。このような超磁歪素子を使うことで、駆動電圧を、圧電素子で用いる数百Ｖから数ボルトへ一挙に低減でき、これにより湿度や絶縁不良により感電や漏電、他の素子の破壊などを防止でき、安全性が非常に高いリニアアクチュエータを実現できる。
【０００８】
ところが、特許文献２に示されたリニアアクチュエータは、超磁歪素子の歪みを拡大して最終的にシャフトの推力に変換するものであるため、用途によっては使いにくいという問題がある。例えば撮像装置において、フォーカスやズームのためレンズなどを駆動するために、特許文献２に示されたリニアアクチュエータを用いる場合、推力を与えられたシャフトでレンズのフランジ又はその近傍の一点を押すことになるため、レンズの光軸が傾く恐れがあり、それによりコマ収差が発生して撮像画像の画質を低下させる恐れがある。又、近年では撮像装置付き携帯電話の普及が著しいが、より薄形のボディに対してオートフォーカスやズーム機能を実現したいという要請もある。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、レンズなどの光学素子の駆動に好適であり、薄形化を図れるリニアアクチュエータの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載のリニアアクチュエータは、筒状の超磁歪素子と、前記超磁歪素子の軸線直交方向外側に前記超磁歪素子と略同軸に配置されたコイルとを有し、前記コイルから発生した磁界により前記超磁歪素子を駆動することにより、固定部に対して被駆動部材を移動させることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、前記超磁歪素子の軸線直交方向外側に前記コイルを略同軸に配したため、外部から前記コイルに給電されたときに前記コイルで発生する磁界は、その内側にある前記超磁歪素子全体に作用して、膨縮させることができる。このとき、前記超磁歪素子が筒状であれば、周方向に一様な強度の磁界中に配置されることとなり、前記超磁歪素子を軸線が傾くことなく膨縮させることができる。又、前記コイルに給電することで膨縮する前記超磁歪素子の形状を筒状としたことにより、前記超磁歪素子の支持端面が増加し、被駆動部材からの反力により大きな力を受けても略回転対象形状のため、軸線方向に均一に並進膨張できる構造とすることができ、また何らガイド機構を用いることなく直進性を確保して、被駆動部材を傾くことなく高剛性で直進運動させることができる。これによって、被駆動部材に傾きやねじれを与えること無く一方向に高精度に進退する構造を実現できるので、例えば光学素子のオートフォーカスやズームあるいは手ブレ補正などの用途にも、信頼性の高い確実な動作を提供できる。尚、筒状とは好ましくは円筒状であるが、角筒状であっても良く、更には周方向の一部が切り欠かれた形状でも良い。又、梃子は変位を拡大する為に用いられるとは限らず変位を縮小するためにも使うこともでき、この場合は変位量のダイナミックレンジは小さくなるが、高精度かつ高剛性に微小移動を行うことができる。
【００１２】
請求項２に記載のリニアアクチュエータは、請求項１に記載の発明において、前記超磁歪素子はＮ個（Ｎは２以上の整数）配置され、各超磁歪素子の径が異なっており、且つ各超磁歪素子は同軸に配置されており、軸線直交方向外側からｎ（ｎは１以上且つＮ−１以下の整数）番目の前記超磁歪素子の変位は、軸線直交方向外側から（ｎ＋１）番目の前記超磁歪素子に梃子を介して伝達されるようになっていることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、軸線直交方向外側の前記超磁歪素子の変位が前記梃子により軸線直交方向内側の前記超磁歪素子側に倍加されて拡大されながら、最終的に被駆動部材に伝達される。前記超磁歪素子は一般的に発生力が大きいため、このような梃子を用いることにより、被駆動部材からの反力が倍加されて逆方向に伝達されても軸線直交方向外側の前記超磁歪素子の大きな縮長を招く恐れが少ないので、結果として被駆動部材の大きな変位を実現できる。
【００１４】
請求項３に記載のリニアアクチュエータは、請求項２に記載の発明において、最も外周側にある前記超磁歪素子の一端は、前記固定部に連結され、最も内周側にある前記超磁歪素子の一端は、前記被駆動部材に連結されていることを特徴とする。最外周にある前記超磁歪素子の変位量が前記梃子に入力され倍加された上で、外周から２つ目の前記超磁歪素子に伝達され、その変位を重畳した変位が前記梃子で倍加された上で、更に外周から３つ目の前記超磁歪素子に伝達され、・・・というように、漸次変位量を拡大できる。これにより、前記固定部に対して前記被駆動部材を大きなストロークで移動させることができる。
【００１５】
請求項４に記載のリニアアクチュエータは、請求項２又は３に記載の発明において、前記ｎ番目の超磁歪素子と、前記（ｎ＋１）番目の超磁歪素子とを連結する梃子は複数個設けられ、周方向に等間隔に配置されていることを特徴とする。これにより、高精度に同軸性を維持しつつ、軸線直交方向外側の前記超磁歪素子の変位を、軸線直交方向内側の前記超磁歪素子側に伝達することができる。
【００１６】
梃子の腕部分は、ｎ番目の超磁歪素子の変位を（n＋１）番目へ伝達するために、撓むことなく剛性が高い必要があるが、これを支持する支点部分については、柔軟で繰り返し曲げに対する耐性を高くする必要があるので、剛性を低くする必要がある。図２，３にあるように、ｎ番目の超磁歪素子と（n＋１）番目の超磁歪素子間の橋渡し部材は、幅を広く取り厚くして剛体として機能するようにするが、その支点部分は薄くして容易に曲がるようになっている。即ち、後述する弾性ヒンジが梃子の支点部分に相当し、固定部に対して梃子の橋渡し部を連結する、少なくとも橋渡し部より剛性が低くなっている部分である。尚、支点部分はナイフエッジでも良い。
【００１７】
この梃子の外形を円周全体にリング状にして、各超磁歪素子の端面が全面で梃子に接着されるようにすると、梃子はより剛性が高くなるが、同時に変位に伴ってリングの内側と外側でねじれる力が発生するので、超磁歪曲素子に大きな力がかかり破損する危険が高まることと、梃子の支点部分の剛性も大きくなるので、曲がりにくくなって変位量が減少したり動作の信頼性が低下したりする。
【００１８】
そのため、図３のように円周に対して等配に４か所配置すると、超磁歪曲素子の変位に対して捩れる力や支点の剛性が高くなることが無いので、確実な動作の上で良い。円周等配置となる梃子の数は、本実施例の４個でなくとも６個や８個でもよく、３個や５個などの奇数個でも、確実な変位量拡大と伝達、および高い直進性と長寿命を確保できるので良い。
【００１９】
請求項５に記載のリニアアクチュエータは、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、光学素子の駆動に用いられることを特徴とする。本発明のリニアアクチュエータは、特に光学部材の駆動に好適であるが、駆動された被駆動部材の傾きを抑制したい用途であればいずれにも適用可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、レンズなどの光学素子の駆動に好適であり、薄形化を図れるリニアアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施の形態にかかるリニアアクチュエータの斜視図である。
【図２】本実施の形態にかかるリニアアクチュエータの断面図である。
【図３】超磁歪素子と梃子との関係を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかるリニアアクチュエータの斜視図であり、図２は、本実施の形態にかかるリニアアクチュエータの断面図である。図３は、超磁歪素子と梃子との関係を示す斜視図である。
【００２３】
図２において、本実施の形態のリニアアクチュエータは、フレームなどに固定される固定部である非磁性の筐体１０と、被駆動部材２０と、超磁歪素子３１〜３４と、梃子４１〜４３と、コイル５０とを有する。筐体１０は、矩形板状の天板１１及び底板１２と、天板１１及び底板１２とを外側で連結する角筒状の側板１３とを有する。天板１１及び底板１２は、それぞれ中央に開口１１ａ、１２ａを備えており、開口１２ａの内周にはレンズＬＳ２が固定されている。側板１３の外周にはコイル５０が巻回されており、コイル５０は図１に示すように外部電源ＤＣからの給電を受けるようになっている。天板１１及び底板１２を円筒形状とし、側板１３を円筒形状としても良い。
【００２４】
４つの超磁歪素子３１〜３４は、それぞれ径が異なっている円筒形状をなしており、各軸線が側板１３の軸線に一致するようにして同軸に配置されている。超磁歪素子３１〜３４は、半径方向外側の超磁歪素子の肉厚が、半径方向内側の超磁歪素子の肉厚より大きいと好ましいが、等しい肉厚でも良い。
【００２５】
最も半径方向外側の超磁歪素子３１の上端は、筐体１０の天板１１の下面に固着されており、その下端は梃子４１の外方端に連結されている。梃子４１の内方端は、外側から２番目の超磁歪素子３２の下端に連結されており、その上端は梃子４２の外方端に連結されている。梃子４２の内方端は、外側から３番目の超磁歪素子３３の上端に連結されており、その下端は梃子４３の外方端に連結されている。梃子４３の内方端は、最も半径方向内側の超磁歪素子３４の下端に連結されており、その上端は略円筒状の被駆動部材２０の下端に連結されている。
【００２６】
被駆動部材２０は、筐体１０の天板１１の開口１１ａ内に配置され、内周にレンズＬＳ１を取り付けている。レンズＬＳ１の光軸はレンズＬＳ２の光軸と一致している。天板１１の下面における開口１１ａの周囲には、段部１１ｂが形成され、ここに配置されたコイルバネ７０が、被駆動部材２０を図２で下方に向かって付勢している。
【００２７】
長方形板状の梃子４１〜４３は、図３に示すように（但し梃子４２は図３で不図示）、隣接する超磁歪素子３１〜３４の端部同士を連結するようにして、各４つずつ周方向に等間隔に配置されている。図２に示すように、梃子４１は、弾性ヒンジ４１ａにより底板１２の上面に揺動可能に取り付けられ、梃子４２は、弾性ヒンジ４２ａにより天板１１の下面に揺動可能に取り付けられ、梃子４３は、弾性ヒンジ４３ａにより底板１２の上面に揺動可能に取り付けられている。ここで、各梃子４１〜４３は、その弾性ヒンジ４１ａ〜４３ａから、半径方向外側の超磁歪素子の取り付け部までの長さ（Ａ）が、半径方向内側の超磁歪素子の取り付け部までの長さ（Ｂ）より短くなるように、レバー比が設定されている。
【００２８】
本実施の形態にかかるリニアアクチュエータの動作について説明する。本実施の形態にかかるリニアアクチュエータは、デジタルカメラや携帯電話に搭載される撮像装置において、オートフォーカスやズーム機能を発揮するレンズ駆動のために用いることができる。不図示の制御装置より、レンズＬＳ１を光軸方向に移動させる信号が出されたとき、外部電源ＤＣからコイル５０に給電され、これにより４つの超磁歪素子３１〜３４が伸張する。
【００２９】
ここで、図２において、最も半径方向外側の超磁歪素子３１の上端が、筐体１０の天板１１の下面に固着されているので、その変位量全てが下端を介して梃子４１に伝達され、そのレバー比で拡大された変位量で、外側から２番目の超磁歪素子３２の下端を押し上げる。これに超磁歪素子３２の変位量が重畳されて、その上端から梃子４２に伝達され、更にそのレバー比で拡大された変位量で、外側から３番目の超磁歪素子３３の上端を押し下げる。これに超磁歪素子３３の変位量が重畳されて、その下端から梃子４３に伝達され、更にそのレバー比で拡大された変位量で、最も内側の超磁歪素子３４の下端を押し上げる。これに超磁歪素子３３の変位量が重畳されて、その上端を介して被駆動部材２０をコイルバネ７０の付勢力に抗して押し上げるので、レンズＬＳ１は光軸方向に移動することができる。コイル５０に給電される電流の大きさを制御することにより、コイル内部に発生する磁界の強度を変えることができるので、レンズＬＳ１の光軸方向の移動量を調整し制御することができる。
【００３０】
一方、外部電源ＤＣからコイル５０への給電を中断すると、４つの超磁歪素子３１〜３４が元の状態に収縮するので、コイルバネ７０の付勢力に従い、レンズＬＳ１と共に被駆動部材２０は元の位置に戻るようになっている。
【００３１】
本実施の形態によれば、超磁歪素子３１〜３４の軸線直交方向外側にコイル５０を略同軸に配したため、外部電源ＤＣからコイル５０に給電されたときにコイル５０で発生する磁界は、その内側にある全ての超磁歪素子３１〜３４に作用して、膨縮させることができる。超磁歪素子３１〜３４は円筒状であるので、周方向にも径方向にも一様な強度の磁界中に配置され、膨縮量が均一となる。これにより超磁歪素子３１〜３４を軸線が傾くことなく膨縮させることができる。又、コイル５０に給電することで膨縮する超磁歪素子３１〜３４の形状を筒状としたことにより、超磁歪素子３１〜３４の支持端面が増加し、被駆動部材２０からの反力により大きな力を受けても略回転対象形状のため、軸線方向に均一に並進膨張できる構造とすることができ、また何らガイド機構を用いることなく直進性を確保して、被駆動部材２０を傾くことなく高剛性で直進運動させることができる。これによって、被駆動部材２０に傾きやねじれを与えること無く一方向に高精度に進退する構造を実現できるので、オートフォーカスやズームあるいは手ブレ補正などの用途にも、信頼性の高い確実な動作を提供できる。
【００３２】
更に、本実施の形態によれば、４つの梃子４１〜４３が、周方向に等間隔に配置されているので、超磁歪素子３１〜３４の膨縮時における同軸性を維持することができる。尚、超磁歪素子は４つに限らず３つ或いは５つ以上でもよい。
【００３３】
また、被駆動部材２０と超磁歪素子３１との固定部を、リング状になって広がりを有する端面としているため、被駆動部材との結合においても確実な突き当てを確保でき、膨縮による送り軸方向に対して精度良く固定することができる。以上のように、本実施の形態により直進性が良く高精度で高変位量を確保できるリニアアクチュエータが実現できる。
【００３４】
以下、本発明者の検討結果について述べる。図１〜３に示す構造を参照し、略円筒状の超磁歪素子の数をＮ個とし、最外周に配置された超磁歪素子の一端が固定され、最内周の超磁歪素子の一端が被駆動部材に固定されている場合を考える。その他の超磁歪素子の端面は、弾性ヒンジによる梃子に取り付けられており、この梃子の拡大率をｎ倍とおくと、最終変位拡大率Ｍは、
Ｍ＝ｎ・ｅｘｐ（Ｎ−１）＋ｎ・ｅｘｐ（Ｎ−２）＋・・・＋ｎ＋１    （１）
で表され等比級数となる。従って、最終変位拡大率Ｍは以下のように書き換えられる。
Ｍ＝（１−ｎ・ｅｘｐ（Ｎ））／（１−ｎ）    （２）
【００３５】
例えば、ここで超磁歪素子数Ｎが４であり、梃子の拡大率ｎを２とすると、最終拡大率Ｍは式（２）により１５倍となる。超磁歪素子の磁界による変位量は、大凡１０００ｐｐｍ／ｋＯｅであり、直径１０ｍｍで３３０回巻のコイルに８０ｍＡの電流を流して発生する磁界が１ｋＯｅに相当するので、この条件で超磁歪素子の初期厚みを１ｍｍとして最終変位量Ｄを計算すると、
Ｄ＝１ｍｍ×１０００ｐｐｍ／ｋＯｅ×１ｋＯｅ×１５倍＝１５μｍ    （３）
となり、わずか１ｍｍの厚みで１５μｍの変位量を創出できることになる。また、梃子の拡大率ｎを３とし駆動電流を１５０ｍＡとした場合には、最終拡大率Ｍは４０倍となり、最終変位量Ｄは７５μｍとなって、極めて大きな変位量を得ることができる。
【００３６】
しかるに、このような大きな変位を発生させても、その膨張や収縮の軌跡に傾きやねじれなどがあると、被駆動部材の送り直進精度は得られない。これに対し、超磁歪素子の形状を円筒状（又は角筒状でもよい）で回転対称性が良い形状とすれば、膨張や収縮が軸方向に均一に行われるので、被移動部材が傾いたり回ったりすることが無い。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、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。
【符号の説明】
【００３８】
１０ 筐体
１１ 天板
１１ａ 開口
１１ｂ 段部
１２ 底板
１２ａ 開口
１３ 側板
２０ 被駆動部材
３１〜３４ 超磁歪素子
４１〜４３ 梃子
４１ａ〜４３ａ 弾性ヒンジ
５０ コイル
７０ コイルバネ
ＬＳ１ レンズ
ＬＳ２ レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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