(57)【要約】【課題】圧電素子を用いた薄型の駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置の一形態であるＡＦユニット１０は、電圧印加により屈曲する圧電素子１２と、圧電素子１２の一端を保持する保持部材１４と、圧電素子１２の自由端と摩擦接触する被駆動部材１６と、被駆動部材１６に連結されたレンズ枠１８と、圧電素子１２と被駆動部材１６とを一定の力で押し付けるための与圧機構と、被駆動部材１６をＺ方向にスライド自在に保持するガイド２０と、これらを収容するユニットケース２２を有する。圧電素子１２を最も寸法の短い厚み方向がＺ方向となるように配置することで、ＡＦユニット１０の厚さをレンズ枠１８の制動範囲と同等に薄く構成する。圧電素子１２を屈曲させて圧電素子１２と被駆動部材１６との間の摩擦力によって被駆動部材１６をＺ方向にスライドさせる。【選択図】図１
2007252103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の電圧を印加することにより屈曲変位を生じる圧電素子と、
前記圧電素子の一端を保持する保持部材と、
前記圧電素子の自由端と摩擦接触する被駆動体と、
前記圧電素子と前記被駆動体とを一定の力で押し付けるための与圧機構と、
前記被駆動体を所定の方向にスライド自在に保持するガイドとを具備し、
前記圧電素子に所定の電圧を印加して該圧電素子を屈曲させることにより、該圧電素子と前記被駆動体との間の摩擦力によって該被駆動体を前記ガイドによるガイド方向にスライドさせることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記圧電素子を屈曲させて前記被駆動体を所定の向きへスライドさせ、その後に該被駆動体を移動させる向きとは逆の向きに該圧電素子を変位させる際には、該被駆動体の戻りが小さくなるように該圧電素子が該被駆動体に対して滑るように該圧電素子の変位速度を調整する駆動制御装置をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記圧電素子を該圧電素子の固有振動数と異なる周波数で駆動する駆動制御装置をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記圧電素子の自由端に耐摩耗性材料からなる摺動部をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記摺動部および前記被駆動体において該摺動部と接触する被摺動部はともに円柱状，半円柱状，楕円柱状，半楕円柱状のいずれかであり、
前記摺動部の長さ方向軸と前記被摺動部の長さ方向軸とが直交していることを特徴とする請求項４に記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電アクチュエータを備えた駆動装置に関し、特に、小型光学レンズの自動焦点ユニット等として好適な駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、デジタルカメラにおける１つの開発動向として、小型化・軽量化が進められており、そのようなカメラのための小型軽量な自動焦点機構の開発が鋭意行われている。また、カメラ付き携帯電話においては、従来の単焦点レンズを用いたカメラに代えて、自動焦点機能を有するカメラが搭載されるようになってきている。
【０００３】
このような小型自動焦点装置として、圧電素子を用いたものが種々提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。例えば、特許文献１に開示された駆動装置は、伸縮変位を生じる圧電素子の伸縮方向端に棒部材を固定し、レンズを保持した係合部材をこの棒部材に係合させた構造を有している。この駆動装置では、圧電素子をゆっくり変位させ、棒部材と係合部材との間の摩擦力を利用して係合部材とレンズとを圧電素子の変位量だけ移動させる。そして次に、圧電素子を瞬時に変位させて棒部材を係合部材に対して滑らせ、係合部材とレンズの位置を変えることなく圧電素子の状態を元に戻す自動焦点装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２に開示されたアクチュエータは、特許文献１に開示されている駆動装置と比較すると、圧電素子と被駆動体であるレンズ枠との配置に違いはあるものの、基本的に、圧電素子の駆動方法は同じである。
【０００５】
しかしながら、これらの駆動装置等では、被駆動体たるレンズの移動方向と圧電素子の伸縮方向とが同じである。そのため、駆動装置の厚さが、レンズの制動距離と圧電素子の素子長の両方の影響を受けて厚くなってしまうので、例えば、携帯電話等の薄型機器への搭載には不向きである。
【特許文献１】特許第３７１１９３５号明細書（図１、図１７、段落［０００８］等）
【特許文献２】特開２００５−３５４８２９号公報（図２、段落［００２３］、［００２５］〜［００２７］等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、薄型の駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、所定の電圧を印加することにより屈曲変位を生じる圧電素子と、前記圧電素子の一端を保持する保持部材と、前記圧電素子の自由端と摩擦接触する被駆動体と、前記圧電素子と前記被駆動体とを一定の力で押し付けるための与圧機構と、前記被駆動体を所定の方向にスライド自在に保持するガイドとを具備し、前記圧電素子に所定の電圧を印加して該圧電素子を屈曲させることにより、該圧電素子と前記被駆動体との間の摩擦力によって該被駆動体を前記ガイドによるガイド方向にスライドさせることを特徴とする駆動装置が提供される。
【０００８】
この駆動装置においては、圧電素子を屈曲させて被駆動体を所定の向きへスライドさせ、その後に被駆動体を移動させる向きとは逆の向きに圧電素子を変位させる際には、被駆動体の戻りが小さくなるように圧電素子が被駆動体に対して滑るように圧電素子の変位速度を調整して駆動することが好ましい。また、圧電素子は固有振動数と異なる周波数で駆動する、つまり非共振駆動が好適である。
【０００９】
圧電素子の自由端には耐摩耗性材料からなる摺動部を設けることが好ましい。この摺動部および被駆動体においてこの摺動部と接触する被摺動部を共に円柱状，半円柱状，楕円柱状，半楕円柱状のいずれかとし、摺動部の長さ方向軸と被摺動部の長さ方向軸とが直交する構成とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の駆動装置は、圧電素子の長さ方向および幅方向を被駆動体の移動方向と直交させることができ、圧電素子の厚さを被駆動体の移動方向と一致させても、その厚さは被駆動体の制動距離の範囲内に納めることができるので、極めて薄い構造とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、ここでは、本発明の駆動装置をカメラのフォーカスレンズを移動させる自動焦点機構（ＡＦユニット）に適用した場合について説明することとする。
【００１２】
図１にＡＦユニット１０の概略構造を示す斜視図を示し、図２に図１中のＡＡ断面図を示す。このＡＦユニット１０は、所定の電圧を印加することにより屈曲変位を生じる圧電素子１２と、圧電素子１２の長さ方向の一端を保持する保持部材１４と、圧電素子１２の自由端と摩擦接触する被駆動部材１６と、被駆動部材１６に連結されたレンズ枠１８と、圧電素子１２と被駆動部材１６とを一定の力で押し付けるための図示しない与圧機構と、被駆動部材１６をＺ方向にスライド自在に保持するガイド２０と、これらを収容するユニットケース２２を有している。また、このＡＦユニット１０には、圧電素子１２を駆動するための駆動制御装置１０Ａが接続される。
【００１３】
圧電素子１２としては、図２に示すように、金属製の補強板３１の両主面にそれぞれ圧電板３２が貼り付けられた構造を有するバイモルフ素子が好適に用いられる。圧電素子１２は、補強板３１の片側主面に圧電板３２が貼り付けられたユニモルフ素子であってもよく、圧電板３２は積層構造であってもよい。
【００１４】
圧電素子１２は、その長さ方向がＸ方向となり、その幅方向がＹ方向となり、その厚み方向がＺ方向となるように、配置されている。図２に示されるように、圧電素子１２の圧電板３２に所定の電圧を印加することにより、圧電素子１２の先端部には、Ｚ方向の変位を主成分とする屈曲変位が生じる。
【００１５】
圧電素子１２の自由端には、耐摩耗性に優れる材料、例えば、窒化珪素や炭化珪素、アルミナ等のセラミックス材料またはステンレス鋼や鋳鉄等の金属材料からなる摺動部材２６が取り付けられている。摺動部材２６は、圧電素子１２の幅方向に延在する半円柱状の形状を有している。
【００１６】
摺動部材２６を設けることなく、補強板３１の先端部を被駆動部材１６に直接に摩擦接触させてもよいが、補強板３１にはバネ性の高い材料を用いることが好ましく、その場合に十分な耐久性が得られない場合がある。そのため、補強板３１よりも耐摩耗性に優れる摺動部材２６を設けることは、耐久性を高める観点から好ましい。なお、被駆動部材１６を構成する材料との相対的な関係で、補強板３１に十分な耐摩耗性を有する材料を用いている場合には、摺動部材２６を設ける必要はない。
【００１７】
圧電素子１２の一端を保持している保持部材１４は、ユニットケース２２に固定されており、これにより圧電素子１２の一端は不動に固定される。保持部材１４はユニットケース２２と一体であってもよい。
【００１８】
被駆動部材１６において、摺動部材２６と接触する部分には、半円柱状の被摺動部２８が、その長さ方向がＺ方向となるように形成されている。また、前述の通り、圧電素子１２に取り付けられた摺動部材２６は、半円柱状でその長さ方向はＹ方向となっている。したがって、摺動部材２６と被摺動部２８は直交接触するので、これらの接点は、一定の面積を有するが点接触となる。
【００１９】
例えば、圧電素子１２と被駆動部材１６とを仮に面と面で突き合わせて接触させる構造とした場合には、圧電素子１２と被駆動部材１６の配置に高い精度が要求され、これが満たされないときには駆動特性が極端に低下するという問題を生じる。しかし、上述の通り、摺動部材２６と被摺動部２８とを反円柱とすることにより、圧電素子１２の幅方向がＹ軸から少しずれたり、また、被摺動部２８の長さ方向がＺ方向から多少ずれたりしても、これらの接触の確保が容易であり、駆動特性が大きく低下することを回避することができる。
【００２０】
摺動部材２６と被摺動部２８の形状は、半円柱に限定されるものではなく、円柱状，楕円柱状，半楕円柱状であっても、上記と同様の効果が得られる、なお、圧電素子１２に摺動部材２６を設けない場合には、補強板３１の自由端側の側面を半円柱状等にすることが好ましい。
【００２１】
与圧機構は、圧電素子１２を被駆動部材１６に押し付けるものであってもよいし、被駆動部材１６を圧電素子１２に押し付けるものであってもよい。この与圧機構は図示していないが、例えば、板バネやコイルバネ等を用いることができる。被駆動部材１６を圧電素子１２に押し付ける構造を採用する場合には、被駆動部材１６のＺ方向での移動を妨げないように、例えば、Ｘ方向に、被駆動部材１６、ベアリング、板部材、板バネ、ユニットケース２２の壁部の順で接触しているような構成が挙げられる。
【００２２】
また与圧機構としては、ユニットケース２２を構成する１枚の側板２２ａをこの側板２２ａと直交する側板２２ｂに嵌め込み、固定する構成のものが挙げられる。すなわち、側板２２ａに返しを有する爪部を設け、側板２２ｂに爪部の返しが脱けなくなるように爪部を嵌め込むための穴部を設け、圧電素子１２が被駆動部材１６に接触した状態でさらに一定の力を加えることによってこの爪部が穴部に嵌め込まれて固定されるようにする。これによれば側板２２ａを側板２２ｂに取り付けられた時点で、圧電素子１２が一定の力で被駆動部材１６に与圧を加えた状態となる。
【００２３】
ガイド２０はユニットケース２２に固定されており、断面略Ｔ字型の形状を有し、その長さ方向はＺ方向となっている。被駆動部材１６は、このガイド２０に沿ってＺ方向に移動可能となるように、このガイド２０を嵌合するための溝部を備えている。
【００２４】
レンズ枠１８は、被駆動部材１６に連結されているので、被駆動部材１６の移動にしたがって移動する。駆動制御装置１０Ａは圧電素子１２の駆動電圧を発生させる。
【００２５】
次にＡＦユニット１０の駆動態様について説明する。図３に圧電素子１２を駆動するための電圧波形の一例を示す。また図４に圧電素子１２の変位と被駆動部材１６の移動の態様を模式的に示す。ここでは、圧電素子１２は、圧電板３２に正の電圧を印加すると＋Ｚの向き（上向き）に変位し、圧電板３２に負の電圧を印加すると−Ｚの向き（下向き）に変位するものとする。
【００２６】
最初に時間ｔ０，電圧Ｖ０の時点で被駆動部材１６は静止状態にある。駆動制御装置１０Ａにより、電圧Ｖ０から電圧Ｖ１へ一定勾配で電圧を上げると、圧電素子１２の自由端が＋Ｚ側へ移動するように屈曲し、このとき摺動部材２６と被摺動部２８の摩擦力によって被駆動部材１６が＋Ｚ側に移動する。このときの被駆動部材１６の移動量を図４ではδで示している。
【００２７】
このとき、摺動部材２６の位置に着目すると、摺動部材２６の＋Ｚ側への移動量が大きくなると−Ｘ側への移動量も大きくなるので、これに伴って摺動部材２６と被摺動部２８の間の摩擦力は小さくなる。したがって、圧電素子１２を一定変位量以上に変位させると被駆動部材１６は移動できなくなる。電圧Ｖ１は、被駆動部材１６が移動できなくなっている電圧であってもよいし移動できる電圧であってもよい。
【００２８】
また、電圧Ｖ１の値と電圧Ｖ０から電圧Ｖ１への電圧勾配によって、被駆動部材１６の移動態様に違いが生じる。例えば、この電圧勾配が緩やかで、かつ、電圧Ｖ１では摺動部材２６と被摺動部２８の間に十分な摩擦力がある場合には、被駆動部材１６は摺動部材２６の動きに合わせて移動する。一方、この電圧勾配が急で、かつ、電圧Ｖ１では摺動部材２６と被摺動部２８の間に被駆動部材１６を移動させるための十分な摩擦力がない場合には、被駆動部材１６は摺動部材２６によって蹴動されて移動する。
【００２９】
なお、圧電素子１２と被駆動部材１６との間に与圧が与えられているために、圧電素子１２を変位させても、一定範囲の変位量であれば摺動部材２６はこの与圧によって被摺動部２８に接した状態に維持される。摺動部材２６が常に被摺動部２８に接触するように駆動してもよいし、被摺動部２８と離間するように駆動してもよい。
【００３０】
次に電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に急峻に電圧を下げる。例えば、電圧Ｖ２＝−Ｖ１とする。これにより圧電素子１２の変位は逆転する。このとき、圧電素子１２の変位速度が速いために摺動部材２６が被摺動部２８に対して滑り、これによって摺動部材２６の位置を−Ｚ側へ移動させるとともに、被駆動部材１６の位置を＋Ｚ側に保持することができる。なお、実際には電圧をＶ１からＶ２へと変化させる際に摺動部材２６と被摺動部２８の間に一定の摩擦力が作用し、被駆動部材１６は一定量だけ−Ｚ側へ戻されるが、図４ではこの戻りは無視している。
【００３１】
次に、電圧Ｖ２から電圧Ｖ１へ一定勾配で電圧を上げると、圧電素子１２の自由端が＋Ｚ側へ移動するように屈曲し、摺動部材２６と被摺動部２８の間の摩擦力が徐々に大きくなって、この摩擦力によって被駆動部材１６が＋Ｚ側に移動する。このときの被駆動部材１６の移動量を図４ではηで示している。当然にη＞δとなる。こうして電圧Ｖ１とした以降は、電圧Ｖ１〜Ｖ２の駆動を繰り返し、被駆動部材１６を所定位置まで移動させた時点で急峻に電圧を０Ｖとするか、またはその電圧で保持する。被駆動部材１６を−Ｚ側へ移動させる場合には、図３に示した駆動電圧を逆転させればよい。
【００３２】
上述した圧電素子１２の駆動は、圧電素子１２の固有振動数と異なる周波数での駆動、つまり非共振駆動である。共振駆動を利用すると他の振動モードが現れてしまい、上述した圧電素子１２の動きが妨げられるおそれがある。また、共振周波数は形状依存性があるために、駆動周波数が一定の駆動電源を用いると、ＡＦユニットごとの性能差が大きくなってしまうおそれがある。非共振駆動方法を用いることでこれらの問題の発生が抑えられる。
【００３３】
このようにＡＦユニット１０では、圧電素子１２に所定の電圧を印加して圧電素子１２を屈曲させることにより、圧電素子１２と被駆動部材１６との間の摩擦力、つまり摺動部材２６と被摺動部２８との間の摩擦力によって、被駆動部材１６をガイド２０によるガイド方向にスライドさせることができる。
【００３４】
ＡＦユニット１０では、被駆動部材１６とこれに連結されたレンズ枠１８のスライド方向はＺ方向であり、かつ、圧電素子１２は最も寸法の短い厚み方向がＺ方向となるように配置することができ、しかも、圧電素子１２の厚さはレンズ枠１８の制動距離よりも薄く構成することができるので、ＡＦユニット１０の厚さは圧電素子１２の形状に依存せず、これによりＡＦユニット１０の厚さをレンズ枠１８の制動範囲と同等の薄さとすることができる。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、実際にＡＦユニット１０をカメラに搭載した場合には、レンズ枠１８に保持されるレンズ位置を検出するための、または視認できるデジタル画像のぼやけ具合からフォーカスの適否を判断するためのセンシング部を設け、このセンシング部からの信号に基づいて圧電素子１２をフィードバック制御する必要が生じる。駆動制御装置１０Ａにこのようなフィードバック機能をもたせてもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係るＡＦユニットの概略構造を示す斜視図。
【図２】ＡＦユニットのＡＡ断面図。
【図３】圧電素子を駆動するための電圧波形の一例を示す図。
【図４】圧電素子の変位と被駆動部材の移動の態様を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００３７】
１０…ＡＦユニット、１０Ａ…駆動制御装置、１２…圧電素子、１４…保持部材、１６…被駆動部材、１８…レンズ枠、２０…ガイド、２２…ユニットケース、２２ａ・２２ｂ…側板、２６…摺動部材、２８…被摺動部、３１…補強板、３２…圧電板。
【図１】
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【図２】
2007252103.tif 000004
【図３】
2007252103.tif 000005
【図４】
2007252103.tif 000006