(57)【要約】【課題】圧電素子の後端面を弾性支持部材で支持するとともにその弾性支持部材を弾性変形した状態に保つことによって、安定した駆動制御を行い、且つ、小型化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３４は、固定枠４０と、圧電素子４２と、圧電素子４２の端面４２Ａに取り付けられた駆動軸４４と、駆動軸４４に係合された被駆動部材４６と、を備え、さらに、圧電素子４２の端面４２Ｂに取りつけられて端面４２Ｂを固定枠４０に対して変位可能に支持する取付金具４８と、取付金具４８を押圧して弾性変形した状態に保持する押圧部材６０とを備える。【選択図】  図４
2007049873.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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た駆動摩擦部材と、該駆動摩擦部材に摩擦係合された被駆動部材と、を備えたアクチュエータにおいて、
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、該他方側を固定枠に対して変位可能に支持する弾性支持部材と、
該弾性支持部材を前記伸縮方向に押圧することによって前記弾性支持部材を弾性変形した状態に保持する押圧部材と、
を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記押圧部材は、前記固定枠と一体的に形成さ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。
【請求項３】
前記押圧部材は、前記固定枠に螺合された調整ねじであり、該調整ねじの先端によって前記弾性支持部材を押圧することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記弾性支持部材はバネ性を有する板部材であり、その両端部が前記固定枠に支持されるとともに、中央部に前記電気機械変換素子の後端面が固着されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記被駆動部材には、ズームレンズの保持枠が取り付けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエータに係り、特にデジタルカメラや携帯電話機等の小型精密機器に搭載され、ズームレンズを駆動するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラ等のレンズ部の駆動装置として圧電素子を用いたアクチュエータがある。例えば特許文献１のアクチュエータは、圧電素子の一方側に駆動軸が固着され、圧電素子の他方側が装置本体に固定される。駆動軸には鏡筒がスライド自在に支持されており、鏡筒は板ばねの付勢力を利用して駆動軸に摩擦係合される。圧電素子には、略鋸歯状の波形をした駆動パルスが印加され、圧電素子は伸び方向と縮み方向で異なる速度で変形する。例えば圧電素子が緩やかに変形すると、駆動軸とともに鏡筒が移動する。逆に、圧電素子が速く変形すると、鏡筒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、圧電素子に略鋸歯状の波形をした駆動パルスを繰り返し印加することによって、鏡筒を細かなピッチで間欠的に移動させることができる。
【０００３】
しかし、特許文献１のアクチュエータは、圧電素子が頻繁に共振を起こし、この共振によって圧電素子や駆動軸が変位方向と異なる横揺れやねじれを発生するため、被駆動部材が変位方向に正確に移動しないという問題があった。したがって、特許文献１のアクチュエータは、駆動周波数に対する駆動量が不安定になるという問題があった。
【特許文献１】特許第２６３３０６６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の問題を解消する方法として、圧電素子の他方側を変位可能に支持するとともに、圧電素子の他方側に錘を取りつける方法が考えられる。
【０００５】
しかしながら、この方法は、錘の重量が小さいと、被駆動部材の移動距離、移動速度、推力が不足するので、重量の大きい錘を用いる必要があり、装置が大型化するという問題があった。特に、ズームレンズのように移動距離の大きい被駆動部材を移動させる場合には、重量が非常に大きい錘が必要になり、装置が大型化するという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、安定した駆動制御を行うことができ、且つ、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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た駆動摩擦部材と、該駆動摩擦部材に摩擦係合された被駆動部材と、を備えたアクチュエータにおいて、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、該他方側を固定枠に対して変位可能に支持する弾性支持部材と、該弾性支持部材を前記伸縮方向に押圧することによって前記弾性支持部材を弾性変形した状態に保持する押圧部材と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の発明者は、電気機械変換素子の他方側を弾性支持部材を介して支持するとともに、その弾性支持部材を弾性変形させた状態に保持することによって、電気機械変換素子の他方側に大きな錘を取りつけた場合と同じ効果、すなわち被駆動部材の移動距離、移動速度、及び、推力を向上させることができるという知見を得た。
【０００９】
請求項１の発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、弾性支持部材を弾性変形した状態で保持するようにしたので、被駆動部材の移動距離、移動速度、及び、推力を向上させることができる。さらに、請求項１に記載の発明によれば、弾性支持部材を押圧するだけなので、大きな錘を設けた場合よりも装置を小型化することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記押圧部材は、前記固定枠と一体的に形成されることを特徴とする。したがって、請求項２の発明によれば、部品点数を減らすことができるとともに、装置をさらに小型化することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は請求項１の発明において、前記押圧部材は、前記固定枠に螺合された調整ねじであり、該調整ねじの先端によって前記弾性支持部材を押圧することを特徴とする。請求項３の発明によれば、調整ねじの締め込み具合によって、押圧力を調整することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は請求項１〜３のいずれか１の発明において、前記弾性支持部材はバネ性を有する板部材であり、その両端部が前記固定枠に支持されるとともに、中央部に前記電気機械変換素子の後端面が固着されることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は請求項１〜４のいずれか１の発明において、前記被駆動部材には、ズームレンズの保持枠が取り付けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るアクチュエータによれば、電気機械変換素子の他方側を弾性支持部材を介して支持するとともに、その弾性支持部材を弾性変形した状態に保持したので、大きな錘部材を用いることなく、被駆動部材の移動距離、移動速度、及び、推力を向上させることができる。これにより、安定した駆動制御を行うことができ、且つ装置を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
図１は本発明に係るアクチュエータが適用されたレンズ装置１０を示す斜視図であり、図２、図３はその内部構成を示す斜視図である。
【００１７】
図１に示すようにレンズ装置１０は、略矩形状に形成された本体１２を有し、この本体１２の内部に、図２、図３に示すズームレンズ（群）１４、１６を備える。ズームレンズ（群）１４、１６は一方が変倍レンズになっており、もう一方が補正レンズになっている。また、ズームレンズ（群）１４、１６はそれぞれ保持枠１８、２０に保持されており、この保持枠１８、２０は、二本のガイド軸２２、２４によって光軸Ｐ方向にスライド自在に支持されている。二本のガイド軸２２、２４は、本体１２内の対角位置に、且つ、光軸Ｐと平行に配置されており、本体１２に固定されている。
【００１８】
保持枠１８は、ガイド軸２２が挿通される挿通孔２６Ａを有するガイド部２６と、ガイド軸２４が係合されるＵ状の溝２８Ａを有する係合部２８とを備える。これにより、保持枠１８が二本のガイド軸２２、２４にガイドされ、ズームレンズ（群）１４が光軸Ｐ方向に移動自在に支持される。同様に、ズームレンズ１６の保持枠２０は、ガイド軸２４が挿通される挿通孔（不図示）を有するガイド部３０と、ガイド軸２２が係合されるＵ状の溝３２Ａを有する係合部３２とを備える。これにより、保持枠２０が二本のガイド軸２２、２４にガイドされ、ズームレンズ（群）１６が光軸Ｐ方向に移動自在に支持される。
【００１９】
ズームレンズ（群）１４、１６はそれぞれ、アクチュエータ３４、３６によって光軸Ｐ方向に駆動される。アクチュエータ３４とアクチュエータ３６は、本体１２の対向する面に配置される。具体的には、図１の本体１２の上面にズームレンズ（群）１４用のアクチュエータ３４が配置され、本体１２の下面にズームレンズ（群）１６用のアクチュエータ３６が配置される。以下、アクチュエータ３４について説明するが、アクチュエータ３６も同様に構成される。
【００２０】
なお、図１〜３の符号７２、７４は、保持枠１８や保持枠２０の位置を検出する位置検出装置である。位置検出装置７２は、反射型のフォトインタラプタであり、保持枠１８（或いは保持枠２０）に一体形成された板状の反射部７８に対向して配置され、本体１２（図１参照）の開口部１２Ａに嵌め込まれて固定される。反射部７８には、複数の反射体（不図示）が駆動方向に一定間隔で配置されている。したがって、位置検出装置７２から反射部７８に投光し、その反射光を受光し、光量の変化を検出することによって、反射部７８（すなわち保持枠１８、２０）の移動量を検出することができる。一方、位置検出装置７４は、投光部７４Ａと受光部７４Ｂとを有し、この投光部７４Ａと受光部７４Ｂとの間に、保持枠１８（或いは保持枠２０）に一体形成された板状の遮光部７６が挿抜される。したがって、遮光部７６が発光部７４Ａと受光部７４Ｂとの間に挿入されて受光部７４Ｂでの光量が変化することによって、遮光部７６（すなわち保持枠１８、２０）が所定の位置に移動したことを検知することができる。このように、位置検出装置７４で保持枠１８、２０の基準位置を検知し、位置検出装置７２で保持枠１８、２０の移動量を検出することによって、保持枠１８、２０の位置を正確に求めることができる。アクチュエータ３４、３６は、位置検出装置７２、７４の測定値に基づいて駆動制御される。
【００２１】
図４は、アクチュエータ３４の構成を示す斜視図である。同図に示すように、アクチュエータ３４は主として、固定枠４０、圧電素子（電気機械変換素子に相当）４２、駆動軸（駆動摩擦部材に相当）４４、連結駒（被駆動部材に相当）４６、取付金具（弾性支持部材に相当）４８によって構成されており、固定枠４０は、図１のレンズ装置１０の本体１２に固定される。
【００２２】
圧電素子４２は、レンズ装置１０の光軸Ｐ方向（以下、駆動方向という）に積層されて構成されており、電圧を印加することによって駆動方向に変形（伸縮）するように構成される。したがって、圧電素子４２は、電圧を印加することによって、長手方向の端面４２Ａ、４２Ｂが駆動方向に変位する。
【００２３】
圧電素子４２の端面４２Ａ、４２Ｂのうち、一方側の端面４２Ａには駆動軸４４の基端が固着される。駆動軸４４は円柱状に形成されており、その中心軸が駆動方向になるように配置される。また、駆動軸４４は、固定枠４０に形成された二つの孔４０Ａ、４０Ａに挿通されてガイドされ、中心軸方向にスライド自在に支持される。駆動軸４４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。
【００２４】
駆動軸４４には、連結駒４６が係合されている。連結駒４６は、前述したズームレンズ１４の保持枠１８に連結されており、保持枠１８とともに光軸Ｐ方向（駆動方向）にスライド自在に支持される。また、連結駒４６は、矩形状に形成されており、その四つの各コーナー部には上方に突出した突出部４６Ａ、４６Ａ…が設けられる。
【００２５】
図５は連結駒４６と駆動軸４４との連結部分の断面図である。同図に示すように、連結駒４６と駆動軸４４との連結部分には、第１摺動部材５２と第２摺動部材５４が設けられている。第１摺動部材５２は、駆動軸４４の上側に配置され、第２摺動部材５４は駆動軸４４の下側に配置される。この第１摺動部材５２及び第２摺動部材５４は、連結駒４６と駆動軸４４との摩擦力を安定して得るために設けられる部材であり、例えばステンレスによって構成される。
【００２６】
第２摺動部材５４はＶ状に形成されており、連結駒４６に固定される。一方、第１摺動部材５２は、逆Ｖ状に形成され、連結駒４６の四つの突出部４６Ａ、４６Ａ…に囲まれた領域内に配置される。第１摺動部材５２は、連結駒４６の突出部４６Ａ、４６Ａ…に合わせて各コーナー部が切り欠かれる。これにより、第１摺動部材５２を突出部４６Ａ、４６Ａ…で囲まれた領域内に配置した際に、第１摺動部材５２が連結駒４６から脱落することが防止される。
【００２７】
連結駒４６には押えばね５６が取り付けられる。押えばね５６は、金属板を屈曲させることによって構成されており、爪５６Ａを連結駒４６の下部に引っかけることによって連結駒４６に取りつけられる。また、押えばね５６は、第１摺動部材５２の上側に配置された押圧部５６Ｂを有し、その押圧部５６Ｂで第１摺動部材５２を下方に付勢するように構成される。これにより、駆動軸４４は、第１摺動部材５２と第２摺動部材５４で挟圧された状態になり、連結駒４６が第１摺動部材５２及び第２摺動部材５４を介して駆動軸４４に摩擦係合される。なお、連結駒４６と駆動軸４４との摩擦力は、圧電素子４２に緩やかな電圧変化の駆動パルスを印加した際にその駆動力よりも摩擦力が大きくなるように、且つ、圧電素子４２に急激な電圧変化の駆動パルスを印加した際にその駆動力よりも摩擦力が小さくなるように設定される。その際、摩擦力（摺動抵抗）は１０ｇｆ以上３０ｇｆ以下が好ましく、１５ｇｆ以上２５ｇｆ以下がより好ましい。
【００２８】
図４に示すように圧電素子４２の端面４２Ｂには、軟性材料から成る錘部材５８が接着されて固定される。錘部材５８は、端面４２Ｂに負荷を与えることによって、端面４２Ｂが端面４２Ａよりも大きく変位することを防止する。したがって、錘部材５８としては、駆動軸４４よりも重量が大きいものが好ましい。また、錘部材５８は圧電素子４２及び駆動軸４４よりもヤング率の小さい材料が用いられ、例えば３００ＭＰａ以下の材質によって構成される。例えば、錘部材５８はウレタンゴムやウレタン樹脂等から成り、このゴムや樹脂に、比重を高くするためのタングステン等の金属粉末を混合して製造される。錘部材５８の比重は、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。
【００２９】
錘部材５８は、圧電素子４２の反対側が、取付金具４８に接着されている。取付金具４８は、薄い金属板を屈曲させることによってコ状に形成されており、その両端の屈曲部分には開口部４８Ｂが形成される。取付金具４８は、この開口部４８Ｂを、固定枠４０の突起部４０Ｂに嵌合させることによって、固定枠４０に取り付けられる。これにより、圧電素子４２が錘部材５８、取付金具４８を介して固定枠４０に支持される。
【００３０】
上記の如く支持された圧電素子４２は、端面４２Ｂが駆動方向に変位可能に支持される。すなわち、軟性の錘部材５８が膨張、収縮したり、或いは取付金具４８が撓むことによって、端面４２Ｂが駆動方向に変位することができる。
【００３１】
取付金具４８の後方には押圧部材６０が設けられる。押圧部材６０は、レンズ鏡胴１０の本体１２に一体的に形成されており、取付金具４８に面接触して取付金具４８を前方に（すなわち、圧電素子４２側に）押圧するように配置される。これにより、取付金具４８は前方に若干（例えば０．１ｍｍ程度）弾性変形した状態に保持される。なお、押圧部材６０の形状は特に限定するものではなく、例えば半球状に形成し、取付金具４８に点接触するように構成してもよい。また、押圧部材６０による押圧位置は、駆動軸４４の中心軸の延長上が好ましい。
【００３２】
上述した圧電素子４２には、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示す駆動パルスの電圧が印加される。図６（Ａ）は、図４の連結駒４６を左方向に移動させる際の駆動パルスであり、図６（Ｂ）は、図４の連結駒４６を右方向に移動させる際の駆動パルスである。
【００３３】
図６（Ａ）の場合、圧電素子４２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４２が緩やかに伸長する。その際、駆動軸４４が緩やかな速度で移動するので、連結駒４６は駆動軸４４とともに移動する。これにより、図４の連結駒４６を、左方向に移動させることができる。時刻α３では、圧電素子４２が急激に縮まるので、駆動軸４４は右方向に移動する。その際、駆動軸４４が急激に移動するので、連結駒４６は慣性によってその位置に停止したまま、駆動軸４４だけが移動する。したがって、図６（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４の連結駒４６は、左方向への移動と停止を繰り返すので、左方向に移動させることができる。
【００３４】
図６（Ｂ）の場合、圧電素子４２には、時刻β１から時刻β２にかけて緩やかに立ち下がり、時刻β３で急激に立ち上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から時刻β２では、圧電素子４２が緩やかに縮まる。その際、駆動軸４４が緩やかに変位するので、連結駒４６は駆動軸４４とともに移動する。これにより、図４の連結駒４６を、右方向に移動させることができる。時刻β３では、圧電素子４２が急激に伸長し、駆動軸４４は、左方向に移動する。その際、駆動軸４４が急激に移動するので、連結駒４６は慣性によってその位置に停止したまま、駆動軸４４だけが移動する。したがって、図６（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４の連結駒４６は右方向への移動と停止を繰り返すので、右方向に移動させることができる。
【００３５】
次に上記の如く構成されたアクチュエータ３４の作用について説明する。
【００３６】
ズームレンズ（群）１４、１６はフォーカスレンズ等に比べて移動量が大きいため、駆動軸４４が長くなり、圧電素子４２の振動が駆動軸４４の先端に伝達されにくいという問題がある。従来、この問題を解消するためには、図８に示すように、重量の大きい大型の錘部材６４を取り付ける必要があった。このため、従来のレンズ装置は、連結駒４６の移動距離が長くなるにつれて大きな錘が必要になり、装置が大型化するという問題があった。
【００３７】
これに対して図４に示した本実施の形態では、取付金具４８の後方に押圧部材６０が設けられ、この押圧部材６０で取付金具４８が押圧されることによって、取付金具４８が弾性変形した状態に保持される。このような構成にすると、取付金具４８の弾性力によって、図８に示した場合（すなわち圧電素子４２の端面４２Ｂに大きな錘部材６４を取りつけた場合）と同様の効果が得られる。すなわち、連結駒４６の移動距離、移動速度、推力が向上し、連結駒４６の移動量が大きい場合にも、安定した駆動制御を行うことができる。
【００３８】
また、本実施の形態によれば、押圧部材６０によって取付金具４８を押圧するだけなので、大きな錘部材６４を設けた場合に比べて装置を小型化することができる。特に本実施の形態では、押圧部材６０を本体１２と一体的に形成したので、部品点数を減らすことができるとともに、装置を小型化することができる。
【００３９】
次に本発明に係るアクチュエータの第２の実施形態について説明する。図７に示す第２の実施形態のアクチュエータは、取付金具４８の後方に調整ねじ６２が設けられている。調整ねじ６２は、レンズ装置１０の本体１２に螺合されており、その先端が取付金具４８を押圧するようになっている。また、調節ねじ６２は、駆動軸４４の中心軸の延長上に配置されており、取付金具４８を駆動方向に押圧するようになっている。
【００４０】
上記の如く構成された第２の実施形態によれば、調整ねじ６２によって取付板４８が押圧されて弾性変形した状態に保持されるので、連結駒４６の移動距離、移動速度、推力を向上させることができる。
【００４１】
また、第２の実施形態によれば、調整ねじ６２の締め込み量を調節することによって、押圧力を容易に調整することができる。よって、連結駒４６の移動距離、移動速度、推力を適切な値に調節することができる。
【００４２】
なお、上述した実施の形態は、バネ性を有する取付金具４８を介して圧電素子４２を支持したが、弾性力を有する部材であればよく、例えばゴム材等を介して圧電素子４２の後端面を支持するようにしてもよい。この場合にも、ゴム材等を駆動方向に押圧して弾性変形した状態に保持することによって上述した効果が得られる。
【００４３】
また、本発明に係るアクチュエータの用途としては、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、三Ｖ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、保持枠２０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良い。
【００４４】
なお、本発明において錘部材５８の材質は、上述した軟性材料に限定されるものではなく、硬性材料のものを用いてもよいが、軟性材料のものを用いることが下記の点で好ましい。すなわち、軟性材料から成る錘部材５８を用いると、圧電素子４２、駆動摩擦部材４４、及び、錘部材５８から成る系の共振周波数が低くなる。共振周波数が低くなることで、圧電素子４２、駆動軸４４、及び、錘部材５８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。また、共振周波数ｆ0 が低くなることで、駆動周波数ｆは、ｆ≧２1/2 ・ｆ0 、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って安定した駆動力を得ることができる。これにより、圧電素子４２の伸縮による駆動力が、被駆動部材に確実に伝達されるので、被駆動部材を圧電素子４２の伸縮方向に正確に移動させることができる。さらに、共振周波数ｆ0 が小さくなって共振による影響が少なくなるので、アクチュエータの支持位置や支持方法を任意に選択することができ、例えば圧電素子４２の端面４２Ａや側面、駆動軸４４の側面や端面でアクチュエータを支持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るアクチュエータが適用されたレンズ装置を示す斜視図
【図２】図１のレンズ装置の内部構成を示す斜視図
【図３】図２と異なる方向からのレンズ装置の斜視図
【図４】第１の実施形態のアクチュエータの構成を模式的に示す図
【図５】駆動軸と連結駒の連結部分を示す断面図
【図６】圧電素子に印加される電圧の駆動パルスの例を示す図
【図７】第２の実施形態のアクチュエータの構成を模式的に示す図
【図８】比較例のアクチュエータの構成を示す図
【符号の説明】
【００４６】
１０…レンズ装置、１２…本体、１４、１６…ズームレンズ（群）、２０…保持枠、３４、３６…アクチュエータ、４０…固定枠、４２…圧電素子、４４…駆動軸、４６…連結駒、４８…取付金具、５２…第１摺動部材、５４…第２摺動部材、５６…押えばね、５８…錘部材、６０…押圧部材
【図１】
2007049873.tif 000003
【図２】
2007049873.tif 000004
【図３】
2007049873.tif 000005
【図４】
2007049873.tif 000006
【図５】
2007049873.tif 000007
【図６】
2007049873.tif 000008
【図７】
2007049873.tif 000009
【図８】
2007049873.tif 000010