JP2008029063A - 圧電アクチュエータ、これを用いた搬送装置及び手ぶれ補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を図りつつ、効率的かつスムーズに駆動対象を駆動することのできる圧電アクチュエータ等を提供する。
【解決手段】圧電アクチュエータ１は、正方形であって可撓性を有する金属板２を備えている。この金属板２の上面２ａ側には、四角柱状の突起部３が複数設けられている。金属板２の下面２ｂ側には、その中央部の一方側に配置された第１圧電素子Ａと他方側に配置された第２圧電素子Ｂとが、直線上に設けられている。さらに、金属板２の下面２ｂ側には、その中央部において前記第１、第２圧電素子Ａ、Ｂと直交する方向の一方側に配置された第３圧電素子Ｃと他方側に配置された第４圧電素子Ｄとが直線上に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、これを用いた搬送装置及び手ぶれ補正装置に関するものである。

従来、圧電素子を用いて構成される圧電アクチュエータが提案されるに至っている。この圧電アクチュエータは、柱状の弾性体と、この弾性体の中心部に突設された単一の突起部、及びこの突起部の両側であって前記弾性体の表面と裏面にそれぞれ貼着された各々一対の圧電素子とで構成されている。そして、各圧電素子に電圧を印加すると、圧電素子が伸長又は収縮し、これに伴って弾性体が変形する。この弾性体の変形により、前記単一の突起部が上下方向及びこれと交差する左右方向とに変位し、この単一突起部の変位によって駆動対象を上下方向と左右方向とに駆動するものである（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−２７４５５６号公報

しかしながら、前述した従来の圧電アクチュエータにあっては、単一の突起部を設け、この単一の突起部を変位させることにより、駆動対象を駆動するようにしている。したがって、駆動対象は単一の突起部により支持されるだけでは不安定であることから、別途駆動対象を安定的に支持するための支持部材が必要となり、装置が大型化してしまう。また、単一の突起部により駆動することから、駆動が非効率的となるとともに、駆動対象をスムーズに駆動することができない。

本発明は、かかる従来の課題に鑑みてなされたものであり、装置の小型化を図りつつ、効率的かつスムーズに駆動対象を駆動することのできる圧電アクチュエータ、これを用いた搬送装置及び手ぶれ補正装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため請求項１記載の発明に係る圧電アクチュエータにあっては、可撓性を有する板状部材と、この板状部材の一面に設けられた複数の突起部と、前記板状部材の一面と他面との少なくとも一方の面に設けられた複数の圧電素子とを備え、これら複数の圧電素子に駆動電圧を印加することにより、前記板状部材を撓み変形させて前記複数の突起部を変位させるように構成したことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明に係る圧電アクチュエータにあっては、前記複数の突起部は、前記一面において周部を除く略全面に亘って設けられたことを特徴とする。

また、請求項３記載の発明に係る圧電アクチュエータにあっては、前記複数の突起部は、等間隔で設けられたことを特徴とする。

また、請求項４記載の発明に係る圧電アクチュエータにあっては、前記複数の圧電素子は、前記板状部材の中央部に、直線状に配置された第１及び第２の圧電素子と、これら第１及び第２の圧電素子の配置方向と直交する方向に配置された第３及び第４の圧電素子とからなることを特徴とする。

また、請求項５記載の発明に係る圧電アクチュエータにあっては、前記板状部材が金属板であることを特徴とする。

また、請求項６記載の発明に係る圧電アクチュエータにあっては、前記金属板に前記複数の突起部を一体的に形成したことを特徴とする。

また、請求項７記載の発明に係る圧電アクチュエータにあっては、前記複数の圧電素子に印加する駆動電圧を制御する制御手段を更に備え、該制御手段は、前記板状部材を前記複数の突起部の突出方向に撓み変形させるときの変形動作時間が、前記突出方向とは逆の非突出方向に撓み変形させるときの変形動作時間よりも長くなるように、前記駆動電圧を制御することを特徴とする。

また、請求項８記載の発明に係る搬送装置にあっては、請求項１から７にいずれか記載の圧電アクチュエータを備え、前記複数の突起部の変位に伴って搬送される搬送部材を備えることを特徴とする。

また、請求項９記載の発明に係る手ぶれ補正装置にあっては、請求項１から７にいずれか記載の圧電アクチュエータを備え、前記突起部の変位に伴って駆動される撮像素子を備えることを特徴とする。

本発明に係る圧電アクチュエータによれば、複数の突起部により駆動対象を支持することができることから、別途駆動対象を支持するための支持部材を設ける必要がなく、これにより装置の小型化を図ることができる。また、複数の突起部により駆動対象を連続的に駆動できることから、効率的かつスムーズな駆動が可能となる。

また、本発明に係る搬送装置によれば、複数の突起部により搬送対象を支持することができることから、別途搬送対象を支持するための支持部材を設ける必要がなく、これにより装置の小型化を図ることができる。また、複数の突起部により搬送対象を連続的に搬送できることから、効率的かつスムーズな搬送が可能となる。

また、本発明に係る手ぶれ補正装置によれば、複数の突起部により撮像素子を支持することができることから、別途撮像素子を支持するための支持部材を設ける必要がなく、これにより装置の小型化を図ることができる。また、複数の突起部により撮像素子を連続的に駆動できることから、効率的かつスムーズな駆動が可能となる。

以下、本発明の一実施の形態を図に従って説明する。
（第１の実施の形態）

図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電アクチュエータ１の平面図であり、（ｂ）は正面図である。この圧電アクチュエータ１は、正方形であって可撓性を有する金属板２を備えている。この金属板２の上面２ａ側には、周部６を除くその前面に亙って四角柱状の突起部３が複数設けられている。この突起部３は、同図（ｂ）に示すように、金属板２に等間隔の縦溝４と横溝５とを刻設することにより形成されたものであり、よって、各突起部３は等間隔に設けられている。

金属板２の下面２ｂ側には、その中央部の一方側に配置された第１圧電素子Ａと他方側に配置された第２圧電素子Ｂとが、直線上に設けられている。さらに、金属板２の下面２ｂ側には、その中央部において前記第１、第２圧電素子Ａ，Ｂと直交する方向の一方側に配置された第３圧電素子Ｃと他方側に配置された第４圧電素子Ｄとが直線上に設けられている。これら第１〜第４圧電素子Ａ〜Ｄは対向する端部間に間隙を有するとともに、両端部に位置する突起部３の端部まで達する長さであって、電導性接着剤により、下面２ｂに貼着されている。前記各圧電素子Ａ〜Ｄの表面には電荷を印加できるように配線が接続され、金属板２はアースに接続される。また、金属板２は四周縁を固定部材７によって固定される。なお、第１〜第４圧電素子Ａ〜Ｄは、プラスの電荷を印加されることにより収縮し、マイナスの電荷を印加させることにより伸長する特性である。

図２は、本実施の形態の回路構成を示すブロック図である。メモリ８には、プログラム等が格納されている。ＣＰＵ９はこのメモリ８に格納されたプログラムに従って処理を実行することにより、トランジスタ１０ａ〜１０ｄを制御し、ＦＥＴ１１ａ〜１１ｄを介して、第１〜第４圧電素子Ａ〜Ｄに印加する電圧を制御する。また、メモリ８には、前記プログラムとともに、図３（ａ）に示す第１第２圧電素子制御テーブル８ａと、（ｂ）に示す第３第４圧電素子制御テーブル８ｂとが格納されている。各テーブル８ａ、８ｂには、各々パターン（１）〜（４）、（１１）〜（１４）に対応して、各圧電素子Ａ〜Ｄに印加する電圧の正負等が記憶されている。

なお、以下の説明においては、図１に示したように、第１圧電素子Ａ側を「左」、第２圧電素子Ｂ側を「右」、第３圧電素子Ｃ側を「前」、第４圧電素子Ｄ側を「後」とする。

以上の構成に係る本実施の形態において、図４（０）に示すように、圧電アクチュエータ１の突起部３上には台座１３が配置されて、図示しない付勢手段により付勢されて全ての突起部３に圧接される。そして、前記台座１３の中央部に、配線１４に接続された搬送対象としてのＣＣＤ１２が固定されている。なお、図４においては、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄを省略して、第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂのみを図示し、図６においては、逆に第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂを省略して、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄのみを図示する。また、突起部３は、図４においては左から順に３ａ〜３ｆとし、図６においては前から順に３ｇ〜３ｌとする。

そして、第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂへの印加電圧が共に「０」であると、図４（０）に示すように、第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂは直状を維持する。したがって、金属板２も直状を維持し、突起部３ａ〜３ｆは台座１３の下面に当接して静止している。

引き続き、図５に示すパターン（１）に対応して、第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂへの印加電圧を共に「−」にすると、図４（１）に示すように、第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂは共に伸長する。したがって、金属板２は下方に膨出する。よって、第１圧電素子Ａ側においては、突起部３ａが右方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｂ、３ｃが右方向に回動しながら下方に変位する。また、第２圧電素子Ａ側においては、突起部３ｄ，３ｅが左方向に回動しながら下向に変位し、突起部３ｆが左方向に回動しながら上向に変位する。

引き続き、図５に示すパターン（２）に対応して、第１圧電素子Ａへの印加電圧を「＋」にし、第２圧電素子Ｂへの印加電圧を「−」にすると、図４（２）に示すように、第１圧電素子Ａは収縮し、第２圧電素子Ｂは伸長する。したがって、金属板２の第１圧電素子Ａ側は上方に膨出し、第２圧電素子Ｂ側は下方に膨出して、金属板２は波形に変形する。よって、第１圧電素子Ａ側においては、突起部３ａが左方向に回動しながら下方に変位し、突起部３ｂ、３ｃは左方向に回動しながら上方に変位する。また、第２圧電素子Ｂ側においては、突起部３ｄ，３ｅが右方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｆは（１）とほぼ同様な状態を維持する。

引き続き、図５に示すパターン（３）に対応して、第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂへの印加電圧を共に「＋」にすると、図４（３）に示すように、第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂは共に伸長する。したがって、金属板２は上方に膨出する。よって、第１圧電素子Ａ側においては、突起部３ａ、３ｂが左方向に回動しながら下方に変位し、突起部３ｃは左方向に回動しながら上方に変位する。また、第２圧電素子Ｂ側においては、突起部３ｄ，３ｅが左方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｆは右方向に下方に変位する。

引き続き、図５に示すパターン（４）に対応して、第１圧電素子Ａへの印加電圧を「−」にし、第２圧電素子Ｂへの印加電圧を「＋」にすると、図４（４）に示すように、第１圧電素子Ａは伸長し、第２圧電素子Ｂは収縮する。したがって、金属板２の第１圧電素子Ａ側は下方に膨出し、第２圧電素子Ｂ側は上方に膨出して、金属板２は波形に変形する。よって、第１圧電素子Ａ側においては、突起部３ａが右方向に回動しながら上方に変位し、３ｂが右方向に回動しながら下方に変位し、突起部３ｃは左方向に回動しながら下方に変位する。また、第２圧電素子Ｂ側においては、突起部３ｄが左方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｅが左方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｆは（３）とほぼ同様な状態を維持する。

よって、図５にも示すように、以上の（１）→（２）→（３）→（４）→（１）→・・・のサイクルで、第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂに電圧を印加することにより、各突起部３を垂直面内において左回りに楕円運動させることができ、その結果、ＣＣＤ１２を台座１３と一体的に左方向に搬送することができる。また、これとは逆に（４）→（３）→（２）→（１）→（４）・・・のサイクルで、第１及び第２圧電素子Ａ、Ｂに電圧を印加することにより、各突起部３を垂直面内において右回りに楕円運動させることができ、その結果、ＣＣＤ１２を台座１３と一体的に右方向に搬送することもできる。

一方、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄへの印加電圧が共に「０」であると、図６（０）に示すように、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄは直状を維持する。したがって、金属板２も直状を維持し、突起部３ｇ〜３ｌは台座１３の下面に当接して静止している。

引き続き、図７に示すパターン（１１）に対応して、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄへの印加電圧を共に「−」にすると、図６（１１）に示すように、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄは共に伸長する。したがって、金属板２は下方に膨出する。よって、第３圧電素子Ｃ側においては、突起部３ｇが後方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｈ、３ｉが後方向に回動しながら下方に変位する。また、第４圧電素子Ｄ側においては、突起部３ｊ，３ｋが前方向に回動しながら下向に変位し、突起部３ｌが前方向に回動しながら上向に変位する。

引き続き、図７に示すパターン（１２）に対応して、第３圧電素子Ｃへの印加電圧を「＋」にし、第２圧電素子Ｂへの印加電圧を「−」にすると、図６（１２）に示すように、第３圧電素子Ｃは収縮し、第４圧電素子Ｄは伸長する。したがって、金属板２の第３圧電素子Ｃ側は上方に膨出し、第４圧電素子Ｄ側は下方に膨出して、金属板２は波形に変形する。よって、第３圧電素子Ｃ側においては、突起部３ｇが前方向に回動しながら下方に変位し、突起部３ｈ、３ｉは前方向に回動しながら上方に変位する。また、第４圧電素子Ｄ側においては、突起部３ｊ，３ｋが後方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｌは（１１）とほぼ同様な状態を維持する。

引き続き、図７に示すパターン（１３）に対応して、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄへの印加電圧を共に「＋」にすると、図６（１３）に示すように、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄは共に伸長する。したがって、金属板２は上方に膨出する。よって、第３圧電素子Ｃ側においては、突起部３ｇ、３ｈが前方向に回動しながら下方に変位し、突起部３ｉは前方向に回動しながら上方に変位する。また、第４圧電素子Ｄ側においては、突起部３ｊ，３ｋが前方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｌは後方向に下方に変位する。

引き続き、図７に示すパターン（１４）に対応して、第３圧電素子Ｃへの印加電圧を「−」にし、第４圧電素子Ｄへの印加電圧を「＋」にすると、図６（１４）に示すように、第３圧電素子Ｃは伸長し、第４圧電素子Ｄは収縮する。したがって、金属板２の第３圧電素子Ｃ側は下方に膨出し、第４圧電素子Ｄ側は上方に膨出して、金属板２は波形に変形する。よって、第３圧電素子Ｃ側においては、突起部３ｇが後方向に回動しながら上方に変位し、３ｈが後方向に回動しながら下方に変位し、突起部３ｉは前方向に回動しながら下方に変位する。また、第４圧電素子Ｄ側においては、突起部３ｊが前方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｋが前方向に回動しながら上方に変位し、突起部３ｌは（１３）とほぼ同様な状態を維持する。

よって、図７にも示すように、以上の（１１）→（１２）→（１３）→（１４）→（１１）→・・・のサイクルで、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄに電圧を印加することにより、各突起部３を垂直面内において前回りに楕円運動させることができ、その結果、ＣＣＤ１２を台座１３と一体的に前方向に搬送することができる。また、これとは逆に（１４）→（１３）→（１２）→（１１）→（１４）・・・のサイクルで、第３及び第４圧電素子Ｃ、Ｄに電圧を印加することにより、各突起部３を垂直面内において後回りに楕円運動させることができ、その結果、ＣＣＤ１２を台座１３と一体的に後方向に搬送することもできる。

すなわち、本実施の形態に係る圧電アクチュエータ１によれば、収縮時の印加電圧を３０Ｖ、伸張時の印加電圧を−３０Ｖとした場合、図８及び図９に示すように、水平方向変位量０．３３８（μｍ）、垂直方向変位量１．２５０（μｍ）、変位比率（水平方向）１．６４、変位比率（垂直方向）３．６０得ることができ、これら垂直方向と水平方向の変位により、下記（イ）〜（ニ）に示す各方向への搬送を行うことができる。
（イ）左方向への搬送：（１）→（２）→（３）→（４）→（１）・・・
（ロ）右方向への搬送：（４）→（３）→（２）→（１）→（４）・・・
（ハ）前方向への搬送：（１１）→（１２）→（１３）→（１４）→（１１）・・・
（ニ）後方向への搬送：（１４）→（１３）→（１２）→（１１）→（１４）・・・

したがって、印加電圧を制御して各方向への搬送（イ）〜（ニ）を組み合わせることにより、ＣＣＤ１２を中央から平面上の全ての方向に駆動することができる。よって、検出した手ぶれ量及び手ぶれ方向に応じて、圧電アクチュエータ１の圧電素子Ａ〜Ｄに電圧を印加し、ＣＣＤ１２を駆動することにより、デジタルカメラにおける手振れ補正機構を達成することができる。

（第２の実施の形態）
図１０は、本発明の第２の実施の形態において、メモリ８に格納された第１第２圧電素子制御テーブル８ａと、第３第４圧電素子制御テーブル８ｂとを示す図である。本実施の形態において各テーブル８ａ、８ｂには、各々パターン（１）〜（４）、（１１）〜（１４）に対応して、各圧電素子Ａ〜Ｄに印加する電圧の正負が記憶されているとともに、通電時間が記憶されている。この通電時間は、パターン（３）（４）（１３）（１４）がｔであるのに対し、パターン（１）（２）（１１）（１２）は、その２倍である２ｔに設定されている。

したがって、ＣＰＵ９は第１第２圧電素子制御テーブル８ａに記憶されている情報に従って、第１及び第２圧電素子Ａ，Ｂの印加電圧を制御すると、図１１に示すように、（１）から（２）及び（２）から（３）への切り換えは時間２ｔのタイミングで実行され、（３）から（４）及び（４）から（１）への切り換えは時間ｔのタイミングで実行されることとなる。したがって、図４において、（１）から（２）及び（２）から（３）に変形する際の時間を、（３）から（４）及び（４）から（１）に変形する際の時間よりも長くすることができる。したがって、突起部３が上方に変位して台座１３に当接する際の衝撃を少なくすることができ、この衝撃により台座１３が跳ね上がる不都合を防止することができる。

また、ＣＰＵ９は第３第４圧電素子制御テーブル８ｂに記憶されている情報に従って、第１及び第２圧電素子Ａ，Ｂの印加電圧を制御すると、図１２に示すように、（１１）から（１２）及び（１２）から（１３）への切り換えは時間２ｔのタイミングで実行され、（３）から（４）及び（４）から（１）への切り換えは時間ｔのタイミングで実行されることとなる。したがって、図６において、（１１）から（１２）及び（１２）から（１３）に変形する際の時間は、（１３）から（１４）及び（１４）から（１１）に変形する際の時間よりも長くすることができる。したがって、突起部３が上方に変位して台座１３に当接する際の衝撃を少なくすることができ、この衝撃により台座１３が跳ね上がる不都合を防止することができる。

すなわち、突起部３上の台座１３と一体的なＣＣＤ１２の搬送速度を上げるためには通電周期を短くする必要がある。しかし、通電周期を短くすると突起部３が上方に変位して台座１３に当接した際の衝撃により、台座１３が跳ね上がってしまい、台座１３を適正に駆動することが困難となる場合がある。しかし、本実施の形態においては、（１）→（２）→（３）及び（１１）→（１２）→（１３）の通電タイミングを他の通電タイミングよりも長くしたことから、突起部３が上方に変位して台座１３に当接した際の衝撃を緩和することができる。よって、搬送速度を高めても適正に搬送することができる。

なお、本実施の形態においては、圧電素子Ａ〜Ｄを金属板２の下面２ｂ側に設けるようにしたが、上面２ａ側に設けるようにしてもよく、また、上面２ａ側と下面２ｂ側との両面に設けるようにしてもよい。また、突起部３を金属板２に一体的に形成するようにしたが、両者を別体に成形して突起部３を金属板２に接着するようにしてもよい。さらに、本発明に係る圧電アクチュエータは、前述したデジタルカメラにおける撮像素子（ＣＣＤ）の駆動のみならず、各種対象物の搬送、駆動に用いることができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電アクチュエータの平面図、（ｂ）は正面図である。 同実施の形態の回路構成を示すブロック図である。 （ａ）は第１第２圧電素子制御テーブルを示す図、（ｂ）は第３、第４の各圧電素子制御テーブルを示す図である。 （0）−（4）は第１の実施の形態における動作遷移図である。 同実施の形態の電圧印加遷移図である。 （0）−（4）は第１の実施の形態における動作遷移図である。 同実施の形態の電圧印加遷移図である。 ＣＣＤ中心点の軌跡を示す図である。 変位量を示す図である。 （ａ）は本発明の第２の実施の形態における第１、第２の各圧電素子制御テーブルを示す図、（ｂ）は第３、第４の各圧電素子制御テーブルを示す図である。 同実施の形態の電圧印加遷移図である。 同実施の形態の電圧印加遷移図である。

符号の説明

Ａ〜Ｄ 圧電素子
２ａ 上面
２ｂ 下面
３ 突起部
４ 縦溝
５ 横溝
８ メモリ
８ａ 第１第２圧電素子制御テーブル
８ｂ 第３第４圧電素子制御テーブル
９ ＣＰＵ
１２ ＣＣＤ

Claims (9)

1. 可撓性を有する板状部材と、
   この板状部材の一面に設けられた複数の突起部と、
   前記板状部材の一面と他面との少なくとも一方の面に設けられた複数の圧電素子とを備え、
   これら複数の圧電素子に駆動電圧を印加することにより、前記板状部材を撓み変形させて前記複数の突起部を変位させるように構成したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記複数の突起部は、前記一面において周部を除く略全面に亘って設けられたことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記複数の突起部は、等間隔で設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記複数の圧電素子は、前記板状部材の中央部に、直線状に配置された第１及び第２の圧電素子と、これら第１及び第２の圧電素子の配置方向と直交する方向に配置された第３及び第４の圧電素子とからなることを特徴とする請求項１、２又は３記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記板状部材が金属板であることを特徴とする請求項１から４にいずれか記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記金属板に前記複数の突起部を一体的に形成したことを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記複数の圧電素子に駆動電圧を印加する際の通電周期を制御する制御手段を更に備え、該制御手段は、前記板状部材を前記複数の突起部の突出方向に撓み変形させるときの通電時間が、前記突出方向とは逆の非突出方向に撓み変形させるときの通電時間よりも長くなるように、前記通電周期を制御することを特徴とする請求項１から６にいずれか記載の圧電アクチュエータ。
8. 請求項１から７にいずれか記載の圧電アクチュエータを備え、前記複数の突起部の変位に伴って搬送される搬送部材を備えることを特徴とする搬送装置。
9. 請求項１から７にいずれか記載の圧電アクチュエータを備え、前記突起部の変位に伴って駆動される撮像素子を備えることを特徴とする手ぶれ補正装置。
   

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