JPWO2009093645A1 - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

可動部５を位置決めするための制御値と可動部５の変位との関係を示す所定の基準温度における制御値−変位特性を用いて制御値を設定する設定部１２と、設定部１２により設定された制御値に応じた駆動電力を形状記憶合金１に供給し、形状記憶合金１を伸縮させることで可動部５を位置決めする駆動部２０と、温度検出部１１により検出された環境温度を基に、環境温度における制御値−変位特性と、基準温度における制御値−変位特性とのずれに起因する可動部５の目標位置からの位置ずれが修正されるように制御値を補正する補正部１３とを備える。

Description

本発明は、形状記憶合金を用いて可動部を移動させる駆動装置に関するものである。

近年、撮像装置においては、形状記憶合金の形状回復動作を利用して、レンズユニットを移動させ、レンズユニットの位置決めを行う技術が開発されている。特許文献１には、形状記憶合金の周囲の環境温度を検出し、検出した環境温度に基づいて、通電加熱期間内における形状記憶合金への通電量を、形状記憶合金の温度が環境温度にかかわらず常にほぼ一定の温度となるように制御する駆動装置が開示されている。
特開昭６０−１３５６７３号公報

しかしながら、特許文献１の手法は、形状記憶合金の温度を一定にする制御を行うものであり、環境温度の変化に応じてレンズユニットの位置ずれを補正するものではない。そのため、特許文献１の手法では、環境温度が変化した場合にレンズユニットを保持する可動部を目標位置に対して正確に位置決めすることができない。

本発明の目的は、環境温度が変化しても可動部を目標位置に位置決めすることができる駆動装置を提供することである。

本発明の一実施の形態による駆動装置の外観構成図を示している。 本発明の一実施の形態による駆動装置が適用された撮像装置のブロック図を示している。 本発明の一実施の形態による形状記憶合金の変位と抵抗値との特性を示したグラフである。 本発明の一実施の形態による可動部の制御値−変位特性を示すグラフであり、実線は基準温度時における制御値−変位特性を示し、点線は、駆動時における制御値−変位特性を示している。 本発明の一実施の形態による基準温度における機器共通の制御値−変位特性と、自己の制御値−変位特性とを示したグラフである。 ストッパーがある場合の形状記憶合金の変位と抵抗値との特性を示したグラフである。

以下、本発明の一実施の形態による駆動装置について説明する。以下の説明では、駆動装置を撮像装置に適用した場合を例に挙げて説明する。図１は、駆動装置の外観構成図を示している。駆動装置は、形状記憶合金１、固定部２、バイアスばね３、レンズ４、可動部５、ガイド軸６、及び全体制御部１００を備えている。なお、形状記憶合金１、固定部２、バイアスばね３、及びガイド軸６により移動機構部が構成される。

形状記憶合金１は、上端が可動部５の右端に接続され、下端が下側の固定部２に接続された上下方向を長手方向とする線材であり、ある一定の温度を超えると、記憶形状に復帰するために収縮し、その収縮力により可動部５を下方向に移動させる。また、形状記憶合金１は、全体制御部１００に接続され、全体制御部１００からの駆動電力が供給されて加熱される。

固定部２は、撮像装置の筐体に対して固定された上下一対の固定部２，２からなり、上側の固定部２は、ガイド軸６及びバイアスばね３が接続され、下側の固定部２は、ガイド軸６及び形状記憶合金１が接続されている。また、上側の固定部２には、レンズ４に被写体からの光を導くための穴（図略）が形成され、下側の固定部２には、レンズ４により結像された被写体の光像を撮像センサ（図略）に導くための穴（図略）が形成されている。

バイアスばね３は、上端が上側の固定部２に接続され、下端が可動部５の右端に接続され、上方向の応力を形状記憶合金１に与え、形状記憶合金１を上方向に引き延ばし、可動部５を上方向に移動させる。レンズ４は、例えば凸レンズから構成され、被写体からの光を結像して撮像センサに導く。

可動部５は、可動本体部５１と保持部５２とを備え、形状記憶合金１の収縮力によってガイド軸６に沿って下方向に移動し、バイアスばね３の付勢力によってガイド軸６に沿って上方向に移動し、レンズ４を上下方向に移動させる。

可動本体部５１は、上下方向を長手方向とする長穴が貫通され、この長穴にガイド軸６が挿入されている。保持部５２は、可動本体部５１の右側面の上下方向のほぼ中央から右方向に向けて延びるように形成され、円形のレンズ４の周囲を取り囲むようにしてレンズ４を保持する。また、保持部５２の右端の上側にはバイアスばね３の下端が接続され、右端の下側には形状記憶合金１が接続されている。

ガイド軸６は、上端が上側の固定部２に接続され、下端が下側の固定部２に接続された上下方向を長手方向とする棒状の部材から構成され、可動部５を上下方向に移動させるためのガイドを行う。

以上の構成において、形状記憶合金１が加熱により弾性率が上がることで収縮するとバイアスばね３が伸び、また放熱により弾性率が下がるとバイアスばね３の応力により形状記憶合金１が伸びることにより、レンズ４を保持する可動部５が移動することになる。全体制御部１００は可動部５を位置決め制御すると共に、撮像装置全体の制御を司る。

図２は、全体制御部１００のブロック図を示している。全体制御部１００は、制御部１０、駆動部２０、及び抵抗検出部３０を備えている。制御部１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えるマイコンから構成され、温度検出部１１、設定部１２、及び補正部１３を備えている。温度検出部１１は、形状記憶合金１の周囲の環境温度を検出する。本実施の形態では、温度検出部１１は、抵抗検出部３０により検出された形状記憶合金１の抵抗値を基に、環境温度を検出する。具体的には、温度検出部１１は、形状記憶合金１が実際に変位を開始するときの抵抗値を検出し、検出した抵抗値と、基準温度において形状記憶合金１が変位を開始するときの抵抗値とのずれを基に、環境温度を検出する。

図３は、形状記憶合金の変位と抵抗値との特性を示したグラフであり、実線が低温時における特性を示し、点線が高温時における特性を示している。図３に示すように、高温時のグラフの方が、低温時のグラフに比べて傾きが大きいことが分かる。また、形状記憶合金１が変位を開始する点Ｐにおける抵抗値は、低温時よりも高温時の方が高くなっていることが分かる。

つまり、点Ｐにおける抵抗値は温度に依存していること分かる。したがって、温度検出部１１は、点Ｐにおける抵抗値と、温度との関係を予め記憶しておき、点Ｐにおける抵抗値を検出し、検出した抵抗値に対する温度を特定することで、形状記憶合金１の温度を検出し、この温度を環境温度として検出することができる。

また、形状記憶合金１は、変位を開始する前後において駆動電力に対する抵抗値の変化率が大きく変化することが知られている。したがって、温度検出部１１は、形状記憶合金１に供給する駆動電力を一定の刻み幅で増大させ、駆動電力を増大させる毎に、増大前後における抵抗値の差分を求め、差分が大きく変化したときの抵抗値を、点Ｐにおける抵抗値として検出することができる。

なお、抵抗値に基づく環境温度の検出は一例にすぎず、変位をともなわない程度の微小電力を印加したときの形状記憶合金１の抵抗値を検出することで、環境温度を検出してもよいし、サーミスタ、熱電対等の温度センサを形状記憶合金１の近傍に設置することで環境温度を検出してもよい。

図２に戻り、設定部１２は、可動部５を位置決めするための制御値と可動部５の変位との関係を示す制御値−変位特性であって、所定の基準温度における制御値−変位特性を用いて制御値を設定することで可動部５を目標位置に位置決めする。ここで、基準温度としては、撮像装置の使用が想定される環境下における平均気温を採用することが好ましい。

補正部１３は、温度検出部１１により検出された環境温度を基に、環境温度における制御値−変位特性と、基準温度における制御値−変位特性とのずれに起因する可動部５の目標位置からの位置ずれが修正されるように制御値を補正する。

図４は、可動部５の制御値−変位特性を示すグラフであり、実線は基準温度時における制御値−変位特性を示し、点線は、駆動時における制御値−変位特性を示している。図４に示すように、環境温度が基準温度から変化することにより、駆動時の制御値−変位特性が基準温度時の制御値−変位特性に対してずれていることが分かる。

このような、制御値−変位特性の変化は、環境温度による移動機構部の線膨張係数等の変化によって生じると考えられる。そして、設定部１２は、位置Ｐ１に可動部５を位置決めするにあたり、基準温度における制御値−変位特性を用いて制御値を設定すると、制御値としてＣｖａｌ１が設定されてしまい、可動部５は位置Ｐ１ではなく位置Ｐ１´に位置決めされてしまう。

そこで、補正部１３は、制御値がＣｖａｌ１ではなく駆動時の制御値−変位特性での位置Ｐ１における制御値であるＣｖａｌ１´となるように制御値を補正する。具体的には、補正部１３は、駆動時の環境温度と基準温度との差分に所定の温度係数を乗じた値を用いる式（１）に示す演算により制御値を補正する。

Ｃｖａｌ´＝Ｃｖａｌ＋α・ΔＴ （１）
但し、Ｃｖａｌ´は補正後の制御値、Ｃｖａｌは補正前の制御値、αは予め定められた第１の温度係数、ΔＴは基準温度と環境温度との差分である。

これにより、補正部１３は、環境温度における制御値−変位特性と、基準温度における制御値−変位特性とのオフセット成分のずれに起因する可動部５の目標位置からの位置ずれが修正されるように制御値を補正することができる。

ここで、第１の温度係数αは、環境温度と移動機構部の線膨張係数との関係を基に、実験によって予め算出された値を採用することが好ましい。

また、補正部１３は、式（２）に示す演算により制御値を補正してもよい。

Ｃｖａｌ´＝Ｃｖａｌ・β・ΔＴ （２）
但し、βは予め定められた第２の温度係数である。

これにより、補正部１３は、環境温度における制御値−変位特性と、基準温度における制御値−変位特性との傾き成分のずれに起因する可動部５の目標位置からの位置ずれが修正されるように制御値を補正することができる。

ここで、第２の温度係数βは、第１の温度係数α同様、環境温度と移動機構部の線膨張係数との関係を基に、実験によって予め定められた値を採用することが好ましい。

また、補正部１３は、式（３）に示す演算により制御値を補正してもよい。

Ｃｖａｌ´＝Ｃｖａｌ・β・ΔＴ＋α・ΔＴ （３）
これにより、補正部１３は、環境温度における制御値−変位特性と、基準温度における制御値−変位特性とのオフセット成分と傾き成分とのずれに起因する可動部５の目標位置からの位置ずれが修正されるように制御値を補正することができる。

図２に戻り、駆動部２０は、設定部１２により設定された制御値に応じた駆動電力を形状記憶合金１に供給し、形状記憶合金１を伸縮させることで可動部５を位置決めする。具体的には、駆動部２０は、抵抗検出部３０により検出された形状記憶合金１の抵抗値に対応する制御値を特定し、特定した制御値が設定部１２により設定された制御値となるように、駆動電力を調節する。なお、形状記憶合金１は、変位に応じて抵抗値が変動するため、形状記憶合金１の抵抗値を検出することで、形状記憶合金１の変位を特定することができる。

また、駆動部２０は、電圧、電流、又はＰＷＭ信号により形状記憶合金１に駆動電力を供給すればよい。ここで、駆動部２０は、電圧による場合は、形状記憶合金１の抵抗値が設定部１２により設定された抵抗値となるように、形状記憶合金１に出力する電圧を調節すればよい。また、駆動部２０は、電流による場合は、形状記憶合金１の抵抗値が設定部１２により設定された抵抗値となるように、形状記憶合金１に出力する電流を調節すればよい。更に、駆動部２０は、ＰＷＭ信号による場合は、形状記憶合金１の抵抗値が設定部１２により設定された抵抗値となるように、形状記憶合金１に出力するＰＷＭ信号のデューティー比を調節すればよい。

抵抗検出部３０は、例えば、形状記憶合金１の一端に接続されたホイトストンブリッジにより構成され、形状記憶合金１に流れる電流値と電圧値とを検出することで形状記憶合金１の抵抗値を算出する。ここで、形状記憶合金１が定電流制御される場合は、形状記憶合金１の電圧値を検出し、この電圧値を抵抗値として検出してもよい。なお、形状記憶合金１の他端は接地されている。

次に、本駆動装置の動作について説明する。まず、設定部１２は、基準温度時における制御値−変位特性を用いて目標位置に対する制御値（Ｃｖａｌ）を設定する。次に、補正部１３は、温度検出部１１により検出された環境温度と、設定部１２により設定された制御値（Ｃｖａｌ）とを式（１）〜（３）のいずれかに代入して制御値（Ｃｖａｌ）を補正し、制御値（Ｃｖａｌ´）を算出する。次に、設定部１２は、補正部１３により算出された制御値（Ｃｖａｌ´）を駆動部２０に出力する。

次に、駆動部２０は、抵抗検出部３０により検出された形状記憶合金１の抵抗値が制御値（Ｃｖａｌ´）に対応する抵抗値になるまで、駆動電力を調節し、形状記憶合金１の位置を目標位置にする。これにより、可動部５は目標位置に位置決めされる。

ここで、設定部１２が採用する制御値−変位特性は、設計段階で得られた機器共通の制御値−変位特性である。すなわち、本駆動装置が適用される全ての製品について共通の制御値−変位特性が採用されている。

一方、移動機構部の線膨張係数等は、固体別にばらついているため、制御値−変位特性も固体別にばらつきを有している。そのため、設定部１２が機器共通の制御値−変位特性を用いて制御値を設定すると、自己の制御値−変位特性と機器共通の制御値−変位特性とのずれから、可動部５を目標位置に位置決めすることができなくなってしまう。

そこで、第１の温度係数αは、機器共通の制御値−変位特性と、自己の制御値−変位特性とのずれに起因する可動部５の目標位置からの位置ずれを修正することができる実験的に得られた値を採用することが好ましい。

図５は、基準温度における機器共通の制御値−変位特性と、自己の制御値−変位特性とを示したグラフであり、点線が機器共通の制御値−変位特性を示し、実線が自己の制御値−変位特性を示している。図５に示すように、機器共通の制御値−変位特性と自己の制御値−変位特性とがずれていることが分かる。

そこで、例えば、工場出荷前に駆動装置ごとに、基準温度において、所定の第１の位置Ｐ１に対する制御値と所定の第２の位置Ｐ２に対する制御値とを計測し、得られた２点を直線で結ぶことで自己の制御値−変位特性を算出する。ここで、Ｐ１，Ｐ２以外の位置に対する点を直線で結ぶことで自己の制御値−変位特性を求めてもよい。

そして、機器共通の制御値−変位特性と、自己の制御値−変位特性とのオフセット成分及び傾き成分の少なくとも一方のずれを求め、このずれによる位置のずれが修正されるように制御値を補正することができる第１の温度係数α及び第２の温度係数βを求めればよい。

例えば、図５において、設定部１２が可動部５を第１の位置Ｐ１に位置決めすべく、制御値をＣｖａｌ１に設定した場合、自己の制御値−変位特性においての第１の位置Ｐ１に対する制御値であるＣｖａｌ１´にＣｖａｌ１が補正されるように第１の温度係数αを求めればよい。

また、図１に示す可動部５の上側にストッパーを設けた場合、図６に示すように形状記憶合金１の変位−抵抗特性はＬ字状に変化し、変位が一定のまま抵抗値が変化する領域が発生する。これは、可動部５がストッパーに接触した状態で、可動部５を更に上側に移動させるために形状記憶合金１の抵抗値を上げていっても、ストッパーによって可動部５の動きが規制されるためである。この場合、温度検出部１１は、形状記憶合金１が変位を開始する変曲点Ｐを検出し、この変曲点Ｐと基準温度における変曲点Ｐとから環境温度を算出すればよい。

このように、本駆動装置によれば、環境温度を基に、環境温度における制御値−変位特性と、基準温度における制御値−変位特性とのずれに起因する可動部の目標位置からの位置ずれが修正されるように制御値が補正されるため、環境温度が変化しても可動部５を目標位置に位置決めすることができる。

上記駆動装置の技術的特徴を纏めると下記のようになる。

（１）上記駆動装置は、可動部と、環境温度を検出する温度検出部と、形状記憶合金を備え、前記形状記憶合金を用いて前記可動部を移動させる移動機構部と、前記可動部を位置決めするための制御値と前記可動部の変位との関係を示す所定の基準温度における制御値−変位特性を用いて制御値を設定する設定部と、前記制御値に応じた駆動電力を前記形状記憶合金に供給し、前記形状記憶合金を伸縮させることで前記可動部を位置決めする駆動部と、前記温度検出部により検出された環境温度を基に、前記環境温度における制御値−変位特性と、前記基準温度における制御値−変位特性とのずれに起因する前記可動部の目標位置からの位置ずれが修正されるように前記制御値を補正する補正部とを備えることを特徴とする。

この構成によれば、環境温度を基に、環境温度における制御値−変位特性と、基準温度における制御値−変位特性とのずれに起因する可動部の目標位置からの位置ずれが修正されるように制御値が補正されるため、環境温度が変化しても可動部を目標位置に位置決めすることができる。

（２）また、前記補正部は、前記環境温度における制御値−変位特性と、前記基準温度における制御値−変位特性との傾き成分及びオフセット成分の少なくともいずれか一方のずれに起因する前記可動部の目標位置からの位置ずれが修正されるように前記制御値を補正することが好ましい。

この構成によれば、環境温度における制御値−変位特性と、基準温度における制御値−変位特性との傾き成分及びオフセット成分の少なくともいずれか一方のずれに起因する可動部の目標位置からの位置ずれが修正されるように制御値を補正することができる。

（３）また、前記補正部は、前記環境温度と前記基準温度との差分に所定の温度係数を乗じた値に基づいて前記制御値を補正することが好ましい。

この構成によれば、環境温度と基準温度との差分に所定の温度係数を乗じた値に基づいて制御値が補正されるため、可動部を精度良く位置決めすることができる。

（４）また、前記温度係数は、前記温度検出部により検出された環境温度と前記移動機構部の線膨張係数との関係に基づいて予め算出された値であることが好ましい。

この構成によれば、環境温度と移動機構部の線膨張係数との関係を基に、温度係数が定められるため、可動部を精度良く位置決めすることができる。

（５）前記設定部は、前記基準温度における機器共通の制御値−変位特性を用いて制御値を設定するものであり、前記温度係数は、前記機器共通の制御値−変位特性と、自己の制御値−変位特性とのずれに起因する前記可動部の目標位置からの位置ずれを修正する値が設定されていることが好ましい。

この構成によれば、機器共通の制御値−変位特性と、自己の制御値−変位特性とのずれに起因する可動部の目標位置からの位置ずれが修正されるように温度係数が設定されているため、可動部を精度良く位置決めすることができる。

（６）また、前記自己の制御値−変位特性は、所定の第１の位置における制御値と前記第１の位置とは異なる第２の位置における制御値とを計測することで得られたものであることが好ましい。

この構成によれば、自己の制御値−変位特性は、所定の第１の位置における制御値と第１の位置とは異なる第２の位置における制御値とを計測することで得られたものであるため、２点を計測することで自己の制御値−変位特性を得ることができる。

（７）また、前記温度検出部は、前記形状記憶合金の抵抗値を基に、前記環境温度を検出することが好ましい。この構成によれば、別途温度検出部を設けなくとも、環境温度を検出することができる。

（８）また、前記温度検出部は、前記形状記憶合金が実際に変位を開始するときの抵抗値を検出し、検出した抵抗値と、前記基準温度において前記形状記憶合金が変位を開始するときの抵抗値とのずれを基に、前記環境温度を検出することが好ましい。

この構成によれば、形状記憶合金が変位を開始するときの抵抗値を検出し、検出した抵抗値と、基準温度における形状記憶合金が変位を開始するときの抵抗値とのずれを基に、環境温度が検出されるため、形状記憶合金を用いて環境温度を精度良く検出することができる。

（９）また、前記駆動部は、電圧、電流、又はＰＷＭ信号により前記駆動電力を供給することが好ましい。この構成によれば、電圧、電流、又はＰＷＭ信号を用いて形状記憶合金に駆動電力が供給されることになる。

Claims (9)

1. 可動部と、
   環境温度を検出する温度検出部と、
   形状記憶合金を備え、前記形状記憶合金を用いて前記可動部を移動させる移動機構部と、
   前記可動部を位置決めするための制御値と前記可動部の変位との関係を示す所定の基準温度における制御値−変位特性を用いて前記制御値を設定する設定部と、
   前記制御値に応じた駆動電力を前記形状記憶合金に供給し、前記形状記憶合金を伸縮させることで前記可動部を位置決めする駆動部と、
   前記温度検出部により検出された環境温度を基に、前記環境温度における制御値−変位特性と、前記基準温度における制御値−変位特性とのずれに起因する前記可動部の目標位置からの位置ずれが修正されるように前記制御値を補正する補正部とを備えることを特徴とする駆動装置。
2. 前記補正部は、前記環境温度における制御値−変位特性と、前記基準温度における制御値−変位特性との傾き成分及びオフセット成分の少なくともいずれか一方のずれに起因する前記可動部の目標位置からの位置ずれが修正されるように前記制御値を補正することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
3. 前記補正部は、前記環境温度と前記基準温度との差分に所定の温度係数を乗じた値に基づいて前記制御値を補正することを特徴とする請求項２記載の駆動装置。
4. 前記温度係数は、前記温度検出部により検出された環境温度と前記移動機構部の線膨張係数との関係に基づいて予め算出された値であることを特徴とする請求項３記載の駆動装置。
5. 前記設定部は、前記基準温度における機器共通の制御値−変位特性を用いて制御値を設定するものであり、
   前記温度係数は、前記機器共通の制御値−変位特性と、自己の制御値−変位特性とのずれに起因する前記可動部の目標位置からの位置ずれを修正する値が設定されていることを特徴とする請求項３又は４記載の駆動装置。
6. 前記自己の制御値−変位特性は、所定の第１の位置における制御値と前記第１の位置とは異なる第２の位置における制御値とを計測することで得られたものであることを特徴とする請求項５記載の駆動装置。
7. 前記温度検出部は、前記形状記憶合金の抵抗値を基に、前記環境温度を検出することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の駆動装置。
8. 前記温度検出部は、前記形状記憶合金が実際に変位を開始するときの抵抗値を検出し、検出した抵抗値と、前記基準温度において前記形状記憶合金が変位を開始するときの抵抗値とのずれを基に、前記環境温度を検出することを特徴とする請求項７記載の駆動装置。
9. 前記駆動部は、電圧、電流、又はＰＷＭ信号により前記駆動電力を供給することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の駆動装置。

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