KR20080093877A

KR20080093877A - 구동 장치

Info

Publication number: KR20080093877A
Application number: KR1020080033180A
Authority: KR
Inventors: 츠카사 야마다; 다카히코 니시야마; 소메이 다카하시; 도요키 다나카
Original assignee: 미쓰미덴기가부시기가이샤
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2008-10-22
Also published as: EP1983586A3; EP1983586A2; JP2008289347A; US20080297004A1; US7633208B2

Abstract

전기 기계 변환 소자에서 발생한 진동을 진동 마찰부에 고효율로 전달하는 것을 과제로 한다.

신축 방향에서 서로 대향하는 제1 및 제2 단부를 갖는 전기 기계 변환 소자(441)와, 이 전기 기계 변환 소자의 제1 단부에 결합된 정지(靜止) 부재(442)와, 전기 기계 변환 소자의 제2 단부에 결합된 진동 마찰부(443)와, 이 진동 마찰부와 마찰 결합되는 봉형상의 이동부(423)를 구비하며, 전기 기계 변환 소자의 신축 방향으로 이동부가 이동 가능한 구동 장치(20)에 있어서, 진동 마찰부(443)는 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이고 금속 주조 또는 수지 성형으로 제작 가능한 재료로 구성되고, 이동부(423)는 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이면서 진동 마찰부의 재료와 다른 재료로 구성되어 있다.

전기 기계 변환 소자, 정지 부재, 진동 마찰부, 구동 장치

Description

구동 장치{DRIVING DEVICE}

본 발명은 구동 장치에 관한 것으로서, 특히 압전 소자 등의 전기 기계 변환 소자를 이용한 구동 장치에 관한 것이다.

종래부터 카메라의 오토포커스용 액추에이터나 줌용 액추에이터로서 압전 소자, 전기 왜곡 소자, 자기 왜곡 소자 등의 전기 기계 변환 소자를 사용한 (구동 장치) 리니어 액추에이터가 사용되고 있다.

예컨대, 특허 문헌 1은 렌즈 홀더(피구동 부재, 이동부)를 이동시키는 데 압전 소자의 신축 방향의 일단에 가이드봉(구동 부재, 진동 마찰부)을 접착하고, 가이드봉에 렌즈 홀더(이동부)를 이동 가능하게 지지시키고, 가이드봉과 렌즈 홀더 사이에 마찰력을 발생시키는 판스프링을 구비한 구동 장치를 개시하고 있다. 특허 문헌 1에서는 압전 소자에 신장의 속도와 수축의 속도를 서로 다르게 하도록 인가하고 있다.

또한, 특허 문헌 2는 압전 소자와, 이 압전 소자에 결합하여 압전 소자의 신축 방향으로 연장되는 구동축(내마모성의 진동봉, 진동 마찰부)과, 이 구동축에 마찰 결합한 피구동 부재(줌 렌즈 경통, 이동부)를 구비한 구동 장치를 개시하고 있 다. 이 특허 문헌 2에서는 압전 소자에 인가하는 구동 신호를 연구하여, 피구동 부재(줌 렌즈 경통, 이동부)를 구동하고 있다. 특허 문헌 3에서는 구동축(구동 부재, 진동 마찰부)을 섬유 강화 수지 복합체로 구성한 것이 개시되어 있다.

특허 문헌 4는 제1 압전 소자에 부착한 구동 부재(진동 마찰부)와 피구동 부재(이동부)와의 마찰 걸어맞춤을 확보 혹은 해제하는 제2 압전 소자를 설치함으로써 피구동 부재를 안정적으로 정확하게 이동시킬 수 있는 액추에이터를 개시하고 있다. 특허 문헌 4에 개시된 액추에이터는 구동용의 한 쌍의 제1 압전 소자, 걸어맞춤용의 제2 압전 소자, 한 쌍의 구동 부재 및 누름 스프링으로 구성된다. 한 쌍의 제1 압전 소자 및 한 쌍의 구동 부재는 피구동판을 사이에 두고 양측에 배치된다. 한 쌍의 구동 부재의 간격이 제2 압전 소자에 의해 확대/축소된다. 이 제2 압전 소자에 의해 한 쌍의 구동 부재와 피구동판과의 마찰 걸어맞춤이 확보 혹은 해제된다.

특허 문헌 5는 구성 부재의 탄성 변형의 영향을 받지 않는 전기 기계 변환 소자를 사용한 직선 구동 기구를 개시하고 있다. 특허 문헌 5에 있어서, 고정 경통에 고착된 내통에는 반경 방향으로 연장된 연장부(정지 부재)의 베어링에 광축에 평행하게 배치된 구동축(이동부)이 이동 가능하게 지지되어 있다. 연장부(정지 부재)와 작용 부재(진동 마찰부) 사이에는 압전 소자(전기 기계 변환 소자)가 배치되어 고착 결합된다. 작용 부재의 상반부는 구동축에 접촉하고, 작용 부재의 하반부는 스프링에 의해 탄성 바이어스된 패드가 장착되며, 작용 부재 및 패드는 구동축에 대하여 적당한 마찰력으로 마찰 결합한다. 압전 소자에 속도가 다른 신축 변위 를 발생시키면, 작용 부재를 통하여 구동축이 변위하고, 구동축은 피구동 부재인 렌즈 유지틀과 함께 꺼내어지거나 집어넣어진다.

한편, 특허 문헌 6은 압전 소자의 진동을 전달하는 전달 부재(진동 마찰부)와 이 전달 부재(진동 마찰부)에 마찰 결합되는 이동 부재(이동부) 사이의 마찰 접합부의 접촉 상태에 대하여 최적의 표면 거칠기를 구체적으로 규정한 리니어 액추에이터를 개시하고 있다. 특허 문헌 6에 있어서, 전달 부재로는 카본제의 로드를 사용하고, 이동 부재로는 로드를 협지하도록 구성된 금속제의 슬라이더 및 캡을 사용하고 있다.

특허 문헌 7은 고주파수로서 고속 구동할 수 있는 구동 장치를 개시하고 있다. 이 특허 문헌 7에 개시된 구동 장치에 있어서, 이동 부재는 고정축(구동축)에 슬라이딩 가능하게 지지되어 있다. 고정축을 따라 배치한 압전 소자의 일단면이 이동 부재에 고착 결합되어 있다. 압전 소자의 타단면에 구동 마찰 부재가 고착되어 있다. 구동 마찰 부재는 압전 소자에 고착 결합된 본체와, 이 본체의 측면에 돌출되어 설치된 돌출편으로 이루어진다. 이 돌출편이 고정축을 둘레 방향으로 탄력적으로 협지하여 구동 마찰 부재는 고정축에 마찰 결합되어 있다. 구동 마찰 부재는 알루미늄 합금에 알마이트 표면 처리한 것이며, 경량, 고탄성, 고슬라이딩성, 고경도를 달성하고 있다. 특허 문헌 7에 있어서, 고정축(구동축)의 재료에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다.

또한, 특허 문헌 8은 축방향으로 진동하는 구동 부재와, 이 구동 부재에 마찰 접촉하는 피구동 부재를 구비한 구동 장치에 있어서, 구동 부재 및 피구동 부재 를 구동 부재와 피구동 부재 사이의 마찰 계수가 구동 부재의 진동 방향의 플러스 방향과 반대 방향에서 다른 마찰 이방성 소재로 구성한 것을 개시하고 있다.

더욱이, 특허 문헌 9는 고속으로 이동시킬 수 있는 구동 장치를 개시하고 있다. 이 특허 문헌 9에 개시된 구동 장치는 정지 부재와, 전기 기계 변환 소자와, 구동 부재(진동 마찰부)와, 이동 부재와, 마찰 부가 부재로 구성되어 있다. 전기 기계 변환 소자는 정지 부재에 그 신축 방향의 일단을 고정받고, 그 신장시와 축소시에서는 다른 속도로 신축하도록 전압의 인가를 받는다. 구동 부재(진동 마찰부)는 전기 기계 변환 소자의 신축 방향의 타단에 결합되며, 전기 기계 변환 소자의 신축 방향으로 이동할 수 있도록 지지되어 있다. 이동 부재는 구동 부재에 마찰 걸어맞춤되며, 전기 기계 변환 소자의 신축 방향으로 이동할 수 있도록 지지되어 있다. 마찰 부가 부재는 구동 부재와 이동 부재 사이에 마찰력을 발생시킨다. 전기 기계 변환 소자의 신장시와 축소시 중 어느 것에 있어서도 구동 부재와 이동 부재 사이에 미끄럼을 발생시키기 위하여 설정되어 있다. 특허 문헌 9는 구동 부재(진동 마찰부)와 이동 부재의 구체적인 재료에 대해서는 전혀 개시되어 있지 않다.

특허 문헌 1: 일본 특허 제2633066호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허 제3218851호 공보

특허 문헌 3: 일본 특허 제3180557호 공보

특허 문헌 4: 일본 특허 공개 2006-54979호 공보

특허 문헌 5: 일본 특허 공개 평 9-191665호 공보

특허 문헌 6: 일본 특허 공개 2006-5998호 공보

특허 문헌 7: 일본 특허 공개 평 10-337057호 공보(도 3)

특허 문헌 8: 일본 특허 공개 평 7-49442호 공보

특허 문헌 9: 일본 특허 제3171000호 공보

전술한 특허 문헌 1∼4에는 각각 이하에 설명하는 바와 같은 문제점이 있다.

특허 문헌 1에 개시된 구동 장치에서는 압전 소자에 접착된 가이드봉(구동 부재, 진동 마찰부)에 렌즈 홀더(피구동 부재, 이동부)가 이동 가능하게 지지되어 있으므로, 가이드봉(구동 부재, 진동 마찰부)이 렌즈 홀더(피구동 부재, 이동부)보다 길고, 가이드봉(구동 부재, 진동 마찰부)이 왕복 운동함으로써 경사를 발생하기 쉽다. 또한, 렌즈 홀더(피구동 부재, 이동부)의 이동 거리를 길게 할수록 가이드봉(구동 부재, 진동 마찰부)도 길어져 불필요한 진동 모드를 발생하기 쉽다. 더욱이, 압전 소자와 가이드봉(구동 부재, 진동 마찰부)과의 결합부의 연장 상에 마찰 걸어맞춤부가 있으므로 높이를 낮추기에는 불리하다.

특허 문헌 2에 개시된 구동 장치에 있어서도, 구동축(구동 부재, 진동 마찰부)이 전기 기계 변환 소자의 신축 방향으로 연장되어 있으므로, 구동축(구동 부재, 진동 마찰부)이 줌 렌즈 경통(피구동 부재, 이동부)보다 길어 구동축(구동 부재, 진동 마찰부)이 왕복 운동함으로써 경사를 발생시키기 쉽다. 또한, 줌 렌즈 경통(피구동 부재, 이동부)의 이동 거리를 길게 할수록 구동축(구동 부재, 진동 마찰부)도 길어져 불필요한 진동 모드를 발생하기 쉽다. 더욱이, 전기 기계 변환 소자와 구동축(구동 부재, 진동 마찰부)과의 결합부의 연장 상에 마찰 걸어맞춤부가 있으므로 높이를 낮추기에는 불리하다. 또한, 줌 렌즈 경통(피구동 부재, 이동부)을 구동축(구동 부재, 진동 마찰부)으로 캔틸레버 지지하는 구조를 하고 있으므로 렌즈와 같은 큰 중량물을 이동시키기에는 역학적으로 무리가 있다.

특허 문헌 3은 구동축(구동 부재, 진동 마찰부)을 섬유 강화 수지 복합체로 구성한 것을 개시하고 있는 데 불과하며, 기본적 구성은 특허 문헌 2에 개시된 구동 장치와 동일하므로 특허 문헌 2와 동일한 문제점이 있다.

특허 문헌 4는 구동 부재(진동 마찰부)가 피구동 부재(이동부)보다 짧지만 복수의 압전 소자를 구비하므로 구성이 복잡해짐과 아울러 크기를 축소하는 것은 불리하다.

한편, 특허 문헌 5는 이동 부재(이동부)가 로드 형상을 하고 있으며, 작용 부재(진동 마찰부)가 복잡한 형상을 하고 있는 직선 구동 기구를 개시하고 있다. 그런데, 전기 기계 변환 소자에 의해 발생한 진동 마찰부의 진동 변위에 의한 이동부의 이동 효율을 향상시키기 위해서는 진동 마찰부와 이동부 사이의 움직임 마찰 계수나 정지 마찰 계수를 최적의 값(조건)으로 설정할 필요가 있다. 그를 위해서는 진동 마찰부나 이동부로서 적합한 재료를 선택할 필요가 있다. 그러나, 특허 문헌 5는 진동 마찰부나 이동부의 재료에 관하여 전혀 개시하고 있지 않다.

특허 문헌 6은 마찰 결합된 진동 마찰부와 이동부의 표면 거칠기를 규정하고 있다. 그러나 전술한 바와 같이, 전기 기계 변환 소자에 의해 발생한 진동 마찰부의 진동 변위에 따른 이동부의 이동 효율을 향상시키기 위해서는 진동 마찰부와 이동부 사이의 움직임 마찰 계수나 정지 마찰 계수를 최적의 값(조건)으로 설정할 필요가 있다. 이들 움직임 마찰 계수나 정지 마찰 계수는 특허 문헌 6에 개시되어 있는 바와 같은 진동 마찰부와 이동부의 표면 거칠기뿐만 아니라, 쌍방의 재료의 경도, 밀도에 따라서도 변화하는 값이다.

특허 문헌 7은 구동 마찰 부재의 재료에 대해서는 기재는 있지만, 고정축(구동축)의 재료에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다. 특허 문헌 8은 구동 부재 및 피구동 부재를 마찰 이방성 소재로 구성한 것을 개시하고 있을 뿐이다. 특허 문헌 9는 구동 부재(진동 마찰부)와 이동 부재의 구체적인 재료에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다.

결국, 구동 장치에서는 전기 기계 변환 소자에서 발생한 진동을 진동 마찰부에 고효율로 전달시킬 필요가 있는데, 특허 문헌 1∼9 모두 그것을 실현하기 위하여 적합한 진동 마찰부 및 이동부의 재료에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다.

본 발명의 과제는 전기 기계 변환 소자에서 발생한 진동을 진동 마찰부에 고효율로 전달할 수 있는 구동 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 과제는, 전기 기계 변환 소자에 의해 발생한 진동 마찰부의 진동 변위에 따른 이동부의 이동 효율을 양호하게 하는 것이 가능한 구동 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 설명이 진행됨에 따라 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 신축 방향에서 서로 대향하는 제1 및 제2 단부(441a, 441b)를 갖는 전기 기계 변환 소자(441)와, 상기 전기 기계 변환 소자의 상기 제1 단부에 결합된 정지 부재(442)와, 상기 전기 기계 변환 소자의 상기 제2 단부에 결합된 진동 마찰부(443)와, 상기 진동 마찰부와 마찰 결합되는 봉형상의 이동 부(423)를 구비하며, 상기 전기 기계 변환 소자의 신축 방향으로 상기 이동부가 이동 가능한 구동 장치에 있어서, 상기 진동 마찰부(443)는 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이며 금속 주조 또는 금속 단조 또는 수지 성형으로 제작 가능한 재료로 구성되고, 상기 이동부(423)는 상기 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이며 상기 진동 마찰부의 재료와 다른 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 구동 장치가 얻어진다.

상기 본 발명에 따른 구동 장치에 있어서, 상기 진동 마찰부가 알루미늄 또는 마그네슘의 다이캐스트로 제작되며, 상기 이동부의 재료가 섬유 강화 복합 수지, 섬유 강화 복합 금속, 카본 및 스테인리스의 그룹에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 진동 마찰부의 표면이 처리되며, 상기 이동부의 표면이 평활화되어 있는 것이 바람직하다. 상기 진동 마찰부와 상기 이동부 사이의 움직임 마찰 계수가 0.2∼0.6의 범위에 있으면서, 상기 진동 마찰부와 상기 이동부 사이의 [정지 마찰 계수]/[움직임 마찰 계수]가 1이상 2.5 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 괄호 안의 참조 부호는 이해를 쉽게 하기 위하여 붙인 것으로서 일례에 불과하며, 이들에 한정되지 않음은 물론이다.

본 발명에서는, 진동 마찰부가, 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이며 금속 주조 또는 금속 단조 또는 수지 성형으로 제작 가능한 재료로 구성되며, 이동부는 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이며 진동 마찰부의 재료와 다른 재료로 구성되어 있으므로, 전기 기계 변환 소자에서 발생한 진동을 진동 마찰부에 고효율로 전달할 수 있다.

또한, 진동 마찰부와 이동부 사이의 움직임 마찰 계수를 0.2∼0.6의 범위로 하면서, 진동 마찰부와 이동부 사이의 [정지 마찰 계수]/[움직임 마찰 계수]를 1이상 2.5 이하의 범위로 함으로써 전기 기계 변환 소자에 의해 발생한 진동 마찰부의 진동 변위에 따른 이동부의 이동 효율을 양호하게 하는 것이 가능해진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 구동 장치(20)를 도시한 외관 사시도이다. 여기서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 직교 좌표계(X, Y, Z)를 사용하고 있다. 도 1에 도시한 상태에서는 직교 좌표계(X, Y, Z)에 있어서, X축은 전후 방향(안길이 방향)이고, Y축은 좌우 방향(폭방향)이고, Z축은 상하 방향(높이 방향)이다. 그리고, 도 1에 도시한 예에 있어서는 상하 방향(Z)이 렌즈의 광축(O) 방향이다.

도시한 구동 장치(20)는 도시하지 않은 케이스 내에 배치된다. 케이스는 컵형상의 상측 커버(도시하지 않음)와 하측 베이스(도시하지 않음)를 포함한다. 케이스의 하측 베이스 상에 정지 부재(추)(442)(후술함)가 탑재된다. 상측 커버의 상면은 렌즈의 광축(O)을 중심축으로 한 원통부(도시하지 않음)를 갖는다. 한편, 도시하지는 않았으나, 하측 베이스의 중앙부에는 기판에 배치된 촬상 소자가 탑재된다. 이 촬상 소자는 가동 렌즈(후술함)에 의해 결상된 피사체상을 결상하여 전기 신호로 변환한다. 촬상 소자는 예컨대, CCD(chargecoupled device)형 이미지 센서, CMOS(complementary metal oxide semiconductor)형 이미지 센서 등에 의해 구성된다.

도시한 구동 장치(20)는 오토포커스 렌즈 구동 유닛(40)으로 구성되어 있다.

케이스 내에는 좌우 방향(Y)의 좌측에 안내축(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 이 안내축은 렌즈의 광축(O)과 평행하게 연장되어 있다. 안내축의 상단은 케이스의 상측 커버의 상면에 고정되며, 하단은 케이스의 하측 베이스에 고정되어 있다. 이 렌즈의 광축(O)을 사이에 두고 안내축과 반대측인 좌우 방향(Y)의 우측에는 나중에 상세하게 설명하는 봉형상의 이동부(이동축)(423)가 설치되어 있다. 즉, 안내축과 이동축(423)은 렌즈의 광축(O) 둘레에 회전 대칭인 위치에 배치되어 있다.

오토포커스 렌즈 구동 유닛(40)은 렌즈 가동부(42)와 렌즈 구동부(44)로 구성된다. 렌즈 가동부(42)는 오토포커스 렌즈(AFL)를 유지하는 렌즈 유지틀(421)을 포함한다. 렌즈 유지틀(421)은 대략 원통형의 가동 경통(422)의 상부에 고정되어 있다. 가동 경통(422)은 좌우 방향(Y)의 좌측에서 반경 방향 외측으로 연장되는 한 쌍의 연장부(4221)(단, 도 1에서는 상측만 도시함)를 갖는다. 이 한 쌍의 연장부(4221)는 상기 안내축이 관통하는 관통 구멍(4221a)을 갖는다. 또한, 가동 경통(422)은 좌우 방향(Y)의 우측에서 반경 방향 외측으로 연장되는 한 쌍의 연장부(4222)를 갖는다. 이 한 쌍의 연장부(4222)는 봉형상의 이동축(423)이 관통하여 끼워맞춤되는 끼워맞춤 구멍(4222a)을 갖는다. 이와 같은 구성에 의해 렌즈 가동부(42)는 케이스에 대하여 렌즈의 광축(O) 방향으로만 이동 가능하다.

렌즈 구동부(44)는 렌즈 가동부(42)를 렌즈의 광축(O) 방향으로 슬라이딩 가능하게 지지하면서 후술하는 바와 같이 렌즈 가동부(42)를 구동한다.

도 1에 더하여 도 2 내지 도 4도 참조하여 오토포커스 렌즈 구동 유닛(40)의 렌즈 구동부(44)에 대하여 설명한다. 도 2는 오토포커스 렌즈 구동 유닛(40)의 렌즈 구동부(44)를 봉형상의 이동축(423)과 함께 도시한 사시도이다. 도 3은 오토포커스 렌즈 구동 유닛(40)의 렌즈 구동부(44)를 봉형상의 이동축(423)과 함께 도시한 평면도이다. 도 4는 렌즈 구동부(44)의 주요부를 도시한 사시도이다.

렌즈 구동부(44)는 전기 기계 변환 소자로서 작용하는 적층 압전 소자(441)와, 정지 부재(추)(442)와 진동 마찰부(443)를 갖는다. 적층 압전 소자(441)는 렌즈의 광축(O) 방향으로 신축한다. 적층 압전 소자(441)는 렌즈의 광축(O) 방향으로 복수의 압전층을 적층한 구조를 갖는다. 도 5에 도시한 바와 같이, 적층 압전 소자(441)는 신축 방향에서 서로 대향하는 제1 단부(하단부)(441a)와 제2 단부(상단부)(441b)를 갖는다. 정지 부재(추)(442)는 적층 압전 소자(441)의 제1 단부(하단부)(441a)에 접착제 등으로 결합된다. 진동 마찰부(443)는 적층 압전 소자(441)의 제2 단부(상단부)(441b)에 접착제 등으로 결합되어 있다.

또한, 도 5에 도시한 바와 같은 적층 압전 소자(441)와 정지 부재(442)의 조합은 압전 유닛이라 불린다.

봉형상의 이동축(423)은 이 진동 마찰부(443)와 마찰 결합된다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 진동 마찰부(443)는 봉형상의 이동축(423)과의 마찰 결합부에 V홈(443a)이 형성되어 있다.

렌즈 구동부(44)는 봉형상의 이동축(423)을 진동 마찰부(443)에 대하여 밀어붙이기(탄성 바이어스하기) 위한 스프링(444)을 구비한다. 스프링(444)과 봉형상의 이동축(423) 사이에 V구조의 패드(445)가 끼어들어가 있다. 진동 마찰부(443)는 스프링(444)을 유지하기 위한 홈(443)이 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 진동 마찰부(443)와 패드(445)를 스프링(444)으로 봉형상의 이동축(423)에 밀어붙이고 있다. 이에 따라, 봉형상의 이동축(423)은 진동 마찰부(443)에 안정적으로 마찰 결합된다.

렌즈 구동부(44)와 렌즈 이동부(42)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 렌즈의 광축(O)에 대하여 나란히 배치되어 있다. 따라서, 포커스 렌즈 구동 유닛(40)의 높이를 낮출 수 있다. 그 결과, 구동 장치(20)의 높이도 낮출 수 있다.

다음, 도 6을 참조하여 적층 압전 소자(441)에 공급되는 전류와 적층 압전 소자(441)에 발생하는 변위에 대하여 설명한다. 또한, 도 6은 상기 특허 문헌 2의 도 5에 도시된 것과 동일한 것이다. 도 6(A) 및 (B)는 각각 구동 회로(도시하지 않음)에 의해 적층 압전 소자(441)에 공급되는 전류의 변화와 적층 압전 소자(441)의 변위를 도시한 것이다.

도 6(A)에 도시한 바와 같이, 적층 압전 소자(441)에 대전류(플러스 방향)와 소정의 일정 전류(마이너스 방향)를 교대로 흘린다. 이러한 상황에서는, 도 6(B)에 도시한 바와 같이, 적층 압전 소자(441)는 대전류(플러스 방향)에 대응한 급격한 변위(신장)와 일정 전류(마이너스 방향)에 대응한 완만한 변위(수축)가 교대로 발생한다.

즉, 적층 압전 소자(441)에 사각파 전류를 인가하고(도 6(A)), 적층 압전 소자(441)에 대하여 톱니파(鋸波) 형상의 변위(신축)를 발생(도 6(B))시킨다.

도 6에 더하여 도 1도 참조하여 오토포커스 렌즈 구동 유닛(40)의 동작에 대하여 설명한다. 먼저, 렌즈 가동부(42)를 상하 방향(Z)을 따라 하방향으로 이동시키는 경우의 동작에 대하여 설명한다.

먼저, 도 6(A)에 도시한 바와 같이, 적층 압전 소자(441)에 플러스 방향의 대전류를 흘리면, 도 6(B)에 도시한 바와 같이, 적층 압전 소자(441)는 급속하게 두께 방향의 신장 변위를 발생시킨다. 그 결과, 진동 마찰부(443)는 렌즈의 광축(O) 방향(상하 방향(Z))을 따라 상방향으로 급속하게 이동한다. 이 때, 렌즈 가동부(42)는 그 관성력에 의해 진동 마찰부(443)와 봉형상의 이동축(423) 사이의 마찰력을 이겨 실질적으로 그 위치에 머무르므로 이동하지 않는다.

다음, 도 6(A)에 도시한 바와 같이, 적층 압전 소자(441)에 마이너스 방향의 일정 전류를 흘리면, 적층 압전 소자(441)는 완만하게 두께 방향의 수축 변위를 발생시킨다. 그 결과, 진동 마찰부(443)는 렌즈의 광축(O) 방향(상하 방향(Z))을 따라 하방향으로 완만하게 이동한다. 이 때, 진동 마찰부(443)와 봉형상의 이동축(423)은 그들 사이의 접촉면에 발생하는 마찰력에 의해 결합되어 있으므로, 렌즈 가동부(42)는 진동 마찰부(443)와 함께 실질적으로 렌즈의 광축(O) 방향(상하 방향(Z))을 따라 하방향으로 이동한다.

이와 같이, 적층 압전 소자(441)에 플러스 방향의 대전류와 마이너스 방향의 소정의 일정 전류를 교대로 흘려 적층 압전 소자(441)에 신장 변위와 수축 변위를 교대로 발생시킴으로써 렌즈 유지틀(421)(렌즈 가동부(42))을 렌즈 광축(O) 방향(상하 방향(Z))을 따라 하방향으로 연속적으로 이동시킬 수 있다.

렌즈 가동부(42)를 렌즈 광축(O) 방향(상하 방향(Z))을 따라 상방향으로 이동시키려면 상기와 반대로 적층 압전 소자(441)에 마이너스 방향의 대전류와 플러스 방향의 소정의 일정 전류를 교대로 흘림으로써 달성할 수 있다.

다음, 적층 압전 소자(441)에 대하여 설명한다. 적층 압전 소자(441)는 직육면체의 형상을 하고 있으며, 그 소자 크기는 0.9[mm]×0.9[mm]×1.5[mm]이다. 압전 재료로서 PZT와 같은 저Qm재를 사용하였다. 두께 20[μm]의 압전 재료와 두께 2[μm]의 내부 전극을 교대로 콤형으로 50층 적층함으로써 적층 압전 소자(441)를 제조한다. 그리고, 적층 압전 소자(441)의 유효 내부 전극 크기는 0.6[mm]×0.6[mm]이다. 바꾸어 말하면, 적층 압전 소자(441)의 유효 내부 전극의 외측에 위치하는 주변부에는 폭 0.15[mm]의 링형의 불감대 부분(클리어런스)이 존재한다.

다음, 본 발명의 구동 장치(20)에 사용되는 진동 마찰부(443)와 이동부(423)의 재료에 대하여 설명한다.

제일 먼저, 진동 마찰부(443)의 재료에 대하여 설명한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 진동 마찰부(443)의 마찰 걸어맞춤면(443a)이 단면 V형 구조를 하고 있으며, 또한 스프링(444)을 유지하기 위하여 진동 마찰부(443)에는 홈(443b)이 형성되어 있다. 즉, 진동 마찰부(443)는 복잡한 형상을 하고 있다. 따라서, 도시한 진동 마찰부(443)는 생산성을 고려하여 금속 주조 또는 수지 성형으로 제작 가능한 재료로 구성된다.

또한, 전기 기계 변환 소자(적층 압전 소자)(441)를 이용한 구동 장치(20)에서는 전기 기계 변환 소자(441)가 발생한 진동을 진동 마찰부(443)에 고효율로 전달시킬 필요가 있다. 이를 실현하기 위해서는 진동 마찰부(443)에 진동 전달 속도가 빠른 재료를 사용할 필요가 있다. 하기 표 1에 다양한 재료의 진동 전달 속도를 나타내었다.

표 1로부터, 진동 전달 속도가 가장 빠른 것은 섬유 강화 수지 복합체 CFRP이다. 그러나, 섬유 강화 수지 복합체 CFRP에 의해 도 4에 도시한 바와 같은 복잡한 형상을 갖는 진동 마찰부(443)를 제작하기는 매우 어렵다. 또한, 표 1로부터 금속 주조 또는 수지 성형으로 제작 가능한 재료에서 가장 진동 전달 속도가 빠른 것은 알루미늄과 마그네슘이다. 따라서, 실시 형태에서는 진동 마찰부(443)는 알루미늄 또는 마그네슘의 다이 캐스트로 제작된다. 또한, 진동 마찰부(443)로는 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이며 금속 주조 또는 금속 단조 또는 수지 성형으로 제작 가능한 재료로 구성되면 된다.

진동 마찰부(443)로서 이러한 재료를 사용함으로써 전기 기계 변환 소자(441)에서 발생한 진동을 진동 마찰부(443)에 고효율로 전달시키는 것이 가능해져 생산성 양호하게 저렴한 진동 마찰부(443)를 얻는 것이 가능해진다.

또한, 진동 마찰부(443)의 진동 전달 속도를 유지하면서 이동부(423)의 표면과의 마찰 계수를 최적화하기 위하여 진동 마찰부(443)의 표면에 산화막 형성 처리, 니켈, 아연, 크롬 등의 도금 처리, 니켈, 아연, 크롬 등의 증착 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

다음, 이동부(423)의 재료에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, 진동 마찰부(443)는 복잡한 형상을 하고 있기 때문에 진동 마찰부(443)는 알루미늄 다이 캐스트 또는 마그네슘 다이 캐스트 등으로 제작할 필요가 있다. 한편, 구동 장치(20)의 발생력은 약 1∼2gf 정도이며, 이동부(423)에는 이동 경통(렌즈 유닛)(422) 등의 부재가 부착되기 때문에 이동부(423)를 경량화할 필요가 있다. 더욱이, 치수 정밀도나 구조물로서의 강도를 겸비하는 것을 고려하면, 이동부(423)로는 영률이 높은 재료를 선택할 필요가 있다. 하기 표 2에 경량이며 영률이 높은(즉, ([영률]/[밀도])^1/2 가 높은) 재료의 진동 전달 속도[m/s]를 나타내었다.

진동 마찰부(443)와 이동부(423)와 같이 마찰 결합된 부품이 서로 동등한 경도나 밀도를 가지면, 움직임 마찰 계수가 커져 이동부(423)를 구동하기가 어려워진다. 따라서, 이동부(423)의 재료로서 종래와 같은 알루미늄을 사용할 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 이동부(423)의 재료로서 알루미늄 및 마그네슘 이외의 재료이면서, 경량이고 영률이 높은 재료를 사용한다.

상기 표 2로부터, 이러한 조건을 만족하는 이동부(423)의 재료로서 본 실시 형태에서는 섬유 강화 복합 수지 CFRP, 섬유 강화 복합 금속 CFRP, 카본, 스테인리스를 사용한다. 또한, 이동부(423)로는 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이고 진동 마찰부(443)의 재료와 다른 재료로 구성되면 된다.

이러한 재료를 이동부(423)에 사용하고, 마찰 결합 표면을 평활화하고, 스프링(444)에 의해 적절한 일정 하중을 이동부(423)에 가함으로써 안정된 낮은 마찰 계수를 얻는 것이 가능해진다.

나중에 상세하게 설명하는 바와 같이, 이동부(423)와 진동 마찰부(443) 사이의 마찰 결합 표면을 평활화하여 움직임 마찰 계수를 0.2∼0.6의 범위로 하면서, 1≤([정지 마찰 계수]/[움직임 마찰 계수]) ≤2.5로 할 필요가 있다.

이동부(423)의 마찰 결합 표면을 평활화하는 수단으로서 다음 방법을 채용할 수 있다. a)이동부(423)의 기계 가공, 연마 가공 등에 의해 이동부(423)의 표면 거칠기(산출 평균 거칠기)를 Ra≤0.8로 한다. b)이동부(423)는 전도성이 있기 때문에 이동부(423)의 표면에 니켈, 아연, 크롬 등의 도금 처리를 실시한다. c)이동부(423)의 표면에 니켈, 아연, 크롬 등의 증착 처리를 실시한다. d)이동부(423)의 표면을 수지에 의해 피복 처리한다.

다음, 도 7을 참조하여 이동 직진성에 대하여 설명한다. 도 7에 있어서, 가로축은 경과 시간[μs]을 나타내고, 세로축의 오른축은 진동 마찰부(443)의 변위량[nm]을 나타내고, 세로축의 왼축은 이동부(423)의 초기 위치로부터의 이동량[nm]을 나타낸다. 도 7에 있어서, 톱니파는 진동 마찰부(443)의 변위 파형을 나타내고, 굴곡파는 이동부(423)의 변위를 나타내고, 비스듬한 직성은 이동부(423)의 변위의 근사 곡선을 나타낸다.

진동 마찰부(443)가 톱니파 변위하면, 이동부(423)의 변위는 도 7에 도시한 바와 같이 굽이친다. 이 때, 이동부(423) 변위의 근사 직선을 구하고, 이동부(423)의 변위 곡선과 근사 직선의 불균일을 수치화한 것을 이동 직신성이라 정의한다.

이하의 설명에 있어서는, 이동부(423)의 재료로서 섬유 강화 복합 수지를 사용하고, 진동 마찰부(443)의 재료로서 알루미늄을 사용한 경우에 대하여 설명한다.

도 8을 참조하여 진동 마찰부(443)와 이동부(423)의 움직임 마찰 계수의 차이에 따른 이동부(423)의 이동 속도 및 이동 직진성의 변화에 대하여 설명한다. 도 8에 있어서, 가로축은 움직임 마찰 계수를 나타내고, 세로축의 오른축은 이동 직진성을 나타내고, 세로축의 왼축은 이동 속도[nm/μs]를 나타낸다. 도 8은 [정지 마찰 계수]/[움직임 마찰 계수]=1이고, 전기 기계 변환 소자(적층 압전 소자)(441)에 인가하는 전압의 진동 주파수가 60kHz인 조건 하에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 8에 있어서, 실선은 이동 속도를 나타내고, 파선은 이동 직진성을 나타낸다.

도 8로부터, 움직임 마찰 계수가 0.2∼0.6일 때 이동 속도가 빠르면서 이동 직진성도 양호해지는 것을 알 수 있다.

다음, 도 9를 참조하여 진동 마찰부(443)와 이동부(423)의 마찰 계수비([정지 마찰 계수]/[움직임 마찰 계수])의 차이에 따른 이동부(423)의 이동 속도 및 이동부 직진성의 변화에 대하여 설명한다. 도 9에 있어서, 가로축은 마찰 계수비를 나타내고, 세로축의 오른축은 이동 직진성을 나타내고, 세로축의 왼축은 이동 속도[nm/μs]를 나타낸다. 도 9는 [움직임 마찰 계수]=0.3이고, 전기 기계 변환 소자(적층 압전 소자)(441)에 인가하는 전압의 진동 주파수가 60kHz인 조건 하에서의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 9에 있어서, 실선은 이동 속도를 나타내고, 파선은 이동 직진성을 나타낸다.

도 9로부터, 1≤([정지 마찰 계수]/[움직임 마찰 계수]) ≤2.5일 때 이동 속도가 빠르면서 이동 직진성도 양호해지는 것을 알 수 있다.

이상의 사실로부터, 진동 마찰부(443)와 이동부(423)간 마찰 결합면의 마찰 계수에 관하여 움직임 마찰 계수를 0.2∼0.6의 범위로 하면서, 1≤([정지 마찰 계수]/[움직임 마찰 계수]) ≤2.5로 함으로써 전기 기계 변환 소자(적층 압전 소자)(441)에 의해 발생한 진동 마찰부(443)의 진동 변위에 따른 이동부(423)의 이동 효율을 양호하게 하는 것이 가능해진다.

또한, 도 8 및 도 9는 이동부(423)의 재료가 섬유 강화 복합 수지이고, 진동 마찰부(443)의 재료가 알루미늄인 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있는데, 이동부(423)나 진동 마찰부(443)가 다른 재료이어도 동일한 결과가 얻어짐은 당업자라면 이해될 것이다. 왜냐하면, 움직임 마찰 계수나 정지 마찰 계수는 전술한 바와 같이 이동부(423)와 진동 마찰부(443) 사이의 접촉면(마찰 결합면)의 상태(표면 거칠기, 재료의 경도, 밀도 등)에 따라 변화하는(규정되는) 것이며, 재료 그 자체와는 직접 관계가 없기 때문이다.

이상 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 형태에 의해 설명해 왔으나, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 당업자에 의해 가능함은 명

백하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 구동 장치를 도시한 외관 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시한 구동 장치의 렌즈 구동부를 봉형상의 이동축과 함께 도시한 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시한 구동 장치의 렌즈 구동부를 봉형상의 이동축과 함께 도시한 평면도이다.

도 4는 도 2에 도시한 렌즈 구동부의 주요부를 도시한 사시도이다.

도 5는 도 2에 도시한 렌즈 구동부에 사용되는 압전 유닛을 도시한 사시도이다.

도 6은 적층 압전 소자에 공급되는 전류와 적층 압전 소자에 발생하는 변위를 설명하기 위한 파형도이다.

도 7은 이동 직진성을 설명하기 위한 그래프이다.

도 8은 진동 마찰부와 이동부의 움직임 마찰 계수의 차이에 따른 이동부의 이동 속도 및 이동 직진성의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.

도 9는 진동 마찰부와 이동부의 마찰 계수비([정지 마찰 계수]/[움직임 마찰 계수])의 차이에 따른 이동부의 이동 속도 및 이동부 직진성의 변화를 설명하기 위한 그래프이다.

<부호의 설명>

20……구동 장치, 40……오토포커스 렌즈 구동 유닛,

42……렌즈 가동부, 421……렌즈 유지틀,

422……가동 경통, 4221……연장부,

4221a……관통 구멍, 4222……연장부,

4222a……끼워맞춤 구멍, 423……봉형상의 이동부(이동축),

44……렌즈 구동부, 441……적층 압전 소자,

441a……제1 단부(하단부), 441b……제2 단부(상단부),

442……정지 부재(추), 443……진동 마찰부,

444……스프링, 445……V형 구조의 패드,

O……렌즈의 광축, AFL……오토포커스 렌즈

Claims

신축 방향으로 서로 대향하는 제1 및 제2 단부를 갖는 전기 기계 변환 소자와, 상기 전기 기계 변환 소자의 상기 제1 단부에 결합된 정지 부재와, 상기 전기 기계 변환 소자의 상기 제2 단부에 결합된 진동 마찰부와, 상기 진동 마찰부와 마찰 결합되는 봉형상의 이동부를 구비하며, 상기 전기 기계 변환 소자의 신축 방향으로 상기 이동부가 이동 가능한 구동 장치에 있어서,

상기 진동 마찰부는 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이며, 금속 주조 또는 금속 단조 또는 수지 성형으로 제작 가능한 재료로 구성되며,

상기 이동부는 상기 진동 전달 속도가 4900[m/s] 이상이며, 상기 진동 마찰부의 재료와 다른 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 진동 마찰부가 알루미늄 또는 마그네슘의 다이 캐스트로 제작되며,

상기 이동부의 재료가 섬유 강화 복합 수지, 섬유 강화 복합 금속, 카본 및 스테인리스의 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 진동 마찰부의 표면이 처리되며, 상기 이동부의 표면이 평활화되어 있는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진동 마찰부와 상기 이동부 사이의 움직임 마찰 계수가 0.2∼0.6의 범위에 있으면서, 상기 진동 마찰부와 상기 이동부 사이의 [정지 마찰 계수]/[움직임 마찰 계수]가 1이상 2.5 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 구동 장치.