アクチュエータ、アクチュエータ装置及び可変レンズ装置
【課題】一端部が固定された円弧状のアクチュエータにおいて、効率的な変位量及び発生力が得られる固定構造を有するアクチュエータ、アクチュエータ装置及びこれを用いた可変レンズ装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係るアクチュエータ１は、固定端２と自由端６とを有する円弧状の圧電素子Ｐと、圧電素子Ｐの外周側自由長の中心角をθＡ、圧電素子Ｐの内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように圧電素子を固定する固定部材２０とを具備する。これにより、θＡ＝θＢの場合と比較して、自由端６における変位量を高めることができる。
【解決手段】本発明に係るアクチュエータ１は、固定端２と自由端６とを有する円弧状の圧電素子Ｐと、圧電素子Ｐの外周側自由長の中心角をθＡ、圧電素子Ｐの内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように圧電素子を固定する固定部材２０とを具備する。これにより、θＡ＝θＢの場合と比較して、自由端６における変位量を高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円弧状の圧電素子を備えたアクチュエータ、このアクチュエータを複数用いて構成されたアクチュエータ装置及び可変レンズ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つのレンズ間距離を可変する距離可変手段及びレンズの傾斜を可変するチルト可変手段として、円周方向に複数に分割された円弧状の分割セラミックス体や分割バイモルフ体からなる環状のアクチュエータが提案されている（特許文献１参照。）。これらのアクチュエータにおいては、分割セラミックス体及び分割バイモルフ体は、その中央部が固定されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−４８３８２号公報（段落［００３８］〜［００５１］、図６、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献には、円弧状の分割セラミックス体及び分割バイモルフ体の中央部が固定された構造が記載されているが、一端を固定する場合については記載されていない。円弧状の分割アクチュエータの一端を固定して使用する場合、単純に径方向に沿って固定することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、このような構成においては、内径側の自由長と外径側の自由長とで差が生じ、更にアクチュエータ平面内で一端部から他端部まで湾曲した形状となっているため、アクチュエータ平面に対して斜め方向の曲げが発生し、他端部先端で所望の変位量が得られないという問題があった。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、円弧状のアクチュエータの一端部を固定した際、効率的な変位量及び発生力が得られる固定構造を有するアクチュエータ、アクチュエータ装置及び可変レンズ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するにあたり、本発明に係るアクチュエータは、
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とを有する円弧状の圧電素子と、
前記圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１の端部を固定する固定部材とを具備する。
【０００８】
本発明においては、上記圧電素子の上記第１の端部をθＡ＜θＢとなるように上記固定部材で固定するようにしている。これにより、上記圧電素子の外周側自由長と内周側自由長とが近似することで、圧電素子の主面に対して斜め方向に曲がる曲げの力を小さくすることができ、自由端における大きな変位量を効率よく得ることができる。
【０００９】
本発明に係るアクチュエータにおいて、前記θＢは１６０度以上１９０度以下であり、前記θＡは１１０度以上であることとすることができる。
【００１０】
これにより、θＡ＝θＢとなるように圧電素子の固定端を固定したときに比べて、自由端の変位量を大きくすることができる。
【００１１】
また、θＢを１７０度、θＡを１２０度とすることにより、上記θＡ＝θＢである固定構造と比較して、変位量及び発生力ともに高いアクチュエータを得ることができる。
【００１２】
また、本発明の他の観点に係るアクチュエータ装置は、
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とをそれぞれ有する円弧状の第１及び第２の圧電素子と、
前記第１及び第２の圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記第１及び第２の圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１及び第２の圧電素子の前記第１の端部をそれぞれ固定する第１及び第２の固定部材とを具備する。
【００１３】
これにより、上記圧電素子の外周側自由長と内周側自由長とが近似することで、圧電素子の主面に対して斜め方向に曲がる曲げの力を小さくすることができ、自由端における大きな変位量を効率よく得ることができる。
【００１４】
本発明に係るアクチュエータ装置において、前記第１の圧電素子の前記第２の端部は、前記第２の圧電素子の前記第１の端部に対向し、前記第２の圧電素子の前記第２の端部は、前記第１の圧電素子の前記第１の端部に対向するように構成することができる。
【００１５】
これにより、圧電アクチュエータ装置の占有面積を低減して、変位量が大きく、薄型かつ小型の圧電アクチュエータ装置を提供することができる。
【００１６】
本発明の他の観点に係る可変レンズ装置は、
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とをそれぞれ有する円弧状の第１及び第２の圧電素子と、
前記第１及び第２の圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記第１及び第２の圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１及び第２の圧電素子の前記第１の端部をそれぞれ固定する第１及び第２の固定部材と、
前記第１の圧電素子の前記第２の端部と前記第２の圧電素子の前記第２の端部とに支持され、前記第１及び第２の圧電素子の駆動により変形または変位するレンズとを具備する。
【００１７】
これにより、レンズの変位量または変形量の大きな可変レンズ装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、一端部が固定された円弧状の圧電素子を備えるアクチュエータの変位量を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
（アクチュエータ及びアクチュエータ装置）
【００２１】
本発明の一実施形態におけるアクチュエータ及びアクチュエータ装置を図１〜図３を用いて説明する。本実施形態におけるアクチュエータは、例えば液体レンズを用いた可変焦点レンズ装置に組み込まれ、液体レンズの焦点を調整するのに用いられる。
【００２２】
図１はアクチュエータ装置の概略平面図である。図２は図１の線Ａ−Ａ´における概略断面図である。図３は、図１に示すアクチュエータ装置を構成する分割アクチュエータの概略平面図である。
【００２３】
図１及び図２に示すように、アクチュエータ装置７０は中央部に貫通孔１０を有する略環状を有している。略円形状の貫通孔１０を形成するアクチュエータ装置７０の内周円と、略円形状のアクチュエータ装置７０の外周を形成する外周円とは同心円である。例えば可変焦点レンズ装置にアクチュエータ装置７０を適用した際、貫通孔１０に対応する領域に液体レンズが位置する。
【００２４】
アクチュエータ装置７０は、その円周方向に分割された２つの分割アクチュエータ１（第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータ）で構成されている。本実施形態において、各分割アクチュエータ１は、それぞれ同一の構成を有している。
【００２５】
各分割アクチュエータ１は、固定端２（第１の端部）と自由端６（第２の端部）とを有する円弧状の圧電素子Ｐと、この圧電素子Ｐの固定端２を固定する固定部材２０とを有する。
【００２６】
一方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の自由端６は、他方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の固定端２に対向しており、当該他方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の自由端６は、上記一方の分割アクチュエータ（圧電素子Ｐ）の固定端２に対向している。本実施形態では、２つの分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）のそれぞれの固定端２は、アクチュエータ装置７０の中心部に関して対称に配置されている。
【００２７】
そして、これら２つの分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）との間に、被可動部材としてのレンズを収容するための貫通孔１０（収容部）が形成されている。
【００２８】
固定部材２０は、圧電素子Ｐを他の部材に固定するためのものであり、圧電素子Ｐの図１及び図３において斜線で示す固定領域Ｒ１に接着などによって取り付けられている。本実施形態において固定領域Ｒ１は平面形状が略三角形状を有している。圧電素子Ｐの固定領域Ｒ１以外の領域Ｒ２は、当該圧電素子Ｐへの電圧印加時に変形または変位が可能な可動領域である。固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２の境界７の詳細については後述する。
【００２９】
図３に示すように、圧電素子Ｐは、両面に電極面が形成された一対の圧電体３、５と、これら一対の圧電体３、５の間に介在する金属板４とからなるバイモルフ構造を有している。他のバイモルフ構造として、積層圧電バイモルフ、一体焼結積層バイモルフといった構造のものを用いることもできる。
【００３０】
積層圧電バイモルフ構造は、内部と両面に電極面が形成された一対の圧電体と、これら一対の圧電体間に介在する金属板とから構成され、圧電バイモルフをより小さな電圧で駆動させることができる。一体焼結積層バイモルフ構造は、圧電焼結体自身が屈曲変位を発生させるものである。
【００３１】
図１及び図３に示すように、アクチュエータ装置７０は、略円形状の貫通孔１０を形成する半径Ｒ１（以下、内径Ｒ１と称す）の内周円と、略円形状のアクチュエータ７０の外周を形成する半径Ｒ２（以下、外径Ｒ２と称す）の外周円を有する。本実施形態においては、外径Ｒ２が１３．８ｍｍ、内径Ｒ１が７．２ｍｍ、厚みが約６００ｕｍ（マイクロメートル）である。なお、外径Ｒ２、内径Ｒ１及び厚みは上記の例に限定されない。
【００３２】
図３に示すように、分割アクチュエータ１を構成する圧電素子Ｐの可動領域Ｒ２は、中心角θＡの外周側自由長と、中心角θＢの内周側自由長とを有している。そして、圧電素子Ｐの固定領域Ｒ１は、内周側自由長の中心角θＢが外周側自由長の中心角θＡよりも大きくなるように設定されている。固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２の境界７は直線とされるが、これに限られない。
【００３３】
本実施形態では、θＢは１６０度以上１９０度以下であり、θＡは１１０度以上である。具体的に本実施形態では、θＢは１７０度、θＡは１２０度とされる。
【００３４】
このように、圧電素子Ｐの可動領域Ｒ２を内周側自由長の中心角θＢが外周側自由長の中心角θＡよりも大きくなるように設定することで、後述するようにθＡとθＢとが同一である場合に比べて、自由端６において高い変位量を得ることができる。
【００３５】
以下、中心角θＡ及びθＢと圧電素子の変位量及び発生力との関係を図５〜図９を参照して説明するとともに、本実施形態の如くθＡ＜θＢとすることによる効果について説明する。
【００３６】
図５は、図３に示す本実施形態における分割アクチュエータの内周側自由長の中心角θＢを１７０度に固定し、境界線７の外周円上の点を規定する外周側自由長の中心角θＡの値を１１０度から１７０度の範囲で変えて、作用点における変位量Ｕ１及び発生力Ｆ１を計算したシミュレーション結果である。作用点３０は、図３に示すように、分割アクチュエータ１の自由端６側の外周端部に設定した。
【００３７】
図６は、比較例としての分割アクチュエータ１００の概略平面図である。略環状のアクチュエータ１００は、その円周方向に２つに分割された分割アクチュエータ１０１からなる。分割アクチュエータ１０１は、一端が固定端１０２、他端が自由端１０６となっている。作用点１３０は、２つの分割アクチュエータ１０１それぞれの自由端１０６側の外周端部である。比較例における分割アクチュエータ１０１の固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２との境界１０７は、分割アクチュエータ１０１の中心角θＣにおける内周円上の点と外周円上の点とを結んだ線とした。言い換えると、比較例の分割アクチュエータ１０１における境界線１０７は、θＣ＝θＢ＝θＡの場合のものであり、境界線１０７はアクチュエータ１００の径方向に沿っている。
【００３８】
図７は、図６に示す比較例としての分割アクチュエータ１０１において、角度θＣを６０度〜２７０度の範囲で変えて計算した変位量Ｕ２と発生力Ｆ２のシミュレーション結果である。
【００３９】
図８は、図５に示した本実施形態の分割アクチュエータ１における変位量Ｕ１と発生力Ｆ１、図７に示した比較例の分割アクチュエータ１０１における変位量Ｕ２と発生力Ｆ２をそれぞれ同一グラフ上にプロットし、比較したグラフである。尚、図８において、比較例の分割アクチュエータ１０１における変位量Ｕ２と発生力Ｆ２は、角度θＣを９０度〜１７０度の範囲で変えた場合の値をプロットしている。
【００４０】
図９は、図５に示した本実施形態の分割アクチュエータ１における変位量Ｕ１と発生力Ｆ１の積ＵＦ１、図７に示した比較例の分割アクチュエータ１０１における変位量Ｕ２と発生力Ｆ２との積ＵＦ２を比較したグラフである。
【００４１】
ここで、一般的な短冊型及び台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの構成及び特性について図１０〜図１２を用いて説明する。
【００４２】
図１０（ａ）は短冊型、図１０（ｂ）は台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの平面図及び断面図である。図１１は、バイモルフ型アクチュエータの電圧無印加時及び電圧印加時におけるアクチュエータの駆動を示す断面図であり、（ａ）は電圧無印加時、（ｂ）（ｃ）は電圧印加時を示す。図１２は、短冊型又は台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの作用点における変位量と発生力との関係を示すグラフである。ここで、変位量Ｕ０（ｕｍ）とは、図４（ａ）に示すように、アクチュエータ１（２０１、２０２）に対して外力が加わっていない状態における電圧印加時の作用点における変位の度合を示すものである。発生力Ｆ０（ｇｆ）は、電圧印加時の分割アクチュエータ１（２０１、２０２）が変位できないときに作用点に生じる力を示すものである。
【００４３】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、一般的な形状である短冊型や台形型のバイモルフ構造のアクチュエータ２０１、２０２は、その一端が固定部材２２０により固定され他端が自由端となっている。アクチュエータ２０１、２０２は、金属部材２０４の両面にこれを挟み込むように一対の圧電体２０３、２０５が配置されて構成され、自由端の長さである自由長Ｌを有している。作用点は、アクチュエータ２０１、２０２の自由端部に位置する。
【００４４】
図１１に示すように、圧電体２０３は圧電層２２３と電極層２１３を有し、圧電体２０５は圧電層２１５と電極層２２５を有している。２つの圧電層２２３、２１５はそれぞれその厚み方向に分極処理されている。分極方向が同じ向きであるパラレル型においては、図１１（ｂ）に示すように、電極層２１３、２２５にプラスの電圧を、金属板２０４にマイナスの電圧を印加することにより、上部の圧電層２２３は圧電横効果によって縮み、下部の圧電層２１５は伸び、その結果、全体としては上部に曲がる。これに対し、図１１（ｃ）に示すように、電極２１３、２２５にマイナスの電圧を、金属板２０４にプラスの電圧を印加することにより、下部の圧電層２１５は圧電横効果によって縮み、上部の圧電層２２３は伸び、その結果、全体としては下部に曲がる。
【００４５】
図１２に示すように、上述したような自由長Ｌが湾曲せず真っ直ぐなバイモルフ型アクチュエータにおいては、作用点となる自由端端部にかかる変位量と発生力との関係は、変位量が大きいほど発生力が小さくなり、発生力が小さいほど変位量が大きくなるという傾向がある。アクチュエータとして用いる場合、変位量及び発生力がともに大きいことが望まれる。
【００４６】
これに対し、円周方向に複数に分割した分割アクチュエータから構成される環状アクチュエータにおいては、分割アクチュエータにおける内周側自由長と外周側自由長とで差が生じ、更に一端部から他端部までがアクチュエータ平面内で湾曲した形状となっているため、アクチュエータ平面に対して斜め方向の曲げが発生してしまう。このため、単純に図６に示す比較例の分割アクチュエータ１０１の如く固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２の境界線１０７を径方向に沿って設定すると、所望の変位量及び発生力が得られないということが生じてしまう。図７に示すように、比較例の分割アクチュエータ１０１のように上記境界線１０７を径方向に沿って設定する場合、変位量は、角度θＣが１７０度前後で最大となり、角度θＣがその角度より大きく又は小さくなるにつれ減少していく傾向にある。また、発生力は角度θＣが大きくなるにつれ減少していく傾向にある。
【００４７】
このように、比較例に係る円弧状の分割アクチュエータ１０１においては、角度θＣが１７０度よりも小さい範囲では、変位量が増加するにつれ発生力が減少していく傾向にあり、角度θＣが１７０度よりも大きい範囲では、変位量及び発生力ともに減少していく傾向にあり、角度θＣによって変位量と発生力との関係が異なってくる。
【００４８】
本実施形態においては、比較例の分割アクチュエータ１０１において、角度θＣが１７０度の時に変位量が最も大きくなったことを考慮して内周側自由長の中心角θＢを１７０度に固定し、外周側自由長の中心角θＡの値を１１０〜１７０度の範囲で変化させて、変位量Ｕ１及び発生力Ｆ１を計算した。
【００４９】
その結果、図５及び図８に示すように、比較例の分割アクチュエータ１０１と比較して、本実施形態における分割アクチュエータ１は、外周側自由長の中心角θＡを内周側自由長の中心角θＢよりも小さく設定することにより、常に大きい変位量を得ることができた。また、図８からもわかるように、比較例及び本実施形態において、発生力は概略同じであり、角度１５０度以上では全く同じ、角度が１５０度よりも小さくなるにつれ本実施形態における発生力は比較例と比較して若干小さくなっていく傾向にある。
【００５０】
また、図９に示すように、変位量と発生力との積を比較しても、本実施形態における分割アクチュエータ１の方が比較例における分割アクチュエータ１０１よりも高い値を得ている。図９に示すように、変位量と発生力との積は、比較例も本実施形態もともに、θＡが１２０度の時に最大となる。
【００５１】
以上のように、圧電素子の外周側自由長の中心角θＡと内周側自由長の中心角θＢの設定、言い換えると固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２の境界線７の設定の仕方により、変位量及び発生力、特に変位量が大きく変化することがわかる。本実施形態のように、θＢが１７０度の場合、θＡを１１０度以上１７０度よりも小さい値とすることにより、比較例と比較して大きい変位量を得ることができる。更に、θＡを１２０度とすることにより、変位量と発生力との積は、θＡが１２０度の時に最大となるので、変位量及び発生力をともに大きくすることができる。
【００５２】
また、θＢが１７０度である場合に限られず、θＢが１６０度以上１９０度以下の場合においても、θＡを１１０度以上のθＢよりも小さい値とすることにより、θＢが１７０度である場合とほぼ同様の傾向の変位量及び発生力変化となり、比較例と比較して高い変位量を得ることができる。
【００５３】
また、上述の本実施形態においては、環状のアクチュエータを２つの半円弧状の分割アクチュエータで構成したが、９０度よりも大きい中心角を有する劣弧状の分割アクチュエータを３つ用いて環状のアクチュエータを構成してもよい。この場合、３つの円弧状アクチュエータを等角度間隔で配置することができる。この場合においても、劣弧状の分割アクチュエータの固定構造として、内周側自由長の中心角θＢを外周側自由長の中心角θＡよりも大きくすることにより、θＡとθＢが同一である場合と比較して、高い変位量を得ることができる。
【００５４】
以上のように、本実施形態においては、円弧状の分割アクチュエータを固定する際、外周側自由長の中心角をθＡ、内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように設定される。これにより、内周側自由長と外周側自由長とが近似し、θＡ＝θＢの場合と比較して大きな変位量を得ることができる。
【００５５】
（可変レンズ装置）
【００５６】
上述のアクチュエータ１を用いた可変レンズ装置としての可変焦点レンズ装置について図１３を用いて説明する。
【００５７】
図１３は、可変焦点レンズ装置の分解斜視図である。
【００５８】
図１３に示すように、可変焦点レンズ装置５０は、上述の実施形態のアクチュエータ装置７０と、可変焦点レンズ６０を備えている。分割アクチュエータ１を固定する固定部材２０は可変焦点レンズ６０の容器４５に接着固定される。
【００５９】
可変焦点レンズ６０は、環状の底面４４を有しその外周部に側壁を有する容器４５と、容器４５の中央部空間に対応して互いに離間して設けられた円形状の透明板４２及び透明弾性膜４１と、環状の底面４４に対向し離間して設けられた環状の弾性膜４６とを有している。更に、容器４５、透明板４２、透明弾性膜４１、弾性膜４６によって形成された空間内には透明なシリコンオイルからなる流体４３が封入されている。容器４５の中央形成される中空部はレンズ孔３４０として機能する。レンズ孔３４０と、アクチュエータ装置７０の中央に位置する貫通孔１０と、透明板４２と、透明弾性膜４１とは、互いに同軸に配設されている。また、透明板４２、透明弾性膜４１及び流体４３とにより液体レンズ部４０が構成される。液体レンズ部４０は、各分割アクチュエータ１の自由端６に支持され又は接触しており、自由端６の変位とともに移動可能とされている。
【００６０】
可変焦点レンズ６０においては、アクチュエータ装置７０に電圧を印加すると、アクチュエータ装置７０の変位に伴って透明板４２が光軸方向に移動する。これにより、透明板４２、透明弾性膜４１及び容器４５によって形成される空間内に封入されている流体４３の圧力が変動する。この圧力変動によって透明弾性膜４１が変形し、弾性膜４１の凹凸形状の曲率が変化する。この曲率の変化を利用して液体レンズ部４０の焦点位置が変動し、焦点調整を行うことができる。
【００６１】
本実施形態における可変焦点レンズ装置５０において、本発明に係るアクチュエータ装置７０を備えているので、液体レンズ部４０の可動範囲が広くなることで、焦点距離の調整範囲の拡大を図ることが可能となる。
【００６２】
また、本実施形態におけるアクチュエータ装置７０は、一方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の自由端６は、他方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の固定端２に対向しており、当該他方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の自由端６は、上記一方の分割アクチュエータ（圧電素子Ｐ）の固定端２に対向している。これにより、圧電アクチュエータ装置の占有面積を低減して、変位量が大きく、薄型かつ小型の圧電アクチュエータ装置を提供することができる。
【００６３】
そして、可変焦点レンズ装置５０を構成するアクチュエータ装置７０は、２つの分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）との間に、被可動部材としてのレンズ（液体レンズ部４０）を収容するための貫通孔１０（収容部）が形成されている。これにより、中央部の貫通孔に対応してレンズを配置することができ、貫通孔は光路としての使用に適している。
【００６４】
また、上述の可変焦点レンズ装置においては、レンズとして液体レンズを用いたが、図１４（ａ）に示すように、通常の固体レンズを用いた場合においても、本発明のアクチュエータを使用することができる。この場合、図１４（ｂ）に示すように、２つの分割アクチュエータ１が同一方向に変位するように、２つの分割アクチュエータ１に電圧を印加し、アクチュエータ７０をその軸長方向（図面における上下方向）に変位させ、この変位に伴って固体レンズ１４０の位置を可変させ、焦点調整を行うことができる。
【００６５】
尚、図１４（ａ）は固体レンズとアクチュエータとの関係を示す概略平面図であり、図１４（ｂ）は、同図（ａ）の断面図であり、電圧印加時の固体レンズの駆動を示す図である。
【００６６】
また、上述の可変レンズ装置においては、レンズ焦点位置の調整にアクチュエータを用いたが、例えば、図１６に示すように、可変レンズ装置としての光ピックアップ１２０にアクチュエータ７０を適用し、光ピックアップ１２０の対物レンズ１２２のチルト角αの調整を行うこともできる。以下、図１５、図１６を用いて説明する。
【００６７】
図１５（ａ）は対物レンズとアクチュエータとの関係を示す概略平面図である。図１５（ｂ）は、同図（ａ）の断面図であり、電圧印加時の対物レンズの駆動を示す図である。図１６は光ピックアップの概略断面図である。
【００６８】
図１６に示すように、光ピックアップ１２０は、対物レンズ１２２とアクチュエータ７０を有し、対物レンズ１２２によって集光したレーザ光を光ディスク１２１に対して照射するものである。図１５（ｂ）に示すように、２つの分割アクチュエータ１が逆方向に変位するように、２つの分割アクチュエータ１に電圧を印加し、アクチュエータ７０を変位させ、この変位に伴って対物レンズ１２２の傾きを可変させてチルト角αの調整を行うことができる。また、このようにチルト角調整にアクチュエータを使用する場合、３つの分割アクチュエータからなるアクチュエータを用いることによって所望のチルト角に調整することがより容易となる。
【００６９】
上述の実施形態において、圧電素子として、ＰＺＴに代表される圧電セラミックス、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の圧電性を有する有機材料や、導電性高分子やイオン伝導アクチュエータなどの高分子材料などを用いることができる。また、アクチュエータとして、金属板の両面に圧電素子を配置した構成のものを用いたが、熱膨張率が異なる２枚の金属板を貼り合わせたバイメタルや、磁歪素子を用いたバイモルフなどを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態におけるアクチュエータ装置の概略平面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａ´における概略断面図である。
【図３】図１のアクチュエータ装置を構成する分割アクチュエータの概略平面図である。
【図４】変位量Ｕ０及び発生力Ｆ０を説明する図である。
【図５】図３に示す分割アクチュエータの変位量と発生力を示すシミュレーション結果の一例である。
【図６】比較例としての分割アクチュエータの概略平面図である。
【図７】図６に示す比較例としての分割アクチュエータの変位量と発生力を示すシミュレーション結果の一例である。
【図８】図５に示した本実施形態の分割アクチュエータにおける変位量と発生力、図７に示した比較例の分割アクチュエータにおける変位量と発生力をそれぞれ同一グラフ上にプロットし、比較したグラフである
【図９】図５に示した本実施形態の分割アクチュエータにおける変位量と発生力の積、図７に示した比較例の分割アクチュエータにおける変位量と発生力との積をそれぞれプロットし、比較したグラフである。
【図１０】短冊型及び台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの構成を説明するための平面図及び断面図である。
【図１１】バイモルフ型アクチュエータの電圧印加時における動作特性を示す断面図である。
【図１２】短冊型又は台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの変位量と発生力との関係を示すグラフである。
【図１３】一実施形態のアクチュエータを用いた可変焦点レンズ装置の分解斜視図である。
【図１４】一実施形態のアクチュエータを用いた個体レンズを有する可変焦点レンズ装置における電圧印加時のレンズの駆動を説明する図である。
【図１５】一実施形態のアクチュエータを用いた光ピックアップにおける対物レンズの電圧印加時の駆動を説明する図である。
【図１６】一実施形態のアクチュエータを用いた光ピックアップの概略断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 分割アクチュエータ
２ 固定端
６ 自由端
７ 境界線
１０ 貫通孔
２０ 固定部材
４０ 液体レンズ部
５０ 可変焦点レンズ装置
７０ アクチュエータ装置
１２０ 光ピックアップ
１２２ 対物レンズ
１４０ 固体レンズ
Ｐ 圧電素子
Ｒ１ 固定領域
Ｒ２ 可動領域
θＡ 外周側自由長の中心角
θＢ…内周側自由長の中心角
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円弧状の圧電素子を備えたアクチュエータ、このアクチュエータを複数用いて構成されたアクチュエータ装置及び可変レンズ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つのレンズ間距離を可変する距離可変手段及びレンズの傾斜を可変するチルト可変手段として、円周方向に複数に分割された円弧状の分割セラミックス体や分割バイモルフ体からなる環状のアクチュエータが提案されている（特許文献１参照。）。これらのアクチュエータにおいては、分割セラミックス体及び分割バイモルフ体は、その中央部が固定されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−４８３８２号公報（段落［００３８］〜［００５１］、図６、図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献には、円弧状の分割セラミックス体及び分割バイモルフ体の中央部が固定された構造が記載されているが、一端を固定する場合については記載されていない。円弧状の分割アクチュエータの一端を固定して使用する場合、単純に径方向に沿って固定することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、このような構成においては、内径側の自由長と外径側の自由長とで差が生じ、更にアクチュエータ平面内で一端部から他端部まで湾曲した形状となっているため、アクチュエータ平面に対して斜め方向の曲げが発生し、他端部先端で所望の変位量が得られないという問題があった。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、円弧状のアクチュエータの一端部を固定した際、効率的な変位量及び発生力が得られる固定構造を有するアクチュエータ、アクチュエータ装置及び可変レンズ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するにあたり、本発明に係るアクチュエータは、
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とを有する円弧状の圧電素子と、
前記圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１の端部を固定する固定部材とを具備する。
【０００８】
本発明においては、上記圧電素子の上記第１の端部をθＡ＜θＢとなるように上記固定部材で固定するようにしている。これにより、上記圧電素子の外周側自由長と内周側自由長とが近似することで、圧電素子の主面に対して斜め方向に曲がる曲げの力を小さくすることができ、自由端における大きな変位量を効率よく得ることができる。
【０００９】
本発明に係るアクチュエータにおいて、前記θＢは１６０度以上１９０度以下であり、前記θＡは１１０度以上であることとすることができる。
【００１０】
これにより、θＡ＝θＢとなるように圧電素子の固定端を固定したときに比べて、自由端の変位量を大きくすることができる。
【００１１】
また、θＢを１７０度、θＡを１２０度とすることにより、上記θＡ＝θＢである固定構造と比較して、変位量及び発生力ともに高いアクチュエータを得ることができる。
【００１２】
また、本発明の他の観点に係るアクチュエータ装置は、
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とをそれぞれ有する円弧状の第１及び第２の圧電素子と、
前記第１及び第２の圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記第１及び第２の圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１及び第２の圧電素子の前記第１の端部をそれぞれ固定する第１及び第２の固定部材とを具備する。
【００１３】
これにより、上記圧電素子の外周側自由長と内周側自由長とが近似することで、圧電素子の主面に対して斜め方向に曲がる曲げの力を小さくすることができ、自由端における大きな変位量を効率よく得ることができる。
【００１４】
本発明に係るアクチュエータ装置において、前記第１の圧電素子の前記第２の端部は、前記第２の圧電素子の前記第１の端部に対向し、前記第２の圧電素子の前記第２の端部は、前記第１の圧電素子の前記第１の端部に対向するように構成することができる。
【００１５】
これにより、圧電アクチュエータ装置の占有面積を低減して、変位量が大きく、薄型かつ小型の圧電アクチュエータ装置を提供することができる。
【００１６】
本発明の他の観点に係る可変レンズ装置は、
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とをそれぞれ有する円弧状の第１及び第２の圧電素子と、
前記第１及び第２の圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記第１及び第２の圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１及び第２の圧電素子の前記第１の端部をそれぞれ固定する第１及び第２の固定部材と、
前記第１の圧電素子の前記第２の端部と前記第２の圧電素子の前記第２の端部とに支持され、前記第１及び第２の圧電素子の駆動により変形または変位するレンズとを具備する。
【００１７】
これにより、レンズの変位量または変形量の大きな可変レンズ装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、一端部が固定された円弧状の圧電素子を備えるアクチュエータの変位量を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
（アクチュエータ及びアクチュエータ装置）
【００２１】
本発明の一実施形態におけるアクチュエータ及びアクチュエータ装置を図１〜図３を用いて説明する。本実施形態におけるアクチュエータは、例えば液体レンズを用いた可変焦点レンズ装置に組み込まれ、液体レンズの焦点を調整するのに用いられる。
【００２２】
図１はアクチュエータ装置の概略平面図である。図２は図１の線Ａ−Ａ´における概略断面図である。図３は、図１に示すアクチュエータ装置を構成する分割アクチュエータの概略平面図である。
【００２３】
図１及び図２に示すように、アクチュエータ装置７０は中央部に貫通孔１０を有する略環状を有している。略円形状の貫通孔１０を形成するアクチュエータ装置７０の内周円と、略円形状のアクチュエータ装置７０の外周を形成する外周円とは同心円である。例えば可変焦点レンズ装置にアクチュエータ装置７０を適用した際、貫通孔１０に対応する領域に液体レンズが位置する。
【００２４】
アクチュエータ装置７０は、その円周方向に分割された２つの分割アクチュエータ１（第１のアクチュエータ及び第２のアクチュエータ）で構成されている。本実施形態において、各分割アクチュエータ１は、それぞれ同一の構成を有している。
【００２５】
各分割アクチュエータ１は、固定端２（第１の端部）と自由端６（第２の端部）とを有する円弧状の圧電素子Ｐと、この圧電素子Ｐの固定端２を固定する固定部材２０とを有する。
【００２６】
一方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の自由端６は、他方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の固定端２に対向しており、当該他方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の自由端６は、上記一方の分割アクチュエータ（圧電素子Ｐ）の固定端２に対向している。本実施形態では、２つの分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）のそれぞれの固定端２は、アクチュエータ装置７０の中心部に関して対称に配置されている。
【００２７】
そして、これら２つの分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）との間に、被可動部材としてのレンズを収容するための貫通孔１０（収容部）が形成されている。
【００２８】
固定部材２０は、圧電素子Ｐを他の部材に固定するためのものであり、圧電素子Ｐの図１及び図３において斜線で示す固定領域Ｒ１に接着などによって取り付けられている。本実施形態において固定領域Ｒ１は平面形状が略三角形状を有している。圧電素子Ｐの固定領域Ｒ１以外の領域Ｒ２は、当該圧電素子Ｐへの電圧印加時に変形または変位が可能な可動領域である。固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２の境界７の詳細については後述する。
【００２９】
図３に示すように、圧電素子Ｐは、両面に電極面が形成された一対の圧電体３、５と、これら一対の圧電体３、５の間に介在する金属板４とからなるバイモルフ構造を有している。他のバイモルフ構造として、積層圧電バイモルフ、一体焼結積層バイモルフといった構造のものを用いることもできる。
【００３０】
積層圧電バイモルフ構造は、内部と両面に電極面が形成された一対の圧電体と、これら一対の圧電体間に介在する金属板とから構成され、圧電バイモルフをより小さな電圧で駆動させることができる。一体焼結積層バイモルフ構造は、圧電焼結体自身が屈曲変位を発生させるものである。
【００３１】
図１及び図３に示すように、アクチュエータ装置７０は、略円形状の貫通孔１０を形成する半径Ｒ１（以下、内径Ｒ１と称す）の内周円と、略円形状のアクチュエータ７０の外周を形成する半径Ｒ２（以下、外径Ｒ２と称す）の外周円を有する。本実施形態においては、外径Ｒ２が１３．８ｍｍ、内径Ｒ１が７．２ｍｍ、厚みが約６００ｕｍ（マイクロメートル）である。なお、外径Ｒ２、内径Ｒ１及び厚みは上記の例に限定されない。
【００３２】
図３に示すように、分割アクチュエータ１を構成する圧電素子Ｐの可動領域Ｒ２は、中心角θＡの外周側自由長と、中心角θＢの内周側自由長とを有している。そして、圧電素子Ｐの固定領域Ｒ１は、内周側自由長の中心角θＢが外周側自由長の中心角θＡよりも大きくなるように設定されている。固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２の境界７は直線とされるが、これに限られない。
【００３３】
本実施形態では、θＢは１６０度以上１９０度以下であり、θＡは１１０度以上である。具体的に本実施形態では、θＢは１７０度、θＡは１２０度とされる。
【００３４】
このように、圧電素子Ｐの可動領域Ｒ２を内周側自由長の中心角θＢが外周側自由長の中心角θＡよりも大きくなるように設定することで、後述するようにθＡとθＢとが同一である場合に比べて、自由端６において高い変位量を得ることができる。
【００３５】
以下、中心角θＡ及びθＢと圧電素子の変位量及び発生力との関係を図５〜図９を参照して説明するとともに、本実施形態の如くθＡ＜θＢとすることによる効果について説明する。
【００３６】
図５は、図３に示す本実施形態における分割アクチュエータの内周側自由長の中心角θＢを１７０度に固定し、境界線７の外周円上の点を規定する外周側自由長の中心角θＡの値を１１０度から１７０度の範囲で変えて、作用点における変位量Ｕ１及び発生力Ｆ１を計算したシミュレーション結果である。作用点３０は、図３に示すように、分割アクチュエータ１の自由端６側の外周端部に設定した。
【００３７】
図６は、比較例としての分割アクチュエータ１００の概略平面図である。略環状のアクチュエータ１００は、その円周方向に２つに分割された分割アクチュエータ１０１からなる。分割アクチュエータ１０１は、一端が固定端１０２、他端が自由端１０６となっている。作用点１３０は、２つの分割アクチュエータ１０１それぞれの自由端１０６側の外周端部である。比較例における分割アクチュエータ１０１の固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２との境界１０７は、分割アクチュエータ１０１の中心角θＣにおける内周円上の点と外周円上の点とを結んだ線とした。言い換えると、比較例の分割アクチュエータ１０１における境界線１０７は、θＣ＝θＢ＝θＡの場合のものであり、境界線１０７はアクチュエータ１００の径方向に沿っている。
【００３８】
図７は、図６に示す比較例としての分割アクチュエータ１０１において、角度θＣを６０度〜２７０度の範囲で変えて計算した変位量Ｕ２と発生力Ｆ２のシミュレーション結果である。
【００３９】
図８は、図５に示した本実施形態の分割アクチュエータ１における変位量Ｕ１と発生力Ｆ１、図７に示した比較例の分割アクチュエータ１０１における変位量Ｕ２と発生力Ｆ２をそれぞれ同一グラフ上にプロットし、比較したグラフである。尚、図８において、比較例の分割アクチュエータ１０１における変位量Ｕ２と発生力Ｆ２は、角度θＣを９０度〜１７０度の範囲で変えた場合の値をプロットしている。
【００４０】
図９は、図５に示した本実施形態の分割アクチュエータ１における変位量Ｕ１と発生力Ｆ１の積ＵＦ１、図７に示した比較例の分割アクチュエータ１０１における変位量Ｕ２と発生力Ｆ２との積ＵＦ２を比較したグラフである。
【００４１】
ここで、一般的な短冊型及び台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの構成及び特性について図１０〜図１２を用いて説明する。
【００４２】
図１０（ａ）は短冊型、図１０（ｂ）は台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの平面図及び断面図である。図１１は、バイモルフ型アクチュエータの電圧無印加時及び電圧印加時におけるアクチュエータの駆動を示す断面図であり、（ａ）は電圧無印加時、（ｂ）（ｃ）は電圧印加時を示す。図１２は、短冊型又は台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの作用点における変位量と発生力との関係を示すグラフである。ここで、変位量Ｕ０（ｕｍ）とは、図４（ａ）に示すように、アクチュエータ１（２０１、２０２）に対して外力が加わっていない状態における電圧印加時の作用点における変位の度合を示すものである。発生力Ｆ０（ｇｆ）は、電圧印加時の分割アクチュエータ１（２０１、２０２）が変位できないときに作用点に生じる力を示すものである。
【００４３】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、一般的な形状である短冊型や台形型のバイモルフ構造のアクチュエータ２０１、２０２は、その一端が固定部材２２０により固定され他端が自由端となっている。アクチュエータ２０１、２０２は、金属部材２０４の両面にこれを挟み込むように一対の圧電体２０３、２０５が配置されて構成され、自由端の長さである自由長Ｌを有している。作用点は、アクチュエータ２０１、２０２の自由端部に位置する。
【００４４】
図１１に示すように、圧電体２０３は圧電層２２３と電極層２１３を有し、圧電体２０５は圧電層２１５と電極層２２５を有している。２つの圧電層２２３、２１５はそれぞれその厚み方向に分極処理されている。分極方向が同じ向きであるパラレル型においては、図１１（ｂ）に示すように、電極層２１３、２２５にプラスの電圧を、金属板２０４にマイナスの電圧を印加することにより、上部の圧電層２２３は圧電横効果によって縮み、下部の圧電層２１５は伸び、その結果、全体としては上部に曲がる。これに対し、図１１（ｃ）に示すように、電極２１３、２２５にマイナスの電圧を、金属板２０４にプラスの電圧を印加することにより、下部の圧電層２１５は圧電横効果によって縮み、上部の圧電層２２３は伸び、その結果、全体としては下部に曲がる。
【００４５】
図１２に示すように、上述したような自由長Ｌが湾曲せず真っ直ぐなバイモルフ型アクチュエータにおいては、作用点となる自由端端部にかかる変位量と発生力との関係は、変位量が大きいほど発生力が小さくなり、発生力が小さいほど変位量が大きくなるという傾向がある。アクチュエータとして用いる場合、変位量及び発生力がともに大きいことが望まれる。
【００４６】
これに対し、円周方向に複数に分割した分割アクチュエータから構成される環状アクチュエータにおいては、分割アクチュエータにおける内周側自由長と外周側自由長とで差が生じ、更に一端部から他端部までがアクチュエータ平面内で湾曲した形状となっているため、アクチュエータ平面に対して斜め方向の曲げが発生してしまう。このため、単純に図６に示す比較例の分割アクチュエータ１０１の如く固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２の境界線１０７を径方向に沿って設定すると、所望の変位量及び発生力が得られないということが生じてしまう。図７に示すように、比較例の分割アクチュエータ１０１のように上記境界線１０７を径方向に沿って設定する場合、変位量は、角度θＣが１７０度前後で最大となり、角度θＣがその角度より大きく又は小さくなるにつれ減少していく傾向にある。また、発生力は角度θＣが大きくなるにつれ減少していく傾向にある。
【００４７】
このように、比較例に係る円弧状の分割アクチュエータ１０１においては、角度θＣが１７０度よりも小さい範囲では、変位量が増加するにつれ発生力が減少していく傾向にあり、角度θＣが１７０度よりも大きい範囲では、変位量及び発生力ともに減少していく傾向にあり、角度θＣによって変位量と発生力との関係が異なってくる。
【００４８】
本実施形態においては、比較例の分割アクチュエータ１０１において、角度θＣが１７０度の時に変位量が最も大きくなったことを考慮して内周側自由長の中心角θＢを１７０度に固定し、外周側自由長の中心角θＡの値を１１０〜１７０度の範囲で変化させて、変位量Ｕ１及び発生力Ｆ１を計算した。
【００４９】
その結果、図５及び図８に示すように、比較例の分割アクチュエータ１０１と比較して、本実施形態における分割アクチュエータ１は、外周側自由長の中心角θＡを内周側自由長の中心角θＢよりも小さく設定することにより、常に大きい変位量を得ることができた。また、図８からもわかるように、比較例及び本実施形態において、発生力は概略同じであり、角度１５０度以上では全く同じ、角度が１５０度よりも小さくなるにつれ本実施形態における発生力は比較例と比較して若干小さくなっていく傾向にある。
【００５０】
また、図９に示すように、変位量と発生力との積を比較しても、本実施形態における分割アクチュエータ１の方が比較例における分割アクチュエータ１０１よりも高い値を得ている。図９に示すように、変位量と発生力との積は、比較例も本実施形態もともに、θＡが１２０度の時に最大となる。
【００５１】
以上のように、圧電素子の外周側自由長の中心角θＡと内周側自由長の中心角θＢの設定、言い換えると固定領域Ｒ１と可動領域Ｒ２の境界線７の設定の仕方により、変位量及び発生力、特に変位量が大きく変化することがわかる。本実施形態のように、θＢが１７０度の場合、θＡを１１０度以上１７０度よりも小さい値とすることにより、比較例と比較して大きい変位量を得ることができる。更に、θＡを１２０度とすることにより、変位量と発生力との積は、θＡが１２０度の時に最大となるので、変位量及び発生力をともに大きくすることができる。
【００５２】
また、θＢが１７０度である場合に限られず、θＢが１６０度以上１９０度以下の場合においても、θＡを１１０度以上のθＢよりも小さい値とすることにより、θＢが１７０度である場合とほぼ同様の傾向の変位量及び発生力変化となり、比較例と比較して高い変位量を得ることができる。
【００５３】
また、上述の本実施形態においては、環状のアクチュエータを２つの半円弧状の分割アクチュエータで構成したが、９０度よりも大きい中心角を有する劣弧状の分割アクチュエータを３つ用いて環状のアクチュエータを構成してもよい。この場合、３つの円弧状アクチュエータを等角度間隔で配置することができる。この場合においても、劣弧状の分割アクチュエータの固定構造として、内周側自由長の中心角θＢを外周側自由長の中心角θＡよりも大きくすることにより、θＡとθＢが同一である場合と比較して、高い変位量を得ることができる。
【００５４】
以上のように、本実施形態においては、円弧状の分割アクチュエータを固定する際、外周側自由長の中心角をθＡ、内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように設定される。これにより、内周側自由長と外周側自由長とが近似し、θＡ＝θＢの場合と比較して大きな変位量を得ることができる。
【００５５】
（可変レンズ装置）
【００５６】
上述のアクチュエータ１を用いた可変レンズ装置としての可変焦点レンズ装置について図１３を用いて説明する。
【００５７】
図１３は、可変焦点レンズ装置の分解斜視図である。
【００５８】
図１３に示すように、可変焦点レンズ装置５０は、上述の実施形態のアクチュエータ装置７０と、可変焦点レンズ６０を備えている。分割アクチュエータ１を固定する固定部材２０は可変焦点レンズ６０の容器４５に接着固定される。
【００５９】
可変焦点レンズ６０は、環状の底面４４を有しその外周部に側壁を有する容器４５と、容器４５の中央部空間に対応して互いに離間して設けられた円形状の透明板４２及び透明弾性膜４１と、環状の底面４４に対向し離間して設けられた環状の弾性膜４６とを有している。更に、容器４５、透明板４２、透明弾性膜４１、弾性膜４６によって形成された空間内には透明なシリコンオイルからなる流体４３が封入されている。容器４５の中央形成される中空部はレンズ孔３４０として機能する。レンズ孔３４０と、アクチュエータ装置７０の中央に位置する貫通孔１０と、透明板４２と、透明弾性膜４１とは、互いに同軸に配設されている。また、透明板４２、透明弾性膜４１及び流体４３とにより液体レンズ部４０が構成される。液体レンズ部４０は、各分割アクチュエータ１の自由端６に支持され又は接触しており、自由端６の変位とともに移動可能とされている。
【００６０】
可変焦点レンズ６０においては、アクチュエータ装置７０に電圧を印加すると、アクチュエータ装置７０の変位に伴って透明板４２が光軸方向に移動する。これにより、透明板４２、透明弾性膜４１及び容器４５によって形成される空間内に封入されている流体４３の圧力が変動する。この圧力変動によって透明弾性膜４１が変形し、弾性膜４１の凹凸形状の曲率が変化する。この曲率の変化を利用して液体レンズ部４０の焦点位置が変動し、焦点調整を行うことができる。
【００６１】
本実施形態における可変焦点レンズ装置５０において、本発明に係るアクチュエータ装置７０を備えているので、液体レンズ部４０の可動範囲が広くなることで、焦点距離の調整範囲の拡大を図ることが可能となる。
【００６２】
また、本実施形態におけるアクチュエータ装置７０は、一方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の自由端６は、他方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の固定端２に対向しており、当該他方の分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）の自由端６は、上記一方の分割アクチュエータ（圧電素子Ｐ）の固定端２に対向している。これにより、圧電アクチュエータ装置の占有面積を低減して、変位量が大きく、薄型かつ小型の圧電アクチュエータ装置を提供することができる。
【００６３】
そして、可変焦点レンズ装置５０を構成するアクチュエータ装置７０は、２つの分割アクチュエータ１（圧電素子Ｐ）との間に、被可動部材としてのレンズ（液体レンズ部４０）を収容するための貫通孔１０（収容部）が形成されている。これにより、中央部の貫通孔に対応してレンズを配置することができ、貫通孔は光路としての使用に適している。
【００６４】
また、上述の可変焦点レンズ装置においては、レンズとして液体レンズを用いたが、図１４（ａ）に示すように、通常の固体レンズを用いた場合においても、本発明のアクチュエータを使用することができる。この場合、図１４（ｂ）に示すように、２つの分割アクチュエータ１が同一方向に変位するように、２つの分割アクチュエータ１に電圧を印加し、アクチュエータ７０をその軸長方向（図面における上下方向）に変位させ、この変位に伴って固体レンズ１４０の位置を可変させ、焦点調整を行うことができる。
【００６５】
尚、図１４（ａ）は固体レンズとアクチュエータとの関係を示す概略平面図であり、図１４（ｂ）は、同図（ａ）の断面図であり、電圧印加時の固体レンズの駆動を示す図である。
【００６６】
また、上述の可変レンズ装置においては、レンズ焦点位置の調整にアクチュエータを用いたが、例えば、図１６に示すように、可変レンズ装置としての光ピックアップ１２０にアクチュエータ７０を適用し、光ピックアップ１２０の対物レンズ１２２のチルト角αの調整を行うこともできる。以下、図１５、図１６を用いて説明する。
【００６７】
図１５（ａ）は対物レンズとアクチュエータとの関係を示す概略平面図である。図１５（ｂ）は、同図（ａ）の断面図であり、電圧印加時の対物レンズの駆動を示す図である。図１６は光ピックアップの概略断面図である。
【００６８】
図１６に示すように、光ピックアップ１２０は、対物レンズ１２２とアクチュエータ７０を有し、対物レンズ１２２によって集光したレーザ光を光ディスク１２１に対して照射するものである。図１５（ｂ）に示すように、２つの分割アクチュエータ１が逆方向に変位するように、２つの分割アクチュエータ１に電圧を印加し、アクチュエータ７０を変位させ、この変位に伴って対物レンズ１２２の傾きを可変させてチルト角αの調整を行うことができる。また、このようにチルト角調整にアクチュエータを使用する場合、３つの分割アクチュエータからなるアクチュエータを用いることによって所望のチルト角に調整することがより容易となる。
【００６９】
上述の実施形態において、圧電素子として、ＰＺＴに代表される圧電セラミックス、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の圧電性を有する有機材料や、導電性高分子やイオン伝導アクチュエータなどの高分子材料などを用いることができる。また、アクチュエータとして、金属板の両面に圧電素子を配置した構成のものを用いたが、熱膨張率が異なる２枚の金属板を貼り合わせたバイメタルや、磁歪素子を用いたバイモルフなどを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態におけるアクチュエータ装置の概略平面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａ´における概略断面図である。
【図３】図１のアクチュエータ装置を構成する分割アクチュエータの概略平面図である。
【図４】変位量Ｕ０及び発生力Ｆ０を説明する図である。
【図５】図３に示す分割アクチュエータの変位量と発生力を示すシミュレーション結果の一例である。
【図６】比較例としての分割アクチュエータの概略平面図である。
【図７】図６に示す比較例としての分割アクチュエータの変位量と発生力を示すシミュレーション結果の一例である。
【図８】図５に示した本実施形態の分割アクチュエータにおける変位量と発生力、図７に示した比較例の分割アクチュエータにおける変位量と発生力をそれぞれ同一グラフ上にプロットし、比較したグラフである
【図９】図５に示した本実施形態の分割アクチュエータにおける変位量と発生力の積、図７に示した比較例の分割アクチュエータにおける変位量と発生力との積をそれぞれプロットし、比較したグラフである。
【図１０】短冊型及び台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの構成を説明するための平面図及び断面図である。
【図１１】バイモルフ型アクチュエータの電圧印加時における動作特性を示す断面図である。
【図１２】短冊型又は台形型のバイモルフ構造のアクチュエータの変位量と発生力との関係を示すグラフである。
【図１３】一実施形態のアクチュエータを用いた可変焦点レンズ装置の分解斜視図である。
【図１４】一実施形態のアクチュエータを用いた個体レンズを有する可変焦点レンズ装置における電圧印加時のレンズの駆動を説明する図である。
【図１５】一実施形態のアクチュエータを用いた光ピックアップにおける対物レンズの電圧印加時の駆動を説明する図である。
【図１６】一実施形態のアクチュエータを用いた光ピックアップの概略断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 分割アクチュエータ
２ 固定端
６ 自由端
７ 境界線
１０ 貫通孔
２０ 固定部材
４０ 液体レンズ部
５０ 可変焦点レンズ装置
７０ アクチュエータ装置
１２０ 光ピックアップ
１２２ 対物レンズ
１４０ 固体レンズ
Ｐ 圧電素子
Ｒ１ 固定領域
Ｒ２ 可動領域
θＡ 外周側自由長の中心角
θＢ…内周側自由長の中心角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とを有する円弧状の圧電素子と、
前記圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１の端部を固定する固定部材と
を具備するアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のアクチュエータであって、
前記θＢは１６０度以上１９０度以下であり、前記θＡは１１０度以上である
アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載のアクチュエータにおいて、
前記θＢは１７０度であり、前記θＡは１２０度である
アクチュエータ。
【請求項４】
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とをそれぞれ有する円弧状の第１及び第２の圧電素子と、
前記第１及び第２の圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記第１及び第２の圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１及び第２の圧電素子の前記第１の端部をそれぞれ固定する第１及び第２の固定部材と
を具備するアクチュエータ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のアクチュエータ装置であって、
前記第１の圧電素子の前記第２の端部は、前記第２の圧電素子の前記第１の端部に対向し、
前記第２の圧電素子の前記第２の端部は、前記第１の圧電素子の前記第１の端部に対向している
アクチュエータ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のアクチュエータ装置であって、
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間に、被可動部材を収容するための収容部を有する
アクチュエータ装置。
【請求項７】
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とをそれぞれ有する円弧状の第１及び第２の圧電素子と、
前記第１及び第２の圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記第１及び第２の圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１及び第２の圧電素子の前記第１の端部をそれぞれ固定する第１及び第２の固定部材と、
前記第１の圧電素子の前記第２の端部と前記第２の圧電素子の前記第２の端部とに支持され、前記第１及び第２の圧電素子の駆動により変形または変位するレンズと
を具備する可変レンズ装置。
【請求項１】
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とを有する円弧状の圧電素子と、
前記圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１の端部を固定する固定部材と
を具備するアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のアクチュエータであって、
前記θＢは１６０度以上１９０度以下であり、前記θＡは１１０度以上である
アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載のアクチュエータにおいて、
前記θＢは１７０度であり、前記θＡは１２０度である
アクチュエータ。
【請求項４】
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とをそれぞれ有する円弧状の第１及び第２の圧電素子と、
前記第１及び第２の圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記第１及び第２の圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１及び第２の圧電素子の前記第１の端部をそれぞれ固定する第１及び第２の固定部材と
を具備するアクチュエータ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のアクチュエータ装置であって、
前記第１の圧電素子の前記第２の端部は、前記第２の圧電素子の前記第１の端部に対向し、
前記第２の圧電素子の前記第２の端部は、前記第１の圧電素子の前記第１の端部に対向している
アクチュエータ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のアクチュエータ装置であって、
前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素子との間に、被可動部材を収容するための収容部を有する
アクチュエータ装置。
【請求項７】
固定端である第１の端部と、自由端である第２の端部とをそれぞれ有する円弧状の第１及び第２の圧電素子と、
前記第１及び第２の圧電素子の外周側自由長の中心角をθＡ、前記第１及び第２の圧電素子の内周側自由長の中心角をθＢとしたとき、θＡ＜θＢとなるように前記第１及び第２の圧電素子の前記第１の端部をそれぞれ固定する第１及び第２の固定部材と、
前記第１の圧電素子の前記第２の端部と前記第２の圧電素子の前記第２の端部とに支持され、前記第１及び第２の圧電素子の駆動により変形または変位するレンズと
を具備する可変レンズ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−２５４０５８（Ｐ２００９−２５４０５８Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９６７６４（Ｐ２００８−９６７６４）
【出願日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月３日（２００８．４．３）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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