(57)【要約】  本発明は、携帯電話機やＰＤＡなどのカメラレンズ駆動用として搭載可能な小型圧電／電歪超音波リニアモータに関するものである。圧電基板又は電歪基板を弾性体２０（金属）に付着した単一又は二重（ｕｎｉ又はｂｉｍｏｒｐｈ）形態に移動軸を付着し、移動軸３０に搭載された移動体４０が圧電基板又は、電歪基板の屈曲振動により線形的に移動するもので、製造工程が簡単で基本原理に基づく応用が容易であり、また特性の優れた小型圧電／電歪超音波リニアモータに関するものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に電極が形成されている圧電基板又は電歪基板と、
一面又は両面に、前記圧電基板又は電歪基板が付着している弾性体基板と、
前記弾性体基板又は、前記弾性体基板に付着した前記圧電基板又は電歪基板上に一側が固定され、前記圧電基板又は電歪基板の変位に連動するよう形成された移動軸と、
前記移動軸に沿い移動可能に形成された移動体とを含み、構成されることを特徴とする圧電／電歪超音波リニアモータ。
【請求項２】
前記圧電基板は、分極処理されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電／電歪超音波リニアモータ。
【請求項３】
前記移動体は、前記移動軸の少なくとも一部を囲むように密着し、形成されることを特徴とする請求項２に記載の圧電／電歪超音波リニアモータ。
【請求項４】
前記移動軸は、細い円形状又は角形の棒形状に形成され、圧電又は電歪基板の振動を効率よく伝達することを特徴とする請求項３に記載の圧電／電歪超音波リニアモータ。
【請求項５】
前記圧電基板又は、電歪基板の変位に連動し前記移動軸が振動する際に、前記移動軸との摩擦力よりも前記移動体の慣性力が大きい場合、前記移動体が前記移動軸に沿い、移動することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の圧電／電歪超音波リニアモータ。
【請求項６】
前記移動体は、前記移動軸に密着した摩擦材と、この摩擦材の外側に設けられた重量材と、前記摩擦材と重量材を前記移動軸に圧搾するため前記重量材の外側に設けられた弾性体とを備え、前記移動体は、前記移動軸に挿入されるように形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の圧電／電歪超音波リニアモータ。
【請求項７】
少なくとも一つの圧電基板又は電歪基板が付着された弾性体基板と、前記弾性体基板又は前記弾性体基板に付着された前記圧電基板又は電歪基板上に固定される移動軸と、前記移動軸に沿い、移動可能に形成された移動体とを備える圧電／電歪超音波リニアモータの駆動方法において、
（ａ）前記圧電基板又は、電歪基板の両面に設けられた電極に、第１の期間の間に第１の電圧から第２の電圧に変化する電圧を印加する段階と、
（ｂ）前記（ａ）段階後、前記圧電基板又は電歪基板の両面に設けられた電極に、第２の期間の間に第２の電圧から第１の電圧に変換する電圧を印加する段階とを有し、
前記段階（ａ）又は段階（ｂ）の間に、前記圧電基板又は電歪基板の変位に連動し振動する前記移動軸と前記移動体との間の摩擦力よりも前記移動体の慣性が大きい場合、前記移動体が前記移動軸の軸方向に沿い移動することを特徴とする圧電／電歪超音波リニアモータの駆動方法。
【請求項８】
前記段階（ａ）及び、段階（ｂ）を反復することを特徴とする請求項７に記載の圧電／電歪超音波リニアモータの駆動方法。
【請求項９】
前記第１の期間が、第２の期間より長いことを特徴とする請求項７に記載の圧電／電歪超音波リニアモータの駆動方法。
【請求項１０】
前記第１の期間が、第２の期間より短いことを特徴とする請求項７に記載の圧電／電歪超音波リニアモータの駆動方法。
【請求項１１】
前記第２の期間の間に、
前記移動体が、移動軸との摩擦力よりも前記移動体の慣性が大きいため、前記移動軸の軸方向に沿い、移動することを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか一項に記載の圧電／電歪超音波リニアモータの駆動方法。
【請求項１２】
前記第１の期間の間に、
前記移動体が、移動軸との摩擦力よりも前記移動体の慣性が大きいため、前記移動軸の軸方向に沿い、移動することを特徴とする請求項７、請求項８又は請求項１０のいずれか一項に記載の圧電／電歪超音波リニアモータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話機やＰＤＡなどのカメラレンズ駆動用として、搭載可能な小型圧電／電歪超音波リニアモータに関するものである。圧電基板又は電歪基板を弾性体２０(金属)に付着した単一又は二重（ｕｎｉ又はｂｉｍｏｒｐｈ）形態に移動軸を付着し、移動軸３０に搭載された移動体４０が圧電基板又は電歪基板の屈曲振動により線形的に動くもので、製造工程が簡単で基本原理に基づく応用が容易であり、また特性の優れた小型圧電／電歪超音波リニアモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機やＰＤＡなどのカメラレンズ駆動用として、搭載可能な超小型電磁系モータ（Ｓｔｅｐｐｉｎｇ Ｍｏｔｏｒ）において、速い回転を直線運動に変換するために減速ギアとカム（ｃａｍ）を使用する必要があり、正回転又は逆回転する際に、バックラッシュ（ｂａｃｋｌａｓｈ）が発生し誤差が生じ、電力消耗が大きいため使用に制限がある。また、このような電磁系駆動モータは、高い電流と熱発生などの短所がある。
【０００３】
一般に、圧電／電歪基板を用いたリニアモータは、屈曲波（ｆｌｅｘｕｒａｌ ｗａｖｅ）により発生した進行波で駆動する方法と、縦振動（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）と横振動（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）アクチュエータを結合し、垂直と水平振動を反復し発生させ移動子を駆動する定在波型方法などが知られている。定在波型（ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ ｔｙｐｅ）リニアモータの基本形態は、互いに異なる動作モードを有する振動子を結合し発生する複数振動を利用するもので、垂直方向と水平方向に振動する圧電／電歪アクチュエータと、動作する移動体に機械的変位を伝達する接触部とで構成されている。圧電振動子の縦振動は、移動子と接触している振動部分(接触部)に伝達され、移動子と接触部分の摩擦により移動体が駆動することになる。このような振動伝達方法としては、様々な方法が提案されているが、連続駆動時の摩耗などにより一定の振動振幅を確保することが難しく、実用化に問題点がある。
【０００４】
本発明の望ましい実施例を通し詳細に説明する前に、本発明についての理解を深めるため本発明に適用された基本原理である、圧電効果とそれによる振動理論について説明する。
【０００５】
圧電効果とは、結晶体が圧力を受け結晶体内に電荷が発生したり、逆に結晶体に電界を加える時に機械的変形を起こすことを言う。このような圧電効果を発現する圧電基板１０は、分極方向と電界方向に沿い収縮と膨張の機械的変位を有することを特徴とする。
【０００６】
図１は、電界と分極方向による圧電基板１０の変形を示す。
【０００７】
図１（ａ）には、一方向に分極された圧電基板１０に電界を印加した際の変位形態を示している。圧電基板１０の分極方向と電界方向が同じ一である場合には、圧電基板１０のｚ方向に膨張が生じ、ポワソン比（ｐｏｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ）によりｘ移動軸方向には収縮が生じ、分極方向と電界方向が逆である場合には、圧電基板１０のｚ方向に収縮すると同時にｘ軸方向には膨張が生じる。
【０００８】
図１（ｂ）は、圧電基板１０と弾性体２０が結合した際の変位形態を示す。圧電基板１０は、図１（ａ）のような変位形態を示し、圧電基板１０に付着されている弾性体２０は、圧電基板１０の収縮と膨張により屈曲変位を生ずる。
【０００９】
図１（ｂ）の点線部分は、圧電基板１０がｚ方向に膨脹するときの弾性体２０の屈曲形態を示す。このような屈曲変位は、圧電基板１０の膨張と弾性体２０の固定端２５が固定された状態により、弾性体２０が動くことに起因する。
【００１０】
図１（ｃ）は、圧電基板１０のｘ方向への膨張することにより、弾性体２０のｚ方向への屈曲変形が生ずる形態を示す。図１（ｂ）のような変位状態のものが、瞬間的に電界方向を変えると、圧電基板１０の変位形態が変化し、瞬間的な加速力とｘ方向への膨張により、弾性体２０がｚ方向へ屈曲変位を生ずる。
【００１１】
以上、圧電基板に電界を印加した際の屈曲変位の理論について説明したが、圧電基板ではなく電歪基板を用いた場合においても、圧電基板の場合と同様な屈曲変位が生じる。電歪現象とは、電歪物質に電界を印加したときの機械的な変形、つまり歪曲が生じる現象を言い、前記図１において、圧電基板の代りに電歪基板を用いる場合にも同一形態の屈曲変位現象が生じる。
【００１２】
このように、本発明では、前記圧電基板及び電歪基板を用いて屈曲変位を生じさせ、これを線形的な変位に変換するリニアモータの開発について開示する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、前記のような問題点を解決するために発明されたものであり、その目的は、携帯電話機やＰＤＡなどのカメラレンズ駆動用として搭載可能な小型圧電／電歪超音波リニアモータに関するもので、超音波領域のパルス形態の電圧を印加することにより、正線形運動又は逆線形運動と印加する電圧の周期に応じ精密な位置調整が可能であり、製造工程が容易で、且つ簡単な構造の小型圧電／電歪超音波リニアモータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の圧電基板又は電歪基板１０は、単結晶、多結晶セラミックス、高分子などの材質の圧電基板又は電歪基板１０として、圧電基板の場合には、基板の厚さ方向に分極して使用することができる。前記弾性体２０は、一定の厚さを有する弾性体が望ましく、本発明ではリン青銅材質を使用した。移動軸が前記弾性体２０に設けられる際、中央部に移動軸３０が挿入できるようにホール（ｈｏｌｅ）を形成することもできる。
【００１５】
図１に示すように、圧電基板又は電歪基板１０と弾性体２０が付着された状態で電界が印加されると、圧電基板又は電歪基板１０と弾性体２０の屈曲振動が移動軸に伝達され移動体４０がリニア運動をすることになる。このとき、移動体４０の変位原理は、一般の物理現象を利用したもので、慣性の法則を利用した。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように構成された本発明による小型圧電基板リニアモータは、弾性体２０と圧電基板又は電歪基板１０を備えたユニ又は、バイモルフ（ｕｎｉ−、ｂｉ−ｍｏｒｐｈ）の屈曲運動を駆動源として、移動軸３０に搭載された移動体４０が動くことに関するものであり、製造工程が簡単で基本原理に基づく応用が容易であり、また、特性の優れた小型圧電／電歪リニアモータを提供することができる。さらに、本発明は、実際適用されるモータの大きさに比べ推力に優れており、速い動作速度と安定した駆動を有する小型圧電／電歪リニアモータに関するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施例を添付図を参照し、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が、容易に実施できるよう詳細に説明する。
【００１８】
図２は、移動軸３０に移動体４０が装着され駆動されるメカニズムを示す。図３は、圧電基板又は電歪基板１０に印加される入力パルスを示すもので、反復する鋸歯状パルス（ｓａｗ ｔｏｏｔｈ ｐｕｌｓｅ）を駆動パルスとして使用する。
【００１９】
図２に示されていないが、図示された移動軸３０の左側に圧電基板又は電歪基板１０と弾性体２０が、図１で説明した通りに設置されていると仮定し、図３のような鋸歯状パルス波を駆動波として入力した際の、移動軸３０の動きによる移動体４０の動きを検討する。
【００２０】
図２（ａ）と図３のａ：開始段階である。移動体４０は、左端の移動軸３０からＳａ地点に位置することになる。
【００２１】
図２（ｂ）と図３のａ−ｂ：図３の鋸歯状パルス波の１ｓｔｅｐ区間の電圧が増加する鋸歯状波の傾斜部分、つまり、パルス波ａからｂが入力される区間では、移動軸３０と共に移動体４０がｘ軸方向に線形的に大きさＡ（Ｓａ＝Ｓｂ）だけ移動する。
【００２２】
図２（ｃ）と図３のｂ−ｃ：図３の鋸歯状パルス波の電圧がｂからｃに変化され、電圧が０となる瞬間に圧電基板又は電歪基板に印加される電圧が０となる。この時、図２（ｃ）の移動軸３０は、弾性体の復元により瞬間的に左へ距離２Ａだけ移動する。瞬間的に移動軸３０が左へ動くことにより、重さのある移動体４０は慣性の法則によりＳｃの位置で止まり、移動軸３０のみ左側方向に移動することになる。（Ｓｃ＞Ｓｂ）
【００２３】
図２（ｄ）と図３のｃ−ｄ：移動軸３０は再び移動体４０と共に、ｘ軸方向に線形的に２Ａの距離だけ移動する。（Ｓｃ＝Ｓｄ）
【００２４】
図２（ｅ）と図３のｄ−ｅ：ｂ−ｃと同じ形態の動きを有する。（Ｓｅ＞Ｓｄ）
【００２５】
図２（ｆ）と図３のｅ−ｆ：ｃ−ｄと同じ形態の動きを有する。（Ｓｆ＝Ｓｅ）
【００２６】
以上のように、圧電基板又は電歪基板に入力される鋸歯状パルス波の駆動により、弾性体の弾性作用と共に、慣性の法則により移動体が移動することになる。このような変位は、圧電基板又は電歪基板１０により発生し、ユニ（ｕｎｉ−）モルフ又はバイモルフ（ｂｉ−ｍｏｒｐｈ）つまり、単一基板又は二重基板構造において屈曲運動が発生し、移動軸３０に伝達され連続的に変位が生じる。このような原理を利用し、移動体４０を左軸の端部から右軸の端部まで移動することになる。
【００２７】
このような原理を利用し、図３の鋸歯状パルス（Ｓａｗ ｔｏｏｔｈ ｐｕｌｓｅ）の方向を変え移動軸３０に変位が伝達されると、移動体４０の方向が変わり、移動体４０が移動軸３０の左端部から右端部まで移動可能となるよう移動体４０の方向を制御することができる。本モータの発明は、前述した通り慣性の法則を原理とし提供される。
【００２８】
上記した目的を達成するための本発明の基本的な構造は、圧電基板又は電歪基板１０、移動体４０、移動軸３０、弾性体２０からなることを特徴とする。またこの基本的な構成を応用し、本発明において実施例として提示する三つの構造など、様々な形態の小型圧電／電歪超音波リニアモータを開発した。
【００２９】
図４、図５、図６は、前記基本構成に基づく三つの形態の構造を有する小型圧電／電歪リニアモータの実施例を示す。
【００３０】
図４は、本発明の第１の実施例とし、圧電基板又は電歪基板１０、弾性体２０、移動体４０で構成される。圧電基板又は電歪基板１０と弾性体２０は、円板（ｄｉｓｋ）状を有するユニモルフ（ｕｎｉｍｏｒｐｈ）であり、弾性体２０は圧電基板又は電歪基板１０から伝達される振動が、損失なしに直接伝達され、動作可能な一定の厚さを持つ弾性特性に優れた金属物質であれば良く、本発明の実施例ではリン青銅を使用し作製した。前記移動軸３０が前記弾性体に直接付着される場合には、移動軸を支持するための突出部３５を設けることもできる。
圧電／電歪基板が単層のユニモルフである場合、図３（ａ）のように、圧電基板又は電歪基板と移動軸が弾性体の反対側に設けられたり、或いは前記移動軸が圧電基板又は、電歪基板と同じ側に設けられることもある。前記移動軸は、前記圧電基板又は電歪基板と弾性体の中心部に設けられたとき、最も大きい変位が得られるため効率が良い。
【００３１】
図４に示すように、前記移動軸は、圧電／電歪基板の付着面の反対面の弾性体に付着することもでき、図５に示すように、圧電／電歪基板が付着された面の弾性体に直接付着設置する場合には、圧電基板又は電歪基板は、移動軸が付着された領域以外の領域に付着するができる。
【００３２】
ここで、圧電基板１０は厚さ方向に分極し使用することができ、入力される鋸歯状パルス波に従い、円板（ｄｉｓｋ）状の圧電基板又は電歪基板１０の外径から内径方向に、或いは内径から外径方向に振動が発生し、ユニモルフ（ｕｎｉｍｏｒｐｈ）屈曲運動をするようになる。
【００３３】
図４の第１の実施例では、弾性体２０の一方面に圧電基板又は電歪基板１０を付着し、弾性体２０の他方面の中央にホール（ｈｏｌｅ）を形成し移動軸３０を付着させ、前記弾性体が固定されるように弾性体の外径を圧電基板又は電歪基板１０より大きくした。前記弾性体２０の外側に固定端２５が設けられており、前記固定端は、前記モータを固定して設置するために形成されたもので、圧電基板又は電歪基板１０の振動によりモータが動かないよう固定する役割を果たす。
【００３４】
移動軸３０は、弾性体２０と圧電基板又は電歪基板１０が締結された二重構造のバイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈ）の重さより約数倍軽くなければならず、圧電基板及び電歪基板において発生した振動が効果的に伝達されるよう構成され、また前記移動軸上に設けられた移動体が、移動軸上を移動可能なように作製される。本発明では、前記移動軸として中が空洞の中空軸を用いて作製した。圧電基板又は電歪基板１０の両側電極には、鋸歯状パルス電圧源(Ｕ)を接続し駆動波を入力するようにした。
【００３５】
図５は本発明の第２の実施例として、ここに示したモータは、圧電基板又は電歪基板を二つ使用したバイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈ）により、電圧値を低下させることができる形態で、モータの寿命を延ばすよう作製された。ここで使用された圧電基板は、厚さ方向に分極し使用することができ、上部と下部に付着する圧電基板の分極方向を適切に調節し、発生した振動が最大になるように設置する。また、圧電基板又は電歪基板１０の上下部の電極に鋸歯状パルス（ｓａｗ ｔｏｏｔｈ ｐｕｌｓｅ）を印加し、弾性体２０に接地を接続し駆動する。この場合にも、前記移動軸３０と同一側に付着される圧電基板又は電歪基板は、移動軸が前記弾性体に付着する場合、その付着面以外の領域に付着するように形成し、移動軸を前記圧電基板又は電歪基板の上部に付着し形成することもできる。
【００３６】
図６は本発明の第３の実施例として、ここに示したモータは、弾性体と圧電基板又は電歪基板が円板（ｄｉｓｋ）状ではない四角形状に形成された。一方向の大きさに制約がある構造に適用することができる。弾性体２０と圧電基板又は、電歪基板１０から構成された四角形状ａｘｂの大きさを持つユニモルフ（ｕｎｉｍｏｒｐｈ）が屈曲運動をしモータが動作する。この場合にも図５のように、バイモルフに形成しても良く、その構造は図６で説明したのと同様の方法で作製することができる。  
【００３７】
このように、圧電基板又は電歪基板及び弾性体の形態を圧電／電歪超音波リニアモータが適用される装置に適するよう形態を調整することができ、本発明にて提示した円形状や四角形状以外にも様々な形態に作製可能である。
【００３８】
図７には、移動軸３０に搭載される移動体４０の一実施例が示されている。前記移動体４０は、前記圧電基板又は電歪基板に印加された波形により弾性体と結合し振動が発生すると、その振動が前記移動軸に伝達され、前記移動軸上で前記移動体が移動し、圧電基板又は電歪基板の振動により発生した変位を移動体の線形移動に変換する働きをする。
【００３９】
前記図７に示した移動体の構造は、本発明のー実施例であり、前記移動軸３０上で移動軸と一定の摩擦力を維持でき、一定の質量で本発明の慣性の法則が適用される構造であれば、移動体４０として適合する。
【００４０】
よって、一定の重量を有する金属体又は重量のある物質で、前記移動軸に密着し移動軸と密着する面で一定の摩擦力を有するように形成された、単一体の移動体を使用することが望ましい。
【００４１】
移動体は、移動軸の表面に密着し摩擦力を維持するため、移動軸の表面の少なくとも一部を囲むように構成されており、望ましくは、前記移動軸に挿入される構造を有するように形成することが望ましい。また、前記移動体４０は摩擦力を有し、ある程度の重さを持ち慣性の法則により移動可能に形成する必要がある。
【００４２】
図７に示すように、移動軸と直接接触し一定の摩擦力を維持するために摩擦材４２を有しており、前記摩擦材４２の外部に摩擦材の一部を囲むように形成され、一定の質量を持つ金属材料からなる重量材４４が形成されることができる。前記重量材４４と摩擦材の堅固な結合のため、前記重量材を囲むように形成された弾性体スプリングを用い、前記重量材を締めることのできるスプリング４６を、前記重量材の外側に設置することができる。
【００４３】
図７に示すように、移動体は移動軸に密着する部分に摩擦材、摩擦材の外側に囲むように形成された、質量を有する金属体を含んでなる二つの半円筒状に形成されることができ、これらは前記移動軸に設置される際に、前記スプリングにより締められる。
【００４４】
前記移動体４０が移動軸３０に搭載される際に、最適の圧搾力を有するとき、性能に優れたモータ運動が得られる。圧搾力を有する前記スプリング４６を設け、移動子と移動軸３０との間に最適の圧搾力を与えることになる。
【００４５】
前記摩擦材は非金属性ブレーキ材を使用して形成し、重量材は重い金属材を使用して形成した。
【００４６】
図８には、モータの移動軸３０に搭載された移動体４０とユニモルフ又はバイモルフの動作が示されている。両側端が固定されているユニモルフ又は、バイモルフ（ｕｎｉ−、ｂｉ−ｍｏｒｐｈ）の屈曲運動による移動軸３０の動きと、それに従う移動体４０の動きを示す。このようなユニモルフ又は、バイモルフ（ｕｎｉ−、ｂｉ−ｍｏｒｐｈ）の変位により移動体４０が移動することを確認できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る圧電基板又は、電歪基板１０と弾性体２０の屈曲変形の原理を示す。
【図２】本発明に係る小型圧電／電歪超音波リニアモータの原理を示す。
【図３】本発明の小型圧電／電歪超音波リニアモータ駆動のための鋸歯状パルス波である。
【図４】本発明の小型圧電／電歪超音波リニアモータの第１の実施例の構造である。
【図５】本発明の小型圧電／電歪超音波リニアモータの第２の実施例の構造である。
【図６】本発明の小型圧電／電歪超音波リニアモータの第３の実施例の正面図及び、側面図である。
【図７】本発明の小型圧電／電歪超音波リニアモータの移動体４０の構造である。
【図８】本発明の小型圧電／電歪超音波リニアモータの移動体４０と、固定子の運動の原理を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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