JP2007049897A - 固定子及びこれを利用したセラミックスチューブ型超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波モータの弾性体の材質を金属材質から耐摩耗性が良好なセラミックス材質に変更することによって、摩擦により発生する摩耗分を最小化し、一定の動作特性を確保し、かつモジュールの部品数を減少できる、固定子、及びこれを利用したセラミックスチューブ型超音波モータを提供する。
【解決手段】セラミックスチューブ型超音波モータ１００は、セラミックス材質で形成されたチューブ型の弾性体１１１と、該弾性体の外周面に長さ方向に取り付けられ、所定の位相差を有する電圧が各々印加される複数の圧電振動板１１２と、を備えた固定子１１０と、前記複数の圧電振動板に印加された電圧により屈曲振動する前記弾性体との摩擦により回転する回転子１２０とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固定子及びこれを利用したセラミックスチューブ型超音波モータに関するものである。

最近、情報社会の急速な発達につれて、より速くて精密な電子及び光学機器の必要性が台頭する中で、特に、携帯用モバイルアプリケーション製品は一般消費者の関心を反映するように、毎年、市場性が高まっている。これらのうち、カメラを装着した携帯電話は、センサの画素数の増加にしたがい、自動焦点及び光学ズームなどのデジタルカメラの機能を採択する傾向にあり、関連業界では、市場先占のため、競争的に開発に集中している。

このような高画素の携帯電話用カメラモジュールの駆動機構には、ステッピングモータ、ＶＣＭ及び圧電超音波モータが代表的であり、この中で、圧電超音波モータは、圧電セラミックスに電気を印加した際に発生する収縮と膨脹などの単純振動を、固定子と移動子（回転子）との間の摩擦により円状又は線型運動に変えて回転モータ機能を可能にするもので、電磁気駆動モータに比べて、高いエネルギー密度、速い応答速度、高い位置精度及びオフパワーホールド（Ｏｆｆ−ｐｏｗｅｒ ｈｏｌｄｉｎｇ）機能のみならず、動作時に騷音がなく、かつ電磁波の影響がないというなどの長所がある。

携帯電話用カメラモジュールのレンズ駆動のための駆動装置の通常の特性を要約すれば、以下の表１の通りである。

一方、このような摩擦駆動方式である圧電超音波モータの性能は、弾性体と圧電セラミックスからなる固定子及び移動子（回転子）の材質により影響を受け、特に、固定子のうち、弾性体を選択するときには、加工の容易性と耐摩耗性が考慮されなければならない。

１９８０年、Ｔ．Ｓａｓｈｉｄａにより発表された圧電超音波モータは、最も代表的なモータであって、圧電セラミックスの変位を拡大させるために、鋸の歯状の金属（黄銅系）を弾性体の材質として用いている。しかしながら、こういう圧電超音波モータにおいては、回転子との摩擦により圧電超音波モータの特性低下、駆動周波数変移などの問題があり、特に、カメラモジュールにおいて致命的な異物が発生することから、これを最小化するために、硬度の高い物質を固定子と移動子との間に取り付けるか、又はコーティングする等の努力が続いている。

本発明のようなチューブ型圧電超音波モータに対する従来の技術として、特許文献１に開示された「Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｌｅａｄ ｓｃｒｅｗ ｍｏｔｏｒ」と、１９８９年、非特許文献１に開示された「Ａｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｍｏｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｈｏｒｔ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ」などを例に挙げることができる。

前記特許文献１に開示された圧電アクチュエータは、本発明の弾性体に相当する金属材質のハウジングに、圧電セラミックスを取り付けるか、又は圧電セラミックスをチューブ状に製作し、その外周に電極を形成した構成を含んでいる。しかしながら、前記ハウジングは、上述のように、金属材質の弾性体をチューブ状にしたため、摩耗などの問題があり、また圧電セラミックスでチューブを製作する場合、製作上の困難性と圧電セラミックスの低い摩擦係数と弱い機械的強度により、回転子に駆動力を效率的に伝達できないという問題がある。

また、前記非特許文献１に開示された超音波モータは、駆動源として用いられたランジュバン（Ｌａｎｇｅｖｉｎ）振動子が２枚の圧電セラミックスを基準とし、両方に金属体がボルトで固定された構成からなっている。前記金属体は、圧電セラミックスの振動を増幅させるために、ステンレススチールを使用し、黄銅材質の回転子との摩耗を防止するために、摩擦材を挿入した構成からなっている。しかしながら、この場合にも、固定子のうち、弾性体の機能を行う金属体がステンレススチールのような金属材からなっているため、上述の摩耗などの問題が依然として存在する。

米国特許出願公開第２００５／００５２０９８号明細書 アイトリプルイー トランザクションズ オン アルトラソニック、フェロエレクトリック、アンド フリーケンシィ コントロール（超音波、強誘電性および周波数制御に関するＩＥＥＥ報告書）、第３６巻、第５号、第５１７−５２１行１９８９年［"ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ，ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ"，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．５，ｐｐ．５１７−５２１］

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波モータの弾性体の材質を金属材質から耐摩耗性が良好なセラミックス材質に変更することによって、摩擦により発生する摩耗分を最小化し、一定の動作特性を確保し、かつモジュールの部品数を減少できる、固定子、及びこれを利用したセラミックスチューブ型超音波モータを提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明に係る固定子は、セラミックス材質で形成されたチューブ型の弾性体と、前記弾性体の外周面に長さ方向に取り付けられ、所定の位相差を有する電圧が各々印加される複数の圧電振動板とを備える。

ここで、前記圧電振動板は、前記弾性体と同じセラミックス材質で形成されていてもよい。

そして、前記セラミックス材質は、アルミナ又はジルコニアのうちのいずれか１つであることが好ましい。

また、前記弾性体の外周面には、前記圧電振動板が互いに電気的に連結されるように導電性物質がコーティングされていることが好ましい。

また、本発明に係るセラミックスチューブ型超音波モータは、セラミックス材質で形成されたチューブ型の弾性体と、該弾性体の外周面に長さ方向に取り付けられ、所定の位相差を有する電圧が各々印加される複数の圧電振動板と、を備えた固定子と、前記複数の圧電振動板に印加された電圧により屈曲振動する前記弾性体との摩擦により回転する回転子とを備える。

ここで、前記圧電振動板が、前記弾性体と同じセラミックス材質で構成されていてもよい。

そして、前記セラミックス材質が、アルミナ又はジルコニアのうちのいずれか１つであることが好ましい。

また、前記弾性体の外周面には、前記圧電振動板が互いに電気的に連結されるように導電性物質がコーティングされていることが好ましい。

したがって、本発明によれば、前記弾性体の材質を金属材質から耐摩耗性が良好なセラミックス材質に変更することによって、摩擦により発生する摩耗分を最小化し、一定の動作特性を確保し、かつモジュールの部品数を減少できるという効果がある。

また、本発明によれば、チューブ型超音波モータの弾性体を硬度特性が優れているセラミックス材質で製作して、摩擦による摩耗を最小化するとともに、従来の超音波モータと比べて、長さ、部品数及び工数などを減少させ得るという効果がある。

また、本発明は、弾性体の材質としてセラミックス材質を用いるため、金属材質とは異なり、腐食が発生するという問題がなく、圧電セラミックスと類似の熱膨張特性により、熱衝撃、高温動作及び低温動作などの熱的信頼性テストにおいて優れた特性を示す。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づき詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

＜固定子＞
図１は、本発明によるセラミックスチューブ型超音波モータ１００に用いられる固定子１１０の構成を示す斜視図である。

同図に示すように、本発明による固定子１１０は、セラミックス材質からなるチューブ型の弾性体１１１と、該弾性体１１１の外周面に取り付けられ、位相差が異なる電圧が各々印加される複数の圧電振動板１１２とを備える。

まず、固定子１１０のうち、弾性体１１１は、該弾性体１１１の外周面に取り付けられた複数の圧電振動板１１２に印加された電圧により屈曲振動する部分である。このような弾性体１１１は、弾性体１１１の屈曲振動により前記弾性体と接触する前記回転子を摩擦力で所定方向に回転させる機能を果たす。

一方、前記弾性体は、従来の技術とは異なり、耐摩耗性が良好なセラミックス材質からなり、このようなセラミックス材質としては、アルミナ、ジルコニアなどを用いることが好ましい。すなわち、従来の技術では、弾性体の機能を果たす部分が金属材質からなっているが、本発明では、アルミナ、ジルコニアなどの硬度特性が優れているセラミックス材質で弾性体を製作して、摩擦による摩耗を最小化すると共に、長さ、部品の数、製作工数などを減少させることができる。特に、本発明のように、弾性体をセラミックス材質で形成すると、金属材質とは異なり、腐食の問題がなく、また圧電セラミックスと類似の熱膨張特性を持つようになり、熱衝撃、高温動作及び低温動作などの温度と関わる信頼性のテストにおいて優れた特性を示す。

次に、固定子１１０のうち、圧電振動板１１２は、前記弾性体１１１の外周面に取り付けられて、位相差が異なる電圧が各々印加される部分である。このような圧電振動板１１２に電圧を印加すると、前記圧電振動板１１２は前記弾性体１１１を屈曲振動させる機能を果たす。

ここで、前記複数の圧電振動板１１２は、セラミックス材質からなる前記弾性体１１１と同じセラミックス材質で構成され、セラミックス材質として、アルミナ、ジルコニアなどを用いることが好ましい。

前記固定子のうち、弾性体１１１に長さ方向に取り付けられる複数の圧電振動板（ここでは、４つの圧電振動板を例に挙げて説明する）１１２の分極方向は、同じ円周上に位置するように設置し、このとき、それぞれの圧電振動板１１２同士が電気的に互いに連結されるように、前記弾性体１１１の外周面に導電性物質（図示せず）をコーティングする。

後述するが、このような圧電振動板１１２に所定の位相差を有する電圧信号を印加したとき、前記複数の圧電振動板１１２同士がそれぞれ収縮及び膨脹して、前記固定子１１０に屈曲変形を起こすことにより、前記固定子１１０の中心軸に連結される回転子１２０を駆動させるようになる。

一方、下記の表２は、本発明と従来の技術による固定子のうち、弾性体材質に応じる変位をそれぞれシミュレーションした結果を示す。固定子として、長さ７．６ｍｍ、断面部が約２．５ｍｍ×２．５ｍｍのステンレススチールの弾性体（従来の技術；Ａ）と同じ規格のアルミナ弾性体（本発明；Ｂ）を用いており、前記シミュレーションは、実験ソフトウェアとして米国Ｍａｇｓｏｆｔ社製造のＡｔｉｌａ ｖｅｒｓｉｏｎ５．２．２（圧電素子専用有限要素解析プログラム）により行われた。このとき、駆動電圧として１Ｖが印加された。

前記表２から分かるように、たとえ材質により共振周波数に差があっても、前記固定子１１０の両端から発生する最大変位は、ほぼ類似した結果を示している。

＜セラミックスチューブ型超音波モータ＞
図２は、上述の本発明による弾性体を備えたセラミックスチューブ型超音波モータ１００の構成図である。

本発明によるセラミックスチューブ型超音波モータ１００は、同図に示すように、セラミックス材質からなるチューブ型の弾性体１１１と、該弾性体１１１の外周面に取り付けられ、位相差が異なる電圧が各々印加される複数の圧電振動板１１２を備えた固定子１１０と、前記複数の圧電振動板１１２に印加された電圧により屈曲振動する前記弾性体１１１との摩擦により回転する回転子１２０と、を備える。

ここで、上述のように、前記固定子１１０を構成するチューブ型弾性体は、耐摩耗性が良好なセラミックス材質からなっており、このようなセラミックス材質として、アルミナ、ジルコニアなどを用いることが好ましい。また、チューブ型弾性体１１１の外周面に取り付けられる固定子１１０のうち、圧電振動板１１２は、セラミックス材質からなる前記弾性体１１１と同じセラミックス材質で構成され、セラミックス材質として、アルミナ、ジルコニアなどを用いることが好ましい。

一方、回転子１２０は、前記複数の圧電振動板１１２に印加された電圧により屈曲振動する前記弾性体１１１との摩擦により回転する部分であって、前記弾性体１１１の上面及び下面とそれぞれ摩擦する上部摩擦面１２０ａ及び下部摩擦面１２０ｂを備える。また、前記回転子の下部摩擦面１２０ｂが形成される部分、より具体的には前記回転子１２０の下部摩擦面１２０ｂと前記回転子１２０のストッパー１３４との間にスプリング１３１、ウォッシャー１３２及びＥ−リング１３３が順次設置されて、組立体を弾性支持するようになる。

図３は、本発明に係るセラミックスチューブ型超音波モータの固定子１０に電圧を印加する際の屈曲振動動作を説明するための説明図である。

前記セラミックスチューブ型超音波モータ１００の動作を簡略に説明すれば、次の通りである。

すなわち、セラミックス材質からなる前記弾性体１１１に取り付けられた前記４つの圧電振動板１１２に、９０度のような所定の位相差を有する４つの信号をそれぞれ印加すれば、前記４つの圧電振動板１１２は、それぞれ異なる位相差を有する駆動交流電圧によりそれぞれ異なる振動（上下方向に分極方向が相互に異なるコサイン波形の振動：Ａｃｏｓθ、−Ａｃｏｓθ、左右方向に分極方向が相互に異なるサイン波形の変動：Ａｓｉｎθ、−Ａｓｉｎθ、ここにθは初期位相角である）を発生させる。

したがって、前記弾性体１１１（又は固定子１１０）は、前記４つの圧電振動板１１２から発生した振動により、フラフープ（Ｈｕｌａ Ｈｏｏｐ）のような屈曲振動を発生させる。このように、前記固定子１１０から発生した屈曲振動は、前記弾性体１１１と接触している前記回転子１２０を回転させる。

上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。

本発明によるセラミックスチューブ型超音波モータに用いられる固定子の構成を示す斜視図である。 本発明によるセラミックスチューブ型超音波モータの構成を示す斜視図である。 本発明によるセラミックスチューブ型超音波モータの固定子に電圧を印加する際の屈曲振動動作を説明するための説明図である。

符号の説明

１００ セラミックスチューブ型超音波モータ
１１０ 固定子
１１１ 弾性体又はセラミックスチューブ
１１２ 圧電振動板
１２０ 回転子
１２０ａ，１２０ｂ 上部／下部摩擦面
１３１ スプリング
１３２ ウォッシャー
１３３ Ｅ−リング
１３４ ストッパー

Claims (8)

1. セラミックス材質で形成されたチューブ型の弾性体と、
   前記弾性体の外周面に長さ方向に取り付けられ、所定の位相差を有する電圧が各々印加される複数の圧電振動板と
   を備える固定子。
2. 前記圧電振動板は、前記弾性体と同じセラミックス材質で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の固定子。
3. 前記セラミックス材質は、アルミナ又はジルコニアであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固定子。
4. 前記弾性体の外周面には、前記圧電振動板が互いに電気的に連結されるように導電性物質がコーティングされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定子。
5. セラミックス材質で形成されたチューブ型の弾性体と、前記弾性体の外周面に長さ方向に取り付けられ、所定の位相差を有する電圧が各々印加される複数の圧電振動板と、を備えた固定子と、
   前記複数の圧電振動板に印加された電圧により屈曲振動する前記弾性体との摩擦により回転する回転子と、を備えるセラミックスチューブ型超音波モータ。
6. 前記圧電振動板は、前記弾性体と同じセラミックス材質で構成されたことを特徴とする請求項５に記載のセラミックスチューブ型超音波モータ。
7. 前記セラミックス材質は、アルミナ又はジルコニアであることを特徴とする請求項５又は６に記載のセラミックスチューブ型超音波モータ。
8. 前記弾性体の外周面には、前記圧電振動板が互いに電気的に連結されるように導電性物質がコーティングされていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載のセラミックスチューブ型超音波モータ。

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