JP5221365B2 - 超音波リードスクリューモーターを含む機構 - Google Patents
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Description
ねじ山付きシャフトおよびそれと係合したナットを含む小型超音波リニアモーターアセンブリを含む撮像素子。
本出願は、2004年9月13日に出願された本出願人の同時係属出願である米国特許出願第10/918,041号(そしてこれは2003年9月8日に出願された米国特許出願第10/657,325号の一部継続出願である)の一部継続出願である、2005年6月14日に出願された米国特許出願第11/152,805号の一部継続出願である。前述の特許出願の各内容は、参照により本明細書に組み入れられる。
圧電・電歪、静電または電磁技術を使用する変換器は、ナノメートルスケールでの精密な位置決めに非常に有用である。圧電素子の場合、セラミックスがコンデンサに形成され、このコンデンサが、充電され、放電するとき、形を変えて力変換器または位置アクチュエータを形成する。位置アクチュエータとして使用される場合、圧電セラミックスの形状変化は概ね印加電圧に比例する。圧電アクチュエータは、数十マイクロメートルの一般的なストローク長に相当する、セラミックスの長さの約0.1%までの範囲に限定される。高剛性およびナノメートル精度の圧電アクチュエータは非常に有用であるが、多くの用途にはより大きなストロークが求められる。
本発明にしたがって、ねじ山付きシャフトアセンブリを駆動するための少なくとも1つの装置に接続された、焦点調節およびズームのための光学要素を含み、ねじ山付きシャフトアセンブリを駆動するための少なくとも1つの装置が、ねじ山付きシャフトおよびそれと係合したナットを含む、光学アセンブリが提供される。アセンブリは、該ナットを超音波振動に供し、それによって該シャフトを回転させて軸方向に平行移動させるための手段を含む。アセンブリはまた、該シャフトに軸力を加えるための手段を含む。
本明細書の最初の部分では、本出願人は、小型超音波リニアモーターを記載する。本明細書の第二の部分では、本出願人は、そのようなモーターに接続された光学素子を含む光学アセンブリを記載する。
ωr = 1/SQRT(LC)
XL = Lωr; XC = 1/(Cωr)
Q = XL/R = XC/R
振幅 = 4/π[sin(ωrt)+1/3sin(3ωrt)+1/5sin(5ωrt)+1/7sin(7ωrt).....]
Vout = VIN Q 4/π
Vout = Vin Q 4/π sin(デューティ・サイクル π)
誤差 = 設定値 - 現在位置
誤差変化 = 誤差 - 直前誤差
誤差の和 = 誤差の和 + 誤差
最終誤差 = 誤差
振幅 = KP*誤差 + KD*誤差変化 + KI*誤差の和
ここで、振幅は、要求された出力駆動振幅であり、
KPは比例係数であり、
KDは微分係数であり、
KIは積分係数である。
Claims (45)
- 焦点調節用口径を有する光学焦点アセンブリ、光学的口径を有する光学ズームアセンブリ、および、それと係合した第1および第2のねじ山付きナット、第1ならびに第2の軸方向および長さを有する第1および第2のねじ山付きシャフトを含む、ねじ山付きシャフトアセンブリを駆動するための装置であって、該ねじ山付きシャフトアセンブリが、第1および第2のねじ山付きナットを超音波振動に供し、それによって第1および第2のねじ山付きシャフトを回転させ、かつ第1および第2のねじ山付きナットをねじ山付きシャフトの長さの部分にわたって第1および第2の軸方向に平行移動させるための手段を含み、該口径のそれぞれが、光軸が該口径の両方を通過するように構成され、第1のねじ山付きシャフトは第2のねじ山付きシャフトに隣接して整列され光軸に対して平行である、装置。
- 第1および第2のねじ山付きシャフトの回転が少なくとも360°まで起こる、請求項1記載の装置。
- 各ねじ山付きナットの、軌道サイクルごとの軸方向の平行移動が、超音波振動の任意の単一の振幅の振幅値に比例した距離にわたって起こる、請求項1記載の装置。
- 荷重が各ねじ山付きナットに接続している、請求項3記載の装置。
- 各ねじ山付きナットが第1の振動共振を有する節点を有し、かつ荷重が節点でねじ山付きナットに接続している、請求項4記載の装置。
- 各ねじ山付きナットが、各ねじ山付きシャフトに係合したねじ山付き部位と、ねじ山付きシャフトに係合しない過大部位とを含む、請求項5記載の装置。
- 過大部位が節点に位置づけられている、請求項6記載の装置。
- 荷重がプリント回路基板を含む、請求項5記載の装置。
- プリント回路基板が、超音波振動を発生させるための手段に接続されている、請求項8記載の装置。
- 超音波振動を発生させるための手段が、第1の方向に超音波振動を発生させるための第1の圧電プレート、および第2の方向に超音波振動を発生させるための第2の圧電プレートを含む、請求項9記載の装置。
- 第1の方向と第2の方向とが直交する、請求項10記載の装置。
- プリント回路基板が、第1の方向に超音波振動を発生させるための第3の圧電プレート、および第2の方向に超音波振動を発生させるための第4の圧電プレートをさらに含む、請求項11記載の装置。
- 荷重が、光学焦点レンズおよび光学ズームレンズからなる群より選択されるレンズをさらに含む、請求項8記載の装置。
- 超音波振動を発生させるための超可聴音発生装置をさらに含む、請求項3記載の装置。
- 超可聴音発生装置が、第1のパルス幅変調信号および第2のパルス幅変調信号を発生させるためのマイクロコントローラをさらに含む、請求項14記載の装置。
- 長さに沿ってねじ山付きナットの位置を感知するための位置センサー、および、ねじ山付きナットの位置をマイクロコントローラに伝達するための、位置センサーとマイクロコントローラとの間の電気接続をさらに含む、請求項15記載の装置。
- マイクロコントローラが、伝達に応じて第1および第2のパルス幅変調信号を改変する、請求項16記載の装置。
- 第1のパルス幅変調信号が、第2のパルス幅変調信号に対して約90°位相がずれている、請求項15記載の装置。
- 超音波発生装置が回路共振周波数を有する直列共振回路をさらに含み、第1および第2のパルス幅変調信号が方形信号(square signal)であり、かつ入力周波数を有し、ねじ山付きナットが機械的共振周波数を有し、回路共振周波数が入力周波数と実質的に同等であり、入力周波数が機械的共振周波数と実質的に同等である、請求項15記載の装置。
- 共振回路がコンデンサを含み、超可聴音発生装置が圧電プレートを含み、圧電プレートがコンデンサとして機能する、請求項19記載の装置。
- 超可聴音発生装置が、圧電プレートと並列に配置されたパディングコンデンサをさらに含む、請求項20記載の装置。
- パディングコンデンサがパディングキャパシタンスを有し、圧電プレートが圧電キャパシタンスを有し、パディングキャパシタンスの圧電キャパシタンスに対する比率が約2である、請求項21記載の装置。
- 第1および第2のパルス幅変調信号が、共振回路によって方形信号から第1および第2の正弦波信号へと変換される、請求項20記載の装置。
- 第1および第2のパルス幅変調信号が第1の電圧を有し、第1および第2の正弦波信号が第2の電圧を有し、第2の電圧が第1の電圧よりも大きくなるように電圧増幅器をさらに含む、請求項23記載の装置。
- 第1のパルス幅変調信号が第2のパルス幅変調信号に先行する場合に、ねじ山付きナットがねじ山付きシャフトの第1の末端に向かって軸方向に平行移動し、かつ、第2のパルス幅変調信号が第1のパルス幅変調信号に先行する場合に、ねじ山付きナットがねじ山付きシャフトの第1の末端から離れて軸方向に平行移動する、請求項15記載の装置。
- 第1および第2のパルス幅変調信号が第1の電圧ピークおよび第2の電圧ピークを含み、第1の電圧ピークが第2の電圧ピークとは異なるデューティ・サイクルを有する、請求項15記載の装置。
- 第1および第2のパルス幅変調信号が一定のデューティ・サイクルで作動し、第1および第2のパルス幅変調信号が複数の電圧ピークを含み、複数の電圧ピークがオン持続時間にはオンでオフ持続時間にはオフであり、オン持続時間とオフ持続時間の和が間隔と等しく、間隔が実質的に一定であり、オン持続時間を間隔で割った比率が0〜1の間で変動する、請求項15記載の装置。
- 第1のパルス幅変調信号が、約0〜約0.5のデューティ・サイクルを有する、請求項20記載の装置。
- 第1および第2の正弦波信号が振幅を有し、長さにわたって平行移動しているねじ山付きナットの速度が振幅によって制御される、請求項23記載の装置。
- (a)第1のねじ山付きナット、および、それと係合した、第1の軸方向および長さを有する第1のねじ山付きシャフトを含み、第1のねじ山付きナットを超音波振動に供し、それによって第1のねじ山付きシャフトを回転させ、かつ第1のねじ山付きナットを第1のねじ山付きシャフトの長さの部分にわたって第1の軸方向に平行移動させるための手段を含む、第1のねじ山付きナットに接続された光学焦点アセンブリ、
(b)第2のねじ山付きナット、および、それと係合した、第2の軸方向および長さを有する第2のねじ山付きシャフトを含み、第2のねじ山付きナットを超音波振動に供し、それによって第2のねじ山付きシャフトを回転させ、かつ第2のねじ山付きナットを第2のねじ山付きシャフトの長さの部分にわたって第2の軸方向に平行移動させるための手段を含む、第2のねじ山付きナットに接続された光学ズームアセンブリ
を含む、ねじ山付きシャフトアセンブリを駆動するための装置であって、
第1のねじ山付きナットが、第1のプリント回路基板を介して光学焦点アセンブリに接続され、第2のねじ山付きナットが、第2のプリント回路基板を介して光学ズームアセンブリに接続されている、装置。 - 第1のプリント回路基板および第2のプリント回路基板が、超音波振動を発生させるための手段に接続されている、請求項30記載の装置。
- 光学焦点アセンブリが焦点レンズを含み、光学ズームアセンブリがズームレンズを含み、光軸が両レンズを通過するように焦点レンズおよびズームレンズが構成される、請求項31記載の装置。
- 光学焦点アセンブリが第1のリニアガイドを含み、光学ズームアセンブリが第2のリニアガイドを含み、第1および第2のリニアガイドが光軸と平行である、請求項32記載の装置。
- 第1のリニアガイド、第2のリニアガイド、第1の回転軸、および第2の回転軸が全て同一平面上にある、請求項33記載の装置。
- 第1のねじ山付きシャフトが、第2のねじ山付きシャフトと一直線上にある、請求項32記載の装置。
- 第1のねじ山付きシャフトおよび第2のねじ山付きシャフトがばねの内側に配置され、かつ、ばねと同軸であり、力が各回路基板に適用されるようにばねが第1のプリント回路基板および第2のプリント回路基板に接続されている、ばねをさらに含む請求項35記載の装置。
- 第1のねじ山付きナットの第1の軸方向への平行移動により、光学焦点アセンブリの第1の軸方向への平行移動を生じ、これにより光学焦点アセンブリを調整する、請求項36記載の装置。
- 第2のねじ山付きナットの第2の軸方向への平行移動により、光学ズームアセンブリの第2の軸方向への平行移動を生じ、これにより光学ズームアセンブリを調整する、請求項36記載の装置。
- (a)第1のねじ山付きナット、および、それと係合した、第1の軸方向および長さを有する第1のねじ山付きシャフトを含み、第1のねじ山付きナットを超音波振動に供し、それによって第1のねじ山付きシャフトを第1の軸の周りで回転させ、かつ第1のねじ山付きナットを第1のねじ山付きシャフトの長さの部分にわたって第1の軸方向に平行移動させるための手段を含み、第1のプリント回路基板を介して第1のねじ山付きナットに接続されており、軌道サイクルごとの第1の軸方向の平行移動が超音波振動の任意の単一の振幅の振幅値に比例した距離にわたって起こる、光学焦点アセンブリ、
(b)第2のねじ山付きナット、および、それと係合した、第2の軸方向および長さを有する第2のねじ山付きシャフトを含み、第2のねじ山付きナットを超音波振動に供し、それによって第2のねじ山付きシャフトを第2の軸の周りで回転させ、かつ第2のねじ山付きナットを第2のねじ山付きシャフトの長さの部分にわたって第2の軸方向に平行移動させるための手段を含み、第2のプリント回路基板を介して第2のねじ山付きナットに接続されており、軌道サイクルごとの第2の軸方向の平行移動が超音波振動の任意の単一の振幅の振幅値に比例した距離にわたって起こる、光学ズームアセンブリ
を含み、
第1のプリント回路基板が、第1の方向に超音波振動を発生させるための第1の圧電プレート、および第2の方向に超音波振動を発生させるための第2の圧電プレート、第1の方向に超音波振動を発生させるための第3の圧電プレート、および第2の方向に超音波振動を発生させるための第4の圧電プレートを含み、第1の方向および第2の方向が直交する、
ねじ山付きシャフトアセンブリを駆動するための装置。 - 第1のプリント回路基板および第2のプリント回路基板が硬質プリント回路基板である、請求項39記載の装置。
- 第1のプリント回路基板および第2のプリント回路基板がフレキシブルプリント回路基板である、請求項39記載の装置。
- 第1のプリント回路基板および第2のプリント回路基板が絶縁材料の層を含む、請求項39記載の装置。
- 絶縁材料の層が、ガラス-エポキシ、セラミック、ポリテトラフルオロエチレン、およびそれらの組み合わせからなる群より選択される絶縁体を含む、請求項42記載の装置。
- カメラの内部に配置される、請求項39記載の装置。
- 携帯電話、無線電話、および携帯情報端末からなる群より選択されるデバイスの内部にカメラが配置される、請求項44記載の装置。
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