Method of calculating speed distribution coefficient of impact drive system, method of calculating drive speed, method of fabricating impact drive system, impact drive system, camera module comprising thereof, and mobile electronic device comprising thereof

Abstract

A method of calculating a drive speed of a piezoelectric actuator, the piezoelectric actuator comprising an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order and the driven member being provided on the shaft to be moveable along a longitudinal axis direction of the shaft, wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member, and wherein the piezoelectric element provides a movement of the driven member when a voltage is applied to the piezoelectric element, the method comprising calculating a drive speed Sp by the following equation (II) : Sp = μ *2 *f *αv *αs *αf ··· (II) where μ is a displacement of the piezoelectric element calculated by the following equation (III), f is a frequency of a voltage applied to the piezoelectric element, αv is a speed distribution coefficient calculated by the equation (I), αs is a shaft damping coefficient, and αf is a transfer efficiency of a displacement of the driven member by one cycle of extension and shrink of the piezoelectric element, αv = (Mw + Mp) / (Mw + 2 *Mp + Ms) ··· (I) where Mw is a mass of the fixed member, Mp is a mass of the piezoelectric element, and Ms is a mass of the shaft, μ = n *V *d33 *k··· (III) where n is a number of layers of the piezoelectric element, V is an input voltage applied to the piezoelectric element, d33 is a piezoelectric coefficient, and k is a linear compensation coefficient.

Description

Method of Calculating Speed Distribution Coefficient of Impact Drive System, Method of Calculating Drive Speed, Method of Fabricating Impact Drive System, Impact Drive System, Camera Module Comprising Thereof, and Mobile Electronic Device Comprising ThereofTechnical Field

[0001] The present invention relates to a method of calculating a speed distribution coefficient of an impact drive system, a method of calculating a drive speed, a method of fabricating an impact drive system, an impact drive system, a camera module comprising thereof, and a mobile electronic device comprising thereof.Background

[0002] Piezoelectric elements are utilized for various piezoelectric devices such as piezoelectric actuators. Electrodes are provided on upper and lower surfaces or right and left surfaces of a piezoelectric element. Voltage is applied to the electrodes to cause extension and shrinking of the piezoelectric element. For example, an aspect of utilizing an impact drive system is included in piezoelectric actuators. Such a piezoelectric actuator comprises an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, and the driven member being disposed on the shaft to be moveable along a longitudinal axis direction of the shaft. The piezoelectric element is extendable and shrinkable along a direction perpendicular to one surface of the fixing member to directly provide a movement to the shaft when a voltage is applied, and to indirectly provide a movement to the driven member via the shaft. The shaft is disposed perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member. The shaft is moveable in a direction perpendicular to the surface of the piezoelectric element facing the shaft, in other words, in a direction perpendicular to the surface of the fixing member facing the piezoelectric element. When a voltage is applied to the piezoelectric element, the  shaft directly provides a movement to the driven member. Such a piezoelectric actuator is utilized for a camera module and a mobile electronic device comprising thereof, etc.

[0003] In order to improve a speed of the piezoelectric actuator moving the driven member to a desired position (hereinafter, referred to a “drive speed” ) , a combination of masses, dimensions, and shapes, etc. of the fixing member, the piezoelectric element, and the shaft can be optimized. However, since a huge number of combinations may exist, limitless trial and error is necessary for improving the drive speed.

[0004] A piezoelectric actuator which can transfer vibration to a subject to be driven without reducing a vibration efficiency of a piezoelectric element has been proposed.Summary of Invention

[0005] Problem to be Solved by the Invention

[0006] However, such a conventional piezoelectric actuator generally provides a small drive speed. Furthermore, since the drive speed cannot be expected before fabricating a prototype, repeated trial and error is necessary to obtain a desired drive speed.

[0007] The present invention has been made considering the above circumstances. The purpose of the present invention is: a method of calculating a speed distribution coefficient for expecting a drive speed; a method of calculating a drive speed based on the speed distribution coefficient; a method of fabricating an impact drive system using the method of calculating the speed distribution coefficient; a method of fabricating a piezoelectric actuator using the method of calculating the drive speed; an impact drive system comprising a speed distribution coefficient in a specific range; a piezoelectric actuator comprising a specific drive speed; a camera module comprising the impact drive system or the piezoelectric actuator; and a mobile electronic device comprising the camera module.

[0008] Means for Solving the Problem

[0009] In order to solve the above problem, the present invention comprises the following aspects:

[0010] Clause 1. A method of calculating a speed distribution coefficient of an impact  drive system, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, and wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface of the piezoelectric element facing the fixing member, the method comprising calculating a speed distribution coefficient αv by the following equation (I) : αv = (Mw + Mp)  /  (Mw + 2 *Mp + Ms) ··· (I)

[0011] where Mw is a mass of the fixed member, Mp is a mass of the piezoelectric element, and Ms is a mass of the shaft.

[0012] Clause 2. The method according to Clause 1, wherein the speed distribution coefficient αv is 0.75 or larger and 0.93 or smaller.

[0013] Clause 3. A method of calculating a drive speed of a piezoelectric actuator, the piezoelectric actuator comprising an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order and the driven member being provided on the shaft to be moveable along a longitudinal axis direction of the shaft, wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member, and wherein the piezoelectric element provides a movement of the driven member when a voltage is applied to the piezoelectric element, the method comprising calculating a drive speed Sp by the following equation (II) : Sp = μ *2 *f *αv *αs *αf ··· (II)

[0014] where μ is a displacement of the piezoelectric element calculated by the following equation (III) , f is a frequency of a voltage applied to the piezoelectric element, αv is a speed distribution coefficient calculated by the equation (I) , αs is a shaft damping coefficient, and αf is a transfer efficiency of a displacement of the  driven member by one cycle of extension and shrink of the piezoelectric element, αv = (Mw + Mp)  /  (Mw + 2 *Mp + Ms) ··· (I)

[0015] where Mw is a mass of the fixed member, Mp is a mass of the piezoelectric element, and Ms is a mass of the shaft, μ = n *V *d33 *k··· (III)

[0016] where n is a number of layers of the piezoelectric element, V is an input voltage applied to the piezoelectric element, d33 is a piezoelectric coefficient, and k is a linear compensation coefficient.

[0017] Clause 4. The method according to Clause 3, wherein αf is 0.40 or larger and 1 or smaller.

[0018] Clause 5. The method according to Clause 4, wherein αf is 0.7.

[0019] Clause 6. The method according to Clause 5, wherein Sp is 13.2 mm / sor larger and 43 mm / sor smaller.

[0020] Clause 7. A method of fabrication for an impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order,

[0021] wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, and

[0022] wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member, the method comprising calculating a speed distribution coefficient αv of an impact drive system by the method according to Clause 1 or 2.

[0023] Clause 8. A method of fabrication for a piezoelectric actuator comprising an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, and the driven member being provided on the shaft,

[0024] wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member,

[0025] wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member, and

[0026] wherein the piezoelectric element provides a movement of the driven member when a voltage is applied to the piezoelectric member,

[0027] the method comprising calculating a drive speed of the piezoelectric actuator by the method according to any one of Clauses 3 to 6.

[0028] Clause 9. An impact drive system fabricated by the method according to Clause 7.

[0029] Clause 10. A piezoelectric actuator fabricated by the method according to Clause 8.

[0030] Clause 11. An impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, and wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface of the fixing member,

[0031] wherein the speed distribution coefficient αv calculated by the method according to Clause 1 or 2 is 0.75 or larger and 0.93 or smaller.

[0032] Clause 12. A piezoelectric actuator comprising an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, and the driven member being provided on the shaft to be moveable in a longitudinal axis direction of the shaft,

[0033] wherein the drive speed Sp calculated by the method according to any one of Clauses 3 to 6 is 13.2 mm / sor larger and 43 mm / sor smaller.

[0034] Clause 13. A camera module comprising the impact drive system according to Clause 9 or 11, or the piezoelectric actuator according to Clause 10 or 12.

[0035] Clause 14. A mobile electronic device comprising the camera module according to  Clause 13.

[0036] Clause 15. A method of design for an impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order,

[0037] wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, and

[0038] wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member,

[0039] the method comprising calculating a speed distribution coefficient αv of an impact drive system by the method according to Clause 1 or 2.

[0040] Clause 16. A method of design for a piezoelectric actuator comprising an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, and the driven member being provided on the shaft,

[0041] wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member,

[0042] wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member, and

[0043] wherein the piezoelectric element provides a movement of the driven member when a voltage is applied to the piezoelectric member,

[0044] the method comprising calculating a drive speed of the piezoelectric actuator by the method according to any one of Clauses 3 to 6.

[0045] Effect of Invention

[0046] According to the present invention, the speed distribution coefficient can be expected, and the drive speed can also be expected based on the speed distribution coefficient. Therefore, without carrying out trial and error for obtaining the desired drive speed, the present invention can provide an impact drive system comprising a desired speed distribution coefficient and a piezoelectric actuator comprising a desired drive speed.

[0047] Figures

[0048] Fig. 1 shows a perspective diagram of an impact drive system according to one embodiment of the present invention.

[0049] Fig. 2 shows a perspective diagram of a piezoelectric actuator according to one embodiment of the present invention.

[0050] Fig. 3 shows a flow diagram of a method of calculating a speed distribution coefficient of an impact drive system according to one embodiment of the present invention.

[0051] Fig. 4 shows a flow diagram of a method of calculating a drive speed of a piezoelectric actuator according to one embodiment of the present invention.

[0052] Fig. 5 shows a schematic diagram of a camera module according to one embodiment of the present invention.

[0053] Fig. 6 shows a rear-view diagram of a mobile electronic device according to one embodiment of the present invention.

[0054] Embodiments

[0055] The following describes a method of calculating a speed distribution coefficient of an impact drive system, a method of calculating a drive speed of a piezoelectric actuator, a method of fabricating an impact drive system, a method of fabricating a piezoelectric actuator, an impact drive system, a piezoelectric actuator, a camera module comprising thereof, and a mobile electronic device comprising thereof according to the present invention with reference to the appended figures.

[0056] In the following description, the explanation is made with an example of using a PZT (lead zirconate titanate) piezoelectric film as a piezoelectric film.

[0057] In the present specification, an “impact drive system” refers to a composite component comprising a fixing member 31, a piezoelectric element 32, and a shaft 33 connected in this order as shown in Fig. 1. The piezoelectric element 32 is disposed on and one surface of the fixing member 31 in order to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member 31. The shaft 33 is disposed on and perpendicular to a surface of the piezoelectric element 32 opposite to a surface facing the fixing member 31. I.e., the impact drive system is obtained by removing a driven member 320 from a piezoelectric actuator 300 described below.  Hereinafter, a direction perpendicular to the one surface of the fixing member 31 is referred to as a “driving direction” .

[0058] In the present specification, a “piezoelectric actuator” is a composite component comprising the impact drive system 30 and a driven member 320 which is provided on the shaft 33 to be moveable in a longitudinal axis direction of the shaft 33 as shown in Fig. 2. The driven member 320 is provided on the shaft with a force applied by a member such as a spring. When a force exceeding a static friction between the driven member 320 and the shaft 33 is applied, the driven member 320 may slide along the shaft 33. In the piezoelectric actuator 300, when a voltage is applied to the piezoelectric element 32, the piezoelectric element 32 directly provides a movement to the shaft 33, and indirectly provides a movement to the driven member 320 via the shaft 33. The shaft 33 can be driven in a direction perpendicular to the surface of the piezoelectric element 32 on which the shaft 33 is disposed (in other words, a direction perpendicular to the surface of the fixing member 31 on which the piezoelectric element 32 is disposed) . When a voltage is applied to the piezoelectric element 32, the shaft 33 directly provides a movement to the driven member 320. In the case of driving the driven member 320 in the driving direction toward the shaft, a voltage is relatively slowly applied to the piezoelectric element 32 to extend the piezoelectric element 32 in the driving direction toward the shaft 33 at a relatively slow speed such that an inertial force on the driven member 320 does not exceed a static friction between the driven member 320 and the shaft 33. In this case, the driven member 320 is moved with the shaft 33 in the driving direction toward the shaft 33. Next, a voltage having an opposite polarity is relatively rapidly applied to the piezoelectric element 32 to shrink the piezoelectric element 32 in the driving direction toward the fixing member 31 at a relatively high speed such that a force applied to the driven member 320 exceeds the static friction between the driven member 320 and the shaft 33. In this case, the driven member 320 slides on the shaft by the inertial force and is left at a position before shrinking. Repeating this cycle a predetermined number of times, the driven member 320 may be driven at a desired distance. However, the driven member 320 slides at a given amount under the influence of the inertial force and the friction in both of the extension and shrinking steps. Therefore, the distance of the movement of the driven member 320 by one cycle of the extension and the shrink of the piezoelectric element 32 may be generally  smaller than the displacement of the extension of the piezoelectric element 32. In the case of driving the driven member 320 in the driving direction toward the fixing member 31, operation opposite to the steps indicated above can be carried out.

[0059] A “camera module” is a component comprising an image sensor and an imaging lens group. Additionally, the camera module may comprise an autofocus mechanism and an optical image stability (OIS) mechanism. The autofocus function is realized by controlling a position of the imaging lens or the image sensor along an optical axis of the imaging lens with a high precision and a high speed by detecting a relative distance between a subject to be imaged and the image sensor and by feeding the position information back to the autofocus mechanism. The OIS function is realized by controlling the position of the imaging lens or the image sensor along a planar direction of the image sensor with a high precision and a high speed by detecting a variation of a position of the subject to be imaged relative to the image sensor along the planar direction of the image sensor and by feeding the position information back to the OIS mechanism. In the present specification, the autofocus mechanism and the OIS mechanism may be driven by the piezoelectric actuator of the present specification.

[0060] A “mobile electronic device” is an information device which is small or thin and lightweight, and which can be easily carried and used for a predetermined time without an external power supply.

[0061] <Method of calculating a speed distribution coefficient of an impact drive system>

[0062] Fig. 3 shows a flow diagram of a method of calculating a speed distribution coefficient of an impact drive system according to the present invention. The speed distribution coefficient αv is a ratio between a speed given to the shaft 33 and a speed given to the fixing member 31 when the piezoelectric element 32 of the impact drive system 30 extends or shrinks. The speed distribution coefficient αv can be obtained from the momentum conservation law.

[0063] The method of calculating the speed distribution coefficient shown in Fig. 3 comprises: a step S01 preparing a combination of Mw, Mp, and Ms for the calculation and a step S02 calculating the speed distribution coefficient αv from the prepared combination.

[0064] (Step S01)

[0065] In the step S01, a combination of Mw, Mp, and Ms is prepared for calculating the speed distribution coefficient αv. Mw is a mass of the fixing member 31; Mp is a mass of the piezoelectric element 32; and Ms is a mass of the shaft 33.

[0066] The fixing member 31 is, for example, made from a heavy metal such as brass. A density of the fixing member 31 is preferably 7.4 g / cm3 or larger. The shape of the fixing member 31 is, for example, a circular rod or a prismatic rod. In the present invention, the fixing member 31 is not limited to these examples.

[0067] In the present invention, a thickness, an external diameter, and a length of each member can be measured by, for example, a micrometer. Mw, the mass of the fixing member 31 can be adjusted by varying the material, the density, and the dimensions.

[0068] The piezoelectric element 32 is, for example, made from PZT (lead zirconate titanate) . The piezoelectric element 32 preferably comprises a tetragonal perovskite crystal. The piezoelectric element 32 is, preferably, a stack of the perovskite crystal layers along a thickness direction. The density of the piezoelectric element 32 may be about 7.4 g / cm3.

[0069] The shaft 33 is, for example, made from an alumina fired ceramic. The density of the shaft 33 is, for example, 3.8 g / cm3 or smaller. The shape of the shaft 33 may be a rod. In the case of a circular cylindrical shaft, the external diameter of the shaft 33 may be preferably 0.7 mm or larger and 2.8 mm or smaller. The length of the shaft may be preferably 4 mm or longer and 6.7 mm or shorter. The shaft of the present invention is not limited to these examples. Ms, the mass of the shaft can be adjusted by varying the material, the density, and the dimensions.

[0070] In the present invention, a mass ratio represented by Mw / Mp may be preferably 5 or larger and 20 or smaller, where Mw is the mass of the fixing element 31 and Mp is the mass of the piezoelectric element 32.

[0071] (Step S02)

[0072] In the step S02, the speed distribution coefficient αv is calculated by the following equation (I) based on the combination of Mw, Mp, and Ms prepared in the step S01. αv = (Mw + Mp)  /  (Mw + 2*Mp + Ms) ··· (I)

[0073] where Mw is the mass of the fixing member 31; Mp is the mass of the piezoelectric element 32; and Ms is the mass of the shaft 33.

[0074] The equation (I) is derived as follows:

[0075] An origin point of the piezoelectric element 31 is set at a position which divides the piezoelectric element with a ratio of x : (1 –x) along the driving direction. The equation of the momentum conservation law is applied between a fixing member side and a shaft side. The fixing member side includes the fixing member 31 and a part of the piezoelectric element 32 closer to the fixing member 31 than the origin point. The shaft side includes the shaft 33 and a part of the piezoelectric element 32 closer to the shaft 33 than the origin point. Solving the equation for x and letting 1 –x = αv, the equation (I) can be derived.

[0076] The larger the mass of the fixing member side compared the mass of the shaft side, the larger the momentum distributed to the driven member, and therefore the driven member may be more effectively displaced.

[0077] In the present specification, it is preferable to prepare the combination of Mw, Mp, and Ms such that the speed distribution coefficient αv is preferably 0.75 or larger and 0.93 or smaller. The speed distribution coefficient αv falling within the above range may facilitate to improve the actual drive speed of the piezoelectric actuator.

[0078] <Method of calculating a drive speed of a piezoelectric actuator>

[0079] Fig. 4 shows a flow diagram of a method of calculating a drive speed of the piezoelectric actuator of the present invention. The drive speed is a speed of the driven member of the piezoelectric actuator.

[0080] The method of calculating the drive speed shown in Fig. 4 comprises: a step S01 of preparing a combination of Mw, Mp, and Ms for the calculation; a step S02 of calculating a speed distribution coefficient αv from the prepared combination; and a step S03 of calculating a drive speed Sp based on the obtained speed distribution coefficient αv.

[0081] The steps S01 and S02 are substantially identical to the steps explained in the section of the method of calculating the speed distribution coefficient.

[0082] (Step S03)

[0083] In the step S03, a drive speed Sp is calculated by the following equation (II) based on the speed distribution coefficient αv obtained in the step S02. Sp = μ *2 *f *αv *αs *αf ··· (II)

[0084] where μ is a displacement of the piezoelectric element calculated by the  following equation (III) ; f is a frequency of a voltage applied to the piezoelectric element; αv is the speed distribution coefficient calculated by the above equation (I) ; αs is a shaft damping coefficient; and αf is a transfer efficiency of a displacement of the driven member by one cycle of extension and shrink of the piezoelectric element. μ = n *V *d33 *k··· (III)

[0085] where n is a number of layers of the piezoelectric element, V is an input voltage applied to the piezoelectric element, d33 is a piezoelectric coefficient, k is a linear compensation coefficient.

[0086] In the present invention, for example, n is 61 and can be measured by the scanning electron microscope observation. V is preferably 1.8 V or larger and 3.3 V or smaller, and can be measured by a gauge of a voltage generator. d33 of the piezoelectric element employed to the present invention is 360 *10-12 m / V. In the present invention, k is, for example, 1.5.

[0087] In the equation (II) , f is preferably 230 kHz. αs is determined to be 1.0 when the natural resonance frequency of the shaft satisfies 1.5 times of f or higher.

[0088] αf is a transfer efficiency of a displacement of the driven member by one cycle of extension and shrink of the piezoelectric element. More specifically, a ratio between the actual displacement of extension of the piezoelectric element and the distance of movement of the driven member is represented as αf1. A ratio between the actual displacement of shrink of the piezoelectric element and the sliding distance of the driven member is represented as αf2. Then αf is represented by the product of αf1 and αf2. αf1 and αf2 are larger than 0 and 1 or smaller. The closer αf1 and αf2 are to 1, the more preferable because the driven member can be more effectively driven. Most preferably, both of αf1 and αf2 are 1.

[0089] When displacing the driven member in the driving direction toward the shaft, the piezoelectric element is extended at a relatively low speed in the driving direction toward the shaft once such that a force applied on the driven member does not exceed a static friction between the driven member and the shaft. Next, the piezoelectric element is shrunk at a relatively high speed in the driving direction toward the fixing member such that a force applied to the driven member exceeds a static friction between the driven member and the shaft. In this case, the driven member is displaced in the driving direction toward the fixing member by a dynamic friction applied by the shaft. Therefore, the displacement of the driven member during one  cycle of extension and shrink of the piezoelectric element is the extension displacement subtracted by the shrink displacement. αf is a value depending on various factors such as materials, shapes, and masses of the shaft and the driven member, and αf is calculated by applying a measured value of the drive speed to the equation (II) . αf is preferably 0.40 or larger and 1 or smaller. The best value of αf of an actual piezoelectric actuator, in particular, the piezoelectric actuator of the present invention may be 0.7. When the drive speed Sp is designed in the design of the piezoelectric actuator, αf is assumed to be, for example, 0.4, and αv is determined to obtain a desired drive speed Sp.

[0090] In the present specification, a combination of the components is preferably prepared such that the drive speed Sp is preferably 13.2 mm / sor larger, more preferably 13.5 mm / sor larger, and more preferably 14.0 mm / sor larger.

[0091] The design value of the drive speed Sp can be determined by determining the masses of the fixing member, the piezoelectric element, and the shaft from the equation (I) such that αv falls within a preferable value range, and by applying αv to the equation (II) . In the prior art, there have been no design guidelines for determining the drive speed Sp. A desired drive speed Sp could be obtained only through repeating fabricating a prototype with a combination of masses of a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft, which were set with no guidelines, and evaluating the prototype. On the other hand, the present invention easily provides a desired drive speed Sp by the calculation even without such trial and error.

[0092] <Method of design and fabrication for an impact drive system>

[0093] The method of design and fabrication for an impact drive system of the present invention includes calculating a speed distribution coefficient αv of the impact drive system by the method of calculating the speed distribution coefficient of the present invention described above.

[0094] In the method of fabricating the impact drive system of the present invention, the fixing member, the piezoelectric element, and the shaft may be fabricated by known methods, and may be commercially available products. These members can be connected to each other by using a known adhesive. Since the mass of the used adhesive is much smaller than the mass Ms of the shaft, it is unnecessary to consider the mass of the adhesive in the method of calculating the speed distribution  coefficient αv of the impact drive system of the present invention.

[0095] <Method of design and fabrication for a piezoelectric actuator>

[0096] The method of design and fabrication for a piezoelectric actuator of the present invention includes calculating a drive speed Sp of the piezoelectric actuator by the method of calculating the drive speed of the present invention described above.

[0097] In the method of fabricating the piezoelectric actuator of the present invention, the methods of fabrication the fixing member, the piezoelectric element, shaft, and the impact drive system are as described above. The driven member also may be fabricated by a known method, and by using a commercially available product. The driven member may be provided on the shaft to be moveable along the longitudinal axis of the shaft, and is not fixed on a particular position on the shaft.

[0098] The method of fabricating the piezoelectric actuator of the present invention may include calculating the speed distribution coefficient αv of the impact drive system according to the method of calculating the speed distribution coefficient of the present invention described above.

[0099] <Impact drive system>

[0100] The impact drive system of the present invention is calculated by the method of calculating the speed distribution coefficient of the present invention described above. The speed distribution coefficient αv is preferably 0.75 or larger and 1 or smaller, and more preferably 0.75 or larger and 0.93 or smaller.

[0101] The fixing member, the piezoelectric element, and the shaft described in the method of fabricating the impact drive system of the present invention can be used for a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft which are the same as those described in the method of fabricating the impact drive system of the present invention.

[0102] The impact drive system of the present invention may be fabricated by the method of fabricating the impact drive system of the present invention described above.

[0103] <Piezoelectric actuator>

[0104] The piezoelectric actuator of the present invention comprises a drive speed Sp  within the range of 13.2 mm / sor larger and 43 mm / sor smaller, which is calculated by the method of calculating the drive speed of the present invention described above.

[0105] The fixing member, the piezoelectric element, the shaft, and the driven member of the piezoelectric actuator of the present invention may be fabricated by the method of fabricating the piezoelectric actuator of the present invention described above.

[0106] The piezoelectric actuator of the present invention may be fabricated by the method of fabricating the piezoelectric actuator of the present invention described above.

[0107] <Camera module>

[0108] The camera module of the present invention comprises the impact drive system or the piezoelectric actuator of the present invention described above. The camera module may be, for example, a camera module for a video camera, a digital still camera, or a mobile phone having a camera function. The camera module may be used for implementing an optical image stabilization (OIS) function and an autofocus (AF) function. However, the present invention is not limited to these examples.

[0109] Fig. 5 shows an example of a lens drive mechanism 100 of the camera module of the present invention. Fig. 5 (a) shows a cross-sectional view of the lens drive mechanism 100 and Fig. 5 (b) shows a plan view of the lens drive mechanism 100. The lens drive mechanism 100 of the camera module comprises: a lens 101; a lens holder 102; an autofocus (AF) carrier 104 accommodating the lens 101 and the lens holder 102; and an optical image stabilization (OIS) carrier 105 accommodating the AF carrier 104. The lens drive mechanism 100 further comprises a carrier 106 for accommodating the OIS carrier 105.

[0110] The lens holder 102 is moveably supported by AF piezoelectric actuators 300 with respect to the AF carrier 104. The piezoelectric actuator 300 comprises the impact drive system described in the present specification. The camera module further comprises an image sensor 108. The piezoelectric actuators 300 are driven to move the lens holder 102 in a direction of an optical axis of the lens 101. The distance between the lens 101 and the image sensor 108 is varied to implement the autofocus function.

[0111] The lens drive mechanism 100 also comprises optical image stabilization  (OIS) piezoelectric actuators 307. The OIS piezoelectric actuators 307 are attached to the AF carrier 104, which works as a driven member, and the OIS carrier 105. The OIS carrier is driven by the OIS piezoelectric actuators 307 to move in an X axis-or Y axis-direction. Thus the lens 101 is moved in the X axis-and Y axis-directions in parallel to the plane direction of the image sensor 108 to implement the optical image stabilization function. Bearing balls 109 or components for helping a sliding motion are comprised in sliding portions between the AF carrier 104 and the OIS carrier 105 and between the OIS carrier 105 and the carrier 106.

[0112] Note that Fig. 5 merely shows some of the components for the AF and OIS functions and the movements thereof in a schematic manner, and is not intended to limit shapes, positions, and connections of the components. The present invention is not limited to these points. For example, voice coil motors (VCM) may be used instead of the piezoelectric actuators for the AF and OIS functions. Although the OIS function is implemented by the piezoelectric actuators moving the entire AF carrier in Fig. 5, an inverse structure having an OIS mechanism inside the AF carrier may be possible.

[0113] <Mobile electronic device>

[0114] A mobile electronic device of the present invention comprises the camera module of the present invention described above. The mobile electronic device may be, for example, any one of a mobile phone, a smartphone, a laptop, a tablet, an automobile telephone, a palmtop computer, a notification device, a mobile information terminal (a personal data assistant, PDA) , an electronic notebook, a game console, and a remote control device. However, the present invention is not limited to these examples.

[0115] The smartphone shown in Fig. 6 is an example of the mobile electronic device. As shown in Fig. 6, an OIS system 1a as a camera module is disposed behind an optical lens 20 of the smartphone 1. The position of the optical lens 20 is fixed on an upper-left position from the backside of the smartphone 1.

[0116] Although the embodiments of the present application are explained above, the present invention is not limited to these embodiments, and appropriate variations may be available without deviating the technical requirements of the present invention.

[0117] <Examples>

[0118] Hereinafter, the work and effect of the present invention are described with reference to the examples.

[0119] <Example 1>

[0120] [Calculation of αv]

[0121] αv was calculated by using the equation (I) with the values of 0.0534 g as Mw, 0.0093 g as Mp, and 0.0102 g as Ms. The result is shown in Table 1.

[0122] [Calculation of Sp]

[0123] μ was calculated by using the equation (III) with the values of 61 as n, 2.8 V as V, 360*10-12 as d33, and 1.5 as k.

[0124] Sp was calculated by using the equation (II) with the values of αv and μcalculated as above, and with the values of 240 kHz as f, 1 as αs, and 0.43 as αf. The result is shown in Table 1.

[0125] [Fabrication of the fixing member]

[0126] A rod of brass (the density: 8.4 g / cm3) was prepared and processed to obtain the fixing member having a mass of 0.0534 g, a thickness of 2.5 mm, and a diameter of 1.8 mm.

[0127] [Fabrication of the piezoelectric element]

[0128] 61 layers of lead zirconate titanate (the density: 7.4 g / cm3) were stacked to obtain the piezoelectric element having a mass of 0.0093 g, a thickness of 1.25 mm, and a diameter of 1 mm.

[0129] [Fabrication of the shaft]

[0130] A rod of alumina fired ceramic (the density: 3.8 g / cm3) was prepared and processed to obtain the shaft having a mass of 0.0102 g, a length of 7 mm, and a diameter of 0.7 mm.

[0131] [Fabrication of the impact drive system]

[0132] The fixing member, the piezoelectric element, and the shaft were connected with an adhesive in this order to obtain the impact drive system.

[0133] [Fabrication of the piezoelectric actuator]

[0134] The driven member was disposed on the shaft of the impact drive system to obtain the piezoelectric actuator.

[0135] [Measurement of the drive speed Sp]

[0136] The speed of the driven member of the piezoelectric actuator was measured. The result is shown in Table 1.

[0137] [Calculation of αf]

[0138] The measured drive speed Sp and the above values were applied to the equations (II) and (III) to calculate the actual αf. The result is shown in Table 1.

[0139] <Comparison 1>

[0140] [Calculation of αv]

[0141] αv was calculated by using the equation (I) with the values of 0.195 g as Mw, 0.0040 g as Mp, and 0.0087 g as Ms. The result is shown in Table 1.

[0142] [Calculation of Sp]

[0143] μ and Sp were calculated by using the same values as Example 1. The result is shown in Table 1.

[0144] [Fabrication of the fixing member]

[0145] A disk of heavy metal (the density: 14 g / cm3) was prepared and processed to obtain the fixing member having a mass of 0.195 g, a thickness of 0.35 mm, and a diameter of 1.5 mm.

[0146] [Fabrication of the piezoelectric element]

[0147] 61 layers of lead zirconate titanate (the density: 7.4 g / cm3) were stacked to obtain the piezoelectric element in the shape of a prismatic rod having a mass of 0.0040 g, a dimension parallel to the driving direction of 0.75 mm, and a dimension perpendicular to the driving direction of 0.75 mm.

[0148] [Fabrication of the shaft]

[0149] A rod of SUS (the density: 7.9 g / cm3) was prepared to obtain the shaft having a mass of 0.0087 g, a length of 1.6 mm, and a diameter of 1.4 mm,

[0150] [Fabrication of the impact drive system]

[0151] The fixing member, the piezoelectric element, and the shaft were connected with an adhesive in this order to obtain the impact drive system.

[0152] [Fabrication of the piezoelectric actuator]

[0153] The driven member was disposed on the shaft of the impact drive system to obtain the piezoelectric actuator.

[0154] [Measurement of the drive speed Sp]

[0155] The speed of the driven member of the piezoelectric actuator was measured.  The result is shown in Table 1.

[0156] [Calculation of αf]

[0157] The measured drive speed Sp and the above values were applied to the equations (II) and (III) to obtain the actual αf. The result is shown in Table 1.

[0158] <Comparisons 2 to 6>

[0159] Comparisons 2 to 6 are the piezoelectric actuators fabricated with trial and error before completing the concept of the present invention of using αv as a design guideline. αv was calculated from the masses of the components of each piezoelectric actuators. The result is shown in Table 1 with Example 1 and Comparison 1. The calculated values of the drive speed Sp were derived by applying αv of Comparisons 2 to 6 and the values of Examples other than αv to the equation (II) . The actual values of the drive speed were not measured and therefore αf calculated from the actual values was not obtained.

[0160] Table 1: Results of Example 1 and Comparisons 1 to 6

[0161] *1: Calculated with assuming αf as 0.43 (assuming all parameters of the comparisons 2 to 6 other than Mw, Mp, Ms and αv as having the same values as Example 1)

[0162] αv of Example 1 calculated from the equation (I) was 0.763 and αv of Comparison 1 was 0.35. The measured drive speed Sp of Example 1 was 22 mm / s and the measured drive speed Sp of Comparison 1 was 8.3 mm / s. αf calculated from these values were 0.64 for Example 1 and 0.576 for Comparison 1. These results  show that larger αv leads to larger drive speed, and that αf was larger than 0.43, which is the value assumed when calculating the drive speed, but the values have a variation.

[0163] However, αf calculated from the measured values are larger than 0.43 for both of Example 1 and Comparison 1. Therefore, an actual drive speed of a piezoelectric actuator will fall within a desired range by assuming the value of αf to be 0.43 and by determining αv to obtain a lowest value of a desired drive speed when calculating the drive speed.

[0164] αv calculated from Comparisons 2 to 6 were smaller than the value of Example 1. This result shows that, even after spending a great deal of effort on trial and error, the design of Comparisons 2 to 6 merely achieved smaller αv than αv of Example 1 theoretically determined by using the equation (I) , and that αv was not optimized.

[0165] These results show that since the present invention can expect the speed distribution coefficient and thus the drive speed based on the speed distribution coefficient, an impact drive system having a desired speed distribution coefficient and a piezoelectric actuator having a desired drive speed can be provided even without trial and error of fabricating a lot of prototypes to obtain the desired drive speed.

[0166] <Industrial Availability>

[0167] According to the present invention, the speed distribution coefficient and the drive speed can be predicted. Therefore, an impact drive system having a desired speed distribution coefficient and a piezoelectric actuator having a desired drive speed can be provided with reducing or avoiding trial and error to obtain the desired drive speed.

[0168] Designations

[0169] 30: Impact drive system

[0170] 31: Fixing member

[0171] 32: Piezoelectric actuator

[0172] 33: Shaft

[0173] 320: Driven member

[0174] 300, 307: Piezoelectric actuator

[0175] 10: Camera module

[0176] 100: Lens drive mechanism

[0177] 101: Lens

[0178] 102: Lens holder

[0179] 104: Autofocus (AF) carrier

[0180] 105: Optical image stabilization (OIS) carrier

[0181] 106: Carrier

[0182] 108: Image sensor

[0183] 1: Mobile electronic device

Claims

1.A method of calculating a speed distribution coefficient of an impact drive system, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, and wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface of the piezoelectric element facing the fixing member, the method comprising calculating a speed distribution coefficient αv by the following equation (I) : αv = (Mw + Mp)  /  (Mw + 2*Mp + Ms) … (I)where Mw is a mass of the fixed member, Mp is a mass of the piezoelectric element, and Ms is a mass of the shaft.2.The method according to Claim 1, wherein the speed distribution coefficient αv is 0.75 or larger and 0.93 or smaller.3.A method of calculating a drive speed of a piezoelectric actuator, the piezoelectric actuator comprising an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order and the driven member being provided on the shaft to be moveable along a longitudinal axis direction of the shaft, wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member, and wherein the piezoelectric element provides a movement of the driven member when a voltage is applied to the piezoelectric element, the method comprising calculating a drive speed Sp by the following equation (II) : Sp = μ *2 *f *αv *αs *αf … (II)where μ is a displacement of the piezoelectric element calculated by the following equation (III) , f is a frequency of a voltage applied to the piezoelectric element, αv is a speed distribution coefficient calculated by the equation (I) , αs is a shaft damping coefficient, and αf is a transfer efficiency of a displacement of the driven member by one cycle of extension and shrink of the piezoelectric element,αv = (Mw + Mp)  /  (Mw + 2 *Mp + Ms) … (I)where Mw is a mass of the fixed member, Mp is a mass of the piezoelectric element, and Ms is a mass of the shaft,μ = n *V *d33 *k… (III)where n is a number of layers of the piezoelectric element, V is an input voltage applied to the piezoelectric element, d33 is a piezoelectric coefficient, and k is a linear compensation coefficient.4.The method according to Claim 3, wherein αf is 0.40 or larger and 1 or smaller.5.The method according to Claim 4, wherein αf is 0.7.6.The method according to Claim 5, wherein Sp is 13.2 mm / s or larger and 43 mm / s or smaller.7.A method of fabrication for an impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order,wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, andwherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member,the method comprising calculating a speed distribution coefficient αv of an impact drive system by the method according to Claim 1 or 2.8.A method of fabrication for a piezoelectric actuator comprising an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, and the driven  member being provided on the shaft,wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member,wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member, andwherein the piezoelectric element provides a movement of the driven member when a voltage is applied to the piezoelectric member,the method comprising calculating a drive speed of the piezoelectric actuator by the method according to any one of Claims 3 to 6.9.An impact drive system fabricated by the method according to Claim 7.10.A piezoelectric actuator fabricated by the method according to Claim 8.11.An impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, and wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface of the fixing member,wherein the speed distribution coefficient αv calculated by the method according to Claim 1 or 2 is 0.75 or larger and 0.93 or smaller.12.A piezoelectric actuator comprising an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, and the driven member being provided on the shaft to be moveable in a longitudinal axis direction of the shaft,wherein the drive speed Sp calculated by the method according to any one of Claims 3 to 6 is 13.2 mm / s or larger and 43 mm / s or smaller.13.A camera module comprising the impact drive system according to Claim 9 or 11, or the piezoelectric actuator according to Claim 10 or 12.14.A mobile electronic device comprising the camera module according to Claim 13.15.A method of design for an impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order,wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member, andwherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member,the method comprising calculating a speed distribution coefficient αv of an impact drive system by the method according to Claim 1 or 2.16.A method of design for a piezoelectric actuator comprising an impact drive system and a driven member, the impact drive system comprising a fixing member, a piezoelectric element, and a shaft connected in this order, and the driven member being provided on the shaft,wherein the piezoelectric element is disposed on one surface of the fixing member to be extendable and shrinkable in a direction perpendicular to the surface of the fixing member,wherein the shaft is disposed in a direction perpendicular to and on a surface of the piezoelectric element opposite to a surface facing the fixing member, andwherein the piezoelectric element provides a movement of the driven member when a voltage is applied to the piezoelectric member,the method comprising calculating a drive speed of the piezoelectric actuator by the method according to any one of Claims 3 to 6.

Images