JP4745754B2 - 圧電振動子及びそれを用いた超音波モータ、電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を有する振動体の振動により機能する圧電振動子及びそれを用いた電子機器に関し、特に圧電素子に駆動回路からの駆動信号を加えたり、圧電素子からの信号を得るための導通構造に関する。

いわゆる圧電振動子は加速度、角速度等のセンサーや発振子、フィルター、トランス、アクチュエータとして様々な圧電デバイスに使用されている。

その中において例えば振動体の共振による振動と摩擦力を利用した超音波モータは、小型で高トルクが得られるといった特徴を有することから、カメラのオートフォーカス駆動、腕時計のカレンダ送り駆動等に使用されている。

振動体の振動は、振動体に設けられた圧電素子に駆動回路からの駆動信号をリード線等の導通構造を介して加えることにより発生するが、特に超音波モータが小型化した際には、リード線等の導通構造は振動体の振動を抑制する恐れが大きいため、製造工程での変動も考慮した振動損失が少ない導通構造が要求される。

この導通構造の一例として、図6に示すものが使用されている。図6において振動体122は、中心軸132を介して固定される。支持部材124にはリード基板136が固定され、リード基板136に設けられた導通パターンは、導通パターンの端部が圧電素子802に接するように曲げられると共に導通パターンの端部は圧電素子802に接合される。
特開平11-215865（図１）

しかしながら従来の構造では、振動体の振動が導通パターンを通じて漏れてしまい、エネルギーのロスとなり超音波モータの出力が低下する恐れがあった。特に、製造時に生じる支持部材へのリード基板の接合位置のばらつきや、圧電素子への導通パターンの接合位置のばらつきにより、導通パターンの上記の二つの接合部間において張力が働いてしまうことがあると共に、この張力自体がばらつくことがあった。

この張力が大きくなるほど高い周波数の振動、即ち振動体の振動を伝達しやすくなるため、振動漏れ並びに振動漏れの度合いがばらつくことで、超音波モータの出力の低下や出力の個体差の原因となる恐れがあった。そしてこの張力は、温度等による環境の変化によっても変動するため、外部の環境によって超音波モータの出力が大きく変動する恐れがあった。

また、導通パターンの圧電素子への接合部の大きな剛性により、振動体の振動モードに不均一な部分が出来るため、出力特性の低下並びに超音波モータ個々のばらつきの原因となる恐れがあった。

そして、超音波モータに大きな振動や衝撃が加えられた際には、導通パターンと圧電素子の接合部がはがれる恐れもあった。

同様に他の圧電デバイスにおいても性能ばらつきや信頼性低下の原因となる恐れがあった。

そこで、上記課題を解決する為に本発明の超音波モータでは、圧電素子を有する振動体と、圧電素子に駆動信号を供給する導通パターンと、振動体の振動により摩擦駆動される超音波モータにおいて、導通パターンには、圧電素子と導通パターンの接合部と導通パターンと導通パターンが固定される固定端を結んだ直線から突出する形状を有する緩衝部を有する構造とする。ここで固定端は振動体を固定する支持板に設けられているとする。

ここで緩衝部は圧電素子と導通パターンが接合される前、もしくは導通パターンと固定部が接合される前に形成するようにする。

そして緩衝部は導通パターンの面内方向に突出している構造とする。もしくは導通パターンの厚み方向に突出している構造とする。

また、導通パターンの圧電素子との接合部は圧電素子の周方向に延出した形状とする。

そしてこれらの超音波モータにより駆動される稼動部を有することを特徴とする電子機器とする。

本発明によれば、超音波モータを初めとする圧電デバイスに用いられる圧電振動子を小型化しても導通構造でのエネルギーロスが小さく、大きな出力が得られるとともに、圧電振動子個々の出力特性のばらつきを極めて小さく出来る。またリード線を用いずリード基板を用いていることから量産性に優れた圧電振動子を実現できる。また、導通パターンが温度や衝撃等による張力の影響を受けにくいことから耐環境性、信頼性に優れた圧電振動子が実現できる。

（実施の形態１）
本発明の圧電振動子を用いた圧電デバイスとして超音波モータへの適用例を説明する。

従来例（図６）を基に簡単に超音波モータ130の原理を説明する。

円板上の弾性体122ｂには突起817が設けられており振動体122を構成している。圧電素子802はその内周を振動体122の中心に設けられた凸部122dにより案内され振動体122に接着される。振動体122の内周部が固定されることで、振動体122は支持される。中央部にピボット、軸受けを有する案内部材134eと摩擦部材134cからなる移動体134は、支持部材124に固定された中心軸132によって回転可能に案内される。案内部材134eのピボットを加圧ばね138で加圧することにより、振動体122の突起817と移動体134の摩擦部材134cとの間には摩擦力が働く。リード基板136には導通パターン136aが設けられ、導通パターンの端部は圧電素子802に接合される。リード基板136は支持部材124に固定される。

この様に圧電素子を有する振動体と、振動体を支持する部材と圧電素子に一端を接合され他の一部を別の部材に固定されたリード構造を有する構造体を本発明の圧電振動子とする。振動体は圧電素子のみから構成されていても構わない。

導通パターン136aを通じて駆動信号が圧電素子802に印加されると、振動体122は所定の振動モードの振動を励振する。移動体134は、振動体122の振動の変位を摩擦力を介して受け、回転する。尚、本発明の導通構造は従来例（図６）に示した原理、構造のものに敵用されるものではなく、他の原理、構造のものにも適用可能なことを加えておく。

本発明は超音波モータの導通構造に関するものである為、以下従来例との相違点を中心本発明の実施の形態を図面を基に説明する。

図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の超音波モータの構成を夫々表裏から見た図を示す。ここで表裏は従来例を示す図６（超音波モータの断面図）において、矢印Aと矢印Bの方向に見た図である。

図１（ｂ）において、支持部材１に図示しない中心軸を介して支持された振動体４には、圧電素子５が接着されている。圧電素子5には電極6a、6bが蒸着されている。ポリイミドと銅箔から成るリード基板２は、支持部材１に接着されている。リード基板２には圧電素子５と接合される導通パターン３が設けられており、導通パターン３の接合部3bが圧電素子５に蒸着された電極６に接合される。ここで導通パターン３には、圧電素子５と導通パターン３の接合部３bと、導通パターン３と導通パターン３が固定される固定端３ｃと、を結んだ直線から突出する形状を有する緩衝部３aを有している。

次に、リード基板２並びに導通パターン３の詳細、並びに圧電素子５への接合方法を説明する。

図２(a)は導通パターン３を有するリード基板２を示した図である。ここで緩衝部3aは、リード基板２の面内方向に突出した部分を有する曲線形状となっている。ここで、緩衝部３aの形状は本実施例に示したものに限るものではなく、導通パターン３のばね乗数を小さくするような形状であれば構わない。従って、曲線部の形状や数も限定されるものではない。緩衝部３aはリード基板２、即ち導通パターン３の面内方向に突出している構造とすることにより、リード基板２とともにエッチングやプレス等によって作製出来るため、製造が簡単になると共に製造ばらつきが小さく出来る。

図２（ｂ）に示したようにリード基板２は、先ず支持板１に接着等によって固定される。その後、接合部3bが圧電素子５に接合され図1に示した構造となるが、このリード基板２と支持板１の固定時の位置ずれや接合部３ｂの圧電素子５への接合時の位置等のばらつきにより生じる導通パターン３への残留応力は、緩衝部3aにより吸収される。この効果は、接合部３ｂが圧電素子５に接合された後でリード基板２が支持板１に固定される工程をとる場合であっても同様である。

また、本発明のリード構造は他の圧電デバイスへの適用も可能である。即ち圧電デバイスにおける圧電振動子が圧電素子を有する振動体と、振動体を支持する部材と圧電素子に一端を接合され他の一部を別の部材に固定されたリード構造を有する構造体からなっていればその適用が何れの機能の圧電デバイスであっても構わない。また圧電デバイスがセンサー、フィルター、トランスのように圧電振動子の信号を得て機能する圧電デバイスであればリード構造を構成する導通パターンは圧電素子から出力される信号を伝達するものであっても構わない。

（実施の形態２）
本発明の導通構造の別の実施の形態を、図面を基に説明する。ここでは実施の形態１並びに従来例との差異のみを述べる。

図３（a）は、本発明の超音波モータを裏側（図6における矢印Bの方向）から見た図である。図３（ｂ）は側面の断面図である。本実施例において緩衝部7aは、導通パターン７の厚み方向、即ち実施の形態１の緩衝部３aの突出方向と直交する方向に突出していることを特徴とする。この場合、従来例通り直線形状の導通パターンを有するリード基板が作製された後で、曲げ加工等によって緩衝部7aが形成される。その後、リード基板２と支持部材１との接合、導通パターン７の接合部７ｂと圧電素子５との接合がなされる。
また、本発明のリード構造は他の圧電デバイスへの適用も可能である。即ち圧電デバイスにおける圧電振動子が圧電素子を有する振動体と、振動体を支持する部材と圧電素子に一端を接合され他の一部を別の部材に固定されたリード構造を有する構造体からなっていればその適用が何れの機能の圧電デバイスであっても構わない。また圧電デバイスがセンサー、フィルター、トランスのように圧電振動子の信号を得て機能する圧電デバイスであればリード構造を構成する導通パターンは圧電素子から出力される信号を伝達するものであっても構わない。

（実施の形態３）
本発明の導通構造の別の実施の形態を図面を基に説明する。ここでは実施の形態１、２並びに従来例との差異のみを述べる。

図４は本発明の超音波モータを裏側（図6における矢印Bの方向）から見た図である。

本実施の形態において導通パターン８の圧電素子５との接合部8aは、圧電素子５の周方向に延出した形状であることを特徴とする。特に接合部8aの圧電素子５への接合位置は、振動体４が発生する振動モードの節円に位置する。従って、接合部8a並びに接合のために用いる半田等の大きな剛性が振動体４が励振する振動モードへ影響を与えることを極めて小さく出来る。節円を有しない振動モードであっても振動の変位は径方向位置で異なるため、本実施の形態の接合方法を採ることで圧電素子5の励振力を抑制せずに済む。
また、本発明のリード構造は他の圧電デバイスへの適用も可能である。即ち圧電デバイスにおける圧電振動子が圧電素子を有する振動体と、振動体を支持する部材と圧電素子に一端を接合され他の一部を別の部材に固定されたリード構造を有する構造体からなっていればその適用が何れの機能の圧電デバイスであっても構わない。また圧電デバイスがセンサー、フィルター、トランスのように圧電振動子の信号を得て機能する圧電デバイスであればリード構造を構成する導通パターンは圧電素子から出力される信号を伝達するものであっても構わない。
（実施の形態４）
本発明の圧電振動子を用いた超音波モータ100を用いて電子機器を構成した例を図５を基に説明する。

図５は、本発明の超音波モータ1００を電子機器の駆動源に適用したブロック図を示したものであり、圧電素子5に接合された振動体4により摩擦駆動される移動体101と、移動体101と一体に動作する伝達機構110と、伝達機構110の動作に基づいて動作する出力機構111からなる。ここでは移動体101を回転体とし、移動体101を回転動作させる例について説明する。

ここで、伝達機構110は例えば歯車列、摩擦車等の伝達車を用いる。稼動部となる出力機構110としては、プリンタにおいては紙送り機構、カメラにおいてはシャッタ駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、また電子機器や計測器においては指針等を、ロボットにおいてはアーム機構、工作機械においては歯具送り機構や加工部材送り機構等を用いる。

尚、本実施の形態における電子機器としては電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、ロボット、工作機、ゲーム機、光情報機器、医療機器、移動装置等を実現できる。さらに移動体７に出力軸を設け、出力軸からのトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ駆動装置を実現できる。

本発明の圧電振動子は特に小型化した際に効力を発揮し、それを用いた圧電デバイスである超音波モータは情報記録機器における読み取り、書き込みヘッドの駆動、デジタルカメラ、ビデオカメラ等におけるレンズの駆動等様々な電子機器の駆動源として適用可能である。またセンサーはカメラの手ブレ検出、自動車の移動位置検出、ＨＤＤ等の衝撃力検出に、トランスはパソコンのバックライトの昇圧電源として、フィルターは携帯電話等の通信機器における信号処理として用いられる。

本発明の超音波モータの構成を示す図である。 本発明の超音波モータの製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態２の超音波モータの構成を示す図である。 本発明の実施の形態３の超音波モータの導通構造を示す図である。 本発明の圧電素子を用いた超音波モータを応用した電子機器のブロック図である。 従来の超音波モータの構成を示す図である。

符号の説明

圧電素子 5、802
電極 6
振動体 4、122
移動体 101、134
リード基板 2、136
導通パターン 3、7

Claims (9)

1. 圧電素子を有する振動体と、
   前記圧電素子に駆動信号を供給する導通パターンと、からなる圧電振動子において、
   前記導通パターンは、前記圧電素子と前記導通パターンとの接合部と、前記導通パターンと前記導通パターンが固定される固定端と、を結んだ直線上にある直線部と、前記直線部から突出する形状を有する緩衝部を有することを特徴とする圧電振動子。
2. 前記直線部は前記接合部と前記緩衝部とを繋ぐ直線部分と前記固定端と前記緩衝部とを繋ぐ直線部分からなることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記緩衝部は前記圧電素子と前記導通パターンが接合される前、もしくは前記導通パターンと前記固定端が接合される前に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動子。
4. 前記緩衝部は前記導通パターンの面内方向に突出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動子。
5. 前記緩衝部は前記導通パターンの厚み方向に突出していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動子。
6. 前記固定端は前記振動体を固定する支持板に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動子。
7. 圧電素子を有する振動体と、
   前記圧電素子に駆動信号を供給する導通パターンと、からなる圧電振動子において
   前記導通パターンの前記圧電素子との接合部は前記振動体に励振される振動の節円位置であり前記圧電素子の周方向に延出した形状であることを特徴とする圧電振動子。
8. 請求項１から７のうちいずれか一つに記載の圧電振動子により摩擦駆動される移動体を有することを特徴とする超音波モータ。
9. 請求項１から７のうちいずれか一つに記載の圧電振動子を有することを特徴とする電子機器。

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