JP2014018073A - 振動波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】振動子の支持構造を簡略化かつ薄型化して、小型化及び低コスト化を図ることができる振動波モータを提供する。
【解決手段】振動波モータは、リング状のフレキシブルプリント基板からなるシート状部材１３と、シート状部材１３に設けられた複数の振動子を有し、複数の振動子のそれぞれは、電気−機械エネルギー変換素子２−１０〜２−１３を有し、シート状部材１３と複数の振動子それぞれの間に、シート状部材１３から放射状に延出したシート部材の部分１３−１０〜１３−１３と一体的に設けられて支持部を形成する導電性の部材が設けられている。
【選択図】図７

Description

本発明は振動波モータに関し、特に、振動子の支持構造に特徴のある振動波モータに関する。

従来から、超音波モータ（振動波モータ）は、回転型やリニア型等種々の構造のものが提案されているが、それらのメカ部分の構成要素は、基本的にほとんど変わりはない。

即ち、構成要素は、振動子を構成する弾性体と電気−機械エネルギー変換素子（または磁歪素子）、この振動子を支持する支持部材、振動子の一部に接触し摩擦駆動される被駆動体、振動子と被駆動体とに加圧力を印加する加圧手段、軸受けガイド部材である。

図８は、従来例に係るリニア型振動波モータの構成図である（特許文献１）。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。

横長の直方体形状の圧電素子１５には、圧電素子１５を保持する保持部材１９と圧電素子１５を被駆動体１７に向けて付勢する板バネ２０及び被駆動体１７と接触する駆動接触部１６とが備えられている。

保持部材１９は、圧電素子１５をＹ方向に保持する側壁部２２、基部２３、及び側壁部２２から上記Ｙ方向に突出して形成された略円柱状のピン部１８から形成されている。

また、ピン部１８は、略円柱状に形成されているため、圧電素子１５は、ピン部１８回りに回転可能に支持され、被駆動体１７の変化に柔軟に追従することができる。

不図示の電源、及び給電手段により圧電素子１５に交番電界が印加されると、この圧電素子１５で構成される振動子にＸ−Ｚ平面内の曲げ振動モード及びＸ方向の伸縮モードが同時に励振され、駆動接触部１６には楕円運動が形成される。その結果、板バネ２０により駆動接触部１６と接触する被駆動体１７はＸ方向に摩擦駆動されることになる。

尚、本従来例では、リニアの軸受けガイドは図示していないが、圧電素子１５から上部（部材１５〜２３まで）を固定側とすると、被駆動体１７はＸ方向（駆動力を受ける方向）以外が拘束されるようにガイドされている。

このリニア型振動波モータを使用する駆動系は、従来のように、回転型の電磁式モータをリニア変換していた駆動系に比べて構造が簡単な上にダイレクト駆動ができるため、位置決め精度が向上するといった効果がある。

また、特許文献２には、リニア型振動波モータにおいて、加圧手段として磁力を使う技術が示されている。

特開２００６−２１１８３９号公報 特開２００６−３４０４４３号公報

上記特許文献１における支持部は、ピン部１８と、そのピン部と係合し振動子の姿勢を規制する保持部材１９と、板バネ２０とで構成され、振動子を被駆動体１７に押し付けることによって振動子の位置、姿勢を規定する構造になっている。そのため、構造的にも厚さ方向に大きくなってしまい、モータ全体の小型化には不向きな構造であった。

また、本構造では、振動子−保持部材−板バネ間に減衰部材がないため、振動子の駆動によるわずかな漏れ振動や駆動時に摩擦部から伝搬される不要振動等が励振源となり、鳴き等の異音を発生しやすいという課題があった。

本発明の目的は、振動子の支持構造を簡略化かつ薄型化して、小型化及び低コスト化を図ることができる振動波モータを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の振動波モータは、シート状部材と、前記シート状部材に設けられた複数の振動子と、を有し、前記複数の振動子のそれぞれは、電気−機械エネルギー変換素子を有し、前記シート状部材と前記複数の振動子それぞれの間に、導電性の部材が設けられていることを特徴とする。

本発明の振動波モータによれば、振動子の支持構造を簡略化かつ薄型化して、小型化及び低コスト化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る振動波モータの斜視図である。 図１の振動波モータの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る振動波モータの要部である振動子部分の構成図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る振動波モータの要部である振動子部分の構成図である。 本発明の第４の実施の形態に係る振動波モータの要部である振動子部分の構成図である。 本発明の第５の実施の形態に係る振動波モータの要部である振動子部分の構成図である。 従来例に係るリニア型振動波モータの構成図である。

以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る振動波モータの斜視図、図２は、図１の振動波モータの断面図である。

図１、図２において、鉄等の軟磁性体で構成される矩形状の弾性体１には、電気−機械エネルギー変換素子としての圧電素子２が接合される。また、圧電素子２のもう一方の面には、ベース部４−１が樹脂（例えば、ポリイミドフィルム）で構成されているフレキシブルプリント基板４（以降、フレキと称する）が接合される。弾性体１、圧電素子２は振動子を構成している。

弾性体１の一方の面には２つの突起３−１、３−２が形成されており、これらが被駆動体５の接触面５−１に接触し、摩擦駆動力を発生する。

この被駆動体５は、接触面側がＮ極（またはＳ極）、反対面側がＳ極（またはＮ極）となるように磁化された永久磁石で構成されており、軟磁性体で構成された振動子の弾性体１及び突起３（３−１、３−２）との間で吸引力を発生し、この２部品間に加圧力を発生している。

フレキ４は、上記ベース部４−１、圧電素子２の電極端子部と接続される電極部４−２、外部の給電部（不図示）との電気的な接続をするコネクト部４−４、さらにこれら両部を電気的に接続する導電部４−３（ａ）４−３（ｂ）で構成されている。

また、本実施の形態のフレキ４は、コネクト部４−４と電極部４−２との間に固定する部分を設け、ビス６（６−１、６−２）等で筐体７にネジ止めして振動子を固定している。

不図示の電源よりフレキ４に交番電界が印加されると、振動子には所望の振動が励振され、突起３−１及び３−２には楕円運動が発生するため、これらと接触する被駆動体５はＸ軸の方向に摩擦駆動されることになる。

ここにおいて、フレキ４は圧電素子２への電力供給源であるとともに、振動子の支持部材も兼ねた機能を有している。

このフレキ４は大きく次の３つの部分に分けられている。

まず、圧電素子２と接合され、圧電素子２と共に振動する振動部Ｖと、このフレキ４を製品等の筐体に固定する固定部Ｃと、この振動部Ｖと固定部Ｃとの間に位置し、これら２つの部分を連結し、圧電素子２（振動子）を支持する支持部Ｓである（図１）。

特に重要なのはこの支持部Ｓである。支持部Ｓは、初期組み立て時に被駆動体５との位置関係を正しく規定すると共に、振動子が駆動力の反力や反転時等の慣性力等の外力を受けても、正しい姿勢を保っていられるように保持する。

また、支持部Ｓは、圧電素子２が被駆動体５の接触面５−１のうねり等にならって常に安定した接触状態が得られるように、ならい方向に関してはフレキシブルな特性を持っていることが要求される。

これらの機能を満足するために、支持部Ｓは、Ｘ軸周りの回転剛性とＺ軸方向変位の剛性を小さくし、Ｘ−Ｙ平面内の剛性が高くなるように構成されている。

そのため、シート状のベース部４−１の上に形成されている導電部４−３（本実施の形態では銅箔）を補強部として使い、支持部Ｓの導電部４−３（ａ）と４−３（ｂ）とを幅方向の外周側に大きく広げた配置とする。これにより、薄膜のシート（シート部材）であるフレキのＸ−Ｙ面内の剛性をアップさせている。

また、支持部Ｓにカバーフィルム等を施すことでシート部材の積層構造とし、それらで構成される界面部分を敢えて多く作ることにより、フレキ４を伝播してくる不要振動をこれら界面での滑りにより減衰させる構造にしている。

このことによって、従来発生していたフレキ４の振動による異音を防止すると共に、振動子の漏れ振動が筐体に伝搬し、騒音を増幅させ、あるいは他のセンサ等に悪影響を及ぼすことを防止することができる。

従来の振動波モータでは、駆動力を伝達する支持部材等は剛性の高い金属等で構成されていたため、部品が大きくなりモータ構成も複雑になっていた。しかし、本実施の形態の振動波モータによれば、シート部材（フレキ４の支持部Ｓ）で、振動子を構成する圧電素子２を支持することで、モータ構成を簡略化でき、振動波モータの小型化を図ることができる。

（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る振動波モータの要部である振動子部分の構成図である。

本実施の形態では、フレキ４が、振動子の両側（Ｙ方向）とＸ方向に分岐して延出して構成されており、Ｙ方向の両側で支持機能を持たせ、Ｘ方向に延出した部分で給電をする構成となっている。

また、本実施の形態では、フレキ４の両側をビス６で固定する他、押さえ板８（８−１、８−２）で挟み込むことによってフレキ４をＸ方向の端部まで筐体７（７−１、７−２）に固定し、振動子のＸ−Ｙ面内の変位を拘束できるようにしている。

図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。

コネクト部４−４は、図４に示すように、Ｘ方向に延出後、Ｚ方向にカールさせて不図示の給電部に接続するとともに、コネクト部４−４近傍を筐体等に保持するように固定している。こうすることで、複数層からなるコネクト部４−４が減衰材となり、振動子を構成する圧電素子２からフレキ４に伝搬する不要振動を押さえる効果がある。

（第３の実施の形態）
図５は、本発明の第３の実施の形態に係る振動波モータの要部である振動子部分の構成図である。

本実施の形態は、第２の実施の形態における筐体の一方を可動構造とし、フレキ４にテンションをかける例を示す。

一方の筐体７は固定とし、他方の筐体９を可動とする。筐体９には板バネ１０を受けるバネ受け部１１が設けられており、押さえ板８、筐体９とで挟持されたフレキ４の固定部Ｃに対して、板バネ１０で −Ｙ方向にバネ力を作用させる構造とする。これにより、フレキ４の支持部ＳにＹ方向のテンションを作用させる構成とした。

これにより、薄いシート状の支持部ＳのＸ−Ｙ平面内の剛性を上げることができ、安定した振動子の支持が可能になる。

（第４の実施の形態）
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る振動波モータの要部である振動子部分の構成図である。

これまでの実施の形態では、振動子の支持部（フレキ４の支持部Ｓ）をシートの積層構造として、振動減衰させて異音等を防止をする例を示したが、本実施の形態は、さらに振動部分におけるシートの積層パターンを工夫する。このことにより、振動子の不要振動を低減させる。

振動子は、圧電素子２と、突起３−１、３−２を有する弾性体１と、フレキ４とで構成されており、振動子の駆動に際しては、面外曲げの２次モードと伸縮の１次モードの合成で楕円運動を励振させるものとする。

駆動モードである２次モードは、図６の下側に示すように振動の節が３つ存在するような変形をする（Ｍ２）。この２次モードを励振するための圧電素子２の電極パターンは図中破線で示したように、振動の腹の中心（矢印（１））と電極の中心が一致するように振動の腹の部分に設けると良いことは周知の通りである。

ここで ＋ と − は圧電素子２の厚さ方向の分極の向きを示している。

一方、本振動子において、摩擦駆動させることによって励振されやすい不要振動の１つに面外曲げの１次モードがある。このモードの変形は図６の下側に示しているように、圧電素子２の中央部分が振動の腹になり、この部分が振動を励振させるにも減衰力を作用させるにも効果的な場所であることがわかる。

この部分は駆動モードにとっては振動の節にあたり、影響の少ない場所でもある。

そこで本実施の形態では、この圧電素子２の中央近傍に銅箔等で形成された導電部材を積層し、電極部を形成するとともに、この近傍からフレキ４の支持部Ｓへ向けてリード部材を配置し、支持部の幅方向の中央近傍に積層部分を形成した。

こうすることで、振動子が面外曲げの１次モードで励振された場合でも、この積層された振動部及び支持部Ｓがこのモードに対してのみ効果的に減衰作用を施すため、従来のような異音の発生を防止することができる。

尚、本実施の形態では、フレキ４の支持部Ｓを補強するため、補強部材１２を両端面側に配置し、補強と共に支持部Ｓの減衰効果も向上させている。

（第５の実施の形態）
図７は、本発明の第５の実施の形態に係る振動波モータの要部である振動子部分の構成図である。

本実施の形態では、複数の振動子を１枚のシート上に配置し、多数台駆動の構造をより簡素化した例を示している。

リング状に形成された樹脂のシート１３には圧電素子２−１０〜２−１３が接着等で接合されており、銅箔等の導電性の部材で構成された電極部及びリード部の一部がシート１３と圧電素子２−１０〜２−１３との間に接着されている。

導電材で形成されたリード部は、それぞれ放射状に延出し、シート１３と一体的に設けられた４つの幅狭シート部と接着等で接合されて支持部を形成し、そこから更に外側に延出して接続端子部４−１０〜４−１３を形成している。

筐体等、製品本体への固定は放射状に延出した支持部の一部を、リング状の固定部材１４で上下から挟むように固定し、４つの振動子を同時に支持し、位置の設定を行う。

これにより簡単な構造で振動波モータの複数台駆動構造が実現できる。

以上述べてきたように、振動子の支持部を薄いシート部材の積層体で構成することにより、支持部構造の簡素化、小型化が実現できると共に、積層部分での振動減衰効果を積極的に使うことで、従来問題となっていた異音に対しても効果が得られるものである。

尚、本実施の形態では、シート部材としてポリイミド製のフレキを例に挙げたが、この材料に限定されるものではなく、薄膜の有機系材料であれば良いことは言うまでもない。また、補強部材として、銅系のリード材を例に挙げたが、その他、フレキよりも弾性率の高い樹脂材等を複数枚積層しても効果は得られる。

１ 弾性体
２ 圧電素子
３ 突起
４ フレキシブルプリント基板
５ 被駆動体
６ ビス
７ 筐体
８ 押さえ板
９ 筐体（可動式）
１０ 板バネ
１２ 補強部材
１３ シート部材

Claims (8)

1. シート状部材と、
   前記シート状部材に設けられた複数の振動子と、を有し、
   前記複数の振動子のそれぞれは、電気−機械エネルギー変換素子を有し、
   前記シート状部材と前記複数の振動子それぞれの間に、導電性の部材が設けられていることを特徴とする振動波モータ。
2. 前記シート状部材はリング状であることを特徴とする請求項１に記載の振動波モータ。
3. 前記導電性の部材は、前記シート状部材から放射状に延出したシート部材の部分と一体的に設けられ、支持部を形成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動波モータ。
4. 前記支持部は、有機系材料からなる前記リング状シート部材で構成された積層体と、該積層体よりも弾性率の高い補強部材とで構成されていることを特徴とする請求項３記載の振動波モータ。
5. 前記支持部は、樹脂からなるリング状シート部材と、銅系のリード材とで構成されていることを特徴とする請求項３記載の振動波モータ。
6. 前記シート部材の積層体は、樹脂で構成されていることを特徴とする請求項４記載の振動波モータ。
7. 前記補強部材は銅系のリード材で構成されていることを特徴とする請求項４又は６に記載の振動波モータ。
8. 前記シート状部材は、前記電気−機械エネルギー変換素子に電気的に接続されるフレキシブルプリント基板であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動波モータ。

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