JP4721559B2 - 超音波モータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波モータ装置に関する。より詳しくは、ステータに形成された電極に対する電気的な接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータ（以下ピエゾモータとも言う）は、その振動子の重心固定の対称励振モードである定在波型モータと進行波型モータの２種類と、さらに振動子である円板又は円筒を例えば４分割し左右の振幅が逆になる非対称モードにより励振することで重心が中心の周りを回転移動し、円の外周がフラフープのように偏心する電歪公転子型モータとが知られている。こうした超音波モータ（以下ピエゾモータとも言う）は、ステータとなる圧電素子に高周波の交流電圧を印加して、約２０ｋＨｚ以上の超音波振動を発生させることにより、ステータに圧接されたロータを回転駆動させている。この種のピエゾモータは、構造が簡単で小型軽量化に適するとともに、低速回転時でも高いトルクが得られる上、駆動音も少なく静かであるという利点を有している。特に後者の電歪公転子型モータは、特開平１０−２７２４２０号公報に示されているように、円筒状公転子の径および周方向に加えて軸方向のモードも結合させた３Ｄ公転トルク発生子として利用できるという特長を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電気的な接続部材としては、例えばコイルバネが一般的に知られている。コイルバネの一端をステータの表面電極に半田付けする一方、他端を外部電源との接続端子にする。しかしながら、接続部材をコイルバネで構成すると、その巻数や線径によっては、円筒状のステータに対し径方向のスペースが多く必要となるという欠点がある。又、コイルバネに代えて通常のリード線を接続部材に用いる場合がある。リード線の一端を半田でステータの表面電極に固定する一方、他端を外部電極との接続端子にする。しかしながら、リード線を半田付け処理すると、ステータが常に微振動を発生している為リード線が振れ、半田付けをした部分の剥離が生ずる恐れがある。又、リード線にも厚みがある為、やはりステータの径方向にスペースが必要になるという不都合がある。
【０００４】
以上の様に、ピエゾモータのステータと外部の駆動電源を接続する為には、ステータの振動によって接触不良が生じない様に、強固な電気的導通を取らなければならない。又、強固に接続し過ぎると、ステータの振動が妨げられる為、バランスが必要である。又、接続箇所については、ステータに形成された表面電極のほぼ中央が効率的によいとされている。しかしながら、量産を考慮した場合、治具などを用いて位置出しをしながら半田付け等で接続部材をちょうど表面電極のほぼ中央に固定することは工数がかかってしまう為に、コストアップの要因になる。更に、半田付け箇所が多くなると、ステータの適正な振動を妨げる原因となる。この様に、従来のピエゾモータ装置では、ステータの電極処理が解決すべき大きな課題となっていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題に鑑み、本発明はピエゾモータのステータに駆動電圧を供給する為に好適な接続構造を提供することを目的とする。係る目的を達成するために以下の手段を講じた。即ち、本発明は、円筒面を有する圧電素子及び該円筒面に形成された表面電極からなり該表面電極に印加される電圧に応じて公転トルクを発生するステータと、該ステータに対して摺動的に圧接して該公転トルクにより自転運動を行なうロータと、該ステータの表面電極に接続され外部から電圧を供給する配線基板とからなるピエゾモータ装置において、前記配線基板は、該ステータの円筒面に形成された該表面電極に沿って円筒状に配された可撓性を有する配線基板であることを特徴とする。又、前記配線基板は基材とその表面に形成された配線パタンとからなり、前記基材は該配線パタンの形成されていない部分が切り取られている。又、前記配線基板は、該ステータの円筒軸に沿った幅寸法が、該円筒軸に沿ったステータの高さ寸法のおよそ半分である。
【０００６】
好ましくは、前記可撓性を有する配線基板は配線パタンとステータの表面電極に重なる透孔を備えており、該配線パタンは該透孔に配された半田により該表面電極と電気的に接続されている。該透孔は、該ステータの円筒軸方向に分かれた該配線基板の両端辺の間でほぼ中央の位置に配されるか、または該配線基板の一対の端辺の片方にかかる様に配されている。又、前記配線基板は、該ステータの円筒軸方向に分かれた一対の端辺の片方が、該ステータの両端面の片方に整合しており、該ステータの円筒軸と平行な先端辺が、該ステータの円筒軸と平行な該表面電極の一辺を基準にして位置決めされている。好ましくは、前記ステータは、該電圧に応じてその円筒端面が電歪公転共振により公転トルクを発生し、前記ロータは該円筒端面に圧接して該公転トルクを直接自転運動として取り出す。
【０００７】
本発明によれば、円筒状のステータの周囲に、例えば可撓性を有する配線基板（フレキシブル配線基板）を沿う様に配備する。そして、フレキシブル配線基板に形成されたパタンがステータに形成された表面電極と接合する様にして、両者の導通を図る。この様に、電気接続にフレキシブル配線基板を用いこれをステータの外周面に巻き付けることで、配線に必要なスペースを大幅に縮小している。配線基板に形成されたパタンとステータ側の表面電極の接続は透孔（スルーホールパタン）を利用して半田付けにより行なう。スルーホールパタンを利用することで、半田付け面積が自動的に最適化でき、ステータの振動を妨げることなく、安定した給電を行なうことが可能になる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係るピエゾモータ装置の第一実施形態を示す模式図であり、（Ａ）は側面形状を表わし、（Ｂ）は平面形状を表わしている。図示する様に、本ピエゾモータ装置は、前述した特開平１０-２７２４２０号公報に示されている３Ｄ公転トルク共振子よりなる電歪公転子型モータであって、基本的にステータ１とロータ（図示省略）と配線基板９とで構成されている。ステータ１は円筒面を有する圧電素子及びこの円筒面に四分割して形成された表面電極１１，１２，１３，１４とからなり、表面電極１１，１２，１３，１４に印加される電圧に応じて動力を発生する。図示しないが、ロータはステータ１に対して摺動的に圧接して公転トルクにより自転運動を行なう。例えば、ロータは環状であり、ステータ１の円筒端面に圧接する構造となっている。配線基板９は、ステータの表面電極１１，１２，１３，１４に接続され外部から電圧を供給する。
【０００９】
特徴事項として、配線基板９はステータ１の円筒面に形成された表面電極１１，１２，１３，１４に沿って円筒状に配されている。好ましくは、配線基板９は可撓性を有し、いわゆるフレキシブル配線基板となっている。図示する様に、フレキシブル配線基板９はステータ１の円筒面に巻かれており、電気的な接続を取るためのスペースが最小限で済む。フレキシブル配線基板９は、薄いフィルムからなる基材９０と、その表面に形成された配線パタン９１とからなる。配線パタン９１は、電極１１，１２，１３，１４の個数分だけ分かれて配設されている。一本のパタン９１は半田９２で電極１１に接続され、別の一本のパタンも同じく半田９２によって表面電極１２に接続されている。残りのパタンも、電極１１，１２，１３，１４とは反対側にある電極に対してそれぞれ電気接続されている。又、基材９０は、配線パタン９１の形成されていない部分９３が切り取られている。この様に、基材９０の一部９３をくり抜くことにより、ステータ１に形成された表面電極１１，１２，１３，１４との接触面を減らし、ステータ１の振動損失を軽減している。又、基材９０から一部分９３をくり抜くことで、フレキシブル配線基板９の剛性が弱くなり、簡単にステータ１の周囲に巻き付けることが可能になる。
【００１０】
配線基板９は、ステータ１の円筒軸に沿った幅寸法Ｗが、円筒軸に沿ったステータ１の高さ寸法Ｈのおよそ半分となっている。ここで、ステータ１の円筒底面を基準にしてフレキシブル配線基板９の位置決めをすると、フレキシブル配線基板９の上端辺がちょうどステータ１の高さの中程になる。この部分で、配線パタン９１を電極１１，１２，１３，１４に半田９２で接続することになる。この様にすると、接続箇所が各電極１１，１２，１３，１４の中央となる為、最も効率よく振動を励起することが可能である。
【００１１】
図２は、本発明に係るピエゾモータ装置の第二実施形態を示す模式図であり、（Ａ）は側面形状を表わし、（Ｂ）は平面形状を表わす。尚理解を容易にする為、図１に示した先の実施形態と対応する部分には対応する参照番号を付してある。図示する様に、本ピエゾモータ装置も、ステータ１とロータ（図示省略）と配線基板９とで構成されている。配線基板９は、可撓性を有しステータ１の円筒面に形成された表面電極１１，１２，１３，１４に沿って円筒状に配されている。ここで、フレキシブル配線基板９は、ステータ１の各表面電極１１，１２，１３，１４に重なる透孔９４を備えている。各配線パタン９１はこの透孔９４に配された半田９２により各表面電極１１，１２，１３，１４に電気的に接続されている。透孔９４はいわゆるスルーホールパタンとなっており、各配線パタン９１の先端に形成された透孔とその周囲に配された円形の導電パタンとからなる。円形の導電パタンはちょうど半田の供給量を規制する役目を果たしており、定量分が透孔９４に配される。これにより、ステータ１の振動を妨げることなく、安定的に配線基板９のパタン９１を各表面電極１１，１２，１３，１４に電気接続することができる。本実施形態の場合、透孔９４は、ステータ１の円筒軸方向に分かれた配線基板９の両端辺の間で、ほぼ中央の位置に配されている。これにより、配線パタン９１を各表面電極１１，１２、１３，１４のほぼ中央で接続することができる様になり、振動効率が最適化される。場合によっては、図１に示した様に、透孔９４はステータ１の円筒軸方向に分かれた配線基板９の一対の端辺の片方（上端辺）にかかる様に配してもよい。この場合には、配線基板９は、図１に示した様に、ステータ１の円筒軸方向に分かれた一対の端辺の片方（下端辺）が、ステータ１の両端面の片方（下端面）に整合する様に、位置決めすればよい。更に、配線基板９は、ステータ１の円筒軸と平行な先端辺Ｐが、ステータの円筒軸と平行な表面電極１１の一辺を基準にして位置決めされている。この様に、ステータ１の底面及び表面電極１１の一辺を基準にして配線基板９を円筒軸方向並びに周方向に対して正確に位置決めできる。尚、ステータ１は配線基板９を介して供給される駆動電圧に応じて円筒端面が電歪公転共振により公転トルクを発生し、ロータは円筒端面に圧接して該公転トルクを直接自転運動として取り出す。
但し、本発明に係るピエゾモータ装置はこの構造に限られるものではない。
【００１２】
図３は、図１又は図２に示したピエゾモータ装置の応用例を表わしており、ピエゾモータ装置を動力源としたカメラ用レンズ駆動装置を示している。尚、図示を分かり易くする為、配線基板は省略してある。又、本発明に係るピエゾモータ装置の応用例はカメラ用レンズ駆動装置に限られるものではないことは言うまでもない。本カメラ用レンズ駆動装置は、基本的にステータ１及びロータ２を含むピエゾモータと、レンズ鏡筒３と、これらを連結する伝達部材とで構成されている。ステータ１は圧電素子からなり交流電圧の印加を受けて超音波振動を励振し公転トルクを発生する。ロータ２はステータ１に圧接されており、公転トルクを自転運動に変換する。レンズ鏡筒３はカメラ用のレンズ（図示せず）を搭載し、且つレンズの光軸Ｚ方向に直線変位可能に組み込まれている。ステータ１、ロータ２及びレンズ鏡筒３は鏡筒枠６に組み込まれている。鏡筒枠６の光軸Ｚ方向後端は基台７で遮蔽されている。ピエゾモータのロータ２とレンズ鏡筒３を接続する伝達部材は、ロータ２の自転運動をレンズ鏡筒３の直線変位に変換して伝達する。
【００１３】
ステータ１は、光軸Ｚと平行な円筒軸を有する円筒型の圧電素子からなる。一方、レンズ鏡筒３は円筒型のステータ１の内側に配されており、光軸Ｚに沿って鏡筒枠６の前方端から進退可能になっている。この様に、円筒型ステータ１の内部にレンズ鏡筒３を配することで、カメラ用レンズ駆動装置の小型化が可能になる。
【００１４】
本実施形態では、ロータ２とレンズ鏡筒３を結ぶ伝達部材は、レンズ鏡筒３と一体になったヘリコイド筒４を含んでいる。但し、レンズ鏡筒３とヘリコイド筒４を必ずしも一体に形成する必要はなく、場合によってはヘリコイド筒４に後からレンズ鏡筒３を組み込む構成としてもよい。ヘリコイド筒４は、内部にレンズ鏡筒３を収納する様に基本的には円筒型となっており、その外周面にはネジ４１が切られている。又、ヘリコイド筒４の前方端には、ヘリコイド筒４自体の回転を防止する為にストッパ４２が取り付けられており、鏡筒枠６に係合している。この結果、ヘリコイド筒４は光軸Ｚ方向に沿った直線運動を行なう。上記伝達部材は更に、ロータ２と一体に形成され且つヘリコイド筒４に螺合したヘリコイドギヤ５を含む。本実施形態では環状金属からなるロータ２とポリカーボネートなどの樹脂からなるヘリコイドギヤ５は、例えばアウトサートにより一体的に成形されている。ロータ２の回転運動に伴ってヘリコイドギヤ５も回転する。ヘリコイドギヤ５はその内周面にネジ５１が切られている。ヘリコイド筒４の外周面に形成されたネジ４１とヘリコイドギヤ５の内周面に形成されたネジ５１は互いに噛み合っている。ロータ２の回転に伴ってヘリコイドギヤ５が回転すると、ヘリコイド筒４は光軸Ｚに沿って直線変位する。尚、ロータ２は円筒型ステータ１の後端に取り付けられている。基台７とロータ２との間には回転補助手段８が配されており、ロータ２をステータ１の後端に摺動的に圧接して、ステータ１の公転トルクをロータ２の自回転運動として取り出す。回転補助手段８は、ロータ２に接触する凸曲面状の突起部８２Ｒが設けられた接触板８２と、接触板８２をロータ２側に与圧するバネ部材８３とで構成されている。
【００１５】
図４は、図１又は図２に示したピエゾモータの全体構成を示す模式的な斜視図である。前述した様に、交流駆動電圧Ａ，Ｂ，ＡＸ，ＢＸは配線基板９に形成された各配線パタン９１を介して、対応する電極１１，１２，１３，１４に印加される。配線パタン９１は各表面電極１１，１２，１３，１４に対して半田９２で接続されている。図示する様に、ピエゾモータは円筒型のステータ１と、その後端に圧接された環状のロータ２とで構成されている。円筒型ステータ１の外周面には、電極１１，１２，１３，１４，が形成されている。図示しないが、円筒の内周面にも電極が形成されている。円筒の外周面に形成された電極は四分割されており、それぞれ位相の異なる交流駆動電圧Ａ，Ｂ，ＡＸ，ＢＸが印加される。Ａ相電圧とＢ相電圧は位相が互いに９０度異なっている。又、Ａ相電圧とＡＸ相電圧は位相が１８０度異なっている。換言すると、Ａ相とＡＸ相は互いに反対極性である。同様に、Ｂ相とＢＸ相も反対極性となっている。
【００１６】
図５は、図４に示したステータの模式的な横断面図である。前述した様に、４相の交流電圧Ａ，Ｂ，ＡＸ，ＢＸは配線基板９に形成された配線パタン９１を介して対応する表面電極１１，１２，１３，１４にそれぞれ印加されている。図示する様に、セラミックなどの圧電素子からなる円筒型ステータ１の内周面には、全面的に基準電位を与える電極１０が形成されている。円筒の外周面には四分割された駆動用の電極１１〜１４が形成されている。これら四分割された電極１１〜１４には、互いに位相が９０度ずつシフトした４相の交流電圧Ａ，Ｂ，ＡＸ，ＢＸが印加される。
【００１７】
図６を参照して、図４及び図５に示したピエゾモータの動作を説明する。ピエゾモータでは動力源となる超音波振動が一定の共振周波数であるから、電流はほぼ一定値となる。共振器はＱが高く、振動振幅の立ち上がりは１サイクル以内と考えられ、非慣性機構と見なすことができる。負荷の慣性が影響する範囲でしか電流は変化しない。係る特徴を有するピエゾモータは様々な構成が開発されているが、特に電歪公転型が有力である。電歪公転型は、従来の様に振動をトルクに変えるのではなく、周面全面に亘って一様なトルクを直接励振することができる共振子を使っている。従来の超音波振動子は定在波型と進行波型の二種類あるが、共に重心固定の対称モードでしか励振できない。これに反して、円筒を左右の伸縮が逆になるモードで励振すると、重心が中心を離れて振動する。この非対称励振を行なうと、従来の対称励振では観測できなかった円筒の共振モードが得られる。そこで、ステータ円筒の電極を例えば四分割し、９０度ずつ位相の異なる回転電場で励振すると、図６に示す様に、重心が中心の周りを回転するモードの共振が見られる。この時円筒の外周は元の形を保ったまま、フラフープの様に偏心するので、振動子が公転回転を行なう。係る構成の電歪公転子型モータでは、直接回転モードが励振され、円筒状公転子の径および周方向に加えて軸方向のモードも結合させた３Ｄ公転トルク発生子として利用できる。この公転トルクは、直接ロータの自転運動として取り出される。
【００１８】
図７は、四分割されたステータ電極のそれぞれに印加されるＡ相、Ｂ相、ＡＸ相、ＢＸ相電圧の波形図である。図示する様に、Ａ相に対しＢ相は９０度シフトし、ＡＸ相は１８０度シフトし、ＢＸ相は２７０度シフトしている。この様に９０度ずつ位相の異なる交流電圧をステータに印加することで回転電場が形成され、これに応じてステータは直接回転モードを励振する。
【００１９】
最後に図８は、ピエゾモータの駆動回路を表わしている。図示する様に、一対の駆動信号Ａ，ＡＸはＨブリッジＡを介してステータ１の互いに対向する一対の電極に印加される。同様に、他の一対の駆動信号Ｂ，ＢＸもＨブリッジＢを介して互いに対向する他の一対のステータ電極に印加される。Ｈブリッジは、それぞれ入力信号に応答して、ステータ電極に充分な出力電流を供給する為のドライバ回路となっている。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、配線基板はステータの円筒面に形成された表面電極に沿って円筒状に配されている。これにより、スペース効率の非常に高い電極接続構造を提供することが可能になる。又、本発明によれば、配線基板に形成された透孔（スルーホール）を介して半田により配線パタンをステータの表面電極に接続している。これにより、特定な治具を要することなく位置決めが可能であるとともに、半田付け面積も適量とすることができ、最適な振動を励起することが可能となり、コスト的にも有利な電極取出し構造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るピエゾモータ装置の第一実施形態を示す模式的な側面図及び平面図である。
【図２】本発明に係るピエゾモータ装置の第二実施形態を示す模式的な側面図及び平面図である。
【図３】本発明に係るピエゾモータ装置を組み込んだカメラ用レンズ駆動装置を示す模式的な縦断面図である。
【図４】本発明に係るピエゾモータ装置の外観を示す模式的な斜視図である。
【図５】本発明に係るピエゾモータ装置の横断面図である。
【図６】本発明に係るピエゾモータ装置の動作説明に供する模式図である。
【図７】本発明に係るピエゾモータ装置の動作説明に供する波形図である。
【図８】本発明に係るピエゾモータ装置の駆動回路図である。
【符号の説明】
１・・・ステータ、２・・・ロータ、９・・・配線基板、１１・・・表面電極、１２・・・表面電極、１３・・・表面電極、１４・・・表面電極、９０・・・基材、９１・・・配線パタン、９２・・・半田、９４・・・透孔

Claims (5)

1. 円筒面を有する圧電素子及び該円筒面に形成された表面電極からなり該表面電極に印加される電圧に応じて公転トルクを発生するステータと、該ステータに対して摺動的に圧接して該公転トルクにより自転運動を行なうロータと、該ステータの表面電極に接続され外部から電圧を供給する配線基板とからなる超音波モータ装置において、
   前記配線基板は、該ステータの円筒面に形成された該表面電極に沿って円筒状に配された可撓性を有する配線基板であることを特徴とする超音波モータ装置。
2. 前記配線基板は基材とその表面に形成された配線パタンとからなり、前記基材は該配線パタンの形成されていない部分が切り取られており、該ステータの円筒軸に沿った幅寸法が、該円筒軸に沿ったステータの高さ寸法のおよそ半分であることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ装置。
3. 前記可撓性を有する配線基板は配線パタンとステータの該表面電極に重なる透孔を備えており、
   該透孔は、該ステータの円筒軸方向に分かれた該配線基板の両端辺の間でほぼ中央の位置に配されるか、または該配線基板の一対の端辺の片方にかかるように配されており、
   該配線パタンと該表面電極とは、該透孔を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の超音波モータ装置。
4. 前記配線基板は、該ステータの円筒軸方向に分かれた一対の端辺の片方が、該ステータの両端面の片方に整合しており、
   該ステータの円筒軸と平行な先端辺が、該ステータの円筒軸と平行な該表面電極の一辺を基準にして位置決めされていることを特徴とする請求項３記載の超音波モータ装置。
5. 前記ステータは、該電圧に応じてその円筒端面が電歪公転共振により公転トルクを発生し、前記ロータは該円筒端面に圧接して該公転トルクを直接自転運動として取り出すことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ装置。

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