JP4745754B2 - Piezoelectric vibrator, ultrasonic motor using the same, and electronic equipment - Google Patents
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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。 The present invention relates to a piezoelectric vibrator that functions by vibration of a vibrating body having a piezoelectric element and an electronic device using the same, and more particularly to add a driving signal from a driving circuit to a piezoelectric element or obtain a signal from a piezoelectric element. It relates to a conductive structure.
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。 So-called piezoelectric vibrators are used in various piezoelectric devices as sensors such as acceleration and angular velocity, oscillators, filters, transformers, and actuators.
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。 Among them, for example, an ultrasonic motor that uses vibration and frictional force due to resonance of a vibrating body is characterized by being small and capable of obtaining high torque, and is therefore used for camera autofocus drive, wristwatch calendar feed drive, etc. ing.
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。 The vibration of the vibrating body is generated by applying a driving signal from a driving circuit to a piezoelectric element provided in the vibrating body through a conductive structure such as a lead wire, but particularly when the ultrasonic motor is downsized. Since a conducting structure such as a lead wire has a high risk of suppressing vibration of the vibrating body, a conducting structure with less vibration loss considering fluctuations in the manufacturing process is required.
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。
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。 However, in the conventional structure, the vibration of the vibrating body leaks through the conduction pattern, which may cause energy loss and decrease the output of the ultrasonic motor. In particular, tension may act between the two joints of the conductive pattern due to variations in the bonding position of the lead substrate to the support member and variations in the bonding position of the conductive pattern to the piezoelectric element that occur during manufacturing. At the same time, the tension itself may vary.
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。 The higher the tension, the easier it is to transmit high-frequency vibrations, that is, vibrations of the vibrating body. Therefore, the degree of vibration leakage and vibration leakage varies, causing a decrease in the output of the ultrasonic motor and individual differences in output. There was a fear. Since this tension also fluctuates due to environmental changes due to temperature or the like, the output of the ultrasonic motor may fluctuate greatly depending on the external environment.
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。 In addition, due to the large rigidity of the joint portion of the conductive pattern to the piezoelectric element, a non-uniform portion is formed in the vibration mode of the vibrating body, which may cause a decrease in output characteristics and variations in individual ultrasonic motors.
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。 When a large vibration or impact is applied to the ultrasonic motor, there is a possibility that the joint between the conductive pattern and the piezoelectric element may be peeled off.
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。 Similarly, in other piezoelectric devices, there is a risk of performance variation and a decrease in reliability.
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。 Therefore, in order to solve the above-described problems, in the ultrasonic motor of the present invention, in a vibrating body having a piezoelectric element, a conduction pattern for supplying a driving signal to the piezoelectric element, and an ultrasonic motor frictionally driven by vibration of the vibrating body The conduction pattern has a structure having a buffer portion having a shape protruding from a straight line connecting a joint portion between the piezoelectric element and the conduction pattern and a fixed end to which the conduction pattern and the conduction pattern are fixed. Here, it is assumed that the fixed end is provided on a support plate for fixing the vibrating body.
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。 Here, the buffer portion is formed before the piezoelectric element and the conduction pattern are joined, or before the conduction pattern and the fixing portion are joined.
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。 The buffer portion has a structure protruding in the in-plane direction of the conductive pattern. Or it is set as the structure which protrudes in the thickness direction of a conduction pattern.
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。 Moreover, the junction part with the piezoelectric element of a conduction pattern is made into the shape extended in the circumferential direction of the piezoelectric element.
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。 And it is set as the electronic device characterized by having the operation part driven by these ultrasonic motors.
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。 According to the present invention, even if the piezoelectric vibrator used in the piezoelectric device such as an ultrasonic motor is downsized, the energy loss in the conductive structure is small, a large output can be obtained, and the output characteristics of each piezoelectric vibrator can be obtained. Variation can be made extremely small. In addition, since a lead substrate is used without using a lead wire, a piezoelectric vibrator excellent in mass productivity can be realized. In addition, since the conductive pattern is hardly affected by the tension due to temperature, impact, etc., a piezoelectric vibrator having excellent environmental resistance and reliability can be realized.
(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。
(Embodiment 1)
An application example to an ultrasonic motor will be described as a piezoelectric device using the piezoelectric vibrator of the present invention.
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。
The principle of the
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。
The elastic body 122b on the disk is provided with a
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。 A piezoelectric body according to the present invention includes a vibrating body having a piezoelectric element, a structure supporting a vibrating body, a structure having a lead structure in which one end is joined to the piezoelectric element and the other part is fixed to another member. And The vibrating body may be composed of only a piezoelectric element.
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。
When a drive signal is applied to the
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。 Since the present invention relates to a conduction structure of an ultrasonic motor, an embodiment of the present invention will be described below based on the drawings with a focus on differences from the conventional example.
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。 FIGS. 1A and 1B are views of the configuration of the ultrasonic motor of the present invention as viewed from the front and the back, respectively. Here, the front and back are views seen in the directions of arrows A and B in FIG. 6 (cross-sectional view of an ultrasonic motor) showing a conventional example.
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。
In FIG. 1B, a
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。
Next, details of the lead substrate 2 and the
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。
FIG. 2A shows the lead substrate 2 having the
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。
As shown in FIG. 2B, the lead substrate 2 is first fixed to the support plate 1 by adhesion or the like. Thereafter, the
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。 The lead structure of the present invention can also be applied to other piezoelectric devices. That is, the piezoelectric vibrator in the piezoelectric device comprises a vibrating body having a piezoelectric element, a member supporting the vibrating body, and a structure having a lead structure in which one end is joined to the piezoelectric element and the other part is fixed to another member. As long as it is applied, the piezoelectric device of any function may be applied. In addition, if the piezoelectric device is a piezoelectric device that functions by obtaining signals from a piezoelectric vibrator such as a sensor, filter, or transformer, the conduction pattern constituting the lead structure may transmit a signal output from the piezoelectric element. I do not care.
(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。
(Embodiment 2)
Another embodiment of the conduction structure of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, only differences from the first embodiment and the conventional example will be described.
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。
FIG. 3A is a view of the ultrasonic motor of the present invention viewed from the back side (the direction of arrow B in FIG. 6). FIG. 3B is a side sectional view. In the present embodiment, the buffer portion 7a is characterized by protruding in the thickness direction of the conductive pattern 7, that is, in the direction orthogonal to the protruding direction of the
The lead structure of the present invention can also be applied to other piezoelectric devices. That is, the piezoelectric vibrator in the piezoelectric device includes a vibrating body having a piezoelectric element, a member supporting the vibrating body, a structure having a lead structure in which one end is joined to the piezoelectric element and the other part is fixed to another member. As long as it is applied, the piezoelectric device of any function may be applied. In addition, if the piezoelectric device is a piezoelectric device that functions by obtaining signals from a piezoelectric vibrator such as a sensor, filter, or transformer, the conduction pattern constituting the lead structure may transmit a signal output from the piezoelectric element. I do not care.
(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。
(Embodiment 3)
Another embodiment of the conduction structure of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, only differences from the first and second embodiments and the conventional example will be described.
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。 FIG. 4 is a view of the ultrasonic motor of the present invention viewed from the back side (in the direction of arrow B in FIG. 6).
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。
In the present embodiment, the joint portion 8 a of the conductive pattern 8 with the
The lead structure of the present invention can also be applied to other piezoelectric devices. That is, the piezoelectric vibrator in the piezoelectric device comprises a vibrating body having a piezoelectric element, a member supporting the vibrating body, and a structure having a lead structure in which one end is joined to the piezoelectric element and the other part is fixed to another member. As long as it is applied, the piezoelectric device of any function may be applied. In addition, if the piezoelectric device is a piezoelectric device that functions by obtaining signals from a piezoelectric vibrator such as a sensor, filter, or transformer, the conduction pattern constituting the lead structure may transmit a signal output from the piezoelectric element. I do not care.
(Embodiment 4)
An example in which an electronic apparatus is configured using the
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。
FIG. 5 shows a block diagram in which the
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。
Here, the
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。 Note that an electronic timepiece, a measuring instrument, a camera, a printer, a printing machine, a robot, a machine tool, a game machine, an optical information device, a medical device, a moving device, and the like can be realized as the electronic device in this embodiment. Furthermore, if the moving body 7 is provided with an output shaft and has a power transmission mechanism for transmitting torque from the output shaft, an ultrasonic motor driving device can be realized.
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。 The piezoelectric vibrator of the present invention is particularly effective when it is miniaturized, and an ultrasonic motor that is a piezoelectric device using the piezoelectric vibrator is used for reading in an information recording device, driving a writing head, a lens of a digital camera, a video camera, etc. It can be applied as a driving source for various electronic devices such as driving. The sensor is used for camera shake detection, automobile movement position detection, impact force detection for HDDs, etc., the transformer is used as a boosting power source for the backlight of a personal computer, and the filter is used as signal processing in a communication device such as a mobile phone.
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
Piezoelectric element 5,802
Vibrating
Lead
Claims (9)
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。 A vibrating body having a piezoelectric element;
In a piezoelectric vibrator comprising a conduction pattern for supplying a drive signal to the piezoelectric element,
The conductive pattern protrudes from the straight line portion on a straight line connecting a joint portion between the piezoelectric element and the conductive pattern, the conductive pattern and a fixed end to which the conductive pattern is fixed, and the straight line portion . A piezoelectric vibrator having a buffer portion having a shape.
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 A piezoelectric vibrator comprising a conduction pattern for supplying a drive signal to the piezoelectric element;
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。 The piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein a joint portion of the conduction pattern with the piezoelectric element is a nodal position of vibration excited by the vibrating body and has a shape extending in a circumferential direction of the piezoelectric element.
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