JP4871593B2 - 振動子及び振動波駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動が励起される振動子及び該振動子に励起した振動により物体を駆動する振動波駆動装置に関する。

従来、振動が励起される振動子に関する技術、或いは、振動子に励起される振動により被駆動体を駆動する振動波駆動装置に関する技術が数多く提案されている。例えば、電気量を機械量に変換する電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子と、導通部品であるフレキシブル基板を、互いの表面の電極が接するように接着し、機械的結合と電気的接続を行う振動子がある（例えば、特許文献１参照）。

また、電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子を、絶縁皮膜を施していない導通部品である複数の導電性の導体を用いて挟持することで、機械的結合と電気的接続を行う振動子もある（例えば、特許文献２参照）。
特開平７−６７３６５号公報（第４頁、図１〜図４） 特開平６−２６１５６２号公報（第４頁、図１〜図４）

しかしながら、上記特許文献１に開示されている振動子では、圧電素子及びフレキシブル基板それぞれの面の電極が有る部分と電極が無い部分とによる凹凸、或いは電極表面の面粗さによる凹凸が生じる。そのため、圧電素子とフレキシブル基板の接着に伴う接着層が厚くなってしまい、振動子に振動を励起した時の機械的損失が大きくなってしまうという問題がある。

また、上記特許文献２に開示されている振動子では、圧電素子を挟持する複数の導体の厚さ寸法のバラツキや、圧電素子に対する導体取り付けのバラツキが生じる。そのため、前記バラツキが圧電素子及び導体間の結合面の密着具合に大きく影響し、振動子の振動特性を悪化させる恐れがある。更に、圧電素子を複数の導体で挟持する構造のために部品点数が多くなる結果、製造工程が煩雑化するという問題がある。

本発明の目的は、電気−機械エネルギ変換素子と導通部品の機械的結合及び電気的接続において、振動子に振動を励起した時の機械的損失を少なくし、結合面の密着度合いを良好にすることを少ない部品点数で可能にした振動子及び振動波駆動装置を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明の振動子は、表面に電極を有し、電気量を機械量に変換する電気−機械エネルギ変換素子と、表面に電極を有し、前記電気−機械エネルギ変換素子に結合されると共に前記電気−機械エネルギ変換素子と電源との導通を行う導通部品と、を備え、前記電気−機械エネルギ変換素子の電極と、前記導通部品の電極と、が電気的に接続されており、前記電気−機械エネルギ変換素子と前記導通部品との機械的結合面のうち少なくとも一方の機械的結合面が電極を有さないことを特徴とする。

また、本発明の振動波駆動装置は、振動子を備え、前記振動子に加圧接触された被駆動体を摩擦力による移動もしくは前記被駆動体に力の伝達を行うことを特徴とする。

本発明によれば、電気−機械エネルギ変換素子と導通部品との機械的結合面のうち少なくとも一方の機械的結合面が電極を有さないため、振動子に振動を励起した時の機械的損失を少なくすることが可能となる。また、複数の導通部品を用いることなく少ない部品点数で、電気−機械エネルギ変換素子と導通部品との機械的結合面の密着度合いを良好にすることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

［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駆動装置の振動子の外観を示す斜視図である。図２は、振動子の電極面を示す図である。

図１及び図２において、振動波駆動装置は、接触体（不図示）を移動或いは接触体に力を伝達する装置であり、振動子を備える。振動子は、振動体１、フレキシブル基板２、圧電素子４から構成される。振動体１は、材質がステンレス鋼で円環形状に構成されており、一方の端面の周方向に沿って多数の突起が形成されている。フレキシブル基板２は、圧電素子４と電源（不図示）との導通を行う導通部品である。導電性塗料３は、圧電素子４と振動体１及びフレキシブル基板２とをそれぞれ電気的に接続する、銀を含有した導電性を有する塗料である。圧電素子４は、円環形状に構成されており、電気量（電圧）を機械量（振動）に変換する電気−機械エネルギ変換素子である。

更に詳述すると、圧電素子４は、一方の端面のおおよそ全面に１つの電極（全面電極）が形成されており、他方の端面には図２に示すように所定個数（本実施の形態では１６個 ）の電極（パターン電極）４ａが形成されている。振動体１は、接着剤により圧電素子４の上記全面電極を有する面と結合されると共に、電気的にも接続されている。

フレキシブル基板２は、ベース２ａ、電極２ｂ（共通グラウンド電極、センサ相電極、Ａ相電極、Ｂ相電極）を備えており、多層構造を有する。フレキシブル基板２の一方の面（電極面）では、電極２ｂの一部が表面に露出しており（図２）、フレキシブル基板２の他方の面（ベース面）では、電極が露出しておらずベースのみとなっている（図１）。

圧電素子４とフレキシブル基板２は、圧電素子４のパターン電極４ａを有する面の一部と、フレキシブル基板２の電極を有さない面であるベース面の一部とにおいて、接着剤により結合されている。圧電素子４とフレキシブル基板２は、接着剤により結合された各々の機械的結合面に、少なくとも一方の面（本実施の形態ではフレキシブル基板２のベース面）が電極を有さない構造となっている。

圧電素子４の１６個のパターン電極４ａのうち３個のパターン電極は、導電性塗料３により振動体１と電気的に接続されており、且つ、フレキシブル基板２の電極面の電極２ｂ（共通グラウンド電極）とも電気的に接続されている。また、圧電素子４の１６個のパターン電極４ａのうち１個のパターン電極は、導電性塗料３によりフレキシブル基板２の電極面の電極２ｂ（センサ相電極）とも電気的に接続されている。

また、圧電素子４の１６個のパターン電極４ａのうち上記以外の１２個のパターン電極は、２つのグループ（本実施の形態では図２の上半分の６個のグループと下半分の６個のグループ）に分けられている。１２個のパターン電極は、導電性塗料３により各々のグループ内において電気的に接続され、且つ、フレキシブル基板２の電極面の電極２ｂ（Ａ相電極、Ｂ相電極）とも電気的に接続されている。

次に、上記構成を有する本実施の形態の振動波駆動装置の駆動方法及び作用効果について説明する。

電源（不図示）から、振動子を振動体１と共に構成する圧電素子４に対し、フレキシブル基板２の電極２ｂ（共通グラウンド電極、Ａ相電極、Ｂ相電極）を介し、振動子の共振周波数と略一致する周波数の位相の異なる２相（Ａ相、Ｂ相）の交番電圧を印加する。交番電圧の印加により、振動子に振動を励起し、振動体１における圧電素子４が結合されている端面とは反対側の端面に楕円軌跡を描く楕円運動を発生させる。これにより、振動子に加圧状態で接触された接触体（不図示）に対し、楕円運動に伴う摩擦力により回転力を与え、接触体を移動させるか或いは接触体に回転力を伝達する。

振動波駆動装置の特性は、振動子の振動時の機械的損失の特性に大きく左右される。圧電素子とフレキシブル基板を接着する接着剤等の結合層が厚い、或いは接着剤の厚さが不均一であると、振動子の振動時の機械的損失の特性を大きく悪化させてしまう。

本実施の形態によれば、フレキシブル基板２の上記他方の面（ベース面）に電極が存在しない（電極が露出していない）構成となっている。そのため、圧電素子４とフレキシブル基板２を結合した際の各々の電極が有る部分と電極が無い部分による凹凸、或いは電極表面の面粗さによる凹凸の影響を極めて少なくすることができる。これにより、圧電素子４とフレキシブル基板２との結合層（例えば接着層）をより薄く且つより均一にすることが可能となる。更に、複数の導通部品を用いることなく少ない部品点数で、圧電素子４とフレキシブル基板２との結合面の密着度合いを良好にすることが可能となると共に、振動子に振動を励起した時の機械的損失の特性を良好にすることが可能となる。

また、圧電素子４とフレキシブル基板２との電気的接続を、導電性塗料３を用いて行っている。そのため、圧電素子４とフレキシブル基板２との電気的接続に例えば印刷法を用いることで、導電性塗料３における均質で且つ薄く且つ厚さむらの少ない塗膜による電気的接続が可能となる。これにより、振動子に振動を励起した時の機械的損失を少なくすることが可能となると共に、振動子を簡易な製造工程で製造することが可能となる。

［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駆動装置の振動子の上面側の外観を示す斜視図である。図４は、振動子の下面側の外観を示す斜視図である。

図３及び図４において、振動波駆動装置の振動子は、振動体２１、フレキシブル基板２２、圧電素子２４から構成される。振動体２１は、材質がステンレス鋼で直方体形状に構成されており、一方の面に２つの突起２１ａが形成されている。フレキシブル基板２２は、圧電素子２４と電源（不図示）との導通を行う導通部品である。導電性塗料２３は、圧電素子２４と振動体２１及びフレキシブル基板２２とをそれぞれ電気的に接続する、銀を含有した導電性を有する塗料である。圧電素子２４は、直方体形状に構成された電気−機械エネルギ変換素子である。

更に詳述すると、振動体２１と圧電素子２４は接着剤により結合されている。圧電素子２４は、厚み方向に複数の圧電体の層と複数の電極の層とが積層された積層構造を有する。圧電素子２４の内部の電極は、Ａ相＋、Ａ相−、Ｂ相＋、Ｂ相−の４つに分類されており、各々の電極は、厚み方向に貫通する４つの電極柱により電気的に接続されている。

４つの電極柱は、圧電素子２４における振動体２１と結合されている面とは反対側の面に露出している。フレキシブル基板２２は、ベース２２ａ、電極２２ｂを備えており、多層構造を有する。フレキシブル基板２２の一方の面（電極面）では、電極２２ｂの一部が表面に露出しており（図４）、他方の面（ベース面）では、電極が露出しておらずベースのみとなっている（図３）。

圧電素子２４とフレキシブル基板２２は、圧電素子２４のパターン電極を有する面の一部と、フレキシブル基板２２の電極を有さない面であるベース面の一部とにおいて、接着剤により結合されている。圧電素子２４とフレキシブル基板２２は、接着剤により結合された各々の機械的結合面に、圧電素子２４の電極とフレキシブル基板２２の電極２２ｂの双方を有さない構造となっている。圧電素子２４の４つの露出した電極柱とフレキシブル基板２２の電極２２ｂとの電気的接続は、図４に示すように導電性塗料２３により行われている。

次に、上記構成を有する本実施の形態の振動波駆動装置の駆動方法及び作用効果について説明する。

電源（不図示）から、振動子を振動体２１と共に構成する圧電素子２４に対し、フレキシブル基板２２の電極２２ｂを介し、振動子の共振周波数と略一致する周波数の位相の異なるＡ相（Ａ相＋、Ａ相−）とＢ相（Ｂ相＋、Ｂ相−）の２相の交番電圧を印加する。交番電圧の印加により、振動子に２つの面外振動を励起し、振動体２１の２つの突起２１ａに楕円軌跡を描く楕円運動を発生させる。これにより、振動体２１の２つの突起２１ａに加圧状態で接触された接触体（不図示）に対し、楕円運動に伴う摩擦力により移動力を与え、接触体を移動させるか或いは接触体に移動力を伝達する。

本実施の形態によれば、圧電素子２４とフレキシブル基板２２とにおける双方の結合面に電極が存在しない構成となっている。そのため、平滑面同士の結合が可能であり、圧電素子２４とフレキシブル基板２２との結合層（例えば接着層）をより薄く且つより均一にすることが可能となる。更に、圧電素子２４とフレキシブル基板２２との結合面の密着度合いを良好にすることが可能となり、振動子の振動時の機械的損失の特性を良好にすることが可能となる。

また、圧電素子２４とフレキシブル基板２２との電気的接続を、導電性塗料２３を用いて行っている。そのため、圧電素子４とフレキシブル基板２との電気的接続に例えば印刷法を用いることで、導電性塗料２３における均質で且つ薄く且つ厚さむらの少ない塗膜による電気的接続が可能となる。これにより、振動子に振動を励起した時の機械的損失を少なくすることが可能となると共に、振動子を簡易な製造工程で製造することが可能となる。

［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駆動装置の振動子の外観を示す斜視図である。

図５において、振動波駆動装置の振動子は、圧電素子３４、フレキシブル基板３２から構成される。フレキシブル基板３２は、圧電素子３４と電源（不図示）との導通を行う導通部品である。導電性塗料３３は、圧電素子３４とフレキシブル基板３２とを電気的に接続する、銀を含有した導電性を有する塗料である。圧電素子３４は、円筒形状に構成された電気−機械エネルギ変換素子である。

更に詳述すると、フレキシブル基板３２は、ベース３２ａ、電極３２ｂを備えている。圧電素子３４は、内周側のおおよそ全面に配設された１つの電極（以下、全面電極）と、外周側に周方向に沿って４分割されたパターン電極３４ａを備えている。圧電素子３４とフレキシブル基板３２は、圧電素子３４の電極のない端面とフレキシブル基板３２の電極のないベース面とにおいて接着剤により結合されている。

圧電素子３４の内周側の全面電極とフレキシブル基板３２の電極３２ｂとは、導電性塗料３３により電気的に接続されている。圧電素子３４の外周側の各々のパターン電極３４ａとフレキシブル基板３２の電極３２ｂとは、導電性塗料３３により電気的に接続されている。

次に、上記構成を有する本実施の形態の振動波駆動装置の駆動方法及び作用効果について説明する。

電源（不図示）から振動子を構成する圧電素子３４に対し、フレキシブル基板３２の電極３２ｂを介し交番電圧を印加する。交番電圧の印加により、振動子に２つの面外振動を励起する。これにより、振動子に加圧状態で接触された接触体（不図示）に対し、摩擦力により回転力を与え、接触体を移動させるか或いは接触体に回転力を伝達する。

本実施の形態によれば、上記構成により、第１及び第２の実施の形態と同様に、振動子の振動時の機械的損失の特性を良好にすることが可能となる。また、振動子の振動特性において、より最適な位置での圧電素子３４とフレキシブル基板３２との結合が可能となると共に、フレキシブル基板３２の取り回しが不要となる。

［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駆動装置の振動子の外観を示す斜視図である。

図６において、振動波駆動装置の振動子は、圧電素子４４、フレキシブル基板４２から構成される。フレキシブル基板４２は、圧電素子３４と電源（不図示）との導通を行う導通部品であり、ベース４２ａ、電極４２ｂを備えている。導電性塗料４３は、圧電素子４４とフレキシブル基板４２とを電気的に接続する、銀を含有した導電性を有する塗料である。圧電素子４４は、円筒形状に構成された電気−機械エネルギ変換素子であり、電極４４ａを備えている。

本実施の形態は、上述した第３の実施の形態に対して次の点において相違する。即ち、圧電素子４４の外周側には、４つの電極４４ａが配設されている。４つの電極（第１の電極、第２の電極、第３の電極、第４の電極）４４ａは、それぞれ、空間的位相差が所定角度（本実施の形態では１８０度）で対向する１対の電極が圧電素子４４の軸方向一方の端面側の周方向（圧電素子表面または圧電素子内部）に沿って接続されたものである。

更に詳述すると、第１の電極４４ａと第２の電極４４ａとは、圧電素子４４の径方向に積層状態に配設されている。この場合、第１の電極４４ａは、空間的位相差１８０度で対向する１対の電極が圧電素子表面の周方向に沿って電気的に接続され、第２の電極４４ａは、空間的位相差１８０度で対向する１対の電極が圧電素子内部の周方向に沿って電気的に接続されたものである。

また、第３の電極４４ａと第４の電極４４ａとは、第１の電極４４ａと第２の電極４４ａに対して空間的位相差が所定角度（本実施の形態では９０度）ずれた位置で且つ圧電素子４４の径方向に積層状態に配設されている。この場合、第３の電極４４ａは、空間的位相差１８０度で対向する１対の電極が圧電素子内部の周方向に沿って電気的に接続され、第４の電極４４ａは、空間的位相差１８０度で対向する１対の電極が圧電素子内部の周方向に沿って電気的に接続されたものである。

本実施の形態によれば、上記構成により、第３の実施の形態で述べた効果の他に、振動子を簡易な製造工程で製造することが可能となると共に、製造コストの増加を抑えることが可能となる。また、振動子に振動を励起した時の機械的損失の原因となる、圧電素子４４の電極４４ａとフレキシブル基板４２の電極４２ｂとの電気的接続箇所を少なくすることが可能となる。

［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駆動装置の振動子の外観を示斜視図の図である。

図７において、振動波駆動装置の振動子は、圧電素子５４、フレキシブル基板５２から構成される。フレキシブル基板５２は、圧電素子５４と電源（不図示）との導通を行う導通部品であり、ベース５２ａ、電極５２ｂを備えている。導電性塗料５３は、圧電素子５４とフレキシブル基板５２とを電気的に接続する、銀を含有した導電性を有する塗料である。圧電素子５４は、円筒形状に構成された電気−機械エネルギ変換素子であり、電極５４ａを備えている。

本実施の形態は、上述した第４の実施の形態に対して次の点において相違する。即ち、圧電素子５４の軸方向中央部に、導電性を有する材料で形成されたシャフト５５がフレキシブル基板５２の電極５２ｂと接触する状態で挿入されている。シャフト５５により、圧電素子５４の内周側の全面電極とフレキシブル基板５２の電極５２ｂとを電気的に接続している。

本実施の形態によれば、上記構成により、第４の実施の形態と比較し、振動子に振動を励起した時の機械的損失の原因となる、圧電素子５４の電極とフレキシブル基板５２の電極５２ｂとの電気的接続箇所を更に少なくすることが可能となる。

［第６の実施の形態］
図８は、本発明の第６の実施の形態に係る振動子のフレキシブル基板の外形を示す模式図である。

図８において、本実施の形態が上述した第５の実施の形態と相違する点は、フレキシブル基板６２が、円筒形状の圧電素子（不図示）と結合される結合面６２ａにおいて、外周部の周方向に沿って複数箇所を欠落させた複数の欠落部６２ｂを有する点である。尚、本実施の形態では、欠落部６２ｂの形状を円形の一部を欠落させた形状（概略半円形状）としているが、特定の形状に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。

本実施の形態によれば、上記構成により、第５の実施の形態で述べた効果の他に、振動子に振動を励起した時の機械的損失の原因となる、圧電素子の多層構造の部分や圧電素子とフレキシブル基板との結合層（例えば接着層）の部分をより少なくすることが可能となる。

［第７の実施の形態］
図９は、本発明の第７の実施の形態に係る振動子のフレキシブル基板の外形を示す模式図である。

図９において、本実施の形態が上述した第６の実施の形態と相違する点は、フレキシブル基板７２が、円筒形状の圧電素子（不図示）と結合される結合面７２ａにおいて、面内から面外に切り欠かれた切り欠き部７２ｂを有する（開いた形状を有する）点である。尚、本実施の形態では、切り欠き部７２ｂの形状を円環の一部を切り欠いた形状（概略長方形形状）としているが、特定の形状に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。

本実施の形態によれば、上記構成により、第６の実施の形態で述べた効果の他に、圧電素子とフレキシブル基板との結合面の面内方向の拘束力を下げることが可能となる。これにより、振動子に振動を励起した時の機械的損失の原因となる、圧電素子とフレキシブル基板との結合層（例えば接着層）のせん断変形を小さくすることが可能となる。

［他の実施の形態］
上記第１乃至第７の実施の形態では、振動子及び振動波駆動装置について説明したが、本発明は、振動波駆動装置の振動子に励起した振動により被駆動体を駆動する各種の技術分野に適用することが可能である。技術分野としては例えば撮像装置におけるフォーカスレンズやズームレンズの駆動などが想定される。

本発明の第１の実施の形態に係る振動波駆動装置の振動子の外観を示す斜視図である。 図１の振動子の電極面を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る振動波駆動装置の振動子の上面側の外観を示す斜視図である。 図３の振動子の下面側の外観を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る振動波駆動装置の振動子の外観を示す斜視図である。 本発明の第４の実施の形態に係る振動波駆動装置の振動子の外観を示す斜視図である。 本発明の第５の実施の形態に係る振動波駆動装置の振動子の外観を示斜視図の図である。 本発明の第６の実施の形態に係る振動子のフレキシブル基板の外形を示す模式図である。 本発明の第７の実施の形態に係る振動子のフレキシブル基板の外形を示す模式図である。

符号の説明

１、２１ 振動体
２、２２、３２、４２、５２、６２、７２ フレキシブル基板（導通部品）
２ａ、２２ａ、３２ａ、４２ａ、５２ａ フレキシブル基板のベース
２ｂ、２２ｂ、３２ｂ、４２ｂ、５２ｂ フレキシブル基板の電極
３、２３、３３、４３、５３ 導電性塗料（導電性を有する塗料）
４、２４、３４、４４、５４ 圧電素子（電気−機械エネルギ変換素子）
４ａ、３４ａ、４４ａ、５４ａ 圧電素子の電極
５５ シャフト（導電性を有する材料で形成された部材）
６２ａ 結合面
６２ｂ 欠落部
７２ａ 結合面
７２ｂ 切り欠き部

Claims (7)

1. 表面に電極を有し、電気量を機械量に変換する電気−機械エネルギ変換素子と、
   表面に電極を有し、前記電気−機械エネルギ変換素子に結合されると共に前記電気−機械エネルギ変換素子と電源との導通を行う導通部品と、を備え、
   前記電気−機械エネルギ変換素子の電極と、前記導通部品の電極と、が電気的に接続されており、
   前記電気−機械エネルギ変換素子と前記導通部品との機械的結合面のうち少なくとも一方の機械的結合面が電極を有さないことを特徴とする振動子。
2. 前記電気−機械エネルギ変換素子と前記導通部品とは、導電性を有する塗料により電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の振動子。
3. 前記電気−機械エネルギ変換素子は、複数の電極を有し、
   前記複数の電極のうち少なくとも２つの電極は、前記電気−機械エネルギ変換素子の表面もしくは内部で電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の振動子。
4. 前記電気−機械エネルギ変換素子は、複数の電極を有し、
   前記複数の電極のうち少なくとも１つの電極は、導電性を有する材料で形成された部材を介し前記導通部品と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の振動子。
5. 前記導通部品は、前記電気−機械エネルギ変換素子との結合面の一部が欠落した構造を有することを特徴とする請求項１記載の振動子。
6. 前記導通部品は、前記電気−機械エネルギ変換素子との結合面の面内から面外に切り欠かれた構造を有することを特徴とする請求項１記載の振動子。
7. 前記請求項１乃至６の何れかに記載の振動子を備え、前記振動子に加圧接触された被駆動体を摩擦力による移動もしくは前記被駆動体に力の伝達を行うことを特徴とする振動波駆動装置。

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