JP6370436B2 - 振動型駆動装置及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波モータ等の振動型駆動装置に関する。

被駆動物を直線状に駆動するリニア型超音波モータとして、従来において、特許文献１のような振動型駆動装置（リニア型超音波モータ）が提案されている。

図４を用いて、上記のリニア型超音波モータの駆動原理について説明する。

図４（ａ）のリニア型超音波モータの外観斜視図に示されるように、リニア型超音波モータ５１０は、振動体５０１と被駆動体５０６および振動体５０１を被駆動体５０６に加圧するための加圧部材（不図示）から構成されている。

振動体５０１は、電気−機械エネルギー変換素子として用いる圧電素子５０５と、該圧電素子５０５の片面に接合されて一体化される矩形の形状に形成された弾性体５０２と、この弾性体５０２の上面に対して凸状に形成された２つの突起部５０３、５０４から構成される。

超音波モータにおいては、圧電素子に特定の周波数の電圧を印加することで、所望の振動モードを複数励振し、これら振動モードを重ね合わせることにより、駆動するための振動を形成する。

このような振動は、図４（ａ）のモータでは、図４（ｂ−１）、（ｂ−２）に示す２つの曲げ振動モードを振動体５０１に励振させる。

この２つの曲げ振動モードはどちらも、板状の振動体５０１の面外方向の曲げ振動モードである。

一方の振動モードは、振動体５０１の長手方向に２次の曲げ振動モード（Ｍｏｄｅ−Ａ）であり、他方の振動モードは、振動体５０１の短手方向に１次の曲げ振動モード（Ｍｏｄｅ−Ｂ）である。

振動体５０１の形状は、２つの振動モードの共振周波数が一致するか、近くなるように設計される。

突起部５０３、５０４は、Ｍｏｄｅ−Ａの振動において振動の節となる位置、またはその近傍に配置されており、Ｍｏｄｅ−Ａの振動によって、突起部先端面５０３−１、５０４−１は、配置された位置を支点として振り子運動をするため、Ｘ方向に往復運動する。

また、突起部５０３、５０４は、Ｍｏｄｅ−Ｂの振動において振動の腹となる位置、またはその近傍に配置されており、Ｍｏｄｅ−Ｂの振動によって、突起部先端面５０３−１、５０４−１はＺ方向に往復運動する。

これら２つの振動モード（Ｍｏｄｅ−ＡとＭｏｄｅ−Ｂ）の振動位相差が±π／２近傍となるように同時に励振し、重ね合わせることで、突起部先端面５０３−１、５０４−１が、ＸＺ面内で楕円運動する。

この楕円運動により、振動体５０１に加圧接触された被駆動体５０６を一方向に駆動することが出来る。

特開２００４−３０４８８７号公報

上記した従来例の振動型駆動装置（リニア型超音波モータ）においては、圧電素子に電圧を印加するための構成として、フレキシブルプリント基板を用いるようにすることが知られている。

具体的には、圧電素子の片面には複数の電極が形成され、この複数の電極にフレキシブルプリント基板を介して不図示の駆動制御装置から駆動信号が印加される構成が採られていた。

また、このフレキシブルプリント基板は、圧電素子に接着剤により接着固定される構成が採られていた。

図５に、フレキシブルプリント基板６０６が接着された振動体６０１の例を示す。

図５（ａ）は斜視図を、図５（ｂ）は図５（ａ）の斜視図をＡ方向から見た側面図を、図５（ｃ）はＢ方向から見た側面図を、図５（ｄ）はフレキシブルプリント基板６０６の接着面側から見た裏面図を示している。

フレキシブルプリント基板６０６は、圧電素子６０５と接着された接着部６０６ｃと圧電素子６０５の端から引き出され駆動制御装置まで接続するための非接着部６０６ｄとからなる。

前記の接着部６０６ｃと非接着部６０６ｄとの境界部６０６ｅは、振動体が振動している時に、図５（ｅ）に示すように振動変位が大きい部分となっている。

この時、フレキシブルプリント基板６０６は振動体６０１と一体となって振動する。このため、フレキシブルプリント基板６０６を介して力が圧電素子６０５に伝わり、圧電素子６０５のＭｏｄｅ−Ｂの曲げ振動（変位）を阻害する要因となり、効率の低下を招くこととなる。

この影響は、特に、接着剤の量が接着部６０６ｃと非接着部６０６ｄとの境界部６０６ｅに多くなると、その分フレキシブルプリント基板６０６の剛性や重量等が上がる結果、顕著になる。その結果、個々の振動体間で振動特性がばらつく要因となっていた。

本発明は、上記課題に鑑み、フレキシブルプリント基板を電気−機械エネルギー変換素子に固定するようにした振動型駆動装置を構成するに当たり、振動体の振動が抑制されにくく、振動特性のばらつきを少なくすることが可能となる振動型駆動装置の提供を目的とする。

本発明の振動型駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子と弾性体とを有する振動体と、
前記振動体と結合しているフレキシブルプリント基板と、を有し、前記フレキシブルプリント基板は、前記電気−機械エネルギー変換素子と結合している結合部と、前記電気−機械エネルギー変換素子と結合していない非結合部と、前記結合部と前記非結合部との境界部と、を有し、前記境界部が、前記振動体に励起される振動モードの振動の節部に位置することを特徴とする。

本発明によれば、フレキシブルプリント基板を電気−機械エネルギー変換素子に固定するようにした振動型駆動装置を構成するに当たり、振動体の振動が抑制されにくく、振動特性のばらつきを少なくすることが可能となる振動型駆動装置を実現することができる。

振動体の一態様を説明する図である。 振動体の一態様を説明する図である。 振動体の一態様を説明する図である。 リニア型超音波モータを説明する図であり、（ａ）は特許文献１のリニア型超音波モータの外観斜視図、（ｂ−１）、（ｂ−２）はその振動体に励振される振動モードを示す図である。 フレキシブルプリント基板が接着された振動体を説明する図である。 振動モードと振動の節を説明する図である。 振動体の一態様を説明する図である。 振動体の一態様を説明する図である。 振動型駆動装置の応用例を説明する図である。

本発明の実施形態における振動型駆動装置は、電気−機械エネルギー変換素子として用いる圧電素子及び突起部が形成された弾性体とを有する振動体と、
該振動体の突起部と接触する接触部を有する被駆動体と、該圧電素子に駆動信号を入力するためのフレキシブルプリント基板を備える。

そして、上記圧電素子への印加によって節線が略直交する第一の曲げ振動モードと第二の曲げ振動モードとによる２つの曲げ振動モードによる楕円運動を上記振動体の突起部に励起する。

これにより、該突起部と接触する上記被駆動体を相対移動させるように構成されている。その際、本発明の実施形態における振動型駆動装置においては、前記フレキシブルプリント基板は、前記電気−機械エネルギー変換素子に固定された固定部と、前記電気−機械エネルギー変換素子に固定されていない非固定部と、を備える。そして、前記固定部と前記非固定部との境界部が、前記振動体の振動の節部に位置する構成とされている。

これにより、振動体の振動が抑制され、振動特性のばらつきを少なくすることができる。

［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した振動型駆動装置における振動体の構成例について説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る振動型駆動装置のフレキシブルプリント基板と結合された振動体１０１の構成を示す図である。

図１（ａ）は斜視図を、図１（ｂ）はＡ方向から見た側面図を、図１（ｃ）はＢ方向から見た側面図を、図１（ｄ）はフレキシブルプリント基板側から見た裏面図を示している。振動体１０１は、矩形形状の弾性体１０２と圧電素子１０５と２つの突起部１０３、１０４から構成されている。

突起部１０３、１０４は、弾性体上であって、長手方向に２次の曲げ振動モードにおいて振動の節となる位置、またはその近傍であり、更に短手方向に１次の曲げ振動モードにおいて振動の腹となる位置、またはその近傍となる位置に設けられている。

弾性体１０２と２つの突起部１０３、１０４の材質はステンレス鋼である。

圧電素子１０５は、電気量（電圧）を機械量（振動）に変換する電気−機械エネルギー変換素子である。

フレキシブルプリント基板１０６は圧電素子１０５と不図示の電源との導通を行う導通部品である。

フレキシブルプリント基板１０６は圧電素子１０５と接着される接着部１０６ｃと非接着部１０６ｄからなる。

以下で、フレキシブルプリント基板１０６と圧電素子１０５の接合について説明する。ここでは、接合は接着剤により行われる。

フレキシブル基板１０６の圧電素子１０５との接着部１０６ｃと非接着部１０６ｄの境界部１０６ｅが、駆動に用いる２つの振動モードに共通する振動の節部になるようにする。振動の節部とは、振動の腹よりも振動の節に近い部分であることを意味し、振動体の節部とは、振動体において、振動体に励起されている振動の腹よりも節に近い部分を指す。同様に、振動の腹部とは、振動の節よりも振動の腹に近い部分であることを意味し、振動体の腹部とは、振動体において、振動体に励起されている振動の節よりも腹に近い部分を指す。

ここで、図６（ａ）に長手方向に２次の曲げ振動モードと振動の節の関係を示す。

２次の曲げ振動モードでは、３つの振動の節が存在し、圧電素子表面で振動が少ない所が駆動方向と垂直方向に延在する線上に存在する。

また図６（ｂ）短手方向に１次の曲げ振動モードと振動の節の位置関係を示す。１次の曲げ振動モードでは、２つの振動の節が存在し、圧電素子表面で振動が少ない所が駆動方向に延在する線上に存在する。

本実施例においては、図１（ｄ）に示すように長手方向に２次の曲げ振動モードの振動の節の１つである２つの突起部１０３及び１０４の間の中心線上Ｌ１から不図示の電源との導通を行うためのフレキシブルプリント基板１０６の非接着部１０６ｄを駆動方向と直交する向きに延出している。

さらに、短手方向に１次の曲げ振動モードにおいても振動の節部Ｗ１から出るように、フレキシブルプリント基板１０６の接着部１０６ｃと非接着部１０６ｄの境界部１０６ｅから非接着部１０６ｄの一部にかけて、表面の一部をフッ素樹脂等の難接着材にする。

この構成にすることで、接着剤により接着する際に、接着剤が圧電素子１０５全面に塗布された場合でも、フレキシブルプリント基板１０６が圧電素子１０５の端面まで接着されることを防止できる。

次に、上記構成を有する振動型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）から振動体を構成する圧電素子１０５にフレキシブルプリント基板１０６の電極を介し交番電圧を印加する。

交番電圧の印加により、振動体１０１に２つの面外曲げ振動が励振され、突起部１０３、１０４の接触面には楕円運動が励振される。

その結果、突起部１０３、１０４と加圧接触している被駆動体は、摩擦駆動力を受け、駆動される。

上記の構成にすることにより、フレキシブルプリント基板１０６において、接着部１０６ｃと駆動制御装置まで接続するための非接着部１０６ｄとの境界部１０６ｅは、図１（ｅ）に示すように振動の少ない振動の節部となっている。

その結果、振動体１０１が振動してもフレキシブルプリント基板１０６の非接着部１０６ｄの振動はほぼ生じず、フレキシブルプリント基板１０６による機械的振動の阻害を少なくすることができる。

なお、本実施例では、フレキシブルプリント基板の一部に難接着材を設けたが、フレキシブルプリント基板に難接着剤を設けないで同様の効果を出す方法を以下に説明する。

他の方法として、フレキシブルプリント基板を圧電素子に接着する際に、圧電素子の節部から端部にかけてテフロン（登録商標）シート等の難接着材をフレキシブルプリント基板と圧電素子の間に挟む。

接着剤が固化した後に、難接着材を外すことで、フレキシブルプリント基板の圧電素子との結合部と非結合部との境界部が、駆動に用いる２つの曲げ振動モードの振動の節部とほぼ一致する。

その結果、フレキシブルプリント基板による機械的振動の阻害を少なくすることができる。

［実施例２］
実施例２として、圧電素子とフレキシブルプリント基板とが異方性導電材により結合されるようにした構成例について説明する。

図２は、本実施例における振動型駆動装置のフレキシブルプリント基板と結合された振動体の構成を示す図である。

異方性導電材により結合されるようにした点以外の構成（弾性体、圧電素子、２つの曲げ振動モードを励振させて駆動する原理）は、実施例１と同様であるので、重複する部分の説明を省略する。

本実施例において、圧電素子２０５とフレキシブルプリント基板２０６とは異方性導電材により結合されている。

フレキシブルプリント基板２０６の圧電素子２０５との結合部２０６ｃと非結合部２０６ｄとの境界部２０６ｅが駆動に用いる２つの振動モードに共通する振動の節部となるように異方性導電材の寸法を調整する。

本実施例では異方性導電材の導電方向と垂直な面の形状をフレキシブルプリント基板２０６の結合部２０６ｃの形状と同じにし、重ね合わせている。
接着剤を用いないことで、フレキシブルプリント基板が圧電素子の端部まで結合されるのを防ぐことが出来る。

上記の構成にすることにより、フレキシブルプリント基板による機械的振動の阻害を少なくすることができる。

［実施例３］
実施例３として、圧電素子の端部の少なくとも一部の厚みは、フレキシブルプリント基板と接着される圧電素子の厚みより小さくされた構成例について説明する。

図３は、本実施例における振動型駆動装置のフレキシブルプリント基板と結合された振動体の構成を示す図である。

圧電素子の端部の少なくとも一部の厚みは、フレキシブルプリント基板と接着される圧電素子の厚みより小さくされた点以外の構成（弾性体、圧電素子、２つの曲げ振動モードを励振させて駆動する原理）は、実施例１と同様であるので、重複する部分の説明を省略する。

本実施例において、圧電素子３０５の端部の少なくとも一部の厚みは、フレキシブルプリント基板３０６と接着される圧電素子３０５の厚みより小さく構成されている。

本実施例では、圧電素子３０５は、フレキシブルプリント基板３０６との接着面側の長手方向の両端が段差形状となっている。

この段差部と非段差部の境界部つまりフレキシブルプリント基板との接着面の短手方向の端部３０５ｂは、一次の曲げ振動モードの振動の節部にする。

このように圧電素子３０５の両端に段差部を設けることで、フレキシブルプリント基板３０６との接着の際に、フレキシブルプリント基板３０６が振動の大きい圧電素子３０５の端面３０５ｃと接着するのを防ぐことができる。

ここで圧電素子３０５の両端に同じ形状の段差部を設け対称形状としたのは、対称な振動を起こすためである。

上記の構成にすることにより、フレキシブルプリント基板３０６の圧電素子３０５との結合部３０６ｃと非結合部３０６ｄとの境界部３０６ｅが、駆動に用いる２つの曲げ振動モードの振動の節部とほぼ一致する。

その結果、フレキシブルプリント基板による機械的振動の阻害を少なくすることができる。

［実施例４］
実施例４として、実施例１と異なる形態の構成例について説明する。

図７は、本発明の実施例４における振動型駆動装置のフレキシブルプリント基板と結合された振動体の構成を示す図である。

本実施例は、弾性体、２つの曲げ振動モードを励振させて駆動する原理、等は実施例１と同様であるので、以下では実施例１と異なる構成について説明する。

本実施例において、圧電素子４０５は薄いシート状で多数枚重ねて積層化した積層構造となっている。積層化された複数の内部電極を接続するための層間配線として、圧電層の層内に穴を設け電極材料を埋め込んだスルーホール（またはバイヤホールとも言う）が形成されている。

そして、圧電素子の表面でスルーホールの端部を露出し、図のように突出している表面電極４０５ａを形成している。

圧電素子４０５の表面電極４０５ａは、駆動に用いる２つの振動モードの振動の節部に設置する。

図６（ｂ）に示すように、フレキシブルプリント基板４０６は、一つ表面電極に対して一つずつ接着できるように、表面電極の数だけ分岐された非接着部である分岐部４０６ｄを有する。フレキシブルプリント基板４０６の接着部４０６ｃは、圧電素子４０５の表面電極４０５ａを覆うように配置される。

そのため、フレキシブルプリント基板４０６と圧電素子４０５との接着部分を、２つの振動モードの振動の節部に限定させることができる。

上記の構成にすることにより、減衰効果のある接着剤の使用量を減らすことができるとともに、フレキシブルプリント基板による機械的振動の阻害を少なくすることができる。

［実施例５］
実施例５として、実施例３と異なる形態の構成例について説明する。

図８は、本実施例５における振動型駆動装置のフレキシブルプリント基板と結合された振動体の構成を示す図である。

本実施例は、弾性体、２つの曲げ振動モードを励振させて駆動する原理、等は実施例３と同様であるので、以下では実施例３と異なる構成について説明する。

本実施例は、図８のように、左右の２方向にフレキシブルプリント基板を張り出させて、例えばフレキシブルプリント基板の非結合部の一方８０６ｄは電極を有し、他方８０６ｆは電極が無い構成とする。

このような構成とすることで、左右対象となり、振動のバランスが良好になるとともに、フレキシブルプリント基板により振動体を支持することが可能になる。

このとき、フレキシブルプリント基板８０６の圧電素子８０５との結合部８０６ｃと非結合部８０６ｄ，８０６ｆとの境界部が駆動に用いる２つの曲げ振動モードの振動の節部とほぼ一致している。

上記の構成とすることで、機械的振動の阻害を少なくできる。

また、フレキシブルプリント基板の非結合部８０６ｄ，８０６ｆで振動体を支持することが可能なため、別途振動体を支持する部品を減らすことができる。

［実施例６］
本発明の振動型駆動装置の応用例として、カメラなどの撮像装置（光学機器）のレンズ鏡筒に、レンズを駆動しオートフォーカスする為の振動型駆動装置を組み込んだ例を図９を用いて説明する。

図９は、レンズ鏡筒のレンズの駆動機構部を説明する図である。本実施例の振動型駆動装置による被駆動体の駆動機構は、フレキシブル基板が結合された電気−機械エネルギー変換素子と突起部が形成された弾性体とを有する振動体が固定された被駆動体と、この被駆動体を摺動自在に保持する、平行に配された第一ガイドバーと第二ガイドバーとを備えている。

そして、この電気−機械エネルギー変換素子に対する駆動電圧の印加によって生成された振動体の突起部の楕円運動によって、振動体と該振動体の突起部と接触する第二ガイドバーとの間に相対移動力を発生させる。これによって、被駆動体を第一及び第二ガイドバーに沿って移動可能に構成されている。

具体的には、図９に示すように、本実施例の振動型駆動装置による被駆動体の駆動機構１００は、主にレンズホルダ２、レンズ７、フレキシブル基板が結合された振動体１、加圧磁石５、２つのガイドバー３、４及び不図示の基体から構成される。

２本のガイドバーで構成された第一のガイドバー３、第二ガイドバー４は、互いに平行に配置されるようにそれらの各ガイドバーの両端が、不図示の基体により保持固定されている。

レンズホルダ２は、円筒状のホルダ部２ａ、振動体１及び加圧磁石５を保持固定する保持部２ｂ、第一ガイドバー３と嵌合してガイドの作用をなす第一のガイド部２ｃから構成される。

加圧手段を構成するための加圧磁石５は永久磁石及び永久磁石の両端に配置される２つのヨークから構成される。加圧磁石５とガイドバー４との間に磁気回路が形成され、これら部材間に吸引力が発生する。加圧磁石５はガイドバー４とは間隔を設けて配置されており、ガイドバー４は振動体１と接するように配置されている。前記の吸引力によりガイドバー４と振動体１との間に加圧力が与えられる。

振動体１の２箇所の突起部１１ａが第二ガイドバー４と加圧接触して第二のガイド部を形成する。第二のガイド部は磁気による吸引力を利用してガイド機構を形成しており、外力を受ける等により振動体１とガイドバー４が引き離される状態が生じるが、これに対しては、つぎのように対処されている。すなわち、レンズホルダ２に備えられる脱落防止部２ｄがガイドバーに当たることで、レンズホルダ２が所望の位置に戻るように対応が施されている。

振動体１に所望の電気信号を与えることで振動体１とガイドバー４との間に駆動力が発生し、この駆動力によりレンズホルダの駆動が行われる。

振動型駆動装置としては、実施例１乃至５で示した振動型駆動装置のいずれも用いることができる。

これらの振動型駆動装置を撮像装置に用いることで、振動エネルギーの損失を抑制できるため、消費電力を低減した撮像装置を提供することができる。

なお、図９では、本発明の振動型駆動装置を撮像装置に用いた例を示したが、応用例はこれに限定されず、顕微鏡等の各種ステージの駆動にも用いることができる。

１０１ 振動体
１０２ 弾性体
１０３、１０４ 突起部
１０５ 圧電素子
１０６ フレキシブルプリント基板

Claims (12)

1. 電気−機械エネルギー変換素子と弾性体とを有する振動体と、
   前記振動体と結合しているフレキシブルプリント基板と、を有し、
   前記フレキシブルプリント基板は、前記電気−機械エネルギー変換素子と結合している結合部と、前記電気−機械エネルギー変換素子と結合していない非結合部と、前記結合部と前記非結合部との境界部と、を有し、
   前記境界部が、前記振動体に励起される振動モードの振動の節部に位置する
   ことを特徴とする振動型駆動装置。
2. 前記電気−機械エネルギー変換素子と前記結合部とは、接着剤によって結合している
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
3. 前記電気−機械エネルギー変換素子の端部の少なくとも一部の厚みは、前記電気−機械エネルギー変換素子の前記結合部と結合している部分の厚みよりも、小さい
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
4. 前記電気−機械エネルギー変換素子と前記結合部とは、異方性導電材によって結合している
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
5. 前記電気−機械エネルギー変換素子は、前記節部に位置する表面電極を有し、
   前記結合部は、前記表面電極と結合している
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動型駆動装置。
6. 前記フレキシブルプリント基板で前記振動体を支持している
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に振動型駆動装置。
7. 前記振動体に複数の振動モードを励起し、
   前記境界部が、前記複数の振動モードに共通する振動の節部に位置する
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動型駆動装置。
8. 電気−機械エネルギー変換素子と弾性体とを有する振動体と、
   前記振動体と結合しているフレキシブルプリント基板と、を有し、
   前記電気−機械エネルギー変換素子と前記フレキシブルプリント基板とが、前記振動体に励起される複数の振動モードに共通する振動の節部だけで結合している
   ことを特徴とする振動型駆動装置。
9. 前記電気−機械エネルギー変換素子は、前記節部に位置する表面電極を有し、
   前記表面電極と前記フレキシブルプリント基板とが、結合している
   ことを特徴とする請求項８に記載の振動型駆動装置。
10. 前記電気−機械エネルギー変換素子と前記フレキシブルプリント基板とは、前記振動体に励起される振動モードの振動の複数の節部だけで結合している
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載の振動型駆動装置。
11. 前記振動体に第１の振動モードと第２の振動モードとを励起し、
    前記弾性体は、突起部を有し、
    前記突起部は、前記第１の振動モードの振動の節部に位置し、且つ、前記第２の振動モードの振動の腹部に位置する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に振動型駆動装置。
12. レンズと、
    前記レンズを保持するレンズ保持部材を駆動する請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の振動型駆動装置と、を有する
    ことを特徴とする光学機器。

Images