(57)【要約】【課題】接着強度を確保しつつ、低い電力で効率良く高速度の駆動性能を得ることができる振動子を提供する。【解決手段】圧電素子２と、圧電素子２に接合された振動板１と、圧電素子２に異方性導電性材を介して接合されるフレキシブルプリント基板３とを備える振動子１０１を設ける。圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３とが重畳する接合導通部４１が、振動子１０１の振動の腹９または腹近傍に配置される。また、圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３とが重畳しない接合絶縁部４２が、振動子１０１の振動の節８または節近傍に配置される。【選択図】図６
2017022846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、
前記圧電素子に接合された振動板と、
前記圧電素子に異方性導電性材を介して接合される基板とを備え、
前記圧電素子の電極部と前記基板の電極導通パターン部とが重畳する接合導通部が、前記振動子の振動の腹または腹近傍に配置され、
前記圧電素子の前記電極部と前記基板の前記電極導通パターン部とが重畳しない接合絶縁部が、前記振動子の振動の節または節近傍に配置される
ことを特徴とする振動子。
【請求項２】
前記振動子の振動モードは、互いに直交する第１、第２の曲げ振動モードを有し、
前記第２の曲げ振動モードの振動の振幅は、前記第１の曲げ振動モードの振動の振幅より大きくなるように設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の振動子。
【請求項３】
前記第２の曲げ振動モードの振動の腹または腹近傍に前記接合導通部が配置され、
前記第２の曲げ振動モードの振動の節または節近傍に前記接合絶縁部が配置される
ことを特徴とする請求項２に記載の振動子。
【請求項４】
前記第１の曲げ振動モードの振動の腹または腹近傍に前記接合絶縁部が配置される
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の振動子。
【請求項５】
前記第１の曲げ振動モードの振動の腹と前記第２の曲げ振動モードの振動の腹とが交差する位置または当該位置の近傍に前記接合導通部が配置される
ことを特徴とする請求項４に記載の振動子。
【請求項６】
前記基板は、前記圧電素子に駆動電圧を印加す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５のいずれか１項に記載の振動子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動子と、
前記振動子が摩擦接触する摺動部材とを備える
ことを特徴とする振動型アクチュエータ。
【請求項８】
前記振動子は、駆動電圧の印加により超音波振動する
ことを特徴とする請求項７に記載の振動型アクチュエータとして機能する超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子、振動型アクチュエータおよび超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやビデオカメラ等の撮影装置では、フォーカシングやズーミングの駆動源に電磁型モータより優れた振動型アクチュエータである超音波モータが用いられている。超音波モータは、圧電素子を有する振動子に超音波振動を励振させ、振動子を摺動部材に加圧することで、両者間に発生する摩擦力により相対移動することを利用するモータである。超音波モータは、一つの振動子に、上下の振動と振り子的な振動という複数の異なる振動を励振させ、これらを組合わせることで連続的に相対移動できるように駆動することを実現する。従って、目的とする駆動性能を得るためには、振動子の駆動に必要な振動を極力、抑制しないことが必要である。また、複数の振動モードの場合、必要な振動モードの振幅は抑制せず、必要以上の振幅が不要な振動モードの振動は抑制するなどのバランスをとることなどで、効率良く相対移動させるような振動特性を実現することが必要である。
【０００３】
また、超音波モータでは、振動子に超音波振動を励振させるために、フレキシブルプリント基板を用いて、圧電素子に高周波駆動電圧を印加する。具体的には、圧電素子の電極部とフレキシブルプリント基板の電極導通パターン部とを接合させ、フレキシブルプリント基板を通して振動子に高周波駆動電圧を印加する。しかし、振動子へのフレキシブルプリント基板の接合により、フレキシブルプリント基板またはその接着剤などが振動子の振動を抑制してしまう。
【０００４】
特許文献１は、振動子の腹にフレキシブルプリント基板を接合し、フレキシブルプリント基板の接合部と非接合部の境界を振動子の節とする振動型駆動装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２０１８８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１が開示する振動型駆動装置では、フレキシブルプリント基板の接合部分の形状が、振動子の腹と節部のレイアウトによって一義的に決まる場合がある。したがって、振動子へのフレキシブルプリント基板の接合部分の面積が小さくなって、剥がれの原因となることがある。この振動型駆動装置では、圧電素子とフレキシブルプリント基板の接合に異方性導電材を用いているが、圧電素子の電極部とフレキシブルプリント基板の電極導通パターン部の位置関係が不明確である。電極部と電極導通パターン部が重畳する部分は接着剤が少なく振動の抑制が小さい。一方、電極部と電極導通パターン部が重畳しない部分は、接着剤が多く振動を抑制されやすい。圧電素子の電極部とフレキシブルプリント基板の電極導通パターン部の配置／形状によっては、振動子の腹部の接着剤量が多くなり振動が抑制されやすくなる場合がある。
【０００７】
また、振動体に１次の曲げ振動モードと２次の曲げ振動モードという複数の種類の曲げ振動モードがある場合を想定する。超音波モータとしての駆動性能（高速度、低消費電力など）を向上するためには、２次の曲げ振動モードの振幅は、より大きいほど良く、振幅を抑制させないほうがよい。また、１次の曲げ振動モードの振幅は、必要以上に振幅が大きいと駆動性能は上がらず消費電力が大きくなるので、適度な振動の振幅になるように抑制するほうがよい。特許文献１が開示する振動型駆動装置では、１次の曲げ振動モードの振幅と２次の曲げ振動モードの振幅の大小関係を考慮していないので、低い電力で効率良く高速度の駆動性能を得ることができない。
【０００８】
本発明は、接着強度を確保しつつ、低い電力で効率良く高速度の駆動性能を得ることができる振動子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態の振動子は、圧電素子と、前記圧電素子に接合された振動板と、前記圧電素子に異方性導電性材を介して接合される基板とを備える。前記圧電素子の電極部と前記基板の電極導通パターン部とが重畳する接合導通部が、前記振動子の振動の腹または腹近傍に配置される。前記圧電素子の前記電極部と前記基板の前記電極導通パターン部とが重畳しない接合絶縁部が、前記振動子の振動の節または節近傍に配置される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の振動子によれば、接着強度を確保しつつ、低い電力で効率良く高速度の駆動性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の振動子の構成を示す図である。
【図２】振動型アクチュエータが備える振動子と摺動部材を示す図である。
【図３】振動子の振動モードを説明する図である。
【図４】振動子を組み込んだ超音波モータの構成を示す図である。
【図５】超音波モータを適用したレンズ鏡筒の構成を示す図である。
【図６】振動子におけるフレキシブルプリント基板の接合部電極配置である。
【図７】図６のＡ−Ａ断面図である。
【図８】超音波モータの駆動特性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施例１）
図１は、本実施形態の振動子の構成を示す図である。
図１（Ａ），（Ｂ）に示す振動子１０１は、本実施形態の振動型アクチュエータの駆動源となる。図１に示す例では、振動子１０１は、振動型アクチュエータとして機能する超音波モータに設けられ、高周波駆動電圧の印加により超音波振動する。
【００１３】
振動子１０１は、駆動時に高周波駆動電圧が印加される圧電素子２と、電圧印加に使用されるフレキシブルプリント基板３と、圧電素子２に与える高周波駆動電圧により超音波振動が発生する振動板１とを備える。圧電素子２と振動板１とは、接着剤で接合されている。振動板１には、振動突起部１ａが並んで２つ形成されている。圧電素子２と、圧電素子２に高周波駆動電圧を印加するためのフレキシブルプリント基板３とは、異方性導電性材を介して接合され、圧電素子２の電極部（不図示）とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部（不図示）が導通されている。
【００１４】
図２は、振動型アクチュエータが備える振動子と摺動部材を示す図である。
図２（Ａ），（Ｂ）に示す摺動部材４は、振動子１０１に摩擦接触する。振動子１０１にある圧電素子２にフレキシブルプリント基板３を通して高周波駆動電圧が印加され、振動子１０１に超音波振動を励振させる。この振動子１０１を摺動部材に加圧（不図示）することで、両者間に発生する摩擦力により振動子１０１と摺動部材４がＸ方向に相対移動する。
【００１５】
図３は、振動子の振動モードを説明する図である。
超音波モータは、振動子の圧電素子に特定の周波数の高周波駆動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せることにより、駆動するための振動を発生させる。本実施例では、図２に示すような振動子１０１と摺動部材４の構成で、図３（Ａ）と図３（Ｂ）に示す２つの曲げ振動モードを振動子１０１に励振させる。
【００１６】
図３（Ａ）に示す振動モードは、振動子１０１の短手方向の曲げ振動モード（第１の曲げ振動モード）であり、ＰＺＴの２つの電極に同時に正の電圧或いは負の電圧を印加した場合の、それぞれの動作を示す。図３（Ｂ）に示す振動モードは、振動子１０１の長手方向の曲げ振動モード（第２の曲げ振動モード）であり、同様にＰＺＴの２つの電極のそれぞれに、同時に正と負、或いは負と正の異なる電圧を印加した場合の、それぞれの動作を示す。図３（Ａ）と図３（Ｂ）では、振動子１０１を示す方向が直交している。本実施例では、２つの曲げ振動モードの曲げの方向は、直交している。
【００１７】
振動子１０１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。振動突起部１ａは、第１の曲げ振動において、振動の腹６となる位置、または腹近傍に配置されており、第１の曲げ振動によって、振動突起部１ａは、Ｚ方向に７に示す上下に往復運動をする。これが、駆動の突き上げ運動成分である。
【００１８】
振動突起部１ａの位置は、第２の曲げ振動において、振動の節８となる位置、または節近傍であり、第２の曲げ振動によって、振動突起部１ａは、配置された位置を支点として振り子運動をして、Ｘ方向に１０の往復運動をする。これが、駆動の送り運動成分である。
【００１９】
１１は、振動子１０１の第１の曲げ振動の節を示す。９は、振動子１０１の第２の曲げ振動の腹を示す。第２の曲げ振動モードを実現するために、圧電素子２は、長手方向に２層に分極されている。２つの振動モード（第１の曲げ振動モードと第２の曲げ振動モード）を同時に励振し、直交する２つの振動モードを重ね合わせることで、振動突起部１ａが、ＸＺ面内で１３に示す上下運動と振り子運動の合成として楕円運動をする。この楕円運動１３により、振動子１０１は、振動子１０１に加圧接触された摺動部材４と相対移動駆動することができる。
【００２０】
図４は、振動子を組み込んだ超音波モータの構成を示す図である。
ユニットベース１４は、超音波モータ全体を支える。ユニットベース１４には、下側に摺動部材４が、上側に天板１５がそれぞれ固定されている。天板１５には４つの転動部材１６が組み込まれている。転動部材１６は、天板１５とガイド部材１７に挟み込まれた状態で転動する。これにより、ガイド部材１７が、Ｘ方向に矢印１７ａに示す移動が可能となっている。
【００２１】
ガイド部材１７には、４つのガイド溝（不図示）が設けられている。天板１５にも、同様の４つのガイド溝（不図示）が設けられており、ここに転動部材１６が組み込まれている。また、ガイド部材１７には、振動子保持部材１８が取り付く。
【００２２】
振動子保持部材１８には、駆動時に高周波駆動電圧が印加される圧電素子２と、圧電素子２に与える高周波駆動電圧により超音波振動が発生する振動板１からなる振動子１０１が接着剤などで取り付いて保持されている。ガイド部材１７の内部には、振動子１０１を加圧する加圧機構（不図示）が設けられている。加圧機構は、ばね部材を有する振動子保持部材１８を変形させ、これに取り付く振動子１０１を摺動部材４へ加圧する。
【００２３】
超音波モータは、以上のような構成を有し、加圧機構（不図示）が振動子１０１を摺動部材４に対して加圧することで、振動突起部１ａが摺動部材４に摩擦接触する。そして、振動子１０１に超音波振動を発生させることにより、振動突起部１ａと摺動部材４の摩擦による駆動力が生じ、振動子１０１が摺動部材４に対しＸ方向に移動する。なお、本実施例では振動子１０１が移動し、摺動部材４が固定される構成としたが、振動子１０１を固定し、摺動部材４が移動する構成でもよい。
【００２４】
図５は、超音波モータを適用したレンズ鏡筒の構成を示す図である。
図５に示すレンズ鏡筒２１は、フォーカシングの駆動源として超音波モータを用いる。レンズ鏡筒２１の撮像光学系として、被写体側から１群、２群レンズ鏡筒２２が設けられている。また、レンズ鏡筒２１には、フォーカスレンズ２３と、フォーカスレンズ２３を保持するレンズ移動枠２４が設けられている。また、レンズ鏡筒２１には、４群、５群レンズ鏡筒２５が設けられている。１群、２群レンズ鏡筒２２、４群、５群レンズ鏡筒２５には、固定レンズが組み込まれている。
【００２５】
レンズ移動枠２４を光軸２９方向に前後移動させる２つのメインガイドバー２６が、レンズ鏡筒２１の鏡筒内壁へ光軸２９に平行に取り付けられている。また、レンズ鏡筒２１の鏡筒内部には、ガイド部材１７が光軸２９方向に移動可能となるように、ユニットベース１４が取り付いている。ガイド部材１７とレンズ移動枠２４は、連結部材２７で連結し、振動子１０１の駆動力をレンズ移動枠２４へ伝達し、フォーカスレンズ２３を光軸２９方向に移動させることが可能である。
【００２６】
図６は、本実施例の振動子におけるフレキシブルプリント基板の接合部電極配置を説明する図である。
本実施例では、圧電素子２とフレキシブルプリント基板３の接合に異方性導電材を用いている。図６（Ａ），（Ｂ）は、振動子１０１の圧電素子２側の上面図を示す。図６（Ａ）には、圧電素子２の電極部３１、アース電極部３２と、圧電素子２に接合されたフレキシブルプリント基板３とが示されている。
【００２７】
図６（Ｂ）は、フレキシブルプリント基板３の電極パターンを示す。具体的には、図６（Ｂ）は、圧電素子２の電極部３１、アース電極部３２と、フレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３、アース電極導通パターン部３４との位置関係を示している。図６（Ｃ）は、振動子１０１の動作を示す。図６（Ｃ）には、図３（Ｂ）を参照して説明した、振動子１０１の長手方向の第２の曲げ振動モードの動作が示される。
【００２８】
図６中、腹６は、第１の曲げ振動モードの腹である。節１１は、第１の曲げ振動モードの節である。腹９は、第２の曲げ振動モードの腹である。節８は、第２の曲げ振動モードの節である。
【００２９】
本実施例では、超音波モータとしての駆動性能（最大速、駆動トルク）を向上させるために、振動子１０１の振動特性として、第１の曲げ振動モード（上下振動）の振幅に対し、第２の曲げ振動モード（振り子振動）の振幅をより大きくする。駆動性能（高速度、低消費電力など）を向上させるためには、第２の曲げ振動モード（振り子振動）の振幅をより大きくし、駆動の送り運動成分を大きくする。一方、第１の曲げ振動モード（上下振動）の振幅は、駆動の突き上げ運動成分であり、ある程度の大きさは必要であるが、大きすぎても駆動性能（最大速、駆動トルク）は上がらず、消費電力のみが大きくなってしまう。したがって、第１の曲げ振動モード（上下振動）の振幅は、第２の曲げ振動モード（振り子振動）の振幅より小さくて適度な大きさとする。このために、振動子１０１は、振動板１、圧電素子２、フレキシブルプリント基板３のそれぞれの形状が、圧電素子２の第１の曲げ振動モードの振幅に対し、第２の曲げ振動モードの振幅が大きくなるように設定されている。
【００３０】
以下に、第２の曲げ振動モード（振り子振動）の振幅をより大きくする構成について説明する。圧電素子２は、分極された２か所の電極部３１と１か所のアース電極部３２とを備える。フレキシブルプリント基板３は、電極導通パターン部３３とアース電極導通パターン部３４を備える。圧電素子２へフレキシブルプリント基板３を接合させたとき、圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３が重畳する接合導通部４１が、領域４１ａ、４１ｂに配置される。領域４１ａ、４１ｂは、振動子の第２の曲げ振動モードの腹９または腹９近傍の領域である。理想的には、接合導通部４１を振動子の第２の曲げ振動モードの腹９に配置したいが、接合ずれ等により、その近傍の配置とする。
【００３１】
圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３が重畳しない接合絶縁部４２を振動子の第２の曲げ振動モードの節８、或いはその近傍に配置している。
【００３２】
図７は、図６のＡ−Ａ断面図である。
接合導通部４１は、圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３が重畳する領域である。また、接合絶縁部４２は、圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３が重畳しない領域である。接合絶縁部４２は、圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３が無い部分も含む。接合に用いられている異方性導電材３５は、電気的異方性を有する。すなわち、異方性導電材３５は、接着剤３６の内部に導通フィラ―３７が有り、熱接合加工により，接合部４０における厚み方向に対しては導通性があり、その接合部面方向に対しては絶縁性がある。
【００３３】
導通フィラー３７は、導通性のある材料から成り、電極部３１と電極導通パターン部３３の間で潰されて、互いの電極間を図中Ｚ方向に導通させている。導通フィラー３７が潰されていない接合絶縁部４２の、図中Ｘ方向は、絶縁されている。これにより、２か所の電極部がお互いに導通することは無い。
【００３４】
接着剤３６は、振動を抑制しやすい粘弾性材である。この例では、接着剤３６は、合性ゴム系樹脂である。接合導通部４１は、互いの電極部の厚さの分だけ、接着剤３６の量も少なく、この例では、厚みが５μｍ程度の層である。したがって、振動子１０１の振動に対する抑制は小さい。一方、接合絶縁部４２は、電極が無いので、接着剤３６も、この例では、厚みが２７μｍ程度と厚い。したがって、振動子１０１の振動を抑制させやすい。振動子１０１全体の振動の抑制を考えると、なるべくフレキシブルプリント基板３の形状が小さな方が有利となるが、接合強度も考慮すると、適度な大きさが必要となる。
【００３５】
本実施例のフレキシブルプリント基板３は、振動子１０１の振動の抑制がなるべく小さく、接着強度も確保出来る大きさとなっている。そして、電極部３１と電極導通パターン部３３が重畳する接合導通部４１を、振動子１０１の振動の第２の曲げ振動モードの腹９、或いはその近傍に配置している。また、圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３が重畳しない接合絶縁部４２を、振動子の第２の曲げ振動モードの節８、或いはその近傍に配置している。
【００３６】
すなわち、本実施例では、振幅が大きくなる第２の曲げ振動モードの腹９の部分には、接着剤３６が少ない領域を配置し、腹部の振動抑制を最小とし、振動抑制しやすい接着剤３６の多い領域を、振幅の小さい第２の曲げ振動モードの節８の部分に配置する。これにより、第２の曲げ振動モード（振り子振動）の振幅をより大きくしたい振動特性に対して、振動の抑制影響の少ない振動子１０１を実現することができる。
【００３７】
次に、曲げの方向が直交する２つの曲げ振動モードの振動特性で、第１の曲げ振動モード（上下振動）の振幅を、第２の曲げ振動モード（振り子振動）の振幅より小さくて適度な大きさにする構成について説明する。
【００３８】
圧電素子２へフレキシブルプリント基板３を接合させたとき、圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３が重畳しない接合絶縁部４２を振動子の第１の曲げ振動モードの腹６、或いはその近傍に配置する。また、圧電素子２の電極部３１とフレキシブルプリント基板３の電極導通パターン部３３が重畳する接合導通部４１を、振動子の第１の曲げ振動モードの腹６と第２の曲げ振動モードの腹９が交差する位置、或いはその近傍の領域（領域４１ｂ）に配置する。つまり、直交する２つの曲げモードで、振動の振幅をより大きくしたい第２の曲げ振動モードの腹９に接合導通部４１を配置するとともに、第１の曲げ振動モードの腹６に接合絶縁部４２を配置し振動の抑制の度合いを大きくする。
【００３９】
駆動性能（高速度、低消費電力など）を向上させるためには、第２の曲げ振動モード（振り子振動）の振幅をなるべく大きくしたいので、振動の抑制をなるべく少なくする。これに対して、第１の曲げ振動モード（上下振動）の振幅は、ある程度の大きさ必要であるが、大きすぎても消費電力のみが大きくなるため、適度な振動の振幅になる抑制が加わるように振動の抑制の度合いを変えている。この構成を採ることで、振動特性を第１の曲げ振動モード（上下振動）の振幅に対し、第２の曲げ振動モード（振り子振動）の振幅の大きさが、逆転して小さくなるのを防止している。
【００４０】
なお、上述した第２の曲げ振動モードの振動の抑制を少なくする構成、第１の曲げ振動モードの振幅を第２の曲げ振動モードの振幅より小さくて適度な大きさにする構成のいずれか一方を採用してもよい。
【００４１】
図８は、本実施例の振動子を適用した超音波モータの駆動特性を説明する図である。
グラフ５１は、超音波モータの駆動特性を示す。横軸は、駆動周波数、縦軸は、駆動周波数をスイープした時の駆動速度を示す。破線５３は、フレキシブルプリント基板の接合部電極配置を工夫していない従来の超音波モータの駆動特性を示す。実線５４は、本実施例の超音波モータの駆動特性を示す。本実施例の超音波モータでは、どの駆動周波数においても、従来の超音波モータの駆動特性に比べて速度が上がっている。
【００４２】
グラフ５２は、超音波モータがある速度で駆動した時の消費電力を示す。５５は従来の超音波モータの消費電力を示す。５６は本実施例の超音波モータの消費電力を示す。従来の超音波モータの消費電力に対して、本実施例の超音波モータの消費電力は下がっている。以上説明したことから、本発明によれば、低い電力で高速度の駆動性能が得られる効率の良い振動型アクチュエータを実現できる。
【符号の説明】
【００４３】
１  振動板
２  圧電素子
３  フレキシブルプリント基板
【図１】
2017022846.tif 000003
【図２】
2017022846.tif 000004
【図３】
2017022846.tif 000005
【図４】
2017022846.tif 000006
【図５】
2017022846.tif 000007
【図６】
2017022846.tif 000008
【図７】
2017022846.tif 000009
【図８】
2017022846.tif 000010