JP6439714B2 - 圧電駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、積層型圧電素子を振動させ、シャフトに係合してあるレンズ枠などの移動体を軸方向に移動させるための圧電駆動装置に関する。

積層型圧電素子を用いてレンズ枠を軸方向に駆動するための圧電駆動装置としては、たとえば特許文献１に示すものが知られている。この特許文献１に示す圧電駆動装置では、圧電素子の非伸縮部分に接続端子を取り付け、接続端子に配線部材を接続して圧電素子への電力供給を行っている。

この特許文献１に示す発明では、圧電素子の非伸縮部分を錘部として機能させている。しかしながら、圧電素子の非伸縮部分を錘部として機能させるためには、圧電素子の小型化と共に、非伸縮部分を相対的に大きくせざるを得ず、圧電素子の小型化の要請に反してしまう。

そこで、圧電素子とは別に、圧電素子よりも比重が大きな錘部材を連結する必要がある。その場合に、従来では、圧電素子の接続端子に配線部材を接続する作業と、圧電素子と錘部材とを連結する作業とが必要であり、圧電素子の小型化と共に、それらの作業の自動化が望まれていた。

特開２００７−２７４７７７号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、圧電素子の小型化が可能であると共に、圧電素子と錘部材との連結および配線が容易で、しかも、機械的強度に優れ、圧電素子の変位のロスが少ない圧電駆動装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る圧電駆動装置は、
圧電体層を挟んで積層された内部電極と、前記内部電極に対して電気的に接続される一対の外部電極と、を有する積層型圧電素子と、
前記積層型圧電素子の前記積層方向における一方の第１端面に取り付けられる錘部材と、
前記積層型圧電素子の前記積層方向における他方の第２端面に取り付けられるシャフトと、を有し、
前記積層型圧電素子を駆動することにより、 前記シャフトに対して軸方向に移動自在に係合された移動部材を軸方向に沿って移動させる圧電駆動装置であって、
一対の前記外部電極が、それぞれ前記第１端面に相互に絶縁されて形成してある第１外部接続部および第２外部接続部を有し、
前記第１端面に向き合う前記錘部材の対向面には、相互に絶縁される第１回路パターンおよび第２回路パターンが形成してあり、これらの第１回路パターンおよび第２回路パターンが、前記第１外部接続部および前記第２外部接続部にそれぞれ金属結合してあることを特徴とする。

本発明に係る圧電駆動装置では、積層型圧電素子には、リード線や金属端子などがハンダなどを介して接続されることは無い。本発明の積層型圧電素子への電力供給は、錘部材の第１回路パターンおよび第２回路パターンと、積層型圧電素子の第１外部接続部および第２外部接続部との金属結合により行われる。

そのため、積層型圧電素子と錘部材との強固な連結と、積層型圧電素子への電気的接続のための配線とを同時に確保することができる。したがって、積層型圧電素子を小型化しても、積層型圧電素子と錘部材との連結が容易になると共に、積層型圧電素子への電力供給のための配線が容易になる。また、これらの自動作業も容易になる。

さらに、積層型圧電素子と錘部材との連結により配線が成され、積層型圧電素子には、リード線や金属端子などの配線部材が錘とは別に連結されないため、配線部材に突発的な力が作用することもなく、配線部材との接続部で断線することもない。

さらにまた、金属結合により積層型圧電素子と錘部材とが連結されるため、これらの接合強度が向上する。また、積層型圧電素子と錘部材とを接着剤で連結する場合に比較して、接着剤部分での変位吸収が無く、積層型圧電素子の変位力は、直接に錘に伝わり、駆動力が向上する（変位のロスが少ない）。

好ましくは、前記錘部材は、金属で構成してあり、前記錘部材の表面には、絶縁層が形成してあり、前記絶縁層の表面に、前記第１回路パターンと前記第２回路パターンとが形成してある。錘部材を金属で構成することで、錘部材の密度が高くなり、圧電駆動装置の小型化に寄与する。なお、錘部材を金属で構成する場合には、絶縁が問題になるが、錘部材の表面を絶縁層で覆うことで、回路パターン相互の絶縁は保たれる。

好ましくは、前記第２端面には、前記外部電極とは絶縁されているダミー電極が形成してあり、前記ダミー電極に向き合っている前記シャフトの金属面は、前記ダミー電極と金属結合してあり、前記シャフトと前記積層型圧電素子とが連結してある。このように構成することで、積層型圧電素子とシャフトとの連結も強固になると共に、これらの連結作業の自動化も容易になる。

好ましくは、前記第１回路パターンおよび第２回路パターンは、前記錘部材の対向面のみでなく、前記錘部材が取り付けられるフレームの表面への取付面にまで連続して形成してあり、
前記フレームの表面には、前記第１回路パターンおよび第２回路パターンが接続されるフレーム側回路パターンが形成してある。

このように構成することで、錘部材をフレームに連結すると同時に、フレームに形成してある回路パターンと錘部材の回路パターンとの電気的接続を行うことができる。これらの接続も金属結合により行うことができる。

図１は本発明の一実施形態に係るレンズ駆動装置の概略断面図である。 図２は図１に示すレンズ駆動装置の分解斜視図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る圧電駆動装置１０は、たとえばカメラなどに取り付けられるレンズ１２を保持するレンズ枠（移動体）１４を、シャフト１６の軸方向（Ｚ軸方向）に沿って移動させるレンズ駆動装置である。レンズ枠１４は、シャフト１６の軸方向の所定位置に摩擦で係合させて軸方向移動自在に取り付けてある。

積層型圧電素子２０がＺ軸方向に伸縮振動することでシャフト１６が振動し、その振動により、シャフト１６に対してレンズ枠１４をＺ軸方向の一方または他方に移動させることになる。いずれの方向にどの程度に移動させるかは、積層型圧電素子２０に印加される電圧波形の形や印加時間などにより決定される。

圧電駆動装置１０は、シャフト１６と、積層型圧電素子２０と、錘部材３０とを有する。シャフト１６は、一般的には円柱形状を有し、たとえばカーボン強化プラスチック、ステンレスなどの鋼材、アルミニウムなどの非鉄金属などで構成される。シャフト１６は、レンズ枠１４に形成してある貫通孔１４ａに挿通して係合してあり、レンズ枠１４をＺ軸方向に移動自在に保持している。

積層型圧電素子２０は、略角柱状（本実施形態では四角柱）の外観形状を有する素子本体２１と第１外部電極２６と第２外部電極２７とを有する。素子本体２１の内部には、圧電体層２２を挟んで第１および第２内部電極２４，２５が交互に積層してある。第１内部電極２４と第２内部電極２５ｂとが交互に積層してある圧電体層２６の部分が、Ｚ軸方向に伸縮変形する活性部となり、これらの積層部のＺ軸方向の両端に形成される圧電層のみの部分が、非活性部となる。なお、素子本体２１の外観形状は、角柱状に限定されず、円柱状、楕円柱状その他の形状であってもよい。

素子本体２１の外面に形成してある第１外部電極２６は、第１外部接続部２６ａと第１側面電極部２６ｂとから成り、これらは一体に形成してある。また、第１外部電極２６とは絶縁されて素子本体２１の外面に形成してある第２外部電極２７は、第２外部接続部２７ａと第２側面電極部２７ｂとから成り、これらは一体に形成してある。

第１側面電極部２６ｂは、素子本体２１のＸ軸方向に対向する一対の側面のうちの一方に形成してあり、素子本体２１の第１内部電極２４のみに接続してあり、第２内部電極２５には接続しない。第１側面電極２６ｂは、素子本体２１の側面において、Ｚ軸方向の下端まで延びており、素子本体２１のＺ軸方向の下端面（第１端面）に形成してある第１外部接続部２６ａに連続して接続してある。

第２側面電極部２７ｂは、素子本体２１のＸ軸方向に対向する一対の側面のうちの他方に形成してあり、素子本体２１の第２内部電極２５のみに接続してあり、第１内部電極２４には接続しない。第２側面電極２７ｂは、素子本体２１の側面において、Ｚ軸方向の下端まで延びており、素子本体２１のＺ軸方向の下端面（第１端面）に形成してある第２外部接続部２７ａに連続して接続してある。素子本体２１のＺ軸方向の下端面では、第１外部接続部２６ａと第２外部接続部２７ａとは、Ｘ軸方向に離れて形成され絶縁されている。

本実施形態では、素子本体２１のＹ軸方向に対向する一対の側面には、外部電極２６，２７が形成されないが、外部電極２６，２７相互の絶縁が確保されれば、これらの側面にも連続して形成されても良い。なお、図面において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、相互に垂直であり、Ｚ軸は、内部電極２４，２５の積層方向と一致し、シャフト１６の軸方向にも一致する。

本実施形態では、素子本体２１のＺ軸方向の上端面（第２端面）には、ダミー電極２８が形成してある。ダミー電極２８は、外部電極２６，２７と同様にして素子本体２１の外面に形成することができ、外部電極２６，２７と同様な材質で構成されるが、外部電極２６，２７とは絶縁されている。また、図２に示す素子本体２１の側面のうち、外部電極２６，２７が形成されていない側面（Ｙ軸方向に対向する側面）には、マイグレーションを防止するための樹脂層が形成されていても良い。樹脂層は、側面電極部２６ｂおよび／または２７ｂをも覆うようにしても良い。

第１内部電極２４および第２内部電極２５を構成する導電材としては、たとえば、Ａｇ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属およびこれらの合金（Ａｇ−Ｐｄなど）、あるいはＣｕ、Ｎｉ等の卑金属およびこれらの合金などが挙げられるが、特に限定されない。

第１外部電極２６および第２外部電極２７を構成する導電材料も特に限定されず、内部電極を構成する導電材と同様の材料を用いることができる。なお、第１外部電極２６および第２外部電極２７は、たとえば導電ペーストの焼付けなどにより素子本体２１の外面に形成され、その表面には、上記各種金属のメッキ層やスパッタ層が形成してあってもよい。ダミー電極２８も同様である。外部電極２６，２７およびダミー電極２８の厚みは、特に限定されないが、好ましくは０．５〜５０μｍである。

また、圧電体層２２の材質は、圧電効果あるいは逆圧電効果を示す材料であれば、特に制限されず、たとえば、ＰｂＺｒ_ｘ Ｔｉ_１−ｘ Ｏ_３ 、ＢａＴｉＯ_３ などが挙げられる。また、特性向上等のための成分が含有されていてもよく、その含有量は、所望の特性に応じて適宜決定すればよい。

図２に示すように、圧電駆動装置１０では、素子本体２１のＺ軸方向の下端面に対して対向するように、錘部材３０のＺ軸方向の上面が配置してある。錘部材３０は、全体として直方体形状であり、図１に示すように、内部に錘本体３２を有する。なお、錘部材３０の全体形状は、直方体形状に限定されない。

錘本体３２は、シャフト１６に変位を与えるための慣性体として好適に機能するように、タングステン等の比較的比重の大きい金属材料等を含むことが好ましいが特に限定されず、たとえば鉄、鋼材、貴金属、アルミニウムなどの導体で構成してもよい。錘本体３２が金属で構成される場合には、錘本体３２の外表面は、絶縁層３４で覆われている。

絶縁層３４としては、たとえばエポキシ、アクリル、ポリイミド、パリレンなどの非導電性プラスチック、酸化膜、黒色クロメート、ＤＬＣなどで構成され、錘本体３２の外表面に、塗装、焼付、蒸着、熱処理、めっき、接着などの方法により形成される。なお、錘本体３２がプラスチック、セラミックなどの絶縁材料で構成してある場合には、錘本体３２の外表面には、絶縁層３４を設ける必要はない。

本実施形態では、絶縁層３４の表面には、相互に絶縁された第１回路パターン３６と第２回路パターン３７とが形成してある。これらの回路パターン３６および３７は、錘部材３０の表面に、たとえば外部電極２６，２７と同様にして形成することができ、同様な材質で構成しても良い。また、これらの回路パターン３６および３７の厚みは、好ましくは０．５〜５０μｍである。

これらの回路パターン３６および３７は、それぞれ、錘部材３０のＺ軸方向の上面（積層型圧電素子２０との対向面）に形成してある第１対向パターン３６ａおよび第２対向パターン３７ａを有する。第１対向パターン３６ａは、第１外部接続部２６ａに金属結合してあり、第２対向パターン３７ａは、第２外部接続部２７ａに金属結合してある。金属結合させるための方法としては、特に限定されないが、超音波接合、固相拡散接合、摩擦接合などの固相接合技術、レーザー、パルスヒートなどによる溶着接合などが用いられる。

これらの回路パターン３６および３７は、それぞれ、第１対向パターン３６ａおよび第２対向パターン３７ａのみでなく、錘部材３０が取り付けられるフレーム４０の表面４２への取付面である錘部材のＺ軸方向下面にまで連続して形成してある。すなわち、回路パターン３６および３７は、それぞれ、錘部材３０のＺ軸方向下面に形成してある第１取付パターン３６ｂおよび第２取付パターン３７ｂを有する。

第１対向パターン３６ａと第１取付パターン３６ｂとは、第１回路パターン３６の一部であり、これらは、錘部材３０の側面に形成してある回路パターンにより電気的に接続されている。第２対向パターン３７ａと第２取付パターン３７ｂとは、第２回路パターン３７の一部であり、これらは、錘部材３０の側面に形成してある回路パターンにより電気的に接続されている。

第１取付パターン３６ｂは、フレーム４０の表面４２に形成してある錘用取付部４４に位置する第１フレーム側回路パターン４６に金属結合してある。また、第２取付パターン３７ｂは、フレーム４０の表面４２に形成してある錘用取付部４４に位置する第２フレーム側回路パターン４７に金属結合してある。金属結合は、上述した方法により行われる。

フレーム４０は、たとえば図１に示すレンズ保持枠１４を囲むケースが取り付けられる固定部材であっても良く、回路パターン４６および４７が表面４２に形成してある。図１に示すように、回路パターン４６および４７には、駆動回路５０が接続される。

駆動回路５０は、積層型圧電素子２０に駆動電圧を印加するための回路である。駆動回路５０は、フレーム４０に取り付けられても良く、フレームとは別に設けられても良い。フレーム４０に回路パターン４６および４７を形成するための方法は、特に限定されず、たとえば一般的な回路基板に回路パターンを形成するための方法などが用いられる。

駆動回路５０が出力する電圧波形は特に限定されないが、駆動回路５０は、たとえばノコギリ波形の電圧波形を出力することにより、積層型圧電素子２０の変形量およびこれに伴うシャフト１６の変位量を越える移動量を、移動部材としてのレンズ枠１４に発生させることができる。

本実施形態では、図１に示すように、積層型圧電素子２０とシャフト１６との接合は、シャフト１６のＺ軸方向の下面に形成してある金属面１８と、積層型圧電素子２０のＺ軸方向の上面に形成してあるダミー電極２８との金属結合により行われる。金属結合は、上述した方法により行われる。それぞれの部位の金属結合は、別々に行っても良いが、同時に行っても良い。なお、シャフト１６が金属で構成される場合には、金属面１８は、シャフト１６のＺ軸方向の下面自体であり、金属以外で構成される場合には、シャフト１６のＺ軸方向の下面に金属面１８が形成されるように金属膜を形成する。

本実施形態に係る圧電駆動装置１０では、積層型圧電素子２０には、リード線や金属端子などがハンダなどを介して接続されることは無い。積層型圧電素子２０への電力供給は、図１に示す駆動回路５０からフレーム側回路パターン４６，４７を通して、錘部材３０の回路パターン３６，３７と、積層型圧電素子２０の第１外部接続部２６および第２外部接続部２７との金属結合により行われる。

そのため、積層型圧電素子２０と錘部材３０との強固な連結と、積層型圧電素子２０への電気的接続のための配線とを同時に確保することができる。したがって、積層型圧電素子２０を小型化しても、積層型圧電素子２０と錘部材３０との連結が容易になると共に、積層型圧電素子２０への電力供給のための配線が容易になる。また、これらの自動作業も容易になる。

さらに、積層型圧電素子２０と錘部材３０との連結により配線が成され、積層型圧電素子２０には、リード線や金属端子などの配線部材が錘部材とは別に連結されないため、配線部材に突発的な力が作用することもなく、配線部材との接続部で断線することもない。

さらにまた、金属結合により積層型圧電素子２０と錘部材３０とが連結されるため、これらの接合強度が向上する。また、積層型圧電素子２０と錘部材３０とを接着剤で連結する場合に比較して、接着剤部分での変位吸収が無く、積層型圧電素子２０の変位力は、直接に錘部材３０に伝わり、駆動力が向上する（変位のロスが少ない）。

また、本実施形態では、錘部材３０の錘本体３２は、金属で構成してあり、錘本体３２の表面には、絶縁層３４が形成してあり、絶縁層３４の表面に、第１回路パターン３６と第２回路パターン３７とが形成してある。錘本体３２を金属で構成することで、錘部材３０の密度が高くなり、圧電駆動装置１０の小型化に寄与する。なお、錘本体３２を金属で構成する場合には、絶縁が問題になるが、錘本体３２の表面を絶縁層３４で覆うことで、回路パターン３６，３７相互の絶縁は保たれる。

また、素子本体２１のＺ軸方向上端面には、外部電極２６，２７とは絶縁されているダミー電極２８が形成してあり、ダミー電極２８に向き合っているシャフト１６の金属面１８は、ダミー電極２８と金属結合してあり、シャフト１６と積層型圧電素子２０とが連結してある。このように構成することで、積層型圧電素子２０とシャフト１６との連結も強固になると共に、これらの連結作業の自動化も容易になる。

さらに本実施形態では、図２に示すように、第１回路パターン３６および第２回路パターン３７は、錘部材３０の積層型圧電素子との対向面のみでなく、錘部材３０が取り付けられるフレーム４０の表面への取付面にまで連続して形成してある。フレームの表面には、第１回路パターン３６および第２回路パターン３７が接続されるフレーム側回路パターン４６，４７が形成してある。

このように構成することで、錘部材３０をフレーム４０に連結すると同時に、フレーム４０に形成してある回路パターン４６，４７と錘部材３０の回路パターン３６，３７との電気的接続を行うことができる。これらの接続も金属結合により行うことができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

たとえば、上述した実施形態では、金属結合するための方法として、超音波接合を用いたが、その他の方法を用いても良い。金属結合させるためのその他の方法としては、たとえばレーザー、パルスヒート、熱圧着などが例示される。

また、上述した実施形態では、圧電駆動装置１０として、レンズ１２を保持するレンズ枠１４をシャフトに沿って移動させる駆動装置を例示したが、移動体としては、レンズ枠以外の部材であっても良い。移動体としては、たとえばスライダなどの板バネなどが例示される。

さらに、本実施形態では、積層型圧電素子２０と錘部材３０とが金属結合されていれば良く、その他の部分は、金属結合以外でも良い。たとえば、シャフト１６と積層型圧電素子２０とは、金属結合以外の方法、たとえばハンダ接合あるいは接着により接合してあっても良い。また、錘部材３０とフレームとの接続は、金属結合以外の方法、たとえばハンダ接合あるいは接着（導電性接着剤含む）により接合してあっても良い。

１０… 圧電駆動装置
１２… レンズ
１４… レンズ枠
１４ａ… 貫通孔
１６… シャフト
１８… 金属面
２０… 積層型圧電素子
２１… 素子本体
２２… 圧電層
２４… 第１内部電極
２５… 第２内部電極
２６… 第１外部電極
２６ａ… 第１外部接続部
２６ｂ… 第１側面電極部
２７… 第２外部電極
２７ａ… 第２外部接続部
２７ｂ… 第２側面電極部
２８… ダミー電極
３０… 錘部材
３２… 錘本体
３４… 絶縁層
３６… 第１回路パターン
３６ａ… 第１対向パターン
３６ｂ… 第１取付パターン
３７… 第２回路パターン
３７ａ… 第２対向パターン
３７ｂ… 第２取付パターン
４０… フレーム
４２… 表面
４４… 取付部
４６… 第１フレーム側回路パターン
４７… 第２フレーム側回路パターン
５０… 駆動回路

Claims (4)

1. 圧電体層を挟んで積層された内部電極と、前記内部電極に対して電気的に接続される一対の外部電極と、を有する積層型圧電素子と、
   前記積層型圧電素子の前記積層方向における一方の第１端面に取り付けられる錘部材と、
   前記積層型圧電素子の前記積層方向における他方の第２端面に取り付けられるシャフトと、を有し、
   前記積層型圧電素子を駆動することにより、 前記シャフトに対して軸方向に移動自在に係合された移動部材を軸方向に沿って移動させる圧電駆動装置であって、
   一対の前記外部電極が、それぞれ前記第１端面に相互に絶縁されて形成してある第１外部接続部および第２外部接続部を有し、
   前記第１端面に向き合う前記錘部材の対向面には、相互に絶縁される第１回路パターンおよび第２回路パターンが形成してあり、これらの第１回路パターンおよび第２回路パターンが、前記第１外部接続部および前記第２外部接続部にそれぞれ金属結合されることにより、前記積層型圧電素子と前記錘部材との連結、および、前記積層型圧電素子への電気的接続のための配線がなされることを特徴とする圧電駆動装置。
2. 前記錘部材は、金属で構成してあり、前記錘部材の表面には、絶縁層が形成してあり、前記絶縁層の表面に、前記第１回路パターンと前記第２回路パターンとが形成してある請求項１に記載の圧電駆動装置。
3. 圧電体層を挟んで積層された内部電極と、前記内部電極に対して電気的に接続される一対の外部電極と、を有する積層型圧電素子と、
   前記積層型圧電素子の前記積層方向における一方の第１端面に取り付けられる錘部材と、
   前記積層型圧電素子の前記積層方向における他方の第２端面に取り付けられるシャフトと、を有し、
   前記積層型圧電素子を駆動することにより、 前記シャフトに対して軸方向に移動自在に係合された移動部材を軸方向に沿って移動させる圧電駆動装置であって、
   一対の前記外部電極が、それぞれ前記第１端面に相互に絶縁されて形成してある第１外部接続部および第２外部接続部を有し、
   前記第１端面に向き合う前記錘部材の対向面には、相互に絶縁される第１回路パターンおよび第２回路パターンが形成してあり、これらの第１回路パターンおよび第２回路パターンが、前記第１外部接続部および前記第２外部接続部にそれぞれ金属結合してあり、
   前記第２端面には、前記外部電極とは絶縁されているダミー電極が形成してあり、前記ダミー電極に向き合っている前記シャフトの金属面は、前記ダミー電極と金属結合してあり、前記シャフトと前記積層型圧電素子とが連結してある圧電駆動装置。
4. 前記第１回路パターンおよび第２回路パターンは、前記錘部材の対向面のみでなく、前記錘部材が取り付けられるフレームの表面への取付面にまで連続して形成してあり、
   前記フレームの表面には、前記第１回路パターンおよび第２回路パターンが接続されるフレーム側回路パターンが形成してある請求項１〜３のいずれかに記載の圧電駆動装置。

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