JPWO2008099632A1 - 積層型圧電素子及び駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、限られた全長の積層型圧電素子においては従来より多くの積層数の活性層を設けることができて充分な変位特性が得られ、また、活性層が従来と同程度の積層数で済む場合にはより小型化が可能な積層型圧電素子を提供する。この積層型圧電素子は、複数の圧電材料が積層された活性層と、該活性層の層間に位置する内部電極と、を有する積層型圧電素子において、前記活性層と前記内部電極とを被覆する非活性層を少なくとも一方の端面に設けずに構成したことを特徴とする。

Description

本発明は従来より更に小型化した積層型圧電素子及び該積層型圧電素子を用いた駆動装置に関する。

積層型圧電素子は、圧電セラミックからなる複数の圧電材料と内部電極とが交互に積層されており、内部電極は外部に配置した外部電極に接続されている。そして、電圧を外部電極を介して内部電極に印加すると、圧電材料は厚み方向に変位して圧電効果が生ずる。この電気ネルギーを機械エネルギーに変換可能な特性を利用して、積層型圧電素子は精密機器の内部部品の微小な移動等に用いられている。

なお、積層型圧電素子は特許公報にも開示されており、例えば各種用途に応じて要求される変位特性を満足する積層型圧電アクチュエータが特許文献１に開示されている。
特開平６−２３２４６５号公報

積層型圧電素子は、複数の圧電材料が積層された活性層の両端面を、圧電効果が生じない非活性層にて被覆し、活性層を保護すると共に内部電極が露出して他の部材とショートすることを防止している。

また、積層型圧電素子を各種のアクチュエータに用いる場合、積層型圧電素子を保持する部材としては振動を抑制するために質量の大きい金属が用いられることが多いので、従来は内部電極が露出しないように構成していた。

一方、積層型圧電素子は全長が例えば１ｍｍといった超小型に形成されているが、従来の非活性層の厚みは０．１ｍｍ以上あり、そのために活性層の厚みが充分に取れなかった。従って、活性層の積層数が制限されて、充分な変位特性が得られないといった問題があった。また、積層型圧電素子の全長を更に薄くする際の妨げにもなっていた。

本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、限られた全長の積層型圧電素子においては従来より多くの積層数の活性層を設けることができて充分な変位特性が得られ、また、活性層が従来と同程度の積層数で済む場合にはより小型化が可能な積層型圧電素子及び該積層型圧電素子を備えた駆動装置を提案することを目的とする。

前記目的は、下記に記載した発明により達成される。

１．複数の圧電材料が積層された活性層と、該活性層の層間に位置する内部電極と、を有する積層型圧電素子において、
前記活性層と前記内部電極とを被覆する非活性層を少なくとも一方の端面に設けずに構成したことを特徴とする積層型圧電素子。

２．電圧の印加によって伸縮する１に記載の積層型圧電素子と、
前記積層型圧電素子の伸縮方向の一端に結合された振動部材と、
前記積層型圧電素子の伸縮方向の他端を保持する保持部材と、
前記振動部材に所定の摩擦力で係合する移動部材と、
を備え、
前記積層型圧電素子の伸縮により前記振動部材を振動させて前記移動部材を移動させることを特徴とする駆動装置。

３．前記保持部材に絶縁性被膜を施し、前記積層型圧電素子における非活性層が設けられていない端面と前記絶縁性被膜とを接合したことを特徴とする２に記載の駆動装置。

４．前記積層型圧電素子と前記保持部材との接合面に絶縁性の複数の微粒子を配置し、前記積層型圧電素子における非活性層が設けられていない端面と前記微粒子とを接合したことを特徴とする２に記載の駆動装置。

５．前記振動部材を樹脂により形成し、前記積層型圧電素子における非活性層が設けられていない端面と前記振動部材とを接合したことを特徴とする２に記載の駆動装置。

本発明の積層型圧電素子及び該積層型圧電素子を備えた駆動装置によれば、限られた全長の積層型圧電素子においては従来より多くの積層数の活性層を設けることができて充分な変位特性が得られ、また、活性層が従来と同程度の積層数で済む場合にはより小型化が可能になる。

積層型圧電素子の断面図である。 駆動装置の側面図である。 移動部材と振動部材との係合を示す図である。 駆動装置の作用を説明する図である。 積層型圧電素子と保持部材の接合面の拡大図である。 振動部材２を樹脂により形成した駆動装置の側面図である。

符号の説明

１ 積層型圧電素子
１１ 活性層
１２，１３ 内部電極
１４，１５ 外部電極
１６ 非活性層
２ 振動部材
３ 保持部材
３ａ 絶縁性被膜
４ 移動部材
６ フレキシブルプリント基板
Ｒ 微粒子

先ず、本発明の積層型圧電素子の実施の形態を図１に基づいて説明する。

積層型圧電素子１は、圧電材料である圧電セラミックから構成された複数の活性層１１が積層され、活性層１１に印刷等により形成された内部電極１２，１３が交互に配置されている。そして、内部電極１２は積層型圧電素子１の一方の側面に配置された外部電極１４と電気的に接続し、内部電極１３は積層型圧電素子１の他方の側面に配置された外部電極１５と電気的に接続している。積層型圧電素子１は活性層１１が積層された後に焼成されて製造される。

なお、従来の積層型圧電素子には双方の端面に圧電効果が生じない非活性層１６が設けられ、非活性層１６が活性層１１を保護すると共に、内部電極１２，１３を被覆することによって内部電極１２，１３が外部の部材とショートすることを防止している。しかし、従来の積層型圧電素子においては、全長が１ｍｍ程度であっても非活性層１６の厚みが０．１ｍｍ程度あり、両端面の非活性層１６により活性層１１の全層厚は８０％以下になっていた。これにより、活性層１１の積層数が制限されて充分な変位特性が得られなかったり、活性層１１の積層数が充分であった場合には非活性層１６のために必要以上に長い全長となったりするといった問題があった。

そこで、本発明においては、少なくとも一方の端面に非活性層１６を設けずに積層型圧電素子１を構成した。これによって、非活性層１６を一方の端面のみに設けなかったときは全長に対して約９０％の範囲で活性層１１を配置することができ、非活性層１６を双方の端面に設けなかったときは全長に対して約１００％の範囲で活性層１１を配置することができる。

このように形成した積層型圧電素子１において、電圧を外部電極１４，１５を介して内部電極１２，１３に印加すると、活性層１１は厚み方向に変位して圧電効果が生ずる。この電気ネルギーを機械エネルギーに変換可能な特性を利用して、精密機器の内部部品の微小な移動等に用いることができる。

次に、以上の積層型圧電素子１を用いた駆動装置の一例を、図２乃至図５を参照して説明する。

先ず、本駆動装置は、図２に示す如く、積層型圧電素子１、振動部材２、保持部材３、移動部材４及びフレキシブルプリント基板６から構成されている。

振動部材２は、積層型圧電素子１の伸縮方向の一端に結合されたロッド状の部材であって、滑り性が良く硬い材料から形成されている。

保持部材３は、積層型圧電素子１の伸縮方向の他端を片持ちで保持し、振動を抑制するために質量の大きい金属材料から形成されている。

移動部材４は、移動させたい任意の部材と接続して移動する部材であって、振動部材２に所定の摩擦力で係合する。

移動部材４と振動部材２との係合は、例えば図３に示す如く、移動部材４に設けたＶ溝４ａと板バネ５とにより振動部材２を狭着している。

これによって、例えば、レンズ３１を保持する鏡枠３２と接続して、合焦動作や変倍動作を行わせることができる。

積層型圧電素子１にはフレキシブルプリント基板６が導電性接着剤等により接合され、図４に示す如き鋸歯形の波形のパルス電圧をフレキシブルプリント基板６を介して積層型圧電素子１に連続的に印加する。これによって積層型圧電素子１は伸縮振動し、同時に振動部材２も軸方向に振動する。そして、パルス電圧の緩やかな立ち上がりａにおいては、積層型圧電素子１は比較的ゆっくり伸長する。従って、振動部材２は保持部材３から離れる方向（Ａ方向）に移動し、これに伴って移動部材４も同方向に移動する。一方、パルス電圧の急速な立ち下がりｂにおいては、積層型圧電素子１は急速に収縮して初期長さに戻る。このとき、振動部材２も急速に保持部材３に向かう方向（Ｂ方向）に移動するが、移動部材４は慣性によってその位置に留まるか、または僅かだけ保持部材３の方向に移動する。従って、このようなパルス電圧を連続的な印加することによって、移動部材４はパルス数に応じて少しずつＡ方向に移動する。

なお、移動部材４をＢ方向に移動させるときは、積層型圧電素子１に印加する鋸歯形の波形のパルス電圧を逆にして、急速な立ち上がりと緩やかな立ち下がりにすればよい。

また、以上は積層型圧電素子１の伸縮を異なる速度で行ったものであるが、場合によっては等速度で伸縮させても移動部材４は移動する。即ち、積層型圧電素子１を伸長させて振動部材２を移動させ、その後、振動部材２が停止した後にも移動部材４は慣性によって更にある程度同方向に移動する。従って、積層型圧電素子１を伸長させた後に直ちに収縮させて振動部材２を逆方向に移動させれば、移動部材４も逆方向に移動するが初期位置までは戻らずに慣性によって移動した分だけ保持部材３に対して位置が変わることになる。このような動作を繰り返せば、移動部材４は少しずつ移動する。

このような駆動装置は、高精度で高応答性を有し、作動が静粛であるので、小型の機器に用いられる。例えば、デジタルカメラや携帯電話機に内蔵したデジタルカメラにおいて、焦点調節や変倍のためのレンズ移動や、絞り調整、手ぶれ補正機構等に用いられる。

ここで、積層型圧電素子１は前述の如く少なくとも一方の端面には非活性層１６を設けていない。このために、内部電極１２が積層型圧電素子１と接合する部材と接触して、二つの内部電極１２，１３がショートする虞がある。

しかし、図２に示す駆動装置において、振動部材２は樹脂により形成することができるので、上述の虞はない。

一方、積層型圧電素子１の振動は振動部材２だけでなく、保持部材３にも伝達され、その結果、振動部材２の伸縮振動にロスが生ずる。このロスを少なくするために、保持部材３には弾性変形が小さく質量の大きい材料を用いて、保持部材３を重し部材として機能させる。例えば、ヤング率が高く、比重の大きいタングステンやステンレス鋼等の金属材料から形成される。

このために、積層型圧電素子１の端面に非活性層１６を設けていない場合に、積層型圧電素子１を保持部材３に接合すると、積層型圧電素子１の電極１２が保持部材３にショートする虞がある。

そこで、保持部材３に絶縁性被膜３ａを施す絶縁処理を行う。これによって、非活性層１６を設けていなくても、内部電極１２が保持部材３にショートする虞は解消する。

絶縁性被膜３ａとしては、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜が好ましい。ＤＬＣはイオンを利用した気相合成法により合成され、ダイヤモンドに類似した高硬度、電気絶縁性、赤外線透過性等の特徴を有するカーボン薄膜の総称である。

また、ＳｉＮ系の絶縁性被膜を用いてもよい。要は内部電極１２が保持部材３にショートすることがなければ、どのような絶縁性被膜を設けてもよい。

なお、図２において、フレキシブルプリント基板６は保持部材３や振動部材２と接触してショートしないように、積層型圧電素子１の中間位置に取り付けられている。しかし、保持部材３に絶縁性被膜３ａを設けた場合は、フレキシブルプリント基板６が保持部材３とショートする虞がなくなるので、フレキシブルプリント基板６を保持部材３に近接させて取り付けることが可能にある。また、フレキシブルプリント基板６が積層型圧電素子１の変位が少ない部分に取り付けられるので、積層型圧電素子１より外れる虞が減少する。

また、図５の拡大図に示す如く、積層型圧電素子１と保持部材３との接合面に絶縁性の複数の微粒子Ｒを配置してもよい。そして、絶縁性の接着剤Ｓで積層型圧電素子１と保持部材３とを接合すれば、上記の虞は解消する。

微粒子Ｒは、プラスチックにより真球状に形成され、０．５μｍから１００μｍ程度の外径寸法で１μｍ間隔で選択可能であり、例えば積水化学製のギャップ制御用微粒子を用いることができる。

なお、積層型圧電素子１の一方の端面にのみ非活性層１６を設け、振動部材２を樹脂により形成した場合には、非活性層１６を設けていない端面に振動部材２を接合し、非活性層１６を設けてある端面に保持部材３を接合すれば、前述の絶縁処理や微粒子Ｒの配置は不要になる。

この構成を図６に示す。このように構成した場合は、フレキシブルプリント基板６は保持部材３とショートする虞があるが、振動部材２とはショートする虞がないので、フレキシブルプリント基板６を保持部材３より遠ざけ、振動部材２に近い位置に取り付けることが望ましい。

Claims (5)

1. 複数の圧電材料が積層された活性層と、該活性層の層間に位置する内部電極と、を有する積層型圧電素子において、
   前記活性層と前記内部電極とを被覆する非活性層を少なくとも一方の端面に設けずに構成したことを特徴とする積層型圧電素子。
2. 電圧の印加によって伸縮する請求の範囲１項に記載の積層型圧電素子と、
   前記積層型圧電素子の伸縮方向の一端に結合された振動部材と、
   前記積層型圧電素子の伸縮方向の他端を保持する保持部材と、
   前記振動部材に所定の摩擦力で係合する移動部材と、
   を備え、
   前記積層型圧電素子の伸縮により前記振動部材を振動させて前記移動部材を移動させることを特徴とする駆動装置。
3. 前記保持部材に絶縁性被膜を施し、前記積層型圧電素子における非活性層が設けられていない端面と前記絶縁性被膜とを接合したことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の駆動装置。
4. 前記積層型圧電素子と前記保持部材との接合面に絶縁性の複数の微粒子を配置し、前記積層型圧電素子における非活性層が設けられていない端面と前記微粒子とを接合したことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の駆動装置。
5. 前記振動部材を樹脂により形成し、前記積層型圧電素子における非活性層が設けられていない端面と前記振動部材とを接合したことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の駆動装置。