WO2011077660A1 - 電気機械変換素子および駆動装置 - Google Patents

電気機械変換素子および駆動装置 Download PDF

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WO2011077660A1
WO2011077660A1 PCT/JP2010/007233 JP2010007233W WO2011077660A1 WO 2011077660 A1 WO2011077660 A1 WO 2011077660A1 JP 2010007233 W JP2010007233 W JP 2010007233W WO 2011077660 A1 WO2011077660 A1 WO 2011077660A1
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electromechanical transducer
external electrode
stacking direction
adhesive
connection region
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PCT/JP2010/007233
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智行 湯浅
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コニカミノルタオプト株式会社
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    • H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
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    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/072—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies
    • H10N30/073—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by laminating or bonding of piezoelectric or electrostrictive bodies by fusion of metals or by adhesives

Definitions

  • the present invention relates to an electromechanical transducer that converts electrical energy into mechanical energy, and more particularly to the structure of the external electrode. And this invention relates to the drive device using this electromechanical conversion element.
  • an actuator is usually incorporated to drive the movable part.
  • This actuator is a device that converts input energy into a mechanical momentum, and one of them is a drive device using an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element called SIDM (Smooth Impact Drive Mechanism).
  • SIDM Smooth Impact Drive Mechanism
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of SIDM, FIG. 9 (A) is a perspective view thereof, and FIG. 9 (B) is an exploded perspective view thereof.
  • the SIDM 100 includes an electromechanical conversion element 101, a vibration member 102, and a support member 103.
  • the electromechanical conversion element 101 is an element that converts electrical energy into mechanical energy.
  • the electromechanical conversion element 101 is a piezoelectric element 101 in which a plurality of piezoelectric layers 101a made of a piezoelectric material are stacked via internal electrodes 101b between the piezoelectric layers 101a. is there.
  • a pair of external electrodes 101c and 101c are respectively formed on the side surfaces facing each other along the stacking direction of the piezoelectric element 101, and the pair of external electrodes 101c and 101c are alternately arranged with the plurality of internal electrodes 101b. It is connected to the.
  • the vibration member 102 is a columnar member that is fixed to one end of the piezoelectric element 101 in the stacking direction.
  • the support member 103 is a member that is fixed to the other end of the piezoelectric element 101 in the stacking direction and supports the piezoelectric element 101 and the vibration member 102.
  • the piezoelectric element 101 expands and contracts in the stacking direction.
  • the piezoelectric element 101 converts input electric energy into a mechanical expansion and contraction motion.
  • the vibrating member 102 reciprocates in the longitudinal direction as the piezoelectric element 101 expands and contracts.
  • an unillustrated moving member that frictionally engages with the vibrating member 102 is attached to the vibrating member 102, and the electromechanical conversion element 101 is repeatedly expanded and contracted so that the moving speed of the vibrating member 102 is asymmetric between the forward path and the backward path. Then, due to the asymmetric reciprocation of the vibration member 102, the moving member moves along the longitudinal direction, and electric energy is converted into the movement of the moving member.
  • Patent Document 1 Such an electromechanical conversion element 101 is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • a plurality of piezoelectric ceramics are sandwiched between internal electrodes that are opposite to each other in a positive and negative manner and are polarized so that the polarization directions face each other, and the lamination of the piezoelectric ceramics parts Piezoelectric ceramics having a pair of positive and negative external electrodes, which are provided on side surfaces facing each other along a direction, and are composed of a positive electrode connected only to the positive internal electrode and a negative electrode connected only to the negative internal electrode
  • An actuator is disclosed, and a pair of external lead wires are respectively connected to the pair of positive and negative external electrodes, and both ends of the piezoelectric ceramic portion in the stacking direction are in a driven portion such as a machining apparatus.
  • the support part and the driven part are respectively fixed by being bonded with an epoxy resin or the like.
  • the SIDM 100 shown in FIG. 9A has, for example, an epoxy-based heat or the like on the surface of one end of the vibration member 102 or the surface of one end of the piezoelectric element 101 as shown in FIG. 9B.
  • the curable adhesive 104 is applied, one end portion of the vibration member 102 and one end portion of the piezoelectric element 101 are bonded, and the one end surface of the support member 103 or the other end surface of the piezoelectric element 101 is bonded.
  • the adhesive 104 is applied, the one end portion of the support member 103 and the other end portion of the piezoelectric element 101 are bonded to each other and subjected to heat treatment.
  • the adhesive 104 is thermally cured by this heat treatment, whereby the vibration member 102 and the support member 103 are fixed to the piezoelectric element 101 with the adhesive 104, and the SIDM 100 is manufactured.
  • a phenomenon called bleed out (epoxy bleed out) in which an uncured portion of the adhesive 104 (uncured adhesive 104a) flows occurs.
  • the amount of the adhesive 104 applied to the external electrode 101c provided on the side surface of the piezoelectric element 101 depends on the size of the piezoelectric element 101, the vibration member 102, and the support member 103.
  • the cured adhesive 104a may flow out, and further cover the exposed surface of the external electrode 101c as shown in FIG.
  • a pair of lead wires In order to supply electric energy to the piezoelectric element 101, a pair of lead wires must be connected to the pair of external electrodes 101c and 101c, respectively, as in the piezoelectric ceramic actuator disclosed in Patent Document 1. If the exposed surface of the external electrode 101c is covered with the uncured adhesive 104a due to such bleed out, it becomes difficult to electrically connect the lead wire and the external electrode 101c. In general, the lead wire and the external electrode 101 are electrically connected by solder. However, if the entire exposed surface of the external electrode 101c is partially covered even if it is not completely covered by the uncured adhesive 104a. In addition, the exposed area for soldering in the external electrode 101c may be reduced, resulting in poor connection.
  • the piezoelectric ceramic actuator disclosed in Patent Document 1 As described above, after connecting the pair of external lead wires to the pair of positive and negative external electrodes, both ends of the piezoelectric ceramic portion in the stacking direction are Since the support part and the driven part in the driven part of the machining apparatus or the like are respectively bonded and fixed with an epoxy resin or the like, the above-described disadvantage does not occur. Further, the piezoelectric ceramic actuator disclosed in Patent Document 1 assumes a piezoelectric ceramic portion having a cross-sectional dimension of 5 mm ⁇ 5 mm and a length of 70 mm, and a sufficient soldering area is ensured.
  • SIDM100 is required to be downsized along with downsizing, lightening, and power saving of the device in which it is incorporated.
  • downsized sufficient area for soldering considering bleed out is secured. It becomes difficult to do.
  • the length of piezoelectric element 101 in SIDM 100 is about several millimeters or about 1 mm.
  • the area of soldering is originally small. For this reason, the reduction in the area of the exposed surface of the external electrode 101c due to this bleed out is a serious problem.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to suppress a decrease in the exposed area for soldering of the external electrode due to the flow of the adhesive, and to connect the power supply member in the external electrode. It is an object to provide an electromechanical conversion element capable of ensuring an area more reliably and a driving device using the electromechanical conversion element.
  • An electromechanical conversion element and a driving device are stepped portions formed on each of a pair of external electrodes formed on an outer peripheral surface of a laminate including a plurality of piezoelectric layers, and a power supply member for power supply A step portion having a height difference is provided between the boundary of the connection region for connection to the end of the laminate. Therefore, the electromechanical conversion element and the driving device having such a configuration suppress the inflow of the adhesive into the connection region by damming with the step portion even when the adhesive flows out onto the external electrode. Therefore, a decrease in the exposed area for soldering of the external electrode due to the flow of the adhesive can be suppressed, and the connection area of the power supply member in the external electrode can be ensured more reliably.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of a drive device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged view of an electromechanical conversion element portion in the drive device shown in FIG.
  • FIG. 2A shows an external electrode of the electromechanical transducer
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a state of bleeding out of the adhesive.
  • FIG. 3A shows an external electrode of the electromechanical transducer
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the driving device S of the embodiment includes an electromechanical conversion element 1, a vibration member 2, and a support member 3.
  • the electromechanical conversion element 1 is an element that converts input electric energy into mechanical motion, and is, for example, the piezoelectric element 1 that converts input electric energy into mechanical expansion and contraction motion by a piezoelectric effect.
  • a piezoelectric element 1 as the electromechanical conversion element 1 includes, for example, a laminate 10 in which a plurality of piezoelectric layers 10a made of a piezoelectric material and a plurality of conductive internal electrode layers 10b are alternately laminated, as shown in FIG. And a pair of external electrodes 11, 11 formed on the outer peripheral surface of the multilayer body 10 along the stacking direction and sequentially and alternately conducting with the internal electrode layers 10 a.
  • piezoelectric material examples include so-called PZT, crystal, lithium niobate (LiNbO 3 ), potassium niobate tantalate (K (Ta, Nb) O 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ). And inorganic piezoelectric materials such as strontium titanate (SrTiO 3 ).
  • the multilayer body 10 is a columnar body in which a plurality of piezoelectric layers 10a are stacked via internal electrode layers 10b between the piezoelectric layers 10a.
  • Each internal electrode layer 10b has an edge portion at each edge. These are formed so as to face the outside alternately with a pair of outer peripheral surfaces facing each other along the stacking direction.
  • the external electrode 11 is a laminated body, for example, by sputtering or vapor deposition of a conductive metal material such as gold, silver, or copper, or by screen printing of a conductive resin having conductivity dispersed in a metal filler, for example. 10 are formed in a layer (thin film) shape along a stacking direction on a pair of outer peripheral surfaces facing each other.
  • the piezoelectric element 1 having such a configuration, when electric energy is supplied to the pair of external electrodes 11 and 11 by applying a predetermined voltage from the outside to the pair of external electrodes 11 and 11, the piezoelectric effect of each piezoelectric layer 10a.
  • the stacked body 10 extends or contracts in the stacking direction.
  • the vibrating member 2 is a columnar (axial) member fixed to one end of the laminated body 10 in the piezoelectric element 1.
  • the material of the vibration member 2 for example, any material such as metal, resin, and carbon can be used.
  • the cross section orthogonal to the longitudinal direction of the vibration member 2 may be any shape such as a rectangle, a polygon, an ellipse, and a circle.
  • the cross section is circular so that the relative movement along the longitudinal direction of the vibration member 2 can be easily performed.
  • the support member 3 is a member that is fixed to the other end of the laminated body 10 in the piezoelectric element 1 and supports the piezoelectric element 1 and the vibration member 2 by holding them.
  • the support member 3 can also use arbitrary materials, such as a metal and resin, for example.
  • the support member 3 may hold its position by being fixed to a housing or the like of the device in which the drive device S is incorporated. However, when the position is substantially held by the inertial mass, the weight of the drive device S is supported. Function as.
  • the support member 3 is preferably formed of a high-density material from the viewpoint of miniaturization.
  • the support member 3 substantially holds the position in this way, when the laminated body 10 of the piezoelectric element 1 expands and contracts as described above, the piezoelectric element 1 has the other end fixed to the support member 3 as a substantially fixed end.
  • the laminate 10 expands and contracts, and the expansion and contraction is transmitted to the vibration member 2, and the vibration member 2 reciprocates in conjunction with the expansion and contraction operation of the laminate 10 in the piezoelectric element 1.
  • each of the pair of external electrodes 11 and 11 in the piezoelectric element 1 is assumed as a region for connection with a conductive power supply member for power supply, as shown in FIG.
  • a step portion 21 having a height difference is formed between the boundary 11b of the connection region 11a and the end portion 10c of the stacked body 10 in the stacking direction.
  • the height of the stepped portion 21 may be a predetermined height set in advance.
  • the external electrode 11 is formed by sputtering, it can be formed relatively easily by the film forming method.
  • the film is formed by screen printing, it is any value of about 1 to 50 ⁇ m that can be formed relatively easily by the film forming method.
  • connection region 11a an approximate region with a predetermined area including a position where the power supply member is to be connected is assumed in advance, and a boundary 11b of the connection region 11a is a position where the power supply member is to be connected.
  • a boundary 11b of the connection region 11a is a position where the power supply member is to be connected.
  • such a stepped portion 21 is formed from the normal direction (direction orthogonal to the stacking direction) of the outer peripheral surface of the stacked body 10 where the external electrode 11 is formed.
  • 11 when the external electrode 11 is viewed in plan, the end of the external electrode 11 in the stacking direction of the stacked body 10 is rectangular so that both ends in the width direction of the external electrode 11 are left with a predetermined width. It is provided by notching the shape.
  • FIG. 2A in which a part of the external electrode 11 is cut out in a rectangular shape as described above, the outer peripheral surface of the multilayer body 10 is exposed, and the surface of the external electrode 11 is exposed from the outer peripheral surface of the multilayer body 10.
  • the step portion 21 is formed with a height difference (the thickness of the external electrode 11 in the normal direction) to (the surface of the connection region 11a).
  • the connection region 11 a of the external electrode 11 is higher than the outer peripheral surface of the stacked body 10 by the height difference of the step portion 21.
  • the step portions 21 and 21 are formed between the boundary 11b of the connection region 11a and the one end 10c-1 in the stacking direction of the stacked body 10 and the boundary 11b of the connection region 11a. To the other end 10c-2 in the stacking direction of the stacked body 10.
  • these two stepped portions 21, 21 are end portions 10 c in the stacking direction of the stacked body 10 when the external electrode 11 is viewed from the normal direction of the outer peripheral surface of the stacked body 10.
  • the predetermined line PL is a line that is equidistant from both end portions 10 c-1 and 10 c-2 in the stacking direction of the stacked body 10 and passes through the center of gravity GP of the external electrode 11.
  • the external electrode 11 having such a notch can be formed, for example, by performing sputtering or vapor deposition using an H-shaped mask. Further, for example, the external electrode 11 having such a notch can be formed by performing screen printing or the like in an H shape.
  • this notch may have a coating with a thickness smaller than the thickness of the connection region 11a.
  • the coating may be formed of the same material as the external electrode 11 or may be a different material. That is, for example, when the external electrode 11 is viewed from the normal direction of the outer peripheral surface of the laminate 10 where the external electrode 11 is formed, the stepped portion 21 has a predetermined width at both ends in the width direction of the external electrode 11. As shown in FIG. 5, a rectangular recess is formed at the end of the external electrode 11 in the stacking direction of the stacked body 10.
  • the vibration member 2 and the support member 3 are fixed by using the adhesive 4 on both end surfaces in the stacking direction of the piezoelectric element 1 including the pair of external electrodes 11 and 11 having the step portions 21 and 21, respectively.
  • the adhesive 4 is applied to the surface of one end portion of the vibration member 2 or the surface of one end portion of the piezoelectric element 1
  • the one end portion of the vibration member 2 and the one end of the piezoelectric element 1 are applied.
  • the other end of the piezoelectric element 1 and the other end of the piezoelectric element 1 after the adhesive 4 is applied to the surface of one end of the support member 3 or the other end of the piezoelectric element 1. Are bonded (bonding process).
  • the adhesive 4 is made of a thermosetting resin such as an epoxy-based resin
  • a heat treatment is performed following the bonding step for thermosetting.
  • the uncured adhesive 4a flows out on the outer peripheral surface of the laminate 10 of the piezoelectric element 1 or on the external electrode 11 as shown in FIG.
  • the area of the external electrode 11 is reduced by the flow of the uncured adhesive 4a.
  • the connection area of the power supply member in the external electrode 11 can be more reliably ensured.
  • the configuration described in the present embodiment is more effective when the length in the stacking direction of the piezoelectric element 1 is about several millimeters. Furthermore, when the length of the piezoelectric element 1 in the stacking direction is about 1 mm, the configuration described in the present embodiment is even more effective.
  • the step part 21 blocks the flow of the excessive adhesive 4a and suppresses the flow of the adhesive 4a into the bonding region 11a. A decrease in the area of the external electrode 11 due to the flow of the adhesive 4a can be suppressed, and the connection area of the power supply member in the external electrode 11 can be ensured more reliably.
  • connection regions 11 a of the pair of external electrodes 11, 11 are connected to solder 31. Since the connection area of the power supply member in the external electrodes 11 and 11 is secured, a pair of power supply members (not shown) are more reliably connected to the connection regions 11a in the pair of external electrodes 11 and 11 than in the past. In addition, connection failures can be reduced as compared with the conventional case.
  • the step portions 21 and 21 are two symmetrical with respect to the predetermined line PL. Therefore, the piezoelectric element 1 includes other members such as the vibration member 2 and the support member 3. When the members are bonded by the adhesive 4, the bonding process can be performed while ignoring the vertical direction in the stacking direction of the piezoelectric elements 1. Thus, since the said adhesion process can be performed, without managing the up-down direction in the lamination direction of the piezoelectric element 1, it is convenient on manufacture.
  • the step portions 21 and 21 are two point-symmetric with respect to the center of gravity GP of the external electrode 11, so the piezoelectric element 1 includes, for example, the vibration member 2 and the support member 3.
  • the bonding step can be performed ignoring the vertical direction in the stacking direction of the piezoelectric elements 1.
  • the said adhesion process can be performed, without managing the up-down direction in the lamination direction of the piezoelectric element 1, it is convenient on manufacture.
  • the piezoelectric layer 10a in which the cutout portion is formed also has this step. Electricity is supplied by the remaining portion of the external electrode 11, and a piezoelectric effect can be produced.
  • the adhesive 4 in order to suppress the flow of the adhesive 4 into the bonding region 11a, it extends along the width direction of the external electrode 11 between the boundary 11b of the connection region 11a and the end portion 10c in the stacking direction of the stacked body 10. It is also conceivable to form a long projecting portion (bank portion) on the external electrode 11.
  • the step portion 21 since the step portion 21 is provided as a part of the external electrode 11, the formation of the external electrode 11 and the formation of the step portion 21 can be realized in one step.
  • the thickness of the convex portion affects the external accuracy of the piezoelectric element.
  • the convex portion is formed by resin screen printing, the heat treatment of the adhesive 4 causes bleed out from the resin itself of the convex portion.
  • the stepped portion 21 is provided by forming the external electrode 11 in an H shape when the external electrode 11 is viewed in a plan view. is not.
  • it may be provided by forming the external electrode 11 in various shapes shown in FIGS.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a first variation of the stepped portion.
  • FIG. 4A shows a first configuration of the external electrode 11, and
  • FIG. 4B shows a second configuration of the external electrode 11.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a second modification of the stepped portion.
  • 5A shows a third configuration of the external electrode 11
  • FIG. 5B shows a fourth configuration of the external electrode 11
  • FIG. 5C shows a fifth configuration of the external electrode 11.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a third modification of the stepped portion.
  • FIG. 6A shows a sixth configuration of the external electrode 11, and
  • FIG. 6B shows a seventh configuration of the external electrode 11.
  • FIG. 7 is a view for explaining a fourth modification of the step portion, and shows an eighth configuration of the external electrode 11.
  • the stepped portion 21 may be provided by cutting out the external electrode 11 formed in a substantially uniform thickness into a slit shape. More specifically, for example, as shown in FIG. 4A, the stepped portion 21 ⁇ / b> A is located at a predetermined distance from the end portion 10 c in the stacking direction of the stacked body 10 when the external electrode 11 ⁇ / b> A is viewed in plan. In this position, the external electrode 11A is provided by cutting out the external electrode 11A in a rectangular shape elongated in the width direction extending from one end in the width direction of the external electrode 11A. Alternatively, for example, as shown in FIG.
  • the stepped portion 21 ⁇ / b> B is externally positioned at a predetermined distance from the end portion 10 c in the stacking direction of the stacked body 10 when the external electrode 11 ⁇ / b> B is viewed in plan view.
  • the electrode 11B is provided by cutting out a rectangular opening that is long in the width direction (by forming a rectangular opening that is long in the width direction in the external electrode 11B).
  • the step portions 21A, 21A; 21B, 21B are provided at one end 10c-1 in the stacking direction of the stacked body 10 from the boundary 11b of the connection region 11a.
  • the two step portions 21A, 21A; 21B, 21B is line-symmetric with respect to a predetermined line PL parallel to the end portion 10c in the stacking direction of the stacked body 10 when the external electrodes 11A and 11B are viewed in plan.
  • the step portions 21C and 21D have one end in the width direction of the external electrodes 11C and 11D when the external electrodes 11C and 11D are viewed in plan view. Is provided by cutting out the end portions of the external electrodes 11C and 11D in the stacking direction of the stacked body 10 into a rectangular shape so as to leave a predetermined width.
  • the step portions 21C, 21C; 21D, 21D are provided at one end portion 10c ⁇ in the stacking direction of the stacked body 10 from the boundary 11b of the connection region 11a. 1 and between the boundary 11 b of the connection region 11 a and the other end 10 c-2 in the stacking direction of the stacked body 10.
  • these two stepped portions 21C and 21C have end portions 10c (10c-1, 10c ⁇ ) in the stacking direction of the stacked body 10 when the external electrode 11C is viewed in plan. It is line symmetric with respect to the predetermined line PL parallel to 2). That is, a portion having a predetermined width remaining when the rectangular shape is cut out from the external electrode 11C is at one end in the width direction of the external electrode 11C.
  • these two step portions 21D and 21D are point-symmetric with respect to the center of gravity GP of the external electrode 11D when the external electrode 11D is viewed in plan.
  • a portion having a predetermined width is present at one end 10c-1 in the stacking direction of the stacked body 10 at one end in the width direction of the external electrode 11D.
  • the other end portion 10c-2 in the stacking direction of the body 10 is at the other end in the width direction of the external electrode 11D.
  • stepped portions 21E there are two stepped portions 21E, and when the external electrode 11E is viewed in plan, a predetermined amount from one end 10c-1 in the stacking direction of the stacked body 10 is given.
  • the external electrode 11E is provided by cutting out the external electrode 11E in a rectangular shape that is long in the width direction extending in the width direction from the other end in the width direction of the external electrode 11E at a position inside by the distance, and when the external electrode 11E is viewed in plan
  • These two step portions 21E and 21E are point-symmetric with respect to the center of gravity GP of the external electrode 11E when the external electrode 11E is viewed in plan.
  • two symmetrical step portions 21 and 21 are provided from the viewpoint of performing the bonding step without managing the vertical direction of the piezoelectric element 1, but for example, as shown in FIGS. 6 and 7.
  • one stepped portion 21 may be used.
  • the stepped portions 21F and 21G have both end portions 10c-1 and 10c-2 in the stacking direction of the stacked body 10 when the external electrode 11E is viewed in plan.
  • the external electrode 11 is provided at a substantially central position by cutting the slit 11 like a slit.
  • the stepped portion 21F is provided by cutting out the external electrode 11F in a rectangular shape elongated in the width direction from one end in the width direction of the external electrode 11E.
  • the external electrode 11G is provided by cutting out a rectangular opening that is long in the width direction (by forming a rectangular opening that is long in the width direction in the external electrode 11G). It is done.
  • the stepped portion 21 ⁇ / b> H has a predetermined width in the stacking direction of the stacked body 10 so that one end in the width direction of the external electrode 11 ⁇ / b> H is left with a predetermined width when the external electrode 11 ⁇ / b> H is viewed in plan.
  • the end portion of the external electrode 11H is provided by cutting out a rectangular shape from one end portion 10c-1 in the stacking direction of the stacked body 10 to a substantially central position of both end portions 10c-1 and 10c-2.
  • step portions 21 and 21A to 21H that move from the low surface to the high surface along the flow direction of such an adhesive (including the uncured adhesive) 4, the step portions 21 and 21A to 21H are dammed. Since the flow of the adhesive 4 into the bonding region 11a is suppressed, the decrease in the area of the external electrode due to the flow of the adhesive 4 can be suppressed, and the connection area of the power supply member in the external electrodes 11, 11A to 11H Can be ensured more reliably.
  • the piezoelectric element 1 has a prismatic shape with a rectangular cross-sectional shape
  • the piezoelectric element 1 has an arbitrary cross-sectional shape, for example, a polygonal columnar shape with a polygonal cross-sectional shape
  • the cross-sectional shape may be a cylindrical shape with a circular shape, an elliptical column shape with a cross-sectional shape being an ellipse, or the like.
  • Such a driving device S further includes a moving member that frictionally engages with the vibration member 2 so as to be relatively movable, so that the expansion / contraction operation of the piezoelectric element 1 is performed through the reciprocation of the vibration member 2. It can be converted into motion and can be incorporated into various mechanical devices. In particular, the piezoelectric element 1 can obtain a mechanical output larger than its volume, and therefore can be suitably incorporated in a small mechanical device.
  • a case where the driving device S is incorporated in an optical system for driving a focus lens or a zoom lens will be described.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a driving device incorporated in the optical system.
  • the driving device SA includes a piezoelectric element 1 as an electromechanical conversion element 1, a vibrating member 2 fixed to one end of the piezoelectric element 1, and reciprocating in conjunction with the expansion and contraction of the piezoelectric element 1, and a piezoelectric element.
  • a support member 3 that is fixed to the other end of the element 1 and supports the piezoelectric element 1 and the vibration member 2, and a moving member 51 that frictionally engages the vibration member 2 in a relatively movable manner.
  • the piezoelectric element 1 is an element in which any one of the above-described external electrodes 11, 11A to 11H is formed, and includes any one of the step portions 21, 21A to 21H.
  • FIG. 8 shows the piezoelectric element 1 in which the external electrode 11B is formed and provided with two step portions 21B and 21B.
  • the pair of external electrodes 11, 11 of the piezoelectric element 1 have a pair of power supply members 41, 41 that are electrically conductive, such as lead wires and gold wires, for example, and supply power to the connection regions 11 a, 11 a with solder 31. , 31.
  • the moving member 51 is a lens frame that holds a lens (including a lens group) 61 such as a focus lens or a zoom lens of the optical system.
  • a driving device SA when a predetermined voltage is applied from the outside to the pair of external electrodes 11 and 11 via the pair of power supply members 41 and 41, the piezoelectric element 1 expands and contracts and interlocks with the expansion and contraction operation.
  • the vibrating member 2 reciprocates.
  • the moving member 51 moves along the longitudinal direction of the vibrating member 2 by the reciprocating motion of the vibrating member 2. More specifically, when the piezoelectric element 1 expands and contracts relatively slowly, the vibration member 2 also moves slowly, and the moving member 51 moves together with the vibration member 2 while being frictionally engaged with the vibration member 2.
  • the vibration member 2 when the piezoelectric element 1 expands and contracts relatively steeply, the vibration member 2 also moves steeply, and the moving member 51 slides and displaces with respect to the vibration member 2 in an attempt to stay in place by its inertial mass.
  • Such an operation is performed by, for example, inputting a sawtooth waveform voltage to the piezoelectric element 1 to cause asymmetric vibration in the vibration member, or inputting a rectangular waveform pulse voltage to the piezoelectric element 1. This is performed by generating asymmetric vibration in the vibration member with the frequency characteristics of the piezoelectric element 1.
  • the lens 61 is a focus lens, for example, and zooming is performed when the lens 61 is a zoom lens, for example.
  • an image sensor such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor that converts an optical image into an electrical signal
  • the optical system can An optical image of the object is formed on the light receiving surface, and photographing is performed.
  • An electromechanical transducer is formed by laminating a plurality of piezoelectric layers made of a piezoelectric material and conductive internal electrode layers alternately, and on the outer peripheral surface of the laminate along the stacking direction.
  • An electromechanical conversion element comprising a pair of external electrodes that are sequentially and alternately connected to the internal electrode layer, and an adhesive portion for adhering a predetermined member to an end portion in the stacking direction of the stacked body
  • Each of the pair of external electrodes has a connection region for connection to a conductive power supply member for power supply, and the end of the stack in the stacking direction from the boundary of the connection region A stepped portion having a height difference is formed between the portions.
  • the stepped portion is between the boundary of the connection region and one end in the stacking direction of the stacked body, and for the connection. Between the boundary of the region and the other end in the stacking direction of the stacked body, the two stepped portions are viewed from the normal direction of the outer peripheral surface of the stacked body.
  • the laminated body is line-symmetric with respect to a predetermined line parallel to the end portion in the stacking direction.
  • the two step portions are symmetrical with respect to the predetermined line. Therefore, when another member is bonded to the electromechanical conversion element with an adhesive, the step of the electromechanical conversion element is This bonding step can be performed ignoring the vertical direction in the stacking direction. Thus, since this adhesion process can be performed without managing the up-and-down direction in the laminating direction of the electromechanical conversion element, it is convenient in manufacturing.
  • the stepped portion is between the boundary of the connection region and one end in the stacking direction of the stacked body, and for the connection. Between the boundary of the region and the other end in the stacking direction of the stacked body, the two stepped portions are viewed from the normal direction of the outer peripheral surface of the stacked body. In this case, it is point-symmetric with respect to the center of gravity of the external electrode.
  • the electromechanical conversion is performed when another member is bonded to the electromechanical conversion element with the adhesive.
  • This bonding step can be performed ignoring the vertical direction in the stacking direction of the elements.
  • this adhesion process can be performed without managing the up-and-down direction in the laminating direction of the electromechanical conversion element, it is convenient in manufacturing.
  • the stepped portion is a notch portion of the external electrode.
  • the step portion can be provided by cutting out the external electrode.
  • the length in one predetermined direction is preferably about 1 mm.
  • the step difference in height is about 200 to 600 nm.
  • the external electrode can be formed relatively easily by sputtering.
  • the step difference in height is about 1 to 50 ⁇ m.
  • the external electrode can be formed relatively easily by screen printing.
  • the electromechanical conversion element further includes a pair of power supply members that are electrically conductive and for power supply, and the pair of power supply members are provided in the pair of external electrodes. It is connected to each connection area by solder.
  • an electromechanical conversion element in which the pair of power supply members are connected to the pair of external electrodes by soldering.
  • the driving device includes an electromechanical conversion element and a vibration member that is fixed to one end of the electromechanical conversion element with an adhesive and reciprocates in conjunction with the expansion and contraction operation of the electromechanical conversion element. And a moving member that frictionally engages the vibration member so as to be relatively movable, wherein the electromechanical conversion element is any one of the above-described electromechanical conversion elements.
  • the driving device having such a configuration since any of the above-described electromechanical conversion elements is used, the connection failure of the power feeding member to the external electrode is reduced, and the yield of the driving device is improved.
  • the driving device includes an electromechanical conversion element and a vibration member that is fixed to one end of the electromechanical conversion element with an adhesive and reciprocates in conjunction with the expansion and contraction operation of the electromechanical conversion element.
  • a support member that is fixed to the other end of the electromechanical conversion element with an adhesive, and that supports the electromechanical conversion element and the vibration member; and a moving member that frictionally engages the vibration member in a relatively movable manner.
  • the electromechanical conversion element is any one of the above-described electromechanical conversion elements.
  • the driving device having such a configuration since any of the above-described electromechanical conversion elements is used, the connection failure of the power feeding member to the external electrode is reduced, and the yield of the driving device is improved.
  • an electromechanical conversion element that converts electrical energy into mechanical energy and a drive device using the electromechanical conversion element.

Abstract

　本発明にかかる電気機械変換素子１としての圧電素子１および駆動装置Ｓは、複数の圧電層１０ａを含む積層体１０の外周面に形成された一対の外部電極１１，１１のそれぞれに形成される段差部２１であって、給電のための給電部材と接続するための接続用領域１１ａの境界から前記積層体１０の端部１０ｃまでの間に高低差のある段差部２１を有している。

Description

電気機械変換素子および駆動装置
　本発明は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子に関し、特に、その外部電極の構造に関する。そして、本発明は、この電気機械変換素子を用いた駆動装置に関する。
　可動部分を含む機械装置には、通常、前記可動部分を駆動するためにアクチュエータが組み込まれている。このアクチュエータは、入力エネルギーを機械的な運動量に変換する装置であり、その一つに、ＳＩＤＭ（Smooth Impact Drive Mechanism）と称される、例えば圧電素子等の電気機械変換素子を用いた駆動装置が知られている。
　図９は、ＳＩＤＭの構成を示す図であり、図９（Ａ）は、その斜視図であり、図９（Ｂ）は、その分解斜視図である。
　図９において、ＳＩＤＭ１００は、電気機械変換素子１０１と、振動部材１０２と、支持部材１０３とを備えて構成される。電気機械変換素子１０１は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する素子であり、例えば、圧電材料から成る複数の圧電層１０１ａを、各圧電層１０１ａ間に内部電極１０１ｂを介して積層した圧電素子１０１である。この圧電素子１０１の積層方向に沿った互いに対向する側面には、一対の外部電極１０１ｃ、１０１ｃがそれぞれ形成されており、この一対の外部電極１０１ｃ、１０１ｃは、前記複数の内部電極１０１ｂと順次交互に接続されている。振動部材１０２は、圧電素子１０１の積層方向の一方端部に固定される柱状の部材である。支持部材１０３は、圧電素子１０１の積層方向の他方端部に固定され、圧電素子１０１と振動部材１０２とを支持する部材である。このような構成のＳＩＤＭ１００では、外部の回路から一対の外部電極１０１ｃ、１０１ｃを介してパルス状の駆動電圧が印加されると、圧電素子１０１が積層方向に伸縮する。このように圧電素子１０１は、入力の電気エネルギーを機械的な伸縮運動に変換するものである。そして、この圧電素子１０１の伸縮に従い振動部材１０２がその長手方向に往復動する。ここで、振動部材１０２と摩擦係合する図略の移動部材を振動部材１０２に取り付け、振動部材１０２を往路と復路とでその移動速度が非対称となるように電気機械変換素子１０１を繰り返し伸縮させると、この振動部材１０２の非対称な往復運動により、移動部材が前記長手方向に沿って移動し、電気エネルギーが移動部材の運動に変換される。
　このような電気機械変換素子１０１は、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１には、複数の圧電性セラミックスの各々を正負相対向する内部電極により挟んで分極し該分極方向が互いに対向するように積層した圧電性セラミックス部と、該圧電性セラミックス部の前記積層方向に沿った互いに対向する側面に設けられ、前記正の内部電極とのみ接続された正電極と前記負の内部電極とのみ接続された負電極とから成る正負一対の外部電極とを有する圧電セラミックスアクチュエータが開示されており、一対の外部リード線は、前記正負一対の外部電極にそれぞれ接続されており、該圧電性セラミックス部の前記積層方向の両端部は、機械加工装置等の被駆動部分における支持部と被駆動部とにそれぞれエポキシ樹脂等により接着して固定される。
　ところで、図９（Ａ）に示すＳＩＤＭ１００は、例えば、図９（Ｂ）に示すように、振動部材１０２の一方端部の面または圧電素子１０１の一方端部の面に例えばエポキシ系等の熱硬化性の接着剤１０４が塗布された後に振動部材１０２の一方端部と圧電素子１０１の一方端部とが接着され、支持部材１０３の一方端部の面または圧電素子１０１の他方端部の面に前記接着剤１０４が塗布された後に支持部材１０３の一方端部と圧電素子１０１の他方端部とが接着され、そして、加熱処理される。この加熱処理によって前記接着剤１０４が熱硬化することで、振動部材１０２と支持部材１０３とが圧電素子１０１に前記接着剤１０４で互いに固定され、ＳＩＤＭ１００が製作される。この加熱処理による接着剤１０４の熱硬化では、接着剤１０４の未硬化の部分（未硬化接着剤１０４ａ）が流動するブリードアウト（エポキシブリードアウト）と呼ばれる現象が生じる。このブリードアウトが生じると、接着剤１０４の塗布量や圧電素子１０１、振動部材１０２および支持部材１０３の大きさ等の関係で、圧電素子１０１の側面に設けられた外部電極１０１ｃ上に、この未硬化接着剤１０４ａが流れ出してしまい、さらに、図９（Ａ）に示すように、外部電極１０１ｃの露出面を覆ってしまう場合がある。
　この一対の外部電極１０１ｃ、１０１ｃには、圧電素子１０１に電気エネルギーを供給するために、前記特許文献１に開示の圧電セラミックスアクチュエータのように、一対のリード線をそれぞれ接続する必要があるが、このようなブリードアウトによって外部電極１０１ｃの露出面が未硬化接着剤１０４ａによって覆われてしまうと、リード線と外部電極１０１ｃとを電気的に接続することが困難になってしまう。リード線と外部電極１０１とは、一般に、ハンダによって電気的に接続されるが、外部電極１０１ｃの露出面全面が未硬化接着剤１０４ａによって完全に覆われないまでも部分的に覆われてしまうと、外部電極１０１ｃにおけるハンダ付け用の露出面積が小さくなって、接続不良が生じるおそれがある。
　前記特許文献１に開示の圧電セラミックスアクチュエータでは、上述したように、前記一対の外部リード線を前記正負一対の外部電極にそれぞれ接続した後に、前記圧電性セラミックス部の前記積層方向の両端部を、機械加工装置等の被駆動部分における支持部と被駆動部とにそれぞれエポキシ樹脂等により接着して固定するので、上述のような不都合は生じない。また、前記特許文献１に開示の圧電セラミックスアクチュエータは、断面寸法５ｍｍ×５ｍｍであって長さ７０ｍｍの圧電性セラミックス部を想定しており、充分なハンダ付けの面積が確保されている。
　一方、ＳＩＤＭ１００は、これを組み込む装置の小型化、軽量化および省電力化等に伴って小型化が要請されており、小型化されると、ブリードアウトを考慮した充分なハンダ付けの面積を確保することが難しくなる。特に、携帯電話機に搭載される撮像装置（カメラ）に例えばフォーカスレンズの駆動やズームレンズの駆動のためにＳＩＤＭ１００が組み込まれる場合では、ＳＩＤＭ１００における圧電素子１０１の長さは、数ミリ、あるいは１ｍｍ程度であり、ハンダ付けの面積は、もともと小さい。このため、このブリードアウトによる外部電極１０１ｃの露出面の面積減少は、重大な問題である。
登録実用新案第２５８７４０６号公報
　本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、接着剤の流れ出しによる外部電極のハンダ付け用露出面積の減少を抑制することができ、外部電極における給電部材の接続面積をより確実に確保することができる電気機械変換素子およびこの電気機械変換素子を用いた駆動装置を提供することである。
　本発明にかかる電気機械変換素子および駆動装置は、複数の圧電層を含む積層体の外周面に形成された一対の外部電極のそれぞれに形成される段差部であって、給電のための給電部材と接続するための接続用領域の境界から前記積層体の端部までの間に高低差のある段差部を有している。したがって、このような構成の電気機械変換素子および駆動装置は、接着剤が前記外部電極上に流れ出した場合でも、前記段差部によって堰き止めて前記接続用領域への前記接着剤の流れ込みを抑制するので、接着剤の流れ出しによる外部電極のハンダ付け用露出面積の減少を抑制することができ、外部電極における給電部材の接続面積をより確実に確保することができる。
　上記並びにその他の本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な記載と添付図面から明らかになるであろう。
実施形態にかかる駆動装置の構成を示す斜視図である。 図１に示す駆動装置における電気機械変換素子部分を拡大した図である。 接着剤のブリードアウトの様子を説明するための図である。 段差部の第１変形形態を説明するための図である。 段差部の第２変形形態を説明するための図である。 段差部の第３変形形態を説明するための図である。 段差部の第４変形形態を説明するための図である。 光学系に組み込まれた駆動装置の構成を示す図である。 ＳＩＤＭの構成を示す図である。
　以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
　図１は、実施形態にかかる駆動装置の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す駆動装置における電気機械変換素子部分を拡大した図である。図２（Ａ）は、電気機械変換素子の外部電極を示し、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡＡ線における断面図である。図３は、接着剤のブリードアウトの様子を説明するための図である。図３（Ａ）は、電気機械変換素子の外部電極を示し、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡＡ線における断面図である。
　図１において、実施形態の駆動装置Ｓは、電気機械変換素子１と、振動部材２と、支持部材３とを備えて構成される。
　電気機械変換素子１は、入力の電気エネルギーを機械的な運動に変換する素子であり、例えば、入力の電気エネルギーを圧電効果によって機械的な伸縮運動に変換する圧電素子１である。この電気機械変換素子１としての圧電素子１は、例えば、図２に示すように、圧電材料から成る圧電層１０ａと導電性を有する内部電極層１０ｂとを交互に複数積層して成る積層体１０と、積層体１０の外周面に積層方向に沿って形成され、内部電極層１０ａと順次交互に導通される一対の外部電極１１、１１とを備えて構成される。
　圧電材料は、例えば、いわゆるＰＺＴ、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸タンタル酸カリウム（Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）およびチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等の無機圧電材料である。
　積層体１０は、より具体的には、複数の圧電層１０ａを、各圧電層１０ａ間に内部電極層１０ｂを介して積層した柱状体であり、各内部電極層１０ｂは、その各縁部が、積層方向に沿って交互に、互いに対向する一対の外周面で外部に臨むように形成されている。
　外部電極１１は、例えば金や銀や銅等の導電性を有する金属材料の例えばスパッタや蒸着等によって、あるいは、例えば金属フィラー等を分散した導電性を有する導電性樹脂のスクリーン印刷によって、積層体１０における互いに対向する一対の外周面上に積層方向に沿って層（薄膜）状に形成されている。
　このような構成の圧電素子１では、一対の外部電極１１、１１に外部より所定の電圧を印加することによってこの一対の外部電極１１、１１へ電気エネルギーを給電すると、各圧電層１０ａの圧電効果によって、積層体１０は、積層方向に伸び、あるいは、縮む。
　そして、振動部材２は、この圧電素子１における積層体１０の一方端部に固定された柱状（軸状）の部材である。振動部材２の材料は、例えば、金属、樹脂およびカーボン等の任意の材料を用いることができる。振動部材２の長手方向に直交する断面は、例えば、矩形、多角形、楕円および円形等の任意の形状でよいが、振動部材２に摩擦係合によって移動部材を取り付けた場合に、前記移動部材が振動部材２の長手方向に沿って容易に相対移動可能となるように、この断面は、円形であることが好ましい。
　また、支持部材３は、この圧電素子１における積層体１０の他方端部に固定され、圧電素子１と振動部材２を保持することによって支持する部材である。支持部材３も、例えば、金属や樹脂等の任意の材料を用いることができる。支持部材３は、駆動装置Ｓが組み込まれる装置の筐体等に固定されることによってその位置を保持してもよいが、その慣性質量によってその位置を略保持する場合では、駆動装置Ｓの錘として機能する。このように駆動装置Ｓの錘として機能する場合では、支持部材３は、小型化の観点から、高密度の材料で形成することが好ましい。
　そして、このように支持部材３がその位置を略保持するので、上述のように圧電素子１の積層体１０が伸縮すると、支持部材３に固定される他方端部を略固定端として圧電素子１の積層体１０が伸縮し、この伸縮が振動部材２に伝わって、振動部材２は、この圧電素子１における積層体１０の伸縮動作に連動して往復動することになる。
　ここで、本実施形態では、この圧電素子１における一対の外部電極１１、１１のそれぞれは、図２に示すように、給電のための導電性の給電部材と接続するための領域として想定されている接続用領域１１ａを有し、この接続用領域１１ａの境界１１ｂから積層体１０の積層方向の端部１０ｃまでの間に高低差のある段差部２１が形成されている。前記段差部２１の高さは、予め設定した所定の高さでよく、例えば、外部電極１１をスパッタで成膜した場合では、その成膜方法において比較的容易に形成することができる約２００～６００ｎｍのいずれかの値であり、また例えば、スクリーン印刷で成膜した場合では、その成膜方法において比較的容易に形成することができる約１～５０μｍのいずれかの値である。
　接続用領域１１ａとして、給電部材を接続しようとする位置を含む所定の面積でおおよその領域が予め想定されて設定され、この接続用領域１１ａの境界１１ｂは、前記給電部材を接続しようとする位置と段差部２１との間に在り、前記給電部材を当該接続用領域１１ａに接続する前において予め明示されていなくてもよく、また、例えば印刷等によって明示されていてもよく、あるいは、給電部材が当該接続用領域１１ａに接続されることで明示されるようになってもよい。要は、後述するように、外部電極１１に向けて接着剤４が流れ出した場合にこの接着剤４を段差部２１で略堰き止めるが、この場合に、この接着剤４によって被覆されていない充分な面積（給電部材を取り付けることができる面積）が接続用領域１１ａとして外部電極１１に確保されていればよい。
　このような段差部２１は、例えば、図２（Ａ）に示すように、積層体１０における外部電極１１が形成されている外周面の法線方向（積層方向に直交する方向）からこの外部電極１１を見た場合（外部電極１１を平面視した場合）に、外部電極１１の幅方向の両端を所定の幅で残すように、積層体１０の積層方向における外部電極１１の端部を、矩形形状に切り欠くことによって設けられている。このように矩形形状で外部電極１１の一部を切り欠く図２（Ａ）に示す例では、積層体１０の外周面が露出しており、この積層体１０の外周面から外部電極１１の表面（接続用領域１１ａの面）までの高低差（前記法線方向における外部電極１１の厚さ）で段差部２１が形成される。段差部２１では、外部電極１１の接続用領域１１ａは、段差部２１の高低差だけ、積層体１０の外周面より高くなっている。
　そして、この図２に示す例では、段差部２１、２１は、接続用領域１１ａの境界１１ｂから積層体１０の積層方向の一方端部１０ｃ－１までの間と、接続用領域１１ａの境界１１ｂから積層体１０の積層方向の他方端部１０ｃ－２までの間との２個である。
　さらに、これら２個の段差部２１、２１は、図２に示す例では、積層体１０の外周面の法線方向から外部電極１１を見た場合に、積層体１０の積層方向の端部１０ｃ（１０ｃ－１、１０ｃ－２）に平行な所定の線ＰＬに対し、線対称であるとともに、積層体１０の外周面の法線方向から外部電極１１を見た場合に、外部電極１１の重心点ＧＰに対し、点対称である。前記所定の線ＰＬは、図２に示す例では、積層体１０の積層方向の両端部１０ｃ－１、１０ｃ－２から等距離にある線であり、外部電極１１の重心点ＧＰを通る。
　このような切り欠き部を持った外部電極１１は、例えば、Ｈ字状のマスクを用いてスパッタや蒸着等を行うことによって形成され得る。また例えば、このような切り欠き部を持った外部電極１１は、Ｈ字状でスクリーン印刷等を行うことによって形成され得る。
　なお、図２に示す例では、この切り欠き部では、積層体１０の外周面が露出されているが、段差部２１は、外部電極１１における、接続用領域１１ａの面とこの切り欠き部の面との間で高低差があればよいので、この切り欠き部に接続用領域１１ａの厚さより薄い厚さの被覆があってもよい。前記被覆は、外部電極１１と同じ材料で形成されてよく、また異なった材料であってよい。すなわち、段差部２１は、例えば、積層体１０における外部電極１１が形成されている外周面の法線方向からこの外部電極１１を見た場合に、外部電極１１の幅方向の両端を所定の幅で残すように、積層体１０の積層方向における外部電極１１の端部に矩形形状の凹部が形成されることによって設けられる。
　このような段差部２１、２１をそれぞれ有した一対の外部電極１１、１１を備える圧電素子１の積層方向の両端面に、接着剤４を用いることによって、振動部材２および支持部材３をそれぞれ固定する場合では、例えば、まず、振動部材２の一方端部の面または圧電素子１の一方端部の面に接着剤４が塗布された後に振動部材２の一方端部と圧電素子１の一方端部とが接着され、支持部材３の一方端部の面または圧電素子１の他方端部の面に接着剤４が塗布された後に支持部材３の一方端部と圧電素子１の他方端部とが接着される（接着工程）。
　そして、この接着剤４が例えばエポキシ系等の熱硬化性の樹脂から成る場合では、熱硬化のために、前記接着工程に続いて加熱処理が施される。この加熱処理によって通常ブリードアウトが生じ、未硬化接着剤４ａが、例えば図３に示すように圧電素子１の積層体１０の外周面上や外部電極１１上に未硬化接着剤４ａが流れ出した場合でも、段差部２１によって未硬化接着剤４ａの流れを堰き止めて接着用領域１１ａへの未硬化接着剤４ａの流れ込みを抑制するので、未硬化接着剤４ａの流れ出しによる外部電極１１の面積の減少を抑制することができ、外部電極１１における給電部材の接続面積をより確実に確保することができる。特に、接着剤４の量と圧電素子１の大きさとの関係から、圧電素子１における積層方向の長さが数ミリ程度である場合に、本実施形態で説明した構成は、より効果的であり、さらに、圧電素子１における積層方向の長さが１ｍｍ程度である場合に、本実施形態で説明した構成は、さらにより効果的である。
　なお、上述では、ブリードアウトによる未硬化接着剤４ａの流れ出しの場合について説明したが、接着剤４の量が過剰であるために、図３に示すように圧電素子１の積層体１０の外周面上や外部電極１１上に接着剤４ａが流れ出した場合でも、同様に、段差部２１によって過剰な接着剤４ａの流れを堰き止めて接着用領域１１ａへの接着剤４ａの流れ込みを抑制するので、接着剤４ａの流れ出しによる外部電極１１の面積の減少を抑制することができ、外部電極１１における給電部材の接続面積をより確実に確保することができる。
　このため、例えばリード線や金線等の導電性であって給電のための一対の給電部材（不図示）を一対の外部電極１１、１１における各接続用領域１１ａにハンダ３１によって接続する場合に、外部電極１１、１１における給電部材の接続面積を確保しているので、従来よりも確実に、一対の給電部材（不図示）を一対の外部電極１１、１１における各接続用領域１１ａに接続することができ、接続不良を従来よりも低減することができる。
　また、上述の圧電素子１では、段差部２１、２１は、前記所定の線ＰＬに対し互いに線対称である２個であるので、圧電素子１に例えば振動部材２や支持部材３等の他の部材を接着剤４によって接着する場合に、圧電素子１の積層方向における上下方向を無視して前記接着工程を行うことができる。このように圧電素子１の積層方向における上下方向を管理することなく前記接着工程を行うことができるので、製造上都合がよい。
　また、上述の圧電素子１では、段差部２１、２１は、外部電極１１の重心点ＧＰに対し互いに点対称である２個であるので、圧電素子１に例えば振動部材２や支持部材３等の他の部材を接着剤４によって接着する場合に、圧電素子１の積層方向における上下方向を無視して前記接着工程を行うことができる。このように圧電素子１の積層方向における上下方向を管理することなく前記接着工程を行うことができるので、製造上都合がよい。
　また、上述の圧電素子１では、この段差部２１を形成する際に、外部電極１１の幅方向の両端を所定の幅で残すので、切り欠き部が形成されている圧電層１０ａにも、この残された外部電極１１の部分によって給電され、圧電効果を奏することができる。
　なお、接着用領域１１ａへの接着剤４の流れ込みを抑制するために、接続用領域１１ａの境界１１ｂから積層体１０の積層方向の端部１０ｃまでの間に、外部電極１１の幅方向に沿った長尺な凸部（堤部）を外部電極１１上に形成することも考えられる。しかしながら、本実施形態では、外部電極１１の一部として段差部２１が設けられているので、外部電極１１の形成と段差部２１の形成とを１つの工程で実現することができるが、この凸部を設ける手法では、外部電極１１の形成工程だけでなく、凸部の形成工程も必要となって工数が増えてしまう。そして、この手法では、前記凸部の厚さによって圧電素子の外形精度に影響を与えてしまう。さらに、前記凸部を樹脂のスクリーン印刷によって形成する場合では、接着剤４の加熱処理によって、この凸部の樹脂自体からもブリードアウトが発生してしまう。
　ここで、図１および図２に示す例では、段差部２１は、外部電極１１を平面視した場合に外部電極１１をＨ字形状で形成することによって設けられたが、これに限定されるものではない。例えば、図４ないし図７に示す種々の形状で外部電極１１を形成することによって設けられてもよい。
　図４は、段差部の第１変形形態を説明するための図である。図４（Ａ）は、外部電極１１の第１構成を示し、図４（Ｂ）は、外部電極１１の第２構成を示す。図５は、段差部の第２変形形態を説明するための図である。図５（Ａ）は、外部電極１１の第３構成を示し、図５（Ｂ）は、外部電極１１の第４構成を示し、図５（Ｃ）は、外部電極１１の第５構成を示す。図６は、段差部の第３変形形態を説明するための図である。図６（Ａ）は、外部電極１１の第６構成を示し、図６（Ｂ）は、外部電極１１の第７構成を示す。図７は、段差部の第４変形形態を説明するための図であり、外部電極１１の第８構成を示す。
　例えば、段差部２１は、略一様な厚さで形成された外部電極１１をスリット状に切り欠くことによって設けられてもよい。より具体的には、例えば、図４（Ａ）に示すように、段差部２１Ａは、外部電極１１Ａを平面視した場合に、積層体１０の積層方向の端部１０ｃから所定の距離だけ内側の位置で、外部電極１１Ａの幅方向の一方端から幅方向に延びる幅方向に長尺な矩形形状で外部電極１１Ａを切り欠くことによって設けられる。あるいは、例えば、図４（Ｂ）に示すように、段差部２１Ｂは、外部電極１１Ｂを平面視した場合に、積層体１０の積層方向の端部１０ｃから所定の距離だけ内側の位置で、外部電極１１Ｂを幅方向に長尺な矩形形状の開口で切り欠くことによって（外部電極１１Ｂに幅方向に長尺な矩形形状の開口を形成することによって）設けられる。そして、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示す例では、段差部２１Ａ、２１Ａ；２１Ｂ，２１Ｂは、接続用領域１１ａの境界１１ｂから積層体１０の積層方向の一方端部１０ｃ－１までの間と、接続用領域１１ａの境界１１ｂから積層体１０の積層方向の他方端部１０ｃ－２までの間との２個であり、さらに、これら２個の段差部２１Ａ、２１Ａ；２１Ｂ，２１Ｂは、外部電極１１Ａ、１１Ｂを平面視した場合に、積層体１０の積層方向の端部１０ｃに平行な所定の線ＰＬに対し、線対称である。
　また例えば、段差部２１Ｃ、２１Ｄは、図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、外部電極１１Ｃ、１１Ｄを平面視した場合に、外部電極１１Ｃ、１１Ｄの幅方向における１つの端を所定の幅で残すように、積層体１０の積層方向における外部電極１１Ｃ、１１Ｄの端部を、矩形形状に切り欠くことによって設けられている。そして、この図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示す例では、段差部２１Ｃ、２１Ｃ；２１Ｄ、２１Ｄは、接続用領域１１ａの境界１１ｂから積層体１０の積層方向の一方端部１０ｃ－１までの間と、接続用領域１１ａの境界１１ｂから積層体１０の積層方向の他方端部１０ｃ－２までの間との２個である。
　そして、図５（Ａ）に示す例では、これら２個の段差部２１Ｃ、２１Ｃは、外部電極１１Ｃを平面視した場合に、積層体１０の積層方向の端部１０ｃ（１０ｃ－１、１０ｃ－２）に平行な前記所定の線ＰＬに対し、線対称である。すなわち、前記矩形形状を外部電極１１Ｃから切り欠く場合において残される所定の幅の部分は、外部電極１１Ｃの幅方向における一方端にある。また、図５（Ｂ）に示す例では、これら２個の段差部２１Ｄ、２１Ｄは、外部電極１１Ｄを平面視した場合に、外部電極１１Ｄの重心点ＧＰに対し、点対称である。すなわち、前記矩形形状を外部電極１１Ｄから切り欠く場合において残される所定の幅の部分は、積層体１０の積層方向の一方端部１０ｃ－１では外部電極１１Ｄの幅方向における一方端にあり、積層体１０の積層方向の他方端部１０ｃ－２では外部電極１１Ｄの幅方向における他方端にある。
　また例えば、段差部２１Ｅは、図５（Ｃ）に示すように、２個であって、外部電極１１Ｅを平面視した場合に、積層体１０の積層方向の一方端部１０ｃ－１から所定の距離だけ内側の位置で、外部電極１１Ｅの幅方向の他方端から幅方向に延びる幅方向に長尺な矩形形状で外部電極１１Ｅを切り欠くことによって設けられるとともに、外部電極１１Ｅを平面視した場合に、積層体１０の積層方向の他方端部１０ｃ－２から所定の距離だけ内側の位置で、外部電極１１Ｅの幅方向の一方方端から幅方向に延びる幅方向に長尺な矩形形状で外部電極１１Ｅを切り欠くことによって設けられる。これら２個の段差部２１Ｅ、２１Ｅは、外部電極１１Ｅを平面視した場合に、外部電極１１Ｅの重心点ＧＰに対し、点対称である。
　これら上述の例では、圧電素子１の前記上下方向を管理することなく前記接着工程を行う観点から、対称な２個の段差部２１、２１が設けられたが、例えば図６および図７に示すように１個の段差部２１であってもよい。
　この図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示す例では、段差部２１Ｆ、２１Ｇは、外部電極１１Ｅを平面視した場合に、積層体１０の積層方向の両端部１０ｃ－１、１０ｃ－２の略中央位置で、外部電極１１をスリット状の切り欠くことによって設けられる。図６（Ａ）に示す場合では、段差部２１Ｆは、外部電極１１Ｅの幅方向の一方端から幅方向に延びる幅方向に長尺な矩形形状で外部電極１１Ｆを切り欠くことによって設けられ、図６（Ｂ）に示す場合では、外部電極１１Ｇを幅方向に長尺な矩形形状の開口で切り欠くことによって（外部電極１１Ｇに幅方向に長尺な矩形形状の開口を形成することによって）設けられる。
　また、図７に示す例では、段差部２１Ｈは、外部電極１１Ｈを平面視した場合に、外部電極１１Ｈの幅方向における１つの端を所定の幅で残すように、積層体１０の積層方向における外部電極１１Ｈの端部を、積層体１０の積層方向の一方端部１０ｃ－１から両端部１０ｃ－１、１０ｃ－２の略中央位置まで矩形形状に切り欠くことによって設けられる。
　このような接着剤（未硬化接着剤を含む）４の流れる方向に沿って低い面から高い面に移行する段差部２１、２１Ａ～２１Ｈを設けることによって、前記段差部２１、２１Ａ～２１Ｈによって堰き止めて接着用領域１１ａへの接着剤４の流れ込みを抑制するので、接着剤４の流れ出しによる外部電極の面積の減少を抑制することができ、外部電極１１、１１Ａ～１１Ｈにおける給電部材の接続面積をより確実に確保することができる。
　なお、上述の圧電素子１は、その断面形状が矩形である角柱状であったが、圧電素子１は、その断面形状は、任意であり、例えば、断面形状が多角形である多角柱状や、断面形状が円形である円柱状や、断面形状が楕円である楕円柱状等であってよい。
　そして、このような駆動装置Ｓは、振動部材２に相対移動可能に摩擦係合する移動部材をさらに備えることによって、圧電素子１の伸縮動作を振動部材２の往復動を介して移動部材の移動動作に変換することができ、様々な機械装置に組み込むことが可能である。特に、圧電素子１は、その体積に比し大きな機械出力を得ることができることから、小型な機械装置に好適に組み込むことができる。一例として、例えばフォーカスレンズの駆動やズームレンズの駆動のために駆動装置Ｓを光学系に組み込んだ場合について説明する。
　図８は、光学系に組み込まれた駆動装置の構成を示す図である。図８において、駆動装置ＳＡは、電気機械変換素子１として圧電素子１と、圧電素子１の一方端部に固定され、圧電素子１の伸縮動作に連動して往復動する振動部材２と、圧電素子１の他方端部に固定され、圧電素子１と振動部材２を支持する支持部材３と、振動部材２に相対移動可能に摩擦係合する移動部材５１とを備えて構成される。
　圧電素子１は、上述した外部電極１１、１１Ａ～１１Ｈのいずれかが形成され段差部２１、２１Ａ～２１Ｈのいずれかを備える素子である。図８には、外部電極１１Ｂが形成され２個の段差部２１Ｂ、２１Ｂを備える圧電素子１が示されている。圧電素子１の一対の外部電極１１、１１には、例えばリード線や金線等の導電性であって給電のための一対の給電部材４１、４１がその各接続用領域１１ａ、１１ａにハンダ３１、３１によって接続されている。そして、移動部材５１は、光学系の例えばフォーカスレンズやズームレンズ等のレンズ（レンズ群を含む）６１を保持する玉枠である。
　このような駆動装置ＳＡでは、一対の給電部材４１、４１を介して一対の外部電極１１、１１に外部から所定の電圧が印加されると、圧電素子１が伸縮し、この伸縮動作に連動して振動部材２が往復動する。そして、この振動部材２の往復動によって移動部材５１が振動部材２の長手方向に沿って移動する。より具体的には、圧電素子１が相対的に緩慢に伸縮すると振動部材２も緩慢に移動し、移動部材５１は、振動部材２に摩擦係合したまま振動部材２とともに移動する。一方、圧電素子１が相対的に急峻に伸縮すると振動部材２も急峻に移動し、移動部材５１は、自身の慣性質量によってその場に留まろうとして、振動部材２に対してすべり変位する。このような動作は、例えば、圧電素子１に鋸歯状の波形の電圧を入力して振動部材に非対称な振動を生じさせることによって、あるいは、圧電素子１に矩形状の波形のパルス電圧を入力して圧電素子１の周波数特性で振動部材に非対称な振動を生じさせることによって、行われる。
　このような動作による移動部材５１の移動によって、レンズ６１が例えばフォーカスレンズである場合ではフォーカッシングが行われ、また例えばズームレンズである場合ではズーミングが行われる。そして、前記光学系の像側に、光学像を電気的な信号に変換する例えばＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサ等の撮像素子が配置されている場合では、前記光学系によって前記撮像素子の受光面上に物体の光学像が形成され、撮影が行われる。
　本明細書は、上記のように様々な態様の技術を開示しているが、そのうち主な技術を以下に纏める。
　一態様にかかる電気機械変換素子は、圧電材料から成る圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に複数積層して成る積層体と、前記積層体の外周面に積層方向に沿って形成され、前記内部電極層と順次交互に導通される一対の外部電極とを備える電気機械変換素子であって、前記積層体における前記積層方向の端部に、所定の部材を接着するための接着部をさらに備え、前記一対の外部電極のそれぞれは、給電のための導電性の給電部材と接続するための接続用領域を有し、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の端部までの間に高低差のある段差部が形成されている。
　このような電気機械変換素子では、電気機械変換素子の積層方向の端部に接着剤によって他の部材を接着する際に、前記接着剤が前記外部電極上に流れ出した場合でも、前記段差部によって堰き止めて前記接続用領域への前記接着剤の流れ込みを抑制するので、前記接着剤の流れ出しによる外部電極における給電部材の例えばハンダ付け用露出面積等の接続用露出面積の減少を抑制することができ、外部電極における給電部材の接続面積をより確実に確保することができる。前記接着剤の流れ出しは、例えば、前記接着剤が熱硬化によって固着する場合では上述したようにブリードアウトによって生じるものであり、また例えば、電気機械変換素子の前記端部や前記他の部材に付与される接着剤の量が過剰である場合に生じるものである。
　また、他の一態様では、上述の電気機械変換素子において、好ましくは、前記段差部は、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の一方端部までの間と、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の他方端部までの間との２個であり、前記２個の段差部は、前記積層体の外周面の法線方向から前記外部電極を見た場合に、前記積層体の前記積層方向の端部に平行な所定の線に対し、線対称である。
　この構成によれば、前記段差部は、前記所定の線に対し互いに線対称である２個であるので、電気機械変換素子に他の部材を接着剤によって接着する場合に、電気機械変換素子の積層方向における上下方向を無視してこの接着工程を行うことができる。このように電気機械変換素子の積層方向における上下方向を管理することなくこの接着工程を行うことができるので、製造上都合がよい。
　また、他の一態様では、上述の電気機械変換素子において、好ましくは、前記段差部は、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の一方端部までの間と、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の他方端部までの間との２個であり、前記２個の段差部は、前記積層体の外周面の法線方向から前記外部電極を見た場合に、前記外部電極の重心点に対し、点対称である。
　この構成によれば、前記段差部は、前記外部電極の重心点に対し互いに点対称である２個であるので、電気機械変換素子に他の部材を接着剤によって接着する場合に、電気機械変換素子の積層方向における上下方向を無視してこの接着工程を行うことができる。このように電気機械変換素子の積層方向における上下方向を管理することなくこの接着工程を行うことができるので、製造上都合がよい。
　また、他の一態様では、これら上述の電気機械変換素子において、好ましくは、前記段差部は、前記外部電極の切り欠き部である。
　この構成によれば、前記外部電極を切り欠くことで、前記段差部を設けることができる。
　また、他の一態様では、これら上述の電気機械変換素子において、好ましくは、所定の一方向における長さが１ｍｍ程度である。
　このような所定の一方向における長さが１ｍｍ程度である電気機械変換素子では、前記接続用領域の面積が比較的小さくしか取れないので、接着剤の量との関係で、このような構成は、効果的に上述の効果を発揮することができる。
　また、他の一態様では、これら上述の電気機械変換素子において、好ましくは、前記段差部の高低差は、約２００～６００ｎｍである。
　この構成によれば、前記外部電極を比較的容易にスパッタ法で成膜することができる。
　また、他の一態様では、これら上述の電気機械変換素子において、好ましくは、前記段差部の高低差は、約１～５０μｍである。
　この構成によれば、前記外部電極を比較的容易にスクリーン印刷法で成膜することができる。
　また、他の一態様では、これら上述の電気機械変換素子において、好ましくは、導電性であって給電のための一対の給電部材をさらに備え、前記一対の給電部材は、前記一対の外部電極における各接続用領域にハンダによって接続されている。
　この構成によれば、前記一対の給電部材をハンダ付けによって前記一対の外部電極に接続した電気機械変換素子が提供される。
　そして、他の態様にかかる駆動装置は、電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の一方端部に接着剤で固定され、前記電気機械変換素子の伸縮動作に連動して往復動する振動部材と、前記振動部材に相対移動可能に摩擦係合する移動部材とを備える駆動装置であって、前記電気機械変換素子は、これら上述のいずれかの電気機械変換素子である。
　このような構成の駆動装置では、これら上述のいずれかの電気機械変換素子を用いるので、給電部材の外部電極への接続不良が減少し、駆動装置の歩留まりが改善される。
　そして、他の態様にかかる駆動装置は、電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の一方端部に接着剤で固定され、前記電気機械変換素子の伸縮動作に連動して往復動する振動部材と、前記電気機械変換素子の他方端部に接着剤で固定され、前記電気機械変換素子と前記振動部材を支持する支持部材と、前記振動部材に相対移動可能に摩擦係合する移動部材とを備える駆動装置であって、前記電気機械変換素子は、これら上述のいずれかの電気機械変換素子である。
　このような構成の駆動装置では、これら上述のいずれかの電気機械変換素子を用いるので、給電部材の外部電極への接続不良が減少し、駆動装置の歩留まりが改善される。
　この出願は、２００９年１２月２１日に出願された日本国特許出願特願２００９－２８９１８４を基礎とするものであり、その内容は、本願に含まれるものである。
　本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
　本発明によれば、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する電気機械変換素子およびこの電気機械変換素子を用いた駆動装置を提供することができる。

Claims (10)

  1. 　圧電材料から成る圧電層と導電性を有する内部電極層とを交互に複数積層して成る積層体と、
    　前記積層体の外周面に積層方向に沿って形成され、前記内部電極層と順次交互に導通される一対の外部電極とを備える電気機械変換素子であって、
    　前記積層体における前記積層方向の端部に、所定の部材を接着するための接着部をさらに備え、
    　前記一対の外部電極のそれぞれは、給電のための導電性の給電部材と接続するための接続用領域を有し、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の端部までの間に高低差のある段差部が形成されていること
    　を特徴とする電気機械変換素子。
  2. 　前記段差部は、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の一方端部までの間と、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の他方端部までの間との２個であり、
    　前記２個の段差部は、前記積層体の外周面の法線方向から前記外部電極を見た場合に、前記積層体の前記積層方向の端部に平行な所定の線に対し、線対称であること
    　を特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子。
  3. 　前記段差部は、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の一方端部までの間と、前記接続用領域の境界から前記積層体の前記積層方向の他方端部までの間との２個であり、
    　前記２個の段差部は、前記積層体の外周面の法線方向から前記外部電極を見た場合に、前記外部電極の重心点に対し、点対称であること
    　を特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子。
  4. 　前記段差部は、前記外部電極の切り欠き部であること
    　を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電気機械変換素子。
  5. 　所定の一方向における長さが１ｍｍ程度であること
    　を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電気機械変換素子。
  6. 　前記段差部の高低差は、約２００～６００ｎｍであること
    　を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電気機械変換素子。
  7. 　前記段差部の高低差は、約１～５０μｍであること
    　を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電気機械変換素子。
  8. 　導電性であって給電のための一対の給電部材をさらに備え、
    　前記一対の給電部材は、前記一対の外部電極における各接続用領域にハンダによって接続されていること
    　を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電気機械変換素子。
  9. 　電気機械変換素子と、
    　前記電気機械変換素子の一方端部に接着剤で固定され、前記電気機械変換素子の伸縮動作に連動して往復動する振動部材と、
    　前記振動部材に相対移動可能に摩擦係合する移動部材とを備える駆動装置であって、
    　前記電気機械変換素子は、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の電気機械変換素子であること
    　を特徴とする駆動装置。
  10. 　電気機械変換素子と、
    　前記電気機械変換素子の一方端部に接着剤で固定され、前記電気機械変換素子の伸縮動作に連動して往復動する振動部材と、
    　前記電気機械変換素子の他方端部に接着剤で固定され、前記電気機械変換素子と前記振動部材を支持する支持部材と、
    　前記振動部材に相対移動可能に摩擦係合する移動部材とを備える駆動装置であって、
    　前記電気機械変換素子は、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の電気機械変換素子であること
    　を特徴とする駆動装置。
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