特許第6439714号(P6439714)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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  • 特許6439714-圧電駆動装置 図000002
  • 特許6439714-圧電駆動装置 図000003
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6439714
(24)【登録日】2018年11月30日
(45)【発行日】2018年12月19日
(54)【発明の名称】圧電駆動装置
(51)【国際特許分類】
   H02N 2/02 20060101AFI20181210BHJP
【FI】
   H02N2/02
【請求項の数】4
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2016-21059(P2016-21059)
(22)【出願日】2016年2月5日
(65)【公開番号】特開2017-139933(P2017-139933A)
(43)【公開日】2017年8月10日
【審査請求日】2017年6月5日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】TDK株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001494
【氏名又は名称】前田・鈴木国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】丸山 俊樹
(72)【発明者】
【氏名】堀井 拓人
(72)【発明者】
【氏名】酒井 龍一
(72)【発明者】
【氏名】上野 俊輔
(72)【発明者】
【氏名】江澤 敦
(72)【発明者】
【氏名】滝 辰哉
【審査官】 服部 俊樹
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2011/049022(WO,A1)
【文献】 特開2007−274777(JP,A)
【文献】 特開2006−141171(JP,A)
【文献】 特開2005−312200(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02N 2/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2007−274777号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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)。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1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図2図1に示すレンズ駆動装置の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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、PbZrTi1−x 、BaTiO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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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)。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【符号の説明】
【0053】
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
図1
図2