JP5915703B2 - 圧電素子ユニットおよび駆動装置 - Google Patents
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Description
本発明は、たとえば被駆動部材を駆動する駆動装置の一部として好適に用いられる圧電素子ユニットと、その圧電素子ユニットを具備する駆動装置に関する。
圧電素子は、圧電効果および逆圧電効果を利用し、機械的な変位と電気的な変位とを相互に変換する素子である。このような圧電素子は、たとえば、圧電セラミックスを成形・焼成して素子本体を得た後、これに電極を形成し、さらに分極処理を施すことによって製造される。
圧電素子により得られる機械的変位は比較的微小であるため、圧電素子は、たとえば精密かつ正確な制御が要求される駆動装置として好適に利用される。より具体的には、レンズ駆動用、ＨＤＤのヘッド駆動用、インクジェットプリンタのヘッド駆動用、燃料噴射弁駆動用等の用途が挙げられる。
たとえば、圧電素子を用いた駆動装置としては、圧電素子の両端部に、それぞれ駆動ロッドと支持台を接着した構造を有するものが開示されている（特許文献１等参照）。
しかしながら、従来の積層型圧電素子では、特に厳しい耐久性が要求される用途に用いられる場合に、駆動時等の大きな負荷や何らかの外力により折れてしまうおそれがある。
本発明の目的は、シンプルな構造で機械的強度を向上させることができる圧電素子ユニットと、その圧電素子ユニットを有する駆動装置とを提供することである。
本発明者等は、鋭意検討の結果、積層型圧電素子の素子本体において、最も脆弱な部分が、活性部と不活性部との界面であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明に係る圧電素子ユニットは、
圧電体層と内部電極とが交互に積層してある活性部と、前記活性部の積層方向の両端に積層してある不活性部とを有する素子本体と、
前記素子本体の前記積層方向における一方の端面と当該一方の端面に対向するように配置される連結部材の取付面とを接着する第１樹脂部と、を有する圧電素子ユニットであって、
前記第１樹脂部が、前記取付面から、前記活性部と不活性部との界面に対応する前記素子本体の外側面までを覆っており、
前記活性部と不活性部との界面に対応する位置で、前記素子本体の外側面を覆っている前記第１樹脂部の外表面を第２樹脂部が覆っており、
前記第２樹脂部は、前記活性部に対応する前記素子本体の外側面も一体的に覆っている。
圧電体層と内部電極とが交互に積層してある活性部と、前記活性部の積層方向の両端に積層してある不活性部とを有する素子本体と、
前記素子本体の前記積層方向における一方の端面と当該一方の端面に対向するように配置される連結部材の取付面とを接着する第１樹脂部と、を有する圧電素子ユニットであって、
前記第１樹脂部が、前記取付面から、前記活性部と不活性部との界面に対応する前記素子本体の外側面までを覆っており、
前記活性部と不活性部との界面に対応する位置で、前記素子本体の外側面を覆っている前記第１樹脂部の外表面を第２樹脂部が覆っており、
前記第２樹脂部は、前記活性部に対応する前記素子本体の外側面も一体的に覆っている。
本発明の圧電素子ユニットでは、活性部と不活性部との界面に対応する位置で、素子本体の外側面が第１樹脂部と第２樹脂部とで二重に覆われている。すなわち、本発明の圧電素子ユニットでは、素子本体における最も脆弱な部分が、第１樹脂部と第２樹脂部とで二重に覆われている。そのため、本発明では、シンプルな構造で、素子本体の機械的強度（たとえば抗折強度）を向上させることができ、折れにくくなっており、耐久性が向上している。
また、第１樹脂部は、素子本体と連結部材とを連結する機能を兼ねているため、本発明に係る圧電素子ユニットはシンプルな構造を有しており、製造が容易であり、優れた信頼性を有する。
さらに、第２樹脂部は、活性部に対応する素子本体の外側面も一体的に覆っているため、第１樹脂部の端縁と素子本体の外側面との境界が第２樹脂部で覆われることになり、第１樹脂部の端縁が素子本体の外側面から剥がれることを防止することができる。また、第２樹脂部は、活性部に対応する素子本体の外側面も一体的に覆っているため、耐湿性も向上する。
第１樹脂部の弾性率を、第２樹脂部の弾性率よりも大きくしてもよい。第１樹脂部を構成する合成樹脂と、第２樹脂部を構成する合成樹脂とは、主成分が同じでも異なっていても良いが、弾性率を変化させることで、次に示す作用効果がある。
すなわち、素子本体の活性部では、内部電極に印加される電圧により素子本体に動きが生じるが、非活性部では動きは生じない。そこで、第２樹脂部の弾性率を低く設定することで、活性部の動きに第２樹脂部が追随しやすくなり、第２樹脂部の耐久性が向上する。また、非活性部に位置する第１樹脂部は、素子本体と連結部材とを連結する機能を兼ねているため、第２樹脂部に比較して硬い方が素子本体と連結部材とを強固に連結することができる。また、非活性部自体は動かないので、第１樹脂部が硬くても問題が無い。
前記素子本体の対向する二つの側面には、それぞれ外部電極が形成してあり、前記第２樹脂部は、前記外部電極の外表面も覆っていてもよい。このように構成することで、外部電極が有効に保護され、外部電極のガス腐食などを防止することができる。
前記取付面の近くで前記外部電極の外表面には、配線用リード部が電気的接続部を介して固定してあり、
前記電気的接続部が、前記第１樹脂部および前記第２樹脂部で二重に覆われていてもよい。このように構成することで、電気的接続部での素子本体の強度も向上する。
前記電気的接続部が、前記第１樹脂部および前記第２樹脂部で二重に覆われていてもよい。このように構成することで、電気的接続部での素子本体の強度も向上する。
また、前記活性部に対応する前記外部電極の外表面には、配線用リード部が電気的接続部を介して固定してあり、
前記電気的接続部が、前記第２樹脂部で覆われていてもよい。このように構成することで、電気的接続部での素子本体の強度も向上する。
前記電気的接続部が、前記第２樹脂部で覆われていてもよい。このように構成することで、電気的接続部での素子本体の強度も向上する。
前記電気的接続部が、ハンダおよび導電性接着剤のいずれかであってもよい。また、前記連結部材が、錘および駆動軸のいずれかであってもよい。
本発明に係る駆動装置は、上記に記載の圧電素子ユニットを有する。
以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電素子ユニット１０を利用したレンズ駆動装置６０を示す概念図である。レンズ駆動装置６０は、圧電素子ユニット１０の他に、シャフト４４に対して移動自在に係合された移動部材５６と、素子本体２０に電圧を印加する駆動回路５８とを有している。移動部材５６はレンズを保持しており、移動部材５６およびこれに保持されるレンズは、シャフト４４の軸芯（Ｚ軸）に沿って、シャフト４４に対して相対移動することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電素子ユニット１０を利用したレンズ駆動装置６０を示す概念図である。レンズ駆動装置６０は、圧電素子ユニット１０の他に、シャフト４４に対して移動自在に係合された移動部材５６と、素子本体２０に電圧を印加する駆動回路５８とを有している。移動部材５６はレンズを保持しており、移動部材５６およびこれに保持されるレンズは、シャフト４４の軸芯（Ｚ軸）に沿って、シャフト４４に対して相対移動することができる。
圧電素子ユニット１０は、積層型圧電素子で構成される素子本体２０と、錘４２と、シャフト４４と有する。また、圧電素子ユニット１０は、素子本体２０と駆動回路５８とを電気的に接続する配線部３２や、配線部３２を第１および第２外部電極２８ａ，２８ｂに接続する電気的接続部３０をさらに有する。電気的接続部３０は、たとえばハンダまたは導電性接着剤などで構成される。
素子本体２０は、駆動回路５８によって電圧を印加されて変形する。これに伴い、素子本体２０に接続されたシャフト４４は、Ｚ軸方向に往復運動（振動）する。駆動回路５８が出力する電圧波形は特に限定されないが、駆動回路５８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、圧電素子ユニット１０の変形量およびこれに伴うシャフト４４の変位量を越える移動量を、移動部材５６に発生させることができる。
なお、本実施形態では、圧電素子ユニット１０をレンズ駆動装置６０に適用した態様を例に挙げて説明を行うが、圧電素子ユニット１０を適用する装置としてはこれに限定されず、圧電素子ユニット１０は、その他の駆動装置等にも適用することができる。
図１および図３に示すように、圧電素子ユニット１０の素子本体２０は、略角柱状（本実施形態では四角柱）の外観形状を有しており、圧電体層２６と、第１および第２内部電極２７ａ，２７ｂと、第１および第２外部電極２８ａ，２８ｂとを有する。なお、素子本体２０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かまわない。
素子本体２０の内部において、第１内部電極２７ａおよび第２内部電極２７ｂは、圧電体層２６を挟んで交互に積層されている。第１外部電極２８ａと第２外部電極２８ｂは、素子本体２０の面のうち、積層方向（Ｚ軸方向）に沿って延在する側面に形成されている。図３に示すように、第１外部電極２８ａは、積層方向に沿って延在する第１側面２５ａに形成されており、第２外部電極２８ｂは、第１側面２５ａとはＸ軸方向の反対方向を向く第２側面２５ｂに形成されている。
第１内部電極２７ａは、第１外部電極２８ａに電気的に接続されており、第２内部電極２７ｂは、第２外部電極２８ｂに電気的に接続されている。また、素子本体２０の側面のうち、第１および第２外部電極２８ａ，２８ｂが形成されていない第３側面２５ｃおよび第４側面２５ｄ（Ｙ軸方向に対向する）には、マイグレーションを防止するための樹脂層が予め形成されていても良い。ただし、本実施形態では、後述する第２樹脂部５３から成る樹脂層がマイグレーション防止層を兼ねることができるために省略することが可能である。
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軸が素子本体２０の積層方向およびシャフトの軸方向に一致し、Ｘ軸が、第１外部電極２８ａと第２外部電極２８ｂとの対向方向に一致する。
第１内部電極２７ａおよび第２内部電極２７ｂ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２８ａおよび第２外部電極２８ｂ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２８ａおよび第２外部電極２８ｂの最外表面には、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。
また、圧電体層２６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、ＰｂＺｒｘ Ｔｉ１−ｘ Ｏ３ 、ＢａＴｉＯ３ 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１および図２に示すように、圧電素子ユニット１０では、素子本体２０の積層方向における一方の端面である第１端面２２に対して対向するように、錘４２の第１取付面４２ａが配置されている。第１端面２２と第１取付面４２ａとは、第１樹脂部５２ａによって連結されており、素子本体２０と錘４２は、第１樹脂部５２ａによって相互に固定されている。
第１外部電極２８ａには、電気的接続部３０を介して、配線部３２が接続されている。なお、第１外部電極２８ａとは反対側の側面に形成されている第２外部電極２８ｂにも、第１外部電極２８ａと同様に、電気的接続部３０を介して配線部３２が接続されている。
配線部３２の先端を第１外部電極２８ａに固定している電気的接続部３０は、第１外部電極２８ａが形成されている第１側面２５ａのうち、どの位置に配置されていても良い。本実施形態に係る圧電素子ユニット１０では、電気的接続部３０は、素子本体２０の積層方向の中央より錘４２に近接する側に設けられている。また、図４に示すように、電気的接続部３０は、第１外部電極２８ａと確実に接合するために、第１外部電極２８ａが形成されている第１側面２５ａのうち、積層方向に垂直なＹ軸方向の中央部付近に設けられている。
電気的接続部３０は、配線部３２の先端部付近および第１外部電極２８ａの表面に接触しており、配線部３２の先端部と第１外部電極２８ａとを、電気的かつ物理的に接続している。なお、電気的接続部３０によって被覆されている配線部３２の先端部付近は、線皮（絶縁被覆）が除去されて芯線が露出している。
また、図１および図２に示すように、素子本体２０の積層方向における他方の端面である第２端面２４には、上側第１樹脂部５２ｂを介してシャフト４４が接続されている。シャフト４４の第２取付面４４ａは、素子本体２０の第２端面２４に対向するように配置されており、上側第１樹脂部５２ｂは、第２端面２４と第２取付面４４ａとを連結する。上側第１樹脂部５２ｂは、下側第１樹脂部５２ａと同じ樹脂で構成されることが好ましいが、必ずしも同一である必要はない。
圧電素子ユニット１０において、素子本体２０に取り付けられる各部材の材質は特に限定されないが、たとえばシャフト４４は、移動部材５６を好適に支持できるように、ＳＵＳ等の金属材料等によって構成することができる。また、錘４２は、シャフト４４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、錘４２の材質は特に限定されない。
配線部３２としては、銅等の導電材料によって構成される芯線と、芯線を被覆する被覆膜を有するリード線等を用いることができるが、特に限定されない。また、配線部３２の芯線は、単線であっても良く、撚り線であっても良い。電気的接続部３０も、電気用等に用いられるはんだの材質であれば、特に限定されない。
本実施形態では、図２に示すように、素子本体２０は、圧電体層２６と内部電極２７ａ，２７ｂとが交互に積層してある活性部２６ａと、活性部２６ａの積層方向の両端に積層してある第１および第２不活性部２６ｂ１，２６ｂ２とを有する。各不活性部２６ｂ１，２６ｂ２は、内部電極２７ａ，２７ｂが双方共に存在しない絶縁体層として定義され、不活性部２６ｂ１，２６ｂ２を構成する絶縁体層は、活性部２６ａを構成する圧電体層２６と同じ材質で構成されることが好ましいが、必ずしも同じ材質で構成する必要はない。
活性部２６ａのＺ軸方向長さＺ０は、圧電体層２６の厚みや内部電極２７ａ，２７ｂの数などに応じて決定され、特に限定されない。Ｚ軸方向の下側に位置する第１不活性部２６ｂ１のＺ軸方向の長さＺ１は、特に限定されず、活性部２６ａと下側の第１不活性部２６ｂ１との第１界面２６ｃ１に位置する最外層の内部電極２７ａまたは２７ｂを保護するために十分な不活性部２６ｂ１の厚みとなるように決定される。Ｚ軸方向の上側に位置する第２不活性部２６ｂ２のＺ軸方向の長さＺ２は、特に限定されず、活性部２６ａと第２不活性部２６ｂ２との第２界面２６ｃ２に位置する最外層の内部電極２７ａまたは２７ｂを保護するために十分な第２不活性部２６ｂ２の厚みとなるように決定される。長さＺ１，Ｚ２は、同じでも異なっていても良い。
本実施形態では、錘４２の取付面４２ａと素子本体２０の端面２２とを接着するための下側第１樹脂部５２ａが、取付面４２ａから第１界面２６ｃ１に対応する素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄまでを覆っている。特に本実施形態では、図２に示すように、電気的接続部３０は、下側の第１不活性部２６ｂ１のＺ軸方向長さＺ１の範囲内に位置し、下側第１樹脂部５２ａは、電気的接続部３０の外周も覆うようになっている。
下側第１樹脂部５２ａは、下側の第１不活性部２６ｂ１から第１界面２６ｃ１を含めたＺ軸方向の範囲内位置で、外部電極２８ａ，２８ｂの外側も覆っている。さらに、下側第１樹脂部５２ａは、図２に示す第１不活性部２６ｂ１から第１界面２６ｃ１を含めたＺ軸方向の範囲内位置で、図５に示す素子本体２０の第３側面２５ｃおよび第３側面２５ｄの下方部も一体的に連続して覆っている。
また、本実施形態では、シャフト４４の取付面４４ａと素子本体２０の端面２４とを接着するための上側第１樹脂部５２ｂが、取付面４４ａから第２界面２６ｃ２に対応する素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄまでを覆っている。
上側第１樹脂部５２ｂは、上側の第２不活性部２６ｂ２から第２界面２６ｃ２を含めたＺ軸方向の範囲内位置で、外部電極２８ａ，２８ｂの外側も覆っている。さらに、上側第１樹脂部５２ｂは、図２に示す第２不活性部２６ｂ２から第２界面２６ｃ２を含めたＺ軸方向の範囲内位置で、図３に示す素子本体２０の第３側面２５ｃおよび第３側面２５ｄの上方部も一体的に連続して覆っている。
さらに本実施形態では、第１界面２６ｃ１および第２界面２６ｃ２に対応する位置で、素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄを覆っている第１樹脂部５２ａ，５２ｂの外表面を第２樹脂部５３が覆っている。第２樹脂部５３は、活性部２６ａに対応する素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄも一体的に覆っている。
本実施形態では、第１樹脂部５２ａ，５２ｂの弾性率が、第２樹脂部５３の弾性率よりも大きくなるように、樹脂の種類や各種成分の配合割合を変化させることが好ましい。好ましくは第２樹脂部５３の弾性率は０．１〜３ＧＰａとなるものが好ましい。第２樹脂部５３を構成する樹脂としては、たとえばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、イミド樹脂などが例示される。
第１樹脂部５２ａ，５２ｂは、相互に同じ樹脂で構成されることが好ましいが、必ずしも同じで無くても良い。第１樹脂部５２ａ，５２ｂを構成する樹脂としては、たとえばエポキシ樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、イミド樹脂などが例示される。第１樹脂部５２ａ，５２ｂを構成する樹脂としては、第２樹脂部５３を構成する樹脂に比較して、弾性率で、１〜６０倍以上大きな樹脂が好ましい。
第１樹脂部５２ａ，５２ｂの厚みや、第２樹脂部５３の厚みは、特に限定されないが、第１界面２６ｃ１および第２界面２６ｃ２に対応する位置で、好ましくは０．０５〜１ｍｍである。
以下に、図３〜図５を用いて、圧電素子ユニット１０の製造方法の一例を説明する。
圧電素子ユニット１０の製造方法では、まず、図３に示すような素子本体２０を準備する。素子本体２０の製造工程では、まず、焼成後に第１内部電極２７ａおよび第２内部電極２７ｂとなる所定パターンの内部電極ペースト膜が形成されたグリーンシートと、内部電極ペースト膜を持たないグリーンシートとを、用意する。
グリーンシートは、たとえば以下のような方法で作製される。まず、圧電体層２６を構成する材料の原料を含む仮焼粉末にバインダを加えてスラリー化する。次に、スラリーをドクターブレード法またはスクリーン印刷法等の手段によってシート化し、その後に乾燥させて、内部電極ペースト膜を持たないグリーンシートを得る。さらに、上述した導電材を含む内部電極ペーストを、印刷法等の手段により、グリーンシートの上に塗布することで、所定パターンの内部電極ペースト膜が形成されたグリーンシートが得られる。なお、圧電体層２６を構成する材料の原料には、不可避的不純物が含まれていてもよい。
各グリーンシートを準備した後、準備したグリーンシートを重ね合わせ、圧力を加えて圧着し、乾燥工程等の必要な工程を経た後、切断し、積層体を得る。
次に、得られた積層体を所定条件で焼成して焼結体を得た後、焼結体における第１側面２５ａおよび第２側面２５ｂに相当する部分に第１外部電極２８ａおよび第２外部電極２８ｂを形成し、この電極に直流電圧を印加して圧電体層２６の分極処理を行う。その後、分極処理後の短冊状焼結体を個々の素子本体に切断し、図３に示すような素子本体２０を得る。なお、得られた素子本体２０にバレル研磨を行って、角部および稜線部をＲ面加工してもよい。
次に、図４に示すように、素子本体２０に対して、配線部３２を接続する。その際、まず、配線部３２の先端部の被覆を除去して芯線を露出させ、次に第１および第２外部電極２８ａ，２８ｂの所定位置および芯線に対して予備はんだを行い、最後に配線部３２と外部電極２８ａ，２８ｂを接触させた状態で予備はんだを溶融させることにより、電気的接続部３０を形成することができる。なお、電気的接続部３０は、ハンダに代えて、導電性接着剤で形成しても良い。
次に、電気的接続部３０を備える素子本体２０の第１端面２２を、第１樹脂部５２ａとなる熱硬化性接着剤５２が塗布された錘４２の第１取付面４２ａに押し付けた後に加熱し、図２に示すような第１樹脂部５２ａを形成する。この場合、錘４２の第１取付面４２ａに塗布される熱硬化性接着剤５２の量は、単に第１端面２２と第１取付面４２ａとを固定するために必要とされる量ではなく、硬化後に形成される第１樹脂部５２ａが電気的接続部３０を被覆できるように、且つ図２に示す第１界面２６ｃ１の位置まで盛り上がるように調整される。
また、同様な熱硬化性接着剤５２を用いて、図２に示すように、素子本体２０の第２端面２４には、シャフト４４の第２取付面４４ａを固定し、第１端面２２と同様に、第２端面２４と第２取付面４４ａを連結する第１樹脂層５２ｂを形成する。第１樹脂層５２ｂを構成する接着剤の量は、単に第２端面２４と第２取付面４４ａとを固定するために必要とされる量ではなく、硬化後に形成される第１樹脂部５２ｂが第２界面２６ｃ２の位置まで垂れ下がるように調整される。
その後に、硬化後に第２樹脂部５３を構成する樹脂溶液を、素子本体２０の４つの側面２５ａ〜２５ｄの全面に塗布して硬化させる。第２樹脂部５３を構成する樹脂溶液は、第１界面２６ｃ１および第２界面２６ｃ２に対応する位置で、第１樹脂部５２ａ，５２ｂの外表面を覆い、且つ活性部２６ａに対応する素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄも一体的に覆うように塗布される。
なお、上述の説明では、素子本体２０と、これに接続される連結部材としての錘４２およびシャフト４４を接続する接着剤として、熱硬化性接着剤を用いたが、圧電素子ユニットの製造に用いる接着剤はこれに限定されない。
本実施形態の圧電素子ユニット１０では、図２に示すように、活性部２６ａと不活性部２６ｂ１，２６ｂ２との界面２６ｃ１，２６ｃ２に対応する位置で、素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄが第１樹脂部５２ａ，５２ｂと第２樹脂部５３とで二重に覆われている。すなわち、本実施形態の圧電素子ユニット１０では、素子本体２０における最も脆弱な部分が、第１樹脂部５２ａ，５２ｂと第２樹脂部５３とで二重に覆われている。そのため、シンプルな構造で、素子本体２０の機械的強度（たとえば抗折強度）を向上させることができ、折れにくくなっており、耐久性が向上している。
また、第１樹脂部５２ａ，５２ｂは、素子本体１０と連結部材としての錘４２またはシャフト４４とを連結する機能を兼ねているため、本実施形態に係る圧電素子ユニット１０はシンプルな構造を有しており、製造が容易であり、優れた信頼性を有する。
さらに、第２樹脂部５３は、活性部２６ａに対応する素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄも一体的に覆っているため、第１樹脂部５２ａ，５２ｂの端縁と素子本体２０の外側面との境界が第２樹脂部５３で覆われることになり、第１樹脂部５２ａ，５２ｂの端縁が素子本体２０の外側面から剥がれることを防止することができる。また、第２樹脂部５３は、活性部２６ａに対応する素子本体２０の外側面も一体的に覆っているため、耐湿性も向上する。
また本実施形態では、第１樹脂部５２ａ，５２ｂの弾性率を、第２樹脂部５３の弾性率よりも大きくすることで、次に示す作用効果がある。すなわち、素子本体２０の活性部２６ａでは、内部電極２７ａ，２７ｂに印加される電圧により素子本体２０にＺ軸方向の動きが生じるが、非活性部２６ｂ１，２６ｂ２では動きは生じない。そこで、第２樹脂部５３の弾性率を低く設定することで、活性部２６ａの動きに第２樹脂部５３が追随しやすくなり、第２樹脂部５３の耐久性が向上する。また、非活性部２６ｂ１，２６ｂ２に位置する第１樹脂部５２ａ，５２ｂは、素子本体２０と錘４２またはシャフト４４とを連結する機能を兼ねているため、第２樹脂部５３に比較して硬い方が、これらを強固に連結することができる。また、非活性部２６ｂ１，２６ｂ２自体は動かないので、第１樹脂部５２ａ，５２ｂが硬くても問題が無い。
さらに本実施形態では、素子本体２０の対向する二つの側面２５ａ，２５ｂには、それぞれ外部電極２８ａ，２８ｂが形成してあり、第２樹脂部５３は、外部電極２８ａ，２８ｂの外表面も覆っていてもよい。このように構成することで、外部電極２８ａ，２８ｂが有効に保護され、外部電極２８ａ，２８ｂのガス腐食などを防止することができる。
さらにまた本実施形態では、取付面４２ａの近くで外部電極２８ａ，２８ｂの外表面には、配線用リード部としての配線部３２の先端が電気的接続部３０を介して固定してあり、電気的接続部３０が、第１樹脂部５２ａおよび第２樹脂部５３で二重に覆われている。このように構成することで、電気的接続部３０での素子本体の強度も向上する。
さらに、第１樹脂部５２ａは第１外部電極２８ａから***した電気的接続部３０を覆っているため、素子本体２０と錘４２とを引き離す力が働いた場合には、電気的接続部３０が、第１樹脂部５２ａと素子本体２０との接続を維持するためのアンカーとして作用する。したがって、圧電素子ユニット１０は、素子本体２０と錘４２との接合に関する信頼性が高く、良好な耐久性を奏する。さらに、第１樹脂部５２ａは、電気的接続部３０を覆っているため、電気的接続部３０と第１外部電極２８ａとの接合界面や、電気的接続部３０と配線部３２との接合界面を保護および補強する作用を奏する。したがって、圧電素子ユニット１０は、配線部３２と第１および第２外部電極２８ａ，２８ｂとの接合に関しても、信頼性が高い。
なお、第１樹脂部５２ａは、電気的接続部３０から露出した配線部３２の少なくとも一部を被覆していれば良い。配線部３２の先端部付近は、はんだ付けのために芯線を覆う被覆が除去されており、また、残された被覆も、はんだ付けの際の熱により損傷を受けている場合がある。しかし、第１樹脂部５２ａが電気的接続部３０に近接する配線部３２の一部を被覆することにより、配線部３２の芯線が直接に錘４２等に接触するのを確実に防止し、短絡等の問題を確実に防止することができる。
第２実施形態
図６Ａに示すように、本実施形態の圧電素子ユニット１０ａでは、配線部３２と外部電極２８ａ，２８ｂとを接続する電気的接続部３０が、第２端面２４の近くに位置する第２不活性部２６ｂ２に対応する外部電極２８ａ，２８ｂの外表面に形成してある。上側第１樹脂部５２ｂは、電気的接続部３０の周囲を覆うと共に、取付面４４ａから第２界面２６ｃ２に対応する素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄまでを覆っている。もちろん、外部電極２８ａ，２８ｂが存在する場合には、その外側も上側第１樹脂部５２ｂが覆っている。
図６Ａに示すように、本実施形態の圧電素子ユニット１０ａでは、配線部３２と外部電極２８ａ，２８ｂとを接続する電気的接続部３０が、第２端面２４の近くに位置する第２不活性部２６ｂ２に対応する外部電極２８ａ，２８ｂの外表面に形成してある。上側第１樹脂部５２ｂは、電気的接続部３０の周囲を覆うと共に、取付面４４ａから第２界面２６ｃ２に対応する素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄまでを覆っている。もちろん、外部電極２８ａ，２８ｂが存在する場合には、その外側も上側第１樹脂部５２ｂが覆っている。
さらに本実施形態では、錘４２の取付面４２ａと素子本体２０の端面２２とを接着するための下側第１樹脂部５２ａが、取付面４２ａから第１界面２６ｃ１に対応する素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄまでを覆っている。もちろん、外部電極２８ａ，２８ｂが存在する場合には、その外側も下側第１樹脂部５２ａが覆っている。
さらに本実施形態では、第１界面２６ｃ１および第２界面２６ｃ２に対応する位置で、素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄを覆っている第１樹脂部５２ａ，５２ｂの外表面を第２樹脂部５３が覆っている。第２樹脂部５３は、活性部２６ａに対応する素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄも一体的に覆っている。本実施形態では、電気的接続部３０に対応する上側第１樹脂部５２ｂの外表面をも第２樹脂部５３が覆っている。
第２実施形態におけるその他の構成は第１実施形態に係る圧電素子ユニット１０と同様であり、同様な作用効果を奏する。
第３実施形態
図６Ｂに示す実施形態に係る圧電素子ユニット１０ｂは、第１実施形態に係る圧電素子ユニット１０の変形例である。本実施形態では、第１実施形態とは異なり、第２樹脂部５３は、電気的接続部３０に対応する位置での第１樹脂部５２ａの外側を覆っていない。ただし、第２樹脂部５３は、第１界面２６ｃ１および第２界面２６ｃ２に対応する位置で、素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄを覆っている第１樹脂部５２ａ，５２ｂの外表面を覆っている。
図６Ｂに示す実施形態に係る圧電素子ユニット１０ｂは、第１実施形態に係る圧電素子ユニット１０の変形例である。本実施形態では、第１実施形態とは異なり、第２樹脂部５３は、電気的接続部３０に対応する位置での第１樹脂部５２ａの外側を覆っていない。ただし、第２樹脂部５３は、第１界面２６ｃ１および第２界面２６ｃ２に対応する位置で、素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄを覆っている第１樹脂部５２ａ，５２ｂの外表面を覆っている。
第３実施形態におけるその他の構成は第１実施形態に係る圧電素子ユニット１０と同様であり、同様な作用効果を奏する。
第４実施形態
図６ｃに示す実施形態に係る圧電素子ユニット１０ｃは、図６Ａに示す第２実施形態に係る圧電素子ユニット１０ａの変形例である。本実施形態では、第２実施形態とは異なり、第２樹脂部５３は、電気的接続部３０に対応する位置での第１樹脂部５２ａの外側を覆っていない。ただし、第２樹脂部５３は、第１界面２６ｃ１および第２界面２６ｃ２に対応する位置で、素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄを覆っている第１樹脂部５２ａ，５２ｂの外表面を覆っている。
図６ｃに示す実施形態に係る圧電素子ユニット１０ｃは、図６Ａに示す第２実施形態に係る圧電素子ユニット１０ａの変形例である。本実施形態では、第２実施形態とは異なり、第２樹脂部５３は、電気的接続部３０に対応する位置での第１樹脂部５２ａの外側を覆っていない。ただし、第２樹脂部５３は、第１界面２６ｃ１および第２界面２６ｃ２に対応する位置で、素子本体２０の外側面２５ａ〜２５ｄを覆っている第１樹脂部５２ａ，５２ｂの外表面を覆っている。
第４実施形態におけるその他の構成は第１実施形態に係る圧電素子ユニット１０と同様であり、同様な作用効果を奏する。
第５実施形態
図６Ｄに示すように、第５実施形態に係る圧電素子ユニット１０ｄでは、活性部２６ａに対応する外部電極２８ａ，２８ｂの外表面に、配線用リード部としての配線部３２の先端が電気的接続部３０を介して固定してある。そして電気的接続部３０が、第１樹脂部５２ａ，５２ｂを介することなく、第２樹脂部５３で覆われている。このように構成することで、電気的接続部３０での素子本体２０の強度も向上する。
図６Ｄに示すように、第５実施形態に係る圧電素子ユニット１０ｄでは、活性部２６ａに対応する外部電極２８ａ，２８ｂの外表面に、配線用リード部としての配線部３２の先端が電気的接続部３０を介して固定してある。そして電気的接続部３０が、第１樹脂部５２ａ，５２ｂを介することなく、第２樹脂部５３で覆われている。このように構成することで、電気的接続部３０での素子本体２０の強度も向上する。
第５実施形態におけるその他の構成は第１実施形態に係る圧電素子ユニット１０と同様であり、同様な作用効果を奏する。
第６実施形態
図６Ｅに示すように、第６実施形態に係る圧電素子ユニット１０ｅでは、前述した図６Ｂに示す第２樹脂部５３の代わりに、第２樹脂部として熱収縮チューブ５３ａが装着してある。熱収縮チューブ５３ａは、熱や光や電子線などのエネルギーを加えることで収縮する樹脂チューブであり、たとえばポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ＦＥＰ、ＰＦＡ、シリコーン、ＰＥＥＫ材などの樹脂で構成される。熱収縮チューブ５３ａは、単層で構成されても良く、複層で構成されても良い。また、熱収縮チューブ５３ａの内周面には、接着層が形成されていても良い。
図６Ｅに示すように、第６実施形態に係る圧電素子ユニット１０ｅでは、前述した図６Ｂに示す第２樹脂部５３の代わりに、第２樹脂部として熱収縮チューブ５３ａが装着してある。熱収縮チューブ５３ａは、熱や光や電子線などのエネルギーを加えることで収縮する樹脂チューブであり、たとえばポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン、ＦＥＰ、ＰＦＡ、シリコーン、ＰＥＥＫ材などの樹脂で構成される。熱収縮チューブ５３ａは、単層で構成されても良く、複層で構成されても良い。また、熱収縮チューブ５３ａの内周面には、接着層が形成されていても良い。
熱収縮チューブ５３ａを、図６Ｅに示す位置に取り付けるには、収縮前のチューブ５３ａの内部に、錘４２またはシャフト４４を通し、チューブ５３ａの内側に素子本体２０が位置する図６Ｅに示す位置で、チューブ５３ａに熱などを加えて半径方向にチューブ５３ａを収縮させれば良い。
その際に、図６Ｆに示すように、少なくとも素子本体２０の４つの角部がチューブ５３ａの内周に密着することになる。素子本体２０における４つの側面と熱収縮チューブ５３ａの内周面との間には、多少の隙間５４が生じることがあるが、問題は無い。むしろ、Ｚ軸方向に変位する活性部２６ａの動きを阻害しないため、都合が良い場合がある。なお、熱収縮チューブ５３ａの内周面に接着層が形成してある場合には、隙間５４が接着層で埋められ、チューブ５３ａの内周面は、素子本体２０の４つの側面に対しても密着する。その場合には、素子本体２０の耐湿性などを向上させることができる。
熱収縮チューブ５３ａは、塗布またはコーティング法などにより形成される第２樹脂部５３に比較して、厚く均一に形成することができる。たとえば塗布またはコーティング法などにより形成される第２樹脂部５３の厚みは、数十μｍであるのに対して、熱収縮チューブ５３ａの厚みは、１００〜５００μｍ以上に厚くすることができる。特に熱収縮チューブ５３ａでは、図６Ｆに示すように、素子本体２０の角部においても、その厚みが薄くなることは少ない。塗布またはコーティング法などにより形成される樹脂部では、素子本体２０の角部において、さらに厚みが薄くなるという課題がある。
本実施形態では、素子本体２０の角部においても、熱収縮チューブ５３ａの厚みが薄くなることは少ないことから、素子本体２０の機械的強度（たとえば抗折強度）をさらに向上させることができ、折れにくくなり、さらに耐久性が向上する。なお、本実施形態では、単一の熱収縮チューブ５３ａを用いたが、複数の熱収縮チューブ５３ａを複層重ねて使用しても良い。その場合には、さらに素子本体２０の機械的強度（たとえば抗折強度）を向上させることができ、折れにくくなり、さらに耐久性が向上する。
上述した実施形態では、前述した図６Ｂに示す第３実施形態の第２樹脂部５３の代わりに、第２樹脂部として熱収縮チューブ５３ａを用いたが、熱収縮チューブ５３ａは、上述した全ての実施形態に係る第２樹脂部５３の代わりとして用いることができる。
第６実施形態におけるその他の構成は第１〜第５実施形態に係る圧電素子ユニット１０と同様であり、同様な作用効果を奏する。
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、外部電極２８ａ，２８ｂの表面に形成される電気的接続部３０の配置は、図示する実施形態に限定されず、圧電素子ユニット１０を適用する装置に応じて変更することができる。また、上述した実施形態では、素子本体２０のＺ軸方向の両側に部材を連結してあるが、いずれか一方のみに、素子本体により駆動される部材を連結しても良い。
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
実施例１
図７（Ａ）は、本発明の一実施例に係る圧電素子ユニット１０を表す概念図であり、図７（Ｂ）は本発明の参考例に係る圧電素子ユニット１０ｅを表す概念図である。図７（Ａ）に示す圧電素子ユニット１０は、図１〜図５を用いて説明した第１実施形態に係る圧電素子ユニット１０である。この実施例に係る圧電素子ユニット１０に用いた素子本体２０の寸法は、１．０ｍｍ×１．０ｍｍ×１．５ｍｍである。
図７（Ａ）は、本発明の一実施例に係る圧電素子ユニット１０を表す概念図であり、図７（Ｂ）は本発明の参考例に係る圧電素子ユニット１０ｅを表す概念図である。図７（Ａ）に示す圧電素子ユニット１０は、図１〜図５を用いて説明した第１実施形態に係る圧電素子ユニット１０である。この実施例に係る圧電素子ユニット１０に用いた素子本体２０の寸法は、１．０ｍｍ×１．０ｍｍ×１．５ｍｍである。
参考例に係る圧電素子ユニット１０ｅは、錘４２と素子本体２０とを接続する第１樹脂部５２ａが、電気的接続部３０を覆っておらず、しかも図２に示す界面２６ｃ１に対応する素子本体２０の側面を覆っていない点で実施例に係る圧電素子ユニット１０と異なる。また、参考例に係る圧電素子ユニット１０ｅは、図２に示す第２樹脂部５３が形成されてない点でも、実施例に係る圧電素子ユニット１０と異なる。
参考例におけるその他の構成は、圧電素子ユニット１０と同様である。なお、参考例に係る圧電素子ユニット１０ｅの第１樹脂部５２ａは、第１樹脂部５２ａを形成するために用いる熱硬化性接着剤の使用量を、実施例に係る圧電素子ユニット１０に比べて減少させることにより形成した。
図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、圧電素子ユニット１０および圧電素子ユニット１０ｅに錘４２を固定した状態で、素子本体２０の第２端面２４付近に、素子本体２０の積層方向（Ｚ軸）とは垂直方向（Ｙ軸）の力ｆ１を加え、素子本体２０が破断した時の力ｆ１（強度）を測定した。実施例に係る圧電素子ユニット１０と参考例に係る圧電素子ユニット１０ｅの各１３サンプルを用いて行った測定結果を、図８に示す。
図８の横軸は、サンプルの強度（素子本体２０が破断した時の力ｆ１）を表しており、縦軸は度数を表している。実施例に係る圧電素子ユニット１０の強度の分布は、参考例に係る圧電素子ユニット１０ｅの強度の分布に対して、図の右側に移動しており、実施例に係る圧電素子ユニット１０がより高い強度を有していることが分かる。
また、参考例に係る圧電素子ユニット１０ｅでは、電気的接続部３０の境界部分である位置Ｐ１，Ｐ２近傍（特にＰ１近傍）で素子本体２０が破断したのに対して、実施例に係る圧電素子ユニット１０では、第１樹脂部５２ａの境界部分である位置Ｐ３近傍で素子本体２０が破断した。
参考例に係る圧電素子ユニット１０ｅでは、電気的接続部３０が形成されたことにより、電気的接続部３０と素子本体２０との接触部分付近で応力が生じ、この応力が電気的接続部３０の境界部分である位置Ｐ１，Ｐ２近傍に脆弱部分を形成し、これが破断に関係したと考えられる。特に位置Ｐ１は、図２に示す第１界面２６ｃ１の位置にも略一致し、その部分が脆弱であると考えられる。
これに対して、実施例に係る圧電素子ユニット１０では、第１樹脂部５２ａおよび第２樹脂部５３が、電気的接続部３０近傍を補強すると共に、図２に示す第１界面２６ｃ１をも補強し、抗折強度の向上が図られたものと考えられる。
図１に示すようなレンズ駆動装置６０に圧電素子ユニット１０を採用する場合、圧電素子ユニット１０には、移動部材５６を支える強度および耐久性が求められる。そのため、比較的脆い圧電材料を含む素子本体２０の破断を防止し、抗折強度を上昇させた実施例に係る圧電素子ユニット１０は、レンズ駆動装置６０の駆動装置として、特に好適に用いることができる。
１０…圧電素子ユニット
２０…素子本体
２２…第１端面
２４…第２端面
２５ａ…第１側面
２５ｂ…第２側面
２５ｃ…第３側面
２５ｄ…第４側面
２６…圧電体層
２６ａ…活性部
２６ｂ１，２６ｂ２…不活性部
２６ｃ１，２６ｃ２…界面
２７ａ…第１内部電極
２７ｂ…第２内部電極
２８ａ…第１外部電極
２８ｂ…第２外部電極
３０…電気的接続部
３２…配線部
４２…錘
４２ａ…第１取付面
４４…シャフト
４４ａ…第２取付面
５２…熱硬化性接着剤
５２ａ，５２ｂ…第１樹脂部
５３…第２樹脂部
５３ａ…熱収縮チューブ
５４…隙間
５６…移動部材
５８…駆動回路
６０…レンズ駆動装置
２０…素子本体
２２…第１端面
２４…第２端面
２５ａ…第１側面
２５ｂ…第２側面
２５ｃ…第３側面
２５ｄ…第４側面
２６…圧電体層
２６ａ…活性部
２６ｂ１，２６ｂ２…不活性部
２６ｃ１，２６ｃ２…界面
２７ａ…第１内部電極
２７ｂ…第２内部電極
２８ａ…第１外部電極
２８ｂ…第２外部電極
３０…電気的接続部
３２…配線部
４２…錘
４２ａ…第１取付面
４４…シャフト
４４ａ…第２取付面
５２…熱硬化性接着剤
５２ａ，５２ｂ…第１樹脂部
５３…第２樹脂部
５３ａ…熱収縮チューブ
５４…隙間
５６…移動部材
５８…駆動回路
６０…レンズ駆動装置
Claims (8)
- 圧電体層と内部電極とが交互に積層してある活性部と、前記活性部の積層方向の両端に積層してある不活性部とを有する素子本体と、
前記素子本体の前記積層方向における一方の端面と当該一方の端面に対向するように配置される連結部材の取付面とを接着する第１樹脂部と、を有する圧電素子ユニットであって、
前記第１樹脂部が、前記取付面から、前記活性部と不活性部との界面に対応する前記素子本体の外側面までを覆っており、
前記活性部と不活性部との界面に対応する位置で、前記素子本体の外側面を覆っている前記第１樹脂部の外表面を第２樹脂部が覆っており、
前記第２樹脂部は、前記活性部に対応する前記素子本体の外側面も一体的に覆っており、
前記第１樹脂部の弾性率が、前記第２樹脂部の弾性率よりも大きいことを特徴とする圧電素子ユニット。 - 圧電体層と内部電極とが交互に積層してある活性部と、前記活性部の積層方向の両端に積層してある不活性部とを有する素子本体と、
前記素子本体の前記積層方向における一方の端面と当該一方の端面に対向するように配置される連結部材の取付面とを接着する第１樹脂部と、を有する圧電素子ユニットであって、
前記第１樹脂部が、前記取付面から、前記活性部と不活性部との界面に対応する前記素子本体の外側面までを覆っており、
前記活性部と不活性部との界面に対応する位置で、前記素子本体の外側面を覆っている前記第１樹脂部の外表面を第２樹脂部が覆っており、
前記第２樹脂部は、前記活性部に対応する前記素子本体の外側面も一体的に覆っており、
前記素子本体の対向する二つの側面には、それぞれ外部電極が形成してあり、前記第２樹脂部は、前記外部電極の外表面も覆っており、
前記取付面の近くで前記外部電極の外表面には、配線用リード部が電気的接続部を介して固定してあり、
前記電気的接続部が、前記第１樹脂部および前記第２樹脂部で二重に覆われていることを特徴とする圧電素子ユニット。 - 前記活性部に対応する前記外部電極の外表面には、配線用リード部が電気的接続部を介して固定してあり、
前記電気的接続部が、前記第２樹脂部で覆われている請求項２に記載の圧電素子ユニット。 - 前記電気的接続部が、ハンダおよび導電性接着剤のいずれかである請求項２または３に記載の圧電素子ユニット。
- 前記連結部材が、錘および駆動軸のいずれかである請求項１〜４のいずれかに記載の圧電素子ユニット。
- 前記第２樹脂部が、熱収縮チューブで構成してある請求項１〜５のいずれかに記載の圧電素子ユニット。
- 前記熱収縮チューブの内周面には接着層が形成してある請求項６に記載の圧電素子ユニット。
- 請求項１〜７に記載の圧電素子ユニットを有する駆動装置。
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-
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