JP2005331761A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電素子１０とガイド部材２０とを十分な強度で接着でき、信頼性の高い駆動装置を提供すること。
【解決手段】 圧電素子１０の端面にガイド部材２０が連結され、圧電素子１０の伸縮動作に伴ってガイド部材２０が移動する。ガイド部材２０には移動部材３０が摩擦結合されており、圧電素子１０の伸び動作と縮み動作とがそれぞれ異なる速度で行われることによって、移動部材３０がガイド部材２０上を移動するように構成される。圧電素子１０およびガイド部材２０は、圧電素子１０の端面と、その端面に近接する外周側面部とに塗布された接着剤８によって互いに連結される。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層型圧電素子を利用した駆動装置に関する。

従来、圧電素子を駆動源として用いる駆動装置として、いわゆるインパクト型アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１）。この駆動装置は、圧電素子の伸縮動作に連動するガイド部材が圧電素子の端面に固定され、ガイド部材の軸方向に沿って移動部材が摺動できるようにして、ガイド部材と移動部材とが摩擦結合された構成を有している。そして圧電素子に鋸歯状波の駆動パルスを印加してガイド部材をその軸方向に往復移動させることにより、そのガイド部材に摩擦結合された移動部材を軸方向に沿って移動させることができるようになっている。

特開平６−１２３８３０号公報

上記のようなインパクト型アクチュエータとして構成される駆動装置においては、圧電素子の伸縮動作を確実にガイド部材に伝達するために、圧電素子の端面に塗られた接着剤によって、ガイド部材がその端面に接着結合されている。しかしながら、圧電素子は印加される駆動パルスに応答して繰り返し伸縮動作を行うため、圧電素子とガイド部材との接着部分には圧縮力と引張力とが交互に繰り返し加わることになる。そのため、駆動装置を長時間使用すると、接着部分が緩み、微少な振動が与えられた場合であっても圧電素子とガイド部材との連結が剥がれる可能性があった。

また、ガイド部材の振動によって発生する音を抑制するためには、圧電素子に対して、２０乃至３０ｋＨｚ程度の可聴域を超えた高い周波数の鋸歯状波の駆動パルスを印加することが好ましいが、そのような高周波パルスを印加して駆動させると、圧電素子とガイド部材との接着部分がさらに剥がれやすくなるという問題があった。

さらに、駆動装置を小型化すると、圧電素子とガイド部材とを接着する圧電素子の端面の面積、すなわち接着面積が小さくなり、十分な強度で圧電素子とガイド部材とを接着することが困難になり、圧電素子とガイド部材とが剥がれる可能性がより高くなっていた。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、圧電素子とガイド部材とを十分な強度で接着でき、長期間の使用によっても圧電素子とガイド部材とが安定した接着結合を継続し、信頼性のある駆動装置を提供することを、その目的とするものである。

本発明にかかる駆動装置は、伸縮方向に略垂直な端面を有する積層型圧電素子と、前記端面に連結されて前記伸縮方向に延設され、前記積層型圧電素子の伸縮動作に伴って前記伸縮方向に移動するガイド部材と、前記ガイド部材に摩擦結合されており、前記積層型圧電素子の伸び動作と縮み動作とがそれぞれ異なる速度で行われることによって、前記ガイド部材上を移動する移動部材と、を備え、前記積層型圧電素子および前記ガイド部材が、前記積層型圧電素子における前記端面と、前記端面に近接する外周側面部とに塗布された接着剤によって互いに連結されることを特徴とするものである。

また、前記積層型圧電素子の端部には、伸縮動作を行わない不活性部が形成され、前記接着剤が前記不活性部の端面と側面とに塗布されることが好ましい。

また、前記側面で前記接着剤が塗られる部分の前記端面からの長さが、前記不活性部の側面の長さよりも短いことが、より好ましい。

また、前記ガイド部材の質量をｍ［ｋｇ］、前記移動部材の質量をＭ［ｋｇ］、前記積層型圧電素子が伸縮動作するときの前記ガイド部材の最大加速度をα［ｍ／ｓ²］、前記積層型圧電素子の端面の一辺の長さをｄ［ｍｍ］、前記接着剤の単位面積あたりの引張強度をＰ［Ｎ／ｍｍ²］、および、前記接着剤の単位面積あたりのせん断強度をＦ［Ｎ／ｍｍ²］とした場合、前記側面で前記接着剤が塗られる部分の前記端面からの長さＸ［ｍｍ］が、Ｘ＞（（ｍ＋Ｍ）α−ｄ²Ｐ）／４ｄＦの条件を満たすことが、より好ましい。

また、上記の駆動装置において、前記積層型圧電素子の他方端面を固定するための固定部材をさらに備え、前記積層型圧電素子および前記固定部材が、前記積層型圧電素子における前記他方端面と、前記他方端面に近接する外周側面部とに塗布された接着剤によって互いに連結されることが、より好ましい。

本発明によれば、圧電素子とガイド部材とを接着する接着面積が増加するとともに、複数の異なる方向を向いた接着面（すなわち、法線方向が異なる接着面）を有することになるので、圧電素子とガイド部材との接着強度が増し、信頼性のある駆動装置を実現できる。

以下、本発明に係る駆動装置を、デジタルカメラ等の撮像装置においてレンズ駆動を行う駆動機構に適用した実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、そのレンズ駆動装置１の一例を示す図である。レンズ駆動装置１は、駆動源となる圧電素子１０と、その圧電素子１０に連結されるとともに、レンズ鏡筒（本体部分）から延設された支持部材３ａ，３ｂによって光軸Ｌと平行に移動可能に支持されたロッド状のガイド部材２０と、このガイド部材２０に対して摩擦結合される移動部材３０とを備えたインパクト型アクチュエータとして構成される。

図２は圧電素子１０の構造を示す斜視図である。図２に示すように、圧電素子１０は、圧電材料１１と電極１２とが交互に積み重ねられた積層構造を有しており、電極１２に対して電圧が印加されることにより、２つの電極１２の間に挟まれた圧電材料１１が伸縮するようになっている。このような構造の圧電素子１０は、一般に積層型圧電素子と呼ばれ、積層された複数の圧電材料１１に対して電圧が印加されることにより、圧電素子１０は全体としてＺ軸方向に沿って伸縮する。

また、図２に示す圧電素子１０では、積層構造の上端面および下端面に電極１２が設けられていない。そのため、本実施形態の圧電素子１０は、大きく２つの領域１３，１４に分けられる。領域１４は、その領域の両端に電極１２が配置されているので、圧電素子１０に対して電圧供給がなされることによって伸縮動作を行う活性部となる。また、圧電素子１０の両端に位置する領域１３は、電極１２によって挟まれた領域ではないので、圧電素子１０に対して電圧供給がなされたとしても伸縮動作を行わない不活性部となる。このように本実施形態における圧電素子１０は、伸縮方向の両端に不活性部１３が形成され、不活性部１３に挟まれた中央部分に伸縮動作を行う活性部１４が配置された構造となっている。

なお、本実施形態においては、圧電素子１０が、その伸縮方向に垂直な端面を有しており、その端面の形状が正方形である場合を例示している。ただし、これに限定されるものではなく、端面の形状が正方形以外の四角形であってもよいし、また円形等の他の形状であっても構わない。

図１に戻り、上記のような圧電素子１０の一端側は、レンズ鏡筒から延設された光軸Ｌに垂直な固定部材２に接着固定され、圧電素子１０の他端側には上述のようにガイド部材２０が接着固定される。圧電素子１０と固定部材２、または圧電素子１０とガイド部材２０を互いに接着するための接着剤８には、例えばエポキシ系樹脂を含有する接着剤が使用される。

これにより、圧電素子１０が伸縮動作を行う方向は、光軸Ｌに平行な方向となり、圧電素子１０の一端側が固定されることから、その伸縮動作は他端側に接着固定されたガイド部材２０に伝達され、ガイド部材２０が圧電素子１０の伸縮動作に連動した動作を行うようになる。このとき、伸縮方向に延設されたガイド部材２０は光軸Ｌと平行に移動する。

移動部材３０は、レンズ６を支持するレンズ支持枠３１を有し、レンズ支持枠３１の上部にはガイド部材２０と結合するための結合部３２が形成される。結合部３２には、光軸Ｌに平行な貫通孔３３が形成されており、その貫通孔３３にはガイド部材２０が緩挿される。また結合部３２の中央上部には切り欠き部３４が形成され、切り欠き部３４においてはガイド部材２０の上半分程度が露呈するようになっている。この切り欠き部３４には、ガイド部材２０の上半分程度に当接するパッド３５が嵌挿されており、パッド３５にはバネ３６によりガイド部材２０に当接する下向きの付勢力が与えられている。このような構成により、移動部材３０とガイド部材２０とは、バネ３６の付勢力により圧接され、互いに摩擦結合された状態になる。

駆動回路４は電線５介して圧電素子１０の各電極１２に接続されており、圧電素子１０に対して駆動パルスを供給するものである。すなわち、駆動回路４は、圧電素子１０に駆動パルスを与えることによって伸縮動作を行わせ、ガイド部材２０に摩擦結合された移動部材３０を光軸Ｌに沿った方向に移動させることで、レンズ６の移動を実現するものである。

例えば駆動回路４は、鋸歯状波の駆動パルスを発振する公知の発振回路で実現される。このとき、鋸歯状波の駆動パルスの周波数を、２０乃至３０ｋＨｚ程度の可聴域を超えた高い周波数に設定することにより、駆動時の振動周波数が可聴域を外れ、人間の耳に聞こえる振動音を低減できるという点で有効である。ただし、それに限定されるものではなく、任意の周波数の駆動パルスを利用できることは勿論である。

次に、上記のようなレンズ駆動装置１の動作について説明する。図３は、駆動回路４が圧電素子１０に与える駆動パルスの一例を示す図である。駆動回路４からは、図３に示すように緩やかな立ち上がり部１１１と、急峻な立ち下がり部１１２とが所定周期で繰り返される鋸歯状波の駆動パルスが圧電素子１０に与えられる。これにより、圧電素子１０は図４（ａ）〜（ｃ）に示すように動作する。なお、はじめに圧電素子１０は図４（ａ）に示す状態にあるとする。

圧電素子１０に印加される鋸歯状波駆動パルスの緩やかな立ち上がり部１１１では、圧電素子１０は緩やかにその厚み方向（Ｚ方向）に伸び、図４（ｂ）に示す状態に変位する。このとき、圧電素子１０に接着結合しているガイド部材２０は、圧電素子１０の伸び動作に連動してＺ方向に緩やかに移動する。また、ガイド部材２０に摩擦結合している移動部材３０は、その摩擦結合力によってガイド部材２０と一体的に移動する。

次に、圧電素子１０に印加される鋸歯状波駆動パルスの急峻な立ち下がり部１１２では、圧電素子１０は急速にその厚み方向（−Ｚ方向）に縮み、図４（ｃ）に示す状態に変位する。このとき、圧電素子１０に接着結合しているガイド部材２０は、圧電素子１０の縮み動作に連動して−Ｚ方向に急速に移動する。これに対し、ガイド部材２０に摩擦結合している移動部材３０は、慣性力が摩擦結合力に打ち勝ってその位置に留まることになる。つまり、移動部材３０の位置は、圧電素子１０の急速な動作によっては変化しないのである。この結果、図４（ａ）の初期状態と比較すると、移動部材３０は、ガイド部材２０に沿ってΔＺだけ移動することになる。

そして圧電素子１０に対して上記のような鋸歯状波駆動パルスを連続的に印加することによって、移動部材３０はガイド部材２０に沿って、Ｚ方向に連続的に移動することになる。

なお、移動部材３０を図４とは逆の方向に移動させるためには、圧電素子１０に印加する鋸歯状波駆動パルスの波形を変えればよい。すなわち、急峻な立ち上がり部と緩やかな立ち下がり部とが繰り返される鋸歯状波駆動パルスを圧電素子１０に印加すれば、移動部材３０の逆方向への移動が実現される。

次に、圧電素子１０とガイド部材２０との接着結合部の構造について説明する。図５は圧電素子１０とガイド部材２０との接着結合部を拡大して示す断面図である。図５に示すように、接着剤８は、圧電素子１０の端面だけでなく、圧電素子１０の側面部で端面に近接した部分にも塗布される。そして圧電素子１０の端面とガイド部材２０の端面とが互いに対向するように設置され、圧電素子１０の端面および側面に塗布された接着剤８によって圧電素子１０とガイド部材２０とが互いに連結固定される。

このように本実施形態では、接着結合に寄与する面が、圧電素子１０の端面に加えて、側面まで広げられた状態となっており、接着剤８によって接着される面積が従来よりも大きくなっている。そして圧電素子１０の端面に付けられた接着剤と、圧電素子１０の側面に付けられた接着剤とは互いに接着面の法線方向が異なるので、接着結合部の結合強度が増し、Ｚ軸方向についての引張力および圧縮力に対して十分な強度が得られるだけでなく、Ｚ軸方向に垂直な力である曲げ力などに対しても十分な強度を得ることができるようになる。

つまり、従来のように、圧電素子の端面のみに塗布された接着剤で、圧電素子とガイド部材との接着結合を行う場合、Ｚ軸方向に平行な力（引張力や圧縮力）および垂直な力（曲げ力）の一方に対しては比較的結合力が弱くなる構造であったのに対し、本実施形態の接着結合によれば、異なる向きの接着面に対して接着剤が塗布されることから、Ｚ軸方向に平行な力（引張力や圧縮力）および垂直な力（曲げ力）の双方に対して高い結合力が達成されることになる。

したがって、本実施形態における圧電素子１０とガイド部材２０の接着結合は、Ｚ軸方向に平行な引張力や圧縮力に対して十分な強度を有しているので、上記の鋸歯状波駆動パルスを連続的に印加して圧電素子１０の伸縮動作を繰り返し行う場合であっても、圧電素子１０とガイド部材２０とが剥がれる可能性は低いものとなっている。その結果、レンズ駆動装置１を適切に使用できる期間も長くなり、製品寿命を延ばすことができる。

また、本実施形態における圧電素子１０とガイド部材２０の接着結合は、Ｚ軸方向に垂直な曲げ力などに対しても十分な強度を有しているので、例えば外部から衝撃が与えられた場合であっても、その接着結合部が剥がれる可能性は低いものとなっている。

図５に示すように、圧電素子１０の側面で接着剤８が塗られる部分の、圧電素子１０の端面からの長さをＸ［ｍｍ］とすると、そのＸの長さは、十分な結合強度が得られるような長さに決定される。

また、圧電素子１０の側面に塗られる接着剤８は、不活性部１３を超えて活性部１４の一部にまで塗られるようにしてもよい。ただし、活性部１４は駆動パルスに応じて伸縮動作を行うため、その活性部１４に接着剤８が塗られていると、伸縮量が減少したり、伸縮動作によって接着剤８が剥がれる可能性がある。それため、圧電素子１０の側面に塗られる接着剤８は、不活性部１３を超えないように塗られることが好ましい。

また、不活性部１３を超えないように接着剤８を塗布する場合でも、不活性部１３の全てが接着剤８で覆われる必要はない。

ここでガイド部材２０の質量をｍ［ｋｇ］、移動部材３０の質量をＭ［ｋｇ］、圧電素子１０が伸縮動作するときのガイド部材２０の最大加速度をα［ｍ／ｓ²］、圧電素子１０の端面の一辺の長さをｄ［ｍｍ］、接着剤８の単位面積あたりの引張強度をＰ［Ｎ／ｍｍ²］、および、接着剤８の単位面積あたりのせん断強度をＦ［Ｎ／ｍｍ²］とした場合であって、駆動のみを考慮した場合、上記Ｘの長さは、
Ｘ＞（（ｍ＋Ｍ）α−ｄ²Ｐ）／４ｄＦ …（条件１）
の条件を満たすことにより、十分な結合強度が得られるようになる。

例えば、ｍ＝０．００００５ｋｇ、Ｍ＝０．０２５ｋｇ、α＝１５００ｍ／ｓ²、ｄ＝１．５ｍｍ、Ｐ＝１５Ｎ／ｍｍ²、Ｆ＝１５Ｎ／ｍｍ²の場合となる場合、上記条件１より、Ｘ＞０．０４２５ｍｍを満たすようにして圧電素子１０の側面に接着剤８を塗布することにより、十分な強度が得られる。

また、駆動以外の他の要素をさらに考慮すると、上記条件１はさらに厳しい条件になり、Ｘの値はさらに大きな値に変わることになる。

上記においては圧電素子１０とガイド部材２０との接着結合において圧電素子１０の側面部にまで接着剤８を塗布することにより、接着結合部の結合強度を向上させることを説明したが、同様の接着手法によって、圧電素子１０と固定部材２との結合強度を向上させることもできる。

以上のように、本実施形態においては、圧電素子１０およびガイド部材２０が、圧電素子１０における端面と、その端面に近接する外周側面部とに塗布された接着剤８によって互いに連結された構造となっている。したがって、圧電素子１０とガイド部材２０との結合部に対して異なる方向の力が加わっても、簡単には剥がれない接着構造となっている。よって、圧電素子１０とガイド部材２０とを十分な強度で接着でき、長期間使用しても圧電素子１０とガイド部材２０との安定した接着結合が継続されるとともに、外部からの衝撃等にも強く、信頼性の高い駆動装置が実現される。

また、圧電素子１０の端部には、伸縮動作を行わない不活性部１３が形成されており、接着剤８がその不活性部１３の端面と側面とに塗布されるので、特に不活性部１３の側面に塗られる接着剤８によって接着強度の強化が図られている。また、圧電素子１０の側面で接着剤８が塗られる部分の端面からの長さＸが、不活性部１３の側面の長さよりも短くなると、伸縮動作を行う活性部１３に接着剤８が塗られることはなく、伸縮量の減少等の問題が解消されことになる。

また、圧電素子１０および固定部材２もまた、圧電素子１０の端面と、その端面に近接する外周側面部とに塗布された接着剤８によって互いに連結されるので、圧電素子１０は固定部材２とも十分な強度で接着結合されている。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の変形した態様で実現されても構わない。

例えば、上記実施形態においては、本発明に係る駆動装置が、レンズ駆動機構として実現される場合を例示したが、本発明はそれに限定されるものではなく、レンズ以外の物体を移動させる駆動装置であっても構わない。

レンズ駆動装置の一例を示す図である。 圧電素子の構造を示す斜視図である。 駆動回路が圧電素子に与える駆動パルスの一例を示す図である。 駆動装置の動作を示す図である。 圧電素子とガイド部材との接着結合部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１ 駆動装置
２ 固定部材
８ 接着剤
１０ 圧電素子
１３ 不活性部
１４ 活性部
２０ ガイド部材
３０ 移動部材

Claims (5)

1. 伸縮方向に略垂直な端面を有する積層型圧電素子と、
   前記端面に連結されて前記伸縮方向に延設され、前記積層型圧電素子の伸縮動作に伴って前記伸縮方向に移動するガイド部材と、
   前記ガイド部材に摩擦結合されており、前記積層型圧電素子の伸び動作と縮み動作とがそれぞれ異なる速度で行われることによって、前記ガイド部材上を移動する移動部材と、
   を備え、
   前記積層型圧電素子および前記ガイド部材は、前記積層型圧電素子における前記端面と、前記端面に近接する外周側面部とに塗布された接着剤によって互いに連結されることを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１に記載の駆動装置において、
   前記積層型圧電素子の端部には、伸縮動作を行わない不活性部が形成され、前記接着剤が前記不活性部の端面と側面とに塗布されることを特徴とする駆動装置。
3. 請求項２に記載の駆動装置において、
   前記側面で前記接着剤が塗られる部分の前記端面からの長さが、前記不活性部の側面の長さよりも短いことを特徴とする駆動装置。
4. 請求項３に記載の駆動装置において、
   前記ガイド部材の質量をｍ［ｋｇ］、前記移動部材の質量をＭ［ｋｇ］、前記積層型圧電素子が伸縮動作するときの前記ガイド部材の最大加速度をα［ｍ／ｓ²］、前記積層型圧電素子の端面の一辺の長さをｄ［ｍｍ］、前記接着剤の単位面積あたりの引張強度をＰ［Ｎ／ｍｍ²］、および、前記接着剤の単位面積あたりのせん断強度をＦ［Ｎ／ｍｍ²］とした場合、前記側面で前記接着剤が塗られる部分の前記端面からの長さＸ［ｍｍ］が、
   Ｘ＞（（ｍ＋Ｍ）α−ｄ²Ｐ）／４ｄＦ
   の条件を満たすことを特徴とする駆動装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の駆動装置において、
   前記積層型圧電素子の他方端面を固定するための固定部材をさらに備え、
   前記積層型圧電素子および前記固定部材は、前記積層型圧電素子における前記他方端面と、前記他方端面に近接する外周側面部とに塗布された接着剤によって互いに連結されることを特徴とする駆動装置。