JP6580099B2 - 振動子、超音波モーターおよび光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動子と摩擦部材とが相対移動を行う超音波モーターにおける接着技術に関し、詳しくは超音波モーターにおける振動子を構成する圧電素子と振動板の接着の改良に関するものである。

従来から、銀や銅などの電極を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電セラミックスからなる圧電素子と振動板を接着剤で固定した振動子と移動体を摩擦接触させて移動を行う超音波モーターが知られている。その超音波モーターを、カメラの機構部やレンズの駆動源として備えた撮像装置に関する様々な提案（例えば特許文献１）がされている。
上記振動子の接着工程において、圧電素子と振動板との間の接着層の厚みは、塗布する接着剤量や圧電素子と振動板を加圧する力を制御することにより、一定の膜厚になるように管理されていた。
しかしながら、圧電素子は、分極処理した際に発生する反り量や、銀や銅などの電極の表面粗さにばらつきが生じる。そのため、従来の接着工程では接着する前の圧電素子の反りや表面粗さのばらつきによって、塗布する接着剤量や加圧する力を制御しても接着層の厚みには大きなばらつきがあった。
このような接着層の厚み制御のため、特許文献２では、粒子径１μｍ以上５μｍ以下のシリカ等の微粒子（弾性率：８０ＧＰａ）を混合した接着剤を圧電素子などの電気機械変換素子と固定体との接着に用いることで、接着層の厚みを管理することが記載されている。

特開２０１５−１２６６９２号公報 特許第５０２８９０５号

特許文献２の技術を特許文献１に記載の超音波モーターに適用した場合、１μｍ以上５μｍ以下のシリカ微粒子を含有した接着剤を、電極層を具備した圧電セラミックスからなる圧電素子と振動板との間に塗布し、塗布後、加圧した状態で加熱硬化させることになる。そして、加熱硬化後、接着した振動子の品質確認の一項目として超音波探傷検査を行うことになる。
ここで、接着層の厚みを薄くするため、加圧力を上げると一部の振動子において、圧電素子と振動板の剥離による接着部不良といった品質上の問題がある。
また、圧電素子は接着前に分極処理を行う。そのため、２０μｍ程度反っている圧電素子と振動板を加圧接着した際、接着剤中のシリカ微粒子により圧電素子の電極層にクラックが入り、圧電素子と電極層の剥離により接着界面から一部剥離するという新たな問題もある。この接着部の一部剥離部が超音波探傷検査で発生する異常部である。
本発明は、上記問題点を考慮してなされたものであり、接着した振動板を超音波探傷検査すると一部に発生する剥離を低減することを目的とする。

本発明は、上記課題である接着組立後に発生する接着部の剥離を低減するため、圧電素子と振動板の接着に改良を加えたものである。
すなわち、本発明は、電極を具備した圧電セラミックスからなる圧電素子と、振動板との間に接着層を有する振動子であって、前記接着層が、樹脂に、個数平均粒径が５μｍ以上１５μｍ以下である有機系粒子を、前記樹脂１００質量部あたり５０質量部以上８０質量部以下の量で含有し、前記有機系粒子の弾性率が、前記樹脂の弾性率以下であることを特徴とする。
また、本発明は、上記振動子と移動体とを摩擦接触させて移動を行う超音波モーターに関し、更に、本発明は、上記超音波モーターと力学的に接続された光学部材とを有する光学機器に関する。

本発明によれば、特定の有機系粒子を含有する接着層により、電極層の上記クラックが無くなり、反りを有する圧電素子を用いた振動子の接着組立後の界面剥離を低減することが出来る。

本発明の振動子を構成する圧電素子と振動板を加圧接着する前の状態を示す概略図である。 本発明の振動子の一実施態様を示す概略図である。 圧電素子と振動板を加圧接着した本発明の振動子を示す概略図である。 本発明の振動子を構成する圧電素子の一実施態様を示す概略図である。 本発明の振動子の製造過程を示した概略図である。 本発明の超音波モーターの一実施態様を示す概略図である。 本発明の光学機器の一実施態様を示す概略図である。

以下、本発明の具体的な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、反りが発生している状態の銀や銅などの電極層６を具備した圧電セラミックス２からなる圧電素子７と振動板３を、有機系粒子４を含有した接着剤９により、加圧接着する前の状態を示している。この反りは、後述するように、分極方向が一方向に揃うように分極されているため、圧電セラミックスに内部歪みが生じていることに起因する。

図２は本発明の振動子の一実施形態を示す概略図であり、図３は図２のＡ−Ａ方向の断面図である。本発明の振動子は、図２のように、圧電素子７と振動板３との間に接着層１を有する。ここで、図２は振動板が突起部１０を有する場合の実施形態である。

また、図３に示す様に、本発明の振動子は、電極６を具備した圧電セラミックス２からなる圧電素子７と、振動板３との間に接着層１を有する。接着層１は、接着剤が固化した樹脂８と本発明が特徴とする有機系粒子４からなる。圧電素子７と振動板３の間に接着剤を塗布し、加圧接着した後の状態である。

ここで本発明の振動子に用いる圧電セラミックスは、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の鉛含有圧電材料が挙げられる。高い圧電定数を有するため、圧電素子に起因する超音波モーターの損失を小さくすることが出来るためである。

また、無鉛の圧電材料であるジルコン酸チタン酸バリウムカルシウム、ニオブ酸ナトリウムカリウム、ビスマスフェライト、ニオブ酸ナトリウム、チタン酸ビスマス、チタン酸ビスマスナトリウム等も用いることが出来る。耐環境性に優れるためである。

また、本明細書においてセラミックスとは、金属元素を有する原料粉末を焼成して得られる組成が均一のバルク焼結体のことであり、その厚みは０．２ｍｍ以上である。厚みは、分極処理をし易いという観点で１．０ｍｍ以下であることが好ましい。なお、無鉛の圧電材料を使用した場合でも、セラミックスとしては、鉛を含有しているものを排除するものではない。

図４は本発明の振動子を構成する圧電素子７の一実施態様を示す概略図であり、圧電素子７は電極を具備した圧電セラミックス２からなる。圧電素子７は直方体形状である圧電セラミックス２の対向する面に電極６、６１、６２および６３が付されている。一方の面は図４（ａ）のような電極パターンが形成され、図中の＋は分極方向を示している。圧電セラミックス２の厚み方向に対して分極方向が同一になるよう、電極６１、６２を通じて分極処理がされていることを示している。もう一方の面は、図４（ｂ）のような、ほぼ全面に電極６が付されている振動板と接着される面である。ここで、電極６３は不図示の前記対向する面と直交する面において、電極６と導通している。また、本発明の振動子は高周波電圧が印加されると、図２のＸ方向（長手方向）とＹ方向（短手方向）のそれぞれの方向で共振を起こすように設定されている。図３の有機系粒子４を含有した接着剤により接着した振動子５について接着組立後に超音波探傷試験を行った結果、これまで発生していた接着部の界面剥離が減少した。

以上のことから、一部の振動子の接着組立後に発生していた、接着部の剥離を改善した振動子を提供することが出来る。

なお、接着層を厚くすると接着面の剥離は生じ難くなるものの、接着層の弾性の影響で振動損失が大きくなり、超音波モーターの基本特性であるインピーダンス特性の損失を招くことになる。

次に本発明の振動子の接着層１が含有する各成分について説明する。

本発明の振動子の接着層１は、樹脂８と本発明が特徴とする有機系粒子４からなる。樹脂としては、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、及びアルキッド樹脂から選ばれる熱硬化性接着剤を樹脂前駆体として適宜選択して用いることが可能である。

本発明の振動子の接着層１に含有させる有機系粒子４の例としては、エポキシ樹脂やアクリル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル、ポリイミド等の熱硬化性樹脂やポリカーボネート、ナイロン、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミドイミド、及び液晶ポリマー等の熱可塑性樹脂を用いることが出来る。

前記有機系粒子４は、樹脂１００質量部あたり５０質量部以上８０質量部以下の量で含有されることが必要であり、好ましくは６０質量部以上７０質量部以下である。前述の有機系粒子４の添加含有量が５０質量部未満では、圧電素子７の電極層６の欠損部に有機系粒子が埋没し、接着層のスペーサーとしての効果が無くなる。また８０質量部を超えると接着剤成分が減少するため、剥離しやすくなる。

また前記有機系粒子４の粒子径は、個数平均粒径で５μｍ以上１５μｍ以下であることが必要であり、好ましくは１０μｍ以上１５μｍ以下である。前述の有機系粒子４の粒子径が５μｍ未満では、圧電素子７の電極６の表面粗さ（通常、Ｒａ：３μｍ）に埋没し、スペーサーとしての効果が無くなる。また粒子径が１５μｍを超えると、接着層も厚くならざるを得ず、超音波モーターの振動特性が急激に悪化するため、使用することが出来ない。

なお、有機系粒子４は、丸みを帯びた粒子や球形粒子が望ましいが、真球である必要はない。

また前記有機系粒子４の弾性率は、０．４８ＧＰａ以上１０．０ＧＰａ以下であることが好ましく、より好ましくは１．５ＧＰａ以上４．０ＧＰａ以下である。前述の有機系粒子４の弾性率が０．４８ＧＰａ未満では、加圧接着した時に、前記有機系粒子が押しつぶされ、スペーサーとしての効果が無くなるおそれがある。また弾性率が１０．０ＧＰａを超えると、加圧接着した際に圧電素子７の電極層６にクラックが入り、高温・高湿試験時に剥離しやすくなるため、使用することが出来なくなるおそれがある。

なお、弾性率の測定は、ＪＩＳ Ｋ ７２０８「プラスチックの圧縮試験方法」に規定された寸法の円柱状の試験片を作製して行った。

［接着組成物の調製方法］
後述の実施例で具体的に示すが、所定量の接着剤と有機系粒子とを公知の混合・分散装置にて混合分散させることで、有機系粒子４含有の接着組成物を得ることができる。

［圧電素子と振動板の接着方法］
前記調製した接着組成物を用いて、次工程の接着貼り合せ工程に移る。具体的な接着組成物の塗布方法としては、前記接着組成物をディスペンサー塗布装置の５ｃｍ³のシリンジに入れ、振動板３の表面に一定量塗布する（図５（ａ））。

前記接着組成物を塗布した振動板３を２０μｍ程度反っている分極処理済みの圧電素子７と加圧力０．４５ＭＰａの加圧力で貼り合わせる（図５（ｂ））。

前記振動板３と圧電素子７を加圧した状態で、恒温乾燥機に入れ、前記接着剤の硬化を行って、本発明の接着した状態を得る（図５（ｃ））。

こうして、接着剤を接着して得られる接着層の膜厚は、有機系粒子４の大きさにも影響されるが、４．１μｍ以上１４．８μｍ以下が好ましく、４．１μｍ以上１０．０μｍ以下がより好ましい。

［接着後の超音波探傷評価］
接着後の超音波探傷評価は振動板３と圧電素子７を接着した振動子５を超音波探傷評価の水槽に入れ、超音波の反射波の有無や強弱により、接着界面の剥離の検出を行った。超音波探傷評価により得られた振動子５の超音波画像において、接着界面の剥離個所が白色部として現れ、接着部の白色部の割合を数値化した。白色部が発生した振動子５をＮＧとした。

［接着層の平均厚み測定］
接着層の平均厚み測定は、振動板３と圧電素子７を接着した振動子の長手方向の断面を切断し、電子顕微鏡（ＳＥＭ）により接着層の厚みを観察した。接着層の平均厚みの求め方は、画像処理により前記接着層の面積を求め、長手方向の長さで除することにより、平均厚みとした。

［超音波モーター］
本発明の超音波モーターは、本発明の振動子と移動体とを摩擦接触させて移動を行うことを特徴とする。図６は、本発明の超音波モーターの一実施形態を示した概略図である。図６において、移動体２８は、振動子５とは振動子の突起部１０を介して加圧接触されている。不図示の電圧入力手段により、給電部材２７（図７参照）を介して電圧が振動子５に加えられると、振動板３には進行波が発生する。発生する進行波は２つであり、１つは図６のＸ方向に２次の面外振動でＹ方向と平行な３本の節線を有する進行波である。もう１つはＹ方向における１次の面外振動であり、Ｘ方向と平行な２本の節線を有する進行波である。これらの２つの進行波により振動子の突起部に楕円運動が生じる。

［超音波モーターの動特性評価］
本発明により得られた振動子５について、超音波モーターの基本特性であるインピーダンスについて評価を行った。モーターの移動速度が１００ｍｍ／ｓｅｃが出る周波数に大きな差異が無いか評価を行った。製品規格に対して、周波数がずれていたり、移動速度が下回る振動子５はＮＧとした。

［光学機器］
本発明の光学機器は、本発明の超音波モーターと力学的に接続された光学部材とを有することを特徴とする。

図７は、本発明の光学機器（鏡筒装置のフォーカスレンズ部）の一実施形態を示した概略図である。本発明の光学機器は、本発明の超音波モーターと力学的に接続された光学部材とを有することを特徴とする。図７で示す様に、鏡筒装置のフォーカスレンズ部において、超音波モーターと光学部材であるレンズが、レンズ保持部材１５等によって力学的に接続されている。

具体的には、振動子５は保持部材１１と溶接などにより固定されており、不要な振動を発生させないように構成されている。保持部材１１はビス１３で移動筐体１２に固定され、振動子５と一体をなしている。

２本のガイド部材１４を移動筐体１２に取り付けることで、超音波モーターは、ガイド部材１４上を直進移動することができる。レンズ１６は、レンズ保持部材１５に固定され、超音波モーターの移動方向と平行に光軸（不図示）を有する。レンズ保持部材１５は、超音波モーターと同様に、２本のガイド部材１４上を直進移動することで、焦点位置合わせを行う。２本のガイド部材１４は移動筐体１２とレンズ保持部材１５とを嵌合して、移動筐体１２とレンズ保持部材１５を直進移動可能にする部材である。このような構成で、移動筐体１２とレンズ保持部材１５はガイド部材１４上を直進移動することができる。

また、連結部材１７は、超音波モーターで発生した駆動力をレンズ保持部材１５へ伝達する部材であり、レンズ保持部材１５に嵌合して取り付けられる。これにより、レンズ保持部材１５は、移動筐体１２と共に滑らかに２本のガイド部材１４に沿って両方向に移動可能となる。

また、センサ１８は、レンズ保持部材１５の側面部に貼り付けられたスケール１９の位置情報を読み取ることで、ガイド部材１４上でのレンズ保持部材１５の位置を検出する。その検出値より超音波モーターの速度を演算し、不図時の制御部へ速度データをフィードバックするために設ける。

上記においては、光学機器として、一眼レフカメラ用の鏡筒装置について説明したが、レンズとカメラ本体が一体となったコンパクトカメラ、電子スチルカメラ等、カメラの種類を問わず、超音波モーターを備えた多様な光学機器に適用することができる。

次に、本発明の効果を実施例と比較例により具体的に説明する。

〔実施例１〕
有機系粒子（個数平均粒径５μｍ）のアクリル粒子を７０質量％添加：
まず、表１に示す組成のように、樹脂前駆体である二液性加熱硬化エポキシ接着剤（製品名：エポキシテクノロジー社製）を５０ｇ、個数平均粒径が５μｍの有機系粒子４として、弾性率が０．４８ＧＰａのアクリル粒子（積水化学工業製）を３５ｇ秤量する（接着剤１００質量部あたり有機系粒子７０質量部；７０質量％添加）。

これら秤量した接着剤と有機系粒子を遊星回転子方式の混合・分散装置（商品名：泡とり練太郎／シンキー製）の２５０ｍｌ専用容器中で分散させる。混合及び分散時間は５分間である。

前記調製した接着組成物を用いて、次工程の接着貼り合せ工程に移る。

前記接着組成物をディスペンサー塗布装置の５ｃｍ³のシリンジに入れ、振動板３の表面に一定量塗布し、前記接着組成物を塗布した振動板３を、圧電素子７（銀電極６（弾性率：１０ＧＰａ、厚さ：２μｍ）を有するＰＺＴ（長手方向：８．９ｍｍ、短手方向５．７ｍｍ、厚さ：０．４ｍｍ）と加圧力０．４５ＭＰａの加圧力で貼り合わせる。

前記振動板３と圧電素子７を加圧した状態で、恒温乾燥機に入れ、前記接着組成物の接着剤の硬化を行って、接着層を形成し本発明の振動子を得る。硬化時間は１２０℃で５５分間である。また、本例の接着層の平均膜厚は４．１μｍであった。

前記接着組成物の接着剤により振動板３と圧電素子７を接着した後、超音波探傷評価を行った。その結果、超音波画像に接着部の剥離を示す白色部は認められず、良好な接着であった。

次に超音波モーターのインピーダンス特性について評価を行った結果、規格を上回る良好な特性が得られた。得られた結果を表２に示す。

〔実施例２〕
有機系粒子（個数平均粒径１５μｍ）のアクリル粒子を７０質量％添加：
有機系粒子４であるアクリル粒子の個数平均粒径が１５μｍであること以外は、実施例１の接着剤組成と同じである。また、本例の接着層の平均膜厚は１４．２μｍであった。

得られた接着組成物の接着剤により振動板３と圧電素子７を接着した後、超音波探傷評価を行った。その結果、超音波画像に接着部の剥離を示す白色部は認められず、良好な接着であった。

次に超音波モーターのインピーダンス特性について評価を行った結果、規格を上回る良好な特性が得られた。得られた結果を表２に示す。

〔実施例３〕
有機系粒子（個数平均粒径１０μｍ）のエポキシ樹脂を５０質量％添加：
有機系粒子４として、弾性率が４．０ＧＰａ、平均個数粒径１０μｍで添加量が５０質量％のエポキシ樹脂を用いた。また、本例の接着層の平均膜厚は９．９μｍであった。

得られた接着組成物の接着剤により振動板３と圧電素子７を接着した後、超音波探傷評価を行った。その結果、超音波画像に接着部の剥離を示す白色部は認められず、良好な接着であった。

次に超音波モーターのインピーダンス特性について評価を行った結果、規格を上回る良好な特性が得られた。得られた結果を表２に示す。

〔実施例４〕
有機系粒子（個数平均粒径１５μｍ）のエポキシ樹脂を８０質量％添加：
有機系粒子４として、個数平均粒径が１５μｍで添加量が８０質量％であること以外は実施例３の接着組成と同じである。また、本例の接着層の平均膜厚は１４．８μｍであった。

得られた接着組成物の接着剤により振動板３と圧電素子７を接着した後、超音波探傷評価を行った。その結果、超音波画像に接着部の剥離を示す白色部は認められず、良好な接着であった。

次に超音波モーターのインピーダンス特性について評価を行った結果、規格を上回る良好な特性が得られた。得られた結果を表２に示す。

〔実施例５〕
圧電セラミックス２として、ジルコン酸チタン酸バリウムカルシウムを使用し、有機系粒子（個数平均粒径５μｍ）のアクリル粒子を７０質量％添加：
接着剤として、８０℃以内で硬化反応を開始するエポキシ／チオール系の一液性加熱硬化エポキシ接着剤（協立化学産業製）を使用した。有機系粒子４の混合及び分散工程、貼り合せ工程は実施例１と同様である。

前記振動板３と圧電セラミックス２を加圧した状態で、恒温乾燥機に入れ、接着組成物の接着剤の硬化を行って、本発明の振動子を得た。硬化時間は８０℃で３０分間である。

得られた接着組成物の接着剤により振動板３と圧電素子７を接着した後、超音波探傷評価を行った。その結果、超音波画像に接着部の剥離を示す白色部は認められず、良好な接着であった。

次に超音波モーターのインピーダンス特性について評価を行った結果、規格を上回る良好な特性が得られた。得られた結果を表２に示す。

〔比較例１〕
有機系粒子が無添加の場合：
有機系粒子４が無添加であること以外は、実施例１の接着剤組成と同じである。表１に組成を示す。また、本例の接着層の平均膜厚は１．３μｍであった。

得られた接着剤により振動板３と圧電素子７を接着した後、超音波探傷評価を行った。その結果、超音波画像に接着部の一部剥離を示す白色部が４０％認められ、ＮＧであった。

〔比較例２〕
有機系粒子（個数平均粒径３μｍ）のアクリル樹脂を７０質量％添加：
有機系粒子４として、個数平均粒径が３μｍ以外は実施例１の接着剤組成と同じである。また、本例の接着層の平均膜厚は１．８μｍであった。

得られた接着組成物の接着剤により振動板３と圧電素子７を接着した後、超音波探傷評価を行った。その結果、超音波画像に接着部の一部剥離を示す白色部が３５％認められ、ＮＧであった。

〔比較例３〕
有機系粒子（個数平均粒径１０μｍ）のアクリル樹脂を９０質量％添加：
有機系粒子４として、個数平均粒径が１０μｍ、添加量が９０質量％であること以外は実施例１と同じである。また、本例の接着層の平均膜厚は９．２μｍであった。

得られた接着組成物の接着剤により振動板３と圧電素子７を接着した後、超音波探傷評価を行った。その結果、超音波画像に接着部の一部剥離を示す白色部が１７％認められ、ＮＧであった。

次に超音波モーターのインピーダンス特性について評価を行った結果、超音波モーターの移動速度１００ｍｍ／ｓｅｃを下回り、ＮＧであった。得られた結果を表２に示す。

本発明の超音波モーターは、カメラ用のレンズなどに好適に使用することが出来る。

１ 接着層、２ 圧電セラミックス、３ 振動板、４ 有機系粒子、５ 振動子、６ 電極（電極層）、６１ 電極（電極層）、６２ 電極（電極層）、６３ 電極（電極層）７ 圧電素子、８ 樹脂、９ 接着剤、１０ 突起部、１１ 保持部材、１２ 移動筐体、１３ ビス、１４ ガイド部材、１５ レンズ保持部材、１６ レンズ、１７ 連結部材、１８ センサ、１９ スケール、２７ 給電部材、２８ 移動体

Claims (10)

1. 電極を具備した圧電セラミックスからなる圧電素子と、振動板との間に接着層を有する振動子であって、
   前記接着層が、樹脂に、個数平均粒径が５μｍ以上１５μｍ以下である有機系粒子を、前記樹脂１００質量部あたり５０質量部以上８０質量部以下の量で含有し、
   前記有機系粒子の弾性率が、前記樹脂の弾性率以下であることを特徴とする振動子。
2. 前記有機系粒子の弾性率が、前記電極の弾性率以下である請求項１に記載の振動子。
3. 前記有機系粒子の弾性率が０．４８ＧＰａ以上４．０ＧＰａ以下である請求項１又は２に記載の振動子。
4. 前記圧電セラミックスがチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動子。
5. 前記電極が銀電極である請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動子。
6. 前記樹脂が熱硬化性樹脂である請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動子。
7. 前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂又はアクリル樹脂である請求項６に記載の振動子。
8. 前記接着層の厚みが４．１μｍ以上１４．８μｍ以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動子と移動体とを摩擦接触させて移動を行う超音波モーター。
10. 請求項９に記載の超音波モーターと力学的に接続された光学部材とを有する光学機器。

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