JP2000139086A

JP2000139086A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2000139086A
Application number: JP10312419A
Authority: JP
Inventors: Shinya Matsuda; 伸也松田; Takashi Matsuo; 隆松尾
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1998-11-02
Publication date: 2000-05-16
Also published as: US6201340B1

Abstract

(57)【要約】【課題】例えば２つの圧電素子を互いに直交するよう
に配置し、各圧電素子を互いに位相差を有する交流信号
で駆動して、圧電素子の交差部に設けられたチップ部材
が楕円軌跡を描くように駆動する圧電アクチュエータに
おいて、一方の圧電素子を変位させる際、他方の圧電素
子からの反力をほとんど受けることはなく、チップ部材
が理想に近い所定の軌跡を描くように駆動する。【解決手段】チップ部材２０及びベース部材３０の第
１及び第２圧電素子１０，１０'と接合する部分に凹部
２３，２３'，３３，３３'を形成し、各凹部２３，２
３'，３３，３３'のほぼ中央で、かつ第１及び第２圧電
素子１０，１０'が交差する面に直交する方向に、上記
突起２１，２１'，３１，３１'を形成する。凹部２３，
２３'，３３，３３'に接着剤を充填し、第１及び第２圧
電素子１０，１０'の接合面を突起２１，２１'，３１，
３１'の先端と接触させた状態で接着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数（例えば２
つ）の圧電素子を互いに交差するように配置し、各圧電
素子に相互に位相のずれた駆動電圧を印加して各圧電素
子の交差部分に設けられたチップ部材を楕円運動させ、
駆動力を発生するいわゆるトラス型圧電アクチュエータ
の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、トラス型圧電アクチュエータ
として、例えば特開平８−２８９５７３号公報に記載さ
れたもの（第１従来例とする）や、特公平６−３６６７
３号公報に記載されたもの（第２従来例とする）が知ら
れている。

【０００３】第１従来例では、２つの圧電素子（第１圧
電素子及び第２圧電素子）とベース部材及び各圧電素子
とそれらの交差部分に設けられたチップ部材とを接着剤
等で固定している。一方、第２従来例では、２つの圧電
素子とチップ部材とを、各圧電素子の変位方向には剛
で、かつそれに直交する方向には柔な機構部材で接続し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第１従
来例では、第１圧電素子を変位させると、第２圧電素子
を横方向に曲げようとする力が働き、第１圧電素子は第
２圧電素子からの反力を受ける。ここで、各圧電素子と
ベース部材及びチップ部材とを剛性の高い接着剤で固定
すると、上記第２圧電素子からの反力により第１圧電素
子の変位が抑制され、出力が低下するという問題点を有
していた。一方、各圧電素子とベース部材及びチップ部
材とを剛性の低い接着剤で固定すると、各圧電素子を高
い振動数で変位させた場合、接着剤層により振動が吸収
され、出力が低下するという問題点を有していた。

【０００５】また、第２従来例では、上記機構部材の重
量により共振周波数が低下し、出力が低下すると共に、
機構部材の追加により共振状態に複数のモードが生じ、
制御が困難であるという問題点を有していた。

【０００６】本発明は、上記従来例の問題点を解決する
ためになされたものであり、制御が容易で、かつ出力の
低下が少ない圧電アクチュエータを提供することを目的
としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子を
互いに所定角度で交差するように配置し、各圧電素子を
互いに位相差を有する複数の駆動信号により駆動し、各
圧電素子の交差部分に設けられた駆動部材に所定の運動
を生じさせるものであって、各圧電素子と駆動部材及び
各圧電素子を保持する保持部材とを剛性の異なる複数の
部材を組み合わせて接合することを特徴とする。

【０００８】上記構成において、前記複数の部材を、剛
性の高い材料からなる突起及び剛性の低い材料からなる
接着剤層としても良い。また、前記突起と前記圧電素子
とを点接触又は線接触させるように構成しても良い。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の圧電アクチュエータの一
実施形態について説明する。まず、本実施形態で用いる
積層型圧電素子の構成を図１に示す。図１に示すよう
に、積層型圧電素子１０は、ＰＺＴ等の圧電特性を示す
複数のセラミック薄板１１と電極１２，１３を交互に積
層したものであり、各セラミック薄板１１と電極１２，
１３とは接着剤等により固定されている。１つおきに配
置された各電極群１２及び１３は、それぞれ信号線１
４，１５を介して駆動電源１６に接続されている。信号
線１４と１５の間に所定の電圧を印加すると、電極１２
と１３に挟まれた各セラミック薄板１１には、その積層
方向に電界が発生し、その電界は１つおきに同じ方向で
ある。従って、各セラミック薄板１１は、１つおきに分
極の方向が同じになる（隣り合う２つのセラミック薄板
１１の分極方向は逆となる）ように積層されている。

【００１０】駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電
極１２と１３の間に印加すると、全てのセラミック薄板
１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０全体として
伸縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる
領域では、各電極１２と１３の間に発生する電界と圧電
素子１０の変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことがで
きる。次に、駆動電源１６により交流の駆動電圧（交流
信号）を各電極１２と１３の間に印加すると、その電界
に応じて各セラミック薄板１１は同方向に伸縮を繰り返
し、圧電素子１０全体として伸縮を繰り返す。圧電素子
１０には、その構造や電気的特性により決定される固有
の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波数が圧
電素子１０の共振周波数と一致すると、インピーダンス
が低下し、圧電素子１０の変位が増大する。圧電素子１
０は、その外形寸法に対して変位が小さいため、低い電
圧で駆動するためには、この共振現象を利用することが
望ましい。

【００１１】次に、本実施形態の圧電アクチュエータの
構成を図２に示す。図２に示すように、２つの積層型圧
電素子（第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０'）を
略直角に交差させて配置し、それらの交差側端部にチッ
プ部材２０を接着剤により接合している。一方、第１及
び第２圧電素子１０，１０'の他端部をベース部材３０
に接着剤により接合している。第１及び第２圧電素子１
０，１０'をそれぞれ位相が９０度異なる交流信号で駆
動することにより、チップ部材２０を楕円軌道（円軌道
を含む）を描くように移動させることができる。なお、
第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０'は図１に示す
圧電素子１０と実質的に同一であり、第２圧電素子１
０'の各構成要素の符号にをそれぞれ（'）をつけて区別
する。

【００１２】このチップ部材２０を、例えば所定の軸の
周りに回転可能なロータの円筒面４０に押しつけると、
チップ部材２０の楕円運動（円運動を含む）をロータの
回転運動に変換することが可能となる。または、チップ
部材２０を、例えば棒状部材（図示せず）の平面部に押
しつけることにより、チップ部材２０の楕円運動を棒状
部材の直線運動に変換することが可能となる。さらに、
この圧電アクチュエータを複数配置して各圧電アクチュ
エータの変位を合成することにより、２軸又は３軸の運
動を実現することが可能となる。

【００１３】本実施形態では、一方の圧電素子１０又は
１０'が変位する際、他方の圧電素子からの反力を受け
ないようにするため、一方の圧電素子１０又は１０'が
変位すると、他方の圧電素子は力を受けた方向に回転す
るように構成されている。具体的には、チップ部材２０
及びベース部材３０と第１及び第２圧電素子１０，１
０'との接合面に突起２１，２１'，３１，３１'を形成
し、チップ部材２０及びベース部材３０と第１及び第２
圧電素子１０，１０'とを点接触又は線接触させ、突起
２１，２１'，３１，３１'の周囲を接着剤層２２，２
２'，３２，３２'で接着している。

【００１４】チップ部材２０及びベース部材３０と第１
及び第２圧電素子１０，１０'との接合方法を図３に示
す。まず、チップ部材２０及びベース部材３０の第１及
び第２圧電素子１０，１０'と接合する部分に、第１及
び第２圧電素子１０，１０'の変位方向に直交する方向
の断面とほぼ同形状の凹部２３，２３'，３３，３３'を
形成する。各凹部２３，２３'，３３，３３'の深さは、
接着剤層２２，２２'，３２，３２'の厚さと等しくなる
ようにする。さらに、各凹部２３，２３'，３３，３３'
のほぼ中央で、かつ第１及び第２圧電素子１０，１０'
が交差する面に直交する方向に、上記突起２１，２
１'，３１，３１'を形成する。各突起２１，２１'，３
１，３１'の先端は、チップ部材２０又はベース部材３
０の凹部２３，２３'，３３，３３'が形成されていない
部分と同じ高さとする。この凹部２３，２３'，３３，
３３'に接着剤を充填し、第１及び第２圧電素子１０，
１０'の接合面を突起２１，２１'，３１，３１'の先端
と接触させた状態で接着する。

【００１５】各凹部２３，２３'，３３，３３'及び突起
２１，２１'，３１，３１'の形成方法としては、例えば
金属材料を放電加工しても良いし、ダイキャスト等の精
密鋳造法を用いても良い。さらに、ＦＲＰ等の硬質樹脂
を射出成型しても良い。

【００１６】次に、本実施形態の動作を図４に示す。図
４において、（ａ）は第１圧電素子１０が縮み、第２圧
電素子１０'が伸びた状態を示し、（ｂ）は第１圧電素
子１０及び第２圧電素子１０'が共に伸びた状態を示
し、（ｃ）は第１圧電素子１０が伸び、第２圧電素子１
０'が縮んだ状態を示し、（ｄ）は第１圧電素子１０及
び第２圧電素子１０'が共に縮んだ状態を示す。

【００１７】例えば、図４（ａ）と（ｄ）とを比較する
第２圧電素子１０'が伸びると、第１圧電素子１０は、
第１圧電素子１０とチップ部材２０の接合面（特に突起
２１との接触部）において、その変位方向に直交する方
向の力を受ける。一方、。第１圧電素子１０とチップ部
材２０及びベース部材３０とは、それぞれ剛性の高い突
起２１，３１で線接触又は点接触するとともに、剛性の
低い接着剤層２２，３２で接合されている。従って、第
１圧電素子１０が上記力を受けると、接着剤層２２，３
２が変形し、突起３１を支点として、第１圧電素子１０
が力の作用方向に回転する。接着剤層２２は剛性が低く
容易に変形するので、第２圧電素子１０'が第１圧電素
子１０に及ぼす力の大部分は第１圧電素子１０の回転力
となり、第２圧電素子１０'は第１圧電素子からの反力
をほとんど受けない。同様のことは、図４（ｂ）及び
（ｃ）についても当てはまる。

【００１８】次に、第１及び第２圧電素子１０，１０'
の変位とチップ部材２０の運動の軌跡との関係を図５に
示す。本実施形態の圧電アクチュエータでは、一方の圧
電素子が変位しても他方の圧電素子からの反力をほとん
ど受けないので、以下に述べるような理想的な条件に近
い。

【００１９】まず、第１及び第２圧電素子１０，１０'
をそれぞれ位相差θを有する正弦波で駆動すると、それ
らの交差部分に配置されたチップ部材２０の座標（ｘ，
ｙ）は、角速度をω、時間をｔ、位相差をθ、各圧電素
子の振幅を１として、以下の式（１）及び（２）で表さ
れる。

【００２０】

【数１】ｘ＝ｓｉｎωｔ・・・（１）ｙ＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ）・・・（２）図２に示すようにロータ４０を回転させる場合、第１及
び第２圧電素子１０，１０'のなす角の２等分線上にロ
ータ４０の回転軸が存在するので、この線分（ロータ４
０の法線方向）を横軸Ｐ（Ｐ軸）、これに直交する線分
（ロータ４０の接線方向）を縦軸Ｑ（Ｑ軸）とする座標
系に変換すると、チップ部材２０の座標（ｐ，ｑ）は、
以下の式（３）及び（４）で表される。

【００２１】

【数２】ｐ＝（ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋ｓｉｎωｔ）／√２・・・（３）ｑ＝（ｓｉｎ（ωｔ＋θ）−ｓｉｎωｔ）／√２・・・（４）上記式（３）及び（４）からωｔを消去すると以下の式
（５）のようになる。

【００２２】

【数３】ｐ²／２ｃｏｓ²（θ／２）＋ｑ²／２ｓｉｎ²（θ／２）＝１・・・（５）このように、チップ部材２０の軌跡は、Ｐ軸の切片が±
√２ｃｏｓ（θ／２）、Ｑ軸の切片が±√２ｓｉｎ（θ
／２）の楕円となる。位相差θを変化させると、図５に
示すように、この楕円は正方形に内接しながら変化す
る。位相差θ＝π／２＝９０度とすると、チップ部材２
０の軌跡は円になる。

【００２３】なお、参考までに、上記第１の従来例にお
ける２つの圧電素子の変位とチップ部材の運動の軌跡と
の関係についても考察する。

【００２４】上記第１従来例では、一方の圧電素子を変
位させると、他方の圧電素子はその変位方向と直交する
方向に力を受ける。圧電素子が力を受けると、正の圧電
効果により力の作用する方向に電圧を発生し、当該力の
作用する方向には変形しにくくなる。また、圧電素子自
体や圧電素子とチップ部材やベース部材と固定するため
の接着剤等は弾性を有するため、これらも圧電素子の変
形を抑制する働きをする。

【００２５】圧電素子の変位がその外形寸法に対して十
分に小さい場合、上記圧電素子の変形を抑制しようとす
る抵抗力は、圧電素子の変位量に反比例するとみなすこ
とができる。この場合、圧電素子の変位は駆動電圧に比
例して正弦波を保ち、２つの圧電素子間での差も生じな
いため、チップ部材の運動の軌跡は、上記理想的な場合
よりも半径の小さな円形となる。抵抗力の寄与率をαと
して、上記式（１）及び（２）は、以下の式（６）及び
（７）のように変形される。

【００２６】

【数４】ｘ＝ｓｉｎωｔ−αｓｉｎωｔ＝（１−α）ｓｉｎωｔ・・・（６）ｙ＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ）−αｓｉｎ（ωｔ＋θ）＝（１−α）ｓｉｎ（ωｔ＋ θ）・・・（７）一方、圧電素子に電界をかけると、圧電素子はその電界
方向に伸縮するだけでなく、電界方向に直交する方向に
も変形する。圧電素子が伸びる場合、圧電素子の変位方
向に直交する方向の断面積は減少する。逆に、圧電素子
が縮む場合、圧電素子の変位方向に直交する方向の断面
積は増加する。圧電素子の変位方向に直交する方向の断
面積が変化すると、その曲げ剛性が変化し、断面積が大
きくなると曲がりにくくなり、断面積が小さくなると曲
がりやすくなる。曲げ剛性を表す断面２次モーメントＩ
は以下の式（８）で表される。なお、ｒは断面の各辺の
長さを示す。

【００２７】

【数５】Ｉ＝ｒ⁴／１２・・・（８）２つの圧電素子をそれぞれ位相差を有する２つの交流信
号で駆動する場合、各圧電素子間では、この変位方向に
直交する方向の断面積の変化による影響の度合が異な
る。すなわち、先に駆動される第１圧電素子は、他方の
第２圧電素子が縮んでいる時に伸び、第２圧電素子は第
１圧電素子が伸びている時に伸びる。同様に、第１圧電
素子は第２圧電素子が伸びているときに縮み、第２圧電
素子は第１圧電素子が縮んでいるときに縮む。

【００２８】圧電素子の変形による曲げ剛性の変化は微
小であるため、その変化を線形であるとみなすと、他方
の圧電素子の影響を考慮した時のチップ部材の座標
（ｘ，ｙ）は、以下の式（９）〜（１２）で表される。
なお、他の圧電素子の寄与率をβ、０≦ωｔ＜２πとす
る。

【００２９】

【数６】０≦ωｔ＜πの場合、ｘ＝ｓｉｎωｔ＋βｓｉｎ（ωｔ＋θ）・・・（９） π≦ωｔ＜２πの場合、ｘ＝ｓｉｎωｔ−βｓｉｎ（ωｔ＋θ）・・・（１０）０≦ωｔ＜π／２及び３π／２≦ωｔ＜２πの場合、ｙ＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ）＋βｓｉｎωｔ・・・（１１） π／２≦ωｔ＜３π／２の場合、ｙ＝ｓｉｎ（ωｔ＋θ）−βｓｉｎωｔ・・・（１２）次に、上記本実施形態の圧電アクチュエータ及び第１従
来例の圧電アクチュエータに関する第１及び第２の圧電
素子の変位及びチップ部材の軌跡の比較を図６に示す。
図６において、（ａ）は本実施形態の圧電アクチュエー
タにおける第１圧電素子１０の変位、（ｂ）はその第２
圧電素子１０'の変位、（ｃ）はチップ部材２０の軌跡
を示す。また、（ｄ）における実線は第１従来例の第１
圧電素子の変位、（ｅ）における実線はその第２圧電素
子の変位、（ｆ）における実線はそのチップ部材の軌跡
を示す。なお、各図における点線は理想状態の場合の変
位又は軌跡を示す。

【００３０】図６（ｄ）及び（ｅ）に示すように、第１
圧電素子は、第２圧電素子が伸びている区間（０〜π／
２及び３π／２〜２π）では理想状態よりも変位が増加
し、第２圧電素子が縮んでいる区間（π／２〜３π／
２）では理想状態よりも変位が減少している。一方、第
２圧電素子は、第１圧電素子が伸びている区間（０〜
π）では理想状態よりも変位が増加し、第１圧電素子が
縮んでいる区間（π〜２π）では理想状態よりも変位が
減少している。図６（ｆ）に実線で示すように、両者の
変位を合成したチップ部材の軌跡は、理想的な円形から
ずれた異形を示す。チップ部材の軌跡がこのような形状
を示す場合、チップ部材とロータ等が接触している時間
が短いため、トルク不足となる。また、チップ部材の軌
跡はロータの放線方向に対して直線的な形状をしている
ため、チップ部材がロータに接触（衝突）する時の速度
が速く、振動や衝突音の発生、材料の摩耗等の問題が発
生する。

【００３１】これに対して、本実施形態の圧電アクチュ
エータでは、一方の圧電素子が変位しても他方の圧電素
子からの影響をほとんど受けないので、図６（ａ）〜
（ｃ）に示すように、第１及び第２圧電素子１０，１
０'の変位及びチップ部材２０の軌跡はそれぞれ理想状
態に近く、上記第１従来例のような問題は生じない。

【００３２】なお、上記実施形態では、突起２１，２
１'，３１，３１'をチップ部材２０及びベース部材３０
に各凹部２３，２３'３３，３３'を形成する際に、チッ
プ部材２０及びベース部材３０と一体的に形成したが、
これに限定されるものではなく、突起２１，２１'，３
１，３１'をワイヤー等の別部材により構成しても良
い。その場合、突起２１，２１'，３１，３１'の寸法管
理等が容易になり、接着剤層２２，２２'，３２，３２'
の厚さを一定にすることが容易になる。また、１つの圧
電素子に複数の方向から力が加わる場合、突起２１，２
１'，３１，３１'を球状にしても良い。この場合、突起
２１，２１'，３１，３１'としてビーズ等を用いること
ができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電アク
チュエータによれば、複数の圧電素子を互いに所定角度
で交差するように配置し、各圧電素子を互いに位相差を
有する複数の駆動信号により駆動し、各圧電素子の交差
部分に設けられた駆動部材（チップ部材）に所定の運動
を生じさせるものであって、各圧電素子と駆動部材及び
各圧電素子を保持する保持部材（ベース部材）とを剛性
の異なる複数の部材（突起及び接着剤層）を組み合わせ
て接合するので、一方の圧電素子を変位させる際、他方
の圧電素子からの反力をほとんど受けることはなく、駆
動部材が設計基準に近い所定の軌跡を描くように駆動す
ることができ、エネルギーロス等による出力低下の小さ
い圧電アクチュエータを提供することが可能となる。ま
た、駆動部材は設計基準に近い理想的な軌跡を描くの
で、駆動部材と被駆動部材（ロータ等）とが衝突する際
の騒音や振動の少ない安定した出力を得ることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電アクチュエータの一実施形態に
おいて用いる積層型圧電素子の構成を示す図である。

【図２】上記一実施形態における圧電アクチュエータ
の構成を示す図である。

【図３】上記一実施形態におけるチップ部材及びベー
ス部材と圧電素子との接合方法を示す図である。

【図４】上記一実施形態の動作を示す図であり、
（ａ）は第１圧電素子が縮み、第２圧電素子が伸びた状
態、（ｂ）は第１圧電素子及び第２圧電素子が共に伸び
た状態、（ｃ）は第１圧電素子が伸び、第２圧電素子が
縮んだ状態、（ｄ）は第１圧電素子及び第２圧電素子が
共に縮んだ状態を示す。

【図５】上記一実施形態における第１及び第２圧電素
子の変位とチップ部材の運動の軌跡との関係を示す図で
ある。

【図６】上記一実施形態の圧電アクチュエータ及び第
１従来例の圧電アクチュエータに関する第１及び第２の
圧電素子の変位及びチップ部材の軌跡の比較を示す図で
あり、（ａ）は本実施形態の圧電アクチュエータにおけ
る第１圧電素子の変位、（ｂ）はその第２圧電素子の変
位、（ｃ）はチップ部材の軌跡を示す。また、（ｄ）に
おける実線は第１従来例の第１圧電素子の変位、（ｅ）
における実線はその第２圧電素子の変位、（ｆ）におけ
る実線はそのチップ部材の軌跡、各図における点線は理
想状態の場合の変位又は軌跡を示す。

【符号の説明】

１０：第１圧電素子１０'：第２圧電素子１１：セラミック薄板１２，１３：電極１４，１５：信号線１６：駆動電源２０：チップ部材２１，２１'，３１，３１'：突起２２，２２'，３２，３２'：接着剤層２３，２３'，３３，３３'：凹部３０：ベース部材４０：ロータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の圧電素子を互いに所定角度で交差
するように配置し、各圧電素子を互いに位相差を有する
複数の駆動信号により駆動し、各圧電素子の交差部分に
設けられた駆動部材に所定の運動を生じさせるものであ
って、各圧電素子と駆動部材及び各圧電素子を保持する
保持部材とを剛性の異なる複数の部材を組み合わせて接
合したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】前記複数の部材は、剛性の高い材料から
なる突起及び剛性の低い材料からなる接着剤層であるこ
とを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】前記突起と前記圧電素子とは点接触又は
線接触することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電
アクチュエータ。