JP2001112274A

JP2001112274A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2001112274A
Application number: JP28638699A
Authority: JP
Inventors: Yoko Suzuki; 陽子鈴木; Kazuo Tani; 和夫谷; Shige Sato; 樹佐藤; Seiji Watanabe; 聖士渡辺; Takeshi Suzuki; 毅鈴木
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-04-20
Anticipated expiration: 2019-10-07
Also published as: JP3926523B2

Abstract

(57)【要約】【課題】変位機構部の共振周波数や駆動周波数の揺ら
ぎに対しても、安定した動作が可能な圧電アクチュエー
タを提供すること。【解決手段】この圧電アクチュエータ１００は、回転
軸１１０と、変位機構部１２３をもつ支持体１２０と、
回転体１３０と、回転体１３０と支持体１２０との接触
を一定加圧で保持するバネ１４０とから構成されてい
る。この圧電素子１２２を貼設された変位機構部１２３
は振動子の形状がそれぞれ異なるので、各変位機構部の
共振周波数もそれぞれ異なる。その結果、同一の共振周
波数を有する変位機構部によって構成される圧電アクチ
ュエータより可動周波数範囲が拡大できることから、変
位機構部の共振周波数や駆動周波数の揺らぎにも安定し
た動作が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、移動体の駆動が
容易に行える圧電アクチュエータの構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な圧電アクチュエータとして、駆
動源に圧電素子を用い、弾性体よりなる振動体の表面に
移動体を加圧接触させて駆動するものが知られている。
その一例として、超音波モータや物体を移動させるマイ
クロモータ（特許出願公開番号・特開平７−１８４３８
２）があげられる。

【０００３】このような圧電アクチュエータの動作原理
は次の通りである。駆動用に分極された圧電素子を振動
体の一方の面に設け、圧電素子に周期的に電界を印加す
る。これにより縦振動および撓み振動が励起し、振動体
全体へと伝搬され、印加電界の位相差から移動体に進行
波として伝わる。この進行波は、振動体の厚みにより横
方向の運動に変換され、振動体表面に楕円運動を起こ
す。移動体を振動体に加圧接触して設置することによ
り、移動体と振動体間の摩擦力が振動体表面の横方向運
動を移動体へ伝え、移動体が運動する。

【０００４】このような従来の圧電アクチュエータは、
構造が簡単アクチュエータサイズに対して発生力が
大きい応答性に優れる非磁性材料で構成できる等の
特徴を持つ。その一方で、従来の圧電アクチュエータで
は、振動体の上下振動振幅値が数ミクロンと極めて小さ
な値であるために、振幅が最大値になる状態すなわち振
動子の共振状態で振動体と移動体を接触させて機械出力
を取り出すことが重要であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
圧電アクチュエータや超音波モータでは、効率よく機械
出力を取り出すため、振動体の振幅が大きくなる振動子
の共振現象を用いる。このため、駆動周波数が特定の狭
い範囲内に限定されてしまい、駆動周波数の揺らぎが動
作に大きく影響を与えるという問題があった。また、変
位機構部を構成する圧電素子は周囲環境、特に温度によ
り、その共振周波数が変化する特性がある。このため、
一定の駆動周波数で駆動した場合でも、変位機構部の共
振周波数が変化し、圧電アクチュエータの動作が変化し
てしまうという問題があった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記に
鑑みてなされたものであって、可動周波数の範囲を拡大
し、変位機構部の共振周波数や駆動周波数の揺らぎに対
しても、安定した動作が可能な圧電アクチュエータを提
供することを目的とする。上述の目的を達成するため
に、本発明においては、複数ある変位機構部を構成する
振動子および圧電素子の形状、材質（密度、剛性等）、
調質処理（表面処理を含む）、固定場所や方法等を変位
機構部によって変えることで、全ての変位機構部の共振
周波数を同一にしない構成とする。そのため、複数の変
位機構部で構成される圧電アクチュエータの可動周波数
の範囲が拡大でき、安定した動作が可能となる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。（実施の形態１）図１はこの発明の実施の形態１に係る
圧電アクチュエータの組立図であり、図２は本実施の形
態での支持部の詳細な説明図である。

【０００８】この圧電アクチュエータ１００は、回転軸
１１０と、Ｌ字形状の振動子１２１をもつ支持体１２０
と、回転体１３０と、回転体１３０と支持体１２０との
接触を一定加圧で保持するバネ１４０とから構成されて
いる。変位機構部１２３は振動子１２１とそれに貼設さ
れた圧電素子１２２とから構成され、圧電素子１２２は
貼設面と反対の面に電極１２４が設けられている。支持
体１２０に３つある変位機構部１２３は１２３ａ、１２
３ｂ、１２３ｃの順に長手方向の寸法が小さくなるよう
構成してある。また、各変位機構部１２３に貼設された
圧電素子１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃは同じ形状、大
きさである。なお、支持体１２０に構成される変位機構
部の数は３に限定されるものではない。

【０００９】電極１２４は電線等を介して駆動回路１５
０に接続されている。駆動回路１５０は制御回路１６０
に接続され、制御回路１６０より入力された信号を増幅
して圧電素子１２２に入力する。制御回路１６０は接点
を通して接地されている。支持体１２０は接点１２５を
通して接地されている。また、バネ１４０は、中心部１
４１および梁部１４２が外周部１４３より薄い構造であ
る。そのため中心部１４１を回転軸１１０と接合するこ
とで、梁部１４２が弾性変形し、外周部１４３が回転体
１３０を支持体１２０の方向へ加圧する力を発生させ
る。このため、支持体１２０と回転体１３０とは安定し
た密着性が得られる。

【００１０】交流電圧を印加したとき、変位機構部１２
３が振動する挙動について図３に示す。圧電素子１２２
に交流電圧が印加されると圧電素子１２２は伸縮を発生
するが、貼設されている変位機構部１２３が自由端を有
するため、この伸縮は圧電素子１２２と変位機構部１２
３とを含めた屈曲力となってあらわれる。変位機構部１
２３は入力する交流電圧の印加条件によって微小な変位
及び力の混在する振動を発し、縦振動と楕円運動を励起
する。変位機構部１２３の自由端では、振動振幅の絶対
値が最大となるので、変位機構部１２３から回転体１３
０に摩擦力を介して運動が伝わる。そのため、回転体１
３０の移動方向は図３における楕円運動の横方向成分に
よって決まる。

【００１１】また、より大きな回転力を得るため、変位
機構部１２３の振動振幅を大きくする必要がある。その
ため、圧電素子に印加する電圧の周波数は、変位機構部
１２３の共振周波数に近いことが望ましい。この変位機
構部の共振周波数は、変位機構部を構成する振動子およ
び圧電素子の形状、密度および剛性や、振動子と圧電素
子の相対位置関係、変位機構部の支持位置や方法等によ
って定まる。本実施の形態における圧電素子１２２ａ、
１２２ｂおよび１２２ｃの共振周波数を決定する要因は
同じであるが、振動子１２１ａ、１２１ｂおよび１２１
ｃの要因（形状）はそれぞれ異なる。そのため、変位機
構部１２３ａ、１２３ｂおよび１２３ｃの共振周波数
は、それぞれ異なる。

【００１２】本実施の形態では回転体１３０にはステン
レス鋼材を用いたが、他にベリリウム銅、リン青銅、黄
銅、ジュラルミン、チタン、シリコン材などを用いても
良い。変位機構部１２３の一つの面にはＰＺＴ（ジルコ
ンチタン酸鉛）からなる圧電素子１２２が貼設されてい
る。なお、本実施の形態では圧電素子１２２にＰＺＴを
用いたが、他にチタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム等
の圧電性を有する材料を用いても良い。

【００１３】図４に駆動周波数に対する各変位機構部１
２３の自由端での振動振幅を示す。各変位機構部１２３
はそれぞれ共振周波数が異なるため、ある駆動周波数で
の振動振幅はそれぞれ異なる。各変位機構部の振動振幅
の総和が一定値以上となる場合、回転体１３０の運動が
可能となるため、可動周波数は一定の範囲を有する。図
４（ａ）に示すように、複数の変位機構部１２３の共振
周波数が同一である場合、可動周波数範囲は狭い。この
ため、変位機構部１２３の共振周波数がそれぞれわずか
な差を持つよう設定した場合、可動周波数範囲を拡大す
ることが可能である（図４（ｂ））。しかも、圧電素子
１２２は周囲の温度等により共振周波数が変化し、それ
に追従して変位機構部の共振周波数も変化する。このた
め、可動周波数範囲を大きくすることで、同一の共振周
波数を有する変位機構部によって構成される圧電アクチ
ュエータより、安定した動作が可能となる。（実施の形態２）図５は、この発明の実施の形態２に係
る圧電アクチュエータの構成のうち変位機構部２２３
ａ、２２３ｂ、２２３ｃを含む支持体２２０を示す図で
ある。その他の構成は前述した実施の形態１と同様であ
る。

【００１４】本実施の形態における振動子２２１ａ、２
２１ｂ、２２１ｃは同一の形状、材質で作られているた
め、個々の振動子の共振周波数は同一である。しかし、
振動子２２１ａ、２２１ｂ、２２１ｃにそれぞれ貼設さ
れた圧電素子２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃは、その順
で長さが短くなる。そのため、振動子２２１ａ、２２１
ｂ、２２１ｃと圧電素子２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃ
から構成される変位機構部２２３ａ、２２３ｂ、２２３
ｃはそれぞれ共振周波数が異なる。以上より、前述実施
の形態１と同様に駆動周波数の拡大が実現でき、圧電ア
クチュエータの安定した動作が可能となる。（実施の形態３）図６は、この発明の実施の形態３に係
る圧電アクチュエータの構成のうち変位機構部３２３
ａ、３２３ｂ、３２３ｃを含む支持体３２０を示す図で
ある。その他の構成は前述した実施の形態１と同様であ
る。

【００１５】本実施の形態における振動子３２１ａ、３
２１ｂ、３２１ｃと圧電素子３２２ａ、３２２ｂ、３２
２ｃはそれぞれ同一の形状、材質で作られているため、
個々の振動子および圧電素子の共振周波数は同一であ
る。しかし、変位機構部３２３ａ、３２３ｂ、３２３ｃ
は、その順で圧電素子３２２が振動子３２１の固定端か
らの距離を短く貼設されている。このため、構成される
変位機構部３２３ａ、３２３ｂ、３２３ｃは、それぞれ
の共振周波数が異なる。以上より、前述実施の形態１お
よび２と同様に駆動周波数の拡大が実現でき、圧電アク
チュエータの安定した動作が可能となる。（実施の形態４）図７は、この発明の実施の形態４に係
る圧電アクチュエータの構成のうち変位機構部４２３
ａ、４２３ｂ、４２３ｃを含む支持体４２０ａ、４２０
ｂを示す図である。その他の構成は前述した実施の形態
１と同様である。

【００１６】本実施の形態における変位機構部４２３ａ
と４２３ｂは同一支持体上に、変位機構部４２３ｃは別
の支持体上に形成されている。また、支持体４２０ａ、
４２０ｂを支持する固定位置４２６ａ、４２６ｂも同一
半径上に存在する。変位機構部４２３ａ、４２３ｂ、４
２３ｃを構成する振動子４２１ａ、４２１ｂ、４２１ｃ
と圧電素子４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃはそれぞれ同
一の形状、材質で作られている。この変位機構部を構成
する支持体４２０ａ、４２０ｂは別の材料で作製されて
いる。このため、構成される変位機構部４２３ａ、４２
３ｂは同一の共振周波数が得られるものの、変位機構部
４２３ｃについては他の変位機構部と異なる共振周波数
を有する。このため、前述実施の形態１〜３と同様に駆
動周波数の拡大が実現でき、圧電アクチュエータの安定
した動作が可能となる。

【００１７】なお、支持体４２０ａ、４２０ｂを同一材
質で作製し、その後どちらかの支持体にアニール等の調
質工程を行うことで、材料の特性を変化させることが可
能である。そのため、変位機構部４２３の共振周波数を
それぞれ変えることができ、前述同様の効果が期待でき
る。また、固定位置４２６ａ、４２６ｂの支持方法を変
える、例えば異なる接着剤を使用する等により、変位機
構部４２３ａ、４２３ｂ、４２３ｃの共振周波数を変え
ることが可能である。（実施の形態５）図８は、この発明の実施の形態５に係
る圧電アクチュエータの構成のうち変位機構部５２３
ａ、５２３ｂ、５２３ｃを含む支持体５２０ａ、５２０
ｂを示す図である。その他の構成は前述した実施の形態
１と同様である。

【００１８】本実施の形態における変位機構部５２３ａ
と５２３ｂは同一支持体上に、変位機構部５２３ｃは別
の支持体上に形成されている。変位機構部５２３ａ、５
２３ｂ、５２３ｃを構成する振動子５２１ａ、５２１
ｂ、５２１ｃと圧電素子５２２ａ、５２２ｂ、５２２ｃ
はそれぞれ同一の形状、材質で作られている。また、支
持体５２０ａ、５２０ｂを支持する固定位置５２６ａ、
５２６ｂがそれぞれに異なる。このため、構成される変
位機構部５２３ａ、５２３ｂは同一の共振周波数が得ら
れるものの、変位機構部５２３ｃについては他の変位機
構部と異なる共振周波数を有する。このため、前述実施
の形態１〜４と同様に駆動周波数の拡大が実現でき、圧
電アクチュエータの安定した動作が可能となる。

【００１９】また、同一形状、材質の振動子５２１およ
び圧電素子５２２でも、圧電素子の貼設方法を変える、
例えば接合方法や接着剤をそれぞれの変位機構部で変更
することで、変位機構部５２３の共振周波数を変えるこ
とが可能である。（実施の形態６）図９は、この発明の実施の形態６に係
る圧電アクチュエータを示す組立図である。この圧電ア
クチュエータ６００は、移動体６３０が直線に移動する
よう変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃを配置し
たものである。この圧電アクチュエータ６００は、変位
機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃを有した支持体６
２０と移動体６３０とから構成されている。変位機構部
６２３ａと６２３ｃは振動子６２１が同形状であるが、
圧電素子６２２の大きさが異なる。また、変位機構部６
２３ａおよび６２３ｃと６２３ｂとは振動子の形状およ
び圧電素子６２２の大きさがともに異なる。

【００２０】本実施の形態の圧電アクチュエータ６００
は環境の変化等による共振周波数の変化を能動的に追従
するため、圧電素子６２２は切替回路６７０を介してセ
ンシング回路６８０および駆動回路６５０と接続されて
いる。さらにセンシング回路６８０の出力が制御回路６
６０へ、制御回路６６０の出力が駆動回路６５０へ入力
されるように、接続している。

【００２１】駆動回路６５０が出力する交流電圧が切替
回路６７０によって圧電素子６２２ａ、６２２ｂに接続
されると、圧電素子６２２ａ、６２２ｂの伸縮によって
変位機構部６２３ａ、６２３ｂに振動が発生する。この
振動は移動体６３０および支持体６２０に伝わり、変位
機構部６２３ｃに振動を励起する。変位機構部６２３ｃ
には圧電素子６２２ｃが貼設されており、誘起された変
位機構部６２３ｃの振動により圧電素子６２３ｃには起
電力が発生する。発生した起電力は切替回路６７０ｃに
よってセンシング回路６８０に接続されることにより、
制御回路６６０を通して駆動回路６５０が出力する周波
数を制御することが可能となる。駆動周波数のセンシン
グが必要な時のみに、上記の動作が行われる。

【００２２】変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃ
の振動振幅それぞれ、駆動回路６５０から入力される交
流電圧の周波数と変位機構部の共振周波数との関係が一
定になったときに最大になる。共振周波数は圧電素子６
２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃそれぞれの特性によって決
まるが、加えて変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３
ｃとの貼設状態、移動体６３０との接触状態、環境温度
等によって微妙に変化する。共振周波数の変化により入
力される交流電圧の周波数との関係が一定でなくなると
変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃの振動振幅は
小さくなる。したがって本実施の形態の回路構成による
と、変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃの振動振
幅により圧電素子６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃに誘起
される起電力の最大値が変化するため、センシング用回
路において圧電素子６２２ａ、６２２ｂ、６２２ｃに誘
起された起電力の振幅を検出し、常に振幅がピークの値
となるように制御回路６６０を通して駆動回路６５０が
出力する交流電圧の周波数を変化させ、駆動する交流電
圧の周波数と共振周波数との関係を一定に保つことが可
能となる。

【００２３】しかし、共振周波数を追尾するためには、
変位機構部６２３ａ、６２３ｂ、６２３ｃの出力電圧値
の極大値を追尾する必要があるが、駆動周波数が共振周
波数から高周波側にずれても低周波側にずれても、電圧
は同様に低下するため、周波数を高低どちらに制御すべ
きか判断できない（図１０（ａ））。そこで、例えばセ
ンシング回路６８０と接続する圧電素子を６２２ｂから
６２２ｃへ、切替回路６７０ｂ、６７０ｃを用いて切り
替える。これにより、図１０（ｂ）に示すように、セン
シングする周波数をセンシングする変位機構部の共振周
波数から離すことで、振動振幅の増減により、共振周波
数の移動方向が明らかになる。そのため、駆動周波数の
制御方向が明らかになり、制御速度の高速化が可能とな
る。なお、このような制御速度の高速化には、各変位機
構部６２３ａ，６２３ｂ，６２３ｃの共振周波数の高低
関係もしくは駆動周波数での振動振幅をあらかじめ求め
ておく必要がある。また一例として、変位機構部６２３
ａ，６２３ｂ，６２３ｃの共振周波数が６２３ａ＜６２
３ｂ＜６２３ｃの場合の詳細な制御方法を図１１に示
す。この制御方法は振幅について一定の基準値Ｘを設
け、各変位機構部の振動振幅と比較する事により駆動周
波数ｆの制御を行うものである。そのため、圧電アクチ
ュエータの応答性および制御性に応じて、駆動周波数の
増分△ｆおよび制御回路６５０の処理速度を適宜決定す
る必要がある。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の圧電ア
クチュエータによれば、複数ある変位機構部および圧電
素子の形状もしくは大きさに差をつけることで、各変位
機構部の共振周波数が異なる。このことから、圧電アク
チュエータの可動周波数の範囲を拡大でき、共振周波数
の揺らぎの影響を受けない安定した動作が可能となる。

【００２５】また、センシング回路および切替回路を付
設することで、共振周波数の揺らぎを能動的に追従でき
る。その結果、可動周波数の範囲をさらに拡大でき、動
作の安定性がより向上できる。さらに、複数ある圧電素
子にそれぞれ駆動回路もしくは制御回路を設けずに安定
した動作が得られるため、圧電アクチュエータ構成の小
型化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る圧電アクチュエ
ータを示す組立図である。

【図２】図１に示した支持体を示す拡大説明図である。

【図３】この発明の圧電アクチュエータの駆動原理を示
す説明図である。

【図４】この発明の可動周波数の範囲を示す説明図であ
る。

【図５】この発明の支持体を示す拡大説明図である。

【図６】この発明の支持体を示す拡大説明図である。

【図７】この発明の支持体を示す拡大説明図である。

【図８】この発明の支持体を示す拡大説明図である。

【図９】この発明の実施の形態２に係る圧電アクチュエ
ータを示す組立図である。

【図１０】この発明の駆動周波数の制御方向を示す説明
図である。

【図１１】この発明の駆動周波数の制御方法を示す説明
図である。

【符号の説明】

１００、６００圧電アクチュエータ１１０回転軸１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０
支持体１２１、２２１、３２１、４２１、５２１、６２１
振動子１２２、２２２、３２２、４２２、５２２、６２２
圧電素子１２３、２２３、３２３、４２３、５２３、６２３
変位機構部１２４電極１２５電極４２６、５２６固定位置１３０回転体１４０バネ１４１中央部１４２梁部１４３外周部１５０、６５０駆動回路１６０、６６０制御回路６３０移動体６７０切替回路６８０センシング用回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤樹千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者渡辺聖士千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者鈴木毅千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA19 BB01 BB13 BB16 BB20 CC02 DD01 DD15 DD23 DD53 DD66 DD73 DD82 DD92 EE24 FF08 FF26 FF30 GG02 GG23 GG24 GG26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自由端部を有する振動子の一方の面に圧
電素子が貼設され他方の面に移動体が接触する変位機構
部を複数備えることを特徴とした圧電アクチュエータに
おいて、前記複数の変位機構部のうち少なくとも一つの変位機構
部の共振周波数が他の変位機構部の共振周波数と異なる
ものがあることを特徴とした、圧電アクチュエータ。
【請求項２】自由端部を有する振動子の一方の面に圧
電素子が貼設され他方の面に移動体が接触する変位機構
部を複数備えることを特徴とした圧電アクチュエータに
おいて、前記複数の変位機構部の共振周波数が全て異なることを
特徴とした、圧電アクチュエータ。
【請求項３】前記圧電素子が発電した電圧の振幅をセ
ンシングする回路を有することを特徴とした、請求項１
もしくは２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】特定の圧電素子に駆動回路とセンシング
用回路を選択的に接続する切替手段を有することを特徴
とした、請求項３に記載の圧電アクチュエータ。