JP2003340371A

JP2003340371A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2003340371A
Application number: JP2002156760A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Kosaka; 秀明高坂
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2003-12-02

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の第一の課題は、リード線が共振現象
を起こす事により、圧電アクチュエータの振幅が低下す
るのを防止する事であり、また、第二の課題は、リード
線の破断を防止することである。さらに、本発明の第三
の課題は、圧電アクチュエータの振幅特性と応答性を調
整するために有効なＱｍの調整手段を提供する事であ
る。【解決手段】金属板の片面、または両面に、表裏面に
電極を形成した圧電セラミック矩形板を接着し、前記金
属板の一端を固定部に固着して、金属板と前記圧電セラ
ミックスの電極間に交流電圧を印加して、前記金属板の
他端に発生する振動振幅を利用する圧電アクチュエータ
において、交流電圧を印加するリード線が前記圧電セラ
ミック矩形板の電極上に固着し、弾性を有する樹脂を用
いて表面に柔軟に接着した構造を特徴とする圧電アクチ
ュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、片持ち梁構造の圧
電アクチュエータ（例えば、ユニモルフ型圧電アクチュ
エータ、バイモルフ型圧電アクチュエータ、マルチモル
フ型圧電アクチュエータおよび音叉型圧電アクチュエー
タ等）に関し、特に圧電アクチュエータにその共振周波
数近傍の交流電圧を印加して、共振現象で発生する大き
な振動振幅を利用する圧電アクチュエータの構造に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】金属の弾性板と圧電セラミック矩形板を
接着した、片持ち梁構造の圧電アクチュエータは、構造
が単純で、１００ボルト程度の電圧印加で約１ｍｍの大
きな変位量が容易に得られるので、工業用編み機の選針
装置や盲人用点字触覚ディスプレイ等のアクチュエータ
として実用化が進んでいる。

【０００３】また、近年、圧電アクチュエータの共振現
象で得られる大振幅を、焦電センサのチョッパーリング
や電界強度の測定に用いる検討もなされている。ここで
は、比較的変位量が大きなバイモルフ型圧電アクチュエ
ータを例に、従来技術を説明する。

【０００４】図３に、従来のバイモルフ型圧電アクチュ
エータ２１を示す。圧電セラミック矩形板３及び３’
が、金属板２と接着剤で接着一体化されており、交流電
圧印加のための接着面側の導通は圧電セラミックスの電
極面と中央の金属板２の電気導通を経て、固定端部で、
直接基板に半田９で接続されている。

【０００５】また、圧電セラミック矩形板３及び３’の
非接着面側の導通はリード線４により、各々の圧電セラ
ミック矩形板３及び３’の表面電極上に半田６で接続さ
れ、さらに、リード線４の他端は直接、基板１０上の基
板内導体配線１２に半田８により接続されている。ま
た、リード線４は、圧電アクチュエータの振動を阻害し
ないように柔軟性を有するものである。

【０００６】圧電アクチュエータ２１の駆動に際して
は、圧電セラミック矩形板３及び３’のリード線４に接
続する基板内導体配線１２を回路上で結合して一方の端
子とし、金属板２に接続する基板内導体配線１２との間
に交流電圧を印加する事により、圧電セラミック矩形板
３及び３’に電圧が印加され、圧電セラミック矩形板３
及び３’の一方が長さ方向に伸びる時に、他方が長さ方
向に縮む変形を相互に繰り返すことにより、圧電アクチ
ュエータの先端に、圧電セラミック矩形板の長さ方向に
直交する屈曲変位の振幅を発生させることができる。

【０００７】前記圧電アクチュエータ２１に所定の駆動
周波数で、一定の電圧を印加し、一定の振幅を得ようと
した場合、特に共振周波数の近傍の周波数で駆動した場
合に、リード線４の長さ、太さ、たわみ具合により、さ
まざまな周波数帯域でリード線４が共振現象を起こし、
その結果、圧電アクチュエータ２１の振幅が不規則にな
るという問題点がある。特に、駆動周波数がリード線４
の共振周波数と一致した場合、所定の振幅が大きく抑制
され、振動しなくなるという問題点があった。

【０００８】また、リード線４の共振現象は、そのたわ
み具合を調整する事により、共振現象を発生させる周波
数帯域が変わり、初期的には駆動周波数とリード線４の
共振現象の周波数帯域がずらすことができても、長期の
使用や外部振動等により、リード線４の共振周波数がず
れてしまい、圧電アクチュエータ２１の駆動周波数に近
づいてしまい、リード線４が共振現象を発生し、その結
果、圧電アクチュエータの振幅が出なくなるという問題
点があった。

【０００９】さらには、リード線４に伝わる圧電アクチ
ュエータ２１の振幅により、長期の使用に際しては、リ
ード線４が疲労して、圧電アクチュエータ２１とリード
線４の接続部近傍より、リード線４が破断してしまうと
いう問題点があった。

【００１０】リード線の破断を回避する方法として、実
用新案登録第２５５２０２９号で、リード線を挿通でき
るリング状体を圧電アクチュエータに取り付け、当該リ
ング状体にリード線を挿入固定し、更に、リード線を圧
電セラミックスに接合部材により接合し、リード線の破
断を解決する事が開示されているが、リード線の共振現
象を防止する構造までの検討は行われていない。

【００１１】また、この種の圧電アクチュエータの応用
で、間欠的な動作を要求されるときには応答性が問題に
なる。圧電アクチュエータの振動のＱｍ（機械的品質係
数）が高ければ高いほど、低い電圧で大きな振幅を得る
ことが可能な反面、応答性が悪くなり交流電圧が印加さ
れてから所定の振幅に達するまでの所要時間が長くな
る。

【００１２】圧電アクチュエータの応答性とＱｍの間に
は前述のような相関があるため、圧電アクチュエータの
振動のＱｍを調整する事ができると、所望の振幅と応答
性を確保するために有効な手段となる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
第一の課題はリード線が共振現象を起こす事により、圧
電アクチュエータの振幅が低下するのを防止する事であ
り、また、第二の課題はリード線の破断を防止すること
である。さらに、本発明の第三の課題は圧電アクチュエ
ータの振幅特性と応答性を調整するために有効なＱｍの
調整手段を提供する事である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、金属板
の片面、または両面に、表裏面に電極を形成した圧電セ
ラミック矩形板を接着し、前記金属板の一端を固定部に
固着して、金属板と前記圧電セラミック矩形板の電極間
に交流電圧を印加して、前記金属板の他端に発生する振
動振幅を利用する圧電アクチュエータにおいて、交流電
圧を印加するリード線が前記圧電セラミック矩形板の電
極表面に、弾性を有する樹脂を用いて柔軟に接着（もし
くは固着）されてなる構造を有すること特徴とする圧電
アクチュエータが得られる。

【００１５】また、前記弾性を有する樹脂がシリコーン
系接着剤であることを特徴とする圧電アクチュエータが
得られる。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を、バイモルフ構造
の圧電アクチュエータを例にし、図面を参照して詳細に
説明する。

【００１７】図１は、本発明の一実施例を示す図であ
り、長さ４５ｍｍ、幅２ｍｍ、厚み０．２ｍｍのＮｉ−
Ｆｅ系合金の金属板２に、長さ４０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚
み０．２ｍｍの圧電セラミック矩形板３及び３’が、長
さ方向の片側を揃えて接着されている構造となってい
る。

【００１８】さらに、金属板２における圧電セラミック
矩形板３及び３’が接着されていない部分の端部から２
ｍｍの位置で、１ｍｍの幅に渡って圧電アクチュエータ
固定部７に固定されている。また、圧電セラミック矩形
板３及び３’の中央部に半田６によりφ１ｍｍのリード
線が接続され、該リード線４は、圧電アクチュエータ１
の固定部７まで連続して、シリコーン接着剤５により圧
電セラミック矩形板３及び３’さらに金属板２に柔軟に
接着されている。

【００１９】図２は、本発明のもう一つの実施例を示す
図であり、図１と同一寸法の金属板と圧電セラミック矩
形板を用い、圧電セラミック矩形板３及び３’の中央部
に半田６によりφ１ｍｍのリード線が接続され、該リー
ド線４は、１０ｍｍの長さに渡って、シリコーン接着剤
５により、圧電セラミック矩形板３及び３’に柔軟に接
着している。

【００２０】比較例として、図１と同一寸法の金属板と
圧電セラミック矩形板を用い、従来構造の圧電アクチュ
エータを図３に示した。図３では、リード線４は若干の
たるみを持たせた状態で他方が基板１０に接続されてい
る。

【００２１】図１、図２、図３に示した圧電アクチュエ
ータをそれぞれ５０ヶずつ試作し、電圧１００Ｖp-p、
周波数３００Ｈｚにて駆動した際の、リード線４の共振
現象の発生有無の数量および各圧電アクチュエータの振
幅の測定結果の平均値を表１に示した。また、１０００
時間の連続駆動試験後のリード線の断線数も表１に示し
た。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１より明らかな通り、図１の本発明によ
る圧電アクチュエータ１においては、共振現象の発生が
回避できることが明らかである。また、図２の本発明に
よる圧電アクチュエータ１１においても、共振現象が発
生した場合でも振幅量の低下は、図３の従来の圧電アク
チュエータ２１に比較し低減していることが明らかであ
る。さらに、図３の従来の圧電アクチュエータ２１で
は、リード線４の破断が６ヶ発生したが、図１及び図２
の圧電アクチュエータ１及び１１では、リード線４の破
断は発生しなかったことにより、本発明はリード線４の
断線の防止又は抑制にも効果のあることが確認できた。

【００２４】表２に、図１、図２、図３の圧電アクチュ
エータのＱｍ値の測定結果、及び、共振周波数で駆動し
た際の応答性についての測定結果を示す。また、図４に
図１、図２、図３の圧電アクチュエータの変位の応答性
の測定結果を示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】表２、図４の結果より、弾性のある樹脂で
のリード線４の固定範囲を増加させることにより、圧電
アクチュエータのＱｍを低下させることが可能であり、
したがって、応答性の改善が可能であることが明らかで
ある。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、圧電アクチュエータに
取り付けられたリード線を、圧電アクチュエータへ柔軟
に接着することにより、リード線の共振現象による圧電
アクチュエータの振幅への影響を低減でき、長期の使用
に際しても、リード線の断線の無い、応答性の向上した
圧電アクチュエータが得られる。

【００２８】また、実施例では、バイモルフ型圧電アク
チュエータについて述べたが、リード線４が圧電アクチ
ュエータの振幅発生部分に接続された、ユニモルフ型圧
電アクチュエータ、マルチモルフ型圧電アクチュエータ
および音叉型圧電アクチュエータにおいても、リード線
の共振現象による振幅の低減およびリード線の断線、さ
らには、応答性の改善について同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の圧電アクチュエータを示す
図。

【図２】本発明の別の実施例の圧電アクチュエータを示
す図。

【図３】従来の圧電アクチュエータを示す図。

【図４】図１〜図３の圧電アクチュエータのＱｍ値と振
幅量の応答性を示す図。

【符号の説明】

１，１１，２１圧電アクチュエータ２金属板３，３’ 圧電セラミック矩形板４リード線５シリコーン接着剤６半田７圧電アクチュエータ固定部８半田９金属板−基板接続体１０基板１２基板内配線導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属板の片面、または両面に、表裏面に
電極を形成した圧電セラミック矩形板を接着し、前記金
属板の一端を固定部に固着して、金属板と前記圧電セラ
ミック矩形板の電極間に交流電圧を印加して、前記金属
板の他端に発生する振動振幅を利用する圧電アクチュエ
ータにおいて、交流電圧を印加するリード線が、前記圧
電セラミック矩形板の電極表面に、弾性を有する樹脂を
用いて柔軟に接着（もしくは固着）されてなる構造を有
することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】請求項１に記載の圧電アクチュエータに
おいて、前記弾性を有する樹脂がシリコーン系接着剤で
あることを特徴とする圧電アクチュエータ。