JP2004159403A

JP2004159403A - Piezoelectric actuator

Info

Publication number: JP2004159403A
Application number: JP2002321253A
Authority: JP
Inventors: Taiji Hashimoto; 泰治橋本
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2004-06-03

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator that can improve drive efficiency. SOLUTION: Electrodes 51, 52 and 53 are arranged at both ends in the longitudinal direction of a metal skin 4 of a piezoelectric element 3. An electrode 54 is arranged nearly in a center in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3, and electrodes 55, 56, 57 and 58 are arranged nearly at a quarter in the longitudinal direction from the end of the piezoelectric actuator 3. When AC voltages are applied to the electrode 54 and to the electrode 55, 58, the portion of the electrode 54 of the piezoelectric element 3 excites stretching vibration, and the portion of the electrode 58 excites bending vibration. A protrusion 21 thereby draws an elliptic orbit and drives a driven body 100. A stretching region and a bending region are arranged at a position where a high drive force is obtained, thus improving the drive efficiency. COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子の変位で被駆動体を駆動する圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【背景技術】
圧電素子に交流電圧を印加して圧電素子を振動させ、この振動によって被駆動体を駆動する圧電アクチュエータにおいては、圧電素子表面に複数の電極が形成されているものがある（例えば特許文献１）。このような圧電アクチュエータでは、矩形状の圧電素子に長手方向に沿って幅を三等分するように三つの電極を配置し、これら三つの電極のうち両側の電極をさらに長手方向に二分割することで五つの電極が形成されている。これらの電極のうち中央の電極と、対角線上両端の電極とに交流電圧を印加すると、圧電素子は縦振動と屈曲振動を組み合わせた楕円軌道を描いて振動する。この振動によって被駆動体は一方向に駆動される。また、電圧を印加する電極を長手方向の中心線を軸として線対称に切り替えば、圧電素子の楕円軌道が反対向きとなるので、被駆動体を反対向きに駆動することができる。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２７２２２１１号公報（第２頁、第１図および第２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような圧電アクチュエータでは、例えば縦振動のみを考えると圧電素子の長手方向両端では変位は大きいものの応力は比較的低くなる。したがって当該部分における電力に対して得られる駆動力は低くなり、圧電アクチュエータ全体の駆動効率が悪くなっている。また反対に、低効率部分に電力を消費しているので、消費駆動電圧が高くなり省力化が望めない。
【０００５】
本発明の目的は、駆動効率を向上できる圧電アクチュエータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電アクチュエータは、板状の圧電素子の両面に電極が形成されるとともに、電極に電圧を印加することにより、圧電素子の分極方向に対して直交する面方向に伸縮する伸縮部位を備えた圧電アクチュエータにおいて、伸縮部位は、圧電素子の伸縮方向略中央に配置されていることを特徴とする。
この発明によれば、圧電素子の伸縮時に最も高い応力が発生する伸縮方向略中央に伸縮部位が配置されているので、印加する電圧に対して良好な駆動力が得られる部分が使用されている。したがって、印加電圧に対する圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。また反対に、駆動効率の良好な部分に伸縮部位を配置しているので、消費電力が小さくなり省力化が促進される。
ここで、部位とは圧電素子においてある面積を有した領域をいう。
【０００７】
本発明の圧電アクチュエータは、板状の圧電素子の両面に電極が形成されるとともに、電極に電圧を印加することにより、圧電素子の分極方向に対して直交する面方向に屈曲する屈曲部位を備えた圧電アクチュエータにおいて、屈曲部位は、圧電素子の端部から屈曲方向に垂直な方向に沿った圧電素子の寸法の約１／４の位置に配置されていることを特徴とする。
この発明によれば、圧電素子の屈曲時に最も高い応力が発生する部分、つまり圧電素子の端部から屈曲方向に垂直な方向に沿った圧電素子の寸法の約１／４の位置に屈曲部位が配置されているので、印加する電圧に対して良好な駆動力が得られる部分が使用されている。したがって、印加電圧に対する圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。また反対に、駆動効率の良好な部分に屈曲部位を配置しているので、消費電力が小さくなり省力化が促進される。
【０００８】
本発明の圧電アクチュエータは、板状の圧電素子の両面に電極が形成されるとともに、電極に電圧を印加することにより、圧電素子の分極方向に対して直交する面方向に伸縮する伸縮部位と、この伸縮部位の伸縮方向に対して屈曲する屈曲部位とを備えた圧電アクチュエータにおいて、伸縮部位は、圧電素子の伸縮方向略中央に配置され、かつ屈曲部位は、圧電素子端部から圧電素子の伸縮方向に沿った寸法の約１／４の位置に配置されていることを特徴とする。
この発明によれば、圧電素子の伸縮時に最も高い応力が発生する部分、つまり圧電素子の伸縮方向略中央に伸縮部位が配置されている。また、屈曲時に最も高い応力が発生する部分、つまり圧電素子の端部から圧電素子の伸縮方向に沿った寸法の約１／４の位置に屈曲部位が配置されている。すなわち、伸縮部位および屈曲部位の配置が最適化され、それぞれ印加電圧に対して良好な駆動力が得られる部分に配置されている。したがって、印加電圧に対する圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。また反対に、駆動効率の良好な部分に各部位を配置しているので、消費電力が小さくなり省力化が促進される。
【０００９】
本発明では、電極は、伸縮部位および／または屈曲部位の位置に応じてパターニングされていることが望ましい。
この発明によれば、電極が伸縮部位および／または屈曲部位の位置に応じてパターニングされているので、対応する電極に電圧を印加するだけで圧電素子が伸縮および／または屈曲する。電極の形状、配置などを適宜パターニングすることにより圧電素子の挙動を設定可能なので、圧電素子の分極方向が統一可能となる。これにより、圧電素子自体の構造が簡単となり、安価に入手可能となる。
【００１０】
本発明では、圧電素子の分極方向は、伸縮部位および／または屈曲部位の位置に応じて分極されていることが望ましい。
この発明によれば、圧電素子の分極方向が伸縮部位および／または屈曲部位の位置に応じて分極されているので、電極に電圧を印加すると圧電素子がその分極方向にしたがった変位を生じて全体が伸縮あるいは屈曲する。これにより電極を分割することなく圧電素子の挙動を設定可能なので、圧電素子に配置する電極の数が少なくなる。したがって、圧電素子への配線数が少なくなるので、断線などの不具合が少なくなり、圧電アクチュエータの信頼性が向上する。
【００１１】
本発明では、圧電素子の伸縮方向端部または屈曲方向に垂直な方向端部には、電圧が印加されない電圧非印加部位が設けられていることが望ましい。
圧電素子の伸縮方向端部あるいは屈曲方向に垂直な方向端部は、伸縮変位も屈曲変位も高応力が発生せず駆動効率が比較的低い部分である。この発明によれば、当該部分を伸縮部位あるいは屈曲部位として使用しないので、圧電アクチュエータの効率を下げることがない。よって圧電アクチュエータ全体としては、その駆動効率が向上する。
【００１２】
本発明では、電圧非印加部位には、伸縮部位の伸縮および／または屈曲部位の屈曲を検出する変位検出部位が設けられていることが望ましい。
この発明によれば、変位検出部位は電圧非印加部位に設けられている。電圧非印加部位は、圧電アクチュエータの駆動に使用される部分ではない部分なので、駆動力を低減することなく変位検出が可能となる。また、変位検出には小さい電力を増幅して検出すればよいので、電圧非印加部位のように応力が小さい部分でも検出可能であるから、変位検出部位は電圧非印加部位に設けるのに好適である。
【００１３】
本発明では、圧電素子が複数積層されていることが望ましい。
この発明によれば、圧電素子が複数積層されているので、圧電アクチュエータ全体の駆動力が大きくなる。これにより、圧電素子を所定枚数積層することによって所望の駆動力が設定可能となる。
【００１４】
本発明では、圧電素子が複数積層されている場合に、伸縮部位の伸縮および／または屈曲部位の屈曲を検出する変位検出部位は、表面の圧電素子にのみ設けられていることが望ましい。
この発明によれば、複数積層された圧電素子のうち、表面の圧電素子のみに変位検出部位が設けられている。したがって、他の圧電素子の変位によるノイズの影響が最小限に抑制される。これにより、より精度の高い変位検出が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
【００１６】
〔第一実施形態〕
図１には、第一実施形態の圧電アクチュエータ１の全体斜視図が示されている。この図１において、圧電アクチュエータ１は略矩形状で積層構造を有しており、中央層部に積層された補強板２と、この補強板２の両面に固定された圧電素子３とを備えている。
補強板２は、ステンレス鋼、その他の材料から構成され、長手方向両端において幅方向略中央には凸部２１が一体的に形成されている。この凸部２１の先端は、円盤状の被駆動体１００の外周に対し被駆動体１００の接線方向にほぼ直角に（つまり径方向に沿うように）当接されている。また、補強板２の幅方向一端において長手方向略中央には、補強板２から突出した腕部２２が一体的に形成されている。腕部２２の端部には孔２２１が穿設され、この孔２２１が図示しない固定体にねじ止めなどされることによって圧電アクチュエータ１が固定されている。
圧電素子３は、平板状部材で補強板２の両面の略矩形状部分に接着剤などにより接着されている。この圧電素子３は厚み方向に分極されている、つまり圧電素子３の表裏両面に高電圧をかけて内部の粒子の向きを揃えることにより、厚み方向に電圧を印加すると厚み方向と直交する方向に歪みを生じる圧電性を有している。圧電素子３の材料は、特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
【００１７】
また、圧電素子３の両面には、ニッケル・リンめっき層を下地とする金めっき層などのめっき層４が形成されて電極を構成している。両面のめっき層４のうち補強板２に接する面は略矩形状部分全面にめっき層４が施されている。この時、補強板２におよびめっき層４の間には図示しない接着層が形成されるが、補強板２およびめっき層４の表面は微視的に凹凸を有し、これらの凸状部分がランダムに接触していることより、補強板２およびめっき層４は導通している。
圧電素子３の表面に露出しためっき層４は、所定幅の隙間４１を有することによって複数の互いに絶縁された電極５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８に分割されている。まず圧電素子３の長手方向両端側には、端部から所定距離離れた位置に幅方向に沿った隙間４１Ａが形成されている。これらの隙間４１Ａにより、被駆動体１００への当接位置に近い側には電極５１が形成されている。そして、被駆動体１００への当接位置から遠い側には、さらに幅方向略中央に隙間４１Ｂが形成されることで二つの電極５２，５３が形成されている。圧電素子３において、これらの電極５１，５２，５３が配置された部分は、電圧が印加されない電圧非印加部位となっている。これらの電極５１，５２，５３のうち電極５２，５３は、図示しない振動検出装置にリード線を介してそれぞれ接続されている。これにより、圧電素子３において電極５２，５３が配置された部分は、圧電素子３の変位を検出する変位検出部位としての振動検出部位となっている。
【００１８】
圧電素子３の長手方向略中央には、二本の隙間４１Ｃによって電極５４が形成されている。これらの隙間４１Ｃは、圧電素子３の長手方向中央に向かって凹状の略コ字形に形成されることでめっき層４を分割している。圧電素子３においてこの電極５４が配置された部分は、圧電素子３の長手方向に伸縮する伸縮部位となっている。電極５１，５２，５３および電極５４の間において圧電素子３の幅方向中央には、長手方向に沿った隙間４１Ｄが形成されており、これにより電極５４の両側に四つの電極５５，５６，５７，５８が形成されている。この時、これらの電極５５，５６および電極５７，５８は、圧電素子３の長手方向両端から圧電素子３の長辺長さのそれぞれ約１／４の位置に形成されている。圧電素子３において、これらの電極５５，５６，５７，５８が配置された部分は、圧電素子３の長手方向に対して屈曲する屈曲部位となっている。電極５４，５５，５６，５７，５８は、圧電素子３に電圧を印加する図示しない印加装置にそれぞれリード線を介して接続されている。また、補強板２はリード線によって接地されている。
なお、これらの電極５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８は、補強板２を挟んで設けられた表裏両方の圧電素子３に同様に設けられており、例えば電極５１の裏面側にはやはり電極５１が形成されている。また、圧電素子３の分極方向は、補強板２を挟んで対称に、つまり例えば一方の圧電素子３の電荷方向が表面から補強板２との接着面への方向であるとすると、他方の圧電素子３の電荷方向も表面から補強板２との接着面への方向に設定されている。
ここで、圧電素子３に印加される電圧の周波数は、補強板２の振動時に縦振動共振点の近くに屈曲共振点が現れて凸部２１が良好な楕円軌道を描くように設定される。また、圧電素子３の寸法や、厚さ、材質、縦横比などは、圧電素子３に電圧が印加された時に、凸部２１が良好な楕円軌道を描きやすいように適宜決定される。なお、圧電素子３に印加される電圧の波形は特に限定されず、例えばサイン波、矩形波、台形波などが採用できる。
【００１９】
このような圧電アクチュエータ１では、電極５４，５５，５８と補強板２との間に交流電圧を印加すると、圧電素子３の電極５４が配置された部分が長手方向に伸縮振動する。補強板２両面の圧電素子３は、分極方向が補強板２に対して対称となっているので、同位相で伸縮し、これにより補強板２は圧電素子３とともにその面方向かつ長手方向に伸縮振動する（図２（Ａ）参照）。一方、圧電素子３の電極５５，５８が配置された部分は、長手方向の中心線に対して非対称に配置されているので、圧電素子３の長手方向に直交する方向に屈曲振動する（図２（Ｂ）参照）。これらの伸縮振動および屈曲振動の組み合わせによって凸部２１は圧電アクチュエータ１の面内で楕円軌道に近似した軌道を描いて振動する。この振動の軌道の一部において凸部２１は被駆動体１００を接線方向に押圧して被駆動体１００を間欠回転させる。これを適当な周波数で繰り返すことによって被駆動体１００を所望の回転数（回転速度）で回転させる。
ここで、図２（Ａ）には、圧電素子３の伸縮変位により発生する圧電アクチュエータ１の応力分布が、また図２（Ｂ）には屈曲変位により発生する圧電アクチュエータ１の応力分布の絶対値が示されている。図２（Ａ）に示されるように、伸縮変位の応力は、圧電素子３の長辺をＬとすると、長手方向の略中央Ｌ／２の位置において最も大きくなっている。また図２（Ｂ）では、屈曲変位の応力は圧電素子３の長手方向端部からそれぞれ約Ｌ／４の部分で最も大きくなっている。
圧電素子３の電極５４，５５，５８が配置された部分が振動するとともに補強板２が振動するため、電圧が印加されていない圧電素子３の電極５２，５３部分にもその振動が伝達される。これにより電極５２，５３にも逆圧電効果によって微弱な電圧が発生する。この電圧は振動検出装置に送信され、振動検出装置はこの電圧信号により圧電アクチュエータ１の振動を検出する。振動検出装置では、電極５２および電極５３に配置された圧電素子３の振動からそれぞれ伸縮振動および屈曲振動の和を検出する。この時電極５２，５３は圧電素子３の長手方向の中心線に対して対称に設けられているので、屈曲振動も当該中心線に対称となる、つまり、圧電素子３の電極５２部分が縮んでいる時は電極５３部分は伸びている。よって、電極５２，５３では互いに位相が逆の屈曲振動が検出される。これにより、電極５２，５３で検出される振動の和を求めることによって逆位相の屈曲振動成分がうち消されて伸縮振動のみを得ることができ、またこれらの振動の差によって伸縮振動がうち消されて屈曲振動のみを検出できる。そして、これらの縦振動と屈曲振動とのバランスを監視することにより、印加装置が電極５４，５５，５８に印加する電圧の周波数を随時調整する。
被駆動体１００を反対方向に回転させる場合には、電圧を印加する電極を長手方向の中心線を軸に線対称に切り替える。つまり、電極５５，５８に印加していた電極を電極５６，５７に切り替えることにより電極５４，５６，５７に電圧を印加する。すると、電極５６，５７により屈曲振動の向きが反転し、凸部２１は先ほどとは反対方向の略楕円軌道を描いて振動する。これにより、被駆動体１００は反対方向に回転する。
【００２０】
このような圧電アクチュエータ１によれば、次のような効果が得られる。
（１）電極５４が圧電素子３の長手方向略中央に配置されており、圧電素子３の電極５４部分が伸縮部位となっている。また電極５５，５６，５７，５８が圧電素子３の長手方向端部から長辺の約１／４の位置に配置されているので、圧電素子３の電極５５，５６，５７，５８部分が屈曲部位となっている。これらの伸縮部位および屈曲部位は、前述の図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるように、圧電アクチュエータ１の伸縮変位および屈曲変位から得られる応力がそれぞれ最大となる部分に配置されている。したがって、印加する電圧に対して良好な駆動力が得られる部分に伸縮部位および屈曲部位を配置しているので、これらの伸縮部位および屈曲部位の配置を最適化でき、これにより圧電アクチュエータ１の印加電圧に対する駆動力、つまり駆動効率を向上させることができる。また反対に必要な駆動力を確保するために消費する電力を節約できる。
【００２１】
（２）電極５１，５２，５３が圧電素子３の長手方向両端に設けられ、圧電素子３の電極５１，５２，５３部分は電圧が印加されない電圧非印加部位となっている。図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるように、これらの電極５１，５２，５３部分は伸縮変位および屈曲変位の両方において得られる応力が低くなっている。よって、電極５１，５２，５３部分に電圧を印加しないことで、印加電圧に対する圧電アクチュエータ１の駆動効率をより一層向上させることができる。
【００２２】
（３）電極５２，５３が振動検出装置に接続されているので、これらの検出振動の和によって伸縮振動を、また差によって屈曲振動を得ることができる。この時、電極５２，５３は圧電素子３長手方向両端の電圧非印加部位に設けられているので、新たに検出部位を設ける必要が無く、圧電アクチュエータ１の電極配置におけるスペース効率を向上させることができる。また、振動検出には大きな電圧は必要なく、必要に応じて電圧を増幅すれば容易に振動を検出することができるので、振動検出部位はこのような電圧非印加部位である電極５１，５２に設けるのに好適である。
【００２３】
（４）振動検出部位が被駆動体１００への当接位置から遠い側に配置されているので、被駆動体１００の振動などの外乱（ノイズ）を受けにくく、良好に伸縮振動および屈曲振動を検出できる。
【００２４】
（５）圧電素子３表面のめっき層４に隙間４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを形成することによって伸縮部位および屈曲部位の位置に応じて電極５４，５５，５６，５７，５８を、また電圧非印加部位の位置に応じて電極５１，５２，５３を形成している。このため、電圧を印加する電極を選択することで圧電素子３の任意の部分に電圧を印加できる。これにより圧電素子３の分極方向を統一することができるので、圧電素子３を安価に入手でき、圧電アクチュエータ１を安価に製造できる。
【００２５】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、第一実施形態の圧電素子３が伸縮部位および屈曲部位の位置に応じて分極されているものである。
図３には、第二実施形態にかかる圧電アクチュエータ１の平面図が示されている。この図３においてめっき層４は、第一実施形態と同様に隙間４１Ａによって圧電素子３の長手方向両端が分割され、電極５１，５２が形成されている。これらの電極５１，５２のうち、被駆動体１００への当接位置から遠い側の電極５２内には、幅方向略中央に略コ字形の隙間４１Ｂが形成されている。この隙間４１Ｂによって当該部分には略矩形状の電極５３が形成され、また電極５２はこの隙間４１Ｂにより電極５３を囲む略コ字形形状となっている。圧電素子３の電極５２が配置された部分は、幅方向の一方の半分の電極部分５２Ａ（図３中の一点鎖線部分）の分極方向が残りの他方の半分の電極部分５２Ｂに対して逆向きになっている。電極５２，５３はそれぞれ振動検出装置に接続され、圧電素子３のこれらの電極５２，５３が配置された圧電素子３部分は振動検出部位となっている。電極５１，５２の間のめっき層４は、幅方向略中央に圧電素子３の長手方向に沿って隙間４１Ｄが形成されることにより電極５４，５５に分割されている。圧電素子３においてこれらの電極５４，５５が形成された部分のうち、被駆動体１００に近い側の端部でかつ圧電素子３の幅方向外端部（図３中の二点鎖線部分）は、その分極方向が他の部分とはそれぞれ逆向きになっている。この二点鎖線で囲まれた部分、つまり分極方向が逆向きになっている部分は、圧電アクチュエータ１を屈曲させる屈曲部位７１となっており、圧電素子３の長手方向端部から圧電素子３の長辺をＬとすると約Ｌ／４の位置に配置されている。また電極５４，５５のうちこの屈曲部位７１を除いた略Ｌ字形の部分は、圧電素子３の長手方向略中央（約Ｌ／２の部分）を含んだ部分に配置され、圧電アクチュエータ１を伸縮させる伸縮部位７２となっている。これらの電極５４，５５は印加装置に接続されている。
【００２６】
このような圧電アクチュエータ１では、印加装置により電極５４に電圧を印加すると、電極５４のうち伸縮部位７２は圧電素子３の長手方向に伸縮する。この時、屈曲部位７１は圧電素子３の分極方向が反対になっているので、伸縮部位７２とは逆向きに伸縮する、つまり伸縮部位７２が伸びる時に屈曲部位７１が縮む。これにより屈曲部位７１は圧電素子３を長手方向に対して屈曲させる。補強板２の凸部２１は伸縮振動および屈曲振動を受けて略楕円軌道を描いて振動し、この振動で被駆動体１００を回転させる。
被駆動体１００を反対方向に回転させる場合には、電圧を印加する電極を電極５４から電極５５へ切り替える。すると凸部２１が反対方向の楕円軌道を描き、被駆動体１００を反対方向に回転させる。
これらの伸縮振動および屈曲振動により、電極５２，５３では逆圧電効果により電圧が発生する。電極５２では第一実施形態と同様に電極部分５２Ａ，５２Ｂによってそれぞれ伸縮振動および屈曲振動の和が検出されるが、電極部分５２Ａ，５２Ｂは互いに圧電素子３の分極方向が逆向きになっているので、検出振動の位相も逆となる。振動検出装置では電極部分５２Ａ，５２Ｂの振動が合成されて検出されるため、逆位相となった振動がうち消されることとなる。つまり振動検出装置は、電極部分５２Ａ，５２Ｂで検出された振動の差を得ることとなり、これにより伸縮振動がうち消されて屈曲振動のみを検出する。一方、電極５３の圧電素子３は分極方向が同じなので、振動検出装置は電極５３の幅方向中央の両側で検出される検出振動の和を検出することとなり、これにより屈曲振動がうち消されて伸縮振動のみを検出する。振動検出装置はこれらの伸縮振動および屈曲振動を検出することにより、凸部２１が適当な楕円軌道を描くように電極５４または電極５５に印加する電圧の周波数を適宜調整する。
【００２７】
このような圧電アクチュエータ１によれば、第一実施形態の（２）および（４）の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
（６）電極５４、５５が圧電素子３の長手方向略中央に配置されており、この長手方向略中央を含んで伸縮部位７２が設けられている。また電極５４，５５のうち圧電素子３の長手方向端部から圧電素子３の長さＬの約１／４の位置には屈曲部位７１が設けられている。これらの伸縮部位７２および屈曲部位７１は、第一実施形態の図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるように、圧電アクチュエータ１の伸縮変位および屈曲変位から得られる応力がそれぞれ最大となる部分に配置されている。したがって、印加する電圧に対して良好な駆動力が得られる部分に伸縮部位７２および屈曲部位７１を配置しているので、これらの伸縮部位７２および屈曲部位７１の配置を最適化でき、これにより圧電アクチュエータ１の印加電圧に対する駆動力、つまり駆動効率を向上させることができる。また反対に必要な駆動力を確保するために消費する電力を節約できる。
【００２８】
（７）電極５４，５５内で圧電素子３の分極方向が逆向きに配置されているので、電極５４あるいは電極５５に電圧を印加するだけで伸縮部位７２および屈曲部位７１はそれぞれ反対向きに伸縮して伸縮振動および屈曲振動を励振する。このように分極方向を逆向きにすることによって一つの電極で凸部２１の楕円振動を実現できるので、めっき層４に形成する電極を少なくすることができる。これにより圧電アクチュエータ１の配線を少なくすることができ、簡単な構造で断線などの不具合を最小限に抑制でき、圧電アクチュエータ１の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
（８）電極５２の分極方向が幅方向半分の電極部分５２Ａ，５２Ｂで互いに逆向きになっており、また幅方向略中央に電極５３が設けられているので、電極５２での発生電圧からは屈曲振動が、また電極５３での発生電圧からは伸縮振動が検出できる。したがって、第一実施形態とは異なり振動検出装置において加算や減算を行わなくても伸縮振動および屈曲振動を求めることができる。これにより振動検出装置の演算手段などの構造を簡単にでき、圧電アクチュエータ１を安価に製造できる。またこの時、電極５２，５３は圧電素子３長手方向端部の電圧非印加部位に設けられているので、新たに検出部位を設ける必要が無く、圧電アクチュエータ１のスペース効率を向上させることができる。また、振動検出には大きな電圧は必要なく、必要に応じて電圧を増幅すれば容易に振動を検出することができるので、振動検出部位はこのような電圧非印加部位である電極５１，５２に設けるのに好適である。
【００３０】
（９）圧電素子３表面のめっき層４に隙間４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｄを形成することによって伸縮部位７２および屈曲部位７１の位置に応じて電極５４，５５を形成している。また、電圧非印加部位の位置に応じて電極５１，５２，５３を形成している。このため、電圧を印加する電極を選択することで圧電素子３の任意の部分に電圧を印加できる。これにより圧電素子３の分極方向を統一することができるので、圧電素子３を安価に入手でき、圧電アクチュエータ１を安価に製造できる。
【００３１】
〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態は、第一実施形態の電極の配置が異なるものである。
図４には、第三実施形態にかかる圧電アクチュエータ１の平面図が示されている。この図４においてめっき層４には、第二実施形態と同様に隙間４１Ａ，４１Ｂによって分割された電極５１，５２，５３が形成されている。電極５１，５２の間のめっき層４の対角線上両端には略Ｌ字形の隙間４１Ｃが形成されており、この隙間４１Ｃによって対角線上両端には略矩形状の電極５９が形成されている。電極５９が配置された圧電素子３部分は、電圧が印加されない電圧非印加部位となっている。電極５１，５２の間のめっき層４のうち、両端の電極５９を除いた略Ｚ字形の電極５４Ａは印加装置に接続されている。
補強板２の長手方向略中央には両側に腕部２２が設けられ、それぞれの端部がねじ止めされることにより圧電アクチュエータ１は両側から支持されている。また凸部２１は、先端が略三角形状に形成され、斜辺が被駆動体１００の接線方向となるように当接されている。そして、圧電アクチュエータ１の長手方向は被駆動体１００の半径方向に対して傾斜するように配置されている。
圧電アクチュエータ１では、電極５４Ａに電圧を印加すると、圧電素子３は伸縮振動および屈曲振動を組み合わせた振動を励振し、凸部２１が略楕円軌道を描く。
図５には、圧電アクチュエータ１の拡大図が示されている。この図５において、圧電素子３の幅方向略中央および長手方向略中央に配置された部分（図５中の点線部分）は、それぞれ電極５４Ａの全長および全幅にわたって配置されているため、圧電素子３が長手方向に伸縮する。すなわち、この部分が圧電素子３の伸縮部位７２となっている。そして圧電素子３の電極５４Ａ部分のうち、この伸縮部位７２を除いた対角線両端の矩形状部分（図５中の一点鎖線部分）は電極５９によって圧電素子３の長手方向に沿った中心線に対して非対称となっているので、圧電素子３が屈曲する。すなわち、この部分が圧電素子３の屈曲部位７１となっている。ここで、図５に示されるように、圧電素子３の長手方向の長さをＬとすると、伸縮部位７２は長手方向略中央（圧電素子３の端部から約Ｌ／２の位置）に、また、屈曲部位７１は圧電素子３の両端から約Ｌ／４の位置に配置されている。
このように圧電素子３および補強板２が伸縮振動および屈曲振動をするため、凸部２１は略楕円振動を描いて被駆動体１００を回転させる。本実施形態においては、伸縮部位７２が屈曲部位７１に比して大きな領域を占めているため、圧電アクチュエータ１は伸縮振動の比率が高い振動を構成し、これにより凸部２１の斜辺が被駆動体１００を接線方向に良好に押圧して回転させる。
【００３２】
このような圧電アクチュエータ１によれば、第一実施形態の（２）および（４）の効果と同様の効果および第二実施形態の（８）の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
（１０）伸縮部位７２が圧電素子の長手方向略中央に配置されており、また、屈曲部位７１が圧電素子３の長手方向両端から圧電素子３の長辺の約１／４の位置に配置されている。これらの伸縮部位７２および屈曲部位７１は、第一実施形態の図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示されるように、圧電アクチュエータ１の伸縮変位および屈曲変位から得られる応力がそれぞれ最大となる部分に配置されている。したがって、印加する電圧に対して良好な駆動力が得られる部分に伸縮部位７２および屈曲部位７１を配置しているので、これらの伸縮部位７２および屈曲部位７１の配置を最適化でき、これにより圧電アクチュエータ１の印加電圧に対する駆動力、つまり駆動効率を向上させることができる。また反対に必要な駆動力を確保するために消費する電力を節約できる。
【００３３】
（１１）圧電素子３表面のめっき層４に隙間４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃを形成することによって伸縮部位７２および屈曲部位７１の位置に応じて電極５４Ａを形成している。また、電圧非印加部位の位置に応じて電極５１，５２，５３，５９を形成している。このため、電圧を印加する電極を選択することで圧電素子３の任意の部分に電圧を印加できる。これにより圧電素子３の分極方向を統一することができるので、圧電素子３を安価に入手でき、圧電アクチュエータ１を安価に製造できる。
【００３４】
〔第四実施形態〕
次に、本発明の第四実施形態について説明する。第四実施形態は、圧電素子が複数個積層されて構成されているものである。
図６には、第四実施形態にかかる圧電アクチュエータ１の分解斜視図が、また図７には圧電アクチュエータ１の側面図が示されている。図６において、圧電アクチュエータ１は、補強板２の両面にそれぞれ三つの圧電素子３Ａ，３Ｂ，３Ｃが積層されて構成されている。これらの圧電素子３Ａ，３Ｂ，３Ｃの両面にはそれぞれめっき層４が形成されており、これらのめっき層４は補強板２を挟んで対称に設けられている。補強板２から最も遠い圧電素子３Ａの表面には第三実施形態と同様形状のめっき層４Ａが形成されている。また、この圧電素子３Ａの裏面には、ほぼ全面にわたってめっき層４Ｂが形成されたグラウンド層となっており、長手方向の一辺においては、電極５９に対応した接地層部分５９Ａのみが端部に達している。これにより、当該辺では接地層部分５９Ａのみが側面に露出している。
二つ目の圧電素子３Ｂは、圧電素子３Ａに対向する面に同形状のめっき層４Ｂが形成されている。この圧電素子３Ｂの裏面には、電極５４Ａと同形状のめっき層４Ｃが形成されている。
三つ目の圧電素子３Ｃは、圧電素子３Ｂに対向する面に同形状のめっき層４Ｃが、またその裏面には全面にわたってめっき層４Ｄが形成されている。このめっき層４Ｄは補強板２に接触することにより導通している。
【００３５】
このようにそれぞれ表裏両面にめっき層４が形成された圧電素子３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、図７に示されるように互いに対向するめっき層４が接触するように接着されて積層される。これにより、それぞれ対向するめっき層４は導通している。ここで、圧電素子３の長手方向の一辺にはそれぞれのめっき層４が側面に露出している。つまり、圧電素子３Ａの表面には電極５１，５２，５４Ａ，５９の側縁端部が露出しており、圧電素子３Ａ，３Ｂ間では接地層部分５９Ａの側縁端部が、また圧電素子３Ｂ，３Ｃ間では電極５４Ａの側縁端部が露出している。この側面において圧電素子３Ａの表面の電極５４Ａと、圧電素子３Ｂ，３Ｃの間の電極５４Ａの端部とは、金属蒸着などで形成された導通部６Ａによって導通している。また、圧電素子３Ａ，３Ｂの間の電極５９に対応する部分と、補強板２および圧電素子３Ｃの間のめっき層４Ｄあるいは補強板２とは導通部６Ｂによって導通している。つまり、圧電素子３Ａ，３Ｂの間のめっき層４Ｂは補強板２とともに接地されている。ここで、電極５２，５３は最上面に位置する圧電素子３Ａのみに形成され、また電極５２の幅方向半分の分極方向の逆転も圧電素子３Ａにのみ設けられている。
なお、図７の圧電アクチュエータ１はめっき層４および圧電素子３の構造を理解しやすくするために誇張して記載されており、それぞれの圧電素子３の間に隙間が形成されているように記載されているが、実際にはそれぞれの圧電素子３は互いに密着して接着されている。
【００３６】
このような圧電アクチュエータ１では、圧電素子３Ａの電極５４Ａに印加装置により交流電圧を印加する。すると、圧電素子３Ａの裏面のめっき層４Ｂは導通部６Ｂによって補強板２を介して接地されているので、圧電素子３Ａにはめっき層４Ａからめっき層４Ｂへ、電極５４Ａ部分に電圧が印加される。また圧電素子３Ｂ，３Ｃの間のめっき層４Ｃは、導通部６Ａによって圧電素子３Ａのめっき層４Ａと導通しているので、圧電素子３Ｂにはめっき層４Ｃからめっき層４Ｂへ電圧が印加される。さらに、圧電素子３Ｃにはめっき層４Ｃから補強板２へ、電圧が印加される。これにより、圧電素子３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、それぞれ電極５４Ａに対応する部分に電圧が印加されることにより、縦振動と屈曲振動を組み合わせた略楕円軌道を描いて振動し、被駆動体１００を回転させる。
【００３７】
このような圧電アクチュエータ１によれば、第一実施形態の（２）および（４）の効果と同様の効果、第二実施形態の（８）の効果と同様の効果、および第三実施形態の（１０）、（１１）の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。（１２）圧電素子３を補強板２の両面に三つ積層して圧電アクチュエータ１が構成されているので、大きな駆動力を得ることができる。また反対に、これにより所望の駆動力を得るために必要な駆動電力を低減できる。
【００３８】
（１３）導通性が必要な部分のみにめっき層４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄを設けているので、側面に露出しためっき層４がショートしたり、あるいは電極５１，５２，５３，５４Ａ，５９間が導通してしまったりするなどの不具合の発生可能性を最小限に抑制できる。
【００３９】
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、第四実施形態では圧電素子３は三つ積層されていたが、これに限らず積層枚数は任意である。また、各実施形態では補強板２の両面に圧電素子３が固定されていたが、これに限らず例えば圧電アクチュエータ１を一枚の圧電素子３あるいは積層された圧電素子３のみで構成し、圧電素子３を被駆動体１００に当接して駆動するものでもよい。ただし、この場合には、補強板２に比べて強度が小さくなるので、耐久性を考慮する必要がある。さらに、補強板２の片面に一枚の圧電素子３を固定する構成としても構わない。この場合、圧電アクチュエータ１が補強板２に対して対称に構成されていないので、両側に圧電素子３を固定した場合と比較し多少駆動効率が劣る場合があるが、圧電アクチュエータ１の構成をより簡単にできる。
変位検出部位は、各実施形態においては振動検出部位として設けられていたが、必ずしもこれを設けなくてもなくても本発明の目的を達成できる。例えば予め実験などにより印加する電圧が設定され、状況に応じて変動させる必要がない場合などでは変位検出部位を備えていなくてもよい。
変位検出部位を設ける場合でも、必ずしも圧電素子３の長手方向両端に配置されていなくてもよい。例えば第三実施形態および第四実施形態では、電極５９を変位検出部位として利用してもよい。
各実施形態の電極５１や、第三実施形態および第四実施形態の電極５９などの電圧非印加部位には、変位検出部位として利用しないのであれば、めっき層４を設けなくてもよい。
【００４０】
圧電素子３のめっき層４は、各実施形態では両面に形成されていたが、これに限らず補強板２あるいは別の圧電素子３との十分な導通性が保持できれば任意である。例えば圧電素子３にめっき層４を形成し、その上から粒子状の圧電素子を所望の厚みに積層して、一枚のめっき層４の両側に圧電素子を密着させるように形成してもよい。
圧電素子３において、伸縮部位および屈曲部位の配置は各実施形態のものに限らない。要するに、伸縮部位が圧電素子３の長手方向略中央に配置され、また屈曲部位が圧電素子３の長手方向端部から圧電素子３の長辺長さＬの約１／４の部分に配置されていれば本発明の目的を達成できる。
圧電素子３の形状は各実施形態では略矩形状であったが、これに限らず、例えば楕円形状や三角形など任意の形状を採用できる。要するに、縦振動および屈曲振動が良好に励振できる形状であれば任意に設定してよい。
圧電素子３の振動は、各実施形態において伸縮振動および屈曲振動を組み合わせたものであったが、これに限らず伸縮振動のみあるいは屈曲振動のみを有するものであってもよい。また、圧電素子３は、各実施形態において繰り返し電圧が印加されることによって振動するものであったが、これに限らず、例えばステップ電圧などの印加により圧電素子３が一度伸縮変位および／または屈曲変位するのみであってもよい。要するに、圧電素子３が面方向に伸縮および／または屈曲するものであれば本発明に含まれる。
【００４１】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる圧電アクチュエータの全体斜視図。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる圧電アクチュエータの応力分布を示すグラフとこのグラフに対応する圧電アクチュエータの模式図。
【図３】本発明の第二実施形態にかかる圧電アクチュエータの平面図。
【図４】本発明の第三実施形態にかかる圧電アクチュエータの平面図。
【図５】本発明の第三実施形態にかかる圧電アクチュエータの拡大図。
【図６】本発明の第四実施形態にかかる圧電アクチュエータの分解斜視図。
【図７】本発明の第四実施形態にかかる圧電アクチュエータの側面図。
【符号の説明】
１…圧電アクチュエータ、２…補強板、３…圧電素子、２１…凸部、４（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）…めっき層、６Ａ，６Ｂ…導通部、４１（４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ）…隙間、５１，５２，５３，５４，５４Ａ，５５，５６，５７，５８，５９…電極、７１…屈曲部位、７２…伸縮部位、１００…被駆動体。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric actuator that drives a driven body by displacement of a piezoelectric element.
[0002]
[Background Art]
Some piezoelectric actuators that apply an AC voltage to a piezoelectric element to vibrate the piezoelectric element and drive a driven body by the vibration have a plurality of electrodes formed on the surface of the piezoelectric element (for example, Patent Document 1). . In such a piezoelectric actuator, three electrodes are arranged on a rectangular piezoelectric element so as to divide the width into three equal parts along the longitudinal direction, and the electrodes on both sides of the three electrodes are further divided into two parts in the longitudinal direction. Thus, five electrodes are formed. When an AC voltage is applied to the center electrode and the diagonally opposite ends of these electrodes, the piezoelectric element vibrates in an elliptical orbit that combines longitudinal vibration and bending vibration. The driven body is driven in one direction by this vibration. If the electrodes to which the voltage is applied are switched in line symmetry about the longitudinal center line, the elliptical trajectory of the piezoelectric element is in the opposite direction, so that the driven body can be driven in the opposite direction.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2722211 (Page 2, FIG. 1 and FIG. 2)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a piezoelectric actuator, for example, considering only longitudinal vibration, stress is relatively low although displacement is large at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element. Therefore, the driving force obtained with respect to the electric power in this portion is low, and the driving efficiency of the entire piezoelectric actuator is low. Conversely, since power is consumed in the low-efficiency portion, the driving voltage consumed becomes high, and power saving cannot be expected.
[0005]
An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that can improve driving efficiency.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The piezoelectric actuator of the present invention has electrodes formed on both surfaces of a plate-shaped piezoelectric element, and includes a stretchable portion that expands and contracts in a plane direction orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric element by applying a voltage to the electrode. In the piezoelectric actuator described above, the expansion and contraction portion is arranged substantially at the center of the expansion and contraction direction of the piezoelectric element.
According to the present invention, since the expansion and contraction portion is disposed substantially at the center of the expansion and contraction direction in which the highest stress occurs when the piezoelectric element expands and contracts, a portion that can obtain a good driving force with respect to the applied voltage is used. . Therefore, the driving efficiency of the piezoelectric actuator with respect to the applied voltage is improved. Conversely, since the expansion and contraction portions are arranged in a portion having good driving efficiency, power consumption is reduced and power saving is promoted.
Here, the portion refers to a region having a certain area in the piezoelectric element.
[0007]
The piezoelectric actuator of the present invention has a bent portion in which electrodes are formed on both surfaces of a plate-shaped piezoelectric element and a voltage is applied to the electrodes to bend in a plane direction orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric element. In the piezoelectric actuator described above, the bending portion is arranged at a position which is about １／ of the dimension of the piezoelectric element along a direction perpendicular to the bending direction from the end of the piezoelectric element.
According to the present invention, the bending portion is formed at a position where the highest stress is generated when the piezoelectric element is bent, that is, at a position which is about 1/4 of the dimension of the piezoelectric element along a direction perpendicular to the bending direction from the end of the piezoelectric element. Since it is arranged, a portion where a good driving force can be obtained with respect to an applied voltage is used. Therefore, the driving efficiency of the piezoelectric actuator with respect to the applied voltage is improved. Conversely, since the bent portion is arranged in a portion having good driving efficiency, power consumption is reduced and power saving is promoted.
[0008]
The piezoelectric actuator of the present invention, the electrodes are formed on both sides of the plate-shaped piezoelectric element, and by applying a voltage to the electrodes, an expansion and contraction portion that expands and contracts in a plane direction orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric element, In the piezoelectric actuator having a bending portion that bends with respect to the expansion and contraction direction of the expansion and contraction portion, the expansion and contraction portion is disposed substantially at the center of the expansion and contraction direction of the piezoelectric element, and the bending portion is configured to expand and contract from the end of the piezoelectric element It is characterized in that it is arranged at a position about 1/4 of the dimension along the direction.
According to the present invention, the expansion and contraction portion is arranged at a portion where the highest stress is generated when the piezoelectric element expands and contracts, that is, substantially at the center in the expansion and contraction direction of the piezoelectric element. Further, the bent portion is arranged at a portion where the highest stress is generated at the time of bending, that is, at a position which is about １／ of the dimension along the expansion and contraction direction of the piezoelectric element from the end of the piezoelectric element. In other words, the arrangement of the expansion and contraction parts and the bending parts is optimized, and they are arranged at the parts where good driving force can be obtained with respect to the applied voltage. Therefore, the driving efficiency of the piezoelectric actuator with respect to the applied voltage is improved. Conversely, since each part is arranged in a portion having good driving efficiency, power consumption is reduced and power saving is promoted.
[0009]
In the present invention, it is desirable that the electrode is patterned in accordance with the position of the elastic part and / or the bent part.
According to the present invention, since the electrodes are patterned according to the positions of the expansion and contraction portions and / or the bending portions, the piezoelectric element expands and contracts and / or bends only by applying a voltage to the corresponding electrodes. Since the behavior of the piezoelectric element can be set by appropriately patterning the shape and arrangement of the electrodes, the polarization direction of the piezoelectric element can be unified. This simplifies the structure of the piezoelectric element itself and makes it available at low cost.
[0010]
In the present invention, it is desirable that the polarization direction of the piezoelectric element is polarized according to the position of the expansion and contraction part and / or the bending part.
According to the present invention, since the polarization direction of the piezoelectric element is polarized according to the position of the expansion and contraction part and / or the bending part, when a voltage is applied to the electrode, the piezoelectric element generates a displacement in accordance with the polarization direction, and Expands or contracts. Thereby, the behavior of the piezoelectric element can be set without dividing the electrode, so that the number of electrodes arranged on the piezoelectric element is reduced. Therefore, the number of wires to the piezoelectric element is reduced, so that troubles such as disconnection are reduced, and the reliability of the piezoelectric actuator is improved.
[0011]
In the present invention, it is preferable that a voltage non-applying portion to which no voltage is applied is provided at an end of the piezoelectric element in the direction of expansion and contraction or an end in a direction perpendicular to the bending direction.
The end of the piezoelectric element in the expansion and contraction direction or the end in the direction perpendicular to the bending direction is a portion where neither high displacement nor high displacement occurs and the driving efficiency is relatively low. According to the present invention, since the portion is not used as a telescopic portion or a bent portion, the efficiency of the piezoelectric actuator is not reduced. Therefore, the driving efficiency of the piezoelectric actuator as a whole is improved.
[0012]
In the present invention, it is desirable that the voltage non-applying part is provided with a displacement detecting part for detecting expansion and contraction of the expansion and contraction part and / or bending of the bending part.
According to the present invention, the displacement detection part is provided at the voltage non-application part. Since the voltage non-applied portion is not a portion used for driving the piezoelectric actuator, the displacement can be detected without reducing the driving force. In addition, since displacement detection may be performed by amplifying and detecting small electric power, it is possible to detect even a portion where stress is small such as a portion where voltage is not applied. is there.
[0013]
In the present invention, it is desirable that a plurality of piezoelectric elements are stacked.
According to the present invention, since a plurality of piezoelectric elements are stacked, the driving force of the entire piezoelectric actuator is increased. Thus, a desired driving force can be set by stacking a predetermined number of piezoelectric elements.
[0014]
In the present invention, when a plurality of piezoelectric elements are stacked, it is desirable that the displacement detection part for detecting the expansion and contraction of the expansion and contraction part and / or the bending of the bending part is provided only on the surface piezoelectric element.
According to the present invention, of the plurality of stacked piezoelectric elements, only the piezoelectric element on the surface is provided with the displacement detection portion. Therefore, the influence of noise due to the displacement of the other piezoelectric elements is minimized. This enables more accurate displacement detection.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that in the second embodiment and later, which will be described later, components that are the same as components in the first embodiment described below and that have similar functions are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be simplified or omitted.
[0016]
(First embodiment)
FIG. 1 shows an overall perspective view of a piezoelectric actuator 1 according to the first embodiment. In FIG. 1, a piezoelectric actuator 1 has a substantially rectangular laminated structure, and includes a reinforcing plate 2 laminated on a central layer portion and piezoelectric elements 3 fixed on both surfaces of the reinforcing plate 2. I have.
The reinforcing plate 2 is made of stainless steel or another material, and a protrusion 21 is formed integrally at substantially the center in the width direction at both ends in the longitudinal direction. The tip of the convex portion 21 is in contact with the outer periphery of the disk-shaped driven body 100 substantially at right angles to the tangential direction of the driven body 100 (that is, along the radial direction). At one end in the width direction of the reinforcing plate 2, an arm portion 22 protruding from the reinforcing plate 2 is integrally formed at substantially the center in the longitudinal direction. A hole 221 is formed in an end of the arm 22, and the piezoelectric actuator 1 is fixed by screwing the hole 221 to a fixed body (not shown).
The piezoelectric element 3 is a flat plate-like member adhered to the substantially rectangular portions on both sides of the reinforcing plate 2 with an adhesive or the like. The piezoelectric element 3 is polarized in the thickness direction. That is, by applying a high voltage to the front and back surfaces of the piezoelectric element 3 and aligning the directions of the internal particles, when a voltage is applied in the thickness direction, the piezoelectric element 3 becomes orthogonal to the thickness direction. It has piezoelectricity that causes distortion. The material of the piezoelectric element 3 is not particularly limited. Lead zirconate titanate (PZT), quartz, lithium niobate, barium titanate, lead titanate, lead metaniobate, polyvinylidene fluoride, lead zinc niobate, scandium niobium Various materials such as lead acid can be used.
[0017]
Further, a plating layer 4 such as a gold plating layer having a nickel / phosphorous plating layer as a base is formed on both surfaces of the piezoelectric element 3 to form electrodes. Of the plating layers 4 on both sides, the plating layer 4 is applied to the entire surface of the substantially rectangular portion on the surface in contact with the reinforcing plate 2. At this time, an adhesive layer (not shown) is formed between the reinforcing plate 2 and the plating layer 4, but the surfaces of the reinforcing plate 2 and the plating layer 4 have microscopic irregularities, and these convex portions are Due to the random contact, the reinforcing plate 2 and the plating layer 4 are conductive.
The plating layer 4 exposed on the surface of the piezoelectric element 3 is divided into a plurality of mutually insulated electrodes 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 by having a gap 41 of a predetermined width. First, at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3, a gap 41A is formed along the width direction at a position away from the end by a predetermined distance. Due to these gaps 41A, an electrode 51 is formed on the side near the contact position with the driven body 100. Further, on a side far from the contact position with the driven body 100, a gap 41B is further formed substantially at the center in the width direction, so that two electrodes 52 and 53 are formed. In the piezoelectric element 3, the portion where these electrodes 51, 52 and 53 are arranged is a voltage non-applying portion where no voltage is applied. The electrodes 52, 53 among these electrodes 51, 52, 53 are respectively connected to a vibration detecting device (not shown) via lead wires. As a result, the portion of the piezoelectric element 3 where the electrodes 52 and 53 are arranged serves as a vibration detection part as a displacement detection part for detecting the displacement of the piezoelectric element 3.
[0018]
An electrode 54 is formed at substantially the center in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3 by two gaps 41C. These gaps 41C are formed in a substantially U-shaped concave shape toward the center in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3 to divide the plating layer 4. The portion of the piezoelectric element 3 where the electrode 54 is arranged is a stretchable portion that expands and contracts in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3. A gap 41D along the longitudinal direction is formed at the center in the width direction of the piezoelectric element 3 between the electrodes 51, 52, 53 and the electrode 54, whereby four electrodes 55, 56, 57 are provided on both sides of the electrode 54. , 58 are formed. At this time, the electrodes 55 and 56 and the electrodes 57 and 58 are formed at positions about 1/4 of the length of the long side of the piezoelectric element 3 from both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3 respectively. In the piezoelectric element 3, the portion where these electrodes 55, 56, 57, 58 are arranged is a bent portion that is bent in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3. The electrodes 54, 55, 56, 57, 58 are respectively connected via lead wires to an application device (not shown) for applying a voltage to the piezoelectric element 3. The reinforcing plate 2 is grounded by a lead wire.
The electrodes 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 are similarly provided on both front and back piezoelectric elements 3 provided with the reinforcing plate 2 interposed therebetween. The electrode 51 is also formed on the side. Further, the polarization direction of the piezoelectric element 3 is symmetrical with respect to the reinforcing plate 2. That is, for example, if the charge direction of one piezoelectric element 3 is the direction from the surface to the bonding surface with the reinforcing plate 2, the other piezoelectric element 3 The charge direction of the element 3 is also set in the direction from the surface to the bonding surface with the reinforcing plate 2.
Here, the frequency of the voltage applied to the piezoelectric element 3 is set such that a bending resonance point appears near the longitudinal vibration resonance point when the reinforcing plate 2 vibrates, and the convex portion 21 draws a good elliptical orbit. The dimensions, thickness, material, aspect ratio, and the like of the piezoelectric element 3 are appropriately determined so that the convex portion 21 can easily draw a good elliptical orbit when a voltage is applied to the piezoelectric element 3. The waveform of the voltage applied to the piezoelectric element 3 is not particularly limited, and for example, a sine wave, a rectangular wave, a trapezoidal wave, or the like can be used.
[0019]
In such a piezoelectric actuator 1, when an AC voltage is applied between the electrodes 54, 55, 58 and the reinforcing plate 2, the portion of the piezoelectric element 3 where the electrode 54 is arranged vibrates in the longitudinal direction. The piezoelectric elements 3 on both sides of the reinforcing plate 2 expand and contract in the same phase because the polarization direction is symmetric with respect to the reinforcing plate 2, whereby the reinforcing plate 2 expands and contracts in the surface direction and the longitudinal direction together with the piezoelectric element 3. Vibrates (see FIG. 2A). On the other hand, since the portions of the piezoelectric element 3 where the electrodes 55 and 58 are arranged are arranged asymmetrically with respect to the center line in the longitudinal direction, they flex and vibrate in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the piezoelectric element 3 (FIG. 2). (B)). Due to a combination of these expansion and contraction vibrations and bending vibrations, the convex portion 21 vibrates in a plane of the piezoelectric actuator 1 by drawing an orbit similar to an elliptical orbit. In a part of the trajectory of the vibration, the convex portion 21 presses the driven body 100 in a tangential direction to rotate the driven body 100 intermittently. By repeating this at an appropriate frequency, the driven body 100 is rotated at a desired rotation speed (rotation speed).
Here, FIG. 2A shows the stress distribution of the piezoelectric actuator 1 generated by the expansion and contraction displacement of the piezoelectric element 3, and FIG. 2B shows the absolute value of the stress distribution of the piezoelectric actuator 1 generated by the bending displacement. It is shown. As shown in FIG. 2 (A), the stress of the expansion and contraction displacement is greatest at a position substantially at the center L / 2 in the longitudinal direction, where L is the long side of the piezoelectric element 3. Further, in FIG. 2B, the bending displacement stress is greatest at approximately L / 4 from the longitudinal end of the piezoelectric element 3.
Since the portion of the piezoelectric element 3 where the electrodes 54, 55 and 58 are arranged vibrates and the reinforcing plate 2 vibrates, the vibration is also transmitted to the electrodes 52 and 53 of the piezoelectric element 3 where no voltage is applied. . As a result, a weak voltage is generated in the electrodes 52 and 53 by the inverse piezoelectric effect. This voltage is transmitted to the vibration detecting device, and the vibration detecting device detects the vibration of the piezoelectric actuator 1 based on the voltage signal. The vibration detecting device detects the sum of the stretching vibration and the bending vibration from the vibrations of the piezoelectric elements 3 disposed on the electrodes 52 and 53, respectively. At this time, since the electrodes 52 and 53 are provided symmetrically with respect to the center line in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3, the bending vibration also becomes symmetrical with respect to the center line, that is, the electrode 52 portion of the piezoelectric element 3 shrinks. When it is, the electrode 53 is extended. Therefore, the electrodes 52 and 53 detect bending vibrations having phases opposite to each other. Thus, by obtaining the sum of the vibrations detected by the electrodes 52 and 53, the bending vibration component having the opposite phase is canceled and only the stretching vibration can be obtained, and the stretching vibration is canceled by the difference between these vibrations. Thus, only the bending vibration can be detected. Then, by monitoring the balance between the longitudinal vibration and the bending vibration, the frequency of the voltage applied to the electrodes 54, 55, 58 by the application device is adjusted as needed.
When the driven body 100 is rotated in the opposite direction, the electrodes to which the voltage is applied are switched symmetrically about the longitudinal center line. That is, a voltage is applied to the electrodes 54, 56, 57 by switching the electrodes applied to the electrodes 55, 58 to the electrodes 56, 57. Then, the directions of the bending vibration are reversed by the electrodes 56 and 57, and the convex portion 21 vibrates while drawing a substantially elliptical orbit in a direction opposite to the above. Thereby, the driven body 100 rotates in the opposite direction.
[0020]
According to such a piezoelectric actuator 1, the following effects can be obtained.
(1) The electrode 54 is disposed substantially at the center of the piezoelectric element 3 in the longitudinal direction, and the portion of the electrode 54 of the piezoelectric element 3 is an elastic part. Further, since the electrodes 55, 56, 57, 58 are arranged at positions about 1/4 of the long side from the longitudinal end of the piezoelectric element 3, the electrodes 55, 56, 57, 58 of the piezoelectric element 3 are bent. Part. As shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B), the expansion and contraction portions and the bending portions are arranged at portions where the stress obtained from the expansion and contraction displacement and the bending displacement of the piezoelectric actuator 1 is maximized. ing. Therefore, since the expansion and contraction portion and the bending portion are arranged in a portion where a good driving force can be obtained with respect to the applied voltage, the arrangement of the expansion and contraction portion and the bending portion can be optimized. Driving force with respect to voltage, that is, driving efficiency can be improved. Conversely, the power consumed to secure the necessary driving force can be saved.
[0021]
(2) The electrodes 51, 52, 53 are provided at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3, and the electrodes 51, 52, 53 of the piezoelectric element 3 are voltage non-applying parts where no voltage is applied. As shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B), these electrodes 51, 52 and 53 have low stresses obtained in both expansion and contraction displacement and bending displacement. Therefore, the drive efficiency of the piezoelectric actuator 1 with respect to the applied voltage can be further improved by not applying a voltage to the electrodes 51, 52, and 53.
[0022]
(3) Since the electrodes 52 and 53 are connected to the vibration detecting device, stretching vibration can be obtained by the sum of the detected vibrations, and bending vibration can be obtained by the difference. At this time, since the electrodes 52 and 53 are provided at the voltage non-applying portions at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3, there is no need to newly provide a detecting portion, and the space efficiency in the electrode arrangement of the piezoelectric actuator 1 can be improved. it can. In addition, a large voltage is not required for vibration detection, and vibration can be easily detected by amplifying the voltage as necessary. Therefore, the vibration detection portion is connected to the electrodes 51 and 52 which are the non-voltage application portions. It is suitable for providing.
[0023]
(4) Since the vibration detection portion is disposed on the side far from the contact position with the driven body 100, it is less susceptible to disturbance (noise) such as vibration of the driven body 100, and satisfactorily expands and contracts vibration and bending vibration. Can be detected.
[0024]
(5) By forming the gaps 41A, 41B, 41C, 41D in the plating layer 4 on the surface of the piezoelectric element 3, the electrodes 54, 55, 56, 57, 58 and the voltage non- Electrodes 51, 52 and 53 are formed according to the position of the application site. Therefore, a voltage can be applied to any part of the piezoelectric element 3 by selecting an electrode to which a voltage is applied. As a result, the polarization directions of the piezoelectric elements 3 can be unified, so that the piezoelectric elements 3 can be obtained at low cost, and the piezoelectric actuator 1 can be manufactured at low cost.
[0025]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the piezoelectric element 3 of the first embodiment is polarized according to the positions of the expansion and contraction part and the bending part.
FIG. 3 is a plan view of the piezoelectric actuator 1 according to the second embodiment. In FIG. 3, both ends of the plating layer 4 in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3 are divided by gaps 41 A as in the first embodiment, and electrodes 51 and 52 are formed. Of these electrodes 51 and 52, a substantially U-shaped gap 41B is formed at the center in the width direction in the electrode 52 farther from the contact position with the driven body 100. A substantially rectangular electrode 53 is formed in this portion by the gap 41B, and the electrode 52 has a substantially U-shape surrounding the electrode 53 by the gap 41B. In the portion where the electrode 52 of the piezoelectric element 3 is arranged, the polarization direction of one half electrode portion 52A (the dashed line portion in FIG. 3) in the width direction is opposite to the other half electrode portion 52B. It has become. The electrodes 52 and 53 are respectively connected to a vibration detecting device, and the portion of the piezoelectric element 3 on which the electrodes 52 and 53 are arranged is a vibration detecting portion. The plating layer 4 between the electrodes 51 and 52 is divided into the electrodes 54 and 55 by forming a gap 41D substantially in the center in the width direction along the longitudinal direction of the piezoelectric element 3. Among the portions of the piezoelectric element 3 where these electrodes 54 and 55 are formed, the end near the driven body 100 and the outer end in the width direction of the piezoelectric element 3 (the two-dot chain line portion in FIG. 3) , And their polarization directions are opposite to each other. The portion surrounded by the two-dot chain line, that is, the portion in which the polarization direction is reversed is a bent portion 71 for bending the piezoelectric actuator 1, and extends from the longitudinal end of the piezoelectric element 3 to the piezoelectric element 3. Assuming that the long side is L, it is arranged at a position of about L / 4. A substantially L-shaped portion of the electrodes 54 and 55 excluding the bent portion 71 is arranged at a portion including a substantially central portion (about L / 2) of the piezoelectric element 3 in the longitudinal direction, and expands and contracts the piezoelectric actuator 1. It is a stretchable portion 72 to be made. These electrodes 54 and 55 are connected to an application device.
[0026]
In such a piezoelectric actuator 1, when a voltage is applied to the electrode 54 by the application device, the stretchable portion 72 of the electrode 54 expands and contracts in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3. At this time, since the bending direction of the bending portion 71 is opposite to that of the piezoelectric element 3, the bending portion 71 expands and contracts in the opposite direction to the expansion and contraction portion 72, that is, the bending portion 71 contracts when the expansion and contraction portion 72 expands. Thereby, the bending portion 71 bends the piezoelectric element 3 in the longitudinal direction. The convex portion 21 of the reinforcing plate 2 receives a stretching vibration and a bending vibration and vibrates in a substantially elliptical orbit, and the driven body 100 is rotated by the vibration.
When rotating the driven body 100 in the opposite direction, the electrode to which a voltage is applied is switched from the electrode 54 to the electrode 55. Then, the convex portion 21 draws an elliptical orbit in the opposite direction, and rotates the driven body 100 in the opposite direction.
Due to these stretching vibration and bending vibration, a voltage is generated at the electrodes 52 and 53 by the inverse piezoelectric effect. In the electrode 52, the sum of the stretching vibration and the bending vibration is detected by the electrode portions 52A and 52B, respectively, as in the first embodiment, but the polarization directions of the piezoelectric elements 3 of the electrode portions 52A and 52B are opposite to each other. Therefore, the phase of the detected vibration is also reversed. In the vibration detecting device, since the vibrations of the electrode portions 52A and 52B are combined and detected, the vibration having the opposite phase is canceled. That is, the vibration detecting device obtains the difference between the vibrations detected at the electrode portions 52A and 52B, thereby canceling out the stretching vibration and detecting only the bending vibration. On the other hand, since the polarization direction of the piezoelectric element 3 of the electrode 53 is the same, the vibration detecting device detects the sum of the detected vibrations detected on both sides of the center of the electrode 53 in the width direction, thereby canceling the bending vibration. Detect only stretching vibration. The vibration detecting device detects the expansion and contraction vibration and the bending vibration, and appropriately adjusts the frequency of the voltage applied to the electrode 54 or the electrode 55 so that the convex portion 21 draws an appropriate elliptical orbit.
[0027]
According to such a piezoelectric actuator 1, in addition to the same effects as the effects (2) and (4) of the first embodiment, the following effects can be obtained.
(6) The electrodes 54 and 55 are arranged at substantially the center in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3, and the expansion and contraction portion 72 is provided including substantially the center in the longitudinal direction. A bent portion 71 is provided at a position of the electrodes 54, 55 which is about 約 of the length L of the piezoelectric element 3 from the longitudinal end of the piezoelectric element 3. As shown in FIGS. 2A and 2B of the first embodiment, the expansion and contraction portions 72 and the bending portion 71 have the maximum stress obtained from the expansion and contraction displacement and the bending displacement of the piezoelectric actuator 1, respectively. It is arranged in a part. Therefore, since the expansion and contraction portion 72 and the bending portion 71 are arranged in a portion where a good driving force can be obtained with respect to the applied voltage, the arrangement of the expansion and contraction portion 72 and the bending portion 71 can be optimized. Driving force for the applied voltage of the actuator 1, that is, driving efficiency can be improved. Conversely, the power consumed to secure the necessary driving force can be saved.
[0028]
(7) Since the polarization directions of the piezoelectric elements 3 are arranged in the electrodes 54 and 55 in opposite directions, the expansion and contraction portions 72 and the bending portions 71 expand and contract in the opposite directions only by applying a voltage to the electrodes 54 or 55. To excite the stretching vibration and the bending vibration. By making the polarization direction opposite in this way, the elliptical vibration of the projection 21 can be realized by one electrode, so that the number of electrodes formed on the plating layer 4 can be reduced. Accordingly, the number of wirings of the piezoelectric actuator 1 can be reduced, problems such as disconnection can be minimized with a simple structure, and the reliability of the piezoelectric actuator 1 can be improved.
[0029]
(8) Since the polarization direction of the electrode 52 is opposite to each other at the electrode portions 52A and 52B, which are half the width direction, and the electrode 53 is provided at substantially the center in the width direction, the voltage generated at the electrode 52 The bending vibration and the stretching vibration can be detected from the voltage generated at the electrode 53. Therefore, unlike the first embodiment, the stretching vibration and the bending vibration can be obtained without performing addition or subtraction in the vibration detecting device. This makes it possible to simplify the structure of the calculation means and the like of the vibration detecting device, and to manufacture the piezoelectric actuator 1 at low cost. Also, at this time, since the electrodes 52 and 53 are provided at the voltage non-applying portions at the longitudinal ends of the piezoelectric element 3, there is no need to newly provide a detecting portion, and the space efficiency of the piezoelectric actuator 1 can be improved. . In addition, a large voltage is not required for vibration detection, and vibration can be easily detected by amplifying the voltage as necessary. Therefore, the vibration detection portion is connected to the electrodes 51 and 52 which are the non-voltage application portions. It is suitable for providing.
[0030]
(9) By forming the gaps 41A, 41B, 41D in the plating layer 4 on the surface of the piezoelectric element 3, the electrodes 54, 55 are formed in accordance with the positions of the expansion / contraction portion 72 and the bent portion 71. Further, the electrodes 51, 52, 53 are formed in accordance with the position of the voltage non-applying part. Therefore, a voltage can be applied to any part of the piezoelectric element 3 by selecting an electrode to which a voltage is applied. As a result, the polarization directions of the piezoelectric elements 3 can be unified, so that the piezoelectric elements 3 can be obtained at low cost, and the piezoelectric actuator 1 can be manufactured at low cost.
[0031]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The third embodiment is different from the first embodiment in the arrangement of the electrodes.
FIG. 4 is a plan view of the piezoelectric actuator 1 according to the third embodiment. In FIG. 4, electrodes 51, 52, and 53 divided by gaps 41A and 41B are formed on the plating layer 4 as in the second embodiment. A substantially L-shaped gap 41C is formed at both ends on the diagonal of the plating layer 4 between the electrodes 51 and 52, and a substantially rectangular electrode 59 is formed at both ends on the diagonal by the gap 41C. The portion of the piezoelectric element 3 where the electrode 59 is disposed is a voltage non-applying portion where no voltage is applied. Of the plating layer 4 between the electrodes 51 and 52, a substantially Z-shaped electrode 54A excluding the electrodes 59 at both ends is connected to the application device.
Arms 22 are provided on both sides substantially at the center of the reinforcing plate 2 in the longitudinal direction, and the piezoelectric actuator 1 is supported from both sides by screwing the respective ends. The protruding portion 21 has a substantially triangular tip, and is in contact with the oblique side such that the oblique side is in a tangential direction of the driven body 100. The longitudinal direction of the piezoelectric actuator 1 is arranged so as to be inclined with respect to the radial direction of the driven body 100.
In the piezoelectric actuator 1, when a voltage is applied to the electrode 54A, the piezoelectric element 3 excites a vibration that combines stretching vibration and bending vibration, and the convex portion 21 draws a substantially elliptical orbit.
FIG. 5 shows an enlarged view of the piezoelectric actuator 1. In FIG. 5, the portions (dotted lines in FIG. 5) arranged substantially at the center in the width direction and the substantially center in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3 are arranged over the entire length and the entire width of the electrode 54A. Expands and contracts in the longitudinal direction. That is, this portion is the expansion / contraction portion 72 of the piezoelectric element 3. Then, of the electrode 54A of the piezoelectric element 3, the rectangular portions at the opposite ends of the diagonal line (the dashed line in FIG. 5) excluding the expansion and contraction portion 72 are separated from the center line along the longitudinal direction of the piezoelectric element 3 by the electrode 59. Therefore, the piezoelectric element 3 is bent. That is, this portion is the bent portion 71 of the piezoelectric element 3. Here, as shown in FIG. 5, assuming that the length of the piezoelectric element 3 in the longitudinal direction is L, the elastic portion 72 is located substantially at the center in the longitudinal direction (at a position approximately L / 2 from the end of the piezoelectric element 3). The bending portion 71 is disposed at a position about L / 4 from both ends of the piezoelectric element 3.
As described above, since the piezoelectric element 3 and the reinforcing plate 2 perform expansion and contraction vibration and bending vibration, the convex portion 21 rotates the driven body 100 while drawing substantially elliptical vibration. In the present embodiment, since the expansion and contraction portion 72 occupies a larger area than the bending portion 71, the piezoelectric actuator 1 forms a vibration having a high expansion and contraction vibration ratio, whereby the hypotenuse of the convex portion 21 is driven. The body 100 is pressed and rotated tangentially well.
[0032]
According to such a piezoelectric actuator 1, in addition to the effects similar to the effects (2) and (4) of the first embodiment and the effect (8) of the second embodiment, the following effects can be obtained. Such effects can be obtained.
(10) The expansion / contraction portion 72 is disposed substantially at the center of the piezoelectric element in the longitudinal direction, and the bent portion 71 is disposed at a position about 1/4 of the long side of the piezoelectric element 3 from both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3. ing. As shown in FIGS. 2A and 2B of the first embodiment, the expansion and contraction portions 72 and the bending portion 71 have the maximum stress obtained from the expansion and contraction displacement and the bending displacement of the piezoelectric actuator 1, respectively. It is arranged in a part. Therefore, since the expansion and contraction portion 72 and the bending portion 71 are arranged in a portion where a good driving force can be obtained with respect to the applied voltage, the arrangement of the expansion and contraction portion 72 and the bending portion 71 can be optimized. Driving force for the applied voltage of the actuator 1, that is, driving efficiency can be improved. Conversely, the power consumed to secure the necessary driving force can be saved.
[0033]
(11) By forming the gaps 41A, 41B, 41C in the plating layer 4 on the surface of the piezoelectric element 3, the electrodes 54A are formed in accordance with the positions of the expansion and contraction portions 72 and the bent portions 71. Further, the electrodes 51, 52, 53, 59 are formed in accordance with the position of the voltage non-applied portion. Therefore, a voltage can be applied to any part of the piezoelectric element 3 by selecting an electrode to which a voltage is applied. As a result, the polarization directions of the piezoelectric elements 3 can be unified, so that the piezoelectric elements 3 can be obtained at low cost, and the piezoelectric actuator 1 can be manufactured at low cost.
[0034]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, a plurality of piezoelectric elements are stacked.
FIG. 6 is an exploded perspective view of the piezoelectric actuator 1 according to the fourth embodiment, and FIG. 7 is a side view of the piezoelectric actuator 1. In FIG. 6, the piezoelectric actuator 1 is configured by laminating three piezoelectric elements 3A, 3B, 3C on both sides of a reinforcing plate 2, respectively. Plating layers 4 are respectively formed on both surfaces of these piezoelectric elements 3A, 3B, 3C, and these plating layers 4 are provided symmetrically with the reinforcing plate 2 interposed therebetween. On the surface of the piezoelectric element 3A farthest from the reinforcing plate 2, a plating layer 4A having the same shape as in the third embodiment is formed. On the back surface of the piezoelectric element 3A, a ground layer having a plating layer 4B formed over substantially the entire surface. On one side in the longitudinal direction, only the ground layer portion 59A corresponding to the electrode 59 reaches the end. ing. As a result, only the ground layer portion 59A is exposed on the side of the side.
In the second piezoelectric element 3B, a plating layer 4B having the same shape is formed on a surface facing the piezoelectric element 3A. On the back surface of the piezoelectric element 3B, a plating layer 4C having the same shape as the electrode 54A is formed.
In the third piezoelectric element 3C, a plating layer 4C having the same shape is formed on a surface facing the piezoelectric element 3B, and a plating layer 4D is formed on the entire back surface. The plating layer 4 D conducts by contacting the reinforcing plate 2.
[0035]
The piezoelectric elements 3A, 3B, and 3C each having the plating layers 4 formed on both the front and back surfaces are bonded and laminated so that the opposing plating layers 4 are in contact with each other as shown in FIG. Thereby, the plating layers 4 facing each other are conducting. Here, each plating layer 4 is exposed on one side in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3. That is, the side edges of the electrodes 51, 52, 54A and 59 are exposed on the surface of the piezoelectric element 3A, and the side edges of the ground layer portion 59A and the piezoelectric elements 3B are between the piezoelectric elements 3A and 3B. , 3C, the side edge of the electrode 54A is exposed. In this side surface, the electrode 54A on the surface of the piezoelectric element 3A and the end of the electrode 54A between the piezoelectric elements 3B and 3C are electrically connected by a conductive portion 6A formed by metal evaporation or the like. In addition, a portion corresponding to the electrode 59 between the piezoelectric elements 3A and 3B is electrically connected to the plating layer 4D or the reinforcing plate 2 between the reinforcing plate 2 and the piezoelectric element 3C by a conductive portion 6B. That is, the plating layer 4B between the piezoelectric elements 3A and 3B is grounded together with the reinforcing plate 2. Here, the electrodes 52 and 53 are formed only on the piezoelectric element 3A located on the uppermost surface, and the reversal of the polarization direction of half the width of the electrode 52 is also provided only on the piezoelectric element 3A.
Note that the piezoelectric actuator 1 in FIG. 7 is exaggerated for easy understanding of the structures of the plating layer 4 and the piezoelectric element 3, and is described such that a gap is formed between each piezoelectric element 3. However, in practice, the respective piezoelectric elements 3 are closely adhered to each other.
[0036]
In such a piezoelectric actuator 1, an AC voltage is applied to the electrode 54A of the piezoelectric element 3A by an application device. Then, since the plating layer 4B on the back surface of the piezoelectric element 3A is grounded by the conductive portion 6B via the reinforcing plate 2, a voltage is applied to the electrode 54A from the plating layer 4A to the plating layer 4B. You. Since the plating layer 4C between the piezoelectric elements 3B and 3C is electrically connected to the plating layer 4A of the piezoelectric element 3A by the conductive portion 6A, a voltage is applied to the piezoelectric element 3B from the plating layer 4C to the plating layer 4B. . Further, a voltage is applied to the piezoelectric element 3C from the plating layer 4C to the reinforcing plate 2. As a result, the piezoelectric elements 3A, 3B, and 3C vibrate in a substantially elliptical trajectory that combines longitudinal vibration and bending vibration when a voltage is applied to the portion corresponding to the electrode 54A, thereby causing the driven body 100 to move. Rotate.
[0037]
According to such a piezoelectric actuator 1, effects similar to the effects (2) and (4) of the first embodiment, effects similar to the effect (8) of the second embodiment, and effects of the third embodiment In addition to the effects similar to the effects (10) and (11), the following effects can be obtained. (12) Since the piezoelectric actuator 1 is configured by laminating three piezoelectric elements 3 on both sides of the reinforcing plate 2, a large driving force can be obtained. Conversely, this can reduce the driving power required to obtain the desired driving force.
[0038]
(13) Since the plating layers 4A, 4B, 4C, and 4D are provided only in the portions requiring conductivity, the plating layers 4 exposed on the side surfaces are short-circuited, or the electrodes 51, 52, 53, 54A, and 59 Can be minimized.
[0039]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes modifications and improvements as long as the objects of the present invention can be achieved.
For example, in the fourth embodiment, three piezoelectric elements 3 are stacked, but the number is not limited to this, and the number of stacked layers is arbitrary. In each embodiment, the piezoelectric elements 3 are fixed to both surfaces of the reinforcing plate 2. However, the present invention is not limited to this. For example, the piezoelectric actuator 1 may be configured by only one piezoelectric element 3 or a stacked piezoelectric element 3, The element 3 may be driven in contact with the driven body 100. However, in this case, since the strength is lower than that of the reinforcing plate 2, it is necessary to consider durability. Further, a configuration in which one piezoelectric element 3 is fixed to one surface of the reinforcing plate 2 may be employed. In this case, since the piezoelectric actuator 1 is not configured symmetrically with respect to the reinforcing plate 2, the driving efficiency may be slightly inferior as compared with the case where the piezoelectric elements 3 are fixed on both sides. Easy to do.
Although the displacement detection part is provided as a vibration detection part in each embodiment, the object of the present invention can be achieved without necessarily providing this part. For example, when a voltage to be applied is set in advance by an experiment or the like, and it is not necessary to change the voltage according to the situation, the displacement detection portion may not be provided.
Even when the displacement detection portion is provided, it is not always necessary to dispose the displacement detection portion at both ends in the longitudinal direction of the piezoelectric element 3. For example, in the third and fourth embodiments, the electrode 59 may be used as a displacement detection site.
The plating layer 4 does not need to be provided on the voltage non-applied portion such as the electrode 51 of each embodiment or the electrode 59 of the third and fourth embodiments, unless it is used as a displacement detection portion.
[0040]
Although the plating layer 4 of the piezoelectric element 3 is formed on both surfaces in each embodiment, the present invention is not limited to this, and it is optional as long as sufficient conductivity with the reinforcing plate 2 or another piezoelectric element 3 can be maintained. For example, a plating layer 4 may be formed on the piezoelectric element 3, a particulate piezoelectric element may be laminated on the piezoelectric layer 3 to a desired thickness, and the piezoelectric element may be adhered to both sides of the single plating layer 4. .
In the piezoelectric element 3, the arrangement of the expansion and contraction portions and the bending portions is not limited to that of each embodiment. In short, the expansion and contraction portion is disposed substantially at the center of the piezoelectric element 3 in the longitudinal direction, and the bent portion is disposed at a portion of about 1/4 of the long side length L of the piezoelectric element 3 from the longitudinal end of the piezoelectric element 3. If so, the object of the present invention can be achieved.
Although the shape of the piezoelectric element 3 is substantially rectangular in each embodiment, the shape is not limited to this, and an arbitrary shape such as an elliptical shape or a triangular shape can be adopted. In short, any shape may be set as long as it can excite the longitudinal vibration and the bending vibration satisfactorily.
The vibration of the piezoelectric element 3 is a combination of the stretching vibration and the bending vibration in each embodiment, but is not limited thereto, and may have only the stretching vibration or only the bending vibration. In each embodiment, the piezoelectric element 3 vibrates when a voltage is repeatedly applied. However, the present invention is not limited to this. It may be only displaced. In short, the present invention is included in the present invention as long as the piezoelectric element 3 expands and contracts and / or bends in the plane direction.
[0041]
The best configuration and method for carrying out the present invention have been disclosed in the above description, but the present invention is not limited to this. That is, the present invention has been particularly illustrated and described primarily with respect to particular embodiments, but may be modified in form with respect to the embodiments described above without departing from the spirit and scope of the invention. Those skilled in the art can make various modifications in terms of material, quantity, and other detailed configurations.
Therefore, the description of the shapes, materials, and the like disclosed above is merely an example for facilitating the understanding of the present invention, and does not limit the present invention. The description by the name of the member excluding some or all of the limitations such as is included in the present invention.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall perspective view of a piezoelectric actuator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a stress distribution of the piezoelectric actuator according to the first embodiment of the present invention, and a schematic diagram of the piezoelectric actuator corresponding to the graph.
FIG. 3 is a plan view of a piezoelectric actuator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a plan view of a piezoelectric actuator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged view of a piezoelectric actuator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an exploded perspective view of a piezoelectric actuator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a side view of a piezoelectric actuator according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric actuator, 2 ... Reinforcement plate, 3 ... Piezoelectric element, 21 ... Convex part, 4 (4A, 4B, 4C, 4D) ... Plating layer, 6A, 6B ... Conductive part, 41 (41A, 41B, 41C, 41D) ): Gap, 51, 52, 53, 54, 54A, 55, 56, 57, 58, 59: electrode, 71: bent portion, 72: telescopic portion, 100: driven body.

Claims

Electrodes are formed on both sides of the plate-shaped piezoelectric element, and by applying a voltage to the electrodes, a piezoelectric actuator having an elastic portion that expands and contracts in a plane direction orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric element, The piezoelectric actuator is characterized in that the expansion and contraction portion is arranged substantially at the center of the piezoelectric element in the expansion and contraction direction.

Electrodes are formed on both surfaces of the plate-like piezoelectric element, and by applying a voltage to the electrodes, a piezoelectric actuator having a bending portion that bends in a surface direction orthogonal to a polarization direction of the piezoelectric element, The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the bent portion is disposed at a position which is approximately 1/4 of a dimension of the piezoelectric element along a direction perpendicular to a bending direction from an end of the piezoelectric element.

Electrodes are formed on both sides of a plate-shaped piezoelectric element, and by applying a voltage to the electrodes, an elastic part that expands and contracts in a plane direction perpendicular to the polarization direction of the piezoelectric element, A bending portion that is bent with respect to a direction, the expansion and contraction portion is disposed substantially at the center of the expansion and contraction direction of the piezoelectric element, and the bending portion extends and contracts from the end of the piezoelectric element. A piezoelectric actuator, wherein the piezoelectric actuator is arranged at a position which is about 1/4 of a dimension along a direction.

4. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the electrode is patterned in accordance with a position of the expansion / contraction part and / or the bending part. 5.

The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein a polarization direction of the piezoelectric element is polarized according to a position of the expansion / contraction part and / or the bending part. .

The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein a voltage non-application portion to which no voltage is applied is provided at an end of the piezoelectric element in the direction of expansion and contraction or an end in a direction perpendicular to the bending direction. A piezoelectric actuator, characterized in that:

7. The piezoelectric actuator according to claim 6, wherein the voltage non-applying portion is provided with a displacement detecting portion for detecting expansion and contraction of the expansion and contraction portion and / or bending of the bending portion.

8. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a plurality of the piezoelectric elements are stacked.

9. The piezoelectric actuator according to claim 8, wherein a displacement detection portion for detecting expansion / contraction of the expansion / contraction portion and / or bending of the bending portion is provided only on the piezoelectric element on the surface.