JP2006238644A - 圧電アクチュエータおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 移動体を多自由度で駆動可能な圧電素子アクチュエータ原理、構造及びそれを用いた電子機器に関する。
【解決手段】 本発明の圧電アクチュエータは圧電素子からなる駆動部の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、圧電素子の第二の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に第一の方向もしくは第二の方向の駆動力を与えるとともに、駆動部の第三の方向の変位の加速度もしくは速度と、圧電素子の第四の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に第三の方向もしくは第四の方向の駆動力を与えるような構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は単一の圧電素子によって移動体を多自由度で駆動可能な圧電アクチュエータ及びその応用に関する。

近年電子機器の高機能化、小型化が進み、当然のことながらそこで用いられるアクチュエータの高機能化、小型化も要求されている。その中で移動体を他自由度に駆動可能なアクチュエータが様々な用途で求められている。

これに対し様々な研究開発が進められており、例えば球状の移動体を複数の回転型超音波モータのステータ（振動体）で挟み込み、各ステータを独立に制御することにより移動体をあらゆる方向に回転可能な多自由度アクチュエータが開発されている。
加藤幹夫、「モバイルモータ」の開発 ＝超音波2軸球形モータ＝ 超音波TECHNO‘98.3 P38-43

しかしながら複数の超音波モータのステータを設ける方式ではアクチュエータ全体が大きくなってしまうと同時に搭載する機器への組み込みが困難であったり、コストも高くなってしまった。

そして、複数のステータを駆動する方式であるため制御が複雑になってしまった。また個々のステータの特性ばらつきにより、より制御が難しくなってしまう恐れがあった。

そこで、本発明の圧電アクチュエータは圧電素子からなる駆動部の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、駆動部の第二の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に第一の方向もしくは第二の方向の駆動力を与えるとともに、
駆動部の第三の方向の変位の加速度もしくは速度と、駆動部の第四の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に第三の方向もしくは第四の方向の駆動力を与えるような構成とする。

ここで、駆動部は複数の電極を有し、電圧を印加する電極を変えることで移動体の移動方向を変えるか、少なくとも一つの電極に印加する電圧の極性を変えることで移動体の移動方向を変える。

また、電極毎に印加する電圧値を変えることで移動体を第一の方向、第二の方向、第三の方向、第四の方向以外の方向に移動方向を変える。

そして駆動部は屈曲変位を発生するものを用いるか、せん断変形を発生するものを用いることで移動体を駆動する。

本発明によれば単一の圧電素子からなる駆動部によって、移動体を様々な方向（多自由度）に駆動可能なアクチュエータが実現できる。そのため、アクチュエータ全体が小型化、低コスト化できると共に搭載する機器への組み込みも容易となる。また、駆動回路、制御回路も簡素なため搭載する機器の小型化が可能である。そして、圧電素子を非共振状態で駆動出来るため、駆動回路が簡単となる。また圧電素子に電力を加えないときには移動体に保持力が働くため、移動体の位置を固定している際には消費電力を消費しないから搭載する電子機器の低消費電力化が可能となる。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。

図1は本発明の圧電アクチュエータを用いた電子機器の断面図である。圧電素子から構成される駆動部１，１０，１００の一端は固定部材7に固定されている。球状の移動体2は複数の溝部５ａに複数の球6が収められた軸受け5によって回転可能に案内されている。

軸受け5のつば部5ｂとばね押さえ9の間にはばね8が収められ、移動体2と駆動部１，１０，１００の他端に設けられた摩擦部材4との間に適度な接触圧で接触するような構造なっている。ここで固定部材7にも受けられた案内部７ａは軸受け5がばね8の加圧方向にのみ移動可能に案内する役目を務める。移動体2は駆動部１，１０，１００の動きに応じてあらゆる方向、即ち矢印200,201並びにこれらの合成方向に駆動される。移動体2に設けられた取り付け部２ａには稼動対象部材3が取り付けられ移動体2の移動に伴い動作する。ここで稼動対象部材3をカメラとすれば自動で撮影方向を変えられる自動雲台が実現できる。ところで、ここで移動体2を球形ではなく平板上のテーブルとすればｘ−ｙステージが実現できる。

次に本発明の駆動部1の駆動原理について説明する。図２は駆動部1の斜視図並びに側面の外部電極の様子を示したものである。図3は内部電極の構成を示したものである。そして図４は駆動部1の信号印加前後の様子を示すものである。駆動部1は四角柱の形状をした積層圧電素子からなる。ここで駆動部１は内部電極13、14、15、16を有する圧電素子１ａと内部電極12を有する圧電素子1ｂを交互に重ね一体的に焼成して構成される。各内部電極の短絡部12ａ、13ｂ、14ｃ、15ｄ、16ｅは駆動部1の側面において夫々外部電極11ａ、11ｂ、11ｃ、11ｄ、11ｅで短絡されている。ここで電極12をＧＮＤとし電極13、14、15、16には高電圧が印加され予め分極処理がなされる。電極はそれぞれ図示しない制御回路に接続されている。

例えば外部電極11ａをＧＮＤとして、制御回路により１１ｂ、１１ｃに同方向の電圧を１１ｄ，１１ｅには11ｂ、11ｃとは逆方向の電圧を印加すれば駆動部１には長手方向に伸びる部分と伸縮する部分が出来るため図4（ｂ）に示すように全体的には屈曲変位を起こし駆動部1の他端は図中矢印で示すｙ方向に変位する。このとき電圧の方向を逆にすれば変位の方向も逆になる。また外部電圧１１ａをＧＮＤとして11ｂ、11ｄに同方向の電圧を、１１ｃ，１１ｅには１１ｂ、１１ｄとは逆方向の電圧を印加すれば図中矢印で示すｘ方向に変位する。このように同方向の電圧を印加する電極の選択、電圧の方向の選択によってｘ方向、−ｘ方向、ｙ方向、−ｙ方向に自在に変位させることが可能である。

次に本発明の圧電アクチュエータの駆動方法について具体的に説明する。図4(ａ)の状態から（ｂ）状態に急速に変形させる動作と、図4（ｂ）の状態から（ａ）の状態へ緩やかに変形させる行為を交互に行えば前者の動作では移動体2と駆動部1（摩擦部材4）の間には滑りが生じ、後者の動作では駆動部１（摩擦部材4）の変形に伴い移動体２も回転するため移動体2は一方向に移動する。実際には両者の動作において滑りと移動が共存していてもその割合が異なれば結果として一方向に移動体２を移動させることが出来る。

この様な駆動を駆動部１にさせるためには駆動信号を交番電圧とする駆動パルスとするとともに電圧を上げる際のスピードと下げる際のスピードを変えることで駆動部1の変形の速度、加速度は変形する方向、即ち第一の方向と、第一の方向と逆方向である第二の方向とによって異なる。例えば図5に示すように急激に立ち上がった後で徐々に下降するような電圧信号を加えればよい。外部電極11ａをＧＮＤとして１１ｂ、１１ｃに図5（ａ）の電圧信号を１１ｄ，１１ｅには11ｂ、11ｃとは逆方向の電圧、即ち図5（ｂ）の電圧信号を印加すれば駆動部1の他端は図中矢印で示すｙ方向に変位する。このとき電圧の方向を逆にすれば変位の方向も逆になる。図５（ａ）、（ｂ）の信号の変わりに電圧の時間に対する勾配が逆となる図6（ａ）、（ｂ）の信号を加えれば移動体2の移動方向は逆となる。

また外部電極１１ａをＧＮＤとして11ｂ、11ｄに図5（ａ）の電圧信号を、１１ｃ，１１ｅには１１ｂ、１１ｄとは図5（ｂ）の電圧信号を印加すれば図中矢印で示すｘ方向（ｙ方向と直交する方向）に変位する。このように同方向の電圧を印加する電極の選択、電圧の方向の選択によって移動体2をｘ方向、−ｘ方向、ｙ方向、−ｙ方向に自在に駆動させることが可能である。従って、これらの各動作を組み合わせれば様々な方向に移動体2を駆動することが出来る。

ところで、ここで駆動部１を積層圧電素子で構成したが、単板素子を用いても構わない。

（実施の形態2）
本発明の実施の形態2の駆動部10を図面を基に説明する。全体の構成は実施の形態1に示したものと同じな為、ここでは相違点のみを述べる。

図7は駆動部10の斜視図（ａ）並びに上面の様子を示したものである。駆動部10は円柱形状をした圧電素子からなる。ここで駆動部１0は外周部に周方向に等間隔で電極17,18,19,20が、内周部には前面に電極21が設けられている。ここで電極21をＧＮＤとし電極17,18,19,20には高電圧が印加され図中矢印の方向に分極処理がなされる。

例えば電極21をＧＮＤとして17,18に同方向の電圧を19,20には17,18とは逆方向の電圧を印加すれば駆動部１0には長手方向に伸びる部分と伸縮する部分が出来るため全体的には屈曲変位を起こし駆動部10の他端は図中矢印で示すｙ方向に変位する。このとき電圧の方向を逆にすれば変位の方向も逆になる。また電極21をＧＮＤとして17,20に同方向の電圧を、18,19には17,20とは逆方向の電圧を印加すれば図中矢印で示すｘ方向に変位する。このように同方向の電圧を印加する電極の選択、電圧の方向の選択によってｘ方向、−ｘ方向、ｙ方向、−ｙ方向に自在に変位させることが可能である。また同方向の電圧を印加する場合でも電極ごとに電圧値を異ならせればｘ方向、ｙ方向とは異なる方向に変位させることも可能である。また、全ての電極に信号を印加せずに幾つかの電極、例えば電極17と電極19に異なる方向の電圧を印加しても屈曲変位を得ることが出来る。

本発明の駆動部10の駆動方法は基本的には実施の形態1に示したものと同じであり駆動部10の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、駆動部10の第二の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体２に前記第一の方向もしくは前記第二の方向の駆動力を与えるとともに、駆動部10の第三の方向の変位の加速度もしくは速度と、駆動部の第四の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に前記第三の方向もしくは前記第四の方向の駆動力を与える様に、駆動部に信号を印加すればよい。そして本実施例においては、印加する電圧値を電極毎にかえることで移動体2を第一の方向、第二の方向、第三の方向、第四の方向以外の方向に移動方向を変えることが可能となる。また先に示したように全ての電極に信号を印加せずに幾つかの電極にのみ信号を印加して動揺の駆動を行ってもかまわない。

（実施の形態3）
本発明の実施の形態3の駆動部100を図面を基に説明する。全体の構成は実施の形態1に示したものと同じな為、ここでは相違点のみを述べる。

図８は駆動部100の斜視図（ａ）並びに上面図、側面図（ｂ）を示したものである。駆動部100は四角柱形状をした圧電素子からなる。ここで駆動部１00は外周部の各面に電極22,23,24,25が設けられている。ここで駆動部100は長手方向（図中矢印方向に）分極処理がなされる。

例えば電極22をＧＮＤとして電極24に電圧を印加すれば駆動部１00は図９に示す様にせん断変形し、駆動部100の他端は図中矢印で示すｘ方向に変位する。このとき電圧の方向を逆にすれば変位の方向も逆になる。また電極23をＧＮＤとして25に電圧を印加すれば図中矢印で示すｙ方向に変位する。このように電圧を印加する電極の選択、電圧の方向の選択によってｘ方向、−ｘ方向、ｙ方向、−ｙ方向に自在に変位させることが可能である。

本発明の駆動部100の駆動方法は基本的には実施の形態1に示したものと同じであり駆動部100の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、駆動部100の第二の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に前記第一の方向もしくは前記第二の方向の駆動力を与えるとともに、駆動部100の第三の方向の変位の加速度もしくは速度と、駆動部の第四の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に前記第三の方向もしくは前記第四の方向の駆動力を与える様に、駆動部100に信号を印加すればよい。

本実施例に示したように圧電素子のせん断変形を用いることで大きな駆動力が得られると共に、駆動部100の固有周波数を高めることが出来るから高い周波数で駆動が出来、移動体2の高速な動作が可能となる。

本発明の圧電アクチュエータは移動体を多自由度に動作可能であり例えばレンズやミラーを駆動すればカメラの自動雲台や光情報通信デバイス等の電子機器へ応用できる。

本発明の実施の形態の圧電アクチュエータを用いた電子機器の断面図である。 本発明の実施の形態１の圧電アクチュエータの駆動部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１の圧電アクチュエータの駆動部の内部電極を示す図である。 本発明の実施の形態１の圧電アクチュエータの駆動部の挙動を示す図である。 本発明の実施の形態１の圧電アクチュエータの駆動信号の例を示す図である。 本発明の実施の形態１の圧電アクチュエータの駆動信号の別の例を示す図である。 本発明の実施の形態２の圧電アクチュエータの駆動部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３の圧電アクチュエータの駆動部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３の圧電アクチュエータの駆動部の挙動を示す図である。

符号の説明

駆動部 １，１０，１００
固定部材 ７
移動体 ２
稼動対象部材 ３
摩擦材 ４

Claims (7)

1. 圧電素子から構成され、電極に電圧を印加することで動作する駆動部と、
   前記駆動部に接触するように配置され、前記駆動部の動作により駆動される移動体と、からなる圧電アクチュエータにおいて、
   前記駆動部に電圧を印加することで発生する第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、第二の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に前記第一の方向もしくは前記第二の方向の駆動力を与えるとともに、
   前記駆動部に電圧を印加することで発生する第三の方向の変位の加速度もしくは速度と、第四の方向の変位の加速度もしくは速度とを異ならせることで移動体に前記第三の方向もしくは前記第四の方向の駆動力を与えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記圧電アクチュエータは前記電極に印加する電圧を制御する制御回路を有し、
   前記駆動部は複数の電極を有し、前記制御回路により電圧を印加する電極を変えることで前記移動体の移動方向を変え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。
3. 前記駆動部は複数の電極を有し、少なくとも一つの電極に印加する電圧の極性を変えることで前記移動体の移動方向を変え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。
4. 前記駆動部は複数の電極を有し、印加する電圧値を電極毎にかえることで前記移動体を前記第一の方向、前記第二の方向、前記第三の方向、前記第四の方向以外の方向に移動方向を変え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。
5. 前記駆動部は屈曲変位を発生することを特徴とする請求項1から4のうちいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記駆動部はせん断変形を発生することを特徴とする請求項１から4のうちいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
7. 請求項１から6のうちいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを搭載したことを特徴とする電子機器。

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