JP2009044793A - 圧電アクチュエータおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化に対応できる、簡素な電極構成を備え製品設計上の自由度が大きい圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】 矩形状の圧電セラミックスからなる圧電アクチュエータであって、該矩形状の圧電セラミックス上に対角線を挟んで厚さ方向に分極された２つの領域に励振用電極部１、２を備え、長さ縦振動及び屈曲２次振動が励振され、さらに、前記厚さ方向に分極された２つの領域が、それぞれ厚み方向に複数層積層されていることも可能な圧電アクチュエータであり、その駆動方法は、圧電アクチュエータの２つの分極領域を同位相の信号で駆動することで縦振動が励振され、互いに逆異相の信号を入力することで屈曲２次振動が励振される圧電アクチュエータの駆動方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電セラミックス振動子の機械的共振を利用して駆動する圧電アクチュエータおよびその駆動方法に関する。

圧電セラミックスを用いた圧電アクチュエータは、共振を利用しない圧電効果のみの構造のものと、共振を用いる構造のものに分けることが出来る。後者の共振を用いる構造の中で、主に損失の少ないハード系圧電セラミックスを用いられている。

例えば、矩形板上に３〜５箇所の分極された領域を構成し、これら分極領域に適宜駆動信号を印加することで、縦振動と屈曲振動を励振させる超音波モータと同様な動作を行うものがある。

図６に、従来の縦、屈曲２次振動を用いる圧電アクチュエータの例を示す。形状は長さ２０ｍｍ×幅５ｍｍ×厚さ１．５ｍｍの高Ｑｍ系セラミックスの矩形状で、４箇所の厚み方向に分極された励振用電極部１、２、３、４を備えている。この圧電アクチュエータを動作させる方法は下記の通りである。長さ縦１次振動の場合、１〜４の励振用電極部に同位相の交流駆動信号を印加すると、４箇所の電極部が一体となって略矩形版状の１つの電極として作用し、８０ｋＨｚ近傍において図７のような伸縮振動が矢印ＡＢ、ＣＤ方向に励振される。

一方、屈曲２次振動に対しては、４箇所の電極部に対し、それぞれ対角状の２箇所１、４及び２、３の励振用電極部に同振幅で位相の異なる交流駆動信号を印加することで、図８に示す屈曲振動が同じく８０ｋＨｚ近傍にて矢印Ｅ、Ｆ方向、矢印Ｇ、Ｈ方向に励振される。

さらに、３〜４箇所の電極に交流電界を印加することためには、その２倍の６〜８箇所の信号入力用電極が必要である。従って、小型化に際しての製品設計において形状寸法精度を確保することが困難であった。

特開平５−３６８８号公報 特許第２７２２２１１号公報 特開２００５−２７８３８８号公報

しかしながら、上述したように従来の圧電セラミックを用いた共振型圧電アクチュエータの構造においては一つの面内に多数の分割された電極が必要となり、小型化に際して、電極寸法精度、さらにはそれら電極部分の分極処理の困難さ、各電極に接合されるリード線接合作業の難しさ等精度を確保することが困難であった。そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、小型化に対応できる、簡素な電極構成を備え製品設計上の自由度が大きい圧電アクチュエータとその駆動方法を提供することである。

そこで、上記課題を解決するために、本発明の圧電アクチュエータは、矩形状の圧電セラミックスからなる圧電アクチュエータとし、該矩形状の圧電セラミックス上に対角線を挟んで厚さ方向に分極された２つの領域を備え、長さ縦振動及び屈曲２次振動が励振されることを特徴としている。

また、本発明は、前記２つの領域が、それぞれ厚み方向に複数層積層されていることを特徴とする圧電アクチュエータである。

また、本発明は、前記２つの領域に同位相の信号で駆動することで縦振動が励振され、互いに逆異相の信号を入力することで屈曲２次振動が励振されることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法である。

本発明によれば、対角線を挟んだ２箇所の分極領域だけで縦、屈曲双方を例振する事で４箇所の信号入力用電極を別途設けるだけで良く、小型化に際しての製品設計上の自由度が増大する。また、２箇所の分極領域は厚み方向に複数層積層し、低インピーダンス化、低電圧駆動化を図ることも可能となる。

以下、図１〜図８を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の圧電アクチュエータの斜視図である。図１において、１、２は、矩形板状の圧電アクチュエータの対角線を挟んだ２たつの領域の励振用電極部である。また、図２は、本発明の積層圧電アクチュエータの斜視図である。１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂは、励振用電極部１，２の対となる複数の内部電極と接続する対となる外部電極である。また、図３は、積層圧電アクチュエータの内部電極構造を示す斜視図である。２２ａ、２２ｂは、励振用電極部２領域の積層する各層の対となる内部電極である。また、図４は、積層圧電アクチュエータの内部電極構造を示す斜視図である。２１ａ、２１ｂは、励振用電極部１領域の積層する各層の対となる内部電極である。また、図５は、積層圧電アクチュエータの各層の内部分極方向である。図は５層の例を示している。また、図６は、従来例の圧電アクチュエータの斜視図である。図６において、１，２，３，４は、励振用電極部である。これら４箇所の電極部は厚み方向に分極されている。また、図７は、圧電アクチュエータを駆動させることを目的とする長さ縦振動を示す図である。長さ縦振動とは、長さ方向に伸縮する動きである。また、図８は、圧電アクチュエータを駆動させることを目的とする屈曲２次振動を示す図である。対角状の電極に同振幅で位相の異なる交流駆動信号を印加することで屈曲振動が励振される。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１について図を参照しながら詳細に説明する。図１に示す本発明の圧電アクチュエータは、図６同様に、外形寸法は２０ｍｍ×５ｍｍ×１．５ｍｍで同一であるが、矩形板の対角線を挟んだ２たつの領域に、厚み方向に分極された励振用電極部１、２を備えている。

この圧電アクチュエータを駆動させる方法は下記の通りである。長さ縦１次振動の場合、１、２の電極部に同位相の交流駆動信号を印加すると、２箇所の電極部が一体となって略矩形板状の１つの電極として作用し、８０ｋＨｚ近傍において長さ縦振動を示す図７の様な伸縮振動が励振され、一方、屈曲２次振動に対しては、励振用電極部１、２に対し、同振幅で位相の異なる交流駆動信号を印加することで図８に示す屈曲２次振動が同じく８０ｋＨｚ近傍において励振される。

図６および図１において、それぞれの励振用電極部は厚み方向上下に１対（２枚）の電極を備えるため、図６の従来例においては計８枚、本発明の図１の構造においては計４枚の電極を必要とする。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図２〜図５を参照しながら説明する。

図２に、本発明の積層型圧電アクチュエータの斜視図を示す（図は５層の例を示す）。形状、使用材料等は実施の形態１と同じであるが、２箇所の厚み方向に分極された励振用電極部１、２は、それぞれ複数対の内部電極２１ａ、２１ｂとそれが接続する外部電極１１ａ、１１ｂ、および内部電極２２ａ、２２ｂとそれが接続する外部電極１２ａ、１２ｂから構成されており、各層は図５に示すように、厚み方向に互いに逆向きに分極されている（図中矢印は分極の向き）。合計４箇所の外部電極部に励振用の信号電圧が印加される。

この積層型圧電アクチュエータを駆動させる方法は下記の通りである。長さ縦１次振動の場合、図２の１１ａ、１１ｂおよび１２ａ、１２ｂの外部電極部に同位相の駆動電圧を印加すると、８０ｋＨｚ近傍において図７のような伸縮振動が励振される。

一方、屈曲２次振動に対しては、外部電極１１ａ、１１ｂと１２ａ、１２ｂに対し、同振幅で位相の異なる交流駆動信号を印加する事で図８に示す屈曲振動が同じく８０ｋＨｚ近傍において励振される。

実施の形態１、２から明らかなように、一つの電極部には一対、２枚の電極が使用され、従来例においては４箇所の電極部が存在するため、計８個の電極が必要となる。これは複数対の積層化を図った際も同じであり、本発明の構造によって、同じ振動を励起するのに必要な電極数は略１／２で済む事となる。

本発明の圧電アクチュエータの斜視図。 本発明の積層圧電アクチュエータの斜視図。 本発明の積層圧電アクチュエータの内部電極構造を示す図。 本発明の積層圧電アクチュエータの内部電極構造を示す図。 本発明の積層圧電アクチュエータの内部分極方向を示す図。 従来例の圧電アクチュエータの斜視図。 長さ縦振を示す図。図７（ａ）は、矢印方向Ａ，Ｂに伸びた状態を示す図、図７（ｂ）は矢印方向Ｃ，Ｄに縮んだ状態を示す図。 屈曲２次振動を示す図。図８（ａ）は矢印方向Ｅ，Ｆに駆動した状態を示す図、図８（ｂ）は矢印方向Ｇ，Ｈに駆動した状態を示す図。

符号の説明

１、２、３、４ 励振用電極部
５ 層
６ 電極
７ 分極方向（矢印方向）
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ 外部電極
２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ 内部電極

Claims (3)

1. 矩形状の圧電セラミックスからなる圧電アクチュエータであって、該矩形状の圧電セラミックス上に対角線を挟んで厚さ方向に分極された２つの領域を備え、長さ縦振動及び屈曲２次振動が励振されることを特徴とした圧電アクチュエータ。
2. 前記２つの領域が、それぞれ厚み方向に複数層積層されてい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２つの領域に、同位相の信号を入力することで前記圧電アクチュエータに長さ縦振動が励振され、または互いに逆異相の信号を入力することで屈曲２次振動が励振されることを特徴とする請求項１または２記載の圧電アクチュエータの駆動方法。

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