JP2009153240A - 圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の方向へ正確に変位させる。
【解決手段】本発明の圧電アクチュエータは、厚み方向に分極された圧電体層と電極とが交互に積層された圧電アクチュエータであって、前記圧電体層の積層方向に伸縮する第１の領域と、前記圧電体層の積層方向に平行な平面により前記第１の領域に対して区分可能であり、前記第１の領域とは逆向きに前記圧電体層の積層方向に伸縮する第２の領域と、を備え、前記第１の領域および第２の領域の伸縮により屈曲可能であることを特徴としている。これにより、上面を一方の領域側に向けるように屈曲することが可能になる。また、交流を印加することで双方の領域側を往復するように屈曲させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子の複数の領域がそれぞれ独立して変位する圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータの駆動方法に関する。

特許文献１に記載されている圧電アクチュエータは、圧電体と電極とがＺ方向に交互に積層されてＺ方向に伸縮変位を生ずる伸縮変位部と、圧電体とＸ方向に所定距離離れた電極および電極とがＺ方向に交互に積層されてＸ方向に屈曲変位を生ずる屈曲変位部とを有する。この伸縮変位部と屈曲変位部は、Ｚ方向で連接する。そして、屈曲変位部は、圧電体と電極とが交互に積層された部分におけるＺ方向の伸縮と、圧電体と電極とが交互に積層された部分におけるＺ方向の伸縮の位相を反転させることによって、Ｘ方向に屈曲変位を生ずる。伸縮変位部の伸縮変位と屈曲変位部の屈曲変位を同時に生じさせて圧電アクチュエータ一端に楕円運動を生じさせる。
特開２００３−１６４１７５号公報

しかしながら、上記の圧電アクチュエータは、楕円運動を生じさせることはできるが、希望する方向へ微小な屈曲をさせることは容易ではない。例えば、圧電アクチュエータを用いてレーザダイオードやミラー等の光軸調整を行なう場合では、微小な角度変化を制御する必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、所望の方向へ正確に変位させることができる圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータの駆動方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の圧電アクチュエータは、厚み方向に分極された圧電体層と電極とが交互に積層された圧電アクチュエータであって、前記圧電体層の積層方向に伸縮する第１の領域と、前記圧電体層の積層方向に平行な平面により前記第１の領域に対して区分可能であり、前記第１の領域とは逆向きに前記圧電体層の積層方向に伸縮する第２の領域と、を備え、前記第１の領域および第２の領域の伸縮により屈曲可能であることを特徴としている。

このように、第１の領域と第２の領域とが逆向きに伸縮することで、上面を一方の領域側に向けるように屈曲することが可能になる。また、交流を印加することで双方の領域側を往復するように屈曲させることができる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、厚み方向に分極された圧電体層と電極とが交互に積層された圧電アクチュエータであって、前記圧電体層の積層方向に伸縮し、前記圧電体層の積層方向に平行な平面により区分可能な第１から第４の領域を備え、前記第１および第２の領域が前記圧電体層の積層方向に収縮する場合に、前記第３および第４の領域は前記圧電体層の積層方向に伸張し、前記第１および第４の領域が前記圧電体層の積層方向に収縮する場合に、前記第２および第３の領域は積層方向に対して伸張することで、全体が屈曲可能であることを特徴としている。

これにより、上面を一つの領域側に向けるように屈曲することが可能になる。また、交流を印加させることで楕円や円の軌道で屈曲運動させることができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記電極のうち、同一平面上に分割されて設けられている２つの電極の間隔は、前記圧電体層の幅の距離の１／５以上であることを特徴としている。

このように、同一平面上の電極間に一定の距離を設けることで、異なる伸縮を行う領域間に生じる応力を緩和させることができる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータの駆動方法は、前記各領域の圧電体層に対して、分極時の印加電圧の向きと同じ向きにのみ電圧を印加することで、請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータを駆動させることを特徴としている。

これにより、たとえば圧電体層の材料にソフト材を用いたときでも、分極特性の減少を防止することができる。その結果、圧電体層にソフト材を用いたときには大きい駆動量を得ることができる。

（５）また、本発明の圧電アクチュエータの駆動方法において、前記領域のうち一つの領域内の圧電体層に電圧を印加する場合に、前記一つの領域に隣り合う領域内の圧電体層には電圧を印加しないことを特徴としている。

これにより、圧電体層に分極方向と同方向にのみ電圧を印加する場合において、屈曲量を最大にすることができる。

本発明によれば、第１の領域と第２の領域とが逆向きに伸縮することで、上面を一方の領域側に向けるように屈曲することが可能になる。また、交流を印加することで双方の領域側を往復するように屈曲させることができる。

次に、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す。この圧電アクチュエータ１０は、上下に電極を配した圧電体層が厚み方向に積層されており、上から見て２つの領域に分かれている。各領域は、圧電体層の積層方向に平行な面で区分することができる。電極２ａ、２ｂ、および２ｃが図１に示すように設けられている。同一平面上の２つ電極は、それぞれ各領域内に分割されて設けられている。片側の領域はある電圧を印加した時厚み方向に収縮し、もう片側の領域はある電圧を印加した時厚み方向に伸張する。これは、分極方向をそれぞれ逆になるようにしても良いし、分極方向は同一とし、逆に電圧が印加するようにしても良い。図１では、前者の逆方向に分極したものとなっている。なお、図１において、同一平面上に分割されて設けられている２つの電極の間隔３は、圧電体層の幅の距離の１／５以上である。電極は、圧電体層の積層方向に垂直な平面上に設けられている。

図２に示すように、それぞれの電極２ａ、２ｂ、および２ｃに電圧を印加すると、片側の領域が収縮しもう片側の領域が伸張することにより、圧電アクチュエータは微小ながら屈曲する。圧電アクチュエータにレーザダイオードやミラー等を取り付けた場合、この屈曲変形により光軸として最大で２ｍｒａｄ（０．０５７度）程度変化させることができる。

なお、圧電材料としてソフト材を使用した場合、分極時と逆方向の電圧を印加すると、脱分極が起こる恐れがあるため、その場合には分極方向と同一の方向に電圧を印加する。

このように、第１の実施形態によれば、第１の領域と第２の領域とが逆向きに伸縮することで、上面を一方の領域側に向けるように屈曲することが可能になる。また、交流を印加することで双方の領域側を往復するように屈曲させることができる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す。第２の実施形態では、圧電アクチュエータ２０は、圧電体層と電極とが積層して形成されており、圧電体層の積層方向に平行な面で区分される４つの領域により構成されている。図４（ｄ）において、Ｖ１の電圧を印加することにより、圧電アクチュエータは左右に屈曲変形し、図４（ｅ）において、Ｖ２の電圧を印加することにより、圧電アクチュエータは左右に屈曲変形する。従って、Ｖ１とＶ２の電圧を同時に印加することにより、θｙ、θｘのいずれの方向にも屈曲させることが可能となる。なお、上記の圧電体層の幅は、たとえば図３のＰＰ’で表されるような電極を横切る直線上の圧電体層の側面間の距離である。

このように、第２の実施形態によれば、上面を一つの領域側に向けるように屈曲することが可能になる。また、交流を印加させることで楕円や円の軌道で屈曲運動させることができる。なお、図中では圧電アクチュエータは直方体であるが、円柱であることが好ましい。円柱形状は屈曲に対して等方的な形状であるためである。

（第３の実施形態）
図５に第３の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す。この圧電アクチュエータ３０は、第２の実施形態と同様に、４つの領域により構成されているが、内部の電極構造や分極方法、電圧印加方法が異なる。

まず、分極方法において、図５（ｂ）Ａの２つの電極と図５（ｂ）Ｃの２つの電極の間に電圧を印加して分極する。そのため、図５（ｃ）に示すように、分極方向は面内で同一方向である。

次に、電圧の印加方法では、図６（ｄ）、（ｅ）に示すように、面内に配置された２つの電極の間にＶ１またはＶ２の電圧を印加する。この時、Ｖ１、Ｖ２は正負の電圧を出力し、中点がＧＮＤ電位である。このようにＶ１、Ｖ２の電圧を印加することにより、第２の実施形態と同様に、θｙ、θｘのいずれの方向にも屈曲させることが可能となる。

このように、第３の実施形態によれば、上面を一つの領域側に向けるように屈曲することが可能になる。また、交流を印加させることで楕円や円の軌道で屈曲運動させることができる。

第１の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す図である。 電極の構成と配線の様子を示す図である。 第２の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す図である。 電極の構成と配線の様子を示す図である。 第３の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す図である。 電極の構成と配線の様子を示す図である。

符号の説明

１０ 圧電アクチュエータ
２０ 圧電アクチュエータ
３０ 圧電アクチュエータ
２ａ 電極
２ｂ 電極
２ｃ 電極
３ 電極の間隔

Claims (5)

1. 厚み方向に分極された圧電体層と電極とが交互に積層された圧電アクチュエータであって、
   前記圧電体層の積層方向に伸縮する第１の領域と、
   前記圧電体層の積層方向に平行な平面により前記第１の領域に対して区分可能であり、前記第１の領域とは逆向きに前記圧電体層の積層方向に伸縮する第２の領域と、を備え、
   前記第１の領域および第２の領域の伸縮により屈曲可能であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 厚み方向に分極された圧電体層と電極とが交互に積層された圧電アクチュエータであって、
   前記圧電体層の積層方向に伸縮し、前記圧電体層の積層方向に平行な平面により区分可能な第１から第４の領域を備え、
   前記第１および第２の領域が前記圧電体層の積層方向に収縮する場合に、前記第３および第４の領域は前記圧電体層の積層方向に伸張し、
   前記第１および第４の領域が前記圧電体層の積層方向に収縮する場合に、前記第２および第３の領域は積層方向に対して伸張することで、全体が屈曲可能であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. 前記電極のうち、同一平面上に分割されて設けられている２つの電極の間隔は、前記圧電体層の幅の距離の１／５以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記各領域の圧電体層に対して、分極時の印加電圧向きと同じ向きにのみ電圧を印加することで、請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータを駆動させることを特徴とする圧電アクチュエータの駆動方法。
5. 前記領域のうち一つの領域内の圧電体層に電圧を印加する場合に、前記一つの領域に隣り合う領域内の圧電体層には電圧を印加しないことを特徴とする請求項４記載の圧電アクチュエータの駆動方法。

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