JP2012238643A

JP2012238643A - 圧電構造体

Info

Publication number: JP2012238643A
Application number: JP2011105202A
Authority: JP
Inventors: Koichi Kudo; 貢一工藤
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-12-06

Abstract

【課題】所定の電荷を与えたときに生じる変位を従来に比較して大きくとることができる圧電構造体を提供すること。
【解決手段】所定の電荷を与えることで複数方向に変位させることが可能な圧電構造体を次のように構成する。略棒状を呈し、複数のスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４が長軸方向に沿って側周面に設けられた棒状弾性体３と、前記棒状弾性体３の側周面のうち前記スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４が設けられた部位以外の部位に設けられた圧電素子７−１，７−２，７−３，７−３と、を具備させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いた振動体である圧電構造体に関する。

従来より、圧電素子を利用したアクチュエータが知られており、例えば特許文献１には、次のような技術が開示されている。すなわち、この特許文献１には、ビーム照射装置の駆動ユニットに利用される円筒状圧電素子が開示されている。この円筒状圧電素子は、その外周面に複数の外部電極が設けられており、それら外部電極に対応する領域は圧電的に活性化されている（圧電活性領域である）。

特開２００３−４５９４０号公報

ところで、特許文献１に開示されている円筒状圧電素子のうち活性領域以外の領域（不活性領域）は、当該円筒状圧電素子の出力に寄与しない領域である。そして、この不活性領域の存在が、当該円筒状圧電素子全体の断面二次モーメントを増大させており、所定の電荷を与えたときの（駆動時の）変位を大きくとれない構造にしてしまっている。

本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、所定の電荷を与えたときに生じる変位を従来に比較して大きくとることができる圧電構造体を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様による圧電構造体は、
所定の電荷を与えることで複数方向に変位させることが可能な圧電構造体であって、
略棒状を呈し、複数のスリットが長軸方向に沿って側周面に設けられた棒状弾性体と、
前記棒状弾性体の側周面のうち前記スリットが設けられた部位以外の部位に設けられた圧電素子と、
を具備することを特徴とする。

本発明によれば、所定の電荷を与えたときに生じる変位を従来に比較して大きくとることができる圧電構造体を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る圧電構造体の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す圧電構造体のうち弾性体に係る部分を示す斜視図である。図３は、図１に示す圧電構造体を、その一方端面（上面）側から観た図（上面図）である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る圧電構造体の構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す圧電構造体のうち弾性体に係る部分を示す斜視図である。図３は、図１に示す圧電構造体を、その一方端面（上面）側から観た図（上面図）である。

図１乃至図３に示すように、本一実施形態に係る圧電構造体は、略棒状を呈する棒状弾性体３と、該棒状弾性体３に設けられた圧電素子７−１，７−２，７−３，７−４と、を具備する。ここで、図１に示すように棒状弾性体３の長軸方向にＺ軸を設定し、図３に示すように棒状弾性体３の長軸方向に垂直な面内で互いに直交する方向にＸ軸とＹ軸とを設定する。

前記棒状弾性体３は、本例では中空構造を採る略円柱状の弾性体であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ材）等から成る。この棒状弾性体３の側周面には、図２に示すように複数のスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４が長軸方向に沿って当該棒状弾性体３の両端近傍部位を除いた部位に長孔形状に形成されている。

ここで、上述したようにスリットｓ１，ｓ２、ｓ３、ｓ４は棒状弾性体３の長軸方向両端近傍部位には形成されていない為、上面図である図３においては本来不図示となるが、スリットｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４に対応する領域を破線で図示している。
前記スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４は、図３に示すように当該棒状弾性体３の側周面のうち互いに対向する部位において対を成すように設けられた二対のスリット（スリットｓ１とスリットｓ３とから成る対、及び、スリットｓ２とスリットｓ４とから成る対）である。

これら二対のスリットは、各対におけるスリットの対向方向同士（対向するスリット同士を最短で結ぶ直線同士）が略９０度を成すように設けられている。すなわち、図３に示すようにスリットｓ１とスリットｓ３とを最短で結ぶ直線ａ１と、スリットｓ２とスリットｓ４とを最短で結ぶ直線ａ２とは直角を成している。

上述したように各スリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を棒状弾性体３に形成することで、図２及び図３に示すように、スリットｓ１とスリットｓ２との間には弾性体領域３−２が形成され、スリットｓ２とスリットｓ３との間には弾性体領域３−３が形成され、スリットｓ３とスリットｓ４との間には弾性体領域３−４が形成され、スリットｓ４とスリットｓ１との間には弾性体領域３−１が形成されている。

なお、図１乃至図３には図示していないが、棒状弾性体３は電気的に接地（ＧＮＤ）されている。
前記圧電素子７−１，７−２，７−３，７−４は、棒状弾性体３を変形させる為の圧電素子であり、棒状弾性体３の側周面において後述する態様で設けられている。これら圧電素子７−１，７−２，７−３，７−４は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を成膜することで、或いは接着等により貼り付けることで、設置されている。

圧電素子７−１は弾性体領域３−１に設けられ、圧電素子７−２は弾性体領域３−２に設けられ、圧電素子７−３は弾性体領域３−３に設けられ、圧電素子７−４は弾性体領域３−４に設けられている。
つまり、圧電素子７−１，７−２，７−３，７−４は、図３に示すように前記棒状弾性体の側周面のうち前記二対のスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４が設けられた部位以外の部位に設けられた、互いに対向する二対の圧電素子である。

なお、図１及び図２には図示していないが、図３に示すように実際には圧電素子７−１に対しては外部電極９−１が設けられており、圧電素子７−２に対しては外部電極９−２が設けられており、圧電素子７−３に対しては外部電極９−３が設けられており、圧電素子７−４に対しては外部電極９−４が設けられており、これら圧電素子７−１，７−２，７−３，７−４は当該棒状弾性体３の径方向（圧電素子７−２，７−４については図３に示すＸ軸方向、圧電素子７−１，７−３については図３に示すＹ軸方向）に分極されている。

そして、これら外部電極９−１，９−２，９−３，９−４を利用して各圧電素子７−１，７−２，７−３，７−４に所定の電荷を与えることで、各圧電素子７−１，７−２，７−３，７−４を振動させて棒状弾性体３を上述のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に変位させることができる。

具体的には、上述したように電気的に接地された当該棒状弾性体３をＧＮＤとし、互いに対向する圧電素子の一方にプラス極性の電圧を印加し、他方にマイナス極性の電圧を印加することで、当該棒状弾性体３は湾曲振動する。
上述した二対の圧電素子について、各対ごとに上述の駆動を行うことで、当該棒状弾性体３にＸ軸方向及びＹ軸方向について所望の振動をさせることができる。さらに、電気的に接地された当該棒状弾性体３をＧＮＤとし、互いに対向する圧電素子の双方にプラス極性／マイナス極性の電圧を印加することで、当該棒状弾性体３にＺ軸方向について所望の振動をさせることができる。

以上説明したように、本一実施形態によれば、所定の電荷を与えたときに生じる変位を従来に比較して大きくとることができる圧電構造体を提供することができる。
具定的には、本一実施形態に係る圧電構造体では、棒状弾性体３に対してその長軸方向に沿って複数のスリットｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４を形成し、それらスリット間の弾性体領域３−１，３−２，３−３，３−４のみに圧電素子７−１，７−２，７−３，７−４を設ける構成を採ることで、圧電活性化領域を減少させることなく、断面二次モーメントを減少させることができ、湾曲・伸縮振動における変位を大きくとることができる。

ところで、本一実施形態に係る圧電構造体では圧電体の他に弾性体を用い、該弾性体に加工を施す等の構成を採ることで、次のような格別な効果を得ている。
・弾性体の方が圧電体よりも加工性が良好な為、圧電体に直接スリットを形成する構成を採る場合よりも、加工精度や加工容易性等が向上する。逆に、弾性体を用いずに、中空の円柱状の圧電体を用いた場合、加工や成形上の都合により、内径部位の寸法精度が良好でない。
・圧電体に直接スリットを形成した場合、当該スリットからの割れや破損が生じる可能性が高い。一方、本一実施形態に係る圧電構造体では弾性体にスリットを形成する為、割れや破損が生じる可能性が低い。
・圧電体よりも機械的損失係数が高い弾性体を用いることによって、圧電構造体としてのＱ値が増加し、共振時の変位が大きくなる。
・弾性体自体を分極用及び駆動用の共通ＧＮＤとして使用できる為、中空円柱の内側に駆動用及び分極用の電極を形成する必要がない。つまり、小型化が容易である。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、例えば次のような変形／応用が可能なことは勿論である。
例えば、前記棒状弾性体３の形状は、上述した中空構造を採る略円柱状に限られず、単純な略円柱状、略角柱状、中空構造を採る略角柱状等であってもよい。

さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４…スリット、３…棒状弾性体、３−１，３−２，３−３，３−４…弾性体領域、７−１，７−２，７−３，７−４…圧電素子、９−１，９−２，９−３，９−４…外部電極。

Claims

所定の電荷を与えることで複数方向に変位させることが可能な圧電構造体であって、
略棒状を呈し、複数のスリットが長軸方向に沿って側周面に設けられた棒状弾性体と、
前記棒状弾性体の側周面のうち前記スリットが設けられた部位以外の部位に設けられた圧電素子と、
を具備することを特徴とする圧電構造体。
前記複数のスリットは、前記棒状弾性体の側周面のうち互いに対向する部位において対を成すように設けられた二対のスリットである
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電構造体。
前記二対のスリットは、各対における前記スリットの対向方向同士が略９０度を成すように設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の圧電構造体。
前記圧電素子は、前記棒状弾性体の側周面のうち、互いに隣り合う前記スリット同士の間の領域に設けられた、互いに対向する二対の圧電素子である
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電構造体。
前記変位の方向は、前記棒状弾性体の長軸方向、及び、前記二対の圧電素子の各対における前記圧電素子同士の対向方向である
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電構造体。
前記圧電素子には電極が設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電構造体。
前記棒状弾性体は、略円柱状、略角柱状、中空の略円柱状、または中空の略角柱状を呈する弾性体である
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電構造体。
前記圧電素子は、前記棒状弾性体に成膜されて成る圧電素子、または前記棒状弾性体に接着された圧電素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電構造体。