JP2016025708A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】単相駆動によって圧電素子の先端部を送り動作に使用可能な楕円軌道に変換することができ、よって駆動回路が単純であることと相まって搭載機器類の更なる小型化・低消費電力化を達成することが可能になる圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】長方形の板状に形成された圧電体の表面に、内部に電圧を印加するための駆動電極が形成された圧電素子２を備え、圧電素子２は、その厚さ方向に分極方向が正反対となる第１および第２の分極相２ａ、２ｂを有し、上記長手方向に一方の側部に沿って第１の分極相２ａが配置されるとともに、他方の側部に沿って第２の分極相２ｂが配置され、かつ圧電素子２の短手方向の中心線に沿って第１の分極相２ａが配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子の面内伸縮を利用して、その先端部を楕円軌道で振動させることによりロータ等を回転させる圧電アクチュエータに関するものである。

圧電アクチュエータは、小型かつ軽量で低電圧によって駆動可能であるとともに耐久性にも優れることから、近年、カメラや時計等の各種の小型機器類における駆動装置として広く用いられつつある。

この圧電アクチュエータは、長方形の板状に形成された圧電素子がその面内において長手方向に伸縮する振動モードと短手方向に屈曲する振動モードとを重ねて、上記圧電素子の先端部において楕円軌道を形成させることにより、ロータ等を回転させるものである。

このため、例えば下記特許文献１に見られるように、圧電素子に対して上記２つの振動モードで励振させるために、複数の交流駆動電圧を印加する構成が採用されている。
図８は、従来のこの種の圧電アクチュエータ１００を示すもので、分極の極性が異なるＡ相およびＢ相を有する圧電素子を用い、長手方向の一方の側部に順次Ａ相およびＢ相を配置するとともに、他方の側部に順次Ｂ相およびＡ相を配置することにより、当該圧電素子の短手方向にＡ相とＢ相とが対向するように配置したものである。

上記構成からなる圧電アクチュエータにおいては、Ａ相およびＢ相に位相差が９０°の高周波電圧を印加すると、所定の周波数において共振状態となる。そして、例えば図９に示すように、長手方向（縦方向）に伸縮する振動モードの共振周波数がＸ（一例として図では２６８．３ｋＨｚ）であって、短手方向へ屈曲する振動モードの共振周波数がＹ（同、２７４．１ｋＨｚ）ある場合に、これらの中間の周波数（同、２７０．９ｋＨｚ）の電圧を印加すると、これら２つの振動モードが重なり合って、圧電素子の先端部は楕円軌道を描く。

この結果、図１０に示すように、上記圧電アクチュエータ１００の側面を支持点１０１において支承し、先端部１０２をロータ１０３の外周面１０４に当接させることにより、当該先端部１０２の楕円軌道によってロータ１０３を回転駆動することができる。

ところで、このような圧電アクチュエータ１００は、例えば長さ×幅×厚さが、７ｍｍ×２ｍｍ×０．４ｍｍ程度の概観寸法のものであるために、上述したようなカメラや時計等の小型機器類における駆動装置として好適であるものの、上記Ａ相およびＢ相の二相駆動方式では、駆動回路が複雑になり、上記機器類における更なる小型化・低消費電力化を実現することが難しいという問題点があった。

一方、圧電素子を単相で駆動した場合には、長手方向に伸縮する振動モードで駆動することはできるが、短手方向に屈曲させる振動モードで駆動することはできない。
そこで、図１１に示すように、単相（Ａ相）の圧電素子１０５の長手方向の両側部を、それぞれ中心に対して点対称となるように所定の長さ寸法（例えば、全長７ｍｍに対して２．５〜３．２ｍｍ）を切り欠いて電極無しの部分１０６を形成した圧電アクチュエータ１０７も提案されている。

上記構成の圧電アクチュエータ１０７によれば、圧電素子１０５の長手方向の両側部に、互い違いとなるように電極無しの部分１０６を形成しているために、長手方向に伸縮する振動モードにおいても、横断面における応力のアンバランスによって短手方向に屈曲させようとするモーメントが発生し、これらの重なりによって、圧電素子１０５の先端部１０８に楕円軌道を生じさせることが可能になる。

しかしながら、上記単相の圧電アクチュエータ１０７にあっては、特に短手方向に屈曲させる振動モードの振幅が小さいために、所望とする送り動作（楕円軌道）に変換することが難しいという問題点があった。そのため、交流電圧１周期あたりの送り量が少なくなって効率が低下し、出力トルクも小さくなる問題があった。

特開２０１３−１８２９０４号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、単相駆動によって圧電素子の先端部を送り動作に使用可能な楕円軌道に変換することができ、よって駆動回路が単純であることと相まって搭載機器類の更なる小型化・低消費電力化を達成することが可能になる圧電アクチュエータを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、長方形の板状に形成された圧電体の表面に、内部に電圧を印加するための駆動電極が形成された圧電素子を備え、上記圧電素子の長手方向の一端部を当該圧電素子の面内において楕円運動させる圧電アクチュエータにおいて、上記圧電素子は、当該圧電素子の厚さ方向に分極方向が正反対となる第１および第２の分極相を有し、上記長手方向に一方の側部に沿って上記第１の分極相が配置されるとともに、他方の側部に沿って上記第２の分極相が配置され、かつ上記圧電素子の短手方向の中心線に沿って上記第１および第２の分極相のいずれか一方の分極相が配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記長手方向に一方の側部に沿って順次上記第１および第２の分極相が配置されるとともに、他方の側部に沿って順次上記第２および第１の分極相が配置され、かつこれら第１および第２の分極相は、上記圧電素子の長手方向および短手方向の中心線の交点に対して点対称となる位置に配置されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記圧電素子の短手方向の中心線に沿って配置された上記第１または第２の分極相は、上記長手方向の全長にわたって配置されていることを特徴とするものである。

請求項１〜３のいずれかに記載の発明においては、圧電素子の長手方向の一方の側部に第１の分極相を配置し、他方の側部に上記第１の分極相と分極方向が正反対となる第２の分極相を配置しているために、当該圧電素子に単相の電圧を印加した際に、長手方向の一方の側部においては伸張し、分極方向が正反対の他方の側部においては、位相が１８０°異なる駆動相で電圧印加された場合と同じになって収縮することにより、短手方向に屈曲する振動モードが誘起される。

また、上記圧電素子の短手方向の中心線に沿って上記第１および第２の分極相のいずれか一方の分極相を配置しているために、上記中心線に沿った部分においては、長手方向に伸縮する振動モードが誘起される。この結果、上記２つの振動モードの重なりにより、長手方向の端部において駆動に必要な送り動作（楕円軌道）を実現することができる。

このように、本発明によれば、単相の駆動電圧によって、駆動に必要な長手方向に伸縮する振動モードと短手方向に屈曲する振動モードとの２つの振動モーを同時に例振させることができ、よって図８に示したような複数の分極相配置によって位相の異なる電圧で駆動した圧電アクチュエータと同様の作用効果を得ることができる。

さらに、上記長手方向に伸縮する振動モードの共振周波数に対して、短手方向へ屈曲する振動モードの２次ピークの共振周波数が近接している場合には、これらの中間の周波数の電圧を印加することになる。

このような場合には、請求項２に記載の発明にように、長手方向に一方の側部に沿って順次第１および第２の分極相を配置し、他方の側部に沿って順次第２および第１の分極相を配置して、上記第１および第２の分極相を、上記圧電素子の中心に対して点対称となる位置に配置すれば、圧電素子を最も効率的に短手方向へ屈曲させることができる。

また、圧電素子に長手方向へ伸縮させる振動モードを誘起させるために、短手方向の中心線に沿って配置した上記第１または第２の分極相については、請求項３に記載の発明のように、上記長手方向の全長にわたって配置することが好ましい。

本発明の一実施形態を示す平面図である。 図１の応力分布を示す斜視図である。 本発明の一実施形態の変形例を示す平面図である。 本発明の一実施形態の他の変形例を示す平面図である。 本発明の実施例を説明するための図である。 上記実施例の結果を示す図である。 上記実施例および比較例における楕円軌道の差異を示すグラフである。 従来の圧電アクチュエータを示す平面図である。 従来の圧電アクチュエータの作用を説明するための図である。 図８の圧電アクチュエータの使用状態を示す模式図である。 従来の他の圧電アクチュエータを示す平面図である。

図１、図２および図５は、本発明に係る圧電アクチュエータの第１の実施形態を示すものである。
この圧電アクチュエータ１は、長方形の板状に形成されたチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）等の圧電体の表面に、内部に電圧を印加するための駆動電極（図示を略す。）が形成された２枚の圧電体が、ステンレス鋼等からなる支持板４（図２参照）を間に挟んで一体化された圧電素子２と、この圧電素子２の長手方向の先端部に設けられた弾性ゴムからなる突起部３とから概略構成されたものである。

ここで、この圧電アクチュエータ１においては、圧電素子２の厚さ方向に分極方向が正反対となる第１の分極相２ａおよび第２の分極相２ｂを有している。そして、圧電素子２の一方の側部に、突起部３側から他端部側に向けて順次第１の分極相２ａおよび第２の分極相２ｂが配置されている。

また、圧電素子２の他方の側部には、突起部３側から他端部側に向けて順次第２の分極相２ｂおよび第１の分極相２ａが配置されている。そして、これら第１および第２の分極相２ａ、２ｂは、圧電素子２の長手方向および短手方向の中心線の交点（すなわち、中心点）に対して点対称となる位置に配置されている。

さらに、上記両側部に配置された第１および第２の分極相２ａ、２ｂ間には、圧電素子２の短手方向の中心線に沿って第１の分極相２ａが上記長手方向の全長にわたって配置されている。

以上の構成からなる圧電アクチュエータにおいては、圧電素子２に単相の電圧を印加すると、図１に矢印で示すように、第１の分極相２ａが伸張する際には、分極方向が正反対の第２の分極相２ｂは収縮する。これにより、圧電素子２においては、その短手方向に屈曲する振動モードが誘起される。これに加えて、圧電素子２の短手方向の中心線に沿って長手方向の全長に配置された第１の分極相２ａによって、長手方向に伸縮する振動モードが誘起される。

この結果、図５に示すように、互いに近接した長手方向に伸縮する振動モードの共振周波数と、短手方向へ屈曲する振動モードの２次ピークの共振周波数との中間の周波数の電圧を印加することにより、上記２つの振動モードの重なりによって突起部３において駆動に必要な送り動作（楕円軌道）を実現することができる。

このように、上記圧電アクチュエータ１によれば、単相駆動によって圧電素子２の突起部３を、送り動作に使用可能な楕円軌道に変換することができ、よって駆動回路が単純であることと相まって搭載機器類の更なる小型化・低消費電力化を達成することが可能になる。

また、２次ピークの共振周波数に近接した周波数の電圧を印加して圧電素子２を短手方向に屈曲させる場合には、図２に示すように、圧電素子２の両側部であって、長手方向の端部および中間部を除いた位置において、曲げ応力および圧縮応力が高くなるのに対して、上記圧電アクチュエータ１においては応力が高くなる当該部分に第１または第２の分極相２ａ、２ｂを配置しているために、圧電素子２を最も効率的に短手方向へ屈曲させることができる。

なお、上記第１の実施形態においては、圧電素子２の一方の側部に順次第１の分極相２ａおよび第２の分極相２ｂを配置し、他方の側部に順次第２の分極相２ｂおよび第１の分極相２ａを配置するとともに、これら第１および第２の分極相２ａ、２ｂ間に、第１の分極相２ａを上記長手方向の全長にわたって配置した場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではい。

すなわち、本発明は、圧電素子２の寸法諸元や印加する電圧の周波数等の条件に基づいて、突起部３が駆動に適した楕円軌跡を描くように、図３（ａ）〜（ｅ）および図４（ａ）〜（ｅ）に例示するような様々な形態を採ることが可能である。

本発明の作用効果を検証するために、先ず図１に示した圧電アクチュエータ１と同じ構成を有する圧電アクチュエータを解析モデルとして、圧電素子の変形および先端部における挙動をシミュレーション解析した。
上記解析に用いた諸元は以下のとおりである。
圧電素子の寸法：７ｍｍ（Ｌ）×２ｍｍ（Ｗ）×０．４ｍｍ（ｔ）
圧電体の材質：PZT（ＦＫＤ株式会社製 P31材）
支持板の材質：ＳＵＳ３０４
印加電圧 ：１Ｖ
なお、圧電素子表面の電極を省略するとともに、拘束が無い状態とした。

図５は、この結果を示すものであり、図中左上の圧電素子の構成において、図中淡色が第１の分極相であり、濃色が第２の分極相である。同図の左下に示すように、長手方向に伸縮する振動モード（縦振動）の共振周波数と、短手方向へ屈曲する振動モードの２次ピークの共振周波数との中間の周波数である２７０．４ｋＨｚ、２６９．４ｋＨｚおよび２７１．４ｋＨｚのいずれの場合においても、同図の右下のグラフに見られるように、単相駆動によって圧電素子の突起部を、送り動作に使用可能な楕円軌道に変換し得ることが実証された。

次に、図６に示すように、上記解析に用いた解析モデルに加えて、合計７種類の第１の分極相（淡色）および第２の分極相（濃色）の配置形態の圧電素子を用いた圧電アクチュエータについて、楕円軌道の振幅を解析した。

この結果、図中１および２で示す中央部の第２の分極相が長手方向の全長にわたって配置された圧電アクチュエータにおいては、他の圧電アクチュエータよりも大きな振幅０．０４７μｍ、０．０４６μｍを得られることが判明した。また、図７に見られるように、図１１に示した圧電素子の両側部に電極無しの部分を形成した従来の圧電アクチュエータよりも大きな振幅が得られることも実証された。

１ 圧電アクチュエータ
２ 圧電素子
２ａ 第１の分極相
２ｂ 第２の分極相
３ 突起部（先端部）

Claims (3)

1. 長方形の板状に形成された圧電体の表面に、内部に電圧を印加するための駆動電極が形成された圧電素子を備え、上記圧電素子の長手方向の一端部を当該圧電素子の面内において楕円運動させる圧電アクチュエータにおいて、
   上記圧電素子は、当該圧電素子の厚さ方向に分極方向が正反対となる第１および第２の分極相を有し、
   上記長手方向に一方の側部に沿って上記第１の分極相が配置されるとともに、他方の側部に沿って上記第２の分極相が配置され、かつ上記圧電素子の短手方向の中心線に沿って上記第１および第２の分極相のいずれか一方の分極相が配置されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 上記長手方向に一方の側部に沿って順次上記第１および第２の分極相が配置されるとともに、他方の側部に沿って順次上記第２および第１の分極相が配置され、かつこれら第１および第２の分極相は、上記圧電素子の長手方向および短手方向の中心線の交点に対して点対称となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 上記圧電素子の短手方向の中心線に沿って配置された上記第１または第２の分極相は、上記長手方向の全長にわたって配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。