JP2016034225A

JP2016034225A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2016034225A
Application number: JP2014163321A
Authority: JP
Inventors: 世傑徐; Seiketsu Jo; 矢野　健; Takeshi Yano; 健矢野; 和夫八鍬; Kazuo Yakuwa
Original assignee: Mechano Transformer Corp
Current assignee: Mechano Transformer Corp
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2034-08-11
Also published as: JP6358892B2

Abstract

【課題】シンプルな構造を有しつつ圧電素子に対し必要な圧縮力を付与することができる与圧機構を有する圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ１は、所定方向に伸縮変位する圧電素子２と、圧電素子２の伸縮方向に圧縮力を与える与圧機構３とを有する。与圧機構３は、圧電素子２の伸縮変位方向の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピース２１と、ヘッドピース２１と一体に、ヘッドピース２１間に架け渡されるように設けられた、直線状をなす圧縮力付与部２２とを有し、与圧機構３に対して、圧電素子２の伸縮方向に引張力を作用させて圧縮力付与部２１を伸長させた状態で、圧電素子２が一対のヘッドピース２１間に装着され、引張力が解除されることにより圧電素子２に圧縮力が付与された状態とされる。【選択図】図１

Description

本発明は、与圧機構を備えた圧電アクチュエータに関する。

何かを「動かす」ための機構であるアクチュエータは、各種産業機械、自動車、航空機、医療関連機器を始め、身の回りの電気製品に至るまで、あらゆるものに利用されている。アクチュエータは、例えば、産業機構においてはソレノイドやエアバルプ等、パソコンにおいてはハードディスクドライブに対して読み取りおよび書き込みを行うための磁気チップを移動させる移動機構等、また、携帯電話においては振動を発生するバイブレーションモータ等として利用されている。

アクチュエータとしては、駆動素子としては圧電素子を用いた圧電アクチュエータが注目されている。圧電アクチュエータは、（１）投入される電気エネルギーに対して実に６０％以上が機械エネルギーに変換され、例えば断面が１０ｍｍ×１０ｍｍの素子で発生する力が３００ｋｇｆに達し、エネルギー効率が極めて高い、（２）数ｋＨｚ以上の高速応答が可能である、（３）物体を一定の位置で保持する場合に、電圧を印加する必要はあるが、電流は流れなくて済むため、電気エネルギー消費を抑えることができる、（４）小型化、薄型化に適している、等の優れた点を有している。

一方、圧電素子は一般的にセラミック材料からなるため、陶器のように脆性を有しており、圧縮に対しては強いが引張に対しては弱い。このため、圧電素子をアクチュエータとして用いる場合には、圧電素子から生じる力に対して１／５〜１／２程度の圧縮力を与えておくことが要求される。圧電素子に圧縮力を与える与圧機構の構造としては、図４に示すように、圧電素子１０１の伸縮方向一端部および他端部にそれぞれ当接するように設けられた一対のヘッドピース１０２間に、あらかじめ引張力を作用させて伸長させた状態の蛇腹部材１０３を架設しておき、蛇腹部材１０３の元に戻ろうとする収縮力を利用したものが知られている（例えば非特許文献１参照）。

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しかしながら、このような構造は、複雑な形状の蛇腹部材を有し、これを高精度で加工することが要求されるため、加工に手間がかかりコストの高いものとなってしまう。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、シンプルな構造を有しつつ圧電素子に対し必要な圧縮力を付与することができる与圧機構を有する圧電アクチュエータを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（９）を提供する。

（１）所定方向に伸縮変位する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮方向に圧縮力を与える与圧機構とを有する圧電アクチュエータであって、
前記与圧機構は、前記圧電素子の伸縮変位方向の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピースと、前記ヘッドピースと一体に、前記ヘッドピース間に架け渡されるように設けられた、直線状をなす圧縮力付与部とを有し、
前記与圧機構に対して、前記圧電素子の伸縮方向に引張力を作用させて前記圧縮力付与部を伸長させた状態で、前記圧電素子が前記一対のヘッドピース間に装着され、前記引張力が解除されることにより前記圧電素子に圧縮力が付与された状態とされることを特徴とする圧電アクチュエータ。

（２）前記圧縮力付与部を複数備えていることを特徴とする（１）に記載の圧電アクチュエータ。

（３）前記与圧機構の材料、前記圧縮力付与部の断面積または長さを調整することにより、前記圧電素子に付与する圧縮力を調整することを特徴とする（１）または（２）に記載の圧電アクチュエータ。

（４）前記圧電素子は、温度に対して負の熱膨張係数を有しており、前記与圧機構は、温度に対して正の熱膨張係数を有しており、全体の熱膨張係数がゼロ近傍であることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

（５）前記与圧機構は、ステンレス鋼、インバー合金、スーパーインバー合金、炭素繊維のいずれかからなることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

（６）前記圧電素子を構成する圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする（５）に記載の圧電アクチュエータ。

（７）前記与圧機構を介して他の装置または部材に対して着脱可能であることを特徴とする（１）から（６）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

（８）前記ヘッドピースにネジ穴が設けられ、ネジにより前記他の装置または部材に対して着脱可能であることを特徴とする（７）に記載の圧電アクチュエータ。

（９）前記他の装置または部材は、圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構であることを特徴とする（７）または（８）に記載の圧電アクチュエータ。

本発明によれば、与圧機構を、圧電素子の伸縮変位方向の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピースと、ヘッドピースと一体に、ヘッドピース間に架け渡されるように設けられた、直線状をなす圧縮力付与部とを有する構成としたので、シンプルな構造を有しつつ圧電素子に対し必要な圧縮力を付与することができる。

本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図である。本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを示す側面図である。棒材の伸びδと、ヤング率Ｅ、断面積Ａ、長さＬ、荷重Ｆとの関係を説明するための図である。従来の与圧機構の概略構造を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図、図２は本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを示す側面図である。

この圧電アクチュエータ１は、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子２と、圧電素子２に予め圧縮力を付与する与圧機構３とを有する。

圧電素子２は、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍの板状の圧電体が電極を挟んで複数積層されて例えば４０ｍｍの長さにされた直方体として構成されている。圧電素子２は、側面に電圧を印加するための電気端子１１、１２を備えており、この電気端子１１、１２間に電圧が印加されることにより、図１、２の矢印で示す長さ方向に伸縮するように構成されている。圧電体を構成する圧電材料としては、圧電効果を有するセラミック材料が用いられ、そのような材料として、典型的にはチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３；ＰＺＴ）を挙げることができる。圧電素子２の形状は直方体に限らず、例えば三角柱や六角柱等の多角柱であっても、円柱であってもよい。また、ドーナツ状等の真ん中に空間を有するものであってもよい。

与圧機構３は、圧電素子が引張力に対して弱いセラミック材料からなることに鑑み、圧電素子から生じる力に対して１／５〜１／２程度の圧縮力を与えておくためのものであり、圧電素子２の伸縮方向（長さ方向）の一端面および他端面に接着により固定された一対のヘッドピース２１と、これら一対のヘッドピース２１間に架け渡されるように設けられた直線状をなす２本の圧縮力付与部２２とを有している。ヘッドピース２１と圧縮力付与部２２は一体となっている。ヘッドピース２１の形状は直方体となっているが、その形状は特に限定されず、例えば圧電素子２の形状に応じて適宜設定することができる。また、圧縮力付与部２２の本数は２本に限らず、３本または４本であってもよく、さらに、例えば圧電素子２がドーナツ状等の真ん中に空間を有する場合は、空間中を貫通する１本であってもよい。

圧電素子２を与圧機構３に装着する際には、与圧機構３に対して、圧電素子２の伸縮方向に引張力を作用させて圧縮力付与部２２を伸長させた状態で圧電素子２を一対のヘッドピース２１間に装着し、その後、引張力を解除する。これにより、圧電素子２に引張力に対応する圧縮力が付与された状態とされる。

図３に示すように、棒材の伸びを考えると、一般的に、棒材の伸びδは、ヤング率をＥ、断面積をＡ、長さをＬ、荷重をＦとすると、δ＝ＦＬ／ＥＡとなる。この式から、所定の伸びδを生じさせるための荷重は、Ｆ＝δＥＡ／Ｌとなる。ＥＡ／Ｌは、棒材のばね定数に相当する。したがって、これらの式に基づいて、圧電素子２に及ぼす与圧機構３の圧縮力を所望の値になるように設計することができる。

従来は、圧電素子の長さ方向に所望の圧縮力を与えるためには、付与する圧縮力の調整マージンや装着しやすさ等を考慮すると、ヘッドピースの間に架け渡される圧縮力付与部として蛇腹部材が必要であると考えられていたが、本発明のように圧縮力付与部を直線状にしても、材料を適切に選択することおよび圧縮力付与部の断面積や長さを適切に調整することにより、圧電素子に適切な圧縮力を付与することができ、与圧機構として十分に機能することが見出された。このように、圧縮力付与部を直線状としたので、与圧機構の構造がシンプルになり、容易に加工することができ、コストを低くすることができる。

一方、与圧機構３により圧電素子２に付与される圧縮力は、圧電素子２の伸縮変位を阻害する方向に作用するが、与圧機構３の材料、圧縮力付与部２２の断面積や長さを適切に設計することにより、圧電素子２に対し十分な圧縮力を与えつつ必要な変位を取り出すことが可能となる。

与圧機構３を構成する材料としては、圧縮力付与可能な剛性を有し、比較的強度の高く、さらに耐候性や耐食性に優れたものが好ましい。また、温度安定性の観点から、熱膨張係数が小さい材料であることも好ましい。このような材料としては、インバー合金、スーパーインバー合金、炭素繊維を挙げることができる。

また、与圧機構３の圧縮力付与部２２が直線状をなしていることから、圧電素子２と圧縮力付与部２２との熱膨張係数を相殺することができ、いわゆる「ゼロ膨張」を実現することができる。すなわち、圧縮力付与部２２は、直線状でかつ圧電素子２とほぼ平行に設けられ、圧電素子２の両端面がヘッドピース２１に接着されているため、圧電素子２および圧縮力付与部２２にほぼ熱膨張係数の複合則が成立する。ここで圧電素子２を構成するＰＺＴの熱膨張係数は−７×１０^−６／℃であり、温度に対して負の熱膨張係数を有しているため、圧縮力付与部２２の材料が正の熱膨張係数を有する材料であれば、圧電素子２と圧縮力付与部２２の断面積や形状等を調整することにより、全体の熱膨張係数がほぼ０の「ゼロ膨張」を実現することができる。このような点を考慮すると、与圧機構３を構成する材料としてインバー合金等よりも熱膨張係数が大きいステンレス鋼（ＳＵＳ）を用いることもできる。ステンレス鋼は、熱膨張係数が１０×１０^−６／℃程度であり、ＰＺＴの熱膨張係数の熱膨張係数の絶対値に近い正の熱膨張係数を有しているため、圧縮力付与部２２の材料（すなわち与圧機構３の材料）としてステンレス鋼を用いることにより、「ゼロ膨張」を実現しやすい。このように圧電アクチュエータ１全体を「ゼロ膨張」にすることにより、圧電アクチュエータ１の温度安定性を極めて高くすることができる。もちろん、与圧機構３を構成する材料として上記インバー合金、スーパーインバー合金、炭素繊維を用いた場合にも、圧電素子２と圧縮力付与部２２の断面積や形状等を調整することによりゼロ膨張を実現することができる。

従来は与圧機構としてそれ自体が熱膨張係数の小さいインバー合金等を用いることが必要と考えられていたが、本発明ではステンレス鋼を用いることができるので、材料の選択の幅を広げることができる。また、与圧機構３は圧電素子２に対し常に圧縮力を付与するものであり、大きな圧縮力を付与する場合には大きな引張力がかかるため、与圧機構３の材料として抗張力の高いものが好ましく、ステンレス鋼の中でも析出硬化型のＳＵＳ６３０系のものが好ましい。ＳＵＳ６３０系のステンレス鋼は、熱処理にもよるが、１０００ＭＰａ以上の抗張力を得ることができる。ただし、与圧機構３により圧電素子２に付与する圧縮力が大きすぎると上述したように圧電素子２の変位を阻害するため、抗張力の大きい材料を用いた場合に、圧電電素子２の変位を阻害しないように設計することが必要である。

このような圧電アクチュエータ１は、単独で用いられることはほとんどなく、通常、他の装置または部材に装着されて使用される。例えば、圧電素子は、発生する変位が数μｍから数十μｍと極めて小さいため、圧電素子を変位拡大機構に装着して、圧電素子の変位を数倍から数十倍に拡大することが行われている。このように圧電アクチュエータ１を他の装置または部材に装着する際には、圧電素子２の両側に存在する金属製のヘッドピース２１にネジ穴を設けてねじ止めすることにより、容易に着脱することができる。また、与圧機構を装着せずに圧電素子のみを変位拡大機構等の他の装置または部材の装着部に装着する場合は、圧電素子を他の装置等の装着部に直接接着する必要があり、圧電素子に想定外の力が作用する場合や、圧電素子が破損した場合に、圧電素子を交換することができないという不都合があるが、このように与圧機構３に圧電素子２を取り付けて圧電アクチュエータ１を構成することにより、圧電アクチュエータ１ごと容易に交換することができる。

１；圧電アクチュエータ
２；圧電素子
３；与圧機構
１１，１２；電気端子
２１；ヘッドピース
２２；圧縮力付与部

Claims

所定方向に伸縮変位する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮方向に圧縮力を与える与圧機構とを有する圧電アクチュエータであって、
前記与圧機構は、前記圧電素子の伸縮変位方向の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピースと、前記ヘッドピースと一体に、前記ヘッドピース間に架け渡されるように設けられた、直線状をなす圧縮力付与部とを有し、
前記与圧機構に対して、前記圧電素子の伸縮方向に引張力を作用させて前記圧縮力付与部を伸長させた状態で、前記圧電素子が前記一対のヘッドピース間に装着され、前記引張力が解除されることにより前記圧電素子に圧縮力が付与された状態とされることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記圧縮力付与部を複数備え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。
前記与圧機構の材料、前記圧縮力付与部の断面積または長さを調整することにより、前記圧電素子に付与する圧縮力を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電素子は、温度に対して負の熱膨張係数を有しており、前記与圧機構は、温度に対して正の熱膨張係数を有しており、全体の熱膨張係数がゼロ近傍であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
前記与圧機構は、ステンレス鋼、インバー合金、スーパーインバー合金、炭素繊維のいずれかからなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電素子を構成する圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
前記与圧機構を介して他の装置または部材に対して着脱可能であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
前記ヘッドピースにネジ穴が設けられ、ネジにより前記他の装置または部材に対して着脱可能であることを特徴とする請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
前記他の装置または部材は、圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構であることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の圧電アクチュエータ。