JP2023010188A

JP2023010188A - 圧電アクチュエータ、リニア駆動装置及び電子機器

Info

Publication number: JP2023010188A
Application number: JP2021114147A
Authority: JP
Inventors: 啓小野寺; Kei Onodera; 智義矢野; Tomoyoshi Yano
Original assignee: New Shicoh Motor Co Ltd
Current assignee: New Shicoh Motor Co Ltd
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2023-01-20
Also published as: US20230009462A1; CN115664257A

Abstract

【課題】低い電圧の印加でも所定の大きさの駆動軸の変位量を得ることができる圧電アクチュエータ、リニア駆動装置及び電子機器を提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ１０は、平板状の圧電素子１８が複数積層され、板面方向に伸縮する圧電体１２と、前記圧電体１２がその板面上に形成される弾性板３４と、前記圧電体１２又は前記弾性板３４の一方に前記圧電体１２の板面方向と直交する方向に一端が固定された駆動軸１４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、リニア駆動装置及び電子機器に関する。

従来の圧電アクチュエータとして、弾性板上に形成された平板状の圧電素子に駆動軸を固定し、圧電素子を弾性板とともにおわん型に変形させて駆動軸を軸方向に往復動させるようにしたものが知られている。

特表２００７－５１６６８８号公報

しかしながら、従来の圧電アクチュエータは、駆動軸の変位量を大きくしようとすると、高い電圧を印加しなければならないという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点を解消し、低い電圧の印加でも所定の大きさの駆動軸の変位量を得ることができる圧電アクチュエータ、リニア駆動装置及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様は、圧電アクチュエータであり、
平板状の圧電素子が複数積層され、板面方向に伸縮する圧電体と、前記圧電体がその板面上に形成される弾性板と、前記圧電体又は前記弾性板の一方に前記圧電体の板面方向と直交する方向に一端が固定された駆動軸と、を有する。

好適には、前記弾性板の両側の板面上のそれぞれに前記圧電体が形成されている。

また、好適には、前記圧電素子は、圧電素子本体と、この圧電素子本体を挟んで設けられ、互いに異なる電圧が印加される電極接続層とを有する。また。前記複数の圧電素子には２つのスルーホールが形成され、前記スルーホールにはそれぞれ接続電極部が設けられており、一方の前記接続電極部には奇数番目の前記電極層が接続され、他方の前記接続電極部には偶数番目の前記電極層が接続されている。

また、好適には、前記一方の接続電極部と前記偶数番目の前記電極層は互いに離隔するように形成され、前記他方の接続電極部と前記奇数番目の前記電極層は互いに離隔するように形成されている。

また、好適には、圧電素子の積層数は、奇数である。

本発明の他の態様は、上記圧電アクチュエータを備えたリニア駆動装置である。

また、本発明の他の態様は、上記リニア駆動装置を備えた電子機器である。

本発明によれば、積層することによって各圧電素子の厚さが薄くなり、そのため低い電圧でも従来と同等の伸縮量が得られる。そのため、低い電圧の印加でも所定の大きさの駆動軸の変位量を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータを示す斜視図である。本発明の第１実施形態に用いた圧電体の平面図である。本発明の第１実施形態に用いた圧電体の底面図である。本発明の第１実施形態に用いた圧電体の断面図である。本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータの特性を比較例と比較して示す特性線図である。本発明の第２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。本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータを用いた駆動装置を示す側面図である。本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータを用いた駆動装置に印加する入力電圧を示すタイミングチャートである。本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの配線構造を示し、フレキシブル配線基板を透明にして斜め上から見た斜視図である。本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの配線構造を示し、フレキシブル配線基板を透明にして斜め下から見た斜視図である。本発明の第２実施形態に係るアクチュエータの配線構造を示し、フレキシブル配線基板を透明にして斜め横から見た斜視図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１には、本発明の第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０が示されている。この第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０は、ユニモルフ型である。

圧電アクチュエータ１０は、圧電体１２と、弾性板３４と、駆動軸１４とを有する。圧電体１２及び弾性板３４は、例えば円板状に形成されていて、圧電体１２は弾性板３４の板面上に形成されている。駆動軸１４は、該駆動軸１４の一端が圧電体１２の中心に接着剤１６を介して接続されている。圧電体１２は、平板状の圧電素子１８が複数積層されて構成された圧電素子本体２０を有する。圧電素子１８は、直径が数ｍｍから１ｃｍ程度であり、厚さが例えば０．００５ｍｍから０．０５ｍｍであり、圧電体１２としては、０．０５ｍｍから０．５ｍｍである。また、弾性板３４は、直径が数ｍｍから１ｃｍ程度であり、厚さが例えば０．０５ｍｍから０．２ｍｍである。また、駆動軸１４の直径は１ｍｍ前後である。また、圧電体１２の表裏両側には、外部電極層２２ａ，２２ｂ（図２から図４に示す）が接続されている。さらに、この外部電極層２２ａ，２２ｂには、フレキシブル配線基板２４が接続されている。弾性板３４は、圧電体１２，１２が板面内方向で伸縮するのに伴いおわん型に変形可能である。この弾性板３４は、例えばリン青銅から構成されている

図２及び図３に示すように、上部及び下部に配置された外部電極層２２ａ，２２ｂのそれぞれは、圧電素子１８よりもやや外形が小さい円板状に形成されているが、下部に配置された外部電極層２２ｂに限って、該外部電極層２２ｂの周囲には切欠き部２６が形成されている。この切欠き部２６は、外部電極層２２ａ，２２ｂの上下を区別するために設けられている。

圧電素子本体２０は、図４に示すように、奇数枚の圧電素子１８が積層されて構成されている。この第１実施形態においては７枚の圧電素子１８から構成されている。各圧電素子１８の間には内部電極層２８ａと内部電極層２８ｂが交互に設けられている。外部電極層２２ａを含めて奇数番目の電極層には符号“ａ”を付し、外部電極層２２ａ、内部電極層２８ａとした。偶数番目の電極層には符号“ｂ”を付して、外部電極層２２ｂ、内部電極層２８ｂとした。最も上部に配置された圧電素子１８は、外部電極層２２ａと内部電極層２８ｂに挟まれ、上部から２番目の圧電素子はこの内部電極層２８ｂと内部電極層２８ａに挟まれている。以下、上部から６番目までの圧電素子１８は、上下を内部電極層２８ａ，２８ｂに挟まれ、最も下部に配置された圧電素子１８は、内部電極層２８ａと外部電極層２２ｂとに挟まれている。１つの圧電素子１８の厚さ方向に、電圧が印加される必要があり、そのために、外部電極層２２ａと内部電極層２８ａが同電位、外部電極層２２ｂと内部電極層２８ｂが同電位となるように接続する。そして、２つの外部電極層２８ａ、２８ｂに電圧を印加することが必要であることから、電極層の数は全部で偶数であり、圧電素子１８の数は奇数となる。

最上部及び最下部の圧電素子１８を除いた圧電素子１８には、２つのスルーホール３０ａ，３０ｂが形成されている。最上部の圧電素子１８には、１つのスルーホール３０ａが形成され、最下部の圧電素子１８には、他の１つのスルーホール３０ｂが形成されている。各圧電素子１８のスルーホール３０ａには、例えばプラス用の接続用電極３２ａが埋設され、また、スルーホール３０ｂにはマイナス用の接続用電極３２ｂが埋設されている。そして、上部の外部電極層２２ａは、接続用電極３２ａを介して３つの内部電極層２８ａに接続され、下部の外部電極層２２ｂは、接続用電極３２ｂを介して３つの内部電極層２８ｂに接続されている。

スルーホール３０ａ，３０ｂは、圧電体１２の中心と周縁とのほぼ中央に位置している。この部分の振動は、圧電体１２の中心よりも小さいので、中心にスルーホールを設ける場合と比較して振動によるダメージを受けにくい。また、各内部電極層２８ａと接続用電極３２ｂは互いに離隔するように形成され、各内部電極層２８ｂと接続用電極３２ａは互いに離隔するように形成されている。

上記構成において、例えば外部電極層２２ａと外部電極層２２ｂとの間にパルス電圧を繰り返し印加すると、接続用電極３２ａ，３２ｂを介して全ての圧電素子１８が同時に圧電素子１８の径方向の同じ向きに伸び縮みし、弾性板３４は伸び縮みしないために、圧電素子１８は弾性板３４とともにおわん型に変形し、弾性板３４の弾性で急速に元の平板状に戻ろうとするのを繰り返す。それに伴い駆動軸１４も軸方向に微小な往復移動を繰り返す。このとき、例えば周波数一定で、パルス幅を変えると、この往復移動において往路と復路で移動速度を変えることができる。駆動軸１４には、図示しない移動体が摩擦接続され、駆動軸１４のこの往復動の速度の違いから移動体が駆動軸１４に対して一方向に向けて移動する。

上記第１実施形態においては、圧電体１２は、圧電素子１８を積層して形成され、積層された圧電素子１８のそれぞれにパルス電圧を印加するので、圧電素子１８が単層で形成された同じ厚さの圧電体１２の場合と比較して、低い電圧で同様の伸び縮みをする。即ち、積層することによって各圧電素子１８の厚さが薄くなり、そのため低い電圧でも従来と同等の伸縮量が得られる。そのため、従来よりも低い電圧で従来と同等の駆動軸１４の軸方向に微小な往復移動の変位量を得ることができる。

図５には、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０の特性を比較例と比較して示されている。比較例は、圧電素子１８が単層ではあるが、圧電体１２の厚さ及び外形が第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０と同じである。
単層の比較例においては、求められる駆動軸端の最大変位量が７μｍとすると、１５Vを印加する必要があったが、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１０によれば、６．５Vで同じ最大変位量７μｍを得ることができる。

図６には、本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１０が示されている。この第２実施形態の圧電アクチュエータ１０は、２つの圧電体１２，１２の間に弾性板３４が挟まれており、バイモルフ型である。即ち、弾性板３４の両側の板面上にそれぞれ圧電体１２が形成されている。弾性板３４は、圧電体１２，１２の伸び縮みにより圧電体１２，１２とともにおわん型に変形可能である。この弾性板３４は、例えばリン青銅から構成され、外部電極を兼ねている。

図７には、圧電アクチュエータ１０を用いた駆動装置３６が示されている。この駆動装置３６は、２つの支持部材３８，３８を有し、この支持部材３８，３８には駆動軸１４が挿通され、この支持部材３８，３８により駆動軸１４が軸方向に移動自在に支持されている。支持部材３８，３８は、例えばゴム部材から構成されている。また、支持部材３８，３８は、固定部材４０により固定されている。そして、支持部材３８，３８の間で駆動軸１４には移動体４２が挿通されている。

弾性板３４には入力電圧Aが印加され、外部電極層（図７には図示せず）には入力電圧Bが印加される。入力電圧Aと入力電圧Bとは、図８に示すように、予め定められたデューティ比を持つ逆極性のパルス電圧であり、この入力電圧A，Bにより圧電体１２及び弾性板３４がおわん型に変形し、移動体４２を駆動軸１４の軸方向に移動させる。

図９から図１１には、第２実施形態における圧電アクチュエータ１０の配線構造が示されている。

圧電アクチュエータ１０には、フレキシブル配線基板２４を介して外部と配線されている。フレキシブル配線基板２４は、入力電圧Aを印加するための第１配線４４と、入力電圧Bを印加するための第２配線４６とが設けられている。第１配線４４は、図１１に示すように、一端から圧電体１２側へ延び、はんだ部４８に接続されている。この第１配線４４は、はんだ部４８へ至る途中で第１高さ変更部５０により高くなり、第２配線４６と高さが異なるように交差している。また、弾性板３４の周辺から突出し、上方へ曲げられた突出部５２が設けられている。この突出部５２は、フレキシブル配線基板２４に形成されたスルーホール内を通して、はんだ部４８に接続されている。

第２配線４６は、第１配線４４と同様に一端から圧電体１２側に延びている。この第２配線４４は、途中で２つに分かれ、分かれた一方が上方の圧電体１２に上方から接続されている。分かれた他方には第２高さ変更部５４が設けられ、この第２高さ変更部５４により高くなり、下方の圧電体１２に下方から接続されている。

なお、上記実施形態においては、圧電素子を円板状としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば四角板状等、平板状の圧電素子を積層するようなものであれば、形状を問わない。ただし、なるべく対称性が高い形状が好ましい。また、駆動軸１４は、圧電体１２ではなく、弾性板３４に接着してもよい。また、各圧電素子１８の厚さは同じである必要は無く、層ごとで厚さを変えてもよい。また、上側の圧電体１２と下側の圧電体１２の層数も同じである必要は無く、極論すれば、一方を単層の圧電体としてもよい。

１０圧電アクチュエータ
１２圧電体
１４駆動軸
１６接着剤
１８圧電素子
２０圧電素子本体
２２ａ，２２ｂ外部電極層
２４フレキシブル配線基板
２６切欠き部
２８内部電極層
３０ａ，３０ｂスルーホール
３２ａ，３２ｂ接続用電極
３４弾性板
３６駆動装置
３８，３８支持部材
４０固定部材
４２移動体
４４第１配線
４６第２配線
４８はんだ部
５０第１高さ変更部
５２突出部
５４第２高さ変更部

Claims

平板状の圧電素子が複数積層され、板面方向に伸縮する圧電体と、
前記圧電体がその板面上に形成される弾性板と、
前記圧電体又は前記弾性板の一方に前記圧電体の板面方向と直交する方向に一端が固定された駆動軸と、
を有する圧電アクチュエータ。
前記弾性板の両側の板面上のそれぞれに前記圧電体が形成されている請求項１記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電素子は、圧電素子本体と、この圧電素子本体を挟んで設けられ、互いに異なる電圧が印加される電極層とを有している請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
前記複数の圧電素子には２つのスルーホールが形成され、前記スルーホールにはそれぞれ接続電極部が設けられており、一方の前記接続電極部には奇数番目の前記電極層が接続され、他方の前記接続電極部には偶数番目の前記電極層が接続されている請求項３記載の圧電アクチュエータ。
前記一方の接続電極部と前記偶数番目の前記電極層は互いに離隔するように形成され、前記他方の接続電極部と前記奇数番目の前記電極層は互いに離隔するように形成されている請求項４記載の圧電アクチュエータ。
奇数の前記圧電素子が積層されている請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
請求項１から６いずれか記載の圧電アクチュエータを備えたリニア駆動装置。
請求項７に記載のリニア駆動装置を備えた電子機器。