JP2606069B2 - 圧電素子変位増幅機構およびその駆動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子を変位発生源
としこの圧電素子が発生した微小ひずみを増幅して外部
へ伝達するための圧電素子変位増幅機構に関するもので
ある。

【従来の技術】圧電素子は、圧電性セラミックなどが駆
動電圧に応じて発生するひずみを利用して電気エネルギ
ーを機械エネルギーに変換する素子であって、サーボモ
ータやステップモータあるいはコイルなどの他の電気式
アクチュエータに比べて応答速度が極めて高速でしかも
変位の制御精度が良好であるなどの優れた特徴を持って
いる。しかし、圧電素子が発生できるひずみ量自体はた
かだか数１０μｍ程度が限度であることから、これを実
用に供するには大部分の用途で、何等かの変位増幅手段
（圧電素子変位増幅機構。以後、増幅機構と記す）によ
りその圧電素子の発生する微小ひずみを用途に応じた変
位量に増幅しなければならない。この種の増幅機構の一
例の斜視図を図７に示す。この図に示す増幅機構は、こ
の出願発明の譲受人と同一譲受人による特開平２ー１１
９２７７号公報に開示されたものである。図７を参照す
るとこの図に示す増幅機構は、圧電素子１の両端がそれ
ぞれ、二つのヒンジ５ａ／５ｂによって二つのレバーア
ーム６ａ／６ｂのそれぞれの一端に接続されている。レ
バーアーム６ａ／６ｂはそれぞれ、支点を二つのヒンジ
１０ａ／１０ｂのそれぞれによって基板７に接続されて
いる。レバーアーム６ａ／６ｂそれぞれの他端には、ブ
リッジ状の座屈ばね２がこれら二つのレバーアーム６ａ
／６ｂに挟まれるように、二つのリベット８ａ／８ｂの
それぞれによって固定されている。この構造により、圧
電素子１が図７中に矢印Ａで示す方向に発生する数１０
μｍ程度の微小ひずみが、レバーアーム６ａ／６ｂでの
増幅と更に座屈ばね２での増幅との二度の増幅を受け、
最終的に座屈ばね２の頂点に、同図中に矢印Ｂで示す方
向の数１０倍に増幅された０．５ｍｍ前後の変位が生じ
る。圧電素子のひずみがこの程度、すなわち数１０倍に
拡大されると、例えば、ガスのバルブの開閉やビデオテ
ープレコーダのトラッキング調整などの用途に用いるこ
とができる。このような増幅率を得るには、通常、上述
したようなレバーアームによる増幅と座屈ばねによる増
幅との二回の増幅が必要である。

【発明が解決しようとする課題】上述したとおり、圧電
素子の変位を数１０倍程度に増幅するには、レバーアー
ムによる増幅と座屈ばねによる増幅とが必要で、この増
幅を実現するためにレバーアーム、ヒンジおよび基板な
どの部品が欠かせない。これらの部品はワイヤー放電加
工や精密プレス加工などによって製作されるが、形状が
複雑であることと部品点数が多いこととによりコスト低
減が難しい。しかも、増幅率を大きくするためにはレバ
ーアームを長くしなければならないので、部品点数が多
いことも相まって小型化が困難である。更にレバーアー
ムが長いとそこでの共振周波数が低下するので、圧電素
子自体の持つ高速応答性を十分生かしきれないというデ
メリットを伴なう。従来の増幅機構におけるこれらの問
題点は、この増幅機構に要求される増幅率が少なくとも
数１０倍程度以上であることに起因する。これに対し
て、増幅機構に対する要求性能の観点から今後、従来よ
り更に高増幅率化の要求が強まる一方で、従来より低い
増幅率の増幅機構に対する要求も増加してくるものと見
込まれる。すなわち、近年この種のアクチュエータの応
用範囲が広まってきており、例えば、光学機器における
ミラーのポジショニング制御やＸーＹステージの位置の
制御などのように、変位量が０．１ｍｍ前後で十分な用
途にも圧電素子を用いたアクチュエータが用いられるよ
うになってきている。このような用途では、増幅機構で
の増幅はたかだか数倍程度で十分である。又、圧電素子
の改良も活発に行われておりその発生ひずみ量そのもの
も増大しつつあるのでその結果、上記した従来の変位量
と同程度の変位を得るにも、増幅機構での増幅が従来よ
り少なくて済むようになってきている。このような状況
のもとでは、圧電素子の増幅機構には、増幅率の増大も
さることながら、小型化、低コスト化および高速応答性
の向上が強く望まれる。したがって本発明は、圧電素子
一個当りの増幅率が従来の圧電素子変位増幅機構の増幅
率以下程度の、小型でしかも高速応答性に優れた増幅機
構を低コストで提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】本発明の圧電素子変位増
幅機構は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とをそれ ぞ
れが発生するひずみに関して直列になるように空間を保
って配置し、それぞれの圧電素子の互いに他の圧電素子
の駆動端面と向き合う駆動端面の間に少なくとも一つ以
上の座屈ばねをブリッジ状に設け、第１の圧電素子と第
２の圧電素子の作る空間内に、第３の圧電素子をそのひ
ずみに関して第１の圧電素子および第２の圧電素子と直
列になるように配置し、この第３の圧電素子の一方の駆
動端面と第１の圧電素子の座屈ばねが固着された駆動端
面とを座屈ばねを介して固着し、第３の圧電素子の他方
の駆動端面と第２の圧電素子の座屈ばねが固着された駆
動端面とを座屈ばねを介して固着した構成となってい
る。そして、本発明の圧電素子変位増幅機構の駆動方法
は、上記の圧電素子変位増幅機構に対して、第１の圧電
素子と第２の圧電素子とを同位相で駆動し、第３の圧電
素子を第１の圧電素子および第２の圧電素子とは逆位相
で駆動することを特徴としている。

【実施例】次に、本発明の好適な実施例について、図面
を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例の斜視
図である。ここで、本発明の理解を容易にするために、
始めに本発明の幾つかの参考例について説明する。図２
は、本発明の第１の参考例を示す斜視図である。図２を
参照すると本参考例は、圧電効果により同図中にＡで示
す矢印方向に微小ひずみを発生する圧電素子１からなる
変位発生部と、帯状の金属製薄板を山形のブリッジ状に
加工して弾性座屈を起し易くした二つのばね板（以後、
座屈ばねと記す）２Ａ／２Ｂをリング状に合成した構造
の変位増幅部（以下、増幅部と記す）とからなる。圧電
素子１は、チタン酸ジルコン酸鉛を主原料とする圧電性
セラミックの層と内部電極層とが交互に積層された積層
型の素子である。この素子１には、上記の内部電極層を
一層おきに電気的に接続する一対の外部電極が設けられ
ている。その二つの外部電極の間に駆動電圧を加える
と、積層構造中でセラミック層を挟んで隣り合う内部電
極どうしが互いに対向電極として作用するので、それぞ
れのセラミック層に圧電効果によるひずみが発生し、圧
電素子１全体として、図２中の矢印Ａの方向に数μｍ〜
数１０μｍ程度のひずみが生じる。本参考例では、圧電
素子１は、ひずみ方向に垂直な断面形状が５ｍｍ×５ｍ
ｍの正方形で、ひずみ方向に沿う長さが２０ｍｍの直方
体であり、駆動電圧１５０ＤＣＶを印加したときの発生
ひずみ量は２０μｍである。尚、圧電性セラミック材料
としては上記チタン酸ジルコン酸鉛に限らず、例えばチ
タン酸鉛など他の材料を用いることができる。増幅部を
構成する座屈ばね２Ａ／２Ｂには、厚さ０．０８ｍｍ、
幅５ｍｍのステンレス板をプレス加工してブリッジ状に
成形したものを用い、これら二つの座屈ばねをスポット
溶接でリング状にする。このリングには、二つの座屈ば
ね２Ａ／２Ｂのブリッジ状の頂点を通る垂直断面に平行
な面となるように平坦部分を設けておき、この平坦部分
で素子１の駆動端面（素子１の、ひずみ方向Ａに垂直な
端面）３ａ／３ｂとリングとを接着する。本参考例は、
全体としての形状が１０ｍｍ×５ｍｍ×２０ｍｍ（＝１
ｃｍ³ ）である。圧電素子１に駆動電圧１５０ＤＣＶを
印加すると、矢印Ａ方向に２０μｍのひずみが発生し、
この発生ひずみにより座屈ばね２Ａ／２Ｂが伸ばされる
ので、その結果として座屈ばね２Ａ／２Ｂのブリッジ形
状の頂点に、図１中に矢印Ｂで示す方向に０．３ｍｍの
変位が発生する。したがって、増幅率は１５倍である。
本参考例における共振周波数は３ｋＨｚであった。一
方、図７に示す従来の構造で、本参考例における圧電素
子と同一の素子を用いた増幅率３０倍の増幅機構では、
形状が３０ｍｍ×３０ｍｍ×５ｍｍ（＝４．５ｃｍ³ ）
で本参考例の４．５倍であり、その共振周波数は１ｋＨ
ｚで本参考例の１／３であった。本参考例は、増幅率は
従来の増幅機構に比べて低いが、小型化、高速応答性の
点で従来よりも優れているといえる。又、部品点数も少
なく、組立て工数も少ないので低コストで製造できる。
尚、本参考例では、座屈ばね２Ａ／２Ｂのブリッジ形状
の頂点を、図３（ａ）に示すように一ヵ所で曲げ加工を
した形状にしたが、座屈ばねはこれに限られるものでは
ない。図３（ｂ）に示すように二ヵ所で曲げ、変位方向
に垂直な平坦面を設けるようにしてもよい。更に、図２
（ｃ）のように、鋭角ではなく曲面をなすように加工し
ても本参考例と同様の効果が得られる。又、リング状増
幅部の二つの平坦部分が双方とも、圧電素子１の二つの
駆動端面３ａ／３ｂのそれぞれに固着された例について
説明したが、この平坦部分の固着は一方のみでもよい。
例えば、リング状増幅部の駆動端面３ａ側の平坦部分は
素子１に固定せず、この増幅機構を用いる装置のフレー
ムなどに固定した場合でも、このフレームに対して素子
１の駆動端面３ａが相対運動を起さないように固定すれ
ば、リング状増幅部の平坦部分が実効的に素子１の駆動
端面３ａに固定されたことになるので、本参考例と同様
の効果が得られる。以上の第１の参考例では、圧電素子
１の伸張に対して変位発生方向が図２に矢印Ｂで示すよ
うに、素子１の方向に向くような増幅機構について説明
したが、次に示す第２の参考例のように、変位方向を第
１の参考例とは反対方向にすることもできる。図４は、
本発明の第２の参考例の構造を示す斜視図である。図４
を参照すると、本参考例は、圧電素子１の両端面３ａ／
３ｂのそれぞれにステンレス鋼製の端部金具９ａ／９ｂ
が接着され、座屈ばね２Ａ／２Ｂがそれぞれごとに二つ
の端部金具９ａ／９ｂ間にブリッジ状に取付けられてい
る点と、ブリッジの頂点が内側（素子１の方向）を向い
ている点とが、第１の参考例と異なっている。それぞれ
の座屈ばね２Ａ／２Ｂと端部金具９ａ／９ｂとは、レー
ザ溶接により接合されている。本参考例の場合、素子１
に駆動電圧が加わると、素子１が図４中矢印Ａの方向に
ひずみを発生しこれが座屈ばねの伸びにより増幅され
て、座屈ばね２Ａ／２Ｂのブリッジの頂点に同図中矢印
Ｂの方向に増幅された変位が発生する。尚、本参考例で
は、二つの座屈ばね２Ａ／２Ｂが圧電素子１の両駆動端
面３ａ／３ｂに直接固定されているわけではなく、端部
金具９ａ／９ｂに固定されているのであるが、この場
合、端部金具９ａ／９ｂは何ら能動的に増幅作用を行な
うものではなく、単に座屈ばね２Ａ／２Ｂのブリッジの
頂点を内側に向けるための空間を作り出すためのもので
あるので、座屈ばね２Ａ／２Ｂは素子１の両端部３ａ／
３ｂに実効的に直接固定されているといえる。上述の二
つの参考例は、圧電素子１の伸張に対して座屈ばねが伸
びることによって増幅作用を示す構造のものであった
が、本発明によれば、座屈ばねを圧縮することによって
素子１の発生ひずみを増幅することも可能である。本発
明の第３の参考例の斜視図を示す図５を参照すると、こ
の図に示す第３の参考例は、第１の参考例（図２参照）
におけるリング状増幅部の平坦部分のそれぞれに、リン
グの外側から二つの素子１Ａ／１Ｂのそれぞれの駆動端
面３Ａａ／３Ｂｂが接着された構造となっている。素子
１Ａ／１Ｂのそれぞれのもう一方の駆動端面は、ベース
４ａ／４ｂに固定されている。尚、ベース４ａ／４ｂ
は、この増幅機構を用いる装置の筐体の一部あるいはフ
レームの一部である。本参考例において、二つの圧電素
子１Ａ／１Ｂのそれぞれに外部から駆動電圧を加える
と、それぞれの素子は図５中に矢印Ａで示す方向にひず
みを発生する。そして、このひずみが座屈ばね２Ａ／２
Ｂのたわみによって増幅され、それぞれの座屈ばねのブ
リッジの頂点に同図中に矢印Ｂで示す方向の増幅された
変位が取り出される。本参考例において、図２に示す第
１の参考例と同一の素子および座屈ばねを用いた場合、
座屈ばねの先端部におけるたわみ量（変位量）は０．６
ｍｍであって、第１の参考例の２倍である。変位量が第
１の参考例におけると同様に０．３ｍｍでよい場合に
は、二つの素子１Ａ／１Ｂの長さを１／２程度にするこ
とができる。本参考例よれば、第１の参考例に比べて形
状は多少大きくなるが変位の方向を変えることができる
ので、用途に対する適応性を広げることができる。尚、
本参考例では座屈ばねを圧縮するのに二つの圧電素子を
用いたが、素子は一つでも構わない。この場合は、リン
グ状増幅部の二つの平坦部分のうちの一方を、直接ベー
ス４ａまたは４ｂに固定する。次に、本発明の第４の参
考例の斜視図を示す図６を参照すると、この図に示す第
４の参考例は、二つの座屈ばね２Ａ／２Ｂのそれぞれの
ブリッジの頂点が、これら二つの座屈ばねが作るリング
状増幅部の内側を向いている点が第３の参考例とは異な
る。従って、本参考例では、圧電素子１Ａ／１Ｂのひず
み方向と増幅された変位の方向との関係が、第３の参考
例におけると反対である。以上の参考例をもとに、本発
明を、三つの圧電素子を用いた増幅機構に適用した実施
例について説明する。図１は、本発明の一実施例の斜視
図である。同図を参照すると本実施例は、図５に示す第
３の参考例に対して、二つの座屈ばね２Ａ／２Ｂで作る
リング状増幅部の内側に、更に圧電素子１Ｃが設けられ
ている。素子１Ｃの二つの駆動端面３Ｃａ／３Ｃｂはそ
れぞれ、リング状増幅部に設けられた平坦部分のそれぞ
れに接着されている。尚、本実施例における二つの圧電
素子１Ａ／１Ｂは、長さが第３の参考例におけるものの
１／２の１０ｍｍであり、したがって１５０ＤＣＶの駆
動電圧を加えられたときにそれぞれが発生するひずみ量
も半分の１０μｍである。一方、リング状増幅部の内側
に新たに設けられた素子１Ｃは、長さが２０ｍｍで、発
生ひずみ量が２０μｍのものである。本実施例において
は、圧電素子１Ａの駆動端面３Ａａと圧電素子１Ｃの駆
動端面３Ｃａとがリング状増幅部の平坦部分を挟んで向
き合い、圧電素子１Ｂの駆動端面３Ｂｂと圧電素子１Ｃ
の駆動端面３Ｃｂとが同様に向き合う構造となってい
る。このような構成で、リング状増幅部の外側の二つの
素子１Ａ／１Ｂに加える駆動電圧の位相と、増幅部の内
側の素子１Ｃに加える駆動電圧の位相とを互いに逆位相
にする、すなわち素子１Ａ／１Ｂが伸長するときは素子
１Ｃが収縮し、素子１Ａ／１Ｂが収縮するときは素子１
Ｃが伸長するようにそれぞれの素子を駆動すると、リン
グ状増幅部の二つの平坦部分がそれぞれ、素子１Ａと素
子１Ｃおよび素子１Ｂと素子１Ｃとによって常に緊密に
支持されながら変形するので、それぞれの座屈ばね２Ａ
／２Ｂに外部から力が加わってもばねの変形が起きにく
くなり変位の制御精度が向上する。尚、以上の参考例お
よび実施例は全て、互いに反対方向に変位する一組の座
屈ばねを備えた増幅機構であるが、座屈ばねの数および
形状は特に対称的である必要はない。

【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電素子
変位増幅機構は、変位発生源としての圧電素子が発生す
るひずみを、この素子の駆動端面に直接取り付けた座屈
ばねにより増幅している。これにより、本発明によれ
ば、従来の増幅機構におけるほどには大きな増幅率を必
要としない用途に対して、小型でしかも高速応答性に優
れた圧電素子変位増幅機構を低コストで提供することが
できる。又、圧電素子を三つ用い、座屈ばねの両端をそ
れぞれを二つの圧電素子どうしで緊密に支持し合う構造
とし、互いに隣り合う素子どうしを逆位相の駆動電圧で
駆動するようにしているので、変位の制御精度が非常に
高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の斜視図である。

【図２】本発明の第１の参考例の斜視図である。

【図３】本発明の第１の参考例における座屈ばねの形状
の三つの例を示す図である。

【図４】本発明の第２の参考例の斜視図である。

【図５】本発明の第３の参考例の斜視図である。

【図６】本発明の第４の参考例の斜視図である。

【図７】従来の圧電素子変位増幅機構の一例の斜視図で
ある。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 圧電素子 ２，２Ａ，２Ｂ 座屈ばね ３ａ，３ｂ，３Ａａ，３Ｂｂ，３Ｃａ，３Ｃｂ 駆動
端面 ４ａ，４ｂ ベース ５ａ，５ｂ ヒンジ ６ａ，６ｂ レバーアーム ７ 基板 ８ａ，８ｂ リベット ９ａ，９ｂ 端部金具 １０ａ，１０ｂ ヒンジ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−42284（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−168025（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−216392（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれが発生するひずみに関して直列
   になるように空間を保って配置された第１の圧電素子お
   よび第２の圧電素子と、 前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の互いに
   相手の圧電素子の駆動端面と向き合う駆動端面どうしの
   間にブリッジ状に設けられた少なくとも一つ以上の座屈
   ばねと、 前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の作る前
   記空間内に配置された圧電素子であって、ひずみに関し
   て前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子と直列
   になるように配置された第３の圧電素子とを含み、 前記第３の圧電素子の一方の駆動端面と前記第１の圧電
   素子の前記座屈ばねの一端が固着された駆動端面とを前
   記座屈ばねの一端を介して固着し、前記第３の圧電素子
   の他方の駆動端面と前記第２の圧電素子の前記座屈ばね
   の他端が固着された駆動端面とを前記座屈ばねの他端を
   介して固着したことを特徴とする圧電素子変位増幅機
   構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電素子変位増幅機構に
   おいて、 互いに反対方向に変形する二つの座屈ばねからなる一組
   の座屈ばねを備えることを特徴とする圧電素子変位増幅
   機構。
3. 【請求項３】 前記第１の圧電素子と前記第２の圧電素
   子とを同位相で駆動し、前記第３の圧電素子を前記第１
   の圧電素子および前記第２の圧電素子とは逆位相で駆動
   することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧電
   素子変位増幅機構の駆動方法。