JP3286612B2

JP3286612B2 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP3286612B2
Application number: JP07985299A
Authority: JP
Inventors: 和夫谷; 陽子鈴木; 聖士渡辺; 樹佐藤
Original assignee: セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date: 1999-03-24
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: JP2000278967A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電素子を用い
た屈曲変位機構により駆動を行うものであって、小型化
しても安定的に駆動することができる圧電アクチュエー
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、一般的な圧電アクチュエータ
として、駆動源に圧電素子を用い、弾性体よりなる振動
体の表面に移動体を加圧接触させて駆動するものが知ら
れている。その一例としては、特開平７−１８４３８２
号公報に記載の、物体を移動させるマイクロモータが挙
げられる。これを含めて従来の圧電アクチュエータで
は、圧電素子にＰＺＴを、加工方法などの点から弾性体
に金属を、移動体の摺動面に耐摩耗性の優れた摩擦材を
使用して構成したものが多い。

【０００３】つぎに、圧電アクチュエータの動作原理を
説明する。駆動用に分極された圧電素子を方形の振動体
の一方の面に設け、圧電素子に周期的に電界を印加す
る。これにより、圧電素子に縦振動および撓み振動して
前記振動体全体に伝搬し、印加した電界の位相差から進
行波が発生する。この進行波は、振動体の厚みにより上
下運動を横方向運動に変換することで、振動体表面に楕
円運動を起こす。この振動体に移動体を加圧接触する
と、移動体と振動体との間の摩擦力によって振動体表面
の横方向運動が移動体に伝えられ、移動体が前記横方向
に移動する。

【０００４】上記圧電アクチュエータは、構造が簡単
で、構成されるアクチュエータのサイズに関わらず発
生力が大きくなる、応答性に優れ、非磁性材料で構
成できること等の特徴を持っている。また、上記従来の
圧電アクチュエータでは、振動体の上下振動振幅値が数
ミクロンの極めて小さな値であるため、移動体と接触
する振動体の表面に突起をつくり振動を効率よく直線運
動に伝達すること、移動体との接触圧力を大きくする
こと等の方策により、発生出力や移動速度を向上を図っ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の圧電アクチュエータをそのまま小型化した場合、つ
ぎのような問題点が生じる。（１）移動体と接触する微小突起部の作成が困難であ
る。（２）突起部先端に高い加工精度が要求される。（３）振動体の曲げ剛性が大きいため、振動振幅と移動
速度との間の変換効率が低下する。このため、そのまま
小型化したのでは期待できる機能を実現できないことに
なる。

【０００６】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、小型化しても安定的に駆動することが
できる圧電アクチュエータを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係る圧電アクチュエータは、平板状のド
ライブプレートと、このドライブプレートに形成され、
一端自由他端固定とした変位機構部と、この変位機構部
に設けた圧電素子と、ドライブプレートの変位機構部に
接触または近接させたアクチュエータと、アクチュエー
タとの摺動面をサスペンション構造により支持し、アク
チュエータに与圧を加える平板状のテンションプレート
と、を備えたものである。

【０００８】圧電素子に電圧を印加すると、電歪効果に
より変位機構部が屈曲する。このため、変位機構部の先
端付近がアクチュエータと接触する。或は、変位機構部
とアクチュエータが接触している場合には、変位機構部
の先端がアクチュエータに対して積極的に押し当てられ
る。この屈曲の横方向成分が、アクチュエータと変位機
構部と間の摩擦力により伝播する。この接触が連続的に
行われることにより、アクチュエータが移動することに
なる。この圧電アクチュエータは、平板状のドライブプ
レートに変位機構部を設け、この変位機構部との摩擦力
を駆動力としてアクチュエータを移動する構成であり、
平板状のテンションプレートによりアクチュエータに与
圧を加えるから、安定した駆動が実現されると共に小さ
く且つ薄くすることができる。また、変位機構部を薄い
平板形状で構成するから、曲げ剛性を小さくでき、振動
振幅および移動速度間の変換効率が向上する。

【０００９】また、本発明に係る圧電アクチュエータ
は、上記圧電アクチュエータにおいて、前記変位機構部
を複数形成し、一部の変位機構部を他の変位機構部と逆
方向に形成したものである。変位機構部を逆方向に形成
し、一方向の変位機構部と逆方向の変位機構部を切り替
えて駆動すると、アクチュエータを往復運動させること
ができる。

【００１０】また、本発明に係る圧電アクチュエータ
は、上記圧電アクチュエータにおいて、前記変位機構部
をＬ字形状とし、短辺を固定端部とし長辺を自由端部と
したものである。変位機構部をＬ字形状にすることで、
自由端部の振動をより大きくすることができる。このた
め、アクチュエータの移動量を大きくすることができ
る。

【００１１】また、本発明に係る圧電アクチュエータ
は、上記圧電アクチュエータにおいて、前記変位機構部
の断面を略凸形状にしたものである。構造上、この圧電
アクチュエータは剛性が低いため、振動体加工時に微小
な残留応力が発生したり、アクチュエータ駆動時および
設置時における外力等により塑性変形が発生する。この
塑性変形は微小であるため、完全に取り除くことは不可
能である。また、この圧電アクチュエータは、変位機構
部とアクチュエータとの摩擦力が駆動力となるため、安
定駆動には、アクチュエータとの接触面に対する変位機
構部の投影面積に対し、前記接触面との接触面積を小さ
くすることで、接触領域を指定し接触圧力を大きくする
ようにするのが好ましい。このためには、変位機構部の
断面を略凸形状にすればよく、かかる形状により変位機
構部の頂部にて前記アクチュエータと接触することにな
る。また、略凸形状への加工過程にて残留応力を除去す
ることができる。略凸形状の具体例としては、三角形、
台形、かまぼこ形などを挙げることができる。

【００１２】また、本発明に係る圧電アクチュエータ
は、上記圧電アクチュエータにおいて、粗動用の変位機
構部と、粗動用の変位機構部より小さいサイズとした微
動用の変位機構部とを設けたものである。大きなサイズ
の変位機構部を駆動させると、大きな振動が得られるか
ら、アクチュエータを粗動させることができる。小さな
サイズの変位機構部を駆動させると、小さな振動になる
からアクチュエータを微動させることができる。この圧
電アクチュエータは、例えばディスク記憶装置のシーク
・トラッキング制御に有用である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。

【００１４】実施の形態１．図１は、この発明の実施の
形態１に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。
この圧電アクチュエータ１００は、ドライブプレート１
と、テンションプレート２と、ドライブプレート１とテ
ンションプレート２との間に設けたスペーサガイド３
と、平板状のアクチュエータ４とから構成される。ドラ
イブプレート１には、中心穴１１が設けられると共に２
つの変位機構部１２がそれぞれ逆方向に形成されてい
る。変位機構部１２は、ドライブプレート１を切り出し
て形成したＬ字形状の支持部１３を有する。支持部１３
は、ドライブプレート１に対して自由に可動する長辺側
の自由端部１３ａと、ドライブプレート１に固定された
短辺側の固定端部１３ｂとを有する。支持部１３の寸法
は、例えば支持部１３の長辺を１〜５ｍｍ、その幅を
０．２〜１ｍｍ、厚さを０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度
とする。また、各支持部１３の上面には平板状の圧電素
子１４が設けられ、この圧電素子１４には電気的に接合
した電極１５が設けられている。電極１５には、駆動用
の駆動装置１６が接続されている。なお、圧電素子１４
の寸法は、長辺１〜３ｍｍ、短辺を０．１５〜１ｍｍ、
厚さを０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度とする。圧電素子は
バルク材を用いたり又は直接形成で支持部に構成する事
も可能である。

【００１５】テンションプレート２は、変位機構部１２
に対向する摺動面２１がサスペンション構造２２によっ
て支持されており、支持面２３でドライブプレート１お
よびスペーサガイド３に固定される。サスペンション構
造２２は複数の矩形枠２２ａを長辺中心部で繋げた構造
をしており、当該サスペンション構造２２で摺動面２１
を４点支持している。摺動面２１には、摩擦係数が大き
いこと、耐磨耗性に優れること、安定した摩擦係数を維
持できることなどの諸条件を満たす材料を用いるのが好
ましい。例えば酸化皮膜処理を施すことにより摺動面２
１を形成することができる。また、摺動面２１を、セル
ロース系繊維、カーボン系繊維、ウィスカとフェノール
樹脂との複合材料、ポリイミド樹脂とポリアミド樹脂と
の複合材料を用いて形成するようにしてもよい。ドライ
ブプレート１およびテンションプレート２には、ステン
レス鋼材を用いる。また、ベリリウム銅、リン青銅、黄
銅、ジュラルミン、チタンやシリコン材の金属系または
非金属系の弾性材料を用いることもできる。

【００１６】また、ドライブプレート１およびテンショ
ンプレート２は、エッチング等のフォトファブリケーシ
ョン技術を用いて加工する。非機械加工プロセスを用い
ることで、加工形成時に発生する変形、応力および機械
的ストレスを排除できるためである。また、部品の高精
度化より、各要素部品の組立調整工程を最小限に抑える
ことができると共に、機能および再現性が安定するため
である。

【００１７】前記圧電素子１４とは、歪発生機能、共振
機能および電圧発生機能を兼ね備えた材料をいう。すな
わち、印加された電圧に応じて応力ないし変位を生じ、
印加電圧の周波数により共振現象を生じさせ、加えられ
た圧力に応じて電圧が発生する特性を示す材料である。
本例の圧電素子１４には、圧電定数の高い薄膜ジルコン
チタン酸鉛を用いてある。また、チタン酸バリウム、ニ
オブ酸リチウムやジルコンチタン酸鉛などを用いても良
い。また、これら圧電セラミックスの代わりに、傾斜機
能材料やリチウムナイオベートを用いることもできる。

【００１８】また、前記支持部１３と圧電素子１４とは
接着により一体化する。係る接着に要求される条件は、
非常に薄い接着層であること、接着層が非常に硬く且つ
強靱であること、支持部１３と圧電素子１４との接着後
は共振周波数付近の抵抗値が小さいことである。支持部
１３と圧電素子１４との間には、直接接合または接着剤
による接合であっても接合界面が存在する。この接合界
面は、支持部１３と圧電素子１４との間の伝搬特性を決
める重要な因子となる。このため、接着剤の特性および
その膜厚管理が重要となる。例えば前記接着剤には、ホ
ットメルトおよびエポキシ樹脂に代表される高分子接着
材を用いる。本例では、エポキシ系の接着剤を用いて最
適膜厚になるようにしている。なお、接着剤を用いない
で圧電素子１４を直接接合してもよい。また、薄膜形
成、圧膜形成のプロセス手段により圧電素子を設けるよ
うにしてもよい。

【００１９】さらに、圧電素子１４には、１枚で構成さ
れるユニモルフ型、２枚で構成されるバイモルフ型、ま
たは、４枚以上で構成されるマルチモルフ型があり、い
ずれを用いるようにしても良い。圧電素子１４や支持部
１３の材料およびこれらの接着方法は、圧電アクチュエ
ータに要求される変位機構部の変位量、力、応答性およ
び構造的制約条件により設定される。本例の変位機構部
１２では、ユニモルフ型構成を採用してある。変位電圧
特性上でヒステリシスを持ちにくい特性を持つためであ
る。また、バイモルフ型と比較して変位量は小さいが発
生力が大きいこと、回転移動体の負荷荷重および加圧力
が適当であるためである。なお、圧電アクチュエータの
仕様により、マルチモルフ型を採用し、厚みを一定に維
持した上で層数を増やすことで変位と力とを増加させる
こともできる。また、変位機構部１２の固定端部１３ｂ
から自由端部１３ａにかけてテーパを設け、応答性を向
上させることもできる。係る構成によるドライブプレー
ト１によれば、変位機構部１２の屈曲変位を極めて安定
に励起することができる。

【００２０】スペーサガイド３はコの字形状をしてお
り、互いの短辺３１を突き合わせるように配置されてい
る。短辺３１の端部３１ａがアクチュエータのガイド機
能を奏する。このスペーサガイド３は、ドライブプレー
ト１およびテンションプレート２と同様、エッチング等
のフォトファブリケーション技術を用いて加工する。両
ガイド間隔は、アクチュエータ４の幅に合わせて調整す
る。具体的には、ドライブプレート１およびテンション
プレート２との取付穴３２を長穴にしておき、組立時、
この範囲で間隔調整を行うようにする（図示省略）。

【００２１】スペーサガイド３の厚みは、アクチュエー
タに対して適当な与圧をかけることができる値にしてお
く。このため、少なくともスペーサガイド３の厚みをア
クチュエータ４の厚みより小さくすることが必要にな
る。実際に組み立てた場合、テンションプレート２の摺
動面２１がアクチュエータ４に当接し、サスペンション
構造２２によって付勢状態になる。与圧値は、０．２〜
１．５ｇ程度とする。また、摺動面２１に突起を設ける
ことで付勢力を調整するようにしてもよい（図示省
略）。この場合は、必ずしもスペーサガイド３の厚みを
アクチュエータ４の厚みより小さくする必要はない。

【００２２】前記アクチュエータ４は、挿入しやすいよ
うに先端４１が半円形状になっている。また、アクチュ
エータ４の上面は、変位機構部１２に当接する。アクチ
ュエータ４は、この圧電アクチュエータを構成する部品
ではなく、切符やキャッシュカードなどの他要素であっ
てもよい。駆動装置１６は、ドライブパルスを発生する
信号発生回路１６１と、信号を増幅するドライバ１６２
と、切換器１６３とから構成される。切換器１６３は、
変位機構部１２を選択切換してアクチュエータ４の移動
方向を決める。切換部１６３の切換は、圧電アクチュエ
ータ１００を適用する装置の制御部（図示省略）などに
より行う。ドライブパルスの周波数は、２００ｋ〜１．
５ＭＨｚで、電圧は２〜１６Ｖｐｐとする。

【００２３】［動作原理］つぎに、この圧電アクチュエ
ータ１００の動作原理について説明する。図２は、本発
明の圧電アクチュエータの駆動原理を示す説明図であ
る。電極１５に正の電圧を印加すると、圧電素子１４が
屈曲する。電圧をとりされば、圧電素子１４は元の形状
に復帰する。圧電素子１４が屈曲変位すると、これに伴
い変位機構部１２も屈曲し、変位機構部１２の自由端部
先端がアクチュエータ４に接触する。自由端部先端の横
方向成分（図中右から左方向）の力が摩擦力を媒介して
アクチュエータ４に伝達され、当該アクチュエータ４が
同方向に微小移動する。従って、圧電素子１４に電圧を
周期的に印加することで前記微小移動が繰り返されるか
ら、アクチュエータ４を連続的に移動させることができ
る。なお、アクチュエータ４とドライブプレート１とが
加圧接触しているが、ミクロ的に見て接触していても或
は近接していても上記原理によってアクチュエータ４が
移動することにかわりない。

【００２４】［基本動作］まず、アクチュエータ４を、
組立状態の圧電アクチュエータ１００に差し込む。これ
により、アクチュエータ４はテンションプレート２から
与圧を受け、ドライブプレート１側の変位機構部１２に
押しつけられる。駆動装置１６により２つの圧電素子１
４に電圧を印加すると、上記のように変位機構部１２が
変位してアクチュエータ４に連続的に接触する。これに
よりアクチュエータ４がスペーサガイド３によりガイド
されつつ移動する。アクチュエータ４を逆方向に移動さ
せるときは、切換部１６３を切り換えて逆向きの圧電素
子１４に電圧を印加し、変位機構部１２を変位させる。
なお、圧電アクチュエータ１００の入り口にセンサを設
け、アクチュエータ４の差し込みを検出してから駆動装
置１６の駆動を開始するようにしてもよい。

【００２５】また、上記変位機構部１２の支持部１３の
形状としては、上記Ｌ字形状の他、図３の（ａ）のよう
な単純梁形状としてもよい。また、同図（ｂ）に示すよ
うに、Ｌ字形状の短辺部分にくびれを設けた形状にして
もよい。さらに、同図（ｃ）に示すように、支持部１３
の先端部分を断面蒲鉾形状にしてもよい。この形状の場
合、頂部分でアクチュエータ４と接触することになり、
動作が安定する。また、同図（ｄ）に示すように、支持
部１３の断面形状を山形にしてもよい。

【００２６】実施の形態２．図４は、この発明の実施の
形態２に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。
この圧電アクチュエータ２００は、実施の形態１にかか
る圧電アクチュエータ１００を長尺にした構成である。
変位機構部１２その他の構成は、実施の形態１と同様で
あるから説明を省略する。ドライブプレート２０１に
は、一方向に向いた変位機構部１２が複数設けられてい
る。また、これと逆方向に複数の変位機構部１２が設け
られている。スペーサガイド２０３は櫛状に複数の突起
２３１を有し、互いに対向するように配置されている。
テンションプレート２０２は、摺動面２２１を複数のサ
スペンション構造２２により支持している。駆動装置１
６は、各変位機構部１２の圧電素子１４に接続されてい
る。

【００２７】この圧電アクチュエータ２００の動作につ
いては、上記実施の形態１と同様であるが、この圧電ア
クチュエータ２００によれば、アクチュエータ４の移動
距離を大きくすることができる。このため、自動改札機
の切符搬送装置などに適する。また、アクチュエータ４
が弾性変形するようなある程度柔らかいものであれば、
圧電アクチュエータ自体を撓ませて使用することもでき
る。さらに、平面的に湾曲させた構造にすることもでき
る。

【００２８】実施の形態３．図５は、この発明の実施の
形態３に係る圧電アクチュエータを示す組立図である。
この圧電アクチュエータ３００は、実施の形態１と略同
様の構成であるが、変位機構部１２が微動用と粗動用と
に分かれている点に特徴がある。その他の構成は実施の
形態１と同様であるので説明を省略する。微動用の変位
機構部１２１は、粗動用の変位機構部１２２に比べて全
体のサイズが小さいものとなっている。支持部１３１に
設ける圧電素子１４１も支持部１３２の圧電素子１４２
に比べてサイズが小さくなっている。駆動装置３１６に
は、移動方向の切換を行う切換部１６３の他に、微動用
と粗動用の変位機構部１２１、１２２を切り換える微動
粗動切換器１６４が設けられている。この切換は、移動
方向の切換器１６３と同様に圧電アクチュエータ３００
を適用する装置の制御部（図示省略）により行われる。

【００２９】各変位機構部１２１、１２２の動作原理は
上記の通りであり、微動用の変位機構部１２１を駆動し
た場合、粗動用の変位機構部１２２に比べて変位量が小
さいため、その分、アクチュエータ４の移動量が小さく
なる。このため、アクチュエータ４の駆動を精密に行う
ことができる。一方、粗動用の変位機構部１２２を駆動
した場合は、変位量が大きいためアクチュエータ４の移
動量が大きくなる。この圧電アクチュエータ３００は、
高速な位置決めと精密な追従制御が必要となる装置に適
しており、例えばハードディスクのような記録装置に最
適といえる。具体的には、アクチュエータ４に磁気記録
媒体を用いると共にドライブプレート３０１の中心穴３
１１に磁気ヘッドを設け、粗動用の変位機構部１２２で
シーク動作を行い、微動用の変位機構部１２１によりフ
ォローイング動作を行う。なお、この場合、磁気ヘッド
をアクチュエータ移動方向の垂直方向に移動制御する必
要がある。なお、この圧電アクチュエータ３００は、実
施の形態２のように長尺に形成することも可能であり、
また、変位機構部１２１、１２２の支持部１３１、１３
２の形状については図３の（ｂ）〜（ｄ）のものを用い
ることもできる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の圧電ア
クチュエータによれば、従来の圧電アクチュエータに不
可欠であった、駆動対象物と接触する突起部分が不要と
なる。また、変位機構部の剛性が低いため、屈曲振動を
励起するエネルギーが小さくても大きな振動振幅を得ら
れ、伝達効率の高い運動変換系を実現できる。さらに、
テンションプレートによりアクチュエータに与圧を加え
る。この結果、小型にしても安定した駆動が得られ、薄
型化が可能になる。また、極めて少ない部品で直進運動
機能、往復運動機能を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る圧電アクチュエ
ータを示す組立図である。

【図２】本発明の圧電アクチュエータの駆動原理を示す
説明図である。

【図３】変位機構部の変形例を示す説明図である。

【図４】この発明の実施の形態２に係る圧電アクチュエ
ータを示す組立図である。

【図５】この発明の実施の形態３に係る圧電アクチュエ
ータを示す組立図である。

【符号の説明】

１００圧電アクチュエータ１ドライブプレート１２変位機構部１３支持部１４圧電素子１５電極１６駆動装置２テンションプレート２１摺動面２２サスペンション構造２３支持面３スペーサガイド４アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤樹千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (56)参考文献特開平11−252959（ＪＰ，Ａ) 特開平６−277624（ＪＰ，Ａ) 特開平６−68528（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状のドライブプレートと、このドライブプレートに形成され、一端自由他端固定と
した変位機構部と、この変位機構部に設けた圧電素子と、ドライブプレートの変位機構部に接触または近接させた
アクチュエータと、アクチュエータとの摺動面をサスペンション構造により
支持し、アクチュエータに与圧を加える平板状のテンシ
ョンプレートと、を備えたことを特徴とする圧電アクチ
ュエータ。
【請求項２】前記変位機構部を複数形成し、一部の変
位機構部を他の変位機構部と逆方向に形成したことを特
徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】前記変位機構部をＬ字形状とし、短辺を
固定端部とし長辺を自由端部とした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。
【請求項４】前記変位機構部の断面を略凸形状にした
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の
圧電アクチュエータ。
【請求項５】粗動用の変位機構部と、粗動用の変位機
構部より小さいサイズとした微動用の変位機構部とを設
けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記
載の圧電アクチュエータ。