JP4213555B2 - 圧電アクチュエータおよびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は圧電素子の急速な変形により発生する慣性力により、回転体を駆動する圧電アクチュエータ及びその応用に関する。

近年電子機器の小型化が進み、そこで用いられるアクチュエータの小型化も要求されている。このアクチュエータの代表例として、電磁型のモータの回転力により減速歯車列を介して稼働部材を駆動する方式が一般に行われており、そこで用いられるDCモータやステッピングモータの小型化が進んでいる。

また一方では、新原理のアクチュエータの開発も盛んに行われており、発生力の大きな圧電素子を用いたものにも期待が掛かっている。例えば稼働部材と、これを一方向に移動可能にガイドする軸との間に摩擦力を生じさせておき、軸の先端に設けた圧電素子を周期的に変形させたときに生じる稼働部材の慣性力により稼働部材を稼働する方式が開発されている（例えば、非特許文献1参照。）。また、このようなアクチュエ−タは、カメラのズーム機構やオートフォーカス機構への応用も試みられている。
吉田龍一、岡本康弘 マイクロ圧電アクチュエータ 精密工学会誌 Vol.68,NO.5,2002

しかしながら電磁モータは小型化が難しいばかりでなく、小型化するとトルクが極めて弱くなってしまう為、その分だけ減速歯車列が必要となり機構自体の大きさは小さくするのが難しかった。

また圧電素子の変形により生じる慣性力を利用したものは、直動動作のため応用する機器が限られてしまった。この場合、稼働部材をダイレクトに稼働させることができるというメリットはあるが、アクチュエータを搭載する機器に落下や振動が生じた場合、稼働部が動いてしまう恐れが有った。そこで、その対応策として稼働部材と軸の間の摩擦力を大きくすることが考えられるが、この場合には稼働部材を駆動するには圧電素子に大きな電圧を印加しなければならず、消費電力の増大並びに昇圧回路等駆動回路の複雑化、大型化を招く恐れがあった。そして、稼働部材をガイドする軸を必要とする構造から設計の自由度に制限を与え、機器に塔載することへの障害となる恐れがあった。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、回転可能に配置される回転体と、前記回転体に固定され、その変形により前記回転体の径方向と直交する接線方向に生じる慣性力で、前記回転体を駆動する圧電素子と、前記圧電素子を変形させる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動回路とからなる圧電アクチュエータにある。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電素子の第一の方向の変形の加速度もしくは速度と、第二の方向の変形の加速度もしくは速度とが異なる駆動信号を、前記駆動回路が供給することで、前記圧電素子は一方の方向に慣性力を生じることを特徴とする圧電アクチュエータにある。

本発明の第３の態様は、第１または２の態様において、前記圧電素子の一部には質量が付加されていることを特徴とする圧電アクチュエータにある。

本発明の第４の態様は、第１から３のいずれかの態様において、前記圧電素子は屈曲変形をすることを特徴とする圧電アクチュエータにある。

本発明の第５の態様は、第１から３のいずれかの態様において、前記圧電素子はせん断変形することを特徴とする圧電アクチュエータにある。

本発明の第６の態様は、第１から５のいずれかの態様において、前記圧電素子の変位量を規制する規制部材が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータにある。

本発明の第７の態様は、第１から６のいずれかの態様において、前記回転体に設けられたカムと、前記カムの動きに連動し直動動作する移動体を有する事を特徴とする圧電アクチュエータにある。

本発明の第８の態様は、第１から７のいずれかの態様における圧電アクチュエータを備えた電子機器にある。

本発明によれば、回転体に直接固定された圧電素子変形により生じる慣性力により、回転体の回転動作が実現できる。この様な原理とすることで、電磁型のモータや共振を用いた例えば超音波モータよりも消費電流を抑えられるとともに、停止時は全く電力を消費しない。そして圧電素子には屈曲変形をするものを用いることにより、大きな圧電素子の変形が得られ、低電圧での駆動が可能となる。また、圧電定数が大きなせん断変形用圧電素子を用いることにより、低電圧で大きな駆動力を得ることができるだけでなく、高い周波数まで駆動でき回転体の高速動作が実現できる。

そして、これら圧電素子の変位量を規制する規制部材を設けることで、落下や振動等によって発生する圧電素子の大変形、強いては破壊を防止することができる。

また回転体に設けられたカムとなる溝、カムの動きに連動し直動動作する移動体を有する機構とすれば移動体の直動動作が可能となるため、例えばレンズを移動体とすることにより、カメラのオートフォーカス機構やズーム機構が極めて小型な構成で実現できる。そして、このようなカムを使用する構成により小さな電力で重い移動体を稼働できるばかりでなく、保持力も大きく落下や振動等が生じた際にも移動体の位置ずれが生じにくい。

この様に、本発明の圧電アクチュエータを電子機器の駆動源に用いることにより駆動回路の小型・簡素化、電子機器の小型化、低消費電力化、信頼性の向上が可能となる。

本発明では回転体と、回転体に固定された圧電素子とからなり、圧電素子の第一の方向の変形の加速度もしくは速度と第二の方向の変形の加速度もしくは速度とを異ならせることで、圧電素子は一方の方向に大きな慣性力を発生し、回転体を駆動する。
即ち、第一の方向の変形により生じる慣性力の大きさと、第二の方向の変形により生じる慣性力の大きさを異ならせることで、回転体に駆動力を発生させる。

またこのとき、回転体の径方向と直交する接線方向に慣性力を発生させることにより、
回転体は効率的に駆動される。

特に、圧電素子の一部には質量が付加されていることを特徴とする。これによれば、圧電素子の急速な変形で生じる慣性力が大きく出来る為、回転体の駆動力が大きくできる。

そして、圧電素子には屈曲変形をするものを用いることにより、大きな圧電素子の変形が得られる。また、せん断変形する圧電素子を用いれば圧電素子自体の固有周波数が極めて高い為、圧電素子に大きな質量を付加しても高い周波数まで駆動できる。

そして、これら圧電素子の変位量を規制する規制部材を設けることで、落下や振動等によって発生する圧電素子の大変形、強いては破壊を防止することができる。

また、回転体に設けられたカムとなる溝と、カムの動きに連動し直動動作する移動体を有する機構とすれば、移動体の直動動作が可能となる。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。図1は本発明の実施の形態1の圧電アクチュエータ10の構成を示した図である。円筒形状の回転体3の側面に設けた張り出し部３ａ、3ｂには圧電素子で構成されるバイモルフ１ａ、1ｂの一端が固定されている。またバイモルフ１ａ、1ｂの他端には付加質量２ａ、2ｂが固定されている。回転体3の内周部は固定板4の厚み方向に設けられた段部４ａで回転可能に案内されている。ここで、図示しないが加圧ばね等によって回転体3を固定板4に加圧接触させ両者の間に適度な摩擦力を確保する。

次に、本発明の圧電アクチュエータ10の駆動原理について、図2、図3を用いて説明する。図３で、バイモルフ素子1は例えば、回転体３の径方向と直交する接線方向（図中矢印の方向）に分極処理された圧電素子６ａ、6ｂを重ねて接合し構成されている。圧電素子６ａ、6ｂの接合面と他方の面には、圧電素子６ａの他方の面側から順に電極５ａ、5ｂ、5ｃが設けられている。ここで電極5ｂをＧＮＤとし、電極５ａ、5ｃを短絡し、図示していない駆動回路により電圧を印可すると一方の圧電素子は伸び、一方の圧電素子は縮む為、バイモルフ素子1は全体として屈曲変位を示す。そして、電圧の極性を変えると変形の方向も逆になる。ここで図3（ｂ）の様に、駆動信号を交番電圧とするとともに電圧を上げる際のスピードと下げる際のスピードを変えると、バイモルフ素子1の変形のスピードも、変形する方向である第一の方向と、第一の方向と逆方向である第二の方向とによって異なる。このバイモルフ素子1の変形によって付加質量2も移動するから、バイモルフ素子1の変形のスピードが速い場合には、付加質量2の慣性力は大きく回転体3と固定板4との間の摩擦力に打ち勝ち回転体3を回転させる。例えば、図2（ａ）の状態から図2（ｂ）の状態に急速にバイモルフ素子1を変形させ、可能であればそこで急に停止させれば、付加質量2の大きな慣性力を回転体3に伝えられるため、図1のＣＣＷ方向に回転体を回転させることができる。例えば、バイモルフ素子1の変位を途中で止め易くする為に、図3（ｃ）の駆動信号を印加しても構わない。また、図3（ｄ）の様に、図３（ａ）の駆動信号に対して電圧を上げる際のスピードと下げる際のスピードを逆にすると、回転体3の回転方向も逆（ＣＷ方向）となる。

この様に、バイモルフ素子1の一方向の急激な変形を、回転体3の駆動に用いられるような駆動信号であれば、図３に示したものに限らない。要求される出力仕様や回路構成に応じて適当なものを採用すれば良い。またバイモルフ素子１の代わりに圧電素子と金属等の弾性部材を用いてユニモルフを構成したものを用いても構わない。

また、本実施の形態において、圧電素子は回転体の径方向と直交する接線方向に分極処理されているが、分極方向や電圧のかけ方は異なっていたとしても、結果として回転体の径方向と直交する接線方向に慣性力を発生させる構成であれば良い。
（実施の形態２）
実施の形態1の変形例について、図４を基に説明する。基本的な圧電アクチュエータ２０の構成は実施の形態１に示したものと同じであるので相違点のみを説明する。

図4において圧電素子で構成されるバイモルフ素子１ａ、1ｂの一部は回転体7の溝７ａ、7ｂ内部に納まる様に、回転体7の側面に固定されている。この溝７ａ、7ｂはバイモルフ素子1の変形量を規制するものであり、駆動信号による変形量よりも大きく破壊に至る変形量よりは小さい隙間となっている。従って、溝7は通常の動作においては何ら影響を与えないが、落下や外部の振動時に発生するバイモルフ素子の変形を規制し、これらによって破壊されない信頼性の高い圧電アクチュエータ２０が実現される。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図面を基に説明する。図５は、本発明の実施の形態３の圧電アクチュエータ３0の構成を示した図である。円筒形状の回転体８の側面には、圧電素子９ａ、９ｂの一端が固定されている。また圧電素子９ａ、９ｂの他端には、付加質量１１ａ、１１ｂが固定されている。回転体８の内周部は、固定板２２の厚み方向に設けられた段部２２ａで回転可能に案内されている。ここで、図示しないが加圧ばね等によって回転体８を固定板２２に加圧接触させ、両者の間に適度な摩擦力を確保する。

次に、本発明の圧電アクチュエータ３0の駆動原理について、回転体８を上方から見た図６を用いて説明する。圧電素子９は回転体８の径方向と直交する接線方向で、図６（ａ）において矢印で示される方向に分極処理されている。圧電素子９ａ、９ｂの付加重量側の面、回転体側の面には、それぞれ電極１２ａ、１２ｂ及び１２ｃ、１２ｄが設けられており、図示していない駆動回路によって、それぞれ付加重量側の面、回転体側の面の電極の間に電圧を印加することにより、圧電素子９ａ、９ｂはせん断変形する。ここで、電極１２ｂ、１２ｄをＧＮＤとし、電極１２ａ、１２ｃに電圧を印可すると圧電素子９ａ、９ｂは図６（ｂ）に示す様に変形する。従って、図６（ａ）の状態から図６（ｂ）の状態への圧電素子９ａ、９ｂの変形のスピードと図６（ｂ）の状態から図６（ａ）の状態への圧電素子９ａ、９ｂの変形のスピードを異ならせ、この二つの状態を交互に連続して行わせることにより、実施の形態１に示した圧電素子の変形による慣性力の原理に基づき、回転体８は回転する。ここで、圧電素子９ａ、９ｂに加える駆動信号の形態としては、図3に示したものと同様のものでも構わないが、その限りではない。即ち、圧電素子９ａ、９ｂの第一の方向の変形の加速度と第二の方向(逆方向)の変形の加速度とが異なるような駆動信号を印加すればよく、必要な回転体８のスピード等の出力特性に応じて最適化すればよい。また、回転体８を逆転させる際には、正転時における第一の方向の変形の加速度と第二の方向(逆方向)の変形の加速度の関係が、逆になるような駆動信号を印加すればよい。

また、本実施の形態において、圧電素子は回転体の径方向と直交する接線方向に分極処理されているが、分極方向や電圧のかけ方は異なっていたとしても、結果として回転体の径方向と直交する接線方向に慣性力を発生させる構成であれば良い。
（実施の形態４）
本実施の形態は本発明の圧電アクチュエータを電子機器の駆動源に適用した例を示すものである。移動体に設けたピンが、圧電アクチュエータの回転体に設けた溝に係合する構成とすることにより、回転体が回転すると移動体が上下に移動することが出来る。従って例えば移動体をレンズとすれば、カメラのズーム機構やオートフォーカス機構等が実現できる。

図７は、実施の形態１で示した圧電アクチュエータ１０を用いた例である。回転体３の側面には周方向に対して傾斜した溝(カム)３ｃが設けられている。回転体３の内周部には移動体１３が配置され、移動体１３の側面にはピン１４が接続されている。ピン１４は図示しない案内溝によって移動体１３の厚み方向(図中矢印方向)にのみ移動可能に案内されているとともに回転体３の溝（カム）３ｃに系合しているため回転体３の回転動作に伴って図中矢印方向に移動可能となる。

ここでは、実施の形態１の圧電アクチュエータ１０を用いた例について示したが、圧電アクチュエータは本発明の原理に基づくものであればその形態にこだわらない。また実施の形態２に示した構造を組み合わせることにより信頼性の高い電子機器が実現できる。

本発明の圧電アクチュエータの移動体を例えばレンズとすれば、カメラのズーム機構、オートフォーカス機構や情報記録機器のピックアップ等の電子機器へ応用できる。

本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータの圧電素子の動作の様子を示す図である。 本発明の実施の形態1にかかわる圧電アクチュエータの駆動信号の例を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかわる圧電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかわる圧電アクチュエータの構成を示す図である。 本発明の実施の形態3にかかわる圧電アクチュエータの駆動原理を示す図である。 本発明の実施の形態１から３にかかわる圧電アクチュエータを電子機器に応用した例を示す図である。

符号の説明

３，７，８ 回転体
４，２２ 固定板
１３ 移動体
１４ ピン
６，９ 圧電素子
５，１２ 電極

Claims (6)

1. 回転可能に配置される回転体と、
   前記回転体に一端を固定され、他端に質量が付加され前記回転体の径方向と直交する接線方向に前記質量を往復変位する圧電素子と、
   前記圧電素子の第一の方向の変形の加速度もしくは速度と、前記第一の方向と反対の第二の方向の変形の加速度もしくは速度とが異なるような駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動回路とからなる圧電アクチュエータ。
2. 前記圧電素子は屈曲変形をす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. 前記圧電素子はせん断変形す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。
4. 前記圧電素子の変位量を規制する規制部材が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記回転体に設けられたカムと、前記カムの動きに連動し直動動作する移動体を有する事を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを備えた電子機器。

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