JP4472825B2

JP4472825B2 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP4472825B2
Application number: JP2000042890A
Authority: JP
Inventors: 聖士渡辺; 樹佐藤; 和夫谷; 陽子鈴木
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2020-02-21
Also published as: JP2000312490A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時計、カメラ、プリンタ、情報記憶装置などに用いる圧電アクチュエータに係り、特に圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータを用いたデバイスの動作安定化、及び製造工程簡略化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在ＯＡ機器、情報処理機器の小型化が進み、これに伴って、駆動・搬送に用いる動力源として圧電アクチュエータが注目されている。このような圧電アクチュエータの一例として、本願出願人らにより開発されたマイクロ圧電モータが知られている（電気学会第１５回センサ・シンポジウム TECHNICAL DIGEST １８１頁〜１８４頁１９９７年）。図２に、そのマイクロ圧電モータの組立図を示す。
【０００３】
このマイクロ圧電モータは、軸突起部を持つ円盤状の回転移動体５、振動体４と軸突起部を支持する基盤シャーシ１３とから、構成されている。振動体４には、伸縮運動を発生する圧電体２を支持体７に貼付した屈曲変位機構部１が３つ設けてある。前記屈曲変位機構部１はＬ字形状をしており、このＬ字形状の短辺短部は振動体４の中心部に固定されている。この屈曲変位機構部１は、回転移動体５の接線方向と平行に配置する。なお、回転移動体５には、摺動部が設けられている。
【０００４】
また、回転移動体５及び基盤シャーシ１３には磁気吸着力の発生する磁石材料を用い、回転移動体５と振動体４とを一定加圧下で接触させる。また、振動体、特に屈曲変位機構部１には、前記磁石材料の磁力の影響を受けないように非磁性体材料を用いる。回転移動体５の軸突起部は、振動体４の中空軸穴にて軸支される。回転移動体５の本体は、金属または樹脂系で形成し、摺動部には酸化被膜処理を施す。また、回転移動体５や振動体４などの形成には、エッチング等のフォトファブリケーション技術を用いる。図３は、このマイクロ圧電モータの動作原理を示す説明図である。圧電体２に特定周波数の駆動電圧を印加することにより、当該圧電体２が図中矢印方向に伸縮する。この伸縮により支持体７に片端固定された屈曲変位機構部１が図中矢印方向に振動する。屈曲変位機構部１が振動すると、当該屈曲変位機構部１の先端が回転移動体５と接触し、その縦横方向の力の成分の合成により回転移動体５が移動することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４は、従来の圧電アクチュエータの構成を示すブロック図である。圧電アクチュエータは、振動子に圧電体を貼付けた振動体と、振動体に接する移動体と、移動体に接する加圧部材と、移動体及び加圧部材の回転中心軸となる回転軸からなることを示している。移動体は、振動体から伝搬される微小な駆動力を安定に得るために、移動体と振動体の摺動面間を一定与圧下で管理する構造が要求される。
【０００６】
図２では、磁気力による吸引力で移動体と振動体間の安定な接触状態を維持する構成例を示すが、その他の例としては、回転案内支持された移動体を振動体と加圧部材とで挟み込む接合方法を用いた構成も用いられる。
【０００７】
これらの構成によって、従来技術では困難であった圧電アクチュエータの小型化及び所望の回転速度や移動体の移動が容易に得られることが可能となる。
【０００８】
しかし、各要素部品の集積化によって構成されることから、構成される要素部品間、特には、加圧部材や回転軸の高精度な接合、組立工程においては、ばらつきが生じやすく、圧電アクチュエータの駆動速度等の動特性に影響を及ぼすという問題が生じた。更には、今後のマイクロ化においては、同様な課題に対する対策が望まれる。
【０００９】
そこで、本発明では、上述のような問題点を取り除き、簡単な構造で、動作を安定化できる、圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかわる第１の圧電アクチュエータは、回転移動体の円接線方向に対して平行に延出し且つ一端固定多端自由とした支持体および当該支持体に設けた圧電体からなる振動体を備えた基板と、前記基板を一定の間隔にて積層した構造と、前記振動体を設けた基板方向に与圧を供与する構造を備えた回転移動体から構成する。
【００１１】
このように、回転中心軸をなくし、さらには、移動体に与圧を供与する構造を備え、部品点数を減らした構造とすることにより、組立工程による、製造のばらつきを減少させることが可能となり、圧電アクチュエータの駆動が安定するようになる。
【００１２】
また、本発明にかかわる第２の圧電アクチュエータは、回転移動体の円接線方向に対して平行に延出し且つ一端固定多端自由とした支持体および当該支持体に設けた圧電体からなる複数振動体を備えた基板と、前記基板を一定の間隔にて積層した構造と、前記振動体を設けた基板方向に与圧を供与する構造を備えた回転移動体から構成する。
【００１３】
このように、回転中心軸をなくし、部品点数を減らした構造とすることにより、第１の圧電アクチュエータと同様に、組立工程による、製造のばらつきを減少させることが可能となり、圧電アクチュエータの駆動が安定するようになることが見込まれる上、複数の振動体を備えた構造とすることにより圧電アクチュエータを高出力化することが可能となる。
【００１４】
また、本発明にかかわる第３の圧電アクチュエータは、平行移動体の移動方向と平行に延出し且つ一端固定他端自由とした支持体および当該支持体に設けた圧電体からなる振動体を備えた基板と、基板を一定の間隔にて積層した構造と、振動体を設けた基板方向に与圧を供与する構造を備えた平行移動体から構成とされることを特徴としている。
【００１５】
このように、平行移動体に与圧を供与する構造を備えることにより、振動体を備えた基板と、基板に加圧部材を設けることなく単純化できるため、振動体を備えた基板と、基板を積層した構造の製品寿命をのばすことと、製品の小型化、製造工程を簡略化が可能となる。
【００１６】
また、本発明にかかわる第４の圧電アクチュエータは、平行移動体の移動方向と平行に延出し且つ一端固定他端自由とした支持体および当該支持体に設けた圧電体からなる複数振動体を備えた基板と、基板を一定の間隔にて積層した構造と、振動体を設けた基板方向に与圧を供与する構造を備えた平行移動体から構成されることを特徴としている。
【００１７】
これによれば、複数振動体を備えることにより、第３の圧電アクチュエータの効果に加え、圧電アクチュエータを高出力化することが可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
《実施の形態１》
以下、図１，５〜８を参照して本発明の実施の形態１を詳細に説明する。
図１は、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組立図である。圧電アクチュエータは、回転移動体５の円接線方向に対して平行に延出し且つ一端固定多端自由とした支持体７および当該支持体に設けた圧電体（図示略す）からなる振動体４を備えた基板８と、前記基板を一定の間隔にて積層した構造と、前記振動体を設けた基板方向に与圧を供与する加圧部６を備えた回転移動体５から構成される。
【００１９】
圧電体としては例えば、チタン酸バリウムや、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどを用いる。また、駆動信号としては、例えば正弦波を用いる。
【００２０】
回転移動体５は、一定間隔で積層した基板間の挿入枠９に挿入される。そして、圧電体（図示略す）に振動体４の固有振動にあわせた交流電圧を印加することにより、振動体４は、曲げ、ねじり、伸縮振動を生じ、それらいずれか、もしくは、合成により、振動体４の表面に楕円運動を生じ、加圧部６からの適当な圧力が、振動体４と回転移動体５に加えられることにより、回転移動体５は運動をする。
【００２１】
ここで、圧電体（図示略す）は、振動体４に対し、回転移動体５の挿入される挿入枠９とは、逆の面に貼付ける等し、回転移動体５の運動を妨げないようにする。
【００２２】
以上により、回転移動体５の移動方向は、振動体４の配置により決定されるため、回転軸を必要としない。つまり、回転軸をなくすことにより、回転移動体５の面外方向の運動を抑えるための、加圧部材を用いた接合工程等の必要がなくなり、大量生産による圧電アクチュエータの動特性のばらつきを軽減することが可能である。また、圧電アクチュエータを簡素化でき、更に、薄型、小型化が図れる。さらには、回転移動体５は、所望の外形寸法から構成することが可能となると同時に、挿入枠９を設けることで、回転移動体５の出し入れ自由になり、新たな機能として、従来型の、フロッピーディスクやCD等のような記録媒体を回転移動体５の代用として用いることが可能であると考えられる。
【００２３】
図５は、実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータの複数の振動体を備えた例を示す斜視図である。
【００２４】
図５（Ａ）は、振動体４を単数用いた例を示す斜視図である。振動体４を単数用いた構造であるため、移動体の方向変更、又は回転させることが可能である。図５（Ｂ）は、振動体４を２枚用いた例を示す斜視図である。移動体に対して、円周方向に２枚振動体を配置した構造となるため、安定した回転力を移動体に与えることができるだけでなく、より高い出力を移動体にあたえることが可能である。
【００２５】
図５（Ｃ）は、振動体４を４枚用いた例を示す斜視図である。移動体に対して、円周方向に４枚振動体を配置した構造となるため、振動体単数、振動体２枚に比べ、移動体に対し、高い出力を与えることが可能である。また、単数、もしくは複数の振動体４を有する積層した基板を、移動体の面に対して、表裏反転することにより、回転方向の正逆転可能である等、振動体４の配置を変えることにより、移動体の移動方向を変化させることも、可能である。
【００２６】
図６は、実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータについて、圧電アクチュエータの移動体の案内枠１０を設けた例を示す斜視図である。
【００２７】
図６（Ａ）は、中空円柱を垂直方向に２分割し、移動体を案内する案内枠１０とした例である。案内枠１０は、単数、複数振動体４のいずれにおいても、回転の中心となる位置に設けることが望ましい。
【００２８】
図６（Ｂ）は、中空角柱を垂直方向に２分割し、移動体を案内する案内枠１０とした例を示す斜視図である。案内枠１０は、単数、複数振動体４のいずれにおいても、回転の中心となる位置に設けることが望ましい。尚、これら案内枠１０を設けた振動体基板は、エレクトロフォーミング技術等にて一体成形を行うことができる。
【００２９】
図７は、実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータと歯車輪列を組み合わせた例を示す斜視図である。圧電アクチュエータは、圧電体（図示略す）を貼付けられた振動体４が設けられた基板８を積層した構造となり、基板８間は、一定間隔を保つよう挿入枠（図示略す）を設ける。第一歯車１１には、加圧部が備えられており、振動体４と第一歯車１１間には、適当な圧力が加えられる構成となっている。それにより、第一歯車１１は、振動体４表面の楕円運動により、振動体４と第一歯車１１表面に、摩擦力が働き、第一歯車１１を回転運動させる。それにより、第一歯車の動力は、第二歯車１２に伝達され、増速や減速、トルクを可変させたり、回転方向の逆転等が可能となり、例えば、時計の針を回転させる等の応用が上げられる。
【００３０】
図８は、実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータによる歯車輪列の動作を示す概略図である。圧電アクチュエータは、圧電体（図示略す）を貼付けられた振動体４が設けられた基板８を積層した構造となり、基板８間は、一定間隔を保つよう挿入枠（図示略す）を設ける。第一歯車１１には、加圧部（図示略す）が備えられており、振動体４と第一歯車１１間には、適当な圧力が加えられる構成となっている。それにより、第一歯車１１は、振動体４表面の楕円運動により、振動体４と第一歯車１１表面に、摩擦力が働き、第一歯車１１を回転運動させる。それにより、第一歯車の動力は、第二歯車１２に伝達され、増速や減速が可能となる。第一歯車の回転方向は、振動体４の方向によって決定される。
【００３１】
以上により、実施の形態１記載の圧電アクチュエータは、回転移動体に与圧を供与する構造を備え、さらに、その回転移動体の移動方向は、振動体の配置により決定されるため、回転軸を必要としない。また、加圧部材を用いた接合工程等の必要がなくなり、大量生産による圧電アクチュエータの動特性のばらつきを軽減することが可能である。また、圧電アクチュエータを簡素化でき、更に、薄型、小型化が図れる。さらには、回転移動体は、所望の外形寸法から構成することが可能となると同時に、挿入枠を設けることで、回転移動体の出し入れ自由になり、新たな機能として、従来型の、フロッピーディスクやCD等のような記録媒体を回転移動体の代用として用いることが可能であると考えられる。そして、そのような記録媒体に与圧を供与する構造を備えているため、駆動装置側に与圧を供与する構造を備える必要がないため、駆動装置側の与圧を供与する構造の劣化等による故障を考慮する必要がなく駆動装置の製品寿命を延ばすことが可能であり、さらに、記録媒体の安定した駆動が可能である。
《実施の形態２》
以下、図９、１０を参照して本発明の実施の形態２を詳細に説明する。
【００３２】
図９は、実施の形態２にかかわる圧電アクチュエータの構成図を示す。
圧電アクチュエータは、圧電体２を貼り付けした振動体４を有する支持体７と、与圧を供与する構造６を備え、さらに情報を記録した情報記録部１５を有する平行移動体１４と、平行移動体１４を挿入する挿入枠９と、挿入枠９の上面に固定され、与圧を供与する構造６と接触する基板８と、基板８の上面に固定され、さらに、情報読取部１６を備えた上面基板１７からなり、支持体７と挿入枠９と基板８と上面基板１７とを積層した構成となっている。
【００３３】
基板８と支持体７とは、ある一定の間隔を持ち、平行移動体１４が挿入できる寸法であり、さらに基板８と支持体７は、平行移動体１４が移動するために適切な加圧力が与圧を供与する構造６からかかる間隔で寸法が決められている。平行移動体１４に設けられている情報記録部１５の情報を読み込むためには、平行移動体１４を挿入枠７の中に挿入し、上面の情報読取部１６にて情報を読み込む。そして、平行移動体１４を取り出す際には、圧電体２に駆動信号を入力することにより、振動体４が屈曲し、平行移動体１４に、挿入した方向とは逆の方向へ駆動力を与え、平行移動体１４を取り出すことが可能となる。
【００３４】
図１０は、実施の形態２に関わる圧電アクチュエータの構成図である。
圧電アクチュエータは、圧電体（図示略す）を貼り付けした取出用振動体１８と、圧電体（図示略す）を貼り付けし、取出用振動体１８とは、別方向に延出した複数の横移動用振動体１９を設けた支持体７と、与圧を供与する構造６を備え、さらに情報を記録した第一の情報記録部２２を有する第一の平行移動体２０と、第一の平行移動体２０と同様に、与圧を供与する構造６を備え、さらに情報を記録した第二の情報記録部２３を有する第二の平行移動体２１と、第一の平行移動体２０と第二の平行移動体２１を挿入する挿入枠９と、挿入枠９の上面に固定され、与圧を供与する構造６と接触する基板８と、基板８の上面に固定され、さらに、情報読取部１６を備えた上面基板１７からなり、支持体７と挿入枠９と基板８と上面基板１７とを積層した構成となっている。
【００３５】
基板８と支持体７とは、ある一定の間隔を持ち、第一の平行移動体２０と第二の平行移動体２１が挿入できる寸法であり、さらに、平行移動体２０と平行移動体２１が移動するために、与圧を供与する構造６から、適切な加圧力がかかる間隔で寸法が決められている。第一の平行移動体２０に設けられている第一の情報記録部２２または第二の平行移動体２１に設けられている第二の情報記録部２３の情報を読み込むためには、第一の平行移動体２０または、第二の平行移動体２１を挿入枠９の中に挿入し、上面の情報読取部１６にて情報を読み取る。そして、第一の平行移動体２０または、第二の平行移動体２１を取り出す際には、取出用振動体１８を振動させることにより、第一の平行移動体２０または第二の平行移動体２１に、挿入した方向とは逆の方向へ駆動力を与え、第一の平行移動体２０または、第二の平行移動体２１を取り出すことが可能となる。
【００３６】
また、第一の平行移動体２０または、第二の平行移動体２１を挿入方向とは、別方向に横移動用振動体１９を設けることにより、例えば、第一の平行移動体２０を挿入枠９に挿入し、第一の平行移動体２０を情報読取部１６の真下とは別の場所に移動させ、さらには、第二の平行移動体２１を挿入枠９に挿入し、第二の平行移動体２１の第二の情報記録部２３の情報を情報読取部１６にて情報を読みとることが可能である。
【００３７】
また、必要な際には、第二の平行移動体２１を横移動用振動体１９により、第一の平行移動体２０が有る方向とは別方向に移動させ、そして、第一の平行移動体２０を情報読取部１６の真下の位置に、横移動用振動体１９を用いて移動させ、第一の平行移動体２０に設けられた第一の情報記録部２２の情報を読みとることが可能となる。
【００３８】
つまり、複数の横移動用振動体１９を支持体７に備えることにより、オートチェンジャーシステム等への応用が可能となる。また、加圧部材を第一の平行移動体２０または、第二の平行移動体２１に設けることにより、情報読取部１６を備えたような駆動装置側の構造を簡素化でき、製造の簡略化と、駆動装置の小型化がはかれる。
【００３９】
以上により、実施の形態２にかかる圧電アクチュエータは、平行移動体に与圧を供与する構造を備えることにより、振動体を有する圧電アクチュエータを簡略化することが可能である。また、構成部材数及び組立工程の削減が図られ、大量生産に移行し易く、コストを削減することが可能となる。また、振動体を複数用いることにより、平行移動体を任意の位置に移動させることが可能であることに加え、平行移動体の駆動力を増大させることが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上により、本発明によれば、圧電アクチュエータは、回転移動体の円接線方向に対して平行に延出し且つ一端固定多端自由とした支持体および当該支持体に設けた圧電体からなる振動体を備えた基板と、前記基板を一定の間隔にて積層した構造と、前記振動体を設けた基板方向に与圧を供与する加圧部を備えた回転移動体から構成するから、新たに実現可能な機能として、従来型回転アクチュエータでは、困難であった振動子のパターンによる回転移動体の回転特性の容易な操作や、一つのアクチュエータ構造に所望の回転移動体形状が選択可能であることや、振動体が備えられ且つ積層された基板の間への出し入れが可能となるという効果がある。
【００４１】
以上により、本発明によれば、圧電アクチュエータは、歯車輪列と組み合わせることにより、時計の秒針や分針等の駆動源として、また、ディスク交換可能な情報記憶装置機器への応用等ができる。
【００４２】
また、構成部材形状の単純化、構成部材数及び組立工程の削減が図られ、大量生産に移行し易く、コストを削減することが可能となる。
【００４３】
また、本発明によれば、圧電アクチュエータは、回転移動体の円接線方向に対して平行に延出し且つ一端固定多端自由とした支持体および当該支持体に設けた圧電体からなる振動体を複数用いたため、圧電アクチュエータの高出力化が図れる。
【００４４】
また、本発明によれば、圧電アクチュエータは、平行移動体の移動方向と平行に延出し且つ一端固定他端自由とした支持体および当該支持体に設けた圧電体からなる振動体を備えた基板と、基板を一定の間隔にて積層した構造と、振動体を設けた基板方向に与圧を供与する構造を備えた平行移動体から構成とされることを特徴としている。
【００４５】
これによれば、平行移動体に与圧を供与する構造を備えることにより、振動体を有する圧電アクチュエータを簡略化することが可能である。また、構成部材数及び組立工程の削減が図られ、大量生産に移行し易く、コストを削減することが可能となる。
【００４６】
また、本発明によれば、圧電アクチュエータは、平行移動体の移動方向と平行に延出し且つ一端固定他端自由とした支持体および当該支持体に設けた圧電体からなる複数振動体を備えた基板と、基板を一定の間隔にて積層した構造と、振動体を設けた基板方向に与圧を供与する構造を備えた平行移動体から構成されることを特徴としている。
【００４７】
これによれば、振動体を複数用いることにより、平行移動体を任意の位置に移動させることが可能であることに加え、平行移動体の駆動力を増大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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組立図である。
【図２】従来のマイクロ圧電モータの構成を示す組立図である。
【図３】従来のマイクロ圧電モータの動作原理を示す説明図である。
【図４】従来の圧電アクチュエータの構成を示すブロック図である。
【図５】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複数の振動体を備えた例を示す斜視図である。
【図６】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移動体の案内枠の例を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータと歯車輪列を組み合わせた例を示す斜視図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータによる歯車輪列の動作を示す概略図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかわる圧電アクチュエータを示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態２にかかわる圧電アクチュエータを示す構成図である。
【符号の説明】
１屈曲変位機構部
２圧電体
４振動体
５回転移動体
６与圧を供与する構造
７支持体
８基板
９挿入枠
１０案内枠
１１第一歯車
１２第二歯車
１３基盤シャーシ
１４平行移動体
１５情報記録部
１６情報読取部
１７上面基板
１８取出用振動体
１９横移動用振動体
２０第一の平行移動体
２１第二の平行移動体
２２第一の情報記録部
２３第二の情報記録部

Claims

一定の間隔に積層した２つの基板と、２つの前記基板の双方に設けられた一端固定他端自由とした複数の支持体と、前記支持体に設けられた圧電体からなる振動体と、前記積層した基板の間に備えられた移動体と、を備えた圧電アクチュエータであって、
積層した基板の間に２つの前記移動体が重ねて備えられ、
前記移動体のうち一方は、圧力を供与する加圧部を一方の面に備え、
前記加圧部は、前記一方の移動体の前記一方の面と対向する他方の前記移動体に圧力を供与することによって、前記他方の移動体と、前記他方の移動体と対向する前記基板と、が接するとともに、前記一方の移動体の他方の面と、前記他方の面と対向する前記基板と、が接することを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記移動体は回転移動体であり、
前記支持体は回転移動体の円接線方向に延出し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。