JP4578799B2 - 圧電アクチュエータ及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

本発明は移動体を精密に位置決め可能な圧電アクチュエータ、特に振動体を非共振状態で駆動する圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータを備えた電子機器に関する。

弾性体の共振モードを利用した超音波モータは制御性に優れ、精密位置決め用アクチュエータとしても注目され、幾つかの応用例も見られる。しかしながら共振を利用した超音波モータは温度等によって変化する共振点に追従するための周波数追尾回路が必要となり駆動回路が複雑になる。また、共振モードを利用していることから支持が難しく、支持部でのエネルギ損失や、特性ばらつきの発生等の原因ともなっていた。そこで、近年弾性体の非共振状態の振動を利用した超音波モータが提案され研究されている（例えば、非特許文献１参照）。
小坂光二著「非共振型超音波モータ駆動ステージの開発とそれを応用した超精密XYステージの開発」 精密工学会 超精密位置決め専門委員会定例会講演前刷集 NO.2002-１、P13-22

しかしながら圧電素子を非共振状態で使用すると、一般に振動振幅が極めて小さく移動速度も小さく、長いスパンの移動に時間が必要であった。また、現在研究されている構造ではモータ構造も複雑で小型化が難しく、コストを抑えることも難しかった。そして、接着剤による圧電素子等部品の接合を行っているため信頼性に不安があった。

そこで、本発明の圧電アクチュエータは、平行に配置された二つの圧電駆動体と、前記圧電駆動体の一方の端面に固定された固定部と、前記圧電駆動体の他方の端面かつ二つの前記圧電駆動体の中間位置に設けられた突起と、前記突起と接する稼動体を有する構造とする。

また、本発明の圧電アクチュエータは、平行に配置された三つ以上の圧電駆動体と、前記圧電駆動体の一方の端面に固定された固定部と、前記圧電駆動体の他方の端面かつ前記三つ以上の圧電駆動体の中間位置に設けられた突起と、前記突起と接する稼動体を有する構成とする。

そしてこれらの圧電アクチュエータは前記圧電駆動体と前記固定部を圧電素子のみで一体的に形成する。

本発明によれば圧電素子を非共振状態で使用しながらも突起による変位拡大効果により大きな変位を得られるため、大きな移動速度が得られる。また、構造が簡単で突起以外は圧電素子のみで一体的に形成可能なため小型化、量産化が容易となる。更には突起以外は接合部がないため大出力で駆動した際にも破壊に対して強くなる。そして、弾性体等に金属部品を使用しなくて済むため、強磁場の環境下でも使用が可能となる。

本発明の実施の形態について図面を基に説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の圧電アクチュエータを示す図である。二つの圧電駆動体１ａ、１ｂが平行に配置され、逆Ｔ字状の突起２の接触部２ａが二つの圧電駆動体１ａ、１ｂの中央に配置されるように突起と圧電駆動体１ａ、１ｂの一方の端面は接合されている。圧電駆動体１ａ、１ｂは複数の電極１ｃ及び１ｄを有する積層素子である。圧電駆動体１ａ、１ｂは圧電素子単板、積層素子、単板素子を複数枚重ねて両側を金属等のブロック材で挟み込んでランジュバン型振動子状に構成したものでも良い。突起２は耐摩耗性に優れたセラミクス、複合プラスチック、金属等からなる。圧電駆動体１ａ、１ｂの他方の端面は固定部３に固定されている。固定部３には加圧力が加えられ、突起２は稼動体４と接している。稼動体４はガイド部材５ａ、５ｂによって長手方向に動作可能となっている。固定部３は図示しないＶ溝等によってガイド部材６ａ、６ｂに係合し、突起２と稼動体４の接触圧方向にのみ移動可能となっている。また、ここで固定部３は圧電駆動体１ａ、１ｂの変形に対しカウンターバランスとして機能しこの様な簡単な支持方法であっても安定な圧電駆動体１ａ、１ｂの動作を可能とする。

次に動作原理について図２を基に説明する。動作方法としては様々な場合が考えられる。図２（ａ）に示した様に圧電駆動体１ａ、１ｂの何れかに交流電圧を印加すると、信号を印加した圧電駆動体は伸縮運動するため、実線で示した突起２の接触部２ａは破線で示すように上昇しながら傾く動きをする。ここでは圧電駆動体１ｂに信号を印加しているので上昇した突起２の接触部２ａは左に傾く。従って、突起２と接する稼動体４は左に移動する。圧電駆動体１ａに信号を印加した場合、突起２は逆に動くため、稼動体４は右へ移動する。この様に、信号を印加する圧電駆動体を選択するのみで移動方向を制御できるため、駆動回路が簡単になる。ここでは稼動体４を移動させたが、稼動体４を固定すれば圧電駆動体自体を駆動することも可能である。

図２（ｂ）においては圧電駆動体１ａ、１ｂに印加する駆動信号の電圧レベルを異ならせている。圧電駆動体１ｂに印加する駆動信号の電圧値を圧電駆動体１ａに印加する駆動信号の電圧値よりも大きくすることで、突起２に図２（ａ）と同様の傾きを与えることができる。移動方向を変える場合には圧電駆動体１ａ、１ｂに加える信号の電圧値の大小関係を逆にすればよい。本図の場合、稼動体４は左方向に移動する。この様に二つの圧電駆動体１ａ、１ｂ両方に駆動信号を与えることにより、突起２の稼動体４への接触圧は強くなり、稼動体の駆動力は大きくなる。

図２（ｃ）においては圧電駆動体１ａ、１ｂに印加する駆動信号の位相を変えることで突起２の接触部２ａに楕円運動をさせた例である。楕円運動の方向に応じて稼動体の移動方向が決定されるが、圧電駆動体１ａ、１ｂに印加する駆動信号の電圧レベル、位相差を変えることにより楕円運動の大きさ、形を自由に設定でき、稼動体の移動スピード、推進力を制御することが可能となる。

（実施の形態２）
図３は実施の形態１の圧電アクチュエ−タと別の構成例である。二つの圧電駆動体７ａ、７ｂ及び固定部７ｃを一つの圧電素子で一体的に構成したものである。電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄを圧電素子中に部分的に設けることにより電極の設けた部分で圧電駆動体７ａ、７ｂを構成する。電極８ｃ、８ｄは図示していないが電極８ａおよび８ｂと対向するように圧電素子７の反対の面に設けられている。圧電駆動体７ａ、７ｂの中央部には突起２が接合されているが、これ以外は接合部がなく破壊にも強く、また接合部でのロスもなく大出力が得られる。更には組み立てによる製品個々の特性ばらつきも小さくなる。この様に、構成が簡単なため小型化が容易である。

図３（ｂ）は本実施の形態に示す圧電アクチュエータの駆動体７の作製方法について示したものである。駆動体７が複数取れる大きさの圧電素子９の一方の面に電極８ａ、８ｂを設け、他方の面に電極８ｃ、８ｄを設ける。図中省略しているが実際には駆動体７の個数分の電極を圧電素子９に設ける。そして圧電素子９を分極処理後ここの大きさの駆動体７にダイシング等によって切り出す。そして最後に溝部７ｄを切り出す。ここでは単板の圧電素子９を例に取り説明したが、厚み方向に積層した積層型圧電素子を用いても良いし、長手方向に積層した圧電素子を用いてもかまわない。そして溝部７ｄは無くても構わない。この様な製法を採ることで小型で量産性に優れ、信頼性の高いアクチュエータが実現できる。

（実施の形態３）
図４は実施の形態１の圧電アクチュエータの変形例である。圧電素子１０は平行に配置された四つの圧電駆動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと固定部１０ｅが一体に形成されている。四つの圧電駆動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの中央部には突起２が接合されている。圧電素子１０の固定部１０ｅは支持板１２に固定されている。突起２は稼動体４と接している。駆動方法としては実施の形態１に示した方法と同様であり、次の三つの方法あるいはこれらの組み合わせによって突起に楕円運動をさせるか、あるいは突起に上下方向の運動と圧電素子１０との接合部を支点とした回転運動を合成した動きをさせる。１）四つの圧電駆動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの内何れかに駆動信号を印加する。２）四つの圧電駆動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ個々に異なる電圧レベルの駆動信号を印加する。３）位相の異なる二つの信号から成る駆動信号を四つの圧電駆動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの内、幾つかに印加する。この様な駆動法により、移動体４をｘ−ｙ平面内を自由に動かすことができる。

ところで突起２の形状は任意であるが突起２の形状を最適化することにより圧電駆動体の力を効率良く移動体に伝えることが可能になる。その一例を図７を基に説明する。図７において先端に接触部１６ａを有する三角錐形状の突起１６は四つの圧電駆動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの一方の端部に接合されている。この様な形状とすることにより圧電駆動体１０の発生力を接触部１６ａに集中的に伝えられると共に接触部１６aで受ける移動体の接触圧を圧電駆動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの一方の端部に均等に伝えることが出来るため移動体の駆動力を大きくすることが出来る。ここで突起１６の形状は図７に示したものに関わらず突起と移動体の接触圧方向と垂直な面にある突起の断面が移動体側から圧電駆動体側に向かうにつれて大きくなる部分を有する形状であれば良く、曲線部を有する形状であっても良い。またこの様な突起の形状は本実施例に関わらず他の実施の形態の圧電アクチュエータ全てに適用可能である。

ここでは四つの圧電駆動体１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを用いたが圧電駆動体の数に限るものではなく、三つでも構わない。また、固定部１０ｅを設けずに圧電駆動体１０を支持板１２に直接固定しても構わない。そしてこの場合、支持板１２自体が固定部として機能する。

（実施の形態４）
図５は実施の形態１、２の圧電アクチュエータを用いてｘ−ｙテーブルを構成した例であり、図５（ａ）駆動体１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを上方から見た図、図５（ｂ）は本実施の形態のアクチュエータを横方向から見た図である。四つの駆動体１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは支持板１２に固定されている。駆動体１１ａ、１１ｃは稼動体４をｙ方向に、駆動体１１ｂ、１１ｄは稼動体４をｘ方向に駆動する向きに配置されている。

四つの駆動体１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ夫々の動作を制御することにより稼動体４を任意の方向に動作させることができる。

例えば駆動体１１ｂ、１１ｄには稼動体４がｘ方向に、駆動体１１ａ、１１ｃには稼動体４がｙ方向に動くような動作をさせれば稼動体４は駆動体１１ｂ、１１ｄの駆動力と駆動体１１ａ、１１ｃの駆動力のベクトルの和の方向に駆動体４は動作する。

駆動体１１ｂには稼動体４がｘ方向に、１１ｄには稼動体４が−ｘ方向に、駆動体１１ａには稼動体４が−ｙ方向に、１１ｃには稼動体４がｙ方向に動くような動作をさせれば稼動体４は反時計周りに回転動作する。

また、単純にｘ方向あるいはｙ方向にのみ動かしたい場合には駆動に寄与しない駆動体には稼動体４との接触方向（縦方向）のみの振動を発生するようにする。図１においては圧電駆動体１ａ、１ｂに同時に電圧レベルが同じで位相が同じ駆動信号を印加することで行う。この様な駆動を行うことによって駆動に寄与しない駆動体と稼動体との摩擦力が低減でき、効率よく、そして安定に稼動体４を動かすことが可能となる。

駆動体の配置や個数は本実施の形態に限るものではなく用途や使用に応じて自由に設定して構わない。この様に複数の駆動体の上に稼動体４を乗せるだけで安定するため、加圧機構も稼動体４の案内機構も不要あるいは簡素化できる。稼動体４と突起２との接触圧は稼動体４の自重となる。

（実施の形態５）
本発明の圧電アクチュエータを用いて電子機器を構成した例を図６を基に説明する。

図６は本発明の圧電アクチュエータを用いてハードディスクドライブ機構において稼動部となる読み取りヘッドの位置決め駆動を行うものである。ディスク１５上の読み取りヘッド１３ｂはアーム１３ａの先端に取り付けられている。アーム１３ａの他端は、アーム１３ａの回転中心となる軸受けが固定されるとともに軸受けを中心に回転する回転板１３ｃが設けられている。回転板１３ｃの外周部には圧電素子７に接合された突起２がばね１４の力を受け接触されている。回転板１３ｃは突起２の力を受け動作する。本圧電アクチュエータは駆動信号一周期あたりの送り量が極めて小さくできるため回転板１３ｃ、即ちヘッド１３ｂの位置決め精度は極めて高く、ディスク１５の記録密度を格段に上げることが可能となる。

ここではハードディスクドライブ機構を例に示したが、加工装置における送り機構やマニピュレータ等の稼動部の駆動へも応用が可能である。

本発明のアクチュエータにより読み取り、あるいは書き込みヘッドを駆動することにより磁気ディスクや光ディスクの等の情報記録機器へ適用できる。またステージ等の駆動に用いることにより工作機械、製造装置、計測装置等で用いられる精密位置決め機構に適用できる。

本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータを示す図である。 本発明の圧電アクチュエータの突起の動きを示す図である。 本発明の実施の形態２にかかわる圧電アクチュエータ及びその製造方法を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかわる圧電アクチュエータを示す図である。 本発明の実施の形態４にかかわる圧電アクチュエータを示す図である。 本発明の圧電アクチュエータを用いた電子機器を示す図である。 本発明の実施の形態３にかかわる圧電アクチュエータを示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、７ａ、７ｂ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 圧電駆動体
２ 突起
４ 稼動体
１２ 支持板

Claims (7)

1. 固定部と、前記固定部の一つの面に一端を固定された平行に配置された四つの圧電駆動体と、前記圧電駆動体の他方の端面に設けられ前記四つの圧電駆動体の中間位置に位置する接触部を有する突起と、前記突起と接する移動体を有し、前記四つの圧電駆動体個々に同相で電圧振幅の異なる駆動信号を印加することにより前記移動体を一つの平面内で駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記圧電駆動体と前記固定部は一体的に形成され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。
3. 請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記突起と前記移動体の接触圧方向に移動可能に前記固定部を案内するガイド部材を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記突起と前記移動体の接触圧方向と垂直な面にある前記突起の断面は前記移動体側から前記圧電駆動体側に向かうにつれて大きくなる部分を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
5. 固定部と、前記固定部の一つの面に一端を固定された平行に配置された二つの圧電駆動体と、前記圧電駆動体の他方の端面に設けられ二つの前記圧電駆動体の中間位置に位置する接触部を有する突起と、前記突起と接する移動体と、を有する圧電アクチュエータにおいて、
   二つの前記圧電駆動体に同相の駆動信号を印加するとともに、一方の圧電駆動体に印加する駆動信号の電圧振幅を他方の圧電駆動体に印加する駆動信号の電圧振幅よりも大きくすることで前記移動体を前記他方の圧電駆動体の方向へ動かすことを特徴とする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複数配置し、一つの移動体を駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータにより稼動部を駆動することを特徴とする電子機器。

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