JP6668836B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関する。

補強板の両主面上に、一対の平板状の圧電素子を貼り合せたいわゆるバイモルフ素子を備える圧電アクチュエータが知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の圧電アクチュエータでは、補強板が金属等からなり、圧電素子に所定の電圧を印加することにより圧電アクチュエータが駆動されると、補強板が屈曲変位する。

特開２００２−３１９７１７号公報

本発明は、変位量の向上を図ることが可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係る圧電アクチュエータは、平板状を呈し、かつ、第一方向で互いに対向する一対の圧電素子と、一対の圧電素子の間に配置され、かつ、一対の圧電素子に固定された弾性部材と、一対の圧電素子を支持する一対の支持部材と、を備え、一方の圧電素子は、第一方向に直交する第二方向における一方の端部で一方の支持部材に固定され、他方の圧電素子は、第二方向における他方の端部で他方の支持部材に固定され、弾性部材の横弾性係数をＥ１、圧電素子の縦弾性係数をＥ２、弾性部材の第一方向の長さをａ、弾性部材の第二方向の長さをｂ、各圧電素子の第一方向の長さをｔ、及び各圧電素子の第二方向の長さをｌとしたときに、
Ｅ２・ａ・ｔ／（ｂ・ｌ）＞Ｅ１
を満たしている。

一対の支持部材は、一対の圧電素子における弾性部材側の面に固定されていてもよい。この場合、一対の支持部材が、一対の圧電素子の弾性部材と反対側の面に固定されている場合に比べて、圧電アクチュエータを小型化することができる。

本発明によれば、変位量の向上を図ることが可能な圧電アクチュエータを提供することができる。

第一実施形態に係る圧電アクチュエータを示す断面図である。 図１に示されたバイモルフ素子の斜視図である。 圧電アクチュエータの動作を説明するための断面図である。 圧電アクチュエータの動作を説明するための断面図である。 変形例に係る圧電アクチュエータを示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

［第一実施形態］
本発明者らは、変位量の向上を図ることが可能な圧電アクチュエータについて、調査研究を行った。その結果、本発明者らは、一対の圧電素子の間に弾性部材が配置されたバイモルフ素子により、変位量が向上できることを見出した。以下、図１及び図２を参照して、第一実施形態に係る圧電アクチュエータの構成を説明する。図１は、第一実施形態に係る圧電アクチュエータを示す断面図である。図２は、図１に示されたバイモルフ素子の斜視図である。

図１に示されるように、圧電アクチュエータ１は、バイモルフ素子２と、一対の支持部材３とを備えている。図２にも示されるように、バイモルフ素子２は、互いに対向する一対の圧電素子１０と、弾性部材２０と、を備えている。以下の説明では、一対の圧電素子１０が対向する方向を第一方向Ｄ１とし、第一方向Ｄ１に直交する方向を第二方向Ｄ２とし、第一及び第二方向Ｄ１，Ｄ２に直交する方向を第三方向Ｄ３とする。

各圧電素子１０は、平板状（例えば矩形平板状）を呈している。各圧電素子１０は、圧電体１１と、第一電極１２と、第二電極１３と、を備えている。

圧電体１１は、平板状（例えば矩形平板状）を呈している。圧電体１１は、第一及び第二主面１１ａ，１１ｂと、第一及び第二端面１１ｃ，１１ｄと、を有している。第一及び第二主面１１ａ，１１ｂは、例えば矩形状を呈している。なお、矩形状には、角部が面取りされている矩形の形状、及び、角部が丸められている矩形の形状が含まれる。第一及び第二主面１１ａ，１１ｂは、第一方向Ｄ１（圧電体１１の厚さ方向）で互いに対向している。第一及び第二端面１１ｃ，１１ｄは、第二方向Ｄ２で互いに対向している。第一及び第二端面１１ｃ，１１ｄは、第一及び第二主面１１ａ，１１ｂを接続するように、第一方向Ｄ１に延びている。

圧電体１１の外形寸法は、例えば第一方向Ｄ１の長さ（厚さ）ｔが０．１ｍｍ、第二方向Ｄ２の長さｌが３０ｍｍ、第三方向Ｄ３の長さｗが３０ｍｍ、である。圧電体１１は、圧電セラミックからなる。圧電セラミックとしては、ＰＺＴ［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３］、ＰＴ［ＰｂＴｉＯ_３］、ＰＬＺＴ［（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３］、又はチタン酸バリウム［ＢａＴｉＯ_３］などが挙げられる。圧電体１１は、例えばＰＺＴなどの圧電セラミック材料で構成されている。

第一電極１２は、第一主面１１ａ上に全面的に配置されている。第二電極１３は、第二主面１１ｂ上に全面的に配置されている。第一及び第二電極１２，１３の厚さは、１００〜５００ｎｍ程度である。第一及び第二電極１２，１３は、例えばＣｒ／Ｎｉ−Ｃｕ／Ａｕ積層構造（圧電体１１側から順にＣｒ層、Ｎｉ−Ｃｕ合金層、Ａｕ層が積層された構造）からなる。なお、図２では、第一及び第二電極１２，１３が省略されている。

第一及び第二電極１２，１３は、例えばスパッタリング法により形成されている。なお、第一及び第二電極１２，１３は、スパッタリング法以外の方法（例えば焼き付け法、電解めっき法、又は蒸着法など）により形成されていてもよい。第一及び第二電極１２，１３は、単層の同じ金属層（Ｃｒ層、Ｎｉ−Ｃｕ合金層、Ａｕ層、又はＮｉ層など）として形成されていてもよい。

一対の圧電素子１０は、第一電極１２が第一方向Ｄ１で互いに対向するように配置されている。圧電素子１０は、第二方向Ｄ２の端部１０ａ，１０ｂを有している。端部１０ａは、第一端面１１ｃを含んでいる。端部１０ｂは、第二端面１１ｄを含んでいる。一方の圧電素子１０では、端部１０ａは第二方向Ｄ２における他方に配置され、端部１０ｂは第二方向Ｄ２における一方に配置されている。他方の圧電素子１０では、端部１０ａは第二方向Ｄ２における一方に配置され、端部１０ｂは第二方向Ｄ２における他方に配置されている。

一対の圧電素子１０は、一対の端部１０ａを含む部分が第一方向Ｄ１から見て互いに重なるように配置されている。一対の端部１０ａは、互いに第二方向Ｄ２に離間しており、この離間距離が、一対の端部１０ａを含む部分が互いに重なる距離に対応している。一対の端部１０ｂは、互いに第二方向Ｄ２に離間するように配置されている。

弾性部材２０は、平板状（例えば矩形平板状）を呈している。圧電体１１は、一対の主面２０ａと、一対の端面２０ｂと、を有している。一対の主面２０ａは、例えば矩形状を呈し、第一方向Ｄ１で互いに対向している。一対の端面２０ｂは、第二方向Ｄ２で互いに対向している。一対の端面２０ｂは、一対の主面２０ａを接続するように、第一方向Ｄ１に延びている。

弾性部材２０の外形寸法は、例えば第一方向Ｄ１の長さ（厚さ）ａが５ｍｍ、第二方向Ｄ２の長さｂが１５ｍｍであり、第三方向Ｄ３の長さが圧電素子１０の第三方向Ｄ３の長さｗと一致し、３０ｍｍである。弾性部材２０は、例えば、弾性ゴムからなっている。

弾性部材２０は、一対の圧電素子１０の間に配置され、かつ、一対の圧電素子１０に固定されている。弾性部材２０は、例えば接着により一対の圧電素子１０に固定されている。具体的には、弾性部材２０は、各圧電素子１０の端部１０ａを含む部分における第一主面１１ａ上に固定されている。より具体的には、弾性部材２０の一方の主面２０ａの全面が、一方の圧電素子１０の端部１０ａを含む部分における第一電極１２に固定され、弾性部材２０の他方の主面２０ａの全面が、他方の圧電素子１０の端部１０ａを含む部分における第一電極１２に固定されている。

弾性部材２０の一方の端面２０ｂは、第一方向Ｄ１から見て、一方の圧電素子１０の第一端面１１ｃと一致している。弾性部材２０の他方の端面２０ｂは、第一方向Ｄ１から見て、他方の圧電素子１０の第一端面１１ｃと一致している。弾性部材２０の第三方向Ｄ３の両端は、第一方向Ｄ１から見て、各圧電素子１０の第三方向Ｄ３の両端と一致している。

一対の支持部材３は、一対の圧電素子１０を支持している。一対の圧電素子１０は、一対の端部１０ｂで一対の支持部材３に固定されている。上述のように、一方の圧電素子１０では、端部１０ｂは第二方向Ｄ２における一方に配置され、他方の圧電素子１０では、端部１０ａは第二方向Ｄ２における他方に配置されている。したがって、一方の圧電素子１０は、第二方向Ｄ２における一方の端部で一方の支持部材３に固定され、他方の圧電素子１０は、第二方向Ｄ２における他方の端部で他方の支持部材３に固定されていると言える。

支持部材３は、例えばＳＵＳ等の金属材料からなっている。支持部材３は、例えば平板状を呈している。支持部材３は、第一及び第二主面３ａ，３ｂと、端面３ｃと、を有している。第一及び第二主面３ａ，３ｂは、第一方向Ｄ１で互いに対向している。端面３ｃは、第一及び第二主面３ａ，３ｂを接続するように、第一方向Ｄ１に延びている。端面３ｃは、第二方向Ｄ２で弾性部材２０の端面２０ｂと対向している。

支持部材３は、圧電素子１０の弾性部材２０側の面（即ち、第一電極１２）に固定されている。具体的には、支持部材３の端面３ｃ側の端部は、第一主面３ａと第一電極１２とを対向させた状態で、端部１０ｂにおける第一電極１２に導電性樹脂５により固定されている。導電性樹脂５は、導電性材料（例えば金属粒子など）を含有する樹脂である。導電性樹脂５は、支持部材３の端面３ｃ上と、第一及び第二主面３ａ，３ｂの端面３ｃ側の端部上とに配置されている。端面３ｃと第二端面１１ｄとが第二方向Ｄ２になす距離は、例えば０．５ｍｍである。第一電極１２は、導電性樹脂５及び支持部材３を介して、グラウンド電極に電気的に接続されている。

端部１０ｂにおける第二電極１３には、第三電極６が導電性樹脂７により固定されている。第二電極１３上に配置された第三電極６の一端と、第二端面１１ｄとが第二方向Ｄ２になす距離は、例えば０．５ｍｍである。第二電極１３は、導電性樹脂７を介して、第三電極６に電気的に接続されている。

以上のように構成された圧電アクチュエータ１の駆動方法について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、圧電アクチュエータを伸長させる駆動方法を説明するための断面図である。図４は、圧電アクチュエータを短縮させる駆動方法を説明するための断面図である。

第三電極６に電圧が印加されると、第三電極６に電気的に接続された第二電極１３と、グラウンド電極に電気的に接続された第一電極１２との間に電界が生じる。これにより、圧電素子１０が、図３（ａ）及び図４（ａ）に示されるように第二方向Ｄ２に伸縮しようとする。圧電素子１０が、図３（ａ）に示されるように短縮しようとするか、図４（ｂ）に示されるように伸長しようとするかは、第三電極６に印加される電圧の極性により異なる。ここでは、第三電極６に印加される電圧の極性がプラスである場合、圧電素子１０が、図３（ａ）に示されるように短縮しようとし、第三電極６に印加される電圧の極性がマイナスである場合、圧電素子１０が、図４（ａ）に示されるように伸長しようとする。

圧電素子１０に印加される電圧をＶ、圧電体１１の圧電歪定数をｄ_３１、圧電体１１の第二方向Ｄ２の変位量をΔｌとすると、印加電圧Ｖは、下記式（１）で表される。
Ｖ＝ｔ・Δｌ／（ｄ_３１・ｌ） （１）
このとき圧電素子１０に発生する力Ｆ１は、圧電素子１０の弾性定数(コンプライアンス)をＥ３とすると、下記式（２）で表される。
Ｆ１＝ｗ・ｄ_３１・Ｖ／Ｅ３ （２）
上記式（１）及び（２）より、圧電素子１０の縦弾性係数(ヤング率)をＥ２とすると、下記式（３）が導出される。
Ｆ１＝ｗ・ｔ・Δｌ／（Ｅ３・ｌ）＝ｗ・ｔ・Δｌ・Ｅ２／ｌ （３）

圧電アクチュエータ１では、このように第三電極６に電圧を印加して圧電素子１０を駆動すると、圧電素子１０の伸縮に伴い、弾性部材２０にせん断方向の歪が生じる。続いて、弾性部材２０にせん断方向の歪が生じた状態で、第三電極６に印加した電圧を０とする。これにより、この弾性部材２０にせん断方向の歪が生じた状態で、圧電素子１０が、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示されるように元に戻ろうとする。この結果、弾性部材２０に残留している歪分だけ、圧電アクチュエータ１が変位する。

ここで、圧電アクチュエータ１の変位量が、各圧電素子１０の変位量を上回ることにより、圧電アクチュエータ１の変位量の向上を図るためには、弾性部材の変位量Δｂが下記式（４）を満足する必要がある。
Δｂ＞Δｌ （４）
弾性部材にかかるせん断応力τは、弾性部材の横弾性係数をＥ１、弾性部材のせん断ひずみをγとすると、下記式（５）で表される。
τ＝Ｅ１・γ＝Ｆ１／（ｂ・ｗ） （５）
γは、下記式（６）で表される。
γ＝Δｂ／ａ （６）
したがって、上記式（４）式は、上記式（３）、（５）及び（６）より下式式（７）のように変形される。
Ｅ２・ａ・ｔ／（ｂ・ｌ）＞Ｅ１ （７）

圧電アクチュエータ１では、弾性部材２０の横弾性係数Ｅ１が、上記式（７）を満たしている。このため、弾性部材の変位量Δｂが圧電素子の変位量Δｌを上回るので、変位量を向上させることができる。

一対の支持部材３は、一対の圧電素子１０の弾性部材２０側の面（即ち、第一電極１２）に固定されている。したがって、一対の支持部材３が、一対の圧電素子１０の弾性部材２０と反対側の面（即ち、第二電極１３）に固定されている場合に比べて、圧電アクチュエータ１を第一方向Ｄ１に小型化することができる。

従来の圧電アクチュエータでは、圧電素子の変位量を向上させることにより、変位量の向上を図っていた。圧電素子の変位量を向上させるには、圧電的に活性な領域である活性領域の長さ（活性長）を伸ばす、又は材料特性を向上させることが必要である。しかし、前者の場合はスペースの問題がある。後者の場合はトレードオフとして変位量以外の特性の低下を伴うことが多い。

これに対して、圧電アクチュエータ１では、一対の圧電素子１０の間に弾性部材２０が配置されたバイモルフ素子２により、既存の材料からなる圧電素子１０でも、変位量を向上させることができる。圧電アクチュエータ１の変位量は、各圧電素子１０の変位量Δｌの和となる。また、従来と同等の変位量を得ようとした場合は、素子寸法を小さくすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

図５は、変形例に係る圧電アクチュエータを示す断面図である。図５に示されるように、圧電アクチュエータ１Ａでは、一方の支持部材３は、一方の圧電素子１０の弾性部材２０と反対側の面（即ち、第二電極１３）に固定され、他方の支持部材３は、他方の圧電素子１０の弾性部材２０側の面（即ち、第一電極１２）に固定されていてもよい。このように、一対の圧電素子１０は、端部１０ｂで一対の支持部材３に固定されていればよく、一対の支持部材３は、必ずしも一対の圧電素子１０の弾性部材２０側の面に固定されていなくてもよい。

即ち、一方の支持部材３は、一方の圧電素子１０の弾性部材２０側の面に固定され、他方の支持部材３は、他方の圧電素子１０の弾性部材２０と反対側の面に固定されていてもよい。また、一方の支持部材３は、一方の圧電素子１０の弾性部材２０と反対側の面に固定され、他方の支持部材３は、他方の圧電素子１０の弾性部材２０と反対側の面に固定されていてもよい。

圧電アクチュエータ１，１Ａは、例えばスマートフォンなどの小型カメラのレンズ駆動用アクチュエータに用いられてもよい。

１，１Ａ…圧電アクチュエータ、３…支持部材、１０…圧電素子、１０ａ…端部、１０ｂ…端部、２０…弾性部材。

Claims (2)

1. 平板状を呈し、かつ、第一方向で互いに対向する一対の圧電素子と、
   前記一対の圧電素子の間に配置され、かつ、前記一対の圧電素子に固定された弾性部材と、
   前記一対の圧電素子を支持する一対の支持部材と、を備え、
   一方の前記圧電素子は、前記第一方向に直交する第二方向における一方の端部で一方の前記支持部材に固定され、
   他方の前記圧電素子は、前記第二方向における他方の端部で他方の前記支持部材に固定され、
   前記弾性部材の横弾性係数をＥ１、前記圧電素子の縦弾性係数をＥ２、前記弾性部材の前記第一方向の長さをａ、前記弾性部材の前記第二方向の長さをｂ、各前記圧電素子の前記第一方向の長さをｔ、及び各前記圧電素子の前記第二方向の長さをｌとしたときに、
   Ｅ２・ａ・ｔ／（ｂ・ｌ）＞Ｅ１
   を満たしている、圧電アクチュエータ。
2. 前記一対の支持部材は、前記一対の圧電素子における前記弾性部材側の面に固定されている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。

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