JPH03251090A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、超音波振動エネルギを駆動源とし、摩擦力に
より駆動力を得る圧電アクチュエータに関するものであ
る。

［従来技術］ 近年、超音波振動子の高周波機械振動エネルギを利用し
、摩擦力を駆動源とする圧電アクチュエータが種々開発
され、応用研究が勧められている。

これは、超音波振動子に可動子を圧着し、その圧着力に
起因する摩擦力により推力を発生して相対運動を行なう
ものである。

円環の伸縮振動を用いた圧電アクチュエータが各種開発
されており、その１例として岩絵、土羽、森らによる「
円環の伸縮振動を用いた超音波モータ」、信学会超音波
研究会、技術研究報告ＵＳ８４−５０がある。その従来
例を第７図に示す。

圧電アクチュエータ１１は、圧電素子リング２１の外周
面に、２つのスライダーユニット２２ａ及び２２ｂがコ
イルスプリング２３ａ及び２３ｂにより圧着されている
と言う構成をとっている。

前記圧電素子リング２１は、径方向に分極され、分極方
向が逆向きの２つの部分から構成されている。該圧電素
子リング２１に正弦波と余弦波を印加すると進行波が励
振され、スライダーユニット２２ａ及び２２ｂが駆動さ
れる。

このような圧電アクチュエータに於いては、励振源の微
小振幅を効果的に増幅するために、共振振動を利用して
いる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、圧電アクチュエータの振動子の振動振幅
は、共振振動を利用していると言っても、実働状態に於
いてはその振動振幅の拡大率は数百倍が限度であった。

そのため、実振幅は数ミクロンオーダが限度であった。

その結果、固定子と可動子との摺動面にミクロンオーダ
の高機械加工精度が要求され、製作が非常に困難である
とともに、高効率、大出力動作の実現が困難であった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、横効果圧電体を薄く積層させることにより、
圧電アクチュエータに高機械加工精度が要求されず、低
価格で高効率、大出力動作の実現が容易な圧電アクチュ
エータを得ることをその目的としている。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の圧電アクチュエータ
は、第１励振源と該第１励振源の振動方向に対し略直交
する方向の振動を励振する為の第２励振源とから構成さ
れる振動子と、該振動子に圧着した弾性体とを具備し、
前記振動子に励振される定在波振動のエネルギにより前
記弾性体が駆動され相対運動を行なう圧電アクチュエー
タに於て、該第一励振源は、略円板形状あるいは略円環
形状を有する横効果圧電体を、該第１励振源の振動方向
を含む面に水平に複数積層させて構成させている。

また、横効果圧電体の一層当りの圧電体層の厚さｔは、
５μｍ≦ｔ≦４０μｍの範囲にある事が望ましい。

［作用コ 圧電アクチュエータの励振源として、略円板形状あるい
は略円環形状を有する横動集積層型圧電体を用い、該積
層型圧電体の一層当りの厚さｔが５μｍ≦ｔ≦４０μｍ
の範囲にあるよう構成されているので、その励振振幅が
１０μｍ以上得られ、その結果圧電アクチュエータの摺
動面の機械加工精度がそれほど高く無くとも大出方、高
効率動作が実現できる。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図乃至第３図は、本実施例の圧電アクチュエータを
示したものである。第１図（ａ）及び（ｂ）は、圧電ア
クチュエータの上面図及び側面図を示している。本実施
例の圧電アクチュエータ３０に用いる振動子４０は、略
円環形状を有する横動集積層圧電体４１の中心に円孔４
１ａが設けられ、せん断振動を励振する圧電素子４２と
ともに、ボルト４３により基台４４に締め付は固定され
ている。そして、前記横動集積層圧電体４１外周側面に
は、円環形状を有するスライダ４５がその弾性を利用し
てはめ込まれており、回転型圧電アクチュエータを構成
している。該横動集積層圧電体４１は、−層の厚さが５
μｍ〜数十μｍの圧電体を厚さ方向に分極し、給電電極
と交互に積層したという構造をとっている。

前記横動集積層圧電体４１の振動形態を第２図を参照し
て説明する。図示しない電源より直流あるいは交流電気
信号を印加すると、第２図に示すように径方向に拡張す
る。この形状変化は、共振振動によるものではなく、静
歪である。

又、前記せん断振動を励振する圧電素子４２は、例えば
第３図に示すように、同図中矢印で示した方向に分極し
た扇型の圧電素子を円環状に配置し、上下方向に電圧を
印加することにより得られる。

この圧電素子４２は、大振幅の振動を得るために、その
形状寸法で決定される共振周波数で共振振動される。

以上のように構成された圧電アクチュエータ３０の動作
原理を以下に説明する。

まず、圧電素子４２に前記所定周波数の交流電圧を印加
して振動させると、該圧電素子４２はせん断振動モード
で共振し、ねじり振動の定在波が励起される。

次に、前記横動集積層圧電体４１に同一周波数の交流電
圧を印加して振動させると、該横動集積層圧電体４１は
径方向の拡張振動が励振される。

このとき、前記圧電素子４２と前記横動集積層圧電体４
１に印加する電圧の位相或は振幅を調節すると、前記横
動集積層圧電体４１の外周部には、任意の形状の略楕円
運動振動を発生することが可能となる。

そして、該横動集積層圧電体４１の外周側面に着設され
た円環形状を有するスライダ４５は、略楕円運動振動に
よる駆動力を受け、第１図中矢印へ方向に駆動される。

この駆動力は、前記横動集積層圧電体４１と該スライダ
４５との摩擦力によって発生するものである。

次に、大出力、高効率動作が可能で、且つ、製作容易な
圧電アクチュエータを実現するために、横動集積層型圧
電体を用いた圧電アクチュエータに要求される振動振幅
を求める。積層型圧電体の半径をｒ［ｍ］、−層当りの
厚さをｔ　　［ｍ］とした時、径方向の変位Δｒは以下
のように計算できる。

と＝　ｄｒｘＶｘ’＋ＭｒｘＶ２ｘ−！−ｒｍ）　　　
　　　　　（Ｓ）で　　　　　　　　　　　ｊＺ ここに、ｄｒ：圧電定数　［ｍ／Ｖ］ Ｍｒ：電歪定数　［ｍ／Ｖ２］ Ｅ：電界　　　［Ｖ／ｍ］ 本発明に用いる横動集積層型圧電体の物性定数としては
、−射的な超音波アクチュエータを参照すれば、たとえ
ば以下のものが挙げられる。

ｄｒ＝−１４０Ｘ　１０−１２　［ｍ／Ｖ］　、　Ｍｒ
＝−５゜４８Ｘ１０−１７　［ｍ／Ｖ２］　、ｒｍ３０
Ｘ１０−３［ｍ］ 印加電圧６０［Ｖ］において、所望振幅１０μｍを得る
ためには、積層型圧電体の一層当りの厚さｔは式（１）
よりｔ＝４０μｍとなる。すなわち、横動集積層型圧電
体の一層当りの厚さｔは４０μｍ以下とする必要がある
。さらに、ｔ＝２０μｍとすれば、所望振幅は２０μｍ
も得られる。

一方、圧電体の原料粉末の粒径は０．５μｍ程度が限度
であり、焼結後の平均粒径は第４図の顕微鏡写真に示す
ように、１μｍが得られている。

増白による「電子機能性セラミックスの展望」、ファイ
ンセラミック協会刊行１９８４年９月（Ｖｏｌ、　２．
　Ｎｏ、　９．　Ｐ、　５）によれば、圧電体を完全な
誘電体とするためには、ボイドをなくし、誘電体層とし
て少なくとも５個以上の結晶で構成させねばならない。

すなわち、積層型圧電体の一層当りの厚さｔは５μｍ以
上とする必要がある。

つまり、横動集積層型圧電体４１の一層当りの厚さｔと
しては、５μｍ≦ｔ≦４０μｍの範囲が要求される。こ
こに、該積層型圧電体の一層当りの厚さｔは、電極厚さ
を含まないことを前提として試算した。

次に、前記横動集積層圧電体４１を用いてリニア圧電ア
クチュエータを構成した第２の実施例につき、第５図及
び第６図を参照しつつ以下に説明する。第５図は、本発
明のリニア圧電アクチュエータ５０の振動子６０の斜視
図であり、第６図は、該リニア圧電アクチュエータ５０
の一部断面図である。

振動子６０は、略円板形状を有する横動集積層型圧電体
６１ａ及び６１ｂが、縦動集積層型圧電体６２により結
合された構造をとっている。

そして、振動子６０が円管６３内に装着され、リニア圧
電アクチュエータ５０を構成している。

該リニア圧電アクチュエータ５０は、積層型圧電体のみ
によって構成されているので、完全非共振タイプの圧電
アクチュエータとして駆動することができる。すなわち
、その電源電圧は、交流信号のみでなく、直流信号も用
いることができる。その結果、高速駆動と微動駆動を１
つのアクチュエータで容易に行なうことができると言う
利点がある。

本実施例に於いては、共振振動の１例としてせん断振動
を例にとり説明したが、それに限定されるものではなく
、縦振動、曲げ振動等積々の振動が考えられ、又その高
次モードを利用することも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が
考えられる。

［発明の効果コ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、横効果型圧電体を薄型にし積層する事によって、圧電
アクチュエータに高機械加工精度が要求されず、低価格
で高効率、大出力動作の実現が容易な圧電アクチュエー
タを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、 第１図は、本実施例のアクチュエータの構成を示す図で
あり、 第２図は、上記アクチュエータに用いられる横動集積層
型圧電体の動作説明図であり、 第３図は、上記アクチュエータに用いられる圧電素子の
動作説明図であり、 第４図は、本発明に用いる横動集積層型圧電体の顕微鏡
写真であり、 第５図は、リニア圧電アクチュエータの第２の実施例を
示す図であり、 第６図は、上記リニア圧電アクチュエータの構成を示す
図である。 また、第７図は、圧電アクチュエータの一従来例を示す
図である。 ４１　横動集積層型圧電体 ４２　圧電素子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１励振源と該第１励振源の振動方向に対し略直交
   する方向の振動を励振する為の第２励振源とから構成さ
   れる振動子と、該振動子に圧着した弾性体とを具備し、
   前記振動子に励振される定在波振動のエネルギにより前
   記弾性体が駆動され相対運動を行なう圧電アクチュエー
   タに於て、該第一励振源は、略円板形状あるいは略円環
   形状を有する横効果圧電体を、該第１励振源の振動方向
   を含む面に略水平に複数積層させて構成させたことを特
   徴とする圧電アクチュエータ。 ２、請求項１記載の圧電アクチュエータに於て、該横効
   果圧電体の一層当りの圧電体層の厚さｔが５μｍ≦ｔ≦
   ４０μｍの範囲にある事を特徴とする圧電アクチュエー
   タ。