WO2015005188A1 - アクチュエータ - Google Patents

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WO2015005188A1
WO2015005188A1 PCT/JP2014/067641 JP2014067641W WO2015005188A1 WO 2015005188 A1 WO2015005188 A1 WO 2015005188A1 JP 2014067641 W JP2014067641 W JP 2014067641W WO 2015005188 A1 WO2015005188 A1 WO 2015005188A1
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actuator
elastic
elastic body
plate
piezoelectric
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健司 加賀山
今西　敏雄
開田　弘明
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株式会社村田製作所
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to an actuator for driving various components and members, and more particularly to an actuator that is displaced by a torsional behavior.
  • Patent Document 1 discloses an actuator using a bimorph piezoelectric element.
  • this actuator two piezoelectric ceramic plates are bonded together.
  • One piezoelectric ceramic plate and the other piezoelectric ceramic plate are displaced in opposite directions.
  • the actuator bends. Accordingly, when one end of the actuator is fixed, the other end side is displaced.
  • An object of the present invention is to provide an actuator capable of increasing the displacement magnification rate.
  • the actuator according to the present invention includes a plate-like elastic body and a drive member that displaces the plate-like elastic body.
  • the plate-like elastic body has a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface.
  • the elastic body when the elastic body is viewed in plan from the first main surface side, the elastic body has a shape extending along the arc-shaped center line, and the torsional behavior with the arc-shaped center line as the central axis It transforms with.
  • the elastic body has a plurality of elastic plates arranged along a direction in which the arc-shaped center line extends, and the plurality of elastic plates are connected to each other.
  • An elastic body is configured.
  • a plurality of elastic plates are directly connected.
  • the central angle of the arc-shaped center line is 360 °.
  • the elastic plates have a length direction, and when viewed in a plan view, the elastic plates are arranged so as to form an angle.
  • connection members are alternately arranged on the outer peripheral side or the inner peripheral side in the extending direction of the arc-shaped center line.
  • the elastic plate includes a piezoelectric element having a piezoelectric plate and an electrode formed on the piezoelectric plate.
  • the elastic body plate has a plurality of piezoelectric elements that vibrate in a bending mode, and the plurality of piezoelectric elements have a meander shape when viewed in plan. Are combined.
  • the plate-like elastic body has the above shape and is deformed by torsional behavior, so that the displacement magnification rate can be increased.
  • FIG. 1 is a perspective view for explaining an actuator according to a first embodiment of the present invention.
  • 2A and 2B are a perspective view for explaining the torsional behavior of the actuator of the first embodiment and an end view for explaining a displacement state viewed from one end of the actuator. is there.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a relationship between the central angle of the arc and the displacement amount in the actuator according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic plan view for explaining each parameter in the actuator of the first embodiment used to obtain the result shown in FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view showing one elastic body plate used in the actuator of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a piezoelectric element in the elastic plate shown in FIG. FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining the bending behavior of the piezoelectric element shown in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a bending behavior in a piezoelectric element according to a modification.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the bending behavior of a piezoelectric element according to still another modification.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view for explaining deformation due to torsional behavior of the elastic plate shown in FIG.
  • FIG. 11 is a perspective view for explaining an actuator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view for explaining the displacement behavior of the actuator of the second embodiment shown in FIG.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a schematic structure of an actuator according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a perspective view of an actuator according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a first modification of the actuator element used in the actuator of the present invention.
  • FIG. 16 is a perspective view showing the deformation behavior of the actuator element shown in FIG.
  • FIG. 17 is a perspective view showing a second modification of the actuator element used in the actuator of the present invention.
  • FIG. 18A and FIG. 18B are a perspective view of an actuator according to a fifth embodiment of the present invention and a schematic end view for explaining the deformation behavior on the end face of the actuator.
  • FIG. 19 is a perspective view showing the deformation behavior of the actuator of the comparative example.
  • FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the element length of the actuator of the fifth embodiment shown in FIGS. 18A and 18B and the actuator of the comparative example shown in FIG. 19 and the amount of displacement.
  • FIG. 21 is a schematic plan view for explaining each parameter in the actuator of the embodiment used to obtain the result shown in FIG
  • FIG. 1 is a perspective view for explaining an actuator according to a first embodiment of the present invention.
  • the actuator 1 of this embodiment has a plate-like elastic body 2.
  • the elastic body 2 includes a plurality of elastic body plates 3 to 5 and connecting members 6 and 7.
  • the elastic body plate 3 and the elastic body plate 4 are connected via the connection member 6.
  • the elastic body plate 4 and the elastic body plate 5 are connected via a connection member 7.
  • the upper surfaces of the plurality of elastic plates 3 to 5 and the upper surfaces of the connection members 6 and 7 are flush with each other.
  • the first main surface of the elastic body 2 is configured.
  • the lower surfaces of the elastic plates 3 to 5 and the lower surfaces of the connection members 6 and 7 are also flush.
  • the lower surface of the elastic body plates 3 to 5 and the lower surface of the connection members 6 and 7 constitute the second main surface of the elastic body 2.
  • Each elastic body plate 3 to 5 is driven by a piezoelectric element to be described later and is deformed by torsional behavior. Details of the elastic plates 3 to 5 will be described later.
  • the elastic body plates 3 to 5 have a rectangular plate shape.
  • the connecting members 6 and 7 form an isosceles triangle having an apex angle ⁇ 1 when viewed in plan.
  • the plurality of elastic plates 3 to 5 are joined via the connection members 6 and 7 so that the apex angle ⁇ 1 of the isosceles triangle is on the same side of the connection members 6 and 7.
  • the outer first side surface 2A and the inner second side surface 2B each have an arc shape.
  • the arc shape of the first side surface 2A when viewed in plan is a first arc
  • the arc shape when the second side surface 2B is viewed in plan is a second arc.
  • the center of the first and second arcs is O
  • the center angle is ⁇ . That is, the planar shape of the elastic body 2 corresponds to a shape obtained by removing a fan-shaped portion having the central angle ⁇ defined by the second arc from the sector having the central angle ⁇ defined by the first arc.
  • the elastic body 2 is configured to be deformed by a torsional behavior with the arc-shaped center line 8 as a central axis.
  • the arc-shaped center line 8 is an arc shape centered on the center O and passing through the center between the first arc and the second arc. As shown by a one-dot chain line in FIG.
  • the connecting members 6 and 7 are made of an elastic body such as ceramics or metal.
  • the elastic plates 3 to 5 are composed of piezoelectric actuator elements to be described later.
  • the elastic plates 3 to 5 are each deformed in a torsion mode as shown in FIG. In this case, as shown in FIG. 2A, each of the plurality of elastic plates 3 to 5 is deformed by torsional behavior, so that when one end side is fixed in the entire actuator 1, the amount of displacement on the other side is reduced. growing.
  • FIG. 2B is an end view showing the displacement state of the end of the elastic body 2 viewed from the arrow A side in FIG.
  • the elastic body 2 when the elastic body 2 is viewed in plan, the elastic body 2 has the first and second side surfaces 2A and 2B that are substantially arc-shaped, and the arc-shaped center line 8 is the central axis. Therefore, when one end side is fixed, the displacement on the other end side can be greatly increased. This will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the central angle ⁇ and the displacement amount in the actuator 1.
  • the results in FIG. 3 are the results when the actuator 1 has the dimensions A1 and A2 and the central angle ⁇ shown in FIG.
  • the width direction dimension A2 of the actuator 1 is 2 mm
  • the thickness is 0.1 mm.
  • the central angle ⁇ was changed.
  • the twist angle was set to 1.5 ° / mm. That is, the actuator 1 including the elastic plates 3 to 5 is configured so that the entire elastic body 2 is twisted by 15 °.
  • the displacement amount on the vertical axis in FIG. 3 refers to the maximum displacement amount on the other end side when one end side of the elastic body 2 is fixed. This maximum displacement amount is the displacement amount A4 in the vertical direction of the center line 8 in FIG.
  • the displacement amount increases as the central angle ⁇ increases. This is because the displacement accumulation effect in the substantially arc-shaped elastic body 2 increases as the central angle ⁇ increases.
  • the center angle is greater than or equal to the inflection point C, which is the intersection of the alternate long and short dash lines A5 and A6 in FIG. 3, the displacement amount is relatively increased as the center angle ⁇ increases. Therefore, preferably, ⁇ is 50 ° or more, which is the inflection point C.
  • FIG. 5 is a perspective view showing an example of an actuator element constituting the elastic plate 3.
  • the actuator element 11 has a structure in which the piezoelectric actuator units 12 and the piezoelectric actuator units 13 are alternately connected via the connecting material 16.
  • the connecting members 16 are alternately positioned on one end side or the other end side in the direction in which the piezoelectric actuator units 12 and 13 are arranged. Accordingly, the connecting members 16 are alternately arranged on the outer peripheral side or the inner peripheral side in the extending direction of the arc-shaped center line 8 of the actuator 1.
  • the piezoelectric actuator unit 12 has a structure in which a piezoelectric element 15 is laminated on an elastic plate 14.
  • the elastic plate 14 can be formed of metal, ceramics, Si, or the like.
  • the piezoelectric element 15 has a piezoelectric ceramic plate 15a that is polarized in the thickness direction as indicated by an arrow. Electrodes 15b and 15c are laminated on the upper and lower surfaces of the piezoelectric ceramic plate 15a.
  • the piezoelectric ceramic plate 15a is polarized in the thickness direction.
  • the piezoelectric ceramic plate 15a can be formed of an appropriate piezoelectric ceramic such as PZT.
  • the electrodes 15b and 15c can be formed of an appropriate metal such as Ni, Au, Ag, Cu, or an alloy thereof.
  • the connecting material 16 is formed of an elastic body such as ceramic or metal.
  • the piezoelectric element 15 When a voltage is applied to the piezoelectric element 15 as shown in FIG. 7, the piezoelectric element 15 is deformed in a bending mode.
  • the piezoelectric actuator unit 13 has the same configuration except that the polarization directions of the piezoelectric actuator unit 12 and the piezoelectric ceramic plate 15a are opposite. Therefore, the electrode 15b of the piezoelectric actuator unit 12 and the electrode 15b of the piezoelectric actuator unit 13 are connected in common, connected to one potential, the electrodes 15c on the lower surface side are connected in common, and connected to the potential on the other side. As a result, the piezoelectric actuator unit 12 and the piezoelectric actuator unit 13 are bent in opposite directions.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing the torsional behavior of the actuator element 11.
  • the state shown by the broken line in the drawing is deformed by the torsional behavior. That is, the deformation behavior of the elastic plate 3 of FIG. 1 can be realized. Therefore, the entire actuator element 11 is torsionally deformed.
  • the elastic plate 3 in the first embodiment can be configured by the actuator element 11.
  • the remaining elastic plates 4 and 5 can also be configured by the actuator element 11 in the same manner.
  • a piezoelectric actuator unit 17 having a bimorph structure shown in FIG. 8 may be used.
  • piezoelectric elements 19 and 20 are laminated on both surfaces of the elastic plate 18.
  • the piezoelectric elements 19 and 20 have piezoelectric ceramic plates 19a and 20a and electrodes 19b, 19c, 20b and 20c, respectively.
  • the polarization directions of the piezoelectric element 19 and the piezoelectric element 20 are the same.
  • voltages having opposite polarities are applied to the piezoelectric element 19 and the piezoelectric element 20. In this way, the piezoelectric actuator unit 17 having a bimorph structure can be bent and displaced.
  • the actuator 1 of the present embodiment can obtain a large amount of displacement by deforming the elastic body 2 by a torsional behavior.
  • the driving member that drives the elastic body 2 in a torsional behavior is the piezoelectric element 15 integrated with the elastic body 2.
  • the driving member for driving the elastic plate may be integrated with the elastic body, or may be constituted by a member separate from the elastic body.
  • FIG. 11 is a perspective view for explaining an actuator according to a second embodiment of the present invention.
  • the elastic body has a structure in which a plurality of elastic plates 32 are connected via a connecting member 33.
  • Each elastic body plate 32 can be configured similarly to the elastic body plate 3 of the first embodiment.
  • the connection member 33 is the same as the connection members 6 and 7 of the first embodiment.
  • the difference between the actuator 31 of the second embodiment and the actuator 1 of the first embodiment is that the center angle ⁇ of the aforementioned arc is about 360 °. That is, in the actuator 31, the one end 31a and the other end 31b are abutted to form an annular shape. In other words, in the actuator 1 of the first embodiment, the actuator 31 of the second embodiment has a center angle ⁇ of about 360 °.
  • FIG. 12 is a diagram showing the displacement behavior in the actuator 31.
  • FIG. 12 is a diagram showing the displacement behavior in the actuator 31.
  • the displacement increases as the central angle ⁇ increases.
  • the central angle ⁇ is about 360 °
  • a large amount of displacement can be obtained as shown in FIG.
  • the generated twist angle between the elastic plates facing each other with the center O as the center is canceled.
  • the coordinates of the one end 31a and the other end 31b in the plane direction are the same, and a displacement difference only in the direction perpendicular to the plane occurs. That is, the actuator 31 can be linearly driven by setting the central angle ⁇ to about 360 °.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a schematic structure of an actuator 41 according to the third embodiment of the present invention.
  • the actuator 41 a plurality of piezoelectric actuator units 43 and piezoelectric actuator units 44 are alternately connected to constitute a substantially annular plate-like elastic body 42. That is, the actuator 41 has a central angle ⁇ of about 360 ° as in the case of the second embodiment.
  • the actuator 41 does not use a connecting member, and the elastic body 42 is configured by directly joining a plurality of piezoelectric actuator units 43 and 44.
  • Each piezoelectric actuator unit 43 has the same configuration as the piezoelectric actuator units 12, 17, and 21. Furthermore, when seen in a plan view, it has an isosceles trapezoidal shape and has a length direction.
  • the piezoelectric actuator unit 44 has the same configuration as that of the piezoelectric actuator unit 43, and the bending direction is reversed.
  • the piezoelectric actuator unit 43 and the piezoelectric actuator unit 44 having a length direction are joined so that the bottom side of the piezoelectric actuator unit 43 is in contact with one oblique side of the adjacent piezoelectric actuator unit 44. This bonding can be achieved by an appropriate method such as diffusion bonding or a bonding method using a bonding agent.
  • the elastic body 42 has a substantially arc-shaped center line extending in the length direction.
  • the piezoelectric actuator unit 43 is bent, and at the same time, the piezoelectric actuator unit 44 is driven to bend in a direction opposite to that of the piezoelectric actuator unit 43, the entire elastic body 42 is twisted and greatly displaced. Therefore, when one end is fixed, the state shown by the broken line in FIG. 13 is displaced to the state shown by the solid line.
  • a larger displacement amount can be obtained.
  • FIG. 14 is a perspective view of an actuator according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the actuator 51 of this embodiment corresponds to a modification of the actuator 31 of the second embodiment.
  • the elastic body 52 has a center line P passing through the center in the width direction and extending in the length direction having an arc shape.
  • the elastic body 52 has a structure in which piezoelectric actuator units 53, connection members 56, piezoelectric actuator units 54, and connection members 55 are alternately connected.
  • the piezoelectric actuator unit 53 has the same configuration as the piezoelectric actuator units 12, 17, and 21, and the piezoelectric actuator unit 54 has the same configuration as the piezoelectric actuator unit 53, and the bending direction is reversed.
  • the connection member 55 is substantially the same as the connection member 33 of the second embodiment.
  • connection member 55 extends radially outward from the inner peripheral surface of the elastic body 52, but does not reach the outer peripheral surface of the elastic body 52. That is, it is located inside the arcuate center line P.
  • connection member 56 connects the piezoelectric actuator units 53 and 54 on the outer peripheral surface side of the elastic body 52. In the circumferential direction, the connection members 55 and the connection members 56 are alternately positioned.
  • the connecting member 55 and the connecting member 56 are alternately arranged on the outer peripheral side or the inner peripheral side in the direction in which the arc-shaped center line extends. Then, when the plate-like elastic body 52 is viewed in plan, a plurality of piezoelectric actuator units 53 and 54 are coupled via connection members 55 and 56 so as to have a meandering shape.
  • the aforementioned central angle in the elastic body 52 formed by connecting the piezoelectric actuator units 53 and 54 is about 360 °.
  • the center angle may be an angle smaller than 360 °.
  • each elastic plate is not limited to the actuator element 11 shown in FIG. 5, but can be composed of various piezoelectric actuator elements or other actuator elements other than the piezoelectric actuator elements. A modification of such an actuator element will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a first modification of the piezoelectric actuator element used in the actuator of the present invention.
  • the piezoelectric actuator element 61 has a piezoelectric ceramic plate 62.
  • the piezoelectric ceramic plate 62 has a rectangular plate shape.
  • the piezoelectric ceramic plate 62 has a first end surface 62a and a second end surface 62b.
  • the piezoelectric ceramic plate 62 is polarized in the direction connecting the first end face 62a and the second end face 62b.
  • the polarization direction arrow P1 on one side of the broken line 63 and the polarization direction arrow P2 on the other side are in opposite directions.
  • An electrode 64 is formed on the upper surface of the piezoelectric ceramic plate 62, and an electrode 65 is formed on the lower surface.
  • a DC voltage is applied between the electrodes 64 and 65, as shown in FIG. 16, one side opposite to the broken line 63 is displaced in the reverse direction in the thickness shear mode. Therefore, the entire piezoelectric actuator element 61 is deformed by torsional behavior.
  • FIG. 17 is a perspective view showing a second modification of the piezoelectric actuator element used in the actuator of the present invention.
  • a piezoelectric ceramic plate 72 is used in the piezoelectric actuator element 71.
  • the piezoelectric ceramic plate 72 has first to third regions 73 to 75 extending in a direction connecting the first end surface 72a and the second end surface 72b.
  • the first to third regions 73 to 75 connect the first end surface 72a and the second end surface 72b, respectively.
  • a second region 74 is arranged in the center, and the second region 74 is polarized in the thickness direction as shown by the arrows in the figure.
  • the first region 73 and the third region 75 are polarized in opposite directions in the direction connecting the first and second end faces 72a and 72b.
  • An electrode 76 is formed on the upper surface of the piezoelectric ceramic plate 72, and an electrode 77 is formed on the lower surface.
  • the central second region 74 is displaced in the bending mode. Therefore, the entire piezoelectric ceramic plate 72 is deformed by torsional behavior.
  • the actuator element may be configured using a displacement using the thickness-slip mode.
  • a plurality of elastic plates that deform by torsional behavior, when one end is fixed, an actuator that deforms by torsional behavior that greatly displaces the other end is configured. Can do.
  • a plurality of elastic plates may be connected directly or indirectly to form an elastic body, but the fifth embodiment shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b) may be used.
  • one elastic plate may be deformed by the twisting behavior as described above.
  • the actuator 81 has an elastic plate 82.
  • the elastic body plate 82 has a length direction and a width direction.
  • a center line 83 passing through the center in the width direction and extending in the length direction of the elastic plate 82 has an arcuate shape as in the actuators of the first to third embodiments.
  • This arc-shaped center line 83 becomes the torsional central axis, and the elastic body plate 82 is deformed by the torsional behavior. That is, the elastic plate 82 is displaced from the state indicated by the broken line to the state indicated by the solid line when the one end 82a is fixed and deformed by the torsional behavior.
  • FIG. 18B is an end view showing a displacement state as viewed from the other end portion 82b side.
  • the elastic plate 102 constituting the actuator 101 of this comparative example has an arc-shaped center line.
  • the structure of the elastic plate 102 is, for example, substantially the same as the piezoelectric actuator unit 12 described above and has a unimorph structure, and the whole is driven to bend.
  • this elastic plate 102 when one end side is fixed, the other end is displaced from a state indicated by a broken line to a state indicated by a solid line. That is, it is displaced in the bending mode.
  • the actuator 101 that is displaced in such a bending mode was used as a comparative example.
  • FIG. 20 shows the relationship between the length of the outer side surface of the actuator 81 and the actuator 101 of the comparative example and the amount of displacement.
  • the solid line shows the result of the actuator 81 of the above embodiment
  • the broken line shows the result of the comparative example.
  • the amount of displacement can be dramatically increased by increasing the length of the element as compared with the comparative example.
  • the center line extending in the length direction can dramatically increase the amount of displacement by deforming the arc-shaped elastic body in a torsional behavior.
  • one elastic plate may be deformed by a torsional behavior, and in that case, the number of parts can be reduced and the amount of displacement can be further increased. It can be seen that
  • piezoelectric actuator elements 62a, 72a, 82a ... first 1 end face 62b, 72b, 82b ... 2nd end face 63 ... broken line 64, 65 ... electrode 73-75 ... 1st-3rd area

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

　変位拡大率を大きくすることができるアクチュエータを提供する。　板状の弾性体２と、該板状の弾性体２を変位させる駆動部材とを備え、板状の弾性体２が、第１の主面側から平面視した場合、円弧状の中心線８に沿って延ばされた形状を有し、該円弧状の中心線８を中心軸としたねじり挙動で変形する、アクチュエータ１。

Description

アクチュエータ
　本発明は、様々な部品や部材を駆動するためのアクチュエータに関し、特に、ねじり挙動で変位するアクチュエータに関する。
　従来より、様々な部品や部材を移動させるために、あるいは様々な部材や部品の向きを変化させるためにアクチュエータが広く用いられている。下記の特許文献１には、バイモルフ構造の圧電素子を用いたアクチュエータが開示されている。このアクチュエータでは、２枚の圧電セラミック板が貼り合わされている。一方の圧電セラミック板と他方の圧電セラミック板とを逆方向に変位させる。アクチュエータが屈曲する。従って、アクチュエータの一端を固定すると、他端側が変位することとなる。
特表２００５－５１８２８７号公報
　近年、アクチュエータにおいては、変位量をより一層拡大することが求められている。
　本発明の目的は、変位拡大率を大きくすることができるアクチュエータを提供することにある。
　本発明に係るアクチュエータは、板状の弾性体と、該板状の弾性体を変位させる駆動部材とを備える。
　本発明では、板状の弾性体は、第１の主面と、第１の主面とは反対側の第２の主面とを有する。
　本発明では、上記弾性体が第１の主面側から平面視した場合、円弧状の中心線に沿って延ばされた形状を有し、該円弧状の中心線を中心軸としたねじり挙動で変形する。
　本発明に係るアクチュエータのある特定の局面では、弾性体が、上記円弧状の中心線の延びる方向に沿って配置された複数の弾性体板を有し、複数の弾性体板が連結されて前記弾性体が構成されている。
　本発明に係るアクチュエータの他の特定の局面では、複数の弾性体板において、隣り合う弾性体板が接続部材を介して連結されている。
　本発明に係るアクチュエータのさらに別の特定の局面では、複数の弾性体板が直接連結されている。
　本発明に係るアクチュエータのさらに他の特定の局面では、円弧状の中心線の中心角が３６０°である。
　本発明に係るアクチュエータのさらに他の特定の局面では、弾性体板が長さ方向を有し、平面視した場合、隣り合う弾性体板がある角度を成すように連ねられている。
　本発明に係るアクチュエータのさらに別の特定の局面では、接続部材が、上記円弧状の中心線の延びる方向において、交互に外周側または内周側に配置されている。
　本発明に係るアクチュエータのさらに他の特定の局面では、弾性体板が、圧電板と、圧電板に形成された電極とを有する圧電素子を有する。
　本発明に係るアクチュエータのさらに別の特定の局面では、弾性体板が、屈曲モードで振動する複数の圧電素子を有し、平面視した場合、ミアンダ状の形状となるように複数の上記圧電素子が結合されている。
　本発明に係るアクチュエータによれば、板状の弾性体が上記形状を有し、ねじり挙動で変形するため、変位拡大率を大きくすることが可能となる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを説明するための斜視図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、第１の実施形態のアクチュエータのねじり挙動を説明するための斜視図及びアクチュエータの一方の端部から視た変位状態を説明するための端面図である。 図３は、第１の実施形態のアクチュエータにおける円弧の中心角と、変位量との関係を示す図である。 図４は、図３に示した結果を得るのに用いた第１の実施形態のアクチュエータにおける各パラメータを説明するための模式的平面図である。 図５は、第１の実施形態のアクチュエータに用いられている１つの弾性体板を示す斜視図である。 図６は、図５に示した弾性体板における圧電素子を示す斜視図である。 図７は、図６に示した圧電素子の屈曲挙動を説明するための断面図である。 図８は、変形例の圧電素子における屈曲挙動を説明するための断面図である。 図９は、さらに他の変形例に係る圧電素子の屈曲挙動を示す断面図である。 図１０は、図５に示した弾性体板のねじり挙動による変形を説明するための模式的斜視図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータを説明するための斜視図である。 図１２は、図１１に示した第２の実施形態のアクチュエータの変位挙動を説明するための斜視図である。 図１３は、本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータの概略構造を示す斜視図である。 図１４は、本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータの斜視図である。 図１５は、本発明のアクチュエータに用いられるアクチュエータ素子の第１の変形例を示す斜視図である。 図１６は、図１５に示したアクチュエータ素子の変形挙動を示す斜視図である。 図１７は、本発明のアクチュエータで用いられるアクチュエータ素子の第２の変形例を示す斜視図である。 図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータの斜視図及び該アクチュエータの端面における変形挙動を説明するための模式的端面図である。 図１９は、比較例のアクチュエータの変形挙動を示す斜視図である。 図２０は、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）で示した第５の実施形態及び図１９に示した比較例のアクチュエータの素子の長さと、変位量との関係を示す図である。 図２１は、図２０に示した結果を得るのに用いた実施形態のアクチュエータにおける各パラメータを説明するための模式的平面図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
　図１は、本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを説明するための斜視図である。
　本実施形態のアクチュエータ１は板状の弾性体２を有する。本実施形態では、弾性体２は、複数の弾性体板３～５と、接続部材６，７とを有する。弾性体板３と弾性体板４とが接続部材６を介して接続されている。弾性体板４と弾性体板５とは、接続部材７を介して接続されている。複数の弾性体板３～５の上面と、接続部材６，７の上面が面一とされている。それによって、弾性体２の第１の主面が構成されている。弾性体板３～５の下面と、接続部材６，７の下面も面一とされている。弾性体板３～５の下面と、接続部材６，７の下面とにより、弾性体２の第２の主面が構成されている。
　各弾性体板３～５は、後述する圧電素子により駆動され、ねじり挙動で変形する。この弾性体板３～５の詳細は後ほど説明する。弾性体２において、弾性体板３～５は、矩形板状の形状を有している。もっとも、接続部材６，７は、平面視した場合、頂角がθ１の二等辺三角形を構成している。そして、この二等辺三角形の頂角θ１が接続部材６，７において同じ側となるように、複数の弾性体板３～５が接続部材６，７を介して接合されている。
　従って、弾性体２を第１の主面側から平面視した場合、外側の第１の側面２Ａと、内側の第２の側面２Ｂは、それぞれ円弧形状を有している。平面視した場合の第１の側面２Ａの円弧形状を第１の円弧とし、第２の側面２Ｂを平面視した場合の円弧形状を第２の円弧とする。第１，第２の円弧の中心はＯであり、中心角はθとなる。すなわち、弾性体２の平面形状は、第１の円弧で規定される中心角θの扇形から、第２の円弧で規定される中心角θの扇形の部分を除去した形状に相当する。
　本実施形態のアクチュエータ１では、この弾性体２が、円弧状の中心線８を中心軸としてねじり挙動で変形するように構成されている。この円弧状の中心線８とは、中心Ｏを中心とし、第１の円弧と第２の円弧との間の中心を通る円弧形状である。図１に一点鎖線で示すように、円弧状の中心線８は、各弾性体板３，４，５の幅方向中心付近を通る円弧となる。
　上記接続部材６，７は、セラミックスや金属などの弾性体からなる。他方、上記弾性体板３～５は、後述する圧電アクチュエータ素子からなる。そして、この弾性体板３～５が、図２（ａ）で示すようにそれぞれねじりモードで変形する。その場合、図２（ａ）で示すように、複数の弾性体板３～５が、それぞれねじり挙動で変形するため、アクチュエータ１全体においては、一端側が固定されると、他方側における変位量が大きくなる。図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢印Ａ側から視た弾性体２の端部の変位状態を示す端面図である。
　上記のように、本実施形態のアクチュエータ１では、弾性体２を平面視した場合、略円弧状の第１，第２の側面２Ａ，２Ｂを有し、上記円弧状の中心線８を中心軸としてねじり挙動するため、一端側を固定した場合、他端側における変位を非常に大きくすることができる。これを、図３及び図４を参照して説明する。
　図３は、上記アクチュエータ１における中心角θと、変位量との関係を示す図である。なお、図３の結果はアクチュエータ１を図４に示す寸法Ａ１，Ａ２及び中心角θとした場合の結果である。ここで、第１の円弧の長さであるＡ１＝１０ｍｍとし、アクチュエータ１の幅方向寸法Ａ２を２ｍｍとし、その厚みを０．１ｍｍとした。また、中心角θを変化させた。そして、アクチュエータ１を駆動するに際し、ねじり角度は、１．５°／ｍｍとした。すなわち、弾性体２全体で１５°ねじれる様に、弾性体板３～５を含むアクチュエータ１を構成した。
　図３の縦軸の変位量とは、弾性体２の一端側を固定した場合の他端側の最大変位量をいうものとする。この最大変位量とは、図２（ｂ）における、中心線８の垂直方向の変位量Ａ４をいうものとする。
　図３から明らかなように、中心角θが大きくなるにつれ、変位量が大きくなることがわかる。これは、中心角θが大きくなるほど、略円弧状の弾性体２における変位累積効果が大きくなっていくためである。特に、図３の一点鎖線Ａ５，Ａ６の交点である変曲点Ｃ以上の中心角になると、中心角θが大きくなるにつれ変位量が比較的に拡大されていくことがわかる。従って、好ましくは、θは変曲点Ｃである５０°以上であることが望ましい。
　上記のように円弧状の弾性体２を有するアクチュエータ１では、一端側を固定した場合、ねじり挙動を利用すると、大きな変位量を得られることがわかる。このようなねじり挙動は、弾性体板３～５を、様々なねじりモードで変位するアクチュエータ素子により構成することにより達成することができる。
　図５は、上記弾性体板３を構成するアクチュエータ素子の一例を示す斜視図である。アクチュエータ素子１１は、圧電アクチュエータユニット１２と圧電アクチュエータユニット１３とを接続材１６を介して交互に連結した構造を有する。この接続材１６は、圧電アクチュエータユニット１２，１３が並んでいる方向において、交互に一端側または他端側に位置している。従って、接続材１６は、アクチュエータ１の円弧状の中心線８の延びる方向において、交互に外周側または内周側に配置されていることになる。
　図６に示すように、圧電アクチュエータユニット１２は弾性板１４上に圧電素子１５を積層した構造を有する。弾性板１４は、金属、セラミックス、Ｓｉなどにより形成することができる。圧電素子１５は、矢印で示すように厚み方向に分極処理されている圧電セラミック板１５ａを有する。圧電セラミック板１５ａの上面及び下面に電極１５ｂ，１５ｃが積層されている。圧電セラミック板１５ａは、厚み方向に分極処理されている。
　上記圧電セラミック板１５ａは、ＰＺＴなどの適宜の圧電セラミックスにより形成することができる。電極１５ｂ，１５ｃは、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕまたはこれらの合金などの適宜の金属により形成することができる。接続材１６はセラミックスや金属などの弾性体から形成される。
　圧電素子１５に、図７に示すように電圧を印加することにより、圧電素子１５は屈曲モードで変形する。
　図５に戻り、圧電アクチュエータユニット１３は、圧電アクチュエータユニット１２と圧電セラミック板１５ａの分極方向が逆方向であることを除いては同様に構成されている。従って、圧電アクチュエータユニット１２の電極１５ｂと、圧電アクチュエータユニット１３の電極１５ｂとを共通接続し、一方の電位に接続し、下面側の電極１５ｃ同士を共通接続し、他方側の電位に接続する。その結果、圧電アクチュエータユニット１２と圧電アクチュエータユニット１３とが逆方向に屈曲する。
　図１０は、上記アクチュエータ素子１１のねじり挙動を示す模式的斜視図である。図１０から明らかなように、圧電アクチュエータユニット１２，１３を駆動すると、図示の破線で示す状態から、実線で示す状態にねじり挙動で変形することとなる。すなわち、図１の弾性体板３の変形挙動を実現することができる。よって、アクチュエータ素子１１全体は、ねじり変形することとなる。
　上記のようにして、第１の実施形態における弾性体板３を上記アクチュエータ素子１１により構成することができる。残りの弾性体板４，５も同様にしてアクチュエータ素子１１により構成することができる。
　上記圧電アクチュエータユニット１２、１３に代えて、図８に示すバイモルフ構造の圧電アクチュエータユニット１７を用いてもよい。圧電アクチュエータユニット１７では、弾性板１８の両面に圧電素子１９，２０が積層されている。圧電素子１９，２０は、それぞれ、圧電セラミック板１９ａ，２０ａと、電極１９ｂ，１９ｃ，２０ｂ，２０ｃとを有する。圧電素子１９と圧電素子２０における分極方向を同一方向とする。そして、図示のように、圧電素子１９と圧電素子２０とに逆極性の電圧を印加する。このようにして、バイモルフ構造の圧電アクチュエータユニット１７を屈曲変位させることができる。
　また、図９に示す圧電アクチュエータユニット２１のように、上記圧電アクチュエータユニット１７から弾性板１８を除去した構造としてもよい。
　本実施形態のアクチュエータ１は、弾性体２をねじり挙動で変形させて大きな変位量を得ることができる。この場合、弾性体２をねじり挙動で駆動する駆動部材が、上記弾性体２に一体化されている圧電素子１５となる。
　本発明においては弾性体板を駆動する駆動部材は弾性体に一体化されていてもよく、弾性体と別部材で構成されていてもよい。
　図１１は、本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータを説明するための斜視図である。第２の実施形態のアクチュエータ３１は、弾性体は、複数の弾性体板３２を接続部材３３を介して接続した構造を有する。各弾性体板３２は、第１の実施形態の弾性体板３と同様に構成することができる。接続部材３３についても第１の実施形態の接続部材６，７と同様である。
　第２の実施形態のアクチュエータ３１が第１の実施形態のアクチュエータ１と異なるところは、前述した円弧の中心角θが約３６０°とされていることにある。すなわち、アクチュエータ３１では、一端３１ａと他端３１ｂとを突き合わされて円環状の形状が構成されている。言い換えれば、第１の実施形態のアクチュエータ１において、中心角θを約３６０°としたのが第２の実施形態のアクチュエータ３１である。
　図１２はこのアクチュエータ３１における変位挙動を示す図である。
　図３に示したように、中心角θが大きくなると変位量は大きくなる。第２の実施形態では、中心角θが約３６０°であるため、図１２に示すように、大きな変位量を得ることができる。また、中心角θを約３６０°とすることにより、中心Ｏを中心として互いに対向する、弾性体板同士の発生ねじり角度を打ち消すこととなる。その結果、一端３１ａと他端３１ｂの平面方向の座標が同じとなり、平面に対して垂直方向のみの変位差が発生することとなる。つまり、中心角θを約３６０°とすることにより、アクチュエータ３１を直動駆動することができる。
　図１３は本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータ４１の概略構造を示す斜視図である。アクチュエータ４１では、複数の圧電アクチュエータユニット４３と圧電アクチュエータユニット４４が交互に連結されて略円環状の板状の弾性体４２が構成されている。すなわち、アクチュエータ４１は、その中心角θが第２の実施形態の場合と同様に約３６０°とされている。もっとも、アクチュエータ４１では、接続部材が用いられておらず、複数の圧電アクチュエータユニット４３、４４が直接接合されて弾性体４２が構成されている。
　各圧電アクチュエータユニット４３は、上記圧電アクチュエータユニット１２、１７、２１と同じ構成をしている。さらに、平面視した場合、等脚台形の形状を有しており、かつ長さ方向を有する。また、圧電アクチュエータユニット４４は、圧電アクチュエータユニット４３と同様の構成をしており、屈曲方向が逆である。圧電アクチュエータユニット４３の底辺が、隣の圧電アクチュエータユニット４４の一方の斜辺に接するように、長さ方向を有する圧電アクチュエータユニット４３と圧電アクチュエータユニット４４同士が接合されている。この接合は、拡散接合、接合剤を用いた接合方法などの適宜の方法により達成し得る。
　本実施形態では、平面視した場合、隣り合う圧電アクチュエータユニット４３、４４がθ２の角度をなすように接合されている。本実施形態においても、弾性体４２は、その長さ方向に延びる中心線が略円弧状の形状を有している。そして、圧電アクチュエータユニット４３を屈曲挙動させると同時に、圧電アクチュエータユニット４４を圧電アクチュエータユニット４３とは逆方向に屈曲駆動させることにより、弾性体４２全体がねじり挙動を行い、大きく変位する。よって、一端を固定した場合、図１３に破線で示す状態から実線で示す状態に変位する。特に第２の実施形態に比べ、接続部材を用いないため、より一層大きな変位量を得ることができる。
　図１４は、本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータの斜視図である。本実施形態のアクチュエータ５１は第２の実施形態のアクチュエータ３１の変形例に相当する。
　アクチュエータ５１においては、弾性体５２は、第１～第３の実施形態と同様に、幅方向中心を通りかつ長さ方向に延びる中心線Ｐが円弧状の形状を有する。そして、弾性体５２は、圧電アクチュエータユニット５３と接続部材５６と圧電アクチュエータユニット５４と接続部材５５とを交互に連結した構造を有する。圧電アクチュエータユニット５３は、上記圧電アクチュエータユニット１２、１７、２１と同じ構成をしており、圧電アクチュエータユニット５４は、圧電アクチュエータユニット５３と同様の構成をしており、屈曲方向が逆である。接続部材５５は、第２の実施形態の接続部材３３とほぼ同様である。
　もっとも、接続部材５５は、弾性体５２の内周面から径方向外側に至っているが、弾性体５２の外周面には至っていない。すなわち、上記円弧状の中心線Ｐよりも内側に位置している。他方、接続部材５６は、圧電アクチュエータユニット５３、５４を弾性体５２の外周面側において接続している。そして、周方向において、接続部材５５と接続部材５６とが交互に位置している。
　また、アクチュエータ５１では、接続部材５５と接続部材５６とは、円弧状の前述した中心線の延びる方向において、交互に外周側または内周側に配置されている。そして、板状の弾性体５２を平面視した場合、ミアンダ状の形状となるように、複数の圧電アクチュエータユニット５３，５４が接続部材５５，５６を介して結合されている。
　従って、圧電アクチュエータユニット５３、５４の屈曲駆動で変形させた場合、弾性体５２の一端を固定すると、他端が、破線で示す状態から実線で示す状態に大きく変位する。
　本実施形態においても、圧電アクチュエータユニット５３、５４を連結してなる弾性体５２における前述した中心角は約３６０°とされている。もっとも、本実施形態においても、中心角は、３６０°より小さい角度とされていてもよい。
　上記第１～第４の実施形態では、各弾性体板は図５に示したアクチュエータ素子１１に限らず、様々な圧電アクチュエータ素子や圧電アクチュエータ素子以外の他のアクチュエータ素子により構成することができる。このようなアクチュエータ素子の変形例を、図１５～図１７を参照して説明する。
　図１５は、本発明のアクチュエータに用いられる圧電アクチュエータ素子の第１の変形例を示す斜視図である。
　圧電アクチュエータ素子６１は、圧電セラミック板６２を有する。圧電セラミック板６２は、矩形板状の形状を有する。圧電セラミック板６２は、第１の端面６２ａと、第２の端面６２ｂとを有する。第１の端面６２ａと第２の端面６２ｂとを結ぶ方向に圧電セラミック板６２が分極されている。
　もっとも、圧電セラミック板６２においては、破線６３の一方側の分極方向矢印Ｐ１と、他方側の分極方向矢印Ｐ２が反対方向とされている。圧電セラミック板６２の上面に電極６４が形成されており、下面に電極６５が形成されている。電極６４，６５間に直流電圧を印加すると、図１６に示すように、破線６３の一方側と反対側が厚みすべりモードで逆方向に変位する。そのため、圧電アクチュエータ素子６１全体が、ねじり挙動で変形することとなる。
　図１７は、本発明のアクチュエータで用いられる圧電アクチュエータ素子の第２の変形例を示す斜視図である。圧電アクチュエータ素子７１では、圧電セラミック板７２が用いられている。圧電セラミック板７２は第１の端面７２ａと第２の端面７２ｂとを結ぶ方向に延びる第１～第３の領域７３～７５を有する。第１～第３の領域７３～７５は、それぞれ、第１の端面７２ａと第２の端面７２ｂとを結んでいる。
　中央に第２の領域７４が配置されており、第２の領域７４は、図示の矢印で示すように厚み方向に分極されている。他方、第１の領域７３と第３の領域７５とは、第１，第２の端面７２ａ，７２ｂを結ぶ方向において逆方向に分極されている。圧電セラミック板７２の上面には、電極７６が、下面には電極７７が形成されている。電極７６，７７間に直流電圧を印加すると第１の領域７３，第３の領域７５が、厚みすべりモードで逆方向に変位する。また、中央の第２の領域７４は、屈曲モードで変位する。そのため、圧電セラミック板７２全体がねじり挙動で変形することとなる。
　圧電アクチュエータ素子６１，７１のように、厚みすべりモードを利用した変位を利用してアクチュエータ素子を構成してもよい。上述してきた各実施形態から明らかなように、ねじり挙動で変形する弾性体板を複数連結することにより、一端側を固定した場合、他端側が大きく変位するねじり挙動で変形するアクチュエータを構成することができる。この場合、上記のように、複数の弾性体板を直接または間接に連結して弾性体を構成してもよいが、図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示す第５の実施形態のように、１枚の弾性体板を上記のようにねじり挙動で変形させてもよい。図１８（ａ）に示すように、アクチュエータ８１は、弾性体板８２を有する。この弾性体板８２は、長さ方向と幅方向とを有する。この幅方向中心を通り、弾性体板８２の長さ方向に延びる中心線８３は、第１～第３の実施形態のアクチュエータと同様に、円弧状の形状を有する。この円弧状の中心線８３がねじり中心軸となり、弾性体板８２が、ねじり挙動で変形する。すなわち、弾性体板８２は、一端８２ａを固定し、ねじり挙動で変形させると、破線で示す状態から実線で示す状態に変位する。図１８（ｂ）は、他方側の端部８２ｂ側から視た変位状態を示す端面図である。
　このように、複数の弾性体板を接合せず、１枚の弾性体板８２において、ねじり挙動で変形させれば、前述した第１～第３の実施形態と同様に大きな変位量を得ることができる。これは、複数の弾性体板を接合した場合と同様に、上記中心線８３の延びる方向において、ねじり挙動による変位が累積し、変位拡大率が大きくなるためである。これを、図２０を参照して説明する。
　比較のために、図１９に示す比較例を用意した。この比較例のアクチュエータ１０１を構成している弾性体板１０２は、弾性体板８２と同様に、その中心線が円弧状の形状を有している。弾性体板１０２の構造は、例えば、前述の圧電アクチュエータユニット１２とほぼ同じでユニモルフ構造となっており、全体が屈曲駆動するものとする。この、弾性体板１０２では、一端側を固定した場合、他端は、破線で示す状態から実線で示す状態に変位する。すなわち、屈曲モードで変位する。このような屈曲モードで変位するアクチュエータ１０１を比較例とした。
　上記アクチュエータ８１と、比較例のアクチュエータ１０１における外側の側面の長さと変位量との関係を図２０に示す。図２０において実線が上記実施形態のアクチュエータ８１の結果を示し、破線が上記比較例の結果を示す。
　なお、図２０に示す結果は、図２１に示すように、弾性体の中心角Ｂ３＝６０°とし、幅方向寸法Ｂ２を１ｍｍとし、厚みを０．２ｍｍとし、素子外周側面の長さＢ１を変化させた場合の結果である。
　図２０から明らかなように、比較例に比べ、本実施形態によれば、素子の長さを長くしていくことにより、変位量を飛躍的に拡大し得ることがわかる。
　アクチュエータ８１のシュミレーション結果から明らかなように、本発明においては、長さ方向に延びる中心線が円弧状の弾性体をねじり挙動で変形させることにより、変位量を飛躍的に高め得ることがわかる。
　従って、上述した第１～第３の実施形態に限らず、１枚の上記弾性体板をねじり挙動で変形させてもよく、その場合には、部品点数の低減及びより一層の変位量の拡大を図り得ることがわかる。
１、３１，４１，５１…アクチュエータ
２…弾性体
２Ａ…第１の側面
２Ｂ…第２の側面
３～５…弾性体板
６，７…接続部材
８…中心線
１１…アクチュエータ素子
１２，１３、１７、２１、４３、４４、５３、５４…圧電アクチュエータユニット
１４、１８…弾性板
１５、１９、２０…圧電素子
１５ａ、１９ａ，２０ａ、６２，７２，…圧電セラミック板
１５ｂ，１５ｃ、１９ｂ，１９ｃ，２０ｂ，２０ｃ…電極
１６…接続材
３１ａ…一端
３１ｂ…他端
３２，４２，５２…弾性体板
３３、５５、５６…接続部材
６１，７１，８１…圧電アクチュエータ素子
６２ａ，７２ａ，８２ａ…第１の端面
６２ｂ，７２ｂ，８２ｂ…第２の端面
６３…破線
６４，６５…電極
７３～７５…第１～第３の領域
７６，７７…電極
８３…中心線

Claims (9)

  1. 　第１の主面と、前記第１の主面とは反対側の第２の主面とを有する板状の弾性体と、
    　前記板状の弾性体を変位させる駆動部材とを備え、
    　前記弾性体が前記第１の主面側から平面視した場合、円弧状の中心線に沿って延ばされた形状を有し、該円弧状の中心線を中心軸としたねじり挙動で変形する、アクチュエータ。
  2. 　前記弾性体が、前記円弧状の中心線の延びる方向に沿って配置された複数の弾性体板を有し、前記複数の弾性体板が連結されて前記弾性体が構成されている、請求項１に記載のアクチュエータ。
  3. 　前記複数の弾性体板において、隣り合う弾性体板が接続部材を介して連結されている、請求項２に記載のアクチュエータ。
  4. 　前記複数の弾性体板が直接連結されている、請求項２に記載のアクチュエータ。
  5. 　前記円弧状の中心線の中心角が３６０°である、請求項１～３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  6. 　前記弾性体板が長さ方向を有し、平面視した場合、隣り合う弾性体板がある角度をなすように連ねられている、請求項１～５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  7. 　前記接続部材が、前記円弧状の中心線の延びる方向において、交互に外周側または内周側に配置されている、請求項３に記載のアクチュエータ。
  8. 　前記弾性体板が、圧電板と、前記圧電板に形成された電極とを有する圧電素子を有する、請求項１～７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  9. 　前記弾性体板が、屈曲モードで振動する複数の圧電素子を有し、かつ平面視した場合、ミアンダ状の形状となるように複数の圧電素子が結合されている、請求項７に記載のアクチュエータ。
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