WO2023007841A1 - センサ付き圧電コイル及び電子機器 - Google Patents

センサ付き圧電コイル及び電子機器 Download PDF

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WO2023007841A1
WO2023007841A1 PCT/JP2022/013956 JP2022013956W WO2023007841A1 WO 2023007841 A1 WO2023007841 A1 WO 2023007841A1 JP 2022013956 W JP2022013956 W JP 2022013956W WO 2023007841 A1 WO2023007841 A1 WO 2023007841A1
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piezoelectric
sensor
coil
piezoelectric material
expansion
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信之 永井
修大 北出
融 宇高
美貴 遠藤
祐一 石田
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ソニーグループ株式会社
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Definitions

  • This technology relates to technology such as piezoelectric coils.
  • Patent Document 1 describes a piezoelectric actuator configured by spirally winding a strip-shaped piezoelectric element on the surface of a coil spring.
  • the piezoelectric element when an electric field is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element deforms in the longitudinal direction. Due to the deformation of the piezoelectric element, a torsional moment is generated in the cross section of the coil spring, and the coil spring is deformed in the axial direction.
  • Patent Document 2 can be cited as a technology related to this technology.
  • the purpose of this technology is to provide technology such as piezoelectric coils that are capable of sensing displacement.
  • a piezoelectric coil with a sensor includes a piezoelectric coil and a sensor.
  • the piezoelectric coil has a coil-shaped core material and one or more first piezoelectric materials that are helical with respect to the core material, and is expandable and contractible in an expansion/contraction direction.
  • the sensor detects displacement due to expansion and contraction of the piezoelectric coil.
  • An electronic device includes a piezoelectric coil with a sensor.
  • the piezoelectric coil with sensor has a piezoelectric coil and a sensor.
  • the piezoelectric coil has a coil-shaped core material and one or more first piezoelectric materials that are helical with respect to the core material, and is expandable and contractible in an expansion/contraction direction.
  • the sensor detects displacement due to expansion and contraction of the piezoelectric coil.
  • FIG. 1 is a side view showing a sensor-equipped piezoelectric coil according to a first embodiment;
  • FIG. It is a top view which shows a piezoelectric coil with a sensor.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a piezoelectric coil with a sensor; It is a figure for demonstrating the operation
  • FIG. 10 is a diagram showing simulation results for a first sample (second piezoelectric material: PZT);
  • FIG. 10 is a diagram showing simulation results for a second sample (second piezoelectric material: P(VDF-TrFE));
  • FIG. 10 is a diagram showing another example of signal detection in displacement sensing
  • FIG. 7 is a perspective view showing a sensor-equipped piezoelectric coil according to a second embodiment
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the sensor-equipped piezoelectric coil on a plane perpendicular to the length direction of the core. It is a figure which shows the piezoelectric coil with a sensor based on each modification.
  • FIG. 1 is a side view showing a sensor-equipped piezoelectric coil 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a top view showing the piezoelectric coil 100 with sensor.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the piezoelectric coil 100 with sensor.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the piezoelectric coil 100 with sensor.
  • FIG. 3 shows a basic unit for one round of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 .
  • FIG. 4 partially shows half of the cross section of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 .
  • the sensor-equipped piezoelectric coil 100 is configured in the shape of a coil spring, and can be expanded and contracted in the direction of the central axis of the coil (direction of expansion and contraction: see the dashed-dotted line in FIG. 1: Z-axis direction). Note that the overall number of turns in the sensor-equipped piezoelectric coil 100, the number of turns per unit length, and the like can be set arbitrarily.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil 100 includes a piezoelectric coil 10 that can be expanded and contracted in the central axis direction of the coil, and a displacement sensor 20 that can detect displacement due to expansion and contraction of the piezoelectric coil 10 .
  • the displacement value of the piezoelectric coil 10 detected by the displacement sensor 20 is used for feedback control of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 or the like.
  • the piezoelectric coil 10 includes a coil-shaped core material 11 that can be expanded and contracted in the expansion and contraction direction (the Z-axis direction), three first piezoelectric members 12 spirally wound around the core material 11, and a first and a first electrode portion 13 for applying an electric field in the thickness direction of the piezoelectric material 12 .
  • the displacement sensor 20 includes a single second piezoelectric material 21 spirally wound around the core material 11 and a second electrode portion 22 for detecting the voltage generated by the second piezoelectric material 21. including.
  • the core material 11 is configured in the shape of a coil spring, and its cross section (the cross section perpendicular to the length direction of the core material 11) is circular.
  • the cross section of the core material 11 may be elliptical, polygonal, or the like, and the shape of the cross section is not particularly limited.
  • the core material 11 is made of at least one material selected from, for example, graphite, Mg alloy, Al, Ti, SUS, W, Au, Ag, Cu, Pt, ceramics, or polymer resin.
  • Each of the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 is formed in a belt shape that is long in the length direction, short in the width direction, and thin in the thickness direction.
  • the number of the first piezoelectric members 12 is three, but the number of the first piezoelectric members 12 may be one, two, four, . There may be, and the number is not particularly limited.
  • first piezoelectric member 12 is used to distinguish the plurality of first piezoelectric members 12.
  • first piezoelectric members 12a the number of first piezoelectric members 12
  • first piezoelectric members 12b the number of first piezoelectric members 12
  • first piezoelectric members 12c the number of first piezoelectric members 12
  • the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 are arranged in a direction along the length direction of the core material 11 (see one-dot chain line in FIG. 1).
  • the three first piezoelectric members 12 are aligned in the direction along the length of the core member 11 .
  • the second piezoelectric member 21 is interposed between the three first piezoelectric members 12 in the direction along the length direction of the core member 11 .
  • 11 are arranged in a direction along the length direction of .
  • the second piezoelectric members 21 are alternately arranged with the three first piezoelectric members 12 in the direction along the length direction of the core member 11 .
  • the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 are arranged at a predetermined angle (for example, about 45° ⁇ 15°) with respect to the length direction of the core material 11 (see one-dot chain line in FIG. 1). 0° in the length direction).
  • Piezoelectric materials 12 and 21 are, for example, Pb(Zr, Ti)O 3 [PZT], PbTiO 3 , Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 —PbTiO 3 [PMN-PT], Pb(Zn 1 / 3Nb 2/3 )O 3 —PbTiO 3 [PZN-PT], BaTiO 3 [BT], (K, Na)NbO 3 [KNN], KNbO 3 , NaNbO 3 , (K, Na, Li)NbO 3 , (K, Na, Li) (Nb, Ta, Sb) O 3 , (Sr, Ba) Nb 2 O 6 , (Sr, Ca) NaNb 5 O 15 , (Na, K) Ba 2 NbO 15 , BiFeO 3 , Bi4Ti3O12 , ( Bi1 / 2K1/ 2 ) TiO3 , (Bi1 / 2Na1 /2 ) TiO3
  • the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 may be made of the same material, or may be made of different materials.
  • the second piezoelectric material 21 is made of a softer (lower Young's modulus) material than the first piezoelectric material 12 . may be
  • the first piezoelectric material 12 may be made of PZT
  • the second piezoelectric material 21 may be made of polyvinylidene fluoride [PVDF], polylactic acid [PLLA], or the like.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • PLLA polylactic acid
  • the material used for the insulating portion 1 is typically a material that has insulating properties and is relatively more flexible than the materials used for the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 .
  • a material with a high Materials satisfying this condition include, for example, synthetic resins and synthetic resin foams.
  • the reason why a highly flexible material is used for the insulating part 1 is that when the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 are distorted, the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 are deformed. In order to prevent the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 from being damaged by absorbing the influence of pressure, friction, etc. that the material 21 exerts on the adjacent piezoelectric material by the insulating part 1 . is.
  • the insulating portion 1 may be a gap formed between the first piezoelectric materials 12 adjacent to each other and between the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 adjacent to each other (for example, see FIG. 9 described later).
  • the first electrode portion 13 is configured to be able to apply a voltage to the first piezoelectric material 12 in the thickness direction of the first piezoelectric material 12 .
  • the voltage may be applied in the length direction of the first piezoelectric material 12 .
  • the first piezoelectric material 12 is distorted when a voltage is applied by the first electrode portion 13. At this time, the expansion and contraction of the first piezoelectric material 12 in the longitudinal direction is the central axis direction of the piezoelectric coil 10 (FIG. 1). : see dotted line) contributes to deformation.
  • the first electrode portion 13 has a core material 11 and surface electrodes 14 that sandwich the first piezoelectric material 12 between the core material 11 and the first piezoelectric material 12 in the thickness direction of the first piezoelectric material 12 .
  • One of the core material 11 and the surface electrode 14 is a positive electrode, and the other is a negative electrode.
  • the surface electrode 14 is made of various materials such as metal, and is provided in layers on the surface of the first piezoelectric material 12 so as to cover the entire surface of the first piezoelectric material 12 . .
  • the surface electrodes 14 are individually provided for the three first piezoelectric members 12 , and are formed in a spiral shape with respect to the core member 11 in the same manner as the first piezoelectric members 12 .
  • the second electrode portion 22 is configured to be able to detect the voltage generated in the thickness direction of the second piezoelectric material 21 according to the expansion and contraction of the piezoelectric coil 10 . Although the voltage generated in the thickness direction of the second piezoelectric material 21 is detected in this embodiment, the voltage generated in the length direction of the second piezoelectric material 21 may be detected.
  • the second electrode portion 22 has a detection electrode 23 provided on the surface of the second piezoelectric material 21 .
  • the detection electrodes 23 are made of various materials such as metal, and are provided in layers on the surface of the second piezoelectric material 21 so as to cover the entire surface of the second piezoelectric material 21 . .
  • the detection electrode 23 is formed in a spiral shape with respect to the core material 11, like the second piezoelectric material 21. As shown in FIG.
  • the core material 11 plays two roles, one as a coil spring and the other as part of the first electrode portion 13 .
  • the material of the core material 11 is a material with relatively high conductivity (for example, graphite, Mg alloy, metals such as Al, Ti, SUS, W, Au, Ag, Cu, and Pt) are used.
  • an electrode layer may be specially formed on the surface of the core material 11 by vapor deposition, sputtering, coating, or the like. That is, an electrode layer (back electrode) may be interposed between the surface of the core material 11 and the back surface of the first piezoelectric material 12 .
  • the core material 11 does not have to play a role as a part of the first electrode portion 13 , so for example, an insulator or the like can be used as the material of the core material 11 .
  • the number of the first piezoelectric members 12 is not particularly limited, but the number of the first piezoelectric members 12 is set to two or more. It is known from simulation results that the piezoelectric response performance of the piezoelectric coil 10 is improved as a result.
  • Piezoelectric response performance includes strain and generated force.
  • the strain is how much the piezoelectric coil 10 is distorted in the direction of the central axis of the coil (see the dotted line in FIG. 1) when a predetermined electric field is applied to the first piezoelectric material 12, compared to when no electric field is applied. It is the ratio of da (shrinkage).
  • the generated force is the force in the central axis direction of the piezoelectric coil 10 generated when a predetermined electric field is applied to the first piezoelectric material 12 .
  • both the strain and the generated force are improved compared to the case where the number of the first piezoelectric members 12 is one.
  • the number of the first piezoelectric members 12 is preferably within the range of 2 to 10, more preferably within the range of 2 to 7, and more preferably 3. ⁇ 5.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the piezoelectric coil 100 with sensor.
  • a drive voltage is applied to each of the three first piezoelectric members 12 via the first electrode portions 13 (surface electrodes 14).
  • the three first piezoelectric members 12 are distorted (reverse piezoelectric effect), and stress is generated in the core member 11 .
  • the core member 11 expands and contracts in the direction of expansion and contraction, and the entire piezoelectric coil 100 with a sensor expands and contracts in the direction of expansion and contraction.
  • the stress generated in the core material 11 is transmitted to the second piezoelectric material 21 through the core material 11 , thereby distorting the second piezoelectric material 21 and generating a voltage (electric field) in the second piezoelectric material 21 . (positive voltage effect).
  • the voltage generated by the second piezoelectric material 21 is taken out by the second electrode portion 22 (detection electrode 23).
  • the magnitude of the voltage generated by the second piezoelectric material 21 is correlated with the degree of expansion and contraction of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 . Therefore, based on the voltage generated by the second piezoelectric material 21, the displacement of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 (the extent to which the piezoelectric coil 10 expands and contracts) can be measured.
  • Information on the displacement of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 is used for feedback control or the like for accurately driving the sensor-equipped piezoelectric coil 100 .
  • the first piezoelectric material 12 is distorted (reverse piezoelectric effect) by applying a voltage to the first piezoelectric material 12, and the piezoelectric coil 10 expands and contracts in the expansion and contraction direction.
  • the piezoelectric coil 10 is used as a power generating element, the first piezoelectric material 12 is distorted by the expansion and contraction of the piezoelectric coil 10 in the expansion/contraction direction due to an external force, and the first piezoelectric material 12 generates power (positive piezoelectric effect).
  • the first electrode portion 13 is used as an electrode for applying a voltage to the first piezoelectric material 12.
  • the first electrode portion 13 is used as an electrode for extracting power generated by the first piezoelectric material 12 .
  • the piezoelectric coil 10 When the piezoelectric coil 10 is used as a piezoelectric actuator, the displacement information of the piezoelectric coil 10 extracted from the second electrode portion 22 due to the strain of the second piezoelectric material 21 is used to drive the piezoelectric coil 10 accurately. Used for feedback control.
  • the displacement information of the piezoelectric coil 10 extracted from the second electrode portion 22 due to the distortion of the second piezoelectric material 21 can be used for the following purposes, for example. Used.
  • the piezoelectric coil 10 is expanded and contracted in the expansion and contraction directions by a device that generates an external mechanical force.
  • the upper limit is set in the direction in which the piezoelectric coil 10 extends, and the lower limit is set in the direction in which the piezoelectric coil 10 contracts.
  • the displacement of the piezoelectric coil 10 exceeds the upper limit and whether it falls below the lower limit.
  • the operation of the device that generates the mechanical external force is limited so that the piezoelectric coil 10 is driven within the range below the upper limit and above the lower limit. be. This prevents damage to the piezoelectric coil 10 .
  • Second Piezoelectric Material 21 The inventors performed a simulation to determine whether the voltage generated by the second piezoelectric material 21 is of a magnitude that can be measured by the displacement sensor 20 .
  • the outermost diameter of the coil is the outermost position of the piezoelectric coil 10 from the central axis of the piezoelectric coil 10 (see the dotted line in FIG. 1) in the radial direction ⁇ 2.
  • the winding angle is the angle at which the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 are wound around the core material 11, and this winding angle is parallel to the length direction of the core material 11. is taken as 0°.
  • the occupancy rate is the ratio of how much the surface of the core material 11 is covered by the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 .
  • the electric field applied to the three first piezoelectric members 12 is changed between 0 and 1.5 [kV/mm], and the displacement of the entire sensor-equipped piezoelectric coil 100 (the central axis of the coil direction: see the dotted line in FIG. 1) and the voltage generated in the second piezoelectric material 21 were measured by simulation.
  • FIG. 6 is a diagram showing simulation results for the first sample (second piezoelectric material 21: PZT).
  • FIG. 7 is a diagram showing simulation results for the second sample (second piezoelectric material 21:P(VDF-TrFE)).
  • the horizontal axis indicates the electric field applied to the first piezoelectric material 12.
  • the vertical axis on the left indicates the displacement of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 as a whole, and the vertical axis on the right indicates the voltage generated in the second piezoelectric material 21 .
  • the solid line graph shows the relationship between the voltage applied to the first piezoelectric material 12 and the displacement of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 as a whole.
  • a broken line graph shows the relationship between the electric field applied to the first piezoelectric member 12 and the voltage generated at the second piezoelectric member 21 .
  • P(VDF-TrFE) used as the second piezoelectric material 21 in the second sample shown in FIG. 7 is used as the second piezoelectric material 21 in the first sample shown in FIG. It is a softer material than the commonly used PZT.
  • the solid-line graph shown in FIG. 7 has a steeper gradient than the solid-line graph shown in FIG. Specifically, when the same electric field is applied to the first piezoelectric material 12 in the first sample and the second sample, the displacement of the entire sensor-equipped piezoelectric coil 100 in the second sample is (Fig. 7 Reference: solid line), which is about 20% higher than the displacement of the entire sensor-equipped piezoelectric coil 100 in the first sample (see solid line in FIG. 6).
  • a softer material such as P(VDF-TrFE) (or PLLA, etc.) is used as the material of the second piezoelectric material 21.
  • PZT a softer material
  • P(VDF-TrFE) or PLLA, etc.
  • P(VDF-TrFE) used as the second piezoelectric material 21 in the second sample shown in FIG. 7 is used as the second piezoelectric material 21 in the first sample shown in FIG.
  • This material has a slightly lower piezoelectric performance (piezoelectric constant) than PZT.
  • the dashed line graph shown in FIG. 7 has a slightly gentler gradient than the dashed line graph shown in FIG. Specifically, when the same electric field is applied to the first piezoelectric material 12 in the first sample and the second sample, the voltage generated by P(VDF-TrFE) in the second sample is (Fig. 7: see dashed line), about 5% lower than the voltage generated by the PZT in the first sample.
  • FIG. 8 is a diagram showing another example of signal detection in displacement sensing.
  • the piezoelectric coil 10 is used as a piezoelectric actuator, and the second piezoelectric material 21 is applied with a voltage to drive the piezoelectric actuator together with the first piezoelectric material 12 .
  • the second piezoelectric material 21 serves as a part of the displacement sensor 20 for detecting the displacement of the piezoelectric coil 10 and as a part of the driving section that drives the piezoelectric coil 10. It also serves the two roles of
  • the detection voltage is superimposed on the drive voltage to generate the input voltage.
  • the detection voltage has a lower voltage and a higher frequency than the drive voltage.
  • This input voltage is applied to each of the three first piezoelectric members 12 via the first electrodes (surface electrodes 14), and to the second piezoelectric members via the second electrodes (detection electrodes 23). 21.
  • the input voltage in which the detection voltage is superimposed on the drive voltage may be applied only to the second piezoelectric material 21 .
  • a normal drive voltage on which the detection voltage is not superimposed is input to the first piezoelectric material 12 .
  • the input voltage in which the detection voltage is superimposed on the drive voltage is commonly input to the first piezoelectric member 12 and the second piezoelectric member 21, the circuit can be simplified. Advantageous.
  • the three first piezoelectric members 12 and the one second piezoelectric member 21 are distorted, and stress is generated on the core member 11 .
  • the core member 11 expands and contracts in the direction of expansion and contraction
  • the entire piezoelectric coil 100 with a sensor expands and contracts in the direction of expansion and contraction.
  • an output current is extracted from the second piezoelectric material 21 via the second electrode portion 22 (detection electrode 23). Then, the detected voltage is used as a reference signal, and the lock-in amplifier filters the same frequency component as the reference signal from the output current to extract only the current value of that component (lock-in detection).
  • This current value is in a proportional relationship with the dielectric constant of the second piezoelectric material 21, so by measuring the change in the current value, the change in the dielectric constant of the second piezoelectric material 21 can be measured.
  • the change in the dielectric constant of the second piezoelectric material 21 is proportional to the piezoelectric distortion of the second piezoelectric material 21, and the correspondence is 1:1, so the displacement of the piezoelectric coil 10 can be sensed. This makes it possible to measure not only the frequency of motion of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 but also the displacement itself of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 .
  • the same material is used for the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 .
  • the second piezoelectric material 21 also has a role as a part of the drive unit that drives the piezoelectric coil 10 , and the second piezoelectric material 21 (displacement sensor 20 ) controls the movement of the piezoelectric coil 10 . This is because there is no point of view of being restricted.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil 100 can be easily manufactured. Further, when the same material is used for the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21, a material that is softer and has lower piezoelectric performance than the first piezoelectric material 12 is used as the second piezoelectric material 21. There is an advantage that it is possible to prevent the piezoelectric performance of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 from deteriorating compared to when it is used.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil 100 includes the coil-shaped core material 11 and one or more first piezoelectric materials 12 that are spiral with respect to the core material 11, and expands and contracts. It comprises a piezoelectric coil 10 that can be expanded and contracted in a direction, and a displacement sensor 20 that detects displacement due to expansion and contraction of the piezoelectric coil 10 .
  • the piezoelectric coil 100 with a sensor capable of sensing the displacement of the piezoelectric coil 10 in which the first piezoelectric material 12 is helically wound around the coil-shaped core material 11 .
  • the second piezoelectric material 21 spirally wound around the core material 11 so as to be alternately arranged with the first piezoelectric material 12 in the direction along the core material 11 is displaced. It functions as part of sensor 20 . Therefore, in this embodiment, it is possible to provide the sensor-equipped piezoelectric coil 100 that is simple and can be miniaturized while having a self-sensing function without the need to provide another displacement sensor separately.
  • the piezoelectric performance of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 can be improved.
  • the displacement sensor 20 (the second piezoelectric material 21) can reduce the effect of limiting its movement.
  • the same material as that of the first piezoelectric material 12 can also be used.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil 100 can be easily manufactured, and deterioration of the piezoelectric performance of the sensor-equipped piezoelectric coil 100 can be prevented.
  • the lock-in detection shown in FIG. 8 it is effective to use a common material for the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 .
  • the sensor-equipped piezoelectric coil 100 when used as a piezoelectric actuator, feedback control is performed based on the displacement information detected by the displacement sensor 20, so that the sensor-equipped piezoelectric coil 100 can be accurately driven. Note that when a high voltage is applied to the first piezoelectric material 12, the hysteresis increases and it may become difficult to accurately drive the piezoelectric coil 10. Therefore, performing such feedback control is particularly effective. .
  • the sensor-equipped piezoelectric coil 100 When the sensor-equipped piezoelectric coil 100 is used as a power generating element, the sensor-equipped piezoelectric coil 100 is driven in a range below the upper limit and above the lower limit, for example, based on the displacement information detected by the displacement sensor 20. By adjusting the external force, damage to the sensor-equipped piezoelectric coil 100 can be prevented.
  • the second piezoelectric material 21 is used as the displacement sensor 20 in this embodiment, any element whose characteristics change due to the distortion of the piezoelectric coil 10 can be used as the displacement sensor. 20 (similarly in the second embodiment).
  • a strain gauge or a material such as a carbon composite film whose resistance changes due to strain can be used instead of the second piezoelectric material 21, a strain gauge or a material such as a carbon composite film whose resistance changes due to strain can be used.
  • the case where the second piezoelectric material 21 is arranged along the length direction of the core material 11 (see the dashed line in FIG. 1) with respect to the first piezoelectric material 12 will be described.
  • the second embodiment a case where the second piezoelectric material 21 is arranged in the stacking direction perpendicular to the length direction of the core material 11 with respect to the first piezoelectric material 12 will be described.
  • FIG. 9 is a perspective view showing the sensor-equipped piezoelectric coil 101 according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the sensor-equipped piezoelectric coil 101 on a plane perpendicular to the length direction of the core member 11 .
  • the sensor-equipped piezoelectric coil 100 includes a piezoelectric coil 10 and a displacement sensor 20b.
  • the piezoelectric coil 10 includes a coil-shaped core material 11 that can be expanded and contracted in an expansion/contraction direction, a first piezoelectric material 12 spirally wound around the core material 11, and a thickness direction of the first piezoelectric material 12. and a first electrode portion 13 for applying an electric field to.
  • the first electrode portion 13 includes a core material 11 and internal electrodes 15 .
  • One of the core material 11 and the internal electrode 15 is a positive electrode, and the other is a negative electrode.
  • the internal electrode 15 is provided so as to cover the entire surface of the first piezoelectric material 12 , and has a spiral shape with respect to the core material 11 in the same manner as the first piezoelectric material 12 . Note that the internal electrode 15 is interposed between the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 .
  • the displacement sensor 20b includes a second piezoelectric material 21 and a second electrode portion 22.
  • the second piezoelectric material 21 is arranged on the outer side of the first piezoelectric material 12 in the stacking direction, and has a spiral shape with respect to the core material 11 like the first piezoelectric material 12 .
  • the second electrode portion 22 includes a detection electrode 23 and detects voltage generated in the thickness direction of the second piezoelectric material 21 .
  • the detection electrode 23 is provided so as to cover the entire surface of the second piezoelectric material 21 , and has a spiral shape with respect to the core material 11 like the second piezoelectric material 21 .
  • the number of layers in the stacking direction of the first piezoelectric material 12 is one, but the number of layers of the first piezoelectric material 12 may be two or more. The number is not particularly limited.
  • the number of layers of the first piezoelectric material 12 is increased (same volume), a larger output (amount of displacement (strain), generated force) can be obtained even with a small applied voltage (piezoelectric actuator), or a small displacement can be obtained. Larger power can be obtained with the amount (distortion) (power generation element).
  • the first piezoelectric material 12 and the second piezoelectric material 21 may be made of the same material (for lock-in detection, for example), or may be made of different materials.
  • the second piezoelectric material 21 is made of a softer (lower Young's modulus) material than the first piezoelectric material 12 . may be
  • the second piezoelectric material 21 is arranged outside the first piezoelectric material 12 in the stacking direction, but it may be arranged inside the first piezoelectric material 12 .
  • the second piezoelectric material 21 is interposed between the inner first piezoelectric material 12 and the outer first piezoelectric material 12 . may be
  • the second piezoelectric material 21 When the second piezoelectric material 21 is arranged on the outermost side, the second piezoelectric material 21 is greatly distorted compared to when the second piezoelectric material 21 is arranged on the inner side. becomes easier.
  • the spiral second piezoelectric material 21 arranged in the stacking direction with respect to the first piezoelectric material 12 functions as part of the displacement sensor 20b. Therefore, similarly to the first embodiment, it is possible to provide the sensor-equipped piezoelectric coil 101 that is simple and can be miniaturized while having a self-sensing function without the need to provide another displacement sensor separately.
  • the number of laminations of the first piezoelectric material 12 is set to two or more, it is possible to obtain a larger output (displacement (strain), generated force) even with a small applied voltage (piezoelectric actuator ), or even greater power can be obtained with a small amount of displacement (strain) (power generation element).
  • the second piezoelectric material 21 when the second piezoelectric material 21 is arranged on the outermost side, the second piezoelectric material 21 is larger than when the second piezoelectric material 21 is arranged on the inner side. Distortion facilitates displacement detection.
  • FIG. 11 is a diagram showing sensor-equipped piezoelectric coils 102 to 105 according to respective modifications.
  • the sensor-equipped piezoelectric coils 102 to 105 according to the first modification, the second modification, the third modification, and the fourth modification are referred to in order from the top.
  • the configurations of the displacement sensor 20 are different in the first to fourth modifications.
  • the configuration of the piezoelectric coil 10 is common to the first to fourth modifications.
  • the piezoelectric coil 10 includes a core material 11, a first piezoelectric material 12 spirally wound around the core material 11, and a surface electrode 14 (first electrode) provided on the surface of the first piezoelectric material 12. 13).
  • the piezoelectric coil 10 has a gap in the expansion/contraction direction (Z-axis direction). exists.
  • the displacement sensor 20 is arranged in such a gap or hollow portion.
  • the first to third modifications show an example of the case where the displacement sensor 20 is arranged in the gap in the expansion and contraction direction of the piezoelectric coil 10, and the fourth modification is a hollow portion (diameter An example of a case where the displacement sensor 20 is arranged inside the piezoelectric coil 10 in the direction) is shown.
  • a displacement sensor 20c in the sensor-equipped piezoelectric coil 102 according to the first modification is a capacitive displacement sensor.
  • the basic unit for one round of the piezoelectric coil 10 is called a unit coil.
  • the displacement sensor 20c includes a first electrode 31 and a second electrode 32 for capacitance detection.
  • the first electrode 31 is arranged below the upper unit coil, and the second electrode 32 is arranged above the adjacent lower unit coil.
  • An insulating layer is interposed between the first electrode 31 and the surface electrode 14, and similarly an insulating layer is interposed between the second electrode 32 and the surface electrode 14. .
  • the displacement sensor 20c may be provided in all the gaps in the expansion/contraction direction of the piezoelectric coil 10, or may be provided in some of the gaps. When the displacement sensors 20c are provided in some of the gaps, for example, the displacement sensors 20c can be provided at intervals of one gap (similar to the second modification).
  • the distance between the first electrode 31 and the second electrode 32 changes as the piezoelectric coil 10 expands and contracts in the expansion and contraction direction, and the capacitance changes, so the displacement of the sensor-equipped piezoelectric coil 102 is detected. can do.
  • a displacement sensor 20d in the sensor-equipped piezoelectric coil 103 according to the second modification is a capacitive displacement sensor as in the first modification.
  • the displacement sensor 20d includes a first electrode 41 and a second electrode 42 for capacitance detection.
  • the first electrode 41 is provided in the upper unit coil so as to cover the surface of the surface electrode 14 with an insulating layer interposed therebetween. It is configured.
  • the second electrode 42 is provided so as to cover the surface of the surface electrode 14 via an insulating layer in the adjacent lower unit coil, and is spirally wound around the core material 11 by, for example, half a turn. It is structured as if
  • the piezoelectric coil 10 expands and contracts in the direction of expansion and contraction, thereby changing the distance between the first electrode 41 and the second electrode 42 and changing the capacitance.
  • the displacement of the attached piezoelectric coil 102 can be detected.
  • the displacement sensor 20e of the sensor-equipped piezoelectric coil 104 according to the third modification is, for example, a piezoelectric (piezoelectric material) or resistance (strain gauge) displacement sensor. be.
  • the displacement sensor 20e includes a first sensor section 51 and a second sensor section 52 arranged on both radial ends of the piezoelectric coil 10 with the central axis of the piezoelectric coil 10 interposed therebetween.
  • the reason why the first sensor unit 51 and the second sensor unit 52 are arranged on both sides in the radial direction with the central axis of the piezoelectric coil 10 interposed therebetween is to balance the expansion and contraction of the piezoelectric coil 104 with the sensor. is.
  • the first sensor unit 51 includes a plurality of first sensors 53 that are linearly arranged in the extension/contraction direction of the piezoelectric coil 10 .
  • the second sensor section 52 includes a plurality of second sensors 54 that are linearly arranged in the extension/contraction direction of the piezoelectric coil 10 .
  • the upper end of the first sensor 53 is fixed to the lower side of the upper unit coil, and the lower end of the first sensor 53 is fixed to the upper side of the adjacent lower unit coil.
  • the upper end of the second sensor 54 is fixed to the lower side of the upper unit coil, and the lower end of the second sensor 54 is fixed to the upper side of the adjacent lower unit coil.
  • the piezoelectric coil 10 expands and contracts in the expansion and contraction direction, the voltage, resistance, etc. of the first sensor 53 and the second sensor 54 change. 104 displacement can be detected.
  • a relatively soft material for example, the first piezoelectric material
  • the material of the displacement sensor 20e. 12 may be used.
  • the displacement sensor 20e is of a piezoelectric type
  • piezoelectric resin such as PVDF or PLLA
  • a relatively soft strain gauge, carbon composite, or the like may be used. Good (same for the fourth modification).
  • a displacement sensor 20f of the sensor-equipped piezoelectric coil 105 according to the fourth modification is, for example, a piezoelectric (piezoelectric material) or resistance (strain gauge) displacement sensor. .
  • the displacement sensor 20f is arranged in a hollow portion inside the piezoelectric coil 10 in the radial direction.
  • the displacement sensor 20 f has, for example, a columnar or cylindrical shape that is long in the expansion and contraction direction (Z-axis direction) of the piezoelectric coil 10 , and its outer peripheral surface is fixed to the inner peripheral surface of the piezoelectric coil 10 .
  • the expansion and contraction of the piezoelectric coil 10 in the expansion and contraction direction changes the voltage, resistance, etc. of the displacement sensor 20f. can.
  • the displacement sensors 20c to 20f are arranged in the gaps in the expansion/contraction direction of the piezoelectric coil 10 or in the hollow portion inside the piezoelectric coil 10 in the radial direction. be. Even when the displacement sensors 20c to 20f are provided at such locations, the sensor-equipped piezoelectric coil 102 that can be simple and miniaturized while having the self-sensing function is similar to the above-described first and second embodiments. ⁇ 105 can be provided.
  • the displacement or deformation amount in the expanding and contracting direction of the piezoelectric coil 10, which varies greatly can be directly sensed, so the measurement accuracy can be improved.
  • the sensor-equipped piezoelectric coils 100 to 105 can be mounted on various electronic devices.
  • the sensor-equipped piezoelectric coils 100 to 105 may be used in drive systems such as micropumps, camera focus, inkjet printers, microscope stages, and displacement magnifying mechanisms, as well as in automobile engine mounts and automobile suspension shocks. It may be used as an absorber.
  • a device including the sensor-equipped piezoelectric coils 100 to 105 according to the present technology is considered to be a device using electronic engineering, so any device is considered to be an electronic device according to the present technology. .
  • a piezoelectric coil that has a coil-shaped core material and one or more first piezoelectric materials that are helical with respect to the core material, and that can expand and contract in an expansion and contraction direction;
  • a piezoelectric coil with a sensor comprising: a sensor that detects displacement due to expansion and contraction of the piezoelectric coil.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil according to (3) above The piezoelectric coil with a sensor, wherein the second piezoelectric material is arranged in a direction along the core material with respect to the first piezoelectric material.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil according to (4) above The piezoelectric coil with a sensor, wherein the second piezoelectric material is alternately arranged with the first piezoelectric material in a direction along the core material.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil according to (5) above, The one or more first piezoelectric materials include a plurality of first piezoelectric materials arranged in a direction along the core member. Piezoelectric coil with sensor.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil is a piezoelectric actuator that expands and contracts in the expansion and contraction direction by applying a voltage to the first piezoelectric material, A piezoelectric coil with a sensor, wherein a voltage is applied to the second piezoelectric material to drive the piezoelectric actuator together with the first piezoelectric material.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil according to (13) above, The voltage applied to the second piezoelectric material is a voltage obtained by superimposing a driving voltage for driving the piezoelectric actuator and a detection voltage for detecting displacement of the piezoelectric actuator. Piezoelectric coil with sensor.
  • the piezoelectric coil according to (14) above A piezoelectric coil with a sensor, wherein displacement of the piezoelectric actuator is detected by lock-in detection of the output current of the second piezoelectric material with respect to the detection voltage.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil according to (1) above The sensor is provided in a gap in the expansion/contraction direction of the piezoelectric coil, or is provided in a hollow portion inside the piezoelectric coil in a radial direction orthogonal to the expansion/contraction direction.
  • the sensor-equipped piezoelectric coil according to (16) above, The sensor is a capacitive, piezoelectric or resistive sensor Piezoelectric coil.
  • the piezoelectric coil with sensor is a power generation element in which the first piezoelectric material generates power when the piezoelectric coil expands and contracts in the expansion and contraction direction due to an external force.
  • a piezoelectric coil that has a coil-shaped core material and one or more first piezoelectric materials that are helical with respect to the core material, and is capable of expanding and contracting in an expansion/contraction direction; and displacement due to expansion/contraction of the piezoelectric coil.
  • An electronic device comprising a sensor-equipped piezoelectric coil having a sensor for detecting

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Abstract

【課題】変位センシングが可能な圧電コイル等の技術を提供すること。 【解決手段】本技術に係るセンサ付き圧電コイルは、圧電コイルと、センサとを具備する。前記圧電コイルは、コイル状の芯材と、前記芯材に対して螺旋状である１以上の第１の圧電材とを有し、伸縮方向に伸縮可能である。前記センサは、前記圧電コイルの伸縮による変位を検出する。

Description

センサ付き圧電コイル及び電子機器
　本技術は、圧電コイル等に技術に関する。
　下記特許文献１には、コイルばねの表面に帯状の圧電素子が螺旋状に巻回されることで構成された圧電アクチュエータが記載されている。
　この圧電アクチュエータでは、圧電素子に対して電界が印加されると、圧電素子が長手方向に変形する。そして、この圧電素子の変形により、コイルばねの断面にねじりモーメントが生じ、コイルばねが軸方向に変形する。
　なお、本技術に関連する技術として下記特許文献２が挙げられる。
特開平６－２１６４２４号公報 特開平２０１９－１６１８２３号公報
　この種のコイル素子において、変位センシングが可能な技術が求められている。
　以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、変位センシングが可能な圧電コイル等の技術を提供することにある。
　本技術に係るセンサ付き圧電コイルは、圧電コイルと、センサとを具備する。
　前記圧電コイルは、コイル状の芯材と、前記芯材に対して螺旋状である１以上の第１の圧電材とを有し、伸縮方向に伸縮可能である。
　前記センサは、前記圧電コイルの伸縮による変位を検出する。
　これにより、変位センシングが可能な圧電コイル等の技術を提供することができる。
　本技術に係る電子機器は、センサ付き圧電コイルを具備する。
　前記センサ付き圧電コイルは、圧電コイルと、センサとを有する。
　前記圧電コイルは、コイル状の芯材と、前記芯材に対して螺旋状である１以上の第１の圧電材とを有し、伸縮方向に伸縮可能である。
　前記センサは、前記圧電コイルの伸縮による変位を検出する。
第１実施形態に係るセンサ付き圧電コイルを示す側面図である。 センサ付き圧電コイルを示す上面図である。 センサ付き圧電コイルを示す斜視図である。 センサ付き圧電コイルの断面図である。 センサ付き圧電コイルの動作を説明するための図である。 第１のサンプル（第２の圧電材：ＰＺＴ）におけるシミュレーション結果を示す図である。 第２のサンプル（第２の圧電材：Ｐ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ））におけるシミュレーション結果を示す図である。 変位センシングにおける信号検出の他の例を示す図である。 第２実施形態に係るセンサ付き圧電コイルを示す斜視図である。 芯材の長さ方向に直交する平面でのセンサ付き圧電コイルの断面図である。 各変形例に係るセンサ付き圧電コイルを示す図である。
　　≪第１実施形態≫
　＜全体構成及び各部の構成＞
　図１は、第１実施形態に係るセンサ付き圧電コイル１００を示す側面図である。図２は、センサ付き圧電コイル１００を示す上面図である。図３は、センサ付き圧電コイル１００を示す斜視図である。図４は、センサ付き圧電コイル１００の断面図である。
　図１～図３では、図４に示されている表面電極１４、検出電極２３が省略して図示されている。また、図３では、センサ付き圧電コイル１００において１周分の基本単位が示されている。また、図４では、センサ付き圧電コイル１００の断面の半分が部分的に示されている。
　センサ付き圧電コイル１００は、コイルバネ状に構成されており、コイルの中心軸方向（伸縮方向：図１の一点鎖線参照：Ｚ軸方向）に伸縮可能とされている。なお、センサ付き圧電コイル１００における全体的な巻き数や、単位長さ当たりの巻き数などは、任意に設定することができる。
　センサ付き圧電コイル１００は、コイルの中心軸方向に伸縮可能な圧電コイル１０と、圧電コイル１０の伸縮による変位を検出可能な変位センサ２０とを備えている。変位センサ２０によって検出された圧電コイル１０の変位の値は、センサ付き圧電コイル１００のフィードバック制御等に用いられる。
　圧電コイル１０は、伸縮方向（Ｚ軸方向）に伸縮可能なコイル状の芯材１１と、芯材１１に対して螺旋状に巻回された３本の第１の圧電材１２と、第１の圧電材１２の厚さ方向に電界を印加する第１の電極部１３とを有している。また、変位センサ２０は、芯材１１に対して螺旋状に巻回された１本の第２の圧電材２１と、第２の圧電材２１により発生した電圧を検出する第２の電極部２２とを含む。
　芯材１１は、コイルバネ状に構成されており、その断面（芯材１１の長さ方向に垂直な断面）が円形とされている。なお、芯材１１の断面については、楕円形、多角形などであってもよく、この断面の形状については、特に限定されない。
　芯材１１は、例えば、グラファイト、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ｔｉ、ＳＵＳ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、セラミックス、又はポリマー樹脂から選択された少なくとも１種類以上の材料により構成される。
　第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１は、それぞれ、長さ方向に長く、幅方向に短く、厚さ方向に薄い帯状に構成されている。図１～図４に示す例では、第１の圧電材１２の数が３本とされているが、第１の圧電材１２の数は、１本、２本、４本、・・等であってもよく、その数については特に限定されない。
　なお、本明細書中の説明では、複数の第１の圧電材１２を特に区別しない場合には、"第１の圧電材１２"と記載し、複数の第１の圧電材１２を特に区別する場合、第１の圧電材１２の数に応じて、"第１の圧電材１２ａ"、"第１の圧電材１２ｂ"、"第１の圧電材１２ｃ"、・・と記載する。
　第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１は、芯材１１の長さ方向に沿う方向（図１：一点鎖線参照）で第１の圧電材１２ａ、第１の圧電材１２ｂ、第１の圧電材１２ｃ、第２の圧電材２１、第１の圧電材１２ａ、第１の圧電材１２ｂ、第１の圧電材１２ｃ、第２の圧電材２１、・・のように、互いに交互に芯材１１に対して螺旋状に巻回されている。
　３本の第１の圧電材１２は、芯材１１の長さ方向に沿う方向に並ぶように整列されている。第２の圧電材２１は、芯材１１の長さ方向に沿う方向で３本の第１の圧電材１２の隙間に介在されており、３本の第１の圧電材１２に対して芯材１１の長さ方向に沿う方向に配置されている。また、第２の圧電材２１は、芯材１１の長さ方向に沿う方向で３本の第１の圧電材１２と交互に配置されている。
　第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１は、芯材１１の長さ方向（図１：一点鎖線参照）に対して所定の角度（例えば、４５°±１５°程度：芯材１１の長さ方向が０°）で巻回されている。
　圧電材１２、２１は、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３［ＰＺＴ］、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ＰｂＴｉＯ３［ＰＭＮ－ＰＴ］、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－ＰｂＴｉＯ３［ＰＺＮ－ＰＴ］、ＢａＴｉＯ３［ＢＴ］、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３［ＫＮＮ］、ＫＮｂＯ３、ＮａＮｂＯ３、（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）ＮｂＯ３、（Ｋ，Ｎａ，Ｌｉ）（Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ）Ｏ３、（Ｓｒ，Ｂａ）Ｎｂ２Ｏ６、（Ｓｒ，Ｃａ）ＮａＮｂ５Ｏ１５、（Ｎａ，Ｋ）Ｂａ２ＮｂＯ１５、ＢｉＦｅＯ３、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、（Ｂｉ１／２Ｋ１／２）ＴｉＯ３、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３－（Ｂｉ１／２Ｋ１／２）ＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３－（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、アルファ－ＳｉＯ２、ＧａＰＯ４、ＬｉＢ４Ｏ７、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４、Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４、ＭｇＳｉＯ３、ＺｎＯ、ハライドペロブスカイト、ポリフッ化ビニリデン［ＰＶＤＦ］、ポリ乳酸［ＰＬＬＡ］、セルロース、又はポリペプチドから選択された少なくとも１種類以上の材料を母材とし、構成される。
　第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１は、同じ材料で構成されていてもよいし、異なる材料により構成されていてもよい。第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１が異なる材料により構成されている場合、第２の圧電材２１は、第１の圧電材１２よりも柔らかい（ヤング率が低い）材料により構成されていてもよい。
　例えば、第１の圧電材１２がＰＺＴにより構成され、第２の圧電材２１が、ポリフッ化ビニリデン［ＰＶＤＦ］、ポリ乳酸［ＰＬＬＡ］等により構成されていてもよい。この場合、センサ付き圧電コイル１００が伸縮方向に伸縮する際に、変位センサ２０（第２の圧電材２１）がその動きの制限となってしまう影響を低減することができる。
　なお、芯材１１の長さ方向で互いに隣接する第１の圧電材１２の間、並びに、互いに隣接する第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１の間には、これらを電気的に絶縁するための絶縁部１が介在される。絶縁部１に用いられる材料としては、典型的には、絶縁性を有する材料であって、かつ、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１に用いられる材料よりも相対的に柔軟性が高い材料が用いられる。この条件を満たす材料としては、例えば、合成樹脂、合成樹脂フォーム等が挙げられる。
　なお、絶縁部１に用いられる材料として柔軟性が高い材料が用いられる理由は、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１が歪むときに、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１が隣接する圧電材に対して与える圧力や摩擦等の影響を絶縁部１により吸収することによって、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１が破損してしまうことを防止するためである。
　なお、絶縁部１は、互いに隣接する第１の圧電材１２の間、並びに、互いに隣接する第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１の間に形成された空隙であってもよい（例えば、後述の図９参照）。
　第１の電極部１３は、第１の圧電材１２に対して、第１の圧電材１２の厚さ方向に電圧を印加することが可能に構成されている。本実施形態では、第１の圧電材１２の厚さ方向に電圧が印加されるが、第１の圧電材１２の長さ方向に電圧が印加されてもよい。第１の圧電材１２は、第１の電極部１３により電圧が印加されると歪むが、このとき、第１の圧電材１２の長手方向での伸縮が圧電コイル１０における中心軸方向（図１：点線参照）での変形に寄与する。
　第１の電極部１３は、芯材１１と、第１の圧電材１２の厚さ方向において芯材１１との間で第１の圧電材１２を挟み込む表面電極１４とを有している。芯材１１及び表面電極１４は、一方が正極とされ、他方が負極とされる。
　表面電極１４は、例えば、金属等の各種の材料により構成されており、第１の圧電材１２の表面上において、第１の圧電材１２の表面の全体を覆うように層状に設けられている。表面電極１４は、３本の第１の圧電材１２に対してそれぞれ個別に設けられていており、第１の圧電材１２と同様に、芯材１１に対して螺旋状とされている。
　第２の電極部２２は、圧電コイル１０の伸縮に応じて第２の圧電材２１の厚さ方向に発生した電圧を検出することが可能に構成されている。本実施形態では、第２の圧電材２１の厚さ方向に発生した電圧が検出されるが、第２の圧電材２１の長さ方向に発生した電圧が検出されてもよい。
　第２の電極部２２は、第２の圧電材２１の表面に設けられた検出電極２３を有している。検出電極２３は、例えば、金属等の各種の材料により構成されており、第２の圧電材２１の表面上において、第２の圧電材２１の表面の全体を覆うように層状に設けられている。検出電極２３は、第２の圧電材２１と同様に、芯材１１に対して螺旋状とされている。
　本実施形態では、芯材１１は、コイルバネとしての役割と、第１の電極部１３の一部としての役割との２つの役割を担っている。このように、芯材１１が第１の電極部１３の一部としての役割を有している場合、芯材１１の材料として、比較的に導電率が高い材料（例えば、グラファイト、Ｍｇ合金、Ａｌ、Ｔｉ、ＳＵＳ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ等の金属）が用いられる。
　一方、芯材１１の表面に対して、蒸着、スパッタリング、塗布等により特別に電極層が形成されていてもよい。つまり、芯材１１の表面と、第１の圧電材１２の背面との間に電極層（背面電極）が介在されていてもよい。この場合、芯材１１は、第１の電極部１３の一部としての役割を有せずともよいので、例えば、芯材１１の材料として絶縁体等を用いることもできる。
　＜第１の圧電材１２の本数＞
　ここで、本実施形態においては、第１の圧電材１２の本数については特に制限はないが、第１の圧電１２の本数については、２本以上とされることで、１本の場合と比べて、圧電コイル１０の圧電応答性能が向上することがシミュレーション結果から分かっている。
　圧電応答性能は、歪み及び発生力を含む。歪みは、第１の圧電材１２に所定の電界が印加されたとき、電界が印加されていない場合に比べて、圧電コイル１０がコイルの中心軸方向（図１：点線参照）にどの程度歪んだ（縮んだ）かの割合である。また、発生力は、第１の圧電材１２に所定の電界が印加されたとき、圧電コイル１０が発生したコイルの中心軸方向での力である。
　第１の圧電材１２の数が２本以上の場合、第１の圧電材１２が１本の場合に比べて、歪み及び発生力の両者が向上する。
　一方、第１の圧電材１２の数を無制限に増やしてもあまり意味がなく、第１の圧電材１２がある一定の数以上に達すると歪み及び発生力が飽和する傾向があるといったこともシミュレーション結果から分かっている。
　このため、圧電コイル１０の圧電性能の向上の観点からは、第１の圧電材１２の数は、好ましくは、２～１０の範囲内、より好ましくは２～７の範囲内、より好ましくは３～５の範囲内とされる。
　＜動作説明＞
　次に、第１実施形態に係るセンサ付き圧電コイル１００の動作について説明する。図５は、センサ付き圧電コイル１００の動作を説明するための図である。
　まず、第１の電極部１３（表面電極１４）を介して３本の第１の圧電材１２にそれぞれ駆動電圧が印加される。駆動電圧の印加に応じて、３本の第１の圧電材１２が歪み（逆圧電効果）、芯材１１に対して応力が発生する。これにより、芯材１１が伸縮方向に伸縮し、センサ付き圧電コイル１００全体が伸縮方向に伸縮する。
　また、芯材１１に生じた応力は芯材１１を通じて第２の圧電材２１に伝達され、これにより、第２の圧電材２１が歪み、第２の圧電材２１に電圧（電界）が発生する（正電圧効果）。このときの圧電基本式は、Ｅ＝－ｇ・Ｔで表される。なお、Ｅは電界であり、ｇは圧電出力定数であり、Ｔは応力である。
　第２の圧電材２１により発生した電圧は、第２の電極部２２（検出電極２３）により取り出される。第２の圧電材２１により発生した電圧の大きさは、センサ付き圧電コイル１００の伸縮の度合いと相関がある。従って、第２の圧電材２１の発生電圧に基づいて、センサ付き圧電コイル１００の変位（圧電コイル１０がどの程度伸縮しているのかの度合い）を測定することができる。センサ付き圧電コイル１００の変位の情報は、センサ付き圧電コイル１００を正確に駆動させるためのフィードバック制御等に用いられる。
　＜圧電圧アクチュエータ及び発電素子＞
　ここで、本実施形態では、主に、圧電コイル１０が圧電アクチュエータとして用いられる場合について説明するが、圧電コイル１０は発電素子として用いられてもよい。
　圧電コイル１０が圧電アクチュエータとして用いられる場合、第１の圧電材１２に電圧が印加されることで第１の圧電材１２が歪み（逆圧電効果）、圧電コイル１０が伸縮方向に伸縮する。一方、圧電コイル１０が発電素子として用いられる場合、圧電コイル１０が外力により伸縮方向に伸縮することで第１の圧電材１２が歪み、第１の圧電材１２が発電する（正圧電効果）。
　なお、圧電コイル１０が圧電アクチュエータとして用いられる場合、第１の電極部１３は、第１の圧電材１２に電圧を印加するための電極として用いられ、圧電コイル１０が発電素子として用いられる場合、第１の電極部１３は第１の圧電材１２によって発生した電力を取り出すための電極として用いられる。
　圧電コイル１０が圧電アクチュエータとして用いられる場合、第２の圧電材２１が歪むことで第２の電極部２２から取り出された圧電コイル１０の変位の情報は、圧電コイル１０を正確に駆動させるためのフィードバック制御に用いられる。
　また、圧電コイル１０が発電素子として用いられる場合、第２の圧電材２１が歪むことで第２の電極部２２から取り出された圧電コイル１０の変位の情報は、例えば、以下のような用途に用いられる。ここで、仮に機械的な外力を生じる機器によって圧電コイル１０が伸縮方向に伸縮される場合を想定する。この場合において、圧電コイル１０が伸びる方向に上限が設定されており、また、圧電コイル１０が縮む方向に下限が設定されているとする。
　この場合、圧電コイル１０の変位の情報に基づいて、圧電コイル１０の変位が上限を超えるかどうか、及び下限を下回るかどうかが判定される。そして、圧電コイル１０の変位が上限を超える場合、又は下限を下回る場合には、圧電コイル１０が上限以下及び下限以上の範囲で駆動されるように機械的な外力を生じる機器の動作が制限される。これにより、圧電コイル１０の破損が防止される。
＜第２の圧電材２１に生じる電圧等＞
　本発明者らは、第２の圧電材２１により発生する電圧が、変位センサ２０として測定可能な程度の大きさの電圧であるかどうかのシミュレーションを行った。
　このシミュレーションには、センサ付き圧電コイル１００のサンプルとして、第１のサンプルと第２のサンプルの２種類のサンプルが用いられた。第１のサンプルでは、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１の材料として共通でＰＺＴが用いられた。一方、第２のサンプルでは、第１の圧電材１２の材料としてＰＺＴが用いられ、一方で、第２の圧電材２１の材料としてＰ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）（７５／２５）が用いられた。なお、Ｐ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）（７５／２５）は、ＰＺＴよりも柔らかい材料である。
　このシミュレーションの具体的な条件は以下の通りである。
　コイルの巻き数：１周分の基本単位
　芯材１１の材料：ＳＵＳ
　第１の圧電材１２の材料：ハード系ＰＺＴセラミックス
　第２の圧電材２１の材料：ハード系ＰＺＴセラミックス（第１のサンプル）
　　　　　　　　　　　　：Ｐ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）（７５／２５）（第２のサンプル）
　第１の圧電材１２の数：３本
　第２の圧電材２１の数：１本
　コイルの最外径：１ｍｍ
　第１圧電材及び第２の圧電材２１の巻き付け角：４５°
　占有率：９９．７％
　芯材１１と、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１との境界面：固定
　なお、コイルの最外径は、径方向において圧電コイル１０の中心軸（図１の点線参照）から圧電コイル１０の最も外側の位置×２である。また、巻き付け角は、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１が芯材１１に対して巻き付けられる角度であり、この巻き付け角は、芯材１１の長さ方向に対して平行な方向が０°とされる。また、占有率は、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１が芯材１１の表面をどの程度覆っているかの割合である。
　上記した条件において、３本の第１の圧電材１２に印加される電界が０～１．５［ｋＶ／ｍｍ］の間で変化され、センサ付き圧電コイル１００の全体の変位（コイルの中心軸方向：図１の点線参照）と、第２の圧電材２１で発生する電圧とがシミュレーションにより測定された。
　図６は、第１のサンプル（第２の圧電材２１：ＰＺＴ）におけるシミュレーション結果を示す図である。図７は、第２のサンプル（第２の圧電材２１：Ｐ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ））におけるシミュレーション結果を示す図である。
　図６及び図７において、横軸は第１の圧電材１２への印加電界を示している。また、左側の縦軸は、センサ付き圧電コイル１００全体の変位を示しており、右側の縦軸は、第２の圧電材２１での発生電圧を示している。
　また、図６及び図７において、実線のグラフは、第１の圧電材１２への印加電圧と、センサ付き圧電コイル１００全体の変位との関係を示している。また、破線のグラフは、第１の圧電材１２への印加電界と、第２の圧電材２１での発生電圧との関係を示している。
　図６及び図７に示すように、第１のサンプル及び第２のサンプルでは、両者とも第１の圧電材１２に対して１ｋＶ／ｍｍの電界が印加されると４～５μｍ程度の変位が発生するが、このとき、第２の圧電材２１からは、２～３Ｖ程度の電圧が発生する。従って、変位センサ２０としては十分な電圧が第２の圧電材２１から発生することが分かる。
　ここで、図７に示す第２のサンプルにおいて第２の圧電材２１として用いられているＰ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）は、図６に示す第１のサンプルにおいて第２の圧電材２１として用いられているＰＺＴよりも柔らかい材料である。
　従って、図６及び図７において、実線のグラフを比較すると、図７に示す実線のグラフは、図６に示す実線のグラフに比べて勾配がきつい。具体的には、第１のサンプル及び第２のサンプルにおいて第１の圧電材１２に対して同じ電界が印加されたとき、第２のサンプルでのセンサ付き圧電コイル１００全体の変位は（図７参照：実線参照）、第１のサンプルでのセンサ付き圧電コイル１００全体の変位（図６：実線参照）よりも２０％程度高い。
　つまり、図７に示す第２のサンプルでは、第２の圧電材２１の材料として、Ｐ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）（あるいは、ＰＬＬＡ等）のような（ＰＺＴよりも）柔らかい材料が用いられていので、圧電コイル１０が作動する際に、第２の圧電材２１がその動きの制限となってしまう影響を適切に低減することができる。
　一方、図７に示す第２のサンプルにおいて第２の圧電材２１として用いられているＰ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）は、図６に示す第１のサンプルにおいて第２の圧電材２１として用いられているＰＺＴよりも圧電性能（圧電定数）が若干低い材料である。
　従って、図６及び図７において、破線のグラフを比較すると、図７に示す破線のグラフは、図６に示す破線のグラフに比べて勾配が少しだけ緩い。具体的には、第１のサンプル及び第２のサンプルにおいて第１の圧電材１２に対して同じ電界が印加されたとき、第２のサンプルにおいてＰ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）が発生する電圧は（図７参照：破線参照）、第１のサンプルにおいてＰＺＴが発生する電圧よりも５％程度低い。
　つまり、圧電コイル１０の動作時における制限軽減の観点から、第２の圧電材としてＰ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）（あるいは、ＰＬＬＡ等）のような（ＰＺＴよりも）柔らかい材料が用いられた場合、ＰＺＴ等と比べて圧電特性が若干低くなる。しなしながら、第２の圧電材料としてＰ（ＶＤＦ‐ＴｒＦＥ）（あるいは、ＰＬＬＡ）等が用いられれば、第２の圧電材料としてＰＺＴ等が用いられた場合と比べて、発生電圧の低下は高々５％程度であり、第２の圧電材２１から変位センサ２０として測定可能な十分な大きさの電圧を得ることができる。
＜変位センシングの信号検出における他の例＞
　次に、変位センシングにおける信号検出の他の例について説明する。図８は、変位センシングにおける信号検出の他の例を示す図である。
　図８に示す例では、圧電コイル１０は圧電アクチュエータとして用いられ、また、第２の圧電材２１は、電圧が印加されて第１の圧電材１２と共に圧電アクチュエータを駆動する。つまり、この例では、第２の圧電材２１は、圧電コイル１０の変位を検出するための変位センサ２０の一部としての役割と、圧電コイル１０を駆動する駆動部の一部としての役割との２つの役割を兼用する。
　図８に示すように、駆動電圧に対して検出電圧が重畳されて入力電圧が生成される。検出電圧は、駆動電圧よりも低電圧であり、かつ、高周波数とされる。この入力電圧は、第１の電極（表面電極１４）を介して３本の第１の圧電材１２にそれぞれ印加され、また、第２の電極（検出電極２３）を介して第２の圧電材２１に印加される。
　なお、駆動電圧に対して検出電圧が重畳された入力電圧は、第２の圧電材２１に対してのみ印加されてもよい。この場合、検出電圧が重畳されていない通常の駆動電圧が第１の圧電材１２に対して入力される。但し、駆動電圧に対して検出電圧が重畳された入力電圧を、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１で共通で入力する場合、回路を簡略化することができるので、この点で有利である。
　入力電圧の印加に応じて、３本の第１の圧電材１２及び１本の第２の圧電材２１が歪み、芯材１１に対して応力が発生する。これにより、芯材１１が伸縮方向に伸縮し、センサ付き圧電コイル１００全体が伸縮方向に伸縮する。
　このとき、第２の電極部２２（検出電極２３）を介して第２の圧電材２１での出力電流が取り出される。そして、検出電圧が参照信号とされ、ロックインアンプにより、出力電流から参照信号と同じ周波数成分がフィルタにより通過されて、その成分の電流値のみが取り出される（ロックイン検出）。
　この電流値は、第２の圧電材２１の誘電率と比例関係にあり、従って、電流値の変化を測定することで、第２の圧電材２１の誘電率の変化を測定することができる。また、第２の圧電材２１の誘電率の変化は、第２の圧電材２１の圧電歪みと比例し、１：１で対応するため、圧電コイル１０の変位をセンシングすることが可能である。これにより、センサ付き圧電コイル１００の動きの周波数だけでなく、センサ付き圧電コイル１００の変位自体を測定することが可能となる。
　ここでの例の場合、典型的には、第１の圧電材１２と、第２の圧電材２１とで同じ材料が用いられる。これは、第２の圧電材２１が圧電コイル１０を駆動する駆動部の一部としての役割も有するためであり、また、第２の圧電材２１（変位センサ２０）が圧電コイル１０の動きの制限となってしまうといった観点がなくなるためである。
　第１の圧電材１２と、第２の圧電材２１とで同じ材料が用いられる場合、センサ付き圧電コイル１００の製造が容易になるといった利点がある。また、第１の圧電材１２と、第２の圧電材２１とで同じ材料が用いられる場合、第２の圧電材２１として第１の圧電材１２よりも柔らかく、かつ、圧電性能が低い材料が用いられる場合に比べて、センサ付き圧電コイル１００の圧電性能が低下してしまうことを防止することができるといった利点がある。
　＜作用等＞
　以上説明したように、本実施形態におけるセンサ付き圧電コイル１００は、コイル状の芯材１１と、芯材１１に対して螺旋状である１以上の第１の圧電材１２とを有し、伸縮方向に伸縮可能な圧電コイル１０と、圧電コイル１０の伸縮による変位を検出する変位センサ２０とを具備している。
　これにより、コイル状の芯材１１に対して第１の圧電材１２が螺旋状に巻回された圧電コイル１０について、変位センシングが可能なセンサ付き圧電コイル１００を提供可能である。
　さらに、本実施形態では、芯材１１に沿う方向で第１の圧電材１２と交互に配置されるように芯材１１に対して螺旋状に巻回された第２の圧電材２１が、変位センサ２０の一部として機能する。従って、本実施形態では、別体で他の変位センサを設ける必要がなく、セルフセンシング機能を持ちながら、シンプルで小型化が可能なセンサ付き圧電コイル１００を提供可能である。
　さらに、本実施形態では、第１の圧電材１２の数を２以上とすることで、センサ付き圧電コイル１００の圧電性能を向上させることもできる。
　また、第２の圧電材２１の材料として、第１の圧電材１２よりも柔らかい材料が用いられることで、センサ付き圧電コイル１００が作動する際に、変位センサ２０（第２の圧電材２１）がその動きの制限となってしまう影響を低減することができる。
　一方、第２の圧電材２１の材料として、第１の圧電材１２と同じ材料を用いることもできる。この場合、センサ付き圧電コイル１００の製造が容易になり、また、センサ付き圧電コイル１００の圧電性能が低下してしまうことを防止することができる。特に、図８に示すロックイン検出が行われる場合、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１で共通の材料が用いられると有効である。
　また、センサ付き圧電コイル１００が圧電アクチュエータとして用いられる場合、変位センサ２０により検出された変位の情報に基づいてフィードバック制御が行われることで、センサ付き圧電コイル１００を正確に駆動させることができる。なお、第１の圧電材１２に高電圧をかけるとヒステリシスが大きくなり、正確に圧電コイル１０を駆動させることが困難となる場合があるので、このようなフィードバック制御を行うことが特に有効である。
　また、センサ付き圧電コイル１００が発電素子として用いられる場合、変位センサ２０により検出された変位の情報に基づいて、例えば、上限以下及び下限以上の範囲でセンサ付き圧電コイル１００が駆動されるように外力を調整することで、センサ付き圧電コイル１００の破損を防止することができる。
　なお、本実施形態では、変位センサ２０として第２の圧電材２１が用いられているが、圧電コイル１０の歪みによりその特性が変化する素子であれば、どのような素子であっても変位センサ２０として用いることができる（第２実施形態において同様）。例えば、第２の圧電材２１の代わりに、歪みゲージや、カーボンコンポジット膜などの歪みにより抵抗が変化する材料を用いることもできる。
　≪第２実施形態≫
　次に、本技術の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態以降の説明では、上述の第１実施形態と同様の構成及び機能を有する各部については同一符号を付し、説明を簡略化又は省略する。
　上述の第１実施形態では、第２の圧電材２１が、第１の圧電材１２に対して芯材１１の長さ方向（図１の一点鎖線参照）に沿う方向に配置される場合について説明した。一方、第２実施形態では、第２の圧電材２１が、第１の圧電材１２に対して芯材１１の長さ方向に直交する積層方向に配置される場合について説明する。
　図９は、第２実施形態に係るセンサ付き圧電コイル１０１を示す斜視図である。図１０は、芯材１１の長さ方向に直交する平面でのセンサ付き圧電コイル１０１の断面図である。
　図９及び図１０に示すように、センサ付き圧電コイル１００は、圧電コイル１０と、変位センサ２０ｂとを備えている。
　圧電コイル１０は、伸縮方向に伸縮可能なコイル状の芯材１１と、芯材１１に対して螺旋状に巻回された第１の圧電材１２と、第１の圧電材１２の厚さ方向に電界を印加する第１の電極部１３とを有している。
　第１の電極部１３は、芯材１１と、内部電極１５と含む。芯材１１及び内部電極１５は、一方が正極とされ、他方が負極とされる。
　内部電極１５は、第１の圧電材１２の表面の全体を覆うように設けられており、第１の圧電材１２と同様に、芯材１１に対して螺旋状となっている。なお、内部電極１５は、第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１の間に介在されている。
　変位センサ２０ｂは、第２の圧電材２１と、第２の電極部２２とを含む。第２の圧電材２１は、第１の圧電材１２の積層方向の外側に配置されており、第１の圧電材１２と同様に芯材１１に対して螺旋状にとなっている。
　第２の電極部２２は、検出電極２３を含み、第２の圧電材２１の厚さ方向に発生した電圧を検出する。検出電極２３は、第２の圧電材２１の表面の全体を覆うように設けられており、第２の圧電材２１と同様に芯材１１に対して螺旋状となっている。
　図９及び図１０では、第１の圧電材１２における積層方向での積層数が１層とされているが、第１の圧電材１２の積層数は、２層以上であってもよく、その数については特に限定されない。
　なお、第１の圧電材１２の積層数が増える（同一体積）と、小さな印加電圧でもさらに大きな出力（変位量（歪み）、発生力）を得ることができ（圧電アクチュエータ）、あるいは、小さな変位量（歪み）でさらに大きな電力を得ることができる（発電素子）。
　第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１は、同じ材料で構成されていてもよいし（例えば、ロックイン検出の場合）、異なる材料により構成されていてもよい。第１の圧電材１２及び第２の圧電材２１が異なる材料により構成されている場合、第２の圧電材２１は、第１の圧電材１２よりも柔らかい（ヤング率が低い）材料により構成されていてもよい。
　図１０に示す例では、第２の圧電材２１が、積層方向において第１の圧電材１２の外側に配置されているが、第１の圧電材１２の内側に配置されていてもよい。また、第１の圧電材１２の積層数が２以上とされる場合、内側の第１の圧電材１２と、外側の第１の圧電材１２との間に第２の圧電材２１が介在されていてもよい。
　なお、第２の圧電材２１が最も外側に配置されていると、第２の圧電材２１が内側に配置されている場合と比べて、第２の圧電材２１が大きく歪むので、変位の検出が容易となる。
　＜作用等＞
　第２実施形態では、第１の圧電材１２に対して積層方向に配置された螺旋状の第２の圧電材２１が、変位センサ２０ｂの一部として機能する。従って、第１実施形態と同様に、別体で他の変位センサを設ける必要がなく、セルフセンシング機能を持ちながら、シンプルで小型化が可能なセンサ付き圧電コイル１０１を提供可能である。
　さらに、第２実施形態では、第１の圧電材１２の積層数を２以上とすることで、小さな印加電圧でもさらに大きな出力（変位量（歪み）、発生力）を得ることができ（圧電アクチュエータ）、あるいは、小さな変位量（歪み）でさらに大きな電力を得ることができる（発電素子）。
　また、第２実施形態において、第２の圧電材２１が最も外側に配置されていると、第２の圧電材２１が内側に配置されている場合と比べて、第２の圧電材２１が大きく歪むので、変位の検出が容易となる。
　≪各種変形例≫
　次に、本技術の各変形例に係るセンサ付き圧電コイル１０２～１０５について説明する。図１１は、各変形例に係るセンサ付き圧電コイル１０２～１０５を示す図である。図１１において、上方から順番に、第１の変形例、第２の変形例、第３の変形例、第４の変形例に係るセンサ付き圧電コイル１０２～１０５と呼ぶ。
　第１の変形例～第４の変形例では、変位センサ２０の構成がそれぞれ異なっている。なお、圧電コイル１０の構成については、第１の変形例～第４の変形例で共通である。この圧電コイル１０は、芯材１１と、芯材１１に螺旋状に巻回された第１の圧電材１２と、第１の圧電材１２の表面に設けられた表面電極１４（第１の電極部１３）とを有している。
　ここで、圧電コイル１０は、その構造上、伸縮方向（Ｚ軸方向）に隙間があり、また、伸縮方向に直交する径方向（ＸＹ平面内の方向）において圧電コイル１０の内側には中空部が存在する。第１変形例～第４変形例では、このような隙間や中空部に変位センサ２０が配置される。
　なお、第１の変形例～第３の変形例は、圧電コイル１０の伸縮方向の隙間に変位センサ２０が配置される場合の一例を示しており、第４の変形例は、中空部（径方向における圧電コイル１０の内側）に変位センサ２０が配置される場合の一例を示している。
＜第１の変形例＞
　図１１の一番上を参照して、第１の変形例に係るセンサ付き圧電コイル１０２における変位センサ２０ｃは、静電容量式の変位センサである。なお、以降の説明では、圧電コイル１０において、一周分の基本単位を単位コイルと呼ぶ。
　変位センサ２０ｃは、静電容量検出用の第１の電極３１及び第２の電極３２を含む。第１の電極３１は、上段の単位コイルの下側に配置されており、第２の電極３２は、隣接する下段の単位コイルの上側に配置されている。
　なお、第１の電極３１と、表面電極１４との間には絶縁層が介在されており、同様に、第２の電極３２と、表面電極１４との間には絶縁層が介在されている。
　変位センサ２０ｃは、圧電コイル１０における伸縮方向の全ての隙間に設けられていてもよいし、一部の隙間に設けられていてもよい。変位センサ２０ｃが一部の隙間に設けられる場合、例えば、隙間について１つ飛ばしの間隔で変位センサ２０ｃを設けることもできる（第２変形例において同様）。
　第１変形例では、圧電コイル１０が伸縮方向に伸縮することで第１の電極３１及び第２の電極３２の間の距離が変わり、静電容量が変わるのでセンサ付き圧電コイル１０２の変位を検出することができる。
　＜第２変形例＞
　図１１の上から２番目を参照して、第２の変形例に係るセンサ付き圧電コイル１０３における変位センサ２０ｄは、第１変形例と同様に、静電容量式の変位センサである。
　変位センサ２０ｄは、静電容量検出用の第１の電極４１及び第２の電極４２を含む。第１の電極４１は、上段の単位コイルにおいて、絶縁層を介して表面電極１４の表面を覆うように設けられており、芯材１１に対して例えば半周分螺旋状に巻回されたような構成となっている。
　一方、第２の電極４２は、隣接する下段の単位コイルにおいて、絶縁層を介して表面電極１４の表面を覆うように設けられており、芯材１１に対して例えば半周分螺旋状に巻回されたような構成となっている。
　第２変形例では、第１変形例と同様に、圧電コイル１０が伸縮方向に伸縮することで第１の電極４１及び第２の電極４２の間の距離が変わり、静電容量が変わるのでセンサ付き圧電コイル１０２の変位を検出することができる。
＜第３の変形例＞
　図１１の上から３番目を参照して、第３の変形例に係るセンサ付き圧電コイル１０４の変位センサ２０ｅは、例えば、圧電式（圧電材）、抵抗式（歪みゲージ）等の変位センサである。
　変位センサ２０ｅは、圧電コイル１０の中心軸を挟んで圧電コイル１０の径方向の両端側に配置される第1のセンサ部５１及び第２のセンサ部５２を含む。なお、第１のセンサ部５１及び第２のセンサ部５２が圧電コイル１０の中心軸を挟んで径方向の両端側に配置されるのは、センサ付き圧電コイル１０４の伸縮時のバランスをとるためである。
　第１のセンサ部５１は、圧電コイル１０の伸縮方向で直線的に配置される複数の第１のセンサ５３を含む。第２のセンサ部５２は、圧電コイル１０の伸縮方向で直線的に配置される複数の第２のセンサ５４を含む。
　第１のセンサ５３の上端は、上段の単位コイルの下側に固定されておおり、第１のセンサ５３の下端は、隣接する下段の単位コイルの上側に固定されている。また、第２のセンサ５４の上端は、上段の単位コイルの下側に固定されておおり、第２のセンサ５４の下端は、隣接する下段の単位コイルの上側に固定されている。
　第３変形例では、圧電コイル１０が伸縮方向に伸縮することで、第１のセンサ５３、第２のセンサ５４での電圧や抵抗等が変わるので、これを検出することで、センサ付き圧電コイル１０４の変位を検出することができる。
　なお、第３変形例において、変位センサ２０ｅが圧電コイル１０の動きの制限となってしまう影響を低減するために、変位センサ２０ｅの材料として、比較的に柔らかい材料（例えば、第１の圧電材１２よりも柔らかい材料）が用いられてもよい。例えば、変位センサ２０ｅが圧電式の場合、ＰＶＤＦ、ＰＬＬＡ等の圧電樹脂が用いられてもよいし、変位センサ２０ｅが抵抗式の場合、比較的に柔らかい歪みゲージやカーボンコンポジット等が用いられてもよい（第４変形例において同様）。
　＜第４の変形例＞
　図１１の一番下を参照して、第４の変形例に係るセンサ付き圧電コイル１０５の変位センサ２０ｆは、例えば、圧電式（圧電材）、抵抗式（歪みゲージ）等の変位センサである。
　変位センサ２０ｆは、圧電コイル１０の径方向の内側における中空部に配置される。変位センサ２０ｆは、例えば、圧電コイル１０の伸縮方向（Ｚ軸方向）に長い円柱状又は円筒状であり、その外周面が、圧電コイル１０の内周面に固定される。
　第４変形例では、圧電コイル１０が伸縮方向に伸縮することで、変位センサ２０ｆでの電圧や抵抗等が変わるので、これを検出することで、センサ付き圧電コイル１０５の変位を検出することができる。
＜第１の変形例～第４の変形例まとめ＞
　以上説明したように、第１の変形例～第４の変形例では、圧電コイル１０の伸縮方向の隙間、又は、圧電コイル１０の径方向の内側における中空部に変位センサ２０ｃ～２０ｆが配置される。このような箇所に変位センサ２０ｃ～２０ｆが設けられる場合も、上述の第１実施形態及び第２実施形態と同様に、セルフセンシング機能を持ちながら、シンプルで小型化が可能なセンサ付き圧電コイル１０２～１０５を提供可能である。また、第１の変形例～第４の変形例では、変化の大きい圧電コイル１０の伸縮方向での変位又は変形量を直接的にセンシングすることができるので、測定精度を向上させることができる。
　＜電子機器＞
　本技術に係るセンサ付き圧電コイル１００～１０５（圧電アクチュエータ、発電素子）は、各種の電子機器に搭載することができる。例えば、センサ付き圧電コイル１００～１０５は、マイクロポンプ、カメラフォーカス、インクジェットプリンタ、顕微鏡ステージ、変位拡大機構等の駆動系に用いられてもよいし、自動車用のエンジンのマウント、自動車用サスペンションのショックアブゾーバとして用いられてもよい。なお、本技術に係るセンサ付き圧電コイル１００～１０５を含む機器は、電子工学を利用した機器と見做されるので、どのような機器であっても本技術に係る電子機器と見做される。
　＜その他＞
　本技術は以下の構成をとることもできる。
（１）コイル状の芯材と、前記芯材に対して螺旋状である１以上の第１の圧電材とを有し、伸縮方向に伸縮可能な圧電コイルと、
　前記圧電コイルの伸縮による変位を検出するセンサと
　を具備するセンサ付き圧電コイル。
（２）　上記（１）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記センサは、前記芯材に対して螺旋状である
　センサ付き圧電コイル。
（３）　上記（２）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記センサは、螺旋状の第２の圧電材を含む
　センサ付き圧電コイル。
（４）　上記（３）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記第２の圧電材は、前記第１の圧電材に対して、前記芯材に沿う方向に配置される
　センサ付き圧電コイル。
（５）　上記（４）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記第２の圧電材は、前記芯材に沿う方向で前記第１の圧電材と交互に配置される
　センサ付き圧電コイル。
（６）　上記（５）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記１以上の第１の圧電材は、前記芯材に沿う方向に並ぶ複数の第１の圧電材を含む
　センサ付き圧電コイル。
（７）　上記（３）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記第２の圧電材は、前記第１の圧電材に対して、前記芯材に沿う方向に直交する積層方向に配置される
　センサ付き圧電コイル。
（８）　上記（７）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記第２の圧電材は、第１の圧電材に対して、前記積層方向の外側に配置される
　センサ付き圧電コイル。
（９）　上記（７）又は（８）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記１以上の第１の圧電材は、前記積層方向に積層された複数の第１の圧電材を含む
　センサ付き圧電コイル。
（１０）　上記（３）～（９）のうちいずれか１つに記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記第１の圧電材及び前記第２の圧電材は、材料が異なる
　センサ付き圧電コイル。
（１１）　上記（１０）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記第２の圧電材は、前記第１の圧電材よりも柔らかい材料により構成される
　センサ付き圧電コイル。
（１２）　上記（３）～（９）のうちいずれか１つに記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記第１の圧電材及び前記第２の圧電材は、同じ材料である
　センサ付き圧電コイル。
（１３）上記（３）～（９）のうちいずれか１つに記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記圧電コイルは、前記第１の圧電材に電圧が印加されることで前記圧電コイルが前記伸縮方向に伸縮する圧電アクチュエータであり、
　前記第２の圧電材は、電圧が印加されて前記第１の圧電材と共に前記圧電アクチュエータを駆動する
　センサ付き圧電コイル。
（１４）上記（１３）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記第２の圧電材に印加される電圧は、前記圧電アクチュエータを駆動させるための駆動電圧と、前記圧電アクチュエータの変位を検出するための検出電圧とが重畳された電圧である
　センサ付き圧電コイル。
（１５）　上記（１４）に記載の圧電コイルであって、
　前記検出電圧に対する前記第２の圧電材の出力電流がロックイン検出されることで、前記圧電アクチュエータの変位が検出される
　センサ付き圧電コイル。
（１６）　上記（１）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記センサは、前記圧電コイルにおける伸縮方向の隙間に設けられるか、又は、前記伸縮方向に直交する径方向において前記圧電コイルの内側の中空部に設けられる
　センサ付き圧電コイル。
（１７）　上記（１６）に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記センサは、静電容量式、圧電式、又は抵抗式のセンサである
　圧電コイル。
（１８）　上記（１）～（１７）のうちいずれか１つに記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記圧電コイルは、前記第１の圧電材に電圧が印加されることで前記圧電コイルが伸縮方向に伸縮する圧電アクチュエータである
　センサ付き圧電コイル。
（１９）　上記（１）～（１７）のうちいずれか１つに記載のセンサ付き圧電コイルであって、
　前記圧電コイルは、前記圧電コイルが外力により前記伸縮方向に伸縮することで前記第１の圧電材が発電する発電素子である
　センサ付き圧電コイル。
（２０）　コイル状の芯材と、前記芯材に対して螺旋状である１以上の第１の圧電材とを有し、伸縮方向に伸縮可能な圧電コイルと、前記圧電コイルの伸縮による変位を検出するセンサとを有するセンサ付き圧電コイルを具備する電子機器。
　１０…圧電コイル
　１１…芯材
　１２…第１の圧電材
　２０…変位センサ
　２１…第２の圧電材
　１００～１０５…センサ付き圧電コイル

Claims (20)

  1. 　コイル状の芯材と、前記芯材に対して螺旋状である１以上の第１の圧電材とを有し、伸縮方向に伸縮可能な圧電コイルと、
    　前記圧電コイルの伸縮による変位を検出するセンサと
    　を具備するセンサ付き圧電コイル。
  2. 　請求項１に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記センサは、前記芯材に対して螺旋状である
    　センサ付き圧電コイル。
  3. 　請求項２に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記センサは、螺旋状の第２の圧電材を含む
    　センサ付き圧電コイル。
  4. 　請求項３に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記第２の圧電材は、前記第１の圧電材に対して、前記芯材に沿う方向に配置される
    　センサ付き圧電コイル。
  5. 　請求項４に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記第２の圧電材は、前記芯材に沿う方向で前記第１の圧電材と交互に配置される
    　センサ付き圧電コイル。
  6. 　請求項５に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記１以上の第１の圧電材は、前記芯材に沿う方向に並ぶ複数の第１の圧電材を含む
    　センサ付き圧電コイル。
  7. 　請求項３に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記第２の圧電材は、前記第１の圧電材に対して、前記芯材に沿う方向に直交する積層方向に配置される
    　センサ付き圧電コイル。
  8. 　請求項７に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記第２の圧電材は、第１の圧電材に対して、前記積層方向の外側に配置される
    　センサ付き圧電コイル。
  9. 　請求項７に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記１以上の第１の圧電材は、前記積層方向に積層された複数の第１の圧電材を含む
    　センサ付き圧電コイル。
  10. 　請求項３に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記第１の圧電材及び前記第２の圧電材は、材料が異なる
    　センサ付き圧電コイル。
  11. 　請求項１０に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記第２の圧電材は、前記第１の圧電材よりも柔らかい材料により構成される
    　センサ付き圧電コイル。
  12. 　請求項３に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記第１の圧電材及び前記第２の圧電材は、同じ材料である
    　センサ付き圧電コイル。
  13. 　請求項３に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記圧電コイルは、前記第１の圧電材に電圧が印加されることで前記圧電コイルが前記伸縮方向に伸縮する圧電アクチュエータであり、
    　前記第２の圧電材は、電圧が印加されて前記第１の圧電材と共に前記圧電アクチュエータを駆動する
    　センサ付き圧電コイル。
  14. 　請求項１３に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記第２の圧電材に印加される電圧は、前記圧電アクチュエータを駆動させるための駆動電圧と、前記圧電アクチュエータの変位を検出するための検出電圧とが重畳された電圧である
    　センサ付き圧電コイル。
  15. 　請求項１４に記載の圧電コイルであって、
    　前記検出電圧に対する前記第２の圧電材の出力電流がロックイン検出されることで、前記圧電アクチュエータの変位が検出される
    　センサ付き圧電コイル。
  16. 　請求項１に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記センサは、前記圧電コイルにおける伸縮方向の隙間に設けられるか、又は、前記伸縮方向に直交する径方向において前記圧電コイルの内側の中空部に設けられる
    　センサ付き圧電コイル。
  17. 　請求項１６に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記センサは、静電容量式、圧電式、又は抵抗式のセンサである
    　センサ付き圧電コイル。
  18. 　請求項１に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記圧電コイルは、前記第１の圧電材に電圧が印加されることで前記圧電コイルが伸縮方向に伸縮する圧電アクチュエータである
    　センサ付き圧電コイル。
  19. 　請求項１に記載のセンサ付き圧電コイルであって、
    　前記圧電コイルは、前記圧電コイルが外力により前記伸縮方向に伸縮することで前記第１の圧電材が発電する発電素子である
    　センサ付き圧電コイル。
  20. 　コイル状の芯材と、前記芯材に対して螺旋状である１以上の第１の圧電材とを有し、伸縮方向に伸縮可能な圧電コイルと、前記圧電コイルの伸縮による変位を検出するセンサとを有するセンサ付き圧電コイル
    　を具備する電子機器。
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