(57)【要約】【課題】非共振駆動が可能で、構造が簡単な圧電アクチュエータを得ること。【解決手段】圧電アクチュエータ１は異なる方向へ変位する複数の圧電体１ａ，１ｂ，１ｃからなり、これら複数の圧電体１ａ，１ｂ，１ｃの変位を合成させることにより推進力を得ることができ、また一つの圧電素子から構成できるため構成が簡単であるとともに、高電圧を印加しても破壊に対して強く、非共振状態でも大きな変位が得られる。【選択図】　　図１
2004048984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端を支持され、第一の方向に運動する第一の圧電体と、
前記第一の圧電体の他方の端でかつ第一の圧電体の変位方向と直交する方向に一方の端を接して設けられ、前記第一の方向と異なる方向に運動する第二の圧電体とからなる駆動部を有し、
前記駆動部の前記第二の圧電体の他方の端が被駆動部と接触する圧電アクチュエータ。
【請求項２】
第一の方向に運動する第一の圧電体と、
一方の端が前記第一の圧電体と接して前記第一の方向と異なる方向に運動する第二の圧電体と第三の圧電体とからなる駆動部を有し、
前記駆動部の前記第二の圧電体または前記第三の圧電体の他方の端が被駆動部と接触する圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記駆動部は一つの圧電体からなることを特徴とする請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記圧電体は積層素子であることを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記第一の圧電体もしくは前記第一の圧電体と接合された部材を支持することを特徴とする請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記第一の圧電体もしくは前記第一の圧電体と接合された部材に力を加えることで、前記駆動部と前記被駆動部との接触圧を得ることを特徴とする請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
第一の方向に運動する第一の圧電体と、一方の端が前記第一の圧電体と接して前記第一の方向と異なる方向に運動する第二の圧電体とからなる駆動部を有し、前記駆動部もしくは前記駆動部の前記第二の圧電体の他方の端と接する被駆動部が前記駆動部の運動により稼動される圧電アクチュエータにおいて、
前記駆動部もしくは前記被駆動部が前記第一の圧電体の変位のみで稼動される圧電アクチュエータ。
【請求項８】
圧電素子を備えた駆動部の振動により、前記駆動部と接する被駆動部もしくは前記駆動部自身を稼動する圧電アクチュエータの駆動方法であって、
前記圧電素子の分極時の電圧の極性と同極性の駆動信号を印加する圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項９】
圧電素子を備えた駆動部の振動により、前記駆動部と接する被駆動部もしくは前記駆動部自身を稼動する圧電アクチュエータの駆動方法であって、
前記圧電アクチュエータの前記被駆動部との接触点の変位の一周期が、前記駆動部もしくは前記被駆動部の稼動方向の変位と、前記駆動部と前記被駆動部の接触方向への変位を交互に繰り返す様に、駆動信号を印加する圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項１０】
請求項１から７のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータを備えた電子機器に関し、特に高精度な位置決め制御が可能な圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体を始めとする製造装置、計測器等に使われるステージあるいはハードディスクやＤＶＤ等の情報機器に使われるヘッドの駆動には高い位置決め精度が望まれている。
【０００３】
古くから、これら駆動部には電磁型のアクチュエータが使われてきたが、これら高精度な位置決めの要求のもと、最近では圧電素子や圧電素子を用いた超音波モータが使われ出している（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】
小坂光二　非共振型超音波モータ駆動ステージの開発とそれを応用した超精密ＸＹステージの開発　精密工学会　超精密位置決め専門委員会定例会講演前刷集ＮＯ．２００２−１
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電素子の変形を利用したものは得られる変位が極めて小さい為、用途が限られてしまう。また、弾性体の共振を利用した超音波モータの場合、温度や負荷等の影響により共振点が変動する為、安定に駆動する為の駆動回路が複雑となる。また、特にリニヤ型の超音波モータの場合、振動を阻害せずに支持することが難しく、製品個々のばらつきや支持部の剛性不足の為、高精度な位置決めが難しいと言った課題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する為に、本発明にかかわる圧電アクチュエータは、弾性体の共振を用いずに駆動する。その為に、異なる方向に変位する複数の圧電体で駆動部を構成すると共に駆動部全体を一体的に圧電体で構成することで、共振を使わずにも大きな変位を得ると共に、構造並びに製造を簡単にする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明にかかわる実施の形態を詳細に説明する。
【０００８】
図１、２は本発明の圧電アクチュエータの基本構成を示したものである。
【０００９】
図１において、駆動部となる圧電アクチュエータ１は第一の圧電体１ａ、第二の圧電体１ｂ、第三の圧電体１ｃから構成されている。第二の圧電体１ｂ、第三の圧電体１ｃの端面には例えばカーボンファイバーを含有した樹脂やアルミナやジルコニヤ等のセラミクスからなる摩擦材２ａ，２ｂが設けられている。
【００１０】
圧電アクチュエータ１には加圧力が加えられ、例えばローラ３ａ，３ｂの上に設けられ、直動動作する被駆動部となるレール４と接触している。
【００１１】
第一の圧電体１ａと、第二の圧電体１ｂ，第三の圧電体１ｃとは、異なる方向に変位する為、これらの変位を合成することで摩擦材２の部分には、被駆動部の駆動方向への変位成分ｘと、駆動部と被駆動部の接触圧方向の変位成分ｙの両方を持った変位、例えば楕円運動を発生させることが出来る。従って、レール４を移動させることが出来る。
【００１２】
また逆に、レール４を固定し、圧電アクチュエータ１を一方向に動作自由とすれば、圧電アクチュエータ１自体を駆動させることが出来る。
【００１３】
図２において駆動部となる圧電アクチュエータ５は第一の圧電体５ａ、第二の圧電体５ｂ及び固定部材８から構成されている。
【００１４】
第一の圧電体５ａの一端に設けられた固定部材８には加圧力が加えられ、回転軸８ａを中心に圧電アクチュエータ５には回転力が加わり、第二の圧電体５ｂの一端と被駆動部６のロータ６ａと接触している。
【００１５】
第一の圧電体５ａと第二の圧電体５ｂは異なる方向に変位する為、これらの変位を合成することで第二の圧電体５ｂの先端には、被駆動部の駆動方向への変位成分ｘと、駆動部と被駆動部の接触圧方向の変位成分ｙの両方を持った変位、例えば楕円運動を発生させることが出来るため、ロータ６ａを回転させることが出来る。
【００１６】
従ってロータ６ａにアーム６ｂを設け、アーム６ｂの先端にヘッド６ｃを設ければ、例えば磁気ディスク７の情報を読み取ることができる。本発明の圧電アクチュエータは応答性、剛性が高く、高精度な位置決め精度が可能な為、ディスクのトラック密度を上げることが可能であり、小形で記録密度の大きなディスクの情報を読み取ることが可能である。また、消費電力が小さく、機器の省電力化が図れる。
【００１７】
また、本圧電アクチュエータ５は先に示した様にリニヤ型のアクチュエータに応用することも容易である。
【００１８】
ところで、ここで第一の圧電体５ａのみを駆動すればその動きに伴って、それと加圧接触する被駆動部を動作させることが出来る。圧電体と被駆動部が常に接触していると共に、圧電素子の僅かな変位を直接利用できる為、微小な変位動作を応答性良く行わせることが出来る。
【００１９】
この動作を利用して、例えば情報記録機器におけるピックアップの微調整動作に用いる。先に示した通常動作にこの動作を組み合わせることにより、高精度な位置決めが出来ると共に、ディスクの回転ムラ、偏心等にもピックアップの動作が瞬時に対応できる。
【００２０】
尚、この微動方法は本発明の圧電アクチュエータに限るものではなく、二つの方向に独立に変位する圧電体を備えた圧電アクチュエータであれば適用できる。
【００２１】
（実施の形態１）
図３、４を基に、本発明の圧電アクチュエータ９の構成、並びに駆動方法について説明する。
【００２２】
圧電アクチュエータ９は第一の圧電体９ａ、第二の圧電体９ｂ、第三の圧電体９ｃから構成されている。各圧電体９ａ、９ｂ、９ｃは長手方向に変位を発生するものである。一枚の圧電体で圧電アクチュエータ９を構成しても良いし、例えば積層アクチュエータ等、複数の圧電体を接合して構成してもかまわない。分極方向に電圧を印可し、分極方向の歪を利用する圧電縦効果を用いても良いし、分極方向に電圧を印可し、分極方向と直交方向歪を利用する圧電横効果を用いても良い。
【００２３】
次に、駆動方法の例を示す。図３において、第三の圧電体９ｃを伸ばし、第二の圧電体９ｂを基準位置（電圧無印加状態）とする、もしくは縮ませる（▲１▼）。▲１▼の状態から第一の圧電体９ａを伸ばす（▲２▼）。▲２▼の状態から第二の圧電体を伸ばす（▲３▼）。▲３▼の状態から第三の圧電体９ｃを基準位置（電圧無印加状態）とする、もしくは縮ませる（▲４▼）。▲４▼の状態から第一の圧電体９ａを基準位置（電圧無印加状態）とする、もしくは縮ませる（▲５▼）。この▲１▼〜▲５▼の一連の手順を繰り返すことにより、連続的な動作で被稼動物は移動する。
【００２４】
圧電体に印加する信号は通常の異極性を持った交番電圧でも構わないが、分極時の電圧と同極性とすることが望ましい。これにより、逆極性の電圧を印加した場合に心配される分極の劣化を心配せずに済み、大きな電圧を印加出来る為、非共振状態でも大きな振幅が得られる。
【００２５】
ここで、各圧電体に加える信号の周波数は駆動部の共振を外れた周波数である。特に各圧電体に信号を印加する事により励振される第一の共振点よりも低い周波数である。しかしながら、圧電アクチュエータ９のｙ方向振動すなわちレール４との接触圧方向の振動周波数については低くしすぎると、圧電アクチュエータ９とレール４がほとんど接触した状態となり、動作ができなかったり効率が極めて低下するので限度がある。
【００２６】
各圧電体における信号の印加方法のタイミング例を図３（ｂ）に、この時の圧電体９ｂの自由端の動きを図３（ｃ）に示す。この様に圧電体の移動体との接触点における振動変位の一周期において、移動体もしくは圧電体の移動方向への変位と、移動体と圧電体との接触方向への変位を交互に発生させることで圧電体と移動体の間には滑りがなく寿命が長く効率の良い圧電アクチュエータが実現できる。尚、この様な駆動方法は本圧電アクチュエータに限るものではなくこの様な二つの方向に変位が発生可能なアクチュエータであれば他の方式でも構わない。また、各状態の時間及び、各信号の位相関係はここに示したものに限らない。
【００２７】
別の例として図４において、第一の圧電体９ａを伸ばし、第三の圧電体９ｃを伸ばし、第二の圧電体９ｂを基準位置（電圧無印加状態）とする、もしくは縮ませる（▲１▼）。▲１▼の状態から第二の圧電体９ｂを伸ばし、第三の圧電体９ｃを基準位置（電圧無印加状態）とする、もしくは縮ませる（▲２▼）。▲２▼の状態から第一の圧電体９ａを基準位置（電圧無印加状態）とする、もしくは縮ませる（▲３▼）。▲３▼の状態から第二の圧電体９ｂを基準位置（電圧無印加状態）とする、もしくは縮ませるとともに、第三の圧電体９ｃを伸ばす（▲４▼）。この▲１▼〜▲４▼の一連の手順を繰り返すことにより、連続的な動作で被稼動物は移動する。
【００２８】
各圧電体における信号の印加方法のタイミング例及び振動変位を図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すが、各状態の時間及び、各信号の位相関係はここに示したものに限らない。即ち、圧電アクチュエータ９の被駆動部との接触点はｘ、ｙ両方向成分を持ち、稼動部を移動できるものであれば良い。もちろん各信号の位相を変えることで逆転動作が可能となる。
【００２９】
図２に示した様に第一の圧電体と第二の圧電体のみで圧電アクチュエータを構成した場合も同様である。図２では第一の圧電体５ａの一端に、第一の圧電体５ａの変位方向と直交する方向に第二の圧電体５ｂを設け、第一の圧電体５ａの他端に固定部材を設け固定部材を支持、加圧する構成となっている。
【００３０】
（実施の形態２）
本発明の圧電アクチュエータの例を図５、６に基づいて説明する。本実施の形態では、先に示した伸び変位の他に曲げ変位を利用するものである。
【００３１】
図５において、圧電アクチュエータ１０はバイモルフもしくはユニモルフ構成により曲げ変位を発生する圧電体１０ａと、その両端に伸び変位を発生する第二の圧電体１０ｂ、第三の圧電体１０ｃからなる。先に示した様に、各圧電体１０ａ、１０ｂ、１０ｃに印加する信号のタイミングを変えることで第二の圧電体１０ｂ、第三の圧電体１０ｃの先端で被駆動部を駆動させることが可能となる。また、第二の圧電体１０ｂ、第三の圧電体１０ｃもバイモルフもしくはユニモルフ構成とし、曲げ変位を発生させても構わない。曲げ変位の方が力は小さいが大きな変位を得られる為、軽負荷、高速駆動には向いている。
【００３２】
図６はこのように曲げ変位のみを用いたものであり、圧電アクチュエータ１１は曲げ変位を発生するバイモルフもしくはユニモルフ構成の二つの圧電体１１ａ、１１ｂから構成されている。
【００３３】
この他、圧電素子のせん断変形を適用することも容易である。
【００３４】
また、図１０に示す様に駆動部を一端が固定された一つのバイモルフもしくはユニモルフ構造の圧電体１８で構成しても良い。この場合、バイモルフ構造の圧電体１５を構成する二つの圧電体１８ａ、１８ｂに位相の異なる信号、例えば９０度位相の異なる信号を加えることでも圧電体１８の自由端１８ｃや１８ｄは楕円運動を行う為、これと接する図示しない被駆動部もしくは駆動部１５を稼動することが出来る。
【００３５】
（実施の形態３）
本発明のアクチュエータの例を製造方法を含め説明する。
【００３６】
図７（ａ）は本発明の圧電アクチュエータ１２の外観を示す図であり、第一の圧電体１２ｉ、第二の圧電体１２ｊ、第三の圧電体１２ｋが一体的に形成されており第二の圧電体１２ｊ、第三の圧電体１２ｋの先端には摩擦材１３ａ、１３ｂが接合されている。第一の圧電体１２ｉはｘ方向に変位し、第二の圧電体１２ｊ、第三の圧電体１２ｋはｙ方向に変位する。
【００３７】
以下に、製造方法について説明する。図７（ｃ）に示す様に圧電材からなるシート１２ｃの上面には電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃが設けられている。図７（ｄ）に示す様に圧電材からなるシート１２ｄの上面には電極１４ｄが設けられている。焼成前のシート１２ｃ、１２ｄを交互に複数枚積み重ね、仮焼きした後、溝部１２ａ、１２ｂをダイシング等によって設ける。その後本焼成を行う。実際にはシート１２ｃ、１２ｄが複数含まれる一枚の大きなシートを積み重ねた後、個々の圧電アクチュエータに切断することで、一度に複数の圧電アクチュエータが作製できる。
【００３８】
図７（ｂ）は圧電アクチュエータ１２の側面を示したものであるが、電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、は夫々側面の電極１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｅで短絡される。電極１４ｅをＧＮＤとして電極１４ｆ、１４ｇ、１４ｈに高電界を印可することにより各シートはその厚み方向に分極処理される。電極１４ａと電極１４ｄで挟まれる部分は第一の圧電体１２ｉとして変位し、電極１４ｂと電極１４ｄで挟まれる部分は第二の圧電材１２ｊとして変位し、電極１４ｃと電極１４ｄで挟まれる部分は第三の圧電体１２ｋとして変位する。
【００３９】
ここでは圧電アクチュエータ１２の側面において各電極の短絡を行ったが、スルーホール等を用いても構わない。
【００４０】
図８に図７の例の電極の変形例を示す。図７における電極１４ａを図８において電極１４ｉ、１４ｊに分割している。圧電体１２ｅの中央部に電極の無い部分を設けることで第一の圧電体１２ｉの中央部は変位しない為、加圧や支持の影響を受けない。
【００４１】
このように、圧電アクチュエータを積層素子で構成することにより低電圧で駆動出来る為、駆動回路が簡単になる。また接合部がなく一体的に構成されているため破壊に対して強く、大きな電圧が印可できるため大きな変位が得られる。更には構造が簡単で製造が容易な為、安価な圧電アクチュエータが実現できる。
【００４２】
ところで、積層方向については様々な例が考えられる。図９は図２の圧電アクチュエータの構成例であるが幅方向に積層してある（図中点線が各層の境界）。この場合第一の圧電材は圧電横効果を用い、第二の圧電体は圧電縦効果を用いている。圧電縦効果は電気機械結合係数が高く大きな変位、力が得られるため、本構成では加圧力を大きく出来るため、大きなトルクが得られる。また、第一の圧電材の長さを長くしたり圧電縦効果を用いれば推力方向の変位が得られる為、大きな推進スピードが得られる。
【００４３】
この様に、用途や仕様に応じた設計の自由度が高い。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によると簡易な構造で、高精度な位置決めが可能な安価な圧電アクチュエータを実現できる。特に、本圧電アクチュエータは形状の自由度が高く、そして圧電アクチュエータの支持部、加圧部を含め圧電アクチュエータの全て、もしくは、ほとんどを圧電素子のみで構成できるため、小型・薄型化も可能である。そして、本圧電アクチュエータを電子機器に搭載することにより、電子機器の小型、低消費電力化、耐振動性等の性能を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータ及びその応用例を示す図である。
【図３】本発明の圧電アクチュエータの駆動原理を示す図である。
【図４】本発明の圧電アクチュエータの別の駆動原理を示す図である。
【図５】本発明の圧電アクチュエータにおいて曲げ変位を利用した例を示す図である。
【図６】本発明の圧電アクチュエータにおいて曲げ変位を利用した別の例を示す図である。
【図７】本発明の圧電アクチュエータの構成並びに製造方法を示す図である。
【図８】本発明の圧電アクチュエータの電極パターンの別の例を示す図である。
【図９】本発明の圧電アクチュエータにおける積層方向の違う例を示す図である。
【図１０】本発明の圧電アクチュエータの別の構成を示す図である。
【符号の説明】
１，５，９，１０，１１，１２，１５，１８　圧電アクチュエータ
４，６　稼動部
８，１７　固定部材
【図１】
2004048984.tif 000003
【図２】
2004048984.tif 000004
【図３】
2004048984.tif 000005
【図４】
2004048984.tif 000006
【図５】
2004048984.tif 000007
【図６】
2004048984.tif 000008
【図７】
2004048984.tif 000009
【図８】
2004048984.tif 000010
【図９】
2004048984.tif 000011
【図１０】
2004048984.tif 000012