(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の圧電材料からなる振動体と、
前記振動体の一方の面全体に設けられた第１の電極膜と、
前記振動体内に形成され、一端固定他端自由の変位屈曲部と、
前記一方の面とは反対側の他方の面の前記変位屈曲部のみに設けられた第２の電極膜と、
前記振動体の一方の面に接するように備えられた移動体と、を有し、
前記第１の電極膜及び第２の電極膜に交流電圧を印加することにより前記変位屈曲部が屈曲振動し、
前記変位屈曲部の屈曲振動により前記移動体と前記変位屈曲部との間に発生する摩擦力によって、前記移動体が運動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動体内に前記変位屈曲部が複数、同一方向に配列され、前記振動体に接する前記移動体が直線運動することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記振動体内に複合変位部が複数、同一円周上に配列され、前記振動体に接する前記移動体が回転運動することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記振動体内の前記変位屈曲部を除く部分に、前記第２の電極膜と接続されたリード配線取付用電極膜が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子を用いた圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子を用いたアクチュエータの一例として、超音波モータがある。超音波モータは従来の電磁モータに比べ、▲１▼微小サイズで高い発生力が出る▲２▼応答性が良い▲３▼磁気の影響を受けない▲４▼簡易構造などの利点があり、今後ますます小型，高機能化する電子機器の駆動源として注目されている。従来の超音波モータにおいては、圧電セラミックからなる圧電素子と金属等からなる弾性体により駆動源となる振動体を構成し、この振動体面に移動体を加圧接触させた構造が知られている。
【０００３】
超音波モータの動作原理を以下に説明する。電圧を印加することにより伸縮する性質をもつ圧電素子に、周期的な電圧変化である交流電圧を印加すると圧電素子が振動を起こす。その振動エネルギーを弾性体に伝搬することによって、弾性体に水平方向成分の運動量を持つ屈曲振動を起こさせることができる。振動する弾性体面に移動体を加圧接触させることにより、水平方向成分の運動エネルギーを摩擦によって取り出すことができ、移動体を水平方向に運動させることができる。
【０００４】
上記のような圧電アクチュエータの動作原理によると、圧電素子の振動エネルギーを弾性体に伝搬する際の伝搬効率が重要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波モータ等の圧電アクチュエータにおいて、駆動源となる振動体は、圧電素子と金属等の弾性体より構成され、それらは接着剤等により接合されていた。このような振動体の構造では、圧電素子と弾性体との間に接着剤の接合層が存在するため、振動の減衰が起こり振動エネルギーの伝搬効率が低くなる。
【０００６】
また、従来の超音波モータ等の圧電アクチュエータおいて、圧電素子に電圧の入力をするためのリード配線は、半田等により圧電素子の電極上に直接接合していたため、これによって圧電素子の振動が抑制されていた。
そこで、本発明では従来の圧電アクチュエータに比べ、振動エネルギーの伝搬効率および圧電素子の振動特性を向上させることができる圧電アクチュエータの構造を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明による第１の圧電アクチュエータは、従来の圧電アクチュエータにおける振動体の接合層による振動の減衰を解消するために、板状の圧電材料からなる振動体と、前記振動体の一方の面全体に設けられた第１の電極膜と、前記振動体内に形成され、一端固定他端自由の変位屈曲部と、前記一方の面とは反対側の他方の面の前記変位屈曲部のみに設けられた第２の電極膜と、前記振動体の一方の面に接するように備えられた移動体と、を有し、前記第１の電極膜及び第２の電極膜に交流電圧を印加することにより前記変位屈曲部が屈曲振動し、前記変位屈曲部の屈曲振動により前記移動体と前記変位屈曲部との間に発生する摩擦力によって、前記移動体が運動することを特徴とする。
【０００８】
よって、前記第１の電極膜及び第２の電極膜に交流電圧を印加することにより前記変位屈曲部が屈曲振動を起こし、前記移動体と前記変位屈曲部との間に生じる摩擦力によって、前記移動体を運動させることができる。
本発明による第２の圧電アクチュエータは、従来の直進運動型圧電アクチュエータに比べ、より振動エネルギーの伝搬効率を向上させるために、本発明による第１の圧電アクチュエータにおいて、前記振動体内に前記変位屈曲部が複数、同一方向に配列され、前記振動体に接する前記移動体が直線運動することを特徴とする。
【０００９】
本発明による第３の圧電アクチュエータは、従来の回転運動型圧電アクチュエータに比べ、より振動エネルギーの伝搬効率を向上させるために、本発明による第１の圧電アクチュエータにおいて、前記振動体内に前記変位屈曲部が複数、同一円周上に配列され、前記振動体に接する前記移動体が回転運動することを特徴とする。
【００１０】
本発明による第４の圧電アクチュエータは、圧電素子の電極表面に直接接合したリード配線による圧電素子の振動減衰を解消するために、本発明による第１の圧電アクチュエータにおいて、前記振動体内の前記変位屈曲部を除く部分に、前記第２の電極膜と接続されたリード配線パターンが設けられていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
本発明の圧電アクチュエータにおける実施の形態の一例を図１に示す。図１(A)、(B)は、同一の直進型圧電アクチュエータをそれぞれ上方、下方から見た斜視図である。図１に示す圧電アクチュエータは、移動体11と振動体12により構成されている。前記振動体12は圧電材料からなり、前記振動体内に一端固定他端自由の変位屈曲部13が複数、同一方向に形成されている。振動体の一方の面全体に第１の電極膜が作製されており、また他方の面においては、前記変位屈曲部13のみに第２の電極膜14が作製されている。このような電極膜の構造により、前記変位屈曲部13のみを電気的に分極することができ、また前記変位屈曲部13のみに入力電圧を印加することができる。
【００１２】
また、前記電極膜には、電圧を入力するためにリード配線15が取り付けられており、交流電圧源16が接続されている。リード配線の取付方法については、半田付けおよびワイヤーボンディング等が考えられるが、本発明ではワイヤーボンディングを用いた。また、導電性の接着剤等を用いてもよい。
次に本発明における圧電アクチュエータの動作原理について説明する。図２に交流電圧を電極膜に入力したときの前記変位屈曲部の挙動を示す。
【００１３】
圧電素子は電圧を印加すると変位変形する物体であるため、電圧を周期的に入力することによって圧電素子を振動させることができる。特に入力する交流電圧の周波数を圧電素子の固有振動数に合致させると共振現象が起こり、圧電素子を機械的に固有振動させることができる。
同様の原理により、圧電材料からなる前記変位屈曲部に前記変位屈曲部の寸法および形状に応じた共振周波数を電極膜に印加すると、前記変位屈曲部は共振し、図２に示すような屈曲振動を起こす。図２は変位屈曲部を水平方向から見たもので、固定端を原点、変位屈曲部の長さ方向をx軸、変位方向をy軸にとったものである。共振時において変位屈曲部の先端21は、屈曲振動により水平方向の運動量22を持ち、その運動量を摩擦により移動体に伝搬することで、移動体を水平方向に運動させることができる。
【００１４】
次に、振動体の作製方法を図３に示す。図３(A)は変位屈曲部形成前の圧電材料の斜視図であり、図３(B)は変位屈曲部を形成した振動体の斜視図である。また、図３(C)、(D)は図３(B)の振動体に電極膜を作製したものをそれぞれ上方、下方から見た斜視図である。
振動体を構成する圧電材料として本実施の形態では、他の圧電材料に比べ電気機械変換効率がきわめて高いチタン酸ジルコン酸鉛(PbTiO3,PbZrO3)を用いた。また、他の圧電材料を選択することも可能である。
【００１５】
変位屈曲部の形成に関しては比較的複雑な形状のため、本実施の形態ではダイシング等の機械加工ではなく、エキシマレーザーによる加工を用いた。しかし、機械加工も不可能ではない。尚、他の方法としてサンドブラストによる加工やグリーンシート時にパンチングにより型抜いてもよい。いずれかの方法により、変位屈曲部31を形成したものが図３(B)である。
【００１６】
次に分極および電圧を入力するための電極膜の作製を行う。電極膜は前記変位屈曲部のみに作製すればよいが、工程の簡略、振動体表面の摩耗低減のために、一方の面は全体に第１の電極膜32を作製してもよい。他方の面は前記変位屈曲部のみに第２の電極膜33の作製を行う。電極膜を作製した振動体の斜視図を図３(C)、(D)に示す。
以上のような電極膜の構造によって、分極の際、変位屈曲部のみ分極電圧が掛かり、前記変位屈曲部のみが分極される。これによって振動体全体は圧電材料からなるが、圧電性としては、分極を施した前記変位屈曲部のみが持つことになる。
【００１７】
変位屈曲部の形状は、目的とするアクチュエータの発生力および入力電圧をもとに設定する。具体的には、物体の共振周波数は物体の寸法および形状に依存するため、それらの解析を得意とした有限要素法によるシミュレーションを利用することができる。計算結果と実験結果を比較、検討することにより、効率的に仕様に合う形状を設定することができる。以上が振動体の作製方法である。
【００１８】
移動体は図１においては、自重により加圧を行い駆動するものであるが、十分な摩擦が得られない場合は移動体の一方よりバネ等を利用した加圧機構を設け、加圧を大きくしてもよい。
また、本実施の形態においては、変位屈曲部を４つ設けたものを示してあるが、複数の変位屈曲部が一方向であれば変位屈曲部をいくつ設けてもよい。
（実施の形態２）
本発明の圧電アクチュエータにおける他の実施の形態例の基本構造を図４に示す。図４(A)、(B)は同一の回転型圧電アクチュエータをそれぞれ上方、下方から見た斜視図である。
【００１９】
この回転型圧電アクチュエータは回転移動体41、振動体42および軸受け43より構成される。振動体42は圧電材料からなり、振動体内には一端固定他端自由の変位屈曲部44が同一円周上に複数形成されている。前記変位屈曲部44の両面には電極膜が作製されており、実施の形態１の場合と同様に、一方の面は全面に第１の電極膜が作製され、他方の面においては前記変位屈曲部のみに第２の電極膜45が作製されている。このような電極膜の構造により、前記変位屈曲部44のみを電気的に分極することができる。振動体42の作製方法については、実施の形態１で述べたものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００２０】
本実施の形態の回転型圧電アクチュエータにおいては、振動体内に第２の電極膜４５の他に変位屈曲部を除く部分にリード配線取付用の電極膜46が第２の電極膜４５と接続されて設けられている。このリード配線取付用の電極膜46を設けることにより、変位屈曲部に直接リード配線を取り付けることなく、交流電圧を入力することができるので、変位屈曲部の振動を抑制することがない。
【００２１】
また、回転移動体41には回転軸49が形成されており、振動体内に形成した軸受け通し50を通り、軸受け43に収まるようになっている。
本実施の形態の回転型圧電アクチュエータは、変位屈曲部44を複数、同一円周上に配列したことによって、変位屈曲部44の駆動力を回転移動体41の接線方向に与えることができ、回転移動体41を効率良く回転運動させることができる。
【００２２】
また、本実施の形態に示した回転型圧電アクチュエータにおいては、振動体内に変位屈曲部44を３つ設けたものを示してあるが、複数の変位屈曲部が同一円周上にあるなら、変位屈曲部をいくつ設けてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明における第１の圧電アクチュエータでは、圧電材料を振動体に用い、振動体内に変位屈曲部を設けたので、弾性体および接着剤を必要とせず、また接着層における振動エネルギーの減衰がなくなるため、従来の弾性体と圧電素子からなる振動体に比べ、振動エネルギーの伝搬効率が良い圧電アクチュエータを作製することができる。
【００２４】
また、この発明における第２の圧電アクチュエータでは、第１の圧電アクチュエータにかかる振動体において、変位屈曲部を振動体内に一方向に配列させたので、移動体を直線運動させることができる。この振動体を用いることによって、従来の弾性体と圧電素子からなる振動体に比べ、振動エネルギー伝搬効率の良い直進型圧電アクチュエータを作製することができる。
【００２５】
また、この発明における第３の圧電アクチュエータでは、第１の圧電アクチュエータにかかる振動体において、変位屈曲部を振動体内に同一円周状に配列させたので、移動体を回転運動させることができる。この振動体を用いることによって、従来の弾性体と圧電素子からなる振動体に比べ、振動エネルギー伝搬効率の良い回転型圧電アクチュエータを作製することができる。
【００２６】
また、この発明における第４の圧電アクチュエータでは、第１の圧電アクチュエータにかかる振動体において、リード配線取付用の電極膜を振動体面上に設けたので、変位屈曲部の振動を抑制することなく交流電圧を入力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における直進型圧電アクチュエータを示す構成図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータの動作原理を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１における直進型圧電アクチュエータの振動体の作製方法を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２における回転型圧電アクチュエータを示す構成図である。
【符号の説明】
１１    移動体
１２    振動体
１３    変位屈曲部
１４    第２の電極膜（変位屈曲部のみ）
１５    リード配線
１６    交流電圧源
２１    変位屈曲部先端
２２    変位屈曲部先端の運動量の水平成分
２３    変位屈曲部先端の運動量
２４    変位屈曲部先端の運動量の垂直成分
３１    変位屈曲部
３２    第１の電極膜
３３    第２の電極膜（変位屈曲部のみ）
４１    移動体
４２    振動体
４３    軸受け
４４    変位屈曲部
４５    第２の電極膜（変位屈曲部のみ）
４６    リード配線取付用の電極膜
４７    リード配線
４８    交流電圧源
４９    回転軸
５０    回転軸通し
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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