JP2000278971A

JP2000278971A - 圧電アクチュエータとその製造方法

Info

Publication number: JP2000278971A
Application number: JP11082112A
Authority: JP
Inventors: Hidetaka Maeda; 英孝前田; Kazuo Tani; 和夫谷; Yoko Suzuki; 陽子鈴木; Mizuaki Suzuki; 瑞明鈴木
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2000-10-06

Abstract

(57)【要約】【課題】効果的な回転制御を行える圧電アクチュエー
タおよび圧電アクチュエータの製造方法を提供するこ
と。【解決手段】回転移動体１と、この回転移動体１の内
円接線方向に延出した一端固定他端自由とした複数の梁
部２４と当該梁部毎に展着した複数の圧電体２３とから
なる振動体２で、前記複数の振動体は圧電体の位置決め
機構２６を備えた。これにより、高精度な実装が可能と
なり、複数ある振動体の共振周波数のずれは最小限とす
る事ができ、回転トルクや回転速度ムラが少ない良好な
特性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、効果的な回転制
御を行える圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエー
タの制御方法並びに圧電アクチュエータの制御方法をコ
ンピュータに実行させるプログラムを格納した、コンピ
ュータが読取可能な記憶媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在ＯＡ機器、情報処理機器の小型化が
進み、これに伴って、駆動・搬送に用いる動力源として
圧電アクチュエータが注目されている。このような圧電
アクチュエータの一例として、本願出願人らにより開発
されたマイクロ圧電モータが知られている（電気学会
第１５回センサ・シンポジウム TECHNICAL DIGEST１
８１頁〜１８４頁１９９７年）。

【０００３】図４に、そのマイクロ圧電モータの組立図
を示す。このマイクロ圧電モータ２００は、軸突起部１
１を持つ円盤状の回転移動体１と、振動体ブロック２０
２と、軸突起部１を支持する基盤シャーシ３とから構成
されている。振動体ブロック２０２には、伸縮運動を発
生する圧電素子４を梁部２２１に張着した屈曲変位機構
部２２２が３つ設けてある。前記屈曲変位機構部２２２
はＬ字形状をしており、このＬ字形状の短辺端部は振動
体ブロック２０２の中心部２２３に固定されている。こ
の屈曲変位機構部２２２は、回転移動体１の摺動部１２
に内包される円の接線方向と一致するように配置する。

【０００４】また、回転移動体１および基盤シャーシ３
には磁気吸着力の発生する磁石材料を用い、回転移動体
１と振動体ブロック２０２とを一定加圧下で接触させ
る。また、振動体ブロック２０２、特に屈曲変位機構部
２２２には、前記磁石材料の磁力の影響を受けないよう
に非磁性体材料を用いる。回転移動体１の軸突起部１１
は、振動体ブロック２０２の中空軸穴２２５にて軸支さ
れる。回転移動体１の本体は、金属または樹脂系で形成
し、振動体ブロック２０２との摺動面１２には酸化皮膜
処理を施す。また、回転移動体１や振動体ブロック２０
２などの形成には、エッチング等のフォトファブリケー
ション技術を用いる。

【０００５】図５は、このマイクロ圧電モータの動作原
理を示す説明図である。圧電素子４に特定周波数の駆動
電圧を印加することにより、当該圧電素子４が図中矢印
Ａ方向に伸縮する。この伸縮により屈曲変位機構部２２
２が図中矢印Ｂ方向に振動する。屈曲変位機構部２２２
が振動すると、当該屈曲変位機構部２２２の先端が回転
移動体１に接触する。接触方向は、回転移動体１に対し
て垂直ではなく、図中矢印Ｃの示す方向であるから、そ
の横方向の力の成分Ｃｈにより回転移動体１が移動する
ことになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のマイクロ圧
電モータ２００では、複数の圧電素子を用いており、こ
れらの圧電素子のそれぞれに駆動電圧を印加することで
回転移動体を回転させている。すなわち、各圧電素子２
３それぞれが、上記図５に示したように前記回転移動体
１に接触し、その横方向の力成分Ｃｈにより回転移動体
１を回転させている。また最大の横方向の力成分Ｃｈが
得られるように、駆動電圧は、共振周波数を使用するこ
とが望ましい、しかしながら振動体・圧電体の加工精度
や振動体・圧電体との展着位置により共振周波数が変化
してしまい振動成分Ｃが各々の振動体で振幅量が変わっ
てしまいトルク変動や速度変動という問題が生じてしま
うと言う問題があった。

【０００７】この発明は、上記に鑑みてなされたもので
あって、効果的な回転制御を行える圧電アクチュエータ
および圧電アクチュエータの製造方法を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に係る圧電アクチュエータは回転移動体
と、この回転移動体の内円接線方向に延出した一端固定
他端自由とした複数の梁部と当該梁部毎に展着した複数
の圧電体とからなる振動体で、前記複数の振動体は圧電
体の位置決め機構を備えたものである。

【０００９】振動体に圧電体を展着させるための位置決
め機構を備えたことで高精度な実装が可能となり、複数
ある振動体の共振周波数のずれは最小限とする事が出来
る。よって回転トルクや回転速度ムラが少ない良好な特
性が得られる。

【００１０】また、請求項２に係る上記請求項１記載
の圧電アクチュエータであって、振動体を薄膜プロセス
によってシリコン基板上に形成する事で高精度に振動体
を作成することができ、さらに圧電体を展着させる時の
位置決め機構を比較的安易に設けることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
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。

【００１２】（実施の形態１）図１は、この発明の実施
の形態１に係るマイクロ圧電モータを示す組立図であ
る。このマイクロ圧電モータ１００は、軸突起部１１を
持つ回転移動体１と、Ｌ字形状の屈曲変位機構部２１を
持つ振動体ブロック２と、軸突起部１１を支持する基盤
シャーシ３とから構成されている。また、回転移動体１
および基盤シャーシ３には磁気吸着力の発生する磁石材
料を用い、回転移動体１と振動体ブロック２とを一定加
圧下で接触させている。例えば回転移動体１にはステン
レス系、基盤シャーシにはネオジウム系の磁石材料を用
いる。この磁石材料によって基盤シャーシ３が回転移動
体側に引き寄せられるので、回転移動体１の摺動部１２
と振動体ブロック２の屈曲変位機構部２１との間で安定
した密着性が得られる。また、振動体ブロック２、特に
屈曲変位機構部２１には、前記磁石材料の磁力の影響を
受けないように非磁性体材料を用いるのが好ましい。

【００１３】回転移動体１の軸突起部１１は、振動体ブ
ロック２の中空軸穴２２にて軸支される。逆に、回転移
動体側に中空軸穴を設け、振動体ブロック側に軸突起部
を設けるようにしてもよい。回転移動体１の摺動部１２
には、屈曲変位機構部２２との摩擦が生じる部分である
から、摩擦係数が大きいこと、耐磨耗性に優れること、
安定した摩擦係数を維持できることなどの要求を満たす
材料を用いるのが好ましい。例えば回転移動体１の本体
を金属または樹脂系で形成しておき、摺動部１２に酸化
皮膜処理を施すようにする。また、前記摺動部１２を、
セルロース系繊維、カーボン系繊維、ウィスカとフェノ
ール樹脂との複合材料、ポリイミド樹脂とポリアミド樹
脂との複合材料を用いて形成するようにしてもよい。

【００１４】図２＜ａ＞に、前記振動体ブロック２の詳
細構造を示す。屈曲変位機構部２１は、３つ均等配置さ
れ、それぞれが伸縮運動を発生する圧電素子２３を梁部
２４に張着した構造である。屈曲変位機構部２１はＬ字
形状をしており、このＬ字形状の短辺端部は振動体ブロ
ック２の中心部２５に固定されている。この屈曲変位機
構部２１は、前記摺動部１２に内包される円の接線方向
と一致するように配置する。この屈曲変位機構部２１の
自由端が描く楕円運動の方向によって、回転移動体１の
回転方向が決まる。ここでは、回転移動体１を軸支した
構成であるから、屈曲変位機構部２１の運動軌跡を回転
移動体１の運動軌跡に一致させれば、屈曲変位機構部２
１から回転移動体１への運動転換が効率的なものとな
る。

【００１５】図２＜ｂ＞は、前記振動体ブロック２の圧
電素子の展着構造の詳細を示す。薄膜プロセスで制作さ
れた振動体２は、圧電素子２３を展着させる時に高精度
で展着させるための圧電素子位置決め機構２６を有して
いる、この圧電素子位置決め機構２６により電着位置精
度が保たれている。

【００１６】図中では屈曲変位機構部２１が時計回りに
突設してるが、この突設方向を反対にすると、回転移動
体１が反対向きに回転することになる。また、屈曲変位
機構部２１の回転中心からの距離と振動体ブロック２に
設ける屈曲変位機構部２１の形状および数により、マイ
クロ圧電モータ１００の回転トルクおよび回転速度が決
まる。屈曲変位機構部２１の位置、すなわち回転移動体
１の回転中心から屈曲変位機構部２１までの距離や、屈
曲変位機構部２１の形状および数は、要求されるマイク
ロ圧電モータ１００の仕様に基づき設定する。

【００１７】前記圧電素子２３とは、歪発生機能、共振
機能および電圧発生機能を兼ね備えた材料をいう。すな
わち、印加された電圧に応じて応力ないし変位を生じ、
印加電圧の周波数により共振現象を生じさせ、加えられ
た圧力に応じて電圧が発生する特性を示す材料である。
圧電素子２３の代表例である圧電セラミックとしては、
チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウムやジルコンチタン
酸鉛などが挙げられる。また、圧電セラミックスの代わ
りに、傾斜機能材料やリチウムナイオベートを用いるこ
ともできる。振動体ブロックには、シリコン基板を用い
る。

【００１８】回転移動体１の形成には、エッチング等の
フォトファブリケーション技術を用いるのが好ましい。
非機械加工プロセスを用いることで、加工形成時に発生
する変形、応力および機械的ストレスを排除できる。ま
た、部品の高精度化より、各要素部品の組立調整工程を
最小限に抑えることができると共に、機能および再現性
が安定する。

【００１９】図３は、このマイクロ圧電モータ１００の
振動体ブロック２の製造方法を詳細に示した図である。
振動体ブロック２の形成には、まず図３＜ａ＞のような
シリコン基板３１に対し、図３＜ｂ＞のように熱酸化に
よって０．３μｍの酸化膜３２を形成する。これに対し
て両面にレジストを塗付、パターニング後にレジストを
マスクとして図３＜ｃ＞のようにバッファフッ酸により
ウエットエッチングを行い、酸化膜３２の一部を除去す
る。次に図３＜ｄ＞のようにレジストを全面的に剥離し
た後に、残された熱酸化膜３２をマスクとして図３＜ｆ
＞のようにＫＯＨ或いは、ＴＭＡＨによってシリコン基
板３１のウエットエッチングを行い、その後図３＜ｇ＞
のように酸化膜３２をバッファフッ酸によって全面剥離
する。このエッチングされた面にＡｌ或いはＡｕ等をス
パッタを用い両全面に成膜し電極処理を行う。

【００２０】また、接着によって前記梁部２４と電歪素
子２３とを一体化する。係る接着に要求される条件は、
非常に薄い接着層であること、接着層が非常に硬く且つ
強靱であること、圧電素子２３と梁部２４との接着後は
共振周波数付近の抵抗値が小さいことである。例えば前
記接着には、ホットメルトおよびエポキシ樹脂に代表さ
れる高分子接着材を用いる。なお、接着剤を用いないで
圧電素子２３を直接接合してもよい。また、薄膜形成、
圧膜形成のプロセス手段により圧電素子２３を設けるよ
うにしてもよい。また、屈曲変位機構部２１としては、
１枚の圧電素子２３で構成されるユニモルフ型、２枚の
圧電素子で構成されるバイモルフ型、または、４枚以上
の圧電素子で構成されるマルチモルフ型があり、いずれ
を用いるようにしても良い。圧電素子２３や梁部２４の
材料およびこれらの接着方法は、マイクロ圧電モータ１
００に要求される屈曲変位機構部２１の変位量、力、応
答性および構造的制約条件により設定される。

【００２１】具体的には、図２に示した振動体ブロック
２では、３つの圧電素子２３を用いて屈曲変位機構部２
１を構成し、この屈曲変位機構部２１を振動体ブロック
２の外周に沿って均等配置する。径は数ミリ程度であ
る。屈曲変位機構部２１の梁部２４は、百ミクロン程度
のシリコン基板をエッチングすることにより形成する。
また、圧電素子２３には、圧電定数の高い薄膜ジルコン
チタン酸鉛を用いてある。梁部２４と圧電素子２３との
間には、直接接合または接着剤による接合であっても接
合界面が存在する。この接合界面は、梁部２４と圧電素
子２３との間の伝搬特性を決める重要な因子となる。こ
のため、接着剤の特性およびその膜厚管理が重要とな
る。本例では、エポキシ系の接着剤を用いて最適膜厚に
なるようにした。

【００２２】つぎに、屈曲変位機構部２１の形状は、そ
の有効長、特に固定端から自由端までの長さが縦運動と
楕円運動の変位量と相関関係があることを考慮して設定
する。また、各屈曲変位機構部２１の固有振動数は形状
に依存するので、シミュレーションモデルの結果と実験
データとから、仕様に合うよう決定する。本例の振動体
ブロック２の形状は、所望するマイクロ圧電モータ１０
０の径寸法と、回転移動体１の負荷条件とを基に定め
た。

【００２３】また、この屈曲変位機構部２１は、ユニモ
ルフ型構成を採用した。変位電圧特性上でヒステリシス
を持ちにくい特性を持つためである。また、バイモルフ
型と比較して変位量は小さいが発生力が大きいこと、回
転移動体１の負荷荷重および加圧力が適当であるためで
ある。なお、回転型アクチュエータ１００の仕様によ
り、マルチモルフ型を採用し、厚みを一定に維持した上
で層数を増やすことで変位と力とを増加させることもで
きる。また、屈曲変位機構部２１の固定端から自由端に
かけてテーパーを設け、応答性を向上させることもでき
る。係る構成による振動体ブロック２によれば、屈曲変
位機構部２１の屈曲変位を極めて安定に励起することが
できる。なお、振動体ブロック２の屈曲変位機構部２１
の配置、形状、数量および構成は、図２に示した例に限
定されない。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の圧電ア
クチュエータ（請求項１）では、回転移動体と、この回
転移動体の内円接線方向に延出した一端固定他端自由と
した複数の梁部と当該梁部毎に展着した複数の圧電体と
からなり、圧電体の展着位置決め機構を有す振動体であ
る。このため、回転移動体を安定的に回転させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る回転型アクチュ
エータを示す組立図である。

【図２】図１に示した振動体ブロックの詳細構造を示す
説明図である。

【図３】圧電モータの振動体ブロックの製造工程を示す
説明図である。

【図４】従来のマイクロ圧電モータの一例を示す組立図
である。

【図５】図４に示したマイクロ圧電モータの動作原理を
示す説明図である。

【符号の説明】

１００回転型アクチュエータ１回転移動体１１軸突起部１２摺動部２振動体ブロック２１屈曲変位機構部２３圧電素子２４梁部２６圧電素子位置決め機構３基盤シャーシ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木陽子千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内 (72)発明者鈴木瑞明千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内Ｆターム(参考） 5H680 AA10 AA12 BB02 DD02 DD15 DD23 DD24 DD35 DD39 DD40 DD45 DD46 DD76 DD85 FF08 FF16 GG01 GG02 GG15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転移動体と、この回転移動体の内円接線方向に延出した一端固定他端
自由とした複数の梁部と当該梁部毎に展着した複数の圧
電体とからなる振動体と、前記複数の振動体は圧電体の位置決め機構を有している
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】請求項１記載の圧電アクチュエータの製
造方法。