JPH07176156A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電アクチュエータ要素の発生変位を飛躍的
に拡大した上で、より細かな微小変位を制御することが
できる圧電アクチュエータをを提供する。 【構成】 電気エネルギを機械エネルギに変換する複数
の直線変位型圧電セラミック板１７を変位方向に積層し
て構成された積層型圧電アクチュエータ要素１６と、こ
の圧電アクチュエータ要素１６の変位によりその変位方
向に対しほぼ直行し互いに逆向きの二つの変位を発生す
る１次変位拡大機構と、この１次変位拡大機構の両変位
の差により回転力を発生する２次変位拡大機構と、この
２次変位拡大機構の回転力により回転する駆動ロッド１
４と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電効果を利用して電
気エネルギを機械エネルギに変換し、負荷の運動を電気
的に制御する圧電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばハードディスクドライブ等
の情報記録機器におけるヘッドアクチュエータとして
は、いわゆるボイスコイルモータ（ＶＣＭ）が用いら
れ、ボイスコイルに通電する電流量に応じてヘッド支持
アームの回動角度を制御するようにしていた。

【０００３】しかしながら、このボイスコイルモータで
は、ボイスコイルを励磁することにより生じる磁束を用
い、この磁束と永久磁石との間で作用する力によりアー
ムを回転する構成であり、電気エネルギを磁気エネルギ
に変換しさらに機械エネルギに変換するため、応答速度
がそれほど速くないといった欠点がある。

【０００４】しかも、この種ヘッドアクチュエータつま
り電磁アクチュエータは、ボイスコイルや永久磁石等を
要し、構造が複雑で大形化し、しかも、外部への磁界の
影響もあり、小型機器への登載に限界がある。その上、
磁性材料や導電材料の特性からくる構造上の制約を受け
るため、より細かな微小変位を制御するのにも限界を生
じるといった問題がある。

【０００５】そこで最近では、圧電効果を利用して電気
エネルギを機械エネルギに変換し、負荷の運動を電気的
に制御する圧電アクチュエータ要素を実用化することが
考えられている。この圧電アクチュエータ要素として
は、直線変位タイプと屈曲変位タイプとがあり、用途に
応じて使い分けることができる。

【０００６】この圧電アクチュエータ要素によれば、電
気エネルギを機械エネルギに直接的に変換するため、磁
性材料や導電材料の特性からくる構造上の制約を受ける
ことがなく、高精度，高速応答が実現でき、小形化が可
能な上、外部への磁界の影響等が全くないといった利点
がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た圧電アクチュエータ要素にあっては、発生変位が非常
に微小であることから、このままでは実用化が困難な欠
点がある。

【０００８】本発明は、従来の技術の有するこのような
問題点に留意してなされたものであり、その目的とする
ところは、圧電アクチュエータ要素の発生変位を飛躍的
に拡大した上で、より細かな微小変位を制御することが
できる圧電アクチュエータを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明に係る圧電アクチュエータにおいては、電気
エネルギを機械エネルギに変換する複数の直線変位型圧
電素子を変位方向に積層して構成された積層型圧電アク
チュエータ要素と、この圧電アクチュエータ要素の変位
によりその変位方向に対しほぼ直交し互いに逆向きの二
つの変位を発生する１次変位拡大機構と、この１次変位
拡大機構の両変位の差により回転力を発生する２次変位
拡大機構と、この２次変位拡大機構の回転力により回転
する駆動ロッドと、を備えたことを特徴とするものであ
る。

【００１０】この場合、駆動ロッドの先端を、回転支持
されたアームの基部の作用点に係合し、駆動ロッドの回
転によりアームの先端部を大きく回転する構成とするこ
とが望ましい。

【００１１】また、前記目的を達成するために、本発明
に係る他の圧電アクチュエータにおいては、面一の固定
面を有する固定部材と、それぞれの基部が固定部材にそ
の固定面に直交する状態で固定されそれぞれの変位方向
が互いに逆向きとされた二つの平行な屈曲変位型圧電ア
クチュエータ要素と、両圧電アクチュエータ要素のそれ
ぞれの先端部の変位の差により回転力を発生する変位拡
大機構と、この変位拡大機構の回転力により回転する駆
動ロッドと、を備えたことを特徴とするものである。

【００１２】ここで、両圧電アクチュエータ要素をそれ
ぞれ、電気エネルギの入力により伸長する直線変位型圧
電素子板と電気エネルギの入力により収縮する直線変位
型圧電素子板とを張り合わせて構成するようにしてもよ
い。

【００１３】特に、両圧電アクチュエータ要素をそれぞ
れ、両面に金属電極膜を有する４枚以上の圧電セラミッ
ク板を張り合わせてなるマルチモルフにより構成するこ
とが望ましい。

【００１４】

【作用】前述した本発明の圧電アクチュエータにあって
は、積層型圧電アクチュエータ要素を用いた第１の発明
の場合、この積層型圧電アクチュエータ要素を構成する
複数の各直線変位型圧電素子に電気エネルギを供給する
と、各直線変位型圧電素子はそれぞれその厚み方向に変
位し、アクチュエータ要素全体として積層方向に直線変
位する。

【００１５】そして、この直線変位は１次変位拡大機構
に伝達され、変位方向に対し直交する互いに逆向きの方
向に二分され、結果として直線変位が二つの変位の差に
変換され、拡大される。さらにこの二つの変位は２次拡
大機構に伝達され、二つの変位の差がねじり力を発生し
て回転力が生じ、駆動ロッドが回転し、駆動ロッドの先
端部に大きな回転変位が生じ、結果として変位が拡大さ
れる。

【００１６】ここで、駆動ロッドの先端を、回転支持さ
れたアームの基部の作用点に係合すれば、駆動ロッドの
回転によりアームの先端部をより大きく回転させること
ができ、３段の変位拡大機構を持つ圧電アクチュエータ
を得ることができる。

【００１７】また、屈曲変位型圧電アクチュエータ要素
を用いた第２の発明の場合、二つの平行なアクチュエー
タ要素にそれぞれ電気エネルギを供給すると、両アクチ
ュエータ要素はそれぞれ互いに逆向きに屈曲し、この場
合、両アクチュエータ要素のそれぞれの基部は固定され
ているため、それぞれの先端部が変位し、両者間に大き
な変位の差が得られる。

【００１８】そして、二つの変位は変位拡大機構に伝達
され、二つの変位の差がねじり力を発生して回転力が生
じ、駆動ロッドが回転し、駆動ロッドの先端部に大きな
回転変位が生じ、結果として変位が拡大される。

【００１９】

【実施例】以下、図示の実施例に基づき本発明を説明す
る。まず、第１の実施例につき、図１ないし図４を参照
して説明する。

【００２０】図１は、積層型の圧電アクチュエータの全
体構成を示したものであり、樹脂成形品よりなるアクチ
ュエータ本体１はほぼ矩形状に形成され、基準面２を形
成する基端部３の両側に、後述する圧電アクチュエータ
要素の変位方向に延出した一対の脚部４，５が設けら
れ、この両脚部４，５のそれぞれの先端に１次拡大用ヒ
ンジ６，７を介して変位体８，９が設けられると共に、
両ヒンジ６，７の中間に両変位体８，９を連結した変位
受け部１０が前記基準面２に対向して配置されている。

【００２１】両変位体８，９は、Ｌ形の溝１１を介して
対峙し、それぞれの先端部が前記アクチュエータ要素の
変位方向に直交する方向の溝１１を介して対峙し、両変
位体８，９のそれぞれの先端に２次拡大用ヒンジ１２，
１３を介して駆動ロッド１４の基部が連結されている。

【００２２】アクチュエータ本体１における基端部３と
両脚部４，５と変位受け部１０とにより囲まれた空間に
は、両端を基準面２及び変位受け部１０の基準面２との
対向面１５に接触させた積層型圧電アクチュエータ要素
１６が設けられている。

【００２３】このアクチュエータ要素１６は、図２に示
すように、例えば圧電セラミック板よりなる複数の直線
変位型圧電素子１７をそれぞれの間に電極を介在させて
変位方向に積層することにより構成されており、図２の
矢印で示す各圧電素子１７の分極方向に対し、図のよう
に結線して電界を印加することにより、それぞれ厚み方
向外方に変位が生じ、全体として積層方向に変位が生じ
る。

【００２４】アクチュエータ本体１の基端部３の右側に
は、本体１の上下面に面一となった一対の支持片１８，
１９が右方に突設され、この両支持片１８，１９間に前
記駆動ロッド１４の先端部が配置されている。

【００２５】両支持片１８，１９間には、ヘッド支持ア
ーム２０を回転支持するねじり拡大部２１がねじ止め等
により固定されている。このねじり拡大部２１は、図４
に示すように、両支持片１８，１９に固定するためのフ
ランジ２２，２３と、両フランジ２２，２３にねじれ連
結部２４，２５を介して連結された回転支持部２６とか
らなり、この回転支持部２６にアーム部２７が支持され
ている。

【００２６】そして、回転支持部２６に回転力が加わる
と、この回転支持部２６が両ねじれ連結部２４，２５を
ねじらせながらフランジ２２，２３に対して回転し、前
記回転力が消失すると、両ねじれ連結部２４，２５のね
じり変形の復元力により回転支持部２６回転前の状態に
回転復帰する。

【００２７】前記アーム部２７は、軽量化及び剛性アッ
プを考慮して断面ほぼ菱形の中空棒により構成され、そ
の先端部に円盤状記録媒体上を走査する磁気ヘッド２８
が装着されている。また、ねじり拡大部２１の回転支持
部２１には、回転操作片２９が一体に設けられ、これに
駆動ロッド１４の先端部が常時当接している。

【００２８】このような構成の圧電アクチュエータにあ
っては、アクチュエータ要素１６の各圧電素子１７に所
要の電圧を印加すると、アクチュエータ要素１６は各圧
電素子１７の変位により全体としてその積層方向に変位
し、基端部３の基準面２を基準として対向面１５側に伸
長し、図１の矢印のように、変位受け部１０を押圧す
る。

【００２９】変位受け部１０がこのように押圧される
と、この力は両変位体８，９に伝達され、この場合、両
変位体８，９は変位受け部１０の後方の溝１１の両側に
位置するため、両変位体８，９には溝１１の両側から力
が加わり、しかも両変位体８，９が薄肉のヒンジ６，７
に連結されているため、両変位体８，９に与えられた力
により両変位体８，９がそれぞれヒンジ６，７を中心に
して左右外方につまり互いに逆向きに変位することにな
る。このように、一つの直線変位から二つの互いに逆向
きの変位を発生させることにより、一つの変位を二つの
変位の差としてとらえることができ、結果として変位を
拡大することができ、第１段目の変位の拡大が行われ
る。

【００３０】そして、両変位体８，９のそれぞれの変位
は、変位体８，９の先端のヒンジ１２，１３の部分にも
伝えられ、図１の矢印のように、変位体８のヒンジ１２
が左方、変位体９のヒンジ１３が右方にそれぞれ変位さ
れ、両ヒンジ１２，１３間の中心を支点として駆動ロッ
ド１４に反時計方向の回転力が発生する。この場合、駆
動ロッド１４の根元部分で生じた二つの変位の差により
駆動ロッド１４が回転されるが、この先端部分において
は大きな回転変位が得られ、これにより第２段目の変位
の拡大が行われる。

【００３１】さらに、駆動ロッド１４が反時計方向に回
転すると、この先端部が回転操作片２９を右方に押圧操
作し、回転支持部２６が回転操作され、ヘッド支持アー
ム２０が時計方向に回転する。この場合も、回転中心付
近の回転操作片２９を回転させる駆動ロッド１４の先端
部の変位に対し、アーム部２７の先端の磁気ヘッド２８
の回転変位は非常に大きなものとなり、第３段目の変位
の拡大が行われる。

【００３２】ここで、ハードディスクドライブ装置用ヘ
ッドアクチュエータとして前記実施例の圧電アクチュエ
ータを用いる場合、磁気ヘッド２８に要求される最小ス
トロークつまり変位は、ディスク外径が１．８インチの
ときは１５mm、１．３インチのときは１２ｍｍ程度であ
る。前記アクチュエータ要素１６で生じる直線変位は、
高々２０μｍ程度であるが、最終的に前記要求変位が得
られるように、３段の各変位拡大機構の拡大率つまり各
部の寸法を予め設定しておく必要がある。

【００３３】つぎに、第２の実施例につき、図５及び図
６を用いて説明する。図５は、屈曲変位型の圧電アクチ
ュエータの全体構成を示したものであり、固定部材３１
の一面の固定面３２に、二つの平行な屈曲変位型圧電ア
クチュエータ要素３３，３４が、それぞれの基部を固定
面３２に対し直交させた状態で固定されている。

【００３４】両アクチュエータ要素３３，３４は、屈曲
の変位の方向が互いに逆向きになるように選定され、左
方のアクチュエータ要素３３は左側に、右方のアクチュ
エータ要素３４は右側にそれぞれ屈曲変位する構成にな
っている。この両アクチュエータ要素３３，３４は、い
わゆるマルチモルフであり、偶数枚の圧電素子板により
構成され、枚数が多いほど大きな変位量又は発生力が得
られる。例えば、左方のアクチュエータ要素３３の場
合、図６のような４枚の圧電セラミック板により構成さ
れている。

【００３５】すなわち、このアクチュエータ要素３３
は、電気エネルギの入力により伸長する２枚の直線変位
型圧電セラミック板３５と電気エネルギの入力により収
縮する２枚の直線変位型圧電セラミック板３６とを張り
合わせることにより構成され、各セラミック板３５，３
６の両面に設けた金属電極膜を用いて、図６に示すよう
な結線をすることにより、所定の屈曲変位が得られる。
右方のアクチュエータ要素３４も前記と同様に構成され
ている。

【００３６】各アクチュエータ要素３３，３４のそれぞ
れの先端には、変位体３７，３８が固定されている。一
方の変位体３７は他方の変位体３８の外側を覆うような
Ｌ形に形成され、両変位体３７，３８のそれぞれの右側
先端に薄肉部のヒンジ３９，４０を介してヘッド支持ア
ーム４１の回転基部が連結されている。ヘッド支持アー
ム４１の先端には円盤状記録媒体上を走査する磁気ヘッ
ド４２が装着されている。

【００３７】このような構成の圧電アクチュエータで
は、両アクチュエータ要素３３，３４にそれぞれ電気エ
ネルギを供給してそれぞれを屈曲変位させると、図５に
矢印で示すように、左方のアクチュエータ要素３３が左
側に、右方のアクチュエータ要素３４が右側にそれぞれ
屈曲変位し、両者間に大きな変位の差が発生する。

【００３８】そうすると、一方のアクチュエータ要素３
３の変位体３７が左方に変位し、他方のアクチュエータ
要素３４の変位体３８が右方に変位し、両ヒンジ３９，
４０がそれぞれ左右に移動操作され、ヘッド支持アーム
４１の回転基部にねじり力つまり回転力が発生する。

【００３９】両変位体３７，３８間の変位差に基づくヘ
ッド支持アーム４１の回転は、ヒンジ３９，４０間の中
心点４３を回転中心として行われ、ヒンジ３９，４０と
中心点４３間の距離と、中心点４３と磁気ヘッド４２間
の距離との比に等しく、変位体３７，３８間の変位が拡
大して磁気ヘッド４２の変位として得られる。

【００４０】以上、本発明に従う圧電アクチュエータの
実施例について説明したが、本発明はかかる実施例に限
定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することな
く種々の変更が可能である。

【００４１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、次に記載する効果を奏する。積層型圧電ア
クチュエータ要素を用いた第１の発明によれば、積層型
圧電アクチュエータ要素を積層方向に直線変位させるこ
とにより、この直線変位がまず１次変位拡大機構で二つ
の変位の差に変換されて拡大され、さらにこの二つの変
位が２次拡大機構に伝達され、この変位の差がねじり力
を発生して回転力が生じ、駆動ロッドが大きく回転して
変位の拡大が行われ、微小変位を大幅に拡大して実用に
供することができるものであり、変位のより細かい制御
が期待できるものである。

【００４２】しかも、圧電アクチュエータ要素を用いる
ため、電気エネルギを機械エネルギに直接的に変換する
ことになり、磁性材料や導電材料の特性からくる構造上
の制約を受けることがなく、高精度，高速応答が実現さ
れ、小形化が可能な上、外部への磁界の影響等が全くな
いといった効果が得られる。

【００４３】ここで、駆動ロッドの先端を、回転支持さ
れたアームの基部の作用点に係合すれば、駆動ロッドの
回転によりアームの先端部をより大きく回転させること
ができ、全体として３段の変位拡大機構を持つ圧電アク
チュエータを得ることができる。

【００４４】また、屈曲変位型圧電アクチュエータ要素
を用いた第２の発明の場合、二つの平行なアクチュエー
タ要素がそれぞれ互いに逆向きに屈曲することにより、
大きな変位の差が得られ、この二つの変位の差により変
位拡大機構において回転力が生じ、駆動ロッドが回転し
てその先端部に大きな回転変位が生じるものであり、微
小変位を大幅に拡大して実用に供することができるもの
であり、変位のより細かい制御が期待できるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う圧電アクチュエータの第１の実施
例を示す全体の平面図である。

【図２】図１の積層型圧電アクチュエータ要素を示す斜
視図である。

【図３】図１の圧電アクチュエータの全体を示す斜視図
である。

【図４】図１におけるヘッド支持アームの回転支持部を
示す一部の側面図である。

【図５】本発明に従う圧電アクチュエータの第２の実施
例を示す全体の平面図である。

【図６】図５の屈曲型圧電アクチュエータ要素を示す平
面図である。

【符号の番号】

１ アクチュエータ本体 ６，７ １次拡大用ヒンジ ８，９，３７，３８ 変位体 １０ 変位受け部 １２，１３ ２次拡大用ヒンジ １４ 駆動ロッド １６ 積層型圧電アクチュエータ要素 １７，３５，３６ 圧電セラミック板 ２０，４１ ヘッド支持アーム ２８，４２ 磁気ヘッド ３１ 固定部材 ３２ 固定面 ３３，３４ 屈曲型圧電アクチュエータ要素 ３９，４０ ヒンジ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気エネルギを機械エネルギに変換する
   複数の直線変位型圧電素子を変位方向に積層して構成さ
   れた積層型圧電アクチュエータ要素と、 該圧電アクチュエータ要素の変位により該変位方向に対
   しほぼ直交し互いに逆向きの二つの変位を発生する１次
   変位拡大機構と、 該１次変位拡大機構の前記両変位の差により回転力を発
   生する２次変位拡大機構と、 該２次変位拡大機構の回転力により回転する駆動ロッド
   と、を備えた圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記駆動ロッドの先端は、回転支持され
   たアームの基部の作用点に係合され、前記駆動ロッドの
   回転により前記アームの先端部が大きく回転する請求項
   １記載の圧電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記アームは円盤状記録媒体上を走査す
   る磁気ヘッドのヘッド支持アームであり、前記アームの
   先端に磁気ヘッドが取り付けられている請求項２記載の
   圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】 固定面を有する固定部材と、 それぞれの基部が前記固定部材に前記固定面に直交する
   状態で固定されそれぞれの変位方向が互いに逆向きとさ
   れた二つの平行な屈曲変位型圧電アクチュエータ要素
   と、 前記両圧電アクチュエータ要素のそれぞれの先端部の変
   位の差により回転力を発生する変位拡大機構と、 該変位拡大機構の回転力により回転する駆動ロッドと、
   を備えた圧電アクチュエータ。
5. 【請求項５】 前記両圧電アクチュエータ要素はそれぞ
   れ、電気エネルギの入力により伸長する直線変位型圧電
   素子板と電気エネルギの入力により収縮する直線変位型
   圧電素子板とを張り合わせて構成されている請求項４記
   載の圧電アクチュエータ。
6. 【請求項６】 前記両圧電アクチュエータ要素はそれぞ
   れ、両面に金属電極膜を有する４枚以上の圧電セラミッ
   ク板を張り合わせてなるマルチモルフにより構成されて
   いる請求項４記載の圧電アクチュエータ。
7. 【請求項７】 前記駆動ロッドは円盤状記録媒体上を走
   査する磁気ヘッドのヘッド支持アームであり、前記ロッ
   ドの先端に磁気ヘッドが取り付けられている請求項４記
   載の圧電アクチュエータ。