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公開番号2025158633
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-17
出願番号2024061373
出願日2024-04-05
発明の名称圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの駆動方法
出願人ローム株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02N 2/04 20060101AFI20251009BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】共振時における振動膜1の変位量及び応力を低減する。
【解決手段】圧電アクチュエータ100は、固定端1aと自由端1bを有し、固定端1a側の第1領域(3A)と自由端1b側の第2領域(3B)に分割された主面(第1主面1A)を有する振動膜1と、振動膜1の固定端1aが連結された膜支持部2と、振動膜1の主面1Aの第1領域(3A)に配置された第1圧電素子3Aと、振動膜1の主面1Aの第2領域(3B)に配置された第2圧電素子3Bと、第1圧電素子3Aと第2圧電素子3Bに逆位相の交流電圧を印加する駆動部7A、7Bと、を有する。固定端1aから自由端1bまでの振動膜1の長さLに対する固定端1aから第1領域(3A)と第2領域(3B)の境界3aまでの長さbの割合(b/L)は、圧電アクチュエータ100に固有な共振モードに応じて設定されている。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項１】
カンチレバー構造を有する圧電アクチュエータであって、
固定端と自由端を有し、固定端側の第１領域と自由端側の第２領域に分割された主面を有する振動膜と、
前記振動膜の固定端が連結された膜支持部と、
前記振動膜の主面の前記第１領域に配置された第１圧電素子と、
前記振動膜の主面の前記第２領域に配置された第２圧電素子と、
前記第１圧電素子と第２圧電素子に逆位相の交流電圧を印加する駆動部と、
を有し、
前記固定端から前記自由端までの前記振動膜の長さに対する前記固定端から前記第１領域と前記第２領域の境界までの長さの割合は、前記圧電アクチュエータに固有な共振モードに応じて設定されている、
圧電アクチュエータ。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記固有な共振モードには、前記固定端と前記自由端の間に腹が形成されない曲げ一次モードが含まれ、
前記割合は、前記曲げ一次モードに対して０．１以上０．３８以下に設定されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記固有な共振モードには、前記固定端と前記自由端の間に腹が形成されない曲げ一次モードが含まれ、
前記割合は、前記曲げ一次モードに対して０．１６以上０．３以下に設定されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記固有な共振モードには、前記固定端と前記自由端の間に１つの腹が形成される曲げ二次モードが含まれ、
前記割合は、前記曲げ二次モードに対して０．５６以上０．７１以下に設定されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記固有な共振モードには、前記固定端と前記自由端の間に１つの腹が形成される曲げ二次モードが含まれ、
前記割合は、前記曲げ二次モードに対して０．５９以上０．６７以下に設定されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記固有な共振モードには、前記固定端と前記自由端の間に２つの腹が形成される曲げ三次モードが含まれ、
前記割合は、前記曲げ三次モードに対して０．０６以上０．２２以下、又は０．７以上０．８２以下に設定されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記固有な共振モードには、前記固定端と前記自由端の間に２つの腹が形成される曲げ三次モードが含まれ、
前記割合は、前記曲げ三次モードに対して０．７３以上０．７９以下に設定されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記固有な共振モードには、前記固定端と前記自由端の間に３つの腹が形成される曲げ四次モードが含まれ、
前記割合は、前記曲げ四次モードに対して０．２４以上０．４６以下、又は０．８１以上０．８８以下に設定されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記固有な共振モードには、前記固定端と前記自由端の間に３つの腹が形成される曲げ四次モードが含まれ、
前記割合は、前記曲げ四次モードに対して０．２７以上０．３２以下、０．３８以上０．４４以下、又は０．８３以上０．８５以下に設定されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記固有な共振モードには、前記固定端と前記自由端とを繋ぐ方向に交差する方向への変位形状に特徴を有する振動モードが含まれ、
前記割合は、前記振動モードに対して０．４４以上０．８４以下に設定されている、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの駆動方法に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
従来、音波又は超音波の送信又は受信を行うトランスデューサが知られている（特許文献１参照）。音波を送信するスピーカとして利用可能なカンチレバー型の圧電アクチュエータは、印加される電圧に対して最大の出力（振動膜の変位）を得るために、固定端から自由端に至る振動膜の主面の可能な限り広い領域に圧電体を配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開2021-52305号公報
【０００４】
［概要］
圧電アクチュエータの動作周波数帯に、圧電アクチュエータに固有な共振周波数が含まれると、共振時に振動膜が大きく変位して大きな応力が加わる。
【０００５】
本開示の目的は、共振時における振動膜の変位量及び応力が低減された圧電アクチュエータ及びその駆動方法を提供することにある。
【０００６】
上述した課題を解決するために、本開示の一態様は、カンチレバー構造を有する圧電アクチュエータである。圧電アクチュエータは、固定端と自由端を有し、固定端側の第１領域と自由端側の第２領域に分割された主面を有する振動膜と、振動膜の固定端が連結された膜支持部と、振動膜の主面の第１領域に配置された第１圧電素子と、振動膜の主面の第２領域に配置された第２圧電素子と、第１圧電素子と第２圧電素子に逆位相の交流電圧を印加する駆動部と、を有する。固定端から自由端までの振動膜の長さに対する固定端から第１領域と第２領域の境界までの長さの割合は、圧電アクチュエータに固有な共振モードに応じて設定されている。
【０００７】
本開示の他の一態様は、上記した圧電アクチュエータの駆動方法である。駆動方法は、第１圧電素子と第２圧電素子に逆位相の交流電圧を印加することを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１Ａは、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１００の構成を示す平面図である。
図１Ｂは、図１ＡのＩＢ―ＩＢ切断面に沿った圧電アクチュエータ１００の構成を示す断面図である。
図２は、圧電アクチュエータ１００の第１圧電素子３Ａ及び第２圧電素子３Ｂに交流電圧をそれぞれ印加する駆動部７Ａ、７Ｂを示す模式図である。
図３は、駆動部７Ａ、７Ｂが印加する交流電圧の一例を示すグラフである。
図４は、図１Ａ及び図１Ｂの圧電アクチュエータ１００において、割合（ｂ／Ｌ）を変化させて、振動膜１に生じる応力の最大値を計算した結果を示すグラフである。
図５は、図１Ａ及び図１Ｂの圧電アクチュエータ１００において、割合（ｂ／Ｌ）を変化させて、振動膜１の変位量の最大値を計算した結果を示すグラフである。
図６Ａは、第２実施形態に係る圧電アクチュエータ１０１の構成を示す平面図である。
図６Ｂは、図６ＡのＶＩＢ―ＶＩＢ切断面に沿った圧電アクチュエータ１０１の構成を示す断面図である。
図６Ｃは、図６ＡのＶＩＣ―ＶＩＣ切断面に沿った圧電アクチュエータ１０１の構成を示す断面図である。
図７Ａは、第３実施形態に係る圧電アクチュエータ１０２の構成を示す平面図である。
図７Ｂは、図７ＡのＶＩＩＢ―ＶＩＩＢ切断面に沿った圧電アクチュエータ１０２の構成を示す断面図である。
図７Ｃは、図７ＡのＶＩＩＣ―ＶＩＩＣ切断面に沿った圧電アクチュエータ１０２の構成を示す断面図である。
図８は、振動周波数を変化させたときの振動膜１の先端の変位量の変化を示すグラフである。
図９は、圧電アクチュエータ１００が有する複数の共振モードで共振している時の振動膜１の変位形状を示すグラフである。
図１０は、複数の共振モードの一例であるバタフライモードＢＦで共振している時の振動膜１の変位形状を示すコンター図である。
【０００９】
［詳細な説明］
以下、複数の実施形態に係わる圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータの駆動方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の設置位置及び接続形態は、一例であり、本開示に限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。さらに、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。また、以下の実施形態及びその変形例には、同様の構成要素が含まれている場合があり、同様の構成要素には共通の符号を付与し、重複する説明を省略する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１Ａは、第１実施形態に係る圧電アクチュエータ１００の構成を示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＩＢ―ＩＢ切断面に沿った圧電アクチュエータ１００の構成を示す断面図である。図２は、圧電アクチュエータ１００の第１圧電素子３Ａ及び第２圧電素子３Ｂに交流電圧をそれぞれ印加する駆動部７Ａ、７Ｂを示す模式図である。
（【００１１】以降は省略されています）

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