JP2004254417A

JP2004254417A - 圧電アクチュエータおよびこれを備えた装置

Info

Publication number: JP2004254417A
Application number: JP2003041774A
Authority: JP
Inventors: Osamu Takahashi; 理高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】良好な振動を効率よく得られる圧電アクチュエータおよび装置を提供すること。
【解決手段】圧電素子２１の片面の一部分に補強板２２Ａを接合する。補強板２２Ａは、支持部２２Ｂおよび突起部２２１を一体的に備えている。圧電素子２１の電極を適宜選択して交流電圧を印加すると、突起部２２１は、圧電素子２１の長手方向に伸縮する縦振動と、縦振動に直交する方向に屈曲する屈曲振動とを組み合わせた楕円軌道を描き、被駆動体を駆動する。補強板２２Ａが圧電素子２１の一部分に設けられているので耐衝撃性を確保でき、また圧電素子２１の振動を阻害せず大きな振動振幅を得られるので、高効率で被駆動体を駆動できる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子の振動で被駆動体を駆動する圧電アクチュエータおよびこれを備えた装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、圧電素子に繰り返し電圧を印加して圧電素子を振動させ、その振動によって被駆動体を駆動するいわゆる圧電アクチュエータが開発されている。圧電素子は一般的に脆性材料であるため、圧電素子を被駆動体に直接当接すると割れや摩耗等が生じ、耐久性が問題となるので、圧電素子に被駆動体と直接当接する部材を別体として設け、この部材を圧電素子に接合している。また、矩形板状の圧電素子の場合、衝撃により自重で割れる等の衝撃に対する課題があり、近年では圧電素子全面に補強板が接合されているものが提案されている（例えば特許文献１）。この圧電アクチュエータでは、ステンレス製などの補強板の両面に圧電素子を接着したものや、逆に圧電素子の両面に補強板を接着したものなどがあり、圧電アクチュエータを厚み方向に対称に構成することで、圧電素子を面内方向に振動させて被駆動体への振動伝達を良好にしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３３３４８０号公報（第７頁、第１０頁、第４図、第２５図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成の圧電アクチュエータでは、圧電素子の耐久性を確保するために補強板を設けると、補強板が圧電素子全面にわたって振動の一部を吸収してしまうという問題がある。従ってこのような圧電アクチュエータでは、圧電素子の振動振幅が補強板を設けない場合に比べて小さくなってしまい、高効率に被駆動体を駆動することができない。
【０００５】
本発明の目的は、良好な振動を効率よく得られる圧電アクチュエータおよびこれを備えた装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電アクチュエータは、矩形板状の圧電素子の振動によって被駆動体を駆動する圧電アクチュエータであって、圧電素子に接合される補強板を備え、この補強板は、圧電素子の面上の一部分に接合されていることを特徴とする。
この発明によれば、補強板が圧電素子の面上の一部分に接合されているので、圧電素子の衝撃に対する脆さを補強しながらも圧電素子の振動の吸収量が最小限に抑制され、圧電素子が良好に振動する。従って、圧電素子の振動振幅が大きくなり、被駆動体が高効率で駆動される。
【０００７】
本発明では、補強板は、圧電素子を支持する支持部を一体的に備えていることが望ましい。
この発明によれば、補強板が支持部を一体的に備えているので、圧電素子が確実に支持され、圧電素子の振動が良好に被駆動体に伝達される。また、これにより圧電アクチュエータの構造が簡単となり、製造コストが低減する。
【０００８】
本発明では、補強板は、被駆動体に当接されて当該被駆動体を駆動する突起部を一体的に備えていることが望ましい。
この発明によれば、補強板に突起部が一体的に設けられているので、脆性の高い圧電素子を被駆動体に直接当接する必要がなく、圧電素子が良好に保護され、圧電アクチュエータの耐久性が向上する。また、突起部が補強板に一体的に形成されているので、圧電アクチュエータの構造が簡単となり、製造コストが低減する。
【０００９】
本発明では、圧電素子の両面には、圧電素子に電圧を印加するための電極が形成されており、一方の面の電極は、圧電素子の全面に形成され、他方の面の電極は、圧電素子の長手方向中心線のほぼ全体を含む中央電極と、この中央電極の両側に圧電素子の平面中心に対して点対称に形成される対称電極とを備えていることが望ましい。
この発明によれば、圧電素子両面の電極のうち、一方は全面に形成されているので、電極の形成が簡単となる。また、他方の電極は、中央電極および対称電極を備えているので、中央電極によって圧電アクチュエータは長手方向に伸縮する、いわゆる縦振動を励振する。一方、対称電極によって、圧電アクチュエータが長手方向に対して屈曲するように振動する、いわゆる屈曲振動を励振する。従って、圧電アクチュエータは、縦振動および屈曲振動を組み合わせた楕円軌道を描いて被駆動体を駆動する。この時、対称電極を設けることにより圧電素子が積極的に屈曲振動を励振するので、屈曲振動が良好に現れる。
【００１０】
本発明では、補強板は、圧電素子の両面に設けられ、これらの補強板は互いに略同形状で、かつ圧電素子の平面上に、圧電素子を挟んでほぼ同じ位置に配置されていることが望ましい。
この発明によれば、圧電素子の両面に略同形状の補強板がほぼ同じ位置に配置されているので、圧電アクチュエータの構造が厚み方向にほぼ対称となる。従って、圧電素子が反ることなく平面内で振動するので、振動がより一層良好に被駆動体に伝達される。
【００１１】
本発明では、圧電素子の長辺を１とすると、短辺は０．２７４以上に形成され、圧電素子の短辺には、被駆動体に当接されて当該被駆動体を駆動する突起部が設けられ、圧電素子の長手方向に伸縮する縦振動と、圧電素子の平面中心に対して点対称に、縦振動に直交する方向に屈曲する屈曲振動との振動比は、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比が、１．００より大きく、１．０３以下となるように設定されていることが望ましい。
【００１２】
この発明によれば、縦振動および屈曲振動の共振周波数が互いに近接しているので、これらの共振周波数近傍で圧電素子を振動させると、縦振動および屈曲振動が同時に現れ、圧電アクチュエータの突起部は楕円軌道を描いて振動する。この楕円軌道によって突起部は被駆動体を押圧して駆動することが可能となる。この時、圧電素子は、縦振動および屈曲振動のそれぞれの共振点付近で励振されるので、それぞれの振動振幅が大きくなる。従って、突起部の楕円軌道の振幅も大きくなり、被駆動体を高効率で駆動することが可能となる。
【００１３】
ここで、突起部が設けられた圧電アクチュエータの短辺が０．２７４よりも小さい場合には、縦振動の共振周波数が屈曲振動の共振周波数よりも大きくなり、良好な楕円軌道を描くことができない。この時、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は１．００以下である。また、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比が１．０３以上の場合には、縦振動の共振点と屈曲振動の共振点が離れてしまい、両振動の振幅を同時に良好にすることができない。
【００１４】
本発明の装置は、前述の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、前述の圧電アクチュエータを備えているので、前述のような効果を奏することができ、高効率で良好な振動を得ることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
【００１６】
〔第一実施形態〕
図１には、第一実施形態にかかる駆動装置１０の平面図が示されている。この図１において、駆動装置１０は、圧電素子２１を備えた圧電アクチュエータ２と、この圧電アクチュエータ２を振動可能に支持する支持体３とを備えている。この駆動装置１０は、円盤状の基部４に固定され、この基部４の外周には、環状の被駆動体１００が、周方向に等間隔で配置された複数のボール４４を介して回転可能に設けられている。
【００１７】
図２には、圧電アクチュエータ２および支持体３の拡大斜視図が示されている。また、図３には、圧電アクチュエータ２の分解斜視図が示されている。これらの図２および図３に示されるように、圧電アクチュエータ２は、略矩形平板状に形成された圧電素子２１と、この圧電素子２１の片面に接合された固定板２２とを備えている。
【００１８】
圧電素子２１は、両面にニッケルおよび金などによる電極がめっき、スパッタ、蒸着等の方法で形成されている。これらの電極のうち、固定板２２に対向する側の電極は、圧電素子２１の平面全面に形成されている。また、この電極とは反対側の電極は、溝で互いに電気的に絶縁されることによって複数形成されている。つまり、圧電素子２１を幅方向にほぼ三等分するように二本の溝が形成されることにより、中央には圧電素子２１の中心線の全体を含む中央電極２１Ａが形成されている。また、この中央電極２１Ａの両側の電極では、さらに長手方向をほぼ二等分するように溝が形成されることにより、圧電素子２１の平面中心に対して点対称にそれぞれ一対の対称電極２１Ｂ，２１Ｃが形成されている。これらの電極２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃおよび固定板２２には、それぞれ図示しないリード線が接続され、基部４に形成された配線用の孔４６（図１）を通って反対側において図示しない印加装置に接続されている。
【００１９】
ここで、圧電素子２１の材料は特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
また、圧電素子２１の寸法や、厚さ、電極の分割形態などは、圧電素子２１に繰り返し電圧が印加された時に、圧電素子２１が長手方向に伸縮する、いわゆる縦振動と、圧電素子２１の平面中心に対して点対称に、縦振動に直交する方向に屈曲する、いわゆる屈曲振動とが同時に現れるように適宜設定される。この時、縦振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とは互いに近接するように設定されていることが望ましく、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は、１．００より大きく、１．０３以下であることが望ましい。また、圧電素子２１の長辺と短辺との長さ比は、長辺を１とすると短辺が０．２７４以上であることが望ましい。
ここで、圧電素子２１に印加される電圧の周波数は、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間、より好ましくは反共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間で両方の振動が良好に現れる周波数を適宜選択する。なお、圧電アクチュエータ２に印加される電圧の波形は特に限定されず、例えばサイン波、矩形波、台形波などが採用できる。
【００２０】
固定板２２は、ステンレス鋼、その他の材料から構成された略十字型の板状部材で、幅方向略中央に長手方向に沿って配置された補強板２２Ａと、この補強板２２Ａの長手方向略中央から両側に略直角に突出し、補強板２２Ａと一体的に形成された支持部２２Ｂとを備えている。補強板２２Ａの長手方向一端には、圧電素子２１の短辺から突出する突起部２２１が一体的に形成されている。突起部２２１は、被駆動体１００の内周面に当接され、圧電アクチュエータ２は、その長手方向が被駆動体１００の半径方向に沿って配置されている。
また、支持部２２Ｂは、圧電素子２１から突出しており、端部に略円形の固定部２２Ｃを備え、これらの固定部２２Ｃにはそれぞれ固定孔２２２が穿設されている。
なお、補強板２２Ａの圧電素子２１に対する接合面の面積は、圧電素子２１の面積の１／３以下となるように設定されている。
【００２１】
支持体３は、圧電アクチュエータ２が固定される一対の固定部３１と、これらの固定部３１の間に一体的に形成され、基部４にスライド可能に支持されるスライド部３２とを備えている。固定部３１には、固定部２２Ｃの固定孔２２２に対応する位置にねじ部３３が形成されている。このねじ部３３に固定孔２２２を貫通してねじ３４が螺合されることにより圧電アクチュエータ２が固定部３１に固定されている。
【００２２】
図４には、駆動装置１０の側断面図が示されている。この図４にも示されるように、スライド部３２は、基部４に凹状に形成されたスライド溝４１に配置されている。また、スライド部３２の幅方向略中央には、圧電アクチュエータ２の長手方向に沿って長孔３５が複数箇所（本実施形態では二箇所）形成されている。この長孔３５には、ねじ４２１が貫通しており、このねじ４２１は、基部４に形成されたねじ孔４２に螺合されている。これにより、支持体３は長孔３５の長手方向にスライド可能となっている。つまり、圧電アクチュエータ２の突起部２２１は、被駆動体１００への当接部分から被駆動体１００の半径方向に沿って離間可能となっている。
なお、固定部３１とスライド部３２とは段差を有して形成されている。つまり固定部３１およびスライド部３２によって中央に凹状部分が形成されている。これにより、圧電アクチュエータ２が固定部３１に取り付けられた時に圧電アクチュエータ２とスライド部３２との間には隙間が形成され、圧電アクチュエータ２が振動してもスライド部３２やねじ４２１に干渉しないようになっている。
【００２３】
図１に示されるように、支持体３両側の固定部３１において、圧電アクチュエータ２の突起部２２１が配置されている側とは反対の端部側面には、円柱状に突出したばね取付部３６がそれぞれ形成されている。このばね取付部３６にはばね３７の一端が挿入されている。ばね３７は、その伸縮方向が圧電アクチュエータ２の長手方向に平行となるように配置され、他端は、基部４に設けられた係止片４３に固定されている。このばね３７のばね力により、圧電アクチュエータ２の突起部２２１は被駆動体１００に適当な付勢力で押しつけられている。
【００２４】
このような駆動装置１０は、次のように動作する。
図５には、圧電アクチュエータ２の動作を示す模式図が示されており、図５（Ａ）には、圧電アクチュエータ２の縦振動が、図５（Ｂ）には屈曲振動が、図５（Ｃ）には突起部２２１の振動軌跡が示されている。
印加装置により圧電アクチュエータ２の固定板２２と圧電素子２１の電極との間に交流電圧を印加して圧電アクチュエータ２を振動させる。この時、圧電素子２１の電極のうち、中央電極２１Ａおよび対称電極２１Ｂのみに電圧を印加すると、圧電アクチュエータ２は、図５（Ａ）に示されるように、主に中央電極２１Ａによって長手方向に伸縮する、いわゆる縦振動を励振する。また、中央電極２１Ａの両側では、対称電極２１Ｂのみに電圧が印加されるため、当該両側において圧電素子２１が非対称に伸縮し、図５（Ｂ）に示されるように、縦振動に直交する方向に、圧電素子２１の平面中心に対して点対称に屈曲する、いわゆる屈曲振動も励振する。
【００２５】
これらの縦振動および屈曲振動が同時に現れることにより、圧電アクチュエータ２の突起部２２１は図５（Ｃ）に示されるように、楕円軌道を描いて振動することとなる。突起部２２１は、この楕円軌道の一部において被駆動体１００の内周面を押圧することによって被駆動体１００を回転させる。これを所定周波数で繰り返すことにより、被駆動体１００は一方向に所定の回転速度で回転する。
また、被駆動体１００を反対方向に回転させる場合には、圧電素子２１に印加する電圧の電極を圧電アクチュエータ２の長手方向に沿った中心線を軸として線対称に切り替える。つまり、圧電素子２１の中央電極２１Ａおよび対称電極２１Ｃに所定周波数の電圧を印加すれば、突起部２２１は反対方向の楕円軌道を描いて振動する。これにより、被駆動体１００は反対方向に回転する。
【００２６】
図６には圧電アクチュエータ２の駆動周波数に対する圧電素子２１のインピーダンスが示されている。この図６に示されるように、圧電素子２１に印加する電圧の周波数に対して、インピーダンスが極小となる点が二点現れる。これらのうち周波数の低い方の一点は、縦振動の振動振幅が最大となる共振点で、この共振点における周波数が、縦振動の共振周波数ｆ１となる。周波数の高い方の一点は、屈曲振動の振動振幅が最大となる共振点で、この共振点における周波数が屈曲振動の共振周波数ｆ３となる。また、共振周波数ｆ１，ｆ３の間には反共振周波数ｆ２が現れる。
この図６からもわかるように、圧電素子２１を縦振動と屈曲振動との共振周波数の間で駆動すると、縦振動および屈曲振動の両方の振幅を大きく得られ、高効率で駆動できる。
【００２７】
このような駆動装置１０によれば、以下のような効果が得られる。
（１）固定板２２の補強板２２Ａが、圧電素子２１の平面上の全面ではなく一部分のみに配置されているので、補強板２２Ａが圧電素子２１の振動を阻害することなく、良好な振動振幅を得られる。これにより、被駆動体１００を高効率で駆動できる。
【００２８】
（２）固定板２２の突起部２２１が被駆動体１００に当接されるので、圧電素子２１の脆性を補うことができ、圧電アクチュエータ２の耐久性を向上させることができる。また、突起部２２１は補強板２２Ａに一体的に形成されているので、補強板２２Ａの形成と同時に突起部２２１を形成することができ、圧電アクチュエータ２の構造を簡単にでき、製造コストを低減できる。
さらに、支持部２２Ｂが補強板２２Ａに一体的に形成されているので、圧電アクチュエータ２の構造をより一層簡単にでき、製造コストをより低減できる。この支持部２２Ｂは、補強板２２Ａの長手方向略中央から突出しているので、圧電素子２１の振動の節近傍を支持することとなり、圧電素子２１の振動を阻害せず、良好な振動を得ることができる。
【００２９】
（３）補強板２２Ａが圧電素子２１の片面のみに設けられているので、圧電アクチュエータ２の薄型化を促進できる。また、従来補強板（固定板）の両面に圧電素子を設ける場合に比べて、高価な圧電素子を一枚用いればよいので、圧電アクチュエータ２のコストを低減できる。
また、このような圧電アクチュエータ２を駆動装置１０に組み込むことにより、駆動装置１０の小型化、薄型化、低コスト化を促進できる。
【００３０】
（４）圧電素子２１表面に中央電極２１Ａおよび対称電極２１Ｂを設けているので、電極を適宜選択して電圧を印加することにより、圧電素子２１に屈曲振動を積極的に励振できる。
【００３１】
（５）対称電極２１Ｂ，２１Ｃが圧電素子２１の長手方向中心線に対して線対称に形成されているので、電圧を印加する電極を対称電極２１Ｂから対称電極２１Ｃに切り替えることにより、突起部２２１が反対向きの楕円軌道を描き、被駆動体１００を反対方向に駆動することができる。これにより、圧電アクチュエータ２の動作範囲が広がり、汎用性を向上させることができる。
【００３２】
（６）以上のような効果を奏する駆動装置１０は、例えば被駆動体１００の外周に歯車を圧入したり、中心に出力軸を有するキャップを取り付けるなどしてモータとして使用できる。その他、被駆動体１００の外周に片おもりを取り付けた振動モータや、玩具の車輪など、任意の様々な用途に使用できる。
【００３３】
ここで、第一実施形態の具体的な実施例を挙げる。
圧電素子２１の材料をＰＺＴとし、寸法を短辺１．９８ｍｍ、長辺７ｍｍ、厚み０．１５ｍｍとする。固定板２２の材料はステンレス鋼（ＳＵＳ３０１）で、厚みが０．１ｍｍとなっている。突起部２２１は、平面形状が幅０．５ｍｍ、突出長さが０．４５ｍｍの略半円形状で、質量が約０．１６ｍｇである。また、支持部２２Ｂにおいて圧電素子２１から突出する部分は、幅０．４ｍｍで長さが０．５ｍｍである。
このような圧電アクチュエータ２では、突起部２２１を被駆動体１００に当接せず、被駆動体１００から反力を受けない状態で、縦振動の共振周波数ｆ１が約２７９ｋＨｚ、屈曲振動の共振周波数ｆ３が約２８５ｋＨｚ、反共振周波数ｆ２が約２８３ｋＨｚであった。従って、縦振動の共振周波数ｆ１に対する屈曲振動の共振周波数ｆ３の比は、約１．０１５となる。この圧電アクチュエータ２に縦振動の共振周波数ｆ１と屈曲振動の共振周波数ｆ３との間の周波数で、またより望ましくは、反共振周波数ｆ２から屈曲振動の共振周波数ｆ３までの間の周波数で電圧を印加すると、縦振動および屈曲振動がそれぞれ共振点付近で振動することとなり、大きな振動振幅が得られ、突起部２２１において良好な楕円軌道が得られることがわかる。
【００３４】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、本発明の圧電アクチュエータを液体吐出装置（装置）１１に適用したものである。
図７には、第二実施形態にかかる液体吐出装置１１の平面図が、また図８には液体吐出装置１１の側断面図が示されている。
これらの図７および図８において、液体吐出装置１１は、内部に液体が流通するチューブ５と、このチューブ５を押圧するボール５１と、このボール５１をチューブ５上で転動させるロータ（被駆動体）６（図８）と、ロータ６を回転駆動する圧電アクチュエータ２と、ボール５１の転動軌跡を規定するリテーナ７とを備えている。また、これらの構成部品、つまりチューブ５の一部、ボール５１、ロータ６、圧電アクチュエータ２、およびリテーナ７は、ケース部材８に収納されている。
【００３５】
ケース部材８は、チューブ５が配置される基部８１と、基部８１の開口部分を覆う蓋部材８２（図８）とを備えている。基部８１および蓋部材８２には外周近傍にそれぞれ複数箇所（本実施形態では四箇所）の孔８１３，８２３（図８）が形成されている。これらの孔８１３，８２３には位置決めピン８３が貫通しており、これらの位置決めピン８３のうち対角線上の位置決めピン８３が孔８１３，８２３に嵌合されている。これにより、基部８１および蓋部材８２の接触面の面内方向の位置が規定され、これらの相対的な位置のずれが防止されている。
また、基部８１において蓋部材８２に対向する面の孔８１３近傍の端部には切欠８１５が形成されている。この切欠８１５により、基部８１および蓋部材８２が接触した時に両者の間に隙間が形成されている。
【００３６】
基部８１の蓋部材８２に対向する面の略中央には、チューブ５が配置されるチューブガイド溝８１１が形成されている。このチューブガイド溝８１１は、円弧状部分と、この円弧状部分の両端から基部８１の端部に向かって互いに平行に形成された二つの直線部分とを備えている。チューブ５は、ケース部材８の外部からこのチューブガイド溝８１１に沿って配置され、再び外部へ配置されている。チューブガイド溝８１１の基部８１端部には、チューブ５がチューブガイド溝８１１に沿ってたるみなくセットされるように、ストッパ８１２がそれぞれ取り付けられている。
なお、チューブ５の材料は、シリコーンゴム、ポリウレタン、その他の弾性材料が採用できる。
ボール５１は、複数（本実施形態では二つ）設けられ、チューブガイド溝８１１の円弧状部分に沿って等間隔、つまり本実施形態では１８０°間隔でチューブ５のチューブガイド溝８１１に当接される側とは反対側に配置されている。
【００３７】
ロータ６は、環状に形成されており、ステンレス鋼や、鉄、アルミニウム、その他の材料で構成されている。なおロータ６の材料は、耐摩耗性を考慮して鉄で構成された部品にニッケルリンの無電解めっきを施して硬化処理を行ったものを採用してもよい。このロータ６の内周側にはデルリンやポリテトラフルオロエチレン（ＰｏｌｙＴｅｔｒａＦｌｕｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ，ＰＴＦＥ）などの低摩擦係数の材料で構成された環状のブッシュ６１が圧入されている。ブッシュ６１は、蓋部材８２に固定されたロータ軸８５に回転可能に支持されており、ブッシュ６１の中心は、蓋部材８２においてチューブガイド溝８１１の円弧状部分の中心位置に対応する位置に配置されている。
【００３８】
また、ロータ軸８５の内周には、断面略三角形状のツメ部８５１が形成され、このツメ部８５１には四つ割ピン８４が係合されている。これにより、四つ割ピン８４は、基部８１と蓋部材８２とを近接させた位置で維持している。
ロータ６のボール５１に対向する面には押圧ゴム６２が設けられ、ボール５１に当接されている。また、ロータ６の側面には凹部６３が形成されている。ここで、ロータ６とチューブガイド溝８１１との距離は、ボール５１の直径とチューブ５の直径との和より小さく設定されている。これによって、ボール５１はロータ６の押圧ゴム６２でチューブ５側に押し付けられ、チューブ５がチューブガイド溝８１１の形状に沿って押しつぶされるようになっている。
【００３９】
図９には、圧電アクチュエータ２の分解斜視図が示されている。この図９および前述の図７，図８において、圧電アクチュエータ２は、圧電素子２１と、圧電素子２１の両面に接合された固定板２２および補強板２３Ａとを備えている。
圧電素子２１は、第一実施形態と同様に略矩形状に形成され、両面に電極が形成されている。これらの電極のうち、固定板２２に対向する側の片面は、圧電素子２１の平面全面にわたって形成されている。また、もう一方の片面には対角線上の長さ方向両端に溝を設けることで中央に略Ｚ字形の中央電極２１Ａと、この中央電極２１Ａの両側に略矩形状の対称電極２１Ｂとが形成されている。
【００４０】
固定板２２および補強板２３Ａは、ステンレス鋼、その他の材料から構成され、圧電素子２１の両面に設けられている。固定板２２は、圧電素子２１の幅方向略中央から長手方向に沿って略矩形状に形成された補強板２２Ａと、この補強板２２Ａに一体的に形成された支持部２２Ｂとを備えている。支持部２２Ｂは、補強板２２Ａの長手方向略中央から片側に直角に突出し、その端部には略矩形状の固定部２２Ｃが一体的に形成されており、この固定部２２Ｃには固定孔２２２が二箇所穿設されている。また、補強板２２Ａの長さ方向両端には、突起部２２１が一体的に形成されている。突起部２２１は、平面形状が略三角形で、圧電素子２１の対角線上両端に短辺から突出するように配置されている。突起部２２１の一方は、ロータ６の凹部６３に当接されている。
【００４１】
補強板２３Ａは、固定板２２の補強板２２Ａと略同形状の略矩形状に形成され、圧電素子２１を挟んで補強板２２Ａが配置される位置とほぼ同位置に配置されている。つまり、補強板２３Ａは、圧電素子２１の幅方向略中央に、長手方向に沿って配置されている。
電極２１Ａおよび補強板２２Ａは、それぞれリード線（図示せず）などによって印加装置（図示せず）に接続されている。また、電極２１Ｂのうち、ロータ６から遠い側の電極２１Ｂは、リード線によって圧電アクチュエータ２の振動を検出する検出装置（図示せず）に接続されている。
【００４２】
図１０には、圧電アクチュエータ２を拡大した側断面図が示されている。この図１０および前述の図７において、固定板２２は、圧電アクチュエータ２をロータ６側に付勢する腕部本体２４と、腕部本体２４を支持する支持板２５とに支持されている。固定部２２Ｃは、二箇所の固定孔２２２を貫通するねじ２４１で、腕部本体２４を介して支持板２５に固定されている。腕部本体２４および支持板２５は、蓋部材８２にねじ２６で回転可能に固定されている。腕部本体２４には、固定部２２Ｃが支持されている側とは反対側の一端に略Ｕ字形の弾性部２４２が一体的に形成されている。この弾性部２４２の先端は、係止部材２４３によって蓋部材８２に係止されている。この弾性部２４２は、ねじ２６を中心に固定板２２を付勢することにより、圧電アクチュエータ２の突起部２２１をロータ６の凹部６３に適切な付勢力で押し付けている。
【００４３】
図７および図８に戻って、リテーナ７は、ロータ６と基部８１との間に設けられ、リング状に形成されている。リテーナ７の内周側は基部８１に環状に設けられた突起８６に当接されることで平面方向のずれが防止されている。リテーナ７には周囲に沿って複数箇所（本実施形態では六箇所）のボール保持部７１が等間隔に形成されている。これらのボール保持部７１のうち、対向する二つにボール５１が配置されている。また、リテーナ７の外周には、凸部７２が形成されており、リテーナ７の側面にはこの凸部７２の通過を検出する回転検出手段７３が設けられている。
【００４４】
このような液体吐出装置１１は、次のように動作する。
まず、図示しない印加装置によって圧電素子２１の中央電極２１Ａに電圧を印加すると、中央電極２１Ａが伸縮する一方で対称電極２１Ｂは伸縮しない。つまり、中央電極２１Ａでは圧電素子２１の長手方向両側において形状が非対称となっているため、圧電アクチュエータ２は、伸縮による縦振動と同時に、屈曲振動も励振する。これにより、突起部２２１は縦振動と屈曲振動を組み合わせた楕円軌道を描く。この楕円軌道の一部で突起部２２１がロータ６の側面を押すことにより、ロータ６が図７の矢印Ｒ方向に回転する。この動作を適当な振動数で繰り返すことにより、ロータ６を所定の回転数で回転させる。
【００４５】
対称電極２１Ｂでは、中央電極２１Ａが形成された部分の圧電素子２１の振動によって、微小の変位が生じ、この変位によって電圧が発生する。この電圧を検出装置で検出することにより、検出装置に接続された制御手段などによって電圧の大きさを監視し、電圧の振幅が所定の値となるように印加装置の印加電圧の周波数を制御する。
【００４６】
圧電アクチュエータ２によってロータ６が回転すると、押圧ゴム６２に押圧されているボール５１は摩擦によってチューブ５を押しつぶしながら転動する。これによって、チューブ５内の二つのボール５１に挟まれた流体が移動する。一方のボール５１がチューブガイド溝８１１の円弧状部分の端部まで移動すると、チューブ５は直線部分に沿ってケース部材８の端部に向かい、一方ボール５１は押圧ゴム６２とともにロータ軸８５を中心に回転を続けるので、チューブ５の押圧が解除される。この状態で、もう一方のボール５１が転動しながら液体を円弧状部分に沿って押し出し、これによってチューブ５から液体が吐出される。一方のボール５１はその間に再び円弧状部分上に配置され、チューブ５を押しつぶして、もう一方のボール５１とで挟まれた液体を移動させる。これを繰り返すことによってチューブ５内の液体を連続で吐出させる。
ボール５１は、その転動にともなってボール保持部７１を押し、これによってリテーナ７が回転する。この際、回転検出手段７３はリテーナ７の凸部７２の通過を検知し、ボール５１の回転速度（回転数）を検知する。
【００４７】
液体吐出装置１１を使用しない時には、四つ割ピン８４とツメ部８５１との係合を外せば、チューブ５の圧閉が解除される。なお、例えば位置決めピン８３の基部８１への嵌合が強く、チューブ５および押圧ゴム６２の弾性力で蓋部材８２が基部８１から離間しない場合には、切欠８１５に爪やドライバなどをあてて蓋部材８２と基部８１とを離間させると簡単に離間させることができる。
【００４８】
このような第二実施形態によれば、第一実施形態の（１）、（２）および（４）の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
（７）補強板２２Ａ，２３Ａが圧電素子２１の両面に設けられているので、圧電アクチュエータ２が厚み方向にほぼ対称な構造となり、圧電素子２１が面内方向に振動する。従って、突起部２２１は圧電素子２１の面内方向に楕円軌道を描くこととなるので、ロータ６を効率よく回転駆動できる。
【００４９】
（８）液体吐出装置１１は、以上のような効果を奏するので、例えば人や動物に鎮痛薬や治療薬を投与する医療装置、インクジェットプリンタのヘッドメンテナンス用ポンプ、定期的に機械に油や燃料を補給する装置、燃料電池用装置、ＣＰＵの水冷装置用ポンプ、その他任意の様々な装置に使用できる。
【００５０】
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、第一実施形態の圧電アクチュエータ２では、補強板２２Ａは圧電素子２１の片面にのみ設けられていたが、これに限らず図１１に示されるように、圧電素子２１の両面に設けられていてもよい。この場合には、固定板２２とは反対側に、補強板２２Ａと略同形状の補強板２３Ａを、圧電素子２１を挟んで補強板２２Ａと略同位置に接合させればよい。
【００５１】
突起部２２１は、補強板２２Ａに一体的に形成されていたが、これに限らず例えば図１２に示されるように、補強板２２Ａと別体になっていてもよい。図１２において、突起部２２１は、補強板２２Ａ，２３Ａと別体に形成されており、補強板２２Ａ，２３Ａの端部で突起部２２１を挟持し、接着などによって固定されている。このような構成の圧電アクチュエータ２でも、補強板２２Ａが圧電素子２１の一部分に設けられているので、圧電アクチュエータ２の耐久性を確保しながら、圧電素子２１の振動振幅を高効率で取り出し、被駆動体を高効率で駆動することができる。
あるいは、突起部２２１は、図１３に示されるような構造でもよい。図１３において、突起部２２１は圧電素子２１が挿通される挿通部２２１Ａを備えている。この挿通部２２１Ａに圧電素子２１の短辺略中央を挿通し、接着などによって接合すればよい。
このように、突起部２２１は、圧電アクチュエータ２の構成によって適宜適切な位置に適切な方法で配置すればよく、必ずしも補強板２２に一体的に設ける必要はない。
【００５２】
補強板２２Ａの形状は、圧電素子２１の幅方向略中央に長手方向に沿って略矩形状に形成されていたが、これに限らず例えば前述の図１３に示されるように、圧電素子２１の平面略中央に略円形状に形成されていてもよい。この場合でも、補強板２２Ａが圧電素子２１の面上の一部分に接合されているので、圧電素子２１の振動を妨げることなく、耐久性を向上させることができる。
【００５３】
支持部２２Ｂは、補強板２２Ａに一体的に設けられていたが、これに限らず補強板２２Ａと別体に設けられていても、本発明に含まれる。つまり、例えば補強板２２Ａおよび支持部２２Ｂを別体に形成し、支持部２２Ｂの端部に圧電素子２１の端部が挿通される挿通部などを設け、圧電素子２１を挿通部に挿通、接着するなどして固定してもよい。この場合には、支持部２２Ｂが圧電素子２１の面内に配置されるので、振動のバランスを良好にできる。
【００５４】
圧電素子２１の電極は、中央電極２１Ａおよび対称電極２１Ｂを形成することによって、圧電素子２１に屈曲振動を積極的に励振する構造となっていたが、これに限らず例えば電極が圧電素子２１の両面の全面に形成されていてもよい。この場合には、例えば図９のように突起部を圧電素子２１の長手方向に対して非対称に設けることによって圧電アクチュエータ２の重量バランスを非対称に構成すればよい。このような構成によれば、突起部の重量アンバランスによって圧電素子２１をねじる力が働き、屈曲振動を生じさせることができる。
【００５５】
本発明の圧電アクチュエータは、駆動装置１０や液体吐出装置１１に限らず、様々な装置に適用できる。特に、本発明の圧電アクチュエータは薄型化を促進できるので、小型化、薄型化が要求される装置に有用である。
【００５６】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【００５７】
【発明の効果】
このような本発明によれば、補強板が圧電素子の面上の一部分に接合されているので、圧電素子の耐衝撃性を確保しながら、かつ良好な振動を得ることができ、被駆動体を高効率で駆動できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる駆動装置の平面図。
【図２】第一実施形態にかかる圧電アクチュエータの斜視図。
【図３】第一実施形態にかかる圧電アクチュエータの分解斜視図。
【図４】第一実施形態にかかる駆動装置の側断面図。
【図５】第一実施形態にかかる圧電アクチュエータの動作を示す図。
【図６】第一実施形態にかかる圧電アクチュエータの各振動の共振周波数を示す図。
【図７】第二実施形態にかかる液体吐出装置の平面図。
【図８】第二実施形態にかかる液体吐出装置の側断面図。
【図９】第二実施形態にかかる圧電アクチュエータの分解斜視図。
【図１０】第二実施形態にかかる圧電アクチュエータを拡大した側断面図。
【図１１】本発明の圧電アクチュエータの変形例を示す分解斜視図。
【図１２】本発明の圧電アクチュエータの別の変形例を示す分解斜視図。
【図１３】本発明の圧電アクチュエータのさらに別の変形例を示す分解斜視図。
【符号の説明】
２…圧電アクチュエータ、６…ロータ（被駆動体）、１０…駆動装置（装置）、１１…液体吐出装置（装置）、２１…圧電素子、２１Ａ…中央電極、２１Ｂ，２１Ｃ…対称電極、２２…固定板、２２Ａ，２３Ａ…補強板、２２Ｂ…支持部、１００…被駆動体、２２１…突起部。

Claims

矩形板状の圧電素子の振動によって被駆動体を駆動する圧電アクチュエータであって、前記圧電素子に接合される補強板を備え、この補強板は、前記圧電素子の面上の一部分に接合されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記補強板は、前記圧電素子を支持する支持部を一体的に備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記補強板は、被駆動体に当接されて当該被駆動体を駆動する突起部を一体的に備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電素子の両面には、前記圧電素子に電圧を印加するための電極が形成されており、一方の面の前記電極は、前記圧電素子の全面に形成され、他方の面の前記電極は、前記圧電素子の長手方向中心線のほぼ全体を含む中央電極と、この中央電極の両側に前記圧電素子の平面中心に対して点対称に形成される対称電極とを備えていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記補強板は、前記圧電素子の両面に設けられ、これらの補強板は互いに略同形状で、かつ前記圧電素子の平面上に、前記圧電素子を挟んでほぼ同じ位置に配置されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電素子の長辺を１とすると、短辺は０．２７４以上に形成され、前記圧電素子の短辺には、被駆動体に当接されて当該被駆動体を駆動する突起部が設けられ、前記圧電素子の長手方向に伸縮する縦振動と、前記圧電素子の平面中心に対して点対称に、前記縦振動に直交する方向に屈曲する屈曲振動との振動比は、前記縦振動の共振周波数に対する前記屈曲振動の共振周波数の比が、１．００より大きく、１．０３以下となるように設定されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする装置。