JP2004297949A

JP2004297949A - 圧電アクチュエータおよびこれを備えた機器

Info

Publication number: JP2004297949A
Application number: JP2003088816A
Authority: JP
Inventors: Reiko Nagahama; 玲子長濱
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】振動体の振動を阻害することなく、小型化に優れ、圧電素子の電極への配線も容易に行える圧電アクチュエータの支持構造を提供すること。
【解決手段】矩形薄型上の振動体１０の中心部を支持部材２で支持することで、変位がない振動の節近傍を支持することになり、前記振動体１０の振動を阻害せずに振動体１０を支持でき、面内方向へのサイズが小さくできるため小型化に優れる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電アクチュエータの支持構造に関する。
【０００２】
【背景技術】
圧電素子は、電気エネルギーから機械エネルギー、又は機械エネルギーから電気エネルギーへの変換効率や応答性に優れているうえ、小型化が可能であることから近年、圧電素子の圧電効果を利用した圧電アクチュエータの開発が進められている。この圧電アクチュエータは、圧電ブザーや超音波モータ、その他精密機械や半導体等の多岐の分野において利用されている。
従来の圧電アクチュエータの支持構造には、振動体の側面に支持部材を設置した構造や（例えば特許文献１）、側面あるいは上面に複数の支持部材を設置した構造がある（例えば特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３３３４８０号公報
【特許文献２】
特開平７−１８４６８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の圧電アクチュエータの支持構造では、支持部材が振動体の側面に取り付けられているため、振動体の振動を阻害することになり、十分な駆動力を得ることができない。また、支持部材が振動体から大きくはみ出てしまうため、サイズが大きくなり、小型化に対応しきれない。さらに、圧電素子の電極への配線が長くなり、使用条件によっては断線する可能性がある。
また、特許文献２の圧電アクチュエータの支持構造では、複数設置される支持部材は振動を阻害することになり、十分な駆動力を得ることができず、さらに、支持部材の数が多いため、部材数が増え、サイズも大きくなる。
【０００５】
本発明は、振動体の振動を阻害することなく、小型化に優れ、圧電素子の電極への配線も容易に行える圧電アクチュエータの支持構造を提供する。
【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およびそれを備えた機器は、矩形薄板状の圧電素子を含む振動体を有するとともに、前記振動体の振動方向が該振動体の面内方向である圧電アクチュエータであって、前記圧電アクチュエータを支持する支持部材は、前記振動体の振動の節近傍となる位置を支持していることを特徴とする。
但し、ここで「振動体の節近傍」とは、振動の節を含んだ範囲の場所をいう。また、「支持している」とは、支持部材に振動体が固定されている状態を意味し、この時、製造過程で生じた僅かなガタ等が存在する場合でも、支持部材に振動体が固定されているものとして扱う。
この発明によれば、振動体の振動の節あるいは節の周囲を支持部材で支持するので、変位がない振動の節を支持することになり、前記振動体の振動を阻害せずに前記振動体が支持されるようになる。また、前記支持部材が前記振動体の中央に１つだけ設けられているので面内方向へのサイズが小さくなり小型化を促進する。さらに、前記支持部材の近傍に配線することで、断線を有効に防止できる。
【０００７】
また、本発明では、前記支持部材は前記振動体の振動の面内方向に対して略垂直に当該振動体を支持していることが好ましい。
この発明によれば、支持部材が振動平面に対して略垂直に設けられているので、面内方向のサイズが大きくならず、圧電アクチュエータを含む装置全体の小型化が促進される。
【０００８】
また、本発明では、前記振動体の振動は、前記長手方向に沿って伸縮する縦奇数次振動と、前記長手方向に対して屈曲する屈曲偶数次振動との複合振動であり、前記支持部材は、これらの縦奇数次振動の節及び屈曲偶数次振動の節が最も近づいた位置で前記振動体を支持していることが好ましい。
この発明によれば、前記支持部材は縦奇数次振動の節と屈曲偶数次振動の節とが最も近づいた位置で前記振動体を支持しているので、これらの縦奇数次振動及び屈曲偶数次振動のどちらの振動も阻害することなしに前記振動体が支持される。
【０００９】
また、本発明では、前記縦奇数次振動は縦１次振動であり、前記屈曲偶数次振動は屈曲２次振動であることが好ましい。
この発明によれば、縦１次振動および屈曲２次振動を励振させるために複雑な振動体の構造は不要であるので、振動体の構造を簡単にでき、かつ小型化できる。
【００１０】
また、本発明では、前記圧電素子の電極に電圧を印加するための電圧印加手段を備え、この電圧印加手段は可撓性を有した配線板で形成され、この配線板上の導通パターンまたは当該配線板から延出した箔状の導通パターンが前記電極に接合されていることが好ましい。
この発明によれば、可撓性を有した配線板上に導通パターンを設けているので、この導通パターンを配線板上に整理することができ、配線が絡まることがなく、また配線作業が簡単となる。
【００１１】
また、本発明では、前記電圧印加手段は、前記支持部材に取り付けられていることが好ましい。
この発明によれば、前記支持部材に前記圧電素子の表面に電圧を印加するための電圧印加手段を組み込むことで、前記振動体の節に近い位置に配線することができるから、前記支持部材から前記圧電素子の電極への配線が容易に行える。また、これにより、配線が長くならず、さらに、振動の影響が少ないので断線を防止し、配線によって振動が阻害されることがない。
【００１２】
また、本発明では、前記圧電アクチュエータが取り付けられる取付部材には、前記振動体を振動の面内方向の一方向に付勢させる付勢手段が設けられていることが好ましい。
この発明によれば、前記取付部材に、前記振動体を振動の面内方向の一方向に付勢させる付勢手段を設けたので、振動体が取付部材ごと被駆動体の方向に付勢され、振動体が前記取付部材に確実に固定された状態で、被駆動体により大きな駆動力を伝達でき、さらに前記振動体周辺の配線等の必要部材をユニット化できるため、組み立てにおいても効率的である。
【００１３】
また、本発明では、前記支持部材は弾性を有した前記振動体を面内方向の一方向に付勢可能に設けられていることが好ましい。
この発明によれば、前記振動体を前記振動体に接触する被駆動体の方向に付勢させることにより、より大きな駆動力を得ることが可能である。
【００１４】
また、本発明では、前記振動体は前記圧電素子と補強板とを積層して形成され、前記支持部材には前記圧電素子を前記補強板に位置決めするための案内部が設けられていることが好ましい。
この発明によれば、前記支持部材には前記圧電素子の位置決めのための案内部が設けられているので、前記補強板に前記支持部材を取り付け、この補強板に前記圧電素子を取り付ける際に、前記圧電素子を所定の位置に容易に接着することが可能であり、また、貼り付けずれを防止する。
【００１５】
また、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。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。図１は第一実施形態の圧電アクチュエータの支持構造が適用された車輪体５０の平面図を示している。
図１において、車輪体５０は、円盤状の基部５１と、この基部５１の外周部に回転可能に取り付けられた環状の外輪５２と、基部５１に対して僅かにスライド可能に設置された取付部材５３と、この取付部材５３に取り付けられた状態で外輪５２に当接する圧電アクチュエータ１とを有している。この車輪体５０は、例えば、おもちゃの自動車の車輪等に取り付けられている。
【００１７】
基部５１は、裏面側に図示しない駆動回路や検出回路等を備え、基部５１の表面に設けられた導通部５６がこれらの回路と導通している。
外輪５２は、保持器５５で保持されたボール５４を介して基部５１に回転可能に取り付けられている。外輪５２の内周には圧電アクチュエータ１の突起部１２０が当接する被当接面５２０が形成され、圧電アクチュエータ１から駆動力を受けることにより外輪５２が回転する。
取付部材５３は、取付孔５３０を有し、圧電アクチュエータ１を挟むように一対の押さえ板３が取り付けられる。押さえ板３は、図２にも示すように圧電アクチュエータ１を表側と裏側とから支持する部材であり、取付部材５３上に設けられている（図１では裏側の押さえ板３の図示を省略する）。また、取付部材５３には付勢手段であるばね５７が取り付けられ、基部５１に設置されたばねガイド５８とこのばね５７とによって、圧電アクチュエータ１が被当接面５２０の方向に付勢されている。
【００１８】
図２は圧電アクチュエータ１の振動体１０の斜視図を示し、図３は圧電アクチュエータ１の中心付近の断面図を示している。
図１、図２、図３において、圧電アクチュエータ１は、矩形状の振動体１０と、振動体１０を平面中心近傍で支持する棒状の支持部材２と、振動体１０に接続されたフレキシブル配線板４とを備えている。
振動体１０は、長手方向を有する矩形平板状で寸法比が長辺：短辺が７：２に形成されており、補強板１２と、その両面に接合された圧電素子１１とを含んで構成されている。補強板１２は、一短辺の中心に略半円状の突起部１２０を有し、前述したようにこの突起部１２０が外輪５２の被当接面５２０に当接する。また補強板１２の平面中心には支持部材２を挿入するための支持部材挿入孔１２１が設けられている。この補強板１２にはステンレス鋼等のように靭性や強度に富む素材が用いられている。
【００１９】
圧電素子１１の材質には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。補強板１２の図３中の上面側に接合される圧電素子１１の平面中心には治具挿入孔１１６が設けられ、下面側に接合される圧電素子１１の平面中心には鍔挿入孔１１７が設けられている。これらの治具挿入孔１１６と鍔挿入孔１１７の径は略同一に形成され、補強板１２への支持部材２の挿入を干渉しない大きさになっている。また、圧電素子１１は、長手方向に平行に３等分され、さらにその両側は短辺方向に平行に２等分されている。これらの等分された圧電素子１１の表面には電極１１１〜１１５が形成され、これらの電極１１１〜１１５の支持部材２に近い位置に可撓性を有するフレキシブル配線板４に設けられている導電性のパターン４１が圧着あるいは溶着されている。このフレキシブル配線板４上に設けられるパターン４１は、先端部がフレキシブル配線板４上から延出してオーバーハングしており、この部分が各電極１１１〜１１５に接合されている。パターン４１の基部５１は導通部５６に接続されていて、この導通部５６及びパターン４１を介して基部５１の裏面側に設けられた回路と電極１１１〜１１５とが導通している。
【００２０】
支持部材２は、補強板１２の支持部材挿入孔１２１に略垂直に挿入されることにより振動体１０を支持する。この時、支持部材２の挿入部２３の径は支持部材挿入孔１２１の径より若干大きく設定され、挿入部２３を支持部材挿入孔１２１に圧入することで支持部材２が補強板１２に固定されている。また、挿入部２３の下部に設けられた鍔２２は、圧電素子１１との間に隙間が空くようにして鍔挿入孔１１７に挿入されているとともに、その上面で補強板１２を支持している。また、治具挿入孔１１６は支持部材２を補強板１２に圧入する時に使用される治具を挿入するために設けられたものである。
さらに、支持部材２の両端部には、図４に示すように、断面略四角形の固定部２１が設けられている。
【００２１】
図４において、押さえ板３の中心には案内孔３１が設けられている。この案内孔３１の径は支持部材２の固定部２１の対角寸法より若干小さく設定されており、案内孔３１に固定部２１を圧入することにより支持部材２が押さえ板３に固定されている。また、この際支持部材２および押さえ板３は導電性を有しており、押さえ板３が図示しない回路のＧＮＤ（接地）線と電気的に導通していることで、この押さえ板３及び支持部材２を介して補強板１２を接地させている。
【００２２】
図５（Ａ）〜（Ｃ）はこのような圧電アクチュエータ１において、電極１１１〜１１５及び補強板３間に電圧を印加した場合の振動体１０の運動の様子を示している。
図５（Ａ）は電極１１３、補強板１２間に電圧を印加した際の振動を示している。電極１１３に電圧を印加した場合、この電極１１３の部分の圧電素子１１が伸縮運動をする。振動体１０は長手方向を有するため、長手方向に直交する方向への伸縮より長手方向への伸縮の変位が大きく、したがって振動体１０は電極１１３の略中心を節として縦１次振動を行う。支持部材２はこの縦１次振動の節である振動体１０の中心を支持するため縦１次振動の阻害することはない。
【００２３】
図５（Ｂ）は電極１１１及び１１５と補強板１２間に電圧を印加した際の振動を示している。電極１１１及び１１５に同時に電圧を印加すると、電極１１１及び１１５の部分の圧電素子が伸縮運動をする。振動体１０全体を見ると、伸縮運動をする電極１１１及び１１５の部分と伸縮運動をしない電極１１２及び１１４の部分とが非対称になるように分かれるため、屈曲する。そのため、振動体１０は電極１１１，１１２、１１４，１１５から等距離の点である振動体１０の略中心点を節として長手方向に直交する方向に屈曲２次振動する。支持部材２はこの屈曲２次振動の節であり、振動体１０の中心点に設けられるので屈曲２次振動を阻害することはない。
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）より支持部材２は縦１次振動と屈曲２次振動の両方の節が最も近づいた位置である振動体１０の中心を支持することになり、これらの振動の阻害することなしに振動体１０を支持することができる。
【００２４】
図５（Ｃ）は電極１１１，１１３，１１５と補強板１２間に電圧を印加した際の突起部１２０の動きを示している。突起部１２０は縦１次振動と屈曲２次振動が複合されることで楕円運動をする。突起部１２０はこの楕円運動の一部において楕円運動の向きと力に応じた駆動力を被当接面５２０に与える。
また、被当接面５２０に与える駆動力の向きを逆にし、外輪５２の回転方向を逆にするためには、電圧を印加する電極を、節を中心に線対称にすればよい。すなわち、電極１１２，１１３，１１４と補強板１２に電圧を印加することで突起部１２０は逆向きの楕円運動を描き、この楕円運動に応じた向きに駆動力が働く。
さらに、本発明の第一実施形態では、電圧を印加していない電極は振動検出に用いられ、パターン４１を通して電気信号が図示しない振動検出回路に送られる。これにより振動体１０の振動を検出し、フィードバック制御により電極に印加する電圧を調整することが可能である。
【００２５】
以下には、図６に基づいて振動体１０の製造方法について説明する。
先ず、図６（Ａ）に示すように、プレス等でフープ材６を打ち抜くことにより、幅方向の両側に位置決め孔６１を穿設するとともに、幅方向に沿った溝６３、長手方向に沿った溝６４、および位置決め孔６１間を結ぶ位置決め線６１１を境にして両側に複数（本実施形態では５個）の支持部材挿入孔１２１を穿設し、これにより、長手方向に沿った両側部分に対して接続部６５で接続された複数の補強板集合体６２を形成する。この際、各補強板集合体６２を幅方向に若干ずらして形成しておき、また、溝６３を波状に穿設することで、隣接し合う補強板集合体６２での複数の突起部１２０を千鳥状に形成し、多数個取り時の材料の歩留まりを向上させている。なお、この補強板集合体６２は、本実施形態では、補強板１２（一点鎖線）を長手方向に２個、幅方向に５個の合計１０個取りするように設定されている。そして、各補強板集合体６２において、幅方向に５個の補強板１２は、前記位置決め線６１１を中心とした線対称になっている。
【００２６】
一方、図６（Ｂ）に示すように、平板状の圧電基板７をレーザー加工等することにより、幅方向の両側に位置決め孔７１を穿設するとともに、位置決め孔７１間を結ぶ位置決め線７１１を境にして両側に複数（本実施形態では５個）の治具挿入孔１１６または鍔挿入孔１１７を穿設する。この際、位置決め孔７１間相互のピッチ、および挿入孔１１６，１１７間相互のピッチはそれぞれ、フープ材６側での位置決め孔６１間相互のピッチ、および支持部材挿入孔１２１間相互のピッチに等しい。したがって、圧電基板７からは、一点鎖線で示すように、補強板集合体６２に対応した複数の圧電素子集合体７２を取ることが可能であり、各圧電素子集合体７２からは、長手方向に２個、幅方向に５個の合計１０個の圧電素子１１を取ることが可能である。なお、位置決め孔６１や挿入孔１１６，１１７をレーザー加工で穿設する他、これらの孔７１，１１６，１１７をはじめから考慮して、圧電基板７全体を焼結等により形成してもよい。
【００２７】
次に、位置決め孔６１，７１同士を合わせるようにしてフープ材６の表裏両面に圧電基板７を接着等により接合する。この後、フープ材６および圧電基板７が一体の状態において、圧電基板７のハッチング部分、すなわち圧電基板７でのフープ材６の溝６３に対応する部分のみを幅広のカッターで切削等し、フープ材６側の突起部１２０を露出させる。そして、圧電基板７での圧電素子集合体７２の外形に沿って切削加工（具体的には、長手方向に沿った部分の切削加工）を行い、この切削加工によってフープ材６側の接続部６５も同時に削除する。これにより、補強板集合体６２の表裏両面に圧電素子集合体７２が貼設された集合体、つまり１０個の振動体が一体となった複数の集合体を得ることになる。
【００２８】
次いで、複数の前記集合体を重ね合わせ、位置決め線６１１，７１１に沿って切断し、５個の振動体が一体となった集合体に分割する。さらに、この集合体を重ね合わせ、振動体の外形に沿って切断し（具体的には、長手方向に沿って切断し）、個々の振動体に分割し、単体の振動体１０を得る。
以上の振動体１０の製造法を用いることで、複数個の振動体１０を同時に製造できるので、量産性が向上し、また、補強板１２と圧電素子１１とを接合した状態で切断することにより、補強板１２及び圧電素子１１の形状を揃える事ができ、ずれが発生しない。
【００２９】
以上のような第一実施形態では、以下のような効果がある。
（１）振動体５０に用いられている振動体１０では、振動体１０の節が支持部材２で支持されるので、振動体１０の振動を阻害せずに振動体１０を支持できる。また、支持部材２が振動体１０の中央に１つだけ設けられているので面内方向へのサイズが小さくなり小型化を促進できる。さらに、支持部材２の近傍に配線することで、断線を有効に防止でき、配線により振動も阻害されることがない。
（２）支持部材２が振動平面に対して略垂直に設けられているので、面内方向のサイズを小さくでき、車輪体５０を小型化できる。
（３）振動体１０の中心は縦１次振動の節と屈曲２次振動の節とが最も近づいた位置であり、支持部材２はこの位置を支持しているので、これらの縦１次振動及び屈曲２次振動のどちらの振動も阻害することなしに振動体１０を支持できる。
（４）振動体１０の振動は縦１次振動を屈曲２次振動であるので、簡単な振動体１０の構造でこれらの縦１次振動および屈曲２次振動を励振させることができる。
（５）可撓性を有したフレキシブル配線板４上にパターン４１を設けているので、このパターン４１をフレキシブル配線板４上に整理することができ、配線が絡まることがなく、また配線作業を簡単にできる。
（６）取付部材５３に、振動体１０を振動の面内方向の一方向に付勢させるばね５７を設けたので、振動体１０が取付部材５３ごと被当接面５２０の方向に付勢され、振動体１０が取付部材５３に確実に固定された状態で、被当接面５２０に大きな駆動力を伝達でき、また、この押圧力を変化させることで外輪５２の回転スピードを調整できる。さらに振動体１０周辺の必要部材をユニット化できるため、効率的に組み立てできる。
（７）圧電素子１１の表面が長手方向に沿って平行に３等分され、さらにその両側は短辺方向に沿って平行に２等分されているので、５つに分かれた電極１１１〜１１５のうち振動体１０の一対角線方向に位置する電極に電圧を印加することにより突起部１２０を楕円運動させることができ、この楕円運動に応じた駆動力を得ることができる。さらに、振動体１０の長手方向の中心線と線対象となるように電圧を印加する電極に替えることで突起部１２０の楕円運動を逆向きにでき、外輪５２を逆転させることができる。
（８）電圧を印加しない電極は検出電極として用いられるため、振動体１０の振動の大きさを検出でき、この検出結果に基づくフィードバック制御により電極に印加する電圧を調整でき、最適な条件で駆動できる。
（９）支持部材２は押さえ板３に挟み込まれて固定されるので、振動体１０を押さえ板３で覆うことになり、振動体１０を保護できる。また、支持部材２を押さえ板３に圧入により固定するため、ねじ止め等が不要で、組み立てを簡単にでき、部品点数も低減でき、かつ、装置全体を小型化できる。
【００３０】
〔第二実施形態〕
次に本発明の第二実施形態について図７、図８、図９を用いて説明する。
図７には第二実施形態における圧電アクチュエータの支持構造の平面図を、図８には第二実施形態で使用されるフレキシブル配線板４Ａの展開平面図を、図９に本実施形態の圧電アクチュエータの支持構造の中心付近の断面図を示す。ここで、第一実施形態と同一の構成要件については同符号で示し、説明を省略する。以下後述する第三実施形態以降についても同様である。
【００３１】
本実施形態の圧電アクチュエータ１の支持構造では、支持部材２にフレキシブル配線板４Ａが設けられている。このフレキシブル配線板４Ａは図８に示すとおり、矩形形状をしており、このフレキシブル配線板４Ａ上の所定位置には、互いに平行な複数の直線状のパターン４１Ａが形成されている。またパターン４１Ａが配置される部分はパターン４１Ａの長さにあわせてフレキシブル配線板４Ａが延出している。このようなフレキシブル配線板４Ａは、図７、図９に示すように、支持部材２の両端側に巻かれ、フレキシブル配線板４Ａに設けられたパターン４１Ａが各電極１１１〜１１５の支持部材２付近に圧着あるいは溶着されている。
押さえ板３には導電性を有した接点ばね３５が設置され、この接点ばね３５にパターン４１Ａが電気的に接続されている。接点ばね３５は、押さえ板３上の回路パターン３６に接続されており、この回路パターン３６が図示しない駆動回路と接続されている。したがって、駆動回路からは、これらの回路パターン３６、接点バネ３５、およびパターン４１Ａを介して各電極１１１〜１１５に電圧が印加される。もちろん、接点ばね３５および回路パターン３６は、押さえ板３に対して絶縁されている。
【００３２】
第二実施形態によれば、第一実施形態の（１）から（９）の効果に加え、次のような効果が得られる。
（１０）フレキシブル配線板４Ａが支持部材２に巻かれているので、このフレキシブル配線板４Ａからの短いパターン４１Ａを各電極１１１〜１１５より支持部材２近傍に接続できる。このため、長い配線やパターンを用いずに振動体１０の節に近い位置に配線でき、配線作業を容易にできる。さらに、振動の影響が少ないので断線を防止でき、配線によって振動が阻害されることがない。
【００３３】
また、支持部材に取り付けられる電圧印加手段として図１０、図１１で示されるような例も挙げられる。
図１０は支持部材２Ｂに取り付けられているフレキシブル配線板４Ｂの平面図である。図１１はフレキシブル配線板４Ｂが取り付けられた圧電アクチュエータの断面図である。
【００３４】
図１０、図１１において、フレキシブル配線板４Ｂは環状であり、その一部に切れ込みが入れられている。この切れ込みは支持部材２Ｂに装着しやすくするものである。支持部材２Ｂは両端部に溝２４を有し、この溝２４に環状のフレキシブル配線板４Ｂの内周部が取り付けられている。このようなフレキシブル配線板４Ｂにはパターン４１Ｂが設けられ、これらのパターン４１Ｂが各電極１１１〜１１５の支持部材２Ｂの近い位置に圧着または溶着されている。この例では（１０）の効果に加え、次のような効果がある。
（１１）フレキシブル配線板４Ｂが環状形状であり、支持部材２Ｂの溝２４に支持されるので、フレキシブル配線板４Ｂを支持部材２Ｂに接着する等の作業を不要にでき、容易に取付可能で、組み立て性を向上させることができる。
【００３５】
〔第三実施形態〕
次に本発明の第三実施形態について図１２に基づいて説明する。図１２（Ａ）は支持部材２Ｃの挿入部２３Ｃの断面を示す斜視図である。図１２（Ｂ）は挿入部２３Ｃを示す平断面図である。
図１２（Ａ）において、支持部材２Ｃ外周には挿入方向に沿った複数の溝部２５Ｃが等周間隔で設けられ、隣合う溝部２５Ｃの間は突出部２６Ｃになっている。図１２（Ａ）において破線は補強板１２の支持部材挿入孔１２１である。支持部材２Ｃの挿入部２３Ｃは、その径が支持部材挿入孔１２１の径より若干大きく設定され、圧入により固定されている。この時、突出部２６Ｃは支持部材挿入孔１２１に食込むように圧入され、非常に強い固定力が得られる。
【００３６】
第三実施形態によれば、第一実施形態の（１）から（９）の効果に加えて次の効果が得られる。
（１２）支持部材２Ｃの補強板１２への挿入部２３Ｃに溝部２５Ｃと突出部２６Ｃが設けられていることで、突出部２６Ｃが支持部材挿入孔１２１に食込むように圧入されるため、補強板１２への支持部材２Ｃの固定力を強くでき、断面が円形の支持部材２の時に比べて補強板１２が回りにくく、長時間振動体１０を振動させても補強板１２と支持部材２Ｃとがずれない。
【００３７】
〔第四実施形態〕
次に本発明の第四実施形態について図１３に基づいて説明する。図１３は第四実施形態での圧電アクチュエータの支持構造における中心近傍を示す断面図である。
図１３において、支持部材２Ｄは、下部に制御回路５９２を備えた土台５９に直接固定されているとともに、中心部分に空洞２７Ｄを備え、この空洞２７Ｄには各電極１１１〜１１５（図５参照）に接続される配線８が通されている。
【００３８】
土台５９は基部５１にスライド可能に設けられ、また図示しないばねにより外輪５２の被当接面５２０側に付勢されている。支持部材２Ｄを挿入する支持部材固定孔５９１の径は支持部材２Ｄの下端部に設けられた固定部２１Ｄの径より若干小さく設定され、支持部材２Ｄは支持部材固定孔５９１に固定部２１Ｄを圧入することにより固定されている。
支持部材２Ｄの空洞２７Ｄは支持部材２Ｄの両端部で開口しており、土台５９の下部に通じている。また、支持部材２Ｄにおいて、図１３中で下面側の圧電素子１１と略同一高さには、配線８の挿通孔２８Ｄが設けられている。制御回路５９２に接続された配線８は、空洞２７Ｄの下端開口部から空洞２７Ｄ内に通され、さらに挿通孔２８Ｄから引き出され、下面側の圧電素子１１の各電極１１１〜１１５へ接続されている。また空洞２７Ｄの上端開口部から引き出された配線８は、上面側の圧電素子１１の各電極１１１〜１１５へ接続されている。配線８の材質には軽量かつ接続が容易に行えるものが好ましく、例えばウレメット線等であればハンダ付けにより接続が容易に行える。
【００３９】
第四実施形態によれば、第一実施形態の（１）から（４）および（７）、（８）の効果に加えて次のような効果が得られる。
（１３）配線８が支持部材２Ｄの空洞２７Ｄを通して節近傍の各電極１１１〜１１５に接続されているので、配線８は空洞２７Ｄ内にまとめられることになり、配線８が振動体１０に接触して振動を阻害することがない。
（１４）土台５９は基部５１に設置され、この土台５９に直接支持部材２Ｄが固定されているので、他の固定構造、例えば第一実施形態でいう取付部材５３のような固定構造が不要であり、車輪体５０全体の小型化、薄型化を促進できる。
【００４０】
〔第五実施形態〕
次に本発明の第五実施形態について図１４に基づいて説明する。
図１４（Ａ）は第五実施形態の圧電アクチュエータの支持構造の斜視図を、図１４（Ｂ）は圧電アクチュエータの支持構造の支持部材近傍の断面図を、図１４（Ｃ）は補強板の平面図を示している。
【００４１】
図１４（Ａ）〜（Ｃ）において、第五実施形態の圧電アクチュエータ１は、長手方向を有する矩形平板状の補強板１２Ｅの両面に圧電素子１１Ｅを接合した振動体１０Ｅと、この振動体１０Ｅの略中心に挿通された矩形板状の支持部材２Ｅとを有している。
補強板１２Ｅの各短辺の端部には対角方向に対向した一対の突起部１２０Ｅ、１２６Ｅが設けられ、振動体１０Ｅが全体としてアンバランスに設定されている。また、補強板１２Ｅの略中心には支持部材２Ｅが挿通された支持部材挿入孔１２１Ｅが補強板１２Ｅの幅方向に沿って設けられ、さらに、この支持部材挿入孔１２１Ｅの両端には略円形の補助孔１２５Ｅが設けられ、この補助孔１２５Ｅに挟まれる部分、すなわち支持部材挿入孔１２１Ｅの内側部分が突起部１２７Ｅになっている。補強板１２Ｅは導電性を有し、支持部材２Ｅと突起部１２７Ｅとを介して導通している。
【００４２】
図１４（Ｂ）で補強板１２Ｅの下面側に接合される圧電素子１１Ｅの略中心には、支持部材挿入孔１２１Ｅより一回り大きい鍔挿入孔１１７Ｅが設けられ、また上面側に接合される圧電素子１１Ｅの略中心には、鍔挿入孔１１７Ｅと略同一寸法の治具挿入孔１１６Ｅが設けられている。
また、圧電素子１１Ｅの表面の電極１１１Ｅの支持部材２Ｅ近傍には配線８Ｅが接続され、この配線８Ｅを介して図示しない制御回路と電極１１１Ｅとが導通している。
【００４３】
振動体１０は、支持部材２Ｅの挿入部２３Ｅを補強板１２Ｅの支持部材挿入孔１２１Ｅに挿入することで支持されている。この時支持部材挿入孔１２１Ｅの短辺は支持部材２Ｅの厚みより若干小さく設定され、支持部材２Ｅは支持部材挿入孔１２１Ｅに圧入されている。また、補助孔１２５Ｅ間に形成される突起部１２７Ｅは圧入の際に支持部材２Ｅの挿入部２３Ｅに食込むように圧入されるので、強い固定力で挿入部２３Ｅを固定できる。
図１４（Ｃ）中で挿入部２３Ｅの下部に当接する鍔２２Ｅは、圧電素子１１Ｅとの間に隙間を空けて鍔挿入孔１１７Ｅに挿入されているとともに、その上面で補強板１２Ｅを支持している。また、治具挿入孔１１６Ｅは支持部材２Ｅを圧入する時に使用される治具を挿入するために設けられたものである。
支持部材２Ｅの両端部には押圧ばね２９Ｅが接続されており、突起部１２０Ｅを外輪５２の被当接面５２０（図１）の方向に付勢させている。また、本実施形態では支持部材２Ｅを若干撓ませ、板ばねとして作用させて突起部１２０Ｅを被当接面５２０の方向に付勢させることもできる。
【００４４】
第五実施形態による圧電アクチュエータ１では、電極１１１Ｅに電圧を印加すると長手方向に伸縮して、縦１次振動を励振する。また同時に、突起部１２０Ｅ、１２６Ｅが設けられている角部近傍では、これらの突起部１２０Ｅ、１２６Ｅの重さ等の影響により幅方向に慣性モーメントが働くため、振動体１０Ｅ全体では屈曲が発生し、幅方向に屈曲２次振動を励振する。このため、これらの縦１次振動と屈曲２次振動が複合されることにより、突起部１２０Ｅは楕円運動を行い、この楕円運動の向きを力に応じた駆動力が被駆動体に与えられる。
【００４５】
第五実施形態によると第一実施形態の効果（１）、（３）、（５）に加え、次の効果が得られる。
（１５）振動体１０Ｅの中心を支持する板状の支持部材２Ｅは若干撓んでおり、板ばねとして作用しているので、押圧ばね２９Ｅの弾性力と相まって突起部１２０Ｅを外輪５２の被当接面５２０に強い力で付勢させることができ、被当接面５２０により大きな駆動力を与えることができる。
（１６）押圧ばね２９Ｅは直接支持部材２Ｅに取り付けられているので、第一実施形態のような取付部材５３を不要にでき、部材点数を低減し、薄型化、小型化を促進できる。
【００４６】
〔第六実施形態〕
次に第六実施形態を図１５に基づいて説明する。
図１５において、振動体１０Ｆは、補強板１２Ｆと、その両面に接着される圧電素子１１Ｆとで構成されている。補強板１２Ｆは径の大きい支持部材挿入孔１２１Ｆを備え、この支持部材挿入孔１２１Ｆは位置決め段差部１２８を有する。
一方の支持部材２Ｆには、支持部材挿入孔１２１Ｆの大きさに対応した径の挿入部２３Ｆと、圧電素子１１Ｆに挿入される段差部２３２とが設けられている。また、挿入部２３Ｆは、位置決め段差部１２８に対応した位置に位置決め段差部２３１を備えている。
【００４７】
前述した第一実施形態においては、振動体１０の製造は補強板１２の両面に圧電素子１１を接合し、その、後支持部材２を補強板１２に圧入することで、支持部材２は振動体１０を支持している。これに対して第六実施形態では、支持部材２Ｆを先に補強板２Ｆに固定する構造となる。
つまり、このような振動体１０Ｆでは、始めに補強板１２Ｆに支持部材２Ｆを挿入する。この際、支持部材挿入孔１２１Ｆの径を挿入部２３Ｆの径より若干小さく設定しておき、位置決め段差部２３１と位置決め段差部１２８とが接合されるように圧入する。
次に補強板１２Ｆの両面に圧電素子１１Ｆを接着する。この接着は、補強板１２Ｆおよび挿入部２３Ｆの上面に接着剤を塗布しておき、この接着剤により圧電素子１１Ｆを補強板１２Ｆに確実に接着することで行われる。このようにすれば、接着剤が圧電素子１１Ｆと挿入部２３Ｆとで囲まれる隙間９Ａに充填されるため、圧電素子１１Ｆの接着強度を確実に確保できる。また、圧電素子１１Ｆの段差部挿入孔１１８を支持部材２Ｆの段差部２３２にはめ込むことで、この段差部２３２が圧電素子用の位置決め案内部として働くから、圧電素子１１Ｆが補強板１２Ｆに対して貼り付けずれを起こさない。
なお、この振動体１０Ｆでは、圧電素子１１Ｆの表面電極と支持部材２Ｆとは、隙間９Ｂが存在することで絶縁されている。
【００４８】
このように製造された第六実施形態の圧電アクチュエータの支持構造では第一実施形態の効果（１）〜（３）に加えて次の効果が得られる。
（１７）支持部材２Ｆの段差部２３２は圧電素子１１Ｆの位置決め案内部として機能するため、支持部材２Ｆが取り付けられた補強板１２Ｆに圧電素子１１Ｆを取り付ける際には、圧電素子１１Ｆを所定の位置に容易に接着でき、貼り付けずれを防止できる。
（１８）補強板１２Ｆの支持部材挿入孔１２１Ｆの径が大きいので、圧入によって押さえ付けられる面積も大きくでき、支持部材２Ｆの固定力を向上させることができる。
【００４９】
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、第二実施形態、及び第四実施形態から第六実施形態の圧電アクチュエータでは、補強板１２の両面に圧電素子１１、１１Ｅ、１１Ｆを設けているが、圧電素子１１を片面にのみ設けるものでもよい。しかし、この場合には、振動体１０は面内方向への振動だけではなく、面内方向以外への振動も起こりうるので、圧電素子１１の両面に補強板１２を設ける場合がある。
第一実施形態、第二実施形態において、突起部１２０は補強板１２の一短辺側の略中央に設けられていたが、これに限らない。例えば、第五実施形態のように補強板１２の一短辺の端部に設けられていてもよい。この場合、突起部１２０のために安定した屈曲振動を保てない虞があるため、振動体１０の中心に対して突起部と対角な位置に同形状の突起部を設ければよい。また、突起部を取り付ける部材においても補強板に限らない。例えば、突起部は圧電素子に取り付けられても構わない。
【００５０】
また、第一実施形態から第四実施形態、第六実施形態では支持部材２の断面は円形であるとしたが、これに限らない。例えば、断面形状が楕円形や多角形の支持部材を用いても構わない。この場合対応する補強板１２の支持部材挿入孔１２１、１２１Ｆの形状も支持部材の形状に合わせる必要がある。このような変形例では、振動体１０が支持部材２に対して回転しにくく、固定力を向上させることができる。
第一実施形態では、押さえ板３の３１を円形の孔、この案内孔３１に圧入される支持部材２の固定部２１を四角形としたが、これに限られない。例えば、押さえ板３の案内孔３１の断面形状を楕円あるいは多角形としてもよく、これに対する固定部２１の断面形状においても案内孔３１の形に合わせて楕円或いは多角形としてもよい。また、固定部２１の断面形状は案内孔３１の形状に必ずしも合わせる必要が無く、位置決め及び固定が可能であればよい。
【００５１】
第一実施形態、第二実施形態において、圧電素子１１は長手方向に平行に３等分され、さらにその両側は幅方向に平行に２等分されるとしたが、この分割方法に限るものではない。例えば、圧電素子を幅方向に平行に３等分し、その両側を長手方向に平行に２等分したものでもよい。すなわち、振動体１０を屈曲振動させるために、振動体１０の一対角に沿って電圧を印加できる構造であればよい。また、第五実施形態のように圧電素子１１は分断されずに矩形の１対角方向に一対の突起部を対向するように設けることによって屈曲振動を発生させてもよい。
【００５２】
また、ここまでの実施形態では、振動体１０，１０Ｅ，１０Ｆを外輪５２の被当接面５２０の方向に付勢しているが、これに限らない。例えば、振動体１０，１０Ｅ，１０Ｆを固定し、車輪体５２の被当接面５２０を振動体１０側に付勢してもよい。
【００５３】
ここで、このような圧電アクチュエータ１を用いた車輪体５０の例を挙げる。このような圧電アクチュエータ１を用いた一例として、小型の圧電アクチュエータ１を搭載した小さなおもちゃ等がある。例えば、自動車のおもちゃの前輪、後輪の２輪に圧電アクチュエータ１を搭載すると、圧電アクチュエータ１の振動状態を変えることで車輪体５０の正転、逆転ができるため、おもちゃを前進、後退させることができる。また、片輪を正転させ、もう片輪を逆転させることでその場で回転運動させることができる。さらに、おもちゃの自動車に限らず、ロボットの足の部分に車輪体５０を搭載させる等も考えられる。このように、圧電アクチュエータ１が小型化可能であるため、小さいおもちゃ等に搭載することができ、この大きさに合わせて様々なおもちゃ等に適用できる。
【００５４】
圧電アクチュエータ１を用いた車輪体５０の他の例として時計の運針が挙げられる。圧電アクチュエータ１を針の軸部分や、輪列に接触させ加圧させると針が駆動する。さらに時計の円盤状をしたカレンダーの側面に接触、加圧するとカレンダーが駆動し、時計の表示部分に日付を表示させることができる。圧電アクチュエータ１は逆転可能であるから、カレンダーや時刻の修正も楽に行える。このような圧電アクチュエータは、矩形薄板状の圧電素子で小型であるため、時計全体を小型化できる。
【００５５】
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。
【００５６】
【発明の効果】
この発明によれば、振動体の振動の節近傍あるいは節を含む場所を支持部材で支持しているので、振動体の振動を阻害せずに振動体を支持できる。また、支持部材２が振動体の中央に１つだけ設けられているので面内方向へのサイズが小さくなり小型化を促進できる。さらに支持部材２の近傍に配線することで、断線を有効に防止でき、配線により振動も阻害されることがないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一実施形態の圧電アクチュエータの支持構造が適用された装置の平面図。
【図２】第一実施形態の圧電アクチュエータの振動体の斜視図。
【図３】第一実施形態の圧電アクチュエータの中心付近の断面図。
【図４】第一実施形態における支持部材と押さえ板の支持構造を示す斜視図。
【図５】（Ａ）は電圧を印加した際の縦振動の様子を表す図、（Ｂ）は電圧を印加した際の屈曲振動の様子を表す図、（Ｃ）は縦１次振動および屈曲２次振動の複合振動時の突起部の軌道を示す図。
【図６】第一実施形態の振動体の製造過程において用いられる補強板及び圧電素子の加工前の状態を示した平面図。
【図７】第二実施形態における圧電アクチュエータの支持構造の平面図。
【図８】第二実施形態で使用される電圧印加手段の展開平面図
【図９】第二実施形態における圧電アクチュエータの支持構造の断面図。
【図１０】第二実施形態の変形例である支持部材に取り付けられている電圧印加手段の平面図。
【図１１】第二実施形態の変形例である電圧印加手段が取り付けられた圧電アクチュエータの断面図。
【図１２】（Ａ）は第三実施形態における支持部材の補強板へ挿入する挿入部の断面を示す斜視図、（Ｂ）は挿入部を示す平面断面図。
【図１３】第四実施形態における圧電アクチュエータの支持構造における中心近傍を示す断面図。
【図１４】（Ａ）は第五実施形態の圧電アクチュエータの支持構造の斜視図、（Ｂ）は補強板の平面図、（Ｃ）は圧電アクチュエータの支持構造の支持部材近傍の断面図。
【図１５】第六実施形態における圧電アクチュエータの支持構造の中心付近の断面図。
【符号の説明】
１…圧電アクチュエータ、１０，１０Ｅ，１０Ｆ…振動体、１１，１１Ｅ，１１Ｆ…圧電素子、１１１，１１２，１１３，１１４，１１５…電極、２，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ…支持部材、４，４Ａ，４Ｂ…フレキシブル配線板（電圧印加手段）、２３２…段差部（案内部）。

Claims

矩形薄板状の圧電素子を含む振動体を有するとともに、前記振動体の振動方向が該振動体の面内方向である圧電アクチュエータであって、
前記圧電アクチュエータを支持する支持部材は、前記振動体の振動の節近傍となる位置を支持し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、
前記支持部材は前記振動体の振動の面内方向に対して略垂直となるように当該振動体を支持していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
請求項１又は請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記振動体の振動は、前記長手方向に沿って伸縮する縦奇数次振動と、前記長手方向に対して屈曲する屈曲偶数次振動との複合振動であり、
前記支持部材は、これらの縦奇数次振動の節及び屈曲偶数次振動の節が最も近づいた位置で前記振動体を支持していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
請求項３に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記縦奇数次振動は縦１次振動であり、前記屈曲偶数次振動は屈曲２次振動であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子の電極に電圧を印加するための電圧印加手段を備え、この電圧印加手段は可撓性を有した配線板で形成され、この配線板上の導通パターンまたは当該配線板から延出した箔状の導通パターンが前記電極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５に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記電圧印加手段は、前記支持部材に取り付けら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において、
前記圧電アクチュエータが取り付けられる取付部材には、前記振動体を振動の面内方向の一方向に付勢させる付勢手段が設けら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７のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記支持部材は弾性を有し、前記振動体を面内方向の一方向に付勢可能に設けら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８のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記振動体は前記圧電素子と補強板とを積層して形成され、前記支持部材には前記圧電素子を前記補強板に位置決めするための案内部が設けら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９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機器。