JP2005287106A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動効率（駆動力の伝達効率）の高い圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】本発明の圧電アクチュエータ５は、振動部材と、該振動部材に固定された圧電素子５２とを有する振動体５０を備え、前記圧電素子５２の振動によって移動体を移動させる圧電アクチュエータであって、前記振動体５０は、前記圧電素子５２の振動により、所定の軌跡に沿って周回する周回部を有し、前記周回部に設けられ、該周回部の回転軸方向に突出した凸部５１６で構成された出力部と、回転可能に設けられ、前記出力部に係合する係合部を有し、前記出力部が周回することにより、前記係合部を介して前記出力部から駆動力が伝達されて回転する従動部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータに関するものである。

圧電素子に繰り返し電圧を印加（制御）することによって圧電素子を振動させ、この振動によって移動体を移動させる、いわゆる圧電アクチュエータが開発されている（例えば、特許文献１、２参照）。この圧電アクチュエータには突起が設けられており、この突起を移動体に接触させて、移動体と突起の摩擦力によって移動体を移動させる。
しかしながら、従来の圧電アクチュエータでは、移動体と突起の摩擦力により移動体を移動させるので、エネルギーの損失が大きく、駆動効率が低いという欠点がある。

特開２０００−３３３４８０号公報 特開２００１−２８６１６６号公報

本発明の目的は、駆動効率（駆動力の伝達効率）の高い圧電アクチュエータを提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の圧電アクチュエータは、振動部材と、該振動部材に固定された圧電素子とを有する振動体を備え、前記圧電素子の振動によって移動体を移動させる圧電アクチュエータであって、
前記振動体は、前記圧電素子の振動により、所定の軌跡に沿って周回する周回部を有し、
前記周回部に設けられ、該周回部の回転軸方向に突出した凸部で構成された出力部と、
回転可能に設けられ、前記出力部に係合する係合部を有し、前記出力部が周回することにより、前記係合部を介して前記出力部から駆動力が伝達されて回転する従動部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、従動部を直接駆動するので、高い駆動効率（駆動力の伝達効率）が得られる。
また、移動体と突起の摩擦力により移動体を移動させる従来の圧電アクチュエータでは、移動体へ圧電アクチュエータを押し付けるバネやスライダー等を必要とするが、この発明では、これらバネやスライダー等が不要であり、これにより、構造を簡易にすることができ、また、コストを低減することができる。
また、従動部との接点に、例えば液体潤滑油の使用が可能となり、これにより、耐久性を向上させることができる。

本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動部材は、板状をなし、前記凸部は、前記振動部材の厚さ方向に突出しているのが好ましい。
これにより、振動部材（振動体）の平面方向における圧電アクチュエータの面積を小さくすることができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動体が縦振動および屈曲振動の複合振動を行うことにより、前記周回部が前記軌跡に沿って周回するよう構成されているのが好ましい。
これにより、駆動効率をより高くすることができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記振動体が、前記縦振動の共振周波数と前記屈曲振動の共振周波数のそれぞれの近傍の周波数で励振されるよう構成されているのが好ましい。
これにより、駆動効率をより高くすることができる。

本発明の圧電アクチュエータでは、前記周回部は、前記振動部材において、該周回部の回転軸方向に対して略垂直な方向に突出した部位であるのが好ましい。
これにより、駆動効率をより高くすることができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記従動部は、出力軸で構成され、該出力軸の中心線と該出力軸の回転中心軸とが略一致しているのが好ましい。
これにより、駆動効率をより高くすることができる。

本発明の圧電アクチュエータでは、前記軌跡は、略円または略楕円であるのが好ましい。
これにより、駆動効率をさらに向上させることができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記軌跡は、前記従動部の回転中心軸を略中心とする略円であるのが好ましい。
これにより、駆動効率をさらに向上させることができる。

本発明の圧電アクチュエータでは、前記従動部は、長穴を有し、前記出力部の少なくとも先端部は、前記長穴に挿入され、前記長孔の内面により前記係合部が構成されているのが好ましい。
これにより、長穴が出力部に対する逃げ部となり、従動部を円滑かつ確実に回転させることができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記長穴は、前記従動部の回転中心軸を中心とする略半径方向に延在するのが好ましい。
これにより、従動部をより円滑かつ確実に回転させることができる。

本発明の圧電アクチュエータでは、前記圧電素子への通電時間の変更により、前記従動部の回転速度を調整するよう構成されているのが好ましい。
これにより、汎用性を広くすることができる。
本発明の圧電アクチュエータでは、前記従動部の回転速度を減速する減速機構を有するのが好ましい。
これにより、高い駆動力を得ることができる。

以下、本発明の圧電アクチュエータを添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の圧電アクチュエータの第１実施形態を示す平面図、図２は、図１に示す圧電アクチュエータの振動体を示す平面面、図３は、図１に示す圧電アクチュエータの振動体を示す平面図、図４は、図１に示す圧電アクチュエータの振動体の突起の近傍を示す断面図、図５は、図４中のＡ−Ａ線での断面図、図６は、図１に示す圧電アクチュエータの印加装置の回路構成を示すブロック図である。
これらの図に示す圧電アクチュエータ５は、圧電素子５２の振動により、図示しない移動体に動力（駆動力）を伝達し、移動体を移動させるものである。

図１〜図３および図６に示すように、圧電アクチュエータ５は、略矩形平板状に形成された補強板（振動部材）５１およびこの補強板５１の表裏両面に設けられた平板状の圧電素子５２を有する振動体５０と、この振動体５０の圧電素子５２に所定周波数の電圧を印加する印加装置３とを備えている。
補強板５１は、平面視で略長方形状をなす補強板本体（振動部本体）５１４と、補強板本体５１４（圧電素子５２）の一方の短辺の中央部（一部分）から補強板本体５１４の長手方向に突出する突起（周回部）５１５とを有している。
この補強板本体５１４と突起５１５とは、一体的に（一部材で）形成されている。これにより、突起５１５が補強板本体５１４から脱落してしまうことがなく、補強板本体５１４と突起５１５とを別部材で構成した場合に比べ、耐久性が高く、また、容易に製造することができる。

突起５１５は、圧電素子５２の振動により、所定の軌跡（軌道）に沿って周回（回転）する部分（部位）であり、その回転軸方向に対して略垂直な方向に突出している。この突起５１５には、円柱状（棒状）の凸部（出力部）５１６が設けられている。この凸部５１６は、補強板５１に対して略垂直な方向（補強板５１の厚さ方向）、すなわち、突起５１５の回転軸方向であって、突起５１５の図１中下側に突出している。
凸部５１６は、突起５１５に一体的に形成されていてもよく、また、凸部５１６と突起５１５とを別部材で構成してもよい。また、凸部５１６は、突起５１５に対して、固定的に設置されていてもよく、また、着脱自在に設置されていてもよく、また、回転可能に設置されていてもよい。

図１、図４および図５に示すように、突起５１５の図１中下側（下方）には、出力軸（従動部）４１が正逆両方向に回転可能に設置されている。出力軸４１の中心線と出力軸４１の回転中心軸４１１とは、略一致している。
この出力軸４１の図４中上側（一方）の端面には、長穴４１２が形成されている。この長穴４１２は、出力軸４１の回転中心軸４１１を中心とする略半径方向に延在している。本実施形態では、長穴４１２は、回転中心軸４１１の位置から外周面の近傍まで形成されている。
この長穴４１２内には、前記凸部５１６が、その先端側（図４中下側）から挿入されている。これら長穴４１２および凸部５１６の寸法は、それぞれ、凸部５１６が長穴４１２に沿って摺動し得る程度に設定される。この長穴４１２を画成（形成）する出力軸４１の内側面（内面）４１３により、凸部５１６に係合する係合部が構成される。

圧電素子５２の振動により、突起５１５とともに凸部５１６が所定の軌跡に沿って周回すると、出力軸４１は、長穴４１２内の内側面４１３を介して凸部５１６から駆動力（回転力）が伝達されて回転する。この出力軸４１は、直接、または、図示しない動力伝達機構を介して、移動体に接続される。
前記長穴４１２を設けることにより、突起５１５（凸部５１６）が楕円等の円以外の軌跡に沿って周回する場合でも、長穴４１２が凸部５１６に対する逃げ部となり、出力軸４１を円滑かつ確実に回転させることができる。

また、図１〜図３に示すように、補強板本体５１４の長手方向略中央（長辺の中央部）の幅方向両側には、１対の腕部５１Ａ、５１Ａが、互いに略対称に、補強板本体５１４と一体的に形成されている。各腕部５１Ａは、それぞれ補強板本体５１４からその長手方向に対して略垂直に突出しており、各腕部５１Ａの端部には、それぞれ孔５１３が穿設されている。
補強板５１の構成材料としては、特に限定されず、例えば、ステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム系合金、チタンまたはチタン系合金、銅または銅系合金等の各種金属材料や、各種樹脂材料等を用いることができる。なお、本実施形態では、補強板５１を金属材料で形成した場合を例に挙げて説明する。

圧電素子５２は、補強板５１の補強板本体５１４（略長方形の部分）の両面に設けられている（固定されている）。圧電素子５２の構成材料としては、特に限定されず、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、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５２の両面には、電極が形成されている。これらの電極は、例えば、ニッケルおよび金などを、例えば、湿式メッキ法や、スパッタリング、蒸着等の乾式メッキ法等の方法によって形成し、得ることができる。
これら両面の電極のうち、補強板５１に対向する面側の電極は、圧電素子５２の全面に渡って形成され、補強板５１に接着などされることによって補強板５１と導通している。

一方、圧電素子５２の表面側（補強板５１と反対側の面側）の電極は、溝によって互いに電気的に絶縁されて、長手方向に沿った中心線を軸として線対称に複数形成されている。すなわち、圧電素子５２を幅方向に略３等分するように２本の溝５５Ａが形成され、これらの溝５５Ａで分割された３つの電極のうち、両側の電極ではさらに長手方向に略２等分するように溝５５Ｂが形成されている。これらの溝５５Ａ、５５Ｂにより、圧電素子５２の表面には、中央に電極５２Ａが形成され、また、この電極５２Ａの両側には、対角線上両端をそれぞれ対とする電極５２Ｂ、５２Ｃが形成される。

これらの電極５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃおよび補強板５１は、それぞれ、例えばリード線（図示せず）などにより、印加装置３に接続されている。
なお、これらの電極５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃは、それぞれ、補強板５１を挟んで設けられた表裏両方の圧電素子５２に同様に設けられている。例えば、電極５２Ａの裏面側には電極５２Ａが、電極５２Ｂの裏面側には電極５２Ｂが、電極５２Ｃの裏面側には電極５２Ｃが、それぞれ形成されている。

図６に示すように、印加装置３は、発振器３２と、制御回路（制御手段）３３と、振動体５０の圧電素子５２の所定の電極における電圧を検出する検出部３４と、発振器３２等の必要な各部（各回路）に電力を供給する電源（電源部）３１とを備えている。
発振器３２から出力される所定の周波数の信号は、制御回路３３に入力される。制御回路３３は、発振器３２からの信号と、検出部３４の検出結果とに基づいて、所定の周波数の電圧を振動体５０の圧電素子５２に所定の電極を介して印加する。これにより、圧電素子５２が振動し、前述したように、突起５１５とともに凸部５１６が所定の軌跡に沿って周回し、これによって出力軸４１が回転する。

本実施形態では、この印加装置３における圧電素子５２への通電時間（１周期における通電時間）を調整することができるようになっており、その圧電素子５２への通電時間の変更により、出力軸４１の回転速度（回転数）を調整することができる。
ここで、前記突起５１５（凸部５１６）の軌跡は、突起５１５（凸部５１６）が周回するようなものであれば、特に限定されないが、略円または略楕円であるのが好ましく、前記円と楕円とでは、円（略円）の方が好ましい。そして、突起５１５の軌跡は、特に、出力軸４１の回転中心軸４１１を略中心とする略円であるのが好ましい。突起５１５の軌跡を略円に設定することにより、駆動効率（駆動力の伝達効率）をより高くすることができる。

突起５１５（凸部５１６）の軌跡を円や楕円にするには、振動体５０の圧電素子５２に印加する電圧の周波数（駆動周波数）等の諸条件を適宜調整（設定）すればよい。この条件は、実験的に求めることができる。
ここで、圧電素子５２の寸法（例えば、長さ、幅、厚さ等）や、電極の分割形態などの諸条件は、圧電素子５２に繰り返し電圧が印加されたときに、圧電素子５２が長手方向に伸縮する、いわゆる縦振動と、圧電素子５２の平面中心に対して点対称に、面内で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（縦振動および屈曲振動の複合振動を行なうように）適宜設定される。この場合、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（接近）するように設定されていることが好ましく、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以下であることが好ましい。また、圧電素子５２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以上であることが好ましい。

圧電素子５２に印加される電圧の周波数としては、好ましくは、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とのそれぞれの近傍の周波数、すなわち、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５の圧電素子５２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、台形波などを採用できる。

次に、圧電アクチュエータ５の作用（動作）について説明する。
圧電アクチュエータ５の振動体５０の圧電素子５２に印加装置３により所定の周波数の交流電圧を印加して振動体５０を振動させる。このとき、電極５２Ａおよび電極５２Ｃのみに選択的に電圧を印加（通電）することにより、圧電素子５２は、縦振動と屈曲振動とを励振する。すなわち、圧電素子５２（振動体５０）は、縦振動および屈曲振動の複合振動を行なう。これらの縦振動および屈曲振動によって、振動体５０の突起５１５および凸部５１６は、略円軌道を描いて所定方向に周回する。
これにより、出力軸４１は、長穴４１２内の内側面４１３を介して凸部５１６から駆動力（回転力）が伝達されて所定方向に回転する。これを所定の周波数で繰り返し行うことにより、出力軸４１は、所定の方向（一方向）に所定の回転速度（回転数）で回転する。

出力軸４１の回転速度を変更する場合には、印加装置３における圧電素子５２への通電時間を変更する。出力軸４１の回転速度を遅くする場合は、圧電素子５２への通電時間を短くし、反対に、出力軸４１の回転速度を速くする場合には、圧電素子５２への通電時間を長くする。
また、出力軸４１を前記と反対方向に回転させる場合には、圧電素子５２に印加する電圧の電極を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。すなわち、圧電素子５２の電極５２Ａおよび電極５２Ｂに所定の周波数の交流電圧を印加する。これにより、振動体５０の突起５１５およびおよび凸部５１６は、略円軌道を描いて前記と反対方向に周回する。これによって、出力軸４１は前記と反対方向に所定の回転速度で回転する。

以上説明したように、この圧電アクチュエータ５によれば、出力軸４１を直接駆動するので、高い駆動効率（駆動力の伝達効率）が得られる。
また、出力軸４１上に振動体５０が配置されるので、振動体５０（補強板５１）の平面方向における圧電アクチュエータ５の面積を小さくすることができる。
また、移動体と突起の摩擦力により移動体を移動させる従来の圧電アクチュエータでは、移動体へ圧電アクチュエータを押し付けるバネやスライダー等を必要とするが、この圧電アクチュエータ５では、これらバネやスライダー等が不要であり、これにより、構造を簡易にすることができ、また、コストを低減することができる。
また、出力軸４１との接点に、例えば液体潤滑油の使用が可能となり、これにより、耐久性を向上させることができる。

次に、本発明の圧電アクチュエータの第２実施形態について説明する。
図７は、本発明の圧電アクチュエータの第２実施形態を示す平面図である。
以下、第２実施形態の圧電アクチュエータ５について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
同図に示すように、第２実施形態の圧電アクチュエータ５は、出力軸（従動部）４１の回転速度（回転数）を減速（下げる）する減速機構６１を有している。この減速機構６１により、高い駆動力を得ることができる。

減速機構６１の構成は、特に限定されないが、例えば、所定の順番で噛合する複数の歯車等で構成することができる。
減速機構６１の出力軸６２は、直接、または、図示しない動力伝達機構を介して、図示しない移動体に接続される。
この圧電アクチュエータ５によれば、前述した第１実施形態の圧電アクチュエータ５と同様の効果が得られる。

以上、本発明の圧電アクチュエータを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
すなわち、本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子の振動により所定の軌跡に沿って周回する周回部に設けられ、その周回部の回転軸方向に突出した凸部で構成された出力部と、回転可能に設けられ、前記出力部に係合する係合部を有し、前記出力部が周回することにより、前記係合部を介して前記出力部から駆動力が伝達されて回転する従動部とを備えるものであればよく、この他の構成（例えば、各部の形状、各部の大きさや寸法、各部の配置、各部の数、各部の物性、各部の構成材料、振動モード、駆動条件、駆動制御方法等）は、前記実施形態には限定されない。

例えば、本発明では、振動部材の一方の面側のみに圧電素子が固定されていてもよい。
また、本発明では、振動部材本体と突起とが、別部材で構成されていてもよい。
また、本発明では、振動部材本体と腕部とが、別部材で構成されていてもよい。
また、本発明では、腕部が１つ設けられていてもよく、また、腕部が省略されていてもよい。

また、本発明では、周回部が突起以外の部位（位置）に設けられていてもよい。この場合は、突起を省略することができる。
また、本発明では、移動体は、特に限定されず、例えば、回転可能（回動可能）に設けられた回転体、直線や曲線等の所定の経路に沿って移動するもの、揺動するもの等が挙げられる。
また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。

本発明の圧電アクチュエータの第１実施形態を示す側面図。 図１に示す圧電アクチュエータの振動体を示す平面面。 図１に示す圧電アクチュエータの振動体を示す側面図。 図１に示す圧電アクチュエータの振動体の突起の近傍を示す断面図。 図４中のＡ−Ａ線での断面図。 図１に示す圧電アクチュエータの印加装置の回路構成を示すブロック図。 本発明の圧電アクチュエータの第２実施形態を示す側面図。

符号の説明

３…印加装置 ３１…電源 ３２…発振器 ３３…制御回路 ３４…検出部 ４１…出力軸 ４１１…回転中心軸 ４１２…長穴 ４１３…内側面 ５…圧電アクチュエータ ５０…振動体 ５１…補強板 ５１３…孔 ５１４…補強板本体 ５１５…突起 ５１６…凸部 ５１Ａ…腕部 ５２…圧電素子 ５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ…電極 ５５Ａ、５５Ｂ…溝 ６１…減速機構 ６２…出力軸

Claims (12)

1. 振動部材と、該振動部材に固定された圧電素子とを有する振動体を備え、前記圧電素子の振動によって移動体を移動させる圧電アクチュエータであって、
   前記振動体は、前記圧電素子の振動により、所定の軌跡に沿って周回する周回部を有し、
   前記周回部に設けられ、該周回部の回転軸方向に突出した凸部で構成された出力部と、
   回転可能に設けられ、前記出力部に係合する係合部を有し、前記出力部が周回することにより、前記係合部を介して前記出力部から駆動力が伝達されて回転する従動部とを備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記振動部材は、板状をなし、前記凸部は、前記振動部材の厚さ方向に突出している請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記振動体が縦振動および屈曲振動の複合振動を行うことにより、前記周回部が前記軌跡に沿って周回するよう構成されている請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記振動体が、前記縦振動の共振周波数と前記屈曲振動の共振周波数のそれぞれの近傍の周波数で励振されるよう構成されている請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記周回部は、前記振動部材において、該周回部の回転軸方向に対して略垂直な方向に突出した部位である請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記従動部は、出力軸で構成され、該出力軸の中心線と該出力軸の回転中心軸とが略一致している請求項１ないし５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記軌跡は、略円または略楕円である請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記軌跡は、前記従動部の回転中心軸を略中心とする略円である請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
9. 前記従動部は、長穴を有し、前記出力部の少なくとも先端部は、前記長穴に挿入され、前記長孔の内面により前記係合部が構成されている請求項１ないし８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
10. 前記長穴は、前記従動部の回転中心軸を中心とする略半径方向に延在する請求項９に記載の圧電アクチュエータ。
11. 前記圧電素子への通電時間の変更により、前記従動部の回転速度を調整するよう構成されている請求項１ないし１０のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
12. 前記従動部の回転速度を減速する減速機構を有する請求項１ないし１１のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

Images