JP2011206634A - 圧電駆動装置およびこれを備えた触覚提示デバイス用振動駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動する周波数帯において共振および異常振動が生じるのを抑制された圧電駆動装置およびこれを備えた触覚提示デバイス用振動駆動装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、積層型圧電素子１と、積層型圧電素子１を中心にして両側に配置された、それぞれ両端が積層型圧電素子１の積層方向の両端部に接続され、積層型圧電素子１の積層方向の伸縮に応じて形状が変化する一対の屈曲部材２ａ，２ｂと、積層型圧電素子１を間にして配置され、一対の屈曲部材２ａ，２ｂの中央部21ａ，21ｂにそれぞれ取着された、積層型圧電素子１の積層方向の伸縮による中央部21ａ，21ｂの積層型圧電素子１の積層方向に直交する方向の動きに応じてこの直交する方向に互いの間隔が変化する一対の被駆動体３ａ，３ｂと、一対の被駆動体３ａ，３ｂに対して互いの間隔が広がる向きに力を加えている弾性部材４とを含む圧電駆動装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子を用いた圧電駆動装置に関し、変位を拡大する機構の共振現象に基づく異常振動を抑制することが可能な圧電駆動装置およびこれを備えた触覚提示デバイス用振動駆動装置に関する。

従来から、圧電アクチュエータ（圧電素子）を利用して振動を発生させる圧電駆動装置が知られていて、圧電アクチュエータに変位拡大機構を付与して変位や振動を発生する装置も知られている。例えば、特許文献１には、ヒンジとリンクとをテコの原理で組み合わせた、いわゆるパンタグラフ形状の変位拡大機構を用いることで、圧電アクチュエータの変位を数倍〜数十倍に拡大することができる圧電アクチュエータの変位拡大装置が提案されている。

特開平１−290272号公報 特開2007−034991号公報

しかしながら、特許文献１で提案された変位拡大装置は、テコを構成する部材の剛性が低いため、この変位拡大装置によって駆動される被駆動体の質量が大きい場合には、圧電アクチュエータ、変位拡大機構および被駆動体で構成される振動系の共振周波数が低くなる傾向がある。

ここで、この振動系に対して、共振周波数に近接した周波数で圧電アクチュエータを駆動すると、振幅が異常に大きくなり、長期の連続駆動に対して構成部材に疲労破壊が発生することが懸念される。

一方、この振動系に対して、共振周波数を超える周波数で圧電アクチュエータを駆動すると、圧電アクチュエータの振動と被駆動体の振動との間で位相にずれが生じるため、振動の正確な制御が困難になる。また、共振周波数を跨いで連続的に周波数が変化するように圧電アクチュエータを駆動すると、共振周波数の近傍でうなりのような異常振動を発生する問題がある。

したがって、上記の変位拡大装置を例えば特許文献２に示すようなタッチパネルディスプレイに使用すると、上記問題が発生した場合には、圧電アクチュエータへの入力電圧に比例した変位量が得られないため、入力に対してリニアな応答が得られず、触覚の現実感が著しく低下するという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、駆動する周波数帯において共振および異常振動が生じるのを抑制することができる圧電駆動装置およびこれを備えた触覚提示デバイス用振動駆動装置を提供することを目的とする。

本発明の圧電駆動装置は、圧電体層および内部電極層が交互に複数積層された柱状の積層体の側面に、前記内部電極層が一層おきにそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極
が被着されてなる積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を中心にして両側に配置された、それぞれ両端が前記積層型圧電素子の積層方向の両端部に接続され、前記積層型圧電素子の積層方向の伸縮に応じて形状が変化する一対の屈曲部材と、前記積層型圧電素子を間にして配置され、前記一対の屈曲部材の中央部にそれぞれ取着された、前記積層型圧電素子の積層方向の伸縮による前記中央部の前記積層型圧電素子の積層方向に直交する方向の動きに応じてこの直交する方向に互いの間隔が変化する一対の被駆動体と、該一対の被駆動体に対して互いの間隔が広がる向きに力を加えている弾性部材とを含むことを特徴としている。

ここで、本発明の圧電駆動装置は、前記一対の被駆動体のうちの一方の被駆動体が固定され、他方の被駆動体が前記中央部の動きに応じて移動自在に配置されていることが好ましい。

また、本発明の圧電駆動装置は、前記弾性部材がつるまきばねまたは板ばねであることが好ましい。

また、本発明の圧電駆動措置は、前記弾性部材が前記一対の被駆動体の間に配置されていてもよく、前記弾性部材が前記一対の被駆動体の外側に配置されていてもよい。

また、本発明の圧電駆動装置は、前記弾性部材が前記積層型圧電素子および前記一対の屈曲部材を取り囲むように形成されて一対の前記中央部に接合されており、前記一対の屈曲部材のそれぞれの前記中央部に前記弾性部材を介して前記一対の被駆動体が取着されていることが好ましい。

さらに、本発明は、上記の圧電駆動装置を備え、前記他方の被駆動体がタッチパネルを含んでおり、該タッチパネルが感知した接触に応じて前記積層型圧電素子が積層方向に伸縮することを特徴とする触覚提示デバイス用振動駆動装置である。

本発明の圧電駆動装置によれば、圧電体層および内部電極層が交互に複数積層された柱状の積層体の側面に、前記内部電極層が一層おきにそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極が被着されてなる積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を中心にして両側に配置された、それぞれ両端が前記積層型圧電素子の積層方向の両端部に接続され、前記積層型圧電素子の積層方向の伸縮に応じて形状が変化する一対の屈曲部材と、前記積層型圧電素子を間にして配置され、前記一対の屈曲部材の中央部にそれぞれ取着された、前記積層型圧電素子の積層方向の伸縮による前記中央部の前記積層型圧電素子の積層方向に直交する方向の動きに応じてこの直交する方向に互いの間隔が変化する一対の被駆動体と、該一対の被駆動体に対して互いの間隔が広がる向きに力を加えている弾性部材とを含んでいる。この構成によれば、弾性部材によって一対の屈曲部材に張力が加わり、見かけ上のバネ定数が高くなるため、積層型圧電素子（駆動源）と屈曲部材（ばね）と被駆動体（質量）とで構成される振動系の共振周波数を高周波側にシフトさせ、駆動する周波数帯では共振を発生させないようにすることができる。

また、本発明の圧電駆動装置によれば、一対の被駆動体のうちの一方の被駆動体が固定され、他方の被駆動体が前記中央部の動きに応じて移動自在に配置されている場合には、一対の屈曲部材の中央部間の間隔の変化量（変位量）が減衰しにくくなり、より効率良く被駆動体を変位させることができる。

さらに、本発明の圧電駆動装置によれば、弾性部材がつるまきばねである場合には、ばね定数が比較的低いため、被駆動体の変位が大きい場合でも屈曲部材に与える張力の変化
が小さく、積層型圧電素子の伸縮量に対して比例に近い被駆動体の変位が得られる。

さらに、本発明の圧電駆動装置によれば、弾性部材が板ばねである場合には、つるまきばねに比べて小さな体積で大きな力を発生することができ、装置を小型化できる。

さらに、本発明の圧電駆動装置によれば、弾性部材が一対の被駆動体の間に配置されている場合には、弾性部材を積層型圧電素子と屈曲部材の近傍に配置することができ、装置を簡素化して低いコストで構成することができる。

さらに、本発明の圧電駆動装置によれば、弾性部材が一対の被駆動体の外側に配置されている場合には、被駆動体を２方向から支持することができ、手で触れる等の外乱に対して安定して振動を継続することができる。

さらに、本発明の圧電駆動装置によれば、弾性部材が積層型圧電素子および一対の屈曲部材を取り囲むように形成されて中央部に接合されており、屈曲部材のそれぞれの中央部に弾性部材を介して一対の被駆動体が取着されている場合には、積層型圧電素子と屈曲部材と弾性部材が一体に構成されるため、装置を小型化することができる。

本発明の触覚提示デバイス用振動駆動装置によれば、上記の圧電駆動装置を備え、他方の被駆動体がタッチパネルを含んでおり、該タッチパネルが感知した接触に応じて前記積層型圧電素子が積層方向に伸縮することによって、高い周波数でも変位が追従し、ロスが少ないため、触覚提示デバイスとして良好な応答性（変位量、発生力、周波数応答性）を示すことができる。

本発明の圧電駆動装置の実施の形態の一例を示す概略図である。 図１に示す積層型圧電素子および一対の屈曲部材を示す拡大図であり、（ａ）は一対の屈曲部材が折れ曲がるように変形する例を示し、（ｂ）は一対の屈曲部材が湾曲するように変形する例を示している。 図１に示す圧電駆動装置における一方の被駆動体が固定された例を示す概略図である。 図１に示す圧電駆動装置における弾性部材としてつるまきばねを用いた例を示す概略図である。 図１に示す圧電駆動装置における弾性部材として板ばねを用いた例を示す概略図である。 本発明の圧電駆動装置の実施の形態の他の例を示す概略図である。 本発明の圧電駆動装置の実施の形態のさらに他の例を示す概略図である。 本発明の触覚提示デバイス用振動駆動装置の実施の形態の一例を示す概略斜視図である。

本発明の圧電駆動装置の実施の形態の例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の圧電駆動装置の実施の形態の一例を示す概略図であり、図２は図１に示す積層型圧電素子および一対の屈曲部材を示す拡大図であり、（ａ）は一対の屈曲部材が折れ曲がるように変形する例を示し、（ｂ）は一対の屈曲部材が湾曲するように変形する例を示している。

図１に示す圧電駆動装置は、圧電体層および内部電極層が交互に複数積層された柱状の
積層体の側面に、内部電極層が一層おきにそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極が被着されてなる積層型圧電素子１と、積層型圧電素子１を中心にして両側に配置された、それぞれ両端が積層型圧電素子１の積層方向の両端部に接続され、積層型圧電素子１の積層方向の伸縮に応じて形状が変化する一対の屈曲部材２ａ，２ｂと、積層型圧電素子１を間にして配置され、一対の屈曲部材２ａ，２ｂの中央部21ａ，21ｂにそれぞれ取着された、積層型圧電素子１の積層方向の伸縮による中央部21ａ，21ｂの積層型圧電素子１の積層方向に直交する方向の動きに応じてこの直交する方向に互いの間隔が変化する一対の被駆動体３ａ，３ｂと、一対の被駆動体３ａ，３ｂに対して互いの間隔が広がる向きに力を加えている弾性部材４ａ，４ｂとを含むことを特徴とするものである。

積層型圧電素子１を構成する積層体は、圧電体層と内部電極層とが交互に積層され、内部電極層は正極と負極とが１層おきに交互に形成されてなるものである。積層体は、例えば縦１〜８ｍｍ、横１〜８ｍｍ、高さ10〜100ｍｍ程度の直方体状に形成されている。

積層体を構成する複数の圧電体層は圧電特性を有する圧電磁器（圧電セラミックス）からなり、圧電体層を形成する圧電磁器は平均粒径が例えば0.1〜10μｍに形成されたもの
である。圧電磁器としては、例えばＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）等からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。

内部電極層は、例えば銀、銀−パラジウム合金、銀−白金、銅などからなるものであり、圧電体層の層間に交互に形成され、積層順に交互に配置されることにより、それらの間に挟まれた圧電体層に駆動電圧を印加するものである。具体的には、内部電極層は一方が正極で他方が負極（もしくはグランド極）となっていて、それぞれ積層体の対向する側面に互い違いに導出されてその端面の一部が露出している。

そして、内部電極層に電気的に接続された外部電極が、積層体の側面に接合されている。外部電極は、例えば銀とガラスからなる導電性ペーストを塗布して焼き付けて形成されたものである。それぞれの外部電極（正極となる内部電極層に電気的に接続された外部電極、負極となる内部電極層に電気的に接続された外部電極）には、それぞれ導電部材（図示せず）が半田などによって取り付けられ、駆動電圧が印加されるようになっていて、この駆動電圧の印加によって積層型圧電素子１が積層方向に伸縮するようになっている。

一対の屈曲部材２ａ，２ｂは、図１および図２に示すように、積層型圧電素子１を中心にして積層型圧電素子１の両側（側方）に配置され、それぞれ両端が積層型圧電素子１の積層方向の両端部に接続されている。この一対の屈曲部材２ａ，２ｂは、例えば金属または樹脂で形成された板状体からなり、積層型圧電素子１の積層方向の伸縮に応じて形状が変化するようになっている。ここで、一対の屈曲部材２ａ，２ｂが金属製の板状体からなる場合、この屈曲部材２ａ，２ｂの厚さ（図１および図２の紙面の面内の厚さ）は0.02〜２ｍｍの範囲であることが望ましい。これは、被駆動体３ａ，３ｂを振動駆動する際に屈曲部材２ａ，２ｂが疲労破断することなく、積層型圧電素子１の伸縮に追従してその積層方向と直交する方向に変位する柔軟性を有し、積層型圧電素子１が発生する仕事のうち、屈曲部材２ａ，２ｂが弾性変形することで内部に蓄える弾性歪みエネルギーによって、被駆動体３ａ，３ｂに及ぼす仕事が目減りする割合をできるだけ軽減するためである。同様の理由で、屈曲部材２ａ，２ｂの幅（図１の紙面に垂直な方向の幅）は、積層型圧電素子１の幅に対して10〜500％の範囲であることが望ましい。

一対の屈曲部材２ａ，２ｂは、図２に示すように、それぞれが積層型圧電素子１の積層方向から角度αだけ傾斜して積層方向に延びて形成され、それぞれの両端が積層型圧電素子１の積層方向の両端部に接続されている。具体的には、積層型圧電素子１の積層方向の
両端部には、積層型圧電素子１の積層方向の両端面に貼り合わせるように、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、セラミック系接着剤、はんだ等で固着された一対の圧電素子接続板７が設けられていて、一対の屈曲部材２ａ，２ｂのそれぞれの両端がこの圧電素子接続板７に接続され、この圧電素子接続板７を介して一対の屈曲部材２ａ，２ｂが積層型圧電素子１の積層方向の両端部に接続されている。

例えば、一対の屈曲部材２ａ，２ｂおよび一対の圧電素子接続板７が金属からなる場合は、これらは例えばワイヤ放電加工、金属板を曲げ加工して合わせ目を抵抗溶接、レーザー溶接またははんだ付け等する方法によって形成される。また、一対の屈曲部材２ａ，２ｂおよび一対の圧電素子接続板７が樹脂からなる場合は、射出成形によって形成されているのが好ましい。

なお、一対の屈曲部材２ａ，２ｂおよび一対の圧電素子接続板７は予め一体に形成されてから積層型圧電素子１に取り付けられるのが好ましく、積層型圧電素子１に取り付けられる前の一対の圧電素子接続板７の間隔は、積層型圧電素子１の積層方向の両端部の端面間の距離よりも少し小さくなるように形成してあることが望ましい。これは、屈曲部材２ａ，２ｂを積層型圧電素子１の両端部に接続する際、すなわち積層型圧電素子１の積層方向の両端面に一対の圧電素子接続板７を貼り合わせる際、圧電素子接続板７同士の間隔を押し拡げて積層型圧電素子１を挿入することで、接合強度が高まることと、屈曲部材２ａ，２ｂに張力が発生することで屈曲部材２ａ，２ｂの剛性が高まり、積層型圧電素子１を駆動したときの変位と力とが被駆動体３ａ，３ｂに伝達される際の遊びを減少させることができるためである。圧電素子接続板７の間隔を、積層型圧電素子１の積層方向の両端部の端面間の距離よりも少し小さくする量としては、積層型圧電素子１の積層方向の両端部の端面間の距離の１／1000〜１／10であることが望ましい。端面間の距離よりも小さくする量がこの範囲よりも小さいと、屈曲部材２ａ，２ｂに発生する張力を充分に高めることができず、逆にこの範囲よりも大きいと、屈曲部材２ａ，２ｂの変形が大きくなり、被駆動体３ａ，３ｂへの取り付け後に歪みが生じて積層型圧電素子１を駆動した際に被駆動体３ａ，３ｂに非対称の異常振動を発生させるおそれがある。

また、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、一対の屈曲部材２ａ，２ｂと圧電素子接続板７との接続部における一対の屈曲部材２ａ，２ｂと積層型圧電素子１の積層方向（伸縮方向）とがなす角度αは、２〜30度の範囲であることが望ましい。角度αがこれよりも小さいと、被駆動体３ａ，３ｂを動かす力が小さくなって動きがスムーズでなくなる問題が発生する。また、角度αがこれよりも大きいと、被駆動体を動かす変位量が小さくなって、振動の振幅が小さくなる問題が発生することがある。

一対の屈曲部材２ａ，２ｂにおける中央部21ａ，21ｂは、後述する被駆動体３ａ，３ｂとの接続部となる部位である。この中央部21ａ，21ｂは、前述の例えばワイヤ放電加工等の方法にて一対の屈曲部材２ａ，２ｂを構成する他の部位と一体に形成され、一対の屈曲部材２ａ，２ｂを構成する他の部位よりも厚肉に形成されているのが好ましい。なお、中央部21ａ，21ｂが厚肉に形成されている場合のこの中央部21ａ，21ｂの厚さは、中央部21ａ，21ｂが被駆動体３ａ，３ｂを駆動するために必要な剛性を得るとともに、質量が過剰になって共振周波数を低下させることがないように、0.1〜５ｍｍの範囲であることが望
ましい。なお、中央部21ａ，21ｂは、例えば別途形成した板状体を接合することなどによって形成されていてもよく、また他の部位と同じ厚みに形成されていてもよい。

そして、屈曲部材２ａ，２ｂは、図２（ａ）に示すように、屈曲部材２ａ，２ｂの変形によっても、中央部21ａ，21ｂと圧電素子接続板７とを接続する部位（中央部21ａ，21ｂ以外の部位）がその形状を維持し、中央部21ａ，21ｂの両端付近が折れ曲がってその折れ曲がった部位の角度のみが変化するようなものであってもよく、図２（ｂ）に示すように
、中央部21ａ，21ｂの両端付近が折れ曲がることなく、全体が湾曲するように屈曲部材２ａ，２ｂが変形するものであってもよい。

一対の被駆動体３ａ，３ｂは、積層型圧電素子１を間にして配置され、一対の屈曲部材２ａ，２ｂの中央部21ａ，21ｂにそれぞれ取着されている。そして、積層型圧電素子１の積層方向の伸縮による中央部21ａ，21ｂの積層型圧電素子１の積層方向に直交する方向の動きに応じて、この直交する方向に互いの間隔が変化するようになっている。

ここで、一対の被駆動体３ａ，３ｂは、積層型圧電素子１の積層方向に直交する方向の動きに応じて両者が移動自在に配置されていてもよく、例えば図３に示すように、一方の被駆動体３ｂが固定用ネジ５ａ，５ｂによって台座等（図示せず）に固定され、他方の被駆動体３ａが移動自在に配置されていてもよい。このとき、被駆動体３ａ，３ｂのうち、どちらを移動自在に配置するかは任意である。この構成によれば、一対の屈曲部材２ａ，２ｂの中央部間の間隔の変化量（変位量）が減衰しにくくなり、より効率良く被駆動体を変位させることができる。

そして、一対の被駆動体３ａ，３ｂに対して互いの間隔が広がる向きに力を加えている弾性部材４（４ａ，４ｂ）を備えることが重要である。

この弾性部材４（４ａ，４ｂ）としては、図４に示すように、一対のつるまきばね41ａ、41ｂを用いることができる。この場合、ばね定数が比較的低いため、被駆動体３ａ，３ｂの変位が大きい場合でも屈曲部材２ａ，２ｂに与える張力の変化が小さく、積層型圧電素子１の伸縮量に対して比例に近い被駆動体３ａ，３ｂの変位が得られる。ここで、つるまきばね41ａ、41ｂとしては、ばね鋼を用いるのが好適であるが、その他の非鉄金属材料や樹脂材料、セラミック材料を用いても良い。つるまきばね41ａ、41ｂの長さは、圧電駆動装置への組み付け前の長さである自由高さが一対の被駆動体３ａ，３ｂのなす距離（間隔）よりも大きく、圧電駆動装置に組み付けたときに一対の被駆動体３ａ，３ｂの間隔を押し拡げる方向に力を発生するようにする。ばねの線径やコイル平均径、ピッチ等は、共振周波数を目標の値に高めるために必要なばね定数を得るよう、適切に選択する必要がある。また、圧電駆動装置に組み付けたときに一対の被駆動体３ａ，３ｂに対してその間隔を押し拡げる方向に及ぼす力が、一対のつるまきばね41ａ、41ｂの合計で0.01〜1000Ｎ（ニュートン）の範囲となるのが好適である。

また、弾性部材４ａ，４ｂとしては、図５に示すように、一対の板ばね42ａ，42ｂを用いることもできる。図５に示す板ばね42ａ，42ｂは、被駆動体３ａに当接する当接部と被駆動体３ｂに当接する当接部とが断面Ｖ字状の連結部を介して連結されたような形状に形成されたものである。この場合、つるまきばね41ａ、41ｂに比べて小さな体積で大きな力を発生することができ、装置を小型化できる。ここで、板ばね42ａ，42ｂとしては、ばね鋼を用いるのが好適であるが、その他の非鉄金属材料や樹脂材料、セラミック材料を用いてもよい。板ばね42ａ，42ｂの伸縮方向の長さは、圧電駆動装置への組み付け前の長さが一対の被駆動体３ａ，３ｂのなす距離よりも大きく、圧電駆動装置に組み付けたときに一対の被駆動体３ａ，３ｂの距離を押し拡げる方向に力を発生するようにする。ばねの板厚や幅、腕の長さである最大応力点距離等は、前記共振周波数を目標の値に高めるために必要なばね定数を得るよう、適切に選択する必要がある。また、駆動装置に組み付けたときに一対の被駆動体に対してその距離を押し拡げる方向に及ぼす力が、一対の板ばね42ａ，42ｂの合計で0.01〜1000Ｎ（ニュートン）の範囲となるのが好適である。なお、板ばね42ａ，42ｂとしては、被駆動体３ａに当接する当接部と被駆動体３ｂに当接する当接部とが断面曲線状の連結部を介して連結されたようないわゆる断面Ｕ字状に形成されたものであってもよい。

弾性部材４ａ，４ｂが図４に示すようなつるまきばね41ａ、41ｂまたは図５に示すような板ばね42ａ，42ｂの場合は、少なくとも２つ（弾性部材４ａおよび弾性部材４ｂ）が設けられているのがよく、この弾性部材４ａ，４ｂが一対の被駆動体３ａ，３ｂの間に配置されている場合には、弾性部材４ａ，４ｂを積層型圧電素子１および屈曲部材２ａ，２ｂの近傍に配置することができ、装置を簡素化して低いコストで構成することができる。

なお、図１、図３乃至図５では、弾性部材４が一対の被駆動体３ａ，３ｂの間に配置されている形態を示しているが、この形態に限らず、図６に示すように、弾性部材４ａ，４ｂが一対の被駆動体３ａ，３ｂの外側に配置されていてもよい。このとき、弾性部材４ａ，４ｂは、例えば弾性部材取り付け支持具６ａ，６ｂと固定用ネジ５ａ，５ｂとによって、台座等（図示せず）に固定されているのがよい。この場合、被駆動体３ａ，３ｂを２方向から支持することができ、手で触れる等の外乱に対して安定して振動を継続することができる。

さらに、本発明の圧電駆動装置としては、図７に示すように、弾性部材４が積層型圧電素子１および一対の屈曲部材２ａ，２ｂを取り囲むように形成されて一対の中央部21ａ，21ｂに接合されており、一対の屈曲部材２ａ，２ｂのそれぞれの中央部21ａ，21ｂに弾性部材４を介して一対の被駆動体３ａ，３ｂが取着されたものを採用することもできる。

この場合の弾性部材４としては、積層型圧電素子１の側方から見た形状が楕円となるように環状に形成されたもの、積層型圧電素子１の側方から見た形状が６角形等の多角形状に形成されたもの等が挙げられる。弾性部材４の材質としては、ばね鋼の他、樹脂材料、セラミックス等も採用できるが、弾性部材４は屈曲部材２ａ，２ｂの中央部21ａ，21ｂに接合されることから、屈曲部材２ａ，２ｂと同じ材質で形成されるのがよい。接合方法は、弾性部材４および屈曲部材２ａ，２ｂがともに金属からなる場合は、抵抗溶接、レーザー溶接またははんだ付け等の方法が採用され、弾性部材４および屈曲部材２ａ，２ｂがともに樹脂からなる場合は、超音波溶接、エポキシ樹脂接着、アクリル樹脂接着などの方法が採用され、弾性部材４および屈曲部材２ａ，２ｂがともにセラミックスからなる場合は、セラミック接着剤、銀ロー付けなどの方法が採用される。ここで、弾性部材４における一対の中央部21ａ，21ｂと接合される部分の間隔（短径）は、屈曲部材２ａにおける中央部21ａの外面と屈曲部材２ｂにおける中央部21ｂの外面との距離（二面間の距離）よりも大きくして、圧電駆動装置に組み付けたときに一対の被駆動体３ａ，３ｂの間隔を押し拡げる方向に力を発生するようにする。

この図７に示す形態の場合も、弾性部材４の板厚や幅、断面形状は、前記共振周波数を目標の値に高めるために必要なばね定数を得るよう、適切に選択する必要がある。また、弾性部材４を積層型圧電素子１および屈曲部材２ａ，２ｂとともに被駆動体３ａ，３ｂの間に組み付けたときに、弾性部材４が被駆動体３ａ、３ｂに対してその距離を押し拡げる方向に及ぼす力が、0.01〜1000Ｎ（ニュートン）の範囲となるのが好適である。

そして、上記の圧電駆動装置は、図８に示すように、触覚提示デバイス用振動駆動装置の一部として機能させることができる。すなわち、図８は、本発明の触覚提示デバイス用振動駆動装置の実施の形態の一例を示す概略斜視図である。

具体的には、図８に示す触覚提示デバイス用振動駆動装置は、積層型圧電素子１と一対の屈曲部２ａ，２ｂと弾性部材４とを備え、積層型圧電素子１の積層方向の伸縮による屈曲部材２ａ，２ｂの積層型圧電素子１の積層方向に直交する方向の動きに応じてこの直交する方向に互いの間隔が変化する被駆動体３ａ，３ｂとを備えており、被駆動体３ａと被駆動体３ｂのうちの少なくとも一方（図８では被駆動体３ｂ）がタッチパネルを含んでおり、このタッチパネルが感知した接触に応じて積層型圧電素子１が積層方向に伸縮するよ
うになっている。また、図８に示す例では、積層型圧電素子１、一対の屈曲部２ａ，２ｂ、弾性部材４、被駆動体３ａおよび被駆動体３ｂが台座８の上に搭載されており、被駆動体３ｂが台座８に固定されるとともに、被駆動体３ａと台座８との間には例えば金属製の円柱からなるコロ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが挿入されている。なお、コロ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、被駆動体３ａを透過させて見える部分を破線で表している。

そして、積層型圧電素子１の積層方向の伸縮によって、被駆動体３ａが積層型圧電素子の積層方向と直交する方向に移動して、被駆動体３ａと被駆動体３ｂとの互いの間隔が広くなったり狭くなったり変化するようになっている。

ここで、タッチパネルには、指先が触れたことを検知するタッチセンサが設けられていて、このタッチセンサが検知したことにより積層型圧電素子１に駆動電圧を印加する信号が伝達され、被駆動体３ａが振動周波数150〜350Ｈｚで駆動するような入力周波数が例えば電圧±15Ｖの駆動電圧で積層型圧電素子１に印加され、積層型圧電素子１の駆動にともなってタッチパネルを含む被駆動体（３ａまたは３ｂ）が移動（振動）することで、タッチパネルに触れた指先にこの被駆動体（３ａまたは３ｂ）の振動が伝達される仕組みである。すなわち、本発明の触覚提示デバイス用振動駆動装置は、任意の振動信号によって指先に振動が伝達される触覚提示デバイス用振動駆動装置である。

本発明の圧電駆動装置および触覚提示デバイス用振動駆動装置を以下の方法で作製した。

まず、積層型圧電素子１は、外形の寸法が２ｍｍ×２ｍｍ×18ｍｍ、内部電極の積層数が360層で、30Ｖ印加時の変位量が８μｍのものとした。

次に、一対の屈曲部材２ａ，２ｂを用意した。具体的には、一対の屈曲部材２ａ、２ｂおよび一対の圧電素子接続板７を、ばね鋼を用いてワイヤ放電加工にて一体に形成した。屈曲部材２ａ，２ｂの板厚は0.1ｍｍとし、板幅は2.0ｍｍとして、図２に示した角度αは約７度とした。このとき、一対の圧電素子接続板７の距離は、積層型圧電素子１の積層方向の両端部の端面間の距離よりも約0.1ｍｍ小さく形成した。

次に、弾性部材４を積層型圧電素子１および屈曲部材２ａ，２ｂを取り囲むように形成した。具体的には、弾性部材４は、ばね鋼を用い、板厚が0.2ｍｍで、幅が２ｍｍのリボ
ンを長径が約30ｍｍで、短径が約15ｍｍの楕円状に巻き、当該リボンの両端をつないで屈曲部材２ａの中央部21ａと屈曲部材２ｂの中央部21ｂとに接合するように抵抗溶接した。

次に、被駆動体３ａ，３ｂを作製した。板厚は２ｍｍとし、被駆動体３ａ，３ｂのサイズは一方が平面視で10ｍｍ×10ｍｍとし、他方が平面視で10ｍｍ×５ｍｍとした。

次に、圧電駆動装置の組立てを行った。積層型圧電素子１の積層方向の両端部に圧電素子接続板７が位置するようにして、両者をエポキシ接着剤で固定した。

次に、屈曲部材２ａ、２ｂの中央部21ａ，21ｂを被駆動体３ａ，３ｂに弾性部材４を介して接続した。このとき、弾性部材４の短径は15ｍｍであり、屈曲部材２ａにおける中央部21ａの外面と屈曲部材２ｂにおける中央部21ｂの外面との距離（二面間の距離）よりも大きくした。そのため、弾性部材４の短径を押し縮めて取り付けた。この時に要した力は約20Ｎであった。

次に、被駆動体３ｂを台座８にエポキシ接着剤で固定した。被駆動体３ａと台座８との
間には直径１ｍｍの金属製の円柱からなるコロ９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄを挿入した。

このようにして、図８に示すような圧電駆動装置を備えた触覚提示デバイス用振動駆動装置を得た。

得られた触覚提示デバイス用振動駆動装置（圧電駆動装置）を用いて、被駆動体３ａが振動周波数150〜350Ｈｚで駆動するような入力信号を積層型圧電素子１に電圧±15Ｖの駆動電圧で印加したところ、被駆動体３ａにおいて約±30μｍの変位が得られることを確認した。また、この振動周波数以下に共振点がないことを確認した。この状態で被駆動体３ａの主面を当該主面に垂直な方向から指で押したところ、明瞭な振動が指に伝達され、指で押す力を強めてもこの感触が消えることは無かった。

一方、この触覚提示デバイス用振動駆動装置（圧電駆動装置）から弾性部材４を取り除き、上記と同様に被駆動体３ａが振動周波数150〜350Ｈｚで駆動するような入力信号を積層型圧電素子１に電圧±15Ｖの駆動電圧で印加したところ、被駆動体３ａの変位が追従せず、変位量は約±２μｍとなることを確認した。その後、入力信号の周波数を下げて行くと20Ｈｚ付近で積層型圧電素子１および屈曲部材２ａ、２ｂの振動が大きくなる現象が見られたが、そのときの被駆動体３ａの変位はほとんど計測されなかった。

これらの結果より、弾性部材４のない圧電駆動装置では、駆動する周波数帯において共振または異常振動が生じるが、弾性部材４を備えた本発明の圧電駆動装置では駆動する周波数帯において共振または異常振動が生じることなく、この圧電駆動装置を備えた触覚提示デバイス用振動駆動装置においても明瞭な振動が指に伝達され、良好な応答性（変位量、発生力、周波数応答性）を実現することができることが確認された。

１ 積層型圧電素子
２ａ，２ｂ 屈曲部材
21ａ，21ｂ 中央部
３ａ，３ｂ 被駆動体
４，４ａ，４ｂ 弾性部材
41ａ，41ｂ つるまきばね
42ａ，42ｂ 板ばね
５ａ，５ｂ 固定用ネジ
６ａ，６ｂ 弾性部材取り付け支持具
７ 圧電素子接続板
８ 台座
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ コロ

Claims (8)

1. 圧電体層および内部電極層が交互に複数積層された柱状の積層体の側面に、前記内部電極層が一層おきにそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極が被着されてなる積層型圧電素子と、該積層型圧電素子を中心にして両側に配置された、それぞれ両端が前記積層型圧電素子の積層方向の両端部に接続され、前記積層型圧電素子の積層方向の伸縮に応じて形状が変化する一対の屈曲部材と、前記積層型圧電素子を間にして配置され、前記一対の屈曲部材の中央部にそれぞれ取着された、前記積層型圧電素子の積層方向の伸縮による前記中央部の前記積層型圧電素子の積層方向に直交する方向の動きに応じてこの直交する方向に互いの間隔が変化する一対の被駆動体と、該一対の被駆動体に対して互いの間隔が広がる向きに力を加えている弾性部材とを含むことを特徴とする圧電駆動装置。
2. 前記一対の被駆動体のうちの一方の被駆動体が固定され、他方の被駆動体が前記中央部の動きに応じて移動自在に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電駆動装置。
3. 前記弾性部材がつるまきばねであることを特徴とする請求項１に記載の圧電駆動装置。
4. 前記弾性部材が板ばねであることを特徴とする請求項１に記載の圧電駆動装置。
5. 前記弾性部材が前記一対の被駆動体の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電駆動装置。
6. 前記弾性部材が前記一対の被駆動体の外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電駆動装置。
7. 前記弾性部材が前記積層型圧電素子および前記一対の屈曲部材を取り囲むように形成されて一対の前記中央部に接合されており、前記一対の屈曲部材のそれぞれの前記中央部に前記弾性部材を介して前記一対の被駆動体が取着されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電駆動装置。
8. 請求項２に記載の圧電駆動装置を備え、前記他方の被駆動体がタッチパネルを含んでおり、該タッチパネルが感知した接触に応じて前記積層型圧電素子が積層方向に伸縮することを特徴とする触覚提示デバイス用振動駆動装置。

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