JP2018011375A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】取り付け方による共振周波数の変化が小さい変位拡大機構付き圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】所定の部材または装置に支持される支持部を有する支持部材として機能する固定部材１と、固定部材１の一方側および他方側に、それぞれ反対側に延びるように一端が固定され、電圧印加により他端側に伸縮する第１および第２の圧電素子２、３と、第１および第２の圧電素子２、３の変位を、拡大された変位として出力する変位拡大機構１０とを具備し、変位拡大機構１０は、移動対象が固定され、拡大された変位を出力する第１の出力部材２４ａと、第１の出力部材２４ａの変位出力をバランスアウトするための変位を出力する第２の出力部材２４ｂとを有し、第１の出力部材２４ａおよび第２の出力部材２４ｂは、支持部に対して、点対称または線対称となる位置に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子の変位を変位拡大機構により拡大して所定の駆動動作を行う圧電アクチュエータに関する。

圧電素子に電圧を与えることにより印加電圧に応じた伸縮変位が生じる圧電アクチュエータは、エネルギー効率が高く、高速応答が可能であり、小型化、薄型化に適している等の優れた点を有しているため、種々の分野の駆動装置として適用されている。

しかし、圧電素子は発生する変位が数μｍから数十μｍと小さいため、圧電素子を実際のアクチュエータ等に適用する場合、圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構が用いられている。

変位拡大機構としては、非特許文献１に示すものが知られている。この変位拡大機構５００は、図６に示すように、長尺体からなる圧電素子４００の一端面および他端面にそれぞれ固定された第１の取り付け部材５０１および第２の取り付け部材５０２と、圧電素子４００の一方の側面に、これら第１の取り付け部材５０１および第２の取り付け部材５０２を連結するように設けられ、圧電素子の変位方向に直交する方向に拡大された変位を出力する変位伝達機構５０３と、圧電素子４００の他方の側面に、第１の取り付け部材５０１および第２の取り付け部材５０２をヒンジ５０６を介して連結するように設けられた固定部材５０４とを有する。変位伝達機構５０３は、中央に出力部材５０５を有し、複数のヒンジ５０６および複数のアーム５０７の作用により出力部材５０５から拡大された変位を出力することが可能となっている。また、固定部材５０４の表面は固定面となり、所定の部材または装置に固定される。

このような構成の変位拡大機構５００が圧電素子４００に装着されることにより圧電アクチュエータ６００が構成される。このような圧電アクチュエータ６００では、圧電素子４００を伸長させることによって、圧電素子４００の移動をともなわずに、出力部５０５から出力を得ることができる。この圧電アクチュエータは、圧電素子４００の移動をともなわないため、高剛性であり、速い応答性を得ることができる。

有限会社メカノトランスフォーマ 商品情報 メカトランスＭＴＫＫシリーズ、［平成２８年６月２９日検索］、インターネット＜URL:http://www.mechano-transformer.com/products/01a_actuator_mtkk.html＞

ところで、非特許文献１に記載されたような変位拡大機構付き圧電アクチュエータにおいて、固定部材５０４の固定面を所定の部材または装置に固定することができない場合がある。例えば図７に示すように、固定部材５０４の固定面を固定できないので、やむを得ず、固定部材５０４から横に延びる支持部材５０８を設け支持部材５０８の先端で所定の部材に固定するような場合が考えられる。つまり、圧電アクチュエータが浮いた状態で固定される場合である。

このような場合、支持部材５０８の長さが変化すると共振周波数が変化してしまう。例えば支持部材５０８の長さＬが１０ｍｍの場合の共振周波数シミュレーション値は１２３６Ｈｚであるに対し、支持部材５０８の長さＬが２０ｍｍの場合は１１９４Ｈｚである。つまり、所定の部材に固定するための支持部材５０８の長さが１０ｍｍ違うだけで、共振周波数は５０Ｈｚ以上も変化してしまう。このように、取り付け方の少しの違いが共振周波数の大きな変化につながってしまう。

このことは、アクチュエータの正確な動作を必要とする場合、例えば瞬時動作させた場合の発生変位を一定に保ちたい場合等には大きな支障となる。

したがって、本発明は、取り付け方による共振周波数の変化が小さい変位拡大機構付き圧電アクチュエータを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（１３）を提供する。

（１）電圧が印加されることにより伸縮変位する圧電素子と、
前記圧電素子の変位を、拡大された変位として出力する変位拡大機構と、
所定の部材または装置に支持される支持部を有する支持部材と
を有し、
前記変位拡大機構は、移動対象が固定され、拡大された変位を出力する第１の出力部材と、前記第１の出力部材の変位出力をバランスアウトするための変位を出力する第２の出力部材とを有し、
前記第１の出力部材および前記第２の出力部材は、前記支持部に対して、点対称または線対称となる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。

（２）前記圧電素子として、第１の圧電素子および第２の圧電素子を有し、
前記支持部材は、その一方側および他方側に、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子がそれぞれ反対側に延びるように一端が固定され、
前記変位拡大機構は、
前記第１の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第１の圧電素子の伸縮にともなって移動する第１の取り付け部材と、
前記第２の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第２の圧電素子の伸縮にともなって移動する第２の取り付け部材と、
前記第１の取り付け部材および前記第２の取り付け部材を連結し、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の一方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第１の変位伝達部と、
前記第１の取り付け部材および前記第２の取り付け部材を連結し、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の他方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第２の変位伝達部と、
を有し、
前記第１の出力部材は前記第１の変位伝達部に設けられ、前記第２の出力部材は前記第２の変位伝達部に設けられることを特徴とする（１）に記載の圧電アクチュエータ。

（３）前記第１の取り付け部材は、前記第１の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第１延長部と、前記第１の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第２延長部とを有し、
前記第２の取り付け部材は、前記第２の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第１延長部と、前記第２の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第２延長部とを有し、
前記第１の変位伝達部は、前記第１の取り付け部の第１延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第１延長部の先端とを繋ぎ、
前記第２の変位伝達部は、前記第１の取り付け部の第２延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第２延長部の先端部とを繋ぐことを特徴とする（２）に記載の圧電アクチュエータ。

（４）前記第１の取り付け部の側面および前記第２の取り付け部の側面に設けられた補強板をさらに具備することを特徴とする（３）に記載の圧電アクチュエータ。

（５）前記第１の変位伝達部材は、前記第１の取り付け部材側に設けられた第１のアーム部材と、前記第２の取り付け部材側に設けられた第２のアーム部材とをさらに有し、前記第１の出力部材は、前記第１のアーム部材および前記第２のアーム部材の間の、前記支持部材に対応する位置に設けられ、
前記第１の取り付け部材と前記第１のアーム部材との間、前記第１のアーム部材と前記第１の出力部材との間、前記第１の出力部材と前記第２のアーム部材との間、前記第２のアーム部材と前記第２の取り付け部材との間には、それぞれ可撓性および弾性を有するヒンジが設けられ、
前記第２の変位伝達部材は、前記第１の取り付け部材側に設けられた第３のアーム部材と、前記第２の取り付け部材側に設けられた第４のアーム部材とをさらに有し、前記第２の出力部材は、前記第３のアーム部材および前記第４のアーム部材の間の、前記支持部材に対応する位置に設けられ、
前記第１の取り付け部材と前記第３のアーム部材との間、前記第３のアーム部材と前記第２の出力部との間、前記第２の出力部材と前記第４のアーム部材との間、前記第４のアーム部材と前記第２の取り付け部材との間には、それぞれ可撓性および弾性を有するヒンジが設けられていることを特徴とする（２）から（４）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

（６）前記圧電素子として、平行に配置された第１の圧電素子および第２の圧電素子を有し、
前記変位拡大機構は、
前記第１の圧電素子の変位を拡大し、その拡大した変位を出力する第１の変位拡大機構と、
前記第２の圧電素子の変位を拡大し、その拡大した変位を出力する第２の変位拡大機構と、
前記第１の変位拡大機構および前記第２の変位拡大機構を連結し、固定する連結・固定部材と
を有し、
前記第１の変位拡大機構は、
前記第１の圧電素子の一方の端部に取り付けられる第１の取り付け部材と、
前記第１の圧電素子の他方の端部に取り付けられる第２の取り付け部材と、
前記第１の取り付け部材および前記第２の取り付け部材を連結し、前記第１の圧電素子の前記第２の圧電素子に離接しない外側の側面に沿って設けられ、前記第１の圧電素子の変位方向に直交する方向に拡大された変位を出力する第１の変位伝達部材とを有し、
前記第２の変位拡大機構は、
前記第２の圧電素子の一方の端部に取り付けられる第３の取り付け部材と、
前記第２の圧電素子の他方の端部に取り付けられる第４の取り付け部材と、
前記第３の取り付け部材および前記第４の取り付け部材を連結し、前記第２の圧電素子の第１の圧電素子２０１に隣接しない外側の側面に沿って設けられ、前記第２の圧電素子の変位方向に直交する方向に拡大された変位を出力する第２の変位伝達部材とを有し、
前記第１の出力部材は前記第１の変位伝達部に設けられ、前記第２の出力部材は前記第２の変位伝達部に設けられ、
前記連結・固定部材は、前記第１の圧電素子および第２の圧電素子の間に、これらの隣接する側面に沿って設けられており、前記第１の変位拡大機構の前記第１の取り付け部および前記第２の取り付け部、ならびに前記第２の変位拡大機構の前記第３の取り付け部および前記第４の取り付け部に対して、それぞれヒンジを介して連結されていることを特徴とする（１）に記載の圧電アクチュエータ。

（７）前記連結・固定部は、前記第１の圧電素子および第２の圧電素子の間に、これらの隣接する側面に沿って設けられた、前記第１の変位拡大機構の前記第１の取り付け部および前記第２の取り付け部に対して、それぞれヒンジを介して連結された第１の固定部材と、前記第１の圧電素子および第２の圧電素子の間に、これらの隣接する側面に沿って設けられた、前記第２の変位拡大機構の前記第３の取り付け部および前記第４の取り付け部に対して、それぞれヒンジを介して連結された第２の固定部材と、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とを連結する連結部材を有し、
前記圧電アクチュエータは、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材との間で分離されており、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とを前記連結部材により連結することを特徴とする（６）に記載の圧電アクチュエータ。

（８）前記支持部材は、前記連結・固定部材から延びていることを特徴とする（６）または（７）に記載の圧電アクチュエータ。

（９）前記第１の変位伝達部材は、前記第１の取り付け部材側に設けられた第１のアーム部材と、前記第２の取り付け部材側に設けられた第２のアーム部材とをさらに有し、前記第１の出力部材は、前記第１のアーム部材および前記第２のアーム部材の間の、前記支持部材に対応する位置に設けられ、
前記第１の取り付け部材と前記第１のアーム部材との間、前記第１のアーム部材と前記第１の出力部材との間、前記第１の出力部材と前記第２のアーム部材との間、前記第２のアーム部材と前記第２の取り付け部材との間には、それぞれ可撓性および弾性を有するヒンジが設けられ、
前記第２の変位伝達部材は、前記第１の取り付け部材側に設けられた第３のアーム部材と、前記第２の取り付け部材側に設けられた第４のアーム部材とをさらに有し、前記第２の出力部材は、前記第３のアーム部材および前記第４のアーム部材の間の、前記支持部材に対応する位置に設けられ、
前記第１の取り付け部材と前記第３のアーム部材との間、前記第３のアーム部材と前記第２の出力部との間、前記第２の出力部材と前記第４のアーム部材との間、前記第４のアーム部材と前記第２の取り付け部材との間には、それぞれ可撓性および弾性を有するヒンジが設けられていることを特徴とする（６）から（８）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

（１０）前記支持部材は、前記圧電素子が挿入される切り欠き部を有し、Ｕ字状に形成され、前記切り欠き部の底部で前記圧電素子の一端が固定され、
前記変位拡大機構は、
前記圧電素子の他端に接続され、前記圧電素子の伸縮により移動する移動部と、
一端が前記支持部材および前記移動部にそれぞれヒンジ結合され、他端が前記第１の出力部となり、前記圧電素子の伸縮により回動する第１のアームと、
一端が前記支持部材および前記移動部にそれぞれヒンジ結合され、他端が前記第２の出力部となり、前記圧電素子の伸縮により回動する第２のアームと
を有することを特徴とする（１）に記載の圧電アクチュエータ。

（１１）前記第１のアームの基端部は、Ｕ字状をなす前記支持部材の一方側の先端から延びる第１のヒンジと、前記移動部から延びる第２のヒンジに接続されており、
前記第２のアームの基端部は、Ｕ字状をなす前記支持部材の他方側の先端から延びる第３のヒンジと、前記移動部から延びる第４のヒンジに接続されており、
前記第１のアームは、前記支持部材の一方の側面に沿うように延び、その先端部に前記第１の出力部材が設けられおり、
前記第２のアームの先端部には、前記支持部材の他方の側面に沿うように延び、その先端部に前記第２の出力部材が設けられていることを特徴とする（１０）に記載の圧電アクチュエータ。

（１２）前記第１の出力部材および前記第１の出力部材に取り付けられる部材の合計質量と、前記第２出力部材および前記第２の出力部材に取り付けられる部材の合計質量とが同じ質量となるように構成されることを特徴とする（１）から（１１）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

（１３）前記第１の出力部材に仕事が課せられる場合に、前記第２の出力部材にも同等の仕事が課せられるように構成されることを特徴とする（１）から（１１）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

本発明によれば、変位拡大機構が、移動対象が固定され、拡大された変位を出力する第１の出力部材と、第１の出力部材の変位出力をバランスアウトするための変位を出力する第２の出力部材とを有し、第１の出力部材および前記第２の出力部材は、支持部材の支持部に対して、点対称または線対称となる位置に配置されているので、支持部において、アクチュエータ動作にともなう運動量を実質的にゼロとすることができる。このため、圧電アクチュエータの剛性を高く維持することができるとともに、取り付け方の相違による共振周波数の変化を小さくすることができる。したがって、例えば瞬時動作させた場合の発生変位を一定に保つような、アクチュエータの正確な動作を必要とする場合に極めて有効である。

本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図である。 図１の圧電アクチュエータにさらに補強板を設けた構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータの変形例を示す正面図である。 本発明の第３の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図である。 従来の圧電アクチュエータを示す正面図である。 従来の圧電アクチュエータにおいて固定部の固定面を他の部材または装置に固定できない場合に、固定部材から横に延びる支持部材を設けた場合を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
最初に、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図である。
本実施形態の圧電アクチュエータ１００は、図１に示すように、所定の装置または部材に固定される固定部材１と、固定部材１の一方側および他方側に、それぞれ反対側に延びるように一端が固定され、電圧が印加されることにより他端側に伸縮する第１の圧電素子２および第２の圧電素子３と、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に対して、それぞれ伸縮方向に圧縮力を与える第１の与圧機構４および第２の与圧機構５と、第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構１０と、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３を駆動する駆動部３０と有する。

固定部材１にはネジ穴１ａ、１ｂが形成されており、固定部材１を挟むように一対の支持部材６１（紙面奥側のみ図示）がネジ止めされている。一対の支持部材６１は、圧電アクチュエータ１００の上方で連結部材６２により連結されており、連結部材６２は、アーム６３を介して所定の装置に固定されている。

第１の圧電素子２および第２の圧電素子３は、同じ材料からなっており、同じ大きさを有している。これらは、板状（例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ）の板状の圧電体が電極を挟んで複数積層されて全体として直方体（例えば４０ｍｍの長さ）として構成されている。圧電素子２および３は、側面に電圧を印加するための電気端子（図示せず）を備えており、この電気端子間に電圧が印加されることにより、図１の矢印Ａで示す長さ方向（図１のＹ方向）に伸長するように構成されている。圧電体を構成する圧電材料としては、圧電効果を有するセラミック材料が用いられ、そのような材料として、典型的にはチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３；ＰＺＴ）を挙げることができる。圧電素子２および３の形状は直方体に限らず、例えば三角柱や六角柱等の多角柱であっても、円柱であってもよい。

第１の与圧機構４および第２の与圧機構５は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮方向に予め圧縮力が与えられるように構成されている。圧電素子は、脆性材料であるセラミックス材料で構成されており、引張り力に対して弱いことから、予め圧縮力を与えることが重要である。

第１の与圧機構４は、例えば、第１の圧電素子２の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピース４０ａ，４０ｂと、一対のヘッドピース４０ａ，４０ｂ間に架け渡されるように設けられた圧縮力付与部材４１とを有している。また、第２の与圧機構５は、例えば、第２の圧電素子３の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピース５０ａ，５０ｂと、一対のヘッドピース５０ａ，５０ｂ間に架け渡されるように設けられた圧縮力付与部材５１とを有している。この第１および第２の与圧機構４および５により、第１および第２の圧電素子２および３から生じる力に対して１／５〜１／２程度の圧縮力を与える。圧縮力付与部材４１、５１は例えば２本である。

なお、与圧機構を設けずに変位拡大機構に与圧機構としての機能をもたせてもよい。

変位拡大機構１０は、第１の圧電素子２の固定部材１とは反対側の端部に第１の与圧機構４のヘッドピース４０ｂを介して取り付けられ、第１の圧電素子２の伸縮にともなって移動する第１の取り付け部材１１と、第２の圧電素子３の固定部材１とは反対側の端部に第２の与圧機構５のヘッドピース５０ｂを介して取り付けられ、第２の圧電素子３の伸縮にともなって移動する第２の取り付け部材１２と、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２を連結し、固定部材１に対応する位置において、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する変位伝達部２０とを有する。

第１の取り付け部材１１は、第１の圧電素子２の端面側の取り付け部１１ａと、取り付け部１１ａから第１の圧電素子２の上面（一方の側面）に沿って固定部材１側に延長する第１延長部１１ｂと、取り付け部１１ａから第１の圧電素子２の下面（他方の側面）に沿って固定部材１側に延長する第２延長部１１ｃとを有し、略コ字状をなしている。また、第２の取り付け部材１２は、第２の圧電素子３の端面側の取り付け部１２ａと、取り付け部１２ａから第２の圧電素子３の上面（一方の側面）に沿って固定部材１側に延長する第１延長部１２ｂと、取り付け部１１ａから第２の圧電素子３の下面（他方の側面）に沿って固定部材１側に延長する第２延長部１２ｃとを有し、略コ字状をなしている。

変位伝達部２０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の一方の側面に沿って設けられた第１の変位伝達部材２０ａと、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の他方の側面（反対側の側面）に沿って設けられた第２の変位伝達部材２０ｂとを有している。第１の変位伝達部材２０ａおよび第２の変位伝達部材２０ｂは、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に電圧を印加して伸長した際に、それぞれ反対方向に変位を出力するようになっている。

第１の変位伝達部材２０ａは、第１の取り付け部材１１の第１延長部１１ｂの先端および第２取り付け部材１２の第１延長部１２ｂの先端を繋ぐように設けられており、第１のヒンジ２１ａと、第１のアーム部材２２ａと、第２のヒンジ２３ａと、第１の出力部材２４ａと、第３のヒンジ２５ａと、第２のアーム部材２６ａと、第４のヒンジ２７ａとを有する。そして、第１のアーム部材２２ａが第１のヒンジ２１ａを介して第１の取り付け部材１１の第１延長部１１ｂに連結され、第２のアーム部材２６ａが第４のヒンジ２７ａを介して第２の取り付け部材１２の第１延長部１２ｂに連結されており、第１の出力部材２４ａは、それぞれ第２のヒンジ２３ａおよび第３のヒンジ２５ａを介して第１のアーム部材２２ａおよび第２のアーム部材２６ａに連結されている。

一方、第２の変位伝達部材２０ｂは、第１の取り付け部材１１の第２延長部１１ｃの先端および第２取り付け部材１２の第２延長部１２ｃの先端を繋ぐように設けられており、第５のヒンジ２１ｂと、第３のアーム部材２２ｂと、第６のヒンジ２３ｂと、第２の出力部材２４ｂと、第７のヒンジ２５ｂと、第４のアーム部材２６ｂと、第８のヒンジ２７ｂとを有する。そして、第３のアーム部材２２ｂが第５のヒンジ２１ｂを介して第１の取り付け部材１１の第２延長部１１ｃに連結され、第４のアーム部材２６ｂが第８のヒンジ２７ｂを介して第２の取り付け部材１２の第２延長部１２ｃに連結されており、第２の出力部材２４ｂは、それぞれ第６のヒンジ２３ｂおよび第７のヒンジ２５ｂを介して第３のアーム部材２２ｂおよび第４のアーム部材２６ｂに連結されている。

第１の出力部材２４ａおよび第２出力部材２４ｂは、中央に位置する固定部材１に対応する位置に、互いに対向するように設けられ、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が動作されたときに、同じ大きさの変位が互いに反対方向に出力されるようになっている。そして、第１の出力部材２４ａおよび第２出力部材２４ｂは、固定部材１の支持部材６１への固定部、すなわち圧電アクチュエータ１００が所定の部材または装置に支持される支持部に対して、点対称または線対称となる位置に配置されている。

また、第１のアーム部材２２ａと第２のアーム部材２６ａは、第１の出力部材２４ａを挟んで対称に配置され、第１のアーム部材２２ａおよび第２のアーム部材２６ａと、第３のアーム部材２２ｂおよび第４のアーム部材２６ｂとは、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３を挟んで対称に配置される。

具体的には、第１〜第８のヒンジ２１ａ，２３ａ，２５ａ，２７ａ，２１ｂ，２３ｂ，２５ｂ，２７ｂは可撓性および弾性を有し、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮により撓んで第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の変位を第１の出力部材２４ａおよび第２の出力部材２４ｂに伝達可能となっており、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３がＹ方向に伸縮変位することにより、第１の出力部材２４ａおよび第２の出力部材２４ｂから、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮方向に直交するＸ方向に互いに反対の向きになるように拡大された変位が出力されるようになっている。

このとき、第１のヒンジ２１ａ、第４のヒンジ２７ａ、第５のヒンジ２１ｂ、および第８のヒンジ２７ｂは、第２のヒンジ２３ａ、第３のヒンジ２５ａ、第６のヒンジ２３ｂ、第７のヒンジ２５ｂよりも外側に設けられているため、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が伸長した際に、第１の出力部材２４ａおよび第２の出力部材２４ｂが相対的に外側へ変位するようになっている。

第１の出力部材２４ａには移動対象であるロッド６４が固定されており、ロッド６４が連結部材６２およびアーム６３を貫通して延びており、ロッド６４の先端には、適宜の部材、例えば、電子部品検査用のプローブが取り付けられるようになっている。また、第２の出力部材２４ｂからは、第１の出力部材２４ａの出力に対するバランスアウトの出力が出力される。この場合に、第１の出力部材２４ａおよび第１の出力部材２４ａに取り付けられる部材の合計質量と、第２出力部材２４ｂおよび第２の出力部材２４ｂに取り付けられる部材の合計質量とが同じ質量となるように、第２の出力部材２４ｂにウエイトを取り付けることが好ましい。また、第１の出力部材２４ａに仕事が課せられる場合に、第２の出力部材２４ｂにも同等の仕事が課せられるようにすることが好ましい。例えば、第１の出力部材２４ａの負荷がある剛性値を持った部材に接する場合に、それと同等の剛性を持つ負荷を第２の出力部材２４ｂにも与えることが好ましい。

このようにして変位拡大機構１０に、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３のＹ方向の伸縮変位が伝達され、数倍〜数十倍程度に拡大してＸ方向の変位として移動対象部材に伝達することができる。

駆動部３０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に電圧を与えてこれらを駆動するドライバー３１と、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の駆動等を制御する制御部３とを有している。

制御部３２は、設定器等から目標位置が入力され、それに基づいてドライバー３１に制御信号を出力し、ドライバー３１はその制御信号に基づいて第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に所定の電圧を与えこれらを伸縮させる。

このように構成される圧電アクチュエータ１００においては、駆動部３０の制御部３２からの指令に基づきドライバー３１が第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に所定の電圧を与えることにより、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３がＹ方向に伸縮変位し、それにともなって、変位拡大機構１０により拡大された変位が出力される。変位拡大機構１０においては、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２が第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮変位にともなって移動し、変位伝達部２０に変位が伝達される。

具体的には、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮変位が、第１の取り付け部材１１および第２ヘッドピース１２を介して、第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂに伝達される。第１の変位伝達部２０ａにおいては、第１〜第４のヒンジ２１ａ，２３ａ，２５ａ，２７ａおよび第１および第２のアーム部材２２ａ，２６ａを介して、第１の出力部材２４ａから１０〜３０倍程度に拡大されたＸ方向の変位が出力される。また、第２の変位伝達部２０ｂにおいては、第５〜第８のヒンジ２１ｂ，２３ｂ，２５ｂ，２７ｂおよび第３および第４のアーム部材２２ｂ，２６ｂを介して、第２の出力部材２４ｂから数倍〜数十倍程度に拡大されたＸ方向の変位が出力される。

そして、第１の出力部材２４ａから出力された拡大された変位は、移動対象であるロッド６４に伝達され、一方、第２の出力部材２４ｂから出力される変位は、バランスアウトのために用いられる。

圧電素子は高速応答が可能であることから、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に印加する電圧を高速で変化させることにより、移動対象を高速で動作させることができる。

ところで、図６に示す、非特許文献１に記載されたような従来の変位拡大機構においては、圧電素子の移動をともなわずに出力部から出力を得ることができ、固定部材の表面が所定の部材または装置に固定されている場合は、高剛性で高速応答が可能であるが、固定部材の表面を所定の部材または装置に固定することができない場合、すなわち、圧電アクチュエータを浮いた状態で固定せざるを得ない場合は、十分な剛性を確保することが困難であり、固定部に振動が生じてしまう。このため、固定部材から延びるアーム部の長さ、すなわち圧電アクチュエータが支持される位置によって共振周波数が変化してしまう。

これに対して、本実施形態では、固定部材１の一方側および他方側に、それぞれ反対側に延びるように一端が固定された第１の圧電素子２および第２の圧電素子２を設け、変位拡大機構１０として、第１の圧電素子２の他端および第２の圧電素子３の他端にそれぞれ設けられた、第１の圧電素子２の伸縮および第２の圧電素子３の伸縮にともなって移動する第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２と、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２を連結し、固定部材１に対応する位置において、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂとを有するものを用いた。

本実施形態の変位拡大機構１０は、所定の部材または装置に支持される支持部材として機能する固定部材１に圧電素子を固定する構成を有するため、動作時に圧電素子の位置が変動せず、動作時に圧電素子自身の質量が負荷にならない状態を維持している。そして、その上で、第１の変位伝達部２０ａの第１の出力部材２４ａおよび第２の変位伝達部２０ｂの第２の出力部材２４ｂを、支持部材である固定部材１の所定の部材または装置に支持される支持部に対して対称に配置して、これらの出力をバランスアウトするようにしている。これにより、それぞれが動作時の出力慣性を打ち消すことができ、圧電アクチュエータ１００を支持する支持部において、アクチュエータ動作にともなう運動量を実質的にゼロとすることができる。このため、圧電アクチュエータ１００の剛性を高く維持することができるとともに、取り付け方の相違による共振周波数の変化を小さくすることができる。したがって、例えば瞬時動作させた場合の発生変位を一定に保つような、アクチュエータの正確な動作を必要とする場合に極めて有効である。

また、第１の変位伝達部２４ａに移動対象を装着した際に、第２の変位伝達部２４ｂにほぼ同じ質量のバランス部材を装着することにより、動作時の変位拡大機構１０の出力慣性をほぼ完全に打ち消すことができる。

さらに、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が固定部材１を挟んで両側に存在し、それぞれは動作時の出力慣性を打ち消すことができる。このため、高速でありながら高精度の動作が可能であり、さらに圧電アクチュエータ全体の初期位置もずれにくくなる。

さらにまた、第１の取り付け部材１１は、固定部材１側に延長する第１延長部１１ｂおよび第２延長部１１ｃを有し、第２の取り付け部材１２は、固定部材１側に延長する第１延長部１２ｂおよび第２延長部１２ｃを有しており、第１の変位伝達部２０ａは第１の取り付け部材１１の第１延長部１１ｂと第２の取り付け部材１２の第１延長部１２ｂを繋ぎ、第２変位伝達部２０ｂは第１の取り付け部材１１の第２延長部１１ｃと第２取り付け部材１２の第２延長部１２ｃを繋ぐようになっている。このため、第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂのアーム長を短くすることができる。これにより、等価質量を低下させることができるので、より高速な動作が可能となる。

本実施形態の場合には、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の一端は固定部材１に固定されているため、圧電素子の質量の自己共振周波数に対する影響はほとんどなく、自己共振周波数を実質的に決めるのはアーム（第１〜第４のアーム部材２２ａ，２６ａ，２２ｂ，２６ｂ）の質量となり、変位拡大動作にともなうアームの動きはこれらの片端をピン固定した動きに近く、アーム先端から見た等価質量はアームの総質量の１／３となる。したがって、自己共振周波数のより高い構造とするためには、アームの質量を低減させることが好ましく、そのために、アーム長を短くして、自己共振周波数を最大限度高めることが好ましい。

なお、上記実施形態において、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２は、それぞれ、延長部１１ａ，１１ｂ、および延長部１２ａ，１２ｂに第１の変位伝達部２０ａおよび第２の変位伝達部２０ｂのアーム部材２２ａ，２６ａ，２２ｂ，２６ｂがヒンジを介して接続されているが、取り付け部材１１，１２の質量は第１および第２の圧電素子に対する質量負荷になるため、さらなる高速化を達成するためには、取り付け部材１１，１２の質量をできるだけ小さくしつつ、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２の剛性を高めることが必要となる。そのために、図２の斜視図に示すように、第１の取り付け部材１１および第２の取り付け部材１２の側面の両側に、それぞれ補強板１３および補強板１４を取り付けることが好ましい。

なお、本実施形態では、第１のヒンジ２１ａ、第４のヒンジ２７ａ、第５のヒンジ２１ｂ、および第８のヒンジ２７ｂを、第２のヒンジ２３ａ、第３のヒンジ２５ａ、第６のヒンジ２３ｂ、第７のヒンジ２５ｂよりも外側に設けて、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が伸長した際に、第１の出力部材２４ａおよび第２の出力部材２４ｂが相対的に外側へ変位するようにしたが、第１のヒンジ２１ａ、第４のヒンジ２７ａ、第５のヒンジ２１ｂ、および第８のヒンジ２７ｂを、第２のヒンジ２３ａ、第３のヒンジ２５ａ、第６のヒンジ２３ｂ、第７のヒンジ２５ｂよりも内側に設けて、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が伸長した際に、第１の出力部材２４ａおよび第２の出力部材２４ｂが相対的に内側へ変位するようにしてもよい。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図３は本発明の第２の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図である。
本実施形態の圧電アクチュエータ２００は、図６に記載された従来の圧電アクチュエータ５００を２つ重ねた構造を有する。なお、第１の実施形態で説明した与圧機構を設けてもよいが、以下の説明では与圧機構を省略している。

本実施形態の圧電アクチュエータ２００は、図３に示すように、互いに平行に配置された長尺体からなる第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２と、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２の変位を拡大し、その拡大した変位を出力する変位拡大機構２０３と、所定の部材または装置に支持される支持部材２４０と、駆動部とを有する。駆動部は図示していないが、第１の実施形態の駆動部３０と同様に構成される。

第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２は、同じ材料からなっており、同じ大きさを有しており、第１の実施形態の第１の圧電素子２および第２の圧電素子３と同様に構成される。

変位拡大機構２０３は、第１の圧電素子２０１の変位を拡大し、その拡大した変位を出力する第１の変位拡大機構２１０と、第２の圧電素子２０２の変位を拡大し、その拡大した変位を出力する第２の変位拡大機構２２０と、第１の変位拡大機構２１０および第２の変位拡大機構２２０を連結し、固定する連結・固定部材２３０とを有する。支持部材２４０は、連結・固定部材２３０から延びている。

第１の変位拡大機構２１０は、第１の圧電素子２０１の一方の端部に取り付けられる第１の取り付け部材２１１と、第１の圧電素子２０１の他方の端部に取り付けられる第２の取り付け部材２１２と、第１の取り付け部材２１１および第２の取り付け部材２１２を連結し、第１の圧電素子２０１の第２の圧電素子２０２に離接しない外側の側面に沿って設けられ、第１の圧電素子２０１の変位方向に直交する方向に拡大された変位を出力する第１の変位伝達部材２１３とを有する。

第２の変位拡大機構２２０は、第２の圧電素子２０２の一方の端部に取り付けられる第３の取り付け部材２２１と、第２の圧電素子２０２の他方の端部に取り付けられる第４の取り付け部材２２２と、第３の取り付け部材２２１および第４の取り付け部材２２２を連結し、第２の圧電素子２０２の第１の圧電素子２０１に隣接しない外側の側面に沿って設けられ、第２の圧電素子２０１の変位方向に直交する方向に拡大された変位を出力する第２の変位伝達部材２２３とを有する。

連結・固定部材２３０は、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２の間に、これらの隣接する側面に沿って設けられており、第１の変位拡大機構２１０の第１の取り付け部２１１および第２の取り付け部２１２、ならびに第２の変位拡大機構２２０の第３の取り付け部２２１および第４の取り付け部２２２に対して、それぞれヒンジ２３１，２３２，２３３，２３４を介して連結されている。

第１の変位伝達部材２１３は、第１のヒンジ２５１と、第１のアーム部材２５２と、第２のヒンジ２５３と、第１の出力部材２５４と、第３のヒンジ２５５と、第２のアーム部材２５６と、第４のヒンジ２５７とを有する。そして、第１のアーム部材２５２が第１のヒンジ２５１を介して第１の取り付け部材２１１に連結され、第２のアーム部材２５６が第４のヒンジ２５７を介して第２の取り付け部材２１２に連結されており、第１の出力部材２５４は、それぞれ第２のヒンジ２５３および第３のヒンジ２５５を介して第１のアーム部材２５２および第２のアーム部材２５６に連結されている。

一方、第２の変位伝達部材２２３は、第５のヒンジ２６１と、第３のアーム部材２６２と、第６のヒンジ２６３と、第２の出力部材２６４と、第７のヒンジ２６５と、第４のアーム部材２６６と、第８のヒンジ２６７とを有する。そして、第３のアーム部材２６２が第５のヒンジ２６１を介して第３の取り付け部材２２１に連結され、第４のアーム部材２６６が第８のヒンジ２６７を介して第４の取り付け部材２２２に連結されており、第２の出力部材２６４は、それぞれ第６のヒンジ２６３および第７のヒンジ２６５を介して第３のアーム部材２６２および第４のアーム部材２６６に連結されている。

第１の出力部材２５４および第２出力部材２６４は、連結・固定部材２３０を挟んで互いに対向するように設けられ、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に同じ電圧が印加されて動作されたときに、同じ大きさの変位が互いに反対方向に出力されるようになっている。そして、第１の出力部材２５４および第２の出力部材２６４は、連結・固定部材２３０から延びる支持部材２４０の固定部、すなわち圧電アクチュエータ２００が所定の部材または装置（図示せず）に支持される支持部に対して、線対称の位置に配置されている。

また、第１のアーム部材２５２と第２のアーム部材２５６は、第１の出力部材２５４を挟んで対称に配置され、第１のアーム部材２５２および第２のアーム部材２５６と、第３のアーム部材２６２および第４のアーム部材２６６とは、連結・固定部材２３０を挟んで対称に配置される。

具体的には、第１〜第８のヒンジ２５１，２５３，２５５，２５７，２６１，２６３，２６５，２６７は可撓性および弾性を有し、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２の伸縮により撓んで第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２の変位を第１の出力部材２５４および第２の出力部材２６４に伝達可能となっており、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２がＹ方向に伸縮変位することにより、第１の出力部材２５４および第２の出力部材２６４から、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮方向に直交するＸ方向に互いに反対の向きになるように拡大された変位が出力される。

このとき、第１のヒンジ２５１、第４のヒンジ２５７、第５のヒンジ２６１、および第８のヒンジ２６７は、第２のヒンジ２５３、第３のヒンジ２５５、第６のヒンジ２６３、第７のヒンジ２６５よりも外側に設けられているため、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２が伸長した際に、第１の出力部材２５４および第２の出力部材２６４が相対的に外側へ変位するようになっている。

第１の出力部材２５４には移動対象であるロッド６４が固定されておりロッド６４の先端には、適宜の部材、例えば、電子部品検査用のプローブが取り付けられるようになっている。また、第２の出力部材２６４からは、第１の出力部材２５４の変位出力をバランスアウトするための変位が出力される。この場合に、第１の出力部材２５４および第１の出力部材２５４に取り付けられる部材の合計質量と、第２の出力部材２６４および第２の出力部材２５４に取り付けられる部材の合計質量とが同じ質量になるように、第２の出力部材２６４にウエイトを取り付けることが好ましい。また、第１の出力部材２５４に仕事が課せられる場合に、第２の出力部材２６４にも同等の仕事が課せられるようにすることが好ましい。例えば、第１の出力部材２５４の負荷がある剛性値を持った部材に接する場合に、それと同等の剛性を持つ負荷を第２の出力部材２６４にも与えることが好ましい。

このようにして第１の変位拡大機構２１０および第２の変位拡大機構２２０に、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２のＹ方向の伸縮変位が伝達され、数倍〜数十倍程度に拡大してＸ方向の変位として移動対象部材に伝達することができる。

このように構成される圧電アクチュエータ２００においては、駆動部の制御部からの指令に基づきドライバーが第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２に同じ値の所定の電圧を与えることにより、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２がＹ方向に伸縮変位し、それにともなって、第１の変位拡大機構２１０および第２の変位拡大機構２２０により拡大された変位が出力される。第１の変位拡大機構２１０においては、第１の取り付け部材２１１および第２の取り付け部材２１２が第１の圧電素子２０１の伸縮変位にともなって移動し、第１の変位伝達部２１３に変位が伝達される。また、第２の変位拡大機構２２０においては、第１の取り付け部材２１１および第２の取り付け部材２１２が第２の圧電素子２０２の伸縮変位にともなって移動し、第２の変位伝達部２２３に変位が伝達される。

第２の変位伝達部２１３においては、第１の圧電素子２０１の変位が、第１〜第４のヒンジ２５１，２５３，２５５，２５７および第１および第２のアーム部材２５２，２５６を介して、第１の出力部材２５４から１０〜３０倍程度に拡大されてＸ方向の変位として出力される。また、第２の変位伝達部２２３においては、第２の圧電素子２０２の変位が、第５〜第８のヒンジ２６１，２６３，２６５，２６７および第３および第４のアーム部材２６２，２６６を介して、第２の出力部材２６４から数倍〜数十倍程度に拡大されてＸ方向の変位として出力される。

そして、第１の出力部材２５４から出力された、拡大された変位は、移動対象であるロッド６４に伝達され、一方、第２の出力部材２６４から出力される変位は、バランスアウトのために用いられる。

圧電素子は高速応答が可能であることから、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２に印加する電圧を高速で変化させることにより、移動対象を高速で動作させることができる。

このとき、上述したように、図５に示す、非特許文献１に記載されたような従来の変位拡大機構においては、圧電アクチュエータが支持される位置によって共振周波数が変化してしまうが、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１００と同様、本実施形態の圧電アクチュエータ２００においても、動作時に圧電素子自身の位置が変動しない状態を維持した上で、第１の出力部材２５４および第２の出力部材２６４を、圧電アクチュエータ２００を支持する部分に対して対称に配置して、これらの出力をバランスアウトするようにしている。これにより、それぞれが動作時の出力慣性を打ち消すことができ、圧電アクチュエータ２００を支持する部分において、アクチュエータ動作にともなう運動量を実質的にゼロとすることができる。このため、圧電アクチュエータ２００の剛性を高く維持することができるとともに、取り付け方の相違による共振周波数の変化の小さい、安定な動作が可能である。したがって、例えば瞬時動作させた場合の発生変位を一定に保つような、アクチュエータの正確な動作を必要とする場合に極めて有効である。

実際に、本実施形態の圧電アクチュエータにおいて、支持部材２４０の長さＬを１０ｍｍおよび２００ｍｍと変化させて共振周波数のシミュレーションを行った結果、そのシミュレーション値は、それぞれ１１７０Ｈｚおよび１１７４ＭＨｚであって、高々４Ｈｚの違いでしかなく、安定な動作が可能であることが確認された。
なお、本実施形態では、第１のヒンジ２５１、第４のヒンジ２５７、第５のヒンジ２６１、および第８のヒンジ２６７を、第２のヒンジ２５３、第３のヒンジ２５５、第６のヒンジ２６３、第７のヒンジ２６５よりも外側に設けて、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２が伸長した際に、第１の出力部材２５４および第２の出力部材２６４が相対的に外側へ変位するようにしたが、第１のヒンジ２５１、第４のヒンジ２５７、第５のヒンジ２６１、および第８のヒンジ２６７を、第２のヒンジ２５３、第３のヒンジ２５５、第６のヒンジ２６３、第７のヒンジ２６５よりも内側に設けて、第１の圧電素子２０１および第２の圧電素子２０２が伸長した際に、第１の出力部材２５４および第２の出力部材２６４が相対的に内側へ変位するようにしてもよい。

次に、本実施形態の変形例について説明する。図４は本実施形態の圧電アクチュエータの変形例を示す正面図である。図４の圧電アクチュエータ２００′は、図６に示す従来の圧電アクチュエータと同じ構造の圧電アクチュエータ２７０を２つ機械的に連結したものである。

すなわち、圧電アクチュエータ２００′を構成する圧電アクチュエータ２７０は、変位拡大機構２８０を有する。変位拡大機構２８０は、圧電素子２０４０の変位を拡大するものであり、圧電素子２０４の一方の端部に取り付けられる第１の取り付け部材２８１と、第１の圧電素子２０３の他方の端部に取り付けられる第２の取り付け部材２８２と、第１の取り付け部材２８１および第２の取り付け部材２８２を連結し、圧電素子２０４の一方の側面に沿って設けられ、第１の圧電素子２０１の変位方向に直交する方向に拡大された変位を出力する変位伝達部材２８３と、圧電素子２０４の他方の側面に、第１の取り付け部材２８１および第２の取り付け部材２８２をヒンジ２９１および２９２を介して連結するように設けられた固定部材２８４とを有する。を有する。変位伝達部材２８３は、図３の第１の変位伝達部材２１３と同様に構成されているので、第１の変位伝達部材２１３と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

このような構成の２つの圧電アクチュエータ２７０を、固定部材２８４を背中合わせにして固定治具２９３によりねじ止め等により固定する。また、２つの固定部材２８４には、横方向（Ｙ方向）に延びる支持部材２９４が固定されている。このような構成によれば、２つの圧電アクチュエータ２７０の各出力部材２５４が圧電アクチュエータ２００′を支持する部分に対して対称に配置されており、これらの出力がバランスアウトされるようになっているから、図３の圧電アクチュエータ２００と同様、圧電アクチュエータ２００′を支持する部分において、アクチュエータ動作にともなう運動量を実質的にゼロとすることができ、圧電アクチュエータ２００′の剛性を高く維持することができるとともに、取り付け方の相違による共振周波数の変化の小さい、安定な動作が可能である。また、このように構成することにより、任意の圧電アクチュエータ２７０を２つ組み合わせて圧電アクチュエータ２００′を構成することができるので、個体差が存在しても、より性能のよいものどうしを組み合わせることができる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図５は本発明の第３の実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図である。
本実施形態の圧電アクチュエータ３００は、図４に示すように、長尺体からなる圧電素子３０１と、圧電素子３０１の一端を固定するとともに、所定の部材または装置に支持される支持部材として用いられる固定部材３０２と、圧電素子３０１の変位を拡大し、その拡大した変位を出力する変位拡大機構３０３と、駆動部とを有する。駆動部は図示していないが、第１の実施形態の駆動部３０と同様に構成される。

圧電素子３０１は、第１の実施形態の第１の圧電素子２および第２の圧電素子３と同様に構成される。

固定部材３０２は、圧電素子３０１が挿入される切り欠き部３１１を有するＵ字状に形成される。そして、切り欠き部３１１の底部で圧電素子３０１の一端が固定される。固定部材３０２には、圧電アクチュエータ３００を所定の部材または装置に固定する際にボルトを挿通するための厚さ方向に貫通する取り付け穴３１２が形成されている。

変位拡大機構３０３は、圧電素子３０１の他端に接続され、圧電素子３０１の伸縮により移動する移動部３２１と、一端が固定部材３０２および移動部３２１にそれぞれヒンジ結合され、他端が出力部となる、第１のアーム３２２および第２のアーム３２３とを有している。すなわち、第１のアーム３２２の基端部は、固定部材３０２の一方側の先端から延びる第１のヒンジ３２４と、移動部３２１から延びる第２のヒンジ３２５に接続されており、第２のアーム３２３の基端部は、固定部材３０２の他方側の先端から延びる第３のヒンジ３２７と、移動部３２１から延びる第４のヒンジ３２８に接続されている。

第１のアーム３２２は、固定部材３０２の一方の側面に沿うように延び、その先端部には第１の出力部材３２６が設けられている。第２のアーム３２３は、固定部材３０２の他方の側面に沿うように延び、その先端部には第２の出力部材３２９が設けられている。

第１〜第４のヒンジ３２４，３２５，３２７，３２８は可撓性および弾性を有し、第１のヒンジ３２４は第１のアーム３２２および固定部材３０２と一体的に設けられ、第２のヒンジ３２５は第１のアーム３２２および移動部３２１と一体的に設けられ、第３のヒンジ３２７は第２のアーム３２３および固定部材３０２と一体的に設けられ、第４のヒンジ３２８は第２のアーム３２３および移動部３２１と一体的に設けられている。そして、圧電素子３０１に電圧が印加されて伸縮変位することにより、第１〜第４のヒンジ３２４，３２５，３２７，３２８が撓みまたは曲げ変形し、第１のアーム３２２および第２のアーム３２３が互いに反対方向に回動され、第１の出力部材３２６および第２の出力部材３２９から互いに反対向きの数倍〜数十倍程度に拡大された変位が出力されるようになっている。そして、第１の出力部材３２６および第２の出力部材３２９は、固定部材３０２の固定部、すなわち圧電アクチュエータ３００を所定の部材または装置（図示せず）に支持する部分に対して、線対称の位置に配置されている。

第１の出力部材３２６には移動対象（図示せず）が固定されている。また、第２の出力部材３２９からは、第１の出力部材３２６の出力に対するバランスアウトの出力が出力される。この場合に、第１の出力部材３２６および第１の出力部材３２６に取り付けられる部材の合計質量と、第２の出力部材３２９および第２の出力部材３２９に取り付けられる部材の合計質量とが同じ質量になるように、第２の出力部材３２９にウエイトを取り付けることが好ましい。

このように構成される圧電アクチュエータ３００においては、駆動部の制御部からの指令に基づきドライバーが圧電素子３０１に所定の電圧を与えることにより、圧電素子３０１が伸縮変位し、それにともなって、変位拡大機構３０３により拡大された変位が出力される。

具体的には、圧電素子３０１に電圧が印加されることにより、圧電素子３０１が伸長すると、固定部材３０２に対して移動部３２１が移動し、第１〜第４のヒンジ３２４，３２５，３２７，３２８を介して、第１のアーム３２２が上方に回動し、第２のアーム３２３が下方に回動し、第１の出力部材３２６および第２の出力部材３２９から数倍〜数十倍程度に拡大された変位が出力される。

そして、第１の出力部材３２６から出力された、拡大された変位は、移動対象に伝達され、一方、第２の出力部材３２９から出力される変位は、バランスアウトのために用いられる。

圧電素子は高速応答が可能であることから、圧電素子３０１に印加する電圧を高速で変化させることにより、移動対象を高速で動作させることができる。

本実施形態の圧電アクチュエータ３００においても、第１の実施形態の圧電アクチュエータ１００および第２の実施形態の圧電アクチュエータ２００と同様、動作時に圧電素子自身の位置が変動しない状態を維持した上で、第１の出力部材３２６および第２の出力部材３２９を、圧電アクチュエータ３００を支持する部分に対して対称に配置して、これらの出力をバランスアウトするようにしている。これにより、それぞれが動作時の出力慣性を打ち消すことができ、圧電アクチュエータ３００を支持する部分において、アクチュエータ動作にともなう運動量を実質的にゼロとすることができる。このため、圧電アクチュエータ３００の剛性を高く維持することができるとともに、取り付け方の相違による共振周波数の変化を小さい、安定な動作が可能である。したがって、例えば瞬時動作させた場合の発生変位を一定に保つような、アクチュエータの正確な動作を必要とする場合に極めて有効である。

本実施形態においても、第１の出力部材３２６および第１の出力部材３２６に取り付けられる部材の合計質量と、第２出力部材３２９および第２の出力部材３２９に取り付けられる部材の合計質量とが同じ質量となるように、第２の出力部材３２９にウエイトを取り付けることが好ましい。また、第１の出力部材３２６に仕事が課せられる場合に、第２の出力部材３２９にも同等の仕事が課せられるようにすることが好ましい。例えば、第１の出力部材２３６の負荷がある剛性値を持った部材に接する場合に、それと同等の剛性を持つ負荷を第２の出力部材３２９にも与えることが好ましい。

＜他の適用＞
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、変位拡大機構は、上記実施形態に限定されるものではなく、第１の出力部材および第２出力部材が圧電アクチュエータを支持する部分に対して、点対称または線対称となる位置に配置されているものであればよい。

１；固定部材
２，３，２０１，２０２，３０１；圧電素子
４，５；与圧機構
１０，２１０，２２０，３０３；変位拡大機構
１１，１２，２１１，２１２，２２１，２２２；取り付け部材
１３，１４；補強板
２０；変位伝達部
２０ａ，２０ｂ，２１３，２２３；変位伝達部材
２１ａ，２１ｂ，２３ａ，２３ｂ，２５ａ，２５ｂ，２７ａ，２７ｂ，２３１，２３２，２３３，２３４，２５１，２５３，２５５，２５７，２６１，２６３，２６５，２６７，３２４，３２５，３２７，３２８；ヒンジ
２２ａ，２２ｂ，２６ａ，２６ｂ，２５２，２５６，２６２，２６６；アーム部材
２４ａ，２５４，３２６；第１の出力部材
２４ｂ，２６４，３２９；第２の出力部材
３０；駆動部
３１；ドライバー
３２；制御部
１００，２００，３００；圧電アクチュエータ
２３０；連結・固定部材
２４０；支持部材
３０２；固定部材
３１１；切り欠き部
３２１；移動部
３２２；第１のアーム
３２３；第２のアーム

Claims (13)

1. 電圧が印加されることにより伸縮変位する圧電素子と、
   前記圧電素子の変位を、拡大された変位として出力する変位拡大機構と、
   所定の部材または装置に支持される支持部を有する支持部材と
   を有し、
   前記変位拡大機構は、移動対象が固定され、拡大された変位を出力する第１の出力部材と、前記第１の出力部材の変位出力をバランスアウトするための変位を出力する第２の出力部材とを有し、
   前記第１の出力部材および前記第２の出力部材は、前記支持部に対して、点対称または線対称となる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。
2. 前記圧電素子として、第１の圧電素子および第２の圧電素子を有し、
   前記支持部材は、その一方側および他方側に、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子がそれぞれ反対側に延びるように一端が固定され、
   前記変位拡大機構は、
   前記第１の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第１の圧電素子の伸縮にともなって移動する第１の取り付け部材と、
   前記第２の圧電素子の他端に取り付けられ、前記第２の圧電素子の伸縮にともなって移動する第２の取り付け部材と、
   前記第１の取り付け部材および前記第２の取り付け部材を連結し、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の一方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第１の変位伝達部と、
   前記第１の取り付け部材および前記第２の取り付け部材を連結し、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の他方の側面に沿って設けられ、前記固定部材に対応する位置において、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の変位方向に直交する方向に、拡大された変位を出力する第２の変位伝達部と、
   を有し、
   前記第１の出力部材は前記第１の変位伝達部に設けられ、前記第２の出力部材は前記第２の変位伝達部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記第１の取り付け部材は、前記第１の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第１延長部と、前記第１の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第２延長部とを有し、
   前記第２の取り付け部材は、前記第２の圧電素子の前記一方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第１延長部と、前記第２の圧電素子の前記他方の側面に沿って前記固定部材側に延長する第２延長部とを有し、
   前記第１の変位伝達部は、前記第１の取り付け部の第１延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第１延長部の先端とを繋ぎ、
   前記第２の変位伝達部は、前記第１の取り付け部の第２延長部の先端と、前記第２の取り付け部の第２延長部の先端部とを繋ぐことを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第１の取り付け部の側面および前記第２の取り付け部の側面に設けられた補強板をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記第１の変位伝達部材は、前記第１の取り付け部材側に設けられた第１のアーム部材と、前記第２の取り付け部材側に設けられた第２のアーム部材とをさらに有し、前記第１の出力部材は、前記第１のアーム部材および前記第２のアーム部材の間の、前記支持部材に対応する位置に設けられ、
   前記第１の取り付け部材と前記第１のアーム部材との間、前記第１のアーム部材と前記第１の出力部材との間、前記第１の出力部材と前記第２のアーム部材との間、前記第２のアーム部材と前記第２の取り付け部材との間には、それぞれ可撓性および弾性を有するヒンジが設けられ、
   前記第２の変位伝達部材は、前記第１の取り付け部材側に設けられた第３のアーム部材と、前記第２の取り付け部材側に設けられた第４のアーム部材とをさらに有し、前記第２の出力部材は、前記第３のアーム部材および前記第４のアーム部材の間の、前記支持部材に対応する位置に設けられ、
   前記第１の取り付け部材と前記第３のアーム部材との間、前記第３のアーム部材と前記第２の出力部との間、前記第２の出力部材と前記第４のアーム部材との間、前記第４のアーム部材と前記第２の取り付け部材との間には、それぞれ可撓性および弾性を有するヒンジが設けられていることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記圧電素子として、平行に配置された第１の圧電素子および第２の圧電素子を有し、
   前記変位拡大機構は、
   前記第１の圧電素子の変位を拡大し、その拡大した変位を出力する第１の変位拡大機構と、
   前記第２の圧電素子の変位を拡大し、その拡大した変位を出力する第２の変位拡大機構と、
   前記第１の変位拡大機構および前記第２の変位拡大機構を連結し、固定する連結・固定部材と
   を有し、
   前記第１の変位拡大機構は、
   前記第１の圧電素子の一方の端部に取り付けられる第１の取り付け部材と、
   前記第１の圧電素子の他方の端部に取り付けられる第２の取り付け部材と、
   前記第１の取り付け部材および前記第２の取り付け部材を連結し、前記第１の圧電素子の前記第２の圧電素子に離接しない外側の側面に沿って設けられ、前記第１の圧電素子の変位方向に直交する方向に拡大された変位を出力する第１の変位伝達部材とを有し、
   前記第２の変位拡大機構は、
   前記第２の圧電素子の一方の端部に取り付けられる第３の取り付け部材と、
   前記第２の圧電素子の他方の端部に取り付けられる第４の取り付け部材と、
   前記第３の取り付け部材および前記第４の取り付け部材を連結し、前記第２の圧電素子の第１の圧電素子２０１に隣接しない外側の側面に沿って設けられ、前記第２の圧電素子の変位方向に直交する方向に拡大された変位を出力する第２の変位伝達部材とを有し、
   前記第１の出力部材は前記第１の変位伝達部に設けられ、前記第２の出力部材は前記第２の変位伝達部に設けられ、
   前記連結・固定部材は、前記第１の圧電素子および第２の圧電素子の間に、これらの隣接する側面に沿って設けられており、前記第１の変位拡大機構の前記第１の取り付け部および前記第２の取り付け部、ならびに前記第２の変位拡大機構の前記第３の取り付け部および前記第４の取り付け部に対して、それぞれヒンジを介して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記連結・固定部は、前記第１の圧電素子および第２の圧電素子の間に、これらの隣接する側面に沿って設けられた、前記第１の変位拡大機構の前記第１の取り付け部および前記第２の取り付け部に対して、それぞれヒンジを介して連結された第１の固定部材と、前記第１の圧電素子および第２の圧電素子の間に、これらの隣接する側面に沿って設けられた、前記第２の変位拡大機構の前記第３の取り付け部および前記第４の取り付け部に対して、それぞれヒンジを介して連結された第２の固定部材と、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とを連結する連結部材を有し、
   前記圧電アクチュエータは、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材との間で分離されており、前記第１の固定部材と前記第２の固定部材とを前記連結部材により連結することを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記支持部材は、前記連結・固定部材から延びていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
9. 前記第１の変位伝達部材は、前記第１の取り付け部材側に設けられた第１のアーム部材と、前記第２の取り付け部材側に設けられた第２のアーム部材とをさらに有し、前記第１の出力部材は、前記第１のアーム部材および前記第２のアーム部材の間の、前記支持部材に対応する位置に設けられ、
   前記第１の取り付け部材と前記第１のアーム部材との間、前記第１のアーム部材と前記第１の出力部材との間、前記第１の出力部材と前記第２のアーム部材との間、前記第２のアーム部材と前記第２の取り付け部材との間には、それぞれ可撓性および弾性を有するヒンジが設けられ、
   前記第２の変位伝達部材は、前記第１の取り付け部材側に設けられた第３のアーム部材と、前記第２の取り付け部材側に設けられた第４のアーム部材とをさらに有し、前記第２の出力部材は、前記第３のアーム部材および前記第４のアーム部材の間の、前記支持部材に対応する位置に設けられ、
   前記第１の取り付け部材と前記第３のアーム部材との間、前記第３のアーム部材と前記第２の出力部との間、前記第２の出力部材と前記第４のアーム部材との間、前記第４のアーム部材と前記第２の取り付け部材との間には、それぞれ可撓性および弾性を有するヒンジが設けられていることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
10. 前記支持部材は、前記圧電素子が挿入される切り欠き部を有し、Ｕ字状に形成され、前記切り欠き部の底部で前記圧電素子の一端が固定され、
    前記変位拡大機構は、
    前記圧電素子の他端に接続され、前記圧電素子の伸縮により移動する移動部と、
    一端が前記支持部材および前記移動部にそれぞれヒンジ結合され、他端が前記第１の出力部となり、前記圧電素子の伸縮により回動する第１のアームと、
    一端が前記支持部材および前記移動部にそれぞれヒンジ結合され、他端が前記第２の出力部となり、前記圧電素子の伸縮により回動する第２のアームと
    を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
11. 前記第１のアームの基端部は、Ｕ字状をなす前記支持部材の一方側の先端から延びる第１のヒンジと、前記移動部から延びる第２のヒンジに接続されており、
    前記第２のアームの基端部は、Ｕ字状をなす前記支持部材の他方側の先端から延びる第３のヒンジと、前記移動部から延びる第４のヒンジに接続されており、
    前記第１のアームは、前記支持部材の一方の側面に沿うように延び、その先端部に前記第１の出力部材が設けられおり、
    前記第２のアームの先端部には、前記支持部材の他方の側面に沿うように延び、その先端部に前記第２の出力部材が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の圧電アクチュエータ。
12. 前記第１の出力部材および前記第１の出力部材に取り付けられる部材の合計質量と、前記第２出力部材および前記第２の出力部材に取り付けられる部材の合計質量とが同じ質量となるように構成されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。
13. 前記第１の出力部材に仕事が課せられる場合に、前記第２の出力部材にも同等の仕事が課せられるように構成されることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。

Images