JP4064365B2

JP4064365B2 - アクチュエータ、およびアクチュエータを備えた制御機器

Info

Publication number: JP4064365B2
Application number: JP2004083661A
Authority: JP
Inventors: 誠一永留
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2024-03-22
Also published as: JP2005278227A

Description

本発明は圧電素子を用いたアクチュエータ、およびこのアクチュエータを備えた機器に関するものである。

圧電素子を用いた従来のアクチュエータについて、図１２〜図１６を参照して以下に説明する。

特許文献１には、図１２および図１３に示すように、弾性体１２０と、この弾性体１２０の節部１１１を固定する固定部材１１３と、前記弾性体１２０の共振屈曲振動における腹１１０に振動を加えるべく、弾性体１２０の外周に９０度間隔に取り付けた加振手段とを具備し、前記加振手段が積層型圧電素子１５０とこの圧電素子１５０の端部に固設した負荷質量体１１４とからなる超音波振動子を備え、さらに、この超音波振動子の加振手段を配置した以外の弾性体１２０の腹位置に押圧された被駆動体１３０を備えたことを特徴とする超音波アクチュエータ１００が開示されている。

この超音波アクチュエータ１００では、２つの積層型圧電素子１５０に互いに位相が９０度ずれた弾性体１２０の共振屈曲振動周波数の適当な電圧を印加することによって、弾性体１２０の振動腹位置１１０が楕円振動する。これにより、楕円振動される弾性体１２０と接触する被駆動体１３０が、回転運動する。

また、特許文献２には、超音波アクチュエータに適用可能な、異なる楕円振動を発生させる他の超音波振動子２００が開示されている。この超音波振動子２００は、図１４に示すように、一端が固定支持された第一の積層圧電素子２５０と、前記第一の積層圧電素子２５０の他端に固着された共振器２１０と、前記第一の積層圧電素子２５０の振動方向以外の方向で前記共振器２１０に一端が固着された第二の積層圧電素子２６０と、前記第二の積層圧電素子２６０の他端に固着された付加質量体２１４とからなる。

この超音波振動子２００では、第一の積層圧電素子２５０および第二の積層圧電素子２６０に対して、互いに９０度位相のずれた正弦波交流電圧を印加する。これにより、超音波振動子２００の先端部は、第一の積層圧電素子２５０による非共振振動によって上下方向に振動すると同時に、第二の積層圧電素子２６０による屈曲共振振動で水平方向に振動する結果、これらの振動の合成により楕円運動を行う。したがって、超音波振動子２００を備えた圧電アクチュエータでは、この楕円運動によって、図示しない移動体が移動する。

特許文献３には、上述した楕円振動とは異なる原理で移動体３３０を移動させる圧電アクチュエータ３００が開示されている。この圧電アクチュエータ３００は、図１５に示すように、非対称の駆動波形を有する駆動信号の入力により変形する電気−機械変換素子３５０と、前記電気−機械変換素子３５０の一端に接合され、その電気−機械変換素子３５０の変形により慣性力を発生する慣性体３１４と、前記電気−機械変換素子３５０の他端に接合され、前記慣性体３１４から慣性力を受ける移動体３３０と、前記移動体３３０を摺動可能に接触して、前記電気−機械変換素子３５０と前記慣性体３１４とは非接触である固定体３６０とを含んでいる。

この圧電アクチュエータ３００において、移動体３３０を移動させるためには、図１６に示すような非対称の駆動波形を有する駆動信号を、電気−機械変換素子３５０に入力する。これにより、駆動信号の前半では、電圧増加率が大きいため、慣性体３１４から発生する慣性力の反力が移動体３３０に加わる。その結果、この反力が固定体３６０と移動体３３０との間の静止摩擦力より大きくなる。したがって、移動体３３０は移動する。

一方、駆動信号の後半では、電圧減少率が小さいため、移動体３３０に加わる反力が固定体３６０と移動体３３０との間の静止摩擦力より小さくなる。したがって、移動体３３０は移動しない。

このように、圧電アクチュエータ３００では、一回の非対称波形を電気−機械変換素子３５０に入力することによって、移動体３３０が移動する。

また、この圧電アクチュエータ３００には、さらに、移動体３３０に加圧接触して、移動体３３０の移動速度を調節する速度調節部材が設けられている。この速度調節部材は、図１５に示すように、一端が移動体３３０に固定された加圧用圧電体３７０と、この加圧用圧電体３７０の先端に設けられた接触部材３８０と、この接触部材３８０に接触する支持部材３９０とからなる。

この構成により、圧電アクチュエータ３００では、加圧用圧電体３７０に電圧を印加することによって、加圧用圧電体３７０が接触部材３８０を介して支持部材３９０を加圧する。これにより、移動体３３０は固定体３６０に押しつけられる。ここで、加圧用圧電体３７０に印可する電圧の大きさを変化させることによって、移動体３３０と固定体３６０との間の抗力を変化させることができる。

したがって、圧電アクチュエータ３００では、移動体３３０と固定体３６０との間の摩擦力を変化させることができる。これにより、例えば周囲の環境や、固定体３６０と移動体３３０との間の表面状態が変化した結果、固定体３６０と移動体３３０との間の摩擦条件が変化した場合であっても、速度調節部材によって、移動体３３０の移動速度を制御できる。また、移動体３３０は固定体３６０に押しつけられるため、移動体３３０の移動方向が安定する。
特開平６−２１０２４４号公報（公開日：平成６年（１９９４年）８月２日）特開平６−７０５６５号公報（公開日：平成６年（１９９４年）３月１１日）特開平８−６６０６６号公報（公開日：平成８年（１９９６年）３月８日）

しかし、上述した従来技術には、移動体が効率的に移動しないという問題がある。

特許文献１の超音波アクチュエータ１００では、弾性体１２０における節部１１１以外の全てが楕円振動する。したがって、縦方向と横方向の２つの屈曲振動を阻害しないように節部１１１を支持することが難しい。それゆえ、例えば固定部材１１３が節部１１１からわずかでも外れると２つの屈曲振動の振動が阻害されることになり、被駆動体１３０に十分な駆動力が伝わらなくなる可能性が発生する。

また、特許文献２の超音波振動子２００では、付加質量体２１４が固着されている第二の積層圧電素子２６０に駆動電圧を印加して、共振器２１０に反力を与えた際に、共振器２１０の変形による応力が第一の積層圧電素子２５０に影響する。したがって、第一の積層圧電素子２６０の駆動が阻害されるため、超音波振動子２００を用いた圧電アクチュエータでは、移動体に十分な駆動力が伝わらない。

また、特許文献３の圧電アクチュエータ３００では、速度調整部材によって移動体３３０が固定体３６０に押さえつけられる結果、移動体３３０の駆動力が減少してしまうため、一回の駆動信号の入力による移動体３３０の移動量が減少する。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被駆動体を効率よく駆動させることができるアクチュエータ、およびこのアクチュエータを備えた制御機器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るアクチュエータは、第１の圧電素子と、前記第１の圧電素子の伸縮に伴って、屈曲振動を生じる弾性体と、前記弾性体の変位方向に対して垂直となる方向の成分を有して伸縮する第２の圧電素子と、前記屈曲振動により変位が生じる、弾性体の表面領域に配設されると共に、前記第２の圧電素子を伸縮可能な状態で支持する第２の圧電素子用支持部材と、前記第２の圧電素子に配設されると共に、前記第２の圧電素子の伸縮に伴って、前記第２の圧電素子の伸縮方向に変位し、かつ、少なくとも屈曲振動時に、駆動対象となる被駆動体と前記弾性体の変位方向において接触する接触部材とを備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、まず、第２の圧電素子は、弾性体の変位方向に対して垂直となる方向の成分を有して伸縮する。また、第２の圧電素子用支持部材は、屈曲振動により変位が生じる、弾性体の表面領域に配設される。つまり、第２の圧電素子用支持部材は、屈曲振動時に生じる弾性体の節部以外の表面領域に配設される。このように第２の圧電素子用支持部材が弾性体に配設されることによって、第２の圧電素子用支持部材は、弾性体の屈曲振動に同期して、弾性体の変位方向と同方向に変位する。

また、第２の圧電素子は、第２の圧電素子用支持部材に固定されている。したがって、第２の圧電素子は、少なくとも第２の圧電素子用支持部材の変位方向と同方向に変位する。さらに、接触部材は、第２の圧電素子に配設されているため、少なくとも第２の圧電素子の変位方向と同方向に変位する。

つまり、接触部材は、弾性体の屈曲振動に同期して、少なくとも弾性体の変位方向と同方向に変位する。また、接触部材は、少なくとも屈曲振動時に、弾性体の変位方向において、駆動対象となる被駆動体と接触する。

それゆえ、本発明のアクチュエータでは、弾性体の屈曲振動により、接触部材による被駆動体に対する接触圧力を変化させることができる。

ここで、接触圧力が所定の値以上となった場合に、第２の圧電素子を伸張させることによって、弾性体の変位方向に対して垂直となる方向のうちの一方向に、被駆動体を駆動させることができる。一方、接触圧力が所定の値以上となった場合に、第２の圧電素子を収縮させることによって、上記した一方向と反対の方向に、被駆動体を駆動させることができる。なお、ここでいう所定の値とは、被駆動体と接触部材との静止摩擦力により、被駆動体を駆動できる値である。

したがって、本発明のアクチュエータでは、被駆動体を、弾性体の変位方向に対して垂直となる方向に、前後移動を伴って効率良く駆動させることができるという効果を奏する。

なお、第２の圧電素子用支持部材は、弾性体と一体形成されていてもよい。

また、本発明に係るアクチュエータでは、さらに、前記第２の圧電素子の伸縮方向が、弾性体の変位方向に対して略垂直となる方向であることを特徴としている。

上記の構成によれば、第２の圧電素子の伸縮により、接触部材は、弾性体の変位方向に対して略垂直となる方向に変位する。したがって、伸縮方向が弾性体の変位方向に略垂直でない場合よりも、効率良く被駆動体を駆動させることができるという効果を奏する。

また、本発明に係るアクチュエータでは、さらに、屈曲振動時に生じる弾性体の節位置に、弾性体を支持する弾性体用支持部材を備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、屈曲振動時に変位が生じない位置に、弾性体を支持する弾性体用支持部材が設けられている。また、弾性体の屈曲振動は、１つの圧電素子（つまり第１の圧電素子）により生じるものであるため、弾性体の節以外の部分は、直線的な動きを行う。つまり、弾性体は、楕円運動のような複雑な動きは行わない。

したがって、弾性体の屈曲振動を妨げることなく、容易に弾性体を支持することができるという効果を奏する。

また、本発明に係るアクチュエータでは、さらに、前記第１の圧電素子の伸縮方向側の一端に、負荷質量体が取り付けられることを特徴としている。

上記の構成によれば、第１の圧電素子の伸縮により、この素子の伸縮方向に負荷質量体を変位させることができる。したがって、第１圧電素子の伸縮により生じる負荷質量体の反力により、大きな振幅を有する屈曲振動を弾性体に行わせることができるという効果を奏する。

また、本発明に係るアクチュエータでは、さらに、前記第１の圧電素子の伸縮方向側の他端に、前記弾性体が取り付けられていることを特徴としている。

上記の構成によれば、第１の圧電素子および第２の圧電素子とも、弾性体の弾性体用支持部材により、間接的に支持される。したがって、接触部材が被駆動体に接触して接触部材に応力が生じている場合であっても、第１の圧電素子および第２の圧電素子に加わる応力を低減することができる。それゆえ、両圧電素子は安定して伸縮する。これにより、本発明のアクチュエータは、被駆動体を安定して駆動させることができるという効果を奏する。

また、本発明に係るアクチュエータでは、さらに、前記第２の圧電素子用支持部材は、屈曲振動時に生じる弾性体の腹位置に配設されることを特徴としている。

上記の構成によれば、弾性体の屈曲振動時に生じる一波形内において、弾性体の変位方向の変位が最大となる位置に、第２の圧電素子用支持部材が配設される。したがって、接触部材の被駆動体に対する接触圧力を高くすることができるという効果を奏する。また、弾性体の非屈曲振動時における、被駆動体と弾性体との間隔を大きくとることができる。

また、本発明に係るアクチュエータでは、さらに、前記弾性体の端部が屈曲振動の自由端であって、かつ、前記第２の圧電素子用支持部材が前記端部に配設されることを特徴としている。

上記の構成によれば、屈曲振動時に生じる弾性体の変位量が多い位置に、第２の圧電素子用支持部材が配設される。したがって、被駆動体に対する接触圧力を高くすることができるという効果を奏する。

また、本発明に係るアクチュエータでは、さらに、前記第２の圧電素子用支持部材、前記第２の圧電素子、および前記接触部材を駆動用部材とすると、前記駆動用部材が、屈曲振動時における弾性体の変位の状態が同一となる表面領域に、複数組設けられていることを特徴としている。

上記の構成によれば、複数の駆動用部材によって、被駆動体を駆動することができる。したがって、被駆動体を安定して駆動させることができるという効果を奏する。

また、本発明に係るアクチュエータでは、さらに、前記駆動用部材は、それぞれ、弾性体の変位方向の変位が最大となる表面領域に設けられていることを特徴としている。

上記の構成によれば、駆動用部材が、弾性体の変位方向の変位が最大となる位置に設けられる。したがって、被駆動体に対する接触圧力を高くすることができるという効果を奏する。また、弾性体の非屈曲振動時における、被駆動体と弾性体との間隔を大きくとることができる。

本発明に係る機器は、上記した何れかのアクチュエータを備えたことを特徴としている。

上記の構成によれば、効率よく被駆動体を駆動できるアクチュエータを備えた機器を提供できるという効果を奏する。

以下に、図１〜図１１を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係るアクチュエータ１の構成を示す正面図である。また、図２は、このアクチュエータ１の構成を示す斜視図である。

図１に示すように、アクチュエータ１は、弾性体１０と、支持部材（弾性体用支持部材）１３と、負荷質量体１４と、第１の圧電素子１５と、圧電素子用支持部材（第２の圧電素子用支持部材）１６と、第２の圧電素子１７と、接触部材１８とを備えている。

弾性体１０は、ＳＵＳ（ステンレス鋼）により形成されている。また、この弾性体１０は、第１の圧電素子１５の伸縮方向に対して略垂直な方向に延長している。さらに、この弾性体１０は、第１の圧電素子１５の伸縮に伴って屈曲振動を生じるものである。なお、弾性体１０の端部は、屈曲振動の自由端２０となっている。

この弾性体１０において屈曲振動時に生じる、長手方向の中央位置にある中央腹位置１２には、第１の圧電素子１５が固定されている。ここで、第１の圧電素子１５は、その伸縮方向側の他端において、弾性体１０の表面領域に固定されている。また、この第１の圧電素子１５は、図示しない制御手段によって駆動電圧が入力されると、図１に示す屈曲振動方向に伸長または収縮する。

第１の圧電素子１５の伸縮方向側の一端には、負荷質量体１４が取り付けられる。これにより、アクチュエータ１では、第１の圧電素子１５の伸縮により、第１の圧電素子１５の伸縮方向に負荷質量体１４を変位させることができる。したがって、第１の圧電素子１５の伸縮により生じる負荷質量体１４の反力により、大きな振幅を有する屈曲振動を弾性体１０に行わせることができる。

なお、この負荷質量体１４は、比重の大きい材料（例えば、鉄、銅、鉛、ステンレスなどの真鍮、またはセラミック等）からなることが好ましい。これにより、負荷質量体１４の大きさを小さくできる。そのため、アクチュエータ１の大きさを小さくできる。

この弾性体１０において屈曲振動時に生じる節位置１１には、弾性体１０を支持する支持部材１３が設けられている。すなわち、この支持部材１３は、弾性体１０の屈曲振動時に変位が生じない位置において、弾性体１０を支持するものである。ここで、弾性体１０の屈曲振動は、１つの圧電素子（つまり第１の圧電素子１５）により生じるものであるため、弾性体１０の節位置１１以外の部分は、直線的な動きを行う。つまり、弾性体１０は、楕円運動のような複雑な動きは行わない。したがって、この支持部材１３は、弾性体１０の屈曲振動を妨げることなく、容易に弾性体１０を支持することができる。なお、支持部材１３は、節位置１１を回動可能な状態に支持することが好ましい。

また、屈曲振動により変位が生じる弾性体１０の自由端２０における、第１の圧電素子１５が設けられる表面領域の反対表面には、圧電素子用支持部材１６が配設される。したがって、この圧電素子用支持部材１６は、弾性体１０の屈曲振動に伴って、その屈曲振動方向と略水平な方向に変位する。

圧電素子用支持部材１６には、第２の圧電素子１７が伸縮可能な状態で支持される。具体的には、図１に示すように、第２の圧電素子１７は、その伸縮方向側の一端が圧電素子用支持部材１６に支持されている。したがって、第２の圧電素子１７は、少なくとも圧電素子用支持部材１６の変位方向と同方向に変位する。

また、第２の圧電素子１７は、図示しない制御手段によって駆動電圧が入力されると、図１に示すＡ方向またはＢ方向に伸長または伸縮するものである。

ここで、第２の圧電素子１７は、弾性体１０の変位方向に対して垂直となる方向の成分を有して伸縮する。例えば、図１に示すアクチュエータ１では、第２の圧電素子１７は、弾性体１０の変位方向に対して略垂直な方向に伸縮する。

また、この第２の圧電素子１７には、接触部材１８が配設される。具体的には、図１に示すように、接触部材１８は、第２の圧電素子１７の伸縮方向側の他端に配設される。したがって、この接触部材１８は、第２の圧電素子１７の伸縮に伴って、第２の圧電素子１７の伸縮方向に変位する。また、この接触部材１８は、少なくとも弾性体１０の屈曲振動時に、駆動対象となる被駆動体３０と、弾性体１０の屈曲振動の変位方向において接触する。

ここで、アクチュエータ１では、第２の圧電素子１７の伸長または収縮のタイミングは、図示しない制御手段によって制御される。具体的には、第２の圧電素子１７は、少なくとも接触部材１８による被駆動体３０への接触圧力が所定の値以上となった場合に、伸長または収縮するように制御される。なお、ここでいう「所定の値」とは、被駆動体３０と接触部材１８との静止摩擦力により、被駆動体３０を駆動できる値である。

アクチュエータ１は、図示しないガイド機構に支持された被駆動体３０を、図１に示すように、Ａ方向またはＢ方向に駆動させるものである。そこで、このアクチュエータ１を使用することによって、被駆動体３０を駆動させる手順を、以下に説明する。

まず、図示しない制御手段を用いて、第１の圧電素子１５に対して、弾性体１０の屈曲共振周波数と等しい周期で、駆動電圧の立ち上がり時間と立ち下り時間とが異なる駆動電圧を入力する。これにより、まず、第１の圧電素子１５が伸縮し、この伸縮に伴って、弾性体１０が屈曲振動する。

このとき、弾性体１０の自由端２０には圧電素子用支持部材１６が配設されている。したがって、この圧電素子用支持部材１６は、弾性体１０の屈曲振動に同期して、弾性体１０（自由端２０）の変位方向と同方向に変位する。

ここで、圧電素子用支持部材１６には第２の圧電素子１７が支持されている。したがって、この第２の圧電素子１７は、少なくとも圧電素子用支持部材１６の変位方向、すなわち、自由端２０の変位方向と同方向に変位する。さらに、第２の圧電素子１７には接触部材１８が配設されているため、この接触部材１８は、少なくとも第２の圧電素子１７の変位方向と同方向に変位する。

すなわち、接触部材１８は、第２の圧電素子１７および圧電素子用支持部材１６を介して弾性体１０に接続されているため、弾性体１０の変位方向に同期して、少なくとも弾性体１０の変位方向と同方向に変位する。それゆえ、接触部材１８は、少なくとも弾性体１０の屈曲振動時に、駆動対象となる被駆動体３０と、弾性体１０の変位方向において接触する。

これにより、アクチュエータ１では、まず、第１の圧電素子１５の伸縮によって励起される弾性体１０の屈曲振動によって、接触部材１８による被駆動体３０に対する接触圧力を変化させることができる。その結果、アクチュエータ１では、接触部材１８と被駆動体３０との間にある静止摩擦力が変化する。

ここで、被駆動体３０をＡ方向に移動させる場合には、接触部材１８と被駆動体３０とが接触し、かつこれらの間の接触圧力が所定の値を超えている状態において、第２の圧電素子１７を伸長させる駆動電圧を、制御手段を用いて第２の圧電素子１７に入力する。この場合、被駆動体３０を支持する図示しないガイド機構と被駆動体３０との間にある抵抗力を上回る、所定の値の静止摩擦力が接触部材１８と被駆動体３０との間に介在した状態において、第２の圧電素子１７が伸長することになる。その結果、被駆動体３０には、この所定の静止摩擦力のＡ方向に向かう反力が発生する。そして、この反力が、ガイド機構と被駆動体３０との間にある抵抗力に打ち勝つため、被駆動体３０は接触部材１８と共にＡ方向に移動する。

次に、接触部材１８が被駆動体３０から離間する方向に変位し、接触部材１８の被駆動体３０に対する接触圧力が、所定の値を下回った状態において、第２の圧電素子１７を収縮させて元の状態に戻す駆動電圧を、制御手段を用いて第２の圧電素子１７に入力する。このとき、第２の圧電素子１７の収縮に伴って発生する、接触部材１８と被駆動体３０との静止摩擦力の、Ｂ方向に向かう反力は、ガイド機構と被駆動体３０との間にある抵抗力を下回ることになる。したがって、被駆動体３０はＢ方向に移動せず、その代わりに接触部材１８が元の位置に移動する。

これにより、第２の圧電素子１７の一回の伸縮によって、被駆動体３０をＡ方向に移動させることができる。

一方、被駆動体３０をＢ方向に移動させる場合には、上記と逆の制御を行う。すなわち、まず、接触部材１８と被駆動体３０とが接触し、かつこれらの間の接触圧力が所定の値を超えている状態において、第２の圧電素子１７を収縮させる駆動電圧を、制御手段を用いて第２の圧電素子１７に入力する。この場合、ガイド機構と被駆動体３０との間にある抵抗力を上回る、所定の値の静止摩擦力が接触部材１８と被駆動体３０との間に介在した状態において、第２の圧電素子１７が伸長することになる。その結果、被駆動体３０には、この所定の摩擦力のＢ方向に向かう反力が発生する。そして、この反力が、ガイド機構と被駆動体３０との間にある抵抗力に打ち勝つため、被駆動体３０は接触部材１８と共にＢ方向に移動する。

次に、接触部材１８が被駆動体３０から離間する方向に変位し、接触部材１８の被駆動体３０に対する接触圧力が、所定の値を下回った状態において、第２の圧電素子１７を伸長させて元の状態に戻す駆動電圧を、制御手段を用いて第２の圧電素子１７に入力する。このとき、第２の圧電素子１７の収縮に伴って発生する、接触部材１８と被駆動体３０との静止摩擦力の、Ａ方向に向かう反力は、ガイド機構と被駆動体３０との間にある抵抗力を下回ることになる。したがって、被駆動体３０はＡ方向に移動せず、その代わりに接触部材１８が元の位置に移動する。

これにより、第２の圧電素子１７の一回の伸縮によって、被駆動体３０をＢ方向に移動させることができる。

以上のように、アクチュエータ１では、第１の圧電素子１５および第２の圧電素子１７の伸縮を制御するタイミングによって、被駆動体３０を所望のＡ方向またはＢ方向に移動させることができる。さらに、アクチュエータ１では、第２の圧電素子１７を伸長または収縮させて被駆動体３０を移動させたあと、接触部材１８による被駆動体３０に対する接触圧力が所定の値を下回った状態において、第２の圧電素子１７を元の状態に戻す。したがって、第２の圧電素子１７の１回の伸縮によって、確実にＡ方向またはＢ方向に移動させることができる。これにより、アクチュエータ１は、被駆動体３０を効率よく移動させることができる。

ここで、上述したように、アクチュエータ１では、第１の圧電素子１５の伸縮方向側の他端に、弾性体１０が取り付けられている。すなわち、アクチュエータ１では、第１の圧電素子１５および第２の圧電素子１７とも、弾性体１０の支持部材１３によって、間接的に支持されている。言い換えると、第１の圧電素子１５および第２の圧電素子１７の何れも、何らかの固定部材に固定されておらず、逆に、弾性体１０の屈曲振動に同期して変位可能な状態で取り付けられている。

これにより、接触部材１８が被駆動体３０に接触して接触部材１８に応力が生じている場合であっても、第１の圧電素子１５および第２の圧電素子１７に加わる応力を低減することができる。それゆえ、アクチュエータ１では、第１の圧電素子１５および第２の圧電素子１７を、安定して伸縮させることができる。したがって、アクチュエータ１は、被駆動体３０を安定して移動させることができる。

なお、上述したアクチュエータ１は、あくまで本発明を実施するための１つの形態に過ぎないものである。すなわち、本発明は、以下に説明するように、請求項に示す範囲内において、様々に変形された形態で実施できる。

例えば、アクチュエータ１は、回転移動する被駆動体を移動させる、回転型のアクチュエータとしても実現できる。

また、弾性体１０は、振動特性に優れた材質からなるものであればよい。例えば、弾性体１０は、ＳＵＳ、真鍮、アルミニウム等の金属、またはジュラルミン、ステンレスなどからなるものであればよい。

また、弾性体１０と第１の圧電素子１５との間の固定は、接着などの任意の固定手段を用いて行えばよい。なお、第１の圧電素子１５は直接的に弾性体１０に固定されてもよいし、何らかの介在部材を介して間接的に弾性体１０に固定されてもよい。

また、第１の圧電素子１５および第２の圧電素子１７は、一般的な任意の圧電素子であればよい。例えば、これらの素子は、例えばセラミックスのＰＺＴや単結晶の水晶、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３のような圧電単結晶などからなる圧電素子であればよい。なお、第１の圧電素子１５および第２の圧電素子１７は、一般的な圧電素子はもとより、入力電圧に応じて機械的に伸縮する電気−機械変換素子であれば、任意の素子とすることができる。例えば、これらの素子として、積層型の圧電素子や、ランジュバン型振動子を用いることもできる。

また、アクチュエータ１において被駆動体３０を駆動させる方向は、図１に示すＡ方向やＢ方向に限定されるものではない。すなわち、アクチュエータ１では、図１に示す伸縮方向とは異なる方向に伸縮する第２の圧電素子１７を配設することによって、図１に示すＡ方向やＢ方向とは異なる方向に、被駆動体３０を駆動させることも可能である。なお、被駆動体３０の駆動方向は、第２の圧電素子１７の伸縮方向、および被駆動体３０のガイド機構による支持のされ方によって決定されるものである。したがって、例えば被駆動体３０が第２の圧電素子１７の伸縮方向と略水平な方向に駆動可能となるようにガイド機構に支持されている場合には、第２の圧電素子１７の伸縮方向と略水平な方向に被駆動体３０を駆動できる。

ここで、アクチュエータ１に設ける第２の圧電素子１７は、弾性体１０の変位方向に対して垂直となる成分を有して伸縮するものであればよい。すなわち、第２の圧電素子１７は、弾性体１０の変位方向を除く、任意の方向に伸縮するものであればよい。

例えば、第２の圧電素子１７は、図１に示すように、伸縮方向が弾性体１０の変位方向に対して略垂直となる状態において配設されてもよいし、図３に示すように、伸縮方向が弾性体１０の変位方向に対して斜めとなる状態において配設されてもよい
ここで、図１に示すように、第２の圧電素子１７の伸縮方向が弾性体１０の変位方向に対して略垂直となる方向である場合には、第２の圧電素子１７の伸縮により、接触部材１８は、弾性体１０の変位方向に対して略垂直となる方向に伸縮する。したがって、伸縮方向が弾性体１０の変位方向に略垂直でない場合よりも、効率良く被駆動体３０をＡ方向またはＢ方向に駆動させることができる。

あるいは、第２の圧電素子１７は、図４に示すように、伸縮方向が弾性体１０の変位方向および延長方向の両方に略垂直な状態において配設されてもよい。この場合、本発明のアクチュエータは、図４に示すＣ方向またはＤ方向に伸長または収縮する。したがって、弾性体１０の変位方向に略垂直に交わる平面（弾性体１０における圧電素子用支持部材１６等を配設した面と略水平な平面）上において、弾性体１０の延長方向に対して略垂直となる方向（すなわち、Ｃ方向またはＤ方向）に被駆動体３０を駆動させることができる。なお、このとき、被駆動体３０は、弾性体１０の変位方向に略垂直に交わる平面上において、少なくとも第２の圧電素子１７の伸縮方向と略平行な方向に駆動可能となるようにガイド機構に支持されている必要がある。このように被駆動体３０をガイド機構に支持することによって、図４に示すように第２の圧電素子１７を配設置した場合に、図４に示す方向Ｃまたは方向Ｄに被駆動体３０を駆動させることが可能となる。

また、圧電素子用支持部材１６は、上述した弾性体１０の屈曲振動の自由端２０のみならず、弾性体１０の屈曲振動により変位が生じる、弾性体１０の任意の表面領域に配設されればよい。例えば、圧電素子用支持部材１６が配設される位置は、屈曲振動時に生じる弾性体１０の腹位置や、弾性体１０の自由端２０以外の位置であっても、図５に示すように、弾性体１０の屈曲振動により変位が生じる位置であればよい。

ここで、圧電素子用支持部材１６は、図６に示すように、屈曲振動時に生じる弾性体１０の腹位置４０に設けることが好ましい。この図は、屈曲振動時に弾性体１０の端部にも節位置１１が生じ、これらの位置を含めた４箇所の節位置１１を支持部材１３によって支持する例を示している。この場合、弾性体１０の屈曲振動時に生じる一波形内において、弾性体１０の変位方向の変位が最大となる位置に、圧電素子用支持部材１６を設けることになる。したがって、接触部材１８の被駆動体３０に対する接触圧力を高くすることができる。

さらに、弾性体１０の非屈曲振動時における、被駆動体３０と弾性体１０との間隔を大きくとることができる。換言すると、屈曲振動時における接触部材１８の被駆動体３０に対する接触圧力を高くできるため、これらの間隔を大きくとったとしても、被駆動体３０を駆動させることが可能な所定の接触圧力を、被駆動体３０に対して与えることができる。これにより、被駆動体３０と弾性体１０との間隔を大きくとった場合でも、被駆動体３０を駆動させることができるため、アクチュエータ１を制御機器に取り付ける際、被駆動体３０に必要以上に近接させなくてもよい。したがって、アクチュエータ１を制御機器に取り付ける際の手間を簡素化できる。

なお、屈曲振動時における弾性体１０の変位量は、弾性体１０の屈曲振動の自由端２０においても多くなる。したがって、図１に示すように、圧電素子用支持部材１６を自由端２０に配設することによっても、接触部材１８の被駆動体３０に対する接触圧力を高くすることができる。

また、圧電素子用支持部材１６は、図７に示すように、弾性体１０において第１の圧電素子１５が配設される表面領域側に設置することもできる。この場合、被駆動体３０に接触する接触部材１８の表面領域が、弾性体１０の屈曲振動方向において、少なくとも第１の圧電素子１５（負荷質量体１４をさらに設ける場合には負荷質量体１４）から突出するものであればよい。

また、弾性体１０は、図１に示すような、細長い矩形状のものに限定されない。すなわち、弾性体１０は、第１の圧電素子１５の伸縮に伴って屈曲振動し、接触部材１８を被駆動体３０に接触させることが出来る程度に可撓性を有するものであれば、その形状は任意のものでよい。例えば、弾性体１０を細長い円筒状にすることも可能である。

また、圧電素子用支持部材１６は、図８に示すように、弾性体１０と一体化した構成としてもよい。この場合、第２の圧電素子１７の伸縮方向側の一端を、例えば接着剤等の支持手段によって弾性体１０の端部に支持させる。このとき、この支持手段が圧電素子用支持部材１６（すなわち、第２の圧電素子用支持部材）を構成することになる。

また、アクチュエータ１は、図９に示すように、弾性体１０の端部の両方を、端部固定部材５０によって固定する構成も可能である。この場合、弾性体１０の端部が固定端となり、かつ、中央部が腹位置となる状態において、弾性体１０を屈曲振動させることができる。したがって、圧電素子用支持部材１６を、弾性体１０において屈曲振動時に変位が生じる、端部以外の任意の表面領域に配設すればよい。

また、アクチュエータ１では、さらに、図１０に示すように、圧電素子用支持部材１６、第２の圧電素子１７、および接触部材１８からなる駆動用部材を、屈曲振動時における弾性体１０の変位の状態が同一となる表面領域に、複数組設けてもよい。

これによって、複数の駆動用部材によって、被駆動体を駆動することができる。すなわち、被駆動体３０が、複数の接触部材１８に支えられて駆動される。したがって、被駆動体３０を安定して駆動することができる。また、被駆動体３０を安定して駆動させたい場合に、複数のアクチュエータ１を設ける必要がないため、アクチュエータ１の設置に必要なスペースを小さくできる。

さらに、アクチュエータ１では、複数の駆動用部材を、図１１に示すように、それぞれ、屈曲振動時に弾性体１０において生じる腹位置４０に設けることが好ましい。この図も、図６と同様に、屈曲振動時に弾性体１０の端部にも節位置１１が生じ、これらの位置を含めた４箇所の節位置１１を支持部材１３によって支持する例を示している。この場合、駆動用部材が、それぞれ、弾性体１０の変位方向の変位が最大となる位置に設けられる。したがって、接触部材１８の被駆動体３０に対する接触圧力を高くすることができる。

さらに、弾性体１０の非屈曲振動時における、被駆動体３０と弾性体１０との間隔を大きくとることができる。換言すると、屈曲振動時において接触部材１８の被駆動体３０に対する接触圧力を高くできるため、これらの間隔を大きくとったとしても、被駆動体３０を駆動させることが可能な所定の接触圧力を、被駆動体３０に対して与えることができる。これにより、被駆動体３０と弾性体１０との間隔を大きくとった場合でも、被駆動体３０を駆動させることができるため、アクチュエータ１を制御機器に取り付ける際、被駆動体３０に必要以上に近接させなくてもよい。したがって、アクチュエータ１を制御機器に取り付ける際の手間を簡素化できる。

また、弾性体１０や被駆動体３０が、図１に示すように、何れも、第１の圧電素子１５の伸縮方向に対して略垂直な方向に延長する細長い形状のものである場合、第２の圧電素子１７を、弾性体１０の延長方向に略水平な成分を有して伸縮させることが好ましい。この場合、被駆動体３０は、弾性体１０の延長方向に略水平な方向に移動する。したがって、被駆動体３０、および被駆動体３０の移動方向を案内するための図示しないガイド機構をも含めた、アクチュエータ１を備える機器全体の省スペース化を実現できる。

以上のように、本発明のアクチュエータ１は構成が簡単であるため、小型化、および薄型化が可能である。したがって、アクチュエータ１は、小型化や薄型化が必要とされる機器全般に適用できる。

また、圧電素子は一般に、駆動電圧が印加されるとマイクロメートル（μｍ）オーダで伸縮する。したがって、アクチュエータ１は、第２の圧電素子１７の伸縮により被駆動体３０を駆動させることによって、被駆動体３０の位置決め精度に優れるという特徴を有している。そのため、アクチュエータ１は、特に高い位置決め精度が必要とされる、光学部品を送る装置に好適である。

本発明のアクチュエータは、小型化や薄型化が必要とされる装置全般に適用でき、特に、高い位置決め精度が必要とされる光学部品を送る装置に好適に適用できる。

本発明の一実施形態に係るアクチュエータの構成を示す正面図である。本発明の一実施形態に係るアクチュエータの構成を示す斜視図である。第２の圧電素子が弾性体の変位方向に対して斜めとなる方向に伸縮するアクチュエータを示す正面図である。弾性体の変位方向および延長方向の両方に略垂直である方向に伸縮する第２の圧電素子が配設されたアクチュエータを示す斜視図である。屈曲振動時に弾性体において生じる腹位置や自由端以外の変位部分に圧電素子用支持部材を設けたアクチュエータの構成を示す正面図である。屈曲振動時に弾性体において生じる腹位置に圧電素子用支持部材を設けたアクチュエータの構成を示す正面図である。弾性体において第１の圧電素子が配設される表面領域と同一面に圧電素子用支持部材を設けたアクチュエータの構成を示す正面図である。圧電素子用支持部材と弾性体とを一体化させたアクチュエータの構成を示す正面図である。弾性体の両端部を端部固定部材によって固定したアクチュエータの構成を示す正面図である。複数の駆動用部材を弾性体の表面領域に配設したアクチュエータの構成を示す正面図である。複数の駆動用部材をそれぞれ屈曲振動時に弾性体において生じる腹位置に設けたアクチュエータの構成を示す正面図である。第１の従来例に係る超音波アクチュエータの構成を示す正面図である。第１の従来例に係る超音波アクチュエータの構成を示す斜視図である。第２の従来例に係る超音波振動子の構成を示す正面図である。第３の従来例に係る圧電アクチュエータの構成を示す正面図である。第３の従来例に係る圧電アクチュエータにおいて、電気−機械変換素子を駆動する駆動信号の電圧変化を示す図である。

符号の説明

１アクチュエータ
１０弾性体
１１節位置
１２中央腹位置
１３支持部材（弾性体用支持部材）
１４負荷質量体
１５第１の圧電素子
１６圧電素子用支持部材（第２の圧電素子用支持部材）
１７第２の圧電素子
１８接触部材
２０自由端
３０被駆動体
４０腹位置
５０端部固定部材

Claims

第１の圧電素子と、
前記第１の圧電素子の伸縮に伴って、屈曲振動を生じる弾性体と、
前記弾性体の変位方向に対して垂直となる方向の成分を有して伸縮する第２の圧電素子と、
前記屈曲振動により変位が生じる、弾性体の表面領域に配設されると共に、前記第２の圧電素子を伸縮可能な状態で支持する第２の圧電素子用支持部材と、
前記第２の圧電素子に配設されると共に、前記第２の圧電素子の伸縮に伴って、前記第２の圧電素子の伸縮方向に変位し、かつ、少なくとも屈曲振動時に、駆動対象となる被駆動体と前記弾性体の変位方向において接触する接触部材とを備え、
前記接触部材と前記被駆動体との接触圧力が所定の値以上となった場合に、前記第２の圧電素子を伸縮させることを特徴とするアクチュエータ。
前記第２の圧電素子の伸縮方向が、弾性体の変位方向に対して略垂直となる方向であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
屈曲振動時に生じる弾性体の節位置に、弾性体を支持する弾性体用支持部材を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
前記第１の圧電素子の伸縮方向側の一端に、負荷重量体が取り付けられることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
前記第１の圧電素子の伸縮方向側の他端に、前記弾性体が取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
前記第２の圧電素子用支持部材は、屈曲振動時に生じる弾性体の腹位置に配設されることを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載のアクチュエータ。
前記弾性体の端部が屈曲振動の自由端であって、かつ、前記第２の圧電素子用支持部材が前記端部に配設されることを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載のアクチュエータ。
前記第２の圧電素子用支持部材、前記第２の圧電素子、および前記接触部材を駆動用部材とすると、前記駆動用部材が、屈曲振動時における弾性体の変位の状態が同一となる表面領域に、複数組設けられていることを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載のアクチュエータ。
前記駆動用部材は、それぞれ、弾性体の変位方向の変位が最大となる表面領域に設けられていることを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ。
請求項１から９のいずれか１項に記載のアクチュエータを備えたことを特徴とする制御機器。