(57)【要約】【課題】  応答性を向上するとともに可動体の位置決めを高精度に行うのに好適な圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】  圧電アクチュエータ７は、圧電素子１２と、圧電素子１２の一方の面に設けられた２つの電極膜１０ａ，１０ｂと、圧電素子１２の他方の面に設けられた電極膜１０ｃと、電極膜１０ａ，１０ｂに電圧を印加する電源２２ａ，２２ｂと、電源２２ａ，２２ｂを制御する制御部２６とを有して構成される。制御部２６は、周波数が圧電素子１２の共振周波数未満でかつ位相が９０°異なる２つの電圧波形の電圧を電極膜１０ａ，１０ｂにそれぞれ印加するように電源２２ａ，２２ｂを制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子に電圧を印加することにより前記圧電素子を振動させ、その振動によって可動体を駆動する圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子の対向する２つの面の一方に設けられた第１電極および第２電極と、前記圧電素子の前記対向する２つの面の他方に設けられた第３電極と、前記第１電極および前記第２電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
前記電圧印加手段は、周波数が前記圧電素子の共振周波数未満でかつ位相が９０°異なる２つの電圧波形の電圧を前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ印加するようになっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１電極および前記第２電極に印加する電圧波形の極性を反転させる極性反転手段をさらに備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１および２のいずれか１項において、
前記圧電素子を設置する筐体をさらに備え、
前記圧電素子の端部のうち前記可動体とは反対側の端部が前記筐体に固定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４】
請求項３において、
ばね部材をさらに備え、
前記圧電素子の前記端部が前記ばね部材を介して前記筐体に固定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】
請求項３および４のいずれか１項において、
支持体をさらに備え、
前記圧電素子の変位方向と直交する面が前記支持体を介して前記筐体に固定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６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記可動体を設置する走行プレートと、前記圧電素子の端部のうち前記可動体に面する端部に設けられた駆動体とをさらに備え、
前記駆動体を前記走行プレートに押し付けて前記圧電素子が設置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７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、
複数の前記圧電素子を備え、
前記複数の圧電素子を振動させ、その振動によって前記可動体を駆動するようになっていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の振動により可動体を駆動させる圧電アクチュエータに係り、特に、応答性を向上するとともに可動体の位置決めを高精度に行うのに好適な圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電アクチュエータとしては、例えば、特許文献１記載のマイクロモータが知られている。
図８は、従来の圧電アクチュエータの構造を示す図である。
圧電アクチュエータ７は、図８に示すように、圧電素子１２と、圧電素子１２の一方の面に４分割して設けられた電極膜１０ａ〜１０ｄと、圧電素子１２の他方の面のほぼ全面に設けられた電極膜（図示せず）と、圧電素子１２の先端部に設けられたフィンガ８とを備えている。
圧電素子１２は、筐体に収められており、筐体内部で側面が４つの点で支持されている。また、圧電素子１２の後端と筐体との間に設けられたコイルばね１４によってフィンガ８が走行プレート６に押し付けられるようになっている。
【０００３】
図９は、従来の圧電アクチュエータの駆動状態を示す図である。
電極膜１０ａ〜１０ｄは、互いに対角に位置する電極膜１０ａと電極膜１０ｄ、および電極膜１０ｂと電極膜１０ｃが結線されている。電極膜１０ａと電極膜１０ｂには、周波数が圧電素子１２の共振周波数でかつ位相が１８０°異なる電圧波形の電圧を印加するとともに、他方の面に配置された電極膜を接地することにより、図９に示すように、圧電素子１２に縦振動と横振動を交互に発生させてこれらの振動の合成によりフィンガ８を楕円運動させる。これにより、圧電素子１２の振動がフィンガ８を介して走行プレート６に伝達されて走行プレート６上に設置された可動体が駆動されるようになっている。
【特許文献１】特開平７−１８４３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１記載の発明では、共振原理を応用しているので、可動体に対して停止状態から送り動作を実行させるためには、圧電素子１２の先端で合成振動が整列するまで電力注入が必要であり、印加電圧に対する不感帯が存在するという問題があった。
また、共振振動の１サイクル中で圧電素子１２の振動を停止させるのが困難なので、可動体の最適位置を検出してもその位置で可動体を正確に停止させることができない。したがって、可動体の位置決めを高精度に行うことができないという問題があった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、応答性を向上するとともに可動体の位置決めを高精度に行うのに好適な圧電アクチュエータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載の圧電アクチュエータは、圧電素子に電圧を印加することにより前記圧電素子を振動させ、その振動によって可動体を駆動する圧電アクチュエータにおいて、前記圧電素子の対向する２つの面の一方に設けられた第１電極および第２電極と、前記圧電素子の前記対向する２つの面の他方に設けられた第３電極と、前記第１電極および前記第２電極に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記電圧印加手段は、周波数が前記圧電素子の共振周波数未満でかつ位相が９０°異なる２つの電圧波形の電圧を前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ印加するようになっている。
【０００６】
このような構成であれば、電圧印加手段により、周波数が圧電素子の共振周波数未満でかつ位相が９０°異なる２つの電圧波形の電圧が第１電極および第２電極にそれぞれ印加される。これにより、圧電素子が非共振駆動して縦振動と横振動が交互に発生し、その振動の合成により可動体が駆動する。
圧電素子の駆動が非共振駆動であるので、圧電素子の先端で合成振動が整列するのを待たずに振動を開始することができるとともに、圧電素子の振動を１サイクル中で容易に停止することができる。また、第１電極および第２電極に印加する電圧波形の位相が９０°異なるので、圧電素子に４つの変位が形成され、楕円運動ではなく円運動を形成することができる。
【０００７】
さらに、本発明に係る請求項２記載の圧電アクチュエータは、請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第１電極および前記第２電極に印加する電圧波形の極性を反転させる極性反転手段をさらに備える。
このような構成であれば、極性反転手段により、第１電極および第２電極に印加する電圧波形の極性が反転する。これにより、圧電素子の回転方向が逆転する。
【０００８】
さらに、本発明に係る請求項３記載の圧電アクチュエータは、請求項１および２のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電素子を設置する筐体をさらに備え、前記圧電素子の端部のうち前記可動体とは反対側の端部が前記筐体に固定されている。
このような構成であれば、圧電素子の可動体とは反対側の端部が固定されているので、圧電素子の振動を効率的に可動体に伝達することができる。
【０００９】
さらに、本発明に係る請求項４記載の圧電アクチュエータは、請求項３記載の圧電アクチュエータにおいて、ばね部材をさらに備え、前記圧電素子の前記端部が前記ばね部材を介して前記筐体に固定されている。
このような構成であれば、ばね部材によって圧電素子が可動体側に押し付けられるので、圧電素子の振動を効率的に可動体に伝達することができる。
【００１０】
さらに、本発明に係る請求項５記載の圧電アクチュエータは、請求項３および４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、支持体をさらに備え、前記圧電素子の変位方向と直交する面が前記支持体を介して前記筐体に固定されている。
このような構成であれば、支持体により圧電素子の変位方向と直交する方向の振動が抑制される。
【００１１】
さらに、本発明に係る請求項６記載の圧電アクチュエータは、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記可動体を設置する走行プレートと、前記圧電素子の端部のうち前記可動体に面する端部に設けられた駆動体とをさらに備え、前記駆動体を前記走行プレートに押し付けて前記圧電素子が設置されている。
このような構成であれば、駆動体が走行プレートに押し付けられているので、圧電素子の振動を効率的に可動体に伝達することができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る請求項７記載の圧電アクチュエータは、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータにおいて、複数の前記圧電素子を備え、前記複数の圧電素子を振動させ、その振動によって前記可動体を駆動するようになっている。
このような構成であれば、複数の圧電素子が駆動し、その振動によって可動体が駆動するので、一の圧電素子が可動体または走行プレート等から離れていても、他の圧電素子が可動体または走行プレート等に接して駆動するため、可動体を常に保持することができ、より安定した駆動が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明に係る請求項１記載の圧電アクチュエータによれば、圧電素子の駆動が非共振駆動であるので、圧電素子の先端で合成振動が整列するのを待たずに振動を開始することができるとともに、圧電素子の振動を１サイクル中で容易に停止することができる。したがって、従来に比して、応答性を向上することができるとともに可動体の位置決めを高精度に行うことができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１ないし図７は、本発明に係る圧電アクチュエータの実施の形態を示す図である。
まず、本発明に係る圧電アクチュエータ７の構造を説明する。
図１は、圧電アクチュエータ７の構造を示す側面図である。
圧電アクチュエータ７は、図１に示すように、圧電素子１２を有して構成されている。圧電素子１２としては、非積層の直方体圧電素子を用いる。これにより、圧電素子１２自体の耐久性を向上することができる。
【００１５】
圧電素子１２の一方の面には、図１（ａ）に示すように、電極膜１０ａ，１０ｂが横並びに設けられ、電極膜１０ａ，１０ｂには、電圧を印加するための導線１１ａ，１１ｂが接続されている。圧電素子１２の他方の面には、図１（ｂ）に示すように、電極膜１０ｃが全面を覆うようにして設けられ、電極膜１０ｃには、グランドに接地するための導線１１ｃが接続されている。
圧電素子１２の先端には、圧電素子１２の振動を可動体に伝達するためのフィンガ８が設けられている。フィンガ８および圧電素子１２は、一体に構成してもよいし、フィンガ８と圧電素子１２が個別の部品からなり、それらを接合することで構成してもよい。
【００１６】
図２は、圧電アクチュエータ７の構造を示す斜視図である。
図３は、圧電アクチュエータ７の構造を示す側面図である。
圧電素子１２は、図２に示すように、筐体１６に収納されている。また、圧電素子１２の後端が板ばね１８を介して筐体１６に固定されており、図３に示すように、板ばね１８によってフィンガ８が走行プレート６に押し付けられるようになっている。圧電素子１２の固定方法としては、板ばね１８に代えて弾性ヒンジを使用してもよいし、圧電素子１２が片持ち梁のように一端を完全に固定してもよい。走行プレート６の押付予圧力は、駆動条件に応じて設定する。
【００１７】
また、図２に示すように、圧電素子１２の変位方向と直交する側面が支持部材２０ａ，２０ｂを介して筐体１６に固定されている。図２の例では、１つの側面に対して１カ所しか支持していないが、１つの側面に対して複数の支持部材を用いてもよい。
図４は、圧電アクチュエータ７の構造を示すブロック図である。
圧電アクチュエータ７は、図４に示すように、導線１１ａに接続し電極膜１０ａに電圧を印加する電源２２ａと、導線１１ｂに接続し電極膜１０ｂに電圧を印加する電源２２ｂと、電源２２ａ，２２ｂの電圧波形の極性を反転させる極性反転部２４と、電源２２ａ，２２ｂおよび極性反転部２４を制御する制御部２６とを有して構成されている。
【００１８】
制御部２６は、位相が９０°異なる２つの電圧波形を発生させ、発生させた電圧波形の電圧を電極膜１０ａ，１０ｂにそれぞれ印加するように電源２２ａ，２２ｂを制御する。電圧波形の周波数は、ＤＣ（０[Hz]）から圧電素子１２の共振周波数未満の範囲で設定する。これは、圧電素子１２を共振周波数領域で使用すると、圧電素子１２が共振振動を起こしてしまうので、これを抑制するためである。
制御部２６は、フィンガ８の回転方向を逆転させるときは、極性反転部２４により電圧波形の極性を反転する。
【００１９】
次に、圧電アクチュエータ７の駆動原理を説明する。
図５は、圧電アクチュエータ７の駆動状態を示す図である。
図５の例は、位相が９０°異なるパルス電圧を電極膜１０ａ，１０ｂに印加した場合である。
まず、電極膜１０ａ，１０ｂにそれぞれマイナスの電圧が印加されると、図５（ａ）に示すように、圧電素子１２の左半面（電極膜１０ａが設けられている部位）および右半面（電極膜１０ａが設けられている部位）が伸長し、フィンガ８が上方向に変位する。
次いで、電極膜１０ｂに印加する電圧がプラスになると、図５（ｂ）に示すように、圧電素子１２の左半分が伸長した状態で右半面が収縮し、フィンガ８が右方向に変位する。
【００２０】
次いで、電極膜１０ａに印加する電圧がプラスになると、図５（ｃ）に示すように、圧電素子１２の右半分が収縮した状態で左半面が収縮し、フィンガ８が下方向に変位する。
そして、電極膜１０ｂに印加する電圧がプラスになると、図５（ｄ）に示すように、圧電素子１２の左半面が収縮した状態で右半面が伸長し、フィンガ８が左方向に変位する。
この４つの変位を繰り返すことにより、フィンガ８の先端は、円運動を描くように駆動する。この運動により可動体を移動させることができる。運動の速度は、電極膜１０ａ，１０ｂに印加する電圧の周波数を変化させることで調整することができる。また、電極膜１０ａ，１０ｂに印加する電圧波形は、パルス波に限らず、正弦波または三角波にすることもできる。
【００２１】
図６は、圧電アクチュエータ７をＤＣ駆動した場合の駆動状態うを示す図である。
圧電アクチュエータ７をＤＣ駆動する場合は、例えば、図６に示すように、電極膜１０ａ，１０ｂのうち一方にプラスの電圧を、他方にマイナスの電圧をそれぞれ印加し、圧電素子１２を変位させることができる。また、電極膜１０ａ，１０ｂのいずれか一方にのみプラスまたはマイナスの電圧を印加し、圧電素子１２を変位させることもできる。
【００２２】
微動の際、移動量は、印加する電圧の大きさを変化させることにより、圧電素子１２の変位量を調整することができる。その結果、可動体を極微少な変位量で動かすことができる。
このようにして、本実施の形態では、圧電素子１２と、圧電素子１２の一方の面に設けられた２つの電極膜１０ａ，１０ｂと、圧電素子１２の他方の面に設けられた電極膜１０ｃと、電極膜１０ａ，１０ｂに電圧を印加する電源２２ａ，２２ｂと、電源２２ａ，２２ｂを制御する制御部２６とを備え、制御部２６は、周波数が圧電素子１２の共振周波数未満でかつ位相が９０°異なる２つの電圧波形の電圧を電極膜１０ａ，１０ｂにそれぞれ印加するように電源２２ａ，２２ｂを制御する。
【００２３】
これにより、圧電素子１２の駆動が非共振駆動であるので、圧電素子１２の先端で合成振動が整列するのを待たずに振動を開始することができるとともに、圧電素子１２の振動を１サイクル中で容易に停止することができる。したがって、従来に比して、応答性を向上することができるとともに可動体の位置決めを高精度に行うことができる。
さらに、本実施の形態では、電極膜１０ａ，１０ｂに印加する電圧波形の極性を反転させる極性反転部２４を備える。
【００２４】
これにより、圧電素子１２の回転方向を逆転させることができる。
さらに、本実施の形態では、圧電素子１２の後端が板ばね１８を介して筐体１６に固定されており、板ばね１８によってフィンガ８が走行プレート６に押し付けられるようになっている。
これにより、圧電素子１２の振動を効率的に可動体に伝達することができる。
さらに、本実施の形態では、圧電素子１２の変位方向と直交する側面が支持部材２０ａ，２０ｂを介して筐体１６に固定されている。
これにより、支持部材２０ａ，２０ｂにより圧電素子１２の変位方向と直交する方向の振動を抑制することができる。
【００２５】
上記実施の形態において、電極膜１０ａは、請求項１または２記載の第１電極に対応し、電極膜１０ｂは、請求項１または２記載の第２電極に対応し、電極膜１０ｃは、請求項１記載の第３電極に対応し、電源２２ａ，２２ｂおよび制御部２６は、請求項１記載の電圧印加手段に対応している。また、極性反転部２４は、請求項２記載の極性反転手段に対応し、フィンガ８は、請求項６記載の駆動体に対応し、支持部材２０ａ，２０ｂは、請求項５記載の支持体に対応している。
なお、上記実施の形態においては、１つの圧電素子１２を用いて可動体を駆動するように構成したが、これに限らず、複数の圧電素子１２を用いて可動体を駆動するように構成することもできる。
【００２６】
図７は、２つの圧電素子１２を用いて可動体を駆動する場合を示す図である。
２つの圧電素子１２を用いて可動体を駆動する場合、互いの圧電素子１２は、図７に示すように、位相差を有して駆動する。その結果、一方の圧電素子１２が走行プレート６から離れていても、他方の圧電素子１２が走行プレート６に接して駆動するため、走行プレート６を常に保持することができ、より安定した駆動が可能となる。駆動力を増したときは、さらに多数の圧電素子１２を用いるとよい。
【００２７】
また、上記実施の形態においては、圧電素子１２の一方の面に２つの電極膜１０ａ，１０ｂを設けたが、これに限らず、さらに複数の電極膜を設けてもよい。この場合、２つの電極膜をセットにして、各セットごとに上記実施の形態と同様の電圧印加方法により電極膜に電圧を印加してもよい。また、電極膜がｎ（ｎ≧３）枚の場合、それぞれの位相がπ／ｎずつ異なる電圧波形の電圧を各電極膜に印加してもよい。これにより、圧電素子１２に２ｎ個の変位を形成することができる。
また、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記実施の形態の限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】圧電アクチュエータ７の構造を示す側面図である。
【図２】圧電アクチュエータ７の構造を示す斜視図である。
【図３】圧電アクチュエータ７の構造を示す側面図である。
【図４】圧電アクチュエータ７の構造を示すブロック図である。
【図５】圧電アクチュエータ７の駆動状態を示す図である。
【図６】圧電アクチュエータ７をＤＣ駆動した場合の駆動状態うを示す図である。
【図７】２つの圧電素子１２を用いて可動体を駆動する場合を示す図である。
【図８】従来の圧電アクチュエータの構造を示す図である。
【図９】従来の圧電アクチュエータの駆動状態を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
７                  圧電アクチュエータ
６                  走行プレート
８                  フィンガ
１０ａ〜１０ｃ      電極膜
１２                圧電素子
１６                筐体
１８                板ばね
２０ａ，２０ｂ      支持部材
２２ａ，２２ｂ      電源
２４                極性反転部
２６                制御部
【図１】
2006271167.tif 000003
【図２】
2006271167.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006271167.tif 000008
【図７】
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【図８】
2006271167.tif 000010
【図９】
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