(57)【要約】【課題】簡素な構造でも大きな振幅で進行波を発生させることが可能な圧電アクチュエーターを提供する。【解決手段】矩形平面状の振動板２の一主面２１に、圧電体３１の表裏両面に電極板（３２、２１）が配置されてなる第１圧電素子３ａと、振動板の左右幅Ｗの１／２以下である第２圧電素子３ｂとが前後方向に離間して貼着され、振動板は、前後両端を自由端として前後方向に２波長分の定在波が発生する第１の振動モードと、前後両端を自由端とした前後方向の１．５波長分の定在波と当該定在波の腹Ｐ２ｂの位置で振動板の左右両端を自由端とした左右方向の１／２波長分の定在波とによって振動し、第１圧電素子は、第１振動モードの前後一方の励振領域４１内の左右中央に配置され、第２圧電素子は、振動板の左端２４または右端２５に沿いつつ、第２の振動モードにおける前後他方の励振領域４２内に配置されている圧電アクチュエーター１としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長辺の延長方向を前後方向とし、短辺の延長方向を左右方向とした矩形平面状の振動板の一主面に第１圧電素子と第２圧電素子が貼着されてなり、
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、矩形平板状の圧電体の表裏両面に電極板が配置されてなり、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子は、前記振動板の前後方向に離間して配置され、
前記振動板は、第１の共振周波数において第１の振動モードで振動するとともに、第２の共振周波数において第２の振動モードによって振動し、
第１の振動モードでは、前記振動板に、前後両端を自由端として、前後方向に２波長分の定在波が発生し、
第２の振動モードでは、前後両端を自由端として、前後方向に１．５波長分の定在波が発生するとともに、当該１．５波長分の定在波の腹の位置では、前記振動板の左右両端を自由端として、左右方向に１／２波長分の定在波が発生し、
前記第１振動モードでの励振領域は、前後で隣接する二つの節の間の領域であり、
前記第１圧電素子は、前記第１振動モードの前後一方の前記励振領域内の左右中央に配置され、
前記第２の振動モードでの励振領域は、左右中央に対して左方あるいは右方の領域と、前後方向の定在波において前後で隣接する節の間の領域との重複領域であり、
前記第２圧電素子は、前記振動板の左縁辺または右縁辺に沿いつつ、前記第２の振動モードにおける前後他方の前記励振領域内に配置されているとともに、左右方向の幅が前記振動板の左右幅の１／２以下である、
ことを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記第１圧電素子の左右幅は、前記振動板の左右幅の１／２以上であることを特徴とする圧電アクチュエーター。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエーターを二つ用いて構成される自走装置であって、
二つの前記圧電アクチュエーターは、前記振動板の前記一主面側を上面として、左右に並列に配置された状態で連結され、
左方の前記圧電アクチュエーターにおける前記振動板の下面の左縁辺に沿う領域と、右方の前記圧電アクチュエーターにおける前記振動板の下面の右縁辺に沿う領域とに推進部が形成され、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子は、９０゜の位相差を有する駆動信号が印加されて前記振動板の面内に進行波を発生させ、
前記推進部は、摩擦力によって前記進行波を載置面に伝達する、
ことを特徴とする自走装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエーターを二つ用いて構成される流体輸送装置であって、
二つの前記圧電アクチュエーターは、上下方向に積層されてなり、
上方の前記圧電アクチュエーターは、前記一主面を上面とし、
下方の前記圧電アクチュエーターは、前記一主面を下面とし、
上方と下方の前記圧電アクチュエーターの層間において、左右中央の領域と、少なくとも左右一方の縁辺に沿う領域とに、前端から後端にわたる隔壁が形成され、
前記隔壁により、前後両端に開口する流体輸送路が前記層間に形成され、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子は、９０゜の位相差を有する駆動信号が印加されて、上方と下方の前記圧電アクチュエーターの前記振動板に同方向に周回する進行波を発生させる、
ことを特徴とする流体輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電アクチュエーター、圧電アクチュエーターを用いた自走装置および流体輸送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を用いたアクチュエーター（以下、圧電アクチュエーターとも言う）には、進行波を利用するものがある。例えば、以下の特許文献１には、矩形平板状の圧電素子の面内に外周を周回する進行波を発生させて、圧電素子の先端部を送り動作に使用可能な楕円軌道に変換することができる圧電アクチュエーターについて記載されている。また、進行波の発生が可能な圧電アクチュエーターを利用した装置としては、周知の超音波モーターがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２５７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
進行波を発生させる従来の圧電アクチュエーターに用いられる圧電素子は、一つの圧電体に分極方向が異なる複数の分極領域が設けられている。そのため、圧電素子の構造が複雑になり、圧電アクチュエーターの製造コストが増大する。また、一つの圧電体に複数の分極領域を設ける必要があるため、圧電アクチュエーターを小型にしようとすると、各分極領域の面積が小さくなり、大きな振幅を得ることが難しくなる。
【０００５】
そこで本発明は、簡素な構造でも大きな振幅で進行波を発生させることが可能な圧電アクチュエーターと、その圧電アクチュエーターを用いた自走装置および流体輸送装置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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一態様は、長辺の延長方向を前後方向とし、短辺の延長方向を左右方向とした矩形平面状の振動板の一主面に第１圧電素子と第２圧電素子が貼着されてなり、
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子は、矩形平板状の圧電体の表裏両面に電極板が配置されてなり、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子は、前記振動板の前後方向に離間して配置され、
前記振動板は、第１の共振周波数において第１の振動モードで振動するとともに、第２の共振周波数において第２の振動モードによって振動し、
第１の振動モードでは、前記振動板に、前後両端を自由端として、前後方向に２波長分の定在波が発生し、
第２の振動モードでは、前後両端を自由端として、前後方向に１．５波長分の定在波が発生するとともに、当該１．５波長分の定在波の腹の位置では、前記振動板の左右両端を自由端として、左右方向に１／２波長分の定在波が発生し、
前記第１振動モードでの励振領域は、前後で隣接する二つの節の間の領域であり、
前記第１圧電素子は、前記第１振動モードの前後一方の前記励振領域内の左右中央に配置され、
前記第２の振動モードでの励振領域は、左右中央に対して左方あるいは右方の領域と、前後方向の定在波において前後で隣接する節の間の領域との重複領域であり、
前記第２圧電素子は、前記振動板の左端または右端に沿いつつ、前記第２の振動モードにおける前後他方の前記励振領域内に配置されているとともに、左右方向の幅が前記振動板の左右幅の１／２以下である、
ことを特徴とする圧電アクチュエーターとしている。
【０００７】
上記圧電アクチュエーターは、前記第１圧電素子の左右幅が、前記振動板の左右幅の１／２以上であることとしてもよい。
【０００８】
本発明のその他の態様は、上記圧電アクチュエーターを二つ用いて構成される自走装置であって、当該自走装置は、
二つの前記圧電アクチュエーターは、前記振動板の前記一主面側を上面として、左右に並列に配置された状態で連結され、
左方の前記圧電アクチュエーターにおける前記振動板の下面の左端に沿う領域と、右方の前記圧電アクチュエーターにおける前記振動板の下面の右端に沿う領域とに推進部が形成され、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子は、９０゜の位相差を有する駆動信号が印加されて前記振動板の面内に進行波を発生させ、
前記推進部は、摩擦力によって前記進行波を載置面に伝達する、
ことを特徴としている。
【０００９】
本発明の範囲には、上記圧電アクチュエーターを二つ用いて構成される流体輸送装置も含まれており、当該流体輸送装置は、
二つの前記圧電アクチュエーターは、上下方向に積層されてなり、
上方の前記圧電アクチュエーターは、前記一主面を上面とし、
下方の前記圧電アクチュエーターは、前記一主面を下面とし、
上方と下方の前記圧電アクチュエーターの層間において、左右中央の領域と、少なくとも左右一方の縁端に沿う領域とに、前端から後端にわたる隔壁が形成され、
前記隔壁により、前後両端に開口する流体輸送路が前記層間に形成され、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子は、９０゜の位相差を有する駆動信号が印加されて、上方と下方の前記圧電アクチュエーターの前記振動板に同方向に周回する進行波を発生させる、
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡素な構造を備えるとともに、振幅が大きな進行波を発生させることができる圧電アクチュエーターが提供される。また、その圧電アクチュエーターを用いることで、簡素な構造を有する自走装置および流体輸送装置が提供される。なお、その他の効果については、以下の記載で明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例に係る圧電アクチュエーターを示す図である。
【図２】上記実施例に係る圧電アクチュエーターと駆動回路との接続状態を示す図である。
【図３】上記実施例に係る圧電アクチュエーターを構成する振動板の共振状態（第１振動モード）を示す図である。
【図４】上記実施例に係る圧電アクチュエーターを構成する振動板の共振状態（第２振動モード）を示す図である。
【図５】上記実施例に係る圧電アクチュエーターを構成する圧電素子の配置を示す図である。
【図６】上記実施例に係る圧電アクチュエーターに進行波を発生させているときの状態を示す図である。
【図７】上記実施例に係る圧電アクチュエーターに定在波を発生させているときの状態を示す図である。
【図８】上記実施例に係る圧電アクチュエーターを利用したモーターの構造を示す図である。
【図９】上記実施例に係る圧電アクチュエーターを利用した自走装置の構造を示す図である。
【図１０】上記実施例に係る圧電アクチュエーターを利用した流体輸送装置の構造を示す図である。
【図１１】上記流体輸送装置のその他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一又は類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。
【００１３】
＝＝＝圧電アクチュエーターの構造＝＝＝
図１は、本発明の実施例に係る圧電アクチュエーター１の構造を示す図である。ステンレスなどからなる矩形平板状の振動板２の一主面２１に二つの圧電素子（３ａ、３ｂ）が前後方向に離間して貼着されている。例示した振動板２は、長さＬと幅Ｗの比Ｌ：Ｗが、５：２である。二つの圧電素子（３ａ、３ｂ）は、矩形平面形状を有する平板状の圧電体の表裏両面に、電極板が配置された構造を有している。ここで、一主面２１を上面として上下の各方向を規定し、長さＬ方向を前後方向、幅Ｗ方向を左右方向とする。そして、図１に示したように、前後の各方向と左右の各方向を規定すると、前方の圧電素子（以下、第１圧電素子とも言う）は、前後長Ｌ１、幅Ｗ１の矩形平板状であり、振動板２の前端２２から後端２３に向かって距離Ｄ１の位置の左右中央に配置されている。後方の圧電素子（以下、第２圧電素子３ｂとも言う）は、前後長Ｌ２、幅Ｗ２の矩形平板状であり、振動板２の前端２２から後端２３に向かって距離Ｄ２の位置において左方の縁端（以下、左端２４とも言う）に沿って配置されている。なお、第２圧電素子３ｂは、右方の縁端（以下、右端２５とも言う）に沿って配置されていてもよい。
【００１４】
二つの圧電素子（３ａ、３ｂ）は、矩形平板状の圧電体の上面に駆動信号が印加される信号電極が形成され、下面に接地電極が形成されてなる。信号電極は、例えば、銀ペーストなどを焼き付けたものである。また、例示した圧電アクチュエーター１では、圧電体の下面が、導体からなる振動板２に貼着されており、この振動板２が接地電極を兼ねている。すなわち、圧電素子（３ａ、３ｂ）は、振動板２を共通の接地電極として、上面の信号電極に駆動信号が印加される。そして、本実施例では、二つの圧電素子（３ａ、３ｂ）は、上下方向を分極方向として、上下方向の電界に対して前後方向に伸縮する。
【００１５】
図２に、圧電アクチュエーター１に駆動回路３０を接続したときの図を示した。図２では、圧電アクチュエーター１を右方から見た状態を示している。第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂは、圧電体３１の上面に信号電極３２が形成され、圧電体３１の下面が、例えば、導電性接着剤などによって振動板２に貼着されている。駆動回路３０の接地側は、振動板２に接続されており、第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂのそれぞれの信号電極３２に個別に信号を印加できるように構成されている。
【００１６】
＝＝＝振動板の振動モード＝＝＝
振動板２は、異なる二つの共振周波数のそれぞれに特有の振動モードで振動する。すなわち、二つの共振周波数の一方と他方とで、異なる振動モードで振動する。図１に示した実施例に係る圧電アクチュエーター１では、第１圧電素子３ａによって、二つの振動モードの一方の振動モード（以下、第１振動モードとも言う）を振動板２に発現させ、第２圧電素子３ｂによって他方の振動モード（以下、第２振動モードとも言う）を発現させる。
【００１７】
周知のごとく、構造物が持つ固有の共振周波数が固有振動数であり、固有振動数は、形状、材料のヤング率、密度によって異なる。すなわち、同じ形状を有する構造物は、共振周波数が材料の物性に応じて異なるだけで、共振周波数で振動させると、振動状態が同じになる。そして、構造物の振動状態は、有限要素法を用いたシミュレーションによって忠実に再現することができる。図３と図４は、そのシミュレーションによる解析結果を示している。具体的には、固有振動数と、その周波数での振動形状を調べるモーダル解析（固有値解析）の結果を示している。
【００１８】
図３は、１３２．３ｋＨｚの共振周波数における第１振動モードでの振動板２の振動状態を示しており、図３（Ａ）は、共振状態にある振動板２の振動状態を示す斜視図であり、図３（Ｂ）は、共振状態にある振動板２を右方から見たときの波形を示す図である。図３（Ａ）に示したように、振動板２は、１３２．３ｋＨｚの共振周波数において、前後方向に波打つように振動する。具体的には、図３（Ｂ）に示したように、前端２２と後端２３とを自由端とした２波長分の定在波を発生させる。したがって、振動板２において、図３（Ａ）に楕円で示した領域４１、図３（Ｂ）に両矢印で示した前後方向の領域４１、すなわち前後方向で隣接する二つの節（Ｐ１ａ、Ｐ１ａ）の間の半波長分の領域４１が励振可能な領域（以下、励振領域４１とも言う）となる。そして、この励振領域４１に圧電素子を貼着すれば、振動板２を図３に示した振動状態（以下、第１振動モードとも言う）で共振させることができる。また、図１における圧電素子３ａの前後長Ｌ１は、この励振領域４１の前後長以下である必要がある。さらに、励振領域４１では、第１圧電素子３ａの前後中央位置が、腹Ｐ２ａの位置やその近傍となるようにすることが望ましい。
【００１９】
図４は、１３４．３ｋＨｚの共振周波数における第２振動モードでの振動板２の振動状態を示している。図４（Ａ）は、１３４．３ｋＨｚにおいて共振状態にある振動板２の振動モードを示す斜視図であり、図４（Ｂ）は、共振状態にある振動板２を右方から見たときの波形を示す図である。そして、図４（Ｃ）と図４（Ｄ）は、ある瞬間における振動板２の変形状態を前方から見たときの図である。
【００２０】
図４（Ａ）に示したように、第２振動モードでは、振動板２は、１３４．３ｋＨｚの共振周波数において、前後方向に波打ちつつ、左右方向で互いに反転するように振動する。具体的には、図４（Ｂ）に示したように、振動板２には、前端２２と後端２３を自由端とした１．５波長分の定在波が発生する。そして、前後方向の定在波における腹の位置Ｐ２ｂでは、図４（Ｃ）と図４（Ｄ）とに示したように、左右中央に節Ｐ３を有して左端２４と右端２５を自由端とした半波長分の定在波が発生する。したがって、振動板２において、図４（Ａ）において楕円で示した領域４２が励振領域４２となる。具体的には、励振領域４２は、図３（Ｂ）において、両矢印で示した前後方向の半波長分の領域４２ａと、図３（Ｃ）、（Ｄ）において両矢印で示した左右方向の１／４波長分の領域４２ｂとが重複する領域である。そして、励振領域４２のいずれかに第２圧電素子３ｂを貼着すれば、振動板２を図４に示した第２振動モードで共振させることができる。また、図１における第２圧電素子３ｂの前後長Ｌ２は、この励振領域４２の前後長以下である必要がある。さらに、励振領域４２では、圧電素子の前後中央位置が、腹Ｐ２ｂの位置やその近傍となるようにすることが望ましい。
【００２１】
＝＝＝圧電素子の配置＝＝＝
上述したように、振動板２は、１３２．３ｋＨｚ、および１３４．３ｋＨｚの二つの共振周波数において、互いに異なる第１振動モード、および第２振動モードで共振する。そして、第１振動モードにおける励振領域４１、および第２振動モードにおける励振領域４２に、それぞれ、第１圧電素子３ａ、および第２圧電素子３ｂを配置するとともに、これらの圧電素子（３ａ、３ｂ）を二つの共振周波数から僅かにずらした周波数で駆動すれば、振動板２の面内には第１振動モードと第２振動モードの二つの振動モードが合成された振動が発生する。図５に、第１振動モードにおける振動板２の振動状態と、第２振動モードにおける振動板２の振動状態とを重ねて示した。図５では、第１振動モードによる振動波形、および定常波における節Ｐ１ａと腹Ｐ２ａの位置を実線で示し、第２振動モードによる振動波形、および定常波における節Ｐ１ｂと腹Ｐ２ｂの位置を鎖線で示した。以下に、図５と、先に示した図１、図３、図４とを参照しつつ、第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂの配置について説明する。
【００２２】
図１に示した本発明の実施例に係る圧電アクチュエーター１では、図３に示した第１振動モードにおける励振領域４１の範囲内に第１圧電素子３ａが配置される。さらに、最も振幅が大きくなる腹Ｐ１ｂの位置に第１圧電素子３ａの平面領域の中心を一致させることで、より大きな振幅が得られる。
【００２３】
また、図４に示した第２振動モードにおける励振領域４２の範囲内に第２圧電素子３ｂが配置される。さらに、最も振幅が大きくなる腹Ｐ２ｂの位置に第２圧電素子３ｂの平面領域の中心を一致させることで、より大きな振幅が得られる。しかし、第２振動モードでは、振動板２の左端２４あるいは右端２５に腹Ｐ２ｂが形成されるため、この腹Ｐ２ｂの位置と第２圧電素子３ｂの平面領域の中心とを一致させると、第２圧電素子３ｂが振動板２の左方あるいは右方からはみ出してしまう。そのため、第２圧電素子３ｂは、振動板２の左端２４あるいは右端２５に沿って配置されることになる。
【００２４】
そして、第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂとは、双方の振動が互いに打ち消し合わないように、一方の圧電素子（３ａまたは３ｂ）が配置される励振領域（４１または４２）と、他方の圧電素子（３ｂまたは３ａ）が配置される励振領域（４２または４１）とが重複しないようにする必要がある。そのため、図１に示した実施例に係る圧電アクチュエーター１では、図５に示したように、振動板２を右方から見たときに、第１圧電素子３ａの平面領域の中心が、第１振動モードにおける最も前方の励振領域４１における腹Ｐ１０の近傍に配置されている。具体的には、第１圧電素子３ａは、Ｄ１＝Ｌ／４となる位置の左右中央に配置されている。なお、第１振動モードにおける励振領域４１は、振動板２を左右方向に横断するように形成されることから、第１圧電素子３ａの左右幅Ｗ１は、Ｗ／２以上であることが望ましい。
【００２５】
第２圧電素子３ｂについては、その平面領域において、前後中央位置が、第２振動モードにおける最も後方の励振領域４２の腹Ｐ２０の位置の近傍となるようにしつつ、第２圧電素子３ｂの左端２４、あるいは右端２５が、振動板２の左端２４、あるいは右端２５に沿うように配置されている。具体的には、Ｄ２＝０．７Ｌ（≒２Ｌ／３）となる位置の左端２４に沿って配置されている。なお、第２振動モードにおける励振領域４２は、振動板２の左端２４または右端２５から左右中央までの領域であることから、第２圧電素子３ｂの左右幅Ｗ２は、Ｗ／２以下にする必要がある。
【００２６】
＝＝＝圧電アクチュエーターの動作＝＝＝
本実施例の圧電アクチュエーター１では、第１圧電素子３ａおよび第２圧電素子３ｂが、１３０ｋＨｚの周波数で駆動され、二つの圧電素子（３ａ、３ｂ）に印加する駆動信号の位相差が９０゜であるときに振動板２の面内に進行波が発生する。また、駆動信号の位相差が０゜あるいは１８０゜であるときには定在波が発生する。図６と図７は、圧電アクチュエーター１を作動させたときの振動板２の変形状態の遷移を示している。図６は、振動板２の面内に進行波が発生しているときの状態を示している。ここでは、第１圧電素子３ａに印加する駆動信号の位相に対し、第２圧電素子３ｂに印加する駆動信号の位相を９０゜進めている。なお、以下では、第１圧電素子３ａに印加する駆動信号の位相に対して第２圧電素子３ｂに印加する駆動信号の位相が進んでいる場合には、位相差の角度の符号を「＋」とし、位相が遅れている場合には「−」とする。すなわち、図６では、駆動信号の位相差を＋９０゜としている。
【００２７】
図６に示したように、第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂとに＋９０゜の位相差の駆動信号を印加すると、進行波の発生に伴って、図中黒丸で示した山の位置が、図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）、および図６（Ｄ）の順に移動していく。すなわち、振動板２には、図中太線矢印で示したように、上方から見て、時計回りの進行波が発生する。なお、位相差を−９０゜にすれば、振動板２には、上方から見て、反時計回りの進行波が発生する。
【００２８】
一方、第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂを同相（位相差０゜）で駆動すると、図７に示したように、図中白丸で示した位置では、定在波の節のようにほとんど振動せず、上下方向の振幅が極めて小さくなる。なお、図中黒丸で示した位置では、定在波の腹のように、上下方向に大きな振幅で振動する。第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂの位相差を１８０゜にすると、図中黒丸の位置が節となり、図中白丸の位置が腹となる。
【００２９】
このように、本実施例の圧電アクチュエーター１は、長さＬと幅Ｗとが所定の比（例えば、Ｌ：Ｗ＝５：２）の矩形平板状の振動板２の上面２１に、第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂの二つの圧電素子を貼着しただけの簡素な構造である。また、二つの圧電素子（３ａ、３ｂ）は、単一の分極領域を有したものであり、一つの圧電体３１に分極方向が異なる複数の領域を設ける必要がない。また、振動板２の第１振動モードにおける励振領域４１と第２振動モードにおける励振領域４２とに、それぞれ第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂが貼着され、これらの圧電素子（３ａ、３ｂ）を、所定の周波数（例えば、１３０ｋＨｚ）で振動させたときに、上述した第１振動モードと第２振動モードの二つの振動モードでの振動が合成された振動が発生するように構成されている。そして、第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂに印加する駆動信号の位相差を９０゜にすることで、振動板２に、面内を周回する進行波を発生させることができる。
【００３０】
なお、長さＬ＝５ｃｍ、幅＝２ｃｍの平面領域を有する所定の厚さ（例えば、１ｍｍ）のステンレス板からなる振動板２を用いて、図１に示した、本実施例に係る圧電アクチュエーター１を実際に作製してみたところ、約１μｍの振幅で、シミュレーションと同様の振動状態が得られることが確認された。
【００３１】
＝＝＝応用例＝＝＝
本発明の実施例に係る圧電アクチュエーター１は、様々な装置に応用することが可能である。図８〜図１１に、それぞれ、実施例に係る圧電アクチュエーター１を用いた各種装置を示した。
【００３２】
＜モーター＞
圧電アクチュエーター１の第１の応用例として、モーターを示す。図８は、そのモーター１０を示す図である。第１の応用例であるモーター１０は、先に図１に示した本発明の実施例に係る圧電アクチュエーター（以下、基本ユニット１とも言う）を一つ用いる。基本ユニット１の振動板２の右後方の角には、弾性体からなる突起部１１が後方に突出するように形成されている。また、回転軸１２に軸支されて振動板２の板面と平行な面を有する円板状のローター１３を備えている。そして、突起部４の先端がローター６の円周に接している。
【００３３】
図８に示したモーター１０は、第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂとに位相差＋９０゜の駆動信号を印加すると、図中太線矢印で示したように、振動板２に、上方から見て時計回りの進行波が発生し、図中白抜き矢印で示したように、突起部１１の先端には左方から右方に向かう進行波が発生する。それによってローター１３は反時計回りに回転する。第１圧電素子３ａと第２圧電素子３ｂに印加する駆動信号の位相差を−９０゜にすると、ローター１３は時計回りに回転する。
【００３４】
＜自走装置＞
基本ユニット１は、振動板２の面内に進行波を発生させることができるものの、その進行波を推進力として利用することが難しい。そこで、第２の応用例として、２基の基本ユニット１を用いて推進力を取り出せる自走装置を挙げる。図９に第２の応用例である自走装置１１０を示した。自走装置１１０は、２基の基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）を、平板状の部材６を介して左右方向に連結した構造を有しており、左方の基本ユニット１Ｌの下面左端側と、右方の基本ユニット１Ｒの下面右端側とに櫛歯状の推進部（７Ｌ、７Ｒ）が設けられている。推進部（７Ｌ、７Ｒ）は、櫛歯の先端側を載置面に接触させることで、載置面に対して摩擦力を発生させる。左右の基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）の振動板２の下面において、推進部（７Ｌ、７Ｒ）が設けられていない領域は、載置面に接触しておらず、載置面に対して摩擦力を発生させることがない。それによって、左右の基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）に、上方から見て互いに反対方向の進行波を発生させると、前方、あるいは後方に推進力が発生する。図９に示した例では、図中に太線矢印で示したように、上方から見て、左方の基本ユニット１Ｌに反時計回りの進行波を発生させ、右方の基本ユニット１Ｒに時計回りの進行波を発生させている。それによって、推進部（７Ｌ、７Ｒ）における櫛歯の先端には、載置面に対して相対的に後方から前方に向かう進行波が発生する。すなわち、自走装置１１０は、後方に自走する。このときの各圧電素子（３ａＬ、３ｂＬ、３ａＲ、３ｂＲ）への駆動信号の印加状態としては、左方の基本ユニット１Ｌについては、第１圧電素子３ａＬと第２圧電素子３ｂＬの位相差が−９０゜であり、右方の基本ユニット１Ｒについては、第１圧電素子３ａＲと第２圧電素子３ｂＲの位相差が＋９０゜となる。すなわち、左方の基本ユニット１Ｌの第１圧電素子３ａＬと右方の基本ユニット１Ｒの第２圧電素子３ｂＲとを第１組とし、左方の基本ユニット１Ｌの第２圧電素子３ｂＬと右方の基本ユニット１Ｒの第１圧電素子３ａＲとを第２組とすると、同じ組に属する圧電素子（３ａＬ−３ｂＲ、３ｂＬ−３ａＲ）を同相で駆動するとともに、第１組の圧電素子（３ａＬ、３ｂＲ）の位相に対して第２組の圧電素子（３ｂＬ、３ａＲ）の位相を９０゜進めると、自走装置１１０は後方に自走する。そして、第１組の圧電素子（３ａＬ、３ｂＲ）の位相に対して第２組の圧電素子（３ｂＬ、３ａＲ）の位相を９０゜遅らせると、自走装置１１０は前方に自走する。
【００３５】
また、左方と右方の基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）の第１圧電素子（３ａＬ、３ａＲ）を同相で駆動し、左方と右方の基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）の第２圧電素子（３ｂＬ、３ｂＲ）の位相を第１圧電素子（３ａＬ、３ａＲ）に対して９０゜進めると、二つの基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）の振動板２には、上方から見て、時計回りの進行波が発生する。それによって、自走装置１１０は、上方から見ると、その場で反時計回りに旋回する。左方と右方の基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）の第１圧電素子（３ａＬ、３ａＲ）を同相で駆動し、左方と右方の基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）の第２圧電素子（３ｂＬ、３ｂＲ）を第１圧電素子（３ａＬ、３ａＲ）に対して９０゜遅らせれば、自走装置１１０は、上方から見ると、その場で時計回りに旋回する。
【００３６】
このように、第２の応用例である自走装置１１０は、左方の基本ユニット１Ｌにおける二つの圧電素子（３ａＬ、３ｂＬ）、および右方の基本ユニット１Ｒにおける二つの圧電素子（３ａＲ、３ｂＲ）のそれぞれに印加する駆動信号の位相を、適宜に切り替え可能にしておくことで、無限軌道を備えた車両などと同様に、前進、後進、および旋回が可能なものとなる。なお、ここに示した自走装置１１０の用途としては、例えば、生産現場における部品の搬送装置、玩具などがある。もちろん、ここに示した自走装置１１０の用途は、これらに限定されない。
【００３７】
＜流体輸送装置＞
第３の応用例として、ポンプなど、流体輸送装置を挙げる。図１０は、その流体輸送装置２１０の一例を示す図である。図１０に示したように、流体輸送装置２１０は、二つの基本ユニット（１Ｕ、１Ｄ）を上下に積層した構造を有している。なお、下方の基本ユニット１Ｄは、上方の基本ユニット１Ｕに対し、上下の面を反転させており、振動板２の下面に図示しない二つの圧電素子が貼着されている。
【００３８】
図１０に示した流体輸送装置２１０は、流体を前後一方向に輸送するための構成を備えており、二つの基本ユニット（１Ｕ、１Ｄ）の層間の左右中央と右端とに、前端から後端にわたる隔壁（８Ｃ、８Ｒ）が形成されている。それによって、二つの基本ユニット（１Ｕ、１Ｄ）は、微少な間隙を有して対面し、左右中央と右端とに形成された隔壁（８Ｃ、８Ｒ）によって、二つの基本ユニット（１Ｕ、１Ｄ）の層間の右端側に、前後に連絡する流体輸送経路９Ｒが形成されている。そして、上方の基本ユニット１Ｕと下方の基本ユニット１Ｄのそれぞれに、上下対称となる進行波、すなわち、上方から見て同方向に周回する進行波を発生させると、流体輸送経路９Ｒの前後一方の開口に供給された流体が前後他方の開口に向かって輸送される。
【００３９】
図１０に示した例では、図中に太線矢印で示したように、上方から見て、二つの基本ユニット（１Ｕ、１Ｄ）の振動板２に時計回りの進行波を発生させ、図中白抜き矢印で示したように、流体輸送経路９Ｒの後端側から供給された流体を前端側に向かって輸送させ、当該流体輸送経路９Ｒの前方の開口から流体を吐出させている。もちろん、進行波の方向を逆転させれば、前方から後方に向かって流体を輸送することができる。なお、隔壁（８Ｃ、８Ｒ）は、進行波の振幅を減衰させないように、変形し易い素材、例えば、ゴムのような弾性体などで形成することが望ましい。
【００４０】
図１０に示した流体輸送装置２１０は、流体輸送経路９Ｒを一つ備えて、流体を前後一方向に輸送するように構成されていたが、図１１に示した流体輸送装置３１０のように、上下二つの基本ユニット（１Ｕ、１Ｄ）の層間の左端にも隔壁８Ｌを設け、層間の左端側と右端側にそれぞれ流体輸送経路（９Ｌ、９Ｒ）を形成してもよい。それによって、一方の流体輸送経路（９Ｌ、９Ｒ）によって、流体を前後一方向に輸送しつつ、他方の流体輸送経路（９Ｒ、９Ｌ）によって、流体を前後他方向に輸送させることができる。そして、例えば、左右両側の流体輸送経路（９Ｒ、９Ｌ）の前後それぞれの開口にチューブなどを接続させておけば、左右一方の流体輸送経路（９Ｌ、９Ｒ）によって後方から前方に向かって流体を輸送しつつ、左右他方の流体輸送経路（９Ｒ、９Ｌ）によって前方から後方に向かって流体を輸送することができる。
【００４１】
図１１に示した例では、図中に太線矢印で示したように、上方から見て、二つの基本ユニット（１Ｕ、１Ｄ）の振動板２に時計回りの進行波を発生させ、図中白抜き矢印で示したように、右方の流体輸送経路９Ｒによって、流体を後方から前方に向かって輸送させ、左方の流体輸送経路９Ｌによって、流体を前方から後方に向かって輸送させている。
【００４２】
＝＝＝その他の実施例＝＝＝
図１に示した実施例に係る圧電アクチュエーター１の振動板２は、第１振動モードと第２振動モードの双方の振動モードでの振動が、ある周波数（例えば、１３０ｋＨｚ）で発生し易いように、長さＬと幅Ｗの比Ｌ：Ｗを５：２としていた。もちろん、振動板２の長さＬと幅Ｗの比は厳密に５：２である必要はない。例えば、Ｌ：Ｗ＝５：２５とすると、振動板２は、６７．８ｋＨｚにおいて、第１振動モードに相当する、前後方向に屈曲する振動モードでの定在波を発生させ、７０．２ｋＨｚにおいて、第２振動モードに相当する、左右方向で位相が１８０゜ずれた定在波を発生させる。しかし、６７．８ｋＨｚでの定在波は、振動板２の前端２２と後端２３を自由端とした１．５波長分で形成されたものであり、７０．２ｋＨｚでの長さ方向の定在波は、振動板２の前端２２と後端２３を自由端とした１波長分で形成されたものであった。そして、このＬ：Ｗ＝５：２５の振動板２を用いた圧電アクチュエーターでは、７０ｋＨｚの周波数で進行波が発生するものの、第１振動モードの励振領域と第２振動モードの励振領域とが一部で重なり、双方の領域で圧電素子の面積を十分に確保することができず、振幅が小さくなってしまった。すなわち、効率良く進行波を発生させることができなかった。そのため、例えば、この圧電アクチュエーターを用いて自走装置を構成した場合では、十分な推進力が得られない可能性がある。いずれにしても、図３に示した第１振動モードと図４に示した第２振動モードとで共振可能な振動板２を用いて圧電アクチュエーターを構成する必要がある。
【００４３】
図１と図２とに示したように、基本ユニット１の振動板２は、導電性を有するステンレス板で構成されて、振動板２が圧電素子（３ａ、３ｂ）の下面側の電極を兼ねていた。もちろん、振動板２を絶縁体で構成することもできる。そして、振動板２の上面に導体パターンを印刷などによって形成し、圧電体３１の下面と導体パターンの上面とを導電性接着剤などを用いて貼着すれば、導体パターンが圧電素子（３ａ、３ｂ）の下面側の電極となる。
【００４４】
第２の応用例として示した自走装置１１０は、左右の基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）が同じであり、第２圧電素子３ａがともに振動板２の左端２４に沿って配置されていた。もちろん、左右一方の基本ユニット１の第２圧電素子は、振動板２の右端２５に沿って配置されていてもよい。あるいは、同じ二つの基本ユニット１Ｌを用いつつ、左右一方の基本ユニット（１Ｌ、１Ｒ）に対し、左右他方の基本ユニット（１Ｒ、１Ｌ）の前後方向を反転させて自走装置を構成してもよい。いずれにしても、振動板２の左右中央に配置された第１圧電素子３ａと、左右一方の縁端に沿って配置された第２圧電素子３ｂとに印加する駆動信号の位相を適宜に設定することで自走装置１１０の進行方向や回転方向を制御することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１，１Ｌ，１Ｒ，１Ｕ，１Ｄ  圧電アクチュエーター（基本ユニット）、２  振動板、３ａ、３ａＬ、３ａＲ  第１圧電素子、３ｂ、３ｂＬ、３ｂＲ  第２圧電素子、１０  モーター、２２  振動板の前端、２３  振動板の後端、２４  振動板の左端、２５  振動板の右端、３０  駆動回路、３１  圧電体、３２  信号電極、４１、４２  励振領域、１１０  自走装置、２１０，３１０  流体輸送装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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