(57)【要約】【課題】  圧電素子の大きさに関わらず、圧電素子に適切な圧縮力を容易に与えることが可能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１００は、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子１と、圧電素子１の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構７とを具備し、変位拡大機構７は、圧電素子１の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部２０と、変位拡大動作部２０の前記圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に設けられ、圧電素子１が伸縮動作した際に変位拡大動作部２０の変位拡大動作にともなって圧電素子１に対して圧縮力を付与する圧縮コイルばね１７とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構と、
を具備する圧電アクチュエータであって、
前記変位拡大機構は、
前記圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部と、
前記変位拡大動作部の前記圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に設けられ、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与する圧縮力付与手段と
を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子に当接し、前記圧電素子の伸縮変位を前記変位拡大動作部に伝達する変位伝達部をさらに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。
【請求項３】
前記変位伝達部は、前記圧電素子の前記当接部の一方を有する第１の当接部材と、前記圧電素子の前記当接部の他方を有する第２の当接部材とを有し、前記圧電素子の伸縮にともなって、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間に前記圧電素子の伸縮変位に対応する相対的変位が生じ、
前記変位拡大動作部は、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間の前記相対的な変位が伝達されてその変位を拡大し、その拡大された変位を対象物に作用させる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。
【請求項４】
前記変位拡大動作部は、前記第１および第２の当接部材にそれぞれヒンジ結合されて、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間の相対的な変位に伴って回動または揺動するアームを有し、前記アームの回動または揺動により前記対象物に拡大された変位が作用され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。
【請求項５】
前記圧縮力付与手段は、一端部が前記アームに取り付けられ、他端部が前記変位伝達部に取り付けられたばね部材であることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構と
を具備する圧電アクチュエータであって、
前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する２つの当接部を有し、
前記圧電素子が取り付けられていない状態において、前記２つの当接部間の長さが前記圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるように構成され、
前記圧電素子と前記変位拡大機構を組み立てた際に、前記圧電素子が前記２つの当接部間にこじ入れられ、前記圧電素子に圧縮力が及ぼされた状態と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７】
前記変位拡大機構は、
前記圧電素子の伸縮変位の拡大動作を行う変位拡大動作部と、
前記２つの当接部を有し、前記圧電素子の伸縮変位を前記変位拡大動作部に伝達する変位伝達部と
を有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。
【請求項８】
前記変位伝達部は、前記圧電素子の前記当接部の一方を有する第１の当接部材と、前記圧電素子の前記当接部の他方を有する第２の当接部材とを有し、前記圧電素子の伸縮にともなって、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間に前記圧電素子の伸縮変位に対応する相対的変位が生じ、
前記変位拡大動作部は、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間の前記相対的な変位が伝達されてその変位を拡大し、その拡大された変位を対象物に作用させることを特徴とする請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記変位拡大動作部は、前記第１および第２の当接部材にそれぞれヒンジ結合されて、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間の相対的な変位に伴って回動または揺動するアームを有し、前記アームの回動または揺動により前記対象物に拡大された変位が作用されることを特徴とする請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構と
を具備し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部を有する圧電アクチュエータにおいて前記圧電素子に圧縮力を与えるための圧電アクチュエータにおける予圧方法であって、
前記変位拡大動作部の前記圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与することを特徴とする予圧方法。
【請求項１１】
印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構と
を具備し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する２つの当接部を有する圧電アクチュエータにおいて前記圧電素子に圧縮力を与えるための圧電アクチュエータにおける予圧方法であって、
前記圧電素子が取り付けられていない状態において、前記２つの当接部間の長さが前記圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるようにし、
前記圧電素子と前記変位拡大機構を組み立てる際に、前記圧電素子を前記２つの当接部間にこじ入れ、前記圧電素子に圧縮力を及ぼすようにすることを特徴とする予圧方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の伸縮変位を利用して対象物に変位を与える圧電アクチュエータ、およびこのような圧電アクチュエータにおいて圧電素子に圧縮力を与えるための与圧方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
何かを「動かせる」ための機構であるアクチュエータは、各種産業機械、自動車、航空機、医療関連機器を始め、身の回りの電気製品に至るまで、あらゆるものに利用されている。アクチュエータは、例えば、産業機構においてはソレノイドやエアバルプ等、パソコンにおいてはハードディスクドライブに対して読み取りおよび書き込みを行うための磁気チップを移動させる移動機構等、また、携帯電話においては振動を発生するバイブレーションモータ等として利用されている。アクチュエータとしては現在、コイル中に流れる電流によって生じた磁界と永久磁石との間で発生する吸引力あるいは斥力である「電磁力」を利用したものが最も多用されている。しかし、電磁力は、空間的に離れた物体同士間であっても力を発生させることができるといった利点を有しているものの、（１）投入される電気エネルギーに対して発生する機械エネルギーが少なく、エネルギー効率が例えば数パーセント以下と著しく低い、（２）例えばミリセカンド以下の高速応答に適さない、（３）物体を一定の位置で保持する場合に、電流を流し続けなければならず、結果的に電気エネルギー消費が一層大きくなる、等の欠点を有している。
【０００３】
このような欠点を解消することができるアクチュエータとして圧電素子を利用したものが知られている。圧電素子は、圧電材料の中に電界を形成することにより圧電材料全体が伸長あるいは縮小する「圧電効果」と称される現象を１００Ｖ程度の比較的低い電圧レベルで実現できるように構成したものであり、（１）投入される電気エネルギーに対して実に６０％以上が機械エネルギーに変換され、例えば１０ｍｍ×１０ｍｍの素子で発生する力が３００ｋｇｆに達し、エネルギー効率がきわめて高い、（２）数ｋＨｚ以上の高速応答が可能である、（３）物体を一定の位置で保持する場合に、電圧を印加する必要はあるが、電流は流れなくて済むため、電気エネルギー消費を抑えることができる、（４）小型化、薄型化に適している、等の優れた点を有している。その一方で、圧電素子は通常、発生する変位が数μｍから数十μｍと髪の毛一本の直径にも満たないため、適用用途が極めて制限されている。この欠点を補うため、変位拡大機構と組み合わせて圧電素子の発生変位を数倍から数十倍に拡大するタイプのアクチュエータ（以下、圧電素子変位拡大機構型アクチュエータという）が開発されている。このような圧電素子変位拡大機構型アクチュエータでは圧電素子の発生する変位を数倍から数十倍に拡大する結果、発生変位が１００μｍ〜１ｍｍ以上となり、これにより圧電素子の適用範囲は大きく拡大可能となる。
【０００４】
ところで、圧電素子は一般的にセラミック材料からなるため、陶器のように脆性を有しており、圧縮に対しては強いが引張に対しては弱い。このため、圧電素子をアクチュエータとして用いる場合には、圧電素子から生じる力に対して１／５〜１／２程度の圧縮力を与えておくことが要求される。圧電素子に圧縮力を与える与圧構造としては、図５に示すように、圧電素子Ａの伸縮方向一端部および他端部にそれぞれ当接するように設けられたヘッドピースＢ、Ｃ間に、あらかじめ引張力を作用させて伸長させた状態の蛇腹部材Ｄを架設しておき、蛇腹部材Ｄの元に戻ろうとする収縮力を利用したものが知られている（例えば非特許文献１参照）。
【０００５】
このような構造は、断面積が例えば２ｍｍ×３ｍｍ程度と小さい圧電素子の場合には、圧電素子の発生力が２００Ｎ（約２０ｋｇｆ）程度と小さく、圧電素子への与圧力は、それの１／２〜１／５である４〜１０ｋｇｆ程度と小さいものですむため、適用が容易である。ところが、圧電素子の断面積が例えば１０ｍｍ×１０ｍｍ程度と大きくなると、圧電素子の発生力も３００ｋｇｆにもなるので、必要な与圧力は６０〜１５０ｋｇｆにも達し、蛇腹部材の構成材料の限界応力内でこの力を発揮できるように蛇腹部材を大型または肉厚にしなければならず、実際には適用が困難である。
【０００６】
また、このような構造は、比較的複雑な形状の蛇腹部材を高精度で加工することが要求されるため、コスト高となってしまう。
【非特許文献１】セドラー社ホームページ＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｅｄｒａｔ．ｃｏｍ／＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、圧電素子の大きさに関わらず、圧電素子に適切な圧縮力を容易に与えることが可能な圧電アクチュエータおよび与圧方法を提供することを目的とする。
【０００８】
また、本発明は、高コスト化することとなく圧電素子に適切な圧縮力を与えることが可能な圧電アクチュエータおよび与圧方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点では、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構とを具備する圧電アクチュエータであって、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部と、前記変位拡大動作部の前記圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に設けられ、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与する圧縮力付与手段と
を有することを特徴とする圧電アクチュエータを提供する。
【００１０】
上記第１の観点において、前記変位拡大機構は、前記圧電素子に当接し、前記圧電素子の伸縮変位を前記変位拡大動作部に伝達する変位伝達部をさらに有するものとすることができる。また、前記変位伝達部は、前記圧電素子の前記当接部の一方を有する第１の当接部材と、前記圧電素子の前記当接部の他方を有する第２の当接部材とを有し、前記圧電素子の伸縮にともなって、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間に前記圧電素子の伸縮変位に対応する相対的変位が生じ、前記変位拡大動作部は、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間の前記相対的な変位が伝達されてその変位を拡大し、その拡大された変位を対象物に作用させるものとすることができる。さらに、前記変位拡大動作部は、前記第１および第２の当接部材にそれぞれヒンジ結合されて、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間の相対的な変位に伴って回動または揺動するアームを有し、前記アームの回動または揺動により前記対象物に拡大された変位が作用されるものとすることができる。さらにまた、前記圧縮力付与手段として、一端部が前記アームに取り付けられ、他端部が前記変位伝達部に取り付けられたばね部材を用いることができる。
【００１１】
また、本発明の第２の観点では、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構とを具備する圧電アクチュエータであって、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する２つの当接部を有し、前記圧電素子が取り付けられていない状態において、前記２つの当接部間の長さが前記圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるように構成され、前記圧電素子と前記変位拡大機構を組み立てた際に、前記圧電素子が前記２つの当接部間にこじ入れられ、前記圧電素子に圧縮力が及ぼされた状態となっていることを特徴とする圧電アクチュエータを提供する。
【００１２】
上記第２の観点において、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮変位の拡大動作を行う変位拡大動作部と、前記２つの当接部を有し、前記圧電素子の伸縮変位を前記変位拡大動作部に伝達する変位伝達部とを有するものとすることができる。また、前記変位伝達部は、前記圧電素子の前記当接部の一方を有する第１の当接部材と、前記圧電素子の前記当接部の他方を有する第２の当接部材とを有し、前記圧電素子の伸縮にともなって、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間に前記圧電素子の伸縮変位に対応する相対的変位が生じ、前記変位拡大動作部は、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間の前記相対的な変位が伝達されてその変位を拡大し、その拡大された変位を対象物に作用させるようにすることができる。さらに、前記変位拡大動作部は、前記第１および第２の当接部材にそれぞれヒンジ結合されて、前記第１の当接部材と前記第２の当接部材との間の相対的な変位に伴って回動または揺動するアームを有し、前記アームの回動または揺動により前記対象物に拡大された変位が作用されるものとすることができる。
【００１３】
本発明の第３の観点では、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構とを具備し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部を有する圧電アクチュエータにおいて前記圧電素子に圧縮力を与えるための圧電アクチュエータにおける予圧方法であって、前記変位拡大動作部の前記圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与することを特徴とする予圧方法を提供する。
【００１４】
本発明の第４の観点では、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構とを具備し、前記変位拡大機構は、前記圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する２つの当接部を有する圧電アクチュエータにおいて前記圧電素子に圧縮力を与えるための圧電アクチュエータにおける予圧方法であって、前記圧電素子が取り付けられていない状態において、前記２つの当接部間の長さが前記圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるようにし、前記圧電素子と前記変位拡大機構を組み立てる際に、前記圧電素子を前記２つの当接部間にこじ入れ、前記圧電素子に圧縮力を及ぼすようにすることを特徴とする予圧方法を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の第１、３の観点によれば、圧電素子の伸縮変位を拡大する変位拡大動作を行う変位拡大動作部記変位拡大動作部の圧電素子の伸縮変位より大きい変位が生じる部分に、前記圧電素子が伸縮動作した際に前記変位拡大動作部の変位拡大動作にともなって前記圧電素子に対して圧縮力を付与するようにするので、圧電素子の大きさに関わらず、圧電素子に適切な圧縮力を容易に与えることが可能となる。すなわち、変位拡大動作部によって拡大された変位に相当する力を圧電素子に与えるとその力も変位拡大にともなって拡大されており、圧電素子の大きさに応じた大きな圧縮力を与えることができる。また、変位拡大動作部を付勢する力を小さく設定できることにより、この付勢手段を安価なもので構成することができ、コストを低く抑えることができる。
【００１６】
また、本発明の第２、４の観点によれば、前記変位拡大機構の圧電素子の伸縮方向の一端部および他端部に当接する２つの当接部間の長さを、圧電素子が取り付けられていない状態において、圧電素子の伸縮方向の長さよりも短くなるようにし、圧電素子と変位拡大機構を組み立てる際に、圧電素子を前記取り付け部にこじ入れ、圧電素子に圧縮力を及ぼすようにするので、従来用いられていた蛇腹部材のような圧電素子への圧縮力を与える特別な機構を設ける必要がない。このため、高コスト化することとなく圧電素子に適切な圧縮力を与えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る一実施形態としての圧電アクチュエータの概略正面図である。
【００１８】
この圧電アクチュエータ１００は、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子１と、この圧電素子１の伸縮変位を拡大してその拡大された変位を対象物に作用させる変位拡大機構７とを具備している。
【００１９】
圧電素子１は、例えば、板状の圧電体が複数積層されることにより、断面積１０ｍｍ×１０ｍｍ、長さ４０ｍｍを有する柱状または直方体状で構成されている。圧電素子１は、側面に電圧を印加するための電気端子２、３を備えており、この電気端子２、３間に電圧が印加されることにより長さ方向に伸縮するように構成されている。
【００２０】
変位拡大機構７は、圧電素子１の伸縮変位の拡大動作を行う変位拡大動作部２０と、圧電素子１の伸縮変位を変位拡大動作部２０に伝達する変位伝達部３０とを有している。変位伝達部３０は、圧電素子１の長さ方向一端部に当接する第１の当接部材４と、圧電素子の長さ方向他端部に当接する第２の当接部材６とを有している。第１の当接部材４は、圧電素子１が長さ方向に沿って挿入される切り欠き５を有するＵ字状に形成され、切り欠き５の端面が圧電素子１の長さ方向一端部（下端部）に当接するように構成されている。また、第１の当接部材４は、ボルト等によって基材に取り付けるための厚さ方向に貫通する取り付け穴９を複数有している。第２の当接部材６は、切り欠き５内に入り込むように設けられている。そして、第１の当接部材４と第２の当接部材６とで圧電素子１をはさみ込むように構成されている。
【００２１】
上記変位拡大動作部２０は、一端部が第１の当接部材４および第２の当接部材６にそれぞれヒンジ結合されて、他端部に変位対象物が取り付けられ、第２の当接部材６の移動に伴って揺動または回動することにより対象物に拡大された変位を作用させる一対のアーム１２を備えている。
【００２２】
各アーム１２の基端部は、Ｕ字状をなす第１の当接部材４の一方側の上端から延びるヒンジ１０と、第２の当接部材６の上端から延びるヒンジ１１とにより、第１および第２の当接部材４，６に結合されている。そして、これらアーム１２は、湾曲して第１の当接部材４の周縁に沿うように延びている。
【００２３】
変位伝達部３０の第１の当接部材４と第２の当接部材６の上端の高さ位置は一致しており、圧電素子１の下端部は第１の当接部材４に固定されているから、圧電素子１に電圧が印加されて伸びる方向に変位が生じた場合に、その変位に対応する変位が第１の当接部材４と第２の当接部材６の間に生じる。そして、この変位は、ヒンジ１０，１１を介して変位拡大動作部２０のアーム１２に伝達され、アーム１２は、第１の当接部材４の周縁に対して近接するように回動する。逆に、圧電素子１に縮む方向に変位が生じた場合には、その変位に対応する変位が第１の当接部材４と第２の当接部材６の間に生じ、ヒンジ１０，１１を介して変位拡大動作部２０のアーム１２に伝達され第１の当接部材４の周縁に対して離間するように回動する。アーム１２の先端部には、板ばね１４の一端部が接合され、各板ばね１４の他端部同士は、対象物を取り付けるための取り付け孔１６を有するセンターピース１５を介して連結されている。各板ばね１４は、一端側および他端側にそれぞれ薄肉部１４ａ、１４ｃを有し、中間部に薄肉部１４ａ、１４ｃよりも厚い厚肉部１４ｂを有しており、この厚肉部１４ｂによって撓みまたは曲げ変形した際の座屈の発生が防止される。
【００２４】
アーム１２と第１の当接部材４および第２の当接部材６とをヒンジ結合するヒンジ部１０、１１は可撓性材料によって形成され、それぞれアーム１２および第１の当接部材４、ならびにアーム１２および第２の当接部材６と一体的に設けられており、撓みまたは曲げ変形することにより、第２の当接部材６の移動ならびにアーム１２の回動または揺動を許容するように構成されている。
【００２５】
アーム１２は、圧電素子１に圧縮力を付与する圧縮力付与手段としての圧縮コイルばね１７により、第１の当接部材４の周縁に対して離間する方向に付勢されている。これにより、圧縮コイルばね１７の付勢力が第１の当接部材４および／または第２の当接部材６に伝達され、圧電素子１に対して第１の当接部材４および／または第２の当接部材６を介して圧電素子１に圧縮力が作用するように構成されている。各圧縮コイルばね１７は、一端部がアーム１２の圧電素子の伸縮変位よりも大きい変位が生じる部分、例えば先端部に取り付けられ、他端部が第１の当接部材４の周縁部に取り付けられている。
【００２６】
このように構成された圧電アクチュエータ１００においては、電気端子２、３間に例えば１００Ｖの直流電圧が印加されると、圧電素子１が例えば２８μｍ伸長し、これに伴って第２の当接部材６が圧電素子１の長さ方向に沿って変位する。第２の当接部材６の変位によってヒンジ部１１もヒンジ部１０に対して変位するため、ヒンジ部１０、１１に結合された一対のアーム１２がてこの原理によって互いに近づくように回動し、各アーム１２の先端１３が例えば２９０μｍ（２本のアーム１２で合計５８０μｍ）変位する。これに追従して、各板ばね１４も互いに近接するように撓みまたは曲げ変形し、ヘッドピース１５およびヘッドピース１５に取り付けられる変位対象物が圧電素子１の長さ方向に沿って例えば８０６μｍ、すなわち圧電素子１の伸長量の約２９倍の量変位することとなる。
【００２７】
一方、アーム１２を付勢する圧縮コイルばね１７により第１の当接部材４および／または第２の当接部材６を介して圧電素子１に適切な圧縮力（与圧力）が作用しているため、圧電素子１の損傷を確実に防止することができる。
【００２８】
ここで、圧縮コイルばね１７によって圧電素子１に適切な圧縮力を作用させることができる理由を詳細に説明する。図２は圧電アクチュエータにおいて圧電素子１で発生する力および変位量と変位拡大機構７で発生する力および変位量との関係を説明するための概念図である。
圧電素子１が伸縮変位した際の変位拡大機構７の出力部（または変位拡大動作部）の変位量ξＳが圧電素子１の変位量ξＯのｎ倍であった場合には（ξＳ＝ｎ×ξＯ）、仮に変位拡大機構７で生じるエネルギー損失を考慮しないとすると、変位拡大機構７の出力部に対して力ＦＳを加えれば、圧電素子に作用する力ＦＯは、力ＦＳのｎ倍となり（ＦＯ＝ｎ×ＦＳ）、圧電素子１に直接力ＦＯを与える場合と比較して、ｎ／１の力を加えるだけですむ。すなわち、変位拡大機構７は、変位対象物側から圧電素子１側への観点においては力を拡大させる機構になっている。したがって、圧電素子１の変位が変位拡大機構７の出力部では１０倍に拡大されたとすると、この出力部にばね等の圧縮力付与手段を設けて圧電素子１に圧縮力を与えることにより、圧電素子１に直接圧縮力を与える場合と比較して１／１０の力ですむことになる。
【００２９】
このような性質を利用して、図１に示すように、第１の当接部材４および／または第２の当接部材６を介して圧電素子１に圧縮力が作用するようにアーム１２を付勢すれば、圧電素子１が例えば１０ｍｍ×１０ｍｍの大きい断面積を有していても、小さい力で圧電素子１の断面積に応じた大きい圧縮力を与えることができる。したがって、圧縮力付与手段として用いている圧縮コイルばね１７として一般的なコイルばねでよく、従来用いられていた蛇腹部材は最早不要となり、これにより、安価に製造することが可能となる。圧縮コイルばね１７は、アーム１２の極力他端側または先端側を付勢するように設けることにより、より小さい付勢力で圧電素子１に適切な圧縮力を与えることができる。
【００３０】
圧電素子１が例えば２８μｍ伸長してヘッドピース１５が例えば８０６μｍ変位した際に、圧縮コイルばね１７とアーム１２との接合点１８、圧縮コイルばね１７と第１の当接部材４との接合点１９が例えば２３０μｍ、すなわち圧電素子１の伸長量の約８．２倍の量変位したとすると、例えば、線径１．２ｍｍの鋼線を外形ばね直径１０ｍｍに巻いて圧縮コイルばね１７を構成すれば、圧縮コイルばね１７によってアーム１２に加わる力は４ｋｇｆとなり、これによる圧電素子１への与圧力は６５．６ｋｇｆとなり、適切な与圧力となる。
【００３１】
電気端子２、３間への直流電圧が印加を停止すると、伸長していた圧電素子１が収縮し、撓みまたは曲げ変形していたヒンジ部１０、１１および板ばね１４の元に戻ろうとする力、ならびに圧縮コイルばね１７の付勢力によって２つのアーム１２が互いに離れるように回動し、これにともなって第２の当接部材６が圧電素子１に追従して移動する。
【００３２】
次に、本発明に係る圧電アクチュエータの他の実施形態について説明する。
図３は本発明に係る他の実施形態としての圧電アクチュエータの概略正面図であり、図４はこの圧電アクチュエータにおいて圧電素子と変位拡大機構とを分離させた状態の図である。
【００３３】
この圧電アクチュエータ１００′は、圧電アクチュエータ１００の変位拡大機構７の構造を変更したものであり、圧電アクチュエータ１００と同部位については同符号を付して説明を省略する。圧電アクチュエータ１００′の変位拡大機構７′は、圧縮コイルばね１７を有しておらず、第２の当接部材６の代わりに第２の当接部材６′を有している。第２の当接部材６′は、第２の当接部材６と略等しい形状を有しているが、第２の当接部材６よりも圧電素子１の長さ方向一方側にやや延びている。このため、図４に示すように、圧電素子１が第１の当接部材４と第２の当接部材６の間に配置されていない状態では、第１の当接部材４の当接面（当接端）と第２の当接部材６′の当接面（当接端）との間隔Ｌｍが圧電素子１の長さＬｐよりも小さくなっている。これにより、図３に示すように、圧電素子１が、例えばこじ入れられるように第１の当接部材４と第２の当接部材６′の間に配置されると、圧電素子１に対する第１の当接部材４および／または第２の当接部材′の押圧力、すなわち圧電素子１への圧縮力が作用する。
【００３４】
圧電アクチュエータ１００′においては、ヒンジ部１０、１１が第１の当接部材４および第２の当接部材６′とアーム１２とに一体形成され、第１の当接部材４および第２の当接部材６′とアーム１２との間で力の伝達が行われる際にヒンジ部１０、１１が撓みまたは曲げ変形するため、この撓みまたは曲げ変形を発生させるのに適した剛性値が存在する。したがって、圧電素子１の長さＬｐと第１の当接部材４の当接面（当接端）および第２の当接部材６の当接面（当接端）の間隔Ｌｍと差δは、第２の当接部材の剛性値をｋｍ、圧電素子１への必要な与圧力をＦとすると、以下の（１）式によって算出することができる。
δ＝Ｆ／ｋｍ  ・・・（１）
具体例として、圧電素子１が断面積１０ｍｍ×１０ｍｍ、長さ４０ｍｍである場合には、剛性値ｋｍが７．４Ｅ＋６Ｎ／ｍ、与圧力Ｆが６００Ｎに設定され、（１）から差δが８１μｍと算出される。すなわち、この場合には、第１の当接部材４の当接面（当接端）と第２の当接部材６′の当接面（当接端）との間隔Ｌｍを圧電素子１の長さＬｐよりも８１μｍ小さくすれば、圧電素子１に適切な与圧力６００Ｎを作用させることが可能となる。
【００３５】
本実施形態においては、従来用いられていた蛇腹部材は最早不要となる上に、前実施形態に用いられていた圧縮コイルばねも必要ないため、より安価に製造することが可能となる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。上記実施形態では、アームを、第１の当接部材の周縁に沿って延びるように配置したが、第１の当接部材から離れるように配置してもよい。また、上記実施形態では、第１の当接部材を第２の当接部材よりも大きく形成した都合上、アームを付勢する圧縮コイルばねを第１の当接部材に取り付けたが、第１および第２の当接部材の形状等によっては第２の当接部材に取り付けてもよい。さらに、上記実施形態では、アームを付勢する付勢手段として圧縮コイルばねを用いたが、これに限らず、引張コイルばね等の他のばねであってもよく、ゴム等の弾性体であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る一実施形態としての圧電アクチュエータの概略正面図である。
【図２】圧電アクチュエータにおいて圧電素子で発生する力および変位量と変位拡大機構で発生する力および変位量との関係を説明するための概念図である。
【図３】本発明に係る他の実施形態としての圧電アクチュエータの概略正面図である。
【図４】圧電アクチュエータにおいて圧電素子と変位拡大機構とを分離させた状態の図である。
【図５】従来の圧電アクチュエータにおける圧電素子への与圧態様を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：圧電素子
４：第１の当接部材
６、６′：第２の当接部材
７、７′：変位拡大機構
１２：アーム
１０、１１：ヒンジ部
１７：圧縮コイルばね（付勢手段、ばね部材）
２０：変位拡大動作部
３０：変位伝達部
１００、１００′：圧電アクチュエータ
【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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