(57)【要約】【課題】温度変化が生じても駆動部材を高精度に駆動することができる圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】駆動部材１８の中心軸方向の移動を繰り返して行う場合は、クランプ機構１４による駆動用圧電部１２の変位の阻止を一時的に解除する。クランプ機構１４には位置調整用ばね３６により中心軸方向の一方側への付勢力が作用していることで、圧電アクチュエータ１の温度変化によって駆動用圧電部１２とケーシング１０とで中心軸方向の変形量に差が生じても、クランプ機構１４の中心軸方向の位置を、駆動部材１８がストッパー２０の位置に戻り且つ駆動部材１８とクランプ機構１４との間に隙間が生じない位置に補正することができる。【選択図】図１
2008172888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の駆動用圧電素子がケーシング内にその中心軸方向に積層されて収容され、各駆動用圧電素子が前記中心軸方向に変形可能な駆動用圧電部と、
駆動用圧電部より前記中心軸方向の一方側に配設された駆動部材と、
駆動部材に前記中心軸方向の他方側への付勢力を作用させる付勢手段と、
駆動用圧電部より前記中心軸方向の他方側でケーシング内に収容され、ケーシングの内壁を押圧することで駆動用圧電部の前記中心軸方向の他方側への変位を阻止することが可能なクランプ機構と、
クランプ機構の前記中心軸方向の位置を調整するための位置調整手段と、
を備え、
ケーシングには、駆動部材の前記中心軸方向の他方側への移動を所定位置で阻止するためのストッパーが設けられており、
クランプ機構により駆動用圧電部の前記中心軸方向の他方側への変位を阻止し、各駆動用圧電素子を前記中心軸方向に変形させることで、駆動部材を前記中心軸方向に移動させる、圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエータであって、
クランプ機構は、
複数のクランプ用圧電素子が前記中心軸方向に積層され、各クランプ用圧電素子が前記中心軸方向に変形可能なクランプ用圧電部と、
クランプ用圧電部の前記中心軸方向の変形分をケーシング径方向の変位に変換してケーシングの内壁を押圧する変換機構と、
を有する、圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電アクチュエータであって、
変換機構は、ケーシング径方向の変位がクランプ用圧電部の前記中心軸方向の変形分より大きくなるように、クランプ用圧電部の前記中心軸方向の変形分をケーシング径方向の変位に変換する、圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電アクチュエータであって、
クランプ機構は、クランプ用圧電部を収容する収容部材をさらに有し、
変換機構は、
前記中心軸方向の一方側から他方側にかけて外径が徐々に減少するテーパ外周面が形成され、各クランプ用圧電素子が前記中心軸方向に変形するのに伴って前記中心軸方向に移動する可動部材と、
前記中心軸方向の一方側から他方側にかけて内径が徐々に減少するテーパ内周面が可動部材のテーパ外周面と対向して形成された押圧部材と、
を含み、
収容部材に対する押圧部材の前記中心軸方向の他方側への相対変位が阻止されており、
可動部材のテーパ外周面が押圧部材のテーパ内周面を前記中心軸方向の他方側へ押圧することで、押圧部材がケーシングの内壁を押圧し、
ケーシングの中心軸に対する前記テーパ外周面及び前記テーパ内周面の傾斜角度が４５°より大きく設定されている、圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項２に記載の圧電アクチュエータであって、
変換機構は、各クランプ用圧電素子が前記中心軸方向に変形するのに伴ってケーシング径方向に撓む板ばねを含む、圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載の圧電アクチュエータであって、
位置調整手段は、クランプ機構に前記中心軸方向の一方側への付勢力を作用させる手段であり、
付勢手段が駆動部材に作用させる付勢力は、位置調整手段がクランプ機構に作用させる付勢力より大きく設定されている、圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１に記載の圧電アクチュエータであって、
駆動部材の前記中心軸方向の移動を繰り返して行う場合に、位置調整手段によりクランプ機構の前記中心軸方向の位置を調整するために、前記クランプ機構による駆動用圧電部の変位の阻止を一時的に解除する、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、圧電素子を用いて駆動部材を駆動する圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を用いて駆動部材を駆動する圧電アクチュエータが知られている（例えば下記特許文献１〜５）。以下、関連技術に係る圧電アクチュエータの構成例について、図１０を用いて説明する。
【０００３】
ケーシング１１０内には、複数の圧電素子１１２がケーシング１１０の中心軸１１０ａと平行方向（図１０の左右方向、以下中心軸方向とする）に積層されて収容されている。圧電素子１１２より中心軸方向の一方側（図１０の右側）には、駆動部材１１８が配置されている。ケーシング１１０内における中心軸方向の一端部には、駆動部材１１８に中心軸方向の他方側（図１０の左側、圧電素子１１２側）への付勢力を作用させるための付勢用ばね１１６が配設されている。
【０００４】
各圧電素子１１２に電圧を印加すると、各圧電素子１１２が中心軸方向に伸長して駆動部材１１８を中心軸方向の一方側へ押圧する。圧電素子１１２による押圧力が付勢用ばね１１６による付勢力を上まわると、駆動部材１１８が基準位置から中心軸方向の一方側へ移動する。各圧電素子１１２に印加する電圧を変化させることで、駆動部材１１８の中心軸方向の変位量を変化させることができる。圧電素子１１２の伸長量は最大で板厚の０．１％程度であり、複数の圧電素子１１２を中心軸方向に積層することで、駆動部材１１８の最大変位量を増やしている。一方、各圧電素子１１２への電圧の印加を解除すると、各圧電素子１１２が中心軸方向に収縮し、付勢用ばね１１６による付勢力が圧電素子１１２による押圧力を上まわるため、駆動部材１１８が中心軸方向の他方側へ移動して基準位置に戻る。
【０００５】
【特許文献１】特開平２−１７７３８２号公報
【特許文献２】特開平３−１２９８８５号公報
【特許文献３】特開平６−２６０５２４号公報
【特許文献４】特開平２−２４１３７３号公報
【特許文献５】特開２００１−３３４４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧電アクチュエータを連続駆動させる場合は、積層部の摩擦や圧電素子内部の粒界摩擦により熱が発生することで、圧電アクチュエータに温度変化が生じる。また、圧電アクチュエータ周囲の雰囲気環境に温度変化が生じる場合も、圧電アクチュエータに伝熱して温度変化が生じる。図１０に示す構成例においては、圧電アクチュエータに温度変化が生じると、圧電素子１１２とケーシング１１０とで熱膨張率（線膨張率）が異なることで、圧電素子１１２とケーシング１１０とで中心軸方向の変形量に差が生じる。この変形量の差によって、駆動部材１１８の基準位置が変化する。一例を挙げて説明すると、圧電アクチュエータの温度が０℃から１００℃に変化した場合には、圧電素子１１２は中心軸方向に０．０１％膨張し、ケーシング１１０は中心軸方向に０．１％膨張する。圧電素子１１２の最大変位は板厚の０．１％程度であり、駆動部材１１８の最大変位に対して基準位置が９０％程度変化することになる。その結果、駆動部材１１８を駆動するときの精度が低下する。
【０００７】
本発明は、温度変化が生じても駆動部材を高精度に駆動することができる圧電アクチュエータ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】
【０００８】
本発明に係る圧電アクチュエータは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００９】
本発明に係る圧電アクチュエータは、複数の駆動用圧電素子がケーシング内にその中心軸方向に積層されて収容され、各駆動用圧電素子が前記中心軸方向に変形可能な駆動用圧電部と、駆動用圧電部より前記中心軸方向の一方側に配設された駆動部材と、駆動部材に前記中心軸方向の他方側への付勢力を作用させる付勢手段と、駆動用圧電部より前記中心軸方向の他方側でケーシング内に収容され、ケーシングの内壁を押圧することで駆動用圧電部の前記中心軸方向の他方側への変位を阻止することが可能なクランプ機構と、クランプ機構の前記中心軸方向の位置を調整するための位置調整手段と、を備え、ケーシングには、駆動部材の前記中心軸方向の他方側への移動を所定位置で阻止するためのストッパーが設けられており、クランプ機構により駆動用圧電部の前記中心軸方向の他方側への変位を阻止し、各駆動用圧電素子を前記中心軸方向に変形させることで、駆動部材を前記中心軸方向に移動させることを要旨とする。
【００１０】
本発明によれば、圧電アクチュエータの温度変化によって駆動用圧電部とケーシングとで中心軸方向の変形量に差が生じても、クランプ機構の中心軸方向の位置を、駆動部材がストッパーの位置に戻り且つ駆動部材とクランプ機構との間に隙間が生じない位置に調整することができる。その結果、圧電アクチュエータの温度変化が生じても、駆動部材を高精度に駆動することができる。
【００１１】
本発明の一態様では、クランプ機構は、複数のクランプ用圧電素子が前記中心軸方向に積層され、各クランプ用圧電素子が前記中心軸方向に変形可能なクランプ用圧電部と、クランプ用圧電部の前記中心軸方向の変形分をケーシング径方向の変位に変換してケーシングの内壁を押圧する変換機構と、を有することが好適である。この態様によれば、各クランプ用圧電素子に作用するせん断力を大幅に減少させることができる。
【００１２】
本発明の一態様では、変換機構は、ケーシング径方向の変位がクランプ用圧電部の前記中心軸方向の変形分より大きくなるように、クランプ用圧電部の前記中心軸方向の変形分をケーシング径方向の変位に変換することが好適である。この態様によれば、ケーシングの内壁を押圧する際の変位を増大させることができるので、圧電アクチュエータの摩耗や温度変化が生じても駆動用圧電部の中心軸方向の他方側への変位を安定して阻止することができる。また、この態様では、クランプ機構は、クランプ用圧電部を収容する収容部材をさらに有し、変換機構は、前記中心軸方向の一方側から他方側にかけて外径が徐々に減少するテーパ外周面が形成され、各クランプ用圧電素子が前記中心軸方向に変形するのに伴って前記中心軸方向に移動する可動部材と、前記中心軸方向の一方側から他方側にかけて内径が徐々に減少するテーパ内周面が可動部材のテーパ外周面と対向して形成された押圧部材と、を含み、収容部材に対する押圧部材の前記中心軸方向の他方側への相対変位が阻止されており、可動部材のテーパ外周面が押圧部材のテーパ内周面を前記中心軸方向の他方側へ押圧することで、押圧部材がケーシングの内壁を押圧し、ケーシングの中心軸に対する前記テーパ外周面及び前記テーパ内周面の傾斜角度が４５°より大きく設定されていることが好適である。
【００１３】
本発明の一態様では、変換機構は、各クランプ用圧電素子が前記中心軸方向に変形するのに伴ってケーシング径方向に撓む板ばねを含むことが好適である。
【００１４】
本発明の一態様では、位置調整手段は、クランプ機構に前記中心軸方向の一方側への付勢力を作用させる手段であり、付勢手段が駆動部材に作用させる付勢力は、位置調整手段がクランプ機構に作用させる付勢力より大きく設定されていることが好適である。
【００１５】
本発明の一態様では、駆動部材の前記中心軸方向の移動を繰り返して行う場合に、位置調整手段によりクランプ機構の前記中心軸方向の位置を調整するために、前記クランプ機構による駆動用圧電部の変位の阻止を一時的に解除することが好適である。この態様によれば、駆動部材の中心軸方向の移動を繰り返して行う場合に、圧電アクチュエータの温度変化が生じても、駆動部材を高精度に駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１７】
図１，２は、本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータ１の内部構成の概略を示す図であり、図１は全体構成の概略を示し、図２はクランプ機構１４の構成の概略を示す。駆動用圧電部１２は、ケーシング１０内に収容されており、ケーシング１０の中心軸１０ａと平行方向（図１の左右方向、以下中心軸方向とする）に積層された複数の駆動用圧電素子１２ａを有する。各駆動用圧電素子１２ａは、中心軸方向に変形可能である。例えば、各駆動用圧電素子１２ａに電圧を印加することで各駆動用圧電素子１２ａが中心軸方向に伸長し、各駆動用圧電素子１２ａへの電圧の印加を解除することで各駆動用圧電素子１２ａが元の大きさに縮小する。各駆動用圧電素子１２ａに印加する電圧は、図示しない制御装置により制御される。なお、以下の説明において、中心軸方向の一方側は図１，２の右側に対応し、中心軸方向の他方側は図１，２の左側に対応し、中心軸方向の一端部は図１，２の右端部に対応し、中心軸方向の他端部は図１，２の左端部に対応する。
【００１８】
駆動部材１８は、駆動用圧電部１２より中心軸方向の一方側、より具体的には、ケーシング１０内における中心軸方向の一端部に配置されている。駆動部材１８は、駆動用圧電部１２における中心軸方向の一端部と接触する。ケーシング１０内における中心軸方向の一端部には、駆動部材１８に中心軸方向の他方側（駆動用圧電部１２側）への付勢力を作用させるための付勢用ばね１６が配設されている。ケーシング１０にはストッパー２０が形成されており、駆動部材１８がストッパー２０に中心軸方向の一方側から当接することで、駆動部材１８の中心軸方向の他方側への移動がストッパー２０の位置にて阻止される。ケーシング１０は、例えば中心軸方向の一端部にて固定部材４０に固定される。
【００１９】
クランプ機構１４は、駆動用圧電部１２より中心軸方向の他方側でケーシング１０内に収容されており、クランプ用圧電部２２と、可動部材２４と、押圧部材２６と、収容部材２８と、を有する。クランプ用圧電部２２は、収容部材２８内に収容されており、中心軸方向に積層された複数のクランプ用圧電素子２２ａを有する。各クランプ用圧電素子２２ａは、各駆動用圧電素子１２ａと同軸に配置されており、中心軸方向に変形可能である。例えば、各クランプ用圧電素子２２ａに電圧を印加することで各クランプ用圧電素子２２ａが中心軸方向に伸長し、各クランプ用圧電素子２２ａへの電圧の印加を解除することで各クランプ用圧電素子２２ａが元の大きさに縮小する。各クランプ用圧電素子２２ａに印加する電圧も、制御装置により制御される。クランプ用圧電部２２における中心軸方向の一端部は、収容部材２８における中心軸方向の一端部と接触しており、収容部材２８に対するクランプ用圧電部２２の中心軸方向の一方側への相対変位が阻止されている。収容部材２８における中心軸方向の一端部は、駆動用圧電部１２における中心軸方向の他端部と接触する。
【００２０】
可動部材２４は、クランプ用圧電部２２より中心軸方向の他方側で収容部材２８内に収容されている。可動部材２４は、クランプ用圧電部２２における中心軸方向の他端部と接触しており、各クランプ用圧電素子２２ａが中心軸方向に変形するのに伴って中心軸方向に移動する。可動部材２４には、中心軸方向の一方側から他方側にかけて外径が徐々に減少するテーパ外周面２４ａが形成されている。ケーシング１０の中心軸１０ａに対するテーパ外周面２４ａの傾斜角度（図２のθ）は、４５°より大きく且つ９０°より小さく設定されている。
【００２１】
押圧部材２６は、可動部材２４より中心軸方向の他方側で収容部材２８内に収容されている。押圧部材２６は、収容部材２８における中心軸方向の他端部と接触しており、収容部材２８に対する押圧部材２６の中心軸方向の他方側への相対変位が阻止されている。押圧部材２６には、中心軸方向の一方側から他方側にかけて内径が徐々に減少するテーパ内周面２６ａが可動部材２４のテーパ外周面２４ａと対向して形成されている。ケーシング１０の中心軸１０ａに対するテーパ内周面２６ａの傾斜角度は、４５°より大きく且つ９０°より小さく設定されており、ケーシング１０の中心軸１０ａに対するテーパ外周面２４ａの傾斜角度θと等しく設定されている。
【００２２】
位置調整用ばね３６は、クランプ機構１４より中心軸方向の他方側でケーシング１０内に収容されており、ケーシング１０内における中心軸方向の他端部に配置されている。位置調整用ばね３６は、クランプ機構１４（収容部材２８）に中心軸方向の一方側（駆動用圧電部１２側）への付勢力を作用させる。本実施形態では、位置調整用ばね３６がクランプ機構１４に作用させる付勢力より付勢用ばね１６が駆動部材１８に作用させる付勢力の方が大きく設定されている。そして、位置調整用ばね３６による付勢力は、駆動用圧電部１２（各駆動用圧電素子１２ａ）とケーシング１０の内壁１０ｂとの間に作用する摩擦力より大きく設定されている。
【００２３】
次に、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１の動作について説明する。
【００２４】
各駆動用圧電素子１２ａに電圧が印加されていない場合は、駆動用圧電部１２は駆動力を発生せず駆動部材１８を押圧しない。この場合は、付勢用ばね１６が駆動部材１８を中心軸方向の他方側へ押圧することで、駆動部材１８がストッパー２０に当接している。また、各クランプ用圧電素子２２ａに電圧が印加されていない場合は、クランプ用圧電部２２は駆動力を発生せず可動部材２４を押圧しない。この場合は、クランプ機構１４の中心軸方向位置の固定は行われず、駆動用圧電部１２の中心軸方向の他方側への変位が許容される。
【００２５】
各クランプ用圧電素子２２ａに電圧を印加すると、各クランプ用圧電素子２２ａが中心軸方向に伸長して、クランプ用圧電部２２が可動部材２４を中心軸方向の他方側へ押圧する駆動力を発生する。これによって、図２に示すように、可動部材２４が中心軸方向の他方側に移動し、可動部材２４のテーパ外周面２４ａが押圧部材２６のテーパ内周面２６ａを中心軸方向の他方側へ押圧する。収容部材２８に対する押圧部材２６の中心軸方向の他方側への相対変位が阻止されているため、押圧部材２６は、可動部材２４が中心軸方向の他方側へ移動した分（クランプ用圧電部２２が中心軸方向に伸長した分）、ケーシング１０の径方向外側に変位することで、ケーシング１０の内壁１０ｂを押圧する。これによって、クランプ機構１４の中心軸方向位置が固定され（クランプ機構１４のクランプが行われ）、駆動用圧電部１２の中心軸方向の他方側への変位が阻止される。ここでは、（クランプ用圧電部２２の駆動力）×（押圧部材２６とケーシング１０の内壁１０ｂとの間の摩擦係数）が、位置調整用ばね３６による付勢力より大きく設定されている。本実施形態では、可動部材２４及び押圧部材２６により、クランプ用圧電部２２の中心軸方向の変形分をケーシング径方向の変位に変換してケーシング１０の内壁１０ｂを押圧する変換機構を実現することができる。
【００２６】
一方、各クランプ用圧電素子２２ａへの電圧の印加を解除すると、各クランプ用圧電素子２２ａが中心軸方向に収縮する。押圧部材２６は、クランプ用圧電部２２が中心軸方向に収縮した分、ケーシング１０の径方向内側に変位することで、ケーシング１０の内壁１０ｂに作用する押圧力が低下する。これによって、クランプ機構１４の中心軸方向位置の固定が解除され（クランプ機構１４のクランプが解除され）、駆動用圧電部１２の中心軸方向の他方側への変位が許容される。
【００２７】
本実施形態では、複数のクランプ用圧電素子２２ａを積層することで、クランプ用圧電部２２の中心軸方向の変位量（押圧部材２６のケーシング径方向の変位量）を増大させることができるので、押圧部材２６の押圧力（クランプ機構１４のクランプ力）を増大させることができる。さらに、ケーシング１０の中心軸１０ａに対するテーパ外周面２４ａ及びテーパ内周面２６ａの傾斜角度θを４５°より大きく設定することで、押圧部材２６のケーシング径方向の変位量がクランプ用圧電部２２の中心軸方向の変形分より大きくなる。このように、クランプ用圧電部２２の中心軸方向の変形分を押圧部材２６のケーシング径方向の変位に拡大して変換することができるため、押圧部材２６のケーシング径方向の変位量をさらに増大させることができ、クランプ機構１４のクランプ力をさらに増大させることができる。
【００２８】
各クランプ用圧電素子２２ａに電圧を印加した状態、つまりクランプ機構１４により駆動用圧電部１２の中心軸方向の他方側への変位を阻止した状態で、各駆動用圧電素子１２ａに電圧を印加すると、各駆動用圧電素子１２ａが中心軸方向に伸長して、駆動用圧電部１２が駆動部材１８を中心軸方向の一方側へ押圧する駆動力を発生する。駆動用圧電部１２による駆動力が付勢用ばね１６による付勢力を上まわると、駆動部材１８がストッパー２０から離れて中心軸方向の一方側へ移動する。各駆動用圧電素子１２ａに印加する電圧を変化させることで、駆動部材１８の中心軸方向の変位量を変化させることができる。各駆動用圧電素子１２ａの伸長量は最大で板厚の０．１％程度であり、複数の駆動用圧電素子１２ａを中心軸方向に積層することで、駆動部材１８の最大変位量を増大させている。一方、各駆動用圧電素子１２ａへの電圧の印加を解除すると、各駆動用圧電素子１２ａが中心軸方向に収縮し、付勢用ばね１６による付勢力が駆動用圧電部１２による駆動力を上まわるため、駆動部材１８が中心軸方向の他方側へ移動してストッパー２０に当接する。このように、本実施形態では、クランプ機構１４により駆動用圧電部１２の中心軸方向の他方側への変位を阻止し、各駆動用圧電素子１２ａを中心軸方向に変形させることで、駆動部材１８を中心軸方向に移動させる。
【００２９】
圧電アクチュエータ１を連続駆動させる場合は、駆動用圧電部１２の摩擦や各駆動用圧電素子１２ａ内部の粒界摩擦により熱が発生することで、圧電アクチュエータ１に温度変化が生じる。また、圧電アクチュエータ１周囲の雰囲気環境に温度変化が生じる場合も、圧電アクチュエータ１に伝熱して温度変化が生じる。圧電アクチュエータ１に温度変化が生じると、各駆動用圧電素子１２ａとケーシング１０とで熱膨張率（線膨張率）が異なることで、駆動用圧電部１２とケーシング１０とで中心軸方向の変形量に差が生じる。例えば、圧電アクチュエータ１の温度が０℃から１００℃に変化した場合には、各駆動用圧電素子１２ａは中心軸方向に０．０１％膨張し、ケーシング１０は中心軸方向に０．１％膨張する。クランプ機構１４のクランプを維持する場合は、クランプ後に圧電アクチュエータ１の温度上昇が生じると、各駆動用圧電素子１２ａへの電圧の印加を解除して駆動部材１８をストッパー２０の位置に戻したときに、駆動部材１８とクランプ機構１４との間に隙間が生じやすくなる。例えば、駆動部材１８と駆動用圧電部１２との間や、駆動用圧電素子１２ａ間や、駆動用圧電部１２とクランプ機構１４との間に隙間が生じやすくなる。また、クランプ後に圧電アクチュエータ１の温度低下が生じると、各駆動用圧電素子１２ａへの電圧の印加を解除しても、駆動部材１８がストッパー２０の位置まで戻らなくなりやすい。その結果、駆動部材１８の位置制御の精度が低下しやすくなる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、駆動部材１８の中心軸方向の移動を繰り返して行う場合には、各クランプ用圧電素子２２ａへの電圧の印加を一時的に解除することで、クランプ機構１４のクランプ、つまりクランプ機構１４による駆動用圧電部１２の変位の阻止を一時的に解除する。クランプ機構１４には、位置調整用ばね３６により中心軸方向の一方側への付勢力が作用している。そのため、例えば各駆動用圧電素子１２ａへの電圧の印加を解除している場合にクランプ機構１４のクランプを解除すると、圧電アクチュエータ１の温度上昇によって駆動部材１８とクランプ機構１４との間に隙間が生じているときは、この隙間が無くなるようにクランプ機構１４の中心軸方向位置が位置調整用ばね３６の付勢力によって調整される。また、圧電アクチュエータ１の温度低下によって駆動部材１８がストッパー２０の位置まで戻らなくなっているときは、クランプ機構１４のクランプを解除することで、駆動部材１８がストッパー２０の位置に安定して戻り且つ駆動部材１８とクランプ機構１４との間に隙間が生じないようにクランプ機構１４の中心軸方向位置が調整される。クランプ機構１４の中心軸方向位置が調整された後は、各クランプ用圧電素子２２ａに電圧を再度印加することで、クランプ機構１４のクランプ（クランプ機構１４による駆動用圧電部１２の変位の阻止）を再度行う。その状態で、各駆動用圧電素子１２ａに電圧を再度印加することで、駆動部材１８を中心軸方向の一方側へ再度移動させる。本実施形態では、駆動部材１８の中心軸方向の移動を複数回繰り返して行う場合に、毎回（各駆動用圧電素子１２ａに電圧を印加する毎に）、クランプ機構１４のクランプ解除及び再クランプを行うことができる。あるいは、所定回数おきにクランプ機構１４のクランプ解除及び再クランプを行うこともできる。また、駆動部材１８の駆動頻度が高い場合（例えば所定時間内に所定回数以上駆動部材１８を駆動した場合）に、クランプ機構１４のクランプ解除及び再クランプを行うこともできる。なお、ケーシング１０及び駆動部材１８については、温度変化による中心軸方向の変形量を等しくするために、熱膨張率（線膨張率）の等しい材料（同じ材料）を用いることが好ましく、例えばＳＵＳ等の鋼材を用いることができる。
【００３１】
以上説明した本実施形態では、圧電アクチュエータ１の温度変化によって駆動用圧電部１２とケーシング１０とで中心軸方向の変形量に差が生じても、クランプ機構１４の中心軸方向位置を、駆動部材１８がストッパー２０の位置に戻り且つ駆動部材１８とクランプ機構１４との間に隙間が生じない位置に補正することができる。そして、補正された位置でクランプ機構１４のクランプを行って、駆動用圧電部１２により駆動部材１８を駆動することで、各駆動用圧電素子１２ａへの印加電圧と駆動部材１８の変位量との関係を温度変化に対してほぼ一定の関係に保つことができる。したがって、本実施形態によれば、圧電アクチュエータ１の温度変化が生じても、駆動部材１８の変位量を高精度に制御することができる。
【００３２】
なお、特許文献１，２の圧電アクチュエータにおいては、プランジャの位置を検出する位置検出装置を設け、位置検出装置で検出されたプランジャの位置に基づいて圧電素子の電荷量を制御している。しかし、特許文献１，２においては、プランジャの位置を高精度に制御するために、プランジャの位置を検出する位置検出装置を設ける必要があるので、圧電アクチュエータの大型化を招きやすい。さらに、プランジャの連続駆動時には、フィードバック制御でプランジャの位置をリアルタイムに補正する必要がある。これに対して本実施形態では、圧電アクチュエータ１単体で温度変化による駆動部材１８の変位量への影響をリアルタイムで補正することができるので、駆動部材１８の位置を検出する位置検出装置を必要としない。したがって、圧電アクチュエータ１の大型化を招くことなく簡素な構成で駆動部材１８の変位量を高精度に制御することができる。
【００３３】
また、特許文献３においては、ワイヤをクランプする一対のクランパ片がそれぞれ固定された一対のアーム部を圧電素子により開閉させるように構成し、温度変動によるクランパ片のクランプ荷重の変化を補正する温度補償部材を設けている。しかし、複数の駆動用圧電素子が中心軸方向に積層された圧電アクチュエータは中心軸方向に比較的長くなる装置であり、各部に温度差が生じる場合は、特許文献３における温度補償部材を一箇所に設けても温度変化による影響を十分に補正することが困難である。これに対して本実施形態では、圧電アクチュエータ１の各部に温度差が生じる場合でも、温度変化による駆動部材１８の変位量への影響を十分に補正することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、各クランプ用圧電素子２２ａへの電圧印加／その解除を高速で行うことにより、クランプ機構１４のクランプ／その解除を高速で行うことができる。そのため、圧電アクチュエータ１の温度変化が生じても、駆動部材１８の高速駆動性能を低下させることなく、クランプ機構１４の中心軸方向位置を速やかに補正することができる。
【００３５】
ここで、本願発明者は、図３に示す実験装置により圧電素子を用いたクランプ機構の動作確認を行った。図３に示す実験装置では、クランプ機構１１４は、ケーシング径方向（図３の上下方向）に積層された複数のクランプ用圧電素子１２２ａを有する。各クランプ用圧電素子１２２ａに電圧を印加して各クランプ用圧電素子１２２ａをケーシング径方向に伸長させることで、物体１１５のクランプを行うことができ、各クランプ用圧電素子１２２ａへの電圧の印加を解除して各クランプ用圧電素子１２２ａをケーシング径方向に収縮させることで、物体１１５のクランプを解除することができる。また、物体１１５には、ばね１１７によってケーシング軸方向の一方側（図３の右側）への付勢力が作用している。なお、クランプ機構１１４による最大駆動力は２２００Ｎであり、クランプ用圧電素子１２２ａのヤング率は約１０ＧＰａである。
【００３６】
クランプ機構１１４の動作確認においては、まず各クランプ用圧電素子１２２ａに電圧（４００Ｖ）を印加して、物体１１５をクランプする。次に、ばね１１７によりケーシング軸方向の一方側への付勢力（１００Ｎ）を物体１１５に作用させる。その状態から、各クランプ用圧電素子１２２ａへの電圧の印加を一時的に（５ｍｓの間）解除する。次に、各クランプ用圧電素子１２２ａに電圧（４００Ｖ）を再度印加して、物体１１５を再度クランプする。
【００３７】
以上の動作確認において、各クランプ用圧電素子１２２ａへの印加電圧を図４に示し、物体１１５の移動距離を図５に示す。図４に示すように、約２ｍｓ経過後にクランプ解除のため各クランプ用圧電素子１２２ａへの印加電圧が下げられ、約７ｍｓ経過後に再度クランプさせるために各クランプ用圧電素子１２２ａに電圧が再度印加される。そして、図５に示すように、約４ｍｓ経過後にクランプされていた物体１１５が動き出し、約１４ｍｓ経過後に物体１１５が再度クランプされることが確認できた。各クランプ用圧電素子１２２ａへの印加電圧が下げられてから物体１１５のクランプが再度行われるまでの時間は約１２ｍｓであり、８０Ｈｚ以上の高速クランプが可能であることが確認された。
【００３８】
ただし、各クランプ用圧電素子１２２ａの伸縮量は板厚の約１／１０００（本実験では最大４０μｍ）であり、摩耗や温度変化による線膨張でクランプ面１１５ａの位置が変化した場合は、各クランプ用圧電素子１２２ａの変位だけでは適切なクランプ力が得られなくなった。また、複数のクランプ用圧電素子１２２ａをケーシング径方向に積層した場合は、物体１１５のクランプ時に各クランプ用圧電素子１２２ａに作用するせん断力が増大する。クランプ用圧電素子１２２ａはせん断方向の荷重には脆いため、クランプ用圧電素子１２２ａの取り付け装置には十分な精度と強度が必要であることが明らかになった（取り付け誤差はクランプ用圧電素子１２２ａの大きさの０．０１％以下が必要）。例えば、本実験では、各クランプ用圧電素子１２２ａの最大変位量は４０μｍであり、十分なクランプ力を得るためにはクランプ面１１５ａで１０μｍ以下の精度が必要となる。特許文献４，５においても、クランプ用圧電素子の積層方向が駆動用圧電素子の積層方向と垂直であるため、クランプ時にクランプ用圧電素子に作用するせん断力が増大する。そして、特許文献４，５においても、摩耗や温度変化による線膨張でクランプ面の位置が変化する場合は、クランプ用圧電素子の変位だけでは適切なクランプ力が得られなくなる。
【００３９】
これに対して本実施形態のクランプ機構１４では、複数のクランプ用圧電素子２２ａを中心軸方向に積層し、各クランプ用圧電素子２２ａの中心軸方向の変形分（可動部材２４の中心軸方向の変位）を押圧部材２６のケーシング径方向の変位に変換してクランプを行う。これによって、クランプ機構１４のクランプ時に各クランプ用圧電素子２２ａに作用するせん断力を大幅に減少させることができる。したがって、耐久性及び強度の高いクランプ機構１４を実現することができる。さらに、本実施形態のクランプ機構１４では、可動部材２４の中心軸方向の変位を押圧部材２６のケーシング径方向の変位に拡大して変換することができるため、押圧部材２６のケーシング径方向の変位量を各クランプ用圧電素子１２ａの中心軸方向の変形分より増大させることができる。したがって、クランプ機構１４のクランプ力を増大させることができる。さらに、摩耗や温度変化による線膨張でクランプ位置が変化しても、適切なクランプ力を安定して確保することができる。
【００４０】
次に、本実施形態の他の構成例について説明する。
【００４１】
図６，７に示す構成例のクランプ機構１４においては、クランプ用圧電部２２を収容する収容部材２８の外周部に、板ばね３２がケーシング１０の内壁１０ｂと対向して配設されている。付勢用ばね４６は、クランプ用圧電部２２より中心軸方向の一方側で収容部材２８内に収容されており、クランプ用圧電部２２に中心軸方向の他方側への付勢力を作用させる。クランプ用圧電部２２における中心軸方向の他端部は、収容部材２８における中心軸方向の他端部と接触しており、収容部材２８に対するクランプ用圧電部２２の中心軸方向の他方側への相対変位が阻止されている。各クランプ用圧電素子２２ａが中心軸方向に収縮するのに伴って、図７に示すように、板ばね３２はケーシング径方向外側へ撓んでケーシング１０の内壁１０ｂを押圧する。これによって、クランプ機構１４のクランプが行われ、駆動用圧電部１２の中心軸方向の他方側への変位が阻止される。一方、各クランプ用圧電素子２２ａが中心軸方向に伸長するのに伴って、板ばね３２がケーシング径方向内側に変位することで、ケーシング１０の内壁１０ｂに作用する押圧力が低下する。これによって、クランプ機構１４のクランプが解除され、駆動用圧電部１２の中心軸方向の他方側への変位が許容される。このように、図６，７に示す構成例のクランプ機構１４においては、各クランプ用圧電素子２２ａが中心軸方向に変形するのに伴って板ばね３２がケーシング径方向に撓み、クランプ用圧電部２２の中心軸方向の変形分が板ばね３２のケーシング径方向の変位に変換される。
【００４２】
図６，７に示す構成例においても、圧電アクチュエータ１の温度変化が生じても、圧電アクチュエータ１単体で温度変化による駆動部材１８の変位量への影響をリアルタイムで補正することができるので、駆動部材１８の変位量を高精度に制御することができる。そして、クランプ機構１４のクランプ時に各クランプ用圧電素子２２ａに作用するせん断力を大幅に減少させることができるので、耐久性及び強度の高いクランプ機構１４を実現することができる。
【００４３】
次に、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１の適用例について説明する。ただし、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１については、以下に説明する例以外にも適用可能である。
【００４４】
本実施形態に係る圧電アクチュエータ１については、例えば図８に示すように、自動車等のエンジン（内燃機関）において可変バルブ機構の駆動装置に適用することができる。その場合は、駆動部材１８をバルブ５２に連結する。また、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１については、例えば図９に示すように、弁やインジェクタや緊急遮断弁において可変流量バルブのニードル駆動装置に適用することもできる。その場合は、駆動部材１８をニードル５４に連結する。その他にも、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１については、精密加工用工作機や精密機器において微小位置決め装置の駆動部や、速度（回転速度）可変歯車ラックの微小位置決め装置の駆動部等にも適用することができる。
【００４５】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。
【図３】クランプ機構の動作確認に用いた実験装置の概略構成を示す図である。
【図４】クランプ機構の動作確認において、各クランプ用圧電素子への印加電圧を示す図である。
【図５】クランプ機構の動作確認において、物体の移動距離を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの他の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの他の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの適用例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの他の適用例を示す図である。
【図１０】関連技術に係る圧電アクチュエータの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  圧電アクチュエータ、１０  ケーシング、１０ｂ  内壁、１２  駆動用圧電部、１２ａ  駆動用圧電素子、１４  クランプ機構、１６，４６  付勢用ばね、１８  駆動部材、２０  ストッパー、２２  クランプ用圧電部、２２ａ  クランプ用圧電素子、２４  可動部材、２４ａ  テーパ外周面、２６  押圧部材、２６ａ  テーパ内周面、２８  収容部材、３２  板ばね、３６  位置調整用ばね、４０  固定部材。
【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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