(57)【要約】【課題】  効率よく屈曲二次振動が励振される圧電アクチュエータ、モータ、および圧電アクチュエータを用いた機器を提供すること。【解決手段】  矩形状の補強板２１両面に圧電素子２２を固定し、補強板２１短辺から圧電素子２２の長手方向に沿って突出する突出部２３を設ける。この突出部２３を被駆動体に当接し、圧電素子２２を振動させると、突出部２３が振動して被駆動体との摩擦力によって被駆動体を駆動する。このとき、突出部２３の長さ寸法Ｌ２が、幅寸法Ｗ２より長くなるように形成する。長さ寸法が幅寸法より短いものに較べて、突出部２３の重心が圧電素子２２の長辺方向外側に配置されるので、突出部２３による慣性モーメントが大きくなり、圧電アクチュエータ２が屈曲二次振動を励振し易くなる。【選択図】  図１
2005086991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略矩形板状の圧電素子を備え、前記圧電素子の短辺方向に屈曲する屈曲振動を励振することにより被駆動体を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記圧電素子の長辺方向に沿って突出し前記被駆動体に当接される突出部を備え、
この突出部の前記圧電素子の長辺方向に沿った寸法は、前記圧電素子との接続部分における前記圧電素子の短辺方向に沿った寸法より長い
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に記載の圧電アクチュエータにおいて、
当該圧電アクチュエータは、前記圧電素子の長辺方向略中央を中心に伸縮する縦一次振動と、前記圧電素子の短辺方向に前記圧電素子の略中央を中心として点対称に振動する屈曲二次振動とを合わせた振動を行うように構成されている
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において、
前記突出部先端は、直線状または円弧状に形成されている
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記突出部は、前記圧電素子の長辺方向両端に、前記圧電素子の略中央を中心として点対称の位置に設けられている
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータによって回転駆動される出力軸とを備えたことを特徴とするモータ。
【請求項６】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えた機器。
【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って被駆動体を駆動する圧電アクチュエータ、モータおよび圧電アクチュエータを備えた機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子の振動で被駆動体を駆動する圧電アクチュエータとしては、矩形平板状の圧電素子側面に突起を設け、この突起を被駆動体に当接したもの（例えば、特許文献１）や、矩形平板状の圧電素子に補強板を積層し、補強板に一体的に形成された突起を当接するもの（例えば、特許文献２）などが知られている。これらの圧電アクチュエータでは、当該圧電アクチュエータを振動の面内方向の一方向に付勢する付勢手段が設けられており、圧電素子の振動によって発生する突起の振動と付勢力とにより被駆動体を駆動する。この時、突起は圧電素子の短辺方向に振動する、いわゆる屈曲振動によって被駆動体を駆動方向に駆動する。したがって、圧電アクチュエータに励振される屈曲振動の振動挙動が、駆動効率を大きく左右することとなる。つまり、圧電アクチュエータの駆動効率を向上させるためには圧電素子に効率よく屈曲振動を励振させて、突起に所望の屈曲振動を描かせることが重要となる。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１８４３８２号公報（第３−４頁、第２図）
【特許文献２】特開２００１−２８６１６７号公報（第５−７頁、図１）
【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では、突起部の形状について長さ寸法の言及があるものの、幅寸法については言及がなく、適切な突起部の形状については開示されていない。したがって、突起部の長さ寸法を設定しても、幅寸法によっては圧電素子の振動挙動が異なってしまうため、所望の屈曲振動を得ることができない。また特許文献２においても、突起部の形状は平面的に曲面形状に形成されているが、寸法についての記載はなく特許文献１の圧電アクチュエータと同様に、突起部の寸法によって圧電素子の振動挙動が異なってしまい、良好な屈曲振動を得ることができない。
【０００５】
本発明の目的は、効率よく屈曲振動を得られる圧電アクチュエータ、モータ、および圧電アクチュエータを備えた機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電アクチュエータは、略矩形板状の圧電素子を備え、圧電素子の短辺方向に屈曲する屈曲振動を励振することにより被駆動体を駆動する圧電アクチュエータであって、圧電素子の長辺方向に沿って突出し被駆動体に当接される突出部を備え、この突出部の圧電素子の長辺方向に沿った寸法は、圧電素子との接続部分における圧電素子の短辺方向に沿った寸法より長いことを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、突出部において圧電素子の長辺方向に沿った寸法は、圧電素子との接続部分における圧電素子の短辺方向に沿った寸法より長いので、同面積の突出部と比較して突出部の重心がより圧電素子の長辺方向外側に配置される。これにより、圧電素子が屈曲振動する際に、屈曲振動の節から突出部の重心までの距離がより長くなり、圧電素子の屈曲振動が励振されやすくなる。よって圧電素子の振動からより効率よく屈曲振動が励振され、被駆動体が効率よく駆動される。
また、突出部において圧電素子の長辺方向に沿った寸法が長いので、屈曲振動の節から突出部先端までの距離も長くなり、突出部先端における振動振幅が大きくなるとともに振動速度が速くなる。これにより、被駆動体の高速駆動が可能となる。
【０００８】
本発明では、当該圧電アクチュエータは、圧電素子の長辺方向略中央を中心に伸縮する縦一次振動と、圧電素子の短辺方向に圧電素子の略中央を中心として点対称に振動する屈曲二次振動とを合わせた振動を行うように構成されていることが望ましい。
この発明によれば、圧電アクチュエータが屈曲二次振動と同時に縦一次振動を励振するので、突出部先端はこれらの振動を組み合わせた略楕円軌道を描いて振動する。このとき例えば突出先端を被駆動体に接触させて圧電アクチュエータを被駆動体側に適当な付勢力で付勢するように構成すれば、突出部先端が略楕円軌道の一部で被駆動体を一方向に駆動するので、被駆動体が安定して駆動される。
【０００９】
本発明では、突出部先端は、直線状または円弧状に形成されていることが望ましい。
この発明によれば、突出部先端の形状が適切に設定されているので、被駆動体に対して突出部が安定して接触し、駆動力が安定する。例えば突出部先端が直線状に形成されている場合では、長期間の使用によって突出部先端が摩耗した場合でも、突出部先端形状が変化しないため、同じ角度で被駆動体に接触する。したがって長期間の使用においても駆動力の変動が最小限に抑制され、駆動力が安定する。
また、突出部先端が円弧状に形成されている場合では、突出部が被駆動体に対して点接触するので、被駆動体への当接位置が安定し、押圧角度が一定となるので駆動力が安定する。
【００１０】
本発明では、突出部は、圧電素子の長辺方向両端に、圧電素子の略中央を中心として点対称の位置に設けられていることが望ましい。
一方の突出部は被駆動体の駆動に用いられるため、被駆動体に押圧されている。したがって、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を振動させたときに当該一方の突出部が所望の振動を励振しにくい。
この発明によれば、突出部が圧電素子の長辺方向両端に設けられているので、被駆動体に押圧されない他方の突出部が振動を励振し、この振動が圧電素子全体に伝達されることによって圧電素子全体が励振し易くなる。つまり、圧電アクチュエータの始動性が良好となる。
【００１１】
また、突出部が圧電素子の長辺方向両端に設けられているので、圧電素子の長辺方向両端において屈曲振動の励振を助け、圧電アクチュエータ全体の屈曲振動が容易に励振されるとともに振幅が大きくなる。
さらに、突出部が圧電素子の略中央を中心として点対称の位置に設けられているため、圧電素子の振動が略中央を中心として点対称となり、振動のバランスが取れて安定した駆動が実現される。
【００１２】
本発明のモータは、前述の圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータによって回転駆動される出力軸とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、モータの出力軸を圧電アクチュエータが駆動するので、出力軸から回転駆動が取り出される。このモータが前述の圧電アクチュエータを備えているので、前述の効果と同様の効果が得られ、良好に屈曲振動を励振して出力軸が効率よく回転駆動される。
【００１３】
本発明の機器は、前述の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、機器が前述の圧電アクチュエータを備えているので、前述の効果と同様の効果が得られ、屈曲振動が効率よく得られ、駆動効率が良好となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
【００１５】
〔第一実施形態〕
本発明の第一実施形態について説明する。
図１には、第一実施形態にかかる駆動機構（機器）１の平面図が示されている。この図１において駆動機構１は、圧電素子２２を備えた圧電アクチュエータ２と、圧電アクチュエータ２を振動可能に支持する支持体３とを備えている。この駆動機構１は、円盤状の被駆動体１００とともに固定体４に固定されている。
【００１６】
図２には、圧電アクチュエータ２および支持体３の拡大斜視図が示されている。この図２にも示されるように圧電アクチュエータ２は、略矩形平板状に形成された補強板２１と、この補強板２１の表裏両面に設けられた平板状の圧電素子２２とを備えている。
補強板２１は、ステンレス鋼、その他の任意の材料から構成され、両側の短辺略中央には、長辺方向に沿って突出する突出部２３がそれぞれ一体的に形成されている。
図３には、圧電アクチュエータ２の拡大平面図が示されている。この図３にも示されるように、突出部２３は、平面略矩形状に形成されており、先端部分が突出部２３の寸法に比して大きな円弧半径からなる円弧状となっている。突出部２３の長さ寸法（補強板２１の長辺方向に沿った方向の寸法）Ｌ２は、幅寸法（補強板２１の短辺方向に沿った方向の寸法）Ｗ２より長くなるように形成されている。
ここで、幅寸法Ｗ２は、突出部２３と圧電素子２２との接続部分における幅寸法をいい、本実施形態では突出部２３が補強板２１と一体的に形成されているので、幅寸法Ｗ２は、補強板２１の略矩形状部分と突出部２３との接続部分における幅寸法をいい、また圧電アクチュエータ２の平面視において突出部２３と圧電素子２２との接続部分の幅寸法をいう。
なお、幅寸法Ｗ２は、補強板２１の幅寸法Ｗ１の1/2以下であることが望ましい。また、二つの突出部２３の面積の合計は、圧電素子２２の面積に対して1/10より小さいことが望ましい。突出部２３がこのような寸法および面積に設定されることにより、突出部２３が圧電アクチュエータ２の振動を過大に阻害することがなく、圧電アクチュエータ２全体の振動挙動への影響が少なくなるので、圧電素子２２や補強板２１の寸法によって圧電アクチュエータ２全体の振動挙動をほぼ設定できる。
さらに、突出部２３の幅寸法Ｗ２と長さ寸法Ｌ２との比は、幅寸法Ｗ２を１とすると長さ寸法Ｌ２が１．５以上であることが望ましく、２であると最適である。突出部２３がこのような寸法に設定されることにより、後述する屈曲二次振動がより励振されやすくなり、被駆動体１００が駆動速度が増加する。
【００１７】
補強板２１は、突出部２３の先端が被駆動体１００の外周に当接されており、当接部分において、補強板２１の長手方向が被駆動体１００に対して略直角に（つまり被駆動体１００の半径方向に沿うように）配置されている。また、補強板２１には、長辺から幅方向外側に突出する腕部２４が一体的に形成されている。これらの腕部２４は、補強板２１の長辺に対してほぼ直角に突出しており、これらの端部にはそれぞれ孔２４１が穿設されている。
ここで、腕部２４は、補強板２１の長辺方向中央よりも所定距離だけ被駆動体１００に近い位置に配置されている。つまり、腕部２４において補強板２１の長辺方向に沿った方向の中心位置から、補強板２１の長辺端部までの距離Ｌ３は、補強板２１の長さ寸法Ｌ１の1/2よりも小さくなっている。圧電素子２２に繰り返し電圧が印加されると圧電アクチュエータ２は振動するが、一方の突出部２３が被駆動体１００に当接されているため、当該一方の突出部２３側の圧電素子２２が振動しにくくなる。したがって、圧電アクチュエータ２全体では振動挙動が長手方向の中心に対して対称とはならず、振動の節が若干被駆動体１００側に移動する。この移動分を予め計算や実験などにより求めておき、腕部２４をこの移動分だけ被駆動体１００に近い位置に配置することにより、腕部２４が振動の節に対応する位置に配置され、圧電アクチュエータ２の振動阻害が防止されている。
【００１８】
圧電素子２２は、補強板２１の両面の略矩形状部分に接着されている。つまり、圧電素子２２は、補強板２１の略矩形状部分と同様に、幅寸法Ｗ１、長さ寸法Ｌ１の略矩形状に形成されている。圧電素子２２の材料は特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
圧電素子２２の両面には、ニッケルおよび金などがめっき、スパッタ、蒸着等の方法によって形成されて電極が形成されている。この電極は、溝によってめっきが互いに電気的に絶縁されることで複数の電極が形成され、これらの電極は、圧電素子２２の長手方向に沿った中心線を軸として線対称に形成されている。つまり、圧電素子２２を幅方向にほぼ三等分するように二本の溝２５Ａが形成され、これらの溝２５Ａで分割された三つの電極のうち両側の電極ではさらに長手方向をほぼ二等分するように溝２５Ｂが形成されている。これらの溝２５Ａ，２５Ｂにより、圧電素子２２の表面には五つの電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅが形成される。
【００１９】
これらの電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅのうち、対角線上両端に位置する電極２２Ａおよび電極２２Ｅをつなぐリード線（図示せず）と、電極２２Ｂおよび電極２２Ｄをつなぐリード線（図示せず）と、電極２２Ｃに接続されたリード線（図示せず）と、補強板２１に接続されたリード線（図示せず）は、圧電素子２２に所定周波数の電圧を印加する印加装置（図示せず）に接続されている。ここで、それぞれのリード線は、圧電アクチュエータ２の振動の節近傍に接続されることが望ましい。つまり、電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｄ，２２Ｅでは、リード線が圧電素子２２の長辺方向略中央近傍の溝２５Ｂ近傍に接続されることが望ましく、また電極２２Ｃのリード線は、圧電素子２２の長辺方向で腕部２４の位置に対応する位置に接続されることが望ましい。これにより、リード線による圧電アクチュエータ２の振動阻害が良好に防止されている。
なお、これらの電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅは、補強板２１を挟んで設けられた表裏両方の圧電素子２２に同様に設けられており、例えば電極２２Ａの裏面側にも別の電極２２Ａが形成されている。
【００２０】
ここで、圧電素子２２の寸法や、厚さ、電極の分割形態などは、圧電素子２２に繰り返し電圧が印加された時に、圧電素子２２が長手方向に伸縮する、いわゆる縦一次振動と、圧電素子２２の平面中心に対して点対称に、面内で縦振動に直交する方向に屈曲する、いわゆる屈曲二次振動とが同時に現れるように適宜設定される。この時、縦一次振動の共振周波数と、屈曲二次振動の共振周波数とは互いに近接するように設定されていることが望ましく、縦一次振動の共振周波数に対する屈曲二次振動の共振周波数の比は、０．９７より大きく、１．０３以下であることが望ましい。また、圧電素子２２の長辺（長さ寸法Ｌ１）と短辺（幅寸法Ｗ１）との長さ比は、長辺の長さを１とすると短辺の長さが０．２７４以上であることが望ましい。
【００２１】
なお、縦一次振動の共振周波数に対する屈曲二次振動の共振周波数の比が０．９７以下である場合、および縦一次振動の共振周波数に対する屈曲二次振動の共振周波数の比が１．０３より大きい場合には、縦一次振動の共振点と屈曲二次振動の共振点が離れてしまい、突出部２３が良好な楕円軌道を描くことができない。
圧電素子２２に印加される電圧の周波数は、縦一次振動の共振周波数と屈曲二次振動の共振周波数との間、より好ましくは縦一次振動の共振周波数と、縦一次振動および屈曲二次振動の間の反共振周波数との間で、両方の振動が良好に現れる周波数を適宜選択する。なお、圧電アクチュエータ２に印加される電圧の波形は特に限定されず、例えばサイン波、矩形波、台形波などを採用できる。
【００２２】
図２に戻って、支持体３は、圧電アクチュエータ２が固定される一対の固定部３１と、これらの固定部３１の間に一体的に形成され、固定体４にスライド可能に支持されるスライド部３２とを備えている。固定部３１には、腕部２４の孔２４１に対応する位置にねじ部３４が形成されている。このねじ部３４に孔２４１を貫通してねじ２６が螺合されることにより圧電アクチュエータ２が固定部３１に固定されている。
【００２３】
図４には、駆動機構１の側断面図が示されている。この図４にも示されるように、スライド部３２は、固定体４に凹状に形成されたスライド溝４１に配置されている。また、スライド部３２の幅方向略中央には、被駆動体１００に対する突出部２３の当接方向に沿って長孔３３が複数箇所（本実施形態では二箇所）形成されている。この長孔３３には、ねじ４２１が貫通しており、このねじ４２１は、固定体４に形成されたねじ孔４２に螺合されている。これにより、支持体３は長孔３３の長手方向にスライド可能となっている。つまり、圧電アクチュエータ２の突出部２３は、被駆動体１００への当接部分から被駆動体１００の半径方向に沿って離間可能となっている。
【００２４】
なお、固定部３１とスライド部３２とは段差を有して形成されている。つまり固定部３１およびスライド部３２によって中央に凹状部分が形成されている。これにより、圧電アクチュエータ２が固定部３１に取り付けられた時に圧電アクチュエータ２とスライド部３２との間には隙間が形成され、圧電アクチュエータ２が振動してもスライド部３２を貫通するねじ４２１に干渉しないようになっている。
前述の図１にも示されるように、支持体３両側の固定部３１において、被駆動体１００側とは反対の端部側面には、円柱状に突出したばね取付部３５がそれぞれ形成されている。このばね取付部３５にはばね３６の一端が挿入されている。ばね３６は、その伸縮方向が圧電アクチュエータ２の離間方向に平行となるように配置され、他端は、固定体４に設けられた係止片３７に固定されている。このばね３６のばね力により、圧電アクチュエータ２の突出部２３は被駆動体１００に適当な付勢力で押しつけられている。
【００２５】
被駆動体１００は、固定体４に嵌合された軸受ピン４３（図４）で回転可能に支持されている。被駆動体１００には、外周に沿って断面円弧状の凹部１０１が形成され、この凹部１０１に圧電アクチュエータ２の突出部２３の先端が当接されている。この凹部１０１の表面は、突出部２３との摩耗を低減できるように滑らかに仕上げられている。
【００２６】
このような駆動機構１は、次のように動作する。
図５は、圧電アクチュエータ２の振動挙動を示す図である。この図５に示されるように、印加装置により補強板２１と圧電素子２２表面の電極との間に交流電圧を印加して圧電素子２２を振動させる。この時、圧電素子２２においては電極２２Ａ，２２Ｅおよび電極２２Ｃのみに選択的に電圧を印加することにより、圧電アクチュエータ２は、主に電極２２Ｃによって圧電素子２２の長手方向略中心（長手方向略中心よりも被駆動体１００に所定距離近い位置）を中心に伸縮する縦一次振動が励振される。また、主に電極２２Ａ，２２Ｅによって、圧電素子２２の面内で縦一次振動と直交する方向、つまり圧電素子２２の短手方向に沿って屈曲する屈曲二次振動が励振される。これらの縦一次振動および屈曲二次振動が組み合わされることにより、圧電アクチュエータ２は図５の二点鎖線で示されるように伸縮しながら屈曲する振動を励振し、突出部２３はこれらの振動を組み合わせた楕円軌道Ｒを描いて振動する。突出部２３は、楕円軌道Ｒの一部で被駆動体１００の凹部１０１に押し付けられて、被駆動体１００との摩擦力によって被駆動体１００を円周方向に間欠回転させる。これを所定の周波数で繰り返し行うことにより、被駆動体１００は一方向に所定の回転速度で回転する。
【００２７】
ここで、一方の突出部２３が被駆動体１００に接触している状態では、当該一方の突出部２３では圧電素子２２が振動しにくく、他方の突出部２３では接触部材がないのでフリーの状態となる。このため、印加装置により電圧を印加した圧電アクチュエータ２の始動時には、一方の突出部２３では被駆動体１００との接触により振動が阻害されるが、他方の突出部２３では印加電圧に応じて振動が励振される。この振動が一方の突出部２３側に伝達され、被駆動体１００を駆動できるだけの振動が得られる状態に達したときに一方の突出部２３が振動を開始する。なお、被駆動体１００を駆動できるだけの振動が得られる状態とは、圧電素子２２の振動により一方の突出部２３先端に得られる振動が、突出部２３と被駆動体１００との接触部分における圧電アクチュエータ２に加えられた付勢力に打ち勝ち、被駆動体１００から離れるだけの振幅を得た状態をいう。
一方の突出部２３が振動を開始し、圧電素子２２全体が共振すると、圧電アクチュエータ２の振動が定常状態となる。この定常状態では突出部２３は略楕円軌道Ｒを描いて振動し、被駆動体１００を所定の速度で駆動する。
【００２８】
被駆動体１００を反対方向に回転させる場合には、圧電素子２２に印加する電圧の電極を圧電アクチュエータ２の長手方向に沿った中心線を軸として線対称に切り替える。つまり、圧電素子２２の電極２２Ｂ，２２Ｄおよび電極２２Ｃに所定周波数の電圧を印加すれば、突出部２３は反対方向の楕円軌道を描いて振動する。これにより、被駆動体１００は反対方向に回転する。
【００２９】
このような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) 突出部２３において圧電素子２２の長辺方向に沿った長さ寸法Ｌ２が、短辺方向に沿った幅寸法Ｗ２より長いので、同面積で幅寸法Ｗ２が長さ寸法Ｌ２より長い突出部と較べて突出部２３の重心が圧電素子２２の長辺方向に関してより外側に配置される。
図６には、圧電アクチュエータ２の屈曲二次振動の振幅を表す図が示されている。この図６に示されるように、圧電素子２２が屈曲二次振動をする場合には、圧電素子２２上に三つの節Ａを有して振動する。このとき突出部２３に近い節Ａから重心Ｃまでの距離は、同面積で幅寸法が長さ寸法より大きい突出部の場合に較べてより大きくなる。したがって、突出部２３に働く慣性モーメントがより大きくなるため、圧電アクチュエータ２において、屈曲二次振動をより簡単に励振できる。よって、良好な屈曲二次振動を得られ、被駆動体１００を効率よく駆動できる。
【００３０】
(２) 突出部２３の長さ寸法Ｌ２が幅寸法Ｗ２より長いので、同面積で長さ寸法が幅寸法より短い突出部に較べて、屈曲二次振動の節Ａから突出部２３の先端までの距離を長くできる。したがって、突出部２３先端において得られる屈曲二次振動の振幅をより大きくすることができる。これにより、突出部２３の一回の振幅による被駆動体１００の駆動変位を大きくできるので、被駆動体１００を高速駆動できる。
また、突出部２３先端の屈曲二次振動の振動振幅が大きくなるので、例えば被駆動体１００との間にごみが付着していた場合でも大きな振動振幅でごみを乗り越えることができ、被駆動体１００を良好にかつ安定して駆動できる。また、例えば被駆動体１００の表面粗さが大きい場合でも、突出部２３先端の振動振幅が大きいので、被駆動体１００を良好に駆動できる。反対に、被駆動体１００の表面粗さを大きくできるので、被駆動体１００の凹部１０１の表面粗さを厳密に管理する必要がなく、被駆動体１００の製造コストを削減できる。
さらに、突出部２３の長さ寸法Ｌ２が比較的長いので、長期間の使用によって突出部２３先端が多少摩耗した場合でも圧電素子２２が被駆動体１００に接触することがなく、長期間にわたって被駆動体１００を良好に駆動でき、圧電アクチュエータ２の耐久性を向上させることができる。
【００３１】
(３) 圧電アクチュエータ２が縦一次振動と屈曲二次振動とを組み合わせた振動をすることにより突出部２３が楕円軌道Ｒを描くので、楕円軌道Ｒの一部で被駆動体１００を高効率で一方向に駆動できる。
また、圧電素子２２の電極を切り替えることにより、被駆動体１００を正逆両方向に駆動できる。
【００３２】
(４) 突出部２３の先端が円弧状に形成されているので、被駆動体１００に対して常に点接触でき、安定した押圧角度が得られ、駆動力を安定させることができる。
(５) 腕部２４が、圧電素子２２の長手方向略中央よりも所定距離だけ被駆動体１００に近い位置に設けられている。したがって、突出部２３から腕部２４までの距離が短くなるので、圧電素子２２において腕部２４から被駆動体１００側の突出部２３までの部分の振動のぶれによって、突出部２３が被駆動体１００に対して位置ずれするのを防止できる。これにより、圧電アクチュエータ２の駆動力を安定させることができ、高トルクが得られる。
また、一方の突出部２３が被駆動体１００に接触しているので圧電アクチュエータ２の振動の節が、圧電素子２２の長辺方向中央より被駆動体１００側にずれる。このとき腕部２４がこのずれ分だけ被駆動体１００側に近づいた位置に配置されているので、腕部２４が振動の節を支持でき、腕部２４による振動の阻害を防止できる。
【００３３】
(６) 突出部２３が補強板２１の長辺方向両端に設けられているので、圧電素子２２の両側で慣性モーメントが大きくなり、より効率よく良好な屈曲二次振動を得ることができる。
また、圧電アクチュエータ２の始動時には、被駆動体１００に当接されない他方の突出部２３が良好に屈曲二次振動を励振し、この振動を一方の突出部２３に伝達する。このため、圧電素子２２の片側のみに突出部２３が設けられている場合と較べて、圧電素子２２全体が早く共振して定常状態となるので、圧電アクチュエータ２の始動性を向上させることができる。これにより、印加電圧が低い場合や、高い始動トルクが要求される場合でも比較的早く始動できる。
【００３４】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、第一実施形態の駆動機構が被駆動体の内周側に当接されているものである。
図７には、第二実施形態にかかる駆動機構１の平面図が、また図８には駆動機構１の側断面図が示されている。これらの図７および図８において、圧電アクチュエータ２および支持体３は円盤状の固定体４に固定されており、この固定体４の外周には環状の被駆動体１００が、周方向に等間隔で配置された複数のボール４４を介して回転可能に設けられている。複数のボール４４は、被駆動体１００の内周に形成された溝１０２と、固定体４の外周に形成された傾斜部分と、固定体４に固定された環状の押さえ板４４１の傾斜部分とで挟まれることによって溝１０２に収まっている。また、固定体４と押さえ板４４１との間には環状のボール保持部４４２が介装されている。このボール保持部４４２は、外周にボール４４と同数の略半円形の切欠部分が形成され、この切欠部分にボール４４がそれぞれ配置されることで、固定体４の外周で所定間隔を保っている。
【００３５】
圧電アクチュエータ２の補強板２１には、短辺の片側のみに突出部２３が設けられている。突出部２３は、補強板２１の短辺略中央から長手方向に沿って突出しており、先端が円弧状に形成されている。この突出部２３の寸法は、第一実施形態の突出部２３と同様に長さ寸法Ｌ２が幅寸法Ｗ２より長く形成されている。
圧電素子２２表面に設けられた電極は、第一実施形態の圧電素子２２の電極よりも少なく、第一実施形態の電極２２Ａ，２２Ｃ，２２Ｄが溝２５Ａで絶縁されずに結合されることにより、略Ｔ字形の電極２２Ｆが形成されている。
【００３６】
圧電素子２２の電極２２Ｂ，２２Ｅ，２２Ｆに接続された図示しないリード線は、固定体４に形成された配線用の孔４６を通って反対側において図示しない印加装置に接続される。また、電極２２Ｂ，２２Ｅは、固定体４の反対側において圧電アクチュエータ２の振動を検出する検出装置（図示せず）にも接続されている。
なお、それぞれのリード線は圧電アクチュエータ２の振動の節近傍で電極２２Ｂ，２２Ｅ，２２Ｆに接続されていることが望ましい。
被駆動体１００には、内周に沿って断面円弧状の凹部１０１が形成され、この凹部１０１に圧電アクチュエータ２の突出部２３が当接されている。
【００３７】
このような駆動機構１では、圧電素子２２の電極２２Ｂ，２２Ｆに電圧を印加すると、圧電アクチュエータ２に縦一次振動が励振される。また、電極２２Ｅのみに電圧が印加されないため圧電素子２２の振動が非対称となり、圧電アクチュエータ２には同時に屈曲二次振動が励振される。これらの縦一次振動および屈曲二次振動により、突出部２３は第一実施形態と同様に楕円振動を描いて振動し、被駆動体１００を内周側から押圧して被駆動体１００を回転させる。
このとき、電極２２Ｅには電圧が印加されないが、圧電アクチュエータ２全体の振動により電極２２Ｅ部分の圧電素子２２には微小の変位が生じて微小電圧が発生する。検出装置ではこの微小電圧を検出して圧電アクチュエータ２の振動挙動を把握し、印加電圧の電圧や印加周波数などを調整することにより、圧電アクチュエータ２の振動が所定の振動挙動となるように制御する。
電圧を印加する電極を電極２２Ｅ，２２Ｆに切り替えると、突出部２３が反対方向に楕円軌道を描いて被駆動体１００を反対方向に回転駆動する。この場合には電極２２Ｂを検出電極として用いればよい。
【００３８】
このような第二実施形態によれば、第一実施形態の(１)〜(５)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(７) 突出部２３の長さ寸法Ｌ２が長く形成されているので、効率よく屈曲二次振動を励振できる。したがって、屈曲二次振動を励振するための電極２２Ｂ，２２Ｅが第一実施形態の電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｄ，２２Ｅと較べて圧電素子２２の片側のみに設けられている場合でも、良好に屈曲二次振動を励振できる。
また、圧電素子２２に形成される電極数を減少できるので、配線を少なくすることができ、構造を簡単にできるとともに、配線による圧電アクチュエータ２の振動阻害を最小限に抑制できる。
【００３９】
〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態は、本発明の圧電アクチュエータを液体吐出装置に適用したものである。
図９には、第三実施形態にかかる液体吐出装置５０が示されている。この図９において、液体吐出装置５０は、内部に液体が流通するチューブ５１と、チューブ５１の上を転動して内部の液体を順次送液するボール５２と、ボール５２をチューブ５１側に押圧しながら転動させるロータ（被駆動体）５３と、ロータ５３を回転駆動する圧電アクチュエータ２とを備えている。これらのチューブ５１の一部、ボール５２、ロータ５３、および圧電アクチュエータ２は基部５４に収納されている。
【００４０】
圧電アクチュエータ２の突出部２３は、補強板２１の短辺から長辺方向に突出するように、補強板２１の対角線上両端に形成されている。これらの突出部２３は、第一実施形態および第二実施形態と同様に長さ寸法Ｌ２が幅寸法Ｗ２より長く設定され、先端が円弧状に形成されており、一方の突出部２３がロータ５３の外周側面に当接されている。ここで、圧電アクチュエータ２は、長手方向がロータ５３の径方向に対して所定角度で傾斜するように配置されている。
圧電素子２２表面には電極が形成されているが、本実施形態では第一実施形態とは異なり溝が設けられておらず、圧電素子２２全面に電極が一つ形成されている。圧電素子２２表裏面の電極は印加装置に接続されている。
圧電アクチュエータ２は長手方向略中央を腕部２４によって両側から支持されている。腕部２４はねじ２７によって基部５４に固定され、ねじ２７を中心に回動可能に保持されている。腕部２４には略Ｕ字形の付勢部材２８が一体的に形成されており、この付勢部材２８の端部にはねじ２９の先端が側面から略直角に当接されている。ねじ２９は基部５４に螺合され、先端が付勢部材２８側に進退可能に支持されている。
【００４１】
圧電素子２２の電極に電圧を印加して圧電素子２２を伸縮させると、圧電アクチュエータ２に縦一次振動が励振される。またこのとき、突出部２３が圧電素子２２の長辺方向に沿った中心線に対して非対称に設けられているため、圧電アクチュエータ２全体に重量のアンバランスが生じ、圧電アクチュエータ２には屈曲二次振動が励振される。これらの縦一次振動および屈曲二次振動により突出部２３が楕円軌道を描いて振動し、ロータ５３を回転させる。
【００４２】
ロータ５３が回転するとロータ５３の押圧力によってボール５２がチューブ５１を押しつぶしながら転動する。二つのボール５２の間に挟まれたチューブ５１内部の液体は順次送液されてチューブ５１の開口端から吐出される。突出部２３のロータ５３に対する当接力の調整は、ねじ２９を回転させて先端を進退させることによって付勢部材２８の付勢力を変更することで行う。この付勢力の変更によって圧電アクチュエータ２がねじ２７を中心に回動し、ロータ５３への当接力が変更される。突出部２３がロータ５３に強く押し付けられると、突出部２３の楕円軌道のうちロータ５３を駆動可能な摩擦力が得られる部分が多くなるので、ロータ５３の駆動速度が速くなる。
【００４３】
このような第三実施形態によれば、第一実施形態の(１)〜(４)、および(６)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(８) 突出部２３の長さ寸法Ｌ２が幅寸法Ｗ２より長いので、圧電アクチュエータ２の長辺方向がロータ５３の径方向に対して傾くように配置しても圧電素子２２がロータ５３と干渉することなく圧電アクチュエータ２を配置できる。
また、圧電アクチュエータ２の長辺方向をロータ５３の径方向に対して傾くように配置しているので、ロータ５３からの反力によって突出部２３の屈曲二次振動をより一層容易に発生させることができる。
【００４４】
(９) 圧電アクチュエータ２が突出部２３の取付位置による重量アンバランスによって屈曲二次振動を励振するので、圧電素子２２には電極を一つ形成すればよい。したがって、圧電アクチュエータ２の配線、構造を簡単にでき、圧電アクチュエータ２の振動阻害を良好に防止して、より高効率に励振できる。
【００４５】
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
圧電アクチュエータの突出部の形状は、各実施形態において円弧状に形成されていたが、これに限らず、例えば図１０から図１２に示されるような形状であってもよい。
図１０に示される突出部２３では、先端が直線状に形成されている。このような突出部２３であっても、長さ寸法Ｌ２が幅寸法Ｗ２より長く形成されていれば、突出部２３の重心を圧電アクチュエータ２の長辺方向に関してより外側に配置することができ、屈曲二次振動を効率よく励振できる。また、突出部２３先端が直線状に形成されているので、長期間の使用によって先端部分が多少摩耗しても、被駆動体への当接面積が大きく変化しないので、長期間にわたって安定した駆動力を得ることができる。そして、突出部２３先端を簡単に加工できるので、製造コストを低減できる。
【００４６】
圧電アクチュエータの突出部の形状は、図１０の他、図１１のような台形や、図１２のような変形形状であってもよい。特に図１２においては、突出部２３は、補強板２１の矩形部分への接続部分から先端に向かうにしたがって幅寸法が大きくなるように形成され、先端は略円弧状に形成されている。このような形状であれば、例えば圧電アクチュエータ２の長手方向に関するスペースに余裕がない場合でも、長さ寸法Ｌ２をある程度制限しながら突出部２３の重心を圧電アクチュエータ２の長辺方向外側に配置できるので、有用である。
【００４７】
第一実施形態および第二実施形態では圧電アクチュエータ２は、その長辺方向が被駆動体１００の径方向に沿うように配置されていたが、これに限らず例えば第三実施形態のように被駆動体１００の径方向に対して傾くように配置してもよい。この場合では、被駆動体１００からの反力によって突出部２３が屈曲二次振動を励振し易くなる。このため、屈曲二次振動を発生させるために電圧が印加されない電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｄ，２２Ｅを小さくすることができるので、駆動に使われる電極の面積を大きくすることができ、駆動力を大きくすることができる。
【００４８】
突出部の寸法は、長さ寸法が幅寸法より長くなる範囲で適宜設定してよい。例えば突出部の重量を大きくしたり、長さ寸法を長くして突出部の重心を屈曲二次振動の節から遠くすると、屈曲二次振動の共振周波数が低下する傾向がある。これを利用して縦一次振動の共振周波数と屈曲二次振動の共振周波数とが互いに近接するように突出部の寸法を調整してもよい。このような調整を行えば、圧電素子の寸法や補強板の寸法を変更することなく、ある程度の共振周波数の微調整が行える。
また、突出部は、前述の実施形態の補強板２１と一体的に形成されるものに限らず、補強板２１とは別体で設けられていてもよい。この場合には、共通の形状の補強板に圧電アクチュエータの駆動条件などによって突出部の形状、寸法などを設定して取り付けることができるので、汎用性を向上させることができる。
【００４９】
あるいは、突出部の寸法に応じて圧電アクチュエータの寸法を調整してもよい。
図１３は、突出部および圧電素子２２の寸法を調整する例を示す図である。この図１３において、図１３(Ａ)は本発明の圧電アクチュエータの図、図１３(Ｂ)および図１３(Ｃ)は、図１３(Ａ)の圧電アクチュエータに対して各寸法を変更した場合の図である。
例えば図１３(Ｂ)において、図１３(Ａ)の圧電アクチュエータ２よりも突出部２３の長さ寸法を長くした場合では、屈曲二次振動の振動振幅が大きくなる。このため、突出部２３が描く楕円軌道は、図１３(Ａ)の突出部２３における楕円軌道よりも屈曲二次振動の成分が大きいものとなり、圧電素子２２の短辺方向に沿った振動の成分が強くなる。さらに、屈曲二次振動の節から突出部２３の先端までの距離が大きいので、同じ周波数で振動した場合には突出部２３先端の速度が速くなるから、被駆動体を高速で駆動する場合に有用となる。このとき、突出部２３の長さ寸法が大きくなることにより腕部２４から突出部２３までの圧電アクチュエータ２の振動が不安定になるのを防止するため、腕部２４を圧電素子２２の長手方向中央よりも突出部２３に近い側に設けるとよい。
反対に、図１３(Ａ)の圧電アクチュエータ２は、図１３(Ｂ)の圧電アクチュエータ２よりも縦一次振動の成分が大きくなるので、被駆動体への押し付け力が大きくなる。したがって被駆動体の重量が大きい場合など、被駆動体の駆動に高いトルクを必要とする場合に有用となる。
【００５０】
図１３(Ｂ)のように突出部２３の長さ寸法を大きくすると、圧電アクチュエータ２の屈曲二次振動の共振周波数が低下する。ここで、圧電アクチュエータ２を縦一次振動および屈曲二次振動の両方の共振点付近で振動させるには、縦一次振動の共振周波数と屈曲二次振動の共振周波数の差が１０ｋＨｚより小さいことが望ましく、より望ましくは５ｋＨｚより小さいとよい。したがって、突出部２３の長さ寸法の変更により両者の共振周波数との差が大きくなりすぎる場合には、図１３(Ｃ)のように、圧電素子２２の幅寸法を大きくする。すると、屈曲二次振動の共振周波数が増加するので、縦一次振動の共振周波数との差が小さくなり、圧電アクチュエータ２を両者の共振点付近で良好に振動させることができる。
【００５１】
なお、図１３(Ｂ)および図１３(Ｃ)の圧電アクチュエータ２において、図１３(Ａ)の突出部２３の長さ寸法を長くした分（増加分）と同じ距離だけ腕部２４の取付位置を突出部２３側にずらすと、突出部２３先端から腕部２４までの距離が変化しない。したがって、このような複数種類の寸法の圧電アクチュエータ２に対しても被駆動体の位置や圧電アクチュエータ２の固定位置が変化しないので、共通の支持体３を利用でき、また支持体３の固定位置も同じにすることができるから、圧電アクチュエータ２以外の構成部品の共通化を図ることができる。反対に、共通の構成部品に対して複数種類の寸法の圧電アクチュエータを固定することができるので、使用用途や使用条件に対応した圧電アクチュエータを適宜選択して取り付けることができ、圧電アクチュエータの適用範囲を広げることができ、汎用性を向上させることができる。
【００５２】
圧電アクチュエータは、各実施形態において回転体を駆動するものとして利用されていたが、これに限らず例えば棒状部材を長手方向に移動させるものとして利用してもよい。また、圧電アクチュエータは、回転体を駆動し、この回転体に固定される軸を設けることによって、この軸を出力軸とするモータに利用してもよい。
また、圧電アクチュエータは、モータや各実施形態の駆動機構、液体吐出装置に限らず、その他例えば第一実施形態の被駆動体を車輪として利用することにより、圧電アクチュエータを玩具の自動車に適用したり、時計の針駆動用や日車駆動用のアクチュエータとして利用するなど、様々な機器に適用できる。
【００５３】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【実施例】
【００５４】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。
（実施例）
第一実施形態と略同様の駆動機構１において、圧電素子２２の長さ寸法Ｌ１＝７ｍｍ、幅寸法Ｗ１＝２ｍｍとした。また、突出部２３の長さ寸法Ｌ２＝０．４５ｍｍ、幅寸法Ｗ２＝０．５ｍｍとした。また、突出２３の被駆動体１００への押付力を０．０７８Ｎとし、圧電素子２２に５Ｖの電圧を印加し、被駆動体１００を駆動した。この時、被駆動体１００の駆動速度が最も高速となるような印加電圧の周波数は２７０ｋＨＺであった。
【００５５】
（比較例）
突出部２３の長さ寸法Ｌ２＝０．９ｍｍ、幅寸法Ｗ２＝０．５ｍｍとした。また、被駆動体１００の駆動速度が最も高速となるような圧電素子２２への印加電圧の周波数は２８６ｋＨＺであった。他の条件は実施例と同じである。
【００５６】
（実施例および比較例の結果）
実施例の駆動機構１では被駆動体１００の駆動速度は約１．３ｍ／ｓであった。
一方、比較例の駆動機構１では、被駆動体１００の駆動速度は約０．５ｍ／ｓであった。
以上より、突出部２３の長さ寸法Ｌ２が幅寸法Ｗ２より長いと、被駆動体１００の駆動速度をより速くできることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の圧電アクチュエータは、棒状部材や回転体を駆動する駆動機構に利用できる他、液体吐出装置や玩具の自動車、時計など、様々な機器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる駆動機構を示す平面図。
【図２】圧電アクチュエータおよび支持体を示す斜視図。
【図３】圧電アクチュエータの拡大平面図。
【図４】駆動機構の側断面図。
【図５】圧電アクチュエータの振動挙動を示す図。
【図６】突出部の振動および変位を示す図。
【図７】第二実施形態にかかる駆動機構を示す平面図。
【図８】駆動機構の側断面図。
【図９】第三実施形態にかかる液体吐出装置を示す平面図。
【図１０】圧電アクチュエータの突出部の変形例を示す図。
【図１１】圧電アクチュエータの突出部の別の変形例を示す図。
【図１２】圧電アクチュエータの突出部のさらに別の変形例を示す図。
【図１３】圧電アクチュエータの形状の変形例を示す図。
【符号の説明】
【００５９】
１…駆動機構（機器）、２…圧電アクチュエータ、２１…補強板、２２…圧電素子、２３…突出部、２４…腕部、５０…液体吐出装置（機器）、５３…ロータ（被駆動体）、１００…被駆動体。
【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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【図１２】
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【図１３】
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