(57)【要約】【課題】  圧電素子の変形により駆動される回転型のアクチュエータ並びにそれを利用した直動機構、電子機器の提供。【解決手段】  固定板４には圧電素子で構成されるバイモルフ１ａ，１ｂの一端が固定され、バイモルフ１ａ，１ｂの他端に円筒形状の回転体３を加圧接触させる。バイモルフ素子１は、回転体３の径方向と直交する接線方向に分極処理された圧電素子６ａ，６ｂを重ねて接合し、その接合面と他方の面との間で電圧を印可すると、一方の圧電素子は伸び一方の圧電素子は縮む為、バイモルフ素子1は屈曲する。この変形によりバイモルフ素子1は回転体に一方向だけの変位を伝え、回転体３を駆動する。【選択図】  図1
2005130637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に配置される回転体と、
一端が固定部材に固定され他端が前記回転体に接し、その変形により前記回転体の径方向と直交する接線方向に変位を伝えて前記回転体を駆動する圧電素子と、
前記圧電素子を変形させる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動回路とからなる圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電素子の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、第二の方向の変位の加速度もしくは速度とが異なる駆動信号を前記駆動回路が供給することで、前記圧電素子は一方の方向に変位することを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電素子は屈曲変形をすることを特徴とする請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記圧電素子はせん断変形することを特徴とする請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電素子の変位量を規制する規制部材が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記回転体に設けられたカムと、前記カムの動きに連動し直動動作する移動体を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子の変形により、移動体に一方向の変位だけを伝え移動体を駆動する圧電アクチュエータ及びその応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年電子機器の小型化が進み、そこで用いられるアクチュエータの小型化も要求されている。このアクチュエータの代表例として電磁型のモータの回転力により減速歯車列を介して稼働部材を駆動する方式が一般に行われており、そこで用いられるDCモータやステッピングモータの小型化が進んでいる。
【０００３】
また一方では、新原理のアクチュエータの開発も盛んに行われており、発生力の大きな圧電素子を用いたものにも期待が掛かっている。例えば稼働部材と、これを一方向に移動可能にガイドする軸との間に摩擦力を生じさせておき、軸の先端に設けた圧電素子を周期的に変形させたときに生じる稼働部材の慣性力により稼働部材を稼働する方式が開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。また、このようなアクチュエ−タは、カメラのズーム機構やオートフォーカス機構への応用も試みられている。
【非特許文献１】吉田龍一、岡本康弘、マイクロ圧電アクチュエータ  精密工学会誌Vol．６８、ＮＯ．５，２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら電磁モータは小型化が難しいばかりでなく、小型化してもトルクが極めて弱くなってしまう為、その分だけ減速歯車列が必要となり機構自体の大きさは小さくするのが難しかった。
【０００５】
また圧電素子の変形により生じる慣性力を利用したものは直動動作のため応用する機器が限られてしった。この場合、稼働部材をダイレクトに稼働させることができるというメリットはあるが、アクチュエータを搭載する機器に落下や振動が生じた場合、稼働部が動いてしまう恐れが有った。そこで、その対応策として稼働部材と軸の間の摩擦力を大きくすることが考えられるが、この場合には稼働部材を駆動するには圧電素子に大きな電圧を印加しなければならず、消費電力の増大並びに昇圧回路等駆動回路の複雑化、大型化を招く恐れがあった。そして、稼働部材をガイドする軸を必要とする構造から設計の自由度に制限を与え、機器への塔載に障害となる恐れがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、回転可能に配置される回転体と、一端が固定部材に固定され他端が前記回転体に接し、その変形により前記回転体の径方向と直交する接線方向に変位を伝えて前記回転体を駆動する圧電素子と、前記圧電素子を変形させる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動回路とからなる圧電アクチュエータにある。
【０００７】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電素子の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と、第二の方向の変位の加速度もしくは速度とが異なる駆動信号を前記駆動回路が供給することで、前記圧電素子は一方の方向に変位することを特徴とする圧電アクチュエータにある。
【０００８】
本発明の第３の態様は、第１または２の態様において、前記圧電素子は屈曲変形をすることを特徴とする圧電アクチュエータにある。
【０００９】
本発明の第４の態様は、第１または２の態様において、前記圧電素子は、せん断変形することを特徴とする圧電アクチュエータにある。
【００１０】
本発明の第５の態様は、第１から４のいずれかの態様において、前記圧電素子の変位量を規制する規制部材が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータにある。
【００１１】
本発明の第６の態様は、第１から５のいずれかの態様において、前記回転体に設けられたカムと、前記カムの動きに連動し直動動作する移動体を有することを特徴とする圧電アクチュエータにある。
【００１２】
本発明の第７の態様は、第１から６のいずれかの態様における圧電アクチュエータを備えた電子機器にある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回転体もしくは固定部材に固定した圧電素子の変形の特定成分を回転体に伝え、回転体の回転動作が実現でき、回転体自体の慣性力を駆動力に使えるため大きな発生力が得られる。この様な原理を用いることで、電磁型のモータや共振を用いた例えば超音波モータよりも消費電流を抑えられるとともに、停止時は全く電力を消費しない。そして、圧電素子には屈曲変形をするものを用いることにより、大きな圧電素子の変形が得られ、低電圧での駆動が可能となる。また、圧電定数が大きなせん断変形用圧電素子を用いることにより、低電圧で大きな駆動力を得ることができるだけでなく、高い周波数まで駆動でき回転体の高速動作が実現できる。
【００１４】
そして、これら圧電素子の変位量を規制する規制部材を設けることで、落下や振動等によって発生する圧電素子の大変形、強いては破壊を防止することができる。
【００１５】
また回転体に設けられたカムと、カムの動きに連動し直動動作する移動体を有する機構とすれば移動体の直動動作が可能となるため、例えばレンズを移動体とすることによりカメラのオートフォーカス機構やズーム機構が極めて小型な構成で実現できる。そしてこのようなカムを使用する構成により小さな電力で重い移動体を稼働できるばかりでなく、保持力も大きく落下や振動等が生じた際にも移動体の位置ずれが生じにくい。
【００１６】
この様に本発明の圧電アクチュエータを電子機器の駆動源に用いることにより駆動回路の小型・簡素化、電子機器の小型化、低消費電力化、信頼性の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明では回転体と、一端が固定部材に固定され、他端が回転体に接する様に配置された圧電素子とからなり、圧電素子の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と第二の方向の変位の加速度もしくは速度とが異なるような変形を圧電素子にさせることで、圧電素子一方の変位成分だけを回転体に伝え、回転体を駆動する。
【００１８】
また、別な例として回転体と、一端が回転体に固定され、他端が固定部材に接する様に配置された圧電素子とからなり、圧電素子の第一の方向の変位の加速度もしくは速度と第二の方向の変位の加速度もしくは速度とが異なるように変形させることで、圧電素子の一方の変位成分だけを固定部材に伝え、回転体を駆動する。
【００１９】
ここで特に圧電素子には屈曲変形をするものか、せん断変形するものを用いる。そして、圧電素子の変位量を規制する規制部材を設けることで、耐衝撃性を向上させる。
また、回転体に設けられたカムと、カムの動きに連動し直動動作する移動体を有する構造とすることで、移動体の直動動作が可能となる。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態について、図面を基に説明する。図１は本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータ10の構成を示した図である。固定板４には圧電素子で構成されるバイモルフ１ａ、1ｂの一端が固定されている。円筒形状の回転体3の内周部は固定板4の厚み方向に設けられた段部４ａで回転可能に案内されている。ここで、図示しないが加圧ばね等によって回転体3をバイモルフ１ａ、1ｂの他端に加圧接触させ、両者の間に適度な摩擦力を確保する。
【００２０】
次に、本発明の圧電アクチュエータ10の駆動原理について、図２、図３を用いて説明する。図３で、バイモルフ素子1は例えば、回転体３の径方向と直交する接線方向（図中矢印の方向）に分極処理された圧電素子６ａ、6ｂを重ねて接合し構成されている。圧電素子６ａ、6ｂの接合面と他方の面には、圧電素子６ａの他方の面側から順に電極５ａ、5ｂ、5ｃが設けられている。ここで電極5ｂをＧＮＤとし、電極５ａ、5ｃを短絡し、図示していない駆動回路により電圧を印可すると一方の圧電素子は伸び、一方の圧電素子は縮む為、バイモルフ素子1は全体として屈曲変位を示す。そして、電圧の極性を変えると変形の方向も逆になる。ここで図３（ｂ）の様に、駆動信号を交番電圧とするとともに電圧を上げる際のスピードと下げる際のスピードを変えると、バイモルフ素子1の変形のスピードも、変形する方向である第一の方向と、第一の方向と逆方向である第二の方向とによって異なる。
【００２１】
例えば図３（ａ）に示した駆動信号をバイモルフ素子１に加える。バイモルフ素子１は圧電素子５の先端に耐摩耗性に優れた樹脂やセラミクスからなる摩擦材２を接合することで、耐久性を向上させる。このバイモルフ素子1の変形によって摩擦材2と接する回転体３も移動するが、バイモルフ素子１の変形のスピードが速い場合には回転体３と摩擦材２の間には滑りが生じ、回転体３の移動量は極めて小さいか、動かない。図２（ａ）の状態から図２（ｂ）の状態に、急速にバイモルフ素子1を変形させた後、その際の変形の速度よりもゆっくりと図２（ａ）の状態に戻し、可能であれば、そこで急に停止させれば、図２のＣＷ方向に回転体を回転させることができる。回転体３の大きな慣性力を利用するにあたり、バイモルフ素子1の変位を急激に途中で止める為に、例えば図３（ｃ）の駆動信号を印加しても構わない。また、図３（ｄ）の様に、図３（ａ）の駆動信号に対して電圧を上げる際のスピードと下げる際のスピードを逆にすると回転体3の回転方向も逆（ＣＣＷ方向）となる。
【００２２】
この様に、バイモルフ素子1の第一の方向の変形により生じる回転体３の移動量と、第二の方向（第一の方向と逆方向）により生じる回転体３の移動量に差を持たせるような駆動信号であれば、図３に示したものに限らない。要求される出力仕様や回路構成に応じて適当なものを採用すれば良い。またバイモルフ素子１の代わりに圧電素子と金属等の弾性部材を用いてユニモルフを構成したものを用いても構わない。そして、バイモルフ素子１の個数は限定しない。
【００２３】
また、本実施の形態において、圧電素子は回転体の径方向と直交する接線方向に分極処理されているが、分極方向や電圧のかけ方は異なっていたとしても、結果として回転体の径方向と直交する接線方向に変形を発生させる構成であれば良い。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２を図面に基づいて説明する。図４は本発明の実施の形態２にかかわる圧電アクチュエータ２０の構成を示したものである。基本的な圧電アクチュエータ２０の構成は、実施の形態１に示したものと同じであるので、相違点のみを説明する。
【００２４】
図４において、圧電素子で構成されるバイモルフ素子１ａ、1ｂの一端は、回転体7の側面に設けられた支持部７ａ、7ｂに固定されている。円筒形状の回転体７の内周部は、固定板4の厚み方向に設けられた段部４ａで回転可能に案内されている。バイモルフ素子１ａ、１ｂの他端は、固定板４と接しており実施の形態１と同様に駆動させることにより、回転体7が回転する。即ち、バイモルフ素子1の第一の方向の変形を急激にし固定板４との間に出来るだけ滑りを生じさせ、第二の方向（第一の方向と逆方向）の変形を緩やかにすることでバイモルフ素子１の他端と固定板４の間には滑りをなるべく生じさせずに回転体７を移動させる。
【００２５】
ところで、回転体７の側面には規制部材７ｃ、７ｄが設けられており、この規制部材７ｃ、7ｄの溝部にバイモルフ素子１は収まっている。この規制部材７ｃ、7ｄはバイモルフ素子1の変形量を規制するものであり、駆動信号による変形量よりも大きく破壊に至る変形量よりは小さい隙間となっている。従って、規制部材７ｃ、7ｄの溝部は通常の動作においては何ら影響を与えないが、落下や外部の振動時に発生するバイモルフ素子の変形を規制し、これらによって破壊されない信頼性の高い圧電アクチュエータ２０が実現される。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について、図面を基に説明する。図５は、本発明の実施の形態３の圧電アクチュエータ３０の構成の一部を示した図である。基本的には実施の形態２の構成と同じ為、相違点、即ち回転体８と圧電素子９の関係並びに圧電素子の動作についてのみ述べる。円筒形状の回転体８の下面には、圧電素子９ａ，９ｂの一端が固定されている。回転体８の内周部は、図示しない固定板４の厚み方向に設けられた段部４ａで回転可能に案内されている。ここで、図示しないが加圧ばね等によって回転体８を固定板４に加圧接触させ、両者の間に適度な摩擦力を確保する。
【００２６】
次に、本発明の圧電アクチュエータ３0の駆動原理について、回転体８を圧電素子９ａ，９ｂ側から見た図６を用いて説明する。圧電素子９は回転体８の径方向と直交する接線方向で、図５（ａ）において矢印で示される方向に分極処理されている。圧電素子９ａ，９ｂの回転体８と反対側の面及び回転体８側の面には、それぞれ電極１２ａ，１２ｂ及び１２ｃ，１２ｄが設けられており、図示していない駆動回路によって、それぞれ回転体８と反対側の面、回転体８側の面の電極の間に電圧を印加することにより、圧電素子９ａ，９ｂはせん断変形する。ここで電極１２ｂ，１２ｄをＧＮＤとし、電極１２ａ，１２ｃに電圧を印可すると圧電素子９ａ，９ｂは図６（ｂ）に示す様に変形する。従って、図６（ａ）の状態から図６（ｂ）の状態への圧電素子９ａ，９ｂの変形のスピードと図６（ｂ）の状態から図６（ａ）の状態への圧電素子９ａ，９ｂの変形のスピードを異ならせ、この二つの状態を交互に連続して行わせることにより、実施の形態２に示した原理に基づき回転体８は回転する。
【００２７】
ここで圧電素子９ａ，９ｂに加える駆動信号の形態としては、図３に示したものと同様のものでも構わないが、その限りではない。即ち、圧電素子９ａ，９ｂの第一の方向の変形の加速度と第二の方向(逆方向)の変形の加速度とが異なるような駆動信号を印加すればよく、必要な回転体８のスピード等の出力特性に応じて最適化すればよい。また、回転体８を逆転させる際には、正転時の第一の方向の変形の加速度と第二の方向(逆方向)の変形の加速度の関係が逆になるような駆動信号を印加すればよい。言い換えれば、圧電素子９の第一の方向の変形により生じる回転体８の移動量と、第二の方向（第一の方向と逆方向）により生じる回転体８の移動量に、差を持たせるように圧電素子９を変形させれば、その方法に限定を与えるものではない。また、圧電素子９は固定板４側に固定しても良い。
【００２８】
また、本実施の形態において、圧電素子は回転体の径方向と直交する接線方向に分極処理されているが、分極方向や電圧のかけ方は異なっていたとしても、結果として回転体の径方向と直交する接線方向に変形を発生させる構成であれば良い。
（実施の形態４）
本実施の形態は、本発明の圧電アクチュエータを電子機器の駆動源に適用した例を示すものである。移動体に設けたピンが、圧電アクチュエータの回転体に設けた溝に係合する構成とすることにより、回転体が回転すると移動体が上下に移動することが出来る。従って例えば移動体をレンズとすれば、カメラのズーム機構やオートフォーカス機構等が実現できる。
【００２９】
図７は、実施の形態１で示した圧電アクチュエータ１０を用いた例である。回転体３の側面には、周方向に対して傾斜した溝(カム)３ａが設けられている。回転体３の内周部には移動体１３が配置され、移動体１３の側面にはピン１４が接続されている。ピン１４は図示しない案内溝によって移動体１３の厚み方向(図中矢印方向)にのみ移動可能に案内されているとともに回転体３の溝（カム）３ａに係合しているため回転体３の回転動作に伴って図中矢印方向に移動可能となる。
【００３０】
ここでは、実施の形態１の圧電アクチュエータ１０を用いた例について示したが、圧電アクチュエータは本発明の原理に基づくものであれば、その形態にこだわらない。また、実施の形態２に示した構造を組み合わせることにより、信頼性の高い電子機器が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の圧電アクチュエータの移動体を例えばレンズとすれば、カメラのズーム機構、オートフォーカス機構等の電子機器へ応用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータの圧電素子の動作の様子を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータの駆動信号の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかわる圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかわる圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態３にかかわる圧電アクチュエータの駆動原理を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１から３にかかわる圧電アクチュエータを電子機器に応用した例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
３，７，８  回転体
４  固定板
１３  移動体
１４  ピン
６，９  圧電素子
５，１２  電極
【図１】
2005130637.tif 000003
【図２】
2005130637.tif 000004
【図３】
2005130637.tif 000005
【図４】
2005130637.tif 000006
【図５】
2005130637.tif 000007
【図６】
2005130637.tif 000008
【図７】
2005130637.tif 000009