(57)【要約】【課題】  圧電素子の変形によりそれと接する回転体を摩擦駆動す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】  固定部材３には圧電素子１ａ，１ｂで構成されるバイモルフ素子１の一端が固定され、バイモルフ１ａ，１ｂの他端に円板形状の回転体２を加圧接触させる。バイモルフ素子１は、回転体２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１ａ，１ｂ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２に一方向だけの変位を伝え、回転体２を駆動する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体と、圧電素子と、前記圧電素子を固定する固定部材と、前記固定部材に加圧力を働かせ前記移動体と前記圧電素子もしくは前記圧電素子に設けられた摩擦部材との間に接触圧を働かせる加圧部材からなり、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ように変位させることで前記移動体を駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記固定部材は回転可能に支持されるとともに、前記加圧部材の加圧力が働く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３】
前記固定部材は前記移動体と前記圧電素子もしくは前記摩擦部材との間の接触圧方向に移動可能に案内されると共に、前記加圧部材の加圧力が働く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】
前記固定部材は前記圧電素子の一部であることを特徴とする請求項1から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、前記移動体の駆動と連動して回転する出力軸と、前記出力軸の回転に連動して前記出力軸の回転中心軸方向に移動する移動体を有することを特徴とする駆動機構。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータの移動体の移動により稼動部材が稼動されることを特徴とする電子機器。
【請求項７】
請求項５記載の駆動機構の駆動体により稼動部材が稼動されることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の変位の速度もしくは加速度を変え、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れを用いた電子機器に関する。
【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まった。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、その発生力は小さいと共に、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ために、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、機器に塔載することへの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、回転体と、圧電素子と、前記圧電素子を固定する固定部材と、前記固定部材に加圧力を働かせ前記回転体と前記圧電素子もしくは前記圧電素子に設けられた摩擦部材との間に接触圧を働かせる加圧部材からなり、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ように変位させることで前記回転体を駆動する圧電アクチュエータにある。
【０００７】
本発明の第２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、他端もしくは他端に設けられた摩擦部材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、前記固定部材に加圧力を働かせ前記回転体と前記圧電素子もしくは前記圧電素子に設けられた摩擦部材との間に接触圧を働かせる加圧部材と、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。
【０００８】
本発明の第３の態様は、第１または２の態様において、前記固定部材は前記回転体の径方向の面内で回転可能に支持されるとともに、前記加圧部材の加圧力が働く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、前記固定部材は前記回転体の径方向に移動可能に案内されると共に、前記加圧部材の加圧力が働く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ける圧電アクチュエータと、前記回転体の回転と連動して回転する出力軸と、前記出力軸の回転に連動して前記出力軸の回転中心軸方向に移動する移動体を有することを特徴とする駆動機構にある。
【００１１】
本発明の第６の態様は、第１から４のいずれかの態様における圧電アクチュエータの回転体の回転により稼動部材が稼動されることを特徴とする電子機器にある。
【００１２】
本発明の第７の態様は、第５の態様における駆動機構の移動体により稼動部材が稼動される電子機器にある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、圧電素子を非共振状態で駆動できるため、消費電流が小さく、また駆動回路が小さな回転型の圧電アクチュエータが実現できる。しかも支持機構、加圧機構が単純で小型化が容易なため、アクチュエータ全体を小型化し易い。そして回転体の外形を変えるだけで、出力特性（回転数、トルク）を任意に設定できる。
【００１４】
また回転体の回転に連動して回転する出力軸と、出力軸の回転に連動して出力軸の回転中心軸方向に移動する移動体を有する駆動機構とすることで、リニヤ駆動が実現できると共に、大きな発生力が出力可能となる。そして落下等の衝撃や振動等が加わっても動作しない大きな保持力を有することが可能となる。
【００１５】
そして、これらの回転体の回転により稼動部材を稼動するか、駆動機構の移動体により稼動部材を稼動することで、電子機器の小型化、低消費電力化が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
そこで、本発明の圧電アクチュエータは回転体と、一端が固定部材に固定され、他端が回転体の径方向の延長上に位置する側面に接する様に配置された圧電素子と、圧電素子に回転体との間に接触圧を働かせる加圧部材からなり、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位させることで回転体を駆動する。
【００１７】
ここで固定部材は、回転体の径方向の面内で回転可能に支持されると共に、加圧部材の加圧力が働くようにする。もしくは、固定部材は回転体の径方向に移動可能に案内されると共に、加圧部材の加圧力が働くようにする。
【００１８】
また、回転体の回転と一体的に回転する出力軸と、出力軸の回転に連動して出力軸の回転中心軸方向に移動する移動体を有する駆動機構とする。
【００１９】
そして、これらの回転体の回転により稼動部材を稼動するか、駆動機構の移動体により稼動部材が稼動されるようにした電子機器とする。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。図１は、本発明の実施の形態１の圧電アクチュエータ１００の構成を示した図である。固定部材３には、圧電素子で構成されるバイモルフ１の一端が固定されている。移動体となる円板形状の回転体２は中心軸２aを有し、図示しない軸受けによって回転可能に支持されている。固定部材３の一端には穴を有する軸受け部３ａが設けられており、図示しない軸を中心に回転可能に支持されている。固体部材３の他端３ｂを板ばねからなる加圧部材４によって圧電素子１と回転体２は加圧接触している。尚、図１に示した様に、圧電素子１の回転体３の接触部には、耐磨耗性に優れたエンジニヤリングプラスチックやアルミナ等のエンジニヤリングセラミクス等の摩擦部材５を接合しても良い。
【００２０】
次に本発明の圧電アクチュエータ１００の駆動原理について、図１、図２を用いて説明する。圧電素子からなるバイモルフ1は例えば、回転体２の径方向と直交する接線方向（
図２中矢印の方向）に分極処理された圧電素子１ａ、１ｂを重ねて接合し構成されている。圧電素子１ａ、１ｂの接合面と他方の面には図示しない電極が設けられている。ここで、圧電素子１a、１ｂの接合面にある電極に接続したリード２ｂをＧＮＤとし、圧電素子１a、１ｂの他の面にある電極を短絡するリード２ａに、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、圧電素子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１(ｂ)の状態から図１（ｃ）状態に急速に変形させる動作と、図1（ｃ）の状態から図１（ｂ）の状態へ緩やかに変形させる行為を交互に行えば、前者の動作では回転体２と圧電素子１の間には滑りが生じ、後者の動作では圧電素子１の変形に伴い回転体２も回転するため回転体は一方向に移動する。実際には、両者の動作において滑りと移動が共存していても、その割合が異なれば結果として一方向に回転体２を移動させることが出来る。
【００２１】
この様な駆動を圧電素子１にさせるためには、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ことで、圧電素子1の変形の速度、加速度は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。例えば、リード２ａ、２ｂの間に、図２（ｂ）もしくは図２（ｃ）に示した駆動信号を加えることで、回転体２の回転方向を変えることが出来る。ここでは＋極性だけの駆動信号を印加したが、＋，−極性を交互に繰り返す駆動信号を印加しても良い。この場合、圧電素子１は図１（ａ）の状態を中心として左右に振れる変位となる為、大きな変位が得られる。
【００２２】
この様に、圧電素子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。本実施の形態のように、圧電素子１の屈曲変形を利用することで大きな変位が得られる為、低電圧で駆動できる。
【００２３】
また、支持方法は本実施の形態のものに限るものではなく、以下に示す他の実施の形態の支持方法を用いても構わない。
【００２４】
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３を図面に基づいて説明する。図３は、本発明の実施の形態２の圧電アクチュエータ２００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２００
の構成は、実施の形態１に示したものと同様であるので、相違点のみを説明する。
【００２５】
図３において、圧電素子６の一端は固定部材８の一端８ａに固定されている。円板形状の回転体７は中心軸７aを有し、図示しない軸受けによって回転可能に支持されている。
固定部材８は案内部材９ａ、９ｂに案内され、回転体７の径方向にのみ移動可能に支持されている。固定部材８の他端８ｂを、コイルばねからなる加圧部材１０によって加圧することにより、圧電素子６と回転体７は加圧接触している。尚、図３に示した様に、圧電素子６の回転体７との接触部には、耐磨耗性に優れたエンジニヤリングプラスチックやアルミナ等のエンジニヤリングセラミクス等の摩擦部材１１を接合しても良い。
【００２６】
次に本発明の圧電アクチュエータ２００の駆動原理について、図３、図４を用いて説明する。圧電素子６は、例えば、回転体２の径方向（図４中矢印の方向）に分極処理されている。圧電素子６の分極方向と直交する方向と直交する面に設けられた図示しない電極に、リード１２ａ、１２ｂを通じて、図示していない駆動回路により電圧を印加することで、圧電素子６はせん断変形する。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)の状態から（ｃ）状態に急速に変形させる動作と、図３（ｃ）の状態から（ｂ）の状態へ緩やかに変形させる行為を交互に行えば、前者の動作では回転体７と圧電素子６の間には滑りが生じ、後者の動作では圧電素子６の変形に伴い回転体７も回転するため回転体は一方向に移動する。実際には、両者の動作において滑りと移動が共存していても、その割合が異なれば結果として一方向に回転体７を移動させることが出来る。
【００２７】
この様な駆動を圧電素子６にさせるためには、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ことで、圧電素子６の変形の速度、加速度は、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。例えば、リード１２ａ、１２ｂの間に図４（ａ）もしくは図４（ｂ）に示した駆動信号を加えることで、回転体７の回転方向を変えることが出来る。
【００２８】
この様に、圧電素子６の第一の方向の変形により生じる回転体７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７の移動量に、差を持たせるような駆動信号であれば図４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。本実施の形態のように、圧電素子６のせん断変形を利用することで大きな発生力が得られると共に、高い周波数で駆動が可能な為、大きなトルク、速度を発生できる。
【００２９】
また、支持方法は本実施の形態のものに限るものではなく、本発明にかかわる他の実施の形態の支持方法を用いても構わない。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３を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３００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３００の構成は、実施の形態１に示したものと同様であるので、相違点のみを説明する。
【００３０】
図５において、圧電素子１３の一端は固定部材１４に固定されている。円板形状の回転体１５は中心軸１５aを有し、図示しない軸受けによって回転可能に支持されている。固定部材１４の一端には穴を有する軸受け部１４ａが設けられており、図示しない軸を中心によって回転可能に支持されている。固体部材１４の他端１４ｂを、板ばねからなる加圧部材１６によって、圧電素子１３と回転体１５は加圧接触している。尚、図５に示した様に、圧電素子１３の回転体１５との接触部には、耐磨耗性に優れたエンジニヤリングプラスチックやアルミナ等のエンジニヤリングセラミクス等の摩擦部材１７を接合しても良い。
【００３１】
次に、本発明の圧電アクチュエータ３００の駆動原理について、図６を用いて説明する。圧電素子１３は例えば、回転体１５の径方向と直交する接線方向（図６中矢印の方向）に分極処理されている。圧電素子１３に、図示していない駆動回路により電圧を印加すると、圧電素子１３は伸縮変形する。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６(ａ)の状態から図６（ｂ）状態に急速に変形させる動作と、図６（ｂ）の状態から図６（ａ）の状態へ緩やかに変形させる行為を交互に行えば、前者の動作では回転体１５と圧電素子１３の間には滑りが生じ、後者の動作では圧電素子１３の変形に伴い回転体１５も回転するため回転体は一方向に移動する。実際には、両者の動作において滑りと移動が共存していても、その割合が異なれば、結果として一方向に回転体１５を移動させることが出来る。
【００３２】
この様な駆動を圧電素子１３にさせるためには、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ことで、圧電素子１３の変形の速度、加速度は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。基本的には実施の形態１や２に示したものと同様で良い。
【００３３】
本実施の形態のように、圧電素子１３の伸縮変形を利用することで大きな発生力が得られるとともに、屈曲変位を利用したものに比べ高い周波数で駆動できる為、大きなトルク、速度が得られる。
【００３４】
また、支持方法は本実施の形態のものに限るものではなく、本発明にかかわる他の実施の形態の支持方法を用いても構わない。
（実施の形態４）
次に、本発明の圧電アクチュエータを電子機器に応用した例について、図７を用いて説明する。
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。駆動源は、回転体２０と、これと図示しない加圧機構により加圧接触する圧電素子１８と、圧電素子１８を支持する固定部材１９と、回転体２０の回転中心軸上に設けられ回転体２０と一体的に回転する出力軸２１と、出力軸２１並びに回転体２０の回転を回転体２０、出力軸と一体的に設けられた軸部２１ａ，２１ｂと勘合して案内する軸受け２２，２３と、出力軸２１の側面に設けられた、おねじ部２１ｃと係合する、雌ねじ部２３ａを有する移動体２３と、移動体２３に設けられた穴状の案内部２３ｂと係合する案内軸２５とからなる。
【００３５】
圧電素子１８の動作に伴い回転体２０が回転すると出力軸２１も一体に回転し、移動体２３は出力軸２１の回転中心軸方向へ稼動する。回転体２０の回転方向を変えることで移動体２３の稼動方向は変わる。この様に、回転部の慣性モーメントは回転体２０と出力軸２１の慣性モーメントの和となり、大きなものとなる為、圧電素子の変形が終了してもこの慣性を利用して大きな出力が得られる。
【００３６】
従って、例えば移動体２３に設けられた穴部２３ｃに接合された稼動体２４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。このような構造とすることで、回転体２０の移動角に対して移動体２３の移動量が小さい減速機構となる為、高精度な位置決めが可能となると共に、外部からの衝撃や振動に対しても移動体２３は動きにくい信頼性の高い電子機器が実現できる。
【００３７】
このように、回転体２０と一体的に出力軸２１を回転させることにより、バックラッシュがなく高精度な位置決めが可能となるが、大きな出力を取り出すために回転体２０と出力軸２１の間にギヤ等の減速機構としても良い。
【００３８】
ところで、圧電素子１８は、本発明にかかわる実施の形態１〜３の動作原理に基づくものであれば、その形態は問わない。
（実施の形態５）
次に、本発明の圧電アクチュエータをリニヤ型圧電アクチュエータとして用いた例について、図８を用いて説明する。
本実施の形態は、リニヤ型の圧電アクチュエータの構成例を示すものである。移動体として実施の形態1から４に示した回転体の代わりに矢印３０の方向に直動運動する移動体28を用いる。移動体２８はローラー部材２９によって矢印３０の方向にのみ移動可能に案内されている。圧電素子２５の一端には摩擦部材２９が設けられており、加圧部材２７の加圧力を受け移動体２８と接触する。圧電素子の未分極部２５aは案内部材２６で案内され、この接触圧方向にのみ移動可能に案内されている。
ところで、圧電素子２８は、本発明にかかわる実施の形態１〜３の動作原理に基づくものであれば、その形態は問わない。そしてこのような形態の圧電素子２５を用いることにより移動体２８は矢印３０の方向に移動できる。ここで圧電素子２５の未分極部２５aを固定部材とすることで部品個数の低減のみならず圧電アクチュエータの小型化が可能となる。
ところで、未分極部でなくても例えば駆動信号が印加されない部分のように圧電素子の変位が生じない部分であれば圧電素子の案内や加圧に影響を与えないため固定部材として扱って構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
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】
【００４０】
【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構成並びに駆動信号を示す図である。
【図３】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駆動信号を示す図である。
【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。
【図８】本発明の圧電アクチュエータをリニヤ型圧電アクチュエータとして用いた例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
２，７，１５、２８  移動体
３，８，１４  固定部材
２３  駆動体
２４  稼動部材
４，１０，１６  加圧部材
１，６，１３  圧電素子
【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】
2005210888.tif 000007
【図６】
2005210888.tif 000008
【図７】
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【図８】
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