(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電素子の破損を防止しながら、大出力化することが可能な圧電アクチュエータ及びその駆動装置を提供する。【解決手段】圧電アクチュエータは、回転体と当接する部位を運動させて回転体を回転させる圧電素子と、圧電素子に電力を送出する駆動回路と、を備える。駆動回路は、第１の周波数の交流成分を含む駆動電圧を生成する駆動電圧生成回路５１と、インダクタ５２Ｌとコンデンサ５２Ｃとの作用によって第１の周波数よりも高い第２の周波数の駆動電圧を遮断するフィルタ回路５２と、フィルタ回路の出力側に圧電素子と並列接続するように設けられ、駆動電圧が、圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電する保護回路５３と、を備える。【選択図】図７
2016220330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、
前記回転体と当接する部位を運動させて、前記回転体を回転させる圧電素子と、
前記圧電素子に電力を送出する駆動回路と、を備える圧電アクチュエータであって、
前記駆動回路は、
第１の周波数の交流成分を含む駆動電圧を生成する駆動電圧生成回路と、
前記駆動電圧生成回路の出力側と前記圧電素子との間に直列接続するインダクタと、前記駆動電圧生成回路の出力側において前記圧電素子と並列接続するコンデンサとを有し、前記インダクタと前記コンデンサの作用によって前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の駆動電圧を遮断するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の出力側に前記圧電素子と並列接続するように設けられ、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電し、当該超えた駆動電圧を遮断して前記圧電素子に一定の範囲内の駆動電圧を印加する保護回路と、
を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動電圧生成回路は、前記所定の周波数の交流成分に直流成分が重畳された駆動電圧を生成する
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】
前記圧電素子は、厚さが０．０５μｍ以上２０μｍ以下の圧電体を有する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記駆動回路は、複数の前記圧電素子を直列接続して圧電素子列を構成する
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記保護回路は、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電するツェナーダイオード素子を備える
ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記保護回路は、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電するバリスタ素子を備える
ことを特徴とする請求項１乃至５いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記保護回路は、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合、スイッチング回路を動作させて通電させる比較回路を備える
ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
回転体と、前記回転体と当接する部位を運動させて前記回転体を回転させる圧電素子と、を備える圧電アクチュエータを駆動する駆動装置であって、
前記圧電素子に電力を送出する駆動回路は、
第１の周波数の交流成分を含む駆動電圧を生成する駆動電圧生成回路と、
前記駆動電圧生成回路の出力側と前記圧電素子との間に直列接続するインダクタと、前記駆動電圧生成回路の出力側において前記圧電素子と並列接続するコンデンサとを有し、前記インダクタと前記コンデンサの作用によって前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の駆動電圧を遮断するフィルタ回路と、
前記フィルタ回路の出力側に前記圧電素子と並列接続するように設けられ、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電し、当該超えた駆動電圧を遮断して前記圧電素子に一定の範囲内の駆動電圧を印加する保護回路と、
を備えることを特徴とする駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ、及び圧電アクチュエータの駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体に電圧を印加した際に生ずる歪み（逆圧電効果）を利用することで、電気的エネルギーから機械的エネルギーを生成する圧電アクチュエータが知られている。圧電アクチュエータを安定して動作させるためには、安定した電界強度が圧電体に与えられる必要があり、そのためには、圧電素子に歪みの少ない正弦波の電圧を印加し、歪みの少ない電流を通流させることが求められる（特許文献１を参照）。特許文献１には、圧電素子に電力を送出する駆動回路に、ＬＣフィルタを設けることによって、被動作対象物を押圧する際に正圧電効果により生ずる、逆起電力の問題（電流の高調波歪み）を解消できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２２３３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、圧電アクチュエータの大出力化（機械的エネルギーの大出力化を意味する。以下同じ。）が求められるケースが多くなっている。しかし、圧電アクチュエータを大出力化した場合、誘電損失や弾性損失によって圧電素子が発熱し、圧電素子の静電容量が変動（特に、大きくなる）することが分かってきた。加えて、圧電アクチュエータを大出力化した場合、被動作対象物との間の衝突によって機械的な振動が生じ、等価抵抗成分（仕事量や損失）が変動したり、駆動電圧にうねり振動が生ずる場合もある。
【０００５】
特許文献１のＬＣフィルタは、圧電アクチュエータの出力が小さい間は有効に働くが、出力を大きくなるに従って、上記の現象によってフィルタ特性（伝達関数）が変化したり、うねり振動が発生する傾向があり、電圧の変動に追従しきれず、目標とする駆動電圧に対して過大な電圧が発生してしまう場合ある。特に、薄型化した圧電体は、バルク状の圧電体と比較して、耐電圧が小さく引張強度も弱いため、駆動電圧が一定範囲から逸脱すると、圧電素子の破損が頻発する。
【０００６】
そこで、本発明は、圧電素子の破損を防止しながら、大出力化することが可能な圧電アクチュエータ及びその駆動装置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】
【０００７】
前述した課題を解決する主たる本発明は、回転体と、前記回転体と当接する部位を運動させて、前記回転体を回転させる圧電素子と、前記圧電素子に電力を送出する駆動回路と、を備える圧電アクチュエータであって、前記駆動回路は、所定の周波数の交流成分を含む駆動電圧を生成する駆動電圧生成回路と、前記駆動電圧生成回路の出力側と直列接続するインダクタと、前記駆動電圧生成回路の出力側と並列接続するコンデンサとを有し、前記インダクタと前記コンデンサの作用によって前記所定の周波数よりも高い周波数の駆動電圧を遮断するフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力側に前記圧電素子と並列接続するように設けられ、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電し、当該超えた駆動電圧を遮断して前記圧電素子に一定の駆動電圧を印加する保護回路と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータである。本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態における圧電アクチュエータの全体構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態における圧電アクチュエータの動作を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態における圧電素子の構成を示す平面図である。
【図４】本発明の第１実施形態における圧電素子の構成を示す側面図である。
【図５】本発明の第１実施形態における圧電素子の構成を示す側面図である。
【図６】本発明の第１実施形態における振動板の振動状態を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態における圧電アクチュエータの駆動回路を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態における駆動電圧生成回路の生成する駆動電圧を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態における駆動電流の波形を示す図である。
【図１０】本発明の第１実施形態におけるフィルタ回路の動作を示すための表である。
【図１１】圧電アクチュエータを大出力した際に生ずる駆動電圧の変動状態を示す図である。
【図１２】圧電アクチュエータを大出力した際に生ずる駆動電圧の変動状態を示す図である。
【図１３】本発明の第１実施形態における保護回路が動作した場合における、印加電圧の波形を示す図である。
【図１４】本発明の第２実施形態における圧電アクチュエータの駆動回路を示す図である。
【図１５】本発明の第３実施形態における圧電アクチュエータの駆動回路を示す図である。
【図１６】複数の圧電素子を直列接続した際に生ずる駆動電圧の変動状態を示す図である。
【図１７】本発明の第４実施形態における圧電アクチュエータの全体構成を示す図である。
【図１８】本発明の第４実施形態における圧電アクチュエータの全体構成を示す図である。
【図１９】本発明の第５実施形態における圧電アクチュエータの全体構成を示す図である。
【図２０】本発明の第５実施形態における圧電アクチュエータの全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。
【００１０】
回転体と、前記回転体と当接する部位を運動させて、前記回転体を回転させる圧電素子と、前記圧電素子に電力を送出する駆動回路と、を備える圧電アクチュエータであって、前記駆動回路は、第１の周波数の交流成分を含む駆動電圧を生成する駆動電圧生成回路と、前記駆動電圧生成回路の出力側と前記圧電素子との間に直列接続するインダクタと、前記駆動電圧生成回路の出力側において前記圧電素子と並列接続するコンデンサとを有し、前記インダクタと前記コンデンサの作用によって前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の駆動電圧を遮断するフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力側に前記圧電素子と並列接続するように設けられ、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電し、当該超えた駆動電圧を遮断して前記圧電素子に一定の範囲内の駆動電圧を印加する保護回路と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータが明らかとなる。この圧電アクチュエータによれば、大出力化した場合も、保護回路によって、圧電素子に対して所定範囲を超える電圧が印加されることを防止できるとともに、駆動電圧を正弦波波形に近い形に維持し、安定した動作を継続することができる。特に、フィルタ回路（ＬＣフィルタ）の駆動電流の高調波歪みを抑制する作用、及び、回転体の回転速度を安定化させる作用を保持することができるため、大出力時においても、安定して動作することができる。
【００１１】
又、前記駆動電圧生成回路は、前記所定の周波数の交流成分に直流成分が重畳された駆動電圧を生成することが望ましい。この圧電アクチュエータによれば、圧電素子に対して逆電圧が印加されることを防止することができる。
【００１２】
又、前記圧電素子は、厚さが０．０５μｍ以上２０μｍ以下の圧電体を有することが望ましい。この圧電アクチュエータによれば、機械的エネルギーの大出力化や高精度な制御が可能となる。
【００１３】
又、前記駆動回路は、複数の前記圧電素子を直列接続して圧電素子列を構成することが望ましい。この圧電アクチュエータによれば、駆動電流を抑制し、消費電力を低減することができる。
【００１４】
又、前記保護回路は、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電するツェナーダイオード素子を備えることが望ましい。又、ツェナーダイオード素子を用いて保護回路５３を構成しているため、１個の素子（複数の圧電素子夫々と並列接続するようにツェナーダイオード素子を設ける場合でも、当該複数の圧電素子に対応する個数の素子）のみで、保護回路５３を形成することが可能であり、圧電アクチュエータの小型化を図ることもできる。
【００１５】
又、前記保護回路は、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電するバリスタ素子を備えることが望ましい。
【００１６】
又、前記保護回路は、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合、スイッチング回路を動作させて通電させる比較回路を備えることが望ましい。比較回路を用いた場合、基準電圧を容易に変更することができる。そのため、例えば、圧電アクチュエータを駆動する際の直列接続する圧電素子の数に応じて、当該圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を適宜設定変更することができる。
【００１７】
又、回転体と、前記回転体と当接する部位を運動させて前記回転体を回転させる圧電素子と、を備える圧電アクチュエータを駆動する駆動装置であって、前記圧電素子に電力を送出する駆動回路は、第１の周波数の交流成分を含む駆動電圧を生成する駆動電圧生成回路と、前記駆動電圧生成回路の出力側と前記圧電素子との間に直列接続するインダクタと、前記駆動電圧生成回路の出力側において並列接続するコンデンサとを有し、前記インダクタと前記コンデンサの作用によって前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の駆動電圧を遮断するフィルタ回路と、前記フィルタ回路の出力側に前記圧電素子と並列接続するように設けられ、駆動電圧が、前記圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を超えた場合に通電し、当該超えた駆動電圧を遮断して前記圧電素子に一定の範囲内の駆動電圧を印加する保護回路と、を備えることを特徴とする駆動装置が明らかとなる。この駆動装置を用いた圧電アクチュエータによれば、大出力化した場合も、保護回路によって、圧電素子に対して所定範囲を超える電圧が印加されることを防止できるとともに、駆動電圧を正弦波波形に近い形に維持し、安定した動作を継続することができる。特に、フィルタ回路（ＬＣフィルタ）の駆動電流の高調波歪みを抑制する作用、及び、回転体の回転速度を安定化させる作用を保持することができるため、大出力時においても、安定して動作することができる。
【００１８】
＝＝＝第１実施形態＝＝＝
＜圧電アクチュエータの基本構成＞
以下、図１、図２を参照して、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１の基本構成の一例を説明する。
【００１９】
図１は、圧電アクチュエータ１の部材を分離して見た全体構成の斜視図である。又、図２は、圧電アクチュエータ１の駆動状態を示す図である。尚、図中において、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、各図面の中で、各部材の位置関係を明確にするために方向を示すものであり、各軸は、互いに直交する。以下、Ｚ軸の向かう方向を上方、Ｘ軸の向かう方向（突起部２１が伸びる方向）を前方、Ｙ軸は横方向として記載する。
【００２０】
本実施形態に係る圧電アクチュエータ１は、圧電素子１０を励振させることによって、圧電素子１０が取り付けられた振動板２０を運動させる装置である。そして、圧電アクチュエータ１は、振動板２０を介して回転体４０に動力を発生させて、圧電モーターを構成している。
【００２１】
圧電アクチュエータ１は、圧電素子１０、振動板２０、支持機構３０、回転体４０、駆動装置５０を備え、圧電素子１０が取り付けられた振動板２０が支持機構３０に支持される構成となっている。そして、圧電アクチュエータ１は、圧電素子１０が、駆動装置５０により制御されて駆動する（駆動装置５０の詳細は後述する）。
【００２２】
圧電素子１０は、圧電体１２が上部電極１３と下部電極１１の間に挟み込まれて形成され、上部電極１３と下部電極１１に周期的な電圧が印加されることにより前後に励振（前後に伸縮することを表す。以下同じ。）する素子である。圧電素子１０は、振動板２０の上面と下面に、基板１４、１４’ を介して、配列するように複数形成されている。そして、複数の圧電素子１０が、振動板２０の配置位置に応じた励振を行うことにより、振動板２０の前方の部位（突起部２１）が楕円運動或いは往復運動を行う（「’」は、下面側の構成を表す。以下同じ。）。
【００２３】
振動板２０は、圧電素子１０と回転体４０の間に介在して、圧電素子１０に生成された機械エネルギー（励振）を、回転体４０に伝達する部材である。振動板２０は、上面と下面に形成された複数の圧電素子１０夫々の励振に連動して動作が可能な部材であり、例えば、シリコン基板やアルミニウム基板により構成される。
【００２４】
振動板２０は、前方の側面に、突起部２１を備え、突起部２１を回転体４０に当接しながら運動することにより、回転体４０に回転力を発生させる（図２を参照）。このとき突起部２１は、例えば、振動板２０が複数の圧電素子１０の励振に連動して屈曲振動、縦振動することにより、楕円運動する。尚、突起部２１は、耐摩耗性に優れたセラミック等により構成される。
【００２５】
又、振動板２０は、横側の両側面に、腕部２２を備え、当該腕部２２が支持機構３０（支持部３１）に支持されている。具体的には、振動板２０は、当該腕部２２が支持機構３０の支持部３１に螺子止めされて、浮遊した状態で支持されている。言い換えると、振動板２０は、両側面の腕部２２を振動の節として運動する。
【００２６】
支持機構３０は、振動板２０が運動し得るように支持する機構である。支持機構３０は、支持部３１と付勢バネ３２を備え、支持部３１が、振動板２０の両側の腕部２２を螺子３３により固定して、振動板２０を支持する。又、支持部３１は、前後にスライド可能な状態で設置されるとともに、付勢バネ３２に前方に付勢されるように設置されている。言い換えると、振動板２０は、突起部２１を回転体４０に押圧させた状態で、支持機構３０に支持されている。
【００２７】
回転体４０は、圧電アクチュエータ１から伝達される動力を受けて回転する円盤状の部材である。回転体４０は、振動板２０の突起部２１と対向する位置に、円盤平面を上方に向けた状態で設置されている。そして、回転体４０は、当該突起部２１が当接しながら楕円運動或いは往復運動することにより、当該回転体４０の円盤側面が一方向に擦り付けられて、水平方向（Ｚ軸回りに）に回転する構成となっている。即ち、圧電アクチュエータ１は、回転体４０に回転力を発生させて、圧電モーターを構成している。
【００２８】
＜圧電素子の構成＞
以下、図３〜図６を参照して、圧電素子１０の詳細な構成について説明する。図３は、圧電素子１０を上方から見た平面図である。又、図４は、図３のＡ−Ａ断面の側面図である。又、図５は、図３のＢ−Ｂ断面の側面図である。又、図６は、圧電素子１０を駆動させたときの振動板２０の振動状態を表す。
【００２９】
本実施形態に係る圧電アクチュエータ１は、振動板２０の上面と下面に配列するように形成された複数の圧電素子１０を備える。尚、図３〜図５中で、圧電素子１０の後のかっこ書きは、圧電素子１０が形成された位置を表す。本実施形態では、圧電素子１０は、夫々同様の構造を有しているため、特に区別しない限り、一の圧電素子１０についてのみ説明する。
【００３０】
圧電素子１０は、下部電極１１、圧電体１２、上部電極１３を備え、基板１４、１４’上に、下部電極１１、圧電体１２、上部電極１３が順に積層されて形成される（図４を参照）。尚、圧電素子１０は、基板１４、１４’を介して振動板２０の上面と下面に形成されている。圧電素子１０は、上面側と下面側とで同様な構成であるため、以下では、振動板２０の上面についてのみ説明する。
【００３１】
基板１４は、圧電素子１０を成膜するための土台であり、振動板２０上に取り付けられて、振動板２０とともに連動して運動する薄板部材である。基板１４は、振動板２０に圧電素子１０の励振を伝達可能であれば、シリコン基板、シリコンカーバイド基板、ガラス基板等の種々の部材を用いることができる。基板１４は、例えば、１０μｍ以上１００μｍ以下の薄膜状に形成され、圧電素子１０を基板１４上に形成した後に振動板２０に接着されて、取り付けられる。
【００３２】
圧電体１２は、薄膜状に形成された圧電セラミックスである。本実施形態に係る圧電体１２は、電界方向に対して垂直な方向へ励振する圧電セラミックスを用いる。そのため、圧電体１２は、圧電セラミックスのうちでも、電界方向に対して垂直な方向への圧電定数が高い部材、例えば、ペロブスカイト構造のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（ＺｒXＴｉ1-X）Ｏ3）がより好適である。
【００３３】
圧電体１２の膜厚は、例えば、０．０５μｍ以上２０μｍ以下とする。圧電体１２を当該膜厚で形成した場合、比較的低い電圧で高い電界強度を与えることができ、かつ、圧電体１２の励振により一定の応力を発生することができる。尚、圧電体１２は、エピタキシャル成長法、ゾルゲル法、ＣＶＤ法等の種々の成膜プロセスにより形成することができる。薄膜状の圧電体（一般的には０．０５μｍ以上２０μｍ以下の圧電体を意味する）は、低電圧で高い電界強度を与えることができるうえ、半導体プロセス（例えば、エピタキシャル成長）によって結晶性が高い圧電体を形成できることから、機械的エネルギーの大出力化や高精度な制御が可能となる。
【００３４】
下部電極１１、上部電極１３は、圧電体１２を間に挟むように形成され、圧電体１２に駆動電圧を印加する電極である。下部電極１１、上部電極１３は、夫々配線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃに接続されて、駆動装置５０から送出される電力を圧電体１２に送電する。下部電極１１、上部電極１３は、例えば、アルミニウム、白金、ニッケル等の電極材料を用いることができる。
【００３５】
圧電素子１０を形成する際は、基板１４上に下部電極１１、圧電体１２、上部電極１３を順に成膜して、例えば、フォトリソグラフィとドライエッチングを用いた周知の半導体プロセスにより、複数の圧電素子１０に分割する。そして、その後、圧電体１２に直流電圧を印加して分極処理を行うことにより、圧電素子１０を形成することができる。
【００３６】
圧電素子１０の配列は、振動板２０の上面（及び下面）を複数の区画に区分けして、夫々の区画に一の圧電素子１０が配設された構成となっている（図３を参照）。ここでは、振動板２０の上面（及び下面）を、横方向（Ｙ方向）３列、縦方向（Ｘ方向）４列の１２区画に区分けしている。ここで、圧電素子１０を振動板２０の面内で複数に分割して、複数の圧電素子１０によって圧電アクチュエータ１を構成しているのは、圧電素子１０（圧電体１２）を配置位置に応じて一方向のみに励振させ、圧電素子１０の破損を防止するためである。言い換えると、仮に圧電素子１０を一枚で形成して、圧電素子１０を、振動板２０の面内の位置ごとに異なる振動をさせた場合、圧電素子１０の面内の中央等において引張応力が強く働き、圧電素子１０が破損するおそれがある。特に、圧電素子１０を薄膜状に形成した場合、圧電素子１０の引張強度が弱く、夫々の圧電素子１０が出力し得る機械的エネルギーの最大化ができなくなるため、当該構成としている。
【００３７】
又、圧電素子１０は、夫々の配置位置に応じて、ａ群、ｂ群、ｃ群の３グループ（以下、「圧電素子列」と言う）に分けられて、圧電素子列ごとに駆動電圧が印加される（図３を参照）。具体的には、基板１４上の圧電素子１０は、圧電素子１０（ａ１）、１０（ａ２）、１０（ａ３）、１０（ａ４）により構成されるａ群の圧電素子列、圧電素子１０（ｂ１）、１０（ｂ２）、１０（ｂ３）、１０（ｂ４）により構成されるｂ群の圧電素子列、圧電素子１０（ｃ１）、１０（ｃ２）、１０（ｃ３）、１０（ｃ４）により構成されるｃ群の圧電素子列にグループ分けされている。そして、ａ群の圧電素子列の圧電素子１０は、配線Ｌａにより直列に接続され、ｂ群の圧電素子列の圧電素子１０は、配線Ｌｂにより直列に接続され、ｃ群の圧電素子列の圧電素子１０は、配線Ｌｃにより直列に接続されている。尚、ａ群の圧電素子列は、振動板２０上の対角方向に配設された圧電素子１０に対応し、ｂ群の圧電素子列は、振動板２０上の横方向の中央位置に、前方から後方に直線状に配設された圧電素子１０に対応し、ｃ群の圧電素子列は、振動板２０上のａ群と対称な対角方向に配設された圧電素子１０に対応する。又、振動板２０の下面に形成された圧電素子１０は、上記したとおり、上面と対称な構成となっており、圧電素子１０（ａ１’）、１０（ａ２’）、１０（ａ３’）、１０（ａ４’）はａ群の圧電素子列、圧電素子１０（ｂ１’）、１０（ｂ２’）、１０（ｂ３’）、１０（ｂ４’）はｂ群の圧電素子列、圧電素子１０（ｃ１’）、１０（ｃ２’）、１０（ｃ３’）、１０（ｃ４’）はｃ群の圧電素子列にグループ分けされ、夫々、配線Ｌａ’、配線Ｌｂ’、配線Ｌｃ’により、上面と同様に直列接続されている。
【００３８】
配線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃは、ａ群、ｂ群、ｃ群の圧電素子列夫々に、所定の駆動電圧の電力を送出するための駆動回路である（図３を参照）。配線Ｌａは、ａ群の圧電素子列の圧電素子１０を直列に接続して、当該圧電素子１０に駆動電圧を印加する。配線Ｌａは、例えば、上部電極１３を正極、下部電極１１を負極として、直流電圧が印加されるように、ａ群の圧電素子１０同士を直列に接続する。そして、配線Ｌａは、一端が駆動装置５０（フィルタ回路５２）の出力側に接続され、ａ群の圧電素子列を直列接続して、他端が接地されている。又、配線Ｌａと同様に、配線Ｌｂは、ｂ群の圧電素子列の圧電素子１０を直列接続して、当該圧電素子１０に駆動電圧を印加するための配線であり、配線Ｌｃは、ｃ群の圧電素子列の圧電素子１０を直列接続して、当該圧電素子１０に駆動電圧を印加するための配線である。尚、配線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃは、リード線によって形成されてもよいし、基板１４上に成膜した配線によって形成されてもよい。
【００３９】
図６Ａ〜図６Ｃは、夫々、ａ群、ｂ群、ｃ群の圧電素子列を励振させた状態を表す。上記したとおり、ａ群、ｂ群、ｃ群の圧電素子列は、夫々、圧電素子列ごとに駆動電圧が印加され、圧電素子列ごとに同様の励振をする。このとき、ａ群の圧電素子列を励振させた場合、振動板２０は屈曲振動する（図６Ａ）。又、ｃ群の圧電素子列の圧電素子１０を励振させた場合、振動板２０は、ａ群の場合とは逆側に反るように、屈曲振動をする（図６Ｂ）。又、ｂ群の圧電素子列を励振させた場合、振動板２０は、長手方向に縦振動する（図６Ｃ）。そして、圧電アクチュエータ１は、ａ群、ｃ群の圧電素子列による屈曲振動と、ｂ群の圧電素子列による縦振動とを組み合わせることにより、振動板２０の前方の突起部２１に楕円運動させる（図２を参照）。
【００４０】
＜圧電アクチュエータの駆動回路＞
次に、図７、図８を参照して、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１の駆動回路について説明する。
【００４１】
図７に、圧電アクチュエータ１を駆動するための駆動回路の一例を示す。尚、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１の駆動回路は、ａ群、ｂ群、ｃ群の圧電素子列に、圧電素子列ごとに、所定の駆動電圧の電力を送出する（図７では、ａ群の圧電素子列の駆動回路を示す）。
【００４２】
本実施形態に係る圧電アクチュエータ１の駆動回路は、駆動電圧生成回路５１、フィルタ回路５２、保護回路５３を備え、当該回路から配線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ（図３を参照）を介して、圧電素子１０（図７中ではインピーダンスＺとして表す）に電力を送出する構成となっている。そして、駆動電圧生成回路５１は、所定の駆動電圧の電力を送出し、フィルタ回路５２は、当該駆動電圧（及び駆動電流）の波形を整形し、保護回路５３は、圧電素子１０に印加される電圧を所定の範囲内に制限する。以下では、フィルタ回路５２が出力する駆動電圧（Ｘ点における電圧）を「フィルタ出力電圧Ｖx」、圧電素子１０に印加する駆動電圧を「印加電圧Ｖout」とも言う。又、圧電素子１０に通流する電流を、「駆動電流」とも言う。
【００４３】
圧電アクチュエータ１を駆動する際のインピーダンスＺは、静電容量成分ＣZと抵抗成分ＲZを並列接続した回路と等価とみなすことができる。ここで、静電容量ＣZは、主に圧電素子１０の静電容量の成分（合成静電容量）を表し、抵抗ＲZは、主に回転体４０を回転させる際の有効成分（仕事量、弾性損失等）を表している。当該インピーダンスＺは、圧電アクチュエータ１の駆動状態によって変化する動的なインピーダンスであり（以下、「動インピーダンスＺ」と言う）、特に、回転体４０の回転速度が遅いときには、抵抗ＲZ、静電容量ＣZは大きくなり、回転体４０の回転速度が速いときには、抵抗ＲZ、静電容量ＣZは小さくなる。又、上記したように、静電容量ＣZや抵抗ＲZは、圧電アクチュエータ１を駆動している際の圧電素子１０の静電容量や振動板２０の振動状態が変動することによっても変化する。
【００４４】
駆動電圧生成回路５１は、ａ群、ｂ群、ｃ群夫々の圧電素子列に、所定の駆動電圧の電力を送出する回路である。駆動電圧生成回路５１は、交流成分と直流成分とを含む駆動電圧を生成して、配線Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃを介して、ａ群、ｂ群、ｃ群の圧電素子列の夫々に駆動電圧を印加する。
【００４５】
図８に、圧電素子１０に印加する駆動電圧の一例を示す。駆動電圧は、直流成分Ｖ0に交流成分Ｖ1が重畳された電圧である。駆動電圧生成回路５１は、一例として、＋２０Ｖの直流成分Ｖ0に、２５０ｋＨｚ、±８Ｖの交流成分Ｖ1を重畳した電圧が圧電素子１０に印加されるように、駆動電圧を生成する。尚、本実施形態では、駆動電圧生成回路５１が生成する駆動電圧は、フィルタ回路５２において波形整形されて、圧電素子１０に印加される。そのため、説明の便宜上、図８は、フィルタ回路５２の出力側（図７に示すＸ点）における駆動電圧の波形を示す。
【００４６】
駆動電圧の直流成分Ｖ0は、圧電素子１０に逆電圧が印加されないようにするための電圧である。薄膜状の圧電体１２は、規定方向（圧電体を収縮させるために印加する方向）から急激に逆方向に電圧（以下、「逆電圧」と言う）が変化した場合、引張応力が過大に発生し破損しやすい（例えば、−２Ｖ程度で破損する）ため、逆電圧が印加されない環境下で動作させる必要がある。そのため、一方向（圧電素子１０が収縮する方向）にのみ電圧が印加されるように、交流成分Ｖ1の振幅よりも大きな直流成分Ｖ0を交流成分Ｖ1に重畳させた駆動電圧を生成している。尚、本実施形態では、直流成分Ｖ0としてプラス側の電位を用いているが、圧電素子１０が収縮する方向に応じて、マイナス側の電位を用いてもよい。又、直流成分Ｖ0は、電位に多少の時間的変動を有していてもよい。
【００４７】
駆動電圧の交流成分Ｖ1は、圧電素子１０を励振するための正弦波波形の電圧である。又、駆動電圧の交流成分Ｖ1の周波数（以下、「第１の周波数」とも言う）は、振動板２０の振動幅を大きくするため、振動板２０の形状や圧電素子１０の形状によって定まる固有振動数と一致する周波数が望ましい。但し、駆動電圧生成回路５１が生成する駆動電圧の交流成分Ｖ1は、フィルタ出力電圧Ｖxが正弦波波形となれば、三角波或いは矩形波であってもよい。又、駆動電圧の交流成分Ｖ1の周波数も、圧電素子１０の引張強度等を考慮して、固有振動数とずれた周波数としてもよい。
【００４８】
駆動電圧生成回路５１は、例えば、多重化インバータ回路とバイアス加算回路により構成され、多重化インバータ回路から出力する交流成分Ｖ1の電圧に、バイアス加算回路の直流成分の電圧Ｖ0を重畳して、駆動電圧を生成する。そして、当該駆動電圧は、フィルタ回路５２を介して、図８に示す駆動電圧のように波形整形される。尚、駆動電圧生成回路５１が生成する駆動電圧は、駆動装置５０が備える制御部（図示せず）によって制御されている。
【００４９】
フィルタ回路５２は、所定の周波数よりも高い周波数の成分を遮断するローパスフィルタである。フィルタ回路５２は、例えば、ＬＣフィルタであり、インダクタ５２Ｌとコンデンサ５２Ｃを作用させて、所定の周波数（第１の周波数）よりも高い周波数（以下、「第２の周波数」とも言う）の成分の駆動電圧及び駆動電流を遮断し、圧電素子１０に印加される電圧（フィルタ出力電圧ＶX）及び駆動電流が正弦波になるように整形する。そして、フィルタ回路５２は、駆動電圧（フィルタ出力電圧ＶX）が正弦波波形になるように整形するとともに、駆動電流の高調波歪みを抑制し、圧電アクチュエータ１の回転速度を安定させるように動作する（動作の詳細は、図９を参照して後述する）。尚、インダクタ５２Ｌは、駆動電圧生成回路５１の出力側と圧電素子１０の間に、直列接続するように設けられ、コンデンサ５２Ｃは、駆動電圧生成回路５１の出力側に、圧電素子１０と並列接続するように設けられている。そして、コンデンサ５２Ｃは、一方の電極が、インダクタ５２Ｌの下流側に接続され、他方の電極が、接地されている。
【００５０】
フィルタ回路５２のインダクタ５２Ｌのインダクタンス、及びコンデンサ５２Ｃの静電容量は、伝達関数（例えば、後述する式１）に基づいて、カットオフ周波数（第２の周波数）が、駆動電圧の基本周波数より大きく、４倍以下となるように設定する。ここでは、インダクタ５２Ｌのインダクタンスを１００μＨ、コンデンサ５２Ｃの静電容量を２．２ｎＦと設定している。
【００５１】
保護回路５３は、圧電アクチュエータ１を正常に動作させつつ、駆動電圧（印加電圧Ｖout）が、所定範囲を超えないようにするための回路である。保護回路５３は、フィルタ回路５２の出力側に、圧電素子１０と並列接続するように設けられ、駆動電圧（フィルタ出力電圧ＶX）が、当該所定範囲を超えた場合に通電することによって、当該超えた駆動電圧を遮断して、圧電素子１０に一定の範囲内の駆動電圧を印加する（動作の詳細は、図１３を参照して後述する）。尚、「当該超えた駆動電圧を遮断して、圧電素子１０に一定の範囲内の駆動電圧を印加する」とは、当該超えた駆動電圧を切り取る（クリップする）ようにして、圧電素子１０に印加する電圧を一定の範囲内に制限することを意味する。但し、圧電素子１０に当該所定範囲内の一定値の電圧（クリップ電圧）を印加する態様に限らない。例えば、駆動電圧が所定範囲以下となった場合に、駆動電圧の電圧波形に一定値の電圧を付加した電圧を圧電素子１０に印加する態様や、駆動電圧が所定範囲以上となった場合に、駆動電圧の電圧波形から一定値の電圧を差し引いた電圧を圧電素子１０に印加する態様も含む。
【００５２】
保護回路５３の構成は、例えば、圧電素子１０と並列接続されたツェナーダイオード素子５３Ａからなる。そして、保護回路５３は、駆動電圧の＋側が逆方向の電圧（アバランシェ降伏が生じる側）となるように当該ツェナーダイオード素子５３Ａを駆動回路に接続し、当該ツェナーダイオード素子５３Ａを介して接地されている。当該構成によって、保護回路５３は、駆動電圧（フィルタ出力電圧ＶX）が、ツェナーダイオード素子５３Ａのアバランシェ降伏電圧を超えた場合（上限値Ｖmax以上の電圧となった場合）に通電し、圧電素子１０に印加する電圧Ｖoutを、当該アバランシェ降伏電圧に制限する。又、反対に、保護回路５３は、駆動電圧（フィルタ出力電圧ＶX）が、ツェナーダイオード素子５３Ａの順方向電圧を超えた場合（下限値Ｖmin以下となった場合）に通電し、圧電素子１０に印加する電圧Ｖoutを、当該順方向電圧に制限する。
【００５３】
保護回路５３を通電させる際の基準とする駆動電圧は、圧電素子１０に印加する電圧の許容範囲（以下、「保護範囲」とも言う）の上限値Ｖmax或いは下限値Ｖminのいずれかを超えた場合である。言い換えると、保護回路５３は、圧電素子１０に印加する電圧が、圧電素子１０の上限側の耐電圧と下限側の耐電圧の両方を超えないようにすることによって圧電素子１０を保護する。ここで、圧電素子１０に印加する電圧の許容範囲とは、圧電素子１０の上限側及び下限側の耐電圧を考慮して定めた所定の電圧の範囲である。具体的には、下限値Ｖminは、薄膜状の圧電体１２が逆電圧に対して極めて弱いことを考慮して、０Ｖ〜−２Ｖ（「−」は、逆電圧を表す。以下同じ）となるように設定するのが望ましい。又、上限値Ｖmaxは、圧電素子１０の耐電圧の上限値よりも小さい値（例えば、＋３０Ｖ）となるように設定するのが望ましい。尚、本実施形態では、複数の圧電素子１０を直列接続しているため、分圧されて圧電素子１０一つあたりに印加される駆動電圧を基準として設定するのが望ましい。
【００５４】
尚、保護回路５３の構成は、駆動電圧（フィルタ出力電圧ＶX）が、下限値Ｖmin或いは上限値Ｖmaxを超えた場合に通電し、当該超えた駆動電圧を遮断して、圧電素子１０に一定の駆動電圧を印加することができれば、ツェナーダイオード素子５３Ａ以外で構成してもよい。例えば、バリスタ素子やダイオード素子やＥＳＤ保護回路も用いることができる。又、比較回路とスイッチング回路等を組み合わせることにより構成してもよい。又、その他、保護回路５３は、通流する電流を制限したり分圧するための抵抗を備えていてもよく、所定の下限値Ｖmin或いは上限値Ｖmaxに設定するために直流電源等と接続されていてもよい。又、ツェナーダイオード素子のノイズを低減するため、複数のツェナーダイオード素子５３Ａを直列接続してもよい。又、保護回路５３が動作した場合（通電した場合）に、制御部に対して制御信号を出力するためのフィードバック回路を付加し、フィルタ出力電圧Ｖxが上限値Ｖmax以上となった場合には直流成分Ｖ0を降圧させ、フィルタ出力電圧Ｖxが下限値Ｖmin以下となった場合には直流成分Ｖ0を昇圧させるようにしてもよい。
【００５５】
尚、上記した駆動電圧生成回路５１、フィルタ回路５２、保護回路５３は、圧電アクチュエータ１の駆動装置５０が備えている。
【００５６】
＜圧電アクチュエータの駆動回路の動作＞
次に、図９〜図１３を参照して、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１の駆動回路の動作について説明する。
【００５７】
圧電アクチュエータ１を動作させる際、駆動電圧生成回路５１の駆動電圧は、圧電モーターとして出力すべき値（回転速度）に基づいて設定される。そして、ａ群、ｂ群、ｃ群の圧電素子列は、当該駆動電圧に基づいて駆動し、上記したように往復運動、或いは楕円運動する。
【００５８】
尚、このときａ群の圧電素子列、ｂ群の圧電素子列、ｃ群の圧電素子列の夫々に印加される駆動電圧の大きさ（直流成分、交流成分）や周波数は、回転体４０を回転させる態様に応じて種々変更され得る。そして、当該駆動電圧は、各群で同一であってもよいし、異なっていてもよい。例えば、このとき駆動電圧の交流成分の振幅を変化させることにより、突起部２１の楕円運動の短径、長径を変更したり、回転体４０の回転速度を調整することができる。又、このとき駆動電圧の位相を圧電素子列ごとに変化させることによって、突起部２１の運動態様（往復運動や楕円運動）を変化させることができる。
【００５９】
＝フィルタ回路の動作について＝
フィルタ回路５２は、駆動電圧生成回路５１から出力される駆動電圧Ｖinを正弦波に整形するとともに、圧電素子１０に通流する電流（駆動電流）の高調波歪みを低減し、更には、回転体４０の回転速度を安定させるように動作する。
【００６０】
図９は、フィルタ回路５２を設けない場合における駆動電流の波形を示すものである。図９の上図の波形は、Ｘ点で測定された駆動電圧（フィルタ出力電圧ＶX）の波形を表し、図９の下図の波形は、駆動電流を測定した波形を表す。ここで、図９の下図の駆動電流の波形のうち、実線波形は、フィルタ回路５２を設けない場合の波形を表し、一点鎖線の波形は、フィルタ回路５２を設けた場合の波形を表している。図９の下図の電流波形から、仮にフィルタ回路５２を設けない場合、駆動電流は、基本波形（駆動電圧に対応する基本周波数の波形）に重畳するように、高調波歪みを含むものとなっていることが分かる。このような高調波歪みを含む駆動電流が流れている状態は、圧電素子１０の励振が不安定な状態（電界強度が不安定な状態）であり、圧電アクチュエータ１の円滑な回転動作を妨げることになる。尚、当該高調波成分は、ＦＦＴアナライザーの検出結果によると、主に第四次高調波によって構成されている。
【００６１】
この原因について検討するに、回転体４０を回転させる際に圧電素子１０から発生する逆起電力によるものと考えられる。具体的には、圧電アクチュエータ１は、突起部２１が回転体４０に接触して回転させるものであるため、回転体４０を回転させる際に圧電素子１０には正圧電効果が働き、逆起電力が発生する。そのため、圧電素子１０には、駆動電圧（フィルタ出力電圧ＶX）に当該逆起電力が重畳した電圧が印加されているものと考えられる。
【００６２】
この点、フィルタ回路５２を設けることによって、駆動電流の当該高調波歪みを低減することができる（図９の下図の一点鎖線の波形を参照）。フィルタ回路５２（ＬＣフィルタ）は、駆動電圧の高調波成分を遮断するとともに、駆動電流の高調波成分も遮断する特性（同一の周波数特性）を有する。そのため、フィルタ回路５２を設けることによって、圧電素子１０が発生する逆起電力の影響を抑制して、駆動電流を正弦波波形に整形する作用も有すると考えられる。言い換えると、駆動電流が正弦波波形に整形されることによって、圧電素子１０に作用する電界強度が安定な状態となり、圧電素子１０の励振状態が安定する。尚、上記したとおり、高調波成分は、主に第四次高調波であるから、フィルタ回路５２のインダクタ５２Ｌのインダクタンスとコンデンサ５２Ｃの静電容量は、カットオフ周波数（第２の周波数）が、駆動電圧の周波数より大きく、駆動電圧の周波数の４倍以下となるように設定するのが望ましい。
【００６３】
次に、フィルタ回路５２が、回転体４０の回転速度を安定させるように動作する点について説明する。
【００６４】
図１０に、フィルタ回路５２を設けた場合の動インピーダンスＺの等価特性、接続点Ｘでの駆動電圧の電圧振幅、消費電力の測定結果を表す。尚、図１０の夫々の測定結果のデータは、回転体４０に負荷を加えることによって、回転体４０の回転速度の速い状態と遅い状態を再現して測定したものである。
【００６５】
仮に、フィルタ回路５２を設けない場合、回転体４０のスムーズな回転が一旦損なわれると、回転体４０が止まりやすくなるという現象が生じる。具体的には、圧電アクチュエータ１においては、回転体４０の回転速度が低下すると、回転体４０を回転させるための動力が増加して、動インピーダンスＺ（特に抵抗成分ＲZ）が大きくなるという現象が生じる（図１０の動インピーダンスＺの等価特性を参照）。そのため、何ら制御を行わなければ、圧電素子１０に印加される電圧Ｖの振幅は、小さくなる。そして、圧電素子１０に印加される電圧Ｖの振幅が小さくなると、突起部２１の楕円運動の軌跡が小さくなり、更に回転体４０が回転しにくくなる（動インピーダンスＺも大きくなる）。その結果、回転体４０のスムーズな回転が一旦損なわれると、回転体４０が止まりやすくなる現象が生じてしまう。
【００６６】
この点、フィルタ回路５２（ＬＣフィルタ）を設けることによって、負帰還がかかり、回転体４０の回転速度を安定させるように動作させることができる。言い換えると、フィルタ回路５２（ＬＣフィルタ）は、回転体４０が回転しにくい状態（回転体４０の回転速度が低下する状態）になると、フィルタ出力電圧ＶXの振幅を大きくし、回転体４０が回転しやすい状態（回転体４０の回転速度が上昇する状態）になると、フィルタ出力電圧ＶXの振幅を小さくするように作用する（図１０のＸ地点の電圧の振幅を参照）。
【００６７】
具体的な動作としては、回転体４０が回転しにくい状態になると、動インピーダンスＺが大きくなり、回転体４０が回転しやすい状態になると、動インピーダンスＺが小さくなる点は、フィルタ回路５２を設けない場合と同様である。しかし、このとき、フィルタ回路５２（ＬＣフィルタ）が、動インピーダンスＺの値に応じたフィルタ出力電圧ＶXの振幅になるように作用する。そのため、回転体４０が回転しにくい状態になると、フィルタ出力電圧ＶXの振幅が大きくなる。そして、突起部２２の楕円運動の軌跡が大きくなり、回転体４０の回転速度が元に戻り（この場合、上昇する）、動インピーダンスＺも元に戻る（この場合、減少する）ことになる。反対に、回転体４０が回転しやすい状態（回転体４０の回転速度が上昇する状態）になると、フィルタ出力電圧ＶXの振幅が小さくなる。そして、突起部２２の楕円運動の軌跡が小さくなり、回転体４０の回転速度が元に戻り（この場合、低下する）、動インピーダンスＺも元に戻る（この場合、増加する）ことになる。
【００６８】
尚、動インピーダンスＺの消費電力（＝Ｖ2／Ｒ）も、同様の結果を示しており、回転速度が速いときは消費電力（１８．１ｍＷ）が小さく、回転速度が遅いときは消費電力（４１．９ｍＷ）が大きくなっている（図１０の消費電力を参照）。言い換えると、回転速度が低下すると、抵抗Ｒで消費されるエネルギーは増加することになり、回転体４０の回転速度を元に戻すように動作していることが分かる。
【００６９】
このように、フィルタ回路５２を設けることによって、回転体４０の回転速度が変動しても、回転体４０の回転速度を元に戻すように負帰還がかかり、回転体４０の回転速度を安定させることができる。当該作用は、フィルタ回路５２のインダクタ５２Ｌが、急激な電流変動を抑制して、圧電素子１０に通流する駆動電流が正弦波波形に近い形になるように動作するためと考えられる。
【００７０】
＝保護回路の動作について＝
保護回路５３は、駆動電圧（フィルタ出力電圧Ｖx）が、保護範囲の下限値Ｖmin或いは上限値Ｖmaxを超えた場合に通電し、当該超えた駆動電圧（フィルタ出力電圧Ｖx）を遮断して圧電素子１０に一定の駆動電圧を印加するように動作する。尚、保護回路５３は、フィルタ回路５２の出力側に設けられ、フィルタ出力電圧Ｖxを基準として動作する。
【００７１】
図１１、図１２は、圧電アクチュエータ１を大出力で駆動した際に、フィルタ出力電圧Ｖxに生ずる現象を示すものである。尚、図１１、図１２は、夫々、フィルタ出力電圧Ｖxをオシロスコープで測定した結果、圧電アクチュエータ１を大出力で駆動している際に検出されたものである。図１１は、比較的長いタイムスケール（例えば、数十ミリ秒間）の中でのフィルタ出力電圧Ｖxの変動現象を表し、フィルタ出力電圧Ｖxの振幅の時間的変化を図示したものである。又、図１２は、比較的短いタイムスケール（例えば、数十マイクロ秒間）の中でのフィルタ出力電圧Ｖxの変動現象を表し、フィルタ出力電圧Ｖxの波形を図示したものである。
【００７２】
図１１は、フィルタ出力電圧Ｖxの振幅が、時間的に増大していくことを示している。尚、図１１は、フィルタ出力電圧Ｖxの振幅が、大出力で駆動を開始してから１００ミリ秒程度で、５Ｖ程度増大（±８Ｖの電圧振幅から±１３Ｖの電圧振幅に増大）していることを表す。又、図１２は、フィルタ出力電圧Ｖxに、うねり振動が発生していることを示している。尚、図１２は、フィルタ出力電圧Ｖxが、駆動電圧の基本周波数（例えば、２５０ｋＨｚ）よりも緩やかな周波数（例えば、１０ｋＨｚ）でうねり振動し、駆動電圧の最大値が、通常出力時よりも５Ｖ程度増大していることを表している。そのため、仮に保護回路５３を設けない場合は、図１１、図１２のような駆動電圧が、圧電素子１０に対して印加され、圧電素子１０の耐電圧を超えて圧電素子１０が破損するおそれがある。
【００７３】
この原因について検討するに、図１１に示す現象（フィルタ出力電圧Ｖxの振幅の時間的増大）は、フィルタ出力電圧Ｖxを規定する伝達関数が変動するためと考えられる。具体的には、圧電アクチュエータ１を大出力で駆動した場合、損失分（弾性損失や誘電損失）が増大する傾向があり、これによって圧電素子１０が発熱し、圧電素子１０の静電容量が変動する（特に大きくなる傾向にある）。又、駆動電圧は、直流電圧が重畳された高い電圧であることや、薄型で形成された圧電素子１０は、無効電流が大きくなることも相俟って、損失分（弾性損失や誘電損失）が増大しやすい状態となっている。加えて、圧電アクチュエータ１が回転体４０と衝突した際の機械的な振動も大きくなり、仕事効率や弾性損失も変動する。このような変動は、動インピーダンスＺの抵抗成分ＲZ、静電容量成分ＣZの変動につながり、結果として、フィルタ出力電圧Ｖxを規定する伝達関数が大きくなる方向に変動することになる。言い換えると、フィルタ回路５２のフィルタ特性が設計上の特性から変動する。そのため、図１１に示すように、フィルタ出力電圧Ｖxの振幅が、時間的に増大していくものと考えられる。
【００７４】
尚、フィルタ出力電圧Ｖxを規定する伝達関数Ｇ（Ｖx／Ｖin）は、動インピーダンスＺの変動成分を考慮して、以下の式１により算出することができる。
【数１】
2016220330.tif 000003
（但し、ＺYは、フィルタ回路５２のコンデンサ５２Ｃの静電容量と、動インピーダンスＺの静電容量成分ＣZと、抵抗成分ＲZの合成アドミタンスの逆数を表す）
【００７５】
又、図１２に示す現象（フィルタ出力電圧Ｖxのうねり振動）は、回転体４０からの機械的な振動の影響によるものと考えられる。具体的には、回転体４０は、軸受に支持されて回転運動しており、回転速度が上昇した場合には、回転体４０の質量バランス、軸受部分のガタ等の影響を受け、機械的な振動が増大しやすい。一方、圧電アクチュエータ１を大出力で駆動した場合には、振動板２０の突起部２１の回転体４０に対する接触圧も大きくなり、回転体４０の振動の影響を受けやすい状態となる。突起部２１と回転体４０の接触圧は、動インピーダンスＺの変動や、正圧電効果による圧電素子１０からの逆起電力に直結するため、結果として、フィルタ出力電圧Ｖxの振動として表れてくるものと考えられる。
【００７６】
以上のように、圧電アクチュエータ１を大出力で駆動した場合、伝達関数の増大やうねり振動が発生して、フィルタ出力電圧Ｖxが、瞬間的に保護範囲を超えることがある（例えば、交流成分の波高値部分）。そして、駆動電圧（印加電圧Ｖout）が一定範囲から逸脱した場合、それが瞬間的なものであっても、圧電素子１０（特に、薄膜状の圧電素子）は破損するに至る。
【００７７】
この点、保護回路５３を設けることによって、圧電素子１０に印加する電圧（印加電圧Ｖout）が、保護範囲（下限値Ｖmin或いは上限値Ｖmax）を超えないようにすることができるため、圧電素子１０が破損することを確実に防止することができる。又、保護回路５３を設けることによって、当該印加電圧Ｖoutを正弦波波形に近い形に維持し、圧電アクチュエータ１の円滑な動作を継続することができる。
【００７８】
図１３に、保護回路５３が動作した場合の印加電圧Ｖoutの一例を示す。尚、図１３は、フィルタ出力電圧Ｖxの振幅が増大した状態を表す。点線は、フィルタ出力電圧Ｖxを表し、実線は、印加電圧Ｖoutを表す。即ち、保護回路５３は、フィルタ出力電圧Ｖxの上限値Ｖmaxを超えた電圧を遮断して、圧電素子１０に一定の電圧を印加するように動作する。
【００７９】
保護回路５３の具体的な動作としては、フィルタ出力電圧Ｖxが保護範囲内である場合、通電せず、駆動回路とは絶縁された状態となっている。そして、フィルタ出力電圧Ｖxが、ツェナーダイオード素子５３Ａのアバランシェ降伏電圧（保護範囲の上限値Ｖmaxに対応する）以上になった場合には、ツェナーダイオード素子５３Ａが通電し、印加電圧Ｖoutが、当該上限値Ｖmaxに対応する一定の電圧となる（図１３の実線）。反対に、フィルタ出力電圧Ｖxが、ツェナーダイオード素子５３Ａの順方向電圧以下となった場合（保護範囲の下限値Ｖminに対応する）にも、ツェナーダイオード素子５３Ａが通電し、印加電圧Ｖoutが、当該下限値Ｖminに対応する一定の電圧となる。又、大出力時においても、フィルタ回路５２は、駆動電流の高調波歪みを抑制する作用、及び、回転体４０の回転速度を安定化させる作用を保持するように動作する。これによって、印加電圧Ｖoutが、上限値Ｖmax及び下限値Ｖminを超える電圧となることを防止するとともに、印加電圧Ｖoutを、駆動電圧Ｖinの正弦波波形に近い形に維持し、圧電アクチュエータ１の安定した動作を継続することができる。そして、圧電アクチュエータ１の駆動状態が、通常出力での駆動状態に戻った場合、時間の経過に応じて動インピーダンスＺも通常状態に戻ることになる。
【００８０】
以上、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１によれば、大出力化した場合も、保護回路５３によって、圧電素子１０に対して所定範囲を超える電圧が印加されることを防止できるとともに、駆動電圧を正弦波波形に近い形に維持し、安定した動作を継続することができる。特に、フィルタ回路５２（ＬＣフィルタ）の駆動電流の高調波歪みを抑制する作用、及び、回転体４０の回転速度を安定化させる作用を保持することができるため、大出力時においても、安定して動作することができる。又、ツェナーダイオード素子を用いて保護回路５３を構成しているため、１個の素子のみで、保護回路５３を形成することが可能であり、圧電アクチュエータの小型化を図ることもできる。
【００８１】
又、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１によれば、直流成分に交流成分を重畳した駆動電圧を用いているため、薄膜状の圧電素子１０に逆電圧が印加されない環境下で駆動することができる。この場合、圧電アクチュエータ１が高い電圧で駆動されるため、大出力時においては発熱に起因する静電容量成分Ｃzの変動（電圧振幅の増大）が生じやすい状態となるが、圧電アクチュエータ１は、保護回路５３を有するため、安定して動作することができる。  
【００８２】
＝＝＝第２実施形態＝＝＝
上記第１実施形態では、保護回路５３をツェナーダイオード素子５３Ａで構成する態様を示したが、本実施形態では、保護回路５３を比較回路５３１、５３４とスイッチング回路５３２、５３６で構成する点で相違する。尚、第１実施形態と共通する構成については、説明を省略する。
【００８３】
図１４に、圧電アクチュエータ１を駆動するための駆動回路の一例を示す。本実施形態に係る保護回路５３は、圧電素子１０と並列接続するように、第１保護回路５３Ｂと第２保護回路５３Ｃを備える。そして、駆動電圧が上限値Ｖmaxを超えた場合（フィルタ出力電圧ＶxがＶmax以上になった場合）、第１保護回路５３Ｂが駆動回路の駆動電流を通電することによって、駆動電圧が上限値Ｖmaxを超えないように保護する。又、駆動電圧が下限値Ｖminを超えた場合（フィルタ出力電圧ＶxがＶmin以下になった場合）、第２保護回路５３Ｃが通電して、駆動回路に電流を供給することによって、駆動電圧が下限値Ｖminを超えないように保護する。
【００８４】
より詳細には、第１保護回路５３Ｂは、比較回路５３１とスイッチング回路５３２を備える。そして、比較回路５３１が、フィルタ出力電圧Ｖxの検出結果に基づいて、圧電素子１０と並列接続するスイッチング回路５３２を開閉路することによって、駆動回路とスイッチング回路５３２の通電状態を制御する。
【００８５】
比較回路５３１は、駆動回路からフィルタ出力電圧Ｖxを取得して、＋入力端子に入力されるフィルタ出力電圧Ｖxと、−入力端子に入力される上限値Ｖmaxに対応する基準電圧とを比較する。そして、比較回路５３１は、フィルタ出力電圧Ｖxが上限値Ｖmax以上になった場合に、スイッチング回路５３２（バイポーラトランジスタのベース電極）に信号を出力することによって、スイッチング回路５３２を閉路する。
【００８６】
スイッチング回路５３２は、例えば、バイポーラトランジスタを備えたエミッタ接地回路である。そして、スイッチング回路５３２のベース電極側は、比較回路５３１の出力端子に接続され、コレクタ電極側は、駆動回路から引き出された配線が抵抗素子５３３を介して接続され、エミッタ電極側は、接地されている。そして、スイッチング回路５３２は、フィルタ出力電圧Ｖxが上限値Ｖmax以上になった場合、比較回路５３１からの出力信号に応じて閉路し駆動回路からの駆動電流を通電することによって、上限値Ｖmaxを超えるフィルタ出力電圧Ｖxを遮断する。
【００８７】
抵抗素子５３３は、駆動回路の駆動電流をスイッチング回路５３２に通電する際に分圧するための抵抗であり、スイッチング回路５３２を通電する際に圧電素子１０に一定の電圧を印加するために設けられる。そのため、抵抗素子５３３の抵抗値は、動インピーダンスＺを考慮して、分圧された電圧が上限値Ｖmaxに対応する電圧となるように設定される。言い換えると、スイッチング回路５３２を通電した際には、圧電素子１０に印加する電圧は、抵抗素子５３３に分圧された電圧となる。
【００８８】
第２保護回路５３Ｃは、比較回路５３４とスイッチング回路５３５を備える。そして、比較回路５３４が、フィルタ出力電圧Ｖxの検出結果に基づいて、圧電素子１０と並列接続するスイッチング回路５３５を開閉路することによって、駆動回路とスイッチング回路５３５の通電状態を制御する。
【００８９】
比較回路５３４は、駆動回路からフィルタ出力電圧Ｖxを取得して、−入力端子に入力されるフィルタ出力電圧Ｖxと、＋入力端子に入力される下限値Ｖminに対応する基準電圧とを比較する。そして、比較回路５３４は、フィルタ出力電圧Ｖxが下限値Ｖmin以下になった場合に、スイッチング回路５３５（バイポーラトランジスタのベース電極）に信号を出力することによって、スイッチング回路５３５を閉路する。
【００９０】
スイッチング回路５３５は、例えば、バイポーラトランジスタを備えたスイッチング回路である。スイッチング回路５３５のベース電極側は、比較回路５３４の出力端子に接続され、コレクタ電極側は、直流電源に接続され、エミッタ電極側は、駆動回路に接続されている。そして、スイッチング回路５３５は、フィルタ出力電圧Ｖxが下限値Ｖmin以下になった場合、比較回路５３４からの出力信号に応じて閉路して、直流電源から駆動回路に一定の電圧を印加する。言い換えると、駆動電圧に一定の電圧を重畳する。これによって、圧電素子１０に印加する電圧は、スイッチング回路５３５を通電した際にも正弦波波形に近い形に維持されることになる。
【００９１】
以上、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１によれば、第１実施形態と同様に、大出力化した場合も、圧電素子１０に対して保護範囲を超える電圧が印加されることを防止できるとともに、駆動電圧を正弦波波形に近い形に維持し、安定した動作を継続することができる。又、比較回路を用いた場合、可変抵抗等を用いて、基準電圧を容易に変更することができる。そのため、例えば、圧電アクチュエータを駆動する際の直列接続する圧電素子の数に応じて、当該圧電素子に印加する電圧の許容範囲の下限値或いは上限値を適宜設定変更することができる。
【００９２】
＝＝＝第３実施形態＝＝＝
上記第１実施形態では、保護回路５３を１個のツェナーダイオード素子５３Ａで構成する態様を示したが、本実施形態では、複数のツェナーダイオード素子５３Ｄで構成する点で相違する。尚、第１実施形態と共通する構成については、説明を省略する。
【００９３】
図１５に、圧電アクチュエータ１（ａ群の圧電素子列）を駆動するための駆動回路の一例を示す。本実施形態に係る保護回路５３は、複数の圧電素子１０（ａ１）〜１０（ａ４）夫々と並列接続するように、複数のツェナーダイオード素子５３Ｄ（ａ１）〜５３Ｄ（ａ４）を備えている。尚、駆動回路における圧電素子１０への出力回路は、図７、図１４では、等価的に動インピーダンスＺとして示したが、図１５中では、複数の圧電素子１０（ａ１）〜１０（ａ４）の実際の接続回路（配線回路）により示す（等価的に動インピーダンスＺとして表せる点は同様である）。
【００９４】
複数の圧電素子１０は、上記第１実施形態と同様に、圧電素子列ごとに直列接続されている（図３を参照）。ここで、圧電素子列を直列接続する構成としているのは、当該圧電素子列により形成される合成静電容量を小さくすることによって、駆動電流を抑制し、消費電力を低減するためである。言い換えると、圧電素子１０を薄膜状にした場合、圧電素子１０一つ当たりの静電容量が大きくなり、圧電アクチュエータ１を動作させるために必要となる無効電流が大きくなる。そのため、必要となる電流供給能力が大きくなり、駆動回路中の配線抵抗で生じる消費電力も大きくなってしまう。この点、圧電素子列を直列接続することによって、当該問題を解消でき、例えば、コンデンサが４つの場合、合成静電容量は４分の１になるため、並列接続した場合に比して、電流供給能力（無効電流分）は１６分の１とすることができる。
【００９５】
一方、複数の圧電素子１０を直列接続した場合、圧電素子１０夫々の漏れ電流によって、駆動電圧の直流成分に電圧分布の偏りが生ずることがある。そのため、図１５に示す駆動回路においては、ａ群の圧電素子列の圧電素子１０（ａ１）〜１０（ａ４）の夫々と、並列接続するように、ツェナーダイオード素子５３Ｄ（ａ１）〜５３Ｄ（ａ４）を設けている（５３Ｄに付すかっこは、保護する圧電素子との対応関係を表している。以下、区別しない場合は、単に５３Ｄと示す）。そして、ツェナーダイオード素子５３Ｄは、駆動電圧の＋側が逆方向電圧（アバランシェ降伏が生じる側）となるように駆動回路に接続されている。又、この場合、ツェナーダイオード素子５３Ｄが通電する上限値Ｖmaxと下限値Ｖminは、圧電素子１０（ａ１）〜１０（ａ４）の夫々に印加される電圧（分圧された電圧）を基準として通電するように設定する。
【００９６】
図１６に、ａ群の圧電素子列における電圧分布（直流成分）の時間的変化の一例を表す。図中の縦軸のＶa1、Ｖa2、Ｖa3、Ｖa4は、圧電素子１０（ａ１）、１０（ａ２）、１０（ａ３）、１０（ａ４）に印加される電圧（直流成分）の大きさを表す。又、図中の横軸の時間軸は、ａ群の圧電素子列に駆動電圧の印加を開始してからの経過時間を表す。即ち、図１６は、駆動期間中、ａ群の圧電素子列の夫々の圧電素子１０（ａ１）、１０（ａ２）、１０（ａ３）、１０（ａ４）に印加される直流成分の電圧Ｖa1、Ｖa2、Ｖa3、Ｖa4（以下、「電圧分布」と言う）が、駆動電圧の印加を開始してから、徐々に偏っていくことを表している。尚、図１６は、比較的長いタイムスケール（例えば、数分間、駆動状態を続けた場合）の中での電圧分布の変動現象を表している。
【００９７】
この原因について検討するに、圧電素子１０が夫々の絶縁抵抗の個体差に起因するものと考えられる。具体的には、圧電素子１０は、電気的性質としてコンデンサとみなせるとして、ａ群の圧電素子列の駆動回路を上記した。しかし、実際には、圧電素子１０は、電圧の直流成分に対して完全な絶縁状態ではなく、コンデンサに蓄積された電荷は、電圧の直流成分によって漏れ電流として移動する。言い換えると、圧電素子１０は、コンデンサと並列接続された絶縁抵抗として表すことができる。圧電素子１０の当該絶縁抵抗は、圧電セラミックの場合、数ＭΩ以上であるため、圧電素子１０に印加される電圧を検証する場合、通常考慮する必要はない。しかし、直列接続した複数の圧電素子１０に直流電圧を印加する場合、当該絶縁抵抗の個体差に応じた量の漏れ電流が生じ、電圧分布が、静電容量に応じた分布ではなく、当該絶縁抵抗に応じた分布に時間的に変化してしまうものと考えられる。
【００９８】
そのため、電圧分布の時間的変化としては、駆動電圧を印加した直後には、直流成分の電圧Ｖa1、Ｖa2、Ｖa3、Ｖa4は、圧電素子１０夫々の静電容量の大きさに応じて分圧された状態となる。このとき、駆動電圧の直流成分Ｖ0は、圧電素子１０夫々の静電容量が均等であれば、均等に分圧される（例えば、Ｖ0が＋２０Ｖの場合、Ｖa1、Ｖa2、Ｖa3、Ｖa4は、＋５Ｖずつに分圧される）。そして、電圧分布は、駆動電圧の印加時間の経過とともに、圧電素子１０夫々の絶縁抵抗の大きさに応じた分圧状態に変化していくことがある。その結果、圧電素子１０のいずれかに過大な電圧が発生してしまう場合がある。
【００９９】
この点、本実施形態に係る保護回路５３は、ａ群の圧電素子列の圧電素子１０（ａ１）〜１０（ａ４）の夫々と並列接続するように、ツェナーダイオード素子５３Ｄ（ａ１）〜５３Ｄ（ａ４）を設けている。そのため、圧電素子１０のいずれかに印加される電圧が所定の保護範囲を超えた場合、対応するツェナーダイオード素子５３Ｄが通電し、当該圧電素子１０に印加される電圧は、一定に制限されることになる。
【０１００】
保護回路５３の具体的な動作としては、圧電素子１０（ａ１）〜１０（ａ４）に印加される駆動電圧が、いずれも保護範囲内である場合には通電せず、駆動回路とは絶縁された状態となっている。一方、圧電素子１０（ａ１）〜（ａ４）のいずれかに印加される駆動電圧が、対応するツェナーダイオード素子５３Ｄ（ａ１）〜５３Ｄ（ａ４）のアバランシェ降伏電圧を超えた場合（上限値Ｖmax以上の電圧となった場合）、当該対応するツェナーダイオード素子５３Ｄが通電し、当該圧電素子１０に印加する電圧を一定（アバランシェ降伏電圧）に制限する。又、反対に、保護回路５３は、圧電素子１０（ａ１）〜１０（ａ４）のいずれかに印加される駆動電圧が、対応するツェナーダイオード素子５３Ｄ（ａ１）〜５３Ｄ（ａ４）の順方向電圧を超えた場合（下限値Ｖmax以下の電圧となった場合）、対応するツェナーダイオード素子５３Ｄが通電し、当該圧電素子１０に印加する電圧を、一定（ツェナーダイオード素子５３Ｄの順方向電圧）に制限する。言い換えると、圧電素子１０（ａ１）〜（ａ４）のいずれかに印加される駆動電圧が、保護範囲を超えたツェナーダイオード素子５３Ｄ（ａ１）〜５３Ｄ（ａ４）だけが通電して、当該圧電素子１０に印加する電圧を、一定に制限することができる。そして、駆動状態から非駆動状態（駆動電圧を印加しない状態）に移行した場合、時間の経過とともに電圧分布の偏りは解消する。
【０１０１】
加えて、保護回路５３は、駆動状態から非駆動状態（駆動電圧をゼロにした状態）に切り替えた際には、圧電素子１０に蓄積された＋電荷の放電経路となって、圧電素子１０に逆電圧が印加される状態を防止することもできる。具体的には、複数の圧電素子１０が直列接続されている状況下においては、駆動状態から非駆動状態（駆動電圧をゼロにした状態）に切り替えた際には、圧電素子１０から放出される＋電荷は、直流成分に対して逆方向に放出されるため、上流側の圧電素子１０には、逆電圧が印加されることとなる。仮に、保護回路５３がなければ、圧電素子１０のいずれかに過大な逆電圧が印加されるおそれがある。この点、ａ群の圧電素子列の圧電素子１０（ａ１）〜１０（ａ４）の夫々と並列接続するように、ツェナーダイオード素子５３Ｄ（ａ１）〜５３Ｄ（ａ４）を設けることによって、圧電素子１０から放出される＋電荷の放電経路が形成されるため、逆電圧が印加される事態も防止することができる。
【０１０２】
以上、本実施形態に係る圧電アクチュエータ１によれば、第１実施形態と同様に、大出力化した場合も、圧電素子１０に対して所定範囲を超える電圧が印加されることを防止できるとともに、駆動電圧を正弦波波形に近い形に維持し、安定した動作を継続することができる。加えて、複数の圧電素子１０を直列接続して駆動した場合においても、圧電素子１０夫々の耐電圧を超える電圧が印加されることがないので、圧電素子１０夫々の破損を防止することができる。
【０１０３】
＝＝＝第４実施形態＝＝＝
上記した圧電アクチュエータ１は、種々の装置に利用することができる。
【０１０４】
図１７、図１８に、圧電アクチュエータ（圧電モーター）を、ポンプ（カム機構）の駆動力として利用した態様を示す。図１７、図１８に示す装置は、注入針を用いて生体に液体（例えば、インスリン）を注入する液体注入装置Ｐである。尚、図１７は、液体注入装置Ｐの筐体内部の構成を上方から見た図である。又、図１８は、液体注入装置Ｐの筐体の外観を下方から見た斜視図である。
【０１０５】
液体注入装置Ｐは、ポンプＰ１、貯留槽Ｐ２、供給管Ｐ３、注入針Ｐ４を備える。そして、ポンプＰ１が動作することによって、貯留槽Ｐ２に貯留された液体が、供給管Ｐ３を介して注入針Ｐ４に輸送される構成となっている。ここで、ポンプＰ１は、カム機構により構成され、上記した圧電アクチュエータは、当該カム機構を回転運動させる駆動力として利用されている。
【０１０６】
具体的には、ポンプＰ１は、一部が外周方向に突出した円盤状のカムＰ１３、圧電アクチュエータＰ１１及び回転体Ｐ１２によってカム機構を構成する。そして、圧電アクチュエータＰ１１が、回転体Ｐ１２を回転運動させることにより、歯車機構を介して円盤状のカムＰ１３を、供給管Ｐ３の上流側（貯留槽Ｐ２）から下流側（注入針Ｐ４）に向かう方向に回転運動させる。そして、円盤状のカムＰ１３が回転運動することによって、当該円盤状のカムＰ１３の突出した部位が、供給管Ｐ３を上流側から下流側に向けて圧搾し、供給管Ｐ３内の液体を上流側から下流側に搾り出すように移動させる。尚、供給管Ｐ３には、円盤状のカムＰ１３と当接する複数のフィンガーＰ３１が取り付けられており、供給管Ｐ３は、円盤状のカムＰ１３が回転運動するに応じて、当該フィンガーＰ３１を介して筐体の内壁側に押圧されて、口径が狭まるように圧搾される構成となっている。
【０１０７】
ここで、圧電アクチュエータＰ１１は、大出力化した場合も、圧電素子１０に対して所定範囲を超える電圧が印加されることを防止できるとともに、駆動電圧を正弦波波形に近い形に維持し、安定した動作を継続することができる。そのため、ポンプＰ１の供給可能能力（最大出力）を、通常の圧電アクチュエータを用いた場合よりも大きい値に設定することができる。
【０１０８】
＝＝＝第５実施形態＝＝＝
上記した圧電アクチュエータ１は、種々の装置に利用することができる。
【０１０９】
図１９、図２０に、圧電アクチュエータを、ロボットＱのジョイント部を動作させる駆動力に利用した態様を示す。図１９、図２０に示す装置は、ロボットハンドＱ１で物体を把持して移動させるロボットＱである。尚、図１９は、ロボットＱの外観を上方から見た斜視図である。又、図２０は、ジョイント部Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５を拡大して見た側面図である。
【０１１０】
ロボットＱは、ロボットハンドＱ１、アームＱ２、ジョイント部Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５を備え、ロボットハンドＱ１が、ジョイント部Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５を介して、アームＱ２に接続されている。そして、ロボットハンドＱ１は、ジョイント部Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５が、移動したり回転したりすることによって、アームＱ２に対して相対的に移動し得る状態となっている。ここで、圧電アクチュエータは、当該ジョイント部Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５を並進運動及び回転運動させる駆動力として利用されている。
【０１１１】
具体的には、ジョイント部Ｑ３は、圧電アクチュエータＱ３１Ａ、Ｑ３１Ｂと、円盤状の回転体Ｑ３２とを備え、圧電アクチュエータＱ３１Ａ、Ｑ３１Ｂの突起部が、円盤状の回転体Ｑ３２の円盤平面と当接するように設置されている。そして、圧電アクチュエータＱ３１Ａ、Ｑ３１Ｂは、当該突起部を、回転体Ｑ３２の円盤平面に擦り付けるように運動させることによって、回転体Ｑ３２をＲ１方向（回転軸Ｃ−Ｃ回り）に回転移動させる。又、ジョイント部Ｑ４は、圧電アクチュエータＱ４１と、平板状の移動体Ｑ４２とを備え、圧電アクチュエータＱ４１の突起部が、平板状の移動体Ｑ４２の平板面と当接するように設置されている。そして、圧電アクチュエータＱ４１は、当該突起部を、平板状の移動体Ｑ４２の平板面に擦り付けるように運動させることによって、移動体Ｑ４２をＲ２方向（左右方向）に並進移動させる。又、ジョイント部Ｑ５は、ジョイント部Ｑ４と同様に、圧電アクチュエータＱ５１によって、平板状の移動体Ｑ５２の平板面を一方向に擦り付けるように運動させることによって、移動体Ｑ５２をＲ２方向（左右方向）に並進移動させる。以上のように、ジョイント部Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５の夫々が、圧電アクチュエータＱ３１Ａ、Ｑ３１Ｂ、Ｑ４１、Ｑ５１の動作によってアームＱ２に対して並進移動、回転移動することが可能となっており、これによって、ジョイント部Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５の先端に取り付けられたロボットハンドＱ１は、連動して並進移動、回転移動することが可能となる。
【０１１２】
ここで、圧電アクチュエータＱ３１Ａ、Ｑ３１Ｂ、Ｑ４１、Ｑ５１は、大出力化した場合も、圧電素子１０に対して所定範囲を超える電圧が印加されることを防止できるとともに、駆動電圧を正弦波波形に近い形に維持し、安定した動作を継続することができる。そのため、ロボットＱの駆動可能能力（最大出力）を、通常の圧電アクチュエータを用いた場合よりも大きい値に設定することができる。
【０１１３】
＝＝＝その他の実施形態＝＝＝
尚、上記各実施形態では、圧電アクチュエータ１の構成として、振動板２０に取り付けられた突起部２１を回転体４０の円盤側面に擦り付けることによって、回転体４０に回転力を発生させる態様を示した。しかし、本発明に係る圧電アクチュエータは、上記した態様で回転体に回転運動させる態様に限らず、他の態様で回転体に回転運動させてもよい。例えば、回転体４０の円盤の上面或いは下面に、振動板に取り付けられた突起を擦り付けることによって、回転体４０に回転力を発生させる態様としてもよい。
【０１１４】
又、上記各実施形態では、圧電アクチュエータ１の構成として、１枚の振動板２０を振動させて回転体４０を回転させる態様を示した。しかし、振動板は１枚に限る必要はなく、複数枚の振動板を用いて一つの回転体を回転させるものであってもよい。
【０１１５】
又、上記各実施形態では、圧電アクチュエータ１の駆動回路の構成として、複数の圧電素子１０を直列接続して電力を送出する態様を示した。しかし、本発明に係る圧電アクチュエータは、複数の圧電素子１０を直列接続して駆動する態様に代えて、複数の圧電素子１０を並列接続して駆動する態様であってもよい。
【０１１６】
又、上記各実施形態では、圧電素子１０の構成として、薄膜状の圧電体１２を用いる態様を示した。しかし、薄膜状の圧電体１２に代えて、バルク状（例えば、厚さが１００μｍ以上のもの）の圧電体を用いてもよい。又、その場合、複数の圧電素子１０を用いて圧電アクチュエータ１を駆動させる態様に代えて、一枚のバルク状の圧電体に複数の電極を設けて圧電アクチュエータ１を駆動させる態様であってもよい（例えば、上記特開２０１３−２２３３８３号公報を参照）。
【０１１７】
又、上記各実施形態では、圧電素子１０の構成として、電界方向に対して垂直な方向に励振する圧電体１２を利用する態様を示した。しかし、本発明に係る圧電アクチュエータは、励振方向によらず、圧電素子列を直列駆動する任意の圧電アクチュエータに適用することができる。例えば、複数の圧電素子を積層して、当該複数の圧電素子を直列駆動で電界方向に励振させる圧電アクチュエータについても、同様に適用しうる。
【０１１８】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【符号の説明】
【０１１９】
１…圧電アクチュエータ
１０…圧電素子
１１…下部電極
１２…上部電極
１３…圧電体
１４…基板
２０…振動板
２１…突起部
２２…腕部
３０…支持機構
４０…回転体
５０…駆動装置
５１…駆動電圧生成回路
５２…フィルタ回路
５３…保護回路
Ｚ…動インピーダンス
Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ…配線
Ｐ…液体注入装置
Ｑ…ロボット
【図１】
2016220330.tif 000004
【図２】
2016220330.tif 000005
【図３】
2016220330.tif 000006
【図４】
2016220330.tif 000007
【図５】
2016220330.tif 000008
【図６】
2016220330.tif 000009
【図７】
2016220330.tif 000010
【図８】
2016220330.tif 000011
【図９】
2016220330.tif 000012
【図１０】
2016220330.tif 000013
【図１１】
2016220330.tif 000014
【図１２】
2016220330.tif 000015
【図１３】
2016220330.tif 000016
【図１４】
2016220330.tif 000017
【図１５】
2016220330.tif 000018
【図１６】
2016220330.tif 000019
【図１７】
2016220330.tif 000020
【図１８】
2016220330.tif 000021
【図１９】
2016220330.tif 000022
【図２０】
2016220330.tif 000023