(57)【要約】【課題】駆動軸を回転又は直動する圧電アクチュエータにおいて駆動電圧の低電圧化を図り、圧電アクチュエータの小型化・小径化の要求に対応する。【解決手段】圧電アクチュエータ１は、駆動軸１０が貫通する底部２Ａを備え、駆動軸１０を囲む枠体２と、枠体２内で駆動軸１０の周囲に複数配置され、底部２Ａに軸方向の一端側が弾性支持され、軸方向の他端側に向けて変位する圧電素子４Ｕを変位方向に沿って複数積層した積層圧電体４と、枠体２内で積層圧電体４の軸方向他端側に向けた変位を駆動軸１０の径方向に変換して駆動軸１０を作動する作動部５とを備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動軸が貫通する底部を備え、前記駆動軸を囲む枠体と、
前記枠体内で前記駆動軸の周囲に複数配置され、前記底部に軸方向の一端側が弾性支持され、軸方向の他端側に向けて変位する圧電素子を変位方向に沿って複数積層した積層圧電体と、
前記枠体内で前記積層圧電体の軸方向他端側に向けた変位を前記駆動軸の径方向に変換して前記駆動軸を作動する作動部と、
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】
前記枠体は、前記積層圧電体の変位方向に向けて徐々に前記駆動軸の外周面に近接するテーパ内面を有し、
前記作動部は、前記テーパ内面に対面するテーパ外周面と前記駆動軸の外周面に対面する内面と前記積層圧電体の他端側端部に当接する側面とを有し、
前記積層圧電体の軸方向他端側に向けた変位によって前記内面が前記駆動軸の軸心方向に押圧される弾性変形部材を備えること、
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】
複数の前記積層圧電体に同周期で位相のずれた駆動信号をそれぞれ加えて前記駆動軸を回転駆動することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記底部と前記積層圧電体と前記作動部を備える第１ユニットと、
該第１ユニットを軸方向逆向きに配置した第２ユニットとを備え、
前記第１ユニットにおける複数の前記積層圧電体を同期駆動する直進動作信号と前記第２ユニットにおける複数の前記積層圧電体を同期駆動する把持動作信号との動作タイミングを制御して、前記駆動軸を直進駆動することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記作動部の内面と前記駆動軸の外周面のそれぞれに互いに係合するネジ部を設け、
複数の前記積層圧電体に同周期で位相のずれた駆動信号をそれぞれ加えて前記駆動軸を回転しながら直進駆動することを特徴とする請求項２記載の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、圧電アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電アクチュエータは、一般に、圧電素子の微小な変位を利用して駆動対象の軸などを回転又は直動するものであり、小型のアクチュエータとして各種用途への利用が進められている。この圧電アクチュエータは、駆動軸を回転させるもの（圧電モータ又は超音波モータ）としては、複数の圧電素子を外周に配置したステータとこのステータの円筒孔に挿入されたロータ（駆動軸）とを備え、複数の圧電素子に位相を制御した交流電圧信号を付加して、隣接する圧電素子の振動に位相差を与えることで得られる回転振動エネルギーによってロータを回転されるものが知られている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
また、駆動軸を直動させる圧電アクチュエータとしては、圧電素子によって構成される駆動部が軸をクランプするためのクランプ用圧電素子と軸を直線駆動するための直動用圧電素子からなっており、クランプ用圧電素子の変位動作と直動用圧電素子の変位動作のタイミングを制御することで、一連の尺取り虫様の動作を繰り返して駆動軸を軸方向に直動させるものが知られている（下記特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７３４０３号公報
【特許文献２】特開平０２−２４１３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
圧電アクチュエータは、小径の軸を駆動する際には圧電素子の駆動電圧が高圧になって、医療機器の用途などで利用しにくくなり、また高電圧での駆動を行うための高価な設備が必要になるなどの問題が生じる。これに対しては、圧電素子を積層させることで低電圧で比較的大きな変位を得ることができることが一般に知られている。
【０００６】
一方、前述した従来技術のように、駆動軸を回転又は直動させる圧電アクチュエータにおいては、駆動軸に回転振動を加えるためにロータの周囲に複数配置される圧電素子や駆動軸をクランプするための圧電素子のように、駆動軸の径方向に変位する圧電素子が必要になる。このような圧電素子において、低電圧で大きな変位を得るために圧電素子を積層配置させると、軸の径方向に積層した圧電素子を配備するための大きなスペースが必要になり、圧電アクチュエータの小型化或いは小径化の要求に対応できなくなる。
【０００７】
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、駆動軸を回転又は直動する圧電アクチュエータにおいて駆動電圧の低電圧化を図ること、圧電アクチュエータの小型化・小径化の要求に対応できること、などが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、本発明による圧電アクチュエータは、以下の構成を具備するものである。
駆動軸が貫通する底部を備え、前記駆動軸を囲む枠体と、前記枠体内で前記駆動軸の周囲に複数配置され、前記底部に軸方向の一端側が弾性支持され、軸方向の他端側に向けて変位する圧電素子を変位方向に沿って複数積層した積層圧電体と、前記枠体内で前記積層圧電体の軸方向他端側に向けた変位を前記駆動軸の径方向に変換して前記駆動軸を作動する作動部と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【発明の効果】
【０００９】
このような特徴を有する圧電アクチュエータは、圧電素子を変位方向に沿って複数積層した積層圧電体の変位によって駆動軸を作動するので、駆動電圧の低電圧化を図ることができる。さらに圧電素子の積層方向を駆動軸の軸方向と一致させて、積層圧電体の軸方向に沿った変位を作動部で径方向に変換して駆動軸を作動しているので、駆動軸の径方向に大きなスペースを確保する必要が無く、駆動軸を回転又は直動させる圧電アクチュエータの小型化・小径化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータを説明する説明図（外観斜視図）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を説明する説明図（内部構造説明図）である。
【図３】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータを説明する説明図（駆動軸方向に沿った断面図）である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る圧電アクチュエータを説明する説明図（外観斜視図）である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る圧電アクチュエータを説明する説明図（内部構造説明図）である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る圧電アクチュエータを説明する説明図（駆動軸方向に沿った断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１〜図３は、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを説明する説明図（図１が外観斜視図、図２が内部構造説明図、図３が駆動軸に沿った断面図）である。なお、以下の各図の説明では、同一部位には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００１２】
圧電アクチュエータ１は、枠体２、弾性支持部３、積層圧電体４、作動部５を備えており、駆動軸１０を回転駆動するものである。枠体２は、駆動軸１０が貫通する底部２Ａを備えている。また、枠体２は、駆動軸１０を囲む胴部２Ｂとテーパ部２Ｃを備えている。
【００１３】
積層圧電体４は、駆動軸１０の軸方向に沿って変位する圧電素子４Ｕをその変位方向に複数積層したものであり、複数の積層圧電体４が枠体２内で駆動軸１０の周囲に配置されている。図示の例では駆動軸１０の周りに９０°毎に等間隔で積層圧電体４を配置されているが、積層圧電体４は、３個以上で等間隔に配置されていればよい。
【００１４】
積層圧電体４の軸方向一端側は弾性支持部（与圧バネ）３を介して底部２Ａに弾性支持されており、これによって積層圧電体４は軸方向他端側に向けて常にバネ付勢されている。積層圧電体４に駆動電圧が供給されると、積層圧電体４は、個々の圧電素子４Ｕの変位のｎ倍（ｎは圧電素子４Ｕの積層数）だけ軸方向他端側に向けて変位する。
【００１５】
作動部５は、積層圧電体４の軸方向他端側に向けた変位を駆動軸１０の径方向に変換して駆動軸１０を作動する。作動部５は、枠体２のテーパ部２Ｃ内に配置されている。作動部５は、テーパ部２Ｃのテーパ内面２Ｃ１に対面するテーパ外周面５Ｂと駆動軸１０の外周面１０Ａに対面する内面５Ｃと積層圧電体４の他端側端部に当接する側面５Ｄとを有し、積層圧電体４の軸方向他端側に向けた変位によって内面５Ｃが駆動軸１０の軸心方向に変位する弾性変形部材５Ａを備えている。
【００１６】
このような圧電アクチュエータ１の動作例を説明する。個々の積層圧電体４に駆動信号を入力すると、積層圧電体４は個別に矢印ａ方向に変位して、作動部５の弾性変形部材５Ａの側面５Ｄを押圧する。これによって弾性変形部材５Ａはテーパ内面２Ｃ１から受ける反力によって内面５Ｃが矢印ｂ方向に変位する。すなわち、駆動信号による積層圧電体４の軸方向に沿った変位が作動部５によって方向変換されて、弾性変形部材５Ａの内面５Ｃを駆動軸１０の径方向に向けて変位させる。
【００１７】
そして、複数の積層圧電体４に同周期で位相のずれた駆動信号をそれぞれ加える。図示の例では、駆動軸１０の周りに９０°ずつ角度をずらした４個の積層圧電体４を配置しているので、隣接する積層圧電体４に入力する駆動信号の位相を９０°ずつずらしてそれぞれの積層圧電体４に入力する。ここでは、４個の積層圧電体４を設けた例を示しているが、積層圧電体４の数は３個以上であればよく、３個の場合には、駆動軸１０の周りに１２０°ずつ角度をずらした位置にそれぞれ積層圧電体４を配置し、隣接する積層圧電体４に入力する駆動信号の位相を１２０°ずつずらしてそれぞれの積層圧電体４に入力する。
【００１８】
このような駆動信号の入力によって弾性変形部材５Ａの内面５Ｃに超音波振動が加えられると、駆動軸１０の周りに配置される内面５Ｃに軸周りの進行波が発生して駆動軸１０を回転駆動する。この際、作動部５の内面５Ｃと駆動軸１０の外周面のそれぞれに互いに係合するネジ部を設けることで、駆動軸１０を回転しながら軸方向に直進駆動することができる。
【００１９】
図４〜図６は、本発明の他の実施形態に係る圧電アクチュエータの説明図（図４が外観斜視図、図５が内部構造説明図、図６が駆動軸に沿った断面図）である。
【００２０】
この圧電アクチュエータ１００は、駆動軸１０を囲む枠体２００を備えており、その枠体２００が一対の底部２Ａと一対の胴部２Ｂと一対のテーパ部２Ｃを備えている。そして、図１〜図３に示した実施形態と同様の底部２Ａと積層圧電体４と作動部５を備える第１ユニット１Ａとこの第１ユニット１Ａを軸方向逆向きに配置した第２ユニット１Ｂとを備えている。
【００２１】
このような圧電アクチュエータ１００の動作例を説明する。ここでの第１ユニット１Ａにおける積層圧電体４と第２ユニット１Ｂにおける積層圧電体４の変位方向は互いに対向する方向になっている。そして、第１ユニット１Ａにおける作動部５は駆動軸１０の外周面１０Ａに常時接触するように配置されており、第２ユニット１Ｂにおける作動部５は、積層圧電体４が変位したときのみ内面５Ｃが駆動軸１０の外周面１０Ａに接触するように配置されている。
【００２２】
そして、第１ユニット１Ａにおける複数の積層圧電体４を同期駆動する直進動作信号と第２ユニット１Ｂにおける複数の積層圧電体４を同期駆動する把持動作信号との動作タイミングを制御して、駆動軸１０を直進駆動する。すなわち、第１ユニット１Ａの複数の積層圧電体４は直進動作信号によって同時に矢印ａ１方向に変位するが、その際作動部５の内面５Ｃが常時駆動軸１０の外周面１０Ａに接触しているので、弾性変形部材５Ａの矢印ａ１方向の変形に応じて内面５Ｃが矢印ｂ１方向に変位する間に、内面５Ｃに摩擦接触する駆動軸１０は矢印ａ１方向に移動する。その間、第２ユニット１Ｂにおける作動部５の内面５Ｃは駆動軸１０の外周面１０Ａに接触していないので、第２ユニット１Ｂにおける作動部５が駆動軸１０の矢印ａ１方向の移動を妨げることはない。
【００２３】
ここで、第２ユニット１Ｂの複数の積層圧電体４は把持信号によって同時に矢印ａ２方向に変位して作動部５の内面５Ｃが矢印ｂ２方向に変位することで、作動部５は駆動軸１０をつかむ動作を行う。この際、駆動軸１０が矢印ａ１方向に変位するタイミングと第２ユニット１Ｂにおける作動部５の内面５Ｃが駆動軸１０の外周面１０Ａに接触するタイミングに時差を設ける。そして、第２ユニット１Ｂにおける作動部５の内面５Ｃが駆動軸１０の外周面１０Ａに接触している間に、第１ユニット１Ａの積層圧電体４の変位を解除するように駆動信号をタイミング調整することで、駆動軸１０を矢印ａ１方向に尺取り虫様に直進駆動させることができる。
【００２４】
このような本発明の実施形態によると、圧電素子４Ｕを変位方向に沿って複数積層した積層圧電体４の変位によって駆動軸１０を作動するので、駆動電圧の低電圧化を図ることができる。また、圧電素子４Ｕの積層方向を駆動軸１０の軸方向と一致させて、積層圧電体４の軸方向に沿った変位を作動部５で径方向に変換して駆動軸１０を作動しているので、駆動軸１０の径方向に大きなスペースを確保する必要がない。これによって、駆動軸１０を回転又は直動させる圧電アクチュエータ１，１００の小型化・小径化が可能になる。
【００２５】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１，１００：圧電アクチュエータ，
１Ａ：第１ユニット，１Ｂ：第２ユニット，
２，２００：枠体，
２Ａ：底部，２Ｂ：胴部，２Ｃ：テーパ部，２Ｃ１：テーパ内面，
３：弾性支持部（与圧バネ），
４：積層圧電体，４Ｕ：圧電素子，
５：作動部，５Ａ：弾性変形部材，５Ｂ：テーパ外周面，５Ｃ：内面，
５Ｄ：側面，１０：駆動軸，１０Ａ：外周面，
【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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