(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子にパルス電圧を印加することで振動部材を振動させて、この振動部材に圧接している可動部材を移動駆動可能な圧電アクチュエータにおいて、
上記圧電素子にパルス電圧を印加するパルス制御回路と、
上記振動部材に上記圧電素子を配置する固定手段と、
上記振動部材に設けられ、当接する上記可動部材に圧接する方向に付勢されていて、且つ、上記可動部材と線接触する略直線状当接面であって、上記圧電素子の振幅方向に対して傾けて配置された突起部と、
を具備し、上記圧電素子にパルス電圧を印加して、上記振動部材を振動させたとき、上記振動部材に圧接している上記可動部材は、上記圧電素子の振動の振幅方向に対して略垂直方向に駆動されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ、詳しくは、圧電素子を用いた駆動源としての圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１つの圧電素子を用いて、１方向の駆動を行う圧電アクチュエータに関する技術が、実開昭６０―１８８３９６号公報で開示されている。また、２つ以上の圧電素子を用いて、正転と逆転の２方向に駆動させる圧電アクチュエータに関しても多数の技術が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記実開昭６０―１８８３９６公報の圧電アクチュエータでは、２方向の駆動を行わせようとすると、２つ以上の圧電素子が必要であった。したがって、構造が複雑化し、さらに、２系統の圧電素子と駆動回路を必要とすることからコスト的，スペ−ス的な不利は避けられなかった。
【０００４】
そこで、本発明は、上述の不具合を解決するためになされたものであって、１つの圧電素子を用いて２方向の駆動が可能な圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の圧電アクチュエータは、圧電素子にパルス電圧を印加することで振動部材を振動させて、この振動部材に圧接している可動部材を移動駆動可能な圧電アクチュエータにおいて、上記圧電素子にパルス電圧を印加するパルス制御回路と、上記振動部材に上記圧電素子を配置する固定手段と上記振動部材に設けられ、当接する上記可動部材に圧接する方向に付勢されていて、且つ、上記可動部材と線接触する略直線状当接面であって、上記圧電素子の振動の振幅方向に対して傾けて配置された突起部とを具備する。
上記圧電アクチュエータにおいては、上記圧電素子にパルス電圧を印加して、上記振動部材を振動させたとき、上記振動部材に圧接している上記可動部材は、上記圧電素子の振幅方向に対して略垂直方向に駆動される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を説明するに先立ち、本発明の概要について説明する。本発明は、図１のブロック構成図に示すように１つの圧電素子１０２にパルス電圧を印加することで振動部材１０３を振動させて、この振動部材１０３に圧接している可動部材１０４を移動駆動可能な圧電アクチュエータにおいて、上記振動部材１０３に第１の共振周波数の振動を発生させるように、上記圧電素子１０２に第１のパルス電圧を印加し、また、上記振動部材１０３に第２の共振周波数の振動を発生させるように、上記圧電素子１０２に第２のパルス電圧を印加することが選択的に可能なパルス制御回路１０１と、上記第１の共振周波数の場合には、上記可動部材１０４を第１の方向へ駆動し、第２の共振周波数の場合には、上記可動部材１０４を第１の方向と異なる第２の方向へ駆動するように、上記発生する振動を可動部材１０４に伝達する駆動伝達手段とを具備することを特徴とする。
上記圧電アクチュエータにおいては、振動部材１０３が少なくとも２つ以上の共振周波数を有しており、第１の共振周波数のときには、振動部材と可動部材の圧接する箇所には、第１の方向の力が発生し、可動部材１０４は第１の方向に動き、第２の共振周波数のときには、振動部材１０３と可動部材１０４の圧接する箇所には、第２の方向の力が発生し、可動部材は第２の方向に動く。このように圧電素子１０２に印加するパルスの共振周波数を変えることで、可動部材１０４を２つの異なる方向に駆動可能となる。
以下、図を用いて本発明の実施の形態についての詳細な説明を行う。
本発明の第１の実施の形態を示す圧電アクチュエータについて、図２〜図５を用いて説明する。なお、図２は、本実施の形態の圧電アクチュエータの縦断面図であって、図２（Ａ）は図３をＡ方向からみた断面図で、図２（Ｂ）は図３をＢ方向からみた断面図である。図３は、上記圧電アクチュエータの横断面図であって、図３（Ａ）は図２（Ａ）の軸方向位置Ｐ2 から下方の断面図であり、図３（Ｂ）が図２（Ａ）の軸方向位置Ｐ4 から下方の断面図である。図４は、印可されるパルス電圧波形を示し、図５は、振動部材の２つの共振時での外周面における振幅波形を示した図である。また、図６は、振動部材の突起の共振時での変位状態を示す拡大図である。
【０００９】
本実施の形態の圧電アクチュエータにおいて、圧電素子１は、Ｃ0 軸方向に沿った略円柱状の振動部材２中に配置されており、振動部材２に螺合する固定手段であるネジ部材８によってスペーサー部材１０を介して加圧した状態で固定されている。さらに、振動部材２の外周部には円筒状の可動部材３が回転自在に挿入されている。なお、可動部材２は、下端面は振動部材２のフランジ部で、上端面は、ネジ部材８のフランジ部８ａで固定されるリング部材９により軸方向が規制されている。
【００１０】
振動部材２には、図２に示すように軸方向位置Ｐ2 、および、Ｐ6 上に２組の駆動伝達手段，変換手段としての突起部４ａ、４ｂと突起部５ａ、５ｂが設けられており、それぞれ図２に示すように横から見て「ハ」の字の形、すなわち、対称的に約４５°に傾いた、細長い直線状の突起形状を有している。それらの突起部は、可動部材３の内面に内接可能とする。
【００１１】
振動部材２の側面の一部で軸方向位置Ｐ4 （圧電素子１の略中央側面位置）であって、突起部４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの配設位置の反対側にガイド穴２ａが配設されている。そのガイド穴２ａにはバネ６で付勢された球部材７が挿入されており、可動部材３の内面に圧接している。従って、突起部４ａ、４ｂと突起部５ａ、５ｂと球部材７とは、振動部材２の円周の三方向に位置しており、バネ６によって付勢されることで、突起部４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂと可動部材３の内面が圧接し、その摩擦力によって、非駆動状態では可動部材３は静止している。
【００１２】
圧電素子１は、単板の圧電素子、または、図２の長手方向に積層した積層型圧電素子であり、長手方向の両端に、後述するパルス制御回路により図４の印加電圧波形に示される所定の共振周波数の第１の電圧であるパルス電圧Ｖ1 と第２の電圧であるパルス電圧Ｖ2 が印加される。上記パルス電圧Ｖ1 ，Ｖ2 の印加に伴って振動部材が共振状態となり、可動部材３が回転駆動されることになる。
【００１３】
すなわち、上記パルス電圧Ｖ1 、Ｖ2 の周波数を第１の周波数である共振周波数ｆ1 に設定することで、振動部材２には図５に示す２箇所の節をもつ振幅波形Ｍ1 の共振振動が発生する。なお、上記の節は、軸方向位置Ｐ1 とＰ7 に位置する。
一方、上記パルス電圧Ｖ1 、Ｖ2 の周波数を第２の周波数である共振周波数ｆ2 に設定することで、振動部材２には図５に示す４箇所の節をもつ振幅波形Ｍ2 の共振振動が発生する。なお、上記の節は、軸方向位置Ｐ0 と、Ｐ3 と、Ｐ5 と、Ｐ8 に位置する。
【００１４】
圧電素子１を上記共振周波数ｆ1 で駆動した場合、振動部材２は軸方向に沿って伸縮する縦振動状態にあるが、軸方向位置Ｐ1 からＰ3 に向けて圧縮される位相では、振動部材２の突起部４ａの中心位置Ｐ2 は、図５に示すように斜め上方向Ｓ1 に変位する。そして、突起部４ａが約４５°傾斜していることから、斜め上方向Ｓ1 に変位したときは、図６の拡大図に示すように変位位置Ｈ3 に変位する。従って、図２（Ａ）に示すように可動部材３をＳ3 方向に押すことになる。
【００１５】
同様に、突起部４ｂも斜め下方向Ｓ1 ′に振幅するが、斜め下方向Ｓ1 ′に変位したときは、図６の拡大図に示すように変位位置Ｈ3 ′に変位している。従って、可動部材３をＳ3 ′方向に押すことになる。なお、上記の変位状態では突起部４ａと４ｂは、図６に示すように「ハ」の字の横方向を広げた状態になっている。
【００１６】
結局、上記のＳ3 、Ｓ3 ′方向の力の合成力により、可動部材３は、図２（Ａ）上では左方向駆動力が作用する。同様に、振動部材２の突起部５ａ、５ｂについても、Ｓ5 、Ｓ5 ′方向の合成力により、図２（Ｂ）上では左方向駆動力が作用する。したがって、可動部材３は、図３（Ａ），（Ｂ）上で第１の方向である時計回り方向に駆動される。
【００１７】
一方、圧電素子１を第２の共振周波数ｆ2 で駆動した場合、振動部材２の縦振動にて、軸方向位置Ｐ3 からＰ1 に向けて圧縮される位相では、振動部材２の突起部４ａの中心位置Ｐ2 は、図５に示すように斜め下方向Ｓ2 に変位する。そして、突起部４ａが約４５°傾斜していることから、同時に図６の拡大図に示すように変位位置Ｈ4 に変位している。従って、図２（Ａ）に示すように可動部材３をＳ4 方向に押すことになる。
【００１８】
同様に、突起部４ｂは斜め上方向Ｓ2 ′に振幅するが、同時に図６の拡大図に示すように変位位置Ｈ4 ′に変位している。従って、可動部材３をＳ4 ′方向に押すことになる。なお、上記の変位状態では突起部４ａと４ｂは、図６に示すように「ハ」の字の横方向を狭くした状態になっている。
【００１９】
結局、上記のＳ4 、Ｓ4 ′方向の合成力により、可動部材３は、図２（Ａ）上では右方向駆動力が作用する。同様に、振動部材２の突起部５ａ、５ｂについても、Ｓ6 、Ｓ6 ′方向の合成力により、図２（Ｂ）上では右方向駆動力が作用する。したがって、可動部材３は、図３（Ａ），（Ｂ）上で第２の方向である反時計回り方向に駆動される。
【００２０】
以上、説明したように本実施の形態の圧電アクチュエータによると、簡単な構造の振動部材２に単一の圧電素子１を組み込み、第１、または、第２の共振周波数のパルス電圧を印加することで可動部材３を時計回りと、反時計回りの２方向に回転駆動可能な圧電アクチュエータを実現できる。
【００２１】
なお、振動部材２における共振時の節の数は上述の例のように必ずしも２つ、または、４つに限らない。また、共振以外でもかまわず、突起部の「ハ」の形が２つの共振で、広がる方向と、狭くなる方向に変化すれば、その変化により可動部材を駆動するように構成することができる。また、突起４ａ，４ｂ等の傾斜角も上述の４５°以外の３０°〜６０°の範囲の値でもよい。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施の形態である圧電アクチュエータについて図７〜図１０を用いて説明する。なお、図７は、本実施の形態の圧電アクチュエータを示す図であり、図７（Ａ）は、可動部材を除いた状態で突起側からみた正面図であり、図７（Ｂ）は、側面図である。図８は、上記圧電アクチュエータの突起部位置での断面図である。図９は、振動部材の２つの共振時での外周面における振動の振幅波形を示した図である。図１０は、突起部の移動方向とその合成方向を示すベクトル図である。
【００２３】
本実施の形態の圧電アクチュエータにおいては、圧電素子１１は、蒲鉾状の振動部材１２中に軸方向Ｃ10に沿って配置されている。振動部材１２には、２つの突起部１４ａ、１４ｂが配設されている。突起部１４ａ、１４ｂは、図７（Ａ）に示すように横から見て「ハ」の字の形、すなわち、それぞれ約４５°に傾いた細長い形の突起部を形成し、それぞれ頂点部１４ap，１４bpを有している。
【００２４】
可動部材１３は、図示しないバネ等の付勢力Ｆ１０により加圧されており、上記振動部材１２に設けられた突起部１４ａ、１４ｂの頂点部１４ap，１４bpと当接し、その摩擦力によって非駆動状態では静止している。
【００２５】
圧電素子１１は、単板の圧電素子、または、図７（Ａ）、（Ｂ）の軸方向Ｃ10の長手方向に積層した積層型圧電素子であり、長手方向の両端に第１，第２の電圧であるパルス電圧Ｖ1 ，Ｖ2 （図４参照）が印加される。
上記パルス電圧Ｖ1 、Ｖ2 の周波数を第１の周波数である共振周波数ｆ11に設定すると、振動部材１２には軸方向Ｃ10に沿って伸縮する縦振動であって、図９に示す２箇所の節をもつ振幅波形Ｍ11の共振振動が発生する。なお、上記の節は、軸方向位置Ｐ11とＰ17に位置する。
一方、上記パルス電圧Ｖ1 、Ｖ2 の周波数を第２の周波数である共振周波数ｆ12に設定すると、振動部材１２には軸方向Ｃ10に沿って伸縮する縦振動であって、図９に示す４箇所の節をもつ振幅波形Ｍ12の共振振動が発生する。なお、上記の節は、軸方向位置Ｐ10と、Ｐ13と、Ｐ15と、Ｐ18に位置する。
【００２６】
圧電素子１１を上記共振周波数ｆ11で駆動した場合、前記第１の実施の形態の圧電アクチュエータの場合と同様の動作を行う。すなわち、振動部材１２は軸方向に沿って伸縮する縦振動を行っており、軸方向位置Ｐ11からＰ13、また、Ｐ17からＰ15に向けて圧縮される位相では、振動部材１２の突起部１４ａ，１４ｂの中心位置Ｐ12，Ｐ16は、図９に示すように斜め上方向Ｓ11と斜め下方向Ｓ11′に変位する。また、同時に突起部１４ａ，１４ｂがそれぞれ約４５°傾斜していることから、図７（Ａ）の方向Ｓ13，Ｓ13′にも変位する。従って、可動部材１３を方向Ｓ13，Ｓ13′に押すことになる。
【００２７】
そして、上記方向Ｓ13、Ｓ13′への押圧力の合成力は、図１０のベクトル図に示すように、Ｓ15方向の合成力となり、可動部材１３は、図７（Ａ）上では軸方向Ｃ0 と直交する第１の方向の左方向に駆動される。
【００２８】
次に、圧電素子１１を共振周波数ｆ12のパルス電圧で駆動すると、この場合も前記第１の実施の形態の圧電アクチュエータの場合と同様の動作を行う。すなわち、振動部材２の縦振動にて、軸方向位置Ｐ13からＰ11に向け、および、軸方向位置Ｐ15からＰ17に向けて圧縮される位相では、振動部材１２の突起部１４ａ，１４ｂの中心位置Ｐ12，Ｐ16は、図９に示すように斜め下方向Ｓ12、または、斜め上方向Ｓ12′に変位する。そして、突起部１４ａ，１４ｂが約４５°傾斜していることから、同時に、図２（Ａ）に示すようにＳ14，Ｓ14′方向にも変位し、可動部材１３を同方向に押す。
【００２９】
そして、図１０のベクトル図に示すように上記のＳ14、Ｓ14′方向との合成方向Ｓ16の合成力により、可動部材１３は、図２（Ａ）上では軸方向Ｃ0 と直交する上記第１の方向と異なる第２の方向である右方向に駆動される。
【００３０】
以上、本実施の形態の圧電アクチュエータによれば、前記第１の実施の形態の場合と同様に、１つの圧電素子１１で可動部材１３を２方向に駆動することが可能である。また、振動部材１２と可動部材１３の占有スペ−スが小さく、アクチュエータの小型化が可能である。
可動部材の駆動方向としては、左右の２方向を直進駆動するものであってもよく、回動駆動するものであってもよい。また、振動部材１２の形状としては、上述の蒲鉾形状以外、直方体形状でもよい。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施の形態である圧電アクチュエータについて図１１，１２を用いて説明する。なお、図１１は、本実施の形態の圧電アクチュエータの横断面図であり、図１２は、上記圧電アクチュエータの縦断面図である。
【００３２】
本実施の形態の圧電アクチュエータにおいて、軸方向Ｃ20の略円柱状の振動部材２２は、回転可能な円筒状の可動部材２３の内部に挿入されている。上記振動部材２２には、周辺部の２箇所に頂点部２２ap，22bpを有する突起部２２ａ，２２ｂが設けられている。更に、上記突起部２２ａ，２２ｂの位置の反対側の周辺部にはガイド穴２２ｃが配設されている。ガイド穴２２ｃにはバネ２５とボール２４が挿入されており、ボール２４は可動部材２３の内周面に当接し、その付勢力により突起部２２ａ，２２ｂの頂点部２２ap，22bpが可動部材２３の内周面に当接する。非駆動状態では、突起部２２ａ，２２ｂの摩擦力によって可動部材２３は静止している。
【００３３】
また、振動部材２２の内部には軸方向Ｃ20と直交する方向を長手方向とする圧電素子２１が突起部２２ａ，２２ｂの中心位置からずれた位置に装着されている。そして、振動部材２２の圧電素子２１に長手方向にネジ穴２２ｄと穴部２２ｅが配設されている。上記ネジ穴２２ｄには、ネジ２６が螺合して挿入されている。上記ネジ２６を強くネジ締めすることによって、穴部２２ｅを変形させて圧電素子２１の長手方向を適切な力で加圧することができる。
【００３４】
上記圧電素子２１の長手方向の両端に共振周波数のパルス電圧をパルス制御回路により印加することで、圧電素子２１および振動部材２２に所定の周囲部が伸縮する振動が発生し、可動部材２３を回転駆動することができる。
【００３５】
すなわち、第１の共振周波数ｆ21のパルス電圧の印加することで、振動部材２２の突起部２２ａ側を振幅波形Ｍ21の振動で共振させることができる。このとき突起部２２ａは、Ｓ21方向に振幅し、同Ｓ21方向に可動部材２３を押すので、可動部材２３は、図１１上で時計回りに回転駆動される。なお、この共振状態で他方の突起部２２ｂ側は共振状態にはならないように、振動部材２２上での圧電素子２１配設位置は設定されている。
【００３６】
同様に、第２の共振周波数ｆ22のパルス電圧を印加することで、振動部材２２の突起部２２ｂ側を振幅波形Ｍ22の振動状態で共振させることができる。このとき、突起部２２ｂはＳ22方向に振幅し、同じＳ22方向に可動部材２３を押すので、可動部材２３は、図１１上で反時計回りに回転駆動される。なお、圧電素子２１の振動部材２２上の配設位置により、他方の突起部２２ａ側は共振状態にはならないようになっている。
【００３７】
以上、本実施の形態の圧電アクチュエータによれば、一つの圧電素子２１を組み込むことで可動部材２３を時計回りと反時計回りの２方向に回転駆動可能な簡単な構成の圧電アクチュエータを実現することができる。
【００３８】
次に、本発明の第４の実施の形態である圧電アクチュエータについて、図１３〜図１５を用いて説明する。なお、図１３は、本実施の形態の圧電アクチュエータの側面図である。図１４は、上記圧電アクチュエータの可動部材を外した状態での平面図である。図１５は、振動部材表面のＣ31方向における共振振動での振幅波形を示す図である。
【００３９】
本実施の形態の圧電アクチュエータにおいて、円盤状の圧電素子３１は、単板の圧電素子、または、円盤上の圧電素子を重ねた形のバイモルフやモノモルフであり、軸部３５を有する円盤状の振動部材３２の中心部に配置されている。振動部材３２の上面には、複数の突起部である突起群３４ａ，３４ｂ，３４ｃ等が全周に固着されており、全突起部は、振動部材３２の径方向に対して同一の傾斜角度である略４５°傾斜した状態で振動部材中心に対して点対称の状態で配設されている。
【００４０】
上記振動部材３２にはドーナッツ状の可動部材３３が軸部３５に回転可能に嵌入した状態で装着されており、さらに、図示しない磁石やバネ等の圧接手段による付勢力Ｆ30で加圧された状態で上記突起群３４ａ，３４ｂ，３４ｃ等の上面に当接している。したがって、非駆動状態にあるときは突起群３４ａ，３４ｂ，３４ｃ等の摩擦力により可動部材３３は静止している。
【００４１】
圧電素子３１の中心と周辺に所定の２つの共振周波数のパルス電圧（図４参照）をパルス制御回路３６を介して印加すると、圧電素子３１とともに振動部材３２が径方向に沿って伸縮する振動が発生し、傾斜した突起部の振動により可動部材３３が前記第１の実施の形態の場合と同様の挙動により２方向に回転駆動される
すなわち、第１の共振周波数ｆ31のパルス電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を印加すると、振動部材３２の上面部に図１５に示す２箇所の節をもつ振幅波形Ｍ31の共振振動が発生する。この共振時に、例えば、突起部３４ａは、前記第１の実施の形態の圧電アクチュエータの場合と同様に図１５の斜め上方向Ｓ31に振幅するが突起部が約４５°傾斜しているため、可動部材３３は図１４に示すＳ33方向に押され、図１４上で時計回りに駆動される。
【００４２】
また、第２の共振周波数ｆ32のパルス電圧Ｖ1 ，Ｖ2 を印加すると、振動部材３２の上面部に図１５に示す４箇所の節をもつ振幅波形Ｍ32の共振振動が発生する。この共振時に、例えば、突起部３４ａは、前記第１の実施の形態の圧電アクチュエータの場合と同様に図１５の斜め下方向Ｓ32に振幅するが突起部が約４５°に傾いているため、可動部材３３は図１４に示すＳ34方向に押され、図１４上で反時計回りに駆動される。
【００４３】
以上説明したように本実施の形態の圧電アクチュエータによれば、一つの圧電素子３１のみを組み込んだ状態で駆動部材３３を時計回りと反時計回りの２方向に駆動可能な簡単な構成の薄型アクチュエータを実現できる。
【００４４】
次に、本発明の第５の実施の形態である圧電アクチュエータについて、図１６〜図２１を用いて説明する。なお、図１６は、本実施の形態の圧電アクチュエータの縦断面図である。図１７は、上記圧電アクチュエータの押さえ部材を外した状態での平面図である。図１８は、上記圧電アクチュエータの振動部材の側面図である。図１９は、上記圧電アクチュエータに組み込まれる圧電素子の斜視図である。図２０は、上記振動部材の表面における振動の振幅波形を示す図である。図２１は、上記圧電素子に印加されるパルス電圧の波形を示す図。
【００４５】
本実施の形態の圧電アクチュエータにおいては、圧電素子４１は、図１９に示すように円柱状圧電素子を２つ重ねて形成した１組の素子を適用する。その圧電素子４１は、下方に向けて大径となる円錐状の振動部材４２の軸方向Ｃ40の中心部に配置されており、振動部材４２に螺合する固定手段としてのネジ部材４６を締め付けることによって加圧し固定されている。振動部材４２には、その軸方向位置Ｐ43とＰ47上の外周に沿って、駆動伝達，変換手段としての２列の複数突起群４４ａ，４４ｂ，４４ｃ等と、複数突起群４５ａ，４５ｂ，４５ｃ等が配設されている。突起群のうちの１組である突起部４４ａ，４５ａは、図１８の側面図に示すように、横から見て「ハ」の字の形状、すなわち、約４５°に傾いた細長い形状の突起になっており、他の組の突起部も同様の「ハ」の字の形状を有している。
【００４６】
振動部材４２の外側には内周面がテーパ状の円筒形状の可動部材４３が挿入されており、その内周面が振動部材４２の突起群の突起部４４ａ，４５ａ等に当接している。さらに、振動部材４２の上面には球状部材４８が配設されており、ネジ部材４６に螺合する弾性変形可能な押さえ部材４７の弾性力により可動部材４３を下方に付勢するように押圧されている。突起群４４ａ，４５ａ等と可動部材４３は加圧状態で当接しており、それによって生じる摩擦力によって、非駆動状態にある可動部材４３は、静止している。
【００４７】
圧電素子４１には、その両端に第１の電圧であるパルス電圧Ｖ1 を、また、中央部に第２の電圧であるパルス電圧Ｖ2 が後述するパルス制御回路により印加される。本実施の形態では、図２１の電圧波形のように、パルス電圧Ｖ1 側をグランドに接続し、パルス電圧Ｖ2 にパルス電圧を印加する。なお、圧電素子４１の中心部へのパルス電圧Ｖ2 ラインの接続は、振動部材４２の貫通穴４２ｄを通るリード線を経由して接続される。また、圧電素子４１の両端へのパルス電圧Ｖ1 ラインの接続は、振動部材４２とネジ部材４６を導電材料を使用していることから、振動部材４２にリード線を接続することで行われる。
【００４８】
印加する上記パルス電圧Ｖ2 の周波数を第１の共振周波数ｆ41に設定すると、振動部材４２には、図２０に示す節が軸方向位置Ｐ42，Ｐ48の２箇所である振幅波形Ｍ41の共振伸縮振動が発生する。そのときの突起群の内の１つの組み合わせとして、例えば、突起部４４ａ、４５ａの挙動は、前記第１の実施の形態の場合と同様の挙動をとる。
【００４９】
すなわち、突起部４４ａが斜め上方向Ｓ41（図２０参照）に振幅変位する位相では、その突起部が約４５°に傾いているため、可動部材を４３をＳ43方向（図１８参照）に押すことになる。同様に、突起部４５ａは、可動部材４３をＳ43′方向に押すことになる。他の突起部４４ｂ，４５ｂ、また、４４ｃ，４４ｂ等についても同様に挙動し、それらの突起部による力も加算された上記Ｓ43方向と、Ｓ43′方向の力の合成力により、可動部材４３は、図１６上では可動部材手前側で左方向、すなわち、図１７上で時計回りに駆動される。
【００５０】
一方、印加するパルス電圧Ｖ2 の周波数を第２の共振周波数ｆ42に設定すると、振動部材４２には、図２０に示す節が軸方向位置Ｐ41，Ｐ44，Ｐ46，Ｐ49の４箇所である振幅波形Ｍ42の共振伸縮振動が発生する。そのときの突起群の内の１つの組み合わせとして、例えば、突起部４４ａ、４５ａの挙動も前記第１の実施の形態の場合と同様となる。
【００５１】
すなわち、突起部４４ａが斜め下方向Ｓ42（図２０参照）に振幅変位する位相では、その突起部が約４５°に傾いているため、可動部材４３をＳ44方向（図１８参照）に押すことになる。同様に、突起部４５ａは、可動部材４３をＳ44′方向に押すことになる。他の突起部４４ｂ，４５ｂについても同様に挙動し、他の突起部による力も加算された上記Ｓ44方向と、Ｓ44′方向の力の合成力により、可動部材４３は、図１６上では可動部材手前側で右方向、すなわち、図１７上で反時計回りに駆動される。
【００５２】
以上説明したように本実施の形態の圧電アクチュエータによると、前記第１の実施の形態の圧電アクチュエータと同様に１組の圧電素子を組み込むだけで可動部材４３を２方向の回転駆動することが可能となる。さらに、可動部材４３と振動部材４２の対向面を傾け、押さえ部材４７で押さえつけることで、可動部材４３と振動部材４２を高精度に加工することなく、突起部の安定した接触を得ることができ、効率の良い圧電アクチュエータを実現できる。また、ネジ部材４６を振動部材４２にネジ止めするとき、圧電素子４１の中心と端部に発生する電位をモニタしながらネジを締め付けることができ、容易に狙いの圧力を与えることができる。
【００５３】
なお、本実施の形態の圧電アクチュエータにおける共振状態における節の数は２つ、および、４つとしたが、それ以外の数の節の組み合わせによる共振状態で駆動するように構成してもよく、要するに突起部の「ハ」の形が上記２つの共振で、広がる方向と、狭くなる方向に変位すればよい。
また、突起部４４ａと４５ａの傾きや長さや幅を適切な寸法に設定することにより、上方向Ｓ43の力と下方向Ｓ43′の力、または、下方向Ｓ44の力と上方向Ｓ44′の力をそれぞれ相殺させることによって、より効率の良い駆動伝達を行うことも可能である。
【００５４】
さらに、簡単な構成にする場合には、突起群４４ａ、４４ｂ，４４ｃ等と、突起群４５ａ，４５ｂ，４５ｃ等とのどちらかのみの突起群を適用するように構成してもよい。
【００５５】
突起群の中の突起の数は、上記実施の形態の例では、３個以上を設けているが、少なくとも３個あれば安定した駆動を行うことができる。また、突起部の傾斜角も４５°以外の３０°〜６０°の範囲の角度でもかまわない。
【００５６】
なお、上述の各実施の形態に適用される圧電素子としては、ＰＺＴ（ジルコン・チタン酸塩）や、チタン酸バリウム等から適当に選択して適用する。その構造としては、所謂、単板でも、積層でも、バイモルフ、または、モノモルフタイプであってもよい。また、振動部材や可動部材の材質は、表面を酸化膜処理したアルミニウムや、各種金属、または、各種複合樹脂等の中から必要な強度や摩擦力を考慮して選択する。
【００５７】
次に、上述の各実施の形態の圧電アクチュエータの圧電素子に印加するパルス電圧を出力可能なパルス制御回路を含む駆動回路について、図２２の駆動回路５１の回路図によりで説明する。
【００５８】
上記駆動回路５１は、電池電圧で動作する回路として構成されており、本回路５１において、内蔵されるパルス制御回路５３からのパルス出力はトランジスタ（Ｔｒ）１に入力される。Ｔｒ１のコレクタは、トランスＴ１の１次側端子の１つに接続され、トランスＴ１の他方の端子は、電池５２に接続している。
【００５９】
トランスＴ１の２次側端子は、圧電アクチュエータの圧電素子に接続している。例えば、前記第１の実施の形態の圧電アクチュエータの場合で可動部材３を時計回りに駆動するときには、パルス制御回路５３より周波数ｆ1 のパルスを出力する。また、反時計回りに駆動する時には、パルス制御回路５３より周波数のパルスｆ2 を出力する。これにより、圧電素子１は、それぞれ共振周波数ｆ1 、または、ｆ2 の周波数の高電圧で共振する。
【００６０】
上記図２２のパルス制御回路を内蔵する駆動回路に対する変形例として図２３の駆動回路６１を提案できる。
上記駆動回路６１においては、トランスＴ１に中間タップを設け、２つのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２で制御する。上記トランスＴ１は、共振周波数に適合した巻き線を採用することができ、より効率の高い制御が可能になる。
【００６１】
図２４は、上述のパルス制御回路を含む駆動回路５１、または、６１からの出力パルス周波数と振動部材の振幅の関係をしめす。２つの共振周波数ｆ1 、ｆ2 で大きな振幅が得られることを示している。
【００６２】
（付記）
以上、説明した本発明の実施の形態により次の構成を有する圧電アクチュエータを提案することができる。すなわち、
（１）一つの圧電素子と、
上記圧電素子に接して設けられ、圧電素子にパルス電圧を印加して圧電素子を伸縮させることで振動する振動部材と、
上記振動部材に圧接し、移動可能な可動部材と、
を備え、上記振動部材は、少なくとも２つ以上の共振周波数を有していて、第１の共振周波数で振動しているときには、上記振動部材と上記可動部材の圧接する箇所に第１の方向の力が発生し、上記可動部材を第１の方向に駆動し、第２の共振周波数で振動しているときには、上記振動部材と上記可動部材の圧接する箇所に第２の方向の力が発生し、上記可動部材を第２の方向に駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
上記圧電アクチュエータによれば、１つの圧電素子を用いて、可動部材を２方向に駆動でき、構造が簡単でしかも、コスト的、スペ−ス的に有利な圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【００６３】
（２）略円柱状、または、蒲鉾状、または、直方体の振動部材と、
上記振動部材の中に配置された圧電素子と、
パルス電圧を出力するパルス制御回路と、
上記振動部材に設けられていて、略ハの字形状に配設された２つの細長い突起部と、
上記突起部と当接した可動部材と、
を具備し、上記パルス電圧が第１の周波数のとき、上記突起部が上記ハの字が横に広がる方向に振幅変位する位相で上記可動部材を上記ハの字の上方向に駆動し、また、上記パルス電圧が第２の周波数のとき、上記突起部が上記ハの字が横に狭くなる方向に振幅変位する位相で上記可動部材を上記ハの字の下方向に駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
上記圧電アクチュエータによれば、１つの圧電素子を用いて、可動部材を２方向に進退駆動でき、構造が簡単でしかも、コスト的、スペ−ス的に有利な小型の圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【００６４】
（３）略板状の振動部材と、
上記振動部材の中に配置された圧電素子と、
上記振動部材の上面に回転自在に配設された可動部材と、
パルス電圧を出力するパルス制御回路と、
上記振動部材の表面に上記可動部材の回転中心に向かう方向に対して傾けて設けられていて上記可動部材と当接する複数の細長い突起部と、
を具備し、上記パルス電圧が第１の周波数のとき、上記突起部が上記回転中心に対して縮まる方向に振幅変位する位相で、上記可動部材を第１の方向に回転駆動し、また、上記パルス電圧が第２の周波数のとき、上記突起部が上記回転中心に対して広がる方向に振幅変位する位相で、上記可動部材を上記第１の方向と反対方向に回転駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
上記圧電アクチュエータによれば、１つの圧電素子を用いて、可動部材を２方向の回転駆動ができ、構造が簡単でしかも、コスト的、スペ−ス的に有利であり、特に薄型の圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【００６５】
（４）１つの圧電素子にパルス電圧を印加することで振動部材を振動させて、この振動部材に圧接している可動部材を移動駆動可能な圧電アクチュエータにおいて、
上記振動部材に第１の共振周波数の振動を発生させるように、上記圧電素子に第１のパルス電圧を印加し、また上記振動部材に第２の共振周波数の振動を発生させるように、上記圧電素子に第２のパルス電圧を印加することが選択的に可能なパルス制御回路と、
上記振動部材と上記可動部材との当接部に設けられ、上記第１の共振周波数と上記第２の共振周波数とで異なる方向へ振幅変位する接触部と、
を具備することを特徴とする圧電アクチュエータ。
上記圧電アクチュエータによれば、上記圧電アクチュエータによれば、１つの圧電素子を用いて、可動部材を２方向の回転駆動ができ、構造が簡単でしかも、コスト的、スペ−ス的に有利な圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【００６６】
（５）円筒状の回転可能な可動部材と、
上記可動部材の円筒内側に設けられた振動部材と、
上記振動部材に一体に設けられ、上記可動部材の円筒内面と内接する２つの頂点部と、
上記頂点部を上記可動部材の円筒内面に圧接する圧接手段と、
上記振動部材の内部に上記可動部材の回動方向に対して略垂直方向に設けられ、２つの上記頂点部に共振周波数の振動を発生可能な圧電素子と、
を具備し、上記圧電素子により上記頂点部に第１の共振周波数の振動が発生している場合は、上記可動部材を第１の方向に回転駆動し、また、上記頂点部に第２の共振周波数の振動が発生している場合は、上記可動部材を上記第１の方向と反対の第２の方向に回転駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
上記圧電アクチュエータによれば、１つの圧電素子を用いて、可動部材を２方向の回転駆動ができ、また、頂点部で駆動力の変換が行われるので、効率の良い駆動を行うことができる。
【００６７】
（６）付記（５）において、
上記２つの頂点部は、上記可動部材の内面とそれぞれ線接触する略直線状当接面を有している。
上記圧電アクチュエータは、付記（５）の効果に加えてさらに頂点部の耐久性能が向上するという効果も有している。
【００６８】
（７）付記（６）において、
上記略直線状当接面の直線方向は、上記可動部材の回転方向に対して傾いている。
上記圧電アクチュエータは、付記（６）の効果に加えてさらに駆動力の変換が効率よく行われるという効果も有している。
【００６９】
（８）付記（５）において、
上記２つの頂点部は、上記可動部材の内面とそれぞれ線接触する略直線状当接面の直線方向が上記可動部材の回転方向に対して傾けて配設され、さらに上記略直線状当接面が上記可動部材の回転方向に対して略垂直方向に２つ対向して列設されている。
上記圧電アクチュエータは、付記（５）の効果に加えて、より大きな駆動力が得られるという効果も有している。
【００７０】
（９）付記（７）、または、（８）において、
上記頂点部の略直線状当接面の直線方向は、上記可動部材の回転方向に対して略４５度傾けて配設されている。
上記圧電アクチュエータは、付記（７）、または、（８）の効果に加えて、確実に駆動力の変換が行われるという効果も有している。
【００７１】
（１０）１つの圧電素子にパルス電圧を印加することで振動部材を振動させて、この振動部材に圧接している可動部材を移動駆動可能な圧電アクチュエータにおいて、
上記圧電素子に第１のパルス電圧と第２のパルス電圧とを選択的に印加することが可能なパルス制御回路と、
上記振動部材内に上記圧電素子を配置する固定手段と、
上記振動部材に設けられ、当接する上記可動部材に圧接する方向に付勢された突起部と、
上記パルス制御回路に第１のパルス電圧が選択印加された場合には上記可動部材を第１の方向へ駆動し、第２のパルス電圧が選択印加された場合には上記可動部材を第１の方向とは異なる第２の方向へ駆動するように、上記振動部材に発生する振動を上記可動部材に伝達する方向を変換可能に、上記可動部材に対して上記突起部を配置してなる変換手段と、
を具備することを特徴とする圧電アクチュエータ。
上記圧電アクチュエータによれば、１つの圧電素子を用いて、可動部材を２方向に駆動でき、構造が簡単でしかも、コスト的、スペ−ス的に有利な圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【００７２】
（１１）付記（１０）において、
上記突起部は、上記可動部材と線接触するように少なくとも２つ設けられ、上記変換手段は、上記突起部を上記可動部材の移動方向に対して略ハの字形状に配置したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
上記圧電アクチュエータは、付記（１０）の効果に加えてさらに駆動力の変換が効率よく行われるという効果も有している。
【００７３】
（１２）付記（１０）において、
上記変換手段は、上記突起部が上記可動部材と線接触する略直線状当接面で成り、この略直線状当接面の直線方向を上記可動う部材の回転方向に対して傾けて配設して構成されたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
上記圧電アクチュエータは、付記（１０）の効果に加えてさらに駆動力の変換が効率よく行われるという効果も有している。
【００７４】
（１３）円筒状の回転可能な可動部材と、
上記可動部材の円筒内側に設けられた振動部材と、
上記振動部材に一体に設けられ、上記可動部材の円筒内面と内接する第１および第２の頂点部と、
上記頂点部を上記可動部材の円筒内面に圧接する圧接手段と、
長手形状の両端にパルス電圧を印加されるように形成され、上記振動部材の内部に上記可動部材の回動方向に対しその長手形状が略平行方向となるように設けられ、上記第１の頂点部に第１の共振周波数を、また、上記第２の頂点部に第２の共振周波数の振動をそれぞれ選択的に発生可能な圧電素子と、
を具備し、上記圧電素子により、上記第１の頂点部に第１の共振周波数の振動が発生している場合、上記可動部材を第１の方向に回転駆動し、また、上記第２の頂点部に第２の共振周波数の振動が発生している場合、上記可動部材を上記第１の方向と反対の第２の回転駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
上記圧電アクチュエータによれば、１つの圧電素子を用いて、可動部材を２方向の回転駆動ができ、構造が簡単でしかも、コスト的、スペ−ス的に有利であり、特に薄型の圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【００７５】
（１４）付記（１３）において、
上記第１の頂点部と上記第２の頂点部とは、上記圧電素子の上記パルス印加方向に対して略対向して配設されている。
上記圧電アクチュエータは、付記（１３）の効果に加えてさらに駆動力の変換が効率よく行われるという効果も有している。
【００７６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の圧電アクチュエータによれば、１つの圧電素子を用いて、可動部材を２方向の駆動ができ、構造が簡単でしかも、コスト的、スペ−ス的に有利な圧電アクチュエータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの概要を示すブロック構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の圧電アクチュエータの縦断面図であり、図２（Ａ）は図３をＡ方向からみた縦断面図であり、図２（Ｂ）は図３をＢ方向からみた縦断面図。
【図３】図２の圧電アクチュエータの横断面図であり、図３（Ａ）は図２（Ａ）の軸方向位置Ｐ2 上の断面図であり、図３（Ｂ）は図２（Ａ）の軸方向位置Ｐ4 上の断面図。
【図４】図２の圧電アクチュエータ等に印可されるパルス電圧波形を示す図。
【図５】図２の圧電アクチュエータでの振動部材の２種類の共振時での外周面における振幅波形を示した図である。
【図６】図２の圧電アクチュエータにおける振動部材の突起部の共振時での変位状態を示す拡大模式図。
【図７】本発明の第２の実施の形態の圧電アクチュエータを示す図であり、図７（Ａ）は、可動部材を除いた状態で突起側からみた正面図であり、図７（Ｂ）は、可動部材を取り付けた状態での側面図である。
【図８】図７の圧電アクチュエータにおける図７の突起部位置での断面図。
【図９】図７の圧電アクチュエータでの振動部材の２種類の共振時での外周面における振幅波形を示した図。
【図１０】図７の圧電アクチュエータにおける突起部の移動方向とその合成方向を示すベクトル図。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の圧電アクチュエータの横断面図。
【図１２】図１１の圧電アクチュエータの縦断面図。
【図１３】本発明の第４の実施の形態の圧電アクチュエータの側面図。
【図１４】図１３の圧電アクチュエータの可動部材を外した状態での平面図。
【図１５】図１３の圧電アクチュエータでの振動部材表面における２種類の共振状態での振幅波形を示す図。
【図１６】本発明の第５の実施の形態の圧電アクチュエータの縦断面図。
【図１７】図１６の圧電アクチュエータの押さえ部材を外した状態での平面図。
【図１８】図１６の圧電アクチュエータの振動部材の側面図。
【図１９】図１６の圧電アクチュエータに組み込まれる圧電素子の斜視図。
【図２０】図１６の圧電アクチュエータでの振動部材の表面における２種類の共振状態での振幅波形を示す図。
【図２１】図１６の圧電アクチュエータにおける圧電素子に印加されるパルス電圧の波形を示す図。
【図２２】上記の各実施の形態の圧電アクチュエータを駆動するパルス制御回路を含む駆動回路の回路図。
【図２３】図２２のパルス制御回路を含む駆動回路の変形例を示す回路図。
【図２４】図２２のパルス制御回路を含む駆動回路により圧電素子を駆動したときのパルス電圧周波数に対する振動部材の振幅の変化を示す図。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１，４１，１０２……圧電素子
２，１２，２２，３２，４２，１０３……振動部材
３，２３，３３，４３，１０４……可動部材
３６，４９，５３，６３，１０１……パルス制御回路
４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ，１４ａ，１４ｂ，８，２１，４６，４７……ネジ部材（固定手段）
２２ａ，２２ｂ，３４ａ，３４ｂ３４ｃ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ……突起部、または、突起群（駆動伝達手段，変換手段）
ｆ1 ，ｆ11，ｆ21，ｆ31，ｆ41……第１の共振周波数
ｆ2 ，ｆ12，ｆ22，ｆ32，ｆ42……第２の共振周波数
Ｖ1 ……第１のパルス電圧
Ｖ2 ……第２のパルス電圧
【図１】
0003813679.tif 000002
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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