圧電アクチュエータ及びそれを用いた電子機器
【課題】圧電素子の急速変形によりそれと接する移動体を摩擦駆動するアクチュエータに関し、特に、駆動効率が高く、小型、低消費電力で大出力が得られる圧電アクチュエータを得る。
【解決手段】圧電アクチュエータ２００は、往復変位する圧電素子駆動部と、圧電素子駆動部の支持部近傍に設けられたバランス部とで構成された振動子２５と、圧電素子駆動部に設けられた摩擦部と接する移動体７と、からなり、圧電素子駆動部の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより移動体７を駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ２００とする。
【解決手段】圧電アクチュエータ２００は、往復変位する圧電素子駆動部と、圧電素子駆動部の支持部近傍に設けられたバランス部とで構成された振動子２５と、圧電素子駆動部に設けられた摩擦部と接する移動体７と、からなり、圧電素子駆動部の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより移動体７を駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ２００とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子の振動により移動体を摩擦駆動する圧電アクチュエータ、及びそれを応用し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が要求されている。このアクチュエータの代表例は電磁型のモータであり、その出力を減速歯車列等を介して稼働部材の駆動力に変換する方式が古くから一般に行われている。
【０００３】
しかしながら、電磁型の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ため、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。
【０００４】
そこで、新原理のアクチュエータの開発も盛んに行われており、小型で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。例えば移動体と、これを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急速に変形させた際に生じる移動体の慣性力により移動体を稼働する方式が開発され、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（特許文献１、２）。
【０００５】
また、一端が固定部材に固定された圧電素子と、圧電素子と加圧接触する移動体とで構成され、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移動体を駆動する方式が検討されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２４７９６７号公報
【特許文献２】特開平１１−２６５２１２号公報
【特許文献３】特開２００５−２１０８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に示したものの動作は直動動作に限られるため、応用する機器に制限を与えてしまった。この場合、稼働部材をダイレクトに稼働させることが出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。
【０００８】
そして、特許文献１、２ともに移動体と軸、あるいは移動体と圧電素子との間の接触部で摺動ロスを発生したり、圧電素子の支持部での振動漏れが発生することにより駆動効率が低く、大きな消費電力を必要とするという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、駆動効率が高く、小型で低消費電力、大出力が得られる圧電アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明の圧電アクチュエータは、往復変位する圧電素子駆動部と、圧電素子駆動部の支持部近傍に設けられたバランス部とで構成された振動子と、圧電素子駆動部に設けられた摩擦部と接する移動体と、からなり、圧電素子駆動部の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより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とする。
【００１１】
特に、バランス部は圧電素子からなり、圧電素子駆動部の変位の方向とバランス部の変位の方向は、支持部を基準にして反対方向であることを特徴とする。
【００１２】
別の例としては圧電素子と、圧電素子の一端に固定されたガイド軸と、ガイド軸に接する移動体と、圧電素子の他端に設けられた重りと、を有し、圧電素子の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより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とする。
【００１３】
これらによれば、圧電素子駆動部が急速に変形しても、振動子の重心は変化しないから支持部での振動のロスがなく、圧電アクチュエータの駆動効率は向上する。
【発明の効果】
【００１４】
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、簡易な構成の駆動回路で駆動できる圧電アクチュエータが実現できる。しかも、圧電素子の支持部での振動漏れがないため駆動効率が高く小型で高出力の圧電アクチュエータが実現できる。
【００１５】
そして、移動体により稼動部材を駆動することで、電子機器の小型化、低消費電力化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１の圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータに印加する駆動信号のパターン１と、その際の 摩擦部の動作の様子を示す図である。
【図３】本発明の圧電アクチュエータに印加する駆動信号のパターン２と、その際の摩擦部の動作の様子を示す図である。
【図４】本発明の圧電アクチュエータに印加する駆動信号のパターン３と、その際の摩擦部の動作の様子を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２の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の圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態４の圧電アクチュエータの振動子の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態５の圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態６の圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態６の圧電アクチュエータの摩擦部の別な例を示す図である。
【図１１】本発明の圧電アクチュエータを搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）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、図１（ｂ）は圧電アクチュエータ１００に使用されている振動子２０の構成を示した図（変形図）である。
【００１８】
本発明の圧電アクチュエータ１００は、支持部材４と、第一の圧電素子１と第二の圧電素子２から構成され、支持部材４に一端を固定された振動子２０と、振動子２０の他端に設けられた摩擦部３と、摩擦部３と接する移動体７と、摩擦部３と移動体７の間の接触圧を発生させる加圧ばね６と、支持部材４の移動を案内する案内部材５とで構成されている。
【００１９】
振動子２０は直方体形状であり、第一の圧電素子１と第二の圧電素子２を接着することにより一体的に構成されている。接着剤を用いずに、第一の圧電素子１と、第二の圧電素子２とを同一の圧電素子内に構成されるように一体的に焼結されたものでも良い。第一の圧電素子１は矢印５１の方向に分極処理されており、矢印５１と直交する方向の端面に設けられた電極８，９間に電圧を印加すると、図中ｘ軸方向へせん断変形を行うことで、移動体７の移動方向（摩擦部３と移動体７との接触圧方向と直交する方向）への変位を発生する。第二の圧電素子２は矢印５２の方向に分極処理されており、矢印５２の方向の端面に設けられた電極９，１０間に電圧を印加すると、ｙ軸方向へ伸縮変形を行うことで摩擦部３と移動体７との接触圧方向への変位を発生する。
【００２０】
移動体７は、移動体７の回転中心に設けた軸７ａを、図示しない軸受けにより案内することにより回転する。案内部材５は二つのガイド面５ａ，５ｂに図示しない溝部を有し、溝部は支持部材４の側面４ａ，４ｂと係合することで、支持部材４が加圧ばね６の加圧力を受け、移動体７の方向に移動する為の案内となる。摩擦部３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から出来ており、接着剤により圧電素子１１に接合されている。しかしながら、圧電素子１の表面自体を摩擦部３としても良いし、コーティング等によって摩擦部３を形成しても構わない。
【００２１】
ここで、支持部材４は重量の重い真鍮等の金属からできており圧電素子１，２の急速な変形に対するカウンターウエイトとして働く。そして、案内部材５は圧電素子１の変形による支持部材４のｘ方向の動きを規制し、加圧ばね６は圧電素子２の変形による支持部材４のｙ方向の動きを規制することを助けることが可能となるから圧電素子１，２の動作は効率良く移動体７の動作に変換される。
【００２２】
次に振動子２０の動作を具体的に説明する。図２、３，４は圧電素子１，２へ印加する駆動信号Ｅ１，Ｅ２のパターンの例（パターン１，２，３）と、これに対応して動作する摩擦部３の動作の様子を示したものである。それぞれ図（ｂ）は横軸に時間を、縦軸に電圧レベルをとって、第一の圧電素子１への印加信号Ｅ１、第二の圧電素子２への印加信号Ｅ２の変化を示している。図（ａ）は、変位の方向を指す矢印と変位のスピードを表す言葉でこの駆動信号に対する摩擦部３の動作の様子を示している。
【００２３】
図２において、第一の圧電素子１、第二の圧電素子２には同一波形形状の駆動信号が印加される。ゆっくりと電圧が増加する期間Ｐ１に続いて急速に電圧が減少する期間Ｐ２を繰り返す。期間Ｐ１では、摩擦部３はゆっくりとｘ軸＋方向に動作すると共に、Ｙ軸＋方向に動作するため、これと接する移動体７もこの動作にならって移動する（Ａ１）。期間Ｐ２では急速にｘ軸−方向に動作すると共に、Ｙ軸−方向に動作する（Ａ２）。このとき、摩擦部３と移動体７との接触は離れるから、摩擦部３の動作は移動体７には伝わらない。この動作を繰り返すことによって、移動体７は反時計回りに回転する。このように、摩擦部３の動作は、第一の圧電素子１による移動体７の移動方向と逆の（ｘ軸方向）動作と、第二の圧電素子２による移動体７から離れる方向の（ｙ軸方向）動作を速くして、第一の圧電素子１による移動体７の移動方向（ｘ軸方向）の動作をゆっくりと行うことにより、移動体７には摩擦部３から余計な（逆方向の）駆動力が伝わらないから圧電アクチュエータ１００の駆動効率は向上する。そして、このように第一の圧電素子１、第二の圧電素子２に印加する駆動信号を同一波形形状とすることにより図示しない駆動回路の構成が簡単になる。ところで、移動体７を時計回りに回転させる際には図２（ｃ）に示した様に、駆動信号Ｅ１もしくはＥ２の電圧の変化（電圧を急激に変化させる過程と、緩やかに変化させる過程の順序を逆にすれば良い。
【００２４】
図３、４については図２との差のみを説明する。図３において、第一の圧電素子１と第二の圧電素子２にはそれぞれ位相が９０度ずれた駆動信号が印加される。期間Ｐ１においては第二の圧電素子２にのみ緩やかに電圧が増加する駆動信号Ｅ１が入力され、摩擦部３はゆっくりとｙ軸＋方向へゆっくりと変位する（Ａ１）。更に、期間Ｐ２では第一の圧電素子１に印加される駆動信号は緩やかに電圧が増加し、ｘ軸＋方向へゆっくりと変位する（Ａ２）。更に、期間Ｐ３では第二の圧電素子２へ印加される駆動信号の電圧は、急速に低下し、摩擦部３はｙ軸−方向へ急速に変位する（Ａ３）。更に、期間Ｐ４では、第一の圧電素子１に印加される駆動信号Ｅ１の電圧は、急速に低下し、摩擦部３はｙ軸−方向へ急速に変位する（Ａ４）。従って、期間Ｐ２での動作Ａ２によって、移動体７は駆動される。この動作を繰り返すことによって、移動体７は反時計回りに回転する。このように、摩擦部３の移動体７の移動方向と逆の（ｘ軸方向）動作と移動体７から離れる方向の（ｙ軸方向）動作を早くして、移動体７の移動方向（ｘ軸方向）動作をゆっくりと行うことにより、移動体７には摩擦部３から余計な駆動力が伝わらないから圧電アクチュエータ１００の駆動効率は向上する。
【００２５】
図４において、期間Ｐ１では第二の圧電素子２にのみ緩やかに電圧が増加する駆動信号Ｅ２が入力され、摩擦部３はｙ軸＋方向へゆっくりと変位する（Ａ１）。更に、期間Ｐ２では第一の圧電素子１に印加される駆動信号は緩やかに電圧が増加し、ｘ軸＋方向へゆっくりと変位する（Ａ２）。更に、期間Ｐ３では第一の圧電素子１、第二の圧電素子２へ印加される駆動信号Ｅ１，Ｅ２の電圧は、急速に低下し、摩擦部３はｘ軸−方向、ｙ軸−方向へ急速に変位する。従って、期間Ｐ２での動作Ａ２によって、移動体７は駆動される。この動作を繰り返すことによって、移動体７は反時計回りに回転する。このように、摩擦部３の移動体７の移動方向と逆の（ｘ軸方向）動作と移動体７から離れる方向の（ｙ軸方向）動作を早くして、移動体７の移動方向（ｘ軸方向）動作をゆっくりと行うことにより、移動体７には摩擦部３から余計な駆動力が伝わらないから圧電アクチュエータ１００の駆動効率は向上する。
【００２６】
本実施の形態に示した様に、第一の圧電素子１にせん断変形を発生可能な圧電素子を用いることで、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。
【００２７】
本実施の形態では第一の圧電素子１にｘ軸方向の変位を発生する圧電素子を、第二の圧電素子２にｙ軸方向の変位を発生する圧電素子としたが、第一の圧電素子１にｙ軸方向の変位を発生する圧電素子を、第二の圧電素子２にｘ軸方向の変位を発生する圧電素子とする構成としても構わない。
【００２８】
また、移動体７としては回転体を使用したが、棒状のレールとすればリニヤ型の圧電アクチュエータが実現できる。そして、圧電素子１，２には単板を使用したが積層型の圧電素子を用いても構わない。
【００２９】
（実施の形態２）
本発明の圧電アクチュエータ１００に用いられる振動子１２の別の実施の形態について図５を基にして実施の形態１との差を中心に説明する。
【００３０】
本発明の振動子１２は実施の形態１の振動子２０における第一の圧電素子１の代わりに、屈曲変位を発生する圧電素子１１を第一の圧電素子としたものである。第一の圧電素子１１は厚み方向（図中矢印５３，５４の方向）に分極処理された圧電素子１１ａ、１１ｂを重ねて接合することによりバイモルフ素子が構成されている。圧電素子１１ａ、１１ｂの表裏には電極１３，１４，１５が設けられている。ここで、圧電素子１１ａ、１１ｂの接合面にある電極１４をＧＮＤとし、圧電素子１１ａ、１１ｂの他方の面にある電極１３，１５を短絡して電圧を印可すると圧電素子１１ａ、１１ｂのうち、一方の圧電素子は伸び、他方の圧電素子は縮む為、第一の圧電素子１１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、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。振動子１２に印加する駆動信号Ｅ１，Ｅ２は実施の形態１に示したものと同じで良い。
【００３１】
このように第一の圧電素子１１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、移動体７を高速で駆動できる。
【００３２】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３を図６を基に説明する。本発明の圧電アクチュエータ２００は、支持部材２３を二つのバイモルフ（圧電素子）２１、２２で挟み込んだ構造で構成される振動子２５と、振動子２５と接する円板上の移動体７と、支持部材２３に加圧力を与え、振動子２５と移動体７との接触圧を発生する加圧ばね２４とで構成されている（図６（ａ））。バイモルフ２１は圧電素子２１ａと圧電素子２１ｂとで構成される。バイモルフ素子２２は圧電素子２２ａと圧電素子２２ｂとで構成され、バイモルフ２１と同一形状である。移動体７の回転中心には軸７ａが設けられ、図示しない軸受けで案内される。支持部材２３の端部には軸２３ａが設けられ、図示しない軸受けで案内されており、振動子２５は軸２３ａを回転中心軸として回転する。加圧ばね２４の加圧力が支持部材２３の端部２３ｂに加わることにより、バイモルフ２１に設けられた突起状の摩擦部２７と移動体７は加圧接触する。
【００３３】
圧電アクチュエータ２００において、バイモルフ２１は圧電素子駆動部として移動体７に駆動力を発生する。バイモルフ２１の自由端部２１ｃは、矢印２６の方向に往復変位する。バイモルフ２１の変位の行きの速度と、帰りの速度を異ならせることにより、一方の動作のみを自由端部２１ｃと接する移動体７の駆動力として伝える。具体的な駆動方法は特許文献２に示したものと同じであるので省略する。バイモルフ２１，２２の変形図を図６（ｂ）の点線に示すが、バイモルフ２２はバイモルフ２１の動作に同期して動作するとともに、変位方向は逆方向となる。このように、バイモルフ２２をバイモルフ２１と逆方向に変位させることにより、振動子２５の重心はバイモルフ２１の支持部である支持部材２３にあって変動しないため、振動漏れはなく、移動体７を安定に駆動できると共に、圧電アクチュエータ２００の駆動効率は向上する。また、バイモルフ２２に駆動信号を印加せずに、静止状態としてカウンターウエイトとしても同様の効果が得られる。従って、バイモルフ２２の代わりにバイモルフ２１の質量と同等以上の錘を設けても良い。このようにバイモルフ２２は振動子２５の動作を安定化させるバランス部として働く。
【００３４】
また、ここでは説明の簡易性から、一方向にのみ変位する圧電素子２１を用いる例を示したが、実施の形態１，２に示した様に、異なる二つの方向に独立に変位を発生することで、駆動力を得る圧電アクチュエータであっても構わない。
【００３５】
（実施の形態４）
実施の形態３の変形例について図７を基にして説明する。振動子３５は実施の形態１のアクチュエータ１００において、振動子２０に代わって置き換え可能なため、振動子３５の動作のみを説明する。
【００３６】
図７（ａ），（ｂ）は、それぞれ振動子３５の正面図、側面図である。圧電素子３１，３２は平行に配置され、支持部材４に固定されている。摩擦部３３は圧電素子３１の自由端に固定されている。圧電素子３１，３２は駆動信号の印加によって、せん断変形を生じるものである。圧電素子３１，３２は夫々逆方向に変形する（図７（ｃ）参照）。
【００３７】
圧電素子３１は圧電素子駆動部として移動体７に駆動力を発生する。圧電素子３１の自由端部に設けた摩擦部３３は矢印３４の方向に往復変位する。圧電素子３１の変位の行きの速度と、帰りの速度を異ならせることにより、一方の動作のみを移動体７の駆動力として伝える。圧電素子３２は圧電素子３１の動作に同期して動作するが、変位方向は逆方向となる。このように、圧電素子３２を圧電素子３１と逆方向に変位させることにより、振動子３５の動作に伴って支持部材４の位置は変動することはないため、振動漏れはなく、移動体７を安定に駆動できると共に、圧電アクチュエータ１００の駆動効率は向上する。また、圧電素子３２に駆動信号を印加せずに、静止状態としてカウンターウエイトとして機能させても同様の効果が得られる。従って、圧電素子３２の代わりに圧電素子３１の質量と同等以上の錘を設けても良い。このように圧電素子３２は振動子３５の動作を安定化させるバランス部として働く。
【００３８】
（実施の形態５）
本発明の圧電アクチュエータ４００について図８を基に説明する。圧電アクチュエータ４００は圧電素子４１と、圧電素子４１の一端に固定されたガイド軸４３と、ガイド軸４３に接する移動体４４と、圧電素子４１の他端に固定された錘４２と、圧電素子４１を支持する支持部材４５とで構成されている。圧電素子４１は駆動信号の印加により、伸縮変位を発生する。支持部材４５は圧電素子４１の中央部、即ち伸縮変位が生じない点を支持している。移動体４４は、図示しない加圧ばねの加圧力によって、ガイド軸４３に加圧接触している。
【００３９】
次に、具体的に圧電アクチュエータ４００の動作について説明する。初期位置（図８（ａ））から、圧電素子４１に緩やかに電圧値が増加する駆動信号を圧電素子４１に加えると、圧電素子４１は緩やかに伸びる。このとき、ガイド軸４３の移動に伴い、移動体４４も移動する（図８（ｂ））。次に圧電素子４１に印加している駆動信号の電圧値を急激に下げると、圧電素子４１も急速に縮み、移動体４４とガイド軸４３の間に滑りが生じ、結果的に移動体４４の位置は、初期位置に対して進んだ状態（図８（ｃ））となる。この一連の動作を繰り返すことにより、移動体４４は移動を続ける。
【００４０】
この動作中、圧電素子４１中心で分けた二つの部分４１ａ，４１ｂは逆方向に変位する。圧電素子４１の一方の部分４１ａは圧電素子駆動部として移動体４４に駆動力を与える。圧電素子４１の他方の部分４１ｂはガイド軸４３とは逆方向に錘４２を動かす。圧電素子４１の二つの部分４１ａ、４１ｂによって生じる力は支持部材４５では相殺されるため、支持部材４５には力が生じない。これにより、支持部材４５を通じて振動が漏れることは無い。このように、圧電素子４１ｂは錘４２とでバランス部として機能する。錘４２の質量はガイド軸４３の質量と同等が良い。
【００４１】
（実施の形態６）
本発明の圧電アクチュエータ６００について図９を基に説明する。図９（ａ）に示した圧電アクチュエータ６００は基本的に実施の形態３で示した圧電アクチュエータ２００の構造を用いたものであり、これを若干変更したものである。以下両者の違いを中心に説明する圧電アクチュエータ６００は圧電アクチュエータ２００の移動体７に代わって、レール状の移動体６１が設けられている。移動体６１は二つの案内部材６２，６３によって支えられ、案内部材６２，６３が回転することにより、これと接する移動体６１は図中矢印ｘの方向へ稼動可能となっている。更に、圧電アクチュエータ６００ではバイモルフ（圧電素子）２１の先端に耐摩耗性に富んだエンジニアリングプラスチックやセラミクスからなる摩擦部６４が設けられている。そして摩擦部６４はバイモルフ（圧電素子）２１の幅方向両端部二箇所に凸部６４a、６４ｂを有することを特徴としている。
【００４２】
次に、圧電アクチュエータ６００の動作について説明する。圧電アクチュエータ６００の駆動方法は実施の形態３に示したものと同じであり、バイモルフ（圧電素子）２１、２２を屈曲変形させる（図９（ｂ））。そして、屈曲変形の行きと帰りの速度を変えることにより速度の遅い変位の動作では移動体６１はこの変位に伴い摩擦部６４に摩擦駆動され、速度が速い変位の動作では移動体６１は摩擦部６４と滑りを生じるから移動しないか、あるいは移動量が小さい。従って、移動体６４は速度の遅い変位の動作の方向へ移動する。
【００４３】
ここで、摩擦部６４にはバイモルフ（圧電素子）２１の幅方向両端部二箇所に凸部６４a、６４ｂを有している。これによりバイモルフ（圧電素子）２１の図中矢印ｙ方向変位
が最大となる二点において、安定に移動体６１と接触することが可能となる。これにより移動体６１の表面のうねりの影響も受けず、またバイモルフ（圧電素子）２１や移動体６１の組み込みの影響による摩擦部６４と移動体６１の１点での接触を避けることができる。そして、ｙ方向変位の最大点で摩擦部６４と移動体６１を接触させることにより、バイモルフ（圧電素子）２１の速度の速い変位の動作を移動体６１に伝えにくく、速度の遅い変位の動作を移動体６１に伝えやすくなるため移動体６１の出力は大きくなる。
【００４４】
図１０は摩擦部６４の変形例を示したものである。摩擦部６４はバイモルフ（圧電素子）２１の幅方向両端に張り出し部６５ａ、６５ｂを有している。このような構造とすることにより、バイモルフ（圧電素子）２１の変位は拡大されるから移動体６１は安定に駆動できるとともに速度が遅い変位の動作を確実に移動体６１に伝えることができるから圧電アクチュエータ６００の出力は大きくなる。
【００４５】
更に、摩擦部６５の張り出し部６５ａ、６５ｂに図１０と同様に凸部を設ければ摩擦部６５と移動体６１の接触も安定するから、圧電アクチュエータ６００の効率も改善され出力も大きくなるとともに、圧電アクチュエータ６００個々の性能ばらつきは小さくできる。
【００４６】
本実施の形態では、圧電アクチュエータ２００を基に摩擦部の改善例を示したが、屈曲変形する圧電素子の行きの変位の速度と帰りの変位の速度に違いも持たせて移動体を摩擦駆動させる圧電アクチュエータには全て適用可能であり、実施の形態２で示した振動子１２に摩擦部６４もしくは６５を設けても良い。
【００４７】
（実施の形態７）
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。
【００４８】
図１１は本発明の原理、構造に基づく圧電アクチュエータ５００を搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。圧電アクチュエータ５００は、主に圧電素子５２と移動体５３とで構成される。電子機器におけるＣＰＵ等の制御回路５０の指令がドライバ５１に伝達されるとドライバ５１は圧電素子５２に駆動信号を出力する。移動体５３は圧電素子５２の駆動力を受け移動する。その際、移動体５３の力を受け稼動部材５４は移動する。
【００４９】
電子機器がカメラの場合にはズームを開始する指令が制御回路５０から伝達されるとドライバ５１は圧電素子５２に駆動信号を印加し、移動体５３を回転させる。移動体５３の力を受け、図示しないカムを介して稼動部材５４であるレンズを動かす。
【００５０】
電子機器が時計の場合には、稼動部材５４は針やカレンダ表示板となる。電子機器がプリンタの場合には稼動部材５４は印字ヘッドとなる。電子機器がＨＤＤや光ディスク等の情報記録機器の場合には、稼動部材５４は読み取りヘッドとなる。
【００５１】
この様な小型電子機器において、本発明の原理、構造に基づく圧電アクチュエータ５００を用いることにより、電子機器は小型で低消費電力となる。
【００５２】
特に、位置決め分解能が高く、移動体５３を停止状態にする際には電力を消費せず、保持力を有するという特徴から、高精度な位置決めが必要な電子機器においてその効果を発揮する。電子機器がステージの場合には稼動部材５４はテーブルや試料台であり、電子機器が工作機械の場合には、稼動部材５４は刃具や砥石等のワークである。
【符号の説明】
【００５３】
１，２，１１，２１，２２，３１，３２，４１，５２ 圧電素子
１００，２００，４００，５００ 圧電アクチュエータ
１２，２０，２５，３５ 振動子
４，２３，４５ 支持部材
７，４４，５３，６１ 移動体
５ 案内部材
６ 加圧ばね
６４，６５ 摩擦部
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子の振動により移動体を摩擦駆動する圧電アクチュエータ、及びそれを応用し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が要求されている。このアクチュエータの代表例は電磁型のモータであり、その出力を減速歯車列等を介して稼働部材の駆動力に変換する方式が古くから一般に行われている。
【０００３】
しかしながら、電磁型の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ため、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。
【０００４】
そこで、新原理のアクチュエータの開発も盛んに行われており、小型で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。例えば移動体と、これを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急速に変形させた際に生じる移動体の慣性力により移動体を稼働する方式が開発され、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（特許文献１、２）。
【０００５】
また、一端が固定部材に固定された圧電素子と、圧電素子と加圧接触する移動体とで構成され、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移動体を駆動する方式が検討されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２４７９６７号公報
【特許文献２】特開平１１−２６５２１２号公報
【特許文献３】特開２００５−２１０８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に示したものの動作は直動動作に限られるため、応用する機器に制限を与えてしまった。この場合、稼働部材をダイレクトに稼働させることが出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。
【０００８】
そして、特許文献１、２ともに移動体と軸、あるいは移動体と圧電素子との間の接触部で摺動ロスを発生したり、圧電素子の支持部での振動漏れが発生することにより駆動効率が低く、大きな消費電力を必要とするという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、駆動効率が高く、小型で低消費電力、大出力が得られる圧電アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明の圧電アクチュエータは、往復変位する圧電素子駆動部と、圧電素子駆動部の支持部近傍に設けられたバランス部とで構成された振動子と、圧電素子駆動部に設けられた摩擦部と接する移動体と、からなり、圧電素子駆動部の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより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とする。
【００１１】
特に、バランス部は圧電素子からなり、圧電素子駆動部の変位の方向とバランス部の変位の方向は、支持部を基準にして反対方向であることを特徴とする。
【００１２】
別の例としては圧電素子と、圧電素子の一端に固定されたガイド軸と、ガイド軸に接する移動体と、圧電素子の他端に設けられた重りと、を有し、圧電素子の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより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とする。
【００１３】
これらによれば、圧電素子駆動部が急速に変形しても、振動子の重心は変化しないから支持部での振動のロスがなく、圧電アクチュエータの駆動効率は向上する。
【発明の効果】
【００１４】
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、簡易な構成の駆動回路で駆動できる圧電アクチュエータが実現できる。しかも、圧電素子の支持部での振動漏れがないため駆動効率が高く小型で高出力の圧電アクチュエータが実現できる。
【００１５】
そして、移動体により稼動部材を駆動することで、電子機器の小型化、低消費電力化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１の圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータに印加する駆動信号のパターン１と、その際の 摩擦部の動作の様子を示す図である。
【図３】本発明の圧電アクチュエータに印加する駆動信号のパターン２と、その際の摩擦部の動作の様子を示す図である。
【図４】本発明の圧電アクチュエータに印加する駆動信号のパターン３と、その際の摩擦部の動作の様子を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２の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の圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態４の圧電アクチュエータの振動子の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態５の圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態６の圧電アクチュエータの構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態６の圧電アクチュエータの摩擦部の別な例を示す図である。
【図１１】本発明の圧電アクチュエータを搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）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、図１（ｂ）は圧電アクチュエータ１００に使用されている振動子２０の構成を示した図（変形図）である。
【００１８】
本発明の圧電アクチュエータ１００は、支持部材４と、第一の圧電素子１と第二の圧電素子２から構成され、支持部材４に一端を固定された振動子２０と、振動子２０の他端に設けられた摩擦部３と、摩擦部３と接する移動体７と、摩擦部３と移動体７の間の接触圧を発生させる加圧ばね６と、支持部材４の移動を案内する案内部材５とで構成されている。
【００１９】
振動子２０は直方体形状であり、第一の圧電素子１と第二の圧電素子２を接着することにより一体的に構成されている。接着剤を用いずに、第一の圧電素子１と、第二の圧電素子２とを同一の圧電素子内に構成されるように一体的に焼結されたものでも良い。第一の圧電素子１は矢印５１の方向に分極処理されており、矢印５１と直交する方向の端面に設けられた電極８，９間に電圧を印加すると、図中ｘ軸方向へせん断変形を行うことで、移動体７の移動方向（摩擦部３と移動体７との接触圧方向と直交する方向）への変位を発生する。第二の圧電素子２は矢印５２の方向に分極処理されており、矢印５２の方向の端面に設けられた電極９，１０間に電圧を印加すると、ｙ軸方向へ伸縮変形を行うことで摩擦部３と移動体７との接触圧方向への変位を発生する。
【００２０】
移動体７は、移動体７の回転中心に設けた軸７ａを、図示しない軸受けにより案内することにより回転する。案内部材５は二つのガイド面５ａ，５ｂに図示しない溝部を有し、溝部は支持部材４の側面４ａ，４ｂと係合することで、支持部材４が加圧ばね６の加圧力を受け、移動体７の方向に移動する為の案内となる。摩擦部３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から出来ており、接着剤により圧電素子１１に接合されている。しかしながら、圧電素子１の表面自体を摩擦部３としても良いし、コーティング等によって摩擦部３を形成しても構わない。
【００２１】
ここで、支持部材４は重量の重い真鍮等の金属からできており圧電素子１，２の急速な変形に対するカウンターウエイトとして働く。そして、案内部材５は圧電素子１の変形による支持部材４のｘ方向の動きを規制し、加圧ばね６は圧電素子２の変形による支持部材４のｙ方向の動きを規制することを助けることが可能となるから圧電素子１，２の動作は効率良く移動体７の動作に変換される。
【００２２】
次に振動子２０の動作を具体的に説明する。図２、３，４は圧電素子１，２へ印加する駆動信号Ｅ１，Ｅ２のパターンの例（パターン１，２，３）と、これに対応して動作する摩擦部３の動作の様子を示したものである。それぞれ図（ｂ）は横軸に時間を、縦軸に電圧レベルをとって、第一の圧電素子１への印加信号Ｅ１、第二の圧電素子２への印加信号Ｅ２の変化を示している。図（ａ）は、変位の方向を指す矢印と変位のスピードを表す言葉でこの駆動信号に対する摩擦部３の動作の様子を示している。
【００２３】
図２において、第一の圧電素子１、第二の圧電素子２には同一波形形状の駆動信号が印加される。ゆっくりと電圧が増加する期間Ｐ１に続いて急速に電圧が減少する期間Ｐ２を繰り返す。期間Ｐ１では、摩擦部３はゆっくりとｘ軸＋方向に動作すると共に、Ｙ軸＋方向に動作するため、これと接する移動体７もこの動作にならって移動する（Ａ１）。期間Ｐ２では急速にｘ軸−方向に動作すると共に、Ｙ軸−方向に動作する（Ａ２）。このとき、摩擦部３と移動体７との接触は離れるから、摩擦部３の動作は移動体７には伝わらない。この動作を繰り返すことによって、移動体７は反時計回りに回転する。このように、摩擦部３の動作は、第一の圧電素子１による移動体７の移動方向と逆の（ｘ軸方向）動作と、第二の圧電素子２による移動体７から離れる方向の（ｙ軸方向）動作を速くして、第一の圧電素子１による移動体７の移動方向（ｘ軸方向）の動作をゆっくりと行うことにより、移動体７には摩擦部３から余計な（逆方向の）駆動力が伝わらないから圧電アクチュエータ１００の駆動効率は向上する。そして、このように第一の圧電素子１、第二の圧電素子２に印加する駆動信号を同一波形形状とすることにより図示しない駆動回路の構成が簡単になる。ところで、移動体７を時計回りに回転させる際には図２（ｃ）に示した様に、駆動信号Ｅ１もしくはＥ２の電圧の変化（電圧を急激に変化させる過程と、緩やかに変化させる過程の順序を逆にすれば良い。
【００２４】
図３、４については図２との差のみを説明する。図３において、第一の圧電素子１と第二の圧電素子２にはそれぞれ位相が９０度ずれた駆動信号が印加される。期間Ｐ１においては第二の圧電素子２にのみ緩やかに電圧が増加する駆動信号Ｅ１が入力され、摩擦部３はゆっくりとｙ軸＋方向へゆっくりと変位する（Ａ１）。更に、期間Ｐ２では第一の圧電素子１に印加される駆動信号は緩やかに電圧が増加し、ｘ軸＋方向へゆっくりと変位する（Ａ２）。更に、期間Ｐ３では第二の圧電素子２へ印加される駆動信号の電圧は、急速に低下し、摩擦部３はｙ軸−方向へ急速に変位する（Ａ３）。更に、期間Ｐ４では、第一の圧電素子１に印加される駆動信号Ｅ１の電圧は、急速に低下し、摩擦部３はｙ軸−方向へ急速に変位する（Ａ４）。従って、期間Ｐ２での動作Ａ２によって、移動体７は駆動される。この動作を繰り返すことによって、移動体７は反時計回りに回転する。このように、摩擦部３の移動体７の移動方向と逆の（ｘ軸方向）動作と移動体７から離れる方向の（ｙ軸方向）動作を早くして、移動体７の移動方向（ｘ軸方向）動作をゆっくりと行うことにより、移動体７には摩擦部３から余計な駆動力が伝わらないから圧電アクチュエータ１００の駆動効率は向上する。
【００２５】
図４において、期間Ｐ１では第二の圧電素子２にのみ緩やかに電圧が増加する駆動信号Ｅ２が入力され、摩擦部３はｙ軸＋方向へゆっくりと変位する（Ａ１）。更に、期間Ｐ２では第一の圧電素子１に印加される駆動信号は緩やかに電圧が増加し、ｘ軸＋方向へゆっくりと変位する（Ａ２）。更に、期間Ｐ３では第一の圧電素子１、第二の圧電素子２へ印加される駆動信号Ｅ１，Ｅ２の電圧は、急速に低下し、摩擦部３はｘ軸−方向、ｙ軸−方向へ急速に変位する。従って、期間Ｐ２での動作Ａ２によって、移動体７は駆動される。この動作を繰り返すことによって、移動体７は反時計回りに回転する。このように、摩擦部３の移動体７の移動方向と逆の（ｘ軸方向）動作と移動体７から離れる方向の（ｙ軸方向）動作を早くして、移動体７の移動方向（ｘ軸方向）動作をゆっくりと行うことにより、移動体７には摩擦部３から余計な駆動力が伝わらないから圧電アクチュエータ１００の駆動効率は向上する。
【００２６】
本実施の形態に示した様に、第一の圧電素子１にせん断変形を発生可能な圧電素子を用いることで、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。
【００２７】
本実施の形態では第一の圧電素子１にｘ軸方向の変位を発生する圧電素子を、第二の圧電素子２にｙ軸方向の変位を発生する圧電素子としたが、第一の圧電素子１にｙ軸方向の変位を発生する圧電素子を、第二の圧電素子２にｘ軸方向の変位を発生する圧電素子とする構成としても構わない。
【００２８】
また、移動体７としては回転体を使用したが、棒状のレールとすればリニヤ型の圧電アクチュエータが実現できる。そして、圧電素子１，２には単板を使用したが積層型の圧電素子を用いても構わない。
【００２９】
（実施の形態２）
本発明の圧電アクチュエータ１００に用いられる振動子１２の別の実施の形態について図５を基にして実施の形態１との差を中心に説明する。
【００３０】
本発明の振動子１２は実施の形態１の振動子２０における第一の圧電素子１の代わりに、屈曲変位を発生する圧電素子１１を第一の圧電素子としたものである。第一の圧電素子１１は厚み方向（図中矢印５３，５４の方向）に分極処理された圧電素子１１ａ、１１ｂを重ねて接合することによりバイモルフ素子が構成されている。圧電素子１１ａ、１１ｂの表裏には電極１３，１４，１５が設けられている。ここで、圧電素子１１ａ、１１ｂの接合面にある電極１４をＧＮＤとし、圧電素子１１ａ、１１ｂの他方の面にある電極１３，１５を短絡して電圧を印可すると圧電素子１１ａ、１１ｂのうち、一方の圧電素子は伸び、他方の圧電素子は縮む為、第一の圧電素子１１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、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。振動子１２に印加する駆動信号Ｅ１，Ｅ２は実施の形態１に示したものと同じで良い。
【００３１】
このように第一の圧電素子１１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、移動体７を高速で駆動できる。
【００３２】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３を図６を基に説明する。本発明の圧電アクチュエータ２００は、支持部材２３を二つのバイモルフ（圧電素子）２１、２２で挟み込んだ構造で構成される振動子２５と、振動子２５と接する円板上の移動体７と、支持部材２３に加圧力を与え、振動子２５と移動体７との接触圧を発生する加圧ばね２４とで構成されている（図６（ａ））。バイモルフ２１は圧電素子２１ａと圧電素子２１ｂとで構成される。バイモルフ素子２２は圧電素子２２ａと圧電素子２２ｂとで構成され、バイモルフ２１と同一形状である。移動体７の回転中心には軸７ａが設けられ、図示しない軸受けで案内される。支持部材２３の端部には軸２３ａが設けられ、図示しない軸受けで案内されており、振動子２５は軸２３ａを回転中心軸として回転する。加圧ばね２４の加圧力が支持部材２３の端部２３ｂに加わることにより、バイモルフ２１に設けられた突起状の摩擦部２７と移動体７は加圧接触する。
【００３３】
圧電アクチュエータ２００において、バイモルフ２１は圧電素子駆動部として移動体７に駆動力を発生する。バイモルフ２１の自由端部２１ｃは、矢印２６の方向に往復変位する。バイモルフ２１の変位の行きの速度と、帰りの速度を異ならせることにより、一方の動作のみを自由端部２１ｃと接する移動体７の駆動力として伝える。具体的な駆動方法は特許文献２に示したものと同じであるので省略する。バイモルフ２１，２２の変形図を図６（ｂ）の点線に示すが、バイモルフ２２はバイモルフ２１の動作に同期して動作するとともに、変位方向は逆方向となる。このように、バイモルフ２２をバイモルフ２１と逆方向に変位させることにより、振動子２５の重心はバイモルフ２１の支持部である支持部材２３にあって変動しないため、振動漏れはなく、移動体７を安定に駆動できると共に、圧電アクチュエータ２００の駆動効率は向上する。また、バイモルフ２２に駆動信号を印加せずに、静止状態としてカウンターウエイトとしても同様の効果が得られる。従って、バイモルフ２２の代わりにバイモルフ２１の質量と同等以上の錘を設けても良い。このようにバイモルフ２２は振動子２５の動作を安定化させるバランス部として働く。
【００３４】
また、ここでは説明の簡易性から、一方向にのみ変位する圧電素子２１を用いる例を示したが、実施の形態１，２に示した様に、異なる二つの方向に独立に変位を発生することで、駆動力を得る圧電アクチュエータであっても構わない。
【００３５】
（実施の形態４）
実施の形態３の変形例について図７を基にして説明する。振動子３５は実施の形態１のアクチュエータ１００において、振動子２０に代わって置き換え可能なため、振動子３５の動作のみを説明する。
【００３６】
図７（ａ），（ｂ）は、それぞれ振動子３５の正面図、側面図である。圧電素子３１，３２は平行に配置され、支持部材４に固定されている。摩擦部３３は圧電素子３１の自由端に固定されている。圧電素子３１，３２は駆動信号の印加によって、せん断変形を生じるものである。圧電素子３１，３２は夫々逆方向に変形する（図７（ｃ）参照）。
【００３７】
圧電素子３１は圧電素子駆動部として移動体７に駆動力を発生する。圧電素子３１の自由端部に設けた摩擦部３３は矢印３４の方向に往復変位する。圧電素子３１の変位の行きの速度と、帰りの速度を異ならせることにより、一方の動作のみを移動体７の駆動力として伝える。圧電素子３２は圧電素子３１の動作に同期して動作するが、変位方向は逆方向となる。このように、圧電素子３２を圧電素子３１と逆方向に変位させることにより、振動子３５の動作に伴って支持部材４の位置は変動することはないため、振動漏れはなく、移動体７を安定に駆動できると共に、圧電アクチュエータ１００の駆動効率は向上する。また、圧電素子３２に駆動信号を印加せずに、静止状態としてカウンターウエイトとして機能させても同様の効果が得られる。従って、圧電素子３２の代わりに圧電素子３１の質量と同等以上の錘を設けても良い。このように圧電素子３２は振動子３５の動作を安定化させるバランス部として働く。
【００３８】
（実施の形態５）
本発明の圧電アクチュエータ４００について図８を基に説明する。圧電アクチュエータ４００は圧電素子４１と、圧電素子４１の一端に固定されたガイド軸４３と、ガイド軸４３に接する移動体４４と、圧電素子４１の他端に固定された錘４２と、圧電素子４１を支持する支持部材４５とで構成されている。圧電素子４１は駆動信号の印加により、伸縮変位を発生する。支持部材４５は圧電素子４１の中央部、即ち伸縮変位が生じない点を支持している。移動体４４は、図示しない加圧ばねの加圧力によって、ガイド軸４３に加圧接触している。
【００３９】
次に、具体的に圧電アクチュエータ４００の動作について説明する。初期位置（図８（ａ））から、圧電素子４１に緩やかに電圧値が増加する駆動信号を圧電素子４１に加えると、圧電素子４１は緩やかに伸びる。このとき、ガイド軸４３の移動に伴い、移動体４４も移動する（図８（ｂ））。次に圧電素子４１に印加している駆動信号の電圧値を急激に下げると、圧電素子４１も急速に縮み、移動体４４とガイド軸４３の間に滑りが生じ、結果的に移動体４４の位置は、初期位置に対して進んだ状態（図８（ｃ））となる。この一連の動作を繰り返すことにより、移動体４４は移動を続ける。
【００４０】
この動作中、圧電素子４１中心で分けた二つの部分４１ａ，４１ｂは逆方向に変位する。圧電素子４１の一方の部分４１ａは圧電素子駆動部として移動体４４に駆動力を与える。圧電素子４１の他方の部分４１ｂはガイド軸４３とは逆方向に錘４２を動かす。圧電素子４１の二つの部分４１ａ、４１ｂによって生じる力は支持部材４５では相殺されるため、支持部材４５には力が生じない。これにより、支持部材４５を通じて振動が漏れることは無い。このように、圧電素子４１ｂは錘４２とでバランス部として機能する。錘４２の質量はガイド軸４３の質量と同等が良い。
【００４１】
（実施の形態６）
本発明の圧電アクチュエータ６００について図９を基に説明する。図９（ａ）に示した圧電アクチュエータ６００は基本的に実施の形態３で示した圧電アクチュエータ２００の構造を用いたものであり、これを若干変更したものである。以下両者の違いを中心に説明する圧電アクチュエータ６００は圧電アクチュエータ２００の移動体７に代わって、レール状の移動体６１が設けられている。移動体６１は二つの案内部材６２，６３によって支えられ、案内部材６２，６３が回転することにより、これと接する移動体６１は図中矢印ｘの方向へ稼動可能となっている。更に、圧電アクチュエータ６００ではバイモルフ（圧電素子）２１の先端に耐摩耗性に富んだエンジニアリングプラスチックやセラミクスからなる摩擦部６４が設けられている。そして摩擦部６４はバイモルフ（圧電素子）２１の幅方向両端部二箇所に凸部６４a、６４ｂを有することを特徴としている。
【００４２】
次に、圧電アクチュエータ６００の動作について説明する。圧電アクチュエータ６００の駆動方法は実施の形態３に示したものと同じであり、バイモルフ（圧電素子）２１、２２を屈曲変形させる（図９（ｂ））。そして、屈曲変形の行きと帰りの速度を変えることにより速度の遅い変位の動作では移動体６１はこの変位に伴い摩擦部６４に摩擦駆動され、速度が速い変位の動作では移動体６１は摩擦部６４と滑りを生じるから移動しないか、あるいは移動量が小さい。従って、移動体６４は速度の遅い変位の動作の方向へ移動する。
【００４３】
ここで、摩擦部６４にはバイモルフ（圧電素子）２１の幅方向両端部二箇所に凸部６４a、６４ｂを有している。これによりバイモルフ（圧電素子）２１の図中矢印ｙ方向変位
が最大となる二点において、安定に移動体６１と接触することが可能となる。これにより移動体６１の表面のうねりの影響も受けず、またバイモルフ（圧電素子）２１や移動体６１の組み込みの影響による摩擦部６４と移動体６１の１点での接触を避けることができる。そして、ｙ方向変位の最大点で摩擦部６４と移動体６１を接触させることにより、バイモルフ（圧電素子）２１の速度の速い変位の動作を移動体６１に伝えにくく、速度の遅い変位の動作を移動体６１に伝えやすくなるため移動体６１の出力は大きくなる。
【００４４】
図１０は摩擦部６４の変形例を示したものである。摩擦部６４はバイモルフ（圧電素子）２１の幅方向両端に張り出し部６５ａ、６５ｂを有している。このような構造とすることにより、バイモルフ（圧電素子）２１の変位は拡大されるから移動体６１は安定に駆動できるとともに速度が遅い変位の動作を確実に移動体６１に伝えることができるから圧電アクチュエータ６００の出力は大きくなる。
【００４５】
更に、摩擦部６５の張り出し部６５ａ、６５ｂに図１０と同様に凸部を設ければ摩擦部６５と移動体６１の接触も安定するから、圧電アクチュエータ６００の効率も改善され出力も大きくなるとともに、圧電アクチュエータ６００個々の性能ばらつきは小さくできる。
【００４６】
本実施の形態では、圧電アクチュエータ２００を基に摩擦部の改善例を示したが、屈曲変形する圧電素子の行きの変位の速度と帰りの変位の速度に違いも持たせて移動体を摩擦駆動させる圧電アクチュエータには全て適用可能であり、実施の形態２で示した振動子１２に摩擦部６４もしくは６５を設けても良い。
【００４７】
（実施の形態７）
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。
【００４８】
図１１は本発明の原理、構造に基づく圧電アクチュエータ５００を搭載した電子機器の構成を示すブロック図である。圧電アクチュエータ５００は、主に圧電素子５２と移動体５３とで構成される。電子機器におけるＣＰＵ等の制御回路５０の指令がドライバ５１に伝達されるとドライバ５１は圧電素子５２に駆動信号を出力する。移動体５３は圧電素子５２の駆動力を受け移動する。その際、移動体５３の力を受け稼動部材５４は移動する。
【００４９】
電子機器がカメラの場合にはズームを開始する指令が制御回路５０から伝達されるとドライバ５１は圧電素子５２に駆動信号を印加し、移動体５３を回転させる。移動体５３の力を受け、図示しないカムを介して稼動部材５４であるレンズを動かす。
【００５０】
電子機器が時計の場合には、稼動部材５４は針やカレンダ表示板となる。電子機器がプリンタの場合には稼動部材５４は印字ヘッドとなる。電子機器がＨＤＤや光ディスク等の情報記録機器の場合には、稼動部材５４は読み取りヘッドとなる。
【００５１】
この様な小型電子機器において、本発明の原理、構造に基づく圧電アクチュエータ５００を用いることにより、電子機器は小型で低消費電力となる。
【００５２】
特に、位置決め分解能が高く、移動体５３を停止状態にする際には電力を消費せず、保持力を有するという特徴から、高精度な位置決めが必要な電子機器においてその効果を発揮する。電子機器がステージの場合には稼動部材５４はテーブルや試料台であり、電子機器が工作機械の場合には、稼動部材５４は刃具や砥石等のワークである。
【符号の説明】
【００５３】
１，２，１１，２１，２２，３１，３２，４１，５２ 圧電素子
１００，２００，４００，５００ 圧電アクチュエータ
１２，２０，２５，３５ 振動子
４，２３，４５ 支持部材
７，４４，５３，６１ 移動体
５ 案内部材
６ 加圧ばね
６４，６５ 摩擦部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復変位する圧電素子駆動部と、
前記圧電素子駆動部の支持部に設けられたバランス部と、で構成される振動子と、
前記圧電素子駆動部に設けられた摩擦部と接する移動体と、
からなり、前記圧電素子駆動部の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより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】
前記バランス部は圧電素子からなり、
前記圧電素子駆動部の変位の方向と前記バランス部の変位の方向は、前記支持部を基準にして反対方向であ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】
圧電素子と、
前記圧電素子の一端に固定されたガイド軸と、
前記ガイド軸に接する移動体と、
前記圧電素子の他端に設けられた重りと、
を有し、前記圧電素子の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより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４】
請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子駆動部と前記バランス部は屈曲変位し、前記摩擦部は前記圧電素子の幅方向両端部二箇所に凸部を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子駆動部と前記バランス部は屈曲変位し、前記摩擦部は前記圧電素子の幅方向両端に張り出し部を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧電アクチュエータにより駆動される稼動部材を有することを特徴とする電子機器。
【請求項１】
往復変位する圧電素子駆動部と、
前記圧電素子駆動部の支持部に設けられたバランス部と、で構成される振動子と、
前記圧電素子駆動部に設けられた摩擦部と接する移動体と、
からなり、前記圧電素子駆動部の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより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】
前記バランス部は圧電素子からなり、
前記圧電素子駆動部の変位の方向と前記バランス部の変位の方向は、前記支持部を基準にして反対方向であ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】
圧電素子と、
前記圧電素子の一端に固定されたガイド軸と、
前記ガイド軸に接する移動体と、
前記圧電素子の他端に設けられた重りと、
を有し、前記圧電素子の行きの変位の速度と、帰りの変位の速度を異ならせることにより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４】
請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子駆動部と前記バランス部は屈曲変位し、前記摩擦部は前記圧電素子の幅方向両端部二箇所に凸部を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子駆動部と前記バランス部は屈曲変位し、前記摩擦部は前記圧電素子の幅方向両端に張り出し部を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧電アクチュエータにより駆動される稼動部材を有することを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１４３１５０（Ｐ２０１２−１４３１５０Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４７５３６（Ｐ２０１２−４７５３６）
【出願日】平成２４年３月５日（２０１２．３．５）
【分割の表示】特願２００６−３４８９９１（Ｐ２００６−３４８９９１）の分割
【原出願日】平成１８年１２月２６日（２００６．１２．２６）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月５日（２０１２．３．５）
【分割の表示】特願２００６−３４８９９１（Ｐ２００６−３４８９９１）の分割
【原出願日】平成１８年１２月２６日（２００６．１２．２６）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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