特許 6832009 圧電アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6832009

(24)【登録日】2021年2月3日

(45)【発行日】2021年2月24日

(54)【発明の名称】圧電アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/04 20060101AFI20210215BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20210215BHJP

   H01L 41/04 20060101ALI20210215BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/04

   H01L41/09

   H01L41/04

【請求項の数】7

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-93778(P2017-93778)

(22)【出願日】2017年5月10日

(65)【公開番号】特開2018-191465(P2018-191465A)

(43)【公開日】2018年11月29日

【審査請求日】2020年2月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】502254796

【氏名又は名称】有限会社メカノトランスフォーマ

(74)【代理人】

【識別番号】100099944

【弁理士】

【氏名又は名称】高山 宏志

(72)【発明者】

【氏名】徐 世傑

(72)【発明者】

【氏名】矢野 健

(72)【発明者】

【氏名】矢野 昭雄

(72)【発明者】

【氏名】八鍬 和夫

【審査官】 小林 紀和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０５１３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１７５７４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−１８８６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５２２１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１８９５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第９８／１９３０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第６２３３１２４（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ ２／０４

Ｈ０１Ｌ ４１／０４

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

同じ方向に伸縮変位するように並列に配置され、それぞれ対応する位置に第１の端部および第２の端部を有する第１の圧電素子および第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の変位を拡大し、拡大された変位を出力する変位拡大機構と、
前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加して、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子を伸縮駆動させる駆動部と
を備え、
前記変位拡大機構は、
中央に凹部を有するＵ字状をなし、その底部に前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の前記第１の端部を固定する固定部材と、
前記固定部材の前記凹部を挟んで一方側の側部および前記第１の圧電素子の前記第２の端部に、前記第１の圧電素子の伸縮により前記第１の圧電素子の伸縮方向と直交する方向に揺動可能に接続された第１のアームと、
前記固定部材の前記凹部を挟んで他方側の側部および前記第２の圧電素子の前記第２の端部に、前記第２の圧電素子の伸縮により前記第２の圧電素子の伸縮方向と直交する方向に揺動可能に接続された第２のアームと
を有し、
前記第１のアームと前記第２のアームの先端部に出力部材が接続され、
前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子が互いに反対方向に所定の量で変位するように前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加し、これにより前記第１のアームと前記第２のアームが同方向にほぼ同一量変位して、前記出力部材に拡大された変位が与えられることを特徴とする圧電アクチュエータ。

【請求項2】

前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に、一方が伸びる方向に、他方がそれに対して縮む方向に変位するように電圧を印加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】

前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の第１の端子に、前記駆動部の出力電圧を印加し、前記第１の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最小電圧を印加し、前記第２の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最大電圧を印加する駆動回路を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。

【請求項4】

前記第１のアームは、それぞれ可撓性を有するヒンジを介して前記固定部材の前記一方側の側部および前記第１の圧電素子の前記第２の端部に接続され、前記第２のアームはそれぞれ可撓性を有するヒンジを介して前記固定部材の前記他方側の側部および前記第２の圧電素子の前記第２の端部に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。

【請求項5】

前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に対して、それぞれ伸縮方向に圧縮力を与える第１の与圧機構および第２の与圧機構をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。

【請求項6】

前記第１の圧電素子の前記第２の端部には、第１のキャップ部材が取り付けられ、前記第１のアームは、前記第１のキャップ部材と前記ヒンジにより連結され、
前記第２の圧電素子の前記第２の端部には、第２のキャップ部材が取り付けられ、前記第２のアームは、前記第２のキャップ部材と前記ヒンジにより連結されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータ。

【請求項7】

前記第１のキャップ部材および前記第２のキャップ部材は、それぞれ可撓性を有するヒンジを介して連結部材により連結されていることを特徴とする請求項６に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、圧電素子の変位を変位拡大機構により拡大して所定の駆動動作を行う圧電アクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

圧電素子に電圧を与えることにより印加電圧に応じた伸縮変位が生じる圧電アクチュエータは、エネルギー効率が高く、高速応答が可能であり、小型化、薄型化に適している等の優れた点を有しているため、種々の分野の駆動装置として適用されている。ここで、伸縮変位の縮退動作は、圧電素子が伸びた後に、本来の長さに戻ることを含む。

【0003】

しかし、圧電素子は発生する変位が数μｍから数十μｍと小さいため、圧電素子を実際のアクチュエータ等に適用する場合、圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構が用いられている（例えば特許文献１）。

【0004】

特許文献１に記載された変位拡大機構付き圧電アクチュエータは、図７に示すように、圧電素子１０１および変位拡大機構１２０を有している。

【0005】

変位拡大機構１２０は、長尺状の圧電素子１０１の一端を底部に固定するＵ字状をなすベース１０２と、圧電素子１０１の他端に設けられたキャップ１０３と、第１のアーム１１３と、第２のアーム１１４とを有している。

【0006】

第１のアーム１１３は、第１のヒンジ１０４を介してベース１０２の一方の先端部に接続され、第２のヒンジ１０５を介してキャップ１０３に接続されている。第１のアーム１１３は、Γ字状をなし、ベース１０２の先端部からベース１０２の側面に沿ってベース１０２の底部近傍まで延びている。一方、第２のアーム１１４は、第３のヒンジ１０６を介してベース１０２の他方の先端部に接続され、第４のヒンジ１０７を介してキャップ１０３に接続されている。第２のアーム１１４は、第のアーム１１３と左右対称に設けられている。また、第３のヒンジ１０６および第４のヒンジ１０７は、第１のヒンジ１０４および第２のヒンジ１０５と左右対称に設けられている。

【0007】

第１のアーム１１３および第２のアーム１１４の先端の間には、ハの字を上下逆にした位置関係で第１の板ばね１１５および第２の板ばね１１６が配置されている。また、第１の板ばね１１５と第２の板ばね１１６が接合される逆ハの字の先端部分にはセンターピース１１７が接合されている。

【0008】

圧電素子１０１に電圧が印加されて圧電素子が伸長変位すると、第１のアーム１１３および第２のアーム１１４は、各々てこ機構として動作し、第１のアーム１１３と第２のアーム１１４の先端間の距離を互いに狭めるように変位する。すると、逆ハの字をなす第１の板ばね１１５および第２の板ばね１１６はセンターピース１１７を下方向に突き出すように変位する。したがって、センターピースに出力部材を装着することにより、出力部材を、第１のヒンジ１０４〜第４のヒンジ１０７および第１のアーム１１３と第２のアーム１１４により構成される第１段目の変位拡大機構と、第１の板ばね１１５および第２の板ばね１１６により構成される第２段目の変位拡大機構により大きな変位で駆動させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００４−４８９５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、特許文献１に記載されたような変位拡大機構付き圧電アクチュエータにおいては、周囲の温度に変化があった場合や、圧電素子を高い頻度で駆動して圧電素子自身からの自己発熱によって温度が上昇する場合に、圧電素子の熱膨張により、出力部材の初期位置が変化することがある。

【0011】

また、圧電素子には、ステップ状の電圧や一定の電圧等を印加した後、時間経過とともに、伸び量が安定せず変化してしまうクリープと称する現象が生じる。クリープは、クローズドループ制御の場合は補正することができるが、オープンループ制御では補正することができない。

【0012】

このように圧電素子の熱膨張やクリープにより出力部材の位置がずれると、出力部材を高精度で駆動することが困難になる場合がある。

【0013】

したがって、本発明は、圧電素子の熱膨張やクリープによる出力部材の位置ずれを抑制することができる圧電アクチュエータを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（７）を提供する。

【0015】

（１）同じ方向に伸縮変位するように並列に配置され、それぞれ対応する位置に第１の端部および第２の端部を有する第１の圧電素子および第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の変位を拡大し、拡大された変位を出力する変位拡大機構と、
前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加して、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子を伸縮駆動させる駆動部と
を備え、
前記変位拡大機構は、
中央に凹部を有するＵ字状をなし、その底部に前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の前記第１の端部を固定する固定部材と、
前記固定部材の前記凹部を挟んで一方側の側部および前記第１の圧電素子の前記第２の端部に、前記第１の圧電素子の伸縮により前記第１の圧電素子の伸縮方向と直交する方向に揺動可能に接続された第１のアームと、
前記固定部材の前記凹部を挟んで他方側の側部および前記第２の圧電素子の前記第２の端部に、前記第２の圧電素子の伸縮により前記第２の圧電素子の伸縮方向と直交する方向に揺動可能に接続された第２のアームと
を有し、
前記第１のアームと前記第２のアームの先端部に出力部材が接続され、
前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子が互いに反対方向に所定の量で変位するように前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に電圧を印加し、これにより前記第１のアームと前記第２のアームが同方向にほぼ同一量変位して、前記出力部材に拡大された変位が与えられることを特徴とする圧電アクチュエータ。

【0016】

（２）前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に、一方が伸びる方向に、他方がそれに対して縮む方向に変位するように電圧を印加することを特徴とする（１）に記載の圧電アクチュエータ。

【0017】

（３）前記駆動部は、前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子の第１の端子に、前記駆動部の出力電圧を印加し、前記第１の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最小電圧を印加し、前記第２の圧電素子の第２の端子に前記駆動部の最大電圧を印加する駆動回路を有することを特徴とする（１）または（２）に記載の圧電アクチュエータ。

【0018】

（４）前記第１のアームは、それぞれ可撓性を有するヒンジを介して前記固定部材の前記一方側の側部および前記第１の圧電素子の前記第２の端部に接続され、前記第２のアームはそれぞれ可撓性を有するヒンジを介して前記固定部材の前記他方側の側部および前記第２の圧電素子の前記第２の端部に接続されていることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

【0019】

（５）前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子に対して、それぞれ伸縮方向に圧縮力を与える第１の与圧機構および第２の与圧機構をさらに有することを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

【0020】

（６）前記第１の圧電素子の前記第２の端部には、第１のキャップ部材が取り付けられ、前記第１のアームは、前記第１のキャップ部材と前記ヒンジにより連結され、
前記第２の圧電素子の前記第２の端部には、第２のキャップ部材が取り付けられ、前記第２のアームは、前記第２のキャップ部材と前記ヒンジにより連結されていることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。

【0021】

（７）前記第１のキャップ部材および前記第２のキャップ部材は、それぞれ可撓性を有するヒンジを介して連結部材により連結されていることを特徴とする（６）に記載の圧電アクチュエータ。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、第１の圧電素子と第２の圧電素子とを互いに反対方向に所定の量で変位するように第１の圧電素子および第２の圧電素子に電圧を印加し、第１のアームおよび第２のアームを第１の圧電素子および第２の圧電素子の伸縮方向と直交する同方向にほぼ同一量変位して、出力部材に拡大した変位を与えるので、熱膨張による出力部材の初期位置のずれや、圧電素子のクリープによる位置ずれを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図である。

【図2】図１の圧電アクチュエータを示す斜視図である。

【図3】図１の圧電アクチュエータにおいて、第１の圧電素子を伸長させ、第２の圧電素子を縮退させた際の拡大された変位の方向を示す図である。

【図4】図１の圧電アクチュエータにおいて、第１の圧電素子を縮退させ、第２の圧電素子を伸長させた際の拡大された変位の方向を示す図である。

【図5】駆動回路の好適な例を示す図である。

【図6】圧電素子のクリープ現象を説明するための図である。

【図7】従来の変位拡大機構付き圧電アクチュエータの例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを示す正面図、図２は、その斜視図である。
図１に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ１は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３と、これらの変位を拡大する変位拡大機構１０と、第１の圧電素子２および第２の圧電素子を駆動する駆動部３０とを有する。

【0025】

変位拡大機構１０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の一端を固定する固定部材１１を有している。固定部材１１は中央に凹部２４が形成されたＵ字状をなしており、凹部２４を挟んで両側が第１の側部１１ａおよび第２の側部１１ｂ、凹部２４の底が底部１１ｃとなっている。第１の圧電素子２および第２の圧電素子３は、それぞれ第１与圧機構４および第２与圧機構５により予め圧縮力が与えられた状態で凹部２４内に並列に配置されており、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の基端部（第１の端部）が固定部材１１の底部１１ｃに固定されている。第１の圧電素子２および第２の圧電素子３は、それらの長手方向である図１のＸ方向に伸縮変位するようになっている。固定部材１１は、ボルトにより基材（図示せず）に取り付けられるようになっており、厚さ方向に貫通する複数の取り付け穴２５が設けられている。なお、伸縮変位の縮退動作は、圧電素子が伸びた後に、本来の長さに戻ることを含む。

【0026】

また、変位拡大機構１０は、さらに、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の先端部（第２の端部）にそれぞれ設けられた第１のキャップ部材１２および第２のキャップ部材１３と、第１のキャップ部材１２および固定部材１１の第１の側部１１ａの先端部にそれぞれ第１ヒンジ１４および第２ヒンジ１５を介して接続された第１のアーム１６と、第２のキャップ部材１３および固定部材１１の第２の側部１１ｂの先端部にそれぞれ第３ヒンジ１７および第４ヒンジ１８を介して接続された第２のアーム１９と、第１のキャップ部材１２および第２のキャップ部材１３を第５ヒンジ２１および第６ヒンジ２２を介して連結する連結部材２３とを有している。第１のアーム１６および第２のアーム１９は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の長手方向に沿って延びており、同じ長さを有している。

【0027】

第１のアーム１６は、第１ヒンジ１４および第２ヒンジ１５が接続された基端部１６ａと基端部１６ａに着脱自在に取り付けられた長尺状の先端部１６ｂを有している。また、第２のアーム１９も同様に、第３ヒンジ１７および第４ヒンジ１８に接続された基端部１９ａと基端部１９ａに着脱自在に取り付けられた長尺状の先端部１９ｂとを有する。先端部１６ｂおよび１９ｂとしては、必要な変位に応じて種々の長さのものを用いることができる。

【0028】

なお、第１〜第６ヒンジ１４，１５，１７，１８，２１，２２は、可撓性を有する材料によって形成さている。

【0029】

第１のアーム１６は、第１の圧電素子２の伸縮変位により、Ｙ方向、すなわちＡ方向およびＢ方向に揺動可能となっている。すなわち、第１のアーム１６は、第１の圧電素子２が伸長した際には、第２ヒンジ１５が支点、第１ヒンジ１４が力点、第１のアーム１６の先端部が作用点となって、第１のアーム１６の先端には、てこの原理により第１の圧電素子２の変位方向であるＸ方向と直交するＹ方向に沿った矢印Ａ方向に拡大した変位が現れる。また、第１の圧電素子２が縮退した際には、同様の原理により、第１のアーム１６の先端部には、矢印Ａと反対の矢印Ｂの方向に拡大された変位が現れる。

【0030】

一方、第２のアーム１９は、第２の圧電素子３の伸縮変位により、Ｙ方向、すなわちＡ方向およびＢ方向に揺動可能となっている。すなわち、第２のアーム１９は、第２の圧電素子３が伸長した際には、第４ヒンジ１８が支点、第３ヒンジ１７が力点、第２のアーム１９の先端部が作用点となって、第２のアーム１９の先端には、てこの原理により第２の圧電素子３の変位方向と直交する矢印Ｂ方向に拡大した変位が現れる。また、第２の圧電素子３が縮退した際には、同様の原理により、第２のアーム１９の先端部には、矢印Ｂと反対の矢印Ａの方向に拡大された変位が現れる。

【0031】

このとき、第１のアーム１６と第２のアーム１９は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が互いに反対方向に所定量で変位することにより、同じ方向にほぼ同一量の変位で揺動するようになっている。

【0032】

第１のアーム１６の先端部および第２のアーム１９の先端部には、装着部材６１および６２により、Ｙ方向に延びる出力部材６０が装着されている。

【0033】

なお、固定部材１１、第１のキャップ部材１２および第２のキャップ部材１３、ヒンジ１４，１５，１７，１８，２１，２２、第１のアーム１６、第２のアーム１９、連結部材２３からなる変位拡大機構１０は、ワイヤカット放電加工等の一体加工手段により作製することができる。また、変位拡大機構１０を構成する材料としては、インバー合金、スーパーインバー合金、ステンレス鋼等、熱膨張が小さく、比較的熱伝導性のよい材料を挙げることができる。

【0034】

第１の圧電素子２および第２の圧電素子に反対方向に所定の量で変位するように電圧を印加することにより、変位拡大機構１０の第１のアーム１６および第２のアーム１９をＡ方向またはＢ方向の同じ方向にほぼ同じ量変位させることができ、数倍〜数十倍程度に拡大したＹ方向の変位を出力部材６０に伝達することができる。

【0035】

第１の圧電素子２および第２の圧電素子３は、同じ材料からなっており、同じ大きさを有している。これらは、板状（例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ）の圧電体が電極を挟んで複数積層されて全体として直方体（例えば４０ｍｍの長さ）として構成されている。第１の圧電素子２および第２の圧電素子３は、側面に電圧を印加するための電気端子（図示せず）を備えており、この電気端子間に電圧が印加されることにより、伸縮するように構成されている。圧電体を構成する圧電材料としては、圧電効果を有するセラミック材料が用いられ、そのような材料として、典型的にはチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３；ＰＺＴ）を挙げることができる。圧電素子２および３の形状は直方体に限らず、例えば三角柱や六角柱等の多角柱であっても、円柱であってもよい。

【0036】

第１の与圧機構４および第２の与圧機構５は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の伸縮方向に予め圧縮力が与えられるように構成されている。圧電素子は、脆性材料であるセラミックス材料で構成されており、引張り力に対して弱いことから、予め圧縮力を与えることが重要である。

【0037】

第１の与圧機構４は、例えば、第１の圧電素子２の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピース４０ａ，４０ｂと、一対のヘッドピース４０ａ，４０ｂ間に架け渡されるように設けられた圧縮力付与部材４１とを有している。また、第２の与圧機構５は、例えば、第２の圧電素子３の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピース５０ａ，５０ｂと、一対のヘッドピース５０ａ，５０ｂ間に架け渡されるように設けられた圧縮力付与部材５１とを有している。この第１および第２の与圧機構４および５により、第１および第２の圧電素子２および３から生じる力に対して１／５〜１／２程度の圧縮力を与える。圧縮力付与部材４１、５１は例えば２本である。

【0038】

第１および第２の与圧機構４および５を構成する材料としては、圧縮力付与可能な剛性を有し、比較的強度が高く、さらに耐候性や耐食性に優れ、熱膨張係数が小さいものが好ましい。このような材料としては、インバー合金、スーパーインバー合金、炭素繊維、ステンレス鋼を挙げることができる。

【0039】

なお、与圧機構を設けずに変位拡大機構に与圧機構としての機能をもたせてもよい。

【0040】

駆動部３０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に所定の電圧を印加して充放電させることによりこれらを伸縮駆動するドライバー３１と、ドライバー３１に第１の圧電素子２および第２の圧電素子３を伸縮させるための指令を与える制御部３２とを有している。ドライバー３１は、電源と駆動回路とを有している。駆動部３０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に、一方が伸びる方向に、他方がそれに対して縮む方向に変位するように電圧を印加することができる。

【0041】

このように構成される圧電アクチュエータ１においては、駆動部３０の制御部３２からの指令に基づきドライバー３１が第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に所定の電圧を与えることにより、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３がＸ方向に伸縮変位し、それにともなって、変位拡大機構１０により出力部材６０に対して拡大された変位が出力される。

【0042】

このとき駆動部３０は、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に互いに反対方向に所定の量で変位するように電圧を印加する。具体的には、図３に示すように、第１の圧電素子２が所定量伸長変位したときに、第２の圧電素子３は所定量縮退変位し、これにともなって、第１のアーム１６および第２のアーム１９の先端部が圧電素子の変位量の数倍から数十倍の変位量でＡ方向に変位する。逆に、図４に示すように、第１の圧電素子２が所定量縮退変位したときに、第２の圧電素子３は伸長変位し、これにともなって、第１のアーム１６および第２のアーム１９の先端部が圧電素子の変位量の数倍から数十倍の変位量でＢ方向に変位する。このとき、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に互いに反対方向に所定の量で変位するように所定波形の電圧を印加して、第１のアーム１６および第２のアーム１９をほぼ同一量変位させることができ、出力部材６０にＡ方向またはＢ方向の拡大された変位を与えることができる。

【0043】

例えば、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に、一方が伸びる方向に、他方がそれに対して縮む方向に変位するように電圧を印加することにより、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３を互いに反対方向に所定の量で変位させることができる。このときの基準電圧は、最低電圧で圧電素子が正常動作するように所定のプラス電圧に適宜設定すればよい。

【0044】

印加電圧は、基準電圧に対して＋方向および−方向に同じ大きさの一定周期の波形、一定周期であって＋方向と−方向で値が異なる波形や、周期的であっても一定周期でない波形、周期的でない波形等、圧電アクチュエータにより実現しようとする動作に応じて任意の波形のものを用いることができる。

【0045】

常に第１の圧電素子２および第２の圧電素子３が反対方向に所定の量で変位するような電圧を与えることができる駆動回路としては、図５に示すようなものを好適に用いることができる。

【0046】

図５の駆動回路は、アンプ７０を有する。アンプ７０は入力端子７１を有し、入力端子７１には、例えば０〜１０Ｖの電圧が入力される（Ｖ_ｉｎ）。本例では、アンプ７０は入力電圧を２０倍に増幅し、増幅された電圧は出力端子７２から出力される（Ｖ_ｏｕｔ）。出力端子７２に接続される電圧は、配線７４を介して第１の圧電素子２および第２の圧電素子３の第１の端子に印加される。また、第１の圧電素子２の第２の端子は最小電圧（接地電位（０Ｖ））であり、第２の圧電素子３の他方の端子には、アンプ７０の最大電圧出力端子７３から常に最大電圧である２００Ｖの電圧が印加される。このようにすることにより、基準電圧を１００Ｖにして、常に第１の圧電素子２および第２の圧電素子３に逆方向の電圧が印加され、第１の圧電素子２および第２の圧電素子を反対方向に所定の量で変位させることができる。

【0047】

ところで、圧電アクチュエータ１を動作させる際に、周囲の温度変化があった場合や、圧電素子を高い頻度で駆動して圧電素子自身からの自己発熱によって温度が上昇する場合に、熱膨張により圧電素子の長さが変化する。その際に、上記特許文献１に示したような従来の圧電アクチュエータでは、圧電素子の長さの変化により、出力部材の初期位置は変化する。

【0048】

これに対し、本実施形態の圧電アクチュエータ１では、熱膨張により第１の圧電素子２と第２の圧電素子３の長さが変化しても、それぞれ第１のアーム１６および第２のアーム１９を介して拡大された変位が反対方向で同一量となり、その変動がキャンセルされる。そのため、出力部材６０の初期位置の変化をほぼゼロとすることができる。

【0049】

また、圧電素子には、図６に示すように、ステップ状の電圧や一定の電圧等を印加した後、時間経過とともに、伸び量が安定せず変化してしまうクリープと称する現象が生じる。クリープ速度は時間対数的に減少する。クリープ現象は、クローズドループ制御の場合は補正することができるが、オープンループ制御では補正することができない。したがって、上記特許文献１に示したような従来の圧電アクチュエータでは、フィードバック制御による対策を講じる必要があるが、制御が複雑になる。

【0050】

これに対し、本実施形態の圧電アクチュエータ１では、第１の圧電素子２および第２の圧電素子３にクリープが生じても、これらは互いに反対方向に変位するため、クリープによる長さ変化が相殺され、クリープ現象による位置ずれを軽減することができる。このため、クローズドループ制御を行う必要がない。

【0051】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では圧電素子を与圧機構により予め圧縮力を与えた例を示したが、与圧機構は必須ではない。

【0052】

また、変位拡大機構は、上記実施形態に限定されるものではなく、並列に配置された２つの圧電素子の伸縮変位を、拡大して変位方向に直交する方向の変位として出力するものであればよく、例えば、特許文献１のように、圧電素子を固定する固定部材の側面に沿って底部に延びるアームを有するものであってもよい。

【符号の説明】

【0053】

１；圧電アクチュエータ
２；第１の圧電素子
３；第２の圧電素子
４；第１の与圧機構
５；第２の与圧機構
１０；変位拡大機構
１１；固定部材
１１ａ；第１の側部
１１ｂ；第２の側部
１１ｃ；底部
１１ｄ；凹部
１２，１３；キャップ部材
１４，１５，１７，１８，２１，２２；ヒンジ
１６；第１のアーム
１９；第２のアーム
２３；連結部材
２４；凹部
３０；駆動部
６０；出力部材
７０；アンプ
７１；入力端子
７２；出力端子
７３；最大電圧出力端子
７４，７５；配線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】