JP2001286165A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

圧電アクチュエータ

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JP2001286165A
JP2001286165A JP2001058608A JP2001058608A JP2001286165A JP 2001286165 A JP2001286165 A JP 2001286165A JP 2001058608 A JP2001058608 A JP 2001058608A JP 2001058608 A JP2001058608 A JP 2001058608A JP 2001286165 A JP2001286165 A JP 2001286165A
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piezoelectric
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piezoelectric resonator
piezoelectric actuator
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Gerhard Diefenbach
ディーフェンバッハ ゲルハルト
Christian Reichinger
ライヒンゲル クリスチアン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い効率を有する圧電アクチュエータを得
る。 【解決手段】 可動部分２を駆動するため、細長の圧電
共振器３を有し、この圧電共振器３を長手方向に振動さ
せまた弾性手段１０による作用を受ける圧電アクチュエ
ータ１において、弾性手段１０を圧電共振器３に主に長
手方向に作用させて圧電共振器３を可動部分２に向かう
方向の力を加えるようにし、弾性手段１０の共振周波数
を圧電共振器３の共振周波数よりも大幅に小さくし、圧
電共振器３を少なくとも１個の案内素子４，５によって
長手方向１１に直交する方向に案内する。これにより、
何ら大きな抵抗に打ち勝つことなく圧電共振器が長手方
向に振動でき、共振器が伸張するとき共振器が可動部分
に力を加え、可動部分が運動する。この力は反作用力が
加わるときのみ発生し、この反作用力は弾性手段に加わ
る。共振器が収縮するとき、弾性手段の反作用力はでき
るだけ小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、可動部分を駆動す
るため、細長の圧電共振器を有し、この圧電共振器を長
手方向に振動させまた弾性手段による作用を受ける圧電
アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】小さい電気器具において圧電駆動装置を
使用することは次第に多くなってきており、これはこの
タイプの駆動装置が極めて堅牢かつコンパクトであり、
使用に融通性があるためである。米国特許第４，０１
９，０７３号はこのような圧電駆動装置について記載し
ている。この米国特許は長手方向に振動する圧電共振器
に関するものであり、この圧電共振器がシャフトを駆動
する。更に、圧電共振器はばねに固着したシャフトに対
向する端部を有し、このばねはロータに直交する方向の
力を発生し、このばね力に抗してロータを押圧する。こ
のことは効率を低下させることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高い
効率を有する圧電アクチュエータを得るにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明圧電アクチュエータは、少なくとも１個の圧
電共振器及と、圧電共振器に少なくとも長手方向の振動
方向の力を与えるばね手段とを、ばね手段が圧電共振器
に作用してばね手段の共振周波数が圧電共振器の共振周
波数よりも大幅に低くなるように構成したことを特徴と
する。
【０００５】この解決方法は、何ら大きな抵抗に打ち勝
つことなく圧電共振器が長手方向に振動することができ
るという大きな利点がある。共振器が伸張するとき共振
器が可動部分に力を加え、この結果、可動部分は運動さ
せられる。この力は反作用力が加わるときのみ発生す
る。この反作用力は弾性手段に加わる。共振器が収縮す
るとき、弾性手段の反作用力はできるだけ小さくなる。
このことは、圧電共振器及び弾性手段が互いに連結せず
に単に衝合するだけであり、圧電共振器及びばね手段の
共振周波数が互いに異なる結果として互いに離脱するこ
とができるために可能となる。圧電共振器の効率は、圧
電共振器が自由に振動できればできるほど増大する。こ
れに対し、米国特許第４，０１９，０７３号による圧電
共振器は、加える電気エネルギのうち摩擦抵抗に打ち勝
ちかつばね手段を緊張させるためのエネルギ部分を必要
とする。
【０００６】請求項２に記載の実施例では、圧電共振器
はロータを駆動する。更に一層効率を向上するために
は、圧電共振器とロータとの間の最適角度を見いだすこ
とが重要である。この角度は、特に、共振器及びロータ
の材質及びこの材質に基づく摩擦係数に依存する。最適
角度はこの摩擦係数によって計算し、また設定すること
ができる。
【０００７】請求項３に記載の実施例は、ロータに対向
する端部において、圧電共振器がロータから離れる方向
に移動しないという利点がある。このことによって、確
実に共振器がロータから逸脱しないようになる。
【０００８】請求項４に記載の実施例では、圧電共振器
と案内素子との間の摩擦、及びロータに対する共振器の
圧力の結果、時間の経過にともない摩耗によって材料が
侵食されることによって角度が増大するという問題を解
決する。このことを排除するため、角度は計算したもの
よりも僅かに小さく選択し、このことにより動作中の角
度増大を許容することができる。
【０００９】請求項５記載の実施例は圧電共振器の力の
伝達を向上する。効率を向上するためには、ロータに対
向する圧電共振器の端部に硬質材料を堆積させると有利
である。この材料は耐摩耗性があり、同時に共振器とロ
ータとの間の正確な力の伝達のために必要な高い摩擦係
数を生ずる。
【００１０】請求項に記載の多層共振器によれば、通常
の単層共振器よりも大幅に低い電圧で動作することがで
きる。このことにより電力消費を減少することができ
る。
【００１１】請求項７に記載の実施例によれば、共振器
と案内素子との間に共振器に直交する方向に接触領域を
介して案内素子に伝達されるエネルギが少なくて済むよ
うになる。従って、共振器と案内素子との意図的な音響
的ミスマッチを生ずる。
【００１２】請求項８に記載の実施例によれば、圧電ア
クチュエータを電動ひげそり器の切断部材を駆動するの
に使用する。このことにより、通常の電動モータを有す
るひげそり器と比べて、電力消費及び重量を大幅に低減
することができる。請求項９及び１０に記載の実施例
は、回転切断部材を有するひげそり器に関する。空間を
節約する圧電アクチュエータを使用することによって、
複数個のロータを有するひげそり器の各ロータを個別に
駆動することができるようになる。このことにより、ロ
ータは他のロータとは完全に独立的にまた異なる速度で
駆動することができるようになる。通常の電動モータは
より多くの占有空間を必要とするため、特にひげそり器
においては１個のモータしか収納する空間がない。共通
駆動するロータ間の速度差はギヤ伝動装置でしか実現で
きず、このことは構造を一層複雑にし、またロータ間の
速度を可変的に異ならせることができない。
【００１３】
【発明の実施の形態】次に、図面につき本発明の好適な
実施の形態を説明する。
【００１４】図１はロータ２を駆動する圧電アクチュエ
ータ１の原理を示す。このアクチュエータは細長の共振
器３を有し、この共振器３は案内素子４，５間に長手方
向の振動を発生することができる。共振器３の一方の端
部６はロータ２の周面８との接触ポイント７を有する。
この接触ポイントでロータを回転させる力の伝達を生ず
る。ばね１０が共振器の他方の端部９に作用するが、こ
の場合、共振器に作用するばね力の方向を共振器の長手
方向１１とほぼ同一方向とする。ばねは単に共振器に作
用するだけで、共振器には連結しない。しかし、共振器
の他の部分に作用させることもできる。
【００１５】共振器３及びロータ２は鋭角の角度αをな
す。この角度αは共振器３の長手方向１１と接触ポイン
ト７を通過するロータの表面８における法線１２との間
の角度である。効率を最適にするに必要な角度αは圧電
共振器３とロータ２との間の摩擦係数に基づいて計算す
ることができる。このことに関しては、ヨーロッパ特許
第０１３１３１３０号を参照されたい。しかし、摩耗の
作用を考慮すると、角度αは圧電共振器３とロータ２と
の間の摩擦係数に基づいて計算した最適角度αよりも僅
かに小さく選択する。この摩擦係数は、圧電共振器３の
端部６に堆積させる他の材料層を選択することによって
増大することができる。好適には、この材料層は高い接
触剛度（こわさ）を得るため硬いものにもする。高い接
触剛度である場合、圧電共振器の振動振幅のごく僅かな
部分のみが法線方向の力を発生するのに必要となる。共
振器はロータから離れたいる期間が長く、従って、質の
高い振動が得られる。即ち、同一印可電圧に対してより
大きい振動振幅及び同一出力トルクに対してより高い速
度が得られる。この目的のため、ロータ２も硬質材料の
層を設けるか又は全体を硬質材料で形成する。従って、
材料層１３及びロータの被覆層は、双方の材料間におけ
る接触剛度及び同時に摩擦係数が大きくなるように相応
させる。好適には、この硬質材料はＡｌ２Ｏ３である。
【００１６】圧電共振器３がその振動方向にのみ運動で
きるようにするため、共振器を２個の対角線方向に対向
させた案内素子４，５によって案内する。これら案内素
子は共振器３の案内面１４，１５に連係動作し、圧電共
振器が案内素子間で長手方向振動を自由に行うことがで
きる構成とする。この目的のため、案内素子４，５は圧
電共振器３よりも音響インピーダンスが小さい材料によ
り形成する。この構成により、エネルギが共振器３から
案内素子４，５に伝達されるのを最大限防止する。長い
圧電共振器においてよりよい案内を得ることができるよ
うにするため、図示の２個の案内素子以外にも案内素子
を設けることもできる。更に、図１は、圧電共振器３の
（動作中にロータ２から離れる方向に移動する傾向があ
る）案内面１４と連係動作する案内素子４を、他の案内
素子５よりもロータ２に一層近接させて配置するよう案
内素子を配置した状態を示す。換言すれば、案内素子４
に連係動作する共振器３の案内面１４は、ロータの周面
８における接触ポイント７を通過する接平面１６に対し
て９０゜以上の角度βをなす。
【００１７】共振器３の休止位置では、ばね１０は僅か
な予負荷の下で共振器に当接する。動作にあたり、共振
器は長手方向の振動を行う、即ち、交互に伸縮する。伸
展期間中、共振器の接触ポイント７はロータ２の周面８
に突き当たり、この結果、法線力Ｎと接線力Ｔをロータ
に与える。接線力Ｔはロータを回転させるとともに、法
線力Ｎは共振器３に反作用力を発生し、この反作用力は
ばね１０及び案内素子４，５によって吸収される。収縮
中、共振器３の端部９は、ばね１０及び共振器３の共振
周波数の大きい差に基づいて、ばね１０から少なくとも
一時的に離脱する。
【００１８】図２は、３個の回転ひげそりヘッド１８を
有する電動ひげそり器１７を示す。各ひげそりヘッド
は、毛入孔２０を有する外側切断部材１９と、この外側
切断部材１９に対して駆動できる内側切断部材２１とを
有する。内側切断部材２１はカッタ２２を設けた回転軸
２を有する。この回転軸は図１につき説明した圧電アク
チュエータ１によって駆動されるロータ２をなす。この
ようにして、各内側切断部材２１はアクチュエータ１に
よって直接駆動される。このことによって歯車伝動機構
は不要になる。このことは切断部材２１をそれぞれ異な
る速度で動作させる場合には特に好適である。ロータは
互いに完全に独立的に駆動される。更に、１個以上のア
クチュエータによって各ロータを駆動するようにするこ
ともできる。
【００１９】ロータを駆動する代わりに、本発明圧電ア
クチュエータは器具の振動駆動にも使用でき、例えば、
いわゆる振動型ひげそり器の切断部材を駆動するのにも
使用できる。また、減速ギヤを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 圧電共振器、案内素子、ばね、及び駆動すべ
きロータを有する圧電アクチュエータの原理を示す説明
図である。
【図２】 ３個のアクチュエータ及び３個の回転切断部
材を有する電動ひげそり器の線図的平面図である。
【符号の説明】
1 圧電アクチュエータ 2 ロータ 3 共振器 4 案内素子 5 案内素子 6 一方の端部 7 接触ポイント 8 周面 9 他方の端部 10 ばね 11 長手方向 12 法線 13 材料層 14 案内面 15 案内面 16 接平面 17 電動ひげそり器 18 回転ひげそりヘッド 19 外側切断部材 20 毛入孔 21 内側切断部材 22 カッタ
フロントページの続き (71)出願人 590000248 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １, 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ (72)発明者 クリスチアン ライヒンゲル ドイツ国 52477 アルスドルフ フォス プフェドヒェン ６

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 可動部分を駆動するため、細長の圧電共
    振器を有し、この圧電共振器を長手方向に振動させまた
    弾性手段による作用を受ける圧電アクチュエータにおい
    て、弾性手段を圧電共振器に主に長手方向に作用させて
    圧電共振器を可動部分に向かう方向の力を加えるように
    し、弾性手段の共振周波数を圧電共振器の共振周波数よ
    りも大幅に小さくし、圧電共振器を少なくとも１個の案
    内素子によって前記長手方向に直交する方向に案内した
    ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 【請求項２】 圧電共振器によりロータを駆動し、圧電
    共振器の振動方向が、ロータと圧電共振器の接触ポイン
    トを通過する接平面に直交する法線に対して鋭角の角度
    をなし、この角度が最大効率を生ずるようにした請求項
    １記載の圧電アクチュエータ。
  3. 【請求項３】 圧電共振器に、前記案内素子と連係動作
    する互いに対向する少なくとも２個の案内面を設け、圧
    電共振器の案内面であって、前記ロータと前記圧電共振
    器の接点ポイントを通過するロータの接平面に対して９
    ０゜より大きい角度をなす案内面と連係動作する案内素
    子を、他の案内素子よりもロータに一層近接させて配置
    し、圧電共振器がロータから離れる方向に移動しないよ
    うにした請求項２記載の圧電アクチュエータ。
  4. 【請求項４】 前記鋭角角度を効率が最大になる最適角
    度よりも小さく選択した請求項２記載の圧電アクチュエ
    ータ。
  5. 【請求項５】 圧電共振器のロータとの接触ポイント及
    びロータ自体を極めて硬質の材料、特にＡｌ２Ｏ３で被
    覆した請求項２記載の圧電アクチュエータ。
  6. 【請求項６】 長手方向に振動する圧電共振器を多層共
    振器とした請求項１記載の圧電アクチュエータ。
  7. 【請求項７】 案内素子の材料を圧電共振器の材料より
    も音響インピーダンスが小さいものとした請求項１記載
    の圧電アクチュエータ。
  8. 【請求項８】 請求項１記載の少なくとも１個の圧電ア
    クチュエータによって駆動する少なくとも１個の切断部
    材を有することを特徴とする電動ひげそり器。
  9. 【請求項９】 前記切断部材に、請求項２乃至７のうち
    のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータによって回
    転駆動するロータを設けた請求項８記載の電動ひげそり
    器。
  10. 【請求項１０】 前記ロータによって回転駆動される少
    なくとも２個の切断部材を設け、前記ロータをそれぞれ
    異なる速度で回転するようにした請求項９記載の電動ひ
    げそり器。
JP2001058608A 2000-03-04 2001-03-02 圧電アクチュエータ Withdrawn JP2001286165A (ja)

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