JP2006325387A - 変位拡大手段を有する圧電線形モータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、圧電セラミックの変形による移動子の変位を最大限に拡大することで移動子をより大きな駆動力と速い速度で移動させることができる変位拡大手段を有する圧電線形モータを提供する。
【解決手段】シャフトが、膨張変形及び収縮変形が可能な圧電アクチュエータに軸方向に移動可能に連結される。圧電アクチュエータは、電圧が印加されると膨張変形または収縮変形する圧電セラミックを備える。移動子は、シャフトとの間で所定の摩擦力が生ずるとともに、シャフトに対して相対移動可能に、シャフトに設けられる。移動子の変位を拡大するために、モータは、圧電セラミックの一面に付着されるベース板と、ベース板から円錐形状に延設される傾斜板と、傾斜板の先端部の中心に形成されてシャフトが結合する上板と、をさらに備える。ベース板は、圧電セラミックの膨張変形または圧縮変形時に凸状または凹状の断面形状を有するように変形され、ベース板の変形によって、上板はシャフトの軸方向に移動する。
【選択図】 図２

Description

本発明は圧電線形モータに関し、より詳細には圧電アクチュエータにより発生するシャフトの変位を拡大するための手段を有する圧電線形モータに関する。

図１は、従来の圧電線形モータを概略的に示した図面である。図１に示すように、複数の圧電セラミック（２）が、相互に積層されて備えられる。積層された複数の圧電セラミック（２）のうち最も右側に位置した圧電セラミック（２”）にシャフト（４）が結合され、最も左側に位置した圧電セラミック（２’）は、圧電線形モータが装着される装置の所定の固定部（６）に固定される。

符号８は、圧電セラミック（２）に電気的に連結されて電圧を印加するための駆動回路である。圧電セラミック（２）は、電圧が印加されたときに、膨張変形し、電圧が除去されたときに圧縮変形する。シャフト（４）は、圧電セラミック（２）の膨張変形または圧縮変形によって軸方向に移動する。

シャフト（４）上には、移動子（９）が、所定の摩擦力が生ずるように、シャフト（４）に対して相対移動可能に設けられる。シャフト（４）が、相対的に低速で移動すると、移動子（９）はシャフト（４）との間の摩擦力によりシャフト（４）と共に直線移動する。これに対して、シャフト（４）が相対的に高速で移動すると、移動子（９）とシャフト（４）との間の摩擦作用時間が短くなり、移動子（９）は、慣性により元の位置に残り、シャフト（４）のみが軸方向に移動するようになる。このようなシャフト（４）の移動速度調節は、圧電セラミック（２）に印加される電圧パルスを制御することでなされるもので、これは当該発明の属する技術分野で広く知られた技術であるので、この詳細な説明は省略する。

シャフト（４）の低速前方移動（矢印ａ方向）と高速後方移動（矢印ｂ方向）とが繰り返されると、移動子（９）は前方に移動する。反対に、シャフト（４）の低速後方移動と高速前方移動とが繰り返されると、移動子（９）は後方へ移動する。移動子（９）には撮影レンズなどの駆動対象物が固定される。

しかし、前記のような従来の圧電線形モータは、積層された複数の圧電セラミックの膨張変形または圧縮変形の量が、シャフト及び移動子の変位にそのまま反映されるので、移動子の変位が相当制限される問題点があった。したがって、移動子（即ち、駆動対象物）を大きな駆動力で短い時間内に目標地点へ移動させ難い短所があった。

本発明はこのような従来技術の問題点を解決するためのもので、本発明の目的は、圧電セラミックの変形により引き起こされる移動子の変位を最大限に拡大することによって、移動子をより大きな駆動力と速い速度とで移動させることができる変位拡大手段を有する圧電線形モータを提供することである。

前記目的を達成するための本発明による圧電線形モータは、電圧が印加されることで膨張変形と圧縮変形とが生ずる圧電セラミックを備える圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータに連結されて軸方向に移動可能なシャフトと、シャフトとの間で所定の摩擦力が生ずるとともに、シャフトに対して相対移動可能に、設けられる移動子と、圧電アクチュエータとシャフトとの間に備えられてシャフトと移動子の変位を拡大するための手段と、を含む。変位を拡大するための手段は、圧電セラミックの膨張変形または圧縮変形によって弾性的に変形されて、シャフトを拡大された変位に軸方向移動させる。

好ましくは、変位を拡大するための手段は、圧電セラミックの一の面に付着されるベース板と、ベース板から円錐形に延設された傾斜板と、傾斜板の先端部の中央に形成されてシャフトの一端が結合された上板を備える。ベース板は、圧電セラミックの膨張変形または圧縮変形時に、凸状または凹状の断面形状となるように変形され、ベース板の変形によって、上板はシャフトの軸方向に移動する。

圧電アクチュエータは、圧電セラミックの他の面に付着される弾性部材をさらに備え、弾性部材は、圧電セラミックの膨張変形または圧縮変形時に、凸状または凹状の断面形状となるように変形される。

本発明による変位拡大手段を有する圧電線形モータは、変位拡大手段の幾何学的弾性変形によりさらに速い速度とより大きな駆動力とで移動子を目標地点へ移動させることができる。

また、弾性部材を圧電セラミックに付着させることによって、圧電セラミックの脆性によるモータの耐久性低下を防止できる。

以下では、添付された図面を参照し、本発明に対する望ましい実施例を詳細に説明する。

図２は、本発明による圧電線形モータの圧電アクチュエータと変位拡大機構とを概略的に示した断面図である。

図２に示すように、変位拡大機構（２０）は、膨張変形と圧縮変形とが可能な圧電アクチュエータ（１０）上に設けられている。圧電アクチュエータ（１０）は、ｘ軸方向に沿って配置される板状の圧電セラミック（１２）を備える。圧電アクチュエータ（１０）は、さらに、圧電セラミック（１２）の一の面（下面）に付着された板状の弾性部材（１４）を備える。弾性部材（１４）の中心部は、圧電線形モータが装着される他の装置（図示せず）を構成する所定の固定部（１６）に固定される。符号３０は、圧電セラミック（１２）に電圧を印加するための駆動回路を示す。圧電セラミック（１２）に電圧が印加されると、圧電セラミック（１２）は膨張変形または収縮変形を引き起こす。弾性部材（１４）を圧電セラミック（１２）に付着させるのは、圧電セラミック（１２）自体の脆性により、モータの耐久性が低下することを防止するためである。

変位拡大機構（２０）は、ベース板（２２）と、傾斜板（２４）と、上板（２６）とを備える。ベース板（２２）は、圧電セラミック（１２）に付着されている。ベース板（２２）が付着されている圧電セラミック（１２）の面は、弾性部材（１４）が取り付けられた一の面（下面）とは反対側の面（上面）である。傾斜板（２４）は、ベース板（２２）の一の面から所定の鋭角（θ）をなして円錐状に延設されている。上板（２６）は、傾斜板（２４）の先端部の中央に形成されている。上板（２６）は、圧電セラミック（１２）と平行に、即ち、ｘ軸方向に沿って配置され、固定部（１６）の上端から所定の距離（ｄ）をおいて位置している。ベース板（２２）、傾斜板（２４）及び上板（２６）は、弾性材質からなる。

図３と図４とは、圧電セラミックに電圧が印加されたときの圧電アクチュエータと変位拡大機構との作動状態を示した断面図である。

圧電セラミック（１２）に印加される電界の方向が、圧電セラミック（１２）の分極方向（図２の矢印ｐ）と一致したときには、図３に示すように、圧電セラミック（１２）は、ｚ軸方向には膨張する反面、ｘ軸方向には圧縮される。これに対し、上述したように、弾性部材（１４）は、圧電セラミック（１２）の一の面に付着されるとともに、その中心部が固定部（１６）に固定されており、弾性部材（１４）は、固定部（１６）上で下向きに凸状の断面形状となるように、圧電セラミック（１２）と共に変形する。同時に、圧電セラミック（１２）に付着されている変位拡大機構（２０）のベース板（２２）もまた、下向きに凸状の断面形状となるように弾性変形する。したがって、ベース板（２２）と傾斜板（２４）との間の角度θ（図２参照）は、角度θ’に増加（θ’＞θ）する。その結果、傾斜板（２４）の先端部の中心に形成された上板（２６）は、固定部（１６）の上端からｚ軸方向にｄ’の距離（ｄ’＞ｄ）だけ離隔された位置に移動する。即ち、固定部（１６）の上端からの上板（２６）の変位（ｄ’−ｄ）は、圧電アクチュエータ（１０）の変位と変位拡大機構（２０）との変位を含む。

圧電セラミック（１２）に印加される電界の方向が、圧電セラミック（１２）の分極方向（図２の矢印ｐ）と反対であるときには、図４に示すように、圧電セラミック（１２）は、ｘ軸方向には膨張する反面、ｚ軸方向には圧縮される。これに対し、弾性部材（１４）は、圧電セラミック（１２）の一の面に付着されるとともに、その中心部が固定部（１６）に固定されており、弾性部材（１４）は、固定部（１６）上で上向きに凸状（即ち、下向きに凹状）の断面形状となるように圧電セラミック（１２）と共に変形する。同時に、圧電セラミック（１２）に付着されている変位拡大機構（２０）のベース板（２２）もまた、上向きに凸状（即ち、下向きに凹状）の断面形状となるように弾性変形される。したがって、ベース板（２２）と傾斜板（２４）との間の角度θ（図２参照）は、の角度θ”に減少（θ”＜θ）する。その結果、傾斜板（２４）の先端部の中心に形成された上板（２６）は、固定部（１６）の上端からｚ軸方向にｄ”の距離（ｄ”＜ｄ）だけ離隔された位置に移動する。

上述したような変位拡大機構（２０）の構成により、固定部（１６）の上端を基準とした上板（２６）の変位が拡大される。本実施例では、圧電セラミック（１２）の一の面に弾性部材（１４）を付着した構造について記述しているが、弾性部材（１４）は、変位拡大効果を達成するために必須のものではない。圧電セラミック（１２）と変位拡大機構（２０）との構造は、弾性部材（１４）がない場合でも、圧電セラミック（１２）の膨張変形または収縮変形時に、変位拡大機構（２０）が幾何学的に変形されるように多様に変更され得る。

図５と図６とは、本発明の一実施例による圧電線形モータを示した図面である。

これらに示すように、圧電線形モータは、上述した圧電アクチュエータ（１０）と、変位拡大機構（２０）と、シャフト（４０）と、円筒形移動子（４２）と、からなる。シャフト（４０）は、その一端が変位拡大機構（２０）の上板（２６）に結合され、ｚ軸（図２参照）に沿って延設されている。円筒形移動子（４２）は、シャフト（４０）の周囲と所定の摩擦力が生ずるように、かつ、シャフト（４０）に対して相対移動可能に、シャフト（４０）に設けられる。

電圧が、圧電セラミック（１２）に印加されると、シャフト（４０）は、圧電アクチュエータ（１０）の膨張変形または圧縮変形により軸方向に移動する。シャフト（４０）が、相対的に低速で移動するときには、円筒形移動子（４２）は、シャフト（４０）との間で生じた摩擦力によりシャフト（４０）と共に直線移動する。一方、シャフト（４０）が、相対的に高速で移動するときには、円筒形移動子（４２）とシャフト（４０）との間の摩擦作用時間が短くなり、円筒形移動子（４２）は、慣性により元の位置に残り、シャフト（４０）のみが軸方向に移動するようになる。シャフト（４０）の低速前方移動（矢印ｆ方向）と高速後方移動（矢印ｇ方向）とが繰り返されると、円筒形移動子（４２）は、継続的に前方へ移動する。反対に、シャフト（４０）の低速後方移動と高速前方移動とが繰り返されると、円筒形移動子（４２）は、継続的に後方へ移動する。シャフト（４０）と円筒形移動子（４２）との変位は、上述したような変位拡大機構（２０）の幾何学的弾性変形と弾性部材（１４）の凸状（凹状）変形とにより増大する。

図７は、本発明の他の実施例による圧電線形モータを示した分解斜視図である。

圧電アクチュエータ（１０）は、交互に積層された複数の圧電セラミック（１２）と複数の弾性部材（１４）とを備える。このような圧電アクチュエータ（１０）の多層構造は、圧電セラミック（１２）自体の脆性によるモータの耐久性低下をより効果的に防止することができるだけでなく、変位拡大効果とモータの駆動力とを大きくすることができる。

一方、図５乃至図７では、圧電セラミック（１２）、弾性部材（１４）及び変位拡大機構（２０）が、円形の平断面形状を有する場合と示したが、これに限定されず、例えば、これらが、多角形の平断面形状を有してもよい。

本発明は、前記の実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなしに、当該発明の属する分野で通常の知識を有する者であれば誰でも多様な変形が可能である。

従来の圧電線形モータを示した概略図である。 本発明による圧電線形モータの圧電アクチュエータと変位拡大機構を概略的に示した断面図である。 図２の圧電アクチュエータと変位拡大機構との作動状態の一例を示した断面図である。 図２の圧電アクチュエータと変位拡大機構との作動状態の他の例を示した断面図である。 本発明による圧電線形モータの好ましい一実施例を示した分解斜視図である。 図５の圧電線形モータの斜視図である。 本発明による圧電線形モータの好ましい他の実施例を示した分解斜視図である。

符号の説明

１０：圧電アクチュエータ
１２：圧電セラミック
１４：弾性部材
２０：変位拡大機構
２２：ベース板
２４：傾斜板
２６：上板
４０：シャフト
４２：円筒形移動子

Claims (4)

1. 電圧が印加されることで膨張変形と圧縮変形とが生ずる圧電セラミックを備える圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータに連結されて軸方向に移動可能なシャフトと、
   前記シャフトとの間で所定の摩擦力が生ずるとともに、前記シャフトに対して相対移動可能に、設けられる移動子と、
   前記圧電アクチュエータと前記シャフトとの間に備えられて前記シャフトと前記移動子との変位を拡大するための手段と、を含み、
   前記変位を拡大するための手段は、前記圧電セラミックの膨張変形または圧縮変形によって弾性的に変形され、前記シャフトを拡大された変位に軸方向移動させることを特徴とする圧電線形モータ。
2. 前記変位を拡大するための手段は、前記圧電セラミックの一の面に付着されるベース板と、
   前記ベース板から円錐形に延設された傾斜板と、
   前記傾斜板の先端部の中央に形成されて前記シャフトの一端が結合される上板と、を備え、
   前記ベース板は、前記圧電セラミックの膨張変形または圧縮変形時に凸状または凹状の断面形状となするように変形され、前記ベース板の変形によって、前記上板は、前記シャフトの軸方向に移動することを特徴とする請求項１に記載の圧電線形モータ。
3. 前記圧電アクチュエータは、前記圧電セラミックの他の面に付着される弾性部材をさらに備え、前記弾性部材は、前記圧電セラミックの膨張変形または圧縮変形時に凸状または凹状の断面形状となるように変形されることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電線形モータ。
4. 前記圧電アクチュエータは、交互に積層された一つ以上の圧電セラミックと一つ以上の弾性部材とをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の圧電線形モータ。

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