JP2009219280A - Piezoelectric actuator - Google Patents

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Daisuke Takahata
大介 高畠
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Fukoku Co Ltd
Fukoku KK
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Fukoku Co Ltd
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the driving efficiency of a piezoelectric actuator with a simple configuration. <P>SOLUTION: A through-hole 12 penetrating in an axial direction is formed on a cubic stator 11, and a shaft 13 is attached on the through-hole 12 so as to be freely linearly reciprocate. Piezoelectric ceramics 14 as vibration sources are each provided on the outer peripheral surface of the stator 11, two electrodes 15, 16 are formed in an axial direction on the outer surface of each of the piezoelectric ceramics 14, and the inside of each of the piezoelectric ceramics 14 is grounded via the stator 11. When an AC voltage having different phase is applied to each of the electrodes 15, 16, an elliptic movement of an axial direction is formed on the inner peripheral surface of the through-hole 12 and the shaft 13 is driven by friction in the axial direction. A slit 23 cut deep in the center direction is formed on the shaft 13, and this slit 23 works as a setting portion for setting frictional contact pressure between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface of the stator 11. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、シャフトを直進駆動または回転駆動する圧電アクチュエータに関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator that drives a shaft straight or rotationally.

被駆動部材を回転駆動するために回転型の超音波モータが使用され、被駆動部材を直進駆動するためにリニア型の超音波モータが使用されている。これらのアクチュエータは、振動体の弾性振動を摩擦力により被駆動部材の運動に変換して被駆動部材を駆動するようにしている。振動体は金属等の弾性体とこれに貼り合わされる圧電素子とにより形成されており、超音波モータは圧電アクチュエータとも言われる。   A rotary ultrasonic motor is used to rotationally drive the driven member, and a linear ultrasonic motor is used to drive the driven member linearly. These actuators drive the driven member by converting the elastic vibration of the vibrating body into the motion of the driven member by a frictional force. The vibrating body is formed of an elastic body such as a metal and a piezoelectric element bonded thereto, and the ultrasonic motor is also referred to as a piezoelectric actuator.

回転型の圧電アクチュエータとしては、外周部に振動体が設けられた円板形状の固定子と、振動体に接触するロータが設けられた回転軸とを有する超音波モータが特許文献1に記載されている。リニア型の圧電アクチュエータとしては、複数の突起が設けられた直線帯状弾性体を圧電振動子により振動させ、突起に配置された移動体を直進駆動するようにしたリニアモータが特許文献2に記載されている。   As a rotary-type piezoelectric actuator, Patent Document 1 discloses an ultrasonic motor having a disk-shaped stator having a vibrating body provided on the outer peripheral portion and a rotating shaft provided with a rotor that contacts the vibrating body. ing. As a linear type piezoelectric actuator, Patent Document 2 describes a linear motor in which a linear belt-like elastic body provided with a plurality of protrusions is vibrated by a piezoelectric vibrator and a moving body arranged on the protrusions is driven linearly. ing.

超音波モータには、交流電圧を圧電素子に印加してその弾性振動により被駆動部材を駆動する定在波方式と、所定の位相差を持った交流電圧を一対の圧電素子に印加してその弾性振動で発生した進行波により被駆動部材を駆動する進行波方式とがある。進行波方式の超音波モータでは、被駆動部材の表面の楕円運動により摩擦駆動されて被駆動部材は進行波の進行方向とは逆向きに駆動される。
特開平2−159984号公報 特開2001−211670号公報
For an ultrasonic motor, a standing wave method in which an AC voltage is applied to a piezoelectric element and the driven member is driven by its elastic vibration, and an AC voltage having a predetermined phase difference is applied to a pair of piezoelectric elements. There is a traveling wave system in which a driven member is driven by a traveling wave generated by elastic vibration. In the traveling wave type ultrasonic motor, the driven member is driven in a direction opposite to the traveling direction of the traveling wave by frictional driving by the elliptical motion of the surface of the driven member.
JP-A-2-159984 JP 2001-21670 A

進行波方式の超音波モータは、進行波の進行に伴う振動体の表面の楕円運動により移動体を摩擦駆動しており、この摩擦力を効率良く移動体に作用させるために回転型の圧電アクチュエータにおいては特許文献1に記載されるように皿ばね等のばね部材を回転軸とロータとの間に組み付けている。リニア型の圧電アクチュエータにおいても直進駆動される移動体には、ばね部材等により帯状弾性体に対して押し付け力が加えられることになる。   Traveling wave type ultrasonic motors frictionally drive a moving body by the elliptical motion of the surface of a vibrating body as the traveling wave progresses, and a rotary piezoelectric actuator is used to efficiently apply this frictional force to the moving body. In Patent Document 1, a spring member such as a disc spring is assembled between the rotating shaft and the rotor as described in Patent Document 1. Also in the linear type piezoelectric actuator, a pressing force is applied to the belt-like elastic body by a spring member or the like to the moving body that is linearly driven.

圧電アクチュエータは振動体の弾性振動を摩擦力により被駆動部材の回転運動や直動運動に変換しているので、電磁式や流体式のアクチュエータに比して小型化することができるという利点を有しており、カメラの自動焦点機構や手術用顕微鏡等に実用化されている。しかしながら、振動体と被駆動部材との間に摩擦力を加えるために、ばね部材を圧電アクチュエータに組み込む必要があり、圧電アクチュエータの小型化には限度があった。しかも、圧電アクチュエータは回転型とリニア型とでは、振動体の構造が相違していることから、基本構造が相互に全く相違しており、回転型とリニア型とでは互換性がない。   Piezoelectric actuators have the advantage that they can be reduced in size compared to electromagnetic or fluid actuators because they convert the elastic vibration of the vibrating body into rotational or linear motion of the driven member by friction. It has been put to practical use in camera autofocus mechanisms and surgical microscopes. However, in order to apply a frictional force between the vibrating body and the driven member, it is necessary to incorporate a spring member into the piezoelectric actuator, and there is a limit to downsizing the piezoelectric actuator. Moreover, since the structure of the vibrating body is different between the rotary type and the linear type, the basic structure is completely different from each other, and the rotary type and the linear type are not compatible.

圧電アクチュエータを小型化し、さらに、一つの圧電アクチュエータで直進駆動及び回転駆動の双方を実現するために、立方体形状のステータに貫通孔を形成し、その貫通孔の内周面に摩擦係合する外周面を有するシャフト状の被駆動部材を設けるとともに、上記ステータの貫通孔を取り囲む4つの外周面に厚さ方向に分極した圧電素子を取り付けた圧電アクチュエータが提案されている。   In order to reduce the size of the piezoelectric actuator and to achieve both linear drive and rotational drive with a single piezoelectric actuator, an outer periphery that forms a through hole in a cube-shaped stator and frictionally engages the inner peripheral surface of the through hole. There has been proposed a piezoelectric actuator in which a shaft-like driven member having a surface is provided and piezoelectric elements polarized in the thickness direction are attached to four outer peripheral surfaces surrounding the through hole of the stator.

この圧電アクチュエータでは、周方向に設けた4つの圧電素子に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を印加すると、各圧電素子の幅方向の伸縮によりステータの貫通孔の内周面に回転方向の楕円運動が発生して被駆動部材がその軸を中心として回転駆動する。また、上記の各圧電素子に軸方向に分離した2つの電極を設け、この2つの電極に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を印加すると、各圧電素子の軸方向の伸縮によりステータの貫通孔の内周面に軸方向の楕円運動が発生して被駆動部材がその軸方向に直進駆動する。   In this piezoelectric actuator, when sinusoidal AC voltages whose phases are different from each other by 90 ° are applied to the four piezoelectric elements provided in the circumferential direction, the piezoelectric elements rotate to the inner circumferential surface of the through hole of the stator by expansion and contraction in the width direction. An elliptical motion in the direction is generated, and the driven member is driven to rotate about its axis. Further, when two electrodes separated in the axial direction are provided on each of the piezoelectric elements and a sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° is applied to the two electrodes, the stator penetrates due to the expansion and contraction of each piezoelectric element in the axial direction. An elliptical motion in the axial direction is generated on the inner peripheral surface of the hole, and the driven member is linearly driven in the axial direction.

しかしながら、上記の圧電アクチュエータにあっては、ステータ側の振動を摩擦力によって被駆動部材に伝達して被駆動部材を駆動するため、駆動効率を高めるためには、被駆動部材の外周面とステータの貫通孔の内周面との間で、適切な摩擦力を得るための機構が必要となり、また、被駆動部材の外周面やステータの貫通孔の内周面が使用によって摩擦すると、ステータから被駆動部材に駆動力を効率的に伝達することができなくなる場合があった。   However, in the above piezoelectric actuator, the vibration on the stator side is transmitted to the driven member by frictional force to drive the driven member. Therefore, in order to increase the driving efficiency, the outer peripheral surface of the driven member and the stator A mechanism for obtaining an appropriate frictional force between the inner peripheral surface of the through hole of the stator and the outer peripheral surface of the driven member or the inner peripheral surface of the through hole of the stator. In some cases, the driving force cannot be efficiently transmitted to the driven member.

本発明の目的は、圧電アクチュエータの駆動効率を簡易な構成で向上させることにある。   An object of the present invention is to improve the driving efficiency of a piezoelectric actuator with a simple configuration.

本発明の圧電アクチュエータは、シャフトをその軸方向に直進駆動する圧電アクチュエータであって、前記シャフトの外周面に摩擦係合する内周面を有する貫通孔が形成され、前記シャフトが直線往復動自在に装着されるステータと、前記ステータの外周面に設けられる圧電素子と、前記シャフトの軸方向に電気的に分離され、前記圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための少なくとも2つの電極と、前記シャフトと前記ステータの少なくとも一方に設けられ、前記シャフトの外周面と前記ステータの内周面との摩擦接触圧を設定する設定部とを有することを特徴とする。   The piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that linearly drives a shaft in its axial direction, and has a through-hole having an inner peripheral surface that frictionally engages with the outer peripheral surface of the shaft, and the shaft can freely reciprocate linearly. A stator mounted on the stator, a piezoelectric element provided on the outer peripheral surface of the stator, and at least two electrodes that are electrically separated in the axial direction of the shaft and apply alternating voltages having different phases to the piezoelectric element. And a setting portion that is provided on at least one of the shaft and the stator and sets a frictional contact pressure between the outer peripheral surface of the shaft and the inner peripheral surface of the stator.

本発明の圧電アクチュエータは、シャフトをその軸方向に直進駆動する圧電アクチュエータであって、前記シャフトの外周面に摩擦係合する内周面を有する貫通孔が形成され、前記シャフトが直進往復動自在に装着されるステータと、前記ステータの外周面に前記シャフトの軸方向に設けられる少なくとも2つの圧電素子と、前記各圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための電極と、前記シャフトと前記ステータの少なくとも一方に設けられ、前記シャフトの外周面と前記ステータの内周面との摩擦接触圧を設定する設定部とを有することを特徴とする。   The piezoelectric actuator according to the present invention is a piezoelectric actuator that linearly drives a shaft in its axial direction, and has a through hole having an inner peripheral surface that frictionally engages with the outer peripheral surface of the shaft, and the shaft can freely reciprocate linearly. A stator mounted on the stator, at least two piezoelectric elements provided in the axial direction of the shaft on the outer peripheral surface of the stator, electrodes for applying alternating voltages having different phases to the piezoelectric elements, the shaft, and the shaft It is provided in at least one of the stators, and has a setting part for setting a friction contact pressure between the outer peripheral surface of the shaft and the inner peripheral surface of the stator.

本発明の圧電アクチュエータは、シャフトをその軸中心に回転駆動する圧電アクチュエータであって、前記シャフトの外周面に摩擦係合する内周面を有する貫通孔が形成され、前記シャフトが回転自在に装着されるステータと、前記シャフトの回転方向に相互にずらして前記ステータの外周面にそれぞれ設けられる少なくとも2つの圧電素子と、前記各圧電素子に設けられ、前記各圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための電極と、前記シャフトと前記ステータの少なくとも一方に設けられ、前記シャフトの外周面と前記ステータの内周面との摩擦接触圧を設定する設定部とを有することを特徴とする。   The piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that rotationally drives a shaft about its axis, and has a through hole having an inner peripheral surface that frictionally engages with the outer peripheral surface of the shaft, and the shaft is rotatably mounted. Stator, at least two piezoelectric elements respectively provided on the outer peripheral surface of the stator so as to be shifted from each other in the rotation direction of the shaft, and AC voltages having different phases are provided to the piezoelectric elements. It has an electrode for applying, and a setting part which is provided in at least one of the shaft and the stator and sets a friction contact pressure between the outer peripheral surface of the shaft and the inner peripheral surface of the stator.

本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電素子を前記シャフトを中心として相互に対向させて前記ステータに設けることを特徴とする。本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記ステータは、前記貫通孔の形成方向に平面部を有する略直方体または略立方体であって、前記平面部の各々に前記圧電素子が設けられていることを特徴とする。   The piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the piezoelectric elements are provided on the stator so as to face each other around the shaft. In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, the stator may be a substantially rectangular parallelepiped or a cube having a planar portion in the through hole forming direction, and the piezoelectric element is provided in each of the planar portions. .

本発明の圧電アクチュエータは、シャフトをその軸方向に直進駆動およびその軸中心に回転駆動する圧電アクチュエータであって、前記シャフトの外周面に摩擦係合する内周面を有する貫通孔が形成され、前記シャフトが直線往復動自在かつ回転自在に装着されるステータと、前記ステータの外周面に設けられる第1の圧電素子と、前記シャフトの軸方向に電気的に分離され、前記第1の圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための少なくとも2つの電極と、前記シャフトの回転方向に相互にずらして前記ステータの外周面にそれぞれ設けられる少なくとも2つの第2の圧電素子と、前記第2の各圧電素子に設けられ、前記第2の各圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための電極と、前記シャフトと前記ステータの少なくとも一方に設けられ、前記シャフトの外周面と前記ステータの内周面との摩擦接触圧を設定する設定部とを有することを特徴とする。   The piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that linearly drives the shaft in its axial direction and rotationally drives its shaft center, and has a through hole having an inner peripheral surface that frictionally engages with the outer peripheral surface of the shaft, A stator on which the shaft is mounted so as to be linearly reciprocable and rotatable; a first piezoelectric element provided on an outer peripheral surface of the stator; and the first piezoelectric element that is electrically separated in an axial direction of the shaft. At least two electrodes for applying alternating voltages having different phases to each other, at least two second piezoelectric elements respectively provided on the outer peripheral surface of the stator so as to be shifted in the rotational direction of the shaft, and the second An electrode for applying an alternating voltage having a different phase to each of the second piezoelectric elements; and at least one of the shaft and the stator. It provided towards, and having a setting unit for setting the frictional contact pressure between the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of said stator of said shaft.

本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第2の各圧電素子に設けられた電極は、前記シャフトの軸方向に電気的に分離されていることを特徴とする。本発明の圧電アクチュエータは、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とを相互に軸方向にずらして前記ステータに設けることを特徴とする。   In the piezoelectric actuator according to the present invention, the electrodes provided in the second piezoelectric elements are electrically separated in the axial direction of the shaft. The piezoelectric actuator according to the present invention is characterized in that the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are provided in the stator while being axially displaced from each other.

本発明の圧電アクチュエータは、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とを相互に回転方向にずらして前記ステータに設けることを特徴とする。本発明の圧電アクチュエータは、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とを前記シャフトを中心として相互に対向させて前記ステータに設けることを特徴とする。   The piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are provided in the stator so as to be shifted from each other in the rotational direction. The piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are provided on the stator so as to face each other with the shaft as a center.

本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記設定部は前記シャフトに横方向に切り込まれて軸方向に延びるスリットであり、前記シャフトの弾性変形により前記摩擦接触圧を設定することを特徴とする。本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記設定部は前記ステータに横方向に切り込まれて軸方向に延びるスリットであり、前記ステータの弾性変形により前記摩擦接触圧を設定することを特徴とする。本発明の圧電アクチュエータは、前記シャフトと前記ステータとのいずれか一方に耐摩耗性材料からなるスライダを設けることを特徴とする。   In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, the setting portion may be a slit that is cut in a lateral direction in the shaft and extends in the axial direction, and sets the frictional contact pressure by elastic deformation of the shaft. In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, the setting unit may be a slit that is cut in the stator in the lateral direction and extends in the axial direction, and sets the frictional contact pressure by elastic deformation of the stator. The piezoelectric actuator according to the present invention is characterized in that a slider made of a wear-resistant material is provided on one of the shaft and the stator.

本発明によれば、シャフトとステータの少なくとも一方にシャフトの外周面とステータの内周面との摩擦接触圧を設定する設定部を設けたので、簡易な構成で圧電アクチュエータの駆動効率を向上させることができるとともに、摩擦接触圧を付与するばね部材等を設けなくても良いので小型化が可能である。   According to the present invention, since the setting portion for setting the frictional contact pressure between the outer peripheral surface of the shaft and the inner peripheral surface of the stator is provided on at least one of the shaft and the stator, the driving efficiency of the piezoelectric actuator is improved with a simple configuration. In addition, since it is not necessary to provide a spring member or the like for applying the frictional contact pressure, the size can be reduced.

また、シャフトの外周面やステータの内周面が摩耗した場合においても、摩擦接触圧によりシャフトの外周面がステータの内周面に押し付けられているので、駆動効率の低下を防止することが可能となる。さらに、摩擦接触圧を調整することにより、シャフトとステータとが強く密着するように設定すれば、停止時においてもシャフトがステータに保持されるため、停止時のシャフトの移動を防止することも可能となる。   In addition, even when the outer peripheral surface of the shaft or the inner peripheral surface of the stator is worn, the outer peripheral surface of the shaft is pressed against the inner peripheral surface of the stator by frictional contact pressure, so that it is possible to prevent a decrease in drive efficiency. It becomes. In addition, by adjusting the frictional contact pressure, if the shaft and the stator are set to be in close contact with each other, the shaft is held by the stator even when stopped, so it is possible to prevent the shaft from moving when stopped. It becomes.

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の一実施の形態である圧電アクチュエータの斜視図であり、図2は図1における2−2線断面図であり、図3は図1におけるステータの3−3線断面図であり、図4は図1に示す圧電アクチュエータと交流電源との接続状態を示す回路図であり、図5は図1に示す圧電アクチュエータの動作原理を示す概略断面図である。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 is a perspective view of a piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along line 2-2 in FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view taken along line 3-3 of the stator in FIG. 4 is a circuit diagram showing a connection state between the piezoelectric actuator shown in FIG. 1 and an AC power supply, and FIG. 5 is a schematic sectional view showing an operation principle of the piezoelectric actuator shown in FIG.

この圧電アクチュエータ10aは、直進駆動用の圧電アクチュエータであり、図1に示すように略立方体形状の金属製のステータ11を有している。図2および図3に示すように、ステータ11には軸方向(図3において横方向)に貫通する断面矩形状の貫通孔12が形成されており、貫通孔12には軸方向に延びる断面矩形状の中空形状のシャフト13が摺動自在に挿入されている。被駆動部材であるシャフト13の外周面は貫通孔12の内周面12aに摩擦係合しており、シャフト13がステータ11に直線往復動自在に装着されている。   The piezoelectric actuator 10a is a piezoelectric actuator for linear drive, and has a substantially cubic metal stator 11 as shown in FIG. As shown in FIGS. 2 and 3, the stator 11 is formed with a through-hole 12 having a rectangular cross section penetrating in the axial direction (lateral direction in FIG. 3), and the through-hole 12 has a rectangular cross section extending in the axial direction. A hollow shaft 13 having a shape is slidably inserted. The outer peripheral surface of the shaft 13 as a driven member is frictionally engaged with the inner peripheral surface 12 a of the through hole 12, and the shaft 13 is mounted on the stator 11 so as to be linearly reciprocable.

ステータ11としては、耐摩耗性と振動の温度特性の点から例えば燐青銅が用いられるが、これに限定されるものではない。また、シャフト13としては、例えばステンレスやアルミニウムが用いられるが、これに限定されるものではない。貫通孔12およびシャフト13は断面矩形状に限定されず、例えば、断面円形状であっても良く、その断面形状は任意であるが、シャフト13自体の回転を規制する場合は、断面形状が四角形や六角形等の角形状であれば何れの形状でも良く、さらにシャフト13は中空形状に限定されないのはもちろんである。   For example, phosphor bronze is used as the stator 11 in terms of wear resistance and vibration temperature characteristics, but the stator 11 is not limited to this. The shaft 13 is made of, for example, stainless steel or aluminum, but is not limited thereto. The through hole 12 and the shaft 13 are not limited to a rectangular cross section, and may be, for example, a circular cross section. The cross sectional shape is arbitrary, but when the rotation of the shaft 13 itself is restricted, the cross sectional shape is a quadrangle. Of course, any shape may be used as long as the shape is a square or a hexagon, and the shaft 13 is not limited to a hollow shape.

ステータ11の外周には、内周面12aに対応させて貫通孔12の形成方向に平坦となった4つの平面部を有しており、図2に示すように、それぞれの平面部には振動源である圧電セラミックス14が貼り付け等により取り付けられている。この4つの圧電セラミックス14とステータ11とにより、シャフト13をその軸方向に直進駆動する直動用の振動体が形成される。圧電セラミックス14は、ステータ11の外周面にシャフト13を中心として相互に対向させて設けられている。直動用のステータ11は少なくとも1つの圧電セラミックス14が設けられるように、少なくとも1つの平面部を有する形状であれば良く、例えば略直方体形状であっても良い。   The outer periphery of the stator 11 has four flat portions that are flat in the direction in which the through holes 12 are formed, corresponding to the inner peripheral surface 12a. As shown in FIG. A piezoelectric ceramic 14 as a source is attached by pasting or the like. The four piezoelectric ceramics 14 and the stator 11 form a linear motion vibrating body that drives the shaft 13 to move straight in the axial direction. The piezoelectric ceramics 14 are provided on the outer peripheral surface of the stator 11 so as to face each other around the shaft 13. The linearly acting stator 11 may have a shape having at least one plane portion so that at least one piezoelectric ceramic 14 is provided, and may be, for example, a substantially rectangular parallelepiped shape.

それぞれの圧電セラミックス14は、厚さ方向に分極されており、この分極方向と同一方向の電圧を印加するとシャフト13の軸方向に収縮し、分極方向と反対方向の電圧を印加するとシャフト13の軸方向に延伸する。圧電セラミックス14としては、チタン酸バリウムやチタンジルコン酸鉛などが用いられるがこれらに限定されるものではない。   Each piezoelectric ceramic 14 is polarized in the thickness direction. When a voltage in the same direction as the polarization direction is applied, the piezoelectric ceramic 14 contracts in the axial direction of the shaft 13, and when a voltage in the direction opposite to the polarization direction is applied, the axis of the shaft 13 is applied. Stretch in the direction. As the piezoelectric ceramic 14, barium titanate, lead titanium zirconate, or the like is used, but is not limited thereto.

図1および図3に示すように、圧電セラミックス14の外面(ステータ11と反対側の面)には、シャフト13の軸方向に電気的に分離された2つの電極15,16を有する直動用の電極が形成されており、軸方向に相互にずらして設けられた電極15,16は、それぞれ図示しないリード線により電気回路に接続されている。直動用の圧電セラミックス14の外面に形成される電極は2つで一対の電極対を構成しており、位相が異なる交流電圧を印加するため、電極は少なくとも2つ必要である。   As shown in FIGS. 1 and 3, the outer surface of the piezoelectric ceramic 14 (the surface opposite to the stator 11) has two electrodes 15 and 16 that are electrically separated in the axial direction of the shaft 13. Electrodes are formed, and the electrodes 15 and 16 provided so as to be shifted from each other in the axial direction are connected to an electric circuit by lead wires (not shown). Two electrodes formed on the outer surface of the piezoelectric ceramic 14 for linear motion constitute a pair of electrodes, and in order to apply alternating voltages having different phases, at least two electrodes are necessary.

一方、圧電セラミックス14の内面(ステータ11側の面)には、電極17が電極15,16に対応して形成されており、圧電セラミックス14は電極17を介してステータ11の外周面に取り付けられている。電極17はステータ11と電気的に接触しており、ステータ11が接地されることにより、それぞれの圧電セラミックス14の一方の側は接地された状態となっている。   On the other hand, an electrode 17 is formed on the inner surface of the piezoelectric ceramic 14 (the surface on the stator 11 side) corresponding to the electrodes 15 and 16, and the piezoelectric ceramic 14 is attached to the outer peripheral surface of the stator 11 via the electrode 17. ing. The electrode 17 is in electrical contact with the stator 11, and when the stator 11 is grounded, one side of each piezoelectric ceramic 14 is grounded.

図4に示すように、それぞれの電極15は交流電源18に接続され、また、それぞれの電極16は交流電源19に接続されている。交流電源18,19は、ともに同一の共振周波数かつ同一の振幅で相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を電極15,16を介して圧電セラミックス14に印加する直動用の電源ユニットを構成している。   As shown in FIG. 4, each electrode 15 is connected to an AC power source 18, and each electrode 16 is connected to an AC power source 19. The AC power supplies 18 and 19 constitute a direct-acting power supply unit that applies sinusoidal AC voltages having the same resonance frequency and the same amplitude and different phases by 90 ° to the piezoelectric ceramics 14 via the electrodes 15 and 16. is doing.

このように、各圧電セラミックス14は、シャフト13の軸方向に電気的に分離された2つの電極15,16を設けることにより、第1の電極15が設けられた第1の伸縮領域20と第2の電極16が設けられた第2の伸縮領域21との2つの伸縮領域を軸方向に有することになり、これらにより直動用の振動源を構成している。なお、ステータ11の外面の平面部にシャフト13の軸方向に相互にずらして2つの圧電セラミックスを取り付けることにより、軸方向に2つの伸縮領域を設けて直動用の振動源を構成するようにしても良い。また、電極17を電極15,16に対応させて2つの電極により形成したり、電極17を設けずに圧電セラミックス14の一方の側を直接ステータ11の外周面に取り付けたりしても良い。   In this way, each piezoelectric ceramic 14 is provided with the two electrodes 15 and 16 that are electrically separated in the axial direction of the shaft 13, so that the first expansion region 20 provided with the first electrode 15 and the first expansion region 20 are provided. It has two expansion / contraction regions in the axial direction with the second expansion / contraction region 21 provided with the two electrodes 16, and these constitute a vibration source for linear motion. By attaching two piezoelectric ceramics to the flat portion of the outer surface of the stator 11 in the axial direction of the shaft 13, two expansion regions are provided in the axial direction so as to constitute a vibration source for linear motion. Also good. Alternatively, the electrode 17 may be formed of two electrodes corresponding to the electrodes 15 and 16, or one side of the piezoelectric ceramic 14 may be directly attached to the outer peripheral surface of the stator 11 without providing the electrode 17.

交流電源18,19の交流電圧は、正弦波状で相互に90°位相が相違しており、図5に示すように伸縮領域20,21にそれぞれ伸縮による弾性振動を発生させている。図5(A)〜(D)はこの弾性振動の4分の1周期ごとの状態を示しており、電極15,16に圧電セラミックス14の分極方向と反対方向の電圧を印加すると、伸縮領域20,21はともに延伸して図5(A)に示す状態となり、電極15に分極方向と同一方向の電圧を印加するとともに電極16に分極方向と反対方向の電圧を印加すると、伸縮領域20は収縮するが、伸縮領域21は延伸して図5(B)に示す状態となる。さらに、電極15,16に圧電セラミックス14の分極方向と同一方向の電圧を印加すると、伸縮領域20,21はともに収縮して図5(C)に示す状態になり、電極15に分極方向と反対方向の電圧を印加するとともに電極16に分極方向と同一方向の電圧を印加すると、伸縮領域20は延伸するが、伸縮領域21は収縮して図5(D)に示す状態となる。   The AC voltages of the AC power supplies 18 and 19 are sinusoidal and 90 ° out of phase with each other. As shown in FIG. 5, elastic vibrations due to expansion and contraction are generated in the expansion and contraction regions 20 and 21, respectively. FIGS. 5A to 5D show states of this elastic vibration every quarter period. When a voltage in a direction opposite to the polarization direction of the piezoelectric ceramic 14 is applied to the electrodes 15 and 16, the stretchable region 20. , 21 are stretched to the state shown in FIG. 5A, and when the voltage in the same direction as the polarization direction is applied to the electrode 15 and the voltage in the direction opposite to the polarization direction is applied to the electrode 16, the stretchable region 20 contracts. However, the stretchable region 21 is stretched to the state shown in FIG. Further, when a voltage in the same direction as the polarization direction of the piezoelectric ceramic 14 is applied to the electrodes 15 and 16, the stretchable regions 20 and 21 are both contracted to the state shown in FIG. 5C, and the electrode 15 is opposite to the polarization direction. When a voltage in the direction is applied and a voltage in the same direction as the polarization direction is applied to the electrode 16, the stretchable region 20 is stretched, but the stretchable region 21 is contracted to a state shown in FIG.

電極15,16に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を印加することにより、上記のように図5(A)〜(D)に示す状態が連続的に変化し、交流電圧を印加し続けている間は伸縮による弾性振動が繰り返される。貫通孔12の内周面12aには、図5(A)〜(D)に示すように圧電セラミックス14がシャフト13の軸方向に伸縮するのに伴い、シャフト13の軸方向一端側つまり図中の左方向へ進行する進行波の波面が形成される。   By applying a sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° to the electrodes 15 and 16, the states shown in FIGS. 5A to 5D change continuously as described above, and an AC voltage is applied. While continuing, elastic vibration due to expansion and contraction is repeated. As shown in FIGS. 5A to 5D, the piezoelectric ceramic 14 expands and contracts in the axial direction of the shaft 13 on the inner peripheral surface 12 a of the through-hole 12. A wavefront of a traveling wave traveling in the left direction is formed.

内周面12aに形成された進行波が進行すると、シャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの接触部分が進行方向に向かって連続的に変化する。この変化を貫通孔12の内周面12aの何れかの一点についてみると、進行波の進行に伴って図において反時計回りに楕円運動をしている。図5(C)に示すように、この楕円運動の頂点ではステータ11の内周面12aとシャフト13の外周面とが接触して進行波の進行方向と逆向きの摩擦力が作用して、シャフト13は進行波の進行方向と逆向きの図5において右方向に摩擦駆動される。   When the traveling wave formed on the inner peripheral surface 12a travels, the contact portion between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12a of the stator 11 changes continuously in the traveling direction. If this change is seen about any one point of the inner peripheral surface 12a of the through-hole 12, the elliptical motion is carried out counterclockwise in a figure with progress of a traveling wave. As shown in FIG. 5C, the inner peripheral surface 12a of the stator 11 and the outer peripheral surface of the shaft 13 come into contact with each other at the apex of the elliptical motion, and a frictional force opposite to the traveling direction of the traveling wave acts. The shaft 13 is friction-driven in the right direction in FIG. 5 which is opposite to the traveling direction of the traveling wave.

このように、ステータ11の外周面に設けられた圧電セラミックス14に軸方向に電気的に分離されて形成された電極15,16に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を印加することで、貫通孔12の内周面12aに軸方向の進行波の波面が形成され、貫通孔12の内周面12aでは軸方向の楕円運動が発生する。この楕円運動によって、内周面12aと摩擦係合する外周面を有するシャフト13は進行波の進行方向と逆向きに摩擦駆動される。したがって、ステータ11の貫通孔12内に存在するシャフト13の外周面全体に摩擦力を介して駆動力を伝達することができるので、シャフト13をその軸方向に直進駆動するこの圧電アクチュエータ10aを小型化することができる。逆に、進行波の進行方向を図5において右方向に反転させると、シャフト13の直進駆動方向は反転することとなる。   In this way, a sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° is applied to the electrodes 15 and 16 formed by being electrically separated in the axial direction from the piezoelectric ceramic 14 provided on the outer peripheral surface of the stator 11. Thus, a wavefront of the traveling wave in the axial direction is formed on the inner peripheral surface 12a of the through hole 12, and an elliptical motion in the axial direction occurs on the inner peripheral surface 12a of the through hole 12. By this elliptical motion, the shaft 13 having the outer peripheral surface frictionally engaged with the inner peripheral surface 12a is friction-driven in the direction opposite to the traveling direction of the traveling wave. Accordingly, since the driving force can be transmitted to the entire outer peripheral surface of the shaft 13 existing in the through hole 12 of the stator 11 via the frictional force, the piezoelectric actuator 10a for driving the shaft 13 straightly in the axial direction thereof can be reduced in size. Can be Conversely, when the traveling direction of the traveling wave is reversed in the right direction in FIG. 5, the linear drive direction of the shaft 13 is reversed.

図1に示すように、シャフト13には中心方向に切り込まれて軸方向に伸びるスリット23が形成されており、スリット23は、シャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの摩擦接触圧を設定する設定部となっている。シャフト13にスリット23を形成したことによって、シャフト13はスリット23の間隔を狭める方向に弾性変形が可能となっており、シャフト13をステータ11の貫通孔12に装着した後、シャフト13の弾性復元力によって、シャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの間に適正な摩擦接触圧を付与することができるようになっている。したがって、シャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの間に簡易な構成で摩擦力を発生させることができ、圧電アクチュエータ10aの駆動効率を向上させることができるとともに、シャフト13自体によって摩擦接触圧を発生させることができるため、摩擦接触圧を付与するばね部材等を設けなくても良く、圧電アクチュエータ10aの小型化が可能である。   As shown in FIG. 1, the shaft 13 is formed with a slit 23 that is cut in the central direction and extends in the axial direction. The slit 23 is a friction between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12 a of the stator 11. It is a setting unit that sets the contact pressure. By forming the slit 23 in the shaft 13, the shaft 13 can be elastically deformed in the direction of narrowing the interval between the slits 23. After the shaft 13 is mounted in the through hole 12 of the stator 11, the shaft 13 is elastically restored. An appropriate frictional contact pressure can be applied between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12a of the stator 11 by the force. Therefore, a frictional force can be generated with a simple configuration between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12a of the stator 11, and the driving efficiency of the piezoelectric actuator 10a can be improved. Since the frictional contact pressure can be generated, it is not necessary to provide a spring member or the like for applying the frictional contact pressure, and the piezoelectric actuator 10a can be downsized.

また、摩擦接触圧によりシャフト13の外周面がステータ11の内周面12aに押し付けられているので、シャフト13の外周面やステータ11の内周面12aが使用によって摩耗した場合においても駆動効率の低下を防止することができる。さらに、摩擦接触圧を調整することにより、シャフト13がステータ11の内周面12aに強く圧接するように設定すれば、停止時においてもシャフト13をステータ11に保持する保持力を有することになるため、停止時のシャフト13の移動を防止することも可能となる。   Further, since the outer peripheral surface of the shaft 13 is pressed against the inner peripheral surface 12a of the stator 11 by the frictional contact pressure, the driving efficiency is improved even when the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12a of the stator 11 are worn by use. A decrease can be prevented. Furthermore, if the shaft 13 is set so as to be strongly pressed against the inner peripheral surface 12a of the stator 11 by adjusting the frictional contact pressure, the shaft 13 has a holding force to hold the shaft 13 on the stator 11 even when stopped. Therefore, it is possible to prevent the movement of the shaft 13 at the time of stopping.

シャフト13の軸方向両端部の外周面には、横方向(幅方向)に突出するストッパ24が取り付けられており、シャフト13の軸方向変位の最大変位量を規定するとともに、シャフト13のステータ11からの抜けを防止している。ストッパ24は、必ずしもシャフト13に取り付ける必要はなく、ステータ11や圧電アクチュエータ10aの外部に取り付けるようにしても良い。   Stoppers 24 projecting in the lateral direction (width direction) are attached to the outer peripheral surfaces of both axial end portions of the shaft 13, and the maximum displacement amount of the axial displacement of the shaft 13 is defined, and the stator 11 of the shaft 13. Prevents from falling out. The stopper 24 is not necessarily attached to the shaft 13, and may be attached to the outside of the stator 11 or the piezoelectric actuator 10a.

また、この種の圧電アクチュエータでは、進行波を形成させる振動体の伸縮がミクロンオーダーであり、1サイクルの変位量が極めて小さいため、超音波領域の周波数の振動を発生させている。この振動の他の機器への伝播と振動による駆動効率の低下を防止するために、ステータ11は防振支持台25を介して固定される。なお、防振支持台25を介してシャフト13を固定するようにしても良い。   Further, in this type of piezoelectric actuator, the expansion and contraction of the vibrating body that forms the traveling wave is on the order of microns, and the displacement amount in one cycle is extremely small. In order to prevent this vibration from propagating to other devices and a decrease in driving efficiency due to the vibration, the stator 11 is fixed via a vibration isolating support base 25. Note that the shaft 13 may be fixed via the anti-vibration support base 25.

なお、本実施の形態においては、圧電セラミックス14に電気的に分離した2つの電極15,16を形成し、電極15,16に位相が90°異なる交流電圧を印加して貫通孔12の内周面12aに軸方向の楕円運動を発生させてシャフト13を直進駆動させるものを例示したが、ステータ11の外周面にシャフト13の軸方向に2つの圧電セラミックスを貼り付け、この2つの圧電セラミックスに位相が90°異なる交流電圧を印加して貫通孔12の内周面12aに軸方向の楕円運動を発生させてシャフト13を直進駆動させるように構成しても良い。   In the present embodiment, two electrodes 15 and 16 that are electrically separated are formed on the piezoelectric ceramic 14, and an AC voltage having a phase difference of 90 ° is applied to the electrodes 15 and 16, so that the inner circumference of the through-hole 12 Although the shaft 13 is driven linearly by generating an elliptical motion in the axial direction on the surface 12a, two piezoelectric ceramics are attached to the outer peripheral surface of the stator 11 in the axial direction of the shaft 13, and the two piezoelectric ceramics are attached to the two piezoelectric ceramics. An AC voltage having a phase difference of 90 ° may be applied to generate an elliptical motion in the axial direction on the inner peripheral surface 12a of the through hole 12 so that the shaft 13 is driven straight.

図6は本発明の他の実施形態である圧電アクチュエータの斜視図であり、図7は図6における7−7線断面図であり、図8は図6に示す圧電アクチュエータと交流電源との接続状態を示す回路図である。なお、これらの図において、前述した圧電アクチュエータと共通する部材には同一の符号が付されている。   6 is a perspective view of a piezoelectric actuator according to another embodiment of the present invention, FIG. 7 is a sectional view taken along line 7-7 in FIG. 6, and FIG. 8 is a connection between the piezoelectric actuator shown in FIG. It is a circuit diagram which shows a state. In these drawings, members common to the above-described piezoelectric actuator are given the same reference numerals.

この圧電アクチュエータ10bは回転駆動用の圧電アクチュエータであり、図7に示すように、略立方体形状の金属製のステータ11には、軸方向に貫通する断面円形状の貫通孔12が形成されている。貫通孔12には軸方向に延びる断面円形状の中空形状のシャフト13が摺動自在に挿入されている。被駆動部材であるシャフト13はその外周面に設けられた後述するスライダを介して貫通孔12の内周面12aに摩擦係合しており、シャフト13がステータ11に回転自在に装着されている。   This piezoelectric actuator 10b is a piezoelectric actuator for rotational driving, and as shown in FIG. 7, a substantially cubic metal stator 11 is formed with a through-hole 12 having a circular cross section penetrating in the axial direction. . A hollow shaft 13 having a circular cross section extending in the axial direction is slidably inserted into the through hole 12. The shaft 13 as a driven member is frictionally engaged with an inner peripheral surface 12a of the through hole 12 via a slider, which will be described later, provided on the outer peripheral surface, and the shaft 13 is rotatably mounted on the stator 11. .

ステータ11の外周には、貫通孔12の形成方向に平坦となった4つの平面部を有しており、図7に示すように、それぞれの平面部に振動源である圧電セラミックス28が貼り付け等により取り付けられている。この4つの圧電セラミックス28とステータ11とにより、シャフト13をその軸中心に回転駆動する回転用の振動体が形成される。回転用の圧電セラミックス28は、シャフト13の回転方向に少なくとも2つ必要であるため、回転用のステータ11は、シャフト13の回転方向に相互にずらして設けられた少なくとも2つの平面部を有する形状であれば良く、例えば略直方体形状であっても良い。さらに、駆動の安定性などを考慮すると、回転用の圧電セラミックス28は、シャフト13の回転方向に3つ以上、特に4つ設けることが好ましく、ステータ11は、回転方向に相互にずらして設けられた少なくとも3つ、好ましくは4つの平面部を有する形状であることが好ましい。   The outer periphery of the stator 11 has four flat portions flattened in the direction in which the through-holes 12 are formed. Piezoelectric ceramics 28 as vibration sources are attached to the respective flat portions as shown in FIG. It is attached by etc. The four piezoelectric ceramics 28 and the stator 11 form a rotating vibrating body that rotates the shaft 13 about its axis. Since at least two piezoelectric ceramics 28 for rotation are required in the rotation direction of the shaft 13, the stator 11 for rotation has a shape having at least two plane portions provided so as to be shifted from each other in the rotation direction of the shaft 13. For example, a substantially rectangular parallelepiped shape may be used. Furthermore, in consideration of driving stability and the like, it is preferable to provide three or more, particularly four piezoelectric ceramics 28 for rotation in the rotation direction of the shaft 13, and the stator 11 is provided so as to be shifted from each other in the rotation direction. Further, it is preferable to have a shape having at least three, preferably four flat portions.

圧電セラミックス28は、ステータ11の外周面にシャフト13を中心として相互に対向させるとともにシャフト13の回転方向に相互にずらして設けられている。それぞれの圧電セラミックス28は、厚さ方向に分極されており、この分極方向と同一方向の電圧を印加するとシャフト13と直交する幅方向に収縮し、分極方向と反対方向の電圧を印加するとシャフト13と直交する幅方向に延伸する。   The piezoelectric ceramics 28 are provided on the outer peripheral surface of the stator 11 so as to face each other with the shaft 13 as a center and are shifted from each other in the rotation direction of the shaft 13. Each piezoelectric ceramic 28 is polarized in the thickness direction. When a voltage in the same direction as the polarization direction is applied, the piezoelectric ceramic 28 contracts in the width direction orthogonal to the shaft 13, and when a voltage in the direction opposite to the polarization direction is applied, the shaft 13. It extends | stretches in the width direction orthogonal to.

図7に示すように、4つの圧電セラミックス28の外面(ステータ11と反対側の面)には、回転駆動用の電極として電極29〜32が形成されており、これらは図示しないリード線により電気回路に接続されている。一方、圧電セラミックス28の内面(ステータ11側の面)には、電極17が電極29〜32に対応して形成されており、圧電セラミックス28は、電極17を介してステータ11の外周面に取り付けられている。電極17はステータ11と電気的に接触しており、ステータ11が接地されることによりそれぞれの圧電セラミックス28の一方の側は接地された状態となっている。   As shown in FIG. 7, electrodes 29 to 32 are formed on the outer surfaces (surfaces opposite to the stator 11) of the four piezoelectric ceramics 28 as rotation drive electrodes, which are electrically connected by lead wires (not shown). Connected to the circuit. On the other hand, the electrode 17 is formed on the inner surface of the piezoelectric ceramic 28 (the surface on the stator 11 side) corresponding to the electrodes 29 to 32, and the piezoelectric ceramic 28 is attached to the outer peripheral surface of the stator 11 via the electrode 17. It has been. The electrode 17 is in electrical contact with the stator 11, and one side of each piezoelectric ceramic 28 is in a grounded state by the stator 11 being grounded.

図8に示すように、電極29〜32はそれぞれ交流電源33〜36に接続されている。交流電源33〜36は、ともに同一の共振周波数かつ同一の振幅で相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を電極29〜32を介して各圧電セラミックス28に印加する回転用の電源ユニットを構成している。   As shown in FIG. 8, the electrodes 29 to 32 are connected to AC power sources 33 to 36, respectively. The AC power supplies 33 to 36 are rotating power supply units that apply sinusoidal AC voltages having the same resonance frequency and the same amplitude and different phases by 90 ° to the piezoelectric ceramics 28 via the electrodes 29 to 32. It is composed.

このように、4つの圧電セラミックス28は、回転方向に分離されて配置されており、これらにより第1の電極29が設けられた第1の伸縮領域37と、第2の電極30が設けられた第2の伸縮領域38と、第3の電極31が設けられた第3の伸縮領域39と、第4の電極32が設けられた第4の伸縮領域40とを有する構成となっている。   As described above, the four piezoelectric ceramics 28 are arranged separately in the rotation direction, and thereby, the first stretchable region 37 provided with the first electrode 29 and the second electrode 30 are provided. The structure has a second stretchable region 38, a third stretchable region 39 provided with the third electrode 31, and a fourth stretchable region 40 provided with the fourth electrode 32.

交流電源33〜36の交流電圧は、相互に90°位相が相違しており、シャフト13の回転方向に相互にずらしてステータ11に設けられた各伸縮領域37〜40に弾性振動を発生させている。ステータ11の貫通孔12の内周面12aには、4つの圧電セラミックス28がシャフト13と直交する幅方向に伸縮するのに伴い、図7において反時計回りの回転方向へ進行する進行波の波面が形成される。つまり、内周面12aにおいて各伸縮領域37〜40の弾性振動によって、内周面12aに弾性振動の進行波の波面が形成される。この進行波の進行によりステータ11の内周面12aには回転方向に楕円運動が発生し、ステータ11の内周面12aとシャフト13の外周面との間に進行波の進行方向と逆向きの摩擦力が作用し、シャフト13は進行波の進行方向と逆向きの時計回りの回転方向へ摩擦駆動される。   The AC voltages of the AC power sources 33 to 36 are 90 ° out of phase with each other, and generate elastic vibrations in the expansion / contraction regions 37 to 40 provided in the stator 11 while being shifted in the rotation direction of the shaft 13. Yes. On the inner peripheral surface 12a of the through-hole 12 of the stator 11, the wavefront of the traveling wave traveling in the counterclockwise rotation direction in FIG. 7 as the four piezoelectric ceramics 28 expand and contract in the width direction orthogonal to the shaft 13. Is formed. That is, the wave front of the traveling wave of the elastic vibration is formed on the inner peripheral surface 12a by the elastic vibration of each of the expansion / contraction regions 37 to 40 on the inner peripheral surface 12a. Due to the progress of the traveling wave, an elliptical motion is generated in the rotational direction on the inner peripheral surface 12a of the stator 11, and the direction of travel of the traveling wave is opposite between the inner peripheral surface 12a of the stator 11 and the outer peripheral surface of the shaft 13. The frictional force acts, and the shaft 13 is frictionally driven in the clockwise rotation direction opposite to the traveling direction of the traveling wave.

このように、ステータ11の外周面に回転方向に相互にずらして設けられた圧電セラミックス28に形成された電極29〜32に相互に位相が90°異なる交流電圧を印加することで、貫通孔12の内周面12aに回転方向の進行波の波面が形成され、内周面12aには回転方向の楕円運動が発生する。この楕円運動によって、内周面12aと摩擦係合する外周面を有するシャフト13は進行波の進行方向と逆向きに摩擦駆動される。したがって、ステータ11の貫通孔12内に存在するシャフト13の外周面全体に摩擦力を介して駆動力を伝達することができるので、シャフト13をその軸中心に回転駆動するこの圧電アクチュエータ10bを小型化することができる。逆に、内周面12aに形成される進行波の進行方向を図7において時計回りの回転方向に反転すると、シャフト13の回転駆動方向は反転することとなる。   In this way, by applying alternating voltages whose phases are different from each other by 90 ° to the electrodes 29 to 32 formed on the piezoelectric ceramics 28 provided on the outer peripheral surface of the stator 11 so as to be shifted from each other in the rotation direction, the through holes 12 are provided. A wavefront of a traveling wave in the rotational direction is formed on the inner peripheral surface 12a, and an elliptical motion in the rotational direction is generated on the inner peripheral surface 12a. By this elliptical motion, the shaft 13 having the outer peripheral surface frictionally engaged with the inner peripheral surface 12a is friction-driven in the direction opposite to the traveling direction of the traveling wave. Accordingly, since the driving force can be transmitted to the entire outer peripheral surface of the shaft 13 existing in the through hole 12 of the stator 11 via the frictional force, the piezoelectric actuator 10b that rotationally drives the shaft 13 about its axis is reduced in size. Can be Conversely, when the traveling direction of the traveling wave formed on the inner peripheral surface 12a is reversed in the clockwise direction in FIG. 7, the rotational driving direction of the shaft 13 is reversed.

図6および図7に示すように、シャフト13の外周面には耐摩耗性材料からなるスライダ41が設けられており、スライダ41を介してシャフト13が貫通孔12の内周面12aに摩擦係合する構成となっている。このスライダ41により、貫通孔12の内周面12aやシャフト13の外周面の摩耗が低減されるため、圧電アクチュエータ10bの駆動効率の低下を防止することができるとともに、シャフト13の駆動時における防音効果が得られる。   As shown in FIGS. 6 and 7, a slider 41 made of a wear-resistant material is provided on the outer peripheral surface of the shaft 13, and the shaft 13 is frictionally engaged with the inner peripheral surface 12 a of the through hole 12 via the slider 41. It is the composition which matches. Since the slider 41 reduces wear on the inner peripheral surface 12a of the through hole 12 and the outer peripheral surface of the shaft 13, it is possible to prevent a decrease in driving efficiency of the piezoelectric actuator 10b and to prevent sound during driving of the shaft 13. An effect is obtained.

シャフト13およびスライダ41には中心方向に切り込まれて軸方向に伸びるスリット23が形成されており、スリット23は、スライダ41を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの摩擦接触圧を設定する設定部となっている。シャフト13およびスライダ41にスリット23を形成したことによって、シャフト13は、スリット23の間隔を狭める方向に弾性変形が可能となっており、シャフト13をステータ11の貫通孔12に装着した後、シャフト13の弾性復元力によって、スライダ41を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの間に適正な摩擦接触圧を付与することができるようになっている。したがって、スライダ41を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの間に簡易な構成で摩擦力を発生させることができ、圧電アクチュエータ10bの駆動効率を向上させることができるとともに、シャフト13自体によって摩擦接触圧を付与することができるため、摩擦接触圧を付与するばね部材等を設けなくても良く、圧電アクチュエータ10bの小型化が可能である。   The shaft 13 and the slider 41 are formed with slits 23 that are cut in the center direction and extend in the axial direction. The slits 23 are formed between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12 a of the stator 11 via the slider 41. It is a setting unit for setting the friction contact pressure. By forming the slits 23 in the shaft 13 and the slider 41, the shaft 13 can be elastically deformed in the direction of narrowing the interval between the slits 23, and after the shaft 13 is mounted in the through hole 12 of the stator 11, the shaft 13 An appropriate frictional contact pressure can be applied between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12 a of the stator 11 via the slider 41 by the elastic restoring force 13. Therefore, a frictional force can be generated between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12a of the stator 11 via the slider 41, and the driving efficiency of the piezoelectric actuator 10b can be improved. Since the frictional contact pressure can be applied by the shaft 13 itself, it is not necessary to provide a spring member or the like for applying the frictional contact pressure, and the piezoelectric actuator 10b can be downsized.

また、摩擦接触圧によりシャフト13の外周面がステータ11の内周面12aに押し付けられているので、シャフト13に設けたスライダ41の外周面やステータ11の内周面12aが使用によって摩耗した場合においても駆動効率の低下を防止することができる。さらに、摩擦接触圧を調整することにより、シャフト13がステータ11の内周面12aに強く圧接するように設定すれば、停止時においてもシャフト13をステータ11に保持する保持力を有することになるため、停止時のシャフト13の回転を防止することも可能となる。   Further, since the outer peripheral surface of the shaft 13 is pressed against the inner peripheral surface 12a of the stator 11 by frictional contact pressure, the outer peripheral surface of the slider 41 provided on the shaft 13 and the inner peripheral surface 12a of the stator 11 are worn by use. In this case, it is possible to prevent the driving efficiency from being lowered. Furthermore, if the shaft 13 is set so as to be strongly pressed against the inner peripheral surface 12a of the stator 11 by adjusting the frictional contact pressure, the shaft 13 has a holding force to hold the shaft 13 on the stator 11 even when stopped. Therefore, it is possible to prevent the rotation of the shaft 13 at the time of stopping.

シャフト13の軸方向両端部の外周面には、横方向(幅方向)に突出するストッパ24が取り付けられており、シャフト13のステータ11からの抜けを防止している。また、ステータ11は防振支持台25を介して固定される。   Stoppers 24 projecting in the lateral direction (width direction) are attached to the outer peripheral surfaces of both axial ends of the shaft 13 to prevent the shaft 13 from coming off from the stator 11. Further, the stator 11 is fixed via a vibration isolation support base 25.

図9は本発明の他の実施形態である圧電アクチュエータの斜視図であり、図10は図9における10−10線断面図であり、図11は図9におけるステータの11−11線断面図であり、図12は図9に示す圧電アクチュエータと交流電源との接続状態を示す回路図である。なお、これらの図において、前述した圧電アクチュエータと共通する部材には同一の符号が付されている。   9 is a perspective view of a piezoelectric actuator according to another embodiment of the present invention, FIG. 10 is a sectional view taken along line 10-10 in FIG. 9, and FIG. 11 is a sectional view taken along line 11-11 of the stator in FIG. FIG. 12 is a circuit diagram showing a connection state between the piezoelectric actuator shown in FIG. 9 and an AC power supply. In these drawings, members common to the above-described piezoelectric actuator are given the same reference numerals.

この圧電アクチュエータ10cは、直進駆動および回転駆動の双方が可能な併用型の圧電アクチュエータであり、図10および図11に示すように、2つの略立方体形状の金属製のステータ体11a,11bを有するステータ11には、軸方向に貫通する断面円形状の貫通孔12が形成されている。ステータ11は、2つのステータ体11a,11bが連結部材11cにより軸方向に連結されて形成されており、貫通孔12には軸方向に延びる断面円形状のシャフト13が摺動自在に挿入されている。被駆動部材であるシャフト13はその外周面に設けられた後述するスライダを介して貫通孔12の内周面12aに摩擦係合しており、シャフト13がステータ11に直線往復動自在かつ回転自在に装着されている。なお、連結部材11cを設けずにステータ体11a,11bを一体に形成するようにしても良い。   This piezoelectric actuator 10c is a combined type piezoelectric actuator capable of both linear drive and rotational drive, and has two substantially cubic metal stator bodies 11a and 11b as shown in FIGS. The stator 11 is formed with a through hole 12 having a circular cross section that penetrates in the axial direction. The stator 11 is formed by connecting two stator bodies 11a and 11b in the axial direction by a connecting member 11c, and a shaft 13 having a circular cross section extending in the axial direction is slidably inserted into the through hole 12. Yes. The shaft 13 as a driven member is frictionally engaged with an inner peripheral surface 12a of the through hole 12 via a slider, which will be described later, provided on the outer peripheral surface of the shaft 13, and the shaft 13 is linearly reciprocable and rotatable with respect to the stator 11. It is attached to. The stator bodies 11a and 11b may be integrally formed without providing the connecting member 11c.

ステータ体11aは直動用のステータとなっており、貫通孔12の形状を除いては上記した圧電アクチュエータ10aにおける直動用のステータ11と同様の構造となっている。同様に、ステータ体11bは回転用のステータとなっており、図10に示すように、上記した圧電アクチュエータ10bにおける回転用のステータ11と同様の構造となっている。したがって、ステータ体11a,11bについての説明は省略する。   The stator body 11a is a direct-acting stator, and has the same structure as the direct-acting stator 11 in the piezoelectric actuator 10a except for the shape of the through hole 12. Similarly, the stator body 11b is a rotating stator, and has the same structure as the rotating stator 11 in the piezoelectric actuator 10b as shown in FIG. Therefore, the description about the stator bodies 11a and 11b is omitted.

図12に示すように、圧電アクチュエータ10cに接続された電気回路の電源ユニットは、ステータ体11aの第1の圧電セラミックス14に設けられた電極15,16に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を印加する直動用の交流電源18,19と、ステータ体11bの第2の圧電セラミックス28に設けられた電極29〜32に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を印加する回転用の交流電源33〜36とを有している。電気回路にはスイッチ47が設けられており、直動用の交流電源18,19と回転用の交流電源33〜36との何れか一方に切り換え可能となっている。   As shown in FIG. 12, the power supply unit of the electric circuit connected to the piezoelectric actuator 10c has a sinusoidal wave shape that is 90 ° out of phase with the electrodes 15 and 16 provided on the first piezoelectric ceramic 14 of the stator body 11a. Rotation of applying AC voltages of sinusoidal shapes having phases different from each other by 90 ° to the AC power supplies 18 and 19 for direct acting to apply an AC voltage and the electrodes 29 to 32 provided on the second piezoelectric ceramic 28 of the stator body 11b. AC power sources 33 to 36 for use. The electric circuit is provided with a switch 47, which can be switched to either one of the direct-acting AC power supplies 18 and 19 and the rotating AC power supplies 33 to 36.

図12に示すように直動用の交流電源18,19にスイッチ47が切り換えられると、ステータ体11aの外周面に設けられた各圧電セラミックス14に軸方向に電気的に分離されて形成された電極15,16に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧が印加されて、貫通孔12の内周面12aに軸方向の進行波の波面が形成され、貫通孔12の内周面12aでは軸方向の楕円運動が発生する。この楕円運動によって、貫通孔12の内周面12aと摩擦係合する外周面を有するシャフト13は進行波の進行方向と逆向きに摩擦駆動される。つまり、シャフト13がその軸方向に直進駆動される。   As shown in FIG. 12, when the switch 47 is switched to the AC power supplies 18 and 19 for linear motion, electrodes are formed by being electrically separated in the axial direction from the piezoelectric ceramics 14 provided on the outer peripheral surface of the stator body 11a. A sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° is applied to 15 and 16 to form a wavefront of an axial traveling wave on the inner peripheral surface 12a of the through hole 12, and on the inner peripheral surface 12a of the through hole 12 An axial elliptical motion occurs. By this elliptical motion, the shaft 13 having an outer peripheral surface that frictionally engages with the inner peripheral surface 12a of the through hole 12 is frictionally driven in a direction opposite to the traveling direction of the traveling wave. That is, the shaft 13 is linearly driven in the axial direction.

一方、回転用の交流電源33〜36にスイッチ47が切り換えられると、ステータ体11bの外周面に回転方向に相互にずらして設けられた圧電セラミックス28に形成された電極29〜32に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧が印加されて、貫通孔12の内周面12aに回転方向の進行波の波面が形成され、内周面12aには回転方向の楕円運動が発生する。この楕円運動によって、内周面12aに摩擦係合される外周面を有するシャフト13は進行波の進行方向と逆向きに摩擦駆動される。つまりシャフト13がその軸中心に回転駆動される。   On the other hand, when the switch 47 is switched to the AC power sources 33 to 36 for rotation, the electrodes 29 to 32 formed on the piezoelectric ceramics 28 provided on the outer peripheral surface of the stator body 11b are shifted from each other in the rotation direction. Is applied to the inner circumferential surface 12a of the through hole 12 to form a wavefront of a traveling wave in the rotational direction, and an elliptical motion in the rotational direction is generated on the inner circumferential surface 12a. By this elliptical motion, the shaft 13 having the outer peripheral surface frictionally engaged with the inner peripheral surface 12a is friction-driven in the direction opposite to the traveling direction of the traveling wave. That is, the shaft 13 is driven to rotate about its axis.

このように、貫通孔12の形成方向に平坦となったステータ11の外周面に、それぞれシャフト13を中心として相互に対向して設けられた直動用の第1の圧電素子14と回転用の第2の圧電素子28とを相互に軸方向にずらして設けたので、内周面12aに発生する楕円運動によってステータ11の貫通孔12内に存在するシャフト13の外周面全体に摩擦力を介して駆動力が伝達できるので、圧電アクチュエータ10cを小型化することができるとともに、電気回路のスイッチ47を切り換えることで一つの圧電アクチュエータ10cでシャフト13をその軸方向に直進駆動およびその軸中心に回転駆動することができる。   As described above, the first direct-acting piezoelectric element 14 provided on the outer peripheral surface of the stator 11 that is flat in the direction in which the through-hole 12 is formed and facing each other around the shaft 13 and the rotating first piezoelectric element 14 are provided. Since the two piezoelectric elements 28 are offset from each other in the axial direction, the entire outer peripheral surface of the shaft 13 existing in the through hole 12 of the stator 11 is caused by frictional force due to the elliptical motion generated on the inner peripheral surface 12a. Since the driving force can be transmitted, the piezoelectric actuator 10c can be reduced in size, and by switching the switch 47 of the electric circuit, the shaft 13 is linearly driven in the axial direction by one piezoelectric actuator 10c and is rotationally driven about the axis. can do.

圧電アクチュエータ10bと同様に、シャフト13の外周面には、耐摩耗性材料からなるスライダ41が設けられており、スライダ41を介してシャフト13が貫通孔12の内周面12aに摩擦係合する構成となっている。このスライダ41により、貫通孔12の内周面12aやシャフト13の外周面の摩耗が低減されるため、圧電アクチュエータ10cの駆動効率の低下を防止することができるとともに、シャフト13の駆動時における防音効果が得られる。   Similar to the piezoelectric actuator 10 b, a slider 41 made of an abrasion resistant material is provided on the outer peripheral surface of the shaft 13, and the shaft 13 frictionally engages with the inner peripheral surface 12 a of the through hole 12 via the slider 41. It has a configuration. Since the slider 41 reduces wear on the inner peripheral surface 12a of the through hole 12 and the outer peripheral surface of the shaft 13, it is possible to prevent a decrease in driving efficiency of the piezoelectric actuator 10c and to prevent sound during driving of the shaft 13. An effect is obtained.

また、シャフト13およびスライダ41には中心方向に切り込まれて軸方向に伸びるスリット23が形成されており、スリット23はスライダ41を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの摩擦接触圧を設定する設定部となっている。シャフト13およびスライダ41にスリット23を形成したことによって、シャフト13はスリット23の間隔を狭める方向に弾性変形が可能となっており、シャフト13をステータ11の貫通孔12に装着した後、シャフト13の弾性復元力によって、スライダ41を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの間に適正な摩擦接触圧を付与することができるようになっている。   Further, the shaft 13 and the slider 41 are formed with slits 23 that are cut in the center direction and extend in the axial direction. The slits 23 are formed on the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12a of the stator 11 via the slider 41. It is a setting unit for setting the frictional contact pressure. By forming the slits 23 in the shaft 13 and the slider 41, the shaft 13 can be elastically deformed in the direction of narrowing the interval between the slits 23, and after the shaft 13 is mounted in the through hole 12 of the stator 11, the shaft 13 Due to this elastic restoring force, an appropriate frictional contact pressure can be applied between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12 a of the stator 11 via the slider 41.

したがって、スライダ41を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの間に簡易な構成で摩擦力を発生させることができ、圧電アクチュエータ10cの駆動効率を向上させることができるとともに、シャフト13自体によって摩擦接触圧を発生させることができるため、摩擦接触圧を付与するばね部材等を設けなくても良く、圧電アクチュエータ10cの小型化が可能である。   Therefore, a frictional force can be generated between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12a of the stator 11 via the slider 41, and the driving efficiency of the piezoelectric actuator 10c can be improved. Since the frictional contact pressure can be generated by the shaft 13 itself, there is no need to provide a spring member or the like for applying the frictional contact pressure, and the piezoelectric actuator 10c can be downsized.

図13は本発明の他の実施形態である圧電アクチュエータの斜視図であり、図14は図13における14−14線断面図であり、図15は図13に示す圧電アクチュエータと交流電源との接続状態を示す回路図である。なお、これらの図において、前述した圧電アクチュエータと共通する部材には同一の符号が付されている。   13 is a perspective view of a piezoelectric actuator according to another embodiment of the present invention, FIG. 14 is a sectional view taken along line 14-14 in FIG. 13, and FIG. 15 is a connection between the piezoelectric actuator shown in FIG. It is a circuit diagram which shows a state. In these drawings, members common to the above-described piezoelectric actuator are given the same reference numerals.

この圧電アクチュエータ10dは、直進駆動および回転駆動の双方が可能な併用型の圧電アクチュエータであり、図13および図14に示すように、断面正八角形状の金属製のステータ11を有している。ステータ11には、軸方向に貫通する断面円形状の貫通孔12が形成されており、貫通孔12には軸方向に延びる断面円形状のシャフト13が摺動自在に挿入されている。被駆動部材であるシャフト13はその外周面に設けた後述するスライダを介して貫通孔12の内周面12aに摩擦係合しており、シャフト13がステータ11に直線往復動自在かつ回転自在に装着される。   This piezoelectric actuator 10d is a combined type piezoelectric actuator capable of both rectilinear driving and rotational driving, and has a metal stator 11 having a regular octagonal cross section as shown in FIGS. The stator 11 is formed with a through hole 12 having a circular cross section penetrating in the axial direction, and a shaft 13 having a circular cross section extending in the axial direction is slidably inserted into the through hole 12. The shaft 13 as a driven member is frictionally engaged with an inner peripheral surface 12a of the through-hole 12 through a slider, which will be described later, provided on the outer peripheral surface thereof, so that the shaft 13 can reciprocate and rotate linearly with the stator 11. Installed.

ステータ11の外周には、内周面12aに対応させて貫通孔12の形成方向に平坦となった8つの平面部を有しており、図14に示すように、それぞれの平面部に振動源である第1の圧電セラミックス14と第2の圧電セラミックス28とが交互に設けられて、それぞれ4つずつの圧電セラミックス14,28とステータ11とにより併用型の振動体が形成される。圧電セラミックス14,28は、それぞれシャフト13を中心として相互に対向させるとともにシャフト13の回転方向に相互にずらしてステータ11の外周面に設けられている。   The outer periphery of the stator 11 has eight flat portions that are flat in the formation direction of the through-holes 12 so as to correspond to the inner peripheral surface 12a. As shown in FIG. The first piezoelectric ceramics 14 and the second piezoelectric ceramics 28 are alternately provided, and a combination type vibration body is formed by the four piezoelectric ceramics 14 and 28 and the stator 11 respectively. The piezoelectric ceramics 14 and 28 are provided on the outer peripheral surface of the stator 11 so as to face each other with the shaft 13 as a center and shifted in the rotational direction of the shaft 13.

4つの圧電セラミックス14は、直動用の圧電セラミックスを構成しており、上記した圧電アクチュエータ10aにおける直動用の圧電セラミックス14と同様の構造となっている。同様に、4つの圧電セラミックス28は、回転用の圧電セラミックス対を構成しており、上記した圧電アクチュエータ10bにおける回転用の圧電セラミックス対と同様の構造となっている。したがって、圧電セラミックス14,28についての説明は省略する。   The four piezoelectric ceramics 14 constitute direct-acting piezoelectric ceramics and have the same structure as the direct-acting piezoelectric ceramics 14 in the piezoelectric actuator 10a. Similarly, the four piezoelectric ceramics 28 constitute a rotating piezoelectric ceramic pair, and have the same structure as the rotating piezoelectric ceramic pair in the piezoelectric actuator 10b described above. Therefore, the description of the piezoelectric ceramics 14 and 28 is omitted.

図15に示すように、圧電アクチュエータ10dに接続された電気回路の電源ユニットは、ステータ11の圧電セラミックス14に設けられた電極15,16に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を印加する直動用の交流電源18,19と、ステータ11の圧電セラミックス28に設けられた電極29〜32に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧を印加する回転用の交流電源33〜36とを有している。電気回路にはスイッチ47が設けられており、直動用の交流電源18,19と回転用の交流電源33〜36との何れか一方に切り換え可能となっている。   As shown in FIG. 15, the power supply unit of the electric circuit connected to the piezoelectric actuator 10d applies a sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° to the electrodes 15 and 16 provided on the piezoelectric ceramic 14 of the stator 11. AC power sources 18 and 19 for linear motion, and AC power sources 33 to 36 for rotation that apply sinusoidal AC voltages having phases different from each other by 90 ° to the electrodes 29 to 32 provided on the piezoelectric ceramics 28 of the stator 11. have. The electric circuit is provided with a switch 47, which can be switched to either one of the direct-acting AC power supplies 18 and 19 and the rotating AC power supplies 33 to 36.

図15に示すように直動用の交流電源18,19にスイッチ47が切り換えられると、ステータ11の外周面に交互に設けられた各圧電セラミックス14に軸方向に電気的に分離されて形成された電極15,16に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧が印加されて、貫通孔12の内周面12aに軸方向の進行波の波面が形成され、貫通孔12の内周面12aでは軸方向の楕円運動が発生する。この楕円運動によって、貫通孔12の内周面12aと摩擦係合する外周面を有するシャフト13は進行波の進行方向と逆向きに摩擦駆動される。つまり、シャフト13がその軸方向に直進駆動される。   As shown in FIG. 15, when the switch 47 is switched to the AC power supply 18, 19 for direct acting, the piezoelectric ceramics 14 provided alternately on the outer peripheral surface of the stator 11 are electrically separated in the axial direction and formed. A sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° is applied to the electrodes 15 and 16, and a wavefront of an axial traveling wave is formed on the inner peripheral surface 12 a of the through hole 12, and the inner peripheral surface 12 a of the through hole 12. Then, elliptical motion in the axial direction occurs. By this elliptical motion, the shaft 13 having an outer peripheral surface that frictionally engages with the inner peripheral surface 12a of the through hole 12 is frictionally driven in a direction opposite to the traveling direction of the traveling wave. That is, the shaft 13 is linearly driven in the axial direction.

一方、回転用の交流電源33〜36にスイッチ47が切り換えられると、ステータ11の外周面に交互に設けられた圧電セラミックス28に形成された電極29〜32に相互に位相が90°異なる正弦波状の交流電圧が印加されて、貫通孔12の内周面12aに回転方向の進行波の波面が形成され、内周面12aには回転方向の楕円運動が発生する。この楕円運動によって、内周面12aに摩擦係合される外周面を有するシャフト13は進行波の進行方向と逆向きに摩擦駆動される。つまりシャフト13がその軸中心に回転駆動される。   On the other hand, when the switch 47 is switched to the AC power sources 33 to 36 for rotation, the electrodes 29 to 32 formed on the piezoelectric ceramics 28 alternately provided on the outer peripheral surface of the stator 11 are in a sine wave shape having phases different from each other by 90 °. Is applied to the inner peripheral surface 12a of the through-hole 12 to form a wavefront of a traveling wave in the rotational direction, and an elliptical motion in the rotational direction is generated on the inner peripheral surface 12a. By this elliptical motion, the shaft 13 having the outer peripheral surface frictionally engaged with the inner peripheral surface 12a is friction-driven in the direction opposite to the traveling direction of the traveling wave. That is, the shaft 13 is driven to rotate about its axis.

このように、貫通孔12の形成方向に平坦となったステータ11の外周部に、直動用の第1の圧電素子14と回転用の第2の圧電素子28を回転方向に相互にずらして設けたので、内周面12aに発生する楕円運動によってステータ11の貫通孔12内に存在するシャフト13の外周面全体に摩擦力を介して駆動力が伝達できるので、圧電アクチュエータ10dを小型化することができるとともに、電気回路のスイッチ47を切り換えることで一つの圧電アクチュエータ11dでシャフト13をその軸方向に直進駆動およびその軸中心に回転駆動することができる。本実施の形態では、断面製八角形状のステータ11の外周面に圧電セラミックス14と圧電セラミックス28とを交互に4つずつ配置したが、圧電セラミックス14は少なくとも1つ、圧電セラミックス28は少なくとも2つあれば良く、さらに回転駆動の安定性などを考慮すると、圧電セラミックス28は、シャフト13の回転方向に3つ以上、特に4つ設けることが好ましい。   In this manner, the first linear piezoelectric element 14 for linear motion and the second piezoelectric element 28 for rotation are provided on the outer peripheral portion of the stator 11 that is flat in the direction in which the through holes 12 are formed. Therefore, since the driving force can be transmitted to the entire outer peripheral surface of the shaft 13 existing in the through hole 12 of the stator 11 by the elliptical motion generated on the inner peripheral surface 12a, the piezoelectric actuator 10d can be downsized. In addition, by switching the switch 47 of the electric circuit, the shaft 13 can be driven linearly in the axial direction and rotationally driven around the axis by the single piezoelectric actuator 11d. In the present embodiment, four piezoelectric ceramics 14 and four piezoelectric ceramics 28 are alternately arranged on the outer peripheral surface of the octagonal stator 11 made of a cross section, but at least one piezoelectric ceramic 14 and at least two piezoelectric ceramics 28 are arranged. In consideration of the stability of rotational driving, it is preferable to provide three or more, especially four, ceramic ceramics 28 in the rotational direction of the shaft 13.

圧電アクチュエータ10bと同様に、シャフト13の外周面には、耐摩耗性材料からなるスライダ41が設けられており、スライダ41を介してシャフト13が貫通孔12の内周面12aに摩擦係合する構成となっている。このスライダ41により、貫通孔12の内周面12aやシャフト13の外周面の摩耗が低減されため、圧電アクチュエータ10dの駆動効率の低下を防止することができるとともに、シャフト13の駆動時における防音効果が得られる。   Similar to the piezoelectric actuator 10 b, a slider 41 made of an abrasion resistant material is provided on the outer peripheral surface of the shaft 13, and the shaft 13 frictionally engages with the inner peripheral surface 12 a of the through hole 12 via the slider 41. It has a configuration. The slider 41 reduces wear on the inner peripheral surface 12a of the through-hole 12 and the outer peripheral surface of the shaft 13, so that it is possible to prevent a decrease in driving efficiency of the piezoelectric actuator 10d, and a soundproofing effect when the shaft 13 is driven. Is obtained.

また、シャフト13およびスライダ41には中心方向に切り込まれて軸方向に伸びるスリット23が形成されており、スリット23は、スライダ41を介してシャフト13とステータ11の内周面12aとの摩擦接触圧を設定する設定部となっている。シャフト13およびスライダ41にスリット23を形成することによって、シャフト13は、スリット23の間隔を狭める方向に弾性変形が可能となっており、シャフト13をステータ11の貫通孔12に装着した後、シャフト13の弾性復元力によって、スライダ41を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの間に適正な摩擦接触圧を付与することができるようになっている。   Further, the shaft 13 and the slider 41 are formed with slits 23 that are cut in the central direction and extend in the axial direction. The slits 23 are friction between the shaft 13 and the inner peripheral surface 12 a of the stator 11 via the slider 41. It is a setting unit that sets the contact pressure. By forming the slits 23 in the shaft 13 and the slider 41, the shaft 13 can be elastically deformed in the direction of narrowing the interval between the slits 23. After the shaft 13 is mounted in the through hole 12 of the stator 11, An appropriate frictional contact pressure can be applied between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12 a of the stator 11 via the slider 41 by the elastic restoring force 13.

したがって、スライダ41を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの間に簡易な構成で摩擦力を発生させることができ、圧電アクチュエータ10dの駆動効率を向上させることができるとともに、シャフト13自体によって摩擦接触圧を発生させることができるため、摩擦接触圧を付与するばね部材等を設けなくても良く、圧電アクチュエータ10dの小型化が可能である。   Therefore, a frictional force can be generated between the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface 12a of the stator 11 via the slider 41, and the driving efficiency of the piezoelectric actuator 10d can be improved. Since the frictional contact pressure can be generated by the shaft 13 itself, it is not necessary to provide a spring member or the like for applying the frictional contact pressure, and the piezoelectric actuator 10d can be downsized.

図16は摩擦接触圧を設定する設定部の変形例を示す断面図である。図16(A)に示すステータ11には1対の対角から中心方向に切り込まれて軸方向に延びるスリット45が形成されており、スリット45はシャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの摩擦接触圧を設定する設定部となっている。このスリット45によりステータ11の各外周面に矢印で示すように横方向の圧縮力を付与することでステータ11は横方向に弾性変形自在であり、シャフト13の外周面とステータ11の内周面12aとの間に適正な摩擦接触圧を付与することができるようになっている。図16(B)に示すように、内周面12aから放射方向に切り込まれて軸方向に延びるスリット45を設定部として形成するようにしても良い。圧電アクチュエータには、摩擦接触圧を設定する設定部としてシャフト13に形成されるスリット23とステータ11に形成されるスリット45との少なくとも一方または双方が設けられる。   FIG. 16 is a cross-sectional view showing a modification of the setting unit for setting the frictional contact pressure. The stator 11 shown in FIG. 16A is formed with a slit 45 extending in the axial direction from a pair of diagonals, and the slit 45 is formed on the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner periphery of the stator 11. It is a setting part which sets the friction contact pressure with the surface 12a. The stator 11 can be elastically deformed in the lateral direction by applying a compressive force in the lateral direction to the outer peripheral surfaces of the stator 11 by the slits 45 as indicated by arrows, and the outer peripheral surface of the shaft 13 and the inner peripheral surface of the stator 11. Appropriate frictional contact pressure can be applied to 12a. As shown in FIG. 16B, a slit 45 cut in the radial direction from the inner peripheral surface 12a and extending in the axial direction may be formed as a setting portion. The piezoelectric actuator is provided with at least one or both of a slit 23 formed in the shaft 13 and a slit 45 formed in the stator 11 as a setting unit for setting the frictional contact pressure.

本発明は上記実施の形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、スライダ41をステータ11の内周面12aに設けるようにしたり、スライダ41を一部切り欠いた形状にしたり、このスライダ41を圧電アクチュエータ11aに設けるようにしたりしても良い。また、圧電セラミックス28に設けられる各電極29〜32を、電極15,16を有する直動用の電極対と同様に軸方向に電気的に分離するようにして、この軸方向の電極対に同位相の交流電圧を印加するようにしても良い。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, the slider 41 may be provided on the inner peripheral surface 12a of the stator 11, the slider 41 may be partially cut away, or the slider 41 may be provided on the piezoelectric actuator 11a. Further, the electrodes 29 to 32 provided on the piezoelectric ceramic 28 are electrically separated in the axial direction in the same manner as the linear motion electrode pair having the electrodes 15 and 16, and are in phase with the axial electrode pair. The AC voltage may be applied.

本発明の一実施の形態である圧電アクチュエータの斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric actuator which is one embodiment of the present invention. 図1における2−2線断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along line 2-2 in FIG. 図1におけるステータの3−3線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the stator in FIG. 1 taken along line 3-3. 図1に示す圧電アクチュエータと交流電源との接続状態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the connection state of the piezoelectric actuator shown in FIG. 1, and alternating current power supply. 図1に示す圧電アクチュエータの動作原理を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principle of operation of the piezoelectric actuator shown in FIG. 本発明の他の実施形態である圧電アクチュエータの斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric actuator which is other embodiment of this invention. 図6における7−7線断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line 7-7 in FIG. 6. 図6に示す圧電アクチュエータと交流電源との接続状態を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the connection state of the piezoelectric actuator shown in FIG. 6, and alternating current power supply. 本発明の他の実施形態である圧電アクチュエータの斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric actuator which is other embodiment of this invention. 図9における10−10線断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line 10-10 in FIG. 9. 図9におけるステータの11−11線断面図である。FIG. 11 is a sectional view of the stator taken along line 11-11 in FIG. 9. 図9に示す圧電アクチュエータと交流電源との接続状態を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing a connection state between the piezoelectric actuator shown in FIG. 9 and an AC power supply. 本発明の他の実施形態である圧電アクチュエータの斜視図である。It is a perspective view of the piezoelectric actuator which is other embodiment of this invention. 図13における14−14線断面図である。FIG. 14 is a sectional view taken along line 14-14 in FIG. 13. 図13に示す圧電アクチュエータの回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram of the piezoelectric actuator shown in FIG. 13. 摩擦接触圧を設定する設定部の変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the setting part which sets a friction contact pressure.

符号の説明Explanation of symbols

10a〜10d 圧電アクチュエータ
11 ステータ
11a,11b ステータ体
11c 連結部材
12 貫通孔
12a 内周面
13 シャフト
14 圧電セラミックス(第1の圧電素子)
15〜17 電極
18,19 交流電源
20,21 伸縮領域
23 スリット(設定部)
24 ストッパ
25 防振支持台
28 圧電セラミックス(第2の圧電素子)
29〜32 電極
33〜36 交流電源
37〜40 伸縮領域
41 スライダ
45 スリット(設定部)
47 スイッチ
10a to 10d Piezoelectric actuator 11 Stator 11a, 11b Stator body 11c Connecting member 12 Through hole 12a Inner peripheral surface 13 Shaft 14 Piezoelectric ceramics (first piezoelectric element)
15 to 17 Electrodes 18 and 19 AC power supply 20 and 21 Stretch region 23 Slit (setting unit)
24 Stopper 25 Anti-Vibration Support Base 28 Piezoelectric Ceramics (Second Piezoelectric Element)
29 to 32 Electrodes 33 to 36 AC power source 37 to 40 Stretchable region 41 Slider 45 Slit (setting unit)
47 switch

Claims (13)

シャフトをその軸方向に直進駆動する圧電アクチュエータであって、
前記シャフトの外周面に摩擦係合する内周面を有する貫通孔が形成され、前記シャフトが直線往復動自在に装着されるステータと、
前記ステータの外周面に設けられる圧電素子と、
前記シャフトの軸方向に電気的に分離され、前記圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための少なくとも2つの電極と、
前記シャフトと前記ステータの少なくとも一方に設けられ、前記シャフトの外周面と前記ステータの内周面との摩擦接触圧を設定する設定部とを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator that drives the shaft straight in its axial direction,
A stator having a through hole having an inner peripheral surface frictionally engaged with an outer peripheral surface of the shaft, the shaft being mounted so as to be linearly reciprocable;
A piezoelectric element provided on the outer peripheral surface of the stator;
At least two electrodes that are electrically separated in the axial direction of the shaft and for applying alternating voltages of different phases to the piezoelectric element;
A piezoelectric actuator, comprising: a setting portion that is provided on at least one of the shaft and the stator and sets a frictional contact pressure between an outer peripheral surface of the shaft and an inner peripheral surface of the stator.
シャフトをその軸方向に直進駆動する圧電アクチュエータであって、
前記シャフトの外周面に摩擦係合する内周面を有する貫通孔が形成され、前記シャフトが直進往復動自在に装着されるステータと、
前記ステータの外周面に前記シャフトの軸方向に設けられる少なくとも2つの圧電素子と、
前記各圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための電極と、
前記シャフトと前記ステータの少なくとも一方に設けられ、前記シャフトの外周面と前記ステータの内周面との摩擦接触圧を設定する設定部とを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator that drives the shaft straight in its axial direction,
A stator having a through hole having an inner peripheral surface that frictionally engages with an outer peripheral surface of the shaft;
At least two piezoelectric elements provided in the axial direction of the shaft on the outer peripheral surface of the stator;
Electrodes for applying alternating voltages having different phases to the piezoelectric elements;
A piezoelectric actuator, comprising: a setting portion that is provided on at least one of the shaft and the stator and sets a frictional contact pressure between an outer peripheral surface of the shaft and an inner peripheral surface of the stator.
シャフトをその軸中心に回転駆動する圧電アクチュエータであって、
前記シャフトの外周面に摩擦係合する内周面を有する貫通孔が形成され、前記シャフトが回転自在に装着されるステータと、
前記シャフトの回転方向に相互にずらして前記ステータの外周面にそれぞれ設けられる少なくとも2つの圧電素子と、
前記各圧電素子に設けられ、前記各圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための電極と、
前記シャフトと前記ステータの少なくとも一方に設けられ、前記シャフトの外周面と前記ステータの内周面との摩擦接触圧を設定する設定部とを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator that rotationally drives a shaft about its axis,
A stator having a through hole having an inner peripheral surface frictionally engaged with the outer peripheral surface of the shaft, and the shaft rotatably mounted;
At least two piezoelectric elements respectively provided on the outer peripheral surface of the stator so as to be shifted from each other in the rotational direction of the shaft;
An electrode for applying an alternating voltage having a different phase to each piezoelectric element;
A piezoelectric actuator, comprising: a setting portion that is provided on at least one of the shaft and the stator and sets a frictional contact pressure between an outer peripheral surface of the shaft and an inner peripheral surface of the stator.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧電素子を前記シャフトを中心として相互に対向させて前記ステータに設けることを特徴とする圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein the piezoelectric elements are provided on the stator so as to face each other with the shaft as a center. 請求項4記載の圧電アクチュエータにおいて、前記ステータは、前記貫通孔の形成方向に平面部を有する略直方体または略立方体であって、前記平面部の各々に前記圧電素子が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。   5. The piezoelectric actuator according to claim 4, wherein the stator is a substantially rectangular parallelepiped or a substantially cubic body having a planar portion in a direction in which the through hole is formed, and the piezoelectric element is provided in each of the planar portions. A piezoelectric actuator. シャフトをその軸方向に直進駆動およびその軸中心に回転駆動する圧電アクチュエータであって、
前記シャフトの外周面に摩擦係合する内周面を有する貫通孔が形成され、前記シャフトが直線往復動自在かつ回転自在に装着されるステータと、
前記ステータの外周面に設けられる第1の圧電素子と、
前記シャフトの軸方向に電気的に分離され、前記第1の圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための少なくとも2つの電極と、
前記シャフトの回転方向に相互にずらして前記ステータの外周面にそれぞれ設けられる少なくとも2つの第2の圧電素子と、
前記第2の各圧電素子に設けられ、前記第2の各圧電素子に位相の異なる交流電圧を印加するための電極と、
前記シャフトと前記ステータの少なくとも一方に設けられ、前記シャフトの外周面と前記ステータの内周面との摩擦接触圧を設定する設定部とを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator for driving the shaft straight in its axial direction and rotationally driving about its axis,
A stator having a through hole having an inner peripheral surface frictionally engaged with the outer peripheral surface of the shaft, the shaft being mounted so as to be linearly reciprocable and rotatable;
A first piezoelectric element provided on the outer peripheral surface of the stator;
At least two electrodes that are electrically separated in the axial direction of the shaft and apply alternating voltages of different phases to the first piezoelectric element;
At least two second piezoelectric elements respectively provided on the outer peripheral surface of the stator so as to be shifted from each other in the rotational direction of the shaft;
An electrode provided on each of the second piezoelectric elements, for applying an alternating voltage having a different phase to each of the second piezoelectric elements;
A piezoelectric actuator, comprising: a setting portion that is provided on at least one of the shaft and the stator and sets a frictional contact pressure between an outer peripheral surface of the shaft and an inner peripheral surface of the stator.
請求項6記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第2の各圧電素子に設けられた電極は、前記シャフトの軸方向に電気的に分離されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。   7. The piezoelectric actuator according to claim 6, wherein the electrodes provided on each of the second piezoelectric elements are electrically separated in the axial direction of the shaft. 請求項6または7記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とを相互に軸方向にずらして前記ステータに設けることを特徴とする圧電アクチュエータ。   8. The piezoelectric actuator according to claim 6, wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are provided in the stator while being axially displaced from each other. 請求項6または7記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とを相互に回転方向にずらして前記ステータに設けることを特徴とする圧電アクチュエータ。   8. The piezoelectric actuator according to claim 6, wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are provided in the stator while being shifted from each other in the rotational direction. 請求項7記載の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の圧電素子と前記第2の圧電素子とを前記シャフトを中心として相互に対向させて前記ステータに設けることを特徴とする圧電アクチュエータ。   8. The piezoelectric actuator according to claim 7, wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are provided on the stator so as to face each other with the shaft as a center. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記設定部は前記シャフトに中心方向に切り込まれて軸方向に延びるスリットであり、前記シャフトの弾性変形により前記摩擦接触圧を設定することを特徴とする圧電アクチュエータ。   11. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the setting portion is a slit that extends in an axial direction by being cut in a central direction of the shaft, and the frictional contact pressure is reduced by elastic deformation of the shaft. A piezoelectric actuator characterized by being set. 請求項1〜10のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記設定部は前記ステータに中心方向に切り込まれて軸方向に延びるスリットであり、前記ステータの弾性変形により前記摩擦接触圧を設定することを特徴とする圧電アクチュエータ。   11. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the setting portion is a slit that is cut in a central direction of the stator and extends in an axial direction, and the frictional contact pressure is reduced by elastic deformation of the stator. A piezoelectric actuator characterized by being set. 請求項1〜12のいずれか1項に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記シャフトと前記ステータとのいずれか一方に耐摩耗性材料からなるスライダを設けることを特徴とする圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 12, wherein a slider made of a wear-resistant material is provided on one of the shaft and the stator.
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