JP2009219281A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シャフトを直進駆動すると同時に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 in a straight line and simultaneously rotates.
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,
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。
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だけではなく、被駆動部材を直進駆動しつつ回転駆動することはできない。 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. In addition, the piezoelectric actuators are different in the structure of the vibrating body between the rotary type and the linear type, so the basic structures are completely different from each other. The driven member cannot be rotated while being driven straight.
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、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が可能となるが、直進駆動及び回転駆動を同時に行うことはできず、このため、直進駆動及び回転駆動を同時に行うことができる圧電アクチュエータの出現が望まれていた。 However, in the above piezoelectric actuator, it is possible to perform both the rectilinear drive and the rotational drive with one piezoelectric actuator, but the rectilinear drive and the rotational drive cannot be performed at the same time. The appearance of a piezoelectric actuator capable of simultaneously performing the above has been desired.
本発明の目的は、直進駆動及び回転駆動を同時に行うことができる圧電アクチュエータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator capable of simultaneously performing linear drive and rotational drive.
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と同時に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 drives the shaft linearly in the axial direction and at the same time rotationally drives the shaft center, and has a through hole having an inner peripheral surface frictionally engaged with the outer peripheral surface of the shaft. A stator on which the shaft is 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 of different phases to the 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, and the second And an electrode for applying an AC voltage having a different phase to each of the second piezoelectric elements.
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と同時に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前記シャフトの軸方向に設けられる少なくとも2つの第1の圧電素子と、前記第1の各圧電素子に設けられ、前記第1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 drives the shaft linearly in the axial direction and at the same time rotationally drives the shaft center, and has a through hole having an inner peripheral surface frictionally engaged with the outer peripheral surface of the shaft. A stator in which the shaft is linearly reciprocable and rotatable, at least two first piezoelectric elements provided in an axial direction of the shaft on an outer peripheral surface of the stator, and each of the first piezoelectric elements. An electrode for applying an alternating voltage having a different phase to each of the first piezoelectric elements, and at least two second piezoelectric elements provided on the outer peripheral surface of the stator while being shifted from each other in the rotation direction of the shaft. And an electrode provided on each of the second piezoelectric elements and for applying an AC voltage having a different phase to each of the second piezoelectric elements. To.
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前記シャフトの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。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前記シャフトの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とともに、前記第2の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。 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 while being mutually shifted in the axial direction of the shaft. 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 while being shifted from each other in the rotation direction of the shaft. In the piezoelectric actuator of the present invention, the first piezoelectric element is provided on the stator so as to face each other about the shaft, and the second piezoelectric element is provided on the stator so as to face each other around the shaft. It is characterized by providing.
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分離され、この分離された一対の電極には、同位相の交流電圧が印加されることを特徴とする。 In the piezoelectric actuator of the present invention, the electrodes provided in the second piezoelectric elements are separated in the axial direction of the shaft, and an alternating voltage having the same phase is applied to the separated pair of electrodes. It is characterized by.
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と同時に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、前記シャフトの外周面または前記ステータの内周面のいずれか一方に形成され、螺旋状部を有するカム溝と、前記シャフトの外周面または前記ステータの内周面の他方に設けられ、前記カム溝に係合するカム突起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 drives the shaft linearly in the axial direction and at the same time rotationally drives the shaft center, and has a through hole having an inner peripheral surface frictionally engaged with the outer peripheral surface of the shaft. A stator on which the shaft is linearly reciprocable and rotatable, a piezoelectric element provided on the outer peripheral surface of the stator, and an alternating current that is electrically separated in the axial direction of the shaft and has a phase different from that of the piezoelectric element At least two electrodes for applying a voltage; a cam groove formed on one of the outer peripheral surface of the shaft or the inner peripheral surface of the stator and having a spiral portion; and the outer peripheral surface of the shaft or the stator And a cam projection provided on the other inner peripheral surface and engaged with the cam groove.
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と同時に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、前記シャフトの外周面または前記ステータの内周面のいずれか一方に形成され、螺旋状部を有するカム溝と、前記シャフトの外周面または前記ステータの内周面の他方に設けられ、前記カム溝に係合するカム突起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 drives the shaft linearly in its axial direction and at the same time rotationally drives its shaft center, and has a through hole having an inner peripheral surface frictionally engaged with the outer peripheral surface of the shaft, A stator on which the shaft is mounted so as to be linearly reciprocable and rotatable; at least two piezoelectric elements provided in an axial direction of the shaft on an outer peripheral surface of the stator; and each piezoelectric element provided to each of the piezoelectric elements. Electrodes for applying alternating voltages having different phases to each other, a cam groove formed on either the outer peripheral surface of the shaft or the inner peripheral surface of the stator, and having a spiral portion, and the outer peripheral surface of the shaft or the And a cam projection provided on the other inner peripheral surface of the stator and engaged with the cam groove.
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の少なくとも一方に形成され、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を有することを特徴とする。 The piezoelectric actuator according to the present invention includes a setting unit that is formed 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。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。 In the piezoelectric actuator of the present invention, the setting portion is a slit that extends in the axial direction by being cut into the shaft in the center direction, and sets the frictional contact pressure by elastic deformation of the shaft. In the piezoelectric actuator of the present invention, the setting portion is a slit that extends in the axial direction by being cut into the stator in the center direction, and sets the frictional contact pressure by elastic deformation of the stator.
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。 The piezoelectric actuator of 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.
ステータの外周面に設けられた第1の圧電セラミックスの軸方向の伸縮によってステータの内周面には軸方向の楕円運動が発生する。また、ステータの外周面に設けられた第2の圧電セラミックスの軸方向と直交する幅方向の伸縮によってステータの内周面には回転方向の楕円運動が発生する。この第1の圧電セラミックスと第2の圧電セラミックスを同時に伸縮させることで、シャフトを直進駆動と同時に回転駆動させることができる。 An axial elliptical motion is generated on the inner peripheral surface of the stator by the axial expansion and contraction of the first piezoelectric ceramics provided on the outer peripheral surface of the stator. In addition, elliptical motion in the rotational direction is generated on the inner peripheral surface of the stator by expansion and contraction in the width direction orthogonal to the axial direction of the second piezoelectric ceramic provided on the outer peripheral surface of the stator. By simultaneously expanding and contracting the first piezoelectric ceramic and the second piezoelectric ceramic, the shaft can be driven to rotate simultaneously with the straight drive.
ステータの外周面に設けられた圧電セラミックスの軸方向の伸縮によってステータの内周面に軸方向の楕円運動が発生すると、シャフトは直進駆動するとともに、カム機構を介してシャフトを回転駆動させることができる。 When the elliptical motion in the axial direction occurs on the inner peripheral surface of the stator due to the axial expansion and contraction of the piezoelectric ceramic provided on the outer peripheral surface of the stator, the shaft can be driven straight and the shaft can be driven to rotate via the cam mechanism. it can.
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(A)は図1における2A−2A線断面図であり、図2(B)は図1における2B−2B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 (A) is a cross-sectional view taken along
この圧電アクチュエータ10aは、直進駆動と回転駆動を同時に行うことができる圧電アクチュエータであり、図1および図3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を備えるステータ11を有している。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(図3において横方向)に連結されており、ステータ体11a,11bには軸方向に貫通する断面円形状の貫通孔12がそれぞれ形成されている。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、外周面に設けられた後述するスライダを介してステータ体11aの貫通孔12の内周面12a及びステータ体11bの貫通孔12の内周面12b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。
The
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、これらに限定されるものではない。シャフト13は、中実形状に限定されず、中空形状であっても良いことはもちろんである。さらに、ステータ11は、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。
For example, phosphor bronze is used as the
ステータ体11a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2(B)に示すように、それぞれの平面部には振動源である第1の圧電セラミックス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とステータ体11a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、ステータ体11a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。直動用のステータ体11a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い。
On the outer periphery of the
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
図1及び図3に示すように、圧電セラミックス14の外面(ステータ体11a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1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 (surface opposite to the
一方、圧電セラミックス14の内面(ステータ体11a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を介してステータ体11aの外周面に取り付けられている。電極17は、ステータ体11aと電気的に接触しており、ステータ体11a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
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
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体11a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
ステータ体11b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2(A)に示すように、それぞれの平面部には振動源である第2の圧電セラミックス23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23とステータ体11b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23はシャフト13の回転方向に少なくとも2つ設ける必要があり、回転用のステータ体11bは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る必要がある。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23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、回転用のステータ体11b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。
On the outer periphery of the
圧電セラミックス23は、ステータ体11b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23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
図2(A)に示すように、4つの圧電セラミックス23の外面(ステータ体11bと反対側の面)には、電極24〜27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23の内面(ステータ体11b側の面)には、電極17が電極24〜27に対応して形成されており、圧電セラミックス23は電極17を介してステータ体11bの外周面に取り付けられる。電極17はステータ体11bと電気的に接触しており、ステータ体11bが接地されることによりそれぞれの圧電セラミックス23の一方の側は接地された状態となっている。
As shown in FIG. 2A,
図4に示すように、電極24〜27はそれぞれ交流電源28〜31に接続されている。交流電源28〜31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24〜27を介して各圧電セラミックス23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. 4, the electrodes 24-27 are connected to AC power supplies 28-31, respectively. The AC power supplies 28 to 31 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
このように、4つの圧電セラミックス23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24が設けられた第1の伸縮領域32と、第2の電極25が設けられた第2の伸縮領域33と、第3の電極26が設けられた第3の伸縮領域34と、第4の電極27が設けられた第4の伸縮領域35との4つの伸縮領域を有する構成となっている。
As described above, the four
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
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
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体11a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体11aの内周面12aとシャフト13に設けたスライダ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
また、交流電源28〜31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体11bに設けられた各伸縮領域32〜35に弾性振動を発生させている。ステータ体11bの貫通孔12の内周面12bには、4つの圧電セラミックス23がシャフト13と直交する幅方向に伸縮するのに伴い、図2(A)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12bにおいて各伸縮領域32〜35の弾性振動によって、内周面12b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体11bの内周面12bには回転方向に楕円運動が発生する。この楕円運動によって、ステータ体11bの内周面12bと摩擦係合するスライダを有するシャフト13は進行波の進行方向と逆向きに摩擦駆動される。
Further, the AC voltages of the AC power supplies 28 to 31 are 90 ° out of phase with each other, and elastic vibrations are generated in the expansion and
このように、ステータ体11aの外周面に設けられた圧電セラミックス14に軸方向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。
In this way, by applying a sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° to the
また、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23に形成された電極24〜27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12bで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12bと摩擦係合するシャフト13は進行波の進行方向と逆向きに摩擦駆動される。
Further, a sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° is applied to the
図4に示すように、圧電アクチュエータ10aに直動用の電源18,19と回転用の電源28〜31とを同時に接続すると、ステータ体11aの貫通孔12の内周面12aでは軸方向の楕円運動が発生し、また、ステータ体11bの貫通孔12の内周面12bでは回転方向の楕円運動が発生する。このため、シャフト13は、これら2つの楕円運動によって軸方向に直進駆動すると同時に軸中心に回転駆動することになる。したがって、一つの圧電アクチュエータ10aでシャフト13をその軸方向に直進駆動すると同時にその軸中心に回転駆動することができる。
As shown in FIG. 4, when the linear motion power supplies 18 and 19 and the rotation power supplies 28 to 31 are simultaneously connected to the
また、内周面12aに形成される楕円運動の方向や内周面12bに形成される楕円運動の方向を反転させることで、シャフト13の直進駆動の方向や回転駆動の方向を変化させることができる。圧電アクチュエータ10aに直動用の電源18,19のみを接続してシャフト13を回転駆動させずに直進駆動させたり、圧電アクチュエータ10aに回転用の電源28〜31のみを接続してシャフト13を直進駆動させずに回転駆動させたりしても良い。
Further, by reversing the direction of the elliptical motion formed on the inner
図1および図2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37が設けられており、スライダ37を介してシャフト13が貫通孔12の内周面12a,12bに摩擦係合されている。このスライダ37により、貫通孔12の内周面12a,12b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10a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. 1 and 2, a
シャフト13およびスライダ37には中心方向に切り込まれて軸方向に伸びるスリット38が形成されており、スリット38は、スライダ37を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12a,12b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37にスリット38を形成することによって、シャフト13は、スリット38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の弾性復元力によって、スライダ37を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12a,12b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37を介してシャフト13の外周面とステータ11の内周面12a,12b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。
The
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,12bに押し付けられているので、スライダ37の外周面やステータ11の内周面12a,12b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、摩擦接触圧を調整させることにより、シャフト13がステータ11の内周面12a,12b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の直動や回転を防止することも可能となる。
Further, since the outer peripheral surface of the
シャフト13の軸方向両端部の外周面には、横方向に突出するストッパ39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39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。
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40を介して固定される。なお、防振支持台40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
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よい。
In the present embodiment, two
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、直進駆動と回転駆動を同時に行うことができる圧電アクチュエータであり、図6および図7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、外周面に設けたスライダ37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。
The
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8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第1の圧電セラミックス14と第2の圧電セラミックス23とが周方向に交互に設けられて、4つの圧電セラミックス14と4つの圧電セラミックス23とステータ11とにより振動体が形成されている。圧電セラミックス14,23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。
The outer periphery of the
本実施の形態では断面正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23とを交互に4つずつ配置したが、直進駆動用として少なくとも1つの圧電セラミックス14が必要である。また、回転用の圧電セラミックス23は、シャフト13の回転方向に少なくとも2つ設ける必要があり、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23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。そのため、ステータ11には回転用の圧電セラミックス23の取り付け用の平面部として、回転方向にずらして設けられた少なくとも4つの平面部を有する形状であることが好ましい。
In the present embodiment, four
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、上記の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。また、4つの圧電セラミックス23は、回転用の圧電セラミックスを構成しており、上記の圧電アクチュエータ10aにおける回転用の圧電セラミックス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14,23についての説明は省略する。
The four
図8に示すように、圧電アクチュエータ10bに接続された電気回路の電源ユニットは、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電源18,19と、圧電セラミックス23に設けられた電極24〜27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電源28〜31とを有している。
As shown in FIG. 8, the power supply unit of the electric circuit connected to the
直動用の電源18,19によりステータ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。
A sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° between
また、回転用の電源28〜31によりステータ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23に形成された電極24〜27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に回転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12bと摩擦係合するシャフト13は進行波の進行方向と逆向きに摩擦駆動される。
Also, sinusoidal AC voltages whose phases are different from each other by 90 ° with respect to the
図8に示すように、直動用の電源18,19と回転用の電源28〜31とを同時に接続すると、ステータ11の貫通孔12の内周面12aでは軸方向の楕円運動と回転方向の楕円運動が同時に発生する。このため、シャフト13は、これら2つの楕円運動によって軸方向に直進駆動すると同時に軸中心に回転駆動することになる。したがって、一つの圧電アクチュエータ10bでシャフト13をその軸方向に直進駆動すると同時にその軸中心に回転駆動することができる。
As shown in FIG. 8, when the linear motion power supplies 18 and 19 and the rotation power supplies 28 to 31 are connected simultaneously, the elliptical motion in the axial direction and the elliptical motion in the rotational direction are caused on the inner
また、内周面12aに形成される軸方向の楕円運動や回転方向の楕円運動の方向を反転させることで、シャフト13の直進駆動の方向や回転駆動の方向を変化させることができる。直動用の電源18,19のみを接続してシャフト13を回転駆動せずに直進駆動させたり、回転用の電源28〜31のみを接続してシャフト13を直進駆動させずに回転駆動させたりしても良い。
Further, by reversing the direction of the elliptical motion in the axial direction and the elliptical motion in the rotational direction formed on the inner
圧電アクチュエータ10a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37が設けられており、スライダ37を介してシャフト13が貫通孔12の内周面12aに摩擦係合されている。このスライダ37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。
Similar to the
また、シャフト13およびスライダ37には中心方向に切り込まれて軸方向に伸びるスリット38が形成されており、シャフト13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10bの小型化が可能である。
Further, the
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よい。
In the present embodiment, two
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(A)は図9における10A−10A線断面図であり、図10(b)は図9における10B−10B線断面図であり、図11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. 10A is a cross-sectional view taken along
この圧電アクチュエータ10cは、直進駆動と回転駆動を同時に行うことができる圧電アクチュエータであり、図9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。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、外周面に設けたスライダ37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。
The
図10に示すように、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、これらの平面部には振動源である直進駆動用の第1の圧電セラミックス14が1つと、回転駆動用の第2の圧電セラミックス23が3つ設けられており、これらの圧電セラミックス14,23とステータ11とにより振動体が形成されている。圧電セラミックス14,23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。
As shown in FIG. 10, the outer periphery of the
本実施形態では、圧電セラミックス14を1つ、圧電セラミックス23を3つ設けたが、直進駆動用として少なくとも1つの圧電セラミックス14が必要である。また、回転用の圧電セラミックス23はシャフト13の回転方向に少なくとも2つ設ける必要があり、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23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。そのため、ステータ11には回転用の圧電セラミックス23の取り付け用平面部として、回転方向にずらして設けられた少なくとも4つの平面部を有する形状であることが好ましい。
In the present embodiment, one piezoelectric ceramic 14 and three
第1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。また、第2の圧電セラミックス23も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の軸方向と直交する幅方向に延伸する。
The first piezoelectric ceramic 14 is polarized in the thickness direction. When a voltage in the same direction as the polarization direction is applied, the first piezoelectric ceramic 14 contracts in the axial direction of the
図10に示すように、第1の圧電セラミックス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が形成されており、また、3つの圧電セラミックス23のそれぞれの外面(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電極24a,24b、電極25a,25b、および電極26a,26bが形成されており、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。
As shown in FIG. 10, two
一方、各圧電セラミックス14,23の内面(ステータ11側の面)には、電極17が形成されており、各圧電セラミックス14,23の内面は、電極17を介してステータ11の外周面とに貼付け等により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14,23の一方の側は接地された状態となっている。
On the other hand,
図11に示すように、電極15には交流電源18が接続され、電極16には交流電源19が接続されており、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を介して第1の圧電セラミックス14に印加する直動用の電源ユニットを構成している。また、電極24a,24bには交流電源28が接続され、電極25a,25bには交流電源29が接続され、電極26a,26bには交流電源30が接続されており、交流電源28〜30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第2の圧電セラミックス23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. 11, an
第1の圧電セラミックス14に軸方向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。
A sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° is applied to the
また、第2の圧電セラミックス23に形成された電極24a,24b、電極25a,25b、および電極26a,26b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で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。
Further, by applying a sinusoidal AC voltage having a phase difference of 90 ° to the
図11に示すように、圧電アクチュエータ10cに直動用の電源18,19と回転用の電源28〜30とを同時に接続すると、ステータ11の貫通孔12の内周面12aでは軸方向の楕円運動と回転方向の楕円運動が発生する。このため、シャフト13は、これら2つの楕円運動によって軸方向に直進駆動すると同時に軸中心に回転駆動することになる。したがって、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すると同時にその軸中心に回転駆動することができる。
As shown in FIG. 11, when the linear motion power supplies 18 and 19 and the rotation power supplies 28 to 30 are simultaneously connected to the
また、内周面12aに形成される軸方向の楕円運動の方向や回転方向の楕円運動の方向を反転させることで、シャフト13の直進駆動の方向や回転駆動の方向を変化させることができる。また、圧電アクチュエータ10cに直動用の電源18,19のみを接続してシャフト13を回転駆動させずに直進駆動させたり、圧電アクチュエータ10cに回転用の電源28〜30のみを接続してシャフト13を直進駆動させずに回転駆動させたりしても良い。
Further, by reversing the direction of the elliptical motion in the axial direction and the direction of the elliptical motion formed in the inner
図9および図10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37が設けられており、スライダ37を介してシャフト13が貫通孔12の内周面12aに摩擦係合されている。このスライダ37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。
As shown in FIGS. 9 and 10, a
シャフト13およびスライダ37には中心方向に切り込まれて軸方向に伸びるスリット38が形成されており、スリット38はスライダ37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37にスリット38を形成したことによって、シャフト13はスリット38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の内周面12a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37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37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。
A
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、スライダ37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の直動や回転を防止することも可能となる。
Further, since the outer peripheral surface of the
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よい。また、第1の圧電セラミックス14と第2の圧電セラミックス23とを相互にシャフト13の回転方向にずらしてステータ11に設けたが、図1に示すようにシャフト13の軸方向にずらしてステータ11に設けるようにしても良い。
In the present embodiment, two
図12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13は図12における13−13線断面図であり、図14は図12における14−14線断面図であり、図15は図12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。 12 is a perspective view of a piezoelectric actuator according to another embodiment of the present invention, FIG. 13 is a sectional view taken along line 13-13 in FIG. 12, and FIG. 14 is a sectional view taken along line 14-14 in FIG. FIG. 15 is a circuit diagram showing a connection state between the piezoelectric actuator shown in FIG. 12 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10dは、直進駆動と回転駆動を同時に行うことができる圧電アクチュエータであり、図12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に直線往復動自在かつ回転自在に装着される。
The
ステータ11は直動用のステータとなっており、上記の圧電アクチュエータ10aのステータ体11aと同様の構造となっている。したがって、ステータ11についての説明は省略する。
The
図12および図14に示すように、シャフト13の外周面には螺旋状のカム溝42が形成されており、ステータ11にはこのカム溝42に係合するカム突起43が設けられている。カム突起43はカム溝42内を摺動自在となっている。なお、カム溝42をステータ11の内周面12aに形成したり、カム突起43をシャフト13やアクチュエータ13の外部に設けたりしても良い。
As shown in FIGS. 12 and 14, a
図15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。圧電アクチュエータ10dに交流電源18,19が接続されると、ステータ11の外周面に設けられた各圧電セラミックス14の軸方向に電気的に分離されて形成された2つの電極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の内周面に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。シャフト13の軸方向の直進駆動に伴ってカム突起43はカム溝42内を摺動し、このカム機構によりシャフト13は直進駆動すると同時に回転駆動する。
As shown in FIG. 15, each
このように、直進駆動を行う圧電アクチュエータ10dのシャフト13に螺旋状のカム溝42を形成し、このカム溝42に係合するカム突起43をステータ11に設けたので、一つの圧電アクチュエータ10dでシャフト13をその軸方向に直進駆動すると同時にその軸中心に回転駆動することができる。回転駆動を行う圧電アクチュエータに螺旋状のカム溝42とカム突起43を設けることで、回転駆動すると同時に直進駆動するようにしても良い。
As described above, the
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よい。
In the present embodiment, two
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44が形成されており、スリット44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44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。このような設定部を設けたステータ11を圧電アクチュエータ10a〜10dのステータ11として用いるようにしても良い。また、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44を設定部として形成するようにしても良い。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a modification of the setting unit for setting the frictional contact pressure. The
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37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37を一部切り欠いた形状にしたりしても良い。また、圧電セラミックス23に設けられる各電極24〜27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
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,12b 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 圧電セラミックス(第2の圧電素子)
24〜27 電極
28〜31 交流電源
32〜35 伸縮領域
37 スライダ
38 スリット(設定部)
39 ストッパ
40 防振支持台
42 カム溝
43 カム突起
44 スリット(設定部)
10a to
15 to 17
24 to 27
39
Claims (12)
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 linearly in the axial direction and at the same time rotationally drives the shaft center;
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;
A piezoelectric actuator, comprising: 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.
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前記シャフトの軸方向に設けられる少なくとも2つの第1の圧電素子と、
前記第1の各圧電素子に設けられ、前記第1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 linearly in the axial direction and at the same time rotationally drives the shaft center;
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;
At least two first piezoelectric elements provided in the axial direction of the shaft on the outer peripheral surface of the stator;
An electrode provided on each of the first piezoelectric elements, for applying an alternating voltage having a different phase to each of the first piezoelectric elements;
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;
A piezoelectric actuator, comprising: 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.
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、
前記シャフトの外周面または前記ステータの内周面のいずれか一方に形成され、螺旋状部を有するカム溝と、
前記シャフトの外周面または前記ステータの内周面の他方に設けられ、前記カム溝に係合するカム突起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 linearly in the axial direction and at the same time rotationally drives the shaft center;
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 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 that apply alternating voltages of different phases to the piezoelectric element;
A cam groove formed on either the outer peripheral surface of the shaft or the inner peripheral surface of the stator and having a spiral portion;
A piezoelectric actuator having a cam protrusion provided on the other of the outer peripheral surface of the shaft or the inner peripheral surface of the stator and engaging with the cam groove.
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、
前記シャフトの外周面または前記ステータの内周面のいずれか一方に形成され、螺旋状部を有するカム溝と、
前記シャフトの外周面または前記ステータの内周面の他方に設けられ、前記カム溝に係合するカム突起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 linearly in the axial direction and at the same time rotationally drives the shaft center;
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;
At least two piezoelectric elements provided in the axial direction of the shaft on the outer peripheral surface of the stator;
An electrode for applying an alternating voltage having a different phase to each piezoelectric element;
A cam groove formed on either the outer peripheral surface of the shaft or the inner peripheral surface of the stator and having a spiral portion;
A piezoelectric actuator having a cam protrusion provided on the other of the outer peripheral surface of the shaft or the inner peripheral surface of the stator and engaging with the cam groove.
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