JP2013201813A - 駆動装置及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動部材を組み合わせた全体形状を小型化することができ、角棒体や丸棒体などの曲面を有する被駆動部材をも駆動させることができ、さらに支持部材の数の低減を図り得る駆動装置を提供する。
【解決手段】平面視して円形または正２ｎ角形（但し、ｎは自然数）であって、開口２ｅを有する弾性体リング２と、弾性体リング２の上面２ａに設けられており、軸方向屈曲振動を励振させる第１の駆動素子４〜７と、弾性体リング２の外周側面２ｃに設けられており、径方向屈曲振動を励振させる第２の駆動素子８〜１１とを備え、弾性体リング２の周方向において２ｎ分割された領域において隣り合う領域が交互に逆方向に変位するように、かつ弾性体リング２のｎ波長屈曲モードの屈曲振動の共振周波数をωとしたときに、第１の駆動素子４〜７と、第２の駆動素子８〜１１とに±９０度の位相差の電圧を印加した際に弾性体リング２にｎ波長屈曲モードの屈曲振動が励振されるように構成されている、駆動装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電効果などの電気機械変換効果を利用した駆動装置及びモータに関し、より詳細には、弾性体リングを用いた駆動装置及びモータに関する。

従来、圧電素子を用いた超音波モータが種々提案されている。例えば下記の特許文献１には、図８に示すマイクロモータが開示されている。

図８に示すマイクロモータ１００１では、ステータ１００２により被駆動部材１００３が駆動される。ステータ１００２は、支持部材１０１２〜１０１６により支持されている。ステータ１００２は、矩形板状の圧電板１００４を有する。圧電板１００４の一方側の面には、電極１００５〜１００８が設けられている。圧電板１００４の他方側の面には、圧電板１００４を介して電極１００５〜１００８とそれぞれ対向するように、４つの電極が設けられている。

圧電板１００４の一方側の面における１つの対角線方向に位置している電極１００５と電極１００８とが、配線１００９により接続されている。同様に、もう１つの対角線方向に位置している電極１００６と電極１００７とが、配線１０１０により接続されている。圧電板１００４は厚み方向に分極されている。

マイクロモータ１００１では、電極１００５，１００８が形成されている領域と、電極１００６，１００７が形成されている領域を、±９０度の位相差を有する電圧により駆動する。それによって、圧電板１００４に長辺方向の伸び振動と、短辺方向のＳ字屈曲振動が同時に励振される。これらの振動が合成され、圧電板１００４の端部に固定されているスペーサ１０１１が回転運動をする。それによって、スペーサ１０１１に押しつけられている被駆動部材１００３が移動される。

他方、下記の特許文献２には、角棒体の上面と、一方の側面に駆動素子として圧電素子が貼り付けられているステータが開示されている。特許文献２では、角棒体において、上下方向に振動する屈曲振動と、横方向の屈曲振動とを同時に励振させる。これらの振動の合成により、角棒体の振動の腹になる部分に軸周りの回転運動を引き起こしている。それによって、角棒体に当接される被駆動部材を移動させている。

特開平７−１８４３８２号公報 特開平１−２６４８６８号公報

特許文献１や特許文献２に記載のような圧電素子を用いたステータなどの駆動装置に被駆動部材を接触させてなるモータでは、小型化が困難であり、かつステータを被駆動部材に確実に接触させることが困難であり、さらに多くの支持機構を必要とするという問題があった。これを、図９及び図１０を参照して説明する。

図９は、特許文献１に記載のステータ１００２を用いて、棒状の被駆動部材１００３Ａを駆動するモータの模式図である。ステータ１００２は、図８に示した支持部材１０１２〜１０１６により支持されねばならない。ここでは、図８に示したように、圧電板１００４の一方長辺側では、支持部材１０１２，１０１３により圧電板１００４を固定的に支持することができる。しかしながら、圧電板１００４の振動を妨げないように、圧電板１００４の他方長辺側では、弾性を有する支持部材１０１４，１０１５により圧電板１００４を支持しなければならない。また、圧電板１００４のスペーサ１０１１が固定されている側の短編と反対側の短辺に位置している支持部材１０１６も、弾性を有する支持部材により構成しなければならない。従って、ステータ１００２の支持に多くの支持部材を必要とする。

加えて、矩形板状の圧電板１００４を用いたステータ１００２の短辺の外側に被駆動部材１００３Ａを配置しなければならず、モータ全体の構造が大型になりがちであった。さらに、被駆動部材１００３Ａを支持するために回転自在の支持部材１０１８，１０１９を設けねばならなかった。

他方、図１０は、特許文献２に記載のステータを用いて、棒状の被駆動部材１０２６を駆動するモータの模式図である。ここでは、角棒体１０２１が、前述したように、その軸周りの回転運動を生じる。しかしながら、この角棒体１０２１が上記軸周りの回転運動を引き起こすことを可能とするために、多数の支持部材１０２２〜１０２５により角棒体１０２１を支持しなければならない。さらに、被駆動部材１０２６の長さ方向が角棒体１０２１の長さ方向と直交するように配置しなければならなかった。そのため、やはりモータ全体の構造が大きくなりがちであった。加えて、被駆動部材１０２６を支持するために、回転自在の支持部材１０２７〜１０３０を設けなければならなかった。

上記のように、特許文献１や特許文献２に記載のステータを用いたモータでは、駆動装置としてのステータの支持構造が複雑になるだけでなく、被駆動部材の支持にも多数の支持部材を必要としていた。加えて、前述した通り、モータ全体の構造が大きくならざるを得なかった。さらに、被駆動部材が丸棒体などの外周部が曲面を有する形状である場合、曲面を有する外周部に対してステータを軸方向で確実に接触させることが困難であった。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、被駆動部材を組み合わせた全体形状を小型とすることができ、角棒体だけでなく丸棒体などの曲面を有する被駆動部材をも確実に移動させることができ、さらに支持部材の数を低減することができる駆動装置及び該駆動装置を用いたモータを提供することにある。

本発明に係る駆動装置は、平面視して円形または正２ｎ角形（但し、ｎは自然数）であって、開口を有し、上面と、下面と、上面と下面とを結ぶ内周側面と、上面と下面とを結ぶ外周側面とを有する弾性体リングと、前記弾性体リングの上面に設けられており、前記弾性体リングにおいて軸方向屈曲振動を励振させる第１の駆動素子と、前記弾性体リングの外周側面に設けられており、前記弾性体リングにおいて径方向屈曲振動を励振させる第２の駆動素子とを備える。本発明では、前記第１及び第２の駆動素子が、それぞれ、電気機械変換効果を有する材料からなる駆動材料層と、該駆動材料層の一面に設けられた第１の電極と、他面に設けられた第２の電極とを有し、前記第１及び第２の駆動素子は、前記弾性体リングの周方向において２ｎ分割された領域において、隣り合う領域が交互に逆方向に変位するように、かつ前記弾性体リングのｎ波長屈曲モードの屈曲振動の共振周波数をωとしたときに、第１の駆動素子に±Ｖｓｉｎωｔ、第２の駆動素子に±Ｖｃｏｓωｔの電圧を印加した際に、前記弾性体リングにｎ波長屈曲モードの屈曲振動が励振されるように構成されている。

本発明に係る駆動装置のある特定の局面では、前記弾性体リングの幅をＷ、厚みをＴとしたとき、ＷがＴと略等しくされている。この場合には、軸方向屈曲振動の共振周波数と、径方向屈曲振動の共振周波数を略等しくすることができる。従って、弾性体リングにｎ波長屈曲モードの屈曲振動をより一層確実に励振することができる。

本発明に係る駆動装置では、好ましくは、前記軸方向屈曲振動の共振周波数と、前記径方向屈曲振動の共振周波数が略等しくされている。この場合には、弾性体リングにｎ波長屈曲モードの屈曲振動をより一層確実に励振させることができる。

本発明に係る駆動装置のさらに他の特定の局面では、前記駆動材料層が圧電体からなり、前記第１，第２の駆動素子が圧電素子である。この場合には、圧電効果により、弾性体リングにｎ波長屈曲モードの屈曲振動を励振させることができる。

本発明に係る駆動装置のさらに別の特定の局面では、前記第１，第２の駆動素子がそれぞれ複数であり、前記周方向に２ｎ分割された領域において、第１の駆動素子の前記圧電体の分極方向が周方向において交互に反転されており、かつ前記周方向に２ｎ分割された領域において、第２の駆動素子の前記圧電体の分極方向が周方向において交互に反転されている。

本発明に係る駆動装置のさらに他の特定の局面では、前記複数の第１の駆動素子及び前記複数の第２の駆動素子が、前記弾性体リングの周方向においてそれぞれ一体化されている。このように、複数の第１の駆動素子及び複数の第２の駆動素子は、それぞれ、弾性体リングの周方向において一体化されていてもよい。

本発明に係るモータは、本発明に係る駆動装置からなるステータと、弾性体リングの内周側面で囲まれた開口に挿入されている被駆動部材とを備える。

本発明に係る駆動装置によれば、屈曲振動が励振され、弾性体リングが周方向周りに回転移動する。従って、内周側面と接触するように内周側面に囲まれた開口内に被駆動部材を挿入することにより、該被駆動部材をその軸方向に移動させることができる。この場合、ｎ波長屈曲モードの屈曲振動の振動の腹が２ｎ分割された各領域の中央に位置し、隣り合う領域の境界が振動の節となるため、駆動部材を少ない支持部材により支持することができる。加えて、被駆動部材についても、弾性体リングによっても支持され得るため、被駆動部材側の支持部材を省略したり、支持部材の数を大幅に低減することができる。

さらに、上記被駆動部材を弾性体リングの開口に挿入することによりモータなどを構成し得るため、被駆動部材を含めた装置全体の大幅な小型化を図ることも可能となる。

（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る駆動装置の平面図及び模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る駆動装置を用いたモータの模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る駆動装置を用いたモータの略図的斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る駆動装置を説明するための斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る駆動装置において励振される屈曲振動での変位状態を説明するための模式的平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る駆動装置を説明するための斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る駆動装置において励振される屈曲振動での変位状態を説明するための模式的平面図である。 従来のマイクロモータの一例を説明するための概略構成図である。 図８に示したステータを用いて被駆動部材を駆動するモータの模式図である。 従来の他のステータを用いて被駆動部材を駆動するモータの模式図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る駆動装置１の平面図及び模式的断面図である。駆動装置１は、平面視して円形の弾性体リング２を有する。弾性体リング２は、金属などの適宜の弾性材料からなる。

弾性体リング２は、開口２ｅを有する。弾性体リング２は、上面２ａ、下面２ｂ、外周側面２ｃ及び内周側面２ｄを有する。弾性体リング２において、弾性体リング２を平面視して、周方向に４つに均等に分割された領域を第１〜第４の領域とする。第１〜第４の領域のそれぞれにおいて、弾性体リング２の上面２ａ上には、第１〜第４の圧電素子４〜７が設けられている。第１の圧電素子４を例として、第１〜第４の圧電素子４〜７について説明する。図１（ｂ）に示すように、第１の圧電素子４は、駆動材料層としての圧電体層４ａを有する。圧電体層４ａの上面に第１の電極４ｂが設けられており、下面に第２の電極４ｃが設けられている。圧電体層４ａは、図１（ａ）の「＋」の記号で示すように、圧電体層４ａの上面から下面に向かう厚み方向に分極されている。

第２〜第４の圧電素子５〜７も同様に、駆動材料層としての圧電体層の上面と下面とにそれぞれ電極が設けられた構造を有する。また、第２の圧電素子５の圧電体層は、図１（ａ）の「−」の記号で示すように、圧電体層の下面から上面に向かう厚み方向に分極されている。第３の圧電素子６の圧電体層は、図１（ａ）の「＋」の記号で示すように、圧電体層の上面から下面に向かう厚み方向に分極されている。第４の圧電素子７の圧電体層は、図１（ａ）の「−」の記号で示すように、圧電体層の下面から上面に向かう厚み方向に分極されている。

なお、本実施形態では、図１（ａ）の破線Ａ〜Ｄは、それぞれ、上記第１〜第４の領域の境界を示す図であり、分極方向が異なる圧電体層間の境界に相当する。

第１〜第４の領域のそれぞれにおいて、弾性体リング２の外周側面２ｃ上には、第５〜第８の圧電素子８〜１１が設けられている。第５の圧電素子８を例として、第５〜第８の圧電素子８〜１１について説明する。図１（ｂ）に示すように、第５の圧電素子８は、駆動材料層としての圧電体層８ａを有する。圧電体層８ａの外側の面に第１の電極８ｂが設けられており、内側の面に第２の電極８ｃが設けられている。第６〜第８の圧電素子９〜１１も同様に、駆動材料層としての圧電体層の外側の面と内側の面とにそれぞれ電極が設けられた構造を有する。

第５の圧電素子８の圧電体層８ａは、図１（ａ）の矢印で示すように、径方向外側に向かう方向に分極されている。第６の圧電素子９の圧電体層は、図１（ａ）の矢印で示すように、径方向内側に向かう方向に分極されている。第７の圧電素子１０の圧電体層は、図１（ａ）の矢印で示すように、径方向外側に向かう方向に分極されている。第８の圧電素子１１の圧電体層は、図１（ａ）の矢印で示すように、径方向内側に向かう方向に分極されている。

このように、第１の圧電素子４と第５の圧電素子８が、第１の領域に設けられている。第２の圧電素子５と第６の圧電素子９が、第２の領域に設けられている。第３の圧電素子６と第７の圧電素子１０が、第３の領域に設けられている。第４の圧電素子７と第８の圧電素子１１が、第４の領域に設けられている。

図１（ａ）に示すように、弾性体リング２において、弾性体リング２を平面視して、周方向に４つに均等に分割された領域である第１〜第４の領域において、第１〜第４の圧電素子４〜７では、隣り合う領域に設けられている圧電素子の圧電体層の分極方向が互いに逆方向とされている。同様に、第５〜第８の圧電素子８〜１１においても、隣り合う領域に設けられている圧電素子の圧電体層の分極方向が互いに逆方向とされている。言い換えれば、第１〜第４の圧電素子４〜７及び第５〜第８の圧電素子８〜１１の圧電体層は、弾性体リング２の周方向において交互に逆方向に分極されている。

また、本実施形態では、上記第１〜第４の圧電素子４〜７の第１の電極が周方向に連ねられている。すなわち、図１（ａ）に示す円環状の一枚の電極により、第１〜第４の圧電素子４〜７の第１の電極が一体的に設けられている。同様に、第１〜第４の圧電素子４〜７の第２の電極も、周方向に連ねられ、一体的に設けられている。

第５〜第８の圧電素子８〜１１においても、第５〜第８の圧電素子８〜１１の第１の電極が連ねられ、一体的に設けられている。同様に、第５〜第８の圧電素子８〜１１の第２の電極も、周方向に連ねられ、一体的に設けられている。

もっとも、複数の圧電素子の第１及び第２の電極は、連ねられず分離されていてもよい。

上記第１〜第４の圧電素子４〜７の圧電体層及び第５〜第８の圧電素子８〜１１の圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスなどの圧電セラミックス、あるいは圧電性を有する合成樹脂等により形成することができる。第１〜第４の圧電素子４〜７の第１，第２の電極及び第５〜第８の圧電素子８〜１１の第１，第２の電極は、適宜の金属もしくは合金により形成することができる。

駆動装置１では、第１〜第４の圧電素子４〜７及び第５〜第８の圧電素子８〜１１が上記のようにして弾性体リング２に設けられておりかつ構成されているため、図１（ｂ）に示すように、第１〜第４の圧電素子４〜７において第２の電極をグラウンド電位に接続するとともに第１の電極に±Ｖｃｏｓωｔの電圧を印可し、第５〜第８の圧電素子８〜１１において第２の電極をグラウンド電位に接続するとともに第１の電極に±Ｖｓｉｎωｔの電圧を印可することにより、弾性体リング２を屈曲振動させることができる。この屈曲振動は、第１〜第４の圧電素子４〜７が振動することにより生じる軸方向屈曲モードと、第５〜第８の圧電素子８〜１１が振動することにより生じる径方向屈曲モードが合成されることにより生じる。

ここで、軸方向屈曲モードとは、弾性体リング２の開口２ｅを貫く軸が延びる軸方向に沿って変位する振動であり、第１，第３の領域と第２，第４の領域とが互いに逆方向に変位する。また、径方向屈曲モードとは、弾性体リング２の径が大きくなる方向と小さくなる方向とを繰り返す振動であり、やはり、第１，第３の領域と第２，第４の領域とが互いに逆方向に変位することとなる。

本実施形態では、弾性体リング２が平面視して周方向に４つに均等に分割された第１〜第４の領域を有しているため、２波長屈曲モードの軸方向屈曲振動と２波長屈曲モードの径方向屈曲振動とが生じ、両者が合成され、２波長屈曲モードの屈曲振動が弾性体リング２において生じる。この２波長屈曲モードの屈曲振動では、（１／２）λ毎の振動の腹部分ごとに、弾性体リング２の周方向周りに弾性体リング２の部分において楕円運動が生じることとなる。

従って、上記内周側面２ｄにより囲まれた開口２ｅに、被駆動部材として例えばスライダーを内周側面２ｄに接触するように挿入すれば、該スライダーを往復移動させることができる。

なお、好ましくは、弾性体リング２の幅をＷ、厚みをＴとしたとき、ＷとＴとが略等しくされ、より好ましくは、Ｗ＝Ｔとされる。ＷとＴとが略等しい場合には、上記２波長屈曲モードの軸方向屈曲振動の共振周波数と、２波長屈曲モードの径方向屈曲振動の共振周波数とがほぼ等しくなり、上記２波長屈曲モードの屈曲振動を弾性体リング２においてより効果的に発生させることができる。これは、１波長屈曲モードや４波長以上の屈曲モードの屈曲振動においても同様である。

図２はこのような駆動装置１とスライダー１２とを有するモータ１３の模式的断面図であり、図３はその略図的斜視図である。モータ１３は超音波モータである。図３に示すように、弾性体リング２は、破線Ｅ，Ｆで示すように、２波長屈曲モードの屈曲振動が励振されると楕円運動で振動する。スライダー１２は、円柱状の形状を有し、その外周側面が、駆動装置１の弾性体リング２の内周側面２ｄと接触されている。すなわち、上記弾性体リング２の内周側面２ｄとスライダー１２の外周側面とが摩擦抵抗を有するように、スライダー１２が弾性体リング２に挿入されている。よって、２波長屈曲モードの屈曲振動が弾性体リング２において励振されると、スライダー１２が図３の矢印で示すように往復移動される。このモータ１３では、図２に示すように、弾性体リング２の内周側面２ｄによりスライダー１２が支持されるため、スライダー１２を支持するための支持部材を必ずしも必要としない。もっとも、スライダー１２を矢印方向に移動可能に支持する支持部材をさらに設けてもよい。

加えて、駆動装置１についても、上記２波長屈曲モードの屈曲振動では、振動の節が、第１〜第４の領域の境界に位置することとなる。従って、向かい合う境界を少なくとも２つの支持部材１４，１５により支持するだけで駆動装置１を支持することができる。よって、モータ１３では、支持部材の数の大幅な低減、並びに支持構造の大幅な簡略化を果たすことができる。加えて、駆動装置１の弾性体リング２内にスライダー１２が挿入されている構造であるため、モータ１３では、大幅な小型化を図ることができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る駆動装置２１を説明するための斜視図である。図５は、該駆動装置２１において励振される屈曲振動での変位状態を説明するための模式的平面図である。

第２の実施形態の駆動装置２１は、平面視して略正四角形の弾性体リング２２を有する。弾性体リングは平面視して正四角形であってもよいが、本実施形態では、正四角形のコーナー部が面取りされている。それによって小型化が図られている。弾性体リング２２は、金属などの適宜の弾性材料からなる。

弾性体リング２２は、開口２２ｅを有する。弾性体リング２２は、上面２２ａ、下面２２ｂ、外周側面２２ｃ及び内周側面２２ｄを有する。弾性体リング２２において、弾性体リング２２を平面視して、周方向に４つに均等に分割された領域を第１〜第４の領域とする。第１〜第４の領域のそれぞれにおいて、弾性体リング２２の上面２２ａ上には、第１〜第４の圧電素子２４〜２７が設けられている。第１〜第４の圧電素子２４〜２７は、弾性体リング２２のコーナー部には至らないように設けられており、互いに分離されている。

第１〜第４の圧電素子２４〜２７は、第１の実施形態の第１〜第４の圧電素子４〜７と同様に、駆動材料層としての圧電体層の上面と下面とにそれぞれ電極が設けられた構造を有する。また、第１，第３の圧電素子２４，２６の圧電体層は、図４の「−」の記号で示すように、圧電体層の下面から上面に向かう厚み方向に分極されている。第２，第４の圧電素子２５，２７の圧電体層は、図４の「＋」の記号で示すように、圧電体層の上面から下面に向かう厚み方向に分極されている。

第１〜第４の領域のそれぞれにおいて、弾性体リング２２の外周側面２２ｃ上には、第５〜第８の圧電素子が設けられている。第５〜第８の圧電素子は、弾性体リング２２のコーナー部には至らないように設けられており、互いに分離されている。第５〜第８の圧電素子は、第１の実施形態の第５〜第８の圧電素子８〜１１と同様に、駆動材料層としての圧電体層の上面と下面とにそれぞれ電極が設けられた構造を有する。第５〜第８の圧電素子の圧電体層は、図４の矢印で示すように、径方向内側又は外側に向かう方向に分極されている。

このように、第１の圧電素子２４と第５の圧電素子２８が、第１の領域に設けられている。第２の圧電素子２５と第６の圧電素子２９が、第２の領域に設けられている。第３の圧電素子２６と第７の圧電素子が、第３の領域に設けられている。第４の圧電素子２７と第８の圧電素子が、第４の領域に設けられている。

図４に示すように、弾性体リング２２において、弾性体リング２２を平面視して、周方向に４つに均等に分割された領域である第１〜第４の領域において、第１〜第４の圧電素子２４〜２７では、隣り合う領域に設けられている圧電素子の圧電体層の分極方向が互いに逆方向とされている。同様に、第５〜第８の圧電素子においても、隣り合う領域に設けられている圧電素子の圧電体層の分極方向が互いに逆方向とされている。言い換えれば、第１〜第４の圧電素子２４〜２７及び第５〜第８の圧電素子の圧電体層は、弾性体リング２２の周方向において交互に逆方向に分極されている。

なお、図４では、第５〜第８の圧電素子の内、第５，第６の圧電素子２８，２９のみが図示されているが、第３，第４の領域においても、外周側面２２ｃ上に、それぞれ、第７，第８の圧電素子が設けられている。

本実施形態が第１の実施形態が異なるところは、上記のように、平面視して円形の弾性体リング２に代えて、平面視して略正四角形の弾性体リング２２を用いていること、第１〜第４の圧電素子２４〜２７及び第５〜第８の圧電素子を、コーナー部において分離していることにある。その他の点については、第１の実施形態と同様である。

駆動装置２１においても、第１の実施形態の駆動装置１と同様に、第１〜第４の圧電素子２４〜２７において第２の電極をグラウンド電位に接続するとともに第１の電極に±Ｖｃｏｓωｔの電圧を印可し、第５〜第８の圧電素子において第２の電極をグラウンド電位に接続するとともに第１の電極に±Ｖｓｉｎωｔの電圧を印可することにより、弾性体リング２２を屈曲振動させることができる。この屈曲振動は、２波長屈曲モードの屈曲振動であり、第１〜第４の圧電素子２４〜２７が振動することにより生じる２波長屈曲モードの軸方向屈曲振動と、第５〜第８の圧電素子が振動することにより生じる２波長屈曲モードの径方向屈曲振動が合成されることにより生じる。この２波長屈曲モードの径方向屈曲振動では、図５の実線で示す変位と一点鎖線で示す変位とを繰り返すように弾性体リング２２が振動する。すなわち、振動の腹は第１〜第４の領域の中心付近に存在し、第１〜第４の領域間の境界であるコーナー部が振動の節となる。また、平面視して略正方形の弾性体リング２２の各辺の長さが（１／２）λの長さに対応している。

よって、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、内周側面２２ｄにより囲まれた開口２２ｅに、被駆動部材としてスライダーを内周側面２２ｄに接触するように挿入すれば、スライダーを往復移動させることができるモータを構成することができる。。

上記のように、弾性体リング２２の内周側面２２ｄにおいては、内周側面２２ｄの主要部分がスライダーに接触し、スライダーを往復移動させる。従って、本実施形態では、スライダーは円柱状や角柱状であってもよく、すなわちスライダーの外側面は曲面状であってもよい。よって、様々な外形のスライダーを上記駆動装置２１により駆動することができる。

駆動装置２１においても、上記２波長屈曲モードの屈曲振動では、振動の節が第１〜第４の領域の境界、すなわちコーナー部に位置することとなる。従って、少なくとも２つのコーナー部を少なくとも２つの支持部材により支持するだけで駆動装置２１を支持することができる。従って、支持部材の大幅な簡略化及び支持部材の数の大幅な低減を図ることができる。加えて、駆動装置２１を用いてモータを構成した場合、駆動装置２１の弾性体リング２２内にスライダーが挿入され、弾性体リング２２の内周側面２２ｄによりスライダーが支持されるため、スライダーを支持するための支持部材を必ずしも必要とせず、モータの大幅な小型化を図ることができる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る駆動装置４１を説明するための斜視図である。図７は、該駆動装置４１において励振される屈曲振動での変位状態を説明するための模式的斜視図である。

本実施形態の駆動装置４１は、平面視して正六角形の弾性体リング４２を有する。弾性体リング４２は、開口４２ｅを有する。弾性体リング４２は、上面４２ａ、下面４２ｂ、外周側面４２ｃ及び内周側面４２ｄを有する。弾性体リング４２において、弾性体リング４２を平面視して、周方向に６つに均等に分割された領域を第１〜第６の領域とする。第１〜第６の領域のそれぞれにおいて、弾性体リング４２の上面４２ａ上には、第１〜第６の圧電素子４４〜４９が設けられている。第１〜第６の圧電素子４４〜４９は、弾性体リング４２の角部には至らないように設けられており、互いに分離されている。

第１〜第６の圧電素子４４〜４９は、第１の実施形態の第１〜第４の圧電素子４〜７と同様に、駆動材料層としての圧電体層の上面と下面とにそれぞれ電極が設けられた構造を有する。また、第１，第３，第５の圧電素子４４，４６，４８の圧電体層は、図６の「＋」の記号で示すように、圧電体層の上面から下面に向かう厚み方向に分極されている。第２，第４，第６の圧電素子４５，４７，４９の圧電体層は、図６の「−」の記号で示すように、圧電体層の下面から上面に向かう厚み方向に分極されている。

第１〜第６の領域のそれぞれにおいて、弾性体リング４２の外周側面４２ｃ上には、第７〜第１２の圧電素子が設けられている。第７〜第１２の圧電素子は、弾性体リング４２の角部には至らないように設けられており、互いに分離されている。第７〜第１２の圧電素子は、第１の実施形態の第５〜第８の圧電素子８〜１１と同様に、駆動材料層としての圧電体層の上面と下面とにそれぞれ電極が設けられた構造を有する。第７〜第１２の圧電素子の圧電体層は、図６の矢印で示すように、径方向内側又は外側に向かう方向に分極されている。

このように、第１の圧電素子４４と第７の圧電素子が、第１の領域に設けられている。第２の圧電素子４５と第８の圧電素子が、第２の領域に設けられている。第３の圧電素子４６と第９の圧電素子が、第３の領域に設けられている。第４の圧電素子４７と第１０の圧電素子が、第４の領域に設けられている。第５の圧電素子４８と第１１の圧電素子が、第５の領域に設けられている。第６の圧電素子４９と第１２の圧電素子が、第６の領域に設けられている。

図６に示すように、弾性体リング４２において、弾性体リング４２を平面視して、周方向に６つに均等に分割された領域である第１〜第６の領域において、第１〜第６の圧電素子４４〜４９では、隣り合う領域に設けられている圧電素子の圧電体層の分極方向が互いに逆方向とされている。同様に、第７〜第１２の圧電素子においても、隣り合う領域に設けられている圧電素子の圧電体層の分極方向が互いに逆方向とされている。言い換えれば、第１〜第６の圧電素子４４〜４９及び第７〜第１２の圧電素子の圧電体層は、弾性体リング４２の周方向において交互に逆方向に分極されている。

なお、図６では、第７〜第１２の圧電素子の内、第７〜第９の圧電素子５０〜５２のみが図示されているが、第４〜第６の領域においても、外周側面４２ｃ上に、それぞれ、第１０〜第１２の圧電素子が設けられている。

本実施形態が第２の実施形態が異なるところは、上記のように、平面視して略正四角形の弾性体リング２２に代えて、平面視して正六角形の弾性体リング４２を用いていることにある。その他の点については、第２の実施形態と同様である。

駆動装置４１において、第１〜第６の圧電素子４４〜４９において第２の電極をグラウンド電位に接続するとともに第１の電極に±Ｖｃｏｓωｔの電圧を印可し、第７〜第１２の圧電素子において第２の電極をグラウンド電位に接続するとともに第１の電極に±Ｖｓｉｎωｔの電圧を印可することにより、弾性体リング４２を屈曲振動させることができる。本実施形態では、弾性体リング４２の屈曲振動は、３波長屈曲モードの屈曲振動であり、第１〜第６の圧電素子４４〜４９が振動することにより生じる３波長屈曲モードの軸方向屈曲振動と、第７〜第１２の圧電素子が振動することにより生じる３波長屈曲モードの径方向屈曲振動が合成されることにより生じる。この３波長屈曲モードの径方向屈曲振動では、図７の実線で示す変位と一点鎖線で示す変位とを繰り返すように弾性体リング２２が振動する。すなわち、振動の腹は第１〜第６の領域の中心付近に存在し、第１〜第６の領域間の境界である角部が振動の節となる。

従って、第２の実施形態と同様に、内周側面４２ｄによりで囲まれた開口４２ｅに、被駆動部材としてスライダーを内周側面２ｄに接触するように挿入すれば、スライダーを往復移動させることができるモータを構成することができる。

弾性体リング４２の内周側面４２ｄにおいては、内周側面４２ｄの主要部分がスライダーに接触し、スライダーを往復移動させる。従って、本実施形態では、スライダーは円柱状や角柱状であってもよく、すなわちスライダーの外側面は曲面状であってもよい。よって、様々な外形のスライダーを上記駆動装置４１により駆動することができる。

駆動装置４１においても、上記３波長屈曲モードの屈曲振動では、振動の節が第１〜第６の領域の境界、すなわち角部に位置することとなる。従って、角部の一部を支持部材により支持するだけで駆動装置４１を支持することができる。従って、支持部材の大幅な簡略化及び支持部材の数の大幅な低減を図ることができる。加えて、駆動装置４１を用いてモータを構成した場合、駆動装置４１の弾性体リング４２内にスライダーが挿入され、弾性体リング４２の内周側面４２ｄによりスライダーが支持されるため、スライダーを支持するための支持部材を必ずしも必要とせず、モータの大幅な小型化を図ることができる。

なお、第２及び第３の実施形態では、平面視して略正四角形及び正六角形の弾性体リング２２，４２を用いたが、本発明では、平面視して正八角形以上の正多角形の弾性体リングを用いることができる。すなわち、平面視して正２ｎ形の弾性体リングにおいて、ｎが自然数であれば、ｎは特に限定されない
また、第１〜第３の実施形態では、スライダーと組み合わせてモータを構成した例を示したが、本発明の駆動装置は、モータの駆動源として用い得るだけでなく、様々な被駆動部材の駆動に広く用いることができる。

また、上記実施形態では、駆動素子として、圧電素子を用いたが、磁歪効果を利用した磁歪素子のような他の電気機械変換素子を用いてもよい。

１…駆動装置
２…弾性体リング
２ａ…上面
２ｂ…下面
２ｃ…外周側面
２ｄ…内周側面
２ｅ…開口
４…第１の圧電素子
４ａ…圧電体層
４ｂ…第１の電極
４ｃ…第２の電極
５…第２の圧電素子
６…第３の圧電素子
７…第４の圧電素子
８…第５の圧電素子
８ａ…圧電体層
８ｂ…第１の電極
８ｃ…第２の電極
９〜１１…第６〜第８の圧電素子
１２…スライダー
１３…モータ
１４，１５…支持部材
２１…駆動装置
２２…弾性体リング
２２ａ…上面
２２ｃ…外周側面
２２ｄ…内周側面
２２ｅ…開口
２４〜２７…第１〜第４の圧電素子
２８，２９…第５，第６の圧電素子
４１…駆動装置
４２…弾性体リング
４２ａ…上面
４２ｃ…外周側面
４２ｄ…内周側面
４２ｅ…開口
４４〜４９…第１〜第６の圧電素子
５０〜５２…第７〜第９の圧電素子

Claims (7)

1. 平面視して円形または正２ｎ角形（但し、ｎは自然数）であって、開口を有し、上面と、下面と、上面と下面とを結ぶ内周側面と、上面と下面とを結ぶ外周側面とを有する弾性体リングと、
   前記弾性体リングの上面に設けられており、前記弾性体リングにおいて軸方向屈曲振動を励振させる第１の駆動素子と、
   前記弾性体リングの外周側面に設けられており、前記弾性体リングにおいて径方向屈曲振動を励振させる第２の駆動素子とを備え、
   前記第１及び第２の駆動素子が、それぞれ、電気機械変換効果を有する材料からなる駆動材料層と、該駆動材料層の一面に設けられた第１の電極と、他面に設けられた第２の電極とを有し、前記第１及び第２の駆動素子は、前記弾性体リングの周方向において２ｎ分割された領域において、隣り合う領域が交互に逆方向に変位するように、かつ前記弾性体リングのｎ波長屈曲モードの屈曲振動の共振周波数をωとしたときに、第１の駆動素子に±Ｖｓｉｎωｔ、第２の駆動素子に±Ｖｃｏｓωｔの電圧を印加した際に、前記弾性体リングにｎ波長屈曲モードの屈曲振動が励振されるように構成されている、駆動装置。
2. 前記弾性体リングの幅をＷ、厚みをＴとしたとき、ＷがＴと略等しい、請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記軸方向屈曲振動の共振周波数と、前記径方向屈曲振動の共振周波数が略等しくされている、請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記駆動材料層が圧電体からなり、前記第１，第２の駆動素子が圧電素子である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の駆動装置。
5. 前記第１，第２の駆動素子がそれぞれ複数であり、
   前記周方向に２ｎ分割された領域において、第１の駆動素子の前記圧電体の分極方向が周方向において交互に反転されており、かつ
   前記周方向に２ｎ分割された領域において、第２の駆動素子の前記圧電体の分極方向が周方向において交互に反転されている、請求項４に記載の駆動装置。
6. 前記複数の第１の駆動素子及び前記複数の第２の駆動素子が、前記弾性体リングの周方向においてそれぞれ一体化されている、請求項５に記載の駆動装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の駆動装置からなるステータと、
   前記弾性体リングの前記内周側面で囲まれた開口に挿入されている被駆動部材とを備える、モータ。

Images