JP2519936B2

JP2519936B2 - 圧電アクチュエ−タ−

Info

Publication number: JP2519936B2
Application number: JP62155353A
Authority: JP
Inventors: 勝山本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1987-06-24
Filing date: 1987-06-24
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPS641481A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、電気エネルギーを応力や変位などの機械
エネルギーに換える圧電素子を使用したアクチュエータ
ーに関し、ロボットをはじめとするメカトロニクス関連
装置、カメラなどの光学機器等の回転駆動力源として有
効に利用することができる。

「従来の技術」圧電素子を利用した回転駆動装置は従来から知られて
いる。

この種の装置は圧電素子の伸縮にしたがって振動する振
動子の一他部に爪部を形成し、この爪部をドラム形のロ
ーター表面に当接してローターの接線方向に変位させる
構成のものが多い。

この装置は爪部が振動を繰り返すことでローターが回転
し、他の装置に回転駆動力を伝達する。なお、圧電素子
は一般に積層形圧電素子が用いられている。

「発明が解決しようとする問題点」上記したような回転駆動装置は振動子の振動、つま
り、爪部が非常に少ない変位量で振動するため次のよう
な問題がある。

（１）振動子は一方端に爪部があるから、その他端部を
固定した片持ち支持となる。そのため、支持部に機械的
ガタや弛みなど多少なりとも生ずると、振動子の振動が
この支持部に吸収され爪部に伝達されなくなる。

（２）ローターはその表面状態や真円度を高精度に保た
ないかぎり回転効率が低下するため、これには精密加工
が必要となる。

（３）振動子の爪部はローターに対して適度な当接力で
接触させるので、振動子やローターなどの配置に精密さ
が要求される。

実際には、全くガタなく振動子を取り付けることは困難
であるし、また、上記（２）、（３）などの問題がある
ために、実用上効果的に回転駆動力を伝達できるこの種
の装置は極めて少ない。

「問題点を解決するための手段」本発明は上記した問題点に鑑み開発したもので、対向
腕を有するほぼＣ字形或いはコ字形などの振動子の腕間
に圧電素子を備えると共に、上記振動子の一方腕に第１
の爪部を、他方腕に第２の爪部を各々設け、さらに、互
いに連動させたドラム形の２つのローターを設けると共
に、上記第１の爪部を一方のローターの表面に、上記第
２の爪部を他方のローターの表面に各々対接させるよう
に上記振動子に押圧勢力を加えて構成し回転駆動力を得
ることを特徴とする圧電アクチュエーターを提案する。

「作用」本発明の圧電アクチュエーターは振動子の２つの腕が
圧電素子の伸縮によって振動し、これら各腕の爪部が僅
かな変位量で振動を繰り返す。これより、一方のロータ
ーが第１の爪部により、他方のローターが第２の爪部に
よって共に回動される。また、２つのローターは連動さ
せてあるので、これら２つのローターの互助作用による
回転力が一方または両方のローターより回転駆動力とし
て出力される。

「実施例」次に、本発明の実施例について図面に沿って説明す
る。

第１図は本発明の原理を示す圧電アクチュエーターの概
略図であり、11はステンレス資材で形成したＣ字形の振
動子で、この一方腕11aと他方腕11bとの間に積層形圧電
素子12がこれら各腕に接合するようにして配置してあ
る。この圧電素子12は積層縦効果素子であって、その伸
縮作用により一方腕11aと他方腕11bとを図示実線と仮線
のように振動させる。

また、この振動子11の各腕の先端部は図示する如く圧電
素子12の伸長方向に向かって鋭角としたＶ字形の第１の
爪部11cと第２の爪部11dとが形成してあり、各腕の振動
によってこれら第１、第２の爪部11c、11dを図示矢印13
a、13bのように変位させる構成としてある。

14、15は支軸16、17を支点として回転自在に設けたドラ
ム形のローターで、これらは燐青銅材で形成してあり、
また、ローター14には歯車18を、ローター15には歯車19
を一体的に固着し、これら歯車18、19を噛合させるよう
にして各ローター14、15とを互いに連動させてある。

上記したローター14にはその周面に第１の爪部11cを、
ローター15にはその周面に第２の爪部11dを各々適度の
押圧力で当接させるように振動子11には図示矢印20方向
に押圧勢力を与えてある。

上記した圧電アクチュエーターにおいて、圧電素子12に
給電すると、この圧電素子がΔｄだけ伸長（歪み）し、
各腕11a、11bがΔd/2だけ開くように押動される。した
がって、第１の爪部11cと第２の爪部11dが点線矢印13
a、13b方向に変位するため、第１の爪部11cがローター1
4を押し回しながらa₁〜a₂位置に移り、同様に第２の爪
部11dがローター15を押し回しながらb₁〜b₂位置に移
る。

圧電素子12に対する給電を遮断すると、圧電素子12の短
縮作用によって各腕11a、11bが実線位置に戻るので、第
１の爪部11c及び第２の爪部11dが実線矢印13a、13b方向
に変位する。

このとき第１の爪部11cと第２の爪部11dが各ローター1
4、15の周面に対して爪を立てない状態（楔から抜ける
方向）となる関係で、ローター周面を滑りながら変位
し、各ローター14、15が静止したままとなる。

再び圧電素子12に給電すると、各ローター14、15が上記
同様に回動される。

このように圧電素子12の給電と遮断とを繰り返すことに
よって、ローター14が反時計方向に、ローター15が時計
方向に間欠的に回転する。

２つのローター14、15は歯車18、19によって連結される
ので、これらローターに互助作用が働き、さらに、ばね
等によって矢印20の方向に押圧されているので、振動子
の固定構造やローターの偏心等にかかわらず、圧電素子
12の微小変化が有効に回転駆動力に変換される。

第２図は上記の原理を応用して１相駆動方式として実施
した圧電アクチュエーターの一例を示す。この実施例で
は、基板21に設けた固定ピン22a、22bを振動子11の各腕
11a、11b外面に余裕をもって接するように、同様の固定
ピン22cを各腕11a、11bの先端部間に配設して振動子11
の横方向（第２図上）の動きを案内するようにしてあ
り、また、振動子11の背面には基板21に螺合した調整ね
じ23によって弾発調整できる板ばね24を設けて振動子11
を押圧し、第１の爪部11cと第２の爪部11dとを最良の状
態で各ローター14、15の周面に圧接させる構成としてあ
る。

この実施例ではローター14、15の回動駆動力が歯車19に
噛合させた今一つの歯車25より取り出される。なお、そ
の他の構成は第１図と同様である。

本発明を実施するに際しては１相駆動方式にかぎらず、
第１図に示した発明の原理にもとづき複数相駆動方式と
して実施することができる。

第３図は２相駆動方式として実施した一例を示す。この
実施例では、支軸26に回転自在に軸支させた第３ロータ
ー27を第２図実施例の歯車25に換えて付加構成すると共
に、このローター27に一体的に備えた歯車28を上記第２
ローター15の歯車19に噛合させてある。

そして、これら第２ローター15と第３ローター27には新
らたに設けた振動子29の第１の爪部29cと第２の爪部29d
とを当接する構成としてある。なお、振動子29及び圧電
素子30の構成は上記した振動子11、圧電素子12に比べて
変りなく、その他、31a〜31cは振動子29の移動を案内す
る固定ピン、32は調整ねじ、33は板ばねを示し、これら
は振動子29に対して押圧勢力を加えるものである。

上記実施例において、圧電素子12を給電する給電圧V₁と
圧電素子30を給電する給電圧V₂とに180°の位相差を与
える。

例えば、V₁＝Esinx、V₂＝Esin（ｘ＋π）とする。

このようにすると、振動子11の各爪部11c、11dが開き変
位して各ローター14、15を押し回すように進むとき、他
の振動子29の各爪部29c、29dが各ローター15、27の周面
を滑りながら戻る。この逆に各爪部29c、29dが各ロータ
ー15、27を押し回すように進むとき他の爪部11c、11dが
戻る。

この動作によって、爪部11c、11dまたは爪部29c、29dが
戻る時に生ずることがあるローターの微小な逆回動を抑
制すると共に、各ローターを連続して回転駆動する。こ
のため、回転効率がさらに向上する。

第４図は３相駆動方式として実施した一例を示す。この
実施例は各部材をケーシング34内に組み込んで一個のモ
ーターとして構成してある。

モーター軸35に固定して軸支した中心ローター36には、
三方に配置した第１〜第３振動子37、38、39の第１の爪
部が当接してあり、また、中心ローター36に一体的に設
けた歯車40には三方に配置した歯車41、42、43が噛合し
てある。歯車41、42、43の各々は第１〜第３振動子37、
38、39の第２の爪部を当接した第１〜第３ローター44、
45、46の各々に一体的に設けられている。なお、47a〜4
7cは振動子37〜39の各々に押圧勢力を与える板ばね、48
a〜48cは振動子37〜39各々の移動を案内する固定ピン、
49〜51は振動子37〜39の各々に備えた圧電素子、52〜54
は第１〜第３ローター44〜46の支軸である。

このモーターでは、圧電素子49の給電々圧V₁、圧電素子
50の給電々圧V₂、圧電素子51の給電々圧V₃に120°の位
相差を与える。例えば、V₁＝Esin（ｘ−2/3π）、V₂＝E
sinx、V₃＝Esin（ｘ＋2/3π）とする。

このようにして、第１〜第３振動子37〜39の各爪部を順
次進み動作させることによって中心ローター36が連続回
転する。

また、中心ローター36は第１〜第３振動子37〜39の第１
の爪部によって駆動される一方、第１〜第３振動子37〜
39の第２の爪部によって駆動される第１〜第３ローター
44〜46及びこれらに設けた歯車41〜43を介して駆動され
るので強力な回転力となり、これがモーター軸35から出
力される。

以上、本発明の実施例に付いて説明したが、振動子の形
状や構成資材、ローターの数や構成資材などについては
必要に応じて変更することができる。

「発明の効果」上記した通り、本発明に係る圧電アクチュエーター
は、互いに連動された２つのローターの一方に当接させ
た第１の爪部と、その他方に当接させた第２の爪部とを
有する振動子を圧電素子の伸縮作用によって振動させる
と共に、各爪部がローターに適当な押圧力で当接するよ
うに振動子に押圧勢力を与える構成としたことから、振
動子の取り付けやその配置などの問題が極めて少なく、
振動子の微小振動が各爪部を介して各ローターに確実に
伝達され、また、２つのローターには互助作用が働くの
で、各ローターの真円度の若干の誤差などに関係なく効
率よく回転駆動力を出力する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す圧電アクチュエーターの概
略図、第２図は本発明を１相駆動方式として実施した一
例を示す圧電アクチュエーターの正面図、第３図は本発
明を２相駆動方式として実施した一例を示す圧電アクチ
ュエーターの正面図、第４図は本発明を３相駆動方式の
モーターとして実施した一例を示す当該モーターの部分
的な断面図である。 11……振動子、11c……第１の爪部 11d……第２の爪部、12……圧電素子 14、15……ローター 18、19……歯車、23……調整ねじ 24……板ばね、27……第３ローター 28……歯車、29……振動子 30……圧電素子、36……中心ローター 37〜39……振動子 40……歯車 44〜46……ローター 49〜51……圧電素子

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対向腕を有するほぼＣ字形或いはコ字形な
どの振動子の腕間に圧電素子を備えると共に、上記振動
子の一方腕に第１の爪部を、他方腕に第２の爪部を各々
設け、さらに、互いに連動させたドラム形の２つのロー
ターを設けると共に、上記第１の爪部を一方のローター
の表面に、上記第２の爪部を他方のローターの表面に各
々対接させるように上記振動子に押圧勢力を加えて構成
し回転駆動力を得ることを特徴とする圧電アクチュエー
ター。