JP2710803B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、入力された電気エネルギに応じて機械的に
変位しまたは回転する移動子を有するアクチュエータに
関し、特に圧電振動子により電気エネルギを機械エネル
ギに変換し、その機械エネルギにより移動子を動かす方
式であり、複写機や産業用ロボット等の精密機械に利用
して好適な圧電アクチュエータに関する。

（従来の技術とその課題） 電気エネルギを機械エネルギに変換する電気機械変換
手段として圧電振動子を用いる圧電アクチュエータとし
ては超音波モータが実用化されている。

超音波モータには大きく分けて３種類の方式がある。
第１の方式は進行波型またはモード回転型と呼ばれるも
のであり、第２の方式は定在波を利用する定在波型であ
り、第３の方式が複合共振型と呼ばれるものである。

ところが、従来から知られている超音波モータは、圧
電振動子等の機械構造や圧電振動子を駆動する回路が複
雑であり、従って小型化が難しく、また高価であった。

そこで、本発明の目的は、圧電振動子等の機械構造が
単純で、圧電振動子を駆動する回路も簡単になる圧電ア
クチュエータの提供にある。

（課題を解決するための手段） 前述の課題を解決するために本発明が提供する手段
は、 互いに平行な第１及び第２の板面を有し、該第１の板
面には等しい高さの複数の突起が一定の周期で形成され
ている板状の固定子と、 前記突起の間の前記第１の板面に前記周期でそれぞれ
固着してある複数の圧電振動子と、 前記突起の裏面に相当する位置の前記第２の板面に前
記周期でそれぞれ固着してある複数の圧電振動子と、 複数の前記突起に接触する平面を有し、該平面に前記
突起の振動変位を受けて移動する移動子とからなり、 前記第１及び第２の板面に固着される前記圧電振動子
は圧電磁器と電極とからなり、該圧電磁器の分極軸は前
記板面に垂直であり、該圧電振動子は該分極軸に垂直な
２つの表面を有し、この表面のうちの一方は前記電極を
介して又は直接に前記固定子に固着され、前記表面のう
ちの他方には前記電極が固着してある ことを特徴とする圧電アクチュエータである。

（実施例） 次に実施例を挙げ本発明をさらに詳しく説明する。

第１図（ａ）は本発明の第１の実施例を示す断面図、
同図（ｂ）はその実施例の平面図である。

この実施例は固定子１と移動子２と、圧電振動子３及
び４からなっている。

固定子１は、上面（第１の板面に相当）に一定間隔に
複数の突起11a,11bが設けられた長方形のアルミニウム
板である。それら突起11a,11bの高さは均等であり、上
面側から見た突起11a,11bの形は長方形で、該長方形の
長手軸は互いに平行である。移動子２は長方形のアルミ
ニウム板であり、下面が突起11a,11bの上縁に接してい
る。

圧電振動子3,4は圧電磁器の板と電極とからなり、そ
の圧電磁器板の分極軸は板面に垂直な方向にある。圧電
振動子3,4の電極は極く薄いので、第１図（ａ）の断面
図には描いてない。この実施例では固定子１はアルミニ
ウムであり、導電性に富むから、固定子１に接する面の
圧電振動子3,4には電極が設けてない（圧電振動子3,4は
導電性接着剤で固定子１に固着してある。）そして、固
定子１に接触しない側における圧電磁器板の板面に電極
が設けてあり、その電極と固定子１との間に交流電圧を
印加することにより圧電振動子3,4は励振される。

いま、固定子１を共通の接地電位に接続し、圧電振動
子3,4に第１図（ａ）に示す極性で電圧を加えたとす
る。このとき、圧電振動子３（固定子１の上側の圧電振
動子）の横効果により、突起11aは横方向の力Fxを受
け、圧電振動子４（固定子１の下側の圧電振動子）によ
り突起11aは押し上げる力Fyを受ける。したがって、突
起11aはFxとFyとを合成した力Ｆを受ける。他方、突起1
1bは圧電振動子３により力−Fxを受け、圧電振動子４に
より押し下げる力−Fyを受ける。そこで、固定子１は図
に破線で示すように、正弦波形の変位を受け、突起11a
は移動子２を押し上げるとともに移動子２をFxの方向
（右方向）に変位させ、突起11bは移動子２から離れ移
動子２には何らの力も及ぼさない。

次に、固定子１には共通の接地電位を接続したまま
で、圧電振動子3,4の電極に第１図（ａ）とは反転した
電圧を印加したとする。すると、突起11bは、上述の突
起11aと同じく、移動子２を上に押し上げながら右方（F
xの方向）へ移動子２を動かす。また、このとき、突起1
1aは、上述の突起11bと同じく、移動子２から離れ移動
子２には何ら作用しない。

そこで、隣り合う圧電振動子間の位相を180゜だけ異
ならして（即ち、逆極性にして）圧電振動子3,4に交流
電圧を加えて、圧電振動子3,4を励振することにより移
動子２を右方または左方へ動かすことができる。移動子
２の移動方向は、圧電振動子３又は４のうちのいずれか
一方において、隣接する圧電振動子に加える交流の極性
を入れ替えることにより任意に変えられる。例えば、圧
電振動子３については第１図（ａ）の如くに印加し、圧
電振動子４については、同図とは反対極性にすると、移
動子２は左方へ移動する（ただし、ここの説明では図に
おいて＋が交流の基準位相を表わし、−が逆相を表わす
ものとする）。このように、第１図の実施例は移動子を
平行に移動するアクチュエータである。

第２図は本発明の第２の実施例を示す図である。この
実施例は、移動子が回転する方式のアクチュエータであ
り、超音波モータと称されているものである。

本実施例は、ステータ５（固定子に相当）と、ロータ
６（移動子に相当）と、圧電振動子７及び８と、支持板
９とからなる。第２図（ａ）はロータ６の下面図、同図
（ｂ）は本実施例の分解側面図、同図（ｃ）は支持板９
の平面図、同図（ｄ）はステータ５の平面図、同図
（ｅ）はステータ５の下面図である。

ステータ５は、突起51a,51b（各４個づつ）を上面
（第１の板面に相当）に有するアルミニウム製の板であ
る。その上面側から見た平面図形（第１図（ｄ））にお
いて、ステータ５の外縁は円形をなし、隣接する突起51
a,51bの長手方向の軸が該円形の中心点に関して一定の
角度をなしている。突起には51aと51bとの異なる符号を
付したが、両者は全く同じ形をなしており、以下の作動
説明の都合から別の符号を付したに過ぎない。このステ
ータ５の中心には外縁と同心の円形の穴52が開けてあ
る。

ロータ６は、ステータ５と同じ外径の円形をなし、ア
ルミニウム円板61とゴムシート62とからなる。ゴムシー
ト62には中央に円形の穴が開けてある。また、アルミニ
ウム円板61には中央に円形の凸部63が設けてある。ゴム
シート62の穴はその凸部63に嵌められている。アルミニ
ウム円板61の凸部63はステータ５の穴52に嵌まり、ロー
タ６は凸部63を軸にして回転する。

圧電振動子7,8は、第１図の圧電振動子3,4と同様であ
る。ただし、圧電振動子3,4は矩形であったが、圧電振
動子7,8は扇形である。

支持板９はプラスチック製の円板であり、上面に複数
の突起91を備えている。突起91は圧電振動子８の配列間
隙に嵌り、ステータ５を支える。

第２図の実施例は、第１図の実施例の左端と右端とが
つながるように、第１図実施例を円環状に変形したアク
チュエータである。したがって、突起51aは突起11aに相
当し、突起51bは突起11bに相当する。そこで、第２図
（ｄ），（ｅ）に＋，−の符号を付して示すように、隣
接する圧電振動子に互いに逆相の交流電圧を印加するこ
とにより、ロータ６は回転する。ロータ６の回転方向
は、圧電振動子７または８のうちの一方において、印加
する交流電圧の極性を反転することにより任意に変えら
れる。

第３図は、第２図実施例における印加電圧とロータ６
の回転速度との関係を示す特性図である。本図から明ら
かなように、本実施例では印加電圧によりロータ６の回
転速度が滑らかに変えられる。

第４図は、第２図実施例における負荷トルクとロータ
６の回転速度との関係を示す特性図である。本図から、
第２図実施例は低速で高いトルクを発生することが分か
る。

第２図に示すように、この実施例の外径は40mmであ
る。このように、小形であって、しかも第４図に示す如
く高いトルクを生じる本実施例は産業用のロボット等に
おける精密制御装置に極めて有用である。

（発明の効果） 第１図及び第２図の実施例の説明から明らかなよう
に、本発明のアクチュエータでは、移動子の変位方向が
単相交流電圧の極性を変えるだけで任意に変更できるか
ら、圧電振動子の駆動回路が極く簡単になる。しかも、
本発明のアクチュエータは、第１図及び第２図の実施例
でも明らかなように、極く単純な構造であり、信頼性に
優れ、安価に製造できる。

このように、本発明によれば、圧電振動子等の機械構
造が単純で、圧電振動子駆動回路も簡単になる圧電アク
チュエータが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す図、第２図は本発
明の第２の実施例を示す図、第３図及び第４図は第２図
実施例の特性図である。 １……固定子、２……移動子、3,4……圧電振動子、５
……ステータ、６……ロータ、7,8……圧電振動子、９
……支持板、11a,11b……突起、51a,51b……突起、61…
…アルミニウム板、62……ゴムシート、63……アルミニ
ウム板の凸部、91……突起。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに平行な第１及び第２の板面を有し、
   該第１の板面には等しい高さの複数の突起が一定の周期
   で形成されている板状の固定子と、 前記突起の間の前記第１の板面に前記周期でそれぞれ固
   着してある複数の圧電振動子と、 前記突起の裏面に相当する位置の前記第２の板面に前記
   周期でそれぞれ固着してある複数の圧電振動子と、 複数の前記突起に接触する平面を有し、該平面に前記突
   起の振動変位を受けて移動する移動子とからなり、 前記第１及び第２の板面に固着される前記圧電振動子は
   圧電磁器と電極とからなり、該圧電磁器の分極軸は前記
   板面に垂直であり、該圧電振動子は該分極軸に垂直な２
   つの表面を有し、この表面のうちの一方は前記電極を介
   して又は直接に前記固定子に固着され、前記表面のうち
   の他方には前記電極が固着してある ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】前記第１の板面側から見た前記固定子の平
   面図形において、前記突起の形が長方形であり、各前記
   突起の長手方向の軸が互いに平行であることを特徴とす
   る請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 【請求項３】前記第１の板面側から見た前記固定子の平
   面図形において、前記固定子の外縁が円形をなし、各前
   記突起の長手方向の軸が該円形の中心点に関して互いに
   一定の角度をなしていることを特徴とする請求項１記載
   の圧電アクチュエータ。