JPH01259764A - 圧電駆動ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電素子を動力源とする圧電モータ等の圧電
駆動ユニツ１〜に関する。

〔従来の技術〕

圧電モータは、圧電素子あるいは電歪素子に交流電圧を
印加し１発生する振動を利用して接触する被駆動体を摩
擦駆動するものであり、圧電素子の高いエネルギ密度を
利用することなどから近年注目されているものである。

その方式については、日経メカニカル（１９８５，９，
２３）に記載されているように、原理的には振動片型及
び進行波型に大きく分けることが出来る。前者の振動片
型の中でも特に、正逆方向の駆動が可能でしかも高出力
の特徴をもつものとして、本願出願人と同一出願人の提
案に係る特開昭６０−２００７７６号に記載されている
ように、一対の積層圧電素子で構成した圧電駆動ユニッ
ｌ〜をモータの基本要素とする方式がある。

この方式について、第１０図を用いて説明する。

図において１は圧電素子斜交配置方式の圧電駆動ユニッ
トの一例を示し、一対の積層圧電素子２゜３の変化方向
が図中の矢印のように被駆動体４の被駆動面に対し斜め
に交差するようにマウント５上に固定されている。圧電
素子２，３の変位は、変位合成部６によって合成される
。前記変位合成部６は、ジヨイント部として弾性ヒンジ
または図に示すように板ばねを用いた一対の平行リンク
を直交配置した構造となっており、また前記平行リンク
のそれぞれの一端と前記圧電素子２，３及び前記マウン
ト５は接続または図に示すようにポル１へ７によるボル
ト締め等の固定手段によって固着されている。前記変位
合成部６の先端には、耐彦擦性材料から成る駆動ヘッド
８がネジ９等の固定手段によって交換可能なように前記
変位合成部６に固定されている。さらに、マウント５は
ポル１−１０等の固定手段によってベース１１に固定さ
れている。なお、被駆動体４と圧電駆動ユニット１とは
相対的に押し付けられている。

さらに、符号１２及び１３は前記圧電素子２゜３にパワ
ーを供給するパワーアンプ、１４は移送変位器、１５は
高周波発信器、１６はコントローラである。

動作原理は、それぞれの圧ｆｖＬ素子に適正な位相差を
もつ高周波電圧（周波数：締付はボルト７及び圧電素子
２あるいは３をばね要素とする機械的共振周波数）を印
加すると駆動端部が楕円軌跡を描いて振動し、その振動
によって被駆動体を一方向に摩擦駆動するものである。

なお、高周波電圧の位相差を逆にすれば逆方向に駆動す
ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記従来技術においては、駆動周波数を圧電
素子２，３を含む機械系の共振周波数にしなければ大き
な駆動力を得ることができない。

しかし、これによれば、圧電素子２，３自体の振動振幅
も最大となるため、圧電素子２，３の発熱による効率低
下及び圧電素子の耐久性低下などの問題があった。

本発明の目的は、圧電素子自体の振動振幅を低減しても
大きな駆動力を得ることができる圧電駆動ユニットを提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明の圧電駆動ユニットは
、交流電圧により励振される圧電素子に弾性部材を介し
て駆動ヘッドを固着し、この駆動ヘッドに前記圧電素子
の振動軸に対して傾斜させてなる駆動面を形成し、この
駆動面の振動によりこの駆動面に接触配置される被駆動
体を変位駆動する構成において、前記弾性部材の主弾性
変形方向を前記圧電素子の振動軸に略平行にしたことを
特徴とする。

また、上記特徴事項は１つの駆動駆動ヘッドに対して一
対の圧電素子を対称的にそれぞれ弾性部材を開始、かつ
その振動軸を交叉させて固定したものにも適用できる。

また、前記弾性部材を平板状ばね部材を用いて形成し、
このばね部材の中央部面を前記圧電素子の端面に密着固
定し、他面の両端部にて前記駆動ヘッドを固定支持する
構成とし、かつこの固定支持部を除く駆動ヘッドとばね
部材の対向面部に空隙を設けて安定したＴＥＡ動を行わ
せることができる。

また、上記一対の圧電素子を用いたものにおいて、前記
弾性部材は前記各圧電素子の端面に固定された基部と、
この基部から前記振動軸に直交する方向両側に延在され
当該振動軸方向に弾性変形する主弾性部と、この主弾性
部の両端部に起立して設けられ当該主弾性部の変形方向
および前記振動軸方向にそれぞれ直交する方向に弾性変
形する副弾性部とを有してなり、この副弾性部を介して
前記駆動ヘッドを固定支持してなるものとすることによ
り、被駆動体の駆動方向が可逆のものに適用可能である
。

また、前記弾性部材と前記駆動ヘッドからなる振動系の
主弾性変形方向の共振周波数と前記圧電素子の励振周波
数を一致させることにより、より大きな駆動力を得るこ
とができる。

さらに、前記振動系の主弾性変形方向の共振周波数と、
この主弾性変形方向に直交する方向の共振周波数を一致
させることにより、駆動ヘッドの駆動面の運動が駆動に
適した旋回運動とすることができる。

〔作用〕

このような構成の本発明は、次のような作用を奏する。

圧″市素子と駆動ヘッド間に介在させた弾性部材は圧電
素子の振動によりその振動軸（振動方向）と平行に変形
し、これに応じて駆動ヘッドが振動する。

このときの駆動ヘッドの振幅は、弾性部材と駆動ヘッド
とからなる弾性・質量振動系の共振周波数に一致したと
きに最大となる。

そこで、圧電素子の励振周波数と上記共振周波数とを一
致させると、駆動ヘッドの振幅は最大となり最大の駆動
力が得られる。このとき、弾性部材と圧電素子の結合部
は振動の節となるので、圧電素子自体の振幅は極めて小
さくてよい。

この結果、圧電素子の発熱が低減され、これにより効率
、耐久性が向上されることになる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

（第１実施例） 第１図は本発明の第１実施例を示した斜視図であり、一
方向に被駆動体（図示せず）を駆動する圧電駆動ユニツ
Ｉ〜に適用したものである。

同図において、圧電素子２は第１０図と同様に積層され
たもので、図示していない締付ポル１−によりマウント
５に固定されている。この圧電素子２の一方の端面に弾
性部材２ｏを開始剛性を有する駆動ヘッド２１が固定支
持されている０弾性部材２０は平板上ばね部材により形
成され、その中央部を基部２２として前記締付ボルトに
より圧電素子２とともにマウント５に固定されている。

弾性部材２０は基部２２を中心として圧電素子２の振動
方向（Ｘ軸）に直交する方向（Ｙ軸）に延在された弾性
部２３を融資、さらにその両端に駆動ヘッド２１を固定
支持する支持部２４を有している０弾性部２３はＺ軸方
向に沿って溝２５を穿設して形成された薄肉部であり、
この溝２５の幅、深さ等を調整してばね定数を選択でき
る。

駆動ヘッド２１はｘｚ軸を含む断面が台形状に形成され
、その一方の陵面が駆動面２６とされてい゛る。この駆
動面２６は第１０図で説明したように被駆動体に押接さ
れ、摩擦力により直接駆動作用を奏する部分である。

また、駆動ヘッド２１はその両端において、弾性部材２
０の前記支持部２４にボルト２７によって固定されてい
る。そして、この固定部を除き、弾性部材２０戸相対す
る面金域にわたって四部２８を設け、その相対面部に空
隙を形成することにより、弾性部材２０の自由変形を妨
げないようにしている。

このように構成される第１実施例の動作について第２図
〜第４図を用いて説明する。第２図は第１図の■−■矢
視図、第３図は同じ＜　ｌｌｌ−Ｉｌｌ矢視図である。

圧電素子２に交流電圧を印加すると、弾性部材２０の弾
性部２３は第２図中に点線で示したように振動的に曲げ
変形を起こす、これにともなって駆動ヘッド２１も図示
矢印３０と点線で示したように、平行移動的に振動する
（以下、縦（ｘ　＊＋ｌ＋　）方向振動モードと称する
）。

ここで、縦方向振動モードの共振周波数をｆ工とすると
次式（１）で求めることができる。

２π　ｍｋ （１）式において、ｋｂは弾性部２３の曲げ変形のばね
定数であり、ｍｈは弾性部２３の負荷となる質量、すな
わち駆動ヘッド２１と弾性部材２０の支持部２４とボル
ト２７の質量の合計である。なお。

実際には圧電素子２とマウント５の剛性を考慮すること
が望ましい。

そこで、圧電素子２に、前記共振周波数ｆ□の交流電圧
を印加すると、弾性部材２０と圧電素子２の結合部は振
動の節となるから、圧電素子２はほとんど変位せずに駆
動ヘッド２１を大振幅で縦方向に加振することができる
。すなわち圧電素子２は変位アクチュエータではなく、
力を供給するカアクチュエータとして作用する。

他方、第３図は板ばね状の弾性部２３のねじり変形によ
って駆動ヘッド２１が図中点線および矢印３１で示した
ように揺動運動的に振動するねじり振動モードを示して
いる。このねじり振動モードの共振周波数ｆ２は次式（
２）により求められる。

２π　工、 （２）式において、ｋθは弾性部２３のねじり変形のば
ね定数であり、Ｉｈその負荷となる慣性モーメント、す
なわち駆動ヘッド２１と弾性部材２０の支持部２４とボ
ルト２７についての弾性部ねじれ中心回りの慣性モーメ
ントの合計である。

なお、このねじり振動モードは圧電素子２によって直接
励振されるものではなく、駆動ヘッド２１が被駆動体に
接触しその反力によって外部から励振されるものである
。

ここで、前記共振周波数ｆ工とねじり振動の共振周波数
ｆ２が等しくなるように、すなわち、ｆ１＝ｆ、のよう
に、駆動ヘッド２１の形状及び弾性部材２０の形状を設
計する。これにより圧電素子２に共振周波数ｆ１（＝ｆ
ｔ）の交流電圧を印加すると発生した縦（Ｘ軸）方向振
動によって、駆動ヘッド２１が接触する被駆動体から周
期的反力を受け、これによりねじり振動が誘起され、結
果的に駆動ヘッド２１は楕円軌跡を描いて振動する。

第４図は、上述した作動原理に基づき、被駆動体４を一
方向に移送する圧電モータとして構成した例を示す。圧
電素子２は交流電源３２により加振される。被駆動体４
は従動ローラ３３により駆動ヘッド２１方向の押圧力が
付与される。また従動ローラ３３は案内ローラとしての
作用を有する。

このように構成されることから、交流電源３２から圧電
素子２に印加される共振周波数電圧により駆動ヘッド２
１が縦（Ｘ軸）方向に励振され、同時に被駆動体４から
の反力によりねじり振動モードが励振されるため、駆動
ヘッド２１の先端は図示のような楕円軌跡３４の振動と
なる。したがって、被駆動４は図の矢印３５の方向に移
送される。

なお、被駆動体としてはシート材（紙、鋼板等）や棒状
体、あるいはローラ３３を直接被駆動体とすることもで
きる。

また、従来ローラ３３の代りに、滑らかなすべり案内体
を用いて被駆動体４に押付力を与えるとともに運動を案
鋼する構成とすることもできる。

また、従動ローラ３３を用いずに、被駆動体４をはさん
での両側に圧電駆動ユニットを配置し、両側から駆動力
を付与するようにすることができる。

上述したように１本実施例によれば、圧電素子２自体は
ほとんど変位させずに、駆動ヘッド２１の先端を大きく
振動させることができるため、圧電素子２の発熱が低減
し効率が向上するとともに。

圧電素子２に過大な歪が加わらず耐久性が向上するとい
う効果がある。

なお、上記実施例において、縦方向振動とねじり振動の
共振周波数ｆ１とｆ２を一致させることにより楕円振動
を発生させるものについて示したが、これに限られるも
のではない。すなわち、ねじり振動の共振周波数ｆ２が
縦方向共振周波数ｆ１と−致しない場合にあっても、一
定の効果を奏し得る。

つまり、縦方向共振周波数ｆ工で圧電素子２を駆動して
も、大きなねじり振動は誘起されないが、縦方向振動の
うち被駆動体の駆動方向成分によって被駆動体４を一方
向に駆動することができる。

この場合第１実施例よりも駆動効率は劣るが、ねじり振
動共振周波数ｆ２を考慮する必要がないため設計が容易
であるという効果がある。

また、第１実施例では平板状ばねを用いて構成したもの
について説明したが、要は弾性部材の主弾性変形方向を
圧電素子の振動軸に略平行にしたものであればよく、例
えば圧電素子２の端面にコイルばねを固定し、このコイ
ルばねの他端に駆動ヘッド２１を固定した構成であって
も、同一の効果を奏することができる。

（第２実施例） 第５図は、本発明の第２実施例を示すもので、第１実施
例における駆動ヘッド２１と弾性部材２０を一体構造に
したものである。すなわち、駆動ヘッド３５にスリット
３６を設けて板ばね状の弾性部３７を形成することによ
り、第１実施例と同一の動作を実現するものである。

本実施例によれば、構造が簡単になるとともに。

ボルト締結部での振動損失がなくなり、さらに効率を向
上できる利点がある。

（第３実施例） 上記第１と第２実施例はいずれも被駆動体４を一方向に
移送するものについて示したが、第６図に正逆方向に駆
動可能なものに適用した実施例の斜視図を示し、第７図
と第８図に矢視図を示す。

第６図に示すように、マウント５上に１対の圧電素子２
，３をその振動軸を直交させて配置している。駆動ヘッ
ド４０は第１図の弾性部材２０に相当する部分が一体に
形成され、前記一対の圧電素子２，３の端面に図示して
いないボルトにより固定されている。駆動面４１は両方
の振動軸（Ｘ軸　Ｘ　／軸）に対して傾斜させて形成さ
れている。

また、駆動ヘッド４０は圧電素子２，３に対して対称に
形成されており、第７図、第８図に示すように、スリッ
トを穿設することにより、Ｘ軸（Ｘ’軸）方向の縦振動
を発生させるための板ばね状の主弾性部４２と、Ｚ軸（
ｚ’軸）方向の振動を吸収するための平行リンク状の副
弾性部４３が一体に形成されている。

このように構成されることから、本実施例によれば、駆
動ヘッド４ｏの質量とばね定数で決定される共振周波数
で駆動することにより、圧電素子２．３自体はほとんど
振動せずに駆動ヘッド４０を大きく加振することができ
、前記第１実施例と同一の効果を奏する。これに加え、
本実施例では左右対称であるため、圧電素子２の振動方
向（Ｘ方向）と圧電素子３の振動方向（Ｘ’力方向の共
振周波数は必ず一致し、駆動ヘッド先端の楕円振動を容
易に作り出すことができる。すなわち、圧電素子２及び
３に９０°位相差の共振周波数交流電圧を印加するか、
あるいは一方の圧電素子に共振周波数交流電圧を印加し
、他方の振動は被駆動体との反力によって誘起させるこ
とによって、駆動ヘッド先端の楕円振動が得られ、被駆
動体を正逆両方向に駆動することができる。

（変形例） 第９図に本発明の変形例を示す。本例は図示のように駆
動ヘッド４５自体を弾性体の両端支持梁構造としたもの
であり、剛性を有する支持部材４６を介して圧電素子２
に固定したものである。

このように構成することにより、駆動ヘッド４５自体の
質量とばね定数により定まる共振周波数で圧電素子２を
励振すると、駆動ヘッド４５は図示点線で示すように変
形して大きく振動する。したがって、第１図実施例と同
一の作用、効果を奏することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、圧電素子自体の
振幅を低減しても大きな駆動力を得ることができ、その
結果圧電素子の発熱が軽減され、効率および耐久性が向
上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の斜視図、第２図と第３図
はそれぞれ第１図線ｎ−Ｕと■−■における矢視図、第
４図は第１実施例を適用してなる圧電モータの概念構成
図、第５図は第２実施例の斜視図、第６図は第３実施例
の斜視図、第７図と第８図はそれぞれ第６図線■−■と
■−■における矢視図、第９図は本発明の変形例を示す
図、第１０図は従来例を示す図である。 ２．３・・・圧電素子、２０・・・弾性部材、２１・・
・駆動ヘッド、２２・・・基部、２３・・・弾性部、２
４・・・支持部、２６・・・駆動面、２８・・・空隙、
３５・・・駆動ヘッド、３６・・・スリット、３７・・
・弾性部、４０・・・駆動ヘッド、４２・・・主弾性部
、４３・・・副弾性部。 代理人　弁理士　　　鵜　沼　辰　２ 第　１　図 第２　図　　　　　　　　　　冥３　ツ第４　図 第　５　図 第７図　　　　　　４８ｒ：４ 第　９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、交流電圧により励振される圧電素子に弾性部材を介
   して駆動ヘッドを固着し、この駆動ヘッドに前記圧電素
   子の振動軸に対して傾斜させてなる駆動面を形成し、こ
   の駆動面の振動によりこの駆動面に接触配置される被駆
   動体を変位駆動する圧電駆動ユニットにおいて、前記弾
   性部材の主弾性変形方向を前記圧電素子の振動軸に略平
   行にしてなる圧電駆動ユニット。 ２、交流電圧により励振される一対の圧電素子にそれぞ
   れ弾性部材を介し、かつ圧電素子の振動軸を交叉させて
   １つの駆動ヘッドを固着し、この駆動ヘッドに前記圧電
   素子の振動軸に対して対称に傾斜させてなる駆動面を形
   成し、この駆動面の振動によりこの駆動面に接触配置さ
   れる被駆動体を変位駆動する圧電駆動ユニットにおいて
   、前記弾性部材の主弾性変形方向を前記圧電素子の振動
   軸に略平行にしてなる圧電駆動ユニット。 ３、前記弾性部材を平板状ばね部材を用いて形成し、こ
   のばね部材の中央部面を前記圧電素子の端面に密着固定
   し、他面の両端部にて前記駆動ヘッドを固定支持する構
   成とし、かつこの固定支持部を除く駆動ヘッドとばね部
   材の対向面部に空隙を設けてなる請求項１又は２記載の
   圧電駆動ユニット。 ４、前記弾性部材は前記各圧電素子の端面に固定された
   基部と、この基部から前記振動軸に直交する方向両側に
   延在され当該振動軸方向に弾性変形する主弾性部と、こ
   の主弾性部の両端部に起立して設けられ当該主弾性部の
   変形方向および前記振動軸方向にそれぞれ直交する方向
   に弾性変形する副弾性部とを有してなり、この副弾性部
   を介して前記駆動ヘッドを固定支持してなる請求項２記
   載の圧電駆動ユニット。 ５、前記弾性部材と前記駆動ヘッドとを同一材料を用い
   て一体形成してなる請求項３又は４記載の圧電駆動ユニ
   ット。 ６、前記弾性部材と前記駆動ヘッドからなる振動系の主
   弾性変形方向の共振周波数と前記圧電素子の励振周波数
   を一致させてなる請求項１、２、３、４、又は５記載の
   圧電駆動ユニット。 ７、前記振動系の主弾性変形方向の共振周波数と、この
   主弾性変形方向に直交する方向の共振周波数を一致させ
   てなる請求項６記載の圧電駆動ユニット。