JPH01308177A - 圧電モータ及びその駆動回路 - 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、回転型モータに係り、特に圧電素子を利用し
て電気エネルギを機械的回転エネルギに変換する圧電モ
ータに関する。

〔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番電圧を
印加し、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
利用することから近年注目されているものである。

その方式としては従来から種々のものが考えられている
が、その中の一例として、特開昭６０−１２５１８０号
及び特開昭６１−３５１７４号に見られるように、圧電
素子の振動を一方クラッチ（ワンウェイクラッチ）によ
り一方向の回転に変換するものがある。ワンウェイクラ
ッチにより揺動回転を一方向回転に変換する方式自体は
、文献機械工学便覧〔分冊７〕　（日本機械学会、昭和
５０年１２月発行）第１４２頁に記載されているように
既に公知となっているが、前記従来技術では、圧電素子
に電圧を印加した場合の伸長力により、ワンウェイクラ
ッチにロックされた出力軸を回転させ、圧電素子の収縮
時にはワンウェイクラッチは出力時とフリーになり元の
位置に戻り、その繰返しによって出力時を間欠的に回転
させるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

圧電素子、とくに力発生用アクチュエータとして広く用
いられる積層圧電素子は次のような特徴をもっている。

（１）電圧印加に対して、変位拘束時に発生する力が非
常に大きい。（最大数百ｋｇｆ／■）（２）電圧印加に
対して、発生できる変位は非常に小さい。（例えば長さ
１０［１当たり最大でも８μｍ程度） （３）応答速度が極めて速い。（数μｓ〜数十μｓ）。

すなわち応答周波数が極めて高い。（数十ＫＨｚ〜数百
Ｋ　Ｈｚ　） 以上のような特徴を生かしてワンウェイクラッチを動作
させるための一つの簡便な方法として、圧電素子に急激
に電圧を印加し、その？に撃力により接触している部材
をはね飛ばし比較的大きな変位を得る方法がある。これ
により、ワンウェイクラッチを動作させるための必要な
変位を発生させることが可能である。

しかし、上記従来技術では、圧電素子の衝撃力発生時に
ワンウェイクラッチが出力軸とロックし出力軸を回転さ
せるようになっているので、出力軸の負荷の慣性により
変位が十分得られないため信頼性が不十分であること、
また衝撃力が直接出力軸に加わるため動力伝達系とくに
ワンウェイクラッチの耐久性に難があること、さらに衝
撃力が直接出力軸に伝わるため滑らかな回転が得にくい
こと等の問題があった。

また、従来技術による圧電モータの駆動回路は複雑で高
価である問題があった。

本発明の目的は、ワンウェイクラッチを利用した圧電モ
ータにおいて、信頼性及び耐久性を備え滑らかな出力軸
の回転が得られる圧電モータと、簡単で安価な圧電モー
タの駆動回路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に、本発明による圧電モータに
おいては、駆動回路からの駆動電圧を印加して伸長収縮
をする圧電素子と、該圧電素子の伸長力により所定方向
の回転力を得る揺動回転部と、該揺動回転部を前記圧電
素子の収縮方向に引き戻し逆方向の回転力を与えるばね
部と、外部に回転力を出力する出力軸と、前記揺動回転
部と連結し逆方向に回転するときに前記出力軸と嵌合し
て該出力軸に回転力を伝達する一方クラッチ部とから成
る。

また、本発明による圧電モータの駆動回路においては、
商用電源を入力し正弦波電圧を全波または半波整流した
整流電圧を得る整流手段と、該整流波電圧に急激な電圧
立上り部を与える所定の立」ニリ電圧を設定する立上り
電圧設定手段と、前記整流電圧を入力し該所定の立上り
電圧に達したとき前記整流電圧を出力して急激な電圧室
」ニリ部を有する駆動電圧を得るスイッチング手段とか
ら成る。

〔作用〕

上記のように構成された圧電モータにおいて、圧電素子
は駆動回路からの駆動電圧を印加して伸長収縮し、伸長
力により揺動回転部に所定方向の回転力を与え、揺動回
転部は所定方向に回転し所定の位置に達するとばね部の
戻りばね力により逆方向の回転力を得てもとの位置に戻
る。

揺動回転部と連結した一方クラッチ部は、所定方向に回
転するときは出力軸と嵌合せず回転力を出力軸に伝達せ
ずに、通力°向に回転するとき出力軸と嵌合し回転力を
出力軸に伝達するよう働く。

出力軸は上記のように伝達された回転力を外部に出力伝
達する。

また、上記のように構成された駆動回路において、整流
手段に商用電源を入力し全波または半波整流した整流電
圧を出力し、スイッチング手段は立上り電圧設定手段に
より設定した所定の立上り電圧に前記整流電圧が達した
とき、該整流電圧を駆動電圧として出力することにより
急激な電圧立」ニリ部を有する駆動電圧を得るように働
く。

〔実施例〕

以下、本発明による一実施例を図面を用いて説明する。

第１図および第２図は本発明による圧電モータの一実施
例を示す図であり、第１図は圧電モータの軸方向の断面
図、第２図は第１図のＡ断面図である。

第１図および第２図において、積層圧電素子（圧電素子
）ｌａ、ｌｂがケーシング基板２ａ。

２ｂに接着等の手段によって固定される。また前記ケー
シング基板２ａ、２ｂはケーシング固定板３ａ、３ｂに
固定され、さらにケーシング側板４ａ、４ｂに囲まれて
ボックス構造のケーシングを構成している。なお、これ
らのケーシング類は一部を一体構造としてもよい。さら
に前記ケーシング側板４ａ、４ｂに設けられた軸受５ａ
、５ｂにより出力軸６が軸支され、該出力軸６とワンウ
エイクラッチハウジング７、複数個のワンウェイクラッ
チローラ８及びワンウェイクラッチばね９によってワン
ウェイクラッチ機構（−カフラッチ部）が構成されてい
る。なお、前記ワンウェイクラッチ機構は、前記ワンウ
ェイクラッチハウジング７が、第１図において左回転時
にフリーとなり右回転時に前記出力軸６とロックするよ
うに前記各要素が配置されている。

さらに前記ワンウェイクラッチハウジング７には、両端
に切欠部１０ａ、１０ｂをもつ揺動回転部材（揺動回転
部）１１が固、定され、前記切欠き部１０ａ、１０ｂに
前記圧電素子１ａ、ｌｂの先端に設けた接触部材１２ａ
、１２ｂが接触している。また前記揺動回転部材１１を
前記圧電素子ｌａ、ｌｂ側に押しつけるため、戻りばね
（ばね部）１３ａ、１３ｂが配置され１、前記戻りばね
１３ａ、１３ｂの一端は前記揺動回転部材に設けられた
固定ピン１４．ａ、１４ｂにそれぞれ固定され、他端は
前記ケーシング基板２ａ、２ｂに設けられたねじ機構１
５ａ、１５ｂに固定されている。

なお、前記戻りばね１３ａ、１３ｂによる押しつけ力は
、前記ねじ機構１５ａ、１５ｂによって調整可能にしで
ある。

次に、上記実施例による動作について第３図を用いて説
明する。

前記積層圧電素子１ａ、ｌｂに急激な立上り波形を含む
周期的な電圧（駆動電圧）■、例えば矩形波形電圧を印
加すると、積層圧電素子１ａ。

１ｂは前記電圧の立上り時に急激に伸長し、それぞれの
先端に接触する揺動回転部材１１に急激な回転力を与え
る。すなわち、積層圧電素子１ａ。

１ｂから与えられた力積によって揺動回転部材１１の初
期角速度が決まり、第１図において左方向の回転を始め
るが、戻りばね１３ａ、１３ｂによって次第に戻される
。戻りばね１３ａ、１．３ｂの引張力は微少変位に対し
てほぼ一定とみなせるため、揺動回転部機１１の角速度
０工は、第３図に示すように時間軸に対してほぼ放物線
軌道を通って元の位置に復帰する。

このとき、第３図の区間Ａ１では前記揺動回転部椙１１
はワンウェイクラッチ機構のフリ一方向に回転し、拘速
力としては戻りばね１３ａ、１３ｂのばね力のみとなる
ため、揺動回転部材１１の接触位置の最大変位ｒθ１ヨ
ａｘ（ｒ：回転軸と接触位置との距離）は、積層圧電素
子１　ａ　ｒ　１　ｂの最大変位Ｘ　ｍ　ａ　ｘの数十
倍から数百倍に容易に達する。

したがって、ワンウェイクラッチ機構が動作するための
十分な回転力を得ることができる。

さらに第３図の区間Ｂｓでは、ワンウェイクラッチ機構
の作用により揺動回転部機１１と出力軸６とがロックさ
れ、戻りばね１３ａ、１３ｂの戻り力によって出力軸６
に回転力が与えられる。

さらに区間Ｃ１で揺動回転部材１１が元の位置に戻る。

区画Ａ２．Ｂ２以後は、前記区間Ａｔ、Ｂｔ。

Ｃｉ　と同様の動作を繰り返す。

また区間Ｃ１と区間Ａ２を合せた区間Ｄ１では、出力軸
６は自身の慣性により回転を続け、さらに区画Ｂ２で再
び回転力が加えられることになる。

なお、本実施例の圧電モータの１ステップ角度、すなわ
ち揺動回転部材１１の最大角変位０１ｍａｘは、印加電
圧立」ニリ部の立上り速度及び立上り部最大電圧Ｖｓに
よって制御可能である。

上述のように、積層圧電素子１ａ、’ｌｂの衝撃力をワ
ンウェイクラッチ機構のフリ一方向に利用することによ
り、ワンウェイクラッチ機構が動作するための十分な回
転角を得ることができ、確実に動作する信頼性の高い機
構を得ることができる。

また、出力軸６に与えられる回転力は第３図の区画Ｂｊ
に渡ってほぼ一定であるため、比較的滑らかな出力軸６
の回転が得られるとともに、回転力の伝達部に過大な力
が加わらないため耐久性の高い実用的な圧電モータがで
きる。

また、上記実施例では、圧電モータを駆動するための印
加電圧として矩形波電圧の例を挙げたが５０　Ｈｚある
いは６０　Ｈｚの商用電圧を利用する簡易な駆動回路の
一実施例について次に説明する。

第４図は、商用電源を利用した駆動電圧波形の一実施例
を示すもので、正弦波の電源電圧を全波整流した後、波
形の一部に急激な電圧変化部を設けたものである。第４
図において、電圧の上昇期において電圧Ｖｓまでの急激
な電圧立上り部を設けている。なお前記電圧Ｖｓは０か
らＶユａＸまでの範囲で調整可能とする。

さらに」二記の電圧波形を実現するための駆動回路のブ
ロック図を第５図に、またその駆動回路の詳細回路の−
・実施例を第６図に示す。

第５図において、駆動回路１．　ＯＯは、５０　Ｈｚあ
るいは６０　Ｈｚの商用電源９０を入力し正弦波電圧を
正あるいは負の片側の電圧に変換する半波あるいは全波
の整流回路（整流手段）　１　］、　Ｏと、急激な電圧
変化部の電圧変化量を設定する立上り電圧設定回路（立
上り電圧設定手段）１２０と、前記立上り電圧設定回路
１２０によってスイッチングを行なうスイッチング回路
（スイッチンク手段）１３０とからなり、出力される駆
動電圧は積層圧電素子１ａ、ｌｂに印加される。

さらに第６図において、詳細な駆動回路の一実施例の回
路構成を示し、Ｄｔ、　Ｄ２．　Ｄ８．１つ４は全波整
流回路１−１１を構成するダイオ−１く、Ｖ　Ｒ＋は可
変抵抗器、Ｒｔ　、　Ｒ２、Ｒｓは抵抗器、Ｚｌ）ｔは
ツェナーダイオード、Ｔ１．Ｔ２．、Ｔａはトランジス
タである。

次に第６図の駆動回路の動作について説明する。

まず３丁点の電圧Ｖ、＋は、全波整流後の電圧として図
示のようになる。さらにに点の電圧ＶＫは電圧ＶＪ　を
可変抵抗器ＶＲｉによって分圧した電圧となる。

電圧ＶｘがツェナーダイオードＺＤ１で設定されたツェ
ナー電圧Ｖｚ以下であればトランジスタＴ１はオフ状態
となり、従がってＬ点の電圧Ｖ　＋。

は５点の電圧ＶＪ　と等しくなるためトランジスタＴ２
もオフ状態となり、圧電素子１ａ、ｌｂに印加されるＭ
点の駆動電圧ＶＨはゼロとなる。

さらに電圧Ｖ、＋　が」二昇し、その分圧ＶＫがツェナ
ー電圧ＶＺ以上になるとトランジスタＴ１はオン状態と
なり、従がってＬ点の電圧ＶＬは抵抗Ｒ１による電圧降
下のため５点の電圧Ｖ、＋より下がるためトランジスタ
１゛２もオン状態となり、圧電素子１ａ、ｌｂに急激な
駆動電圧ＶＭが印加される。

このときＶ　ｓ　＞　Ｖ　ｓのためトランジスタＴ８は
オフ状態である。

さらに、電圧ＶＪがピークを過ぎてＶ　、＋　＜　Ｖ　
ｓとなると１−ランジスタＴ８はオン状態となりＶＪ　
とＶ）４はほぼ等しい状態のままで、圧電索子」ａ。

１ｂにチャージされた電荷が抵抗Ｒ８を通って流出する
。従がって、圧電素子］、ａ、ｌｂに印加される電圧Ｖ
Ｍは、第４図に示されるような急激な立上り部を持つ電
圧波形となる。

なお、第６図の全波整流回路１１１のかわりに公知の簡
単な半波整流回路を用いても、動作サイクル数は、全波
整流回路］−１−１を用いた実施例の半分となるが、同
様に本実施例の圧電モータの駆動回路１−００を実現す
ることができる。

以上述べたように、５０　Ｈｚあるいは６０　Ｈｚの商
用電源を利用して、簡単で安価な圧電モータの駆動回路
を実現することができる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので、以
下に記載されるような効果を奏する。

請求項１の圧電モータにおいては、圧電素子の衝撃力を
ワンウェイクラッチのフリー回転方向に利用することに
より、ワンウェイクラッチ機構を動作するために十分な
回転角を得ることができ、確実に動作する高い信頼性と
、衝撃力が直接出力軸に加わらないので伝達系の耐久性
が向」ニするといった優れた効果がある。

請求項２の駆動回路においては、商用電源を人力し整流
した整流電圧をスイッチング回路で急激な電圧室」ニリ
部を有する駆動電圧を生成することができるので、簡単
で安価な駆動回路を得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例の圧電モータの軸方向断
面図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は動作説
明図、第４図は駆動電圧波形図、第５図は駆動回路ブロ
ック図、第６図は駆動回路の詳細回路図である。 ］、ａ、ｌｂ・・積層圧電素子、６・・出力軸、７・ワ
ンウェイクラッチハウジング、８　・ワンウェイクラッ
チローラ、９・・・ワンウェイクラッチばね、１１・・
・揺動回転部月、１３　戻りはね、９０・商用電源、１
００・・・駆動回路、１１０・・整流回路、１２０・・
・立上り電圧設定回路、１３０・スイッチング回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、駆動回路からの駆動電圧を印加して伸長収縮をする
   圧電素子と、該圧電素子の伸長力により所定方向の回転
   力を得る揺動回転部と、該揺動回転部を前記圧電素子の
   収縮方向に引き戻し逆方向の回転力を与えるばね部と、
   外部に回転力を出力する出力軸と、前記揺動回転部と連
   結し逆方向に回転するときに前記出力軸と嵌合して該出
   力軸に回転力を伝達する一方クラッチ部とから成ること
   を特徴とする圧電モータ。 ２、商用電源を入力し正弦波電圧を全波または半波整流
   した整流電圧を得る整流手段と、該整流電圧に急激な電
   圧立上り部を与える所定の立上り電圧を設定する立上り
   電圧設定手段と、前記整流電圧を入力し該所定の立上り
   電圧に達したとき前記整流電圧を出力して急激な電圧立
   上り部を有する駆動電圧を得るスイッチング手段とから
   成ることを特徴とする圧電モータの駆動回路。