JPH02231967A - 圧電アクチュエータ - 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】 ［発明の目的］ 《産業上の利用分野》 この発明は、圧電振動子を用いた圧電アクチュエー夕に
関する。

（従来の技術） 従来から圧電セラミック，電歪セラミック，高分子圧電
体又はこれらの複合材料からなる変位素子を用いた圧電
アクチュエータが知られている。

例えば、バイモルフ型やランジュバン振動子などである
が、これらの変位素子はその変位量が数μｍ〜数履程度
と小さく、大きな変位量を必要とする用途への使用には
不適であった。この変位量を補うものとしてインヂワー
ムと呼ばれるアクチュエータもあるが、機械的動作によ
る移動を基本とするため、駆動周波数はあまり大きくで
きないので、大きな移動速度は望めず数ｍ／分程度であ
る。更に、構造上高精度であることを要するので、数μ
ｍオーダーの誤差が性能に大ぎく影響し、動作しなかっ
たり、動作不安定になるなどの欠点があった。また、機
械的な接触が断続的に行われることから、騒音の発生が
避けられない問題もあった。

また、弾性進行波型と叶ばれる超音波七ータもあるが、
弾性体レール上に弾性進行波を発生杖しめるものである
ため、駆動周波数と機械的寸法が厳密な関係を有してお
り、特に機械的寸法精度が厳しく調整も難しい。更に、
駆動周波数や圧電振動子の共振周波数の変化によって動
作しなかったり、動作不安定になるなどの欠点もあった
。

更に前記したように、駆動周波数と機械的寸法の間には
厳密な関係があるので、小形化するには駆動周波数を上
げる必要があるが、圧電振動子の特性や取り出し得るエ
ネルギーの大きさ及び効率の点から、該弾性進行波型超
音波モタの駆動周波数は高くても８　０　Ｋ　ｌｌ　ｚ
止まりであり、小形化は非常に困難であった。

また、特開昭６１−１８５０８１号公報などの例も知ら
れているが、一方向の移動に関与する圧電体の変位方向
は、伸び又は収縮のいずれか一方に限定される。このた
め、圧電体の特性において、伸びと収縮の間に特性差が
あると、往復運動時に速度や力のムラが発生しやすく、
また、駆動力を受ける移動体から受ける機械的応力が１
本の圧電体に集中するため、圧電体の破壊や損傷が発生
するなどの問題があった。

《発明が解決しようとする課題》 上記したように従来の圧電アクチュエ−夕は、変位量又
は移動量が小さく、移動量を大きくするようにしたイン
ヂワームや弾性進行波型超音波モータでは機械的寸法の
許容範囲が小さく、駆動周波数の変化や振動子の共振周
波数の変化によって安定した動作が得られなかった。

更に、インチワームにあっては、機械的接触が断続的に
行われることによる騒音の発生や、弾性進行波型超音波
モータにおいては、小形化が困難などの問題を有してい
た。

更に、これら従来の圧電アクチュエータは、一線上の往
復運動だけであり、面上の移動は不可能であった。

この発明は、以上の欠点を除去するもので、機械的精度
をそれほど必要とせず、制御回路も簡易で大きな移動速
度と安定した動作が得られ、更に、往復運動時の速度や
推力のムラを小さくし、かつ、圧電振動子に加わる機械
的応力を軽減し、もって、小形で安定であり、かつ信頼
度の高い圧電アクチュエータを提供せんとするものでる
。

［発明の構成］ （ｉａ題を解決するための手段） この発明になる圧電アクヂュエータは、基台に一端を固
定した第１の圧電振動子と、この第１の圧電振動子のも
う一方の端に取り付けた第１の連結体と、この第１の連
結体に一端を固着し、かつ、第１の圧電振動子の振動方
向と角度を成して振動する第２の圧電振動子と、この第
２の圧電振動子の他端に駆動体を固着した駆動ユニット
を、前記第１の圧電振動子と共通な固定部分を持たせる
とともに、この固定部に対し対称な位置になるように前
記駆動ユニットを二つ配置し、二つの駆動体に接触する
ように移動体を加圧接触させる。

しかして、一端が基台に固定された圧電振動子同志を逆
位相の電気的駆動信号で駆動し、かつ、駆動体が固着さ
れた圧電振動子同志を同位相で電気的駆動を行う構成か
らなるものである。

《作　用》 本発明は、移動体を保持し、圧電振動子の振動を駆動体
との摩擦を介し移動体に伝達する圧電振動子と、移動体
に移動のための変位を与える圧電振動子を具備しており
、かつ、移動体に移動のための変位を与える圧電振動子
は、その変位軸が同一線上又は平行で、しかも基台への
固定部分が共通となるように、かつ固定部分に対して対
称になるように配置されている。

移動体を保持する圧電振動子に電気的な駆動信号を同時
に印加し駆動すると、圧電振動子は軸方向に伸び移動体
を保持する。この状態を保ちながら、移動体に変位を与
える二つの圧電振動子のそれぞれに逆位相，逆極性の駆
動信号を印加して駆動すると、一方の圧電振動子は伸び
、他方の圧電振動子は収縮する。しかし、この二つの圧
電振動子は基台への固定点に対して対称に配置されてい
るので、二つの圧電振動子の変位の方向は同一になり、
移動体は圧電振動子の変位する方向に移動させることが
できるものである。

（実施例》 第１図に本発明の実施例と、第２図に本実施例における
動作原理説明図を示した。以下、この図によって説明ず
る。

第１図において、基台６に一端を接着，嵌合などの手段
により水平に固定したＰＺＴあるい圧電振動子１と、こ
の第１の圧電振動子１の他端に接着した金属からなる第
１の連結休３と、この第１の連結体３に第１の圧電振動
子の振動方向と直交した振動を行うように、すなわち軸
が垂直になるように接着した第２の圧電振動子２と、こ
の第２の圧電振動子２の他端に、金属からなり圧電振動
子の振動を摩擦を介して被駆動体に伝達するための第１
の駆動体４を接着した駆動ユニット７を、前記第１の圧
電振動子１と共通な固定部を持たせ、かつ、この固定部
に対し、前記駆動ユニット７を対称に配置したものにつ
いて、第３の圧電振動子１′．第４の圧電振動子２′．
第２の洟結体３′，第２の駆動体４′とし、第１及び第
２の駆動体に接触するように配置した移動休５を板バネ
８及び８′で加圧する。

このように配置構成した圧電アクチュエー夕において、
第２図に基づいて動作を説明する。

第２図（ａ）に示すように、第２，第４の圧電振動子に
駆動信号を印加して圧電振動子をイの方向に伸ばづ゛と
、移動体は駆動体により押し上げられ保持される。この
状態下において、第２図（ｂ）のように、第１の圧電振
動子が口の方向に伸び、かつ第３の圧電振動子がハの方
向に収縮するような駆動信号、すなわち、逆位相又は逆
極性の信号を印加すると、駆動体によって保持された移
動体は矢符Ａの方向に移動する。

移動体が移動を完了したら、第２，第４の圧電振動子の
駆動を停止し、それぞれの圧電振動子を二方向に収縮さ
せるとともに、第１，第３の圧電振動子の駆動をも停止
するとホ，へ方向に収縮し、第１，第３の圧電振動子も
第２図（Ｃ）のように初期状態に復帰する。更に、第１
，第３の圧電振動子に第２図（ｂ）の場合とは逆極性の
駆動信号を印加すると、第１，第３の圧電振動子は第２
図（ｄ）のようにト．チの方向に変位する。これらのサ
イクルは極めて短時間で行われるため、移動体は慣性に
よって停止しており、第１，第３の圧電振動子の復帰に
伴って元の位置に復帰したり、あるいは逆方向に変位し
たりすることはない。

次いで、第２図（ｅ）のように第２，第４の圧電振動子
を駆動し、駆動体によって移動体を保持する状態に入れ
ば再び第１，第３の圧電振動子の駆動により移動体を第
２図（ｂ）の矢符Ａの方向に移動させることができる。

本実施例における動作において、以上述べた１サイクル
当たりの移動体の移動量はそれぞれの圧電振動子の軸長
方向の長さが１０＃ｌＩのものを使用した場合に０．５
〜３μ瓦程度の小さなものであるため、駆動信号に高い
周波数を選び、変位が繰り返し高速で行われるようにす
ることによって高速な移動が得られる。駆動信号周波数
を１６ＫＨＺとしたとき、移動体速度は１８ｗｒ／秒が
得られた。また、連結体，駆動体が金属の場合について
述べたが、圧電振動子の振動を伝達できればよいから、
金属以外のセラミック，プラスチック，木材などの材料
でよいことは言うまでもない。

また、実施例では第１，第３の圧電振動子が水平に配置
された場合について説明したが、移動体保持と移動体変
位用の機能が備わっていれば同様の効果が得られるので
、第３図に示すような構成でも同じ結果が得られる。ま
た、対称に配置する場合、第１，第３の圧電振動子は同
一軸上にある必要はなく、第４図に示すような軸平行の
位置でも同等の効果が得られる。

［発明の効果］ この発明になる圧電アクチュエータでは、４個の圧電振
動子を用い、移動体保持用の圧電振動子と、移動体の移
動用圧電振動子を設け、それぞれの圧電振動子を駆動す
る駆動信号の極性や位相を変えることにより、駆動体に
接触させた移動体を容易に、かつ高速に移動させるとと
もに、往復運動をさせた場合でも一方向の移動は圧電振
動子の伸びと収縮双方の作用で行われるため、速痩や推
力のムラや変動が少なく、かつ、移動体の保持は２点で
行われるので、移動体の移動に伴い、圧電振動子の加わ
る応力が分散されるので、圧電振動子の破損が防止でき
、安定で信頼性の高い圧電アクチュエータを提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

図面はいずれも本発明になる実施例を示すもので、第１
図は圧電アクチュエータを示す構成図、第２図（ａ）．
（ｂ）．（ｃ）．（ｄ）．（ｅ）は動作の順序を示ず原
理説明図、第３図及び第４図は圧電アクチュエータの他
の実施例をそれぞれ示す構成図である。 １・・・第１の圧電振動子 ３・・・第１の連結体 ５・・・移動体 ７・・・駆動ユニット １′・・・第３の圧電振動子 ２′・・・第４の圧電振動子 ３′・・・第２の連結体 ２・・・第２の圧電振動子 ４・・・第１の駆動休 ６・・・基台 ８．８′・・・板バネ ４′・・・第２の駆動体 特 許　　出　　願　　人 マルコン電子株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）基台に一端を固定した第１の圧電振動子と、この
   第１の圧電振動子の他端に取り付けた第１の連結体と、
   この第１の連結体に一端を固着し、かつ第１の圧電振動
   子の振動方向と角度を成して振動する第２の圧電振動子
   と、この第２の圧電振動子の他端に固着した駆動ユニッ
   トの駆動体とからなり、該駆動ユニットが前記第１の圧
   電振動子と共通な固定部を有するとともに、この固定部
   に対し対称に配置され、前記駆動体に移動体を加圧接触
   させた状態で一端が基台に固定された圧電振動子同志を
   逆位相、逆極性の信号で駆動するとともに、駆動体を固
   着した圧電振動子同志を同位相で同極性の信号で駆動す
   ることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. （２）圧電振動子が圧電セラミック、電歪セラミック、
   高分子圧電体又はこれらの複合体からなることを特徴と
   する請求項（１）記載の圧電アクチュエータ。
3. （３）圧電振動子が積層体であることを特徴とする請求
   項（１）又は請求項（２）に記載の圧電アクチュエータ
   。