JPH0251371A - 圧電アクチュエータ及び超音波リニアモータ - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、電子機器や精密機械用に開発された超音波
リニアモータの駆動源として好適な圧電素子に関ずろ。

［従来の技術］ 電子機器や精密機械においては、取付のためのスペース
が少なくてすみかつ厳密な位置決めが可能であるような
アクチュエータが要求される。特に直線的な移動が要求
される場合には、回転型のアクチュエータよりリニアモ
ータの方が、運動方向の変換機構が不要であるからより
好ましい。

そこで、出願人は、製造において加工精度を上げる必要
がなく長い距離の移動ができ、かつ構成部材の共振状態
を利用した効率のよいリニアモータを発明した（特願昭
６３−６０７１３号）。これは、レールに直交する方向
に振動する一対の脚部と、これらの脚部を連結するとと
もにレールに平行な方向に振動する胴部とから走行体を
構成し、これらの脚部と胴部とを適当に位相が異なるよ
うに振動させ、レール上を走行させるようにしたもので
ある。上記脚部及び胴部は、それぞれ周知の積層型圧電
素子である。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上記のような超音波リニアモータにおいては
、脚部及び胴部を構成する圧電素子として、圧電セラミ
クスを積層したものを用いているが、そのために、これ
らの部材の強度が低く、特に剪断力に対する強度が低い
という不具合があり、実用性に乏しかった。

また、圧電素子を形成するセラミクスは、一般に機械的
品質係数（１サイクル中の弾性的損失に対する弾性的に
蓄えられている全エネルギーの比）が低く、エネルギー
効率が悪いという解決すべき課題もあった。

［課題を解決するための手段］ 上記のような課題を解決するために、この発明は、圧電
素子を、該圧電素子の伸縮方向における両端を拘束した
状態で弾性体からなる筒状体に封止して圧電アクチュエ
ータを構成したもので、また、この圧電アクチュエータ
を駆動源として、複数の脚部とこれを連結する胴部とか
ら超音波リニアモータを構成したものである。

［作用］ このように構成された圧電アクチュエータにおいては、
圧電素子が筒状体内に両端を拘束されて封止されている
から、圧ｍ素子は筒状体により機械的に保護されており
、圧電素子には剪断力や疲り応力が作用しない。また、
圧７Ｔｔ素子の振動は筒状体に伝達されるが、筒状体を
金属等の機械的品質係数の高い弾性体で製造することに
より、圧電アクチュエータの機械的品質係数も高くなる
。

この圧電アクチュエータを駆動源として使用した超音波
リニアモータにおいて脚部及び胴部の駆動源にそれぞれ
適当に位相の異なる電流を与え、脚部と胴部を伸縮させ
ると、脚部の先端は胴部の中心に対して同一の向きに回
転する楕円または円の軌跡を描き、しかもその位相が適
当な角度（例えば１８０度）異なっているようにできる
。そこで、脚部の先端が交互にレールに押し付けられ、
押し付けられた脚部は常に一方に向けて移動しているの
で、走行体はレールに対してその逆方向に移動されるこ
とになる。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の圧電アクチュエータ八を示すもので
、３１は円柱状に成形された積層型の圧電素子であり、
周知のように、厚さ方向に分極した圧電セラミクスをそ
の分極方向が互いに対向するように積層して構成してい
る。この圧電素子３！は、金属製の筒状体３２の内部に
その両端を拘束された状態で挿入されている。すなわち
、筒状体３２の内面両端部には雌ねじ３３が形成され、
この端部にそれぞれに栓体３４がその雄ねじ３５を上記
雌ねじ３３に螺合して固定されており、これらの栓体３
４の先端が圧電素子３Ｉの端部に当接して圧電素子３１
を圧縮するようにしている。

上記のように構成した圧電アクチュエータＡについて、
筒状体３２に挿入しない圧電素子３１との特性の比較を
行った。すなわち、筒状体３２に圧電素子３１を封止し
た後、栓体３４を締め付ける圧力（トルクドライバーの
締め付は圧力）を順次高めていき、圧電アクチュエータ
Ａの自己共振周波数と、共振時のインピーダンス、及び
機械的品質係数を測定した。

第２図に示すように、圧電素子３目こ圧縮力が加わるに
従って共振周波数は徐々に上昇し、また共振インピーダ
ンスは一定の圧縮力において極小となる。また、機械的
品質係数は圧縮力とともに増加していき、この値は圧？
Ｉｔ素子３１自体の機械的品質係数より高い。

次に、この圧電アクチュエータＡを超音波リニアモータ
に応用した実施例について述べる。

第３図及び第４図において、１．２は脚部、３は胴部で
ある。これらは、それぞれ上述した圧電アクチュエータ
八からなっており、図示しない高周波電源からの電圧に
より、それぞれ長手方向に伸縮する。胴部３の両端には
正六面体状の鉄のブロック４．５が、該ブロック４．５
の面に形成したねじ穴６に既述の栓体３４の雄ねじ３５
を螺合させて固定されている。これらのブロック４．５
の他面にはそれぞれ脚部１．２が同様の方法で固定され
ており、全体でコ字状の走行体７を構成している。この
走行体７は、架設された鋼鉄製レール８の上面に配置さ
れている。

一方、このレール８の下面には、支持枠９に車軸１０を
支持された前後一対の車輪１【が設けられている。すな
わち、胴部３の上面には梁部材１２が固定されており、
この梁部材１２の両端部と上記支持枠９の中央との間に
は弾性部材（コイルばね）＋３が張設され、このコイル
ばね＋３により、脚部１．２の下端の栓体３４の下面は
レール８の上面に、また車輪１１はレール８の下面にそ
れぞれ圧接されている。このコイルばね１３は負荷され
る荷重に応じて適当な弾性係数を有するものが選ばれる
。

このように構成された超音波リニアモータにおいて、胴
部３の圧電アクチエエータに付与する電圧を、 Ｖａ＝Ｅｘ・　ｓｉｎωｔ とし、脚部１．２には、第１の脚部ｌに、Ｖ　ｂ−Ｅ　
ｙ−ｓｉｎ（ωｔ＋　：（／２ｇ　）第２の脚部２に、 Ｖ　ｃ＝　Ｅ　ｙ−ｓｉｎ（ωｔ＋　１／２π）の電圧
を付与すると、脚部１．２の先端はそれぞれ楕円振動ま
たは円振動をする。そして第１の脚Ｉｌｌと第２の脚部
２の振動は、 Ｘ　ｒ　＝　−Ｘ　ｔ　、　Ｙ　、＝　　Ｙ　＊である
から、位相が１８０度異なるものである。

このような場合には、走行体７は一定の方向に移動する
。移動方向を逆転するには、胴部３に加えろ電圧の位相
を Ｖａ＝Ｅｘ・ｇｉｎ（ωｔ＋π） とすればよい。

このような超音波リニアモータにおいては、胴部３の中
央に負荷を付与するのが妥当であると考えられ、その場
合、胴部３は撓み変形し、脚部１゜２は外側に広がるよ
うに変形し、いずれもこれらの部材に剪断応力がかかる
。しかし、この発明の超音波リニアモータにおいては、
脚部１，２及び胴部３がそれぞれ筒状体３２で補強され
た構成であるから、これらの部材に剪断やねじりなどの
応力がかかったときでも、内部のセラミクス圧電素子３
１にはこれらの応力が作用しない。従って、圧電アクチ
ュエータＡをそのまま構造部材として用いても、圧電素
子３１が破損するなどの事故が防止される。

また、上述したように、この発明の圧電アクチュエータ
Ａは、筒状体３２に封止していない圧電素子３によりら
機械的品質係数が高いから、振動サイクル当たりのエネ
ルギーの損失が少な（、従って、これを使用した超音波
モータもエネルギー効率が高い。

なお、上記実施例においては、弾性部材！３を配したこ
とによって、例えばレール８が傾斜し、あるいは垂直に
なっていても使用でき、さらにはレール８の下面をも走
行させることができる。しかし、通常のようにレール８
の上面を走行させるには、リニアモータ自体の自重によ
り脚部１．２がレール８に付勢されるから、この場合に
はりニアモータ自体が付勢手段であり、特別な部材を必
要としない。

第５図及び第６図はこの発明の超音波リニアモータの他
の実施例を示すもので、２１．２２は互いに平行な脚部
、２３はこれらの脚部２１．２２の一端を連結する胴部
であり、弾性材料を各部の断面がほぼ正方形でかつ全体
がコ字状となるように成形して走行体２４を構成してい
る。この寸法は適宜設計されるが、例示のものはアルミ
ニウムを材質とし、胸部１２ｍｍ口Ｘ６２１１１１１Ｌ
、脚部１２講−口Ｘ　２４　ａｍＬとしている。走行体
２４の材質は、この他、ジュラルミン、鉄、真鍮あるい
はステンレス鋼などの金属材料、アルミナ、ガラスある
いは炭化珪素などの無機材料、ポリイミド系樹脂あるい
はナイロンなどの有機材料などが使用できる。

この走行体２４の角の部分は、１ｌｌ１部２１．２２及
び胴部２３に対して４５度の角度をなすように面取りさ
れており、その取付部２５にはねじ穴２５ａｈ（ｌｒＳ
成され、駆動源（圧電アクチュエータ）２６．２７が栓
体３４の雄ねじ３５を上記ねじ穴２５ａに螺合させて取
り付けられている。こめ駆動源２６．２７は既述した圧
電アクチュエータＡであり、内部の圧電素子３１の寸法
が５ｍｍ口Ｘｌ８１＋１１１Ｌ、筒状体３２の寸法が１
１ｍ＋ｍφＸ３０ＩＩ＋ａ＋Ｌである。

このような超音波リニアモータにおいて、第１の圧電ア
クチュエータ２６（第１図において左側）に付与する電
圧を、 Ｖａ−Ｅ　畳ｓｉｎωｔ とし、第２の圧電アクチュエータ２７にはＶ　ｂ＝　Ｅ
−ｇｉｎ（ωｔ　−Ｌ／２ｔｒ　）の電圧を付与する。

すると、各端部は圧電アクチュエータ２Ｇ、２７によっ
て次のような振動を受ける。第１の脚部２１においては
、 Ｘ　＋＝　Ａ　−５ｉｎ（ｃｃ＋　ｔ＋　ｒｒ　／２）
Ｙ　、＝　Ｂ　１１ｓｔｎ（ωを十π）一方、第２の脚
部２２においては、 Ｘ＊＝ＡＩＩｓｉｎωｔ Ｙ　＊＝　Ｂ　−５ｉｎ（ωｔ＋　ｗ　／２）のように
振動する。

すなわち、脚部２１．２２の下端は楕円振動または円振
動（Ａ＝Ｈのとき）をし、第１の脚ｆｆ１２１と第２の
脚部２２の振動は、位相が９０度異心るものであるから
、一定の方向に走行する。

上記の例は、圧電アクチュエータＡを単なる振動子とし
て使用するもので、先の実施例のように構造部材として
使用するものではないが、圧電アクチュエータへの耐用
性が高いこと、機械的品質係数が高いのでエネルギー効
率が良いことなどの利点を有するものである。

［発明の効果］ 以上詳述したように、第１の請求項記載の発明は、圧電
素子を、該圧電素子の伸縮方向における両端を拘束した
状態で弾性体からなる筒状体に封止して圧電アクチュエ
ータを構成したことにより、圧電素子が剪断や捩りの応
力から保護されるので、圧電アクチュエータを直接荷重
がかかる構造部材に適用することが可能となるとともに
、筒状体に金属などの機械的品質係数の高いものを用い
ることにより、全体として機械的品質係数の高い圧電ア
クチュエータを提供することができ、駆動の際のエネル
ギー効率を高めることができるものである。

また、第２の請求項記載の発明は、上記圧電アクチュエ
ータを超音波リニアモータに応用したことによって、圧
電アクチュエータを構造部材として使用できるから、実
用性の高い超音波モータを提供できるとともに、エネル
ギー効率を向上させるという優れた効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の圧電アクチュエータの一実施例を示
す断面図、第２図は圧電素子の締め付は圧力と圧電アク
チュエータの特性の相関を示すグラフ、第３図はこの発
明の超音波リニアモータの実施例の側面図、第４図はそ
の正面図、第５図はこの発明の他の実施例の超音波リニ
アモータの側面図である。 ３２・・・・・・筒状体、３４・・・・・・栓体、Ａ・
・・・・・圧電アクチュエータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電素子を、該圧電素子の伸縮方向における両端
   を拘束した状態で弾性体からなる筒状体に封止したこと
   を特徴とする圧電アクチュエータ。
2. （２）レール上にレール方向に配置された少なくとも２
   本以上の脚部と、これらの脚部の基端を連結する胴部と
   から走行体が構成され、これらの脚部と胴部とをそれぞ
   れ伸縮する方向に振動させる駆動源が付設されてなる超
   音波リニアモータにおいて、圧電素子を、該圧電素子の
   伸縮方向における両端を拘束した状態で弾性体からなる
   筒状体に封止した圧電素子を上記駆動源として用いたこ
   とを特徴とする超音波リニアモータ。