JPH04190685A - 圧電リニアモータ - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明は、圧電リニアモータに関し、さらに詳しくい
うと、複数個の圧電素子板を積層一体化した圧電ユニッ
トを一軸方向に任意移動させる圧電リニアモータに関す
るものである。

設置する場合、小型省スペースが要求され、また、マイ
クロ・ロボットとしての機能は時代の要求するところで
もある。

第１４図〜第１６図は、本発明者の提案（実願昭６０−
１９４８７６号）にかかる従来の圧電リニアモータを示
し、厚み伸縮モードと厚み辷シモードの圧電素子を積層
一体化してなる６個の圧電ユニット（３１）〜（３６）
を、ペース（３７）上に（５）・０グループに分けＸ並
設し、グループ相互の駆動位相をずらせることにより、
グループ交互に厚み伸縮と厚み辷りモードの動作を繰返
し行わせる。これにより、枠体（３８）に保持したマグ
ネッ）　（３９）に吸引、載置されているテーブル（４
０）を矢印（Ｃ）　　方向に直線移動させる。

［発明が解決しようとする課題］ 以上のような従来の圧電リニアモータは、圧電ユニット
を複数個設置する必要があるため、−台の組立寸法が大
きくなり、小型化が困難であった。

この発明は、上記の問題点を解決しようとするもので、
小型化と駆動回路の簡略化を同時に行うことができる圧
電リニアモータを得ることを目的この発明に係る圧電リ
ニアモータは、厚み辷シモードの圧電素子板を２種類に
分け、お互いの分極方向を一定の角度ずらして積層一体
化して圧電ユニットとし、２種類の圧電素子を交互に動
作させる。

［作用コ この発明においては、同一の圧電ユニット内に分極方向
の異なる２つの圧電素子グループが共役されて、交互に
駆動に関与する。

［実施例］ 第１図〜第５図は、この発明の一実施例を示し、第１図
、第２図において四角板状の圧電素子の第１のグループ
（１ａ）、（１ｂ）と、圧電素子の第２のグループ（２
ａ）　、（２ｂ）、外側駆動板（３ａ）　、（３ｂ）、
中側駆動板（４）および絶縁体（５ａ）　、（５ｂ）　
　を積層一体化して、略立方体状の圧電ユニッ）（Ｕｌ
）を形成する。

第３図は、辷シモード圧電素子板の分極方向［Ｆ］を示
し、第１グループの圧電素子（１ａ）、（１ｂ）が実線
、第２のグループ（２ａ）、（２ｂ）が破線に示すよう
にそれぞれほぼ４５°をなし、かつ、互いに直交してい
る。

第４図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ第１、第２グループ
の圧電素子板が辷りモードを発生したときの歪み方向を
示している。

なお、圧電ユニット（Ｕｌ）に上方からかけるバイアス
機構、ならびに各圧電素子に設けた電極や接続用のリー
ド線は煩雑を避けるために図示を省略した。

次に動作について説明する。いま、圧電ユニット（Ｕｌ
）を平面状のペース（Ｅ）上にセントし、駆動板（３ａ
）、（３ｂ）および（４）の突出した下端の駆動面をほ
ぼ均等にベース面に接触させ、第２図の（Ｄ）点に第１
図に示すパイアスカ（Ｆ）を真下に向けてかけておく。

第５図は印加電圧のパターンである。

以上の状態をスタート点として動作を開始させる。先づ
、圧電素子（１ａ）、（１ｂ）のグループに■の電圧を
印加すると、分極方向が第３図で実線のため、第４図（
ａ）のように斜め右上の方向に辷り歪を起こす。そのた
め圧電素子（ｌａ）、（１ｂ）の外側に位置する絶縁板
（５ａ）、（５ｂ）、圧電素子（２ａ）（２ｂ）、外側
駆動板（３ａ）、（３ｂ）はすべて同一方向に、第４図
（ａ）のように、斜め右上方に持ち上げられる。このと
きの状態が第５図のＴ、に該当する。

次いで、圧電素子（２ａ）、（２ｂ）のグループに■の
電圧を印加してやると、分極方向が第３図の破線のため
、第４図（ｂ）のように斜め右下の方向に辷シ歪を発生
する。そのために圧電素子（２ａ）、（２ｂ）の外側に
位置する外側駆動板（３ａ）　、（３ｂ）が揃って斜め
右下方に降ろされる。このときの状態が第５図のＴ２に
該当し、外側駆動板（３ａ）　、（３ｂ）は、Ｔ１とＴ
、の２回にわたり右方へ移動することになシ、同時に外
側駆動板（３ａ）、（３ｂ）はペース（Ｅ）に密着した
状態になる。

次の動作でＴ３に入ると、今まで圧電素子（１ａ）、（
１ｂ）に印加されていた■の電圧がｅに反転するので、
圧電素子（１ａ）、（１ｂ）に発生する歪は第４図（ａ
）と全く逆になシ、今度は圧電素子（ｌａ−）、（１ｂ
）に挾持されている中側駆動板（４）が斜め右上方へ持
ち上げられる。このときの状態がＴ、に該当し・持ち上
げは０点にかか・ているχパイアスカに抗しているが、
圧電ユニノ）　（Ｌｌｌ）の発生力に比較してパイアス
カは格段に小さいため、動作には何らの支障もない。こ
の瞬間では駆動板（３ａ）、（３ｂ）側下端がベース面
に接触し中間駆動板（４）側がベース面から浮いている
状態になっている。

次にＴ４に入ると、圧電素子（２ａ）、（２ｂ）の印加
電圧がθに反転するので圧電素子（２ａ）、（２ｂ）よ
り中側にある絶縁板（５ａ）　、（５ｂ）、圧電素子（
１ａ）、（１ｂ）、内側駆動板（４）が−斉に第４図（
ｂ）の矢印のように斜め右下方へと降ろされる。そして
、このために中側駆動板（４）はＴ、とＴ４の２回にわ
たって、はんの僅か右方へと移動させられる。

この瞬間においては３個の駆動板（３ａ）　、（３ｂ）
、（４）の下端面は全部がベース面に密着する。

さらに、Ｔ、に進むと、圧電素子（ｌａ）　、（ｌｂ）
に再び■の電圧が印加されるため、最初のＴ１と同じ状
態に戻り、１サイクルが完了する。

以上のようにして、第１の圧電素子グループ（ｌａ）　
、（ｌｂ）と第２のグループ（２ａ）、（２ｂ）に、第
５図のような電圧パターンを印加すると、圧電ユ・ニラ
）（ＵＳ）は第２図の上方の矢印方向へ移動する。この
ときの移動スピードは、電圧パターンの正負の繰り返し
頻度と印加する電圧値に一次比例する。

次に、第２図で下方の矢印方向への移動は、両者への印
加電圧パターンを切替えればよい。すなわち第１のグル
ープ（１ａ）、（１ｂ）への給電を９０゜程度遅らせれ
ばよい。

かくして、進行方向の制御は位相切替えのみで可能にな
る。また、圧電ユニット（ＵＩ）の組立ては接着剤とボ
ルト締めの併用によシ信頼性が向上する。

分極方向のなす角度は、・両グループで同一の必要はな
く、辷りモードの圧電常数（ｄ１５）、　並列枚数、素
子の厚み、印加電圧等と共に要求仕様に基づいて決定す
る。

パイアスカ（Ｆ）　’ｋかけるには、コロとバネを用い
て構成するが、ペースとの接触面に磁気吸引力を働かせ
るようにしてさらに小型化を図ることもできる。

さらに、この発明は、超小型の圧電リニアモータに限ら
ず、大型大出力への設計も可能であり、各種の仕様に対
応することができる。

第６図〜第１０図は他の実施例を示し、第１図、第２図
のものの大きさを約半分にしてさらに小型化を図ったも
のである。第６図、第７図において、四角板状の厚み辷
り圧電素子（１）、（２）で絶縁板（５）を挾持し、駆
動板（６）、（７）を外側にして、積層一体化して圧電
ユニット（Ｕ２）　を構成している。

動作はまえの実施例と同様であり、２足歩行になるので
、第８図、第９図に示すように、駆動板（６）、（７）
の底部接触部（６ａ）、（７ａ）を倒れ防止のため内側
に直角に折シ曲げた構造になっている。第１０図は分極
方向を示している。

第７図で矢印は移動方向を示し、第６図に示す上部から
のパイアスカ（Ｆ）は矢印方向に上面全面に均等に加え
ておく。この場合も、圧電素子の歪によって発生する力
は大きいので、バイアスの影響は殆んど受けない。

底部接触部（６ａ）、（７ａ）は、組立後、摺り合せ研
磨を行い、ベース面（Ｅ）との接触を均等にする。

また、底部接触部（６ａ）、（７ａ）はマグネット吸着
構造にしてもよい。

この実施例は、非常に小型にできるので、共振点が高く
、したがって高速運転が可能になり、高精度制御とハイ
スピードの相矛盾する機能を同時に満足させることがで
きる。

第１１図〜第１３図は別の実施例で、第１１図において
、上下方向用の辷シモード圧電素子（８）、（９）は、
分極方向を第１２図の破線で示し、圧電素子（８）が図
で下向き、圧電素子（９）が上向きになっている。

また、左右方向用の同じく辷りモード圧電素子ｂ１’ （１０ａ）　、（１０ｂ）は、分極方ＩＱＥ１２図の実
線で示す　。

ように水平方向に右向きになっている。

そうして、駆動板（６）、（７）は圧電ユニット（Ｕ２
）の場合と同一の構成である。以上のようにして、各部
分を積層一体化した圧電ユニッ）（Ｌ１２）−を構成す
る。

次に、−動作を説明すると、先づ、圧電素子（９）と（
１０ｂ）とを並列接続してこれを第１のグループとする
。これに第５図に示すＴ、のパターンである■の電圧を
印加すると、駆動板（７）は、圧電素子（９）により上
方に変位し、圧電素子（１０ｂ）で右方に変位するため
、第１３図に示すように、この２つの合成である斜め右
上方へと持ち上げられ、駆動板（７）の底辺はベース面
から浮上る。

次いで、第２の圧電素子グループ（８）と（１０？）の
並列接続したものにＴ２パターンの■電圧を印加すると
、この両者の合成歪は第１３図（ｂ）のように斜め右下
方向になるので、今まで持ち上げられていた駆動板（７
）は右方へと移動しながらペースに着地する。このため
に駆動板（７）はＴ１とＴ２の２回にわたシ右方へと移
動する。

次に、Ｔ、のパターンに入ると、第１のグループの圧電
素子（９）、（１ｏｂ）に○の電圧が印加されるので、
今度は駆動板（６）が圧電素子（９）によって持ち上げ
られると同時に、圧電素子（１０ｂ）によって右方へと
歪を受けるので、この両者の合成モードである第１３図
（ａ）のように斜め右上方へと持ち上げられる。

そうして、Ｔ４に入り、第２のグループである圧電素子
（８）、（１０ａ）もｅ電圧に反転するので、第１３図
（ｂ）に示す斜め右下方へと歪み、駆動板（６）は着地
する。このとき、駆動板（６）は、Ｔ８、Ｔ４め２回に
よシ右方へ移動される。かくして、Ｔ、に至り１サイク
ルが完了する。

左方への移行は、第５図のパターンを入れ替えればよい
。

以上の説明でわかるように、分極方向が水平と垂直の組
合せでも、両方向が合成されて、第６図、第７図の実施
例と全く同じ挙動を行う。

この実施例の特徴を列記すると、まず、圧電素子板を斜
めに切シとることがないので歩留りがよいこと。辷シモ
ードの圧電常数ｄ１．がフルに使えること。それから、
移動スピードを加減する方法として水平方向への圧電素
子だけに入力調整がかけられ、そのため移動を止めた状
態で水平方向の圧電素子だけに単独に制御をかけること
ができること、などが挙げられる。このために素子数が
増加するのはやむを得ない。

また、第１１図の場合、結線を変えてインチワーム挙動
をさせることもできる。すなわち、圧電素子（９）、（
１０ｂ）と（８）、（１０ａ）の並列接続を止めてそれ
ぞれ独立させ、上げるを素子（９）で、移動を素子（１
０ｂ）で、下げるを同じ素子（９）で、あたかも片足を
出すような３段階動作を交互に行うことができる。この
場合は電気駆動系も３系統分必要になるため全体の構成
が複雑になる。

この発明になる圧電リニアモータの作動は、モータ本体
に直接負荷をかける方式でも、または、モータ側を固定
してベースをスライドテーブルとして動かすようにして
もよいことはいうまでもない。また、スライドテーブル
の形状は、直線タイプでも回転タイプでもよい。

圧電ユニット（Ｕｓ）の構成は、接着剤とボルト締めの
２つの併用組立ての方が機械的強度を安定化させること
ができる。小型になって圧電ユニットに対するボルト径
比率が大きくなる場合には、外周部でスプリング締めし
て強度を増すようにすることも考えられる。

また、この発明になる圧電ユニットを複数個配列して高
出力型モータを構成することもできる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、この発明は、圧電素子
が辷りモードのみの圧電ユニットを分極方向がある角度
設けて組立て、２和文番電圧の位相を９０°程度ずらし
て印加することにより、左右に移動方向を制御すること
ができるので、小型でしかも２系統の回路で、高精度、
高速の一軸移動を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図はこの発明の一実施例を示し、第１図は
正面図、第２図は平面図、第３図は分極方向を示す模式
図、第４図は動作説明のための模式図、第５図は印加電
圧の線図である。 第６図工第１０図ら他の実施例を示し、第６図は正面図
、第７図は平面図、第８図は底面図、第９図は駆動板の
底面図、第１０図は分極方向を示す模式図である。 第１１図〜第１３図は別の実施例を示し、第１１図は平
面図、第１２図は分極方向を示す模式図、第１３図は動
作説明のための模式図である。 第１４図〜第１６図は従来の圧電リニアモータを示し、
第１４図は要部平面図、第１５図は要部側面図、第１６
図は正面図である。 （１）　、（ｌａ）　、（ｌｂ）　、（２）　、（２ａ
）　、（２ｂ）　、（８）　、（９）、（１０ａ）　、
０ｏｂ）　、、、圧電素子、（３ａ）　、（３ｂ）　−
・外側駆動板、（４）−・・中間駆動板、（５）　、（
５ａ）　、（５ｂ）　−・絶縁板、（６）　、（７）・
・・駆動板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 厚み辷りモードの圧電素子板でなる２つのグループを相
   互の分極方向を一定の角度ずらして積層一体化してなる
   圧電ユニットと、位相差を設けて前記２つのグループを
   交互に駆動する駆動手段とを備えてなる圧電リニアモー
   タ。