JPH0630570A

JPH0630570A - 圧電モータ

Info

Publication number: JPH0630570A
Application number: JP3164012A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西; Iwao Hayashi; 巖林; Nobuyuki Iwatsuki; 信行岩附
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1991-06-07
Filing date: 1991-06-07
Publication date: 1994-02-04
Anticipated expiration: 2014-10-18
Also published as: JP2965391B2

Abstract

(57)【要約】【目的】駆動素子の変位量を確実に回転運動として取
出せる圧電モータを得る。【構成】左右両側に４個づつ設けられた圧電素子に順
次位相が変化する電圧を与えると、両端が支持球１６に
より支持されている駆動軸１５が撓み変形し、その撓み
方向が軸の静止中心に対して回転する。よって駆動歯車
２３と被駆動歯車２４との噛み合い位置が前記静止中心
の回りを回転して移動し、駆動歯車２３の歯数Ｚ１と被
駆動歯車２４の歯数Ｚ２に応じて、被駆動歯車２４が
（Ｚ２−Ｚ１）／Ｚ２の減速比にて回転させられる。こ
の被駆動歯車２４とともに、被駆動筒２２が回転し、こ
の被駆動筒２２から外部へ回転動力が取出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子機器等に用いられ
る小型モータに関し、特に低速回転で高トルクを発生す
る圧電モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電モータは、従来の電磁モータと比較
して低回転で高トルクを得ることができ、さらに電磁ノ
イズを発生しないなどの特徴を備えているため、カメラ
のオートフォーカス用などに利用されている。このよう
な圧電モータの基本的な駆動原理は、楕円運動を生ずる
圧電素子をステータとして、これに圧接されたロータが
摩擦力を介して回転運動を生ずるものである。この様な
構成を備えた従来の一例を図１１に示す。

【０００３】同図に示す圧電モータは、ねじり振動を生
ずるボルト締め振動子１と、積層型圧電変位素子２とを
組み合わせたもので、両者の動きの合成は、積層型圧電
変位素子２の上端に楕円運動を生じ、この積層型圧電変
位素子２に圧接するロータ３が回転トルクを生ずるもの
である。なお、図中符号４は共振用金属ブロックであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の圧電モータでは、積層型の圧電変位素子２を使用し
たとしても、ロータ３を確実に回転駆動させるだけの振
幅を得ることは困難である。また、また回転出力はロー
タ３から図示上方へ突出する軸から出力されるため、ロ
ータ３の上方に軸受機構を設け、さらにそこから突出す
る軸に動力伝達のための歯車などを設ける必要が生じ、
軸方向の寸法が大きくなる。また回転出力はロータ３に
設けた軸を介して取り出さなくてはならないため、被駆
動部をモータの軸の延長線上に配置しなくてはならず、
圧電モータと被駆動部との配置関係に自由度がない欠点
を有している。

【０００５】本発明は上記従来の課題を解決するもので
あり、両端支持または片持ち支持方式の軸の回転撓みあ
るいは首振りを利用して確実に回転力を得ることができ
るようにするとともに、軸の側方へ動力を出力できるよ
うにした圧電モータを提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による圧電モータ
は、軸の両端を支持しあるいは一端を支持する軸支持部
材と、順次位相の変化する電圧が与えられることにより
前記軸をその静止中心の回りを回転する方向へ撓ませあ
るいは首振り運動させる複数の駆動素子と、前記軸の回
りに回転自在に支持された被駆動筒と、前記軸と被駆動
筒の内面との間に設けられ軸の前記撓みまたは首振りを
被駆動筒の回転に変換する動力伝達部とが設けられてい
ることを特徴とするものである。

【０００７】上記動力伝達部は、例えば、軸に設けられ
外周に歯を有する駆動歯車と、被駆動筒の内面に固定さ
れ且つ前記駆動歯車の歯数よりも多い歯が内周に形成さ
れた被駆動歯車とから構成される。

【０００８】

【作用】上記手段では、複数の駆動素子に順次位相の変
化する電圧を与えることにより、軸がその静止中心の回
りを回転するように変位する。軸が両端支持の場合に
は、軸の中央部が最も大きな撓み量となってその撓む方
向が軸の静止中心の回りを回転するようになり、また軸
が片持ち単純支持である場合には、軸の先端が首振り運
動するようになる。この軸の回転方向の変位は、駆動歯
車と被駆動歯車などからなる動力伝達部により、軸の外
周に位置する被駆動筒の回転力に変換され、この被駆動
筒の回転により回転出力が取出される。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。図１は本発明の第１実施例による圧電モータを示す
断面図、図２はその構造の一部を示す分解斜視図であ
る。図１において、符号１１と１２は左右に平行に配置
された固定板である。この固定板の対向面には軸支持部
材１３がそれぞれねじ１４により固定されている。軸支
持部材１３は互いに同じ形状のものであり、互いに対称
に向き合う状態に固定されている。

【００１０】符号１５は駆動軸である。この駆動軸１５
の両端はそれぞれ前記軸支持部材１３に支持されてい
る。図２に詳示されるように、駆動軸１５の両端には４
方向に平面１５ａが形成されて断面が正方形となってい
る。前記軸支持部材１３にはそれぞれ４個ずつの支持球
１６が保持されており、それぞれの支持球１６が駆動軸
１５の前記平面１５ａに当接している。すなわち駆動軸
１５の両端はそれぞれ前記支持球１６により単純支持
（非固定支持）されている。またこの支持点は球により
構成されているため、駆動軸１５の両端部の軸方向（図
４のＸ方向）の移動を許容できるようになっている。な
お図１に示すように、各支持球１６は軸支持部材１３に
形成された凹部１３ａ内に保持されているが、支持球１
６が駆動軸１５の平面１５ａに接触している状態にて、
支持球１６と凹部１３ａとの間に軸の中心線と直交する
方向のがたが生じないように、凹部１３ａの内寸法が高
精度に決められている。あるいは凹部１３ａの内底と支
持球１６との間に板ばねやゴムなどのような変形量のわ
ずかな弾性部材を挿入し、その弾性力により支持球１６
を平面１５ａに圧接させてもよい。

【００１１】またそれぞれの軸支持部材１３には、駆動
素子として積層型圧電素子１７が設けられている。図２
に示すように、駆動軸１５の軸方向両端部にて、前記圧
電素子１７は９０度の角度にて軸の中心線と直交する４
方向から対向している。そして各圧電素子１７の先端は
駆動球１８を介して駆動軸１５の外周面に接触してい
る。駆動球１８と駆動軸１５との接触位置では、図２に
示すように、駆動軸１５に凹部１５ｂが形成されて、駆
動球１８が凹部１５ｂに保持された状態となっている。
なお凹部１５ｂは軸方向にわずかな距離Ｌだけ余裕を有
して形成されており、駆動軸１５の軸方向へのわずかな
変位を許容できるようになっている。

【００１２】両側の軸支持部材１３の外周にはベアリン
グ２１を介して被駆動筒２２が回転自在に支持されてい
る。被駆動筒２２は駆動軸１５と同軸にて回転自在とな
っている。そして駆動軸１５と被駆動筒２２との間に動
力伝達機構が設けられている。動力伝達機構は駆動歯車
２３と被駆動歯車２４とにより構成されている。

【００１３】駆動歯車２３は外周に歯が形成された外歯
歯車であり、駆動軸１５の両端の支持部の中央位置に設
けられている。この駆動歯車２３は駆動軸１５に固定さ
れている。駆動軸１５は例えばジュラルミンや他のアル
ミ合金や銅合金などのような比較的剛性の小さい材料に
より構成されている。駆動歯車２３は駆動軸１５に溶接
などにより固定され、あるいは駆動歯車２３と駆動軸１
５はダイキャストなどにより一体に形成されている。あ
るいは駆動軸１５と駆動歯車２３が剛性の高い樹脂材料
により一体に形成されてもよい。

【００１４】被駆動歯車２４は内周に歯が形成された内
歯歯車であり、被駆動筒２２の軸方向中心位置の内周面
にねじ２５により固定されている。駆動歯車２３と被駆
動歯車２４は同じモジュールの歯車であり、被駆動歯車
の歯数Ｚ２は、駆動歯車２３の歯数Ｚ１よりも多くなっ
ている。例えばＺ１が９９、Ｚ２が１００であり、この
場合、駆動減速比は（１／１００）となる。

【００１５】次に上記構造の圧電モータの動作について
説明する。図３では、駆動時の歯車の噛み合い関係を
（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）の順に示しており、２３ｐは
駆動歯車２３のピッチ円を示し、２４ｐは被駆動歯車２
４のピッチ円を示している。またＯ１は被駆動筒２２の
中心ならびに駆動軸１５の静止中心を示している。Ｏ２
は撓み変形した時点での駆動軸１５の軸方向の中心すな
わち駆動歯車２３の中心を示しており、また駆動軸１５
の中心Ｏ２と静止中心Ｏ１との撓み変位量をδで示して
いる。

【００１６】図４はある時点（図３（Ｃ）の時点）での
駆動軸１５の撓み変形状態を模式図により示している。
駆動軸１５に対し９０度の角度にて対向している４つの
圧電素子１７を順に，，，とする。同様に、図
２と反対側に位置している圧電素子１７もそれぞれ，
，，とする。この圧電モータを駆動するためには
，，，で示した各圧電素子１７に対し、次に示
すＶ，Ｖ，Ｖ，Ｖの位相の電圧が供給される。

【００１７】Ｖ＝Ｖ0・sin（ω・ｔ＋α）Ｖ＝Ｖ0・sin（ω・ｔ＋α＋９０°）Ｖ＝Ｖ0・sin（ω・ｔ＋α＋１８０°）Ｖ＝Ｖ0・sin（ω・ｔ＋α＋２７０°）

【００１８】ただし、Ｖ0は最大電圧、ωは印加電圧の
角周波数、αは初期位相角、ｔは時間である。

【００１９】上記Ｖ，Ｖ，Ｖ，Ｖの電圧を与え
ることにより、，，，の各圧電素子１７が順に
駆動軸１５に対し軸中心と直交する力Ｆを与え、これに
より図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示すように、駆動
歯車２３の中心Ｏ２は、静止中心Ｏ１に対しδだけ撓
み、この撓み方向が時計方向へ回転する。なお図４は図
３（Ｃ）に示すように、駆動歯車２３の中心Ｏ２が静止
中心Ｏ１に対して上方へδだけ撓んだ時点での駆動軸１
５の撓み変形状態を示している。図４から解るように、
駆動軸１５は、その両側部に設けられたからで示す
圧電素子１７により軸と直交する方向へＦの力（図４の
時点では、の圧電素子により上方向へ向くＦの力）が
与えられ、中心Ｏ２が最大撓み位置となるように変形す
る。

【００２０】なお、各圧電素子により駆動軸１５が図４
に示す状態に撓み変形する結果、駆動軸１５の両端部で
は軸方向へＸのずれが生じる。駆動軸１５の両端部のこ
のＸ方向へのずれは、支持球１６と駆動軸１５の平面１
５ａならびに駆動球１８と駆動軸１５との転動により許
容される。

【００２１】図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示すよう
に、駆動軸１５の撓み変形方向の回転により、駆動歯車
２３と被駆動歯車２４との噛み合い位置が静止中心Ｏ１
の回りに時計方向へ移動していき、その結果、被駆動歯
車２４は図２おいて時計方向へ回転駆動される。すなわ
ち歯数Ｚ１の駆動歯車２３が、歯車自体が軸に対して回
転することなく、その中心の撓み方向が図３（Ａ）
（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）から（Ａ）の位置まで１周する間
に、駆動歯車２３と被駆動歯車２４とはＺ１の歯数分だ
け噛み合う。よって１周した時点で、被駆動歯車２４と
駆動歯車２３の歯数の差（Ｚ２−Ｚ１）分だけ、被駆動
歯車の歯のうちの噛み合わないものが残り、これが図３
において時計方向へ送られる。これを繰返すことによ
り、被駆動歯車２４が時計方向へ回転させられ、これと
共に被駆動筒２２も同方向へ回転させられることにな
る。

【００２２】このときの減速比は（Ｚ２−Ｚ１）／Ｚ２
である。よって各圧電素子１７に与えられる電圧の位相
変化の周波数をｆ（＝１／ω）（Ｈｚ）とすると、被駆
動歯車２４ならびに被駆動筒２２の回転数Ｎは、Ｎ＝｛（Ｚ２−Ｚ１）／Ｚ２｝×６０×ｆ（ｒｐｍ）となる。

【００２３】なお上記周波数ｆは、駆動軸１５の第１次
共振振動数（図４に示す変形モードの共振振動数）と一
致しあるいは、その振動数に近い値であることが好まし
い。

【００２４】上記実施例では、回転出力は被駆動筒２２
の回転として取出される。よって例えば図１において鎖
線で示すように、被駆動筒２２の外周に動力伝達歯車２
６を設ければ、この動力伝達歯車２６から外部の被駆動
部へ動力を伝達することが可能になる。

【００２５】図５は本発明の第２実施例を示している。
この図５に示す第２実施例は、図１に示すのと同じ全体
構造において、駆動軸１５と駆動歯車２３と支持球１６
ならびに圧電素子２３のみを取出して示したものであ
る。

【００２６】この実施例では、図６（図５のＶＩ−ＶＩ
断面図）に示すように、駆動軸１５が断面正方形であ
り、その各外面に圧電素子３１が接着されている。この
圧電素子は電圧の印加によりＸ方向へ伸びまたは収縮す
るものである。圧電素子３１は駆動軸１５の軸方向ほぼ
全長にわたって設けられており、エポキシ系樹脂により
圧着接合されている。

【００２７】駆動歯車２３の両側にそれぞれ４個づつ設
けられた圧電素子３１を、図６に示すように，，
，とする。これに前記と同様の電圧Ｖ，Ｖ，Ｖ
，Ｖを印加することにより、図４と同様の撓みδを
得ることができ、またδの撓み方向が図３（Ａ）（Ｂ）
（Ｃ）（Ｄ）に示すように、静止中心Ｏ１の中心を回る
ようになり、これにより被駆動歯車２４と被駆動筒２２
を駆動できることになる。

【００２８】図７は本発明の第３実施例を示している。
この実施例は、図１の実施例と同様に、軸支持部材１３
に保持された支持球１６により、駆動軸１５の両端が支
持されている。また軸支持部材１３の外周にベアリング
２１を介して被駆動筒２２が設けられ、駆動軸１５に設
けられた駆動歯車２３と、被駆動筒２２に設けられた被
駆動歯車２４とにより動力伝達機構が形成されている。

【００２９】この実施例では、駆動軸１５の両側部に、
積層型圧電素子１７と、この圧電素子１７により変形さ
せられる駆動てこ３２が設けられている。この構造で
は、積層型圧電素子１７の厚さ方向の変形量が駆動てこ
３２のてこ比により拡大されて駆動軸１５に与えられ
る。駆動歯車２３の両側において、積層型圧電素子１７
と駆動てこ３２は、図２に示した実施例と同様に、９０
度の角度にてそれぞれ４個づつ設けられている。そして
それぞれの圧電素子に前記各実施例と同様にＶ，Ｖ
，Ｖ，Ｖの駆動電圧を与えることにより、図３
（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示したように、駆動歯車２
３の撓み方向が変化し、被駆動歯車２４ならびに被駆動
筒２２が回転駆動される。

【００３０】図７に示す第３実施例では、積層型圧電素
子１７の変形量が駆動てこ３２により拡大されるため、
図３ならびに図４に示す駆動軸１５の中心の撓み量δを
大きくできる。したがって駆動歯車２３の歯数Ｚ１と被
駆動歯車２４の歯数Ｚ２をある値に設定し、減速比を所
定に設定した場合、図７の実施例では図１の実施例より
もピッチ円２４ｐの直径を大きくできる。すなわちピッ
チ円の直径を大きくしても、駆動軸１５の撓み量δが大
きいために、駆動歯車２３を被駆動歯車２４に確実に噛
み合わせることができることになる。このようにピッチ
円の直径を大きくできることにより、駆動歯車２３と被
駆動歯車２４のモジュールを共に大きくできる。よって
歯が大きく互いにスリップを生じない歯車を使用でき
る。

【００３１】図８から図１０までは本発明の第４実施例
による圧電モータを示している。この圧電モータでは、
両側の固定板に軸支持部材３５と３６が固定されている
が、駆動軸１５は、一方の軸支持部材３５にのみ支持さ
れている。すなわち軸支持部材３５には円錐状の支持突
起３５ａが形成され、駆動軸１５の図示右端面には支持
突起３５ａに突き当てられる円錐状の凹部１５ｃが形成
されている。また駆動軸１５の図示左の自由端１５ｄ
は、軸支持部材３６に保持されたゴムなどの弾性体３７
に挿入され、自由端１５ｄは各方向へ自由に変位できる
ようになっている。また駆動軸１５の図示右側にはフラ
ンジ１５ｅが形成され、このフランジ１５ｅに対し右側
から４つの積層型圧電素子１７が当接している。図９は
図８のＩＸ矢視図であるが、各圧電素子１７は駆動軸１
５の静止中心Ｏ１の回りに９０度の角度にて配置されて
いる。

【００３２】さらに駆動軸１５には駆動歯車２３が設け
られ、また各軸支持部材３５と３６の外周にはベアリン
グ２１を介して被駆動筒２２が回転自在に支持され、こ
の被駆動筒２２の内面に被駆動歯車２４が固定されてい
る。駆動歯車２３の歯数Ｚ１と被駆動歯車２４の歯数Ｚ
２は、前記各実施例と同様にＺ１＜Ｚ２である。

【００３３】この第４実施例では、図９に示すように４
個設けられた積層型圧電素子１７のそれぞれ，，
，に対し前記Ｖ，Ｖ，Ｖ，Ｖと同じ位相の
電圧が印加される。この圧電素子１７への印加電圧によ
り、駆動軸１５は支持突起３５ａと凹部１５ｃとの突き
当て部を支点として、図１０の模式図に示すような首振
り運動を行う。これは駆動軸１５の撓みによるものでは
なく、前記突き当て部を支点とし、弾性体３７の変形に
よる首振り運動によるものである。

【００３４】また、突き当て部からフランジ１５ｅの右
面（圧電素子１７の駆動力Ｆの作用点）までの距離Ｌ１
と、突き当て部から駆動歯車２３までの距離Ｌ２との比
により、圧電素子１７の変位量が拡大されて、駆動歯車
２３は大きな変位量δ１（図１０参照）にて変位する。
また変位したときの駆動歯車２３の中心Ｏ２は、静止中
心Ｏ１の回りを回転するようになる。よって図３（Ａ）
（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）に示したように、駆動歯車２３と被
駆動歯車２４との噛み合い点がＯ１を中心として時計方
向へ回転し、被駆動歯車２４が回転駆動され、これと共
に被駆動筒２２が回転駆動される。

【００３５】上記実施例では、Ｌ１とＬ２の比により圧
電素子１７の変形量が拡大されて駆動歯車２３の変位と
なる。よって駆動歯車２３の中心の変位量δ１を大きく
できる。そのため、図７の実施例において説明したよう
に、歯車のモジュールを大きくでき、駆動歯車２３の歯
と被駆動歯車２４の歯の噛み合い時のスリップが生じに
くくなる。

【００３６】また駆動軸１５を撓ませているのではない
ため、圧電素子１７による駆動力も小さくてよく、よっ
て前記Ｖ，Ｖ，Ｖ，Ｖで示す駆動電圧の最大電
圧Ｖ0を小さくでき、小電力駆動が可能になる。

【００３７】また図８の実施例において、駆動軸１５の
図示右端を支持する構造は、図示に示すような支持球１
６によるものであってもよい。この支持球１６による４
方向からの支持は単純支持であるため、圧電素子により
首振り運動が可能である。

【００３８】さらに図８において駆動軸１５の右端を軸
支持部材３５に完全に固定し、圧電素子１７により駆動
軸１５を撓み変形させてもよい。この場合には図示左側
の弾性体３７は不要である。

【００３９】さらに前記各実施例ではいずれも、駆動軸
の周囲に圧電素子を９０度の角度にて４個配置している
が、この配置数は１２０度の角度にて３個、６０度の角
度にて６個などであってもよい。

【００４０】また上記各実施例では、駆動素子として圧
電材料素子を使用したが、超磁歪材料素子、形状記憶合
金素子などを使用することも可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述した本発明によれば、圧電素子
などの駆動素子の変位を回転力として確実に取出すこと
ができる。また動力は駆動軸の回りに設けられた被駆動
筒から取出しているため、被駆動筒の外周に伝達歯車を
設け、動力を側方に取出すなど、動力伝達経路の自由度
を高めることができる。また内側に駆動軸が外側に被駆
動筒が位置する二重構造であるため、軸方向の長さを小
さくでき小型の圧電モータを構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例による圧電モータを示す断面図、

【図２】図１に示す圧電モータの構造の一部を示す分解
斜視図、

【図３】（Ａ）から（Ｄ）は、駆動歯車と被駆動歯車の
噛み合いをピッチ円にて示した説明図、

【図４】第１実施例における駆動軸の撓み状態を示す説
明図、

【図５】第２実施例による圧電モータの駆動軸と圧電素
子との取り付け状態を示す側面図、

【図６】図５の実施例における駆動軸のＶＩ−ＶＩの拡
大断面図、

【図７】第３実施例による圧電モータの断面図、

【図８】第４実施例による圧電モータの断面図、

【図９】図８の駆動軸を示すＩＸ矢視の端面図、

【図１０】図８の実施例の動作説明図、

【図１１】従来の圧電モータの構成を示す斜視図。

【符号の説明】

１２固定板１３軸支持部材、１５駆動軸１７，３１圧電素子２１ベアリング２２被駆動筒２３駆動歯車２４被駆動歯車Ｏ１静止中心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大西一正東京都大田区雪谷大塚町１番７号アルプス電気株式会社内 (72)発明者林巖東京都町田市鶴間440−11 (72)発明者岩附信行神奈川県横浜市緑区長津田３−24−34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸の両端を支持する軸支持部材と、順次
位相の変化する電圧が与えられることにより前記軸をそ
の静止中心の回りを回転する方向へ撓ませる複数の駆動
素子と、前記軸の回りに回転自在に支持された被駆動筒
と、前記軸と被駆動筒の内面との間に設けられ軸の前記
撓みを被駆動筒の回転に変換する動力伝達部とが設けら
れていることを特徴とする圧電モータ。
【請求項２】軸の一端を単純支持する軸支持部材と、
順次位相の変化する電圧が与えられることにより前記軸
をその支持部を支点として首振り運動させる複数の駆動
素子と、前記軸の回りに回転自在に支持された被駆動筒
と、前記軸と被駆動筒の内面との間に設けられ軸の前記
首振りを被駆動筒の回転に変換する動力伝達部とが設け
られていることを特徴とする圧電モータ。
【請求項３】支持点から駆動素子が駆動力を与える位
置までの距離と、支持点から動力伝達部までの距離との
間に駆動変位量の拡大比が設けられている請求項２記載
の圧電モータ。
【請求項４】動力伝達部は、軸に設けられ外周に歯を
有する駆動歯車と、被駆動筒の内面に固定され且つ前記
駆動歯車の歯数よりも多い歯が内周に形成された被駆動
歯車とから成る請求項１または２記載の圧電モータ。