JPS5921673B2 - 圧電駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電歪効果を利用した圧電駆動装置に関するも
のである。

電歪効果を利用した従来の圧電駆動装置の長手方向にお
ける側面を示す第１図にしたがってその動作を説明する
。

この圧電駆動装置は、圧電素子１およびこれを挾持する
一対の電磁石２および３を有し、全体は強磁性体からな
る基体４上にセットされる。

そして圧電素子１および電磁石２，３にはそれぞれリー
ド線５，６および７を介して電流が供給される。

リード線６に通電し、リード線５，７が非通電の状態を
出発点とする。

このとき電磁石２のみが励磁されて基体４に吸着した状
態にある。

ここでリード線５に通電して圧電素子１に電歪効果によ
る微小の伸びを発生させたのちリード線６を非通電に、
ついでリード線７を介して電磁石３に通電してこれを基
体４に吸着させ、さらにリード線５を非通電とすると、
圧電素子１の伸びはゼロとなって電磁石２は第１図の右
方に圧電素子１の伸縮量と同じ距離だけ移動することに
なり、つぎにリード線７を非通電に、リード線６を通電
にすることによって出発点の状態に戻る。

このサイクルを繰り返すことによって、全体は基体４０
表面上をステップ移動することができ、通電の順序を変
えれば移動方向の逆転も可能である。

しかしながら従来の装置は２つの電磁石を必要としてい
るために、適用し得る範囲が制限され、また速度も遅い
という欠点を有する。

この発明は、電磁石を使用せず、圧電素子だけで駆動力
を発生させることが可能であり、したがって適用範囲が
広く、しかも移動速度の向上とコストの低減とを達成し
得る圧電駆動装置を提供することを目的としている。

第２図はこの発明の一実施例による圧電駆動装置の基本
部材の一例を示している。

第２図において符号１１は圧電磁器からなる細長い板状
の圧電素子を示し、その表面には単一の電極１２が、ま
た裏面には絶縁区分帯１３によって相互に絶縁された一
対の電極１４ａおよび１４ｂが、たとえば導電銀塗料の
焼付けその他の手段で設けられている。

このような基本部材について、短辺方向をＸ方向、長辺
方向をＹ方向、厚さ方向を２方向とする。

この基体部材は、第３図に示すように、各電極１２およ
び１４ ａ ７１４ ｂが対応するものと対面するよう
な配置で任意の数だけ組み合わせて構成することもでき
、この場合には、より低い印加電圧で同一の動作を得る
ことが可能である。

この発明の圧電駆動装置の動作を２枚の基本部材を組合
せた場合について説明する。

この装置の外観は第４図に、そのＹ方向からみた側面は
第５図にそれぞれ示すとおりであり、分極の方向は第５
図に矢印で示す。

各電極１２，１２間に第１の電源Ｅ１が、また電極１４
ａ、１４ｂ間に第２の電源Ｅ２がそれぞれ接続され、４
つの領域０１〜Ｃ４が形成されている。

その電気的等価回路を第６図に示す。

電源Ｅ１およびＥ２は相互に約９０゜の位相差を有する
正弦波交流電源であり、各々の電圧なｅｌおよびＣ２と
する。

２枚の基本部材は、そのＹ方向における一端で基体（図
示せず）に固定されることによって、他端を自由端とす
る駆動腕を構成する。

いま電源Ｅ１から電圧ｅ１のみが印加されたとすると、
領域ＣＩ、Ｃ４と領域Ｃ２，Ｃ３とは分極方向が相互に
逆であるため、電圧ｅ１の印加に対して相互に逆の歪が
電歪効果によって発生する（ただしこの発明で問題とす
る歪は横効果による面積方向の歪である）。

すなわち領域ＣＩ、Ｃ４が伸びの歪となるとき領域Ｃ２
、Ｃ３は圧縮歪を発生し、この結果として、駆動腕は厚
さ方向（Ｚ方向）の曲げ振動を発生する。

つぎに電圧ｅ２のみが印加されると、領域ＣＩ、Ｃ２の
分極方向に対して電界方向が一致するときは領域Ｃ３，
Ｃ４の分極方向と電界方向とが逆になることから、発生
する歪は常に領域ＣＩ、Ｃ２およびＣ３，Ｃ４間におい
て逆向きとなり、横方向（Ｘ方向）の曲げ振動が発生す
る。

したがって電圧ｅ１および０２間に適当な位相差を与え
ておくと、駆動腕の自由端は楕円を画いて振動する。

また位相差を逆にすれば振動の回転方向は逆転する。

この発明の特徴は、この環状振動を利用して物体を駆動
するという原理にもとづいている。

第７図は、単一の駆動腕による最も単純な駆動装置の構
成（結線は省略した）を示している。

符号２１で示す駆動腕は、たとえば第４図に示す構造を
有するもので、各電極は第５図と同様に一対の電源（図
示せず）に接続されている。

この駆動腕２１は、Ｌ字形の基体２２にその一端で固定
され、その自由端と基体２２との間に形成された間隙Ｇ
内にレール２３が挿入される。

なお基体２２とレール２３との接触による摩擦係数は、
駆動腕２１とレール２３との間の摩擦係数よりも小さい
ものとする。

このような構成の駆動装置においては、前述の原理にも
とづいて駆動腕２１に環状振動を発生させた場合、レー
ル２３に対してその長さ方向における相対的な駆動力が
発生し、この両者間に相対的な移動が起り、一方を固定
しておけば、これに対して他方を移動させることができ
る。

駆動に必要な電圧ｅ１およびＣ２の波形は正弦波に限ら
ず、たとえば矩形板であっても、角形の環を画くような
振動モードになるが、正弦波の場合と大差のない駆動作
用が得られる。

また電圧ｅｌ、ｅ２は、連続交流ではなくて、相互に適
当な位相差もしくは時間差で供給される一対のパルス電
圧であってもよく、この場合には一対のパルス当り１ピ
ツチの駆動がおこなわれる。

あるいは領域Ｃ１およびＣ３もしくは領域Ｃ２およびＣ
４のいずれかの電極を短絡し、残った電極に対して、一
つの振動方向（たとえば２方向）における共振周波数も
しくはこれに近い周波数の電圧を印加して共振させるこ
とにより、単一の電源のみで環状振動させることもでき
る。

２電源の場合でも、振動方向の一方における共振点に近
い周波数を用いる場合、両者の位相差は最も能率の高い
値に選ぶことが望ましい。

被駆動体は、駆動腕に対して滑らかに移動し得るもので
あればよく、たとえば中心点で回転可能に支持した円板
を用い、駆動腕を固定してこの円板を回転させるような
形態を採ることもできる。

第８図は、レール３１に治って走行する駆動装置の構成
例を示す。

この例では、それぞれ圧電磁看板に所定の電極とスリン
）Ｇを設けることによって一対の駆動腕３２ ａ 、３
２ ｂおよび３３ａ。

３３ｂを形成した一対の板体３２および３３が平行に配
置され、各々の一端がスペーサ３４で相互に連結される
。

第９図に各駆動腕の配置および電気結線を、また第１０
図に各圧電磁器板の一面（貼合わせ面）の電極パターン
を示す。

このような構成の駆動装置では、各駆動腕３２ａ、３２
ｂ。

３３ａおよび３３ｂは、電圧ｅ１によるＺ方向の振動の
振幅と、電圧ｅ２によるＸ方向の振動の振幅とが等しく
、かつ９０°の位相差を有すると仮定した場合、第１１
図に示すような振動形態をとる。

すなわち相対向する駆動腕３２ａおよび３２ｂ、ならび
に３３ａおよび３３ｂは相互に逆の方向に回転運動をお
こない、そして同一方向に回転する駆動腕３２ａおよび
３３ａ、ならびに３２ｂおよび３３ｂについて１８０°
の位相差が存在する。

ある時点における各駆動腕３２ａ。３２ ｂ ｔ ３３
ａおよび３３ｂの位置を第１１図に黒点で示す。

この時点では、駆動腕３２ａおよび３２ｂがレール３１
を挾みつけてこれを矢印方向に押し出すように働き、他
方の駆動腕３３ａおよび３３ｂはレール３１から離れた
位置でその移動方向とは反対の方向に移動している。

この動作を交互に繰り返すことにより、駆動装置はレー
ル３１に沿って走行する。

なお各板体３２および３３について、圧電磁器板に設け
られる電極パターンは表裏逆によしてもよく、また各駆
動腕３２ａ、３２ｂ、３３ａおよび３３ｂの形状は、自
由端に向って細くなるようにした方が、動作効率の向上
と共振周波数の上昇とによる発生エネルギーの増大が得
られる点で好ましい。

さらに基本部材として、第１２図に示すように、第４図
に示したものと同一の構造を有する板体をＹ方向に関し
て３つの領域ａ、ｂおよびＣに分割し、これらの領域を
隣接するものとは異った分極方向（第１２図中に矢印で
示す）に分極したものを使用することもできる。

この場合には、第５図に示したような結線で電源Ｅ１お
よびＥ２からたとえば正の直流電圧を印加したとき、板
体は第１３図ａ、ｂに示すような変形（実際よりも拡大
して示しである）を起すことは明らかであろう。

したがってこの板体の両端を固定し、位相差を持つ交流
電圧ｅ１およびｅ２を印加すれば、この板体は中央部で
楕円を画て振動する。

第１２図に示したような板体は、たとえば第１４図に示
すように、両端でスペーサ３４および３５によって連結
された状態で向き合うように一対で使用され、各板体３
２，３３の中央部にレール３１が挿通される。

この駆動装置は第８図に示したものと同等であるので、
共通部分には同一の符号をつげ、その説明を省略する。

この場合には、同じ寸法でも共振周波数が高くなること
から高周波駆動が可能になること、およびレール３１に
対して全体の重量バランスがよくなることなどの利点が
得られる。

またこのような振動形態を有する板体は、分極方向によ
って複数の領域に分割する代わりに、電極の区分で湾曲
方向の逆転をおこなわせるような、電極パターンの変更
によっても得ることができる。

以上に説明したようにこの発明によれば、電磁石を使用
することな（、必要な駆動力を得ることができるので、
従来の圧電駆動装置と比較して、重量の低減、小形化お
よびコストの削減が達成される。

実験の結果によれば、第８図に示したような構成におい
て、１０ｃｍ／ ｓｅｃもしくはそれ以上の移動速度が
得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧電駆動装置の斜視図、第２図はこの発
明の圧電駆動装置に適用される基本部材の斜視図、第３
図は３枚の基本部材を組合わせた板体の構成および結線
を示す側面図、第４図は２枚の基本部材を組合わせた板
体の斜視図、第５図はその結線を含む側面図、第６図は
その等価回路図、第７図は第４図の板体を用いて構成し
たこの発明にもとづく圧電駆動装置を示す斜視図、第８
図は他の実施例を示す斜視図、第９図はその結線を含む
側面図、第１０図は使用された圧電磁器板の一つを示す
斜視図、第１１図はその動作説明図、第１２図は他の板
体な示す斜視図、第１３図ａ。 ｂはその動作説明図、第１４図はさらに他の実施例を示
す斜視図である。 １１・・・・・・圧電素子、１２・・・・・・電極、１
３・・・・・・絶縁区分帯、１４ａｔ１４ｂ・・・・・
・電極、２１・・・・・・駆動腕、２２・・・・・・基
体、２３・・・・・・レール、Ｇ・・・・・・間隙、３
１・・・・・・レール、３２ａｔ ３２ｂ 、３３ａ。 ３３ｂ・・・・・・駆動腕、３４，３５・・・・・・ス
ペーサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面に第１の電極を設は裏面の長手方向に沿って絶
   縁区分帯で相互に絶縁された一対の第２の電極を設けた
   圧電特性を有する細長い板体の２枚を分極方向が逆にな
   るように、かつ、前記第２の電極が向き合うように貼合
   せて構成した駆動腕と、長手方向の一端を固定した前記
   駆動腕の自由端に接触させる移動方向に均一な断面を有
   する物体と、前記第１の電極相互間および前記第２の電
   極相互間に前記駆動腕の自由端に環状の振動を生じさせ
   るために相互に位相差を有する交流電圧を印加する電源
   と、よりなる圧電駆動装置。 ２ 表面に第１の電極を設は裏面の長手方向に沿って絶
   縁区分帯で相互に絶縁された一対の第２の電極を設け、
   長手方向に隣接する領域との間で分極方向を異にする３
   領域を形成した圧電特性を有する細長い板体の２枚を対
   向する相互間で分極方向が逆になるように、かつ、前記
   第２の電極が向き合うように貼合せて構成した駆動腕と
   、長手方向の両端を固定した前記駆動腕の中央部に接触
   させる移動方向に均一な断面を有する物体と、前記第１
   の電極相互間および前記第２の電極相互間に前記駆動腕
   の中央部に環状の振動を生じさせるために相互に位相差
   を有する交流電圧を印加する電源と、よりなる圧電駆動
   装置。