JPS62277079A - 圧電駆動装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔技術分野〕 この発明は、圧電素子を用いた往復動型または回転型等
の圧電駆動装置に関するものである。

〔背景技術〕

従来、圧電素子を用いた超音波モータとして、特公昭５
９−０３７６７２号公報に示されるものがある。

これは、圧電素子を振動体に貼りつけて縦振動を発生さ
せ、振動体の先端部に傾きを持った駆動片を形成し、そ
の先端部が前記縦振動によって楕円連動を行い、円板と
接触することにより、摩擦力により円板を回転させるも
のである。

しかし、この従来構造であると、回転方向が駆動片の傾
き方向によって決まってしまい、また駆動片の先端部は
細く、摩擦のために摩耗も大きく、寿命的にも問題があ
る。

また、池の従来例として、特開昭５８−１４８６８２号
公報に示されるものがある。この例は、圧電素子の全体
振動を振動体に伝え、一方の波形をもう一方の波形と９
０°位相をずらせて振動させることにより、１駆動体表
面に進行波を発生させ、その上にロータを接触させるこ
とにより、摩擦でロータを回転させるものである。

この例によると、逆転も可能であるが、常に振動子全体
にエネルギを与える必要があり、しかも圧１１素子の振
動体に貼着された面と反対側の面の振動は吸収してやる
必要がある。このためエネルギロスが大きく、効率向上
に難がある。また、リニアモータの形成には進行波を循
環させる方策を取らなければ、エネルギロスが大きすぎ
て問題に成らず、その循環方法も極めて難しい。

〔発明の目的〕

この発明は、低消費電力で効率良く機械的駆動力を得る
ことができ、かつ接触点が多点化されて摩耗が削減され
、また安定駆動が可能な圧電駆動装置を促供することを
目的とする。

〔発明の開示］ この発明の圧電駆動装置は、弾性を有する材料にて口字
状または口字状に形成され、かつ一対の対向辺の断面形
伏が各々ほぼ方形である振動体を少な（とも１個備え、
さらに前記１駆動体は前記各対向辺の少な（とも隣合う
２面に圧電素子部を有してなり、この圧電素子部に所定
の高周波電圧が印加されて前記対向辺が屈曲振動により
共振する振動子と、 前記各対向辺の隣合う圧電素子部に位相差を持たせて高
周波電圧を印加するｉｌｉ源装置と、前記振動子の対向
辺の各１面に接触される接触部材とを備え、 前記振動子の対向辺の最大振幅点が円または楕円連動を
することにより、前記接触部材または振動子のいずれか
が駆動されるものである。

前記圧電素子部は、前記振動体に圧電素子を貼着して形
成したものであっても、また前記振動体を圧電材料にて
形成して、この圧電材料に直接に電極を形成したもので
あってもよい。

この発明の構成によると、各振動体の各対向辺の隣合う
２面に設けた圧電素子部に位相差を持たせた高周波電圧
を印加するので、各対向辺は最大振幅点が円または楕円
連動をする。この対向辺の１面に接触部材が接触するの
で、この接触部材または振動子のいずれかが駆動され、
機械的駆動力が得られる。

この場合に、各振動体は口字状または口字状としである
ので、その両射向辺が互いに共振し、大きな振幅が得ら
れる。そのため、電気的エネルギを効率良く機械的駆動
力に変換できる。また、振動体の共振は、２本の対向辺
が連続した基端部において非振動状態となるように行わ
れるので、基端部を支持部とすることにより、支持によ
って撮動を妨げることがなく、このことからも高効率が
得られる。また、このように振動体に振動しない箇所が
あることから、撮動子と接触部材のいずれを固定側とし
ても可動側としても用いることができる。さらに、振動
体は２本の対向辺を有し、この部分で接触部材に接する
ので、接触点が多点化される。そのため、摩耗が軽減さ
れ、かつ安定した駆動が可能となる。

実施例 この発明の第１の実施例を第１図ないし第６ＦｇＪに基
づいて説明する。この圧電駆動装置は、リニアモータに
通用した例であり、金属弾性材料にてコ字状に形成され
しかも一対の対向辺３の断面形状が各々方形である１（
ＩＩの振動体２からなり、この振動体２は前記各対向辺
３の隣合う２面に圧電素子を貼着して圧電素子部４が形
成され、この圧？Ｉｉｉ子部４に所定の高周波電圧が印
加されると対向辺３が屈曲振動により共振する振動子ｌ
と、各対向辺３の隣合う圧１！素子部４に位相差を持た
せて高周波電圧を印加する電源装置５と、振動子１の対
向辺３の各１面に接触せしめられる接触部材６とを備え
、撮動子１の対向辺３の最大振幅点が円または楕円連動
をすることにより、接触部材６または振動子ｌのいずれ
かが駆動されるものである。

振動体２はエリンバ等の恒弾性体を用いているが、精度
や大振幅が不要のときは、一般の鋼材を用いても良く、
またその他の金属やセラミック等を用いることもできる
。振動体２の各対向辺３の断面形状は方形であるが、各
角部に面取りを施して８角形状の断面形状としてもよく
、また面取りの代りに角部を丸めてもよい。要は、対向
辺３は互いに直角に隣合う４面を有する断面形状であれ
ばよい、振動体２の基端部２ａは、固定しても振動に影
響を与えない長さをとり、第２［！ｌのように基台７に
固定しである。基台７に対し、接触部材６は相対的に第
１図の矢印Ｐ方向へ進退移動自在にガイド手段（図示せ
ず）で支持しである。接触部材６は、対向辺３の圧電素
子部４が貼着されていない各１面における先端部である
Ｘ点およびＹ点（第４図（Ｂ））に接するように配置し
である。

なお、必ずしも先端部に接するようにしなくてもよい、
また、接触部材６は、対向辺３の圧電素子部４が貼着さ
れた１面における圧′Ｎ素子部４の貼着されていない部
分に接触するようにしてもよい。

さらに、振動子１は、振動体２の一対の対向辺３の３面
または４面に圧電素子部４を貼若し、対向辺３の圧電素
子部４が貼着されていない１面、または圧電素子部４が
貼着された１面における圧電素子部４の貼着されていな
い部分に接触部材６が接するようにしてもよい、これら
の例において、対向１２２３の圧１１！素子部４が貼着
された面に、絶縁部材を介して接触部材６が接するよう
にしてもよい。

′Ｗｉ源装置５は、＠６図に示すように高周波電源８と
９０°位相器９とを有し、各圧電素子部４（４１〜４４
）に同図のように電圧を印加する。

同図の＋、−の符号は分極方向を示す。

動作 振動体２０２本の対向辺３の各圧電素子部４１〜４４に
、第６図の電源装置５で高周波電圧を印加して励振する
と、各対向辺３はそれぞれの圧電素子部４１〜４４の励
振に従って縦および横方向に振動する。このとき圧Ｔｉ
素子部４２．４４には圧電素子部４１．４３よりも９０
’位相を遅らせた電圧を印加すると、振動子１の対向辺
３の先端部のＸ点、Ｙ点は、第５図の様な円または楕円
軌道を描いて連動する。したがって、対向辺３の１面に
接触部材６が接触するように配置しであると、接触部材
６は矢印Ｐ方向に直線的に移動する。Ｘ点２　Ｙ点の楕
円軌道の偏平度は、対向辺３の曲げ方向による曲げ剛性
の違いや、各圧電素子部４１〜４．に印加する電圧の大
きさ１位相差等によりＩＡ整できる。

圧電素子部４２．４４に９０°進み位相の電圧を印加す
れば、第５図と反対回りの！ｌＬ道を描くことになり、
接触部材６は矢印Ｐと逆方向に移動する。

このように動作するが、各振動体２は口字状としである
ので、その両射向辺３が互いに共振し、大きな振蝙が得
られる。そのため、電気的エネルギを効率良く機械的駆
動力に変換できる。また、振動体２の共振は、２本の対
向辺３が連続した基端部２ａにおいて第３図（Ａ）のよ
うに非擾勤状態となるように行われるので、基端部２ａ
を支持部とすることにより、支持によって振動を妨げる
ことがなく、このことからも高効率が得られる。

また、このように振動体２に振動しない箇所があること
から、振動子１と接触部材６のいずれを固定（１１１と
しても可動側としても用いることができる。

さらに、振動体２は２本の対向辺３を存し、この部分で
接触部材６に接するので、接触点が多点化される。その
ため、摩耗が軽減され、かつ安定した駆動が可能となる
。

この実施例では、対向辺３を第３図（Ａ）のように１次
モードで１辰動させる場合につき説明したが、第３図（
Ｂ）、　　（Ｃ）に示すように、２次モードや３次モー
ド等、高次モードで振動させると、対向辺３の接触部材
６に対する接触点をより一層多くできる。これにより、
接触点における摩耗をより一層少なくし、かつ動作の安
定を図ることができる。１次モードは、対向辺３の長手
方向につき、１枚の圧電素子部４を貼り付けた場合に発
生する。２次モードは、この１枚の圧電素子部４を長平
方向に２分割し、分極方向を反対にして貼付けたときに
発生する。３次モードは、１枚の圧電素子部４を長手方
向に３分割し、中央の分割圧電素子と両側の分割圧電素
子の分極方向を反対として貼り付け、各分割圧電素子の
同一面側の電極を共通として同一の電圧を印加したとき
に発生する振幅モードを示す。

第７図は、１個の口字状の振動体２からなる振動子ｌを
用いて回転モータとした実施例を示す。

接触部材１６は円板状に形成し、その軸１８を軸受１９
で基台１７に回転自在に支持しである。撮動子１は、基
端部２ａで基台１７の立片部分に固定しである。（辰勤
子１の２本の対向辺３は接触部材１６と平行に配置し、
その先端部が接触部材１６の外周縁に位置するようにす
る。対向辺３の先端には摩擦片２０をつけ、２本の振動
子３が同方向に円連動するように振動させ、接触部材１
６が回転するようにしである。その他は第１の実施例と
同様である。

第８図および第９図は、２個の口字状の振動体２を間隔
を開けて重合的に配置し、上下の（駆動体２の間に接触
部材６′を配置したものである。上下の振動体２は互い
に基端部２ａでスペーサ（図示せず）を介して市ね合わ
せである。なお、スペーサを用いずに基台（図示せず）
に各振動体２を個別に取付けてもよい６両振動体２の対
向辺３の各点ｍ、ｎ、ｐ、ｑは、圧電素子部４により第
９図のように擾ｉＩＪさせられ、接触部材６′は上下両
面で各対向辺３に接して直ａ駆動される。この場合、２
個の振動体２で駆動するので、より一層大出力の駆動力
が得られ、かつ動作が安定する。その他は、第１の実施
例と同様である０両振動体２は、第１Ｏ図のように基端
部２ａ′で互いに一体化させ、１ｌｌｌｉｌの振動子１
′としてもよい。

第１１図は、２１１１ｉ１の口字状の振動体２を互いに
反対向きとして一体の１１形の撮動子ｌ″を構成した例
である。この振動子１″は、例えば１１３１２図のよう
に用いる。すなわち、（駆動子１＃の中心部に軸３１を
固定し、軸３１は基台３７に固定し、軸受３８の装着さ
れた円板状の接触部材３６を軸３１に嵌めて回転自在と
し、４本の対ｎ辺３の先端を接触部材３６の外周縁に配
置する。そして、各圧電子部４により、４本の対向辺３
の４端が同し方向に円連動するように撓ませることによ
り、接触部材３６が回転し、回転型のモータを構成する
。その他は第１の実施例とｒｌ様である。

第１３図ないし第１５図は、１個の口字状の振動体１０
２からなる振動体１０１を用いた実施例を示す、この例
では、１次モードの振動とした場合、対向辺１０３の中
央部の点が円または楕円連動じ、その平面部に接触部材
１０６を接触させると、中央部の円または楕円連動によ
り、接触部材１０６は移動することになる。接触部材１
０６は矢印Ｑ方向に直線的に進退自在に支持してリニア
モータとすることもでき、また接触部材１０６を回転自
在に支持して回転型モータとすることもできる。この例
の場合、１次モードでは第１５図（Ａ）のような振動と
なり、２次モードおよび３次モードではそれぞれ第１５
図（Ｂ）、　　（Ｃ）のような振動となる。１０７は、
基台である。圧電素子部４の分極方法は前述と同様であ
る。その他の構成効果は第１の実施例と同様である。

第１６図および第１７図は、口字状の振動体１０２を、
スペーサ１０５を介して２枚重合的に配置し、両振動体
１０２の間に接触部材１０６を矢印Ｑ方向に直線的に進
退自在に配置したものである。４本の対向辺１０３は第
９図の連動をするように圧電素子部４を取付ける。その
他は第１の実施例と同様である。

なお、第１の実施例および第１３図の実施例において、
第１８図に示すように、接触部材２０６を丸軸状として
一対の対向辺３（１０３）の間に位置させ、回転駆動す
ることもできる。また、第１９図または第２０図のよう
に、接触部材３０６を円筒状とし、２本の対向辺３（１
０３）を取り囲むように配置してもよい、第１９図の例
は接触部材３０６を対向辺３の互いの外側の面に接触さ
せ、第２０図の例は一対の対向辺３の互いに同一平面に
位置する面に接触させている。この場合も、接触部材３
　　（＋０３＞が回転連動を行う。

また、前記各実施例では、対向辺３．１０３の隣り合う
２面のみに圧Ｗｉ素子部４を貼り付けたが、３面に圧電
素子部４を貼付けても、また４面に貼付けてもよい。３
面に貼付けた場合は、残りの１面に接触部材６．６’、
１０６を接触させるようにすることが望ましい。４面に
貼付けた場合は、絶縁部材を介して対向辺３と接触部材
６．６’。

１０６とを接触させることが望ましい、絶縁部材は接触
部材６．６’、１０６側に設けても、対向辺３側に設け
てもよい。

第２１図ないし第２３図は、各々振動子４０１〜４０１
′を圧電材料で形成し、直接に圧電素子部４０４〜４０
４′を形成した実施例を示す。圧電材料としては、ＰＺ
Ｔ（ジルコンチタン酸鉛磁器）等の圧電セラミック、ま
たは圧電セラＣ７りとプラスチックとの複合圧電材料等
が用いられる。

第２１図の例は、振動子４０１を１個のコ字形振動体４
０２からなるものとし、方形断面形状の対向辺４０３の
隣り合う２面に、１次モードの縦効果を利用した圧電素
子部４０４を直接に形成したものである。各圧電素子部
４０４は、対向辺４０４の長平方向と垂ｉｉ！な複数本
の電極ａｌ、ｂ。

を前記長手方向に配列し、これら１本おきの電極ａｌ、
ｂ、どうしを接続部ａ２．ｂ２で接続して２組の電極組
ａ、ｂを形成する。すなわち、電極ａｌ、ｂ、を横方向
に交差指状に設ける。これら２　Ｍｉの電掘組ａ、ｂ間
に直ａ電圧を印加して、分極処理を施す０図の＋、−は
分極の極性を示す。

このように分極処理して、第６図の電源値ｖ１．５と同
様な電縣装置により高周波電圧を印加すれば、対向辺４
０３は圧？！圭子部４０４の主として圧電縦効果による
伸縮が生し、屈曲振動を行う、また、対向辺４０３の隣
合う２面の圧１！素子部４０４に位相差を持つ電圧を印
加すれば、対向辺４０３の先端は円または楕円連動を行
う、なお、各圧１！１素子部４０４の電極ａ１．ｂｌは
２本だけでもよい。

第２２図の例は、対向辺４０３′の隣り合う２面に、圧
電横効果を利用した圧電墨子部４０４′を形成したもの
である。この例では、電極ｃ、　　ｄは縦方向の交差指
状に設ける。すなわち、各圧電素子部４０４′は、対向
辺４０３′の長手方向に沿って２本または多数本の平行
な電極ｃ、ｄからなる交差指電極を形成する。この電Ｎ
７８ｃ、ｄ間に直流電圧を印加して分極処理を施す。図
の士、−は分極の極性を示す。このように分極処理して
電極ｃ、ｄ間に高周波電圧を印加すれば、対向辺４０３
′は圧電素子部４０４′の圧電横効果による伸縮を生じ
屈曲振動を行う、その他の構成作用は、第２１図の実施
例と同様である。

第２３図の例は、振動子４０１′が１個の口字状の振動
体４０２″の２次の屈曲モードを利用する実施例で、各
対向辺４０３＃の隣合う２面の各々に圧電横効果を利用
した圧電素子部４０４＃を２１１ｉづつ形成したもので
ある。すなわち、対向辺４０３″に長手方向中央部の両
側に位置して、長手方向に沿う電極ｅ、ｆを２本ずつ平
行に４本設け、平行な２本ずつを１組としてこの２本の
間に直流電圧を印加して分極処理する。このとき、１組
目の電極ｅ、ｒと２組目の電極ｅ、ｆとは極性を反対に
して分極し、同相の高周波電圧を印加するかまたは、分
極を同一方向とし反対の極性の高周波電圧を印加する。

これら第２１図ないし第２３図の振動子４０１〜４０１
′を用いて前記各実施例と同様に接触部材６，３６等と
組合せることにより、往復動型または回転型等の圧電駆
動装置が構成される。

なお、これら第２１図ないし第２３図の例と同様に、第
１Ｏ図、第１１図、第１６図の例のように振動子が複数
個の振動体からなるものにおいても、振動子を圧電材料
で形成してｊ！接に１！極を形成することもできる。

また、貼付けの場合と同様に、対向辺４０３〜４０３′
の３面または４面に圧’ｉｉｉ素子部４０４〜４０４′
を設けることもでき、さらに高次モードで対向辺４０３
〜４０３″を振動させるように構成することもできる。

このように、振動子４０１〜４０１′に圧電セラミック
等の圧電材料を用いて振動子４０１〜４０１＃に圧電素
子部４０４〜４０４’を直接に形成することにより、圧
電素子の貼着が省略でき、接着層がないことから性能の
安定が図れる。また、形状的にも複Ｍなものが可能とな
り、コスト面および性能面で有利な圧電駆動装置が構成
できる。

〔発明の効果〕

この発明の圧ｔ４駆動装置は、各振動体を口字状または
口字状としであるので、その両灯向辺が互いに共振し、
大きな振幅が得られる。そのため、電気的エネルギを効
率良く機械的駆動力に変換できる。また、振動体の共振
は、２本の対向辺が連続した基端部において非振動状態
となるように行ねれるので、基端部を支持部とすること
により、支持によって振動を妨げることがなく、このこ
とからも高効率が得られる。また、このように振動体に
撮動しない箇所があることから、振動子と接触部材のい
ずれを固定側としても可動側としても用いることができ
る。さらに、振動体は２本の対向辺を存し、この部分で
接触部材に接するので、接触点が多点化される。そのた
め、摩耗が軽減され、かつ安定した駆動が可能となると
いう効果がある。

４、　　［！！Ｊ面の簡単な説明 第１″ＩＡはこの発明の一実施例の斜視図、第２図はそ
の破断側面図、第３図は同じくその撮動モードの説明図
、第４図（Ａ）は同じくその振動子の平面図、第４図（
Ｂ）は同しくその正面図、第５図は同じくその動作説明
図、第６図は同じくその電源装置のブロック図、第７図
（Ａ）、　　（Ｂ）はそれぞれ他の実施例の平面図およ
び破１ｆｉ側面図、第８図（Ａ）はさらに他の実施例の
平面図、第８図（Ｂ）はその正面図、第９図は同じくそ
の動作説明図、第１０図はさらに他の実施例の撮動子の
斜視図、第１１図はさらに他の実施例の振動子の斜視図
、第１２図（Ａ）、　　（Ｂ）はそれぞれその全体の破
断平面図および縦断側面図、第１３図はさらに他の実施
例の斜視図、第１４図はその破断側面図、第１５図は同
じくその振動モードの説明図、第１６図はさらに他の実
施例の撮動子の斜視図、第１７図はその全体の斜視図、
第１８図はさらに他の実施例の原理説明図、第１９図は
さらに他の実施例の原理説明図、ｖＪ２０図はさらに他
の実施例の原理説明図、第２１図ないし第２３回はそれ
ぞれ互いに異なるさらに他の実施例における振動子の斜
視図である。

１、ｌ’、ｌ’、１０１．４０１〜４０１＃・・・振動
子、２．１０２，４０２，４０２’、４０２’・・・振
動体、３，１０３，３０３．３０３’、３０３　″・・
・対向辺、４．４１〜４４，４０４，４０４’。

４０４＃・・・圧電素子部、６．６’、１６．１０６゜
２０６．３０６・・・接触部材 ２ａ　　　２振初任　　第１図 第２図 第３図 （Ａ）　　　　　　　　　　（Ｂ） 第４図 第５図 第６図 １７２　　　　１６　　　　　　　　　　　（Ｂ）（Ａ
） 第７図 第１０　　図 （Ａ）　　　　　　　　　　（８） 第８図 第９図 第１２図 第１３図 第１４図 第１５図 第１６図 第１７図 第１８図 弔ｌＵ凶 第２３図 手続ネ甫正書　（叶わ 昭和６１年１０月３１日 珈６１年特許願第２２７５０２号 ２、発明の名称 圧電駆動装置 ３、補正をする者 ４、代理人 ５、補正命令の日付 自発補正 （１１明細書第６頁第１２行目、「よい。」とあるつぎ
に「なお、圧電材料に直接に電極を形成して圧電素子部
を形成した場合は、圧電素子を貼付けるものと異なり、
貼付は誤差等による特性のばらつきがなく、かつ工数が
削減されて生産性が向上する。」と加入する。

（２）明細書第２１頁第１０行目、「ある。」とあるつ
ぎに「なお、圧電材料に直接に電極を形成して圧電素子
部を形成した場合は、圧電素子を貼付けるものと異なり
、貼付は誤差等による特性のばらつきがなく、かつ工数
が削減されて生産性が向上する。」と加入する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）弾性を有する材料にてコ字状またはロ字状に形成さ
   れ、かつ一対の対向辺の断面形状が各々ほぼ方形である
   振動体を少なくとも１個備え、さらに前記振動体は前記
   各対向辺の少なくとも隣合う２面に圧電素子部を有して
   なり、この圧電素子部に所定の高周波電圧が印加されて
   前記対向辺が屈曲振動により共振する振動子と、 前記各対向辺の隣合う圧電素子部に位相差を持たせて高
   周波電圧を印加する電源装置と、 前記振動子の対向辺の各１面に接触される接触部材とを
   備え、 前記振動子の対向辺の最大振幅点が円または楕円連動を
   することにより、前記接触部材または振動子のいずれか
   が駆動される圧電駆動装置。（２）前記圧電素子部は、
   前記振動体に圧電素子を貼着して形成される特許請求の
   範囲第（１）頃記載の圧電駆動装置。 （３）前記振動体は圧電セラミックスで構成し、前記圧
   電素子部はこの圧電セラミックに駆動用電極を直接形成
   してなる特許請求の範囲第（１）項記載の圧電駆動装置
   。 （４）前記振動子は、１個の振動体からなる特許請求の
   範囲第（２）項または第（３）項記載の圧電駆動装置。 （５）前記振動子は、２個の振動体からなる特許請求の
   範囲第（２）項または第（３）項記載の圧電駆動装置。 （６）前記２個の振動体は、所定の間隔を介在させて重
   合的に配設され、前記接触部材が前記振動体の２対の対
   向辺に接触される特許請求の範囲第（５）項記載の圧電
   駆動装置。 （７）前記２個の振動体は、個々の振動体がコ字状をな
   すものであってＨ型に配設され、前記接触部材が前記振
   動体の２対の対向辺に接触されている特許請求の範囲第
   （５）項記載の圧電駆動装置。（８）前記接触部材は、
   平板状に形成され、前記接触部材または前記振動子のい
   ずれかが直線的に駆動される特許請求の範囲第（２）項
   または第（３）項記載の圧電駆動装置。 （９）前記接触部材は、円板状に形成され、前記接触部
   材または前記振動子のいずれかが回転的に駆動される特
   許請求の範囲第（２）項または第（３）項記載の圧電駆
   動装置。 （１０）前記接触部材は、前記一対の対向辺の間にこの
   対向辺と平行に延びる丸軸状に形成され、前記接触部材
   または前記振動子のいずれかが回転的に駆動される特許
   請求の範囲第（４）項記載の圧電駆動装置。 （１１）前記接触部材は、円筒状に形成され、前記接触
   部材または前記振動子のいずれかが回転的に駆動される
   特許請求の範囲第（２）項または第（３）項記載の圧電
   駆動装置。