JPS63294280A

JPS63294280A - 圧電駆動装置

Info

Publication number: JPS63294280A
Application number: JP62130315A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shimizu; 洋清水; Takashi Takada; 高田　孝; Masateru Ishibashi; 誠輝石橋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1987-05-25
Filing date: 1987-05-25
Publication date: 1988-11-30
Also published as: JPH0458272B2

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】〔技術分野〕この発明は、圧電素子を用いた回転型の圧電駆動装置に
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号公報に示されたものがある。

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運動を行い、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、摩擦の為に摩耗も大きく、寿命的にも問題がある
。

また、他の従来例として、特開昭５８４４８６８２号公
報に示されたものがある。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９０
°位相をずらせて振動させることにより、振動体表面に
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、常に振動体全体
にエネルギを与える必要があり、しかも圧電素子の振動
体に貼着された面と反対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。

このような問題点を解消したものとして、第７図に示す
ものを提案した（特願昭６１−２２７５０２号）。

これは、断面形状方形の一対の平行な振動アーム３２を
有するコ字状の振動子３１と、振動アーム３２の先端に
接して回転軸３３と共に回転自在に設けた円板状の接触
部材３４とからなるものである。振動子３１は基端で基
台３５に固定し、回転軸３３は軸受３６で基台３５に支
持しである。各振動アーム３２は、隣合う２面に圧電素
子部３７を設けてあり、この隣合う圧電素子部３７に９
０゜位相の異なる高周波電圧を印加する。これにより、
振動アーム３２の先端が円または楕円運動を行う。

そのため、接触部材３４が回転させられる。

この構成であると、振動子３１がコ字状に形成しである
ので、その振動アーム３２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。

しかし、一対の振動アーム３２は間隔を開けて平行に設
けであるため、接触部材３４の半径線からずれた位置と
なる。そのため、振動アーム３２の先端が接触部材３４
に接するときの振動方向が接触部材３４の円周方向に対
して傾いた方向となる。この傾きにより、振動アーム３
２から接触部材３４に作用する駆動力に接触部材３４の
半径方向の無効成分が生じて有効駆動力が低下するうえ
、この半径方向への接触点のずれにより不要な摩擦゛　
　が生じ、効率が低下する。このため、充分な効率向上
が図れなかった。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、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提供する
ことである。

〔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断面
形状が略方形に形成された振動アームを放射状に４＋２
ｎ　（ｎ＝０．１．２・・・）本設は。

前記各振動アームは少なくとも隣合う２面に圧電素子部
を有してなり、これら圧電素子部に所定の高周波電圧を
印加することにより前記各振動アームが屈曲振動により
共振する振動子と、前記各振動アームの隣合う２面の圧
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、前記振動子の前記各振動アームの１面に接触し前記振動
アームの放射中心を回転中心として前記振動子に対して
互いに回転自在に設けた接触部材とを備え、前記振動子の各振動アームの最大振幅点が円または楕円
運動することにより前記接触部材または振動子のいずれ
かが回転運動するものである。

前記圧電素子部は、前記振動アームに圧電素子を貼着し
て形成したものであっても、また前記振動子を圧電材料
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れば、振動子の振動アームの隣合う
２面に設けた圧電素子部に痘相差を持たせた高周波電圧
を印加するので、各振動アームは最大振幅点が円または
楕円運動をする。この振動アームの１面に接触部材が接
触するので、接触部材または振動子のいずれかが回転し
、機械的駆動力が得られる。

この場合に、振動子は４＋２ｎ本（ｎ、＝０．１゜２．
３・・・）の振動アームを放射状に設けているので、そ
の相隣合う振動アームどうしが互いに共振し、大きな振
幅が得られる。しかも、振動アームの放射中心が回転中
心と一致するので、振動アームが接触部材の半径線上に
位置し、振動アームの振動方向と接触部材または振動子
の回転周方向とが一致する。このため、振動アームの振
動が有効に作用し、また振動方向のずれによる無駄な摩
擦が生じない。このように、共振ならびに振動方向と回
転方向との一致が得られることから、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、振動子の共振は、各振動アームが連続した基端部
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
ように振動子に振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、振動子は少なくとも４本の
振動アームを有し、この部分で接触部材に接するので、
接触点が多点化され、かつ安定した駆動が可能となる。

実施例この発明の一実施例を第１図ないし第４図に基づいて説
明する。この圧電駆動装置は、弾性を有する材料にて断
面形状が略方形に形成された振動アーム２を十字形の放
射状に４本設け、各振動アーム２は隣合う２面に圧電素
子部３を有してなり。

これら圧電素子部３に所定の高周波電圧を印加すること
により各振動アーム２が屈曲振動により共振する振動子
１と、各振動アーム２の隣合う２面の圧電素子部３に位
相差を持たせて高周波電圧を印加する電源装置４と、振
動子１の各振動アーム２の１面に接触し振動子１の振動
アーム２の放射中心を回転中心として振動子１に対して
回転自在に設けた接触部材５とを備え、振動子１の各振
動アーム２の最大振幅点が円または楕円運動することに
より接触部材５が回転運動するものである。

振動子１は振動アーム２の放射中心部で基台（図示せず
）に固定しである。接触部材５は振動子１に放射中心の
支軸７回りで正逆回転自在に支持しである。支軸７とは
別の手段で接触部材５を支持しても良い。なお、接触部
材５を固定とし、振動子１を回転自在に支持しても良い
。

振動子１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
。振動子１の振動アーム２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良
く、また面取りの代わりに角部を丸めても良い。要は、
振動アーム２は互いに直角に隣合う４面を有する形状で
あれば良い。

圧電素子部３は、圧電素子を振動アーム２に貼着して形
成したものである。圧電素子部３は振動アーム２の３面
または４面に設けても良い。

接触部材５は振動アーム２の先端部であるＸ点およびＹ
点（第３図）に接するように配置しである。この実施例
では振動アーム２の先端に突部６を設けてあり、突部６
に前記Ｘ点およびＹ点が位置している。なお、接触部材
５に突部を設けて振動アーム２に接するようにしてもよ
く、また接触部材５と振動アーム２とを絶縁部材を介し
て接触させても良い。接触部材５は円板状のものを用い
ているが、必ずしも円板状でなくても良い。

振動アーム２の振動モードは、この例では１次としであ
るが、２次または３次等の高次モードとすることにより
、振動アーム２に複数の最大振幅部を得ることができる
。その場合、接触部材５は振動アーム２の先端ではなく
、その最大振幅部に接触させる。

電源装置４は、第４図に示すように高周波電源８と９０
°移相器９とを有し、各圧電素子部３（３１〜３４）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。

動作振動子１の４本の振動アーム２の各圧電素子部３１〜３
４に第４図の電源装置４で高周波電圧を印加して励振す
ると、各振動アーム２はそれぞれの圧電素子部３Ｉ〜３
４の励振に従って縦および横方向に振動する。このとき
圧電素子部３□、３４に圧電素子部３．．３３よりも９
０°位相を遅らせた電圧を印加すると、振動子１の振動
アーム２の先端部のＸ点、Ｙ点は、第３図のような円ま
たは楕円軌道を描いて運動する。したがって、振動アー
ム２の１面に接触部材５が接触するように配置しである
と、接触部材５は矢印Ｐ方向に移動する。Ｘ点、Ｙ点の
楕円軌道の偏平度は、振動アーム２の曲げ方向による剛
性の違いや、各圧電素子部３．〜３４に印加する電圧の
大きさ１位相差等により調整できる。

圧電素子部３□、３４に９０°進み位相の電圧を印加す
れば、第４図と反対回りの軌道を描くことになり、接触
部材５は矢印Ｐと逆方向に移動する。

このように動作するが、振動子１は４本の振動アーム２
を放射状に設けているので、その相隣合う振動アーム２
どうしが互いに共振し、大きな振幅が得られる。この場
合、十字状に配置された各振動アーム２は、第２図に示
すように、隣合う振動アーム２（２Ｉ〜２．）が平面方
向および垂直方向共に互いに反対方向へ屈曲することに
なり、共振周波数で駆動してやることにより、大きな振
動振幅を得ることができる。

しかも、振動アーム２の放射中心が回転中心と一致する
ので、振動アーム２が接触部材５の半径線上に位置し、
振動アーム２の振動方向と接触部材５の回転周方向とが
一致する。このため、振動アーム２の振動が有効に作用
し、また振動方向のずれによる無駄な摩擦が生じない。

このように、共振ならびに振動方向と回転方向との一致
が得られることから、電気的エネルギを効率良く機械的
駆動力に変換できる。

振動子１の共振は、各振動アーム２が連続した基端部２
ａにおいて非振動状態となるように行われるので、基端
部２ａを支持することにより、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
、このように振動子１に振動しない箇所があることから
、振動子１と接触部材５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、振動子１は４
本の振動アーム２を有し、この部分で接触部材５に接す
るので、接触点が多点化され、かつ安定した駆動が可能
となる。接触部材５の本数を増やすとさらに安定駆動さ
れる。

第５図は他の実施例を示す。この例は、振動子１１の振
動アーム２をＸ字状に配置したものであり、振動アーム
２を２木ずつ互いに間隔を狭めて配置しである。このよ
うに構成した場合、互いに近づけて配置した振動アーム
２どうしの共振特性が良好になり、より一層大きな振幅
が得られる。

この場合も、振動アーム２は接触部材５の半径線上に位
置し、振動アーム２の振動が有効に作用する。その他の
構成効果は、第１の実施例と同様である。

第６図はこの発明のさらに他の実施例を示す。

この例は、振動子２１を圧電材料で形成し、直接に圧電
素子部２３を形成したものである。圧電材料としては、
ＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛磁器）等の圧電セラミック
ス、または圧電セラミックスとプラスチックとの複合圧
電材料等が用いられる。

振動アーム２２は方形断面形状のものであり、４本を十
字形の放射状に設けである。各振動アーム２２は、隣合
う２面に圧電横効果を利用した圧電素子部２３を形成し
である。３面または４面に圧電素子部２３を設けても良
い。各圧電素子部２３は、振動アーム２２の長手方向に
沿って２本または多数本の平行な電極ａ、ｂからなる交
差指電極を形成する。この電極ａ、ｂ間に直流電圧を印
加して分極処理を施す。同図の＋、−の記号は分極の極
性を示す。このように分極処理して電極ａ。

ｂ間に高周波電圧を印加すれば、振動アーム２２は圧電
素子部２３の圧電横効果による伸縮を生じ、屈曲振動を
行う。したがって、この振動子２１を用いて前記各実施
例と同様に接触部材５と組み合わせることにより、回転
型の圧電駆動装置が構成される。このように圧電材料に
直接分極して圧電素子部２３を形成した場合、圧電体を
接着するものと異なり、接着工程を省略できるとともに
、接着誤差による性能ばらつきや接着剥離をなくすこと
ができる。なお、交差指電極の構成は、圧電縦効果を用
いた構成とすることも前記と同様に行える。

なお、前記各実施例では振動アーム２，１２゜２２を４
本設けたが、４本以上であっても良い。

振動アーム２，１２．２２は一対ずつ共振を行わせるの
で、偶数本であること、すなわち４＋２ｎ（ｎ＝ｏ、１
．２・・・）木であることが必要である。

また、接触部材５または振動子１，１１．２１の回転運
動は、一定角度範囲を正逆に行わせるようにしても良い
。

〔発明の効果〕

この発明の圧電駆動装置は、振動子に４＋２ｎ本（ｎ＝
ｏ、１，２．３・・・）の振動アームを放射状に設けて
いるので、その相隣合う振動アームどうしが互いに共振
し、大きな振幅が得られる。しかも、振動アームの放射
中心が回転中心と一致するので、振動アームが接触部材
の半径線上に位置し、振動アームの振動方向と接触部材
または振動子の回転周方向とが一致する。このため、振
動アームの振動が有効に作用し、また振動方向のずれに
よる無駄な摩擦が生じない。このように、共振ならびに
振動方向と回転方向との一致が得られることから、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、振動子の共振は、各振動アームが連続した基端部
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
ように振動子に振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、振動子は少なくとも４本の
振動アームを有し、この部分で接触部材に接するので、
接触点が多点化され、かつ安定した駆動が可能となると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の斜視図、第２図はその動
作説明図、第３図（Ａ）は同じくその周方向の部分展開
図、第３図（Ｂ）は同じくその振動軌道の説明図、第４
図は同じくその電源装置の電気回路図、第５図（Ａ）は
この発明の他の実施例の平面図、第５図（Ｂ）はその正
面図、第６図（Ａ）はこの発明のさらに他の実施例の振
動子の平面図、第６図（Ｂ）はその正面図、第７図（Ａ
）。（Ｂ）はそれぞれ圧電駆動装置の提案例の平面図および
断面図である。１・・・振動子、２・・・振動アーム、３・・・圧電素
子部、４・・・電源装置、５・・・接触部材、１１．２
１・・・振動子、２２・・・振動アーム、２３・・・圧
電素子部特許出願人　　清　　水　　　洋第５図（Ａ）第７図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）弾性を有する材料にて断面形状が略方形に形成さ
れた振動アームを放射状に４＋２ｎ（ｎ＝０、１、２・
・・）本設け、前記各振動アームは少なくとも隣合う２
面に圧電素子部を有してなり、これら圧電素子部に所定
の高周波電圧を印加することにより前記各振動アームが
屈曲振動により共振する振動子と、前記各振動アームの隣合う２面の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、前記振動子の前記各振動アームの１面に接触し前記振動
アームの放射中心を回転中心として前記振動子に対して
互いに回転自在に設けた接触部材とを備え、前記振動子の各振動アームの最大振幅点が円または楕円
運動することにより前記接触部材または振動子のいずれ
かが回転運動する圧電駆動装置。
（２）前記圧電素子部が前記振動アームに圧電素子を貼
着したものである特許請求の範囲第（１）項記載の圧電
駆動装置。
（３）前記振動子を圧電セラミックで形成し前記圧電素
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。