JPS63314182A

JPS63314182A - 圧電駆動装置

Info

Publication number: JPS63314182A
Application number: JP62148696A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Onishi; 良孝大西
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-06-15
Filing date: 1987-06-15
Publication date: 1988-12-22

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〕この発明は、圧電素子を用いた圧電振動体により動体を
駆動する圧電駆動装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第１４図は例えば特開昭６１−１５５７２号公報に示さ
れた従来の圧電駆動装置の一例を示す正面図であり、１
は角棒状の立上り部１ａと角棒状の固定部１ｂとから構
成された弾性体、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂ
は圧電素子で、この圧電素子２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、
５ａ、５ｂと弾性体１とで圧電振動体を形成する。７は
動体、８はネジ、９はスペーサ、１０は支持基台となる
固定基台である。また、第１５図は第１４図に示す圧電
振動体を駆動する駆動回路を示す回路図であり、１２は
共振周波数の発振をする交流電源、１３は位相をπ／２
遅らせる移相器、１４は位相はπ／２進める移相器、１
５は１次側接点１５Ａ工。

１５Ｂ□と２次側接点１５Ａ、、１５Ｂ、とを有する切
替えスイッチ、１７はメインスイッチである。

次に動作について説明する。圧電素子２ａ、２ｂが振動
すると、立上り部１ａは固定部１ｂを支点として左右に
振動する。第２の圧電素子３ａ。

３ｂが振動すると立上り部１ａは固定部１ｂを支点とし
て紙面に対して前後に振動する。第３の圧電素子５ａ、
５ｂが振動すると、固定部１ｂはその両端を支点として
上下に振動する。第１５図に示す駆動回路においてメイ
ンスイッチ１７が投入されると、交流電源１２によって
圧電素子５ａ。

５ｂが振動し、前述したように固定部１ｂが上下振動す
る。今、切替えスイッチ１５の接点１５Ａ工と接点１５
Ａ２とを導通させると、圧電素子２ａ。

２ｂが選択されて交流電源１２の出力を移相器１３を介
して位相をπ／２だけ遅らせた交流信号によって立上り
部１ａを駆動する。この結果１弾性体１は固定部１ｂが
上下振動しながら立上り部１ａが左右に振動する。この
様子を第１６図に示すモ、デル図を用いてさらに詳しく
述べる。第１６図（ａ）は動作開始前の中立状態を示す
もので、弾性体１は動体７に軽く接触している。上下の
振動が始まると、まず同図（ｂ）のように弾性体１は上
方に上がり、弾性体の上死点で動体７を強く押上げられ
る。このように、位相が１／４波長進んだところで左右
の振動を開始する。同図（Ｃ）に示すように１弾性体１
は下がりながらも右方へ振れ、摩擦で動体７を右へ駆動
する。同図（ｄ）のように弾性体１が右死点まで振れる
と、弾性体１は動体７に軽く接触した状態になる０弾性
体１が左方に振れはじめるころには、さらに下るから。

同図（ｅ）のように動体７から離れるので動体７が駆動
されることはない。弾性体１は同図（ｆ）の下死点を経
て上がってゆくが、同図（ｇ）では。

まだ動体７に接触することがない、同図（ｈ）のように
弾性体１が左死点に至ったところで動体７に軽く接触す
る。同図（ｉ）のように弾性体１が右方に振れてゆく状
態では、動体７に強く接触して動体７は右へ駆動される
。振動が続くと、さらに同図で→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ
）→（ｅ）→（ｆ）→（ｇ）→（ｈ）→（ｉ）→（ｂ）
　と繰り返して動体７を右方へ駆動する。即ち、２方向
の振動周波数が同一で１位相がずれているから、上死点
→右死点→下死点→左死点→上死点→の同一周期で左死
点から右死点に至る周期の間に駆動がなされる。

また、第１５図の駆動回路で、切替えスイッチ１５の接
点１５Ｂよと１５Ａ２を導通させれば前述の運動周期が
上死点→左死点→下死点→右死点→上死点→となって、
右死点から左死点に至る周期の間に動体７が左方へ駆動
される。

さらに、第１５図の駆動回路で、切替えスイッチ１５の
接点１５Ｂ２と接点１５Ｂ１または１５Ａ□を導通させ
ると、前述した励動と同様にして動体７は紙面に対して
前後方向に駆動される。

〔発明が解決しようとする問題点〕従来の圧電駆動装置は以上のように構成されているので
、動体７を駆動する弾性体１に立上り部１ａが必要であ
るために薄形化が阻止されており、また、動体７を安定
駆動するために立上り部１ａと動体７との接触駆動点を
複数化する場合にはその数に応じた圧電振動体が必要と
なるが、固定部１ｂと立上り部１ａとからなる弾性体１
に接着する圧電素子を一体化することが困難であり構造
が複数かつ高価になるなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、薄形化が可能でしかも量産に適した比較的簡
単な構造の圧電振動体を形成でき、複数の接触駆動点に
より動体の安定駆動を可能とし、さらに圧電振動体と駆
動片とを積層化して駆動力を容易に高めた圧電駆動装置
を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この第１の発明に係る圧電駆動装置はほぼπ／２の位相
差をもって定在波振動をする並列配置された２群の圧電
素子の両端に、これに対して直角にして、かつ上記圧電
素子の振動周波数の２倍の周波数で正弦波様の定在波振
動をする圧電素子を設けて偏平な圧電振動体を構成し、
この圧電振動体に動体を加圧接触させたものである。

また、第２の発明に係る圧電駆動装置は上記圧電振動体
を第１の駆動片により支持すると共に。

圧電振絢体を第２の駆動片に加圧接触させたものである
。

〔作用〕

この第１の発明における圧電駆動装置はほぼπ／２の位
相差を有して、定在波振動をする複数並列配置された２
群の圧電素子の振動とこの圧電素子に直角に配置され、
２倍の周波数で定在波振動をする圧電素子の振動とを合
成し、これら３群の圧電素子により構成される圧電振動
体に動体を加圧接触させることにより、この動体を直線
方向に運動させるようにしたものである。

また、第２の発明における圧電駆動装置は上記圧電振動
体を支持する第１の駆動片と上記圧電振動体に加圧接触
する第２の駆動片とを圧電振動体の合成振動により相対
的に直線運動させるものである。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明による圧電駆動装置の側面図、第２図は第
１図の圧電振動体を抽出して示す斜視図であり、第１図
および第２図において第１４図と同一構成部分には同一
符号を付してその説明を省略する。第１図において、２
０は格子状の圧電振動体、２１ａ〜２１ｓは伸縮または
屈曲方向が交互に反転し正弦波様の定在波振動をするユ
ニモルフまたはバイモルフ構造の圧電素子で、このうち
第１の圧電素子群２１ａ、２１ｃ、２１ｅと第２の圧電
素子群２１ｂ、２１ｄとは互いにπ／２の位相差をもっ
て定在波振動する。

２２ａ、２２ｂは圧電素子２１ａ〜２１ｓとは垂直な向
きに設けられた圧電素子で、この圧電素子２２ａ、２２
ｂは２倍の周波数で正弦波的に定在波振動する。２３は
弾性体１によって構成された格子状の振動基体で、この
格子状の振動基体２３は第３図に示すように形成されて
いる。そして。

上記格子状の圧電振動体２０は第２図に＋、−の符号で
示すように伸縮方向が交互に反転する６個の小領域２４
よりなる圧電素子２０ａ〜２１ｅにより第３図に示す振
動基体２３の横方向支持部２３ａの両面を挟持するよう
に各別に接着されると共に、第３図に示す振動基体２３
の縦方向支持部２３ｂの垂直面の外側に伸縮方向が交互
に反転する５個の小領域２５よりなる圧電素子２２ａ、
２２ｂを各別に接着したものである。また、π／２の位
相差をもって振動する２群の圧電素子２１ａ〜２１ｅの
うち、第１群の圧電素子２１ａ、２１ｃ。

２１ｅは第４図（ｂ）に示した圧電素子２２ａ。

２２ｂの振動の腹部ｐ１．　ｐ、、　ｐ、となる奇数番
目の小領域２５の中央近傍に結合されており、さらに第
２群の圧電素子２１ｂ、２１ｄは第４図（ｂ）の圧電素
子２２ａ、２２ｂの振動の腹部Ｑ　１１Ｑ２となる偶数
番目の小領域２５の中央近傍に結合されている。

第５図は圧電振動体２０を駆動する駆動回路を示す回路
図であって１図において、２−４は電気的に並列接続さ
れた第１群の圧電素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅに電圧を
印加する第１の交流電源、２５は電気的に並列接続され
た第２群の圧電素子２１ｂ、２１ｄに第１の交流電源２
４の電圧とπ／２だけ位相のずれた電圧を印加する第２
の交流電源。

２６は電気的に並列接続された第３群の圧電素子２２ａ
、２２ｂに第１および第２の交流電源２４゜２５の揚動
周波数の２倍の周波数の電圧を印加する第３の交流電源
である。

次に動作について説明する。圧電振動体２０の圧電素子
２１ａ〜２１ｅ、２２ａ、２２ｂに第５図に示す駆動回
路を用いて所定周波数の交流電圧を印加すると、各圧電
素子２１ａ〜２１ｅの両端と６個の小頭域２４の境界と
を振動の節とし、また６個の小領域２４の中心付近を振
動の腹として正弦波的な定在波振動を行う、この様子を
第４図（ａ）に示す。同図のｙ軸、Ｚ軸は第２図に示し
た座標軸に対応している。この場合ｙ軸は横方向支持軸
２３ａの長手方向に沿った方向を表わし、Ｚ軸は圧電素
子２１ａ〜２１ｅの振軸方向を表わす。

同様に圧電素子２２ａ、２２ｂの両端と５個の小領域２
５の境界とを振動の節とし、５個の小領域２５の中心付
近を振動の腹として正弦波的な定在波振動を行う。この
様子を第４図（ｂ）に示す。

同図のＸ軸、ｙ軸は第２図に示した座標軸に対応してい
る。この場合Ｘ軸は縦方向支持部２３ｂの長手方向に沿
った方向を表わし、ｙ軸は圧電素子２２ａ、２２ｂの振
幅方向を表わす。

以上のように、格子状の圧電振動体２０を構成する各圧
電素子２１ａ　〜２１６？　２２ａ、２２ｂは適当な交
流電圧が印加されると、個々に正弦波的な定在波振動を
行うが、本実施例では、第５図に示す駆動回路を用いて
各圧電素子２１ａ〜２１ｅ、２２ａ、２２ｂを協調的に
動作させる。

２６．２７の出力をＥ、、Ｅ、として、Ｅｔ：　Ｚ＠５
ｉｎ（ω、ｔ）Ｅ、＝Ｚ６ｃｏｓ（ωａｔ）なる電圧を各圧電素子２１ａ〜２１ｓに印加すると、第
１群の圧電素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅと第２群の圧電
素子２１ｂ、２１ｄとはπ／２の位相差をもって正弦波
的に定在波振動を行う。これと同時に、交流電源２８の
出力をＥ、として、Ｅ３＝Ｙ、５ｉｎ（２ω。ｔ）なる電圧を圧電素子２２ａ、２２ｂに印加すると。

この圧電素子２２ａ、２２ｂは電圧振動体２１ａ〜２１
ｅの２倍の周波数で正弦波的に定在波振動する。

すなわち、圧電素子２１ａ〜２１ｅを挟んで相対する５
個の小領域２５よりなる圧電素子２２ａ。

２２ｂは第２図のｙ軸方向に対して同一方向に振れる。

したがって、第２図の座標系において各圧電素子２１ａ
〜２１ｓの振動の腹部上の質点は、圧電素子２１ａ〜２
１ｅによるＺ軸方向の変位と、圧電素子２２ａ、２２ｂ
によるｙ軸方向の変位とが合成されて第６図に示すよう
な８の字形の軌跡を描いて運動することになる。

すなわち、第６図（ａ）は第１群の圧電素子２１ａ、２
１ｃ、２１ｅによる振動の腹部Ａ□〜Ａ３と圧電素子２
２ａ、２２ｂによる振動の腹部Ｐ□〜Ｐ、とを合成した
運動軌跡、同図（ｂ）は第２群の圧電素子２１ｂ、２１
ｄによる振動の腹部Ａ□〜Ａ、と圧電素子２２による振
動の腹部Ｑ、、　Ｑ２とを合成した運動軌跡、同図（ｃ
）は第１群の圧電素子２１ａ、２１ｃ、２１ｅによる振
動の腹部８１〜Ｂ、と圧電素子２２ａ、２２ｂによる振
動の腹部Ｑ□ｔＱｚとを合成した運動軌跡、同図（ｄ）
は第２群の圧電素子２１ｂ、２１ｄによる振動の腹部８
１〜Ｂ３と圧電素子２２ａ、２２ｂによる振動の腹部Ｐ
、〜Ｐ３とを合成した運動軌跡である。

また第６図中の０印で示した位置はある同一時刻の各点
の位置を示している。時間が進むと各点は８の字形の軌
跡上を図中の矢印に従って運動することになる。

また、交流電源２６の出力をＥ３としてＥ３＝　−Ｙ。

５ｉｎ（２ωｏｔ）なる電圧を圧電素子２２ａ、２２ｂに印加すると、前述
の動作と同様にして圧電素子２１ａ〜２１ｅの振動の腹
部の質点は第６図と逆方向に８の字形の軌跡運動をする
。

このような振動を行う格子状の圧電振動体２０を振動基
体２３の両端で第１図のように固定基台１０にネジ８等
により固定し、動体７をｙ軸の正負方向に可動可能に支
持しながら図示していない何らかの加圧支持機能によっ
て同図中の２軸の負方向の圧電振動体２０に対して加圧
接触させると、第１群の圧電素子２１ａ、２１ｃ、２１
ｅの振動の腹部Ａ１〜Ａ３（または、Ｂ１〜Ｂ３）に相
当する点か、あるいは、第２の圧電素子２１ｂ、２１ｄ
の振動の腹部Ａ４〜Ａ、（または、８１〜Ｂ３）に相当
する点のいずれかが、常に、第６図に示した運動軌跡の
太線部分に位置しているため、圧電素子２２ａ、２２ｂ
の振動と圧電素子２１ａ〜２１ｅの振動との合成により
動体７は合計９個または６個の点で質点の運動に従って
摩擦力により駆動される。圧電素子２１ａ〜２１ｅの振
動の腹部上の質点が第６図の矢印の向きに８の字形の軌
跡上を運動している場合は、圧電振動体２０上に接して
いる動体７は同図のＭで示した方向に駆動される。

なお、上記実施例では、格子状の圧電振動体２０として
第２図に示したものを用いたが、格子状の圧電振動体と
しては第７図、第９図および第１０図に示す構成のもの
を用いてもよい。

すなわち、第７図の格子状の圧電振動体３０は、第２図
の場合と同様に、π／２の位相差をもって正弦波的に定
在波振動する２群の圧電素子２１ａ〜２１ｅを弾性体に
よって構成された格子状の振動基体２３ｃ、２３ｄによ
って挟持した構成で、第８図にその分解斜視図を示す。

また、第９図に示す格子状の圧電振動体４０は第７図の
格子状の圧電振動体３０の圧電素子２１ａ〜２１ａの振
動の腹部と対応した位置の振動基体２３ｅ、２３ｆに突
起を設けたものであり、第１０図の格子状の圧電振動体
５０は、さらに、圧電素子２１ａ〜２１ｅの振動の節部
と対応した位置および圧電素子２１ａ〜２１ｅの両端部
と圧電素子２２ａ、２２ｂとの結合部付近の振動基体２
３ｇ、２３ｈに切り欠き部を設けたものである。

また、上記実施例における格子状の圧電振動体を構成す
るπ／２の位相差をもって正弦波様の定在波振動をする
圧電素子の数や圧電素子の分割された小領域の数や、圧
電素子と直角に配置された圧電素子の分割された小領域
の数は上述の実施例に限定されるものでないことは言う
までもない。

さらに、上記実施例では圧電振動体上に動体を加圧接触
させる構成について説明したが本発明はこれに限定され
るものではなく、例えば第１１図乃至第１３図に示す構
成のものでもよい、以下に第１１図乃至第１３図に示す
他の実施例について説明する。

第１１図において、２９ａ、２９ｂはレール状の固定基
台、３１は格子状の圧電振動体３２を備えた動体で、圧
電振動体３２は例えば第２図に示すれるようなものであ
る。同図（ａ）はこの実施例の斜視図であり、同図（ｂ
）は断面図を示す。

格子状の圧電振動体３２において、圧電素子の振動の腹
部上の質点が第６図のような８の字形の軌跡を描いて運
動することは前述したとおりであるが、この８の字形の
軌跡はｙ軸に対して対称である。そのため、第１１図の
ように、格子状の圧電振体３２の両面をレール状の固定
基台３０ａ、３０ｂにより挟持するように加圧接触させ
圧電振動体３２を励振すると両側の接触面で同一方向に
摩擦力による駆動力が発生し、動体３が駆動される。

また、第１２図に示す他の実施例において、３３は第１
１図に示した圧電振動体と同一構成の格子状の圧電振動
体３２可動可能に支持する支持基台となる第１の駆動片
、３４は圧電振動体３２の上下両面より加圧接触する動
体となるコ字形状の第２の駆動片である。しかして圧電
振動体３２を励振することにより圧電振動体３２と第２
の駆動片３４との接触面に作用する摩擦力によって第１
の駆動片３３と第２の駆動片３４との間に相対的な駆動
力が発生し、第１の駆動片３３と第２の駆動片３４とは
第１２図に矢印Ｍ１で示した向きに直線運動を行う。

また、第１３図の実施例において、３５は圧動振動体を
支持する支持基台となるくし状の第１の駆動片、３６は
動体となるくし状の第２の駆動片であって第１の駆動片
３５と第２の駆動片３６とを用いて積層化した圧電駆動
装置を構成し、この圧電駆動装置により、第１２図に示
した実施例と同様の原理で、直線往復運動を行わせるよ
うにしたもので、圧電振動体と動体とを積層化すること
により駆動力が高められることとなる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば圧電駆動装置をほぼπ／
２の位相差をもって定在波振動をする並列配置された２
群の圧電素子の両端に、これに対して直角にして、かつ
上記圧ｍ素子の振動周波数の２倍の周波数で正弦波様の
定在波振動をする圧電素子を設けて偏平な圧電振動体を
構成し、この圧電振動体に動体を加圧接触させるように
構成したので、薄形化が可能で、しかも量産に適した比
較的簡単な構造の圧電振動体を形成でき、複数の接触駆
動点により動体の安定駆動が可能となるものが得られる
などの効果がある。

さらに、上記圧電振動体を第１の駆動片により支持する
と共に、第２の駆動片を上記圧電振動体に加圧接触させ
ることにより駆動力をより一層高めることが可能となる
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による圧電駆動装置を示す
側面図、第２図は第１図に示した圧電振動体を抽出した
示す斜視図、第３図は第２図に示した圧電振動体におけ
る振動基体を示す斜視図、第４図は第２図に示した圧電
振動体を構成する圧電素子の定在波振動を示す波形図、
第５図は圧電振動体を励振する駆動回路の一例を示す回
路図、第６図は３群圧電素子の振動を合成した状態の運
動軌跡を示す波形図、第７図はこの発明の他の実施例と
なる圧電振動体を示す斜視図、第８図は第７図の分解斜
視図、第９図および第１０図はそれぞれこの発明のさら
に他の実施例となる圧電振動体を示す斜視図、第１１図
（ａ’）　　（ｂ）はそれぞれこの発明の圧電駆動装置
のさらにまた他の実施例を示す斜視図および断面図、第
１２図および第１３図はそれぞれこの発明の圧電駆動装
置のさらに他の実施例を示す斜視図、第１４図は従来の
圧電駆動装置の一例を示す正面図、第１５図は従来の圧
電駆動装置の駆動回路を示す斜視図、第１６図は第１４
図の動作原理を示す動作説明図である。７は動体、２０は圧電振動体、２１ａ〜２１ｅ。２２ａ、２２ｂは圧電素子、２３，２３ｃ、２３ｄ、２
３ｓ、２３ｆ、２３ｇ、２３ｈは振動基体。なお１図中、同一符号は同一または相当部分を示す・特許出願人　　三菱電機株式会社第１１図（ｂ）ｔｌ：Ｉ。第１２図〜ｈＩＩ　１４図第１６１！！（ｅ）≦扉１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所定の振動周波数で定在波振動をする第１群の圧
電素子と、この第１群の圧電素子に対してほぼπ／２の
位相差をもって同じ振動周波数で定在波振動をする第２
群の圧電素子と、上記第１群および第２群の圧電素子を
並列配置するように、該両圧電素子の両端で、かつ、直
角に取付けられ、上記振動周波数の２倍の周波数で定在
波振動をする第３群の圧電素子と、上記第１群乃至第３
群の圧電素子を振動基体に接合することにより形成され
る圧電振動体に加圧接触し、該圧電振動体の合成振動に
より駆動される動体とを備えた圧電駆動装置。
（２）上記圧電素子は正弦波様の定在波振動をすること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電駆動装置
。
（３）定在波振動の腹部に対応する上記振動基体に突起
を形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
の圧電駆動装置。
（４）定在波振動の節部に対応する上記振動基体に切り
欠きを形成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
または第２項記載の圧電駆動装置。
（５）所定の振動周波数で定在波振動をする第１群の圧
電素子と、この第１群の圧電素子に対してほぼπ／２の
位相差をもって同じ振動周波数で定在波振動をする第２
群の圧電素子と、これら第１群および第２群の圧電素子
を並列配置するように該両圧電素子の両端でかつ直角に
取付けられ、上記振動周波数の２倍の周波数で定在波振
動をする第３群の圧電素子と、上記第１群乃至第３群の
圧電素子を振動基体に接合することにより形成される圧
電振動体を支持する第１の駆動片と、上記圧電振動体に
加圧接触し、該圧電振動体の合成振動により駆動される
第２の駆動片とを備えた圧電駆動装置。