JPH03203571A - 圧電アクチュエータ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、圧電振動子を用いた圧電アクチュエータに
関する。

（従来の技術） 従来から、圧電セラミック、電歪セラミック。

高分子圧電体又はこれらの複合材料からなる変位素子を
用いた圧電アクチユエータが知られている。

例えば、バイモルフ型やランジュバン振動子などである
が、これらの変位素子はその変位量が数μ■〜数履程度
と小さく、大きな変位量を必要とする用途への使用には
不適であった。この変位量を補うものとしてインチワー
ムと呼ばれる圧電アクチュエータもあるが、機械的動作
による移動を基本とするため、駆動周波数はあまり大き
くできないので、大きな移動速度は望めず数Ｃｍ／分程
度である。更に、構造上高精度であることを要するので
、数μｍオーダーの誤差が性能に大きく影響し、動作し
なかったり、動作不安定になるなどの欠点があった。ま
た、機械的な接触が断続的に行われることから、騒音の
発生が避けられない問題もあった。

また、弾性進行波型と呼ばれる超音波モータもあるが、
弾性体レール上に弾性進行波を発生せしめるものである
ため、駆動周波数と機械的寸法が厳密な関係を有してお
り、特に機械的寸法精度が厳しく調整も難しい。更に、
駆動周波数や圧電振動子の共振周波数の変化によって動
作しなかったり、動作不安定になるなどの欠点もあった
。

更に前記したように、駆動周波数と機械的寸法の間には
厳密な関係があるので、小形化するには駆動周波数を上
げる必要があるが、圧電振動子の特性や取り出し得るエ
ネルギーの大きさ及び効率の点から、該弾性進行波型超
音波モ夕の駆動周波数は高くても８０ＫＨｚ止まりであ
り、小形化は非常に困難であった。

（発明が解決しようとする課題） 上記したように、従来の圧電アクチュエータは、変位量
又は移動量が小さく、移動量を大きくするようにしたイ
ンチワームや弾性進行波型超音波モータでは機械的寸法
の許容範囲が小さく、駆動周波数の変化や振動子の共振
周波数の変化によって安定した動作が得られなかった。

更に、インチワームにあっては、機械的接触が断続的に
行われることによる騒音の発生や、弾性進行波型超音波
モータにおいては、小形化が困難などの問題を有してい
た。

この発明は、以上の欠点を除去するもので、機械的精度
をそれほど必要とせず、制御回路も簡易で大きな移動速
度と安定した動作が得られ、小形化可能な圧電アクチュ
エータを提供せんとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、縦振動又は厚み振動をする第１の圧電振動子
と、横振動及び／又は広がり振動をする、又は縦振動又
は厚み振動をする第２の圧電振動子とを組み合せ、この
第２の圧電振動子の第１の圧電振動子に接した面とは異
なる他の面に接した駆動体と、この駆動体の他の面に接
するように配した移動体とからなる圧電アクチュエータ
、及び前記第１の圧電振動子として横振動及び／又は広
がり振動をするものを用い、第２の圧電振動子として縦
振動又は厚み振動をするもの、又は横振動及び／又は広
がり振動をするものを用いた圧電アクチュエータである
。

（作　用） 本発明になる圧電アクチュエータでは、第１の圧電振動
子の上に第２の圧電振動子を配し、更に、第２の圧電振
動子上の駆動体に接した移動体が、圧電振動子の振幅が
小さくても大きな移動速度を得ることができる。そして
、表面波型超音波モータなどのように、共振特性を利用
したものではないので、構造上寸法の制約がなく、周波
数を変えることによって速度を広範囲に変動させること
ができる。

（実施例） 第１図が本発明の構成図である。縦振動又は厚み振動す
るか又は横振動及び／又は広がり振動をする第１の圧電
振動子１の片面を基台５に固定し、この固定面以外の第
１の圧電振動子１の各部は自由に伸縮可能な状態に保ち
、第１の圧電振動子１の基台５に固定されていない面に
付けられた電極１ａの中央近傍に、縦振動又は厚み振動
をするか、横振動及び／又は広がり振動をする第２の圧
電振動子２における一面に付けられた電極２ｂの周辺近
傍が位置するように第２の圧電振動子２が取り付けられ
る。更に、第２の圧電振動子２のもう一面に駆動体３を
取り付けるとともに、この′駆動体３に被駆動体である
移動体４を加圧接触させて、これら圧電振動子を駆動す
る電気信号に位相差をもたせることにより、これら圧電
振動子の振動を前記移動体４の移動力として伝達する構
成をもつ。この構成になる圧電アクチュエータの作用を
第２図をもとにして説明する。第２図（ａ）に示すよう
に、第１の圧電振動子１を電気的に駆動すると、この圧
電振動子１は矢符イ方向に物理的な伸びを発生し、第２
の圧電振動子２を押し曲げながら駆動体３を介して移動
体４をわずかに持ち上げる。次に、第２図（ｂ）に示す
ように、前記第１の圧電振動子１を駆動したまま第２の
圧電振動子２を電気的に駆動すると、第２の圧電振動子
２は矢符口方向に伸びるので、移動体４は矢符ハ方向に
第２の圧電振動子２の水平方向に伸びた分だけ直線移動
する。次に、第２図（Ｃ）に示すように、第２の圧電振
動子２を駆動したまま第１の圧電振動子１の駆動をやめ
、第１の圧電振動子を矢符二方向に収縮させると、第１
の圧電振動子１の矢符二方向への収縮は極めて短時間内
で行われるため、移動体４は慣性力により移動点に取り
残されたまま駆動体３は移動体４かられずか離れる。更
に、この後第２図（ｄ）に示すように、圧電振動子２の
駆動をやめ矢符小方向へ収縮させると、第１．第２の圧
電振動子１．２はもとの状態に戻り、かつ慣性力で移動
点に取り残された移動体４も下に戻るので、移動体４を
第２図（ｂ）の矢符ハ方向に移動させた状態で一連の駆
動サイクルを終了する。この動作を繰り返すことによっ
て移動体４は第２図（ｂ）の矢符ハ方向に連続的に移動
する。

実施例１ 第３図は本発明の一実施例を示す斜視図である。

ＰＺＴ、チタン酸バリウムなどを主成分とする圧電性セ
ラミックからなる縦振動又は厚み振動する第１の圧電振
動子１の片面は、基台５に接着剤で接着固定される。こ
の第１の圧電振動子１の他面につけられた電極の中央近
傍付近に第２の圧電振動子２の電極の周辺近傍が位置す
るよう第２の圧電振動子２が重ねられ、縦方向又は厚み
振動する第２の圧電振動子２において、第１の圧電振動
子と重なり合わない側の一端は基台５に接着剤によって
接着される。更に、第２の圧電振動子２の他の一面には
金属板からなる駆動体３を接着固定し、この駆動体３の
もう一面に接触するよう移動体４を配置し、かつ筐体６
の内部に設置された板バネ７は移動体４を駆動体３に加
圧している。

この状態で第４図（ａ）に示す電気波形をそれぞれの圧
電振動子に印加して駆動すると、前記した説明のとおり
移動体４は直線運動を行った。このとき駆動体３の質点
は、圧電振動子１と圧電振動子２の運動ベクトルの合成
によって第５図（ａ）に示されたような運動軌跡を描き
、また、第４図（ｂ）に示した電気波形をそれぞれの圧
電振動子１．２に印加し駆動した場合、駆動体の質点運
動の軌跡は第５図（ｂ）に示すような形となるので、こ
の駆動体３の上に加圧接触した移動体４は矩形又は円運
動の回転方向に沿った直線移動を行う。

本実施例によれば、第４図（ａ）に示したパルス的駆動
法で、駆動信号周波数を１６ＫＨｚとしたとき、圧電振
動子の振幅が１．２μ卯で約１５ａｍ／ＳｅＣの移動速
度が得られた。

なお、駆動周波数は実用上、数円Ｚ〜３００ＫＨｚの範
囲で圧電アクチュエータとしての動作をさせることがで
きる。

また、上記においては、駆動体が金属の場合について述
べたが、力の伝達ができれば他の材質でもかまわず、金
属、セラミック、高分子など任意のものが使用できる。

そして、圧電振動子は、圧電セラミック、電歪セラミッ
ク、圧電高分子の単板又は積層体を用いてもよい。

実施例２ 第６図及び第７図に示すように、第１の圧電振動子１と
して縦振動又は厚み振動を行うもの、第２の圧電振動子
として横振動及び／又は広がり振動を行うものを使用し
た実施例である。この第１及び第２の圧電振動子の振動
方向の違いによるほかは実施例１と同じである。

実施例３ 第８図及び第９図に示すように、第１の圧電振動子１と
して横振動及び／又は広がり振動を行うもの、第２の圧
電振動子として縦振動又は厚み振動を行うものを使用し
た実施例であり、その他の構成は実施例１と同じもので
ある。

実施例４ 第１０図及び第１１図に示すように、第１及び第２の圧
電振動子１及び２として横振動及び／又は広がり振動を
行うものをそれぞれ使用した実施例であり、この振動方
向の違いによるほかは実施例１と同じである。

［発明の効果］ 本発明になる圧電アクチュエータは、簡単な構成で小形
軽量であり、信頼性が高く、また周波数に依存しないた
め、安定で制御性が高いものである。

【図面の簡単な説明】

図面は、いずれも本発明の実施例を示し、第１図、第６
図、第８図、第１０図は圧電アクチュエータの実施例を
それぞれ示す構成図、第２図、第７図、第９図、第１１
図は各実施例の圧電アクチュエータの動作順序をそれぞ
れ示す原理図、第３図は圧電アクチュエータの一実施例
を示す透視図、第４図は駆動波形のタイミング図、第５
図は圧電アクチュエータの駆動時に駆動体に惹起される
質点の運動軌跡図である。 １・・・第１の圧電振動子 ２・・・第２の圧電振動子 ３・・・駆動体 ４・・・移動体 ５・・・基台 特　　許　　出　　願　　人 マルコン電子株式会社 ２ 圧電アクチュエータの透視図 第３図 駆動波形のタイミング図 第　　４　　図 質点の運動軌跡図 第　　５　　図 第 図 圧電アクチュエータの動作順序の原理間第９図 第 図 第 図 第 ０ 図 第 １ 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　一面を固定した縦振動又は厚み振動をする第１
   の圧電振動子と、この第１の圧電振動子の電極の中央近
   傍に一面の電極の周辺近傍が位置するように前記第１の
   圧電振動子に重ねて配置した横振動及び／又は広がり振
   動をする、又は縦振動又は厚み振動をする第２の圧電振
   動子と、この第２の圧電振動子の前記第１の圧電振動子
   に接した面とは異なる他の面に接した駆動体と、この駆
   動体の他の面に接するように配した移動体とからなる圧
   電アクチュエータ。
2. （２）横振動及び／又は広がり振動をする第１の圧電振
   動子と、この第１の圧電振動子の振動方向の一面に振動
   面の周辺近傍が位置するように重ねて配置した縦振動又
   は厚み振動をする、又は横振動及び／又は広がり振動を
   する第２の圧電振動子と、この第２の圧電振動子の前記
   第１の圧電振動子に接した面とは異なる他の面に接した
   駆動体と、この駆動体の他の面に接するように配した移
   動体とからなる圧電アクチュエータ。