JPH03256574A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、振動素子を用いて被駆動体に駆動力を与える
アクチュエータに関するものである。

（従来の技術〕 近年振動素子の開発に伴い、圧電逆効果（電圧をかける
と歪みを生じる現象）を利用して、電気エネルギーを回
転運動または直ｗＡ運動に変換する装置が提案されてい
る。この中で直線運動するリニア形の圧電アクチュエー
タは、振動の発生源が固定部または可動部のどちらかに
必要であり、駆動力を発生させる楕円振動の発生が難し
く、また振動の伝達手段、振動片の多重化等を要するた
め装置が複雑になり、部品点数が多くなる等の問題があ
り、実用化が困歎であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、これらの欠点を解決するために、振動体自身
に駆動に必要な楕円振動を発生させることにより、構造
が簡単で小形軽量の圧電アクチュエータを提供するもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

上記の問題を解決するため、本発明においては振動素子
の電極を分割して、それぞれに位相の異なる高周波電圧
を印加して、振動体に厚み振動とたわみ振動を同時に発
生させ、これらの合成された楕円振動により振動体に駆
動力を発生させるようにしたものである。

〔実施例〕

本発明の圧電アクチュエータを実施例にもとすいて説明
する。第１図および第２図は本発明の実施例を示すもの
で、第１図は圧電アクチュエータの断面図、第２図はそ
の振動体の構造を示す分解斜視図である。図において圧
電アクチュエータは振動体１．可動部２．固定部３．レ
ール４から構成されている。この振動体Ｉは例えば綱１
ステンレス、アルミ合金等の金属の共振体８を３個と、
チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｄ　（Ｚｒ、　Ｔｉ）Ｏｗｌ
等でできた４枚の厚みモード振動素子を重ねた振動素子
９の１個面に振動素子の分極方向と直角方向に電極面を
２分割した電極１０ａ、］、Ｏｂを配し、他側面には電
極ＩＯを配したものを２組電極の分割方向を同一にして
配置し、振動素子９に電圧を印加するための電極板１１
を共振体８と振動素子９の間に挟持してボルト１２で一
体結合した角柱形の構造により構成されている。

振動体１に発生する縦振動の変位×応力の最大位置に突
起８ａが設けてあり、その突起８ａの先端は駆動面１３
を備えており、駆動力の伝達を充分に行ない駆動面およ
び接触面の磨耗を防止するため耐磨耗材（図示せず）が
貼っである。前記駆動面１３と固定部３の接触面は、振
動体ｌの上面を軟質ゴム等の緩衝材１４を介して可動部
２の加圧系５で下方Ｂに加圧することにより加圧接触す
る。また、支持系６は可動部２に振動体１を支持するた
めのもので、小ネジまたは支持板等で振動体１の振動変
位最小位置（振動の節）八で振動体１を支持する構造に
なっている。

また、可動部２のガイド７はレール４と嵌合し、可動部
２が駆動された際固定部３上を可動部２が移動するため
の案内である。

この圧電アクチュエータの動作を第３図および第４図に
基づいて以下に説明する。

いま、電源１４．１５によって位相差９０度をもった２
種類の高周波電圧を、振動素子９の電極１０−Ｉ　Ｑａ
間および電極１Ｏ−１０ｂ間にそれぞれ印加すると、振
動素子９は第３図ｆａ＋および第３図（ｂｌに点線で示
すように電極を２分割された位置から左右両側が９０度
ずれた厚み振動を発生し、振動体９はあたかも厚み振動
と幅方向のたわみ振動が同時に発生したようになる。

この振動を振動体１の機械的共振周波数と同一の高周波
電圧で発生させると、第４図に点線で示すような縦振動
とたわみ振動が同時に発生する。

図中の矢印は振動体１の振動の成る一瞬における振動方
向δをベクトルで表示したものである。

この振動によって振動体１の表面には縦振動とたわみ振
動の合成された楕円振動が発生し、楕円振動の振幅が大
きく振動速度が速い位置、即ち変位×応力の最大位置に
設定された突起８ａの先端の駆動面１３にも第４図ｆａ
＋に点線で示すように楕円振動１９が発生し、第４図ｆ
ｂｌに示すように振動体１の駆動面１３と固定部３の接
触面１８との加圧接触、および駆動面１３の楕円振動１
９により駆動面１３が固定部３の接触面１８を蹴り、振
動体１にＣ方向の駆動力を発生する。この駆動力は振動
体１から可動部２に伝達され、可動部２がガイド７に案
内されて固定部３のレール４に沿ってＣ方向に動作する
圧電アクチュエータとなる。

なお駆動面１３が固定部３の接触面１８を蹴った後は楕
円振動に沿って突起８ａは上方に上がり固定部３の接触
面１８と開離するため、他方の突起が接触面を蹴る場合
には作用しない。

駆動面１３の楕円振動１９の回転方向は、印加する高周
波電圧の位相差を一９０度にすることによって反転する
。

第５図〜第７図は本発明の圧電アクチュエータの他の実
施例を示すもので、前記振動体１の軸方向が固定部３の
接触面１日と直角にした縦置き形状になっている。駆動
面１３は振動体１の軸方向と直角で、なおかつ振動素子
９と平行な底面にあり、耐磨耗材（図示せず）が貼っで
ある。支持系６は振動体１の中央の底面と平行な面に円
板状のバネを上下振動可能に固定して、円板状のバネの
外周を円筒状の可動部２に固定しである。また、振動体
１の上部を可動部２の加圧系５により下方向Ｂに圧力を
加え、前記駆動面１３と固定部３の接触面１８が加圧接
触する。

以下、その実施例の動作を第３図および第７図に基づい
て説明する。

いま、ｔｉｆｆｔ１４．１５によって位相差９０度をも
つ２種類の高周波電圧を振動素子９の電極１０１０ａ問
および電極１Ｏ−ｆｏｂ間に印加すると、振動素子９は
前記したように第３図（＋１）および第３図（ｂｌに点
線で示すように電極を２分割した位置から両側に９０度
ずれた厚み振動と幅方向のたわみ振動が同時に発生し、
この時印加する高周波電圧を振動体１の機械的共振周波
数と同一にすると、第７図に点線で示すように、縦振動
とたわみ振動が拡大し、駆動面１３全体に同一方向の楕
円振動１９が発生する。振動体ｌの駆動面１３が固定部
３の接触面１８との加圧接触および駆動面１３の楕円振
動により駆動面１３が接触面１８を蹴り、振動体ｌにＤ
方向の駆動力を発生する。この駆動力は振動体１から支
持系６．可動部２に伝達され、振動体１および可動部２
がＤ方向に動作する圧電アクチュエータとなる。駆動面
１３の楕円振動１９の回転方向は、入力する２種類の高
周波電圧の位相差を一９０度にすることによって逆転し
、圧電アクチュエータの動作方向が反転する。

さらに本発明の他の実施例を第８図以下に基づいて説明
する。第８図はこの実施例の圧電アクチュエータの構造
を示す断面図で、はぼ第１図に示すものと同様であるが
、振動体１が第１図の場合は固定部３に平行であるのに
対し、第８図の場合は固定部３と直角の方向に設定され
ている。

第９図は振動体１の構造を示す分解斜視図で、振動素子
９は振動体１に発生する２次たわみ振動の変位最大位置
２箇所に電極分割方向を９０度ずらして設置してしる。

突起８ａは振動体１に発生する２次たわみ振動の変位最
大位置に設けてあり、突起８ａには根元までスリットが
施されている。

この圧電アクチュエータの動作を第１０図および第１１
図に基づいて以下に説明する。

いま、１［１４，１５によって位相差１８０度の２種類
の高周波電圧を、振動素子９の電極１０１０８問および
電極１ｏ−ｉｏｂ間に印加すると、振動素子９は第１０
図＋ａ＋および第１０図（ｂｌに点線で示すように電極
を２分割された位置から両側に１８０度ずれた厚み振動
を発生し、振動素子９はあたかも幅方向にたわみ振動が
同時に発生したようになる。

この振動を振動体１の機械的共振周波数と同一の高周波
電圧で発生させると、第１１図ｆａ＋に示すように一方
向のたわみ振動を発生する。また電極分割方向を９０度
ずらした他方の振動素子に、電源１４．１５と位相差９
０度ずれた電圧を電源１６および１７により位相差１８
０度の２種類の高周波電圧を印加すると、第１１図（ｂ
ｌに示すような第１１図ｆａ＋のたわみ振動と９０度ず
れたたわみ振動が発生する。この２１４類のたわみ振動
は位相差が９０度異なるため、合成すると第１１図１ｃ
Ｉに示すような楕円振動となり、楕円振動の最大位置に
設定された突起８ａ先端の駆動面１３にも楕円振動１９
が発生ずる。この駆動面１３の楕円振動１９により、駆
動面１３が固定部３の接触面１８を蹴り、振動体１にＥ
方向の駆動力を発生し、可動部２がＥ方向に動作する圧
電アクチュエータとなる。

駆動面Ｉ３の楕円振動の回転方向は、印加する高周波電
圧のうち２つの位相差を１８０度ずらすことによって逆
転し、圧電アクチュエータの動作方向が反転する。

なお、突起部８ａにスリットを設けたのは、駆動面の楕
円振動を効率的に行なわせるためである。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば振動素子を用いて
被駆動体に駆動力を与えるアクチュエータにおいて、振
動素子の電極を分割して、それぞれの電極に所定の信号
を供給することにより駆動力を発生させる楕円振動を厚
みモード振動素子だけを使って得られるため、構造が簡
単で小形軽量の圧電アクチュエータを実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電アクチュエータの一実施例の断面
図、第２図は本発明の圧電アクチュエータの振動体の構
造を示す一実施例の分解斜視図、第３図は本発明の圧電
アクチュエータを構成する圧電素子の動作を説明するた
めの斜視図、第４図はその振動体の動作を説明するため
の斜視図、第５図は本発明の他の実施例の断面図、第６
図は本発明の他の実施例の振動体の構造を示す斜視図、
第７図はその振動体の動作を説明するための斜視図、第
８図は更に他の実施例を示す断面図で第９図はその振動
体の構造を示す分解斜視図、第１０図はその振動素子の
動作を説明するための斜視図、第１１図はその振動体の
動作を説明するための斜視図。 ■　−・−振動体　８−　共振体　８ａ　・・突起９−
・−振動素子　１０ａ、１０ｂ−分割電極１４、　１５
．　１６．　１７−−交流ｉ源１９　・・・楕円振動 δ　・−・振動方向

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）厚みモード振動素子を金属またはプラスチックと
   結合せしめ、一体化した振動体を備え、この振動体の前
   記振動素子の電極を分割し、それぞれの電極に所定の信
   号を供給して振動体に特有の定在波の振動を発生させ、
   振動体を駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ
   。
2. （２）前記振動素子を複数個振動体の高次たわみ振動の
   変位最大位置に電極分割方向を同一にして設置したこと
   を特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. （３）前記固定部と加圧接触する振動体の駆動面を振動
   素子と平行な面としたことを特徴とする請求項２記載の
   圧電アクチュエータ。
4. （４）前記振動素子２個を電極の分割方向を同一にして
   １組とし、それぞれの振動素子を振動体の高次たわみ振
   動の変位最大位置に電極分割方向を９０度ずらして設置
   したことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエー
   タ。
5. （５）前記振動体に固定部と加圧接触する突起部を設け
   、前記突起部を振動体の縦振動の変位×応力の最大位置
   に設けたことを特徴とする請求項２および４記載の圧電
   アクチュエータ。
6. （６）前記振動体に固定部と加圧接触する突起部を設け
   、前記突起部に駆動方向と直角の方向にスリットを設け
   たことを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータ
   。