JPS60162487A - 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】 〔産業−にの利用分野〕 この発明は、圧電素子、振動体および動体からなる圧電
駆動装置に関するものである。

〔従来技術とその問題点〕

近年、従来の電磁気による駆動装置に代えて圧電素子を
用いた圧電駆動装置が増加する傾向にある。

圧電駆動装置の動作原理は、圧電素子に電界を与えるこ
とで圧電素子自体が直接機械的変位を起すものであり、
電磁気による駆動方法のようにコイルや磁石等の部品が
不要なため極めて簡単な構造をとることができるもので
ある。

第１図は直線駆動する圧電駆動装置の一例を示す力；（
理図であり、１は圧電素子、２は長方形断面をした水平
方向ｉと無限に長い棒状の振動体であり、下面に圧電素
子１が接着その他の方法で接合されている。３は動体で
あり、押圧力Ｐによって振動体２の４二面に押し付けら
れている。４は高周波１Ｌ源である。５は屈曲振動波、
６は楕円運動を７１’＜す。以下、動作について説明す
る。

圧電素子１に高周波電源４から高周波電圧を印加すると
、圧電素子１は第１図に示す水平方向に伸縮振動をする
。これにより振動体２は加振され屈曲振動波５が生ずる
ものである。この場合、高周波電源４の周波数をｆとし
振動体２の高さをｈ　、縦弾性係数をＥ、密度をρ、さ
らに屈曲振動波５の波長を入として、 で表わされる周波数ｆの条件が充たされれば、振動体２
は共振状態となって効率よく加振されるものである。こ
のように振動体２が加振され屈曲振動波５が第１図にお
いて、右から左方向に進行するときに、振動体２の上面
の各部の質点は楕円連動６を行っている。今、振動体２
の」−面に動体３を乗せ押圧力Ｐを加えると、動体３の
下面はＪｒ＋ｉ　＋ｌｌ＋振動波５の頂上部に押し伺け
られる。このため、動体３は頂上部の質点の楕円連動６
の水平成分から生ずる摩擦力によって屈曲振動波５の進
行方向とは反対に第１図の左側から右側へ駆動されるも
のである。

第２図は回転駆動する圧電駆動装置の一例を示す原理図
であり、１〜５は第１図と同一のものを示す。

円環状の振動体２の下部に設けられた圧電素子１により
矢印の方向に屈曲振動波５が生じ、円環状の振動体２の
円周に沿って進行する。実際には円環状の振動体２は、
第１図における無限に長い棒状の振動体２の場合と異な
り閉じた振動系である。したがって、屈曲振動波５は円
環状の振動体２の中で定在波となって進行しなくなる恐
れがある。このため、例えば複数の圧電素子１の設置位
相を相対的にずらしたり、また、複数個の高周波型ｐ：
（４の位相を相対的にずらして発振させて定在波が生じ
ないようにする等の工夫が必要である。

このようにしてＩＩられた屈曲振動波５の頂上部に円環
状の動体３を押圧力Ｐで押し伺けると、上述と同様に、
円環状の動体３は屈曲振動波５の進行方向とは反対の方
向に回転駆動されるものである。

このように、圧電駆動装置は直線駆動でも回転駆動であ
っても、圧電素子１．振動体２．動体３および所定の押
圧力Ｐを与える抑圧機構、その他、数点の部品で構成さ
れるため、従来の電磁力によるモータなどに比較して、
小型で軽量、かつ安価な駆動装置が得られるものである
。

ところが、第１図および第２図では原理の説明のために
振動状１ｔｉ＋を拡大して画いているが、実際の振動振
幅は現在のところ約２〜３μｍ程度のものである。これ
は圧電駆動装置を人間に対して騒７′？とはならないｒ
ｊＪ　聴域以上の高周波で駆動しなければならない、こ
と、また、圧電素子１に対して１ｌｌｉＪ電圧上および
実用上からも高電圧を与えられない等によって４Ｍ動振
幅を太きくできないという欠点があった。さらに振動振
幅が２〜３ＩＬｍ程度であるため、振動体２および動体
３のそれぞれの接触面の状態は極めて滑らかで、かつ平
担度が良くなくてはならない。なぜならば、振動体２お
よび動体３に振動択幅以上の凹凸があるとすると、動体
３は必ずしも振動体２上面の振動振幅の頂上部にだけに
押圧されることにはならず、他の部分（例えば振動の底
の部分）にも押圧されることも起る。さらに、」二連し
たように、振動体２の」二面の各質点は楕円運動６をし
ており、振動振幅の頂」二部では質点は左から右へ移動
するが、振動振幅の底部においては質点が右から左へ移
動するため、振動振幅の頂上部および底部に同時に接し
ている場合の動体３は、左右からの摩擦力が打ち消し合
って動かなくなるか、あるいは動いても駆動の効率が極
めて低下する。加えて、たとえ動体３および振動体２の
接触面が良好な面状態である場合でも、振幅の大きさ程
度のごみが振動体２の両面の間に入った場合には駆動不
良状態を引き起こす。このように、従来の圧電駆動装置
は振動振幅を十分に大きく取れないために、良好な駆動
をすることができない等の欠点があった。

〔発明の目的〕

この発明は、圧電素子の振動振幅を飛躍的に増大させ、
良好な駆動状態を実現し低電圧で効率よく駆動すること
ができる圧電駆動装置を提供することを目的とする。

〔実施例〕

第３図はこの発明の原理を示す動作説明図であり、１．
４は第１図と同一のものを示す。

圧’ｉ［：索子１の動作は、いわゆる圧電素子１の長さ
方向の変位を使うもので、この変位が振動体２を）ｒｒ
、面振動させるものであり、加えられる電界方向（圧電
素子１の上面と下面間に電界を加える）に対して、屈曲
振動方向は水平方向である。

加える’ｆｌ界■（ボルト）、長さ方向の変位Ｍ（（メ
ートル）との間の関係は、圧電定数ｄ３＋（メートル／
ポルト）によって、 （−ｄ３Ｉ　−■（メーＩ・ル）・・・・・・・・・・
・・（２）と表わされる。通常、圧電定数ｄ３１は（１
００〜３００）ＸＩＯ−１２メ一トル／ボルト程度のも
のである。

例えば、ｄ３．＝３００’Ｘ１０−”　メートル／ポル
Ｉ・、Ｖ＝１００ボルトとすれば、に３×１０−０メー
Ｉ・ル＝０．０３ミクロンメータとなり、かなり小さい
。この変位ｆｆｉ′（をにげるには印加する゛電界Ｖを
大きくすれば良いが、圧電素子１の１耐圧−１−および
実用上から高電圧を印加できないことは」二連のとおり
である。この発明は上記の問題点を解決したものである
。

第４図はこの発明の要部である圧電素子の概略構成図で
あり、１，４は第１図と同一のものを示し、Ｐ、〜Ｐ３
は面を表わす。以下、構成ならびに動作について説明す
る。

２枚の圧゛ＩＬ素子１の＝一方の北面と下面を逆方向に
して、つまり２枚の圧電素子１の正または負のいずれか
ト「目１号電極回士を接合したものである。

共通に接合する面Ｐ１を１つの電極とし、残る各圧電素
子１の上面Ｐ２、下面Ｐ３をもう一方の電極とし、Ｐ、
−Ｐ２　、Ｐ、−Ｐ３間に高周波電源４により電界Ｖを
加える。この場合、１枚の圧電素子１がそれぞれε０だ
け長さ方向に変位したとすれば、合計で２ε。変位する
ことになる。つまり、２枚の用゛ＩＬ素子１の２倍の変
位量を得ることができる。さらに、接合する圧電素子１
の接合枚数をｎ枚とずれは長さ方向の変位ｉをｎε０と
することができる。

第５図はこの発明に用いる圧電素子の他の例の４１！（
略４＋’４成図であり、１，４は第１図と同一のものを
示す。以下、動作について説明する。

この実施例は、２枚の圧電素子１の異符号同士の電極を
接合したものであり、上記実施例と同様に高周波１Ｌ　
ｌ；ｔ　４から図示の極性の電界Ｖを印加することによ
り２ε０の変位が得られるものである。

第６図はこの発明の一実施例を示すもので、−に記した
圧電素子を用いて構成した直線駆動型の圧電駆動装置の
概略構成を示すもので、符号１〜５、Ｐは第１図と同じ
ものを示す。

第６図の実施例は三層に積層された圧電素子１が２組あ
って、振動体２の下面に接合されている。以下、動作に
ついて説明する。

高周波電源４による電界Ｖにより圧電素子１か振動し振
動体２を加振する。これにより生ずる屈曲振動波５が動
体３を駆動するが、その振動振幅は単層の圧電素子１に
比べて３倍となる。

第７図は振動体２がＬ型の断面を持つように構”成され
たもので、振動体２の最上部には動体３があり、断面下
部には振動体２をはさんで上下面にそれぞれ積層された
圧電素子１ａおよび１ｂが接合されているものである。

このように、積層された圧電素子１ａ、ｌｂを振動体２
をはさんでさらに積層することでより大きな振動振幅を
得ることができる。

第８図はこの発明のさらに他の実施例を示す回転Δ′！
の圧電駆動装めの一例を示す概略図である。

この図で、１〜３は第１図と同一のものを示し４ａ、４
ｂは高周波電源、７は前記動体３を支える支軸、８はこ
の支軸７の軸受、９はばねである。以下、動作について
説明する。

円環状の圧電素子１は１枚の円環状の圧電材料を用い、
円環の円周各部毎に分極処理を施して圧電効果を独立し
て部分的に持たせたものである。

（閉じた系である円環の場合には、圧電素子１の位置と
高周波１［源４ａおよび４ｂの位相関係をずらして＞ｊ
？在波の発生を防止するようにしである。）円環状の圧
電素子１は２層に積層されており、円環状の振動体２の
下面に接合される。円環状のＪＭ動体２の」二には円環
状の動体３があり、支軸７と軸受８により保持される。

ばね９は適当なｆｆ擦力をｆＩＩるために押圧力を付与
するものである。

なお１円環状の圧電素子１のａ層数を複数段にすればよ
り大きな振動振幅を得ることは言うまでもないことであ
る。

〔発明の効果〕

以１−説明したように、この発明は圧電素子をＸｒｉ層
し、それらの」二面、下面および接合面に交番電圧を印
加するようにしたので低電圧で大きな振動振幅を得るこ
とができる。したがって、振動体や動体の接触面の精度
やごみの影響を少なくすることができ、安定して効率の
良い圧電駆動を達成でき、かつ素子寿命を大幅に向上で
きる等の利点を右する。

【図面の簡単な説明】

第１図は直線駆動する圧電駆動装置の一例を示す原理図
、第２図は回転駆動する圧′屯駆動装置の一例を示す原
理図、第３図はこの発明の原理を示施例を示す概略構成
図、第７図はこの発明の他の・、実施例を示す概略構成
図、第８図はこの発明のさらに他の実施例を示す組立前
の状態を示す図である。 図中、１．ｌａ、ｌｂは圧電素子、２は振動体、３は動
体、４．４ａ、４ｂは高周波電源、５は屈曲振動波、６
は楕円運動、７は支軸、８は軸受、９はばねである。 第１図 第　２　ロ 第３図 第４図 第　５　図 第６図 第７図 第８図 ＠〜９

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交番電圧を印加することにより振動する圧電素子と、こ
   の圧電素子により加振させられる振動体、およびこの振
   動体の振動により摩擦駆動される動体とにより構成され
   る圧電駆動装置において、前記圧電素子を複数段積層し
   、前記複数段の各圧電素子の上面、下面および接合面に
   それぞれ同時に交番電圧を印加する手段を設けたことを
   牛〜徴とする圧電駆動装置。