JPH06101942B2 - 圧電モ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は圧電モータに係り，特に，低電圧で大きな変位
を得るに好適な圧電モータに関するものである。

〔従来の技術〕

圧電体を利用して電気エネルギーを回転運動に変換する
従来の圧電モータは，例えば，特開昭61−35171〜35175
号に記載のように，径方向に拡縮変形する筒状圧電体と
厚み方向に振動する積層型圧電体とを組み合わせ，それ
らの振動のタイミングを制御することによって，回転軸
を回転している。あるいは，日経エレクトロニクス1986
3月24日号p90〜92に記載のように，円板状または円環
状の圧電体に上下方向のたわみ振動を定在波として生じ
させ，その定在波の一部を水平方向成分に変換するとと
もにその定在波を回転方向に進行させる。そして，上記
の定在波の一部を水平方向成分に変換する部分に回転体
を加圧接触させることによって，回転体を回転してい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は，前者では，筒状圧電体を径方向に拡縮
変形させるための駆動電圧が，積層型圧電体を厚み方向
に振動させるための駆動電圧に比べて高くなること，ま
た，後者では，効率を上げるために，ステータ基体のリ
ング状の突起部にきざみを設ける構成が複雑となり，コ
ストが高くなる等の問題があった。

本発明の目的は，上記従来技術の問題点を解消し，低電
圧で大きな変位を得ることができるとともに，コストが
低い圧電モータを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は，一端が固定され他端が厚み方向に上下に振
動する第１の圧電体と，第１の圧電体の上記他端にほぼ
同一平面上にかつ第１の圧電体とは異なる向きに一端が
連結され他端が厚み方向に上下に振動する第２の圧電体
と，第２の圧電体の上記他端に連結され上下振動を水平
振動に変換する変換部とを設け，上記変換部に回転体を
加圧接触させる。そして，第１の圧電体に印加する電圧
の位相と第２の圧電体に印加する電圧の位相との差を90
°にすることにより，達成される。

〔作用〕

第１の圧電体の振動方向および第２の圧電体の振動方向
は夫々第１の圧電体の厚み方向および第２の圧電体の厚
み方向であるので，低い電圧で圧電効果を得ることがで
きる。

また，第１の圧電体に印加する電圧の位相と第２の圧電
体に印加する電圧の位相との差が90°であるので，第１
の圧電体の上下振動の位相と第２の圧電体の上下振動の
位相との差も90°である。したがって，上下振動を水平
振動に変換する変換部の先端の軌跡は直線ではなくて，
長軸の長さに対して短軸の長さが極端に短い偏平な楕円
形となる。それ故，変換部の先端の軌跡が，上記の偏平
な楕円形軌跡のうち，回転体の進行方向の軌跡であると
きのみ，変換部の先端が回転体に接触するようにすれ
ば，回転体を間欠的に回転させることができる。

さらに，上記の説明は，回転体を回転する圧電体や変換
部等の駆動系が１系統である場合についての説明である
が,2系統の駆動系を設けて,2系統の駆動系の振動の位相
の差を180°にすれば，回転体を間欠的に回転する周期
が1/2になり,1系統駆動の場合よりも連続的に回転させ
ることができる。

〔実施例〕

以下，本発明の実施例を図に基づいて説明する。第１図
は本発明の実施例の分解斜視図である。第１図におい
て，圧電モータの固定体すなわち本体５には，基盤10,
異方性導電ゴム9,圧電体40,振動体8,移動体すなわちロ
ータ４が積み重ねてあり，本体５の中心軸６を貫通して
中心軸６に固定してある。

基板10の表面には，第４図に示すように，印刷配線33,3
4,35,36,37が設けてある。印刷配線33,34,35,36,37の夫
々の端子28,29,30,31,32は圧電モータを電源に接続する
ための端子であり，端子33′,34′,35′,35″,36′,3
6″,37′,37″は圧電体40の後述する各電極との接続用
端子である。そして，印刷配線33〜37の端子28〜32,3
3′〜37″以外の部分は表面が絶縁してある。

異方性導電ゴム９は，その内部に金属粒子が厚み方向に
配列してあり，上下方向には電気的に導通状態となって
いるが，水平方向には電気的に不導通状態となってい
る。すなわち，基板10の表面に設けてある印刷配線33〜
37の夫々の端子33′〜37″と，圧電体40の後述する各電
極とを接続するリード線の機能を有している。

圧電体40は卍形をしており，上セラミックス11と下セラ
ミックス13とがシム12を挟んでいわゆるパラレル型のバ
イモルフアクチユエータ状に貼り合わされている。そし
て，圧電体40の表面には第２図に示すように電極21,21,
22,23,24,25,26が，また，表面には第３図に示すよう
に，電極21′,22′,23′,24′,25′,26′,27が，夫々設
けてある。

電極21,21と電極21′とは圧電体40の卍形の中央部付近
で接続してあり，電極21′は，異方性導電ゴム９を介し
て，基板10の表面に設けてある印刷配線34の端子34′と
導通している。すなわち，電極21,21,21′は圧電モータ
を電源に接続するための端子29と導通している。

電極22と電極22′とは圧電体40の卍形の折曲部付近で接
続してあり，電極22′は，異方性導電ゴム９を介して，
基板10の表面に設けてある印刷配線35の端子35′と導通
している。また，電極25と電極25′とは圧電体40の卍形
の折曲部付近で接続してあり，電極25′は，異方性導電
ゴム９を介して，基板10の表面に設けてある印刷配線35
の端子35″と導通している。すなわち，電極22,22′,2
5,25′は圧電モータを電源に接続するための端子30と導
通している。

電極23と電極23′とは圧電体40の卍形の中央部付近で接
続してあり，電極23′は，異方性導電ゴム９を介して，
基板10の表面に設けてある印刷配線36の端子36″と導通
している。また，電極27は，電極23′と接続するべきで
あるが，電極配置の都合によって圧電体40の裏面では独
立している。そして，電極27は，異方性導電ゴム９を介
して，基板10の表面に設けてある印刷配線36の端子36′
と導通している。すなわち，電極23,23′,27は圧電モー
タを電源に接続するための端子31と導通している。

電極24と電極24′とは圧電体40の卍形の折曲部付近で接
続してあり，電極24′は，異方性導電ゴム９を介して，
基板10の表面に設けてある印刷配線37の端子37′と導通
している。また，電極26と電極26′とは圧電体40の卍形
の折曲部付近で接続してあり，電極26′は，異方性導電
ゴム９を介して，基板10の表面に設けてある印刷配線37
の端子37″と導通している。すなわち，電極24,24′,2
6,26′は圧電モータを電源に接続するための端子32と導
通している。

圧電体40を構成する金属弾性板のシム12は，その卍形の
中央部分が，異方性導電ゴム９を介して，基板10の表面
に設けてある印刷配線33の端子33′と導通している。す
なわち，シム12は圧電モータを電源に接続するための端
子28と導通している。

また，上セラミックス11および下セラミックス13はチタ
ン酸バリウムやジルコン酸鉛などの圧電磁器の薄板であ
る。そして，圧電体40の卍形の十字状の部分が〔問題点
を解決するための手段〕および〔作用〕において説明し
た第１の圧電体１であり，圧電体40の卍形の折れ曲った
部分が第２の圧電体２である。

振動体８は卍形をしたステンレス等の薄板であり，卍形
の先端を上方に直角に折り曲げることによって，上下振
動を水平振動に変換する変換部３を構成している。そし
て，振動体８は圧電体40と接着されて一体となってお
り，圧電体40の振動はほぼそのまま振動体８に伝達され
る。

ロータ４は回転自在に軸６を貫通しており，その下面の
円周部分が振動体８の変換部３の先端に加圧接触するよ
うに，軸６に圧入されたカラー７によって上から押えて
ある。

つぎに，この発明の圧電モータの動作原理を図に基づい
て説明する。第５図は動作原理を説明するための基本構
造を上面から示す図，第６図は基本構造を側面から示す
図，第７図および第８図は圧電体の屈曲変位を説明する
図，第９図は振動体の振動を説明する図であって，既に
説明した第１図〜第４図における部分と同一の部分には
同一の番号を用いている。

第５図〜第９図において，端部を固定体５に水平に固定
された平板状の振動体８は，固定体５に対して垂直に延
びた後，水平に直角に曲り，先端が上方に垂直に曲って
変換部３および３′を構成している。そして，変換部３
の先端Ｃおよび変換部３′の先端Ｃ′は夫々移動体４の
下面に加圧接触している。

振動体８の下面には，上セラミックス11とシム12と下セ
ラミックス13とを貼り合わせた第１の圧電体１と１′お
よび第２の圧電体２と２′が接着してある。また，上セ
ラミックス11の上面と下セラミックス13の下面とには，
図示していないが，電極が設けてあり，上セラミックス
11の上面の電極と下セラミックス13の下面の電極とは接
続してある。シム12を中心電極として上セラミックス11
の上面の電極および下セラミックス13の下面の電極に電
圧を印加すると，第７図に示すように上セラミックス11
が伸長して下セラミックス13が縮小したり，あるいは，
第８図に示すように上セラミックス11が縮小して下セラ
ミックス13が伸長したりする。すなわち，第１の圧電体
１と１′および第２の圧電体２と２′が屈曲変位する。

この場合，第１の圧電体１と１′および第２の圧電体２
と２′が接着してある振動体８も屈曲変位するが，振動
体８の端部は固定体５に固定してあるので，固定体５に
対し垂直に延びた振動体８の先端ＡおよびＡ′は，第９
図の矢印14および17で示すように夫々上下に振動する。
また，先端ＡおよびＡ′から直角に曲った振動体８の先
端ＢおよびＢ′は，矢印15および18で示すように夫々上
下に振動する。したがって，先端ＢおよびＢ′から上方
に垂直に曲つた振動体８の変換部３および３′の先端Ｃ
およびＣ′は，矢印16および19で示す水平振動成分を夫
々発生する。

それ故，〔作用〕において既に説明したように，第１の
圧電体１および１′に印加する電圧の位相と，第２の圧
電体２および２′に印加する電圧の位相との差を90°に
すれば，第１の圧電体１および１′に発生する上下振動
の位相と，第２の圧電体２および２′に発生する上下振
動の位相との差も90°である。すなわち，第１の圧電体
１と１′および第２の圧電体２および２′が接着してあ
る振動体８の変換部３および３′の先端ＣおよびＣ′
は，偏平な楕円形の軌跡を有する水平振動を夫々発生す
る。したがって，振動体８の変換部３および３′の先端
ＣおよびＣ′が，移動体４を移動させたい矢印20で示す
方向の水平振動成分を有するときにのみ，先端Ｃおよび
Ｃ′を移動体４に加圧接触させれば，移動体４を矢印20
で示す方向に間欠的に移動させることができる。

上記の動作原理の説明では，移動体４は変換部３の先端
Ｃと変換部３′の先端Ｃ′とによって移動するが，先端
Ｃの水平振動と先端Ｃ′の水平振動とは同相であるの
で，これを１相運転と称する。

この１相運転に対して，第１の圧電体１に印加する電圧
の位相と第２の圧電体２に印加する電圧の位相との差
を，また，第１の圧電体１′に印加する電圧の位相と第
２の圧電体２′に印加する電圧の位相との差を，夫々90
°に保ったまま，第１の圧電体１に印加する電圧の位相
と第１の圧電体１′に印加する電圧の位相との差を，ま
た，第２の圧電体２に印加する電圧の位相と第２の圧電
体２′に印加する電圧の位相との差を，夫々180°にし
て２相運転にすると，第１の圧電体１に発生する上下振
動の位相と第１の圧電体１′に発生する上下振動の位相
との差，また，第２の圧電体２に発生する上下振動の位
相と第２の圧電体２′に発生する上下振動の位相との差
も，夫々180°である。すなわち，振動体８の変換部３
の先端Ｃに発生する楕円形軌跡の水平振動の位相と，変
換部３′の先端Ｃ′に発生する楕円形軌跡の水平振動の
位相との差は180°である。したがって，先端ＣとＣ′
とは180°の位相差をもって移動体４を移動するので，
移動体４を間欠的に移動する周期は,1相運転の場合に移
動体を間欠的に移動する周期の1/2になり,1相運転の場
合よりも連続的に移動体４を移動することができる。

さらに,3相運転にすれば，より連続的に円滑に移動体４
を移動することができる。

したがって，第１図に示す圧電モータを１相運転する場
合は，第４図において，端子28を共通端子として，端子
29および端子31に接続する電圧の位相と端子30および端
子32に接続する電圧の位相との差を90°にすればよい。
そして,2相運転する場合は，端子28を共通端子として，
端子29に接続する電圧の位相と端子30に接続する電圧の
位相との差を，また，端子31に接続する電圧の位相と端
子32に接続する電圧の位相との差を，夫々90°に保った
まま，端子29に接続する電圧の位相と端子31に接続する
電圧の位相との差を，また，端子30に接続する電圧の位
相と端子32に接続する電圧の位相との差を，夫々180°
にすればよい。

第10図〜第19図はこの発明の他の実施例を示す図であ
る。

第10図は，卍形の圧電体40の一部分を示しており，振動
体８を用いないで，上セラミックス11に変換部３を一体
化した構造としている。これにより，部品の数は少なく
なるが，上セラミックス11の製作が困難になる。

第11図は，振動体８の変換部３を上セラミックス11の第
２の圧電体２の先端に接着している。これにより，圧電
体40の変位を大きくとることができるので，低電圧化に
有利であるが，組立工数が増加する欠点がある。

第12図は，中心電極であるシム12は圧電体40の弾性補強
板でもあるので，その先端を上方に垂直に折り曲げて変
換部３を構成している。これにより，部品の数は少なく
なるが，ロータ４に加圧接触する変換部３の先端を絶縁
する必要がある。

これまで振動体８の形状を円弧状に曲った卍形として説
明したが，第13図は，振動体８の形状を文字どおりの卍
形にするとともに，圧電体40を長方形状の第１の圧電体
１と第２の圧電体２とに分離して夫々振動体８に接着固
定している。これにより，振動体８および圧電体40の形
状が単純となり作り易いが組立工数が増加する。

第14図は，圧電体40の形状を先端が円弧状に曲ったＹ字
形にするとともに,3本の直線部分および３本の円弧部分
に夫々電極を独立して接着している。そして,3本の直線
部分の各電極に印加する電圧の位相の差を120°にして,
3相運転を行うようにしている。これにより，ロータを
より連続的に回転させることができる。

これまで，圧電体をパラレル型のバイモルフアクチュエ
ータ状に貼り合わすと説明したが，シリーズ型を用いて
結線を変えても良いし，バイモルフ状にせずユニモルフ
状にしても良い。

また，以上の実施例では回転型アクチュエータとして説
明したが直線型アクチュエータとして構成することもで
きる。第15図は直線型アクチュエータの上面図，第16図
は正面図，第17図は側面図である。第15〜17図におい
て，移動体４は固定体５に固定されたガイド軸38および
39に案内されて摺動するようになっている。また，動作
原理を説明した第５図および第６図に示すような形状の
圧電体40および振動体８が，異方性導電ゴム９を介して
固定体５に固定してあり，振動体８の変換部３の先端が
移動体４の下面に加圧接触している。そして，第５図〜
第９図において説明した動作原理と同様の作用によっ
て，移動体４が矢印20で示す方向に移動するようになっ
ている。

〔発明の効果〕

本発明によれば，第１の圧電体および第２の圧電体の振
動方向は圧電体の圧電係数が大きい厚み方向であるとと
もに，第１の圧電体および第２の圧電体を薄く作ってバ
イモルフ形状にすることができるので，低い電圧で大き
な変位を得ることができる効果がある。また，振動体は
板金プレス等で容易に加工できる形状であってコストが
低く，減速機が不要で微小送りに敵し，トルクが比較的
大きいという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の分解斜視図，第２図は圧電体
の表面の電極配置図，第３図は圧電体の裏面の電極配置
図，第４図は基板の表面に設けた印刷配線を示す図，第
５図〜第９図は本発明の圧電モータの動作原理を説明す
るための図であって，第５図は基本構造を上面から示す
図，第６図は側面から示す図，第７図および第８図は圧
電体の屈曲変位を説明する図，第９図は振動体の振動を
説明する図，第10図〜第17図は本発明の他の実施例を示
す図である。 １……第１の圧電体、２……第２の圧電体 ３……変換部、４……移動体（ロータ） ５……固定体（本体）、６……中心軸 ７……カラー、８……振動体 ９……異方性導電ゴム、10……基板 11……上セラミックス、12……シム 13……下セラミックス、14〜20……矢印 21〜27,21′〜26′……電極 28〜32,33′〜37′,35″〜37″……端子 33〜37……印刷配線、38,39……ガイド軸 40……圧電体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体を利用して移動体を固定体に対して
   移動する圧電モータにおいて、一端が固定され他端が上
   下に振動する第１の圧電体と、前記第１の圧電体の前記
   他端にほぼ同一平面上にかつ第１の圧電体とは異なる向
   きに端部が連結されて上下に振動する第２の圧電体と、
   前記第２の圧電体の上下振動を水平振動に変換する変換
   部とを含み、前記第１の圧電体に印加する電圧と前記第
   ２の圧電体に印加する電圧とに位相差をもたせることに
   よって、前記移動体を前記固定体に対して移動するよう
   にしてあることを特徴とする圧電モータ。