JPH0783620B2

JPH0783620B2 - バイモルフ型圧電セラミックを駆動源とするアクチュエータを用いたステッピングモータ

Info

Publication number: JPH0783620B2
Application number: JP60017838A
Authority: JP
Inventors: 久杉本
Original assignee: 旭サナツク株式会社
Priority date: 1985-01-31
Filing date: 1985-01-31
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPS61177178A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、バイモルフ型圧電セラミツクを駆動源とする
アクチユエータを用いたステツピングモータに関する。

発明が解決しようとする問題点従来のステツピングモータとしては、ロータの外周に複
数個の鉄片を一定ピツチで設けるとともに、ステータの
内周に、複数個の磁極をロータの鉄片に対するずれが一
定角度ずつ順次増加するように配置し、各磁極を順次に
励磁して鉄片を吸引することによりロータを一定角度ず
つ回転させるものが知られているが、このように磁力で
ロータの鉄片を吸引してロータを回転させるステツピン
グモータでは、磁極と鉄片とが、例えば歯同士がかみ合
うときのように機械的に係合するのではないから、ロー
タを回転させたときにその慣性力に抗して磁極と鉄片と
が整合する位置で確実に停止させることが困難であり、
確動性に欠ける欠点があつた。

そこで、本願出願人は、確動性に優れたステツピングモ
ータとして、外周面に多数の歯を設けたロータを筒形の
ボデイ内に回転自由に支持し、ボデイの内周面に、前記
歯に係合する係合部を有し、かつ、ロータの中心方向へ
の進退自由な複数の押圧体を、係合部の歯に対する位相
を異ならせて装置するとともに、前記のボデイに、電圧
の印加により厚さの変化する圧電セラミツクを多数枚積
層した積層型圧電セラミツクを駆動源として伸縮するア
クチユエータを各押圧体に対応して設け、各押圧体を順
次に前進及び後退させて、押圧体の前進時に係合部で歯
の斜面を押圧することによりロータを一定角度ずつ回転
させるようにしたものを開発して特願昭59-51371号（特
公平3-34306号）として出願したが、かかる構造のステ
ツピングモータは、ロータと押圧体の機械的係合により
ロータを回転させるのであるから上記した確動性に優
れ、しかも、圧電セラミツクは高速応答性に優れるた
め、順次に位相のずれた高周波のパルス電圧を夫々のア
クチユエータに印加することによつて、ロータを円滑に
連続回転させることができるもので、各圧電セラミツク
の厚さの変化の総和で伸縮する積層型圧電セラミツクを
駆動源とするアクチユエータは変化量が比較的小さく、
押圧体に必要なストロークを得るためには圧電セラミツ
クの積層枚数を多くしてアクチユエータの全長を長くと
る必要があり、押圧体をロータの中心方向へ進退させる
ためにロータの外周にアクチユエータを収納する大きな
スペースが必要となつてモータが大型化する不具合があ
り、また、これを回避するために、アクチユエータを押
圧体とボデイの間に押圧体の進退方向に対して斜めに傾
けて配置し、その押圧体と係合する作動端を前記進退方
向にのみ移動自由に拘束することによつて、アクチユエ
ータの変位量を増幅して押圧体を駆動する方法も考えら
れたが、構造が複雑となつて製造に手間が掛かる不具合
があり、未だ改良の余地が残されていた。

本発明は、叙上の点に鑑み完成されたものであつて、押
圧体を駆動するアクチユエータにバイモルフ型圧電セラ
ミツクを駆動源とするアクチユエータを用いることによ
り、ロータの確動性を保証し並びにロータの円滑な連続
回転を可能とする積層型圧電セラミツクを駆動源とする
アクチユエータを用いたステツピングモータの優れた特
徴をそのまま活かし、なおかつ、構造が簡単で小嵩にま
とめ得るステツピングモータを提供することを目的とす
る。

実施例以下、本発明の一実施例を第１図乃至第３図に基づいて
説明する。

１は中心孔２を有し、かつ、断面略正三角形の幅の狭い
筒形を成すボデイであつて、一対の脚３、３で支持され
ており、このボデイ１の中心孔２内に、筒形のロータ４
が同心に嵌装されて水平軸周りの回転自由に支持されて
おり、ロータ４の外周面に、二等辺三角形をした多数の
外周歯５が一定のピツチで連続して形成されている。

ボデイ１の内周面における三角形の各辺の中央に対応す
る位置には、ロータ４の中心を向いた３個の案内溝６が
120度間隔で形成され、各案内溝６内に、ロータ４との
対応面に前記外周歯５と同一ピツチになる複数個ずつの
送り歯８を形成した押圧体７が、滑り板９を介してロー
タ４の中心方向の進退自由に嵌装されており、これらの
送り歯８の外周歯５に対する位置関係は、外周歯５と整
合する送り歯８を基準として、その他の２個の送り歯８
が、外周歯５に対する位相のずれを1/3ピツチずつ反時
計方向に順次に増加させるようになつており、位置Ｉの
送り歯8aが外周歯５と整合していると、位置IIの送り歯
8bは1/3ピツチ、位置III送り歯8cは2/3ピツチ夫々外周
歯５と位相がずれている。

前記ボデイ１内の各押圧体７の下面には、押圧体７を駆
動するためのアクチユエータ11が、三角形の各辺に沿つ
た姿勢で装置されて固定されている。このアクチユエー
タ11は、第２図に示すように、バイモルフ型圧電セラミ
ツク12を駆動源とするものであつて、このバイモルフ型
圧電セラミツク12は、第３図に示すように、マグネシウ
ム・ニオブ酸鉛とチタン酸鉛の二成分固溶体セラミツク
｛（１−Ｘ）Pb（Mg_1/3Nb_2/3）・O₃-PbTiO₃｝のうちの
Ｘが0.35近くのものからなり、電圧の印加により伸びを
生ずる性質を持つ細長い圧電セラミツク板13の一面に、
ステンレス鋼板等の伸縮率の小さい裏板14を重ねて張り
合わせた構造になり、圧電セラミツク板13に電圧を印加
した際に、その自由な表面側と拘束された裏面側との伸
びの差によつて表面側に膨んで彎曲し、電圧の印加を除
去すると元に戻るように作用し、応答速度が極めて速
く、また、細長い板状のものを彎曲させるのであるか
ら、積層型圧電セラミツクに比べて変位量を大きく取れ
るという特徴を有しており、このバイモルフ型圧電セラ
ミツク12が基体15の上面に形成した細長い凹部16内に表
面を上にして装入され、両端に固着したローラ17、17を
円形孔18、18内に軸線周りの回転自由に嵌合して支持さ
れているとともに、このバイモルフ型圧電セラミツク12
の長さ方向の中央部に作動子20が嵌着されており、圧電
セラミツク板13の両端には第３図に示すように電極40、
41が装着されており、これらは図示しない電源にリード
線で接続されていて、圧電セラミツク板13への通電と遮
電とをくり返すことによつて、バイモルフ型圧電セラミ
ツク12が鎖線に示す彎曲と実線に示す自由状態への復帰
をくり返し、これによつて、作動子20が鎖線位置と実線
位置の間で往復運動するようになつている。

このアクチユエータ11が、前記のように作動子20を押圧
体７の下面に対応させて装置され、作動子20の前進によ
り押圧体７をその送り歯８がロータ４の外周歯５とかみ
合う位置まで前進させるようになつており、また、各押
圧体７に内接するようにして、図示しない押圧体７の復
帰用の弾性リングが嵌合されている。

なお、上記のバイモルフ型圧電セラミツク12には、第５
図に示すように２枚の圧電セラミツク板13を張り合わ
せ、電極40、41により電圧を印加することにより一方の
圧電セラミツク板13が伸び、他方の圧電セラミツク板13
が縮んで曲率を変化させるようにしたものを用いてもよ
い。

次に、本実施例の作用について説明する。

第１図に示すように、位置Ｉの押圧体７が前進して送り
歯8aが外周歯５とかみ合つている状態において、送り歯
8bが外周歯５に対して1/3ピツチ位相がずれている隣り
のアクチユエータ11に通電するとともに、位置Ｉのアク
チユエータ11の通電を遮断すると、位置IIの押圧体７が
前進するとともに、位置Ｉの押圧体７が弾性リングの弾
力で後退し、上記のように、位置IIの送り歯8bは外周歯
５に対して1/3ピツチ位相がずれていて、送り歯8bの歯
先が外周歯５の時計方向の前側の斜面に対応しているこ
とから、送り歯8bの前進行程でその歯先が外周歯５の斜
面を押して、ロータ４を反時計方向に1/3ピツチ回転さ
せ、この状態では、その隣りの位置IIIの送り歯8cが外
周歯５に対して1/3ピツチ位相がずれているから、引続
いて、位置IIIのアクチユエータ11に通電して送り歯8c
を前進させ、位置IIのアクチユエータ11の通電を遮断し
て送り歯8bを後退させることによつて、ロータ４が再び
1/3ピツチ同方向に回転する。

このように、位置Ｉ、II及びIIIのアクチユエータ11に
対して通電と遮電とを一定のサイクルで繰り返すことに
よつて、ロータ４を反時計方向に1/3ピツチずつ間欠回
転させることができ、所定の送状り歯８が外周歯５とか
み合つたところで、そのアクチユエータ11の通電状態に
保持すれば、ロータ４を任意の回転角度で停止させるこ
とができる。

また、押圧体７をバイモルフ型圧電セラミツク12を使用
したアクチユエータ11で駆動するようになつており、こ
のバイモルフ型圧電セラミツク12は高速応答性に優れて
いるから、アクチユエータ11に順次に位相のずれた高周
波のパルス電圧を印加することにより、ロータ４を円滑
に連続回転させることができ、また、このバイモルフ型
圧電セラミツク12は、板状のものが曲率を変えるように
彎曲するのであつて、作動子20の変化量を大きく取るこ
とができるため、積層型圧電セラミツクを駆動源とする
アクチユエータを用いた場合のように、押圧体７に必要
なストロークを得るために、全長を長く取つたアクチユ
エータをロータ４の中心方向に向けて押圧体７の下面に
装置することによるモータの大型化、あるいは、アクチ
ユエータを押圧体７の往復動方向に対して斜めに傾けて
装置することによる構造の複雑化を回避することができ
る。

第４図は本発明の他の実施例を示し、このステツピング
モータは、ボデイ31が、中心孔32を有し、かつ、外周面
の全長にわたつて60度の間隔で６個の膨出部33を放射状
に突設した断面星形の軸線方向に細長い筒状をなし、そ
の中心孔32内に、前記実施例と同様に、外周面に外周歯
35を連続して形成したロータ34が水平軸周りの回転自由
に支持され、各膨出部33の内周面に、ロータ34の中心を
向いた案内溝36が全長にわたつて形成され、各案内溝36
内に、互いに向き合う２個で対を成し、外周歯35に対す
る位相のずれが反時計方向に1/3ピツチずつ順次に増加
する送り歯38をロータ34との対応面に形成した押圧体37
が、ロータ33の中心方向の進退自由に嵌装され、各押圧
体37の下面に、前記したバイモルフ型圧電セラミツク12
を駆動源とするアクチユエータ11がボデイ31の軸線方向
に沿つて装置されて固定され、作動子20が押圧体37の下
面に対応されており、互いに向き合う位置ＩとIV、位置
IIとＶ及び位置IIIとVIのアクチユエータ11に対して通
電と遮電とを一定のサイクルでくり返して、互いに向き
合う押圧体37を反時計方向に順次に駆動することによ
り、ロータ34を反時計方向に1/3ピツチずつ間欠回転さ
せることができ、互いに向き合う２個の押圧体37の送り
歯38でロータ34の外周歯35を押圧してロータ34を駆動す
るようにしたから、大きな駆動力が得られるとともに、
外周歯35を押したときにロータ34に曲げモーメントが作
用しない利点を有する。

なお、上記各実施例では、外周歯５及び35が二等辺三角
形になつていて、両側に斜面が形成されているから、押
圧体７及び37を各実施例とは逆に時計方向に順次駆動す
ると、ロータ４及び34を時計方向に1/3ピツチずつ回転
させることができるのであるが、ロータ４及び34を一方
向にのみ回転させれば良いときには、外周歯５及び35を
一側にのみ斜面を有する鋸歯状としても良く、さらに、
送り歯８及び38の装置個数は２個以上任意である。

発明の構成及び作用効果上記実施例によつて具体的に説明したように、本発明の
バイモルフ型圧電セラミツクを駆動源とするアクチユエ
ータを用いたステツピングモータは、一側若しくは両側
に斜面を有する多数の歯を外周面に設けたロータを筒形
のボデイ内に回転自由に支持し、該ボデイの内周面に前
記歯に係合する係合部を有し、かつ、前記ロータの中心
方向への進退自由な複数の押圧体を、前記係合部の前記
歯に対する位相を異ならせて装置するとともに、電圧の
印加により伸長する細長い圧電セラミツク板の一面に金
属板等の伸縮率の小さい裏板を張着して、前記圧電セラ
ミツク板の伸長復帰により曲率が変化するか、または、
電圧の印加により一方が伸長し他方が収縮する圧電セラ
ミツク板同士を張り合わせて、該両圧電セラミツク板の
伸縮復帰により曲率が変化するバイモルフ型圧電セラミ
ツクの曲率の変化により長さ方向の中央部に装着された
作動子を往復運動させるアクチユエータを前記各押圧体
の外側において前記ボデイに固定して前記作動子を前記
押圧体の外面に対応し、前記各アクチユエータに順次に
位相のずれた電圧を印加することにより前記押圧体を順
次に前進及び後退させて、該押圧体の前進時に前記係合
部で前記歯の斜面を押圧することにより前記ロータを一
定角度ずつ回転させる構成としたことを要旨とするもの
であつて、ロータの歯と位相がずれた位置にある押圧体
の係合部が直接に歯の斜面を押してロータを回転させる
のであるからロータを一定角度ずつ確実に回転させるこ
とができるとともに、ロータの歯と押圧体の係合部との
機械的な係合でロータの回転を停止させるのであるか
ら、ロータを任意の回転角度で確実に止めることがで
き、また、高速応答性に優れたバイモルフ型圧電セラミ
ツクを使用したアクチユエータで各押圧体を駆動するよ
うにしたから、順次に位相のずれた高周波のパルス電圧
を夫々のアクチユエータに印加することによつて、ロー
タを円滑に連続回転させることができ、しかも、バイモ
ルフ型圧電セラミツクは、板状のものが曲率を変えるよ
うに変形するのであつて、作動子の変位量を大きく取る
ことができるから、積層型圧電セラミツクを駆動源とす
るアクチユエータを用いた場合のように、押圧体に必要
なストロークを得るために、全長を長く取つたアクチユ
エータをロータの中心に向けて押圧体の下面に装置した
り、あるいは、アクチユエータを押圧体の往復動方向に
対して斜めに傾けて装置する複雑な構造とする必要がな
く、ステツピングモータの小型化及び構造の簡単化を計
ることができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の一部切欠正面図、第２図は
アクチユエータの拡大断面図、第３図はバイモルフ型圧
電セラミツクの部分拡大斜視図であり、第４図は本発明
の他の実施例の一部切欠正面図であり、第５図は他のバ
イモルフ型圧電セラミツクの部分拡大斜視図である。１、31:ボデイ、４、34:ロータ、５、35:外周歯、７、3
7:押圧体、８、38:送り歯、11:アクチユエータ、12:バ
イモルフ型圧電セラミツク、13:圧電セラミツク板、14:
裏板、20:作動子、40、41:電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一側若しくは両側に斜面を有する多数の歯
を外周面に設けたロータを筒形のボデイ内に回転自由に
支持し、該ボデイの内周面に前記歯に係合する係合部を
有し、かつ、前記ロータの中心方向への進退自由な複数
の押圧体を、前記係合部の前記歯に対する位相を異なら
せて装置するとともに、電圧の印加により伸長する細長
い圧電セラミツク板の一面に金属板等の伸縮率の小さい
裏板を張着して、前記圧電セラミツク板の伸長復帰によ
り曲率が変化するバイモルフ型圧電セラミツクの曲率の
変化により長さ方向の中央部に装着された作動子を往復
運動させるアクチユエータを前記各押圧体の外側におい
て前記ボデイに固定して前記作動子を前記押圧体の外面
に対応し、前記各アクチユエータに順次に位相のずれた
電圧を印加することにより前記押圧体を順次に前進及び
後退させて、該押圧体の前進時に前記係合部で前記歯の
斜面を押圧することにより前記ロータを一定角度ずつ回
転させる構成としたことを特徴とするバイモルフ型圧電
セラミツクを駆動源とするアクチユエータを用いたステ
ツピングモータ。
【請求項２】一側若しくは両側に斜面を有する多数の歯
を外周面に設けたロータを筒形のボデイ内に回転自由に
支持し、該ボデイの内周面に前記歯に係合する係合部を
有し、かつ、前記ロータの中心方向への進退自由な複数
の押圧体を、前記係合部の前記歯に対する位相を異なら
せて装置するとともに、電圧の印加により一方が伸長し
他方が収縮する圧電セラミツク板同士を張り合わせて、
該両圧電セラミツク板の伸縮復帰により曲率が変化する
バイモルフ型圧電セラミツクの曲率の変化により長さ方
向の中央部に装着された作動子を往復運動させるアクチ
ユエータを前記各押圧体の外側において前記ボデイに固
定して前記作動子を前記押圧体の外面に対応し、前記各
アクチユエータに順次に位相のずれた電圧を印加するこ
とにより前記押圧体を順次に前進及び後退させて、該押
圧体の前進時に前記係合部で前記歯の斜面を押圧するこ
とにより前記ロータを一定角度ずつ回転させる構成とし
たことを特徴とするバイモルフ型圧電セラミツクを駆動
源とするアクチユエータを用いたステツピングモータ。