JPH0314955Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 技術分野 本考案はたとえばNC工作機器の工具の微動調
整装置などに好適に用いられる駆動用圧電装置に
関する。

背景技術 第１図はリニアモータの駆動用圧電装置におけ
る先行技術の作動図である。移動体１は、移動方
向に延びる第１圧電素子部２と、第１圧電素子の
長手方向の両端に形成される第２圧電素子部３お
よび第３圧電素子部４とから構成される。この移
動体１の動作の過程は、まず第１図１に示すよう
に移動体１を溝ブロツクなどの案内体５内に挿入
する。次に第２圧電素子部３を第１図２に示すよ
うに、移動方向と垂直な方向に伸長させて案内体
５の内壁面６に圧接して固定する。次に第１圧電
素子部２を移動方向と平行に、予め定められる長
さＬだけ伸長させる。このとき第３圧電素子部４
は長さＬだけ移動方向に変位している。次に第１
図３に示すように第３圧電素子部４を移動方向と
垂直方向に伸長して、案内体５の内壁面６に圧接
して固定する。次に第２圧電素子部３を移動方向
と垂直方向に縮小させた後、第１圧電素子部２を
移動方向と平行に縮小する。このとき移動体１は
距離Ｌだけ第１図の右方に移動したことになる。
第１図４では、まず第２圧電素子部を移動方向と
垂直に伸長させ案内体５の内壁面６に圧接して固
定する。次に第３圧電素子部を移動方向と垂直に
縮小した後、第１圧電素子部２を移動方向と平行
に伸長する。このように第１図１から第１図４ま
での動作を繰り返すことによつて移動体１を案内
体５の内壁面６に沿つて一方向に移動することが
できる。

このような従来技術の移動体１では圧電素子部
２，３，４の伸長および縮小の変位量が極めて小
さいため移動体１の移動速度が遅く、しかも案内
体５の内壁面６の幅などについて極めて高い精度
が要求された。

目 的 本考案の目的は、上述の技術的課題を解決し、
構成が簡単で移動速度が高められかつ安定して作
動する駆動用圧電装置を提供することである。

本考案は、(a)相互に対向する一対の平行な内壁
面２２によつて形成される長手通路２３を有し、
内壁面２２には予め定める幅Ｈを有して長手方向
に延びる逃げ凹所２４が形成されている案内体２
１と、 (b) 通路２３内に収納される移動体７であつて、 （b1） 第１圧電素子部８であつて、 （b11） 前記幅Ｈよりも小さい幅Ｄ１を有
し、通路２３の長手方向に延びて内壁面２
２に平行な板状の第１圧電体１１と、 （b12） 第１圧電体１１の表面の幅方向の
両側に長手方向に平行に延びるようにそれ
ぞれ形成される一対の連結部１２ａ，１３
ａと、各連結部１２ａ，１３ａから交互に
対向して交差するように垂直に延びる複数
の脚部１２ｂ，１３ｂとによつて構成され
る一対の第１櫛形電極１２，１３とを有す
る第１圧電素子部８と、 （b2） 第１圧電素子部８に関して通路２３
の長手方向一方側で、内壁面２２に平行でか
つ長手方向に垂直な第１軸線６５まわりに、
第１圧電素子部８と相互に、角変位可能に設
けられる第２圧電素子部９であつて、 （b21） 前記幅Ｈよりも大きい幅Ｄ２を有
し、内壁面２２に平行な板状の第２圧電体
１４と、 （b22） 第２圧電体１４の表面の幅方向の
両側にそれぞれ形成される一対の連結部１
５ａ，１６ａと、各連結部１５ａ，１６ａ
から交互に対向して交差するように垂直に
延びる複数の脚部１５ｂ，１６ｂとによつ
て構成される一対の第２櫛形電極１５，１
６とを有する第２圧電素子部９と、 （b3） 第１圧電素子部８に関して通路２３
の長手方向他方側で、内壁面２２に平行でか
つ長手方向に垂直な第２軸線６６まわりに、
第１圧電素子部８と相互に、角変位可能に設
けられる第３圧電素子部１０であつて、 （b31） 前記幅Ｈよりも大きい幅Ｄ２を有
し、内壁面２２に平行な板状の第３圧電体
１８と、 （b32） 第３圧電体１８の表面の幅方向の
両側にそれぞれ形成される一対の連結部１
９ａ，２０ａと、各連結部１９ａ，２０ａ
から交互に対向して交差するように垂直に
延びる複数の脚部１９ｂ，２０ｂとによつ
て構成される一対の第３櫛形電極１９，２
０とを有する第３圧電素子部１０とを有す
る、そのような移動体７と、 (c) 一対の第１櫛形電極１２，１３の間に電圧を
与え、一対の第２櫛形電極１５，１６の間に電
圧を与え、一対の第３櫛形電極１９，２０の間
に電圧を与え、 第２または第３圧電素子部９，１０のいずれか
一方が第１または第２軸線６５，６６まわりに角
変位して内壁面２２に当接して固定する第１ステ
ツプと、第１圧電素子部８を弯曲させてかつ逃げ
凹所２４に逃がして、内壁面２２に当接させるこ
となく、前記長手方向に縮小する第２ステツプ
と、第２または第３圧電素子部９，１０のいずれ
か他方が第１または第２軸線６５，６６まわりに
角変位して内壁面２２に当接して固定する第３ス
テツプと、第２または第３圧電素子部９，１０の
前記一方が内壁面２２に当接しないようにする第
４ステツプと、第１圧電素子部８を前記長手方向
に伸長する第５ステツプと、第２または第３圧電
素子部９，１０の前記他方が内壁面２２に当接し
ないようにする第６ステツプとをこの順序で繰返
す電源手段とを含むことを特徴とする駆動用圧電
装置である。

実施例 第２図は本考案の一実施例における移動体７の
基本的構成を示す斜視図である。第１圧電素子部
８の移動方向の一端部には第２圧電素子部９が配
置される。第１圧電素子部８の第２圧電素子部９
より逆の他端部には第３圧電素子部１０が配置さ
れる。第１圧電素子部８は、圧電材料より形成さ
れる第１圧電体１１と、その第１圧電体１１の一
表面に形成された対向して交差する一対の櫛形電
極１２，１３とを含み偏平に形成されている。第
２圧電素子部９は圧電材料より形成される第２圧
電体１４と、第２圧電体の一表面に形成された対
向して交差する一対の櫛形電極１５，１６とを含
み偏平に形成されている。第３圧電素子部１０は
圧電材料から形成される第３圧電体１８と、第３
圧電体の一表面に形成して対向して交差する一対
の櫛形電極１９，２０とを含み偏平に形成されて
いる。

第１圧電体１１、第２圧電体１４、第３圧電体
１８は一体的に形成された圧電体である。第１圧
電体１１と第２圧電体１４との境界付近の第１連
結部材１４ａおよび第１圧電体１１と第３圧電体
１８との境界付近の第２連結部材１８ａは、第１
圧電体１１、第２圧電体１４、第３圧電体１８が
後述するように彎曲するときに支点部として機能
する。

このような構成を有する移動体１は大略的にＨ
字状で偏平に形成されている。第１圧電素子部８
の幅Ｄ１は第２圧電素子部９、第３圧電素子部１
０の幅Ｄ２より小さく形成される。また櫛形電極
１２，１３，１５，１６，１９，２０はそれぞれ
移動方向と平行に延びる連結部１２ａ，１３ａ，
１５ａ，１６ａ，１９ａ，２０ａと各連結部から
垂直に延び、第２図示のように対向して交差する
脚部１２ｂ，１３ｂ，１５ｂ，１６ｂ，１９ｂ，
２０ｂとから形成される。

第１圧電体１１、第２圧電体１４、第３圧電体
１８を形成する圧電材料には、無機材料のチタン
酸ジルコン酸鉛（以下PZTと省略する）が好適
に用いられるが、またたとえば無機材料と高分子
材料との複合材料が用いられる。複合材料として
は圧電性磁器粉末、たとえばチタン酸バリウム、
チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）などを均一分散
して含んだ高分子材料が好適である。高分子材料
としては、フツ化ビニリデンの単独重合体やフツ
化ビニリデン−３フツ化エチレン共重合体などの
フツ化ビニリデン共重合体が好適である。

第３図は本考案の一実施例の平面図であり、第
４図はその正面図であり、第５図はその側面図で
あり、第６図は第４図の部分Ｖの拡大斜視図であ
る。移動体７は第３図、第４図の左右方向に延び
る案内体２１の内壁面２２に囲まれた凸状の断面
を有する通路である中空部２３に挿入される。中
空部２３に挿入された移動体７は各圧電素子部に
電圧が無印加の状態では中空部２３内で摺動可能
であるように形成されている。すなわち第２圧電
素子部９、第３圧電素子部１０の幅Ｄ２は案内体
２１の内壁面２２の幅Ｄ３より小さく形成され、
第１圧電素子部８、第２圧電素子部９、第３圧電
素子部１０の厚みＤ４は案内体２１の内壁面２２
の高さＤ５より小さく形成される。また第１圧電
素子部８の幅Ｄ１は案内体２１の中空部２３の逃
げ凹所２４の幅Ｈよりも小さく形成され、後述す
るように第１圧電素子部８が彎曲したときこの逃
げ凹所２４に嵌入して移動が防げられない。

第１および第２連結部材１４ａ，１８ａは、内
壁面２２に平行でかつ長手方向に垂直な第１およ
び第２軸線６５，６６まわりに、それぞれ角変位
可能である。

第７図は本駆動用圧電装置の電気的構成を示す
簡略化したブロツク図である。各電極１２，１
３，１５，１６，１９，２０への電圧の印加およ
び解除は移動体７の滑らかな移動を図るために基
本的に単一の制御回路２５によつて統一的に制御
される。

第８図は移動体７の各圧電素子に与えられる電
圧の波形図であり、第８図１は第２圧電素子部９
に与えられる電圧の波形図であり、第８図２は第
１圧電素子部８に第８図３は第３圧電素子部１０
に与えられる電圧の波形図である。このとき前記
櫛形電極１２，１３，１５，１６，１９，２０間
に一定方向の電圧を印加して分極し、前述の波形
を有する電圧を印加する。櫛形電極１２，１３，
１５，１６，１９，２０間には分極方向に電気極
性の異なつた電圧が印加されることになり櫛形電
極１２，１３には電気極性の異なつた電圧が印加
されることになり、櫛形電極１５，１６，１９，
２０にもそれぞれ電気極性の異なる電圧が印加さ
れることになる。

第９図は第８図示の電圧を移動体７の各圧電素
子に印加したときの移動体７の動作状態を説明す
る図である。第８図、第９図を参照して移動体７
の動作を説明する。移動体７は初期状態として、
全ての圧電素子に電圧が無印加であり第９図１の
状態にある。第８図１の時刻ｔ１からｔ２の間で
第２圧電素子部９に電圧を印加すると第９図２の
ように第２圧電素子部９が矢符Ｒの方向に屈曲
し、このため第２圧電素子部９は案内体２１の内
壁面２２に圧接され固定される。時刻ｔ２からｔ
４の間に第８図２のように第１圧電素子部８に電
圧を印加すると第１圧電素子部８は第９図３のよ
うに矢符Ｒ方向に彎曲し、このため移動体７の移
動方向の長さは案内体２１内で長さＷだけ第８図
の左方向に縮小する。次に時刻ｔ４からｔ５の間
に第８図３のように第３圧電素子部１０に電圧を
印加すると第９図４のように第３圧電素子部１０
が矢符Ｒ方向に屈曲し、このため第３圧電素子部
１０が案内体２１の内壁面２２に圧接され固定さ
れる。次に時刻ｔ５からｔ６の間に、第８図１の
ように第２圧電素子部９への電圧印加が解除され
ると第２圧電素子部９は第９図５のように案内体
２１の内壁面２２から離反し遊離状態となる。時
刻ｔ６からｔ７の間で第８図２のように第１圧電
素子部２への電圧印加が解除されると第１圧電素
子部２は第９図６のように第９図１に示されるよ
うな原形に戻る。このとき第３圧電素子部４は案
内体２１の内壁面２２に固定されているので移動
体１は前述の長さＷだけ第９図の左方へ摺動して
移動することになる。時刻ｔ７からｔ８の間で第
８図１のように第２圧電素子部３に電圧を印加す
ると第２圧電素子部３は第９図７のように矢符Ｒ
の方向に屈曲し、案内体２１の内壁面２２に圧接
され固定される。このように前記動作を繰り返す
ことで移動体７は第９図の左方に移動してゆくこ
とができる。前述の説明では移動体７を第９図の
左方へ移動させたが、逆の方向（第９図の右方）
へ移動させるには第８図１の波形を持つ電圧を第
３圧電素子部１０に与え、第８図３の波形を持つ
電圧を第２圧電素子部９に与えればよい。

このような移動体７には、その移動を第３図示
のような案内体５の外部へ伝達するたとえばロツ
ドなどの移動伝達手段（図示せず）が設けられ、
これによつて移動体７はリニアモータとしての機
能を果すことができる。

前述の実施例では圧電材料としてチタン酸ジル
コン酸鉛（PZT）などを含む複合材料を好適な
例として示したが、圧電体はPZTなどの圧電性
磁器のみから形成されてもよく、また第２図に示
すような第１圧電体１１および第２圧電体１４お
よび第３圧電体１８は一体に同時に形成されなく
てもよい。この場合、第２図に示されるような接
合部９ａ，１０ａは、移動方向に垂直な軸線まわ
りに角変位可能な構成を有する接合部材で構成さ
れてもよい。また第２図示の実施例では各圧電体
の片側表面に櫛形電極を設けたが、本考案の他の
実施例として各圧電体の両側表面に櫛形電極を設
けてもよい。第３図では案内体５は溝ブロツクと
して例示されているが他の構成を用いても本考案
は広く実施することができる。

また前述の実施例において、第１連結部材１４
ａおよび第２連結部材１８ａは、たとえば第１圧
電体１１と同一の材料から形成されたけれども、
本考案はこのような構成に限らず、たとえばゴム
などの弾性材料によつて第１連結部材１４ａおよ
び第２連結部材１８ａを形成するようにしてもよ
い。

本考案者の実験結果によれば、第１圧電素子部
８、第２圧電素子部９、第３圧電素子部１０の電
圧印加による彎曲率はその電圧の大きさによつて
任意に選ぶことができ、移動体７の非常に大きな
移動量Ｗを１サイクルの動作で得ることができ
る。実際に従来技術で示した移動体１の１サイク
ルの移動量Ｌよりも約10倍以上の移動量を得るこ
とができた。

本考案に従う圧電装置は、数値制御工作機器の
工具、工作物の精密な位置決め、顕微鏡の標本類
の微動送り、光学系等の反射鏡の微角度調整、そ
の他各種の微動調整装置だけでなく多くの技術分
野においても広範囲に実施することができる。

効 果 以上のように本考案によれば、従来技術より格
段に早い移動速度を有する駆動用圧電装置を実現
するようにできる。またバイモルフ構造を用いる
必要がないので一対の圧電体の接着における接着
状態および接着層などによる性能への影響が排除
され、剥離の恐れも解消され安定した作動状態が
実現される。また圧電素子部を彎曲、屈曲させて
移動するので、案内体２１の内壁面２２および圧
電素子部８，９，１０の形成においても従来技術
より低い精度で工作することができ、作業性が向
上される。

また本考案によれば、圧電素子部８，９，１０
の弯曲は、圧電体１１，１４，１８のそれぞれ表
面に形成される一対の櫛形電極１２，１３，１
５，１６，１９，２０間の電圧印加によるので、
印加する電圧の方向と圧電体１１，１４，１８の
変形の方向とを一致させることができ、相互に対
向する脚部１２ｂ，１３ｂ，１５ｂ，１６ｂ，１
９ｂ，２０ｂの数と間隔を調整することによつ
て、弯曲の程度を調整することができる。

また本考案によれば、案内体２１の内壁面２２
には逃げ凹所２４が形成されており、第１圧電素
子部８の弯曲は妨げられない。第１圧電素子部８
が大きく弯曲することができるので、１回の駆動
で移動体７を大きく変位させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術の移動体１の駆動説明図、第
２図は本考案に従う移動体７の斜視図、第３図は
本考案の一実施例の平面図、第４図はその正面
図、第５図はその側面図、第６図は第４図の部分
Ｖの拡大斜視図、第７図は移動体７の結線状態を
示すブロツク図、第８図は第１圧電素子部８、第
２圧電素子部９、第３圧電素子部１０に印加され
る電圧の波形図、第９図は移動体７の駆動説明図
である。 １，７……移動体、２，８……第１圧電素子
部、３，９……第２圧電素子部、４，１０……第
３圧電素子部、５，２１……案内体、１２，１
３，１５，１６，１９，２０……櫛形電極、２５
……制御回路。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (a) 相互に対向する一対の平行な内壁面２２によ
   つて形成される長手通路２３を有し、内壁面２
   ２には予め定める幅Ｈを有して長手方向に延び
   る逃げ凹所２４が形成されている案内体２１
   と、 (b) 通路２３内に収納される移動体７であつて、 （b1） 第１圧電素子部８であつて、 （b11） 前記幅Ｈよりも小さい幅Ｄ１を有
   し、通路２３の長手方向に延びて内壁面２
   ２に平行な板状の第１圧電体１１と、 （b12） 第１圧電体１１の表面の幅方向の
   両側に長手方向に平行に延びるようにそれ
   ぞれ形成される一対の連結部１２ａ，１３
   ａと、各連結部１２ａ，１３ａから交互に
   対向して交差するように垂直に延びる複数
   の脚部１２ｂ，１３ｂとによつて構成され
   る一対の第１櫛形電極１２，１３とを有す
   る第１圧電素子部８と、 （b2） 第１圧電素子部８に関して通路２３
   の長手方向一方側で、内壁面２２に平行でか
   つ長手方向に垂直な第１軸線６５まわりに、
   第１圧電素子部８と相互に、角変位可能に設
   けられる第２圧電素子部９であつて、 （b21） 前記幅Ｈよりも大きい幅Ｄ２を有
   し、内壁面２２に平行な板状の第２圧電体
   １４と、 （b22） 第２圧電体１４の表面の幅方向の
   両側にそれぞれ形成される一対の連結部１
   ５ａ，１６ａと、各連結部１５ａ，１６ａ
   から交互に対向して交差するように垂直に
   延びる複数の脚部１５ｂ，１６ｂとによつ
   て構成される一対の第２櫛形電極１５，１
   ６とを有する第２圧電素子部９と、 （b3） 第１圧電素子部８に関して通路２３
   の長手方向他方側で、内壁面２２に平行でか
   つ長手方向に垂直な第２軸線６６まわりに、
   第１圧電素子部８と相互に、角変位可能に設
   けられる第３圧電素子部１０であつて、 （b31） 前記幅Ｈよりも大きい幅Ｄ２を有
   し、内壁面２２に平行な板状の第３圧電体
   １８と、 （b32） 第３圧電体１８の表面の幅方向の
   両側にそれぞれ形成される一対の連結部１
   ９ａ，２０ａと、各連結部１９ａ，２０ａ
   から交互に対向して交差するように垂直に
   延びる複数の脚部１９ｂ，２０ｂとによつ
   て構成される一対の第３櫛形電極１９，２
   ０とを有する第３圧電素子部１０とを有す
   る、そのような移動体７と、 (c) 一対の第１櫛形電極１２，１３の間に電圧を
   与え、一対の第２櫛形電極１５，１６の間に電
   圧を与え、一対の第３櫛形電極１９，２０の間
   に電圧を与え、 第２または第３圧電素子部９，１０のいずれか
   一方が第１または第２軸線６５，６６まわりに角
   変位して内壁面２２に当接して固定する第１ステ
   ツプと、第１圧電素子部８を弯曲させてかつ逃げ
   凹所２４に逃がして、内壁面２２に当接させるこ
   となく、前記長手方向に縮小する第２ステツプ
   と、第２または第３圧電素子部９，１０のいずれ
   か他方が第１または第２軸線６５，６６まわりに
   角変位して内壁面２２に当接して固定する第３ス
   テツプと、第２または第３圧電素子部９，１０の
   前記一方が内壁面２２に当接しないようにする第
   ４ステツプと、第１圧電素子部８を前記長手方向
   に伸長する第５ステツプと、第２または第３圧電
   素子部９，１０の前記他方が内壁面２２に当接し
   ないようにする第６ステツプとをこの順序で繰返
   す電源手段とを含むことを特徴とする駆動用圧電
   装置。