JPS61185081A

JPS61185081A - 駆動装置

Info

Publication number: JPS61185081A
Application number: JP60024318A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ogiso; 敏夫小木曽; Kenji Mori; 健次森
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-02-13
Filing date: 1985-02-13
Publication date: 1986-08-18

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】〔発明の利用分野〕本発明は被駆動体に駆動力を与える駆動装置に関し、さ
らに詳しくは圧電効果を示す圧電体を用いて被駆動体に
駆動力を与える駆動装置に関するものである。

〔発明の背景〕

被駆動体に駆動力を与える駆動装置としては、一般的に
電気入力を用いるものと流体入力を用いるものとに大別
できる。前者の駆動装置の代表的なものは電磁力を利用
した電動モータであり、また後者の代表的なものは油・
空圧モータである。

一方、近年では圧電体の開発に伴い、この圧電体を用い
た駆動装置が種々提案されている。この圧電体は電圧を
かけると歪が生じる現象、いわゆる逆圧電効果を発揮す
るもので古くから知られているものである。この圧電体
を用いた駆動装置の一方式としては、１９７３年１１月
に発行されたＩ　Ｂ　Ｍ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｓ
ｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎｓ、　Ｖｏｌ。

１６、＆６に示されたもののように、一方向に歪形態を
有する２個の圧電体を柔機構を介して直交方向に連結し
て組み合わせ、それら直交方向の歪を合成する方式と、
特公昭５９−３７６７３号公報に示されたもののように
被駆動体の駆動方向とその直交方向に振動する圧電体を
剛性部材と結合し、その剛性部材の先端に傾斜を有する
振動片を設け、その曲げ振動を利用して、被駆動体を駆
動する方式とがある。

上述の駆動装置はいずれも圧電体と被駆動体に接触する
駆動端部材との間に柔機構が設けられているため、駆動
力は小さいものである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述の事柄に基づいてなされたもので
、被駆動体に大きい駆動力を伝達することができる駆動
装置を提供することを目的としたものである。

〔発明の概要〕

本発明は上記の目的を達成するために、被駆動体を駆動
する駆動装置において、一方向に歪形態を有する第１の
圧電体および第２の圧電体を保持部材を介して直交配置
し、圧電体による２方向の振動を被駆動体に伝達するに
当り、柔機構を介せずに圧電体の合成振動を被駆動体に
伝達するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の駆動装置の第１の実施例を示すもので
、この図において、１及び２は直方体形状の圧電体で、
この圧電体は例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ　ｂ　（
Ｚ　ｒ、　Ｔｌ）　Ｏｓ　）　　（略称ＰＺＴ）を用い
、低電圧で大変位をつる積層体構造をなしている。５，
６は圧電体１，２の振動変位を示している。９はセラミ
ックなどの耐摩耗性材料でできた駆動端部材、１１は被
駆動体、１０はベースである。このベース１０と保持部
材３との間には被駆動体１１の駆動方向と直交方向に変
位する圧電体１を押付力付与手段７例えばボルト締結、
引張りワイヤなどにより常に一定の圧縮力を加えられて
配置されている。圧電体２の変位方向と直交する振動方
向に圧電体１が保持部材３，４間に設けられている。こ
の保持部材３，４には圧電体２に一定の圧縮力を加える
押付力付与手段８が設けられている。保持部材４には駆
動端部材９が設けられている。駆動端部材９は被駆動体
１１の被駆動面２１で摩擦接触する。保持部材４は保持
部材３と摺動部材３１を介して面２０で摩擦接触してい
る６面２０では剛性部材３，４間の摩擦係数を小さくす
るため材質として例えば摺動部材３１として四ふつ化エ
チレンＰＴＦＥ、保持部材４として炭化ケイ素ＳｉＣを
用い、潤滑油例えばグリース、固体潤滑剤例えば二硫化
モリブデンＭｏＳ２を用いて摩擦係数を例えば０．０２
程度にまで下げておく、逆に面２１では駆動端部材９に
例えば窒素化ケイ素、被駆動体１１に例えば鉄鋼材料を
用い無潤滑とすることにより、摩擦係数を０．２程度と
大きくしておく。被駆動体１１は固定壁１９から弾性部
材１８、軸受手段１７を介し駆動端部材９に押し付けら
れている。１２は発信器、１３はアンプ、１４は位相変
換器、１５はアンプ、１６は動作コントローラで、この
コントローラ１６は発信器１２の周波数及び”位相変換
器１４の位相を調整する。

上述した本発明の装置の第１の実施例の基本的な動作は
、圧電体１，２に適当な位相差をもつ交流任意波形電圧
をかけると、それぞれの変位５及び６が駆動端部材９で
合成され、駆動端部材９が周回軌跡を描くことによって
押し付けられた被駆動体１１を一方向に接触駆動するも
のである。

第２図は、第１図に示す本発明の装置の第１の実施例の
圧電体１，２の発生力と摩擦接触面２０゜２１の摩擦力
を示す図である。摩擦接触面２０゜２１の静摩擦係数を
μ′、μとする。圧電体１゜２の発生力をＦｌ、　Ｆ□
とする１面２０，２１の摩擦力はμ′Ｆよ、μＦ１であ
る。ここでμ’　Ｆ、　＜（Ｆ、≦μＦ１　　　　　・
・・・・・　（１）の関係がなりたてば、被駆動体１１
は駆動端部材９に対してすべらず、保持部材４は保持部
材３に対してすべるような駆動ができる。

次に、上述した本発明の装置の第１の実施例の動作を示
す。

第３図、第４図は、第１図に示す本発明の装置の第１の
実施例の動作を示す図である。第３図は発信器１２の波
形が正弦波である場合の駆動部材９の動作を示す、圧電
体１，２のそれぞれの最大振幅をａ、ｂとすると、駆動
端部材９の運動範囲は圧電体１，２間での印加電圧の位
相差により、図示の一辺２ａ、２ｂの長方形領域Ａの四
辺に接する楕円となる。正弦波を入力した場合はπ／２
の位相差の印加電圧を与えることにより、方向をもった
図示（方向は図示していない）の楕円軌跡の長軸短軸が
駆動方向及びそれと直交する方向となる楕円軌跡となり
、駆動方向に２ｂの変位を示し、駆動方向に一番効率の
よい位相差である。

第４図にて、発信器１２の波形が矩形波である場合の駆
動端部材９の動作を示す、第３図で示したように圧電体
１，２の最大振幅をａ、ｂとしたとき、駆動端部材９の
運動範囲は圧電体１，２の印加電圧の位相差により、図
示の一辺２ａ、２ｂの長方形領域Ｂの四辺に頂点をもつ
四辺形となる。

圧電体１，２にπ／２の位相差の印加電圧を与えること
により方向をもった図示（方向は図示していない）のＢ
の枠と一致する長方形軌跡となり、この場合も駆動方向
に２ｂの変位を示し、駆動方向に一番効率のよい位相差
である。

その他台形波、三角波などについても本実施例で示す被
駆動体１１の駆動方向に対し圧電体１゜２の変位方向が
一致直交している場合は圧電体１゜２に印加する電圧の
位相差がπ／２のとき被駆動体に対して一番効率のよい
波形をとる。

次に本発明の第２の実施例を第５図を用いて説明する。

この図において、１及び２は直方体形状の圧電体で、こ
の圧電体は例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ　（Ｚｒ
、Ｔｉ）０３）　　（略称ＰＺＴ）を用いて低電圧で大
変位をつる積層体構造をなしている。５，６は圧電体１
，２の振動変位を示している。９はセラミックなどの耐
摩耗性材料でできた駆動端部材、１１は被駆動体、１０
はベースである。このベース１０と保持部材３との間に
は被駆動体１１の駆動方向に振動する圧電体１が押付力
付与手段７例えばボルト締結、ワイヤ引張りなどにより
常に圧縮力を加えられた状態で配置されている。圧電体
２は圧電体１の振動方向と直交する振動方向に保持部材
３，４間に設けられている。保持部材３，４には圧電体
２に一定の圧縮力を加える押付力付与手段８が設けられ
ている。保持部材４には駆動端部材９が結合されている
。駆動端部材９は被駆動体１１の被駆動面２１で摩擦接
触する。保持部材３はベース１０と面２ｏとで構成され
る案内手段によって摩擦接触している。

保持部材３には摺動部材３１を設け、摺動部材３１と保
持部材４との間の摩擦係数を小さくするため、材質とし
て例えば摺動部材３１に四フッ化エチレンＰＴＦＥ、保
持部材４に炭化ケイ素ＳｉＣを用い、潤滑油例えばグリ
ース、固体潤滑剤例えば二硫化モリブデンＭｏＳ、を用
いて摩擦係数を例えば０．０２程度にまで下げておく。

逆に面２１では駆動端部材９に例えばアルミナセラミッ
クス。

被駆動体１１に例えば鉄鋼材料を用い無潤滑とすること
により、摩擦係数を０．２程度と大きくしておく、被駆
動体１１は固定壁１９から弾性部材１８、軸受手段１７
を介し、駆動端部材９に押し付けられている。１２は発
信器、１３はアンプ、１４は位相変換器、１５はアンプ
、１６は動作コントローラで、このコントローラ１６は
発信器１２の周波数及び位相変換器１４の位相を調整す
る。

上述した本発明の装置の第１の実施例の基本的な動作は
、圧電体１．２に適当な位相差をもつ交流任意波形電圧
をかけると、それぞれの変位５及び６が駆動端部材９で
合成され、駆動端部材９が周回軌跡を描くことによって
押し付けられた被駆動体１１を一方向に接触駆動するも
のである。

第６図は、第５図に示す本発明の装置の第２の実施例の
圧電体１，２の発生力と摩擦接触面２０゜２１の摩擦力
を示す図である。接触面２０．２１の静摩擦係数をμ′
、μとして圧電体１，２の発生力をＦｌ、Ｆ、とする。

面２０．２１の摩擦力はμ′Ｆ２．μＦ２である。ここ
で第１の実施例と同様に μ’　　Ｆ、　　＜＜Ｆ、　≦μ　Ｆ２　　　　　　　
　　・・・・・・　　（２）の関係がなりたてば、被駆
動体１１は駆動端部材９に対してすべらず、保持部材３
はベース１０に対してすべるような駆動ができる。

次に、上述した本発明の装置の第２の実施例の動作を示
す。

第７図、第８図は、第５図に示す本発明の装置の第２の
実施例の動作を示す図である。第７図は発信器１２の波
形が正弦波である場合の駆動端部材９の動作を示す、圧
電体１，２のそれぞれの最大振幅をａ、ｂとすると、駆
動端部材９の運動範囲は圧電体１，２間での印加電圧の
位相差により、図示の一辺２ａ、２ｂの長方形領域Ｃの
四辺に接する楕円となる。正弦波を入力した場合はπ／
２の位相差の印加電圧を与えることにより、方向をもっ
た図示（方向は図示していない）の楕円軌跡の長軸、短
軸が駆動方向及びそれと直交する方向となる楕円軌跡と
なり、駆動方向に２ｂの変位を示し、駆動方向に一番効
率のよい位相差である。

第８図にて、発信器１２の波形が矩形波である場合の駆
動端部材９の動作を示す、圧電体１，２の最大振幅をａ
、ｂとしたとき、駆動端部材９の運動範囲は圧電体１，
２の印加電圧の位相差により、図示の一辺２ａ、２ｂの
長方形領域りの四辺に頂点をもつ四辺形となる。圧電体
１．２にπ／２の位相差の印加電圧を与えることにより
方向をもった図示（方向は図示していない）のＤの枠と
一致する長方形軌跡となり、この場合も駆動方向に２ａ
の変位を示し、駆動方向に一番効率のよい位相差である
。その他、台形波、三角波についても位相差π／２で効
率最大の動作を示す。

次に本発明の装置に用いられる案内手段の他の例を第９
図を用いて説明する０本実施例は、第１の実施例、第２
の実施例で述べた駆動装置の低摩擦の要求される摺動面
２０の潤滑を確実にする案内手段の他の例を示すもので
ある。すなわち、第１の実施例及び第２の実施例では保
持部材３に摺動部材３１を設けたが、潤滑を確実とする
ため。

摺動部材３１を除き、静圧軸受による案内手段を構成す
るもので、保持部材３に給気孔３２を設ける。給気孔３
２は保持部材３に貫かれた穴、管３３、管３４を介して
空気源例えば圧縮機３５とつながっている。第９図にお
いて、３６は給気孔３２からの空気の流れを示している
。

第９図で示した案内手段の他の例を備えた本発明の第３
の実施および第４の実施例をそれぞれ第１０図、第１１
図に示す、第１０図では上述した案内手段により保持部
材３，４間に、また第１１図ではベース１０と保持部材
３との間に静圧力によるすきまが形成されており１図中
では誇張して示した。これらの実施例による駆動装置は
、低摩擦の要求される摺動面の潤滑を容易にする利点が
ある。

以上述べた実施例においては圧電体１，２の変位方向５
．６と被駆動体１１の駆動方向が一致もしくは直交する
形式の駆動装置について述べてきたが、圧電体１，２の
変位方向５，６と被駆動体１１の駆動方向が一致、直交
しない形式の本発明の駆動装置の第５の実施例および第
６の実施例をそれぞれ第１２図、第１３図により説明す
る。

第１２図は本発明の装置の第５の実施例を示すもので、
この図において第１図と同符号のものは同一部分または
相当する部分を示す、この実施例は被駆動体１１の駆動
方向が圧電体１の変位方向６に対して角度θ、傾き、駆
動装置の駆動端部材９及び保持部材３，４の接触面２０
が圧電体２の変位方向６に対して角度θ、傾いて構成さ
れている。この場合、圧電体１が圧電体２に対して印加
電圧が位相Ｔ１進んでいて、圧電体１，２の最大振幅ａ
、ｂの正弦波電圧を印加すると。

とｒ８を選べば、図示するような被駆動体１１の駆動方
向が駆動端部材９の先端楕円軌跡Ｅの長軸もしくは短軸
と一致する。この場合、被駆動体１１の駆動方向の楕円
軸の長さ２ｂ′、それと直交する楕円軸の長さ２ａ’は
次式で与えられる。

被駆動体１１の駆動方向への最大被駆動距離は２ｂ’で
ある。

また圧電体１，２の駆動力Ｆ、　、　Ｆ、　、接触面２
０．２１の静摩擦係数μ′、μとすると。

ｆｉ’　　（Ｆ、ｃｏｓθ１−Ｆ、ｓｉｎθ、）＋Ｆ、
ｓｉｎθ１＜（Ｆ、ｃｏｓ　θ１≦　ｔｔ　　（Ｆ、ｃ
ｏｓ　θ１＋Ｆ、ｓｉｎ　θＬ）＋Ｆ１ｓｉｎθ、　　
　　　　　　　　　−（６）が成りたつとする。第１２
図においても接触面２０において保持部材３に第９図に
示した給気孔３２を設けることにより潤滑が容易になる
ことはいうまでもない。

第１３図は、本発明の第６の実施例を示すもので、この
実施例において第５図と同符号のものは同一部分または
相当する部分である。この実施例は被駆動体１１の駆動
方向が圧電体１の変位方向５に対して角度θ２傾き、駆
動装置の駆動端部材９及び保持部材３、ベース１０の接
触面２０が圧電体１の変位方向５に対して角度θ、傾い
ている。

この場合、圧電体１が圧電体２に対して印加電圧が位相
Ｔ２進んでいて、圧電体１，２の最大振幅ａ、ｂの正弦
波電圧を印加すると、ａｂとψ□を選べば１図示するような被駆動体１１の駆動方
向が駆動端部９の先端楕円軌跡Ｆの長軸もしくは短軸と
一致する。この場合被駆動体１１の駆動方向の楕円軸長
さ２ａ′、それと直交する楕円軸長さ２ｂ’は次式で与
えられる。

被駆動体１１の駆動方向への最大被駆動距離は２ａ’で
ある。また圧電体１，２の駆動力ＦＬＩＦ８．接触面２
０．２１の静摩擦係数μ′、μとすると、 μ’　　（Ｆ、ｃｏｇθ、−Ｆ、ｓ＋ｉｎθ、）−Ｆ１
ｇｉｎθ１＜＜ｐ’、ｃｏｓ　θ２≦ｐ　　（Ｆ、ｃｏ
ｓ　θ、＋Ｆ、ｓｉｎ　θ２）＋Ｆ、ｓｉｎθ、　　　
　　　　　　　　　　−（１０）がなりたつとする、第
１３図においても接触面２０においてベース１０に第９
図に示した給気孔３２を設けることにより潤滑が容易に
なることはいうまでもない。

以上述べた第１２図および第１３図に示す本発明の第５
．第６の実施例によれば、斜め配置された被駆動体１１
を駆動することができる。

次に本発明の装置の適用例を第１４図〜第１８図にて説
明する。

第１４図は本発明の駆動袋［２６を用いた回転アクチュ
エータを示すものである。この例においては円板ベース
１０に本発明の駆動装置２６を円周方向が駆動方向とな
るよう例えば３個設け、３点接触で支持する構造となっ
ている０円環状の被駆動体１１は弾性部材１８を介して
ロータ２７に固定され、さらに止めリング３０により駆
動端部材９に押し付けられている。ロータ２７とケーシ
ング２９は回転軸受２８ｂにより、またロータ２７とベ
ース１０は回転軸受２８ａにより支持されている。この
回転アクチュエータは、駆動装置２６の各圧電体に正弦
波、矩形波５台形波、もしくは三角波をπ／２の位相差
で印加することにより、被駆動体１１を周回運動させる
ことができる。

周回運動軌跡は軌跡の半分は駆動方向、半分は反駆動方
向であるが、軌跡のうち駆動装置側の半分の軌跡の際は
他の駆動装置が強い押付力を発生するように３個の駆動
装置を−πの位相差で駆動させることにより、接触面で
すべるようにする。この場合の本発明の各駆動装置２６
ａ、２６ｂ。

２６ｃの変位量Ｄａ、Ｄｂ＋　Ｄｃの時間変化Ｔを第１
５図に１本発明の各駆動装置２６ａ〜２６ｃ先端の周回
運動軌跡を第１６図に、被駆動速度Ｖの時間Ｔ変化を第
１７図に示す。なお、第１５図において実線は圧電体１
の変位点線は圧電体２の変位を示す。

次に、被駆動体１１を直線方向に移動させるアクチュエ
ータの適用例を第１８図に示す。この例において、ベー
ス１０ａ、１０ｂに固定された本発明の駆動装置２６ａ
、２６ｂ及び２６ｃ、２６ｄに被駆動体１１ははさまれ
、ベース１０ｂは固定壁１９より弾性部材１８により一
定押付力で押し付けられている。この動作を次に示す、
駆動装置２６ａ及び２６ｃと２６ｂ及び２６ｄをπの位
相差で電圧印加（任意波形）することにより駆動端部材
の周回軌跡により被駆動体１１を直線方向に移動させる
ことができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明によれば１弾性部材を介さ
ず効率よく動力を被駆動体に伝達できるので、被駆動体
に大きな駆動力を伝達することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の第１の実施例の構成を示す図、
第２図は第１図に示す本発明の駆動装置の第１の実施例
における動作時発生力を示す説明図、第３図は第１図に
示す本発明の駆動装置の第１の実施例における正弦波印
加時の駆動端部材の軌跡を示す図、第４図は第１図に示
す本発明の駆動装置の第１の実施例における矩形波印加
時の駆動端部材の軌跡を示す図、第５図は本発明の装置
の第２の実施例の構成を示す図、第６図は第５図に示す
本発明の駆動装置の第２の実施例における発生力を示す
図、第７図および第８図はそれぞれ第５図に示す本発明
の駆動装置の第２の実施例における正弦波、矩形波印加
時の駆動端部材の軌跡を示す図、第９図は本発明に用い
られる案内手段の他の例を示す斜視図、第１０図は本発
明の装置の第３の実施例の構成を示す図、第１１図は本
発明の装置の第４の実施例の構成を示す図、第１２図は
本発明の装置の第５の実施例の構成を示す図、第１３図
は本発明の装置の第６の実施例の構成を示す図、第１４
図は本発明の装置を回転アクチュエータに適用した例を
示す図、第１５図〜第１７図はその駆動動作説明図、第
１８図は本発明の装置の他の適用例を示す図である。１．２・・・圧電体、３，４・・・保持部材、５，６・
・・圧電体１，２の変位、７，８・・・押付力付与手段
、９・・・駆動端部材、１０・・・ベース、１１・・・
被駆動体、１２・・・発信器、１３・・・アンプ、１４
・・・位相変換器、１５・・・アンプ、１６・・・動作
コントローラ、１７・・・軸受、１８・・・弾性部材、
１９・・・固定壁、２０゜２１・・・接触面、２６・・
・本発明の駆動装置、２７・・・ロータ、２８・・・回
転軸受、２９・・・ケーシング、３０・・・止めリング
、３１・・・摺動部材、３２・・・給気孔、３３・・・
管、３４・・・弁、３５・・・圧縮機。

Claims

【特許請求の範囲】１、被駆動体を駆動する駆動装置において、ベースに一
方向に振動する第１の圧電体の一端を固定し、この第１
の圧電体の振動側他端に第１の保持体を設け、この第１
の保持体に前記第１の圧電体の振動方向と直交する第２
の圧電体の一端を固定し、この第２の圧電体の振動側他
端に第２の保持体を設け、この第２の保持体に被駆動体
に接触駆動力を与える駆動端部材を設けたことを特徴と
する駆動装置。２、特許請求の範囲第１項記載の駆動装置において、第
１の圧電体の一端をその振動方向が水平線に対して平行
となるようにベースに固定し、この第１の圧電体の振動
側他端に設けた第１の保持体を案内手段によつてベース
に移動可能に支持したことを特徴とする駆動装置。３、特許請求の範囲第１項記載の駆動装置において、第
１の圧電体の一端をその振動方向が垂直線に対して平行
となるようにベースに固定し、その第１の圧電体の振動
側他端に設けた第１の保持体に、第２の圧電体の一端を
支持すると共に、その第２の圧電体の振動側他端に設け
た第２の保持体を案内手段によつて移動可能に支持した
ことを特徴とする駆動装置。４、特許請求の範囲第２項または第３項記載の駆動装置
において、ベースと第１の保持体および第１の保持体と
第２の保持体との間にそれぞれ押付力付与手段を設けた
ことを特徴とする駆動装置。５、特許請求の範囲第２項ないし第４項のいずれかに記
載の駆動装置において、案内手段は低摩擦摺動面で構成
されていることを特徴とする駆動装置。６、特許請求の範囲第２項ないし第４項のいずれかに記
載の駆動装置において、案内手段は静圧軸受で構成され
ていることを特徴とする駆動装置。７、特許請求の範囲第２項ないし第４項のいずれかに記
載の駆動装置において、案内手段および駆動端部材は被
駆動体の傾斜駆動面と平行な傾斜面を有していることを
特徴とする駆動装置。