JP3732101B2

JP3732101B2 - 傾動装置

Info

Publication number: JP3732101B2
Application number: JP2001080483A
Authority: JP
Inventors: 真毅田畑; 真遠藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2021-03-21
Also published as: JP2002278626A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾアクチュエータを備えた傾動装置に関し、特に、人工衛星用ディップティルトミラーの制御に用いられる傾動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、全体が３００で示される、従来の傾動装置の部分断面図である。傾動装置３００は、底部と側壁部とを有するベース１を含む。ベース１上には、ベース１の底部に対して略垂直になるように、圧電アクチュエータ２が固定されている。ベース１上には３つの圧電アクチュエータ２が設けられているが、ここでは１のアクチュエータ２のみを示す。圧電アクチュエータ２の上には屈曲部（フレクスチュア）５が接続され、更に屈曲部５の上には傾動部４が接続されている。屈曲部５は、略直交する２方向に、２組の対向する切り込みを有し、各切り込みは横方向に形成されている。
ベース部１の側壁部と傾動部４とは板ばね３で接続され、傾動部４が横方向に移動するのを防止している。
傾動部３には、先端にねじ７とナット８を備えたばね６が固定されている。ねじ７は、ベース１の底面に設けられた孔部（図示せず）を通ってナット８と噛合っている。ナット８を回すことによりばね６が引っ張られ、傾動部３が下方向に引っ張られて傾動部３に与圧がかかるようになっている。
かかる状態で圧電アクチュエータ２の端子間（図示せず）に電圧を印加することにより、圧電アクチュエータ２が長手方向に伸縮し、傾動部４を傾動させる。傾動部４が傾いた場合、屈曲部５が変形することにより圧電アクチュエータ２に過大な曲げモーメントがかかるのを防止し、曲げ方向の力に弱い圧電アクチュエータ２を保護している。
【０００３】
また、図１０は、全体が３１０で示される、他の傾動装置の部分断面図である。図１０中、図９と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。傾動装置３１０では、圧電アクチュエータ２の上にボール型突起部１２が設けられ、これにより傾動部３が支持される。ボール型突起部１２の先端は、単に球面構造でも、実際に回転可能な球が嵌めこまれた構造でも構わない。
図９の構造と同様に、圧電アクチュエータ２の端子間（図示せず）に電圧を印加することにより、圧電アクチュエータ２が長手方向に伸縮し、傾動部４を傾動させる。傾動部４が傾いた場合、ボール型突起部１２が傾動部４上を移動することにより、圧電アクチュエータ２には曲げ方向の応力がかからないようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、傾動装置３００では、傾動装置３００を組み立てた段階で、例えば圧電アクチュエータ２と傾動部４とが垂直でない場合など、傾動部４を傾動させていない初期状態において既に屈曲部５が変形（屈曲）している。従って、初期状態（傾動装置を組み立てた状態であって、圧電アクチュエータに電圧を印加していない状態）における屈曲部５の変形が大きいと、圧電アクチュエータ２を伸縮させて傾動部４を傾動できる範囲が制限されていた。
【０００５】
また、傾動装置３１０では、圧電アクチュエータ２を伸縮させて傾動部４を傾動させた場合に、傾動部４の表面上をボール型突起部１２がころがり又は滑ることにより、圧電アクチュエータ２にかかる歪みを逃がしている。
しかし、傾動装置３１０では、ボール型突起部１２のころがり等の摩擦現象が生じるため、動作が線形的でなく傾動部４の傾動角を精密に制御することが困難であった。また、傾動部４とボール型突起部１２の相対的な位置の横方向の固定が不十分でもあった。
【０００６】
そこで、本発明は、傾動装置を組み立てた状態（初期状態）において、圧電アクチュエータの長手方向に対して傾動部の表面が垂直でない場合でも、十分な範囲で、精密な傾動部の傾動が可能な傾動装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数のアクチュエータに載置された傾動部を含む傾動装置であって、底部を有するベース部と、該ベースの底部に対して略垂直に設けられた、長手方向の長さがそれぞれ可変である複数のアクチュエータと、該アクチュエータ上にそれぞれ搭載された屈曲部と、該屈曲部に固定され、該アクチュエータの長さを変えて傾動させる傾動部と、該傾動部を該ベース部の底部方向に引っ張って、該アクチュエータを長手方向に加圧する与圧部とを含み、更に、該アクチュエータに接続された略半球状の突起部と該突起部と嵌合する略半球状の凹部とからなる接合部を含み、該屈曲部が屈曲しないように該接合部の該突起部と該凹部とを嵌合させて、該与圧部を用いて該接合部を加圧し、該突起部を該凹部に固定したことを特徴とする傾動装置である。
かかる傾動装置では、傾動部を傾動させない初期状態において屈曲部が屈曲していない。このため、屈曲部に過大な曲げ応力がかかることを防止できるとともに、屈曲部の傾動角度をいずれの方向に対しても略均等とすることができる。
また、接合部を加圧することにより接合部の接合面が固定されるため、アクチュエータの伸縮に対して、傾動部の傾動角度を線形的に変化させることができる。このため、非常に高精度な傾動角度の調整が可能となる。
また、傾動装置の組み立て時におけるアクチュエータと屈曲部との軸線間の傾きを接合部により吸収できるため、傾動装置を構成する部品の作製精度を緩和し、製造コストを低減できる。
【０００８】
上記アクチュエータと上記屈曲部との間に上記接合部が設けられたものであっても良い。
【０００９】
更に、上記ベース部の底部上に第２屈曲部が固定され、該第２屈曲部と上記アクチュエータとの間に第２接合部が設けられたものであっても良い。
【００１０】
上記アクチュエータと上記ベース部の底部との間に上記接合部が設けられたものであっても良い。
【００１１】
また、上記ベース部が、上記底部と、該底部上に上記アクチュエータを囲むように設けられた側壁部とを含み、該側壁部と上記傾動部とが、該底部に略平行に設けられた板ばねで接続されたことが好ましい。
かかる板ばねを供えることにより、傾動部の横方向のずれを防止できる。特に、人工衛星に搭載する場合、打ち上げ時の外乱力（振動）に対して傾動装置を保護することができる。
【００１２】
また、本発明は、上記ベース部が略円板状の底部を有し、更に、該底部の外周に沿って略等間隔で配置された複数の柱状部と、隣接する該柱状部の間に該底部に略平行に渡された板ばねとを含み、上記屈曲部が、該板ばねを介して該板ばね上に載置された上記傾動部に固定されたことを特徴とする傾動装置でもある。
傾動装置をかかる構造とすることにより、傾動装置の小型、軽量化が可能となる。
【００１３】
上記傾動部は、上記板ばねの上から内方に向かって上記ベース部の半径方向に延びたアーム部を、その内方の端部において互いに接続してなることを特徴とする傾動装置でもある。
かかる構造とすることにより、特に、傾動部を軽量化できるため、傾動部の傾動速度を向上させることができる。また同時に、軽量化によって、外乱加速度が加わったときに板ばねに加わる力が軽減されるので、板ばねの強度余裕が増すなどいっそうの信頼性向上が図られる。
【００１４】
上記アクチュエータは、複数の圧電体が該アクチュエータの長手方向に積層された積層圧電アクチュエータであることが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる、全体が１００で示される傾動装置の上面図である。また、図２は、図１のＩ−Ｉ方向の断面図である。図１、２中、図９と同一符号は同一又は相当箇所を示す。
本実施の形態にかかる傾動装置１００では、従来の傾動装置３００と同様に、ベース１の底部上に圧電アクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）２が固定されている。圧電アクチュエータ２は、３箇所にそれぞれが略平行になるように固定されている。図１、２に示すように、圧電アクチュエータ２の中には圧電体が積層されており、かかる圧電体に電圧を印加することにより、圧電アクチュエータ２を長手方向（縦方向）に伸縮させることができる。
【００１６】
ベース部１の底部上には、圧電アクチュエータ２を囲むように側壁部が設けられている。図１に示すように、配置方向を約９０度ずつ変えた４つの板ばね３が側壁部の上部に設けられ、他方で傾動部４に接続されている。各板ばね３は、ベース部１の底部と略平行に配置される。
傾動部４の裏面には屈曲部（フレクスチュア部）が固定５されている。屈曲部５は、略直交する２方向に、２組の対向する切り込み５１を有する。切り込み５１は横方向（圧電アクチュエータ２の長手方向に対して垂直な方向）に形成されている。屈曲部５としては、この他に、縮径構造や周溝構造の屈曲部を用いることもできる。
屈曲部５の先端には略半球状の凹部９２が設けられ、一方、圧電アクチュエータ２の上には、かかる凹部９２と嵌合する略半球状の突起部９１が設けられている。突起部９１と凹部９２からなる接合部は、略半球状の接合面が滑ることにより接合部が屈曲する。なお、凹部９２は、略半球形状よりやや浅い球面であることは好ましい。
【００１７】
傾動部４の中央にはばね６が固定され、その先端に設けられたねじ７は、ベース部１の底部の略中央に設けられた孔部（図示せず）を貫通して、ナット８と噛み合わっている。ナット８をねじ７にねじ込むことにより、ばね６が傾動部４を引っ張り、ナット８のねじ込みの程度を調整することにより傾動部４を引っ張る力が調整できる。傾動部４は板ばね３でベース１の側壁部に固定されているため、横方向には移動できないが縦方向にはある程度移動できる。
【００１８】
本実施の形態１では、ねじ７で傾動部４を引っ張らない状態で、接合部９の接合角を調整し、屈曲部５や圧電アクチュエータ２に曲げ応力がかからないようにする。
即ち、ベース部１の底部とベース部１の側壁部に接続された傾動部４とが平行でない場合や、圧電アクチュエータ２の長さにばらつきがある場合には、圧電アクチュエータ２の軸方向（長手方向）と、屈曲部５の軸方向とが一直線にならず、傾く場合がある。
かかる傾きは圧電アクチュエータ２に曲げ応力を与え、圧電アクチュエータ２の破壊につながる。また、従来の傾動装置３００のように、かかる傾きを屈曲部５が屈曲することにより緩和した場合には、傾動部４の組立て後に、アクチュエータ伸縮により傾動できる傾動角度が制限されていた。
そこで、傾動装置１００では、かかる傾きを、接合部９の接合面を滑らすことにより緩和する。続いて、ナット７でねじ８を締めることによりばね６で傾動部４が引っ張られ、接合部９の突起部９１が凹部９２に押さえつけられて、接合面が固定される。
【００１９】
次に、傾動装置１００の組立工程を簡単に説明する。
上述のように、ベース部１の底部に、３つの圧電アクチュエータ２をそれぞれ略平行になるように固定する。圧電アクチュエータ２の高さが異なる場合には、圧電アクチュエータ２と底部との間に、スペーサ（図示せず）を挿入して、圧電アクチュエータ２の高さを等しくしても良い。圧電アクチュエータ２の上には、略半球状の突起部９１が設けられている。
【００２０】
続いて、所定の位置に屈曲部５が設けられた傾動部４が、圧電アクチュエータ２の上に載置される。屈曲部５の下には、略半球状の凹部９２が設けられており、突起部９１に凹部９２が嵌るように圧電アクチュエータ２が載置される。
なお、圧電アクチュエータ２上に屈曲部５を載せた後に、屈曲部５の上に傾動部４を接続してもかまわない。
傾動部４の周りには、板ばね３を固定しておき、かかる板ばね３で傾動部４とベース部１の側壁部とを接続する。ここで、ベース部１の側壁部の高さは、アクチュエータ２に接合部９を介して屈曲部５を接続した高さと、略同一かやや大きく設計されている。
【００２１】
図２に示すように、傾動部４の中央部には、先端にねじ７が設けられたばね６を固定しておき、ベース部１の側壁部に傾動部４を固定した状態で、ベース部１の底部に設けた孔部（図示せず）にねじ７が通るようにする。かかる構造により与圧機構が形成され、ねじ７をナット８で締めることにより、傾動部４を下方に引っ張ることができる。
【００２２】
傾動部４に引っ張り圧力（与圧）を加えないか、小さな圧力のみを加えた状態では、接合部９の接合面を滑らすことができる。この状態で、圧電アクチュエータ２や屈曲部５に曲げ応力がかからないように、接合面の接合角度を調整する。
【００２３】
次に、ナット８を締めることにより、縦方向の圧力を接合面に加え、接合面を滑らなくして接合部９の接合角度を固定し、傾動装置１００の組み立てが完了する。なお、圧電アクチュエータ２は剛性が高いため、圧電アクチュエータ２に縦方向の圧力を加えて接合部９を固定しても、圧電アクチュエータ２が湾曲することはなく、縦方向にアクチュエータが収縮する量もわずかで無視できる程度である。かかる状態では圧電アクチュエータ２に曲げ応力がかかっていないため、圧電アクチュエータ２の破壊を防止できる。また、屈曲部５も屈曲していないため、傾動部４の傾動角度が屈曲部５の屈曲角度に制限されることもない。
【００２４】
なお、本実施の形態では、図１に示すように、傾動部４の中心に対して等価な位置に３つの圧電アクチュエータ２を設けている。従って、かかる３つの圧電アクチュエータ２の長さをそれぞれ調整することにより、図１のθｘ及び／又はθｙの方向に傾動部４を傾動することができる。なお、傾動部４の傾動角度を調整するための圧電アクチュエータ２の伸縮は微小量であり、接合部９には十分な面圧がかけられているので、かかる伸縮により接合部９の接合面が滑ることはない。
従って、傾動装置１００を、反射光の光軸方向を制御するティップティルトミラーとして用いる場合には、傾動部４の上に反射ミラー（図示せず）を載置することにより、θｘ、θｙの方向に傾動部４を傾けて反射ミラーの反射光の光軸を微調整することができる。
【００２５】
このように、本実施の形態にかかる傾動装置１００では、屈曲部（フレクスチュア部）５が初期状態で屈曲していないため、広い傾動角度の範囲で傾動部４を傾動させることができる。
また、屈曲部５の弾性変形を用いて傾動部４を傾動させるため、傾動角度の線形性に優れ、高精度な傾動角度の調整が可能となる。
また、傾動装置１００の組み立て時に、圧電アクチュエータ２の軸線と、屈曲部９の軸線との傾きを、接合部９の接合角度を調整することにより吸収できるため、傾動装置１００に用いられる部品の加工精度を緩和できる。
また、傾動装置１００では、縦方向の剛性の高い圧電アクチュエータ２を用いるために、装置全体としても縦方向の剛性が高くなる。また、四方に設けられた板ばね３で傾動部４をベース部１の側壁部に固定するため、傾動装置１００の横方向の変位（外乱力）に対する強度が高く、外乱振動等で横方向の力が加わった場合にも、傾動部３の横方向のずれを防止できる。従って、例えば、傾動装置１００を人工衛星搭載用に使用した場合、ロケット打ち上げ時に傾動部を固定して打ち上げ時の振動から傾動装置を保護するために必要であった「ロンチロック機構」が不要となり、軽量で信頼性の高い人工衛星搭載用傾動装置とすることができる。
【００２６】
図３、４は、傾動装置１００に使用できる他の圧電アクチュエータ２、屈曲部５及び接合部９の組合せ構造であり、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００２７】
図３の構造では、ベース部１の底部上に接合部９が配置され、その上に、圧電アクチュエータ２、屈曲部５が配置されている。圧電アクチュエータ２は、屈曲部５を介して傾動部４に接続されている。
一方、図４の構造では、ベース部１の底部及び傾動部４にそれぞれ屈曲部５、第２屈曲部１５が設けられ、その間に、接合部９、第２接合部１９を介して圧電アクチュエータ２が挟み込まれている。
このような構造を傾動装置１００に適用しても、上述のような効果を得ることができる。特に、図４の構造では、傾動部４に対して横方向に大きな力がかかり、板ばね３では支持できずに傾動部４が横方向にずれた場合であっても、上下ペアの屈曲部が屈曲することによって、アクチュエータが傾いて横ずれに追従することができるので、せん断応力に弱い圧電アクチュエータ２を保護することができる。
【００２８】
図５は、本実施の形態にかかる他の傾動装置１１０の断面図であり、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。傾動装置１１０では、ばね６に代えて、可撓性のロッド１０と圧縮ばね１１を用いてベース部１の底部方向に傾動部４を引っ張っている。
【００２９】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかる、全体が２００で示される傾動装置の斜視図である。また、図７は、図６のＸ方向から見た側面図であり、図８は、図６のＹ方向から見た場合の上面図である。図中、図１、２と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
【００３０】
傾動装置２００では、円板状のベース部２１の上に、３つの柱状部２２が設けられている。柱状部２２は、ベース部２１の外周に沿って約１２０°毎に配置されている。傾動装置２００では、ベース部２１、柱状部２２が、傾動装置１００のベース部１の底部、側壁部にそれぞれ対応する。
【００３１】
各柱状部２２の間を渡るように、３つの板ばね２３が設けられている。板ばね２３の上には傾動部２４が載置されている。傾動部２４は、ベース部２１の半径方向に延びた３つのアーム部（図示せず）が中央で１つに接合された形状であり、３つのアーム部がそれぞれの板ばね２３上に載っている。
【００３２】
かかる構造を用いることにより、傾動部２４が横方向にずれるのを防止できる。一方、板ばね２３が撓むことにより、傾動部２４は縦方向に変位することができる。
【００３３】
板ばね２３の下には屈曲部５が固定され、また、屈曲部５の下方のベース部２１上には圧電アクチュエータ２が設けられている。屈曲部５と圧電アクチュエータ２との間は、略半球状の突起部と略半球状の凹部（図示せず）からなる接合部９により接合されている。上述の傾動装置１００と同様に、圧電アクチュエータ２と屈曲部５との軸線の傾きは、接合部９により吸収される。
【００３４】
なお、図示していないが、傾動装置１００と同様に、傾動装置２００はばね６等の与圧機構を有し、傾動部２４をベース部２１に向かって引っ張ることにより、接合部９の接合面を固定することができる。
また、それぞれの圧電アクチュエータ２を伸縮させることにより、圧電アクチュエータ２上の板ばね２３が撓み、板ばね２３上の傾動部２４を傾動させることができる。
【００３５】
図７、８には、傾動部２４上に載置された反射ミラー２５を示す。このように、傾動部２４の上に反射ミラー２５を設けることにより、反射ミラー２５の光軸を微調整することができる。
特に、本実施の形態にかかる傾動装置２００では、同一寸法の反射ミラー２５に対して、これを保持する傾動部２４の面積を小さくして傾動部２４の軽量化を図ることができる。このため、傾動部２４をより高速で傾動させることができる。
また、柱状部２２と板バネ９が略円周上に交互に並ぶ形状とすることで、ベース部２１の外形寸法を小さくすることができ、傾動装置２００を小型化できる。また、ベース部２１が側壁部を有しないため、傾動装置２００の軽量化も可能となる。
【００３６】
なお、本実施の形態では、３つの柱状部２２を設けたが、４以上の柱状部２２を、ベース部２１の外周に沿って略等間隔に配置し、それぞれの間に板ばね２３を設けても構わない。
また、図３、４に示すような構造を適用してもよく、更には、図５に示すような与圧機構を適用しても構わない。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる傾動装置では、広い角度範囲において高精度に傾動部の傾動角度を制御することができる。
【００３８】
また、本発明にかかる傾動装置では、外乱振動等に対する耐性を高くすることができる。
【００３９】
また、本発明にかかる傾動装置では、小型化、軽量化された傾動装置を得ることができる。
【００４０】
また、本発明にかかる傾動装置では、その部品の作製精度を緩和できるので、安価な傾動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる傾動装置の上面図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ方向の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる傾動装置の部分断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる傾動装置の部分断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる他の傾動装置の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる傾動装置の斜視図である。
【図７】図６のＸ方向の側面図である。
【図８】図６のＹ方向の上面図である。
【図９】従来の傾動装置の部分断面図である。
【図１０】従来の傾動装置の部分断面図である。
【符号の説明】
１ベース部、２圧電アクチュエータ、３板ばね、４傾動部、５屈曲部、６ばね、７ねじ、８ナット、９接合部、１００傾動装置。

Claims

複数のアクチュエータに載置された傾動部を含む傾動装置であって、
底部を有するベース部と、
該ベースの底部に対して略垂直に設けられた、長手方向の長さがそれぞれ可変である複数のアクチュエータと、
該アクチュエータ上にそれぞれ搭載された屈曲部と、
該屈曲部に固定され、該アクチュエータの長さを変えて傾動させる傾動部と、該傾動部を該ベース部の底部方向に引っ張って、該アクチュエータを長手方向に加圧する与圧部とを含み、
更に、該アクチュエータに接続された略半球状の突起部と該突起部と嵌合する略半球状の凹部とからなる接合部を含み、
該屈曲部が屈曲しないように該接合部の該突起部と該凹部とを嵌合させて、該与圧部を用いて該接合部を加圧し、該突起部を該凹部に固定したことを特徴とする傾動装置。
上記アクチュエータと上記屈曲部との間に上記接合部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の傾動装置。
更に、上記ベース部の底部上に第２屈曲部が固定され、該第２屈曲部と上記アクチュエータとの間に第２接合部が設けられたことを特徴とする請求項２に記載の傾動装置。
上記アクチュエータと上記ベース部の底部との間に上記接合部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の傾動装置。
上記ベース部が、上記底部と、該底部上に上記アクチュエータを囲むように設けられた側壁部とを含み、該側壁部と上記傾動部とが、該底部に略平行に設けられた板ばねで接続されたことを特徴とする請求項１に記載の傾動装置。
上記ベース部が略円板状の底部を有し、
更に、該底部の外周に沿って略等間隔で配置された複数の柱状部と、隣接する該柱状部の間に該底部に略平行に渡された板ばねとを含み、
上記屈曲部が、該板ばねを介して該板ばね上に載置された上記傾動部に固定されたことを特徴とする請求項１に記載の傾動装置。
上記傾動部が、上記板ばねの上から内方に向かって上記ベース部の半径方向に延びたアーム部を、その内方の端部において互いに接続してなることを特徴とする請求項６に記載の傾動装置。
上記アクチュエータが、複数の圧電体が該アクチュエータの長手方向に積層された積層圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の傾動装置。