JPH04101676A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、ねじり変位型の積層圧電素子（ＴＭＰＡ）
に関する技術である。

［従来の技術とその課題］ 特開昭６３−２６５５７３号公報、特開昭６３−２１７
９８５号に示される圧電アクチュエータが従来より知ら
れている。

これら圧電アクチュエータは、一方向に変位する縦変位
型素子を有するしのであり、θ方向への出力を得ること
はできない。

また、一方向に変位する縦変位型素子を用いてθ方向へ
の出力を得ようとした場合には、例えば、少なくとも一
対の縦変位型素子を、ロータか回転する回転経路（こ対
して伸長時に該ロータを押圧し、かつ収縮時に該ロータ
から離れる位置関係に配置し、これにより、前記縦変位
型素子を交互に伸長させることにより前記ロータを一方
向に連続して回転させることができるものである。

しかしながら、このような縦変位型素子を用いた駆動方
式であると、複数の縦変位型素子を連携して動作させる
必要かあって制御内容が複雑となるとともに、θ方向へ
の微小な位置決めができないという不具合がある。

また、電磁式のクラッチを用いた駆動方式のものは駆動
キアが必要であり、機構的に複雑なものとなるという問
題があった。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって
、θ方向への微小な位置決めを簡易な方式で行うことが
できる圧電アクチュエータの提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明では、周方向にポー
リングされた圧電素子と電極とが交互に積層されたねし
り変位型積層圧電素子と、このねじり変位型積層圧電素
子の一端側に設けられたステータと、このねしり変位型
積層圧電素子の他端側に設けられたロータと、前記ねじ
り変位型積層圧電素子に、その積層方向に対して静的な
ねじり歪みを発生させる駆動手段とを具備するようにし
ている。

［作用］ この発明によれば、直流電圧を一定時間印加した場合に
、圧電厚みすへり効果とクリープ特性とにより、ねじり
変位型積層圧電素子の積層方向に対して静的なねじり歪
みを発生させることができ、該ねじり変位型積層圧電素
子に連結されたロータを（θ方向に対して）微小に回転
変位させることができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図〜第８図を参照して説
明する。

ます、第１図及び第２図を参照して、本実施例に係るね
しり変位型の積層圧電アクチュエータ（ＴＭ　Ｐ　Ａ　
）について説明する。

この圧電アクチュエータは、第１図に示すように、周方
向にポーリングＰｒされた８Ｅ電素子ｌと電極板２とが
交互に配置されたねしり素子３（ねじり変位型積層圧電
素子）（符号１・２については上層部のみ付す）と、前
記ねしり素子３の一端側に設けられたステータとしての
ホルタ−４と、前記ねじり素子３の他端側に設けられた
ロータ５と、前記ねしり素子３とロータ５とをホルタ−
４に保持させるす／トロＡ・６Ｂ及びボルト６Ｃからな
る締結手段６と、この締結手段６のナツト６Ａとロータ
５との間、及び締結手段６のナツト６　［３とホルタ−
４との間にそれぞれ介在するスラストへアリノブ７・８
とがら構成されたちのである。

そして、このように構成された圧電アクチュエータでは
、第３図及び第４図に示すようにねしり素Ｔ−３の電極
板２に直流電圧を印加した場合に、該ねじり素子３の圧
電厚みすへり効果によって、印υ［］シた直流電流の大
きさに応して、ロータ５かホルタ−４に対して一定のヒ
ステリンスを持って変位し、この変位によりロータ５と
一体な出力軸９を介してθ方向の駆動力を外部に伝達で
きるものである（θ方向とはボルト６Ｃを中心とした回
転変位）。

なお、第３図及び第４図のグラフの縦軸に示すパルスは
後述スるローターエンコータ１０の出力パルスを示すも
のであり、このローターエンコータ１０は被検出体か一
回転する毎に１２９６０００パルスを出力する分解能を
有するものである。

また、上記のように構成された圧電アクチュエータでは
、第３図及び第４図に示したように、ねじり素子３の圧
電素子１に正負の直流電圧を印加した場合に、圧電厚み
すへり効果によりロータ５かθ方向に変位するとともに
、更に、第５図に示すようにねじり素子３に印加する電
圧を一定としく図ては５０・１００・１５０・２００Ｖ
とする）、かっ、この電圧印加を所定時間（この時間を
保持時間Ｔｆ’、ｓｃｃ；′とする）行った場合に、圧
電素子ｌかクリープ変形してロータ５かＯ方向に微小に
変位する特性を有している。

次に、前記ねしり素子３に、圧電厚みすへり効果とクリ
ープ特性とにより静的にねしり歪みを発生させて、ロー
タ５の出力軸９をθ方向に回転さるための駆動手段１０
０について第６図を謬叩して説明する。

なお、この第６図において示される符号１０はロータ５
の出力軸９の回転量をパルス信号として出力するロータ
リーエンコータ。符号１１はロータリーエンコータ１０
からのパルス信号をカウントするカウンタ。符号１２は
正確な時間を測定するためのクロック。符号１３は、前
記カウンタ２１においてカウントされたカウント値に基
づきンンセサイサー（後述する）を制御するための駆動
信号を出力するコンピュータ。符号１４は駆動信号の印
加電圧値を設定するための／ンセサイザー符号１５はね
じり素子３の印加電圧を所定値に増幅するための増幅器
である。

以下、第７図のフローチャートを参照して第６図に示す
駆動手段１００の制御内容について説明する。なお、こ
のフローチャートに示す制御内容は、コンピータ１３の
記憶部（図示路）にプログラムとして設定されているも
のとする。また、第７図に示スロータリーエンコータは
１２９６０００　（パルス／ｒｅｖ）出力される精度の
ものを用いている〈ステップ１〉 目標回転角Ｐ。及び保持時間Ｔ。をそれぞれ入力する。

なお、前記目標回転角Ｐ。は、回転させるへきロータ５
の出力軸９の回転量を、ロータリーエンコータ１０の出
力パルス数として表すものである。

また、前記保持時間Ｔ。は秒単位て表されるものである
。

くステップ２〉 前記目標回転角Ｐ。に応した印加電圧Ｖを決定する。こ
の印加電圧Ｖは前述した第５図に示す関係（実験又は計
算による）に基つき決定される。つまり、回転角と印加
電圧Ｖとの関係を示す式を予め入力しておき、この式に
基つき印加電圧〜Ｉを決定するものである。

〈ステップ３〉 ステップ２て決定した印加電圧■によりねしり素子３を
駆動し、これと同時に時間Ｔの計測を開始する。

〈ステップ４〉 ステップ２て設定し、ステップ３で出力した印加電圧Ｖ
か本フローチャートで示す処理において最初に設定され
たものであるか否かを判断する、つまり、このフローチ
ャートによる出力軸９の位置決めか始まったばかりか否
かを判断し、ＹＥＳの場合にステップ５に、ＮＯの場合
にステップ６に進む。

くステップ５〉 ステップ３において計測を開始した時間Ｔか、○　５秒
を経過したか否かを判断し、ＹＥＳの場合に次のステッ
プ６に進む。

なお、これらステップ４〜５に示す処理は最初の印加電
圧■か印加されてから０５　秒間は出力パルスＰの変化
か激しく不安定であるために、この０５秒間は制御を行
わせないようにするためのものである。また、このとき
設定された０　５秒は状況に応して設定値を任意に変更
できるものである。

〈ステップ６〉 ロータリーエンコーダ１０の出力パルス数Ｐか目標回転
角Ｐ。に一致したか否かを判断し、ＹＥＳの場合にステ
ップ７に進み、また、Ｎｏの場合にステップ８に進む。

〈ステップ７〉 ステップ８て計測を開始した時間Ｔが保持時間１８以上
となったか否かを判断し、Ｎｏの場合にステ、プロに戻
り、また、ＹＥＳの場合に本フローチャートを終了する
。

くステップ８〉 目標回転角Ｐ。とロータリーエンコータ１０の出力パル
ス数Ｐとの差をとり、Ｐ＞Ｐｏの関係かある場合（つま
り出力軸９か目Ｉ票回転角Ｐ。を通り越してしまった場
合）にステップ９に進み、また、Ｐｏ＞Ｐの関係かある
場合（つまり出力軸９か目標回転角Ｐ。に未た到達しな
い場合）にステ、フ１０に進む。

〈ステップ９〉 ステップ８において、Ｐ＞Ｐｏの関係かあると判断され
た場合に印加電圧をタウン（例えばＩＶタウン）させた
後、ステップ３に戻り、タウンさせた印加電圧を再度ね
しり素子３に印加させる。

〈ステップ１０＞ ステップ８において、Ｐ、＞Ｐの関係かあると判断され
た場合に印加電圧をアップ（例えば１■アツプ）させた
後、ステップ３に戻り、アップさせた印加電圧を再度ね
じり素子３に印加させる。

これによって、ステップ３〜１０を繰り返した場合にロ
ータリーエンコータ１０の出力パルス数Ｐを、目標回転
角Ｐ。に収束させることが可能となる。

なお、本実施例では、ステップ９、ステップ１０てそれ
ぞれ小すようにＰ。＞Ｐの関係かあるか否かを判断し、
この判断結果に基つき段階的に印加電圧を昇降させたか
、−点鎖線で示すステ、フにおいて、目標回転角Ｐ。ま
て移動させたいパルス数と印加電圧との関係式を予め人
力しておき、この入力式に基つき、印加電圧を計算によ
り求めるようにしても良い。

以下、第７図のフローチャートに示す制御を実際に行っ
た場合の経過時間Ｔと出力パルスＰとの関係について測
定し、この測定結果を第８図に示す。

なお、この測定は、目標回転角Ｐを１２０に設定すると
ともに、保持時間Ｔ。を５０秒にそれぞれ設定して行っ
たものである（この設定はステップ１にて行う）。

そして、測定の結果、第８図を参照して判るように、実
線で示すようにフィートハ、り制御をかけた場合（具体
的にはステップ４〜って示す処理を行った場合）には、
出力軸９か１０秒以内で目標回転角Ｐ。に到達し、高速
で微小な位置決めかできることが確認、された。また、
点線で示すようにフィードバック制御をかけない場合（
具体的にはステップ４〜９て示す処理を行わない場合）
には、出力軸９か目標回転角Ｐ。に到達しないことが確
認された。

Ｅ発明の効果」 以上詳細に説明したように、この発明によれば、直流電
圧を一定時間印加した場合に、圧電厚みすへり効果とク
リープ特性とにより、ねじり変位型積層圧電素子の積層
方向に対して静的にねしり歪みを発生させことができ、
該ねじり変位型積層圧電素子に連結されたロータを（θ
方向に対して）微小に回転変位させることができる。

また、このような微小な回転変位は、直流電圧を一定時
間印加することによりねしり変位型積層圧電素子か圧電
厚みすべり効果により変形する、及びクリープ変形する
という特性を利用したものであり、従来の縦振動素子、
電磁式のクラッチを利用したアクチュエータと比較して
その構成を簡易なものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図はこの発明の一実施例を示す図てあ−）
で、第１図は本発明に係る圧電アクチュエータの概略構
成図、第２図は第１図に示す圧電アクチーエータの圧電
素子を示す外観図、第３図及び第４図はねしり変位型積
層素子への印加電圧と出力パルスとの関係を示すグラフ
、第５図はねしり変位型積層圧電素子への印加電圧を一
定とした場合の経過時間に対するクリープ変形を示すグ
ラフ、第６図は圧電アクチュエータの駆動手段を示すブ
ロック図、第７図は圧電アクチュエータを制御するため
のフローチャート、第８図は第７図のフローチャートに
より圧電アクチュエータを実際に動作させた場合の経過
時間と出力パルスとの関係を示すグラフである。 １　　圧電素子、２・　電極板（電極）、３・ねしり素
子（ねじり変位型積層圧電素子）、４・ステータ、５・
−・ロータ、９・・出力軸、１ｏ０駆動手段。 代表者片岡政隆 第１図 第２図 第６図 〆 第８図 時間　Ｔ　（ｓｅｅ） 経過時間に対する印加電圧と出力パルスの関係（Ｐｅ＝
Ｉ２０　　制御プログラム）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　周方向にポーリングされた圧電素子と電極とが交互に
   積層されたねじり変位型積層圧電素子と、このねじり変
   位型積層圧電素子の一端側に設けられたステータと、こ
   のねじり変位型積層圧電素子の他端側に設けられたロー
   タと、 前記ねじり変位型積層圧電素子にその積層方向に対して
   静的なねじり歪みを発生させる駆動手段とを有する圧電
   アクチュエータ。