JPH0431832Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は、圧電型リニアアクチユエータに関す
る。特に圧電素子を駆動源に使用した圧電型リニ
アアクチユエータに関する。

従来の技術 従来、直線変位を精度良く実現する電気的なア
クチユエータとしては、電磁石とコイルとを組合
わせ電磁気力を利用して駆動するリニアモータ駆
動素子が広く使用されていた。

その中で、ステツプ式に変位が可能な従来の電
磁式のリニアモータ駆動素子にあつては、電磁石
の加工精度に限りがあるため、位置決め精度は
0.1ミリメートルステツプが限度であり、また電
気エネルギーを機械エネルギーに変換する効率が
数パーセントに過ぎず電力消費量が多く、駆動力
が弱い欠点があつた。

考案が解決しようとする問題点 そこで、本考案は、上記した従来の電磁式リニ
アモータ駆動素子の欠点を解消した新規なリニア
アクチユエータを提供せんとするものである。

換言するならば、本考案は、従来に比較して位
置決め精度が高く且つ消費電力が小さく駆動力が
大きいステツプ変位式のリニアアクチユエータを
提供せんとするものである。

問題点を解決するための手段 本考案に従うと、アクチユエータと、アクチユ
エータの搭載されてその上で移動する案内枠とを
具備し、 前記アクチユエータが、直列に配置され互いに
対称形の一対のクランプ素子と、該一対のクラン
プ素子を伸縮自在に結合する一対の圧電素子とを
備え、 前記クランプ素子が、コの字型の支持枠と、支
持枠内に一端が固定されて収容された圧電素子
と、支持枠の開口端に弾性撓み部により基部外側
が結合され、やはりコの字型で、閉端部が前記圧
電素子の他端に固定された脚結合部の開口端がそ
れぞれ基部内側に結合された脚部とをそれぞれ備
え、 前記圧電素子が前記支持枠に固定されている端
部および脚結合部が固定されている端部間で伸縮
し、該圧電素子の伸長時には、前記脚部の先端が
展開し、 該脚部が、先端の展開方向に大きい断面および
十分な剛性を有し、 前記案内枠が、平行に配置され、互いに対向す
る面に案内溝を有する一対の枠部材を備え、 前記案内枠の案内溝に前記クランプ素子の脚部
の先端が、嵌入されて配置され、前記脚部の先端
が、非展開時には前記案内溝に対して適度の間〓
を有し、前記クランプ素子が摺動可能で、前記脚
部の先端が、展開時には前記案内溝の壁面に当接
し、前記クランプ素子が固定されることを特徴と
する圧電型リニアアクチユエータが提供される。

作 用 上記本考案の圧電型リニアアクチユエータにお
いては、各クランプ素子の支持枠内の圧電素子が
伸長すると、それぞれのクランプ素子の脚部の先
端が展開し、案内溝に固定される。一方、クラン
プ素子同士を結合する圧電素子が伸長すると、ク
ランプ素子間の距離が伸長し、アクチユエータの
全長が伸びる。

従つて、上記本考案の圧電型リニアアクチユエ
ータにおいては、以下に示すよう各圧電素子を交
互に伸長、短縮することにより、尺取虫式の直線
変位を実現できる。

すなわち、いずれか一方のみのクランプ素子の
支持枠内の圧電素子を伸長してそのクランプ素子
の脚部を展開し、そのクランプ素子を案内に対し
て固定する。その状態でクランプ素子同士を結合
する圧電素子を伸長させ、クランプ素子間の距離
を広げる。その後、他方のクランプ素子の支持枠
内の圧電素子を伸長して脚部を展開し、そのクラ
ンプ素子を案内に対して固定する。次いで、最初
にクランプ素子の支持枠内の圧電素子を短縮して
脚部を閉じ、そのクランプ素子を摺動可能にし、
その状態でクランプ素子同士を結合する圧電素子
を短縮させる。この操作を繰り返すことにより、
アクチユエータは案内に沿つてステツプ式に移動
することができる。

実施例 次に、添付図面を参照して本考案による圧電型
リニアアクチユエータの実施例を説明する。

第１図は、本考案によるる圧電型リニアアクチ
ユエータの一実施例の正面図であり、第２図は、
同側面図であり、第３図は、クランプ素子の例を
示す正面図である。

第１図および第２図に示すように、本考案の圧
電型リニアアクチユエータは、アクチユエータ１
と、アクチユエータ１が搭載され、その上で移動
する案内枠３０とを備える。

アクチユエータ１は、一対の対称形のクランプ
素子１０Ａおよび１０Ｂと、圧電素子２８とを備
える。クランプ素子１０Ａおよび１０Ｂは脚部２
２Ａ，２３Ａ，２２Ｂおよび２３Ｂが外側に位置
するように対称に直列され、突起部１８Ａおよび
１８Ｂ間に配置した圧電素子２８により伸縮自在
に結合されている。

案内枠３０は、上下の縁に平行に配置された一
対の枠部材３１を具備し、枠部材３１の互いに対
向する面には案内溝３２が形成されている。アク
チユエータ１は、脚部２２Ａ，２３Ａ，２２Ｂお
よび２３Ｂの各先端２６Ａ，２７Ａ，２６Ｂおよ
び２７Ｂが案内溝３２に嵌入して配置される。後
述するよう、脚部２２Ａ，２３Ａ，２２Ｂおよび
２３Ｂの各先端２６Ａ，２７Ａ，２６Ｂおよび２
７Ｂは、通常の状態では各クランプ素子１０Ａお
よび１０Ｂが摺動可能に、圧電素子１２Ａまたは
１２Ｂが伸長し、脚部２２Ａおよび２３Ａ、また
は脚部２２Ｂおよび２３Ｂが展開した場合には、
対応するクランプ素子１０Ａまたは１０Ｂが固定
されるよう嵌入される。

第３図を参照して、本考案の圧電型リニアアク
チユエータのアクチユエータを構成するクランプ
素子の構成を説明する。クランプ素子１０は、コ
の字型の支持枠１４と、支持枠１４内に一端１６
が支持枠１４に固定されて配置された圧電素子１
２と、支持枠１４の開口端に結合された脚部２２
および２３とを備える。本実施例の支持枠１４
は、アクチユエータに組み立てる際の結合に利用
する突起１８が両側から外側に突出している。圧
電素子１２の伸縮方向は、図面の矢印Ａの方向で
ある。

また、脚部２２および２３は、その基部外側が
支持枠１４の開口端にそれぞれ弾性撓み部２０お
よび２１を介して結合されている。脚部２２およ
び２３は、それぞれ弾性撓み部２０および２１を
支点として図面の矢印Ｂの方向に展開可能になつ
ている。さらに、脚部２２および２３の基部内側
が、やはりコの字型の脚結合部２４で結合され、
脚結合部２４の閉鎖端は圧電素子１２の端部１５
に結合されている。弾性撓み部２０および２１
と、脚結合部２４との間の距離は、弾性撓み部２
０および２１と脚部２２および２３の先端２６お
よび２７との間の距離に比較して十分に小さくな
つている。この距離の比は、好ましくは、数分の
１から十数分の１、さらには数十分の１とする。
この構成により、脚結合部２４の変位は弾性撓み
部２０および２１をそれぞれ中心として直角に向
きを変え、拡大されて脚部２２および２３の先端
２６および２７に伝達される。その結果、脚結合
部２４が、圧電素子１２により僅かに変位しただ
けでも脚部先端２６および２７は大きく展開す
る。

さらに、上記の脚部２２および２３は、脚部先
端２６および２７の展開する矢印Ｂの方向の断面
積が大きく、その方向に対して剛性が十分に高く
なつている。また、第２図に示すように、その厚
さは極めて薄くなつている。

上記のクランプ素子１０では、圧電素子１２に
電圧を印加して矢印Ａの方向に伸長させると、脚
結合部２４が外に押され、その結果、弾性撓み部
２０および２１が撓み、両脚部２２および２３が
互いに離れ、脚部２２および２３それぞれの先端
２６および２７は矢印Ｂの方向に展開する。一
方、圧電素子１２に充電された電荷を放電すると
圧電素子１２は元の状態に短縮し、脚部２２およ
び２３の先端２６および２７は互いに近づくよう
に変位し、元の位置に戻る。

以上のような支持枠１４、脚部２２，２３、弾
性撓み部２０，２１および脚結合部２４は、弾性
材料の薄板を第３図に示す形状に打ち抜くことに
より一体に形成することができる。

本考案の圧電型リニアアクチユエータは、上記
の構成のクランプ素子を上述のように対称に伸縮
自在な結合して構成されるアクチユエータを具備
する。再び第１図を参照して、本考案の圧電型リ
ニアアクチユエータの動作を説明する。

第１図において、クランプ素子１０Ａおよび１
０Ｂの各部は、第３図の対応部分の参照番号にＡ
またはＢを追加した参照番号を付して区別する。

本考案の圧電型リニアアクチユエータでは、ア
クチユエータ１が、案内枠３０の案内溝３２に脚
部２２Ａ，２３Ａ，２２Ｂおよび２３Ｂの各先端
２６Ａ，２７Ａ，２６Ｂ，および２７Ｂが嵌入さ
れて配置されている。脚部２２Ａ，２３Ａ，２２
Ｂおよび２３Ｂの各先端２６Ａ，２７Ａ，２６Ｂ
および２７Ｂは、通常の状態では案内溝３２に対
して、適度の間〓をもつて嵌入されていて摺動可
能である。一方、圧電素子１２Ａまたは１２Ｂに
電圧が印加され、圧電素子１２Ａまたは１２Ｂが
伸長し、脚部２２Ａ，２３Ａまたは２２Ｂ，２３
Ｂが展開した場合には、先端２６Ａ，２７Ａまた
は２６Ｂ，２７Ｂは、案内溝３２の底部に当接し
て固定される。

従つて、上記本考案の圧電型リニアアクチユエ
ータでは、圧電素子１２Ａ、圧電素子１２Ｂおよ
び圧電素子２８に電圧パルス信号をタイミングを
変えて加えることにより、アクチユエータ１を案
内枠３０の中を図面において左右いずれの方向に
も移動することができる。

例えば、クランプ素子１０Ａの圧電素子１２Ａ
に電圧を印加し、クランプ素子１０Ａの脚２２
Ａ，２３Ａを展開してクランプ素子１０Ａを固定
する。一方、クランプ１０Ｂの圧電素子１２Ｂへ
は電圧を印加せず、クランプ素子１０Ｂが案内枠
３０に対して摺動可能な状態に保持しておく。こ
の状態で、圧電素子２８に電圧を印加して伸長さ
せ、クランプ素子１０Ａと１０Ｂとの間の距離を
広げる。クランプ素子１０Ｂは、図面右方向に変
位する。

次に、クランプ素子１０Ｂの圧電素子１２Ｂへ
電圧を印加し、クランプ素子１０Ｂの脚２２Ｂ，
２３Ｂを展開してクランプ素子１０Ｂを固定す
る。その後、クランプ素子１０Ａの圧電素子１２
Ａに充電された電荷を放電してクランプ素子１０
Ａの脚２２Ａ，２３Ａを縮め、クランプ素子１０
Ａが案内枠３０の溝３２に対して摺動可能にす
る。この状態で、圧電素子２８に充電された電荷
を放電して収縮させ、クランプ素子１０Ａと１０
Ｂとの間の距離を縮める。クランプ素子１０Ａ
は、図面右方向に変位し、その結果アクチユエー
タ１が図面右方向に変位したことになる。再び、
クランプ素子１０Ａの圧電素子１２Ａに電荷を印
加してクランプ素子１０Ａを固定し、クランプ素
子１０Ｂの圧電素子１２Ｂに充電された電荷を放
電してクランプ素子１０Ｂを案内枠３０に対して
摺動可能な状態にして、圧電素子２８に電圧を印
加して伸長させ、クランプ素子１０Ａと１０Ｂと
の間の距離を広げる。

以上のような動作を繰り返すことにより、アク
チユエータ１は、いわば尺取虫式に移動すること
ができる。

なお、圧電素子２８に印加するパルス電圧の大
きさやパルス幅を適当に選択することにより、１
ステツプの移動距離を数ミクロンから数十ミクロ
ンまで変更することができる。また、移動速度も
ゼロから毎秒500ミリ程度まで変えることができ
る。さらに、圧電素子は、電気−機械エネルギ−
変換効率が高いので、電力消費はわずかに、駆動
力は数キログラムから数十キログラムと強い。

考案の効果 以上説明したように、本考案による圧電型リニ
アアクチユエータは、精密位置決めが可能で電力
消費が少なく駆動力が強い。

また、その圧電素子として、日本電気株式会社
で製造販売されている積層圧電アクチユエータ素
子を用いれば、従来の電磁駆動方式のリニアモー
タより小形のリニアアクチユエータを作製するこ
とが可能である。本考案の圧電型リニアアクチユ
エータは小型であり、フロツピーデイスク装置、
半導体製造装置、XYステージ、カメラのオート
フオーカス機構、ロボツトなど広範囲な用途に用
いることができ、その効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案による圧電型リニアアクチユ
エータの一実施例の正面図であり、第２図は、そ
の側面図であり、第３図は、クランプ素子の例を
示す正面図である。 主な参照番号、１……アクチユエータ、１０，
１０Ａ，１０Ｂ……クランプ素子、１２，１２
Ａ，１２Ｂ，２８……圧電素子、１４，１４Ａ，
１４Ｂ……支持枠、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２
１，２１Ａ，２１Ｂ……弾性撓み部、２２，２２
Ａ，２２Ｂ，２３，２３Ａ，２３Ｂ……脚部、２
４，２４Ａ，２４Ｂ……脚結合部、３０……案内
枠、３１……枠部材、３２……案内溝。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 アクチユエータ１と、アクチユエータ１が搭載
   されているその上で移送する案内枠３０とを具備
   し、 前記アクチユエータ１が、直列に配置され互い
   に対称形の一対のクランプ素子１０Ａ，１０Ｂ
   と、該一対のクランプ素子１０Ａ，１０Ｂを伸縮
   自在に結合する一対の圧電素子２８とを備え、 前記クランプ素子１０Ａ，１０Ｂが、コの字型
   の支持枠１４Ａ，１４Ｂと、支持枠１４Ａ，１４
   Ｂ内に一端１６Ａ，１６Ｂが固定されて収容され
   た圧電素子１２Ａ，１２Ｂと、支持枠１４Ａ，１
   ４Ｂの開口端に弾性撓み部２０Ａ，２１Ａ，２０
   Ｂ，２１Ｂにより基部外側が結合され、やはりコ
   の字型で、閉端部が前記圧電素子１２Ａ，１２Ｂ
   の他端１５Ａ，１５Ｂに固定された脚結合部２４
   Ａ，２４Ｂの開口端がそれぞれ基部内側に結合さ
   れた脚部２２Ａ，２３Ａ，２２Ｂ，２３Ｂとをそ
   れぞれ備え、 前記圧電素子１２Ａ，１２Ｂが前記支持枠１４
   Ａ，１４Ｂに固定されている端部１６Ａ，１６Ｂ
   および脚結合部２４Ａ，２４Ｂが固定されている
   端部１５Ａ，１５Ｂ間で伸縮し、該圧電素子１２
   Ａ，１２Ｂの伸長時には、前記脚部２２Ａ，２３
   Ａ，２２Ｂ，２３Ｂの先端２６Ａ，２７Ａ，２６
   Ｂ，２７Ｂが展開し、 該脚部２２Ａ，２３Ａ，２２Ｂ，２３Ｂが、先
   端２６Ａ，２７Ａ，２６Ｂ，２７Ｂの展開方向に
   大きい断面および十分な剛性を有し、 前記案内枠が、平行に配置され、互いに対向す
   る面に案内溝３２を有する一対の枠部材３１を備
   え、 前記案内枠３０の案内溝３２に前記クランプ素
   子１０Ａ，１０Ｂの脚部２２Ａ，２３Ａ，２２
   Ｂ，２３Ｂの先端２６Ａ，２７Ａ，２６Ｂ，２７
   Ｂが、嵌入されて配置され、前記脚部２２Ａ，２
   ３Ａ，２２Ｂ，２３Ｂの先端２６Ａ，２７Ａ，２
   ６Ｂ，２７Ｂが、非展開時には前記案内溝３２に
   対して適度の間〓を有し、前記クランプ素子１０
   Ａ，１０Ｂが摺動可能で、前記脚部２２Ａ，２３
   Ａ，２２Ｂ，２３Ｂの先端２６Ａ，２７Ａ，２６
   Ｂ，２７Ｂが、展開時には前記案内溝３２の壁面
   に当接し、前記クランプ素子１０Ａ，１０Ｂが固
   定されることを特徴とする圧電型リニアアクチユ
   エータ。