JPH0438177A - 圧電アクチユエータ - 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］ 本発明は、位置決め装置、ロボット等に用いられるアク
チュエータに関し、特に圧電素子を駆動源とする圧電ア
クチュエータに関するものである。

［従来の技術］ 従来の位置決め装置、ロボット等に用いられているアク
チュエータは、その駆動源とじて電磁型のアクチュエー
タが広く用いられている。この電磁型のアクチュエータ
は、コイルに電流を流すことによって磁界を発生し、そ
の磁界による磁力を利用して可動部材を駆動する構成と
なっている。

このため、銅損や鉄損が生じて大きな入力エネルギを必
要とするばかりでなく、発熱や磁気干渉を生ずる等の問
題点を有しており、高速駆動の限界にきていた。また電
流駆動であるため、精密位置決め制御も難しいという問
題点を有している。

近年、このような問題点を解消するため、電気・機械エ
ネルギ変換効率が高く低消費電力で駆動でき、しかも発
熱量が少なく磁気干渉もなく、さらに電圧駆動で精密位
置決めも容易な圧電素子がアクチュエータとして用いら
れてきている。第５図はすでに開発されているこのよう
な圧電素子の一実施例であり、詳細は電子情報通信学会
超音波研究会資料ｔｌｓ８３−８に報告されている。第
５図に示すように従来の圧電アクチュエータは、非常に
薄い圧電セラミックス５１が内部電極５２をはさんで多
数積層されており、各々の圧電セラミックス５１の厚み
方向に、外部電極５４への印加電圧と等しい電圧が印加
される電極構造となっている。また、図中、５３は、各
段の内部電極５２を左右の外部電極５４に交換に絶縁す
る絶縁部材である。第５図に示す電極構造であるため、
低電圧で駆動でき、電圧が印加されると長手方向（矢印
Ｅ方向）に伸びる。

〔発明が解決しようとする課題］ このように圧電素子には数々の特徴があるが、電磁型の
アクチュエータと比較して変位が小さいという欠点があ
る。圧電素子の変位量は圧電素子の長さに比例し断面積
には関係しないため、大きな変位を得るためには圧電素
子の長さを長くする必要があり、細長く縦横比の大きい
形状になってしまう。圧電素子はセラミックスでできて
いるため、縦横比の大きい形状の圧電素子は折れやすい
という問題点がある。一方、圧電素子の長さとともに断
面積を大きくすると、縦横比は大きくならないため、折
損に対する問題は無くなるが、体積・重量が大きくなり
、コストが高くなるばかりでなく、電気的な容量が大き
くなり、制御が難しくなり高速駆動ができなくなるとい
う問題点がある。

本発明の目的は、レバーを利用して圧電素子の変位分を
積算することにより、大きな変位量を確保して、従来の
問題点を解決した圧電アクチュエータを提供することに
ある。

［課題を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、本発明に係る圧電アクチュエ
ータにおいては、複数の圧電素子と、複数のレバーと、
作用部材とを有する圧電アクチュエータであって、 複数の圧電素子は、断面積が小さく縦横比の小さい短柱
状をなし、並列に配列されたものであり、複数のレバー
は、隣接する圧電素子の端部間に設けられ、一方の圧電
素子の変位分を他方の圧電素子の変位分に加算するもの
であり、 並列に配列された前記複数の圧電素子のうち、一の圧電
素子は、一端が固定されて位置規制され、他端が一のレ
バーの力点に突き当てられ、他の圧電素子は、一端が一
のレバーの作用点に突き当てられ、他端が他のレバーの
力点に突き当てられ、複数の前記圧電素子相互間はレバ
ーを介して連結されており、 作用部材は、複数の圧電素子による総和の変位量を外部
に取り出すものであり、また前記レバーは、両端に作用
点と力点とをもつ剛性の高いアーム部と、支点として作
用し、かつ曲げ変形する第１の弾性ヒンジと、アームの
力点１作用点に圧電素子の端部を結合し、曲げ変形する
第２の弾性ヒンジとからなるものであり、また、前記レ
バーは、変位を拡大して伝達するものである。

［作用］ 本発明では、圧電素子から大きな変位を得るために複数
個の圧電素子を用い、その各々圧電素子の間はレバーで
連結し、各々の圧電素子の変位を積算して出力として取
り出すものである。変位の伝達はレバーで行うため、圧
電素子を長手方向に一直線状に並べる必要はなく、また
圧電素子も断面積は小さく縦横比の小さいものを複数個
用いることにより、従来の問題点は解決される。

またレバーを曲げ変形を起こす弾性ヒンジと、剛性の高
いアーム部より構成することにより、レバーは摩擦なく
運動することができるようになるため、信頼性が大幅に
上がる。

さらに変位を拡大できるようにレバーの支点・力点・作
用点間隔を設定することにより、圧電素子の変位は拡大
されて伝達されて積算するため、より大きな変位を得る
ことができる。

［実施例］ 本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する
。

（実施例１） 第１図は本発明の実施例１を示す断面図である。

図において、フレーム１８は、その内部に互いに向き合
う平行な内端１８ａ、　１８ｂを備えており、複数の圧
電素子（実施例では４本の圧電素子を用いている）１１
．　＋２．１３．１４は、フレーム１８の対向する内端
１８ａ、　＋８ｂ間に並列に配列されている。各圧電素
子１１〜１４として、断面積が小さく縦横比の小さい短
柱状のものを用いる。

さらに、フレーム１８内の隣接する圧電素子１１〜１４
の端部間には、レバー１５．１６．１７がそれぞれ設け
である。レバー１５．１６．１７は、中央部にその先端
を球面形とした支点＋５ｂ、　１６ｂ、　１７ｂが設け
られ、その左右端には、支点１５ｂ、　１６ｂ、　１７
ｂと反対方向に実高し、かつ球面形とした力点１５ａ、
　１６ａ、　１７ａ及び作用点１５ｃ、　１６ｃ、　１
７ｃが設けられた構造のものである。

第１の圧電素子１１は、一端がフレーム１８の一方の内
端に固定されて位置規制され、第２〜第４の圧電素子１
２〜１４はその両端がフリーになっている。

各レバー１５．１６．１７は、フレーム１８の内端１８
ａ、　１８ｂに支点＋５ｂ、　＋６ｂ、　１７ｂが摺接
し、その力点と作用点が圧電素子の端部に向けて配置さ
れている。

第１の圧電素子１１は、他端１１ｂが第１のレバー１５
の力点１５ａに突き当てられ、第２の圧電素子１２は、
一端が第１のレバー１５の作用点１５ｃに、また他端が
第２のレバー１６の力点１６ａに突き当てられている。

また、第３の圧電素子Ｉ３は、一端が第２のレバー１６
の作用点１６ｃに、また他端が第３のレバー１７の力点
１７ａに突き当てられ、さらに第４の圧電素子１４は、
一端が第３のレバー１７の作用点１７Ｃに突き当てられ
、複数の圧電素子１ｊ、　１２．１３．１４相互間はレ
バー１５．１６．１７を介して連結されている。

さらに、第４の圧電素子１４の軸方向延長上のフレーム
１８には、作用部材２ｏが外部に突き出して摺動可能に
設けられ、作用部材２０は、第４の圧電素子１４と向き
合う端部が球面形に形成され、球面形端部がばね１９に
付勢されて第４の圧電素子１４の端部に隣接している。

このような構造の本発明において、第１．第２゜第３．
第４の圧電素子＋　１．１２．１３．１４に電圧を印加
すると、それぞれ矢印Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄの向きに伸張動作
を行い、第１．第２．第３のレバー１５．１６．１７の
力点１５ａ、　１６ａ、　１７ａに力をそれぞれ作用し
、第】。

第２．第３のレバー１．５，１６．１７はそれらの支点
１５ｂ。

１６ｂ、　１７ｂを回転中心として回動動作を行い、第
１゜第２．第３．第４の圧電素子１１．　＋２．１３．
１４の各変位は積算されて作用部材２０に伝達されて外
部に変位を取り出すことができる。

このような構造の本発明においては、複数個の圧電素子
を用い、その各々圧電素子の間はレバーで連結し、各々
の圧電素子の変位を積算して出力として取り出している
ため、大きな変位を得ることができる。変位の伝達はレ
バーで行うため、圧電素子を長平方向に一直線状に並べ
る必要はなくコンパクトな形状となり、また圧電素子も
断面積は小さく縦横比の小さいものを複数個用いている
ため、折損に対する問題もなくなり、さらに電気的な容
量も大きくならないため駆動も容易である。

（実施例２） 第２図は本発明の実施例２を示す断面図である。

本実施例では、第１．第２．第３のレバーは、両端に力
点２作用点をもつ剛性の高い第１．第２゜第３のアーム
部２５．２６．２７と、アーム部２５，２６．２７の力
点１作用点に圧電素子を結合し、曲げ変形する第２の弾
性ヒンジ２５ａ、　２５ｃ、　２６ａ、　２６ｃ、　２
７ａ、　２７ｃと、アーム部２５．２６．２７の力点９
作用点の中間に位置し、支点として作用して曲げ変形す
る第１の弾性ヒンジ２５ｂ、　２６ｂ、　２７ｂとから
なるものである。

第１．第２．第３のアーム部２５．２６．２７はフレー
ム１８の内端１８ｂに弾性ヒンジ２５ｂ、　２６ｂ、　
２７ｂを介して支持され、第１．第２．第３．第４の圧
電素子２＋。

２２、２３．２４と第１．第２．第３のアーム部２５．
２６．２７とは弾性ヒンジ２５ａ、　２５ｃ、　２６ａ
、　２６ｃ、　２７ａ、　２７ｃを介して結合される。

各弾性ヒンジ２５ａ、　２５ｂ、　２５ｃ、　２６ａ、
　２６ｂ、　２６ｃ、　２７ａ、　２７ｂ、　２７ｃは
ワイヤ放電加工等により接着される。

本実施例において、第１．第２．第３．第４の圧電素子
２１．２２．２３．２４に電圧を印加すると、それぞれ
矢印Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄの向きに伸張動作を行い、第１．第
２．第３のアーム部２５，２６．２７に接続された弾性
ヒンジ２５ａ、　２６ａ、　２７ａに力をおよぼし、第
１゜第２．第３のアーム部２５，２６．２７はそれらの
支点となる弾性ヒンジ２５ｂ、　２６ｂ、　２７ｂ　を
回転中心として曲げ変形による回動動作を行い、第１．
第２．第３゜第４の圧電素子２１．２２．２３．２４の
各変位は積算されて作用部材３０に伝達されて外部に変
位を取り出すことができる。

本実施例においては、伸縮動作を行う圧電素子と回動動
作を行うレバーは弾性ヒンジを介して連結されているた
め、それらの間には摩擦はなく、大幅に信頼性・安定性
が向上する。

（実施例３） 第３図及び第４図は本発明の実施例３を示す断面図であ
る。第３図は第１図の実施例の第１．第２、第３のレバ
ー３１，３２．３３の作用点３１　ｃ、　３２ｃ、　３
３ｃ・支点３１ｂ、　３２ｂ、　３３ｂ間距離を力点３
１ａ、３２ａ、３３ａ　・支点３　ｌｂ、　３２ｂ、　
３３ｂ間距離よりも大きくしたものである。

すなわち、第３図においては、３１ｃ・３１ｂ）３１ａ
・３１ｂ。

３２ｃ・３２ｂ：＞３２ａ−３２ｂ、　３３ｃ・３３ｂ
＞３３ａ・３３ｂとなっている。ここで、３１ｃ・３１
ｂ、　３２ｃ・３２ｂ、　３３ｃ・３３ｂ　とは、作用
点と支点との間の距離を示し、３１ａ・３１ｂ、　３２
ａ・３２ｂ、　３３ａ・３３ｂとは、力点と支点との間
の距離を示す。第４図は第２図の実施例におけるアーム
部４１゜４２．４３上の作用点となる弾性ヒンジ４１ｃ
、４２ｃ、４３ｃと支点となる弾性ヒンジ４１ｂ、　４
２ｂ、　４３ｂの間の距離を、力点となる弾性ヒンジ４
１ａ、４２ａ、４３ａと支点となる弾性ヒンジ４　ｌｂ
、　４２ｂ、　４３ｂとの間の距離よりも大きくしたも
のである。すなわち第４図においては、４１ｃ・４１ｂ
＞４１ａ−４１ｂ、　４２ｃｍ４２ｂ＞４２ａ・４２ｂ
、　４３ｃｍ４３ｂ〉４３ａ・４３ｂとなっている。

本実施例においては、第１．第２．第３のレバー３１，
３２．３３あるいは第１．第２．第３のアーム部４１．
４２．４３においてそれぞれ変位を拡大して伝達してい
く構造となっているため、前述の実施例よりも大きな変
位が得られる。

なお、上述の実施例においては圧電素子を４個用いた例
を示したが、用途に応じて用いる圧電素子の数あるいは
形状を変えたり、あるいは前述の各実施例の組合せによ
っても本発明の有効性は変わらない。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明はコンパクトで大きな変位
が得られ、信頼性が高いという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１を示す断面図、第２図は本発
明の実施例２を示す断面図、第３図及び第４図は本発明
の実施例３を示す断面図、第５図は従来の圧電素子を示
す断面図である。 １１．２１・・・第１の圧電素子　１２．２２・・第２
の圧電素子１３．２３・・・第３の圧電素子　１４．２
４・・・第４の圧電素子１５．３１・・・第１のレバー
　　１６．３２・・・第２のレバー１７．３３・・・第
３のレバー １９．２９・・・ばね ２５．４１・・・第１のアーム部 ２７．４３・・・第３のアーム部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の圧電素子と、複数のレバーと、作用部材と
   を有する圧電アクチュエータであって、複数の圧電素子
   は、断面積が小さく縦横比の小さい短柱状をなし、並列
   に配列されたものであり、複数のレバーは、隣接する圧
   電素子の端部間に設けられ、一方の圧電素子の変位分を
   他方の圧電素子の変位分に加算するものであり、 並列に配列された前記複数の圧電素子のうち、一の圧電
   素子は、一端が固定されて位置規制され、他端が一のレ
   バーの力点に突き当てられ、他の圧電素子は、一端が一
   のレバーの作用点に突き当てられ、他端が他のレバーの
   力点に突き当てられ、複数の前記圧電素子相互間はレバ
   ーを介して連結されており、 作用部材は、複数の圧電素子による総和の変位量を外部
   に取り出すものであることを特徴とする圧電アクチュエ
   ータ。
2. （２）前記レバーは、両端に作用点と力点とをもつ剛性
   の高いアーム部と、支点として作用し、かつ曲げ変形す
   る第１の弾性ヒンジと、アームの力点作用点に圧電素子
   の端部を結合し、曲げ変形する第２の弾性ヒンジとから
   なることを特徴とする請求項第（ｌ）項に記載の圧電ア
   クチュエータ。
3. （３）前記レバーは、変位を拡大して伝達するものであ
   ることを特徴とする請求項第（１）項あるいは請求項第
   （２）項に記載の圧電アクチュエータ。