JPS62189978A - 圧電アクチユエ−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−にの利用分野〕 本発明は、圧電素子の電歪作用を利用してロッドを移動
し、該ロッドに連結された対象物を駆動させるように構
成された圧電アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

周知の如く、駆動対象となる各種の作業機構を動作させ
るためのアクチュエータには、従来、ソレノイドや電磁
石等のいわゆる電磁作用を応用したものか多かった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながらこの種の従来のアクチュエータには、 ａ１機構が複雑である。

ｂ、形状が大きく、消費電力も大きい。

Ｃ３電磁的な雑音を発生ずる。

ｄ３位置決めの精度が低い。

等の種々の問題点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、上記問題点を解決するために、ロッドの中
央部に配設した第１の圧電素子の電歪状態に応じて当該
ロッドの中央部を軸方向に伸縮せしめるロッドの伸縮機
構と、前記ロッドの左ノｊおよび右方がそれぞれ貫通さ
れる第１および第２のブロック内に収容された第２およ
び第３の圧電素子の電歪作用を及ぼしめることにより、
当該第１および第２のフロックに対する前記ロッドの軸
方向への動きをそれぞれ固定する第１および第２のロッ
ク機構と、前記第１、第２、第３の圧電素子へ選択的に
電圧を印加する駆動回路とを具備した構成としたもので
ある。

〔作用〕

係る構成を有する圧電アクチュエータでは、前記駆動回
路から前記第１、第２、第３、の圧電素子へ選択的に電
圧を印加し、その電歪作用により前記ロッドの伸縮機構
および第１、第２のロック機構をそれぞれ機能せしめる
ことによって、当該ロッドを尺取り車力式で軸方向に移
動させている。

（実施例〕 以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて詳細に説
明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る圧電アクチュエータ
の断面構造を示したものであり、その本体は、３つのブ
ロック１０，２０．３０により構成されている。

このうち、左側のブロック１０は、その」二部を貫通す
るボルト１１により中央のブロック２０の左端に固定さ
れ、同様に右側のブロック３０も、ボルト３１により前
記ブロック２０の右端に固定＝　　４　　− されている。

また前記ブロック１０は、その下部を円筒状に削り抜か
れ、この削り抜かれた円筒内部には、前記ブロック２０
の左端を貫通して延設されるロッド４０を中心軸として
、それぞれ分離独立して成る円筒形の圧電索子１２、ウ
ェッジ１３、セットスクリュー１４が埋設されている。

このうち、ウェッジ１３の一端面は、円錐台状の凸部と
して成形され、逆に円錐台状の四部として成形されるセ
ットスクリュー１４の一端面に係合している。

また、前記セットスクリュー１４のもう一方の端面には
、螺子が形成され、前記ブロック１０の円筒内の最も外
側に近い部分に螺ｊｒ１されている。

このため前記セットスクリュー１４は、ロッド４０を軸
とする回転に伴なって左右に移動可能となり、後述する
如く圧電素子１２に電圧を印加しない状態において、当
Ｊ々セットスクリュー１４と前記ブロック２０の左端と
の間に、圧電素子１２とウェッジ１３とが密着して封入
され、しかもこの状態で前記圧電素子１２、ウェッジ１
３、セットスクリュー１４を貫通するロッド４０が左右
に摺動自在となるように、その螺着位置が調整されてい
る。

尚、前記ブロック２０からみて前述したブロック１０内
の構造と左右対象なる構造が、前記ブロック２０の右端
を貫通して延設されるロッド４０を中心軸とする圧電素
子３２、ウェッジ３３、セットスクリュー３４によって
、ブロック３０内にも構成されている。

また、前記ブロック２０の下部中央は空洞になっており
、この空洞部において、前記ロッド４０の中央が左右の
主要部に比べて極めて細かく加工されている。

そして、この細く加工されたロッド４０の中央部には円
筒形の圧電素子４２が遊貫され、ワッシャ４３．４４を
介して前記ロッド４０に螺着されたナラ１−４５．４６
により左右から締め付けられている。

この締め付は力によって前記圧電素子４２には、前記ロ
ッド４０の中心軸方向への圧縮力か（１与され、当該圧
縮力に抗して伸びようとする当該圧電素子４２により前
記ロッド４０の中央部には前記軸方向の収縮力かｌｊ、
えられる。

係る構造を有する圧電アクチュエータに用いられる圧電
素子１２（圧電素−ｊ’３２．４２も同様に構成される
）は、例えは第２図に示すように、中央に孔１２０が形
成され、鎖孔１２０の中心を通る直線ρと直交するよう
な円周上の切欠き部１２１を有する薄い円板〔チタン酸
バリウム（ＢａＣＯ３）等の圧電祠料より成る〕　１２
２を、多数枚積層させることによって積層体１２３を構
成するとともに、各円板１２２の切欠き部１２１によっ
て前記積層体１２３に形成される平坦部１２４上に当該
積層方向へ延びる電極１２５を配設した構造を有してい
る。

係る構造の圧電素子１２において、前記電極１２５に所
定の電圧を印加すると、前記積層体】２３は、当該電圧
に応じた歪みを生じ、第１図に示す如くブロック１０内
に実装された状態では、当該圧電素子１２が前記ロッド
４０の中心軸方向へ伸張する。

この伸張力は、前記圧電素子１２と密着されているウェ
ッジ１３に作用し、当該ウェッジ１３を前記中心軸方向
へ押しやるような応力となって当該ウェッジ１３の凸部
端面をセットスクリュー１４の凹部端面に圧接せしめる
。

このとき、ウェッジ１３の凸部端面とセットスクリュー
１４の凹部端面との前述した如くの係合関係に伴なって
、前記中心軸方向への応力が、これと直交する方向に変
えられ、この応力に伴なうウェッジ１３の内径の収縮に
より前記ロッド４０か締めイ・ｊけられ、当該ロッド４
０の中心軸方向への動きがロックされる。

また、ブロック３０内に実装される圧電素子３２に電圧
を印加した場合も、同様の作用によってロッド４０の中
心軸方向への動きがロックされる。

尚、ここでのロックの強さは、前述した如く、それぞれ
セットスクリュー１４および３４の螺着位置によって調
整可能である。

このように圧電素子１２と３２は、電圧を印加されるこ
とによって、ロッド４０のロック機能を起動させるよう
に作用〔作用■〕する。

これに対して圧電素子４２は、電圧を印加されることで
歪みを生じ、ロッド４０の中央部にイ・１与された収縮
力に抗して当該ロッド４０を、中心軸方向へ伸張せしめ
るとともに、電圧の印加を解かれることで、前記収縮力
によって収縮し、前記ロッド４０を元の状態に復帰せし
めることにより、当該ロッドを中心軸方向へ伸縮させる
ように作用〔作用■〕する。

次に、第３図には本発明に係る圧電アクチュエータの駆
動回路５０の構成がブロック図で示されており、以下、
第４図に示すタイミングチャートを参照しつつその動作
を説明する。

まず、この圧電アクチュエータの動作に先立ち、分極ス
イッチ５１か操作されると、該操作にもとづきドライバ
５９から圧電素ｆ１２，４２．３２に所定の分極電圧か
印加され、当該圧電素子１２゜４２．３２にはいイ）ゆ
る分極処理が施される。

この分極処理は、その後に印加される電圧に対する前記
圧電率１１２，４２．３２の電歪特性を安定化させるた
めに欠かすことのできない処理である。

次に、圧電アクチュエータのロッド４０を移動させる目
的で起動スイッチ５２か操作されると、オア回路５５の
ゲルトか開放され、該ゲートを通じて発振器５４からア
ップ／ダウンカウンタ（以下Ｕ／Ｄカウンタと略す）５
６へ、第４図（ａ）に示す如くのクロックＣＫが入力さ
れる。

今、ここでカウント方向選択スイッチ５３により、例え
は順方向へのカウントか選択されているものとすると、
前記Ｕ／Ｄカウンタ５６では、前記クロックＣＫが順次
１／２．１／４．１／８に分周され、それぞれ第４図（
ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示ず如くの分周パルスＱｌ、Ｑ
２．Ｑ３となる。

この分周パルスＱ＋　、Ｑ２　、Ｑ’３をもとに前記Ｕ
／Ｄカウンタ５６は、前記クロックＣＫをＯ〜７まで順
に繰り返えしカウントし、該カウント値をアドレス指令
として、リートオンリーメモリ（以下ＲＯＭと略す）５
７へ人力する。

当該ＲＯＭ５７は、第５図に示す如く、アドレス０〜７
にＤｏ、Ｄ、、Ｄ、、（それぞれ圧電率ｆ１２．４２．
３２への電圧印加制御に対応する。）の３つのデータを
格納しており、前記Ｕ／Ｄカウンタ５６からクロックＣ
Ｋのカラン］・値か人力される毎に、当該カウント値に
対応するアドレスのデータＤｏ、Ｄ、、Ｄ２を第４図（
ｅ）、　　（ｆ）。

（ｇ）に示す如くの態様で並列に＋（１力する。

該出力データＤＯ，Ｄ、、Ｄ２は、Ｄ−フリップフロッ
プ（以下Ｄ　−Ｆ　Ｆと略す）５８を通じてトライバ５
９へ人力され、該ドライバ５９は、このデータＤｏ、Ｄ
、、Ｄ２にもとづき前述した如く分極処理の施された圧
電率１２，４２．３２に所定の制御電圧を印加する。

係る制御により圧電アクチュエータでは、前記クロック
ＣＫのカウント０〜７に対応し−Ｃ１以ドに示すような
動作か実行される。

（カウント０） Ｄｏ、Ｄ２か”Ｈ”　レベルで、圧電素子１２゜３２に
電圧が印加され、上記〔作用■〕により左右両側でロッ
ド４０の中心軸方向への動きがロックされる。

（カウント１） Ｄ２が“Ｌ“レベルとなり、圧電素子３２か放電される
ことにより、ロッド４０の右側のロックが解除される。

（カウント２） Ｄｌが“Ｈ”レベルとなり、圧電素子４２に電圧が印加
され、上記〔作用■〕によりロッド４０が軸方向に伸張
する。

このとき、ロッド４０の左側はロックされているため、
圧電素子４２の伸び分は、ロッド４０の右側を右方向へ
移動させるように作用する。

（カウント３） Ｄ２も“Ｈ”レベルとなり、圧電素子３２へ電圧か印加
され、（カウント２）で右側に移動したロッド４０の右
側か、−に記〔作用Ｉ〕により再度ロックされる。

（カウント４） Ｄｏが“Ｌ”レベルとなり、圧電素子１２か放電される
ことにより、ロッド４０の左側のロックが解除される。

（カランｌ−５，６） Ｄｌも“Ｌ”レベルとなり、圧電素子４２か放電され、
ロッド４０が上記〔作用■〕により軸方向に収縮する。

このときロッド４０の右側かロックされているため、圧
電素子４２の収縮分は、ロッド４０の左側を右方向・＼
移動さぜるように作用する。

（カウント７） Ｄｏも“Ｈ”レベルとなり、圧電素子１２゜３２に電圧
が印加され、上記〔作用■〕によりロッド４０が左右両
側でロックされ（カウントＯ）の状態にもどる。

このように、前記クロックＣＫのカウントを順方向へ一
巡させる毎に、圧電率−ｒ−４２の伸張分た１プロツト
４０を右側へ移動させることか可能となり、係る制御を
繰り返し行なえば、所望とする長さでロッド４０を右側
へ移動させることかできる。

この移動に際してロッド４０は、常に左右いずれかの側
でロックされているため、当該ロンド４０に左方向への
ある程度の力か加えられている場合にも、その力が前記
圧電素子４２の伸張力を１・゛回っていれは、前記ロッ
ド４０を右方向へ移動さゼることかできる。

尚、ロッド４０を左方向へ移動さゼる場合は、カウント
方向選択スイッチ５３の選択によりＵ／Ｄカウンタ５６
のカウントを逆方向に歩進させ、当該ノＪウント値に対
応するＲＯＭ５７のアドレスから前述したタイミングチ
ャートとは逆になるようにデータＤ□　、Ｄ（、Ｄ２を
出力させるとよい。

このとき、ロッド４０の左右への移動を開始さぜるか停
止さぜるかは、起動スイッチ５２により選択ずれはよい
。

ところで、本発明に係る圧電アクチュエ−夕は、他の実
施例として第６図に示すような構造も考えられる。

第６図「同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ、
　）のＡ−Ａ線による断面側面図〕において、圧電アク
チュエータの本体は、３つのブロック１００．２００，
３００より成り、左側のブロック１００は、ポルｌ−１
，０１によって中央のブロック２００に固定され、同様
に右側のブロック３００は、ポルｌ−３０１によって前
記ブロック２００に固定されている。

これらブロック１００，２００，３００を固定すること
により、当該ブロック２００１−に形成される空間には
、前記ブロック１００および２００の上部を摺動可能に
貫通してロッド４００が設けられ、その中央部は細く加
ゴーされたうえに円筒形の圧電素子４０２が遊貫され、
ワッシャ４０３゜４０４を介してナラｌ−４０５，４’
０６により両側から締めイ」けられている。

これは、第１図の圧電アクチュエータにおけるロッド４
０と同じ構造であり、前記圧電素子４０２には常にロッ
ド４００の中心軸方向への圧縮力か加わり、また当該ロ
ッド４００の中央部には前記中心軸方向への収縮力が（
＝１ヶ、されている。

また前記ブロック１００には、上部を貫通する前記ロッ
ド４００の中心線と直交する中心線を何する円筒」−の
孔が形成され、該円筒孔内部には、その奥部より円筒形
の押え台１０３、圧電素子１０２か埋め込まれ、セット
スクリュー］０４による前記円筒孔内への螺着により保
持されている。

また、前記ブロック２００を基準とする前記ブロック１
００内と左右対象なる構造が、押え台３０３、圧電素子
３０２、セットスクリュー３０４により、前記ブロック
３００内にも構成されている。

前記圧電素子１０２および３０２は、例えはその中心軸
方向の側面に沿って設けられた電極に電１１：、を印加
されることによって当該中心軸方向に伸；長し７、それ
ぞれ押え台１０３および３０３を−１一方ｉこ押し」−
げ、前記ロッド４００を締め例けることｉこよって当該
ロッド４００の中心軸方向への動きをロックするように
作用する。同様に圧電素子４０２は、電圧を印加される
ことで歪みを生じ、回連した収縮力に抗してロッド４０
０を中心軸方＝　　　１６　− 向へ伸張せしめるとともに、電圧の印加を解かれること
で、前記収縮力によって収縮し、前記ロッド４００を元
の状態に復帰ローシめることにより、前記ロッド４００
を尺取り車力式で中心軸方向へ伸縮させるように作用す
る。

従って、これら圧電素子１０２，４０２゜３０２を、そ
れぞれ第１図の圧電アクチュエータに実装される圧電素
子１２．４２．３２に対応させ、第３図の駆動回路５０
によって駆動することにより、第６図の圧電アクチュエ
ータを、第１図の圧電アクチュエータと同様に動作させ
ることができる。

ところで第３図の駆動回路５０には、発振器５４から出
力されるクロックＣＫの周波数に応じてロッド４０の移
動速度か決定されるような措成例を示したか、前記発振
器５４の代わりにマイコン等を用い、任意の周波数のク
ロックパルスを与え、圧電素子（４２，４０２）の伸縮
に係る１サイクルあたりの時間を可変することにより、
前記ロッド（４０，４００）の移動速度を前記クロツク
パルス周波数に対応させて任意に設定することができる
。

また、この種の圧電素子（４０，４０２）は、印加電圧
を可変とすることによって１ザイクルあたりの伸張長さ
を自由に設定することかでき、これによってロッド（４
０，４００）の移動速度を可変としたり、位置決めの精
度を向」−させたりすることができるようになる。

尚、本発明の圧電アクチュエータでは、小型化、消費電
力の省力化および駆動効率を考慮して、圧電素子（１２
，３２，４２，１０２，３０２゜４０２）に第２図に示
す如くの円筒形積層型のものを用いる例について述べた
が、これ以外にも例えば直方体の様な簡単な形状のもの
を用いることができることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以１−説明したように本発明の圧電アクチュエータによ
れは、ロッドの中央部に圧電素子の電歪作用による当該
ロッドの伸縮機構を設けるとともに、当該伸縮機構の両
側に別の圧電素子の電歪作用によるロッドのロック機構
を設け、前記各圧電素子へ選択的に電圧を印加し、その
電歪作用により前記ロッドの伸縮機（Ｉηおよびロック
機構をそれぞれ機能けしめることによって、当該ロッド
を尺取り出方式で軸方向（左右）に移動させるようにし
たため、構造の簡略化および小型化、消費電力の省力化
か果たせる、電磁的卸１等を排除できる、特に微動機構
における高粘度の位置決めか行なえる、等の優れた種々
の利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例に係る圧電アクチュエ＝り
の断面構造を示す図、第２図は、第１図に示した圧電ア
クチュエータに実装される圧電素子の１例を示す斜視図
、第３図は、本発明の圧電アクチュエータの駆動回路の
１実施例を示すブロック図、第４図は、第３図に示した
駆動回路の動作を説明するためのタイミングチャート、
第５図は、第３図に示した駆動回路におけるＲＯＭ５７
のデータマツプ、第６図は、本発明の圧電アクチユエー
タの他の実施例を示すものであり、第６図（ａ）は断面
図、第６図（ｂ）は第６図（ａ）のＡ−Ａ線における断
面側面図である。 １０．２０，３０，１００，２００，３００・・・ブロ
ック、１１．．３１，１０１，３０トボルト、１２．３
２，４２，１０２，３０２，４０２・・・圧電素子、１
３．３３・・・ウェッジ、１４，３４゜１０４．３０４
・・・セットスクリュー、４０゜４００・・・ロッド、
４３．４４．４０３，４０４・・・ワッシャ、４５，４
６，４０５，４０６・・・ナツト、５０・・・駆動回路
、５１・・・分極スイッチ、５２・・・起動スイッチ、
５３・・・カウント方向選択スイッチ、５４・・・発振
器、５５・・・オア回路、５６・・・アップダウンカウ
ンタ（Ｕ／Ｄカウンタ）、５７・・・リードオンリーメ
モリ　（ＲＯＭ）　、５８　　・Ｄ−フリップフロップ
（Ｄ−ＦＦ）　、５９・・・ドライバ、１２０・・・孔
、１２１・・・切欠き部、１２２・・・円板、１２３・
・・積層体１．１２４・・・（［坦部、１２５・・・電
極。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）両端のいずれか一方に駆動対象物が連結されるロ
   ッドの中央部に、電歪作用が該ロッドの軸方向に及ぶよ
   うに第１の圧電素子を貫入固定して成り、電圧印加時と
   非印加時における前記第１の圧電素子の電歪状態に応じ
   て前記ロッドの中央部を軸方向に伸縮せしめるロッドの
   伸縮機構と、前記ロッドの左方が貫通される第１のブロ
   ック内に収容され、第２の圧電素子の電歪作用を及ぼし
   めることにより当該第１のブロックに対する前記ロッド
   の軸方向への動きを固定する第１のロック機構と、 前記ロッドの右方が貫通される第２のブロック内に収容
   され、第３の圧電素子の電歪作用を及ぼしめることによ
   り当該第２のブロックに対する前記ロッドの軸方向への
   動きを固定する第２のロック機構と、 前記第１、第２、第３、の圧電素子へ選択的に電圧を印
   加する駆動回路と を具備することを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. （２）前記第１および第２の圧電素子は、それぞれ電歪
   作用を前記ロッドの軸方向へ及ぼしめるように当該ロッ
   ドの左方および右方に貫入され、該第１および第２の圧
   電素子の前記ロッドの軸方向への電歪作用を、それぞれ
   当該軸方向と直交する方向に変位させることにより前記
   ロッドを締め付けるウェッジと接して、前記第１および
   第２のブロック内に、それぞれ収容されることを特徴と
   する特許請求の範囲第（１）項記載の圧電アクチュエー
   タ。
3. （３）前記第１および第２の圧電素子は、それぞれ電歪
   作用を前記ロッドの軸方向と直交する方向へ及ぼしめる
   ように配置され、該第１および第２の圧電素子の前記ロ
   ッドの軸方向と直交する方向への電歪作用を、それぞれ
   そのままの方向へ伝達せしめることにより前記ロッドを
   締め付ける押え台と接して、前記第１および第２のブロ
   ック内にそれぞれ収容されることを特徴とする特許請求
   の範囲第（１）項記載の圧電アクチュエータ。
4. （４）前記第１、第２、第３の圧電素子は、それぞれ薄
   い円板状の圧電材料を円筒形に積層させて成る特許請求
   の範囲第（１）項〜第（３）項記載の圧電アクチュエー
   タ。