JPS62189979A - 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】 （産業上の利用分野） 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ゼるように構
成された圧電アクチコＪ−夕に関する。

（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ゼ
るためのアクチュ１−夕には、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が多かった。

（発明が解決しようと覆る問題点〕 しかしながらこの種の従来のアクヂコＪ−夕には、 ａ、構造が複雑である。

ｂ、形状が大きく、消費電力も大きい。

Ｃ０電磁的な雑音を発生する。

ｄ０位置決めのｉｆｆ度か低い。

等の種々の問題点があった。

（問題点を解決でるだめの手段） 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Ｌ′１１通配買された第１の圧電素子より成る伸
縮は椙と、前記第１の圧電素子のノ「端と接覆る第１の
ホルウ内に収容され、前記［１ツトに真人される第２の
圧電素子にＪ、る前記［］ツドの軸方向への電歪作用を
、当該軸方向とｉｉ′１交づる方向に変位ざゼることに
より前記第１のホルダに対づる前記ロッドの軸方向への
動きを固定覆る第１のロックＲ構と、前記第１の圧電素
子の右端と接する第２のホルダ内に収容され、前記ロッ
ドにＬ′１人される第３の圧電素子による前記ロッドの
軸方向への電歪作用を、当該軸方向とｔ１交づ−る方向
に変位さゼることにより前記第２のホルダに対Ｊるｌ）
ｊ記ロッドの軸方向への動きを固〉ｒｌ−る第２の［１
ツク機構と、前記第１おＪ、ひ第２のホルダのいずれか
一方のボルタを、前記［Ｊラドの軸方向へ移動できない
ように固定したどさ、他の一方のホルダを、前記伸縮機
構の伸縮作用に追従さ氾て前記［］ツドの軸方向へ移動
さけ１１するバネ力を！５える弾性（Ｊ　−’ｊは椙と
、前記第１、第２、り）３の１１−電素了に選択的に電
圧を印加Ｊ−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、ぞの電歪作用により前記伸縮荘構および第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東方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（＝１図面にもとづいて詳細
に説明する。

第１図は、本発明に係る圧電アクチュエ−タの一実施例
を示したものであり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）
は側面図をそれぞれ示している。

第１図にｄ３いて、圧電アクチュエータの本体は、ブラ
ケッ１〜１０と２０を、その上部と下部にスペーサ３０
および３１を挟んで配置するとともに、これらゾラケツ
ｌ−１０、スペーサ３０．ブラケツ１−２０およびブラ
ケツｌ−１０、スペーサ３１．ブラケット２０に、それ
ぞれガイドピン４０および４１を貫入し、両ｉ’ｌｒｙ
＋からプッ１〜／１２．７１３およびナラｈ／１４．４
５で締めイ」ＣノることにＪ、す、前記スペー→ノ３０
，３１の長さに相当する距離を経で、前記ブラケッ１〜
１０と２０とを固定した構造を有している。

また、前記ブラケッ１〜１０おにび２０の中央部を、そ
れぞれ前記ガイドピン／′ｌｏ、４．１の中心軸方向に
貫通して円筒形の孔が形成され、該各回筒孔には、前記
スペーサ３０．３１にＪ：り前記ブラケット１０と２０
間に形成された空間を経て、以下に示すような可動部が
構成されている。

Ｊなりも前記円筒孔の中心軸は、前記ガイドピン４０．
４．１にＪ：つで軸合Ｕがなされ、当該中心軸」二には
ロッド５０がある。

つまり前記各円筒孔と前記１］ツド５０の中心軸が一致
する。

また、ロッド５０にそれぞれ貫入されて、ぞの中央部に
は圧電素子３２が配置され、その左右には前記圧電素子
３２の両端に接してホルダ１１および２１が配置されて
いる。

ここで前記ホルダ゛１１は、！１ｉＪ述した如くブラヶ
ッ１〜１０に形成された円筒孔内に摺動可能に収容され
、モのノｒ端をスプリング１２を介したスクリコ−１３
ににる当該円筒孔内への螺る−により保持されている。

他方、前記ホルダ２１は、ブラケット２０に形成された
円筒孔に収容され、その右端を、スペーサ２２を介した
スクリュー２３による当該円筒孔内への螺着により保持
されている。

尚、前述した各円筒孔とロッド５ｏの中心軸の軸合せは
、このスクリコ−１３および２３によりなされている。

更に、前記ホルダ１１内には、前記ロッド５０を軸とし
てそれぞれ分離独立して成るスクリコ−１１０、スペー
４ノ１１１．圧電索子１１２．スペーサ１１３．つ■フ
ジ１１４，１１５．セツ１〜スクリコ−１１６が、それ
ぞれ当該ホルダ１１の内周面に摺動自在となるように埋
設されでいる。

ここで前記ウェッジ１１４の一端面は、円錐台状の四部
として成形され、逆に円ｆｆ１ｌｔ台上の凸部として成
形されるウェッジ１１５の−り１１：而に係合している
。

また、前記ホルダ１１の内周面に螺着されるセラ１〜ス
クリユ−１１６４よ、目ツｌ”　５０を中心とづる回転
によってノＩ［右に移動ｉｉＪ能であり、後述覆る如く
圧電素子１１２に電圧を印１１１１１．ない状態におい
て、スクリコー１１０．スベーザ１１１．Ｊ圧電素子１
１２．スペー１）−１１３，ウェッジ１１４゜１１５が
前記ホルダ１１内で密着し、しがもこの状態で、ロッド
５０が左右に１習動自在となるように、その螺着（ｆｆ
置が調整されている。

尚、前記圧電素子３２からみて前述したホルダ１１内の
構造と）ｒも対称なる構造が、前記ロッド５０を中心軸
として埋設されるそれぞれスクリコー２１０．スペーザ
２１１　、　ＬＦ電索子２１２．スペーサ２１３．ウェ
ッジ２１／Ｉ、　２１５．セラ１〜スクリユー２１６に
よって、ホルダ２１内にも構成されている。

このように本発明の圧電アクブーツ１−夕では、可動部
全体がスクリコ−１３と２３によりｙ′ラヶッ１−１０
と２０間に保持され、このうちのホルダ１１は、スプリ
ング１２により常に右側への応力が加えられている。

係る＠造を右する圧電アクヂュコーータに用いられる圧
電素子３２（圧電素子１１２，２１２も同様に構成され
る）は、例えば第２図に示すＪζうに、中央に孔３２０
が形成され、鎖孔３２０の中心を通る直線２と直交する
ような円周上の切欠き部３２１を有する薄い円板〔チタ
ン酸バリウム（ＢａＣＯ３）等の圧電材料より成る〕３
２２を、多数枚積層させることによって積層体３２３を
構成するとともに、各円板３２２の切欠き部３２１によ
って前記積層体３２３に形成される平担部３２４上に当
該積層方向へ延びる電極３２５を配設した構造を有して
いる。

係るＮ造の圧電索子３２において、前記電極３２５に所
定の電圧を印加すると、前記積層体３２３は当該電圧に
応じた歪みを生じ、第１図に示す如くの実装状態では、
当該圧電素子３２が前記ロッド５０の中心軸方向に伸張
づる。

このときホルダ２１は、前述した如くスペーサ２２を介
したスクリコ−２３によるブラケッ１−２０の円筒孔内
への螺着−ににってロッド５０の中心軸方向への動きが
固定されている。

このため、前述した電圧水子３２の電圧印加時の伸張力
は、ホルダ１１に及び、当該ボルダ１１をスプリング１
２のバネ力に抗して、前記ロッド５０の中心軸に沿って
左側へ移動させるように作用する〔作用■］。

一方、ボルダ１１内に実装された圧電素子１１２は、前
述した如くの電圧の印加を受けることによって前記ロッ
ド５０の中心軸方向に伸張する。

このとき圧電素子１１２の右端が、スペーサ１１１を介
してスクリ１．−１１０に固定されているため、前述し
た圧電素子１１２の電圧印加時の伸長力は、スペー＋Ｊ
１１３を介して当該圧電素子１１２の左方に及び、ウェ
ッジ１１４と１１５を前記ロッド５０の中心軸方向への
応力をもってＬｔ接せしめる。

ここで前記つ１ツジ１１４と１１５とは、前）ホした如
く円錐台状に成形された凹部端面ど凸部端面とにより係
合されでいるため、上記圧接に伴なうロッド５０の中心
軸方向への応力が前記ウェッジ１１４により当該中心軸
方向と直交する方向に変えられる。

この応力によってロッド５０の外周およびホルダ１１内
周には前記つＪフジ１１４からの締め付は力が勧らき、
当該ホルダ１１に対するロッド５０の中心軸方向への動
きがロックされる、。

同様にホルダ２１内においても、該ホルダ２１内に実装
される圧電素子２１２の電圧印力旧侍にお（プるロッド
５０の中心軸方向への伸張力が、ウェッジ２１４を経て
当該中心軸方向と直交する方向に変位されてロッド５０
およびホルダ２１に及び、当該ホルダ２１に対づ−るロ
ッド５０の中心軸方向への動きがロックされる。

このように、圧電索子１１２および２１２の電圧印加時
の伸張力は、ホルダ１１Ｊ３よび２１に対するロッド５
０の中心軸方向への動ぎを［１ツクするように作用づる
［作用■］４゜ 尚、ホルダ１１Ｊ３Ｊ、ひ２１に対１−るロッド５０の
１］ツクの強さは、前述した如くだれそれレットスクリ
コ−１１６おＪ、ひ２１（３の焙：右位置によって調整
づ−ることかてさる。

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６０の構成がツ１−］ツク図て示されており、以
上第４図に小すクィミ〕／グブ−ｔ　−１−を参照しつ
つその動作を説明する３゜ まづ゛、このＬＦ電アクヂｌ十−りのｆｊＪ作に先立ち
、分極スイッチ６１が操作されると、該操作に・しとつ
さ゛ドライバ６９から月−′１を素子１１２，３２゜２
１２、に所定の分極型Ｌ「が印ｈｌ＋され、当該圧電素
子１１２．３２，２１２にはいわゆる分極処理か施こさ
れる。

この分極処Ｐｖは、その後に印加される電／、１に対す
る前記圧電素子１１２，３２，２１２の電歪時・ビ１を
安定化ざゼるために欠かすことのでさ″ない処理である
。

次に、圧電アクチュ］−−りのロッド５ｏを移動させる
Ｉ］的で起動スイッチ６２が操作されると、オア回路６
５のゲートが解放され、該ゲー１〜を通じて発ノ辰；得
６４からアップ／ダウンカウンタ（」ズ下Ｕ／Ｄカウン
タと略す）６６へ、第４図（ａ）に示す如くのクロック
ＣＫが入力される。

今、ここてカウント方向選択スイッチ６３により、例え
ば順方向へのカウントが選択されているものとづ−ると
、前記ＩＪ　／　Ｄカウンタ６６では、前記クロックＣ
Ｋ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Ｑ１．Ｑ２．Ｑ３どなる。

この分周パルスＱ１．Ｑ２．Ｑ３をもとに前記Ｕ／Ｄカ
ウンタ６６は、前記クロックＣＫをＯ〜７まて順に繰り
返えしカウントし、該カラン１〜値をアドレス指令とし
てリードオンリーメモリ（以下ＲＯＭと略す）６７へ人
力する。

当該ＲＯＭ６７は、第５図に示づ如く、アドレスＯ〜７
にり、Ｄ、Ｄ３　（−Ｔれぞれ圧電素子１１２．３２．
２１２への電圧印加側ＣＩＩ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６６からりＩＪ
ツクＣＫのノＪｆンンＩ−ｆ的ハ＼入力される毎に、当
該カランｉ〜１１〆１に３・１症、−するアドレスのデ
ータＤ。、Ｄｌ、１）２を第４図（Ｃ）。

（ｆ）、（ｑ）に示づごとくの態様で並列に出力する。

該出力データ［〕。、Ｄ１．Ｄ２．は、Ｄ−フリップフ
ロップ〈以下Ｄ　−Ｆ　Ｆと１８−リ−）６８を通じて
ドライバ６９へ入力され、該ドライバ６９は、このデー
タＤ。、Ｄ、Ｄ２にもどづさ前３ｄｉ　シた如く分極処
理の施こされた圧電素子１１２，３２，２１２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コエータでは、前記クロック
ＣＫのカウントＯ〜７に対応し・で、ＪズＦに示すよう
な動作が実行される。

（カランｌ−０） Ｄｏ、Ｄ２が“′）−ビルベルとなり、圧電素子１１２
．２１２に電圧が印加され、上記（作用■）により左右
両側のホルダ１１．２１に対してロッド５０の中心軸方
向の動きがロックされる。

（カウント１） ０２力く“”ｊ”レベルど々す、Ｉ下型素子２′Ｉ２ツ
バ欣電されることにより、ホルダ２１に対づる（−］ツ
ラド　ＯのＩＩソック解除される。

（カウント２） Ｄｌが”　Ｈ”レベルどなり、圧電素子３２に電圧か印
加８れ、ホルダ１１に上記（作用■）を及は覆。

つまり当該ホルダ１１は、スプリング１２の右向きの応
力に抗して六二側へ移動される。

このときロッド５０は、前記ホルダ１１に対してロック
されでいるため、当該ホルダ１１の動きに追従してノｆ
−側へ移動される。

（ツノ　ラン　１〜３　） ［〕２も″１−ビルベルとなり、電ＦＥＥ木子２１２へ
電圧か印加され、（カラン１−２）てｈ−側へ移動した
ロッド５０か、上記〔作用■〕に」、リボルク２１に対
して再度ロックされる。

（カウント４） Ｄｏがｉｉ　Ｌ　ｕレベルとなり、圧電素子１″Ｉ２が
放電されることにより、ホルダ１１に対づ−るロッ１〜
゛５０のＬ」ツクがｆｋ除される。

（カランｔ−５，６） １〕１も”ｌ”レベルとなり、バー電索子３２が放電さ
れ、ロッド５０の中心軸ブｊ向へ数組ｉ　１１る。

このときノ「側に移ｉＩｉすしていたホルダ１１に対づ
るｌラド５０のロックが解除され−でいるため、当該ホ
ルダ１１は、前記圧電本子３２の収縮に伴ないスプリン
グ１２の右向きの応力を受１１て右側へ移動され、元の
位置に戻される。

一方前記ロツド５０は、ホルダ２１に対しては［Ｊツク
されているため、前記ホルダ１１の元の位置への復帰に
際しても移動されること（よない。

従がってこの状態をホルダ１１から観るど、前記ロッド
５０が月−電木了３２の伸張分〕１側へ移動されたこと
になる。

（カウント７） １つ。も“′ＩドＩノベルどなり、（１電評、了１１２
゜２１２に電ｊ１か印加され、１−記（作用■〕により
ホルダ１１．２１に対して！］ラッド０が［１ツク８れ
ることによって、（カランｌ−０）の状態に戻る。

このように、前記クロックＣＫのカラン１〜を順方向へ
一巡さゼる毎に、Ｌ「型素子３２の伸張分だけロッド５
０をノ「側へ移動ざゼることか可能となり、係る制御を
繰り返し行なえば、所＜１４どり−るロッド５０をノｒ
ｉ側へ移動させることができる。

この移動に際して［」ラド５０は、常に）「右いずれか
のホルダ１１．２１によりロックされているため、当該
ロッド５０に右方向へのある程度の力が加えられている
場合にも、その力が前記圧電索子３２の伸張力からスプ
リング１２の伸張力を差し引いた力を下回っていれば、
前記ロッド５０を左方向へ移動さゼることがでさ゛る。

尚、ロッド５０を右方向へ移動させる場合は、カウント
ｈ内選択スイッチ６３の選択によりｔＪ　Ｉ　Ｄカウン
タ６６の、ＪＪウントを逆方向に歩進さ−け、当該カラ
ン１〜イｌｉ′１に対応するＲＯＭ６７のアドレスから
前述したタイミンクチ′Ｖ−１〜とは逆になるようにチ
ークＤ、１０１，０２を出力さゼると」；い。

このと８′、ロッド５０の左右への移動を開始させるか
停止させるかは、起動スイッチ６２により選択覆ればに
い。

尚、［ｌラド５０を右側へ移動させるための力は、スプ
リング１２の伸張力によってりえられるため当該ロッド
５０の右側への移動に際し、前記ロッド５０に加わる）
ｒブノ向への力１ま、前記スプリング１２の伸張力以下
てなければな、らない。

このスプリング１２の伸張力は、スクリコ−１３と２３
とによって調整覆ることかで７きる。

ところで第３図の駆動回路６０には、発振器６／′ｌか
ら出力されるクロックＧＫの周波数に応じてロッド５０
の移動速度が決定されるＪ、うな椙成例を示したが、前
記発振器６４の変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３２の伸縮に係わ
る１ザイクルあたりの時間を可変とづ−ることにＪ、す
、前記ロッド５０の移動速度を、前記クロックパルス周
波数に応じて任意に設定させるにうにしてもよい。

また、この種の圧電素子３２は、印加型ＬＦを可変どす
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
定することができ、これによって口ラド５０の移動速度
を可変としたり、位置決めの精度を向上さゼたりするこ
とがてきるようになる。

尚、本発明の圧電アクチュエータでは小形化、消費電力
の省力化および駆動効率を考慮して圧電素子１１２．３
２．２１２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か、これ以外にも例えば直方体
の様な簡略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］ 以下説明したように本発明の圧電アクチュ１−夕によれ
ば、ロッドに貫入された左右の圧電素子より成る当該ロ
ッドの各ロック機構のうち、片側を固定とし、他の片側
を、前記各ロック機構の中央に設けた別の圧電素子から
成る伸縮機構により前記ロッドの軸方向へ移動可能に配
置するとともに、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ク機構および前記伸縮
機構をそれぞれ懇能せしめることによって、前記ロッド
を尺取り東方式で軸方向（左右）に移動さゼるようにし
たため、構造の簡略化および小形化、消費電力の省力化
が果−１！る、電磁曲射１８を４」１除でさる、特に微
１υぽ４７／＋にお【Ｊる高ｆｉ’ｊ度の位ｆｆ’（決
めが行イ１える、等の優れた種々の利点を右づ−る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）（ま、本発明に係る汁電アク
ヂュ］−−タの１実施例を示したものであり、第１図（
ａ）は断面図、第１図（１１）は側面図、第２図は、同
圧電アクチコ王−夕に実装される圧電素子の１例を示づ
一斜視図、第３図Ｇ、ｔ、ｌ−圧電アクチュエータの駆
動回路の１実施例を示すフ１ツク図、第４図は、同駆動
回路の動作を説明するためのタイミングヂャー１へ、第
５図は、同駆動回路にお【プるＲＯＭ６７のブータマッ
プを示したものである。 １０．２０・・・ブラケッ１〜．１１．２１・・・ホル
ダ、１２・・・スプリング、１３，２３，１１０，２１
０・・・スクリコー、２２，３０，１１１，１１３゜２
１１．２１３・・・スペーサ、３２，１１２゜２１２・
・・圧電水子、４０．４１・・・ガイドピン、４２，４
３，４４，４５・・・ナツト、５０・・・ロッド、１１
４．１１５，２１４，２１５・・・ウェッジ、１１６、
’２１６・・・セットスクリコー、３２０・・・孔、３
２１・・・切欠き部、３２２・・・円板、３２３・・・
積層体、３２４・・・平担部、３２５・・・電極、６０
・・・駆動回路、６１・・・分極スイッチ、６２・・・
起動スイッチ、６３・・・カラン１一方向選択スイッチ
、６４・・・発振器、６５・・・オア回路、６６・・・
アップダウンカウンタ（Ｕ　／　Ｄカウンタ）、６７・
・・リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、６８・・・Ｄ−
フリップフロップ（Ｄ−ＦＦ）、６９・・・ドライバ。

Claims (2)

【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
   ッドに、電圧印加時の電歪作用が当該ロッドの軸方向へ
   及ぶように貫入させた第１の圧電素子から成る伸縮機構
   と、 前記第１の圧電素子の左端と接する第１のホルダ内に収
   容され、電圧印加時の電歪作用を前記ロッドの軸方向へ
   及ぼすように当該ロッドに貫入される第２の圧電素子と
   、該第２の圧電素子による前記電歪作用を前記ロッドの
   軸方向と直交する方向に変位させることにより前記第１
   のホルダに対する前記ロッドの軸方向への動きを固定す
   るウェッジとから成る第１のロック機構と、 前記第１の圧電素子の右端と接する第２のホルダ内に収
   容され、電圧印加時の電歪作用を前記ロッドの軸方向へ
   及ぼすように当該ロッドに貫入される第３の圧電素子と
   、該第３の圧電素子による前記電歪作用を前記ロッドの
   軸方向と直交する方向に変位させることにより前記第２
   のホルダに対する前記ロッドの軸方向への動きを固定す
   るウェッジとから成る第２のロック機構と、 前記第１および第２のホルダのいずれか一方のホルダを
   前記ロッドの軸方向へ移動できないように固定したとき
   、他の一方のホルダを前記伸縮機構の伸縮作用に追従さ
   せて前記ロッドの軸方向へ移動させ得るバネ力を与える
   弾性付与機構と、前記第１、第２、第３の圧電素子に選
   択的に電圧を印加する駆動回路と、 を具備したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. （２）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）項記載の圧電アクチュエータ。