JPS63289976A - 圧電アクチュエ−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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、圧電効果を利用した圧電アクチュエータに関
する。

Ｂ１発明の概要 本発明は、二つの圧電素子を接着し、この長手方向に添
って第一の電極部と第二の電極部とを設けて圧電フィル
ムを設け、この圧電フィルムをコイル状に巻き付け、前
記第一の電極部と前記第二の電極部とに所定の電圧を印
加してコイル状の圧電フィルムの両端間隔を伸縮させた
ときに生ずるのと同様のねじりモーメントを作用させて
圧電フィルムを伸縮させることにより、 ７ｕ気エネルギーを機械エネルギーに直接変換するため
エネルギー変換効率がよく省エネルギー化に供する、圧
電素子を伸縮させるため独立性が高く小型化できる、ア
クチュエータ本体を溶液内に’ｔ’−？Ｒすればアクチ
ュエータ自体を生体に近い柔軟性を備えたしのにするこ
とが可能である、等の効果を奏する。

Ｃ６従来の技術 従来、医療用その他小型、軽量、柔軟性等が要求される
ロボット、マニュピレータ等に用いられるアクチュエー
タとして、形状記憶合金を用い温度による形状記憶合金
の変形を利用したものやゴムチューブを用い空気圧によ
るゴムチューブの変形を利用したものなどが開発されて
いる。

Ｄ０発明が解決しようとする問題点 しかしながら、前者の形状記憶合金式のものは、熱を加
えたり又は熱を奪うことによりその形状を変えるため本
質的にエネルギー変換効率が悪いという欠点があった。

また、後者のゴムチューブ式のものは、コンプレッサを
必要とするため装置か大型化するという欠点があった。

さらに、医療・看護、リハビリテーション、アミューズ
メント、家庭用サービスなどの分野に活用されるロボッ
トに使用するものにあっては、生体に近い柔軟性を備え
たものが望まれるが未だこれを満足するアクチュエータ
は発明されていない。

そこで、本発明は上述の点に鑑みなされたしので省エネ
化、独立性が高く小型化に供すると共に生体に近い柔軟
性を備えたアクチュエータを搗供することを目的とする
。

Ｅ３問題点を解決するための手段 上記目的を達成するための本発明の構成は、圧電フィル
ムを略コイル状に巻き付け、この中心軸方向の両端の少
なくとも一方を被作動部に接続し、前記圧電フィルムは
巻き付け方向に添って第一の圧電素子と第二の圧電素子
とか積層され且つ互いの一面が固定され、又、巻き付け
方向に添って略中央を分岐点として前記第一の圧電素子
と前記第二の圧電素子とに電圧を印加できる第一の電極
部と第二の電極部とが設けられ、この第一の電極部と第
二の電極部とに前記第一の圧電素子と前記第二の圧電素
子とのいずれか一方で、且つ、互いに異なる圧電素子が
前記圧電フィルムの中心軸方向に伸びるべく電圧を印加
したことを特徴とする。

Ｆ０作用 従って、第一の電極部と第二の電極部に所定の電圧を印
加すると、第一の圧電素子及び第二の圧電素子が伸びア
クチュエータ本体にアクチュエータ本体の両端間隔を伸
長又は収縮させたときに生ずるのと同様のねじりモーメ
ントが生じ、アクチュエータ本体が伸長又は収縮する。

Ｇ、実施例 以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図及び第２図において、略■字状の圧電フィルムｌ
が略■字状の尖端部を中心にして巻き付けられており、
両端に向かうに従って幅狭となる外形に形成されている
。この圧電フィルム１は、第３図に示すように、厚さ方
向に第一の圧電素子２と第二の圧電素子３とか設けられ
第一の圧電素子２と第二の圧電素子３とは互いの共用電
極部４゜５を介して導電性の接着部６にて互いの一面が
固定されている。前記第一の圧電素子２と第二の圧電素
子３とは厚さ方向で、且つ、同一方向に分極方向を有し
分極方向に電圧が印加されると厚さ方向と垂直方向に伸
長する横効果型の圧電素子である。

第一の電極部７と第二の電極部８とは巻き付け方向に添
って略中央の絶縁部１０を分岐点として第一の圧電素子
２と第二の圧電素子３とに電圧を印加すべく第一の圧電
素子２と第二の圧電素子３のそれぞれの表面に第一の導
電部７ａと第二の導電部８ｂとを有している。この第一
の電極部７と第二の電極部８とは圧電フィルムｌの伸縮
方向に対し【第一の電極部７が左側で第二の電極部８が
右側に位置されている。第４図に示Ｗように、圧電フィ
ルム１両端側の第一の導電部７ａと第二の導電部８ａと
接着部共有導電部４．５にはリード線１２が接続され、
第一の導電部７ａと第二の導電部８ａとは制御装置９の
電圧端子に、共用導電部４．５は制御装置９のアース端
子にそれぞれ接続されている。

前記制御装置９は、第一の電捲部７と第二の電極部８と
に一方に十電位を印加したときに他方に一電位を印加し
て常に互いに異なる電圧を印加する。

保護膜ｌｌは、圧電フィルムｌの全外周に設けられ圧電
フィルムｌの摩擦及び粘着を最小にするもので、ナイロ
ンやテフロンなどの高分子材料が好ましい。

このようにして構成された圧電フィルムｌはその両端が
被作動部に又は一端が被作動部で他端が固定部に接続さ
れて、両端の少なくとも一方が被作動部に接続されてい
る。

圧電アクチュエータの製造方法の一例を説明する。

先ず、二枚の平板状の圧電素子を用意しそのそれぞれの
両面に導電部を接着する。そして、この二枚の平板状の
圧電素子を互いの伸長方向を合わせて導電性の接着剤に
て接着する。この接着剤が固化すれば接着部６が形成さ
れる。尚、この接着手段の他に二枚の圧電素子を圧接に
て接着してもよくこの場合には接着部６が形成されない
。

次に、この二枚の圧電素子を接着したものを、第５図（
ａ）に示すように、Ｃ−Ｃ方向を伸長方向にして略Ｖ字
状に裁断する。裁断した略■字状部材の両面の第５図（
ａ）の（２）部分の導電部を削成して絶縁部を形成し、
第一の導電部７と第二の導電部８とを構成する。ここで
、略Ｖ字状の尖端部を境として左側の導電部を第一の導
電部７ａとし、右側の導電部を第二の導電部８ａとする
。

そして、この略■字状部材の全周囲に保護膜１１を塗布
し、その後、略Ｖ字状の尖端部が外側中央になるように
巻き付けその形を固定する。

最後に、圧電フィルムｌの両端部分を切削又は剥離して
共用導電部４．５と第−及び第二の導電部？ａ、８ａを
露出してリード線１２を接続すると共に両端の少なくと
も一方を被作動部に接続すれば完了する。

第５図（ｂ）において、圧電フィルムｌの他の裁断形状
が示されている。この例によれば、中心用ζｄの両側が
中心線ｅに対して互いに反対方向に微小角度βを乙って
延設されその両端部付近が中心線ｅに対し垂直方向に折
曲された形状をなしている。この場合には第５図（ｂ）
の（ａ）部分の導電部を削成して絶縁部を形成し、第１
の導電部７と第２の導電部８とを溝成する。

圧電アクチュエータの動作原理を第２図、第６図及び第
７図を参照しながら説明する。

先ず、この圧電アクチュエータの動作の前提となるコイ
ルバネの伸縮について説明する。第６図において、コイ
ルバネ１５が自然長のときは内部に応力が発生していな
い。コイルバネ１５に外力Ｐを加え伸長させたときには
ねじり、剪断１曲げなどの応力を生じ、主にねじりモー
メントが作用する。コイルバネ１５に外力ｌ）を加え収
縮させたときには前記と反対方向のねじりモーメントが
作用する。即ち、コイルバネ１５は上述方向のねじりモ
ーメントを作用させることによって伸長・収縮し、又、
外力Ｐを取り去ればこのねじりモーメントによって元の
自然長に復帰する。

第７図（ａ）において、第一の電極部７に十電位を印加
し第二の電極部８に一電位を印加すると、第一の電極部
７側では第一の圧電素子２が伸長し第二の電極部８側で
は第二の圧電素子３が伸長し圧電フィルム１は第７図（
ｂ）に示すような波形に変形する。この変形は第７図（
ｂ）に示すようなねじりモーメントが作用したときに生
じこのねじりモーメントの方向は第６図（ｂ）と同じ方
向なので、圧電フィルムｌはこの変形によって第２図（
ｂ）のように伸長する。又、第７図（ｃ）に示すように
、前記と反対に第一の電極部７に一電位を印加し第二の
電極部８に十電位を印加すると、第一の電極部７側では
第二′の圧電素子３が伸長し第二の電極部８側では第一
の圧電素子２が伸長し圧電フィルムｌは第７図（ｄ）に
示すような波形（０１Ｓ記と反対の波形）に変形する。

この変形は第７図（ｄ）に示すようなねじりモーメント
が作用したときに生じこのねじりモーメントの方向は第
６図（ｃ）と同じ方向なので、圧電フィルムｌは第２図
（ｃ）のように収縮する。

上記圧電フィルムｌの伸長時・収縮時において電圧の印
加をストップするか又は逆の電圧を印加することによっ
て圧電フィルムｌは二点間を往復運動する。連続的な位
置決めにはＰＷＭ制御が望ましく、又、このＰＷＭ制御
にあって電圧レベルを制御すれば伸縮ストロークの制御
ができる。

本発明の圧電アクチュエータをマニュピレータに適用し
た例が第８図に示されている。

第８図において、取付台２５には肩関節部２６を介して
上腕骨部２７が回転自在に支持されている。

この上腕骨部２７の他端には肘関節部２８を介して前腕
骨部２９が回転自在に設けられている。

この面腕骨部２９の他端には手関節部３０を介して母指
骨部３１及び中手骨部３２がそれぞれ回転自在に支持さ
れている。

この中手骨部３２の他端には指関節部３３と指骨部３４
とがこの順序で複数個接続されている。

これら上腕骨部２７．前腕骨部２９等の骨格部が圧電ア
クチュエータにて可動される。

圧電アクチュエータは、前記上腕骨部２７．前腕骨部２
９等の骨格部をボディ３５にて披い、このボディ３５の
形状はほぼ人間の上枝の形状を有している。

このボディ３５は、肘関節部２８等の関節部付近か蛇腹
状に形成され骨格部の可動と共に変形自在に構成されて
いると共にこのボディ３５内には収納室３６が設けられ
ている。

この収納室３６は、密閉されてこの中に潤滑兼冷却油ａ
が充填されていると共に四本の圧電フィルムｌが配置さ
れている。前記潤滑兼冷却油ａは接触による摩擦抵抗を
極力低下させる等の目的で充填されているが何も充填せ
ずとも出力は得られる。

この四本の圧電フィルムｌは、人間の上肢の主要な運動
を行うべく各骨格部に接続されている。

即ち、二本の圧電フィルムｌは、前記上腕骨部２７をは
さんで対向位置に配され、これら二本の圧電フィルムｌ
の両端は上腕骨部２７の上部−と前腕骨部２９の上部と
にワイヤ９を介してそれぞれ接続されている。また、他
の二本の圧電フィルムｌの一方は、前記前腕骨部２９に
添うよう配され、この圧電フィルムｌの両端は前腕骨部
２９の上部と母指骨部と３１．中手骨部３２及び各指骨
部３４とにそれぞれ接続されている。前記中手骨部３２
及び三本の指骨部３４とは一本のワイヤ９にて接続され
さらにこのうち前記中手骨部３２と二本の指骨部３４と
は滑車３７を介して接続されている。他方の圧電フィル
ムｌは、前記前腕骨部２９に添うよう配され、この圧電
フィルム１の両端は前腕骨部２９の上部と中手骨部３２
とにそれぞれワイヤ９を介して接続されている。

而して、各圧電フィルムｌの各導電部４に電圧を印加し
て四本の圧電フィルムｌを適宜に伸縮制御することによ
り人間の腕に模した運動−を行わせることができる。

また、前記マニュピレータの応用例においては、第８図
に示すように一本の圧電フィルムｌが人体筋３８を構成
しているが、厚さか数μｍ程度の圧電素子２．３を使用
して圧電フィルムｌの外形を１００μ肩程度に形成すれ
ば人体筋３８の筋線維３９と同じ太さになるので、多数
の圧電フィルムｌを束ね合わせて第９図に示すような各
種の人体筋３８と同型のモデルを作ることができる。

Ｈ，発明の効果 以上述べたように本発明によれば、圧電フィルムを略コ
イル状に巻き付け、この中心軸方向の両端の少な（とも
一方を被作動部に接続し、前記圧電フィルムは巻き付け
方向に添って第一の圧電素子と第二の圧電素子とが積層
され且つ互いの一面が固定され、又、巻き付け方向に添
って略中央を分岐点として前記第一の圧電素子と前記第
二の圧電素子とに電圧を印加できる第一の電極部と第二
の電極部とが設けられ、この第一の電極部と第二の電極
部とに前記第一の圧電素子と前記第二の圧電素子とのい
ずれか一方で、且つ、互いに異なる圧電素子が前記圧電
フィルムの中心軸方向に伸びるべく電圧を印加したので
、電気エネルギーを機械エネルギーに直接変換するため
エネルギー変換効率がよく省エネルギー化に供する、圧
電素子を伸縮させるため独立性が高く小型化できる、ア
クチュエータ本体を溶液内に浸漬すればアクチュエータ
自体を生体に近い柔軟性を備えたものにすることが可能
である、等の効果を奏する。この生体に近い柔軟性を有
するため医療・看護、リハビリテーション、アミューズ
メント、家庭用サービスなどの人間と直接液する機会が
多いロボット等に極めて使用価値が高い。

また、アクチュエータ本体に与える電圧を可変すれば直
接アクチュエータ本体の伸縮を制御できるので、連応性
に優れた制御ができ、又、伸縮速度や伸縮方向の制御も
簡単に行うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第９図は本発明の実施例を示し、第１図は圧
電アクチュエータの正面図、第２図（ａ）。 （ｂ）、（ｃ）は圧電アクチュエータの縦断面図、第３
図は第１図のＡ−Ａ線断面図、第４図は第１図のＢ−Ｂ
線断面図、第５図（ａ）及び（ｂ）は圧電フィルムの製
造方法を示すための展開図、第６図（ａ）、（ｂ）、（
ｃ）はコイルバネの断面図、第７図（ａ）、（ｂ）、（
ｃ）、（ｄ）は圧電アクチュエータの動作原理を説明す
るための図、第８図はマニュピレータの断面図、第９図
は人体筋のモデル図である。 １・・・圧電フィルム、２・・・第一の圧電素子、３・
・・第二の圧電素子、７・・・第一の電極部、８・・・
第二の電極部。 第１図 、圧電アクチュエータの正元図 第５図（ｂ） 第５図（ａ） ｆｆＥψざフィルムｃｙ）臂視近ジ方法と示す政めの辰
間目 第３図 第１０Ｃ７）Ａ−へ練を面図 第４図 璽１図のＢ−Ｂ線を面図 第７図（０） 軟わ榊′ｑＦ：熱麟月Ｐ１図 第７図（ｂ） イ中（＝−Σ哩テ 第７図（ｃ） ＃ブＴ−λ呵；−３却葺ｔｚ２＝町＝ジ）シ≧王甲グ：
９”２ｒｉ５ｚ堺４烏ヨ呼

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　圧電フィルムを略コイル状に巻き付け、この中心軸方
   向の両端の少なくとも一方を被作動部に接続し、前記圧
   電フィルムは巻き付け方向に添って第一の圧電素子と第
   二の圧電素子とが積層され且つ互いの一面が固定され、
   又、巻き付け方向に添って略中央を分岐点として前記第
   一の圧電素子と前記第二の圧電素子とに電圧を印加でき
   る第一の電極部と第二の電極部とが設けられ、この第一
   の電極部と第二の電極部とに前記第一の圧電素子と前記
   第二の圧電素子とのいずれか一方で、且つ、互いに異な
   る圧電素子が前記圧電フィルムの中心軸方向に伸びるべ
   く電圧を印加したことを特徴とする圧電アクチュエータ
   。