JP2005176579A

JP2005176579A - 一軸アクチュエータ

Info

Publication number: JP2005176579A
Application number: JP2003416812A
Authority: JP
Inventors: Takeki Shirai; 武樹白井
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: JP4393180B2

Abstract

【課題】
簡易且つ小型な構成で出力軸に作用するモーメント荷重等を確実に負荷することができ、しかも通電の遮断によっても出力軸の位置決め状態を維持することが可能な一軸アクチュエータを提供する。
【解決手段】
中空部１１を有するハウジング１０と、このハウジング１０の中空部１１内を進退する出力軸１２と、この出力軸１２を軸方向にのみ直線移動自在に保持すると共に前記ハウジング１０の中空部１１内に固定された案内部材１６と、バイモルフ型の圧電素子からなる駆動脚２４を前記出力軸１２の軸方向に沿って複数有し、これら駆動脚２４の先端を出力軸１２に接触させると共に前記ハウジング１０の中空部１１内に固定されたピエゾアクチュエータ２１とから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば各種搬送装置や計測装置あるいは産業用ロボットの駆動部等に使用され、駆動信号に応じて出力軸を所定量ストロークさせる一軸アクチュエータに係り、特に、圧電素子を駆動源として用いた一軸アクチュエータに関する。

特開平３−１６４０７５号公報

一軸アクチュエータは出力軸をハウジングに対して入力信号に応じた量だけ進退させるように構成されており、かかる出力軸の進退量又は推力を各種機器の位置決めや駆動力として取り出すようにして使用される。従来、かかる出力軸を固定ハウジングに対して進退させる構造としては、ステッピングモータやサーボモータ等の電動モータの回転運動を直線運動に変換して使用するものや、出力軸に固定されたピストンを油圧又は空圧によって進退させるもの等が知られている。

これら電動型、空圧型、油圧型といった駆動源のうち、出力軸の可動範囲が大きく、しかも該出力軸を高い分解能で位置決めするという要請に適したものは電動型である。具体的には、ステッピングモータ等で発生させた任意角度の回転を減速機構を通じてボールねじに伝達し、かかるボールねじで回転運動から直線運動に変換することで、出力軸を高精度に進退させ、しかも大きなストロークを得ることが可能である。

しかし、電動モータは通電を遮断した場合に自己保持力を発揮しないので、例えば出力軸に対して反力が作用するような用途に一軸アクチュエータを使用する場合、出力軸を一定の位置に保持するためには電動モータに対して給電し続けなければならないといった不都合がある。

また、回転運動を直線運動に変換するボールねじそれ自体は出力軸の軸方向に作用する荷重は負荷することができるものの、出力軸に作用するモーメント荷重は負荷することができず、一軸アクチュエータの用途として出力軸に軸方向以外の反力が作用する場合には、ボールねじと別個にボールスプライン等の軸受を用いて出力軸の進退運動を支承する必要があった。このため、一軸アクチュエータの構造が複雑なものとなってしまう。

特開平３−１６４０７５号公報にはサーボモータやステッピングモータといった電動モータではなく、超音波モータによって出力軸を駆動するようにした一軸アクチュエータが開示されている。超音波モータはステータとして配置された圧電素子に対してロータとなるリングを圧接させ、前記圧電素子に電圧を印加した際に生じる微少運動を利用してロータを回転させるものである。同公報に開示される一軸アクチュエータでは、超音波モータのロータの回転をボールねじによって直線運動に変換し、やはりボールスプラインによって支承された出力軸を超音波モータの回転に応じて進退させるように構成されている。超音波モータは圧電素子とロータとが常に接触した状態にあるため、所謂自己保持力を有しており、通電を遮断した状態であってもロータの停止位置を維持することが可能である。従って、このように超音波モータを利用した一軸アクチュエータにおいては、通電を遮断した状態で出力軸に外力が作用しても、かかる出力軸の停止位置を維持することが可能となっている。

しかし、回転運動を直線運動に変換して出力軸に伝達する従来の一軸アクチュエータでは、ボールねじ等のようにん回転運動を直線運動に変換する機構と、ボールスプラインなどのように出力軸をモーメント荷重等の反力に抗して支承する機構とを別々に設けていることから、構造が複雑となり、小型化、低コスト化にも限界があった。

回転運動ではなく直線運動を出力する駆動源としてはリニアモータがあり、このリニアモータを用いたアクチュエータも存在するが、出力軸のストローク長に対応して固定子となるマグネット又は電機子を設ける必要があり、装置そのものが大型化せざるを得ないといった問題点があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、簡易且つ小型な構成で出力軸に作用するモーメント荷重等を確実に負荷することができ、しかも通電の遮断によっても出力軸の位置決め状態を維持することが可能な一軸アクチュエータを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の一軸アクチュエータは、中空部を有するハウジングと、このハウジングの中空部内を進退する出力軸と、この出力軸を軸方向にのみ直線移動自在に保持すると共に前記ハウジングの中空部内に固定された案内部材と、バイモルフ型の圧電素子からなる駆動脚を前記出力軸の軸方向に沿って複数有し、これら駆動脚の先端を出力軸に接触させると共に前記ハウジングの中空部内に固定されたピエゾアクチュエータとから構成されることを特徴とするものである。

このような技術的手段において、前記ピエゾアクチュエータとしては、バイモルフ型の圧電素子からなる駆動脚を複数備えたものであれば、かかる駆動脚は何脚であっても差し支えないが、各駆動脚に印加する電圧の位相を変位させることによって出力軸の進退における分解能を高めることができ、最低でも４脚、配設スペースが許すのであれば、４脚を１ユニットとしてこれを複数ユニット設けるのが好ましい。

また、前記出力軸を直線移動自在に保持する案内部材としては、出力軸に作用する曲げモーメントを負荷可能なものであれば良い。もっとも、出力軸を円滑に直線移動させながらも曲げモーメントに対する負荷能力を高めるといった観点からすれば、かかる出力軸を断面略矩形状に形成すると共にその両側面には軸方向に沿ってボール転走溝を形成し、案内府部材には出力軸の各ボール転走溝と対向する負荷転走溝を設け、多数のボールがこれらボール転走溝と負荷転走溝との間で荷重を負荷しながら転走するように構成するのが好ましい。

更に、前記ピエゾアクチュエータの駆動脚の先端を出力軸に対して常に接触させておくといった観点からすれば、かかるピエゾアクチュエータは出力軸に向けて付勢されていることが好ましくは、その付勢力についても調整し得る手段を有していると更に好ましい。

このような一軸アクチュエータによれば、ハウジングの中空部内に設けられたピエゾアクチュエータに対して通電し、各駆動脚を構成するバイモルフ型の圧電素子に対して電圧を印加すると、かかる駆動脚が屈曲を繰り返しながら出力軸を搬送するので、複数の駆動脚を異なる位相で駆動することにより、出力軸を連続的に進退させ、任意の進退量を与えることができる。

このとき、本発明の一軸アクチュエータの使用用途によっては、出力軸に対して軸方向の押圧力又は引っ張り力以外に曲げモーメントが作用することになるが、ハウジングの中空部内に固定された案内部材は前記出力軸を軸方向にのみ直線移動自在に保持しているので、前記曲げモーメントはこの案内部材によって負荷されることになる。従って、出力軸は曲げモーメントの作用下であっても、前記ピエゾアクチュエータによる駆動力を受けて円滑に進退することが可能であり、しかもそのように支承された出力軸を直接ピエゾアクチュエータで進退させているので、簡易且つ小型な構造で実現することが可能である。

更に、ピエゾアクチュエータの駆動脚の先端は常に出力軸と接触していることから、圧電素子に印加する電圧をオフにした場合であっても自己保持力が発揮され、出力軸をピエゾアクチュエータに対して一定位置に保持しておくことが可能である。従って、出力軸を一定位置に維持する際には電力供給を断つことができ、省エネルギ化を図ることが可能となる。

以下に、添付図面を用いて本発明の一軸アクチュエータを詳細に説明する。
図１は本発明を適用した一軸アクチュエータの第１実施例を示すものである。この一軸アクチュエータは中空部１１を有して略筒状に形成されたハウジング１０を備えており、かかるハウジング１０の中空部１１内にはこれを貫通するようにして出力軸１２が設けられている。

かかるハウジング１０の一方の開口端にはエンドカバー１３が取り付けられて、このエンドカバー１３によって前記中空部１１が閉塞される一方、他方の開口端にはフロントカバー１４が取り付けられ、前記出力軸１２はこのフロントカバー１４を貫通している。また、フロントカバー１４には出力軸１２に付着した塵芥がハウジング１０内に侵入するのを防止するためのシール装置１５が取り付けられている。

前記出力軸１２は案内部材１６に保持されて、前記中空部１１内を軸方向（長手方向）にのみ移動自在であり、その先端は前記フロントカバー１４を貫通してハウジング１０外に突き出している。図２及び図３に示すように、前記中空部１１は断面略矩形状に形成されており、前記案内部材１６は中空部１１の内壁にねじ止めされている。この案内部材１６は前記出力軸１２を軸方向へのみ移動自在に保持するものであれば良く、出力軸１２と案内部材１６の組み合わせとしては、例えば軌道レールとスライドブロックから構成された公知の直線案内装置を使用することができる。

図４は公知の直線案内装置の一例を示すものである。出力軸１２としての軌道レール５０は断面略矩形状に形成されており、その両側面には長手方向に沿ってボール５１が転走するボール転走溝５２が形成されている。一方、案内部材１６としてのスライドブロック５３は凹溝を有してチャネル状に形成されており、前記凹溝内に軌道レール５０が遊嵌している。また、このスライドブロック５３の凹溝の内側面には軌道レール５０のボール転走溝５２と対向する負荷転走溝が形成されており、多数のボール５１が軌道レール５０のボール転走溝５２とスライドブロック５３の負荷転走溝との間を転走しながら、軌道レール５０とスライドブロック５３との間に作用する荷重を負荷するようになっている。更に、スライドプロック５３には前記ボール５１の無限循環路が形成されており、前記ボール５１がこの無限循環路を循環することにより、スライドブロック５３に対して軌道レール５０が軸方向へ無限に移動可能となっている。従って、このような直線案内装置のスライドブロック５３を前記案内部材１６としてハウジング１０の中空部１１の内壁に固定することにより、出力軸１２としての軌道レール５０を前記中空部１１内で進退自在に保持することができるものである。

一方、ハウジング１０の中空部１１内にはピエゾアクチュエータ２１が設けられており、このピエゾアクチュエータ２１に駆動信号を供給することで前記出力軸１２が軸方向へ進退するように構成されている。図５は前記ピエゾアクチュエータ２１の一例を示すものである。図５に示すピエゾアクチュエータ２１は、絶縁基板２３上に圧電セラミクスからなる駆動脚２４を４脚備えており、これら駆動脚の先端部が前記出力軸１２に接触している。各駆動脚２４は絶縁シート２５を介して一対の圧電セラミクス２６ａ，２６ｂを貼り合わせ、それによってバイモルフを構成したものであり、絶縁シート２５の両側に位置した圧電セラミクス２６ａ，２６ｂに対する電圧の印加タイミングをずらすことにより、各駆動脚２４を圧電セラミクス２６ａ，２６ｂの貼り合わせ方向へ自在に屈曲させることができるようになっている。このピエゾアクチュエータ２１としては、例えば、ピエゾモータ社製のピエゾレッグズ（商品名）を利用することができる。

図６は前記駆動脚２４が出力軸１２を搬送する様子を描いたものである。前記圧電セラミクス２６ａ，２６ｂは電圧の印加によって伸長するが、図６（ａ）に示すように、駆動脚２４を構成する一対の圧電セラミクス２６ａ，２６ｂのうち、一方の圧電セラミクス２６ａに対して電圧を印加すると、かかる駆動脚２４は電圧が印加された圧電セラミクス２６ａとは反対の方向へ屈曲し、その先端が出力軸１２に接触することになる。次に、両方の圧電セラミクス２６ａ，２６ｂに対して電圧を印加すると、図６（ｂ）に示すように、駆動脚２４は伸長しながら屈曲状態から復元し、かかる駆動脚２４は出力軸１２を搬送する。また、最初に電圧が印加された圧電セラミクス２６ａに対する電圧の印加を停止すると、図６（ｃ）に示すように、駆動脚２４は分図（ａ）の状態とは反対方向へ屈曲することになり、出力軸１２は更に搬送されることになる。そして、両方の圧電セラミクス２６ａ，２６ｂに対する電圧の印加を中止すると、図６（ｄ）に示すように、駆動脚２４は本来の形状に縮まりながらその屈曲状態を解消するので、かかる駆動脚２４の先端部は出力軸１２から離間する。従って、分図（ａ）〜（ｄ）を繰り返すことにより、出力軸１２を一方向へ搬送することができる。また、駆動脚２４を構成する一対の圧電セラミクス２６ａ，２６ｂに対する電圧の印加順序を変更することにより、出力軸１２を逆方向へも搬送することができる。更に、一つの駆動脚２４で出力軸１２を搬送した場合には、かかる出力軸１２が間欠的に搬送されることになるが、この実施例のピエゾアクチュエータ２１には４つの駆動脚２４が設けられているので、これらの駆動脚２４に対する電圧印加の位相をずらすことにより、出力軸１２を間断なく連続的に一方向へ移動させることが可能となる。

図３に示すように、ハウジング１０の中空部１１には前記ピエゾアクチュエータ２１を保持するための凹溝３１が出力軸１２の移動方向と平行に設けられており、ピエゾアクチュエータ２１はこの凹溝３１内に保持されて出力軸と対向している。また、ピエゾアクチュエータ２１の駆動脚２４が出力軸１２に対して滑るのを防止するため、前記ハウジング１０の外側には前記凹溝３１内に配置されたピエゾアクチュエータ２１を出力軸１２へ向けて押圧する予圧スプリング３２が設けられている。この予圧スプリング３２は一対の脚部３２ａ，３２ａを備えてチャネル状に形成されると共に、これら脚部３２ａがハウジング１０を貫通して凹溝３１内のピエゾアクチュエータ２１の絶縁基板２３に当接するようになっている。また、この予圧スプリング３２はハウジング１０に対して調整ねじ３３によってねじ止めされており、かかる調整ねじ３３の締結量を変更することにより、予圧スプリング３２がピエゾアクチュエータ２１を出力軸１２に向けて付勢する力を調整することができるようになっている。

すなわち、この実施例におけるハウジング１０の中空部１１内では、出力軸１２を保持している案内部材１６と前記ピエゾアクチュエータ２１のピエゾアクチュエータ２１が互いに対向するようにして配置され、かかるピエゾアクチュエータ２１を案内部材１６へ向けて付勢することにより、ピエゾアクチュエータ２１の駆動脚２４が案内部材１６によって移動自在に保持された出力軸１２に圧接するようになっている。尚、前記ピエゾアクチュエータ２１はハウジング１０の凹溝３１内に配置された後、かかる凹溝３１内を移動することがないように固定されている。

この一軸アクチュエータでは、例えば、出力軸１２としての軌道レール５２の先端面にタップ孔５４を形成し（図４参照）、図７に示すように、このタップ孔５４に螺合する固定ボルト５６を用いて出力軸１２の先端にブラケット５７を固定することができる。そして、このブラケット５７を用いることにより、他の機器に対して出力軸１２の進退運動及び該運動を行う際の推力を伝達することができるものである。

そして、このように使用される第１実施例の一軸アクチュエータによれば、ハウジング１０に内蔵されたピエゾアクチュエータ２１の各駆動脚２４を構成する圧電素子２６ａ，２６ｂに対して位相をずらしながら電圧を印加することにより、各駆動脚２４が各々異なるタイミングで屈曲しながら出力軸１２をその軸方向へ搬送し、常にいずれかの駆動脚２４が出力軸１２を搬送することにより、かかる出力軸１２を連続的に軸方向へ送ることが可能となっている。従って、ピエゾアクチュエータ２１に対する印加電圧を制御することにより、前記出力軸１２に対して任意の進退量を与えることができるものである。

また、仮に出力軸１２に対して曲げモーメントが作用しても、かかる出力軸１２として直線案内装置の軌道レール５０を、この出力軸１２の軸方向への移動を支承する案内部材１６として多数のボール５１を介して前記軌道レール５０に組み付けられたスライダ５３を用いているので、出力軸１２に作用する曲げモーメントを負荷しながら、かかる出力軸１２を軸方向へ円滑に案内することが可能となる。しかも、そのように支承された出力軸１２をピエゾアクチュエータ２１で直接進退させているので、簡易且つ小型な構造で出力軸の滑らかな運動を実現できる。

更に、前記ピエゾアクチュエータ２１の駆動脚２４が常に出力軸１２に圧接していることから、各駆動脚２４に対する電圧印加を遮断した場合、出力軸１２は駆動脚によってその進退を拘束されることになるので、一旦、出力軸を位置決めした後は、ピエゾアクチュエータ２１に対する電圧印加を断つことにより、出力軸をその位置に維持することが可能である。従って、直流モータを使用した一軸アクチュエータと比較して、省エネルギ化を達成することが可能となるものである。

図８は本発明の一軸アクチュエータの第２実施例を示すものである。
この第２実施例のアクチュエータでは、出力軸１２がハウジング１０の両開口端に取り付けられたエンドカバー１３及びフロントカバー１４の双方を貫通しており、出力軸１２の両端をアクチュエータ出力として利用できるようになっている。すなわち、出力軸１２の一端がフロントカバー１４から進出する際に、他端はエンドカバー１３内に向けて同じストロークだけ後退することになり、これら進出量及び後退量をそれぞれ他の機器の制御に利用することができる。尚、それ以外の構成は前記第１実施例と同一なので、図中に第１実施例と同一符号を付してここでの詳細な説明は省略する。

図９は本発明の一軸アクチュエータの第３実施例を示す縦断面図である。
前記第１実施例及び第２実施例の一軸アクチュエータはハウジング１０内にピエゾアクチュエータ２１を１基だけ備えていたが、この第３実施例の一軸アクチュエータは３基のピエゾアクチュエータ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えており、より強力な推力で出力軸６０を進退させるように構成されている。各ピエゾアクチュエータ２１ａ，２１ｂ，２１ｃの駆動脚２４は出力軸６０の上面、両側面に対して三方から接触しており、第１実施例と同様に各ピエゾアクチュエータは予圧スプリング３２によって出力軸６０へ向け付勢されると共に、その付勢力を調整ねじ３３の締結量によって調整可能となっている。また、出力軸はピエゾアクチュエータの両側面への圧接を可能とするため、第１実施例に示される出力軸１２よりも両側面が広いものとなっている。尚、それ以外の構成は前記第１実施例と同一なので、図中に第１実施例と同一符号を付してここでの詳細な説明は省略する。

また、この第３実施例では３基のピエゾアクチュエータ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを出力軸６０に対して三方から圧接させたが、第１実施例の出力軸１２の軸方向に沿って複数のピエゾアクチュエータ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを直列に並べ、夫々のピエゾアクチュエータが出力軸１２に圧接するように構成することもできる。ハウジング１０の軸方向長さを十分に長く設定することが可能な場合は、ピエゾアクチュエータを直列に配列することも可能であるが、ハウジング１０の軸方向長さを短くする要請が存在する場合には、図８に示すように、出力軸６０に対して三方からピエゾアクチュエータを圧接させ、ハウジング１０の軸方向長さを抑えることができる。

本発明を適用した一軸アクチュエータの第１実施例を示す側面断面図である。第１実施例に係る一軸アクチュエータを示す正面断面図である。第１実施例に係るハウジングを示す斜視図である。第１実施例に係る出力軸及び案内部材として使用可能な直線案内装置の一例を示す斜視図である。第１実施例に係るピエゾアクチュエータを示す斜視図である。第１実施例に係るピエゾアクチュエータの駆動脚の動きのサイクルを示す説明図である。第１実施例に係る出力軸に固定可能なブラケットの一例を示す斜視図である。本発明を適用した一軸アクチュエータの第２実施例を示す側面断面図である。本発明を適用した一軸アクチュエータの第３実施例を示す正面断面図である。

符号の説明

１０…ハウジング、１１…中空部、１２…出力軸、１６…案内部材、２１…ピエゾアクチュエータ、２４…駆動脚、３２…予圧スプリング、３３…調整ねじ

Claims

中空部を有するハウジングと、このハウジングの中空部内を進退する出力軸と、この出力軸を軸方向にのみ直線移動自在に保持すると共に前記ハウジングの中空部内に固定された案内部材と、バイモルフ型の圧電素子からなる駆動脚を前記出力軸の軸方向に沿って複数有し、これら駆動脚の先端を出力軸に接触させると共に前記ハウジングの中空部内に固定されたピエゾアクチュエータとから構成されることを特徴とする一軸アクチュエータ。
前記出力軸は断面略矩形状に形成され、両側面には軸方向に沿ってボール転走溝が夫々形成される一方、前記案内部材には出力軸の各ボール転走溝と対向する負荷転走溝が設けられ、多数のボールがこれらボール転走溝と負荷転走溝との間で荷重を負荷しながら転動することを特徴とする請求項１記載の一軸アクチュエータ。
前記案内部材とピエゾアクチュエータはハウジングの中空部内に互いに対向するように配置され、前記ピエゾアクチュエータは前記出力軸に向けて付勢されていることを特徴とする請求項１記載の一軸アクチュエータ。
前記ピエゾアクチュエータを出力軸に向けて押圧する付勢力の調整手段が設けられていることを特徴とする請求項３記載の一軸アクチュエータ。