JP3253553B2

JP3253553B2 - 高度に動的な圧電ドライブ

Info

Publication number: JP3253553B2
Application number: JP07764597A
Authority: JP
Inventors: ロイターマルティン
Original assignee: エムデーツェーマックスデートワイラーブライエンバッハアクチェンゲゼルシャフト
Priority date: 1996-04-02
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 2002-02-04
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: KR970072620A; BR9701601A; KR100249885B1; EP0800220A1; JPH1014262A; DE19613158A1; DE59702942D1; EP0800220B1; US5942837A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電ドライブの共
振周波数、位置決め時間、作動速度または加速度にどの
ような厳しい要求が課せられても使用できる高度に動的
な圧電駆動システムに関する。本発明の応用の好ましい
分野は、例えば、印刷ロールを機械的に彫刻するための
ツールデバイス、ある面を表面走査するための位置決め
デバイス、１−２°の作動範囲においてミリ秒以下の位
置決め時間が要求されるような鏡の傾斜、高度に動的な
スイッチング及び比例動作のための弁ドライブ、であ
る。

【０００２】

【従来の技術】圧電駆動及び調整要素は公知である。そ
れらの最も簡単な形状は、圧電要素の一方の端が静止マ
ウント上に支持され、他方の端が調整可能な構成要素に
対して押付けられるようになっている場合である。もし
圧電要素に電圧を印加すればこの要素は伸長し、その結
果調整可能な構成要素はふれるようになる。広く知られ
ている構造の場合、レバー構造に接して適切にスタック
アップされた圧電構成要素の長さの変化は比較的短く、
個々の要素を 20 ｍｍ程度の大きさのスタック高さに形
成したスタックの場合でも、最大許容励振電圧を印加し
て約 20 − 30 μｍより大きくない。このような配列
が、例えば調整動作のための精密駆動装置として広く使
用されている（ Physik Instrumente Company, Waldbro
nnの会社カタログ[ 1994 ]参照）。特に、これらの配列
を装置内に設置した状態でのこれらの配列の欠陥は、圧
電要素が常にレバー構造に対して作業を遂行しなければ
ならないこと、及び動揺する力及び温度影響自体が要素
の長さに変化を生じさせることである。詳述すれば、こ
の場合、圧電材料と装置の残余の材料（例えば、鋼）の
熱膨張係数の差が好ましくない効果をもたらす。この効
果を補償するためには、使用可能な作動範囲を犠牲にし
ても、高感度の位置測定システムによって、温度が変化
した場合に作動要素を調整し直すか、または自動的にリ
セットしなければならない。しかしながら、これらの測
定は、かなりな額に達する場合が多い付加的な経費を必
要とする。

【０００３】更に、復帰手段が上記の型の固有剛性を低
くするので、これらは反応時間が短い準静的にしか動作
することができない。上記の諸問題を解消するために、
同一の形の２つの圧電スタックがトグルレバー配列の一
方の側に作用するようにした圧電二重スタックドライブ
が提唱されている（ F&M, Journal for Electronics, O
ptics and Microsystem Engineering,104th Year 1996,
page 70 ff. ）。このような配列にすると、それら自
体の運動の大きさにどのような損失をも生ずることな
く、良好な動的特性を呈するプレストレスされた剛い構
造が得られる。さらなる長所は、これらのシステムに固
有の熱補償性である。しかしながら、十分な駆動力で、
十分な大きさの駆動運動を発生させるためには、使用す
るトグルレバーがそれらに作用する曲げ力を吸収できる
ように、トグルレバーを十分頑丈に設計しなければなら
ない。これはトグルレバーが適当な質量を有していなけ
ればならないことを意味しているので、若干の応用のた
めの所定の運動の大きさ及び所定のセットアップ比に対
して十分な共振周波数を達成することはできない。

【０００４】本発明は、所定の運動の大きさを達成し、
また所定の駆動力を達成しながら、極めて高い共振周波
数を達成する高度に動的な圧電ドライブを提供すること
を目的としている。本発明のこの目的は、特許請求の範
囲の請求項１に記載の特色によって達成される。さらな
る有利な改善は、従属請求項に含まれている。本発明の
特色は、少なくとも２つの圧電二重スタックドライブの
新規配列を用いること、及び、本発明のさらなる展開に
おいては、個々のスタックの設計を変更することであ
り、それによりドライブの剛性が増加し、従来の設計に
比してかなり高い動作周波数が得られる。以下に添付図
面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

【０００５】

【実施例】図１に、従来の技術による二重スタックドラ
イブ１０の不可欠な組立体の概要を示す。この配列で
は、互いに可能な限り接近させてリンクされた２つの個
々の圧電スタック１１、１２の一方の端は堅固なマウン
ト４にしっかりと固定され、予め決めることが可能な機
械的プレストレスを与える。個々のスタックの他方の端
は、（結合されている）リンク３（中実ボディ接点とし
て設計することが好ましい）を介してトグルレバー２上
にヒンジされている。トグルレバー２自体も、その一点
が中実ボディ接点３０を介して堅固なマウント４にリン
クされている。実際には堅固なリンクは本質的に閉じた
ホールダになっており、そこからトグルレバー２のふれ
運動が何等かの形状で取り出され、例えば弁制御システ
ムのために使用される。圧電スタック１１及び１２に、
中心オフセット値を中心として逆相電圧を印加すると、
一方のスタックが伸長し、他方のスタックが収縮する、
またはその逆になる。スタック１１及び１２の横に矢印
で示してあるこれらの運動方向がトグルレバー２にふれ
運動を起こさせる（トグルレバーの中に両頭矢印で示し
てある）。図１の中及び下側に示してある座標方向（直
交座標系）を参照されたい。図１の右側にこのドライブ
の側面図を示してある。従来の技術によるこの配列は、
上述した欠陥を呈する。

【０００６】本発明による２つの二重スタックドライブ
を使用する高度に動的なドライブの一つの考え得る実施
例を図２に示す。ここに使用される個々のスタックジオ
メトリの特別な例に関しては、図５−８を参照して後述
する。第２の二重スタックドライブ２０が設けられてお
り、個々の圧電スタックドライブ１０（個々の圧電スタ
ック１１、１２からなり、原理は公知である）のレイア
ウトに重ねられている。それらの第１の端面１０１は堅
固なマウント４の一方の側に作用し、それらの第２の端
面１０２はそれぞれリンク３を介してトグルレバー２に
作用し、そしてこの第２の二重スタックドライブ２０は
二重スタックドライブ１０からある距離だけ離間して
（以下に中間間隔５という）位置決めされ、二重スタッ
クドライブ１０と同じ手法でトグルレバー２にリンクさ
れている。個々のスタック１１及び１２、２１及び２２
には、上述したように移相された交流電圧が印加され、
スタック１１と２２、１２と２１が同じように伸縮す
る。

【０００７】原理的には、二重スタックドライブ及びト
クルレバー、並びにトグルレバーに作用する付加的な外
部質量のシステムの剛性、及び能動慣性力は、達成可能
な共振周波数に不可避的に影響を与える（精密に逆方向
に作用する）変数であるということができる。トグルレ
バー２の変形は回避すべきであるから、その構造設計、
従ってその慣性質量を漠然と減少させることはできな
い。更に、ここに提唱するようにドライブの剛性を増加
させても、慣性力が同じ割合で上昇するので共振周波数
を高めることにはならない。本発明によるこの問題の解
決策に関しては、図５−８を参照して後述する。ここで
は、図２を参照してシステムが中間間隔５からどのよう
にトグルレバーの運動をシステム外へ取り出すことがで
きるかだけを説明するに留める。トグルレバー自体を、
リンク３の作用基点ＡとＢとの間の距離を大幅に超えな
い長さまで短縮（この領域内だけでふれるように設計す
ればよいから）したので、かなり小さい質量であるよう
に設計することができる。一方、二重スタックドライブ
１０と２０との間に中間間隔を設け、そこに外部組立体
に作用させることができるトグルレバーアタッチメント
７（そのヘッド領域７１が駆動システムから突き出てい
る）を取付けるので、どのような要求に対してもトグル
レバー運動を取り出すことが可能になり、また特に、ツ
ールを領域７１に取付けることが可能である。

【０００８】トグルレバーアタッチメント７はできる限
り低密度の材料で形成されており、薄壁外形であって、
曲げ、圧縮及び剪断応力の所定の繰り返しに耐える部品
として形成することが好ましい。この目的のためには、
高強度チタン合金または炭素ファイバ複合材料が特に適
している。更に、トグルレバーアタッチメント７は、リ
ンク３の作用基点Ａ、Ｂの領域内だけにおいてトグルレ
バーアタッチメント７のトグルレバー側に力が伝達され
るように、それに作用する外部力、及びトグルレバー２
の慣性力に従って設計することが好ましく、このように
すれば、トグルレバー２は圧電スタックのプレストレス
力及びスタック内の動的な力だけを吸収すればよいこと
になる。ドライブに影響を与えさえしなければ、トグル
レバーアタッチメント７は、特に運動方向に硬く、底辺
幅が本質的に距離Ａ−Ｂに一致する低質量三角形構造に
設計することができる。図２による設計でも、後述する
図５−８に従う方法を用いれば、７kHz までの共振周波
数（従って、図１による同一のドライブよりも 1.4倍高
い）を達成することができる。

【０００９】図３に、２つの二重スタックドライブ１
０，２０を使用した高度に動的なドライブの有利な実施
例を示す。この実施例では、二重スタック１０，２０は
互いに逆向きの鏡像対称に配列されている。圧電スタッ
ク１１，２１及び１２，２２の作用基点Ａ、Ｂはそれぞ
れトグルバー２に互いに逆に作用する。しかしながら、
この場合プレストレス力は完全に補償され、それによっ
て装置の動作中の動的な力はより良好に補償される。こ
の補償によりトグルレバー２に作用する曲げモーメント
は遥かに低くなり、本質的には外側からトグルレバーに
作用する力だけによって支配されるようになるので、ト
グルレバー２はかなり薄く設計することができる。これ
は、トグルレバーの慣性モーメントが低いことを、従っ
て共振周波数が高くなることを意味している。更にこの
実施例は、圧電スタック１１，１２，２１，２２の曲げ
変形が小さく、リンク３に対する剪断負荷が小さいとい
う利点を有している。これらのすべての長所は装置の寿
命が増すことを意味している。図示実施例では、一方の
端をロックすることによってトグルレバー２の回転軸Ｃ
の位置が固定されており、トグルレバー運動は概略図示
した曲げばね６によってｚ方向に保たれる。同様に、安
定化のための継ぎ手を有する振り子腕（図示していな
い）をｘ−ｙ面内に設けることができる。また、回転軸
Ｃを通るｚ方向内にねじれ棒を取付けることによって、
回転軸（ここでは仮想軸）を回転の実軸に変換すること
もできるが、これはドライブの好ましい所望応用にとっ
てそれほど適当ではない。

【００１０】図３の実施例は図２の実施例に匹敵する共
振周波数を達成することができる。図示されているドラ
イブの運動方向は、ｙ方向またはｙ軸に対して≦ 45 °
の角度で発生させることが好ましい。図４に示す配列は
原理的には図３の実施例と同一である。図３の実施例と
の差は、側面図から明白である。この実施例では図２に
関して説明した配列と同じ手法で、４つの二重スタック
ドライブ１０、１０’、２０、２０’が設けられてい
る。従って本発明のこのバージョンは、図２及び３に関
して説明した設計オプションの利点を完全に組合わせて
いる。ここでは、トグルレバーアタッチメント７を駆動
システムから突き出させるための自由度の範囲だけを指
示してあるが、勿論、図２で説明したように遂行するこ
ともできる。これらの組立体にも同一の参照記号を用い
ている。

【００１１】本発明のこの実施例は、良好な精密さで、
極めて高い動的レスポンスに対する特別な要求を満足す
る。この理由から、このドライブはグラビア印刷シリン
ダ及びグラフイックス産業における類似印刷形状を彫刻
するための彫刻ツールを駆動するのに適している。この
場合、数平方メートル程度の表面を０．．．２００μｍ
の限定されたサイズを有する彫刻用セルを使用して、所
定の図形又は書き込みパターンで作業しなければならな
い。この目的のためにトグルレバーアタッチメント７に
取り付けられた彫刻針８を図４に示してある。この目的
に現在まで使用されてきた磁気ドライブで達成される動
作周波数は約４ＫＨｚであったが、図４によるドライブ
は、１００μｍの静的運動で８乃至２０ＫＨｚの動作周
波数が可能である。同様に、図４の一番下に示してある
ように、トグルレバー面Ｋ₁に対する軸Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、
Ｓ₄が９０度とは僅かに異なる角度を成すようにトグル
レバー２に作用する二重スタック１０、２０を設け、二
重スタックの動作中に始めからトグルレバーロックの方
向に所定の印刷のふれを発生させることが可能である。
この方式は、ロックが張力・圧縮の交互応力を受けない
利点を有している。すなわち、軸Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ₄が
９０度とは僅かに異なる角度を成すようにしたことによ
って圧縮応力のみを受けるのである。

【００１２】ここまで説明したすべての実施例において
そのトグルレバー２は、Ｔ形に、二重Ｔ形に、または実
際の用途に応じて必要と考えられるどのような断面の中
空形状にも設計することができ、またトグルレバーアタ
ッチメント７のホールダを同時に形成するようにトグル
レバーを設計することもできる。そのような例として図
２に側面で示してあるトグルレバー２ではトグルレバー
アタッチメント７のための鳩尾形の切り込みをいれてホ
ールダとしている。これはツールマウントを容易に変更
できるようにする他に、本発明に使用される材料を変化
させるオプションをも与える(高い機械的負荷に曝され
る組立体だけは鋼で製造する必要があるが、トグルレバ
ーアタッチメントについては例えばアルミニューム合
金、チタン合金、ファイバ強化材料、または高応力セラ
ミックのような低質量材料を使用することができる)。

【００１３】上述したように複数の二重スタックドライ
ブを使用した結果としてドライブを本質的により小さく
設計することが可能になり、これは、同一の電力定格の
場合に、総合スタック表面の寸法が増加する結果として
冷却が改善されることを意味する。また、以下に図５−
８を参照して説明するように圧電スタックを特別に設計
することによって、冷却はより一層改善される。図５−
８に示すスタック設計は、ドライブの剛性を増加させ、
従って共振周波数を高めるのに役立つものである。比較
し易いように、全ての例においてリンク３の作用基点間
の距離Ａ−Ｂの寸法を同一にして示してある（但し、そ
の他の縮尺は同一ではない）。例えば、図５はｚ方向を
広く設計した（そのために、スタック断面は矩形になっ
ている）個々の圧電スタックを示している。この場合、
スタックはｚ方向に幅ａを有しており、この幅ａはトグ
ルレバー２の幅ｄの実質的に２倍まで大きくなるように
設計することができる。このようにすると、上述した他
の全ての変更のように、ドライブの剛性が約２倍まで増
加し、結果的に本発明による望ましい効果がもたらされ
る。同様に、表面積が増加していることから、ドライブ
の冷却が改善される。図５の設計は、図３のドライブに
適用可能である。

【００１４】図６は、同じようにｘ方向にスタックを広
げた例である。条件としての距離Ａ−Ｂは同一に保って
いるが、この場合には図示したような非対称基点リンク
が必要になる。この方式によるドライブの剛性の増加は
約 1.5である。図６の設計は、図２及び４のドライブに
適用可能である。堅固なマウントの方向に向かってスタ
ック断面を徐々に広げて行くことも可能であり、作用す
る全ての力を考えるとスタック内の応力はほぼ一定にな
る。図７に示すこのような設計では、方形のスタック断
面を使用している。図６の例に図７と同じ規則を適用し
た図８の類似例でも、一定の距離Ａ−Ｂは予め定められ
たものである。これらの方策により、スタックはその熱
放射表面に比して体積が減少し、従って冷却効果が増加
する。２倍までのドライブの剛性が得られる。

【００１５】以上の説明及び特許請求の範囲に記載の全
ての特色は、個々に、及びどのように組合わせても本発
明にとって不可欠である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による圧電二重スタックドライブのレ
イアウトの正面及び側面を示す概要図である。

【図２】本発明による２つの二重スタックドライブを使
用した高度に動的なドライブの考え得る１つの実施例の
正面及び側面を示す図である。

【図３】本発明による２つの二重スタックドライブを使
用した高度に動的なドライブの有利な実施例の正面及び
側面を示す図である。

【図４】本発明による４つの二重スタックドライブを使
用した高度に動的なドライブの特に好ましい実施例の正
面及び側面を示す図である。

【図５】本発明の変形にオプションとして使用できる圧
電スタックの形態を示す図である。

【図６】図５の変形である。

【図７】図５の別の変形である。

【図８】図５の更に別の変形である。

【符号の説明】

２トグルレバー３、３０リンク４マウント５中間間隔６曲げばね７トグルレバーアタッチメント８彫刻針１０従来の二重スタックドライブ１１、１２、２１、２２圧電スタック２０第２の圧電ドライブ７１アタッチメントのヘッド１０１第１の端面１０２第２の端面

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02N 2/00 B41C 1/045 B44B 3/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２つの圧電二重スタックドラ
イブ（１０，２０）を含み、これら２つの圧電二重スタ
ックドライブ（１０，２０）の個々のスタック（１１，
１２，２１，２２）の第１の端面（１０１）は堅固なマ
ウント（４）に載っており、第２の端面（１０２）は結
合リンク（３）を介して一つの共通のトグルレバー
（２）に作用し、２つの圧電二重スタックドライブ（１
０，２０）のそれぞれの作用基点（Ａ，Ｂ）はトグルレ
バー（２）の作用基点（Ａ，Ｂ）の間でトグルレバーの
回転軸（Ｃ）に対して等距離にあり、そして圧電二重ス
タックドライブ（１０，２０）のそれぞれのスタック
（１１，１２及び２１，２２）がプッシュ・プルモード
で作動するように圧電スタックへ電圧を加える手段を設
け、２つの圧電二重スタックドライブ（１０，２０）は
前記の共通のトグルレバー２に対して相互に反対に配置
されていることを特徴とした高度に動的な圧電ドライ
ブ。
【請求項２】２つの二重スタックドライブの複数の対
（（１０，２０）、（１０’、２０’）…）がそれぞれ
のｘ−ｙ面内に、そしてそれらのｘ−ｙ面に垂直なｚ軸
方向に配置されていて前記の２つの二重スタックドライ
ブの対（１０，２０）の間に少なくとも中間空間(５)を
残してトグルレバー２に作用し、各対は別の対と同じ作
用をする請求項１に記載の高度に動的な圧電ドライブ。
【請求項３】トグルレバーの回転軸（Ｃ）の位置を固
定する手段（６）を設けている請求項１もしくは２に記
載の高度に動的な圧電ドライブ。
【請求項４】トグルレバーの一方の端に配置され、そ
して堅固なマウント（４）の壁に接続された曲げばねも
しくは振子腕がトグルレバーの回転軸（Ｃ）の位置を固
定する手段（６）を構成している請求項３に記載の高度
に動的な圧電ドライブ。
【請求項５】トグルレバーの回転軸（Ｃ）を通って伸
び、そして堅固なマウント（４）の壁に接続された組立
体がトグルレバーの回転軸（Ｃ）の位置を固定する手段
（６）を構成している請求項３に記載の高度に動的な圧
電ドライブ。
【請求項６】結合リンク（３）の作用基点（Ａ，Ｂ）
間の横方向の距離をほんの僅かだけ超える長さにわたっ
てトグルレバー（２）が曲がらないよう設計されている
請求項２に記載の高度に動的な圧電ドライブ。
【請求項７】中間空間（５）の区域にトグルレバーア
タッチメントを設け、このトグルレバーアタッチメント
は２つの二重スタックの対（１０、２０；１０’、２
０’）の間を通っている請求項２に記載の高度に動的な
圧電ドライブ。
【請求項８】トグルレバーアタッチメント（７）は薄
い壁で形成されている請求項７に記載の高度に動的な圧
電ドライブ。
【請求項９】トグルレバーアタッチメント（７）には
作用基点（Ａ，Ｂ）の近接域からだけ力がかかるように
設計されている請求項７もしくは８に記載の高度に動的
な圧電ドライブ。
【請求項１０】トグルレバーアタッチメント（７）
は，作用基点（Ａ，Ｂ）間の距離に一致する基底幅を有
する質量の小さい三角形の構造物として設計されている
請求項９に記載の高度に動的な圧電ドライブ。
【請求項１１】トグルレバーアタッチメント（７）の
頂点域（７１）に工具（８）を取り付けた請求項７ない
し９のいずれかに記載の高度に動的な圧電ドライブ。
【請求項１２】トグルレバーアタッチメント（７）は
交換可能の組立体である請求項７ないし１１のいずれか
に記載の高度に動的な圧電ドライブ。
【請求項１３】トグルレバーアタッチメント（７）の
基底の形をトグルレバー（２）の輪郭に合わせた請求項
１２に記載の高度に動的な圧電ドライブ。
【請求項１４】個々のスタック（１１，１２，２１，
２２）の端面（１０１、１０２）の横断面は矩形である
請求項１もしくは２に記載の高度に動的な圧電ドライ
ブ。
【請求項１５】個々のスタック（１１，１２，２１，
２２）はそれらの第１の端面（１０１）から始まって第
２の端面（１０２）の方向に横断面積が連続的に小さく
なっていく請求項１，２もしくは１４に記載の高度に動
的な圧電ドライブ。
【請求項１６】トグルレバー面（Ｋ₁）に対して成す
二重スタック（１０，２０）の軸（Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、
Ｓ₄）の角度が９０度とは異なっていて、それぞれの二
重スタックの軸はトグルレバー面（Ｋ₁）に向かう方向
で取付手段（６）へ向かって傾いて二重スタック（１
０、２０）がトグルレバー（２）に作用する請求項３な
いし５のいずれかに記載の高度に動的な圧電ドライブ。
【請求項１７】グラビア印刷シリンダのような印刷版
を彫る彫刻ツール（８）を駆動する請求項１１に記載の
高度に動的な圧電ドライブ。