JP5305380B2 - Actuator, positioning device - Google Patents
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本発明は、電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることで移動部材を移動させるインパクト式アクチュエータおよび当該アクチュエータを用いた位置決め装置に係り、平面上をX−Y方向に移動可能で自走可能な駆動機構に関する。 The present invention relates to an impact-type actuator that moves a moving member by oscillating the electromechanical transducers at different expansion and contraction speeds, and a positioning device using the actuator, and moves in the XY direction on a plane. The present invention relates to a drive mechanism capable of self-propelling.
従来、X−Yテーブルなどの平面上の位置決め装置としては、ステッピングモータやボイスコイルモータなどの電磁方式による駆動が一般的に用いられていた。 Conventionally, as a positioning device on a plane such as an XY table, driving by an electromagnetic method such as a stepping motor or a voice coil motor has been generally used.
ところが、近年の電子機器の小型化に伴い、アクチュエータとして圧電素子などの電気機械変換素子を駆動方式に用いることで、位置決め装置そのものを小型化しようとする開発が活発に行われている。 However, along with the recent miniaturization of electronic devices, there has been active development for downsizing the positioning device itself by using an electromechanical transducer element such as a piezoelectric element as an actuator for the drive system.
たとえば、特許文献1および特許文献2に開示されているように、圧電素子を伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることで、被駆動部材を移動させるインパクト駆動と呼ばれる方式を用いた構造が開示されている。
For example, as disclosed in
しかしながら、特許文献1および2に開示されている方法においては、駆動部材の長さに被駆動部材の可動範囲が限定され、動作ストロークを大きくできないという問題があった。また、駆動部材と被駆動部材を摩擦係合するために板ばねなどの弾性部材が必要なため構造が複雑となり、小型化することが困難であった。また、X−Yの2次元に移動可能とするために、固定部材に対して2つの駆動部材と被駆動部材が必要であり(特許文献2の図9参照)、駆動装置の厚さを薄くすることが困難であった。
However, the methods disclosed in
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためになされたもので、具体的には、移動ストロークを大きくでき、かつ、簡単な構造で装置の低背化が可能な、X−Y方向の2次元に移動可能なアクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art. Specifically, the XY can increase the movement stroke and reduce the height of the apparatus with a simple structure. It is an object to provide an actuator that can move in two dimensions.
本発明によれば、少なくとも2つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータが得られる。 According to the present invention, a driving body in which one end in each displacement direction of at least two electromechanical conversion elements is fixed to a magnet, and a driven body in which the other end in the displacement direction of the electromechanical conversion elements is fixed. A member and a fixing member that can be attracted to the magnet by a magnetic force, and the driven member and the driving body are made to vibrate by causing the electromechanical conversion element to vibrate with different expansion and contraction speeds. An actuator is obtained that moves relative to the fixed member.
また、本発明によれば、少なくとも2つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている固定部材と、該磁石に対して磁力により吸着可能な被駆動部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材が前記駆動体と前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータが得られる。 Further, according to the present invention, at least two electromechanical transducer elements each having one end in the displacement direction fixed to the magnet, and the other end of the electromechanical transducer element in the displacement direction are fixed. The driven member is composed of a fixed member and a driven member that can be attracted to the magnet by a magnetic force, and the driven member is caused to vibrate by varying the expansion and contraction speeds of the electromechanical conversion element. And an actuator that moves relative to the fixed member.
また、前記アクチュエータにおいて、前記駆動体が、略直方体の磁石と、該磁石の直交する2面の各々に変位方向の一端が固定された電気機械変換素子と、からなることを特徴とするアクチュエータが得られる。 In the actuator, the actuator includes an approximately rectangular parallelepiped magnet and an electromechanical conversion element in which one end in a displacement direction is fixed to each of two orthogonal surfaces of the magnet. can get.
また、上記アクチュエータにおいて、前記駆動体を複数とすることで、より安定な動作が可能なアクチュエータが得られる。 Further, in the above actuator, an actuator capable of more stable operation can be obtained by using a plurality of the driving bodies.
この場合、電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている前記被駆動部材または前記固定部材は、平板から、駆動体を配置する部分として対角上の2つの部分を矩形に切り取った形状を有し、切り取った2つの前記部分の各々には、直交する2面に電気機械変換素子の変位方向の一端が各々固定されていてもよい。 In this case, the driven member or the fixing member to which the other end in the displacement direction of the electromechanical conversion element is fixed is obtained by cutting two diagonal portions from the flat plate into a rectangular shape as a portion where the driving body is arranged. Each of the two parts having a shape and cut out may have one end in the displacement direction of the electromechanical transducer element fixed to two orthogonal surfaces.
また、上記アクチュエータにおいて、前記磁石は、断面形状が三角形であり、該磁石の前記三角形を構成する3面に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されていてもよい。 In the actuator, the magnet may have a triangular cross-sectional shape, and one end of the electromechanical conversion element in the displacement direction may be fixed to three surfaces constituting the triangle of the magnet.
さらに、本発明によれば、上記の各アクチュエータにおいて、前記被駆動部材が弾性部材を介して前記固定部材に支持されていることを特徴とするアクチュエータが得られる。 Furthermore, according to the present invention, in each of the actuators described above, an actuator is obtained in which the driven member is supported by the fixing member via an elastic member.
さらに、本発明によれば、上記の各アクチュエータのいずれかを有することを特徴とする位置決め装置が得られる。 Furthermore, according to the present invention, a positioning device having any one of the actuators described above can be obtained.
請求項1に係るアクチュエータにおいては、少なくとも2つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動させているため、1つの駆動体でX−Y平面上を2次元で移動させることが可能となり、従来方式に対して装置の小型化が実現できる。また、1つの移動体で2次元に移動可能であるため、装置の低背化を実現できる。さらに、磁石と固定部材の間の吸着力を用いてインパクト駆動させているため、板ばねのような摩擦付与部材が不要になるため、構造が簡略化され、小型化および低コスト化の効果が得られる。 In the actuator according to the first aspect, at least two electromechanical transducer elements each having one end in the displacement direction fixed to the magnet and the other end of the electromechanical transducer element in the displacement direction are fixed. The driven member and the driving member are made to vibrate with different speeds of expansion and contraction of the electromechanical conversion element. Since the body is moved with respect to the fixed member, it is possible to move in a two-dimensional manner on the XY plane with a single driving body, and it is possible to reduce the size of the apparatus with respect to the conventional method. In addition, since the movable body can be moved two-dimensionally, the apparatus can be reduced in height. Furthermore, since the impact drive is performed using the attractive force between the magnet and the fixed member, a friction imparting member such as a leaf spring is not required, which simplifies the structure and reduces the size and costs. can get.
請求項1のアクチュエータにおいては、磁石に吸着可能な固定部材に対して被駆動部材と駆動体とが移動するが、本発明においては、被駆動部材と駆動体に対して、磁石に吸着可能な部材が移動する構造も可能である。 In the actuator according to the first aspect, the driven member and the driving body move relative to the fixed member that can be attracted to the magnet. In the present invention, the driven member and the driving body can be attracted to the magnet. A structure in which the member moves is also possible.
即ち、請求項2のアクチュエータにおいては、少なくとも2つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動部材と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている固定部材と、該磁石に対して磁力により吸着可能な被駆動部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動させている。そのため、1つの駆動体でX−Y平面上を2次元で移動させることが可能となる。 That is, in the actuator according to claim 2, at least two electromechanical transducer elements, each having one end in the displacement direction fixed to the magnet, and the other end of the electromechanical transducer element in the displacement direction are fixed. And a driven member that can be attracted to the magnet by a magnetic force. The driven member and the electromechanical conversion element are vibrated at different speeds of expansion and contraction. The driving body is moved with respect to the fixing member. Therefore, it is possible to move two-dimensionally on the XY plane with one driver.
請求項3に係るアクチュエータにおいては、前記磁石の形状を略直方体とし、該磁石の直交する2面の各々に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成されているため、さらに構造を簡略化できる。 In the actuator according to claim 3, the shape of the magnet is a substantially rectangular parallelepiped, and one end in the displacement direction of the electromechanical conversion element is fixed to each of two orthogonal surfaces of the magnet, and the electromechanical conversion Since it is composed of a driven member to which the other end in the displacement direction of the element is fixed and a fixing member that can be attracted to the magnet by a magnetic force, the structure can be further simplified.
請求項4または請求項5に係るアクチュエータにおいては、駆動体を複数としているため、被駆動部材の動きを安定化できるとともに、推力が大きく、位置制御性に優れたアクチュエータが得られる。また、従来技術によれば駆動部材の軸方向にのみ被駆動部材は移動可能であったが、本発明のアクチュエータにおいては、複数の駆動体を独立に制御することで、X−Y平面上において回転動作可能なアクチュエータが得られる。 In the actuator according to the fourth or fifth aspect, since a plurality of driving bodies are provided, the movement of the driven member can be stabilized, and an actuator having a large thrust and excellent position controllability can be obtained. Further, according to the prior art, the driven member can move only in the axial direction of the driving member. However, in the actuator of the present invention, by independently controlling a plurality of driving bodies, on the XY plane. An actuator capable of rotating is obtained.
請求項6に係るアクチュエータによれば、前記磁石の断面形状が三角形であり、該磁石の前記三角形を構成する3面の各々に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されてなることを特徴とするアクチュエータが得られるため、1つの駆動体で3方向に被駆動部材を移動させることができる。
The actuator according to
請求項7に係るアクチュエータにおいては、被駆動部材が弾性部材を介して固定部材に支持されているため、X−Y平面上の並進性に優れたアクチュエータが得られる。 In the actuator according to the seventh aspect, since the driven member is supported by the fixing member via the elastic member, an actuator excellent in translation on the XY plane can be obtained.
請求項8に係る位置決め装置によれば、上記のいずれかのアクチュエータを有することを特徴とする位置決め装置が得られるため、位置決め装置の構造を簡略化できる。 According to the positioning device of the eighth aspect, since the positioning device having any one of the actuators described above is obtained, the structure of the positioning device can be simplified.
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、上記アクチュエータの駆動体101のみを概念的に示す模式図であり、同図(a)は側面図に関するもの、同図(b)は同図(a)の白矢印で示す右側方向からの端面図に関するものである。 FIG. 1 is a schematic diagram conceptually showing only the actuator driving body 101. FIG. 1 (a) relates to a side view, and FIG. 1 (b) shows a rightward direction indicated by a white arrow in FIG. 1 (a). It is related with the end view from.
この駆動体101は、略直方体の磁石3と、該磁石3の直交する2面の各々に、電気機械変換素子としての積層型圧電セラミックによる圧電セラミック素子1および2の変位方向の一端をエポキシ樹脂等を用いて接着してなるものである。
The driving body 101 has an approximately rectangular parallelepiped magnet 3 and one end in the displacement direction of the piezoelectric
磁石3の極性については、図1(a)を参照すれば、圧電セラミック素子1、2の変位発生方向(図1のA1、A2方向)と垂直方向(図1のA3方向)としている。これは、図2を用いて後述するように固定部材5との吸着力を大きくするためであり、必要な吸着力によっては極性を他の形態に変更してもかまわない。
With respect to the polarity of the magnet 3, referring to FIG. 1 (a), the displacement direction of the piezoelectric
磁石3の材質は特に限定されないが、小型化に際して強い吸着力が発生可能なネオジウム系またはサマリウム系とすることが好ましい。 The material of the magnet 3 is not particularly limited, but it is preferable to use a neodymium or samarium-based material that can generate a strong attractive force when downsizing.
圧電セラミック素子1、2については、所定の変位を発生できれば材質や構造を適宜選択できるものであるが、小型で駆動電圧を小さくできることから積層型圧電セラミックを用いるものとする。
As for the piezoelectric
以下、幾つかの実施例を挙げ、本発明のアクチュエータについて、図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, several examples will be given and the actuator of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図2は、本発明の実施例1に係るアクチュエータ201の基本構成を示したもので、同図(a)は上面方向からの外観平面図に関するもの、同図(b)は側面図(A4方向矢視図)に関するものである。 2A and 2B show a basic configuration of the actuator 201 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2A shows an external plan view from the top surface direction, and FIG. 2B shows a side view (A4 direction). (Arrow view).
圧電セラミック素子1、2としては、断面寸法が縦0.9mm×横0.9mm、高さ1.2mmの圧電積層型セラミックとし、30Vの印加電圧に対して大略0.5μmの変位を発生するものを用いている。また、変位発生方向は、積層方向(図2のA1、A2方向)である。
The piezoelectric
この圧電セラミック素子1、2の変位発生方向の一方の端面側に対して、断面寸法が縦1.2mm×横1.0mm、高さ1.5mmのネオジウム系磁石を熱硬化性エポキシ樹脂で接着して、駆動体101とした。磁石3の磁化方向は、高さ方向(A3方向)とした。
A neodymium magnet having a cross-sectional dimension of 1.2 mm x 1.0 mm and a height of 1.5 mm is bonded to one end face side of the piezoelectric
この圧電セラミック素子1、2の変位方向の他端が被駆動部材4にエポキシ樹脂等を用いて接着されており、磁石に吸着可能な材質からなる固定部材5に、磁石3の磁力により吸着されている。
The other ends of the piezoelectric
また、圧電セラミック素子1、2には、駆動電圧を印加するための図示しない電源が接続されている。
The piezoelectric
固定部材5の材質としては、磁石3に吸着可能なものであれば特に限定はされないが、ここでは、SUS430を用いた。また、固定部材5の形状は磁石3が吸着する面が平面であれば他の面の形状は任意に設定できるが、ここでは、縦20mm×横20mm×高さ1mmの平板とした。この場合の磁石3と固定部材5との吸着力は、約0.49Nであった。 The material of the fixing member 5 is not particularly limited as long as it can be attracted to the magnet 3, but here, SUS430 is used. Further, the shape of the fixing member 5 can be arbitrarily set as long as the surface on which the magnet 3 is attracted is flat, but here, it is a flat plate of 20 mm long × 20 mm wide × 1 mm high. In this case, the attractive force between the magnet 3 and the fixing member 5 was about 0.49N.
本発明のアクチュエータ201においては、駆動体101と被駆動部材4とが固定部材5に対して移動するが、実施例1の場合の移動ストロークは、図2におけるX方向、Y方向に対してそれぞれ約15mmとなる。ただし、移動ストロークは実施例1に限定されるものではなく、固定部材5の縦と横の寸法を大きくすることで、さらに大きくすることも可能である。 In the actuator 201 of the present invention, the driving body 101 and the driven member 4 move with respect to the fixed member 5, but the movement strokes in the case of Example 1 are respectively in the X direction and Y direction in FIG. About 15 mm. However, the movement stroke is not limited to the first embodiment, and can be further increased by increasing the vertical and horizontal dimensions of the fixing member 5.
後述するように、本発明のアクチュエータ201は圧電セラミック素子1、2が発生する振動を駆動源としているため、その振動を磁石に伝える必要があるが、被駆動部材4の重量を磁石3の重量より十分大きくすることで、振動を効率よく磁石3に伝えることができる。そのため、被駆動部材4の材質と寸法としては、磁石3の吸着力や圧電セラミック素子1、2の発生変位量などにより適宜設計して決定すればよい。ここでは、被駆動部材4として、縦5.0mm×横5.0mm×幅2mmのL字形状で厚さ1.0mmとし、材質としてアルミニウムを用いた。この場合、重量が磁石3の約3倍であった。
As will be described later, since the actuator 201 of the present invention uses the vibration generated by the piezoelectric
ここで、図2においては、被駆動部材4と固定部材5とが接触しているが、磁石3の磁力で被駆動部材4と圧電セラミック素子1、2との重量を支えることができれば接触させる必要はない。磁石3の着磁方向については限定する必要はないが、吸着力を大きくするために図1および図2に示すA3方向とした。
In FIG. 2, the driven member 4 and the fixed member 5 are in contact with each other. However, if the weight of the driven member 4 and the piezoelectric
このアクチュエータ201において、圧電セラミック素子1または2の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、被駆動部材4と駆動体101とが、固定部材5に対して、圧電セラミック素子1または2の伸縮方向(図2のA1、A2方向)に移動する。
In this actuator 201, the driven member 4 and the driving body 101 are made to vibrate with respect to the fixed member 5 by causing the piezoelectric
以下は、実施例1に係るアクチュエータ201の駆動機構の働きについて、圧電セラミック素子1を駆動した場合について説明する。圧電セラミック素子2を駆動した場合も移動方向が略90度異なるだけで、動作上の原理は同一である。
Hereinafter, the operation of the drive mechanism of the actuator 201 according to the first embodiment will be described in the case where the piezoelectric
図3は、上述した実施例1における圧電セラミック素子1の時間に対する駆動電圧、圧電セラミック素子1の変位量、被駆動部材4と駆動体101(図3では被駆動部材4と駆動体101をまとめて「移動体」と称す)との移動量の関係を示したタイミングチャートである。
FIG. 3 shows a driving voltage with respect to time of the piezoelectric
実施例1のアクチュエータ201を用いると、圧電セラミック素子1の共振周波数が500kHz程度以上となるので、圧電セラミック素子1への交流印加電圧(駆動電圧)の周波数を50kHz程度以下とすると、高調波成分の影響を殆ど無視できるため、入力電圧波形と出力変位波形とが相似形となる。
When the actuator 201 of Example 1 is used, the resonance frequency of the piezoelectric
図3に示されるように三角波状の入力電圧(駆動電圧)波形について、傾きが異なる時間t1、t2をt1>t2なる関係となるように設定すると、圧電セラミック素子1の変位量は時間t1をかけてゆっくりと伸び、時間t2で急速に縮む。ここで、固定部材5と磁石3との間に発生する最大静止摩擦力以上の加速度が得られるように時間t2を設定すれば、時間t1では磁石3は固定部材5に吸着した状態で、圧電セラミック素子1の伸びにより被駆動部材4だけが移動し、時間t2では固定部材5と磁石3との間で滑りが生じる。そのため、1サイクルの駆動電圧により、時間t1の間の伸び量だけ、被駆動部材4と駆動体101とは固定部材5に対して、圧電セラミック素子1の伸び方向(図2のY軸方向)に移動する。これを連続的に繰り返せば、被駆動部材4と駆動体101とは、固定部材5に対して、一方向に連続的に移動する。
As shown in FIG. 3, when the time t1 and t2 having different slopes are set so as to satisfy the relationship of t1> t2 with respect to the triangular input voltage (drive voltage) waveform, the displacement amount of the piezoelectric
そこで、時間t1と時間t2とを用いてデューテイ比をデューテイ比=t1/(t1+t2)なる関係式で定義すると、デューテイ比を変化させることで移動の速度や移動方向を制御することができる。 Therefore, if the duty ratio is defined by a relational expression of duty ratio = t1 / (t1 + t2) using time t1 and time t2, the speed and direction of movement can be controlled by changing the duty ratio.
ここでは、図3に示されるように三角波状の入力電圧(駆動電圧)の波形を与えた場合について説明したが、各部品形状に応じて周波数を調整した矩形波状の入力電圧(駆動電圧)を印加するようにしても同様に圧電セラミック素子1および2を駆動することができる。
Here, the case where the waveform of the input voltage (driving voltage) having a triangular wave shape is given as shown in FIG. 3 is explained, but the input voltage (driving voltage) having a rectangular wave shape whose frequency is adjusted according to the shape of each component is described. Even if it is applied, the piezoelectric
以上で説明した駆動電圧を、圧電セラミック素子1と圧電セラミック素子2に印加することで、各々の圧電セラミック素子の伸縮方向に被駆動部材4と駆動体101とを移動させることができる。すなわち、固定部材5の平面上をX−Y方向の2次元に並進移動可能な自走型のアクチュエータとすることができる。
By applying the driving voltage described above to the piezoelectric
また、アクチュエータ201はX−Yテーブルなどの平面上の位置決め装置として利用可能である。 The actuator 201 can be used as a positioning device on a plane such as an XY table.
ここで、実施例1の変形例の1つを簡単に説明する。 Here, one of the modifications of the first embodiment will be briefly described.
図7は、本発明において、実施例1の変形例としてのアクチュエータ303の基本構成を示したものであり、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する場合である。同図(a)は側面図に関するもの、同図(b)は(a)においてA7−A7断面における上面方向からの平面図に関するものである。
FIG. 7 shows a basic configuration of an
最初に、アクチュエータ303の製造方法(および構造)について説明する。
First, the manufacturing method (and structure) of the
まず、実施例1の場合と同じ圧電セラミック素子311、312と磁石313を用いて駆動体105を製造した。
First, the driving body 105 was manufactured using the same piezoelectric
次に、実施例1の被駆動部材4と同様の形状の固定部材314を用意し、駆動体105を固定部材314にエポキシ樹脂を用いて接着した。 Next, a fixing member 314 having the same shape as the driven member 4 of Example 1 was prepared, and the driving body 105 was bonded to the fixing member 314 using an epoxy resin.
さらに、静止部材315に固定部材314を接着した。
Further, the fixing member 314 is bonded to the
次に、材質がSUS430で、形状が20mm×20mm×厚さ0.5mmの平板を被駆動部材316として、磁石313に吸着させた。
Next, a flat plate having a material of SUS430 and a shape of 20 mm × 20 mm × thickness 0.5 mm was attracted to the
このようにして図7に示すアクチュエータ303を得た。
Thus, the
次に、アクチュエータ303の動作について説明する。
Next, the operation of the
実施例1と同じ電圧波形を圧電セラミック素子311、312に印加すると、駆動体105は静止部材315に対して移動せず、被駆動部材316が移動する。すなわち、実施例1においては、固定部材5に対して駆動体101が被駆動部材4とともに自走して移動するのに対し、図7におけるアクチュエータの場合は、被駆動部材316のみが移動する。
When the same voltage waveform as in the first embodiment is applied to the piezoelectric
図7のアクチュエータ303においては、固定部材314を静止部材315に接着したが、固定部材314の重量を被駆動部材316に比べて大きくすることで、静止部材315は不要になる。この場合の固定部材314の重量や寸法は、被駆動部材316の重量を勘案して、適宜、設計すればよい。
In the
図7のアクチュエータ303においては、駆動体105と被駆動部材316とは、相対的に実施例1(図2)の駆動体101と固定部材5の関係と等価であるが、自走型のアクチュエータではない。ただし、図7においては、セラミック素子311、312が静止部材315に対して固定されているため、実施例1(図2)のアクチュエータと比較して、電圧を印加するためのリード線などの配置が容易になるというメリットがある。
In the
以上は、磁石の形状を略直方体として圧電セラミック素子を2個用いて駆動体を構成した場合を説明したが、磁石の形状や圧電セラミック素子の個数は上記に限定されるものではなく、必要に応じて磁石形状を任意に設定し、圧電セラミック素子の個数を少なくとも2個以上用いることでも、本発明の効果が得られる。たとえば、図6の駆動体104のように磁石断面を三角形として圧電セラミック素子を3個用いた場合においても、本発明の効果が得られる。 The above describes the case where the drive body is configured using two piezoelectric ceramic elements with the magnet shape being a substantially rectangular parallelepiped. However, the shape of the magnet and the number of piezoelectric ceramic elements are not limited to the above, and are necessary. Accordingly, the effect of the present invention can also be obtained by arbitrarily setting the magnet shape and using at least two piezoelectric ceramic elements. For example, the effect of the present invention can be obtained even when three piezoelectric ceramic elements are used with a triangular magnet cross section as in the driving body 104 of FIG.
図6の場合においては圧電セラミック素子20、21、22は、当該三角形を構成する3面にそれぞれ設けられ、圧電セラミック素子20、21、22の変位方向に沿って3方向へ移動可能である。 In the case of FIG. 6, the piezoelectric ceramic elements 20, 21, 22 are provided on three surfaces constituting the triangle, respectively, and are movable in three directions along the displacement direction of the piezoelectric ceramic elements 20, 21, 22.
また、図6の場合においては、被駆動部材23の中央には、駆動体104を収納するための、断面形状が三角形の切り抜き部23aが設けられている。 In the case of FIG. 6, a cutout portion 23 a having a triangular cross-sectional shape for housing the drive body 104 is provided in the center of the driven member 23.
なお、図6記載のアクチュエータを、図7のように、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する構造としてもよい。 The actuator shown in FIG. 6 may have a structure in which the driven body that can be attracted to the magnet moves relative to the driving body by fixing the driving body to the fixing member as shown in FIG.
本発明のアクチュエータ202においては、磁石と2個の圧電セラミック素子からなる駆動体を複数個用いることで、さらに高速に移動させると同時に、X−Y平面上で回転移動も可能となる。図4は、本発明において、実施例2に係るアクチュエータ202の基本構成を示したもので、2個の駆動体102、103を用いた場合である。同図(a)は上面方向からの外観平面図に関するもの、同図(b)は(a)の側面図(A5方向矢視図)に関するものである。
In the actuator 202 of the present invention, by using a plurality of driving bodies composed of a magnet and two piezoelectric ceramic elements, the actuator 202 can be moved at a higher speed and at the same time can be rotated on the XY plane. FIG. 4 shows a basic configuration of the actuator 202 according to the second embodiment in the present invention, in which two drive
実施例1の場合と同じ圧電セラミック素子と磁石を用いて駆動体102、103を製造し、図4に示す配置で被駆動部材12にエポキシ樹脂を用いて接着してアクチュエータ202とした。ここで、被駆動部材12は縦10mm×横10mmの×厚さ1.0mmの矩形の平板から、駆動体102、103を配置する部分として対角上の3mm×3mmの部分を矩形に切り取った形状であり、重量は磁石8、11の約16倍であった。また、固定部材13と接触している部材は磁石8、11のみであり、被駆動部材12と固定部材13は接触していない。被駆動部材12と固定部材13を接触するように構成することでも、本発明の効果は得られるが、移動時の摩擦力の増加による速度低下が生じやすくなる。
The driving
なお、駆動体102、103の圧電セラミック素子6、7、9、10は、切り取った2つの部分の直交する2面に、変位方向の他端を各々固定した。
The piezoelectric
このアクチュエータ202の圧電セラミック素子9に、実施例1と同様の駆動電圧を印加し、同時に、圧電セラミック素子7に伸びと縮みの速度が圧電セラミック素子9とは反転するように駆動電圧を印加すると、被駆動部材12と駆動体102、103とは、一方向(図4のX方向)へと移動する。
When a driving voltage similar to that of the first embodiment is applied to the piezoelectric ceramic element 9 of the actuator 202, and simultaneously, a driving voltage is applied to the piezoelectric ceramic element 7 so that the speed of expansion and contraction is reversed from that of the piezoelectric ceramic element 9. The driven member 12 and the driving
以下、固定部材13に対して移動する部材(被駆動部材12と駆動体102、103)を、まとめて移動体と称することにする。
Hereinafter, members that move relative to the fixed member 13 (the driven member 12 and the driving
圧電セラミック素子の伸びと縮みの速度を反転させるためには、駆動電圧のデューテイ比を変化させればよい。たとえば、圧電セラミック素子9にデューテイ比85%の電圧波形を入力した場合、圧電セラミック素子7にはデューテイ比15%の電圧波形を入力する。また、圧電セラミック素子9にデューテイ比15%の電圧波形を入力し、圧電セラミック素子7にはデューテイ比85%の電圧波形を入力すると、移動体は逆方向に移動する。 In order to reverse the speed of expansion and contraction of the piezoelectric ceramic element, the duty ratio of the drive voltage may be changed. For example, when a voltage waveform having a duty ratio of 85% is input to the piezoelectric ceramic element 9, a voltage waveform having a duty ratio of 15% is input to the piezoelectric ceramic element 7. When a voltage waveform with a duty ratio of 15% is input to the piezoelectric ceramic element 9 and a voltage waveform with a duty ratio of 85% is input to the piezoelectric ceramic element 7, the moving body moves in the reverse direction.
全く同じ方法で、圧電セラミック素子6、10にそれぞれデューテイ比85%、15%の電圧波形を印加すると、移動体は図4のY軸方向に沿って一方向に移動する。
When voltage waveforms having a duty ratio of 85% and 15% are applied to the piezoelectric
駆動電圧のデューテイ比については上述の値に限定されず、必要となる移動体の移動速度などの設計により決定すればよい。 The duty ratio of the drive voltage is not limited to the above-described value, and may be determined by a design such as a required moving speed of the moving body.
本発明のアクチュエータ202においては、X−Y軸に沿った並進移動のほかに、回転移動も可能である。たとえば、圧電セラミック素子6に移動体がY方向に移動するようにデューテイ比を設定した駆動電圧を印加し、同時に、圧電セラミック素子10に移動体が−Y方向に移動するようにデューテイ比を設定した駆動電圧を印加すると、移動体の重心を中心に時計方向に回転する。また、圧電セラミック素子7と9に上記と同様な関係の駆動電圧を印加することでも、移動体は回転する。
In the actuator 202 of the present invention, in addition to translational movement along the XY axis, rotational movement is also possible. For example, a drive voltage in which the duty ratio is set so that the moving body moves in the Y direction is applied to the piezoelectric
実施例1と2におけるアクチュエータ201、202の各駆動体に、駆動電圧を印加した場合の移動体の移動方向と移動速度を測定した。レーザー変位計により移動量を測定し、電圧印加時間から移動速度を求めた。測定結果を表1に示す。ただし、回転移動させた場合は、概略の回転速度を測定し、rpmの単位で結果を示している。 The moving direction and moving speed of the moving body when a driving voltage was applied to each driving body of the actuators 201 and 202 in Examples 1 and 2 were measured. The amount of movement was measured with a laser displacement meter, and the movement speed was determined from the voltage application time. The measurement results are shown in Table 1. However, in the case of rotational movement, the approximate rotational speed is measured, and the result is shown in units of rpm.
表1の結果から、本発明により、X−Y軸方向に沿った並進移動が可能であり、また、回転移動の可能なアクチュエータが得られることが確認できた。 From the results in Table 1, it was confirmed that according to the present invention, it is possible to obtain an actuator capable of translational movement along the XY axis direction and capable of rotational movement.
なお、実施例2の構造は、実施例1における図7に示す変形例のように、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する構造に適用することも可能である。 The structure of the second embodiment is such that, as in the modification shown in FIG. 7 in the first embodiment, the driven body that can be attracted to the magnet moves relative to the drive body by fixing the drive body to the fixing member. It is also possible to apply to the structure.
以下、本発明の変形例として、アクチュエータの並進性を高めるために、固定部材あるいは固定部材に支持された静止部材と被駆動部材の間に、弾性部材を設置した場合について説明する。移動体の移動ストロークは限定されるが、実施例1および2において、回転動作は行わずにX−Y方向にだけ高精度で並進移動させたい場合に有効である。 Hereinafter, as a modification of the present invention, a description will be given of a case where an elastic member is installed between a fixed member or a stationary member supported by the fixed member and a driven member in order to improve the translation of the actuator. Although the moving stroke of the moving body is limited, it is effective in the first and second embodiments when it is desired to translate the moving body with high accuracy only in the XY direction without performing the rotating operation.
図5に示すように、アクチュエータ203は、弾性部材としてのコイルばね14、15、16、17を、静止部材18と被駆動部材12の間に設置した。 As shown in FIG. 5, in the actuator 203, coil springs 14, 15, 16, and 17 as elastic members are installed between the stationary member 18 and the driven member 12.
ここで、静止部材18は、固定部材13に接着されている。また、各コイルばねの両端を、それぞれ静止部材18と被駆動部材12に接着により固定している。 Here, the stationary member 18 is bonded to the fixing member 13. Further, both ends of each coil spring are fixed to the stationary member 18 and the driven member 12 by adhesion.
コイルばね14、15、16、17と静止部材18を除いた部材は、実施例2と同一である。 The members excluding the coil springs 14, 15, 16, 17 and the stationary member 18 are the same as those in the second embodiment.
コイルばね14、15、16、17のばね定数は設計により適宜決定すればよいが、ここでは、1mmの変位に対して約0.1Nのばね力が発生するものを選択した。 The spring constants of the coil springs 14, 15, 16, and 17 may be determined as appropriate depending on the design, but here, those that generate a spring force of about 0.1 N with respect to a displacement of 1 mm were selected.
図5のアクチュエータ203に、実施例2の水準cと同様の駆動電圧を印加することで移動体をY方向に300μm移動させた。このとき、図5の(b)に示す、被駆動部材の端面Bの傾き状態をレーザーオートコリメータにより測定した。移動前の状態を基準とし、Y方向に300μm移動した後の変化量の最大値を角度(分)の単位で求めた。端面Bの傾きが小さいほど、アクチュエータ203は高精度に並進移動できるといえる。 By applying the same drive voltage as that of level c of Example 2 to the actuator 203 in FIG. 5, the moving body was moved by 300 μm in the Y direction. At this time, the inclination state of the end surface B of the driven member shown in FIG. 5B was measured by a laser autocollimator. Based on the state before the movement, the maximum value of the amount of change after moving 300 μm in the Y direction was obtained in units of angle (minute). It can be said that the smaller the inclination of the end face B, the more the actuator 203 can translate.
表2に、測定結果を示す。また、比較として実施例2の場合の結果も併せて示している。 Table 2 shows the measurement results. For comparison, the results in Example 2 are also shown.
表2から、実施例3のように、被駆動部材をコイルばねのような弾性部材を介して固定部材に支持することで、高精度に並進移動が可能であることが確認できた。 From Table 2, it was confirmed that translational movement was possible with high accuracy by supporting the driven member on the fixed member via an elastic member such as a coil spring as in Example 3.
なお、実施例3の構造は、実施例1における図7に示す変形例のように、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する構造に適用することも可能である。 The structure of the third embodiment is such that, as in the modification shown in FIG. 7 in the first embodiment, the driven body that can be attracted to the magnet moves relative to the drive body by fixing the drive body to the fixing member. It is also possible to apply to the structure.
上記した実施形態では、本発明の各アクチュエータはX−Yテーブルなどの平面上の位置決め装置に適用可能である旨説明したが、本発明は、何等、これに限定されることなく、位置決めを行う必要があるすべての構造に適用することができる。 In the above-described embodiment, it has been explained that each actuator of the present invention can be applied to a planar positioning device such as an XY table. However, the present invention is not limited to this and performs positioning. Can be applied to all structures you need.
1、2、6、7、9、10、20、21、22、311、312 圧電セラミック素子
3、8、11、19、313 磁石
4、12、23、316 被駆動部材
5、13、314 固定部材
14、15、16、17 コイルばね
18、315 静止部材
101、102、103、104、105 駆動体
201、202、203、303 アクチュエータ
1, 2, 6, 7, 9, 10, 20, 21, 22, 311, 312 Piezoelectric
Claims (7)
前記被駆動部材は、L字形状を有し、直交する2面に前記電気機械変換素子の変位方向の他端が各々固定されており、
前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータ。 A driving body in which one end of each displacement direction of at least two electromechanical conversion elements is fixed to a magnet, a driven member to which the other end in the displacement direction of the electromechanical conversion element is fixed, and the magnet Consists of a fixing member that can be attracted by magnetic force,
The driven member has an L shape, and the other ends in the displacement direction of the electromechanical conversion element are fixed to two orthogonal surfaces,
An actuator characterized in that the driven member and the driving body move relative to the fixed member by oscillating the electromechanical conversion element with different expansion and contraction speeds.
直方体の磁石と、
該磁石の直交する2面の各々に変位方向の一端が固定された電気機械変換素子と、
からなることを特徴とするアクチュエータ。 The drive body according to claim 1 ,
A cuboid magnet,
An electromechanical transducer in which one end in a displacement direction is fixed to each of two orthogonal surfaces of the magnet;
An actuator characterized by comprising:
前記駆動体が複数からなり、
前記電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている前記被駆動部材または前記固定部材は、平板から、駆動体を配置する部分として対角上の2つの部分を矩形に切り取った形状を有し、
切り取った2つの前記部分の各々には、直交する2面に電気機械変換素子の変位方向の他端が各々固定されており、
前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して、または前記被駆動部材が前記駆動体と前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータ。 A driving body in which one end of each displacement direction of at least two electromechanical conversion elements is fixed to a magnet, a driven member to which the other end in the displacement direction of the electromechanical conversion element is fixed, and the magnet Consists of a fixing member that can be attracted by magnetic force,
The drive body consists of a plurality,
The driven member or the fixed member, to which the other end in the displacement direction of the electromechanical conversion element is fixed, has a shape in which two diagonal portions are cut out from a flat plate as a portion where a driving body is disposed. Have
In each of the two cut-out portions, the other end in the displacement direction of the electromechanical conversion element is fixed to two orthogonal surfaces,
The driven member and the driving body are made to vibrate with respect to the fixing member , or the driven member is connected to the driving body and the fixing member by causing the electromechanical conversion element to vibrate with different expansion and contraction speeds. An actuator characterized by moving relative to.
前記駆動体の前記磁石は、断面形状が三角形であり、
該磁石の前記三角形を構成する3面に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されており、
前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して、または前記被駆動部材が前記駆動体と前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータ。 A driving body in which one end of each displacement direction of at least two electromechanical conversion elements is fixed to a magnet, a driven member to which the other end in the displacement direction of the electromechanical conversion element is fixed, and the magnet Consists of a fixing member that can be attracted by magnetic force,
The magnet of the driving body has a triangular cross-sectional shape,
One end of the electromechanical conversion element in the displacement direction is fixed to the three surfaces constituting the triangle of the magnet,
The driven member and the driving body are made to vibrate with respect to the fixing member , or the driven member is connected to the driving body and the fixing member by causing the electromechanical conversion element to vibrate with different expansion and contraction speeds. An actuator characterized by moving relative to.
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