JPH01217982A - 圧電リニアアクチュエータ - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、圧電素子を用いた尺取虫運動形の直進用アク
チュエータに係り、特にシャフト等の被クランプ体の軸
方向に被移動体を移動させたり、被クランプ体自体を軸
方向に移動させたりするために用いられる圧電リニアア
クチュエータに関する。

（従来の技術） 従来、圧電素子を用いた尺取虫運動形のリニアアクチュ
エータは、光学機器のミラーの位置決め、半導体製造装
置のウェハの位置合せなどに用いられている。

通常、圧電素子の変位量は、５ｘ５ｘ２０ｍｍの素子に
１００Ｖの電圧を印加した場合、その長手方向に１０μ
ｍ程度である。したがって、微小な位置決めには好適で
あるが、良いストロークを要求される用途には適さない
。

一方、米国特許３，９０２，０８４および３゜９０２．
０８５に示されている尺取車形微動装置は、シャフトの
軸方向に沿って伸縮するリニア部と、その前後方向に配
設されたクランプ部の動作を適宜切り換えてシャフトを
軸方向に移動させるようになっているため、原理的にス
トロークの制限はない。したがって、この微動装置は、
直進用アクチュエータとして優れたものである。

しかしながら、この装置においては、クランプ部として
シャフトの半径方向に伸縮する円環状の圧電素子を用い
て直接シャフトをクランプするようになっているため、
シャフトとクランプ部の加工精度を数μＩ以内にしなけ
ればならず、またギャップ調整も非常に難しいという問
題があった。

シャフトが長くなった場合には全長に厘っで加工精度を
高く保持することが現実的に不可能となるため、長スト
ロークのリニアアクヂュエータとしては不適であると言
わざるを得ない。

また、例えばシャフトに曲げが加わるような負荷が作用
した場合には、クランプ部を構成する圧電素子に負荷が
直接伝わり、この負荷による引張応力によって圧電素子
の破壊を招くことも考えられる。

このような問題点は、製作上のコスト上昇あるいは負荷
の制限といった制約を生じさせ、リニアアクチ１エータ
として限定的な使用をぜざるを得なかった。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の直進用アクチュエータでは、艮スト
【：１−りが可能である反面クランプ部の動作が僅かで
あるため、シャフトとクランプ部との加工精度、ギャッ
プ調整がガしい等の問題があった。

そこで本発明は、通常の機械加工精度で足り、安価に製
作できると共に、ギャップの調整が容易にでき、長スト
ローク化が可能であり、負荷の制限が少ない圧電リニア
アクチュエータを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明は、シャフト等の被ク
ランプ体の軸方向に沿って伸縮可能なリニア部の伸縮方
向前後にクランプ部を有し、このクランプ部で被クラン
プ体を交互にクランプすると共にリニア部を伸縮させて
軸方向に相対移動する圧電リニアアクチュエータにおい
て、前記クランプ部をクランプアームとクランプ用圧電
素子とで構成し、前記クランプアームは被クランプ体の
回りに適宜間隔で複数配設されると共に軸方向に長く形
成され且つ先端部が基端部を支点として回動し被クラン
プ体をクランプするように形成され、前記圧電素子はこ
れらクランプアームを回動すべくクランプアームの回動
半怪より短い半径位置で前記支点の近傍に連結した。

（作用） 軸方向に伸縮するリニア部と、その前後に配設されたク
ランプ部の動作を適宜に切り変えることにより、被クラ
ンプ体の軸方向に沿って相対移動するという基本的動作
は従来のものと変らないが、特にクランプ部の構造とそ
の動きが顕著に異なる。

クランプ部は被クランプ体の回りに適宜間隔で配設され
ると共に軸方向に長く形成された複数のクランプアーム
からなり、これらクランプアームの先端部がそれぞれの
基端部を支点としてその近傍の力点となる位置に連結さ
れたクランプ用圧電素子の駆動により回動して被クラン
プ体の周面にクランプされる。このように圧電素子の変
位を直接シャフトの把持により利用しないで、その変位
をテコの原理を利用したクランプアームで拡大してシャ
フトの把持に利用するようにしたので、シャフト等の加
工精度は通常の機械加工精度で足り、したがって長スト
ローク化が可能になると共に、ギャップの調整も容易に
行うことが可能になる。

また、シャフトに曲げを生じさせるような負荷に対して
クランプ用圧電素子が専ら圧縮方向の力を受けるように
容易に設定できるため、負荷の制限が少ない機構となる
。

（実施例） 以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳述する。

第１図に示すように圧電リニアアクチュエータ１は、被
クランプ体であるシャフト１０の軸方向に沿って伸縮す
るリニア部４と、このリニア部４の前後に対称に配設さ
れたクランプ部２．３とから主に構成されている。リニ
ア部４はシャフト１０を挿通し得る中空円筒状の移動用
圧電素子８によって構成されている。

前記クランプ部２，３はシャフト１０上に摺動自在に支
持される可動ベース７．９を有し、これら可動ベース７
．９の一端部が移動用圧電素子８の両端部にそれぞれ固
着されている。

可動ベース７．９の他端部にはシャフト１０の周方向に
適宜間隔で配設されると共に軸方向に長く形成された複
数（図示例では３ｍ）のクランプアーム６ａ〜６Ｃ２１
１ａ〜１１Ｃが一体形成されている。これらクランプア
ーム６ａ〜６Ｃ９１１８〜１１Ｃの基端部と可動ベース
７．９の連結部は第２図に示すようにくびれた可撓性の
ヒンジ１４になっており、クランプアーム６ａ〜６ｃ。

１１ａ〜１１Ｃの先端部がヒンジ１４を支点としてシャ
フト１０の半径方向に回動し得るようになっている。

クランプアーム６ａ〜６Ｃ１１１ａ〜１１Ｃのヒンジ１
４の上側近傍にはくびれた可撓性のヒンジ１３がそれぞ
れ形成され、これらヒンジ１３にはシトフト１０の軸方
面に沿って配置された角棒状のクランプ用圧電素子５８
〜５Ｃの一端部が固着され、これらクランプ用圧電素子
５ａ〜５Ｃの他端部は可動ベース７．９の外周に形成さ
れたフランジ部１９に固着されている。ヒンジ１３，１
４間の回動半怪は、クランプアーム６ａ〜５ｃ。

１１ａ〜１１Ｃの各ヒンジ１４からクランプパッド１６
までの回動半怪より短くなっている。これによりクラン
プ用圧電素子５ａ〜５Ｃが矢印の方向に伸びると、力点
となる上側ヒンジ１３に力が加わり、クランプアーム６
ａ〜６ｃ、１１ａ〜１１Ｃの先端部がそれぞれの基端部
の下側ヒンジ１４を支点として矢印１５のように回動し
てシャフト１０の外周面に圧接され、シャフト１０をク
ランプするようになっている。この場合、上下ヒンジ１
３，１４間の長さとクランプアーム６ａ〜６ｃ、１１ａ
〜１１Ｃの長さとのレバー比により、クランプ用圧電素
子５８〜５Ｃの変位が拡大されて、クランプパッド１６
の移動量が図示例ではその変位のほぼ１０倍になる。

クランプアーム６ａ〜６０．１１ａ〜１１Ｃの先端部に
はスリット２１が水平に形成され、シャフト１０の外周
面に圧接される下側片がクランプパッド１６として形成
されている。上側片にはクランプパッド１６の上面部に
当接してクランプパッド１６とシャフト１０との間のギ
ャップを調整するためのボルト１８がねじ込まれている
。

次に上述のように構成された圧電リニアアクチュエータ
１１の作動を説明する。

クランプ用圧電素子５８〜５Ｃに電圧を印加すると、ク
ランプアーム６ａ　〜６ｃ、１１ａ　〜１１Ｃが下側ヒ
ンジ１４を支点としてシャフト１０の半径方向内方に回
動してクランプバンド１６をシャフト１０の外周面に圧
接し、シャフト１０をクランプする。電圧の印加を止め
ると、クランプアーム６ａ〜６Ｃ１１１ａ〜１１Ｃはシ
ャフト１０を解放する。また、移動用圧電素子８に電圧
を印加すると、リニア部４は軸方向に伸び、電圧の印加
を止めると元に戻る。これらリニア部４と前後のクラン
プ部２，３に供給する電圧を切替えることにより、この
圧電リニアアクチュエータ１は尺取虫のようにシャフト
１０の軸方向に沿って移動することになる。

これらリニア部４と前後方向のクランプ部２゜３に供給
する電圧のタイムチャートは第３図に示ず通りである。

すなわち、 ■　一方のクランプ部２に電圧を供給する（Ｃ［１）。

■　リニア部４に電圧を供給づる（ＥＸ２）。

■　他方のクランプ部３に電圧を供給する（Ｃ１３）。

■　一方のクランプ部２の供給を止める（ＵＣＬｌ）。

■　リニア部４の供給を止める（ＣＮ２＞。

■　一方のクランプ部２に電圧を供給する（ＣＬｌ−）
。

■　他方のクランプ部３の供給を山める（ＬＪＣ１３）
。

以下■〜■の動作を繰返すことにより圧電リニアアクチ
ュエータ１は第１図の矢印２０ｂ方向に移動することに
なる。方向の切替は、前後のクランプ部２，３への供給
を逆にすればよい。

上述した圧電リニアアクチュエータ１は、可動ベース７
．９とクランプアーム６ａ〜６ｃ、１１ａ〜１１ｃを一
体に形成し、これらクランプアーム６ａ〜６Ｃ１１１ａ
〜１１Ｃの上側ヒンジ１３と可動ベース７．９の７ラン
ジ部１９間にクランプ用圧電素子５８〜５ｃを固着した
構造になっているため、部品点数が少なく、頑丈で故障
しにくく、信頼性が高い。特にテコの原理を応用して圧
電素子５８〜５Ｃの変位を拡大しているため、シャフト
１０と、クランプパッド１６間のはめ合いの精度に充分
余裕をとることができる。これにより、シャフト１０お
よび構成部品の機械加工の粘度を通常の精度にできるた
め、全体として安価に製作することができると共に長ス
トローク化が可能になり、またシャフト１０とクランプ
パッド１６間のギャップの調整も容易に行えるようにな
る。

実施例のようにギＶツブ調整用のボルト１８を用いるこ
とにより、ギャップの調整が更に容易になる。

前記クランプ用圧電素子５８〜５Ｃがシャフト１０の軸
方向に沿って伸縮するように配置されているので、シャ
フト１０が曲がるような負荷に対してクランプ用圧電素
子５８〜５Ｃには圧縮方向の力のみ作用するようになる
ので、引張応力で破壊するような虞れがなく、負荷の制
限が少ない。

また、このようなりランプ用圧電素子５８〜５Ｃの配置
により圧電リニアアクチュエータ１全体の外径が小さく
なり、コンパクトになる。更にクランプアーム６ａ〜６
Ｃ１１１ａ〜１１Ｃとクランプ用圧電素子５８〜５Ｃの
連結部に可撓性ヒンジ１３を設けることにより、外部か
らの過負荷を吸収してまげ応力に弱い圧電素子５８〜５
Ｃを保護することができる。

なお、移動の対象となる被移動体は、いずれか一方の可
動ベース７．９に取付けられることになる。また、アク
チュエータ１を固定しシャフト１０を駆動することもで
きる。

第４図は本発明の第２の実施例として、シャフト３６を
軸方向に移動する軸回動形圧電リニアアクチュエータ３
０を示している。

このアクチュエータ３０はリニア部４がベース３４上に
固定板３２を介して水平に固定され、ベース３４上の両
端部にはシャフト３６を軸方向に移動自在に支持するリ
ニアボールベアリング３５ａ、３５ｂを有する軸受台３
３ａ　、３３ｂが取付けられている。リニア部４を構成
する移動用圧電素子３１ａ、３１ｂは中央で分割されて
前記固定板３２に固着されている。また、クランプアー
ム６ａ〜６Ｃ１１１ａ〜１１Ｃの上側ヒンジ１３と可動
ベース７．９のフランジ部１９との間には中空円筒状の
共通のクランプ用圧電素子３７ａ、３７ｂが固着され、
クランプアーム６ａ〜６Ｃ１１１ａ〜１１ｃを同時に駆
動できるようになっている。このようにクランプ用圧電
素子３７ａ、３７ｂを形成することにより、リニアアク
チュエータ３０は第１の実施例よりも更に簡素化され、
信頼性の高いものとなり、特に軽量化が要求される宇宙
用リニアアクチュエータとして好適である。

第５図は本発明の第３の実施例を示している。

本実施例はクランプアーム６ａ〜６０．１１ａ〜１１Ｃ
の先端部を隣同士弾性部材４０ａ〜４０ｃで連結したも
のである。これによりクランプアーム６ａ〜５ｃ、１１
８〜ＩＩＣの不要な振動が防止され、クランプアームの
共振周波数を高くＪることができ、圧電リニアアクチュ
エータの移動速度を速めることができる。弾性部材４０
ａ〜４０Ｃとしては、板バネ、コイルバネ、ゴム、プラ
スチック等のいずれであってもよい。弾性部材４０８〜
４０ｃはクランプアームの動きを阻害しないように取付
けられる。

また、クランプアーム６ａ〜６Ｇ、１１ａ〜１１Ｃのシ
ャフト１０との接触部に弾性部材５０を固着して、不要
な振動を防止するようにしてもよい、真空中でこの圧電
リニアアクチュエータを用いる場合には、この接触部に
真空潤滑材、例えば二硫化モリブデン、銀のイオンブレ
ーティング等の処理を施すことが必要である。

なお、実施例では被クランプ体としてシャフト１０を用
いたが、パイプであってもよく、パイプの内部を圧電リ
ニアアクチュエータが移動するようにしてもよい。この
場合はクランプアーム６ａ〜６ｃ、１１ａ〜１１Ｃが外
側に開いてパイプの内面をクランプすることになる。

［発明の効果］ 本発明によれば次のような効果を発揮する。

（１）　　リニア部の前後に配設されるクランプ部を複
数のクランプアームにより構成し、クランプ用圧電素子
の変位をこれらクランプアームで拡大して被クランプ体
のクランプに利用するようにしたので、圧電素子からな
るクランプ部で直接被クランプ体をクランプしていた従
来の装置と異なり、シャフト等の加工精度が通常の機械
加工精度で足りる。

（２）　　このため、安価で製作できると共に、長スト
ローク化も可能となり、ギャップの調整も容易に行うこ
とが可能となる。

（３）　　シャフトに曲げを生じさせないような負荷に
対してクランプ用圧電素子が引張力でなく圧縮力を受け
るＪ、うに容易に設定ザることができるため、口前の制
限が少なく耐久性および信頼性のある圧電リニアアクチ
ュエータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電リニアアクチュエータの第１
の実施例を示す斜視図、第２図は第１図の部分拡大図、
第３図は圧電素子の駆動パターンを示したタイムチャー
ト、第４図は本発明の第２の実施例を示す側面図、第５
図は本発明の第３の実施例を示す斜視図である。 図中、２，３はクランプ部、４はリニア部、５ａ〜５ｃ
、３７ａ〜３７ｃはクランプ用圧電索子６ａ〜６Ｃ１１
１ａ〜１１Ｃはクランプアーム、１０．３６は被クラン
プ体としてのシャツ１へ、４Ｑａ〜４０ｃ、５０は弾性
体である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シャフト等の被クランプ体の軸方向に沿って伸縮可能な
   リニア部の伸縮方向前後にクランプ部を有し、このクラ
   ンプ部で被クランプ体を交互にクランプすると共にリニ
   ア部を伸縮させて軸方向に相対移動する圧電リニアアク
   チュエータにおいて、前記クランプ部をクランプアーム
   とクランプ用圧電素子とで構成し、前記クランプアーム
   は被クランプ体の回りに適宜間隔で複数配設されると共
   に軸方向に長く形成され且つ先端部が基端部を支点とし
   て回動し被クランプ体をクランプするように形成され、
   前記圧電素子はこれらクランプアームを回動すべくクラ
   ンプアームの回動半怪より短い半径位置で前記支点の近
   傍に連結したことを特徴とする圧電リニアアクチュエー
   タ。