JPH0124033B2 - - Google Patents

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JPH0124033B2
JPH0124033B2 JP57184535A JP18453582A JPH0124033B2 JP H0124033 B2 JPH0124033 B2 JP H0124033B2 JP 57184535 A JP57184535 A JP 57184535A JP 18453582 A JP18453582 A JP 18453582A JP H0124033 B2 JPH0124033 B2 JP H0124033B2
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piezoelectric
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actuator according
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/101—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using intermittent driving, e.g. step motors

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気エネルギーを回転トルクに変換す
る回転形のアクチユエータに関するものであり、
さらに詳しくは圧電素子を用いた回転形のアクチ
ユエータに関するものである。
〔従来の技術〕
例えば、多関節形ロボツトの各関節部を駆動す
る回転形のアクチユエータとしては、小形軽量で
あり、しかも駆動力が大きいことが要求されてい
る。従来この種の回転形のアクチユエータには、
誘導電動機、同期電動機、直流電動機などの電気
式回転アクチユエータや、油圧モータなどの油圧
式回転アクチユエータが使用されている。電気式
回転アクチユエータによつて低速でしかも大トル
クを発生するためには、極めて減速比の大きい減
速機が必要となるため、その駆動系の構成が複雑
になり、重量も増すと共に、機械効率が低下す
る。また、回転停止、位置保持のために、制動手
段が必要である。さらに油圧式回転アクチユエー
タを使用した場合には、油漏れなどに対するメイ
ンテナンスの問題がある。
一方、近年では圧電素子の利用がさかんであ
り、この圧電素子を用いた回転形アクチユエータ
が提案されている。この種の回転形アクチユエー
タの一例としては米国特許第4019073号に記載の
ものがある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この種の圧電素子を用いた回転形のアクチユエ
ータは小トルクを発生するものであり、低速で大
トルクを発生することができなかつた。
本発明は低速で大きな回転トルクを連続的に供
給することができる回転形のアクチユエータを提
供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は上記の目的は、電気エネルギーを回転
トルクに変換する回転形のアクチユエータにおい
て、ステータと、このステータに回転可能に支持
されたロータと、前記ステータにロータ側に向つ
て突出するように設けた保持部材と、前記保持部
材の両側にそれぞれ位置して設けられ、その半径
方向の膨張および収縮変形によりロータをクラン
プおよび解放する円環状の第１の駆動手段と、前
記第１の駆動手段と前記保持部材との間にこれら
に固着して設けられ、前記第１の駆動手段に前記
ロータ回り方向の移動を与えるための第２の駆動
手段と、前記第１および第２の駆動手段に電圧を
供給する手段とを備えることにより達成される。
〔作用〕
第１の駆動手段および第２の駆動手段に交互に
電圧を供給すると、第１の駆動手段はロータを交
互にクランプおよび解放する動作を行い、また第
２の駆動手段はロータに円周方向の微小回転動作
を与える。これらの動作の繰返しにより、ロータ
はステータに対して回転変位を発生する。
〔実施例〕
以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。
本発明の回転形のアクチユエータの一実施例を
第１図〜第３図を用いて説明する。第１図および
第２図において、１はステータとなる筒体を示
す。この筒体１には軸受３によつて軸体２が回転
可能に支持されている。この軸体２はロータとし
て作用する。筒体１の内面には軸体２方向に向つ
て突出する保持部材４が設けられている。この保
持部材４の両側にはそれぞれ円環状の第１の圧電
体５，６が配置されている。これらの第１の圧電
体５，６はそれぞれその内周および外周に一対の
電極７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂを備えている。第１
の圧電体５，６は分極方向Ａ１がその半径方向に
なるように分極処理されている。この分極処理は
圧電体に高電圧をかけてこの圧電体内の自発分極
の向きを揃える操作によつて可能である。このよ
うに分極処理された第１の圧電体５，６にそれぞ
れ一対の電極７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂによつて分
極方向Ａ１と同一方向に電界をかけると、第１の
圧電体５，６は分極方向Ａ１と同方向の縦歪とこ
れと直角な横歪とを生じるが、横歪が大きく作用
して半径方向Ｂ１に膨張および収縮歪を生じる。
この第１の圧電体５，６の収縮歪により、第１の
圧電体５，６の内周は軸体２に接触し、これをク
ランプする。また第１の圧電体５，６の膨張歪に
より、第１の圧電体５，６は軸体２のクランプを
解放する。この例では第１の圧電体６が収縮歪に
より軸体２をクランプし、第１の圧電体５は膨張
歪により軸体２のクランプを解放し、その内周と
軸体２との間に微小すきまを形成している。
第１の圧電体５，６と保持部材４との間には、
それぞれ一対の電極９Ａ，９Ｂ，１０Ａ，１０Ｂ
を介して第２の圧電体１１，１２が軸体２の回り
に複数個固着して設けられている。これらの第２
の圧電体１１，１２は軸体２の接線方向Ａ２に分
極処理されている。このため、これらの第２の圧
電体１１，１２はそれぞれ一対の電極９Ａ，９
Ｂ，１０Ａ，１０Ｂによつて加えられる分極方向
Ａ２と直角方向の電界によりその第１の圧電体
５，６側の部分が分極方向Ａ２すなわち第２図に
示す矢印Ｂ２の方向の歪、所謂せん断歪を生じ
る。この第２の圧電体１１，１２のせん断歪は第
１の圧電体５，６をこのせん断歪量に相当する量
だけ円周方向に変位させる。
次に第１の圧電体５，６および第２の圧電体１
１，１２に電圧を供給する駆動回路の基本構成を
第３図において説明する。この駆動回路は、各圧
電体５，６，１１，１２に接続するスイツチング
回路３０１とこのスイツチング回路３０１を制御
する信号発生器３０２とを備えている。スイツチ
ング回路３０１の端子３０３は電圧電源（図示せ
ず）に接続している。スイツチング回路３０１に
おける各圧電体５，６，１１，１２に接続するス
イツチング部はトランジスタT1，T2、抵抗Ｒお
よびインバータ1NVを備えており、信号発生器
３０２のチヤンネルCH１〜CH４にそれぞれ接
続している。信号発生器３０２の各チヤンネル
CH１〜CH４から出力される信号パターンの一
例を、第４図に示す。この信号パターンはこの例
では矩形波信号を示してある。
いま、圧電体５を動作させる場合、信号発生器
３０２のチヤンネルCH１から、矩形波信号のハ
イレベルが出力されると、スイツチング回路３０
１のトランジスタT1がオンとなり、一方、トラ
ンジスタT2がオフになるので、端子３０３に印
加された電圧が抵抗Ｒを通つて圧電体５にチヤー
ジされる。また、チヤンネルCH１から、矩形波
信号のロウレベルが出力されると、上述とは逆に
スイツチング回路３０１のトランジスタT1がオ
フし、トランジスタT2がオンになり、圧電体５
に加えられた電圧をデイスチヤージする。
次に上述した第１図に示す本発明の回転形アク
チユエータの一例を、第４図に示す信号発生器３
０２からの信号パターンにもとづいて動作させる
場合を以下に説明する。第４図に示す信号パター
ンによつて得られる圧電体５，６，１１，１２の
時間Ｔ経過に伴なう動作を第５図に示す。この図
において、Ａは圧電体５の動作タイムチヤートを
示し、Ｂは圧電体６の動作タイムチヤートを示
し、それぞれ高い部分が膨張歪状態（クランプ解
放）を、低い部分が収縮歪状態（クランプ）を示
す。またＣは圧電体１１の動作状態およびＤは圧
電体１２の動作状態を示し、それぞれの高い部分
が圧電体５，６をそれぞれ左方向に回すように変
形した状態、低い部分が右方向に回すように変形
した状態を示す。Ｅは軸体２の筒状体１に対する
相的回転変位を示す。これらのすべての横軸は時
間Ｔの経過を表わし、〜は動作ステツプを示
す。
いま、第５図に示すステツプにおいては、圧
電体６が収縮していて、軸体２をクランプしてい
る状態で、圧電体５が膨張してクランプ解放して
いる。
ステツプにおいては、圧電体１２が圧電体６
を左へ１ステツプ回転させるように変形すると同
時に、圧電体１１が圧電体５を右へ１ステツプ戻
す。このとき、軸体２は筒状体１に対して左方向
へ１ステツプ回転する。
ステツプにおいては、圧電体５が収縮して軸
体２をクランプする。
ステツプにおいては、圧電体６が膨張して軸
体２のクランプを解放する。
ステツプにおいては、圧電体１１が圧電体５
を左方向へ１ステツプ回転させるように変形する
と同時に、圧電体１２が圧電体６を右方向へ１ス
テツプ戻す。これにより、軸体２は筒状体１に対
して１ステツプ左方向に回転する。
ステツプにおいては、圧電体６が収縮して軸
体２をクランプする。このクランプ状態はその後
の非通電時における軸体２の保持ブレーキ作用と
して発揮するものである。
以上述べた６つのステツプを１周期として実行
することにより、軸体２は筒状体１に対して２ス
テツプ左方向に回転する。
以下上述の動作を繰返すことにより、軸体２を
左方向に連続的に回転させることができる。
なお、上述の動作は軸体２を第２図において左
回転させる場合であるが、右回転させる場合に
は、第５図に示す動作タイムチヤートにおいて、
圧電体１１，１２の動作が逆向きとなるように電
圧を印加すればよい。
第６図は本発明の回転形アクチユエータの他の
例を示すもので、この図において第１図と同符号
のものは同一部分である。この実施例は第１図に
示す例における第２の圧電体１１，１２すなわち
せん断歪形圧電体をバイモルフ形圧電体１３に換
えたものである。このバイモルフ形圧電体１３は
第１図に示すせん断歪形圧電体１１，１２と同様
に保持部材４と第１の圧電体５，６との間におい
て円周方向に変位するように複数個設けられてい
る。この実施例によれば、バイモルフ形圧電体１
３はせん断歪形圧電体に比べて発生する力は小さ
いが、変位量を大きくすることができる。このた
め、ロータを高速回転させることができるアクチ
ユエータを提供することができる。
第７図は本発明の回転形アクチユエータのさら
に他の例を示すもので、この図において第１図と
同符号のものは同一部分である。この実施例は軸
体２をステータとし、筒体１をロータとして回転
させるように構成したものである。この構成のた
めに、軸体２は第１の圧電体５，６を連結した第
２の圧電体１１，１２を保持するための保持部材
１４を備えている。この保持部材１４は筒体１の
方向に向つて突出している。そして第１の圧電体
５，６はその膨張歪および収縮歪によりその外周
面が筒体１の内周面に対してクランプおよびその
解放を行なう作用面となる。この実施例の動作は
第１図に示す実施例と同様であるので、その説明
は省略する。一般に圧電体は引張応力よりも圧縮
応力に対して非常に強いので、この実施例のよう
に第１の圧電体５，６を筒体１の内側に向けて押
し付けることは、第１の圧電体５，６の耐久性向
上に有効である。
なお、第７図に示す実施例においても、第２の
圧電体１１，１２を第６図に示すバイモルフ形圧
電体に換えることも可能である。また、第２の圧
電体１１，１２は単一構造でもよいし、多数電極
を持つ積層構造のものも用いることができる。さ
らに、第２の駆動手段の第１の駆動手段への連結
構成は、上述した実施例のように第１の駆動手段
の側面に限られず、その内周または外周に連結す
ることも可能である。また、駆動回路としては矩
形波信号の供給に限られず、正弦波等のアナログ
信号も供給することができる。さらに、上述した
回転形アクチユエータを複数組軸方向に並置する
ことも可能である。
以上述べたように、本発明の実施例によれば、
回転トルクを連続的に供給することができると共
に、小形軽量でしかもコンパクトに構成すること
ができる。
〔発明の効果〕
以上詳述したように、本発明によれば、減速機
が不要であり、駆動系を単純かつ軽量にすること
ができると共に、低速でしかも大トルクを出力す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の回転形のアクチユエータの一
実施例を示す縦断面図、第２図は第１図に示す本
発明の回転形のアクチユエータの一実施例を一部
断面にて示す斜視図、第３図は第１図に示す本発
明の回転形のアクチユエータの一実施例の駆動回
路図、第４図はその駆動回路を構成する信号発生
器から供給する信号パターンの一例を示すタイム
チヤート図、第５図は第１図に示す本発明の回転
形アクチユエータの一実施例の動作を示すタイム
チヤート図、第６図は本発明の回転形のアクチユ
エータの他の実施例を一部断面にて示す斜視図、
第７図は本発明の回転形のアクチユエータのさら
に他の実施例を一部断面にて示す斜視図である。 １…筒体、２…軸体、４…保持部材、５，６…
第１の圧電体、７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂ，９Ａ，
９Ｂ，１０Ａ，１０Ｂ…電極、１１，１２…第２
の圧電体。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 電気エネルギーを回転トルクに変換する回転
    形のアクチユエータにおいて、ステータと、この
    ステータに回転可能に支持されたロータと、前記
    ステータにロータ側に向つて突出するように設け
    た保持部材と、前記保持部材の両側にそれぞれ位
    置して設けられ、その半径方向の膨張および収縮
    変形によりロータをクランプおよび解放する円環
    状の第１の駆動手段と、前記第１の駆動手段と保
    持部材との間に、これらに固着して設けられ、前
    記第１の駆動手段に前ロータ回り方向の移動を与
    えるための第２の駆動手段と、前記第１および第
    ２の駆動手段に電圧を供給する手段とを備えたこ
    とを特徴とするアクチユエータ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のアクチユエータ
    において、ステータは筒状体であり、ロータは筒
    状体に挿入され、これに回転可能に支持された軸
    体であり、前記筒状体は第１の駆動手段に連結し
    た第２の駆動手段を保持するために、軸体に向つ
    て突出する保持部材を備えたことを特徴とするア
    クチユエータ。 ３ 特許請求の範囲第２項記載のアクチユエータ
    において、第１の駆動手段は円環状の圧電体と、
    この圧電体の内周と外周に設けた一対の電極とを
    備えたことを特徴とするアクチユエータ。 ４ 特許請求の範囲第３項記載のアクチユエータ
    において、第２の駆動手段は、せん断歪形の圧電
    体と、この圧電体の分極方向と平行にこの圧電体
    に設けた一対の電極とで構成されていることを特
    徴とするアクチユエータ。 ５ 特許請求の範囲第３項記載のアクチユエータ
    において、第２の駆動手段は、印加電圧によりた
    わみ変形するバイモルフ形圧電体で構成されてい
    ることを特徴とするアクチユエータ。 ６ 特許請求の範囲第４項または第５項記載のア
    クチユエータにおいて、第１の駆動手段を構成す
    る少なくとも１つの円環状の圧電体は、非通電
    時、収縮歪によりロータをクランプする状態に維
    持されていることを特徴とするアクチユエータ。 ７ 特許請求の範囲第１項記載のアクチユエータ
    において、ステータは軸体でありロータは前記軸
    体を内装し、これに回転可能に支持された筒状体
    であり、前記軸体は第１の駆動手段に連結した第
    ２の駆動手段を保持するために、筒状体の内面に
    向つて突出する保持部材を備えたことを特徴とす
    るアクチユエータ。 ８ 特許請求の範囲第７項記載のアクチユエータ
    において、第１の駆動手段は円環状の圧電体と、
    この圧電体の内周と外周に設けた一対の電極とを
    備えたことを特徴とするアクチユエータ。 ９ 特許請求の範囲第８項記載のアクチユエータ
    において、第２の駆動手段は、せん断歪形の圧電
    体と、この圧電体の分極方向と平行にこの圧電体
    に設けた一対の電極とで構成されていることを特
    徴とするアクチユエータ。 １０ 特許請求の範囲第８項記載のアクチユエー
    タにおいて、第２の駆動手段は印加電圧によりた
    わみ変形するバイモルフ形圧電体で構成されてい
    ることを特徴とするアクチユエータ。 １１ 特許請求の範囲第９項または第１０項記載
    のアクチユエータにおいて、第１の駆動手段を構
    成する少なくとも１つの円環状の圧電体は、非通
    電時、膨張歪によりロータをクランプ状態に維持
    することを特徴とするアクチユエータ。
JP57184535A 1982-10-22 1982-10-22 アクチユエ−タ Granted JPS5976184A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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EP83110520A EP0112454B1 (en) 1982-10-22 1983-10-21 Rotary actuator
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