JPH03273882A - 直動駆動装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は直動駆動装置に関するもので、特に、半導体製
造装置、ＮＣ工作機械、放電加工機、光学機械等の各種
精密機器の送装置または位置決装置に使用される直動駆
動装置に関するものである。

［従来の技術］ この種の送装置または位置決装置には高い精度と速い応
答性が要求されるため、モータとねじ機構とからなる送
りまたは位置決装置に加えて、近年、圧電素子を組込ん
た直動駆動装置が広く使用されるようになっている。そ
して、ＸＹステージ等の比較的重量の大きい移動体を微
動制御する装置においては、大きな発生力が得られる積
層構造の圧電積層体による直動駆動装置が好適とされて
いる。

従来のこの種の圧電式直動駆動装置としては、第６図に
示すものが知られている。第６図は第一従来例の直動駆
動装置を示す一部破断正面図である。

第６図において、（１）は圧電積層体の全体を示し、こ
の圧電積層体（１）はそれぞれ複数の圧電素子（２）と
電極（３）とを交互に積層して構成されている。（４）
は前記圧電積層体（１）の両端に固着された絶縁層であ
る。（６）は圧電積層体（１）の一端面が接合する固定
部であり、前記微動送装置または微動位置決装置の一部
に固定される。（７）は圧電積層体（１）の他端側に配
置された変位部であり、微動送装置または微動位置決装
置の移動体等に接合または連結される。

（８）は圧電積層体（１）の中心軸方向に圧縮力を作用
させるボルトであり、圧電積層体（１）の中心軸に沿っ
て貫挿されて、その先端が前記固定部（６）に螺着され
ている。（９）は圧電積層体（１）の外周面全体を覆う
外側絶縁層、（１０）は圧電積層体（１）の各電極（３
）に電圧を印加するリード線である。

次に、上記のように構成された従来の圧電式直動駆動装
置の動作を説明する。

圧電積層体（１）のリード線（１０）及び電極（３）を
介して各圧電素子（２）に直流電圧が印加されると、各
圧電素子（２）にはそれぞれ電圧の印加方向に歪みが発
生し、それらの総和により圧電積層体（１）には全体と
して数ミクロンから数十ミクロンの伸びが生じる。この
伸びは印加電圧の大きさにほぼ比例するため、印加電圧
の調整によって圧電積層体（１）の伸びを適宜制御する
ことができる。また、この伸びを得るに要する時間は数
十マイクロ秒と十分に速く、しかも、電圧を高速で印加
することによって伸びを高速で制御することが可能であ
る。

ところで、通常、圧電積層体（１）の変位に伴う発生力
の中心位置は、各圧電素子（２）の発生力の中心位置の
偏倚、または、圧電積層体（１）の積層誤差、或いは、
直動駆動装置の組付誤差等の原因により、ボルト（８）
の圧縮力の中心位置からずれることがある。このため、
直動駆動装置の伸張変位時には、発生力と圧縮力との中
心位置のずれに応じた大きさの曲げモーメントが圧電積
層体（１）に作用する。

しかしながら、上記の従来の圧電式直動駆動装置は、圧
電積層体（１）内に動作に伴う引張力が作用して圧電積
層体（１）が破壊しないように、変位部（７）を伸びの
バネ定数が小さいボルト（８）で支持するように構成さ
れているから、圧電積層体（１）に作用する曲げモーメ
ントにより、変位部（７）が圧電積層体（１）の中心軸
に対し傾斜した状態で変位して、その直進度が著しく低
下し、また高速運動時には共振を発生することもある。

そこで、これを改善した圧電式直動駆動装置も案出され
ている。この種の圧電式直動駆動装置は、特願昭６３−
２７２１５８号において提案されており、これを第７図
及び第８図を用いて説明する。

第７図は第二従来例の直動駆動装置を示す一部破断正面
図、第８図は第７図の底面図である。

第７図及び第８図において、（１）は圧電積層体、（１
２）は図示しない送装置または位置決装置の一部に固定
される固定部であり、その中央部には前記圧電積層体（
１）の一端面が接合する突出部（１３）が形成されてい
る。（１４）は圧電積層体（１）を同一の中心軸上に収
容する円筒状の収容筒であり、その一端はねじ（１５）
により前記固定部（１２）の外周部に固定されている。

（１６）は前記収容筒（１４）の他端面に接合配置され
た円形の第一圧縮部材であり、圧電積層体（１）の他端
の変位側端面に接合する変位部（１７）と、収容筒（１
４）に連続する筒状部（１８）と、変位部（１７）の外
周と筒状部（１８）の内周とを連結する薄肉のダイヤフ
ラム部（１９）とから一体に構成されている。（２０）
は前記第１圧縮部材（１６）に接合配置された第二圧縮
部材であり、第一圧縮部材（１６）とほぼ同様に、変位
部（２１）と筒状部（２２）とダイヤフラム部（２３）
とから一体に構成されている。そして、第一圧縮部材（
１６）及び第二圧縮部材（２０）は、圧電積層体（１）
に所定の圧縮力を作用させるように、それらの筒状部（
１８）及び筒状部（２２）にて共通のねじ（２４）によ
り収容筒（１４）の他端面に固定されている。なお、（
２５）は圧電積層体（１）に電圧を印加するリード線で
ある。

次に、上記のように構成された圧電式直動駆動装置の動
作について説明する。

圧電積層体（１）に電圧が印加されない状態では、第一
圧縮部材（１６）及び第二圧縮部材（２０）の各ダイヤ
フラム部（１９）、　　（２３）の弾力により変位部（
１７）、（２１）が圧電積層体（１）の変位側端面を押
圧して、圧電積層体（１）の中心軸方向に所定の圧縮力
が作用している。この状態で、リード線（２５）を介し
て圧電積層体（１）に電圧が印加されると、その印加電
圧に応じて圧電積層体（１）が伸び、それに伴い、ダイ
ヤフラム部（１９）、（２３）の弾性変形を介して変位
部（１７）、（２１）が変位する。そして、印加電圧が
除去されると、圧電積層体（１）の収縮変形に伴い、変
位部（１７）、　　（２１）がダイヤフラム部（１９）
、　　（２３）の弾力により原位置に復帰される。

このように、この第二従来例の圧電式直動駆動装置は、
圧電積層体（１）と、その圧電積層体（１）をほぼ同一
の中心軸上に収容する収容筒（１４）と、圧電積層体（
１）の変位側端面に接合する変位部（１７）、　　（２
１）と、その変位部（１７）、（２１）と収容筒（１４
）を連結するダイヤフラム部（１９）、　　（２Ｂ）と
から構成されており、常に、ダイヤプラム部（１９）　
、　　（２３）が変位部（１７）、　　（２１）を介し
て圧電積層体（１）に所定の圧縮力を作用させているた
め、圧電積層体（１）の内部に引張力が発生するおそれ
がない。そして、電圧の印加により圧電積層体（１）が
変位すると、それに伴い、ダイヤフラム部（１９）、（
２３）が弾性変形して、変位部（１７）、（２１）が圧
電積層体（１）の中心軸方向に変位する。したがって、
このダイヤフラム部（１９）、（２３）及び収容筒（１
４）の働きにより、変位部（１７）、　　（２１）は高
精度で直進する。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記のような従来の直動駆動装置は、圧電積層
体（１）が電圧の印加により伸びる特性を利用しており
、この伸びの量は数ミクロンがら数十ミクロンと小さか
った。このため、従来の圧電式直動駆動装置では、動作
ストロークが十分でないことがあった。例えば、森北出
版（株）発行の「圧電／電歪アクチュエータ」のＰ、２
２６〜Ｐ、２４２に示された市販の圧電積層体の性能か
られかるように、長さ５ｃｍ程度の圧電積層体は５０μ
ｍ以下のストロークしか持たないため、必然的に圧電式
直動駆動装置の動作ストロークは制限を受けていた。

そこで、この発明は従来の圧電式直動駆動装置と同等の
高速・高精度で優れた直進性を有し、且つ、従来の圧電
式直動駆動装置に比べてその動作ストロークが大きい直
動駆動装置の提供を課題とするものである。

［課題を解決するための手段］ この発明にかかる直動駆動装置は、超磁歪素子と、前記
超磁歪素子を動作させるための磁界を生成し前記超磁歪
素子に作用させるコイルと、前記超磁歪素子をほぼ同一
の中心軸上に収容する収容筒と、前記超磁歪素子の変位
側端面に接合する変位部と、前記変位部と収容筒とを連
結するダイヤフラム部とから構成されたものである。

［作用］ この発明の直動駆動装置においては、常に、ダイヤフラ
ム部が変位部を介して超磁歪素子に所定の圧縮力を作用
させているため、超磁歪素子の内部に引張力が発生する
おそれがない。そして、磁場を作用させることにより超
磁歪素子が変位すると、それに伴い、ダイヤフラム部が
弾性変形して、変位部が超磁歪素子の中心軸方向に変位
する。この場合、ダイヤフラム部が大きな傾きのバネ定
数を保有するため変位部を高精度で直進させる。また、
超磁歪素子の超磁歪は圧電素子の圧電歪に比べて大きい
ので、前記変位部が超磁歪素子の中心軸方向に変位する
変位量も圧電積層体を利用した直動駆動装置に比べて大
きい。

［実施例コ 以下、本発明の実施例について説明をする。

第１図は本発明の一実施例による直動駆動装置の一部破
断正面図、第２図は第１図の底面図である。図中、（１
２）から（２５）は上記従来例の構成部分と同一または
相当する構成部分を示すものである。

第１図及び第２図において、（３１）は磁界の作用で巨
大な磁歪（超磁歪）を生ずる超磁歪素子、（３２）は超
磁歪素子（３１）の回りに中心軸を路間−にして配した
コイルであり、超磁歪素子（３１）に超磁歪を起こさせ
るための磁界を生成し、超磁歪素子（３１）に作用させ
る。なお、このコイル（３２）にはリード線（２５）に
より電流が導かれる。上記の超磁歪素子（３１）及びコ
イル（３２）は共に収容筒（１４）内に収容されており
、超磁歪素子（３１）は収容筒（１４）の略同心軸上に
収容されている。また、この超磁歪素子（３１）は固定
部（１２）と第一圧縮部材（１６）との間に装着されて
いる。即ち、固定部（１２）の中央部に形成された突出
部（１３）に超磁歪素子（３１）の一端面が接合し、こ
の超磁歪素子（３１）の他端の変位側端面に第一圧縮部
材（１６）の変位部（１７）が接合している。第一圧縮
部材（１６）及び第二圧縮部材（２０）は超磁歪素子（
３１）に所定の圧縮力を作用させている。このように、
この実施例の直動駆動装置は第二従来例で示した圧電式
直動駆動装置の圧電積層体（１）に代えて超磁歪素子（
３１）及びコイル（３２）を配したものである。

ここで、［未踏加工技術Ｊ　１９８６年５月号のＰ、　
　２〜Ｐ、７に示された「超磁歪」の記事を参考にして
、超磁歪素子（３１）について簡単に述べる。

磁性体を磁化したとき、その寸法が変化する現象を磁歪
という。いま、長さしの磁性体に外部から磁場Ｈを加え
ると、磁性体の長さが変化する。

この長さの変化は、磁場Ｈを大きくするにつれて大きく
なるが、ある磁場以上では飽和して、ある長さの変化ｄ
Ｌ以上には大きくならなくなる。このときのｄＬ／Ｌで
表わされる値を、その材料の磁歪定数と称する。最近の
研究では、希土類金属とＦｅの合金の中には、磁歪定数
が２０００ｐｐｍに及ぶものがあることが明らかになっ
ており、このような材料は超磁歪素子（３１）と呼ばれ
ている。念のため記載すると、長さの変化の磁歪の大き
さは、通常の材料は１０−１〜１０−５程度で小さく、
だいたい熱膨張率と同じくらいであるが、超磁歪素子（
３１）の磁歪の大きさは、従来の磁歪の大きさの１，０
００倍から１０，０００倍程度量上のものである。特に
、本発明を実施する場合の超磁歪素子（３１）としては
、圧電素子で同様の構成が電歪定数が８００ｐｐｍから
１１０００ｐｐ程度で実用化されているから、圧電材料
で同様の構成が実施可能な領域以上の電歪定数であれば
よい。なお、この超磁歪素子（３１）は発生力や応答性
も圧電素子と比較して実用上遜色がない。したがって、
この超磁歪素子（３１）を使用すれば、例えば、長さ５
ｃｍの材料を用いて１００μｍ程度のストロークを持つ
直動駆動機構を作ることができる。そこで、この超磁歪
素子（３１）を利用すれば、従来の圧電積層体（１）を
利用した圧電式直動駆動装置に比べて大きな動作ストロ
ークを有する直動駆動装置を提供できる。この実施例の
直動駆動装置はかかる点に着目して、上記第二従来例の
圧電式直動駆動装置の圧電積層体（１）に代えて超磁歪
素子（３１）及びコイル（３２）を配したものである。

次に、上記のように構成されたこの実施例の直動駆動装
置の動作について説明をする。

コイル（３２）に通電されていない状態では、第一圧縮
部材（１６）及び第二圧縮部材（２０）の各ダイヤフラ
ム部（１９）、　　（２３）の弾性力により変位部（１
７）、（２１）が超磁歪素子（３１）の変位側端面を押
圧して、圧電積層体（１）の中心軸方向に所定の圧縮力
が作用している。この状態で、リード線（２５）を介し
てコイル（３２）が通電されると、その電流により発生
した磁場が超磁歪素子（３１）に作用し、超磁歪現象に
より超磁歪素子（３１）が伸び、それに伴い、ダイヤフ
ラム部（１９）、　　（２３）の弾性変形を介して変位
部（１７）、（２１）が変位する。

そして、電流が除去されて磁場がなくなると、超磁歪素
子（３１）の収縮変形に伴い、変位部（１７）、　　（
２１）がダイヤフラム部（１９）、　　（２３）の弾性
力により原位置に復帰される。

なお、超磁歪素子（３１）を用いた本実施例の直動駆動
装置では、第７図に示した第二従来例の圧電式直動駆動
装置と同様に、第一圧縮部材（１６）と第二圧縮部材（
２０）が接合された部分の構造は中心軸が極めて傾きに
くいので、変位部（１７）、（２１）は高精度で直進す
る。

したがって、この実施例の超磁歪素子（３１）を利用し
た直動駆動装置においては、従来の圧電式直動駆動装置
に比べて動作ストロークが大きいばかりでなく、従来の
圧電式直動駆動装置と同等の高速・高精度で優れた直進
性をも有する。

続いて、この発明の超磁歪素子（３１）を利用した直動
駆動装置の他の実施例について説明をする。上記実施例
の直動駆動装置では、コイル（３２）の中心軸上に超磁
歪素子（３１）を配して磁場を作用させたが、必ずしも
この配置に限定されるものではない。第３図は本発明の
他の実施例による直動駆動装置の一部破断正面図である
。図中、（１２）から（２５）、（３１）及び（３２）
は上記従来例の構成部分と同一または相当する構成部分
を示すものである。

第３図において、（３３）は超磁歪素子（３１）と第一
圧縮部材（１６）の変位部（１７）との間に配設した第
一磁性体、（３４）は第一磁性体（３３）とで磁気回路
を構成する第二磁性体であり、超磁歪素子（３１）と固
定部（１２）の突出部（１３）とにより支持されている
。そして、この第二磁性体（３４）にはコイル（３２）
が巻設されている。このように、超磁歪素子（３１）と
は離れた位置にコイル（３２）を配設し、第一磁性体（
３３）及び第二磁性体（３４）により磁気回路を構成し
、超磁歪素子（３１）に磁場を誘導してもよい。

この構成の直動駆動装置においても、上記実施例と同様
に、従来の圧電式直動駆動装置と同等の高速・高精度で
優れた直進性を有するとともに、従来の圧電式直動駆動
装置に比べて大きな動作ストロークが期待できる。加え
て、この実施例によれば、コイル（３２）を構造上都合
のよい位置に配設できる他、コイル（３２）を冷却し易
い位置に配設することができるという利点もある。

なお、収容筒（１４）や変位部（１７）、（２１）やダ
イヤフラム部（１９）、　　（２３）や固定部（１２）
を磁性体で作って、これらによってコイル（３２）が発
生した磁場を超磁歪素子（３１）に導く磁気回路を兼ね
るような構成にしても差支えない。かかる構成を採用す
れば、更に効率よく磁場を超磁歪素子（３１）に作用さ
せることができ、磁場が周辺に漏れることを防ぐことが
できるという利点がある。

このように、上記の各実施例の直動駆動装置は、超磁歪
素子（３１）と、この超磁歪素子（３１）を動作させる
ための磁界を生成し超磁歪素子（３１）に作用させるコ
イル（３２）と、この超磁歪素子（３１）の一端面側が
接合される固定部（１２）と、その固定部（１２）に一
端面が固定されるとともに、内部に超磁歪素子（３１）
及びコイル（３２）をほぼ同一の中心軸上に収容する収
容筒（１４）と、その収容筒（１４）の他端面に重合状
態で固定された第一圧縮部材（１６）及び第二圧縮部材
（２０）とから構成され、第一圧縮部材（１６）及び第
二圧縮部材（２０）には、収容筒（１４）に連続する筒
状部（１８）、　　（２２）と、超磁歪素子（３１）の
変位側端面によりその中心軸方向に変位される変位部（
１７）、　　（２１）と、その変位部（１７）、　　（
２１）の外周面と筒状部（１８）、（２２）の内周面と
を連結する薄肉のダイヤフラム部（１９）、　　（２３
）とをそれぞれ一体に形成したものである。

したがって、上記の各実施例によれば、収容筒（１４）
と一対の筒状部（１８）、　　（２２）とにより構成さ
れる筒状体が大きな大きな傾きのバネ定数を保有するた
め、第二圧縮部材（２０）の変位部（２１）は、直進度
を高精度に維持した状態で、圧電積層体（１）の中心軸
方向に変位することができる。また、本実施例の直動駆
動装置は第−及び第二の一対の圧縮部材（１６）、（２
０）を備えているため、仮に、各圧縮部材（１６）。

（２０）に製作誤差があった場合でも、それらの誤差が
相殺されて、変位部（２１）の直進精度が向上する。し
かも、超磁歪素子（３１）による超磁歪は圧電素子によ
る圧電歪に比べて変位量が極めて大きく、且つ、発生力
や応答性も超磁歪素子（３１）は圧電素子と比較して実
用上遜色がない。

したがって、この超磁歪素子（３１）を直動駆動装置に
使用したことにより、従来の圧電積層体（１）を利用し
た圧電式直動駆動装置に比べて動作ストロークが大きく
なる。この結果、従来利用することができなかった装置
にも広く採用することができる直動駆動装置となり、利
用範囲が拡大する。

ところで、上記実施例の直動駆動装置においては、圧縮
部材（１６）、（２０）と収容筒（１４）とは各々別体
で構成されているが、本発明を実施する場合には、これ
に限定されるものではなく、第４図に示すように、収容
筒（１４）の他端に薄肉の連結部（３８）を介してダイ
ヤフラム部（３９）を一体形成し、そのダイヤフラム部
（３９）の中央部に変位部（４０）を設けてもよい。こ
れによっても、上記実施例と同様に、変位部（４０）の
直進精度を向上できるとともに、部品点数を削減して、
組付誤差を減少できるという効果が得られる。

また、上記実施例では、収容筒（１４）に二枚の圧縮部
材（１６）、（２０）が重合連結されているが、本発明
を実施する場合には、これに限定されるものではなく、
三枚以上の圧縮部材を重合して、より高い精度で変位部
を直進変位させることもできる。

更に、上記実施例では、圧縮部材（１６）。

（２０）が変位部（１７）、（２１）　、筒状部（１８
）、　　（２２）及びダイヤフラム部（１９）。

（２３）から構成されているが、本発明を実施する場合
には、これに限定されるものではなく、第５図に示すよ
うに、圧縮部材（４１）をダイヤフラム部（４２）と変
位部（４３）とからのみ構成し、その圧縮部材（４１）
を収容筒（１４）と保持環（４４）とにより挾持するこ
とも可能である。

この場合、前記ダイヤフラム部（４２）の外周部を収容
筒（１４）の尖鋭部（４５）と、保持環（４４）の尖鋭
部（４６）とで挾持すれば、ダイヤフラム部（４２）の
可撓性を向上することができる。

加えて、第１図、第３図乃至第５図に示した各実施例で
は、変位部（１７）、（２１）、（４０）（４３）がダ
イヤフラム部（１９）、　　（２Ｂ）。

（３９）、（４２）と一体的に形成されているが、本発
明を実施する場合には、これに限定されるものではなく
、変位部とダイヤフラム部とを別体品で構成することも
できる。

なお、上記実施例の直動駆動装置は固定部（１２）を備
えるものであるが、超磁歪素子（３１）及び収容筒（１
４）の一端を送り装置または位置決装置側の固定部に直
接固定できる使用態様においては、直動駆動装置それ自
身の固定部を省略して実施することが可能である。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の直動駆動装置は、超磁歪素子と
、前記超磁歪素子を動作させるための磁界を生成し前記
超磁歪素子に作用させるコイルと、前記超磁歪素子をほ
ぼ同一の中心軸上に収容する収容筒と、前記超磁歪素子
の変位側端面に接合する変位部と、前記変位部と収容筒
とを連結するタイヤフラム部とから構成したものである
から、常に、ダイヤフラム部か変位部を介して超磁歪素
子に所定の圧縮力を作用させており、超磁歪素子の内部
に引張力が発生するおそれがなく、かつ、磁場を作用さ
せることにより超磁歪素子が変位すると、それに伴って
ダイヤフラム部が弾性変形して、変位部が超磁歪素子の
中心軸方向に変位し、更に、ダイヤフラム部が大きな傾
きのバネ定数を保有するため、直動駆動装置の傾きのバ
ネ定数を大きくして、超磁歪素子の中心軸方向における
変位部の直進精度を向上できるだけでなく、超磁歪素子
による超磁歪は圧電素子による圧電歪に比べて変位量が
極めて大きく、且つ、発生力や応答性も超磁歪素子は圧
電素子と比較して実用上遜色がないので、従来の圧電積
層体を利用した圧電式直動駆動装置に比べて動作ストロ
ークが大きく、装置自体の用途が拡大する。

１９．２３，３９，４２：ダイヤフラム部３１：超磁歪
素子 ３２：コイル である。

なお、図中、同−符号及び同一記号は同一または相当部
分を示すものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による直動駆動装置の一部破
断正面図、第２図は第１図の底面図、第３図は本発明の
他の実施例による直動駆動装置の一部破断正面図、第４
図及び第５図は本発明の更に他の実施例による直動駆動
装置の部分断面図、第６図は第一従来例の直動駆動装置
を示す一部破断正面図、第７図は第二従来例の直動駆動
装置を示す一部破断正面図、第８図は第７図の底面図で
ある。 図において、 １４：収容筒 １７．２１．４０，４３：変位部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　超磁歪素子と、前記超磁歪素子を動作させるための磁
   界を生成し、前記超磁歪素子に作用させるコイルと、前
   記超磁歪素子をほぼ同一の中心軸上に収容する収容筒と
   、 前記超磁歪素子の変位側端面に接合する変位部と、 前記変位部と収容筒とを連結するダイヤフラム部と を具備することを特徴とする直動駆動装置。