JPH0449350B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は積層形の圧電効果セラミツクの歪を利
用して産業用ロボツトのアーム等の動作源に利用
できるようにしたアクチユエーターに関する。

例えば産業用ロボツトのアクチユエーターは、
一般にモータ或いは油圧・空圧機器を使用し、回
転或いは直線運動として出力するようにしてい
る。しかしながら、上記のアクチユエーターは大
形で且つ重いものになり勝ちである外、モータを
使用したものでは、回転の立上りが遅いため、応
答速度が遅く精度の点でも劣るという問題があ
り、また、油圧・空圧機器を使用したものでは、
シリンダ内のプランジヤやケーシング内のベーン
の摺動による摩擦損失或いは圧力流体の漏れ等が
あるため、応答速度が遅く精度も悪いという問題
がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、
その目的は圧電効果セラミツクの歪みを利用する
ことにより、応答速度及び精度に優れる上、圧電
効果セラミツクの小さな歪みを増幅して大きな変
位として取り出すことができるアクチユエーター
を提供するにある。

本発明は、基体と、筒体内に圧電効果セラミツ
ク板を積層し電圧の印加により生ずるこれら圧電
効果セラミツク板の歪みを作動部の変位として取
り出す駆動体を複数備えた駆動体複合体と、出力
部と、外周側中継部材と、中央側中継部材とを有
するアクチユエーターであつて、前記基体は、筒
状の胴体の両端が蓋及びによつて閉鎖されたもの
からなり、前記出力部は、前記基体の蓋に該基体
の軸方向に移動可能に取り付け支持されて前記駆
動体複合体の出力を取り出すものであり、前記外
周側中継部材は、前記胴体の内側に軸方向に移動
可能に嵌合され、前記駆動体複合体は、前記駆動
体を放射状で且つ前記基体の軸方向に対し傾けて
配列して構成され、該駆動体複合体は、前記胴体
の内部に複数段に配列収納されて、各段の駆動体
複合体の駆動体の中央部端が前記中央側中継部材
に回動可能に結合され、外周部端が前記外周側中
継部材に回動可能に結合され、第１段目の駆動体
複合体の駆動体の外周部端又は中央部端は前記蓋
又は胴体に固定された外周側支持体又は中央側支
持体に回動可能に結合され、最終段の駆動体複合
体の駆動体の中央部端は前記出力部の端部に回動
可能に結合され、各段の駆動体複合体の駆動体の
作動部の変位が順次次段の駆動体複合体に伝達さ
れて前記出力部を変位させるように構成したこと
を特徴とするものである。

以下本発明の第１実施例を第１図乃至第７図に
基づいて説明する。

まず本実施例において使用する積層形の圧電効
果セラミツクについて第１図を参照して説明す
る。この圧電効果セラミツク１は、近時、日本電
気株式会社により開発実用化されたもので、圧電
効果セラミツク板２（以下単にセラミツク板２と
称する）と内部電極板３とを交互に積層一体化し
て焼結した素子を所望の形状・大きさに切断し、
全周面に露出した内部電極板３を左右両側面にお
いて一層おきに絶縁材４により電気的に絶縁する
と共に、左右両側面に外部電極５及び６を形成し
て構成したものである。従つて、内部電極板３は
一層おきに外部電極板５及び６に電気的に接続さ
れている。本圧電効果セラミツク１は従来の圧電
効果セラミツクとは異なり、印加電圧が低くても
（例えば100Vでも）或る量以上の歪を発生し、電
圧を繰返し印加しても全く劣化しない（実験によ
れば電圧パルスを５憶回以上連続的に印加しても
劣化は何らみとめられなかつた。）という特徴を
有する。反面、本圧電効果セラミツク１は従来の
圧電効果セラミツクと同様に積層厚を余り厚くす
ることは困難で、９mm程度が限界とされている。
ちなみに本圧電効果セラミツク１のセラミツク板
２としては、マグネシウム・ニオブ酸鉛とチタン
酸鉛の二成分固溶体セラミツク、（１−Ｘ）Pb
（Mg₁／₃Nb₂／₃）O₃−PbTiO₃、のうち例えばＸ
が0.35近くのものが使用されている。

次に本発明に係るアクチユエーターを示す第２
図において、７は駆動体で、これらは上述の圧電
効果セラミツクの歪をある程度大きな変位として
取出すためのもので、その具体的構成は第５図及
び第６図に示されている。即ち、第５図及び第６
図において、８は金属製の筒体で、この筒体８の
一端側に形成された雌ねじ９に栓体を兼ねるコネ
クター１０を螺合してロツクナツト１１により固
定している。１２は筒体８の中空内部に嵌着され
た摩擦係数の小なる例えばポリアセタール樹脂製
の絶縁筒で、これの内部に円形もしくは小判形に
形成された前述の圧電効果セラミツク１を多数積
み重ね状態に収納しており、これら圧電効果セラ
ミツク１は接着剤により相互に結合されていて絶
縁筒１２対し摺動自在になつている。１３は電気
抵抗の低い電線で、ここでは銀線を用いており、
外部電極５及び６のうち同一極性どうしの電極の
一箇所ずつをロー付け等により電気的に接続して
いる。この電線１３は圧電効果セラミツク１間に
たるみを残してロー付けされている。また電線１
３は圧電効果セラミツク１を絶縁筒１２内に挿入
した時に生ずる空間Ｓを利用して配線している。
そして、コネクター１０側に位置する一個の圧電
効果セラミツク１の両外部電極５及び６に接続さ
れたリード線１４及び１５を筒体８外方に導出
し、以てリード線１４及び１５を電源に接続した
とき各圧電効果セラミツク１が電源に対し並列に
接続されるようにしている。尚、１６は圧電効果
セラミツク１とコネクター１０との間に設けたセ
ラミツク製の絶縁板である。１７は作動部として
のプランジヤで、このプランジヤ１７を筒体８の
他端部内方に摺動自在に挿入し、その挿入端をセ
ラミツク製の絶縁板１８を介して圧電効果セラミ
ツク１に当接させている。

而して本発明のアクチユエーターは上述のよう
に構成された駆動体から取出される変位を更に大
きく増幅して出力するもので、第２図中、１９は
アクチユエーターの基体であり、円筒状をなす胴
体２０の図示上下両側に蓋体２１及び２２をねじ
締め手段により固着して構成されている。そし
て、上側の蓋体２１の中央に出力部たる出力軸２
３が軸受２４を介して上下方向に往復動可能に支
持されており、この出力軸２３の逆円錐状をなす
下端部には六個の球状の凹部２３ａが形成されて
いる。また、下側の蓋体２２の内底部中央に中央
側支持体たる支持体２５が突設されており、この
支持体２５の円錐状をなす外周面部には六個の球
状の凹部２５ａが形成されている。斯かる基体１
９内には第３図に示すように駆動体７を例えば六
個放射状に配列したものを一組として、当該駆動
体７の組が上下方向に複数段配設されており、こ
の各駆動体７の組を駆動体複合体Ｄとして構成し
ている。この場合、駆動体７は出力軸２３の往復
動方向（図示上下方向；基体１９の軸方向に同
じ）に対し傾けて配設するものであり、その傾斜
方向は一段ずつ交互に逆となるように定められ且
つ各段相互間が次のようにして連結される。即ち
第２図乃至第４図において、２６は胴体２０内に
上下方向に往復動可能に嵌合配置された複数個の
外周側継部材たる摺動環で、これの内周部には下
端から上端近くまで延びる六個の第１の溝２６ａ
及び上端から下端近くにまで延びる六個の第２の
溝２６ｂが形成されており、第２の溝２６ｂの終
端は第１の溝２６ａの終端よりも低位となるよう
に設定されている。２７は中央側中継部材たる複
数個の錐状体で、略逆円錐状をなす下部外周面に
は球状の第１の凹部２７ａが形成されていると共
に略円錐状をなす上部外周面には球状の第２の凹
部２７ｂが形成されている。而して、第１段目
（最下段）の駆動体複合体Ｄの駆動体７を放射先
端側のコネクター１０側が斜め上方に傾くように
配置してそのプランジヤ１７（中央部端）を支持
部２５の凹部２５ａに回動可能に嵌合連結すると
共にコネクター１０（外周部端）を第１段（最下
段）の摺動環２６の第１の溝２６ａに回動可能に
嵌合連結する。そして、第２段目の駆動体複合体
Ｄの駆動体７を放射状先端側のコネクター１０側
が斜め下方に傾くように配置してそのコネクター
１０を第１段目の摺動環２６の第２の溝２６ｂに
回動可能に嵌合連結すると共にプランジヤ１７を
第１段目の錐状体２７の第１の凹部２７ａに回動
可能に嵌合連結し、次いで第３段目の駆動体複合
体Ｄの駆動体７を第１段目の駆動体複合体Ｄの駆
動体７と同方向の傾斜配置としてそのプランジヤ
１７を第１段目の錐状体２７の第２の凹部２７ａ
に回動可能に嵌合連結すると共にコネクター１０
を第２段目の摺動環２６の第１の溝２６ａに回動
可能に嵌合連結し、更に第４段目の駆動体複合体
Ｄの駆動体７を第２段目の駆動体複合体Ｄの駆動
体７と同方向の傾斜配置としてそのコネクター１
０を第２段目の摺動環２６の第２の溝２６ｂに回
動可能に嵌合連結すると共にプランジヤ１７を第
２段目の錐状体２７の第１凹２７ａに回動可能に
連結するというように、最終段（最上段）の駆動
体複複合体Ｄの駆動体７に至るまで摺動環２６及
び錐状体２７によつて順次連結してゆく。そし
て、最終段の駆動体複合体Ｄの駆動体７のプラン
ジヤ１７を出力軸２３の凹部２３ａに回動可能に
嵌合連結し、以上にて各段の駆動体複合体Ｄの駆
動体７が相互に連結されると共に第１段目の駆動
体複合体Ｄの駆動体７の一端部が基体１９に連結
され且つ最終段の駆動体複合体Ｄの駆動体７の一
端部が出力軸２３に連結されるものである。２８
は圧縮スプリングで、上側の蓋体２１と出力軸２
３の鍔部２３ｂとの間に設けられ、出力軸２３を
下方に付勢している。そして、この圧縮スプリン
グ２８の付勢力により各段の駆動体７は圧縮力を
受け、これにて駆動体７、摺動環２６及び錐状体
２７が連結状態を維持するようになされている。

次に上記構成の作用を説明するに、本実施例に
おいては全ての駆動体７に同時通電することを基
本とする。駆動体７に通電すると、その各圧電効
果セラミツク１に所定の電圧が印加され、各圧電
効果セラミツク１が積み重ね方向に伸長する如く
歪む。この歪みは圧電効果セラミツク１個々では
微少なものであるが、多数の圧電効果セラミツク
１が積み重ね状態に設けられていることから、プ
ランジヤ１７には多数の圧電効果セラミツク１の
歪の総和が作用し、従つてプランジヤ１７が圧電
効果セラミツク１に強く押圧されて、矢印Ａ方向
に進出するように直線的に変位する。すると、駆
動体７が傾けて配設されていることから、プラン
ジヤ１７の矢印Ａ方向の変位により摺動環２６、
錐状体２７及び出力軸２３を押上げようとする分
力が生じ、この結果、駆動体７が傾斜度合を高め
る如く回動しつつ摺動環２６、錐状体２７及び出
力軸２３を上方に変位させる。ところが、駆動体
７は各段相互間が摺動環２６及び錐状体２７によ
り連結されているため、各段の駆動体７はそれよ
りも下方の駆動体７による各摺動環２６及び錐状
体２７の押上量の和相当分だけ押上げられるよう
になる。従つて、実際の出力軸２３の上方への変
位量は各段の駆動体７による押上げ量の総和とし
て現われ、出力軸２３が上方に大きく変位する。
次に、駆動体７を断電すると、その圧電効果セラ
ミツク１が縮む如く元の状態に戻り、これに伴い
出力軸２３が圧縮スプリング２８のばね力により
下方に押し戻されると共に、駆動体７が圧縮スプ
リング２８のばね力により傾斜度合を低める如く
回動しつつプランジヤ１７を反矢印Ａ方向に後退
させるよう変位せしめ、斯して全てが元の状態に
戻る。

ところで、駆動体７のプランジヤ１７の変位量
は比較的小さく、プランジヤ１７によつて産業用
ロボツトのアーム等を直接駆動することは実際上
困難である。しかしながら、本発明のアクチユエ
ーターによれば、プランジヤ１７の変位を増幅し
て出力することができる。このことを第７図によ
り原理的に説明するに、駆動体は通電前角度θだ
け傾斜してＯ−Y₁間にあり、通電によりプラン
ジヤが進出するとＯを中心に回動してＯ−Y₂間
に位置するとし、そのときのプランジヤの進出変
位量を△ｘ、押上変位量△ｙをすると、₁ ＝OY₂ ・cosθ，₁−₂ ＝₂・sinθ，（_{1 2}＋△ｙ）² ＝（₂＋△ｘ）²−（₁）² 故に（₂・sinθ＋△ｙ）²＝（₂＋△ｘ）²−
（₂・cosθ）²計算の簡略化のために歪率をρと
し△ｘ＝₂・ρとすると、 （_{1 2}＋△ｙ）² ＝（₂＋₂・ρ ²＝−（₂・cosθ）² ＝（₂）²｛（１＋ρ）²−cos²θ｝₂・sinθ
＋△
ｙ ＝₂・√（１＋）²−² 故に△ｙ＝₂・（√１＋）²−²−sinθ
） △ｙ／△ｘ＝√（１＋ρ）²−cos²θ−sinθ／ρ さて、ρ＝８×10^-4、θ＝1degとした場合、 △ｙ／△ｘ＝√1.0008²−0.9996954−0.0174524／0.000
8 ＝32.74となる。従つて、駆動体複合体Ｄの一
段当りの押上量はプランジヤ１７の変位量の
32.74倍となり、駆動体複合体Ｄが例えば10段設
けられていれば出力軸２３の変位量はプランジヤ
１７のそれの327.4倍となる。

ちなみにθ＝1.5゜では△Ｙ／△ｘは27.04、2゜で
は22.74、2.5゜では19.46、3゜では16.93となる。

尚、上記実施例では摺動環２６の両溝２６ａ及
び２６ｂを上段の駆動体複合体Ｄの駆動体７用の
第２の溝２６ｂの終端が下段の駆動体複合体Ｄ駆
動体７の用の第１の溝２６ａの終端よりも低位と
なるようにしたので、上下の駆動体７が交差する
ようになつて基体１９の長さを短縮できるが、第
８図に示す第２実施例のように第１及び第２の溝
２６ａ及び２６ｂ夫々摺動環２６の下半部及び上
半部に形成し、駆動体７が交差することのないよ
うにしてもよい。

次に第９図は第３実施例を示すもので、上記実
施例との相違は各段の駆動体複合体Ｄの駆動体７
を相互に連結する構造にある。即ち、２９は胴体
２０内に摺動可能に嵌合配置された外周側中継部
材たる摺動環で、これには六個の球状の凹部２９
ａが形成されている。また、摺動環２９には、各
段の駆動体複合体Ｄを仕切るように仕切部たる仕
切盤３０が一体に形成されている。そして、この
仕切盤３０の両面のうち、出力軸２３とは反対側
の面（下面）の中央部には中央側中継部材として
の錐状部３１が一体に突設されており、この錐状
部３１にも六個の球状の凹部３１ａが形成されて
いる。而して、この実施例では各段の駆動体複合
体Ｄの駆動体７の傾き方向は全て同一で放射先端
側のコネクター１０側が斜め下方に傾くように配
置されている。そして、第１段目の駆動体複合体
Ｄの駆動体７のコネクター１０を下側の蓋体２２
の内底部に嵌着した外周側支持体たる固定環３２
の球状の凹部３２ａに回動動可能に嵌合連結する
と共にプランジヤ１７を第１段目の仕切盤３０の
錐状部３１の凹部３１ａに回動可能に嵌合連結
し、以下第２段目の駆動体複合体Ｄの駆動体７の
コネクター１０を第１段目の摺動環２９の凹部２
９ａに回動可能に嵌合連結する共にプランジヤ１
７を第２段目の仕切盤３０の錐状部３１の凹部３
１ａに嵌合連結するというように順に最終段の駆
動体複合体Ｄに至まで摺動機２９及び錐状部３１
を介して連結し、最終段の駆動体複合体Ｄの駆動
体７のプランジヤ１７を出力軸２３の凹部２３ａ
に連結している。このように構成しても駆動体７
の通断電により出力軸２３を大きく上下に往復動
させることができる。

本発明は以上の説明から明らかなように、駆動
体により圧電効果セラミツク板の歪をある程度大
きな変位として取出し、さらにその変位を増幅し
て出力することができるので、産業用ロボツトの
アーム等の駆動源としての利用が可能となる。し
かも圧電効果セラミツクの電歪効果を利用して出
力部を変位させる構成であるから、応答性が良く
且つ変位の精度も高いという種々の優れた効果を
奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第７図は本発明の第１実施例を示
し、第１図は圧電効果セラミツクの概略を示す断
面図、第２図はアクチユエーターの横断面図、第
３図は各段の駆動体の配列状態を示す横断面図、
第４図はアクチユエーターの分解斜視図、第５図
は駆動体の縦断面図、第６図は第５図中−線
に沿う縦断面図、第７図は変位増幅の原理図であ
り、第８図及び第９図は夫々本発明の第２及び第
３の各実施例を示す第２相当図である。 図中、２は圧電効果セラミツク板、７は駆動
体、８は筒体、１７はプランジヤ（作動部）、１
９は基体、２０は胴体、２１，２２は蓋、２３は
出力軸（出力部）、２５は支持体（中央側支持
体）、２６は摺動環（外周側中継部材）、２７は錐
状体（中央側中継部材）、２９は摺動環（外周側
中継部材）、３０は仕切盤（仕切部）、３１は錐状
部（中央側中継部材）、３２は固定環（外周側支
持体）、Ｄは駆動体複合体である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基体１９と、筒体８内に圧電効果セラミツク
   板２を積層し電圧の印加により生ずるこれら圧電
   効果セラミツク板２の歪みを作動部１７の変位と
   して取り出す駆動体７を複数備えた駆動体複合体
   Ｄと、出力部２３と、外周側中継部材２６と、中
   央側中継部材２７とを有するアクチユエーターで
   あつて、 前記基体１９は、筒状の胴体２０の両端が蓋２
   １及び２２によつて閉鎖されたものからなり、 前記出力部２３は、前記基体１９の蓋２１に該
   基体１９の軸方向に移動可能に取り付け支持され
   て前記駆動体複合体Ｄの出力を取り出すものであ
   り、 前記外周側中継部材２６は、前記胴体２０の内
   側に軸方向に移動可能に嵌合され、 前記駆動体複合体Ｄは、前記駆動体７を放射状
   で且つ前記基体１９の軸方向に対し傾けて配列し
   て構成され、 該駆動体複合体Ｄは、前記胴体２０の内部に複
   数段に配列収納されて、各段の駆動体複合体Ｄの
   駆動体７の中央部端が前記中央側中継部材２７に
   回動可能に結合され、外周部端が前記外周側中継
   部材２６に回動可能に結合され、第１段目の駆動
   体複合体Ｄの駆動体７の外周部端又は中央部端は
   前記蓋２２又は胴体２０に固定された外周側支持
   体３２又は中央側支持体２５に回動可能に結合さ
   れ、最終段の駆動体複合体Ｄの駆動体７の中央部
   端は前記出力部２３の端部に回動可能に結合さ
   れ、各段の駆動体複合体Ｄの駆動体７の作動部１
   ７の変位が順次次段の駆動体複合体Ｄに伝達され
   て前記出力部２３を変位させるように構成したこ
   とを特徴とするアクチユエーター。 ２ 外周側中継部材２９は、内側に各段の駆動体
   複合体Ｄ間を仕切る仕切部３０を有し、この仕切
   部３０の両面のうち、出力部２３とは反対側の面
   に中央側中継部材３１が一体に設けられているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のア
   クチユエーター。