JPS6116583A - 棒状アクチユエ−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】 〔発明の技術分野〕 本発明は複数の圧電素子による全運動を巧みに組合わせ
て利用することにより長尺状棒体先端の駆動端での適切
かつ確実な揺動変位が得られるようにした棒状アクチュ
エータに関し、特にその駆動端での揺動変位量に伴なう
棒体の長手方向への位置ずれを補正して直線的な出力を
得るための補正手段として別の圧電素子を巧みに組合わ
せて用いるようにしてなる棒状アクチュエータに関する
。

〔従来技術〕

たとえば単結晶物質の水晶、チタン酸バリウム、チタン
酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛などのペロブスカイト型構
造のセラミックス、さらに有機物質のポリフッ化ビニリ
デンなどといった圧電物質によって形成される圧電素子
は、力を加えると電圧を生じセンサとして機能し得ると
ともに、これとは逆に電圧を加えると力を発生しアクチ
ュエ＝りとして機能し得る特性をもつもので、近年この
ような圧電素子の全運動を巧みに組合わせて利用するこ
とにより種々の動作を行なう圧電型アクチュエータが盛
んに開発されるようになっている。

ところで、上述した圧電素子をアクチュエータとして用
いる場合において問題とされることは、その用途に応じ
た変位と発生力（推力）とが適切に得られるような構成
を採用することであるが、従来から一般に採用されてい
る積層型やバイモルフ型のものは一長一短をもち、特に
上述した変位と発生力が共に大きいものは未だ提案され
ておらず、このような要請を満足し得る圧電型アクチュ
エータの出現が要望されている。すなわち、前者の積層
型のものでは発生力としては大きなものが得られるが、
その変位は小さいものであり、−劣後者のバイモルフ型
では変位は大きいが、その発生力は小さいものである。

そし、て、このような従来のものは、その変位および発
生力を共に大きくする必要がある、たとえば弁装置の開
閉制御用やロボット用の駆動装置などとして使用しよう
とする場合にあたって、何らかの増幅機構を付設するこ
とが必要とされるものであり、このような圧電型アクチ
ュエータを用いることによる小型かつコンパクト化が図
れまたその低電圧駆動が可能であるといった性能を発揮
し得ないばかりでなく、上述した従来のものは、複数の
圧電素子を積層した　。

す、二枚の圧電素子を張り合せたりしたものであるため
、全体の強度１の剛性に欠けるといった欠点もあり、こ
れらの問題点を一掃し得る何らかの対策を講じることが
望まれている。

このため、本発明者らは、特願昭５９−１３８８１１号
によって、上述した圧電素子を用いることによる効果を
発揮させ得る棒状アクチュエータを先に提案している。

すなわち、この棒状アクチュエータは、長尺状の金属製
棒体の一側面に櫛歯状の切欠き部を形成し、かつこれら
複数の切欠き部のそれぞれに、電圧を印加することによ
りその対応する切欠き部の隙間を拡狭させるような伸縮
動作を行なう圧電素子を嵌装するようにし、これにより
棒体先端の駆動端を揺動動作させ得るようにしたもので
ある。そして、このような構成を有する棒状アクチュエ
ータによれば、長尺状棒体の駆動端での揺動変位を大き
くしてその出力を大きくし得るとともに、その発生力を
も大きくすることが可能で、種々分野における各種アク
チュエータとして用いてその効果を発揮させ得るもので
ある。さらに、このような構成によれば、長尺状棒体自
身の剛性により全体の強度上の信頼性を高めることもで
き、また上述した圧電素子への印加電圧を適宜制御する
ことにより、その変位と発生力とを自由に可変すること
もできる等といった利点も奏することが可能となるもの
である。

ところで、上述したような構成による棒状アクチュエー
タにおいては、その構造上の理由から長尺状棒体先端の
駆動端での揺動変位による出力が、その揺動量に応じて
棒体の長手方向に対し位置ずれを生じるといった問題を
生じてしまうもので、その適用機器によっては、たとえ
ばリンクまたはスライド機構などによる位置修正機構を
用いなければならないものであった。そして、このよう
な位置修正機構を用いると、その機構内部での摩擦など
による力のロスが避けられないもので、より簡単な構成
によって上述した揺動量による位置ずれを解消し得る何
らかの補正手段を付設することが望まれている。

〔発明の概要〕

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
一端が固定され他端が駆動端として揺動変位される棒体
を備え、この棒体に対し前記駆動端での揺動変位させる
ための駆動用圧電素子を設けるとともに、棒体の固定端
側に、前記駆動端での揺動量に応じた棒体の長子方向へ
の位置ずれを補正するように棒体の長子方向に対し進退
動作する前記駆動用圧電素子とは別の位置ずれ補正用圧
電素子を設けるという簡単な構成によって、棒体の駆動
端での揺動変位量に伴なう棒体の長子方向への位置ずれ
を簡単かつ適切に補正して直線的な出力を得ることがで
き、これにより上述した圧電素子による全運動を利用す
ることによる長尺状棒体の駆動端での揺動変位（出力）
を大きくし得るとともに、その発生力をも太きくするこ
とが可能で、種々分野における各種アクチュエータとじ
て用いてその効果を発揮させ得るものであり、さらに北
述した長尺状棒体自身の剛性により全体の強度」二の信
頼性を高めることもでき、また上述した圧電素子への印
加電圧を適宜制御することにより、その変位と発生力と
を自由に可変することもできる等といった種々優れた効
果を奏することができる安価な棒状アクチュエータを提
供するものである。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示した実施例を用いて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係る棒状アクチュエータの一実施例を
示すものであり、同図において、全体を符号１で示す棒
状アクチュエータは、その一側面が長子方向に沿って櫛
歯状に切欠き形成されてなる長尺状を呈する金属製の棒
体２を備え、この長尺状棒体２は、その一端が固定部３
に固定保持されるとともに、他端側の駆動端（自由端）
部分２ａが所望の変位量と発生力とにより揺動変位され
て出力取り出し部となるように構成されている。

また、この長尺状棒体２に形成された櫛歯状をなす複数
の切欠き部４のそれぞれには、電圧を断続して印加する
ことにより伸縮動作を行なう駆動用圧電素子５　（５Ａ
１．５Ａ２．−−・・５Ｅ１，５Ｅ２）が嵌装され、か
つこれら各切欠き部４内に接着等の固定手段にて固設さ
れてこの長尺状棒体２と一体的に結合されている。そし
て、上述した圧電素子５は、それぞれ嵌装されている長
尺状棒体２の切欠き部４の隙間を拡狭させるように作用
するものである。なお、これら各圧電素子５は、長尺状
棒体２の切欠き部４内でその内方端部分を空間部として
残すように嵌装されており、これにより上述した隙間の
拡狭作用を円滑かつ適切に行なうことが可能となるもの
である。また、本実施例では、長尺状棒体２の切欠き部
４はそれぞれＶ字状を呈するスリットにて形成され、か
つその内方端部分が略円形孔をなすような形状にて形成
し、これに略楔状を呈する圧電素子５を嵌装した場合を
示している。

さて、本発明によれば、上述した構成による棒状アクチ
ュエータｌにおいて、長手方向に沿う一側面に形成され
た櫛歯状切欠き部４のそれぞれに圧電素子５を嵌装して
なる棒体２の固定端側に対し、その駆動端２ａでの揺動
量に応じた位置ずれ。

を補正し得るように、棒体２の長尺方向に進退動作する
前記櫛歯状切欠き部４内の駆動用圧電素子５とは別に位
置ずれ補正手段として積層型の圧電素子６（６ａ、６ｂ
、・φφ６ｅ）を介装して設けるように構成したところ
に特徴を有している。

そして、このような構成によれば、上述した補正用の積
層型圧電素子６に対する印加電圧を適宜制御することに
より、駆動用圧電素子５側での伸縮動作による棒体駆動
端２ａでの揺動変位量に応じた長手方向に対する位置ず
れ（第２図に示した従来構造においてδで示す）を簡単
かつ適切に補正することができるもので、その実用上の
効果は大きい。このような補正量は、駆動用圧電素子５
に対する印加電圧により決定される揺動変位量から簡単
に導き出されるもので、これに応じて上述した補正用圧
電素子６に対する印加電圧を制御すればよいものである
。ここで、この補正量を棒体２の揺動変位に応じて同期
させるには、たとえば第１図に示すように、複数の駆動
用素子５をグループ化し、これに対応させて補正用素子
６を設け、これらを対応させて各グローブ毎に順次電圧
を印加するようにすればよいことは容易に理解されよう
。

したがって、このような構成による棒状アクチュエータ
１によれば、その構成が簡単かつ安価であるにもかかわ
らず、その出力としての長尺状棒体２の駆動端部分２ａ
における揺動変位を位置ずれを生じることがない直線状
態とし、しかも′その出力を大きくし得るとともに、そ
の発生力をも大きくすることが可能で、種々分野におけ
る各種アクチュエータとして用いてその効果を発揮させ
得るものである。すなわち、上述した駆動用圧電素子５
は、印加電圧を入力として与えることにより全運動とし
て出力を取り出すことができるものであるが、その歪量
は、１０＝（ｇｍ）程度の大きさであり、駆動装置とし
て用いるにはこの変形量をかなり増幅しなければならな
いものである。

しかし、本実施例のような構造を採用すると、圧電素子
５単体の歪量は小さいが、長尺状棒体２としての駆動端
部分２ａの変位量は大きくすることが可能で、長尺状棒
体２の幅による断面形状やその長さによっても異なるが
、２５〜１００ＩＩ１１程度のストロークとして変位さ
せることが可能となるものである。これは、上述した構
造の場合、圧電素子５が印加電圧によりその隙間を拡げ
る方向に変位したとき、長尺状棒体２では、素子５側の
−Ｉ−側は変形される一方、その下側は変形しないため
、棒体２はその曲率が変化し、図中一点鎖線で示すよう
に円弧状に湾曲変形するもので、その駆動端部分２ａで
はかなりの変位量を生じる結果となるものである。

そして、このようにして生じる変位量と発生力は、圧電
素子５を用いているためその印加電圧により直接的な変
位出力として得られることとなり、作動効率のよいもの
である。さらに、全体のばね剛性は、たとえばスチール
などの金属材にて形成される棒体２の形状により決定さ
れ、しかも変位に対しての剛性は、上述した長尺状棒体
２自身の剛性により決定され、一定の値とすることがで
きるもので、これにより全体の強度上の信頼性を高める
ことができる。また、上述した構成によれば、各圧電素
子５．６に対する印加電圧を制御し１任意の素子５，６
にのみ供給するといった種々の組み合わせにより、その
変位と発生力とを自由に可変することもできる等といっ
た利点もある。そして、このような構成によれば、従来
の機械式のアクチュエータに比べて摩擦やバックラッシ
ュ等を生じる部材がないため、その性能面で優れており
、さらにその位置ずれ補正手段としても構成が簡単で余
分なロスもなく、性能面で優れているといった利点があ
る。

なお、上述したような棒状アクチュエータｌにおいて、
駆動用圧電素子としては、実施例で示す櫛歯状切欠き部
４内に嵌装するものに限定されず、たとえば第３図に示
すようなバイモルフ形圧電素子７ａ、７ｂを棒体２の長
手方向に沿う外側面に付設して用いても同様の作用効果
を得ることができることは容易に理解されよう。この場
合、心材として用いられる棒体２は、全体の強度を維持
するうえで必要なものであるが、これをなくしても実用
上支障ないものである。

また、上述した実施例では、補正用の積層型圧電素子６
を、棒体２の固定端側に介装して設けた場合を示してい
るが、これに限定されず、この棒体２の長手方向の途中
であればどの位置でもよいもので、要はこの補正用素子
６にて棒体２の長手方向への補正操作を行なえるとよい
ものである。

第４図は本発明に係る棒状アクチュエータの他の実施例
を示すものであり、この実施例では、長尺状棒体２を前
端が略り字状を呈するように形成し、その長尺に形成さ
れた延設部１０の一側面に形成された櫛歯状切欠き部４
にそれぞれ内方端部分を残して略楔状を呈する駆動用圧
電素子５（５Ａｌ、・・・、５Ｅ２）を嵌装するととも
に、固定部３側に固定されている短尺に形成された固定
端側１１に対し、前記駆動端２ａでの揺動量に応じた位
置ずれを補正し得るように、棒体２の長手方向に進退動
作する前記駆動用素子５とは別の補正用圧電素子１２　
（１２ａ、　＠ｅ　ｍ　ｅ　、１２ｅ）を設けるように
構成している。このような補正用素子１２は、この実施
例では、上述した駆動用素子５と同様に、棒体２の長手
方向に直交する固定端側１１の一側面に形成された櫛歯
状切欠き部１３内にそれぞれ嵌装され、この固定端側１
１を棒体２の長手方向に揺動動作させるように設けられ
ている。

そして、このような構成によっても、前述した実施例と
同様に、その駆動端２ａでの揺動変位出力が直線的に補
正されて得られることは明らかであろう。また、この場
合において、補正量を駆動側と同期させるためには、前
述した実施例と同様に画素子５，１２のグループ毎に電
圧を印加すればよいものである。さらに、上述した構成
では、その補正用素子１２は、棒体２をその長手方向に
移動させて補正する役割を果たすとともに、その変位を
この棒状アクチュエータｌの実駆動力に加えることもで
きるといった利点がある。

また、上述したようなＬ字状棒体２を用いる場合の変形
例としては、第５図に示すように、棒体２の外側部に一
連に付設されたバイモルフ形圧電素子１４ａ、１４ｂを
用いるようにしてもよいものである。この場合には、バ
イモルフ形圧電素子１４ａ、１４ｂは、駆動用と補正用
との両機能を、それぞれの延設部ｌＯに対応する部分と
固定端側１１に対応する部分とで果たすものである。

なお、本発明は上述した実施例構造に限定されず、各部
の形状、構造等を、適宜変形、変更することは自由であ
る。たとえば、上述した各実施例において、各素子への
通電量を変えたり、あるいは各素子を並列接続して、ス
イッチコントロールにて適宜組み合わせて制御すること
により、その変位量、発生力を自由に可変し得るもので
ある。

また、上述した各圧電素子の形状、構造などについても
、種々の変形例が考えられるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る棒状アクチュエータ
によれば、一端が固定され他端が駆動端として揺動変位
される棒体を備え、この棒体に対し前記駆動端での揺動
変位させるための駆動用圧電素子を設けるとともに、棒
体の固定端側に、前記駆動端での揺動量に応じた棒体の
長手方向への位置ずれを補正するように棒体の長手方向
に対し進退動作する前記駆動用圧電素子とは別の位置ず
れ補正用圧電素子を設けるようにしたので、簡単かつ安
価な構成にもかかわらず、棒体の駆動端での揺動変位量
に伴なう棒体の長手方向への位置ずれを簡単かつ適切に
補正して直線的な出力を得ることができ、これにより上
述した圧電素子による歪運動を利用することによる長尺
状棒体の駆動端での揺動変位（出力）を大きくし得ると
ともに、その発生力をも大きくすることが可能で、種々
分野における各種アクチュエータとして用いてその効果
を発揮させ得るものであり、さらに」二連した長尺状棒
体自身の剛性により全体の強度上の信頼性を高めること
もでき、また上述した圧電素子への印加電圧を適宜制御
することにより、その変位と発生力とを自由に可変する
こともできる等といった種々優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る棒状アクチュエータの一実施例を
示す概略側面図、第２図は従来の棒状アクチュエータ構
造を採用した場合の問題点を指摘する説明図、第３図な
いし第５図はそれぞれ本発明の他の実施例を示す概略側
面図である。 １−・・・棒状アクチュエータ、２・・・・長尺状棒体
、２ａ−・・命駆動端、３囃・・拳固足部、４．１３−
・・参櫛歯状切欠き部、５・・・・駆動用圧電素子、６
・・・・補正用の積層型圧電素子、７ａ、７ｂ・・・・
バイモルフ形圧電素・子、１０・・・・棒体延設部、１
１◆・Φ金棒体固定端、１２・・・・補正用圧電素子、
１４ａ。 １４ｂ・・・−バイモル２形圧電素子。 特許出願人　　山武ハネウェル株式会社代　　理　−人
　　山川数構（ほか２名）第１図 第２図 上 第３図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端が固定され他端が駆動端として揺動変位され
   る棒体を備え、この棒体には前記駆動端での揺動変位さ
   せるための駆動用圧電素子が設けられるとともに、その
   固定端側には、前記駆動端での揺動量に応じた棒体の長
   手方向への位置ずれを補正するように棒体の長手方向に
   対し進退動作する前記駆動用圧電素子とは別の位置ずれ
   補正用圧電素子が設けられていることを特徴とする棒状
   アクチュエータ。
2. （２）駆動用圧電素子は、棒体の長手方向に沿う一側面
   に形成された櫛歯状切欠き部のそれぞれに嵌装され、か
   つこれら各圧電素子に電圧を印加して棒体の長手方向へ
   の伸縮動作を得ることにより棒体の駆動端が揺動動作さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の棒状
   アクチュエータ。
3. （３）駆動用圧電素子は、棒体の長手方向に沿う外側面
   に付設されたバイモルフ形圧電素子にて構成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の棒状アク
   チュエータ。
4. （４）位置ずれ補正用圧電素子は、棒体の固定端側に介
   装された積層型の圧電素子にて構成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の棒状アクチュエー
   タ。
5. （５）一端が固定され他端が駆動端として揺動変位され
   る棒体を備え、この棒体は全体が略Ｌ字状に形成されか
   つその長尺に形成された駆動端側の延設部にその先端側
   の駆動端での揺動変位させるための駆動用圧電素子が設
   けられるとともに、その短尺に形成された固定端側には
   、前記駆動端での揺動量に応じた棒体の長手方向への位
   置ずれを補正するように棒体を長手方向に対し進退動作
   させる前記駆動用圧電素子とは別の位置ずれ補正用圧電
   素子が設けられていることを特徴とする棒状アクチュエ
   ータ。
6. （６）駆動用圧電素子は、棒体の延設部側でその長手方
   向に沿う一側面に形成された櫛歯状切欠き部のそれぞれ
   に嵌装され、かつこれら各圧電素子に電圧を印加して棒
   体の長手方向への伸縮動作を得ることにより棒体の駆動
   端が揺動動作されることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載の棒状アクチュエータ。
7. （７）位置ずれ補正用圧電素子は、棒体の長手方向に直
   交する固定端側の一側面に形成された櫛歯状切欠き部内
   に嵌装され、この固定端側を棒体の長手方向に揺動変位
   させるように構成されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第５項記載の棒状アクチュエータ。
8. （８）棒体の駆動端を揺動させる駆動用圧電素子とその
   位置ずれ補正用圧電素子とは、全体がＬ字状に形成され
   た棒体の外側面に一連に付設されたバイモルフ形圧電素
   子にて構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第５項記載の棒状アクチュエータ。