JPS6260482A

JPS6260482A - 圧電アクチユエ−タ

Info

Publication number: JPS6260482A
Application number: JP60200271A
Authority: JP
Inventors: Kazuma Suzuki; 数馬鈴木
Original assignee: Rion Co Ltd
Current assignee: Rion Co Ltd
Priority date: 1985-09-10
Filing date: 1985-09-10
Publication date: 1987-03-17

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）この発明は、圧電素子の変形を利用する圧電アクチュエ
ータに関する。

（発明の技術的背景）従来、微細加工や微細観察などを行うために、加工材料
や観察材料を載せた位置決めテーブルは、ステップモー
タでネジを切ったシャフトを回動させるなどして変位さ
せていた。このため、位置決めのための変位精度は、モ
ータの回転角度の精度及び駆動シャフｌ−ｉネジの精度
で決定される。しかし、これらはいずれもモータの磁極
やシャフトの機械的加工精度に依存し、高精度は望めな
かった。

また、このようにステップモータを利用したアクチュエ
ータでは、ステップモータ自体に比較的大きなスペース
と重量をとられるため、適用範囲に制限があった。

さらに従来、入力電圧の値に比例して変位する圧電アク
チュエータも提案されているが、ＸＹの二軸方向に任意
に変位させるストロークの大きい変換手段は見あたらな
かった。

（発明の目的）この発明は、以上の従来技術の欠点を除去しようとして
成されたものであり、小形軽量高精度で、微細変位が可
能であり、しかも低電圧駆動が可能になり、かつ二軸方
向に任意に大きな変位量をとれる圧電アク升−エータを
提供することを目的とする。

溌明の概要）この目的を達成するため、この発明の圧電アクチュエー
タによれば、Ｌ字形状の弾性部材を構成するほぼ直角に
伸長する２つのアームのそれぞれに圧電横効果素子を貼
着固定するようにする。

（発明の実施例）以下、添付図面に従ってこの発明の詳細な説明する。各
図において同一の符号は同様の対象を示す。

第１図はこの発明の実施例を示す。

図において、１０は圧電変位ユニット、１１は＼ユニッ
ト１０の支持体、１２はＬ字形状の弾性部材、１６は矢
印Ａで示す如く厚み方向に分極する圧電横効果（ｄ３１
）を示す第１の圧電変位手段、１７は手段Ｉ６と同様に
矢印Ｂで示す如く厚み方向に分極する圧電横効果（ｄ３
１）を示す第２の圧電変位手段、１９はアダプタである
。

Ｌ字形状の弾性部材１２は、ほぼ直角に伸長する２つの
アーム１２Ａ、１２Ｂを有する。このアームエ２Ａ、１
２Ｂは、１枚の板片を折曲して、又は２枚の板片を接合
して形成する。弾性部材１２と七では、熱膨張係数が圧
電素子と同じようなものが好ましく、例えばガラスエポ
キシ成型品、モリブデン板等適宜のものを選択する。な
お、この弾性部材１２はＬ字形状そのものに限らず、Ｌ
字形状の部分を含んでいればよく、例えばコ字形状の部
材は２つのＬ字形状部分を含んだものである。

圧電変位手段１６．１７はいずれも板片形状の圧電素子
であり、厚み部分１６ａ、１７ａに比べて面積の大きい
ほぼ平坦な上下面は主面１６Ｓ、　１７８である。

圧電変位手段１６は、その−主面１６Ｓをもって弾性部
材１２のアーム１２Ａの平面部分に接着などの方法によ
って固定されて一体になっている。圧電変位手段１７も
同様に、その−主面１７Ｓをもって弾性部材１２のアー
ム１２Ｂの平面部分に接着などの方法によって固定され
て一体になっている。

なお、圧電変位手段１６．１７は弾性部材１２の片側だ
けでなく、サンドインチ状に両側に設けてもよＧ）。こ
の時の変位量は片側のみの場合に比べて略倍になる。ま
た第１図の実施例では圧電変位手段１６を弾性部材１２
の内側に、圧電変位手段１７を外側に設けているが、そ
の位置関係を逆にしても良いことは言うまでもない。即
ち圧電変位手段１６を弾性部材１２の外側に、圧電変位
手段１７を内側に設けても良い。また圧電変位手段１６
・１７をともに内側に設けても良いし、ともに外側に設
けても良い。

このように圧電変位手段１６・１７を固定したＬ字形状
の弾性部材１２のアーム１２Ａの一端が支持体１１に固
定されいる。圧電変位手段１６並びに圧電変位手段１７
、及び弾性部材１２は圧電変位ユニットｌＯの構成要素
である。

Ｌ字形状弾性部材１２のアーム１２Ｂのアーム１２Ａと
の接合端とは逆の端部にはアダプタ１９が固着されてい
る。アダプタ１９ば、圧電変位ユニっト１０の運動を駆
動対象に効率良く伝達するためのものであり、磁性材料
やゴムなど各種の耐磨耗材を用いる。アダプタ１９には
、例えば位置決めテーブルの駆動軸を固定する。

以上のような圧電アクチュエータは次のように作動する
。

第１の圧電変位手段１６に分極方向Ａと同じ極性で電圧
を印加すると一第１の圧電変位定設１６が縮む方向に変
形するため、結果としてユニット１０は０Ｍ方向にその
電圧の大きさに応じて変位する。また、分極方向Ａと逆
の極性で電圧を印加すると第１の圧電変位手段１６が伸
びる方向に変形するため、結果としてユニット１０は（
９Ｍ方向にその電圧の大きさに応じて変位する。　　　
′ 第２の圧電変位手段１７に分極方向Ｂと同じ極性で電圧
を印加すると、同様にユニット１０はＣＩＮ方向にその
電圧の大きさに応じて変位する。また、分極方向Ｂと逆
の極性で電圧を印加すると、ユニット１０は■Ｎ方向に
その電圧の大きさに応じて変位する。

更に、圧電変位手段１６．１７の両方の電圧を印加すれ
ば、印加電圧の極性と大きさに応じてＭ方向ひ゛とＮ方向のベクトルを合成した方向及部位置に変位する
。

以上のような動作に於ける変位量は印加した電圧の大き
さに比例するため、電圧の値を制御することにより変位
量を正確に制御することが可能である。

第２図はこの発明の他の実施例に係る圧電リニアモータ
を示している。

この実施例によれば、第１図の圧電変位ユニット１０と
同様のユニットＩＯＡ、ＩＯＢを備えている。

各ユニットＩＯＡ、ＩＯＢは台板３１の支持体３１Ａ上
にその一端を結合して、ユニットの長手方向が一致する
ように整列固定しである。各ユニット１０Ａ。

１０Ｂの上部にはそれぞれアダプタ１９Ａ、１９Ｂが固
定されている。

ユニットＩＯＡ、ＩＯＢの上には、ユニットの整列方向
と同一方向に伸長する被駆動体である駆動シャフト３９
が配置されている。この駆動シャフト３９は各ユニッＨ
ＯＡ、ＩＯＢと、上板３２に設けられた摺動手段、例え
ば回動自在に設置したローラ羽との間で挾持されている
。

台板３１は、上板３２及びエンドプレート３３．３４と
共ζζケーシングを構成している。エンドプレート３３
、３４には、駆動シャフト３９を通過させるための孔３
３Ａ、　３４Ａが形成しである。　　　　−なお、圧電
変位ユニ’ｔ　トＩＯＡ、　１０　Ｂの電圧を加えない
状態で、駆動シャフト３９は前述のように回転ローラ３
８と圧電変位ユニソｌ−１ＯＡ、ＩＯＢとの間に挾持さ
れており、少しの力では動かない。

以上のようなりニアモータの動作を次に説明する。

動作のシーケンスを順番に説明する。

（１）圧電ユニノｌ−１ＯＡの第１の変位手段１６に負
の駆動電圧を印加し、ユニットＩＯＡを−Ｍ方向に縮め
る。

（２）同じく圧電ユニノｌ−１ＯＡの第２の変位手段１
７に負の駆動電圧を印加し、ユニソｈｌＯＡを−Ｎ方向
にずらせる。従って、ユニット１０　Ａは右斜め下方向
に変位して、シャフト３９のクランプを解除する。

（３）前項（１）、（２）とは逆極性の電圧を印加し、
シャフト３９をクランプする。

（４）圧電ユニットｌＱＢの第１の変位手段１６に負の
１駆動電圧を印加し、ユニット１０　Ｂを−Ｍ方向に縮
め、且つ圧電ユニット１０Ｂの第２の変位手段１７に正
の駆動電圧を印加し、ユニット１０Ｂを−Ｎ方向にずら
せる。ユニットＩＯＢはシャフト３９のクランプを解除
する。

（５）圧電ユニノ目ＯＡの第２の変位手段１７に（２）
とは逆極性の電圧を印加し、ユニットＩＯＡを十Ｎ方向
に変位させる。回転ローラ３８との□間に挾まれたシャ
フト３９が十Ｎ方向に移動する。

（６）圧電ユニッｈ　１０　Ｂの第１の変位手段１６に
（１）とは逆極性の電圧を印加し、二二ソ）ＩＯＢをク
ランプ状態に移行させる。

（力　前項（１）、（２）と同様の操作でユニット１０
Ａのクランプを解除する。

（８）圧電ユニ７ト１０Ｂの第２の変位手段１７に（２
）とは逆極性の電圧を印加し、ユニッｌ−１０Ｂを十Ｎ
方向に変位させる。回転ローラ３８との間に挾まれたシ
ャフト３９が十Ｎ方向に移動する。

（９）圧−ユニッ）ＩＯＡを前項（３）と同様の操作に
ょってクランプ状態にする。

（１０）圧電ユニットＩＯＢを前項（１）、（２）の操
作によりフト３９を頭次十Ｎ方向に移動させることがで
きる。

以上のように、各圧電ユニノ）ＩＯＡ、　　ＩＯＢは、
Ｍ及びＮ方向にそれぞれ独立に変位し得る圧電変位手段
を備えているため、これらの端子に位相をずらせて正負
の電圧を印加して、シャフト３９を十Ｎ方向又は−Ｎ方
向の任意の方向に移動させることができる。

以上の説明では、（１）〜（１０）の各動作をそれぞれ
別の時刻で行うように説明したが、（４）と（５）及び
（７）と（８）の動作をそれぞれ同時に行うようにして
もよい。このためには、ユニットＩＯＡ、ＩＯＢの各変
位手段１６．１７を電気的に並列に接続し、且つ互いに
逆方向に動作するように配置しておけばよいことが分か
る。

これらを図で示せば第３図のようである。同図（ａ）、
（ｂ）はそれぞれユニットＩＯＡ、　１０　Ｂの第１の
変位手段１６への印加電圧波形図、また同図（Ｃ）、（
ｄ）はそれぞれユニッｌ−１ＯＡ、ＩＯＢの第２の変位
手段１７への印加電圧波形図である。各電圧の極性（＋
。

−）は分極時の極性との関連でその挙動が決定される。

シャフト３９の移動方向を逆方向（−Ｎ方向）にしたい
場合には、前記各項での操作を逆に、すなわち入力印加
電圧の位相を逆にすればよい。

ステップ数すなわち移動速度は、入力信号の周波数で決
定され、その上限は圧電ユニットへの充糸電速度と、駆動磁の機械的な共振点で決まり、通常は毎
秒１０００〜３０００ヌテソプ程度で２〜３ｍＪ秒が最
高移動速度となる。

移動量を微細に調整するときは、各ユニット１０Ａ、Ｉ
ＱＢへの印加電圧を微細に調節すればよい。

以上の実施例では、シャフト３９の片側にのみ圧電ユニ
ットを設け、他側は回転ローラ３８としたが、両側とも
圧電ユニットとしてもよい。

なお、印加制御電圧は正から負にスイープして成る振幅
を発生させても、又はＯから正若しくは０から負の間で
スイープさせてもどちらでもよい。

また、アダプタ１９の接触力を大きくするために、更に
多数の圧電ユニットをシャフトの長手方向に配置しても
よい。シャフト３９の位置検出手段を設けて位置制御を
行うことも容易である。

更に、シャフト３９と圧電ユニットＩＯＡ、　ＩＯＢの
移動関係は相対的なものであり、シャフト３９を固定し
ておき、ユニットＩＯＡ、ＩＯＢを含むケーシングを移
動可能にして移動させることもまったく同様にして可能
である。

第４図はこの発明の更に他の実施例に係る圧電リニアモ
ータを示すものである。この実施例によれば、圧電ユニ
ット自体が移動する。

同図によれば、移動する圧電ユニットは２つのコ字形状
の弾性部材４１．４２を、スペーサ部材４３で相互に組
合わせて構成されている。各弾性部材４１゜４２はそれ
ぞれ互いにほぼ直角に伸長する３つのアーム４１Ａ、　
４１　Ｂ、　４１　Ｃ及び４２Ａ、　４２Ｂ、　４２Ｃ
から成す、アーム４１Ｂ、４２Ｂをもってスペーサ部材
４３で、図示のように弾性部材４１．４２を組合せてい
る。

アーム４１Ａには圧電変位手段４４Ａ　１　、４４Ａ　
２がアーム４１Ａを挾むようにサンドイッチ状に固定さ
れている。同様に、アーム４１Ｂの左側には圧電変位手
段４４Ｂ１．４４Ｂ２を、アーム４１Ｂの右側には圧電
変位手段４４Ｃ１，４４Ｃ２を、アーム４１Ｃには圧電
変位手段４４Ｄ１，４４Ｄ２を、またアーム４２Ａには
圧電変位手段４５Ａ１，４５Ａ２を、アーム４２Ｂの左
側には圧電変位手段４５Ｂｌ、４５Ｂ２を、アーム４２
Ｂの右側には圧電変位手段４５Ｃ１，４５Ｃ２を、アー
ム４２Ｃには圧電変位手段４５Ｄ１．　４５Ｄ２をそれ
ぞれ固定しである。なお、必要に応じて圧電変位手段を
表す符号の下二桁を省略して、４４．４５と表示する。

コ字形状の弾性部材４１．４２の各先端には凸形状の突
起４６ａ、４７ａを有するアダプタ４６Ａ、４６Ｂ。

４７Ａ、　−４７Ｂ　（必要に応じて４６．４７とする
）が固定されており、移動体に反作用力を付与するガイ
ド手段４８．４９の溝４８Ｇ、　４９Ｇに嵌合されてい
る。このため、以上で説明した圧電変位ユニットはガイ
ド手段４８．４９に沿って移動可能である。ガイド手段
４８．４９は、この発明に係るモータを適用する対象に
応じて、任意の形状及び長さとする。例えば、プリンタ
の印字ヘッード移動用のモニタとして用いる場合には、
スペーサ部材４３に印字ヘッドを固定すると共に位置の
検出機構を併設して印字機構と連動させる。しかしてガ
イド手段４８．４９は２０〜５０α程度の直線とする。

この実施例に係るリニアモータの動作は、第２図のもの
と同様であり、駆動−シャフトの代わりに圧電変位ユニ
ットを含む移動体が変位移動する。

すなわち、弾性部材４１．４２が圧電変位手段の移動パ
ターンによる変位に伴って変形することにより、ガイド
手段４８．４９から移動体に与えられる反作用力によっ
て移動体は進行する。

（発明の効果）この発明によれば、以上のように構成することにより、
小形軽量高精度で、微細変位が可能であり、しかもＸＹ
の二軸方向に任意に変位可能でありかつ変位量の大きい
圧電アクチュエータを得るこきができる。

従ってこの圧電アクチュエータを用いることにより高速
でかつ高精度で作挙させ得るリニアステップモータが実
現でき、例えば顕微鏡下に於ける工具の微細な位置決め
の作業や、または頻繁に直線運動を行うプリンターヘッ
ドの駆動用モータとして利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係る圧電アクチュエータの
側面図、第２図はこの発明の他の実施例ζこ係る圧電リ
ニアモータの側面図、第３図は第２図の実施例の動作を
説明するタイムチャート、第４図はこの発明の更に他の
実施例に係る圧電リニアモータの側面図（ａ）及び正面
図（ｂ）である。１０・・・圧電変位ユニット、１１・・・支持体、１２
・・・弾性部材、１２Ａ、　１２Ｂ・・・アーム、１６
・・・第１の圧電変位手段、１７・・・第２の圧電変位
手段、１９・・・アダプタ、４１．４２・・・移動体の
構成要素である弾性部材、４３・・・移動体の構成要素
であるスペーサ部材、４４．４５・・・移動体の構成要
素である圧電変位手段、４６．４７・・・移動体の構成
要素であるアダプタ、４８．４９・・・反作用手段とし
て作用するガイド手段。

Claims

【特許請求の範囲】　ほぼ直角に伸長する２つのアームから成るＬ字形状の
弾性部材と、板片形状の圧電横効果素子でなる第１の圧電変位手段と
、同じく板片形状の圧電横効果素子でなる第２の圧電変位
手段とを備え、前記第１及び第２の圧電変位手段をそれぞれ前記弾性部
材のおのおのアームに結合固定して構成した圧電変位ユ
ニットを有するようにして成る圧電アクチュエータ。