JPS6281984A

JPS6281984A - 圧電アクチユエ−タ

Info

Publication number: JPS6281984A
Application number: JP60218891A
Authority: JP
Inventors: Kazuma Suzuki; 数馬鈴木
Original assignee: Rion Co Ltd
Current assignee: Rion Co Ltd
Priority date: 1985-10-01
Filing date: 1985-10-01
Publication date: 1987-04-15

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トのネジの精度で
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
と重量をとられる為、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
チュエータにおいて、ＸＹの二軸方向に任意に変位させ
る小形でストロークの大きい変換手段（圧電変位ユニッ
ト）が見当らなかった。

（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、圧電素子の横効果を利用すること
によって、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、二軸方向に任意に大きなス
トロークをとれる圧電アクチーエータを提供することを
目的とする。

（発明の概要）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、少なくとも一枚の板状の圧電横効果素子を
構成要素とする圧電変位手段と、同じく少なくとも一枚
の板状の圧電横効果素子を構成要素とする圧電変位手段
とをＴ字状に結合した圧電変位ユニットを構成するよう
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図及び第２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はユニソｌ
−１０の支持体、１２及び１３は固定手段、１６は圧電
横効果（ｄ３Ｉ）を示す第１の圧電変位手段、１７は同
じく圧電横効果（ｄ　３１）−Ｇ示す第２の圧電変位手
段、１９はアダプタである。

固定手段１２．１３は、圧電変位手段１６の横方向へ害の位置ずす止して、且つ両端を支持するものである。第
２図に示すように１２８，１３ａは圧電変位手段１６の
両端部を載せて支持する為の段部である。

また１２ｂ、１３ｂは圧電変位手段の端部と当接しその
厚み方向に伸長している壁部分である。この壁部分１２
ｂ、１３ｂの内側高さｈは圧電変位手段１６の全体の厚
さにほぼ等しい。もっとも必ずしも等しい必要はなく、
要は圧電変位手段に対する横方向のクランプ効果があれ
ば足りる。この壁部分１２ｂ。

１３ｂに連続し、同じ高さｈの側壁部分１２Ｃ，１２ｄ
及び１３ｃ、１３ｄが、壁部分１２ｂ、１３ｂからＬ字
状に曲がって形成されている。この側壁部分１２Ｃ９１
２ｄ、１３Ｃ，１３ｄは、段部１２ａ、１３ａに対して
もＬ字状に連続している。

圧電変位手段１６．１７は、それぞれ一対の板状の圧電
横効果素子１６Ａ・１６Ｂ、１７Ａ・１７Ｂを貼り合わ
せたバイモルフ構成となっている。もっとも圧電素子は
必ずしも各２枚である必要はなく多数枚を接合して使用
しても良く、各１枚でも良い。更に小形にするという点
で圧電素子のみの使用が一般的であるが、バイモルフ構
成の片側に圧電素子を使用し、もう片側にガラスエポキ
シ板の如き弾性板を使用して貼り合わせ、片側バイモル
フ（ユニモルフ）としても良い。バイモルフ構成の場合
、尚、圧電変位手段１６に於て圧電横効果素子１６　Ｂ
の換りに弾性金属板を用いれば、圧電変位手段１７との
接合が容易になり、この点好ましいものである。この場
合弾性金属板は熱膨張係数を圧電素子さ同程度＋２Ｘ１
０’／　０Ｃ付近に選定することが望ましい。

ところで第１の圧電変位手段１６と第２の圧電変位手段
１７とは、接着などの方法によりＴ字状に組合わされて
一体に結合されている。

圧電変位手段１７の手段１６と接合してない端部１ニア
′Ｐにはアダプタ１９が固着されている。アダプタ１９
は、圧電変位ユニット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耐摩耗
材を用いる。アダプタ１９には、例えば位置決めテーブ
ルの駆動板を吸着固定する。

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
。

ただし、各圧電横効果素子１６Ａ・１６Ｂ及び１７八−
１７Ｂは、それぞれ矢印Ａ、Ｂで図示する如く分極され
ており、かつ屈曲変位するように互いに並列に接続され
ているものとする。もっとも分極方向は本実施例に限定
されるものでないことは言うまでもなく、例えば圧電変
位手段１６又は／及び手段１７の分極方向を逆にしたも
のでも良い。上述の分極方向の場合はいずれも並列に電
圧を印加する場合のものであり、直列に電圧を印加する
場合には、例えば各手段１６・１７に於て分極方向を対
向せしめたものが挙げられる。

第１の圧電変位手段１６に電圧を印加すると、アダプタ
１９はＭ方向にその電圧の大きさに応じて変位し、印加
電圧の極性により十Ｍ方向から−Ｍ方向にその電圧の大
きさに応じて任意に変位する。

第２の圧電変位手段１７に電圧を印加すると、アダプタ
１９はＮ方向にその電圧の大きさおよび極性に応じて変
位する。

更に、圧電変位手段１６．１７の両方に位相をずらして
電圧を印加すれば、アダプタ１９は印加電圧の極性と大
きさに応じてＭ方向とＮ方向のベクトルを合成した方向
及び位置に変位する。

以上のような変位における変位量は印加した電圧の大き
さに正確に比例するため、変位量も正確なものとするこ
とができる。

第３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、　１０　Ｂを備えている。

各ユニン目ＱＡ、１０Ｂは台板３１上で、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ｙ　
ＨＯＡ、　１０　Ｂの上部にはそれぞれアダプタ１９Ａ
、１９Ｂが固定されている。

ユニソｌ−１ＯＡ、ＪＯＢの上には、ユニットの整列方
向と同一方向に伸長する駆動シャフト３９が配置されそ
いる。この駆動シャフト３９は各ユニット１０Ａ、ＩＯ
Ｂと、上板３２に回動自在に固定したローラ３８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
共に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３３
Ａ、３４Ａが形成しである。

なお、圧電変位ユニッ１−１０　Ａ、　１０　Ｂに電圧
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３８と圧電変位ユニソ目ＯＡ、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フ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）圧電横効果素子から成る圧電ユニノ目ＯＡの素子
１６に、駆動電圧を印加し、ユニノ）ＩＯＡを−Ｍ方向
ζこ縮める。

（２同じく圧電横効果素子から成る圧電ユニット１０Ａ
の素子１６に駆動電圧を印加し、ユニ、トＩＯＡを十Ｎ
方向にずらせる。従って、ユニ・・ト１０　Ａは左斜め
下方向に変位して、シーフト３９のクランプを解除する
。

（３）前項（１）、■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ｌ−１０Ｂの横効果素子１６に駆動電
圧を印加し、ユニット１０Ｂを−Ｍ方向に縮め、且つ圧
電ユニソｌ−１０Ｂの素子１７に駆動電圧を印加し、ユ
ニット１０Ａを十Ｎ方向にずらせる。ユニット１０Ｂは
シャフト３９のクランプを解除する。

（５）圧電ユニット１ＯＮの素子に（２とは逆極性の電
圧を印加し、ユニットＩＯＡを−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−Ｎ方
向に移動する。

（６）圧電ユニノｌ−１０Ｂの横効果素子１６に（１）
とは逆極性の電圧を印加し、ユニノｌ−１０Ｂをクラン
プ状態に移行させる。

（′７）前項（１）、（２）と同様の操作でユニットｌ
ＯＡのクランプを解除する。

（８）圧電ユニノ目ＯＢの素子１６に（２）とは逆極性
の電圧を印加し、ユニノＩ−１０Ｂを−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
−Ｎ方向に移動する。

（９）圧電ユニノｌ−１ＯＡを前項（３）と同様の操作
によってクランプ状態にする。

（１の圧電ユニット１０Ｂを前項（１）、（２）の操作
によって、クランプ状態から解除する。

（１１）以下、同様の動作を繰替えずことによりシャフ
ト３９を順次−Ｎ方向に移動させるこさができる。

以上のように、各圧電ユニッｌ−１ＯＡ、　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）〜（１の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、１０Ｂの各素子
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４図のようである。同図（ａ）、
（１））はそれぞれユニットＩＯＡ、ＩＯＢの素子１６
への印加電圧波形図、また同図（Ｃ）、（ｄ）はそれぞ
れユニノ目ＯＡ、ＩＯＢの素子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電速度と、駆動
系の機械的な共振点で定まり、通常は毎秒１０００〜３
０００ステツプ程度で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
ＯＢ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、他側は回転ローラ羽としたが、両側とも圧
電変位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
多数の圧電変位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と圧電変位ユニットＩＯＡ、１０Ｂ
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
移動させることもまったく同様にして可能である。

第５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、圧電変位
ユニット自体が移動する。

図において、ＩＯＡ、ｌ０Ｂ（必要に応じて１０と省略
する）は第１図並びに第３図で説明したと同様の圧電変
位ユニット、４０は移動体を構成する車輪、４１は圧電
変位ユニット１０を搭載しへ車輪４０を回転可能に固定
した台板、４２は車輪４０の移動方向を規制する軌道、
４３は圧電変位ユニット１０の厚み方向の変位に対して
反作用力を付与する反作用手段である。

圧電変位ユニット１０は、台板４１上で屈曲方向がＮ方
向に一致するように連設されている。図面では２つのユ
ニット１０のみが示されているが、更に複数のユニット
を並列に（紙面垂直方向に）搭載してもよい。

車輪４０及び台板４１は移動体である台車を構成してい
る。車輪４０は、円盤とこの円盤を連結するシャフト（
図示せず）とから成っている。このような車輪４０は、
周知の軸受けなどによって台板４１側に回転可能に固定
される。この車輪４ｏで、所謂鉄道のレール形状や突出
した平坦な形状の軌道４２に沿って移動可能であるよう
になっている。車輪４゜及び軌道４２の構成は周知の任
意のものとすることができる。

軌道４２と反作用手段４３とは平行に連続しており、そ
の間隔Ｓは圧電変位ユニットに電圧を印加しない状態で
、移動体が移動しないようになっている。

また、ユニットの上のアダプタ１９を磁石として反作用
手段弁、を磁性材料とすることができる。

この実施例に係るリニアモータの動作は、第３図の実施
例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ＩＯＡ、ＩＯＢを搭載した移動体が変位する
ものである。

（発明の効果）この発明によれば、以上のように構成するこさにより、
軽量薄形であり且つ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ーエータを得ることができる。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
つ高精度で作動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
動業や、または頻繁な直線連繋を行うプリンターヘッドの
１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（ａ）並びに斜視図（ｂ）、第２図はこの発明の
実施例の一部斜視図、り第３図はこの発明の他の実施例
に係る圧電リニアモータの側面図、第４図は第３図の実
施例の動作を示すタイミングチャート、第５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で
ある。１０・・・圧電変位ユニット、１１・・・支持体、１２
．１３・・・固定手段、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
。

Claims

【特許請求の範囲】

少なくとも一枚の板状の圧電横効果素子を構成要素とす
る第１の圧電横変位手段と、同じく少なくとも一枚の板
状の圧電横効果素子を構成要素とする第２の圧電変位手
段とを、Ｔ字状に結合して構成した圧電変位ユニットを
有するようにしてなる圧電アクチュエータ。