JPS63107468A - 圧電型リニアアクチユエ−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】 人、　産業上の利用分舒 本発明は精度の高い制御性をもつ圧電型リニアアクチュ
エータに関する。

Ｂ、　発明の概要 本発明による圧電型リニアアクチニエータはドーナツ状
第１の圧電素子と、円筒状の第２の圧電素子と、ドーナ
ツ状の第３の圧電素子と、これらに電圧を印加する中空
平板状電極を軸方向に積重ね、中央中空部にロッドを貫
通させたものを弾性を有するハウジングで取り囲んだ構
造を有し、第１、第２、第３の圧電素子に、これらの圧
電素子に圧接される電極を通じて定められたパターンの
ステップ状電圧を印加し、１周期毎に単位長づつロッド
あるいはハウジングを移動させるものである。

Ｃ１従来の技術 従来ロッドを駆動する円筒型アクチュエータとしては油
圧シリンダや空気圧シリンダあるいは電動リニアアクチ
ニエータが使われている。

Ｄ、　発明が解決しようとする問題点 従来の油圧シリンダや空気圧シリンダのアクチュエータ
は油圧ポンプや空気圧ポンプ及びそれに係わる配管系等
の付帯設備を必要とし、装置が大型化されて小型装置に
は不向きであった。また電動リニアアクチュエータの場
合は、電磁力で作動するため、必ずコイルが必要となり
超小型化、軽量化には限度があった。また電流を通じる
ため多量の熱が出て効率が低下するので冷却のための工
夫が必要となった。また定位置保持や位置決めにはフィ
ードバック制御しなければならなかった。

本発明は従来技術の以上のような欠点に鑑みてなされた
もので、精度の高い制御性、極めて応答性が速く熱の発
生を伴なわない特に超小型化軽量化が可能な圧電型リニ
アアクチコエータを提供することを目的とする。

Ｅ、　問題点を解決するための手段 かかる目的を達成した本発明による圧電型リニアアクチ
ュエータの構成は、ロッドと、該ロッドを取り巻いて設
けられ電圧の印加開放あるいは極性反転によって上記ロ
ッドを把握開放する第１の圧電素子と、第１の圧電素子
に隣接して上記ロッドを取り巻きかっロッドの軸方向に
配列されていて、電圧の印加開放あるいは極性反転によ
って軸方向に伸縮する第２の圧電素子と、第２の圧電素
子の第１の圧電素子の反対側端面に隣接して上記ロッド
を取り巻きかっロッドの軸方向に配列されていて電圧の
印加開放あるいは極性反転によって上記ロッドを把握開
放する第３の圧電素子と、上記ロッドが貫通され、第１
、第２、第３の圧電素子に電圧を印加する平板状の電極
と、上記第１、第２、第３の圧電素子と上記電極とを軸
方向に弾性的に圧接して保持するハウジングとからなる
ものである。

Ｆ、　　作　　　　用 上記構成において、第２の圧電素子の伸縮及びハウジン
グの弾性力により第１と第３の圧電素子の間隔が広くな
ったり、狭（なったりする。そこで第１及び第３の圧電
素子にょるロッドの把持・開放と第２の圧電素子の伸縮
とを組合せることにより、第１、第２及び第３の圧電素
子がハウジングにより弾性的に軸方向に一体化されてい
るので、ロッドとアクチュエータ間で相対的直線移動が
行われる。

例えば第１の圧電素子の位置が固定されているとする。

第１の圧電素子に電圧を印加してロッドを把持した状態
で第２の圧電素子に電圧を印加し、第２の圧電素子を伸
長させると、第３の圧電素子はロッドに沿ってハウジン
グの弾力に逆って移動する。移動後に第３の圧電素子に
電圧を印加すると、第３の圧電素子がロッドを把持する
。その状態で第１の圧電素子の電圧を開放あるいは反転
してロッドの把持を開放し、更に第２の圧電素子を電圧
の開放あるいは反転により軸方向に縮小させると、第３
の圧電素子はロッドを把持したままハウジングの弾性力
で元の位置に戻る。これによりロッドが単位長移動され
る。次いで第１の圧電素子に電圧を印加してロッドを把
持させ、第３の圧電素子の把持を開放することニヨリ、
ロッドが一定位置に保持される。

Ｇ、実施例 本発明による圧電型リニアアクチニエータの一実施例を
示す断面図を第１図に示す。第２図は第１図に示すもの
の外観図である。第３図は第１図に示す実施例のものの
圧電素子と電極の配列を示す分解図である。本発明の第
１図〜第３図に示す実施例において、中央に駆動対象で
ある丸棒状ロッド、５が貫通されろ貫通孔を備え、課電
によって半径方向に伸縮するドーナツ状の第１の圧電素
子８と第３の圧電素子１２とは無課電の状態でそれらの
貫通孔に丸棒状ロッド５が僅かな間隙を隔てて貫通され
ている。第２の円筒状の圧電素子１０は丸棒状ロッド５
がその中空部を間隙を保って貫通していて、圧電素子１
０は第１及び第３の圧電素子８，１２の間に介在される
。

第２の圧電素子１０は両端面に与えられる電圧によって
軸方向へ伸縮する。

第１、第２、第３の圧電素子８，１０，１２に電圧を印
加する中空円板状電極７，９，１１゜１３は第３図の分
解図に示されるように、第１、第２、第３の圧電素子８
，１０．１２の間に配列される。

このように配列された第１、第２、第３の圧電素子８，
１０．１２とこれらに電圧を印加する電極７，９，１１
，１３とは弾性を有するゴム質の材料からなるエラスト
マハウジング６によって弾性的包み込まれている。これ
により、各圧電素子は各電極とともに軸方向に圧接され
る。但し、実施例では第３の圧電素子１２の軸方向位置
が一定位置に固定されているものとする。尚、電極７，
９，１１゜１３からは導線１，２，３．４が第２図に示
すようにエラストマハウジングの側壁から外部へ導出さ
れている。

本発明に使用される第１、第２、第３の圧電素子８，１
０．１２の基本的動作を第７図（ａ）、　（ｂｌ及び第
８図（ａｌ　、　ｆｂｌによって説明する。

第７図（ａｌに示すような直方体の圧電体素子１７の上
下面に正負の電圧を印加することによって、圧電素子は
例えば上下方向に伸長し巾方向に縮小する。次に上下面
に負正の逆の電圧を印加することによって圧電素子１７
は上下方向に縮小し巾方向に拡長される。そこで第７図
に示すような圧電素子材料で第８図に示すような円筒状
の圧電素子１８を形成する。

第８図（ａｌに示すように円筒状の圧電素子１８の上下
面に正負の電圧を印加すると、圧電素子１８は例えば軸
方向に伸長し、外径は縮小し、内径は拡大する。次に上
下面に負正の逆の電圧を印加すると、圧電素子１８は軸
方向に縮小し、外径は拡大し、内径は縮小する。

本発明の圧電型リニアアクチュエータの第１図に示す第
１と第３の圧電素子８，１２は第８図（ｂｌの状態でロ
ッド５を保持するものであり、内径が縮小する性質が強
調された圧電材料で作られる。第２の圧電素子１０は軸
方向に伸縮する性質が強調された材料で作られる。

第１図に示す第１の圧電素子８及び第３の圧電素子１２
はロッド５を貫通する中空部を有するドーナツ状の圧電
素子であり、同一形状をしている。また両圧電素子８，
１２は電気的にも同一作用をなし、下端に正電圧、上端
に負電圧が加えられることによって軸方向に圧縮し、結
果的に半径方向に外径は拡大し、内径は縮小する。第１
及び第３の圧電素子８゜１２の内径は電圧の印加によっ
て縮小したときにロッド５を把持する寸法に定められて
いる。また第２の圧電素子１０はロッド５を貫通する中
空部を有する円筒体であって、下端に負電圧、上端に正
電圧が加えられると厚みの方向（ロッドの軸方向）に伸
長する。但し、その結果内径も縮小されるが、内径が縮
小してもロッド５の外径よりも大きい寸法に定められて
いる。またロッド５は絶縁体のシャフト、あるいは絶縁
物で被覆された合間ｉのシャフトである。なお、電極７
，９，１１，１３はロッド５が余裕をもって貫通される
中空部をもった導電性の金属円板である。

以下に第１図に示す本発明の実施例の動作を説明する。

第４図（ａｔ　、　（ｂｌ　、　（ｃ）　、　ｔｄ；　
、　（ｅ）は圧電型リニアアクチュエータの５つの基本
力作を説明する説明図である。第５図（ａｌ　、　ｆｂ
ｌ　、　ｆｅ）　。

（山は、第４図に示す圧電型リニアアクチュエータの５
つの動作段階に対応して３　Ｌｔｊ　７ｅ　９　＋１１
．１３に印加する電圧の波形例を示す図である。

即ち、第４図（ａ）に示す第１の段階では第３の圧電素
子１２の上端に電ｉｌｌ、１３によって負の電圧が印加
され、第１、第２の圧電素子８，１０の各上下端には同
電位の電圧が印加されている。従って第３の圧電素子１
２が半径方向に縮小してロッド５の下端を把持する。

次に第４図（ｂ）に示す第２の段階では、第３の圧電素
子１２は前の状態に保たれ、第２の圧電素子１０の上端
に＄ｉ９，１１によって正の電圧が印加される。このと
き第１の圧電素子８に電圧を印加させないため、電極７
の電位は電極９の電位と同電位に変化させられる。これ
によって、第３の圧電素子１２がロッド５の下端を把持
しつづけ且つ第２の圧電素子１０が伸長するので、課電
されていない第１の圧電素子８がエラストマハウジング
６の弾力に逆いロッド５に沿って移動させられる。

次に第４図（ｃ）に示す第３の段階においては、第３、
第２の圧電素子１２．１０は前の課電状態を維持し、第
１の圧電素子８に負の電圧が電極７，９によって印加さ
れる。従ってロッド５は第１及び第３の圧電素子８，１
２によって把持される。

次に第４図（、（ｌに示す第４の段階においては、第５
図に示すように電極１３の電位を正から負へ反転して電
極１１と同電位とすることによって、第３の圧電素子１
２は開放されロッド５の把持を止める。但し、第１及び
第２の圧電素子８，１０は前の課電の状態を維持してい
る。

次に第４図（ｅｌに示す第５の段階においては、第５図
に示すように第２の圧電素子１０に電圧を印加する電極
９，１１の電位を共に正電位に変化して第２の圧電素子
１０を開放することによって元の長さに縮小する。但し
、同時に電極１３の電位をも正の電位とし、第３の圧電
素子１２も課電されないようにする。

このように第２、第３の圧電素子１０，１２が開放され
ると、第１の圧電素子８はロッドを把持したまま、エラ
ストマハウジング６の弾力によって元の位置に戻る。従
ってロッド５は上記の５つの基本的動作段階からなる１
駆動周期によって、単位長△Ｘだけ特定の方向に移動す
る。

第４図（ａ）、　ｆｂ）、　（ｃｌ、　（ｄＬ　（ｅ）
の５つの段階に対応して各電極？、９，１１．１３に第
５図（ａｌ　、　（ｂｌ　、　（０１、（ｄｌに示すよ
うなステップ状電圧が経時的に印加される。即ち第５図
（ａｌ、（ｃｌの如く電極７，１１には正電圧デユティ
２０％のステップ状電圧が相互に２１６°（１，２ｒ　
ａ　ｄ）位相が遅れて作用している。また第５図（ｂ）
に示す如（正電圧デユティ比が８０％のステップ状電圧
が電極７のステップ電圧と同時に電極９に作用し、電極
１３には第５図（ｄｉに示す如＜　２１６＠（１，２ｒ
ａ’ｄ）遅れて作用する。

第５図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｃｌ）
のステップ状電圧を電極７，９，１１，１３に課電する
ことによって、第１、第２、第３の圧電素子８，１０゜
１２は第４図（ａｌ　、　（ｂｌ　、　（ｃ）　、　（
ｄｌ　、　ｔｅｌに示す５つの段階の動作をする。これ
によってロッド５は単位長ΔＸ移動する。従って第４図
に示す５つの段階とは逆の段階で第１、第２、第３の圧
電素子８，１０，１２が動作するようなステップ状の電
圧を電極？、９，１１．１３に印加することによってロ
ッド５を上記と；よ逆方向に単位長−△Ｘを移動するこ
とができる。勿論、ロッド５を固定しておけば、ハウジ
ング６側を第４図（ｆ）に示す如＜（ａ）の状態から−
ΔＸあるいは＋△Ｘ移動させることができる。

従って、以上の動作をｎ回繰返すことによって、ロッド
５あるいはハウジング６をｎ△Ｘあるいは−ｎΔＸ移動
することができる。ロッド５あるいはハウジング６の移
動速度は１駆動周期の時間に逆比例するので、駆動周波
数を高める程ロッドは高速で移動する。駆動周波数は圧
電効果の応答性が極めて高いのでＭＨｚオーダまで可能
である。従って、本発明の圧電型リニアアクチュエータ
は駆動周波数を高めるだけで高速に作動し、逆に駆動周
波数を低めることによって低速で動作する。尚駆動素子
は圧電素子のみであるため電流は殆んど無視され、電圧
のみを利用するものであるからアクチュエータ本体中で
の熱の発生がない。

また動作原理は寸法に関わらないので、超小型あるいは
軽量化されたリニアアクチュエータが実現できる。まｔ
コ駆動素子は圧電素子のみであるため、変位蓄積形であ
リロッドの長さに制限がない。従って極端な場合無限大
の変位も可能である。また変位増幅機構を必要としない
ので力が変位に食われろということもない。又定位置保
持をする場合圧電素子の変形力で直接皿んで接触摩擦で
ロッドを保持するため、極めて強い保持力と高い位置決
め精度が得られる。またステップ電圧波形で圧電素子を
駆動するものであるため、ステッピングモータと同様の
制御が可能であり、マイコンによるＩ！１ｍがしやすく
オープンループで精度の高い位置制御ができる。またロ
ッド５は必ずしも剛体でなくてもよく、柔かいエラスト
マのローブでも使用できるので、極めて柔軟性をもつア
クチュエータが実現できる。

第６図に本発明による圧電型リニアアクチュエータの各
電極７，９，１１，１３へ第５図（ａ）　、　（ｂ）　
、　（Ｃ１、（ｄ）に示すようなステップ電圧を供給す
る駆動電源の構成図を示す。

第６図に示すように圧電型リニアアクチュエータの電極
？、９，１１，１３の導線１゜２．３，４にはステッピ
ングコントローラ１５から、第５図（ａｌ　＃　［ｂ）
　、　（ｃｌ　、　ｆｄ）に示すような波形のステップ
電圧が入力される。またマイコン１６にはステッピング
コントローラ１５が所望の電圧波形を出力するように予
じめ圧電型リニアアクチュエータの凡ての動作に対応す
るプログラムが入力されていて、外部からの指令に基づ
いて指令信号をステッピングコントコーラ１５へ出力し
、これによって所望の動作をさせるようになっている。

本発明の第１図に示す実施例のものは、第１１第２、第
３の圧電素子８，１０．１２と電８ｉｉ？、９，１１．
１３とがエラストマハウジング６の中に軸方向に弾力が
付加されて一体に圧接されて収容されている。しかし第
９図に示すように、この容器を剛体ハウジング６′で形
成することができる。この場合には剛体ハウジング６′
内にばね１９を介在させ、収容される圧電素子と電極を
軸方向に圧接させる。このようにすると、圧電素子の軸
方向の伸びあるいは縮みばばね１９によって吸収され、
第１図に示すエラストマハウジング６の場合と同様に動
作することができる。また剛体ハウジング６′は樹脂等
の絶縁物の容器、あるいは金属等の場合は内面に絶縁物
が被覆された金属容器で形成される。

また本発明の第１図に示す実施例でシよ圧電素子間に圧
接される電極は共用する構造のものが使用されている。

しかし第１０図に示すように、電極９，１１をそれぞれ
９ａ、９ｂ及びｌｌａ、ｌｌｂで示す独立な電極とし、
それぞれの間に絶縁物２０を介在させ、それぞれの電極
からは１，２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ。

４と６本の導線を湧出させることができる。

このように電圧電素子の電極が独立した場合は、印加電
圧を任意に加えることができロッド５の操作態様をさら
に多くもたせることができる。また電源も単一の電源か
ら全ての電極へ配分することもできる。

更に第１図に示す本実施例の鳩のでは第２の圧電素子１
０は単一の素子で形成されているが、第１１図に示す如
く複数ｍ個の圧電素子１０ａ、１０ｂ・・・をそれぞれ
に電（蛋９′を介して重ねたものとすることもできる。

この場合は１駆動周期にｍΔＸとロッド５の移動量を増
大することが可能となる。

また更に第１図に示す本実施例のものでは第１及び第３
の圧電素子８，１０はドーナツ状のものを使用している
が、第１２図ｆａｌ、　（ｂｌに第１の圧電素子で代表
して示す如く、周方向に複数個例えば４片８ａ、８ｂ、
８ｃ、８ｄに分割することも可能である。第１２図（ａ
）はを圧の印加によって圧電素子８　ａ、　８　ｂ、　
８ｃ。

８ｄは半径方向に縮小してロッド５を開放している状態
を示す。第１２図（ｂ）は電圧を反転して圧電素子８ａ
、８ｂ、８ｃ、８ｄを半径方向に伸長しロッド５を把持
した状態を示している。

第１３図に示すように、第１２図の圧電素子８ａ、８ｂ
、８ｃ、８ｄが剛体ハウジング６′に収容される場合は
、剛体ハウジング６′の圧電素子８ａ、８ｂ、８ｃ、８
ｄの外周面が接触する内面に環状凸部２１を形成する。

これによって、圧電素子８ａ、８ｂ、８ｃ。

８ｄが半径方向に伸長されたとき圧電素子の外方への動
きは環状凸部２１によって規制され、大きい力でロッド
５を把持することができる。又、第１４図に示すように
、第１２図の圧電素子８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄがエラス
トマハウジングに収容される場合は、別途剛体リング２
２を設けろことにより、第１３図の例と同様に半径方向
に伸長された圧電素子の外方への動きが拘束され強い力
でロッド５を把持することができる。

■９発明の効果 本発明による圧電型リニアアクチュエータは第１、第２
、第３の圧電素子と電極とを弾性を有するハウジング内
に収容しその中央にロッドが貫通された極めて簡単な構
造である。

また圧電素子は極めて小型に製作されるので装置の超小
型化、超軽量化が可能である。また圧電素子にステップ
状の電圧を印加するのみでロッドあるいはハウジングを
所望の量移動させることができ、駆動に電流を要しない
ので発熱が殆どなく、効率的で且つ経済的である。また
圧電素子に特定パターンのステップ状電圧を印加するだ
けでロッドあるいはハウジングを駆動することができ、
しかも圧電素子は電気的に誘導分を含まず極めて高い応
答性をもつので駆動周期を変えるだけで速度制御をする
ことができる。

また本発明のものは変位蓄積型のため、ロッドの長さに
関係な（大きい変位が得られる。

更に本発明のものは、定位置保持する場合電磁力等を使
用せず、単に圧電素子の変形力で直接ロッドを掴んで接
触摩擦で保持するため、極めてわずかのエネルギーで極
めて強い保持力を得ることができるばかりでなく極めて
高い位置決め精度が得られる。

また本発明のものはステッピングモータと同様の制御が
可能でありマイコン制御がしやすくオープンループで高
い精度で位置制御することができる。

また更に本発明のものはハウジング内に納められていて
ハウジングの軸心にそってロッドを出し入れするシリン
ダタイプであるので、油圧シリンダや空気圧シリンダと
同様に使用することができる。またハウジング内にコン
バク・トにまとめられた構造であるため、独立性カ高く
ロボット等に使用する上でスペースを取らず極めて設計
上有利である。

本発明のものは超小型又超軽量化されたリニアアクチュ
エータが実現できるので、従来の技術では不可能であっ
た分野にもリニアアクチュエータの使用の可能性を開い
た。

以上述べた如く本発明による圧電型リニアアクチュエー
タは多くの勝れた効果を備えており産業上のあらゆる分
野に広く利用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による圧電型リニアアクチュエータの構
造例を示す断面図、第２図は第１図に示すものの外観図
、第３図は圧電素子と電極の配置を示す分解図、第４図
は圧電型リニアアクチュエータの基本動作の説明図、第
５図は第４図に示す基本動作をさせるときの４つの電極
に作用するステップ状電圧波形を示した図、第６図は本
発明の圧電型リニアアクチュエータの駆動電源の構成図
、第７図は圧電素子の基本動作を説明する図、第８図は
円筒状圧電素子の基本動作を説明する図、第９図は剛体
ハウジングの−例を示す説明図、第１０図は電極を全て
独立させた例を示す説明図、第１１図は第２の圧電素子
を複数個で構成した例を示す説明図、第１２図は第１及
び第３の圧電素子を分割型とした例を示す説明図、第１
３図は第１２図に示す分割型の圧電素子の保持力を増大
させるための構成の説明図、第１４図は第１２図に示す
分割型の圧電素子の保持力を増大させるための他の構成
の説明図である。 図面中、１，２，３．４は導線、５はロッド、６はエラ
ストマハウジング、６′は剛体ハウジング、７，９，１
１，１３は電極、８は第１の圧電素子、１０は第２の圧
電素子、１２は第３の圧電素子、１５はステッピングコ
ントローラ、１６はマイコン、１９はばね、２０は絶縁
体、２１は環状凹部、２２は剛体リングである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロッドと、該ロッドを取り巻いて設けられ電圧の印加開
   放あるいは極性反転によって上記ロッドを把握開放する
   第１の圧電素子と、第１の圧電素子に隣接して上記ロッ
   ドを取り巻きかつロッドの軸方向に配列されていて、電
   圧の印加開放あるいは極性反転によって軸方向に伸縮す
   る第２の圧電素子と、第２の圧電素子の第１の圧電素子
   の反対側面に隣接して上記ロッドを取り巻きかつロッド
   の軸方向に配列されていて電圧の印加開放あるいは極性
   反転によって上記ロッドを把握開放する第３の圧電素子
   と、上記ロッドが貫通され、第１、第２、第３の圧電素
   子に電圧を印加する平板状の電極と、上記第１、第２、
   第３の圧電素子と上記電極とを軸方向に弾性的に圧接し
   て保持するハウジングとからなる圧電型リニアアクチュ
   エータ。