JPH01138975A - リニアアクチュエータの出力方法およびリニアアクチュエータ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、半導体設備などで用いられる精密位置決め用
の精密ステージなどでその駆動源となる微小駆動用のリ
ニアアクチュエータに関するものである。

従来の技術 近年、リニアアクチュエータは、その動きがロータリー
アクチュエータの回転運動と異なり、直線運動をするた
め、駆動力が直接に直線運動として取り出すことができ
、このため、種々の産業分野で多く用いられるようにな
ってきている。リニアアクチュエータとして、リニアモ
ータ、リニアパルスモータ、圧電セラミックスアクチュ
エータなどが実用化され、特に、微小駆動、Ｍ密位置決
めとしては、ａｌｌ圧電セラミックスアクチュエータが
数多く用いられている。

以下、第７図および第８図を参照しながら、上述した従
来のりニアアチュエータである積層圧電セラミックスア
クチュエータの一例について説明する。

第７図は従来のり、ニアアクチュエータである積層圧電
セラミックスアクチュエータの構造を示す構成図である
。第７図において、１は圧電セラミックスのグリーンシ
ート、２は圧電セラミックスグリーンシート１に印刷さ
れた金ｆｉ電極材であり、内部電極となる。３は内部電
極２を電気的に結合する外部電極である。４は内部電極
２と外部電極３とを電気的に絶縁させる絶縁体、５ａお
よび５ｂは外部電極３のそれぞれから引き出された電源
用端子線であり、圧電セラミックスグリーンシート１を
積層して形成したｇＩ層圧電セラミックスアクチュエー
タ６を伸縮駆動させるための駆動電源７に接続されてい
る。

以上のように構成された従来のリニアアクチュエータで
ある１層圧電セラミックスアクチュエータ６について、
以下その動作を説明する。

駆動電源７より外部電極３に電圧を印加すると、圧電セ
ラミックスグリーンシート１に印刷された内部電極２に
も電圧が印加される。このとき、各圧電セラミックスグ
リーンシート１には一定方向の電界が加わり、電歪効果
により各圧電セラミックスグリーンシート１に一定方向
の歪が発生する。

この歪量は圧電セラミックスグリーンシート１の＠層枚
数に比例しており、積層圧電セラミックスアクチュエー
タ６の変位量として直線的に取り出せる。また、積層圧
電セラミックスアクチュエータ６が伸びた状態で、上記
とは逆向きの電圧を駆動電源７より外部電極３に印加す
ると、積層圧電セラミックスアクチュエータ６は縮む方
向に駆動される。

第８図は、その−例として、積層圧電セラミックスアク
チュエータ６（圧電セラミックスグリーンシート素子断
面積２５ｓ’、長さ１８闇）に、駆動電源７から１００
■を印加したときの変位量を示す図で、縦軸に変位量を
示し、横軸に電圧を示す。

第８図において、矢印方向Ｃは印加電圧を徐々に増加し
て行くときの変位量を示し、矢印方向ｄｌよ電圧を徐々
に減少させて行くときの変位量を示している。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら上記のような構成では、駆動電源７の印加
電圧に対して、積層圧電セラミックスアクチュエータ６
の伸縮量が非常に小さいという問題点があった。そこで
、この伸縮量を大きくするためには、印加電圧をさらに
高くするか、もしくは圧電セラミックスグリーンシート
１をさらに多く積層せねばならず、駆動電源７の大型化
、アクチュエータの大型化とともにコスト高にもなると
いう問題点を有していた。

本発明は、上記従来の問題点を解決するために、直線的
な微小変位量を一定方向に連続加算して、より大きな変
位量として取り出ゼるようにしたリニアアクチュエータ
を提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明のリニアアクチュエ
ータは、磁極歯を有する棒状ヨーク材と、前記磁極歯に
取り付けた多層巻きコイルと、前記コイルに電流を印加
するコイル電源と、前記棒状ヨーク材の磁極歯に対向す
るように配置した棒状磁性体と、前記棒状ヨーク材に取
り付けた圧電セラミックスと、前記圧電セラミックスを
伸縮駆動させて前記棒状ヨーク材を微小変化させる駆動
電源とを備えたものである。

作用 本発明は上記した構成によって、圧電セラミックスの伸
縮による微小変位を、圧電セラミックスに取り付けた磁
極歯を有する棒状ヨーク材に伝え、さらに、磁極歯に取
り付けた多層巻きコイルをコイル電源より電流を印加す
ることにより磁極南部を電磁石と成し、１１橿歯に対向
するように配置した棒状の磁性体を電磁石となった磁極
歯に電磁力で引き付けて拘束し、圧電セラミックスの微
小変位を棒状ヨーク材の磁極歯から棒状磁性体に伝える
。また、圧電セラミックスが伸びる方向に変位するとき
のみ、多層巻きコイルを励磁して電磁石と成し、縮む方
向に変位するときは励磁しなければ、磁性体は圧電セラ
ミックスの伸びる方向へ微小変位毎に連続して移動する
ことができ、また、圧電セラミックスが縮む方向に変位
するときのみ、多層巻きコイルを励磁して電磁石と成し
、伸びる方向に変位するときは励磁しなければ、磁性体
は圧電セラミックスの縮む方向へ微小変位毎に連続して
移動することができ、直線的な微小変位量を一定方向に
連続して取り出せることになる。

実施例 以下本発明の一実施例のリニアアクチュエータについて
、図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一実施例を示すリニアアクチュエータ
の構成図である。第１図において、１１は積層圧電セラ
ミックスアクチュエータ、１２は積層圧電セラミックス
アクチュエータ１１を構成する圧電セラミックスのグリ
ーンシートである。１３は圧電セラミックスグリーンシ
ート１２に印刷された金属電極材であり、内部電極とな
る。１４は内部電極と電気的に結合される外部電極であ
る。１５は内部電極１３と外部電極１４とを電気的に絶
縁させる絶縁体、ｔｅａおよび１６ｂは外部電極１４の
それぞれから引き出された電源用端子線であり、積層圧
電セラミックスアクチュエータ１１を伸縮駆動させるた
めの駆１ｌｌｌ電源１７に接続されている。積層圧電セ
ラミックスアクチュエータ１１の一端は固定端とし、固
定体１８に取り付けられている。１９は磁極歯２０を有
する棒状のヨーク材であり、積層圧電セラミックスアク
チュエータ１１の一端に取り付けられている。

２１は多ｌｉＷ巻きコイルであり、磁極歯２０に取り付
けられている。２２は多ｍ巻きコイル２１に電流を印加
するコイル電源である。２３は棒状ヨーク材１９の磁極
歯２０に対向するように配置されたフェライト材よりな
る棒状の磁性体である。２４．２５はローラであり、磁
性体２３の移動時にガイド２６と摺動する。

以上のように構成されたリニアアクチュエータについて
、第２図〜第５図を参照しながら、その動作を説明する
。第２図はリニアアクチュエータ動作の第１ステツプを
示し、まず、多層巻きコイル２１にコイル電源２２より
電流を印加すると、磁極ｍ２０にＮ極とＳ極が発生して
電磁石となり、棒状磁性体２３の磁極歯２０に対向して
部分に磁極歯２０の先端極性とは逆の極性が発生し、磁
極歯２０と棒状磁性体２３が磁気力により互いに引き付
けられるような力が発生する。このとき、積層圧電セラ
ミックスアクチュエータ１１はまだ駆動電源をＯＦＦ状
態にしているため変位ｆｆ１ｏの原点位置にある。

第３図はリニアアクチュエータ動作の第２ステツプを示
し、第２図の第１ステツプ状態において、積層圧電セラ
ミックスアクチュエータ１１の駆動電源をＯＮ状態にし
て電圧を印加し、積層圧電セラミックスアクチュエータ
１１を矢印ｅ方向、つまり伸びる方向に駆動させる。こ
のとき棒状磁性体２３は、多層巻きコイル２１の励磁に
より磁極＠２０に発生する電極力によって、磁極歯２０
へ引き付けられた状態であるため、棒状ヨーク材１９の
変位とともに矢印ｅ方向へ積層圧電セラミックスアクチ
ュエータ１１の移！ｌＪ量と同じ量だけ移動する。

・第４図はリニアアクチュエータ動作の第３ステツプを
示し、第３図の第２ステツプの状態において、棒状磁性
体２３のｅ方向への移ｖＪＩＩｌ了後、積層圧電セラミ
ックスアクチュエータ１１の駆＊７ｊｎ源をＯＮ状態に
保ったまま、コイル電源２２により多層巻きコイル２０
に、棒状磁性体２３に局部的に発生しているＮ橋とｓ４
ａ！の磁石部を減磁および消磁する交番磁界が発生する
ような電流を流す。

第５図はリニアアクチュエータ動作の第４ステツプを示
し、第４図の第３ステツプの状態において、多層巻きコ
イル２１はコイル電源２２のＯＦＦ状態により消磁され
ており、そして、積層圧電セラミックスアクチュエータ
１１の駆ｔｈｍ源１７の電圧を減じるようにして、積層
圧電アクチュエータ１１をｆ方向に戻すようにし、第１
ステツプの状態、つまり原点位置まで縮ませる。

その後、同様にして、第１ステツプから第４ステツプま
でを繰返せば、棒状磁性体２３は、８ｉ層圧電セラミッ
クスアクチュエータ１１の微小変位毎に、伸びる方向に
連続して駆動させることができるのである。この様子を
、第６図に縦軸に磁性体２３の、移動量、横軸に時間座
標を取って例示する。

また、逆方向、つまりｗ４層圧電セラミックスアクチュ
エータ１１の縮む方向へ棒状磁性体２３を駆動させるに
は、まず、積層圧電セラミックスアクチュエータ１１を
伸ばしておき、つまり駆動電源１７をＯＮ状態にして電
圧を印加しておき、多層巻きコイル２１にコイル電源２
２より電流を印加して磁極歯２０を電磁石と成し、棒状
磁性体２３の磁極歯２０に対向している部分に磁石を形
成する。したがって、磁極歯２０にできた電磁石は棒状
磁性体２３を引き付けた状態である。この状態を保持し
たまま、ＷＡｌｉｌ圧電セラミックスアクチュエータ１
１を縮ませてやると、棒状磁性体２３も縮む方向へ移動
することになる。次に、多層巻きコイル２１にコイル電
源２２より、棒状磁性体２３にできた磁石部を減磁およ
び消磁するように交番磁界を発生するような電流を印加
してやる。そして、棒状磁性体２３の磁石部が消磁され
た後、積層圧電セラミックスアクチュエータ１１を伸ば
して、再び多層巻きコイル２１を励磁すれば、連続して
、積層圧電セラミックスアクチュエータ１１の縮む方向
への微小変位を棒状磁性体２３に与えることができる。

以上のように本実施例によれば、積層圧電セラミックス
アクチュエータ１１に磁極歯２０を有する棒状ヨーク材
１９を取り付け、磁極歯２０に多層巻きコイル２１を取
り付けて、コイル電源２２により電流を印加して磁極歯
２０を電磁石と成すことにより、磁極！！［１２０に対
向した位置に設けた棒状磁性体２３に、積層圧電セラミ
ックスアクチュエータ１１の微小変位量を連続して、伸
びる方向あるいは縮む方向に与えることができるもので
ある。

なお、本実施例において、圧電セラミックスをグリーン
シート法による積層圧電セラミックスアクチュエータ１
１としたが、積層のバイモルフ型圧電セラミックスアク
チュエータでもよい。また、棒状ヨーク材１９の磁極歯
２０を１つとしているが、複数個にしてもよい。さらに
、棒状磁性体２３をフェライト材としたが、他の磁性材
料でもよいことはいうまでもない。

発明の効果 以上のように本発明によれば、圧電セラミックスに取り
付けられた磁極歯を有する棒状のヨーク材と、磁極歯に
取り付けられた多層巻きコイルと、コイルに電流を印加
するコイル電流と、棒状ヨーク材の磁極歯に対向するよ
うに配置した棒状磁性体とを備え、駆動電源で圧電セラ
ミックスを伸縮駆動させて棒状ヨーク材を微小変位させ
ることにより、多層巻きコイルを電磁石と成す動作と相
俟って、圧電セラミックスの伸びる方向あるいは縮む方
向の微小変位毎に連続して、棒状磁性体を一定方向に直
線的に移動させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すリニアアクチュエータ
の構成図、第２図〜第５図は同リニアアクチュエータ動
作の第１〜第４ステツプを示す動作説明図、第６図は同
リニアアクチュエータの移動量と時間との関係を説明す
る説明図、第７図は従来のリニアアクチュエータである
積層圧電セラミックスアクチュエータの構成図、第８図
は第７図の積層圧電セラミックスアクヂュエータに印加
される電圧と変位量を説明する図である。 １１・・・積層圧電セラミックスアクチコエータ（圧電
セラミックス）、１２・・・圧電セラミックスグリーン
シート、１７・・・駆動電源、１９・・・棒状ヨーク材
、２０・・・磁極歯、２１・・・多層巻きコイル、２２
・・・コイル電源、２３・・・棒状磁性体。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 Ｎ１図 ／７−＋駆動１凛 ｌタ　−−−　法令」大、゛う−フＸλ２ρ−繊待書 ２１−　　多層港、々〕４ル ２２−一−コ４ＩＬ／１ヒ源 ２３−　　諸’ＪＫ、、　４Ｌ　’ｆｔＡ本第２図 第３図 第４図 第５図 第ｚ５；

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．磁極歯を有する棒状ヨーク材と、前記磁極歯に取り
   付けた多層巻きコイルと、前記コイルに電流を印加する
   コイル電源と、前記棒状ヨーク材の磁極歯に対向するよ
   うに配置した棒状磁性体と、前記棒状ヨーク材に取り付
   けた圧電セラミツクスと、前記圧電セラミックスを伸縮
   駆動させて前記棒状ヨーク材を微小変化させる駆動電源
   とを備えたリニアアクチュエータ。