JPH0477552B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はリニアモータに関する。更に詳細に
は、本発明は圧電素子を駆動源として利用し、精
密な位置決めの可能なステツプ型リニアモータに
関する。

従来の技術 従来、リニアモータとして広く知られているも
のには、まず電磁気力を利用したものがある。こ
のようなリニアモータは、電磁石とコイルを組合
せて電磁気力を利用するものであり、比較的容易
かつ安価にリニアモータを実現できるが、一方で
その駆動力に比して消費電力が極めて大きいこと
や、アクチユエータの変位量を精密に制御するこ
とが難しいことなどが欠点として挙げられる。こ
とに、変位量の制御、即ちアクチエータの位置決
めは、電磁石の加工精度の限界等から、特に変位
量の制御を重視して設計されたステツプ型のリニ
アモータでも、実現できるアクチユエータの位置
決め精度は0.1mmステツプが限界であつた。

これに対して、時に精密な位置制御を必要とす
る用途に供するためにアクチユエータの駆動源と
して圧電素子を利用した形式のステツプ型リニア
モータが実現されている。このような圧電素子を
利用したリニアモータの一例を第４図に、その概
略図をもつて示すが、同図に示した形式のリニア
モータは、シヤフト１４を案内手段とし、このシ
ヤフト４１がその内側を貫通するように構成され
た１対の環状のクランプ素子４２ａ，４２ｂと、
結合部材４３ａ，４３ｂを介してこれら１対のク
ランプ素子４２ａ，４２ｂを連結する伸縮素子４
４とからなるアクチユエータより構成されてい
る。クラン素子４２ａ，４２ｂおよび伸縮素子４
４は圧電効果を有する材料によつて作製されてお
り、クランプ素子４２ａ，４２ｂは電圧を印加す
ると、その内径を縮小するように、また伸縮素子
４４は、アクチユエータの移動方向と平行に伸縮
するように構成されており、更に、各々の素子は
それぞれ別個に印加する電圧を制御するように構
成されている。

このようなリニアモータの動作を簡単に説明す
ると、まず、クランプ素子４２の一方、例えば４
２ａに電圧を印加すると、クランプ素子４２ａの
内径は小さくなり、シヤフト４１を締結する形で
アクチユエータ４５をシヤフト４１上に固定す
る。次に伸縮素子４４に電圧を印加して伸長状態
とする。次いでもう一方のクランプ素子４２ｂに
電圧を印加して締結状態とした後クランプ素子４
２ａへの電圧の印加を止めてその締結状態を解い
た後、伸縮素子４４の電圧印加を止めてその伸長
状態を解く。

このような、一連の動作により、アクチユエー
タ４５はクランプ素子４２ａの側からクランプ素
子４２ｂの側に向つて伸縮素子４４の伸長分に対
応する距離だけ移動する。この動作をくり返すこ
とによりアクチユエータ４５を所望の量だけ移動
することができる。

上述のような、圧電素子を利用したステツプ型
のリニアモータは、電磁気力利用のものに比較し
て、そのアクチユエータの移動量を極めて精密に
制御することができる。即ち、アクチユエータの
移動量を規定する伸縮素子の１回の伸長量は数μ
ｍ程度であり、前述の動作サイクルの回数を計数
することにより、μｍオーダーの移動量の制御が
可能だからである。また、その作動行程に必ずク
ランプ手段による案内手段の締結を含むために、
フリクシヨンによる変位の誤差も極めて小さい。

発明が解決しようとする問題点 前述のような圧電素子を利用したリニアモータ
のクランプ手段による案内手段の締結は専ら該ク
ランプ手段を構成する圧電材料の変形によつてい
るが、電圧印加による圧電材料の変形は極めて小
さく、例えば前述した従来のリニアモータの実際
の例では、400Vの印加電圧に対してクランプ手
段の内径の変化は約5μｍであつた。

このため、該クランプ手段に電圧を印加しない
状態でアクチユエータが自由に移動することを確
保するためには、案内手段たるシヤフトの寸法精
度が極めて高いことが要求される。即ち、前述の
例では、電圧印加によるクランプ手段の内径の変
化は5μｍ程度であるから、シヤフト表面の寸法
精度は、2.5μｍ以下でなければ、アクチユエータ
の円滑な移動が妨げられるからである。

このため、圧電素子を利用したリニアモータを
作製する場合には、クランプ素子とシヤフトとを
現物合せしながら、シヤフト表面を精密仕上げ加
工するという極めて煩雑な作業を要し、結果的に
圧電素子を利用したリニアモータを極めて高価な
製品としてしまい、結果的に、その優れた変位量
制御性能にもかかわらず、電磁気力を利用したリ
ニアモータに代替することは及ばなかつた。

本発明は、従来の圧電素子を利用したリニアモ
ータの、前述のような欠点を除き、比較的容易に
作製でき且つその利点を保持したリニアモータを
提供することにある。

問題点を解決するための手段 上述した、従来の圧電素子を利用したリニアモ
ータの問題点は、圧電材料の変形が極めて小さ
く、クランプ手段を解放した状態での、アクチユ
エータの自由な動きを確保するためには非常に高
い工作精度が要求されることにあつた。そこで本
発明者等は、クランプ手段に備わる圧電素子の変
位を機械的に増幅することにより、クランプ手段
解放時のアクチユエータの自由な移動を確保する
構造を採用することにより、リニアモータを作製
する際の工作精度に対する要求を緩和し、その高
い変位制御能力を維持したまま製造コストを下げ
ると同時に、その動作をより一層確実なものとす
ることを可能とし、本発明を完成するに至つた。

即ち、本発明により、第１の圧電効果素子と、
該第１の圧電効果素子の一端部に、剛構に連結さ
れたＵ字型の固定部材と、該固定部材の脚部にそ
れぞれ傾動自在に取りつけられ、且つ前記第１の
圧電効果素子の他端部に連結された１対の当接部
材とでそれぞれ構成される１対のクランプ手段
と、 該１対のクランプ手段が両端に対称的に連結さ
れた第２の圧電効果素子とを備え、 前記当接部材が、均一な間隔で対向する１対の
面を有する１対の案内部材の該１対の面に当接す
ることを特徴とする圧電型リニア可動子が提供さ
れる。

作 用 上述のような、本発明にかかる圧電型リニア可
動子の動作について説明する。第１の圧電効果素
子は、その電圧印加による伸長により当接部材の
一端を押し、この動作によつて当接部材の他端も
対応して変位する。このとき、当接部材の傾動軸
から該部材の圧電効果素子との連結部までの距離
ｊと、該傾動軸から当接部材が案内部材と当接す
る部位までの距離Ｌとが、ｌ＜Ｌであれば、当接
部材の案内部材との当接部位における変位は第１
の圧電効果素子の長さの変位のＬ／ｌ倍に拡大さ
れる。従つて、クランプ手段解放時には案内部材
と当接部材の間隔は容易に確保されるので、この
本発明にかかる圧電型リニア可動子を作製する場
合には従来の圧電型リニア可動子のような高い工
作精度は要求されない。

このような特徴を有する本発明にかかる圧電型
リニア可動子の動作について、以下に実施例を挙
げてより具体的に説明する。

実施例 第１図は、本発明に係る圧電型リニア可動子の
１例を概略的に示す図である。

圧電効果素子１（１ａ，１ｂ，１ｃ）はチタン
酸ジルコニウム酸鉛などからなるセラミツク圧電
材料と銀、パラジウム合金などからなる内部電極
とを層状に積み重ねて一体化した積層圧電素子を
利用したものである。また、この圧電効果素子１
は伸縮する方向の長さは９mmであり、直流100V
の電圧を印加した時の伸長変位は6.5μｍ、その際
の発生力は13Kgである。

クランプ手段６ａ，６ｂは、ヒンジ２ａ〜２
ｈ、固定部材３ａ，３ｂ、当接部材４ａ〜４ｄ等
の機能部材より構成されるが、本実施例では放電
加工により金属板より一体物として作製してい
る。材質は圧電効果素子１ａ，１ｂと熱膨張計が
ほぼ等しいインバー材を用いており厚さは２mmで
ある。

圧電効果素子１ａ〜１ｃと固定部材３ａ，３ｂ
および当接部材４ａ〜４ｄとはエポキシ樹脂など
の接着剤により連結することができる。また、案
内手段たる案内部材５ａ，５ｂは金属棒から切削
により作製した。

まず、圧電効果素子１ａ，１ｂで発生した変位
をテコの原理を利用して機械的に増幅する機構に
ついて説明する。圧電効果素子１ａ電圧を印加す
ると、その変位はヒンジ２ａを介して当接部材４
ａを押し上げる方向に動く。当接部材４ａはヒン
ジ２ａを軸として傾動をする。この時の変位の増
幅率ｎはヒンジ２ａとヒンジ２ｂの距離ｌと第１
図に示すＬで表わされる当接部材４ａの長さによ
り、ｎ＝Ｌ／ｌで表現できる。上述の機構で当接
部材４ａ，４ｂの当接部位の外側に向かつて広が
り、該当接部材４ａ，４ｂが案内部材５ａ，５ｂ
に当接して固定する。圧電効果素子１ｂに電圧を
印加した場合も全く同様である。

次に、上述のような構造を有する本発明に係る
圧電型リニア可動子の動作について説明する。
尚、第２図の各々の圧電効果素子１ａ〜１ｃに電
圧を印加するタイミングを示すグラフを、第３図
ａ〜ｅに圧電型リニア可動子の各要素の動作をス
テツプ毎に示し、これを参照して説明する。

まず、第３図ａの如く圧電効果素子１ａに電圧
が印加され、当接部材４ａ，４ｂが案内部材５
ａ，５ｂに当接してクランプ手段６ａを固定す
る。この時の各素子への電圧印加は、第２図のグ
ラフの時間軸（横軸）上のα〜βに相当する。

次に第３図ｂの如く圧電効果素子１ｃに電圧が
印加され、圧電効果素子１ｃの幅は左右に6.5μｍ
伸び、それにともないクランプ手段６ｂは左方向
に移動する。この時の各素子への電圧印加は、第
２図のグラフの時間軸（横軸）上のβ〜γ間に相
当する。

次に第３図ｃの如く圧電効果素子１ｂに電圧が
印加され、当接部材４ｃ，４ｄが案内部材５ａ，
５ｂに当接してクランプ手段６ｂを固定する。こ
の時の各要素への電圧印加は、第２図のグラフの
時間軸（横軸）上のγ〜δ間に相当する。

次に第３図ｄの如く圧電効果素子１ａの電圧を
零にすると当接部材４ａ，４ｂが案内部材５ａ，
５ｂ離れる。この時の各素子への電圧印加は、第
２図のグラフの時間軸（横軸）上のδ〜ε間に相
当する。

次に第３図ｅの如く圧電効果素子１ｃの電圧を
零にすると圧電効果素子１ｃの幅は6.5μｍ縮み、
それにともなつてクランプ手段６ａが左方向に移
動する。この時の各素子への電圧印加は、第２図
のグラフの時間軸（横軸）上のε〜ζに相当す
る。

これら、第３図ａ〜ｅに示された一連の動作を
１行程として圧電型リニア可動子は6.5μｍ、同図
の紙面において右から左へ移動する。

この圧電型リニア可動子の性能は電圧100V、
周波数2.5KHzの周期のパルス電圧を印加して駆
動した場合で、速度12mm／秒、牽引力10Kgであつ
た。また、位置決め誤差は100mmの移動量に対し
て2μｍであつた。

発明の効果 以上詳述のように、本発明に係る圧電型リニア
可動子は、クランプ手段の動作の駆動源たる圧電
効果素子の長さの変位を機械的に増幅する機構を
備えているので、クランプ手段の案内部材との接
触部位における変位が大きく、クランプ手段解放
時の可動子の移動を容易にしている。従つて、こ
の圧電型リニア可動子を作製する際に要求される
工作精度は、ごく一般的な機械加工の精度で充分
であり、圧電型リニア可動子の製造コストは旧来
の電磁式リニアモータに十分匹敵し得るものとな
る。またモータとしての駆動力も、消費される電
力に対して十分に損失の少ないものであると同時
に、圧電効果素子を利用するリニア可動子として
の変位量の制御の精密さは従来の圧電効果素子利
用のものと同等に確保されている。

このように、変位量が精密に制御できる圧電型
リニア可動子は、磁気デイスクを利用したコンピ
ユータの外部記憶装置、プリンタヘツドの駆動装
置、XYプロツタ、カメラのオートフオーカス機
構等精密な位置決めを要求される多くの機器に利
用することができ、産業上の利用分野は極めて広
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う圧電型リニア可動子の
１実施例を概略的に示す断面図であり、第２図
は、本発明に従う圧電型リニア可動子の圧電効果
素子に電圧を印加するタイミングを示すタイムチ
ヤートであり、第３図ａ〜ｅは、第１図に示した
圧電型リニア可動子の動作を逐次示した図であ
り、第４図は、従来の圧電材料利用型のリニアモ
ータの１例を断面にて示した図である。 （主な参照番号）、１（１ａ〜１ｃ）……圧電
効果素子、２ａ〜２ｈ……ヒンジ、３ａ，３ｂ…
…固定部材、４ａ〜４ｄ……当接部材、５ａ，５
ｂ……案内部材、６ａ，６ｂ……クランプ手段、
４１……シヤフト、４２ａ，４２ｂ……クランプ
素子、４３……結合部材、４４……伸縮素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の圧電効果素子１ａ，１ｂと、該第１の
   圧電効果素子１ａ，１ｂの一端部に、剛構に連結
   されたＵ字型の固定部材３ａ，３ｂと、該固定部
   材３ａ，３ｂの脚部にそれぞれ傾動自在に取りつ
   けられ、且つ前記第１の圧電効果素子の他端部に
   連結された１対の当接部材４ａ，４ｂ，４ｃ，４
   ｄとでそれぞれ構成される１対のクランプ手段６
   ａ，６ｂと、 該１対のクランプ手段６ａ，６ｂが両端に対称
   的に連結された第２の圧電効果素子１ｃとを備
   え、 前記当接部材４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが、均一
   な間隔で対向する１対の面を有する１対の案内部
   材５ａ，５ｂの該１対の面に当接することを特徴
   とする圧電型リニア可動子。