JPH089664A - 電気機械変換アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 移動体を所定方向から加圧して移動体の跳ね
や回転等を抑える。 【構成】 圧電素子３の両端に接続される移動体１およ
び慣性体２と、移動体１の上面に配設される加圧部材１
１とを備える電気機械変換アクチュエータに適用され、
圧電素子３を急激に伸ばすと、移動体１は摩擦力に打ち
勝って左側に移動する。このとき、移動体１は加圧部材
１１によって加圧されているため、跳ねたり回転したり
しない。圧電素子３をゆっくり縮めると、摩擦力によっ
て移動体１の位置は変化しない。圧電素子３が元の長さ
に戻ったときに急に圧電素子３の伸縮を停止すると、慣
性体２の運動エネルギーを受けて移動体１は左に移動す
る。一方、圧電素子３の収縮を逆にすれば、移動体１は
右側に移動する。このように、加圧部材１１による加圧
力を移動体１の重心線に作用させながら移動体１を移動
させるため、移動体１は跳ねたり回転することなく安定
に左右に移動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気機械変換素子の急
速変形に伴う力を利用して移動体を移動させる電気機械
変換アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電素子や電歪素子を急激に伸縮させ、
その際に生じる力を利用して移動体を駆動する電気機械
変換アクチュエータが知られている（特開昭63-299785
号公報参照）。図６はこの種の電気機械変換アクチュエ
ータの動作を説明する図であり、この図を用いて動作原
理を説明する。図６に示す電気機械変換アクチュエータ
は、駆動対象である移動体１と、移動体１を駆動させる
力を発生する慣性体２と、電気信号に応じて伸縮する圧
電素子３とによって構成され、移動体１と慣性体２はい
ずれも圧電素子３に固定されている。移動体１はベース
基板４上を左右に移動可能とされているが、移動体１と
ベース基板４との接触面には摩擦力が働くため、通常の
状態では移動体１は動かない。一方、圧電素子３には不
図示の電極が取り付けられており、この電極に所定周波
数の電圧を印加することにより、圧電素子３は図６の左
右方向に伸縮する。

【０００３】図６（ａ）の状態から左方向に移動体１を
移動させるためには、まず圧電素子３に立ち上がりの急
峻な電圧を印加し、圧電素子３を左右に伸ばす（図６
（ｂ）参照）。これにより、移動体１は摩擦力に打ち勝
って左側に、一方慣性体２は右側に移動する。次に、図
６（ｃ）に示すように、印加する電圧を変えて圧電素子
３をゆっくりと収縮させると、移動体１は摩擦力がある
ためにその場に留まり、一方慣性体２は左方向に移動す
る。図６（ｄ）に示すように、圧電素子３が元の長さに
戻ると、電圧の供給を急に停止して圧電素子３の収縮を
停止させる。これにより、慣性体２が有していた運動エ
ネルギーによって移動体１は左方向に移動する（図６
（ｅ）参照）。

【０００４】一方、右方向に移動体１を移動させるため
には、まず圧電素子３が伸張している状態で圧電素子３
を急激に縮める。これにより、移動体１は図示の右側
に、慣性体２は図示の左側に移動する。次に、圧電素子
３をゆっくりと伸ばし、圧電素子３が元の長さに戻った
ときに圧電素子３への電圧供給を急に停止すると、慣性
体３が有していた運動エネルギーによって移動体１は右
側に移動する。

【０００５】このような原理によって図６の移動体１を
移動させると、移動体１の移動をナノメータオーダで制
御することができる。したがって、図６の電気機械変換
アクチュエータは、高精度が要求される半導体制御装置
の試料台の位置決め制御等に用いることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６の電気機械変換ア
クチュエータは、図６（ａ）〜６（ｅ）のサイクルを繰
り返すことにより、移動体１を左右いずれかに移動させ
る。その際、移動体１の移動効率を上げるためには、移
動体１が移動する図６（ｂ），６（ｅ）のときに移動体
１に働く摩擦力をなるべく小さくし、また移動体１の移
動が停止する図６（ａ），６（ｃ），６（ｄ）のときに
移動体１に働く摩擦力をなるべく大きくするのが望まし
い。このため、特開平4-207982号公報では、図７に示す
ように、移動体１の側面だけでなく、移動体１の上面に
も圧電素子５を介して慣性体６を接続して、移動体１に
働く摩擦力を調節できるようにしている。

【０００７】図７において、例えば左側に移動体１を移
動させる場合には、まず圧電素子３を急激に縮めるとと
もに、圧電素子５を急激に伸ばす。これにより、摩擦力
は小さくなるため、移動体１は左方向に移動しやすくな
る。次に、圧電素子３をゆっくり伸ばすとともに、圧電
素子５をゆっくり縮める。これにより、移動体１の摩擦
力は大きくなって移動体１は移動しにくくなる。このよ
うに、移動体１とベース基板４との間の摩擦力を変化さ
せれば、移動体１を効率よく移動させることができる。

【０００８】ところが、図６，７の電気機械変換アクチ
ュエータはいずれも圧電素子３の急速変形に伴う力によ
って移動体１を移動させるため、その力が強い場合等に
は、移動体１が移動方向と垂直な方向に跳ねたり、ある
いは回転したりするおそれがある。特に、移動体１を移
動させるときに、その摩擦力を小さくする図７のアクチ
ュエータでは、上記の問題が生じやすい。また、移動体
１とベース基板４との接触面が平坦でない場合や圧電素
子３の伸縮方向と移動体１の移動方向とがずれている場
合等にも、上記の問題は生じやすい。

【０００９】本発明の目的は、移動体を所定方向から加
圧することによって、移動体が跳ねたり回転したりしな
いようにした電気機械変換アクチュエータを提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】実施例を示す図１，４，
５に対応づけて本発明を説明すると、本発明は、電気信
号に応じて伸縮する電気機械変換素子３と、電気機械変
換素子３の一端に接続される移動体１と、電気機械変換
素子３の一端と対抗する他端に接続される慣性体２とを
備え、電気機械変換素子３の伸縮に応じて慣性体２に働
く力の反動を利用して移動体１を電気機械変換素子３の
伸縮方向に移動させる電気機械変換アクチュエータに適
用され、移動体１が伸縮方向以外の方向に移動しないよ
うに、移動体１を所定方向から加圧する加圧手段１１を
備えることにより、上記目的は達成される。請求項２に
記載された電気機械変換アクチュエータは、電気信号に
応じて伸縮する複数の電気機械変換素子３，１４と、複
数の電気機械変換素子３，１４の各一端がそれぞれ異な
る場所に接続される移動体１と、複数の電気機械変換素
子３，１４の各一端に対抗する各他端にそれぞれ接続さ
れる複数の慣性体２，１５とを備え、電気機械変換素子
３，１４の伸縮に応じて複数の慣性体２，１５に働く力
の反動を利用して移動体１を複数の方向に移動させる電
気機械変換アクチュエータに適用され、移動体１が複数
の方向以外の方向に移動しないように、移動体１を所定
方向から加圧する加圧手段１１を備えることにより、上
記目的は達成される。請求項３に記載された電気機械変
換アクチュエータは、請求項１または２に記載された電
気機械変換アクチュエータにおいて、移動体１の重心線
上から移動体１を加圧するように、移動体１の上面の所
定箇所に加圧手段１１を配設するものである。請求項４
に記載された電気機械変換アクチュエータは、請求項１
〜３のいずれかに記載された電気機械変換アクチュエー
タにおいて、移動体１の下面に移動体１の重心線に沿っ
て突起部１６を設けたものである。請求項５に記載され
た電気機械変換アクチュエータは、請求項１〜３のいず
れかに記載された電気機械変換アクチュエータにおい
て、移動体１に働く力のモーメントが釣り合うように、
移動体１の下面に複数個の突起部１７，１８を設けるも
のである。

【００１１】

【作用】請求項１に記載の発明では、電気機械変換素子
３の伸縮に応じて慣性体２に働く力の反動を利用して移
動体１が電気機械変換素子３の伸縮方向に移動している
最中には、加圧手段１１によって移動体１を所定方向か
ら加圧するため、移動体１は伸縮方向以外の方向に移動
しない。請求項２に記載の発明では、複数の電気機械変
換素子３，１４の伸縮に応じて複数の慣性体２，１５に
働く力の反動を利用して移動体１が複数の方向のいずれ
かに移動している最中には、加圧手段１１によって移動
体１を所定方向から加圧するため、移動体１は複数の方
向以外の方向に移動しない。請求項３に記載の発明で
は、移動体１の重心線上から移動体１を加圧できるよう
に、移動体１の上面の所定箇所に加圧手段１１を設け
る。請求項４に記載の発明では、移動体１の下面に移動
体１の重心線に沿って突起部１６を設けるため、加圧手
段１１によって加圧したときに加圧力が重心線上に作用
しやすくなる。請求項５に記載の発明では、移動体１の
下面に複数の突起部１７，１８を設けるため、移動体１
に働く力のモーメントを釣り合わせることが容易にな
り、移動体１の移動が安定する。

【００１２】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１３】

【実施例】

−第１の実施例− 以下、図１〜５を用いて本発明による電気機械変換アク
チュエータの第１の実施例を説明する。図１は本発明に
よる電気機械変換アクチュエータの第１の実施例の断面
図である。図１では、図６，７に示した従来のアクチュ
エータと共通する構成部分には同一符号を付しており、
以下では相違点を中心に説明する。図１に示す圧電素子
３の一端は移動体１と接続され、その反対側にある他端
は慣性体２と接続されている。移動体１の上面には移動
体１を鉛直方向（図１の下方向）に加圧する加圧部材１
１が配設されており、この加圧部材１１の上面はベアリ
ング１２を介して固定部１３と接続されている。なお、
加圧部材１１による加圧力が移動体１の重心線Ｌ上に作
用するように、加圧部材１１は移動体１の上面の中央付
近に配設されており、ゴム等の弾性部材または皿バネや
板バネやスプリングバネから成っている。

【００１４】一方、移動体１の底面はベース基板４と接
触しており、移動体１は移動の際にこの接触面から摩擦
力Ｆを受ける。この摩擦力Ｆは、移動体１の重量をＭ、
加圧部材１１による加圧力をＰとし、摩擦係数をμとす
ると、（１）式で示される。

【数１】Ｆ＝μ（Ｍｇ＋Ｐ） ・・・（１） （１）式に示すように、加圧部材１１で加圧することに
より、移動体１に働く摩擦力Ｆは大きくなる。

【００１５】図２は、図１の電気機械変換アクチュエー
タの固定部１３を下にした場合の斜視図であり、この図
ではベース基板４を省略している。図示のように、固定
部１３の表面には、移動体１の移動方向に垂直に円柱状
のベアリング１２が一定間隔で複数配設されており、こ
れらベアリング１２によって、移動体１と加圧部材１１
は、図示の矢印方向に一体となって移動可能とされてい
る。

【００１６】以下、図１，２に示す電気機械変換アクチ
ュエータの動作を説明する。まず、移動体１を図１の左
側に移動させる場合には、圧電素子３に接着された不図
示の電極に電圧を印加し、圧電素子３を左右に伸ばす。
このとき、電極に印加する電圧の立ち上がりを急峻にす
ると、圧電素子３は急激に伸びるため、移動体１は左方
向に勢いよく押される。この力が移動体１に働いている
摩擦力Ｆを上回ると、移動体１は左方向に移動する。こ
のとき、移動体１とベース基板４との接触面に凹凸等が
あると、移動体１は跳ねたり回転したりするおそれがあ
るが、移動体１は加圧部材１１によって鉛直方向に加圧
されているため、上記のようなおそれもなく、移動体１
は本来の移動方向である左方向に安定に移動する。

【００１７】次に、圧電素子３が伸張している状態で電
圧の位相等を変えて圧電素子３をゆっくり縮めると、慣
性体２は圧電素子３の縮む方向である左向きに移動す
る。このとき、本来ならば移動体１も圧電素子３の縮む
方向である右向きに移動するはずであるが、圧電素子３
が縮む速度が遅いため、移動体１を右向きに移動させる
力は移動体１に働く摩擦力Ｆよりも小さい。したがっ
て、移動体１の位置は変化しない。

【００１８】圧電素子３が徐々に縮まり、元の長さにな
ったときに、圧電素子３への電圧供給を急に停止する
と、慣性体２も移動を停止する。このとき、慣性体２が
停止直前に有していた運動エネルギーを受けて、移動体
１は左方向に力を受ける。この力は移動体１に働く摩擦
力よりも大きいため、移動体１は左方向に移動する。な
お、この場合も、移動体１は加圧部材１１によって加圧
されているため、左方向以外の方向には移動しない。以
上の動作によって移動体１は左方向に安定に移動する。

【００１９】一方、移動体１を図１の右側に移動させる
場合には、まず圧電素子３を急激に縮める。これによ
り、移動体１は摩擦力Ｆに打ち勝って右側に移動する。
このとき、移動体１は加圧部材１１による加圧力を受け
るため、右方向以外の方向には移動しない。次に、圧電
素子３をゆっくりと伸ばし、圧電素子３が元の長さに戻
った状態で圧電素子３の伸張を停止させると、移動体１
は慣性体２の運動エネルギーによる力を受けて右方向に
移動する。

【００２０】このように、第１の実施例では、移動体１
の移動方向に垂直な方向から移動体１を加圧するため、
移動体１が跳ねたり回転したりすることがなく、したが
って圧電素子３の伸縮に伴う力を損失なく移動体１に伝
達でき、移動体１の駆動効率が向上する。また、加圧部
材１１の上面には移動体１の移動方向に回転可能なベア
リング１２を設けるため、加圧部材１１によって移動体
１の移動が妨げられることはない。

【００２１】−第２の実施例− 以下に説明する第２の実施例は、移動体１の複数箇所に
圧電素子３を取り付けたものである。図３は第２の実施
例の断面図である。図３では、図１に示す第１の実施例
と共通する構成部分には同一符号を付しており、以下で
は相違点を中心に説明する。図３に示すように、第３の
実施例の電気機械変換アクチュエータは、移動体１の右
側側面だけでなく、左側側面にも圧電素子１４および慣
性体１５が配設されており、移動体１の上面には第１の
実施例と同様に加圧部材１１が配設されている。

【００２２】このように構成された第３の実施例の電気
機械変換アクチュエータにおいて、例えば図３の左側に
移動体１を移動させる場合には、圧電素子１４を急激に
縮めるとともに、圧電素子３を急激に伸ばす。これによ
り、移動体１には左方向への力が働く。この力は各圧電
素子３，１４に共通して働くため、移動体１は第１の実
施例に比べ約２倍の速度で左方向に移動する。また、こ
のとき、移動体１は加圧部材１１によって加圧されてい
るため、移動体１は跳ねたり回転したりすることはな
い。

【００２３】次に、圧電素子１４をゆっくり伸ばし、圧
電素子３をゆっくり縮める。この状態では、移動体１を
右方向に移動させる方向に力が働くが、移動体１の摩擦
力Ｆの方が大きいため、移動体１の位置は変化しない。
圧電素子１４が伸びるとともに圧電素子３が縮んで、各
圧電素子３，１４がともに元の長さに戻ったときに両圧
電素子３，１４の電極への電圧供給を急に停止する。こ
れにより、移動体１には左方向への力が働く。この力
は、第１の実施例に比べて約２倍の大きさであるため、
移動体１は第１の実施例の約２倍の速度で左方向に移動
する。一方、移動体１を右方向に移動させる場合は、圧
電素子３の伸張の順番を逆にすればよい。

【００２４】このように、第２の実施例では、移動体１
の移動方向に直交する２面に圧電素子３，１４および慣
性体２，１５を配設するため、移動体１の移動速度の向
上が図れる。また、移動体１の移動方向と垂直の方向か
ら移動体１を加圧するため、移動体１の移動速度を上げ
ても移動体１が跳ねたり回転したりすることはない。

【００２５】上記第２の実施例では、移動体１の移動方
向に直交する２面に圧電素子３，１４および慣性体１５
を配設する例を示したが、他の面に圧電素子３と慣性体
２を配設してもよい。このようにすると、移動体１を図
示の左右方向以外の方向に移動させることができる。

【００２６】−第３の実施例− 以下に説明する第３の実施例は、ベース基板４と接触す
る移動体１の底面に突起部を設けたものである。図４は
第３の実施例の電気機械変換アクチュエータの断面図で
ある。図４に示すように、移動体１の底面の中央付近に
は突起部１６が設けられており、この突起部１６の底面
がベース基板４に接触している。また、加圧部材１１に
よって移動体１を加圧したときに、その加圧力が移動体
１の重心線Ｌ上に作用するように、突起部１６の底面は
平坦に加工されている。なお、突起部１６の幅が狭すぎ
ると、移動体１の移動方向に働く力ｆによるモーメント
と、移動方向に直交する方向（鉛直方向）の力によるモ
ーメントとが釣り合わなくなり、移動体１が転がるおそ
れがある。このため、この第３の実施例では、突起部１
６の幅Ｓを（２）式の条件を満たすようにする。（２）
式では、移動体１に働く力をｆ、移動体１の重心位置Ｇ
からベース基板４までの距離をＲ、移動体１の重量を
Ｍ、加圧力をＰとしている。

【数２】（Ｍｇ＋Ｐ）・Ｓ＞Ｒ・ｆ ・・・（２）

【００２７】このように、移動体１の底面に突起部１６
を設けると、第１の実施例に比べてベース基板４に接触
する面積が小さくなるため、その分だけ、加圧部材１１
による加圧力を重心線上に作用させ易くなる。したがっ
て、移動体１の跳ねや回転を有効に防止できる。また、
接触する面積が小さくなるため、平面度を向上させるこ
とが容易になり、加工の手間を低減できる。

【００２８】−第４の実施例− 第４の実施例は、突起部を複数箇所に設けて、移動体１
に働く力のモーメントが釣り合うようにしたものであ
る。図５は第４の実施例の断面図であり、図示のよう
に、移動体１の底面の両端部付近には突起部１７，１８
が設けられ、各突起部１７，１８の底面は平坦に加工さ
れている。その他の点は第３の実施例と共通する。

【００２９】このように、底面の両端に突起部１７，１
８を設けると、各突起部１７，１８に働く力のモーメン
トの方向は互いに逆になるため、移動体１は安定して移
動方向に移動する。また、各突起部１７，１８の底面は
平坦であるため、加圧部材１１による加圧力を移動体１
の重心線上に作用させることができ、移動体１の跳ねや
回転を有効に防止できる。

【００３０】上記実施例では、電気機械変換素子として
圧電素子３を用いる例を説明したが、電気信号を機械的
な伸張運動に変換できるものであれば圧電素子３以外で
もよく、例えば電歪素子を用いてもよい。上記各実施例
では、移動体１の上面に加圧部材１１を別個に設ける例
を説明したが、移動体１と加圧部材１１とを一体的に形
成してもよい。図２では、円柱状のベアリング１２を複
数設ける例を説明したが、ベアリングの形状および個数
は実施例に限定されない。同様に、移動体１、圧電素子
３および加圧部材１１の形状・配置も実施例には限定さ
れない。また、移動体１に接続する圧電素子３および加
圧部材１１の個数も実施例に限定されない。

【００３１】このように構成した実施例にあっては、圧
電素子３が電気機械変換素子に、加圧部材１１が加圧手
段に、それぞれ対応する。

【００３２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、移動体の移動中は移動体を所定方向から加圧する
ようにしたため、移動体は伸縮方向以外には移動しな
い。請求項３に記載の発明によれば、移動体の重心線上
から移動体を加圧するようにしたため、移動体は重心方
向に安定に加圧され、移動中に跳ねたり回転したりする
ことはない。請求項４に記載の発明によれば、移動体の
重心線に沿って突起部を設けたため、加圧手段によって
加圧したときに、その加圧力が重心線に作用しやすくな
る。請求項５に記載の発明によれば、移動体の下面に複
数の突起部を設けるため、移動体に働く力のモーメント
が釣り合いやすくなり、移動体の移動が安定する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電気機械変換アクチュエータの第
１の実施例の断面図。

【図２】第１の実施例の電気機械変換アクチュエータの
斜視図。

【図３】本発明による第２の実施例の断面図。

【図４】本発明による第３の実施例の断面図。

【図５】本発明による第４の実施例の断面図。

【図６】従来の電気機械変換アクチュエータの動作を説
明する図。

【図７】従来の電気機械変換アクチュエータの断面図。

【符号の説明】

１ 移動体 ２ 慣性体 ３ 圧電素子 ４ ベース基板

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気信号に応じて伸縮する電気機械変換
   素子と、 前記電気機械変換素子の一端に接続される移動体と、 前記電気機械変換素子の一端と対抗する他端に接続され
   る慣性体とを備え、 前記電気機械変換素子の伸縮に応じて前記慣性体に働く
   力の反動を利用して前記移動体を前記電気機械変換素子
   の伸縮方向に移動させる電気機械変換アクチュエータに
   おいて、 前記移動体が前記伸縮方向以外の方向に移動しないよう
   に、前記移動体を所定方向から加圧する加圧手段を備え
   ることを特徴とする電気機械変換アクチュエータ。
2. 【請求項２】 電気信号に応じて伸縮する複数の電気機
   械変換素子と、 前記複数の電気機械変換素子の各一端がそれぞれ異なる
   場所に接続される移動体と、 前記複数の電気機械変換素子の各一端に対抗する各他端
   にそれぞれ接続される複数の慣性体とを備え、 前記電気機械変換素子の伸縮に応じて前記複数の慣性体
   に働く力の反動を利用して前記移動体を複数の方向に移
   動させる電気機械変換アクチュエータにおいて、 前記移動体が前記複数の方向以外の方向に移動しないよ
   うに、前記移動体を所定方向から加圧する加圧手段を備
   えることを特徴とする電気機械変換アクチュエータ。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載された電気機械
   変換アクチュエータにおいて、 前記加圧手段は、前記移動体の重心線上から前記移動体
   を加圧するように、前記移動体の上面の所定箇所に配設
   されることを特徴とする電気機械変換アクチュエータ。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載された電
   気機械変換アクチュエータにおいて、 前記移動体の下面に前記移動体の重心線に沿って突起部
   が設けられることを特徴とする電気機械変換アクチュエ
   ータ。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載された電
   気機械変換アクチュエータにおいて、 前記移動体に働く力のモーメントが釣り合うように、前
   記移動体の下面に複数個の突起部が設けられることを特
   徴とする電気機械変換アクチュエータ。