JPS6271480A

JPS6271480A - 圧電アクチユエ−タ

Info

Publication number: JPS6271480A
Application number: JP60208050A
Authority: JP
Inventors: Kazuma Suzuki; 数馬鈴木
Original assignee: Rion Co Ltd
Current assignee: Rion Co Ltd
Priority date: 1985-09-20
Filing date: 1985-09-20
Publication date: 1987-04-02

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、ステン、プぞ一夕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、圧電素子の横効果とせん断効果（
厚みすべり効果）を組み合わせることによって、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
圧電アクチュ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、板状の圧電すべり効果素子板と槃状の圧電効果素子とを接合して一体化した圧電変位
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はユニット
１０の支持体、１２及び１３は支持手段、１６は矢印入
方向に分極した圧電横効果（ｄ３０を示す圧電横効果素
子、１７は矢印Ｂ方向に分極した厚みすべり効果（ｄＩ
５　）を示す圧電すべり効果素子、１９はアダプタであ
る。

支持手段１２．１３は、圧電素子の横方向への位置ずれ
を抑止する如く当該素子を固定し、且つ当該素子の両端
を支持するものである。第１図及び第２図に示すように
１２３，１３ａは圧電素子の両端部を載せて支持する為
の段部である。また１２ｂ、１３ｂは圧電素子の端部と
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１２ｂ、１３ｂの内側高さｈは圧電素子１６．１
７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、要は圧電素子に対する横方向のクランプ効
果があれば是りる。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１２ｃ、　　１２ｄ、
　１３ｃ、　１３ｄは、段部１２ａ、１３ａに対しても
Ｌ字状に連続している。

圧電横効果素子１６・圧電すべり効果素子１７は例えば
チタン酸ジルコン酸鉛よりなり、いずれもほぼ同じ寸法
の板状を呈している。１６ａ−１７３は厚み部分であり
、これに較べて面積の大きい平坦な上下面は主面１６ｓ
・１７８である。この主面１６ｓ・　。

１６Ｓ・１７Ｓ・、１７Ｓには言うまでもなく電極が被
着されている。

圧電横効果素子１６と圧電すべり効果素子とは、それぞ
れの１つの主面をもっ°て、接着などの方法により接合
されて一体になっている。

圧電すべり効果素子１７の接合していない主面１７Ｓ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１−１０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の耐摩耗材
を用いる。アダプタ１９は、例えば位置決めテーブルの
被駆動体と接触、結合等の関係をもち、アダプタ１９の
挙動を被駆動体に伝達せしめる。　　　。

ところで本実施例では、圧電横効果素子１６と圧電すべ
り効果素子１７を各一枚、計二枚使用した場合について
説明したが、この枚数に限定されるものではない。例え
ば各二枚、計四枚の素子を使用しても良いことは言うま
でもない。但し多層にする場合には対象形にバランスを
とることが必要であり、また当然結線方向にも留意する
必要がある。

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
。

圧電横効果素子１６に電圧を印加するとその加える電圧
極性により、ユニット１０は十Ｍ方向にその電圧の大き
さに応じて変位する。また、逆の極性の電圧を印加する
と、ユニットＩＯは−Ｍ方向にその電圧の大きさに応じ
て変位する。

圧電すべり効果素子１７に電圧を印加すると、ユニット
１０はせん断変形してＮ方向にその電圧の大きさに応じ
て変位する。

更に、圧電変位手段１６．１７の両方に位相の異なった
電圧を印加すれば、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久
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、ＩＯＢを備えている。

各ユニッｌ−１ＯＡ、ＩＯＢは台板３１上で、ユニット
の一手方向が一致するように整列固定しである。各ユニ
ッｌ−１ＯＡ、ＩＯＨの上部には即ち、圧電すべり効果
素子１７の上部にはそれぞれアダプタ１９Ａ、　１９Ｂ
が結合固定されている。

ユニットＩＯＡ、　ＩＯＢの上には、ユニットの整列方
向と同一方向に移動する駆動シャフト３９が配置されて
いる。この駆動シャフト３９は各ユニット１０Ａ、ＩＯ
Ｂ、正確にはアダプタ１９Ａ、　１９Ｂ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ｌ−１ＯＡ、ＩＯＢ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と圧電変位ユニッ目ＯＡ、ＩＯＢとの間に挾持さ
れており、少しの力では動かない。尚、各圧電変位ユニ
ノ目ＯＡ、ＩＯＢの圧電横効果素子１６と圧電すべり効
果素子１７とは前述した如く接合されてバイモルフ挙動
を行ない、各素子の分極方向は第１図の矢印Ａ、　　Ｂ
と同様に処理しである。

以上のようなりニアモータ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）圧電ユニノ目ＯＡの圧電横効果素子１６に駆動電
圧を印加し、ユニット１０Ａを−Ｍ方向に縮める。

（２）同じく圧電ユニッｌ−１ＯＡの圧電すべり効果素
子１７に駆動電圧を印加し、ユニッ目ＯＡを十Ｎ方向に
ずらせる。従って、ユニノｌ−１ＯＡは左斜め下方向に
変位して、シャフト３９のクランプを解除する。

（３）前項（１）、（２）とは逆極性の電圧を印加し、
ユニットＩＯＡでシャフト３９をクランプする。

（４）圧電ユニット１０Ｂの圧電横効果素子１６に駆動
電圧を印加し、ユニット１０Ｂを−Ｍ方向に縮め、且つ
圧電ユニッｌ−１０Ｂの圧電すべり効果素子１７に駆動
電圧を印加し、ユニッｌ−１ＯＡを十Ｎ方向にずらせる
。ユニットＩＯＢはシャフト３９のクランプを解除する
。

（５）圧電ユニット１０Ａの圧電すべり効果素子１７に
（２）とは逆極性の電圧を印加し、ユニット１０Ａを−
Ｎ方向に変位させる。回転ローラ羽との間に挾まれたシ
ャフト３９が−Ｎ方向に移動する。

（６）圧電ユニット１０Ｂの圧電横効果素子１６に（１
）とは逆極性の電圧を印加し、ユニット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ツｌ−１
ＯＡのクランプを解除する。

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。

（１０）圧電ユニッ目ＱＢ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１０Ａ、ｌＯＢの圧電す
べり効果素子１７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。

第４図は第３図の実施例の動作を説明するタイムチャー
トであり、同図（ａ）（ｂ）はそれぞれ圧電変位ユニッ
ｌ−１ＯＡ・ＩＯＢの圧電横効果素子への印加電圧波形
図、また同図（Ｃ）（ｄ）はそれぞれユニッ目０Ａ−１
０Ｂの圧電すべり効果素子への印加電圧波形図である。

もっとも（Ｃ）（ｄ）　２個（チャンネル）使う必要は
なく（Ｃ）か（ｄ）のどちらかで良い。そのために逆向
きに並列にしている。

また圧電すべり効果素子は圧電ユニットＩＯＡ・１０Ｂ
のいずれか一方のみに設けるようにしてもよい。この場
合、シャフト３９の移動するステップ量は半分になる。

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ステツプで２〜３ｔｍｘ／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・１
ｏＥ３の圧電すべり効果素子への印加電圧を微細に調節
するか、または繰り返しの頻度（周波数）を調節するこ
とにより、この目的を達することが　。

できる。

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３８としたが、両側とも
圧電ユニットとし、シャフト３９を両側から挾持するよ
うにしても良い。

なお、シャフト３９と圧電ユニッｌ−１ＯＡ、ＩＯＢ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、ユニッ目ＯＡ、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、圧電ユニ
ット自体が移動する。

図において、１０Ａ１〜１０Ａ３（必要に応じて１０又
はＩＯＡと省略する）並びにｌ０ＢＩ〜１ＯＢ３（必要
に応じてＩＯＢ又は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・、４ｆは圧電変位ユニットを搭載し
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。

圧電変位ユニットは、第５図（Ｃ）から分かるように、
長手方向に二列に、これと直角な方向に三列に合計６個
設けられている。ユニットｌ０ＡＩ、１０Ａ２．１０Ａ
３（必要に応じてこれらをＡユニットとする）は全て同
一の動作をし、またユニット１０Ｂ　１．　ＩＯＢ　２
．　ＩＯＢ　３　（必要に応じてこれらをＢユニットと
する）は全て同一の動作をする。

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４０Ａとこの円盤を連結するシ
ャフト４９Ｂ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４０で突出した平坦な形状の軌道４
２を挾んでいる。

車輪４０の構成は軌道４２との関係で任意のものとする
ことができる。凹形状の軌道に、ローラを嵌合させるよ
うにしてもよい。

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を磁石とし反作用手段４
３を磁性材料とするこさができる。

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、　１０　Ｂを搭載した移動体が変位
する相対的なものである。尚、この場合、各圧電変位ユ
ニノｌ−１ＯＡ・１０［１の圧電横効果素子と圧電すべ
り効果素子とは、前述の実施例と同様にしであるものと
する。

このようなりニアモータは、小型軽量であり、しかも正
確な変位が可能であるため、プリンタヘッドを移動させ
るためのモータとして特に有効である。

第６図は第５図の実施例の上下位置を逆にした実施例で
ある。これは第５図の実施例とは異なり車輪４０を除去
してあり、（ｂ）図に示す如くアダプタ１９に磁化片４
６を取り付けて、磁性体のレール４５上を、第５図の場
合と同様な動作手順で移動させるものである。また（Ｃ
）図に示す如くレール４５から移動体が脱落するのを防
止する板４７が設けられている。尚この板４７の下部に
移動を容易にする為のコロ等の転動部材を取り付けても
良い。

第７図は、第１図の実施例で示す圧電アクチーエータの
変形例を示すものであり、この実施例のアクチュエータ
を第３図及び第５図の実施例の圧電変位ユニットに適用
することは当然可能である。

同図によれば、支持体１１の上に矢印方向に分極する圧
電厚みすべりモード（ｄ１５）を示す２枚の圧電すべり
効果素子１７Ａ、　　１７Ｂが固定されている。

この圧電すべり効果素子１７Ｂ、の上には、これより長
い圧電横効果（ｄ３１）を示す圧電横効果素子１６Ａが
接合一体化され、更にこの素子１６Ａの上には同様の圧
電横効果素子１６Ｂがバイモルフ状態に相互に接着され
ている。圧電横効果素子１６Ｂの素子１７Ａ、１７Ｂと
は逆の上端部にはアダプタ１９が固定されている。尚、
第７図ζこ示す矢印はそれぞれ並列接続時に機能する分
極の方向を示している。

またこの実施例では、各効果素子を二枚ずつ計四枚のも
のについて説明しているが、これはアー　。

スを圧電素子の外側からとることを考慮した為であり９
枚数はこれに限定されるものではない。さらに圧電横効
果素子１５Ａ、　１６Ｅ３の内、いずれか一方を金属等
の弾性板に変更したバイモルフ構成としても良い。

（発明の効果）この発明によれば９以上のように構成することにより、
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ュ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９例えば顕微鏡下に於ける工具の微細な位置決めの作
業や、または頻繁に直線運動を行うプリンターヘッドの
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）、１第２図はこの発明
の実施例の要部斜視図、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
施例の動作を説明するタイムチャート、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（
ａ）、正面図（ｂ）並びに平面図（Ｃ）、第６図は第５
図の実施例の変形例を示す図、第７図は第１図の実施例
の変形例の説明図である。・１０・・・圧電六位ユニット、１１・・・支持体、　１
２．１３・・・支持手段、１６・・・圧電横効果素子、
１７・・・圧電すべり効果素子、１９・・・アダプタ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）板状の圧電すべり効果素子と、板状の圧電横効果
素子とを接合して一体化した圧電変位ユニットを有する
ようにして成る圧電アクチュエータ。