JPS6020775A - 回転型アクチユエ−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】 〔発明の利用分野〕 本発明は圧電素子を利用した回転型アクチュエータに関
するものである。

〔発明の背景〕

従来、例えばロボット関節部等の低速、高トルクを必要
とする駆動部の駆動アクチュエータとしては、ＤＣサー
ボモータ、ＡＣサーボモータ、油圧モータなどが用いら
れている。油圧の場合には低速高トルクで駆動できるが
、油漏れや大きな油圧源を必要とする問題がアシ、また
電動モータの場合には定格回転数が萬いため、低速で駆
動する部分に用いるときには減速機が不可欠となる。こ
の減速機の使用によシ、重量増加や剛性低下の問題を言
んでいる。

一方、近年では圧電素子の開発に伴い、この圧電素子を
用いた駆動装置が種々提案されている。

この圧電素子は電圧をかけると、ひずみを生じる現象所
謂圧電効果を発揮するもので、古くから知られているも
のである。この圧電素子を用いた回転型アクチュエータ
の例としては、特開昭５３−８２２８６号公報および特
開昭５７−７８３７８号公報に記載のものがある。これ
らの回転型アクチ風エータは被駆動体に接触による駆動
力を与えるために、一種の縦ひずみ効果もしくは横ひず
み効果のひずみ形態を有する圧電体を直交する方向に配
置し、２個の圧電体の各ひずみ形態全合成して周回運動
をもつ動力伝達部を構成するために、前記２個の圧電体
を柔構造体で結合する構成となっている。

この種の圧電素子を用いた回転型アクチュエータを、前
述した低速、高トルクを必要とする駆動部に適用する場
合に、柔構造体の動力伝達部を有しているために、その
駆動部に高トルクを高効率に伝達し得ないのが現状であ
る。

〔発明の目的〕

本発明は上述の事柄にもとづいてなされたもので、駆動
力を高効率で伝達することができる回転型アクチュエー
タを提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の特徴とするところは、回転力を出力する回転型
アクチュエータにおいて、筒体と、この。

筒体内に回転可能に支持された軸体と、前記筒体と軸体
とのいずれか一方に、縦効果もしくは横効果とせん断効
果とのひずみによシ周回運動軌跡を生じる移動部を有す
る圧電体と、この圧電体に交流電源を供給する電源手段
とを備え、前記圧電体の周回運動軌跡を生じる移動部に
よって、前記筒体と軸体とのいずれか他方の回転部材を
回転せしめるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図および第２図は本発明の回転型アクチュエータの
一実施例を示すもので、これらの図において１はケーシ
ング、２は軸受３によってケーシング１に回転可能に支
持された軸体である。１は周回接動軌跡Ｂを描く移動部
４Ａを備える圧電体である。この圧電体４は第２図に示
すようにその移動部４Ａがケーシング１の内面に対して
間隙を有するように軸体２の回りに間隔をもって軸体２
に複数個（この例では６個）固定されている。また、こ
の実施例では第１図に示すように１つの軸方向位置で円
周方向に６個設けた圧電体群を、軸方向に２段配列して
いる。

前述した圧電体４の一実施例の詳細構成を第３図〜第６
図によって説明する。

圧電体４はこの例では直方体形状に形成されている。こ
の圧電体４は例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ　（Ｚ
ｒ、　Ｔｌ０ａ　）　（略称ＰＺＴ）で構成されている
。また、この圧電体４は矢印Ａで示すように分極処理さ
れている。この分極処理は事前に行ってもよいし、また
圧電体４の組付は後に行なうことも可能である。この圧
電体４の分極Ａと直角な対向表面および分極Ａと平行な
対向表面には、それぞれ対の電極５Ａ、５Ｂおよび６Ａ
、６Ｂが設けられている。これらの対の電極５Ａ、５Ｂ
および６Ａ、６Ｂは軸体２に設けられるスリップリング
（図示せず）を通してそれぞれ電源７，８に接続してい
る。前述した電極５Ａ、５Ｂおよび６Ａ、６Ｂには例え
ば電極板、蒸着された電極などが用いられる。そして電
極！５Ａ、５Ｂ、６Ａ。

６Ｂは電極間の絶縁性を確保するために、圧電体４の各
対向表面の全面に設けるのではなく、隣接する表面の角
部から微小距離離れたところまで設けることが望ましい
。前述のように電極５Ａ。

５Ｂ、６Ａ、６Ｂを備えた圧電体２は電極５Ｂ。

固定板９を介して軸体２に固定されている。固定板９は
例えばアルミナセラミックス等の電気絶縁材料で構成さ
れている。圧電体４の電極５八部分は、ケーシングｌの
内面に接触して軸体２に回転駆動力を与える移動部とな
るので、この部分の摩耗を防ぐために耐摩耗部材１０が
設けられている。

この部材１０の取付けは必須のものではない。この部材
１０は例えばアルミナセラミックス等の電気絶縁材料で
構成することがよい。前述した電源７．８は例えば正弦
波、矩形波、三角波、台形波等の任意周波数の任意波形
の交流電圧を出力することができる。この交流電圧の周
波数、波形を変えることにより、移動部４Ａの周回移動
軌跡Ｂを種々の形状に変えることができる。侠言するな
らば、回転数を制御する゛ことができる。

次に上述した本発明の回転型アクチュエータの一実施例
の動作を説明する。

いま、電源７によって正弦波の電圧を電極５入。

５Ｂに印加すると、圧′成体４は第５図の２点鎖線で示
すように分極Ａ方向と同方向（所謂縦ひずみ効果）の振
動モードを生じる。また、電源８によって正弦波の電圧
を電極６Ａ、６Ｂに印°加すると、圧電体４は第６図の
２点鎖線で示すように分極Ａと直交方向（所謂せん断ひ
ずみ効果）の振動モードを生じる。このため、電源７，
８から等周波数で９０度位相差を有する正弦波の電圧？
、それぞれ電極５Ａ、５Ｂおよび電極６Ａ、６Ｂに印加
すると、圧電体４の移動部４Ａは圧電体４の縦ひずみ効
果とせん断ひずみ効果との合成にょシ第２図および第３
図に示すように直交座標系のＸ、ｚ軸の面内で矢印Ｂで
示すだ円の周回軌跡を描く。そして、移動部４Ａはだ円
の周回軌跡運動の上部でケーシング１の内面に接触し回
転駆動力を生じる。

このとき、ケーシングｌが固定保持されていれば、軸体
２は第２図において右回シに回転する。またこれとは逆
に、軸体２が固定保持されていれば、。

ケーシング１は第２図において左回シに回転する。

また、電源７，８からの電圧の位相を上述とは逆　′向
きにすれば、軸体２もしくはケーシング１を前述とは逆
方向に回転させることができる。さらに圧電体４自体の
周回移動軌跡運動を軸体２もしくはケーシング１に直接
的に伝えるので、駆動力を高効率で伝えることができる
。

なお、上述の一実施例においては、圧電体４に縦ひずみ
効果とせん断ひずみ効果を与えて、これらの合成によシ
その移動部４Ａに周回軌跡運動を与えたが、第７図に示
すように圧電体４０分極Ａの方向が横向きとなるように
圧電体４を固定板９に取付けて、圧電体４に横ひずみ効
果とせん断ひずみ効果とを与えてその移動部４Ａに周回
移動軌跡Ｂを描くようにすることも可能である。さらに
これらの圧電体４を積層したものを用いることも可能で
ある。この場合には大きな回転駆動力を得ることができ
る。また、上述の例は各圧電体４に縦ひずみ効果もしく
は横ひずみ効果とせん断ひずみ効果とを与えるように構
成したが、第８図に示すように縦ひずみ効果もしくは横
ひずみ効果を生じる圧電体４Ｂとせん断ひずみ効果を生
じる圧電体４Ｃとを積層して構成することも可能である
。

これらの圧電体４Ｂ、４ｃをユニットとして複数積層す
ることも可能である。

第１図および第２図に示した本発明の回転型アクチュエ
ータの一実施例を相対的に回転する２部材Ｌ１．Ｌ２の
駆動部に適用した例を第９図に示す。この図において第
１図および第２図と同符号のものは同一部分である。こ
の例は第１図に示す本発明の回転型アクチュエータの一
実施例における軸体４を一方の部材Ｌ１に固定し、ケー
シング１を他方の部材Ｌ２に固定したものである。この
ように構成することによシ、圧電体４は周回移動軌跡を
描く移動部４Ａがケーシング１の内面に接触シテケーシ
ング１に駆動力を与える。このため、他方の部材Ｌ２は
一方の部材Ｌ１に対して駆動される。この例によれば、
本発明の回転型アクチュエータを、部材Ｌ１．Ｌ２０゛
連結部に内蔵することができるので、駆動部の構造を簡
潔にすることができる。また、圧電体４はその移動部が
直接ケーシング１に接８１！してこれを駆動するので、
駆動力を高効率で伝達することができる。さらに軸体の
回りに設けた複数個の圧電体のユニットを、軸方向に沿
って複数組設けることによシ、大きな駆動力出力するこ
とができる。

第１０図および第１１図は本発明の回転型アクチュエー
タの他の実施例を示すもので、この実施例は圧電体４の
移動部４Ａが軸体２の外周面に対して間隙をもつように
、複数個の圧電体４を軸回シに沿ってケーシング１の内
面に固定したものである。この実施例では第１図に示す
実施例と同様な作用、効果を発揮することができる。こ
の第１０図に示す本発明の回転型アクチュエータの他の
実施例を、相対的に回転する２部材Ｌｒ　、　Ｌ２の駆
動部に適用した例を第１２図に示す。この例においては
、第９図に示す適用例と同様な作用、効果を発揮するこ
とができる。

第１３図〜第１５図は本発明の回転型アクチュエータの
さらに他の実施例を示すもので、この実施例は挿入体１
１を介在させた２つの円板状の弾性部材１２を、軸体２
にその軸線と直交するように設け、その一方の弾性部材
１２の面にディスク１３を設け、このディスク１３に対
向するケーシング内面に、周回軌跡運動を生起する移動
部４Ａを有する圧電体４を複数個設けて構成さｉている
。

この例では圧電体４は第１４図に示すように８個配置さ
れている。

この第１３図に示す本発明の回転型アクチュエータのさ
らに他の実施例に、圧電体４の周回移動軌跡を描く移動
部４Ａが第１６図に示すようにディスク１３に接触し駆
動力を伝える。このとき、ケーシング１を固定保持して
おけば、軸体２を回転させることができ、これとは逆に
軸体２を固定保持しておけば、ケーシング１を回転させ
ることができる。この実施例によれば、前述した第１図
および第１０図に示す実施例と同様な効果を発揮するこ
とができると共に、軸体２の軸方向寸法を小さくするこ
とができる。

この第１３図に示す本発明の回転型アクテユエ。

−タのさらｉ他の実施例を、相対的に回転する２部材Ｌ
ｌ、Ｌｍの連結部に適用した例を第１７図に示す。

第１８図は本発明の回転型アクチュエータの他の実施例
を示すもので、この実施例は第１３図に示す実施例との
比較において、ディスク１３をケーシング１の内面に固
定し、このディスク１３に対向する一方の弾性部材１２
に圧電体４を複数個設けたものである。このように構成
したことにょシ、第１９図に示すように圧電体４の移動
部４Ａはその周回移動軌跡によシディスク１３に接触し
駆動力を伝達する。このとき、ケーシングを固定保持し
ておけば、軸体２を回転させることができ、これとは逆
に軸体２を固定保持しておけば、ケーシング２を回転さ
せることができる。この実施例によれば、第１３図に示
す実施例と同様な効果を発揮することができる。この実
施例を相対的、に回転する２部＃、Ｌｘ　、Ｌｘの連結
部に適用した例を第２０図に示す。

第２１図は本発明の回転型アクチュエータのさらに他の
実施例を示すもので、この実施例は弾性部材１２の両側
面にそれぞれディスク１３を設け、これらのディスク１
３に対向するケーシング１の内面に、周回軌跡運動を生
起する移動部４Ａを有する圧電体４を複数個設けて構成
されている。このように構成したことにより、第２２図
に示すように弾性部材１２の両側面のディスク１３には
それぞれ圧電体４の移動部４Ａが接触し駆動力が伝達さ
れる。このとき、ケーシング１を固定保持しておけば、
軸体２を回転させることができる。これとは逆に軸体２
を固定保持しておけば、ケーシング１を回転させること
ができる。この実施例によれば、第１３図および第１８
図に示す実施例に比べて伝達トルクを２倍に増加させる
ことができる。

この第２１図に示す実施例を相対的に回転する２部材Ｌ
１．Ｌ２の連結部に適用した例を第２３図に示す。

第２４図は本発明の回転癒アクチュエータの他の実施例
を示すもので、この実施例は第２１図に示す実施例との
比較において、ディスク１３と圧電体４との取付けを変
えたものである。このように構成したことによシ、第２
１図に示す実施例と同様な効果を発揮することができる
。またこの実施例を相対的に回転する２部材Ｌ１．Ｌｚ
の連結部に適用した例を第２５図に示す。

なお、上述した本発明の実施例において、圧電体４の移
動部４Ａおよびこれに対向する部分の摩　□擦係数を大
きくすれば、滑シが生ぜず、さらに駆動力を高効率に伝
達することができる。

次に第１３図に示す実施例の回転型アクチュエータにお
いて得られる回転速度について述べる。

圧電体４としては１つの圧電体で縦ひずみ効果とせん断
ひずみ効果とを生起するものを用いる。そして圧電体４
を長さｔが２■角の４角柱とし、この圧電体４をディス
ク１３と平行な面に沿って積層する層数Ｎｍを１５、デ
ィスク１３に直角な方向に沿って積層する層数ＮＡを１
５とする。この圧電体４の縦ひずみ効果による圧電定数
ＶＡを６００Ｘ　１　ｏ−１２（ｍ／Ｖ）とし、セン断
ヒスミ効果による圧電定数Ｖｓを９００Ｘ１０−１２（
ｍ／Ｖ）とし、印加電圧■を５００ｖとすると、積層さ
れた圧電体の移動部のディスク方向の変位量ＤＡはＤＡ
　＝ＶＡ　Ｘ　Ｖ　Ｘ　ＮＡ ＝４．５μｍ　・・・・・・（１） となる。また、印加電圧■を４０Ｖとしそディスクを円
周方向に駆動する１ステツプ当シの変位量Ｄ！ｌは ＤＢ＝ＶカＸ　Ｖ　Ｘ　Ｎ　ｍ ＝０．５４μｍ　・・団・（２） となる。そして、積層された圧電体ユニットが円周方向
に１２個配置し、これらの圧電体ユニットを２組に分け
、１８０度の位相差で駆動する。圧電体の移動部は１サ
イクルでディスク１３を２回接触駆動する。また、圧電
体ユニットを軸体２の中心から半径方向に２０ｍの位置
に配置し、印加電圧■の周波数を２０ＫＨ２とすると、
ディスクの回転周速Ｕは次のようになる。・ ＝０．０２１６　（ｍ／Ｓ　）　−＝−＜３）次に回転
数Ｎは次のようになる。

＝　１０．３　ｒｐｍ　・・・・・・（４）〔発明の効
果〕 以上述べたように、本発明によれば、回転駆動力を高効
率で出力し得る回転型アクチュエータを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転型アクチュエータの一実施例を示
す縦断面図、第２図は第１図の■−■矢視断面図、第３
図は本発明のアクチュエータに用いられる圧電体の一例
の構成を示す側面図、第４図はその斜視図、第５図およ
び第６図はその動作説明図、第７図は本発明に用いられ
る圧電体の他の例の構成を示す斜視図、第８図は本発明
に用いられる圧電体のさらに他の例の構成を示す側面図
、４第９図は第１図に示す本発明の回転型アクチュエー
タの一実施例の適用例を示す断面図、第１θ図は本発明
の回転型アクチュエータの他の実施例を示す縦断面図、
第１１図は第１０図のＸｌ−ＸＩ矢視断面図、第１２図
は第１０図に示すアクチュエータの適用例を示す断面図
、第１３図は本発明の回転型アクチュエータのさらに他
の実施例を示す縦断面図、第１４図は第１３図のＷ−■
矢視断面図、第１５図は第１３図のｆｆ−ＸＶ矢視断面
図、第１６図は第１３図に示すアクチュエータの動作を
説明する図、第１７図は第１３図に示すアクチュエータ
の適用例を示す断面図、第１８図は本発明の回転をアク
チュエータの他の実施例を示す縦断面図、第１９図はそ
の動作説明図、第２０図は第１８図に示すアクチュエー
タの適用例を示す断面図、第２１図は本発明の回転型ア
クチュエータのさらに他の実施例を示す縦断面図、第２
２図はその動作説明図、第２３図はその適用例を示す断
面図、第２４図は本発明の回転型アクチュエータの他の
実施例を示す縦断面図、第２５図はその動作説明図、第
２６％その適用例を示す断面図であ八 る。 １・・・ケーシング、２・・・軸体、３・・・軸受、４
．４Ｂ。 ４Ｃ・・・圧電体、５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ・・・電極
、７．８・・・電源。 代理人　弁理士　高橋明夫 ｒ　ｑ　図 χｌθ図 第１１図 ％　１２　図 ｚ ４ １ 酬 ／ ｙ　ｒＪ図 習　１ｆ −’　Ｔ−〜 １ ７ｉＡ。 上 が　ニ ％／７図 ｆＪ、ｔｇ図 茅　２θ　１図 不２１図 冨　２２　図 ′″’ｙ５　Ｚ、３　図 ■　７４　ロ 不　２６　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転力を出力する回転型アクチュエータにおいて、
   筒体と、この筒体内に回転可能に支持された軸体と、前
   記筒体と軸体とのいずれか一方に、縦効果もしくは横効
   果とせん断効果とのひずみによシ周回運動軌跡を生じる
   移動部を有する圧電体と、この圧電体に交流電源を供給
   する電源手段とを備え、前記圧電体の周回運動軌跡を生
   じる移動部によって、前記筒体と軸体とのいずれか他方
   の回転部材を回転せしめることｔ％徴とする回転型アク
   チュエータ。 ２、特許請求の範囲第１項記載の回転型アクチュエータ
   において、前記圧電体はその移動部がケーシングの内面
   に対して間隙金持って軸体の回りに複数個軸体に設けた
   ことを特徴とする回転型アクチュエータ。 ３、特許請求の範囲第１項記載の回転型アクチュエータ
   において、前記圧電体はその移動部が軸体の外周面に対
   して間隙ヲ４つようにケーシングの内面に複数個設けた
   ことを特徴とする回転型アクチュエータ。 ４　特許請求の範囲第２項または第３項記載の゛回転製
   アクチュエータにおいて、前記複数個の圧電体は軸体の
   軸線方向に複数組設けたことを特徴とする回転型アクチ
   ュエータ。 ５、特許請求の範囲第１項記載の回転型アクチュエータ
   において、前記軸体に円板体を設け、この円板体のいず
   れか一方の側面に圧電体の移動部が対向するように圧電
   体をケーシングに固定したことを特徴とする回転型アク
   チュエータ。 ６、％許請求の範囲第１項記載の回転製アクチュエータ
   において、前記軸体に円板体を設け、圧電体の移動部が
   ケーシングの内面に対向するように、圧電体を前記円板
   体のいずれか一方の側面に固定したことを特徴とする回
   転型アクチュエータ。 ７、特許請求の範囲第２項〜第６項のいずれかに記載の
   回転型アクチュエータにおいて、前記圧電体は縦ひずみ
   効果とせん断ひずみ効果との合成によシ、その移動部が
   周回運動軌跡を描くことを特徴とする回転型アクチュエ
   ータ。 ８、特許請求の範囲第２項〜第６項のいずれかに記載の
   回転型アクチュエータにおいて、前記圧電体は横ひずみ
   効果とせん断ひずみ効果との合成によシ、その移動部が
   周回運動軌跡を描くことを特徴とする回転型アクチュエ
   ータ。 ９、特許請求の範囲第２項〜第６項のいずれかに記載の
   回転型アクチュエータにおいて、前記圧電体は縦ひずみ
   効果を生起する圧電体とせん断ひずみ効果を生起する圧
   電体とを積層して構成し、その移動部が周回運動軌跡を
   描くことを特徴とする回転型アクチュエータ。 １０、特許請求の範囲第２項〜第６項のいずれかに記載
   の回転型アクチュエータにおいて、前記圧電体は横ひず
   み効果を生起する圧電体とせん断ひずみ効果を生起する
   圧電体とを積層して構成し、その移動部が周回運動軌跡
   を描くことを特徴とする回転型アクチュエータ。