アクチュエータ、位置決め装置
【課題】 移動ストロークが大きく、かつ、簡単な構造で装置の低背化が可能な、Ｘ−Ｙ方向の２次元に移動可能なアクチュエータを提供する。
【解決手段】 略直方体の磁石と該磁石の直交する２面の各々に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動体と前記駆動体とを固定部材に対して移動させる。
【解決手段】 略直方体の磁石と該磁石の直交する２面の各々に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動体と前記駆動体とを固定部材に対して移動させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることで移動部材を移動させるインパクト式アクチュエータおよび当該アクチュエータを用いた位置決め装置に係り、平面上をＸ−Ｙ方向に移動可能で自走可能な駆動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｘ−Ｙテーブルなどの平面上の位置決め装置としては、ステッピングモータやボイスコイルモータなどの電磁方式による駆動が一般的に用いられていた。
【０００３】
ところが、近年の電子機器の小型化に伴い、アクチュエータとして圧電素子などの電気機械変換素子を駆動方式に用いることで、位置決め装置そのものを小型化しようとする開発が活発に行われている。
【０００４】
たとえば、特許文献１および特許文献２に開示されているように、圧電素子を伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることで、被駆動部材を移動させるインパクト駆動と呼ばれる方式を用いた構造が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３８４２０９３号
【特許文献２】特開２００６−８１３４８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１および２に開示されている方法においては、駆動部材の長さに被駆動部材の可動範囲が限定され、動作ストロークを大きくできないという問題があった。また、駆動部材と被駆動部材を摩擦係合するために板ばねなどの弾性部材が必要なため構造が複雑となり、小型化することが困難であった。また、Ｘ−Ｙの２次元に移動可能とするために、固定部材に対して２つの駆動部材と被駆動部材が必要であり（特許文献２の図９参照）、駆動装置の厚さを薄くすることが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためになされたもので、具体的には、移動ストロークを大きくでき、かつ、簡単な構造で装置の低背化が可能な、Ｘ−Ｙ方向の２次元に移動可能なアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータが得られる。
【０００９】
また、本発明によれば、少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている固定部材と、該磁石に対して磁力により吸着可能な被駆動部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材が前記駆動体と前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１０】
また、前記アクチュエータにおいて、前記駆動体が、略直方体の磁石と、該磁石の直交する２面の各々に変位方向の一端が固定された電気機械変換素子と、からなることを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１１】
また、上記アクチュエータにおいて、前記駆動体を複数とすることで、より安定な動作が可能なアクチュエータが得られる。
【００１２】
この場合、電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている前記被駆動部材または前記固定部材は、平板から、駆動体を配置する部分として対角上の２つの部分を矩形に切り取った形状を有し、切り取った２つの前記部分の各々には、直交する２面に電気機械変換素子の変位方向の一端が各々固定されていてもよい。
【００１３】
また、上記アクチュエータにおいて、前記磁石は、断面形状が三角形であり、該磁石の前記三角形を構成する３面に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されていてもよい。
【００１４】
さらに、本発明によれば、上記の各アクチュエータにおいて、前記被駆動部材が弾性部材を介して前記固定部材に支持されていることを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、上記の各アクチュエータのいずれかを有することを特徴とする位置決め装置が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係るアクチュエータにおいては、少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動させているため、１つの駆動体でＸ−Ｙ平面上を２次元で移動させることが可能となり、従来方式に対して装置の小型化が実現できる。また、１つの移動体で２次元に移動可能であるため、装置の低背化を実現できる。さらに、磁石と固定部材の間の吸着力を用いてインパクト駆動させているため、板ばねのような摩擦付与部材が不要になるため、構造が簡略化され、小型化および低コスト化の効果が得られる。
【００１７】
請求項１のアクチュエータにおいては、磁石に吸着可能な固定部材に対して被駆動部材と駆動体とが移動するが、本発明においては、被駆動部材と駆動体に対して、磁石に吸着可能な部材が移動する構造も可能である。
【００１８】
即ち、請求項２のアクチュエータにおいては、少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動部材と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている固定部材と、該磁石に対して磁力により吸着可能な被駆動部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動させている。そのため、１つの駆動体でＸ−Ｙ平面上を２次元で移動させることが可能となる。
【００１９】
請求項３に係るアクチュエータにおいては、前記磁石の形状を略直方体とし、該磁石の直交する２面の各々に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成されているため、さらに構造を簡略化できる。
【００２０】
請求項４または請求項５に係るアクチュエータにおいては、駆動体を複数としているため、被駆動部材の動きを安定化できるとともに、推力が大きく、位置制御性に優れたアクチュエータが得られる。また、従来技術によれば駆動部材の軸方向にのみ被駆動部材は移動可能であったが、本発明のアクチュエータにおいては、複数の駆動体を独立に制御することで、Ｘ−Ｙ平面上において回転動作可能なアクチュエータが得られる。
【００２１】
請求項６に係るアクチュエータによれば、前記磁石の断面形状が三角形であり、該磁石の前記三角形を構成する３面の各々に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されてなることを特徴とするアクチュエータが得られるため、１つの駆動体で３方向に被駆動部材を移動させることができる。
【００２２】
請求項７に係るアクチュエータにおいては、被駆動部材が弾性部材を介して固定部材に支持されているため、Ｘ−Ｙ平面上の並進性に優れたアクチュエータが得られる。
【００２３】
請求項８に係る位置決め装置によれば、上記のいずれかのアクチュエータを有することを特徴とする位置決め装置が得られるため、位置決め装置の構造を簡略化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。
【００２５】
図１は、上記アクチュエータの駆動体１０１のみを概念的に示す模式図であり、同図（ａ）は側面図に関するもの、同図（ｂ）は同図（ａ）の白矢印で示す右側方向からの端面図に関するものである。
【００２６】
この駆動体１０１は、略直方体の磁石３と、該磁石３の直交する２面の各々に、電気機械変換素子としての積層型圧電セラミックによる圧電セラミック素子１および２の変位方向の一端をエポキシ樹脂等を用いて接着してなるものである。
【００２７】
磁石３の極性については、図１（ａ）を参照すれば、圧電セラミック素子１、２の変位発生方向（図１のＡ１、Ａ２方向）と垂直方向（図１のＡ３方向）としている。これは、図２を用いて後述するように固定部材５との吸着力を大きくするためであり、必要な吸着力によっては極性を他の形態に変更してもかまわない。
【００２８】
磁石３の材質は特に限定されないが、小型化に際して強い吸着力が発生可能なネオジウム系またはサマリウム系とすることが好ましい。
【００２９】
圧電セラミック素子１、２については、所定の変位を発生できれば材質や構造を適宜選択できるものであるが、小型で駆動電圧を小さくできることから積層型圧電セラミックを用いるものとする。
【００３０】
以下、幾つかの実施例を挙げ、本発明のアクチュエータについて、図面を参照して具体的に説明する。
【実施例１】
【００３１】
図２は、本発明の実施例１に係るアクチュエータ２０１の基本構成を示したもので、同図（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、同図（ｂ）は側面図（Ａ４方向矢視図）に関するものである。
【００３２】
圧電セラミック素子１、２としては、断面寸法が縦０．９ｍｍ×横０．９ｍｍ、高さ１．２ｍｍの圧電積層型セラミックとし、３０Ｖの印加電圧に対して大略０．５μｍの変位を発生するものを用いている。また、変位発生方向は、積層方向（図２のＡ１、Ａ２方向）である。
【００３３】
この圧電セラミック素子１、２の変位発生方向の一方の端面側に対して、断面寸法が縦１．２ｍｍ×横１．０ｍｍ、高さ１．５ｍｍのネオジウム系磁石を熱硬化性エポキシ樹脂で接着して、駆動体１０１とした。磁石３の磁化方向は、高さ方向（Ａ３方向）とした。
【００３４】
この圧電セラミック素子１、２の変位方向の他端が被駆動部材４にエポキシ樹脂等を用いて接着されており、磁石に吸着可能な材質からなる固定部材５に、磁石３の磁力により吸着されている。
【００３５】
また、圧電セラミック素子１、２には、駆動電圧を印加するための図示しない電源が接続されている。
【００３６】
固定部材５の材質としては、磁石３に吸着可能なものであれば特に限定はされないが、ここでは、ＳＵＳ４３０を用いた。また、固定部材５の形状は磁石３が吸着する面が平面であれば他の面の形状は任意に設定できるが、ここでは、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×高さ１ｍｍの平板とした。この場合の磁石３と固定部材５との吸着力は、約０．４９Ｎであった。
【００３７】
本発明のアクチュエータ２０１においては、駆動体１０１と被駆動部材４とが固定部材５に対して移動するが、実施例１の場合の移動ストロークは、図２におけるＸ方向、Ｙ方向に対してそれぞれ約１５ｍｍとなる。ただし、移動ストロークは実施例１に限定されるものではなく、固定部材５の縦と横の寸法を大きくすることで、さらに大きくすることも可能である。
【００３８】
後述するように、本発明のアクチュエータ２０１は圧電セラミック素子１、２が発生する振動を駆動源としているため、その振動を磁石に伝える必要があるが、被駆動部材４の重量を磁石３の重量より十分大きくすることで、振動を効率よく磁石３に伝えることができる。そのため、被駆動部材４の材質と寸法としては、磁石３の吸着力や圧電セラミック素子１、２の発生変位量などにより適宜設計して決定すればよい。ここでは、被駆動部材４として、縦５．０ｍｍ×横５．０ｍｍ×幅２ｍｍのＬ字形状で厚さ１．０ｍｍとし、材質としてアルミニウムを用いた。この場合、重量が磁石３の約３倍であった。
【００３９】
ここで、図２においては、被駆動部材４と固定部材５とが接触しているが、磁石３の磁力で被駆動部材４と圧電セラミック素子１、２との重量を支えることができれば接触させる必要はない。磁石３の着磁方向については限定する必要はないが、吸着力を大きくするために図１および図２に示すＡ３方向とした。
【００４０】
このアクチュエータ２０１において、圧電セラミック素子１または２の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、被駆動部材４と駆動体１０１とが、固定部材５に対して、圧電セラミック素子１または２の伸縮方向（図２のＡ１、Ａ２方向）に移動する。
【００４１】
以下は、実施例１に係るアクチュエータ２０１の駆動機構の働きについて、圧電セラミック素子１を駆動した場合について説明する。圧電セラミック素子２を駆動した場合も移動方向が略９０度異なるだけで、動作上の原理は同一である。
【００４２】
図３は、上述した実施例１における圧電セラミック素子１の時間に対する駆動電圧、圧電セラミック素子１の変位量、被駆動部材４と駆動体１０１（図３では被駆動部材４と駆動体１０１をまとめて「移動体」と称す）との移動量の関係を示したタイミングチャートである。
【００４３】
実施例１のアクチュエータ２０１を用いると、圧電セラミック素子１の共振周波数が５００ｋＨｚ程度以上となるので、圧電セラミック素子１への交流印加電圧（駆動電圧）の周波数を５０ｋＨｚ程度以下とすると、高調波成分の影響を殆ど無視できるため、入力電圧波形と出力変位波形とが相似形となる。
【００４４】
図３に示されるように三角波状の入力電圧（駆動電圧）波形について、傾きが異なる時間ｔ１、ｔ２をｔ１＞ｔ２なる関係となるように設定すると、圧電セラミック素子１の変位量は時間ｔ１をかけてゆっくりと伸び、時間ｔ２で急速に縮む。ここで、固定部材５と磁石３との間に発生する最大静止摩擦力以上の加速度が得られるように時間ｔ２を設定すれば、時間ｔ１では磁石３は固定部材５に吸着した状態で、圧電セラミック素子１の伸びにより被駆動部材４だけが移動し、時間ｔ２では固定部材５と磁石３との間で滑りが生じる。そのため、１サイクルの駆動電圧により、時間ｔ１の間の伸び量だけ、被駆動部材４と駆動体１０１とは固定部材５に対して、圧電セラミック素子１の伸び方向（図２のＹ軸方向）に移動する。これを連続的に繰り返せば、被駆動部材４と駆動体１０１とは、固定部材５に対して、一方向に連続的に移動する。
【００４５】
そこで、時間ｔ１と時間ｔ２とを用いてデューテイ比をデューテイ比＝ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）なる関係式で定義すると、デューテイ比を変化させることで移動の速度や移動方向を制御することができる。
【００４６】
ここでは、図３に示されるように三角波状の入力電圧（駆動電圧）の波形を与えた場合について説明したが、各部品形状に応じて周波数を調整した矩形波状の入力電圧（駆動電圧）を印加するようにしても同様に圧電セラミック素子１および２を駆動することができる。
【００４７】
以上で説明した駆動電圧を、圧電セラミック素子１と圧電セラミック素子２に印加することで、各々の圧電セラミック素子の伸縮方向に被駆動部材４と駆動体１０１とを移動させることができる。すなわち、固定部材５の平面上をＸ−Ｙ方向の２次元に並進移動可能な自走型のアクチュエータとすることができる。
【００４８】
また、アクチュエータ２０１はＸ−Ｙテーブルなどの平面上の位置決め装置として利用可能である。
【００４９】
ここで、実施例１の変形例の１つを簡単に説明する。
【００５０】
図７は、本発明において、実施例１の変形例としてのアクチュエータ３０３の基本構成を示したものであり、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する場合である。同図（ａ）は側面図に関するもの、同図（ｂ）は（ａ）においてＡ７−Ａ７断面における上面方向からの平面図に関するものである。
【００５１】
最初に、アクチュエータ３０３の製造方法（および構造）について説明する。
【００５２】
まず、実施例１の場合と同じ圧電セラミック素子３１１、３１２と磁石３１３を用いて駆動体１０５を製造した。
【００５３】
次に、実施例１の被駆動部材４と同様の形状の固定部材３１４を用意し、駆動体１０５を固定部材３１４にエポキシ樹脂を用いて接着した。
【００５４】
さらに、静止部材３１５に固定部材３１４を接着した。
【００５５】
次に、材質がＳＵＳ４３０で、形状が２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの平板を被駆動部材３１６として、磁石３１３に吸着させた。
【００５６】
このようにして図７に示すアクチュエータ３０３を得た。
【００５７】
次に、アクチュエータ３０３の動作について説明する。
【００５８】
実施例１と同じ電圧波形を圧電セラミック素子３１１、３１２に印加すると、駆動体１０５は静止部材３１５に対して移動せず、被駆動部材３１６が移動する。すなわち、実施例１においては、固定部材５に対して駆動体１０１が被駆動部材４とともに自走して移動するのに対し、図７におけるアクチュエータの場合は、被駆動部材３１６のみが移動する。
【００５９】
図７のアクチュエータ３０３においては、固定部材３１４を静止部材３１５に接着したが、固定部材３１４の重量を被駆動部材３１６に比べて大きくすることで、静止部材３１５は不要になる。この場合の固定部材３１４の重量や寸法は、被駆動部材３１６の重量を勘案して、適宜、設計すればよい。
【００６０】
図７のアクチュエータ３０３においては、駆動体１０５と被駆動部材３１６とは、相対的に実施例１（図２）の駆動体１０１と固定部材５の関係と等価であるが、自走型のアクチュエータではない。ただし、図７においては、セラミック素子３１１、３１２が静止部材３１５に対して固定されているため、実施例１（図２）のアクチュエータと比較して、電圧を印加するためのリード線などの配置が容易になるというメリットがある。
【００６１】
以上は、磁石の形状を略直方体として圧電セラミック素子を２個用いて駆動体を構成した場合を説明したが、磁石の形状や圧電セラミック素子の個数は上記に限定されるものではなく、必要に応じて磁石形状を任意に設定し、圧電セラミック素子の個数を少なくとも２個以上用いることでも、本発明の効果が得られる。たとえば、図６の駆動体１０４のように磁石断面を三角形として圧電セラミック素子を３個用いた場合においても、本発明の効果が得られる。
【００６２】
図６の場合においては圧電セラミック素子２０、２１、２２は、当該三角形を構成する３面にそれぞれ設けられ、圧電セラミック素子２０、２１、２２の変位方向に沿って３方向へ移動可能である。
【００６３】
また、図６の場合においては、被駆動部材２３の中央には、駆動体１０４を収納するための、断面形状が三角形の切り抜き部２３ａが設けられている。
【００６４】
なお、図６記載のアクチュエータを、図７のように、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する構造としてもよい。
【実施例２】
【００６５】
本発明のアクチュエータ２０２においては、磁石と２個の圧電セラミック素子からなる駆動体を複数個用いることで、さらに高速に移動させると同時に、Ｘ−Ｙ平面上で回転移動も可能となる。図４は、本発明において、実施例２に係るアクチュエータ２０２の基本構成を示したもので、２個の駆動体１０２、１０３を用いた場合である。同図（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、同図（ｂ）は（ａ）の側面図（Ａ５方向矢視図）に関するものである。
【００６６】
実施例１の場合と同じ圧電セラミック素子と磁石を用いて駆動体１０２、１０３を製造し、図４に示す配置で被駆動部材１２にエポキシ樹脂を用いて接着してアクチュエータ２０２とした。ここで、被駆動部材１２は縦１０ｍｍ×横１０ｍｍの×厚さ１．０ｍｍの矩形の平板から、駆動体１０２、１０３を配置する部分として対角上の３ｍｍ×３ｍｍの部分を矩形に切り取った形状であり、重量は磁石８、１１の約１６倍であった。また、固定部材１３と接触している部材は磁石８、１１のみであり、被駆動部材１２と固定部材１３は接触していない。被駆動部材１２と固定部材１３を接触するように構成することでも、本発明の効果は得られるが、移動時の摩擦力の増加による速度低下が生じやすくなる。
【００６７】
なお、駆動体１０２、１０３の圧電セラミック素子６、７、９、１０は、切り取った２つの部分の直交する２面に、変位方向の他端を各々固定した。
【００６８】
このアクチュエータ２０２の圧電セラミック素子９に、実施例１と同様の駆動電圧を印加し、同時に、圧電セラミック素子７に伸びと縮みの速度が圧電セラミック素子９とは反転するように駆動電圧を印加すると、被駆動部材１２と駆動体１０２、１０３とは、一方向（図４のＸ方向）へと移動する。
【００６９】
以下、固定部材１３に対して移動する部材（被駆動部材１２と駆動体１０２、１０３）を、まとめて移動体と称することにする。
【００７０】
圧電セラミック素子の伸びと縮みの速度を反転させるためには、駆動電圧のデューテイ比を変化させればよい。たとえば、圧電セラミック素子９にデューテイ比８５％の電圧波形を入力した場合、圧電セラミック素子７にはデューテイ比１５％の電圧波形を入力する。また、圧電セラミック素子９にデューテイ比１５％の電圧波形を入力し、圧電セラミック素子７にはデューテイ比８５％の電圧波形を入力すると、移動体は逆方向に移動する。
【００７１】
全く同じ方法で、圧電セラミック素子６、１０にそれぞれデューテイ比８５％、１５％の電圧波形を印加すると、移動体は図４のＹ軸方向に沿って一方向に移動する。
【００７２】
駆動電圧のデューテイ比については上述の値に限定されず、必要となる移動体の移動速度などの設計により決定すればよい。
【００７３】
本発明のアクチュエータ２０２においては、Ｘ−Ｙ軸に沿った並進移動のほかに、回転移動も可能である。たとえば、圧電セラミック素子６に移動体がＹ方向に移動するようにデューテイ比を設定した駆動電圧を印加し、同時に、圧電セラミック素子１０に移動体が−Ｙ方向に移動するようにデューテイ比を設定した駆動電圧を印加すると、移動体の重心を中心に時計方向に回転する。また、圧電セラミック素子７と９に上記と同様な関係の駆動電圧を印加することでも、移動体は回転する。
【００７４】
実施例１と２におけるアクチュエータ２０１、２０２の各駆動体に、駆動電圧を印加した場合の移動体の移動方向と移動速度を測定した。レーザー変位計により移動量を測定し、電圧印加時間から移動速度を求めた。測定結果を表１に示す。ただし、回転移動させた場合は、概略の回転速度を測定し、ｒｐｍの単位で結果を示している。
【００７５】
【表１】
【００７６】
表１の結果から、本発明により、Ｘ−Ｙ軸方向に沿った並進移動が可能であり、また、回転移動の可能なアクチュエータが得られることが確認できた。
【００７７】
なお、実施例２の構造は、実施例１における図７に示す変形例のように、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する構造に適用することも可能である。
【実施例３】
【００７８】
以下、本発明の変形例として、アクチュエータの並進性を高めるために、固定部材あるいは固定部材に支持された静止部材と被駆動部材の間に、弾性部材を設置した場合について説明する。移動体の移動ストロークは限定されるが、実施例１および２において、回転動作は行わずにＸ−Ｙ方向にだけ高精度で並進移動させたい場合に有効である。
【００７９】
図５に示すように、アクチュエータ２０３は、弾性部材としてのコイルばね１４、１５、１６、１７を、静止部材１８と被駆動部材１２の間に設置した。
【００８０】
ここで、静止部材１８は、固定部材１３に接着されている。また、各コイルばねの両端を、それぞれ静止部材１８と被駆動部材１２に接着により固定している。
【００８１】
コイルばね１４、１５、１６、１７と静止部材１８を除いた部材は、実施例２と同一である。
【００８２】
コイルばね１４、１５、１６、１７のばね定数は設計により適宜決定すればよいが、ここでは、１ｍｍの変位に対して約０．１Ｎのばね力が発生するものを選択した。
【００８３】
図５のアクチュエータ２０３に、実施例２の水準ｃと同様の駆動電圧を印加することで移動体をＹ方向に３００μｍ移動させた。このとき、図５の（ｂ）に示す、被駆動部材の端面Ｂの傾き状態をレーザーオートコリメータにより測定した。移動前の状態を基準とし、Ｙ方向に３００μｍ移動した後の変化量の最大値を角度（分）の単位で求めた。端面Ｂの傾きが小さいほど、アクチュエータ２０３は高精度に並進移動できるといえる。
【００８４】
表２に、測定結果を示す。また、比較として実施例２の場合の結果も併せて示している。
【００８５】
表２から、実施例３のように、被駆動部材をコイルばねのような弾性部材を介して固定部材に支持することで、高精度に並進移動が可能であることが確認できた。
【００８６】
【表２】
【００８７】
なお、実施例３の構造は、実施例１における図７に示す変形例のように、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する構造に適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
上記した実施形態では、本発明の各アクチュエータはＸ−Ｙテーブルなどの平面上の位置決め装置に適用可能である旨説明したが、本発明は、何等、これに限定されることなく、位置決めを行う必要があるすべての構造に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の駆動体の概略構成の一例を示したもので、（ａ）は側面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）の白矢印で示す右側方向からの端面図に関するものである。
【図２】本発明の実施例１に係るアクチュエータ２０１の基本構成を示したもので、（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）の側面図（Ａ４方向矢視図）に関するものである。
【図３】本発明のアクチュエータ２０１に係る駆動方法を説明するものであり、圧電セラミック素子に印加する、時間に対する駆動電圧、圧電セラミック素子の変位量、移動体の移動量の関係を示したタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施例２に係るアクチュエータ２０２の基本構成を示したもので、（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）の側面図（Ａ５方向矢視図）に関するものである。
【図５】本発明の実施例３に係るアクチュエータ２０３の基本構成を示したもので、（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）のＡ６−Ａ６線方向における側面断面図に関するものである。
【図６】本発明の変形例を示したもので、駆動体１０４と被駆動部材２３の上面方向からの外観平面図に関するものである。
【図７】本発明の変形例を示したもので、（ａ）は側面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）のＡ７−Ａ７断面における上面方向からの平面図に関するものである。
【符号の説明】
【００９０】
１、２、６、７、９、１０、２０、２１、２２、３１１、３１２ 圧電セラミック素子
３、８、１１、１９、３１３ 磁石
４、１２、２３、３１６ 被駆動部材
５、１３、３１４ 固定部材
１４、１５、１６、１７ コイルばね
１８、３１５ 静止部材
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 駆動体
２０１、２０２、２０３、３０３ アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることで移動部材を移動させるインパクト式アクチュエータおよび当該アクチュエータを用いた位置決め装置に係り、平面上をＸ−Ｙ方向に移動可能で自走可能な駆動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｘ−Ｙテーブルなどの平面上の位置決め装置としては、ステッピングモータやボイスコイルモータなどの電磁方式による駆動が一般的に用いられていた。
【０００３】
ところが、近年の電子機器の小型化に伴い、アクチュエータとして圧電素子などの電気機械変換素子を駆動方式に用いることで、位置決め装置そのものを小型化しようとする開発が活発に行われている。
【０００４】
たとえば、特許文献１および特許文献２に開示されているように、圧電素子を伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることで、被駆動部材を移動させるインパクト駆動と呼ばれる方式を用いた構造が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３８４２０９３号
【特許文献２】特開２００６−８１３４８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１および２に開示されている方法においては、駆動部材の長さに被駆動部材の可動範囲が限定され、動作ストロークを大きくできないという問題があった。また、駆動部材と被駆動部材を摩擦係合するために板ばねなどの弾性部材が必要なため構造が複雑となり、小型化することが困難であった。また、Ｘ−Ｙの２次元に移動可能とするために、固定部材に対して２つの駆動部材と被駆動部材が必要であり（特許文献２の図９参照）、駆動装置の厚さを薄くすることが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するためになされたもので、具体的には、移動ストロークを大きくでき、かつ、簡単な構造で装置の低背化が可能な、Ｘ−Ｙ方向の２次元に移動可能なアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータが得られる。
【０００９】
また、本発明によれば、少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている固定部材と、該磁石に対して磁力により吸着可能な被駆動部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材が前記駆動体と前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１０】
また、前記アクチュエータにおいて、前記駆動体が、略直方体の磁石と、該磁石の直交する２面の各々に変位方向の一端が固定された電気機械変換素子と、からなることを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１１】
また、上記アクチュエータにおいて、前記駆動体を複数とすることで、より安定な動作が可能なアクチュエータが得られる。
【００１２】
この場合、電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている前記被駆動部材または前記固定部材は、平板から、駆動体を配置する部分として対角上の２つの部分を矩形に切り取った形状を有し、切り取った２つの前記部分の各々には、直交する２面に電気機械変換素子の変位方向の一端が各々固定されていてもよい。
【００１３】
また、上記アクチュエータにおいて、前記磁石は、断面形状が三角形であり、該磁石の前記三角形を構成する３面に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されていてもよい。
【００１４】
さらに、本発明によれば、上記の各アクチュエータにおいて、前記被駆動部材が弾性部材を介して前記固定部材に支持されていることを特徴とするアクチュエータが得られる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、上記の各アクチュエータのいずれかを有することを特徴とする位置決め装置が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係るアクチュエータにおいては、少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動させているため、１つの駆動体でＸ−Ｙ平面上を２次元で移動させることが可能となり、従来方式に対して装置の小型化が実現できる。また、１つの移動体で２次元に移動可能であるため、装置の低背化を実現できる。さらに、磁石と固定部材の間の吸着力を用いてインパクト駆動させているため、板ばねのような摩擦付与部材が不要になるため、構造が簡略化され、小型化および低コスト化の効果が得られる。
【００１７】
請求項１のアクチュエータにおいては、磁石に吸着可能な固定部材に対して被駆動部材と駆動体とが移動するが、本発明においては、被駆動部材と駆動体に対して、磁石に吸着可能な部材が移動する構造も可能である。
【００１８】
即ち、請求項２のアクチュエータにおいては、少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動部材と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている固定部材と、該磁石に対して磁力により吸着可能な被駆動部材とから構成され、前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動させている。そのため、１つの駆動体でＸ−Ｙ平面上を２次元で移動させることが可能となる。
【００１９】
請求項３に係るアクチュエータにおいては、前記磁石の形状を略直方体とし、該磁石の直交する２面の各々に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成されているため、さらに構造を簡略化できる。
【００２０】
請求項４または請求項５に係るアクチュエータにおいては、駆動体を複数としているため、被駆動部材の動きを安定化できるとともに、推力が大きく、位置制御性に優れたアクチュエータが得られる。また、従来技術によれば駆動部材の軸方向にのみ被駆動部材は移動可能であったが、本発明のアクチュエータにおいては、複数の駆動体を独立に制御することで、Ｘ−Ｙ平面上において回転動作可能なアクチュエータが得られる。
【００２１】
請求項６に係るアクチュエータによれば、前記磁石の断面形状が三角形であり、該磁石の前記三角形を構成する３面の各々に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されてなることを特徴とするアクチュエータが得られるため、１つの駆動体で３方向に被駆動部材を移動させることができる。
【００２２】
請求項７に係るアクチュエータにおいては、被駆動部材が弾性部材を介して固定部材に支持されているため、Ｘ−Ｙ平面上の並進性に優れたアクチュエータが得られる。
【００２３】
請求項８に係る位置決め装置によれば、上記のいずれかのアクチュエータを有することを特徴とする位置決め装置が得られるため、位置決め装置の構造を簡略化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態について説明する。
【００２５】
図１は、上記アクチュエータの駆動体１０１のみを概念的に示す模式図であり、同図（ａ）は側面図に関するもの、同図（ｂ）は同図（ａ）の白矢印で示す右側方向からの端面図に関するものである。
【００２６】
この駆動体１０１は、略直方体の磁石３と、該磁石３の直交する２面の各々に、電気機械変換素子としての積層型圧電セラミックによる圧電セラミック素子１および２の変位方向の一端をエポキシ樹脂等を用いて接着してなるものである。
【００２７】
磁石３の極性については、図１（ａ）を参照すれば、圧電セラミック素子１、２の変位発生方向（図１のＡ１、Ａ２方向）と垂直方向（図１のＡ３方向）としている。これは、図２を用いて後述するように固定部材５との吸着力を大きくするためであり、必要な吸着力によっては極性を他の形態に変更してもかまわない。
【００２８】
磁石３の材質は特に限定されないが、小型化に際して強い吸着力が発生可能なネオジウム系またはサマリウム系とすることが好ましい。
【００２９】
圧電セラミック素子１、２については、所定の変位を発生できれば材質や構造を適宜選択できるものであるが、小型で駆動電圧を小さくできることから積層型圧電セラミックを用いるものとする。
【００３０】
以下、幾つかの実施例を挙げ、本発明のアクチュエータについて、図面を参照して具体的に説明する。
【実施例１】
【００３１】
図２は、本発明の実施例１に係るアクチュエータ２０１の基本構成を示したもので、同図（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、同図（ｂ）は側面図（Ａ４方向矢視図）に関するものである。
【００３２】
圧電セラミック素子１、２としては、断面寸法が縦０．９ｍｍ×横０．９ｍｍ、高さ１．２ｍｍの圧電積層型セラミックとし、３０Ｖの印加電圧に対して大略０．５μｍの変位を発生するものを用いている。また、変位発生方向は、積層方向（図２のＡ１、Ａ２方向）である。
【００３３】
この圧電セラミック素子１、２の変位発生方向の一方の端面側に対して、断面寸法が縦１．２ｍｍ×横１．０ｍｍ、高さ１．５ｍｍのネオジウム系磁石を熱硬化性エポキシ樹脂で接着して、駆動体１０１とした。磁石３の磁化方向は、高さ方向（Ａ３方向）とした。
【００３４】
この圧電セラミック素子１、２の変位方向の他端が被駆動部材４にエポキシ樹脂等を用いて接着されており、磁石に吸着可能な材質からなる固定部材５に、磁石３の磁力により吸着されている。
【００３５】
また、圧電セラミック素子１、２には、駆動電圧を印加するための図示しない電源が接続されている。
【００３６】
固定部材５の材質としては、磁石３に吸着可能なものであれば特に限定はされないが、ここでは、ＳＵＳ４３０を用いた。また、固定部材５の形状は磁石３が吸着する面が平面であれば他の面の形状は任意に設定できるが、ここでは、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×高さ１ｍｍの平板とした。この場合の磁石３と固定部材５との吸着力は、約０．４９Ｎであった。
【００３７】
本発明のアクチュエータ２０１においては、駆動体１０１と被駆動部材４とが固定部材５に対して移動するが、実施例１の場合の移動ストロークは、図２におけるＸ方向、Ｙ方向に対してそれぞれ約１５ｍｍとなる。ただし、移動ストロークは実施例１に限定されるものではなく、固定部材５の縦と横の寸法を大きくすることで、さらに大きくすることも可能である。
【００３８】
後述するように、本発明のアクチュエータ２０１は圧電セラミック素子１、２が発生する振動を駆動源としているため、その振動を磁石に伝える必要があるが、被駆動部材４の重量を磁石３の重量より十分大きくすることで、振動を効率よく磁石３に伝えることができる。そのため、被駆動部材４の材質と寸法としては、磁石３の吸着力や圧電セラミック素子１、２の発生変位量などにより適宜設計して決定すればよい。ここでは、被駆動部材４として、縦５．０ｍｍ×横５．０ｍｍ×幅２ｍｍのＬ字形状で厚さ１．０ｍｍとし、材質としてアルミニウムを用いた。この場合、重量が磁石３の約３倍であった。
【００３９】
ここで、図２においては、被駆動部材４と固定部材５とが接触しているが、磁石３の磁力で被駆動部材４と圧電セラミック素子１、２との重量を支えることができれば接触させる必要はない。磁石３の着磁方向については限定する必要はないが、吸着力を大きくするために図１および図２に示すＡ３方向とした。
【００４０】
このアクチュエータ２０１において、圧電セラミック素子１または２の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、被駆動部材４と駆動体１０１とが、固定部材５に対して、圧電セラミック素子１または２の伸縮方向（図２のＡ１、Ａ２方向）に移動する。
【００４１】
以下は、実施例１に係るアクチュエータ２０１の駆動機構の働きについて、圧電セラミック素子１を駆動した場合について説明する。圧電セラミック素子２を駆動した場合も移動方向が略９０度異なるだけで、動作上の原理は同一である。
【００４２】
図３は、上述した実施例１における圧電セラミック素子１の時間に対する駆動電圧、圧電セラミック素子１の変位量、被駆動部材４と駆動体１０１（図３では被駆動部材４と駆動体１０１をまとめて「移動体」と称す）との移動量の関係を示したタイミングチャートである。
【００４３】
実施例１のアクチュエータ２０１を用いると、圧電セラミック素子１の共振周波数が５００ｋＨｚ程度以上となるので、圧電セラミック素子１への交流印加電圧（駆動電圧）の周波数を５０ｋＨｚ程度以下とすると、高調波成分の影響を殆ど無視できるため、入力電圧波形と出力変位波形とが相似形となる。
【００４４】
図３に示されるように三角波状の入力電圧（駆動電圧）波形について、傾きが異なる時間ｔ１、ｔ２をｔ１＞ｔ２なる関係となるように設定すると、圧電セラミック素子１の変位量は時間ｔ１をかけてゆっくりと伸び、時間ｔ２で急速に縮む。ここで、固定部材５と磁石３との間に発生する最大静止摩擦力以上の加速度が得られるように時間ｔ２を設定すれば、時間ｔ１では磁石３は固定部材５に吸着した状態で、圧電セラミック素子１の伸びにより被駆動部材４だけが移動し、時間ｔ２では固定部材５と磁石３との間で滑りが生じる。そのため、１サイクルの駆動電圧により、時間ｔ１の間の伸び量だけ、被駆動部材４と駆動体１０１とは固定部材５に対して、圧電セラミック素子１の伸び方向（図２のＹ軸方向）に移動する。これを連続的に繰り返せば、被駆動部材４と駆動体１０１とは、固定部材５に対して、一方向に連続的に移動する。
【００４５】
そこで、時間ｔ１と時間ｔ２とを用いてデューテイ比をデューテイ比＝ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）なる関係式で定義すると、デューテイ比を変化させることで移動の速度や移動方向を制御することができる。
【００４６】
ここでは、図３に示されるように三角波状の入力電圧（駆動電圧）の波形を与えた場合について説明したが、各部品形状に応じて周波数を調整した矩形波状の入力電圧（駆動電圧）を印加するようにしても同様に圧電セラミック素子１および２を駆動することができる。
【００４７】
以上で説明した駆動電圧を、圧電セラミック素子１と圧電セラミック素子２に印加することで、各々の圧電セラミック素子の伸縮方向に被駆動部材４と駆動体１０１とを移動させることができる。すなわち、固定部材５の平面上をＸ−Ｙ方向の２次元に並進移動可能な自走型のアクチュエータとすることができる。
【００４８】
また、アクチュエータ２０１はＸ−Ｙテーブルなどの平面上の位置決め装置として利用可能である。
【００４９】
ここで、実施例１の変形例の１つを簡単に説明する。
【００５０】
図７は、本発明において、実施例１の変形例としてのアクチュエータ３０３の基本構成を示したものであり、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する場合である。同図（ａ）は側面図に関するもの、同図（ｂ）は（ａ）においてＡ７−Ａ７断面における上面方向からの平面図に関するものである。
【００５１】
最初に、アクチュエータ３０３の製造方法（および構造）について説明する。
【００５２】
まず、実施例１の場合と同じ圧電セラミック素子３１１、３１２と磁石３１３を用いて駆動体１０５を製造した。
【００５３】
次に、実施例１の被駆動部材４と同様の形状の固定部材３１４を用意し、駆動体１０５を固定部材３１４にエポキシ樹脂を用いて接着した。
【００５４】
さらに、静止部材３１５に固定部材３１４を接着した。
【００５５】
次に、材質がＳＵＳ４３０で、形状が２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの平板を被駆動部材３１６として、磁石３１３に吸着させた。
【００５６】
このようにして図７に示すアクチュエータ３０３を得た。
【００５７】
次に、アクチュエータ３０３の動作について説明する。
【００５８】
実施例１と同じ電圧波形を圧電セラミック素子３１１、３１２に印加すると、駆動体１０５は静止部材３１５に対して移動せず、被駆動部材３１６が移動する。すなわち、実施例１においては、固定部材５に対して駆動体１０１が被駆動部材４とともに自走して移動するのに対し、図７におけるアクチュエータの場合は、被駆動部材３１６のみが移動する。
【００５９】
図７のアクチュエータ３０３においては、固定部材３１４を静止部材３１５に接着したが、固定部材３１４の重量を被駆動部材３１６に比べて大きくすることで、静止部材３１５は不要になる。この場合の固定部材３１４の重量や寸法は、被駆動部材３１６の重量を勘案して、適宜、設計すればよい。
【００６０】
図７のアクチュエータ３０３においては、駆動体１０５と被駆動部材３１６とは、相対的に実施例１（図２）の駆動体１０１と固定部材５の関係と等価であるが、自走型のアクチュエータではない。ただし、図７においては、セラミック素子３１１、３１２が静止部材３１５に対して固定されているため、実施例１（図２）のアクチュエータと比較して、電圧を印加するためのリード線などの配置が容易になるというメリットがある。
【００６１】
以上は、磁石の形状を略直方体として圧電セラミック素子を２個用いて駆動体を構成した場合を説明したが、磁石の形状や圧電セラミック素子の個数は上記に限定されるものではなく、必要に応じて磁石形状を任意に設定し、圧電セラミック素子の個数を少なくとも２個以上用いることでも、本発明の効果が得られる。たとえば、図６の駆動体１０４のように磁石断面を三角形として圧電セラミック素子を３個用いた場合においても、本発明の効果が得られる。
【００６２】
図６の場合においては圧電セラミック素子２０、２１、２２は、当該三角形を構成する３面にそれぞれ設けられ、圧電セラミック素子２０、２１、２２の変位方向に沿って３方向へ移動可能である。
【００６３】
また、図６の場合においては、被駆動部材２３の中央には、駆動体１０４を収納するための、断面形状が三角形の切り抜き部２３ａが設けられている。
【００６４】
なお、図６記載のアクチュエータを、図７のように、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する構造としてもよい。
【実施例２】
【００６５】
本発明のアクチュエータ２０２においては、磁石と２個の圧電セラミック素子からなる駆動体を複数個用いることで、さらに高速に移動させると同時に、Ｘ−Ｙ平面上で回転移動も可能となる。図４は、本発明において、実施例２に係るアクチュエータ２０２の基本構成を示したもので、２個の駆動体１０２、１０３を用いた場合である。同図（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、同図（ｂ）は（ａ）の側面図（Ａ５方向矢視図）に関するものである。
【００６６】
実施例１の場合と同じ圧電セラミック素子と磁石を用いて駆動体１０２、１０３を製造し、図４に示す配置で被駆動部材１２にエポキシ樹脂を用いて接着してアクチュエータ２０２とした。ここで、被駆動部材１２は縦１０ｍｍ×横１０ｍｍの×厚さ１．０ｍｍの矩形の平板から、駆動体１０２、１０３を配置する部分として対角上の３ｍｍ×３ｍｍの部分を矩形に切り取った形状であり、重量は磁石８、１１の約１６倍であった。また、固定部材１３と接触している部材は磁石８、１１のみであり、被駆動部材１２と固定部材１３は接触していない。被駆動部材１２と固定部材１３を接触するように構成することでも、本発明の効果は得られるが、移動時の摩擦力の増加による速度低下が生じやすくなる。
【００６７】
なお、駆動体１０２、１０３の圧電セラミック素子６、７、９、１０は、切り取った２つの部分の直交する２面に、変位方向の他端を各々固定した。
【００６８】
このアクチュエータ２０２の圧電セラミック素子９に、実施例１と同様の駆動電圧を印加し、同時に、圧電セラミック素子７に伸びと縮みの速度が圧電セラミック素子９とは反転するように駆動電圧を印加すると、被駆動部材１２と駆動体１０２、１０３とは、一方向（図４のＸ方向）へと移動する。
【００６９】
以下、固定部材１３に対して移動する部材（被駆動部材１２と駆動体１０２、１０３）を、まとめて移動体と称することにする。
【００７０】
圧電セラミック素子の伸びと縮みの速度を反転させるためには、駆動電圧のデューテイ比を変化させればよい。たとえば、圧電セラミック素子９にデューテイ比８５％の電圧波形を入力した場合、圧電セラミック素子７にはデューテイ比１５％の電圧波形を入力する。また、圧電セラミック素子９にデューテイ比１５％の電圧波形を入力し、圧電セラミック素子７にはデューテイ比８５％の電圧波形を入力すると、移動体は逆方向に移動する。
【００７１】
全く同じ方法で、圧電セラミック素子６、１０にそれぞれデューテイ比８５％、１５％の電圧波形を印加すると、移動体は図４のＹ軸方向に沿って一方向に移動する。
【００７２】
駆動電圧のデューテイ比については上述の値に限定されず、必要となる移動体の移動速度などの設計により決定すればよい。
【００７３】
本発明のアクチュエータ２０２においては、Ｘ−Ｙ軸に沿った並進移動のほかに、回転移動も可能である。たとえば、圧電セラミック素子６に移動体がＹ方向に移動するようにデューテイ比を設定した駆動電圧を印加し、同時に、圧電セラミック素子１０に移動体が−Ｙ方向に移動するようにデューテイ比を設定した駆動電圧を印加すると、移動体の重心を中心に時計方向に回転する。また、圧電セラミック素子７と９に上記と同様な関係の駆動電圧を印加することでも、移動体は回転する。
【００７４】
実施例１と２におけるアクチュエータ２０１、２０２の各駆動体に、駆動電圧を印加した場合の移動体の移動方向と移動速度を測定した。レーザー変位計により移動量を測定し、電圧印加時間から移動速度を求めた。測定結果を表１に示す。ただし、回転移動させた場合は、概略の回転速度を測定し、ｒｐｍの単位で結果を示している。
【００７５】
【表１】
【００７６】
表１の結果から、本発明により、Ｘ−Ｙ軸方向に沿った並進移動が可能であり、また、回転移動の可能なアクチュエータが得られることが確認できた。
【００７７】
なお、実施例２の構造は、実施例１における図７に示す変形例のように、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する構造に適用することも可能である。
【実施例３】
【００７８】
以下、本発明の変形例として、アクチュエータの並進性を高めるために、固定部材あるいは固定部材に支持された静止部材と被駆動部材の間に、弾性部材を設置した場合について説明する。移動体の移動ストロークは限定されるが、実施例１および２において、回転動作は行わずにＸ−Ｙ方向にだけ高精度で並進移動させたい場合に有効である。
【００７９】
図５に示すように、アクチュエータ２０３は、弾性部材としてのコイルばね１４、１５、１６、１７を、静止部材１８と被駆動部材１２の間に設置した。
【００８０】
ここで、静止部材１８は、固定部材１３に接着されている。また、各コイルばねの両端を、それぞれ静止部材１８と被駆動部材１２に接着により固定している。
【００８１】
コイルばね１４、１５、１６、１７と静止部材１８を除いた部材は、実施例２と同一である。
【００８２】
コイルばね１４、１５、１６、１７のばね定数は設計により適宜決定すればよいが、ここでは、１ｍｍの変位に対して約０．１Ｎのばね力が発生するものを選択した。
【００８３】
図５のアクチュエータ２０３に、実施例２の水準ｃと同様の駆動電圧を印加することで移動体をＹ方向に３００μｍ移動させた。このとき、図５の（ｂ）に示す、被駆動部材の端面Ｂの傾き状態をレーザーオートコリメータにより測定した。移動前の状態を基準とし、Ｙ方向に３００μｍ移動した後の変化量の最大値を角度（分）の単位で求めた。端面Ｂの傾きが小さいほど、アクチュエータ２０３は高精度に並進移動できるといえる。
【００８４】
表２に、測定結果を示す。また、比較として実施例２の場合の結果も併せて示している。
【００８５】
表２から、実施例３のように、被駆動部材をコイルばねのような弾性部材を介して固定部材に支持することで、高精度に並進移動が可能であることが確認できた。
【００８６】
【表２】
【００８７】
なお、実施例３の構造は、実施例１における図７に示す変形例のように、駆動体を固定部材に固定することで、駆動体に対して磁石に吸着可能な被駆動体が移動する構造に適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
上記した実施形態では、本発明の各アクチュエータはＸ−Ｙテーブルなどの平面上の位置決め装置に適用可能である旨説明したが、本発明は、何等、これに限定されることなく、位置決めを行う必要があるすべての構造に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の駆動体の概略構成の一例を示したもので、（ａ）は側面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）の白矢印で示す右側方向からの端面図に関するものである。
【図２】本発明の実施例１に係るアクチュエータ２０１の基本構成を示したもので、（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）の側面図（Ａ４方向矢視図）に関するものである。
【図３】本発明のアクチュエータ２０１に係る駆動方法を説明するものであり、圧電セラミック素子に印加する、時間に対する駆動電圧、圧電セラミック素子の変位量、移動体の移動量の関係を示したタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施例２に係るアクチュエータ２０２の基本構成を示したもので、（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）の側面図（Ａ５方向矢視図）に関するものである。
【図５】本発明の実施例３に係るアクチュエータ２０３の基本構成を示したもので、（ａ）は上面方向からの外観平面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）のＡ６−Ａ６線方向における側面断面図に関するものである。
【図６】本発明の変形例を示したもので、駆動体１０４と被駆動部材２３の上面方向からの外観平面図に関するものである。
【図７】本発明の変形例を示したもので、（ａ）は側面図に関するもの、（ｂ）は（ａ）のＡ７−Ａ７断面における上面方向からの平面図に関するものである。
【符号の説明】
【００９０】
１、２、６、７、９、１０、２０、２１、２２、３１１、３１２ 圧電セラミック素子
３、８、１１、１９、３１３ 磁石
４、１２、２３、３１６ 被駆動部材
５、１３、３１４ 固定部材
１４、１５、１６、１７ コイルばね
１８、３１５ 静止部材
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 駆動体
２０１、２０２、２０３、３０３ アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、
前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている固定部材と、該磁石に対して磁力により吸着可能な被駆動部材とから構成され、
前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材が前記駆動体と前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２において、前記駆動体が、
直方体の磁石と、
該磁石の直交する２面の各々に変位方向の一端が固定された電気機械変換素子と、
からなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３において、前記駆動体が複数からなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
請求項４において、前記電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている前記被駆動部材または前記固定部材は、平板から、駆動体を配置する部分として対角上
の２つの部分を矩形に切り取った形状を有し、
切り取った２つの前記部分の各々には、直交する２面に電気機械変換素子の変位方向の他端が各々固定されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１または２において、
前記駆動体の前記磁石は、断面形状が三角形であり、
該磁石の前記三角形を構成する３面に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記被駆動部材が弾性部材を介して前記固定部材に支持されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のアクチュエータを有することを特徴とする位置決め装置。
【請求項１】
少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている被駆動部材と、該磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材とから構成され、
前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材と前記駆動体とが前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
少なくとも２つの電気機械変換素子の、各々の変位方向の一端が磁石に固定されてなる駆動体と、該電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている固定部材と、該磁石に対して磁力により吸着可能な被駆動部材とから構成され、
前記電気機械変換素子の伸びと縮みの速度を異ならせて振動させることにより、前記被駆動部材が前記駆動体と前記固定部材に対して移動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２において、前記駆動体が、
直方体の磁石と、
該磁石の直交する２面の各々に変位方向の一端が固定された電気機械変換素子と、
からなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３において、前記駆動体が複数からなることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項５】
請求項４において、前記電気機械変換素子の変位方向の他端が固定されている前記被駆動部材または前記固定部材は、平板から、駆動体を配置する部分として対角上
の２つの部分を矩形に切り取った形状を有し、
切り取った２つの前記部分の各々には、直交する２面に電気機械変換素子の変位方向の他端が各々固定されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１または２において、
前記駆動体の前記磁石は、断面形状が三角形であり、
該磁石の前記三角形を構成する３面に電気機械変換素子の変位方向の一端が固定されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかにおいて、前記被駆動部材が弾性部材を介して前記固定部材に支持されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のアクチュエータを有することを特徴とする位置決め装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１８９２２８（Ｐ２００９−１８９２２８Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４０９９６（Ｐ２００８−２４０９９６）
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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