アクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置
【課題】 簡単な構造で装置の低背化と移動ストロークの拡大が可能なだけでなく、移動の真直性とＸ−Ｙ方向の直交性に優れた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を提供する。
【解決手段】 被駆動部材３５において、２つの駆動体４１，４２を、直交する２軸に対して線対称となるように配置することで、各駆動体の移動方向の傾きを相殺し、各駆動体の２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動する。
【解決手段】 被駆動部材３５において、２つの駆動体４１，４２を、直交する２軸に対して線対称となるように配置することで、各駆動体の移動方向の傾きを相殺し、各駆動体の２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動する。
【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変位の往復時の速度を異ならせて振動させることで移動部材を移動するための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。
【０００３】
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アクチュエータが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１０９１９号公報
【特許文献２】特開２００６−８１３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、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、各々を独立して駆動するので、積層して構成する必要があり、同一平面上に設置できないため、駆動装置の厚さを薄くすることが困難であった。
【０００６】
本発明者は、上記に鑑みて、新たに平面上をＸ−Ｙ方向に移動可能で自走可能な駆動機構への適用が好適なアクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置を開発して、移動ストロークを大きくでき、かつ、簡単な構造により同一平面上で駆動させることができるため、装置の低背化が可能な発明を出願している。
【０００７】
図６は、参考例のアクチュエータの基本構成を示す。図６（ａ）は上面方向からの外観平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の側面図（Ａ６方向矢視図）である。略直方体の磁石６１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５１，５２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駆動体７１と、これと同じ構成の駆動体７２（磁石６２と圧電セラミック素子５３、５４からなる）と、これらの圧電セラミック素子５１，５２，５３，５４の各変位方向の他端がエポキシ樹脂等を用いて接着されている被駆動部材６５と、磁石６１，６２に対して磁力によって吸着可能な固定部材６６とから構成されている。圧電セラミック素子５１，５２，５３，５４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６５と駆動体７１，７２からなる移動体７３を、固定部材６６に対して移動させる機構を有している。すなわち、同じ平面に配置された駆動体７１，７２によって、固定部材６６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７６である。被駆動部材６５は、直方体の平板から駆動体７１，７２を配置する部分として、対角上の部分を矩形に切り取った形状にしているが、被駆動部材６５は、駆動体７１，７２が接続できる形状であれば、直方体とは限らない。
【０００８】
図６のアクチュエータ７６は、伸長時と縮小時とで異なる速度で伸縮をする電圧を圧電セラミック素子５１，５２，５３，５４に印加して伸縮時間の差による摩擦と滑りを利用したインパクト駆動方式を用いている。駆動方法について、図７を使用して詳細に説明する。図７は、参考例のアクチュエータに係る駆動方法を説明するもので、図７（ａ）は移動状況の簡略図、図７（ｂ）は圧電セラミック素子５１のタイムチャート、図７（ｃ）は圧電セラミック素子５４のタイムチャート、図７（ｄ）は移動体のタイムチャートである。Ｙ方向に移動させる場合について説明する。圧電セラミック素子５１、５４に、図７（ｂ）、図７（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ１の時間において駆動電圧を入力すると、図面左下の圧電セラミック素子５１が伸び、右上の圧電セラミック素子５４が縮み、移動体７３はゆっくり＋Ｙ方向に移動する。このとき磁石６１，６２は、固定部材６６と磁力によって吸着された状態で移動しない。また、圧電セラミック素子５１，５４に、図７（ｂ）、図７（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ２の時間において駆動電圧を入力すると、左下の圧電セラミック素子５１が縮み、右上の圧電セラミック素子５４が伸びるが、磁石６１，６２と固定部材６６との最大静止摩擦力を超える加速度で圧電セラミック素子５１，５４は急速に変形するため、磁石６１，６２と固定部材６６との間で滑りが生じて、磁石６１，６２は移動するが、移動体７３は−Ｙ方向に移動することはできない。よって、図７（ｄ）に示す移動体７３の移動になる。これを連続的に繰り返せば、移動体７３は、固定部材６６に対して一方向に連続的に移動する。なお、駆動方向を反転させるには、圧電セラミック素子５１，５４に入力する駆動電圧の極性を反対にすれば良い。同様に、圧電セラミック素子５２，５３により、Ｘ方向の移動を行うことができる。
【０００９】
図７では、三角波状の入力電圧（駆動電圧）波形を与えた場合の駆動について説明したが、これは駆動方法の１例であって、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）を入力するようにしても、同様に圧電セラミック素子を振動させることができる。
【００１０】
すなわち、図６に示すアクチュエータにおいては、Ｙ方向への移動は圧電セラミック素子５１，５４の伸縮方向に一致し、Ｘ方向への移動は圧電セラミック素子５２，５３の伸縮方向に一致する。
【００１１】
図６に示すアクチュエータのＹ方向への移動について詳細に説明する。圧電セラミック素子５１，５４の伸縮は、それぞれ同じ駆動体７１，７２を形成する圧電セラミック素子５２，５３によって拘束されるため、磁石６１，６２の振動方向はＹ軸に沿わずに拘束される向きに傾いてしまう。このときの傾きは磁石６１，６２で同じため（α°とする）、移動体７３の移動方向もＹ軸に対してα°傾いてしまうことになる。Ｘ方向への移動についても、Ｙ方向と同様に、圧電セラミック素子５２，５３の伸縮は、それぞれ同じ駆動体７１，７２を形成する圧電セラミック素子５１，５４によって拘束されるため、磁石６１，６２の振動方向および移動体７３の移動方向はＸ軸に対して、拘束される向きにβ°傾いてしまう。
【００１２】
拘束される向きとは、Ｙ方向への移動の場合は、図６（ａ）のＹ軸に対して反時計回りの方向であり、Ｘ方向への移動の場合は、図６（ａ）のＸ軸に対して時計回りの方向である。すなわち、傾き方向が逆であるから、傾きα，βの大きさが同じであっても、移動体７３においてＸ方向とＹ方向への移動は直交しない。
【００１３】
本発明者らの提案による図６の参考例のアクチュエータは、公知の従来技術と比較して、移動ストロークを大きくでき、かつ、簡単で装置の低背化が可能な構造であるが、移動の真直性とＸ−Ｙ方向の直交性に関しては十分とは言えないという課題が残っていた。
【００１４】
この状況にあって、本発明の課題は、簡単な構造で装置の低背化と移動ストロークの拡大が可能なだけでなく、移動の真直性とＸ−Ｙ方向の直交性に優れた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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では、上記課題を解決するために、被駆動部材において、２つの駆動体を、直交する２軸に対して線対称となるように配置することで、各駆動体の移動方向の傾きを相殺し、各駆動体の２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動している。
【００１６】
本発明によれば、少なくとも２つの電気機械変換素子と該電気機械変換素子各々の一端が接続された磁石とを備えた駆動体と、前記電気機械変換素子の各々の前記一端との相対位置が変位する他端が固定されている被駆動部材とを有する移動体と、前記磁石により吸着可能な固定部材とを備え、前記電気機械変換素子の前記変位方向により速度を異ならせて振動させることにより、前記移動体が前記固定部材に対して移動するアクチュエータであって、２つの駆動体が、直交する２軸に対して線対称に配置されているアクチュエータが得られる。
【００１７】
本発明によれば、前記駆動体を構成する２つの電気機械変換素子に、同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動するアクチュエータが得られる。
【００１８】
本発明によれば、前記アクチュエータを有する位置決め装置が得られる。
【００１９】
前記被駆動部材としては、ポリカーボネートや紙ベークなどの密度が低く、加工性に優れた樹脂材料が望ましい。
【００２０】
前記磁石部材としては、ネオジム系、またはサマリウム系の希土類磁石などの強い吸着力が発生可能な磁性材料が望ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明においては、インパクト駆動方式によって、被駆動部材と駆動体からなる移動体が、固定部材に対して移動するが、少なくとも２つの駆動体を、直交する２軸に対して線対称となるように被駆動部材に配置するため、電気機械変換素子の振動が拘束されることによる移動方向の傾きを２つの駆動体で相殺し、移動体の直進性を向上することができる。
【００２２】
なお、各駆動体において、２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に移動することができるため、Ｘ軸およびＹ軸に沿った駆動がそれぞれ可能となる。
【００２３】
以上のように、本発明により、簡単な構造で装置の低背化と移動ストロークの拡大が可能なだけでなく、移動の真直性とＸ−Ｙ方向の直交性に優れた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を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のアクチュエータの基本構成を示す。図１（ａ）は上面方向からの外観平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。
【図２】本発明の実施例１と比較例１に係るアクチュエータについて、磁石の振動方向および振動量をシミュレーションした結果である。図２（ａ）は実施例１の結果、図２（ｂ）は比較例１の結果である。
【図３】本発明のアクチュエータのＸ方向への駆動方法を説明するもので、図３（ａ）は移動状況の簡略図、図３（ｂ）は圧電セラミック素子１１，１２のタイムチャート、図３（ｃ）は圧電セラミック素子１３，１４のタイムチャート、図３（ｄ）は移動体のタイムチャートである。
【図４】本発明のアクチュエータのＹ方向への駆動方法を説明するもので、図４（ａ）は移動状況の簡略図、図４（ｂ）は圧電セラミック素子１１，１３のタイムチャート、図４（ｃ）は圧電セラミック素子１２，１４のタイムチャート、図４（ｄ）は移動体のタイムチャートである。
【図５】本発明の実施例２と比較例２のアクチュエータについて、ＸおよびＹ方向に駆動したときの移動経路を評価した結果を示す。図５（ａ）は実施例２の結果、図５（ｂ）は比較例２の結果である。
【図６】参考例のアクチュエータの基本構成を示す。図６（ａ）は上面方向からの外観平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の側面図（Ａ６方向矢視図）である。
【図７】参考例のアクチュエータの駆動方法を説明するもので、図７（ａ）は移動状況の簡略図、図７（ｂ）は圧電セラミック素子５１のタイムチャート、図７（ｃ）は圧電セラミック素子５４のタイムチャート、図７（ｄ）は移動体のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明のアクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置は、被駆動部材において、少なくとも２つの駆動体を、直交する２軸に対して線対称となるように配置することで、各駆動体の移動方向の傾きを相殺し、各駆動体の２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動している。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて、電気機械変換素子の変位の振動が伸縮振動の場合で説明する。
【００２７】
図１は本発明のアクチュエータの基本構成を示す。図１（ａ）は上面方向からの外観平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。図１においても、図６に示した参考例のアクチュエータと同様に、直方体の磁石３１の直交する２面の各々に、電気機械変換素子としての圧電セラミック素子１１，１２の各変位方向の一端を、エポキシ樹脂等を用いて接着してなる駆動体４１と、これと同じ構成の駆動体４２（磁石３２と圧電セラミック素子１３，１４からなる）と、これらの圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４の各変位方向の他端がエポキシ樹脂等を用いて接着されている被駆動部材３５と、磁石３１，３２に対して磁力によって吸着可能な固定部材３６とから構成され、圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４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３５と駆動体４１，４２からなる移動体４３を固定部材３６に対して移動させる機構を有している。但し、本実施の形態では、駆動体４１，４２が駆動軸となるＸ軸，Ｙ軸に対して線対称となるように配置されている。すなわち、同じ平面に配置された駆動体４１，４２によって、固定部材３６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４６である。
【００２８】
また、移動体４３の駆動に関しては、同じ駆動体４１，４２を構成する２つの圧電セラミック素子１１，１２および圧電セラミック素子１３，１４に、同じ電圧波形を入力することでＸ方向に移動し、電圧の正負が反対の電圧波形を入力することでＹ方向に移動する。このとき、４つの圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４に入力される電圧波形は、さらに、被駆動部材３５における配置が、各駆動軸（進行方向）に対して、前方２つと後方２つとの間で電圧の正負が反対となるようにしている。（Ｘ方向駆動時：−Ｘ側の圧電セラミック素子１１，１２に対して、＋Ｘ側の圧電セラミック素子１３，１４の入力波形は電圧の正負が反対、Ｙ方向駆動時：＋Ｙ側の圧電セラミック素子１１，１３に対して、−Ｙ側の圧電セラミック素子１２，１４の入力波形は電圧の正負が反対）
【００２９】
圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４は、同じ形状であり、かつ、所定の電圧に対する変位量も同じであると良い。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】
磁石３１，３２は、同じ材質からなり、同じ形状で、同じ表面粗さと同じ吸着力を有することが望ましい。又、磁石３１，３２は、直方体の例を示したが、固定部材３６に安定して吸着できる底面を有し、２つの圧電セラミック素子を接続できる形状であれば良い。磁石３１、３２の材質は特に限定されないが、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の希土類磁石とすることが好ましい。
【００３１】
被駆動部材３５としては、ポリカーボネートや紙ベークなどの密度が低く、加工性に優れた樹脂材料が望ましい。
【００３２】
被駆動部材３５と固定部材３６は直接、接触していないことが望ましい。被駆動部材３５と固定部材３６を接触させ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。
【００３３】
図１に示したように駆動体は２個である必要はなく、直交する軸に対して線対称になるように、移動体の４角に１個ずつというように構成してもよい。変位のモードを伸縮モードで説明したが、例えば、伸縮モードに限らずに円弧状の圧電素子の両端を接続して曲げモードを用いれば接続間の距離を変位できる。
【実施例】
【００３４】
以下、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、電気機械変換素子の変位の振動が伸縮振動の場合で説明する。
【００３５】
本発明の実施の形態に係る実施例のアクチュエータ４６について説明する。アクチュエータ４６の構造は実施の形態で説明した図１と同様である。圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４として、断面寸法が縦０．９ｍｍ×横０．９ｍｍ、高さ１．４ｍｍ の圧電積層型セラミックを準備した。これらの圧電セラミック素子の変位発生方向は、積層方向である。磁石３１，３２として、断面寸法が縦１．０ｍｍ×横１．０ｍｍ、高さ１．３ｍｍのネオジム系希土類磁石を準備した。磁石３１の直交する２面に、圧電セラミック素子１１，１２の各変位発生方向の一方の端面側で、熱硬化性エポキシ樹脂を用いて接着して、駆動体４１とした。この時、磁石３１と圧電セラミック素子１１，１２の接着位置は、被駆動部材３５と固定部材３６が接触しないような位置にした。駆動体４２については、圧電セラミック素子１３，１４と磁石３２により、駆動体４１と同様にして作製した。
【００３６】
これらの駆動体４１，４２を、図１に示す配置で、被駆動部材３５にエポキシ樹脂を用いて接着して移動体４３とした。被駆動部材３５は、紙ベーク製で、縦２２ｍｍ×横２２ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの矩形の平板から、駆動体４１，４２を配置する部分として対角上の６ｍｍ×６ｍｍの部分を矩形に切り取った形状にした。
【００３７】
移動体４３は、磁石に吸着可能なＳＵＳ４３０からなる固定部材３６に、磁石３１，３２の磁力により吸着しており、圧電セラミック素子１１，１２に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を入力し、同時に、圧電セラミック素子１３，１４に圧電セラミック素子１１，１２と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を入力することで、移動体４３は固定部材３６に対して、図１のＸ方向へと移動する。圧電セラミック素子１１，１３に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を入力し、同時に、圧電セラミック素子１２，１４に圧電セラミック素子１１，１３と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を入力することで、移動体４３は固定部材３６に対して、図１のＹ方向へと移動する。
【００３８】
また、図６に記載の参考例のアクチュエータとの比較のために、図６の構造のアクチュエータについても同様に作製し、比較例とした。なお、圧電セラミック素子、磁石、被駆動部材、固定部材のいずれについても、上記の実施例と同じ形状および特性を有するものを使用した。すなわち、本実施例のアクチュエータ４６と比較例のアクチュエータ７６との構造上の違いは、固定部材（駆動軸）に対する移動体の配置（４５°回転している）だけであり、移動体４３と移動体７３は同じ構造である。なお、比較例のアクチュエータ７６の駆動方法については、段落［０００８］にて記述したため割愛する。
【００３９】
（実施例１）
はじめに、本発明の実施例および比較例のアクチュエータについて、シミュレーションを行った。具体的には、参考例の移動体７３について、圧電セラミック素子５１，５２に電圧を入力した場合の、駆動体７１の振動状態をシミュレーションした。駆動体７２の振動状態については向きが異なるだけで、原理は同一であるため割愛した。シミュレーションソフトにはＰｉｅｚｏ ｐｌｕｓ（株式会社ウェーブリサーチ製）を使用した。計算に用いた材料定数は、被駆動部材６５については、紙ベークの値として密度１３５０ｋｇ／ｍ3，ヤング率５ＧＰａ，ポアソン比０．３５を用い、磁石６１については、ネオジム系磁石の値として密度７６００ｋｇ／ｍ3，ヤング率２００ＧＰａ，ポアソン比０．３を用いた。圧電セラミック素子５１，５２については、一般的な圧電アクチュエータ用ソフト系ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）材料の値を使用したが、計算の簡素化のために、積層型ではなくバルク単板とした。印加電圧には１Ｖｐ−ｐの正弦波を設定し、その周波数を２０ｋＨｚから１０００ｋＨｚまで２０ｋＨｚ間隔で変化させたときの、磁石６１のＸ方向およびＹ方向への振動量を計算した。
【００４０】
前述のとおり、実施例の移動体４３と比較例の移動体７３は同じ構造であるから、圧電セラミック素子５１，５２へ同じおよび電圧の正負が反転した電圧を入力した場合を本発明の実施例１とし、圧電セラミック素子５２のみに電圧を入力した場合（Ｘ方向駆動）を比較例１とした。なお、圧電セラミック素子５１のみに入力した場合（Ｙ方向駆動）は、圧電セラミック素子５２のみへの入力と比較して、向きが異なるだけで、原理は同一であるため割愛した。
【００４１】
図２は、本発明の実施例１と比較例１に係るアクチュエータについて、磁石の振動方向および振動量をシミュレーションした結果である。図２（ａ）は実施例１の結果、図２（ｂ）は比較例１の結果である。実施例１については、図２（ａ）に示されるとおり、同じ電圧および正負が反転した電圧のいずれの場合も、計算した周波数範囲において、Ｘ方向とＹ方向の振動量がおおよそ一致していた。すなわち、磁石６１の振動方向が図６（ａ）のＸ軸とＹ軸のちょうど中間である（Ｘ軸に対して±４５°回転している）ことを示している。図示していないが、シミュレーション結果より、磁石６１の振動方向は、圧電セラミック素子５１，５２に同じ電圧波形を入力した場合には、図６（ａ）のＸ軸に対して反時計回りに４５°回転しており、電圧の正負が反転した電圧波形を入力した場合には、図６（ａ）のＸ軸に対して時計回りに４５°回転していた。これは、図１に示される本発明の実施例のアクチュエータ４６において、磁石３１は、圧電セラミック素子１１，１２に同じ電圧波形を入力した場合には図１（ａ）のＸ軸に沿って振動し、電圧の正負が反転した電圧波形を入力した場合には図１（ａ）のＹ軸に沿って振動することを表している。
【００４２】
また、圧電セラミック素子５１，５２に同じ電圧波形を入力した場合には、磁石６１内部に移動量の違いはなかったが、電圧の正負が反転した電圧波形を入力した場合には、圧電セラミック素子５１，５２による拘束のため、磁石６１の移動量はＸＹ平面において分布を有し、移動体の中心に近い方が小さく、外側に向けて同心円状に大きくなっていた。これは、駆動体が１つの場合には、同じ電圧波形を入力した場合には駆動軸に沿った移動ができるが、電圧の正負が反転した波形では、駆動軸に対して移動体の左右で移動速度が異なることを示している。しかしながら、本発明の実施例においては、駆動体２つの配置と圧電セラミック素子への入力を、駆動軸に対して線対称となるように行っているため、電圧の正負が反転した波形による場合でも、振動量の差異は相殺され、駆動軸に沿った移動が可能となる。これは、図１に示される本発明の実施例のアクチュエータ４６において、移動体４３は、圧電セラミック素子１１，１２に同じ電圧波形を入力した場合には図１（ａ）のＸ軸に沿って駆動し、電圧の正負が反転した電圧波形を入力した場合には図１（ａ）のＹ軸に沿って駆動することを表している。すなわち、本発明の実施例のアクチュエータ４６は直交する２軸に沿った駆動が可能である。
【００４３】
一方、比較例１では、図２（ｂ）のとおり、圧電セラミック素子５２のみに電圧を入力しているにも関わらず、Ｘ方向への振動に加えて、Ｙ方向への振動も観察された。すなわち、比較例のアクチュエータ７６を駆動する場合に、移動体７３はＸ軸（駆動軸）に沿って移動しない。また、図示していないが、シミュレーション結果より、比較例１における磁石６１の振動は、図６（ａ）のＸ軸に対して時計回り方向へ傾いていた。圧電セラミック素子５１のみに電圧を印加した場合には、磁石６１の振動は、図６（ａ）のＹ軸に対して反時計回り方向へ傾くので、比較例のアクチュエータ７６においては移動体７３の駆動軸は直交しない。
【００４４】
本発明の駆動方法について、図３および図４を使用して詳細に説明する。図３は本発明のアクチュエータのＸ方向への駆動方法を説明するもので、図３（ａ）は移動状況の簡略図、図３（ｂ）は圧電セラミック素子１１，１２のタイムチャート、図３（ｃ）は圧電セラミック素子１３，１４のタイムチャート、図３（ｄ）は移動体のタイムチャートである。圧電セラミック素子１１，１２には図３（ｂ）、圧電セラミック素子１３，１４には図３（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ１の時間において駆動電圧を入力すると、図面左側の圧電セラミック素子１１，１２が伸び、右側の圧電セラミック素子１３，１４が縮み、移動体４３はゆっくり＋Ｘ方向に移動する。このとき磁石３１，３２は、固定部材３６と磁力によって吸着された状態で移動しない。また、圧電セラミック素子１１，１２には図３（ｂ）、圧電セラミック素子１３，１４には図３（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ２の時間において駆動電圧を入力すると、左側の圧電セラミック素子１１，１２が縮み、右側の圧電セラミック素子１３，１４が伸びるが、磁石３１，３２と固定部材３６との最大静止摩擦力を超える加速度で圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４は急速に変形するため、磁石３１，３２と固定部材３６との間で滑りが生じて、磁石３１，３２は移動するが、移動体４３は−Ｘ方向に移動することはできない。よって、図３（ｄ）に示す移動体４３の移動になる。これを連続的に繰り返せば、移動体４３は、固定部材３６に対して一方向に連続的に移動する。なお、駆動方向を反転させるには、圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４に入力する駆動電圧の極性を反対にすれば良い。すなわち、駆動体４１を構成する２つの圧電セラミック素子１１，１２と駆動体４２を構成する２つの圧電セラミック素子１３，１４に、それぞれ同じ電圧を入力することで、Ｘ軸方向へ駆動することができる。
【００４５】
図４は本発明のアクチュエータのＹ方向への駆動方法を説明するもので、図４（ａ）は移動状況の簡略図、図４（ｂ）は圧電セラミック素子１１，１３のタイムチャート、図４（ｃ）は圧電セラミック素子１２，１４のタイムチャート、図４（ｄ）は移動体のタイムチャートである。圧電セラミック素子１１，１３には図４（ｂ）、圧電セラミック素子１２、１４には図４（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ１の時間において駆動電圧を入力すると、図面上側の圧電セラミック素子１１，１３が伸び、下側の圧電セラミック素子１２，１４が縮み、移動体４３はゆっくり＋Ｙ方向に移動する。このとき磁石３１，３２は、固定部材３６と磁力によって吸着された状態で移動しない。また、圧電セラミック素子１１，１３には図４（ｂ）、圧電セラミック素子１２，１４には図４（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ２の時間において駆動電圧を入力すると、上側の圧電セラミック素子１１，１３が縮み、下側の圧電セラミック素子１２，１４が伸びるが、磁石３１，３２と固定部材３６との最大静止摩擦力を超える加速度で圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４は急速に変形するため、磁石３１，３２と固定部材３６との間で滑りが生じて、磁石３１，３２は移動するが、移動体４３は−Ｙ方向に移動することはできない。よって、図４（ｄ）に示す移動体４３の移動になる。これを連続的に繰り返せば、移動体４３は、固定部材３６に対して一方向に連続的に移動する。なお、駆動方向を反転させるには、圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４に入力する駆動電圧の極性を反対にすれば良い。すなわち、駆動体４１を構成する２つの圧電セラミック素子１１，１２と駆動体４２を構成する２つの圧電セラミック素子１３，１４に、それぞれ電圧の正負が反対の電圧を入力することで、Ｙ軸方向へ駆動することができる。
【００４６】
図３および図４では、三角波状の入力電圧（駆動電圧）波形を与えた場合の駆動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を振動させることができる。移動体の共振周波数は、インピーダンス・アナライザ（ヒューレッド・パッカード製：型番４１９４Ａ）を用いて、圧電セラミック素子に周波数を変えながら交流電圧を印加して、その時のインピーダンスの値を測定して求めた。その結果、Ｘ・Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４の伸縮振動による移動体の共振周波数は６１５ｋＨｚであった。
【００４７】
本実施例では、Ｘ・Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４に、駆動電圧±４Ｖ、共振成分の変位に合わせて駆動電圧の極性を変えると安定した変位を得ることが出来るので、移動体の共振周波数の約２／３である４１０ｋＨｚとし、それに合わせるように、デューティー比３０％とした矩形波を駆動信号とした。また、Ｘ軸方向に移動させる場合、圧電セラミック素子１３，１４には、圧電セラミック素子１１，１２と電圧の正負を反転した駆動信号を入力して、Ｘ軸の正方向に駆動した。同様にＹ軸方向に移動させる場合には、圧電セラミック素子１１，１３に、駆動電圧±４Ｖ、駆動体の共振周波数の約２／３である４１０ｋＨｚ、デューティー比３０％の矩形波を、圧電セラミック素子１２，１４には圧電セラミック素子１１，１３と電圧の正負を反転した駆動信号を入力した。圧電セラミック素子をゆっくり伸ばして急速に縮める場合のＤｕｔｙ比（正の電圧を入力する時間／矩形波周期×１００）は３０％とし、急速に伸ばしてゆっくり縮める場合のＤｕｔｙ比は７０％（１００−３０％）とした。なお、移動体の駆動方向を反転させるには、正の電圧と負の電圧を入力する時間を逆にすればよい。
【００４８】
（実施例２）
次に、本発明の実施例および参考例のアクチュエータについて、実際に作製したものをＸおよびＹ方向に駆動した場合の移動経路を測定し、実施例２および比較例２とした。移動経路の測定は、三脚で固定したデジタルカメラを用いて０．５秒おきに移動の様子を撮影し、撮影した写真から各時間における移動体の中心位置を読み取ることで行った。
【００４９】
図５は、本発明の実施例２および比較例２のアクチュエータについて、ＸおよびＹ方向に駆動した場合の移動経路を評価した結果を示す。図５（ａ）は実施例２の結果、図５（ｂ）は比較例２の結果である。
【００５０】
図５（ａ）に示すとおり、本発明の実施例２においては、移動体４３のＸ方向への移動はＸ軸に沿っており、Ｙ方向への移動もＹ軸からの傾きは１°程度である。一方、図５（ｂ）に示すとおり、比較例２においては、移動体７３のＸ方向への移動はＸ軸から１２°傾いており、Ｙ方向への移動もＹ軸から１２°傾いていた。すなわち、本発明の実施例２は比較例２に対して、Ｘ，Ｙ各軸の真直性が向上している。また、Ｘ，Ｙ軸の直交性についても、比較例２の１１４°に対して、本発明の実施例２においては８９°であり、大幅に向上している。
【００５１】
以上、説明したように、本発明によれば、被駆動部材において、２つの駆動体を、直交する２軸に対して線対称となるように配置し、各駆動体の２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、Ｘ−Ｙの２方向への駆動を行い、かつ、各駆動体の移動方向の傾きを相殺できるため、真直性と直交性に優れたＸ−Ｙの２軸駆動が可能となる。
【００５２】
以上述べたことから、本発明では、比較例に対してはＸ，Ｙ軸の真直性と直交性が良好であり、簡単な構造で装置の低背化と移動ストロークの拡大が可能な自走式アクチュエータまたは該アクチュエータを用いた位置決め装置を得ることができる。
【００５３】
なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、被駆動部材および固定部材の材料、形状、寸法などは他の部分の形状や重量に応じて変更することができる。また、アクチュエータや該アクチュエータを用いた位置決め装置の用途に応じて、圧電素子や磁石の構造や形状、材質、固定部材の材質、形状などを選択、設計することができる。
【００５４】
以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
上記した実施の形態では、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。
【符号の説明】
【００５６】
１１，１２，１３，１４ 圧電セラミック素子
３１，３２ 磁石
３５ 被駆動部材
３６ 固定部材
４１，４２ 駆動体
４３ 移動体
４６ アクチュエータ
５１，５２，５３，５４ 圧電セラミック素子
６１，６２ 磁石
６５ 被駆動部材
６６ 固定部材
７１，７２ 駆動体
７３ 移動体
７６ 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変位の往復時の速度を異ならせて振動させることで移動部材を移動するための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。
【０００３】
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アクチュエータが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１０９１９号公報
【特許文献２】特開２００６−８１３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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、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、各々を独立して駆動するので、積層して構成する必要があり、同一平面上に設置できないため、駆動装置の厚さを薄くすることが困難であった。
【０００６】
本発明者は、上記に鑑みて、新たに平面上をＸ−Ｙ方向に移動可能で自走可能な駆動機構への適用が好適なアクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置を開発して、移動ストロークを大きくでき、かつ、簡単な構造により同一平面上で駆動させることができるため、装置の低背化が可能な発明を出願している。
【０００７】
図６は、参考例のアクチュエータの基本構成を示す。図６（ａ）は上面方向からの外観平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の側面図（Ａ６方向矢視図）である。略直方体の磁石６１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５１，５２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駆動体７１と、これと同じ構成の駆動体７２（磁石６２と圧電セラミック素子５３、５４からなる）と、これらの圧電セラミック素子５１，５２，５３，５４の各変位方向の他端がエポキシ樹脂等を用いて接着されている被駆動部材６５と、磁石６１，６２に対して磁力によって吸着可能な固定部材６６とから構成されている。圧電セラミック素子５１，５２，５３，５４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６５と駆動体７１，７２からなる移動体７３を、固定部材６６に対して移動させる機構を有している。すなわち、同じ平面に配置された駆動体７１，７２によって、固定部材６６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７６である。被駆動部材６５は、直方体の平板から駆動体７１，７２を配置する部分として、対角上の部分を矩形に切り取った形状にしているが、被駆動部材６５は、駆動体７１，７２が接続できる形状であれば、直方体とは限らない。
【０００８】
図６のアクチュエータ７６は、伸長時と縮小時とで異なる速度で伸縮をする電圧を圧電セラミック素子５１，５２，５３，５４に印加して伸縮時間の差による摩擦と滑りを利用したインパクト駆動方式を用いている。駆動方法について、図７を使用して詳細に説明する。図７は、参考例のアクチュエータに係る駆動方法を説明するもので、図７（ａ）は移動状況の簡略図、図７（ｂ）は圧電セラミック素子５１のタイムチャート、図７（ｃ）は圧電セラミック素子５４のタイムチャート、図７（ｄ）は移動体のタイムチャートである。Ｙ方向に移動させる場合について説明する。圧電セラミック素子５１、５４に、図７（ｂ）、図７（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ１の時間において駆動電圧を入力すると、図面左下の圧電セラミック素子５１が伸び、右上の圧電セラミック素子５４が縮み、移動体７３はゆっくり＋Ｙ方向に移動する。このとき磁石６１，６２は、固定部材６６と磁力によって吸着された状態で移動しない。また、圧電セラミック素子５１，５４に、図７（ｂ）、図７（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ２の時間において駆動電圧を入力すると、左下の圧電セラミック素子５１が縮み、右上の圧電セラミック素子５４が伸びるが、磁石６１，６２と固定部材６６との最大静止摩擦力を超える加速度で圧電セラミック素子５１，５４は急速に変形するため、磁石６１，６２と固定部材６６との間で滑りが生じて、磁石６１，６２は移動するが、移動体７３は−Ｙ方向に移動することはできない。よって、図７（ｄ）に示す移動体７３の移動になる。これを連続的に繰り返せば、移動体７３は、固定部材６６に対して一方向に連続的に移動する。なお、駆動方向を反転させるには、圧電セラミック素子５１，５４に入力する駆動電圧の極性を反対にすれば良い。同様に、圧電セラミック素子５２，５３により、Ｘ方向の移動を行うことができる。
【０００９】
図７では、三角波状の入力電圧（駆動電圧）波形を与えた場合の駆動について説明したが、これは駆動方法の１例であって、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）を入力するようにしても、同様に圧電セラミック素子を振動させることができる。
【００１０】
すなわち、図６に示すアクチュエータにおいては、Ｙ方向への移動は圧電セラミック素子５１，５４の伸縮方向に一致し、Ｘ方向への移動は圧電セラミック素子５２，５３の伸縮方向に一致する。
【００１１】
図６に示すアクチュエータのＹ方向への移動について詳細に説明する。圧電セラミック素子５１，５４の伸縮は、それぞれ同じ駆動体７１，７２を形成する圧電セラミック素子５２，５３によって拘束されるため、磁石６１，６２の振動方向はＹ軸に沿わずに拘束される向きに傾いてしまう。このときの傾きは磁石６１，６２で同じため（α°とする）、移動体７３の移動方向もＹ軸に対してα°傾いてしまうことになる。Ｘ方向への移動についても、Ｙ方向と同様に、圧電セラミック素子５２，５３の伸縮は、それぞれ同じ駆動体７１，７２を形成する圧電セラミック素子５１，５４によって拘束されるため、磁石６１，６２の振動方向および移動体７３の移動方向はＸ軸に対して、拘束される向きにβ°傾いてしまう。
【００１２】
拘束される向きとは、Ｙ方向への移動の場合は、図６（ａ）のＹ軸に対して反時計回りの方向であり、Ｘ方向への移動の場合は、図６（ａ）のＸ軸に対して時計回りの方向である。すなわち、傾き方向が逆であるから、傾きα，βの大きさが同じであっても、移動体７３においてＸ方向とＹ方向への移動は直交しない。
【００１３】
本発明者らの提案による図６の参考例のアクチュエータは、公知の従来技術と比較して、移動ストロークを大きくでき、かつ、簡単で装置の低背化が可能な構造であるが、移動の真直性とＸ−Ｙ方向の直交性に関しては十分とは言えないという課題が残っていた。
【００１４】
この状況にあって、本発明の課題は、簡単な構造で装置の低背化と移動ストロークの拡大が可能なだけでなく、移動の真直性とＸ−Ｙ方向の直交性に優れた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を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明では、上記課題を解決するために、被駆動部材において、２つの駆動体を、直交する２軸に対して線対称となるように配置することで、各駆動体の移動方向の傾きを相殺し、各駆動体の２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動している。
【００１６】
本発明によれば、少なくとも２つの電気機械変換素子と該電気機械変換素子各々の一端が接続された磁石とを備えた駆動体と、前記電気機械変換素子の各々の前記一端との相対位置が変位する他端が固定されている被駆動部材とを有する移動体と、前記磁石により吸着可能な固定部材とを備え、前記電気機械変換素子の前記変位方向により速度を異ならせて振動させることにより、前記移動体が前記固定部材に対して移動するアクチュエータであって、２つの駆動体が、直交する２軸に対して線対称に配置されているアクチュエータが得られる。
【００１７】
本発明によれば、前記駆動体を構成する２つの電気機械変換素子に、同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動するアクチュエータが得られる。
【００１８】
本発明によれば、前記アクチュエータを有する位置決め装置が得られる。
【００１９】
前記被駆動部材としては、ポリカーボネートや紙ベークなどの密度が低く、加工性に優れた樹脂材料が望ましい。
【００２０】
前記磁石部材としては、ネオジム系、またはサマリウム系の希土類磁石などの強い吸着力が発生可能な磁性材料が望ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明においては、インパクト駆動方式によって、被駆動部材と駆動体からなる移動体が、固定部材に対して移動するが、少なくとも２つの駆動体を、直交する２軸に対して線対称となるように被駆動部材に配置するため、電気機械変換素子の振動が拘束されることによる移動方向の傾きを２つの駆動体で相殺し、移動体の直進性を向上することができる。
【００２２】
なお、各駆動体において、２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に移動することができるため、Ｘ軸およびＹ軸に沿った駆動がそれぞれ可能となる。
【００２３】
以上のように、本発明により、簡単な構造で装置の低背化と移動ストロークの拡大が可能なだけでなく、移動の真直性とＸ−Ｙ方向の直交性に優れた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を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のアクチュエータの基本構成を示す。図１（ａ）は上面方向からの外観平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。
【図２】本発明の実施例１と比較例１に係るアクチュエータについて、磁石の振動方向および振動量をシミュレーションした結果である。図２（ａ）は実施例１の結果、図２（ｂ）は比較例１の結果である。
【図３】本発明のアクチュエータのＸ方向への駆動方法を説明するもので、図３（ａ）は移動状況の簡略図、図３（ｂ）は圧電セラミック素子１１，１２のタイムチャート、図３（ｃ）は圧電セラミック素子１３，１４のタイムチャート、図３（ｄ）は移動体のタイムチャートである。
【図４】本発明のアクチュエータのＹ方向への駆動方法を説明するもので、図４（ａ）は移動状況の簡略図、図４（ｂ）は圧電セラミック素子１１，１３のタイムチャート、図４（ｃ）は圧電セラミック素子１２，１４のタイムチャート、図４（ｄ）は移動体のタイムチャートである。
【図５】本発明の実施例２と比較例２のアクチュエータについて、ＸおよびＹ方向に駆動したときの移動経路を評価した結果を示す。図５（ａ）は実施例２の結果、図５（ｂ）は比較例２の結果である。
【図６】参考例のアクチュエータの基本構成を示す。図６（ａ）は上面方向からの外観平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の側面図（Ａ６方向矢視図）である。
【図７】参考例のアクチュエータの駆動方法を説明するもので、図７（ａ）は移動状況の簡略図、図７（ｂ）は圧電セラミック素子５１のタイムチャート、図７（ｃ）は圧電セラミック素子５４のタイムチャート、図７（ｄ）は移動体のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明のアクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置は、被駆動部材において、少なくとも２つの駆動体を、直交する２軸に対して線対称となるように配置することで、各駆動体の移動方向の傾きを相殺し、各駆動体の２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動している。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて、電気機械変換素子の変位の振動が伸縮振動の場合で説明する。
【００２７】
図１は本発明のアクチュエータの基本構成を示す。図１（ａ）は上面方向からの外観平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。図１においても、図６に示した参考例のアクチュエータと同様に、直方体の磁石３１の直交する２面の各々に、電気機械変換素子としての圧電セラミック素子１１，１２の各変位方向の一端を、エポキシ樹脂等を用いて接着してなる駆動体４１と、これと同じ構成の駆動体４２（磁石３２と圧電セラミック素子１３，１４からなる）と、これらの圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４の各変位方向の他端がエポキシ樹脂等を用いて接着されている被駆動部材３５と、磁石３１，３２に対して磁力によって吸着可能な固定部材３６とから構成され、圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４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３５と駆動体４１，４２からなる移動体４３を固定部材３６に対して移動させる機構を有している。但し、本実施の形態では、駆動体４１，４２が駆動軸となるＸ軸，Ｙ軸に対して線対称となるように配置されている。すなわち、同じ平面に配置された駆動体４１，４２によって、固定部材３６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４６である。
【００２８】
また、移動体４３の駆動に関しては、同じ駆動体４１，４２を構成する２つの圧電セラミック素子１１，１２および圧電セラミック素子１３，１４に、同じ電圧波形を入力することでＸ方向に移動し、電圧の正負が反対の電圧波形を入力することでＹ方向に移動する。このとき、４つの圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４に入力される電圧波形は、さらに、被駆動部材３５における配置が、各駆動軸（進行方向）に対して、前方２つと後方２つとの間で電圧の正負が反対となるようにしている。（Ｘ方向駆動時：−Ｘ側の圧電セラミック素子１１，１２に対して、＋Ｘ側の圧電セラミック素子１３，１４の入力波形は電圧の正負が反対、Ｙ方向駆動時：＋Ｙ側の圧電セラミック素子１１，１３に対して、−Ｙ側の圧電セラミック素子１２，１４の入力波形は電圧の正負が反対）
【００２９】
圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４は、同じ形状であり、かつ、所定の電圧に対する変位量も同じであると良い。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】
磁石３１，３２は、同じ材質からなり、同じ形状で、同じ表面粗さと同じ吸着力を有することが望ましい。又、磁石３１，３２は、直方体の例を示したが、固定部材３６に安定して吸着できる底面を有し、２つの圧電セラミック素子を接続できる形状であれば良い。磁石３１、３２の材質は特に限定されないが、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の希土類磁石とすることが好ましい。
【００３１】
被駆動部材３５としては、ポリカーボネートや紙ベークなどの密度が低く、加工性に優れた樹脂材料が望ましい。
【００３２】
被駆動部材３５と固定部材３６は直接、接触していないことが望ましい。被駆動部材３５と固定部材３６を接触させ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。
【００３３】
図１に示したように駆動体は２個である必要はなく、直交する軸に対して線対称になるように、移動体の４角に１個ずつというように構成してもよい。変位のモードを伸縮モードで説明したが、例えば、伸縮モードに限らずに円弧状の圧電素子の両端を接続して曲げモードを用いれば接続間の距離を変位できる。
【実施例】
【００３４】
以下、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、電気機械変換素子の変位の振動が伸縮振動の場合で説明する。
【００３５】
本発明の実施の形態に係る実施例のアクチュエータ４６について説明する。アクチュエータ４６の構造は実施の形態で説明した図１と同様である。圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４として、断面寸法が縦０．９ｍｍ×横０．９ｍｍ、高さ１．４ｍｍ の圧電積層型セラミックを準備した。これらの圧電セラミック素子の変位発生方向は、積層方向である。磁石３１，３２として、断面寸法が縦１．０ｍｍ×横１．０ｍｍ、高さ１．３ｍｍのネオジム系希土類磁石を準備した。磁石３１の直交する２面に、圧電セラミック素子１１，１２の各変位発生方向の一方の端面側で、熱硬化性エポキシ樹脂を用いて接着して、駆動体４１とした。この時、磁石３１と圧電セラミック素子１１，１２の接着位置は、被駆動部材３５と固定部材３６が接触しないような位置にした。駆動体４２については、圧電セラミック素子１３，１４と磁石３２により、駆動体４１と同様にして作製した。
【００３６】
これらの駆動体４１，４２を、図１に示す配置で、被駆動部材３５にエポキシ樹脂を用いて接着して移動体４３とした。被駆動部材３５は、紙ベーク製で、縦２２ｍｍ×横２２ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの矩形の平板から、駆動体４１，４２を配置する部分として対角上の６ｍｍ×６ｍｍの部分を矩形に切り取った形状にした。
【００３７】
移動体４３は、磁石に吸着可能なＳＵＳ４３０からなる固定部材３６に、磁石３１，３２の磁力により吸着しており、圧電セラミック素子１１，１２に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を入力し、同時に、圧電セラミック素子１３，１４に圧電セラミック素子１１，１２と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を入力することで、移動体４３は固定部材３６に対して、図１のＸ方向へと移動する。圧電セラミック素子１１，１３に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を入力し、同時に、圧電セラミック素子１２，１４に圧電セラミック素子１１，１３と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を入力することで、移動体４３は固定部材３６に対して、図１のＹ方向へと移動する。
【００３８】
また、図６に記載の参考例のアクチュエータとの比較のために、図６の構造のアクチュエータについても同様に作製し、比較例とした。なお、圧電セラミック素子、磁石、被駆動部材、固定部材のいずれについても、上記の実施例と同じ形状および特性を有するものを使用した。すなわち、本実施例のアクチュエータ４６と比較例のアクチュエータ７６との構造上の違いは、固定部材（駆動軸）に対する移動体の配置（４５°回転している）だけであり、移動体４３と移動体７３は同じ構造である。なお、比較例のアクチュエータ７６の駆動方法については、段落［０００８］にて記述したため割愛する。
【００３９】
（実施例１）
はじめに、本発明の実施例および比較例のアクチュエータについて、シミュレーションを行った。具体的には、参考例の移動体７３について、圧電セラミック素子５１，５２に電圧を入力した場合の、駆動体７１の振動状態をシミュレーションした。駆動体７２の振動状態については向きが異なるだけで、原理は同一であるため割愛した。シミュレーションソフトにはＰｉｅｚｏ ｐｌｕｓ（株式会社ウェーブリサーチ製）を使用した。計算に用いた材料定数は、被駆動部材６５については、紙ベークの値として密度１３５０ｋｇ／ｍ3，ヤング率５ＧＰａ，ポアソン比０．３５を用い、磁石６１については、ネオジム系磁石の値として密度７６００ｋｇ／ｍ3，ヤング率２００ＧＰａ，ポアソン比０．３を用いた。圧電セラミック素子５１，５２については、一般的な圧電アクチュエータ用ソフト系ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）材料の値を使用したが、計算の簡素化のために、積層型ではなくバルク単板とした。印加電圧には１Ｖｐ−ｐの正弦波を設定し、その周波数を２０ｋＨｚから１０００ｋＨｚまで２０ｋＨｚ間隔で変化させたときの、磁石６１のＸ方向およびＹ方向への振動量を計算した。
【００４０】
前述のとおり、実施例の移動体４３と比較例の移動体７３は同じ構造であるから、圧電セラミック素子５１，５２へ同じおよび電圧の正負が反転した電圧を入力した場合を本発明の実施例１とし、圧電セラミック素子５２のみに電圧を入力した場合（Ｘ方向駆動）を比較例１とした。なお、圧電セラミック素子５１のみに入力した場合（Ｙ方向駆動）は、圧電セラミック素子５２のみへの入力と比較して、向きが異なるだけで、原理は同一であるため割愛した。
【００４１】
図２は、本発明の実施例１と比較例１に係るアクチュエータについて、磁石の振動方向および振動量をシミュレーションした結果である。図２（ａ）は実施例１の結果、図２（ｂ）は比較例１の結果である。実施例１については、図２（ａ）に示されるとおり、同じ電圧および正負が反転した電圧のいずれの場合も、計算した周波数範囲において、Ｘ方向とＹ方向の振動量がおおよそ一致していた。すなわち、磁石６１の振動方向が図６（ａ）のＸ軸とＹ軸のちょうど中間である（Ｘ軸に対して±４５°回転している）ことを示している。図示していないが、シミュレーション結果より、磁石６１の振動方向は、圧電セラミック素子５１，５２に同じ電圧波形を入力した場合には、図６（ａ）のＸ軸に対して反時計回りに４５°回転しており、電圧の正負が反転した電圧波形を入力した場合には、図６（ａ）のＸ軸に対して時計回りに４５°回転していた。これは、図１に示される本発明の実施例のアクチュエータ４６において、磁石３１は、圧電セラミック素子１１，１２に同じ電圧波形を入力した場合には図１（ａ）のＸ軸に沿って振動し、電圧の正負が反転した電圧波形を入力した場合には図１（ａ）のＹ軸に沿って振動することを表している。
【００４２】
また、圧電セラミック素子５１，５２に同じ電圧波形を入力した場合には、磁石６１内部に移動量の違いはなかったが、電圧の正負が反転した電圧波形を入力した場合には、圧電セラミック素子５１，５２による拘束のため、磁石６１の移動量はＸＹ平面において分布を有し、移動体の中心に近い方が小さく、外側に向けて同心円状に大きくなっていた。これは、駆動体が１つの場合には、同じ電圧波形を入力した場合には駆動軸に沿った移動ができるが、電圧の正負が反転した波形では、駆動軸に対して移動体の左右で移動速度が異なることを示している。しかしながら、本発明の実施例においては、駆動体２つの配置と圧電セラミック素子への入力を、駆動軸に対して線対称となるように行っているため、電圧の正負が反転した波形による場合でも、振動量の差異は相殺され、駆動軸に沿った移動が可能となる。これは、図１に示される本発明の実施例のアクチュエータ４６において、移動体４３は、圧電セラミック素子１１，１２に同じ電圧波形を入力した場合には図１（ａ）のＸ軸に沿って駆動し、電圧の正負が反転した電圧波形を入力した場合には図１（ａ）のＹ軸に沿って駆動することを表している。すなわち、本発明の実施例のアクチュエータ４６は直交する２軸に沿った駆動が可能である。
【００４３】
一方、比較例１では、図２（ｂ）のとおり、圧電セラミック素子５２のみに電圧を入力しているにも関わらず、Ｘ方向への振動に加えて、Ｙ方向への振動も観察された。すなわち、比較例のアクチュエータ７６を駆動する場合に、移動体７３はＸ軸（駆動軸）に沿って移動しない。また、図示していないが、シミュレーション結果より、比較例１における磁石６１の振動は、図６（ａ）のＸ軸に対して時計回り方向へ傾いていた。圧電セラミック素子５１のみに電圧を印加した場合には、磁石６１の振動は、図６（ａ）のＹ軸に対して反時計回り方向へ傾くので、比較例のアクチュエータ７６においては移動体７３の駆動軸は直交しない。
【００４４】
本発明の駆動方法について、図３および図４を使用して詳細に説明する。図３は本発明のアクチュエータのＸ方向への駆動方法を説明するもので、図３（ａ）は移動状況の簡略図、図３（ｂ）は圧電セラミック素子１１，１２のタイムチャート、図３（ｃ）は圧電セラミック素子１３，１４のタイムチャート、図３（ｄ）は移動体のタイムチャートである。圧電セラミック素子１１，１２には図３（ｂ）、圧電セラミック素子１３，１４には図３（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ１の時間において駆動電圧を入力すると、図面左側の圧電セラミック素子１１，１２が伸び、右側の圧電セラミック素子１３，１４が縮み、移動体４３はゆっくり＋Ｘ方向に移動する。このとき磁石３１，３２は、固定部材３６と磁力によって吸着された状態で移動しない。また、圧電セラミック素子１１，１２には図３（ｂ）、圧電セラミック素子１３，１４には図３（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ２の時間において駆動電圧を入力すると、左側の圧電セラミック素子１１，１２が縮み、右側の圧電セラミック素子１３，１４が伸びるが、磁石３１，３２と固定部材３６との最大静止摩擦力を超える加速度で圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４は急速に変形するため、磁石３１，３２と固定部材３６との間で滑りが生じて、磁石３１，３２は移動するが、移動体４３は−Ｘ方向に移動することはできない。よって、図３（ｄ）に示す移動体４３の移動になる。これを連続的に繰り返せば、移動体４３は、固定部材３６に対して一方向に連続的に移動する。なお、駆動方向を反転させるには、圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４に入力する駆動電圧の極性を反対にすれば良い。すなわち、駆動体４１を構成する２つの圧電セラミック素子１１，１２と駆動体４２を構成する２つの圧電セラミック素子１３，１４に、それぞれ同じ電圧を入力することで、Ｘ軸方向へ駆動することができる。
【００４５】
図４は本発明のアクチュエータのＹ方向への駆動方法を説明するもので、図４（ａ）は移動状況の簡略図、図４（ｂ）は圧電セラミック素子１１，１３のタイムチャート、図４（ｃ）は圧電セラミック素子１２，１４のタイムチャート、図４（ｄ）は移動体のタイムチャートである。圧電セラミック素子１１，１３には図４（ｂ）、圧電セラミック素子１２、１４には図４（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ１の時間において駆動電圧を入力すると、図面上側の圧電セラミック素子１１，１３が伸び、下側の圧電セラミック素子１２，１４が縮み、移動体４３はゆっくり＋Ｙ方向に移動する。このとき磁石３１，３２は、固定部材３６と磁力によって吸着された状態で移動しない。また、圧電セラミック素子１１，１３には図４（ｂ）、圧電セラミック素子１２，１４には図４（ｃ）のタイムチャートのように、ｔ２の時間において駆動電圧を入力すると、上側の圧電セラミック素子１１，１３が縮み、下側の圧電セラミック素子１２，１４が伸びるが、磁石３１，３２と固定部材３６との最大静止摩擦力を超える加速度で圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４は急速に変形するため、磁石３１，３２と固定部材３６との間で滑りが生じて、磁石３１，３２は移動するが、移動体４３は−Ｙ方向に移動することはできない。よって、図４（ｄ）に示す移動体４３の移動になる。これを連続的に繰り返せば、移動体４３は、固定部材３６に対して一方向に連続的に移動する。なお、駆動方向を反転させるには、圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４に入力する駆動電圧の極性を反対にすれば良い。すなわち、駆動体４１を構成する２つの圧電セラミック素子１１，１２と駆動体４２を構成する２つの圧電セラミック素子１３，１４に、それぞれ電圧の正負が反対の電圧を入力することで、Ｙ軸方向へ駆動することができる。
【００４６】
図３および図４では、三角波状の入力電圧（駆動電圧）波形を与えた場合の駆動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を振動させることができる。移動体の共振周波数は、インピーダンス・アナライザ（ヒューレッド・パッカード製：型番４１９４Ａ）を用いて、圧電セラミック素子に周波数を変えながら交流電圧を印加して、その時のインピーダンスの値を測定して求めた。その結果、Ｘ・Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４の伸縮振動による移動体の共振周波数は６１５ｋＨｚであった。
【００４７】
本実施例では、Ｘ・Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１１，１２，１３，１４に、駆動電圧±４Ｖ、共振成分の変位に合わせて駆動電圧の極性を変えると安定した変位を得ることが出来るので、移動体の共振周波数の約２／３である４１０ｋＨｚとし、それに合わせるように、デューティー比３０％とした矩形波を駆動信号とした。また、Ｘ軸方向に移動させる場合、圧電セラミック素子１３，１４には、圧電セラミック素子１１，１２と電圧の正負を反転した駆動信号を入力して、Ｘ軸の正方向に駆動した。同様にＹ軸方向に移動させる場合には、圧電セラミック素子１１，１３に、駆動電圧±４Ｖ、駆動体の共振周波数の約２／３である４１０ｋＨｚ、デューティー比３０％の矩形波を、圧電セラミック素子１２，１４には圧電セラミック素子１１，１３と電圧の正負を反転した駆動信号を入力した。圧電セラミック素子をゆっくり伸ばして急速に縮める場合のＤｕｔｙ比（正の電圧を入力する時間／矩形波周期×１００）は３０％とし、急速に伸ばしてゆっくり縮める場合のＤｕｔｙ比は７０％（１００−３０％）とした。なお、移動体の駆動方向を反転させるには、正の電圧と負の電圧を入力する時間を逆にすればよい。
【００４８】
（実施例２）
次に、本発明の実施例および参考例のアクチュエータについて、実際に作製したものをＸおよびＹ方向に駆動した場合の移動経路を測定し、実施例２および比較例２とした。移動経路の測定は、三脚で固定したデジタルカメラを用いて０．５秒おきに移動の様子を撮影し、撮影した写真から各時間における移動体の中心位置を読み取ることで行った。
【００４９】
図５は、本発明の実施例２および比較例２のアクチュエータについて、ＸおよびＹ方向に駆動した場合の移動経路を評価した結果を示す。図５（ａ）は実施例２の結果、図５（ｂ）は比較例２の結果である。
【００５０】
図５（ａ）に示すとおり、本発明の実施例２においては、移動体４３のＸ方向への移動はＸ軸に沿っており、Ｙ方向への移動もＹ軸からの傾きは１°程度である。一方、図５（ｂ）に示すとおり、比較例２においては、移動体７３のＸ方向への移動はＸ軸から１２°傾いており、Ｙ方向への移動もＹ軸から１２°傾いていた。すなわち、本発明の実施例２は比較例２に対して、Ｘ，Ｙ各軸の真直性が向上している。また、Ｘ，Ｙ軸の直交性についても、比較例２の１１４°に対して、本発明の実施例２においては８９°であり、大幅に向上している。
【００５１】
以上、説明したように、本発明によれば、被駆動部材において、２つの駆動体を、直交する２軸に対して線対称となるように配置し、各駆動体の２つの電気機械変換素子に、互いに同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、Ｘ−Ｙの２方向への駆動を行い、かつ、各駆動体の移動方向の傾きを相殺できるため、真直性と直交性に優れたＸ−Ｙの２軸駆動が可能となる。
【００５２】
以上述べたことから、本発明では、比較例に対してはＸ，Ｙ軸の真直性と直交性が良好であり、簡単な構造で装置の低背化と移動ストロークの拡大が可能な自走式アクチュエータまたは該アクチュエータを用いた位置決め装置を得ることができる。
【００５３】
なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、被駆動部材および固定部材の材料、形状、寸法などは他の部分の形状や重量に応じて変更することができる。また、アクチュエータや該アクチュエータを用いた位置決め装置の用途に応じて、圧電素子や磁石の構造や形状、材質、固定部材の材質、形状などを選択、設計することができる。
【００５４】
以上、実施例を用いて、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は、これらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
上記した実施の形態では、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。
【符号の説明】
【００５６】
１１，１２，１３，１４ 圧電セラミック素子
３１，３２ 磁石
３５ 被駆動部材
３６ 固定部材
４１，４２ 駆動体
４３ 移動体
４６ アクチュエータ
５１，５２，５３，５４ 圧電セラミック素子
６１，６２ 磁石
６５ 被駆動部材
６６ 固定部材
７１，７２ 駆動体
７３ 移動体
７６ 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と該電気機械変換素子各々の一端が接続された磁石とを備えた駆動体と、前記電気機械変換素子の各々の前記一端との相対位置が変位する他端が固定されている被駆動部材とを有する移動体と、前記磁石により吸着可能な固定部材とを備え、前記電気機械変換素子の前記変位方向により速度を異ならせて振動させることにより、前記移動体が前記固定部材に対して移動するアクチュエータであって、
２つの駆動体が、直交する２軸に対して線対称に配置されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動体を構成する２つの電気機械変換素子に、同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１、２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と該電気機械変換素子各々の一端が接続された磁石とを備えた駆動体と、前記電気機械変換素子の各々の前記一端との相対位置が変位する他端が固定されている被駆動部材とを有する移動体と、前記磁石により吸着可能な固定部材とを備え、前記電気機械変換素子の前記変位方向により速度を異ならせて振動させることにより、前記移動体が前記固定部材に対して移動するアクチュエータであって、
２つの駆動体が、直交する２軸に対して線対称に配置されていることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動体を構成する２つの電気機械変換素子に、同じ電圧または正負が反転した電圧を印加することで、直交する２軸方向に駆動することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１、２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２０１０−２２６８４９（Ｐ２０１０−２２６８４９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７０２４７（Ｐ２００９−７０２４７）
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
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