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、直進性が良く精密な位置決め可能な自走式アクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置を提供する。
【解決手段】 一方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体６１の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体６１の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なるように構成する。
【解決手段】 一方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体６１の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体６１の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なるように構成する。
【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させ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係り、平面上をＸ−Ｙ方向に移動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および特許文献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（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。
【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、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３は、参考例のアクチュエータの基本構成を示す。図３（ａ）は上面方向からの外観平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。略直方体の磁石２３１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Ｘ軸方向の圧電セラミック素子２１１およびＹ軸方向の圧電セラミック素子２２１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２５１と、これと同じ構成の駆動体２５２（磁石２３２とX軸方向の圧電セラミック素子２１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２２からなる）と、これらの圧電セラミック素子２１１、２１２、２２１、２２２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２４１と、磁石２３１、２３２に対して磁力によって吸着可能な固定部材２４６とから構成されている。圧電セラミック素子２１１、２１２、２２１、２２２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２４１と駆動体２５１、２５２からなる移動体２６１を、固定部材２４６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２５１、２５２によって、固定部材２４６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２７１である。
【０００８】
駆動方法について、図４を使用して詳細に説明する。図４は、参考例のアクチュエータの駆動方法を説明する図を示したもので、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２２１のタイムチャート、図４（ｃ）は圧電セラミック素子２２２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。Ｙ方向の移動させる場合について説明する。Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２１，２２２に、図４（ｂ）、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印加すると、図面左下のＹ軸方向の圧電セラミック素子２２１が伸び、右上のＹ軸方向の圧電セラミック素子２２２が縮み、移動体２６１はゆっくり＋Ｙ方向に移動する。このとき磁石２３１，２３２は、固定部材２４６と磁力により吸着された状態で移動しない。また、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２１，２２２に、図４（ｂ）、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印加すると、左下のＹ軸方向の圧電セラミック素子２２１が縮み、右上のＹ軸方向の圧電セラミック素子２２２が伸びるが、磁石２３１，２３２と固定部材２４６との最大静止摩擦力以上の加速度でＹ軸方向の圧電セラミックス素子２２１，２２２の急速な変化のため、磁石２３１，２３２と固定部材２４６との間で滑りが生じるために移動体２６１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２６１の移動になる。なお、駆動方向を反転させるには、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２１，２２２に印加する駆動電圧の極性を反対にすれば良い。同様に、Ｘ軸方向の圧電セラミックス素子２１１，２１２により、Ｘ方向の移動を行うことができる。
【０００９】
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、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。
【００１０】
しかしながら、このように参考技術では低背化を達成しているが、一平面上で２次元の駆動を行う為の難しさがある。たとえば、参考技術は、矩形波形の電圧でインパクト駆動させる場合、駆動体の共振周波数に応じた駆動周波数で圧電セラミック素子を駆動させると効率が良く、移動体を速く移動させることができる。２つの駆動体２５１、２５２を構成する圧電セラミック素子２１１、２１２、２２１、２２２が同寸法の場合、各々の圧電セラミック素子の伸縮振動による移動体２６１の共振周波数は同じとなる。しかしながら、効率よくセラミック素子を駆動させるために、共振周波数に応じた駆動周波数で駆動すると、一つの磁石に対して駆動源となる圧電セラミック素子が磁石の直交する２面にそれぞれ固定されているため、一方の駆動軸に移動させるべく、圧電セラミック素子を駆動させた場合、直交する他方の圧電セラミック素子が干渉して励振してしまい、その結果、駆動軸と直交成分の変位が生じ、移動体が直進せずに正確な位置決めができなくなるという課題が残っていた。また、この課題を解決しようとして、移動体が直進するためのガイド機構を設けようとすると、構造が複雑かつ製造コストが高くなるという課題が生じていた。
【００１１】
そこで本発明は前述の課題を解決し、単純な構造により安価に製造できで、かつ、所望の駆動軸に対して直進性がよく、移動速度が速く正確な位置決めが可能となるアクチュエータおよびこのアクチュエータを用いた位置決め装置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】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は、２つの電機機械変換素子（圧電セラミック素子）が互いに干渉して励振しないように、一方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なるように構成した、アクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置である。
【００１３】
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の各々の一端が接続された磁石とを備えた駆動部材と、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の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、一方の電気機械変換素子の変位の振動による前記移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による前記移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なるアクチュエータが得られる。
【００１４】
本発明によれば、重錘部材を介して、前記磁石と前記被駆動部材が固定されてなるアクチュエータが得られる。
【００１５】
本発明によれば、前記磁石が、直方体の磁石からなるアクチュエータが得られる。
【００１６】
本発明によれば、アクチュエータを有するアクチュエータを用いた位置決め装置が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明におけるアクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置において、一方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上違うので、効率よく移動体を速く移動させるために共振周波数に応じた駆動周波数で圧電セラミック素子を駆動しても、他方の圧電セラミック素子と干渉しないので駆動軸と直交成分の変位が生じることがない。そのため、移動体を直進させるためのガイド機構を設けることなく、所望の駆動軸に対して移動体を直進性良くかつ速く移動させつつ位置決めすることができる。
【００１８】
以上のように、本発明により、簡単な構造で安価に製造でき、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、移動速度が大きく、精密な位置決めが可能な自走式アクチュエータおよびそれ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】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る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】本発明の実施の形態２に係るアクチュエータの基本構成を示す。図２（ａ）は上面方向からの外観平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。
【図３】参考例のアクチュエータの基本構成を示す。図３（ａ）は上面方向からの外観平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。
【図４】参考例のアクチュエータの駆動方法を説明する図を示したもので、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２２１のタイムチャート、図４（ｃ）は圧電セラミック素子２２２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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、一方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なるように構成されている。
【００２１】
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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る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、略直方体の磁石３１の直交する２面の各々に、電気機械変換素子としてのＸ軸方向の圧電セラミック素子１１およびＹ軸方向の圧電セラミック素子２１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５１と、これと同じ構成の駆動体５２（磁石３２とＸ軸方向の圧電セラミック素子１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２からなる）と、これらの圧電セラミック素子１１、１２、２１、２２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４１と、磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材４６とから構成される。電気機械変換素子と磁石、被駆動部材は、少なくとも各電気機械変換素子の変位の方向には拘束されるように、接続することにより、大きく振動させることができる。圧電セラミック素子１１、１２、２１、２２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４１と駆動体５１、５２からなる移動体６１を固定部材４６に対して移動させる機構を有している。上記により、本発明の実施の形態１のアクチュエータ７１を構成している。
【００２３】
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。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。
【００２４】
圧電セラミック素子は、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が望ましい。この図で言えば、一方の駆動体５１のＸ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１１と他方の駆動体５２のＸ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１２は同じ形状であり、変位はＸ軸方向に伸縮し、かつ、所定の電圧に対する変位量も同じである。また、一方の駆動体５１のＹ軸方向に駆動する圧電セラミック素子２１と他方の駆動体５２のＹ軸方向に駆動する圧電セラミック素子２２は同じ形状であり、変位はＹ軸方向に伸縮し、かつ、所定の電圧に対する変位量も同じである。Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１、１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２は違う長さで構成されており、そのため移動体６１のＸ軸方向の圧電セラミック素子１１、１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２（図１中に図示）の伸縮振動による共振周波数が異なるように構成される。
【００２５】
図１に示したように駆動体は２個である必要はなく、移動体の１角に１個もしくは移動体の４角に１個ずつ計４個というように構成してもよい。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータの基本構成を示す。図２（ａ）は上面方向からの外観平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。図２において、略直方体の磁石１３１の直交する２面の各々に、電気機械変換素子としてのＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１およびＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１の各変位方向の一端をエポキシ樹脂等で接着し、かつ、各変位方向の他端にエポキシ樹脂等を用いて接着されたＸ軸方向の重錘部材１８１、Ｙ軸方向の重錘部材１９１からなる駆動体１５１と、これと同じ構成の駆動体１５２（磁石１３２とＸ軸方向の圧電セラミック素子１１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２２とＸ軸方向の重錘部材１８２、Ｙ軸方向の重錘部材１９２からなる）と、これらの駆動体１５１、１５２の重錘部材がエポキシ樹脂等で接着されている被駆動部材１４１と、磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材１４６とから構成され、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２、とＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２の各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１４１と駆動体１５１、１５２からなる移動体１６１を固定部材１４６に対して移動させる機構を有している。上記により、本発明の実施の形態２のアクチュエータ１７１を構成している。
【００２７】
磁石１３１、１３２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。磁石１３１、１３２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。
【００２８】
これら４つの圧電セラミック素子１１１、１１２、１２１、１２２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。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。
【００２９】
重錘部材１８１、１８２、１９１、１９２の材質は特に限定されないが、圧電セラミック素子の変位を磁石側に効率よく伝えるために重錘部材の重量は大きい方が望ましく、かつ、小型化のためには比重の大きな材質、例えばタングステンを主成分とする合金を用いるのが好ましい。一方の駆動体１５１のＸ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１１１の重錘部材１８１と他方の駆動体１５２のＸ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１１２の重錘部材１８２は同じ重量で構成される。また、一方の駆動体１５１のＹ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１２１の重錘部材１９１と他方の駆動体１５２のＹ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１２２の重錘部材１９２は同じ重量で構成される。
【００３０】
移動体１６１のＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２（図２中に図示）の伸縮振動の共振周波数が異なるようにするため、実施の形態１と同様にＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２を違う長さで構成してもよいが、本実施の形態２においてはＸ軸方向の重錘部材１８１、１８２とＹ軸方向の重錘部材１９１、１９２は異なる重量で構成することで、移動体１６１のＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２の伸縮振動の共振周波数が異なるようにすることも可能となっている。
【００３１】
図２に示したように駆動体は２個である必要はなく、移動体の１角に１個もしくは移動体の４角に１個ずつ計４個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端間の距離を変位できる。
【実施例】
【００３２】
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。
【００３３】
（実施例１）
本発明の実施の形態１に係る実施例１のアクチュエータ７１について説明する。アクチュエータ７１の構造は実施の形態１で説明した図１と同様である。Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１、１２として断面寸法が０．９ｍｍ×０．９ｍｍ、長さ１．４ｍｍ の圧電積層型セラミックを準備した。Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２として断面寸法が０．９ｍｍ×０．９ｍｍ、長さ０．８ｍｍ 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１１、１２，２１，２２の各変位発生方向は、積層方向である。磁石３１、３２として、断面寸法が１．２ｍｍ×１．２ｍｍ、高さ１．５ｍｍのネオジム系磁石を準備した。磁石３１の直交する２面に、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１の、各変位発生方向の一方の端面で熱硬化性エポキシ樹脂を用いて接着して、駆動体５１とした。駆動体５２については、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２と磁石３２により、同様にして作製した。
【００３４】
これらの駆動体５１、５２を、図１に示す配置で、被駆動部材４１にエポキシ樹脂を用いて接着して移動体６１とした。被駆動部材４１は、ポリカーボネート製で、２２ｍｍ×２２ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの矩形の平板から、駆動体５１、５２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。
【００３５】
移動体６１は、磁石に吸着可能なＳＵＳ４３０からなる固定部材４６に、磁石３１、３２の磁力により吸着しており、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を印加し、同時に、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１２にＸ軸方向の圧電セラミック素子１１と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を印加することで、移動体６１は固定部材４６に対して、図１のＸ方向へと移動する。同様に、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を印加し、同時に、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２にＹ軸方向の圧電セラミック素子２１と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を印加すると、移動体６１は固定部材４６に対して、図１のＹ方向へと移動する。
【００３６】
移動体６１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軸方向の圧電セラミック素子１１、１２の伸縮振動による移動体の共振周波数は３２１ｋＨｚ、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２の伸縮振動による移動体の共振周波数は３４５ｋＨｚであった。
【００３７】
本実施例では、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１に、駆動電圧±３Ｖ、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２１４ｋＨｚとし、それに合わせるように、デューティー比７０％とした矩形波を駆動信号とした。また、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１２にはＸ軸方向の圧電セラミック素子１１と１８０°位相をずらした駆動信号を入力して、Ｘ軸に駆動した。同様にＹ軸に駆動する場合には、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１に、駆動電圧±３Ｖ、駆動体の共振周波数の約２／３である２３０ｋＨｚ、デューティー比７０％の矩形波を、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２にはＹ軸方向の圧電セラミック素子２１と１８０°位相をずらした駆動信号を入力した。移動体６１の移動速度は、レーザー変位計によって測定した移動量と移動時間から求めた。
【００３８】
表１に、本実施例のＸ軸方向の圧電セラミック素子１１、１２の寸法とＸ軸方向の圧電セラミック素子の伸縮振動による移動体の共振周波数ｆｒｘと、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２の寸法とＹ軸方向の圧電セラミック素子の伸縮振動による移動体の共振周波数ｆｒｙ、およびｆｒｙとｆｒｘの比を示す。また、参考例１として圧電セラミック素子が全て同じ寸法（断面が０．９×０．９ｍｍ、長さ１．４ｍｍ）の場合と、比較例としてＹ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２の長さを１．０、１．２、１．６、１．８、２．０ｍｍの場合（それぞれ比較例１、２、３、４、５とする）について、同様に示す。
【００３９】
表２に、実施例１、参考例１、比較例１、２、３、４、５の各々について、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子によるＸ軸駆動と、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子によるＹ軸駆動の時の移動速度と、１０ｍｍ移動させた場合の駆動軸に対する他軸方向の移動量を示す。参考例および比較例の場合の駆動周波数は、実施例同様、共振周波数の２／３に統一して測定を行った。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
本実施例１の場合、表２に示すように、Ｘ軸に前述の条件で駆動した時の移動速度は２．７ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｙ）軸移動量は０．００１ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、０．０１％であった。Ｙ軸駆動の時の移動速度は２．９ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｘ）軸移動量は０．００１ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、０．０１％であった。このように、本実施例１の場合にはガイド機構がなくてもＸ軸駆動、Ｙ軸駆動とも直進性が非常に良く移動体を移動させることができている。
【００４３】
一方、参考例１の場合、表２に示すように、Ｘ軸に駆動した時の移動速度は２．５ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｙ）軸移動量は０．１５０ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、１．５％であった。Ｙ軸に駆動した時の移動速度は２．５ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｘ）軸移動量は０．１５０ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、１．５％であり、実施例１と比較するとＸ軸駆動、Ｙ軸駆動共に直進性が１５０倍悪く、所望の位置決めが困難となっている。
【００４４】
比較例１乃至５の結果をみると、ｆｒｘとｆｒｙとの差が大きくなるにつれ（ｆｒｙ／ｆｒｘが１より大きくなるもしくは小さくなるにつれ）、駆動軸に対する他軸の移動量が小さくなり、直進性が良くなっている。なお、各例における移動速度の違いは、移動体の構成が同じならば、移動速度が駆動周波数（共振周波数）に依存するので違いが生じているものであり、特性の優劣を示しているわけではない。
【００４５】
（実施例２）
本発明の実施の形態２に係る実施例２のアクチュエータについて説明する。アクチュエータ１７１の構造は実施の形態２で説明した図２と同様である。圧電セラミック素子１１１、１１２、１２１、１２２として断面寸法が０．９ｍｍ×０．９ｍｍ、長さ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各変位発生方向は、積層方向である。磁石１３１、１３２として、断面寸法が１．２ｍｍ×１．２ｍｍ、高さ１．５ｍｍのネオジム系磁石を準備した。重錘部材１８１、１８２、１９１、１９２の材料としてタングステンを９８重量％以上含むタングステン合金を用いた。この材料を使用して、Ｘ軸方向の重錘部材１８１、１８２は断面寸法０．９ｍｍ×１．５ｍｍ、高さ０．８ｍｍ、重量１９．４ｍｇのタングステン合金を用意した。Ｙ軸方向の重錘部材１９１、１９２は断面寸法０．９ｍｍ×１．５ｍｍ、高さ１．４ｍｍ、重量３４．５ｍｇのタングステン合金を用意した。磁石１３１の直交する２面に、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１を、各変位発生方向の一方の端面で熱硬化性エポキシ樹脂を用いて接着し、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１の変位発生方向の他端とＸ軸方向の重錘部材１８１、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１の変位発生方向の他端とＹ軸方向の重錘部材１９１を熱硬化性エポキシ樹脂を用いて接着して駆動体１５１とした。駆動体１５２については、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２２と磁石１３２とＸ軸方向の重錘部材１８２、Ｙ軸方向の重錘部材１９２により、同様にして作製した。
【００４６】
これらの駆動体１５１、１５２を、図２に示す配置で、被駆動部材１４１にエポキシ樹脂を用いて接着して移動体１６１とした。被駆動部材１４１は、ポリカーボネート製で、縦２２ｍｍ×横２２ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの矩形の平板から、駆動体１５１、１５２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。
【００４７】
移動体１６１は、磁石に吸着可能なＳＵＳ４３０からなる固定部材１４６に、磁石１３１、１３２の磁力により吸着しており、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を印加し、同時に、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１２にＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を印加することで、移動体１６１は固定部材１４６に対して、図２のＸ向へと移動する。同様に、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を印加し、同時に、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２２にＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を印加すると、移動体１６１は固定部材１４６に対して、図２のＹ方向へと移動する。
【００４８】
移動体１６１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軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２の伸縮振動による移動体の共振周波数は２８７ｋＨｚ、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２の伸縮振動による移動体の共振周波数は２６１ｋＨｚであった。
【００４９】
本実施例では、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１に、駆動電圧±３Ｖ、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１９１ｋＨｚとし、それに合わせるように、デューティー比７０％の矩形波を駆動信号とした。また、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１２にはＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１と１８０°位相をずらした駆動信号を入力して、Ｘ軸に駆動した。同様にＹ軸に駆動する場合には、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１に、駆動電圧±３Ｖ、駆動体の共振周波数の約２／３である１７４ｋＨｚ、デューティー比７０％の矩形波を、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２２にはＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１と１８０°位相をずらした駆動信号を入力した。移動体１６１の移動速度は、レーザー変位計によって測定した移動量と移動時間から求めた。
【００５０】
表３に、本実施例のＸ軸方向とＹ軸方向の重錘部材の寸法と重量、およびＸ軸方向とＹ軸方向の圧電セラミック素子の伸縮振動による移動体の共振周波数ｆｒｘとｆｒｙ、およびｆｒｙとｆｒｘの比を示す。また、参考例２としてすべての重錘部材が、同じ寸法、重量（断面が０．９×１．５ｍｍ、高さ０．８ｍｍ、重量１９．４ｍｇ）の場合と、比較例としてＹ軸方向の重錘部材１９１、１９２の高さを０．２、０．４、０．６、１．０、１．２ｍｍの場合（それぞれ比較例６、７、８、９、１０とする）について、同様に示す。
【００５１】
表４に、実施例２、参考例２、比較例６、７、８、９、１０の各々について、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子によるＸ軸駆動と、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子によるＹ軸駆動の時の移動速度と、１０ｍｍ移動させた場合の駆動軸に対する他軸方向の移動量を示す。参考例および比較例の場合の駆動周波数は、実施例同様、共振周波数の２／３に統一して測定を行った。
【００５２】
【表３】
【００５３】
【表４】
【００５４】
本実施例２の場合、表４に示すように、Ｘ軸に前述の条件で駆動した時の移動速度は７．５ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｙ）軸移動量は０．００１ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、０．０１％であった。Ｙ軸駆動の時の移動速度は６．９ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｘ）軸移動量は０．００１ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、０．０１％であった。このように、本実施例１の場合にはガイド機構がなくてもＸ軸駆動、Ｙ軸駆動とも直進性が非常に良く移動体を移動させることができている。
【００５５】
一方、参考例２の場合、表４に示すように、Ｘ軸に駆動した時の移動速度は７．８ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｙ）軸移動量は０．１８５ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、１８．５％であった。Ｙ軸に駆動した時の移動速度は７．８ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｘ）軸移動量は０．１８５ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、１８．５％であり、実施例２と比較するとＸ軸駆動、Ｙ軸駆動共に直進性が１８５倍悪く、所望の位置決めが困難となっている。
【００５６】
比較例６乃至１０の結果をみると、ｆｒｘとｆｒｙとの差が大きくなるにつれ（ｆｒｙ／ｆｒｘが１より大きくなるもしくは小さくなるにつれ）、駆動軸に対する他軸の移動量が小さくなり、直進性が良くなっている。また、実施例１と実施例２の結果を併せて考えてみると、ｆｒｘとｆｒｙの差が５％以上あれば、駆動軸に対する他軸の移動が０．０５％以下となっており、ガイド機構がなくても直進性に優れたアクチュエータが得られることが分かる。
【００５７】
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】
【００５８】
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。
【符号の説明】
【００５９】
１１、１２、２１、２２ 圧電セラミック素子
３１、３２ 磁石
４１ 被駆動部材
４６ 固定部材
５１、５２ 駆動体
６１ 移動体
７１ アクチュエータ
１１１、１１２、１２１、１２２ 圧電セラミック素子
１３１、１３２ 磁石
１４１ 被駆動部材
１４６ 固定部材
１５１、１５２ 駆動体
１６１ 移動体
１７１ アクチュエータ
１８１、１８２、１９１、１９２ 重錘部材
２１１、２１２、２２１、２２２ 圧電セラミック素子
２３１、２３２ 磁石
２４１ 被駆動部材
２４６ 固定部材
２５１、２５２ 駆動体
２６１ 移動体
２７１ 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させ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係り、平面上をＸ−Ｙ方向に移動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および特許文献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（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。
【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、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３は、参考例のアクチュエータの基本構成を示す。図３（ａ）は上面方向からの外観平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。略直方体の磁石２３１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Ｘ軸方向の圧電セラミック素子２１１およびＹ軸方向の圧電セラミック素子２２１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２５１と、これと同じ構成の駆動体２５２（磁石２３２とX軸方向の圧電セラミック素子２１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２２からなる）と、これらの圧電セラミック素子２１１、２１２、２２１、２２２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２４１と、磁石２３１、２３２に対して磁力によって吸着可能な固定部材２４６とから構成されている。圧電セラミック素子２１１、２１２、２２１、２２２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２４１と駆動体２５１、２５２からなる移動体２６１を、固定部材２４６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２５１、２５２によって、固定部材２４６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２７１である。
【０００８】
駆動方法について、図４を使用して詳細に説明する。図４は、参考例のアクチュエータの駆動方法を説明する図を示したもので、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２２１のタイムチャート、図４（ｃ）は圧電セラミック素子２２２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。Ｙ方向の移動させる場合について説明する。Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２１，２２２に、図４（ｂ）、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印加すると、図面左下のＹ軸方向の圧電セラミック素子２２１が伸び、右上のＹ軸方向の圧電セラミック素子２２２が縮み、移動体２６１はゆっくり＋Ｙ方向に移動する。このとき磁石２３１，２３２は、固定部材２４６と磁力により吸着された状態で移動しない。また、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２１，２２２に、図４（ｂ）、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印加すると、左下のＹ軸方向の圧電セラミック素子２２１が縮み、右上のＹ軸方向の圧電セラミック素子２２２が伸びるが、磁石２３１，２３２と固定部材２４６との最大静止摩擦力以上の加速度でＹ軸方向の圧電セラミックス素子２２１，２２２の急速な変化のため、磁石２３１，２３２と固定部材２４６との間で滑りが生じるために移動体２６１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２６１の移動になる。なお、駆動方向を反転させるには、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２１，２２２に印加する駆動電圧の極性を反対にすれば良い。同様に、Ｘ軸方向の圧電セラミックス素子２１１，２１２により、Ｘ方向の移動を行うことができる。
【０００９】
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、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。
【００１０】
しかしながら、このように参考技術では低背化を達成しているが、一平面上で２次元の駆動を行う為の難しさがある。たとえば、参考技術は、矩形波形の電圧でインパクト駆動させる場合、駆動体の共振周波数に応じた駆動周波数で圧電セラミック素子を駆動させると効率が良く、移動体を速く移動させることができる。２つの駆動体２５１、２５２を構成する圧電セラミック素子２１１、２１２、２２１、２２２が同寸法の場合、各々の圧電セラミック素子の伸縮振動による移動体２６１の共振周波数は同じとなる。しかしながら、効率よくセラミック素子を駆動させるために、共振周波数に応じた駆動周波数で駆動すると、一つの磁石に対して駆動源となる圧電セラミック素子が磁石の直交する２面にそれぞれ固定されているため、一方の駆動軸に移動させるべく、圧電セラミック素子を駆動させた場合、直交する他方の圧電セラミック素子が干渉して励振してしまい、その結果、駆動軸と直交成分の変位が生じ、移動体が直進せずに正確な位置決めができなくなるという課題が残っていた。また、この課題を解決しようとして、移動体が直進するためのガイド機構を設けようとすると、構造が複雑かつ製造コストが高くなるという課題が生じていた。
【００１１】
そこで本発明は前述の課題を解決し、単純な構造により安価に製造できで、かつ、所望の駆動軸に対して直進性がよく、移動速度が速く正確な位置決めが可能となるアクチュエータおよびこのアクチュエータを用いた位置決め装置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】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は、２つの電機機械変換素子（圧電セラミック素子）が互いに干渉して励振しないように、一方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なるように構成した、アクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置である。
【００１３】
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の各々の一端が接続された磁石とを備えた駆動部材と、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の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、一方の電気機械変換素子の変位の振動による前記移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による前記移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なるアクチュエータが得られる。
【００１４】
本発明によれば、重錘部材を介して、前記磁石と前記被駆動部材が固定されてなるアクチュエータが得られる。
【００１５】
本発明によれば、前記磁石が、直方体の磁石からなるアクチュエータが得られる。
【００１６】
本発明によれば、アクチュエータを有するアクチュエータを用いた位置決め装置が得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明におけるアクチュエータおよびそれを用いた位置決め装置において、一方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上違うので、効率よく移動体を速く移動させるために共振周波数に応じた駆動周波数で圧電セラミック素子を駆動しても、他方の圧電セラミック素子と干渉しないので駆動軸と直交成分の変位が生じることがない。そのため、移動体を直進させるためのガイド機構を設けることなく、所望の駆動軸に対して移動体を直進性良くかつ速く移動させつつ位置決めすることができる。
【００１８】
以上のように、本発明により、簡単な構造で安価に製造でき、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、移動速度が大きく、精密な位置決めが可能な自走式アクチュエータおよびそれ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】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る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】本発明の実施の形態２に係るアクチュエータの基本構成を示す。図２（ａ）は上面方向からの外観平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。
【図３】参考例のアクチュエータの基本構成を示す。図３（ａ）は上面方向からの外観平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。
【図４】参考例のアクチュエータの駆動方法を説明する図を示したもので、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２２１のタイムチャート、図４（ｃ）は圧電セラミック素子２２２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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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、一方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なるように構成されている。
【００２１】
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。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る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、略直方体の磁石３１の直交する２面の各々に、電気機械変換素子としてのＸ軸方向の圧電セラミック素子１１およびＹ軸方向の圧電セラミック素子２１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５１と、これと同じ構成の駆動体５２（磁石３２とＸ軸方向の圧電セラミック素子１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２からなる）と、これらの圧電セラミック素子１１、１２、２１、２２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４１と、磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材４６とから構成される。電気機械変換素子と磁石、被駆動部材は、少なくとも各電気機械変換素子の変位の方向には拘束されるように、接続することにより、大きく振動させることができる。圧電セラミック素子１１、１２、２１、２２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４１と駆動体５１、５２からなる移動体６１を固定部材４６に対して移動させる機構を有している。上記により、本発明の実施の形態１のアクチュエータ７１を構成している。
【００２３】
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。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。
【００２４】
圧電セラミック素子は、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が望ましい。この図で言えば、一方の駆動体５１のＸ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１１と他方の駆動体５２のＸ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１２は同じ形状であり、変位はＸ軸方向に伸縮し、かつ、所定の電圧に対する変位量も同じである。また、一方の駆動体５１のＹ軸方向に駆動する圧電セラミック素子２１と他方の駆動体５２のＹ軸方向に駆動する圧電セラミック素子２２は同じ形状であり、変位はＹ軸方向に伸縮し、かつ、所定の電圧に対する変位量も同じである。Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１、１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２は違う長さで構成されており、そのため移動体６１のＸ軸方向の圧電セラミック素子１１、１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２（図１中に図示）の伸縮振動による共振周波数が異なるように構成される。
【００２５】
図１に示したように駆動体は２個である必要はなく、移動体の１角に１個もしくは移動体の４角に１個ずつ計４個というように構成してもよい。
【００２６】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータの基本構成を示す。図２（ａ）は上面方向からの外観平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面図（Ａ１方向矢視図）である。図２において、略直方体の磁石１３１の直交する２面の各々に、電気機械変換素子としてのＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１およびＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１の各変位方向の一端をエポキシ樹脂等で接着し、かつ、各変位方向の他端にエポキシ樹脂等を用いて接着されたＸ軸方向の重錘部材１８１、Ｙ軸方向の重錘部材１９１からなる駆動体１５１と、これと同じ構成の駆動体１５２（磁石１３２とＸ軸方向の圧電セラミック素子１１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２２とＸ軸方向の重錘部材１８２、Ｙ軸方向の重錘部材１９２からなる）と、これらの駆動体１５１、１５２の重錘部材がエポキシ樹脂等で接着されている被駆動部材１４１と、磁石に対して磁力によって吸着可能な固定部材１４６とから構成され、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２、とＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２の各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１４１と駆動体１５１、１５２からなる移動体１６１を固定部材１４６に対して移動させる機構を有している。上記により、本発明の実施の形態２のアクチュエータ１７１を構成している。
【００２７】
磁石１３１、１３２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。磁石１３１、１３２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。
【００２８】
これら４つの圧電セラミック素子１１１、１１２、１２１、１２２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。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。
【００２９】
重錘部材１８１、１８２、１９１、１９２の材質は特に限定されないが、圧電セラミック素子の変位を磁石側に効率よく伝えるために重錘部材の重量は大きい方が望ましく、かつ、小型化のためには比重の大きな材質、例えばタングステンを主成分とする合金を用いるのが好ましい。一方の駆動体１５１のＸ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１１１の重錘部材１８１と他方の駆動体１５２のＸ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１１２の重錘部材１８２は同じ重量で構成される。また、一方の駆動体１５１のＹ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１２１の重錘部材１９１と他方の駆動体１５２のＹ軸方向に駆動する圧電セラミック素子１２２の重錘部材１９２は同じ重量で構成される。
【００３０】
移動体１６１のＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２（図２中に図示）の伸縮振動の共振周波数が異なるようにするため、実施の形態１と同様にＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２を違う長さで構成してもよいが、本実施の形態２においてはＸ軸方向の重錘部材１８１、１８２とＹ軸方向の重錘部材１９１、１９２は異なる重量で構成することで、移動体１６１のＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２とＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２の伸縮振動の共振周波数が異なるようにすることも可能となっている。
【００３１】
図２に示したように駆動体は２個である必要はなく、移動体の１角に１個もしくは移動体の４角に１個ずつ計４個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端間の距離を変位できる。
【実施例】
【００３２】
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。
【００３３】
（実施例１）
本発明の実施の形態１に係る実施例１のアクチュエータ７１について説明する。アクチュエータ７１の構造は実施の形態１で説明した図１と同様である。Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１、１２として断面寸法が０．９ｍｍ×０．９ｍｍ、長さ１．４ｍｍ の圧電積層型セラミックを準備した。Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２として断面寸法が０．９ｍｍ×０．９ｍｍ、長さ０．８ｍｍ 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１１、１２，２１，２２の各変位発生方向は、積層方向である。磁石３１、３２として、断面寸法が１．２ｍｍ×１．２ｍｍ、高さ１．５ｍｍのネオジム系磁石を準備した。磁石３１の直交する２面に、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１の、各変位発生方向の一方の端面で熱硬化性エポキシ樹脂を用いて接着して、駆動体５１とした。駆動体５２については、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２と磁石３２により、同様にして作製した。
【００３４】
これらの駆動体５１、５２を、図１に示す配置で、被駆動部材４１にエポキシ樹脂を用いて接着して移動体６１とした。被駆動部材４１は、ポリカーボネート製で、２２ｍｍ×２２ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの矩形の平板から、駆動体５１、５２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。
【００３５】
移動体６１は、磁石に吸着可能なＳＵＳ４３０からなる固定部材４６に、磁石３１、３２の磁力により吸着しており、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を印加し、同時に、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１２にＸ軸方向の圧電セラミック素子１１と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を印加することで、移動体６１は固定部材４６に対して、図１のＸ方向へと移動する。同様に、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を印加し、同時に、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２にＹ軸方向の圧電セラミック素子２１と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を印加すると、移動体６１は固定部材４６に対して、図１のＹ方向へと移動する。
【００３６】
移動体６１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軸方向の圧電セラミック素子１１、１２の伸縮振動による移動体の共振周波数は３２１ｋＨｚ、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２の伸縮振動による移動体の共振周波数は３４５ｋＨｚであった。
【００３７】
本実施例では、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１に、駆動電圧±３Ｖ、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２１４ｋＨｚとし、それに合わせるように、デューティー比７０％とした矩形波を駆動信号とした。また、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１２にはＸ軸方向の圧電セラミック素子１１と１８０°位相をずらした駆動信号を入力して、Ｘ軸に駆動した。同様にＹ軸に駆動する場合には、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１に、駆動電圧±３Ｖ、駆動体の共振周波数の約２／３である２３０ｋＨｚ、デューティー比７０％の矩形波を、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２２にはＹ軸方向の圧電セラミック素子２１と１８０°位相をずらした駆動信号を入力した。移動体６１の移動速度は、レーザー変位計によって測定した移動量と移動時間から求めた。
【００３８】
表１に、本実施例のＸ軸方向の圧電セラミック素子１１、１２の寸法とＸ軸方向の圧電セラミック素子の伸縮振動による移動体の共振周波数ｆｒｘと、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２の寸法とＹ軸方向の圧電セラミック素子の伸縮振動による移動体の共振周波数ｆｒｙ、およびｆｒｙとｆｒｘの比を示す。また、参考例１として圧電セラミック素子が全て同じ寸法（断面が０．９×０．９ｍｍ、長さ１．４ｍｍ）の場合と、比較例としてＹ軸方向の圧電セラミック素子２１、２２の長さを１．０、１．２、１．６、１．８、２．０ｍｍの場合（それぞれ比較例１、２、３、４、５とする）について、同様に示す。
【００３９】
表２に、実施例１、参考例１、比較例１、２、３、４、５の各々について、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子によるＸ軸駆動と、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子によるＹ軸駆動の時の移動速度と、１０ｍｍ移動させた場合の駆動軸に対する他軸方向の移動量を示す。参考例および比較例の場合の駆動周波数は、実施例同様、共振周波数の２／３に統一して測定を行った。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
本実施例１の場合、表２に示すように、Ｘ軸に前述の条件で駆動した時の移動速度は２．７ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｙ）軸移動量は０．００１ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、０．０１％であった。Ｙ軸駆動の時の移動速度は２．９ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｘ）軸移動量は０．００１ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、０．０１％であった。このように、本実施例１の場合にはガイド機構がなくてもＸ軸駆動、Ｙ軸駆動とも直進性が非常に良く移動体を移動させることができている。
【００４３】
一方、参考例１の場合、表２に示すように、Ｘ軸に駆動した時の移動速度は２．５ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｙ）軸移動量は０．１５０ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、１．５％であった。Ｙ軸に駆動した時の移動速度は２．５ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｘ）軸移動量は０．１５０ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、１．５％であり、実施例１と比較するとＸ軸駆動、Ｙ軸駆動共に直進性が１５０倍悪く、所望の位置決めが困難となっている。
【００４４】
比較例１乃至５の結果をみると、ｆｒｘとｆｒｙとの差が大きくなるにつれ（ｆｒｙ／ｆｒｘが１より大きくなるもしくは小さくなるにつれ）、駆動軸に対する他軸の移動量が小さくなり、直進性が良くなっている。なお、各例における移動速度の違いは、移動体の構成が同じならば、移動速度が駆動周波数（共振周波数）に依存するので違いが生じているものであり、特性の優劣を示しているわけではない。
【００４５】
（実施例２）
本発明の実施の形態２に係る実施例２のアクチュエータについて説明する。アクチュエータ１７１の構造は実施の形態２で説明した図２と同様である。圧電セラミック素子１１１、１１２、１２１、１２２として断面寸法が０．９ｍｍ×０．９ｍｍ、長さ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各変位発生方向は、積層方向である。磁石１３１、１３２として、断面寸法が１．２ｍｍ×１．２ｍｍ、高さ１．５ｍｍのネオジム系磁石を準備した。重錘部材１８１、１８２、１９１、１９２の材料としてタングステンを９８重量％以上含むタングステン合金を用いた。この材料を使用して、Ｘ軸方向の重錘部材１８１、１８２は断面寸法０．９ｍｍ×１．５ｍｍ、高さ０．８ｍｍ、重量１９．４ｍｇのタングステン合金を用意した。Ｙ軸方向の重錘部材１９１、１９２は断面寸法０．９ｍｍ×１．５ｍｍ、高さ１．４ｍｍ、重量３４．５ｍｇのタングステン合金を用意した。磁石１３１の直交する２面に、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１を、各変位発生方向の一方の端面で熱硬化性エポキシ樹脂を用いて接着し、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１の変位発生方向の他端とＸ軸方向の重錘部材１８１、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１の変位発生方向の他端とＹ軸方向の重錘部材１９１を熱硬化性エポキシ樹脂を用いて接着して駆動体１５１とした。駆動体１５２については、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１２、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２２と磁石１３２とＸ軸方向の重錘部材１８２、Ｙ軸方向の重錘部材１９２により、同様にして作製した。
【００４６】
これらの駆動体１５１、１５２を、図２に示す配置で、被駆動部材１４１にエポキシ樹脂を用いて接着して移動体１６１とした。被駆動部材１４１は、ポリカーボネート製で、縦２２ｍｍ×横２２ｍｍ×厚さ２．０ｍｍの矩形の平板から、駆動体１５１、１５２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。
【００４７】
移動体１６１は、磁石に吸着可能なＳＵＳ４３０からなる固定部材１４６に、磁石１３１、１３２の磁力により吸着しており、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を印加し、同時に、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１２にＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１と伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を印加することで、移動体１６１は固定部材１４６に対して、図２のＸ向へと移動する。同様に、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１に伸びと縮みの速度を異ならせるような駆動電圧を印加し、同時に、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２２にＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１伸びと縮みの速度が反転するように駆動電圧を印加すると、移動体１６１は固定部材１４６に対して、図２のＹ方向へと移動する。
【００４８】
移動体１６１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軸方向の圧電セラミック素子１１１、１１２の伸縮振動による移動体の共振周波数は２８７ｋＨｚ、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１、１２２の伸縮振動による移動体の共振周波数は２６１ｋＨｚであった。
【００４９】
本実施例では、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１１に、駆動電圧±３Ｖ、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１９１ｋＨｚとし、それに合わせるように、デューティー比７０％の矩形波を駆動信号とした。また、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子１１２にはＸ軸方向の圧電セラミック素子１１１と１８０°位相をずらした駆動信号を入力して、Ｘ軸に駆動した。同様にＹ軸に駆動する場合には、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２１に、駆動電圧±３Ｖ、駆動体の共振周波数の約２／３である１７４ｋＨｚ、デューティー比７０％の矩形波を、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子１２２にはＹ軸方向の圧電セラミック素子１２１と１８０°位相をずらした駆動信号を入力した。移動体１６１の移動速度は、レーザー変位計によって測定した移動量と移動時間から求めた。
【００５０】
表３に、本実施例のＸ軸方向とＹ軸方向の重錘部材の寸法と重量、およびＸ軸方向とＹ軸方向の圧電セラミック素子の伸縮振動による移動体の共振周波数ｆｒｘとｆｒｙ、およびｆｒｙとｆｒｘの比を示す。また、参考例２としてすべての重錘部材が、同じ寸法、重量（断面が０．９×１．５ｍｍ、高さ０．８ｍｍ、重量１９．４ｍｇ）の場合と、比較例としてＹ軸方向の重錘部材１９１、１９２の高さを０．２、０．４、０．６、１．０、１．２ｍｍの場合（それぞれ比較例６、７、８、９、１０とする）について、同様に示す。
【００５１】
表４に、実施例２、参考例２、比較例６、７、８、９、１０の各々について、Ｘ軸方向の圧電セラミック素子によるＸ軸駆動と、Ｙ軸方向の圧電セラミック素子によるＹ軸駆動の時の移動速度と、１０ｍｍ移動させた場合の駆動軸に対する他軸方向の移動量を示す。参考例および比較例の場合の駆動周波数は、実施例同様、共振周波数の２／３に統一して測定を行った。
【００５２】
【表３】
【００５３】
【表４】
【００５４】
本実施例２の場合、表４に示すように、Ｘ軸に前述の条件で駆動した時の移動速度は７．５ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｙ）軸移動量は０．００１ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、０．０１％であった。Ｙ軸駆動の時の移動速度は６．９ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｘ）軸移動量は０．００１ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、０．０１％であった。このように、本実施例１の場合にはガイド機構がなくてもＸ軸駆動、Ｙ軸駆動とも直進性が非常に良く移動体を移動させることができている。
【００５５】
一方、参考例２の場合、表４に示すように、Ｘ軸に駆動した時の移動速度は７．８ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｙ）軸移動量は０．１８５ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、１８．５％であった。Ｙ軸に駆動した時の移動速度は７．８ｍｍ／ｓｅｃで、１０ｍｍ移動させた時の他（Ｘ）軸移動量は０．１８５ｍｍで、駆動方向に対する移動量比率は、１８．５％であり、実施例２と比較するとＸ軸駆動、Ｙ軸駆動共に直進性が１８５倍悪く、所望の位置決めが困難となっている。
【００５６】
比較例６乃至１０の結果をみると、ｆｒｘとｆｒｙとの差が大きくなるにつれ（ｆｒｙ／ｆｒｘが１より大きくなるもしくは小さくなるにつれ）、駆動軸に対する他軸の移動量が小さくなり、直進性が良くなっている。また、実施例１と実施例２の結果を併せて考えてみると、ｆｒｘとｆｒｙの差が５％以上あれば、駆動軸に対する他軸の移動が０．０５％以下となっており、ガイド機構がなくても直進性に優れたアクチュエータが得られることが分かる。
【００５７】
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】
【００５８】
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。
【符号の説明】
【００５９】
１１、１２、２１、２２ 圧電セラミック素子
３１、３２ 磁石
４１ 被駆動部材
４６ 固定部材
５１、５２ 駆動体
６１ 移動体
７１ アクチュエータ
１１１、１１２、１２１、１２２ 圧電セラミック素子
１３１、１３２ 磁石
１４１ 被駆動部材
１４６ 固定部材
１５１、１５２ 駆動体
１６１ 移動体
１７１ アクチュエータ
１８１、１８２、１９１、１９２ 重錘部材
２１１、２１２、２２１、２２２ 圧電セラミック素子
２３１、２３２ 磁石
２４１ 被駆動部材
２４６ 固定部材
２５１、２５２ 駆動体
２６１ 移動体
２７１ 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の各々の一端が接続された磁石とを備えた駆動部材と、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の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、
一方の電気機械変換素子の変位の振動による前記移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による前記移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
重錘部材を介して、前記磁石と前記被駆動部材が固定されてなることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記磁石が、直方体の磁石からなることを特徴とする請求項１〜２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３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アクチュエータを用いた位置決め装置。
【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の各々の一端が接続された磁石とを備えた駆動部材と、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の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、
一方の電気機械変換素子の変位の振動による前記移動体の共振周波数ｆｒｘと他方の電気機械変換素子の変位の振動による前記移動体の共振周波数ｆｒｙが５％以上異なることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
重錘部材を介して、前記磁石と前記被駆動部材が固定されてなることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記磁石が、直方体の磁石からなることを特徴とする請求項１〜２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３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アクチュエータを用いた位置決め装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２１３５３７（Ｐ２０１０−２１３５３７Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５９５９２（Ｐ２００９−５９５９２）
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【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９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【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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