JP2001231275A

JP2001231275A - 振動アクチュエータを用いた位置決め装置

Info

Publication number: JP2001231275A
Application number: JP2000038562A
Authority: JP
Inventors: Kazuyasu One; 一泰大根
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】既存の超音波アクチュエータを用いた光ファ
イバ切換装置は、小型化及び、可動ステージの整定時間
の短縮化、さらには可動ステージの位置決め精度向上を
いずれも図れない。【解決手段】案内部材３２と、案内部材３２により直
線的に移動自在に支持される可動ステージ３３と、可動
ステージ３３の移動方向と略直交する加圧方向へ可動ス
テージ３３を加圧することにより可動ステージ３３との
間で相対運動を発生する振動子３９を有する超音波アク
チュエータ３４とを備える位置決め装置３０である。可
動ステージ３３が、加圧方向に略平行な方向へ延設され
た搭載面３３ｂを有するとともに、可動ステージ３３の
位置を検出する位置検出装置３５の検出部３５ｂが、搭
載面３３ｂに直交して搭載面３３ｂに設けられる。これ
により、可動ステージ３３に微小振動が発生していて
も、検出部３５ｂからの検出値に含まれる誤差が抑制さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動アクチュエー
タを用いた位置決め装置に関する。具体的には、本発明
は、例えば光ファイバ等の情報伝送路の切換装置に適用
するのに好適な、例えば超音波アクチュエータ等の振動
アクチュエータを用いた位置決め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、光ファイバや電気的な信号線さ
らには磁気的な信号線等といった各種の情報伝送路を切
り替えるために、情報伝送路切換装置が用いられる。こ
の情報伝送路切換装置は、一般的に、入力側の情報伝送
路及び出力側の情報伝送路それぞれの端部に設けられた
切換端子同士を、所定距離だけ離して互いに対向配置さ
せること（以下、本明細書では「軸芯合わせ」とい
う。）により、入力側の情報伝送路から出力側の情報伝
送路への情報の伝送を行う。従来、この情報伝送路切換
装置において切換端子を駆動させるための切換端子駆動
機構には、電気的なステップモータや、サーボモータと
リニアステージとの組合せ、さらには電磁石とリニアス
テージとの組合せ等が、用いられてきた。

【０００３】しかし、これらの切換端子駆動機構に用い
られる電気的なステップモータ等の開発は既に尽くされ
た感があり、その寸法や重量の点でよりいっそうの小型
化や軽量化を図ることは難しかった。このため、情報伝
送路切換装置の全体の小型化や軽量化も、殆ど限界に達
していた。

【０００４】そこで、特開平６−３４８９７号公報に
は、切換端子駆動機構に超音波アクチュエータを用いる
ことが提案されている。図７は、この公報により開示さ
れた情報伝送路切換装置１の構成を示す説明図であっ
て、図７（Ａ）は全体の構成を示す斜視図、図７（Ｂ）
は図７（Ａ）における出力側ホルダ５を抽出して示す斜
視図、図７（Ｃ）は出力側ホルダ５の内部を走行する端
末部品８を示す説明図である。

【０００５】図７（Ａ）に示すように、この情報伝送路
切換装置１は、入力側の情報伝送路２を支持する入力側
ホルダ３と、出力側の情報伝送路４を支持する出力側ホ
ルダ５と、入力側の情報伝送路２及び出力側の情報伝送
路４それぞれの先端に設けられた切換端子同士（図示し
ない。）の軸芯合わせを行う位置合わせ装置６とを有す
る。入力側ホルダ３及び出力側ホルダ５それぞれの内部
には、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、情報伝
送路２、４の延設方向へ向けて開口した複数の移動スペ
ース７が設けられる。図７（Ｃ）に示すように、各移動
スペース７の内部には、超音波振動を発生する圧電セラ
ミックス９ａ〜９ｄが四隅に配置された直方体型の端末
部品８が移動スペース７の内面に加圧接触した状態で配
置される。そして、端部から離れた中間部を端末部品８
によって支持された情報伝送路２、４が各移動スペース
７を貫通する。

【０００６】各圧電セラミックス９ａ〜９ｄは、適当な
駆動信号を入力されることにより、超音波振動を発生す
る。これにより、端末部品８は、情報伝送路２、４の中
間点を支持しながら、図７（Ａ）における両矢印方向へ
移動する。端末部品８の移動に伴って、情報伝送路２、
４の先端に設けられた切換端子も移動する。そして、情
報伝送路２、４の先端に設けられた切換端子同士の軸芯
合わせが、位置合わせ装置６の内部で行われる。この軸
芯合わせにより、情報伝送路２の切換端子と、情報伝送
路４の切換端子とは、数μｍ程度の位置合わせ誤差の範
囲内で対向配置される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この情報伝送路切換装
置１では、入力側の情報伝送路２および出力側の情報伝
送路４それぞれの中間点を、端末部品８により支持す
る。しかし、各情報伝送路２、４は一般的に可撓性を有
するため、情報伝送路２、４の中間点から各切換端子が
装着される情報伝送路２、４の端部までの間で情報伝送
路２、４が屈曲変形してしまう。このため、この情報伝
送路切換装置１では、切換端子同士を数μｍ程度の位置
合わせ誤差の範囲内で対向配置させるためには、位置合
わせ装置６は不可欠であった。

【０００８】また、停止時に、端末部品８自体は所定の
位置で確かに停止するものの、各切換端子は、いずれ
も、端末部品８により支持される中間点から離れている
ため、位置合わせ装置６の内部において切換端子を支持
する部材（図示しない。）にブレーキ機構を設けて、所
定の位置で正確に停止させる必要もあった。

【０００９】このように、図７に示す従来の情報伝送路
切換装置１は、停止時にはその位置で保持される自己保
持性や高精度の位置決め性を有する超音波アクチュエー
タを用いているにもかかわらず、切換端子の位置合わせ
装置６が不可欠であったり、切換端子を支持する部材に
ブレーキ機構を設ける必要があった。このため、この超
音波アクチュエータを用いた情報伝送路切換装置１に
は、よりいっそうの小型化や軽量化を図る余地があっ
た。

【００１０】そこで、本出願人は、先に特願平１１−２
０３３６９号により、超音波アクチュエータを用いた情
報伝送路切換装置を提案した。なお、この提案にかかる
装置は本願出願時には未だ未公開である。図８は、この
提案にかかる情報伝送路切換装置１０の構成例を、一部
破断した状態で示す斜視図である。

【００１１】この情報伝送路切換装置１０は、入力側の
情報伝送路１１ａの端部に設けられる切換端子１１と、
出力側の情報伝送路１２ａの端部に設けられる切換端子
１２と、切換端子１１を支持しながら、これらを略平行
に相対移動させ、情報伝送時には切換端子１１および切
換端子１２を対向配置させる超音波アクチュエータを用
いた切換端子駆動機構１４とを備える。

【００１２】この超音波アクチュエータ１３は、収容枠
１５ａおよび基板１５ｂを有するベース部材１５と、コ
イルスプリング１６および振動子支持部材１７を有し収
容枠１５ａによって支持される加圧支持機構１８と、矩
形平板状の弾性体１９ａ及び圧電素子１９ｂを有して１
次の縦振動及び４次の屈曲振動を励振する振動子１９
と、レール部材２１ａ及びガイド部材２１ｂを有して移
動子２０を直線的に移動自在に支持するリニアガイド２
１とを備え、振動子１９と移動子（相対運動部材）２０
との間で相対運動を発生する。切換端子１１は移動子２
０に固定されるとともに、切換端子１２は基板１５ｂに
固定される。なお、この振動子１９は、例えば「第５回
電磁力関連のダイナミックスシンポジウム講演論文集」
の３９３頁等により開示された、いわゆる異形モード縮
退型の振動子である。

【００１３】この情報伝送路切換装置１０は、超音波ア
クチュエータ１３の構成要素である基板１５ｂに移動子
１２を直接固定するとともに移動子２０に切換端子１１
を直接固定するため、切換端子１１、１２の専用の位置
合わせ機構やブレーキ機構を設ける必要がない。このた
め、図７に示す情報伝送路切換装置１よりも充分に小型
化や軽量化を図ることができる。また、この情報伝送路
切換装置１０は、超音波アクチュエータ１３が優れた起
動停止特性を有することから、電磁モータを用いた情報
伝送路切換装置よりも、整定時間が短縮化されることも
期待される。

【００１４】しかし、本発明者は、情報伝送路切換装置
のより一層の性能向上を図るためにさらに検討を重ねた
結果、この情報伝送路切換装置１０には以下に列記する
課題があることがわかった。

【００１５】（課題１）情報伝送路切換装置１０は、図
８に示すように、上方から下方に向けて順に、収容枠１
５ａ、加圧支持機構１８、振動子１９、移動子２０、切
換端子１１、１２および基板１５ｂを有する。このた
め、振動子１９と移動子２０との加圧方向と平行な方向
（図８におけるＺ方向）への寸法が大きくなってしま
い、間口の狭い設置スペースに本切換装置１０を載置す
ることは困難である。このため、適用可能な搭載機器が
相当限られてしまう。

【００１６】（課題２）縦振動及び屈曲振動を組み合わ
せた異形モード縮退型の振動子１９を有する超音波アク
チュエータ１３は、振動子１９に発生した縦振動を屈曲
振動により移動子２０へ断続的に伝播する機能（以下、
本明細書では「クラッチ機能」という。）を有するた
め、移動子２０は、いわば、屈曲振動により振動子１９
によって断続的に叩かれている状態にある。このため、
移動子２０は、振動子１９により叩かれることによる衝
撃力によってその固有振動数で振動し、さらに、移動子
２０を固定する部材等もそれらの固有振動数で振動す
る。特に、リニアガイド２１等の剛性が高くない場合、
超音波アクチュエータのクラッチ機能に起因した移動子
２０等の振動が顕著に発生してしまう。

【００１７】一方、一般的に、光ファイバの切換装置で
は、軸芯合わせの位置精度は±１μｍ程度の高精度が要
求される。このため、この情報伝送路切換装置１０で
は、移動子２０等の振動に起因して、例えば光ファイバ
の軸芯合わせを短時間で高精度の位置決めを行うことが
できないおそれがある。位置決め精度を上げるには、移
動子２０の振動が収まるまで待つ必要があり、これで
は、位置決めに長時間を要し、光ファイバの切換装置と
して要求される性能を満足できないおそれがある。

【００１８】このため、この情報伝送路切換装置１０を
光ファイバの切換装置に適用するには、よりいっそうの
位置決め精度を短時間で行う必要がある。

【００１９】本発明の第１の目的は、薄型であること、
特に一方向への寸法が小さいことから間口の狭い設置ス
ペースにも設置することができる、例えば超音波アクチ
ュエータ等の振動アクチュエータを用いた位置決め装置
を提供することである。また、本発明の第２の目的は、
振動子が発生する振動に起因した位置決め精度の低下
や、位置決めの長時間化を抑制し、例えば光ファイバの
切換装置にも適用可能な高精度の位置決めを、短い整定
時間で行うことができる位置決め装置を提供することで
ある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、案
内部材と、案内部材により直線的に移動自在に支持され
る可動ステージと、可動ステージの移動方向と略直交す
る加圧方向へ可動ステージを加圧することにより可動ス
テージとの間で相対運動を発生する振動子を有する振動
アクチュエータとを備え、可動ステージが、加圧方向に
略平行な方向へ延設され被移動部材を搭載する搭載部を
有するとともに、可動ステージの位置を検出する位置検
出装置の検出部が、搭載部の搭載面に交差した面上で搭
載部に設けられることを特徴とする振動アクチュエータ
を用いた位置決め装置を提供する。

【００２１】請求項２の発明は、請求項１に記載された
振動アクチュエータを用いた位置決め装置において、案
内部材が、直線状のレール部材と、可動ステージに固定
されるガイド部材とを有することを特徴とする。

【００２２】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載された振動アクチュエータを用いた位置決め装置
において、振動子が、移動方向へ離れて設けられた少な
くとも二つの駆動力取出部を有し、少なくとも二つの駆
動力取出部を介して可動ステージに接触することを特徴
とする。

【００２３】さらに、請求項４の発明は、請求項１から
請求項３までのいずれか１項に記載された振動アクチュ
エータを用いた位置決め装置において、振動子が、移動
方向と平行な方向へ振動する第１の振動と、加圧方向と
平行な方向へ振動する第２の振動とを励振することを特
徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる振動アクチ
ュエータを用いた位置決め装置の実施の形態を、添付図
面を参照しながら詳細に説明する。なお、以降の実施の
形態は、振動アクチュエータが超音波の振動域を利用し
た超音波アクチュエータである場合を例にとって、説明
する。

【００２５】図１は、本実施形態の位置決め装置３０
を、一部簡略化するとともに省略して示す斜視図であ
る。また、図２は、図１におけるＡ矢視図である。さら
に、図３は、図１におけるＢ矢視図である。

【００２６】図１〜図３に示すように、本実施形態の位
置決め装置３０は、ベース基板３１と、案内部材３２
と、可動ステージ３３と、超音波アクチュエータ３４
と、位置検出装置３５と、固定ステージ３６とを有す
る。以下、位置決め装置３０のこれらの構成要素を順次
説明する。

【００２７】〔ベース基板３１〕ベース基板３１は、位
置決め装置３０の各構成要素を搭載して固定する。ベー
ス基板３１には、超音波アクチュエータ３４を搭載する
第１搭載面３１ａと、案内部材３２を搭載する第２搭載
面３１ｂと、位置検出装置３５及び固定ステージ３６を
ともに搭載する第３搭載面３１ｃとが、段差状に形成さ
れている。

【００２８】ベース基板３１は、これらの各構成要素を
搭載するのに充分な剛性を有する材料により構成すれば
よく、特定の材料には限定されない。本実施形態のベー
ス基板３１は、以上のように構成される。

【００２９】〔案内部材３２〕ベース基板３１には、案
内部材３２が搭載される。本実施形態では、案内部材３
２として、レール部材３２ａとガイド部材３２ｂとを有
する、いわゆるリニアガイドを用いた。

【００３０】レール部材３２ａは、図３に示すような異
形断面形状を有し、直線状に形成される。また、レール
部材３２ａは、ベース基板３１の第２搭載面３１ｂに敷
設される。また、ガイド部材３２ｂは可動ステージ３３
の裏面に、可動ステージ３３を貫通する４本のねじ３７
によりねじ止めされる。このため、ガイド部材３２ｂは
レール部材３２ａの敷設方向へ直線的に往復移動自在に
配置される。したがって、可動ステージ３３も、レール
部材３２ａの敷設方向へ往復移動自在に支持される。本
実施形態の案内部材３２は、以上のように構成される。

【００３１】〔可動ステージ３３〕可動ステージ３３
は、例えばアルミニウム合金のような軽金属材料により
軽量に構成される。本実施形態では、この可動ステージ
３３は、振動子３９が接触する第１の平面である振動子
接触面３３ａと、振動子接触面３３ａと略直交する第２
の平面である搭載面３３ｂとを有し、図３に示すよう
に、Ｌ字状に屈曲して形成される。このため、相対運動
の方向に対しての垂直な面を断面として見たときの断面
二次モーメントが大きく、振動子接触面３３ａの剛性が
高い。したがって、振動子接触面３３ａは、振動子３９
が発生する第２の振動である屈曲振動Ｂ４による加圧力
を垂直に受けても、変形し難い。これにより、搭載面３
３ｂには、振動子３９が発生する振動に起因した振動が
発生し難い構造となっている。

【００３２】振動子接触面３３ａの振動子３９との接触
面は、振動子３９との接触状態を安定に保ち、振動子３
９が発生する駆動力を効率的に受けるために、ラップ加
工による鏡面仕上を行われている。

【００３３】一方、搭載面３３ｂは、振動子３９の加圧
方向、すなわち屈曲振動Ｂ４の振動方向と平行な方向へ
向けて延設されている。振動子３９及び可動ステージ３
３の加圧方向と直交する方向への寸法を抑制できる。

【００３４】この搭載面３３ｂの下面の略中央部には、
前述したように、４本のねじ３７によってガイド部材３
２ｂが固定される。このため、可動ステージ３３は、レ
ール部材３２ａの敷設方向へ往復移動自在に支持され
る。

【００３５】本実施形態では、搭載面３３ｂには、光フ
ァイバ３８ａの切換端子３８が搭載される。この切換端
子３８は、例えば樹脂材料により直方体状に形成され、
入力側の光ファイバ３８ａの端部を貫通させた状態で固
定されて、装着される。

【００３６】本実施形態では、光ファイバ３８ａとし
て、中心部に設けられた屈折率がｎ₁であるコアと、コ
アの外周に設けられた屈折率がｎ₂ （ｎ₂ ＜ｎ₁ ）のク
ラッディングと、クラッディングの外周に設けられたコ
アやクラッディングに比較して格段に光吸収の多い材料
からなるジャケットとを有するステップ形光ファイバを
用いた。本実施形態の可動ステージ３３は、以上のよう
に構成される。

【００３７】〔超音波アクチュエータ３４〕超音波アク
チュエータ３４は、振動子３９及び振動子固定部材４０
を有する。以下、これらについて順次説明する。

【００３８】（ｉ）振動子３９図４は、本実施形態における振動子３９の構成を示す斜
視図である。また、図５は、振動子３９の説明図であ
り、図５（Ａ）は上面図、図５（Ｂ）は側面図、図５
（Ｃ）は振動子３９に発生する二つの異なる振動Ｌ１及
びＢ４それぞれの波形例を示す説明図である。

【００３９】図１〜図５にそれぞれ示すように、本実施
形態で用いる振動子３９は、弾性体４１と、弾性体４１
の一方の平面に装着された圧電体４２とを備える。

【００４０】弾性体４１は、例えば鉄鋼、ステンレス
鋼、リン青銅又はエリンバー材等といった共振先鋭度が
大きな金属材料により構成されることが望ましく、矩形
平板状に形成される。また、弾性体４１の各部の寸法
は、発生する１次の縦振動Ｌ１及び４次の屈曲振動Ｂ４
それぞれの固有振動数ｆ_L1、f _B4が略一致するように、
設定される。

【００４１】弾性体４１の一方の平面には、圧電体４２
が例えば接着により装着される。また、弾性体４１の他
方の平面には、弾性体４１の幅方向に２本の溝部が相対
運動方向（図２、図４及び図５それぞれにおける左右方
向）に関して所定距離だけ離れて設けられる。これらの
溝部に、横断面形状が矩形である各棒型の、高分子材等
を主成分とした摺動部材が嵌め込まれて装着され、突起
状に突出して装着される。高分子材としては、ＰＴＦ
Ｅ、ポリイミド樹脂、ポリアセタール、ＰＰＳさらには
ＰＥＥＫ等の高分子材料が例示される。

【００４２】そして、この摺動部材が駆動力取出部４３
ａ、４３ｂとして機能する。したがって、弾性体４１は
これら摺動部材からなる駆動力取出部４３ａ、４３ｂを
介して、可動ステージ３３の振動子接触面３３ａに加圧
接触する。

【００４３】また、図３に示すように、各駆動力取出部
４３ａ、４３ｂは、いずれも、振動子３９の幅方向に二
つに分割され、分割されたそれぞれの駆動力取出部４３
ａ、４３ａ’、４３ｂ、４３ｂ’が振動子３９の幅方向
の端部側に配置される。このように、本実施形態では、
各駆動力取出部４３ａ、４３ｂは、それぞれが２個の摺
動材により構成される。

【００４４】これらの駆動力取出部４３ａ、４３ｂは、
図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に示すように、弾性体４１に
発生する４次の屈曲振動Ｂ４の４つの腹位置ｌ₁ 〜ｌ₄
のうちの外側に位置する二つの腹位置ｌ₁ 、ｌ₄ に一致
する位置にそれぞれ設けられる。なお、駆動力取出部４
３ａ、４３ｂは、屈曲振動Ｂ４の二つの腹位置ｌ₁ 、ｌ
₄ に正確に一致する位置に設けられる必要はなく、これ
らの腹位置ｌ₁ 、ｌ₄の近傍に設けられていてもよい。

【００４５】圧電体４２は、本実施形態ではＰＺＴ（チ
タンジルコン酸鉛）からなる一枚の薄板状の圧電素子に
より構成される。この圧電体４２には、図４及び図５に
示すように、Ａ相の駆動信号Ｖ_A が入力される入力領域
４２ａ、４２ｃと、Ａ相の駆動信号とは位相が約（π／
２）ずれたＢ相の駆動信号Ｖ_B が入力される入力領域４
２ｂ、４２ｄとが形成される。各入力領域４２ａ〜４２
ｄは、いずれも、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示すよう
に、弾性体４１に発生する屈曲振動Ｂ４の５つの節位置
ｎ₁ 〜ｎ₅ により区画された４つの領域に連続して形成
される。すなわち、駆動信号の入力により変形する各入
力領域４２ａ〜４２ｄが、いずれも、不動点である節位
置ｎ₁ 〜ｎ₅ を跨がない。そのため、入力領域４２ａ〜
４２ｄの変形が節位置ｎ₁ 〜ｎ₅ によって抑制されるこ
とがない。これにより、各入力領域４２ａ〜４２ｄに入
力された電気エネルギを最大の効率で弾性体４１の変
形、すなわち機械エネルギへ変換することができる。

【００４６】また、屈曲振動Ｂ４の節位置ｎ₂ 、ｎ₄ に
は、振動子３９が発生する縦振動Ｌ１により電気エネル
ギを出力する検出領域４２ｐ、４２ｐ’が設けられる。
これにより、振動子３９が発生する縦振動Ｌ１の振動状
態がモニタされる。

【００４７】そして、図４、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）
に示すように、各入力領域４２ａ〜４２ｄと各検出領域
４２ｐ、４２ｐ’とは、それぞれの表面を、銀電極４４
ａ〜４４ｄ、４４ｐ、４４ｐ’により覆われる。これに
より、各入力領域４２ａ〜４２ｄへ独立して駆動信号を
入力したり、各検出領域４２ｐ、４２ｐ’から独立して
検出信号を出力することができる。なお、図面を簡略化
して理解を容易にするため、図１〜図３では、いずれ
も、銀電極４４ａ〜４４ｄ、４４ｐ、４４ｐ’は省略し
てある。

【００４８】各銀電極４４ａ〜４４ｄには、電気エネル
ギの授受を行うためのリード線４５ａ〜４５ｄが半田付
けされて接続され、また、銀電極４４ｐ、４４ｐ’に
は、同じくリード線（図示しない。）が半田付けされて
接続されている。

【００４９】本実施形態では、振動子３９の両側面の長
手方向の中央部に、それぞれ、貫通孔を有する支持用突
起部４６ａ、４６ｂが設けられている。この支持用突起
部４６ａ、４６ｂの形成位置は、振動子３９が発生する
縦振動Ｌ１及び屈曲振動Ｂ４それぞれの節位置であるた
め、支持に伴う振動の減衰が最小限に抑制される。

【００５０】なお、本実施形態では、図５（Ａ）に示す
ように、振動子３９はその平面の中央部を中心として点
対称となるように、形成される。これにより、各駆動力
取出部４３ａ、４３ａ’、４３ｂ、４３ｂ’に発生する
楕円運動を略同じ形状とすることができ、相対運動方向
の反転に伴う駆動差が殆ど解消される。

【００５１】図６を参照しながら後述するように、位置
決め装置３０の駆動制御装置６１から、圧電体４２の入
力領域４２ａ、４２ｃには、縦振動Ｌ１及び屈曲振動Ｂ
４それぞれの固有振動数に一致した周波数を有するＡ相
の駆動信号Ｖ_A が入力される。また、入力領域４２ｂ、
４２ｄには、Ａ相の駆動信号とは（π／２）の位相差を
有するＢ相の駆動信号Ｖ_B が入力される。すると、図５
（Ｃ）に示すように、弾性体４１には、相対運動方向
（図５における左右方向）へ振動する第１の振動である
１次の縦振動Ｌ１と、この相対運動方向に直交する上下
方向、すなわち振動子３９と可動ステージ３３との加圧
方向に平行な方向へ振動する第２の振動である４次の屈
曲振動Ｂ４とが同時に発生する。

【００５２】発生した縦振動Ｌ１と屈曲振動Ｂ４とは合
成されて、駆動力取出部４３ａ、４３ａ’と駆動力取出
部４３ｂ、４３ｂ’とには、図５（Ｂ）に例示するよう
に、互いの位相がπずれた楕円運動がそれぞれ発生す
る。これにより、振動子３９は加圧接触する可動ステー
ジ３３との間で、縦振動Ｌ１の振動方向への相対的な直
線運動を発生する。なお、相対運動方向を逆向きにする
には、Ｂ相の駆動信号が、Ａ相の駆動信号に対して（−
π／２）の位相差を有するように設定すればよい。

【００５３】このように、本実施形態の振動子３９は、
相対運動の方向へ振動する第１の振動である縦振動Ｌ１
と、この第１の振動の振動方向と直交する方向へ振動す
る第２の振動である屈曲振動Ｂ４とを励振することによ
り、可動ステージ３３との間で直線的な相対運動を発生
する、いわゆる異形モード縮退型の振動子である。

【００５４】（ｉｉ）振動子固定部材４０図１〜図３に示すように、振動子固定部材４０は、固定
ブロック４７と、加圧部材４８と、支持部材４９とを有
する。

【００５５】固定ブロック４７は、ベース基板３１にね
じ止めされるブロック体である。固定ブロック４７の内
部には、振動子３９の加圧方向（図２における上下方
向）に貫通した装着部が設けられており、この装着部
に、ねじ部４８ｂ及び加圧部材であるコイルスプリング
４８ａが設けられ、コイルスプリング４８ａの先端に加
圧端子４８ｃが設けられている。この加圧端子４８ｃの
先端が振動子３９の中央部に当接する。このため、振動
子３９は、コイルスプリング４８ａが発生するばね力に
より、加圧端子４８ｃにより加圧される。このため、振
動子３９の駆動力取出部４３ａ〜４３ｂ’と可動ステー
ジ３３の振動子当接面３３ａとが適当な加圧力で加圧接
触する。

【００５６】なお、ねじ部４８ｂのねじ込み位置を変更
することにより、コイルスプリング４８ａが発生するば
ね力が変更される。これにより、振動子３９の駆動力取
出部４３ａ〜４３ｂ’と可動ステージ３３の振動子当接
面３３ａとの間の加圧力を、適宜変更することができ
る。

【００５７】固定ブロック４７の振動子３９側の平面に
は、支持部材４９が設けられる。本実施形態では、支持
部材４９は、２本の支持ピン４９ａ、４９ｂを有する。
支持ピン４９ａ、４９ｂは、振動子３９に形成された支
持用突起部４６ａ、４６ｂにそれぞれ設けられた二つの
貫通孔の間の間隔と同じ距離だけ離れて、固定ブロック
４７に適宜手段により固定される。また、支持ピン４９
ａ、４９ｂは、支持用突起部４６ａ、４６ｂにそれぞれ
設けられた二つの貫通孔に、隙間を有して嵌まり合う。

【００５８】このように、振動子３９は、加圧部材４８
により可動ステージ３３へ加圧されるとともに、支持部
材４９により加圧部材４８の加圧方向へは変位自在であ
るとともに相対運動の方向には拘束されて、固定ブロッ
ク４７に支持される。本実施形態の超音波アクチュエー
タ３４は、以上のように構成される。

【００５９】〔位置検出装置３５〕ベース基板３１に
は、可動ステージ３３の位置検出装置３５が設けられ
る。本実施形態では、位置検出装置として、発光及び受
光を行う本体３５ａと、スケールを形成されて検出部を
構成する反射板３５ｂとを有する反射型の光学式リニア
エンコーダを用いた。

【００６０】本体３５ａは、ベース基板３１に適宜手段
により固定される。一方、本実施形態では、反射板３５
ｂは、可動ステージ３３の端面に、搭載面３３ｂに直交
するようにして、設けられる。

【００６１】このエンコーダ３５により、可動ステージ
３３の現位置が検出される。検出値は、位置決め装置３
０の駆動制御装置６１へ出力され、超音波モータ３４の
駆動状態が制御される。本実施形態の位置検出装置３５
は、以上のように構成される。

【００６２】〔固定ステージ３６〕ベース基板３１に
は、固定ステージ３６が適宜手段により固定される。そ
して、この固定ステージ３６の上面に、４本の光ファイ
バ５０ａそれぞれの４つの切換端子５０が、光ファイバ
３８ａの切換端子３８と同じ設置高さになるようにして
搭載される。各切換端子５０は、いずれも、例えば樹脂
材料により直方体状に形成され、４本の光ファイバ５０
ａの端部をそれぞれ貫通させた状態で固定されて、装着
される。切換端子５０それぞれの一つの端面には、各光
ファイバ５０ａの端面が同一平面をなして、配置され
る。この光ファイバ５０ａは、光ファイバ３８ａと同様
に、ステップ形光ファイバである。

【００６３】なお、図１〜図３では、図面を簡略化して
理解を容易にするために、切換端子５０が４つ並設され
た場合を示すが、本発明はこれに限られるものではな
く、２つ、３つ又は５つ以上の切換端子が並設された場
合にも、同様に適用される。本実施形態の固定ステージ
３６は、以上のように構成される。

【００６４】図６は、本実施形態の位置決め装置３０の
駆動制御装置６１の一例を示すブロック図である。

【００６５】制御部６７からの指令により、駆動制御装
置６１の発振器６２から、振動子３９の縦振動Ｌ１及び
屈曲振動Ｂ４それぞれに相当する高周波の駆動信号が、
出力される。発振器６２からの出力は移相器６３によっ
て位相が（π／２）異なる二種の信号に分岐されて、駆
動信号切換器６４に入力される。駆動信号切換器６４
は、振動子３９の駆動状態（粗動、微動）に応じて、１
種又は２種の信号を出力する。すなわち、駆動信号切換
器６４は、粗動駆動時及び微動駆動時それぞれの駆動信
号の伝達方法を、粗動駆動時には移相器６３からの二つ
の駆動信号が各入力領域４２ａ〜４２ｄに入力されるよ
うに、また微動駆動時には移相器６３からの二つの駆動
信号のうちの一方が入力領域４２ａ、４２ｃまたは入力
領域４２ｂ、４２ｄに入力されるように、切り替える。

【００６６】駆動信号切換器６４からの一方の出力は増
幅器６５によって増幅された後に、Ａ相の駆動信号Ｖ_A
として入力領域４２ａ、４２ｃの銀電極４４ａ、４４ｃ
へ印加される。また、他方の出力は増幅器６６によって
増幅された後に、Ｂ相の駆動信号Ｖ_B として入力領域４
２ｂ、４２ｄの銀電極４４ｂ、４４ｄへ印加される。こ
れにより、振動子３９は励振し、駆動力取出部４３ａ〜
４３ｂ’を介して加圧接触する可動ステージ３３を、直
線的に駆動する。

【００６７】本実施形態では、エンコーダ３５により直
線的に移動する可動ステージ３３の位置が検出され、エ
ンコーダ３５からの検出値が制御部６７に入力される。
制御部６７は、この検出値の値に応じて、駆動信号切換
器６４に制御信号Ｓ₁ を出力して振動子３９の駆動状態
を粗動及び微動の２段階に切り替えるとともに、発振器
６２に制御信号Ｓ₂ を出力する。これにより、振動子３
９の振動振幅が所定の大きさに制御される。

【００６８】なお、制御部６７には、検出領域４２ｐ、
４２ｐ’からの出力電圧も入力されるようにしてもよ
い。この場合、制御部６７は、予め設定されていた基準
電圧と各検出領域４２ｐ、４２ｐ’からの出力電圧とを
比較して、検出領域４２ｐ、４２ｐ’からの出力電圧の
ほうが小さいときには周波数を低くするように、発振器
６２を制御する。一方、制御部６７は、検出領域４２
ｐ、４２ｐ’からの出力電圧のほうが大きいときには周
波数を高くするように、発振器６２を制御する。

【００６９】次に、可動ステージ３３の駆動を、駆動制
御装置６１からの各種の命令とともに説明する。

【００７０】可動ステージ３３の位置をある位置から所
望の位置に移動する場合、駆動制御装置６１の制御部６
７は、発振器６２及び切換器それぞれに、粗動駆動状態
になる信号Ｓ₁ を出力する。つまり、発振器６２には超
音波アクチュエータ３４の共振点から離れた周波数から
共振点に近い周波数に掃引させるように命令する。これ
により、可動ステージ３３は、速度ゼロの状態から速い
速度で駆動される。これと同時に、駆動信号切換器６４
には、入力領域４２ａ、４２ｃ及び入力領域４２ｂ、４
２ｄともに駆動信号を印加するように、切換えを選択さ
せる。

【００７１】そして、エンコーダ３５からの信号により
所望の位置に近付いたことが制御部６７に伝達される
と、制御部６７は発振器６２に周波数を共振点から離す
ように指令し、これにより、振動子３９の駆動力は無く
なり、可動ステージ３３は、速い速度から速度が瞬時に
遅くなり、停止する。この停止を、本明細書では、「粗
動停止」という。

【００７２】可動ステージ３３が粗動停止した後、制御
部６７は、エンコーダ３５からの信号に基づいて、可動
ステージ３３の現位置と所望位置との偏差を求める。そ
して、可動ステージ３３の現位置と所望の位置との偏差
が許容範囲を超えている場合、発振器６２及び駆動信号
切換器６４それぞれに微動駆動状態になるように命令
し、可動ステージ３３の現位置と所望の位置との偏差が
許容範囲内になるまで微動を行う。つまり、発振器６２
にはある値の周波数を間欠的に印加する。間欠信号は、
高周波信号をＢＨ時間印加した後にＢＬ時間印加しない
という周期ＢＴのバースト信号である。

【００７３】これと同時に、駆動信号切換器６４には、
入力領域４２ａ、４２ｃ及び入力領域４２ｂ、４２ｄの
うちの一方に駆動信号を印加するように、切換えを選択
させる。例えば図４では、可動ステージ３３を左方向へ
微動駆動させる時には入力領域４２ａ、４２ｃに駆動信
号を入力し、一方、右方向へ微動駆動させる時には入力
領域４２ｂ、４２ｄに駆動信号を印加する。

【００７４】これにより、可動ステージ３３は、粗動停
止した後に、再度微小駆動され、最終的に所望の停止許
容範囲に高精度に停止する。

【００７５】しかし、粗動停止時に、可動ステージ３３
は、リニアガイド３２の剛性の低さや、高分子材料から
なる駆動力取出部４２ａ〜４２ｂ’の変形、さらには自
身のイナーシャ等といった様々な要因により、移動方向
に関してピッチング、ローリングさらにはヨーイング等
の様々な微小振動を複合して発生する。そのため、粗動
停止した後に直ちにエンコーダ３５からの検出信号を用
いて可動ステージ３３の現位置を求めると、粗動停止時
に可動ステージ３３に発生している微小振動により、エ
ンコーダ３５からの検出値には大きな検出誤差が含まれ
てしまい、その後に微小駆動を行っても、最終的に、光
ファイバの切換装置に要求される±１μｍ程度の停止位
置精度が得られない。これを防ぐには、微小振動がなく
なるまで、エンコーダ３５からの検出信号を用いた可動
ステージ３３の現位置の検出を待つ必要があり、整定時
間が長時間化してしまう。

【００７６】しかし、本実施形態では、前述したよう
に、エンコーダ３５の反射板３５ｂを、可動ステージ３
３の端面に搭載面３３ｂに直交するようにして設けてい
る。このため、上記のピッチング、ローリングさらには
ヨーイング等の様々な微小振動の振動中心にできるだけ
近接させて反射板３５ｂを設けたことになり、エンコー
ダ３５の検出値に、粗動停止時の可動ステージ３３に発
生する微小振動に起因した誤差が発生し難くなってい
る。このため、本実施形態では、粗動停止時の可動ステ
ージ３３に上記の微小振動が発生している時に、エンコ
ーダ３５からの検出信号を用いた可動ステージ３３の現
位置の検出を行っても、可動ステージ３３の位置を正確
に検出することができ、これにより、最終的に、光ファ
イバの切換装置に要求される±１μｍ程度の停止位置精
度を得ることができる。

【００７７】このように、本実施形態によれば、以下に
列記する効果が奏せられる。（１）可動ステージ３３の搭載面を、超音波アクチュエ
ータ３４の加圧方向と平行な方向へ向けて延設させるた
め、振動子３９と可動ステージ３３との加圧方向と直交
する方向への寸法を抑制できる。このため、薄型である
ことから間口の狭い設置スペースにも設置することがで
きる、例えば超音波アクチュエータ３４を用いた位置決
め装置を提供できる。

【００７８】（２）エンコーダ３５の反射板３５ｂを、
可動ステージ３３の端面に搭載面３３ｂに直交するよう
にして設けているため、粗動停止時に直ちにエンコーダ
３５を用いて可動ステージ３５の位置検出を行っても、
その検出値の誤差が小さく抑制される。このため、例え
ば光ファイバの軸芯合わせを行うことができるような高
精度の位置決めを、短い整定時間で行うことができる。

【００７９】（変形形態）実施形態の説明では、振動ア
クチュエータが超音波アクチュエータである場合を例に
とった。しかし、本発明は超音波アクチュエータには限
定されず、超音波以外の他の振動域を利用した振動アク
チュエータについても、等しく適用される。

【００８０】また、実施形態の説明では、本発明にかか
る位置決め装置を光ファイバの切換装置に適用した場合
を例にとった。しかし、本発明は光ファイバの切換装置
には限定されず、各種の位置決め装置についても等しく
適用される。

【００８１】また、実施形態の説明では、振動子と可動
ステージとの間で発生する相対運動の方向と略平行な方
向へ振動する第１の振動である１次の縦振動と、振動子
と可動ステージとの加圧方向と略平行な方向へ振動する
第２の振動である４次の屈曲振動とを励振する異形モー
ド縮退型の振動子を用いた場合を例にとった。しかし、
本発明で用いる振動子は縦振動及び屈曲振動それぞれの
振動の次数には限定されない。例えば、１次の縦振動と
２次の屈曲振動とを励振する振動子や、１次の縦振動と
６次の屈曲振動とを励振する振動子、さらには３次の縦
振動と８次の屈曲振動とを励振する振動等も、同様に用
いることができる。

【００８２】また、本発明で用いる振動子は、縦振動及
び屈曲振動の組合せにも限定されず、この組合せ以外の
異形モード縮退型の振動子や、同形モード縮退型の振動
子であっても、同様に適用することができる。

【００８３】また、実施形態の説明では、振動子が圧電
体を備える場合を例にとった。しかし、本発明は圧電体
には限定されず、例えば電歪素子等の電気エネルギ及び
機械エネルギの相互変換素子であれば、等しく適用する
ことができる。

【００８４】また、実施形態の説明では、位置検出装置
の検出部である反射板が、可動ステージの搭載面に直交
して配置された場合を例にとった。しかし、本発明はこ
の形態には限定されず、位置決め装置の高さが許容され
る範囲で、反射板を９０度以外の角度で傾斜させて配置
してもよい。

【００８５】さらに、各実施形態は、本発明を具現化し
た一例を示したものであり、本発明の作用効果を奏する
範囲で様々な変形が可能である。

【００８６】

【発明の効果】請求項１〜請求項４の発明により、ある
一方向への寸法が小さいことから間口の狭い設置スペー
スにも設置することができるとともに、振動子が発生す
る振動に起因した位置決め精度の低下や、位置決めの長
時間化を抑制し、例えば光ファイバの切換装置にも適用
可能な高精度の位置決めを、短い整定時間で行うことが
できる、超音波アクチュエータ等の振動アクチュエータ
を用いた小型の位置決め装置を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の位置決め装置を、一部簡略化すると
ともに省略して示す斜視図である。

【図２】図１におけるＡ矢視図である。

【図３】図１におけるＢ矢視図である。

【図４】実施形態における振動子の構成を示す斜視図で
ある。

【図５】振動子の説明図であり、図５（Ａ）は上面図、
図５（Ｂ）は側面図、図５（Ｃ）は振動子３９に発生す
る二つの異なる振動Ｌ１及びＢ４それぞれの波形例を示
す説明図である。

【図６】実施形態の位置決め装置の駆動制御装置の一例
を示すブロック図である。

【図７】特開平６−３４８９７号公報により開示された
情報伝送路切換装置の構成を示す説明図であって、図７
（Ａ）は全体の構成を示す斜視図、図７（Ｂ）は図７
（Ａ）における出力側ホルダを抽出して示す斜視図、図
７（Ｃ）は出力側ホルダの内部を走行する端末部品を示
す説明図である。

【図８】本出願人が特願平１１−２０３３６９号により
提案した情報伝送路切換装置の構成例を、一部破断した
状態で示す斜視図である。

【符号の説明】

３０位置決め装置３２案内部材３３可動ステージ３３ｂ搭載面３４超音波アクチュエータ３５位置検出装置３５ｂ検出部３９振動子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】案内部材と、該案内部材により直線的に移動自在に支持される可動ス
テージと、該可動ステージの移動方向と略直交する加圧方向へ前記
可動ステージを加圧することにより前記可動ステージと
の間で相対運動を発生する振動子を有する振動アクチュ
エータとを備え、前記可動ステージは、前記加圧方向に略平行な方向へ延
設され被移動部材を搭載する搭載部を有するとともに、
前記可動ステージの位置を検出する位置検出装置の検出
部が、前記搭載部の搭載面に交差した面上で、該搭載部
に設けられることを特徴とする振動アクチュエータを用
いた位置決め装置。
【請求項２】前記案内部材は、直線状のレール部材
と、前記可動ステージに固定されるガイド部材とを有す
ることを特徴とする請求項１に記載された振動アクチュ
エータを用いた位置決め装置。
【請求項３】前記振動子は、前記移動方向へ離れて設
けられた少なくとも二つの駆動力取出部を有し、該少な
くとも二つの駆動力取出部を介して前記可動ステージに
接触することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
された振動アクチュエータを用いた位置決め装置。
【請求項４】前記振動子は、前記移動方向と平行な方
向へ振動する第１の振動と、前記加圧方向と平行な方向
へ振動する第２の振動とを励振することを特徴とする請
求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された振
動アクチュエータを用いた位置決め装置。