JP2003046159A

JP2003046159A - アクチュエータ

Info

Publication number: JP2003046159A
Application number: JP2001228519A
Authority: JP
Inventors: Koji Kosaka; 光二小坂; Kiyohiko Uozumi; 清彦魚住
Original assignee: KUMAMOTO TECHNOPOLIS FOUNDATIO; Kumamoto Technopolis Foundation; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: KUMAMOTO TECHNOPOLIS FOUNDATIO; Japan Science and Technology Agency; Kumamoto Technopolis Foundation
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】偏平な圧電素子を積重ねる必要がなく、構造が
簡潔で、製造工程が少なく、接着剤による接着を必要と
せず、高能率の非共振型超音波モータを応用したアクチ
ュエータを提供する。【解決手段】円筒状圧電素子２０から成る駆動脚を用
い、この圧電素子２０の内側の表面に共通電極２２を形
成するとともに、外周面上に円周方向に分割された複数
の駆動電極２３を形成し、複数の駆動電極２３に同じ電
圧を印加したときの圧電素子２０の伸縮と、複数の駆動
電極２３に逆極性の電圧を印加したときのこの圧電素子
２０の湾曲との組合わせを利用して可動部を送るように
したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアクチュエータに係
り、とくに可動側を構成する可動部を固定側に対して所
定の方向に送るようにしたアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】特公平３−８１１１９号公報によってい
わゆる非共振型超音波モータから成る送り装置が提案さ
れている。この送り装置は伸縮変形部と剪断変形部とを
備える駆動脚によって可動子を送るようにしたものであ
る。上記伸縮変形部を伸長させて剪断変形部の先端を可
動側または固定側に接触させた状態で上記剪断変形部を
剪断変形させると、固定側に対して可動側が剪断変形量
に相当するストロークだけ送られる。そしてこの後に上
記伸縮変形部を収縮させて駆動脚の先端を可動側または
固定側から離間させた状態で剪断変形部を逆方向に剪断
変形させる。このような動作を少なくとも一対の駆動脚
について繰返すことにより、可動側を固定側に対して剪
断変形の方向または逆方向に送ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のこのような非共
振型超音波モータにおいて、駆動脚を構成する伸縮変形
部および剪断変形部は何れもスタック式の圧電素子から
構成されており、板状をなす圧電素子を何段にも重合わ
せるとともに接着剤によって接着して所定の寸法として
いた。

【０００４】従ってこのような従来の構造によれば、駆
動脚を組立るために板状の圧電素子を複数段積重ねると
ともに、互いに接着しなければならず、しかもそれぞれ
の圧電素子の電極に対して電圧を印加するための配線を
必要としていた。従って構造が複雑になり、製造工数を
要する問題があった。またこのような駆動脚から成る非
共振型超音波モータを真空雰囲気中で使用すると、上記
接着剤が気化してワークに付着する等の不具合が発生す
る問題があった。

【０００５】また上記駆動脚の伸縮変形部は電極間の厚
さ方向に分極するために、脱分極し難く、また脱分極し
ても電極間に電圧を印加することによって再分極が行な
われる。これに対して剪断駆動脚は電極間の厚さ方向と
直交する方向に分極するために、使用すると次第に脱分
極するとともに、再分極が難しい問題があった。

【０００６】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、構造が簡潔で製造工数が少なく、真空
雰囲気中で使用しても接着剤が気化することがなく、ま
た脱分極が起り難い非共振型超音波モータを応用したア
クチュエータを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願の主要な発明は、筒
状をなす圧電素子を具備し、前記圧電素子の内側表面と
外側表面の内の一方に共通電極を形成するとともに他方
に少なくとも一対の駆動電極を設け、前記一対の駆動電
極に同じ極性の電圧を印加すると前記圧電素子が軸線方
向に伸縮し、前記一対の駆動電極に逆極性の電圧を印加
すると前記圧電素子が湾曲し、前記圧電素子の伸縮運動
と湾曲運動との組合わせによって可動部を送ることを特
徴とするアクチュエータに関するものである。

【０００８】ここで伸縮運動と湾曲運動とを行なう圧電
素子が駆動脚を構成し、該駆動脚を固定側または可動側
に取付け、前記駆動脚の湾曲運動の方向または逆方向に
可動部を送るようにしてよい。また筒状をなす圧電素子
の内側表面と外側表面の内の他方に２対の駆動電極を設
け、前記２対の駆動電極に逆極性の電圧を印加すると前
記圧電素子が軸線方向と直交しかつ互いに交差する２方
向にそれぞれ湾曲してよい。また圧電素子が伸びた状態
で湾曲すると可動部が蹴られて湾曲方向または逆方向に
送られるとともに、その後に圧電素子が縮んだ状態で逆
方向に湾曲して元の状態に戻るようにすることが好適で
ある。また圧電素子の一対の駆動電極に加えられる電圧
が位相差をもった正弦波状電圧または位相差をもった矩
形波状電圧であることが好ましい。そしてこの場合にお
ける位相差が９０度であることがより好ましい。

【０００９】本願の別の主要な発明は、一対の直方体状
をなす圧電素子を具備し、該一対の圧電素子の厚さ方向
に互いに対向する平面にそれぞれ電極を設けるととも
に、前記一対の圧電素子を互いにほぼ平行に配し、しか
も前記一対の圧電素子の両端部を連結部材によって連結
し、前記一対の圧電素子の電極に同じ極性の電圧を印加
すると前記圧電素子が電極間の厚さ方向と直交する方向
に伸縮し、前記一対の圧電素子の電極に逆極性の電圧を
印加すると前記圧電素子が湾曲し、前記一対の圧電素子
の伸縮運動と湾曲運動との組合わせによって可動部を送
ることを特徴とするアクチュエータに関するものであ
る。

【００１０】ここで両端が連結された一対の圧電素子に
よって駆動脚が構成され、該駆動脚が固定側または可動
側に取付けられ、前記駆動脚を伸長させて先端部を可動
側または固定側に摩擦係合させた状態で湾曲させると湾
曲方向または逆方向に可動部が送られ、その後に前記駆
動脚を収縮させて先端部を可動側または固定側から離間
させた状態で反対方向に湾曲させると前記駆動脚が元の
状態に戻ることが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明を図示の実施の形態に
よって説明する。まずステージに利用される駆動ユニッ
トから成るアクチュエータの駆動脚の構成を説明する。
駆動脚２０は図１および図２に示すように円筒状の圧電
素子から構成される。そして円筒状圧電素子２０の内側
の表面にはその全周に延びるように共通電極２２が形成
される。これに対して円筒状圧電素子２０の外周面上に
は円周方向に４分割された駆動電極２３が形成される。
そして圧電素子２０は図２に示すように半径方向に分極
される。

【００１２】このような圧電素子２０において、総ての
駆動電極２３にマイナスの電圧を印加すると、この圧電
素子２０が伸長する。これに対して総ての駆動電極２３
に対してプラスの電圧を印加すると、圧電素子２０が収
縮する。従って駆動電極２３に印加する電圧の極性を変
えることにより、この圧電素子２０を伸縮動作させるこ
とができる。

【００１３】これに対して圧電素子２０を湾曲動作させ
る場合には図３に示すように、共通電極２２に共通に電
圧が印加される。またに対して外周側の駆動電極２３に
ついては、互いに隣接する９０度位相のずれた駆動電極
２３が共通に電圧が印加されるとともに、残りの２つの
隣接する駆動電極２３には同じ極性または逆極性の電圧
が印加される。また圧電素子２０は図４に示すように、
その先端側に、ルビーのような耐摩擦摩耗性に優れた耐
摩耗部材２４が固着される。耐摩耗部材２４には、可動
子を送る方向と直交する方向に延びるように突条２５が
形成され、この突条２５が摩擦係合によって可動子を蹴
るようになっている。

【００１４】図４Ｂに示すように軸線方向の長さがＬで
直径がＤで、円筒の肉厚がｔの圧電素子について変形量
を計算する。いまこの圧電素子２０の外周側の一対の駆
動電極２３に絶対値が等しくしかも極性の異なる電圧±
Ｖを印加すると、両側で変形量が異なるために図５に示
すように湾曲する。これは分極方向への変形に伴い、そ
の材質がもつポアソン比で決定される直交方向の変形、
すなわちｄ３１パラメータによる変形を応用する。なお
ここで変位はヒステリシスを無視して計算する。

【００１５】プラスの電圧が印加された駆動電極２３側
では高さ方向の寸法が短くなる。これに対してマイナス
の電圧が印加された駆動電極２３側においては高さ方向
の寸法が伸長される。なお図５に示す状態は左側にマイ
ナスの電圧が印加され、右側にプラスの電圧が印加され
た場合である。

【００１６】上記のような左右の伸長と圧縮とによって
圧電素子２０が湾曲するが、この湾曲の曲率は非常に小
さいために、Ｌ＝ρ・θと、△Ｌ＝θ・Ｄ／２関係がそ
れぞれ成立する。また曲率による横方向の変位が△ｘに
ほぼ等しいために、 △ｘ＝ρ（１−ｃｏｓθ）＝ρ・θ２／２＝Ｌ・△Ｌ
／Ｄここで圧電素子の等価圧電定数から、 △Ｌ＝Ｖ・ｄ３１・Ｌ／ｔよって次の式が成立する。

【００１７】△ｘ＝Ｌ２・Ｖ・ｄ３１／（Ｄ・ｔ）これに対して一対の駆動電極２３に同じ極性の電圧を加
えると、上記△Ｌの式から直接 △ｙ＝Ｌ・Ｖ・ｄ３１／ｔが導出される。この式によって伸縮量が計算できる。

【００１８】図５に示す変形は圧電素子２０が湾曲する
撓み変形であるが、このような撓み変形のみでは駆動脚
２０としての必要な動作を期待し得ない。すなわちこの
ような湾曲動作に伸縮動作を加えることによって駆動脚
２０が成立する。そこで伸縮のための一対の駆動電極２
３に対する同極性の電圧と湾曲のための一対の駆動電極
２３に対する異なる極性の電圧とを重畳して印加する。
さらに圧電素子２０の対向電極に印加される電圧極性を
以下のように切換えて行けば、図５に示すような送り方
向の変位に伸縮モードを重畳できる。すなわち（＋／＋）同相→（＋／−）逆相→（−／−）同相→
（−／＋）逆相この動作を繰返すことによって人間が歩行するときのよ
うに駆動脚２０を変形させて可動子を送ることが可能に
なる。

【００１９】このときの圧電素子２０の送り量と伸縮量
はそれぞれ次のように表わされる。

【００２０】最大スライド量△ｘ＝Ｌ２・Ｖ・ｄ３１／（Ｄ・ｔ）最大伸縮量△ｙ＝Ｌ・Ｖ・ｄ３１／ｔいま圧電素子２０の軸線方向の長さＬおよび直径Ｄをそ
れぞれ１０ｍｍおよび５ｍｍとし、肉厚ｔを０．５ｍｍ
とし、ｄ３１＝−３．３オングストローム／Ｖとし、１
００Ｖの電圧を印加したときのスライド量と伸縮量とを
求めたところ、△ｘ＝５．６μｍ、△ｙ＝２．８μｍの
値が得られた。湾曲による最大振れ幅は、２△ｘ＝１
１．２μｍとなる。従って従来の非共振型超音波モータ
のアクチュエータと比較して約３〜５倍の変位を持つア
クチュエータが得られる。

【００２１】図８はこのような円筒状圧電素子から成る
駆動脚２０の駆動電極２３に図１０に示すような正弦波
状の電圧あるいは図１１に示すような矩形波状の電圧を
印加し、これによって駆動脚２０に対して湾曲する変形
と伸縮する変形とを行なわせるとともに、両者を組合わ
せることによってアクチュエータとしたときの動作を示
している。なおこのときの駆動脚２０の先端側の耐摩耗
部材２４の突条２５の位置の変化が図９に示される。

【００２２】駆動脚２０の駆動電極２３に対して正弦波
状電圧あるいは矩形波状電圧の何れを加えた場合にも、
駆動脚２０は送り方向での湾曲する変形と長さ方向の伸
縮変形との複合された動作を行なう。従ってこの駆動脚
２０を伸長させた状態でその先端側の突条２５を可動子
に摩擦係合させて湾曲した変形を行なわせると、可動子
が湾曲変形の方向へ送られる。そしてこの後駆動脚２０
を収縮させてその先端側の突条２５を可動子から離間さ
せる。そしてこのような状態で元の位置へ復帰させる。
このような状態を繰返すことによって、可動子の送りが
達成される。

【００２３】図１２に示すように全長が２０ｍｍであっ
て直径が５ｍｍの駆動脚２０を試作し、このような駆動
脚２０に対して図１３に示すような±１００Ｖの正弦波
状の電圧を印加したところ、図１２に示すＸ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸にそれぞれ変形し、図１４に示すような値が得られ
た。ここで送り方向の変位△ｘは位相３の値と位相７の
値の差に等しいから、＋５．５−（−５．５）＝１１．
０μｍとなる。また伸縮量△ｚは位相０と位相４の差に
等しいから、伸縮量△ｚ＝２．２−（−１．８）＝４．
０μｍとなる。

【００２４】そこで上述のように円周方向に９０度毎に
４つの駆動電極２３を備えた円筒型圧電素子から成る一
対の駆動脚２０を用いるとともに、駆動電極２３に対し
て正弦波状の電圧を印加したときの状態を図１５および
図１６に示す。すなわち一方の駆動脚Ａの互いに隣接す
る第１の対の駆動電極Ａ１、Ａ２に正弦波状の駆動電圧
を印加するとともに、残りのもう１組の駆動電極Ｂ１、
Ｂ２に対して９０度位相が遅れた正弦波状の電圧を印加
する。またもう一方の駆動脚Ｂについては駆動電極Ａ
１、Ａ２に１８０度位相が遅れた正弦波状の電圧を印加
し、これに対してもう１組の駆動電極Ｂ１、Ｂ２には２
７０度位相が遅れた正弦波状の電圧を印加している。こ
のときの各駆動脚の動作は図１６に示すようになる。す
なわちＡ脚とＢ脚は互いに交互に可動子を送るように運
動する。従ってこれら一対のＡ、Ｂ両脚から成る駆動脚
２０を用いることによって、アクチュエータが成立す
る。

【００２５】なお上記の例は２種類の駆動脚Ａ、Ｂによ
る駆動の例であるが、３種類以上の駆動脚の組合わせで
駆動することもできる。この場合の各駆動脚間の位相差
は、位相差＝３６０°／（駆動脚の種類の数）となる。

【００２６】次に図１７〜図１９によって別の実施の形
態の駆動脚２０について説明する。上述の如く駆動脚２
０は圧電素子の伸縮運動と送り方向への湾曲運動の組合
わせによってその目的を達成する。従って共通電極２２
は必ずしも９０度間隔で円周方向に沿って４個所に設け
る必要はなく、図１７および図１８に示すように円周方
向に１８０度間隔で２個所に設けるようにしてよい。

【００２７】この実施の形態は上記実施の形態における
駆動脚２０の駆動電極２３を構成するＡ１電極およびＡ
２電極を共通にするとともに、Ｂ１電極およびＢ２電極
を共通にしたものである。このような実施の形態による
と、駆動電極２３の数が半分になるために、駆動電極２
３に電圧を印加するための配線が半分になる利点があ
る。しかもこのような実施の形態によっても、上記の４
つの駆動電極２３を設けた駆動脚２０とほぼ同一の原理
によって可動子を送ることが可能になる。

【００２８】図２０はさらに別の実施の形態の駆動脚２
０を示している。この駆動脚２０は一対の直方体状圧電
体４７、４８を組合わせたものである。これらの圧電体
４７、４８の基端側は取付け板４９に固着される。また
圧電素子４７、４８の先端側の部分は耐摩耗部材２４に
連結される。そしてこれら一対の圧電素子４７、４８が
互いに平行な位置関係を保持した状態で組立てられるよ
うになる。しかもこれらの直方体状圧電素子４７、４８
にはそれぞれの一方の面に共通電極２２が、他方の面に
駆動電極２３が設けられる。

【００２９】一対の直方体状圧電素子４７、４８の駆動
電極２３にともにマイナス側の電圧を印加すると図２１
Ａに示すように一対の圧電素子４７、４８が伸長する。
これに対して両方の圧電素子４７、４８の駆動電極２３
にプラス側の電圧を印加すると図２１Ｂに示すように一
対の圧電素子４７、４８が収縮し、駆動脚２０が収縮す
る。

【００３０】また圧電素子４７の駆動電極２３にプラス
側の電圧を印加し、圧電素子４８の駆動電極２３にマイ
ナス側の電圧を印加すると、図２１Ｂに示すように左方
に湾曲する。また圧電素子４７の駆動電極２３にマイナ
ス側の電圧を印加するとともに、圧電素子４８の駆動電
極２３にプラス側の電極を印加すると図２１Ｄに示すよ
うに右方へ湾曲する。

【００３１】従ってこのような直方体状圧電素子４７、
４８から成る駆動脚２０の伸縮運動と湾曲運動の組合わ
せによって円筒状の駆動脚２０と同様の動作を達成する
ことが可能になる。しかもこのような直方体状圧電素子
４７、４８を用いると、その変形が梁の理論によって解
析されるために、動作解析が容易になる利点がある。

【００３２】次に以上のような駆動脚２０を用いたステ
ージの構成について説明する。このステージは、精密送
りのためのＸ−Ｙステージ装置に関するものである。こ
のステージ装置は図２２に示すようにＸ軸ベース８と、
Ｘ軸ステージ９と、Ｙ軸ベース１０と、Ｙ軸ステージ１
１とから構成されている。Ｘ軸ステージ９はＸ軸ベース
８上においてＸ軸方向に移動可能に支持されている。そ
してＸ軸ステージ９上にＹ軸ベース１０が固定されてい
る。そしてＹ軸ステージ１１はＹ軸ベース１０にＹ軸方
向に移動可能に支持されている。このような構成によっ
て、２軸ステージ、すなわちＸ−Ｙステージを可能にし
ている。

【００３３】図２３〜図２６はＸ軸ベース８とＸ軸ステ
ージ９との組合わせ、すなわちＸ軸ベース８上において
Ｘ軸ステージ９をＸ軸方向に移動するための機構を示し
ている。これに対して図２７〜図３０はＹ軸ステージ１
１をＹ軸ベース１０に対してＹ軸方向に移動可能に支持
する機構を示している。これらＸ軸方向の送り機構およ
びＹ軸方向の送り機構は同様の構造をなしているので、
ここでは図２７〜図３０に示すＹ軸ステージ１１の移動
機構について説明する。

【００３４】Ｙ軸ベース１０上には、その両側に一対の
レール１２が設けられている。これに対してＹ軸ステー
ジ１１の下面にはとくに図２９および図３０に示すよう
に、その両側にレール１３が設けられている。ベース１
０側のレール１２とステージ１１側のレール１３とはと
くに図３０に示すように、その側面が互いに対向するよ
うに位置し、しかもこれらのレール１２、１３間に転動
子１４が介装されるようになっている。そしてレール１
２、１３、および転動子１４によっていわゆるクロスロ
ーラが構成されるようになっており、このようなクロス
ローラによってＹ軸ステージ１１はＹ軸ベース１０上を
レール１２、１３の長さ方向すなわちＹ軸方向に摺動可
能に支持される。

【００３５】ベース１０上には図２７および図３０に示
すように、互いに対向するように一対の駆動ユニット１
８が配される。これらの駆動ユニット１８はその両側の
部分を押え板１９によってベース１０に固定される。そ
してこれら一対の駆動ユニット１８は駆動脚２０を有し
ている。なおこれらの駆動脚２０は伸縮変形と湾曲変形
とを行なうものである。

【００３６】両側の駆動ユニット１８の駆動脚２０によ
って挟着されるように、ステージ１１の下面には図２７
および図３０に示す角柱状をなすセラミック板から成る
可動子２７が取付けられている。従ってこのような可動
子２７を駆動ユニット１８の駆動脚２０によって送るこ
とにより、可動子２７が取付けられているステージ１１
がレール１２、１３に案内されながら可動子２７の長さ
方向すなわちＹ軸方向に移動するようになる。

【００３７】このようなステージ１１あるいは可動子２
７の移動を図２８〜図３０に示すリニアスケール２８で
検出するようにしている。リニアスケール２８は上記可
動子２７の下面に固着されている。そしてこのようなリ
ニアスケール２８を検出する検出ヘッド２９がベース１
０上に取付けられている。すなわち検出ヘッド２９はヘ
ッドベース３０に保持されるとともに、このヘッドベー
ス３０がベース１０の開口３１に臨むように取付けられ
ている。

【００３８】次にこのようなステージ１１のストローク
を検出する検出装置について説明する。ベース１０上に
は図２７に示すように、レール１２に近接する位置にリ
ミットセンサ３５が設けられている。そしてこのリミッ
トセンサ３５は図３０に示すように、ステージ１１の下
面にブラケット３６を介して取付けられている被検出板
３７を光学的に検出するようになっている。

【００３９】上述の如く図２３〜図２６に示すＸ軸ステ
ージ９の移動機構もＹ軸ステージ１１の上述の移動機構
とほぼ同一の構成になっている。なおここでとくにＸ軸
ステージ９上にはＹ軸ベース１０とＹ軸ステーシ１１と
が載置されるために送りの際の負荷が増大する。このよ
うな負荷の増大に対応して、図２３に示すように、可動
子２７を駆動するために、その両側にそれぞれ一対ずつ
の駆動ユニット１８を設けるようにしている。それ以外
の構成は上記Ｙ軸ステージ１１の駆動機構と同様であ
る。

【００４０】次に上記駆動ユニット１８の駆動回路の構
成を図３１によって説明する。駆動ユニット１８の２組
の駆動脚２０は制御回路４１および対応する駆動回路４
２、４３を介して駆動されるようになっている。制御回
路４１を介して駆動回路４２、４３により駆動ユニット
１８の駆動脚２０の駆動電極２３にそれぞれ所定の正弦
波電圧または矩形波電圧を加えることによって、駆動脚
２０が駆動力を発生し、このような駆動力に基いて可動
子２７が送り方向に駆動され、この可動子２７が取付け
られているステージ１１が送り方向に移動される。そし
てこのときの移動量がリニアスケール２８および検出ヘ
ッド２９によって検出され、検出回路４５を通して制御
回路４１にフィードバックされる。従って制御回路４１
はステージ１１の移動量をフィードバック制御しながら
所定の位置へ送るようになる。

【００４１】次に以上のような構成のステージ装置のＹ
軸ベース１０上のＹ軸ステージ１１の送り動作について
説明する。図３１はベース１０上に設けられている駆動
ユニット１８によってステージ１１を駆動する機構を原
理的に示している。ここで駆動ユニット１８の一対の駆
動脚２０の駆動電極２３に互いに逆相で１８０度位相が
ずれた電圧が印加されるようになっており、これら一対
の駆動脚２０の先端部が交互にステージ１１の可動子２
７を蹴るようにしてステージ１１をＹ軸方向に送るよう
にしている。

【００４２】ここで駆動脚２０の一対の駆動電極２３に
同極性のマイナスの電圧が加えられると伸長し、この駆
動脚２０の先端側の部分が可動子２７に接触する。そし
てこの状態において上記のマイナスの電圧に重畳して一
対の駆動電極２３に逆極性の電圧を印加して湾曲変形さ
せることによって、駆動脚２０の先端部が送り方向に変
形して可動子２７に駆動力を与える。なおこのときに反
対側の駆動脚２０の駆動電極２３にプラスの電圧が印加
されているために、駆動脚２０はその先端部が可動子２
７から離間している。そしてこのように先端部が可動子
２７から離間している駆動脚２０の一対の駆動電極２３
に上記プラスの電圧に重畳して逆極性の電圧が印加さ
れ、次の駆動に備えて逆方向に湾曲する。

【００４３】このような動作が２組の駆動脚２０に交互
にかつ順次繰返されることによって、可動板２７を有す
るＹ軸ステージ１１が図３１において矢印で示すＹ軸方
向に移動される。なおこのときにレール１２および転動
子１４によってステージ１１の案内が行なわれる。

【００４４】このような駆動ユニット１８の駆動脚２０
による可動子２７の駆動によって、可動子２７が取付け
られているＹ軸ステージ１１が図２７〜図２９において
横方向、すなわちＹ軸方向に移動される。そしてこのよ
うなステージ１１の移動は、可動子２７の底部に取付け
られているリニアスケール２８の目盛をベース１０の開
口３１の部分にヘッドベース３０を介して取付けている
検出ヘッド２９によって読取られるようになる。

【００４５】従ってこのことから、駆動ユニット１８に
よって移動されるステージ１１の位置がリニアスケール
２８および検出ヘッド２９によって検出される。またこ
のときのステージ１１の最大ストロークは、ベース１０
側に設けられている一対のリミットセンサ３５によって
検出される位置で規制される。Ｙ軸方向にステージ１１
が大きく移動すると、被検出板３７がリミットセンサ３
５を検出し、その位置でステージ１１の駆動が停止す
る。従ってこれにより、クロスローラを構成する一対の
レール１２、１３間に配されている転動子１４が脱落す
ることがない。

【００４６】以上の動作はＹ軸ステージ１１の駆動動作
であるが、図２３〜図２６に示すＸ軸ステージ９も同様
に駆動される。すなわちベース８上に設けられている左
右一対ずつであって合計４個の駆動ユニット（図２３参
照）によってＸ軸ステージ９をＸ軸方向に駆動すること
によって、Ｘ軸ステージ９がＸ軸方向に駆動されるよう
になる。従ってこのようなＸ軸ステージ９のＸ軸方向の
駆動とＹ軸ステージ１１のＹ軸方向の駆動とによって、
Ｘ−Ｙステージが構成され、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の
任意の位置決めが行なわれる。

【００４７】次に別の実施の形態を図３２〜図３５によ
って説明する。この実施の形態は可動子２７を軸線方向
に送るとともに回転方向にも送るようにした２軸すなわ
ちＸ軸とθ軸のアクチュエータに関する。

【００４８】ベース１１１上には互いに対向するように
一対の軸受１１３が設けられ、これらの軸受１１３によ
って円柱状をなす可動子２７が軸線方向に移動可能であ
ってしかも回転自由に支持される。そしてこの可動子２
７の外周面と対接されるように一対の駆動脚２０が対向
して配置される。なおこれらの駆動脚２０はそれぞれ予
圧ばね１１２によって押圧される。

【００４９】ここで用いられる駆動脚２０は図１〜図３
に示すようにその内周面に共通電極２２が形成されると
ともに外周側には９０度毎に駆動電極が形成された円筒
状圧電素子である。このような圧電素子によれば、その
軸線に対して直交する平面上において互いに直交する２
方向にそれぞれ湾曲するために、これら２方向の湾曲を
別々に利用することによって、図３４に示すＸ軸の送り
変形と図３５に示すθ軸の回転方向の送りとを選択的に
達成することが可能になる。

【００５０】図３４はこのようなアクチュエータのＸ
軸、すなわち可動子２７の軸線方向の運動の状態を示す
ものである。可動子２７に対して両側の駆動脚２０をそ
れぞれ同じ方向であって可動子２７の軸線方向に湾曲さ
せることによって、可動子２７がＸ軸方向に送られる。

【００５１】図３５は可動子２７を回転させる状態を示
している。すなわちここでは両側に設けられている駆動
脚２０を可動子２７の円周方向であって互いに逆方向に
それぞれ湾曲させる。従ってこの場合には、可動子２７
が回転運動を行なうことになる。

【００５２】次にさらに別の実施の形態を図３６および
図３７によって説明する。この実施の形態は回転型のモ
ータに適用したものであって、出力軸１１８によって出
力回転を取出すことができるモータに関する。

【００５３】図３６に示すようにカップ状をなすケーシ
ング１１６が設けられる。このケーシング１１６の上部
開口が円板状の蓋体１１７によって閉塞される。そして
ケーシング１１６の内部には垂直に出力軸１１８が配さ
れ、上下一対のベアリング１１９、１２０によって回転
可能に支持される。

【００５４】ケーシング１１６内には蓋体１７に対して
ほぼ平行に円板状の支持板１２１がフローティング支持
される。この支持板１２１は図３７に示すように円周方
向の所定の位置に切込み１２２を備え、この切込み１２
２がケーシング１１６に立設されたストッパ１２３を受
入れている。またこの支持板１２１は蓋体１１７の下面
に取付けられている予圧ばね１２４によって下方に押さ
れ、支持板１２１が支持している駆動脚２０をロータデ
ィスク１２５に押圧している。ロータディスク１２５は
出力軸１１８に固着されている。ここで支持板１２１に
支持されている駆動脚２０は図２０および図２１に示す
ように一対の直方体状をなす圧電素子４７、４８によっ
て構成された駆動脚である。

【００５５】以上のような構成において、複数の駆動脚
２０が所定の順序で伸縮運動と湾曲運動とを行なう。と
くに駆動脚２０が伸長した状態で湾曲運動を行なうと、
その先端側の部分によってロータディスク１２５が蹴ら
れ、これによってロータディスク１２５が回転する。従
ってロータディスク１２５を備える出力軸１１８も回転
する。駆動脚２０はロータディスク１２５を蹴った後に
収縮して元の状態に復帰する。以下この動作が繰返され
る。ここで駆動脚２０は圧電素子４７、４８の湾曲運動
の組合わせによってロータディスク１２５を送るため
に、極めて微小であって高精度の回転角の割出しが可能
な回転が得られる。

【００５６】以上本願の発明を図示の実施の形態によっ
て説明したが、本願の発明は上記実施の形態によって限
定されることなく、本願に含まれる発明の技術的思想の
範囲内で各種の変更が可能である。

【００５７】

【発明の効果】本願の主要な発明は、筒状をなす圧電素
子を具備し、圧電素子の内側表面と外側表面の内の一方
に共通電極を形成するとともに他方に少なくとも一対の
駆動電極を設け、一対の駆動電極に同じ極性の電圧を印
加すると圧電素子が軸線方向に伸縮し、一対の駆動電極
に逆極性の電圧を印加すると圧電素子が湾曲し、圧電素
子の伸縮運動と湾曲運動との組合わせによって可動部を
送るようにしたものである。

【００５８】従ってこのようなアクチュエータによれ
ば、圧電素子の一対の駆動電極に印加される電圧を制御
することによって、圧電素子が伸縮と湾曲とを行なうこ
とにより、圧電素子の振動(共振)を利用することなく伸
縮運動と湾曲運動とを組合わせることによって可動部が
送られ、高い位置決め精度の非共振型の超音波モータか
ら成るアクチュエータが提供される。

【００５９】本願の別の発明は、一対の直方体状をなす
圧電素子を具備し、該一対の圧電素子の厚さ方向に互い
に対向する平面にそれぞれ電極を設けるとともに、一対
の圧電素子を互いにほぼ平行に配し、しかも一対の圧電
素子の両端部を連結部材によって連結し、一対の圧電素
子の電極に同じ極性の電圧を印加すると圧電素子が電極
間の厚さ方向と直交する方向に伸縮し、一対の圧電素子
の電極に逆極性の電圧を印加すると圧電素子が湾曲し、
一対の圧電素子の伸縮運動と湾曲運動との組合わせによ
って可動部を送るようにしたものである。

【００６０】従って一対の直方体状をなす圧電素子の振
動(共振)を利用することなく伸縮運動と湾曲運動との組
合わせによって可動部を送ることが可能になり、高精度
の位置決めが可能で簡潔な構造の圧電素子を提供できる
ようになる。しかも伸縮と湾曲を行なう圧電素子が直方
体状をなすために、その構造解析が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】駆動脚を構成する円筒状圧電素子の正面図およ
び側面図である。

【図２】同圧電素子の分極の方向を示す平面図である。

【図３】圧電素子に対する電圧の印加を示す斜視図であ
る。

【図４】駆動脚の外観斜視図および正面図である。

【図５】駆動脚の湾曲の動作を示す断面図である。

【図６】駆動脚の正面図および湾曲の動作を示す縦断面
図である。

【図７】駆動脚の湾曲動作と伸縮動作との組合わせを示
す縦断面図である。

【図８】駆動脚の１サイクルの動作を示す正面図であ
る。

【図９】駆動脚の先端部の軌跡を示す正面図である。

【図１０】駆動脚に印加される正弦波電圧の波形図であ
る。

【図１１】駆動脚に印加される矩形波電圧の波形図であ
る。

【図１２】試作した駆動脚の正面図および斜視図であ
る。

【図１３】駆動脚に実際に印加された正弦波状の電圧の
波形図である。

【図１４】図１２に示す駆動脚に電圧を印加したときの
変形量を示す表である。

【図１５】駆動脚の駆動電極に加えられる電圧波形であ
る。

【図１６】一対の駆動脚の変形動作を示す正面図であ
る。

【図１７】別の実施の形態の駆動脚を構成する圧電素子
の平面図および断面図である。

【図１８】同駆動脚の分極の方向を示す平面図である。

【図１９】駆動脚に対する電圧の印加を示す斜視図であ
る。

【図２０】さらに別の実施の形態の駆動脚の外観斜視図
である。

【図２１】同駆動脚の伸縮動作を示す正面図である。

【図２２】Ｘ−Ｙステージの分解斜視図である

【図２３】Ｘ軸ステージ装置のベースの平面図である。

【図２４】Ｘ軸ステージ装置の図２３におけるＡ−Ａ線
断面図である。

【図２５】Ｘ軸ステージの底面図である。

【図２６】Ｘ軸ステージ装置の図２３におけるＢ−Ｂ線
断面図である。

【図２７】Ｙ軸ステージ装置のベースの平面図である。

【図２８】Ｙ軸ステージ装置の図２７におけるＣ−Ｃ線
断面図である。

【図２９】Ｙ軸ステージの底面図である。

【図３０】Ｙ軸ステージ装置の図２７におけるＤ−Ｄ線
断面図である。

【図３１】駆動ユニットを駆動する駆動回路のブロック
図である。

【図３２】別の実施の形態の２軸アクチュエータの平面
図である。

【図３３】同２軸アクチュエータの正面図である。

【図３４】２軸アクチュエータにおけるＸ軸送りの動作
を示す平面図である。

【図３５】２軸アクチュエータにおけるθ軸送りを示す
正面図である。

【図３６】別の実施の形態の回転型モータの縦断面図で
ある。

【図３７】同モータの図３６におけるＥ−Ｅ線断面図で
ある。

【符号の説明】

８ベース（Ｘ軸）９ステージ（Ｘ軸）１０ベース（Ｙ軸）１１ステージ（Ｙ軸）１２レール（ベース側）１３レール（ステージ側）１４転動子１８駆動ユニット１９押え板２０駆動脚（円筒状圧電素子）２２共通電極２３駆動電極２４耐摩耗部材２５突条２７可動子（セラミック板）２８リニアスケール２９検出ヘッド３０ヘッドベース３１開口３５リミットセンサ３６ブラケット３７被検出板４１制御回路４２、４３駆動回路４５検出回路４７、４８直方体状圧電素子４９取付け板１１１ベース１１２予圧ばね１１３軸受１１６ケーシング１１７蓋体１１８出力軸１１９、１２０ベアリング１２１支持板１２２切込み１２３ストッパ１２４予圧ばね１２５ロータディスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小坂光二熊本県上益城郡益城町田原2020番地の３インキュベーションセンターＡ−２有限会社熊本テクノロジー内 (72)発明者魚住清彦東京都調布市入間町１丁目28番18号−106

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】筒状をなす圧電素子を具備し、前記圧電素子の内側表面と外側表面の内の一方に共通電
極を形成するとともに他方に少なくとも一対の駆動電極
を設け、前記一対の駆動電極に同じ極性の電圧を印加すると前記
圧電素子が軸線方向に伸縮し、前記一対の駆動電極に逆
極性の電圧を印加すると前記圧電素子が湾曲し、前記圧電素子の伸縮運動と湾曲運動との組合わせによっ
て可動部を送ることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】伸縮運動と湾曲運動とを行なう圧電素子が
駆動脚を構成し、該駆動脚を固定側または可動側に取付
け、前記駆動脚の湾曲運動の方向または逆方向に可動部
を送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】筒状をなす圧電素子の内側表面と外側表面
の内の他方に２対の駆動電極を設け、前記２対の駆動電
極に逆極性の電圧を印加すると前記圧電素子が軸線方向
と直交しかつ互いに交差する２方向にそれぞれ湾曲する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアク
チュエータ。
【請求項４】圧電素子が伸びた状態で湾曲すると可動部
が蹴られて湾曲方向または逆方向に送られるとともに、
その後に圧電素子が縮んだ状態で逆方向に湾曲して元の
状態に戻ることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記
載のアクチュエータ。
【請求項５】圧電素子の一対の駆動電極に加えられる電
圧が位相差をもった正弦波状電圧または位相差をもった
矩形波状電圧であることを特徴とする請求項１〜４の何
れかに記載のアクチュエータ。
【請求項６】位相差が９０度であることを特徴とする請
求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】一対の直方体状をなす圧電素子を具備し、該一対の圧電素子の厚さ方向に互いに対向する平面にそ
れぞれ電極を設けるとともに、前記一対の圧電素子を互
いにほぼ平行に配し、しかも前記一対の圧電素子の両端
部を連結部材によって連結し、前記一対の圧電素子の電極に同じ極性の電圧を印加する
と前記圧電素子が電極間の厚さ方向と直交する方向に伸
縮し、前記一対の圧電素子の電極に逆極性の電圧を印加
すると前記圧電素子が湾曲し、前記一対の圧電素子の伸縮運動と湾曲運動との組合わせ
によって可動部を送ることを特徴とするアクチュエー
タ。
【請求項８】両端が連結された一対の圧電素子によって
駆動脚が構成され、該駆動脚が固定側または可動側に取
付けられ、前記駆動脚を伸長させて先端部を可動側また
は固定側に摩擦係合させた状態で湾曲させると湾曲方向
または逆方向に可動部が送られ、その後に前記駆動脚を
収縮させて先端部を可動側または固定側から離間させた
状態で反対方向に湾曲させると前記駆動脚が元の状態に
戻ることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエー
タ。