JP2005086857A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気機械変換素子を利用する駆動装置において、反射波の影響を減じることで、ロッドの材質とは無関係に、高い駆動周波数での駆動を実現する。
【解決手段】 駆動パルス発生手段に接続されて伸縮するとともに、伸縮方向一端が固定された駆動用電気機械変換素子４と、駆動用電気機械変換素子の伸縮方向他端に第１端５ａが固定されたロッド５と、ロッドの周囲に摩擦結合された移動体１０とを備えていて、駆動用電気機械変換素子４の伸縮によるロッド５の振動を利用して、当該ロッドに沿って移動体１０を移動させる駆動装置。ロッドの第１端５ａとは反対側の第２端５ｂに、駆動用電気機械変換素子で発生した波の反射を抑制する反射抑制手段を設ける。
【選択図】 図８

Description

本発明は、駆動装置に関する。さらに詳しくは、圧電素子（ピエゾ素子）等の電気機械変換素子を利用した駆動装置に関する。本発明の駆動装置は、例えば、カメラにおけるレンズ駆動機構や、精密ステージの駆動機構として適している。

電圧の印加によって長さが変化する（伸縮する）圧電素子等の電気機械変換素子を利用した駆動装置として、例えば、図１（ａ）の分解斜視図および図１（ｂ）の組立斜視図に示したものが知られている（特許文献１）。

特開平１１-９８８６５号公報

この駆動装置は、台座（固定台）１に対して移動体１０を相対的に移動させることができ、例えば、カメラのレンズ駆動装置として使用できる。すなわち、移動体１０をレンズ玉枠と連結すれば、移動体１０とともにレンズを移動させることができる。

圧電素子４は、多数の圧電板を積層して構成されており、伸縮方向一端４ａが台座１に固定されるとともに他端４ｂがロッド５の第１端５ａに固定される。ロッド５は、台座１に一体的に形成された支持部２および３に摺動可能に支持される。

移動体１０は、本体１１とキャップ１２とでロッド５を挟み込むとともに、押圧バネ１３で本体１１およびキャップ１２に挟み込み方向の付勢力を与えることによって、ロッド５の周囲に摩擦結合される。

圧電素子４には不図示の電圧制御回路（駆動パルス発生手段）が接続されている。圧電素子４およびロッド５から決まる系の共振周波数の約０．７倍の周波数の矩形波電圧を連続的に印加すると、圧電素子４は、図２に示したようなノコギリ歯状の変位をもって振動する。そして、これに伴ってロッド５も、ノコギリ歯状の変位をもってその長さ方向に振動する。すなわち、図２のグラフは、圧電素子４の振動変位を示すとともに、ロッド５の振動変位を示すものでもある。

具体的に説明すると、第１の波形１００の期間Ａにおける緩やかな立上がり傾斜部１０１では、圧電素子４は比較的ゆっくりと伸長し、ロッド５が図１(ｂ)中矢印Ｉ方向へとゆっくりと移動する。次に、期間Ｂにおいて、圧電素子４は急速に縮んで初期長さに戻り(立下がり傾斜部１０２で示される波形部分)、ロッド５が急激に矢印ＩＩ方向へと移動する。
以下同様の移動が繰り返えされ、結果として、ロッド５は、Ｉ方向へのゆっくりとした移動とＩＩ方向への急激な移動とを繰り返して振動する。このようにして、ロッド５は、図２に示したような、緩急のついたノコギリ歯状の振動波形を描きながら振動する。

ここで、図３に示したように、ロッド５がゆっくりと移動する場合には移動体１０が該ロッド５と共に移動し、ロッド５が急激に移動する場合には移動体１０が慣性によってその場に止まる（または、ロッド５よりも少量だけ移動する）ように、移動体１０の押圧バネ１３のバネ力（移動体１０のロッド５に対する摩擦結合力）が調節されている。したがって、ロッド５が振動する間に移動体１０は台座１に対して相対的にＩ方向に移動することとなる。

なお、移動体１０を図１（ｂ）中矢印ＩＩ方向へと移動させる場合には、圧電素子４およびロッド５の振動波形が図２に示したものと逆になるように、すなわち、急激な立上がり部と緩やかな立下がり部を有する波形とすればよい。移動体１０の移動原理は、上記の場合と同様である。

ところで、上記構成を有する駆動装置においては、圧電素子４で発生させた波がロッド５の自由端５ｂで反射して元の波と干渉するという問題がある。干渉が生じると、以下に説明するように、ロッド５上の各場所で変位波形が異なるようになる。

図４は、「ロッド５の第１端５ａの箇所における振動が振幅１μｍの正弦波を描く」こととなるように電圧を印加しながら周波数を変えて、種々の周波数について、「ロッド５上の各位置における振幅および位相差」を測定した結果を示している。周波数が４０kHz程度までであれば、どの位置においても振幅および位相差はほとんど変わらないが、周波数が６０kHz以上になると場所によるバラツキが生じ、そのバラツキ具合は、周波数が高くなる程に顕著となる。

図５は、図４の測定結果をグラフ化したものであって、各ボックスにおいて、縦軸はロッド５の長手方向変位を示しており、横軸が時間を示している。縦軸は３μｍのフルスケールで描いており、横軸は１.６周期分を描いている。
図５からも分かるように、周波数が低い場合には、ロッド５全長に渡ってノコギリ歯状の波形が実現される。しかし、周波数が高くなると、ロッド５の第１端５ａの箇所ではノコギリ歯状の波形が実現できていても、他の場所では波形が異なるようになってくる。

その結果、図６に示したように、ロッド５に沿って移動する移動体１０の速度がロッド上の箇所によって異なることとなる。図６から分かるように、周波数が２０kHz程度までは、移動体１０の速度はロッド５全長に渡ってほぼ一定である。しかし、２５kHz以上になると徐々にバラツキが生じる。特に、周波数が６０kHzになると、ロッド５の第１端５ａでは正の速度値であるにも拘わらず、ロッド先端側では速度値が負となってしまい、これでは駆動装置として採用することはできない（使用限界）。

以上に説明したように、一定のロッド長に対して、駆動周波数が高くなる程、反射の影響が大きくなり、その結果、ロッド５全長に渡って一様な移動体１０の移動速度が得られなくなるという問題がある。
一般的に、ロッド５として、ヤング率が高く、密度が小さい材料を用いると、駆動周波数が高くなっても、反射の影響は比較的小さいことが知られている。現在は、そのような材料としてＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）が使用されている。しかしながら、ＣＦＲＰは、高価で、かつ加工が困難であり、その結果、製造コストアップの原因となっている。

かかる現状に鑑み、本発明は、電気機械変換素子を利用する駆動装置において、反射波の影響を減じることで、ロッドの材質とは無関係に、高い駆動周波数での駆動を実現できる構成を提供することを目的としている。

本発明の駆動装置は、「駆動パルス発生手段に接続されて伸縮するとともに、伸縮方向一端が固定された駆動用電気機械変換素子」と「駆動用電気機械変換素子の伸縮方向他端に固定された第１端と、その反対側の第２端と、を有するロッド」と「ロッドの周囲に摩擦結合していて、駆動用電気機械変換素子の伸縮によるロッドの振動に起因して、当該ロッドに沿って移動する移動体」と「ロッドの第２端に配置され、駆動用電気機械変換素子で発生した波の反射を抑制する反射抑制手段」とを備えたことを特徴としている。
なお、本発明において、電気機械変換素子として使用可能な圧電素子としては、積層型のものの他、単体あるいはロール型のもの等、電気により変位を生じる種々のタイプのものを挙げることができる。

本発明においては、反射抑制手段を設けることで、ロッド第２端における振動波の反射を抑制しているので、移動体の駆動周波数を高くすることができる。
すなわち、一般的には、駆動周波数が高くなるにつれて、反射の影響が大きくなり、その結果、ロッド全長に渡って移動体を均一な速度で移動させることが困難になっていく。つまり、移動体が均一な速度で移動することを前提とすれば、駆動周波数を高くすることはできない。
しかし、本発明では、反射自体を抑制しているので、高い駆動周波数においても、反射の影響が従来と比べて少なくなる。結果として、駆動周波数を高くしても、移動体の速度の均一性を維持することが可能になる。すなわち、移動体の均一な移動速度を確保したまま、駆動周波数を高くすることができる。

本発明の実施形態を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。図７（ａ）は、本発明の一実施形態に係る駆動装置の分解斜視図であり、図７（ｂ）は、その組立斜視図を示している。図１（ａ）および図１（ｂ）に示した従来例の要素と同一の要素については、同一の参照番号を付してその説明を省略する。
本発明の駆動装置においても、基本的な駆動原理は、図１に示した従来例の場合と同じである。ただ、ロッド５の第２端５ｂに、反射抑制手段３４を設けた点が従来例とは異なる。

図８は、組立後における図７の駆動装置を、駆動回路等も含めて模式的に示すブロック図である。反射抑制手段３４は、２つの圧電素子１４、２４で構成されている。圧電素子１４は、ロッド５の第２端５ｂに接続されていて、圧電素子２４は、圧電素子１４に直列接続される。２つの圧電素子１４、２４は、ロッド５の第２端５ｂと固定壁１５との間に挟み込まれるように配置されている。

図示した駆動装置においては、３つの圧電素子が使用されている。１つは、振動波を発生させて移動体１０を移動させる駆動用圧電素子４である。２つ目は、ロッド第２端５ｂにおける振動波形を検出する検出用圧電素子１４であり、３つ目は、圧電素子１４に生じる起電力を打ち消すように駆動される反射抑制用圧電素子２４である。
図１に示した従来例の駆動装置は駆動用の圧電素子４だけしか備えていないが、本発明においては、それに加えてさらに検出用圧電素子１４および反射抑制用圧電素子２４を備えている。そして、この２つの圧電素子が反射抑制手段３４を構成する。

駆動回路（駆動パルス発生手段）１０４から電圧を印加して圧電素子４を伸縮させると、ロッド５が振動して移動体１０が移動する。この振動は圧電素子１４にも伝播し、その結果、圧電素子１４は起電力を発生する。この起電力を電圧検出回路１１４で測定し、制御回路１２４によって、当該起電力がゼロとなるように、圧電素子２４の伸縮を制御する。換言すると、ロッド５の第２端５ｂにおける振動波形を測定して、この振動波形を相殺するような振動を当該第２端５ｂに与えている。このようにして、ロッドの第２端５ｂにおける反射を抑制することができる。

以上のようにして、反射を抑制した場合の各種測定結果を図９〜図１１に示した。図９〜図１１は、それぞれ、図４〜図６に対応するものである。
測定条件は、図４〜図６の場合と同様である。すなわち、図９では、「ロッド５の第１端５ａの箇所における振動が振幅１μｍの正弦波を描く」こととなるように電圧を印加しながら周波数を変えて、種々の周波数について、「ロッド５上の各位置における振幅および位相差」を測定した結果を示している。周波数が６０kHz以上の場合においても、ロッド５上の各位置における振幅および位相差のバラツキは比較的少なく、図４の従来例と比較すると、本発明による反射抑制効果は明らかである。

図１０は、図９の測定結果をグラフ化したものであって、図５の場合と同様に、各ボックスにおいて、縦軸はロッド５の長手方向変位を示しており、横軸が時間を示している。縦軸は３μｍのフルスケールで描いており、横軸は１.６周期分を描いている。
反射抑制手段を備えていない従来例（図５）では、周波数が４０kHzになると、ロッド５上の各位置におけるノコギリ波形にバラツキが生じていたが、本発明においては、周波数が８０kHzとなっても、ノコギリ波形はどの位置においてもほぼ一様である。

その結果、図１１に示したように、周波数が８０kHzとなっても、ロッド５に沿って移動する移動体１０の速度はロッド５上の箇所において、ほとんど完全に同一となっている。この点、図６の従来例では、６０kHzの周波数で使用限界となっていたことと比較すれば、その効果は明確である。

以上の測定においては、ロッド５として比較的反射の影響を受け難いＣＦＲＰを使用している。しかし、本発明においてはロッド第２端５ｂにおける反射を抑制しているので、鉄やアルミニウム等の、一般的には反射の影響を受けやすい他の材料をロッド５として採用することも可能になる。このように、高価でコストアップを招くＣＦＲＰに代えて、他の材料を使用してコストダウンを図ることが可能となる。

測定に使用したＣＦＲＰは波の伝播速度が８６６０ｍ/秒である。しかしながら、高周波駆動が可能な本発明の駆動装置においては、伝播速度自体が遅い材料であっても、高周波駆動することで、結果として、移動体１０を高速で移動させることができる。つまり、波の伝播速度が５０００ｍ/秒程度の鉄やアルミニウムを使用した場合でも、移動体１０を高速で移動させることができる。

なお、既に説明したように、ノコギリ歯状の振動波形を実現するには、圧電素子４およびロッド５から決まる系の共振周波数の約０．７倍の周波数で駆動する必要がある。すなわち、駆動周波数は、共振周波数の０．７倍程度に設定しなければならない。
一方、移動体１０の長ストローク化を実現すべくロッド５を長くする場合、圧電素子も長くしなければ共振周波数は高くなる。すなわち、駆動周波数を高くできない従来例では、長ストローク化に際して圧電素子も長くしなければならないため、これが装置のコンパクト化の妨げとなっていた。
しかしながら、本発明では、高周波駆動が可能となるため、共振周波数が高くなっても問題ない。したがって、圧電素子４を短く保ったまま、ロッド５を長くして長ストローク化を達成することができる。すなわち、長ストローク化を図っても圧電素子４を短く保てる分だけ、装置自体のコンパクト化という点で有利である。また、圧電素子４は短い方が安価であるため、コストダウンという観点からも有利である。

なお、図示の例では、反射抑制手段３４を構成する２つの圧電素子１４、２４は、ロッド５と固定壁１５との間に拘束されている。すなわち、ロッド５の第２端５ｂと固定壁１５との間隔が、２つの圧電素子１４、２４の全長に等しく、かつ、ロッド５の第２端５ｂと固定壁１５との間隔は実質的に変化しない。反射を抑制するという観点からは、両圧電素子１４、２４がこのように拘束されることが好ましい。しかし、両圧電素子１４、２４は、完全にフリーとなっていないのであれば、完全に拘束されていなくても、ある程度の反射抑制効果を得ることはできる。たとえば、固定壁１５に代えて、適度の質量を有する錘を圧電素子２４の第２端に取り付けてもよい。

以上説明した例では、反射抑制手段３４として圧電素子１４、２４（電気機械変換素子）を用いているが、本発明においては、ロッドの第２端５ｂにおいて振動波の反射を抑制できる手段であれば、圧電素子１４、２４以外のものを採用することも可能である。例えば、ダンパまたはバネ成分を備えた機械的な構成で反射を抑制することが考えられる。
また、反射抑制手段３４として圧電素子を使用する場合であっても、ロッド第２端５ｂでの波形検出用と反射抑制用との２つの圧電素子を備えることは、必ずしも必要ではない。例えば、波形検出用の圧電素子を省略することが可能である。その場合には、ロッド第２端５ｂにおける振動波形を、個々の駆動装置についての固有値として、オシロスコープ等で測定しておく。そして、その振動波形を相殺するような反射抑制用圧電素子の駆動波形を予め装置に記憶させておくことで、反射の抑制が可能である。

さらには、圧電素子として、図示した積層型のものの他、単体あるいはロール型のもの等、電気により変位を生じる種々のタイプのものを用いることができる。

従来の駆動装置を示す分解斜視図および組立図。 図１の駆動装置における駆動原理を説明する図。 図１の駆動装置における駆動原理を説明する図。 図１の駆動装置におけるロッドの振幅および位相の分布を、周波数毎に示す図。 図１の駆動装置におけるロッドの振動波形を、周波数毎に示す図。 図１の駆動装置における移動体の速度分布を、周波数毎に示す図。 本発明の一実施形態に係る駆動装置を示す分解斜視図および組立図。 図７の駆動装置を模式的に示すブロック図。 図７の駆動装置におけるロッドの振幅および位相の分布を、周波数毎に示す図。 図７の駆動装置におけるロッドの振動波形を、周波数毎に示す図。 図７の駆動装置における移動体の速度分布を、周波数毎に示す図。

符号の説明

１ 台座
２、３ 支持部
４ 圧電素子（駆動用）
５ ロッド
１０ 移動体
１１ 移動体本体
１２ キャップ
１３ 押圧バネ
１４ 圧電素子（検出用）
１５ 固定壁
２４ 圧電素子（反射抑制用）
３４ 反射抑制手段

Claims (5)

1. 駆動パルス発生手段に接続されて伸縮するとともに、伸縮方向一端が固定された駆動用電気機械変換素子と、
   駆動用電気機械変換素子の伸縮方向他端に固定された第１端と、その反対側の第２端と、を有するロッドと、
   ロッドの周囲に摩擦結合していて、駆動用電気機械変換素子の伸縮によるロッドの振動に起因して、当該ロッドに沿って移動する移動体と、
   ロッドの第２端に配置され、駆動用電気機械変換素子で発生した波の反射を抑制する反射抑制手段とを備えたことを特徴とする、駆動装置。
2. 上記反射抑制手段が電気機械変換素子で構成されたことを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。
3. 上記反射抑制手段は、少なくとも、
   駆動用電気機械変換素子によってロッドの第２端に生じる振動波形を示す起電力を発生する検出用電気機械変換素子と、
   当該起電力を相殺するように、その伸縮が制御される反射抑制用電気機械変換素子と、を備えることを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。
4. 上記反射抑制手段は、
   ロッドの第２端に接続されて、当該第２端の振動波形を示す起電力を発生する検出用電気機械変換素子と、
   検出用電気機械変換素子に直列接続されるとともに、ロッドの第２端と対向する固定壁に固定されていて、検出用電気機械変換素子に生じる上記起電力を相殺するように、その伸縮が制御される反射抑制用電気機械変換素子と、を備えたことを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。
5. 駆動パルス発生手段に接続されて伸縮するとともに、伸縮方向一端が固定された駆動用電気機械変換素子と、
   駆動用電気機械変換素子の伸縮方向他端に固定された第１端と、その反対側の第２端と、を有するロッドと、
   ロッドの周囲に摩擦結合していて、駆動用電気機械変換素子の伸縮によるロッドの振動に起因して、当該ロッドに沿って移動する移動体とを備えた駆動装置における振動波の反射抑制方法であって、
   ロッドの第２端における振動波形を測定し、
   当該測定された波形を相殺する振動を当該第２端に与えることで、振動波の反射を抑制することを特徴とする、反射波抑制方法。
   

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