JP2010091936A - 圧電素子の駆動方法並びに位置決め装置およびレンズ調芯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クリーピングによる誤差が生じない圧電素子の駆動方法および構成の簡単な位置決め装置を提供する。
【解決手段】圧電素子が所望の目標寸法になる目標電圧Ｖｏと圧電素子の最大電圧の０．５％以上、１％以下の所定の偏差電圧Ｐｄだけ異なる電圧であって、圧電素子が所望の目標寸法までの変位量よりも大きく寸法変位する過渡電圧Ｖｐを印加してから、圧電素子に目標電圧Ｖｏを印加する。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧電素子の駆動方法および圧電素子を用いた位置決め装置に関する。

例えば、特許文献１には、圧電素子の伸縮により、レンズを位置決めして調芯する調芯装置が記載されている。圧電素子は、印加電圧を徐々に変化させると、印加電圧に応じて、一定の範囲では印加電圧に比例して、その寸法が変化する。しかしながら、圧電素子は、印加電圧がステップ状に変化すると、印加電圧に対応（比例）する寸法に達した後も、少しずつ同じ方向に寸法変化し続けるクリーピングと呼ばれる挙動を示す。このため、従来の圧電素子を用いた調芯装置では、クリーピングによって芯ずれが発生するという問題がある。

特許文献２に記載された調芯装置では、レンズの芯ずれ量を測定し、圧電素子に印加する電圧にフィードバックをかけることで、正確な調芯を可能にしている。しかしながら、フィードバック制御を行うためには、制御装置の構成が複雑になるという問題がある。
特開昭６０−１５００１６号公報 特開平７−２１８７９４号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、クリーピングによる誤差が生じない圧電素子の駆動方法および構成の簡単な位置決め装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による圧電素子の駆動方法は、圧電素子に、該圧電素子が所望の目標寸法までの変位量よりも大きく寸法変位する過渡電圧を印加してから、前記圧電素子が前記目標寸法になる目標電圧を印加する方法とする。

この方法によれば、一度、圧電素子に目標寸法をオーバーシュートさせるような、つまり、圧電素子を収縮させる場合は目標寸法より短く、圧電素子を伸張する場合は目標寸法より長くするように過剰に変位させるようなステップ電圧を入力してから、目標寸法に対応する電圧を印加して圧電素子を逆方向に寸法変位させて所望の目標寸法にする。これによって、圧電素子の初期の寸法と目標寸法とが大きく異なっても、圧電素子には大きなステップ電圧変化の後に小さな逆方向のステップ電圧変化が入力され、大きなステップ入力によるクリーピングが小さな逆方向のステップ入力により解消されるので、圧電素子が目標寸法に達した後にクリーピングが残らない。

また、本発明の圧電素子の駆動方法において、前記過渡電圧は、前記圧電素子の最大電圧の０．５％以上、１％以下の所定の偏差電圧だけ前記目標電圧と異なる電圧であってもよい。

圧電素子にステップ入力した後、最大電圧（圧電素子が寸法変位する電圧の最大値）の０．５％以上の逆方向の電圧変化を与えることで、最初のステップ入力により生じたクリーピングを解消できる。また、電圧変化が最大電圧の１％以下であれば、殆どクリーピングを生じさせないので、逆方向のクリーピングも生じない。

また、本発明によれば、圧電素子の寸法変位に応じた位置変位を出力するアクチュエータによって対象物を位置決めする位置決め装置は、前記圧電素子に、前記対象物に所望の目標位置を通り過ぎさせるような前記圧電素子の寸法変位を生じさせる過渡電圧を印加してから、前記対象物を前記目標位置に移動させるような前記圧電素子の寸法変位を生じさせる目標電圧を印加する駆動回路を有するものとする。

この構成によれば、一度、圧電素子を所望の寸法との差以上に大きく寸法変位させてから、逆方向に寸法変位させて所望の寸法に戻すようにすることで、最初の大きな寸法変位のためのステップ入力によって発生するクリーピングを解消できる。

また、本発明の位置決め装置において、前記過渡電圧は、前記圧電素子の最大電圧の０．５％以上、１％以下の所定の偏差電圧だけ前記目標電圧と異なる電圧であってもよい。

圧電素子にステップ入力した後、最大電圧の０．５％以上の逆方向の電圧変化を与えることで、最初のステップ入力により生じたクリーピングを解消できる。また、電圧変化が最大電圧の１％以下であれば、クリーピングが殆ど生じない。このため、偏差電圧を最大電圧の０．５％以上、１％以下にすることで、目標電圧の印加を保持する間にクリーピングによって対象物が移動することを防止できる。

また、本発明の位置決め装置において、前記アクチュエータは、前記対象物を挟み込むように、対向して設けられていてもよい。

この構成によれば、プッシュ・プル方式で駆動するので、対象物の移動方向による偏差が生じにくい。

また、本発明の位置決め装置において、前記アクチュエータは、前記対象物を所定の挟持圧力で挟み込み、さらに、前記アクチュエータの挟持方向に垂直な方向に、前記アクチュエータの前記挟持圧力の５％以上の圧力で、前記対象物を押さえ込む押圧部材を有してもよい。

この構成によれば、アクチュエータによる対象物の突き上げを防止できる。

また、本発明によるレンズ調芯装置は、前記位置決め装置のいずれかを備えるものとする。

本発明によれば、一度、圧電素子に目標寸法をオーバーシュートさせるような過渡電圧を印加してから、逆方向に寸法変位させて目標寸法に伸縮させることにより、クリーピングをなくすことができる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の１つの実施形態のレンズ調心装置１を示す。

本実施形態のレンズ調芯装置１は、ベースフレーム２の上に、レンズ（対象物）３が取り付けられる玉枠４を保持する基台５と、レンズ３を両側から挟み込む第１アクチュエータ６および第２アクチュエータ７と、レンズ３を玉枠４に押圧するばねからなる押圧部材８と、レンズ３に投光する投光手段９と、レンズ３によって結像する光線を受光して電気信号に変換する撮像素子１０と、アクチュエータ６，７の後述する圧電素子を駆動制御する駆動回路１１とを有する。レンズ調芯装置１は、レンズ３の光軸を玉枠４の光学中心に合致させるものであり、レンズ３を玉枠４に接着剤によって固定する際に用いられる。

第１アクチュエータ６は、送りねじ１２によってレンズ３の光軸に直交して水平移動させられるスライダ１３に圧電素子１４が保持され、圧電素子１４の一端に固定されたアーム１５の先端がレンズ３に当接するようになっている。圧電素子１４は、電圧が印加されるとレンズ３の光軸に直交する方向に伸縮（寸法変位）し、アーム１５を突出または後退させる。

第２アクチュエータ７は、送りねじ１６によって水平移動させられるスライダ１７に挟持ばね１８を介して水平移動させられるスライドステージ１９に圧電素子２０が保持され、圧電素子２０の一端に固定されたアーム２１の先端がレンズ３に当接するようになっている。

アクチュエータ６，７は、レンズ３の光軸を挟んで対向して配置され、スライダ１３およびスライダ１７の水平移動によって、アーム１５とアーム２１とがレンズ３を挟み込む。スライダ１３，１７は、レンズ３を挟持または解放するためにのみ駆動され、レンズ３の調芯位置決めは、専ら、圧電素子１４，２０の伸縮によって行われる。アーム１５，２１によるレンズ３の挟持圧力は、挟持ばね１８の弾性力によって決定され、スライダ１３，１７の駆動量が一定であるため、略一定である。

レンズ調芯装置１は、図２に示すように、レンズ３を挟持して位置決めするアクチュエータ６，７の組みが、互いに直交して２組設けられ、レンズ３をＸ−Ｙ方向に挟持して、両方向にそれぞれ位置決めできるようになっている。

駆動回路１１は、撮像素子１０の出力信号を画像処理して圧電素子１４，２０に印加すべき電圧を算出してアナログ信号として出力するＣＰＵ２３と、ＣＰＵ２３の出力をそれぞれ増幅して圧電素子１４，２０に印加するアンプ２３，２４とを有する。

圧電素子１４，２０は、図３に示すように、印加される電圧に応じて寸法変位する。本実施形態では、圧電素子１４，２０の寸法が変位する最大電圧Ｖｍａｘは５０（Ｖ）であるが、寸法変位が印加電圧に対して線形である範囲は、最大電圧Ｖｍａｘの約８３％までであるため、圧電素子１４，２０には、±４０（Ｖ）の範囲内で、正負の異なる電圧が印加される。

ＣＰＵ２２は、撮像素子１０の出力信号から、レンズ３の玉枠４に対する芯ずれ量を検出し、芯ずれ量に比例定数を乗じて現在の出力電圧に加算することで、アクチュエータ６の圧電素子１４に印加すべき目標電圧Ｖｏを算出する。そして、図４に例示するように、レンズ３を目標位置よりも過剰に移動させるような、目標電圧Ｖｏと偏差電圧Ｖｄ＝０．５（Ｖ）だけ異なる過渡電圧Ｖｐ（目標電圧Ｖｏへの電圧変化よりも電圧変化の絶対値が偏差電圧Ｖｄだけ大きくなる電圧）を約０．１秒間、圧電素子１４に印加し、その後、目標電圧Ｖｏを圧電素子１４に印加する。このとき、アクチュエータ７の圧電素子２０には、同じタイミングで、圧電素子１４に印加された電圧と正負の異なる過渡電圧−Ｖｐを印加してから逆電圧の目標電圧−Ｖｏを印加する。

圧電素子１４，２０は、印加される電圧がステップ状に変化すると、印加された電圧に比例する寸法に変位した後も、僅かながら同じ方向に変位し続けるクリーピングを起こしてしまう。しかしながら、偏差電圧Ｖｄのような小さな電圧変化に対しては、クリーピングが殆ど発生しない。このため、本実施形態にように、過渡電圧Ｖｐを印加して圧電素子１４，２０を過剰に変位させてから、目標電圧Ｖｏを印加して圧電素子１４，２０の寸法を所望の値に引き戻すことで、クリーピングをなくすことができる。

レンズ調芯装置１では、圧電素子１４，２０に過渡電圧±Ｖｐを印加してから目標電圧±Ｖｏを印加し、この目標電圧±Ｖｏを維持することで、レンズ３を玉枠４に対して正確に調芯した状態を維持できる。この間に、レンズ３と玉枠４とを光硬化型接着剤等で固定することで、高精度の光学部品を製造することができる。

図５は、異なる圧電素子において、偏差電圧Ｖｄを変えて過渡電圧Ｖｐを印加してから目標電圧Ｖｏを印加して１２０秒保持した場合の、それぞれのクリーピング量を計測した結果を示す。この実験には、最大電圧Ｖｍａｘが５０（Ｖ）で最大変位量（最大電圧印加時と０Ｖ印加時の寸法差）が１６５μｍの圧電素子、最大電圧Ｖｍａｘが５０（Ｖ）で最大変位量が３００μｍの圧電素子、および、最大電圧Ｖｍａｘが３０（Ｖ）で最大変位量が１００μｍの圧電素子の３種類を用いた。

図示するように、いずれの圧電素子においても、偏差電圧Ｖｄを最大電圧Ｖｍａｘの０．５％から１％の間にすれば、クリーピング量を十分に小さくできることが確認された。

また、図６に、レンズ調芯装置１におけるレンズ３の調芯作業中に、アーム１５，２１による作用点の突き上げによって生じるレンズ３の光軸の傾斜の、挟持ばね１８による挟持圧力および押圧部材８の押圧力による違いを測定した結果を示す。

図示するように、押圧部材８の押圧力を挟持ばね１８による挟持圧力の５％以上にすることで、レンズ３の光軸の傾斜を１分（１／６０度）以下に抑えることができた。

以上の実施形態では、レンズ３を位置決めするレンズ調芯装置１に関して説明したが、本発明は、このような位置決め装置に限らず、圧電素子の駆動方法として広く適用可能であり、簡単な構成で圧電素子の寸法を正確に制御できるものである。

本発明の１つの実施形態のレンズ調芯装置の概略図。 図１のレンズ調心装置の平面図。 圧電素子の印加電圧と寸法変位量との関係を示すグラフ。 駆動回路の出力電圧の時間変化を例示するグラフ。 偏差電圧とクリーピング量との関係の実験結果を示す表。 押圧力と挟持圧力とによるレンズの傾斜角度の実験結果を示す表。

符号の説明

１…レンズ調芯装置
３…レンズ（対象物）
４…玉枠
６…第１アクチュエータ
７…第２アクチュエータ
８…押さえ部材
１１…駆動回路
１２…送りねじ
１３…スライダ
１４…圧電素子
１５…アーム
１６…送りねじ
１７…スライダ
１８…挟持ばね
１９…スライドステージ
２０…圧電素子
２１…アーム

Claims (7)

1. 圧電素子に、該圧電素子が所望の目標寸法までの変位量よりも大きく寸法変位する過渡電圧を印加してから、前記圧電素子が前記目標寸法になる目標電圧を印加することを特徴とする圧電素子の駆動方法。
2. 前記過渡電圧は、前記圧電素子の最大電圧の０．５％以上、１％以下の所定の偏差電圧だけ前記目標電圧と異なる電圧であることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の駆動方法。
3. 圧電素子の寸法変位に応じた位置変位を出力するアクチュエータによって対象物を位置決めする位置決め装置であって、
   前記圧電素子に、前記対象物に所望の目標位置を通り過ぎさせるような前記圧電素子の寸法変位を生じさせる過渡電圧を印加してから、前記対象物を前記目標位置に移動させるような前記圧電素子の寸法変位を生じさせる目標電圧を印加する駆動回路を有することを特徴とする位置決め装置。
4. 前記過渡電圧は、前記圧電素子の最大電圧の０．５％以上、１％以下の所定の偏差電圧だけ前記目標電圧と異なる電圧であることを特徴とする請求項３に記載の位置決め装置。
5. 前記アクチュエータは、前記対象物を挟み込むように、対向して設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の位置決め装置。
6. 前記アクチュエータは、前記対象物を所定の挟持圧力で挟み込み、
   さらに、前記アクチュエータの挟持方向に垂直な方向に、前記アクチュエータの前記挟持圧力の５％以上の圧力で、前記対象物を押さえ込む押圧部材を有することを特徴とする請求項５に記載の位置決め装置。
7. 前記請求項３から６のいずれかに記載の位置決め装置を備えることを特徴とするレンズ調芯装置。

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