JP2012034467A - ２軸駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スムーズインパクト駆動機構で小型省スペースな２軸駆動装置を提供する。
【解決手段】本発明の２軸駆動装置は、電圧の印加によって伸縮する圧電素子１ａ，１ｂと、圧電素子の伸縮によって変位する駆動軸２ａ，２ｂと、駆動軸に対して摩擦係合されて当該駆動軸の軸方向に移動する移動体４ａ，４ｂとを備え、各組の駆動軸の軸方向が互いに異なるとともに、各組の圧電素子同士が共通の電極３を介して互いに接合されて一体化されてなる。圧電素子はそれぞれ、その伸縮方向（Ｘ，Ｙ）に対して斜めに形成された表面が前記電極に接合される。圧電素子は、直方体の４頂点と内部とを通る平面で前記電極を介して互いに接合された態様で直方体状に一体化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、２軸駆動装置に関する。

従来、移動体をナノメートルのオーダーで制御しつつ往復運動させる駆動装置として、スムーズインパクト駆動機構（Smooth Impact Drive Mechanism）を備えた駆動装置（以下、ＳＩＤＭ装置とする。但し、「ＳＩＤＭ」はコニカミノルタオプト株式会社の登録商標）が提案されている（例えば、特許文献１−４参照）。

近年、このようなＳＩＤＭ装置は、例えば図５に示すように、電圧の印加によって伸縮する圧電素子１００と、圧電素子１００の伸縮によって変位する駆動軸１０１と、圧電素子１００または駆動軸１０１を支持する支持部材１０２と、駆動軸１０１に対して摩擦係合されて当該駆動軸１０１の軸方向に移動する移動体１０３等とを備えており、圧電素子１００の急峻な体積変化と、移動体１０３の慣性力及び摩擦力とを利用して、移動体１０３を駆動軸１０１の軸方向に移動させるようになっている。

図５に示すＳＩＤＭ装置では、移動体１０３は、駆動軸１０１の軸方向に延在する溝部１０４Ａの設けられた略コ字状の移動体本体１０４と、駆動軸１０１を溝部１０４Ａの底面側に付勢する板ばね１０５と、駆動軸１０１を溝部１０４Ａの側壁面側に付勢するコイルばね１０６とを有している。また、板ばね１０５と駆動軸１０１との間，コイルばね１０６と駆動軸１０１との間には、駆動軸１０１に対して摺動する板状の摺動板１０７，１０８が介在している。

ＳＩＤＭ装置は移動体を１つの駆動軸に沿って１軸方向に移動させる１軸駆動装置（１軸アクチュエータ）を基本とする。もちろん、図６に示すように２つのＳＩＤＭ装置を用い、これらの駆動軸９３，９４を２軸方向に配設することにより、２軸駆動装置（２軸アクチュエータ）を構成することができる。この場合、各圧電素子９１，９２は、当該圧電素子に電圧を印加するための２電極（図示せず）をそれぞれ有している。

特開２００８−２３６９６５号公報 特開２００５−３３３７６６号公報 特開２００９−２２９７１０号公報 特開２００９−２４４５７４号公報

しかし、以上の従来技術にあってもさらに次のような問題があった。
ＳＩＤＭ装置が利用される携帯電話や小型モバイルツールにあっては、より小型省スペースな２軸アクチュエータの要請がある。
図６に示したような従来採り得る２つのＳＩＤＭ装置を２軸方向に配設する構成では、単純に２つのＳＩＤＭ装置分のスペースが必要となる。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、ＳＩＤＭ装置において、より小型省スペースな２軸駆動装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、電圧の印加によって伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子の伸縮によって変位する駆動軸と、
前記駆動軸に対して摩擦係合されて当該駆動軸の軸方向に移動する移動体とをそれぞれ２組備え、
各組の駆動軸の軸方向同士が互いに異なるとともに、
各組の圧電素子同士が共通の電極を介して互いに接合されて一体化されてなる２軸駆動装置である。

請求項２記載の発明は、前記各組の圧電素子はそれぞれ、その伸縮方向に対して斜めに形成された表面が前記電極に接合されてなる請求項１に記載の２軸駆動装置である。

請求項３記載の発明は、前記各組の圧電素子は、直方体の４頂点と内部とを通る面で前記電極を介して互いに接合された態様で直方体状に一体化されてなる請求項１又は請求項２に記載の２軸駆動装置である。

請求項４記載の発明は、前記各組の圧電素子のうち一方の圧電素子の伸縮方向が前記直方体の縦方向とされ、他方の圧電素子の伸縮方向が前記直方体の横方向とされてなる請求項３に記載の２軸駆動装置である。

本発明によれば、それぞれ別の駆動軸を担当する２つの圧電素子が共通の電極を介して互いに接合されて一体化されてなるので、個々独立の１軸駆動装置を２組使用して構成した２軸駆動装置に比較して、より小型省スペースな２軸駆動装置を構成することができるという効果がある。共通の電極を有することによって配線も簡素化でき、実装においても省スペース化がさらに図られるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る２軸駆動装置に属する圧電素子及び駆動軸のみを示した模式的斜視図(a)及び圧電素子の側面図(b)である。 本発明の一実施形態に係る２軸駆動装置の一実用例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る２軸駆動装置の他の一実用例を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る２軸駆動装置の他の一実用例を示す平面図である。 従来のＳＩＤＭ装置を示す図であり、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は側面図である。 従来のＳＩＤＭ装置を２つ用いた２軸駆動装置の例を示す模式的斜視図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１に示すように、本実施形態の２軸駆動装置に属する２つの圧電素子１ａ，１ｂの伸縮方向及び駆動軸２ａ，２ｂは、互いに直交する方向に配置される。説明の便宜のため図１(a)中に直交３軸Ｘ−Ｙ−Ｚ座標を示し、図１(a)と共通のＸ−Ｙ座標を図１(b)及び図２〜図４に示す。
一組の圧電素子１ａの伸縮方向と駆動軸２ａの軸方向は、Ｘ軸方向とされる。圧電素子１ａと駆動軸２ａとが連接されて、Ｘ軸方向駆動装置の基礎要素として構成される。
他の一組の圧電素子１ｂの伸縮方向と駆動軸２ｂの軸方向は、Ｙ軸方向とされる。圧電素子１ｂと駆動軸２ｂとが連接されて、Ｙ軸方向駆動装置の基礎要素として構成される。
各圧電素子は、層状の圧電体と電極とを交互に複数積層してなるものであり、図１に示すように圧電素子１ａと圧電素子１ｂとで積層方向が直交している。そして、圧電素子１ａと圧電素子１ｂとが接合面を介して互いに接合されて一体化されている。
圧電素子１ａ及び圧電素子１ｂの接合面は、圧電素子１ａ，１ｂの伸縮方向に対して斜め、すなわち、Ｘ軸及びＹ軸に対して斜めに形成された表面である。

一方の圧電素子１ａは、直角三角形を底面とした三角柱形状で構成される。他方の圧電素子１ａも同様に、直角三角形を底面とした三角柱形状で構成される。２つの圧電素子１ａ，１ｂは、これらの三角柱において直角三角形の斜辺に相当する辺を２辺とする長方形表面同士を合わせた態様で直方体状に構成され、その伸縮方向同士は直交する。
言い換えれば、２つの圧電素子１ａ，１ｂは、直方体の４頂点と内部とを通る平面で互いに接合された態様で直方体状に一体化されている。このような形状とすることで、２つの圧電素子の形状やサイズを等価なものとすることができ、駆動制御が行いやすくなる。また、偏りのない形状であるため各軸方向への移動量の誤差も小さく、省スペース化にも適する。さらに、製造も容易になる。
図６に示した直方体の圧電素子９１を、４頂点と内部とを通る平面で２つに切断し、その切断面同士を合わせた状態で切断面の中心を通る法線を回転軸として１８０度相対回転させて得られた直方体の態様で２つの圧電素子１ａ，１ｂは構成される。但し、実際には図１(b)に示すように、切断面の間にはグランド電極３が介在し、また、圧電素子内にはこのグランド電極３に電気的に接続する櫛歯状電極が設けられている。また、グランド電極３に接続する圧電素子内の櫛歯状電極と交互に組み合うように別の櫛歯状電極も設けられており、こちらはグランド電極と対向するように（図１(b)では圧電素子１ａの底面及び圧電素子１ｂの側面に）配置された他方の電極２０ａ、２０ｂに電気的に接続されている。このように２つの駆動軸に対して斜めの接合面を設けることにより、各圧電素子の共通電極を容易に配置することができる。
実際に上述した手順で元々１体の圧電素子から２つの圧電素子１ａ，１ｂを製造してもよいし、２つの圧電素子１ａ，１ｂを別々に製造して組み合わせてもよい。前者の場合は、直方体の圧電素子を製造する際に予め切断ラインを考慮して圧電素子内の櫛歯状電極を配置し、切断後に共通電極に接続するべき内部電極が交互に切断面に現れるようにしておくとよい。
以上のような構成であるから、２つの圧電素子１ａ，１ｂのうち一方の圧電素子の伸縮方向が上記直方体の縦方向に相当し、他方の圧電素子の伸縮方向が上記直方体の横方向に相当する（但し、縦横の区別は不問である。）。

図２〜図４に示すように、本２軸駆動装置２０は、以上の２つの圧電素子１ａ，１ｂと、２つの駆動軸２ａ，２ｂと、共通のグランド電極３とに加え、各駆動軸２ａ，２ｂのそれぞれに摩擦係合されて当該駆動軸の軸方向に移動する移動体４ａ，４ｂを備える。駆動軸２ａ，２ｂと移動体４ａ，４ｂとの係合構造に関しては従来技術と同様に実施する。適宜にバネなどを付設して摩擦係合状態を得る。移動体４ａ、４ｂと圧電素子１ａ、１ｂとの間に両者が直接接触するのを防ぐためのストッパ５ａ、５ｂを設けている。図２〜図４では圧電素子１ａ、１ｂ側に設けているが、移動体４ａ、４ｂ側に設けてもよい。ストッパ５ａ、５ｂには各種の材料が使用できるが、樹脂や、ゴム等の弾性材料が好ましい。
Ｘ軸方向アクチュエータにおいては、グランド電極３と圧電素子１ａの他電極２０ａとの間に所定周波数の駆動電圧が印加されて、圧電素子１ａが伸縮し、圧電素子１ａの伸縮方向の一端に連接された駆動軸２ａが圧電素子１ａの伸縮によってＸ軸方向に変位することにより、移動体４ａの慣性力及び摩擦力とを利用して、移動体４ａをＸ軸方向に移動させる。この移動原理に関しては従来技術と共通である。
Ｙ軸方向アクチュエータにおいても同様に、グランド電極３と圧電素子１ｂの他電極２０ｂとの間に所定周波数の駆動電圧が印加されて、圧電素子１ｂが伸縮し、圧電素子１ｂの伸縮方向の一端に連接された駆動軸２ｂが圧電素子１ｂの伸縮によってＹ軸方向に変位することにより、移動体４ｂの慣性力及び摩擦力とを利用して、移動体４ｂをＹ軸方向に移動させる。
なお、グランド電極３としては、例えば、導電性のプレートを両圧電素子の接合面に導電性接着剤で接着することで形成することができる。この場合、剛性の高い導電性プレートを使用し、圧電素子の接合面から一部が突き出すような形状としておくと、この突出した部分を固定部材３０によって固定することで、伸縮を阻害することなく圧電素子を固定することができる。導電性接着剤そのものでグランド電極３を形成することもできる。

図２に示す実用例にあっては、Ｘ軸方向移動体４ａにレーザー出射装置等の光源装置６が固定され、Ｙ軸方向移動体４ｂにプリズム型三角ミラー７が固定されている。図２においてＬ１は光源装置６からプリズム型三角ミラー７への入射光を、Ｌ２はプリズム型三角ミラー７からの出射光を示す。入射光Ｌ１と出射光Ｌ２とは９０度に交わっている。

図３に示す実用例にあっては、Ｘ軸方向移動体４ａにプリズム型三角ミラー８が固定され、Ｙ軸方向移動体４ｂにプリズム型三角ミラー９が固定されている。また、プリズム型三角ミラー１０が設置される。図３においてＬ３はプリズム型三角ミラー８への入射光を、Ｌ４はプリズム型三角ミラー８からプリズム型三角ミラー１０への入射光を、Ｌ４はプリズム型三角ミラー１０からプリズム型三角ミラー９への入射光を、Ｌ６はプリズム型三角ミラー９からの出射光を示す。入射光Ｌ３と入射光Ｌ４とは９０度に交わっている。入射光Ｌ４と入射光Ｌ５とは９０度に交わっている。入射光Ｌ５と出射光Ｌ６とは９０度に交わっている。

図４に示す実用例にあっては、Ｘ軸方向移動体４ａにＸ軸方向規制枠１１が固定され、Ｙ軸方向移動体４ｂにＹ軸方向規制枠１２が固定されている。Ｘ軸方向規制枠１１とＹ軸方向規制枠１２とが交わってできる枠１３内にレンズ１４が保持されている。図４において１４ａはレンズ１４の中心軸である。この構成においては、本２軸駆動装置２０を駆動制御することによって、レンズ１４をＸ−Ｙ座標を制御することができる。
なお、上記の実施形態においては、２つの圧電素子が、直方体の４頂点と内部とを通る平面で互いに接合された態様で直方体状に一体化されたものを用いたが、本発明はこれに限られるものではなく、種々変更可能である。例えば、２つの圧電素子の接合面は平坦な面でなくても構わない。接合面を湾曲させたり、接合面に凹凸や段差を設けたりしてもよい。接合面が平坦でなくなることにより圧電素子同士の接合力が高められる。また、接合後の形状は必ずしも直方体である必要はなく、使用目的や設置スペース等を考慮して、適宜の形状にすればよく、移動量を大きく稼ぐ必要のある方向やスペースに余裕がある方向について大きくなるような形状としてもよい。さらに、接合面は直方体の４つの頂点を通る面でなくてもよく、直方体の３つの頂点を通るものでもよいし、頂点を通らない面で切断した形状の接合面を持つものであっても構わない。

１ａ，１ｂ 圧電素子
２ａ，２ｂ 駆動軸
３ グランド電極
４ａ，４ｂ 移動体
２０ ２軸駆動装置

Claims (4)

1. 電圧の印加によって伸縮する圧電素子と、
   前記圧電素子の伸縮によって変位する駆動軸と、
   前記駆動軸に対して摩擦係合されて当該駆動軸の軸方向に移動する移動体とをそれぞれ２組備え、
   各組の駆動軸の軸方向同士が互いに異なるとともに、
   各組の圧電素子同士が共通の電極を介して互いに接合されて一体化されてなる２軸駆動装置。
2. 前記各組の圧電素子はそれぞれ、その伸縮方向に対して斜めに形成された表面が前記電極に接合されてなる請求項１に記載の２軸駆動装置。
3. 前記各組の圧電素子は、直方体の４頂点と内部とを通る面で前記電極を介して互いに接合された態様で直方体状に一体化されてなる請求項１又は請求項２に記載の２軸駆動装置。
4. 前記各組の圧電素子のうち一方の圧電素子の伸縮方向が前記直方体の縦方向とされ、他方の圧電素子の伸縮方向が前記直方体の横方向とされてなる請求項３に記載の２軸駆動装置。

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