JP2014023360A - 振動アクチュエータユニット、ステージ装置および光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動対象物を異なる移動方向に駆動できる振動アクチュエータユニット。
【解決手段】振動アクチュエータユニットであって、印加された駆動電圧の電気的振動を機械的振動に変換する電気機械変換素子と、駆動対象の被駆動面に当接して、電気機械変換素子の機械的振動を被駆動面に駆動力として伝達する当接部とを備え、電気機械変換素子は、被駆動面に交差する第一振動面内で周期的に屈曲して当接部を第一振動面内で振動させ、且つ、第一振動面と交差する第二振動面内で周期的に屈曲して当接部を第二振動面内で振動させる。
【選択図】図１４

Description

本発明は、振動アクチュエータユニット、ステージ装置および光学装置に関する。

ステージを２次元的に移動させるステージ装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開平１１−３１６６０７号公報

Ｘ方向駆動とＹ方向駆動にそれぞれアクチュエータを備えるので装置規模が大きい。

本発明の第一態様によると、印加された駆動電圧の電気的振動を機械的振動に変換する電気機械変換素子と、駆動対象の被駆動面に当接して、電気機械変換素子の機械的振動を被駆動面に駆動力として伝達する当接部とを備え、電気機械変換素子は、被駆動面に交差する第一振動面内で周期的に屈曲して当接部を第一振動面内で振動させ、且つ、第一振動面と交差する第二振動面内で周期的に屈曲して当接部を第二振動面内で振動させる振動アクチュエータユニットが提供される。

本発明の第二態様によると、上記振動アクチュエータユニットを備える光学装置が提供される。また、本発明の第三態様によると、上記駆動装置を備えたステージ装置が提供される。

上記した発明の概要は、この発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

ステージ装置１０１の模式的断面図である。 振動アクチュエータユニット２０１の模式的な分解斜視図である。 振動アクチュエータユニット２０１の模式的側面図である。 振動アクチュエータユニット２０１の駆動信号波形を示す図である。 振動アクチュエータユニット２０１の模式的側面図である。 振動アクチュエータユニット２０１の構造を示す模式図である。 振動アクチュエータユニット２０１の駆動信号波形を示す図である。 振動アクチュエータユニット２０１の模式的側面図である。 ステージ装置１０２の模式的断面図である。 振動アクチュエータユニット２０２の模式的な分解斜視図である。 振動アクチュエータユニット２０２の駆動信号波形を示す図である。 振動アクチュエータユニット２０２の駆動信号波形を示す図である。 ステージ装置１０３の模式的断面図である。 振動アクチュエータユニット２０３の模式的な分解斜視図である。 駆動信号の位相関係を示す図である。 光学装置１０４の模式的断面図である。 光学装置１０４の模式図である。 光学装置１０５の模式図である。 光学装置１０５の模式図である。 能動回転関節装置１０６の模式図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定しない。また、実施形態において説明される特徴の組み合わせの全てが課題の解決に必須であるとは限らない。

図１は、ステージ装置１０１の模式的断面図である。ステージ装置１０１は、基台１１０、付勢部１２０、移動ステージ１３０および振動アクチュエータユニット２０１を備える。

ステージ装置１０１において、付勢部１２０および振動アクチュエータユニット２０１は、平坦な基台１１０の上面に配される。振動アクチュエータユニット２０１は、固定部１１２により基台１１０の上面に固定される。移動ステージ１３０は、振動アクチュエータユニット２０１により下方から支持される。

付勢部１２０は、支柱１２２、弾性部材１２４、球面座１２６および転動ボール１２８を有する。支柱１２２は、基台１１０の上面から図中上方に伸び、更に、側方にも伸びて移動ステージ１３０の図中上方に差し出される。支柱１２２の先端と移動ステージ１３０上面との間には、弾性部材１２４、球面座１２６および転動ボール１２８が積層された状態で配される。

転動ボール１２８は、移動ステージ１３０の上面に当接する。球面座１２６は、転動ボール１２８の転動を許容しつつ、転動ボール１２８が移動ステージ１３０の表面で変位することを防止する。弾性部材１２４は、支柱１２２および球面座１２６の間に圧縮された状態で挟まれる。これにより、球面座１２６および転動ボール１２８は、支柱１２２の上端から下方に向かって押しつけられる。

上記のような付勢部１２０は、移動ステージ１３０の複数箇所に設けられ、協働して移動ステージ１３０を下方に向かって、換言すれば、基台１１０に近づく方向に付勢する。移動ステージ１３０は、振動アクチュエータユニット２０１により下方から支持されているので、振動アクチュエータユニット２０１の上端に配された当接部２１０は、移動ステージ１３０の下面に向かって押しつけられる。

なお、付勢部１２０の構造は、図示の例に限られない。付勢部１２０は、振動アクチュエータユニット２０１の当接部２１０と、駆動対象である移動ステージ１３０の被駆動面とが当接した状態を維持する目的で設けられているので、磁力、重力、作動流体の圧力等、他の方法を用いて付勢力を発生する付勢部１２０を設けてもよい。

図２は、振動アクチュエータユニット２０１の模式的な分解斜視図である。振動アクチュエータユニット２０１は、当接部２１０、圧電体２２０、共通電極２３５および複数の個別電極２３１、２３２、２３３、２３４を有する。

当接部２１０は、圧電体２２０の図中上面に固定され、圧電体２２０の表面から突出して、移動ステージ１３０の図中下面に当接する。圧電体２２０が機械的振動を生じた場合、当接部２１０は、圧電体２２０と共に振動する。

圧電体２２０は、ＰＺＴ等の圧電材料により形成される。圧電材料は、電圧を印加されると、予め分極された方向に伸縮する。図示の例では、図中に矢印Ｚで示す方向が分極軸方向となるように分極される。よって、電圧値が周期的に変化する駆動電圧を印加されると、圧電体２２０は、図中に矢印Ｚで示す方向に伸縮する機械的振動を生じる。

個別電極２３１、２３２、２３３、２３４および共通電極は、金属等の導電性を有する材料により形成され、相互に絶縁される。共通電極２３５は、隣接する圧電体２２０と略同じ面積を有して、基準電位、例えば接地電位に結合される。換言すれば、圧電体２２０全体は、共通電極２３５により２つのブロックに分割された状態になる。

個別電極２３１、２３２、２３３、２３４は、それぞれ、圧電体２２０を挟んで、共通電極２３５に対向する位置に配される。これにより、圧電体２２０には、個別電極２３１、２３２、２３３、２３４のいずれかと共通電極２３５との間に挟まれた複数の圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４が形成される。換言すれば、個別電極２３１、２３２、２３３、２３４は、圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４の配列方向に沿って配される。

よって、例えば、ひとつの個別電極２３１に電圧を印加した場合、個別電極２３１に対応する圧電材料ブロック２２１に電界が強く作用し、その圧電材料ブロック２２１が伸張または収縮する。同様に、他の個別電極２３２、２３３、２３４のいずれかに電圧を印加した場合、対応する圧電材料ブロック２２２、２２３、２２４が伸張または収縮する。このように、圧電体２２０および個別電極２３１、２３２、２３３、２３４により、印加された駆動電圧の電気的振動を機械的振動に変換する電気機械変換素子が形成される。

なお、使用状態の振動アクチュエータユニット２０１では、図示の当接部２１０、圧電体２２０、個別電極２３１、２３２、２３３、２３４および共通電極２３５が相互に密着した状態にある。このような振動アクチュエータユニット２０１は、図示の形状の部品を組み合わせて製造されるとは限らない。例えば、それぞれが層状の圧電材料および導電性材料を順次積層することにより、図示の振動アクチュエータユニット２０１と同じ構造を形成できる。

また、図示の例では、個別電極２３１、２３２、２３３、２３４および共通電極２３５を、それぞれ図中の矢印Ｙと平行な面に配している。しかしながら、各電極は、他の面あるいは圧電体２２０の角部に配することもできる。また、圧電体２２０を筒状に形成して、その内面に電極を配することもできる。

図３は、振動アクチュエータユニット２０１の模式的側面図である。図３には、図１および図２において矢印Ｘで示した方向、即ち、一部の個別電極２３１、２３２と直交する方向から振動アクチュエータユニット２０１を見た様子を示す。図２と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

個別電極２３１、２３２は、圧電体２２０を、図中左右に分割して配置される。今仮に、図中左側に位置する個別電極２３２に印加するＢ相駆動信号と、圧電体２２０を挟んで個別電極２３２の裏側に位置する個別電極２３３に印加するＣ相駆動信号とが、同じ位相で電圧を周期的に変化するものとする。また、図中右側に位置する個別電極２３１に印加するＡ相駆動信号と、圧電体２２０を挟んで個別電極２３１の裏側に位置する個別電極２３４に印加するＤ相駆動信号とが、同じ位相で電圧を周期的に変化するものとする。

図４は、振動アクチュエータユニット２０１に供給する駆動信号波形の一例を示す図である。図示のように、Ａ相駆動信号およびＤ相駆動信号は相互に同期する。Ｂ相駆動信号およびＣ相駆動信号も相互に同期する。また、Ａ相駆動信号およびＤ相駆動信号は、Ｂ相駆動信号およびＣ相駆動信号に対して９０°進んだ位相を有する。

図５は、上記のような組み合わせの駆動信号を振動アクチュエータユニット２０１に印加した場合の振動アクチュエータユニット２０１の動作を説明する模式図である。図３と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

図４おいて、Ａ相駆動信号の位相が０から１３５°までの期間および３１５°以上の期間は、Ａ相駆動信号およびＤ相駆動信号の電圧が、Ｂ相駆動信号およびＣ相駆動信号の電圧よりも高い。このような場合は、図５に示すように、圧電材料ブロック２２１、２２４が、圧電材料ブロック２２２、２２３よりも相対的に長くなり、圧電体２２０は、上端の当接部２１０を図中右方に変位させるように屈曲する。

また、Ａ相駆動信号の位相が１３５°から３１５°までの期間は、Ｂ相駆動信号およびＣ相駆動信号の電圧が、Ａ相駆動信号およびＤ相駆動信号の電圧よりも高い。このような場合は、圧電材料ブロック２２２、２２３が、圧電材料ブロック２２１、２２４よりも相対的に長くなり、圧電体２２０は、上端の当接部２１０が図中左方に変位するように屈曲する。

更に、図４において、Ａ相駆動信号の位相が９０°から１８０°までの期間は、すべての駆動信号の電圧値が正になる。また、Ａ相駆動信号の位相が２７０°から３６０°までの期間は、すべての駆動信号の電圧値が負になる。よって、前者の期間は、後者の期間よりも、圧電体２２０全体の長さが相対的に大きくなる。

圧電体２２０のこれらの運動を総合すると、図４に示した駆動信号を振動アクチュエータユニット２０１に供給した場合、当接部２１０は、図中の矢印Ｙと平行な面内において楕円運動を生じる。よって、ステージ装置１０１において、楕円運動を生じる当接部２１０に当接する移動ステージ１３０は、図１における矢印Ｙの方向に移動する。なお、図４に示した２相の駆動信号の相互遅延関係を逆にした場合は、移動ステージ１３０の移動方向が反転する。

図６は、振動アクチュエータユニット２０１の模式的側面図である。図６には、図１および図２において矢印Ｙで示した方向、即ち、個別電極２３１、２３４および共通電極２３５の面方向から振動アクチュエータユニット２０１を見た様子を示す。図２と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

個別電極２３１、２３４は、それぞれ、共通電極２３５との間に圧電体２２０を挟む。今仮に、図中左側に位置する個別電極２３１に印加するＡ相駆動信号と、個別電極２３１に隣接する個別電極２３２に印加するＢ相駆動信号とが、同じ位相で電圧を周期的に変化するものとする。また、図中右側に位置する個別電極２３４に印加するＤ相駆動信号と、個別電極２３４に隣接する個別電極２３３に印加するＣ相駆動信号とが、同じ位相で電圧を周期的に変化するものとする。

図７は、振動アクチュエータユニット２０１に供給する駆動信号波形の一例を示す図である。図示のように、Ａ相駆動信号およびＢ相駆動信号は相互に同期する。Ｄ相駆動信号およびＣ相駆動信号も相互に同期する。また、Ａ相駆動信号およびＢ相駆動信号は、Ｄ相駆動信号およびＣ相駆動信号に対して９０°進んだ位相を有する。

図８は、上記のような組み合わせの駆動信号を振動アクチュエータユニット２０１に印加した場合の振動アクチュエータユニット２０１の動作を説明する模式図である。図６と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

図８おいて、Ａ相駆動信号の位相が０から１３５°までの期間および３１５°以上の期間は、Ａ相駆動信号およびＢ相駆動信号の電圧が、Ｄ相駆動信号およびＣ相駆動信号の電圧よりも高い。このような場合は、図８に示すように、圧電材料ブロック２２１、２２２が、圧電材料ブロック２２４、２２３よりも相対的に長くなり、圧電体２２０は、上端の当接部２１０が図中左方に変位するように屈曲する。

また、Ａ相駆動信号の位相が１３５°から３１５°までの期間は、Ｄ相駆動信号およびＣ相駆動信号の電圧が、Ａ相駆動信号およびＢ相駆動信号の電圧よりも高い。このような場合は、圧電材料ブロック２２１、２２２が、圧電材料ブロック２２４、２２３よりも相対的に長くなり、圧電体２２０は、上端の当接部２１０を図中右方に変位させるように屈曲する。

更に、図７において、Ａ相駆動信号の位相が９０°から１８０°までの期間は、すべての駆動信号の電圧値が正になる。また、Ａ相駆動信号の位相が２７０°から３６０°までの期間は、すべての駆動信号の電圧値が負になる。よって、前者の期間は、後者の期間よりも、圧電体２２０全体の長さが相対的に大きくなる。

圧電体２２０のこれらの運動を総合すると、図７に示した駆動信号を振動アクチュエータユニット２０１に供給した場合、当接部２１０は、図中の矢印Ｘと平行な面内において楕円運動を生じる。よって、ステージ装置１０１において、楕円運動を生じる当接部２１０に当接する移動ステージ１３０は、図１における矢印Ｘの方向に移動する。また、図７に示した２相の駆動信号の相互遅延関係を逆にした場合は、移動ステージ１３０の移動方向が反転する。

以上、図３から図８までを参照して説明したように、振動アクチュエータユニット２０１は、移動ステージ１３０を、矢印Ｘの方向にも、矢印Ｙの方向にも移動させることができる。更に、図４に示した駆動信号と、図７に示した駆動信号とを重畳させた駆動信号を振動アクチュエータユニット２０１に加えることにより、矢印Ｘの方向と矢印Ｙの方向とを合成した方向にも移動ステージ１３０を移動させることができる。

このように、振動アクチュエータユニット２０１は、単一のアクチュエータでありながら、駆動信号の組み合わせを変化させることにより移動ステージ１３０を２次元的に移動させることができる。なお、図１には単一の振動アクチュエータユニット２０１が描かれているが、複数の振動アクチュエータユニット２０１を設けても差し支えないことはいうまでもない。

図９は、ステージ装置１０２の模式的断面図である。ステージ装置１０２は、下記に説明する部分を除くと、図１に示したステージ装置１０１と同じ構造を有する。そこで、共通の要素にはステージ装置１０１と同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

ステージ装置１０２は、振動アクチュエータユニット２０２を備える点において、ステージ装置１０１と異なる。振動アクチュエータユニット２０２は、図中下面に、下方に向かって突出する単一の支持部１１４を有する。支持部１１４は、基台１１０の上面に当接して、振動アクチュエータユニット２０２を一点で支持、固定する。

また、振動アクチュエータユニット２０２は、図中上面に、一対の当接部２１０を有する。移動ステージ１３０が、付勢部１２０によって下方に向かって付勢されている点は、振動アクチュエータユニット２０１と同じである。これにより、一対の当接部２１０は、それぞれが移動ステージ１３０の下面に当接して、移動ステージ１３０を下方から支持する。

図１０は、振動アクチュエータユニット２０２の模式的な分解斜視図である。振動アクチュエータユニット２０２は、一対の当接部２１０、複数の圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４に分割された圧電体、共通電極２３５および複数の個別電極２３１、２３２、２３３、２３４をそれぞれ有する。振動アクチュエータユニット２０２において、圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４は、いずれも長手方向、即ち、図９に示した状態では、図中の矢印Ｘで示す方向に分極している。

振動アクチュエータユニット２０２において、図中左側の半分に相当する左翼ブロック２２８は、図中水平に配された個別電極２３１、２３２および共通電極２３５により区切られて、図中上下に配列された一対の圧電材料ブロック２２１、２２２をなす。換言すれば、個別電極２３１、２３２は、圧電材料ブロック２２１、２２２の配列方向に配列される。

また、振動アクチュエータユニット２０２において、図中右側の半分に相当する右翼ブロック２２９は、図中垂直に配された個別電極２３３、２３４および共通電極２３５により区切られて、図中水平に配列された一対の圧電材料ブロック２２３、２２４をなす。換言すれば、個別電極２３３、２３４は、圧電材料ブロック２２３、２２４の配列方向に配列される。

よって、例えば、ひとつの個別電極２３１に電圧を印加した場合、その個別電極２３１に対応する圧電材料ブロック２２１に電界が強く作用して、圧電材料ブロック２２１が伸張または収縮する。同様に、他の個別電極２３２、２３３、２３４のいずれかに電圧を印加した場合、対応する圧電材料ブロック２２２、２２３、２２４が伸張または収縮する。

これにより、個別電極２３１、２３２に、互いに異なる駆動電圧が印加された場合、振動アクチュエータユニット２０２の左翼ブロック２２８は、ステージ装置１０２において、基台１１０の表面と直交する面内で屈曲する機械振動を生じる。また、個別電極２３３、２３４に、互いに異なる駆動電圧が印加された場合、振動アクチュエータユニット２０２の右翼ブロック２２９は、ステージ装置１０２において、基台１１０の表面と平行な面内で屈曲する機械振動を生じる。

一対の当接部２１０の一方は、左翼ブロック２２８の上面に位置する個別電極２３１において、面方向の略中央に配される。他方の当接部２１０は、右翼ブロック２２９の個別電極２３３、２３４、圧電材料ブロック２２３、２２４および共通電極２３５を互いに密着させた場合に形成される上面の略中央に配される。これら当接部２１０は、それぞれ、圧電材料ブロック２２１、２２２または圧電材料ブロック２２３、２２４のいずれかが振動した場合に、共に振動する。

なお、使用状態にある振動アクチュエータユニット２０２は、図示の当接部２１０、圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４、個別電極２３１、２３２、２３３、２３４および共通電極２３５が相互に密着した状態にある。このような振動アクチュエータユニット２０２は、図示の形状の部品を組み合わせて製造されるとは限らない。例えば、それぞれが層状の圧電材料および導電性材料を順次積層することにより、図示の振動アクチュエータユニット２０１と同じ構造を形成できる。

また、上記のような振動アクチュエータユニット２０２を製造する場合、圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４、個別電極２３１、２３２、２３３、２３４および共通電極２３５を組み立てた後に、支持部１１４および当接部２１０を接着して取り付けてもよい。支持部１１４および当接部２１０の材料としては、例えば、変形が少なく耐磨耗性を有するポチコン（商品名）を用いることができる。

図１１は、振動アクチュエータユニット２０２の個別電極２３１、２３２、２３３、２３４に印加する駆動信号波形を示す図である。なお、図１０に示したように、個別電極２３１にはＡ相駆動信号を、個別電極２３２にはＢ相駆動信号を、個別電極２３３にはＣ相駆動信号を、個別電極２３４にはＤ相駆動信号を、それぞれ個別に印加するものとする。

図示の例では、Ａ相駆動信号およびＢ相駆動信号は位相が１８０°ずれて、互いに反転した信号波形を有する。このようなＡ相駆動信号およびＢ相駆動信号を印加された場合、振動アクチュエータユニット２０２における圧電材料ブロック２２１、２２２は、上記したように、ステージ装置１０２の基台１１０上面に直交する面内で屈曲する機械的振動を生じる。

一方、Ｃ相駆動信号およびＤ相駆動信号は同期して、互いに同じ信号波形を有する。このようなＣ相駆動信号およびＤ相駆動信号を印加された場合、振動アクチュエータユニット２０２における圧電材料ブロック２２３、２２４は、一体的に伸縮する。この場合、圧電材料ブロック２２３、２２４の伸縮方向は、図９および図１０に矢印Ｘで示した方向になる。

更に、図１１に示した駆動信号波形において、Ａ相駆動信号およびＢ相駆動信号の位相は、Ｃ相駆動信号の波形およびＤ相駆動信号の位相に対して９０°遅れている。よって、圧電材料ブロック２２１、２２２の垂直面内の屈曲振動と、圧電材料ブロック２２１、２２２の長手方向の伸縮とを組み合わせることにより、振動アクチュエータユニット２０２は、ステージ装置１０２において、移動ステージ１３０を、図中に矢印Ｘで示す方向に移動させる。なお、図１１に示したＡ相駆動信号およびＢ相駆動信号と、Ｃ相駆動信号およびＤ相駆動信号との相互遅延関係を逆にした場合は、移動ステージ１３０の移動方向が反転する。

図１２は、振動アクチュエータユニット２０２の個別電極２３１、２３２、２３３、２３４に印加する他の駆動信号波形を示す図である。図示の例では、Ａ相駆動信号およびＢ相駆動信号は位相が１８０°ずれて、互いに反転した信号波形を有する。よって、圧電材料ブロック２２１、２２２は、上記したように、ステージ装置１０２の基台１１０上面に直交する面内で屈曲する機械的振動を生じる。

また、図１２に示す駆動信号波形では、Ｃ相駆動信号およびＤ相駆動信号も位相が１８０°ずれて、互いに反転した信号波形を有する。よって、圧電材料ブロック２２３、２２４は、ステージ装置１０２の基台１１０の表面と平行な面内で屈曲する機械的振動を生じる。

更に、図１２に示した駆動信号波形において、Ａ相駆動信号およびＢ相駆動信号の位相は、Ｃ相駆動信号の波形およびＤ相駆動信号の位相に対して９０°遅れている。よって、圧電材料ブロック２２１、２２２の垂直面内の屈曲振動と、圧電材料ブロック２２３、２２４の水平面内の屈曲運動とを組み合わせることにより、振動アクチュエータユニット２０２は、ステージ装置１０２において、移動ステージ１３０を、図中に矢印Ｙで示す方向と逆の方向に移動させる。なお、図１１に示したＡ相駆動信号およびＢ相駆動信号と、Ｃ相駆動信号およびＤ相駆動信号との相互遅延関係を逆にした場合は、移動ステージ１３０の移動方向が反転する。

以上、図９から図１２までを参照して説明したように、振動アクチュエータユニット２０２は、移動ステージ１３０を、矢印Ｘの方向にも、矢印Ｙの方向にも移動させることができる。更に、Ａ相からＤ相までの駆動信号相互の遅延関係をさまざまに変化させることにより、移動ステージ１３０の移動方向を変化させることができる。

このように、振動アクチュエータユニット２０２は、単一のアクチュエータでありながら、駆動信号の組み合わせを変化させることにより移動ステージ１３０を２次元的に移動させることができる。図９のステージ装置１０２には単一の振動アクチュエータユニット２０１が設けられているが、想定される負荷に応じて複数の振動アクチュエータユニット２０２を設けても差し支えないことはいうまでもない。

図１３は、ステージ装置１０３の模式的断面図である。ステージ装置１０３は、下記に説明する部分を除くと、図９に示したステージ装置１０２と同じ構造を有する。そこで、共通の要素にはステージ装置１０２と同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

ステージ装置１０２は、振動アクチュエータユニット２０３を備える点において、ステージ装置１０２と異なる。振動アクチュエータユニット２０３は、個別電極２３１、２３２、２３３、２３４および共通電極２３５により形成される圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４の配置が、振動アクチュエータユニット２０２と異なる。

図１４は、振動アクチュエータユニット２０３の模式的な分解斜視図である。振動アクチュエータユニット２０３は、一対の当接部２１０、複数の圧電材料ブロックに分割された圧電体２２０、共通電極２３５および複数の個別電極２３１、２３２、２３３、２３４をそれぞれ有する。振動アクチュエータユニット２０３において、圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４は、いずれも長手方向、即ち、図１３に示した状態では、図中の矢印Ｘで示す方向に分極している。

振動アクチュエータユニット２０３において、圧電体２２０は、その長手方向に配された共通電極２３５により、長手方向と直交する方向に並ぶ一対の圧電体２２０に区切られる。更に、一対の圧電体２２０の各々において共通電極２３５と対向する面には、当該面を縦横に四分割する４つの個別電極２３１、２３２、２３３、２３４が配される。

これにより、圧電体２２０全体では、８つの個別電極２３１、２３２、２３３、２３４に対応する８つの圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４が形成される。８つの圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４の各々は、全体として六面体をなす圧電体２２０の頂点をひとつずつ含む。

また、８つの個別電極２３１、２３２、２３３、２３４のうち、同じ参照番号を有する一対のものは、全体として六面体をなす圧電体２２０の、対角位置に配され、同じ相の駆動信号を共通に受ける。

上記のような振動アクチュエータユニット２０３において、図中左側半分に相当する左翼ブロック２２８と図中右側半分に相当する右翼ブロック２２９とはそれぞれ、図２に示した振動アクチュエータユニット２０１と類似した動作をする。ただし、これらのブロックは、圧電体２２０の長手方向の共通の回転軸の周りに回転した状態で結合されているので、圧電体２２０の図中左側半分と図中右側半分の振る舞いには相違が生じる。

これにより、振動アクチュエータユニット２０３においては、駆動信号を供給された場合に圧電体２２０に生じる振動の振幅が大きくなる。よって、ステージ装置１０３において、移動ステージ１３０は効率よく駆動される。

図１５は、振動アクチュエータユニット２０３の個別電極２３１、２３２、２３３、２３４に印加する駆動信号の位相関係を示す図である。また、図１５において、上段および左列に記載したＸおよびＹの符号は、図１３に示した矢印Ｘ、矢印Ｙに対応して、振動アクチュエータユニット２０３により駆動される移動ステージ１３０の移動方向を示す。図示のように、Ａ相からＤ相までの駆動信号相互の遅延関係をさまざまに変化させることにより、移動ステージ１３０の移動方向を変化させることができる。

図１３から図１５までを参照して説明したように、振動アクチュエータユニット２０３は、８つの圧電材料ブロック２２１、２２２、２２３、２２４を４相の駆動信号により駆動することにより、移動ステージ１３０を、矢印Ｘの方向にも、矢印Ｙの方向にも移動させることができる。また、駆動信号相互の位相遅延関係を変化させることにより、移動ステージ１３０の移動方向を変化させることができる。

このように、振動アクチュエータユニット２０３は、単一のアクチュエータでありながら、駆動信号の組み合わせを変化させることにより移動ステージ１３０を２次元的に移動させることができる。図９のステージ装置１０２には単一の振動アクチュエータユニット２０３が設けられているが、想定される負荷に応じて複数の振動アクチュエータユニット２０３を設けてもよい。

図１６は、光学装置１０４の模式的断面図である。光学装置１０４は、振動アクチュエータユニット２０３を備える。また、図１３に示したステージ装置１０３と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

光学装置１０４は、ステージ装置１０２における移動ステージ１３０に換えて、移動軸１３２を備える点に固有の構造を有する。移動軸１３２は、支柱１２２に設けられた軸受け部１２１に挿通され、図中に矢印Ｘで示す方向に摺動自在に基台１１０から支持される。また、移動軸１３２は、軸受け部１２１において、長手方向の中心軸の周りに回転自在に支持される。

移動軸１３２は、基台１１０の外側の一端に取り付けられた保持枠１３４において、光学系の一部をなすレンズ１３６を保持する。よって、レンズ１３６は、移動軸１３２が長手方向に摺動した場合に、移動軸１３２の中心軸と平行な光軸Ｌに沿って移動する。

図１７は、光学装置１０４の模式的斜視図である。図１６と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。また、図１７は、基台１１０および支柱１２２を省いて描かれている。

図示のように、光学装置１０４において、振動アクチュエータユニット２０３の当接部２１０は、移動軸１３２の円筒状の周面に当接して駆動力を伝える。よって、振動アクチュエータユニット２０３が、図１６に示す矢印Ｘの方向に駆動力を発生した場合、移動軸１３２は、それ自体の中心軸の方向に移動する。

また、光学装置１０４において、振動アクチュエータユニット２０３が、図１６に示す矢印Ｙの方向に駆動力を発生した場合、移動軸１３２は、図１７に矢印Ｑで示すように、それ自体の中心軸の周りに回転する。移動軸１３２が回転した場合、レンズ１３６は、光軸Ｌからはずれる。

このように、振動アクチュエータユニット２０３を用いることにより、光学部材であるレンズ１３６を、光軸Ｌ方向の他に、光軸Ｌからはずれる方向にも移動させることができる。よって、レンズ１３６を移動させて光学系の特性を変化させる他に、レンズ１３６を光学系からはずして、光学的な構成自体を変更することができる。

なお、上記の例では、振動アクチュエータユニット２０３を用いて光学装置１０４を形成した。しかしながら、既に説明した他の振動アクチュエータユニット２０１、２０２を用いて光学装置１０４を形成してもよい。

図１８は、光学装置１０５の模式的断面図であり、レンズ１３６を含む光学系の光軸Ｌと直交する断面を示す。図１７と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

光学装置１０５は、レンズ鏡胴１１６、板ばね１２５、１２７、保持枠１３４、レンズ１３６および振動アクチュエータユニット２０３を備える。レンズ１３６を保持する保持枠１３４は、一対の板ばね１２５、１２７に結合される。個々の振動アクチュエータユニット２０３は、既に説明した振動アクチュエータユニット２０３と同じ構造を有し、紙面に対して垂直な方向と、紙面と平行な方向とに、レンズ鏡胴１１６の内面に対して移動できる。

一対の板ばね１２５、１２７は伸張する方向に付勢されており、それぞれの端部は、振動アクチュエータユニット２０３を、レンズ鏡胴１１６の内面に向かって押しつける。これにより、保持枠１３４およびレンズ１３６は、レンズ鏡胴１１６の図中略中央に保持される。

上記のような光学装置１０５において、振動アクチュエータユニット２０３の一部を光軸Ｌの方向に動作させた場合、レンズ１３６の光軸Ｌに対する傾きが変化する。また、振動アクチュエータユニット２０３のすべてを光軸Ｌの方向同時に動作させた場合は、レンズ１３６は、光軸Ｌに対する角度を維持しつつ光軸Ｌ方向に並進する。更に、すべての振動アクチュエータユニット２０３を同時に、紙面と平行に同時に動作させた場合、レンズ１３６は、光軸Ｌに対する傾きを維持したまま、図中に矢印Ｘで示すように、紙面と平行に移動する。

図１９は、図１８に示した光学装置１０５の他の動作を説明する模式的断面図である。図１８と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

図１９に示した状態の光学装置１０５においては、図中で上側に配された一対の振動アクチュエータユニット２０３は、図中に矢印Ｍ_１で示すように、互いに接近する方向に、紙面に平行に移動する。また、図中で下側に配された一対の振動アクチュエータユニット２０３は、図中に矢印Ｍ_２で示すように、互いに離間する方向に紙面に平行に移動する。

上記のような振動アクチュエータユニット２０３の動作により、板ばね１２５、１２７の図中上側の部分は、レンズ鏡胴１１６の側面に対して平行に近づく。一方、板ばね１２５、１２７の図中下側の部分は、レンズ鏡胴１１６の側面に対する傾きが大きくなる。これにより、レンズ１３６は、図中に矢印Ｍ_３で示すように、レンズ鏡胴１１６内で低い方の位置に向かって並進する。

このように、図中上側の振動アクチュエータユニット２０３と、図中下側の振動アクチュエータユニット２０３とが互いに異なる動作をすることにより、レンズ１３６を図中上下にも移動させることができる。更に、これらの振動アクチュエータユニット２０３の動作を組み合わせることにより、レンズ１３６の光学的な調整を、振動アクチュエータユニット２０３に対する電気的な制御で実行できる。

なお、上記の例では、振動アクチュエータユニット２０３を用いて光学装置１０５を形成した。しかしながら、既に説明した他の振動アクチュエータユニット２０１、２０２を用いて光学装置１０５を形成してもよい。

図２０は、能動回転関節装置１０６の模式的斜視図である。能動回転関節装置１０６は、基台１１０、付勢部１２０、被駆動球体１３８および振動アクチュエータユニット２０３を備える。

振動アクチュエータユニット２０３は、基台１１０の上面に支持部１１４を当接させて、基台１１０に対して固定される。被駆動球体１３８は、振動アクチュエータユニット２０３の当接部２１０に当接して、図中下方から支持、固定される。

付勢部１２０は、基台１１０から図中上方に延在する支柱１２２と、支柱１２２から懸架された弾性部材１２４と、弾性部材１２４により下方に向かって付勢された球面座１２６とを有する。球面座１２６は、被駆動球体１３８を下方に向かって付勢する。よって、被駆動球体１３８は、振動アクチュエータユニット２０３の当接部２１０に押しつけられる。

上記のような能動回転関節装置１０６において振動アクチュエータユニット２０３が動作すると、被駆動球体１３８は、同じ位置を保ちつつ回転する。これにより、被駆動球体１３８に取り付けられた可動肢１３９が、基台１１０に対する傾きを変える。

既に説明した通り、振動アクチュエータユニット２０３は、基台１１０の面方向について任意の方向に駆動力を発生する。よって、能動回転関節装置１０６は、振動アクチュエータユニット２０３に供給する駆動電力の電気的な制御で、可動肢１３９の傾きを変化させることができる。

なお、上記の例では、振動アクチュエータユニット２０３を用いて能動回転関節装置１０６を形成した。しかしながら、既に説明した他の振動アクチュエータユニット２０１、２０２を用いて能動回転関節装置１０６を形成してもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０１、１０２、１０３ ステージ装置、１０４、１０５ 光学装置、１０６ 能動回転関節装置、１１０ 基台、１１２ 固定部、１１４ 支持部、１１６ レンズ鏡胴、１２０ 付勢部、１２１ 軸受け部、１２２ 支柱、１２４ 弾性部材、１２５、１２７ 板ばね、１２６ 球面座、１２８ 転動ボール、１３０ 移動ステージ、１３２ 移動軸、１３４ 保持枠、１３６ レンズ、１３８ 被駆動球体、１３９ 可動肢、２０１、２０２、２０３ 振動アクチュエータユニット、２１０ 当接部、２２０ 圧電体、２２１、２２２、２２３、２２４ 圧電材料ブロック、２２８ 左翼ブロック、２２９ 右翼ブロック、２３１、２３２、２３３、２３４ 個別電極、２３５ 共通電極

Claims (7)

1. 印加された駆動電圧の電気的振動を機械的振動に変換する電気機械変換素子と、
   駆動対象の被駆動面に当接して、前記電気機械変換素子の機械的振動を前記被駆動面に駆動力として伝達する当接部と
   を備え、
   前記電気機械変換素子は、前記被駆動面に交差する第一振動面内で周期的に屈曲して前記当接部を前記第一振動面内で振動させ、且つ、前記第一振動面と交差する第二振動面内で周期的に屈曲して前記当接部を前記第二振動面内で振動させる振動アクチュエータユニット。
2. 前記電気機械変換素子は、前記第一振動面に沿って配されて圧電材料に個別の駆動電圧を印加する一対の電極と、前記第二振動面に沿って配されて圧電材料に個別に駆動電圧を印加する他の一対の電極とを備える請求項１に記載の振動アクチュエータユニット。
3. 前記電気機械変換素子は、
   予め定められた共通の方向に分極し、分極軸方向と交差する面内で周方向に４分割された４つの領域を含む圧電材料ブロックと、
   前記４つの領域に個別に駆動電圧を供給する前記４つの電極と、
   を有し、それぞれが固有の位相で振動する駆動電圧を前記４つの電極に供給することにより、前記圧電材料ブロックに、前記第一振動面内の振動と前記第二振動面内の振動とを複合的に生じさせる請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータユニット。
4. 前記電気機械変換素子は、
   予め定められた共通の方向に分極し、８つの頂点のうちのひとつを各々がひとつずつ含む８つの領域を有する六面体の圧電材料ブロックと、
   前記８つの領域のうち対角に位置する一対の領域に共通の駆動電圧を印加する４組の電極と
   を有し、それぞれが固有の位相で振動する駆動電圧を前記４組の電極に供給することにより、前記第一振動面内の振動と前記第二振動面内の振動とを前記圧電材料ブロックに複合的に生じさせる請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータユニット。
5. 前記電気機械変換素子は、
   予め定められた共通の方向に分極し、分極軸方向に配列された第一領域および第二領域を含む圧電材料ブロックと、
   振動の位相が異なる第一駆動電圧を供給された場合に前記第一領域に前記第一駆動電圧を作用させて、前記第一領域において前記圧電材料ブロックに前記第一振動面内の振動を生じさせる一対の第一電極と、
   振動の位相が異なる、第一駆動電圧と異なる第二駆動電圧を供給された場合に前記第二領域に前記第二駆動電圧を作用させ、前記第二領域において前記圧電材料ブロックに前記第二振動面内の振動を生じさせる一対の第二電極と
   を備える請求項１または請求項２に記載の振動アクチュエータユニット。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の振動アクチュエータユニットを備えるステージ装置。
7. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の振動アクチュエータユニットを備える光学装置。

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