JP3751937B2 - アクチュエータおよびアクチュエータシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータおよびアクチュエータシステムに関し、更に詳しくは、光波や音波などの電磁波の送信特性や受信特性などを可変できる可変特性素子、例えば、可変焦点ミラーなどの特性を可変するのに好適なアクチュエータおよびアクチュエータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の可変特性素子として、例えばＳｉ半導体微細加工技術を用いた光学素子である可変焦点ミラーがある。この可変焦点ミラーとしては、例えば、図２１に示されるように、単結晶Ｓｉ基板に異方性エッチングによって得られる非常に薄い円形ダイヤフラム２０と対向電極２１との間に静電気力を印加し、このときにできる凹面をミラーとして用いるものがある。この可変焦点ミラーでは、印加する静電気力によって円形ダイヤフラム２０の曲率を変化させて焦点２２を可変するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来例の可変焦点ミラーは、円形のダイヤフラム２０の面全体を変形させるものであって、このため、焦点２２は、ミラーの中心軸（光軸）２３に沿って可変できるだけであって、ミラーの中心軸２３とは異なる任意の軸に沿って焦点を可変するといったことはできず、かかる場合には、可変焦点ミラーを移動させて位置合わせを行う必要があり、そのための機構を別途設ける必要がある。
【０００４】
また、ダイヤフラム２２を部分的に変形させて複数の焦点を同時に形成するといったこともできなかった。
【０００５】
このように従来の可変特性素子では、その特性を可変するのに制約があって、容易に特性を可変できない場合があるという難点がある。
【０００６】
本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、可変特性素子などの特性を容易に可変するのに好適なアクチュエータおよびアクチュエータシステム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】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【００１２】
本発明のアクチュエータは、一方向に沿って移動可能な複数の移動子をアレイ状に並設するとともに、前記移動子を吸着するための電極を有する単一の固定子および前記移動子を吸着するための電極を有する単一の搬送子を、前記移動子に対向するように配設し、前記搬送子には、伸縮動作によって該搬送子を前記一方向に沿って変位させる単一の圧電素子を併設し、前記固定子は、前記複数の移動子を個別に静電引力によって固定位置に吸着保持可能であり、前記搬送子は、前記固定子による吸着保持が解除されている状態で、前記複数の移動子を個別に吸着して前記一方向に沿って搬送可能である。
【００１３】
本発明によると、圧電素子の伸縮動作に合わせて搬送子および固定子による移動子の吸着およびその解除を行うことによって、移動子を一方向に沿って正逆方向に移動させることができるので、この移動子に駆動対象を連結して移動を繰り返すことによって、高い精度でかつ十分な移動距離を確保して駆動対象を駆動でき、また、半導体製造技術を用いて小型のアクチュエータを実現できる。さらに、アレイ状に並設された複数の移動子を、単一の固定子、搬送子および圧電素子によって移動させるので、各移動子に対応させて固定子、搬送子および圧電素子を設けるのに比べて構成が簡素化される。
【００１４】
本発明の他のアクチュエータは、上下に重ねられる上部基板と下部基板とを備え、前記上部基板には、該上部基板に対して水平方向に移動可能な前記移動子が、支持ばねを介して移動子支持台構造に支持されており、前記下部基板には、前記固定子が備えられるとともに、前記搬送子が、支持ばねを介して搬送子支持台構造に支持されており、前記移動子支持台構造、前記搬送子支持台構造および前記固定子が、機械的に連結されている。
【００１５】
本発明によると、二枚の基板を重ねる構成として、これら基板に対して水平方向に移動子を移動させることができる。
【００１６】
本発明の更に他のアクチュエータは、一方向に沿って移動可能な移動子と、前記移動子を吸着するための電極を有する固定子と、前記移動子を吸着するための電極を有するとともに、前記一方向に沿って変位可能な搬送子と、伸縮動作によって前記搬送子を変位させる圧電素子とを一枚の基板に備え、前記固定子は、前記移動子を静電引力によって固定位置に吸着保持し、前記搬送子は、前記固定子による吸着保持が解除されている状態で、前記移動子を吸着して前記一方向に沿って搬送するものであり、前記基板には、該基板に対して垂直方向に移動可能な前記移動子が支持ばねを介して移動子支持台構造に支持されるとともに、搬送子が支持ばねを介して搬送子支持台構造に支持されており、前記両支持台構造が、機械的に連結されているアクチュエータ素子であって、複数のアクチュエータ素子をアレイ状に並設してなる。
【００１７】
本発明によると、基板に対して垂直方向に移動子を移動させることができるとともに、一枚の基板に集積化させることができる。
【００１８】
本発明のアクチュエータシステムは、駆動対象面を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段とを備え、前記アクチュエータは、前記駆動対象面の裏面側に分散配置されて該裏面側に連結されるとともに、アレイ状に並設され一方向に沿って移動可能な複数の移動子と、前記各移動子を固定位置に保持する単一の固定子と、前記固定子による保持が解除されている状態で、前記各移動子を保持して前記一方向に沿って搬送する単一の搬送子と、伸縮動作によって前記搬送子を前記一方向に沿って変位させる単一の圧電素子とを有し、前記制御手段は、前記各移動子の移動を制御して前記駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させるものである。
【００１９】
本発明によると、駆動対象面の裏面側に連結されている複数の移動子の移動を、制御手段によって制御して駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させることよって、所望の曲面を近似的に形成できることになり、例えば、能動曲面を送信面あるいは受信面とすることにより、電磁波の送信特性や受信特性などを容易に可変できることになる。
【００２０】
本発明の他のアクチュエータシステムは、駆動対象面を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する複数の制御手段とを備え、前記アクチュエータは、前記駆動対象面の裏面側に分散配置されて該裏面側に連結されるとともに、アレイ状に並設され一方向に沿って移動可能な複数の移動子と、前記各移動子を固定位置に保持する単一の固定子と、前記固定子による保持が解除されている状態で、前記各移動子を保持して前記一方向に沿って搬送する単一の搬送子と、伸縮動作によって前記搬送子を前記一方向に沿って変位させる単一の圧電素子とを有し、前記各制御手段は、他の制御手段と情報通信を行うとともに、対応する移動子の移動を制御して前記駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させるものである。
【００２１】
本発明によると、複数の各制御手段が他の制御手段と情報通信を行って対応する各移動子の移動を制御する、いわゆる自律分散型制御を行うので、単一の制御手段で全ての移動子を制御する中央集中型制御に比べて、外部と素子との間の配線数および通信量の低減を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一つの実施の形態に係るアクチュエータシステムを備える光学装置１の概略構成図である。
【００２４】
この光学装置１は、光源２と、ビームエクスパンダ１４と、ビームスプリッタ３と、本発明に係るアクチュエータシステム４とを備えており、このアクチュエータシステム４は、後述のように可変特性素子としての可変焦点ミラー５を駆動してその反射面を能動曲面５ａとして形状を任意に変形させることによって、焦点６の位置を三次元的に変化させることができるとともに、複数の焦点を形成できるものである。
【００２５】
図２は、この可変焦点ミラー５の反射面である能動曲面５ａの形状制御の原理を示す説明図である。
【００２６】
可変焦点ミラー５は、例えば、シリコンゴムなどの柔軟性有機膜に、アルミニウムなどの金属膜を蒸着等によって形成して反射面である能動曲面５ａとするものであって、この能動曲面５ａを、複数の領域、例えば矩形領域に仮想的に分割し、この矩形領域の各頂点位置であって、能動曲面５ａの裏面側に、後述するリニアアクチュエータ７を二次元方向にアレイ状に配設したものである。
【００２７】
各リニアアクチュエータ７は、その一端が能動曲面５ａの裏面側の柔軟性有機膜の頂点位置に接着剤などを用いて接合されており、この頂点位置を制御点１５として、図２の部分拡大図の矢符Ａで示されるように、変形前の能動曲面５ａに対して垂直方向にリニアアクチュエータ７が変位することによって能動曲面５ａの形状を変形させるものであり、例えば、各リニアアクチュエータ７が、図３に示されるように下方へ所要量変位することによって、能動曲面５ａである反射面を凹状に変形することができる。リニアアクチュエータ７は、例えば、マイクロマシン技術を用いて精密小型に製作されるものである。
【００２８】
なお、能動曲面５ａを、より滑らかに変形させるために、上述の柔軟性有機膜の剛性を制御してもよい。すなわち、柔軟性有機膜の裏面に、例えば、切り込みパターンを形成するなどして制御点１５と制御点１５との間を柔軟性有機膜が直線的に張る（あるいは垂れる）のではなく、自然と曲面になる（フィッティング）ようにしてもよい。
【００２９】
能動曲面５ａの仮想的な分割方法は、種々の形態が考えられるが、例えば、図４（ａ），（ｂ）に示される正方形のマトリックスパターンや同図（ｃ）に示されるハニカムパターンあるいは同心円状のパターンなどがある。
【００３０】
また、図５（ａ）に示されるように、菱形の分割パターンの各頂点位置を制御点１５とすることもでき、この構成は、同図（ｂ）に示されるように、ハニカムパターンの各頂点位置および各ハニカムの中央位置を制御点１５とする構成として把握することもできる。
【００３１】
このように能動曲面５ａの仮想的な分割の形態およびリニアアクチュエータ７に連結する制御点１５の位置も種々の形態をとることができるが、より細かな仮想分割領域として多数の制御点１５を設けることによって、能動曲面５ａを所望の曲面により近似した滑らかな曲面に変形させることができる。
【００３２】
次に、この実施の形態のリニアアクチュエータの構成について、図６に基づいて説明する。
【００３３】
このリニアアクチュエータ７は、アレイ状に並設された複数の移動子８と、これら移動子８の下方に対向配置されて移動子８を搬送する搬送子９と、これら移動子８の下方に対向配置された固定子１０と、矢符Ａ方向に沿う伸縮動作によって搬送子９を変位させるＰＺＴなどの積層型圧電素子１１とを備えており、半導体製造技術を用いて小型で精密に製作される。
【００３４】
なお、以下の図面においては、移動子８をＳ、搬送子をＣＳ１、固定子をＣＳ２および積層型圧電素子をＰＺＴとしてそれぞれ示している。
【００３５】
各移動子８の固定子１０側の端８ｃは、能動曲面５ａの制御点１５にそれぞれ接続されて能動曲面５ａに垂直な矢符Ａ方向に沿ってそれぞれ移動するものである。上述の図２においては、能動曲面５ａの制御点１５にリニアアクチュエータ７が連結されるとして原理を説明したけれども、この実施の形態では、具体的には、リニアアクチュエータ７の複数の各移動子８が、各制御点１５に接続されるものである。
【００３６】
複数の各移動子８は、図７に示されるように、下面に絶縁層８ａが形成されるとともに、その上に導電層８ｂが形成されており、能動曲面５ａに垂直な矢符Ａ方向に移動可能に図示しない支持ばねによって、例えば左右の両面それぞれ２箇所で支持されている。この移動子８の一端８ｃが、能動曲面５ａの裏面側に連結されており、移動子８の矢符Ａ方向の移動によって能動曲面５ａが、該能動曲面５ａに垂直方向に変形するものである。支持ばねは、移動子８の動作を一直線方向に制約し、初期位置への復帰を可能とするものである。また、移動子８の支持ばねとして、能動曲面を利用することもできる。これによって、アクチュエータシステムにおける支持ばねの占有面積を減らすことができるので、ダウンサイジングを図ることが可能となる。
【００３７】
積層型圧電素子１１は、一端が固定されるとともに、他端が、搬送子９に連結されており、能動曲面５ａに垂直な矢符Ａ方向に伸縮動作を行うものである。搬送子９は、移動子８に対向する上面に、該移動子８を静電引力によって吸着するための吸着用電極９ａを有しており、この吸着用電極９ａに移動子８を吸着して積層型圧電素子１１の変位に応じて矢符Ａ方向に移動子８を搬送するものである。固定子１０は、移動子８に対向する上面に、該移動子８を静電引力によって吸着して保持する吸着用電極１０ａを有しており、固定位置に設けられている。
【００３８】
このリニアアクチュエータ７は、図８に示される制御信号によってその駆動が制御されるものである。積層型圧電素子１１は、図８（ａ）に示される制御信号によって伸縮動作を繰り返すものである。以下、能動曲面５ａに連結される移動子８の移動方向に応じて説明する。
【００３９】
（i）移動子８を正方向（図７の左方向）に移動させる場合には、搬送子（ＣＳ１）９には、積層型圧電素子１１の伸長動作に同期して移動子８を吸着するための電圧を図８（ｂ）に示されるように印加する一方、固定子（ＣＳ２）１０は、移動子８を吸着しないように図８（ｃ）に示されるように０電位とされ、移動子８も図８（ｆ）に示されるように０電位とされる。
【００４０】
これによって、移動子８は、図９（ａ），（ｂ）に示されるように積層型圧電素子１１の伸長動作によって正方向へ変位する搬送子９に吸着されて正方向へ移動する。
【００４１】
積層型圧電素子１１の伸長動作が終了すると、移動子８が元の位置にもどらないように、搬送子９には、図８（ｂ）に示されるように電圧の印加を止めて移動子８の吸着を解除する一方、固定子１０には、図８（ｃ）に示されるように積層型圧電素子の縮小動作に同期して移動子８を吸着して固定するように電圧を印加するものである。これによって、移動子８は、図９（ｃ），（ｄ）に示されるように、固定子１０に吸着保持され、搬送子９は、積層型圧電素子１１の縮小動作によって負（逆）方向へ変位する。
【００４２】
以上の動作を繰り返すことによって、積層型圧電素子１１の伸長動作の度に、移動子８が正方向に順次移動することになる。
【００４３】
このようにして積層型圧電素子１１によって高い精度で移動子８を変位させることができるとともに、繰り返し動作によって十分な移動距離を確保できる。
【００４４】
(ii）移動子８を負方向（図７の右方向）に移動させる場合には、搬送子９には、積層型圧電素子１１の縮小動作に同期して移動子８を吸着するための電圧を図８（ｄ）に示されるように印加する一方、固定子１０は、移動子８を吸着しないように図８（ｅ）に示されるように０電位とされ、移動子８も図８（ｆ）に示されるように０電位とされる。これによって、移動子８は、積層型圧電素子１１の縮小動作によって負方向へ変位する搬送子９に吸着されて負方向へ移動する。
【００４５】
積層型圧電素子１１の縮小動作が終了すると、移動子８が元の位置にもどらないように、搬送子９には、図８（ｄ）に示されるように電圧の印加を止めて移動子８の吸着を解除する一方、固定子１０には、図８（ｅ）に示されるように積層型圧電素子１１の伸長動作に同期して移動子８を吸着して固定するように電圧を印加するものである。
【００４６】
以上の動作を繰り返すことによって、積層型圧電素子１１の縮小動作の度に、移動子８が負方向に順次移動することになる。
【００４７】
（i）（ii）のように移動子８の電位を０にしておくことによって、正方向または負方向に移動子８を移動させることができるのであるが、この実施の形態では、上述の図６に示されるように、搬送子９、固定子１０および積層型圧電素子１１は、一つであるのに対して、移動子８は、複数備えられており、これら複数の移動子８の内、固定位置に保持しておきたい移動子８に対しては、図８（ｇ）あるいは図８（ｈ）に示される電圧を印加するものである。
【００４８】
すなわち、搬送子９および固定子１０が、移動子８を正方向に移動させる動作を行っている場合には、図８（ｇ）に示されるように搬送子９に印加される電圧と同じ電圧を印加して搬送子９には、吸着されず、固定位置の固定子１０に吸着保持されるようにすればよく、また、搬送子９および固定子１０が、移動子８を負方向に移動させる動作を行っている場合には、図８（ｈ）に示されるように搬送子９に印加される電圧と同じ電圧を印加して搬送子９には、吸着されず、固定位置の固定子１０に吸着保持されるようにすればよい。
【００４９】
このように搬送子９、固定子１０および移動子８に印加する電圧を制御することによって、複数の移動子８の内所望の移動子８のみを正方向あるいは負方向に個別に移動させることができ、これによって、能動曲面５ａの所望の制御点１５を、対応する移動子８を移動させることによって該能動曲面５ａに垂直方向に変位させることができ、これによって、能動曲面５ａを変形することができる。
【００５０】
なお、制御信号は、移動子８の搬送子９および固定子１０に対する受け渡しを円滑に行えるように、図１０に示されるように、部分的に重複させた信号とするとともに、受け渡し期間中は、積層型圧電素子１１の動作を停止させている。なお、図１０（ａ）〜（ｈ）は、図８（ａ）〜（ｈ）にそれぞれ対応している。
【００５２】
この実施の形態では、移動子８を０電位にし、搬送子９、固定子１０に対して、正方向または負方向に対応する電圧を印加して移動子８を正方向または負方向に移動させたけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば図１１および図１２に示されるように、搬送子９、固定子１０に対して、各図（ｂ），（ｃ）に示されるように正方向に対応する電圧を印加し、各図（ｄ），（ｅ）に示されるように移動子８を０電位にするか、あるいは、移動子８に電圧を印加することによって、移動子８を正方向または負方向に移動させるようにしてもよい。
【００５３】
以上の動作を行うリニアアクチュエータ７は、能動曲面５ａを、多数の制御点１５で形状制御するために、図１３に示されるように、二次元方向にアレイ状に複数配設される。
【００５４】
この実施の形態では、Ｓｉ半導体微細加工技術を用いることにより、一つの移動子８が、能動曲面５ａを占有する面積は、例えば、１ｍｍ2以下であり、移動子８の動作範囲は、該移動子８を支持する支持ばねの設計仕様によって決定されるが、例えば、０.５ｍｍ程度である。また、積層型圧電素子１１の精度は、０.１μｍ以下である。
【００５５】
次に、以上のようなリニアアクチュエータ７による能動曲面５ａの形状制御について、図１４を参照して放物面（回転二次曲面）を例にとって説明する。
【００５６】
同図（ａ）は、能動曲面の形状制御によって形成される放物面を示し、同図（ｂ）はｘｚ平面における放物線を示し、同図（ｃ）は能動曲面の制御点１５の位置を示す平面図である。
【００５７】
この図１４においては、ｘｙ平面が、変形のない状態の反射面である能動曲面５ａに対応し、ｚ軸が能動曲面５ａに垂直な方向に対応している。
【００５８】
この例では、放物面の焦点６の位置のｘ，ｙ，ｚ座標を（０，０，ｆ）としており、中心の制御点１５のｘ，ｙ座標、すなわち、焦点６を通る法線がｘｙ平面と交わる点のｘ，ｙ座標は、能動曲面５ａのほぼ中心位置（０，０）である。この放物面は、ｘｚ平面については、放物線ｚ＝４ｆ・ｘ2で示され、ｙｚ平面については、ｚ＝４ｆ・ｙ2で示される。
【００５９】
中心の制御点１５から距離ｄずつ順次離れている周辺の各制御点１５は、中心の制御点１５からの距離Ｄに応じて、放物線の式Ｚ＝４ｆＤ2としてＺ座標が決定される。すなわち、同図（ｂ），（ｃ）に示されるように、「０」が付されている中心の制御点１５が決定されると、それから距離ｄずつ離れた「２」「３」「４」等が付された各制御点１５の変位量がそれぞれ決定されることになる。したがって、各制御点１５に対応する移動子８を、決定された変位量だけ正方向に移動させることによって、能動曲面５ａを、放物面に近似して変形できることになる。
【００６０】
なお、この図１４（ｃ）においては、能動曲面５ａを、仮想的にハニカムパターンに分割し、その頂点位置およびハニカムの中心を制御点１５とした場合の例を示している。
【００６１】
この例では、焦点６は、能動曲面５ａのほぼ中央のｚ軸上にあったけれども、図１５（ａ）に示されるように、ｚ軸からずれた位置にあってもよく、また、図１５（ｂ）に示されるように複数の焦点６を形成するように能動曲面５ａを変形させてもよい。この実施の形態では、焦点６を、三次元の任意の位置にすることができる。
【００６２】
本発明の能動曲面５ａは、放物面に限らず、半球面やその他の種々の曲面に近似して変形できるのは勿論である。
【００６３】
図１６は、この実施の形態のアクチュエータシステム４の概略構成図であり、このアクチュエータシステム４は、可変焦点ミラー５の反射面である能動曲面５ａの裏面側に二次元方向にアレイ状に配設された多数のリニアアクチュエータ７と、このリニアアクチュエータ７の上述の積層型圧電素子１１、搬送子９、固定子１０および移動子８を制御する制御手段としてのＣＰＵ１２とを備えている。
【００６４】
能動曲面５ａの各制御点には、予めアドレスが割り付けられており、ＣＰＵ１２は、図示しない入力手段から焦点位置が入力されると、その焦点位置になるように中心の制御点を決定するとともに、各制御点の変位量を上述のようにして算出してリニアアクチュエータ７の対応する移動子８の移動制御をアドレス回路１６，１７を介して行うことにより、能動曲面５ａを所望の曲面に近似して変形させるものである。すなわち、単一のＣＰＵ１２によってすべてのリニアアクチュエータ７を制御する中央集中型制御である。
【００６５】
なお、本発明の他の実施の形態として、図１７に示されるように制御手段としてのＣＰＵ１３をリニアアクチュエータ７の各移動子８に対応させて、すなわち、各制御点に対応させて多数アレイ状に配置し、各ＣＰＵ１３間で情報通信を行える構成とし、各ＣＰＵ１３がリニアアクチュエータ７の対応する移動子８を個別に制御する自律分散型制御としてもよい。
【００６６】
この自律分散制御方式では、例えば、中心制御点に対応するＣＰＵ１３に焦点距離のデータを与えることにより、中心制御点に対応するＣＰＵ１３は、隣接するＣＰＵ１３に対して、中心制御点からの距離と焦点距離のデータを与え、隣接する各ＣＰＵ１３は、与えられた情報から対応する移動子８の変位量を上述のように算出して移動子８を移動させる一方、さらに、隣接するＣＰＵ１３に対して、中心制御点からの距離と焦点距離のデータを与えるものである。このようにして中心制御点から順次その周囲のＣＰＵ１３に、中心制御点からの距離と焦点距離のデータを与えることにより、各ＣＰＵ１３は、与えられたデータから移動子８の変位量を算出して移動子８を移動させるものである。
【００６７】
この自律分散型制御によれば、各ＣＰＵ１３を一つの基板に集積することによって、中央集中型制御に比べて、外部と素子との間の配線数および通信量の低減を図ることができる。なお、各ＣＰＵ１３は、最初に受けたデータのみを有効なデータとして動作するものである。
【００６８】
上述の実施の形態では、単一のＣＰＵ１２あるいは各制御点に個別的に対応する多数のＣＰＵ１３によって、リニアアクチュエータ７を制御したけれども、本発明の他の実施の形態として、複数の制御点毎にＣＰＵを設け、各ＣＰＵが複数の制御点をそれぞれ制御するようにしてもよい。
【００６９】
次に、この実施の形態のリニアアクチュエータ７のより詳細な構成を図１８に示す。同図（ａ）は、上部構造の平面図であり、同図（ｂ）は、その下の下部構造の平面図であり、同図（ｃ）は側面図であって、上述の図７に対応する図である。
【００７０】
基板上水平方向に動作する移動子８アレイの上部基板を、固定子１０、搬送子９等の駆動構造の下部基板に重ねることによって構成されるものであり、上部基板の移動子８は、移動子支持台構造３０に支持ばね３１で支持されており、下部基板の搬送子９は、搬送子支持台構造３２に支持ばね３３で支持されており、積層型圧電素子１１は、積層型圧電素子固定台３４に固定されている。移動子支持台構造３０、搬送子支持台構造３２、固定子１０および積層型圧電素子１１は、電気的には絶縁されているが、機械的には連結されている。
【００７１】
図１９は、本発明の他の実施形態のリニアアクチュエータの構成図であり、同図（ａ）は平面図であり、同図（ｂ），（ｃ）は、側面図である。上述の実施の形態では、移動子８は、基板に水平方向に移動する構成であったのに対して、この実施の形態では、移動子８は、基板に垂直方向に移動するものである。
【００７２】
移動子８は、移動子支持台構造３０に支持ばね３１で支持されており、搬送子９は、搬送子支持台構造３２に支持ばね３３で支持されており、積層型圧電素子１１の伸縮動作は、動作伝達板３５を介して搬送子９に伝達される。移動子支持台構造３０、搬送子支持台構造３２、固定子１０および積層型圧電素子１１は、電気的には絶縁されているが、機械的には連結されている。
【００７３】
このアクチュエータでは、水平型と異なり、一枚の基板に移動子構造と駆動構造とを集積化することができる。移動子の動作方向は、基板垂直方向（厚み方向）である。
【００７４】
この図１９のリニアアクチュエータのアレイ構成の一例を、図２０に示す。この図２０は、素子を８×８のアレイ状に配置したものであり、このような多数のアクチュエータを一枚の基板に集積化することが可能であり、また、二次元配列になっているので、水平型のようにスタック化する必要がない。
【００７５】
なお、搬送子９は、共通の積層型圧電素子１１に動作伝達板３５を介して連結されており、また、固定子１０も先端が各移動子８に個別的に対応するように枝分かれして構成されているが、根元と共通となっており、単一の搬送子９、単一の固定子１０および単一の積層型圧電素子１１によって多数の移動子８を移動させるものである。
【００７６】
以上のようにして本発明のアクチュエータシステムを用いた可変焦点ミラー５は、能動曲面５ａの形状制御によって、三次元の任意の位置に焦点を形成することができる。また、複数の焦点を同時に形成することができる。
【００７７】
したがって、例えば、三次元物体を異なる焦点深度で撮像したり、複数の焦点を同時に形成して撮像するデバイスとして好適に利用できる。
【００７８】
また、ＣＤ、ＤＶＤ共用の読み出し光学系の焦点深度調整用デバイスとして用いることもできる。
【００７９】
さらに、光が物質に及ぼす放射圧を利用したレーザーマニュピレーションに適用することもできる。レーザーマニュピレーションでは、微粒子を焦点に引き寄せて焦点の移動によって微粒子を非接触で移動させることができるものであり、複数の焦点を同時に形成できる本発明の可変焦点ミラーを用いることにより、例えば、二つの焦点に引き寄せられた二つの細胞を接近させて一つにする細胞融合を行うといったことも可能となる。
【００８０】
媒質中を伝播する光は、媒質の不均一性や時間的変動によって位相歪を生じるが、かかる位相歪を補正する分離鏡方式や変形鏡方式を用いた位相変調素子として本発明のアクチュエータシステムを用いた可変焦点ミラーを適用することもできる。
【００８１】
さらに、この位相変調素子の考え方の発展として、能動曲面（もしくは分離鏡アレイ面）の真上に平行に配した半透過ミラー面と能動曲面（もしくは分離鏡アレイ面）とのギャップを各制御点において制御する。面に入射した波長λの電磁波は、ギャップをλ／４（の整数倍）に制御した場合には、反射が起こらなくなる。この性質を利用した反射／非反射の２モードを実現すれば、一つの制御点を一つの画素に対応させたディスプレイを実現することもできる。
【００８２】
（その他の実施の形態）
能動曲面の駆動は、本発明に係るアクチュエータに限らず、接触式の従来の積層型圧電アクチュエータや部分的な加熱制御によって形状が変化する選択駆動型形状記憶合金フィルム、あるいは、非接触式の電磁型アクチュエータや静電型アクチュエータを用いてもよい。
【００８３】
本発明のアクチュエータシステムは、光波に限らず、音波等の電磁波に用いることも可能であり、受動（間接）送信するための反射鏡、能動曲面をホーンとするスピーカあるいは受信面を能動曲面としたアンテナ、望遠境や集音型マイクロホンの集音構造などに用いることもできる。
【００８４】
さらに、一つの移動子を、ポンプのピストンとして利用することにより、インクジェットプリンタヘッド部の吐出機構に適用することもできる。
【００８５】
【発明の効果】
以上のように本発明のアクチュエータによれば、圧電素子の伸長動作あるいは縮小動作を利用して移動子を一方向に沿って正逆方向に移動させることができるので、この移動子に駆動対象を連結することによって、高い精度でかつ十分な移動を確保して駆動対象を駆動でき、また、半導体製造技術を用いて小型のアクチュエータを実現できる。
【００８６】
本発明のアクチュエータシステムによれば、駆動対象面の裏面側に連結されている複数の移動子の移動を、制御手段によって制御して駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させることよって、所望の曲面を近似的に形成できることになり、例えば、電磁波の送信特性や受信特性などを容易に可変できることになり、電磁波の送信や受信を行う各種の用途に利用することができる。
【００８７】
特に、複数の各制御手段が他の制御手段と情報通信を行って対応する各移動子の移動を制御する、いわゆる自律分散型制御を行うことにより、中央集中制御に比べて、外部と素子との間の配線数および通信量の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る光学装置の概略構成図である。
【図２】図１の能動曲面の形状制御の原理を示す説明図である。
【図３】能動曲面が凹状に変形した状態を示す図である。
【図４】能動曲面の仮想分割のパターンを示す図である。
【図５】能動曲面の他の仮想分割のパターンおよび制御点を示す図である。
【図６】リニアアクチュエータの概略構成図である。
【図７】リニアアクチュエータの側面図である。
【図８】リニアアクチュエータの制御信号の波形図である。
【図９】リニアアクチュエータの動作説明図である。
【図１０】リニアアクチュエータの実用的な制御信号の波形図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態の図８に対応する波形図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態の図１０に対応する波形図である。
【図１３】リニアアクチュエータの配置状態を示す図である。
【図１４】能動曲面を放物面に形状制御する場合の説明図である。
【図１５】能動曲面の他の形状制御の例を示す図である。
【図１６】本発明のアクチュエータシステムの概略構成図である。
【図１７】本発明の他の実施の形態のアクチュエータシステムの概略構成図である。
【図１８】本発明のリニアアクチュエータの構成図である。
【図１９】本発明の他の実施の形態のリニアアクチュエータの構成図である。
【図２０】図１９のリニアアクチュエータのアレイ構成を示す図である。
【図２１】従来例を示す図である。
【符号の説明】
４ アクチュエータシスム
５ 可変焦点ミラー
５ａ 能動曲面
７ リニアアクチュエータ
８ 移動子
９ 搬送子
１０ 固定子
１１ 積層型圧電素子
１２，１３ ＣＰＵ
１５ 制御点
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクチュエータおよびアクチュエータシステムに関し、更に詳しくは、光波や音波などの電磁波の送信特性や受信特性などを可変できる可変特性素子、例えば、可変焦点ミラーなどの特性を可変するのに好適なアクチュエータおよびアクチュエータシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の可変特性素子として、例えばＳｉ半導体微細加工技術を用いた光学素子である可変焦点ミラーがある。この可変焦点ミラーとしては、例えば、図２１に示されるように、単結晶Ｓｉ基板に異方性エッチングによって得られる非常に薄い円形ダイヤフラム２０と対向電極２１との間に静電気力を印加し、このときにできる凹面をミラーとして用いるものがある。この可変焦点ミラーでは、印加する静電気力によって円形ダイヤフラム２０の曲率を変化させて焦点２２を可変するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来例の可変焦点ミラーは、円形のダイヤフラム２０の面全体を変形させるものであって、このため、焦点２２は、ミラーの中心軸（光軸）２３に沿って可変できるだけであって、ミラーの中心軸２３とは異なる任意の軸に沿って焦点を可変するといったことはできず、かかる場合には、可変焦点ミラーを移動させて位置合わせを行う必要があり、そのための機構を別途設ける必要がある。
【０００４】
また、ダイヤフラム２２を部分的に変形させて複数の焦点を同時に形成するといったこともできなかった。
【０００５】
このように従来の可変特性素子では、その特性を可変するのに制約があって、容易に特性を可変できない場合があるという難点がある。
【０００６】
本発明は、上述のような点に鑑みて為されたものであって、可変特性素子などの特性を容易に可変するのに好適なアクチュエータおよびアクチュエータシステム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】
本発明では、上述の目的を達成するために、次のように構成している。
【００１２】
本発明のアクチュエータは、一方向に沿って移動可能な複数の移動子をアレイ状に並設するとともに、前記移動子を吸着するための電極を有する単一の固定子および前記移動子を吸着するための電極を有する単一の搬送子を、前記移動子に対向するように配設し、前記搬送子には、伸縮動作によって該搬送子を前記一方向に沿って変位させる単一の圧電素子を併設し、前記固定子は、前記複数の移動子を個別に静電引力によって固定位置に吸着保持可能であり、前記搬送子は、前記固定子による吸着保持が解除されている状態で、前記複数の移動子を個別に吸着して前記一方向に沿って搬送可能である。
【００１３】
本発明によると、圧電素子の伸縮動作に合わせて搬送子および固定子による移動子の吸着およびその解除を行うことによって、移動子を一方向に沿って正逆方向に移動させることができるので、この移動子に駆動対象を連結して移動を繰り返すことによって、高い精度でかつ十分な移動距離を確保して駆動対象を駆動でき、また、半導体製造技術を用いて小型のアクチュエータを実現できる。さらに、アレイ状に並設された複数の移動子を、単一の固定子、搬送子および圧電素子によって移動させるので、各移動子に対応させて固定子、搬送子および圧電素子を設けるのに比べて構成が簡素化される。
【００１４】
本発明の他のアクチュエータは、上下に重ねられる上部基板と下部基板とを備え、前記上部基板には、該上部基板に対して水平方向に移動可能な前記移動子が、支持ばねを介して移動子支持台構造に支持されており、前記下部基板には、前記固定子が備えられるとともに、前記搬送子が、支持ばねを介して搬送子支持台構造に支持されており、前記移動子支持台構造、前記搬送子支持台構造および前記固定子が、機械的に連結されている。
【００１５】
本発明によると、二枚の基板を重ねる構成として、これら基板に対して水平方向に移動子を移動させることができる。
【００１６】
本発明の更に他のアクチュエータは、一方向に沿って移動可能な移動子と、前記移動子を吸着するための電極を有する固定子と、前記移動子を吸着するための電極を有するとともに、前記一方向に沿って変位可能な搬送子と、伸縮動作によって前記搬送子を変位させる圧電素子とを一枚の基板に備え、前記固定子は、前記移動子を静電引力によって固定位置に吸着保持し、前記搬送子は、前記固定子による吸着保持が解除されている状態で、前記移動子を吸着して前記一方向に沿って搬送するものであり、前記基板には、該基板に対して垂直方向に移動可能な前記移動子が支持ばねを介して移動子支持台構造に支持されるとともに、搬送子が支持ばねを介して搬送子支持台構造に支持されており、前記両支持台構造が、機械的に連結されているアクチュエータ素子であって、複数のアクチュエータ素子をアレイ状に並設してなる。
【００１７】
本発明によると、基板に対して垂直方向に移動子を移動させることができるとともに、一枚の基板に集積化させることができる。
【００１８】
本発明のアクチュエータシステムは、駆動対象面を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段とを備え、前記アクチュエータは、前記駆動対象面の裏面側に分散配置されて該裏面側に連結されるとともに、アレイ状に並設され一方向に沿って移動可能な複数の移動子と、前記各移動子を固定位置に保持する単一の固定子と、前記固定子による保持が解除されている状態で、前記各移動子を保持して前記一方向に沿って搬送する単一の搬送子と、伸縮動作によって前記搬送子を前記一方向に沿って変位させる単一の圧電素子とを有し、前記制御手段は、前記各移動子の移動を制御して前記駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させるものである。
【００１９】
本発明によると、駆動対象面の裏面側に連結されている複数の移動子の移動を、制御手段によって制御して駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させることよって、所望の曲面を近似的に形成できることになり、例えば、能動曲面を送信面あるいは受信面とすることにより、電磁波の送信特性や受信特性などを容易に可変できることになる。
【００２０】
本発明の他のアクチュエータシステムは、駆動対象面を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する複数の制御手段とを備え、前記アクチュエータは、前記駆動対象面の裏面側に分散配置されて該裏面側に連結されるとともに、アレイ状に並設され一方向に沿って移動可能な複数の移動子と、前記各移動子を固定位置に保持する単一の固定子と、前記固定子による保持が解除されている状態で、前記各移動子を保持して前記一方向に沿って搬送する単一の搬送子と、伸縮動作によって前記搬送子を前記一方向に沿って変位させる単一の圧電素子とを有し、前記各制御手段は、他の制御手段と情報通信を行うとともに、対応する移動子の移動を制御して前記駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させるものである。
【００２１】
本発明によると、複数の各制御手段が他の制御手段と情報通信を行って対応する各移動子の移動を制御する、いわゆる自律分散型制御を行うので、単一の制御手段で全ての移動子を制御する中央集中型制御に比べて、外部と素子との間の配線数および通信量の低減を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面によって本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一つの実施の形態に係るアクチュエータシステムを備える光学装置１の概略構成図である。
【００２４】
この光学装置１は、光源２と、ビームエクスパンダ１４と、ビームスプリッタ３と、本発明に係るアクチュエータシステム４とを備えており、このアクチュエータシステム４は、後述のように可変特性素子としての可変焦点ミラー５を駆動してその反射面を能動曲面５ａとして形状を任意に変形させることによって、焦点６の位置を三次元的に変化させることができるとともに、複数の焦点を形成できるものである。
【００２５】
図２は、この可変焦点ミラー５の反射面である能動曲面５ａの形状制御の原理を示す説明図である。
【００２６】
可変焦点ミラー５は、例えば、シリコンゴムなどの柔軟性有機膜に、アルミニウムなどの金属膜を蒸着等によって形成して反射面である能動曲面５ａとするものであって、この能動曲面５ａを、複数の領域、例えば矩形領域に仮想的に分割し、この矩形領域の各頂点位置であって、能動曲面５ａの裏面側に、後述するリニアアクチュエータ７を二次元方向にアレイ状に配設したものである。
【００２７】
各リニアアクチュエータ７は、その一端が能動曲面５ａの裏面側の柔軟性有機膜の頂点位置に接着剤などを用いて接合されており、この頂点位置を制御点１５として、図２の部分拡大図の矢符Ａで示されるように、変形前の能動曲面５ａに対して垂直方向にリニアアクチュエータ７が変位することによって能動曲面５ａの形状を変形させるものであり、例えば、各リニアアクチュエータ７が、図３に示されるように下方へ所要量変位することによって、能動曲面５ａである反射面を凹状に変形することができる。リニアアクチュエータ７は、例えば、マイクロマシン技術を用いて精密小型に製作されるものである。
【００２８】
なお、能動曲面５ａを、より滑らかに変形させるために、上述の柔軟性有機膜の剛性を制御してもよい。すなわち、柔軟性有機膜の裏面に、例えば、切り込みパターンを形成するなどして制御点１５と制御点１５との間を柔軟性有機膜が直線的に張る（あるいは垂れる）のではなく、自然と曲面になる（フィッティング）ようにしてもよい。
【００２９】
能動曲面５ａの仮想的な分割方法は、種々の形態が考えられるが、例えば、図４（ａ），（ｂ）に示される正方形のマトリックスパターンや同図（ｃ）に示されるハニカムパターンあるいは同心円状のパターンなどがある。
【００３０】
また、図５（ａ）に示されるように、菱形の分割パターンの各頂点位置を制御点１５とすることもでき、この構成は、同図（ｂ）に示されるように、ハニカムパターンの各頂点位置および各ハニカムの中央位置を制御点１５とする構成として把握することもできる。
【００３１】
このように能動曲面５ａの仮想的な分割の形態およびリニアアクチュエータ７に連結する制御点１５の位置も種々の形態をとることができるが、より細かな仮想分割領域として多数の制御点１５を設けることによって、能動曲面５ａを所望の曲面により近似した滑らかな曲面に変形させることができる。
【００３２】
次に、この実施の形態のリニアアクチュエータの構成について、図６に基づいて説明する。
【００３３】
このリニアアクチュエータ７は、アレイ状に並設された複数の移動子８と、これら移動子８の下方に対向配置されて移動子８を搬送する搬送子９と、これら移動子８の下方に対向配置された固定子１０と、矢符Ａ方向に沿う伸縮動作によって搬送子９を変位させるＰＺＴなどの積層型圧電素子１１とを備えており、半導体製造技術を用いて小型で精密に製作される。
【００３４】
なお、以下の図面においては、移動子８をＳ、搬送子をＣＳ１、固定子をＣＳ２および積層型圧電素子をＰＺＴとしてそれぞれ示している。
【００３５】
各移動子８の固定子１０側の端８ｃは、能動曲面５ａの制御点１５にそれぞれ接続されて能動曲面５ａに垂直な矢符Ａ方向に沿ってそれぞれ移動するものである。上述の図２においては、能動曲面５ａの制御点１５にリニアアクチュエータ７が連結されるとして原理を説明したけれども、この実施の形態では、具体的には、リニアアクチュエータ７の複数の各移動子８が、各制御点１５に接続されるものである。
【００３６】
複数の各移動子８は、図７に示されるように、下面に絶縁層８ａが形成されるとともに、その上に導電層８ｂが形成されており、能動曲面５ａに垂直な矢符Ａ方向に移動可能に図示しない支持ばねによって、例えば左右の両面それぞれ２箇所で支持されている。この移動子８の一端８ｃが、能動曲面５ａの裏面側に連結されており、移動子８の矢符Ａ方向の移動によって能動曲面５ａが、該能動曲面５ａに垂直方向に変形するものである。支持ばねは、移動子８の動作を一直線方向に制約し、初期位置への復帰を可能とするものである。また、移動子８の支持ばねとして、能動曲面を利用することもできる。これによって、アクチュエータシステムにおける支持ばねの占有面積を減らすことができるので、ダウンサイジングを図ることが可能となる。
【００３７】
積層型圧電素子１１は、一端が固定されるとともに、他端が、搬送子９に連結されており、能動曲面５ａに垂直な矢符Ａ方向に伸縮動作を行うものである。搬送子９は、移動子８に対向する上面に、該移動子８を静電引力によって吸着するための吸着用電極９ａを有しており、この吸着用電極９ａに移動子８を吸着して積層型圧電素子１１の変位に応じて矢符Ａ方向に移動子８を搬送するものである。固定子１０は、移動子８に対向する上面に、該移動子８を静電引力によって吸着して保持する吸着用電極１０ａを有しており、固定位置に設けられている。
【００３８】
このリニアアクチュエータ７は、図８に示される制御信号によってその駆動が制御されるものである。積層型圧電素子１１は、図８（ａ）に示される制御信号によって伸縮動作を繰り返すものである。以下、能動曲面５ａに連結される移動子８の移動方向に応じて説明する。
【００３９】
（i）移動子８を正方向（図７の左方向）に移動させる場合には、搬送子（ＣＳ１）９には、積層型圧電素子１１の伸長動作に同期して移動子８を吸着するための電圧を図８（ｂ）に示されるように印加する一方、固定子（ＣＳ２）１０は、移動子８を吸着しないように図８（ｃ）に示されるように０電位とされ、移動子８も図８（ｆ）に示されるように０電位とされる。
【００４０】
これによって、移動子８は、図９（ａ），（ｂ）に示されるように積層型圧電素子１１の伸長動作によって正方向へ変位する搬送子９に吸着されて正方向へ移動する。
【００４１】
積層型圧電素子１１の伸長動作が終了すると、移動子８が元の位置にもどらないように、搬送子９には、図８（ｂ）に示されるように電圧の印加を止めて移動子８の吸着を解除する一方、固定子１０には、図８（ｃ）に示されるように積層型圧電素子の縮小動作に同期して移動子８を吸着して固定するように電圧を印加するものである。これによって、移動子８は、図９（ｃ），（ｄ）に示されるように、固定子１０に吸着保持され、搬送子９は、積層型圧電素子１１の縮小動作によって負（逆）方向へ変位する。
【００４２】
以上の動作を繰り返すことによって、積層型圧電素子１１の伸長動作の度に、移動子８が正方向に順次移動することになる。
【００４３】
このようにして積層型圧電素子１１によって高い精度で移動子８を変位させることができるとともに、繰り返し動作によって十分な移動距離を確保できる。
【００４４】
(ii）移動子８を負方向（図７の右方向）に移動させる場合には、搬送子９には、積層型圧電素子１１の縮小動作に同期して移動子８を吸着するための電圧を図８（ｄ）に示されるように印加する一方、固定子１０は、移動子８を吸着しないように図８（ｅ）に示されるように０電位とされ、移動子８も図８（ｆ）に示されるように０電位とされる。これによって、移動子８は、積層型圧電素子１１の縮小動作によって負方向へ変位する搬送子９に吸着されて負方向へ移動する。
【００４５】
積層型圧電素子１１の縮小動作が終了すると、移動子８が元の位置にもどらないように、搬送子９には、図８（ｄ）に示されるように電圧の印加を止めて移動子８の吸着を解除する一方、固定子１０には、図８（ｅ）に示されるように積層型圧電素子１１の伸長動作に同期して移動子８を吸着して固定するように電圧を印加するものである。
【００４６】
以上の動作を繰り返すことによって、積層型圧電素子１１の縮小動作の度に、移動子８が負方向に順次移動することになる。
【００４７】
（i）（ii）のように移動子８の電位を０にしておくことによって、正方向または負方向に移動子８を移動させることができるのであるが、この実施の形態では、上述の図６に示されるように、搬送子９、固定子１０および積層型圧電素子１１は、一つであるのに対して、移動子８は、複数備えられており、これら複数の移動子８の内、固定位置に保持しておきたい移動子８に対しては、図８（ｇ）あるいは図８（ｈ）に示される電圧を印加するものである。
【００４８】
すなわち、搬送子９および固定子１０が、移動子８を正方向に移動させる動作を行っている場合には、図８（ｇ）に示されるように搬送子９に印加される電圧と同じ電圧を印加して搬送子９には、吸着されず、固定位置の固定子１０に吸着保持されるようにすればよく、また、搬送子９および固定子１０が、移動子８を負方向に移動させる動作を行っている場合には、図８（ｈ）に示されるように搬送子９に印加される電圧と同じ電圧を印加して搬送子９には、吸着されず、固定位置の固定子１０に吸着保持されるようにすればよい。
【００４９】
このように搬送子９、固定子１０および移動子８に印加する電圧を制御することによって、複数の移動子８の内所望の移動子８のみを正方向あるいは負方向に個別に移動させることができ、これによって、能動曲面５ａの所望の制御点１５を、対応する移動子８を移動させることによって該能動曲面５ａに垂直方向に変位させることができ、これによって、能動曲面５ａを変形することができる。
【００５０】
なお、制御信号は、移動子８の搬送子９および固定子１０に対する受け渡しを円滑に行えるように、図１０に示されるように、部分的に重複させた信号とするとともに、受け渡し期間中は、積層型圧電素子１１の動作を停止させている。なお、図１０（ａ）〜（ｈ）は、図８（ａ）〜（ｈ）にそれぞれ対応している。
【００５２】
この実施の形態では、移動子８を０電位にし、搬送子９、固定子１０に対して、正方向または負方向に対応する電圧を印加して移動子８を正方向または負方向に移動させたけれども、本発明の他の実施の形態として、例えば図１１および図１２に示されるように、搬送子９、固定子１０に対して、各図（ｂ），（ｃ）に示されるように正方向に対応する電圧を印加し、各図（ｄ），（ｅ）に示されるように移動子８を０電位にするか、あるいは、移動子８に電圧を印加することによって、移動子８を正方向または負方向に移動させるようにしてもよい。
【００５３】
以上の動作を行うリニアアクチュエータ７は、能動曲面５ａを、多数の制御点１５で形状制御するために、図１３に示されるように、二次元方向にアレイ状に複数配設される。
【００５４】
この実施の形態では、Ｓｉ半導体微細加工技術を用いることにより、一つの移動子８が、能動曲面５ａを占有する面積は、例えば、１ｍｍ2以下であり、移動子８の動作範囲は、該移動子８を支持する支持ばねの設計仕様によって決定されるが、例えば、０.５ｍｍ程度である。また、積層型圧電素子１１の精度は、０.１μｍ以下である。
【００５５】
次に、以上のようなリニアアクチュエータ７による能動曲面５ａの形状制御について、図１４を参照して放物面（回転二次曲面）を例にとって説明する。
【００５６】
同図（ａ）は、能動曲面の形状制御によって形成される放物面を示し、同図（ｂ）はｘｚ平面における放物線を示し、同図（ｃ）は能動曲面の制御点１５の位置を示す平面図である。
【００５７】
この図１４においては、ｘｙ平面が、変形のない状態の反射面である能動曲面５ａに対応し、ｚ軸が能動曲面５ａに垂直な方向に対応している。
【００５８】
この例では、放物面の焦点６の位置のｘ，ｙ，ｚ座標を（０，０，ｆ）としており、中心の制御点１５のｘ，ｙ座標、すなわち、焦点６を通る法線がｘｙ平面と交わる点のｘ，ｙ座標は、能動曲面５ａのほぼ中心位置（０，０）である。この放物面は、ｘｚ平面については、放物線ｚ＝４ｆ・ｘ2で示され、ｙｚ平面については、ｚ＝４ｆ・ｙ2で示される。
【００５９】
中心の制御点１５から距離ｄずつ順次離れている周辺の各制御点１５は、中心の制御点１５からの距離Ｄに応じて、放物線の式Ｚ＝４ｆＤ2としてＺ座標が決定される。すなわち、同図（ｂ），（ｃ）に示されるように、「０」が付されている中心の制御点１５が決定されると、それから距離ｄずつ離れた「２」「３」「４」等が付された各制御点１５の変位量がそれぞれ決定されることになる。したがって、各制御点１５に対応する移動子８を、決定された変位量だけ正方向に移動させることによって、能動曲面５ａを、放物面に近似して変形できることになる。
【００６０】
なお、この図１４（ｃ）においては、能動曲面５ａを、仮想的にハニカムパターンに分割し、その頂点位置およびハニカムの中心を制御点１５とした場合の例を示している。
【００６１】
この例では、焦点６は、能動曲面５ａのほぼ中央のｚ軸上にあったけれども、図１５（ａ）に示されるように、ｚ軸からずれた位置にあってもよく、また、図１５（ｂ）に示されるように複数の焦点６を形成するように能動曲面５ａを変形させてもよい。この実施の形態では、焦点６を、三次元の任意の位置にすることができる。
【００６２】
本発明の能動曲面５ａは、放物面に限らず、半球面やその他の種々の曲面に近似して変形できるのは勿論である。
【００６３】
図１６は、この実施の形態のアクチュエータシステム４の概略構成図であり、このアクチュエータシステム４は、可変焦点ミラー５の反射面である能動曲面５ａの裏面側に二次元方向にアレイ状に配設された多数のリニアアクチュエータ７と、このリニアアクチュエータ７の上述の積層型圧電素子１１、搬送子９、固定子１０および移動子８を制御する制御手段としてのＣＰＵ１２とを備えている。
【００６４】
能動曲面５ａの各制御点には、予めアドレスが割り付けられており、ＣＰＵ１２は、図示しない入力手段から焦点位置が入力されると、その焦点位置になるように中心の制御点を決定するとともに、各制御点の変位量を上述のようにして算出してリニアアクチュエータ７の対応する移動子８の移動制御をアドレス回路１６，１７を介して行うことにより、能動曲面５ａを所望の曲面に近似して変形させるものである。すなわち、単一のＣＰＵ１２によってすべてのリニアアクチュエータ７を制御する中央集中型制御である。
【００６５】
なお、本発明の他の実施の形態として、図１７に示されるように制御手段としてのＣＰＵ１３をリニアアクチュエータ７の各移動子８に対応させて、すなわち、各制御点に対応させて多数アレイ状に配置し、各ＣＰＵ１３間で情報通信を行える構成とし、各ＣＰＵ１３がリニアアクチュエータ７の対応する移動子８を個別に制御する自律分散型制御としてもよい。
【００６６】
この自律分散制御方式では、例えば、中心制御点に対応するＣＰＵ１３に焦点距離のデータを与えることにより、中心制御点に対応するＣＰＵ１３は、隣接するＣＰＵ１３に対して、中心制御点からの距離と焦点距離のデータを与え、隣接する各ＣＰＵ１３は、与えられた情報から対応する移動子８の変位量を上述のように算出して移動子８を移動させる一方、さらに、隣接するＣＰＵ１３に対して、中心制御点からの距離と焦点距離のデータを与えるものである。このようにして中心制御点から順次その周囲のＣＰＵ１３に、中心制御点からの距離と焦点距離のデータを与えることにより、各ＣＰＵ１３は、与えられたデータから移動子８の変位量を算出して移動子８を移動させるものである。
【００６７】
この自律分散型制御によれば、各ＣＰＵ１３を一つの基板に集積することによって、中央集中型制御に比べて、外部と素子との間の配線数および通信量の低減を図ることができる。なお、各ＣＰＵ１３は、最初に受けたデータのみを有効なデータとして動作するものである。
【００６８】
上述の実施の形態では、単一のＣＰＵ１２あるいは各制御点に個別的に対応する多数のＣＰＵ１３によって、リニアアクチュエータ７を制御したけれども、本発明の他の実施の形態として、複数の制御点毎にＣＰＵを設け、各ＣＰＵが複数の制御点をそれぞれ制御するようにしてもよい。
【００６９】
次に、この実施の形態のリニアアクチュエータ７のより詳細な構成を図１８に示す。同図（ａ）は、上部構造の平面図であり、同図（ｂ）は、その下の下部構造の平面図であり、同図（ｃ）は側面図であって、上述の図７に対応する図である。
【００７０】
基板上水平方向に動作する移動子８アレイの上部基板を、固定子１０、搬送子９等の駆動構造の下部基板に重ねることによって構成されるものであり、上部基板の移動子８は、移動子支持台構造３０に支持ばね３１で支持されており、下部基板の搬送子９は、搬送子支持台構造３２に支持ばね３３で支持されており、積層型圧電素子１１は、積層型圧電素子固定台３４に固定されている。移動子支持台構造３０、搬送子支持台構造３２、固定子１０および積層型圧電素子１１は、電気的には絶縁されているが、機械的には連結されている。
【００７１】
図１９は、本発明の他の実施形態のリニアアクチュエータの構成図であり、同図（ａ）は平面図であり、同図（ｂ），（ｃ）は、側面図である。上述の実施の形態では、移動子８は、基板に水平方向に移動する構成であったのに対して、この実施の形態では、移動子８は、基板に垂直方向に移動するものである。
【００７２】
移動子８は、移動子支持台構造３０に支持ばね３１で支持されており、搬送子９は、搬送子支持台構造３２に支持ばね３３で支持されており、積層型圧電素子１１の伸縮動作は、動作伝達板３５を介して搬送子９に伝達される。移動子支持台構造３０、搬送子支持台構造３２、固定子１０および積層型圧電素子１１は、電気的には絶縁されているが、機械的には連結されている。
【００７３】
このアクチュエータでは、水平型と異なり、一枚の基板に移動子構造と駆動構造とを集積化することができる。移動子の動作方向は、基板垂直方向（厚み方向）である。
【００７４】
この図１９のリニアアクチュエータのアレイ構成の一例を、図２０に示す。この図２０は、素子を８×８のアレイ状に配置したものであり、このような多数のアクチュエータを一枚の基板に集積化することが可能であり、また、二次元配列になっているので、水平型のようにスタック化する必要がない。
【００７５】
なお、搬送子９は、共通の積層型圧電素子１１に動作伝達板３５を介して連結されており、また、固定子１０も先端が各移動子８に個別的に対応するように枝分かれして構成されているが、根元と共通となっており、単一の搬送子９、単一の固定子１０および単一の積層型圧電素子１１によって多数の移動子８を移動させるものである。
【００７６】
以上のようにして本発明のアクチュエータシステムを用いた可変焦点ミラー５は、能動曲面５ａの形状制御によって、三次元の任意の位置に焦点を形成することができる。また、複数の焦点を同時に形成することができる。
【００７７】
したがって、例えば、三次元物体を異なる焦点深度で撮像したり、複数の焦点を同時に形成して撮像するデバイスとして好適に利用できる。
【００７８】
また、ＣＤ、ＤＶＤ共用の読み出し光学系の焦点深度調整用デバイスとして用いることもできる。
【００７９】
さらに、光が物質に及ぼす放射圧を利用したレーザーマニュピレーションに適用することもできる。レーザーマニュピレーションでは、微粒子を焦点に引き寄せて焦点の移動によって微粒子を非接触で移動させることができるものであり、複数の焦点を同時に形成できる本発明の可変焦点ミラーを用いることにより、例えば、二つの焦点に引き寄せられた二つの細胞を接近させて一つにする細胞融合を行うといったことも可能となる。
【００８０】
媒質中を伝播する光は、媒質の不均一性や時間的変動によって位相歪を生じるが、かかる位相歪を補正する分離鏡方式や変形鏡方式を用いた位相変調素子として本発明のアクチュエータシステムを用いた可変焦点ミラーを適用することもできる。
【００８１】
さらに、この位相変調素子の考え方の発展として、能動曲面（もしくは分離鏡アレイ面）の真上に平行に配した半透過ミラー面と能動曲面（もしくは分離鏡アレイ面）とのギャップを各制御点において制御する。面に入射した波長λの電磁波は、ギャップをλ／４（の整数倍）に制御した場合には、反射が起こらなくなる。この性質を利用した反射／非反射の２モードを実現すれば、一つの制御点を一つの画素に対応させたディスプレイを実現することもできる。
【００８２】
（その他の実施の形態）
能動曲面の駆動は、本発明に係るアクチュエータに限らず、接触式の従来の積層型圧電アクチュエータや部分的な加熱制御によって形状が変化する選択駆動型形状記憶合金フィルム、あるいは、非接触式の電磁型アクチュエータや静電型アクチュエータを用いてもよい。
【００８３】
本発明のアクチュエータシステムは、光波に限らず、音波等の電磁波に用いることも可能であり、受動（間接）送信するための反射鏡、能動曲面をホーンとするスピーカあるいは受信面を能動曲面としたアンテナ、望遠境や集音型マイクロホンの集音構造などに用いることもできる。
【００８４】
さらに、一つの移動子を、ポンプのピストンとして利用することにより、インクジェットプリンタヘッド部の吐出機構に適用することもできる。
【００８５】
【発明の効果】
以上のように本発明のアクチュエータによれば、圧電素子の伸長動作あるいは縮小動作を利用して移動子を一方向に沿って正逆方向に移動させることができるので、この移動子に駆動対象を連結することによって、高い精度でかつ十分な移動を確保して駆動対象を駆動でき、また、半導体製造技術を用いて小型のアクチュエータを実現できる。
【００８６】
本発明のアクチュエータシステムによれば、駆動対象面の裏面側に連結されている複数の移動子の移動を、制御手段によって制御して駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させることよって、所望の曲面を近似的に形成できることになり、例えば、電磁波の送信特性や受信特性などを容易に可変できることになり、電磁波の送信や受信を行う各種の用途に利用することができる。
【００８７】
特に、複数の各制御手段が他の制御手段と情報通信を行って対応する各移動子の移動を制御する、いわゆる自律分散型制御を行うことにより、中央集中制御に比べて、外部と素子との間の配線数および通信量の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る光学装置の概略構成図である。
【図２】図１の能動曲面の形状制御の原理を示す説明図である。
【図３】能動曲面が凹状に変形した状態を示す図である。
【図４】能動曲面の仮想分割のパターンを示す図である。
【図５】能動曲面の他の仮想分割のパターンおよび制御点を示す図である。
【図６】リニアアクチュエータの概略構成図である。
【図７】リニアアクチュエータの側面図である。
【図８】リニアアクチュエータの制御信号の波形図である。
【図９】リニアアクチュエータの動作説明図である。
【図１０】リニアアクチュエータの実用的な制御信号の波形図である。
【図１１】本発明の他の実施の形態の図８に対応する波形図である。
【図１２】本発明の他の実施の形態の図１０に対応する波形図である。
【図１３】リニアアクチュエータの配置状態を示す図である。
【図１４】能動曲面を放物面に形状制御する場合の説明図である。
【図１５】能動曲面の他の形状制御の例を示す図である。
【図１６】本発明のアクチュエータシステムの概略構成図である。
【図１７】本発明の他の実施の形態のアクチュエータシステムの概略構成図である。
【図１８】本発明のリニアアクチュエータの構成図である。
【図１９】本発明の他の実施の形態のリニアアクチュエータの構成図である。
【図２０】図１９のリニアアクチュエータのアレイ構成を示す図である。
【図２１】従来例を示す図である。
【符号の説明】
４ アクチュエータシスム
５ 可変焦点ミラー
５ａ 能動曲面
７ リニアアクチュエータ
８ 移動子
９ 搬送子
１０ 固定子
１１ 積層型圧電素子
１２，１３ ＣＰＵ
１５ 制御点
Claims (5)
- 一方向に沿って移動可能な複数の移動子をアレイ状に並設するとともに、前記移動子を吸着するための電極を有する単一の固定子および前記移動子を吸着するための電極を有する単一の搬送子を、前記移動子に対向するように配設し、前記搬送子には、伸縮動作によって該搬送子を前記一方向に沿って変位させる単一の圧電素子を併設し、
前記固定子は、前記複数の移動子を個別に静電引力によって固定位置に吸着保持可能であり、前記搬送子は、前記固定子による吸着保持が解除されている状態で、前記複数の移動子を個別に吸着して前記一方向に沿って搬送可能であることを特徴とするアクチュエータ。 - 請求項１記載のアクチュエータであって、
上下に重ねられる上部基板と下部基板とを備え、
前記上部基板には、該上部基板に対して水平方向に移動可能な前記移動子が、支持ばねを介して移動子支持台構造に支持されており、
前記下部基板には、前記固定子が備えられるとともに、前記搬送子が、支持ばねを介して搬送子支持台構造に支持されており、
前記移動子支持台構造、前記搬送子支持台構造および前記固定子が、機械的に連結されていることを特徴とするアクチュエータ。 - 一方向に沿って移動可能な移動子と、前記移動子を吸着するための電極を有する固定子と、前記移動子を吸着するための電極を有するとともに、前記一方向に沿って変位可能な搬送子と、伸縮動作によって前記搬送子を変位させる圧電素子とを一枚の基板に備え、
前記固定子は、前記移動子を静電引力によって固定位置に吸着保持し、前記搬送子は、前記固定子による吸着保持が解除されている状態で、前記移動子を吸着して前記一方向に沿って搬送するものであり、
前記基板には、該基板に対して垂直方向に移動可能な前記移動子が支持ばねを介して移動子支持台構造に支持されるとともに、搬送子が支持ばねを介して搬送子支持台構造に支持されており、
前記両支持台構造が、機械的に連結されているアクチュエータ素子であって、
複数のアクチュエータ素子をアレイ状に並設してなるアクチュエータ。 - 駆動対象面を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段とを備え、
前記アクチュエータは、前記駆動対象面の裏面側に分散配置されて該裏面側に連結されるとともに、アレイ状に並設され一方向に沿って移動可能な複数の移動子と、前記各移動子を固定位置に保持する単一の固定子と、前記固定子による保持が解除されている状態で、前記各移動子を保持して前記一方向に沿って搬送する単一の搬送子と、伸縮動作によって前記搬送子を前記一方向に沿って変位させる単一の圧電素子とを有し、
前記制御手段は、前記各移動子の移動を制御して前記駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させることを特徴とするアクチュエータシステム。 - 駆動対象面を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する複数の制御手段とを備え、
前記アクチュエータは、前記駆動対象面の裏面側に分散配置されて該裏面側に連結されるとともに、アレイ状に並設され一方向に沿って移動可能な複数の移動子と、前記各移動子を固定位置に保持する単一の固定子と、前記固定子による保持が解除されている状態で、前記各移動子を保持して前記一方向に沿って搬送する単一の搬送子と、伸縮動作によって前記搬送子を前記一方向に沿って変位させる単一の圧電素子とを有し、
前記各制御手段は、他の制御手段と情報通信を行うとともに、対応する移動子の移動を制御して前記駆動対象面を能動曲面としてその形状を変形させることを特徴とするアクチュエータシステム。
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