JP5137396B2

JP5137396B2 - 移動装置

Info

Publication number: JP5137396B2
Application number: JP2006353786A
Authority: JP
Inventors: 俊治速水; 厚司市川
Original assignee: Ricoh Imaging Co Ltd
Current assignee: Ricoh Imaging Co Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008167573A

Description

本発明は、移動装置に関し、特に被駆動体を効率よく移動させる移動装置に関する。

圧電体振動子を使って、被駆動体を一次元の任意の方向に移動させる移動装置が提案されている。特許文献１は、一方のアクチュエータの振動が定常状態になった時に、他方のアクチュエータの駆動を開始する移動装置を開示する。
特開平０８−２３７９７０号公報

しかし、特許文献１の装置は、一方のアクチュエータの振動が定常状態になった後に、他方のアクチュエータの駆動が開始されるため、一方のアクチュエータの駆動が開始されてから被駆動体の移動が開始されるまでに時間がかかる。

したがって本発明の目的は、被駆動体を移動させる際の圧電体振動子の駆動開始からのタイムラグを少なくした移動装置を提供することである。

本発明に係る移動装置は、圧電体振動子と、圧電体振動子に対して、伸縮モード振動を励起する第１交流電圧、及び屈曲モード振動を励起する第２交流電圧を印加する回路部とを備え、回路部は、圧電体振動子の伸縮モード振動と屈曲モード振動に基づく楕円運動によって被駆動体を移動させるために、第１交流電圧を印加した後であって、第１交流電圧の振幅が定常状態になる時点までの間に、第２交流電圧の印加を開始する。

好ましくは、回路部は、第１交流電圧の振幅を検出する検出部と、振幅が一定値以上の場合に、第２交流電圧の印加を開始する印加制御部とを有する。

さらに好ましくは、印加制御部は、第１交流電圧の振幅が定常状態における振幅の半分となった時に、第２交流電圧の印加を開始する。

また、好ましくは、圧電体振動子は、被駆動体によって付勢され、第２交流電圧の印加開始タイミングは、第１交流電圧の印加開始から、第１交流電圧の印加によって励起される伸縮モード振動によって、圧電体振動子が被駆動体を押す力が、付勢される力を上回る時点までの時間に対応する。

以上のように本発明によれば、被駆動体を移動させる際の圧電体振動子の駆動開始からのタイムラグを少なくした移動装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図を用いて説明する。移動装置は、水平方向移動部１０を有する可動部と、圧電体振動子３０、固定台５０、及び回路部７０とを有する固定部とを備える。なお、方向を説明するために、移動装置において水平方向移動部１０の移動方向を第１方向ｘ、第１方向ｘと直交する圧電体振動子３０の付勢方向を第２方向ｙ、第１方向ｘと第２方向ｙと直交する方向を第３方向ｚとして説明する。

水平方向移動部（被駆動体）１０は、第１、第２摩擦部材１１、１２、及び水平方向移動枠１９を有する。水平方向移動部１０は、第１方向ｘに移動可能である。従って、水平方向移動部１０に、移動させたい部材を固定することにより、その部材を第１方向ｘに移動させることができる。

第１、第２摩擦部材１１、１２は、直方体形状で、第２方向ｙに垂直な平面の一方は、圧電体振動子３０と接触し、圧電体振動子３０の振動により水平方向移動枠１９と共に第１方向ｘに移動可能であり、他方は水平方向移動枠１９の内側に取り付けられる。

水平方向移動枠１９は、内側に第３方向ｚに垂直な矩形の孔を有する平板状の枠であり、かかる内側の矩形孔に第１、第２摩擦部材１１、１２が取り付けられ、圧電体振動子３０が配置される。

圧電体振動子３０は、中空円柱形状の第１、第２圧電素子（圧電セラミックリング）３１、３２と、薄い金属の弾性板で構成されるシム３４から構成され、シム３４の両面（円柱形状の外壁部及び第３方向ｚと垂直な上面、下面）には第１、第２圧電素子３１、３２が固着される（図２参照）。

第１、第２圧電素子３１、３２の第３方向ｚから見た表面には電極が設けられる。電極は第３方向ｚからみて３つに分割され、第１圧電素子３１の第１、第２、第３電極３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、第２圧電素子３２の第４、第５、第６電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃが取り付けられる。なお、電極、及び圧電素子は、シム３４の上面、下面のいずれか一方にだけ取り付けられた形態であってもよいが、本実施形態のように両面に取り付けられた形態の方が、より強い駆動力を得ることが出来る。

第１〜第３電極３１ａ〜３１ｃは第１方向ｘに並べて配置される。伸縮モード振動を励起するための第１交流電圧ＶＥ１の印加に使用される第２電極３１ｂは、シム本体部３４ａ（第１圧電素子３１）上の中央部に配置される。屈曲モード振動を励起するための第２交流電圧ＶＥ２の印加に使用される第１、第３電極３１ａ、３１ｃは、シム本体部３４ａ（第１圧電素子３１）上の第１方向ｘの端部を含む外周部に配置される。第１、第３電極３１ａ、３１ｃは、圧電体振動子３０のｘｙ平面上の中心にｘｙ平面上で対向する位置関係に配置される。

第２電極３１ｂと第５電極３２ｂとは、第３方向ｚで対向するように配置され、同じ波形の第１交流電圧ＶＥ１が回路部７０の伸縮モード振動入力部７４から印加される。第１電極３１ａと第４電極３２ａとは、第３方向ｚで対向するように配置され、同じ波形の第２交流電圧ＶＥ２が回路部７０の屈曲モード振動入力部７３から印加される。第３電極３１ｃと第６電極３２ｃとは、第３方向ｚで対向するように配置され、同じ波形の第２交流電圧ＶＥ２が回路部７０の屈曲モード振動入力部７３から印加される。

第１〜第３電極３１ａ〜３１ｃが並べられて、第１圧電素子３１には、真円の環状体形状（ドーナツ形状）の電極群が構成される。第４〜第６電極３２ａ〜３２ｃが並べられて、第２圧電素子３２には、真円の環状体形状（ドーナツ形状）の電極群が構成される。

第２、第５電極３１ｂ、３２ｂへの第１交流電圧ＶＥ１の印加により、圧電体振動子３０は半径方向（シム本体部３４ａの上面及び下面の中心から外壁部への放射方向）に伸縮する伸縮モード振動が励起される。第１、第３、第４、第６電極３１ａ、３１ｃ、３２ａ、３２ｃへの第２交流電圧ＶＥ２の印加により、圧電体振動子３０は第１方向ｘに屈曲振動する屈曲モード振動が励起される。

屈曲モード振動を励起するための、第１、第３、第４、第６電極３１ａ、３１ｃ、３２ａ、３２ｃへの第２交流電圧ＶＥ２の印加は、伸縮モード振動を励起するための、第２、５電極への第１交流電圧ＶＥ１の印加開始後であって、伸縮モード振動が定常状態になるまでの間に開始される。電圧印加開始タイミング制御については、後述する。

シム３４は、第１、第２圧電素子３１、３２を両面に固着した中空円柱形状のシム本体部３４ａ、固定台５０に支持される第１、第２、第３、第４支持部３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄを有する（図２、３参照）。シム本体部３４ａは、円柱形状の外壁部で、第１摩擦部材１１の付勢力と、第１摩擦部材１１の付勢力に対する第２摩擦部材１２の反力によって第２方向ｙに付勢される。

第１、第２、第３、第４支持部３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄは、シム本体部３４ａから被駆動体を移動させる第１方向ｘとの間を成す角が４５度（または１３５度）を有する方向に突出した部分で、それぞれが有する孔に固定部材５３が挿入されることによって固定台５０に取り付けられる。これにより、シム３４を含む圧電体振動子３０は固定台５０に固定されて移動しない。一方、圧電体振動子３０の振動により水平方向移動部１０は第１方向ｘに移動可能である。

それぞれの電極に電圧が印加されない状態においては、第１、第２圧電素子３１、３２は変形を起こさず静止している。第２、第５電極３１ｂ、３２ｂに第１交流電圧ＶＥ１が印加されると、第１、第２圧電素子３１、３２の変形に伴って圧電体振動子３０は、半径方向（シム本体部３４ａの上面及び下面の中心から外壁部への放射方向）に伸縮する伸縮モード振動（シム３４の中心穴３４ｈが膨張収縮を繰り返すような縦振動）が励起される。第１、第３、第４、第６電極３１ａ、３１ｃ、３２ａ、３２ｃに第２交流電圧ＶＥ２が印加されると、第１、第２圧電素子３１、３２の変形に伴って圧電体振動子３０は、第１方向ｘに屈曲振動する屈曲モード振動（シム３４の中心穴３４ｈが第１方向ｘに往復運動するような駆動方向の横振動）が励起される。

第２、第５電極３１ｂ、３２ｂへの電圧印加が開始されると、徐々に第１交流電圧ＶＥ１の振幅が大きくなり、一定時間（ｔ１からｔ３までの期間）かけて、第１交流電圧ＶＥ１の振幅が一定する定常状態になる。これに伴い、第１交流電圧ＶＥ１の電圧印加が開始されると、徐々に圧電体振動子３０の伸縮モード振動の振幅が大きくなり、一定時間（ｔ１からｔ３までの期間）かけて、圧電体振動子３０の伸縮モード振動の振幅が一定する定常状態になる（図５上段参照）。

第１、第３、第４、第６電極３１ａ、３１ｃ、３２ａ、３２ｃへの電圧印加が開始されると、徐々に第２交流電圧ＶＥ２の振幅が大きくなり、一定時間（ｔ２からｔ４までの期間）かけて、第２交流電圧ＶＥ２の振幅が一定する定常状態になる。これに伴い、第２交流電圧ＶＥ２の電圧印加が開始されると、徐々に圧電体振動子３０の屈曲モード振動の振幅が大きくなり、一定時間（ｔ２からｔ４までの期間）かけて、圧電体振動子３０の屈曲モード振動の振幅が一定する定常状態になる（図５下段参照）。

屈曲モード振動、及び伸縮モード振動により、シム本体部３４ａの外壁部で、第１、第２摩擦部材１１、１２と接触する部分（第１、第２摩擦部材１１、１２のシム本体部３４ａの外壁部を第２方向ｙに付勢する部分）は、楕円運動を行う。

この楕円運動により、シム本体部３４ａの外壁部分を第２方向ｙに付勢した状態で接触する第１、第２摩擦部材１１、１２は、固定台５０及び圧電体振動子３０に対して第１方向ｘに移動せしめられ、これに伴って水平方向移動部１０が第１方向ｘに移動せしめられる。

固定台５０は、固定台本体部５０ａ、水平方向移動部１０を第１方向ｘに摺動自在に支持する係合部材（不図示）、及び圧電体振動子３０を固定する固定部材５３を有する。

回路部７０は、パラメータ発生部７１、比較器７２、屈曲モード振動入力部７３、伸縮モード振動入力部７４、及び電流モニタ７５を有する（図４参照）。

パラメータ発生部７１は、伸縮モード振動を励起開始（第２、第５電極３１ｂ、３２ｂへの第１交流電圧ＶＥ１の印加開始）時期に対して、屈曲モード振動を励起開始（第１、第３、第４、第６電極３１ａ、３１ｃ、３２ａ、３２ｃへの第２交流電圧ＶＥ２の印加開始）時期を遅らせるタイミングを、パラメータ（第１割合ｔｒ１）を使って比較器７２に出力する。第１割合ｔｒ１は、屈曲モード振動励起開始時点（第２交流電圧ＶＥ１の印加開始時点ｔ２）における第１交流電圧ＶＥ１の振幅の、定常状態時の第１交流電圧ＶＥ１の振幅に対する比率（０＜ｔｒ１＜１、ｔ１〜ｔ２の長さ÷ｔ１〜ｔ３の長さ）を表す。

時点ｔ２は、時点ｔ１から伸縮モード振動の励起が開始されてから、伸縮モード振動によって圧電体振動子３０が、シム本体部３４ａを第２方向ｙに付勢している第１、第２摩擦部材１１、１２を第２方向ｙに押し返す力が十分になる（圧電体振動子３０が水平方向移動部１０を第２方向ｙに押す力が、第１、第２摩擦部材１１、１２によって第２方向ｙ付勢される力を上回る）程度に、圧電体振動子３０の伸縮モード振動の振幅が大きくなる時点に設定される。従って、第１割合ｔｒ１の値は、実験などにより求められる最適な時点ｔ２の値（ｔ１〜ｔ２の長さ）に基づいて算出される。一般的には、印加する第１交流電圧ＶＥ１の振幅が定常状態における振幅の半分に達した時点で第２交流電圧ＶＥ２の電圧印加を開始させる制御信号を出力するように、ｔｒ１＝０．５に設定しておくのが望ましい。

比較器７２は、電流モニタ７５から出力される検出電流値と第１交流電圧ＶＥ１の定常状態における振幅に対応する電流値との割合を示す第２割合ｔｒ２の値と、パラメータ発生部７１から出力された第１割合ｔｒ１の値とを比較し、第２割合ｔｒ２の値が、第１割合ｔｒ１以上になった場合に、屈曲モード振動入力部７３に対して、屈曲モード振動を励起する第２交流電圧ＶＥ２の電圧印加を開始させる制御信号を出力する。

屈曲モード振動入力部７３は、第１、第３、第４、第６電極３１ａ、３１ｃ、３２ａ、３２ｃと接続され、比較器７２からの制御信号を受けて、これらの電極に屈曲モード振動を励起する第２交流電圧ＶＥ２の印加を行う。

伸縮モード振動入力部７４は、第２、第５電極３１ｂ、３２ｂと接続され、これらの電極に伸縮モード振動を励起する第１交流電圧ＶＥ１の印加を行う。

電流モニタ７５は、伸縮モード振動入力部７４から第２、第５電極３１ｂ、３２ｂに印加される第１交流電圧ＶＥ１の振幅を電流に置き換えて検出し、第１交流電圧ＶＥ１の定常状態における振幅に対応する電流値との割合を第２割合ｔｒ２として比較器７２に出力する。

本実施形態の回路部７０の構成により、伸縮モード振動を励起する第１交流電圧ＶＥ１の印加が開始された後、第１割合ｔｒ１に対応する時間（時点ｔ１と時点ｔ２との期間）だけ遅れて屈曲モード振動を励起する第２交流電圧ＶＥ２の印加が開始される。

被駆動体（水平方向移動部１０）を第１方向ｘに移動させるために、圧電体振動子３０に伸縮モード振動と屈曲モード振動が励起される。伸縮モード振動が励起された時点ｔ１の後であって、伸縮モード振動が定常状態になる時点ｔ３前までの一定期間（例えばｔ１〜ｔ２の期間、約２００ｍｓ）は、伸縮モード振動によって圧電体振動子３０が、シム本体部３４ａを第２方向ｙに付勢している第１、第２摩擦部材１１、１２を第２方向ｙに押し返す力が十分でない（圧電体振動子３０が水平方向移動部１０を第２方向ｙに押す力が、第１、第２摩擦部材１１、１２によって第２方向ｙ付勢される力を下回る）。

そのため、伸縮モード振動と同じタイミングで屈曲モード振動を励起した場合（図５の点線参照）であって、伸縮モード振動が励起された後（時点ｔ１、図５参照）、伸縮モード振動が定常状態になる時点ｔ３前までの一定期間（例えばｔ１〜ｔ２の期間）は、第１、第２摩擦部材１１、１２とシム本体部３４ａとの間で摩擦が生じるだけで第１方向ｘへの駆動が出来ない。そのため、屈曲モード振動を励起するための電力が無駄に使われるだけでなく、第１、第２摩擦部材１１、１２やシム本体部３４ａが摩耗する。

伸縮モード振動が定常状態になった時点ｔ３から屈曲モード振動を始める場合（図５の２点鎖線参照）には、屈曲モード振動の振幅が水平方向移動部１０を第１方向ｘに移動させることが可能な程度に大きくなる時点（屈曲モード振動開始時点ｔ３から定常状態になる時点ｔ５までの間）が遅れる。そのため、第１方向ｘへの移動開始が遅れ、それまでの伸縮モード振動を励起するための電力が無駄に使用されることになる。

本実施形態では、伸縮モード振動が励起された時点ｔ１から、伸縮モード振動が定常状態になる時点ｔ３までの間の任意の時点ｔ２から屈曲モード振動の励起が開始されるように、各電極への電圧印加タイミング制御が行われる。これにより、駆動のレスポンスを損ねることなく、電力を無駄に消費することなく、移動制御を行うことが可能になる。

なお、被駆動体（水平方向移動部１０）を第１方向ｘに移動させる形態は、本実施形態に限られず、圧電体振動子３０に伸縮モード振動と屈曲モード振動を励起して楕円運動を行わせる形態であれば他の形態でもよい。

本実施形態における水平方向移動部、及び圧電体振動子の構成を示す斜視図である。圧電体振動子の構成図である。図２のＡ−Ａ線における断面の構成図である。回路部、及び電極の構成図である。伸縮振動モードを励起するための交流電圧印加と、屈曲モード振動を励起するための交流電圧印加のタイミングを示す図である。

符号の説明

１０水平方向移動部
１１、１２第１、第２摩擦部材
１９水平方向移動枠
３０圧電体振動子
３１、３２第１、第２圧電素子
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ第１、第２、第３電極
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ第４、第５、第６電極
３４シム
３４ａシム本体部
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ第１、第２、第３、第４支持部
５０固定台
５０ａ固定台本体部
５３固定部材
７０回路部
７１パラメータ発生部
７２比較器
７３屈曲モード振動入力部
７４伸縮モード振動入力部
７５電流モニタ

Claims

圧電体振動子と、
前記圧電体振動子に対して、伸縮モード振動を励起する第１交流電圧、及び屈曲モード振動を励起する第２交流電圧を印加する回路部とを備え、
前記回路部は、前記圧電体振動子の前記伸縮モード振動と前記屈曲モード振動に基づく楕円運動によって被駆動体を移動させるために、前記第１交流電圧を印加した後であって、前記第１交流電圧の振幅が定常状態になる時点までの間に、前記第２交流電圧の印加を開始し、
前記圧電体振動子は、前記被駆動体によって付勢され、
前記第２交流電圧の印加開始タイミングは、前記第１交流電圧の印加開始から、前記第１交流電圧の印加によって励起される前記伸縮モード振動によって、前記圧電体振動子が前記被駆動体を押す力が、前記付勢される力を上回る時点までの時間に対応することを特徴とする移動装置。
前記回路部は、前記第１交流電圧の振幅を検出する検出部と、前記振幅が一定値以上の場合に、前記第２交流電圧の印加を開始する印加制御部とを有することを特徴とする請求項１に記載の移動装置。
前記印加制御部は、前記第１交流電圧の振幅が定常状態における振幅の半分となった時に、前記第２交流電圧の印加を開始することを特徴とする請求項２に記載の移動装置。