JPH0255583A - 圧電式駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、固体素子である圧電セラミックス素子を用い
たリニア駆動装置、スキャナ駆動源、紙搬送駆動源、光
デイスク装置の光ピツクアップのシーク用駆動源等とし
て用いられる圧電式駆動装置に関する。

従来の技術 一般に、この種のリニア駆動・精密位置決めには、パル
スモータやＤＣサーボモータ等のモータを用い、その動
きをベルト、ワイヤケーブル、歯車等を用いて直線運動
に変換するようにしている。

しかし、このような方式は、機械的なガタやバックラッ
シュ等により、位置決め精度としては１０〜２０μｍ程
度が限界である。また、ボイスコイルとばねとを組合せ
た直線駆動方式では、発生応力と応答速度に限界がある
。

このようなことから、圧電部材の特徴である微小変位、
高応力発生を利用して微小位置決めが可能な圧電式リニ
ア駆動源が提案されている。

例えば、米国特許第３，９０２，０８４号や米国特許第
３，９０２，０８５号に示されるように、円筒状圧電部
材を用い、シャフトボディをインチウオーム方式により
微動送りさせる装置がある。

これは、例えば第６図に示すように、丸棒軸１に対して
クランプ用圧電素子２，３と素子２，３間に位置させた
移動用圧電素子４　（何れも円筒状）とからなり、各々
の素子２，３．４に駆動信号を印加してステップ移動さ
せる構成である。即ち、両側の２個のクランプ用圧電素
子２，３は電圧印加に伴う電歪効果により円筒内径が小
さくなり丸棒軸１を締付けるクランプ作用を示す。また
、移動用圧電素子４は電圧印加により軸方向に伸びる変
位を示すように構成されている。

また、米国特許第３，６８４．．９０４号に示されるよ
うに、固体部の両側に設けた２個の移動用圧電素子と、
垂直方向に設けた２個のクランプ用圧電素子とからなる
駆動装置もある。

さらには、特公昭５１−１２４９７号公報に示されるよ
うに、静電力を利用してクランプさせるとともに、移動
に圧電部材を用いるようにした駆動装置もある。

発明が解決しようとする問題点 これらの圧電式のものは、何れも、圧電部材単体を駆動
源として用いているため、変位量が微小であり、移動速
度が数ｍｍ／ｓｅｃと遅く、高速性に問題がある。また
、クランプ機構において寸法精度として数μｍ以下の高
精度が要求され、実用的ではない。

例えば、第６図の場合で考えると、圧電素子２゜３．４
の電圧印加時の変位量はせいぜい２〜３μｍ程度であり
、クランプ用圧電素子２，３の内径と丸棒軸１との間の
ギャップとしても、当然、２μｍ以下の超精密加工が要
求されることになる。また、温度変化に対する膨張係数
等も同じ値の材料を用いる必要があり、使用材料が制約
されるものでもある。

問題点を解決するための手段 請求項１記載の発明では、電圧印加によりクランプ方向
に変位する圧電部材とこの圧電部材の変位を拡大する変
位拡大機構とを含むクランプ用ユニットと、電圧印加に
より移動方向に変位する圧電部材とこの圧電部材の変位
を拡大する変位拡大機構とを含む移動用ユニットとを設
け、前記各変位拡大機構における変位辺の変位方向の自
己共振周波数を他辺の自己共振周波数に比べ最も低くす
る。

また、請求項２記載の発明では、移動用ユニットの圧電
部材に対する駆動周波数をこの移動用ユニットの変位拡
大機構における変位辺の変位方向の自己共振周波数に一
致又はほぼ一致させる。

更に、請求項３記載の発明では、移動用ユニツトの変位
拡大機構における変位量の変位方向の自己共振周波数と
クランプ用ユニットの変位拡大機構における変位量の変
位方向の自己共振周波数とを一致又はほぼ一致させる。

作用 請求項】記載の発明によれば、移動用ユニット、クラン
プ用ユニツｌ〜の各変位拡大機構にお＋７１る変位量の
変位方向の自己共振周波数が最も低いので、変位量の固
有振動数として数ｋ　ＩＩ　ｚが得られ、それ以下の加
振信号を圧電部材に印加することにより、安定した拡大
変位が得られる。よって、クランプ機構について精精密
度が要求されることなく確実なりランプ状態を確保でき
、かつ、高速移動が可能となり、よって、リニアモータ
として高速移動、高速応答化を達成できる。

この際、請求項２記載の発明のように、移動用ユニット
の圧電部材に対する駆動周波数をこの移動用ユニツ）・
の変位拡大機構における変位量の変位方向の自己共振周
波数に一致又はほぼ一致させると、移動用ユニットの圧
電部材に対する印加電圧が低電圧であっても大きな高速
移動用の変位を確保して高速移動させることが可能であ
り、高効率となる。

また、請求項３記載の発明のように、移動用ユニットの
変位拡大機構における変位量の変位方向の自己共振周波
数とクランプ用ユニットの変位拡大機構における変位量
の変位方向の自己共振周波数とを一致又はほぼ一致させ
れば、クランプ用ユニットの圧電部材に対する印加電圧
が低′市圧であっても大きな高クランプ用の変位を確保
できる。

実施例 本発明の一実施例を第１図ないし第５図に基づいて説明
する。本実施例は、インチウオーム方式の駆動装置とし
て構成したものであり、第２図に示すように、対向させ
た一対の摺動レール１０゜１１間に１組の移動用ユニッ
ト１２とその移動方向両側に位置させた２組のクランプ
用ユニット１３．１４とを設けてなる。

ここに、本実施例の移動用ユニット１２とクランプ用ユ
ニット１３．１４とは、何れも電圧印加により積層方向
に歪変位する積層型圧電素ｆ−による圧電部ｖＪ’ｌ　
５．　　ｌ　６．　　］　７と、これらの圧電部材］、
５，１６．１７による変位を各々機械的に拡大する変位
拡大機構１８，１９．２０との組合せからなるが、これ
らの変位拡大機構１８，１９゜２０は第１図に示すよう
に、厚さ１〜３　ｍｍ程度の１枚の板状部ネ４（例えば
、ＳＫ鋼利）２１のワイヤカット放電加工法等による適
宜の切欠き構造により一体的に形成したものである。

ここに、例えばクランプ用ユニット１３の変位拡大機構
１９の構造・作用を説明する。この変位拡大機構１９は
板状部拐２１を適宜加」二して、固定辺２２の両端部よ
り片側方向に変位量２３，２４を形成してなり、この変
位量２３．２４間に前記クランプ用の圧電部材１６が接
着剤にて接着固定される。ここに、圧電部椙１６単体で
はＡＣ３０〜］、　ＯＯＶ又はＯ〜８０Ｖの繰返し周波
数が数ｋ　Ｈｚの信号の電圧印加に基づき同じ周波数で
４〜５μｍ程度の振動変位を生ずるが、変位量２３゜２
４の先端にはこれを機械的に拡大した変位量が得られる
。このため、固定辺２２と変位量２３゜２４との境の所
定位置にワイヤカット放電加工により円弧状切欠き２５
を形成することにより変位量２３．２４の基部付近に変
位支点２６を設け、圧電部材１６が変位した時にこの変
位支点２６を中心に変位量２３．２４の先端部が摺動レ
ール１０．１１に対するクランプ方向に拡大変位するこ
とになる。このような変位拡大機構１９の例であれば、
圧電部材１５の変位に対し３〜５倍の変位拡大が容易で
ある。

他方のクランプ用ユニット１４の変位拡大機構２０の構
造・作用もこの変位拡大機構１９と同様であり、同一符
号により示す。

次に、移動用ユニット１２の変位拡大機構１８の構造・
作用を説明する。この変位拡大機構１８も板状部材２１
の適宜加工によるものであり、基本的には変位拡大機構
１９．２０と同様であるが、変位拡大量を増すため、折
返し拡大構造として構成されている。まず、第１固定辺
２７の両端部より片側方向に第１変位辺２８．２９を円
弧状切欠き３０．第１変位支点３１を伴い形成してなり
、これらの第１変位辺２８．２９間に圧電部材１５が接
着剤により接着固定される。この場合も、圧電部材２４
単体では電圧印加に基づく振動変位は４〜５μｍ程度で
あるが、この変位は第１変位支点３１を支点として第１
変位辺２８．２９の先端で拡大される。このような作用
は変位拡大機構１９゜２０の場合と同様である。しかる
に、変位拡大機構１８では折返し構造としており、第１
固定辺２７対向側に第２固定辺３３を設定し、この第２
固定辺３３の両端部より第１変位辺２９．３０とはスリ
ット等により分離結合された第２変位辺３４゜３５を円
弧状切欠き３６．第２変位支点３７を伴い形成してなる
。これにより、第１変位辺２８゜２９での拡大変位が、
第２変位支点３７を支点として第２変位辺３４．３５に
折返され、その先端で更に変位拡大されることになる。

ここに、第２変位辺３／ｌ、３５は、変位拡大機構１９
．２０の固定辺２２と同−辺により兼用されている。こ
のような変位拡大機構１８の例であれば、圧電部材１５
の変位に対し第２変位辺３４．３５の先端部では５〜１
０倍の変位拡大が容易である。

このような１組の移動用ユニット１２は、第２図に示す
ように、その変位拡大機構１８の第１固定辺２７が摺動
レール１０面上に位置し、第２固定辺３３が摺動レール
１１面に位置するよう配設される。

このような構成において、クランプ用ユニット１３（又
は１４）の圧電部材１６（又は１７）に電圧を印加すれ
ばその変位が変位拡大機構１９（又は２０）により拡大
され、第２図中に矢印△で示すようなりランプ変位が摺
動レール１０，１１に作用し、摺動レール１０．１１に
対しクランプ状態となる（電圧を印加しない状態ではフ
リー状態となる）。また、移動用ユニット１２の圧電部
材１５に電圧を印加すればその変位が変位拡大機構１８
により拡大され、第２図中に矢印Ｂで示すような拡がり
／縮みによる駆動変位が第２変位辺３４．３５先端で移
動方向に作用する。つまり、全てのユニット１２，１３
．１４の変位拡大機構１８．１９．２０の変位方向Ａ、
Ｂも同一平面内とされている。よって、ユニット１２，
１３．１４全体は１〜３ｍｍ程度の非常に薄型のものと
なる。

特に、移動用ユニット１２の変位拡大機構１８は変位支
点を２対以上持つ折返し構造によるため、大きい変位で
ありながら、幅方向寸法の小型のものとなる。

ところで、第２図の構造において印加する信号波形を第
３図に示す。まず、信号Ｓ１　はピーク値が例えば８０
Ｖなる正弦波又は三角波による電圧信号であって、移動
用ユニット１２の圧電部材１５に印加される。また、信
号Ｓ２は一方のクランプ用ユニット１３の圧電部材１６
に印加させるパルス電圧信号、信号Ｓ３は他方のクラン
プ用ユニット１４の圧電部材１７に印加させるクランプ
パルス電圧信号である。そこで、例えば信号Ｓ２が８０
Ｖ出力でクランプ用ユニット１３の変位拡大機構１９が
摺動レール１０．１１に対しクランプ状態にある時に信
号Ｓ１の電圧は上昇期間にあり変位拡大機構１８は広が
る動作をする。この時、クランプ用ユニット１４の変位
拡大機構２０は摺動レール１０．１１に対してフリー状
態にある。

次いで、信号Ｓ１が上昇ピークに達した時点で、信号Ｓ
２．Ｓ３が反転し、信号Ｓ３の８０Ｖ出力でクランプ用
ユニット１４の変位拡大機構２ｏがクランプ状態となる
一方、クランプ用ユニッｌ−１３の変位拡大機構１９は
クランプ状態からフリー状態に変化する。この期間は、
信号ｓ１　の電斤は１・゛降期間にあり変位拡大機構１
８は縮む動作をし、Ｆ降ピーク点に達すると、クランプ
信ｑｓ２．ｓ３が再び反転し、上記の動作を繰返す。こ
のような動作の繰返しにより、左側から右側方向への直
線移動動作が行われる。

信号Ｓ２．Ｓ、の反転タイミングを逆にすれば、右側か
ら左側へ移動させることができる。

このような信号８１〜ｓ３は、第４図に示すような信号
発生回路により生成できる。まず、信号Ｓ１　はパルス
信号に同期するように、このパルス信号入力を位相調整
回路４ｏて補止した後、正弦波（又は三角波）変換回路
４１にＪ：り正弦波（又は五角波）を発生させ、これを
増幅ドライブ回路４２を通してｓ　ｏ　Ｖｐ−ｐのイ氏
出カインピーダンス信号として移動用の圧電部材１５に
出力することになる。また、クランプ用４４号Ｓ２．Ｓ
３もパルス信号に同期させて反転させるため、このパル
ス指温人力を処理して生成するが、Ｓ２．Ｓ、とて反転
特性とさせるためのゲート回路４３が設けられ、かつ、
移動方向に応じてその動作を反転させるために切換え信
％　Ｉ−（／　Ｔ、を入力させる移動方向切換え端子４
４がゲート回路４３に接続されている。

そして、ゲート回路４３で２分された出力が、方では３
個のパワーＭＯ３ＦＥ”Ｉ’からなるドライブ回路４５
により８０Ｖの低出力インピーダンス信号−信￥ｙＳ２
としてクランプ用ユニット１３の圧電部月１６に出力さ
れる。他方では、同じく３個のパワーＭ　（、）　Ｓ　
　Ｆ”　Ｅ　Ｔからなるドライブ回路４６により８０Ｖ
の低出力インピーダンス信シ」信号Ｓ３としてクランプ
用ユニット１４の圧電部材］７に出力される。なお、端
子４４がＨレベルの時に左−右方向の移動となり、■、
レベルの時に右−左方向の移動となる。

なお、移動用の圧電部月１５に印加する電圧を低下させ
ることにより、ｌステップ当りの移動量の値を極く微小
まで可変でき、高分解能化しｔｌ）ることは、従来から
の圧電式のものと同様である。

ここに、各ユニット１２，１３．１４の変位拡大機構１
．８，１９．２０における変位の応答性は、固有振動数
で決まる。ここに、変位部の質量をＭ、剛性をＫとする
と、固有振動数□八は、基本的には、ω。−ＪＫ／Ｍで
示される。ここに、剛性には材料の縦弾性係数Ｅ、円弧
状切欠きの半径、変位支点の厚さ、及び板状部材２１の
厚さにより決まる。

従って、各変位拡大機構１８．　．１．９．　２０を一
体化してなる板状部材２１の厚さ方向の各部の固有振動
数（片持ち梁のベンゾインク方向の振動、又は両側固定
の場合のベンディング方向の振動等）よりも、変位辺２
３．２／ｌ、２９，３０，３４゜３５の固有振動数（自
己共振周波数）が最も低くなるように設定することによ
り、安定した拡大変位が得られる。ここに、本実施例で
は、各変位拡大機構］、８，１．９．２０を板状部材２
］を共通として一体化してなるため、縦弾性係数Ｅは全
てに共通なため、各変位辺２３，２４，２９，３０゜３
４．３５の固有振動数を最も低い値に設定するには、各
円弧状切欠きの半径及び各変位支点部分の厚みによって
決定することになる。

例えば、第１図に示す各変位拡大機構１８，１９．２０
において、全体板厚（板状部材２１の板厚）を２．５〜
３　ｍｍとした時、各円弧状切欠きの半径を１〜２ｎＩ
Ｉｌｌ、これらの円弧状切欠きにより挾まれた各変位支
点部分の厚さを１．５〜２１ＩＩＩｎ程度に設定するこ
とにより、各変位辺２３，２４，２９．３０，３４．３
５には数ｋ　Ｈｚの固有振動数が得られる。よって、各
圧電部月１．５，１６．１７をこの固有振動数以下の加
振信号で動作させた際には安定した変位拡大がなされる
。上側のようなディメンションにおける各変位部２３．
２／Ｉ。

２９．３０，３４．３５の先端部の周波数特性を第３図
に示す。これは、圧電部４’Ｊ’ｌ　５．　１６．　　
Ｊ７に対する印加電圧を２０〜３０　Ｖ　ｐ−ｐとした
場合の例を示す。また、自己共振周波数は９　ｋ　１１
　ｚであり、非共振の場合の５倍程度の変位拡大量とな
る。

従って、第３図、第４図において、パルス信号の周波数
を９ｋＨｚ　（＝］周期が］　１１　μ５ｅｃ）に設定
することにより（即ち、移動用ユニット１２の圧電部材
１５に対する駆動周波数をその変位拡大機構１８におけ
る変位部３４．３５の変位方向の自己共振周波数に−・
致又はほぼ・致させる）、移動用信号Ｓ、が２０〜３０
　ｖｐ−１）なる低電圧であっても、８１１ｍ程度の移
動用変位を変位部３４゜３５に得ることができ、高効率
となる。

また、第１図において、移動用の圧電部材】５の長さに
対しクランプ用の圧電部材１６．１７の長さを１／２と
し、かつ、移動用の変位拡大機構１８の長さ（移動方向
）に対しクランプ用の変位拡大機構１９．２０の長さ（
移動方向）も１／２とすることで、移動用の変位部の質
量を小さくし、移動変位の固有振動数の低下を防ぐ構成
としてもよい。また、板状部材２１の剛性を低下させな
い範囲で、第１図に示すように、肉抜き用の孔３２を適
宜形成して質量を小さくしてもよい。

また、クランプ用ユニット１３．１４において、その変
位拡大機構１９．２０の変位部２３．２４の剛性を、移
動用ユニット１２における変位拡大機構１８の変位部３
４．３５の剛性よりも小さくすれば（例えば、変位部２
３．２４に対する円弧状切欠き２５の半径を大きくし、
又は変位支点２６の厚さを簿くする）、クランプ用の変
位部質量に比べ、移動用の変位部質量が大きいことによ
る共振ずれを調整できる。例えば、円弧状切欠き２５．
３０．３６とも半径を１即とするが、変位支点について
は、クランプ用の変位支点２６を１ｎｌＩｎとし、移動
用の変位支点３７を１．２ｍｍとする。

これにより、移動用の変位部３４．３５の変位方向の自
己共振周波数とクランプ用の変位部２３゜２４の変位方
向の自己共振周波数とを一致又はほぼ一致するように設
定することができ、移動用側と同様、クランプ側の圧電
部＄４１６．１７をも低電圧駆動にて大きな拡大変位を
得、確実なりランプ動作を行わせ得る。

発明の効果 本発明は、」二連したように、請求項１記載の発明では
、電圧印加によりクランプ方向に変位する圧電部材とこ
の圧電部材の変位を拡大する変位拡大機構とを含むクラ
ンプ用ユニットと、電圧印加により移動方向に変位する
圧電部材とこの圧電部材の変位を拡大する変位拡大機構
とを含む移動用ユニットとを設け、前記各変位拡大機構
における変位部の変位方向の自己共振周波数を他辺の自
己共振周波数に比べ最も低くしたので、変位部の固有振
動数として数ｋ　Ｈｚが得られ、それ以下の加振信号を
圧電部材に印加することにより、安定した拡大変位が得
られることになり、クランプ機構について精精密度が要
求されることなく確実なりランプ状態を確保でき、かつ
、高速移動が可能となり、よって、リニアモータとして
高速移動、高速応答化を達成でき、また、請求項２記載
の発明では、移動用ユニットの圧電部材に対する駆動周
波数をこの移動用ユニットの変位拡大機構における変位
部の変位方向の自己共振周波数に一致又はほぼ一致させ
たので、移動用ユニットの圧電部材に対する印加電圧が
低電圧であっても大きな高速移動用の変位を確保して高
速移動させることが可能であり、−層の高効率化を図る
ことができ、さらに、請求項３記載の発明では、移動用
ユニットの変位拡大機構における変位部の変位方向の自
己共振周波数とクランプ用ユニットの変位拡大機構にお
ける変位辺の変位方向の自己共振周波数とを−・致又は
ほぼ一致させたので、クランプ用ユニットの圧電部材に
対する印加電圧が低電圧てあ−）でも大きな高クランプ
用の変位を確保できる３゜

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の一実施例を示すもので、
第１図はユニット単体状態の正面図、第２図（ａ）は全
体の正面図、（ｂ）はその側面図、第３図はタイミング
波形図、第４図は信号発生回路の回路図、第５図は変位
辺の周波数特性図、第６図は従来例を示す縦断正面図で
ある１゜１２・・・移動用ユニット、１３．１４・・ク
ランプ用ユニット、１５，１６．１７・・圧電部材、１
８゜１９．２０・・・変位拡大機構、２３，２４，２８
゜２９．３４．３５・・変位辺、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 　１．電圧印加によりクランプ方向に変位する圧電部材
   とこの圧電部材の変位を拡大する変位拡大機構とを含む
   クランプ用ユニツトと、電圧印加により移動方向に変位
   する圧電部材とこの圧電部材の変位を拡大する変位拡大
   機構とを含む移動用ユニツトとを設け、前記各変位拡大
   機構における変位辺の変位方向の自己共振周波数を他辺
   の自己共振周波数に比べ最も低くしたことを特徴とする
   圧電式駆動装置。
2. 　２．電圧印加によりクランプ方向に変位する圧電部材
   とこの圧電部材の変位を拡大する変位拡大機構とを含む
   クランプ用ユニツトと、電圧印加により移動方向に変位
   する圧電部材とこの圧電部材の変位を拡大する変位拡大
   機構とを含む移動用ユニツトとを設け、前記移動用ユニ
   ツトの圧電部材に対する駆動周波数をこの移動用ユニツ
   トの変位拡大機構における変位辺の変位方向の自己共振
   周波数に一致又はほぼ一致させたことを特徴とする圧電
   式駆動装置。
3. 　３．電圧印加によりクランプ方向に変位する圧電部材
   とこの圧電部材の変位を拡大する変位拡大機構とを含む
   クランプ用ユニツトと、電圧印加により移動方向に変位
   する圧電部材とこの圧電部材の変位を拡大する変位拡大
   機構とを含む移動用ユニツトとを設け、前記移動用ユニ
   ツトの変位拡大機構における変位辺の変位方向の自己共
   振周波数と前記クランプ用ユニツトの変位拡大機構にお
   ける変位辺の変位方向の自己共振周波数とを一致又はほ
   ぼ一致させたことを特徴とする圧電式駆動装置。