JPH0260469A - 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、米国特許箱３，９０２，０８４号や米国特許箱
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９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、米国特許箱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５１−１．２４９７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１１ｍ以下の
高精度が要求され、実用的ではない。

例えば、第９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ｉ＋１’、　４４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、前記クランプ用ユニットの圧電部材に
印加する電圧レベルを一定とし、前記移動用ユニットの
圧電部材に印加する電圧レベルを可変させる。

この際、移動用ユニットの圧電部材に印加する電圧レベ
ルを可変させるため、請求項２記載の発明のように、ロ
ーパスフィルタの入力パルス幅を可変させる。

この場合、請求項３記載の発明では、ローパスフィルタ
の一部の構成要素を、移動用ユニットの圧電部材の容量
成分とする。

作用 請求項１記載の発明によれば、変位拡大機構を含むクラ
ンプ用ユニットの圧電部材に印加する′ｍ電圧レベル−
・定とし、変位拡大機構を含む移動用ユニットの圧電部
材に印加する電圧レベルを可変させることにより、クラ
ンプ・クランプ解除を一定の変位量にて行いながら、移
動ユニットの移動変位量がその圧電部材への印加電圧可
変により可変するので、移動速度が変化することになる
。よって、印加電圧制御により、任意の移動速度設定や
、サーボ系による一定速度への制御が簡単にできる。

この際、請求項２記載の発明のように、ロームスフイル
タの人力パルス幅を可変させれば、印加電圧に含まれる
基本波成分を低下させることができるため、印加電圧の
波高値、従って、移動用ユニットの圧電部材に印加する
電圧レベルを任意かつ１］ミ確に可変させることが可能
となる。

また、請求項３記載の発明のように、ローパスフ、イル
タの一部の構成要素を、移動用ユニットの圧電部材の容
量成分とすれは、構成が簡明なものとなる。

実施例 本発明の一実施例を第１図ないし第６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許とし
て構成したものであり、第４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絹のクランプ
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子による圧電部材１５，１．
６．１７と、これらの圧電部ｊＡ１５．＋　６．ｌ　７
による変位を各々機械的に拡大する変位拡大機構１．８
，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３図に示すように、厚さ１〜
３Ｍ程度の１枚の板状部材（例えば、ＳＫ鋼椙）２］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
〕９の構造・作用を説明する。この変位拡大機構１９は
板状部材２１を適宜加工して、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、圧電部材１６単体では
ＡＣ３０〜１００　Ｖ又はＯ〜８０Ｖの繰返し周波数が
数ｋ　Ｈ７，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゜２４
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］６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
１．９．２０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２
４単体では電圧印加に基づく振動変位は４〜５１１ｍ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３４．３
５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３４．，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
］５の変位に対し第２変位辺３４．，３５の先端部では
５〜１０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４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］３（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４図中に矢印Ａで示すようなりランプ変位が摺
動レール】０．ｌ］に作用し、摺動レール１．０．１１
に苅しクランプ状態となる（電圧を印加しない状態では
フリ状態となる）。また、移動用ユニット１２の圧電部
材］５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４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１２，１．
３．１４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
．］、３．１４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］２の変位拡大機構１８は変位支
点を２対以」−持っ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４図の構造において印加する信号波形を第
５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ｖＪ’　ｌ　７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Ｓ
２が８０Ｖ出力でクランプ用ユニット］３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Ｓ、の電圧は上昇期間にあり変位拡大機構１
８は広がる動作をする。この時、クランプ用ユニット１
４の変位拡大機構２０は摺動レール１０，１．１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２０がクランプ状態と
なる一方、クランプ用ユニット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の電圧はｆ降期間にあり変位拡大機構１８は
縮む動作をし、下降ピーク点に達すると、クランプ信号
Ｓ２．　　Ｓ。

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．Ｓ３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Ｓ、〜Ｓ３は、第６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Ｓ、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４０で補正した後、移動用ドライブ信号発生回路４１
により正弦波（又は三角波）を発生させ、これを例えば
５ｏｖｐ−ｐの低出力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
用信号Ｓ２．Ｓ３もパルス信号に同期させて反転させる
ため、このパルス信号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ケート回路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
ために切換え信号１（／　Ｌを人力させる移動方向切換
え端子４４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ＭＯ５ＦＥＴ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−信号Ｓ２　として
クランプ用ユニツＩ・１３の圧電部材１６に出力される
。他方では、同じく３個のパワーＭＯ３ＦＥＴ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
信号−信号ｓ３　としてクランプ用ユニット１４の圧電
部ｖＪ’　１７に出力される。なお、端子４４が１（レ
ベルの時に左→右方向の移動となり、１７レベルの時に
右−左方向の移動となる。

なお、移動用の圧電部材１５に印加する電圧を後述する
方式により低下させることにより、１ステップ当りの移
動量の値を極く微小まで可変でき、高分解能化し得るこ
とは、従来からの圧電式のものと同様である。

なお、各ユニツＩ−１，２，１３，１４の変位拡大機構
１８，１９．２０における変位の応答性は、固有振動数
で決まる。３二に、変位部の質量をＭ、剛性をＫとする
と、固有振動数ω。は、基本的には、ωｏ＝ＪＫ／Ｍで
示される。ここに、剛性には椙料の縦弾性係数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。

ところで、第６図中に示した移動用ドライブ信号発生回
路４１は、例えば第１図に示すように出力バッファ回路
４７とローパスフィルタなるπ型フィルタ４８とにより
構成される。ここに、出力バッファ回路４７は例えば第
６図中に示したドライブ回路４５．４６と同様に３個の
パワーＭＯＳＦＥＴ等により構成される。即ち、波高値
８０■のパルスと低出力インピーダンスの出力バッファ
である。また、π型フィルタ４８はコンデンサＣ２とコ
イルＬ７と移動用ユニット１２の圧電部材１５の容量成
分Ｃｄとからなる。つまり、容量成分Ｃｄをπ型フィル
タ４８の構成要素の一部としている。

ここで、例えはドライブ信号周波数を］、　５　ｋ　Ｈ
ｚ、π型フィルタ４８のカット・オフ周波数ｆＣを１７
　ｋ　Ｊ−１ｚとすると、出力バッファ回路４７の出力
インピーダンスＲｏは、Ｒｏ＝３／２ωｃＣ＝７８Ωに
設定すればよい。但し、ωＣ＝２πｆｃ、容量成分Ｃｄ
　＝０．１８ｐＦとする。また、コンデンサＣ１は、Ｃ
，＝１．／２（１）ＣＲＯ＝０．０６ｐＦ、直列接続の
コイルＬは、Ｌ−４Ｒｏ／３ωｃ＝０゜９７　ｍ　ｌ−
１の素子を用いればよい。

このような定数を持つπ型フィルタ４８の周波散性・Ｉ
ｉ！（人力Ｅ１に対する出力Ｅｏの比）を第２図に示す
。第１図に示した回路において、５０％デユーティの１
５１ζＩ（ｚパルスを入力させた場合、出力バッファ回
路４７の電源を８０Ｖとすることで、約５ｏｖｐ−ｐ、
１．５　ｋ　Ｈｚ基本波の正弦波信号を圧電部材１５に
印加させることができる。これにより、高欣の振動が発
生せず、かつ、無駄な電流が流入せずに発熱が抑えられ
た、安定した移動変位が得られる。

しかして、本実施例ではこのような構成、作用をなす駆
動装置において、クランプ用ユニツｌ−１３，１４の圧
電部材１．６．１７に印加する電圧レベルは第６図に示
したドライブ回路４５，４．６により一定とするが、移
動用ユニット１２の圧電部材］５に印加する電圧レベル
は移動用ドライブ信号発生回路４１により可変させるこ
とにより、移動速度を可変制御させるものである。この
ような速度可変のために圧電部材１５に対する印加電圧
を可変するには、第１図に示した移動用ドライブ信号発
生回路４１、従って、π型フィルタ４８に対する入力パ
ルスのパルス幅（デユーティ比）を変化させればよい。

例えば、前述したように入力パルスのデユーティ比が５
０％の時に圧電部材１５に苅する印加電圧は最大で約５
０Ｖｐ−ｐであるが、人力パルスのデユーティ比をＨレ
ベル。Ｌレベル−４５％、５５％や４０％・６０％の如
く変化させれば、含まれる基本波成分が低下するために
、このようなパルス幅制御により、印加電圧の波高値を
ｊｉＪ変させて、高分解能なる速度可変が可能となる４
１人力パルスのパルス幅可変制御は、ＣＰＬＪ（図示せ
ず）による制御で正確になし得る。

このような入力パルス制御による印加電圧可変制御で、
リニアモータとしての速度の設定、又は移動速度検出セ
ンサからの出力をフィードバックさせることによるサー
ボ系によって一定速度に制御することが容易に実現でき
る。

ところで、第１図に示した移動用ドライブ信号発生回路
４］中のπ型フィルタ４８構成において、その圧電部材
１５の容量成分Ｃｄに対しコンデンサＣ１の値を、Ｃ，
＝２Ｃｄ程度に設定した場合には、第２図のような周波
数特性に代えて、第７図に示すような周波数特性が得ら
れる。即ち、駆動周波数１５ｋＨｚにおいて、入力に対
し基本波成分が３倍程度となる出力レベルが得られる。

般に、圧電部材に対する駆動電圧は比較的高電圧である
ことが要求されるため、高圧電源が必要となる。しかし
、本実施例構成によりこの第７図に示すような周波数特
性を持たせることにより、３０Ｖ以下の低電源電圧にし
て、５０　Ｖｐ−ｐ程度の基本波を容易に得ることがで
き、経済的である。

また、第８図はπ型フィルタ４８の変形例を示す。この
変形例は、圧電部材１５の容量成分Ｃｄのバラツキを補
正するため、調整用のコンデンサＣｃを、圧電部材１５
に並列に接続したものである。一般に、圧電部材のバラ
ツキは大きく、通常で２０％程度ある。例えば、容量成
分Ｃｄを０゜１８μＦとした時、±２ｏ％のバラツキに
より、±０．０３６μＦの容量バラツキを持つことにな
る。そこで、最大０．０７２μＦまでの容量を持つコン
デンサＣｃを並列に挿入することにより、Ｃｃ／／Ｃｄ
＝　ｏ、　　２１６　μＦ　−一定とすることができ、
フィルタ特性を安定させることができる。従って、第８
図の回路構成において、カット・オフ周波数ｆ　ｃ　＝
　１．７　ｋ　）−（ｚとした時には、各定数が、Ｃ，
＝０．　０７２　μＦ、■、＝０．８１ｍＨとなるよう
にすれはよい。

発明の効果 本発明は、上述したように、請求項１記載の発明では、
基本的には、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たので、電
圧印加によりクランプ変位、移動変位する各々の二ニッ
トの圧電部材の変位に対し、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超精密度が要求さ
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、この際、クランプ用ユニ
ットの圧電部材に印加する電圧レベルを一定とし、移動
用ユニットの圧電部材に印加する電圧レベルを可変させ
ることにより、簡単かつ高分解能にて、移動速度を可変
制御でき、よって、印加電圧制御により、任意の移動速
度設定や、サーボ系による一定速度への制御が簡単に可
能となり、この際、請求項２記載の発明のように、ロー
パスフィルタの人力パルス幅を可変させれば、印加電圧
に含まれる基本波成分を低下させることができるため、
印加電圧の波高値、従って、移動用ユニットの圧電部材
に印加する電圧レベルを任意かつ正確に可変させること
が可能となり、更に、請求項３記載の発明のように、ロ
ーパスフィルタの一部の構成要素を、移動ルタ、 容量成分 用ユニットの圧電部材の容量成分とすれば、構成か簡単
なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明の一実施例を示すもので、
第１図は移動用ドライブ信号発生回路の回路図、第２図
はそのπ型フィルタの周波数特性図、第３図は移動用及
びクランプ用ユニット単体状態の正面図、第４図（ａ）
は全体の正面図、（ｂ）はその側面図、第５図はタイミ
ング波形図、第６図は信号発生回路の回路図、第７図は
異なる周波数４清性図、第８図は移動用ドライブ信号発
生回路の変形例を示す回路図、第９図は従来例を示す縦
断正面図である。 ］２・移動用ユニット、１３．１４　　クランプ用ユニ
ット、１５．１６，１．７・圧電部材、１８゜１．９．
２０・・変位拡大機構、４８・ローバスフイ＝；べ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、前記クランプ用ユ
   ニットの圧電部材に印加する電圧レベルを一定とし、前
   記移動用ユニットの圧電部材に印加する電圧レベルを可
   変させたことを特徴とする圧電式駆動装置。 ２、ローパスフィルタの入力パルス幅を可変させて移動
   用ユニットの圧電部材に印加する電圧レベルを可変させ
   ることを特徴とする請求項１記載の圧電式駆動装置。 ３、移動用ユニットの圧電部材の容量成分をローパスフ
   ィルタの構成要素の一部としたことを特徴とする請求項
   ２記載の圧電式駆動装置。