JPH0260470A - 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７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１０〜２０１＋
ｍ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、米国特許節３，９０２，０８４号や米国特許節
３，９０２，０８５号に示されるように、円筒状圧電部
組を用い、シャフトボテイ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に苅して
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（ｑ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、米国特許節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ぜるとともに、移動
に圧電部イ４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４Ｊ１１４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／ｓｅｅ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］−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、使用拐料が制
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］記載の発明では、対向させた一対の摺動レール
間に配置させて、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
摺動レールの少なくとも一方を可動レールとし前記クラ
ンプ用ユニットの変位拡大機構における変位辺に刻しク
ランプ方向に抑圧接触させ、この可動レールの押付は変
位の固有振動数を前記クランプ用ユニットの圧電部材の
クランプ用駆動周波数よりも低くする。

また、請求項２記載の発明では、クランプ用ユニットの
変位拡大機構における変位辺が接触する摺動レールを垂
直面と水平面とを持つＬ字形状に形成し、この摺動レー
ルの前記垂直面の摩擦係数を前記水平面の摩擦係数より
も大きくする。

作用 請求項１記載の発明によれば、基本的には、クランプ用
ユニットの圧電部材を駆動させてクランプ動作を行わせ
つつ、移動用ユニットの圧電部材を駆動させて移動させ
るが、何れも拡大変位機構を持つため、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、一 高速移動が１．ＩＪ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、７ノ
ランプ用ユニットの変位拡大機構の変位量に苅し摺動レ
ールかクランプ方向に可動的であり押圧されているため
、クランプ方向に拡大変位するこの変位量と摺動レール
との間に−・様な摩擦抵抗を′５石件させて確実なりラ
ンプ動作を行わせることができる。特に、可動レールの
押付は変位の固有振動数がクランプ用ユニットの圧電部
材のクランプ用駆動周波数よりも低ければ、摺動レール
側が変位量の振動変位に応答せず、均一かつ適正なる摩
擦力が確保される。

また、請求項２記載の発明によれは、Ｌ字形状に形成さ
れた摺動レールにおいて、クランプ方向の力が作用する
垂直面の摩擦係数が水平面の摩擦係数よりも大きいので
、確実なるクランプを確保し−）つ、各々の変位拡大機
構の変位量の変位動作や移動性を損なうことがなく、軽
負荷にて移動させることができる。

実施例 請求項１記載の発明の実施例を第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、基本構成としては、
第３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１．３，１．
４とを設けてなる。

ここに、本実施例の移動用ユニット］２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１５，１６
．１７と、これらの圧電部椙１５，１．６．１７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２図に示すように、厚さ１〜３Ｔｎｌ
Ｔ１程度の１枚の板状ｎ１４Ａ（例えは、Ｓ　Ｋ銅相）
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間に前記クランプ川の圧電部椙１６が接着
剤にて接着固定される。ここに、圧電部月１６単体では
ＡＣ３０〜１．　ＯＯＶ又はＯ〜８０Ｖの繰返し周波数
が数ｋ　ｌ−１ｚ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２３２４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の基部イ」近に
変位支点２６を設け、圧電部第４１６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
屯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１
９．２０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＠部材１
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］２は、第３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３図中に矢印へ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］２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３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１〜３　ｍｍ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３図の構造において印加する信号波形を第
４図に示す。まず、信号Ｓ、はピーク値が例えば８０■
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８０Ｖ
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．］ｉ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が十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　の電圧は下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Ｓ
２．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．Ｓ、の反転タイミングを逆にすれば、】４ 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５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４０で補正した後、正弦波（又は三角波）変換回路４
１により正弦波（又は三角波）を発生させ、これを増幅
ドライブ回路４２を通して８０　ｖｌ）−１）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．　　Ｓ、
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．Ｓ３とで反転特
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号
＋−１／　Ｌ、を入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ＭＯ３ＦＥＴ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
てクランプ用ユニット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
材１７に出力される。なお、端子４４がＩ］レベルの時
に左→右方向の移動となり、Ｌ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］５に印加する電圧を低下させ
ることにより、■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。

ここに、各ユニット］、２，１．３．ｉ　４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。ここに、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、ω。＝ＪＫ／
Ｍで示される。ここに、剛性には利オ′」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
組２１の厚さにより決まる。

ところで、第４図において、仮に、摺動レール１０．１
．１が剛性の高い固定方式により固定されている場合、
摺動レール１０．１１間の間隔は数μｍ以下の精度にす
る必要がある。また、摺動レール１．０．１１の場所に
よる寸法誤差によっても摩擦抵抗が変化し、発生駆動応
力又は移動速度に変動が発生し得る。この点、本実施例
では、このような構成、作用の移動用ユニット１２及び
クランプ用ユニツ１−１３．１４に対する一対の摺動レ
ール１０，１．１について、第１図に示すように、少な
くとも一方、本例では摺動レール１０を変位方向に対し
て軽負荷で移動可能な可動レールとして設け、摺動レー
ル１１側は固定レールとしてなる。

まず、可動レールなる摺動レール１０はベース５０１：
にベアリング５１を介して若干浮いた形で搭載され、か
つ、長手方向の中間部２個所に位置させて前記ベース５
０の一部に固定させたマグネット５２の磁気力によりこ
の摺動レール１０をベアリング５１」二に引き付けてい
る。これにより、摺動レール１０はベース５０に非接触
であり、ベアリング５１により移動自在とされている。

また、この摺動レール１０の長手方向の両端はサイドブ
ロック５３により長手方向の動きを防止されつつ、短手
方向、即ちクランプ方向の動きがガイドされるように構
成されている。また、前記ベース５０は前記摺動レール
１０の上端側に対向する辺を有し、長手方向の４個所に
配設させた圧縮はね５４により、この摺動レール１０を
摺動レール１〕側に数１００ｇ程度の力で押付けている
。なお、固定レール１１とベース５ｏとは本ベース５５
にねじ５６により固定されている。

また、前記摺動レール１０．１１は変位拡大機構１３．
．１４の変位部２３．２４が接触する部分は、ともに１
．字形状に形成され、変位辺２３，２４の変位方向の接
触を受ける垂直面１０ａ、１．１ａと、変位辺２３．２
４の背面の接触を受ける水平面］、Ｏｂ、ｉｌｂとを持
つ。

このようなｉｉＪ動押圧される摺動レール］０を含むた
め、インチウオーム方式駆動源（移動用ユーツト１２と
クランプ用ユニット１３．１４）のクランプ辺となる変
位辺２３．２４が５〜２０Ｉ１ｍ変位動作をすることに
より、変位辺２３．２４と摺動レール１０．１１の垂直
面１０ａ、］、ｌａとの間に−様なる摩擦抵抗が発生し
、確実なりランプ動作が可能となる。特に、可動する摺
動レール１０のクランプ変位方向の移動についての固有
振動周波数は、摺動レール］Ｏが大きい質量と低い剛性
とにより構成されているため、この固有振動周波数は］
　ＯＯＩ（ｚ以下の低周波数であり、クランプ用の駆動
周波数、即ち圧電部４Ｊ１６．１７に対する駆動周波数
（数ｋ　ｌ＋　ｚ〜数１０　ｋ　＋−１ｚ　）の振動変
位に対しては、摺動レール１０が応答せず、均一・適正
なる摩擦力が得られる。

なお、本実施例では、圧縮ばね５４により摺動レール１
０を押圧させるようにしたが、例えば第６図に示すよう
に、同極性のマグネッ）５７．５８を用い、その反発力
により摺動レール］Ｏを押圧させるようにしてよい。こ
の他、板ばね等を用いて押圧させてもよい。

次いで、請求項２記載の発明の実施例を第７図により説
明する。本実施例は、垂直面１０ａ、１］ａと水平面］
、Ｏｂ、ｌｌｂとを持っ１１字形状の摺動レール１０．
ｌｉにつき、垂直面］、Ｏａ、］１ａの摩擦係数のほう
が水平面］、Ｏｂ、］、］、ｂの摩擦係数よりも大きく
なるようにしたものである。

即ち、前述した実施例ではＬ字形状の摺動レール１０．
１１では各々の垂直面］、Ｏａ、ｉｌａと水平面１０ｂ
、ｌｌｂとが連続し、クランプ用ユニット１．３．１４
における変位辺２３．２４の先端付近が双方（先端及び
−ド面）とも全面的に接触しているが、本実施例では水
平面１０ｂ、１．１ｂ側の接触面積（幅）が減少するよ
うに切欠き５９を形成することにより、上記の如く、摩
擦係数に差を持たせたものである。例えば、垂直面１０
ａ。

１、１　ａにおける接触幅を２．５ｍｍとし、水平面１
０　ｂ、　　１．　ｉ、　ｂにおける接触幅を１ｍｍと
した場合、移動方向の摩擦負荷は１００ｇ以下の軽負荷
とすることができたものである。

なお、第８図に示すように摺動レール１０，１］の垂直
面１．０ａ、ｌｌａに樹脂ｖＪ６０を貼イ」けるように
してもよい。この樹脂材６０としては摩擦係数が大きく
、経時変化が少なく、かつ、耐摩耗性が大きいものであ
ることが要求される。例えば、芳香族ポリアミド樹脂、
及びこれらの複合樹脂を用いれは、耐熱性もあり、好ま
しい。

発明の効果 本発明は、十述したように、請求項１記載の発明では、
クランプ用ユニットの圧電部組な駆動させてクランプ動
作を行わせつつ、移動用ユニットの圧電部材を駆動させ
て移動させるが、何れも拡大変位機構を持つため、安定
した拡大変位を得ることができ、よって、クランプ機構
について詔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変位拡大機構の変位辺
に対し摺動レールがクランプ方向に可動的であり押圧さ
れているため、クランプ方向に拡大変位するこの変位辺
と摺動レールとの間に−様な摩擦抵抗を発生させて確実
なりランプ動作を行わせることができ、特に、可動レー
ルの押付は変位の固有振動数がクランプ用ユニットの圧
電部材のクランプ用駆動周波数よりも低いので、摺動レ
ール側が変位辺の振動変位に応答せず、均一かつ適正な
る摩擦ツノが確保され、また、請求項２記載の発明によ
れば、Ｌ字形状に形成された摺動レルにおいて、クラン
プ方向の力が作用する垂直面の摩擦係数か水平面の摩擦
係数よりも大きいので、確実なるクランプを確保しつつ
、軽負荷にて移動させることができる。

直面、１０ ニット、１ １６．１．７ 拡大機構、 変位辺、 ｂ、ｌｌｂ・・水平面、１２　・移動用ユ３．１４・・
クランプ用ユニット、１５゜圧電部材、１８，１９．２
０・・変位 ２３．２４，２８，２９，３４．．３５

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は請求項１記載の発明の実施例を示
すもので、第１図（ａ）は全体の平面図、（ｂ）はその
一部の縦断正面図、（Ｃ）は縦断側面図、第２図はユニ
ット屯体状態の平面図、第３図（ａ）は全体の平面図、
（ｂ）はその側面図、第４図はタイミング波形図、第５
図は信号発生回路の回路図、第６図は変形例を示す縦断
側面図、第７図は請求項２記載の発明の実施例を示す縦
断側面図、第８図は変形例を示す縦断側面図、第９図は
従来例を示す縦断ｊＴＥ面図である。 １０．１１　　摺動レール、１．０ａ、１．１ａ　　垂
Ｓ５ ］ 暮 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対向させた一対の摺動レール間に配置させて、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、前記摺動レールの少なくと
   も一方を可動レールとし前記クランプ用ユニットの変位
   拡大機構における変位辺に対しクランプ方向に押圧接触
   させ、この可動レールの押付け変位の固有振動数を前記
   クランプ用ユニットの圧電部材のクランプ用駆動周波数
   よりも低くしたことを特徴とする圧電式駆動装置。 ２、クランプ用ユニットの変位拡大機構における変位辺
   が接触する摺動レールを垂直面と水平面とを持つＬ字形
   状に形成し、この摺動レールの前記垂直面の摩擦係数を
   前記水平面の摩擦係数よりも大きくしたことを特徴とす
   る請求項１記載の圧電式駆動装置。