JPH08126355A

JPH08126355A - 微小移動装置

Info

Publication number: JPH08126355A
Application number: JP6254986A
Authority: JP
Inventors: Tadao Takagi; 忠雄高木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1994-10-20
Publication date: 1996-05-17

Abstract

(57)【要約】【目的】移動速度と直進移動性とを向上させることが
できる微小移動装置を提供する。【構成】圧電素子２が質量体３と共に移動体１の側面
１ａに装着され、圧電素子５が質量体６と共に移動体１
の上面１ｂに装着されている。そして、印加電圧制御回
路１０によって、第１期間で電圧上昇した後、第２期間
で電圧下降する波形の駆動用信号Ｄが、圧電素子２に印
加されると共に、第１期間で電圧下降した後、第２期間
で電圧上昇する波形の加圧用信号Ｐが、圧電素子５に印
加されるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気／機械変換素子の
急速変形によって生じる衝撃力を利用して移動体を移動
させる微小移動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の微小移動装置としては、
例えば特開昭６３−２９９７８５号公報に記載された圧
電アクチュエータがある。図７はその圧電アクチュエー
タの平面図であり、図８はその動作説明図である。図７
に示すように、この圧電アクチュエータ１００において
は、移動体１０１に電気／機械変換素子である圧電素子
１０２が装着され、この圧電素子１０２の自由端に質量
体１０３が装着されている。また、移動体１０１は、固
定体１０４に接触しており、圧電素子１０２及び質量体
１０３は固定体１０４に接触していない。

【０００３】次に、この圧電アクチュエータの動作を説
明する。図８の（ａ）のｔa時点では、圧電素子１０２
は、駆動信号が印加される寸前の状態であり、移動体１
０１に対する駆動力は生じていない。図８の（ｂ）のｔ
b時点では、電圧増加率の大きな駆動信号が急激に印加
され、圧電素子１０２がその電圧値に応じて急激に伸び
る。圧電素子１０２が急激に伸びると、衝撃力が移動体
１０１と質量体１０３とに加わり、移動体１０１と質量
体１０３とが固定体１０４の静止摩擦力に抗して互に逆
方向に移動する。図８の（ｃ）のｔc時点では、圧電素
子１０２は、伸び切って、変位が生じていないので、移
動体１０１は移動を停止する。

【０００４】図８の（ｄ）のｔd時点では、圧電素子１
０２は、電圧減少率の小さな駆動信号が印加され、その
電圧値に応じて縮む。これにより、質量体１０３だけが
一定の加速度でゆっくり引き戻される。図８の（ｅ）の
ｔe時点では、前述した加速度で引き戻されてきた質量
体１０３を急激に止める。これにより、質量体１０３が
移動体１０１に衝突した状態になり、図８の（ｂ）に示
した動作と同様にして、移動体１０１が左方向に移動す
る。そして、移動体１０１は、固定体１０４の動摩擦力
によって静止し、図８の（ａ）と同様な初期状態とな
る。以後同様に、非対称波形の駆動信号の一連のサイク
ルによって、移動体１０１が移動する。

【０００５】つまり、この圧電アクチュエータ１００
は、非対称な駆動信号を入力すると、その駆動信号の前
半は、電圧増加率が大きいために、圧電素子１０２の急
激な伸びによる衝撃力が移動体１０１に加わり、移動体
１０１が静止摩擦力に打ち勝って移動する。

【０００６】一方、駆動信号の後半は、電圧減少率が小
さいので、質量体１０３による衝撃力が移動体１０１に
加わるが、その衝撃力が移動体１０１と固定体１０４と
の間の静止摩擦力より小さいので、質量体１０３の移動
中は、移動体１０１は移動しない。そして、質量体１０
３が急激に停止すると、質量体１０３が移動体１０１に
衝突した状態となり、移動体１０１が静止摩擦力に打ち
勝って移動する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の微小移動装置では、図８の（ｄ）及び（ｅ）で示した
ように、駆動信号の後半において、圧電素子１０２をゆ
っくり縮め、引き戻されてきた質量体１０３を急激に止
めて、移動体１０１を移動させる構成であるので、この
後半に時間を多く費やしてしまう。このため、移動体１
０１を高速で移動させることができないという問題があ
る。また、図７に示す移動体１０１の重心Ｇが圧電素子
１０２の軸心Ｌからずれていたり、固定体１０４の摩擦
係数の分布が不均一であるような場合には、移動体１０
１が直進せずに、回転することがある。

【０００８】本発明の目的は、移動速度と直進移動性と
を向上させることができる微小移動装置を提供すること
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、固定体の面を移動する移動体
と、前記移動体に装着され、前記固定体の面に対して略
平行な方向に変位する駆動用電気／機械変換素子と、前
記駆動用電気／機械変換素子の自由端に取り付けられた
駆動用質量体と、前記移動体に装着され、前記固定体の
面に対して略垂直な方向に変位する加圧用電気／機械変
換素子と、前記加圧用電気／機械変換素子の自由端に取
り付けられた加圧用質量体と、前記駆動用電気／機械変
換素子に、第１期間で電圧上昇した後に第２期間で電圧
下降する波形の駆動用信号を印加すると共に、前記加圧
用電気／機械変換素子に、前記第１期間の加圧力が前記
第２期間の加圧力よりも小さくなるような波形の加圧用
信号を印加する印加電圧制御部とを含む構成としてあ
る。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１に記載の微小
移動装置において、前記印加電圧制御部は、前記駆動用
信号と前記加圧用信号とを周波数が同じであって位相が
所定量シフトするように生成することを特徴としてい
る。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２に記載の微小移動装置において、前記駆動用電気／機
械変換素子と加圧用電気／機械変換素子とは、前記移動
体に変位方向の軸が交差するように装着されていること
を特徴としている。

【００１２】請求項４の発明は、請求項１〜請求項３の
いずれか１項に記載の微小移動装置において、前記駆動
用電気／機械変換素子は、前記移動体に互に対向するよ
うに１対装着されていることを特徴としている。

【００１３】

【作用】請求項１の発明によれば、印加電圧制御部によ
って、第１期間に電圧上昇する駆動用信号が駆動用電気
／機械変換素子に印加され、駆動用電気／機械変換素子
が伸びる。これにより、移動体と質量体とが固定体の面
に対して平行に離れる方向に移動する。このとき、印加
電圧制御部によって、第１期間に電圧下降する加圧用信
号が、加圧用電気／機械変換素子に印加され、加圧用電
気／機械変換素子が弱い力で押しつけられた状態（又は
縮んで移動体が固定体の面から離れる方向に力を受ける
状態）となる。これにより、移動体に対する摩擦力が減
少し、移動体が駆動用電気／機械変換素子の伸び方向に
移動する。

【００１４】しかる後、印加電圧制御部によって、第２
期間に電圧下降する駆動用信号が、駆動用電気／機械変
換素子に印加され、駆動用電気／機械変換素子が縮む。
このとき、印加電圧制御部によって、電圧上昇する加圧
用信号が加圧用電気／機械変換素子に印加され、加圧用
電気／機械変換素子が伸びて、移動体が固定体の面に対
して垂直に、第１区間よりも強く押し付けられた状態に
なる。これにより、移動体に対する摩擦力が増大し、移
動体が静止した状態で、質量体のみが移動体側に移動す
る。

【００１５】請求項２の発明によれば、電圧制御部によ
って、駆動用電気／機械変換素子に、前述した駆動用信
号が印加され、加圧用電気／機械変換素子には、駆動用
信号の位相が所定量シフトした加圧用信号が印加され
る。

【００１６】請求項３の発明によれば、駆動用電気／機
械変換素子の伸縮方向の軸と加圧用電気／機械変換素子
の伸縮方向の軸とが交差しているので、移動時に移動体
が回転することはない。

【００１７】請求項４の発明によれば、一対の前記駆動
用電気／機械変換素子によって移動体を両方向に移動さ
せることができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。（第１実施例）図１は、本発明の第１実施例に係る微小
移動装置を示す構成図であり、図２はその平面図であ
り、図３は駆動用信号と加圧用信号との波形図である。
本実施例の微小移動装置は、固定体４上に配置される移
動体１と、質量体３が自由端に取り付けられた圧電素子
２（駆動用電気／機械変換素子）と、質量体６が自由端
に取り付けられた圧電素子５（加圧用電気／機械変換素
子）と、印加電圧制御回路１０（印加電圧制御部）とを
備えている。

【００１９】移動体１は、立方体状の固体であり、その
側面１ａには圧電素子２が装着されている。圧電素子
２は、その固定端を移動体１の側面１ａに結合し、自由
端を質量体３に固着した構造になっている。これによ
り、圧電素子２は固定体４の面４ａと平行に伸縮する。
すなわち、圧電素子２の伸縮方向の軸Ｌが側面１ａに対
して垂直になっている。圧電素子５は、その固定端を移
動体１の上面１ｂに結合し、自由端を質量体６に固着し
た構造になっている。これにより、圧電素子５は固定体
４の面４ａと垂直に伸縮する。すなわち、圧電素子５の
伸縮方向の軸Ｍが上面１ｂに対して垂直になっている。
また、これら軸Ｍと軸Ｌとは図１及び図２に示すよう
に、互に交差するように設定されている。

【００２０】一方、印加電圧制御回路１０は、圧電素子
２，５の印加電圧を制御する回路であり、発振器１１
と、移相器１２と、アンプ１３，１４とで構成されてい
る。具体的には、発振器１１は、駆動用信号Ｄによって
圧電素子２を駆動するための機器であり、その出力側
は、電圧増幅用のアンプ１４を介して圧電素子２に接続
されている。駆動用信号Ｄは、図３に示すように、ノコ
ギリ波である。すなわち、駆動用信号Ｄは、繰り返され
る第１及び第２期間Ｔ1，Ｔ2（Ｔ1＝Ｔ2）を有し、第１
期間Ｔ1で急激に電圧上昇した後、第２期間Ｔ2で急激に
電圧下降する波形の信号である。

【００２１】図１において、移相器１２は、加圧用信号
Ｐによって圧電素子５を駆動するための機器である。こ
の移相器１２は、発振器１１の出力側に接続され、アン
プ１３を介して、圧電素子５に接続されている。すなわ
ち、発振器１１からの駆動用信号Ｄの位相をシフトさせ
て生成した加圧用信号Ｐを出力するようになっている。
加圧用信号Ｐは、図３に示すように、駆動用信号Ｄと同
じくノコギリ波であるが、駆動用信号Ｄに対してＴ1
（＝Ｔ2）だけシフトした状態になっている。すなわ
ち、加圧用信号Ｐは、第１期間Ｔ1で急激に電圧下降し
た後、第２期間Ｔ2で急激に電圧上昇する波形の信号で
ある。

【００２２】次に、本実施例に係る微小移動装置の動作
について説明する。印加電圧制御回路１０の発振器１１
から駆動用信号Ｄが発振されると、駆動用信号Ｄが分岐
され、一方の駆動用信号Ｄは、アンプ１４で増幅された
後、圧電素子２に入力される。また、他方の駆動用信号
Ｄは、移相器１２に入力されて、Ｔ1（＝Ｔ2）だけシフ
トされ、加圧用信号Ｐとしてアンプ１３に入力される。
この加圧用信号Ｐは、アンプ１３で増幅された後、圧電
素子５に入力される。

【００２３】駆動用信号Ｄが圧電素子２に入力される
と、図３に示すように、まず、第１期間Ｔ1の期間おい
て急激に上昇をした電圧が圧電素子２に印加され、圧電
素子２が急激に伸びる。これにより、図１において、移
動体１と質量体３とが軸Ｌに沿って離れる方向に移動す
る。この第１期間Ｔ1においては、加圧用信号Ｐが圧電
素子５に入力されているので、図３に示すように、急激
に下降する電圧が圧電素子５に印加される。このため、
圧電素子５が縮み、移動体１が固定体４の面４ａから引
き上げられた状態になる。この結果、第１期間Ｔ1にお
いては、固定体面４ａの移動体１に対する摩擦力が著し
く減少し、移動体１が固定体面４ａ上を図の左方向に高
速で移動する。また、圧電素子２の軸Ｌと圧電素子５の
軸Ｍとが直角に交差しているので、圧電素子２の伸び時
における衝撃力による偶力は発生しない。この結果、移
動体１は、回転せずに、軸Ｌ方向に直進する。

【００２４】続いて、第２期間Ｔ2の期間おいて急激に
下降した電圧が、圧電素子２に印加され、圧電素子２が
急激に縮む。これにより、図１において、移動体１と質
量体３とが軸Ｌに沿って近付く方向に移動しようとす
る。しかし、この第２期間Ｔ2においては、図３に示す
ように、急激に上昇する電圧が圧電素子５に印加され
る。このため、圧電素子５が伸び、移動体１が固定体４
の面４ａに押し付けられた状態になる。この結果、第２
期間Ｔ2においては、固定体面４ａの移動体１に対する
摩擦力が著しく増加するので、移動体１が停止した状態
で、質量体３のみが高速度で移動体１側に移動すること
となる。

【００２５】以後、印加電圧制御回路１０からの駆動用
信号Ｄと加圧用信号Ｐとを圧電素子２，５に繰り返し印
加することにより、圧電素子２，５が前述したのと同様
な伸縮動作を繰り返し、移動体１が連続的に高速度で目
標位置まで移動することとなる。

【００２６】このように、第１実施例の微小移動装置に
よれば、圧電素子５の作用によって、圧電素子２を高速
度で縮めることができるので、第２期間Ｔ2から次の第
１期間Ｔ1への移行を高速に行うことができ、移動体１
の駆動速度を高めることができる。また、圧電素子２の
軸Ｌと圧電素子５の軸Ｍとが直角に交差しているので、
移動体１を軸Ｌ方向に確実に直進させることができる。

【００２７】ここで、駆動用信号Ｄ及び加圧用信号Ｐの
変形例について説明する。図４は、駆動用信号Ｄと加圧
用信号Ｐとの変形例に係る波形図である。図４に示すよ
うに、駆動用信号Ｄは周期πの正弦波形であり、加圧用
信号Ｐは駆動用信号Ｄをπ／４だけシフトした波形であ
る。一般に、駆動用信号Ｄ及び加圧用信号Ｐを、図３に
示したノコギリ波形にした場合には、発振器１１でこれ
らの信号を容易に生成することができる。しかし、ノコ
ギリ波形の場合には、圧電素子２，５の伸縮時に騒音を
発生し易い。これに対して、駆動用信号Ｄ及び加圧用信
号Ｐを、図４に示す正弦波形にすると、圧電素子２，５
の伸縮時に騒音が発生し難いという利点がある。

【００２８】（第２実施例）図５は、本発明の第２実施
例に係る微小移動装置を示す側面図であり、図６はその
平面図である。本実施例の微小移動装置は、圧電素子２
の他にさらに圧電素子を設けた点が前述した第１実施例
の微小移動装置と異なる。

【００２９】図５において、符号７がさらに設けた圧電
素子（駆動用電気／機械変換素子）である。この圧電
素子７も、圧電素子２と同様に自由端に質量体８が固着
されている。しかし、この圧電素子７の固定端は、移動
体１の側面１ａに対向する側面１ｃに垂直に結合され、
その軸を圧電素子２の軸Ｌに一致させている。そして、
この圧電素子７にも、駆動用信号Ｄが図示しない印加電
圧制御回路１０から入力されるようになっている。

【００３０】これにより、圧電素子７の伸縮によって、
移動体１が図５の右方向に移動する。したがって、本実
施例の微小移動装置によれば、圧電素子２を急激に伸ば
して、移動体１を図５の左方向に移動させることがで
き、また、圧電素子７を急激に伸ばして、移動体１を図
５の右方向に移動させることができる。その他の構成，
作用効果は前述した第１実施例の微小移動装置と同様で
あるので、その記載は省略する。

【００３１】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形や変更が可能であって、それらも本発明に含まれ
る。例えば、前述した実施例では、駆動用電気／機械変
換素子及び加圧用電気／機械変換素子として、圧電素子
２，５，７を用いたが、これに限らず、駆動用電気／機
械変換素子及び加圧用電気／機械変換素子として、積層
型の圧電素子，電歪素子，熱膨張係数の大きいニクロム
線等をも含む。また、図４に示す変形例においては、駆
動用信号Ｄをπ／４だけシフトして加圧用信号Ｐを生成
したが、そのシフト量はπ／４に限られるものではな
い。

【００３２】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、請求項１の
発明によれば、第２期間において、移動体に対する摩擦
力が増大するので、移動体を静止させた状態で、質量体
を高速に移動体側に移動させることができる。これによ
り、第２期間から次の第１期間への移行を高速に行うこ
とができ、移動体の駆動速度を高めることができるよう
になった。

【００３３】請求項２の発明によれば、印加電圧制御部
が、駆動用信号の位相を所定量シフトさせることによ
り、加圧用信号を生成する構成であるので、簡単な構造
で加圧用信号を生成することができ、装置コストの低廉
化を図ることができる。

【００３４】請求項３の発明によれば、駆動用電気／機
械変換素子の伸縮方向の軸と加圧用電気／機械変換素子
の伸縮方向の軸とが交差しているので、移動時に移動体
が回転することはなく、この結果、移動体を確実に直進
させることができるようになった。

【００３５】請求項４の発明によれば、移動体を両方向
に移動させることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る微小移動装置を示す
構成図である。

【図２】第１実施例の微小移動装置の平面図である。

【図３】駆動用信号と加圧用信号との波形図である。

【図４】駆動用信号と加圧用信号との変形例に係る波形
図である。

【図５】本発明の第２実施例に係る微小移動装置を示す
側面図である。

【図６】第２実施例に係る微小移動装置の平面図であ
る。

【図７】従来例に係る微小移動装置の平面図である。

【図８】従来例に係る微小移動装置の動作説明図であ
る。

【符号の説明】

１移動体２，５，７圧電素子３，５，８質量体４固定体１０印加電圧制御回路１１発振器１２移相器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定体の面を移動する移動体と、前記移動体に装着され、前記固定体の面に対して略平行
な方向に変位する駆動用電気／機械変換素子と、前記駆動用電気／機械変換素子の自由端に取り付けられ
た駆動用質量体と、前記移動体に装着され、前記固定体の面に対して略垂直
な方向に変位する加圧用電気／機械変換素子と、前記加圧用電気／機械変換素子の自由端に取り付けられ
た加圧用質量体と、前記駆動用電気／機械変換素子に、第１期間で電圧上昇
した後に第２期間で電圧下降する波形の駆動用信号を印
加すると共に、前記加圧用電気／機械変換素子に、前記
第１期間の加圧力が前記第２期間の加圧力よりも小さく
なるような波形の加圧用信号を印加する印加電圧制御部
とを含む微小移動装置。
【請求項２】請求項１に記載の微小移動装置におい
て、前記印加電圧制御部は、前記駆動用信号と前記加圧用信
号とを周波数が同じであって位相が所定量シフトするよ
うに生成することを特徴とする微小移動装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の微小移
動装置において、前記駆動用電気／機械変換素子と加圧用電気／機械変換
素子とは、前記移動体に変位方向の軸が交差するように
装着されていることを特徴とする微小移動装置。
【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれか１項に記
載の微小移動装置において、前記駆動用電気／機械変換素子は、前記移動体に互に対
向するように１対装着されていることを特徴とする微小
移動装置。