(57)【要約】【課題】小型化可能で高速な駆動を可能にする低コストな駆動装置を提供する。【解決手段】スムーズインパクト駆動機構を用いた駆動装置１００であって、一端を固定され、電圧の印加により伸縮する圧電素子１０３と、圧電素子１０３に予圧を与え、支点回りの揺動により圧電素子１０３の変位を拡大する１または複数の揺動部材１０５と、を備え、圧電素子１０３の伸縮により、被駆動体１１０に当接する揺動部材の先端１０５ａがスムーズインパクト駆動により駆動することで、被駆動体１１０に拡大された変位を伝える。これにより、高速かつ高精度の駆動を実現できる。また、圧電素子１０３に予圧がかけられているため、圧電素子１０３が収縮するときに引っ張り応力による損傷を防止できる。【選択図】図１Ａ
2010200399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スムーズインパクト駆動機構を用いた駆動装置であって、
一端を固定され、電圧の印加により伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子に予圧を与え、支点回りの揺動により前記圧電素子の変位を拡大する１または複数の揺動部材と、を備え、
前記圧電素子の伸縮により、被駆動体に当接する前記揺動部材の先端がスムーズインパクト駆動により駆動することで、前記被駆動体に前記拡大された変位を伝えることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記揺動部材の支点位置に連結され、前記揺動部材の先端を前記被駆動体へ押し当てるとともに前記圧電素子に予圧を与える弾性部材を更に備えることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
前記揺動部材は、前記圧電素子について対称に一対設けられ、
前記揺動部材の先端に前記被駆動体の一対の壁部が当接することで、前記被駆動体を駆動することを特徴とする請求項１または請求項２記載の駆動装置。
【請求項４】
前記弾性体は板状であり、その厚みをｔ、長さＬとするとき、
２≦Ｌ／ｔ≦１０の関係を満たしていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スムーズインパクト駆動機構を用いた駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スムーズインパクト駆動機構を用いた駆動装置が開発されている。スムーズインパクト駆動機構は、移動体の慣性と摩擦力とを利用しつつ、圧電素子の伸縮の一方を緩やかに駆動し、他方を急峻に駆動することで移動体を繰り出すものである。このような駆動機構を利用した位置決め装置等が提案されている（たとえば、非特許文献１および特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１記載のレンズ駆動機構は、スムーズインパクト駆動機構を小型ズームカメラへ応用したものである。また、特許文献１記載の駆動装置は、挟み込み部材が本体部に固定される板ばねにより駆動軸に押付けられて摩擦接触し、摩擦力を付与する板ばねは駆動軸の運動によっても移動方向に弾性変形しない。このようにして、高速で安定した駆動を追求している。
【０００４】
一方、従来、変位拡大機構を有し、リニア駆動に用いられる小型のアクチュエータが開発されている（たとえば特許文献２および特許文献３参照）。特許文献２記載の変位拡大装置は、圧電素子と、この圧電素子の変位に応じて移動する可動部を有し、圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構を備えている。圧電素子は、一対のリンク部の外側で支持部に取り付けられており、リンク部の一方は、板ばねにより構成されている。その結果、高い共振周波数を維持し拡大変位量を増大させている。
【０００５】
また、特許文献３記載の駆動装置は、第１圧電素子と第２圧電素子動電源と、被駆動体とを有し、第１、第２圧電素子は被駆動体の可動方向と直交する方向で被駆動体に押し当てられている。第１圧電素子は被駆動体の送り方向の変位成分と被駆動体への押圧方向の変位成分とを有する変位を生じる。第２圧電素子は被駆動体の送り方向の変位成分が第１圧電素子とは逆向きの変位を生じる。駆動電源は、第１圧電素子を変位させて摩擦力により被駆動体を所定の送り方向に送り、第１圧電素子と第２圧電素子の被駆動体に対する姿勢を逆転させ、第２圧電素子を変位させて摩擦力により被駆動体を同じ送り方向にさらに送るように、第１、第２圧電素子にそれぞれ独立した駆動電圧を印加する。これにより、駆動電源の構成を簡単にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許３１４１７１４号公報
【特許文献２】特開２００７−１６６７１４号公報
【特許文献３】特開２００７−２７４７９１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】岡本泰弘、吉田龍一、末吉浩久、「超小型圧電アクチュエータ（ＳＩＤＭ）の開発」、２００４年、ＫＯＮＩＣＡ  ＭＩＮＯＬＴＡ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＲＥＰＯＲＴ、ＶＯＬ．１、ｐ．２３−２６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のようなインパクト駆動機構を有する駆動装置では、圧電素子の伸びによって駆動速度が決まるため、小さい圧電素子では速度を確保できない。また、圧電素子を小さくすると圧電素子の伸びだけでは十分な速度を得られない。圧電素子を大きくすると装置をコンパクトにできず、高価な材料も嵩み、装置が高コストになる。一方、変位拡大機構を有する駆動装置は、機構自体が複雑で高価なものになりがちである。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型化可能で高速な駆動を可能にする低コストな駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の駆動装置は、スムーズインパクト駆動機構を用いた駆動装置であって、一端を固定され、電圧の印加により伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に予圧を与え、支点回りの揺動により前記圧電素子の変位を拡大する１または複数の揺動部材と、を備え、前記圧電素子の伸縮により、被駆動体に当接する前記揺動部材の先端がスムーズインパクト駆動により駆動することで、前記被駆動体に前記拡大された変位を伝えることを特徴としている。
【００１１】
このように本発明の駆動装置は、変位を拡大し、被駆動体をスムーズインパクト駆動により駆動する。これにより、低コストで高速かつ高精度の駆動を実現できる。また、圧電素子に予圧がかけられているため、圧電素子が収縮するときに引っ張り応力による損傷を防止できる。
【００１２】
（２）また、本発明の駆動装置は、前記揺動部材の支点位置に連結され、前記揺動部材の先端を前記被駆動体へ押し当てるとともに前記圧電素子に予圧を与える弾性部材を更に備えることを特徴としている。これにより、弾性部材が揺動部材の揺動の支点として機能し、その一方では圧電素子や被駆動体への予圧機構として機能する。その結果、シンプルに駆動装置を構成することができる。
【００１３】
（３）また、本発明の駆動装置は、前記揺動部材は、前記圧電素子について対称に一対設けられ、前記揺動部材の先端に前記被駆動体の一対の壁部が当接することで、前記被駆動体を駆動することを特徴としている。このように、一対の壁部を一対の揺動部材により駆動するため、精密かつ高速に被駆動体を駆動することが可能となる。たとえば、裏面に一対の壁部を設けた薄いリニアテーブルを精密かつ高速に移動させることができる。
【００１４】
（４）また、本発明の駆動装置は、前記弾性体は板状であり、その厚みをｔ、長さＬとするとき、２≦Ｌ／ｔ≦１０の関係を満たしていることを特徴としている。これにより、揺動部材の先端を被駆動体へ押し当てる力が十分に得られ、スムーズインパクト駆動が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低コストで高速かつ高精度の駆動を実現できる。また、圧電素子に予圧がかけられているため、圧電素子が収縮するときに引っ張り応力による損傷を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１Ａ】実施形態１に係る駆動装置を示す平面図である。
【図１Ｂ】実施形態１に係る駆動装置を示す拡大平面図である。
【図２Ａ】実施形態１に係る駆動装置の動作を示す平面図である。
【図２Ｂ】実施形態１に係る駆動装置の動作を示す平面図である。
【図３】実施形態１に係る駆動装置の変形例を示す平面図である。
【図４Ａ】実施形態１に係る駆動装置を示す平面図である。
【図４Ｂ】実施形態１に係る駆動装置を示す背面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１８】
［実施形態１］
（駆動装置の構成）
図１Ａは、駆動装置１００を示す平面図である。駆動装置１００は、ベアリング１２５により一方を支持されている被駆動体１１０をスムーズインパクト駆動により駆動する。図１Ａに示すように駆動装置１００は、固定部１０１、圧電素子１０３、連結部１０４、弾性体１０２および揺動部材１０５を備えている。
【００１９】
固定部１０１は、ベース台（図示せず）に固定され、圧電素子１０３の一端を固定する。圧電素子１０３は、一端を固定部１０１に固定され、電圧の印加により固定部１０１と揺動部材１０５とを結ぶ方向に伸縮する。伸縮による変位は、連結部１０４を介して揺動部材１０５に伝達される。
【００２０】
連結部１０４は、圧電素子１０３と揺動部材１０５を連結し、圧電素子１０３の伸縮による変位を揺動部材１０５に伝達している。連結部１０４と揺動部材１０５との結合点１０５ｃは、揺動の力点として機能する。揺動部材１０５による変位拡大機能を大きくするため、連結部１０４は、ヒンジ１０５ｂに近いポイントで連結されていることが好ましい。
【００２１】
弾性体１０２は、板状に形成され、固定部１０１に一端が固定されており、他端が揺動部材１０５に連結されている。弾性体１０２は、弾性力により揺動部材１０５の先端１０５ａを被駆動体１１０へ押し当てるとともに、揺動部材１０５を介して圧電素子１０３に圧縮方向の予圧を与える。弾性体１０２と揺動部材１０５との連結部となっているヒンジ１０５ｂは、揺動部材１０５の支点（揺動の中心）として機能している。
【００２２】
揺動部材１０５は、棒状の部材であって、ヒンジ１０５ｂを中心に揺動することで、圧電素子１０３の伸縮による変位を拡大し、拡大された変位をその先端１０５ａに伝達する。その際には、圧電素子１０３の伸縮により、被駆動体１１０に当接する揺動部材１０５の先端１０５ａが被駆動体１１０を駆動する。
【００２３】
揺動部材１０５の先端１０５ａは、揺動の作用点となっており、揺動により最も大きく移動する部分である。また、揺動部材１０５は、弾性体１０２の弾性力により圧電素子１０３に予圧を与えている。圧電素子１０３に予圧がかけられているため、圧電素子１０３が収縮するときに引っ張り応力による損傷を防止できる。ベアリング１２５は、揺動部材１０５が当接する側の反対側から、移動可能な状態で被駆動体１１０を支持している。なお、揺動部材１０５は、板状に形成されていてもよい。
【００２４】
図１Ｂは、駆動装置１００を示す拡大平面図である。上記の通り、弾性体１０２は、揺動部材１０５を被駆動体１１０に押し当てるように、揺動部材１０５に予圧を与える機能も有している。しかし、弾性体１０２を板形状に形成する場合には、厚さに対してある程度の長さがなければ、十分な予圧を与えることができない。その条件は、弾性体の厚みをｔ、長さＬとするとき、２≦Ｌ／ｔ≦１０で表される。これにより、揺動部材の先端１０５ａを被駆動体１１０へ押し当てる力が十分に得られ、スムーズインパクト駆動が可能となる。
【００２５】
（駆動装置の動作）
次に、駆動装置１００の動作を説明する。図２Ａ、２Ｂは、駆動装置１００の動作を示す平面図である。圧電素子１０３に所定の直流電圧が印加されると、圧電素子１０３は、図２Ａに示すように徐々に揺動部材１０５側に伸張する。その結果、揺動部材１０５がヒンジ１０５ｂを中心に揺動することで変位が拡大され、揺動部材の先端１０５ａは、圧電素子１０３の伸びの方向に大きな幅で被駆動体１１０を送り出す。ただし、伸張する際には、電圧を徐々に増加させ、急峻な電圧印加は行わない。たとえば、所定の増加率で一次関数的に電圧を増加させる。
【００２６】
そして、上限値まで電圧が増加したら、電圧を急激に下げる。たとえば、電圧の正負を反転させる。その場合には、最も大きい変化幅で急峻な変化を与えることができ、スムーズインパクト駆動にとっては効率的である。ただし、必ずしも電圧の正負を反転させる必要はなく、あらかじめ決めた所定値まで電圧を一挙に下げることもできる。そのとき、被駆動体１１０と揺動部材の先端１０５ａとの間に滑りが生じ、送られた被駆動体１１０はほぼそのままの状態を維持する。一方、揺動部材１０５は元の位置まで戻る。このようにして、高速で被駆動体１１０を移動させることができる。
【００２７】
なお、上記の例では、電圧の印加により圧電素子１０３を徐々に伸張させ、急激に収縮させているが、徐々に収縮させ急激に伸張させる場合であっても同様である。圧電素子１０３の分極方向にも依存するが、スムーズインパクト駆動を行う場合の印加電圧は、徐々に上げて急激に下げるか、徐々に下げて急激に上げるかのいずれかとなり、時間に対する印加電圧の関係は鋸波型のグラフで表される。
【００２８】
（変形例）
なお、上記の例では、弾性体１０２が、揺動部材１０５による被駆動体１１０への予圧および圧電素子１０３を圧縮する方向への予圧を与えているが、これに代えて、別途バネ等の弾性部材に予圧機能をもたせてもよい。図３は、駆動装置１００の変形例を示す平面図である。図３に示す例では、さらに引っ張り力を有するバネ１３０を揺動部材の先端１０５ａ近傍と固定部１０１との間に設けている。
【００２９】
弾性体１０２がほとんど弾性力を有しておらず、揺動部材１０５と固定部１０１とを連結しているのみに過ぎない場合には、バネ１３０を別途設けて予圧を与えることが非常に有効である。また、図３に示す例では、バネ１３０は、揺動部材の先端１０５ａ近傍と固定部１０１との間に設けられているが、揺動部材１０５を固定部１０１とは反対側から押圧するようなバネを設けてもよい。
【００３０】
［実施形態２］
上記の実施形態では、揺動部材１０５は一つであるが、揺動部材１０５は複数設けられていてもよい。図４Ａ、図４Ｂは、それぞれ一対の揺動部材を有する駆動装置２００を示す平面図および背面図である。図４Ａ、図４Ｂに示すように、駆動装置２００は、固定部２０１、圧電素子２０３、連結部２０４、弾性体２０２および揺動部材２０５を備えている。なお、図４Ｂは、図４Ａに示す断面４Ｂを矢印方向に見た図となっている。また、図４Ａも、図４Ｂに示す断面４Ａを矢印方向に見た図となっている。
【００３１】
固定部２０１は、ベース台２２１に固定され、圧電素子２０３の一端を固定する。圧電素子２０３は、一端を固定部２０１に固定され、電圧の印加により固定部２０１と揺動部材２０５とを結ぶ方向に伸縮する。連結部２０４は、対称的に２つ設けられており、それぞれ圧電素子２０３と一対の揺動部材２０５とを連結している。弾性体２０２も、板状に形成されて対称的に２つ設けられている。
【００３２】
弾性体２０２は、固定部２０１に一端が固定され、他端が揺動部材２０５に連結されている。実施形態１の駆動装置１００の場合とは異なり、連結部２０４と揺動部材の先端２０５ａとの間に弾性体２０２が設けられている。すなわち、いずれの揺動部材２０５についても力点が最も内側、作用点が最も外側となるように構成されている。したがって、伸縮を伝える点を中央に集約し、一つの圧電素子２０３で、２つの揺動部材２０５を駆動させることができる。弾性体２０２は、弾性力により揺動部材の先端２０５ａを被駆動体２１０へ押し当てている。
【００３３】
揺動部材２０５は、圧電素子２０３について対称に一対設けられている。揺動部材２０５は、棒状の部材であって、弾性体２０２と揺動部材２０５との連結点を中心に揺動することで、圧電素子２０３の伸縮による変位を拡大し、その先端２０５ａに伝達する。その際には、被駆動体２１０に当接する揺動部材の先端２０５ａが一対の壁部２１１をスムーズインパクト駆動により駆動し、被駆動体２１０が移動する。揺動部材の先端２０５ａが被駆動体２１０に当接することで、被駆動体２１０を駆動する。揺動部材の先端２０５ａは、圧電素子１０３の伸縮に応じて逆方向へ動作し、揺動部材２０５側から圧電素子１０３側に向って被駆動体を送り出す。
【００３４】
ベアリング２２５は、一種のボールベアリングであり、ベース台２２１に対して移動可能な状態でステージ２１０（被駆動体）を支持している。なお、微小な制御を可能にするためには、ベアリングを採用することが好ましいが、ベース台２２１が被駆動体２１０を移動可能に支持できるのであれば、必ずしもベアリングを用いる必要はない。
【符号の説明】
【００３５】
１００  駆動装置
１０１  固定部
１０２  弾性体
１０３  圧電素子
１０４  連結部
１０５  揺動部材
１０５ａ  揺動部材の先端
１０５ｂ  ヒンジ（支点）
１０５ｃ  結合点
１１０   被駆動体
１２５  ベアリング
１３０  バネ
２００  駆動装置
２０１  固定部
２０２  弾性体
２０３  圧電素子
２０４  連結部
２０５  揺動部材
２０５ａ  揺動部材の先端
２１０  被駆動体
２１１  壁部
２２１  ベース台
２２５  ベアリング
【図１Ａ】
2010200399.tif 000003
【図１Ｂ】
2010200399.tif 000004
【図２Ａ】
2010200399.tif 000005
【図２Ｂ】
2010200399.tif 000006
【図３】
2010200399.tif 000007
【図４Ａ】
2010200399.tif 000008
【図４Ｂ】
2010200399.tif 000009