(57)【要約】【課題】１つで多次元の位置決めが可能な駆動装置を提供する。【解決手段】駆動装置１は、軸状の駆動部材４と、それぞれ駆動部材４の軸方向に伸縮可能に並列して設けられた複数の伸縮部１１，１２を有し、駆動部材４の一端を保持する電気機械変換素子３と、駆動部材４に摩擦係合し、駆動部材４上で滑り変位可能な移動体５と、一部の伸縮部１１，１２に、他の伸縮部１１，１２と異なる、変化率の小さい直流電圧成分を印加し、伸縮部１１，１２の全てに、共周期的に変動する共通の交流電圧成分を印加する駆動回路とを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸状の駆動部材と、
それぞれ前記駆動部材の軸方向に伸縮可能に並列して設けられた複数の伸縮部を有し、前記駆動部材の一端を保持する電気機械変換素子と、
前記駆動部材に摩擦係合し、前記駆動部材上で滑り変位可能な移動体とを有することを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記伸縮部は、３つ以上設けられていることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
一部の前記伸縮部に、他の前記伸縮部と異なる、変化率の小さい直流電圧成分を印加し、前記伸縮部の全てに、周期的に変動する共通の交流電圧成分を印加する駆動回路をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記伸縮部は、前記駆動部材の軸方向に延伸する前記電気機械変換素子の中心軸周りに偶数設けられ、
前記駆動回路は、前記中心軸を挟んで対向位置にある前記伸縮部に、逆位相の前記直流電圧成分を印加することを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記伸縮部の少なくともいずれかに、直流電圧成分を印加しないことを特徴とする請求項３または４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、駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載されているように、駆動部材を非対称に振動させ、駆動部材に摩擦係合する移動体を滑り変位させる振動型の駆動装置が公知である。
【０００３】
また、特許文献２乃至４に記載されているように、ガイド等によって移動可能に保持された移動体を、複数の圧電素子によって楕円運動させられる接触子によって摩擦駆動する駆動装置（トラスアクチュエータ）も知られている。
【０００４】
また、特許文献２乃至４には、複数の圧電素子を一体に形成、換言すると、１つの圧電素子の異なる部分を別々に伸縮させられるように電極を分けて配設した圧電素子によって、２次元運動を実現する技術が記載されている。
【０００５】
請求項１乃至４に記載の駆動装置は、いずれも、１次元の駆動のみが可能であって、２次元の駆動には２つ以上の駆動装置、３次元の駆動には３つ以上の駆動装置を組み合わせる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−７８８６１号公報
【特許文献２】特開２００８−１７８２０９号公報
【特許文献３】特開２００８−１７２８８５号公報
【特許文献４】特開２００７−３２５４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、１つで多次元の位置決めが可能な駆動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明による駆動装置は、軸状の駆動部材と、それぞれ前記駆動部材の軸方向に伸縮可能に並列して設けられた複数の伸縮部を有し、前記駆動部材の一端を保持する電気機械変換素子と、前記駆動部材に摩擦係合し、前記駆動部材上で滑り変位可能な移動体とを有するものとする。
【０００９】
この構成によれば、電気機械変換素子を短周期で伸縮させることによって、駆動部材を振動させて、移動体を駆動部材の軸方向に滑り変位させることができ、また、伸縮部を不均衡に、緩慢に伸縮させることで、移動体を係合させまま駆動部材を傾斜させることができる。つまり、移動体は、駆動部材軸方向の位置によって極座標系の動径が定められ、駆動部材の傾斜によって極座標系の偏角が定められる。これにより、本発明の駆動装置は、１つで多次元の位置決めが可能である。
【００１０】
また、本発明の駆動装置において、前記伸縮部は、３つ以上設けられていてもよい。
【００１１】
この構成によれば、駆動部材の傾斜方向が３方向以上あり、２方向以上の偏角を定めることができるので、３次元の位置決めが可能である。
【００１２】
また、本発明の駆動装置において、一部の前記伸縮部に、他の前記伸縮部と異なる、変化率の小さい直流電圧成分を印加し、前記伸縮部の全てに、周期的に変動する共通の交流電圧成分を印加する駆動回路をさらに有してもよい。
【００１３】
この構成によれば、直流電圧成分によって駆動部材を傾斜させ、交流電圧成分によって移動体を駆動部材上で滑り変位させられる。
【００１４】
また、本発明の駆動装置において、前記伸縮部は、前記駆動部材の軸方向に延伸する前記電気機械変換素子の中心軸周りに偶数設けられ、前記駆動回路は、前記中心軸を挟んで対向位置にある前記伸縮部に、逆位相の前記直流電圧成分を印加してもよい。
【００１５】
この構成によれば、対向位置の伸縮部の一方が伸張し、他方が収縮するので、駆動部材の傾斜を大きくすることができる。
【００１６】
また、本発明の駆動装置は、前記伸縮部の少なくともいずれかに、直流電圧成分を印加しないようにしてもよい。
【００１７】
この構成によれば、伸縮部の一部に伸縮力を発揮させないことで、電気機械変換素子の伸縮力がバランスする方向を調節して、駆動部材の傾斜方向の選択可能性を広げることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電気機械変換素子の複数の伸縮部を短周期で均一に伸縮させることで、移動体を駆動部材上で滑り変位させ、伸縮部を緩慢で不均一に伸縮させることで駆動部材を傾斜させて駆動部材を傾斜させることができる。これにより、移動体を極座標系上で多次元に位置決めできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態の駆動装置の側面図である。
【図２】図１の駆動装置のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１の駆動装置のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図１の駆動装置の駆動部材を傾斜させた状態の側面図である。
【図５】図１の駆動装置の駆動回路図である。
【図６】図２の駆動装置の駆動回路の代案の回路図である。
【図７】本発明の第２実施形態の駆動装置の圧電素子の軸直角方向断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態の駆動装置の駆動部材先端の位置を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態を用いた光学装置の構成図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の駆動装置の圧電素子の軸直角方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１乃至３に、本発明の第１実施形態の駆動装置１を示す。駆動装置１は、錘２と、錘２に一端が固定された圧電素子（電気機械変換素子）３と、電気機械変換素子３の他端に一端が固定された軸状の駆動部材４と、駆動部材４に滑り変位可能に摩擦係合する移動体５とからなる。
【００２１】
圧電素子３は、図２乃至３に示すように、シート状の圧電層６に２つの印刷電極７，８を印刷したものを駆動部材４の軸方向に積層し、印刷電極７，８をそれぞれ１つ置きに接続する外部電極９ａ，９ｂ、１０ａ，１０ｂを形成してなる。圧電素子３は、印刷電極７が介設された部分である伸縮部１１が、外部電極９ａ−９ｂ間に電圧を印加することで、印加した電圧に応じて伸縮し、外部電極１０ａ−１０ｂ間に電圧を印加すると、印刷電極８が介設された伸縮部１２が、印加した電圧に応じて伸縮する。つまり、伸縮部１１と伸縮部１２とは、それぞれ駆動部材４の軸方向に伸縮可能に並列して設けられている。
【００２２】
図４に示すように、外部電極９ａ−９ｂ間に正の電圧を印加して伸縮部１１に伸張させ、外部電極１０ａ−１０ｂ間に負の電圧を印加して伸縮部１２を収縮させると、圧電素子３は、駆動部材４が固定された側の先端が、伸縮部１２方向に傾倒するように湾曲する。これにより、駆動部材４が傾斜し、移動体５は伸縮部１２側に揺動させられる。
【００２３】
また、外部電極９ａ−９ｂおよび１０ａ−１０ｂに、伸縮部１１，１２を緩慢に伸張させてから急峻に収縮させるような短周期の交流電圧を印加すると、移動体５が駆動部材４上で、圧電素子３から遠ざかる方向に滑り変位する。
【００２４】
このようにして、駆動装置１は、移動体５を、駆動部材４上での位置を動径ｒとし、駆動部材４の傾斜角度を偏角θとして、極座標（ｒ，θ）上で位置決めすることができる。
【００２５】
図５に、駆動装置１の駆動回路１３を示す。駆動回路１３は、それぞれ、直流電源１４をスイッチングして、外部電極９ａ−９ｂ間に任意の極性で電源電圧を印加できるブリッジ回路１５と、外部電極１０ａ−１０ｂ間に任意の極性で電源電圧を印加できるブリッジ回路１６とを有する。ブリッジ回路１５，１６は、マイコンからなる制御回路１７によって制御されており、制御回路１７は、さらに、直流電源１４の電源電圧を調整することもできるようになっている。
【００２６】
制御装置１７は、駆動装置１の移動体５を位置決めする際、先ず、ブリッジ回路１５，１６に同位相の矩形波交流電圧を出力させ、圧電素子３の伸縮部１１および１２を同位相で伸縮させ、移動体５を滑り変位させて所望の動径ｒに配置する。続いて、制御装置１７は、ブリッジ回路１５，１６に、伸縮部１１および１２に逆方向に電源電圧を印加し続けさせ、且つ、圧電素子３の屈曲が所望の角度になるように直流電源１４の電源電圧を調整することで、駆動部材４を所望の偏角θに傾斜させる。これによって、移動体５は、所望の極座標（ｒ，θ）に位置決めされる。
【００２７】
図６に、代案となる駆動装置１の駆動回路１８を示す。この駆動回路１８は、圧電素子３を軸方向に伸縮させて移動体５を駆動部材４に対して滑り変位させるための周期的な交流電圧の波形を生成するパルス成形器１９の出力と、圧電素子３を屈曲させて駆動部材４を傾斜させるために必要な電圧に比例した電圧信号を生成するＤＡ変換器２０とを有する。パルス成形器１９およびＤＡ変換器２０は、不図示のマイコンによって制御される。
【００２８】
駆動回路１８は、パルス成形器１９の出力とＤＡ変換器２０の出力とを所定の比で足し合わせて反転増幅する加算器２１と、パルス成形器１９の出力からＤＡ変換器２０の出力を減じて反転増幅する減算器２２と、加算器２１の出力および減算器２２の出力をそれぞれ同じゲインで反転増幅する増幅器２３，２４とを有する。増幅器２３，２４の出力は、パルス成形器１９の出力波形を所定の増幅率で増幅した周期的な交流電圧成分と、ＤＡ変換器２０の出力波形を所定の増幅率で増幅した直流電圧成分とを重畳した電圧となる。ただし、増幅器２３における直流電圧成分と、増幅器２４における直流電圧成分とは、正負が異なる。
【００２９】
この駆動回路１８では、直流電圧成分と交流電圧成分とを独立して制御できるため、パルス成形器１９によって移動体５の動径ｒを調節しながら、同時に、ＤＡ変換器２０によって移動体５の偏角θを調節することができる。
【００３０】
図７に、本発明の第２実施形態の駆動装置１の圧電素子３１の断面を示す。尚、以降の実施形態では、圧電素子３１の構成以外は第１実施形態と同じであるので、重複する説明は省略する。本実施形態の駆動装置１は、圧電素子３１が、それぞれ駆動部材４の軸方向に伸縮可能であり、角柱状の圧電素子３１をその中心軸Ｃの周りに４つに等分した４つの伸縮部３２，３３，３４，３５を有する。
【００３１】
図８に、本実施形態の駆動装置１の駆動部材４の先端位置を駆動部材４の軸に直交する平面上に図示する。尚、本実施形態では、例えば、それぞれの伸縮部３２，３３，３４，３５に対応するブリッジ回路（不図示）により、伸縮部３２，３３，３４，３５毎に正・負の電源電圧を印加、或いは、電圧を印加しないことができる。図には、駆動部材４の先端位置に、その位置を得るために各伸縮部３２，３３，３４，３５に印加される電圧を、「＋」、「−」、「０」で示してある。
【００３２】
このように、本実施形態では、駆動部材４の２方向の傾斜角度（θ，φ）を調節できる。これに、移動体５の駆動部材４上の位置（ｒ）を加えると、駆動装置１は、球座標系（ｒ，θ，φ）上の３次元の位置決めができる。
【００３３】
特に、中心軸Ｃを挟んで対向する伸縮部３２，３３，３４，３５に、逆位相の直流電圧を印加することで、圧電素子３を大きく変形させて駆動部材４の傾斜角度を大きくできる。また、一部の伸縮部３２，３４または３３，３５に、直流電圧を印加しないことで、駆動部材４の傾斜させ得る方向が増加する。
【００３４】
また、本実施形態の駆動装置１も、各伸縮部３２，３３，３４，３５に共通して交流電圧成分を印加し、任意の伸縮部３２，３３，３４，３５に選択的に電圧調節可能な直流成分電圧を印加してもよい。直流成分電圧は、伸縮部３２，３３，３４，３５毎に電圧を可変してもよいが、１つの電源電圧を可変し、電圧の印加方向（正・負）および電圧印加の有無のみを選択するようにしてもよい。
【００３５】
図９に、例として、この球座標系の駆動装置１を用いたレーザモジュール３６を示す。レーザモジュール３６は、赤外色のレーザ光を発生するレーザダイオード３７と、レーザ光を案内し、駆動装置１の移動体５に保持された調芯レンズ３８と、レーザ光を受光して半波長の緑色のレーザ光を生成する受光部材である第二次高調波発生素子（Second Harmonic Generator）３９と、第二次高調波発生素子３９の出力を射出する射出レンズ４０とを有する。調芯レンズ３８は、駆動装置１によって、レーザ光の光軸に直交する平面内で位置決めされる。
【００３６】
また、レーザモジュール３６は、第二次高調波発生素子３９の出力光を分割するビームスプリッタ４１と、分割した第二次高調波発生素子３９の出力光の出力レベルを電圧信号に変換するフォトダイオードのようなセンサからなるパワーモニタ４２と、パワーモニタ４２の出力に応じて、駆動装置１の駆動回路４３の動作を制御する制御回路４４とを有する。
【００３７】
第二次高調波発生素子３９は、受光部の口径が１〜３μｍ程度である。調芯レンズ３８は、レーザ光を第二次高調波発生素子３９の受光部と同程度の径になるように集光するとともに、第二次高調波発生素子３９の受光部の中心にレーザ光の光軸を芯合わせする。レーザ光が十分に集光され、その光軸が第二次高調波発生素子３９の中心に一致している場合、レーザ光のエネルギーが全て第二次高調波発生素子３９に入力されるので、第二次高調波発生素子３９の出力が最大になり、パワーモニタ４２の出力も最大になる。つまり、駆動装置１は、パワーモニタ４２の出力が最大になるように、移動体５を３次元に位置決めする。
【００３８】
図１０に、本発明の第３実施形態の駆動装置１の圧電素子５１を示す。本実施形態において、圧電素子５１は、６角柱状をなし、中心軸Ｃの周りに６つに等分された、それぞれ３角柱状の伸縮部５２，５３，５４，５５，５６，５７を有する。本実施形態では、各伸縮部５２，５３，５４，５５，５６，５７の外部電極の対は、それぞれ、圧電素子５１の同じ外面上に並んで配設されている。
【００３９】
本実施形態のように、圧電素子の伸縮部の並列数を増やすことで、駆動部材の傾斜方向をより細かく選択できるようになる。傾斜方向の選択方法として、例えば、本実施形態において、伸縮部５２，５３に正の電圧を印加し、伸縮部５４に負の電圧を印加するといった非対称な電圧の印加パターンも選択できる。
【符号の説明】
【００４０】
１…駆動装置
２…錘
３…圧電素子（電気機械変換素子）
４…駆動部材
５…移動体
６…圧電層
７，８…電極層
９，１０…外部電極
１１，１２…伸縮部
１３…駆動回路
１４…直流電源
１５，１６…ブリッジ回路
１８…駆動回路
１９…パルス成形器
２０…ＤＡ変換器
３１…圧電素子（電気機械変換素子）
３２，３３，３４，３５…伸縮部
５１…圧電素子（電気機械変換素子）
５２，５３，５４，５５，５６，５７…伸縮部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010263673.tif 000011
【図１０】
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