(57)【要約】【課題】電気機械変換素子の基準位置のずれによる移動体の位置決め誤差の小さい位置決め装置を提供する。【解決手段】印加した電圧に応じて伸縮する電気機械変換素子と、電気機械変換素子の一端に固定され、電気機械変換素子の伸縮によって往復移動する振動部材と、振動部材に摩擦係合し、振動部材上で滑り変位可能な摩擦係合部材と、振動部材を摺動可能に保持する軸支部と、電気機械変換素子の他端を保持する固定部とを備えるベース部材と、電気機械変換素子に、駆動電圧を印加できる駆動回路とを有する位置決め装置において、駆動電圧を、摩擦係合部材を振動部材に対して滑り変位させずに所望の位置に位置決めするのに必要な直流電圧成分に、交流電圧成分を重畳したものとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加した電圧に応じて伸縮する電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子の一端に固定され、前記電気機械変換素子の伸縮によって往復移動する振動部材と、
前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材上で滑り変位可能な摩擦係合部材と、
前記振動部材を摺動可能に保持する軸支部と、前記電気機械変換素子の他端を保持する固定部とを備えるベース部材と、
前記電気機械変換素子に、前記摩擦係合部材を前記振動部材に対して滑り変位させずに所望の位置に位置決めするのに必要な直流電圧成分に、交流電圧成分を重畳した駆動電圧を印加できる駆動回路とを有することを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
前記交流電圧成分の周波数をｆａｃ、前記交流電圧成分による前記電気機械変換素子の伸縮の振幅をＡｘとし、前記摩擦係合部材の質量をＭｍとし、前記振動部材と前記摩擦係合部材との間の摩擦力をＦｆとすると、
ｆａｃ＜１／２π・（Ｆｆ／（Ｍｍ・Ａｘ））＾０．５
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記摩擦係合部材を所望の位置に位置決めするのに必要な直流電圧成分に到達した後、前記交流電圧成分を減衰させることを特徴とする請求項１または２に記載の位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、圧電素子等の電気機械変換素子の伸縮によって軸状の振動部材を軸方向に非対称に振動させることで、振動部材に摩擦係合する摩擦係合部材を滑り変位させる振動型駆動方式の位置決め装置において、圧電素子に周波数の低い、摩擦係合部材を滑り変位させない実質的に直流と同視し得る電圧を印加して、摩擦係合部材を微小変位させる発明が記載されている。
【０００３】
特許文献１の位置決め装置において、直流電圧により位置決めする際、振動部材の軸受の摩擦により圧電素子を保持する部材や圧電素子を固定する接着剤が弾性変形し、圧電素子の基準位置がずれることによって、摩擦係合部材の微小変位量が所望の変位量と僅かに異なってしまうという問題がある。
【０００４】
振動型駆動装置において、電気機械変換素子に印加される周期的な電圧と、振動部材の振動およびそれによる摩擦係合部材の変位との関係は、非特許文献１に記載されているように、詳細な解析がなされている。しかしながら、振動部材の軸受の摩擦による電気機械変換素子の基準位置のずれによる駆動誤差については、検討がなされていない。
【０００５】
例として、図５に、従来の位置決め装置において、摩擦係合部材を滑りを伴わずに変位させるために圧電素子に印加される電圧と、振動部材および摩擦係合部材の変位量との例を示す。図示するように、圧電素子には、摩擦係合部材を変位させたい距離（例えば１μｍ）だけ、圧電素子を伸張させられる目標電圧（例えば５Ｖ）に達するまで、ランプ状に増加する電圧が印加される。
【０００６】
このような電圧に対し、圧電素子は比例して伸張するが、振動部材が振動部材を摺動可能に保持する軸支部との間の摩擦力によって移動を規制されるので、圧電素子の振動部材と反対側の端部が突出する。圧電素子を保持するベース部材とベース部材と圧電素子の間に介在する接着剤とは、圧電素子の突出によって振動部材と反対方向に押圧されて弾性変形する。
【０００７】
ベース部材と接着剤との弾性力が、振動部材と軸支部との間の最大静止摩擦力を超えると、ベース部材と接着剤との弾性力が振動部材と軸支部との間の動摩擦力以下になるまで、振動部材が軸支部に対して滑り移動する。これを繰り返すことによって、図示するように、摩擦係合部材は、段階的に変位させられるが、この例では、平均して、約４０ｎｍの位置決め誤差が発生した。
【０００８】
尚、ベース部材や接着剤等の弾性力による振動特性によっては、圧電素子に印加した電圧に比例する摩擦係合部材の理想的変位量に対して、実際の変位量が大きくなることもある。
【０００９】
【特許文献１】特開号公報２００８−２１７１９７
【非特許文献１】吉田龍一、「圧電素子を用いた小型駆動機構に関する研究」、東京大学博士論文、２００４年１月２５日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記問題点に鑑みて、本発明は、電気機械変換素子の基準位置のずれによる移動体の位置決め誤差の小さい位置決め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】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明による位置決め装置は、印加した電圧に応じて伸縮する電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の一端に固定され、前記電気機械変換素子の伸縮によって往復移動する振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材上で滑り変位可能な摩擦係合部材と、前記振動部材を摺動可能に保持する軸支部と、前記電気機械変換素子の他端を保持する固定部とを備えるベース部材と、前記電気機械変換素子に、前記摩擦係合部材を前記振動部材に対して滑り変位させずに所望の位置に位置決めするのに必要な直流電圧成分に、交流電圧成分を重畳した駆動電圧を印加できる駆動回路とを有するものとする。
【００１２】
この構成によれば、駆動電圧が、ベース部材の軸支部と振動部材との間に滑りを生じさせる交流電圧成分を含んでいるので、軸支部と振動部材との間の摩擦力による電気機械変換素子に対する反力が小さい。これにより、ベース部材の変形や固定部と電気機械変換素子との間に介在する接着剤の変形を小さくし、電気機械変換素子の基準位置のずれによる摩擦係合部材の位置決め誤差を低減できる。
【００１３】
また、本発明による位置決め装置は、前記交流電圧成分の周波数をｆａｃ、前記交流電圧成分による前記電気機械変換素子の伸縮の振幅をＡｘとし、前記摩擦係合部材の質量をＭｍとし、前記振動部材と前記摩擦係合部材との間の摩擦力をＦｆとすると、ｆａｃ＜１／２π・（Ｆｆ／（Ｍｍ・Ａｘ））＾０．５を満たすとよい。
【００１４】
この条件を満たすことで、駆動電圧の交流電圧成分により摩擦係合部材が前記振動部材に対して滑り変位せず、電気機械変換素子の基準位置のずれのみを低減できる。
【００１５】
また、本発明による位置決め装置において、前記駆動回路は、前記摩擦係合部材を所望の位置に位置決めするのに必要な直流電圧成分に到達した後、前記交流電圧成分を減衰させるとよい。
【００１６】
この構成によれば、交流電圧成分を減衰させることで、ベース部材および接着剤の変形を、振動部材と軸支部との間の動摩擦力と釣り合う変形量以下に抑えて、摩擦係合部材を停止させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明によれば、電気機械変換素子に、摩擦係合部材を振動部材に対して滑り変位させずに所望の位置に位置決めするのに必要な直流電圧成分に、交流電圧成分を重畳した駆動電圧を印加するので、振動部材と軸支部との間に滑りを生じさせて摩擦力を低減し、ベース部材や接着剤の変形による電気機械変換素子の基準位置のずれに起因する摩擦係合部材の位置決め誤差を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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は、本発明の第１実施形態の位置決め装置１の構成を示す。位置決め装置１は、印加された電圧に応じて伸縮する圧電素子（電気機械変換素子）２と、圧電素子２の伸縮方向の一端に固定された軸状の振動部材３と、振動部材３に摩擦係合する摩擦係合部材４と、圧電素子２の他端に固定された錘５と、錘５を介して圧電素子２を保持し、振動部材３を摺動可能に支持するベース部材６と、圧電素子２に駆動電圧を印加する駆動回路７とを有する。
【００１９】
ベース部材６は、板状に形成され、錘５の圧電素子２と反対側の端面が接着剤８によって貼着される固定部９と、それぞれ板状に形成され、振動部材３が貫通する軸支部１０，１１とを有する。ベース部材６および接着剤８は、応力が作用すると僅かながら弾性変形する。
【００２０】
位置決め装置１では、圧電素子２に５Ｖの電圧を印加すると、圧電素子２が１μｍ伸張する。つまり、圧電素子２に５Ｖの駆動直流電圧成分を印加すると、理論的には、摩擦係合部材４を１０００ｎｍ変位させられる。
【００２１】
図２に、駆動回路７が圧電素子２に印加する駆動電圧の波形と、それによる摩擦係合部材４の変位量とを例示する。図示する例では、摩擦係合部材４を１０００ｎｍ変位させたい場合を示している。
【００２２】
駆動回路７は、圧電素子２に、摩擦係合部材４を変位させたい量に比例する電圧までランプ状に変化する直流電圧成分に、例えば、振幅Ａｖ＝０．１Ｖ、周波数ｆａｃ＝５ｋＨｚの交流電圧成分を重畳した駆動電圧を印加する。交流電圧成分による圧電素子２の伸縮は、振幅Ａｘ＝２０ｎｍである。駆動電圧の交流電圧成分は、直流電圧成分が摩擦係合部材４の所望の変位量に比例する理論電圧（５Ｖ）に達した後、徐々に減衰する。
【００２３】
圧電素子２は、駆動電圧に比例して、細かく伸縮しながら伸張してゆき、振動部材３を細かく往復移動させながら押し出す。このとき、振動部材３と軸支部１０，１１との間の摩擦力の反力が、圧電素子２および錘５を介して、接着剤８および固定部９に作用し、接着剤８を圧縮し、固定部９を撓ませる。接着剤８および固定部９の弾性変形分だけ、圧電素子２の基準位置である錘５との接合面が移動するため、振動部材３および摩擦係合部材４の変位量は、駆動電圧にぴったりと一致しない。
【００２４】
この接着剤８および固定部９の変形による弾性力が、振動部材３と軸支部１０，１１との間の摩擦力に勝るとき、振動部材３は軸支部１０，１１に対して滑り変位可能である。駆動電圧の直流電圧成分だけでは、振動部材３は、軸支部１０，１１に対して、静止摩擦状態と動摩擦状態とを繰り返すため、静止摩擦力に相当する接着剤８および固定部９の変形が残る可能性がある。しかしながら、駆動電圧に交流電圧成分が重畳されている間は、振動部材３が軸支部１０，１１に対して常に動摩擦状態に置かれる。交流電圧成分を徐々に減衰させると、接着剤８および固定部９の変形量が、振動部材３が軸支部１０，１１と動摩擦状態にあるときの動摩擦力に相当する弾性力を発揮する状態を超えて変形しない。
【００２５】
静止摩擦力と動摩擦力とは大きく異なるため、圧電素子２に直流電圧成分だけを印加した場合の摩擦係合部材４の変位の所望の変位量に対する位置決め誤差が約４０ｎｍであるのに対し、圧電素子２に直流電圧成分と交流電圧成分とを重畳した駆動電圧を印加した場合の摩擦係合部材４の変位の所望の変位量に対する位置決め誤差は約１０ｎｍに留まる。
【００２６】
ここで、駆動電圧の交流電圧成分について、詳細に検討する。交流電圧成分による振動部材３の往復変位によって、摩擦係合部材４が移動部材３に対して滑り変位してしまうと、直流電圧成分による摩擦係合部材４の位置決めができなくなってしまう。摩擦係合部材４の質量をＭｍ、移動部材３と摩擦係合部材４との間の静止摩擦力をＦｆとすると、摩擦係合部材４が滑り変位する加速度ａｘ＝Ｆｆ／Ｍｍである。
【００２７】
また、駆動電圧の交流電圧成分による振動部材３の往復変位の最大加速度ａｖ＝（２πｆａｃ）＾２・Ａｘである。摩擦係合部材４が移動部材３に対して滑り変位しないためには、ａｖ＜ａｘである必要がある。これより、駆動電圧の交流電圧成分の周波数は、
ｆａｃ＜１／２π・（Ｆｆ／（Ｍｍ・Ａｘ））＾０．５
を満たす必要がある。
【００２８】
図３に、位置決め装置１において、交流電圧成分の周波数ｆａｃのみを変化させたときの、摩擦係合部材４の位置決め誤差の実測平均値の変化を示す。尚、位置決め装置１において、Ｍｍ＝３００ｍｇ、Ｆｆ＝０．１Ｎである。上記理論式における交流電圧成分の周波数ｆａｃの上限値は、２０．６ｋＨｚであり、実測データに略合致する。
【００２９】
図４に、本発明の第２実施形態の位置決め装置１の駆動電圧波形を示す。本実施形態は、駆動電圧を除いて、第１実施形態と同じ構成であるので、重複する説明は省略する。本実施形態において、交流電圧成分は、直流電圧成分が摩擦係合部材４を所望の変位量に比例する理論電圧に達してから重畳され、第１実施形態と同様に徐々に減衰する。
【００３０】
この駆動電圧では、直流電圧成分が理論電圧に達した瞬間に、平均約４０ｎｍの位置決め誤差を有するが、その後、交流電圧成分が重畳して印加されるので、振動部材３と軸支部１０，１１とが摩擦状態になり、誤差が動摩擦力に相当する接着剤８および固定部９の変形量以下の値となる。
【００３１】
このように、本発明では、少なくとも、直流電圧成分が理論電圧に達してから、直流電圧成分に交流電圧成分を重畳させればよい。また、摩擦係合部材４の交流電圧成分による微小な振動が許容される場合は、常に交流電圧成分を印加するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態の位置決め装置の概略構成図。
【図２】図１の位置決め装置の駆動電圧波形と摩擦係合部材の変位量を示す図。
【図３】図１の位置決め装置の交流電圧成分の周波数を変化させたときの位置決め誤差の変化を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態の位置決め装置の駆動電圧波形を示す図。
【図５】従来の位置決め装置の駆動電圧波形を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１…位置決め装置
２…圧電素子（電気機械変換素子）
３…振動部材
４…摩擦係合部材
５…錘
６…ベース部材
７…駆動回路
８…接着剤
９…固定部
１０，１１…軸支部
【図１】
2010146479.tif 000003
【図２】
2010146479.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010146479.tif 000007