JP5230926B2 - 慣性駆動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、慣性駆動アクチュエータに関する。

電気機械変換素子の一種である圧電素子に緩やかな立ち上り部とこれに続く急速な立ち下り部とを持つ波形の駆動パルスを印加すると、圧電素子は駆動パルスの緩やかな立ち上り部では緩やかに伸び変位を生じ、急速な立ち下り部では急速な縮み変位を生じる。この特性を利用した慣性駆動アクチエータが知られている。慣性駆動アクチエータでは、上記の波形の駆動パルスを圧電素子に印加して圧電素子に伸び縮み方向に速度の異なる振動を発生させ、圧電素子に固定された駆動部材を異なる速度で往復移動させることにより、駆動部材に摩擦結合した移動部材を所定の方向に移動させる。

特開２００３−１８５４０６号公報は、移動部材の位置検出機能を有する慣性駆動アクチュエータを開示している。その慣性駆動アクチュエータを図１０に示す。この慣性駆動アクチュエータ１００では、アクチエータのフレーム１１０に圧電素子１２０の一端が接着等の手段により固定されている。圧電素子１２０の他端には駆動軸１３０が接着等の手段により固定されている。駆動軸１３０には移動部材１４０が摩擦結合している。検出部材１５０は、移動部材１４０の位置を静電容量に基づいて検出するための固定電極を構成するもので、移動部材１４０の移動方向に平行に、移動部材１４０に対して非接触の状態を保って延びており、フレーム１１０に固定されている。駆動軸１３０と移動部材１４０と検出部材１５０は導電性の材料で構成されている。検出部材１５０は移動部材１４０に対向する面に、移動部材１４０の移動方向に一定の間隔で凹凸部が形成されて電極１５１を構成しており、電極１５１と移動部材１４０とは間隔Ｄを隔てて対向してコンデンサを形成している。
特開２００３−１８５４０６号公報

上記の慣性駆動アクチュエータ１００では、組み立ての際、駆動軸１３０と検出部材１５０を許容範囲の間隔及び平行度に保って組み立てる必要がある。静電容量を利用した位置検出において、コンデンサを形成する電極間の間隔の変化（空間的ばらつきや時間的変動）は検出精度を低下させる可能性があるためである。

しかしながら、上記の慣性駆動アクチュエータ１００では、駆動軸１３０と検出部材１５０が別体として配置されるため、各々の軸を考慮しつつ上記間隔及び平行度を精度よく配置することは難しく、このような要求は組み立て時の作業効率を低下させる要因となっていた。

本発明は、この様な実状を考慮して成されたものであり、その目的は、組み立てが簡単かつ位置検出精度が高い慣性駆動アクチエータを提供することである。

本発明による慣性駆動アクチュエータは、固定部材と、前記固定部材上に配置された振動基板と、前記固定部材に対して前記振動基板を直線的に往復移動させる移動手段と、前記振動基板上のみに配置された移動体と、前記振動基板と対向する前記移動体の面に設けられた第一電極と、前記移動体と対向する前記振動基板の面に設けられた第二電極と、前記第一電極と前記第二電極との間に介在する絶縁膜とを備えている。前記移動体は、前記振動基板の往復移動に対して慣性により前記振動基板に対して移動する。前記第一電極と前記第二電極の対向部分の面積は前記移動体の移動に伴って連続的に変化する。慣性駆動アクチュエータはさらに、前記第一電極と前記第二電極との間に電圧を印加して両者間に静電気力を作用させることにより前記振動基板と前記移動体との間に生じる摩擦力を制御する摩擦力制御手段と、前記第一電極と前記第二電極の対向部分の静電容量に基づいて前記振動基板に対する前記移動体の位置を検出する位置検出手段とを備えている。前記摩擦力制御手段は、前記位置検出手段が前記移動体の位置を検出する間、前記第一電極へ位置検出のための電圧を印加するとともに、前記第二電極への電圧の印加を停止する。

本発明によれば、組み立てが簡単かつ位置検出精度が高い慣性駆動アクチエータが提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第一実施形態＞
本発明の第一実施形態による慣性駆動アクチュエータの構成を図１に示す。

図１に示すように、慣性駆動アクチュエータは、固定部材１０と、固定部材１０上に配置された振動基板３０と、振動基板３０上に配置された移動体４０と、伸縮により微小変位を発生して固定部材１０上に対して振動基板３０を往復移動させる圧電素子２０と、圧電素子２０を伸縮駆動する圧電素子駆動手段６０とを備えている。

圧電素子２０は一端が固定部材１０に固定され、他端は振動基板３０の一端に固定されている。また、振動基板３０の他端と固定部材１０との間にはバネが配置されている。振動基板３０は、圧電素子２０の伸縮に伴い、その伸縮方向に固定部材１０に対して往復移動する。また移動体４０は、振動基板３０の往復移動に伴い、慣性により往復移動方向に振動基板３０に対して移動する。

移動体４０は振動基板３０と対向する面に第一電極４１を有している。第一電極４１は移動体４０の全体に広がっている。振動基板３０は移動体４０と対向する面に第二電極３１を有している。さらに振動基板３０は第二電極３１を覆う絶縁膜３５を有している。絶縁膜３５は第一電極４１と第二電極３１との間に介在する。第二電極３１は長方形形状で、振動基板３０の左側の端部から中央部にかけて、振動基板３０に対する移動体４０の移動方向に平行な直線に沿って延びている。第一電極４１と第二電極３１は絶縁膜３５を介して常に部分的に対向する。第一電極４１と第二電極３１の対向部分の面積は振動基板３０に対する移動体４０の移動に伴って連続的に変化する。さらに対向部分の面積は移動体４０の移動方向に依存して増加または減少する。第一電極４１と第二電極３１の対向部分は、移動体４０の移動に伴って、その移動方向に平行な直線に沿った寸法が変化する。

固定部材１０の下面すなわち振動基板３０が配置されている反対側に永久磁石５０が配置されている。永久磁石５０は振動基板３０の往復移動方向に平行な直線に沿って延びている。また移動体４０は磁性を有する材料で構成されている。このため移動体４０と永久磁石５０との間に磁気吸着力が働き、この磁気吸着力によって移動体４０は安定に保持される。また移動体４０は、図示しないガイドによって、移動方向からはずれないように、また振動基板３０から離れないように支持されている。

慣性駆動アクチュエータはさらに、第一電極４１と第二電極３１との間に電圧を印加して両者間に静電気力を作用させることにより振動基板３０と移動体４０との間に生じる摩擦力を制御する摩擦力制御手段７０と、第一電極４１と第二電極３１の対向部分が形成するコンデンサの静電容量に基づいて振動基板３０に対する移動体４０の位置を検出する位置検出手段８０とを備えている。位置検出手段８０は位置検出回路８１と信号発生回路８２からなる。位置検出回路８１は第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量を反映した信号を出力する。信号発生回路８２は、移動体４０の位置検出のために、第一電極４１に正弦波形などの電圧を印加する。

本実施形態の慣性駆動アクチュエータにおける駆動と位置検出について図２を用いて説明する。図２は移動体４０を左に移動させる動作におけるタイミングチャートを示している。移動体４０を移動させた後に移動体４０の位置を検出する。つまり、移動体４０を移動させる工程と移動体４０の位置を検出する工程とを別々に行う。

移動体４０を移動させる工程では、圧電素子駆動手段６０により圧電素子２０に台形波形の電圧を印加する。また、摩擦力制御手段７０により、第一電極４１に矩形波形の電圧を印加するとともに、第二電極３１に一定の電圧を印加する。圧電素子２０は、台形波形の電圧印加に対して、台形波形の立ち上がりで伸び、台形波形の立ち下がりで縮む。圧電素子２０の伸縮に対して振動基板３０は固定部材１０上を往復移動する。第一電極４１に印加する矩形波形の電圧は、圧電素子２０に印加する台形波形の電圧に対応した周期を有し、台形波形の立ち上がりで負の極性を取り、台形波形の立ち上がりで正の極性を取る。また第二電極３１に印加する電圧は正の極性を有する。移動体４０を移動させる一回の工程に対して、１パルス分の台形波形の電圧を圧電素子２０に印加し、１パルス分の矩形波形の電圧を第一電極４１に印加する。なお、圧電素子２０に印加する電圧は台形波形に限定されるものではなく、三角波形や矩形波形などであってもよい。

ＡからＢまでの区間では、圧電素子２０への印加波形が急峻に立ち上がるため、圧電素子２０が急激に伸び、これに伴い振動基板３０は急激に左へ移動する。このとき、第一電極４１への印加電圧と第二電極３１への印加電圧は逆極性である。このため、振動基板３０と移動体４０との間に静電吸着力が作用するので、両者間に生じる摩擦力は比較的大きい。その結果、振動基板３０と移動体４０との間の摩擦力が移動体４０の慣性に打ち勝ち、振動基板３０の変位とともに移動体４０も左へ移動する。

ＣからＤまでの区間では、圧電素子２０への印加波形が急峻に立ち下がるため、圧電素子２０は急激に縮み、これに伴い振動基板３０は急激に右へ移動する。このとき、第一電極４１への印加電圧と第二電極３１への印加電圧は同極性である。このため、振動基板３０と移動体４０との間に静電吸着力が作用しないので、両者間に生じる摩擦力は比較的小さい。その結果、移動体４０の慣性が振動基板３０と移動体４０との間の摩擦力に打ち勝ち、移動体４０はその位置にとどまる。

これらの一連の動作の結果、移動体４０は振動基板３０に対して左へ移動する。このときの移動の距離が移動体４０の移動における単位となる。これで移動体４０を移動させる工程が終了する。

ここでは、移動体４０を左に移動させる動作を説明したが、移動体４０を右に移動させるには、上述した一連の動作において、第一電極４１への印加波形の極性を逆にすればよい。

次に、移動体４０の位置を検出する工程では、圧電素子駆動手段６０による圧電素子２０への電圧印加と、摩擦力制御手段７０による第一電極４１と第二電極３１，３２への電圧印加とを停止する。また、信号発生回路８２により第一電極４１に正弦波形などの電圧を印加する。

移動体４０の位置検出は、第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量を検出することにより行う。第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量はその面積に比例し、その面積は移動体４０の位置に依存して連続的に変化する。従って、第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量を検出することによって移動体４０の位置が求まる。

位置検出回路８１は、第一電極４１への駆動信号の印加に対して第二電極３１から出力される波形から、第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量を反映した信号を作り出す。その静電容量は、第二電極３１からの出力波形のピーク値で得られる。すなわち位置検出回路８１は第二電極３１からの出力波形のピーク値を出力する。その結果、移動体４０の位置が検出される。これで移動体４０の位置を検出する工程が終了し、必要に応じて移動体４０を移動させる工程に戻る。

静電容量を利用した位置検出において、コンデンサを形成する電極間の間隔の変化（空間的ばらつきや時間的変動）は検出精度を低下させる。しかし、本実施形態の慣性駆動アクチュエータでは、移動体４０は振動基板３０上に接して配置され、第一電極４１と第二電極３１は絶縁膜３５を介して向かい合う。第一電極４１と第二電極３１の間隔は絶縁膜３５の厚さによって規定される。絶縁膜３５は好ましくは数μｍ〜サブμｍの均一な膜厚を有する。このような絶縁膜３５は絶縁膜３５を半導体プロセスによって形成することにより容易に得られる。このため、第一電極４１と第二電極３１は数μｍ〜サブμｍの狭い間隔に安定に維持される。従って、第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量が高い分解能で検出され、移動体４０の位置が高い精度で検出される。

本実施形態の慣性駆動アクチュエータでは、圧電素子２０を同じ速度で伸び縮みさせており、伸び変位時と縮み変位時とで圧電素子２０の変位速度を変えないので、駆動波形が簡単である。

本実施形態では、移動体４０を移動する工程と移動体４０の位置を検出する工程とを時間的に分離して別々に行うので、駆動と位置検出が確実に行われる。また、第一電極４１に矩形波形の電圧を印加するので、圧電素子２０が伸びる際に、振動基板３０と移動体４０との間に安定した静電吸着力が作用する。このため移動体４０の移動量のばらつきが少なく、移動体４０が安定した一定距離の単位で移動される。

上述した説明では、移動体４０を移動させる工程と移動体４０の位置を検出する工程とを交互に繰り返しているが、これに限らず、移動体４０を移動させる工程を複数回繰り返した後に移動体４０の位置を検出する工程を行ってもよい。

＜第二実施形態＞
本発明の第二実施形態による慣性駆動アクチュエータの構成を図３に示す。図中、図１と同一の参照符号を付した部材は同様の部材を意味する。また本実施形態の慣性駆動アクチュエータにおける駆動と検出のタイミングチャートを図４に示す。

本実施形態では、振動基板３０は、第二電極３１に加えて別の第二電極３２を有している。第二電極３２は第二電極３１と同じ形状で、第二電極３１と同一平面上に位置している。第二電極３１と第二電極３２は移動体４０の移動方向に平行な直線に沿って隣り合って並んでいる。第二電極３１は振動基板３０の左側の端部から中央部にかけて、第二電極３２は振動基板３０の右側の端部から中央部にかけて、移動体４０の移動方向に平行な直線に沿って延びている。第一電極４１は第二電極３１と第二電極３２の両方と絶縁膜３５を介して常に部分的に対向する。第一電極４１と第二電極３１の対向部分の面積および第一電極４１と第二電極３２の対向部分の面積は移動体４０の移動に伴って連続的に変化する。さらに、これらの対向部分の面積は移動体４０の移動方向に依存して一方が減少し他方が増加する。具体的には、移動体４０の左方向の移動に対して、第一電極４１と第二電極３１の対向部分の面積は増加し、その反対に第一電極４１と第二電極３２の対向部分の面積は減少する。第一電極４１と第二電極３１の対向部分および第一電極４１と第二電極３２の対向部分は、移動体４０の移動に伴って、その移動方向に平行な直線に沿った寸法が変化する。

位置検出回路８１は、第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量と第一電極４１と第二電極３２の対向部分の静電容量との差を反映した信号を出力する。

本実施形態の慣性駆動アクチュエータの駆動の手法は実質的に第一実施形態と同じである。ただし、第二電極３１への印加電圧と同じ電圧を第二電極３２に印加する。

図４に示すように、移動体４０が左に移動するにつれて、第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量は次第に大きくなり、これに伴って第二電極３１からの出力も次第に大きくなる。反対に、第一電極４１と第二電極３２の対向部分の静電容量は次第に小さくなり、これに伴って第二電極３２からの出力も次第に小さくなる。

位置検出回路８１は、第二電極３１からの出力のピーク値と第二電極３２からの出力のピーク値の差を出力する。これは、第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量と第一電極４１と第二電極３２の対向部分の静電容量との差に相当する。

位置検出回路８１は、第二電極３１からの出力のピーク値と第二電極３２からの出力のピーク値の差を出力する。これは、第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量と第一電極４１と第二電極３２の対向部分の静電容量との差に相当し、移動体４０の位置を反映している。

静電容量を検出する回路は、例えば、図５に示すように、第一電極４１と第二電極３１の対向部分が形成するコンデンサＣ1と第一電極４１と第二電極３２の対向部分が形成するコンデンサＣ2のほかに２つの基準コンデンサＣrefを配置したコンデンサブリッジを構成してよい。容量検出のための電圧信号の第一電極４１への印加に対する第二電極３１，３２からの出力信号がそれぞれコンデンサＣ1，Ｃ2の静電容量に対応している。コンデンサブリッジを用いる代わりに、スイッチドキャパシタ回路や駆動時に使用している第一電極４１への印加波形に高周波を重畳させる方法を用いてもよい。

本実施形態では、振動基板３０が２枚の第二電極すなわち第二電極３１と第二電極３２を有する。第一電極４１と第二電極３１の対向部分の静電容量および第一電極４１と第二電極３２の対向部分の静電容量は、移動体４０の移動に伴って、一方が増加し、他方が減少する。また両者の変化量は等しい。従って、本実施形態の慣性駆動アクチュエータは、振動基板３０が１枚の第二電極だけを有するものと比べると、２倍の感度を有する。これは、裏を返せば、２倍の分解能を有することを意味する。従って、移動体４０の位置がさらに高い精度で検出される。

また、本実施形態の慣性駆動アクチュエータにおいて、位置検出の分解能を、振動基板３０が１枚の第二電極だけを有するものと同程度に抑えるならば、第二電極３１，３２の幅（移動体４０の移動方向に垂直な直線に沿った寸法）は半分であってよい。その分、慣性駆動アクチュエータの細径化（小型化）を図ることができる。

［第一変形例］
本実施形態の第一変形例による慣性駆動アクチュエータの構成を図６に示す。図中、図３と同一の参照符号を付した部材は同様の部材を意味する。この変形例では、信号発生回路８２を用いず、摩擦力制御手段７０が信号発生回路８２の役割を兼用する。つまり、移動体４０の位置を検出する工程において、摩擦力制御手段７０が位置検出のための信号を生成して第一電極４１へ印加する。この変形例によれば、信号発生回路８２がなくなり、構成が簡単になる。この変形例では、摩擦力制御手段７０が位置検出手段の一部を兼ねていると言える。

［第二変形例］
図４において、第二電極３１，３２に印加する電圧は一定の電圧であり、その極性は変わらない。このため第二電極３１，３２の上に形成された絶縁膜３５が帯電してしまう可能性がある。絶縁膜３５の帯電が振動基板３０と移動体４０との間に作用する静電吸着力を弱め、移動体４０の慣性に逆らって移動体４０を振動基板３０と一緒に移動させるに十分な摩擦力が振動基板３０と移動体４０との間に生じなくなるおそれがある。

本実施形態の第二変形例による慣性駆動アクチュエータの駆動と検出のタイミングチャートを図７に示す。この変形例では、図７に示すように、摩擦力制御手段７０は、移動体４０を移動させる工程のたびに、第二電極３１，３２に印加する電圧の極性を反転させるとともに、第一電極４１に印加する矩形波形の電圧の極性を反転させる。このような電圧印加により、絶縁膜３５の帯電が防止される。その結果、慣性駆動アクチュエータの駆動がさらに安定する。つまり、移動体４０がさらに安定した一定距離の単位で移動される。

［第三変形例］
本実施形態の第三変形例による慣性駆動アクチュエータの構成を図８に示す。図中、図３と同一の参照符号を付した部材は同様の部材を意味する。この変形例では、図８に示すように、移動体４０Ａは導電性と磁性を有する材料で構成され、移動体４０Ａそのものがこれまでに説明した第一電極４１として機能する。

この変形例では、移動体４０Ａは構成が簡単であり、小型化が容易である。

［第四変形例］
本実施形態の第四変形例による慣性駆動アクチュエータの構成を図９に示す。図中、図３と同一の参照符号を付した部材は同様の部材を意味する。この変形例では、図９に示すように、振動基板３０は第二電極３１Ａと第二電極３２Ａとを有する。第二電極３１Ａ，３２Ａは全体として振動基板３０の移動方向に平行な直線に沿って延びている。第二電極３１Ａ，３２Ａは間隔を置いて互いに隣接して位置し、その間隔は振動基板３０の移動方向に対して斜めに延びている。第二電極３１Ａは、振動基板３０の左側から右側に向かうにつれて、移動体４０の移動方向に垂直な直線に沿った寸法が連続的に減少し、反対に第二電極３２Ａは、振動基板３０の左側から右側に向かうにつれて、移動体４０の移動方向に垂直な直線に沿った寸法が連続的に増加する。従って、第一電極４１と第二電極３１Ａの対向部分および第一電極４１と第二電極３２Ａの対向部分は、移動体４０の移動に伴って、その移動方向に垂直な直線に沿った寸法が変化する。

この変形例では、移動体４０の移動方向に平行な直線に沿った移動体４０の寸法によらず、第一電極４１は常に第二電極３１Ａと第二電極３２Ａの両方と対向する。つまり移動体４０はその移動方向に平行な直線に沿った寸法に制限がない。従って移動体４０のその寸法を低減することにより移動体４０が小型化や軽量化される。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

本発明の第一実施形態による慣性駆動アクチュエータの構成を示している。 図１の慣性駆動アクチュエータにおける駆動と位置検出のタイミングチャートを示している。 本発明の第二実施形態による慣性駆動アクチュエータの構成を示している。 図３の慣性駆動アクチュエータにおける駆動と検出のタイミングチャートを示している。 位置検出回路内の静電容量を検出する回路例を示している。 第二実施形態の第一変形例による慣性駆動アクチュエータの構成を示している。 第二実施形態の第二変形例による慣性駆動アクチュエータにおける駆動と位置検出のタイミングチャートを示している。 第二実施形態の第三変形例による慣性駆動アクチュエータの構成を示している。 第二実施形態の第四変形例による慣性駆動アクチュエータの構成を示している。 従来の位置検出機能を有する慣性駆動アクチュエータの構成を示している。

符号の説明

１０…固定部材、２０…圧電素子、３０…振動基板、３１，３１Ａ…第二電極、３２，３２Ａ…第二電極、３５…絶縁膜、４０，４０Ａ…移動体、４１…第一電極、５０…永久磁石、６０…圧電素子駆動手段、７０…摩擦力制御手段、８０…位置検出手段、８１…位置検出回路、８２…信号発生回路。

Claims (1)

1. 固定部材と、
   前記固定部材上に配置された振動基板と、
   前記固定部材に対して前記振動基板を直線的に往復移動させる移動手段と、
   前記振動基板上のみに配置された、前記振動基板の往復移動に対して慣性により前記振動基板に対して移動する移動体と、
   前記振動基板と対向する前記移動体の面に設けられた第一電極と、
   前記移動体と対向する前記振動基板の面に設けられた、前記第一電極との対向面積が前記移動体の移動に伴って連続的に変化する第二電極と、
   前記第一電極と前記第二電極との間に介在する絶縁膜と、
   前記第一電極と前記第二電極との間に電圧を印加して両者間に静電気力を作用させることにより前記振動基板と前記移動体との間に生じる摩擦力を制御する摩擦力制御手段と、
   前記第一電極と前記第二電極の対向部分の静電容量に基づいて前記振動基板に対する前記移動体の位置を検出する位置検出手段とを備えており、
   前記摩擦力制御手段は、前記位置検出手段が前記移動体の位置を検出する間、前記第一電極へ位置検出のための電圧を印加するとともに、前記第二電極への電圧の印加を停止することを特徴とする慣性駆動アクチュエータ。

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