JP2001298970A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リニアモータや回転テーブル、Ｘ−Ｙテーブ
ル等の駆動装置として好適に用いられる圧電アクチュエ
ータを提供する。 【解決手段】 圧電アクチュエータ１は、ステージ（被
搬送体）２３を支持し、ガイドレール２１を跨いで位置
する第１部分および第２部分とを有する支持部材２２
と、第１部分および第２部分の各部において、ガイドレ
ール２１の長さ方向（Ｘ軸方向）において支持部材２２
を挟持するように配設される第１圧電素子２ａ・２ｂ
と、第１圧電素子２ａ・２ｂを挟持するように配設され
る第２圧電素子３ａ・３ｂとを具備する。第１圧電素子
２ａ・２ｂは、ガイドレール２１の長さ方向に伸縮し、
第２圧電素子３ａ・３ｂは、ガイドレール２１に所定の
圧力で当接されるとともに、ガイドレール２１との離接
方向に伸縮する。圧電アクチュエータ１では、支持部材
２２とガイドレール２１との間の相対的移動が可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リニアモータや回
転テーブル、Ｘ−Ｙテーブル等の駆動装置として好適に
用いられる圧電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電体の厚み−縦変位モード（３３モー
ド）や共振を利用したリニアモータは、従来の電磁モー
タと比較して、機構が簡単であること、停止保持力に優
れること、電磁ノイズが小さいこと等の優れた特徴を有
している。

【０００３】このようなリニアモータとして、例えば、
図８の各図に示すように、２本のレール５０間に挟まれ
るように配置されるリニアアクチュエータ５５が知られ
ている。リニアアクチュエータ５５は、レール５０の長
さ方向に垂直な方向に伸縮する２個の圧電素子５１・５
３の間に、レール５０の長さ方向と伸縮方向が一致する
圧電素子５２が配置されて、一体化された構造を有して
いる。

【０００４】このリニアアクチュエータ５５の駆動メカ
ニズムは、図８に示すように、例えば、レール５０に最
初の圧電素子５１の位置を基準点Ｐとして設定し、圧電
素子５１を伸張させてリニアアクチュエータ５５の位置
を固定し（ａ）、次に圧電素子５２を伸張させて圧電素
子５３を圧電素子５１から遠ざけ（ｂ）、その後に圧電
素子５３を伸張させてリニアアクチュエータ５５の位置
を固定する（ｃ）。続いて圧電素子５１の伸張を解除し
て（ｄ）、さらに圧電素子５２の伸張を解除し（ｅ）、
その後に圧電素子５３の伸張を解除する（ｆ）という動
作を繰り返すことで行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなリニアアクチュエータ５５では、２本のレール５０
間の距離を常に一定としなければ、リニアアクチュエー
タ５５のレール５０との当接圧力が変化して移動速度が
場所によって変化し、また、最悪の場合に移動できずに
停止するといった問題がある。また、用いられている圧
電素子５１〜５３のうちの１個でも故障が生じた場合に
は、駆動が不可能となる問題がある。

【０００６】さらに、リニアアクチュエータ５５が落下
すること等のないように、レール５０には、リニアアク
チュエータ５５が移動するための案内溝等を形成するこ
とが必要となる場合や、移動ステージをリニアアクチュ
エータ５５上に配置した場合には、移動ステージにより
リニアアクチュエータ５５が変形して、駆動特性が変化
するおそれがあり、移動ステージがレール５０に沿って
移動するように、移動ステージおよび／またはレール５
０に案内部を設ける等の必要が生じ、加工費が嵩む等の
問題が生ずることも考えられる。

【０００７】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、その目的とするところの１
つは、例えば、１本のレールに沿って移動することが可
能な構造とすることにより、アクチュエータとレール間
の当接圧力の調整を容易とし、また、１個のアクチュエ
ータが使用不可能となった場合でも継続して運転が可能
であり、さらに、移動ステージやレール形状に特別な形
状加工を必要としない安価な圧電アクチュエータを提供
することにある。

【０００８】また、本発明の別の目的は、１方向移動に
限定されず、一平面内で所定の角度で交差する２方向へ
の移動、さらにこのような２方向への移動を組み合わせ
ることで平面内の任意位置への移動を可能ならしめ、さ
らに圧電素子の駆動形態を制御することによって回転移
動を可能とすることにより、Ｘ−Ｙステージや回転ステ
ージとして用いることができる圧電アクチュエータを提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、第１の圧電アクチュエータとして、被搬送体を支持
し、ガイドレールを跨いで位置する第１部分および第２
部分とを有する支持部材と、前記第１部分および第２部
分の各部において、前記ガイドレールの長さ方向におい
て、前記支持部材を挟持するように配設される第１圧電
素子と、前記第１圧電素子を挟持するように配設される
第２圧電素子と、を具備し、前記第１圧電素子は、前記
ガイドレールの長さ方向に伸縮し、前記第２圧電素子
は、前記ガイドレールに所定の圧力で当接されるととも
に、前記ガイドレールとの離接方向に伸縮し、前記支持
部材と前記ガイドレールとの間の相対的移動が可能であ
ることを特徴とする圧電アクチュエータ、が提供され
る。

【００１０】また、本発明によれば、第２の圧電アクチ
ュエータとして、所定の角度で交差する２方向の各方向
において、伸縮方向が当該方向と一致するように２個ず
つ配設される第１圧電素子と、前記第１圧電素子の中央
に配置され、前記第１圧電素子の一方の伸縮方向端面が
接合される連結部材と、前記各第１圧電素子の他方の伸
縮方向端面に接合される第２圧電素子と、減摩材を介し
て前記第２圧電素子に荷重が掛かるように配設される重
量体と、を具備し、前記第２圧電素子は、前記重量体か
らの加重印加方向に伸縮し、前記連結部材が、前記重量
体または前記第２圧電素子の接地面に連結されて、前記
重量体と前記接地面との間の相対的移動が可能であるこ
とを特徴とする圧電アクチュエータ、が提供される。

【００１１】この第２の圧電アクチュエータは、連結部
材を重量物と連結せずに、圧電アクチュエータが配設さ
れる接地面、例えば、台と連結して構成することもでき
る。すなわち、本発明によれば、第３のアクチュエータ
として、所定の角度で交差する２方向の各方向におい
て、伸縮方向が当該方向と一致するように２個ずつ配設
される第１圧電素子と、前記第１圧電素子の中央に配置
され、前記第１圧電素子の一方の伸縮方向端面が接合さ
れる連結部材と、前記各第１圧電素子の他方の伸縮方向
端面に接合される第２圧電素子と、前記連結部材と連結
され、減摩材を介して前記第２圧電素子が接地される台
部と、前記第２圧電素子に荷重が掛かるように配設され
る可動な重量体と、を具備し、前記第２圧電素子は、前
記重量体からの加重印加方向に伸縮することを特徴とす
る圧電アクチュエータ、もまた提供される。

【００１２】ここで、第２および第３の圧電アクチュエ
ータにおいては、所定の角度で交差する２方向を、直交
する２方向とすることが好ましい。また、本発明の第１
〜第３の圧電アクチュエータにおいては、各種の圧電素
子として積層型圧電素子が好適に用いられる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、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が、本発明が以下の実
施の形態に限定されるものでないことはいうまでもな
い。本発明の圧電アクチュエータは、圧電体の厚み−縦
変位（３３モード変位）を利用した圧電素子を複数組み
合わせて、所定の運動を行わせるものである。使用され
る圧電体の材料（圧電セラミックス、高分子圧電体、単
結晶圧電体等）や形態（板状、ブロック状等、単板、積
層体等）に限定はないが、例えば、圧電定数ｄ_３３が５
００×１０^−１２ｍ／Ｖのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）系圧電セラミックスからなる厚みが１０ｍｍの圧電
体ブロックを１０μｍ変位させようとすると、２０００
０Ｖもの電圧が必要となる。このことは、本発明の圧電
アクチュエータの動作原理上は何ら問題とはならない
が、実用的とは言い難い。

【００１４】そこで、本発明の圧電アクチュエータにお
いては、圧電セラミックスを用い、その圧電体の厚み−
縦変位モード（３３モード）を用いた圧電素子として公
知である、図７（ａ）に示すような、一層の圧電体９５
の厚みを薄くして、内部電極９６と交互に幾層にも重ね
た、いわゆる積層型圧電素子９７ａが好適に用いられ
る。内部電極９６は交互に外部電極９８と接続されて一
対とされ、分極と駆動を兼ねて用いられる。

【００１５】積層型圧電素子９７ａにおいて、１層の圧
電体９５の厚みを、例えば１００μｍとして１００層に
積層すると、内部電極は２〜３μｍ程度と薄く形成でき
ることから、全体的に約１０ｍｍの厚みとなり、この場
合、２００Ｖの電圧で１０μｍの変位を得ることが可能
となる。

【００１６】なお、図７（ａ）に示した積層型圧電素子
９７ａは、一般的に積層コンデンサ型と呼ばれるもので
あるが、この他に、図７（ｂ）に示すように、全ての内
部電極９６を素子側面に露出させるとともに、一層おき
に絶縁層９９を形成して、一層おきに内部電極９６が外
部電極９８に接続された全面電極型と呼ばれる積層型圧
電素子９７ｂや、図７（ｃ）に示すように、圧電体９５
の積層方向において内部電極９６が重畳しない部分に応
力緩和層９４を形成したスリット型と呼ばれる積層型圧
電素子９７ｃ等が知られており、本発明において、好適
に使用される積層型圧電素子の形態に限定はない。

【００１７】次に、上述した圧電素子を用いた本発明の
第１の圧電アクチュエータの構造について説明する。図
１（ａ）は、圧電アクチュエータ１の側面図を示し、図
１（ｂ）は平面図を示している。図１に示されるよう
に、断面略４角形のガイドレール２１には、コの字型の
支持部材２２が跨設されており、支持部材２２の上部に
は被搬送体としてのステージ２３が配設されている。な
お、図１（ｂ）においては、ステージ２３およびベアリ
ング２４は記載を省略している。

【００１８】ここで、ガイドレール２１の長さ方向をＸ
軸方向、側面方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とす
ると、支持部材２２はＺ軸方向の上からガイドレール２
１を跨ぐように配設されているため、落下することはな
く、支持部材２２はレール２１の長さ方向に沿って移動
できるように可動な状態にある。

【００１９】支持部材２２の形状は、コの字型に限定さ
れるものではなく、跨設方向もＺ軸方向に限定されるも
のではない。例えば、図２（ａ）は、図１記載のコの字
型の支持部材２２をＹ軸方向からガイドレール２１を跨
ぐように配設した場合を示しており、図２（ｂ）に示す
ように、ガイドレール２１が貫通するような中空状の支
持部材２２ａを用いることや、図２（ｃ）に示すよう
に、ガイドレール２１に懸垂した形態をとる支持部材２
２ｂ等を用いることもできる。

【００２０】このように、支持部材２２は、ガイドレー
ル２１を跨いで位置する第１部分および第２部分とを有
していればよく、圧電アクチュエータ１では、ガイドレ
ール２１の側面（Ｙ軸方向側面）に位置する支持部材２
２の各部位が、この第１部分および第２部分に該当す
る。後述するように、この第１部分と第２部分に圧電素
子が配設される。なお、図２（ａ）の例では、支持部材
２２がガイドレール２１から外れることのないように、
案内機構を設けることが好ましい。

【００２１】ステージ２３は、ベアリング２４を介して
ガイドレール２１上に配置されており、ステージ２３の
荷重がベアリング２４を介してガイドレール２１に掛か
るようになっている。ベアリング２４はステージ２３側
に固定されており、ベアリング２４は減摩材として機能
することから、ベアリング２４によってステージ２３の
ガイドレール２１に沿った移動は妨げられることはな
い。

【００２２】一方で、ベアリング２４を用いることな
く、ステージ２３の荷重が支持部材２２を通してガイド
レール２１の上面に掛かるようにしても構わない。但
し、支持部材２２を介してガイドレール２１に掛かるス
テージ２３の荷重により、特に、圧電アクチュエータ１
を構成する第１圧電素子２ａ・２ｂの変位が妨げられる
ことのないようにする必要がある。なお、ベアリング２
４に代わる減摩材として、タルク（滑石、ろう石）、セ
リサイト（雲母）、カーボン、窒化ホウ素、フッ素樹脂
等を用いることもできる。

【００２３】ガイドレール２１の各側面（Ｙ軸方向側
面）においては、２個の第１圧電素子２ａ・２ｂが、支
持部材２２を挟持するように配設され、さらに、２個の
第２圧電素子３ａ・３ｂが、これら第１圧電素子２ａ・
２ｂを挟持するように配設されている。こうして、合計
４個の第１圧電素子２ａ・２ｂと４個の第２圧電素子３
ａ・３ｂが、ガイドレール２１を対称軸として略線対称
な形態を取るように配置される。第１圧電素子２ａ・２
ｂは、ガイドレール２１の長さ方向（Ｘ軸方向）、つま
り、第１圧電素子２ａ・２ｂが支持部材２２を挟持する
方向に伸縮し、また、第２圧電素子３ａ・３ｂは、ガイ
ドレール２１との離接方向（Ｙ軸方向）に伸縮する。

【００２４】支持部材２２と第１圧電素子２ａ・２ｂと
の間の接合および第１圧電素子２ａ・２ｂと第２圧電素
子３ａ・３ｂとの間の接合は、樹脂接着剤等を用いて行
うことができるが、樹脂接着剤としては、第１圧電素子
２ａ・２ｂの変位吸収量が少なく、一方で、第２圧電素
子３ａ・３ｂの伸縮変形によって第１圧電素子２ａ・２
ｂとの間の接合部分が剥離することのないように、適度
な硬度および接着強度を有するものを選択することが好
ましい。

【００２５】第２圧電素子３ａ・３ｂは、ガイドレール
２１の側面に所定の圧力で当接される。こうして、通常
の状態において、第２圧電素子３ａ・３ｂには、所定の
圧縮応力が掛けられた状態となるが、この圧縮応力は、
第２圧電素子３ａ・３ｂに電圧を印加していない状態、
または、第２圧電素子３ａ・３ｂに負の電圧（印加した
電界の向きが第２圧電素子３ａ・３ｂにおける圧電体の
分極の向きと反対となる電圧）を印加して縮ませた状態
において、第２圧電素子３ａ・３ｂがガイドレール２１
の側面を滑って移動することができる程度とする。な
お、第２圧電素子３ａ・３ｂのガイドレール２１側の端
面には、耐摩耗性部材、例えば、アルミナ、ジルコニ
ア、窒化珪素、炭化珪素等の部材を取り付けておくこと
が好ましい。

【００２６】この当接のために、圧電アクチュエータ１
では、コの字型の圧接治具２５ａ・２５ｂを用いて、ガ
イドレール２１を挟んで対向する２個の第２圧電素子３
ａどうし、第２圧電素子３ｂどうしを、ガイドレール２
１の下側空間を利用して、所定の圧力で拘束した構造が
採られている。圧接治具２５ａ・２５ｂと第２圧電素子
３ａ・３ｂとの接合には、前述した樹脂接着剤を用いる
ことができる。

【００２７】第２圧電素子３ａ・３ｂのガイドレール２
１への当接には、例えば、支持部材２２のＹ軸方向側面
にバネ板を接合して、第２圧電素子３ａ・３ｂをガイド
レール２１に圧し付ける方法を用いることもできる。こ
の場合には、ガイドレール２１の下側空間に何ら部材が
配設されないことから、構造が簡単となり、ガイドレー
ル２１が４辺を有する線状であることを要しない。つま
り、３辺を有するレール状の突起部をその長さ方向に移
動するように配設することも可能となる。

【００２８】なお、コの字型の圧接治具２５ａ・２５ｂ
を用いて、第２圧電素子３ａ・３ｂに、所定の圧縮応力
が掛かる状態としたように、第１圧電素子２ａ・２ｂ間
を、同様にコの字型治具を用いて、第１圧電素子２ａ・
２ｂに所定の変位量が得られる範囲内で、所定の圧縮応
力が掛かるように拘束しても構わない。

【００２９】次に、圧電アクチュエータ１の駆動形態に
ついて、図３を参照しながら説明する。図３において、
ガイドレール２１に示された基準点Ｑ１・Ｑ２は、それ
ぞれ最初の第２圧電素子３ａ・３ｂの位置を示してい
る。

【００３０】まず、第２圧電素子３ａがＹ軸方向に伸張
するように電圧を印加して、ガイドレール２１を締め付
け、第２圧電素子３ａを固定する（ステップ１）。この
とき、第１圧電素子２ａ・２ｂには電圧は印加されてい
ない状態とする。また、第２圧電素子３ｂについては、
電圧を印加していない状態、または、ガイドレール２１
への圧縮応力を低減すべくＹ軸方向に縮むように負の電
圧を印加した状態のいずれの状態としても構わない。つ
まり、第２圧電素子３ｂは、次の工程である第１圧電素
子２ａ・２ｂを伸張させたときに、その変位に従ってガ
イドレール２１を移動することができる状態にあればよ
い。

【００３１】次に、第２圧電素子３ａがガイドレール２
１を締め付けて固定された状態で、第１圧電素子２ａ・
２ｂに、Ｘ軸方向に伸張するように電圧を印加する（ス
テップ２）。こうして第２圧電素子３ｂは、第１圧電素
子２ａ・２ｂの合計変位量ほどＸ軸方向へ移動すること
となる。続いて、第２圧電素子３ｂにＹ軸方向に伸張す
るように電圧を印加してガイドレール２１を締め付け、
第２圧電素子３ｂの位置を固定する（ステップ３）。

【００３２】その後、第２圧電素子３ａをＹ軸方向に縮
ませる（ステップ４）。このステップ４では、第２圧電
素子３ａに印加されていた電圧を０Ｖとして元の状態に
戻してもよく、また、第２圧電素子３ａに負の電圧を印
加して、最初の状態よりも縮んだ状態としてもよい。

【００３３】こうして、第２圧電素子３ａのガイドレー
ル２１への固定を解除し、第２圧電素子３ａがガイドレ
ール２１に沿って移動が可能な状態とした後に、第１圧
電素子２ａ・２ｂを縮ませる（ステップ５）。このステ
ップ５もまた、第１圧電素子２ａ・２ｂに印加されてい
た電圧を０Ｖとする方法、第１圧電素子２ａ・２ｂに負
の電圧を印加して最初の状態よりも縮んだ状態とする方
法、のいずれの方法を用いて行っても構わない。これに
より、第１圧電素子２ａ・２ｂの合計変位量ほど第２圧
電素子３ａがＸ軸方向へ移動することとなる。

【００３４】続いて、第２圧電素子３ａにＹ軸方向に伸
張するような電圧を印加して、第２圧電素子３ａを再び
ガイドレール２１に固定した後、第２圧電素子３ｂを縮
ませて、第２圧電素子３ｂのガイドレール２１への固定
を解除する（ステップ６）。ステップ６の終了により、
圧電アクチュエータ１は、ステップ１を始める前の状態
へ戻り、以下、ステップ１〜ステップ６を所定回数ほど
繰り返すことにより、圧電アクチュエータ１およびステ
ージ２３を、ガイドレール２１に沿ってＸ軸方向の正の
向きに、所定距離ほど移動させることができる。

【００３５】なお、第２圧電素子３ａ・３ｂの伸縮動作
の順序を逆にすれば、圧電アクチュエータ１をＸ軸方向
の負の向きへ進ませることができることは明らかであ
る。また、上記説明では、ガイドレール２１を固定して
ガイドレール２１の長さ方向に沿って圧電アクチュエー
タ１を移動させる場合について説明したが、逆に、圧電
アクチュエータ１を固定しておいて、ガイドレール２１
を移動させることも可能である。

【００３６】上述した圧電アクチュエータ１の移動は、
第１圧電素子２ａ・２ｂの伸縮形態を制御することによ
り、静的にも動的にも用いることができる。すなわち、
ステージ２３の微小位置決めを行う場合等の静的制御を
行うには、第１圧電素子２ａ・２ｂへの電圧印加を徐々
に行って、その変位量を所定値とし、圧電アクチュエー
タ１の位置を固定すればよい。一方、ステージ２３を搬
送機構等として動的に用いる場合には、第１圧電素子２
ａ・２ｂと第２圧電素子３ａ・３ｂに一定周波数のパル
ス信号を与えることによって上述したステップ１〜ステ
ップ６を繰り返し、その周波数を変えることで移動速度
を変えることができる。当然、このような動的制御と静
的制御とを組み合わせて用いることもできる。

【００３７】ところで、圧電アクチュエータ１では、ガ
イドレール２１の片側に配置された第１・第２圧電素子
２ａ・２ｂ・３ａ・３ｂを用いた場合であっても、ガイ
ドレール２１に沿った移動が可能である。つまり、圧電
アクチュエータ１に使用されている１個の圧電素子に故
障が生じた場合でも、圧電アクチュエータ１の駆動が可
能となる特徴を有する。但し、駆動に使用される第２圧
電素子３ａ・３ｂが、ガイドレール２１に固定されるだ
けの圧力を発生させることができることを条件とする。

【００３８】また、圧電アクチュエータ１の駆動には、
前述した図８に記載のリニアアクチュエータ５５のよう
に２本のレール５０を必要とせず、従って、レール５０
間の距離の調整が不要であり、設置が容易である。ま
た、レール形状についても、断面略４角形等の単純な形
状のものを用いることができ、圧電素子の位置決めのた
めの案内溝等を設ける必要もないことから、設置コスト
の低減を図ることが可能となる。なお、ガイドレール２
１と第２圧電素子３ａ・３ｂとの間に耐摩耗性部材を設
けて、その耐摩耗性部材の形状をガイドレール２１の外
形に合わせることにより、ガイドレール２１として、断
面略円形のパイプを用いることも可能となる。

【００３９】次に、本発明に係る第２の圧電アクチュエ
ータについて、図４を参照しながら説明する。図４
（ａ）は圧電アクチュエータ１０の平面図であり、図４
（ｂ）は図４（ａ）中のＡＡ線における断面図を示して
いる。なお、図４（ａ）中のＢＢ線についての断面図は
図示しないが、図４（ｂ）と同様である。

【００４０】圧電アクチュエータ１０では、互いに直交
する方向であるＸ軸方向とＹ軸方向のそれぞれに、２個
の第１圧電素子１２ａ・１２ｂと別の２個の第１圧電素
子１２ｃ・１２ｄが配設されており、その伸縮方向は、
第１圧電素子１２ａ・１２ｂについてはＸ軸方向に一致
し、第１圧電素子１２ｃ・１２ｄについてはＹ軸方向に
一致する。そして、これら第１圧電素子１２ａ〜１２ｄ
の中央には、１個の連結部材１１が配置され、第１圧電
素子１２ａ〜１２ｄの一方の伸縮方向端面が連結部材１
１に接合されている。

【００４１】第１圧電素子１２ａ〜１２ｄの他方の伸縮
方向端面には、それぞれ第２圧電素子１３ａ〜１３ｄが
接合されている。そして、第２圧電素子１３ａ〜１３ｄ
の上面には、耐摩耗性部材１４ａ〜１４ｄが接合されて
おり、耐摩耗性部材１４ａ〜１４ｄ上には、ベアリング
１５ａ〜１５ｄ（１５ｃ・１５ｄについては図示せ
ず。）を介して、ステージ１６が配置されている。な
お、ベアリング１５ａ〜１５ｄの代わりに、前述した減
摩材を用いることもでき、ベアリング１５ａ〜１５ｄ
は、ステージ１６側に取り付けられる。

【００４２】ステージ１６は連結部材１１とも連結され
ており、後述するように連結部材１１とともに移動す
る。但し、ステージ１６の荷重は連結部材には掛からな
いようにすることが、第２圧電素子１３ａ〜１３ｄの駆
動特性上、好ましい。なお、第２圧電素子１３ａ〜１３
ｄの下面にも、第２圧電素子１３ａ〜１３ｄと接合され
るように、耐摩耗性部材を配置することが好ましく、連
結部材１１と第１圧電素子１２ａ〜１２ｄとの接合、第
１圧電素子１２ａ〜１２ｄと第２圧電素子１３ａ〜１３
ｄとの接合は、前述した圧電アクチュエータ１の場合と
同様に、樹脂接着剤を用いて行うことことができる。

【００４３】ステージ１６の荷重は、ベアリング１５ａ
〜１５ｄと耐摩耗性部材１４ａ〜１４ｄを介して、第２
圧電素子１３ａ〜１３ｄに掛かり、圧電アクチュエータ
１０が置かれている接地面へ第２圧電素子が所定の圧力
で圧し付けられることとなる。ここで、接地面とは、圧
電アクチュエータ１０が載置される除振台等の各種の台
の上面や、装置に形成された平板面等をいう。

【００４４】一方、第２圧電素子１３ａ〜１３ｄの伸縮
方向は、ステージ１６の荷重方向と一致するＺ軸方向と
される。つまり、第２圧電素子１３ａ〜１３ｄは、その
うちの１個の素子が伸張したときに、特に大きな荷重を
ステージ１６から受けて、ステージ１６と接地面との間
での所定位置で固定されることとなる。逆に、第２圧電
素子１３ａ〜１３ｄの中の１個が伸張したときに、その
素子が固定されるように、ステージ１６は、所定の重量
を有する必要がある。

【００４５】次に、圧電アクチュエータ１０の駆動方
法、すなわち、ステージ１６の移動方法について、Ｘ軸
方向の正の向きへの移動を行う場合を例として説明す
る。先ず、第２圧電素子１３ａに所定の電圧を印加して
素子を伸張させることにより、第２圧電素子１３ａがス
テージ１６の重量を支えるとともに、ステージ１６と接
地面との間で固定された状態とする。次に、第１圧電素
子１２ａ・１２ｂに、素子が伸張するように電圧を印加
して変位させて、その変位量ほど第２圧電素子１３ｂを
移動させる。このとき、連結部材１１も移動することか
ら、ステージ１６もともに移動する。また、第１圧電素
子１２ｃ・１２ｄ、第２圧電素子１３ｃ・１３ｄ、耐摩
耗性部材１４ｃ・１４ｄ、ベアリング１５ｃ・１５ｄ
（図示せず。）も連結部材１１とともにＸ軸方向へ平行
移動する。

【００４６】続いて、第２圧電素子１３ｂに電圧を印加
して素子を伸張させ、ステージ１６の加重が第２圧電素
子１３ｂにも掛かるようにした後に、第２圧電素子１３
ａ、第１圧電素子１２ａ・１２ｂ、第２圧電素子１３ｂ
の順序で、素子長を元の長さに戻す。こうして圧電アク
チュエータ１０を、接地面上を第１圧電素子１２ａ・１
２ｂの変位長さだけ自走するようにＸ軸方向の正の向き
へ移動させることができる。上述した動作を繰り返すこ
とにより、Ｘ軸方向に任意長さほど移動させることがで
き、第２圧電素子１３ａ・１３ｂの駆動順序を逆とすれ
ば、圧電アクチュエータ１０を、Ｘ軸方向の負の向きへ
移動させることができる。

【００４７】Ｙ軸方向への圧電アクチュエータ１０の移
動が、第１圧電素子１２ｃ・１２ｄ、第２圧電素子１３
ｃ・１３ｄを用いて、前述したＸ軸方向への移動の場合
と同様に行うことができることは明らかである。従っ
て、圧電アクチュエータ１０は、Ｘ軸方向への移動とＹ
軸方向への移動を組み合わせることにより、Ｘ−Ｙ平面
内の任意の位置へ自走するように、ステージ１６ととも
に移動させることが可能である。

【００４８】上述した圧電アクチュエータ１０について
は、圧電アクチュエータ１０の連結部材１１をステージ
１６に固定せずに、接地面に固定して、ステージ１６の
みを移動させることも可能である。この場合には、接地
面に固定するようにしてベアリングを接地面と第２圧電
素子１３ａ〜１３ｄの間に配置する。このような形態
が、本発明の第３の圧電アクチュエータの一例である。

【００４９】この場合のステージ１６の移動の移動方法
としては、例えば、第２圧電素子１３ｂを伸張させてス
テージ１６を支えた状態で第１圧電素子１２ｂを伸張さ
せると、ステージ１６は第２圧電素子１３ｂとの間を滑
ることなく、Ｘ軸方向に第１圧電素子１２ｂの変位量ほ
ど移動する。その後、第２圧電素子１３ｂでステージ１
６を支えたまま状態で、第１圧電素子１２ａを伸張さ
せ、さらに第２圧電素子１３ａを伸張させる。このとき
には、ステージ１６は移動しない。

【００５０】次に、第２圧電素子１３ｂの変位を元に戻
すと、第２圧電素子１３ａがステージ１６を支えた状態
となり、この状態で、第１圧電素子１２ａと第１圧電素
子１２ｂを元に戻すと、ステージ１６は、第２圧電素子
１３ａに支えられた状態で、第１圧電素子１２ａの変位
量だけＸ軸方向に移動する。こうして、各圧電素子が伸
縮を１回行うことで、第１圧電素子１２ａ・１２ｂの変
位量分ほど、ステージ１６を移動させることが可能とな
る。

【００５１】このような圧電アクチュエータ１０の駆動
には、前述した圧電アクチュエータ１の場合と同様に、
静的駆動および動的駆動のいずれをも行うことが可能で
ある。このような特徴を活かして、圧電アクチュエータ
１０は、精密位置決めが必要とされるＸ−Ｙテーブル等
の駆動機構として、好適に用いられる。

【００５２】さて、上述した圧電アクチュエータ１０を
複数用いることにより、さらに複雑な位置制御を可能と
したＸ−Ｙ自走式テーブルの実現が可能となる。図５
は、８個の圧電アクチュエータ１０（１０ａ〜１０ｈ）
を用いたＸ−Ｙテーブル２０を示している。各圧電アク
チュエータ１０ａ〜１０ｈにおける支持部材は、共通の
ステージ２６に取り付けられており、ステージ２６の４
隅に取り付けられている圧電アクチュエータ１０ａ〜１
０ｄは、前述した圧電アクチュエータ１０の形態と駆動
方法から明らかなように、Ｘ軸方向とＹ軸方向への移動
を可能とするものである。

【００５３】一方、ステージ２６の各辺の中間に位置す
る圧電アクチュエータ１０ｅ〜１０ｈは、圧電アクチュ
エータ１０ｅ〜１０ｈを構成する各第２圧電素子が各第
１圧電素子を挟持する方向がＸ軸方向およびＹ軸方向と
４５°の角度をなす方向（Ｘ１軸方向とＹ１軸方向とす
る。）と一致するように、配設されている。従って、圧
電アクチュエータ１０ｅ〜１０ｈを用いた場合には、Ｘ
−Ｙテーブル２０のＸ１軸方向およびＹ１軸方向への移
動を直接行うことが可能となり、圧電アクチュエータ１
０ａ〜１０ｄの駆動と組み合わせることにより、Ｘ−Ｙ
テーブル２０の任意位置への移動や位置決めを、より迅
速に行うことが可能となる。

【００５４】さらに、例えば、圧電アクチュエータ１０
ａ・１０ｂについてＸ軸方向の正の向きへ移動するよう
に駆動を行い、圧電アクチュエータ１０ｃ・１０ｄにつ
いてＸ軸方向の負の向きへ移動するように駆動を行った
場合には、Ｘ−Ｙテーブル２０を、時計回りの方向へ回
転させることができる。このような回転運動は、圧電ア
クチュエータ１０ａ・１０ｄについてはＹ軸方向の正の
向きへ移動するように、圧電アクチュエータ１０ｂ・１
０ｃについてはＹ軸方向の負の向きへ移動するように駆
動することによっても行うことができる。

【００５５】なお、圧電アクチュエータ１０ｅ〜１０ｈ
を用いて、例えば、圧電アクチュエータ１０ｅ・１０ｆ
をＸ１軸方向の正の向きへ移動するように、圧電アクチ
ュエータ１０ｇ・１０ｈをＸ１軸方向の負の向きへ移動
するように駆動すること等によっても、Ｘ−Ｙテーブル
２０を時計回りに回転させることができ、上述した駆動
方向を反転させることにより、Ｘ−Ｙテーブル２０を反
時計回りへ回転させることも可能である。また、前述し
た圧電アクチュエータ１０について、ステージ１６のみ
を移動させることが可能であったように、Ｘ−Ｙステー
ジ２０において、圧電アクチュエータ１０ａ〜１０ｈを
接地面に固定して、ステージ２６のみを移動させること
も可能である。

【００５６】上述した第２の圧電アクチュエータ１０
は、直交するＸ軸方向とＹ軸方向という２方向に２個ず
つの第１圧電素子１２ａ〜１２ｄを配設し、第１圧電素
子１２ａ〜１２ｄのそれぞれに第２圧電素子１３ａ〜１
３ｄが配設された形態を有していたが、本発明におい
て、第１圧電素子を配設する２方向は、このような直交
する方向に限定されるものではない。

【００５７】例えば、図６に示す圧電アクチュエータ３
０のように、Ｘ軸方向に２個の第１圧電素子３１ａ・３
１ｂをその伸縮方向がＸ軸方向と一致するように配設
し、Ｘ軸方向と６０°の角度で交差する６０°方向に別
の２個の第１圧電素子３１ｃ・３１ｄをその伸縮方向が
６０°方向と一致するように配設し、これら第１圧電素
子３１ａ〜３１ｄの中央に、第１圧電素子３１ａ〜３１
ｄの一方の伸縮方向端面が接合されるように連結部材３
３を配設し、第１圧電素子３１ａ〜３１ｄの他方の伸縮
方向端面に、Ｚ軸方向に伸縮する第２圧電素子３２ａ〜
３２ｄを配設して、第２圧電素子３２ａ〜３２ｄ上に、
耐摩耗性部材３４ａ〜３４ｄとベアリング（図示せ
ず。）を介してステージ３５を載置した構造を取ること
もできる。

【００５８】このような圧電アクチュエータ３０は、Ｙ
軸方向へ移動させるには、６０°方向とＸ軸方向への移
動を組み合わせなければならないが、６０°方向への移
動は、第１圧電素子３１ｃ・３１ｄと第２圧電素子３２
ｃ・３２ｄの駆動のみで行えるようになる。このよう
に、圧電アクチュエータを頻繁に移動させる方向と第１
圧電素子の伸縮方向を一致させることも可能である。

【００５９】さらに、上述した圧電アクチュエータ１０
・３０では、４個の第１圧電素子を用いたが、使用され
る第１圧電素子の数は、一方向に２個ずつ配設される限
りにおいて、限定はない。例えば、連結部材に断面略六
角形のものを用いれば、互いに６０°で交差する３方向
の各方向に２個ずつの第１圧電素子を配設し、第１圧電
素子のそれぞれに第２圧電素子を配設して、第２圧電素
子上にステージを載置した形態とすることも可能であ
る。

【００６０】

【発明の効果】上述したように、本発明の第１の圧電ア
クチュエータは、１本のガイドレールに沿って移動する
ことが可能な構造とすることにより、配設が容易となる
利点を有する。また、１個のアクチュエータが使用不可
能となった場合でも継続して運転が可能であり、さら
に、ステージやレール形状に特別な形状加工を必要とし
ない等の点から、使用寿命が長く、安価に製造すること
ができるという効果を奏する。

【００６１】また、本発明の第２の圧電アクチュエータ
は、一方向移動に限定されず、一平面内で任意の位置に
移動させることを可能とし、また、このような圧電アク
チュエータを複数配設したＸ−Ｙテーブルにおいては、
各圧電アクチュエータにおける圧電素子の駆動形態を制
御することにより、Ｘ−Ｙ平面内での任意位置への移動
のみならず、面内回転運動も可能となる。こうして、第
２の圧電アクチュエータによれば、迅速かつ精密な位置
決めが可能となるという顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電アクチュエータの一実施形態を示
す側面図および平面図。

【図２】支持部材の別の実施形態を示す断面図。

【図３】図１記載の圧電アクチュエータの駆動形態を示
す説明図。

【図４】本発明の圧電アクチュエータの別の実施形態を
示す平面図および断面図。

【図５】図４記載の圧電アクチュエータを用いたＸ−Ｙ
テーブルの一実施形態を示す平面図。

【図６】本発明の圧電アクチュエータのさらに別の実施
形態を示す平面図。

【図７】本発明の圧電アクチュエータに好適に用いられ
る圧電素子の一実施形態を示す断面図。

【図８】従来のリニアモータとその駆動形態を示す説明
図。

【符号の説明】

１・１０・１０ａ〜１０ｈ・３０；圧電アクチュエータ ２ａ・２ｂ・１２ａ〜１２ｄ・３１ａ〜３１ｄ；第１圧
電素子 ３ａ・３ｂ・１３ａ〜１３ｄ・３２ａ〜３２ｄ；第２圧
電素子 １１・３３；連結部材 １４ａ〜１４ｄ・３４ａ〜３４ｄ；耐摩耗性部材 １５ａ・１５ｂ・２４；ベアリング １６・２３・２６・３５；ステージ ２０；Ｘ−Ｙテーブル ２１；ガイドレール ２２；支持部材 ２５；圧接治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿隅 一将 東京都江東区清澄一丁目２番23号 太平洋 セメント株式会社中央研究所内 (72)発明者 加藤 友好 東京都江東区清澄一丁目２番23号 太平洋 セメント株式会社中央研究所内 (72)発明者 片岡 昌子 東京都江東区清澄一丁目２番23号 太平洋 セメント株式会社中央研究所内 (72)発明者 福永 了一 東京都江東区清澄一丁目２番23号 太平洋 セメント株式会社中央研究所内 (72)発明者 関 順子 東京都江東区清澄一丁目２番23号 太平洋 セメント株式会社中央研究所内 Ｆターム(参考） 5H680 AA12 BB13 BC10 DD01 DD23 DD59 DD95 EE01 EE10 FF08 GG02 GG11 GG20 GG42

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被搬送体を支持し、ガイドレールを跨い
   で位置する第１部分および第２部分とを有する支持部材
   と、 前記第１部分および第２部分の各部において、前記ガイ
   ドレールの長さ方向において、前記支持部材を挟持する
   ように配設される第１圧電素子と、 前記第１圧電素子を挟持するように配設される第２圧電
   素子と、を具備し、 前記第１圧電素子は、前記ガイドレールの長さ方向に伸
   縮し、 前記第２圧電素子は、前記ガイドレールに所定の圧力で
   当接されるとともに、前記ガイドレールとの離接方向に
   伸縮し、 前記支持部材と前記ガイドレールとの間の相対的移動が
   可能であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 所定の角度で交差する２方向の各方向に
   おいて、伸縮方向が当該方向と一致するように２個ずつ
   配設される第１圧電素子と、 前記第１圧電素子の中央に配置され、前記第１圧電素子
   の一方の伸縮方向端面が接合される連結部材と、 前記各第１圧電素子の他方の伸縮方向端面に接合される
   第２圧電素子と、 前記連結部材と連結され、減摩材を介して前記第２圧電
   素子に荷重が掛かるように配設される重量体と、を具備
   し、 前記第２圧電素子は、前記重量体からの加重印加方向に
   伸縮することを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 所定の角度で交差する２方向の各方向に
   おいて、伸縮方向が当該方向と一致するように２個ずつ
   配設される第１圧電素子と、 前記第１圧電素子の中央に配置され、前記第１圧電素子
   の一方の伸縮方向端面が接合される連結部材と、 前記各第１圧電素子の他方の伸縮方向端面に接合される
   第２圧電素子と、 前記連結部材と連結され、減摩材を介して前記第２圧電
   素子が接地される台部と、 前記第２圧電素子に荷重が掛かるように配設される可動
   な重量体と、を具備し、 前記第２圧電素子は、前記重量体からの加重印加方向に
   伸縮することを特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記所定の角度が９０°であることを特
   徴とする請求項２または請求項３に記載の圧電アクチュ
   エータ。
5. 【請求項５】 前記圧電素子が、積層型圧電素子である
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項
   に記載の圧電アクチュエータ。