JPH0284085A - 圧電モータおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば半導体製造装置や生物細胞操作用の
マイクロマニピュレータ、光学装置の光路制御等の微動
回転を必要とする装置の回転駆動部に適用される圧電モ
ータおよびその駆動方法に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、例えば半導体製造装置の位置決めや光学装置の光
路制御等においては高精度な回転機構が要求されており
、それに伴い、モータと減速機を用いた従来の回転機構
にかわるものとして、圧電素子を用いた回転微動機構の
研究が行われている。

圧電素子を用いた駆動機構には種々の方法があるが、精
度を得ながら回転のような大ストロークの移動を行なう
には、尺取虫形の機構が適している。

第１４図は例えば特開昭６０−１１８０７２号に示され
た回転微動機構の構成を示し、第１４図（ａｌはその上
面図、第１４図中）はその断面図である０図において、
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは駆動用圧電素子であ
り、それらの一端は固定部２６ａ。

２６ｂに、もう一端は可動部２１ａ、２１ｂに固定され
ており、可動部２１ａ、２１ｂはヒンジ部を中心に回転
状に微小変形できる。２９は前記ヒンジ部状に設けられ
たピボット軸受であり、回転板２４はこのピボットを中
心に回転できる。２３ｅ、２３１は固定用圧電素子であ
り、可動部２１ａ、２１ｂ上に固定されて伸縮により回
転板２４を拘束解放する構造になっている。

次に動作について説明する。まず固定用圧電素子２３１
３を縮長して回転板２４を可動部２１ａに拘束し、次に
駆動用圧電素子の２３ａを伸長、２３ｂを縮長すれば、
可動部２１ａ及びこれに拘束された回転板２４は矢印の
方向に回転する。こののち固定用圧電素子２３１３を伸
長して回転板４を解放し、駆動用圧電素子の２３ａを縮
長、２３ｂを伸長すれば可動部２１は元の位置に復帰で
きる。

以上の動作をくり返すことにより回転部に大角度の回転
を与えることが可能である。又、回転板の反対側に設け
た駆動用圧電素子２３ｃ、２３ｄと固定用圧電素子２３
ｆ及び可動部２１ｂも前記部分と同様の動作を行なうの
で、１組の装置を交互に動作させることにより回転板の
拘束を失うことなく、回転動作を行なうことが可能とな
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の圧電モータは以上のように構成され、尺取虫形の
回転微動機構は回転方向の尺取虫運動と回転部の固定を
別の圧電素子により行なうため、使用する圧電素子の数
が多くなるうえに、回転する部分の変形が必要なため、
圧電素子自体及びその支持、変位の伝達に伴う機構によ
り装置が複雑。

大型化するという問題点があり、小型の光学装置やマイ
クロマニピュレータ等、小型の駆動装置が要求される分
野に駆動用モータとして使用するのは難しいという問題
点があった。

こｐ発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、小型で高精度な回転微動能力を持った圧電モ
ータを得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の第１の発明に係る圧電モータは、回転軸ある
いは回転筒と、それぞれ該回転軸外周あるいは回転筒内
に配置され軸の半径方向に伸縮する一対の圧電素子ある
いは圧電積層体を有する１つあるいは複数の剛性の大き
い剛体部と、該剛体部を固定部に固定する剛性の小さい
ばね部とからなり、上記一対の圧電素子あるいは圧電積
層体の一方は上記ば、ね部を伸縮させるために伸縮し、
上記一対の他方は上記ばね部が復元する時のみに上記回
転軸外周あるいは回転筒内周に当接して回動力を該回転
軸あるいは回転筒に伝えるために伸縮するようにしたも
のである。

また、この発明の第２の発明に係る圧電モータの駆動方
法は、上記第１の発明の圧電モータを駆動する方法であ
って、上記一対の圧電素子あるいは圧電積層体のうちの
一方による上記回転部への当接から他方による上記回転
部への当接への移行時に、上記ばね部を伸縮させるため
に伸縮する一方を縮長させつつ上記ばね部が復元する時
のみに上記回転部に当接して回動力を該回転部に伝える
他方を伸長させるようにしたものである。

また、この発明の第３の発明に係る圧電モータは、上記
第１の発明の圧電モータにおいて、上記回転軸あるいは
回転筒を支持する軸受として、回転中心軸の平行移動が
可能な軸受を使用し、上記複数の剛体部に設けられた圧
電素子あるいは圧電積層体を伸長することにより、上記
回転軸あるいは回転筒の中心が移動する機能を加えたも
のである。

〔作用〕

この発明の第１の発明においては、駆動力としてばねを
用い、隣接する圧電素子あるいは圧電積層体の一方を上
記ばね部を伸縮させるために、他方を上記ばね部が復元
する際に回転軸外周あるいは回転筒内周に当接して回動
力を伝えるために用いる構成としたから、従来の圧電素
子を利用した回転微動装置で用いられていた回転部を固
定する圧電素子を省略でき、また回転部分が変形しない
ため、小型で構造が単純な回転微動を行なえる圧電モー
タが得られる。

また、この発明の第２の発明においては、上記一対の圧
電素子あるいは圧電積層体の一方による上記回転部への
当接から他方による上記回転部への当接への移行時に、
一方の縮長と他方の伸長を連動させて動作するようにし
たから、軸の表面にすべりを生じることを抑えることが
でき、モータの特性、信げ性を向上できる。

また、この発明の第３の発明においては、第１の発明の
圧電モータの回転軸あるいは回転筒を支持する軸受とし
て、回転中心軸の平行移動が可能な軸受を使用し、圧電
素子あるいは圧電積層体を伸長することにより、回転軸
あるいは回転筒の中心を移動できる構成としたから、高
精度な回転に加えて高精度な直動を行なうことが可能と
なる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明の第１の発明の一実施例による圧電モー
タの構成を示す図、第２図は第１図に示す実施例の動作
原理を示す図であり、図においてｌａ、ｌｂは剛体部、
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄはばね部、３ａ、３ｂ、３ｃ、
３ｄは圧電素子、４は回転軸である。

次に動作について説明する。

第２図（ａ）の状態では４つの圧電素子３ａ、３ｂ。

３ｃ、３ｄは縮長しており、回転軸４とは離れているか
軽く接触している６次に圧電素子３ａ、３Ｃを伸長すれ
ば、剛体部１ａ、ｌｂは圧電素子３ａ、３ｃの変位によ
り上下方向に移動するとともにその発生力よりばね部２
ｂ、２ｄを伸ばして第２図（ｂ）に示す状態となり、こ
の時剛体部１ａ、１ｂの変位に伴って圧電素子３ｂ、３
ｄは上下に変位する０次に圧電素子３ｂ、３ｄを伸長し
て回転軸を拘束すれば第２図（Ｃ１に示す状態になるが
、この時圧電素子３ｂ、３ｄの回転軸４上の円周面の位
置は第２図（ａ）の状態に比べて回転変位している。

ここで圧電素子３ａ、３ｃを縮長すれば剛体部１ａ、ｌ
ｂの上下方向の拘束は解放され、ばね部２ｂ、２ｄが縮
むとともに回転軸４が矢印の方向に回転して第２図（ｄ
）の状態になる。こののち圧電素子３ａ、３ｃを中立位
置に戻すことにより１サイクルが完了する０以上に述べ
た圧電素子３ａ、３Ｃと３ｂ、３ｄの伸縮のパターンを
第３図に示す。

以上の動作を繰り返すことにより大角度さらに多回転の
回転が可能であり、また以上の動作における圧電素子３
ａ、３ｃと３ｂ、３ｄをいれかえて動作させることによ
り逆方向に回転することもできる。

以上に述べた説明は、本発明による圧電モータの基本的
な動作を示したものであるが、上述のパターンには、軸
と圧電素子接触部に大きな摩擦を伴う部分がある。第３
図における（ｂｌ〜（Ｃ）および＜ｃ＞〜（ｄｌの区間
がそれに相当し、一方の圧電素子が伸長した状態でもう
一方の圧ｉＩ素子が伸縮するときにすべりが発生し、摩
擦により軸の回転量や回転トルクが減少し、また軸の摩
耗がおきる。

このすべりをなくすには軸回周上での接触点間の距離が
変化せずに剛体部が移動するような動作パターンを与え
ればよい。第４図は本発明の第２の発明の一実施例によ
る圧電モータの駆動方法の動作パターンを示す図である
。この図に示すように、本実施例では第２図（ｂｌより
（ｄｌへ移行するのに、圧電素子３ａ、３ｃを縮長させ
つつ圧電素子３ｂ。

３ｄを伸長させるように駆動している。このためこの区
間では圧電素子と回転軸との接触点にすべりは生じない
、また第２図（ｄｌから第２図（ａ）への移行時にはす
べりが生ずるが、このときの押付力は０でありトルクの
減少、軸の摩耗は生じない。

第５図は第１図に示す実施例による圧電モータの具体的
な構成の一例を示す図であり、図において、１は駆動板
、３は圧電素子、５は圧電素子と駆動板内壁に圧縮固定
する圧縮ねしであり、駆動板１は固定板７を介して、固
定ねじ８により固定部６に取り付けられている。固定板
７及び固定部６には回転軸４支持のため軸受が設けられ
ている。

第６図は第５図の駆動板１の構造を示す図であり、図に
示すように駆動板ｌは剛体部１１ａ、１１ｂとばね部１
２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ及び固定部６による支持
のための支持部１３ａ、１３ｂが一体となった構造であ
る。それぞれの剛体１１ａ、ｌｌｂには圧電素子を収納
するための座が２つ設けられており、座の部分の駆動板
内周の厚みは圧電素子の伸長を妨げないよう薄肉となっ
ている。またばね部１２　ａ、　　１２　ｂ、　　１２
　ｃ、　　１２ｄは長方形断面の梁の曲げ変形を利用し
たもので、特定の断面形状を与えることにより第２図に
示すように剛体部が平行移動するような変形を行なうよ
う工夫しである。

第７図〜第１１図はそれぞれこの発明の他の実施例を示
す図であり、これら図において、第１図と同一符号は同
一または相当部分である。

第７図に示す実施例は第１図の実施例において対向する
圧電素子の片側を省略した場合で、本発明による圧電モ
ータのうちで最小構成のものを構成できる。また第８図
は圧電素子が３組の構成を示したものであり、このよう
に使用される圧電素子の組の数が異なっても同様の効果
がある。

また第９図、第１０図に示すように、ばね部に相当する
部分の形状を変更しても同様の効果があることは言うま
でもなく、また第１１図に示すように、円筒１４の内面
を駆動する形式にすることもできる。

さらに上述の実施例では回転軸４及び円筒１４が回転す
るものとして説明したが、軸４あるいは円筒１４側を固
定して駆動板１側を回転させることができるのは言うま
でもない。

ところで、半導体製造装置等の精密位置決め装置では、
高精度な回転に加えて高精度な直動を要求される場合が
多い、この直動運動は粗動用のＸＹ子テーブル圧電素子
等の微動用アクチュエータを組合わせて実現されるが、
これに回転機構を加えると装置がさらに大型・複雑にな
るという問題点があった。

第１２図は本発明の第３の発明の一実施例による圧電モ
ータの構成を示す図、第１３図は第１２図に示す実施例
の動作原理を示す図であり、図において、第１図、第５
図と同一符号は同−又は相当部分であり、９は軸受、１
０は軸受９を固定部６に保持する弾性支持棒である。

次に動作について説明する。

第１３図（ａ）の状態では４つの圧電素子３ａ、３ｂ、
３ｃ、３ｄは縮長しており、回転軸４とは離れているか
、軽く接触している０次に（ｂ）の状態のように、圧電
素子３ａを伸長すれば、回転軸４の軸受９が弾性支持に
なっているため、回転軸４は圧電素子４に押されて下に
移動する。同様に圧電素子３ｂ、３ｃ、３ｄを伸長した
場合もそれぞれの方向に回転軸４は移動するので、圧電
素子３ａ。

３ｂ、３ｃ、３ｄを操作することにより回転軸の中心の
位置を操作できる。なお、回転軸４が移動するときに傾
かないようにするため、圧電素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３
ｄが作用する力が二つの軸受に等しく作用するよう、軸
受の位置と弾性支持棒のばね定数は調整しである。

このように本実施例では、回転軸を支持する軸受９を、
回転中心軸の平行移動を可能とするように固定部６に弾
性支持棒１０で保持した構成としたから、剛体部に設け
られた圧電素子の中で、回転中心軸を中心に対向して配
置した圧電素子を差動で伸縮することにより、圧電素子
の動きにつれて回転中心軸を平行移動することができる
。従って本実施例による圧電モータを用いることにより
、高精度な回転に加えて高精度な直動を行なうことが可
能な半導体製造装置等の精密位置決め装置を極めて小型
化できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明の第１の発明によれば圧電モー
タにおいて、駆動力としてばねを用い、隣接する圧電素
子あるいは圧電積層体の一方を上記ばね部を伸縮させる
ために、他方を上記ばね部が復元する際に回転軸外周あ
るいは回転筒内周に当接して回動力を伝えるために用い
る構成としたから、従来の圧電素子を利用した回転微動
装置で用いられていた回転部を固定する圧電素子を省略
でき、また回転する部分の変形がないので、小型で構造
が単純な、回転微動を行なえる圧電モータが得られる効
果がある。

また、この発明の第２の発明によれば上記第１の発明に
よる圧電モータを駆動する圧電モータの駆動方法におい
て、一対の圧電素子あるいは圧電積層体の一方による上
記回転部への当接から他方による上記回転部への当接へ
の移行時に、一方の縮長と他方の伸長を連動させるよう
にしたから、軸のまわりに発生するすべりをなくするこ
とができ、モータの特性を向上できる効果がある。

また、この発明の第３の発明によれば上記第１の発明と
同様の基本構成を有する圧電モータにおいて、回転軸あ
るいは回転筒を支持する軸受に、回転中心軸の平行移動
が可能な軸受を使用したから、剛体部に設けられた圧電
素子を伸長することにより、回転軸の中心を移動するこ
とができ、このためこの圧電モータを用いることにより
、高精度な回転に加えて高精度な直動を行なうことが可
能な半導体製造装置等の精密位置決め装置を極めて小型
化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の発明の一実施例による圧電モ
ータの基本構成を示す図、第２図は第１図の実施例の基
本動作を説明するための図、第３図は第２図に示す基本
動作における圧電素子の動作パターンの一例を示す図、
第４図は本発明の第２の発明の一実施例による圧電モー
タの駆動方法における圧電素子の動作パターンを示す図
、第５図は第１図の圧電モータの具体的構成を示す図、
第６図は第５図の駆動板の構成を示す図、第７図〜第１
１図は本発明の第１の発明の他の実施例を示す図、第１
２図は本発明の第３の発明の一実施例による圧電モータ
の構成を示す図、第１３図は第１２図の実施例の動作を
示す図、第１４図は従来の回転微動機構を示す図である
。 １は駆動板、１ａは第１の剛体部、１ｂは第２の剛体部
、２ａ〜２ｄは第１〜第４のばね部、３は圧電素子、４
は回転軸、５は圧縮ねじ、６は固定部、７は固定板、８
は固定ねじ、９は軸受、１０は弾性支持棒。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　回転軸あるいは回転筒と、 それぞれ該回転軸外周あるいは回転筒内周に配置され軸
   の半径方向に伸縮する一対の圧電素子あるいは圧電積層
   体を有する１つあるいは複数の剛性の大きい剛体部と、 該剛体部を固定部に固定する剛性の小さいばね部とから
   なる圧電モータであって、 上記一対の圧電素子あるいは圧電積層体の一方は上記ば
   ね部を伸縮させるために伸縮するものであり、上記一対
   の他方は上記ばね部が復元する時のみに上記回転軸外周
   あるいは回転筒内周に当接して回動力を該回転軸あるい
   は回転筒に伝えるために伸縮するものであることを特徴
   とする圧電モータ。
2. （２）　請求項１記載の圧電モータを駆動する圧電モー
   タの駆動方法であって、上記一対の圧電素子あるいは圧
   電積層体のうち一方による上記回転部への当接から他方
   による上記回転部への当接への移行時に、上記ばね部を
   伸縮させるために伸縮する一方を縮長させつつ上記ばね
   部が復元する時のみに上記回転部に当接して回動力を回
   転部に伝える他方を伸長させることを特徴とする圧電モ
   ータの駆動方法。
3. （３）　請求項１記載の上記圧電モータにおいて、上記
   回転軸あるいは回転筒を支持する、回転中心軸の平行移
   動が可能な軸受を備え、 上記の複数の剛体部に設けられた圧電素子あるいは圧電
   積層体を伸長することにより、上記回転軸あるいは回転
   筒の中心が移動することを特徴とする圧電モータ。