JP4073512B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、圧電素子等の電気機械変換素子を用いた駆動装置に関し、例えば、ＸＹ駆動テーブル、カメラの撮影レンズや走査型トンネル電子顕微鏡のプローブの精密駆動に好適な駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ステッピングモータの代わりに圧電リニアアクチュエータを用いて、サブμｍオーダの高分解能を達成した駆動装置が提案されている。
【０００３】
たとえば、図１（I）の分解斜視図および（II）の組立斜視図に要部を示した駆動装置１１０は、不図示のベースに固定する固定部材１２４と、圧電素子１２２と、固定部材１２４に摺動可能に支持された駆動軸１２６と、不図示の被駆動部材、たとえば部品を載置するステージ等に結合される駆動ユニット１２８とを備える。圧電素子１２２は、電気機械変換素子の一種であって、電圧の印加によって長さが変化する。圧電素子１２２は、その伸縮方向の一方の端面１２２ａが固定部材１２４に固着結合され、その伸縮方向の他方の端面１２２ｂには駆動軸１２６の一方の軸端面１２６ａが固着結合されている。駆動軸１２６には、駆動ユニット１２８が摩擦係合するようになっている。この駆動装置１１０は、圧電素子１２２に、たとえばノコギリ波状の周期的なパルス電圧を加え、駆動軸１２６を軸方向に往復振動させ、駆動ユニット１２８を駆動軸１２６に沿って所定方向に動かすことができるようになっている。
【０００４】
ところで、このような駆動装置１１０では、被駆動部材の移動範囲、すなわち駆動ユニット１２８のストロークを長くしようと思えば、駆動軸１２６を長くする必要がある。しかし、駆動軸１２６を長くすると駆動軸１２６の質量が増し、圧電素子１２２の応答性が落ち、高周波での駆動ができなくなり、結果として被駆動部材の移動速度の低下を招くことになる。したがって、この駆動装置１１０は、被駆動部材の速度を維持したままストロークを長くすることは困難であった。
【０００５】
また、圧電素子の変位そのものを使ったステージも提案されている。しかし、このようなステージは、変位量があまりとれなかった。
【０００６】
一方、駆動装置として自走式圧電リニアアクチュエータ、すなわち図２の模式図に示したインパクト式アクチュエータを用いて、非常に高分解能でストロークの長い駆動装置１００が提案されている。
【０００７】
すなわち、この駆動装置１００は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、不図示の被駆動部材、たとえばステージ等が結合された移動体１０６の一方の端面１０６ａに、圧電素子１０２の伸縮方向の一方の端面１０２ａが固着結合され、圧電素子１０２の伸縮方向の他方の端面１０２ｂには、慣性体１０４が固着結合されいる。そして、動かそうとする主体である移動体１０６は、支持面１０８上に載置され、移動体１０６の底面１０６ａが支持面１０８に摩擦接触して、摩擦力が発生するようになっている。この駆動装置１００は、たとえば図２（Ｄ）に示したノコギリ波状の周期的なパルス電圧８０を圧電素子１０２に加え、圧電素子１０２が緩やかに伸びて、図２（A）の状態から図２（B）の状態に慣性体１０４が動き、次に圧電素子１０２が急速に縮み、慣性体１０４の衝撃で、図２（Ｂ）の状態から図２（Ｃ）の状態に移動体１０６が動くようにして、移動体１０６に結合した被駆動部材を移動する。この駆動装置１００は、移動体１０６が支持面１０８上を移動するので、支持面１０８を長くすれば、原理上は、ストロークをいくらでも長くすることができる。
【０００８】
しかし、この駆動装置１００は、衝撃を大きくして速度を上げるために慣性体１０４を重くすると、圧電素子１０２の応答性が悪くなり、却って速度が低下する。一方、慣性体１０４を軽くして圧電素子１０２の応答性を上げようとすると、衝撃が小さくなり、却って速度が低下する。このように、慣性体１０４の質量の決定は難しい問題であった。そのため、インパクト式アクチュエータを用いた駆動装置１００は、高速化に限界があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、ストロークが長く、かつ、高速駆動が可能な駆動装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明は、以下の駆動装置を提供する。
【００１１】
駆動装置は、ベースと、駆動ユニットと、案内摩擦部材とを備える。上記駆動ユニットは、駆動パルス発生手段に接続されて伸縮する電気機械変換素子と、上記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固着結合された移動体と、上記電気機械変換素子の伸縮方向他端に固着結合され、上記移動体より質量の軽い駆動摩擦部材とを有する。上記案内摩擦部材は、上記ベースに設けられ、上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材を所定の挟持力で挟持して上記駆動ユニットを摩擦結合し、上記駆動ユニットを上記電気機械変換素子の伸縮移動方向に案内する。
【００１２】
上記構成において、駆動ユニットは、電気機械変換素子、たとえば圧電素子の伸縮方向の両端に移動体と駆動摩擦部材とが固着結合されてなる。案内摩擦部材には駆動摩擦部材が摩擦結合し、移動体には摩擦力が発生しないようになっている。移動体には、適宜、被駆動部材が結合される。駆動パルス発生手段によって電気機械変換素子が所定のパターンで伸縮すると、駆動摩擦部材と案内摩擦部材との間の摩擦力と、移動体および被駆動部材との慣性力と大小関係によって、駆動摩擦部材は案内摩擦部材に沿って滑りながら移動し、それによって移動体および被駆動部材が移動する。
【００１３】
すなわち、図３の模式図を参照しながら、この駆動装置の駆動原理を説明すると、パルス発生手段が、たとえば図３（Ｄ）に示したノコギリ波状の波形８０のパルス電圧を電気機械変換素子７２に与えた場合、符号８０ａで示すようにパルス電圧が緩やかに立ち上がるときには、電気機械変換素子７２はゆっくり伸び、図３（Ａ）に示した状態から図３（Ｂ）に示した状態になる。このとき、電気機械変換素子７２はゆっくり伸び、加速度は小さい。そのため、駆動摩擦部材７６と案内摩擦部材７８との接触面７６ｓ，７８ｔ間の摩擦力は、移動体７４による慣性力よりも大きい。したがって、駆動摩擦部材７６は、案内摩擦部材７８に対して滑ることなく静止した状態を保つ。一方、移動体７４は、電気機械変換素子７２の伸びによって、矢印９０で示すように、駆動摩擦部材７６から遠ざかる方向に移動される。
【００１４】
次に、符号８０ｂで示すように、パルス電圧が急激に立ち下がるときには、電気機械変換素子７２は急激に縮み、図３（Ｂ）に示した状態から図３（Ｃ）に示した状態になる。このとき、電気機械変換素子７２が急激に縮み、加速度が大きい。したがって、移動体７４による慣性力は、駆動摩擦部材７６と案内摩擦部材７８との間の摩擦力よりも大きくなり、また、移動体７４の質量が駆動摩擦部材７６の質量より大きいため、移動体７４は実質的に移動しない。一方、駆動係合部材７６は、案内摩擦部材７８に対して滑り、矢印９２で示すように、移動体７４側へ移動する。
【００１５】
このように、駆動摩擦部材は案内摩擦部材に沿って移動するので、案内摩擦部材を長くすれば、ストロークを長くすることができる。案内摩擦部材を長くしても、駆動ユニットの駆動速度が低下することはない。また、駆動摩擦部材は移動体より質量が軽いので、高速に駆動することが可能である。
【００１６】
図１１は、駆動周波数と駆動速度との関係を調べた実験結果を示すもので、ここでは図３の様に摩擦結合部の質量が十分に軽い場合を（ａ）で示し、図２の様に摩擦結合部の質量が重い場合を（ｂ）で示す。この実験結果によれば、摩擦結合部の質量が軽い場合（ａ）は駆動周波数の高いところに駆動速度のピーク値があり、駆動速度も高くなる。また、摩擦結合部の質量が重い場合（ｂ）は、駆動周波数の低いところに駆動速度のピーク値があり、駆動速度も低くなる。即ち、摩擦結合部の質量が軽い程駆動周波数を高く設定でき、駆動速度も高くできることがわかる。
【００１７】
したがって、ストロークが長く、かつ、高速駆動が可能な駆動装置を提供することができる。
【００１８】
好ましくは、上記案内摩擦部材は、少なくとも２部材からなり、この２部材の間に上記駆動ユニットが配置される。上記２部材は、上記駆動摩擦部材を挟持して、上記駆動摩擦部材との間に摩擦力を発生させる。
【００１９】
上記構成によれば、駆動摩擦部材には、案内摩擦部材の挟持によって摩擦力が生じるので、駆動摩擦部材の質量を小さくしても、所望の摩擦力を得ることができる。したがって、駆動摩擦部材を軽量化して、駆動効率を高め、高速に駆動することができる。また、駆動ユニットは、案内摩擦部材の間に配置されるので、スペース効率がよく、駆動装置を小型化することが容易である。
【００２０】
好ましくは、上記案内摩擦部材は、上記ベースに固定された固定案内摩擦部材と、この固定案内摩擦部材に沿って配置され、上記固定案内摩擦部材に対して移動可能に上記ベースに支持された移動案内摩擦部材との２部材からなる。上記移動案内摩擦部材を上記固定案内摩擦部材に付勢する付勢手段をさらに備える。
【００２１】
上記構成において、付勢手段は、移動案内摩擦部材を付勢することによって、固定案内摩擦部材と移動案内摩擦部材との間に挟持力を与え、駆動摩擦部材に摩擦力を発生させ、駆動ユニットが駆動されるようにする。駆動摩擦部材は、ベースに固定された固定摩擦部材に沿って一定方向に移動するので、駆動ユニットの駆動方向の振れが防止される。
【００２２】
上記付勢手段は、種々の態様で構成できる。
【００２３】
好ましくは、上記固定案内摩擦部材と上記移動案内摩擦部材との間の間隔を規制する間隔規制部材をさらに備える。
【００２４】
上記構成によれば、駆動摩擦部材を挟持する固定案内摩擦部材と移動案内摩擦部材と間の間隔は、間隔規制部材によって略一定に保たれ、駆動摩擦部材に作用する圧接力が略一定となり、駆動摩擦部材に作用する摩擦力も略一定となる。したがって、駆動ユニットの位置による駆動速度の変動を小さくすることができる。
【００２５】
好ましくは、上記移動案内摩擦部材は、上記固定案内摩擦部材に対して平行移動可能に支持される。上記固定案内摩擦部材および上記移動案内摩擦部材は、互いに吸引し合う磁性を有する。
【００２６】
上記構成によれば、固定案内摩擦部材に対して移動案内摩擦部材が磁力によって吸引され、移動案内摩擦部材は駆動摩擦部材を固定案内摩擦部材に付勢する。移動案内摩擦部材は、固定案内摩擦部材に対して平行移動するので、駆動摩擦部材に作用する摩擦力は略一定にする。したがって、駆動ユニットの位置による駆動速度の変動を小さくすることができる。
【００２７】
好ましくは、上記移動案内摩擦部材は、上記固定案内摩擦部材に対して平行移動可能に支持される。上記駆動ユニットの上記移動体には、上記移動案内摩擦部材および上記固定案内摩擦部材の外側に延在するステージが固定される。このステージには、上記移動案内摩擦部材および上記固定案内摩擦部材の外側の各面にそれぞれ当接する当接部材と、この当接部材を上記移動案内摩擦部材および上記固定案内摩擦部材に付勢する当接部材付勢手段とが設けられる。
【００２８】
上記構成において、当接部材は、当接部材付勢手段の付勢によって略一定の力で、固定案内摩擦部材と移動案内摩擦部材とを挟持し、駆動摩擦部材に略一定の摩擦力を発生させる。したがって、駆動ユニットの位置による駆動速度の変動を小さくすることができる。
【００２９】
好ましくは、上記当接部材と上記固定案内摩擦部材および上記移動案内摩擦部材との間の摩擦係数は、上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材と上記固定案内摩擦部材および上記移動案内摩擦部材との間の摩擦係数より小さい。
【００３０】
上記構成によれば、電気機械変換素子がゆっくり伸縮したときには、摩擦係数が相対的に小さい当接部材と固定案内摩擦部材および移動案内摩擦部材との間で滑りが生じ、摩擦係数が相対的に大きい駆動摩擦部材と固定案内摩擦部材および移動案内摩擦部材との間では滑りが生じない。したがって、ステージは、電気機械変換素子自体の伸縮長さに対応して同じ距離だけ移動する。したがって、ステージを、高分解能で駆動することができる。
【００３１】
好ましくは、上記当接部材と上記固定案内摩擦部材および上記移動案内摩擦部材とは転がり接触する。
【００３２】
上記構成によれば、転がり接触するときの摩擦係数は一般に小さいので、当接材と固定案内摩擦部材および移動案内摩擦部材との間の摩擦係数を、駆動摩擦部材と固定案内摩擦部材および移動案内摩擦部材との間の摩擦係数より小さくすることが、容易である。
【００３３】
好ましくは、上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材は、電気機械変換素子の振動方向に繊維を配向した炭素繊維強化複合樹脂を用いて構成される。
【００３４】
上記構成によれば、駆動摩擦部材には、密度が低く、剛性が高く、摺動性のよい炭素繊維強化複合樹脂を用いているので、駆動摩擦部材の質量を移動体の質量より遥かに小さくして、駆動ユニットを高周波で駆動することが可能となる。また、駆動摩擦部材の摺動性がよいので、速度安定性も高い。
【００３５】
好ましくは、上記駆動ユニットの上記移動体は、上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材を上記駆動ユニットの上記電気機械変換素子の伸縮方向に案内するガイド部を有する。
【００３６】
上記構成によれば、駆動摩擦部材の横ぶれは、移動体のガイド部によって防止される。したがって、より速度安定性が高くなる。
【００３７】
好ましくは、上記案内摩擦部材は、上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材と摩擦結合する面の算術平均粗さＲａが６μｍより小さい。
【００３８】
上記構成によれば、案内摩擦部材の表面粗さにより生じる駆動速度の変動をできるだけ小さくすることができる。すなわち、駆動速度の変動は、案内摩擦部材の表面粗さが算術平均粗さＲａで６μmより小さいときには略一定であるが、６μmより大きくなると、駆動速度の変動は次第に大きくなる。したがって、算術平均粗さＲａを６μｍより小さくすることによって、駆動速度の変動を小さくするこができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る駆動装置の各実施形態について、図４〜図１０を参照しながら説明する。
【００４０】
まず、第１実施形態について、図４〜図６および図１０を参照しながら説明する。
【００４１】
第１実施形態の駆動装置１０は、図６の全体斜視図に示すように、概略的には、一対の案内摩擦部材１４，１６によってベース１２の上方に駆動ユニット２０を挟持してなる。
【００４２】
駆動ユニット２０は、図４の三面図および図５の斜視図に示すように、圧電素子２２と、移動体２４と、ガイド部材２６と、駆動軸２８とから構成される。圧電素子２２は、電気機械変換素子の一種であって、電圧を印加すると体積が変化する複数の圧電板が積層されてなる。移動体２４およびガイド部材２６にはステンレス鋼を用い、駆動軸２８には、密度が低く、剛性が高く、摺動性の良い材料であるカーボンファイバーを用いている。したがって、駆動軸２８の質量は、移動体２６およびガイド部材２６より小さい。
【００４３】
移動体２４は、大略柱状の形状の本体２４ａを有し、その中央には上面２４ｘ側から切り欠かれた第１凹部２５ａを有し、一方の端部２４ｃ側には上面２４ｘ側から切り欠かれた第２凹部２５ｂを有し、一方の端部２４ｃにはガイド部材２６が固着されるようになっている。移動体２４の他方の端部２４ｄ側とガイド部材２６とには、その上面２４ｘ，２６ｘに、不図示の被駆動部材、たとえばレンズやステージなどを取り付けるためのねじ穴２４ｔ，２６ｔが形成されている。第１凹部２５ａには、圧電素子２２が収納され、圧電素子２２の積層方向の一方の端面２２ａが、第１凹部２５ａの第２凹部２５ｂとは反対側の立面２４ｙに接着固定される。第２凹部２５ｂには、駆動軸２８が収納される。
【００４４】
駆動軸２８は、円筒状の本体部２８ａと、その中心軸に沿って両側に突設した軸部２８ｂ，２８ｃとからなる。第１凹部２５ａと第２凹部２５ｂとの間の移動体２４の中間壁部２４ｂとガイド部材２６とには、長手方向に貫通穴２４ｓ，２６ｓが形成され、駆動軸２８の軸部２８ｂ，２８ｃが挿入され、駆動軸２８が軸方向に摺動可能に軸支されるようになっている。軸支された一方の軸部２８ｂの軸端面は、圧電素子２２の積層方向の他方の端面２２ｂに接着固定される。組み立てられた駆動ユニット２０は、図４（Ａ）および図６（II）に示すように、駆動軸２８の本体部２８ａの外周面２８ｓが移動体２４の両側の側面２４ｚから外側にはみ出して、本体部２８ａが一対の案内摩擦部材１４，１６の間に挟み込まれて摩擦結合するようになっている。
【００４５】
一対の案内摩擦部材１４，１６は、図６に示すように、一方の第１部材１４、すなわち固定案内摩擦部材１４は、ベース１２の上面１２ｓにしっかりと固定され、他方の第２部材１６、すなわち移動案内摩擦部材１４は、支持ばね１８を介してベース１２の上方に浮いた状態で、第１部材１４に沿って弾力的に支持され、両部材１４，１６の間には、一定の空間１９が形成されるようになっている。支持ばね１８は、第２部材１８の長手方向、すなわち駆動ユニット２０の移動方向には剛性が高く、移動方向に垂直な方向には緩い弾性を持っている。第１および第２部材１４，１６は互いに対向するが、第１部材１４の第２部材１６に対向する面１４ｚは平面１４ｚであり、第２部材１６の第１部材１４に対向する面１６ｚは、対向する第１部材１４の平面１４ｚに沿って延在する断面Ｖ字状のＶ溝面１６ｚである。このＶ溝面１６ｚに駆動ユニット２０の駆動軸２８の本体部２８ａが係合し、駆動軸２８が第１部材１４に付勢されるようになっている。つまり、駆動ユニット２０は、両案内摩擦部材１４，１６の間の空間１９に配置され、駆動軸２８の本体部２８ａが、一方の案内摩擦部材１４の平面１４ｚと他方の案内摩擦部材１６のＶ溝面１７ｚとの間に挟持され、ベース１２の上方に浮いた状態で保持される。
【００４６】
なお、移動体２４およびガイド部材２６の上面２４ｘ，２６ｘには、前述のように、不図示の被駆動部材が取り付けられる。被駆動部材は、適宜の方法でベース１２に沿って移動可能に支持してもよい。
【００４７】
上記のように構成された駆動装置１０は、圧電素子２２に、たとえばノコギリ波状の波形のパルス電圧を加えることで、駆動ユニット２０を案内摩擦部材１４，１６に沿って移動させることができる。
【００４８】
すなわち、たとえば図３（Ｄ）に示したノコギリ波状の波形８０のパルス電圧を圧電素子２２に印加した場合には、符号８０ａで示すように、パルス電圧が緩やかに立ち上がりるときには、圧電素子２２がゆっくり伸び、駆動ユニット２０の駆動軸２８と案内摩擦部材１４，１６とは滑ることなく接触したままの状態を保ち、移動体２２およびガイド部材２８は圧電素子２２の伸び方向に移動される。
【００４９】
次に、符号８０ｂで示すように、パルス電圧が急に立ち下がるときには、圧電素子２２は急激に縮み、移動体２４およびガイド部材２８は、慣性力により案内摩擦部材１４，１６に対して実質的に移動せず、駆動軸２８と案内摩擦部材１４，１６との間に滑りが生じ、駆動軸２８が圧電素子２２の縮み方向に移動する。
【００５０】
したがって、駆動ユニット２０は、図６において矢印４０で示すように、駆動軸２８から圧電素子２２に向かう方向に、案内摩擦部材１４，１６に沿って、間欠的に移動する。
【００５１】
一方、パルス電圧の向きを逆にすれば、すなわち、急激な立ち上がりと緩やかな立ち下りとからなるパルス電圧を圧電素子に印加すれば、上記とは逆に、圧電素子２２が急激に伸びるときに駆動軸２８と案内摩擦部材１４，１６との間で滑りが生じ、ゆっくり縮むときには滑りは起こらない。したがって、駆動ユニット２０は、図６において矢印４１で示すように、逆方向に移動する。
【００５２】
なお、パルス電圧の周波数を上げていくと、駆動軸２８は常に滑る状態へ変遷していくが、その場合でも摩擦による力積（動摩擦力×滑り時問）の方向による違いにより駆動ユニット２０を所定の方向に駆動することができる。すなわち、一方向への滑り量Ｌ₁がそれと反対方向への滑り量Ｌ₂より大きければ、結果的に、駆動ユニット２０は、一方向に（Ｌ₁−Ｌ₂）だけ滑ることになる。
【００５３】
また、印加するパルス電圧の波形はノコギリ波状に限らず、たとえば全波整流波状等、適宜の波形とすることができる。
【００５４】
上記構成の駆動装置１０において、前述のように、駆動軸２８の質量は、移動体２４およびガイド部材２８の質量より遥かに軽いので、駆動軸２８を高周波数で駆動することが可能である。また、駆動軸２８には摺動性の良い材料を用いているので、駆動速度の安定性も高くなる。さらに、図５に示したように、駆勤軸２８は移動体２４およびガイド部材２６の貫通穴２４ｓ，２８ｓによってガイドされていて、高周波駆動時に駆動軸２８の横ぶれが少なくなるので、高周波での速度安定性は、図２に示したインパクト式アクチュエータを用いた駆動装置１００に比べて、より高くなっている。
【００５５】
上記構成において、案内摩擦部材１４，１６が駆動ユニット２０の駆動軸２８との接触する面１４ｚ，１６ｚの表面が粗くなると、駆動ユニット２０の駆動速度の変動が大きくなる。図１０は、案内摩擦部材１４，１６の表面粗さと駆動ユニット２０の駆動速度の変動との関係を示すグラフ図である。このグラフ図の横軸は、案内摩擦部材１４，１６の接触面１４ｚ、１６ｚの表面粗さを算術平均粗さＲａで示しており、縦軸は、同じ波形のパルス電圧を圧電素子２２に連続的に印加したときの駆動ユニット２０の駆動速度の変動△Ｖを示している。このグラフ図から、案内摩擦部材１４，１６の接触面１４ｚ、１６ｚの表面粗さが算術平均粗さＲａで６μｍより小さいときは、駆動速度の変動△Ｖは略一定であり、６μｍより大きくなると、駆動速度の変動△Ｖは次第に大きくなることが分かる。
【００５６】
したがって、案内摩擦部材１４，１６の接触面１４ｚ、１６ｚの表面粗さは、算術平均粗さＲａで６μｍより小さくすることが好ましい。
【００５７】
また、この駆動装置１０では、駆動ユニット２０が案内摩擦部材１４，１６に沿って移動するので、案内摩擦部材１４，１６を長くして、ストロークを長くすることができる。また、案内摩擦部材１４，１６を長くしても、駆動ユニット２０は同様に駆動されるので、駆動速度は低下しない。
【００５８】
また、この駆動装置１０では、駆動軸２８が軸支され、圧電素子２２の両端の固着結合面２２ａ，２２ｂにモーメントがかからないように構成されているので、圧電素子２２で発生した力を有効に利用するようになっている。
【００５９】
なお、上記の第１実施例の駆動装置１０は、固定摩擦部材１４，１６を固定して駆動ユニット２０を動かしているので、駆動ユニット２０は、圧電素子２２に接続されたリード線２２ｎ，２２ｐを引きずることになる。そこで、逆に駆動ユニット２０を固定し、案内摩擦部材１４，１６の方を動かすようにすれば、圧電素子２２の電線２２ｎ，２２ｐを引きずることなく、ストロークの長い駆動装置を作ることができる。
【００６０】
上記第１実施形態では、図６に示したように、弾性体である支持ばね１８を利用して駆動軸２８に摩擦力を発生させる構成であるので、駆動ユニット２０の位置によって案内摩擦部材１４，１６間の角度が変化すると、駆動軸２８に作用する摩擦力や摺動時の抵抗力が変化し、その結果、駆動ユニット２０は位置によって駆動速度が変動することになる。
【００６１】
次に、駆動ユニット２０の位置による駆動速度の変動を押さえるように構成した第２実施形態の駆動装置１０ａについて、図７の一部破断斜視図を参照しながら説明する。以下においては、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同じ構成の部分には同じ符号を用いることとする。
【００６２】
第２実施形態の駆動装置１０ａは、図７に示すように、一対の案内摩擦部材１４，１６の間に形成される空間１９の両端部分１９ａ，１９ｂの所定位置に、間隔規制部材１５ａ，１５ｂを入れるように構成されている。これにより、駆動ユニット２０の位置による案内摩擦部材１４，１６間の角度変化が小さくなり、略均等な付勢力が駆動ユニット２０の駆動軸２８に作用し、摩擦力や摺動時の抵抗力の変動を抑えることができる。
【００６３】
したがって、駆動ユニット２０の位置による駆動速度の変動を押さえることができる。
【００６４】
上記第１および第２実施形態では、支持ばね１９によって、駆動軸２８と案内摩擦部材１４，１６との間に摩擦力を発生させる構成としていたが、次に、他の構成の摩擦力を発生させる第３および第４実施形態について説明する。
【００６５】
第３実施形態の駆動装置１０ｂは、図８（I）の平面図および（II）の断面図に示すように、磁力を利用して摩擦力を発生させている。
【００６６】
すなわち、一対の案内摩擦部材１４，１６は、ベース１２上に互いに平行に配置される。具体的には、一方の案内摩擦部材１４は、ベース１２に直接固定され、他方の案内摩擦部材１６は、ベース１２に固定されたガイド部材１７ａ，１７ｂの支持ピン１７ｓによって、一方の案内摩擦部材１４に対して平行を保ったまま接離自在に移動できるように支持されている。駆動ユニット２０は、大略、第１実施形態と同様に構成され、両案内摩擦部材１４、１６の間の空間１９に配置され、駆動軸２８が一方の案内摩擦部材１４の平面１４ｚと他方の案内摩擦部材１６のＶ溝面１７ｚとの間に挟持され、それによって、駆動ユニット２０はベース１２の上方に浮いた状態で保持される。駆動ユニット２０を案内摩擦部材１４，１６で挟持する挟持力を与えるために、案内摩擦部材１４，１６と駆動ユニット２０の移動体２４およびガイド部材２６とは、磁性を帯びる材料で構成され、図８に示したように、長手方向に直角な方向に、ぞれぞれＮ極とＳ極とが交互に配置され、互いに吸引し合うようになっている。
【００６７】
すなわち、一方の案内摩擦部材１４は、駆動ユニット２０側の部分１４ｂに長手方向に沿ってＳ極が配置され、反対側の部分１４ａに長手方向に沿ってＮ極が配置されている。駆動ユニット２０の移動体２４およびガイド部材２６は、一方の案内摩擦部材１４側の部分２０ｓに長手方向に沿ってＮ極が配置され、他方の案内摩擦部材１６側の部分２０ｔに長手方向に沿ってＳ極が配置されている。他方の案内摩擦部材１６は、駆動ユニット２０側の部分１６ａに長手方向に沿ってＮ極が配置され、反対側の部分１６ｂに長手方向に沿ってＳ極が配置されている。したがって、駆動ユニット２０は、一方の案内摩擦部材１４に対向する側の部分２０ｓがその一方の案内摩擦部材１４側に磁力で吸引され、他方の案内摩擦部材１６に対向する側の部分２０ｔがその他方の案内摩擦部材１６側に磁力により吸引され、さらに、案内摩擦部材１４，１６の間の空間１９の駆動ユニット２０が介在していない領域においては、両案内摩擦部材１４，１６が互いに磁力で吸引し合う。このような磁力による吸引の均衡によって、駆動ユニット２０は両案内摩擦部材１４，１６の間に、略一定の挟持力で挟持される。
【００６８】
したがって、駆動ユニット２０の駆動軸２８と案内摩擦部材１４，１６との間に、略一定の摩擦力を発生させ、駆動ユニット２０の駆動速度の変動を小さくすることができる。
【００６９】
次に、第４実施形態について、図９を参照しながら説明する。
【００７０】
第４実施形態の駆動装置１０ｃは、図９（I）の正面図および（II）の断面図にに示すように、大略、第３実施形態と同様に構成されるが、第３実施形態と相違するのは、案内摩擦部材１４，１６および駆動ユニット２０の移動体２４およびガイド部材２８が非磁性材料からなり、案内摩擦部材１４，１６を付勢する付勢機構３０が駆動ユニット２０の上面２４ｘ，２６ｘに設けた点である。
【００７１】
付勢機構３０は、大略、駆動ユニット２０の上面２４ｘ，２６ｘに固定されたステージ３１と、ステージ３１の裏面３１ａ．３１ｂに設けられた支持軸３３，３５に回転自在に支持された付勢ローラ３２，３４とを備える。
【００７２】
ステージ３１は、駆動ユニット２０の上面２４ｘ，２６ｘに固定され、案内摩擦部材１４，１６の上面１４ｘ，１６ｘを越えて両側へ延在する。ステージ３１は、その両端がボールベアリング１１により支持され、ステージ１２の上面１２ｓに沿って移動できるようになっている。ステージ３１の案内摩擦部材１４，１６より外側の裏面３１ａ，３１ｂには、支持軸３３，３５が、多少振れることができるようにして、この裏面３１ａ，３１ｂに略垂直下向きに立設されている。支持軸３３，３５の先端には、付勢ローラ３２，３４が回転自在に取り付けられている。支持軸３３，３５は、付勢ばね３６，３８によって、案内摩擦部材１４，１６側に付勢されるようになっている。これによって、付勢ローラ３２，３４は、案内摩擦部材１４，１６が互いに接近するように、案内摩擦部材１４，１６の外側の面１４ｋ，１６ｋを付勢し、駆動ユニット２０の駆動軸２８と案内摩擦部材１４，１６との間に摩擦を発生させる。付勢ローラ３２，３４は、駆動ユニット２０が移動すると案内摩擦部材１４，１６の外側の面１４ｋ，１６ｋに接触しながら回転し、付勢ローラ３２，３４と案内摩擦部材１４，１６との間の摩擦は低く抑えられ、駆動ユニット２０の移動を妨げないようになっている。
【００７３】
この駆動装置１０ｃは、駆動ユニット２０の移動体２４およびガイド部材２８が付勢機構３０を介して、案内摩擦部材１４，１６に接触しているが、圧電素子２２に加える電圧の周波数を低くすることで圧電素子２２の変位そのものを使って駆動ユニット２０およびステージ３１を微少距離動かすことができるようになっている。
【００７４】
すなわち、駆動ユニット２０の駆動軸２８と案内摩擦部材１４，１６との間の摩擦力が、付勢ユニット３０の付勢ローラ３２，３４と案内摩擦部材１４，１６との間の摩擦力より大きい。そのため、圧電素子２２がゆっくり伸縮すると、駆動ユニット２０の駆動軸２８は案内摩擦部材１４，１６に対して静止した状態のままとなり、案内摩擦部材１４，１６と付勢ユニット３０の付勢ローラ３２，３４との間で相対移動が生じる。つまり、駆動ユニット２０およびステージ３１は、圧電素子２２の伸縮により、案内摩擦部材１４，１６に対して、圧電素子２２の伸縮に等しい距離だけ移動することになる。これを、ノコギリ波状のパルス電圧による粗動に対して、微動と呼んでいる。
【００７５】
なお、駆動ユニット２０の駆動軸２８と案内摩擦部材１４，１６との間の摩擦力が、付勢ローラ３２，３４と案内摩擦部材１４，１６との間の摩擦力より小さい場合には、圧電素子２２がゆっくり伸縮しても、案内摩擦部材１４，１６と移動ユニット２０の駆動軸２８との間で滑りが生じ、付勢ユニット３０の付勢ローラ１４，１６は案内摩擦部材１４，１６に対して静止したままとなる。つまり、駆動ユニット２０および付勢ユニット３０は、圧電素子２２が伸縮しても、案内摩擦部材１４，１６に対して移動しない。したがって、この場合には、微動することはもとより、粗動することもできない。
【００７６】
以上説明した第２〜第４実施形態の駆動装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、第１実施形態の駆動装置１０と同様に、ストロークが長く、かつ高速駆動が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の圧電リニアアクチュエータを用いた駆動装置の斜視図である。
【図２】 従来のインパクト式アクチュエータを用いた駆動装置の説明図である。
【図３】 本発明の駆動装置の動作の原理の説明図である。
【図４】 本発明の第１実施形態の駆動装置の駆動ユニットの３面図である。
【図５】 図４の駆動ユニットの斜視図である。
【図６】 本発明の第１実施形態に係る駆動装置の斜視図および正面図である。
【図７】 本発明の第２実施形態に係る駆動装置の斜視図である。
【図８】 本発明の第３実施形態に係る駆動装置の斜視図および正面図である。
【図９】 本発明の第４実施形態に係る駆動装置の一部破断正面図および断面図である。
【図１０】 案内摩擦部材の表面粗さと駆動速度の変動の大きさとの関係のグラフ図である。
【図１１】 駆動周波数と駆動速度との関係を調べた実験結果のグラフ図である。
【符号の説明】
１０，１０ａ，１０ｃ 駆動装置
１２ ベース
１２ｓ 上面
１４ 固定案内摩擦部材
１４ｋ 外側の面
１４ｘ 上面
１４ｚ 平面
１５ａ，１５ｂ 間隔規制部材
１６ 移動案内摩擦部材
１６ｋ 外側の面
１６ｘ 上面
１７ａ，１７ｂ ガイド部材
１７ｓ 支持ピン
１６ｚ Ｖ溝面
１８ 支持ばね
１９ 空間
１９ａ，１９ｂ 端部
２０ 駆動ユニット
２２ 圧電素子
２２ａ，２２ｂ 端面
２２ｐ，２２ｎ リード線
２４ 移動体
２４ａ 本体
２４ｂ 中間壁部
２４ｃ，２４ｄ 端部
２４ｓ 貫通穴
２４ｔ ねじ穴
２４ｘ 上面
２４ｙ 立面
２４ｚ 側面
２５ａ，２５ｂ 凹部
２６ ガイド部材（移動体）
２６ｓ 貫通穴
２６ｔ ねじ穴
２６ｘ 上面
２８ 駆動軸
２８ａ 本体部
２８ｂ，２８ｃ 軸部
２８ｓ 外周面
３０ 付勢機構
３１ ステージ
３１ａ，３１ｂ 裏面
３２ 付勢ローラ
３３ 支持軸
３４ 付勢ローラ
３５ 支持軸
４０，４１ 矢印
８０，８０ａ，８０ｂ 波形

Claims (10)

1. ベースに対して駆動対象を駆動させるための駆動装置であって、
   駆動信号により伸縮する電気機械変換素子と、上記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固着結合されると共に、駆動対象に連結する移動体と、上記電気機械変換素子の伸縮方向他端に固着結合され、上記移動体より質量の軽い駆動摩擦部材とを有する駆動ユニットと、
   上記ベースに設けられ、少なくとも２つの部材と、上記２つの部材の少なくとも一方を上記駆動摩擦部材に付勢する付勢手段を備え、該２つの部材の間に配置された上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材を所定の挟持力で挟持して上記駆動ユニットを摩擦結合し、上記駆動ユニットを上記電気機械変換素子の伸縮移動方向に案内する案内摩擦部材とを備えたことを特徴とする駆動装置。
2. 上記案内摩擦部材の上記２つの部材は、上記ベースに固定された固定案内摩擦部材と、該固定案内摩擦部材に沿って配置され、上記固定案内摩擦部材に対して移動可能に上記ベースに支持された移動案内摩擦部材を備えたことを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。
3. 上記固定案内摩擦部材と上記移動案内摩擦部材との間の間隔を規制する間隔規制部材をさらに備えたことを特徴とする、請求項２記載の駆動装置。
4. 上記移動案内摩擦部材は、上記固定案内摩擦部材に対して平行移動可能に支持され、上記固定案内摩擦部材及び上記移動案内摩擦部材は、互いに吸引し合う磁性を有することを特徴とする、請求項２記載の駆動装置。
5. ベースに対してステージを駆動させるための駆動装置であって、
   上記ベースに固定された固定案内摩擦部材と、
   上記固定案内摩擦部材に沿って配置され、上記固定案内摩擦部材に対して平行移動可能に上記ベースに支持された移動案内摩擦部材と、
   駆動信号により伸縮する電気機械変換素子と、上記電気機械変換素子の伸縮方向一端に固着結合された移動体と、上記電気機械変換素子の伸縮方向他端に固着結合され上記移動体より質量の軽い駆動摩擦部材とを有し、上記固定案内摩擦部材と上記移動案内摩擦部材の間に配置されて、上記駆動摩擦部材と上記固定案内摩擦部材及び上記移動案内摩擦部材とが摩擦結合すると共に、上記電気機械変換素子の伸縮移動方向に案内される駆動ユニットと、
   上記ステージは、上記移動体に固定され、上記移動案内摩擦部材及び上記固定案内摩擦部材の外側に延在して設けられると共に、上記移動案内摩擦部材及び上記固定案内摩擦部材の外側の各面にそれぞれ当接する当接部材と、該当接部材を上記移動案内摩擦部材及び上記固定案内摩擦部材に付勢する当接部材付勢手段とが設けられ、
   上記当接部材付勢手段により、上記移動案内摩擦部材が付勢されて、上記駆動摩擦部材が上記固定案内摩擦部材及び上記移動案内摩擦部材に所定の挟持力で挟持されることを特徴とする、駆動装置。
6. 上記当接部材と上記固定案内摩擦部材及び上記移動案内摩擦部材との間の摩擦係数は、上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材と上記固定案内摩擦部材及び上記移動案内摩擦部材との間の摩擦係数より小さいことを特徴とする、請求項５記載の駆動装置。
7. 上記当接部材と上記固定案内摩擦部材及び上記移動案内摩擦部材とは転がり接触することを特徴とする、請求項６記載の駆動装置。
8. 上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材は、炭素繊維強化複合樹脂を用いて構成されたことを特徴とする、請求項１から７のいずれか１つに記載の駆動装置。
9. 上記駆動ユニットの上記移動体は、上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材を上記駆動ユニットの上記電気機械変換素子の伸縮方向に案内するガイド部を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか１つに記載の駆動装置。
10. 上記案内摩擦部材は、上記駆動ユニットの上記駆動摩擦部材と摩擦結合する面の算術平均粗さＲａが６μｍより小さいことを特徴とする、請求項１から９のいずれか１つに記載の駆動装置。

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