JPH11191967A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 駆動摩擦部材と固定摩擦部材との間の摩擦力
を、駆動ストローク内で略一定にした駆動装置を提供す
る。 【解決手段】 一対の固定摩擦部材１４，１６を支持部
材１２で平行移動可能に支持し、その間に、圧電素子２
２の積層方向各端に移動体２４と駆動摩擦部材２６とが
それぞれ固着してなる駆動ユニット２０を配置する。固
定摩擦部材１４，１６は、電磁石により、対向する面１
４ｓ，１６ｓに沿って互いに逆の磁性Ｓ，Ｎを帯びる。
駆動摩擦部材２６は、磁石により、固定摩擦部材１６の
対向する面１４ｓ，１６ｓとは逆の磁性Ｎ，Ｓを有す
る。駆動摩擦部材２６と固定摩擦部材１４，１６とは、
駆動ストローク内で略一定の磁力により吸引し合い、駆
動摩擦部材２６と固定摩擦部材１４，１６との間に略一
定の摩擦力が発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、オーバーヘッドプロジェクターの投影レンズ、
双眼鏡のレンズ、顕微鏡の移動ステージ、走査型トンネ
ル電子顕微鏡のプローブなど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の駆動装置１は、互いに平
行に配置された一対の固定摩擦部材４，６の間に駆動ユ
ニット２０を配置してなる。詳しくは、駆動ユニット２
０は、圧電素子２２の積層方向両端面に移動体２４と駆
動摩擦部材２６とがそれぞれ固着結合してなる。移動体
２４は、たとえば不図示の撮影レンズ等の被駆動部材に
結合されている。駆動摩擦部材２６は、一対の固定摩擦
部材４，６の対向する面に挟まれて摩擦結合するように
なっている。すなわち、一方の固定摩擦部材４の両端部
には、他方の固定摩擦部材６を平行移動可能に支持する
支持部２が設けられ、付勢ばね８によって他方の固定摩
擦部材６を一方の固定摩擦部材４側に付勢するようにな
っている。駆動ユニット２０は、不図示の駆動パルス発
生手段により圧電素子２２が所定パターンで伸縮する
と、矢印Ｘで示すように、固定摩擦部材４，６の対向す
る面に沿って所定方向に移動する。

【０００４】ところで、この駆動装置１では、図２に示
すように、駆動摩擦部材２６と固定摩擦部材４，６との
間の摩擦力Ｆにより、駆動速度Ｖが変化する。摩擦力Ｆ
は、固定摩擦部材４，６のたわみ等により、駆動ストロ
ーク内で一定ではなく、図３に示すように、移動体２４
が固定摩擦部材４，６の両端側に位置するときには大き
く、固定摩擦部材４，６の中間に位置するときには小さ
くなる。そのため、図４に示すように、駆動ストローク
内で、駆動速度Ｖは一定でなかった。また、駆動力も、
同様に一定でなかった。

【０００５】また、この駆動装置１では、図３に示した
ように、固定摩擦部材４，６と駆動摩擦部材２６との間
の摩擦力Ｆは、駆動方向とは無関係に一定である。しか
し、圧電素子２２が伸びる時と縮む時とでは、駆動に最
適な摩擦力の大きさは異なると考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明が
解決しようとする第１の技術的課題は、駆動摩擦部材と
固定摩擦部材との間の摩擦力を、駆動ストローク内で略
一定にした駆動装置を提供することである。また、本発
明が解決しようとする第２の技術的課題は、駆動摩擦部
材と固定摩擦部材との間の摩擦力の大きさを制御するこ
とができる駆動装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用・効果】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。

【０００８】駆動装置は、駆動パルス発生手段に電気的
に接続された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た駆動摩擦
部材と、上記駆動摩擦部材に摩擦結合し、上記移動体の
移動方向には動かないように固定された固定摩擦部材と
を備え、上記駆動パルス発生手段により上記電気機械変
換素子を伸縮させ、上記駆動摩擦部材を駆動し、上記移
動体を所定方向に移動させるようにしたタイプのもので
ある。駆動装置は、上記駆動摩擦部材が磁性を有するべ
く構成され、この磁性によって上記固定摩擦部材を吸引
して摩擦力を発生させる。

【０００９】上記構成において、駆動パルス発生手段
は、電気機械変換素子を適宜に伸縮させる。すなわち、
互いに摩擦結合する固定摩擦部材と駆動摩擦部材との間
で滑りが生じ、電気機械変換素子が伸びるときと縮むと
きで、固定摩擦部材と駆動摩擦部材との間の相対移動量
の絶対値が異なるように、電気機械変換素子を伸縮させ
る。これにより、駆動摩擦部材は、固定摩擦部材に対し
て間欠的に所定方向に移動し、移動体も所定方向に移動
する。電気機械変換素子が伸びるときと縮むときの両方
で、固定摩擦部材と駆動摩擦部材との間で大きさの異な
る滑りが生じるようにしても、あるいは、電気機械変換
素子が伸びるとき又は縮むときのいずれか一方のみで滑
りが生じるようにしてもよい。

【００１０】上記駆動摩擦部材と上記固定摩擦部材と摩
擦結合面における摩擦力の大きさは、摩擦結合面に垂直
な力によって決まる。すなわち、一般に、摩擦力の大き
さは、摩擦結合面の荒さ等によって決まる摩擦係数と、
摩擦結合面に垂直な力との積で表わされる。磁力によっ
て摩擦結合面に垂直な力を発生させ、これによって摩擦
力を発生させることができる。駆動摩擦部材の固定摩擦
部材に対する相対的な位置にかかわらず、磁力を略一定
にし、これによって、摩擦結合面に垂直な力を略一定と
することができる。直接接触するもの同士が磁力で引き
合うので、それほど大きな磁力を必要としない。

【００１１】したがって、駆動摩擦部材と固定摩擦部材
との間の摩擦力を、駆動ストローク内で略一定にするこ
とができる。

【００１２】上記構成において、種々の態様で、磁力に
よって駆動摩擦部材と固定摩擦部材との間に摩擦力を発
生させることができる。好ましくは、上記駆動摩擦部材
の上記磁性は、電磁石により与えられる。上記構成によ
れば、吸引力の変化により摩擦力の大きさが調整でき
る。

【００１３】好ましくは、上記駆動摩擦部材と上記固定
摩擦部材との互いに対向する摩擦結合面および／または
その近傍部分は、互いに逆の磁性をそれぞれ有する。上
記駆動摩擦部材と上記固定摩擦部材とが吸引し合うこと
によって、上記駆動摩擦部材と上記固定摩擦部材との間
に摩擦力を発生させる。

【００１４】上記構成によれば、駆動摩擦部材と固定摩
擦部材との吸引力を、安定して一定に保つことができ
る。したがって、駆動摩擦部材と固定摩擦部材との間の
摩擦力を、駆動ストローク内でより一定とすることがで
きる。

【００１５】好ましくは、上記固定摩擦部材は、互いに
平行に配置された２部材からなり、上記２部材の間に上
記駆動摩擦部材が配置される。上記２部材の少なくとも
一方は他方に対して接離自在に支持され、上記２部材の
互いに対向する面は互いに逆の極性の磁性をそれぞれ有
する。上記２部材は、互いに吸引し合って上記駆動摩擦
部材を挟持し、上記駆動摩擦部材と上記２部材との間に
摩擦力を発生させる。

【００１６】上記構成によれば、駆動摩擦部材を非磁性
材料で構成することができるので、組立や調整が容易と
なる。

【００１７】好ましくは、上記固定摩擦部材および／ま
たは上記駆動摩擦部材の上記磁性は、電磁石により与え
られる。

【００１８】上記構成によれば、電磁石の磁力の大きさ
は、容易に調整することができる。したがって、駆動摩
擦部材と固定摩擦部材との間に発生する摩擦力の大きさ
を、容易に調整することができる。

【００１９】好ましくは、上記駆動パルス発生手段と連
動して上記電磁石の磁力を制御する制御手段をさらに備
える。上記制御手段は、上記駆動パルス発生手段が上記
電気機械変換素子を第１の方向に相対的にゆっくり変位
させるときには、上記電磁石の磁力を相対的に大きくす
る。一方、上記駆動パルス発生手段が上記電気機械変換
素子を上記第１の方向とは反対の第２の方向に相対的に
早く変位させるときには、上記電磁石の磁力を相対的に
小さくする。

【００２０】上記構成によれば、電気機械変換素子が第
１の方向に変位するときには、磁力が大きいので駆動摩
擦部材と固定摩擦部材との間に発生する摩擦力が大きく
なり、駆動摩擦部材と固定摩擦部材との間の相対変位の
絶対値をより小さく、あるいは相対変位が生じないよう
にすることができる。電気機械変換素子が第２の方向に
変位するときには、駆動摩擦部材と固定摩擦部材との間
に発生する摩擦力が小さくなり、駆動摩擦部材と固定摩
擦部材との間の相対変位の絶対値をより大きくすること
ができる。これによって、電気機械変換素子の伸縮によ
る相対変位の絶対値の差が大きくなり、結果として、駆
動摩擦部材および移動体は、固定摩擦部材に対して所定
方向により長い距離を移動する。したがって、より効率
的に駆動することができる。

【００２１】

【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２〜図１０を参照しながら説明す
る。

【００２２】まず、第１実施形態の駆動装置１０につい
て、図５〜図７を参照しながら説明する。

【００２３】駆動装置１０は、図５の平面図に示すよう
に、概略的には、一対の固定摩擦部材１４，１６によっ
て駆動ユニット２０を挟持してなる。

【００２４】詳しくは、一対の固定摩擦部材１４，１６
は、互いに平行に配置され、不図示のベースに固定され
た一対の支持部材１２によって、それぞれの両端部が平
行移動可能に支持されている。したがって、一対の固定
摩擦部材１４，１６は、互いに対向する面１４ｓ，１６
ｓが平行状態を保ったまま、互いに接離できるようにな
っている。一対の固定摩擦部材１４，１６は、電磁石に
より、対向する面１４ｓ，１６ｓに沿って磁性を帯びる
ようになっている。すなわち、一方の第１固定摩擦部材
１４が他方の第２固定摩擦部材１６と対向する面１４ｓ
に沿ってＳに、第２固定摩擦部材１６が第１固定摩擦部
材１６と対向する面１６ｓに沿ってＮの磁性を帯び、各
固定摩擦部材１４，１６は対向する面１４ｓ，１６ｓと
は反対側は逆の磁性を帯びるようになっている。固定摩
擦部材１４，１６の磁力は、対向する面１４ｓ，１６ｓ
に沿って略一定である。

【００２５】駆動ユニット２０は、圧電素子２２と、移
動体２４と、駆動摩擦部材２６とから構成される。

【００２６】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
板が積層されてなり、印加される電圧の変化によって積
層方向に伸縮するようになっている。圧電素子２２の積
層方向の一方の端面は、移動体２４に、他方の端面は駆
動摩擦部材２６に、それぞれ接着固定されている。

【００２７】移動体２４は、大略柱状の形状を有し、不
図示の被駆動部材、たとえばレンズやステージなどが取
り付けられる。

【００２８】駆動摩擦部材２６は、円筒形状を有する。
駆動摩擦部材２６の質量は、移動体２４の質量より小さ
い。駆動摩擦部材２６の幅は、圧電素子２２および移動
体２４の幅よりも大きく、駆動摩擦部材２６の外周面
は、一対の固定摩擦部材１４，１６の対向する面１４
ｓ，１６ｓに当接するようになっている。駆動摩擦部材
２６は、磁石であり、当接する固定摩擦部材１４，１６
の面１４ｓ，１６ｓとは逆の磁性を帯びている。すなわ
ち、駆動摩擦部材２６は、第１固定摩擦部材１４側が
Ｎ、第２固定摩擦部材１６側がＳの磁性を帯びている。
したがって、矢印３０，３２で示したように、駆動摩擦
部材２６と固定摩擦部材１４，１６との間には、磁力に
より吸着力が作用するようになっている。

【００２９】この駆動装置１０は、圧電素子２２の各電
極に接続された不図示の駆動パルス発生回路により、た
とえば鋸歯状、全波整流波状等の適宜波形のパルス電圧
を圧電素子２２に加えることで、移動体２４および被駆
動部材を固定摩擦部材１４，１６に沿って移動させるこ
とができる。

【００３０】たとえば、パルス電圧が緩やかに立ち上が
るときには、圧電素子２２がゆっくり伸びる。このと
き、駆動ユニット２０の駆動摩擦部材２６と固定摩擦部
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２４および被駆動部材は、圧電素子２２の伸
びる方向に移動される。次に、パルス電圧が急に立ち下
がるときには、圧電素子２２は急激に縮む。このとき、
移動体２４および被駆動部材は慣性力により固定摩擦部
材１４，１６に対して実質的に移動せず、駆動摩擦部材
２６が固定摩擦部材１５，１６に対して滑りながら圧電
素子２２の縮み方向に移動する。これによって、駆動ユ
ニット２０は初期状態に戻る。この繰り返しによって、
移動体２４および被駆動部材は、固定摩擦部材１４，１
６に沿って間欠的に所定方向に移動する。逆向きのパル
ス電圧、たとえば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２２に印加すれば、逆
方向に移動する。パルス電圧の周波数を上げていくと、
駆動摩擦部材２６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、一方向への滑り量の
絶対値Ｌ1がそれと反対方向への滑り量の絶対値Ｌ2より
大きければ、結果的に、駆動ユニット２０および被駆動
部材は、固定摩擦部材１５，１６に対して一方向に、Ｌ
1−Ｌ２だけ移動することになる。

【００３１】ところで、前述のように、駆動摩擦部材２
６と固定摩擦部材１４，１６と間の磁力による吸着力
は、駆動ユニット２０の移動方向Ｘの位置とは無関係に
一定となるので、駆動摩擦部材２６と固定摩擦部材１
４，１６と間に作用する摩擦力Ｆの分布は、図６に示す
ように、駆動ユニット２０の移動体位置とは無関係に、
一定に設定することができる。図２に示したように、摩
擦力Ｆと移動体の速度Ｖとの間には、一定の対応関係が
ある。

【００３２】したがって、移動体２４の速度Ｖは、図７
に示したように、移動体位置とは無関係に一定にするこ
とができる。

【００３３】次に、第２実施形態の駆動装置について説
明する。

【００３４】第２実施形態の駆動装置は、第１実施形態
の駆動装置１０と大略同様に構成しているが、圧電素子
２２に印加するパルス電圧に対応して、固定摩擦部材１
４，１６の電磁石に与える電流を適宜に変化させること
ができるようになっている点で異なる。すなわち、固定
摩擦部材１４，１６の磁力を変え、駆動摩擦部材２６と
固定摩擦部材１４，１６との間の摩擦力Ｆを制御するこ
とができる。

【００３５】たとえば、圧電素子２２に、図８（ａ）に
示したような鋸歯状の駆動電圧を印加する場合、図８
（ｂ）において実線８０で示すように、摩擦力Ｆを制御
する。すなわち、電圧が緩やかに立ち上がるときには、
固定摩擦部材１４，１６の電磁石に与える電流を最大に
し、駆動摩擦部材２６と固定摩擦部材１４，１６との間
の摩擦力Ｆが最大値となるように制御する。これによっ
て、駆動摩擦部材２６と固定摩擦部材１４，１６との間
で相対滑りができるだけ生じないようにする。一方、電
圧が急激に立ち下がるときには、固定摩擦部材１４，１
６の電磁石に与える電流を最小にし、駆動摩擦部材２６
と固定摩擦部材１４，１６との間の摩擦力Ｆが最小値と
なるように制御する。これによって、駆動摩擦部材２６
と固定摩擦部材１４，１６との間で相対滑りができるだ
け生じるように制御する。

【００３６】このように、駆動電圧に対応して摩擦力Ｆ
を矩形波状に変化させる制御により、図８（ｂ）におい
て符号８２で示すように摩擦力Ｆを制御しない従来技術
に比べ、移動体２４の速度は、図９において符号８４で
示すように、符号８６で示した従来技術に比べて大きく
なる。

【００３７】したがって、移動体２４の速度を向上する
ことができる。

【００３８】次に、第３実施形態の駆動装置１０ａにつ
いて、図１０の平面図を参照しながら説明する。この駆
動装置１０ａは、第１実施形態の駆動装置１０と大略同
様に構成されるので、以下では、相違点を中心に説明
し、図１０においては、同じ構成部分には同じ符号を用
いている。

【００３９】この駆動装置１０ａでは、駆動ユニット２
０の駆動摩擦部材２６は磁性を帯びていない。駆動摩擦
部材２６と固定摩擦部材１４，１６との間の摩擦力Ｆ
は、矢印３４で示すように、固定摩擦部材１４，１６の
対向面１４ｓ，１６ｓが互いに磁力によって吸引し合う
ことを利用して与える。すなわち、固定摩擦部材１４，
１６が吸引し合って互いに接近する方向に移動し、駆動
ユニット２０の駆動摩擦部材２６を挟持する。この固定
摩擦部材１４，１６同士の吸引力は、駆動ユニット２０
の位置とは無関係に、固定摩擦部材１４，１６に沿って
略同じ大きさで分布する。したがって、固定摩擦部材１
４，１６と駆動摩擦部材２６との間に、駆動ユニット２
０の移動体２４の駆動ストローク内で一定の摩擦力を発
生させることができる。

【００４０】次に、図１１に示した駆動パルス発生手段
と連動して電磁石の磁力を制御する制御回路のブロック
図について、説明する。圧電素子に印加する鋸歯状駆動
波形は、駆動充電パルスと駆動短絡パルスとを圧電素子
駆動回路に交互に与えることによって発生させる。ま
た、電磁石に電流を与える電磁石駆動回路に、駆動パル
スとは逆位相の電磁石駆動パルスを与えることによっ
て、電磁石に磁力を発生させる。すなわち、圧電素子の
放電時には、電磁石をオフにして摩擦結合をなくす、も
しくは少なくする。一方、圧電素子の充電時には、電磁
石をオンにして、摩擦結合力を増大させる。ＣＰＵは、
圧電素子と電磁石との駆動タイミングをとっている。

【００４１】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、その他種々の態様で実施可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来例の駆動装置の平面図である。

【図２】 図１の駆動装置の摩擦力と速度の関係を示す
グラフ図である。

【図３】 図１の駆動装置の移動体位置と摩擦力の関係
を示すグラフ図である。

【図４】 図１の駆動装置の移動体の位置と速度の関係
を示すグラフ図である。

【図５】 本発明の第１実施形態に係る駆動装置の平面
図である。

【図６】 図５の駆動装置の移動体の位置と摩擦力の関
係を示すグラフ図である。

【図７】 図５の駆動装置の移動体の位置と速度の関係
を示すグラフ図である。

【図８】 本発明の第２実施形態に係る駆動装置の駆動
電圧と摩擦力の時間変化のグラフ図である。

【図９】 図８の駆動装置の速度の時間変化のグラフ図
である。

【図１０】 本発明の第３実施形態に係る駆動装置の平
面図である。

【図１１】 駆動パルス発生手段と連動して電磁石の磁
力を制御する制御回路のブロック図である。

【符号の説明】

１０，１０ａ 駆動装置 １２ 支持部材 １４ 第１固定摩擦部材 １４ｓ 対向する面 １６ 第２固定摩擦部材 １６ｓ 対向する面 ２０ 駆動ユニット ２２ 圧電素子（電気機械変換素子） ２４ 移動体 ２６ 駆動摩擦部材 ３０〜３４ 吸着力 ８０〜８６ 時間変化 Ｆ 摩擦力 Ｖ 速度 Ｘ 移動方向 Ｙ 可動方向

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動パルス発生手段に電気的に接続され
   た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た駆動摩擦部材と、上
   記駆動摩擦部材に摩擦結合し、上記移動体の移動方向に
   は動かないように固定された固定摩擦部材とを備え、上
   記駆動パルス発生手段により上記電気機械変換素子を伸
   縮させ、上記駆動摩擦部材を駆動し、上記移動体を所定
   方向に移動させるようにした駆動装置において、 上記駆動摩擦部材が磁性を有するべく構成され、該磁性
   によって上記固定摩擦部材を吸引して摩擦力を発生させ
   ることを特徴とする、駆動装置。
2. 【請求項２】 上記駆動摩擦部材と上記固定摩擦部材と
   の互いに対向する摩擦結合面および／またはその近傍部
   分は、互いに逆の磁性をそれぞれ有し、 上記駆動摩擦部材と上記固定摩擦部材とが吸引し合うこ
   とによって、上記駆動摩擦部材と上記固定摩擦部材との
   間に摩擦力を発生させることを特徴とする、請求項１記
   載の駆動装置。
3. 【請求項３】 上記固定摩擦部材は、互いに平行に配置
   された２部材からなり、上記２部材の間に上記駆動摩擦
   部材が配置され、 上記２部材の少なくとも一方は他方に対して接離自在に
   支持され、上記２部材の互いに対向する面は互いに逆の
   極性の磁性をそれぞれ有し、 上記２部材は、互いに吸引し合って上記駆動摩擦部材を
   挟持し、上記駆動摩擦部材と上記２部材との間に摩擦力
   を発生させることを特徴とする、請求項１記載の駆動装
   置。
4. 【請求項４】 上記固定摩擦部材および／または上記駆
   動摩擦部材の上記磁性は、電磁石により与えられること
   を特徴とする、請求項２又は３記載の駆動装置。
5. 【請求項５】 上記駆動パルス発生手段と連動して上記
   電磁石の磁力を制御する制御手段をさらに備え、 上記制御手段は、上記駆動パルス発生手段が上記電気機
   械変換素子を第１の方向に相対的にゆっくり変位させる
   ときには、上記電磁石の磁力を相対的に大きくする一
   方、上記駆動パルス発生手段が上記電気機械変換素子を
   上記第１の方向とは反対の第２の方向に相対的に早く変
   位させるときには、上記電磁石の磁力を相対的に小さく
   することを特徴とする、請求項４記載の駆動装置。
6. 【請求項６】 上記駆動摩擦部材の上記磁性は、電磁石
   により与えられることを特徴とする、請求項１記載の駆
   動装置。