JP3575248B2 - 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、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種々の駆動装置を本出願人は提案している。
【０００３】
たとえば、その一例として、図１の斜視図に示した駆動装置１００は、ベース１１４に固定された第１の固定摩擦部材１１５と、第１の固定摩擦部材１１５と平行に配置され支持ばね１１８を介してベース１１４上に支持された第２の固定摩擦部材１１６との間に、駆動ユニット１２０を配置し、駆動ユニット１２０の駆動軸１２５、すなわち駆動摩擦部材１２５が固定摩擦部材１１５，１１６の間に挟持され摩擦結合するようにしたものである。
【０００４】
詳しくは、駆動ユニット１２０は、部品を載置するステージ等（不図示）に結合され質量が相対的に大きい移動体１２４と、圧電素子１２２と、質量が相対的に小さい駆動軸１２５とからなる。圧電素子１２２は、駆動回路１１２から駆動パルスが与えられて伸縮する。圧電素子１２２の伸縮方向の一方の端面には移動体１２４が固着結合され、他方の端面には駆動軸１２５の一方の軸端面が固着結合されている。駆動軸１２５は、圧電素子１２４の伸縮方向に移動自在に、移動体１２２に支持されている。
【０００５】
ところで、圧電素子１２２の各電極と駆動パルス発生回路１１２の各電極とは、それぞれ電線１１３ａ，１１３ｂで接続され、圧電素子１２２に駆動パルスが供給されるようになっている。電線１１３ａ，１１３ｂは、駆動ユニット１２０の移動量と同等以上の長さが必要である。
【０００６】
しかし、長い電線１１３ａ，１１３ｂを用いることにより、その処理にスペースが必要となり、機構を小型化するための工夫が必要である。また、駆動ユニット１２０の移動によって電線１１３ａ，１１３ｂも引きずられて移動するので、移動中に電線１１３ａ，１１３ｂが他の部分、たとえば固定摩擦部材１１５，１１６に接触し、それが抵抗となり駆動性能が低下したり破損するなどの問題が生じないように構成しておかなければならない。
【０００７】
【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、電気機械変換素子の各電極に接続された電線を引きずらないようにした駆動装置を提供することである。
【０００８】
【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。
【０００９】
駆動装置は、駆動パルスを発生する駆動パルス発生手段と、上記駆動パルスが与えら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た駆動摩擦部材と、上記駆動摩擦部材に対して付勢されることによって上記駆動摩擦部材と摩擦結合しかつ互いに絶縁され上記駆動パルス発生手段の各電極にそれぞれ電気的に接続された一対の導電性部材で構成された停止摩擦部材とを備え、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タイプのものである。上記駆動パルスは、上記停止摩擦部材から駆動摩擦部材を経由して、上記電気機械変換素子に供給される。
【００１０】
上記構成において、互いに摩擦結合する停止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、停止摩擦部材と駆動摩擦部材との間の相対移動量が異なるように、駆動パルス発生手段は電気機械変換素子を伸縮させる。これにより、停止摩擦部材に対して、駆動摩擦部材が滑りながら所定方向に移動し、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、停止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。
【００１１】
上記構成において、駆動摩擦部材は、停止摩擦部材に沿って移動するので、電気機械変換素子は、停止摩擦部材に沿って移動する。電気機械変換素子は停止摩擦部材に接近しているので、停止摩擦部材から電気機械変換素子まで短い距離で駆動パルスを電気機械変換素子に供給することが可能である。
【００１２】
したがって、電気機械変換素子の各電極に接続された電線を引きずらないようにすることができる。
【００１３】
好ましくは、上記駆動摩擦部材の駆動範囲に大略沿って上記停止摩擦部材に固設され、かつ上記駆動パルス発生手段に電気的に接続された少なくとも１つの第１のコンタクト手段と、上記電気機械変換素子の近傍に配置され、かつ上記電気機械変換素子に電気的に接続され、かつ上記第１のコンタクト手段に摺接する第２のコンタクト手段とを備える。
【００１４】
上記構成において、第２のコンタクト手段は第１のコンタクト手段に摺接するので、第２のコンタクト手段と第１のコンタクト手段とは導通する。したがって、駆動パルスは、駆動パルス発生手段、停止摩擦部材に設けた第１のコンタクト手段、第１のコンタクト手段に摺接する第２のコンタクト手段を経て、電気機械変換素子に伝達される。第２のコンタクト手段は、駆動摩擦部材の駆動範囲に比べて短くてよいので、電気機械変換素子の電極に接続された電線を引きずらないようにすることができる。駆動パルス発生手段と電気機械変換素子との一方の電極については、たとえば装置本体に適宜にアースし、他方の電極についてのみ、第１および第２のコンタクト手段によって電気的に接続するようにしても、あるいは、すべての電極について、第１および第２のコンタクト手段によってそれぞれ電気的に接続するようにしてもよい。
【００１５】
好ましくは、上記駆動摩擦部材は、互いに絶縁されかつ上記電気機械変換素子の各電極にそれぞれ電気的に接続された２以上の導電性の接触部を含む。上記停止摩擦部材は、互いに絶縁されかつ上記駆動摩擦部材の上記各接触部にそれぞれ摺接しかつ上記駆動パルス発生手段に電気的に接続された導電性の電極部を含む。
【００１６】
上記構成に置いて、第１のコンタクト手段である接触部と第２のコンタクト手段である電極部との摺接により、接触部と電極部との間が導通し、駆動パルスが伝達されるようになる。接触部と電極部は、駆動摩擦部材と停止摩擦部材との摩擦結合部分と兼用しても、あるいは別に設けてもよい。
【００１７】
好ましくは、上記駆動摩擦部材は、一対の導電体が絶縁体の両側にそれぞれ結合してなる。上記各導電体は、上記電気機械変換素子の各電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ、上記停止摩擦部材の上記各導電性部材にそれぞれ摩擦結合する。
【００１８】
上記構成によれば、停止摩擦部材の各導電性部材と駆動摩擦部材の各導電体とがそれぞれ摩擦結合するとともに、接して導通し、駆動パルスを伝達する。駆動パルスを伝達するための接触部と電極部とを、駆動摩擦部材と停止摩擦部材との摩擦結合部分とは別に設けなくてもよく、構成が簡単になる。
【００１９】
好ましくは、上記駆動摩擦部材は、絶縁性の本体部と、この本体部の表面を覆う２つの導電層とを有する。この各導電層は、互いに離れかつ上記電気機械変換素子の各電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ、上記停止摩擦部材の上記各導電性部材にそれぞれ摩擦結合する。
【００２０】
上記構成によれば、停止摩擦部材の各導電性部材と駆動摩擦部材の各導電層とがそれぞれ摩擦結合するとともに、接して導通し、駆動パルスを伝達する。駆動パルスを伝達するための接触部と電極部とを、駆動摩擦部材と停止摩擦部材との摩擦結合部分とは別に設けなくてもよく、構成が簡単になる。
【００２１】
好ましくは、上記停止摩擦部材は、互いに絶縁されかつ上記駆動パルス発生手段の各電極にそれぞれ電気的に接続された一対の導電性部材である。互いに絶縁され、かつ上記電気機械変換素子の各電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ上記停止摩擦部材の上記各導電性部材にそれぞれ摺接する一対の導電性の接触部材をさらに備える。
【００２２】
上記構成によれば、停止摩擦部材の各導電性部材と駆動摩擦部材の導電層とがそれぞれ摩擦結合するとともに、停止摩擦部材の各導電性部材に接触部材が接して導通し、駆動パルスを電気機械変換素子に伝達する。駆動摩擦部材と停止摩擦部材との摩擦結合と、停止摩擦部材の各導電性部材と接触部材との摺接とでは、一般に、それぞれ最適条件が異なるが、上記構成によれば、それぞれを最適に構成設定することができる。
【００２３】
【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８を参照しながら説明する。
【００２４】
まず、第１実施形態の駆動装置１０について、図２〜図４を参照しながら説明する。
【００２５】
第１実施形態の駆動装置１０は、図２の全体斜視図に示すように、概略的には、一対の固定摩擦部材１５，１６によってベース１４の上方に駆動ユニット２０を挟持してなる。
【００２６】
詳しくは、ベース部材１４は絶縁体である。一対の固定摩擦部材（停止摩擦部材）１５，１６は導電性部材であり、それぞれ駆動パルス発生回路１２の各電極に電線１３ａ，１３ｂによって電気的に接続されている。一方の第１の固定摩擦部材１５は、ベース１４の上面１４ｓに直接固定されている。他方の第２の固定摩擦部材１６は、第１の固定摩擦部材１５に沿って平行に配置され、一対の支持ばね１８を介してベース１４の上方に浮いた状態で弾力的に支持され、両固定摩擦部材１５，１６の間には一定の間隔が形成されるようになっている。支持ばね１８は、第２の固定摩擦部材１６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の固定摩擦部材１５が第２の固定摩擦部材１６に対向する面１５ｓは平面１５ｓである。第２の固定摩擦部材１６が第１の固定摩擦部材１５に対向する面１６ｓは、対向する第１の固定摩擦部材１５の面１５ｓに沿って延在する断面Ｖ字状のＶ溝面１６ｓである。このＶ溝面１６ｓに、詳しくは後述する駆動ユニット２０の駆動軸２６の本体部２６ｓが係合し、駆動軸２６が第１の固定摩擦部材１５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、一対の固定摩擦部材１５，１６の間の空間に配置され、駆動軸２６の本体部２６ｓが第１の固定摩擦部材１５の平面１５ｓと第２の固定摩擦部材１６のＶ溝面１６ｓとで挟持され、ベース１２の上方に浮いた状態で保持される。
【００２７】
駆動ユニット２０は、圧電素子２２と、移動体２４と、駆動軸２６とから構成される。
【００２８】
移動体２４は、大略柱状の形状の本体を有し、その上面に、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２４ａ，２４ｂが設けられている。移動体２４は、上面側から切り欠かれた２つの凹部２４ｓ，２４ｔ部を有し、一方の凹部２４ｓには、圧電素子２２が収納され、他方の凹部２４ｔには、駆動軸２６が収納される。
【００２９】
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、他方の凹部２４ｔとは反対側の面に接着固定される。
【００３０】
駆動軸２６は、円筒状の本体部２６ｓの中心軸に沿って両側に軸部２６ｔが突設された形状を有する駆動摩擦部材である。駆動軸２６の質量は、移動体２４の質量より小さい。駆動軸２６は、その各軸部２６ｔが移動体２４の他方の凹部２４ｔの両側に設けた貫通穴にそれぞれ挿入され、軸方向に摺動自在に軸支される。駆動軸２６の一方の軸端面は、圧電素子２２の積層方向の他方の端面に接着固定される。駆動軸２６の本体部２６ｓの外周面は、移動体２４の両側の側面２４ｃより外側にはみ出していて、一対の固定摩擦部材１５，１６の面１５ｓ，１６ｓに挟まれて摩擦結合するようになっている。
【００３１】
駆動軸２６は、図３の分解斜視図に示すように、中心に配置された絶縁体２６ｃを挟んで両側に一対の導電体２６ａ，２６ｂが接着されてなるサンドイッチ構造である。駆動軸２６の各導電体２６ａ，２６ｂは、図４の要部分解斜視図において矢印７２ａ，７２ｂで示すように、それぞれ電線２３ａ，２３ｂによって圧電素子２２の各電極に電気的に接続されている。また、各導電体２６ａ，２６ｂは、矢印７０ａ，７０ｂで示すように、第１の固定摩擦部材１５の平面１５ｓと第２の固定摩擦部材１６のＶ溝面１６ｓとにそれぞれ摩擦結合し、接して導通するようになっている。
【００３２】
つまり、図４に示したように、圧電素子２２には、駆動パルス発生回路１２から、電線１３ａ，１３ｂ、固定摩擦部材１５，１６、駆動軸２６の導電体２６ａ，２６ｂ、電線２３ａ，２３ｂを経て電圧が印加される。圧電素子２２に接続された電線２３ａ，２３ｂは、駆動軸２６の導電体２６ａ，２６ｂに接続されるだけであり、短く、両端が駆動ユニット２０とともに移動する。したがって、電線２３ａ，２３ｂを引きずることはない。
【００３３】
上記のように構成された駆動装置１０は、圧電素子２２に、たとえば鋸歯状、全波整流波状等の適宜波形のパルス電圧を加えることで、駆動ユニット２０および被駆動部材を固定摩擦部材１５，１６に沿って移動させることができる。たとえば、圧電素子２２が伸びる速度と縮む速度とが異なるようにし、駆動軸２６と固定摩擦部材１５，１６との間において、圧電素子２２が伸びるときまたは縮むときのいずれか一方で滑りが生じ、他方では滑りが生じないようにして、あるいは、圧電素子２２が伸びるときと縮むときとで大きさの異なる逆向きの滑りが生じるようにして、移動体２４および被駆動部材を固定摩擦部材１５，１６に沿って所定方向に移動させる。
【００３４】
次に、第２実施形態の駆動装置１０ａについて、図５および図６を参照しながら説明する。第２実施形態の駆動装置１０ａは、駆動ユニット２０の駆動軸２７の構成が、第１実施形態の駆動装置１０とは異なるが、他の構成は同一である。以下、相違点を中心に説明する。
【００３５】
駆動軸２７は、図５の斜視図に示すように、絶縁性の本体部２７ｃの約１８０度の範囲の表面を、２つの導電層２７ａ，２７ｂがそれぞれ覆うようになっている。各導電層２７ａ，２７ｂは、互いに絶縁されている。各導電層２７ａ，２７ｂは、図６の要部分解斜視図において矢印８２ａ，８２ｂで示すように、それぞれ電線２３ａ，２３ｂによって圧電素子２２の各電極に電気的に接続されている。また、各導電層２７ａ，２７ｂは、矢印８０ａ，８０ｂで示すように、第１の固定摩擦部材１５の平面１５ｓと第２の固定摩擦部材１６のＶ溝面１６ｓとに、それぞれ摩擦結合し、接して導通するようになっている。
【００３６】
つまり、図６に示すように、圧電素子２２には、駆動パルス発生回路１２から、電線１３ａ，１３ｂ、固定摩擦部材１５，１６、駆動軸２７の導電層２７ａ，２７ｂ、電線２３ａ，２３ｂを経て電圧が印加される。圧電素子２２に接続された電線２３ａ，２３ｂは駆動軸２７の導電層２７ａ，２７ｂに接続され、短く、かつ両端が駆動ユニットとともに移動するので、引きずることはない。
【００３７】
次に、第３実施形態の駆動装置１０ｂについて、図７および図８を参照しながら説明する。
【００３８】
第３実施形態の駆動装置１０ｂは、図７の平面図に示すように、概略的には、一対の固定摩擦部材３０，３２の間に駆動ユニットの駆動摩擦部材２８を挟持してなる。
【００３９】
詳しくは、一対の固定摩擦部材３０，３２は導電性部材であり、互いに絶縁され、電線１３ａ，１３ｂによって駆動パルス発生回路１２の各電極にそれぞれ電気的に接続されている。一方の第１の固定摩擦部材３０には、一対の支持部３４が設けられ、他方の第２の固定摩擦部材３２を第１の固定摩擦部材３０に沿って平行に支持するようになっている。一対の支持部３４の末端部側には、それぞれ付勢ばね３６が配置され、第２の固定摩擦部材３２を第１の固定摩擦部材３０側に付勢するようになっている。
【００４０】
駆動ユニットは、圧電素子２２と、移動体２４と、駆動摩擦部材２８と、駆動摩擦部材とは別に構成され、集電子として機能する一対の接触部材２９ａ，２９ｂとから構成される。
【００４１】
圧電素子２２の積層方向の一方の端面には移動体２４の端面が、他方の端面には駆動摩擦部材２８の端面がそれぞれ接着固定され、圧電素子２２の両側に移動体２４と駆動摩擦部材２８とが配置されるようになっている。
【００４２】
駆動摩擦部材２８は絶縁性部材からなり、その幅は、圧電素子２２および移動部材２４の幅より大きいので、駆動摩擦部材２８の外周面は、一対の固定摩擦部材３０，３２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。
【００４３】
一対の接触部材２９ａ，２９ｂは、導電性部材からなり、その一端が圧電素子２２の近傍で支持されている。そして接触部材２９ａ，２９ｂは駆動摩擦部材２８の側部を通って固定摩擦部材３０，３２と平行に伸び、他端が互いに反対側に屈曲している。一対の接触部材２９ａ，２９ｂの上記一端は、図８の要部分解斜視図において矢印９２ａ，９２ｂで示すように、それぞれ電線２３ａ，２３ｂによって圧電素子２２の各電極に電気的に接続されている。また、一対の接触部材２９ａ，２９ｂの上記他端は、図７および図８の矢印９０ａ，９０ｂで示すように、一対の固定摩擦部材３０，３２に、それぞれ摩擦結合し、接して導通するようになっている。
【００４４】
つまり、圧電素子２２には、駆動パルス発生回路１２から、電線１３ａ，１３ｂ、固定摩擦部材３０，３２、接触部材２９ａ，２９ｂ、電線２３ａ，２３ｂを経て電圧が印加される。圧電素子２２に接続された電線２３ａ，２３ｂは接触部材２９ａ，２９ｂに接続され、短く、かつ両端が駆動ユニットとともに移動するので、引きずることはない。
【００４５】
以上説明した各実施形態の駆動装置１０，１０ａ，１０ｂは、移動時に電線の両端の間隔が変化するような動作が無くなることにより、小さく構成することができ、駆動性能の低下を防ぎ、電線の破損を防ぐことができる。各実施例において停止摩擦部材はベース部材に固定された固定摩擦部材で構成されているが、完全に固定されたものでなく、移動可能なものでよく、実質的に停止して駆動摩擦部材を相対的に移動させるものであればよい、
【００４６】
なお、本発明は上記各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斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態の駆動装置の斜視図である。
【図３】図２の駆動装置の駆動軸の分解斜視図である。
【図４】図２の駆動装置の要部分解斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態の駆動装置の駆動軸の斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態の駆動装置の要部分解斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態の駆動装置の平面図である。
【図８】図７の駆動装置の要部分解斜視図である。
【符号の説明】
１０，１０ａ，１０ｂ 駆動装置
１２ パルス発生回路（駆動パルス発生手段）
１３ａ，１３ｂ 電線
１４ ベース
１４ｓ 上面
１５ 第１の固定摩擦部材（第１のコンタク手段、電極部、導電性部材）
１５ｓ 平面
１６ 第２の固定摩擦部材（第１のコンタクト手段、電極部、導電性部材）
１６ｓ Ｖ溝面
１８ 支持ばね
２０ 駆動ユニット
２２ 圧電素子（電気機械変換素子）
２３ａ，２３ｂ 電線
２４ 移動体
２４ａ，２４ｂ ねじ穴
２４ｃ 側面
２４ｓ，２４ｔ 凹部
２６ 駆動軸（駆動摩擦部材）
２６ａ，２６ｂ 導電体（第２のコンタクト手段、接触部）
２６ｃ 絶縁体
２６ｓ 本体部
２６ｔ 軸部
２７ 駆動軸（駆動摩擦部材）
２７ａ，２７ｂ 導電層（第２のコンタクト手段、接触部）
２７ｃ 本体部
２８ 駆動摩擦部材
２９ａ，２９ｂ 接触部材（第２のコンタクト手段）
３０ 第１の固定摩擦部材（第１のコンタクト手段、電極部、導電性部材）
３２ 第２の固定摩擦部材（第１のコンタクト手段、電極部、導電性部材）
３４ 支持部
３６ 付勢ばね
７０ａ、７０ｂ〜９２ａ，９２ｂ 矢印

Claims (5)

1. 駆動パルスを発生する駆動パルス発生手段と、上記駆動パルスが与えら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た駆動摩擦部材と、上記駆動摩擦部材に対して付勢されることによって上記駆動摩擦部材と摩擦結合しかつ互いに絶縁され上記駆動パルス発生手段の各電極にそれぞれ電気的に接続された一対の導電性部材で構成された停止摩擦部材とを備え、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駆動装置において、上記駆動パルスは、上記停止摩擦部材から駆動摩擦部材を経由して、上記電気機械変換素子に供給されることを特徴とする、駆動装置。
2. 上記駆動摩擦部材の駆動範囲に大略沿って上記停止摩擦部材に固設され、かつ上記駆動パルス発生手段に電気的に接続された少なくとも１つの第１のコンタクト手段と、上記電気機械変換素子の近傍に配置され、かつ上記電気機械変換素子に電気的に接続され、かつ上記第１のコンタクト手段に摺接する第２のコンタクト手段とを備えたことを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。
3. 上記駆動摩擦部材は、互いに絶縁されかつ上記電気機械変換素子の各電極にそれぞれ電気的に接続された２以上の導電性の接触部を含み、上記停止摩擦部材は、互いに絶縁されかつ上記駆動摩擦部材の上記各接触部にそれぞれ接触しかつ上記駆動パルス発生手段に電気的に接続された導電性の電極部を含むことを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。
4. 上記駆動摩擦部材は、一対の導電体が絶縁体の両側にそれぞれ結合してなり、上記各導電体は、上記電気機械変換素子の各電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ、上記停止摩擦部材の上記各導電性部材にそれぞれ摩擦結合することを特徴とする、請求項１記載の駆動装置。
5. 上記駆動摩擦部材は、絶縁性の本体部と、該本体部の表面を覆う２つの導電層とを有し、該各導電層は、互いに離れかつ上記電気機械変換素子の各電極にそれぞれ電気的に接続され、かつ、上記停止摩擦部材の上記各導電性部材にそれぞれ摩擦結合することを特徴とする、請求項１又は２記載の駆動装置。

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