JP5093098B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置に関し、特に、電気機械変換素子を用いた自走式の駆動装置に関する。

圧電素子などの電気機械変換素子による駆動摩擦部材の滑り移動によって移動体を位置決めする駆動装置が公知であり、特許文献１に記載されているように、圧電素子が移動しないインパクト式の駆動装置と、特許文献２に記載されているように、圧電素子が移動体に保持されて移動体と共に移動する自走式の駆動装置とがある。

特許文献２に記載されているように、従来の自走式の駆動装置では、駆動摩擦部材が摺動する固定案内部材と、駆動摩擦部材を固定案内部材に押圧するように付勢された付勢案内部材とを用いる。

しかしながら、従来の駆動装置では、移動体が駆動するステージのような被駆動部材の可動方向と固定案内部材の設置方向とを完全に一致させなければ、駆動摩擦部材と固定案内部材との摩擦力が一定に保たれず、安定した駆動ができない。

また、固定案内部材および付勢案内部材は、剛性が高く摩擦力の安定した材質で形成される必要があり、駆動装置のコストを押し上げる要因になっていた。
特開２００４−８０９６４号公報 特開平１０−２２５１５０号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、安定した駆動が可能で安価な自走式の駆動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による駆動装置は、電気機械変換素子の一端を固定し、前記電気機械変換素子の他端に接続した駆動摩擦部材を前記電気機械変換素子の伸縮方向に移動可能に保持し、前記電気機械変換素子の伸縮方向に移動可能に支持される移動体と、前記電気機械変換素子の伸縮方向に帯状に延伸して前記駆動摩擦部材を挟み込む一対の板ばねと、前記板ばねを短辺方向に片持ちに保持するベース部材と、前記板ばねの外側にそれぞれ配置され、前記板ばねの両端部に対してのみ弾性力を発揮する補助ばねとを有するものとする。
また、本発明の駆動装置において、前記補助ばねは、前記板ばねの外側に前記ベース部材に沿って設けられ、当該補助ばねの両端部だけが前記板ばねの両端部に接して短辺方向上方に延伸されていることとしてもよい。
また、本発明の駆動装置において、前記補助ばねは、前記板ばねの両端部にそれぞれ、当該板ばねの短辺方向上方に延伸されるように設けられていることとしてもよい。

この構成によれば、駆動摩擦部材を一対の板ばねで挟み込んで保持するので、駆動摩擦部材が板ばねの法線方向に多少位置ずれしても、板ばねが駆動摩擦部材を狭持する力が変動せず、安定した摩擦力を発揮できる。このため、板ばねが保持される方向と、移動体の移動可能な方向とが厳密に一致しなくても、移動体を一定の力で駆動できる。また、本発明の駆動装置は、駆動摩擦部材を直接板ばねで狭持するので、構造が簡単で安価に提供できる。

また、この構成によれば、板ばねの両端部において板ばねが駆動摩擦部材を狭持する力を補助ばねが補強する。これにより、板ばねが長手方向に湾曲して両端で駆動摩擦部材を狭持する力が減少することを防止し、移動体の位置にかかわらず一定の駆動力を発生させることができる。

また、本発明の駆動装置において、前記板ばねは、自由端の先端がそれぞれ外側に折り曲げられていてもよい。

この構成によれば、板ばねが長手方向に湾曲し難くなり、板ばねの位置によって駆動摩擦部材を狭持する力が変化しにくくなる。これによって、移動体の位置にかかわらず一定の駆動力を発生させることができる。

本発明によれば、移動体の駆動摩擦部材を一対の板ばねで挟み込むので、移動体の移動方向と板ばねの固定方向との向きが完全に一致しなくても、移動体の位置にかかわらず一定の駆動力を発生することができ、安定した駆動が可能で安価な自走式の駆動装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の駆動装置の分解斜視図。 図１の主板ばねおよび補助ばねの詳細斜視図。 図１の移動ユニットの断面図。 図１の駆動装置を駆動するための駆動回路の回路図。 図４の駆動回路の駆動電圧信号を示すタイムチャート。 図５と逆方向に移動させる場合の駆動電圧信号を示すタイムチャート。 図１の主板ばねおよび補助ばねによる加圧力の分布を示す図。 図３の代案となる主板ばねの斜視図。

符号の説明

１ 駆動装置
８ 主板ばね
９ 補助ばね
１１ ベース部材
１２ 移動体
１３ 圧電素子（電気機械変換素子）
１４ 駆動摩擦部材

これより、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１に本発明の一実施形態の駆動装置１を示す。駆動装置１は、台座２上でステージ３を矢印Ａ−Ｂ方向に位置決めするものである。ステージ３は、台座２に設けられた案内ブロック４に摺動可能に係合する摺動ブロック５を有し、台座２に対して矢印Ａ−Ｂ方向にのみ移動可能に組み立てられる。

ステージ３には、移動ユニット６がボルト７で固定される。台座２には、移動ユニット６を挟み込む一対の主板ばね８と、主板ばね８の外側にそれぞれ配置される補助ばね９とをねじ１０によって締め付けて保持するベース部材１１が固定されている。言い換えると、移動ユニット６は、主板ばね８および補助ばね９を押し広げるように、主板ばね８の間に介在して、主板ばね８および補助ばね９の弾性による反力によって挟み込まれている。

主板ばね８は、本発明における板ばねであり、図２に示すように、帯状の金属板からなり、短辺方向に片持ちになるように、下側がベース部材１１に保持されている。また、主板ばね８は、ベース部材１１に保持されていない自由端である上側の先端部が、約４５°外側に、全長に渡って折り曲げられている。

補助ばね９は、主板ばね８の外側に重ねてベース部材１１に片持ちに保持されている。補助ばね９は、主板ばね８の長辺方向の両端部に重なる部分のみが主板ばね８の短辺方向の上端近傍まで延伸し、中央部はベース部材１１から上方に殆ど突出しない。

ベース部材１１は、主板ばね８をステージ３の移動可能なＡ−Ｂ方向と平行に保持するように、台座２に対して固定されている。

図３に示すように、移動ユニット６は、概略直方体の金属ブロックからなる移動体１２に、圧電素子１３と、駆動摩擦部材１４とを収容したものである。

圧電素子１３は、本発明における電気機械変換素子であり、一端が移動体１２に固定されており、リード線１５およびフレキシブル基板１６を介して駆動電圧が印加されることで、ステージ３の移動方向と同じＡ−Ｂ方向に伸縮する。

駆動摩擦部材１４は、例えばカーボンファイバで形成され、移動体１２から側方に突出て主板ばね８に挟み込まれる摩擦部１４ａと、摩擦部１４ａから圧電素子１３の伸縮方向両側に突出して移動体１２および移動体１２の端部にねじ１７で固定した封止板１８にそれぞれ摺動可能に支持される軸部１４ｂおよび１４ｃとからなっている。駆動摩擦部材１４は、一方の軸部１４ｂが圧電素子１３の移動体１２に固定された端部と反対側の端部に接続されており、圧電素子１３の伸縮によって移動体１２の内部でＡ−Ｂ方向（圧電素子１３の伸縮方向）に振動する。

図４に、圧電素子１３に電圧を印加する駆動回路を示す。この駆動回路は、Ｖｐ（Ｖ）の電源と、４つのＦＥＴ１９，２０，２１，２２と、ＦＥＴ１９，２０，２１，２２をそれぞれスイッチングする制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｃ３，Ｓｃ４を出力する制御回路２３とからなっている。駆動回路は、制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ２，Ｓｃ３，Ｓｃ４の組合せによって、圧電素子１３の両端子間に印加される駆動電圧Ｖｌｏａｄを、＋Ｖｐ（Ｖ）、−Ｖｐ（Ｖ）または０（Ｖ）に切り換えることができる。

駆動装置１において、ステージ３を矢印Ａ方向に駆動する場合、駆動回路は、圧電素子１３に、図５に示すような駆動電圧Ｖｌｏａｄを印加する。図５において、駆動回路は、圧電素子１３に、先ず、時間ｔ１だけ＋Ｖｐ（Ｖ）を印加し、続いて時間ｔ２だけ−Ｖｐ（Ｖ）を印加し、さらに時間ｔ３だけ０（Ｖ）を印加する。

圧電素子１３は、先ず、時間ｔ１において、無電圧の標準長さから＋Ｖｐ（Ｖ）が印加されて最大長さに伸長し、続いて、時間ｔ２において、−Ｖｐ（Ｖ）が印加されて最小長さまで収縮し、時間ｔ３において、無電圧の標準長さに戻る。このとき、駆動電圧Ｖｌｏａｄが０（Ｖ）からＶｐ（Ｖ）に、または、−Ｖｐ（Ｖ）から０（Ｖ）に増加する場合、その電圧変化が小さいので、圧電素子１３は比較的緩慢に伸長する。一方、駆動電圧Ｖｌｏａｄが＋Ｖｐ（Ｖ）から−Ｖｐ（Ｖ）に減少するときは、その電圧変化が大きいので、圧電素子１３は比較的急峻に収縮する。

時間ｔ１および時間ｔ３において、圧電素子１３が緩慢に伸長する際、駆動摩擦部材１４の摩擦部１４ａが主板ばね８に狭持されているので移動体１２がベース部材１１に対して矢印Ａ方向に移動させられる。また、時間ｔ２において圧電素子１３が急峻に収縮する際、移動体１２の慣性力が駆動摩擦部材１４の摩擦部１４ａと主板ばね８との間の摩擦力に勝り、移動体１２がその場に留まって駆動摩擦部材１４の摩擦部１４ａを主板ばね８の間で矢印Ａ方向に滑り移動させる。この時間ｔ１，ｔ２，ｔ３を合計した時間Ｔｄにおける移動体１２、つまりステージ３の移動量は、圧電素子１３の長さ変化と、駆動摩擦部材１４の摩擦部１４ａと主板ばね８との間の摩擦力とによって決まる。よって、駆動回路は、この動作時間Ｔｄにおける一連の電圧変化を１回の駆動動作とし、ステージ３を移動すべき距離に応じて、一連の駆動動作を繰り返す。

駆動装置１において、ステージ３を矢印Ｂ方向に移動させるには、図６に示すように、制御信号Ｓｃ１，Ｓｃ２の出力タイミングと制御信号Ｓｃ３，Ｓｃ４の出力タイミングとを、ステージ３を矢印Ａ方向に移動させる際と逆にするとよい。この場合、圧電素子１３の伸縮波形は、図５の駆動電圧による駆動時とは逆に緩慢に収縮し、急峻に伸張するので、移動体１２がベース部材１１に対して矢印Ｂ方向に移動させられる。この場合の移動体１２およびステージ３の１駆動動作あたりの移動量は、駆動摩擦部材１４と主板ばね８との間の摩擦力が一定であれば、図５の場合と逆方向に同じ距離になる。

図７に、駆動摩擦部材１４が狭持される位置（保持位置）による主板ばね８の駆動摩擦部材１４に対する加圧力の変化、つまり、主板ばね８および補助ばね９の長辺方向の弾性力の分布を示す。主板ばね８は、短辺方向に撓んで駆動摩擦部材１４を加圧するが、長辺方向にも撓むことができる。このため、補助ばね９がないときには、駆動摩擦部材１４を保持している部分の近傍だけが短辺方向に撓んで加圧力を発揮することになる。つまり、主板ばね８は、駆動摩擦部材１４をその長辺方向の両端部で保持するときは、長辺方向片側に撓むことのできる部分が少ないため、短辺方向に撓む実効長さが短くなり、加圧力が小さくなる。

本実施形態では、主板ばね８の短辺方向の先端を折り曲げているため、折り曲げ部分が主板ばね８の長辺方向の撓みを抑えるリブとして作用し、駆動摩擦部材１４の位置による主板ばね８の加圧力の変化を小さくしている。しかしながら、これによっても、図７に示すように、主板ばね８の両端部において、加圧力が減少することを避けられない。

そこで、本実施形態では、主板ばね８の外側に、補助ばね９が配置されている。補助ばね９は、両端部だけが短辺方向上方に延伸し、主板ばね８に対して弾性力を発揮できる。つまり、補助ばね９は、両端部においてのみ、主板ばね８を支持して、主板ばね８を介して駆動摩擦部材１４を加圧するように作用する。このため、図７に示すように、主板ばね８と補助ばね９による加圧力は、駆動摩擦部材１４の位置によって殆ど変化しない。これによって、主板ばね８と駆動摩擦部材１４との間の摩擦力が、移動ユニット６の位置によって変化することがなく、前記時間Ｔｄの１駆動動作あたりのステージ３の移動量は、その位置によらず、常に一定である。

また、移動ユニット６の両側を、弾性変形可能な主板ばね８で挟み込んでいるため、案内ブロック４とベース部材１１との設置方向に水平方向のずれがあっても、主板ばね８の短辺方向の弾性変形範囲内であれば、駆動摩擦部材１４に対する加圧力がほとんど変わることがなく、駆動装置１の駆動性能に製造誤差が少ない。

また、主板ばね８の先端を外側に折り曲げたことで、ベース部材１１に主板ばね８および補助ばね９を固定した状態で、移動ユニット６を、上方から、一対の主板ばね８の間に容易に挿入することができ、駆動装置１の組立が簡単である。

なお、本実施形態に示した補助ばね９に換えて、主板ばね８の長辺方向の両端部に、Ａ−Ｂ方向に短い板ばねをそれぞれ配置してもよい。また、主板ばね８の長辺方向の両端部にのみ弾性力を発揮する圧縮ばねのような他の種類のばねを用いてもよい。

また、補助ばね９を用いずとも、図８に示す、主板ばね８’を用いることで駆動摩擦部材１４に対する加圧力を一定に保つことができる。この主板ばね８’は、弾性変形する部分に弾性力を減じるための貫通孔８ａを設けており、中央部の貫通孔８ａを大きく、両端部の貫通孔８ａを小さくしてある。

さらに、主板ばね８’は、貫通孔８ａに換えて、貫通しない複数の穴または溝を形成してもよく、穴または溝の大きさを変えずにその深さや数を変えてもよい。また、主板ばね８’は、その板厚が両端部で厚くなるように形成してもよい。

Claims (4)

1. 電気機械変換素子の一端を固定し、前記電気機械変換素子の他端に接続した駆動摩擦部材を前記電気機械変換素子の伸縮方向に移動可能に保持し、前記電気機械変換素子の伸縮方向に移動可能に支持される移動体と、
   前記電気機械変換素子の伸縮方向に帯状に延伸して前記駆動摩擦部材を挟み込む一対の板ばねと、
   前記板ばねを短辺方向に片持ちに保持するベース部材と、
   前記板ばねの外側にそれぞれ配置され、前記板ばねの両端部に対してのみ弾性力を発揮する補助ばねと
   を有することを特徴とする駆動装置。
2. 前記補助ばねは、前記板ばねの外側に前記ベース部材に沿って設けられ、当該補助ばねの両端部だけが前記板ばねの両端部に接して短辺方向上方に延伸されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記補助ばねは、前記板ばねの両端部にそれぞれ、当該板ばねの短辺方向上方に延伸されるように設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
4. 前記板ばねは、自由端の先端がそれぞれ外側に折り曲げられている
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の駆動装置。