JP5269009B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、摩擦摺動面を有し、高周波微小振動によって摺動面の摩擦力を制御する駆動装置に関する。

精密位置決めテーブルの支持機構部における摩擦は移動性能に大きく影響を与えることから、一般に、支持機構部の摩擦力をできるだけ排除した駆動装置が採用されている。

一方、摩擦摺動面の摩擦を積極的に活用し、小型で単純な機構でありながら、サブミクロンの精密位置決めを実現できる微小移動装置が既に提案されている。これは、電磁反発力や圧電素子の急速変形を利用した微小移動装置で、いわゆる「インパクト機構」と呼ばれている。このインパクト機構は小型単純構造で微小ステップ移動が可能であり、この長所に着目して、例えば、精密位置決めテーブルやマイクロマニピュレータ等が提案されている。

さらに、高周波微小振動を付与することによって摩擦力が低下する現象を利用した各種応用例が既に提案されており、一部、位置決め装置への適用例も見られる。例えば、超音波振動利用による摩擦低減効果を用いた駆動装置が知られている。

特開昭６３−２９９７８５号公報 特開２００５−２５６９５４号公報

しかしながら、近年の精密位置決めテーブルに求められる要求仕様は、単に高精度化や高速化と言った単一項目に限定されたものばかりではなく、一台の駆動装置で高速性，高整定性，高安定性，精密位置決めを達成しつつ、一つ一つが更なる高いレベルでの実現を求めるものである。

先に、支持機構部の摩擦力をできるだけ排除した駆動システムが多く採用されている旨を述べたが、その多くは静圧空気軸受を用いた構成であり、精密位置決めの観点では優れた特性を示すが、高速性や高整定性，高安定性の観点では必ずしも満足するものではなかった。さらに、駆動装置は大きく、高価なものとなっていた。

インパクト機構は小型単純構造のため、小さな装置で低コストであり、極めて精度の高い精密位置決めシステムを実現できる。高整定性と高安定性の観点でも優れた特性を示す。その反面、駆動原理から移動形態は微小ステップ移動であり、高速性の観点で必ずしも満足するものではなかった。

超音波振動利用による軸受機構の摩擦低減については、摩擦低減効果による精密位置決めと、摩擦摺動効果による高整定性，高安定性の観点で優れた特性を示すが、摩擦摺動効果がマイナス影響として作用する高速性については、その具体的対処法に関する提案がこれまで見当たらず、具体的な構成と駆動方法の考案が待たれていた。

そこで、本発明の一実施形態は、高速性，高整定性，高安定性，精密位置決めを達成しつつ、小型化を図ることのできる駆動装置を提供することにある。

本実施形態の駆動装置は、第１摺動面を有し前記第１摺動面に沿って直動自在に可動する可動部と、振動を発生する振動発生部と、前記可動部の前記第１摺動面と当接する第２摺動面を有し前記振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する振動伝達部と、前記振動伝達部を介して前記可動部に予圧力を付与する予圧力付与部と、前記振動伝達部に振動が与えられている時は、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間の摩擦力より大きくなるように、また、前記振動伝達部に振動が与えられていない時は、前記摩擦力より小さくなるように、前記可動部を所定方向に駆動する駆動力を発生する駆動力発生部と、を備えている。

図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）は、第１実施形態による駆動装置を示す断面図。 第１実施形態に係る電磁石の作用を説明する図。 第１実施形態に係る電磁石の作用を説明する図。 第１実施形態の動作の第１具体例を示すタイミングチャート。 第１実施形態の動作の第２具体例を示すタイミングチャート。 第１実施形態の動作の第３具体例を示すタイミングチャート。 第１実施形態の第１変形例による駆動装置を示す断面図。 第１実施形態の第２変形例による駆動装置を示す断面図。 図９（ａ）、９（ｂ）は、第２実施形態による駆動装置を示す断面図。 第２実施形態に係る電磁石の作用を説明する図。 第２実施形態に係る電磁石の作用を説明する図。 図１２（ａ）、１２（ｂ）は、第２実施形態の第１変形例による駆動装置を示す断面図。 図１３（ａ）、１３（ｂ）は、第２実施形態の第２変形例による駆動装置を示す断面図。 図１４（ａ）、１４（ｂ）、１４（ｃ）は、第２実施形態の第３変形例による駆動装置を示す断面図。 図１５（ａ）、１５（ｂ）、１５（ｃ）は、第２実施形態の第４変形例による駆動装置を示す断面図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

一実施形態の駆動装置は、第１摺動面を有し前記第１摺動面に沿って直動自在に可動する可動部と、振動を発生する振動発生部と、前記可動部の前記第１摺動面と当接する第２摺動面を有し前記振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する振動伝達部と、前記振動伝達部を介して前記可動部に予圧力を付与する予圧力付与部と、前記振動伝達部に振動が与えられている時は、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間の摩擦力より大きくなるように、また、前記振動伝達部に振動が与えられていない時は、前記摩擦力より小さくなるように、前記可動部を所定方向に駆動する駆動力を発生する駆動力発生部と、を備えている。

（第１実施形態）
第１実施形態による駆動装置を図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）に示す。図１（ａ）は、図１（ｂ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。

本実施形態の駆動装置１は、静止ベース３に設置され、図１（ａ）の左右方向に対して直動自在に可動する可動部２と、この可動部２の摺動面２ａと当接し滑り摺動する振動摺動面４ａを有し振動を伝達する振動伝達部４と、この振動伝達部４を介して可動部２に予圧力を付与する電磁石５と、振動伝達部４に連結部材１０を介して連結され、振動伝達部４に振動を与える圧電素子６と、可動部２を振動摺動面４ａに沿って可動するための推力を発生させるリニアモータ７と、を備えている。また、振動伝達部４は、電磁石５の摺動面５ａと当接し滑り摺動する振動摺動面４ｂを有している。振動伝達部４は、これらの振動摺動面４ａ，４ｂを介して、可動部２と電磁石５とを磁気的に連結する磁路を構成する振動継鉄部８ａ，８ｂと、これら振動継鉄部８ａ，８ｂの間に配置され、振動継鉄部８ａ，８ｂの方向に沿って着磁された永久磁石９とを更に備えている。なお、本実施形態においては、可動部２は、振動継鉄部８ａ，８ｂとは摺動するが、永久磁石９とは摺動しない構成となっている。すなわち、可動部２と、永久磁石９との間には空洞が設けられる構成となっている。

また、振動継鉄部８ａ，８ｂと永久磁石９との一端が非磁性体からなる連結部材１０を介して圧電素子６と連結され、圧電素子６の他端は静止ベース３に固定されている。本実施形態においては、図１（ｃ）に示すように圧電素子６が２個であったが、これに限定されるものではなく、１個であってもよく、また３個以上であってもよい。振動発生に適した個数、形状および大きさの圧電素子６を用いることができる。なお、可動部２は、振動伝達部４に対向する側に図示しない磁気継鉄部を有している。

永久磁石９による磁束φ１は、永久磁石９→振動継鉄部８ａ→可動部２の図示しない磁気継鉄部→振動継鉄部８ｂ→永久磁石９を磁路とする閉ループを構成し、これにより、可動部２と振動伝達部４との間に磁気吸引力が発生され、振動伝達部４から予圧力が可動部２に付与される構成となっている。同様に、永久磁石９による磁束φ２は、永久磁石９→振動継鉄部８ａ→電磁石５のヨーク→振動継鉄部８ｂ→永久磁石９を磁路とする閉ループを構成し、これにより電磁石５と振動伝達部４との間に磁気吸引力が発生されて、電磁石５から予圧力が振動伝達部４に付与される。なお、永久磁石９の配置について、図１（ｂ）の左端がＮ極，右端がＳ極となっているが、これに限定されるものではなく、逆にしても良い。

可動部２は、振動摺動面４ａと略平行な方向に推力（駆動力）を発生させるリニアモータ７の可動子１１を更に備え、この可動子１１とペアをなすリニアモータ７の静止体１２が静止ベース３に配置されている。すなわち、このリニアモータ７は可動部２を振動摺動面４ａと略平行な方向に駆動する。リニアモータ７は公知の方式によるものが利用でき、方式に限定されるものではない。一例として、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）の方式を用いることができる。つまり、可動子１１は空芯コイルを構成し、静止体１２は磁気回路を構成している。静止体１２が作る磁束φ３と空芯コイルの励磁電流により、フレミングの左手の法則に従って、推力が得られる。ＶＣＭは、励磁電流に対して推力が比例関係にあるので、操作性や制御性の面で優れた特徴を有している。また、推力が位置によらず安定しており、連続的に発生するので、一定の推力を付与する手段として、本実施形態の駆動装置に好適である。

次に、本実施形態の駆動装置１に係る電磁石５の作用を図２および図３を参照して説明する。図２および図３は、本実施形態の駆動装置１を図１（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

電磁石５は、制御コイル１３を備えた、例えば馬蹄形状の電磁石である。図示しない電磁石ドライバによって制御コイル１３に電流が印加されると、電磁石５には電流の流れる向きによって磁束φ４または磁束φ５が生成される。図２に示す磁束φ４は、電磁石ヨーク→振動継鉄部８ａ→可動部２の図示しない磁気継鉄部→振動継鉄部８ｂ→電磁石ヨークを磁路とする閉ループを構成し、可動部２と振動伝達部４との間に磁気吸引力を発生させ、かつ、電磁石５と振動伝達部４との間に磁気吸引力を発生させる。これにより、各部間に予圧力を付与するものである。ここで、磁束φ４は、永久磁石９の磁束φ１と磁束φ２との重ね合わせにより、次の作用を受ける。つまり、可動部２の摺動面２ａと振動摺動面４ａとの間の予圧力（以後、第２予圧力と記す）は、磁束φ１と磁束φ４が強め合う方向にあるので、永久磁石９の磁束φ１による予圧力に比べて増加する。

一方、電磁石５の摺動面５ａと振動摺動面４ｂとの間の予圧力（以後、第１予圧力と記す）は、磁束φ２と磁束φ４が弱め合う（相殺する）方向にあるので、永久磁石９の磁束φ２による予圧力に比べて低下する。

図３に示す磁束φ５は、磁束φ４と逆向きの方向にあり、電磁石５の制御コイル１３への励磁電流の正負方向を替えることで実現できる。磁束φ５は、電磁石ヨーク→振動継鉄部８ｂ→可動部２の図示しない磁気継鉄部→振動継鉄部８ａ→電磁石ヨークを磁路とする閉ループを構成し、第１および第２予圧力を付与するものである。ここで、第２予圧力は、磁束φ１と磁束φ５が弱め合う（相殺する）方向にあるので、永久磁石９の磁束φ１による予圧力に比べて低下する。

これに対して、第１予圧力は、磁束φ２と磁束φ５が強め合う方向にあるので、永久磁石９の磁束φ２による予圧力に比べて増加する。以上により、電磁石５の制御コイル１３への励磁電流を調整することによって、第１および第２予圧力を能動的で連続的に調整できることがわかる。

次に、本実施形態による駆動装置１の動作の第１具体例について図４を参照して説明する。図４は各部の操作信号、駆動力、および移動距離のタイミングチャートである。電磁石５の制御コイル１３への励磁電流の操作信号１４をゼロとし、永久磁石９の磁束φ１と磁束φ２によって発生する磁気吸引力により第１および第２予圧力を付与する。ここで、第１および第２予圧力は略等しくなるように設計することが望ましい。また、圧電素子６を作動させる圧電ドライバ（図示せず）には、圧電素子に振動変位を発生させるための操作信号１６が入力され、振動伝達部４に振動を与える。上述のように、圧電素子６を作動し、振動伝達部４に振動が与えられている時は、可動部２の摺動面２ａにおける摩擦力ｆ_{ＦＲ＿ＯＮ}より大きくなるように、また、振動伝達部４に振動が与えられていない時は、摩擦力ｆ_{ＦＲ＿ＯＦＦ}より小さくなるように、リニアモータ７の操作信号１５を調整して推力（駆動力）ｆ_ＬＭを可動部２に付与する。これにより、振動伝達部４に振動が与えられている時は、つまり、圧電素子６が作動し振動している時は、図４に示すα（＝ｆ_ＬＭ−ｆ_{ＦＲ＿ＯＮ}＞０）が正味駆動力となって可動部２を駆動し、振動伝達部４に振動が与えられていない時は、つまり、圧電素子６が作動を停止している時は、可動部２が停止状態となる。

そして、圧電素子６の作動状態が振動（ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）を繰り返す間欠動作となるように操作信号１６を周期的に変化させると、可動部２は移動状態１７ａと停止状態１７ｂを繰り返す間欠駆動１７を実現することができる。

このように、可動部２の移動１７ａと停止１７ｂの各動作を圧電素子６により制御しているので、圧電素子の高速度応答性の特徴を生かして、間欠周期の短い高速間欠駆動が実現できる。

さらに、可動部２の移動１７ａと停止１７ｂの各動作は、摺動面２ａの摩擦力の変化によって実現しているので、可動部２は摩擦による大きなダンピング効果を受動的に得ることが可能となるため、停止動作の整定性向上や停止時の安定性向上が期待できる。また、制御系によってダンピングを付与する従来構成に比べて、センサや制御回路が不要であるため、装置の小型化が図られる。よって、簡便な機器システムでありながら、開ループ制御系での高速な微小間欠駆動を容易に実現できる。

次に、本実施形態による駆動装置１の動作の第２具体例について図５を参照して説明する。この第２具体例の動作は、図５に示すように、圧電素子６の操作信号１６に同期させて、電磁石５の操作信号１４を周期的に変化させたものである。つまり、圧電素子６を作動し、振動伝達部４に振動が与えられている時は、電磁石５の操作信号１４を負の値とし、図３に示す磁束φ５を生成する。これにより、第２予圧力は、磁束φ１と磁束φ５が弱め合う（相殺する）方向にあるので、可動部２の摺動面２ａにおける摩擦力ｆ_{ＦＲ＿ＯＮ}が更に低下し、図４に示す正味駆動力αに比べて大きな正味駆動力β（＝ｆ_ＬＭ−ｆ_{ＦＲ＿ＯＮ}＞０）を得ることができる。この結果、可動部２の更なる高速化が期待できる。

次に、本実施形態による駆動装置１の動作の第３具体例について図６を参照して説明する。この第３具体例の動作は、図６に示すように、圧電素子６の操作信号１６と電磁石５の操作信号１４に同期させて、リニアモータ７の操作信号１５を周期的に変化させたものである。つまり、圧電素子６を作動し、振動伝達部４に振動が与えられている時は、リニアモータ７の操作信号１５を大きくして推力ｆ_ＬＭを増加し、振動伝達部４に振動が与えられていない時は、リニアモータ７の操作信号１５を小さくして推力ｆ_ＬＭを下げる。これにより、図５に示す正味駆動力βに比べて大きな正味駆動力γ（＝ｆ_ＬＭ−ｆ_{ＦＲ＿ＯＮ}＞０）を得ることができる。この結果、可動部２の更なる高速化が期待できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、高速性，高整定性，高安定性，精密位置決めを達成しつつ、小型化を図ることが可能な駆動装置を提供することができる。

なお、図１〜図３では、可動部２の摺動面２ａと振動摺動面４ａ，４ｂおよび電磁石５の摺動面５ａが平面的な形状であるように示したが、これに限定されるものではなく、各構成要素が上述した作用を得る範囲において、変形した構成を用いても構わない。例えば、上記の各摺動面を可動部２の移動方向に対して垂直な面でＶ字形状としても良い。これを変形例として図７および図８を参照して説明する。

（第１変形例）
図７は、第１実施形態による駆動装置の第１変形例を示す断面図である。この第１変形例の駆動装置１Ａは、第１実施形態の駆動装置１における、可動部２、振動継鉄部８ａ，８ｂ、および電磁石５を、可動部２０、振動継鉄部８０ａ，８０ｂ、および電磁石５０にそれぞれ置き換えた構成となっている。

第１実施形態による駆動機構１は、可動部２の摺動面２ａと、振動摺動面４ａ，４ｂおよび電磁石５の摺動面５ａが、可動部２の移動方向に対する垂直な面において略直線上に配置された構造となっている（図１（ｂ）参照）。すなわち、可動部２の摺動面２ａと、振動摺動面４ａ，４ｂおよび電磁石５の摺動面５ａが、可動部２の移動方向および鉛直方向に略垂直な平面に対して平行になっている。

これに対して、第１変形例による駆動装置１Ａは、各摺動面２ａ，４ａ，４ｂ，５ａがＶ字形状となっている。すなわち、可動部２０の摺動面２ａと、振動摺動面４ａ，４ｂおよび電磁石５０の摺動面５ａが、可動部２０の移動方向および鉛直方向に略垂直な平面に対して傾いている。つまり、駆動装置１Ａの振動継鉄部８０ａ、８０ｂにおけるそれぞれの振動摺動面４ａ，４ｂが互いに１８０度より大きいか、若しくは小さく設けられている。そして、振動摺動面４ａと当接し滑り摺動する形状に可動部２０の摺動面２ａが設けられていると共に、振動摺動面４ｂと当接し滑り摺動する形状に電磁石５０の摺動面５ａが設けられている。

第１実施形態の駆動装置１における構成では、可動部２が振動摺動面４ａの面内において自在に移動可能なものであるから、精密位置決めが必要な用途においては、駆動したい方向以外の自由度を拘束するために、図示しないガイド機構が別途必要となる場合がある。しかし、この第１変形例による駆動装置１Ａにおける構成では、外部設置のガイド機構を用いずに駆動すべき方向以外の自由度を拘束することができるので、外部設置のガイド機構を排除し、駆動装置のより一層の小型化が図られ、精密な位置決め特性の実現が期待できる。

（第２変形例）
図８は、第１実施形態による駆動装置の第２変形例を示す断面図である。この第１変形例の駆動装置１Ｂは、第１実施形態の駆動装置１における、可動部２を可動部２１に置き換えるとともに、摺動部材８２ａ，８２ｂ、８３ａ、８３ｂを新たに設けた構成となっている。

摺動部材８２ａ，８２ｂは振動継鉄部８ａ，８ｂに固定されている。そして、摺動部材８２ａ，８２ｂには、可動部２１の摺動面２ａと当接し滑り摺動する振動摺動面４ａが設けられている。また、この摺動部材８３ａ，８３ｂは電磁石５に固定されている。摺動部材８３ａ，８３ｂには振動摺動面４ｂと当接し滑り摺動する摺動面５ａが設けられている。さらに、各摺動面２ａ，４ａが可動部２１の移動方向に対する垂直な面でＶ字形状を構成している。

永久磁石９の磁束φ１，φ２による磁気吸着力により、電磁石５、振動伝達部４、および可動部２１は摺動部材８２ａ，８２ｂ，８３ａ，８３ｂを介して一体的に連結されているので、振動継鉄部８ａ，８ｂと、可動部２１および電磁石５との間には、所定の空隙が設けられており、各磁極部での機械的な摺動はない。

なお、第１実施形態および第１変形例の駆動装置１、１Ａでは、各部の磁極面を摺動面としたが、電磁石５等の磁極材料（表面処理材料を含む）と摺動面の材料（摺動板とその表面処理材料を含む）が必ずしも最適に一致するものではなく、とくに、長寿命化や精密位置決めが強く求められる用途では設計自由度が不足し、満足する性能を達成できない場合がある。

しかし、第２変形例の駆動装置１Ｂの構成によれば、電磁石５等の磁極材料（表面処理材料を含む）と摺動面の材料（摺動部材８２ａ，８２ｂ，８３ａ，８３ｂ）を個別に設計することができるので、設計の自由度が高められ、装置の最適化を図ることができる。なお、第２変形例においては、摺動部材８２ａ，８２ｂが振動継鉄部８ａ，８ｂに固定され、摺動部材８３ａ，８３ｂが電磁石５に固定されているような構成となっているが、これに限定されるものではなく、摺動部材８２ａ，８２ｂが可動部２１に固定され、摺動部材８３ａ，８３ｂが振動継鉄部８ａ，８ｂに固定された構成としても良い。また、摺動面２ａ，４ａが可動部２１の移動方向に対する垂直な面でＶ字形状を構成しているように記載したが、略平行な構成とすることもできる。摺動面４ｂ，５ａが移動方向に対する垂直な面で略平行となるように記載したが、Ｖ字形状の構成とすることもできる。

また、図４〜図６では、圧電素子６の操作信号１６が矩形波の形状であるように示したが、これに限定されるものではなく、正弦波，三角波，ノコギリ波，ユーザによる任意波形の何れかが選択できる。周波数と振幅は、圧電素子６の仕様と機構構造系の機械特性および圧電ドライバの仕様を考慮して決定されるが、異音発生の観点から超音波領域での周波数設定が望ましい。圧電素子６が積層タイプの場合などは、必要に応じてオフセット値を設定し、プラス信号のみの操作信号とするのが良い。さらに、圧電素子６の振動（ＯＮ）と停止（ＯＦＦ）を繰り返す間欠動作について、デュティ比を５０％であるように示したが、これに限定されるものではなく、任意に定めて良い。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態による駆動装置を図９（ａ）、９（ｂ）、図１０、図１１に示す。図９（ａ）は、図９（ｂ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。図１０および図１１は図９（ａ）の破線で示す部分Ｑにおける一部拡大図であって第２実施形態に係る電磁石の作用を説明する図。

第２実施形態による駆動装置１００は、ｘ軸（回転軸）の回りに回動自在に可動し本体部１０２_１および摺動部１０２_２を有する可動部１０２と、静止ベース１０３に設置されて可動部１０２を回転支持する軸受１５０ａ、１５０ｂと、可動部１０２の摺動部１０２_２の摺動面１０２ａと当接し滑り摺動する振動摺動面１０４ａを備えた環状の振動伝達部１０４と、振動伝達部１０４を介して可動部１０２の摺動部１０２_２に予圧力を付与する電磁石１０５と、振動伝達部１０４に連結され、振動伝達部１０４に振動を与える圧電素子１０６と、可動部１０２をｘ軸の回りに可動するためのトルクを発生させる回転モータ１０７と、を備えている。本体部１０２_１および摺動部１０２_２は、本体部１０２_１と摺動部１０２_２との間の第１接続部１０２_３によって接続され、一体となって回転する。また、摺動部１０２_２および回転モータ１０７の可動子１１１は、摺動部１０２_２と回転モータ１０７の可動子１１１との間の第２接続部１０２_４によって接続され、一体となって回転する。そして、可動部１０２は、第１接続部１０２_３において軸受１５０ａによって回転支持され、第２接続部１０２_４において軸受１５０ｂによって回転支持される。

また、振動伝達部１０４は、電磁石１０５の摺動面１０５ａと当接し滑り摺動する振動摺動面１０４ｂを有している。そして、振動伝達部１０４は、これら振動摺動面１０４ａ，１０４ｂを介して、可動部１０２と電磁石１０５とを磁気的に連結する磁路を構成する環状の振動継鉄部１０８ａ，１０８ｂと、振動継鉄部１０８ａが内周面に、振動継鉄部１０８ｂが外周面にそれぞれ配置されるように、半径方向に沿って着磁された環状の永久磁石１０９と、を更に備えている。本実施形態においては、振動伝達部１０４は、外周に配置された振動継鉄部１０８ｂによって可動部１０２の摺動部１０２_２および電磁石１０５と摺動するように構成され、振動継鉄部１０８ａによって可動部１０２の摺動部１０２_２および電磁石１０５とは摺動しなしように構成されている。そして、ｘ軸に垂直な面でかつ静止ベース１０３に略平行な位置において、振動継鉄部１０８ｂの外周部が２つの圧電素子１０６と連結され、圧電素子１０６の他端は静止ベース１０３に固定されている（図９（ｂ））。

永久磁石１０９による磁束φ６は、永久磁石１０９→振動継鉄部１０８ａ→可動部１０２→振動継鉄部１０８ｂ→永久磁石１０９を磁路とする閉ループを構成し、可動部１０２と振動伝達部１０４との間に磁気吸引力を発生させ、予圧力を付与する構成となっている。同様に、永久磁石１０９による磁束φ７は、永久磁石１０９→振動継鉄部１０８ａ→電磁石１０５のヨーク→振動継鉄部１０８ｂ→永久磁石１０９を磁路とする閉ループを構成し、電磁石１０５と振動伝達部１０４との間に磁気吸引力を発生させ、予圧力を付与している。なお、本実施形態においては、図９（ａ）に示すように、永久磁石１０９の配置について、内周面がＮ極，外周面がＳ極となっているが、これに限定するものではなく、逆にしても良い。

可動部１０２は、ｘ軸回りにトルクを発生させる回転モータ１０７の可動子１１１と一体となって回転する。回転モータ１０７は公知の方式によるものが利用でき、方式に限定されるものではない。一例として、ＤＣモータの方式を用いることができる。ＤＣモータは直流電流を励磁すれば容易にトルクが得られるので、操作性等の面で優れた特徴を有している。電磁石１０５は、制御コイル１１３を備えた円筒形状の電磁石である。

図示しない電磁石ドライバによって制御コイル１１３に電流が印加されると、電流のながれる向きに応じて電磁石１０５には磁束φ８または磁束φ９が生成される（図１０、図１１参照）。図１０に示す磁束φ８は、電磁石ヨーク→振動継鉄部１０８ａ→可動部１０２→振動継鉄部１０８ｂ→電磁石ヨークを磁路とする閉ループを構成し、可動部１０２と振動伝達部１０４との間に磁気吸引力を発生させ、かつ、電磁石１０５と振動伝達部１０４との間に磁気吸引力を発生させる。これにより、各部間に予圧力を付与するものである。ここで、磁束φ８は、永久磁石１０９の磁束φ６とφ７との重ね合わせにより、次の作用を受ける。つまり、可動部１０２の摺動面１０２ａと振動摺動面１０４ａとの間の予圧力（以後、第４予圧力と記す）は、磁束φ６と磁束φ８が強め合う方向にあるので、永久磁石１０９の磁束φ６による予圧力に比べて増加する。

一方、電磁石１０５の摺動面１０５ａと振動摺動面１０４ｂとの間の予圧力（以後、第３予圧力と記す）は、磁束φ７と磁束φ８が弱め合う（相殺する）方向にあるので、永久磁石１０９の磁束φ７による予圧力に比べて低下する。

図１１に示す磁束φ９は、磁束φ８と逆向きの方向にあり、電磁石１０５の制御コイル１１３への励磁電流の正負方向を替えることで実現できる。磁束φ９は、電磁石ヨーク→振動継鉄部１０８ｂ→可動部１０２→振動継鉄部１０８ａ→電磁石ヨークを磁路とする閉ループを構成し、第３および第４予圧力を付与するものである。ここで、第４予圧力は、磁束φ６と磁束φ９が弱め合う（相殺する）方向にあるので、永久磁石１０９の磁束φ６による予圧力に比べて低下する。

一方、第３予圧力は、磁束φ７と磁束φ９が強め合う方向にあるので、永久磁石１０９の磁束φ７による予圧力に比べて増加する。以上により、電磁石１０５の制御コイル１１３への励磁電流を調整することによって、第３および第４予圧力を能動的で連続的に調整することができることがわかる。

この第２実施形態の駆動装置１００の動作については、直動と回動の違いはあるものの、既に述べた第１実施形態の駆動装置１と機能的な観点で略同じであるので、詳細は割愛する。ただし、振動伝達部１０４に回転変位の振動を与える方法が駆動装置１と若干異なるため、圧電素子１０６の動作について補足説明する。圧電素子１０６を２個１組とし、圧電素子１０６の作動状態が振動（ＯＮ）にある時は、１組の圧電素子１０６には互いに逆位相の操作信号１６を入力する。つまり、図９（ｂ）の右側に配置した圧電素子１０６には予め定めたオフセット量を基準にして更に伸ばす操作信号を与え、図９（ｂ）の左側に配置した圧電素子１０６には縮める操作信号を与えることにより、振動伝達部１０４をｘ軸中心に左回りの回転変位を付与する。この操作信号の正負方向を交番的に切り替え作動して回転振動を発生し、図示しない正味駆動力にて可動部１０２を回転駆動するものである。

以上説明したように、第２実施形態も第１実施形態と同様に、高速性，高整定性，高安定性，精密位置決めを達成しつつ、小型化を図ることが可能な駆動装置を提供することができる。

（第１変形例）
次に、第２実施形態の第１変形例による駆動装置２００を図１２（ａ）、１２（ｂ）に示す。図１２（ａ）は、図１２（ｂ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

なお、図９（ａ）乃至図１１に示した第２実施形態の駆動装置１００と異なる部分についてのみ説明し、共通する部分については割愛する。駆動装置２００は、ｘ軸の回りに回動自在に可動する可動部１０２と、静止ベース１０３に設置され、可動部１０２を回転支持する軸受１５０ａ、１５０ｂと、可動部１０２の摺動面１０２ａと当接し滑り摺動する振動摺動面２０４ａを備えた環状の振動伝達部２０４と、振動伝達部２０４を介して可動部１０２に予圧力を付与する電磁石１０５と、振動伝達部２０４に連結され、振動伝達部２０４に振動を与える圧電素子１０６と、可動部１０２をｘ軸の回りに可動するためのトルクを発生させる回転モータ１０７と、を備えている。振動伝達部２０４は、電磁石１０５の摺動面１０５ａと当接し滑り摺動する振動摺動面２０４ｂを更に有している。また、この振動伝達部２０４は、これら振動摺動面２０４ａ，２０４ｂを介して可動部１０２と電磁石１０５とを磁気的に連結する磁路を構成する環状の振動継鉄部２０８ａ，２０８ｂと、振動継鉄部２０８ａ，２０８ｂが、ｘ軸方向において対向する両端面にそれぞれ配置され、ｘ軸線方向に沿って着磁された環状の永久磁石２０９と、を備えている。振動継鉄部２０８ｂは可動部１０２の摺動部１０２_２および電磁石１０５と互いに摺動するように構成され、振動継鉄部２０８ａは可動部１０２の摺動部１０２_２および電磁石１０５と摺動しないように構成されている。

永久磁石２０９による磁束φ６および磁束φ７は、駆動機構１００の磁路構成と形が異なるが、機能的には全く等しく、得られる効果も同じである。電磁石１０５が生成する図示しない磁束φ８および磁束φ９を制御コイル１１３への励磁電流で調整することにより、第３および第４予圧力を能動的で連続的に調整できる。永久磁石２０９は、ｘ軸線上に沿って着磁された環状体を形成しているので、半径方向に沿って着磁された駆動機構１００の永久磁石１０９に比べて、低コスト化が期待できる。

（第２変形例）
次に、第２実施形態の第２変形例による駆動装置３００を図１３（ａ）、１３（ｂ）に示す。図１３（ａ）は、図１３（ｂ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。

なお、図９（ａ）乃至図１１に示した第２実施形態の駆動装置１００および図１２（ａ）、１２（ｂ）に示した第１変形例の駆動装置２００と異なる部分についてのみ説明し、共通する部分については割愛する。

この第２変形例の駆動装置３００は、ｘ軸回りに回動自在に可動する可動部１０２と、可動部１０２の摺動面１０２ａと当接し滑り摺動する振動摺動面３０４ａを備えた環状の振動伝達部３０４と、振動伝達部３０４を介して可動部１０２に予圧力を付与する電磁石１０５と、圧電素子１０６と、回転モータ１０７と、を備えている。振動伝達部３０４は、電磁石１０５の摺動面１０５ａと当接し滑り摺動する振動摺動面３０４ｂを更に有している。また、振動伝達部３０４は、これら振動摺動面３０４ａ，３０４ｂを介して、可動部１０２と電磁石１０５とを磁気的に連結する磁路を構成する環状の振動継鉄部３０８ａ，３０８ｂと、これらの振動継鉄部３０８ａ，３０８ｂが両端面にそれぞれ配置され、ｘ軸方向に沿って着磁された環状の永久磁石３０９と、を備えている。振動継鉄部３０８ａは可動部１０２の摺動部１０２_２と摺動するように構成され、振動継鉄部３０８ｂは電磁石１０５と摺動するように構成されている。

永久磁石３０９による磁束φ６および磁束φ７は、第１実施形態の駆動機構１００の磁路構成と形が異なるが、機能的には全く等しく、得られる効果も同じである。

なお、磁束φ６は、可動部１０２の摺動面１０２ａを形成する円盤を、ｘ軸線上に沿って貫通する磁路にて形成されているので、円盤の厚さを極めて薄く設計することができる。これは、円盤を貫通する磁路はｘ軸方向にのみ設ければ良く、磁気設計上、円盤の厚さは設計パラメータに含まれないためである。これにより、可動部２の慣性モーメントを低減し、応答性能の向上と共に、第２発生部の所要トルクを小さくして、装置全体の小型化を図ることができる。

（第３変形例）
次に、第２実施形態の第３変形例による駆動装置３００Ａを図１４（ａ）、１４（ｂ）、１４（ｃ）に示す。図１４（ａ）は、図１４（ｂ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図、図１４（ｃ）は、図１４（ａ）に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。

なお、第２実施形態の第２変形例の駆動装置３００と異なる部分についてのみ説明し、共通する部分については割愛する。

この第３変形例の駆動装置３００Ａは、第２変形例の駆動装置３００とは、圧電素子１０６の連結位置を、外周面に設けられた振動継鉄部３０８ｂから内周面に設けられた振動継鉄部３０８ａに変えるとともに圧電素子１０６の個数を２個から４個に変え、更に電磁石１０５に固定されて圧電素子１０６の一端と連結する圧電素子支持部材３５０を新たに設けた構成となっている。４個の圧電素子１０６は、振動継鉄部３０８ａの外周の両端のそれぞれにおいて圧電素子支持部材３５０を挟んで上下に設けた構成となっている。このような構成としたことにより、上下に設けられた圧電素子のペアによってプッシュ・プル駆動を行うことにより、圧電素子１０６に作用する引張り応力を低減して圧電素子１０６の破損を防止することができる。

（第４変形例）
次に、第２実施形態の第４変形例による駆動装置４００を図１５（ａ）、１５（ｂ）、１５（ｃ）に示す。図１５（ａ）は、図１５（ｂ）に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面図、図１５（ｃ）は、図１５（ａ）に示す切断線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。

なお第２実施形態、第１乃至第２変形例の駆動装置１００，２００，３００と異なる部分についてのみ説明し、共通する部分については割愛する。

この第４変形例の駆動装置４００は、ｘ軸回りに回動自在に可動する可動部１０２と、可動部１０２の摺動面１０２ａと当接し滑り摺動する振動摺動面４０４ａを備えた環状の振動伝達部４０４と、可動部１０２の摺動面１０２ｂと当接し滑り摺動する振動摺動面４０５ａを備えた環状の電磁石４０５と、振動伝達部４０４に連結され、振動伝達部４０４に振動を与える圧電素子１０６と、電磁石４０５に連結され、電磁石４０５に振動を与える圧電素子４０６と、回転モータ１０７を備えている。そして、電磁石４０５は、振動伝達部４０４と可動部１０２の摺動面１０２ａ，１０２ｂを形成する円盤を、ｘ軸方向に沿って貫通する磁路によって形成された磁束φ１０により、各部間に電磁吸着力を発生し、予圧力を付与する。第２変形例の駆動装置３００と同様に、可動部１０２の円盤は、円盤の厚さを極めて薄く設計することができる。圧電素子１０６を２個１組とし、圧電素子１０６の作動状態が振動（ＯＮ）にある時は、１組の圧電素子１０６には互いに逆位相の操作信号１６を入力する。つまり、図１５（ｂ）の右側に配置した圧電素子１０６には予め定めたオフセット量を基準にして更に伸ばす操作信号を与え、図１５（ｂ）の左側に配置した圧電素子１０６には縮める操作信号を与えることにより、振動伝達部４０４をｘ軸中心に左回りの回転変位を付与する。また、圧電素子４０６を２個１組とし、圧電素子４０６の作動状態が振動（ＯＮ）にある時は、１組の圧電素子４０６には互いに逆位相の操作信号１６を入力する。つまり、図１５（ｃ）の右側に配置した圧電素子４０６には予め定めたオフセット量を基準にして縮める操作信号を与え、図１５（ｃ）の左側に配置した圧電素子４０６には更に伸ばす操作信号を与えることにより、電磁石４０５をｘ軸中心に右回りの回転変位を付与する。この操作信号の正負方向を交番的に切り替え作動して互いに逆向きの回転振動を発生し、図示しない正味駆動力にて可動部１０２を回転駆動するものである。

圧電素子１０６，４０６によって互いに逆向きの回転振動を発生するように構成しているので、振動付与による摩擦低減作用を図りつつ、可動部に作用する振動力を相殺できるので、振動発生を抑制し、可動部の位置決め動作における更なる高速化が期待できる。

以上述べたように上記実施形態によれば、高速性，高整定性，高安定性，精密位置決めを達成しつつ、装置全体の小型化を図った駆動装置を提供することができる。つまり、摩擦力によって大きなダンピング特性を受動的に得ることができるので、停止動作の整定性向上や停止時の安定性向上が期待できる。また、可動部の残留振動を抑圧でき、高速な応答が期待できる。

このように、高速性，高整定性，高安定性，精密位置決めに係る駆動特性を全て達成しつつ、装置全体の小型化を図った駆動装置であるので、高速で高精度な位置決め装置が求められる分野、例えば、計測機器や加工機器，情報機器，その他幅広い分野の高速精密機器としての利用が期待できる。

実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。

１ 駆動装置
２ 可動部
３ 静止ベース
４ 振動伝達部
５ 電磁石
６ 圧電素子
７ リニアモータ
８ａ 振動継鉄部
８ｂ 振動継鉄部
９ 永久磁石
１００ 駆動装置
１０２ 可動部
１０３ 静止ベース
１０４ 振動伝達部
１０５ 電磁石
１０６ 圧電素子
１０８ａ 振動継鉄部
１０８ｂ 振動継鉄部
１０９ 永久磁石

Claims (11)

1. 第１摺動面を有し前記第１摺動面に沿って直動自在に可動する可動部と、
   振動を発生する振動発生部と、
   前記可動部の前記第１摺動面と当接する第２摺動面を有し前記振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する振動伝達部と、
   前記振動伝達部を介して前記可動部に予圧力を付与する予圧力付与部と、
   前記振動伝達部に振動が与えられている時は、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間の摩擦力より大きくなるように、また、前記振動伝達部に振動が与えられていない時は、前記摩擦力より小さくなるように、前記可動部を所定方向に駆動する駆動力を発生する駆動力発生部と、
   静止ベースと、
   を備え、
   前記予圧力付与部は、前記振動伝達部と前記可動部との間を磁気的に連結する磁路を形成し、この磁路を通る閉ループ磁束により、磁気吸引力を利用して前記可動部に予圧力を付与することを特徴とする駆動装置。
2. 静止ベースを更に備え、
   前記振動発生部は、一端が前記振動伝達部に連結され、他端が前記静止ベースに連結され、前記振動伝達部に前記振動を与える圧電素子を備えていることを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
3. 第１摺動面を有し回転軸の周りに回動自在に可動する可動部と、
   振動を発生する振動発生部と、
   前記可動部の前記第１摺動面と当接する第２摺動面を有し前記振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する振動伝達部と、
   前記振動伝達部を介して前記可動部に予圧力を付与する予圧力付与部と、
   前記振動伝達部に振動が与えられている時は、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間の摩擦力より大きくなるように、また、前記振動伝達部に振動が与えられていない時は、前記摩擦力より小さくなるように、前記可動部を所定方向に駆動する駆動力を発生する駆動力発生部と、
   を備え、
   前記予圧力付与部は、前記振動伝達部と前記可動部との間を磁気的に連結する磁路を形成し、この磁路を通る閉ループ磁束により、磁気吸引力を利用して前記可動部に予圧力を付与することを特徴とする駆動装置。
4. 静止ベースを更に備え、
   前記振動発生部は、一端が前記振動伝達部に連結され、他端が前記静止ベースに連結され、前記振動伝達部に前記振動を与える圧電素子を備えていることを特徴とする請求項３記載の駆動装置。
5. 第１摺動面を有し回転軸の周りに回動自在に可動する可動部と、
   振動を発生する振動発生部と、
   前記可動部の前記第１摺動面と当接する第２摺動面を有し前記振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する振動伝達部と、
   前記振動伝達部を介して前記可動部に予圧力を付与する予圧力付与部と、
   前記振動伝達部に振動が与えられている時は、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間の摩擦力より大きくなるように、また、前記振動伝達部に振動が与えられていない時は、前記摩擦力より小さくなるように、前記可動部を所定方向に駆動する駆動力を発生する駆動力発生部と、
   を備え、
   前記可動部は、本体部と、前記本体部と一体となって形成され前記第１摺動面を有する摺動部と、を備え、
   前記振動伝達部は、外周側に配置され、前記第２摺動面を有し前記振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する第１部分と、前記第１部分と一体となって内周側に形成された第２部分とを備えていることを特徴とする駆動装置。
6. 第１摺動面を有し回転軸の周りに回動自在に可動する可動部と、
   振動を発生する振動発生部と、
   前記可動部の前記第１摺動面と当接する第２摺動面を有し前記振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する振動伝達部と、
   前記振動伝達部を介して前記可動部に予圧力を付与する予圧力付与部と、
   前記振動伝達部に振動が与えられている時は、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間の摩擦力より大きくなるように、また、前記振動伝達部に振動が与えられていない時は、前記摩擦力より小さくなるように、前記可動部を所定方向に駆動する駆動力を発生する駆動力発生部と、
   を備え、
   前記可動部は、本体部と、前記本体部と一体となって形成され前記第１摺動面を有する摺動部と、を備え、
   前記振動伝達部は、外周側に配置され、前記振動発生部から発生された前記振動を受ける第１部分と、前記第１部分と一体となって内周側に形成され、前記第２摺動面を有し前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する第２部分とを備えていることを特徴とする駆動装置。
7. 第１摺動面を有し回転軸の周りに回動自在に可動する可動部と、
   振動を発生する振動発生部と、
   前記可動部の前記第１摺動面と当接する第２摺動面を有し前記振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する振動伝達部と、
   前記振動伝達部を介して前記可動部に予圧力を付与する予圧力付与部と、
   前記振動伝達部に振動が与えられている時は、前記第１摺動面と前記第２摺動面との間の摩擦力より大きくなるように、また、前記振動伝達部に振動が与えられていない時は、前記摩擦力より小さくなるように、前記可動部を所定方向に駆動する駆動力を発生する駆動力発生部と、
   を備え、
   前記可動部は、本体部と、前記本体部と一体となって形成され前記第１摺動面を有する摺動部と、を備え、
   前記振動伝達部は、外周側に配置された第１部分と、前記第１部分と一体となって内周側に形成され、前記第２摺動面を有し前記振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第２摺動面を介して前記可動部に伝達する第２部分とを備えていることを特徴とする駆動装置。
8. 第１および第２摺動面を有し回転軸の周りに回動自在に可動する可動部と、
   振動を発生する第１および第２振動発生部と、
   前記可動部の前記第１および第２摺動面とそれぞれ当接する第３および第４摺動面を有し前記第１振動発生部から発生された前記振動を前記第１および第３摺動面を介して前記可動部に伝達するとともに前記第２振動発生部から発生された前記振動を前記第２および第４摺動面を介して前記可動部に伝達する振動伝達部と、
   前記振動伝達部を介して前記可動部に予圧力を付与する予圧力付与部と、
   前記振動伝達部に振動が与えられている時は、前記第１摺動面と前記第３摺動面との間の摩擦力および前記第２摺動面と前記第４摺動面との間の摩擦力より大きくなるように、また、前記振動伝達部に振動が与えられていない時は、前記摩擦力より小さくなるように、前記可動部を所定方向に駆動する駆動力を発生する駆動力発生部と、
   を備えたことを特徴とする駆動装置。
9. 静止ベースを更に備え、
   前記第１振動発生部および前記第２振動発生部はそれぞれ、一端が前記振動伝達部に連結され、他端が静止ベースに連結され、前記振動伝達部に前記振動を与える圧電素子を備えていることを特徴とする請求項８記載の駆動装置。
10. 前記予圧力付与部は、前記振動伝達部と前記可動部との間を磁気的に連結する磁路を形成し、この磁路を通る閉ループ磁束により、磁気吸引力を利用して前記可動部に予圧力を付与することを特徴とする請求項５乃至９のいずれかに記載の駆動装置。
11. 前記予圧力付与部は電磁石を備え、前記電磁石が発生する閉ループ磁束が前記予圧力付与部と前記振動伝達部との間、および前記振動伝達部と前記可動部との間をそれぞれ磁気的に連結する磁路を形成するととともに、
    前記振動伝達部は永久磁石を備え、前記永久磁石が発生する閉ループ磁束が前記振動伝達部と前記予圧力付与部との間、および前記振動伝達部と前記可動部との間をそれぞれ磁気的に連結する磁路を形成し、
    前記振動伝達部と前記予圧力付与部との間に発生する第１予圧力と、前記振動伝達部と前記可動部の間に発生する第２予圧力を前記電磁石の励磁電流によって調整する電磁石ドライバ、を更に備えることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の駆動装置。

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