JP2007014100A - 精密往復直進駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】小さい単位移動量と大きい移動力との双方を必要に応じて選択できる、駆動自由度の高い精密往復直進駆動機構を得る。
【解決手段】ステッピングモータの回転を直進運動に変換して取り出す精密往復直進駆動機構において、直進進退動可能に支持された取出部材；取出部材の移動軸上に揺動中心を有し、その揺動中心から異なる方向に延びる少なくとも一対の腕を有する、取出部材と一緒に移動するシーソー部材；このシーソー部材の各腕に係合する複数の原動直進部材；これらの原動直進部材に対応させて設けた複数のステッピングモータ；及びこれらのステッピングモータの出力回転をそれぞれ原動直進部材の直線運動に変換する複数の減速機構；を備えた精密往復直進駆動機構。
【選択図】図２

Description

本発明は、ステッピングモータと減速機構を用いた精密往復直進駆動機構に関する。

ステッピングモータの回転力を、送りネジ機構や歯車機構（ラックピニオン機構）等の減速機構を介して直進運動に変換する往復直進駆動機構では、１パルス当たりの直進移動量（単位移動量）は、ステッピングモータの分解能（例えば１回転当たりのパルス数）と、減速機構の分解能（例えば送りねじ（ピニオン）１回転当たりのナット部材（ラック部材）の移動量）の双方に依存する。
特開平７−３２０４２４号公報

本発明は、一つの減速機構の分解能（単位移動量）よりも高精度な単位移動量を得ることができ、あるいは同じ単位移動量であればより大きな駆動力を得ることができる精密往復直進駆動機構を得ることを目的とする。

本発明は、ステッピングモータの回転を直進運動に変換して取り出す精密往復直進駆動機構において、直進進退動可能に支持された取出部材；この取出部材の移動軸上に揺動中心を有し、その揺動中心から異なる方向に延びる少なくとも一対の腕を有する、上記取出部材と一緒に移動するシーソー部材；このシーソー部材の各腕に係合する複数の原動直進部材；これらの原動直進部材に対応させて設けた複数のステッピングモータ；及びこれらのステッピングモータの出力回転をそれぞれ原動直進部材の直線運動に変換する複数の減速機構；を備えたことを特徴としている。シーソー部材の複数の腕は、実際には等角度間隔に２個または３個を設けるのがよい。

減速機構は送りねじ機構とするのが実際的であるが、ラックピニオン機構を用いることもできる。

各ステッピングモータには、時間差を与えて駆動パルスを与える態様、同時に駆動パルスを与える態様が可能である。時間差を与える場合、交互に通電するのがよい。

各原動直進部材にはそれぞれ原点センサを設けることで、取出部材の位置だけでなく、シーソー部材の傾きを検出することができる。

本発明の精密往復直進駆動機構によれば、一つの減速機構の分解能よりも高精度な単位移動量を得ることができ、あるいは同じ単位移動量であればより大きな駆動力を得ることができる精密往復直進駆動機構を得ることができる。

図１、図２は、本発明による精密往復直進駆動機構１００の基本実施形態を示している。この精密往復直進駆動機構１００は、互いに平行な中心ガイドバー１１と左右のガイドバー２０Ｌ、２０Ｒを有し、中心ガイドバー１１を中心とする左右対称配置を有している。中心ガイドバー１１上には、直進移動出力を取り出す取出部材１２が回転を拘束して直進移動自在に支持されている。この取出部材１２上には、中心ガイドバー１１の軸線上に位置する軸（作用点）１３ａを中心に揺動自在にシーソーバー（シーソー部材）１３が支持されている。

ガイドバー２０Ｌと２０Ｒにはそれぞれ、原動直進部材２１Ｌと２１Ｒが直進移動自在に支持されている。この原動直進部材２１Ｌと２１Ｒにはそれぞれ、中心ガイドバー１１側に延びるナット腕２２Ｌと２２Ｒが形成されている。

一対のステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒの出力軸は、ガイドバー２０Ｌと２０Ｒ（中心ガイドバー１１）と平行をなす送りねじ軸２５Ｌと２５Ｒからなっており、この送りねじ軸２５Ｌと２５Ｒがナット部材２３Ｌと２３Ｒに螺合している。このナット部材２３Ｌと２３Ｒの上には、原動直進部材２１Ｌと２１Ｒのナット腕２２Ｌと２２Ｒが載っている。従って、送りねじ軸２５Ｌと２５Ｒが正逆に回転駆動すると、原動直進部材２１Ｌと２１Ｒがガイドバー２０Ｌと２０Ｒに沿って正逆に直進移動する。

原動直進部材２１Ｌと２１Ｒ上には、シーソーバー１３の左右腕１３Ｌと１３Ｒにそれぞれ当接する連動突起（力点）２６Ｌと２６Ｒが形成されている。中心ガイドバー１１に固定したばね座１４と取出部材１２との間には、該取出部材１２を原動直進部材２１Ｌと２１Ｒ側に移動付勢する圧縮ばね１５が挿入されており、左腕１３Ｌと右腕１３Ｒが常時連動突起２６Ｌと２６Ｒに当接（接触）する。連動突起２６Ｌと２６Ｒは、中心ガイドバー１１に関し、送りねじ軸２５Ｌと２５Ｒの外側に位置している。

原動直進部材２１Ｌと２１Ｒにはそれぞれ、原点センサ２７Ｌと２７Ｒが備えられている。この原点センサ２７Ｌと２７Ｒは例えば光センサから構成することができ、原動直進部材２１Ｌと２１Ｒの原点位置を検出する。

図３に示すように、ステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒは、ドライバ３０Ｌと３０Ｒを介して制御回路３１に接続されている。制御回路３１は、制御態様に応じてドライバ３０Ｌと３０Ｒを介してステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒに駆動パルスを与える。図４は、駆動パルスの例である。同図（Ａ）は、ステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒに交互に駆動パルスを与える例、（Ｂ）は同時に駆動パルスを与える例、（Ｃ）は時間差を与えて駆動パルスを与える例を示している。

また制御回路３１には、原点センサ２７Ｌと２７Ｒからの原点信号が入力されており、この原点信号と、ステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒに与える駆動パルス数とを記憶して原動直進部材２１Ｌと２１Ｒの位置を検出する。

上記構成の本精密往復直進駆動機構１００は次のように動作する。原動直進部材２１Ｌと２１Ｒは、原点センサ２７Ｌと２７Ｒで検出される原点位置にあり、このとき、原動直進部材２１Ｌと２１Ｒは同一高さ位置にあり、シーソーバー１３は水平である（中心ガイドバー１１に直交している）とする。この状態において、図４（Ａ）のパターンでステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒに駆動パルスを与えると、まずステッピングモータ２４Ｌに１パルスが与えられる。すると、送りねじ軸２５Ｌが１パルス分だけ回転して原動直進部材２１Ｌが１パルス分直進し、連動突起（力点）２６Ｌがシーソーバー１３の左腕１３Ｌを押し上げる。すると、取出部材１２は、シーソーバー１３の軸（作用点）１３ａを介して、原動直進部材２１Ｌの移動量の半分だけ直進移動する。次にステッピングモータ２４Ｒに１パルスが与えられると、同様に、原動直進部材２１Ｒが１パルス分直進し、連動突起２６Ｒが右腕１３Ｒを押し上げる結果、取出部材１２は、原動直進部材２１Ｒの移動量の半分だけ直進移動する。つまり、取出部材１２は、ステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒに１パルスを与えたときに原動直進部材２１Ｌと２１Ｒが移動する量（単位移動量）の半分の量ずつ移動することとなり、精密送りが可能となる。この図４（Ａ）の駆動パターンでは、一方のステッピングモータへの通電中には他方のステッピングモータへの通電を禁止することで省電力を図ることができる。

また、図４（Ｂ）のパターンでステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒに駆動パルスを与えると、原動直進部材２１Ｌと２１Ｒは同時に単位移動量ずつ移動する。つまり、取出部材１２はステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒに１パルスを与えたときと移動量は同一であるが、２倍の送り力で直進移動することとなり、送りパワーを倍増させることができる。図４（Ｃ）のパターンで駆動したときは、原動直進部材２１Ｌが移動中に原動直進部材２１Ｒも移動を開始するパターンでの駆動ができる。

原点センサ２７Ｌと２７Ｒは、シーソーバー１３が中心ガイドバー１１に直交する度に原動直進部材２１Ｌと２１Ｒの原点位置を検出するので、取出部材１２の位置だけでなく、シーソーバー１３に傾きが生じているか否かも同時に検出することができる。

なお、図１及び図２では、シーソーバー１３の傾き（左右の原動直進部材２１Ｌと２１Ｒの移動量）を誇張して描いている。例えば、ステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒの１回転当たりのパルス数を２０とし、送りねじ軸２５Ｌと２５Ｒのピッチを０．４ｍｍとすると、１パルス当たりの原動直進部材２１Ｌと２１Ｒの移動量は、０．０２ｍｍの微量である。

図５ないし図８は、本発明による精密往復直進駆動機構１００の別の実施形態を示している。この実施形態は、中心ガイドバー１１の軸線上に揺動中心を有し、中心ガイドバー１１の軸線方向に取出部材１２と一緒に移動するシーソー部材１３に、等角度間隔（１２０゜間隔）で３本の腕１３Ｌ、１３Ｒ及び１３Ｃを形成し、各腕に対応させて、以上の実施形態と同様のステッピングモータと減速機構を配置したものである。シーソー部材１３の中心と取出部材１２とは、環状作用点１３ａ’を介して当接している。腕１３Ｌと１３Ｒに関連する部材には、図１、図２の実施形態と同じ符号を付し、腕１３Ｃに関連する部材には、サフィックスＬとＲに代えて、サフィックスＣを付している。１６はケーシングを示す。

図８は、この実施形態の動作原理を示している。シーソー部材１３の連動突起（力点）２６Ｌ、２６Ｒ、２６Ｃが半径２の円周上に等角度間隔で配置されているとすると、
力点の力（ａ）×支点と力点の距離（３）＝作用点の力（ｂ）×支点と作用点の距離（１）が成立する。
すなわち、
ａ×３＝ｂ×１
ｂ＝３ａ
作用点には力点の３倍の力がかかる。
また作用点１３ａ（取出部材１２）の移動ストロークは、力点の移動ストロークの１／３となる。

図８ないし図１１は、本発明による精密往復直進駆動機構１００をカメラの像ブレ補正装置に適用した実施形態を示している。この像ブレ補正装置は、カメラに加わる手ブレ（角加速度）の大きさと方向に応じて、ＣＣＤ４１を直交二方向に駆動することにより、ＣＣＤ４１で撮像される被写体像のブレを抑制するものである。撮影光学系は描いていない。固定枠４２にＹ方向（図の上下方向）に向けて固定した一対のＹガイドロッド４３には、Ｙステージ４４が移動自在に支持されており、このＹステージ４４上には、Ｙガイドロッド４３と直交する方向（図の左右方向）の一対のガイドロッド４５が固定されている。ガイドロッド４５にはＸステージ４６が移動自在に支持されており、Ｘステージ４６上にＣＣＤ４１が固定されている。

Ｙステージ４４には、Ｘ方向に延びる駆動腕４４ａが一体に設けられており、この駆動腕４４ａがＹ方向用精密往復直進駆動機構１００Ｙの取出部材１２Ｙに軸４４ｂで結合されている。Ｙステージ４４は、該Ｙステージ４４と固定枠４２との間に張設した引張ばね４４ｃによって図の下方に移動付勢されている。精密往復直進駆動機構１００Ｙは、取出部材１２ＹをＹ方向に往復直進移動させるもので、その構成は、図１で説明した精密往復直進駆動機構１００と同一であり、同一要素には同一の符号を付している。

固定枠４２上には、ガイドロッド４５とは別に、該ガイドロッド４５と平行なＸガイドロッド４７が設けられている。このＸガイドロッド４７には、Ｘ方向用精密往復直進駆動機構１００Ｘの取出部材１２Ｘに軸４８ａで結合されたＸ駆動部材４８が移動自在に支持されている。精密往復直進駆動機構１００Ｘは、取出部材１２ＸをＸ方向に往復直進移動させるもので、その構成は、図１で説明した精密往復直進駆動機構１００と同一であり、同一要素には同一の符号を付している。このＸ駆動部材４８には、Ｙ方向を向く一方向伝達面４８ｂが形成されており、Ｘステージ４６には、この一方向伝達面４８ｂに対応させて、ローラ４６ａが支持されている。Ｘ駆動部材４８は、該Ｘ駆動部材４８と固定枠４２との間に張設した引張ばね４８ｃによって、一方向伝達面４８ｂとローラ４６ａとが当接する方向に移動付勢されている。Ｙステージ４４がＹ方向に移動するとき、Ｙステージ４４上に載っているＸステージ４６もＹ方向に移動し、このとき、ローラ４６ａは一方向伝達面４８ｂ上を転動する。

上記構成の像ブレ補正装置は、精密往復直進駆動機構１００Ｙを介してＹステージ４４をＹ方向に駆動することで、Ｙステージ４４上のＸステージ４６（ＣＣＤ４１）がＹ方向に移動し、精密往復直進駆動機構１００Ｘを介してＸ駆動部材４８をＸ方向に駆動することで、一方向伝達面４８ｂとローラ４６ａの係合関係によりＸステージ４６（ＣＣＤ４１）がＸ方向に移動する。よって、精密往復直進駆動機構１００Ｙと精密往復直進駆動機構１００Ｘのステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒに、カメラに加わる角加速度の大きさと方向に応じた駆動パルスを与えることにより、ＣＣＤ４１で撮像される像の像ブレを抑制することができる。

図１、図２は、本発明による精密往復直進駆動機構１００の最小単位を示すものであり、これらを２ⁿ個（ｎ：組数）積み重ねることで、より高い分解能の往復駆動装置を得ることができる。すなわち、図１、図２のユニットを左右に一対設けて、その一対の取出部材１２の間にシーソーバー１３と同様にシーソーレバーを介在させれば、分解能を２倍に高めることができる。図１２は、精密往復直進駆動機構１００を２組組み合わせた状態を示している。同様にして、対をなす精密往復直進駆動機構１００を積み重ねる（２ⁿ個積み重ねる）ことで、理論的には分解能を極限まで高めることができる。すなわち、各組の単位移動量よりも小さい（１／２ⁿの）単位移動量を得ることができ、あるいは一組のステッピングモータと減速機構と同一の単位移動量であれば、より大きい（２ⁿの）送り力を得ることができる。

本発明による往復直進駆動機構は、取出部材１２を中心とする対称性を確保することで、構成が容易になるという利点がある。しかし、シーソー部材１３の腕の長さ、送りねじ軸２５Ｌと２５Ｒのピッチ、ステッピングモータ２４Ｌと２４Ｒの基本ステップ数等を異ならせても、これらをマッチングさせることで構成可能である。

本発明の精密往復直進駆動機構の一実施形態を示す正面図である。 同要部の断面図である。 本発明の精密往復直進駆動機構の制御系統を示すブロック図である。 本発明の精密往復直進駆動機構のステッピングモータの駆動パルスパターン例を示す図である。 本発明の精密往復直進駆動機構の別の実施形態を示す一部分解斜視図である。 同組立状態の斜視図である。 同ケーシング装着状態を示す斜視図である。 図５ないし図７の実施形態の動作原理を示す平面図である。 本発明の精密往復直進駆動機構をカメラの像ブレ補正装置に適用した一実施形態を示す斜視図である。 図９の一部部材を取り外した状態を示す斜視図である。 図９の正面図である。 図１、図２の駆動機構を２組用いた駆動機構を示す図である。

符号の説明

１００ 精密往復直進駆動機構
１１ 中心ガイドバー
１２ 取出部材
１３ シーソーバー（シーソー部材）
１３ａ 軸（作用点）
１３ａ’ 環状作用点
１３Ｌ 左腕
１３Ｒ 右腕
１４ ばね座
１５ 圧縮ばね
２０Ｌ ２０Ｒ ガイドバー
２１Ｌ ２１Ｒ 原動直進部材
２２Ｌ ２２Ｒ ナット腕
２３Ｌ ２３Ｒ ナット部材
２４Ｌ ２４Ｒ ステッピングモータ
２５Ｌ ２５Ｒ 送りねじ軸
２６Ｌ ２６Ｒ 連動突起（力点）
２７Ｌ ２７Ｒ 原点センサ
３０Ｌ ３０Ｒ ドライバ
３１ 制御回路
４１ ＣＣＤ
４２ 固定枠
４３ Ｙガイドロッド
４４ Ｙステージ
４４ａ 駆動腕
４４ｂ 軸
４４ｃ ４８ｃ 引張ばね
４５ ガイドロッド
４６ Ｘステージ
４６ａ ローラ
４７ Ｘガイドロッド
４８ Ｘ駆動部材
４８ａ 軸
４８ｂ 一方向伝達面

Claims (6)

1. ステッピングモータの回転を直進運動に変換して取り出す精密往復直進駆動機構において、
   直進進退動可能に支持された取出部材；
   この取出部材の移動軸上に揺動中心を有し、その揺動中心から異なる方向に延びる少なくとも一対の腕を有する、上記取出部材と一緒に移動するシーソー部材；
   このシーソー部材の各腕に係合する複数の原動直進部材；
   これらの原動直進部材に対応させて設けた複数のステッピングモータ；及び
   これらのステッピングモータの出力回転をそれぞれ原動直進部材の直線運動に変換する複数の減速機構；
   を備えたことを特徴とする精密往復直進駆動機構。
2. 請求項１記載の精密往復直進駆動機構において、上記減速機構は送りねじ機構である精密往復直進駆動機構。
3. 請求項１または２記載の精密往復直進駆動機構において、各ステッピングモータには、時間差を与えて駆動パルスが与えられる精密往復直進駆動機構。
4. 請求項３記載の精密往復直進駆動機構において、各ステッピングモータには、交互に通電される精密往復直進駆動機構。
5. 請求項１または２記載の精密往復直進駆動機構において、各ステッピングモータには、同時に駆動パルスが与えられる精密往復直進駆動機構。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の精密往復直進駆動機構において、各原動直進部材にはそれぞれ原点センサが備えられている精密往復直進駆動機構。

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