JP2007151373A - Ultrasonic linear actuator - Google Patents
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Abstract
Description
電磁モータは一世紀に亘り回転機として世の中に大きく貢献してきた。技術的には電磁力を動力源とし、非接触で高速回転すること、強大なエネルギーを容易に入力とし、制御性の良い電力が利用できること、しかも入・出力の効率が極めて高いことが特徴で、大出力回転機の代表として、20世紀に躍進した産業を支えてきた。 ところが、21世紀に入ると、技術開発目標が力仕事よりインテリジェンシー、大型化より小形化・高精細化の路線に切替わり、ナノテクノロジーを目指すようになった。電磁モータは細型化すると超高速回転になってトルクが極端に小さくなり、その上、巻き線構造が災いして1ワット以下では急激に効率が悪くなるので、この技術開発目標の切替えで、技術開発路線にそぐわなくなりつつある。 Electromagnetic motors have greatly contributed to the world as rotating machines for a century. Technically, it features electromagnetic power as a power source, non-contact high-speed rotation, easy input of powerful energy, power with good controllability, and extremely high input / output efficiency. As a representative of high-power rotating machines, it has supported industries that have made great strides in the 20th century. However, at the beginning of the 21st century, the technological development goals were switched from intelligent work to more intelligent, and from larger to smaller and higher-definition routes, and began to aim at nanotechnology. If the electromagnetic motor is made thinner, the torque will be extremely small and the torque will be extremely small. In addition, the winding structure will be damaged and the efficiency will suddenly deteriorate below 1 watt. It is becoming unsuitable for the development route.
この技術目標は我々の生活環境がより多くの電子情報に頼るようになり、情報量が多くなるにつれて、高速処理が要求され、やがて、オンライン処理が必要となる。カメラを例に取れば、大きくて重くとも、高精細・高画質、芸術性、臨場感が求められてレンズを主とした光学技術が長い時間をかけて開発された。映像再生に現像・焼付けを必要とする時間経過よりは、記録できることが重視されていた。ビデオが出現しても、映像再生には撮像と同じ時間が必要なため、ニーズに変わりがなかった。デジカメが登場して状況が一変した。再生・記録がオンライン化され、芸術性は軽視され、携帯できる情報端末としての機能が重視され始めた。この傾向は携帯電話に搭載されるに至り、より強くなると同時に、軽量コンパクトさ、使い易さに加えて、画像の高精細・高品質性だけでなく、同時転送などオンライン性などが益々要求されている。 This technical goal is that our living environment relies on more electronic information, and as the amount of information increases, high-speed processing is required and eventually online processing is required. Taking a camera as an example, optical technology mainly consisting of lenses was developed over a long period of time, requiring high definition, high image quality, artisticity, and realism, even though it was large and heavy. The emphasis was on recording rather than the passage of time that required development and printing for video reproduction. Even if a video appeared, the same time as imaging was required for video playback, so the needs remained the same. The situation changed completely with the appearance of digital cameras. Reproduction / recording has become online, artisticity has been neglected, and functions as portable information terminals have begun to be emphasized. This trend is becoming stronger and more powerful, and at the same time, in addition to lightweight compactness and ease of use, not only high-definition and high-quality images, but also online capabilities such as simultaneous transfer are increasingly required. ing.
このような軽薄短小高機能化の流れを進める中で、ニーズに合うアクチュエータの開発が1つの技術ネックになった。アクチュエータの主流は電磁モータであるが、小形化すると重量当りの出力すなわちパワー密度が数10Watt/kg以下に低下し、必要以上に高速回転になり、必要以下に低トルク化し、位置決め保持力がなく、電磁ノイズを発生することが障害となる。それゆえ今後のニーズに合うアクチュエータを開発する技術のハードルが高くなり、困難が予想されることから、代替えアクチュエータ技術が渇望されるに至った。 In the process of progressing such light, thin, small, and high functionality, the development of an actuator that meets the needs has become one technology bottleneck. The mainstream of the actuator is an electromagnetic motor. However, if the size is reduced, the output per weight, that is, the power density is reduced to several tens of watts / kg or less, the rotation speed is higher than necessary, the torque is reduced to less than necessary, and there is no positioning holding force. The generation of electromagnetic noise is an obstacle. Therefore, the hurdles for developing actuators that meet future needs have increased, and difficulties have been anticipated, so alternative actuator technologies have been craved.
新アクチュエータを開発するための電磁モータに代わる最有力候補には、超音波モータを挙げることができる。そこでまず、背景技術として、超音波モータの原理を開発の歴史にしたがって述べてみよう。本発明者は圧電体の円板・円環・円筒またはチューブなど円形状を有する圧電素子を、中心軸に対して非対称配置になる電圧により励振した圧電変形がその中心軸に対して非対称に生ずることを特徴とする電歪公転子、例えば、超音波回転振動子(特許 第2529233号)、四極回転型超音波振動子(特願 昭6211375)、円筒型超音波四極回転振動子(特願 昭62−71594)、パイプ状電歪公転子及びモータ(特願平1−114249)などを提案してきた。これら円形状の圧電素子では、円の中心軸を通る直径で2等分または4等分した領域を厚み方向に互いに独立に励振できる様に構成し、各領域の誘起分極が中心軸に対して非対称になるモードの固有振動の周波数で励振すると、強力な公転トルクが共鳴増幅されることを見出し、電歪公転子と名付けて上記の特許を出願した。 An ultrasonic motor can be cited as the most promising candidate to replace an electromagnetic motor for developing a new actuator. First of all, let us describe the principle of ultrasonic motors as background technology according to the history of development. The present inventor causes a piezoelectric deformation of a piezoelectric element having a circular shape, such as a piezoelectric disc, ring, cylinder or tube, to be asymmetrically arranged with respect to the central axis, asymmetrically with respect to the central axis. An electrostrictive trochanter characterized by the above, for example, an ultrasonic rotating vibrator (Japanese Patent No. 2529233), a quadrupole rotating ultrasonic vibrator (Japanese Patent Application No. 6211375), a cylindrical ultrasonic quadrupole rotating vibrator (Japanese Patent Application No. Akira). 62-71594), a pipe-shaped electrostrictive revolution rotator and a motor (Japanese Patent Application No. 1-114249) have been proposed. These circular piezoelectric elements are configured such that regions divided into two or four by a diameter passing through the central axis of the circle can be excited independently in the thickness direction, and the induced polarization of each region is relative to the central axis. When excited at the frequency of the natural vibration of the asymmetric mode, it was found that a powerful revolution torque was resonantly amplified, and the above patent was filed as an electrostrictive revolution rotator.
当初の電歪公転子では、円の中心軸に垂直な面内に公転トルクが生じる現象に注目したのであり、径に垂直なモードを利用することはできなかった。その後、円筒形状の電歪公転子を非対称励振すると、径方向、円周方向、軸方向の全ての振動モードが結合したモード回転共振状態が得られ、円筒の全ての面に立体公転トルクが生じることを見出し、超音波3Dトルク共振子及びアクチュエータの名称で特許出願(特願平9−114126号)した。 In the original electrostrictive revolving rotator, attention was paid to the phenomenon that the revolving torque was generated in the plane perpendicular to the central axis of the circle, and the mode perpendicular to the diameter could not be used. After that, when the cylindrical electrostrictive revolution element is asymmetrically excited, a mode rotation resonance state in which all radial, circumferential, and axial vibration modes are combined is obtained, and three-dimensional revolution torque is generated on all surfaces of the cylinder. As a result, a patent application (Japanese Patent Application No. 9-114126) was filed under the names of the ultrasonic 3D torque resonator and the actuator.
電歪公転子は円板か円筒かなどの形状、対称分極か非対称分極かなどの分極構成、非分割・2分割・4分割或いは共通電極の有無など電極構成、単相か多相かなど励振電源の種類、直列励振か並列励振かなど励振モードなどの組合せを選ぶことにより、様々な用途に対して最も相応しい公転トルクが得られるように、開発されてきた。従来、一様な圧電振動子に発生するのは1次元の線形振動であり、圧電振動子でトルクを共鳴増幅することはできなかった。トルクを発生するには屈曲振動子の定在波振動を電気的に位相シフトして進行波に変えるとか、曲げ振動などにモード結合子を組合わせるとかの補助手段を介して、楕円軌跡の振動に変えねばならなかった。電歪公転子では、本質的にモード回転に伴う公転トルクが共鳴する結果、単相電圧でも直接トルクを励振できるだけでなく、振動のQが高く、共振アドミッタンスが大きいので、数ボルト程度の低い励振電圧で強力なトルクを発生できる特徴がある。 The electrostrictive rotator is shaped like a disc or cylinder, polarization configuration such as symmetric polarization or asymmetric polarization, electrode configuration such as non-divided, 2-divided, 4-divided or common electrode, single phase or multi-phase excitation It has been developed so that the most suitable revolution torque can be obtained for various applications by selecting the combination of the type of power source and the excitation mode such as series excitation or parallel excitation. Conventionally, a one-dimensional linear vibration is generated in a uniform piezoelectric vibrator, and the torque cannot be resonantly amplified by the piezoelectric vibrator. To generate torque, the vibration of the elliptical trajectory is supported through auxiliary means such as changing the standing wave vibration of the bending vibrator into a traveling wave by electrically shifting the phase, or combining a mode coupler with bending vibration. I had to change it. In an electrostrictive revolving rotator, the revolution torque associated with mode rotation essentially resonates. As a result, not only can direct torque be excited even with a single-phase voltage, but the vibration Q is high and the resonance admittance is large. It has the feature that it can generate powerful torque with voltage.
前記のように、超音波モータは出力密度が電磁型より2桁も大きく、桁違いに強いトルクを30%を越す効率で出力でき、最大でも繰返しサブミクロンのステップで動作するので、本質的に小形・高精細化に適し、その高保持力性がモータと言うより、高精密位置決めアクチュエータとして、大きく評価できる候補である。従来の電磁モータはロータに発生する回転トルクをロータの回転シャフトに負荷の回転シャフトを結合して取り出すので、ロータの回転に寄生して発生するシャフトの振動が偏芯回転の原因となり、ナノテクノロジーを目指す技術分野での利用には不適格である。他方、電歪公転子では公転トルク発生の動作中も自転しないので、固定状態で回転子を支持することができ、しかも、回転子が常に電歪公転子に圧接されているので休電中も保持力が強く、見方を変えると、周面にトルクが発生する軸受、言うなれば、アクティブ軸受と見ることができ、負荷をより偏芯のない状態で超精細駆動することができる。 As described above, the ultrasonic motor has an output density that is two orders of magnitude greater than that of the electromagnetic type, can output an extremely strong torque with an efficiency exceeding 30%, and operates repeatedly in sub-micron steps at maximum. It is suitable for miniaturization and high definition, and its high holding power is a candidate that can be greatly evaluated as a high precision positioning actuator rather than a motor. In conventional electromagnetic motors, rotational torque generated in the rotor is extracted by coupling the rotating shaft of the load to the rotating shaft of the rotor, and the shaft vibration that occurs parasitically with the rotation of the rotor causes eccentric rotation. It is ineligible for use in the technical field aiming for. On the other hand, since the electrostrictive revolution element does not rotate during the operation of generating revolution torque, the rotor can be supported in a fixed state, and since the rotor is always pressed against the electrostrictive revolution element, If the holding force is strong and the way of viewing is changed, it can be seen as a bearing that generates torque on the peripheral surface, that is, an active bearing, and the load can be driven in ultra fine state with no eccentricity.
円筒型電歪公転子の端面に発生する強力な公転トルクを利用するには、端面に回転子を圧接すれば良い。簡単な手段としては、円板・円環状の回転子を電歪公転子と同軸上で回転自由に保持して端面に圧接すれば良いが、この場合圧接力の支点は回転子の保持部、すなわち固定部となるので、回転子が回転すると摩擦が生ずる不利がある。この不利を2個の円環状回転子で公転子をサンドイッチする構造を採用することで解決できることを見出した。すなわち、公転子円筒の両端面に発生する強力な3Dトルクは端面内では、円周に沿い回転軸に対して両端面とも同じ向きの成分を有し、軸方向には両端面が互いに反発または吸引する逆位相の成分を有するので、両端面にそれぞれ回転子を圧着すると、共に端面から反発する浮揚力と両方が同じ向きに回転する強力なトルクを受けることを発見した。2個の円環状回転子と公転子全ての内径を貫通するシャフトを通し、2個の回転子を公転子端面に圧接することにより、与圧力は公転トルクによる浮揚力と平衡し、作用の支点をシャフトに置く構造を発案した。この構造では、回転子とシャフトとが一体化して回転するので、シャフトの回転は電歪公転子で支持され、圧接力の支点を固定部から切り離すことができ、回転子の回転に伴う摩擦を避けることができ、アクティブ軸受とでも言うべき機構であり、軸受としては当然のことながら無偏芯回転も期待できることなどは本発明がモータ技術に革新を齎した事を意味する。 In order to use the powerful revolution torque generated on the end face of the cylindrical electrostrictive revolution rotor, the rotor may be pressed against the end face. As a simple means, it is only necessary to hold the disc / annular rotor coaxially with the electrostrictive revolution rotor so as to freely rotate and press-contact with the end face, but in this case the fulcrum of the pressing force is the holding portion of the rotor, That is, since it becomes a fixed part, there is a disadvantage that friction occurs when the rotor rotates. It has been found that this disadvantage can be solved by adopting a structure in which a common rotator is sandwiched between two annular rotors. That is, the strong 3D torque generated on both end faces of the revolution rotator cylinder has components in the same direction in both end faces along the circumference along the circumference, and both end faces repel each other in the axial direction. Since it has a component of the reverse phase to be sucked, it has been found that when a rotor is pressure-bonded to each end face, both the levitation force repelling from the end face and a strong torque rotating in the same direction are both received. By passing the two annular rotors and the shaft passing through the inner diameter of the revolving rotator and pressing the two rotators against the end face of the revolving rotator, the applied pressure is balanced with the levitation force due to the revolving torque, and the fulcrum of action The structure that puts on the shaft was invented. In this structure, since the rotor and the shaft rotate integrally, the rotation of the shaft is supported by the electrostrictive revolution rotor, and the fulcrum of the pressure contact force can be separated from the fixed portion, and the friction accompanying the rotation of the rotor is reduced. This is a mechanism that can be avoided and can also be called an active bearing, and the fact that the bearing can naturally be expected to be eccentrically rotated means that the present invention has innovated the motor technology.
本発明の課題は負荷を所望の位置へ正確に移動するための手段を開拓することであり、例えば、光学鏡筒のレンズを移動して画像の焦点を調整するような精密移動の位置決めアクチュエータを実現することである。しかも光学鏡筒の場合は外部の駆動子で動作させるのではなく、自動的に伸び縮みできるアクティブ鏡筒とでも言うべき物が開拓目標である。課題を言い換えれば、コンパクトさ、シンプルさ、と同時に、動作の精密さを兼ね備えたアクチュエータの実現である。この場合、鏡筒はアクチュエータの固定子、レンズは移動子の構成でなければならない。 It is an object of the present invention to pioneer a means for accurately moving a load to a desired position. For example, a precise movement positioning actuator that adjusts the focus of an image by moving a lens of an optical barrel. Is to realize. In addition, in the case of an optical lens barrel, an object to be pioneered is an active lens barrel that can be automatically expanded and contracted rather than operated by an external driver. In other words, the realization of an actuator that combines compactness, simplicity, and precision of operation. In this case, the lens barrel must be a stator of the actuator, and the lens must be a mover.
この課題を解決するには、より小形、軽量、低電圧駆動、小電力、高精密、高機能ながら低コストのリニア・アクチュエータが求められている。前述してきたように、電磁モータは小型化すると極端に低トルク・低効率化し、高速回転に伴うシャフトの振動が偏芯回転を惹き起こし、しかも、回転駆動電力を遮断すると、回転子の周り止めが無く、保持力のないことなどが小形で超精密位置決め機能が要求される上記アクチュエータの開拓候補には不向である。とは言うものの、ステッピングモータは精密位置決めに掛替えのない手段であったが、課題が要求する微細ステップを実現するのは極めて困難である。 In order to solve this problem, there is a demand for a linear actuator that is smaller, lighter, driven at lower voltage, lower power, higher precision, higher performance, and lower cost. As described above, when the electromagnetic motor is downsized, the torque and efficiency become extremely low, and the vibration of the shaft accompanying high-speed rotation causes eccentric rotation. The lack of holding force and the like are not suitable for the above-mentioned actuator development candidates that are small and require an ultra-precision positioning function. However, the stepping motor is a means that does not change the precision positioning, but it is extremely difficult to realize the fine steps required by the problem.
一方、超音波アクチュエータは出力密度が高いので、小形・軽量化に適しているものの、複合振動子からなる進行波型モータなどは出力トルクは大きいものの、駆動電圧の高いことが欠点とされている。また、細長い円筒を非対称励振した電歪公転子型モータは動作原理が細長い円筒の曲げモードと屈曲モードとが結合した所謂皿回しモードであり、高速回転は得意だが、回転トルクが小さいことが問題で課題を解決するには採用し難い。回転トルクを大きくするには、金属円筒を振動子とした複合共振子があるが、複合振動子はQが低く、駆動電圧が高くなる欠点がある。この欠点を回避するため、圧電素子の厚みを薄くし、振動子の直径を1mm程度に細くし、細型モータとして開発されている。このモータはそれなりの用途に適用するであろうが、ここで課題とするアクティブ鏡筒に利用することはできない。 On the other hand, ultrasonic actuators have high output density, so they are suitable for miniaturization and weight reduction. However, traveling wave motors composed of composite vibrators have a large output torque, but have a high drive voltage. . In addition, the electrostrictive rotator type motor with asymmetrical excitation of a long and narrow cylinder is a so-called counter-rotation mode in which the bending mode and bending mode of the long and narrow cylinder are combined. It is difficult to adopt to solve the problem. In order to increase the rotational torque, there is a composite resonator using a metal cylinder as a vibrator. However, the composite vibrator has a drawback that the Q is low and the drive voltage is high. In order to avoid this drawback, the piezoelectric element has been developed as a thin motor by reducing the thickness of the piezoelectric element and reducing the diameter of the vibrator to about 1 mm. Although this motor will be applied to some applications, it cannot be used for the active lens barrel.
以上述べたことから分かる様に、課題の第1は数ボルトの低電圧で、強力なトルクを発生する直径・長さ共に数ミリの円筒型アクチュエータの開発である。第2の課題は、第1の課題のアクチュエータが開発できたとして、出力が回転トルクでは鏡筒の伸縮動作の駆動には利用できないので、リニア運動に変換する手段の開発である。第3の課題はアクチュエータの高精度・薄型化である。 As can be seen from the above description, the first issue is the development of a cylindrical actuator with a low voltage of several volts and a diameter and length of several millimeters that generates a powerful torque. The second problem is the development of a means for converting into linear motion because the actuator of the first problem can be developed and the output cannot be used to drive the telescopic operation of the lens barrel when the output is rotational torque. The third problem is high precision and thinning of the actuator.
ここで、確認を要する事項は、3Dトルク共振子の内周面には回転・リニアトルクが発生するので、シャフト状の移動子を内接すると、回転しながら引き込まれる様に、スコンと動くリニア運動が可能である。この運動は、振動の節に向かうジャンピングであり、あたかも節の位置にセットされ伸ばされたバネで支持されているかの様に動くため、任意の場所に移動・停止する制御は困難で、位置決め用アクチュエータには不適格なことである。 Here, the matter that needs to be confirmed is that rotation and linear torque are generated on the inner peripheral surface of the 3D torque resonator. Exercise is possible. This movement is a jumping toward the vibration node, and it moves as if supported by a stretched spring set at the position of the node. It is not suitable for the actuator.
まず第1の課題を解決するためのアクチュエータはレンズを内蔵することができる円筒形状でなければならない。[背景技術]で紹介した3D公転トルクを発生する電歪公転子はこの条件をそっくり満たす格好の手段であり、殊に、軸長が直径よりも短い形状では、円筒の両端面に発生する3D公転トルクで支持された回転子に強力な回転トルクと無偏芯で高精彩ステップの回転を与え、しかも回転子は回転摩擦を伴わずに支持されるので、回転損失のない高効率回転機構であり、第3の課題を全て満足する。残るは第2の回転トルクをリニア運動に変換する手段である。この課題を満たす手段の構成要素としては ▲1▼円筒型電歪公転子の端面、内周面もしくはその両方に公転トルクを発生する駆動力発生素子、▲2▼駆動力発生素子端面に圧接することにより、公転トルクを受けて回転する円環と、共に回転しながらその回転力を移動子に伝達するため、移動子を内挿できる円筒状の回転子、▲3▼回転子に、同軸状に内挿され、その外円周の少なくとも一部にスクリュウ雄ねじを設けた円筒もしくは円柱形状からなる移動子、▲4▼回転力を伝達すると同時に、移動子が軸と平行にリニア運動するのを助けるための、もしくは移動子の回転を阻止することで、軸方向のリニア運動を生じさせるための、スライド・キー、及び ▲5▼回転子の回転トルクの反動を支え支持すると同時に電力供給を兼ねる端子が固定支持されているハウジングからなる。 First, an actuator for solving the first problem must have a cylindrical shape capable of incorporating a lens. The electrostrictive revolution rotor that generates the 3D revolution torque introduced in [Background Art] is a perfect means to satisfy this condition. In particular, when the shaft length is shorter than the diameter, the 3D revolution is generated on both end faces of the cylinder. The rotor supported by the revolving torque gives powerful rotation torque and no eccentricity and high-definition step rotation, and the rotor is supported without rotational friction. Yes, satisfy all the third issue. What remains is a means for converting the second rotational torque into linear motion. Constituent elements of the means for satisfying this problem are: (1) a driving force generating element for generating a revolving torque on the end face, inner peripheral surface or both of the cylindrical electrostrictive revolving element, and (2) a pressure contact with the end face of the driving force generating element. In order to transmit the rotational force to the moving element while rotating together with the circular ring that receives the revolution torque, the cylindrical rotor that can interpolate the moving element, (3) coaxial with the rotor (4) A moving element having a cylindrical or columnar shape provided with a screw male screw on at least a part of its outer circumference, and (4) transmitting the rotational force and simultaneously moving the moving element linearly in parallel with the axis. Slide key for assisting or preventing linear movement in the axial direction by preventing the rotation of the moving element, and (5) Supporting and supporting the reaction of the rotating torque of the rotor, and simultaneously supplying power Terminal Consists of a housing that is fixedly supported.
課題2の解決手段は、課題の技術内容、すなわち、上記構成要素▲2▼の移動子の動作モードに回転を伴うリニア運動を選ぶか、回転を伴わないリニアのみの運動を選ぶのかによって構成要素の種類の組合せが異なる。回転を伴う場合は、▲4▼のスライド・キーは▲2▼移動子と▲3▼の回転子との間にセットされ、両者の回転がずれないように、しかも移動子が回転しながら軸と平行にリニア運動する機能を果たすために用いられる。リニアのみの運動の場合は▲4▼のスライド・キーは▲2▼の移動子と▲5▼のハウジングもしくはそれに変わる外部の固定部との間にセットされ、移動子の回転運動を阻止することで、移動子にリニア運動機能を賦与する。なお、課題の解決手段は、上記円環と、回転子の円環部とを一対として固定子をサンドイッチ圧接することにより、圧接力の支点を固定物から切り離し、回転子自身に置くと共に、駆動力発生素子の両端面トルクを同時に利用する構成にするのか、それとも、単一の円環状変換子で片端面のトルクだけを利用するのかで、解決手段の構成が異なるなど、本発明の解決の手段の説明は複雑になるので、手段の構成に合わせて詳細を(実施の形態)で説明する。 The means for solving the problem 2 depends on the technical content of the problem, that is, whether the movement mode of the moving element (2) is selected from linear motion with rotation or linear motion without rotation. Different types of combinations. When rotation is involved, the slide key (4) is set between the (2) mover and the (3) rotor so that the rotation of both does not deviate and the shaft rotates while the mover rotates. It is used to perform the function of linear motion in parallel. In the case of linear movement only, the slide key (4) is set between the slider (2) and the housing (5) or an external fixed part to prevent the movement of the slider. Then, a linear motion function is given to the moving element. Note that the means for solving the problem is that the stator is sandwich-welded with the above-mentioned annular ring and the annular part of the rotor as a pair, so that the fulcrum of the pressing force is separated from the fixed object, placed on the rotor itself, and driven. The solution of the present invention is different in that the configuration of the solution means is different depending on whether it is configured to use the torque on both ends of the force generating element at the same time or only the torque on one end surface with a single annular transducer. Since the description of the means is complicated, details will be described in (embodiment) according to the structure of the means.
本発明のアクチュエータの必須状件である円筒型圧電共振子に関して、外径、円筒肉厚、軸長比の組合せが異なる種々のサンプルを用いた膨大な数の実験検討を重ねた結果、注目すべき事実を発見した。通常の圧電共振子では、最も共鳴増幅率の高い鋭い共振特性が得られるのは、固有振動周波数が最低の所謂基本共振周波数である。このことは円周長より軸長の方が長い長軸円筒の場合も通例であった。これに反して、本発明に用いる短軸円筒型圧電共振子では、円周方向の振動に関する基本共振モードよりも、周波数がかなり高い軸方向のモードの方が、遥かに共鳴増幅率の高い鋭い共振特性が得られ、共振アドミッタンスが信じられない位大きい値になることを見出した。アドミッタンスが大きいことは、大きいパワーを入力できることであり、動力源としての必須条件である。 As for the cylindrical piezoelectric resonator which is an essential condition of the actuator of the present invention, as a result of repeating an enormous number of experiments using various samples having different combinations of outer diameter, cylindrical thickness, and axial length ratio, attention is paid. I found a fact that should be. In a normal piezoelectric resonator, a sharp resonance characteristic with the highest resonance amplification factor is obtained from a so-called fundamental resonance frequency having the lowest natural vibration frequency. This is also the case with long-axis cylinders having a longer axial length than the circumferential length. On the other hand, in the short axis cylindrical piezoelectric resonator used in the present invention, the axial mode with a considerably higher frequency is sharper with a much higher resonance amplification factor than the fundamental resonance mode related to the vibration in the circumferential direction. It was found that the resonance characteristic was obtained and the resonance admittance became an incredibly large value. A large admittance means that a large power can be input, which is an essential condition as a power source.
非対称励振を条件とする3D共振子でも最強のトルクが得られるのは2番目の共振周波数である軸方向共振モードであり、数ボルトの低い電圧で励振しただけで、短軸円筒の両端面に強力な3Dトルクが発生する。この3Dトルクは端面内では、円周に沿い回転軸に対して両端面とも同じ向きの成分を有し、軸方向には両端面が互いに反発或いは吸引する逆位相の成分を有するので、回転子に強力な回転トルクを伝達すると同時に、軸方向の浮揚力で回転子を摩擦フリーに支持することができ、回転子の回転に伴う摩擦を避けることができた。このことは本発明がモータ技術の革新を齎した事を意味する。 Even in a 3D resonator subject to asymmetric excitation, the strongest torque can be obtained in the axial resonance mode, which is the second resonance frequency. A powerful 3D torque is generated. This 3D torque has a component in the same direction in both end surfaces with respect to the rotation axis along the circumference in the end face, and in the axial direction, the opposite end components repel or attract each other in the axial direction. At the same time, the rotor can be supported friction-free by the levitation force in the axial direction, and friction caused by the rotation of the rotor can be avoided. This means that the present invention encouraged innovation in motor technology.
円筒状電歪公転子の端面に発生する強力な回転トルクを、移動子に伝達し、移動子のスクリュウねじを介してリニアトルクに変換する構造を採用したことにより、円柱シャフト状あるいは円筒状などの移動子を直線的に、強力に、高精密に動かすアクチュエータを実現することができた。その結果、例えば、移動子を光学鏡筒とした場合はアクティブ鏡筒とでも名付けたいほどコンパクトで、超精密に、自動的に動作する最もシンプルな構造の鏡筒を実現でき、適用分野に与える技術的、産業的効果は計り知れないものがあろう。 By adopting a structure that transmits the powerful rotational torque generated on the end face of the cylindrical electrostrictive revolution element to the mover and converts it to linear torque via the screw screw of the mover, a cylindrical shaft or cylindrical shape, etc. The actuator that moves the slider in a straight line, powerfully and with high precision could be realized. As a result, for example, when the movable element is an optical lens barrel, it is possible to realize a lens barrel that is compact enough to be named as an active lens barrel, and that has the simplest structure that operates automatically with high precision, giving it to the application field. The technical and industrial effects will be immeasurable.
(第1の実施の形態) (First embodiment)
本発明に関わる超音波リニア・アクチュエータの1実施例として、図1に示す円筒型電歪公転子1の片端面に発生する回転トルクを利用して移動子4に直線運動を与える手段、すなわち移動子が回転と同時に軸方向に運動をする第1の手段と、移動子が回転運動を伴わない直線運動だけをする第2の手段とに関して説明する。第1の手段も第2の手段も構成要素は同等であり、図2(a)及び図2(b)に示す。 円筒型電歪公転子1は外周面に沿って4等分割された駆動電極11,12,13,14と内周全面に施された共通電極15を有し、内周穴に、外周面にスクリュウねじ45が施された移動子4を内蔵している。本実施例では移動子にレンズ41,42が内装されている光学鏡筒4を用いた。 As an embodiment of the ultrasonic linear actuator according to the present invention, means for giving a linear motion to the moving
移動子4の円筒外周面にはスクリューねじ45が施されているが、ねじの周面を直径で2等分した2箇所にねじを横断する溝461、462が刻まれている。図2(a)に示す様に、移動子4を内蔵した電歪公転子1はハウジング5の入口から挿入され、奥のウエイブ・リングばね31に押し付け、入口側から回転子2又は3、ベアリングボール56、を重ね入れた状態でハウジングの蓋(固定子)6を軽く規定位置まで圧入・嵌合すると、リングばね31が回転子2又は3を最適与圧で電歪公転子1に圧着する。回転子はベアリングを介して固定子6で支持されるので、リード線71,72,73,74を介し端子51,52,53,54に印加された電圧で電歪公転子1が励振され端面に公転トルクが発生すると、回転することになる。 A
ここで、第1の手段では、リング形状の回転子2と固定子6が用いられる。回転子2の内径は移動子4のスクリュウねじ45より一回り大きく、ねじに接することはないが、直径で2分した2箇所に径に内向きに沿った突起261,262が施され、スクリュウねじの溝461,462にセットされる。ハウジングの蓋(固定子)6の内周面には移動子外周面の雄ねじ45に噛合う雌ねじ65が施され、雄ねじ45と係合されている。突起261は所謂キーであり、回転子2の回転を移動子4に伝え、移動子4が回転すると、スクリューねじ45が固定子6の雌ねじ65に係合されているので、ナットに通したボルトの様に、回りながら軸方向に進むか戻るかのリニア運動をすることになる。 Here, in the first means, a ring-shaped rotor 2 and a
第1の手段では移動子が回転を伴うリニア運動をしたが、ここでは、移動子が回転を伴はないリニア運動をする第2の手段に関して図2(b)を用いて説明する。第1の手段同様、移動子4を内蔵した電歪公転子1はハウジング5の入口から挿入され、奥のウエイブ・リングばね31に押し付け、入口側から回転子3、ベアリングボール56、を重ね入れた状態で、蓋すなわち固定子6を軽く規定位置まで圧入・嵌合すると、リングばね31が回転子3を最適与圧で電歪公転子1に圧着する。回転子3はベアリングを介して固定子6で支持されるので、リード線71,72,73,74を介し端子51,52,53,54に印加された電圧で電歪公転子1が励振され端面に公転トルクが発生すると、回転することになる。 In the first means, the moving element performs linear motion with rotation. Here, the second means in which the moving element performs linear motion without rotation will be described with reference to FIG. As in the first means, the
ここで、リング状回転子3の内周面には雌ねじ25が施されており、移動子4の雄ねじ45に噛合わされ、移動子4のキー溝461,462にはそれぞれ、固定子6に施された突起61,62がセットされると、移動子4は回転することはできないが、自由に滑動することはできる。移動子4の雄ねじ45が回転子3の雌ねじ25に噛合っているので、電歪公転子1の端面に公転トルクが励振され、回転子3が時計回りに回転すると、雌ねじ25の回転で雄ねじ45を介して移動子4が押し出され、反時計回りをすれば公転子の内側に引き込まれるようにリニア運動をすることになる。以上述べた様に第1の手段では回転を伴い、第2の手段では回転しないが、双方とも、移動子である鏡筒4を軸方向にリニア駆動することができた。
(第2の実施の形態)Here, a
(Second Embodiment)
本発明の第2の課題である回転子の機構を、両端面に回転トルクが発生する円筒型電歪公転子に内挿入・貫通したパイプの両端に嵌めた2個のリングで、公転子をサンドイッチ圧接する構成にしたことで、2つの注目すべき利点を得た。まず第1の実施の形態の様に、公転子の両端面に発生するトルクを片方だけ利用するのでなく、両方とも同時に利用したので、より強力なトルクが得られたこと。第2の利点は第1の実施の形態では、回転子2を公転子1に圧着する力の支点を固定子6に置いたので、ボールベアリング56など摩擦回避手段を要したのに反し、2個の円環部で公転子をサンドイッチ圧接する構成にしたことで、回転子と一体回転する円環部間で互い圧着力を作用し合うことができ、圧着力の作用点と支点間の速度差による摩擦の発生を回避することができた。以上に述べた2つの利点はアクチュエータ構成上極めて重要な技術である。以下図3を用いて、実施の形態を詳細に説明する。 The rotor mechanism, which is the second subject of the present invention, is composed of two rings fitted on both ends of a pipe inserted and penetrated into a cylindrical electrostrictive revolution rotor generating rotational torque on both end faces. Two notable advantages were obtained by using a sandwich pressure weld configuration. First, as in the first embodiment, the torque generated on both end faces of the rotator is not used on one side, but both are used simultaneously, so that a stronger torque can be obtained. The second advantage is that, in the first embodiment, since the fulcrum of the force for pressing the rotor 2 against the revolving
本実施例でも、第1の実施の形態と同様に、鏡筒を用いた移動子が回転しながら軸方向に動く第1の手段と、回転することなく軸方向のリニア運動をする第2の手段とがある。そのいずれに関しても両端面に回転トルクが発生する円筒型電歪公転子に内挿入・貫通したパイプの両端に嵌めた2個のリングで、公転子をサンドイッチ圧接する構成がトルク発生の基本機構である。第1の手段では、回転子に内挿した移動子をキーで回転子と係合し、両者が一体回転しながら軸方向には滑動できるように構成し、移動子の外周面に施したスクリュウねじを公転子と同軸にセットされている固定子の雌ねじに嵌めることにより、移動子が回転しながら直進運動を行う回転を伴うリニア運動を可能とした。他方、第2の手段では、回転子の内面に雌ねじが施され、外周面に雄ねじを施した移動子と係合するが、移動子は回転を阻止すると、回転を伴わないリニア運動を行う。第1の手段も第2の手段も、動作原理は第1の実施の形態と同じであり、重複するので、第2の手段を例にとって、その構造を具体的に説明する。 In the present embodiment as well, as in the first embodiment, the moving means using the lens barrel rotates in the axial direction and the second means moves in the axial direction without rotating. There is a means. In both cases, the basic mechanism for torque generation is a structure in which two rings fitted on both ends of a pipe inserted into and penetrated into a cylindrical electrostrictive revolving rotator that generates rotational torque on both end faces and sandwiched by the reciprocating element is sandwiched. is there. In the first means, a slider inserted in the rotor is engaged with the rotor with a key so that both of them can slide in the axial direction while rotating integrally, and a screw provided on the outer peripheral surface of the slider. By fitting the screw into the female screw of the stator set coaxially with the revolving element, linear movement with rotation in which the moving element rotates linearly is possible. On the other hand, in the second means, the inner surface of the rotor is provided with a female screw and engaged with a mover having an outer peripheral surface provided with a male screw. When the mover is prevented from rotating, it performs linear motion without rotation. The operation principle of both the first means and the second means is the same as that of the first embodiment, and overlaps. Therefore, the structure of the second means will be described specifically by taking the second means as an example.
ここでは細長い形状のリニア・アクチュエータの実施の形態例に関して述べる。
図3に示すように、両端面にトルクが発生する電歪公転子10に、しっくり内挿できる円筒部分を有する回転子20をセットする。回転子20の片端面には鍔201が付いているので、まずコイル・スプリング30を通し、その後から自由リング202に次いで電歪公転子10を通して鍔まで押し付けると、回転子20の他端が顔を出すので、その先端に固定リング203を面一になるまで圧入する。この状態で、コイル・スプリング30が自由リング202を公転子端面に押し付けるので、固定リング203を支点として、自由リング202とで公転子10をサンドイッチした状態で、公転子に対して最適与圧力を作用するように、回転子各部の寸法が設計されている。したがってこの状態で公転子を励振すると、強力な公転トルクが発生し、回転子20が力強く回転する。Here, an embodiment of an elongated linear actuator will be described.
As shown in FIG. 3, a
この段階で、電歪公転子アクチュエータの基本機能が出来上がったので、負荷であるレンズ鏡筒を移動子40として装着する。移動子40は外周にスクリュウねじ405が設けられ、残る部分402は回転子20の内径より一段細い円筒で、表面が滑らかに仕上げられ、スクリュウねじ405の片端に接する付近から移動子40の先端近くまで、軸と平行方向に、キー溝406が刻まれている。移動子40のスクリュウねじ405を回転子20のスクリュウねじ205にそって挿入し、セットすると、移動子40は、回転子の円筒20の内周にしっくりと滑らかに内挿される。移動子40は回転子の円筒20に内挿された状態で、スクリュウねじに沿って滑らかに回るが、回転子が回転しているとき、移動子の回転を阻止すると、移動子は軸方向に滑らかに直線運動を行う。移動子を内挿した回転子を図4に示す角柱状のハウジング50の中空穴507に納め、奥端のスクリュウねじ505に移動子のスクリュウねじ405を嵌め入れ、ハウジング50の4箇所の陵部に支持された4本の電力端子501,502,503,504で固定支持し、中心穴に移動子円筒402の端部を通した蓋60をセットねじ65,66,67,68でウジングに固定支持し、最後に、移動子40のキー溝406にハウジング50に付属したピン状のキー506がセットされ、公転子両端のトルクをフル活用した超音波リニア・アクチュエータ80が完成した。 At this stage, since the basic function of the electrostrictive revolution rotator actuator is completed, the lens barrel as a load is mounted as the
直流電圧を電歪公転子10の2番目の固有振動すなわち軸方向の公転共振周波数の4倍の周波数で順次スイッチングした4相スイッチング電圧の4チャンネルを超音波リニア・アクチュエータ80の電力端子501,502,503,504に、それぞれ印加すると、電歪公転子10の公転共振状態が励振される。電歪公転子10の両端面に発生した公転トルクを受けて、回転子20が回転すると、ピン状のキー506で回転が阻止されている移動子40はスクリュウねじ405の作用で、第4図(a)に点線と実線で示した位置の間を往復する軸方向の滑らかな直線運動を行う。 Four channels of the four-phase switching voltage obtained by sequentially switching the DC voltage at the second natural vibration of the electrostrictive revolving
移動子の移動距離は電圧が印加されている時間に比例するが、回転子の円周最大速度が約0.5m/sの飽和値を示すので、外径Dの移動子の最大回転数n0は
n0=0.5/πD rps (1)
で表すことができ、リニア速度vはスクリュウねじ405のピッチpに依存し、
v=pn (2)
となる。移動子の直径Dを3.5mm、ピッチpを0.3mmとすると、リニア速度vは
v=0.5p/πD
と書くことができるので、最大値でも13.6mm/sとなる。ここで、電歪公転子を外径55mm、内径3.5mm高さ3.5mmとすると、公転共振周波数は約460kHzであり、移動子のリニア速度vは励振周波数の1サイクル当たり30nmの計算値を示す。この値は通常のねじでは、雄ねじと雌ねじ間のがたに吸収される程の超微細値であり、超音波リニア・アクチュエータ80は印加電圧で移動量を超微細に制御することのできる超高精細リニア・アクチュエータと言える。
(第3の実施の形態)Although the moving distance of the moving element is proportional to the time during which the voltage is applied, the maximum circumferential speed n of the rotor shows a saturation value of about 0.5 m / s. 0 is
n 0 = 0.5 / πD rps (1)
The linear velocity v depends on the pitch p of the
v = pn (2)
It becomes. When the diameter D of the slider is 3.5 mm and the pitch p is 0.3 mm, the linear velocity v is
v = 0.5p / πD
Therefore, the maximum value is 13.6 mm / s. Here, if the electrostrictive revolution element has an outer diameter of 55 mm, an inner diameter of 3.5 mm, and a height of 3.5 mm, the revolution resonance frequency is about 460 kHz, and the linear velocity v of the slider is a calculated value of 30 nm per cycle of the excitation frequency. Indicates. This value is an ultra-fine value that is absorbed by the male screw and the female screw in a normal screw, and the ultrasonic linear actuator 80 can control the amount of movement with an applied voltage in an ultra-high manner. It can be said that it is a fine linear actuator.
(Third embodiment)
第1の実施の形態では電歪公転子の両端面に発生するトルクの内、片端面のトルクを利用した回転・リニア移動子と回転を伴わないリニア移動子の構成と動作原理を例示した。第2の実施の形態では第1の実施の形態で例示した回転・リニア移動子と回転を伴わないリニア移動子の構成と動作原理を踏まえて、電歪公転子の両端面に発生するトルクの両方を同時に利用する、より高度な手段を例示した。第2の実施の形態では与圧ばねにコイルスプリングを用いたことと、鏡筒の移動距離をより大きくしたため、第1の実施の形態で例示した機構より軸長が大幅に長い構成となった。最近の実用面では、より軸長が短いコンパクトな構成と、回転を伴わない直線運動だけのリニア・アクチュエータからなるアクティブ鏡筒(自動鏡筒)が渇望されているので、いよいよここで、その実施の形態を図5に開示する。 In the first embodiment, the configuration and operation principle of the rotation / linear moving element using the torque of one end face and the linear moving element not rotating are exemplified among the torques generated on both end faces of the electrostrictive revolution element. In the second embodiment, based on the configuration and operation principle of the rotation / linear movement element exemplified in the first embodiment and the linear movement element that does not involve rotation, the torque generated at both end faces of the electrostrictive revolution rotator is determined. A more advanced means of using both simultaneously is illustrated. In the second embodiment, since the coil spring is used as the pressurizing spring and the movement distance of the lens barrel is further increased, the axial length is significantly longer than that of the mechanism exemplified in the first embodiment. . In recent practical use, there is a craving for a compact structure with a shorter axial length and an active lens barrel (automatic lens barrel) consisting of a linear actuator that only moves linearly without rotation. This form is disclosed in FIG.
前述したのと同じ両端面にトルクが発生する電歪公転子100にしっくり内挿できる円筒部分を有する回転子200をセットする。回転子200の片端面には鍔201が付いており、内周面にはスクリュウ雌ねじ205が施されている。まずウエイブ・リングばね31を回転子200に通し、その後から自由リング202に次いで電歪公転子100を通して鍔部201まで押し付けると、回転子200の他端が顔を出すので、その先端に固定リング203を面一になるまで圧入する。この状態でウエイブ・リングばね31が自由リング202を公転子端面に押し付けるので、固定リング203を支点として、自由リング202とで公転子100をサンドイッチした状態で、公転子に対して最適与圧力を作用するように、回転子各部の寸法が設計されている。したがってこの状態で公転子を励振すると、強力な公転トルクが発生し、回転子が与圧ばね31と共に力強く回転する。ここで、与圧力は回転子に支えられ、回転子は固定支持されている電歪公転子の端面トルクの強力な浮力に支えられて回転するので、通常の回転子と軸受の間に致命的に発生する摩擦力が存在せず、回転損失が極めて低いことが本発明の最大の利点である。 The rotor 200 having a cylindrical portion that can be inserted into the
さて以上で、超音波リニア・アクチュエータの駆動部の実施の形態が例示できた。
次に、外周面に回転子のスクリュウ雌ねじ205と整合するスクリュウ雄ねじ405が施されたレンズ鏡筒40を光軸方向にセットする。この全体を穴あきサイコロの形状をしたハウジング500の穴の奥の電歪公転子受け部の段差にぶつかるまで挿入し、ハウジングの光軸と平行な4陵に施されている電力端子501,502,503,504のたセットばねで固定支持する。次いで、ハウジングの蓋に相当する固定子600のキー・ピン601,602,603,604を鏡筒のキー溝461,462,463,464のそれぞれにセットした上で、4本のビス66,67,68,69で固定子をハウジングに固定すると本発明の第3の実施の形態である超音波リニア・アクチュエータが出来上がる。4本のリード線701,702,703,704に励振電力を接続すると、制御信号に応じて、レンズ鏡筒が素早く伸び・縮みし、レンズの焦点が所定位置に移動し、映像のピントを高精細に整合することができる。The embodiment of the drive unit of the ultrasonic linear actuator has been illustrated above.
Next, the
このように構成された超音波リニア・アクチュエータを用いたアクティブ鏡筒は光学系のオートフォーカス、オートズームに利用すると、機構を簡素化でき、高精細、高速、制御が可能で、停止位置を強固に保持する機能が低コストで実現できることから、携帯電話のカメラなどへの採用が急がれている。
(第4の実施の形態)An active lens barrel using an ultrasonic linear actuator constructed in this way can be used for autofocus and autozoom of the optical system, simplifying the mechanism, enabling high-definition, high-speed, control, and a firm stop position. Therefore, it is urgently adopted for mobile phone cameras and the like.
(Fourth embodiment)
前述のアクチュエータは携帯電話のカメラ等への採用が急がれていると述べたが、この分野で利用される機器は高性能化と軽薄短小化とが同居しており、前述のアクチュエータも当然ながら更なる薄型化が望まれている。この場合薄型化とは、アクティブ鏡筒の光軸長を縮めることであるが、電歪公転子の軸長は所定の寸法が必要であり、その皺寄せは与圧ばねに向けられ、第3の実施の形態では、最も薄いばねとしてウエイブ・リングばねを採用した。これより薄くするにはばねの厚みを0にしなければならないだろう。ここではその対策を提案する。 Although the aforementioned actuators have been urgently adopted for mobile phone cameras, etc., the devices used in this field are coexisting with high performance and light and thin, and the above actuators are naturally However, further thinning is desired. In this case, the thinning means to reduce the optical axis length of the active lens barrel, but the axial length of the electrostrictive revolution rotator needs to have a predetermined dimension, and the wrinkle is directed to the pressurizing spring. In the embodiment, a wave ring spring is adopted as the thinnest spring. To make it thinner, the spring thickness would have to be zero. Here we propose a countermeasure.
すなわち、公転子円筒に内接するコイル・スプリング若しくはこれと同等のバネ作用とスクリュウねじ機能を有する弾性パイプを用いることにより、公転子との直列配置を並列配置に切り替えることで、薄型化を達成した。例えば、コイル・スプリングを公転子円筒に内接し、両端からリングを挿入して、公転子をサンドイッチした状態で締め付けると、コイル・スプリングは強力に回転できるようになる。外周にスクリュウねじを施した円筒状の移動子をコイル・スプリング内周のスクリュウねじに、ねじ込んだ状態で、移動子の軸方向の動きを妨げることなく、回転を阻止すると、移動子に回転を伴わないリニア・モーションが生ずる。ただし、通常のコイル・スプリングではリングを圧入して与圧力を作用した反動で、スプリングが伸びピッチが移動子のねじと僅かにずれ、滑らかに動かなくなる。ここでは、この点も解決した実施形態について述べる。 In other words, by using a coil spring inscribed in the revolution cylinder or an elastic pipe having a spring action equivalent to this and a screw screw function, the series arrangement with the revolution element is switched to a parallel arrangement, thereby achieving a reduction in thickness. . For example, if the coil spring is inscribed in the revolution rotator cylinder, the ring is inserted from both ends, and the revolution rotator is sandwiched and tightened, the coil spring can be rotated strongly. When a cylindrical slider with a screw screw on the outer periphery is screwed into a screw screw on the inner periphery of the coil spring, if the rotation is prevented without hindering the movement of the slider in the axial direction, the slider is rotated. Unaccompanied linear motion occurs. However, in a normal coil spring, the spring is stretched and the pitch is slightly deviated from the screw of the moving member due to the reaction caused by pressurizing the ring and applying pressure, so that it does not move smoothly. Here, an embodiment that solves this point will be described.
前述したのと同じ両端面にトルクが発生する電歪公転子1000にしっくり内挿できる円筒部分を有する回転子2000をセットする。回転子2000の片端面には鍔2001が付いており、本体の円筒が3つの部分2001,2008,2004からできている。まず鍔2001の内周面には少し奥まで、スクリュウ雌ねじ2005が施され、続く円筒中央部は内径が太くなっており、その薄肉円筒部にスクリュウ状のスリット2008が施され、強い伸張ばねになっている。端部2004はスリットの無い一様な円筒で、外周面は所定の径寸法に正確に加工されており、電歪公転子1000に内挿して他端から出た状態で、その先端に固定リング2003を面一になるまで圧入する。この状態で、スリット部2008が所定の強さのばね作用を機能し、固定リングと鍔2001とで電歪公転子1000をサンドイッチした状態で、公転子に対して最適与圧力を作用するように、回転子各部の寸法が設計されている。したがってこの状態で公転子を励振すると、強力な公転トルクが発生し、回転子が力強く回転する。 A
ここで、与圧力は回転子に支えられ、回転子は固定支持されている電歪公転子の強力な端面トルクに支えられて回転するので、前例同様、回転摩擦損失が存在しないことが本発明の最大の利点であり、しかも、本実施の形態では与圧ばねのサイズをアクチュエータの厚み構成要素から除外し、薄型化することができた。なお、当然の事ながら、回転子のスリット部が伸張してばね作用を機能しても、スリットの無い雌ねじ2005部は全く影響されず、ねじは滑らかに噛み合うので、正確なリニア運動が実現できた。ハウジングは第3の実施の形態と同じであり、動作の仕方も同様であるから。重複を避けて説明を省略する。
(第5の実施の形態)Here, since the applied pressure is supported by the rotor and the rotor rotates while being supported by the strong end face torque of the electrostrictive revolution rotor fixedly supported, the rotational friction loss does not exist as in the previous example. In addition, in the present embodiment, the size of the pressurizing spring can be excluded from the thickness component of the actuator and the thickness can be reduced. Needless to say, even if the slit portion of the rotor extends and functions as a spring, the
(Fifth embodiment)
前述のアクチュエータは携帯電話のカメラ等への採用が急がれており、薄型化が望まれているので、ロータにばね機能を持たせる解決案を提示したが、機構が複雑になりコストアップに繋がる恐れが出てきた。構成要素をより簡潔化し、低コスト化する道を探求し、回転子を省いて、鏡筒を直接駆動するアクチュエータを開発した。公転子円筒の表面に発生するトルクで、鏡筒を直接駆動する方式である。公転子に発生するトルクを利用するには、前述したように、回転子のリング部分22,202,23,203をトルク発生面に圧接しなければならないが、この与圧機構が複雑になることがコストアップの一因でもあった。 The actuators mentioned above have been urgently adopted for mobile phone cameras, etc., and thinning is desired, so a solution to give the rotor a spring function has been presented, but the mechanism becomes complicated and the cost increases. The fear of connecting came out. In search of a way to simplify the components and reduce costs, we developed an actuator that directly drives the lens barrel, eliminating the rotor. In this method, the lens barrel is directly driven by the torque generated on the surface of the revolution rotator cylinder. In order to use the torque generated in the revolving rotator, the
ここではその解決手段として、まず公転子の内周面にスクリュウねじを施し、これと合致するスクリュウねじを外周面に施した鏡筒を直接駆動し、回転を伴うリニア運動の可能性を確認した。問題はセラミック円筒の内周面にねじ加工を施す作業がタップによる研削であり、手間がかかることである。そこで、内周面にスクリュウねじを施した薄肉円筒を公転子に接合する方法で解決した。外周面にスクリュウねじを施した鏡筒を回転させることができれば、固定子の雌ねじに導入して、回転を伴うリニア運動に変えることができる。この方式は回転を伴わないリニア運動のできない欠点はあるが、構造が簡単・コンパクトであり、注目される。リニア運動に変換する機構は前述の実施の形態で使用述したので省略し、回転駆動部の機構を以下に詳述する。 Here, as a solution, first, screw screws were applied to the inner peripheral surface of the reciprocator, and the lens barrel with the screw screws matching the outer periphery was directly driven to confirm the possibility of linear motion with rotation. . The problem is that the work of threading the inner peripheral surface of the ceramic cylinder is grinding by tapping, which takes time. Therefore, the problem was solved by joining a thin cylinder with a screw thread on the inner peripheral surface to the rotator. If a lens barrel having a screw screw on its outer peripheral surface can be rotated, it can be introduced into the female screw of the stator and changed to a linear motion with rotation. Although this method has the disadvantage that linear motion without rotation is not possible, it is notable for its simple and compact structure. Since the mechanism for converting to linear motion has been described in the above-described embodiment, it will be omitted, and the mechanism of the rotation drive unit will be described in detail below.
図7(a)に示したように、電歪公転子1000にしつくり内挿できる太さで、内周面にスクリュウねじ2005を施した薄肉円筒2010を公転子の共通電極に接着した。これで、トルク発生素子が出来上がり、(c)のレンズ鏡筒400を導入して、ハウジングにセットすれば、鏡筒が回転しながら光軸に沿って、リニア運動をするアクチュエータが完成する。この構造では、薄肉円筒との複合共振子となり、Qが低下するので、高い電圧さえ印加できれば、強いトルクを出力することもできる。 As shown in FIG. 7A, a
共通電極に貼り付けた方がスクリュウねじの距離を長くできるが、何といっても端面トルクの方が強いので、(b)では、内周面と外周面の両方に薄肉円筒2011,2012を貼り付けた双方のトルクを活用したが、共振子が拘束されてQが下がることをさけるため、薄肉円筒を2011と2012とに2分した。図(a)(b)共に長い薄肉円筒を用いたので、スクリュウねじの距離を長くでき、短い鏡筒の場合は移動ストロークを長く取ることができる。 Although it is possible to increase the screw screw distance by sticking to the common electrode, the end face torque is stronger in any case, so in (b),
強力な端面トルクを利用し、低電圧で駆動するには、図7(c)(d)に示すように雌ねじを施した円環を片端面だけに貼り付け、Qが低くなるのを避けた。円環が薄いので、ねじの山数が少ないが、鏡筒が(c)400,(f)401のように長く、ねじ山が多い場合は、ストロークを十分長く取ることができる。(f)の605のように公転子に内挿し固定できる鏡筒と組み合わせて、ズーム機構を構成することができた。 In order to drive at a low voltage by using a strong end face torque, a ring with a female thread was attached to only one end face as shown in FIGS. 7 (c) and 7 (d) to avoid lowering Q. . Since the ring is thin, the number of screw threads is small, but when the lens barrel is long as shown in (c) 400 and (f) 401 and there are many threads, the stroke can be made sufficiently long. A zoom mechanism could be configured in combination with a lens barrel that can be inserted and fixed to the revolving trochanter as in 605 of (f).
上述した通り、本発明にかかる超音波リニア・アクチュエータは単相交流電圧でも可逆回転トルクが励振できる電歪公転子の中でも、非対称励振による3次元公転トルクを発生する独自の円筒形状素子を利用した駆動子であり、殊に円筒の軸長が外径長より短い公転子では、円筒の両端面に強力なトルクが発生する。両端鍔つきパイプを通し、鍔でサンドイッチする格好で、公転トルクに圧着すると、両方の鍔が同時に同じ向きの回転トルクを受けるので、パイプと一体化して強力に回転することを見出した。鍔をトルク発生面に圧着する与圧力の支点が回転子に置かれ、鍔と支点との速度差が無くなり、回転子をトルクが発生する公転子、言うなればアクティブ軸受であり摩擦フリーに支持できる。この効果は公転子と雌ねじを一体構成したトルク発生素子の場合も同じである。このように、まず無偏芯、高精細、高精度、低電圧駆動、低電力の回転機構が実現できた。この回転機構は中空円筒に構成できるので、内周面に雌ねじを施し、これと整合する雄ねじを施した移動子例えば光学鏡筒を内挿し、軸に沿って自由に移動するが、回転はしない様に支持すると、回転子の回転に伴って鏡筒すなわち移動子がリニア運動をして所定の距離を移動できるので、構造簡単、超精密で、駆動損失が少ないリニア・アクチュエータを提供することができた。この超音波リニア・アクチュエータは携帯電話のカメラなどには基より、デジカメ、ビデオなどの小型カメラをはじめ、防犯・監視・車載用などの小型カメラ、望遠鏡、顕微鏡などの光学機器、医療用内視鏡・カテーテルなどにも利用できるので、応用の範囲を挙げれば限がない程広い分野に貢献することが期待できる。 As described above, the ultrasonic linear actuator according to the present invention uses a unique cylindrical element that generates a three-dimensional revolution torque by asymmetric excitation among electrostrictive revolution elements capable of exciting a reversible rotational torque even with a single-phase AC voltage. In the case of a revolving element that is a drive element, and in particular the axial length of the cylinder is shorter than the outer diameter length, a strong torque is generated on both end faces of the cylinder. We found that it is like a sandwich with a heel through a pipe with both ends, and when it is crimped to the revolving torque, both heels simultaneously receive the rotational torque in the same direction, so that they are integrated with the pipe and rotate strongly. The fulcrum of the pressure applied to press the heel against the torque generating surface is placed on the rotor, the speed difference between the heel and the fulcrum disappears, and the rotor is a revolving rotator that generates torque, in other words an active bearing that supports friction free it can. This effect is the same in the case of the torque generating element in which the revolution element and the female screw are integrated. Thus, first, an eccentric, high-definition, high-precision, low-voltage drive, and low-power rotation mechanism was realized. Since this rotation mechanism can be configured as a hollow cylinder, an internal thread is provided on the inner peripheral surface, and a movable element, for example, an optical lens barrel, provided with an external thread aligned therewith is inserted and moved freely along the axis, but does not rotate. If supported in this way, the lens barrel, that is, the moving element can move linearly as the rotor rotates, so that a linear actuator can be provided with a simple structure, ultra-precision, and low drive loss. did it. This ultrasonic linear actuator is based not only on mobile phone cameras, but also on small cameras such as digital cameras and video cameras, small cameras for crime prevention, surveillance and in-vehicle use, telescopes, optical devices such as microscopes, medical endoscopes, etc. Since it can be used for mirrors and catheters, it can be expected to contribute to a wide range of fields without limitation.
1,10,100,1000:円筒型電歪公転子(トルク発生素子)
11,12,13,14:駆動電極、15:共通電極
2,3,20,200,2000:回転子
21,201,2001:回転子の鍔部、22,202:回転子の自由リング、
23,203,2003:回転子の固定リング、2004:固定リングセット部
25,205,2005:回転子円筒のスクリュウねじ(雌ねじ)、
261,262:回転子の突起(キー)
2008:回転子円筒に伸縮ばね機構を附与するスリット
30:コイル・スプリング、31:リング状ウエイブばね
4,40:移動子(又はレンズ鏡筒)、41,42,43:レンズ
402:移動子の円筒部、
45,405:移動子のスクリュウねじ(雄ねじ)、
46,406,461,462,463,464:移動子のキー溝
5,50,500:ハウジング、506:ハウジングのピン状キー、
507:ハウジングの中空穴
51,52,53,54,501,502,503,504:電力端子(ばね付きセットねじ)
55,505:ハウジングのスクリュウねじ(雌ねじ)
56:ボールベアリング
6,60,600:ハウジングの蓋(固定子)
61,62,63,64,601,602,603,604:ハウジング蓋の突起(キー)
65:ハウジング蓋のスクリュウねじ
66,67,68,69:ハウジング蓋のセットねじ
71,72,73,74,701,702,703,704:リード線
8,80,800:超音波リニア・アクチュエータ1, 10, 100, 1000: Cylindrical electrostrictive trochanter (torque generating element)
11, 12, 13, 14: drive electrode, 15:
23, 203, 2003: fixing ring of the rotor, 2004: fixing ring set
261, 262: Rotor protrusion (key)
2008: Slit for imparting a telescopic spring mechanism to the rotor cylinder 30: Coil spring, 31: Ring-shaped
45, 405: Screw screw (male screw) of the mover,
46, 406, 461, 462, 463, 464:
507: Housing
55, 505: Housing screw screw (female screw)
56:
61, 62, 63, 64, 601, 602, 603, 604: projection of housing cover (key)
65: Screw screw for
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005367081A JP2007151373A (en) | 2005-11-24 | 2005-11-24 | Ultrasonic linear actuator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2005367081A JP2007151373A (en) | 2005-11-24 | 2005-11-24 | Ultrasonic linear actuator |
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9401667B2 (en) | 2013-03-01 | 2016-07-26 | Canon Kabushiki Kaisha | Vibration-type driving device |
-
2005
- 2005-11-24 JP JP2005367081A patent/JP2007151373A/en active Pending
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US9401667B2 (en) | 2013-03-01 | 2016-07-26 | Canon Kabushiki Kaisha | Vibration-type driving device |
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