JP2016103939A - 振動型アクチュエータおよび超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動部材を精度良く駆動させることができる振動型アクチュエータを提供する。【解決手段】摺動部を有する振動子１００と、上記摺動部が圧接されるスライダー１０４と、振動子１００を支持し、被駆動部材を進退可能に駆動する振動子支持部材１０５とを備える超音波モータを設ける。上記摺動部とスライダー１０４との摩擦接触により、駆動力発生部１５０において駆動力が発生する。振動子支持部材１５０は、被駆動部材に駆動力を伝達する駆動力伝達部１２０を有する。そして、駆動力伝達部１２０は、被駆動部材の移動方向に沿って、駆動力発生部１５０の前後２箇所に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、振動型アクチュエータおよび超音波モータに関する。

高周波電圧の印加により周期的に振動する振動子を摺動部材に圧接することで摺動部材を駆動する振動型アクチュエータ（例えば、超音波モータ）が提案されている。特許文献１は、振動子７０で発生する駆動力を振動子７０の側面に挿入されたピン部材１２０を介して係合突設部１１７へ伝達する振動波リニアモータを開示している。

特開２００５−９９５４９号公報

しかし、特許文献１が開示する振動波リニアモータでは、駆動力発生部である振動子の駆動接触部７６に対し、駆動力を伝達するピン部材１２０と係合突部１１７との係合部は駆動力発生部の移動方向に対して側方に位置している。したがって、被駆動部材である第３の移動鏡枠の駆動抵抗により、振動子７０には移動方向に対してヨー方向の抵抗力が常に作用する。その結果、被駆動部材の駆動負荷が増えると、上記ヨー方向の力により振動子が螺旋バネ８３の加圧力に抗して回転し、第３の移動鏡枠の送り精度が低下する。

本発明は、被駆動部材を精度良く駆動させることができる振動型アクチュエータの提供を目的とする。

本発明の一実施形態の振動型アクチュエータは、摺動部を有する振動子と、前記摺動部が圧接されるスライダーと、前記振動子を支持し、被駆動部材を駆動する支持部材とを備える。前記摺動部と前記スライダーとの摩擦接触により、駆動力発生部において駆動力が発生する。前記支持部材は、前記被駆動部材に駆動力を伝達する駆動力伝達部を有する。前記駆動力伝達部は、前記被駆動部材の移動方向に沿って、前記駆動力発生部の前後２箇所に設けられる。

本発明の振動型アクチュエータによれば、被駆動部材を精度良く駆動させることができる。

振動型アクチュエータの構成例を示す図である。 振動板の共振による摺動部の運動を説明する図である。 超音波モータを構成する部品の要部斜視図である。 連結部材と振動子支持部材の締結部を振動子加圧方向から見た図である。 超音波モータが光学機器に組み込まれた状態における要部断面である。 駆動力伝達部が平面Ａから外れた位置に設定されたときの構成である。

図１は、本実施形態の振動型アクチュエータの構成例を示す図である。
図１に示す振動型アクチュエータは、超音波モータである。図１（Ａ）は、振動型アクチュエータの駆動移動方向直角断面を示す。図１（Ｂ）は、振動型アクチュエータの駆動移動方向断面（図１（Ａ）中の平面Ａでの断面）を示す。

１０１は振動板を示す。振動板１０１が有する被接合部１０１ａが、基台１０２の接合凸部１０２ａに対して接着などにより固定される。また、振動板１０１には、圧電素子１０３が公知の接着剤などにより固着されている。

圧電素子１０３は、高周波電圧が印加されると、振動板１０１が長手方向、短手方向、それぞれ共振を起こすように設定されている。振動板１０１と圧電素子１０３とで、超音波振動する振動子１００が構成される。

図２は、振動板の共振による摺動部の運動を説明する図である。
図２に示すように、振動板１０１に形成された摺動部１０１ｂの先端が、楕円運動を起こす。圧電素子１０３に印加する高周波電圧の周波数や位相を変えることで、回転方向や楕円比を適宜変化させて所望の動きを発生させることができる。したがって、摺動部１０１ｂは、当該摺動部１０１ｂが圧接されるスライダー１０４と摩擦接触することにより駆動力を発生させる。これにより、振動子１００自身が光軸方向（図１（Ａ）中では紙面直行方向、図１（Ｂ）中では左右方向) に沿って駆動移動することが可能となる。すなわち、摺動部１０１ｂとスライダー１０４との当接面が、駆動力発生部１５０として機能する。そして、駆動力発生部１５０を含み、駆動移動方向である光軸方向と振動子１００の加圧方向（図１）とで規定される平面Ａ上に、駆動力伝達部１２０が形成される。この例では、加圧方向は光軸に直交する方向である。駆動力伝達部１２０については後述する。

スライダー１０４は、ユニット支持部材１１６に対して、ネジ１１７（図１（Ｂ））によって固定される。振動子支持部材１０５は、振動子１００が固定された基台１０２とは、連結部材３０１によって連結される。加圧板１０６は、弾性部材１０７を挟んで圧電素子１０３を、図１（Ａ），（Ｂ）中に示す加圧方向に沿って押圧保持する。

加圧バネ１０８は，バネ保持部材１０９およびバネ地板１１０との間に組み込まれる。これにより、加圧手段である加圧バネユニット１１８が構成される。バネ保持部材１０９の先端径大部１０９ａは、バネ地板１１０の嵌合部１１０ａに軽圧入で組み込まれるので、組み立て後は、バネ１１０のバネ力に抗してユニット状態を維持できる。

バネ地板１１０の外径部には、円周方向の数箇所にバヨネット突部１１０ｂが形成されている。バヨネット突部１１０ｂは、組み込み状態において、振動子支持部材１０５に形成されたバヨネット係合部１０５ａにより加圧方向の位置が規定される。この時、バネ保持部材１０９の先端押圧部１０９ｂは、バネ１０８の付勢力により、加圧板１０６および弾性部材１０７を介して、振動子１００をスライダー１０４に加圧する加圧力を発生する。したがって、振動子１００とスライダー１０４とが摩擦接触することが可能となる。

移動板１１１は、振動子支持部材１０５の当接部１０５ｂにネジ１１３で固定される。振動子支持部材１０５には、ネジ１１３が貫通するネジ穴１０５ｃが形成されている。移動板１１１には、ボール部材（ボール）１１２が嵌入し、振動子支持部材１０５を光軸方向にガイドする第１の溝部である複数のＶ溝部１１１ａが形成される。これにより、振動子支持部材１０５を光軸方向にガイドするガイド部が構成される（図１参照）。

カバープレート１１５は、ユニット支持部材１１６に公知のネジ等により固定される。カバープレート１１５は、上述したガイド部の一部を構成しており、移動板１１１のＶ溝部１１１ａに対向する位置に設けられた第２の溝部であるＶ溝部１１５ａによって、ボール１１４を挟持する。これにより、振動子支持部材１０５を光軸方向に沿って進退可能に支持することを可能としている。

次に、基台１０２と振動子支持部材１０５との連結と、駆動力伝達部の構成について説明する。
図３は、本実施形態の振動型アクチュエータの一例としての超音波モータを構成する部品の要部斜視図である。３０１は連結部材であり、例えばバネ性を有するステンレスの板材により構成されている。連結部材３０１には振動子支持部材１０５との締結が行われるネジ穴部３０１ａが形成されている。また、振動子支持部材１０５に固定された移動版１１１には、雌ネジ部１１１ｂが形成され、止めネジ１１３により連結部材３０１と振動子支持部材１０５とが締結される。ネジ穴部３０１ａと雌ネジ部１１１ｂ、さらに振動子支持部材に形成されたネジ穴１０５ｃ（図１（Ｂ）参照）により、締結部３０３が構成される。

締結部３０３は、図３及び図４に示すように振動子の移動方向に前後２箇所形成され、振動子支持部材１０５と連結部材３０１との締結をより確実なものにする。さらに、連結部材３０１には、４箇所の折り曲げ部３０１ｂにネジ穴３０１ｃが形成されており、基台１０２に形成されたネジ穴部１０２ｂにネジ３０２により締結される。

図４は、連結部材と振動子支持部材との締結部を振動子加圧方向から見た図である。
連結部材３０１と振動子支持部材１０５との締結はネジ穴部３０１ａで行われる。ネジ穴周囲の外形部３０１ｄは、図に示す通り基台１０２の投影領域内、つまり図４に示されたハッチング領域内に存在する。図４の方向から見たとき、振動板１０１に形成された被接合部１０１ａの外形を逸脱しない領域に存在していることがわかる。また、駆動力伝達部１２０が二箇所に形成されていることがわかる。上述基台と連結部材は先に組み立てることが必要である。ここまでの組み立てが終了した後、連結部材３０１と基台２０１をネジ３０２により締結することで、振動子１００と振動子支持部材１０５の連結が完了する。

図３中、ラック３０５は、駆動力伝達部１２０と係合し、第二のレンズ保持部材５０５（図５）を光軸に沿った方向に駆動させる被駆動部材である。ラック３０５には振動子支持部材１０５に形成された先端半球状の駆動力伝達部１２０と係合する係合部３０５ａが形成されている。ラック３０５は、第二のレンズ保持部材５０５に形成された嵌合穴部と係合軸部３０５ｂで回転可能に結合される。

組み込み状態においては、公知のトーションバネにより、係合軸部３０５ｂを回転中心として係合部３０５ａが駆動力伝達部１２０を押圧する方向に回転付勢される（図３参照）。このとき、駆動力発生部１５０を含む平面Ａ（図１（Ａ））上に駆動力伝達部１２０が形成されている。したがって、第二レンズ保持部材及び第二レンズの重さや、駆動制御により発生する慣性力が働いたとしても、振動子支持部材１０５に対しては駆動移動方向に対するヨー方向の負荷は発生しない。その結果、送りの精度を良好にすることができる。また、組み込み状態においては、図１（Ｂ）にも示される通り、駆動力伝達部１２０は、平面Ａ上で、かつスライダーと振動子支持部材１０５との間に形成される空間Ｂに設定されている。さらに、駆動力伝達部１２０は、駆動力発生部１５０を挟んで、駆動移動方向である光軸方向の前後２箇所に形成されている。

また、連結部材は、ステンレスの薄板などで構成され、加圧方向には可撓性を有している。したがって、振動子１００が加圧手段（加圧ユニット１１８）により押圧付勢される際、部品公差等により振動子の高さが前後しても、その誤差を吸収してスライダー１０４に対して必要な押圧力を発生させることができる。

図５は、超音波モータが直動型として光学機器の鏡筒部に組み込まれた状態における要部断面を示す図である。
第一レンズ保持部材５０１は、第一のレンズ５０２を保持する。第三レンズ保持部材５０３は、第三のレンズ５０４を保持する。第三レンズ保持部材５０３の外周部には、筒状部５０３ａが設けられており、先端部５０３ｂで第一レンズ保持部材５０１と図外のネジなどにより締結される。筒状部５０３ａの外径部の一部には、超音波モータが固定されるユニット受け部５０３ｃが設けられており、公知のネジなどにより着脱自在に固定される。

また、筒状部５０３ａの内径部には、第二のレンズ５０６を保持する第二レンズ保持部材５０５が配置される。第二のレンズ５０６は、合焦レンズとして、超音波モータにより光軸に沿って移動する。この時、第二レンズ保持部材５０５は、公知のガイドバー５０７と軸受け部５０５ａとが相対摺動可能に嵌合しているので、第二のレンズを光軸に沿って移動させることを可能としている。

ラック３０５が第二レンズ保持部材５０５の嵌合穴部に対して係合軸部３０５ｂが回転可能に結合され、トーションバネの回転付勢力により振動子支持部材に形成された駆駆動力伝達部１２０に対して、ラック３０５の係合部３０５ａが押圧力を以て係合される。これにより、第二レンズ保持部材５０５と振動子支持部材１０５との連結が完了する。

そして、駆動力発生部１５０と駆動力伝達部１２０とは、図１（Ｂ）に示すように、平面Ａすなわち駆動力発生部１５０を含み駆動移動方向と加圧方向で定義される平面上に設定されている。したがって、第二レンズ保持部材５０５の駆動負荷や慣性力による負荷に関係なく、正確な送り制御を行うことが可能となる。

図６は、駆動力伝達部が平面Ａから外れた位置に設定されたときの構成である。
以下に、図６を参照して、駆動負荷によってＶ溝部がボール１２０を乗り上げ、その結果、送り精度に与える影響について説明する。

図６（Ａ）に示すように、二箇所の駆動力発生部１５０にＦ０の駆動力が発生すると仮定する。また、振動子支持部材１０５にはボール１２０が３箇所に設定され、それぞれが移動板１１１及びカバープレート１１５に形成されたＶ溝部１１１ａ、１１５ａの間で挟持される。駆動力伝達部７０１は、駆動力発生部１５０に対してＬ１の間隔をもって配置されている。この状態で駆動力伝達部に負荷が作用し動けない状態にあるとすると、前述駆動力の作用により駆動力伝達部７０１には駆動力Ｆ０とＴなる回転モーメントが発生する。この値は下記の式（１）で表わされる。
Ｔ＝Ｆ０×Ｌ１・・・（１）

上記回転モーメントにより、移動板１１１には、加圧力Ｗに抗してＶ溝部を乗り上げようとする力Ｆ１が発生する。力Ｆ１は、下記の式（２）で表わされる。
Ｆ１＝Ｔ／Ｌ２・・・（２）
また、加圧力Ｗは、加圧バネ１０８の作用により各ボールに作用する反力である。この乗り上げようとする力Ｆ１と加圧力ＷとのＶ溝部でのつり合いバランスが崩れると、駆動力発生部１５０が動いても駆動力伝達部７０１は動かないまま、移動板１１１（振動子支持部材）がボールを乗り越えて回転方向に動く現象が起こる。その結果、第二レンズ保持部材５０５の送り精度が低下する。Ｆ１とＷとのつり合い条件は、下記の式（３）で表わされる。
Ｗ・ｃｏｓθ＝Ｆ１・ｓｉｎθ （θ：Ｖ溝の片側開角）・・・（３）

仮に各条件を下記のように設定する。
Ｌ１＝Ｌ２＝６ｍｍ
Ｗ＝１００ｇ
θ＝４５°
上記式（１）、（２）、（３）より、Ｆ０＝１００ｇとなる。

すなわち、第二レンズ保持部材５０５の駆動負荷が１００ｇを超えると、移動板１１１には加圧力Ｗに抗してＶ溝部を乗り上げる力の方が大きくなり、第二レンズ保持部材５０５の送り精度が低下する。一方、図５に示す本実施形態の振動型アクチュエータによれば、駆動力発生部１５０と駆動力伝達部１２０とが、駆動力発生部１５０を含み駆動移動方向と加圧方向で定義される平面上に設定されているので、正確な送り制御を行うことが可能となる。

以上、本発明に関わる超音波モータおよびそれを組み込んだ光学機器の鏡筒に関してその具体例を詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

１００ 振動子
１０１ 振動板
１２０ 駆動力伝達部
１５０ 駆動力発生部

Claims (8)

1. 摺動部を有する振動子と、
   前記摺動部が圧接されるスライダーと、
   前記振動子を支持し、被駆動部材を駆動する支持部材とを備え、
   前記摺動部と前記スライダーとの摩擦接触により、駆動力発生部において駆動力が発生し、
   前記支持部材は、前記被駆動部材に駆動力を伝達する駆動力伝達部を有し、
   前記駆動力伝達部は、前記被駆動部材の移動方向に沿って、前記駆動力発生部の前後２箇所に設けられる
   ことを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記駆動力伝達部は、前記駆動力発生部が設けられる、前記被駆動部材の移動方向および前記振動子の加圧方向で規定される平面を含む、前記スライダーと前記支持部材との間の空間に設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記駆動力伝達部は、先端半球状であり、
   前記被駆動部材は、前記被駆動部材に設けられた係合部が前記駆動力伝達部を押圧する方向に回転付勢される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動型アクチュエータ。
4. 前記振動子に固定された基台と、
   前記基台と前記支持部材とを連結する連結部材とを備える
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記支持部材を光軸に沿った方向にガイドするガイド部を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記ガイド部は、
   ボール部材が嵌入する第１の溝部を有し、前記支持部材に固定された移動板と、
   前記第１の溝部と対向する位置に設けられた、前記ボール部材を挟持する第２の溝部を有するカバープレートとを備える
   ことを特徴とする請求項５に記載の振動型アクチュエータ。
7. 前記振動子を前記被駆動部材の移動方向に直交する方向に加圧する加圧手段を備える
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータ。
8. 前記振動子は、電圧の印加により超音波振動する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の振動型アクチュエータとして機能する超音波モータ。

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