JP2018174618A - 振動波モータを用いたリニア駆動装置及び光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動案内を有する振動波モータを備えたリニア駆動装置において、被駆動体に支持された伝達部材の付勢力が変化すると内部で発生する摺動負荷が変化し、振動波モータの駆動力が変化する。【解決手段】振動子１と摩擦部材２と主加圧手段９と移動部材１１と第１の案内手段４及び第２の案内手段５と補助移動部材１３と補助加圧手段１２と第３の案内手段とから構成される振動波モータと、被駆動体１７と、被駆動体１７に支持され移動部材１１の当接部位１１ｄと当接し振動波モータ２０と被駆動体１７とを同期して移動させる伝達部材１８と、伝達部材１８と当接部位１１ｄとの間に付勢力Ｆｒを付与する付勢部材１９と、を備えるリニア駆動装置において、移動部材１１が第１の案内手段４から受ける第１の垂直抗力Ｆ１と、移動部材１１が第２の案内手段５から受ける第２の垂直抗力Ｆ２とは、方向が平行で向きが反対である。【選択図】図５

Description

本発明は、振動波モータを用いたリニア駆動装置及び光学装置に関するものである。

従来、振動波モータ（超音波モータ）においては、高周波電圧を圧電素子に印加することで、圧電素子が固定された振動子を超音波振動させている。振動子の超音波振動は、摩擦部材に対して加圧された振動子と摩擦部材との間に駆動力を発生させ、小型であっても高出力を維持できる。例えば、特許文献１には、振動子を用いた振動波モータが開示されている。又、振動波モータにおいては、駆動力を効率的に被駆動体に伝達するための様々な工夫が考えられている。

特許文献１に開示された振動波モータでは、振動子に付与する押圧力又はその反力と被駆動体に支持された伝達部材の付勢力の合力によって、転動ボールが挟持されている。このような振動波モータでは加圧手段として圧縮ばねを採用し、その押圧力の反力を受けながら振動子を直進案内する案内手段として転動ボールを採用している。この転動ボールによる案内手段は、装置が大型化・複雑化するものの、摺動負荷がないという特徴がある。

特許文献２の図１６には、振動波モータの小型化と簡素化とを図るために、移動部材４００の移動方向（図示のＸ方向）に延在する案内軸６００を設け、案内軸６００に嵌合する摺動孔４００ａを移動部材４００に形成した摺動構造が開示されている。そして、この摺動構造は、案内軸６００と摺動孔４００ａとで移動部材４００を摺動案内している。この摺動構造では、移動部材４００の移動方向Ｘの寸法Ｌは、移動部材４００の移動量と無関係に決定することができるので、振動子本体と同じ長さの移動部材４００が実現できる。更に、転動ボールを省略することができるので、装置の小型化及び簡素化を図ることができる。

特開２０１４−２１２６８２号公報 特開２０１７−１１９７７号公報

しかしながら、上記摺動構造では、振動子に与える接触力の反力と被駆動体に支持される伝達部材の付勢力の合力が案内軸６００と摺動孔４００ａの垂直抗力（紙面垂直方向）になるため垂直抗力と摩擦係数の積が振動波モータの内部で発生する摺動負荷となる。このため、被駆動体に支持された伝達部材の付勢力が変化すると内部で発生する摺動負荷が変化するので、振動波モータの駆動力が変化するという課題が生じる。

そこで、本発明の目的は、被駆動体に支持された伝達部材の付勢力が変化しても振動波モータの駆動力が変化しないリニア駆動装置及び光学装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明のリニア駆動装置は、振動を発生する圧電素子を有する振動子と、振動子に対向して接触する摩擦部材と、振動子を摩擦部材に付勢し、振動子と共に所定の移動方向に移動可能な主加圧手段と、摩擦部材に対して移動方向に移動可能な移動部材と、振動子と移動部材とを結合して、振動子と移動部材を同期して移動する結合部材と、移動部材を移動方向に案内する第１の案内手段及び第２の案内手段と、移動部材と共に移動方向に移動可能な補助移動部材と、一端が移動部材に他端が補助移動部材に作用し、移動部材と共に移動方向に移動可能な補助加圧手段と、補助移動部材を移動方向に案内する第３の案内手段と、から構成される振動波モータと、移動方向に移動可能な被駆動体と、被駆動体に支持され、移動部材の当接部位と当接し、振動波モータと被駆動体とを同期して移動させる伝達部材と、伝達部材と当接部位との間に付勢力を付与する付勢部材と、を備える、リニア駆動装置において、移動部材が第１の案内手段から受ける第１の垂直抗力と、移動部材が第２の案内手段から受ける第２の垂直抗力とは、方向が平行で向きが反対であることを特徴としている。

本発明によれば、被駆動体に支持された伝達部材の付勢力が変化しても振動波モータの駆動力が変化しないリニア駆動装置及び光学装置を提供することができる。

（Ａ）本発明の実施形態の振動波モータ２０を用いたリニア駆動装置の分解斜視図である。（Ｂ）リニア駆動装置の斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）本発明の実施形態のリニア駆動装置の伝達部材１８と付勢部材１９の斜視図である。（Ｃ）当接部分の拡大図である。（Ｄ）当接部分の断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）本発明の実施形態のリニア駆動装置の振動波モータ２０に伝達部材１８と付勢部材１９とが組み付けられた図である。 （Ａ）〜（Ｄ）本発明の実施形態のリニア駆動装置の振動波モータ２０の分解斜視図である。 （Ａ）〜（Ｄ）本発明の第１の実施例の構成を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）本発明の第１の実施例の構成における力の作用を示す図である。（Ｄ）〜（Ｆ）従来の構成における力の作用を示す図である。（Ｇ）第１の実施例と従来の構成の比較図である。 （Ａ）、（Ｂ）本発明の第２の実施例の構成を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）本発明の第３の実施例の構成を示す図である。

以下、本発明の振動波モータ（超音波モータ）２０を用いたリニア駆動装置の構成について図面を用いて説明する。なお、振動波モータ２０の振動子１の移動方向をＸ方向とし、振動子１の接触力Ｆｐの方向をＺ方向、Ｘ及びＺ方向に直角な方向をＹ方向とする。全ての図面に関して、ＸＹＺの方向を上記のように定義する。

まず、本実施形態の振動波モータ２０を用いたリニア駆動装置について説明する。図１（Ａ）は、振動波モータ２０を用いたリニア駆動装置をＺ方向に分解した分解斜視図であり、図１（Ｂ）は、組み立てられたリニア駆動装置の図である。被駆動体１７は、駆動対象である撮影装置等に用いられる光学素子を保持する保持部材であると共に案内軸１６に案内される。そして、振動波モータ２０の移動部材１１が移動方向Ｘに移動可能となっており、振動波モータ２０の駆動力が出力されることによって、移動部材１１と共に移動部材１１に伝達部材１８を介して連結された被駆動体１７が駆動される。ここで光学素子とは、フォーカスレンズ等のレンズ全般を意味するが、プリズムやミラーであってもよい。本実施形態では、被駆動体１７が撮影装置に用いられる光学素子を保持する保持部材であるリニア駆動装置を用いた光学装置を示したが、被駆動体１７は、光学素子を保持する保持部材以外にも適用可能である。

伝達部材１８は、被駆動体１７の支持部１７ａに支持され、移動部材１１の当接部位１１ｄに当接するように付勢部材１９と共に組み付けられ、振動波モータ２０の移動部材１１と被駆動体１７とを同期して移動させる。振動波モータ２０を用いたリニア駆動装置は、図１（Ｂ）に示す状態で、駆動源である後述の振動子１の駆動力が結合部材３、移動部材１１、当接部位１１ｄ、伝達部材１８、被駆動体１７の順に伝達され、被駆動体１７がＸ方向に往復移動される。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、伝達部材１８と付勢部材１９の斜視図であって、図２（Ａ）はＺ方向上方から、図２（Ｂ）はＺ方向下方から見た図である。図２（Ｃ）、（Ｄ）は、伝達部材１８が移動部材１１の当接部位１１ｄに当接する当接部分の拡大図であって、図２（Ｃ）はＺ方向から見た投影図、図２（Ｄ）は図２（Ｃ）の破断線ＩＩＤ−ＩＩＤにおける断面図である。伝達部材１８は、上記の被駆動体１７の支持部１７ａに支持され、移動部材１１の当接部位１１ｄと当接し、移動部材１１と被駆動体１７とを同期して移動させる。伝達部材１８は凹部１８ａを有し、凹部１８ａは、当接部位１１ｄと付勢接触する構成になっている。

本実施形態では、伝達部材１８は軸１８ｂを中心に支持部１７ａに回動自由に支持されるが、直線的に移動自由に支持される構成も選択可能である。又、本実施形態では、伝達部材１８側に凹形状が当接部位１１ｄ側に凸形状が形成されるが、凹凸の関係を逆とする構成も選択可能である。

付勢部材１９は、ねじりコイルばねであって伝達部材１８に付勢力Ｆｒを付与し、この付勢力Ｆｒは伝達部材１８と当接部位１１ｄの間に作用する。本実施形態では、付勢部材１９は、ねじりコイルばねとなっているが付勢力Ｆｒを付与できれば、圧縮ばね、引張ばね、又は、板ばねも選択可能である。

図２（Ｃ）において、付勢部材１９による付勢力Ｆｒの分布荷重の領域は、凹部１８ａの断面が略Ｖ字形状になっているので（図２（Ｄ）参照）、図示のＭ１、Ｍ２の２か所であり、分布荷重の荷重中心Ｂはその中点になる。本実施形態では、分布荷重の領域が２か所の例を示したが、伝達部材１８と当接部位１１ｄの形状に応じて分布荷重の領域の数が変化しても、分布荷重の荷重中心Ｂを同様に考えることができる。

次に、本実施形態のリニア駆動装置に用いられる振動波モータ２０が被駆動体１７に駆動力を伝達する部分について説明する。図３（Ａ）は、振動波モータ２０に伝達部材１８が組み付けられて、付勢部材１９によって付勢されている状態の平面図を示す。図３（Ｂ）は正面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）の破断線ＩＩＩＣ−ＩＩＩＣにおける断面図、図３（Ｄ）は斜視図である。

図３（Ａ）において、後述する振動子１と摩擦部材２の間の接触力Ｆｐの分布荷重の領域は、振動子１の突起部１ｂの範囲となる。従って、接触力Ｆｐの分布荷重の領域は、Ｎ１、Ｎ２の２か所存在し、それらの荷重中心Ａは分布荷重の中点になる。本実施形態では、分布荷重の領域が２か所の例を示したが、振動子１の突起部１ｂの個数に応じて領域の数が変化しても、分布荷重の荷重中心Ａを同様に考えることができる。

図３（Ｄ）には、接触力Ｆｐ及び付勢力Ｆｒの作用状態が示されている。なお、図示されている接触力Ｆｐと付勢力Ｆｒの相対的な位置関係のずれは、誇張して示されている。仮に接触力Ｆｐの荷重中心Ａと付勢力Ｆｒの荷重中心Ｂとが略一致していれば、移動方向Ｘに略直交するＹ方向の軸周りの偶力Ｖ１は０とすることができる。同様に、移動方向Ｘの軸周りの偶力Ｖ２も０とすることができる。

次に、本発明の実施形態のリニア駆動装置に用いられる振動波モータ２０の構成について説明する。図４（Ａ）、（Ｂ）は、振動波モータ２０の分解斜視図であり、図４（Ａ）はＺ方向上方から、図４（Ｂ）はＺ方向下方から見た図である。図４（Ｃ）、（Ｄ）は、振動子１と結合部材３の結合構成を拡大した分解斜視図である。

振動子１は、板部１ａと２つの突起部１ｂと圧電素子１ｃとから構成される。板部１ａと突起部１ｂとは、一体的に成形する構成、又は別部材を貼り付ける構成が可能である。又、圧電素子１ｃは、所定の領域が分極され、板部１ａに貼り付けられている。圧電素子１ｃには、図示されていない給電手段によって、高周波電圧が印加されることにより、超音波領域の振動数の振動（超音波振動）が発生する。この振動により振動子１から駆動力を得る原理については、特許文献１に記載のとおりであるので、ここでの記載は省略する。本実施形態では、突起部１ｂを２つ有する形態が示されているが、突起部１ｂの数は、所望の駆動力が得られる範囲で任意に選択可能である。そして、振動子１は、図示のＸ方向に往復移動が可能である。

摩擦部材２は、振動子１に対向して配置され２つの突起部１ｂと接触し、後述の固定部材６に固定される。本実施形態では、摩擦部材２の形状を板状とするが、その形状は丸棒等の形状も選択可能であり、又、摩擦部材２の材質も剛性や表面性状等の機械的特性を満足する範囲で、金属やセラミック等の材質も選択可能である。

フエルト７は、振動子１の振動を減衰させないために振動子１の上面に接触するように設けられている。加圧板８は、フエルト７を介して振動子１を均一に加圧するためにフエルト７の上面に接触するように設けられている。ばね９は、主加圧手段を構成する弾性部材であって、上端が後述の移動部材１１に、下端が加圧板８に当接すると共に、振動子１を摩擦部材２に付勢するように作用しており、振動子１と共に移動方向Ｘに移動可能である。

移動部材１１は、摩擦部材２に対して移動方向Ｘに移動可能である。又、移動部材１１は、後述する第１の案内手段４と嵌合する孔の形状をした摺動部位１１ａ、１１ｂと、第２の案内手段５と嵌合する孔の形状をした摺動部位１１ｃと、伝達部材１８が当接する当接部位１１ｄとを有している。摺動部位１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び当接部位１１ｄは、移動部材１１に一体的に成形する構成、又は別部材として組み付ける構成が選択可能である。

結合部材３は、第１固定部３ａによって振動子１を固定する一方、第２固定部３ｂによって移動部材１１に固定されることによって、振動子１と移動部材１１とを結合する。この結合によって振動子１と移動部材１１とを同期して移動させることができる。結合部材３は、振動子１と摩擦部材２の接触力Ｆｐを阻害することがないようにＺ方向には剛性が低く、振動子１と移動部材１１が同期して移動できるようにＸ方向には剛性が高い特性になっている。更に、第１固定部３ａにより振動子１を固定する際に、結合部材３が振動子１の振動を阻害することがないように、振動子１の振動の節又は節に準じて振動の小さい部分に、図示されていない接着又は溶接等の方法によって振動子１を固定する。又、第２固定部３ｂにより移動部材１１に固定される際に、結合部材３は図示されていない接着、溶接、又はビス締結等の方法で固定される。本実施形態では、結合部材３を枠状の形状をした１つの部材で構成した形態であるが、上記の剛性の特性を満足する範囲で、複数の部材から構成することや任意の材料、形状を選択することが可能である。

第１の案内手段４と第２の案内手段５は、移動部材１１を移動方向Ｘに摺動案内する丸棒である。第１の案内手段４は移動部材１１の摺動部位１１ａ、１１ｂに嵌合し、第２の案内手段５は移動部材１１の摺動部位１１ｃに嵌合する。このような摺動構造にすることによって転動ボール等を設けることを要しない案内構造とすることができる。本実施形態では、丸棒であるが角棒や板材でも摺動部位１１ａ、１１ｂ、１１ｃの形状を対応させれば選択可能である。

補助移動部材１３は、移動部材１１に形成されたＺ方向に延在する２つの突起１１ｅ、１１ｆに遊嵌し、移動部材１１に対してＺ方向には自由に移動できるがＸ方向には拘束されるように支持される。この構成により補助移動部材１３は、移動部材１１と共に移動方向Ｘに移動可能である。

補助ばね１２は、補助加圧手段を構成する弾性部材であって、移動部材１１に形成されたＺ方向に延在する２つの突起１１ｅ、１１ｆに係合し、一端は移動部材１１に、他端は補助移動部材１３に作用し、移動部材１１と共に移動方向Ｘに移動可能である。本実施形態では、補助ばね１２を圧縮ばねとするが、引張ばね又は板ばね若しくは磁力を生じる磁石でも後述する所望の作用力が生じれば選択可能である。

固定部材６は、図示されていない固定支持部に支持され、図示のＸ１方向に組み立てられ、第１の案内手段４と第２の案内手段５をそれぞれの固定孔６ａで保持する。更に固定部材６には、摩擦部材２がビスで締結固定される。しかしながら、第１の案内手段４及び第２の案内手段５の保持方法並びに摩擦部材２の固定方法は、任意の方法が選択可能である。

（第１の実施例）
次に、本発明の第１の実施例のリニア駆動装置の振動波モータ２０について、その特徴的な構成を説明する。第１の実施例では、振動波モータ２０が補助移動部材１３に回転可能に支持されると共に、後述の第３の案内手段１５と接触し、補助移動部材１３と共に移動方向Ｘに移動可能であるローラ１４を有する。第３の案内手段１５は、ローラ１４と接触しながら補助移動部材１３を移動方向Ｘに案内するレール状の板部材であり、摩擦部材２とは逆側にＺ方向からビスで固定部材６に締結固定される。補助移動部材１３は移動部材１１と同期して移動するにあたり、ローラ１４が回転しながら移動する。本実施例では、第３の案内手段１５を板部材とするが、丸棒等のその他の形状も選択可能である。

次に、本発明の第１の実施例のリニア駆動装置の振動波モータ２０の内部で発生する摺動負荷（以下、内部負荷と称する。）について説明する。この内部負荷が大きいとその分だけ振動波モータ２０が出力する駆動力が低下する。以下、この内部負荷は、後述の第１、第２、第３の内部負荷の合計であること、及び、所定の条件を満たすと内部負荷は伝達部材１８の付勢力Ｆｒに依存しないことを説明する。

まず、第１の案内手段４において生じる第１の内部負荷と第２の案内手段５において生じる第２の内部負荷について説明する。図５（Ａ）は、図３（Ｃ）を時計回りに９０度回転して示した断面図である。振動子１、フエルト７、移動部材１１、伝達部材１８、付勢部材１９、ばね９、補助ばね１２、補助移動部材１３、ローラ１４がＸ方向に移動する部材群である。又、摩擦部材２、第１の案内手段４、第２の案内手段５、第３の案内手段１５が固定された部材群である。

図５（Ａ）において、それぞれの矢印は移動部材１１に作用する外力を示している。外力は、ばね９上端から受ける力（振動子１と摩擦部材２の間の接触力Ｆｐと絶対値が等しい）を主加圧力Ｆｂ、伝達部材１８から受ける力を付勢力Ｆｒ、補助ばね１２からの力を補助加圧力Ｆｓとする。更に、第１の案内手段４から受ける力を第１の垂直抗力Ｆ１、第２の案内手段５から受ける力を第２の垂直抗力Ｆ２とする。なお、それぞれ図示の外力の向きが正の値の向きを示しており、逆向きが負の値の向きを示す。ここで、ばね９の上端から受ける力である主加圧力Ｆｂについては、弾性部材を複数用いて加圧する場合やレバーを用いて加圧する場合も考えられる。しかしながら、弾性部材を複数用いる場合でもそれらの合力は、振動子１と摩擦部材２との間の接触力Ｆｐの分布荷重の荷重中心Ａと一致しているはずであるから、その分布荷重の合計が分布荷重の荷重中心Ａに作用する力として表されている。又、伝達部材１８から受ける付勢力Ｆｒについては、移動部材１１の当接部位１１ｄが複数の点で付勢されているので、その分布荷重の合計が分布荷重の荷重中心Ｂに作用する力として表している。又、補助ばね１２は本実施例の場合では２つ設けられており、２つの補助ばね１２の合計の力を補助加圧力Ｆｓとしている。

ここで、第１の案内手段４において生じる第１の内部負荷は、第１の垂直抗力Ｆ１と摩擦係数μの積であり、同様に第２の案内手段５において生じる第２の内部負荷は、第２の垂直抗力Ｆ２と摩擦係数μの積である。すなわち、第１の内部負荷と第２の内部負荷はそれぞれ、μ｜Ｆ１｜とμ｜Ｆ２｜である。（｜Ｆ１｜はＦ１の絶対値を示す。）

以下、第１の内部負荷と第２の内部負荷の和であるμ｜Ｆ１｜＋μ｜Ｆ２｜を一般式で計算する。図５（Ｂ）は移動部材１１に作用する外力を模式的に示した図であって、移動部材１１を線分によって模式的に示すと共に、第１の案内手段４の位置をＰ１、第２の案内手段５の位置をＰ２で示している。又、図５（Ａ）では付勢力Ｆｒと主加圧力Ｆｂ、補助加圧力Ｆｓと第１の垂直抗力Ｆ１は、Ｙ方向においてほぼ同じ位置に作用しているように図示されているが、図５（Ｂ）では一般式で計算するために、これらの力のＹ方向の位置をずらして図示している。図５（Ｂ）において、主加圧力Ｆｂの作用する点Ｐ０を中心として、付勢力Ｆｒ、補助加圧力Ｆｓ、第１の垂直抗力Ｆ１、第２の垂直抗力Ｆ２の作用力の腕の長さをそれぞれＬｒ、Ｌｓ、Ｌ１、Ｌ２としている。

ここで、点Ｐ２回りのモーメントの釣り合いの式は、
（Ｌ１＋Ｌ２）×Ｆ１＋Ｌ２×Ｆｂ＝（Ｌ２−Ｌｒ）×Ｆｒ＋（Ｌ２＋Ｌｓ）×Ｆｓ
である。これを第１の垂直抗力Ｆ１について解くと、
Ｆ１＝［（Ｌ２−Ｌｒ）×Ｆｒ＋（Ｌ２＋Ｌｓ）×Ｆｓ−Ｌ２×Ｆｂ］／（Ｌ１＋Ｌ２）
となる。同様に点Ｐ１回りのモーメントの釣り合いの式は、
（Ｌ１＋Ｌ２）×Ｆ２＋（Ｌ１＋Ｌｒ）×Ｆｒ＝Ｌ１×Ｆｂ＋（Ｌｓ−Ｌ１）×Ｆｓ
である。これを第２の垂直抗力Ｆ２について解くと、
Ｆ２＝［−（Ｌ１＋Ｌｒ）×Ｆｒ＋Ｌ１×Ｆｂ＋（Ｌｓ−Ｌ１）×Ｆｓ］／（Ｌ１＋Ｌ２）
となる。

ここで、第１の垂直抗力Ｆ１と第２の垂直抗力Ｆ２の正負が一致している場合は、
μ｜Ｆ１｜＋μ｜Ｆ２｜＝μ｜Ｆ１＋Ｆ２｜＝
μ｜［（Ｌ２−Ｌ１−２Ｌｒ）×Ｆｒ＋（Ｌ２−Ｌ１＋２Ｌｓ）×Ｆｓ＋（Ｌ１−Ｌ２）×Ｆｂ］／（Ｌ１＋Ｌ２）｜（以下、式１とする）
となる。更にＬ１＝Ｌ２、Ｌｒ＝０とすると、
μ｜Ｆ１｜＋μ｜Ｆ２｜＝μ｜Ｆ１＋Ｆ２｜＝μ｜（２Ｌｓ×Ｆｓ）／（Ｌ１＋Ｌ２）｜
となって、第１の内部負荷と第２の内部負荷との和は、補助加圧力Ｆｓに依存し、付勢力Ｆｒと主加圧力Ｆｂに依存しない。

なお、第１の垂直抗力Ｆ１と第２の垂直抗力Ｆ２の正負が一致していない場合は、
μ｜Ｆ１｜＋μ｜Ｆ２｜＝μ（｜Ｆ１｜＋｜Ｆ２｜）＝μ｜Ｆ１−Ｆ２｜＝
μ｜［（Ｌ２＋Ｌ１）×Ｆｒ＋（Ｌ２＋Ｌ１）×Ｆｓ−（Ｌ２＋Ｌ１）×Ｆｂ］／（Ｌ１＋Ｌ２）｜
となって、第１の内部負荷と第２の内部負荷との和は、補助加圧力Ｆｓと付勢力Ｆｒと主加圧力Ｆｂの全てに依存する。

従って、第１の内部負荷と第２の内部負荷の和であるμ｜Ｆ１｜＋μ｜Ｆ２｜は、以下の３つ条件が満たされた場合に、補助加圧力Ｆｓにのみ依存し、付勢力Ｆｒと主加圧力Ｆｂに依存しない。
条件１：Ｆ１とＦ２の正負が一致
条件２：Ｌ１＝Ｌ２
条件３：Ｌｒ＝０
条件１は、図５（Ｂ）のように、移動部材１１が第１の案内手段４から受ける第１の垂直抗力Ｆ１の方向と、移動部材１１が第２の案内手段５から受ける第２の垂直抗力Ｆ２の方向が平行で、向きが反対であることを意味する。条件２は、第１の垂直抗力Ｆ１の作用点と荷重中心Ａの方向Ｙの距離Ｌ１と、第２の垂直抗力Ｆ２の作用点と荷重中心Ａの方向Ｙの距離Ｌ２が等しいことを意味する。又、振動子１に作用する外力のつり合いを考慮すると、接触力Ｆｐの分布荷重の荷重中心Ａと主加圧力Ｆｂの作用する点は接触力Ｆｐの方向Ｚと移動方向Ｘのいずれも直交する方向Ｙに関して一致しているはずである。従って、条件３は、振動子１と摩擦部材２の間の接触力Ｆｐの分布荷重の荷重中心Ａと伝達部材１８と当接部位１１ｄの間の付勢力Ｆｒの分布荷重の荷重中心Ｂが、接触力Ｆｐの方向Ｚと移動方向Ｘのいずれも直交する方向Ｙに関して一致していることを意味する。

次に、第３の案内手段１５において生じる第３の内部負荷Ｆｏについて説明する。図５（Ｃ）は図３（Ｂ）の移動部材１１等の移動する部材群の拡大図であり、図５（Ｄ）は補助移動部材１３、ローラ１４及び第３の案内手段１５を示した部分拡大図である。なお、図５（Ａ）に示すとおり本実施例の場合、補助ばね１２は２つ設けられており、それぞれが補助加圧力Ｆｓａ、補助加圧力Ｆｓｂを発生し、その合計を補助加圧力Ｆｓとしている。又、図５（Ｄ）に示すとおり、ローラ１４の外周半径Ｒｏ、外周で生じる摩擦力である第３の内部負荷Ｆｏ、ローラ１４の回転中心軸の軸半径Ｒｉ、回転中心軸で生じる中心摩擦力Ｆｉ、補助加圧力Ｆｓの反力Ｆｓｒとする。ここで、第３の案内手段１５において生じる内部負荷を第３の内部負荷Ｆｏとし、第３の内部負荷Ｆｏはローラ１４のモーメントを考慮すると、
Ｆｏ＝Ｆｉ×（Ｒｏ／Ｒｉ）＝μＦｓｒ×（Ｒｏ／Ｒｉ）
となる。従って、第３の内部負荷Ｆｏは、常に反力Ｆｓｒ（補助加圧力Ｆｓと絶対値が等しい）に依存し、付勢力Ｆｒと主加圧力Ｆｂに依存しない。

以上説明したとおり、前述の条件１〜３が満たされた場合に、内部負荷は
μ｜Ｆ１｜＋μ｜Ｆ２｜＋｜Ｆｏ｜＝μ［｜（２Ｌｓ×Ｆｓ）／（Ｌ１＋Ｌ２）｜＋｜Ｆｓ×（Ｒｏ／Ｒｉ）｜］
となり、全体として補助加圧力Ｆｓに依存し、付勢力Ｆｒと主加圧力Ｆｂに依存しない。

以下、上記の結果を簡単な数値で具体的に説明する。図６（Ａ）〜（Ｃ）は図５（Ｂ）と同様な模式図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）に共通な数値として、主加圧力Ｆｂ＝１０、補助加圧力Ｆｓ＝５、腕の長さをそれぞれＬ１＝Ｌ２＝Ｌｓ、Ｌｒ＝０、半径比Ｒｏ／Ｒｉ＝１／５を設定する。図６（Ａ）〜（Ｃ）のそれぞれに固有の数値として、図６（Ａ）では付勢力Ｆｒ＝２、図６（Ｂ）では付勢力Ｆｒ＝４、図６（Ｃ）では付勢力Ｆｒ＝６を設定する。このような設定で第１の垂直抗力Ｆ１と第２の垂直抗力Ｆ２を計算すると、図６（Ａ）でＦ１＝５、Ｆ２＝４、図６（Ｂ）でＦ１＝２、Ｆ２＝３、図６（Ｃ）でＦ１＝３、Ｆ２＝２となり、｜Ｆ１＋Ｆ２｜は付勢力Ｆｒに依存せず一定（値５）である。又、Ｆｏ＝μＦｓ×（Ｒｏ／Ｒｉ）＝μ×５×（１／５）＝μである。従って、図６（Ａ）〜（Ｃ）では内部負荷はμ｜Ｆ１｜＋μ｜Ｆ２｜＋｜Ｆｏ｜＝６μとなる。

ここで、補助ばね１２を備えていない従来の構成の場合を具体的な数値を代入して図６（Ｄ）〜（Ｆ）を用いて説明する。図６（Ｄ）〜（Ｆ）は図６（Ａ）〜（Ｃ）と同様な模式図である。図６（Ｄ）〜（Ｆ）に共通な数値として、主加圧力Ｆｂ＝１０、補助加圧力Ｆｓ＝０、腕の長さをそれぞれＬ１＝Ｌ２＝Ｌｓ、Ｌｒ＝０を設定する。図６（Ｄ）〜（Ｆ）のそれぞれに固有の数値として、図６（Ｄ）では付勢力Ｆｒ＝２、図６（Ｅ）では付勢力Ｆｒ＝４、図６（ｆ）では付勢力Ｆｒ＝６を設定する。なお、補助加圧力Ｆｓ＝０となるのは、補助ばね１２を備えていないためである。このような設定で第１の垂直抗力Ｆ１と第２の垂直抗力Ｆ２を計算すると、図６（Ｄ）では、Ｆ１＝Ｆ２＝４、図６（Ｅ）ではＦ１＝Ｆ２＝３、図６（Ｆ）ではＦ１＝Ｆ２＝２となって、｜Ｆ１＋Ｆ２｜はＦｒに依存して変化する。従って、図６（Ｄ）〜（Ｆ）では内部負荷（μ｜Ｆ１｜＋μ｜Ｆ２｜）は、それぞれ８μ、６μ、４μとなる。なお、補助ばね１２と補助移動部材１３に相当する部材を備えていないので｜Ｆｏ｜に相当する項が０となる。

図６（Ｇ）は、上記の結果をグラフ化したものであって、実線が図６（Ａ）〜（Ｃ）に示した本発明の第１の実施例の結果、破線が図６（Ｄ）〜（Ｆ）に示した従来の構成の結果である。このように、従来の構成では、内部負荷が伝達部材１８の付勢力Ｆｒに依存して変化するところ、本発明の第１の実施例では内部負荷が伝達部材１８の付勢力Ｆｒに依存せず、ほぼ一定の値（従来の構成の中間の値である６μ）となっている。

振動波モータ２０は様々なリニア駆動装置に適用されるので、リニア駆動装置ごとに伝達部材１８の付勢力Ｆｒは異なる場合がある。これはリニア駆動装置ごとに要求される速度、被駆動体１７の質量等の動特性、周波数特性及び停止時の整定時間等の制御特性が異なるからである。リニア駆動装置ごとにその動特性や制御特性に合わせて付勢力Ｆｒが変化したときに、振動波モータ２０の内部負荷が変化し、振動波モータ２０から得る駆動力が変化してしまうと、リニア駆動装置の動特性や制御特性に影響を与えてしまうおそれがある。しかしながら、リニア駆動装置ごとにその動特性や制御特性に合わせて付勢力Ｆｒが変化しても、第１の実施例のリニア駆動装置の振動波モータ２０では、内部負荷が変化しないので、振動波モータ２０から得る駆動力が一定となる。第１の実施例のリニア駆動装置の振動波モータ２０の構成は、リニア駆動装置の動特性や制御特性に影響がなく、リニア駆動装置として、メリットとなる。

ここで従来技術である特許文献１のリニア駆動装置の振動波モータでは、移動部材が転動部材による案内方法が採用されているので、付勢力Ｆｒを変化させても内部負荷は０で一定である。しかしながら、転動部材による案内方法では、摺動案内とした本発明の第１の実施例のリニア駆動装置の振動波モータ２０のように小型化と簡素化を図ることはできない。

以上説明したとおり、本発明の第１の実施例によれば、移動部材１１の案内方法を摺動案内とした振動波モータ２０において、被駆動体１７に支持された伝達部材１８の付勢力Ｆｒが変化しても駆動力が変化しないリニア駆動装置を提供することができる。更に、前述の条件２（Ｌ１＝Ｌ２）と条件３（Ｌｒ＝０）については、これらの条件を厳密に満たすと、本発明の効果が最も大きい。なお、Ｌ１とＬ２が略等しく、Ｌｒが略０であれば、前述の式１におけるＦｒの係数がほぼ０になるので、被駆動体１７に支持された伝達部材１８の付勢力Ｆｒが変化しても振動波モータ２０の駆動力の変化を微小にすることができる。

（第２の実施例）
図７（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第２の実施例を示す断面図であり、第１の実施例の図５（Ａ）に相当する。第１の実施例では、補助ばね１２が第１の案内手段４のほぼ真上に位置しており、前述の条件１〜３を満たせば補助ばね１２の加圧力や作用点によらず、本発明の効果が得られる。これに対して、図７（Ａ）では、補助ばね１２の作用点が第１の案内手段４に対して図の左側に、図７（Ｂ）では補助ばね１２の作用点が第１の案内手段４に対して図の右側にそれぞれずれており、この構成が本発明の第２の実施例の特徴となっている。

第２の実施例の構成であっても、被駆動体１７に支持された伝達部材１８の付勢力Ｆｒが変化しても駆動力が変化しない振動波モータ２０を備えたリニア駆動装置を提供することができる。なお、前述の条件１〜３を満たせば、補助ばね１２の加圧力や作用点によらず、本発明の効果がえられるので、補助ばね１２の数や作用する方向についても、前述の条件１〜３を満たす範囲で任意に設定しても同様の効果を得ることができる。

（第３の実施例）
図８（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第３の実施例を示しており、それぞれ図５（Ａ）、図５（Ｃ）に相当する図である。第１の実施例は、補助移動部材１３にローラ１４を設けており、ローラ１４を用いることで第３の内部負荷を軽減させる効果が得られる。これに対して、第３の実施例ではローラ１４を備えず、その代わりとして補助移動部材３３の摺動部位３３ａが第３の案内手段１５に対して直接摺動している。このような構成の場合、ローラ１４を設けるより第３の内部負荷Ｆｏ’は大きくなるが、装置が簡素化でき、かつ、付勢力Ｆｒが変化しても内部負荷は変化しないという効果は得られる。なお、補助移動部材３３の摺動部位３３ａと第３の案内手段１５との間に摩擦軽減シート等を設ければ、第３の内部負荷の増大を抑制することができる。

第３の実施例の構成であっても、被駆動体１７に支持された伝達部材１８の付勢力Ｆｒが変化しても駆動力が変化しない振動波モータ２０を備えたリニア駆動装置を提供することができる。

１ 振動子
１ｃ 圧電素子
２ 摩擦部材
３ 結合部材
４ 第１の案内手段
５ 第２の案内手段
９ ばね（主加圧手段）
１１ 移動部材
１１ｄ 当接部位
１２ 補助ばね（補助加圧手段）
１３ 補助移動部材
１４ ローラ
１５ 第３の案内手段
１７ 被駆動体
１８ 伝達部材
１９ 付勢部材
２０ 振動波モータ
Ａ、Ｂ 荷重中心
Ｆ１ 第１の垂直抗力
Ｆ２ 第２の垂直抗力
Ｆｂ 主加圧力
Ｆｐ 接触力
Ｆｒ 付勢力
Ｆｓ 補助加圧力

Claims (6)

1. 振動を発生する圧電素子を有する振動子と、
   前記振動子に対向して接触する摩擦部材と、
   前記振動子を前記摩擦部材に付勢し、前記振動子と共に所定の移動方向に移動可能な主加圧手段と、
   前記摩擦部材に対して前記移動方向に移動可能な移動部材と、
   前記振動子と前記移動部材とを結合して、前記振動子と前記移動部材を同期して移動する結合部材と、
   前記移動部材を前記移動方向に案内する第１の案内手段及び第２の案内手段と、
   前記移動部材と共に前記移動方向に移動可能な補助移動部材と、
   一端が前記移動部材に他端が前記補助移動部材に作用し、前記移動部材と共に前記移動方向に移動可能な補助加圧手段と、
   前記補助移動部材を前記移動方向に案内する第３の案内手段と、
   から構成される振動波モータと、
   前記移動方向に移動可能な被駆動体と、
   前記被駆動体に支持され、前記移動部材の当接部位と当接し、前記振動波モータと前記被駆動体とを同期して移動させる伝達部材と、
   前記伝達部材と前記当接部位との間に付勢力を付与する付勢部材と、
   を備える、リニア駆動装置において、
   前記移動部材が前記第１の案内手段から受ける第１の垂直抗力と、前記移動部材が前記第２の案内手段から受ける第２の垂直抗力とは、方向が平行で向きが反対であることを特徴とする、リニア駆動装置。
2. 前記振動子と前記摩擦部材の間の接触力の分布荷重の荷重中心と前記伝達部材と前記当接部位の間の前記付勢力の分布荷重の荷重中心が、前記接触力の方向と前記移動方向のいずれも直交する方向に関して略一致していることを特徴とする、請求項１に記載のリニア駆動装置。
3. 前記移動部材が前記第１の案内手段から受ける前記第１の垂直抗力の作用点と前記振動子と前記摩擦部材の間の接触力の分布荷重の荷重中心の方向の距離及び、前記移動部材が前記第２の案内手段から受ける前記第２の垂直抗力の作用点と前記荷重中心の前記方向の距離が略等しいことを特徴とする、請求項１又は２に記載のリニア駆動装置。
4. 前記補助移動部材に回転可能に支持され、前記第３の案内手段と接触し、前記補助移動部材と共に前記移動方向に移動可能なローラを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のリニア駆動装置。
5. 前記振動波モータは、超音波領域の周波数の振動を発生する超音波モータであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のリニア駆動装置。
6. 前記被駆動体は、光学素子を保持する保持部材であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のリニア駆動装置を用いた光学装置。

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