JP4598128B2 - 超音波リニアモータ - Google Patents

Description

本発明は、安価な精密光学システムまたは類似の装置に使用可能な超音波リニアモータに関する。

超音波リニアモータは、小型プレートの形式の超音波発振器を備え、これに摩擦エレメントが取り付けられるものが知られている（例えば、ＥＰ１２６７４２５Ａ参照）。これにより、押圧デバイスは、摩擦エレメントへ加えられる力が移動エレメントのリニアボールベアリングへ完全に伝達されるようにして構築される。従って、摩擦損失は増大し、このようなモータに安価なプレーンベアリングを使用することは不可能である。

さらには、移動エレメントが超音波発振器を包囲する超音波リニアモータも知られている（例えば、ＥＰ０６０１６７１Ａ参照）。このようなモータでは、超音波モータは移動エレメントのガイドレールを形成する。これらのモータに、リニアボールベアリングは不要である。

これらのモータの欠点は、構成上、発振器の実現が複雑であり、よって製造が高価であることにある。モータは、安価な光学システムにおける使用が可能であるが、移動エレメントの位置合わせに関する限りは不正確であり、その所望される通りのサイズ縮小は不可能である。

本発明の目的は、構造が単純であって、さらに移動エレメントの位置合わせ精度の向上、モータのより単純な製造組立て技術、コスト低減並びにサイズ縮小を可能にする改良された超音波リニアモータを提供することにある。

この目的は、請求項１記載の特徴を備える超音波リニアモータによって達成される。本発明的考案の有益な優位点は、従属請求項において定義されている。

本発明は、２つの摩擦パーツを有しかつガイドレールと係合される移動エレメントを使用する組立てにおいて、それ自体既知であるプレート型の超音波発振器をこれらのガイド手段に対して適切な力の配列にする、という本質的考案を包含する。移動エレメントのプレートの形状及び構造に依存して、実装される発振器の表面に対する摩擦エレメントの接触押圧の一部を、モータの移動エレメントをそのガイドに押しつけるためにも使用することが可能である。

さらに本発明は、上述の摩擦パーツ間に弾性の接続部を設けて、超音波発振器の側面に作用する移動エレメントの適切な接触押圧を発生させるという考案を包含する。よってさらには、移動エレメントと上述のガイドレールとの間に作用する適切な接触押圧がもたらされる。最後に、本発明は、超音波発振器の側面を傾斜式に実装することにより、上述の接触押圧を予め決められた相互の関係性に至らせるという考案を包含する。

本発明は、小型超音波リニアモータの構造を実質的に単純化し、精密減摩ベアリング（耐磨耗性ベアリング）の使用を控えることを可能にする。移動エレメントの動作は精密に研磨されたガイドレールの表面に対して実現されることから、これにより、移動エレメントの位置合わせ精度が向上する。また、プレーンベアリングにおける摩擦損失は低減され、組立て技術は単純化され、製造コストは下がり、サイズも縮小される。従って、本モータを安価な精密光学システムに使用することが可能である。

本発明の一実施形態では、超音波発振器の接続電極は弾性の薄い導電ロッドを備え、その一方の端は対応する電極へ固定的に接続され、もう一方の端はガイドレールに関連して固着されることが規定されている。これにより、本発明による小型モータの構造可能性は拡大する。

別の実施形態では、ガイドレールはクランプ型式に実現され、超音波発振器の共通電極へ固定的に接続されることが規定されている。これにより、小型モータの構造は単純化される。

ある有益な実施形態では、超音波発振器の主要面は矩形であり、さらに別の実施形態では、側面も同じく矩形である。

ある有益な実施形態では、移動エレメントの摩擦パーツ間の弾性的接続は摩擦パーツを相互に弾性的に偏向させる（あるいは偏らせる）圧縮ばねによって実現される。この構成の一実施形態では、この圧縮ばねもクランプ型式であり、摩擦パーツはクランプ脚部の自由端に配置される。

本発明の優位点及び有益な効果は、好適な実施形態並びにその変更例に関する以下の説明から、及び図面による本発明の好適な態様からさらに明白となる。

提案している図１による超音波モータ１は、ホルダ３内に配置される超音波発振器２を備える。発振器２は、平行する矩形の側面（主要面）５と、端面６と、側面７及び８とを有するプレート４として実現されている。

モータ１は、少なくとも１つのガイドレール１０と一致して動作する移動エレメント９を備える。移動エレメント９は、圧縮ばね１３によって互いに接続される２つの摩擦パーツ１１及び１２で構成され、これらの摩擦パーツは圧縮ばね１３によりプレート４の対応する側面７及び８に押しつけられる。

摩擦パーツ１１及び１２を保持するために、圧縮ばね１３は特別な固定ポイント１４及び１５を含む。さらに、圧縮ばね１３は、ガイドレール１０の移動エレメント９が滑動するスライド溝１６を備えることができる。

提案している本モータでは、プレート４の側面７及び８は、図２に示すプレート４の長手方向の対称面１９に対して角度λで傾斜される平面１７及び１８として構成される。プレート４の平面１７及び１８と対称面１９とが交差する線２０は、主要縁５に対して平行に延びる。Ｌはプレート４の長さであり、ｄは端面の中心線の長さである。Ｌ／ｄの割合は、約２．３４になるように選ばれる。

長手方向の対称面１９は、主要面５に垂直に、面５の長手方向の二等分線２１を通って延びる平面である。線２１は、プレート４の長さに平行して延びる面５の二等分線を表す（図２）。

提案しているモータの超音波発振器２は、非対称音響定在波の２つの発生器２２及び２３を有する。

発振器２のプレート４は、完全に圧電セラミックで製造されてもよい。この場合、プレート４には、２つの励起電極２４及び２５と、１つの共通電極２６とが装備されてもよい。これにより、発生器２２及び２３の各々は、対応する電極２４または２５、電極２６の一部及び電極２４及び２５と電極２６の一部との間の圧電セラミックで形成される。励起電圧の印加を可能にするために、電極２４、２５及び２６は各々、電極を発振器の励起電源（図示せず）へ接続する弾性接続部を保有しなければならない。

発振器２の別の実施形態では、プレート４を、２つの多層音波発生器を有する多層コンポーネントとして実現することができる。

またプレート４は、受動共振器と、これに接続される圧電励起エレメント（図示せず）とで構成される組立式コンポーネントであってもよい。

側面７及び８の双方には、耐摩耗材料製の薄い耐摩耗層が付着されてもよい。

図３は、モータの略平面図であり、モータ１内の圧縮ばね１３へ印加される力を示す。力Ｆ_ｐは、固定ポイント１４、１５の方向から摩擦パーツ１１及び１２上へ作用するばね１３のばね力を表す。これらの力は、プレート４の側面７、８へ伝達される。力Ｆ_ｐは各々、表面７または８に対して垂直に、即ち平面１７または１８に対して垂直に作用する力の成分Ｆ_ｎと、表面７または８に対して長さ方向に、即ち平面１７または１８に対して長さ方向に作用する力の成分Ｆ_ｔとに分割されることが可能である。

力Ｆ_ｔは、ガイドレール１０に対して長さ方向に作用することから、ばね１３によって、ばね１３（移動エレメント９）のスライド溝１６とガイドレール１０との接点２７へ伝達され、ここで１点に統合される。力Ｆ_ａは、２つの力Ｆ_ｔが対称面１９上で重畳される結果として得られる力を表す。この力はばね１３上へ、即ち移動エレメント９の側面からガイドレール１０の方向へ作用し、これにより、レール１０内に反力Ｆ_ａが生成される。

図４は、提案しているモータの構造実施形態を示し、接続電極２４、２５、２６は弾性ロッド２８、２９、３０として実現されている。これらの接続部の一方の端は、対応する電極の表面に固定的に接続されている。もう一方の端は、ガイドレール１０に対して固定される。この目的に沿って、これらは、これらを固定するボード３１へ取り付けられてもよく、ボード３１上へはガイドレール１０も位置づけられる。同時に、ボード３１は各々接続部または回路基板として機能してもよい。

提案しているモータでは、ガイドレール１０は、ガイド部分３３を有するクランプ３２として実現されることが可能である。クランプ３２は共通電極２６へ固定的に接続され、共通電極６の固定接続部３０の一部であってもよい（図５）。固定接続部２８、２９、３０は、矩形または丸い断面を有する薄い鋼線またはベリリウム青銅から製造されてもよい。これらは、発振器２の対応する電極表面へ、はんだ付けまたは導電性の接着剤によって固定される。

提案しているモータの変更例の各々においては、例えば光学レンズ、対物フィルタまたは光学フィルタ（これらのエレメントは図１、２、３、４には示されていない）である移動されるべき光学システムのパーツが移動エレメント９へ固定される。この目的に添って、ばね１３は開口３４を有してもよい（図１、４、５）。上記移動パーツは、他の任意の方法で固定されることが可能である。

図６は、小型カメラのフォーカスブロック３５を示す。ブロック３５は、ベースプレート３６と、光軸３９を有するレンズ群３８のホルダ３７と、発振器２のサポート４０と、蓋４１と、固定用ばね４２とを有するハウジング３で構成される。

力Ｆ_ｐにより、圧縮ばね１３は、その固定ポイント１４及び１５で摩擦パーツ１１及び１２を発振器２のプレート４の側面７及び８に押しつける（図１）。力Ｆ_ｐはばね１３の弾性によって限定され、小型モータの必要な引張り応力Ｆ_ｍによって予め決められる。

側面７及び８の平面１７及び１８は長手方向の対称面に対して角度λ（図２）で傾斜されることから、表面７及び８にかかる力Ｆ_ｐ（図３）は各々、摩擦パーツを表面７及び８に押しつける力Ｆ_ｎと、表面７及び８の長さ方向（平面１７及び１８の長さ方向）に作用する力Ｆ_ｔとに分割される。
Ｆ_ｎ＝Ｆ_ｐ ＊ ｃｏｓλ
Ｆ_ｔ＝Ｆ_ｐ ＊ ｓｉｎλ

この力の割合は、
Ｆ_ｔ／Ｆ_ｎ＝Ｔ_ｇ ＊ λ
である。

力Ｆ_ｎは、表面７及び８に作用する摩擦パーツ１１及び１２の必要な接触押圧によって決定され、下記のように、モータの最大引張り応力Ｆ_ｍｍａｘと、摩擦ペアの摩擦係数Ｋ_ｆとを基礎として計算される。
Ｆ_ｎ＝Ｆ_ｍｍａｘ／Ｋ_ｆ

力Ｆ_ｐは、下記の公式に従って決定される。
Ｆ_ｐ＝Ｆ_ｍｍａｘ／Ｋ_ｆ ＊ ｃｏｓλ

力Ｆ_ｔは、ばね１３によってガイドレール１０へ伝達され、ポイント１７（図３）に作用する。この力は、毎回、対称面１９に対して角度λで作用する。結果として生じる力Ｆ_ａ、即ち、移動エレメント９をガイドレール１０に押しつける２つの活性力Ｆ_ｔの結果である力は、
Ｆ_ａ＝２Ｆ_ｔｃｏｓλ＝２Ｆ_ｐ ＊ ｓｉｎλ ＊ ｃｏｓλ
である。

音響振動発生器２２または２３は、共通電極２６に関連して電極２４または２５へ励起電圧を印加することにより起動される。これにより、モータの発振器２内に非対称の音響定在波が形成され、その結果、移動エレメント９は励起された発生器の方向へ、即ち、図１、４、５、６における矢印が示す方向へ移動する。励起電圧を一方の発生器（例えば、参照符号２２）からもう一方の発生器（例えば、参照符号２３）へ切換すると、エレメント９の動作方向は反転する。

励起された発振器２では、摩擦エレメント１１及び１２をプレート４の側面７及び８へ押しつける力Ｆ_ｎによって定義される最大引張り力Ｆ_ｍｍａｘが生成される。これらの力は、ばね１３が角度λで作用する力Ｆ_ｐによって決定される。

このモータ構造の本質的特徴は、移動エレメント９をガイドレール１０に押しつけるために、圧縮ばね１３により発生される力Ｆ_ｐの一部（成分Ｆ_ｔ）しか使用されないことにある。この力の部分は、角度λを、エレメント９をガイドレール１０に押しつけるために必要な最小限の力Ｆ_ａしか印加されない程度にまで変えることによって変更されることが可能である。これにより、移動エレメント９とガイドレール１０との間の摩擦損失を最小値にまで低減することができる。

力Ｆ_ｔは、モータがガイドレール１０とホルダ３（図１）との間で圧縮されるという効果を有する。従って、エレメント９とガイドレール１０との間の隙間はなくなり、よって、外部の影響に対して安定性のあるロバスト長手方向構造が形成される。

移動エレメント９は、スライド溝１６（図１）が滑動する、精密に研磨されたロッドとして製造されるガイドレール１０の表面の輪郭に相対して移動する。

図４に示すモータの変更例では、固定接続部２８、２９、３０及びガイドレール１０はボード３１へ取り付けられる。これにより、提案している小型モータの構造上の可能性は拡大する。従って、このようなモータは、回路基板上の電子コンポーネントとしてマウントされることが可能である。

図５に示すモータの変更例では、移動エレメント９のスライド溝は、発振器２の表面に固定されるクランプ３２のガイド部分３３内を滑動する。これにより、モータは大幅に単純化され、摩擦接触中の摩擦損失は低減される。

図６は、小型カメラのフォーカスブロック３５における本提案によるモータの使用例を示す。

この場合、発振器２は圧縮ばね１３の力の成分によってサポート４０へ押しつけられ、ばね４２によって垂直方向へ固定される。本ブロックは、レンズ群３８のホルダ３７上に配置されるスライド溝１６が押しつけられる２つのガイドレール１０で構成される。フォーカスブロック３５のこの構造は、レンズ群３８がその光軸３９に対して平行に、ガイドレール１０の位置合わせ精度により定義される精度で変位することを可能にする。

提案しているモータの一実施形態における構造を示す。 図１のモータの超音波発振器を示す。 モータ内に生じる力を示す略図である。 ロッド形の接続電極を有するモータを示す。 クランプ型のガイドレールを有するモータを示す。 フォーカスブロックを示す。

符号の説明

１ モータ
２ 超音波発振器
３ ホルダ
４ 発振器プレート２
５ プレート４の主要面
６ プレート４の端面
７，８ プレート４の側面
９ 移動エレメント
１０ ガイドレール
１１，１２ 移動エレメント９の摩擦パーツ
１３ 圧縮ばね
１４，１５ 摩擦パーツ１１、１２を保持する固定ポイント
１６ スライド溝
１７，１８ 側面７、８の平面
１９ プレート４の長手方向の対称面
２０ 平面１７、１８、１９の交差する線
２１ 面５の長手方向の対称面
２２，２３ 非対称定在波発生器
２４，２５ 励起電極
２６ 共通電極
２７ 移動エレメント９とガイドレール１０との接点
２８，２９，３０ 固定的な接続部
３１ ボード
３２ 接続部３０におけるクランプとしての一部
３３ クランプ３２のガイド部分
３４ 固定用開口
３５ カメラのフォーカスブロック
３６ ブロック３５のベースプレート
３７ レンズ群３８のホルダ
３８ レンズ群
３９ レンズ群３８の光軸
４０ 発振器２のサポート
４１ 蓋
４２ 固定用ばね

Claims (6)

1. ２つの平行する平らな主要面、２つの端面及び２つの側面を有するプレート型超音波発振器と、少なくとも１つのガイドレールに係合されかつ２つの摩擦パーツを有する移動エレメントとを備える超音波リニアモータであって、上記エレメントは上記摩擦パーツの側面を介して上記超音波発振器と摩擦的に相互作用し、
   上記超音波発振器の２つの側面は平坦であり、かつ長手方向の対称面に対して、上記側面の平面と上記長手方向の対称面とが交差する線が上記超音波発振器の主要面に平行に延びるように同様の角度で傾斜されることと、上記移動エレメントの摩擦パーツは互いに弾性的に接続されること、を特徴とし、上記移動エレメントの摩擦パーツは上記超音波発振器の対応する側面を第１の接触押圧で押しつけ、上記移動エレメントは上記ガイドレールを第２の接触押圧で押しつけ、上記第１の接触押圧と上記第２の接触押圧との割合は、上記超音波発振器の長手方向の対称面に対する上記側面の傾斜角によって決定される超音波リニアモータ。
2. 上記超音波発振器の接続電極は弾性の薄い導電ロッドを備え、その一方の端は対応する電極へ固定的に接続され、もう一方の端は上記ガイドレールに対して固着されることを特徴とする、請求項１記載の超音波リニアモータ。
3. 上記ガイドレールはクランプ型式で実現され、上記超音波発振器の共通電極へ固定的に接続されることを特徴とする、請求項２記載の超音波リニアモータ。
4. 上記移動エレメントの摩擦パーツは圧縮ばねエレメントによって互いに接続され、かつ弾性的に相互に偏向されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波リニアモータ。
5. 上記圧縮ばねエレメントはクランプ型式で実現され、上記摩擦パーツは上記クランプの脚部の自由端に配置されることを特徴とする、請求項４記載の超音波リニアモータ。
6. 上記超音波発振器の主要面及び／または側面は矩形であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の超音波リニアモータ。

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