JP4657429B2

JP4657429B2 - 超音波モータを用いた直動機構、揺動機構およびそれらを用いた電子機器

Info

Publication number: JP4657429B2
Application number: JP2000244330A
Authority: JP
Inventors: 朗弘飯野; 政雄春日; 鈴木　　誠
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2020-08-11
Also published as: JP2001161084A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電素子を有する振動体で移動体を摩擦駆動させる超音波モータ及び超音波モータを用いた電子機器に係わり、特に回転型の超音波モータを用い移動体を直動運動、もしくは揺動運動させる微小機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種電子機器、光学機器、医療機器等において直線的な動きを要求される用途が多くなっている。このような場合、例えば電磁型のモータと送りネジを組み合わせたり、ボイスコイルモータや可動コイルモータを用いたり、圧電素子を用いたアクチュエータが一般に用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電磁型のモータと送りネジを組み合わせた場合、機構が複雑で大型化してしまうとともに送り機構でのバックラッシュにより細かな送り量の制御ができなかった。また、ボイスコイルモータや可動コイルモータを用いた場合には微小な位置決めが難しいと共に、剛性が低く外部の振動により位置がずれてしまうことがあった。特にボイスコイルモータや可動コイルモータは板ばね等と組み合わせて使用することが多く、この場合更に剛性が低下してしまう。そしてこれら電磁力を使うアクチュエータは電磁ノイズの影響を受け易く、また同時に電磁ノイズを発生する為、磁気ディスク等の記録媒体に影響を与えたり、通信で用いられる電波に影響を与える可能性がある。
【０００４】
圧電素子を用いたアクチュエータを用いた場合、微動制御は可能であるが変位は小さく粗動はできない。拡大機構を設けると機構が複雑で大きくなってしまう。
【０００５】
そして、以上に示したようなモータ、アクチュエータの場合、特定位置に停止している場合にも電力を消費していた。
【０００６】
そこで本発明では、回転型の超音波モータを用い、微動、粗動が可能な小型な直動機構、もしくは揺動機構を得ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は圧電素子を有する振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータと、前記ロータの動きに連動するカムもしくはピニオンと、前記カムの回転に応じて一定方向に移動する移動体と、前記移動体の移動を案内する二つの案内部と、前記二つの案内部を結んだ直線と直交する位置で、前記移動体に対する前記カムもしくは前記ピニオンによる力の作用点と、前記案内部近傍において前記カムもしくは前記ピニオンと前記移動体に接触圧を与える、加圧機構と、を有することを特徴とする超音波モータ付き直動機構を実現する。
【００１３】
更に、本発明の別な例によれば、圧電素子を有する振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータと、前記ロータの動きに連動するカムと、回転自在に支持され、一端が前記カムと接する動力伝達部材と、前記動力伝達部材の他端と接し、前記動力伝達部材の回転に応じて一定方向に動作する移動体と、前記移動体の移動を案内する二つの案内部と、を有し、前記移動体の前記動力伝達部材の他端が接する位置は前記二つの案内部を結ぶ直線上であることを特徴とする超音波モータ付き直動機構を実現する。
【００１４】
これら二つの発明によれば、移動体の動きは傾かず、スムーズになるとともに振動等の外乱に対して強くなる。
【００１５】
更に、本発明の別な例によれば、圧電素子を有する振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータと、前記ロータの動きに連動するカムと、前記カムと接し、前記カムの回転に応じて揺動動作する移動体と、前記移動体の揺動動作の回転中心上に設けられた負荷部材と、前記カムと前記移動体とに接触圧を与える加圧機構と、を有し、前記カムと前記移動体の接触点は前記負荷部材よりも外側であることを特徴とする超音波モータ付き揺動機構を実現する。
【００１６】
この発明によれば、移動体からの駆動力を上げるとともに移動体の変位の分解能を上げることができる。
【００１８】
更に、本発明によれば、前記の超音波モータ付き直動機構、もしくは超音波モータ付き揺動機構を電子機器に用い、移動体により負荷部材を駆動することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１から図９を参照して本発明を適用した実施の形態を詳細に説明する。
｛実施の形態1｝
先ず初めに本発明に適用可能な超音波モータの例について説明する。
【００２０】
図２は本発明に適用可能な超音波モータ１の構造を、図３は超音波モータ１の動作原理を示したものである。まず本発明に係わる超音波モータの動作原理について説明する。図２において円板状の振動体３はその中心を支持板５に固定された中心軸６によって支持されている。振動体３の第1の面には圧電素子２が接合されており、第２の面には振動体３の振動変位を拡大し、ロータ４に回転力を与える突起３ａが設けられている。ロータ４の中心には軸受け７が設けられ、その中心を中心軸６で案内している。またロータの上面中心部に設けられ、先端が曲面形状をしたピボット８をばね座１０に一端を固定されたばね部材９によって加圧することにより振動体３の突起３ａとロータ４の間に接触圧を与える。圧電素子２の圧電効果によって振動体３に励振された振動波は摩擦力を介してロータ４の回転力に変換される。
【００２１】
図３に詳細な動作原理を示す。振動体３に接合される圧電素子２は円周方向に４分の1波長毎に分割され、一つおきに方向が逆になるように厚み方向に分極処理されている。各電極パターンを一つおきに電気的に短絡し、斜線部１１ａと非斜線部１１ｂの二つの電極パターン群を構成する。そして、振動体３の突起３ａがちょうど斜線部１１ａもしくは非斜線部１１ｂ電極パターンの境界線に位置するように振動体３と圧電素子２が接合される。圧電素子２の振動体３との接合面には、全体に渡って電極１１ｃが設けられている。
【００２２】
斜線部のパターン群１１ａに所定の周波数の駆動信号が印加されると振動体３には（ｃ）に示したような定在波が発生する。この時上昇した突起３ａは右に傾くためこれと接するロータ４は右に移動する。
【００２３】
今度は非斜線部のパターン群１１ｂに駆動信号を印加すると、振動体３には（ｄ）のような定在波が発生し、ロータ４は今度は左方向に移動する。このように圧電素子の一方の面を共通電極１１ｃとし、他方の面に二つの電極群１１a、１１ｂを設け、二つの電極群１１aと、１１ｂのうち駆動信号を印加する電極群を選択することにより振動体に発生する定在波の位置をずらし、振動体３に接するロータ４の移動方向を制御可能とする。
【００２４】
駆動信号は圧電素子２の電極パターン群１１ａ、１１ｂと電気的に接続されたフレキシブル基盤１２と支持板５の間に加えられる。支持板５は中心軸６、振動体３を介して電極１１ｃと電気的に接続されている。
【００２５】
本実施例の圧電素子２を用いれば振動体３の周方向に３つの波数を有する定在波が励振できる。また周波数によって径方向の節の数が異なるため、励振する振動モードの径方向に対する振幅最大部に突起３ａを設けることが好ましい。
【００２６】
続いて本実施の形態１について説明する。超音波モータ１の支持板５は第２の支持板１８に接続されている。ロータ４にはロータ４と一体的にカム１３が設けられている。移動体１４は第２の支持板１８に取り付けられた案内１６の案内面にしたがって一方向に移動可能となるとともに移動体１４の曲面形状の先端１４ａはカム１３と接している。案内１６と移動体１４の先端１４ａの間には予圧ばね１５が納められ、カム１３と移動体１４の先端１４ａに接触圧を与えている。ロータ４が回転すると、それに伴いカム１３も回転する。カム１３の径方向の長さの変化に応じて移動体１４は移動する。この際、移動体１４の先端１４ａとカム１３との間には予圧がかけられている為、カム１３およびロータ４と移動体１４の間にはガタは生じない。また外部からの振動や姿勢差に対しても安定な動作が可能である。さらに超音波モータの特徴から、停止時には電力の消費なしでロータ４と振動体３の突起３ａの間には摩擦力が働き移動体１４の動きを保持する。
【００２７】
従って、高精度位置決めが可能な超音波モータの特長を生かして、移動体１４の直動に対しても高精度の位置決めが可能である。また、電磁型のモータ、アクチュエータに比較して応答性が優れる。カム１３の外形を振動体の力を伝達する突起３ａの径よりも小さくすることで移動体１４に大きな力を伝えることが出来る。
【００２８】
図４は本実施例の第１の変形例である。超音波モータ１の方向を９０度回転し、移動体１４の先端１４ａをロータ４の上面に接触させている。ロータ４には厚みが異なるカム部１３があり、ロータ４の回転に伴って、ロータ４と接する移動体１４を動作させる。
【００２９】
図５は本実施例の第２の変形例である。ここではロータ４にはピニオン１９が設けられており、移動体１４に設けられたラック１４ｂとかみ合いロータ４の動きに伴って移動体を動作させる。移動体１４は案内１６とばね座１０に設けられた第二の案内１０ｂに一方向に移動可能な様に案内されている。ばね座に第二の案内１０ｂを設けることにより本機構の小型化、簡素化が実現されている。移動体１４の一部に設けられた段部１４ｃと第二の案内１０ｂの間に設けられた予圧ばね１５によってラック１４ｂとピニオン１９のバックラッシュがつめられている。
【００３０】
図６は本実施例の第三の変形例である。ここではロータ４にギヤ２０を設け、ギヤ２１が設けられたカム２２を回転させる。カム２２の動きに伴い移動体１４は動作する。ギヤ２１とギヤ２０はロータ４の回転を減速するように動作し、移動体１４に大きな力を伝達する。また予圧ばね１５によってギヤ２０，ギヤ２１の間のバックラッシュはつめられ、移動体１４の精密な位置決め動作が可能となる。
【００３１】
例えば、移動体１４の先端に磁気ヘッド１７を取り付ければ高密度なハードディスクのが実現できる。更に、超音波モータは磁気を発生しないから磁気ヘッド１７および図示しない磁気ディスクにも悪影響を与えない。また、磁気ヘッド１７の代わりにステージを付ければ小型微動ステージが実現できる。この場合、微動も粗動も可能となる。また、移動体１４の先端にレンズを付け、移動体１４の移動方向の延長線上と平行な位置にＣＣＤカメラを設ければ医療で用いられるカテーテルのカメラのオートフォーカスやズーム機構が実現できる。レンズの代わりに刃具を付ければ遠隔操作による手術が可能となる。
【００３２】
ところで、超音波モータの欠点の一つとして長期間動作せず放置した場合にロータ４と振動体3の接触面で固着を起こし、動作不良を発生する場合があることが挙げられる。これらは例えば外部環境（温度、湿度等）の影響や接触面の材質などによるが、本発明に示す様にロータ４に常に一定方向の回転力を与える加圧機構（予圧ばね15）を有する場合にはこの回転力を利用し、固着による動作不良を回避することが可能となる。
【００３３】
例えば、超音波モータ1を起動させる場合には、予め予圧ばね１５の力がロータ4に回転力を与える方向にロ―タ4を回転させる。もしくは図３(ｅ)に示す様な定在波を発生させ、ロータ４に回転力を与えずロ―タ4と振動体3の間の摩擦力を低減することで、ロータ４を予圧ばね１５の予圧による回転力だけで動作させる。このような方法で固着状態を抜け出した後で、所定の動作を行う。ちなみに図３(ｅ)の定在波を励振する為には斜線部１１ａと非斜線部１１ｂの両方の電極パターンに駆動信号を印加すればよい。
｛実施の形態２｝
本発明の実施の形態２について説明する。図７は直動機構の側面図および移動体２５の上面図を示したものである。超音波モータ１の支持板２３は第二の支持板２８に固定されている。移動体２５は二つの案内穴が設けられており、第二の支持板２８に一端を固定された二つの軸２４に沿って一定方向に移動可能となっている。移動体２５の一部２５ａとカム１３は移動体の移動方向に向かって接触されている。ロータ４の回転に伴いカム１３が回転し、移動体２５を動作させる。この時、移動体２５と軸２４の一端２４ａの間には予圧ばね１５が納められており、移動体の一部２５ａとカム１３に接触圧を与えている。
【００３４】
ここで、例えば移動体２５と第２の支持板２８に貫通穴を空け、レンズ２６，２７を設ければ光の焦点を調整するフォーカス機構、光の強度を調整するアッテネータ等が実現できる。
【００３５】
超音波モータ１の固定方法に付いては何ら制限はなく、カム１３の回転による力が移動体２５の移動方向に加わるようにすればよい。また、本実施例ではロータ４とカム１３を一体構成としたが、ロータ４とカム１３を別部材としロータ４の力をカム１３に歯車、摩擦車等を使って伝達しても構わない。ロータ４の回転を減速することでカム１３に大きな力を発生することが可能である。また、移動体の一部２５ａにラックを設け、ロータ４と連動するピニオンで移動体を稼動させても構わない。
【００３６】
図８は本発明の第２の実施例に関連する別の例を示したものであり、直動機構の側面図および移動体２８の上面図を示したものである。超音波モータ１の支持板２３は第二の支持板３１に固定されている。移動体２８には案内軸３０が設けられており、第二の支持板３１の案内穴３１ａに沿って一定方向に移動可能となっている。また、移動体２８に設けられた案内部２８ｂには第二の支持板３１に一端を固定された軸２９が入り、移動体２８の移動方向と垂直方向の動きを拘束する。移動体２８の一部に設けられた突起２８ａとカム１３は移動体の移動方向に向かって接触されている。ロータ４の回転に伴いカム１３が回転し、移動体２８を動作させる。この時、案内軸の段部３０ａと第二の支持板３１の間には予圧ばね１５が納められており、移動体の一部に設けられた突起２８ａとカム１３に接触圧を与えている。
【００３７】
ここで、例えば移動体２８と第２の支持板３１に貫通穴を空け、レンズ２６，２７を設ければ光の焦点を調整するフォーカス機構、光の強度を調整するアッテネータ等が実現できる。
【００３８】
超音波モータ１の固定方法に付いては何ら制限はなく、カム１３の回転による力が移動体２８の移動方向に加わるようにすればよい。また、本実施例ではロータ４とカム１３を一体構成としたが、ロータ４とカム１３を別部材としロータ４の力をカム１３に歯車、摩擦車等を使って伝達しても構わない。ロータ４の回転を減速することでカム１３に大きな力を発生することが可能である。また、移動体の一部２８ｂにラックを設け、ロータ４と連動するピニオンで移動体を稼動させても構わない。
【００３９】
図９は本発明の第２の実施例に関連する別の例を示したものであり、直動機構の側面図および移動体３２の上面図を示したものである。超音波モータ１の支持板２３は第二の支持板３６に固定されている。移動体３２には二つの案内穴が設けられており、第二の支持板３６に一端を固定された二つの軸３５に沿って一定方向に移動可能となっている。動力伝達部材３３は固定部材３４の案内ピン３４ａによって回転可能なように支持されている。移動体３２の一部に設けられた突起３２ａ、３２ｂおよびカム１３には移動体３２の移動方向に向かって動力伝達部材３３の別々の一端が接触されている。ロータ４の回転に伴いカム１３が回転し、動力伝達部材３３を介して移動体３２を動作させる。この時、軸３５の段部３５ａと移動体３２の間には予圧ばね１５が納められており、移動体の一部に設けられた突起３２ａ、動力伝達部材３３、カム１３に接触圧を与えている。
【００４０】
図９においては移動体３２にレンズ２６が付いており、レンズを光が通過する為、レンズの上にカム１３を含む超音波モータ１を配置できなかった。しかし、レンズがない場合にはレンズの中心部に位置する点、即ち二つの軸３５を結んだ線の中央、強いては移動体３２の重心に直接カム１３の力が作用するようにすることが望ましい。構造としては、例えば図８のように移動体の重心点に突起を設け直接カム１３と接するようにすればよい。
【００４１】
ここで、例えば移動体３２と第２の支持板３６に貫通穴を空け、レンズ２６，２７を設ければ光の焦点を調整するフォーカス機構、光の強度を調整するアッテネータ等が実現できる。
【００４２】
超音波モータ１の固定方法に付いては何ら制限はなく、カム１３の回転による力が移動体３２の移動方向に加わるようにすればよい。また、本実施例ではロータ４とカム１３を一体構成としたが、ロータ４とカム１３を別部材としロータ４の力をカム１３に歯車、摩擦車等を使って伝達しても構わない。ロータ４の回転を減速することでカム１３に大きな力を発生することが可能である。
【００４３】
本発明の超音波モータを用いた直動機構並びに揺動機構を電子機器に適用することにより、電子機器の低電圧化、低消費電力化、小型化、低コスト化が実現できる。超音波モータを利用することから当然、磁気の影響を受けずまた、有害な磁気ノイズも発生しない。
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３について説明する。図１０は超音波モータ１を用いた揺動機構およびそれを用いた応用例の上面図である。
【００４４】
移動体３７は点４０ａを中心として矢印３９の方向に回転可能に支持されている。支持方法についてはここでは限定しないが、例えば移動体３７の下面に、その中心が点４０ａとなる位置に設けられた軸受けと中心軸を用いる。
【００４５】
移動体３７の回転方向に対する一方の側面には図示しない振動体３の駆動力を受け回転するロータ4と一体的に形成されたカム１３が当接している。カム１３が回転するとその形状に伴い、移動体３７は再び同じ位置に戻る様な揺動運動する。移動体３７とカム１３は予圧ばね１５の予圧力を受け常に接している。ロ−タ４の回転運動をカム１３を介して移動体３７の揺動運動に変換することで移動体３７の微小な角度変位が得られる。従って、超音波モータ１が有する高精度な位置決め分解能を更に高めることが可能となる。
【００４６】
例えば、移動体３７の上面に誘電体多層膜からなるフィルタ３８を設け、フィルタ３８と対向する位置に光ファイバ３９を設ければ、フィルタ３８の角度に応じてフィルタ３８を透過する光ファイバ３９ａから入射された光の透過中心波長は変化し、光ファイバ３９ｂに入射される。従って、この様な可変分解能に優れた光フィルタが実現できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明は回転型の超音波モータと、超音波モータのロータと連動して回転するカムやピニオン等の出力伝達手段により移動体を直動運動もしくは揺動運動させ、また移動体と出力伝達部材の間に接触圧を与える加圧機構を設け、超音波モータ付き直動機構もしくは揺動機構を実現させるものである。これによりバックラッシュがなく高精度で粗動と微動の送りができ、また剛性が強く外部の振動等の影響を受け難い超音波モータ付き直動機構もしくは超音波モータ付き揺動機構が構成できる。
【００４８】
また、小型で高出力の超音波モータを使っていることから機構全体の小型・薄型化、並びに磁気の影響を受けずまた他に影響を与えない超音波モータ付き直動機構もしくは超音波モータ付き揺動機構が構成できる。
【００４９】
また、停止時に消費電力を要しない点も特徴である。
従って、小型で低消費電力で高精度位置決めが可能な超音波モータ付き直動機構、揺動機構並びにそれらを用いた電子機器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータを用いた直動機構の第一の例を示したものである。
【図２】本発明の超音波モータの構造の断面図を示したものである。
【図３】本発明の超音波モータの駆動原理を示したものである。
【図４】本発明の超音波モータを用いた直動機構の第一の例の変形例一を示したものである。
【図５】本発明の超音波モータを用いた直動機構の第一の例の変形例二を示したものである。
【図６】本発明の超音波モータを用いた直動機構の第一の例の変形例三を示したものである。
【図７】本発明の超音波モータを用いた直動機構の第二の例を示したものである。
【図８】本発明の超音波モータを用いた直動機構の第二の例の変形例一を示したものである。
【図９】本発明の超音波モータを用いた直動機構の第二の例の変形例二を示したものである。
【図１０】本発明の超音波モータを用いた揺動機構の例を示したものである。
【符号の説明】
１超音波モータ
２圧電素子
３振動体
４ロータ
１３カム
１４、２５、２８、３２、３７移動体
１５予圧ばね
１６案内
２６、２７レンズ

Claims

圧電素子を有する振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータと、
前記ロータの動きに連動するカムもしくはピニオンと、
前記カムと接するか、あるいは前記ピニオンとかみ合うラックを有し、前記ロータの回転に応じて一定方向に移動する移動体と、
前記移動体の移動を案内する二つの案内部と、
前記二つの案内部を結んだ直線と直交する位置で、前記移動体に対する前記カムもしくは前記ピニオンによる力の作用点と、
前記案内部近傍において前記カムもしくは前記ピニオンと前記移動体に接触圧を与える、加圧機構と、
を有することを特徴とする超音波モータ付き直動機構。
圧電素子を有する振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータと、
前記ロータの動きに連動するカムと、
回転自在に支持され、一端が前記カムと接する動力伝達部材と、
前記動力伝達部材の他端と接し、前記動力伝達部材の回転に応じて一定方向に動作する移動体と、
前記移動体の移動を案内する二つの案内部と、を有し、
前記移動体の前記動力伝達部材の他端が接する位置は前記二つの案内部を結ぶ直線上であることを特徴とする超音波モータ付き直動機構。
圧電素子を有する振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータと、
前記ロータの動きに連動するカムと、
前記カムと接し、前記カムの回転に応じて揺動動作する移動体と、
前記移動体の揺動動作の回転中心上に設けられた負荷部材と、
前記カムと前記移動体とに接触圧を与える加圧機構と、
を有し、前記カムと前記移動体の接触点は前記負荷部材よりも外側であることを特徴とする超音波モータ付き揺動機構。
請求項１又は２に記載の超音波モータ付き直動機構を有し、前記移動体により負荷部材を駆動することを特徴とする電子機器。
請求項３に記載の超音波モータ付き揺動機構を有し、前記移動体により負荷部材を駆動することを特徴とする電子機器。