JP4684767B2 - 精密往復直進駆動機構 - Google Patents

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本発明は、ステッピングモータと減速機構を用いた精密往復直進駆動機構に関する。
ステッピングモータの回転力を、送りネジ機構や歯車機構(ラックピニオン機構)等の減速機構を介して直進運動に変換する往復直進駆動機構では、1パルス当たりの直進移動量(単位移動量)は、ステッピングモータの分解能(例えば1回転当たりのパルス数)と、減速機構の分解能(例えば送りねじ(ピニオン)1回転当たりのナット部材(ラック部材)の移動量)の双方に依存する。
特開平7−320424号公報
本発明は、一つの減速機構の分解能(単位移動量)よりも高精度な単位移動量を得ることができ、あるいは同じ単位移動量であればより大きな駆動力を得ることができる精密往復直進駆動機構を得ることを目的とする。
本発明は、ステッピングモータの回転を直進運動に変換して取り出す精密往復直進駆動機構において、直進進退動可能に支持された取出部材;この取出部材の移動軸上に揺動中心を有し、その揺動中心から異なる方向に延びる少なくとも一対の腕を有する、上記取出部材と一緒に移動するシーソー部材;このシーソー部材の各腕に係合し、取出部材の移動方向と略平行な方向に直進進退動可能に支持された複数の原動直進部材;取出部材とシーソー部材を複数の原動直進部材との係合方向へ付勢する付勢部材;複数の原動直進部材に対応させて設けた複数のステッピングモータ;取出部材及び複数の原動直進部材の移動方向と略平行な方向に軸線を向け、複数のステッピングモータのそれぞれにより該軸線を中心として回転駆動される複数の送りねじ軸;及び、複数の送りねじ軸にそれぞれ螺合すると共に複数の原動直進部材をそれぞれ支持し、各送りねじ軸の回転によってその軸線方向に移動して対応する原動直進部材を移動させる複数のナット部材;を備えたことを特徴としている。シーソー部材の複数の腕は、実際には等角度間隔に2個または3個を設けるのがよい。
各ステッピングモータには、時間差を与えて駆動パルスを与える態様、同時に駆動パルスを与える態様が可能である。時間差を与える場合、交互に通電するのがよい。
各原動直進部材にはそれぞれ原点センサを設けることで、取出部材の位置だけでなく、シーソー部材の傾きを検出することができる。
本発明の精密往復直進駆動機構によれば、一つの減速機構の分解能よりも高精度な単位移動量を得ることができ、あるいは同じ単位移動量であればより大きな駆動力を得ることができる精密往復直進駆動機構を得ることができる。
図1、図2は、本発明による精密往復直進駆動機構100の基本実施形態を示している。この精密往復直進駆動機構100は、互いに平行な中心ガイドバー11と左右のガイドバー20L、20Rを有し、中心ガイドバー11を中心とする左右対称配置を有している。中心ガイドバー11上には、直進移動出力を取り出す取出部材12が回転を拘束して直進移動自在に支持されている。この取出部材12上には、中心ガイドバー11の軸線上に位置する軸(作用点)13aを中心に揺動自在にシーソーバー(シーソー部材)13が支持されている。
ガイドバー20Lと20Rにはそれぞれ、原動直進部材21Lと21Rが直進移動自在に支持されている。この原動直進部材21Lと21Rにはそれぞれ、中心ガイドバー11側に延びるナット腕22Lと22Rが形成されている。
一対のステッピングモータ24Lと24Rの出力軸は、ガイドバー20Lと20R(中心ガイドバー11)と平行をなす送りねじ軸25Lと25Rからなっており、この送りねじ軸25Lと25Rがナット部材23Lと23Rに螺合している。このナット部材23Lと23Rの上には、原動直進部材21Lと21Rのナット腕22Lと22Rが載っている。従って、送りねじ軸25Lと25Rが正逆に回転駆動すると、原動直進部材21Lと21Rがガイドバー20Lと20Rに沿って正逆に直進移動する。
原動直進部材21Lと21R上には、シーソーバー13の左右腕13Lと13Rにそれぞれ当接する連動突起(力点)26Lと26Rが形成されている。中心ガイドバー11に固定したばね座14と取出部材12との間には、該取出部材12を原動直進部材21Lと21R側に移動付勢する圧縮ばね(付勢部材)15が挿入されており、左腕13Lと右腕13Rが常時連動突起26Lと26Rに当接(接触)する。連動突起26Lと26Rは、中心ガイドバー11に関し、送りねじ軸25Lと25Rの外側に位置している。
原動直進部材21Lと21Rにはそれぞれ、原点センサ27Lと27Rが備えられている。この原点センサ27Lと27Rは例えば光センサから構成することができ、原動直進部材21Lと21Rの原点位置を検出する。
図3に示すように、ステッピングモータ24Lと24Rは、ドライバ30Lと30Rを介して制御回路31に接続されている。制御回路31は、制御態様に応じてドライバ30Lと30Rを介してステッピングモータ24Lと24Rに駆動パルスを与える。図4は、駆動パルスの例である。同図(A)は、ステッピングモータ24Lと24Rに交互に駆動パルスを与える例、(B)は同時に駆動パルスを与える例、(C)は時間差を与えて駆動パルスを与える例を示している。
また制御回路31には、原点センサ27Lと27Rからの原点信号が入力されており、この原点信号と、ステッピングモータ24Lと24Rに与える駆動パルス数とを記憶して原動直進部材21Lと21Rの位置を検出する。
上記構成の本精密往復直進駆動機構100は次のように動作する。原動直進部材21Lと21Rは、原点センサ27Lと27Rで検出される原点位置にあり、このとき、原動直進部材21Lと21Rは同一高さ位置にあり、シーソーバー13は水平である(中心ガイドバー11に直交している)とする。この状態において、図4(A)のパターンでステッピングモータ24Lと24Rに駆動パルスを与えると、まずステッピングモータ24Lに1パルスが与えられる。すると、送りねじ軸25Lが1パルス分だけ回転して原動直進部材21Lが1パルス分直進し、連動突起(力点)26Lがシーソーバー13の左腕13Lを押し上げる。すると、取出部材12は、シーソーバー13の軸(作用点)13aを介して、原動直進部材21Lの移動量の半分だけ直進移動する。次にステッピングモータ24Rに1パルスが与えられると、同様に、原動直進部材21Rが1パルス分直進し、連動突起26Rが右腕13Rを押し上げる結果、取出部材12は、原動直進部材21Rの移動量の半分だけ直進移動する。つまり、取出部材12は、ステッピングモータ24Lと24Rに1パルスを与えたときに原動直進部材21Lと21Rが移動する量(単位移動量)の半分の量ずつ移動することとなり、精密送りが可能となる。この図4(A)の駆動パターンでは、一方のステッピングモータへの通電中には他方のステッピングモータへの通電を禁止することで省電力を図ることができる。
また、図4(B)のパターンでステッピングモータ24Lと24Rに駆動パルスを与えると、原動直進部材21Lと21Rは同時に単位移動量ずつ移動する。つまり、取出部材12はステッピングモータ24Lと24Rに1パルスを与えたときと移動量は同一であるが、2倍の送り力で直進移動することとなり、送りパワーを倍増させることができる。図4(C)のパターンで駆動したときは、原動直進部材21Lが移動中に原動直進部材21Rも移動を開始するパターンでの駆動ができる。
原点センサ27Lと27Rは、シーソーバー13が中心ガイドバー11に直交する度に原動直進部材21Lと21Rの原点位置を検出するので、取出部材12の位置だけでなく、シーソーバー13に傾きが生じているか否かも同時に検出することができる。
なお、図1及び図2では、シーソーバー13の傾き(左右の原動直進部材21Lと21Rの移動量)を誇張して描いている。例えば、ステッピングモータ24Lと24Rの1回転当たりのパルス数を20とし、送りねじ軸25Lと25Rのピッチを0.4mmとすると、1パルス当たりの原動直進部材21Lと21Rの移動量は、0.02mmの微量である。
図5ないし図8は、本発明による精密往復直進駆動機構100の別の実施形態を示している。この実施形態は、中心ガイドバー11の軸線上に揺動中心を有し、中心ガイドバー11の軸線方向に取出部材12と一緒に移動するシーソー部材13に、等角度間隔(120゜間隔)で3本の腕13L、13R及び13Cを形成し、各腕に対応させて、以上の実施形態と同様のステッピングモータと減速機構を配置したものである。シーソー部材13の中心と取出部材12とは、環状作用点13a’を介して当接している。腕13Lと13Rに関連する部材には、図1、図2の実施形態と同じ符号を付し、腕13Cに関連する部材には、サフィックスLとRに代えて、サフィックスCを付している。16はケーシングを示す。
図8は、この実施形態の動作原理を示している。シーソー部材13の連動突起(力点)26L、26R、26Cが半径2の円周上に等角度間隔で配置されているとすると、
力点の力(a)×支点と力点の距離(3)=作用点の力(b)×支点と作用点の距離(1)が成立する。
すなわち、
a×3=b×1
b=3a
作用点には力点の3倍の力がかかる。
また作用点13a(取出部材12)の移動ストロークは、力点の移動ストロークの1/3となる。
ないし図11は、本発明による精密往復直進駆動機構100をカメラの像ブレ補正装置に適用した実施形態を示している。この像ブレ補正装置は、カメラに加わる手ブレ(角加速度)の大きさと方向に応じて、CCD41を直交二方向に駆動することにより、CCD41で撮像される被写体像のブレを抑制するものである。撮影光学系は描いていない。固定枠42にY方向(図の上下方向)に向けて固定した一対のYガイドロッド43には、Yステージ44が移動自在に支持されており、このYステージ44上には、Yガイドロッド43と直交する方向(図の左右方向)の一対のガイドロッド45が固定されている。ガイドロッド45にはXステージ46が移動自在に支持されており、Xステージ46上にCCD41が固定されている。
Yステージ44には、X方向に延びる駆動腕44aが一体に設けられており、この駆動腕44aがY方向用精密往復直進駆動機構100Yの取出部材12Yに軸44bで結合されている。Yステージ44は、該Yステージ44と固定枠42との間に張設した引張ばね44cによって図の下方に移動付勢されている。精密往復直進駆動機構100Yは、取出部材12YをY方向に往復直進移動させるもので、その構成は、図1で説明した精密往復直進駆動機構100と同一であり、同一要素には同一の符号を付している。
固定枠42上には、ガイドロッド45とは別に、該ガイドロッド45と平行なXガイドロッド47が設けられている。このXガイドロッド47には、X方向用精密往復直進駆動機構100Xの取出部材12Xに軸48aで結合されたX駆動部材48が移動自在に支持されている。精密往復直進駆動機構100Xは、取出部材12XをX方向に往復直進移動させるもので、その構成は、図1で説明した精密往復直進駆動機構100と同一であり、同一要素には同一の符号を付している。このX駆動部材48には、Y方向を向く一方向伝達面48bが形成されており、Xステージ46には、この一方向伝達面48bに対応させて、ローラ46aが支持されている。X駆動部材48は、該X駆動部材48と固定枠42との間に張設した引張ばね48cによって、一方向伝達面48bとローラ46aとが当接する方向に移動付勢されている。Yステージ44がY方向に移動するとき、Yステージ44上に載っているXステージ46もY方向に移動し、このとき、ローラ46aは一方向伝達面48b上を転動する。
上記構成の像ブレ補正装置は、精密往復直進駆動機構100Yを介してYステージ44をY方向に駆動することで、Yステージ44上のXステージ46(CCD41)がY方向に移動し、精密往復直進駆動機構100Xを介してX駆動部材48をX方向に駆動することで、一方向伝達面48bとローラ46aの係合関係によりXステージ46(CCD41)がX方向に移動する。よって、精密往復直進駆動機構100Yと精密往復直進駆動機構100Xのステッピングモータ24Lと24Rに、カメラに加わる角加速度の大きさと方向に応じた駆動パルスを与えることにより、CCD41で撮像される像の像ブレを抑制することができる。
図1、図2は、本発明による精密往復直進駆動機構100の最小単位を示すものであり、これらを2n個(n:組数)積み重ねることで、より高い分解能の往復駆動装置を得ることができる。すなわち、図1、図2のユニットを左右に一対設けて、その一対の取出部材12の間にシーソーバー13と同様にシーソーレバーを介在させれば、分解能を2倍に高めることができる。図12は、精密往復直進駆動機構100を2組組み合わせた状態を示している。同様にして、対をなす精密往復直進駆動機構100を積み重ねる(2n個積み重ねる)ことで、理論的には分解能を極限まで高めることができる。すなわち、各組の単位移動量よりも小さい(1/2nの)単位移動量を得ることができ、あるいは一組のステッピングモータと減速機構と同一の単位移動量であれば、より大きい(2nの)送り力を得ることができる。
本発明による往復直進駆動機構は、取出部材12を中心とする対称性を確保することで、構成が容易になるという利点がある。しかし、シーソー部材13の腕の長さ、送りねじ軸25Lと25Rのピッチ、ステッピングモータ24Lと24Rの基本ステップ数等を異ならせても、これらをマッチングさせることで構成可能である。
本発明の精密往復直進駆動機構の一実施形態を示す正面図である。 同要部の断面図である。 本発明の精密往復直進駆動機構の制御系統を示すブロック図である。 本発明の精密往復直進駆動機構のステッピングモータの駆動パルスパターン例を示す図である。 本発明の精密往復直進駆動機構の別の実施形態を示す一部分解斜視図である。 同組立状態の斜視図である。 同ケーシング装着状態を示す斜視図である。 図5ないし図7の実施形態の動作原理を示す平面図である。 本発明の精密往復直進駆動機構をカメラの像ブレ補正装置に適用した一実施形態を示す斜視図である。 図9の一部部材を取り外した状態を示す斜視図である。 図9の正面図である。 図1、図2の駆動機構を2組用いた駆動機構を示す図である。
符号の説明
100 精密往復直進駆動機構
11 中心ガイドバー
12 取出部材
13 シーソーバー(シーソー部材)
13a 軸(作用点)
13a’ 環状作用点
13L 左腕
13R 右腕
14 ばね座
15 圧縮ばね(付勢部材)
20L 20R ガイドバー
21L 21R 原動直進部材
22L 22R ナット腕
23L 23R ナット部材
24L 24R ステッピングモータ
25L 25R 送りねじ軸
26L 26R 連動突起(力点)
27L 27R 原点センサ
30L 30R ドライバ
31 制御回路
41 CCD
42 固定枠
43 Yガイドロッド
44 Yステージ
44a 駆動腕
44b 軸
44c 48c 引張ばね
45 ガイドロッド
46 Xステージ
46a ローラ
47 Xガイドロッド
48 X駆動部材
48a 軸
48b 一方向伝達面

Claims (5)

  1. ステッピングモータの回転を直進運動に変換して取り出す精密往復直進駆動機構において、
    直進進退動可能に支持された取出部材;
    この取出部材の移動軸上に揺動中心を有し、その揺動中心から異なる方向に延びる少なくとも一対の腕を有する、上記取出部材と一緒に移動するシーソー部材;
    このシーソー部材の各腕に係合し、上記取出部材の移動方向と略平行な方向に直進進退動可能に支持された複数の原動直進部材;
    上記取出部材とシーソー部材を上記複数の原動直進部材との係合方向へ付勢する付勢部材
    上記複数の原動直進部材に対応させて設けた複数のステッピングモータ
    上記取出部材及び複数の原動直進部材の移動方向と略平行な方向に軸線を向け、上記複数のステッピングモータのそれぞれにより該軸線を中心として回転駆動される複数の送りねじ軸;及び
    上記複数の送りねじ軸にそれぞれ螺合すると共に上記複数の原動直進部材をそれぞれ支持し、各送りねじ軸の回転によってその軸線方向に移動して対応する原動直進部材を移動させる複数のナット部材
    を備えたことを特徴とする精密往復直進駆動機構。
  2. 請求項記載の精密往復直進駆動機構において、各ステッピングモータには、時間差を与えて駆動パルスが与えられる精密往復直進駆動機構。
  3. 請求項記載の精密往復直進駆動機構において、各ステッピングモータには、交互に通電される精密往復直進駆動機構。
  4. 請求項記載の精密往復直進駆動機構において、各ステッピングモータには、同時に駆動パルスが与えられる精密往復直進駆動機構。
  5. 請求項1ないしのいずれか1項記載の精密往復直進駆動機構において、各原動直進部材にはそれぞれ原点センサが備えられている精密往復直進駆動機構。
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