JP5142974B2

JP5142974B2 - 超音波振動子による切換機構

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Publication number: JP5142974B2
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Inventors: 剛望月
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Priority date: 2008-12-19
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Publication date: 2013-02-13
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Description

本発明は、顕微鏡等の光学機器に使用される、超音波モータを用いた切換機構に関する。

近年、ＤＣモータやステッピングモータ等の電磁型モータに代わるモータとして超音波モータが使用されている。
超音波モータは、電磁型モータに比べて、（ａ）ギヤ無しで高いトルクが得られる、（ｂ）電源ＯＦＦ時に保持力がある、（ｃ）高分解能である、（ｄ）静粛性に富んでいる、（ｅ）電磁気を発生しない、等という利点を有しており、顕微鏡等の光学機器における切換機構や移動機構の電動駆動源としても使用されている。

このような超音波モータを光学機器に使用した従来技術として、次のような装置が提案されている。
特許文献１には、超音波モータと位置検出センサを備え、構造を簡単化して製造コストを低減し、耐久性の向上を図った顕微鏡用の対物レンズ交換装置が提案されている。

特許文献２には、超音波モータと変位検出センサを備え、熱ドリフトを無くした顕微鏡用の電動ステージが提案されている。
上述のように、従来の超音波モータを使用した切換機構や移動機構では、光電式や磁気式等の電磁気的な位置検出センサや変位検出センサが併用されている。このようなセンサを設ける必要がある理由は、超音波モータが単独で自らの位置を認識することができないからである。
特開平８−１６０２８０号公報特開２００５−２６５９９６号公報

しかしながら、上述の切換機構等において、超音波モータが単独で電磁気を発生しない（上述の（ｅ））という利点を有するものの、位置検出や移動検出のために電磁気的なセンサが設けられることは、電磁気ノイズの発生要因となる。そのため、その電磁気ノイズを遮断するための適切な遮断部を設けておかないと、例えば顕微鏡を用いた電気生理学実験や長時間蛍光観察においては、光学式センサからの不要光や磁気式センサからの磁気ノイズ等といった電磁気ノイズが、その実験や観察に悪影響を与える虞がある。

本発明は、上記実情に鑑み、電磁気ノイズを発生させることなく簡単な構成により実現可能な、超音波振動子による切換機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る切換機構は、固定部と、前記固定部に対して少なくとも１ヶ所以上に位置決めされる移動部と、縦振動と屈曲振動との合成による楕円振動により前記移動部を前記固定部に対して移動させる超音波振動子と、前記超音波振動子に駆動信号を与える駆動手段と、前記固定部に対する前記移動部の移動負荷を変動させる負荷変動手段と、前記負荷変動手段による負荷変動を検出する負荷変動検出手段と、前記負荷変動検出手段の検出信号に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段と、を備え、前記負荷変動検出手段が所定の負荷変動を検出したときに、前記超音波振動子の縦振動を減少させた後に前記超音波振動子の縦振動と屈曲振動の両方を停止させるように前記制御手段が前記駆動手段を制御することにより、前記移動部が位置決めされる、ことを特徴とする超音波振動子による切換機構である。

また、本発明の第２の態様に係る切換機構は、上記の第１の態様において、前記負荷変動手段は、前記固定部に設けられた、前記移動部が当て付けられる当接部であり、前記負荷変動検出手段が所定の負荷変動を検出したときに、前記超音波振動子の縦振動を所定時間減少させた後に前記超音波振動子の縦振動と屈曲振動の両方を停止させるように前記制御手段が前記駆動手段を制御することにより、前記移動部が位置決めされる、ことを特徴とする。

また、本発明の第３の態様に係る切換機構は、上記の第１の態様において、前記負荷変動手段は、機械的なクリック機構であり、前記負荷変動検出手段が所定の負荷変動を検出したときに、前記超音波振動子の縦振動を所定時間停止させた後に前記超音波振動子の屈曲振動を停止させるように前記制御手段が前記駆動手段を制御することにより、前記移動部が位置決めされる、ことを特徴とする。

また、本発明の第４の態様に係る切換機構は、上記の第１の態様において、前記負荷変動手段は、前記超音波振動子の駆動子と摺動する前記移動部の摺動面に設けられた溝形状部又は凹凸形状部であり、前記負荷変動検出手段が所定の第１の負荷変動を検出したときに前記超音波振動子の縦振動を減少させた後に前記負荷変動手段が所定の第２の負荷変動を検出したときに前記超音波振動子の縦振動と屈曲振動の両方を停止させるように前記制御手段が前記駆動手段を制御することにより、前記移動部が位置決めされる、ことを特徴とする。

また、本発明の第５の態様に係る切換機構は、上記の第１乃至４の何れか一つの態様において、前記負荷変動検出手段は、前記超音波振動子の振動振幅、共振周波数、位相、又はインピーダンスを検出することにより、前記負荷変動手段による負荷変動を検出する、ことを特徴とする。

本発明によれば、電磁気ノイズを発生させることなく簡単な構成により切換機構を実現することができる。また、電磁気ノイズの発生が無いので、例えば顕微鏡等の光学機器を用いた電気生理学実験や長時間蛍光観察に使用した場合に、その実験や観察に電磁気ノイズの影響を与えないようにすることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構は、例えば顕微鏡等の光学機器に使用されるものである。

図１は、本実施形態に係る切換機構の構成例を示す上面図である。図２は、図１に示した切換機構のＡ−Ａ´断面図である。
図１及び図２に示したように、本実施形態に係る切換機構は、固定部１と、固定部１に対して一軸方向に移動可能な移動部２とを有する。移動部２には、レンズ、プリズム、又はフィルタ等の光学素子３ａ、３ｂが、接着や図示しない押さえリング等によって固定されている。

また、切換機構は、直動機構として、移動部２に設けられたガイド溝２ａ、２ｂと、固定部１に設けられたガイド溝１ａと、固定部１に図示しないビス等で固定されるガイド部４と、そのガイド部４に設けられたガイド溝４ａと、ガイド溝１ａと２ａの間に配置されるボール部５ａと、ガイド溝２ｂと４ａの間に配置されるボール部５ｂとを有する。ボール部５ａ、５ｂには図示しないグリスが塗布されている。ガイド部４は、ガイド溝１ａ、２ａとボール部５ａとの間のガタ及びガイド溝２ｂ、４ａとボール部５ｂとの間のガタを無くすために、ボール部５ａ、５ｂ側に予圧がかけられた状態で固定部１に固定されている。このような構成の直動機構により、移動部２は、固定台１に対してスムースに移動することができる。

また、切換機構は、固定部１に対する移動部２の位置決め機構として、固定部１に設けられた当接部１ｃ、１ｄを有する。この当接部１ｃ、１ｄは、移動部２の当接面２ｃ、２ｄに対応して設けられており、上述の直動機構により移動部２が移動して、移動部２の当接面２ｃ又は２ｄが当接部１ｃ又は１ｄに当て付いたときに、移動部２の光学素子３ａ又は３ｂが固定部１に設けられた開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされるようになっている。なお、当接部１ｃ、１ｄは、固定部１に対する移動部２の移動負荷を変動させる負荷変動手段の一例である。

また、切換機構は、超音波モータとして、超音波振動子である振動体６と、振動体６に設けられた駆動子７ａ、７ｂと、振動体６の保持部材８とを有する。保持部材８は、振動体６を介して駆動子７ａ、７ｂを摺動部材９に押し当てるバネとして作用する薄板バネ部８ａと、バネとして作用しない厚肉部８ｂとを有する。なお、摺動部材９は移動部２の側面に接着等により固定されている。保持部材８は、長穴１１ａ、１１ｂを有し、ネジ１０ａ、１０ｂが長穴１１ａ、１１ｂを介して図示しない固定部１に設けられたネジ穴にねじ込まれることで、固定部１に固定される。このように保持部材８が長穴１１ａ、１１ｂを有していることから、駆動子７ａ、７ｂと摺動部材９との間で所定の予圧が生じるように保持部材８を同図の左右方向に移動させながら駆動子７ａ、７ｂを摺動部材９に押し当てた状態で保持部材８を固定部１に固定することが可能になる。このようにして固定することで、駆動子７ａ、７ｂと摺動部材９との間には摩擦力が働き、超音波モータを駆動していないときには、この摩擦力が保持力として移動部２を保持することができる。

また、切換機構は、上述の超音波モータの駆動制御に係る構成として、制御回路２７、駆動回路２８、及び検出回路２９を有する。制御回路２７は、図示しない光学機器の操作部からの制御信号を受け取り、信号線３０を介して駆動回路２８に駆動信号（指令）を与える。駆動回路２８は、制御回路２７からの駆動信号を受け取り、振動体６に屈曲方向（摺動部材９の摺動面に対して垂直方向）と縦方向（移動部２の移動方向）の高周波の振動を励起させるように、信号線１２を介して振動体６の図示しない内部電極に駆動信号として電圧を与える。一方、振動体６の屈曲振動（屈曲方向の振動）と縦振動（縦方向の振動）の位相、共振周波数、振幅、及びインピーダンスのシフトのいずれかの電気的特性は、信号線３２を介して検出回路２９に送られ、更に信号線３１を介して検出信号として制御回路２７に送られる。制御回路２７は、検出回路２９からの検出信号に応じて駆動回路２８への駆動信号を制御することもできる。なお、検出回路２９は、移動部２の移動負荷の変動を検出する負荷変動検出手段の一例である。

駆動回路２８により振動体６に電圧が与えられると、振動体６に屈曲振動と縦振動が励
起され、その屈曲振動と縦振動との合成により楕円振動が生じる。これに伴って駆動子７ａ、７ｂが楕円運動を開始し、駆動子７ａ、７ｂと摺動部材９との間に発生する摩擦力によって移動部２が移動を開始する。そして移動部２が移動していくと、移動部２の当接面２ｃ又は２ｄが当接部１ｃ又は１ｄに当接し、これにより移動部２の移動負荷が変化する。この変化は、上述の電気的特性の変化として検出回路２９により検出することができる。

次に、本実施形態に係る切換機構の動作を説明する。
図３は、その動作の一例を示すフローチャートである。
なお、本フローでは、一例として、図１及び図２に示したように固定部１に設けられた開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされている光学素子３ａを光学素子３ｂに切り換えるときの動作を説明する。

また、本フローでは、移動中の移動部２が当接部１ｃ又は１ｄに当接したときの検出回路２９の検出信号をＳ１とし、移動中の移動部２が当接部１ｃ又は１ｄに当接していないときの検出回路２９の検出信号をＳ２とする。なお、上述の検出信号Ｓ１及びＳ２は、事前に移動部２を移動させ、実測値として制御回路２７に記録しておくことが可能である。

図３に示したフローにおいて、まず制御回路２７が移動部２を当接部１ｄの方向へ移動させるための駆動信号（指令）を駆動回路２８に出力すると、駆動回路２８は、その駆動信号に応じた電圧を振動体６に印加し、振動体６は縦振動及び屈曲振動を開始する（Ｓ１１）。これにより、上述の楕円振動が振動体６に生じ、移動部２が当接部１ｄの方向へ移動を開始する。このようにして移動部２が移動を開始した後、当接部１ｄに当て付く前までの間、制御回路２７は、検出回路２９から上述の検出信号Ｓ２を検出する（Ｓ１２）。そして、移動中の移動部２が当接部１ｄに当て付くと、制御回路２７は、検出回路２９から上述の検出信号Ｓ１を検出する（Ｓ１３）。

このようにして検出信号Ｓ１（検出信号Ｓ２から検出信号Ｓ１への変化）を検出すると、制御回路２７は、振動体６の縦振動を所定時間をかけて徐々に減少させるための駆動信号（指令）を駆動回路２８に出力し、駆動回路２８は、その駆動信号に応じた電圧を振動体６に印加する。これにより、振動体６の縦振動が徐々に減少する（Ｓ１４）。その結果、移動部２の当接面２ｄと当接部１ｄとの間の当接力が弱まると共に駆動子７ａ、７ｂは摺動部材９の摺動面上を滑りながら当接面２ｄが当接部１ｄの位置で停止する。

そして、制御回路２７は、振動体６の縦振動を徐々に減少させるための駆動信号を駆動回路２８に出力してから上述の所定時間が経過すると、振動体６の縦振動と屈曲振動の両方を停止させるための駆動信号（指令）を駆動回路２８に出力し、駆動回路２８は、その駆動信号に応じた電圧を振動体６に印加する。これにより、振動体６の縦振動と屈曲振動の両方が停止して（Ｓ１５）、移動部２の位置決めが完了し（Ｓ１６）、固定部１に設けられた開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされていた光学素子３ａが光学素子３ｂに切り換えられる。

なお、このようにして固定部１の開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされた光学素子３ｂを再び光学素子３ａに戻すときの切換動作も、上述と同様にして行うことが可能であることは述べるまでもない。

以上、本実施形態に係る、超音波振動子による切換機構によれば、光学式や磁気式等の電磁気的な位置決めセンサを必要とせずに、上述の超音波モータとその制御回路２７及び当接部１ｃ、１ｄ等によって光学素子３ａ又は３ｂを光軸Ｚ上に位置決めすることができる。

また、電磁気的なセンサを使用していないので、外部への電磁気ノイズの発生が無いことは勿論のこと、簡単な構成により切換機構を実現することができる。
さらに、外部への電磁気ノイズの発生が無いので、顕微鏡等の光学機器を用いた電気生理学実験や長時間蛍光観察等に使用された場合に、その実験や観察等に影響を及ぼすこともない。
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構も、例えば顕微鏡等の光学機器に使用されるものである。

図４は、本実施形態に係る切換機構の構成例を示す上面図である。図５は、図４に示した切換機構のＢ−Ｂ´断面図である。
なお、本実施形態に係る切換機構の説明においては、第１の実施形態に係る切換機構と同一の構成要素については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図４及び図５に示したように、本実施形態に係る切換機構では、３つの光学素子３ａ、３ｂ、３ｃが移動部２に配置されている。なお、光学素子３ａ、３ｂ、３ｃは、レンズ、プリズム、又はフィルタ等の光学素子である。

また、切換機構は、固定部１に対する移動部２の位置決め機構として、上述の３つの光学素子３ａ、３ｂ、３ｃに対応して３つのクリック溝１３ａ、１３ｂ、１３が移動部２に設けられていると共に、ガイド部４には、図示しないビス等により固定された板バネ１５と、カシメ等で固定された軸１６と、その軸１６に回動可能なベアリング１７によって構成される機械的なクリック機構１８が設けられている。なお、このクリック機構１８は、固定部１に対する移動部２の移動負荷を変動させる負荷変動手段の一例である。

上述の位置決め機構では、振動体６に所定の電圧が印加されて移動部２が移動し、移動部２のクリック溝１３ａ、１３ｂ、又は１３ｃにベアリング１７が落ち込むことによって、光学素子３ａ、３ｂ、又は３ｃが固定部１に設けられた開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされるようになっている。

なお、このような構成により、ベアリング１７がクリック溝１３ａ、１３ｂ、又は１３ｃから脱出するときは、移動方向と反対方向に力が付加されることになる。一方、ベアリング１７がクリック溝１３ａ、１３ｂ、又は１３ｃに落ち込むときは、ベアリング１７がクリック溝１３ａ、１３ｂ、又は１３ｃに呼び込まれて移動方向と同じ方向に力が付加されることになる。また、これら以外のとき、ベアリング１７は回転しながら移動部２の上面を転がるため、ベアリング１７による移動部２の移動負荷は極めて小さくなっている。

次に、本実施形態に係る切換機構の動作を説明する。
図６は、その動作の一例を示すフローチャートである。
なお、本フローでは、一例として、図４及び図５に示したように固定部１に設けられた開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされている光学素子３ａを光学素子３ｂに切り換えるときの動作を説明する。

また、本フローでは、ベアリング１７がクリック溝１３ａ、１３ｂ、又は１３ｃから脱出するときの検出回路２９の検出信号をＳ３とし、ベアリング１７がクリック溝１３ａ、１３ｂ、又は１３ｃに落ち込むときの検出回路２９の検出信号をＳ４とする。また、これら以外の、ベアリング１７が回転しながら移動部２の上面を転がっているときの検出回路２９の検出信号をＳ５とする。なお、上述の検出信号Ｓ３、Ｓ４、及びＳ５は、事前に移動部２を移動させ、実測値として制御回路２７に記録しておくことが可能である。

図６に示したフローにおいて、まず制御回路２７が移動部２を図４の下方向へ移動させるための駆動信号（指令）を駆動回路２８に出力すると、駆動回路２８は、その駆動信号に応じた電圧を振動体６に印加し、振動体６は縦振動及び屈曲振動を開始する（Ｓ２１）。これにより、上述の楕円振動が振動体６に生じ、移動部２が図４の下方向へ移動を開始する。このときは、ベアリング１７がクリック溝１３ａから脱出することになるので、制御回路２７は、検出回路２９から上述の検出信号Ｓ３を検出する（Ｓ２２）。ベアリング１７がクリック溝１３ａから脱出した後、次のクリック溝１３ｂに落ち込む前までの間は、ベアリング１７が回転しながら移動部２の上面を転がるので、制御回路２７は、検出回路２９から上述の検出信号Ｓ５を検出する（Ｓ２３）。そして、ベアリング１７がクリック溝１３ｂに落ち込むとき、制御回路２７は、検出回路２９から上述の検出信号Ｓ４を検出する（Ｓ２４）。

このようにして検出信号Ｓ４（少なくとも検出信号Ｓ５から検出信号Ｓ４への変化）を検出すると、制御回路２７は、振動体６の縦振動を停止させるための駆動信号（指令）を駆動回路２８に出力し、駆動回路２８は、その駆動信号に応じた電圧を振動体６に印加する。これにより、振動体６の縦振動が停止し（Ｓ２５）、ベアリング１７がクリック溝１３ｂに落ち込む（Ｓ２６）。このように振動体６の縦振動を停止して屈曲振動のみの状態とすると、移動部２の移動方向に対する駆動力は停止する。なお、屈曲振動のみの状態では、駆動子７ａと７ｂとが交互に摺動部材９に当て付き離れる状態となるため、縦振動と屈曲振動の両方を停止させたときの静止状態と比較して、移動部２の保持力が極めて小さくなる。このため、駆動子７ａ、７ｂが摺動部材９の摺動面を滑りながら、ベアリング１７がクリック機構１８の板バネ１５の力で容易にクリック溝１３ｂに呼び込まれるようになる。

そして、制御回路２７は、振動体６の縦振動を停止させるための駆動信号を駆動回路２８に出力してから所定時間が経過すると、振動体６の屈曲振動も停止させるための駆動信号（指令）を駆動回路２８に出力し、駆動回路２８は、その駆動信号に応じた電圧を振動体６に印加する。これにより、振動体６の屈曲振動も停止して（Ｓ２７）、移動部２の位置決めが完了し（Ｓ２８）、固定部１に設けられた開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされていた光学素子３ａが光学素子３ｂに切り換えられる。

ここで、上述の所定時間は、制御回路２７が振動体６の縦振動を停止させるための駆動信号を出力してからベアリング１７がクリック溝１３ｂに完全に落ち込むまでに要する時間に設定されており、例えば０．０５〜０．１秒である。

なお、このようにして固定部１の開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされた光学素子３ｂを再び光学素子３ａに戻すときの切換動作や更に光学素子３ｃへ切り換えるときの切換動作等も、上述と同様にして行うことが可能であることは述べるまでもない。

以上、本実施形態に係る、超音波振動子による切換機構によれば、光学式や磁気式等の電磁気的な位置決めセンサを必要とせずに、上述の超音波モータとその制御回路２７及びクリック機構１８等によって光学素子３ａ、３ｂ、又は３ｃを光軸Ｚ上に位置決めすることができる。

また、電磁気的なセンサを使用していないので、外部への電磁気ノイズの発生が無いことは勿論のこと、簡単な構成により切換機構を実現することができる。
さらに、外部への電磁気ノイズの発生が無いので、顕微鏡等の光学機器を用いた電気生理学実験や長時間蛍光観察等に使用された場合に、その実験や観察等に影響を及ぼすこともない。

また、クリック機構１８におけるクリック力量を小さくしても、ベアリング１７をクリック溝１３ａ、１３ｂ、又は１３ｃに容易に呼び込むことができるため、クリック機構１８の摩耗を小さくすることができ、信頼性を向上させることもできる。
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構も、例えば顕微鏡等の光学機器に使用されるものである。

図７は、本実施形態に係る切換機構の構成例を示す上面図である。図８は、図７に示した切換機構における摺動部の側面図である。図９は、図７に示した切換機構における摺動部の一部である位置決め部を拡大した一部拡大図である。

なお、本実施形態に係る切換機構の説明においては、第１及び第２の実施形態に係る切換機構と同一の構成要素については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図７乃至９に示したように、本実施形態に係る切換機構は、固定部１に対する移動部２の位置決め機構として、摺動部材９の摺動面の３ヶ所に位置決め部１９ａ、１９ｂ、１９ｃが設けられている。位置決め部１９ａ、１９ｂ、１９ｃの各々は、移動方向に沿って平行に形成された３つの溝形状部を有し、移動方向長さが駆動子７ａから７ｂまでの長さ（但し駆動子７ａ、７ｂの長さも含む）と同じである。なお、位置決め部１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、固定部１に対する移動部２の移動負荷を変動させる負荷変動手段の一例である。

上述の位置決め機構では、振動体６に所定の電圧が印加されて移動部２が移動し、駆動子７ａと７ｂの両方と位置決め部１９ａ、１９ｂ、又は１９ｃとが接触したときに、光学素子３ａ、３ｂ、又は３ｃが固定部１に設けられた開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされるようになっている。

なお、このような構成により、振動体６に所定の電圧が印加されて移動部２が移動すると、駆動子７ａ、７ｂと位置決め部１９ａ、１９ｂ、１９ｃとの位置関係によって、駆動子７ａ、７ｂと摺動部材９との間の摺動抵抗が変化する。例えば、駆動子７ａ、７ｂの両方（駆動子７ａ、７ｂの両方の摺動部材９との接触面の全部）が位置決め部１９ａ、１９ｂ、又は１９ｃと接触する位置にあるときは、駆動子７ａ、７ｂと位置決め部１９ａ、１９ｂ、又は１９ｃとの接触面積が最大となることから、摺動抵抗の値はピーク値となる。

次に、本実施形態に係る切換機構の動作を説明する。
図１０は、その動作の一例を示すフローチャートである。
なお、本フローでは、一例として、図７に示したように固定部１に設けられた開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされている光学素子３ａを光学素子３ｂに切り換えるときの動作を説明する。

また、本フローでは、駆動子７ａ、７ｂの両方（駆動子７ａ、７ｂの両方の摺動部材９との接触面の全部）が位置決め部１９ａ、１９ｂ、又は１９ｃと接触する位置にあるときの検出回路２９の検出信号をＳ６とする。また、駆動子７ｂのみ（駆動子７ｂのみの摺動部材９との接触面の全部）が位置決め部１９ａ又は１９ｂと接触する位置にあるときの検出回路２９の検出信号をＳ７とする。また、駆動子７ａのみ（駆動子７ａのみの摺動部材９との接触面の全部）が位置決め部１９ｂ又は１９ｃと接触する位置にあるときの検出回路２９の検出信号をＳ８とする。また、駆動子７ａ、７ｂの両方が位置決め部１９ａ、１９ｂ、又は１９ｃと接触しない位置にあるときの検出回路２９の検出信号をＳ９とする。なお、上述の検出信号Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、及びＳ９は、事前に移動部２を移動させ、実測値として制御回路２７に記録しておくことが可能である。

図１０に示したフローにおいて、まず制御回路２７が移動部２を図７の下方向へ移動させるための駆動信号（指令）を駆動回路２８に出力すると、駆動回路２８は、その駆動信号に応じた電圧を振動体６に印加し、振動体６は縦振動及び屈曲振動を開始する（Ｓ３１）。これにより、上述の楕円振動が振動体６に生じ、移動部２が図７の下方向へ移動を開始する。そして、駆動子７ａと位置決め部１９ａとの接触が無くなり駆動子７ｂのみが位置決め部１９ａと接触する位置に移動部２が移動したとき、制御回路２７は、検出回路２９から上述の検出信号Ｓ７を検出する（Ｓ３２）。その後、駆動子７ｂと位置決め部１９ａとの接触も無くなる位置（すなわち、駆動子７ａ、７ｂの両方と位置決め部１９ａとの接触が無くなる位置）に移動部２が更に移動すると、制御回路２７は検出回路２９から上述の検出信号Ｓ９を検出する（Ｓ３３）。その後、駆動子７ａのみが位置決め部１９ｂと接触する位置に移動部２が更に移動すると、制御回路２７は検出回路２９から上述の検出信号Ｓ８を検出する（Ｓ３４）。

このようにして検出信号Ｓ８（少なくとも検出信号Ｓ９から検出信号Ｓ８への変化）を検出すると、制御回路２７は、振動体６の縦振動を徐々に減少させるための駆動信号（指令）を駆動回路２８に出力し、駆動回路２８は、その駆動信号に応じた電圧を振動体６に印加する。これにより、振動体６の縦振動が徐々に減少する（Ｓ３５）。

その後、駆動子７ａ、７ｂの両方が位置決め部１９ｂと接触する位置に移動部２が更に移動すると、制御回路２７は検出回路２９から上述の検出信号Ｓ６を検出する（Ｓ３６）。

このようにして検出信号Ｓ６（少なくとも検出信号Ｓ８から検出信号Ｓ６への変化）を検出すると、制御回路２７は、振動体６の縦振動と屈曲振動の両方を停止させるための駆動信号（指令）を駆動回路２８に出力し、駆動回路２８は、その駆動信号に応じた電圧を振動体６に印加する。これにより、振動体６の縦振動と屈曲振動の両方が停止して（Ｓ３７）、移動部２の位置決めが完了し（Ｓ３８）、固定部１に設けられた開口部１ｂの光軸Ｚに位置決めされていた光学素子３ａが光学素子３ｂに切り換えられる。このように、移動部２が減速させられた状態で停止させられるため、光軸Ｚへの光学素子３ｂの位置決め精度を向上させることができる。

以上、本実施形態に係る、超音波振動子による切換機構によれば、光学式や磁気式等の電磁気的な位置決めセンサを必要とせずに、上述の超音波モータとその制御回路２７及び位置決め部１９ａ、１９ｂ、１９ｃ等によって光学素子３ａ、３ｂ、又は３ｃを光軸Ｚ上に位置決めすることができる。

また、第１の実施形態で説明した当接部や第２の実施形態で説明したクリック機構を必要とすることなく位置決めすることができるので、より省スペース化が可能となる。
なお、本実施形態に係る切換機構において、摺動部材９の摺動面に設けられている位置
決め部１９ａ、１９ｂ、１９ｃの形状は溝形状に限らず、例えば凹凸形状など、駆動子７ａ、７ｂとの間で摺動抵抗を変化させる形状であれば、いずれの形状であってもよい。

以上、第１乃至３の実施形態に係る切換機構を説明してきたが、各切換機構は各種の変形が可能である。例えば、第２の実施形態に係る切換機構において、固定部１に対する移動部２の移動機構を回転機構に変形することも可能である。

図１１は、その第２の実施形態に係る切換機構の変形例を示す上面図である。
同図に示したように、本変形例に係る切換機構は、回転機構により光学素子を切り換えるものであって、固定部２０と、図示しないベアリングの回転軸２１と、移動部でもある回転部２３とを有する。回転軸２１は、固定部２０と回転部２３との間に配置され、回転部２３は、固定部２０に対して回動可能に構成されている。回転部２３には３つの光学素子２４ａ、２４ｂ、２４ｃが配置されている。なお、光学素子２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、レンズ、プリズム、又はフィルタ等の光学素子である。

また、切換機構は、固定部２０に対する回転部２３の位置決め機構として、上述の３つの光学素子２４ａ、２４ｂ、２４ｃに対応して３つのクリック溝２５ａ、２５ｂ、２５ｃが回転部２３に設けられていると共に、固定部２０には、上述の機械的なクリック機構１８が設けられている。

上述の位置決め機構では、回転部２３のクリック溝２５ａ、２５ｂ、又は２５ｃにクリック機構１８のベアリング１７が落ち込むことによって、光学素子２４ａ、２４ｂ、又は２４ｃが固定部２０に設けられた開口部の光軸Ｚに位置決めされるようになっている。

また、切換機構において、回転部２３の円周部には摺動体２６が配置され、超音波モータは１２０°の角度間隔で固定部２０の３ヶ所に配置されている。なお、超音波モータの構成は、第２の実施形態の説明で述べたものと概ね同じであるが、駆動子７ａ、７ｂの端面が半円の円柱形状を有している点のみが異なり、その端面が摺動体２６と接触するようになっている。各超音波モータは、その保持部８の薄板バネ部８ａと厚肉部８ｂによって振動体６を介して駆動子７ａ、７ｂが回転軸２１の中心方向に与圧がかけられた状態で摺動体２６に接して固定部２０に固定されている。また、３つの超音波モータの振動体６は、駆動回路２８からの駆動信号（電圧）が信号線１２、３３、３４を介してそれぞれ与えられる。但し、３つの超音波モータのうちの一つの振動体６のみから、信号線３２を介して、屈曲振動と縦振動の位相、共振周波数、振幅、及びインピーダンスのシフトのいずれかの電気特性を検出回路２９によって検出することができるようになっている。

このような構成の切換機構においても、上述の第２の実施形態に係る切換機構と同様の動作を行うことが可能である。
このような構成の切換機構によれば、回転機構を採用した場合であっても、第２の実施形態に係る切換機構と同様に位置決めすることができる。また、同様に、電磁気的なセンサを使用していないので、外部への電磁気ノイズの発生が無いことは勿論のこと、簡単な構成により切換機構を実現することができる。さらに、超音波モータは、ユニット化されているので、直動機構や回転機構などの移動機構の構成に左右されず、様々なタイプの移動機構に対して容易に適用することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良及び変更を行っても良いのはもちろんである。

本発明の第１の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構の構成例を示す上面図である。図１に示した切換機構のＡ−Ａ´断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構の動作の一例を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構の構成例を示す上面図である。図４に示した切換機構のＢ−Ｂ´断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構の動作の一例を示すフローチャートである。本発明の第３の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構の構成例を示す上面図である。図７に示した切換機構における摺動部の側面図である。図７に示した切換機構における摺動部の一部である位置決め部を拡大した一部拡大図である。本発明の第３の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構の動作の一例を示すフローチャートである。本発明の第２の実施の形態に係る、超音波振動子による切換機構の変形例を示す上面図である。

符号の説明

１固定部
１ａガイド溝
１ｂ開口部
１ｃ、１ｄ当接部
２移動部
２ａ、２ｂガイド溝
２ｃ、２ｄ当接面
３ａ、３ｂ、３ｃ光学素子
４ガイド部
４ａガイド溝
５ａ、５ｂボール部
６振動体
７ａ、７ｂ駆動子
８保持部材
８ａ薄板バネ部
８ｂ厚肉部
９摺動部材
１０ａ、１０ｂネジ
１１ａ、１１ｂ長穴
１２信号線
１３ａ、１３ｂ、１３ｃクリック溝
１５板バネ
１６軸
１７ベアリング
１８クリック機構
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ位置決め部
２０固定部
２１回転軸
２３回転部
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ光学素子
２５ａ、２５ｂ、２５ｃクリック溝
２６摺動体
２７制御回路
２８駆動回路
２９検出回路
３０、３１、３２、３３、３４信号線

Claims

固定部と、
前記固定部に対して少なくとも１ヶ所以上に位置決めされる移動部と、
縦振動と屈曲振動との合成による楕円振動により前記移動部を前記固定部に対して移動させる超音波振動子と、
前記超音波振動子に駆動信号を与える駆動手段と、
前記固定部に対する前記移動部の移動負荷を変動させる負荷変動手段と、
前記負荷変動手段による負荷変動を検出する負荷変動検出手段と、
前記負荷変動検出手段の検出信号に基づいて前記駆動手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記負荷変動検出手段が所定の負荷変動を検出したときに、前記超音波振動子の縦振動を減少させた後に前記超音波振動子の縦振動と屈曲振動の両方を停止させるように前記制御手段が前記駆動手段を制御することにより、前記移動部が位置決めされる、
ことを特徴とする超音波振動子による切換機構。
前記負荷変動手段は、前記固定部に設けられた、前記移動部が当て付けられる当接部であり、
前記負荷変動検出手段が所定の負荷変動を検出したときに、前記超音波振動子の縦振動を所定時間減少させた後に前記超音波振動子の縦振動と屈曲振動の両方を停止させるように前記制御手段が前記駆動手段を制御することにより、前記移動部が位置決めされる、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波振動子による切換機構。
前記負荷変動手段は、機械的なクリック機構であり、
前記負荷変動検出手段が所定の負荷変動を検出したときに、前記超音波振動子の縦振動を所定時間停止させた後に前記超音波振動子の屈曲振動を停止させるように前記制御手段が前記駆動手段を制御することにより、前記移動部が位置決めされる、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波振動子による切換機構。
前記負荷変動手段は、前記超音波振動子の駆動子と摺動する前記移動部の摺動面に設けられた溝形状部又は凹凸形状部であり、
前記負荷変動検出手段が所定の第１の負荷変動を検出したときに前記超音波振動子の縦振動を減少させた後に前記負荷変動手段が所定の第２の負荷変動を検出したときに前記超音波振動子の縦振動と屈曲振動の両方を停止させるように前記制御手段が前記駆動手段を制御することにより、前記移動部が位置決めされる、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波振動子による切換機構。
前記負荷変動検出手段は、前記超音波振動子の振動振幅、共振周波数、位相、又はインピーダンスを検出することにより、前記負荷変動手段による負荷変動を検出する、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の超音波振動子による切換機構。