JP6546464B2 - 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

振動波モータを用いたリニア駆動装置及び光学装置 Download PDF

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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、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、小型振動子を用いた超音波モータが開示されている。又、超音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。例えば、特許文献2に開示された超音波モータでは、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、転動部が挟持されている。
特開2012−16107号公報 特開2014−212682号公報
特許文献2の超音波モータの小型化と簡素化とを図るために、図16に示すような、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に嵌合する摺動穴400aを移動部材400に形成した摺動構造がある。そして、この摺動構造は、案内軸600と摺動穴400aとで移動部材400を摺動案内している。この構造では、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が図れる。しかし、この構成では、振動子に付与する押圧力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が、案内軸600と摺動穴400aとにおける抗力(紙面垂直方向)になるため摩擦力が増大し、超音波モータの駆動力を低下させるという課題が生じる。
そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、振動波モータの駆動力を低下させることなく、振動波モータを小型化及び簡素化することを可能とし、このような振動波モータを用いた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、振動子に対向して固定された摩擦部材と、振動子と摩擦部材との間に加圧力を付与する加圧部材と、所定の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摺動案内する案内部材と、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、振動子が摩擦部材から受ける加圧接触力の方向と、当接部位が付勢部材から受ける付勢接触力の方向とが平行かつ反対方向であり、付勢接触力の分布荷重の荷重中心が、振動子の範囲内にあることを特徴としている。
本発明によれば、振動波モータの駆動力を低下させることなく、移動部材の案内手段の小型化及び簡素化が可能な摺動案内を備えた、振動波モータ及び当該振動波モータを用いたリニア駆動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10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)乃至(d)本発明の実施形態の振動波モータ10に伝達部材18と付勢部材19とが取り付けられた図である。 (a)、(b)本発明の第1の実施例の振動波モータ11の分解斜視図である。 (a)乃至(e)本発明の第1の実施例の効果を示す図である。 (a)、(b)本発明の第2の実施例の振動波モータ21の分解斜視図である。 (a)乃至(e)本発明の第2の実施例の効果を示す図である。 (a)、(b)本発明の第3の実施例の振動波モータ31の分解斜視図である。 (a)乃至(e)本発明の第3の実施例の効果を示す図である。 (a)、(b)本発明の第4の実施例の振動波モータ41の分解斜視図である。 (a)乃至(e)本発明の第4の実施例の効果を示す図である。 (a)、(b)本発明の第5の実施例の振動波モータ51の分解斜視図である。 (a)乃至(e)本発明の第5の実施例の効果を示す図である。 (a)乃至(c)本発明の別の実施例を示す図である。 本発明を応用した別の実施形態のリニア駆動装置の図である。 従来技術の案内軸600による案内方法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)10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10の振動子1の移動方向をX方向とし、加圧部材3の加圧方向を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10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10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、完成し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レンズ枠であって、案内軸15に案内され、振動波モータ10の駆動力が出力されることによって、移動部材4の移動方向Xに往復移動可能となっている。本実施形態では、被駆動体17が撮影装置に用いられるレンズ枠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、レンズ枠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に支持される。伝達部材18は、移動部材4の当接部位4dに当接するように付勢部材19と共に組み付けられる。振動波モータ10を用いたリニア駆動装置は、図1(b)に示す完成した状態で、駆動源である後述の振動子1から、結合部材5、移動部材4、当接部位4d、伝達部材18、被駆動体17の順に駆動力が伝達され、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4の当接部位4d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Y方向から見た断面図である。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4の当接部位4dと当接し、移動部材4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4d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、本実施形態は、伝達部材18側に凹形状が、当接部位4d側に凸形状が形成された例であるが、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に付勢力を作用させ、伝達部材18と当接部位4dの間に付勢接触力FBを付与している。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、付勢接触力FB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による付勢接触力FB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4d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る振動波モータ10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10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)は図3(a)の切断線(b)−(b)における断面図、図3(c)は図3(a)の切断線(c)−(c)における断面図、図3(d)は斜視図である。
図3(a)において、後述の振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FA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、加圧接触力FA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、加圧接触力FA及び付勢接触力FBの作用状態が示されている。それぞれの荷重中心Aと荷重中心Bとが一致していれば、移動方向Xに略直交するY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軸周りの偶力V2も0とすることができる。なお、図示されている荷重中心Aと荷重中心Bの位置は、誇張して示されている。
(第1の実施例)
本発明の実施形態のリニア駆動装置に用いられる、第1の実施例の振動波モータ11の構成について説明する。図4(a)、(b)は、振動波モータ11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。
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。突起部1bと板部1aとは、一体的に成形する構成、又は別部品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)を発生させる。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。第1の実施例では、突起部1bを2個有する例が示されているが、突起部1bの数は、所望の駆動力により選択可能である。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ており、固定部材8に固定される。第1の実施例は、摩擦部材2の形状を板状とする例であるが、当該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内で、金属やセラミック等の材質も選択可能である。
加圧部材13は、4つの圧縮ばねであって、加圧部材13の下端部が加圧板12に当接し、フエルト7を介して、振動子1に加圧力fを図示の方向に付与する。フエルト7は、振動を減衰させないために設けられている。加圧板12は、圧電素子1cの全体に加圧力fを付与するために設けられている。第1の実施例は、加圧部材13を圧縮ばねとする例であるが、加圧部材13をねじりコイルばね、引張ばね、板ばね等とする選択も可能であり、その個数も加圧部材13の加圧力fの合計が適正であれば自由に選択可能である。又、第1の実施例ではXY平面への投影において、加圧部材13の存在する領域が振動子1の存在する領域と重複する構成となっている。
移動部材14は、振動子1の移動方向Xに移動可能であって、加圧部材13の上端部を保持する。又、後述する案内部材6と嵌合するための穴である摺動部位14a、14b、14cと伝達部材18が当接する当接部位14dとを有している。摺動部位14a、14b、14c及び当接部位14dは、移動部材14に一体的に成形する構成、又は別部品として組み付ける構成が選択可能である。
結合部材5は、第1結合部5aで振動子1に結合され、又、第2結合部5bで移動部材14に結合されることによって、振動子1と移動部材14とを結合し、振動子1と移動部材14とを同期して移動させることができる。結合部材5は、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FA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14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結合部5aにより振動子1に結合される際に、結合部材5は、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固定される。又、第2結合部5bにより移動部材14に結合される際に、結合部材5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。第1の実施例では、結合部材5は、枠状の形状をした1つの部材で構成された例であるが、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。
案内部材6は、移動部材14をX方向に摺動案内する丸棒である。案内部材6は移動部材14の摺動部位14a、14b、14cに嵌合し、転動ボール等を設けることのない摺動案内である。第1の実施例は、丸棒とする例であるが、角棒や板材でも摺動部位14a、14b、14cの形状を対応させれば選択可能である。
固定部材8は、図示されていない固定部に支持され、図示のX1方向に組み立てられ、案内部材6を4つの穴8aで嵌合保持する。そして、摩擦部材2が固定部材8にビス9で締結固定される。案内部材6の保持方法や摩擦部材2の固定方法は任意の方法が選択可能である。
次に、第1の実施例の振動波モータ11の内部で生じている力について説明する。図5(a)、(c)は、移動部材14と伝達部材18の当接部分の近傍の断面図であり、図5(b)、(d)は、XY平面における部分拡大図であり、図5(e)は、斜視図である。振動子1、フエルト7、加圧板12、加圧部材13、移動部材14、伝達部材18、付勢部材19がX方向に移動する部品群であり、摩擦部材2、案内部材6が固定された部品群である。
まず、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAについて説明する。図5(a)のとおり、加圧部材13は、加圧力fを図示の方向に生じさせ、加圧板12及びフエルト7を介して、振動子1を摩擦部材2に加圧する。そして、加圧力fの反力が生じ、振動子1が摩擦部材2から反力を受ける。すなわち、移動する振動子1と固定された摩擦部材2の加圧接触力FAが発生する。又、図5(b)のとおり、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAの分布荷重の領域は、振動子1の突起部1bの投影である領域N1、N2であり、その荷重中心Aとなることは前述のとおりである。
次に、伝達部材18と当接部位14dの付勢接触力FBについて説明する。図5(c)のとおり、付勢部材19が付勢力を生じ、それによって伝達部材18は付勢され当接部位14dに当接する。この結果、移動する伝達部材18と当接部位14dの間に図示の方向の付勢接触力FBが発生する。又、図5(d)のとおり、伝達部材18と当接部位14dの付勢接触力FBの分布荷重の領域は、伝達部材18の凹部18aと当接部位14dの接触領域の投影である領域M1、M2であり、その荷重中心Bとなることは前述のとおりである。
ここで、振動子1は、加圧板12とフエルト7を介して加圧部材13から加圧力fを受け、移動部材14は、加圧部材13から直接加圧力fと反対方向の力を受けているが、振動子1は、摩擦部材2に接触し、移動部材14の位置は、案内部材6に規制されている。従って、振動子1、フエルト7、加圧板12、加圧部材13、移動部材14の5部品を一体と考えた場合に、それに作用する外力はつり合っているはずである。(上記の5部品を一体と考えたものを、以下「移動体」と称する。)
図5(c)のとおり、移動体は、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAと、伝達部材18と当接部位14dの付勢接触力FBを受け、それぞれの荷重中心A及びBに作用する力の方向は反対方向である。そして、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが等しく、かつ、荷重中心A及びBがXY平面への投影において一致している場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBだけで移動体はつり合うことができ、案内部材6との間に抗力FRは発生しない。もし、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが異なる場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBだけでは移動体はつり合うことができない。この場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBに加えて、移動体と案内部材6との間に加圧接触力FAと付勢接触力FBの差に相当する抗力FRが図示の方向のいずれかに発生して、移動体はつり合うことができる。
以下、第1の実施例の特徴について説明する。本実施例の第1の特徴は、図5(b)、(d)、(e)に示されるように、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bとが、移動方向Xと加圧接触力FAの方向Zとに直行する方向Yの直線Lに整列していることである。更に、本実施例の第2の特徴は、図5(a)、(c)、(e)のとおり、加圧接触力FAの方向と付勢接触力FBの方向とが平行かつ反対方向であることである。
第1の特徴により移動体には、図5(e)に示されるY軸周りの偶力V1が発生しないので、移動体がY軸周りに傾くことなく、高い位置精度で往復運動することができる。又、第2の特徴により、移動部材14と案内部材6で発生する抗力FRは、加圧接触力FAと付勢接触力FBとの差となり、抗力FRが低減され、摩擦力が低減され、振動波モータ11の駆動力の低下を防止できる。更に、加圧接触力FAと付勢接触力FBをほぼ等しくすれば、抗力FRは更に低減でき、摩擦力も更に低減できるので、振動波モータ11の駆動力の低下を更に防止できる。この結果、案内方法を摺動案内による方法としても、振動波モータ11の駆動力の低下が引き起こされることがない。
以上、第1の実施例の振動波モータ11を用いたリニア駆動装置は、振動波モータ11の駆動力を低下させることなく、移動部材14の案内方法を小型化と簡素化が可能な摺動案内とすることができる。第1の実施例では、図5(b)、(d)に示すとおり、XY平面への投影において、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが振動子1の範囲内にある。更に、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが移動方向Xと加圧接触力FAの方向Zに直交する方向Yの直線Lに整列し、荷重中心Aと荷重中心Bとが略一致している。この場合、図5(e)に示される偶力V2がほぼ発生しないので、加圧接触力FAと付勢接触力FBとをほぼ等しくすれば、抗力FR、摩擦力及び振動波モータ11の駆動力の低下をほぼ0にできるという効果が得られる。
(第2の実施例)
本発明の実施形態のリニア駆動装置に用いられる、第2の実施例の振動波モータ21の構成について説明する。図6(a)、(b)は、振動波モータ21の分解斜視図であり、図6(a)はZ方向上方から、図6(b)はZ方向下方から見た図である。振動子1と摩擦部材2は、第1の実施例と同様である。ただし、本実施例では摩擦部材2は、加圧板22にビス9で固定される。加圧板22には軸22aが設けられており、直線L22を回動中心として図示のR方向に回動可能である。
加圧部材23は、2つの圧縮ばねであって、加圧部材23の下端部が固定部材8に支持され、上端部が加圧板22に支持されるように組み付けられて、加圧板22に作用し、振動子1と摩擦部材2の間に加圧力fを図示の方向に付与する。移動部材24は、移動方向Xに移動可能であって、フエルト7を介して支持部位24eで振動子1を支持する。又、案内部材6と嵌合する穴である摺動部位24a、24b、24cと伝達部材18が当接する当接部位24dとを有している。結合部材5と案内部材6は、第1の実施例と同様である。固定部材8は、図示されていない固定部に支持され、図示のX1方向に組み付けられ、案内部材6と加圧板22を穴8aで嵌合保持する。以上の各部品について、他の形態が選択可能であることは、第1の実施例と同様である。そして、第2の実施例のリニア駆動装置に用いる振動波モータ21が被駆動体17に駆動力を伝達する伝達部材18と付勢部材19は、第1の実施例と同等であるので、説明は省略する。
次に、第2の実施例の振動波モータ21の内部で生じている力について説明する。図7(a)、(c)は、移動部材24と伝達部材18の当接部分の近傍の断面図であり、図7(b)、(d)は、XY平面における部分拡大図であり、図7(e)は、斜視図である。振動子1、フエルト7、移動部材24、伝達部材18、付勢部材19が移動方向Xに移動する部品群であり、摩擦部材2、加圧部材23、案内部材6、加圧板22が固定された部品群である。
まず、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAについて説明する。図7(a)のとおり、加圧部材23は、加圧力fを図示の方向に生じさせ、加圧板22を加圧し、且つ加圧板22を軸22a周りに図示R方向に偶力を発生させるように作用している。そして、振動子1が摩擦部材2から加圧接触力FAを図示の方向に受ける。すなわち、移動する振動子1と固定された摩擦部材2の加圧接触力FAが発生する。又、図7(b)のとおり、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAの分布荷重の領域N1、N2は、振動子1の突起部1bの投影領域であり、その荷重中心Aは、第1の実施例と同様である。
次に、伝達部材18と当接部位24dの付勢接触力FBについて説明する。図7(c)のとおり、付勢部材19が付勢力を生じ、それによって伝達部材18は付勢され当接部位24dに当接する。この結果、移動する伝達部材18と当接部位24dの間に図示の方向の付勢接触力FBが発生する。又、図7(d)のとおり、伝達部材18と当接部位24dの付勢接触力FBの分布荷重の領域は、伝達部材18の凹部18aと当接部位24dの接触領域の投影である領域M1、M2であり、その荷重中心Bは、第1の実施例と同様である。
ここで、振動子1は、加圧板22と摩擦部材2を介して加圧接触力FAを受け、移動部材24は、フエルト7から直接加圧接触力FAを受けているが、振動子1は、摩擦部材2に接触し、移動部材24の位置は、案内部材6によって規制されている。従って、振動子1、フエルト7、移動部材24の3部品を一体と考えた場合に、それに作用する外力はつり合っているはずである。(上記の3部品を一体と考えたものを、以下「移動体」と称する。)
図7(c)のとおり、移動体は、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAと、伝達部材18と当接部位24dの付勢接触力FBを受け、それぞれの荷重中心A及びBに作用する力の方向は反対方向である。そして、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが等しく、かつ、荷重中心AとBがXY平面への投影において一致している場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBだけで移動体はつり合うことができ、案内部材6との間に抗力FRは発生しない。もし、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが異なる場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBだけでは移動体はつり合うことができない。この場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBに加えて、移動体と案内部材6との間に加圧接触力FAと付勢接触力FBの差に相当する抗力FRが図示の方向のいずれかに発生して、移動体はつり合うことができる。
以下、第2の実施例の特徴について説明する。第2の実施例の構成の特徴は、第1の実施例における第1及び第2の特徴と同様である。従って、移動体には、図7(e)に示されるY軸周りの偶力V1が発生しないので、移動体がY軸周りに傾くことなく、高い位置精度で往復運動することができる。又、移動部材24と案内部材6で発生する抗力FRは、加圧接触力FAと付勢接触力FBとの差となり、抗力FRが低減され、摩擦力が低減され、振動波モータ21の駆動力の低下を防止できる。更に、加圧接触力FAと付勢接触力FBをほぼ等しくすれば、抗力FRは更に低減でき、摩擦力も更に低減できるので、振動波モータ21の駆動力の低下を更に防止できる。この結果、案内方法を摺動案内による方法としても、振動波モータ21の駆動力の低下が引き起こされることがない。
以上、第2の実施例の振動波モータ21を用いたリニア駆動装置は、振動波モータ21の駆動力を低下させることなく、移動部材24の案内方法を小型化と簡素化が可能な摺動案内とすることができる。第2の実施例では、図7(b)、(d)に示すとおり、XY平面への投影において、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが振動子1の範囲内にある。更に、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが移動方向Xと加圧接触力FAの方向Zに直交する方向Yの直線Lに整列し、荷重中心Aと荷重中心Bとが略一致している。この場合、図7(e)に示される偶力V2がほぼ発生しないので、加圧接触力FAと付勢接触力FBとをほぼ等しくすれば、抗力FR、摩擦力及び振動波モータ21の駆動力の低下をほぼ0にできるという効果が得られる。
(第3の実施例)
本発明の実施形態のリニア駆動装置に用いられる、第3の実施例の振動波モータ31の構成について説明する。図8(a)、(b)は、振動波モータ31の分解斜視図であり、図8(a)はZ方向上方から、図8(b)はZ方向下方から見た図である。振動子1と摩擦部材2は、第1の実施例と同様である。
加圧部材33は、4つの圧縮ばねであって、加圧部材33の下端部が加圧板32に当接し、フエルト7を介して、振動子1に加圧力fを図示の方向に付与する。移動部材34は、移動方向Xに移動可能であって、加圧部材33の上端部を保持する。又、案内部材6と嵌合するための穴である摺動部位34a、34b、34cと伝達部材18が当接する当接部位34dとを有している。結合部材5と案内部材6と固定部材8は第1の実施例と同様である。以上の各部品について、他の形態が選択可能であることは、第1の実施例と同様である。そして、第3の実施例のリニア駆動装置に用いる振動波モータ31が被駆動体17に駆動力を伝達する伝達部材18と付勢部材19は第1の実施例と同等であるので、説明は省略する。
次に、第3の実施例の振動波モータ31の内部で生じている力について説明する。図9(a)、(c)は、移動部材34と伝達部材18の当接部分の近傍の断面図であり、図9(b)、(d)は、XY平面における部分拡大図であり、図9(e)は、斜視図である。振動子1、フエルト7、加圧板32、加圧部材33、移動部材34、伝達部材18、付勢部材19が移動方向Xに移動する部品群であり、摩擦部材2、案内部材6が固定された部品群である。
まず、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAについて説明する。図9(a)のとおり、加圧部材33は、加圧力fを図示の方向に生じさせ、加圧板32及びフエルト7を介して、振動子1を摩擦部材2に加圧する。そして、加圧力fの反力が生じ、振動子1が摩擦部材2から反力を受ける。すなわち、移動する振動子1と固定された摩擦部材2の加圧接触力FAが発生する。又、図9(b)のとおり、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAの分布荷重の領域N1、N2は、振動子1の突起部1bの投影領域であり、その荷重中心Aは、第1の実施例と同様である。
次に、伝達部材18と当接部位34dの付勢接触力FBについて説明する。図9(c)のとおり、付勢部材19が付勢力を生じ、それによって伝達部材18は付勢され当接部位34dに当接する。この結果、移動する伝達部材18と当接部位34dの間に図示の方向の付勢接触力FBが発生する。又、図9(d)のとおり、伝達部材18と当接部位34dの付勢接触力FBの分布荷重の領域は、伝達部材18の凹部18aと当接部位34dの接触領域の投影である領域M1、M2であり、その荷重中心Bは、第1の実施例と同様である。
ここで、振動子1は、加圧板32とフエルト7を介して加圧部材33から加圧力fを受け、移動部材34は、加圧部材33から直接加圧力fと反対方向の力を受けているが、振動子1は摩擦部材2に接触し、移動部材34の位置は、案内部材6に規制されている。従って、振動子1、フエルト7、加圧板32、加圧部材33、移動部材34の5部品を一体と考えた場合に、それに作用する外力はつり合っているはずである。(上記の5部品を一体と考えたものを、以下「移動体」と称する。)
図9(c)のとおり、移動体は、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAと、伝達部材18と当接部位34dの付勢接触力FBを受け、それぞれの荷重中心A及びBに作用する力の方向は反対方向である。そして、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが等しく、かつ、荷重中心A及びBがXY平面への投影において一致している場合は、加圧接触力と付勢接触力FBだけで移動体はつり合うことができ、案内部材6との間に抗力FRは発生しない。もし、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが異なる場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBだけでは移動体はつり合うことができない。この場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBに加えて、移動体と案内部材6との間に加圧接触力FAと付勢接触力FBの差に相当する抗力FRが図示の方向のいずれかに発生して、移動体はつり合うことができる。
以下、第3の実施例の特徴について説明する。第3の実施例の構成の特徴は、第1の実施例における第1及び第2の特徴と同様である。従って、移動体には、図9(e)に示されるY軸周りの偶力V1が発生しないので、移動体がY軸周りに傾くことなく、高い位置精度で往復運動することができる。又、移動部材34と案内部材6で発生する抗力FRは、加圧接触力FAと付勢接触力FBとの差となり、抗力FRが低減され、摩擦力が低減され、振動波モータ31の駆動力の低下を防止できる。更に、加圧接触力FAと付勢接触力FBとをほぼ等しくすれば、抗力FRは更に低減でき、摩擦力も更に低減できるので、振動波モータ31の駆動力の低下を更に防止できる。この結果、案内方法を摺動案内による方法としても、振動波モータ31の駆動力の低下が引き起こされることがない。
以上、第3の実施例の振動波モータ31を用いたリニア駆動装置は、振動波モータ31の駆動力を低下させることなく、移動部材34の案内方法を小型化と簡素化が可能な摺動案内とすることができる。第3の実施例では、図9(b)、(d)に示すとおり、XY平面への投影において、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが振動子1の範囲内にある。更に、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが移動方向Xと加圧接触力FAの方向Zに直交する方向Yの直線Lに整列し、荷重中心Aと荷重中心Bとが略一致している。この場合、図9(e)に示される偶力V2がほぼ発生しないので、加圧接触力FAと付勢接触力FBとをほぼ等しくすれば、抗力FR、摩擦力及び振動波モータ31の駆動力の低下をほぼ0にできるという効果が得られる。
(第4の実施例)
本発明の実施形態のリニア駆動装置に用いられる、第4の実施例の振動波モータ41の構成について説明する。図10(a)、(b)は、振動波モータ41の分解斜視図であり、図10(a)はZ方向上方から、図10(b)はZ方向下方から見た図である。振動子1と摩擦部材2は、第1の実施例と同様である。
加圧部材43は、4つの圧縮ばねであって、加圧部材43の下端部が加圧板42に当接し、フエルト7を介して、振動子1に加圧力fを図示の方向に付与する。移動部材44は、移動方向Xに移動可能であって、加圧部材43の上端部を保持する。又、案内部材6と嵌合するための穴である摺動部位44a、44b、44cと伝達部材18が当接する当接部位44dとを有している。結合部材5と案内部材6と固定部材8は第1の実施例と同様である。以上の各部品について、他の形態が選択可能であることは、第1の実施例と同様である。
第4の実施例のリニア駆動装置に用いる振動波モータ41が被駆動体17に駆動力を伝達する伝達部材18と付勢部材19は、第1の実施例と同等であるので説明は省略する。第4の実施例では、第3の実施例と異なり、加圧部材43と案内部材6とがZ方向に重ねて配置されている。このように案内部材6と加圧部材43とをY方向に重ねて配置しないことによって、Y方向の小型化を図ることができる。
次に、第4の実施例の振動波モータ41の内部で生じている力について説明する。図11(a)、(c)は、移動部材44と伝達部材18の当接部分の近傍の断面図であり、図11(b)、(d)は、XY平面における部分拡大図であり、図11(e)は、斜視図である。振動子1、フエルト7、加圧板42、加圧部材43、移動部材44、伝達部材18、付勢部材19が移動方向Xに移動する部品群であり、摩擦部材2、案内部材6が固定された部品群である。
まず、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAについて説明する。図11(a)のとおり、加圧部材43は、加圧力fを図示の方向に生じさせ、加圧板42及びフエルト7を介して、振動子1を摩擦部材2に加圧する。そして、加圧力fの反力が生じ、振動子1が摩擦部材2から反力を受ける。すなわち、移動する振動子1と固定された摩擦部材2の加圧接触力FAが発生する。又、図11(b)のとおり、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAの分布荷重の領域N1、N2は、振動子1の突起部1bの投影領域であり、その荷重中心Aは、第1の実施例と同様である。
次に、伝達部材18と当接部位44dの付勢接触力FBについて説明する。図11(c)のとおり、付勢部材19が付勢力を生じ、それによって伝達部材18は付勢され当接部位44dに当接する。この結果、移動する伝達部材18と当接部位44dの間に図示の方向の付勢接触力FBが発生する。又、図11(d)のとおり、伝達部材18と当接部位44dの付勢接触力FBの分布荷重の領域は、伝達部材18の凹部18aと当接部位34dの接触領域の投影である領域M1、M2であり、その荷重中心Bは、第1の実施例と同様である。
ここで、振動子1は加圧板42とフエルト7を介して加圧部材43から加圧力fを受け、移動部材44は、加圧部材43から直接加圧力fと反対方向の力を受けているが、振動子1は摩擦部材2に接触し、移動部材44の位置は、案内部材6に規制されている。従って、振動子1、フエルト7、加圧板42、加圧部材43、移動部材44の5部品を一体と考えた場合に、それに作用する外力はつり合っているはずである。(上記の5部品を一体と考えたものを、以下「移動体」と称する。)
図11(c)のとおり、移動体は、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAと、伝達部材18と当接部位44dの付勢接触力FBを受け、それぞれの荷重中心A及びBに作用する力の方向は反対方向である。そして、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが等しく、かつ、荷重中心AとBがXY平面への投影において一致している場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBだけで移動体はつり合うことができ、案内部材6との間に抗力FRは発生しない。もし、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが異なる場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBだけでは移動体はつり合うことができない。この場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBに加えて、移動体と案内部材6との間に加圧接触力FAと付勢接触力FBの差に相当する抗力FRが図示の方向のいずれかに発生して、移動体はつり合うことができる。
以下、第4の実施例の特徴について説明する。第4の実施例の構成の特徴は、第1の実施例における第1及び第2の特徴と同様である。従って、移動体には、図11(e)に示されるY軸周りの偶力V1が発生しないので、移動体がY軸周りに傾くことなく、高い位置精度で往復運動することができる。又、移動部材44と案内部材6で発生する抗力FRは、加圧接触力FAと付勢接触力FBとの差となり、抗力FRが低減され、摩擦力が低減され、振動波モータ41の駆動力の低下を防止できる。更に、加圧接触力FAと付勢接触力FBをほぼ等しくすれば、抗力FRは更に低減でき、摩擦力も更に低減できるので、振動波モータ41の駆動力の低下を更に防止できる。この結果、案内方法を摺動案内による方法としても、振動波モータ41の駆動力の低下が引き起こされることがない。
以上、第4の実施例の振動波モータ41を用いたリニア駆動装置は、振動波モータ41の駆動力を低下させることなく、移動部材44の案内方法を小型化と簡素化が可能な摺動案内とすることができる。第4の実施例では、図11(b)、(d)に示すとおり、XY平面への投影において、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが振動子1の範囲内にある。更に、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが移動方向Xと加圧接触力FAの方向Zに直交する方向Yの直線Lに整列し、荷重中心Aと荷重中心Bとが略一致している。この場合、図11(e)に示される偶力V2がほぼ発生しないので、加圧接触力FAと付勢接触力FBとをほぼ等しくすれば、抗力FR、摩擦力及び振動波モータ41の駆動力の低下をほぼ0にできるという効果が得られる。
(第5の実施例)
本発明の実施形態のリニア駆動装置に用いられる、第5の実施例の振動波モータ51の構成について説明する。図12(a)、(b)は、振動波モータ51の分解斜視図であり、図12(a)はZ方向上方から、図12(b)はZ方向下方から見た図である。振動子1と摩擦部材2は、第1の実施例と同様である。
加圧部材53は、2つの圧縮ばねであって、加圧部材53の下端部が加圧板52に当接し、フエルト7を介して、振動子1に加圧力fを図示の方向に付与する。加圧板52の係合部52aは、移動部材54の係合部54eと係合して回動支点となる。移動部材54は、移動方向Xに移動可能であって、加圧部材53の上端部を保持する。又、移動部材54は、案内部材6と嵌合するための穴である摺動部位54a、54b、54cと伝達部材18が当接する当接部位54dとを有している。結合部材5と案内部材6と固定部材8は第1の実施例と同様である。以上の各部品について、他の形態が選択可能であることは、第1の実施例と同様である。
第5の実施例のリニア駆動装置に用いる振動波モータ51が被駆動体17に駆動力を伝達する伝達部材18と付勢部材19は、第1の実施例と同等であるので説明は省略する。第5の実施例では、第1の実施例乃至第4の実施例と異なり、振動子1、摩擦部材2、当接部位54dが振動波モータ51のY方向の端部に配置されている。このように配置することにより、リニア駆動装置内における振動波モータ51のレイアウトの自由度が向上する。
次に、第5の実施例の振動波モータ51の内部で生じている力について説明する。図13(a)、(c)は、移動部材54と伝達部材18の当接部分の近傍の断面図であり、図13(b)、(d)は、XY平面における部分拡大図であり、図13(e)は、斜視図である。振動子1、フエルト7、加圧板52、加圧部材53、移動部材54、伝達部材18、付勢部材19が移動方向Xに移動する部品群であり、摩擦部材2、案内部材6が固定された部品群である。
まず、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAについて説明する。図13(a)のとおり、加圧部材53は、加圧力fを図示の方向に生じさせ、加圧板52及びフエルト7を介して振動子1を摩擦部材2に加圧する。更に、加圧部材53は、係合部52a周りに図示R方向に偶力を発生するように作用している。そして、加圧力fの反力が生じ、振動子1が摩擦部材2から反力を受ける。すなわち、移動する振動子1と固定された摩擦部材2の加圧接触力FAが発生する。又、図13(b)のとおり、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAの分布荷重の領域N1、N2は、振動子1の突起部1bの投影領域であり、その荷重中心Aは、第1の実施例と同様である。
次に、伝達部材18と当接部位54dの付勢接触力FBについて説明する。図13(c)のとおり、付勢部材19が付勢力を生じ、それによって伝達部材18は付勢され当接部位54dに当接する。この結果、移動する伝達部材18と当接部位54dの間に図示の方向の付勢接触力FBが発生する。又、図13(d)のとおり、伝達部材18と当接部位54dの付勢接触力FBの分布荷重の領域は、伝達部材18の凹部18aと当接部位54dの接触領域の投影である領域M1、M2であり、その荷重中心Bは、第1の実施例と同様である。
ここで、振動子1は加圧板52とフエルト7を介して加圧部材53から加圧接触力FAと反対方向の力を受け、移動部材54は、加圧部材53から直接加圧力fと反対方向の力を受けている。そして、振動子1は摩擦部材2に接触し、移動部材54の位置は、案内部材6に規制されている。従って、振動子1、フエルト7、加圧板52、加圧部材53、移動部材54の5部品を一体と考えた場合に、それに作用する外力はつり合っているはずである。(上記の5部品を一体と考えたものを、以下「移動体」と称する。)
図13(c)のとおり、移動体は、振動子1と摩擦部材2の加圧接触力FAと、伝達部材18と当接部位54dの付勢接触力FBを受け、それぞれの荷重中心A及びBに作用する力の方向は反対方向である。そして、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが等しく、かつ、荷重中心はAとBがXY平面への投影において一致している場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBだけで移動体はつり合うことができ、案内部材6との間に抗力FRは発生しない。もし、加圧接触力FAと付勢接触力FBの大きさが異なる場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBだけでは移動体はつり合うことができない。この場合は、加圧接触力FAと付勢接触力FBに加えて、移動体と案内部材6との間に加圧接触力FAと付勢接触力FBの差に相当する抗力FRが図示の方向のいずれかに発生して、移動体はつり合うことができる。
以下、第5の実施例の特徴について説明する。第5の実施例の構成の特徴は、第1の実施例の第1及び第2の特徴と同様である。従って、移動体に図13(e)に示されるX方向の偶力V1が発生しないので、移動体が移動方向Xの方向に傾くことなく、高い位置精度で往復運動することができる。又、移動部材54と案内部材6で発生する抗力FRは、加圧接触力FAと付勢接触力FBとの差となり、抗力FRが低減され、摩擦力が低減され、振動波モータ51の駆動力の低下を防止できる。更に、加圧接触力FAと付勢接触力FBをほぼ等しくすれば、抗力FRは更に低減でき、摩擦力も更に低減できるので、振動波モータ51の駆動力の低下を更に防止できる。この結果、案内方法を摺動案内による方法としても、振動波モータ51の駆動力の低下が引き起こされることがない。
以上、第5の実施例の振動波モータ51を用いたリニア駆動装置は、振動波モータ51の駆動力を低下させることなく、移動部材54の案内方法を小型化と簡素化が可能な摺動案内とすることができる。第5の実施例では、図13(b)、(d)に示すとおり、XY平面への投影において、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが振動子1の範囲内にある。更に、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが移動方向Xと加圧接触力FAの方向Zに直交する方向Yの直線Lに整列し、荷重中心Aと荷重中心Bとが略一致している。この場合、図13(e)に示される偶力V2がほぼ発生しないので、加圧接触力FAと付勢接触力FBとをほぼ等しくすれば、抗力FR、摩擦力及び振動波モータ51の駆動力の低下をほぼ0にできるという効果が得られる。
(第1の変形例)
第1の実施例乃至第5の実施例の第1の変形例を図14(a)、(b)に示す。図14(a)は、移動部材4と伝達部材18の当接部分の近傍の断面図であり、図14(b)は、XY平面における部分拡大図である。第1の変形例は、XY平面への投影において、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが、移動方向Xと加圧接触力FAの方向Zに直交する方向Yに整列するが、移動方向Xには整列していない。すなわち、荷重中心Aと荷重中心Bとは、一致しておらず、ある程度離間している。この離間の程度をずれ量D1とする。なお、ずれ量D1は誇張して図示されている。この構成の場合、ずれ量D1を小さくし、図示の方向の偶力V2の発生を非常に小さく設定すれば、抗力FRが低減され、摩擦力が低減され、振動波モータの駆動力の低下を防止できるという効果が得られる。又、偶力V2が存在することにより、案内部材6回りのがたつきを片側へ寄せることができるので、移動部材4の振動を軽減させ、装置の不要な振動や騒音を防止するという効果が得られる。
(第2の変形例)
更に、第1の実施例乃至第5の実施例の第2の変形例を図14(c)に示す。図14(c)は、XY平面における部分拡大図である。第2の変形例は、加圧接触力FAの方向Zに垂直なXY平面への投影において、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが振動子1の範囲内にあるが、移動方向Xにも直交する方向Yにも整列していない。ただし、荷重中心Aと荷重中心Bの直交する方向Yのずれ量D1、移動方向Xのずれ量D2は誇張して図示されている。この構成の場合、ずれ量D1及びD2を小さく設定すれば、抗力FRが低減され、摩擦力が低減され、振動波モータの駆動力の低下を軽減できる。このように、加圧接触力FAの分布荷重の荷重中心Aと付勢接触力FBの分布荷重の荷重中心Bが移動方向Xと直交する方向Yの一方もしくは両方に整列していない場合でも同様の効果がある。
(第3の変形例)
第1の実施例乃至第5の実施例の第3の変形例を図15に示す。図15は、振動波モータ10を用いたリニア駆動装置を用いた光学装置の図である。被駆動体27は、振動波モータ10の駆動力を出力する駆動対象である撮影装置等に用いられるレンズ枠であって、一方の案内孔27cが案内軸25に案内され、他方の案内孔27bが振動波モータ10の案内部材6に案内されていることが特徴である。又、支持部27aに伝達部材18が保持されている。この構成によれば部品が削減でき、装置の簡素化が図れ、かつ、振動波モータ10を被駆動体27が同じ案内部材6に案内されるので直進精度が向上するという効果が得られる。第3の変形例では、1つの案内部材6を共用したが、2つの案内部材6を共用することも可能である。第3の変形例において、その他の構成が選択可能であることは、第1の実施例と同様である。
1 振動子
1c 圧電素子
2 摩擦部材
3 加圧部材(13、23、33、43、53)
4 移動部材(14、24、34、44、54)
4d 当接部位(14d、24d、34d、44d、54d)
5 結合部材
6 案内部材
10 振動波モータ(11、21、31、41、51)
17 被駆動体
18 伝達部材
19 付勢部材
A、B 荷重中心
FA 加圧接触力
FB 付勢接触力
X 移動方向

Claims (7)

  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固定された摩擦部材と、
    前記振動子と前記摩擦部材との間に加圧力を付与する加圧部材と、
    所定の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摺動案内する案内部材と、
    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、
    前記振動子が前記摩擦部材から受ける加圧接触力の方向と、前記当接部位が前記付勢部材から受ける付勢接触力の方向とが平行かつ反対方向であり、
    前記付勢接触力の分布荷重の荷重中心が、前記振動子の範囲内にあることを特徴とする、リニア駆動装置。
  2. 前記加圧接触力の方向に垂直な平面において、
    前記加圧接触力の分布荷重の荷重中心と、前記付勢接触力の分布荷重の荷重中心とが、前記移動方向と前記加圧接触力の方向に直交する方向に整列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. 前記平面において、
    前記加圧接触力の分布荷重の荷重中心と前記付勢接触力の分布荷重の荷重中心とが略一致していることを特徴とする、請求項2に記載のリニア駆動装置。
  4. 前記移動方向と前記加圧接触力の方向に平行な平面への投影において、
    前記加圧部材の存在する領域が前記摩擦部材又は前記振動子の存在する領域と重複していることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のリニア駆動装置。
  5. 前記案内部材は、前記被駆動体を前記移動方向に案内することを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のリニア駆動装置。
  6. 前記振動波モータは、前記振動が超音波振動する超音波モータであることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか1項に記載のリニア駆動装置。
  7. 前記被駆動体は、レンズを保持するレンズ枠であることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか1項に記載のリニア駆動装置を用いた光学装置。
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