JP5683643B2 - リニア超音波モータ及びそれを有する光学装置 - Google Patents
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Description
本発明は超音波モータ、特にリニア駆動型の超音波モータ(以下、「リニア超音波モータ」と呼ぶ。)に関するものである。
従来からリニア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超音波振動子を振動させている。超音波振動子の振動は、超音波振動子が押圧する摺動部材を駆動する。リニア超音波モータは小型であっても高出力を維持でき、また駆動効率を高めるための様々な工夫が考えられている。
例えば、特許文献1に開示されたリニア超音波モータでは、圧電素子を有する超音波振動子に被駆動部材と当接する2つの駆動子と、被駆動部材とベース部材との間に4つの転動部材とが設けられている。そして、被駆動部材の駆動方向において4つの転動部材は2つの駆動子の間に入らないような間隔で配置されている。
しかしながら、特許文献1に開示されたリニア超音波モータにおいては、被駆動部材の駆動方向において4つの転動部材が2つの駆動子の間に入らないような構成を維持するため、被駆動部材の駆動方向における転動部材の配置スパンを長くする必要があった。その結果、駆動方向におけるユニットの全長寸法が大きくなってしまうという問題があった。
本発明の目的は、上述の問題を解決するためになされたものであり、出力、駆動効率、及び量を減少させることなく、被駆動部材の駆動方向におけるユニットの全長寸法を大きくする必要がないコンパクトなリニア超音波モータを提供することである。
上記課題を解決するために、本発明のリニア超音波モータは以下のような構成としている。
圧電素子を有する振動子と、該振動子に押圧力を付与して基礎部に加圧接触させる加圧部とを含みリニア駆動される可動部と、前記可動部の移動方向に交差する方向に延在する固定部により前記基礎部に固定され、転動部を介して前記押圧力の反力を受けるカバー部とを備え、前記転動部は、前記可動部の移動方向に延在する前記可動部の案内部と、前記可動部の移動方向に延在する前記カバー部のカバー案内部とに挟持され、前記可動部は、前記固定部の前記可動部に面している側を越えて外方に位置することを特徴とする。
また、本発明のリニア超音波モータの可動部は以下のような構成としている。
基礎部と該基礎部に固定されたカバープレートとの間に配置され、該カバープレートとの間に転動部を介在させてリニア駆動されるリニア超音波モータの可動部であって、圧電素子を有する振動子と、前記振動子に押圧力を付与して前記基礎部に加圧接触させる加圧部と、前記転動部を収容する案内部とを備え、前記案内部は3つ設けられており、各案内部同士を直線で結んで三角形が形成されるように配置され、前記案内部に収容された前記転動部同士を直線で結んで形成される三角形内に、前記加圧部の押圧中心が位置するようにしてリニア駆動されることを特徴とする。
本発明によれば、出力、駆動効率、及び駆動量を低減することなく、被駆動部材の駆動方向におけるユニットの全長寸法を大きくする必要がないコンパクトなリニア超音波モータを得ることができる。
以下、本発明の好適な実施例を添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお以下の説明では、デジタルカメラのレンズ鏡筒などを駆動するアクチュエータとしてユニット化されたリニア超音波モータを例に説明する。しかし本発明の使用用途はこれに限られたものではない。
また本明細書においては、リニア超音波モータの構造とその動きを明確にするため、図中の同一部材は同一記号で図示し、また後述する可動部の基礎部に対する移動方向をX軸として定義し、可動部に含まれる振動板の接触部の法線方向をZ軸として定義する。また、X軸とZ軸とに垂直な方向をY軸として定義する。そして各図における軸の方向は図に示された通りとなるが、これらに限られたものではない。
図1は本発明の一実施例であるリニア超音波モータをY軸方向から見た側面図である。
また、図2は図1で示されるリニア超音波モータの分解斜視図である。
本実施例におけるリニア超音波モータ100は、X軸方向に長軸を有し、以下に述べる各部材により形成されている。振動板101は圧電素子102が公知の接着剤等により固定されており、圧電素子102は電圧を印加することにより超音波振動を励振する。なお、振動板101と圧電素子102との接着は、接着されればその方法は限定されない。振動板101はさらに接触部101aを備え、接触部101aは後述する接触基礎部材115に押圧を伴う加圧接触状態で接触している。振動子103は振動板101と圧電素子102とにより形成されている。振動板101と圧電素子102とが接着された状態において圧電素子102が超音波振動を発生することで、振動子103に共振現象が起こる。その結果、振動板101の接触部101aに楕円運動が発生する。圧電素子102に印加される電圧の周波数や位相を変えることで、当該楕円運動の回転方向や楕円比を適宜変化させて所望の動きを得ることができる。
振動子支持部材104は、YZ平面に凸型の断面を有し、バネ108とバネ保持部材107とを受け入れるための貫通孔を備えている。バネ保持部材107は、バネ108の一方の端部を受けて保持するため面を有し、その面の裏側で加圧板105と面接触している。バネの他方の端部はバネ押え板109と接触しており、当該バネ押え板109は振動子支持部材104の貫通孔に嵌合することができる。当該貫通孔において、バネ108はバネ保持部材107に保持され、加圧板105とバネ押え板109とによって挟まれている。それにより、バネ108は伸縮が自在となり、Z軸方向に押圧力を付与している。また加圧板105は、保持部材107を受ける側の面において、当該面の法線と平行な方向に2つの突起部を有する。当該2つの突起部は振動子支持部材104に設けられた孔にそれぞれ受け入れられる。この構造によりバネ108の伸縮時によるZ軸方向以外の移動が制限され、押圧力が他の部材に効率的に伝達される。本実施例においては、加圧板105、バネ保持部材107、バネ108、及びバネ押え板109により加圧部が構成されており、各構成要素の重心はZ軸に平行な直線で結ぶことができる。
弾性部材106が圧電素子102と加圧板105との間に配置されている。弾性部材106は、加圧部と圧電素子102との直接接触を妨げ、圧電素子の損傷を防止している。
移動板110は、略長方形の嵌合孔と横断面がV字形状の溝を有する(以下、「V溝」という。)3つの案内部110a、110b、110cとを備えており、振動子支持部材104の突起部分が移動板110の嵌合孔に嵌合される。V溝の案内部110a、110b、110cはX軸方向に所定の長さを有し、それぞれに転動部としての球状の転動部材111a、111b、111cが嵌入されている。
一方、カバー部としてのカバープレート112も、略長方形の嵌合孔とX軸方向に所定の長さを有する3つのV溝のカバー案内部112a、112b、112cとを備え、当該嵌合孔に振動子支持部材104の突起部分が嵌合される。V溝のカバー案内部112a、112b、112cとV溝の案内部110a、110b、110cとは、それぞれ正対した位置に設けられている。そして転動部材111a、111b、111cは、V溝のカバー案内部112a、112b、112cにもそれぞれ挟持されて収容され、振動子支持部材104と移動板110とは、カバープレート112に対しX軸方向に沿ってガタなく相対移動可能となっている。
リニア超音波モータ100はさらに地板114を備える。地板114はXZ平面においてその断面が凹型の形状を有し、X軸方向の両端でX軸方向に交差する方向に側壁114a−1,114a−2と、その一部からなる固定部114b−1、114b−2とを有する。固定部114b−1、114b−2はその頂部にネジ穴を有し、カバープレート112のネジ穴とそれぞれ正対している。そしてカバープレートと地板114とはネジ113により互いに固定されるが、固定されればその方法は限定されない。また、地板114の底面側においては、接触基礎部材115がZ軸下方側より不図示のネジ等で固定されている。接触基礎部材115は、振動板101の接触部101aと接触しており、その間の摩擦により振動子103で生じる楕円運動を可動部120の駆動力としている。可動部120は当該駆動力によりX軸方向にリニア駆動され進退可能となっている。なお、地板114と接触基礎部材115との固定は固定されればその方法は限定されない。本実施例においては、振動子103、弾性部材106、加圧板105、振動子支持部材104、バネ保持部材107、バネ108、バネ押え板109、及び移動板110により可動部120が形成されている。また、カバープレート112、ネジ113、地板114、及び接触基礎部材115により基礎部が形成されている。
次に加圧部において発生する押圧力ついて述べる。バネ108はバネ保持部材107を介し加圧板105に押圧力を付与している。当該押圧力はさらに、弾性部材106を介し、振動子103を接触基礎部材115に押圧する付勢力となる。そして、振動板101の接触部101aは接触基礎部材115に対し押圧された状態で接触する。一方、接触基礎部材115からの押圧力の反力は、可動部と転動部材とを介し、カバープレート112で受けられている。この加圧接触状態において圧電素子102に電圧が印加されると、振動子103において発生したX軸方向とY軸方向のそれぞれの共振による楕円運動が効率的に接触基礎部材115へ伝達する。その結果、可動部120は、X軸方向に進退することができる。
上述した各部材が組込まれ、リニア超音波モータとしてユニット化される。
次に、図3を参照して基礎部に対する可動部120の相対的な動きの構成について述べる。
図3は、図1で示すリニア超音波モータユニットの正面図であり、Z軸方向から見た図である。なお、説明を容易にするためカバープレート112を不図示としている。また以下において、押圧中心Fとはバネ押え板109の重心に一致する点であり、加圧部の各部材の重心はZ軸に平行な直線で結ぶことができる。従って、押圧中心Fはバネ108による押圧力が一点に集中した場合の力点に一致する。
図よりリニア超音波モータの可動部120の移動板110はZ軸方向に見て凸型の形状を有しており、Y軸方向の幅は基礎部の地板114のY軸方向の幅と略等しい。XY平面への投影において、振動子支持部材104の突起部分を嵌合する移動板110の略四角形の孔の対角線は、その交わる点と押圧中心が一致する。移動板110のX軸方向における両端の突出部110d−1、110d−2には、X軸と平行な同一直線上に所定の長さと、所定の幅とを有する案内部110a、110bが設けられている。一方、押圧中心Fに関して突出部110d−1、110d−2とはY軸方向において反対側にも、案内部110a、110bと同寸法を有する案内部110cがX軸と平行な直線上に設けられている。案内部110cは、その長手方向における中心が、押圧中心Fを通るY軸に平行な直線の上にあるように形成されている。
一方、基礎部の地板114は、そのX軸方向で対向し、Z軸方向に段差を有する壁部としての側壁114a−1、114a−2が設けられている。側壁114a−1、114a−2のZ軸方向において突出している固定部114b−1と114b−2は、Y軸方向の長さが地板114のY軸方向の幅よりも短くなっている。これは、以下において詳細に述べるが、可動部120が移動する際に、移動板110のX軸方向に延出する突出部110d−1、110d−2の移動を妨げないためである。
図3(a)は、可動部120が基礎部上における可動範囲の中間位置にある状態を示している。この時、転動部材111a、111b、111cは、それぞれの案内部110a、110b、110cのX軸方向即ち長手方向の中間に位置している。そして、XY平面への投影において、転動部材111a、111b、111cの中心を結んで形成される三角形T−1内に押圧中心Fが存在している。これにより、可動部120が中間点に位置する場合において、押圧による反力を3つの転動部材111a、111b、111cが安定して支持している。
図3(b)は、中間位置に対し可動部120がX軸正側の可動範囲の限界である正側機械端に位置している状態を示している。移動板110はX軸正側に側壁114a−1と最初に当接する停止突起部110e−1を有する。よって、可動部120を中間位置からX軸の正方向に駆動させた場合、停止突起部110e−1と地板114の側壁114a−1の内側とが当接し、可動部120の機械端を画定する。この時、移動板110の突出部110d−1は地板114の側壁114a―1の段差部まで移動可能である。また、移動板110のV溝の案内部110aは突出部110d−2まで延在しているため、地板114の側壁114a−1の内側よりもX軸正方向の外方に延出している。これにより地板114に対する可動部120のX軸正方向の可動量を確保している。正側機械端においても、XY平面への投影で、可動部120とカバープレート112との間に介在する転動部材111a、111b、111cの中心を結んで形成される三角形T−2内、すなわち各転動部同士を直線で結んだ三角形内に押圧中心Fが存在するようにされている。従って、可動部120が正側機械端に位置する場合においても押圧による反力を3つの転動部材111a、111b、111cが安定して支持している。なお、図3(b)においては、停止突起部110e−1と側壁114a−1の内側とが当接し、可動部120の移動端を画定する場合が示されている。しかし本発明はこれには限られず、可動部120の可動範囲内において、可動部120の移動範囲を非図示の制御部を用いて画定するようにしてもよい。例えば、可動部120の停止突起部110e−1が地板114の側壁114a−1に当接する手前の制御端で可動部120を停止させるように制御部により制御するようにしてもよい。この場合においてもV溝の案内部110aが側壁114a−1の内側よりもX軸の正方向に延出し、可動部120の正方向の移動量を確保することができる。また転動部材111a、111b、111cの中心を結んで形成される三角形内に押圧中心Fが同様に存在している。
図3(c)は、中間位置に対し可動部120がX軸負側の可動範囲の限界である負側機械端に位置している状態を示している。移動板110はX軸負側に側壁114a−2と最初に当接する停止突起部110e−2を有する。よって、可動部120を中間位置からX軸の負方向に駆動させた場合、停止突起部110e−2と地板114の側壁114a−2の内側が当接し、可動部120の機械端を画定する。この時、図3(b)の場合と同様に、移動板110の突出部110d−2は地板114の側壁114a―2の段差部まで移動可能である。また、移動板110のV溝の案内部110bが地板114の側壁114a―2の内側よりもX軸負方向の外方に延出している。これにより地板114に対する可動部120のX軸負方向の可動量を確保している。負側機械端においても、XY平面への投影で、可動部120とカバープレート112との間に介在する転動部材111a、111b、111cの中心を結んで形成される三角形T−3内、すなわち各転動部同士を直線で結んだ三角形内に加圧力点Fが存在している。これにより、可動部120が負側機械端に位置する場合においても押圧による反力を3つの転動部材111a、111b、111cが安定して支持している。なお、図3(c)においては、停止突起部110e−2と側壁114a−2の内側とが当接し、可動部120の移動端を画定する場合が示されている。しかし本発明はこれには限られず、可動部120の可動範囲内において、可動部120の移動範囲を非図示の制御部を用いて画定するようにしてもよい。例えば、可動部120の停止突起部110e−1が地板114の側壁114a−1に当接する手前の制御端で可動部120を停止させるように制御部により制御するようにしてもよい。この場合においてもV溝の案内部110bが側壁114a−2の内側よりもX軸の負方向に延出し、可動部120の負方向の移動量を確保することができる。また転動部材111a、111b、111cの中心を結んで形成される三角形内に押圧中心Fが同様に存在している。
上述より押圧中心は、可動部の各案内部同士を直線で結んだ三角形の中に常に存在している。
なお、本実施例においては正側機械端と負側機械端のそれぞれの位置において、移動板110のV溝の案内部が地板114の側壁の内側よりも延出しているが、ユニットを構成する際に、そのX軸方向の制約に応じてどちらか一方の端のみ延出させてもよい。
以上のように、本実施例によれば、出力、駆動効率、及び駆動量を低減することなく、被駆動部材の駆動方向におけるユニットの全長寸法を大きくする必要がないコンパクトなリニア超音波モータを得ることができる。
図4は、本発明のリニア超音波モータ100がユニットとして組み込まれているレンズ装置の一例として、レンズ鏡筒を示している。
なお、当該レンズ鏡筒は略回転対称形であるため、レンズ鏡筒の上側半分のみを図示している。
撮像装置としてのカメラ本体1にはレンズ鏡筒200が着脱自在に取り付けられ、カメラ本体1内には撮像素子1aが設けられている。
カメラ本体1のマウント11にはレンズ鏡筒200をカメラ本体1に取り付けるためのバヨネット部を有している。レンズ鏡筒200は固定筒12を有しており、マウント11のフランジ部と当接している。そして、固定筒12とマウント11とは不図示のビスに固定されている。固定筒12にはさらに、レンズG1を保持する前鏡筒13とレンズG3を保持する後鏡筒14とが固定される。
レンズ鏡筒200はさらにフォーカスレンズ保持枠15を備え、フォーカスレンズG2を保持している。フォーカスレンズ保持枠15はさらに、前鏡筒13と後鏡筒14に保持された公知のガイドバー16によって直進移動可能に保持されている。
超音波モータユニット100の地板114には、不図示のフランジ部が形成されており、後鏡筒14にビス等で固定されている。
上記のような構成で、超音波モータ100の可動部120が駆動された際、その駆動力は、駆動力伝達部130を介してフォーカスレンズ保持枠15に伝達される。そしてフォーカスレンズ保持枠15は前述のガイドバー16によって直線移動する。
以上、本発明に関わるリニア超音波モータに関してその具体例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、請求項記載の範囲に示したものであればどのような形態をとることも可能である。
102 圧電素子
103 振動子
108 バネ
110a、110b、110c 案内部
111a、111b、111c 転動部材
112 カバープレート
112a、112b、112c カバー案内部
114 地板
114a−1、114a−2 側壁
115 接触基礎部材
200 レンズ鏡筒
F 押圧中心
103 振動子
108 バネ
110a、110b、110c 案内部
111a、111b、111c 転動部材
112 カバープレート
112a、112b、112c カバー案内部
114 地板
114a−1、114a−2 側壁
115 接触基礎部材
200 レンズ鏡筒
F 押圧中心
Claims (14)
- 圧電素子を有する振動子と、該振動子に押圧力を付与して基礎部に加圧接触させる加圧部とを含みリニア駆動される可動部と、
前記可動部の移動方向に交差する方向に延在する固定部により前記基礎部に固定され、転動部を介して前記押圧力の反力を受けるカバー部と、
を備え、
前記転動部は、前記可動部の移動方向に延在する前記可動部の案内部と、前記可動部の移動方向に延在する前記カバー部のカバー案内部とに挟持され、
前記可動部が少なくとも一方の移動端に位置する際に、前記可動部の前記案内部は、前記固定部の前記可動部に面している側を越えて外方に位置する、ことを特徴とするリニア超音波モータ。 - 前記可動部の前記案内部は3つ設けられており、各案内部同士を直線で結んで三角形が形成されるように配置されている、ことを特徴とする請求項1に記載のリニア超音波モータ。
- 前記可動部の前記案内部に収容された前記転動部同士を直線で結んで形成される三角形内に、前記加圧部の押圧中心が位置するようにして前記可動部がリニア駆動される、ことを特徴とする請求項2に記載のリニア超音波モータ。
- 前記固定部は前記基礎部に設けられた壁部を含み、前記可動部が少なくとも一方の移動端に位置する際に、前記可動部の前記案内部が、前記固定部の前記壁部の内側を越えて外方に位置する、ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のリニア超音波モータ。
- 前記可動部が前記固定部に当接する手前で停止して前記移動端を画定するように、前記可動部のリニア駆動は制御部により制御される、ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のリニア超音波モータ。
- 前記可動部の少なくとも一部が前記固定部に当接した際に前記移動端が画定される、ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のリニア超音波モータ。
- 前記可動部の少なくとも一部が前記壁部に当接した際に前記移動端が画定される、ことを特徴とする請求項4に記載のリニア超音波モータ。
- 請求項1から7のいずれか一項に記載のリニア超音波モータを有するレンズ装置。
- 請求項8に記載のレンズ装置を有する、撮像装置。
- 基礎部と該基礎部に固定されたカバー部との間に配置され、該カバー部との間に転動部を介在させてリニア駆動されるリニア超音波モータの可動部であって、
圧電素子を有する振動子と、
前記振動子に押圧力を付与して前記基礎部に加圧接触させる加圧部と、
前記転動部を収容する案内部と、
を備え、
前記案内部は3つ設けられており、各案内部同士を直線で結んで三角形が形成されるように配置され、
前記案内部に収容された前記転動部同士を直線で結んで形成される三角形内に、前記加圧部の押圧中心が位置するようにしてリニア駆動される、ことを特徴とするリニア超音波モータの可動部。 - 前記基礎部は固定部を備え、該固定部は前記可動部の移動方向に交差する方向に延在して前記カバー部を固定し、
前記可動部が少なくとも一方の移動端に位置する際に、前記案内部が、前記固定部の前記可動部に面している側を越えて外方に位置する、
ことを特徴とする請求項10に記載のリニア超音波モータの可動部。 - 前記可動部のリニア駆動は制御部により制御され、前記可動部が前記固定部に当接する手前で停止して前記移動端を画定する、ことを特徴とする請求項11に記載のリニア超音波モータの可動部。
- 前記可動部の少なくとも一部が前記固定部に当接した際に前記移動端を画定する、ことを特徴とする請求項11に記載のリニア超音波モータの可動部。
- 前記固定部は前記基礎部に設けられた壁部を含み、前記可動部の少なくとも一部が前記壁部に当接した際に前記移動端を画定する、ことを特徴とする請求項11に記載のリニア超音波モータの可動部。
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