JPS62285679A - 微動直線送り装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 〔発明の利用分野〕 この発明は微動直線送り装置に関し、小型精密機器内に
装備する微小移動装置及びサーゼシステムやカメラの合
焦機構等に利用することがで鉾る微動五線送り装置に関
するものである。

〔発明の背景〕

サー？システムを内蔵する小型Ｆｉｔ　Ｗｆ機器や測定
器及びカメラ等においては微小移動装置が不可欠である
。

従来、前記小型精密機器や測定器及びカメラ等には一般
に、電気式回転モータとねじ送り機構との組合せから成
る送り装置が装備されているが、電気式回転モータを使
用する送り装置では減速機構が不可欠であるため、体積
及び垂立が大きくなるという欠点のほかに減速ギヤに存
在するバックラッシュによって送り精度や位置決め精度
が低下するという欠点があった。ま念、電気式回転モー
タは一般に消費電力が大きい上、希土類磁石等の高価な
母方を用いて構成されているモータは高価１　　である
という欠点がある。

それ故、従来の電気式回転モータｔ−使用しない形式の
！ｅ動送り装置についでも種々のものが提案されて六念
。そのような送り装置の一つとして、次とえば米国特許
第４２９１９５８号明細書には棒状の圧電素子の念わみ
を揺動リンクで直線運動に変換させる形式の送り装置が
開示されている。該特許明細書に開示さｊ、ている送り
装ａは駆動源が電気式回転モータでにないため、ギヤの
バックラッシュがなく、電気式回転モータ使用の送り装
置にくらべて小型化できるという長所がある反面；揺動
リンクによって直線運動音生じさせているので＠ａ運動
性が悪い上に送り精度が悪く、しかも、送り運動中、送
り方向に対する抵抗が殆んどなくなってしまうので位置
決め、ＶＷ度（停止精度）が悪いという短所があった。

〔発明の目的〕

この発明の目的り、１！Ｌ気式回転モータを使用しない
、構造簡単で且つ高精度の送りと位置決めとを行うこと
ができる微動直線送り装置を提供することである。

〔発明の概要〕

この発明による微動直線送り装置は、互いに空隙を以て
ねじ嵌合している二つの部材の一万を被動部材として回
転及び軸方向移動可能に支持する一万、前記部材のうち
の他方を駆動部材として該駆動部材に対して振動源によ
り円周方向の振動を生じさせることによって該被動部材
を軸線方向に移動させるように構成し念ことを特徴とす
るものである。本発明の微動直＃ｊ！送ｉ）装置に包含
される振動源は、たとえば、圧電素子を円周に沿って環
状に配列し念構造のものや、もしくは、いわゆる１バイ
モルフ”と称されるビーム（＃：）状に形成し九長尺の
圧電素子振動片を環状もしくは筒状に配列して構成され
念構造のものである。

本発明の微動直線送り装置では電気式回転モータを使用
する場合に必要な減速機構が不要であり。

駆動源が送り装置の駆動側部材と一体となっているため
極めて小型に構成することができ、ま友、減速歯車機構
で生じるバックラッシュの問題がない定め精度のよい送
りを被動部材に与えることができる。しかも、ねじ送り
機構を採用しているため、直線運動性と位置決め精度に
すぐれ、高精度の送りと位置決めとを行うことができる
。

〔発明の実施例〕

以下に図面全参照して本発明の一実施例を説明する。

第１　ＩＩ＋は本発明による微動直線送シ装置の一実施
例を示した分解斜視図、第２図は同送り装置の組立状態
における概略縦断面図である。

第１図及び第２図において、１は段付円柱状に形成され
之被動部材であり、該被動部材１の大径部の外周面には
雄ねじｌ＆が形成されてｒる。該被動部材１は回転及び
軸方向移動が可能となるようにその小径部において軸受
け８に支持されるとともに大径部において軸受１−７７
に支持されている。

軸受け７及び８は図示の如く円筒状のリテーナを有し、
該ＩＩテーナの外周面に貫設さＡ　次＆−ル保持孔に回
転可能に保持さｒＬ７２転動球体７１〜７ｄ及び８ａ〜
８ｄが被動部材１の外周面に係合することによって該被
動部材１を回転可能及び軸方向移動可能に支持している
。なお、この軸受け７及び８は第２図に示すように、そ
れぞれ静止したホルダ一部９及び１０の貫通孔内に４動
し得ぬ工うに保持されている。

リング状の駆動部材２が被動部材１の雄ねじ部１ａに遊
嵌状態に豚舎されており、該駆動部材２の外周面にはビ
ーム（梁）状の圧電素子３〜６（これは、友とえば、商
品名１）ぐイモルフ”なる呼称で米国のヴアーニトロン
コーポレーシ、ンにおいて製造されているものである。

）の一端が鋲着されている。該圧電素子３〜６はその長
手方向が該駆動部材２のｌ！Ｉｌ線と平行になるように
配置され、該駆動部材２の円周方向に浴りて等間隔で配
列されている。’！７’ｌ：、該圧電素子３〜６の他端
に固定さｆ′Ｌ之ブロブロック３ａ〜６ａ２図に示すよ
うに静止し九円筒状のホルダ一部１０の外周面上に押さ
えリング１１で動かぬように圧接されている。圧電素子
３〜６は、駆動部材２に円周方向の撮動を生じさせる之
めの損動源を構成しており、各圧電素子３〜６に対する
励振の順序や糸幅の制御はブロック３ａ〜６ａに接続さ
れ之後記の制御回路によって行われる。

駆動部材２はその内周面に被動部材１の雄ねじ部１ａの
外径よりも大きな内径の雌ねじ部２＆を有しており、該
駆動部材２の雌ねじ部２ａと被動部材１の雄ねじ部１ａ
とは第２図に示すように一方の周面で互いに接触してい
る時には該接触位置。

から清心を中心として１８０’回転した位置では両ねじ
部１ａ及び２＆の間には隙間が生じて不完全嵌合状態と
なっている。なお、第２図は圧電素子３〜６が非作動時
の状ｍｔ示しており、この時には圧電素子６の先端部が
固着された駆動部材２の位置（（おいて雄ねじ部１ａと
雌ねじ部２ａとの間に間隙が生じて不完全嵌合状態とな
っている。

本発明の？Ｓシ装置では、複数の圧電素子をモータの磁
極と同じように円周方向に沿う順序で順次時系列的に励
振させることによって駆動部材２に円周方向の撮動を発
生せしめ、これにより駆動部材２のねじ部と被動部材１
のねじ部との相互の噛み合い位置を順次、円周方向に移
動させることに工って被動部材１ｔ−回転させつつ軸方
向移動させる。

本発明の送り装置において、駆動部材２が１回の円振動
をした時に被動部材１１／Ｉ：生じる軸方向移動′ｔｓ
ｈ次式で与えられる。

−ｄ Ｓ　＝−Ｘ　Ｌ ここに、Ｄ：枢動部材２の雌ねじ部２ａの有効径、ｄ：
被動部材１の雄ねじ部１ａの有効径。

Ｌ：前記両ねじ部のリード、 である。

第３図は圧電素子３〜６を順次的に励振するための励振
制御装置の回路図である。

第３図において、１２は駆動・ぐルス発生回路であり、
該駆動・９ルス発生回路１２内には発掘器及び分周回路
等が内蔵されている。２５は主スィッチ、２６は圧電素
子３〜６の励機順序を逆転させるための逆転スイッチ、
２７は電源、である。ま之、第４図は該回路１２の、出
力端子Ａ〜Ｄに生ずる／４ルスの波形と時間的順序を示
したものである。

次に第１図乃至第３図を参照して本発明の送り装置の作
動を説明する。なお、圧電素子３〜６が励振される前の
装置非作動時には第２図の如く、駆動部材２の自重によ
り圧電素子４及び６が之わみ、被動部材１の頂部におい
て駆動部材２の雌ねじ部２ａと被動部材ｌの雄ねじ部１
ａとが噛み合っている。

スイッチ２５が投入されて駆動パルス発生回路１２に電
源２７が接続されると、該回路１２が動作を開始し、通
常は電位が〕・イレペル（以下にはＨと記載する）とな
っている４個の出力端子Ａ〜Ｄのうち、まず、出力端子
Ａの電位がロウレベル（以下にはＬと記載する）となっ
てＰＮＰ型のトランジスタ１３のペース電位がＬとなる
。この之め、トランジスタ１３が４通し、そのコレクタ
電位（ａ点の電位）が上昇するとともに圧電素子４及び
６の一方の極に電圧が印加される。−万、ａ点すなわチ
、トランジスタ１３のコレクタは抵抗１７を弁してＮＰ
Ｎ型のトランジスタ１６のペースに接続されているので
ａ点の電位の上昇とともにトランジスタ１６のペース電
位も上昇してトランジスタ１６がオンとなり、そのＭ”
ｌ、圧′（素子４及び６の他方の極に接続し念す点の電
位（すなわち、トランジスタ１６のコレクタ電位）が低
下するため、圧電素子４及び６に電圧が印加された状態
となる。このため、三゛礪索子４及び６は第２図とは逆
方向にたわみ、駆動部材２は第１図において矢印Ｆ１方
向（すなわち鉛直上向き）に駆動される。なお、圧電素
子３〜６はバイモルフ型と称される薄肉の梁状に構成さ
れているので、電圧印加によりてその板厚方向に之わみ
１．駆動部材２に半径方向の微小移動を発生させる。図
示実施例では、ａ点の電位がＨでｂ点の電位がしてある
時に圧電素子４及び６は第１図の矢印Ｆ、の方向にたわ
み、電位が逆転した時にはＦｌとは逆向きに変位する。

駆動部材２が第２図の状態から鉛直上向きに動かされる
と、被動部材１の雌ねじ部１１と駆動部材２の雄ねじ部
２ａとの接触点は下側に移−シ、両ねじ部ｌ＆及び２ａ
ｉ下側で噛み合うことになる。

次に、駆動ノクルス発生回路１２の出力端子Ａから発生
されるノ譬ルスの電位が上昇すると同時に第４図に示す
ように出力端子Ｂの電位がＬとなり、その結果、ＰＮＰ
型のトランジスタ１９がオンとなってそのコレクタ電位
が上昇するため、圧電素子３及び５の一万の極における
電位が上昇し、同時に抵抗２３を介してＮＰＮ型のトラ
ンジスタ２２のペース電位が上昇するのでトランジスタ
２２がオンとなりて圧電素子３及び５の他方の極におけ
る電位が低下する。この之め、圧電素子３及び５に電圧
が印加され次状態となるので、圧電素子３及び５の先端
（駆動部材２に締着されている方の端部）は第１図にお
いて矢印Ｆ２方向に乏わみ、駆動部材２も矢印Ｆ２方向
に動かされる。なお、出力端子Ａの電位がＨに復帰する
と同時にトランジスタ１３及び１６がオフとなるので圧
電素子４及び６に対する正方向の（点ａが高電位で点す
が低電位である時を正方向の電圧印加状態と定義してお
く）電圧印加状態が消失し、圧電素子４及び６は初期状
態に復帰し、駆動部材２も下降する。

すなわち、圧Ｘ素子４及び６の作動後、圧電素子３及び
５が作動されると、駆動部材２の雌ねじ部２＆が先ず圧
電素子６の配置されている位置で被動部材１の雄ねじ部
１１に噛み合っ念後、圧電素子３が配置されている位置
で雄ねじ部１ａに噛み合い、以後も以下に記載するよう
に両ねじ部の噛み合い位置が第１図において時計回りに
移動してゆくことになる。

矢に出力端子Ｂの電位がＨに復帰すると、トランジスタ
１９及び２２がオフとなって圧電素子３及び５に対する
正号向の電圧印加状態（トランジスタ１９及び２２がオ
ンとなるような電圧印加状態を正号向としておく）が消
失し、圧電素子３及び５の先端を矢印Ｆ２側にたわませ
る力が消失するので駆動部材２は矢印Ｆ２とは逆向きに
変位して中立位置まで復帰する。−万、出力端子Ｂの電
位がＨに復帰すると同時に出力端子Ｃの電位がＬになる
念め、ＰＮＰ型のトランジスタ１４がオンとなってｂ点
の電位が上昇するとともに抵抗１８を介してＮＰＮ型の
トランジスタ１５のペース電位が上昇するのでトランジ
スタ１５がオンとなって色点の電位が低下し、その結果
、圧電素子４及び６には前回とは逆向鎗の電圧が印加さ
れる。

従って、圧電素子４及び６は第１図の矢印Ｆ。

とは逆向きに之わみ、駆動部材２の雌ねじ部２ａと被動
部材１の雄ねじ部１ａとは圧電素子４の配置位置で噛み
合うことになる。

更に出力端子Ｃの電位がＨに復帰するとトランジスタ１
４及び１５がオフとなるので圧電素子４及び６の各先端
部を第１図の矢印Ｆ１とは逆向禽にたわませる力が消失
し、被動部材２は矢印Ｆ１方向に初期位置１で戻る。同
時にｆＸ４図に示すように、出力端子りの電位がＬにな
るのでＰＮＰ型のトランジスタ２０がオンとなって圧電
素子３及び５の右側の極に対して電圧が印加されるとと
もに抵抗２４を介してトランジスタ２１のペース電位が
上昇するのでトランジスタ２１がオンとなるため、圧電
素子３及び５の他方の甑の電位が低下し、その待果、圧
電素子３及び５は前回とは逆向きに（すなわち、第１図
の矢印Ｆ２とは逆向きに）之わむことになる。この定め
、駆動部材２に第１図の矢印Ｆ２とは逆向きに動かされ
、駆動部材２の雌ねじ部２１は被動部材ｌの雄ねじ部１
ａに圧電素子５の配置位置で噛み合うことになる。

以上のようにして駆動パルス発生回路１２の出力端子Ａ
−Ｄから時系列的に発生されるパルス列によって圧電素
子３〜６の作動が時系列的に制御され、被動部材ｌと駆
動部材２との相互の噛み合い位置が第１図において時計
方向に移動されることによって被動部材ｌは反時計方向
に回転しつつ第１図において左向きに軸線方向移動する
ことになる。スイッチ２５が投入されている間、前記の
作動が同じ順序で繰り返され、被動部材１は終始同方向
に回転しつつ軸線方向に移動してゆく。

被動部材ｌを任意の軸方向位置で停止させる場合には、
駆動／４’ルス発生回路１２の出力パルスを任意時刻に
おいて停止すれば該被動部材１の移動を直ちに停止させ
ることができるが、該回路１２の出力パルスの停止と同
時に公知のブレーキ手段によって該被動部材ｌを停止さ
せるように構成してもよい。

被動部材ｌの軸方向移動の向きを逆転させる場合には逆
転スイッチ２６１ｆｔ投入し、スイッチ２５を開けばよ
い。スイッチ２６を投入してスイッチ２５を開いておく
と、駆動パルス発生回路１２の出力端子Ａ−Ｄから発生
される駆動・母ルスの屓序が曲回とは逆となり、先ず、
出力端子りから最初のパルスが発生し１次いでＣ，Ｂ、
Ａの順に／’Ｐルスが発生することになる。この場合、
被動部材ｌと駆動部材２との噛み合い点の移動方向は第
１図において反時計方向とな９、被動部材１は時計方向
に回転しつつ第１図で右に向って移動することになる。

なお、前記実施例では駆動部材２の振動の振幅が一定で
あり、ま九、２＠動部材２の一回の円振動当りの被動部
材１の軸方向移動量も一定である場合を示したが、駆動
部材２の振動の振幅を変化させるか、もしくは駆動部材
２のねじ山と被動部材１のねじ山との接触位置を変える
ことによって駆動部材２の一回の円振動毎の被動部材ｌ
の軸方向移動！？変化させることができる。その場合、
被動部材１ｆ、軸方向に弱いバネで側圧しておき、駆動
部材２の円振動の直径（すなわち、各圧電素子の一回の
振動時における之わみ−Ｆｔ）を前記制御回路で変化さ
せてやる工うに制御すればよい。

第５図は前記実施例のように被動部材１を軸方向にバネ
加圧しない場合における被動部材１と駆動部材２のねじ
部の嵌合関係を示したものであシ、この場合は、被動部
材ｌのねじ山１ｂの先端が駆動部材２のねじ溝２ｂの溝
底１で入９込むストロークδで、駆動部材２が振動され
、被動部材１の軸方向移動量Ｓ（駆動部材２０１回の円
振動当り）δ はＳ＝？ＸＬとなる。ここに、Ｌにねじのリード、ｄは
被動部材１のねじ部の外径である。

第６図は被動部材１を軸方向にバネ加圧するとともに駆
動部材２の半径方向の振動ストロークをδ１としｆｃ場
合における被動部材１と駆動部材２とのねじ部の嵌合関
係を示し九ものである。この場合は、被動部材１のねじ
山１ｂと駆動部材２のねじＲ２ｂとが軸方向にずれ次位
置で嵌合する定め。

駆動部材２が半径方向にストロークδ、で振動すると、
被動部材１のねじ山１ｂの先端が駆動部材２のねじ溝２
ｂの溝底に達しない位置Ｑで該ねじ溝２ｂの斜面にねじ
山１ｂの斜面が係合することになり、従うて、この場合
の被動部材１の軸方向移動量Ｓ１（駆動部材２の１回の
円振動当り）は８１＝と×Ｌとなる。すなわち、第６図
のように被動部材１のねじと駆動部材２のねじとの嵌合
状態を軸方向に任意にずらして両ねじの嵌合時の捩触深
さを変えるとともに駆動部材２に生じさせる半径方向の
振動ストロークを変化させれば被動部材の軸方向移動−
ｆを変化させることができる。すなわち、被動部材のね
じ山の角肥と駆動部材のねじ山の３度を互いに異らせる
ことによって被動部材の軸方向移動量を任意に設定する
ことができる。

なお、両部材のねじ山の角度を互いに等しく設計してお
いてもよいが、雄ねじの山の角度を雌ねじの山の角度よ
りもやや鋭角にし７ｔ［’？（この場合は、雄ねじの山
の先端が雌ねじの溝底に接触することになる）の方が摩
擦損失その他を考慮すると有利である。

駆動部材２の振動振＠は前記制御回路において電気的に
制御することができ、振動振幅ケ制（財）することによ
って被動部材の移動量をアナログ的に調整することがで
きるとともにパルスで移動量を設定した時の製作誤差を
吸収することができる。

なお、使用する圧電素子としてはバイモルフ型のみなら
ず、積層型の圧電素子を用いてもよく、更に、棒状でな
く、環状の圧電素子を用いることもできる。

〔発明の効果〕

前記実施例で説明したように、本発明の送り装置では電
動回転モータを駆動源としていないため、減速機構が不
要であり、従って、歯ホ等におけるバックラッシュの影
響がない定め高精度の送り及び位置決めが可能であると
ともに小型で構造簡巣且つ軽ｔな送＃）装置を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の微動直線送り装置の一実施例を示す分
解斜視図、第２図は第１図に示し食装置の組立状態の概
略縦断面（９）、第３図は第１図の装置に包含される振
動源を励振するための制御回路図、第４図は第３図に示
し次制御回路中の駆動ノ臂ルス発生回路における出力パ
ルス波形を示した図、第５図は第１図及び第２図の装置
における駆動部材と被動部材とのねじ嵌合状態と両部材
間における相対的位置関係の変化を説明するための図、
第６図に第５図と同じ趣旨の説明全行うための図であっ
て第５図のねじ嵌合とは異るねじ嵌合の実施例を示し次
回、である。 ｌ・・・被動部材、　　　１ａ・・・雄ねじ部、１ｂ・
・・ねじ山、　　　２・・・駆動部材、２ａ・・・雌ね
じ部、　　　２ｂ・・・ねじ溝、３〜６・・・圧Ｓ素子
、　７，８・・・軸受け、９．１０・・・ホルダ部、１
１・・・押さえリング、１２・・・駆動パルス発生回路
、 ２５・・・主スィッチ、　　２６・・・逆転スイッチ。 代理人　　谷　山　輝　雄ｉ、−，ｌ；新部興治 亮４図 策５図 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに空隙を以てねじ嵌合している第一部材と第
   二部材のいずれか一方を被動部材として該被動部材を回
   転可能及び軸方向移動可能に支持する一方、該両部材の
   うちの他方の部材を駆動部材として該駆動部材に対して
   円周方向の振動を振動源によって生じさせることにより
   該被動部材に軸方向移動を生じさせるように構成したこ
   とを特徴とする微動直線送り装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の微動直線送り装置に
   おいて、 該振動源が圧電素子で構成されていることを特徴とする
   微動直線送り装置。
3. （３）特許請求の範囲第１項記載の微動直線送り装置に
   おいて、 該第一部材と該第二部材のねじ嵌合部分のねじ山の角度
   が互いに異っていることを特徴とする微動直線送り装置
   。
4. （４）特許請求の範囲第１項記載の微動直線送り装置に
   おいて、 該振動源が振幅可変機能を有しているものであることを
   特徴とする微動直線送り装置。