JPH01177879A - 振動波リニアモータ - 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】 （産業上の利用分野） この発明は振動波リニアモータ、特に超音波振動を駆動
源とした超音波リニアモータに関するものである。

（従来の技術） 近年、圧電セラミックなどの電気機械結合素子を用いて
超音波振動を励起することにより、直線方向の運動を得
る超音波リニアモータが、小型で高応答特性を実現でき
るモータとして注目されている。この超音波を用いた振
動波リニアモータに関しては、例えば電子通信学会技術
研究報告ＵＳ８６−１６、ＵＳ８７−５等、特開昭６１
−３５１７７で紹介されている。以下、図面を参照しな
がら、従来の超音波リニアモータの一例とその原理につ
いて説明する。

第５図に示す超音波リニアモータは進行波リニア型モー
タのうちトラック型振動子を用いたもので、ステータと
してトランク型の弾性振動体の下面に圧電素子５を接着
し一体化している。前記圧電素子５は第６図に示すよう
に、圧電素子の電極をＡ、Ｂの２つの電極群に区分し、
）Ｊ４（λはステータ１の固有振動モードの波長）の奇
数倍だけずらして配置する。また、各々の電極の長手（
トラック）方向の長さはλの１／２の長さにし、各々の
隣あう電極においてその分極の方向は第６図中の＋−の
記号で示すように互い違い逆方向にする。そして、電極
群Ａ、　Ｈの表面をそれぞれ導電性塗料などで覆うかま
たは、導線でつなぐことにより、電極群Ａ、　Ｂのなか
の各々の電極をそれぞれ一つの電極にまとめる。そして
ステータ１の上にスライダが重力又はばねの力等により
所定の圧力で押し付けられている。そのスライダの摺動
面には耐摩耗性のある材料、例えは芳香族ポリアミド繊
維を充填材とし、ポリウレタン樹脂をマトリックスとし
た複合プラスチック材料で形成されたライニング面１４
を設けることにより、ステータ１との摩耗を防止する。

次に電極群ＡとＢにそれぞれ時間的位相を９０度ずらし
た交流電圧を印加すると、各電極が交互に周方向に伸縮
し、バイメタル効果によりステータ１にたわみ振動が発
生する。、その結果、電極Ａと電極Ｂに位置、位相とも
互いに９０度づつずれた電極２個の長さに相当する波長
を持つ二つの定在波が発生し、それが合成されて進行波
となる。ステータ１上の進行波は、第７図に示すように
、ステータ１の表面上の１つの点Ｃに着目すると、その
点Ｃは楕円状の軌跡を描く。

ライニング面１４はステータの進行波の頂点に接触して
いるので、スライダ９は楕円の頂点部分りの軌跡の方向
への摩擦による移動がきくため、スライダ９は進行波の
進行方向とは逆に進む。スライダの速度は楕円状の軌跡
の速度に関係し、出力の推力はステータ１とスライダ９
との摩擦係数によって決まる。

また、特開昭６１−１９１２７８では弾性体で構成され
たステータにステータの厚み方向に振幅を有する屈曲進
行波を励振することにより得られるステータ長手方向の
振動振幅を増大させるためステータに複数個の凸部を設
けることを提唱している。

（発明が解決しようとする問題点） 振動波リニアモータのスライダの速度と推力との関係を
表したモニタの特性曲線は、第８図に示すように従来の
電磁式の直流リニアモータ、電磁式リニアステップモー
タと同様速度が小さいほど推力が大きいという特徴を持
っている。また、前記超音波モータの場合、ステータは
ステータの固有振動数とそれに対応した圧電素子の電極
によって励起される振動モードが設計時において決定さ
れているので、ステータそのものが固有の特性を持って
おり、第８図に示す速度に対する推力の特性曲線の傾き
は入力電圧によらない。従って、所定の入力電圧につい
て、推力と速度の関係を任意に設定することは不可能で
ある。これは、従来の電磁リニアモータに対する超音波
リニアモータの欠点であり、問題点でもあった。

また凹部を複数個設けたステータによって構成される超
音波モータの場合、スライダと接するステータの片端面
における長手方向の振幅は四部の深さにより変化する。

したがって凹部の深さがスライダの速度を制御する一変
数であるが、凹部の深さは同時にステータの固有振動数
も変化させる。このためステータ、の厚さ、幅を修正し
なければステータの固有振動数を望ましい加振周波数の
範囲に設定できない場合が生ずる。このことはステータ
を設計する際の制限となり超音波リニアモータの問題点
であった。なお、ここでいう望ましい加振周波数とは、
ひとの可聴域を越す２０ｋＨｚから電源の性能により制
限される周波数、例えば２００ｋＨｚまでの範囲を有す
る超音波領域の周波数である。

本発明の目的は同一のステータで推力と速度の特性を任
意に選択でき、かつステータの外形が限定された場合に
おいても駆動周波数が超音波領域から逸脱することな〈
従来より広範な推力と速度を設定できる振動波リニアモ
ータを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、弾性体で構成された直線部分を有する共振子
の一端面に振動波形を有する電気信号を機械振動に変換
する振動子を設けた構造のステータと、スライダーとを
加圧接触した振動波リニアモータにおいて、前記共振子
の他端面に左側の側面と右側の側面との溝幅が異なる複
数の四部を設け前記ステータの中立面を除くステータ側
面に、左側または右側の側面を摺動面にもつ前記スライ
ダーの摺動面を加圧接触したことを特徴とする振動波リ
ニアモータを提供する。

（作用） 弾性体で構成された直線部分を有する共振子の一端面に
第１図（ｂ）のステータ上面斜視図に示すように共振子
の直線部分左側の側面と右側の側面との溝幅が異なる凹
部４を複数個設けたステータ１に、ステータの長手方向
を振動の伝達方向としステータの厚み方向（前記凹部の
深さ方向）に振幅を有する屈曲振動を励振すると、前記
凹部を設けたステータは弾性体の中立面を境にして屈曲
振動が伝達する方向に対して垂直かつステータ厚み方向
に垂直な方向、すなわちステータの側面左右方向に振幅
を有する振動が励振される。これは前記の特徴を持つ四
部４を複数個設けたステータにおいてはステータの右側
と左側では曲げ剛性が異なり、屈曲振動が伝達すると前
記ステータの右側と左側とでは弾性体の伸縮量が異なる
のでステータに生じる曲げ歪がステータの側面左右方向
に振幅を有する振動となるためである。このステータの
左右方向の振動と、ステータ厚み方向に振幅を有し、長
手方向に伝達する進−貸渡によって長手方向の振動が得
られ、この２つの振動を組み合わせることによりステー
タの側面と中立面との交線部分を除いた右側側面あるい
は左側側面の質点は楕円軌道を有する振動となる。上記
のステータの左右方向の振動を励振する振動は進行波で
なく定在波でもよいが、ステータ厚み方向に振幅を有す
る進行波を用いることで左右方向の振動と周方向の振動
を同時に得ることができる。

上記のステータの側面左右方向に振幅を有する振動は弾
性体の中立面を境にして振動の位相が逆転するために中
立面においては振幅はゼロとなり中立面より離れるに従
って大きくなり弾性体上面あるいは下面で最大となる。

従ってスライダの加圧接触する位置を変化させることに
より推力と速度両者の関係を規定することができる。す
なわちスライダの加圧接触位置が中立面に近い場合は速
度に対する推力の変化の割合は急になり速度よりも推力
を優先にした特性が得られ、またスライダの加圧接触位
置が中立面から離れている場合は速度に対する推力の割
合は緩やかになり推力よりも速度を優先にした特性が得
られる。従って、同一のステータで特性の異なる振動波
リニアモータが得られる。

また、前記凹部のステータ左側の側面と右側の側面での
溝幅の差はステータの左右方向の振動振幅の大きさに関
係し、左側の側面と右側の側面での溝幅の差を変化させ
ることによって凹部４の深さを変化させるよりもステー
タの固有振動数の変化を小さくして速度を変えることが
できる。このことは次に示す理由による。すなわち左側
の側面と右側の側面で溝幅を変えることにより、ステー
タ左側と右側での曲げ剛性が変化し、横方向の振動が誘
起される。そして前記四部４の深さを変化させる場合に
比較して、左側の側面と右側の側面での溝幅の差を変化
させることはステータの固有振動数の変化が小さいから
である。前記凹部の左側の側面と右側の側面での溝幅の
差はステータの幅および厚みが規定された場合において
も、スライダの速度と推力を決定する形状寸法パラメー
タとなる。

（実施例） 第１図（ａ）は本発明の基本構成を示す断面図であり、
図中において１は弾性材料で構成されたトラック形状の
ステータであり、ステータ１の下面に接着された第６図
の説明図に示す電極構造を持った圧電素子５に電気信号
、例えば４４ｋＨｚの周波数をもつ電気信号を入力しス
テータの厚み方向に振幅を有する屈曲進行波を励振する
。トラック形状は第５図に示すもので長手方向に８０ｍ
ｍの直線部分を有する。

なお、ステータ１には第１図（ｂ）の斜視図に示すよう
にステータ左右側面における溝幅の比がたとえば１：２
の四部４を複数個等間隔に設ける。この場合ステータ１
と圧電素子５の形状寸法はその固有振動が目的とする入
力電気信号の周波数と一致させるように予め定められて
いる。また圧電素子５については前記の第６図に示す圧
電素子の電極群Ａと電極群Ｂに互い位相が９０度異なっ
た振動波形を有する電気信号を入力することにより進行
波を発生させる。

そして進行波にともなう前記ステータ厚み方向の振動に
より第２図（ａ）、（ｂ）に示すようにステータ長手方
向の振動振幅６を得ることができる。同時に第２図（ｃ
）の平面図に示すような左右方向に振幅をもった振動７
が生ずる。厚み方向の振動振幅７が得られやすくするた
めにステータの厚みと幅との比は０．５から３が望まし
い。そして進行波による第２図（ａ）の長手方向の振動
振幅６と第２図（ｃ）の左右方向の振動振幅７が組み合
わさることにより第２図（ｄ）のステータ平面図に示す
ようにステータ１の中立面との交線部分を除いた側面に
楕円軌道をもつ振動８が生ずる。すなわち第２図（ａ）
、（ｂ）のタイミング３１〜３４と第２図（ｃ）のタイ
ミング３１〜３４が組あわさり、第２図（ｄ）に示され
る楕円軌道のタイミング３１〜３４となる。このステー
タ１の左側側面に生じた前記振動８に、第１図（ａ）の
断面図に示すようにスライダ９をステータ１の側面に対
して加圧接触する構造をとることにより振動８の楕円軌
道のうち頂点付近の長手方向の運動、すなわち第２図（
ｄ）において左側にスライダが位置する場合にはタイミ
ング３３の運動が、右側にスライダが位置する場合には
タイミング３１の運動がスライダの直線運動に変換され
る。スライダ９においてステータ１と接触する部分につ
いては耐摩耗性に優れた部材、たとえば芳香族ポリアミ
ド系の合成樹脂を用いる。また、第１図（ａ）において
スライダ９のステータ１の側面における加圧接触位置を
変更することが可能な構成を採用すれば第８図に示す振
動波リニアモータの垂下特性において、推力に対する速
度の傾きが同一のステータであっても変更することが可
能であり、推力又は速度優先のりニアモータが同一のス
テータにより実現できる。

スライダ９と接触する部分においてステータ１の右側と
左側の楕円軌道の向きは逆−であるので、ステータの右
側にスライダを加圧接触する構成をもつりニアモータは
第１図（ａ）の構成をとったりニアモータに対して移動
方向が逆となる。

第３図は進行波振動の励振方法の別の実施例であり、振
動子として２つのランジュバン振動子２１．２２を用い
ている。前記凹部を有するステータは２つの振動子の間
に位置し、この２つの振動子により厚み方向に振幅を有
する屈曲進行波をステータに励振する。ロータとステー
タの構成は第１図（ａ）に示したものと同じ構成でよい
。

第４図はステータ１に設ける凹部４の左右側面における
溝幅の比を変えた別の実施例である。ステータ１の寸法
、凹部４の深さ、個数は第１図（ｂ）のものと同じであ
るが、凹部４の左右側面における溝幅の比を第１図（ｂ
）のものよりも大きくしである。第１図（ｂ）に示した
先の四部４の実施例と第４図に示した凹部４の実施例に
おいて同一の強さの振動をステータ１の下面より加振し
それぞれの第５図に示す凹部の先端外縁部の径方向の振
動１３を比べると、第４図に示した凹部の左右方向の振
動に対して第１図（ｂ）に示した四部の左右方向の振動
はその振幅は大きくなり、従って第４図に示す四部を有
するリニアモータは高速度低推力の特性をもつ。

なお、目的を逸脱しない範囲内においてどのような変形
を行っても差しつかえなく、第１図（ｂ）または第４図
の凹部４の側面形状を曲面にしてもよく、上記実施例が
本発明の請求範囲を限定するものではない。

（発明の効果） 前記凹部は直線部分を有するステータの左側の側面と右
側の側面との溝幅が異なるように設け、ステータ中立面
を除くステータ側面に、左側または右側の側面を摺動面
にもつ前記スライダーの摺動面が加圧接触する構成をな
し、前記振動子に電気信号を入力し、前記ステータにス
テータの厚み方向に振幅を有する屈曲進行波を励振する
ことにより得られる前記ステータの長手方向の振動振幅
と、前記ステータに厚み方向の振動と同時に発生する厚
み方向とステータ長手方向とに垂直な幅方向の振動振幅
とを組み合わせることによりステータ側面と中立面との
交線を除くステータ側面に楕円振動を励振しこれと加圧
接触したスライダーに直線方向の推力を発生させる振動
波リニアモータによれば、スライダの加圧接触する位置
を変化させることにより推力を優先にあるいは速度を優
先した特性を有する振動波リニアモータを同一のステー
タで実現できるという効果が有る。また、ステータの左
右側面での凹部の溝幅の差を変えることにより、振動波
リニアモータの速度と推力の特性を変えることができる
という効果がある。

本発明の振動波リニアモータは同一のステータで推力と
速度の特性を任意に選択でき、かつステータの外形が限
定された場合においても駆動周波数が超音波領域から逸
脱する二とな〈従来より広範な推力と速度を設定できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例を示す断面図、第１図（
ｂ）は本発明のステータを示す斜視図、第２図（ａ）〜
（ｄ）は本発明による振動の様子を示した説明図、第３
図は本発明第２の実施例のステータを示した斜視図、第
４図は本発明による四部の一実施例を示すステータ上面
の斜視図、第５図は従来の振動波リニアモータの断面図
、第６図はステータに接着する圧電素子の分極を示す説
明図、第７図は進行波による振動のようすを示した説明
図、第８図はモータの垂下特性を示した説明図である。 １・・・ステータ、４・・・凹部、５・・・圧電素子、
９・・・スライダ、１１・・・クツション、１２・・・
ステータ基板、１３・・・りニア軸受、１４・・・ライ
ニング、２１．２２・・・ランジュバン振動子、Ａ、　
Ｂ・・・電極群、Ｃ，Ｄ・・・ステータ表面上の一点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　弾性体で構成された直線部分を有する共振子の一端面
   に振動波形を有する電気信号を機械振動に変換する振動
   子を設けた構造のステータと、スライダーとを加圧接触
   した振動波リニアモータにおいて、前記共振子の他端面
   に左側の側面と右側の側面との溝幅が異なる複数の凹部
   を設け前記ステータの中立面を除くステータ側面に、左
   側または右側の側面を摺動面にもつ前記スライダーの摺
   動面を加圧接触したことを特徴とする振動波リニアモー
   タ。