JPH01264582A

JPH01264582A - 超音波リニアモータ

Info

Publication number: JPH01264582A
Application number: JP63092703A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Funakubo; 朋樹舟窪; Hideo Adachi; 日出夫安達
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1988-04-15
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1989-10-20

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〕本発明は、圧電素子等の電気・機械変換素子を振動源と
して用いた超音波リニアモータに関する。

〔従来の技術〕

最近、従来の電磁型モータに代わる新しいモータとして
超音波モータが脚光を浴びている。この超音波モータは
原理的に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータ
に比べて次のような利点を有している。

■　薄型、軽量、コンパクトである。

■　ギヤなしで低速・高トルクが得られる。

■　部品構成が単純で信頼性が高い。

■　磁気的影響の授受がない。

■　バックラッシュがなく位置決めが容易である。

かくしてこれらの利点を生かすべく、種々の応用技術の
研究が進められている。

超音波モータは大きくは円環型とリニア型に分けられる
。第１１図はリニア型の超音波モータの従来例を示す図
である。図中左側のランジュバン型圧電振動子１を振動
させて、ホーン２の先端を弾性体からなる伝播棒３につ
きあてることにより、伝播棒３に屈曲進行波を発生させ
る。この屈曲進行波は破線矢印で示すように伝播棒３を
右方向に伝播して行く。そしてこの進行波は伝播棒３の
右端につきあてられている同様なホーン４を介してラン
ジュバン型圧電振動子５を励振させる。この時、図のＬ
とＲとを適当に選択してインピーダンスマツチングさせ
、この進行波のエネルギーをすべて吸収させる。こうす
ると上記進行波は常に定常的に左方から右方に進むこと
になる。

さてこのような屈曲進行波の生じている伝播棒３の表面
にスライダー６をある一定の押圧力で圧接保持させると
、スライダー６は実線矢印で示すように図中右方向へと
移動していく。

第１２図は上記伝播棒３の屈曲進行波とスライダー６と
の関係を模式的に示す斜視図である。なお同図中３３は
伝播棒３に相当する弾性体、６６はスライダー６に相当
する移動体である。第１１図に示すように弾性体３３の
質点Ｐは楕円軌跡を描いている。したがってこの楕円軌
跡を描いている弾性体３３の上に移動体６６を所定圧力
で圧接させると、移動体６６はその進行波の進行方向と
は逆方向に駆動される。

しかし上記の如く構成された超音波リニアモータは、装
置全体が大型化してしまうこと、また進行波が伝播棒３
の他端で吸収されて熱エネルギーに変換されてしまい効
率が悪いこと等の問題点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで本発明者らは次に述べるような構成の超音波リニ
アモータを提案した。

第１３図は本発明者らが既に提案した超音波リニアモー
タの構成図である。Ａは振動子であり、Ｂはスライダー
であり、Ｃは駆動制御系である。

振動子Ａは弾性部材をコの字形に形成した弾性体１０の
直交した二側壁に、板状の圧電素子１１および１２を接
着剤等を用いて固着したものである。

なお圧電素子１１は図中縦方向に、圧電索子１２は横方
向に分極されている。弾性体１０はビス１４により基台
１３に固定されている。また圧電素子１１．１２の電極
面からはリード線１５゜１６か取出され、これらを介し
て駆動制御電圧が印加される。

すなわち駆動制御系Ｃの高周波電源から出力された交流
信号は、一方において電力増幅器１８により増幅された
のち、圧電素子１１に印加される。他方スイッチ１９を
ａ側にした場合には「−９０°移相器」３１により位相
を−９００ずらされた高周波電圧か増幅器２０を介して
圧電素子１２に印加される。そうすると弾性体ｌｏ上の
質点は、第１４図（ａ）に示す如く楕円振動をする。こ
の時、スライダーＢを弾性体１ｏの上面に抑圧すると、
図の右方向へ移動する。またスイッチ１９をｂ側にした
場合には「＋９０°移相器」３２により位相を＋９０°
ずらされた高周波電圧が増幅器２０を介して圧電素子１
２に印加される。

そうすると弾性体１°０上の質点は第１４図（ｂ）に示
すような楕円振動をする。この時、スライダーＢを弾性
体１０の上面に押圧すると、スライダーＢは図の左方向
へ移動する。なお上記駆動制御系Ｃは、高周波電源１７
の出力信号をスイッチ１９を操作することにより、「−
９０°移相器」３１または「＋９０°移相器」３２に導
いているが、第１５図に示すように、スイッチ１９をａ
側にした場合は直接に増幅器２０に導き、ｂ側にした場
合はｒ１８０’移相器」２１に導くようにしてもよい。

このような駆動制御系りを用いて圧電素子１１および１
２に電圧を印加すれば、振動子Ａには傾斜往復振動が励
起される。

ところが、上、記した超音波リニアモータは、装置・の
小型化およびエネルギー変換効率の向上には適している
が、次のような問題点があった。

振動子Ａの上面における楕円振動または傾斜往復振動を
行なっている質点の振幅幅は、約数ｐ程度しかないので
、スライダーＢをスムーズに移動させるためには、上記
振動子Ａの上面を高精度に研磨して平面度を高める必要
がある。また振動子Ａを直列に多数曲べて使用する場合
には、振動子Ａの高さを正確に一致させる必要があり、
非常に難しい調整を必要とする。

そこで本発明の目的は、振動子上面の高精度な研磨作業
や、振動子相互間の高精度な高さ調整を行なわなくても
スライダーをスムーズに移動させ得る超音波リニアモー
タを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

そこで本発明は上記課題を解決し目的を達成するために
次のような手段を講じた。すなわち、この字形をした弾
性体の第１の面に第１の圧電素子を接合し、この第１の
圧電素子を電気的に駆動して第１の定在波を発生させ、
前記第１の面に対して直交する第２の面に第２の圧電素
子を接合し、この第２の圧電素子を電気的に駆動して第
２の定在波を発生させ、前記両定在波の合成により前記
コの字形をした弾性体の任意の面に楕円振動ないし傾斜
往復振動を発生させ、この振動を発生させた面にスライ
ダーを押圧させてスライダーを直線運動させる超音波リ
ニアモータにおいて、前記弾性体の振動を発生させた面
に突条を設けるようにした。

〔作用〕

上記手段を講じたことにより次のような作用を呈する。

振動子に取付けた圧電素子に電圧を印加することにより
、振動子には縦方向および横方向の振動が励起され、こ
の両方向の振動が重ね合わされることにより、振動子は
楕円振動または傾斜往復振動を行なう。そして弾性体の
突条を形成した面にスライダーを抑圧保持させれば、ス
ライダーとの接触面の平面度をそれほど高めなくても、
また振動子相互の高さを正確に一致させなくても、スラ
イダーを左右両方向にスムーズに移動させることができ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す斜視図である
。なお同図においては駆動回路は省略しである。Ａは振
動子であり、黄銅、ステンレス鋼。

アルミニューム等の機械的損失の少ない弾性部材により
コの字形に形成された弾性体４０と、圧電素子４１およ
び４２．４３などから構成されている。この振動子Ａは
ビス４４．４５により図示していない基台に固定されて
いる。弾性体４０の上面には突条４６がスライダーＢの
移動方向く矢印方向）に対して直角方向に形成されてい
る。弾性体４０の突条４６を設けた壁体の下面には圧電
素子４１が固着され、弾性体４０の左右の側壁外面には
圧電素子４２および４３が接着剤等を用いて固着されて
いる。これらの圧電素子には焼き付けＡｇ等による電極
面が設けられている。なお圧電素子４２．４３の取付は
箇所は同図に示す箇所に限定されるものではなく、例え
ば弾性体４０の側壁内面であってもよい。

第２図は振動子Ａを振動させスライダーＢを駆動するた
めの駆動制御系を示す図である。高周波電源５１の出力
信号は、一方にお□いて増幅器５２で増幅されたのち、
圧電索子４１（本図では不図示）に印加される。また他
方においてＯ〜３６０°まで位相を可変できる移相器５
３で位相をすらされたのち、増幅器５４で増幅され、圧
電素子４２，４３（本図では不図示）にそれぞれ印加さ
れる。

第３図（ａ）〜（Ｃ）は圧電素子４１および４２．４３
の分極方向を示す図である。圧電索子４２に電圧が印加
されると、同図（ａ）の矢印方向に分極され、圧電素子
４１に電圧が印加されると、同図（ｂ）の矢印方向に分
極され、圧電素子４３に電圧が印加されると、同図（ｅ
）の矢印方向に分極される。このような分極方向は振動
子Ａに所望の振動を励起させるために任意に設定したも
のである。

以上のように準備された本実施例によれば、次のような
作用効果を奏する。増幅器５２により増幅された電圧が
圧電素子４１に印加されると、振動子Ａは第４図（ａ）
に示す動作モードで振動する。また移相器５３を通り位
相のずらされた出力電圧が増幅器５４により増幅され、
圧電素子４２および４３に印加されると、振動子Ａは第
４図（ｂ）に示す動作モードで振動する。上記両モード
が合成されることにより、振動子Ａは、第５図（ａ）〜
（ｄ）に示すような振動軌跡を描く。特に突条４６部分
は最大の振幅で振動する。なお突条４６がどのような振
動を行なうかは、移相器５３を調節して移相の程度を変
えることにより決定される。例えば第５図（ａ）に示す
傾斜往復振動は移相０°の場合であり、同図（ｂ）に示
す楕−１０＝円振動は移相２７０°の場合であり、同図（Ｃ）に示す
傾斜往復振動は移相１８０°の場合であり、同図（ｄ）
に示す楕円振動は移相９０°の場合である。

したがって、スライダーＢとの接触面である弾性体４０
の上面を研磨して高精度に平面度を保たなくても、上述
した振動状態にある突条４６に適当な抑圧手段によって
スライダーＢを圧接させれば、スライダーＢは右方向あ
るいは左方向に移動する。突条４６が第５図（ａ）また
は（ｂ）に示す振動状態であれば、スライダーＢは図中
左方向へ移動し、同図（ｃ）または（ｄ）に示す振動状
態であれば、図中右方向へ移動する。

本実施例においては、弾性体４０に形成した突条４６を
直方体状のものとしたが、第６図（ａ）（、ｂ）に示す
如く、断面形状が三角または半円をなすものであっても
同様の効果が得られる。

第７図は本発明の第２実施例の構成を示す側面図である
。なお本実施例で用いている振動子ＡはＴ５１実施例で
用いた振動子Ａと同様のものである。

基台６０土に複数個（本例では３個）の振動子Ａを所定
の間隔で配列し、ビスにより固定している。

各振動子Ａの上方には、回転自在なコロ６１がそれぞれ
配設されており、バネ部材６２により適当な押圧力で各
振動子上の突条に圧接している。なお上記バネ部材６２
は取付は基板６３に固定されている。そして突条４６と
コロ６１との間にはスライダーＢが挿入されている。被
駆動体であるスライダーＢは例えば磁気カード、光カー
ド、テープ等のものであってもよい。

このような装置において、振動子Ａを第１実施例と同様
に第２図に示す駆動制御系を用いて振動すれば、振動子
Ａ相互間の高さ調整を格別厳密に行なわなくても、スラ
イダーＢを右方または左方へスムーズに移動させること
ができる。

第８図は第１実施例および第２実施例に示した振動子Ａ
の変形例を示す斜視図である。本変形例における振動子
ＡＡが前記振動子Ａと異なる点は、コの字形をした弾性
体７０の上面に二本の突条７１．７２を設けたこと、お
よび縦方向の振動を二次のモードで行なわせるようにし
た点である。

すなわち本例に示す振動子ＡＡは第１の定在波として２
次の次数のモードを使っている。弾性、体７０の裏側面
には圧電素子７３を固着している。

また圧電素子７３を固着した面に対して直交した左右両
側壁には圧電素子７４よび７５が固着されている。振動
子ＡＡはビス７６．７７により図示していない基台に固
定されてりる。

第９図は圧電素子７３の分極方向を示す図である。圧電
素子７３の分極状態は、同図中矢印で示すように、中央
部位は図中下向きに、両側部分は図中上向きに分極され
る。なお圧電素子７４および７５は、第３図（ａ）およ
び（ｃ、）と同様に分極される。

このように構成された振動子ＡＡを、第２図に示す駆動
制御系を用いて振動させた場合の作用効果について説明
する。圧電素子７３に電圧が印加されると、第９図の矢
印の如くに分極され、上向きおよび下向きの振動が励起
される。その結果、振動子ＡＡは第１０図に示す如く、
突条７１および７２部分は上方向のモードで振動し、突
条７１と７２との間にある中央部位は下方向のモードで
振動する。また左右の圧電素子７４．７５に電圧が印加
されると、第４図（ｂ）に示したモードと同様のモード
で振動する。そして前記各モードが合成されると、第５
図（ａ）〜（ｄ）、に示したのと同様な傾斜往復振動ま
たは楕円振動を行なう。

したがって第１実施例と同様にしてスライダー（不図示
）を圧接させれば、このスライダーは左右両方向に移動
することになる。本実施例においても、前記第１実施例
と同様に、弾性体７０の上面の研磨作業や、振動体相互
の高精度な高さ調整を特別に必要としないという作用効
果を奏し得るのは勿論である。

なお本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である
のは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、弾性体上面のスライダーとの接触部に
突条を設けたので、弾性体の上面全域を研磨して高精度
に平面度を保たなくても、スライダーをスムーズに移動
させることができる。また振動子を多数直列に並べて使
用する場合において、振動子相互の高さを正確に一致さ
せなくても、スライダーを良好に移動させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明の第１実施例を示す図であり、
第１図は振動子およびスライダーの斜視図、第２図は駆
動制御系を示す構成図、第３図（ａ）〜（Ｃ）は圧電素
子の分極方向を示す図、第４図（ａ）（ｂ）は振動子の
動作モードを示す図、第５図（ａ）〜（ｄ）は突条の振
動状態を示す図、第６図（ａ）（ｂ）は突条の断面形状
の変形例を示す概略図である。第７図〜第１０図は本発
明の第２実施例を示す図であり、第７図は構成図、第８
図は振動子の変形例を示す斜視図、第９図は圧電素子の
分極方向を示す図、第１０図は第８図に示す振動子の動
作モードを示す図である。第１１図は従来の超音波リニアモータの構成図、第１２
図は同従来例の弾性体に生ずる進行波を示す図である。第１３図〜第１５図は本発明の先行技術を示す図で、第
１３図は超音波リニアモータの構成図、第１４図（ａ）
（ｂ）は振動子上に発生する振動状態を示す図、第１５
図は超音波リニアモータの構成図である。Ａ、ＡＡ・・・振動子、Ｂ・・・スライダー、４０゜７
０・・・弾性体、４６，７１．７２・・・突条。出願人代理人　弁理士　坪井　淳第１図第２図（ａ）　　　　　　　　（ｂ）　　　　　　　　（ｃ）
第３図第４図 −十　　Ｉ０

Claims

【特許請求の範囲】

　コの字形をした弾性体の第１の面に第１の圧電素子を
接合し、この第１の圧電素子を電気的に駆動して第１の
定在波を発生させ、前記第１の面に対して直交する第２
の面に第２の圧電素子を接合し、この第２の圧電素子を
電気的に駆動して第２の定在波を発生させ、前記両定在
波の合成により前記コの字形をした弾性体の任意の面に
楕円振動ないし傾斜往復振動を発生させ、この振動を発
生させた面にスライダーを押圧させてスライダーを直線
運動させる超音波リニアモータにおいて、前記弾性体の
振動を発生させた面に突条を設けたことを特徴とする超
音波リニアモータ。