JPH07110141B2 - 超音波リニアモータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、圧電素子の超音波振動を駆動源として直線
的変位を得るための超音波リニアモータに関する。

［従来の技術］ 近年、圧電セラミックスを素材とする圧電素子の超音波
振動を駆動源とした超音波モータが開発され、種々の機
器のアクチュエータとして利用されている。このような
超音波モータは、小型で高トルクが期待され、また、電
磁波の発生がないので電磁媒体等への影響がないなどの
長所を有している。

超音波モータは、駆動する駆動体と被駆動体とを近接さ
せ、駆動体の送り方向への振動を摩擦を介して被駆動体
に伝達させるようにしている。駆動体は互いに直交する
向きの振動を合成した斜めの直線振動あるいは楕円振動
をするもので、これを構造的に分類すると、振動片型、
捩り振動子型、進行波型の三つの型がある。

振動片型の超音波モータは、第４図に示すように、縦に
振動する圧電振動子11及びこれに付設した振動片12を被
駆動体13の接触面に対して斜めに設置して、被駆動体13
を一定方向に押すことにより駆動するもので、変換効率
が高く、高速作動をさせることができる。

また、捩り振動子型の超音波モータは、第５図に示すよ
うに圧電振動子14に捩り結合素子15を付設したことによ
り、振動片型のような直線的振動ではなく、楕円振動を
起こすようにしたものである。

進行波型の超音波モータは、第６図は示すように、円環
状または円板状に形成した振動体16に圧電素子17を接合
し、振動体16に周方向に進行する撓み振動波を与えるこ
とにより、ロータ18との接触面を楕円振動させるもの
で、接触面積が多いために摩耗が少ないなどの利点を有
している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のような従来の技術においては、い
ずれも次のような解決すべき課題があった。

まず、振動片型の超音波モータにおいては、振動片12と
被駆動体13の接触が間欠的であるために、回転が不安定
であり、また、被駆動体の送りの方向も一定である。さ
らに、ロータ振動片12の先端の摩耗が激しいなどの問題
がある。

捩り振動子型超音波モータは、その構造上、送りの振動
と摩擦を制御する振動を個別に制御することが難しいこ
と、及びリニアモータとして使用するには、直線運動変
換機構を必要とすることなどの欠点があった。

そして、進行波型超音波モータは、エネルギー変換効率
が低い上、上記と同じように直線運動変換機構が必要に
なるという欠点がある。また、進行波型の超音波リニア
モータとして、円環または円板状の振動体16の替わりに
直線状の振動体を配置し、これに進行波を与えて振動を
被駆動体に伝達することが考えられるが、この場合に
は、レール全体に進行波を励振させるために一層エネル
ギーの損失が大きくなり、効率が低下するという欠点が
ある。

［課題を解決するための手段］ 上記のような課題を解決するために、この発明は、弾性
体から柱状に形成した振動部材に、この振動部材の軸線
を含む一つの面に互いに等しい傾斜角度を持つ方向に振
動する一対の振動素子を上記面の両側に取り付け、上記
振動部材の一端に上記振動部材に対して軸線に交差する
方向に相対移動自在に被駆動体を当接させて構成した超
音波リニアモータを提案するものである。

［作用］ このような超音波リニアモータにおいては、１つの振動
素子の振動が振動部材に対してその軸線方向に平行な成
分と直交する成分とに分解されて伝達される。このう
ち、軸線に垂直な分力は弾性部材に撓み振動を与え、平
行な振動は縦振動を与え、これらは結果として振動部材
の材質、形状及び寸法に応じて適度に増幅された定在波
を付与する。振動部材の端部の被駆動体への当接面にお
いては、２つの振動素子からの振動の位相差によって先
端面において斜めの直線状または楕円状の振動が生じ、
この振動が振動部材の一端に当接する被駆動体に伝達さ
れて被駆動体または振動部材が一方向に直線運動する。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。

第１図は、この発明の一実施例を示すもので、平滑なレ
ール（被駆動体）１の上に、柱状の振動部材２とこの振
動部材２の上端に固着された一対の縦振動素子3,3とか
ら構成された走行体４が移動自在に載置されて構成され
ている。

上記振動部材２は、適度の剛性と弾性とを有する弾性体
から形成されており、通常はアルミニウム等の金属が使
用されるが、その他、セラミックス、樹脂等が適宜選択
されてよい。振動部材２は下部が断面が矩形（図示例で
は正方形）に形成され、下端は軸線に直交する平滑な当
接面５になっている。また、上部は両側に張り出す突出
部が形成されており、その上端は走行方向（レールの向
き）に直交する面に対して互いに逆に等角度で傾斜する
傾斜面６（図示例では軸線に対して45度傾斜している）
に形成されている。その寸法は、後述するように縦振動
素子３の加振により弾性部材の軸方向の励起される縦振
動と、軸に直交する方向の加振により励起される撓み振
動とのバランスを考慮して設定される。縦振動素子３は
振動部材２の傾斜面６の中央に接着剤を用いて固定され
ている。この縦振動素子３は、厚さ方向に分極した圧電
セラミックス板を電極を挟んで積層し、交番電圧を付与
することにより縦振動をするようにした周知のものであ
る。

図示する実施例の振動部材２は、素材がアルミニウム
で、寸法は、断面が5mm□、高さ12.5mmであり、縦振動
素子３は寸法が、5mm□、高さ9mmになっている。なお、
振動部材２のレール１への当接面にポリイミド系の複合
材などからなる摩擦材を貼付することにより、摩耗量を
低減させて円滑な走行を図るようにしてもよい。

レール１の面には、走行体の走行方向を規制するガイド
溝７が形成された例が図示されているが、このようなガ
イド溝７は結果的に走行体４とレール１の間の摩擦を増
やすので必ずしも好ましくない。また、上記例では、走
行体４の自重により走行体４がレール１に押し付けられ
ているが、通常はこの圧接力では不足であり、また、こ
の圧接力は負荷などに応じて適宜制御するのが好まし
い。そこで、走行体とレールの間に、走行体の姿勢をレ
ールに対して一定に保持するとともに、走行体をレール
に対して一定の圧力で押圧するための機構を付設するこ
とが考えられる。

この構造体Ａの一例を第２図に示す。これは、走行体４
を取り囲む支持体11と、レール１の下面に沿って転動す
る前後一対のローラ12を備えた車枠13と、上記支持体11
と車枠13とを弾性部材（コイルばね）14を介して連結す
る連結部材15とからなっている。上記支持体11は、下方
が開口した箱体16の側壁17に、振動部材２の四壁に当接
して振動部材２の姿勢を支えるガイド腕18が設けられる
とともに、箱体16の天板19からは振動部材２を上方から
押圧する押圧部材20が垂下して設けられた構成となって
おり、走行体４を保護するとともに、走行体４をレール
１に対して一定の姿勢に保持し、かつレール１に沿って
移動自在に支持するようになっている。ガイド腕18の先
端にはボールベアリング（図示略）が埋設されて振動部
材２の振動に対する摩擦抵抗を軽減するようにしてい
る。また、連結部材15にはコイルばね14のばね受け21の
位置を調整するナット22が設けられ、これを回動してコ
イルばね14の付勢圧力を調整することにより、一定の圧
力で振動部材２の当接面５をレール２に押圧するように
している。

以下、上記のように構成された超音波リニアモータの作
用について説明する。

縦振動素子にそれぞれ位相が90度異なる交番電流、すな
わちsin波とcos波を付与すると、その振動は傾斜面を介
して振動部材に伝達され、振動部材の軸線に平行な成分
は振動部材に縦振動を、振動部材の軸線に垂直な成分は
撓み振動を与える。これらの振動は振動部材の振動特性
に応じた定在波振動、すなわち、軸線方向の一定の位置
で節と腹を有する振動となり、振動部材の下端はこれら
の振動を合成した振動となる。説明を簡略化するため
に、これらの振動が電源との間に位相遅れがないと仮定
すると、縦振動及び撓み振動は次の式で表される。

Ｘ＝Ａ（sinα t＋cosα t） Ｙ＝Ｂ（sinα t−cosα t） 従って、これらを合成した振動は楕円振動となる。実際
には、電源との位相遅れ及び縦振動と撓み振動の機構の
違いによる位相の遅れがあり、傾斜した楕円振動とな
る。また、振動部材の下端の位置においてそれぞれ異な
る振動をするとともに、縦振動素子の振動周波数によっ
ても異なる形状となる。そして、これらの位相と振幅の
差異は、振動部材２の材質、寸法及び形状と、縦振動素
子３自体の寸法、形状、重量、材質などの条件により変
化する。

第３図は、有限要素法を用いてコンピュータにより自由
振動のシミュレーションを行った結果を示すもので、振
動周波数を振動部材２の共振周波数である92.7kHzに設
定している。これによれば、振動部材２の下端が楕円振
動していることが分かる。走行体４はcos波を付与した
縦振動素子３の側に向かって進行する。

振動部材２の材質については、弾性率が大きい程内部摩
耗によるエネルギー損失が少ないが、縦振動及び撓み振
動の変位は小さくなるので、総合的に最もエネルギー効
率のよい材質を選択する。また、寸法及び形状について
は、振動部材の高さが大きく、断面が小さく、断面が走
行方向に直交する方向に偏平である程、撓み振動の振幅
が大きくなる。なお、振動の解析は振動部材と振動素子
とが一体となった構造でなされる。

（実施例） 第１図に示す実施例の走行体４において、縦振動素子３
にピーク間で10Vの駆動電圧を付与し、駆動電圧周波数9
6.0kHz、圧接力3kg・ｆ、負荷０〜0.2kg・ｆとしたとき
の負荷と速度の相関を第４図に示す。無負荷での最大速
度は0.2m/秒であった。上記周波数が最も効率の高いと
ころであるが、85.0〜100.0kHzの範囲で実用的に作動す
ることを確認した。

なお、この発明の実施例は上記のものに限定されるもの
ではなく、例えば、傾斜面の傾斜角度は45度に限られ
ず、これを適宜に設定することにより、垂直成分と水平
成分の比率を変更すことができる。また、振動部材の断
面形状は矩形である場合でも、隣接する辺の比率を適宜
に設定してよく、また矩形以外の形状にしてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように、この発明は、弾性体から柱状に形
成した振動部材に、この振動部材の軸線を含む一つの面
に互いに等しい傾斜角度で交差する方向に振動する一対
の振動素子を上記面の両側に取り付け、上記振動部材の
一端に上記振動部材に対して軸線に交差する方向に相対
移動自在な被駆動体を当接させたものであり、一対の振
動素子に位相の異なる交番電流を付与することにより、
振動素子の超音波振動を振動部材において増幅して伝達
させて振幅の大きい振動を励起させ、かつ、その位相を
変化させることにより、振動伝達が効率的な楕円振動を
励起することができ、簡単な構成でしかもエネルギー効
率の高い超音波リニアモータを提供することができると
いう優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図は他
の実施例を示す断面図、第３図はその振動をシミュレー
ションによって解析した結果を示す図、第４図は負荷と
速度の関係を示すグラフ、第５図ないし第７図は従来例
を示す図である。 １……レール（被駆動体）、２……振動部材、 ３……縦振動素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性体から柱状に形成した振動部材に、こ
   の振動部材の軸線を含む一つの面に互いに等しい傾斜角
   度を持つ方向に振動する一対の振動素子を上記面の両側
   に取り付け、上記振動部材の一端に上記振動部材に対し
   て軸線に交差する方向に相対移動自在な被駆動体を当接
   させたことを特徴とする超音波リニアモータ。