JPH081911Y2 - Ｘ−ｙ座標位置決め機構 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この考案は、ペンプロッタやロボット等に用いられる
Ｘ−Ｙ座標位置決め機構に係り、特に駆動手段に特徴の
あるものである。

「従来の技術」 従来、この種のＸ−Ｙ座標位置決め機構を用いた装置
としては、第６図に示すペンプロッタが知られている。

これは、Ｘ軸方向に配置されたねじ軸１が、ガイド軸
２に、ブロック３、４が取り付けられるとともに、これ
らブロック３、４間にＹ軸方向に架け渡されたねじ軸
５、ガイド軸６に、記録ペンを内蔵したペンキャリッジ
７が取り付けられ、ねじ軸１をステッピングモータによ
り回転させることによりブロック３をねじ軸１に沿って
往復移動させてペンキャリッジ７をＸ軸方向に移動さ
せ、またねじ軸５をステッピングモータにより回転させ
ることによりＹ軸方向にペンキャリッジ７を往復移動さ
せるものである。

「考案が解決しようとする課題」 しかしながら、このような従来のペンプロッタにおけ
るＸ−Ｙ座標位置決め機構にあっては、ブロック３およ
びペンキャリッジ７を移動させるために、駆動源として
ステッピングモータを用い、この回転運動をねじ軸１、
ねじ軸５により直線運動に変換しているので、ねじのバ
ックラッシュおよび累積誤差により位置決め精度に限界
があり、また高速移動性に欠けるという欠点があった。

さらに、真直度等の精度の高い長いねじ軸１およびね
じ軸５を加工するのは非常に困難であり、したがってブ
ロック３およびペンキャリッジ７の移動距離には限界が
あった。

ところで、出願人は、構成部材の共振状態を利用した
効率の良い超音波リニアモータを考案した（特願昭63-6
0713号、特願昭63-60714号）。これは、レールに直交す
る方向に振動する少なくとも１対の脚部と、これらの脚
部を連結するとともにレールの方向に振動する胴部とか
ら走行体（振動体）を構成し、これらの脚部と胴部とを
適度に位相が異なるように振動させ、レール上を走行さ
せるようにしたものである。

この考案は、上記超音波リニアモータを用いた新規な
Ｘ−Ｙ座標位置決め機構を提供することにより、上記従
来のＸ−Ｙ座標位置決め機構の欠点を解決することを目
的している。

「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するために、この考案の第１の請求項
にかかるＸ−Ｙ座標位置決め機構は、Ｘ軸方向に配置さ
れたガイドに沿って移動する移動体と、Ｙ軸方向に配置
されたガイドに沿って移動する移動体とを有するＸ−Ｙ
座標位置決め機構において、上記各移動体に、該移動体
の移動方向に配置された少なくとも２本以上の脚部とこ
れらの脚部の端部を連結する胴部と上記脚部と胴部との
連結部にそれぞれ傾斜させて取り付けられて、これら脚
部と胴部とをそれぞれ振動させる振動源とを備えてなる
超音波リニアモータを、脚部の先端を各ガイドに圧接さ
せてそれぞれ設け、振動源を位相差をもって同時に駆動
して上記各脚部の先端に楕円振動を励起させる構成とし
たことを特徴とするものである。

また、第２の請求項にかかるＸ−Ｙ座標位置決め機構
は、移動体に、この移動体の移動方向に配置された少な
くとも２本以上の脚部とこれらの脚部の端部を連結する
胴部とからなり、かつ上記各脚部と胴部とがそれぞれ電
圧の付与により振動する構成とされた振動体を備えた超
音波リニアモータを、上記脚部の先端を上記各ガイドに
圧接させてそれぞれ設け、上記振動体の各脚部と胴部と
を位相差をもって同時に駆動して上記各脚部の先端に楕
円振動を励起させる構成としたことを特徴とするもので
ある。

「作用」 このように構成されたＸ−Ｙ座標位置決め機構におい
ては、超音波リニアモータの脚部および胴部の振動源に
それぞれ適当に位相の異なる電圧を与え、脚部と胴部を
伸縮させると、脚部の先端は胴部の中心に対して同一の
向きに回転する楕円の軌跡を描く。そして、ガイドに、
脚部の先端が交互に常に一方に向けて押し付けられるの
で、その力の反作用で移動体は超音波リニアモータとと
もに一定の方向に直線移動する。

「実施例」 以下、この考案のＸ−Ｙ座標位置決め機構をペンプロ
ッタに適用した場合の一実施例を第１図ないし第４図に
基づいて説明する。

これらの図において、11、12は、支持盤13にＸ軸方向
に間隔をおいて固定されたガイド軸であって、これらガ
イド軸11、12には、それぞれブロック14、15が軸方向に
移動自在に嵌入されている。ブロック14、15間には、ガ
イド軸16、17がＹ軸方向に間隔をおいて架け渡されてお
り、これによりブロック14、15は一体的に移動するよう
になっている。ガイド軸16、17には、ペン18が取り付け
られたペンキャリッジ（移動体）19が、その貫通孔19
A、19Bをガイド軸16、17に嵌入させて軸方向に移動自在
に取り付けられている。ガイド軸（ガイド）16の上方の
部分はカットされて平面部16Aが形成されており、一方
ペンキャリッジ19には、その上面から貫通孔19Aに貫通
する貫通部19Cが形成され、さらにペンキャリッジ19の
上面には、箱状の支持部材20が貫通部19Cの上方の開口
を塞ぐようにしてビス21により固定されている。

30は、超音波リニアモータであって、この超音波リニ
アモータ30は、互いに平行な脚部31、32とこれらの脚部
31、32の一端を連結する胴部33とからなる振動体34が弾
性材料により断面がほぼ正方形で全体がコ字状に形成さ
れ、その角の部分は、脚部31、32および胴部33に対して
45度の角度をなすように面取りされ、この取付面35に圧
電素子36、37が接着剤などで取り付けられて構成されて
いる。ここで、振動体34の材質としては、アルミニウ
ム、ジュラルミン、鉄、真鍮あるいはステンレス鋼など
の金属材料、アルミナ、ガラスあるいは炭化珪素などの
無機材料、ポリイミド系樹脂あるいはナイロンなどの有
機材料などが使用できる。また、圧電素子36、37は、積
層型圧電アクチュエータあるいは単板の圧電セラミック
スが使用され、上記取付面35に直交する方向に、伸縮す
るようになっている。

この超音波リニアモータ30は、上記支持部材20に次の
ようにして取り付けられている。すなわち、超音波リニ
アモータ30は、その脚部31、32をガイド軸16の平面部16
Aに当接させてペンキャリッジ19の貫通部19Cに装入さ
れ、そして胴部33の中央部に形成された小さな凹所33A
に、支持部材20の天壁20Aにガイド軸16に向かって進退
可能に挿入されたピン40の尖った先端が突入され、さら
に支持部材20の天壁20Aと胴部33との間にピン40を囲ん
でコイルばね（弾性部材）41が取り付けられ、これによ
り超音波リニアモータ30は、支持部材20に対して移動す
るのを阻止されるとともに、その脚部31、32がガイド軸
16の平面部16Aに圧接されている。

他方、ブロック（移動体）14にも同様にして超音波リ
ニアモータ30が設けられている。すなわち、超音波リニ
アモータ30は、その脚部31、32をガイド軸（ガイド）11
の平面部11Aに当接させてブロック14の貫通部14Cに装入
され、そして胴部33の凹所33Aに、支持部材20の天壁20A
に挿入されたピン40の先端が突入されて支持部材20に対
して移動するのを阻止されるともに、コイルばね41によ
り、その脚部31、32がガイド軸11の平面部11Aに圧接さ
れている。

このように構成されたＸ−Ｙ座標位置決め機構を用い
たペンプロッタにおいて、超音波リニアモータ30により
ペンキャリッジ19を移動させるには、第１の圧電素子36
に付与する電圧を、 Va＝Ｅ・sinωｔ とし、第２の圧電素子37には、 Vb＝Ｅ・sin（ωｔ−π/2） の電圧を付与する。すると、各端部は圧電素子36、37に
よって次のような振動を受ける。第１の脚部31において
は、 X₁＝Ａ・sin（ωｔ＋π/2） Y₁＝Ｂ・sin（ωｔ＋π） 一方、第２の脚部32においては、 X₂＝Ａ・sinωｔ Y₂＝Ｂ・sin（ωｔ＋π/2） のように振動する。

すなわち、脚部31、32の先端は楕円振動をし、第１の
脚部31と第２の脚部32の振動は、位相が90度異なるもの
であるから、ガイド軸16の平面部16Aには、脚部31、32
の先端が交互に常に一方に向けて押し付けられるので、
その反作用でペンキャリッジ19は超音波リニアモータ30
とともにガイド軸16に沿って一方向に移動する。

なお、移動の方向を変えるには、第２の脚部32に付与
する電圧を、 Vb＝Ｅ・sin（ωｔ＋π/2） とすればよい。

同様にして、ブロック14を超音波リニアモータ30によ
ってガイド軸11に沿って移動させることができる。

このようなペンプロッタのＸ−Ｙ座標位置決め機構に
あっては、移動体34の固有振動数によって振動させるこ
とにより、脚部31、32の先端を楕円振動させ、これによ
りペンキャリッジ19を脚部31、32の先端とガイド軸16と
の摩擦力により移動させるので、ペンキャリッジ19を高
速で移動することができ、しかも精度良く位置決めでき
る。さらに、電源が「OFF」の状態のときには、ブレー
キの働きをする利点がある。ブロック14についても同様
の効果が得られる。

また、ねじ軸等の伝達機構を用いず直接超音波リニア
モータ30のみによりペンキャリッジ19またはブロック14
を駆動し、しかも超音波リニアモータ30がステッピング
モータのようなコイルや磁石を備えた複雑な構図でな
く、簡単な構造であるので、全体を小型、軽量にするこ
とができる。

さらに、ねじ軸を用いていないので、ペンキャリッジ
19およびブロック14の移動距離を長くすることができ
る。

さらには、磁界の発生がないので、たとえば磁気記録
用の媒体に対する処理においてこれらの媒体に有害な影
響を与えることがない。

しかも、圧電素子36,37がガイド軸16に直接当接する
構成とはなっていないので、振動による圧電素子36,37
の割れ等を防いで、これを高い耐久性を有したものとす
ることができる。

第５図は超音波リニアモータの他の例を示すものであ
る。

同図において、71、72は脚部、73は胴部である。これ
らは、それぞれ断面正方形の柱状に形成された積層圧電
アクチュエータであり、高周波電源からの電圧により、
それぞれ長手方向に伸縮する。胴部73の両端には、正六
面体状の鉄のブロック74、75が、該ブロック74、75の面
に形成した穴76に胴部73の端部を嵌入させ、エポキシ樹
脂等を用いて接合されている。これらのブロック74、75
の他面には、それぞれ脚部71、72が同様の方法で接合さ
れており、全体でコ字状の振動体77を構成している。

このように構成された超音波リニアモータ70において
は、胴部73の圧電アクチュエータに付与する電圧を、 Va＝Ex・sinωｔ とし、脚部71、72には、第１の脚部71に、 Vb＝Ey・sin（ωｔ＋３π/2） 第２の脚部72に、 Vc＝Ey・sin（ωｔ＋π/2） の電圧を付与すると、脚部71、72の先端はそれぞれ楕円
振動をする。そして第１の脚部71と第２の脚部72の振動
は、 X₁＝−X₂,Y₁＝−Y₂ であるから、位相が180度異なるものである。

したがって、このような超音波リニアモータ70によっ
てもペンキャリッジ19またはブロック14を移動させるこ
とができる。

なお、移動方向を逆にするには、胴部73に加える電圧
の位相を Va＝Ex・sin（ωｔ＋π） とすればよい。

なお、上記実施例では、この考案に係るＸ−Ｙ座標位
置決め機構をペンプロッタに適用した場合について示し
たが、これに限らずロボット等にも応用できる。

「考案の効果」 以上説明したように、この考案の第１の請求項にかか
るＸ−Ｙ座標位置決め機構は、移動体に、この移動体の
移動方向に配置された少なくとも２本以上の脚部とこれ
らの脚部の端部を連結する胴部と上記脚部と胴部との連
結部にそれぞれ傾斜させて取り付けられて、これらの脚
部と胴部とをそれぞれ振動させる振動源とを備えてなる
超音波リニアモータを、その脚部の先端をガイドに圧接
させて設け、振動源を位相差をもって同時に駆動して上
記各脚部の先端に楕円振動を励起させる構成とした。

また、第２の請求項にかかるＸ−Ｙ座標位置決め機構
は、移動体に、この移動体の移動方向に配置された少な
くとも２本以上の脚部とこれらの脚部の端部を連結する
胴部とからなり、かつ上記各脚部と胴部とがそれぞれ電
圧の付与により振動する構成とされた振動体を備えた超
音波リニアモータを、上記脚部の先端を上記各ガイドに
圧接させてそれぞれ設け、上記振動体の各脚部と胴部と
を位相差をもって同時に駆動して上記各脚部の先端に楕
円振動を励起させる構成とした。

したがって、この考案のＸ−Ｙ座標位置決め機構で
は、脚部と胴部により構成される振動体をその固有振動
数によって振動させることにより、脚部の先端を楕円振
動させ、これにより移動体を脚部の先端とガイドとの摩
擦力により移動させるので、移動体を高速で移動させる
ことができ、しかも精度良く位置決めできる。さらに、
電源が「OFF」の状態のときには、移動体がロック状態
になり、保持機構が不要となるという利点がある。

さらには、従来のようにねじ軸等の伝達機構を用いず
直接超音波リニアモータのみにより移動体を駆動し、し
かも超音波リニアモータが簡単な構造であるので、全体
を小型、軽量にすることができる。

加えて、ねじ軸を用いていないので、移動体の移動距
離を長くすることができる。

さらには、振動源がガイドに直接当接する構成となっ
ていないので、例えば圧電素子等の振動源の割れ等を防
いで、これを高い耐久性を有したものとすることができ
る。

しかも、磁界の発生がないので、そのような考慮の必
要な装置にも応用できる等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はこの考案のＸ−Ｙ座標位置決め機
構を用いたペンプロッタの一実施例を示す図であって、
第１図は斜視図、第２図はペンキャリッジ部の断面図、
第３図は第２図のIII-III線視断面図、第４図はブロッ
ク部の断面図である。 第５図はこの考案に係る超音波リニアモータの他の例を
示す図である。 第６図は従来のＸ−Ｙ座標位置決め機構を用いたペンプ
ロッタを示す斜視図である。 11……ガイド軸（ガイド）、12……ガイド軸、14……ブ
ロック（移動体）、15……ブロック、16……ガイド軸
（ガイド）、17……ガイド軸、19……ペンキャリッジ
（移動体）、19A、19B……貫通孔、19……貫通部、20…
…支持部材、20A……天壁、30……超音波リニアモー
タ、31、32……脚部、33……胴部、34……振動体、36、
37……圧電素子、40……ピン、41……コイルばね（弾性
部材）、70……超音波リニアモータ、71、72……脚部、
73……胴部、74、75……ブロック、77……振動体。

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｘ軸方向に配置されたガイドに沿って移動
   する移動体と、Ｙ軸方向に配置されたガイドに沿って移
   動する移動体とを有するＸ−Ｙ座標位置決め機構におい
   て、 上記各移動体に、該移動体の移動方向に配置された少な
   くとも２本以上の脚部と、これらの脚部の端部を連結す
   る胴部と、上記脚部と胴部との連結部にそれぞれ傾斜さ
   せて取り付けられて、これら脚部と胴部とをそれぞれ振
   動させる振動源とを備えてなる超音波リニアモータが、
   上記脚部の先端を上記各ガイドに圧接してそれぞれ設け
   られてなり、 かつ上記振動源が位相差をもって同時に駆動されて上記
   各脚部の先端に楕円振動を励起させる構成とされている
   ことを特徴とするＸ−Ｙ座標位置決め機構。
2. 【請求項２】Ｘ軸方向に配置されたガイドに沿って移動
   する移動体と、Ｙ軸方向に配置されたガイドに沿って移
   動する移動体とを有するＸ−Ｙ座標位置決め機構におい
   て、 上記各移動体には、該移動体の移動方向に配置された少
   なくとも２本以上の脚部とこれらの脚部の端部を連結す
   る胴部とからなり、かつ上記各脚部と胴部とがそれぞれ
   電圧の付与により振動する構成とされた振動体を備えた
   超音波リニアモータが、上記脚部の先端を上記各ガイド
   に圧接してそれぞれ設けられてなり、 上記振動体の各脚部と胴部とが位相差をもって同時に駆
   動されて上記各脚部の先端に楕円振動を励起させる構成
   とされていることを特徴とするＸ−Ｙ座標位置決め機
   構。