JP2007505599A - Ultrasonic motor for lead screw - Google Patents

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    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction

Abstract

An apparatus for driving a threaded shaft assembly that contains a threaded shaft with an axis of rotation and, engaged therewith, a threaded nut. Subjecting the threaded nut to ultrasonic vibrations causes the threaded shaft to simultaneously rotate and translate in the axial direction. The threaded shaft is connected to a load that applies an axial force to the threaded shaft. ® KIPO & WIPO 2007

Description

本発明は、ねじ付きシャフトとこれに螺合するナットを備えた小型の超音波リニアモータアッセンブリに関する。   The present invention relates to a small ultrasonic linear motor assembly provided with a threaded shaft and a nut screwed into the shaft.

圧電電歪技術、静電技術または電磁技術を利用した変換器は、ナノメートル・スケールで位置決めを正確に行う上で極めて有用である。圧電機器の場合、荷電時と放電時に変形するセラミックコンデンサを形成させ、力変換器や位置アクチュエータを作製する。位置アクチュエータとして使用する場合、圧電セラミックの変形は、ほぼ印加電圧に比例する。圧電アクチュエータは、セラミック長のほぼ0.1%の範囲に限定され、その値は典型的なストローク長の10マイクロメータに相当する。圧電アクチュエータが有する剛性とナノメートル単位の精密さは極めて有用であるが、多くの用途ではさらに多数のストロークが求められる。   A transducer using piezoelectric electrostriction technology, electrostatic technology, or electromagnetic technology is extremely useful for accurate positioning on the nanometer scale. In the case of a piezoelectric device, a ceramic capacitor that deforms during charging and discharging is formed to produce a force transducer and a position actuator. When used as a position actuator, the deformation of the piezoelectric ceramic is approximately proportional to the applied voltage. Piezoelectric actuators are limited to a range of approximately 0.1% of the ceramic length, which corresponds to a typical stroke length of 10 micrometers. The stiffness and nanometer precision of a piezoelectric actuator is extremely useful, but many applications require a greater number of strokes.

セラミックの小さな変形を修正して、より長いストロークを生む圧電モータは、数多く設計・開発されている。   A number of piezoelectric motors have been designed and developed that correct small ceramic deformations and produce longer strokes.

米国特許第3,902,084号には、PZTステッピングモータが記載されているが、その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。このモータは、多数の短いPZTアクチュエータサイクルをまとめるために、クランプ伸長クランプ引込みの動作シーケンスを利用している。このステッピング・リニアアクチュエータは、直流から〜数キロヘルツの周波数で動作し、大きな騒音と振動を生じる。電源がオフのとき、姿勢が保持されない。1ナノメートルより優れた分解能は、200ミリメータを超える行程で達成される。   US Pat. No. 3,902,084 describes a PZT stepping motor, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. This motor utilizes a sequence of clamp extension clamp retraction operations to group a number of short PZT actuator cycles. This stepping linear actuator operates from a direct current to a frequency of up to several kilohertz and generates a large noise and vibration. The posture is not maintained when the power is off. Resolutions better than 1 nanometer are achieved over a stroke of 200 millimeters.

米国特許第5,410,206号には、PZT慣性スティックスリップモータが記載されているが、その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。これに記載されたモータは、シャフトの両端を噛む顎を形成するスプリットナットを利用して、細かいねじを持つシャフトを回転させる。PZTアクチュエータは、非対称交流駆動信号にて、上記の顎を反対方向に高速で動かす。顎の高速運動は、クランプ摩擦に打ち勝って滑りを生む。ジョーの低速運動は、滑りを起こさずにシャフトを回転させる。このスティックスリップモータも、前記のステッピングモータと似たような騒音と振動を生むが、100倍も低速で動き、電源オフでも姿勢を維持する。50ナノメートルより優れた分解能は、25ミリメータを超える行程で達成される。   US Pat. No. 5,410,206 describes a PZT inertial stick-slip motor, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. The motor described therein rotates a shaft with fine threads using a split nut that forms a jaw that bites both ends of the shaft. The PZT actuator moves the jaw at high speed in the opposite direction with an asymmetrical AC drive signal. The high-speed movement of the jaw overcomes the clamping friction and causes slipping. The low speed movement of the jaws causes the shaft to rotate without causing slip. This stick-slip motor also produces noise and vibration similar to the above stepping motor, but moves 100 times slower and maintains its posture even when the power is turned off. Resolutions better than 50 nanometers are achieved with a stroke greater than 25 millimeters.

超音波モータは、高速かつ高トルクで、小型で音の静かな連続運動を実現するために、圧電気振動を利用する。   Ultrasonic motors use piezoelectric vibrations to achieve high-speed, high-torque, small and quiet continuous motion.

最も初期の超音波圧電モータの一つは、米国特許第3,176,167号に開示されている。その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。単一方向に回転するこのモータは、水晶発振器を使用して細い棒を動かし、時計仕掛けを駆動する目的で爪車を駆動させる。   One of the earliest ultrasonic piezoelectric motors is disclosed in US Pat. No. 3,176,167. The entire disclosure is hereby incorporated by reference. This motor, which rotates in a single direction, uses a crystal oscillator to move a thin bar and drive the pinwheel for the purpose of driving the clockwork.

定在波超音波モータの一例は、米国特許第5,453,653号に開示されており、その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。このモータは長方形のPZTプレートを利用し、可動面に予め負荷した接点において超音波振動を発生させる。PZTプレート上の電極パターンは、交流信号に接続され、合わせ面に対して正味(真)の力を発生させるために、接点での二次元振動を必要な振幅と位相で発生させる。この超音波モータは音が静かで、ステッピングモータより100倍速く動き、約3分の1程度の力を生む。一般に、超音波モータは停止と開始が難しく、これが精密さを欠く原因である。マイクロメータ以下の分解能を達成するには、典型的には、閉ループ制御を備えたエンコーダが必要とされる。   An example of a standing wave ultrasonic motor is disclosed in US Pat. No. 5,453,653, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. This motor uses a rectangular PZT plate and generates ultrasonic vibration at a contact point preloaded on the movable surface. The electrode pattern on the PZT plate is connected to an AC signal and generates a two-dimensional vibration at the contact with the required amplitude and phase in order to generate a net (true) force on the mating surface. This ultrasonic motor is quiet, moves 100 times faster than a stepping motor, and produces about a third of the force. In general, ultrasonic motors are difficult to stop and start, which is a cause of lack of precision. To achieve sub-micrometer resolution typically requires an encoder with closed loop control.

超音波振動を利用したねじ式ロッドの駆動装置は、例えば、米国特許第6,147,435号に記載されている。その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。この特許には、「軸方向にせん状の溝を形成させたスクリューロッドと、該スクリューロッドの両対向端を回転自在に保持する一対のスタンドと、前記スクリューロッドを部分的に取り囲み、その軸方向に摺動可能なワークラックと、該ワークラックの片側に固定され、ワークラックからスクリューロッドに伸張する少なくとも一つの第1のスクリューロッド回転装置と、ワークラックの他方の側に固定され、ワークラックからスクリューロッドに伸張する少なくとも一つの第2のスクリューロッド回転装置とを備え、前記第1のスクリューロッド回転装置が、スクリューロッドの溝部と第1の特定な角度で接触する第1振動子と、この第1振動子をスクリューロッドの溝部に向けて特定な圧力で付勢する第1スプリングと、電気的活性化により前記第1振動子を振動させてスクリューロッドを第1の回転方向に回転させる第1の圧電アクチュエータとを有し、前記第2のスクリューロッド回転装置が、スクリューロッドの溝部と第1の特定な角度と逆の第2の特定な角度で接触する第2振動子と、この第2振動子をスクリューロッドの溝部に向けて特定な圧力で付勢する第2スプリングと、電気的活性化により前記第2振動子を振動させてスクリューロッドを第2の方向に回転させる第2の圧電アクチュエータとを有する超音波振動によるスクリューロッド駆動機構」が記載され、特許請求されている。   A screw-type rod driving device using ultrasonic vibration is described in, for example, US Pat. No. 6,147,435. The entire disclosure is hereby incorporated by reference. In this patent, “a screw rod having a spiral groove formed in the axial direction, a pair of stands that rotatably hold both opposing ends of the screw rod, and the shaft partially surrounding the screw rod. A work rack slidable in a direction, at least one first screw rod rotating device fixed to one side of the work rack and extending from the work rack to the screw rod, and fixed to the other side of the work rack, At least one second screw rod rotating device extending from the rack to the screw rod, wherein the first screw rod rotating device is in contact with the groove portion of the screw rod at a first specific angle; A first spring that urges the first vibrator toward the groove of the screw rod with a specific pressure, A first piezoelectric actuator that vibrates the first vibrator to rotate the screw rod in a first rotation direction, and the second screw rod rotating device includes a groove portion of the screw rod and a first specific angle. A second vibrator that makes contact at a second specific angle opposite to the first vibrator, a second spring that urges the second vibrator toward the groove of the screw rod with a specific pressure, and the first activation by electrical activation. A screw rod drive mechanism by ultrasonic vibration having a second piezoelectric actuator that vibrates two vibrators and rotates the screw rod in a second direction is described and claimed.

上記の米国特許第6,147,435号の装置では、「第1のスクリューロッド回転装置」と「第2のスクリューロッド回転装置」の両方が不可欠である。これらは、同特許の図3において、要素16a'、要素16d'(これらは第1のスクリューロッド回転装置を構成する)要素16b'、要素16c'(これらは第2のスクリューロッド回転装置を構成する)として図示されている。そして、要素16a'と要素16d'を超音波振動で活性化させると、スクリューロッド2は一方向に回転し、要素16b'と要素16c' を超音波振動で活性化させると、スクリューロッド2は反対方向に回転する。   In the apparatus of the above-mentioned US Pat. No. 6,147,435, both the “first screw rod rotating device” and the “second screw rod rotating device” are indispensable. In FIG. 3 of the patent, these are the elements 16a ′ and 16d ′ (which constitute the first screw rod rotating device), the elements 16b ′ and 16c ′ (these constitute the second screw rod rotating device). ). When the element 16a ′ and the element 16d ′ are activated by ultrasonic vibration, the screw rod 2 rotates in one direction, and when the element 16b ′ and the element 16c ′ are activated by ultrasonic vibration, the screw rod 2 is Rotate in the opposite direction.

要素16a'及び16d'と要素16b'及び16c'が、同時に活性化することはない。同時に活性化させるのはエネルギーの浪費であろうし、スクリューロッド2は、静止状態のままである。   Elements 16a 'and 16d' and elements 16b 'and 16c' are not activated simultaneously. It will be a waste of energy to activate at the same time, and the screw rod 2 remains stationary.

しかしながら、たとえ要素16a'及び16d'と要素16b'及び16c'が、同時に活性化しなくても、エネルギーの浪費が起こる。活性化されていない一対の要素は、スクリューロッド2のねじと接触したままであり、引きずり摩擦が起こるからである。   However, even if the elements 16a ′ and 16d ′ and the elements 16b ′ and 16c ′ are not activated at the same time, energy is wasted. This is because the pair of elements that are not activated remain in contact with the screw of the screw rod 2 and drag friction occurs.

この引きずり摩擦が米国特許第6,147,435号の装置の問題である。この問題をいくばくかでも解決するために、当該特許のクレーム2では、「前記第1及び第2の圧電アクチュエータの一方を電気的に活性化させた際に、他方の圧電アクチュエータに微量の電流を印加する」ことを提案しているが、それでも当該特許の装置は、決して効率が高いといえない。   This drag friction is a problem with the device of US Pat. No. 6,147,435. In order to solve this problem to some extent, claim 2 of the patent states, “When one of the first and second piezoelectric actuators is electrically activated, a small amount of current is applied to the other piezoelectric actuator. Although it is proposed to “apply”, the device of the patent is nevertheless highly efficient.

本発明の目的は、米国特許6,147,435号に記載された装置より実質的に高性能であり、同程度の大きさの従来技術による超音波式モータで普通達成できるよりも、高出力で、高速な超音波振動による精密なねじ付きシャフト駆動機構を提供することにある。   The object of the present invention is substantially higher performance than the apparatus described in US Pat. No. 6,147,435, which is higher power than is normally achievable with prior art ultrasonic motors of comparable magnitude. Therefore, it is to provide a precise threaded shaft drive mechanism by high-speed ultrasonic vibration.

本発明によれば、ねじ付きシャフトと、これと螺合するナットを備えたねじ付きシャフトアッセンブリを駆動するための装置が提供される。本発明のアッセンブリは、前記ナットに超音波振動を与え、前記シャフトを回転させると同時に軸方向に移動させる手段を備え、また、前記シャフトに軸方向の力を及ぼす手段を備えている。   In accordance with the present invention, an apparatus is provided for driving a threaded shaft assembly having a threaded shaft and a nut threadably engaged therewith. The assembly of the present invention includes means for applying ultrasonic vibration to the nut, rotating the shaft and simultaneously moving in the axial direction, and means for applying an axial force to the shaft.

本発明の具体例の一つでは、小型の超音波リニアモータが、親ねじを回転させて直線運動を生起させる。シリンダが、超音波領域の第1曲げモードの共鳴周波数でねじ込みナットを支持する。シリンダとナットは、変換器より前記に共鳴周波数で励起され、これがナットをシリンダの端部で軌道運動させる。変換器には、圧電式、電歪式、静電式、電磁式または共鳴振動を起こすその他の任意の装置が使用可能である。直角曲げモードのシリンダを±900度の位相シフトを伴うシリンダの直角曲げモードを励起させ、同時に円軌道運動と生起させるためには、少なくとも2つの変換器が必要である。ナットにはぴったりしたねじ付きシャフトが内装される。弾力がある軸方向荷重が、低摩擦の連結具を介してシャフトに付加される。ナットはその共鳴周波数で軌道を周回し、シャフトの慣性がこれを中央に保持する。ナットの軌道運動(周回運動)がトルクを生み、シャフトを回転させ、直線運動を生起させる。変換器には少なくとも2つの交流駆動信号が必要である。駆動周波数は、機械的周波数を励起させ、ナットが円軌道で周回するように位相を制御しなければならない。駆動信号の振幅と持続時間の調節が速度を制御する。駆動信号の位相シフトは正又は負の何れでも構わず、これがナットの軌道周回方向と、シャフトの回転及び移動の方向を逆向きにする。この実施例およびその他の実施例を以下により詳細に説明する。   In one embodiment of the present invention, a small ultrasonic linear motor rotates a lead screw to cause a linear motion. The cylinder supports the screw nut at the resonance frequency of the first bending mode in the ultrasonic region. The cylinder and nut are excited by the transducer at the resonance frequency, which causes the nut to orbit at the end of the cylinder. The transducer can be piezoelectric, electrostrictive, electrostatic, electromagnetic, or any other device that causes resonant vibration. At least two transducers are required to excite the right-angle bending mode cylinder with a phase shift of ± 900 degrees and simultaneously cause circular orbital motion. The nut is fitted with a tightly threaded shaft. A resilient axial load is applied to the shaft via a low friction coupling. The nut orbits at its resonant frequency and the inertia of the shaft keeps it in the center. The orbital motion (circular motion) of the nut generates torque, rotates the shaft, and causes linear motion. The converter requires at least two AC drive signals. The driving frequency must excite the mechanical frequency and control the phase so that the nut orbits in a circular path. Adjustment of the amplitude and duration of the drive signal controls the speed. The phase shift of the drive signal may be either positive or negative, which reverses the orbiting direction of the nut and the direction of rotation and movement of the shaft. This and other embodiments are described in more detail below.

特定の理論に執着する訳ではないが、本発明に関係する超音波リニアアクチュエータの運転原理は、円筒形チューブが第1の曲げ共鳴で励起し、これによりチューブの一端又は両端を、円筒軸の周囲で回転することなく軌道周回させると、本発明者は考えている。この具体例では、ねじ付きチューブの周りで軌道周回し、シャフトを回転させる接線分力を生むナットが、チューブの一端部に収容される。ねじ同士の摩擦抵抗が、ねじを直接駆動しているので、有益である。このことは、従来の親ねじ駆動様式と著しく異なる点である。従来の駆動様式でのねじの摩擦抵抗は、寄生的であって、ワインドアップや、ガタや、応答の遅れがでる。本発明で用いるらせん状ねじのさらなる長所は、大きな機械的利益を伴って回転運動を平行移動運動に直接変換できることであって、軸方向の力を増幅し、線速度を低減させることができ、その結果として精度を高めることができる。   Without being bound to a particular theory, the principle of operation of an ultrasonic linear actuator related to the present invention is that the cylindrical tube is excited with a first bending resonance, which causes one or both ends of the tube to be The present inventor believes that the orbit is performed without rotating around. In this example, a nut that orbits around a threaded tube and produces a tangential component that rotates the shaft is housed in one end of the tube. The frictional resistance between the screws is beneficial because it drives the screws directly. This is a significant difference from the conventional lead screw drive mode. The frictional resistance of the screw in the conventional driving mode is parasitic, and windup, play, and response delay occur. A further advantage of the helical screw used in the present invention is that it can directly convert rotational motion into parallel motion with great mechanical benefit, which can amplify axial force and reduce linear velocity, As a result, accuracy can be increased.

本発明の具体例では、第1の曲げモードを励起するのに、変換器を使用するのが好ましい。使用可能な変換器には、プレートやスタックを含む圧電材料、磁歪材料、静電材料などが挙げられる。ここに例示したものは、本発明で使用可能な全ての変換器を含むものではない。円筒形チューブ又は類似の形状のブロックに第1の曲げ共鳴を励起させることで、チューブの一端又は両端に軌道周回を生起させることができる材料や機構が、本発明では使用可能である。ここに記載する具体例では、圧電材料が使用されているが、上述したような別の変換器材料を用いても、本発明を具体化することができる。   In embodiments of the present invention, it is preferred to use a transducer to excite the first bending mode. Usable transducers include piezoelectric materials including plates and stacks, magnetostrictive materials, electrostatic materials and the like. What is illustrated here does not include all converters that can be used in the present invention. Any material or mechanism that can cause orbiting at one or both ends of the tube by exciting the first bending resonance in a cylindrical tube or similarly shaped block can be used in the present invention. In the specific example described here, a piezoelectric material is used, but the present invention can also be embodied using another transducer material as described above.

以下に、添付の図面を参照しながら本発明を詳述する。
図1〜図6には、本発明の好ましい実施例での超音波リニアモータ10が描かれている。図に例では、超音波振動を発生させるために、4枚の長方形圧電プレートが使用されている。図示していないが、別の手段を用いても超音波振動を発生させることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1-6 illustrate an ultrasonic linear motor 10 in a preferred embodiment of the present invention. In the example shown, four rectangular piezoelectric plates are used to generate ultrasonic vibrations. Although not shown, ultrasonic vibrations can be generated using other means.

この明細書において、超音波とは、20,000ヘルツを超える動作周波数を指す。その一例として、少なくとも約25,000ヘルツの動作周波数があり、他の一例として、振動数はであり、他の例では、少なくとも約50,000ヘルツの動作周波数がある。さらに別の例では、動作周波数が少なくとも約100,000ヘルツの超音波がある。   In this specification, ultrasound refers to an operating frequency exceeding 20,000 hertz. One example is an operating frequency of at least about 25,000 hertz, another example is frequency, and another example is an operating frequency of at least about 50,000 hertz. In yet another example, there is ultrasound with an operating frequency of at least about 100,000 hertz.

この明細書において言うリニアモータとは、力を生むか置換を起こすことで、実質的に直線的な運動を生む作動装置を指す。超音波リニアモータに関しては、米国特許第5,982,075号、同第5,134,334号、同第5,036,245号、同第4,857,791などを参照されたい。これら各米国特許明細書の開示事項の全てを、この明細書の一部とする。   The linear motor referred to in this specification refers to an actuator that generates a substantially linear motion by generating force or causing substitution. Regarding ultrasonic linear motors, see US Pat. Nos. 5,982,075, 5,134,334, 5,036,245, 4,857,791, and the like. The entire disclosure of each of these US patent specifications is incorporated herein by reference.

図1〜図6に示す好ましい実施例には、球形のボールチップ26を備えたねじ付きシャフト12が、回転して軸方向の力と運動を発生して状況が示されている。   In the preferred embodiment shown in FIGS. 1-6, the situation is shown where a threaded shaft 12 with a spherical ball tip 26 rotates to generate axial forces and motions.

ねじ付きシャフト12は、好ましくは、ハウジング14内で動けるように設置されている。ねじ付きシャフト12の長さ15(図5参照)は、好ましくはハウジング14の長さ13より少なくとも約10mm長い。一実施例では、長さ15が長さ13よりも、少なくとも約25mm長い。別の実施例では、長さ15が長さ13よりも、少なくとも約50mm長い。   The threaded shaft 12 is preferably installed so that it can move within the housing 14. The length 15 (see FIG. 5) of the threaded shaft 12 is preferably at least about 10 mm longer than the length 13 of the housing 14. In one embodiment, length 15 is at least about 25 mm longer than length 13. In another embodiment, length 15 is at least about 50 mm longer than length 13.

一実施例において、ねじ付きシャフト12の第1固有振動数は、ハウジング14のそれよりの約0.2倍である。別の実施例では、ねじ付きシャフト12は、ハウジング14の第1固有振動数よりも、約0.1倍少ない第1固有振動数を有する。   In one embodiment, the first natural frequency of threaded shaft 12 is about 0.2 times that of housing 14. In another embodiment, the threaded shaft 12 has a first natural frequency that is approximately 0.1 times less than the first natural frequency of the housing 14.

この明細書において、第1固有振動数又は第1固有周波数とは、第1の基準振動モードの振動数又は周波数を指す。マグローヒル化学技術用語大辞典(McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms)、第4版、1253頁(McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1989年)参照。また、ユージーン・A・A他著の"マークの機械技術者向け標準ハンドブック(Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers)"の5〜59頁及び5〜70頁(McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1978年)、米国特許第6,125,701号、同第6,591,608号、同第6,525,456号、同第6,439,282号、同第6,170,202号、同第6,101,840号など参照。これら各米国特許明細書の開示事項の全てを参照として、本明細書の一部とする。   In this specification, the first natural frequency or the first natural frequency refers to the frequency or frequency of the first reference vibration mode. See McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, 4th edition, page 1253 (McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1989). Also, pages 5 to 59 and 5 to 70 of “Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers” by Eugene A. A, et al. (McGraw-Hill Book Company, New York, New York) 1978), US Pat. Nos. 6,125,701, 6,591,608, 6,525,456, 6,439,282, 6,170,202. , No. 6,101,840. The disclosures of each of these US patent specifications are hereby incorporated by reference in their entirety.

図示の実施例において、ナット16の軌道運動は、図18に示すように、軸の中心線と平行な面において、互いに直交して作用する2つの基準振動モードが存在するために生起する。これら2つの直交する基準振動モードは、活性化した変換器(プレート18、20、22及び24のような)と、ハウジング14との相互作用によってもたらされ、こうした相互作用がナット16の軌道運動を生み、ねじ付きシャフト12に回転と平行移動を生起させる。   In the illustrated embodiment, the orbital motion of the nut 16 occurs because there are two normal vibration modes that act orthogonally to each other in a plane parallel to the axis of the shaft, as shown in FIG. These two orthogonal normal vibration modes are caused by the interaction of the activated transducers (such as plates 18, 20, 22 and 24) and the housing 14, and these interactions result in the orbital motion of the nut 16. And causes the threaded shaft 12 to rotate and translate.

一実施例において、ナット16の第1の固有共振周波数又は固有振動周波数は、好ましくは、モータ10の動作周波数の少なくとも5倍である。従って、ナット16は実質的に剛体であることが望ましい。   In one embodiment, the first natural resonance frequency or natural vibration frequency of the nut 16 is preferably at least five times the operating frequency of the motor 10. Therefore, it is desirable that the nut 16 is substantially rigid.

一実施例において、ねじ付きシャフト12は金属製で、実質的にはステンレス鋼で製造する。この実施例では、ねじ付きシャフト12が、金属製の、実質的に真鍮製のナット16と係合している。   In one embodiment, the threaded shaft 12 is made of metal, substantially stainless steel. In this embodiment, the threaded shaft 12 engages a metal, substantially brass nut 16.

ねじ付きシャフト12及びねじ込みナット16の材料には、磨耗が最小になるにような素材を組み合わせて使用するのが好ましい。   The material of the threaded shaft 12 and the screw nut 16 is preferably used in combination with materials that minimize wear.

図1に示すように、ねじ付きシャフト12は、多数のねじ溝山17を、好ましくは、切欠き形のネジ山を持つ。一実施例によれば、ねじのピッチは、一実施例では、インチ当り約ねじ山250個以下、好ましくは、インチ当りねじ溝約200個以下である。別の実施例では、ねじ17のピッチは、インチ当りねじ溝約100以下であり、別の例ではインチあたりねじ溝約40〜80個である。   As shown in FIG. 1, the threaded shaft 12 has a number of thread grooves 17, preferably notched threads. According to one embodiment, the thread pitch is, in one embodiment, no more than about 250 threads per inch, and preferably no more than about 200 thread grooves per inch. In another embodiment, the pitch of the screws 17 is no more than about 100 threads per inch, and in another example, there are about 40-80 threads per inch.

ねじ17は、図18に示すように、ナット16の内ねじ19と係合する。好ましい一実施例では、内ねじ19のピッチは、外ねじ17のピッチと実質的に等しい。   As shown in FIG. 18, the screw 17 engages with an inner screw 19 of the nut 16. In a preferred embodiment, the pitch of the inner threads 19 is substantially equal to the pitch of the outer threads 17.

図示の都合上、図5A、図5B、図18を除いて、ねじ17と内ねじ19とは完全に係合した状態で示されているが、両者の間には径方向に隙間が存在することが好ましく、その間隔は、ねじ17のねじ溝の深さ35及び/又は内ねじ19のねじ溝深さ33の約0.5倍より小さいことが望ましい。この径方向の隙間を図5Aに示す。径方向の間隔を測定手段は周知である。米国特許第6,145,805号、同第5,211,101号、同第4,781,053号、同第4,277,948号、同第6,257,845号、同第6,142,749号など参照。これら各米国特許明細書の開示事項の全てを、参照として本明細書の一部とする。その他の参照文献には、前述の"マークの機械技術者向け標準ハンドブック(Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers)"の8〜9頁(機械素子)がある。   For convenience of illustration, except for FIGS. 5A, 5B, and 18, the screw 17 and the inner screw 19 are shown in a completely engaged state, but there is a radial gap between them. Preferably, the spacing is less than about 0.5 times the thread groove depth 35 of the screw 17 and / or the thread groove depth 33 of the inner screw 19. This radial gap is shown in FIG. 5A. Means for measuring the radial spacing are well known. U.S. Patent Nos. 6,145,805, 5,211,101, 4,781,053, 4,277,948, 6,257,845, 6, See 142,749. The entire disclosure of each of these US patent specifications is hereby incorporated by reference. Other references include pages 8-9 (mechanical elements) of the aforementioned "Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers".

図5Aには、ねじ17と内ねじ19の好ましい係合が図示されている。この図から明らかなように、一方の各ねじは先端部29を有し、他方の各ねじは先端部31を有する。そして、各ねじは、深さ33と深さ35のねじ溝を持つ。   In FIG. 5A, the preferred engagement of screw 17 and internal screw 19 is illustrated. As is apparent from this figure, each of the screws has a tip portion 29 and each of the other screws has a tip portion 31. Each screw has a thread groove with a depth 33 and a depth 35.

図1に示す好ましい実施例から分かるように、軌道がねじ付きシャフトの回転は、振動ハウジング14に接続されたナット16の超音波による軌道によって引き起こされる。図示の実施例では、ねじ式ナット16はハウジング14に接続されており、この様子は図2に示される。   As can be seen from the preferred embodiment shown in FIG. 1, the rotation of the shaft with the track is caused by the ultrasonic track of the nut 16 connected to the vibration housing 14. In the illustrated embodiment, the threaded nut 16 is connected to the housing 14 and this is illustrated in FIG.

図2から分かるように、ナット16は、開口部11内に配置され、プレス嵌め又は接着手段にてナットは開口部内に固定される。   As can be seen from FIG. 2, the nut 16 is disposed in the opening 11, and the nut is fixed in the opening by press fitting or adhesive means.

図1及び図2に示す好ましい実施例では、ナット16は円筒形ナットであるが、図示していない別の実施例では、ナットは四角形、六角形、八角形などの多角形ナットでも構わない。   In the preferred embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the nut 16 is a cylindrical nut, but in other embodiments not shown, the nut may be a polygonal nut such as a square, hexagon, or octagon.

図1及び図2の実施例では、多数のセラミックプレート(符号18以下参照)が、ハウジング14の外面37に取り付けられている。   In the embodiment of FIGS. 1 and 2, a number of ceramic plates (see 18 and below) are attached to the outer surface 37 of the housing 14.

各セラミックプレートは、これにかける電圧、特にその変化に応じて長さを変えることが望ましい。本明細書では、この発明で使用するセラミックプレートを"活性セラミックプレート"と記すこともある。一具体例では、この活性セラミックプレートが、圧電プレート、電歪プレート及びその組合せから成る群から選ばれる。説明の簡潔化のために、少なくとも図1及び図2に示す実施例では、このプレートを圧電プレートとして記載する。   It is desirable that each ceramic plate be changed in length in accordance with the voltage applied thereto, particularly in accordance with the change. In this specification, the ceramic plate used in the present invention may be referred to as an “active ceramic plate”. In one embodiment, the active ceramic plate is selected from the group consisting of a piezoelectric plate, an electrostrictive plate, and combinations thereof. For simplicity of description, at least in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, this plate is described as a piezoelectric plate.

図2の実施例では、4つの圧電プレート18,20,22,24が、ハウジングの外面37に接着されており、これらの圧電プレートは、それぞれの電極21及び23への電気駆動信号を交番させることによって励起させられた時に、ナット16の軌道振動を生成する(図4参照)。   In the embodiment of FIG. 2, four piezoelectric plates 18, 20, 22, 24 are bonded to the outer surface 37 of the housing, and these piezoelectric plates alternate electrical drive signals to the respective electrodes 21 and 23. When excited by this, orbit vibration of the nut 16 is generated (see FIG. 4).

使用する圧電プレートの数は、例えば、プレート18及び20のように、2枚の場合もあれば、8枚又はそれ以上の圧電プレートを使用する場合もある。使用する圧電プレートの数は、直交する面39,40において運動を励起するのに十分な数である(図2参照)。   The number of piezoelectric plates used may be two, for example, like plates 18 and 20, or may be eight or more piezoelectric plates. The number of piezoelectric plates used is sufficient to excite motion in orthogonal planes 39, 40 (see FIG. 2).

説明の簡略化のために、4つの圧電プレート18,20,22,24を使用する場合を例にとる。これらのプレートは、好ましくは、ハウジング14の外面37に密に接着されている。   In order to simplify the explanation, a case where four piezoelectric plates 18, 20, 22, 24 are used is taken as an example. These plates are preferably intimately bonded to the outer surface 37 of the housing 14.

図4が示すように、圧電プレート18は、電極21,23で電圧源と接続されている。説明の簡略化のために、電極21及び23は、圧電プレート20についてのみ示してあるが、その他の圧電プレートにも同様の電極が設けられている。   As shown in FIG. 4, the piezoelectric plate 18 is connected to a voltage source through electrodes 21 and 23. For simplicity of explanation, the electrodes 21 and 23 are shown only for the piezoelectric plate 20, but similar electrodes are also provided for the other piezoelectric plates.

図4に示す好ましい実施例では、4つの内側電極23の全てが接地25されている。この実施例における圧電材料は、普通に入手出来る低誘電損失が低くて減極電圧が高い"硬質"の組成物である。その一例は、オハイオ州ベッズフォードにあるモーガンマトロック社(Morgan Matroc company)が"PZT−4"という商品名で販売している圧電材料である。この材料は幾つかの重要な特性を一般的に備えている。   In the preferred embodiment shown in FIG. 4, all four inner electrodes 23 are grounded. The piezoelectric material in this example is a commonly available “hard” composition with low dielectric loss and high depolarization voltage. One example is a piezoelectric material sold under the trade name “PZT-4” by Morgan Matroc company in Bedsford, Ohio. This material generally has several important properties.

上記した好ましい圧電材料の誘電損率は、およそ20,000ヘルツ以上の周波数において、約1%未満、好ましくは、0.5%未満である。一例を挙げれば、およそ20,000ヘルツ以上の周波数において、或る圧電材料の誘電損率は約0.4%である。   The dielectric loss factor of the preferred piezoelectric material described above is less than about 1%, preferably less than 0.5%, at a frequency of approximately 20,000 hertz or higher. As an example, at a frequency of approximately 20,000 hertz or higher, the dielectric loss factor of a certain piezoelectric material is about 0.4%.

従って、好ましい圧電材料は、少なくとも約250ピコクーロン/ニュートンの、好ましくは、少なくとも約270ピコクーロン/ニュートンの圧電電荷係数d33を有する。一例を挙げれば、好ましい圧電材料は、約285ピコクーロン/ニュートンの圧電電荷係数d33を有する。   Accordingly, preferred piezoelectric materials have a piezoelectric charge coefficient d33 of at least about 250 picocoulombs / newtons, preferably at least about 270 picocoulombs / newtons. In one example, a preferred piezoelectric material has a piezoelectric charge coefficient d33 of about 285 picocoulombs / Newton.

好ましい圧電材料は、少なくとも約−90ピコクーロン/ニュートンの、好ましくは、少なくとも約−105ピコクーロン/ニュートンの圧電電荷係数d31を有する。一例を挙げれば、好ましい材料の圧電電荷係数d31は、約−115ピコクーロン/ニュートンである。   Preferred piezoelectric materials have a piezoelectric charge coefficient d31 of at least about −90 picocoulombs / newtons, preferably at least about −105 picocoulombs / newtons. In one example, a preferred material has a piezoelectric charge coefficient d31 of about −115 picocoulombs / newtons.

好ましい圧電材料の一つは、圧電電荷係数d33が少なくとも約2500ピコクーロン/ニュートンであり、圧電電荷係数d31が少なくとも約900ピコクーロン/ニュートンである単結晶材料である。   One preferred piezoelectric material is a single crystal material having a piezoelectric charge coefficient d33 of at least about 2500 picocoulombs / newtons and a piezoelectric charge coefficient d31 of at least about 900 picocoulombs / newtons.

その他の適当な圧電材料は、例えば、米国特許第3,736,532号及び同第3,582,540号に記載されている。これらの米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。   Other suitable piezoelectric materials are described, for example, in US Pat. Nos. 3,736,532 and 3,582,540. The entire disclosure of these US patent specifications is hereby incorporated by reference.

さらに言えば、誘電損失が低い圧電材料は当業者に周知であり、そうして材料は米国特許第5,792,379号に記載されている。この米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。   Furthermore, piezoelectric materials with low dielectric loss are well known to those skilled in the art and thus are described in US Pat. No. 5,792,379. The entire disclosure of this US patent specification is hereby incorporated by reference.

本発明で使用される圧電素材の一つは、単結晶の圧電材料である。これらの材料は当業界で周知であって、米国特許第5,446,330号、同第5,739,624号、同第5,814,917号、同第5,763,983号などに記載されている。これらの米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。   One of the piezoelectric materials used in the present invention is a single crystal piezoelectric material. These materials are well known in the art, such as US Pat. Nos. 5,446,330, 5,739,624, 5,814,917, 5,763,983, etc. Are listed. The entire disclosure of these US patent specifications is hereby incorporated by reference.

図4に示す本発明の好ましい実施例において、圧電プレート18,20,22,24の軸長は、印加電圧(Vx/86及びVy/88)と圧電電荷係数d31に比例して変化する。   In the preferred embodiment of the invention shown in FIG. 4, the axial length of the piezoelectric plates 18, 20, 22, 24 varies in proportion to the applied voltage (Vx / 86 and Vy / 88) and the piezoelectric charge coefficient d31.

図4から分かるように、圧電プレート18と20及び圧電プレート22と24は、それぞれ対をなして作用し、ハウジング14(図1〜2参照)を曲げ、軌道共鳴を励起する。交流駆動信号86,88が、ポーリング方向43を持つ圧電プレート20,24及び圧電プレート18,22にそれぞれ印加される。当業者に周知なように、ポーリング方向43は、圧電材料の製造過程で材料中に整列する双極子の方向である。ポーリング方法の参照文献として、米国特許第5,605,659号、同第5,663,606号、同第5,045,747号を挙げる。これら各米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。   As can be seen from FIG. 4, the piezoelectric plates 18 and 20 and the piezoelectric plates 22 and 24 act in pairs to bend the housing 14 (see FIGS. 1-2) and excite orbital resonance. AC drive signals 86 and 88 are applied to the piezoelectric plates 20 and 24 and the piezoelectric plates 18 and 22 having the polling direction 43, respectively. As is well known to those skilled in the art, the poling direction 43 is the direction of the dipole that aligns in the material during the manufacturing process of the piezoelectric material. US Pat. Nos. 5,605,659, 5,663,606, and 5,045,747 are cited as references for the polling method. The entire disclosure of each of these US patent specifications is hereby incorporated by reference.

各々の一対のプレート18,22とプレート20,24について、電界は一方のプレートのポーリング方向43に関して正であり、他方のプレートのポーリング方向に関して負である。駆動信号Vx86は、好ましくはプレート20,24に印加され、同時に一方のプレートを伸長させると共に、他方のプレートを収縮させる。これによりハウジング14は、平面39(図2参照)でX方向72a/72b(図18参照)に曲がる。同様にして、駆動信号Vy88がプレート18,22に印加され、ハウジング14が平面41(図2参照)でY方向74a/74b(図18参照)に曲げる。   For each pair of plates 18, 22 and plates 20, 24, the electric field is positive with respect to the poling direction 43 of one plate and negative with respect to the poling direction of the other plate. The drive signal Vx86 is preferably applied to the plates 20 and 24, simultaneously extending one plate and contracting the other plate. As a result, the housing 14 bends in the X direction 72a / 72b (see FIG. 18) on the plane 39 (see FIG. 2). Similarly, the drive signal Vy88 is applied to the plates 18 and 22, and the housing 14 bends in the Y direction 74a / 74b (see FIG. 18) on the plane 41 (see FIG. 2).

ねじ込みナット16に対向するハウジング端部45は、好ましくはガイドブッシング28で支持されるが、ブッシングの内径とねじ付きシャフト12の外径との間には、僅かな隙間がある(図2参照)。ねじ付きシャフト12は、球形ボールチップ26を介して加わる軸力27を、低摩擦の硬いフラット面にて支える(図5〜6参照)。   The housing end 45 facing the screw nut 16 is preferably supported by a guide bushing 28, but there is a slight gap between the inner diameter of the bushing and the outer diameter of the threaded shaft 12 (see FIG. 2). . The threaded shaft 12 supports the axial force 27 applied through the spherical ball tip 26 on a hard flat surface with low friction (see FIGS. 5 to 6).

モータ10の稼動中、ボールチップ26を介して伝達される軸力27は、約0.1〜100ニュートンであることが好ましい。軸力27は、好ましくは駆動出力と同程度である。   The axial force 27 transmitted through the ball tip 26 during operation of the motor 10 is preferably about 0.1-100 Newton. The axial force 27 is preferably about the same as the drive output.

球形ボールチップ26(図2参照)は、ねじ付きシャフト12を低い摩擦トルクの負荷27(図5参照)に連結するための手段の一つである。回転するシャフトから移動する負荷に運動を伝えるのに、別の手段が採用できることは、当業者は理解出来よう。例えば、或る場合には、転がり軸受けが使用でき、また或る場合には、やねじ付きシャフト12のフラット面と接触する弓状負荷が利用できる。連結手段の参照例には、米国特許第5,769,554号、同第6,325,351号がある。これらの米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。   The spherical ball tip 26 (see FIG. 2) is one of the means for connecting the threaded shaft 12 to a low friction torque load 27 (see FIG. 5). One skilled in the art will appreciate that other means can be employed to transfer motion from a rotating shaft to a moving load. For example, in some cases, rolling bearings can be used, and in some cases, arcuate loads that contact the flat surface of the threaded shaft 12 can be utilized. Reference examples of coupling means include US Pat. Nos. 5,769,554 and 6,325,351. The entire disclosure of these US patent specifications is hereby incorporated by reference.

図1、図2において、ねじ式ナット16と対向するハウジング14の端部45は、静止カバー58(図21参照)が当接するフランジを備えている。シャフト12とナット16のねじピッチは、軌道上の接線方向の力と運動を、軸方向の力と運動に変換する。このピッチは、力の倍率、減速、分解能の向上、電源遮断時の保持力などを最適化するために任意に選択することができる。   1 and 2, the end 45 of the housing 14 facing the screw nut 16 is provided with a flange against which the stationary cover 58 (see FIG. 21) abuts. The thread pitch of the shaft 12 and nut 16 converts tangential forces and movements on the track into axial forces and movements. This pitch can be arbitrarily selected to optimize force magnification, deceleration, resolution improvement, holding power when the power is shut off, and the like.

図7〜図12に示す超音波リニアモータ30では、好ましくは4つの圧電スタック36,38,40,42(図7〜8参照)を利用して超音波振動を生じさせる。球形ボールチップ26を備えるねじ付きシャフト12は、回転して軸方向の力と運動を生む。振動シリンダ32に接続されたナット16の超音波軌道運動によって回転が起こる。4つの圧電スタック36,38,40,42は、ナット16と対向するシリンダの端部と、ベースリング34に結合されている。これら4つのスタックは、公知の組み立て方法と電気的結線方法を用いて組み立てられ、スタックの内側リードは、好ましくは、まとめて共通アース35と接続されている。各スタックの軸方向の長さは、印加電圧と圧電電荷係数d33に比例して変化する。圧電材料は一般に入手可能な低誘電損失で高減極電圧の"硬質"組成物である。交流電気駆動信号86と88は、各圧電スタック44の外側リードと接続され、ナットの軌道振動を励起する。スタック36,38,40,42はそれぞれ対で働き、チューブを回転させて軌道共振を励起する。交流電気駆動信号Vx86とVy88は、スタック38及び42とスタック36及び40にそれぞれポーリング方向43で印加される。各一対のスタック38及び42とスタック36及び40について、一方のスタックの電界は、ポーリング方向43に関して正であり、他方のスタックの電界は、ポーリング方向に関して負である。駆動信号Vx86は、スタック38及び42に印加され、一方のスタックを伸長すると同時に他方のスタックを収縮させる。これにより、チューブはX方向72a/72bに回転する(図18参照)。同様に、駆動信号Vy88はスタック36及び40に印加され、チューブの端部をY方向74a/74bに動かす(図18参照)。ナット16に対向するベースリング34は、ガイドブッシング28を支持し、このブッシングの内径とシャフトの外径の間には僅かながら隙間が存在する。ねじ付きシャフト12は、球形ボールチップ26を介して付加される軸方向の力27を、低摩擦の硬質フラット面を使用して支持する。ベースリング34は、静止カバー58(図21参照)の接点である。シャフト12とナット16のねじピッチは、軌道の接線方向の力と運動を、軸方向の力と運動に変換する。このピッチは、力の倍率、減速、分解能の向上、電源遮断時の保持力などを最適化するうえで、適当に選ぶことができる。   In the ultrasonic linear motor 30 shown in FIGS. 7 to 12, preferably, four piezoelectric stacks 36, 38, 40, and 42 (see FIGS. 7 to 8) are used to generate ultrasonic vibrations. The threaded shaft 12 with the spherical ball tip 26 rotates to produce axial force and motion. The rotation is caused by the ultrasonic orbital motion of the nut 16 connected to the vibration cylinder 32. The four piezoelectric stacks 36, 38, 40, 42 are coupled to the end of the cylinder facing the nut 16 and the base ring 34. These four stacks are assembled using known assembly and electrical connection methods, and the inner leads of the stack are preferably connected together with a common ground 35. The axial length of each stack changes in proportion to the applied voltage and the piezoelectric charge coefficient d33. Piezoelectric materials are commonly available “hard” compositions with low dielectric loss and high depolarization voltage. AC electrical drive signals 86 and 88 are connected to the outer leads of each piezoelectric stack 44 to excite the orbital vibration of the nut. The stacks 36, 38, 40, and 42 each work in pairs and rotate the tube to excite the orbital resonance. AC electrical drive signals Vx86 and Vy88 are applied to stacks 38 and 42 and stacks 36 and 40, respectively, in polling direction 43. For each pair of stacks 38 and 42 and stacks 36 and 40, the electric field of one stack is positive with respect to the polling direction 43 and the electric field of the other stack is negative with respect to the polling direction. A drive signal Vx86 is applied to the stacks 38 and 42 to stretch one stack and simultaneously shrink the other stack. As a result, the tube rotates in the X direction 72a / 72b (see FIG. 18). Similarly, a drive signal Vy 88 is applied to the stacks 36 and 40 to move the end of the tube in the Y direction 74a / 74b (see FIG. 18). The base ring 34 facing the nut 16 supports the guide bushing 28, and a slight gap exists between the inner diameter of the bushing and the outer diameter of the shaft. The threaded shaft 12 supports an axial force 27 applied through the spherical ball tip 26 using a low friction hard flat surface. The base ring 34 is a contact point of the stationary cover 58 (see FIG. 21). The thread pitch of the shaft 12 and nut 16 converts the tangential force and motion of the track into axial force and motion. This pitch can be selected appropriately in order to optimize the power magnification, deceleration, resolution improvement, holding power when the power is cut off, and the like.

図13〜17に示す超音波リニアモータ50では、超音波振動を発生させるために、四分円状電極を持つ圧電チューブ54を利用している。球形ボールチップ26を備えたねじ付きシャフト12が回転して軸方向の力と運動を生む。この回転は、振動する圧電チューブ54に接続されたナット16が、超音波で軌道運動することによって発生する。圧電チューブの内径が、連続して電極61であって、この電極は接地63されている。一方、圧電チューブの外径は、4つの別々の電極60,62,64,66に分割されている。圧電材料は、一般に入手可能な低誘電損失で高減極電圧の"硬質"組成物である。電極60,62,64,66の下側にある圧電チューブの軸長は、印加電圧と圧電電荷係数d31に比例して変化する。電極60及び64と電極62及び66は、それぞれ対をなして作用し、チューブを曲げ、軌道共鳴を励起する。交流電気駆動信号86及び88は、電極60及び64と電極62及び66各々にポーリング方向で印加される。電極のペア60及び64と62及び66に対し、一方の電極の電界は、ポーリング方向に関して正であり、他方の電極の電界は、ポーリング方向に関して負である。駆動信号Vx86は、電極60及び64に印加され、一方の電極を伸長させると同時に、他方の電極を収縮させる。これにより、チューブはX方向72a/72bに曲がる(図18参照)。同様にして、駆動信号Vy88が電極62及び66に印加され、チューブをY方向74a/74bに曲げる(図18参照)。   In the ultrasonic linear motor 50 shown in FIGS. 13 to 17, a piezoelectric tube 54 having a quadrant electrode is used to generate ultrasonic vibration. The threaded shaft 12 with the spherical ball tip 26 rotates to produce axial force and motion. This rotation is generated when the nut 16 connected to the vibrating piezoelectric tube 54 orbits with ultrasonic waves. The inner diameter of the piezoelectric tube is an electrode 61 continuously, and this electrode is grounded 63. On the other hand, the outer diameter of the piezoelectric tube is divided into four separate electrodes 60, 62, 64, 66. Piezoelectric materials are commonly available “hard” compositions with low dielectric loss and high depolarization voltage. The axial length of the piezoelectric tube below the electrodes 60, 62, 64, 66 changes in proportion to the applied voltage and the piezoelectric charge coefficient d31. Electrodes 60 and 64 and electrodes 62 and 66 act in pairs to bend the tube and excite orbital resonance. AC electrical drive signals 86 and 88 are applied in the poling direction to electrodes 60 and 64 and electrodes 62 and 66, respectively. For electrode pairs 60 and 64 and 62 and 66, the electric field of one electrode is positive with respect to the poling direction and the electric field of the other electrode is negative with respect to the poling direction. The drive signal Vx86 is applied to the electrodes 60 and 64, and expands one electrode and simultaneously contracts the other electrode. Thereby, the tube bends in the X direction 72a / 72b (see FIG. 18). Similarly, a drive signal Vy88 is applied to the electrodes 62 and 66 to bend the tube in the Y direction 74a / 74b (see FIG. 18).

ナット16に対向するチューブ端部は、ベースフランジ52に接合されてガイドブッシング28を支持する。ねじ付きシャフトとブッシングとの間には、僅かな隙間が存在する。ねじ付きシャフト12は、球形ボールチップ26を介して付与される軸方向の力を、低摩擦の硬質フラット面を用いて支える。ベースフランジは、静止カバー58の接点である(図21参照)。シャフト12とナット16のねじピッチは、軌道接線方向の力と運動を、軸方向の力と運動に変換する。このピッチは、力の倍率、減速、分解能の向上、電源遮断時の保持力などを最適化するために、任意に選択することができる。   The tube end facing the nut 16 is joined to the base flange 52 to support the guide bushing 28. There is a slight gap between the threaded shaft and the bushing. The threaded shaft 12 supports the axial force applied through the spherical ball tip 26 using a low-friction hard flat surface. The base flange is a contact point of the stationary cover 58 (see FIG. 21). The thread pitch of the shaft 12 and nut 16 converts the force and motion in the tangential direction of the track into axial force and motion. This pitch can be arbitrarily selected in order to optimize force magnification, deceleration, resolution improvement, holding power when the power is cut off, and the like.

図18及び図19は、図1に示すモータ10の動作と、この動作を行うのに使われる対応駆動信号86及び88を示している。圧電プレートは対で働き、一方70が伸長すると、それと同時に他方69が収縮69してハウジングを曲げる。交流駆動信号Vx86及びVy88は、好ましくは、等振幅(符号90及び91参照)で、90度の位相シフト(符号92参照)の正弦波であり、円軌道を生成する。正の位相シフト92は、ナット16に正の軌道運動を付与し、シャフト12に正の回転96と正の移動98を生じさせる。一方、負の位相シフト92は、ナットに負の軌道運動を付与し、シャフトに負の回転と負の移動を生じさせる。図19には、一方向の回転について、モータの単一軌道サイクルと、これに対応する駆動信号の振幅90及び91が、90度の増加分76,78,80,82,84毎に連続的に示されている。図18には、シリンダの曲がり具合と軌道運動が、X方向(符号72a及び72b参照)と、Y方向(符号74a及び74b参照)で示されている。ナットが或る位置73aでシャフトの側部に接触すると、反対側の位置に隙間73bが生ずるが(図5B参照)、この接触が、接線方向の力と運動を授け、各軌道サイクル毎にシャフト12を小規模に回転させ(図18の符号96参照)、かつ移動させる(同じく符号98参照)。1サイクルあたりの回転量及び移動量は、多くの因子に依存し、そうした因子には、、軌道の振幅、シャフトに働く力27の大きさ、摩擦係数、ねじの表面仕上げ状態などが含まれる。ナットとシャフトとの接触部分73aでスリップが皆無であるとすれば、サイクル毎の移動は、名目上、ねじ同士の経方向の隙間の大きさに比例する。一般的に、駆動振幅90及び91が増大すると、軌道の直径も増大し、シャフト12とナット16との標準的な接触力も増大し、滑りの程度は減少し、速度は増大し、トルク及び力も増大する。   18 and 19 show the operation of the motor 10 shown in FIG. 1 and the corresponding drive signals 86 and 88 used to perform this operation. The piezoelectric plates work in pairs, as one 70 expands, the other 69 contracts 69 at the same time to bend the housing. The AC drive signals Vx86 and Vy88 are preferably sinusoidal waves of equal amplitude (see symbols 90 and 91) and a phase shift of 90 degrees (see symbol 92), generating a circular orbit. The positive phase shift 92 imparts a positive orbital motion to the nut 16 and causes a positive rotation 96 and a positive movement 98 on the shaft 12. On the other hand, the negative phase shift 92 imparts negative orbital motion to the nut, causing negative rotation and negative movement of the shaft. FIG. 19 shows that for a rotation in one direction, the single trajectory cycle of the motor and the corresponding drive signal amplitudes 90 and 91 are continuous every 90 degrees increments 76, 78, 80, 82 and 84. Is shown in In FIG. 18, the bending state and the orbital motion of the cylinder are shown in the X direction (see symbols 72a and 72b) and the Y direction (see symbols 74a and 74b). When the nut contacts the side of the shaft at a certain position 73a, a gap 73b is created at the opposite position (see FIG. 5B), but this contact imparts tangential force and motion, and each shaft cycle has a shaft. 12 is rotated to a small scale (see reference numeral 96 in FIG. 18) and moved (see also reference numeral 98). The amount of rotation and movement per cycle depends on many factors, including the amplitude of the track, the magnitude of the force 27 acting on the shaft, the coefficient of friction, the surface finish of the screw, and the like. If there is no slip at the contact portion 73a between the nut and the shaft, the movement for each cycle is nominally proportional to the size of the gap in the warp direction between the screws. In general, as drive amplitudes 90 and 91 increase, the diameter of the track also increases, the standard contact force between shaft 12 and nut 16 also increases, the degree of slip decreases, the speed increases, torque and force also increase. Increase.

超音波周波数は、周期の逆数であり(図19の周期94a及び周期94b参照)、その周波数は、好ましくは両信号について同じで、ハウジング14を曲げる第1の共振周波数と一致する。   The ultrasonic frequency is the reciprocal of the period (see period 94a and period 94b in FIG. 19), which is preferably the same for both signals and coincides with the first resonant frequency that bends the housing 14.

図20〜25において、モータアッセンブリ100は、モータ10とカバー58と刻み付きノブ102が一体化させたものである。ねじ付きシャフト112は、モータ10の内部に位置している。図21に示すねじ付きシャフト112は、図1に示すねじ付きシャフト12に類似するが、平滑なスピンドル113を組み込まれている点で図1のそれと異なる。スピンドル113は、刻み付きノブ102と連結できるようになっている。カバー58は、フランジ45でモータ10に取り付いている。刻み付きノブ102は、カバー58と接触することなく、シャフト112と共に回転し、平行移動する。   20 to 25, the motor assembly 100 is obtained by integrating the motor 10, the cover 58, and the knurled knob 102. The threaded shaft 112 is located inside the motor 10. The threaded shaft 112 shown in FIG. 21 is similar to the threaded shaft 12 shown in FIG. 1, but differs from that of FIG. 1 in that a smooth spindle 113 is incorporated. The spindle 113 can be connected to the knurled knob 102. The cover 58 is attached to the motor 10 with a flange 45. The knurled knob 102 rotates and translates with the shaft 112 without contacting the cover 58.

図21は、モータアッセンブリ100の分解図であり、図22は、モータアッセンブリ100の断面図である。   FIG. 21 is an exploded view of the motor assembly 100, and FIG. 22 is a cross-sectional view of the motor assembly 100.

図23A,図23B及び図23Cは、モータアッセンブリ100を図解したものである。図23Aは、図20に示すモータアッセンブリを逆から見た透視図である。図23Bは、ノブ102とシャフト112を備えたモータアッセンブリ100が、符号103の時計方向に回転し、矢印105の方向に平行移動することを図解したものである。比較のため、図23Cには、上記のモータアッセンブリ100が、符号107の反時計方向回転し、矢印109の方向に平行移動する様子を示す。   23A, 23B and 23C illustrate the motor assembly 100. FIG. FIG. 23A is a perspective view of the motor assembly shown in FIG. 20 viewed from the reverse side. FIG. 23B illustrates that the motor assembly 100 including the knob 102 and the shaft 112 rotates in the clockwise direction indicated by reference numeral 103 and translates in the direction of the arrow 105. For comparison, FIG. 23C shows a state in which the motor assembly 100 rotates in the counterclockwise direction 107 and translates in the direction of the arrow 109.

簡潔に説明するために、モータアッセンブリの様々な構成要素への電気的接続手段は、図示が省略されている。   For the sake of brevity, electrical connection means to the various components of the motor assembly are not shown.

刻み付きノブ102の付設は、モータアッセンブリ100を手動で、又は手動と電動手段を併用して操作するうえで便利である。従って、このアッセンブリ100は、通常の手動調整と電動式の自動調製の両方が使用可能な微細駆動の代替品として使用することができる。   The attachment of the knurled knob 102 is convenient for operating the motor assembly 100 manually or in combination with manual and electric means. Therefore, the assembly 100 can be used as a fine drive alternative that can be used for both normal manual adjustment and motorized automatic preparation.

図示していないが、刻み付きノブ102に外部モータを機械的に取り付け、これに前記アッセンブリを機械的に動かすための第2手段を担わすこともできる。   Although not shown, it is also possible to mechanically attach an external motor to the knurled knob 102 and to carry a second means for mechanically moving the assembly.

図24Aと図24Bは、調節可能なリニアステージ106を示し、このステージは、モータアッセンブリ100と、これに接続されたリニア移動ステージ104a及び104bとを備えている。図示の例では、モータアッセンブリのカバー58は、底部側のステージ104bに取り付けられ、ボールチップ26は上部側ステージ104aと接触している。刻み付きノブ102が時計回りに動くと、矢印105の方向の直線運動が生まれる。逆に、刻み付きノブ102が半時計回りに動くと、矢印109の方向の直線運動が生じる。   24A and 24B show an adjustable linear stage 106 that includes a motor assembly 100 and linear movement stages 104a and 104b connected thereto. In the illustrated example, the motor assembly cover 58 is attached to the bottom stage 104b, and the ball chip 26 is in contact with the upper stage 104a. As the knurled knob 102 moves clockwise, a linear movement in the direction of the arrow 105 is born. Conversely, when the knurled knob 102 moves counterclockwise, a linear movement in the direction of arrow 109 occurs.

図24A及び24Bに示す実施例おいて、ピン115及びピン116(破線で概略を図示)を備えたスプリングアッセンブリ111が、矢印109の方向に移動ステージ104a/104bを付勢する。図示の例では、ピン115がアッセンブリの上部の可動部104aに取り付けられ、ピン116がアッセンブリの下部の静止部104bに取り付けられている。スプリングアッセンブリ111は、軸方向の力27(図5〜6参照)を生み出すのに利用される。   In the embodiment shown in FIGS. 24A and 24B, a spring assembly 111 with pins 115 and 116 (shown schematically with dashed lines) biases the moving stage 104a / 104b in the direction of arrow 109. In the illustrated example, the pin 115 is attached to the movable part 104a at the upper part of the assembly, and the pin 116 is attached to the stationary part 104b at the lower part of the assembly. The spring assembly 111 is used to generate an axial force 27 (see FIGS. 5-6).

図25は、を移動可能なマイクロマニピュレータ120の透視図であって、このものステージ106a、106b、106cは、X軸,Y軸,Z軸に沿って動くことができる。   FIG. 25 is a perspective view of the micromanipulator 120 that can be moved. The stages 106a, 106b, and 106c can move along the X axis, the Y axis, and the Z axis.

以上は、本発明の好ましい実施態様をある程度詳細に説明したものであるが、これら実施態様における構造の細部、バーツの組み合わせやパーツの配置の仕方などは、本発明の技術思想を逸脱しない限り、変更することができる。   The above is a description of the preferred embodiments of the present invention in some detail. However, the details of the structure, the combination of bahts, the arrangement of parts, etc. in these embodiments are not departed from the technical idea of the present invention. Can be changed.

この明細書では、回転軸を持つねじ付きシャフトと、これと係合するナットを備えるシャフトアッセンブリを駆動するための装置が記載され、そのアッセンブリは、前記ナットに超音波振動を生起させて前記シャフトを回転させると同時に軸方向に移動させる。この明細書の教示内容から、ねじ付きシャフトを振動させてナットを回転させると同時に移動させるような類似の装置を、当業者は製作することができよう。   This specification describes an apparatus for driving a shaft assembly comprising a threaded shaft having a rotating shaft and a nut engaged therewith, the assembly causing ultrasonic vibrations in the nut to produce the shaft. Is rotated in the axial direction at the same time. From the teachings of this specification, those skilled in the art will be able to make similar devices that vibrate the threaded shaft to rotate and move the nut at the same time.

4つの長方形圧電プレートを有するモータの透視図。FIG. 4 is a perspective view of a motor having four rectangular piezoelectric plates. 図1に示すモータの分解図。The exploded view of the motor shown in FIG. 図1に示すモータの端面図。FIG. 2 is an end view of the motor shown in FIG. 1. 図1に示すモータの電気接続図。FIG. 2 is an electrical connection diagram of the motor shown in FIG. 1. 図3のA−A線(30)に沿った断面図Sectional drawing along the AA line (30) of FIG. 図5の47の部分の拡大図(モータの電源遮断で、外部負荷がある場合)Enlarged view of 47 in FIG. 5 (when the motor is powered off and there is an external load) 図5Aと同様な拡大図(モータが稼動している場合)Enlarged view similar to FIG. 5A (when the motor is operating) 図3のB−B線(32)に沿った断面図Sectional drawing along the BB line (32) of FIG. 4つの圧電スタックを有するモータを透視図。The perspective view of the motor which has four piezoelectric stacks. 図7に示すモータの分解図。FIG. 8 is an exploded view of the motor shown in FIG. 7. 図7に示すモータの端面図。FIG. 8 is an end view of the motor shown in FIG. 7. 図7に示すモータの電気接続図。FIG. 8 is an electrical connection diagram of the motor shown in FIG. 7. 図9のA−A線(48)に沿った断面図。Sectional drawing along the AA line (48) of FIG. 図9のB−B線(46)に沿った断面図。Sectional drawing along the BB line (46) of FIG. 4つの外部電極付き圧電チューブを有するモータの透視図。The perspective view of the motor which has four piezoelectric tubes with an external electrode. 図13に示すモータの分解図。FIG. 14 is an exploded view of the motor shown in FIG. 13. 図13に示すモータの端面図。FIG. 14 is an end view of the motor shown in FIG. 13. 図13に示すモータの電気接続図。FIG. 14 is an electrical connection diagram of the motor shown in FIG. 13. 図15のA−A線(56)に沿った断面図Sectional drawing along the AA line (56) of FIG. 図1に示すモータのナットの軌道運動並びにシャフトの回転及び移動を示す説明図。Explanatory drawing which shows the orbital motion of the nut of a motor shown in FIG. 1, and rotation and movement of a shaft. 図18に示す運動を生むのに必要な電気駆動信号の略図。FIG. 19 is a schematic diagram of an electrical drive signal necessary to produce the motion shown in FIG. 図1のモータとリニアステージを一体化したモータアッセンブリの透視図。The perspective view of the motor assembly which integrated the motor and linear stage of FIG. 図20に示すモータアッセンブリの分解図。FIG. 21 is an exploded view of the motor assembly shown in FIG. 20. 図20に示すモータアッセンブリの断面図。FIG. 21 is a cross-sectional view of the motor assembly shown in FIG. 20. 図20に示すモータアッセンブリの背面図Rear view of the motor assembly shown in FIG. 図20に示すモータアッセンブリの回転と順方向への移動を示す説明図。FIG. 21 is an explanatory diagram showing rotation and forward movement of the motor assembly shown in FIG. 20. 図20に示すモータアッセンブリの回転と逆方向への移動を示す説明図。FIG. 21 is an explanatory diagram showing movement in a direction opposite to the rotation of the motor assembly shown in FIG. 20. 順方向に移動するリニアステージと一体化したモータアッセンブリの図面。Drawing of a motor assembly integrated with a linear stage moving in the forward direction. 逆方向に動作するリニアステージと一体化したモータアッセンブリの図面。Drawing of a motor assembly integrated with a linear stage operating in the opposite direction. 三軸ステージシステムと一体化したモータアッセンブリの図面。Drawing of motor assembly integrated with 3-axis stage system.

Claims (20)

回転軸を持つねじ付きシャフトと、これに螺合するナットを備えたねじ付きシャフトアッセンブリの駆動用装置であって、
a)前記アッセンブリが前記ナットに超音波振動を与え、これにより前記ねじ付きシャフトを回転させると同時に軸方向への移動させる手段を備え、
b)前記ねじ付きシャフトが動作可能に負荷に接続され、
c)前記アッセンブリが軸方向の力を前記ねじ付きシャフトに付与する手段を更に備えた
前記の駆動用装置。
A device for driving a threaded shaft assembly having a threaded shaft having a rotation axis and a nut screwed to the shaft;
a) the assembly includes means for applying ultrasonic vibration to the nut, thereby rotating the threaded shaft and simultaneously moving in the axial direction;
b) the threaded shaft is operatively connected to a load;
c) The drive apparatus further comprising means for the assembly to apply an axial force to the threaded shaft.
前記アッセンブリが前記ナットを軌道方向に動かす手段を備えた請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1 wherein said assembly comprises means for moving said nut in an orbital direction. 前記ナットが実質的に剛体である請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the nut is substantially rigid. 前記ねじ付きシャフトアッセンブリが、内部に配置されたハウジングを更に備えた請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the threaded shaft assembly further comprises a housing disposed therein. 前記ナットがハウジングに取り付けられた請求項4記載の装置。   The apparatus of claim 4, wherein the nut is attached to a housing. 前記ハウジングが20,000サイクル/秒を超える第1曲げ共鳴周波数を有し、第1曲げモードが前記回転軸と平行な面にある請求項5記載の装置。   6. The apparatus of claim 5, wherein the housing has a first bending resonance frequency greater than 20,000 cycles / second and the first bending mode is in a plane parallel to the axis of rotation. 前記ハウジングが前記の第1曲げ共鳴周波数に等しい第2曲げ共鳴周波数を有し、第2曲げモードが前記第1曲げモードと直交する面にある請求項6記載の装置。   The apparatus of claim 6, wherein the housing has a second bending resonance frequency equal to the first bending resonance frequency, and the second bending mode is in a plane orthogonal to the first bending mode. 前記ナットを少なくとも約20,000周回/秒の周波数で軌道周回させる手段が更に設けられた請求項6記載の装置。   7. The apparatus of claim 6, further comprising means for orbiting the nut at a frequency of at least about 20,000 laps / second. 前記ねじ付きシャフトを前記回転軸と実質的に平行な方向に動かす手段が更に設けられた請求項8記載の装置。   9. The apparatus of claim 8, further comprising means for moving the threaded shaft in a direction substantially parallel to the axis of rotation. 前記ねじ付きシャフトを前記回転軸と実質的に平行な方向に動かしながら該シャフトを回転させる手段が更に設けられた請求項8記載の装置。   The apparatus of claim 8, further comprising means for rotating the threaded shaft while moving the threaded shaft in a direction substantially parallel to the axis of rotation. 前記ナットを軌道周回させる手段が、電気エネルギーを力に変換する少なくとも2つの変換器からなる請求項8に記載の装置。   The apparatus of claim 8, wherein the means for orbiting the nut comprises at least two transducers for converting electrical energy into force. 前記変換器が圧電変換器、電歪変換器、磁歪変換器、静電変換器、電磁変換器又はその組合せからなる群から選ばれた請求項11記載の装置。   The apparatus of claim 11, wherein the transducer is selected from the group consisting of a piezoelectric transducer, an electrostrictive transducer, a magnetostrictive transducer, an electrostatic transducer, an electromagnetic transducer, or a combination thereof. 前記変換器が圧電変換器である請求項12記載の装置。   The apparatus of claim 12, wherein the transducer is a piezoelectric transducer. 前記圧電変換器が圧電プレートである請求項13記載の装置。   The apparatus of claim 13, wherein the piezoelectric transducer is a piezoelectric plate. 前記圧電プレートが、約20,000ヘルツを超える周波数において、約1%未満の誘電損率を有する圧電素材からなる請求項14記載の装置。   The apparatus of claim 14, wherein the piezoelectric plate comprises a piezoelectric material having a dielectric loss factor of less than about 1% at a frequency greater than about 20,000 hertz. 前記圧電プレートが、約20,000ヘルツを超える周波数において、約0.5%未満の誘電損率を有する圧電素材からなる請求項14記載の装置。   The apparatus of claim 14, wherein the piezoelectric plate comprises a piezoelectric material having a dielectric loss factor of less than about 0.5% at a frequency greater than about 20,000 hertz. 前記ねじ付きシャフトが、インチあたり約40〜250のねじピッチを持つ請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the threaded shaft has a thread pitch of about 40-250 per inch. 前記ねじ付きシャフトがハウジング内に配置され、ノブに連結されている請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the threaded shaft is disposed within a housing and coupled to a knob. 前記のねじ付きシャフトとハウジングに接続されたと接続する可動ステージが更に設けられている請求項18記載の装置。   19. The apparatus of claim 18, further comprising a movable stage that connects the threaded shaft and connected to the housing. 互いに接触する少なくとも2つの可動ステージを備え、その可動ステージの各々が請求項19記載の装置からなる装置。   20. An apparatus comprising at least two movable stages in contact with each other, each of the movable stages comprising the apparatus of claim 19.
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