JP2525877B2

JP2525877B2 - 超音波リニアモ―タ

Info

Publication number: JP2525877B2
Application number: JP63201317A
Authority: JP
Inventors: 浩一内藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1988-08-12
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: JPH0251370A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、電子機器や精密機械における駆動源とし
て好適な超音波リニアモータに関する。

［従来の技術］電子機器や精密機械においては、取付のためのスペー
スが少なくてすみかつ厳密な位置決めが可能であるよう
なアクチュエータが要求される。特に直線的な移動が要
求される場合には、回転型のアクチュエータよりリニア
モータの方が、運動方向の変換機構が不要であるからよ
り好ましい。

第４図（ａ）に示すのは、このようなリニアモータと
して提案されているインチワーム（尺取り虫）機構であ
る。これは、軸31と、この軸31の回りに貫挿された管状
の走行体32とから構成されている。この走行体32は、３
つの管体（圧電アクチュエータ）33,34,35が接着剤など
により軸方向に接合されているもので、中央の管体33は
軸方向に伸縮する圧電アクチュエータ、両側の管体34,3
5は半径方向に伸縮する圧電アクチュエータである。こ
の走行体32を右に進めるときには、中央の管体33が収縮
した状態で、左側の管体34を収縮して軸31を把持し、右
の管体35を拡張して緩めておき、中央の管体33を伸張さ
せる（ｂ）。これにより右側の管体34が右へ移動し、そ
の後右側の管体35を収縮させて軸31を把持させる
（ｃ）。次に、左の管体34を拡張して緩め（ｄ）、中央
の管体33を収縮させる（ｅ）と、左の管体34が右に移動
する。従って、上記過程を順次繰り返せば走行体32が右
に移動する。

ところで、上記のようなインチワーム機構において
は、尺取り虫運動による移動を行うためには、軸31と両
側の圧電アクチュエータ34,35との隙間の寸法が厳密に
管理されていなければならず、そのためには軸31の加工
精度が高くなければならない。しかし、精度の高い長い
軸の加工は非常に困難であり、従って、非常に製造コス
トが高くなるか、あるいは移動距離が限定されてしまう
ことになる。

また、管体33の圧縮応力によって軸を把持する構造で
あるから、部材の共振周波数のような高い周波数で振動
させると管体33が破損するため、モータとしての効率が
低いという不利点もある。

そこで、本出願人は、第５図及び第６図に示すような
新規な超音波リニアモータを出願した（特願昭63−6071
4）。これは、前後一対の脚部41,42及びこれらの脚部4
1,42を基端側で連結する胴部43とから成る走行体44と、
これらの脚部41,42及び胴部43をそれぞれ伸縮させる方
向に振動させる手段45,46と、上記走行体44をレール47
に向けて付勢する手段48とを有する超音波リニアモータ
であり、振動手段（圧電モータ）45,46によって各脚部4
1,42先端を位相の異なる楕円振動をさせて走行体44を走
行させるもので、脚部41,42あるいは胴部43を構成する
弾性素材の共振振動を利用したエネルギ効率の高いリニ
アモータを提供するものである。このリニアモータにお
いては、走行体44の走行方向を一定とするためにレール
47の上面に脚部下端が嵌入されるガイド溝49を形成して
いる。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記のような超音波リニアモータは、
原理的には胴部の伸縮と脚部の摩擦抵抗のかかり具合の
タイミングを調整し、一種の連続的なインチワーム機構
を構成しているもので、上記のようなガイド溝による走
行方向の制御を行うと、走行中の脚部とレール溝側面と
の摩擦抵抗のため、作動のメカニズム自体が阻害されて
しまい、効率が大きく低下してしまうという解決すべき
課題があった。

この発明は、摩擦抵抗を増やすことがなく、簡単な構
成により走行体の走行方向を保持するガイド機構を設
け、効率の良いモータを提供することを目的とするもの
である。

［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、レ
ール上に配置された少なくとも２本以上の脚部及びこれ
らの脚部を基端側で連結する胴部を具備して成る走行体
と、この走行体に脚部の軸線に対して斜めに取り付けら
れてこれらの脚部及び胴部をそれぞれ伸縮させる方向に
振動させる圧電素子と、上記走行体をレールに向けて付
勢する手段とを備えた超音波リニアモータであって、上
記レールに沿って移動自在に設置された枠体と、上記枠
体をレールに対して一定の姿勢に保持する手段と、上記
枠体より突出して走行体の両側面に接触するガイド部材
とを備えたものである。すなわち、レールに対してガイ
ドされた状態で走行体と連動する枠体を設け、この枠体
に走行体の姿勢を保持するガイド部材を設けたものであ
る。ガイド部材は走行体の脚部あるいは胴部の振動を妨
げないように、摩擦係数が小さく、走行体への接触面積
が小さいことが好ましい。

［作用］このように構成されたリニアモータにおいて走行体の
各部に適当な振動を付与すると、脚部の下端は胴部の中
心に対して同一の向きに回転する楕円または円の軌跡を
描く。すなわち、脚部の下端が交互にレールに押し付け
られるが、その位相が90度ずれており、走行体はレール
に対して一定の方向に移動されることになる。電源周波
数を走行体の固有振動数と等しいものとすることによ
り、エネルギー変換効率のよい振動を付与することがで
きる。走行体は、走行体と連動する枠体に付設されたガ
イド部材が側面に接触することにより、横方向の移動を
押さえられるので、走行方向の動摩擦を受けることなく
その姿勢が保持され、また、枠体はレールに沿って移動
するようガイドされているので、走行体はレールに沿っ
て走行することになる。走行体とガイド部材の間には超
音波振動による摩擦が生じるが、走行体面を平滑にして
おき、ガイド部材の先端に摩擦係数の低い素材を用いる
ことによりエネルギのロスを最小限に抑えることができ
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図及び第２図において、1,2は互いに平行な脚
部、３はこれらの脚部1,2の一端を連結する胴部であ
る。これらは、弾性材料を、各部の断面がほぼ正方形で
かつ全体をコ字状に成形して走行体４を構成している。
この寸法は適宜設計されるが、一例としては、アルミニ
ウムを材質とし、胴部5mm□×26mmL、脚部5mm□×10mmL
とした寸法の設計ができる。走行体４の材質は、この
他、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。

この走行体４の角の部分は、脚部1,2及び胴部３に対
して45度の角度をなすように面取りされており、その取
付面５に圧電素子6,7が接着剤などを用いて取り付けら
れている。この圧電素子6,7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５に直交する方向に伸縮するようになっている。
圧電素子6,7としては、5mm□×9mmLのものを用いた。上
記走行体４は、レール８の上面に脚部1,2の下端を接し
て用いられる。

この走行体４には、走行体４自体とレール８を取り囲
む角筒状の枠体９が取り付けられ、この枠体９には、枠
体９がレール８に沿って走行するようにレール８の左右
側面及び上下面に接して回転するガイドローラ（案内機
構）10が、取付部材11及び回転軸12を介して設けられて
いる。そして、枠体９の天板13の中央にはピン穴14が形
成され、このピン穴14には下端が尖った形状のピン15が
上下動可能に挿通され、一方、走行体４の胴部３の中央
には上記ピン15の下端を突入させて係合する小さい凹所
16が形成されている。また、ピン15の下端近傍にはばね
受け17が形成され、このばね受け17と天板13との間にコ
イルばね（弾性部材）18が取り付けられてピン15を介し
て天板13と走行体４を互いに離間する方向に付勢してい
る。

枠体９の側板19には、走行体４の脚部1,2の下端近傍
に対応する位置に、内面に雌ねじ20が形成された取付穴
21が穿設され、この取付穴21には先端が先細にされたガ
イド部材22が基端側の雄ねじ23を上記雌ねじ20に螺合さ
せて取り付けられている。そして、上記ねじ20,23の螺
合度合を変えて先端部が脚部1,2の側面に接するように
その突出位置が調整できるようになっている。この先端
部には、テトラフルオロエチレン重合体等の耐摩耗性が
高く摩擦係数の小さい素材からなる小径の球状の摺接部
材24が取り付けられている。

次に、超音波振動による移動の機構を説明する。

第１の圧電素子６（第１図において左側）に、 Va＝Ε・sinωｔ第２の圧電素子７には Vb＝Ε・sin（ωｔ−1/2π）の電圧をそれぞれ付与する。

これによりそれぞれの圧電素子6,7は同じサイクルで
その長手方向に振動する。この振動は走行体４を介して
各脚部1,2の端部に伝達し、下端部はレール８からその
振動に対する反力を受ける。この場合、胴部３において
は垂直方向の振動はほとんど伝達されず、脚部1,2にお
いては水平方向の振動が伝達されないから、脚部1,2の
下端には同じ脚部の圧電素子から発生する縦方向の振動
と、異なる脚部からの横方向の振動が伝達される。ま
た、脚部1,2の下端が受ける反力は振動とは位相が180度
異なるから、各端部は反力によって次のような振動を受
ける。第１の脚部１においては、 X₁＝Ａ・sin（ωｔ＋π/2） Y₁＝Ｂ・sin（ωｔ＋π）一方、第２の脚部２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1,2の下端は楕円振動または円振動
（Ａ＝Ｂのとき）をする。そして第１の脚部１と第２の
脚部２の振動は、位相が90度異なるものである。

脚部1,2の下端が上記のように位相が90度異なる楕円
または円運動をする場合には、走行体４は位相が遅れて
いる方に向けて走行することが知られている。

移動の方向を変えるときには、第２の脚部２の電源
を、 Vb＝Εｘ・sin（ω＋1/2π）とすればよい。

この走行体４は、コイルばね18によって枠体９から離
間する方向に付勢され、脚部1,2がレール８面に常に圧
接されているから、走行体４に付与する振動の周波数を
高くしても脚部1,2とレール８との相対的面間距離が連
続的に変化するので、脚部1,2にかかる衝撃が小さく、
構造体の固有振動周波数のような高い周波数で振動させ
ることが可能で、電気エネルギを効率的に駆動力に変換
することができる。

走行体４が走行するに伴い、ピン15の先端と凹所16と
の係合によって枠体４が連動する。走行体４は、上記ピ
ン15と凹所16との係合及び、その脚部1,2の側面に摺接
するガイド部材22によって枠体４に対して常に一定の姿
勢を保っており、また枠体４は８つのガイドローラ10に
よってレール８に対して姿勢が保たれている。従って、
走行体４もレール８に対して姿勢が保持されており、脚
部1,2下面とレール８面とが一定の接触状態に維持さ
れ、一定の進行方向を維持しつつエネルギ損失のない安
定な走行がなされる。

この例においては、ガイド部材22が走行体４の脚部1,
2の先端近傍に接触しているので、例えば胴部３におい
て接触する場合よりも走行体４の姿勢の変化が効率的に
防止できるが、勿論胴部３において接触するようにして
もよい。また、上記においてはガイド部材22が姿勢を保
持するために最小限必要な２箇所に設定してあり、かつ
先端に摩擦係数の低い素材の摺接部材24を取り付けその
形状を球状としているから、超音波振動する脚部1,2と
の摩擦によるエネルギ損失が最小限に抑えられる。

第３図は、この発明の他の実施例を示すもので、枠体
９の姿勢を保持するためのガイドレール25,26を、走行
体４が乗るレール８とは別に枠体９の外に設置し、この
ガイドレール25,26に対して摺動する摺動部材27,28をア
ーム29,30を介して枠体に取り付けた構造としたもので
ある。摺動部材27,28にはガイドレール25,26を囲むよう
にベアリング（図示略）が配されており、摺動摩擦を軽
減するようにしている。枠体９の内部は、ガイドローラ
が設けられていない他は第１の実施例と同様となってい
る。この例においては、ガイドレール25,26が外部に設
けられており、枠体９の荷重が分散されるのみでなく、
特に枠体９にレール８回りの回転モーメントがかかるよ
うな場合に好適である。

［発明の効果］以上詳述したように、この発明は、レール上に配置さ
れた少なくとも２本以上の脚部及びこれらの脚部を基端
側で連結する胴部を具備して成る走行体と、この走行体
に脚部の軸線に対して斜めに取り付けられてこれらの脚
部及び胴部をそれぞれ伸縮させる方向に振動させる圧電
素子と、上記走行体をレールに向けて付勢する手段とを
備えた超音波リニアモータであって、上記レールに沿っ
て移動自在に設置された枠体と、上記枠体をレールに対
して一定の姿勢に保持する手段と、上記枠体より突出し
て走行体の両側面に接触して枠体を走行体に対して一定
の姿勢に保持するガイド部材とを備えたことにより、走
行体は、ガイド部材によって枠体に対して姿勢が保持さ
れ、枠体はレールに対して姿勢が保持されているから、
走行体もレールに対して姿勢を保持され、脚部の振動エ
ネルギを安定的にレールに伝達してエネルギ効率のよい
走行を行うことができる。また、走行体に脚部の軸線に
対して斜めに取り付けられてこれらの脚部及び胴部をそ
れぞれ伸縮させる方向に振動させる圧電素子を設け、脚
部の下端に胴部の中心に対して同一の向きに回転する楕
円または円の奇跡を描かせることができるので、走行体
をレールに対して相対移動させることができる。更に、
圧電素子に対する電源周波数を調整することで、走行体
の固有振動数と等しいものとすることも容易にでき、エ
ネルギー変換効率の良い振動を付与することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す正面図、第２図はそ
のII−IIに添う断面図、第３図はこの発明の他の実施例
の断面図、第４図は従来例の断面図、第５図は他の従来
例の正面図、第６図はその断面図である。 1,2……脚部、３……胴部、４……走行体、 6,7……圧電素子、８……レール、９……枠体、 10……ガイドローラ、15……ピン、 18……コイルばね、22……ガイド部材、 25,26……ガイドレール、 27,28……摺接部材。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レール上に配置された少なくとも２本以上
の脚部及びこれらの脚部を基端側で連結する胴部を具備
して成る走行体と、この走行体に脚部の軸線に対して斜
めに取り付けられてこれらの脚部及び胴部をそれぞれ伸
縮させる方向に振動させる圧電素子と、上記走行体をレ
ールに向けて付勢する手段とを備えた超音波リニアモー
タであって、上記レールに沿って移動自在に設置された
枠体と、上記枠体をレールに対して一定の姿勢に保持す
る手段と、上記枠体より突出して走行体の両側面に接触
して枠体を走行体に対して一定の姿勢に保持するガイド
部材とを備えたことを特徴とする超音波リニアモータ。