JP2534343B2

JP2534343B2 - 超音波リニアモ―タ

Info

Publication number: JP2534343B2
Application number: JP1055572A
Authority: JP
Inventors: 一正大西; 浩一内藤; 徹中澤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1988-03-15
Filing date: 1989-03-08
Publication date: 1996-09-11
Anticipated expiration: 2011-09-11
Also published as: JPH01315282A

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］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、
圧電素子を用いるものにおいては、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、振動する駆動体と被駆動体とを近接
させて配置し、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、ねじり振動子型、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18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、エネル
ギー変換効率が高く、高速作動をさせることができる。

また、ねじり振動子型の超音波モータは、第19図に示
すように圧電振動子14にねじり結合素子15を付設したも
ので、圧電振動子14の縦振動によりねじり結合素子15を
撓み変形させて圧電振動子14の軸回りの回転変位を作
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20図に示すように、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変えることが
できず一定である。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。

ねじり振動子型超音波モータは、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、信号波型の超音波リニ
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設置し、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。

この発明は、超音波振動を利用したエネルギー効率の
良い簡単な構成の超音波リニア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、弾
性体を素材として一対の脚部及びこれを連結する胴部か
ら成る振動体を構成し、この振動体に前記脚部の軸線に
対して斜めに取り付けられて該振動体を加振する振動素
子を取り付けてなるものである。振動体の形状や、振動
素子の取り付け方法などは適宜のものが採用されるが、
振動素子を胴部の端部近傍に一対取り付けた構造がエネ
ルギー効率が高いことを突き止めた。振動素子どうしの
振動の位相差を90度の近辺に設定することが効率的な駆
動方法であった。振動素子としては、通常は、圧電セラ
ミックスを使用した圧電素子を用いる。

上記の超音波リニアモータにおいて、振動素子と胴部
とのなす角度は、通常、左右が等しくなるが補角になる
ように設定する。このようにすることで、脚部と胴部に
振動を分割して効率よく伝達することができ、効率良く
脚部先端に大きな楕円振動を発生できる。また、１つの
振動素子が胴部または脚部となす角度は45度とは限ら
ず、振動の分力の配分を考えて適宜決定すればよい。

［作用］このように構成された超音波リニアモータにおいて
は、振動素子により振動体を加振すると、胴部及び脚部
は振動素子を含めた一体のものとして、その素材及び寸
法、形状、振動周波数に応じた定在波振動が発生する。
この振動は、胴部及び脚部をそれぞれその長さ方向に伸
縮させる縦振動と、これらの部材を幅方向を変形させる
撓み振動とを起こさせ、これらの振動の結果、脚部の先
端に楕円振動を励起させる。従って、脚部の先端を他の
部材（被駆動部材）に当接させることにより、この部材
と振動体とを相対移動させることができる。

２本の脚部の先端における楕円振動が同一位相であっ
ても良いが、適当な位相のずれを生じさせるとさらに効
率を高めることができ、そのためにはそれぞれの脚部に
一対の振動素子を配し、その交番電源の位相を適宜ずら
せることが行われる。

［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振動体４を構成している。こ
の寸法は適宜設計されるが、例示のものはアルミニウム
を材質とし、胴部5mm□×26mmL、脚部5mm□×10mmLとし
ている。振動体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。

この振動体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（振動素子）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、PZT（ジル
コン酸チタン酸鉛）を素材とする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のものを用いてい
る。

上記振動体４は、レール（被駆動体）８の上面に脚部
1,2の下端を接して用いられる。レール８の上面にはそ
の長手方向に脚部1,2の下端を嵌入させる幅を持つ溝8a
が形成されている。

次に、この超音波リニアモータに振動を付与したとき
の移動の機構を、主にFEM解析（有限要素法を用いたコ
ンピュータ解析）の結果に基づいて説明する。

第３図は、本願の超音波リニアモータの原型というべ
きもので、脚部のみからなる振動体4aと圧電素子６とか
ら構成されているものである。

第４図及び第５図は、第３図の超音波リニアモータの
圧電素子７にＶ＝Ｅ・sinωｔの交流電圧を付与したときの有限要素法（FEM）を用い
たシミュレーションの結果を示すものである。圧電素子
７の振動は取付面を介して振動体4aに伝達され、振動体
4aの軸線に平行な成分は縦振動を、軸線に垂直な成分は
撓み振動を与え、この結果、先端において楕円振動を励
振させる。従って、振動体4aの下端面に被駆動体８を一
定の圧力で押し付けると、振動体4aと被駆動体８とは楕
円振動の向きに沿って相対移動を行う。第３図のよう
に、被駆動体がレール８であるような場合には振動体4a
が移動することになる。この超音波リニアモータにおい
ては、振動源の周波数によって縦振動あるいは撓み振動
のモードが異なるので、この振動周波数を適宜選択する
ことにより、進行方向を変えることができる。この周波
数と振動モードとの関係及びその結果として現れる進行
方向やエネルギー効率、駆動トルクなどは、駆動体4aと
圧電素子６とを一体とした構造体の振動特性などによっ
て決定されるものである。

本願の超音波リニアモータは、上記の振動体4aの上端
を胴部３により連結した構造となっており、基本的には
同じ原理を用いるものであるが、単に同一に考えられる
ものではない。脚部のみを切り離して考えれば、それぞ
れが独立に第５図に示したような楕円振動をしていると
考えられるが、さらにより効率が高いものである。

第６図及び第７図は、第１の圧電素子６（第１図にお
いて左側）に、 Va＝Ｅ・sinωｔの交流電圧を付与し、第２の圧電素子７には Vb＝Ｅ・cosωｔの交流電圧を付与したときの有限要素法（FEM）を用い
たシミュレーションの結果を示すものである。

圧電素子７の振動は取付面５を介してて振動体４の胴
部３及び脚部1,2に伝達され、それぞれ軸線に平行な成
分は縦振動を、軸線に垂直な成分は撓み振動を与える。
脚部1,2の下端に励起される楕円振動は、胴部３の縦振
動及び撓み振動、脚部1,2の縦振動及び撓み振動の全て
を合成した結果であり、それらの振動モードは、既述し
たように振動体４と圧電素子6,7とを一体とした構造体
の振動特性と、圧電素子6,7に印加する電源の周波数及
び左右の圧電素子6,7への交番電源の位相差などにより
決定される。構造体の振動特性を決める因子としては、
振動体４の材質（弾性率など）、形状（断面形状、胴部
と脚部の長さの比率など）、寸法及び振動体４と被駆動
体間の圧接力などが挙げられる。

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、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、振動体４
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。

従って、寸法、材質、形状の設定、及び振動周波数と
左右の圧電素子6,7の位相差の選択を適切に行えば、胴
部３と脚部1,2の縦振動及び撓み振動を有効に起こさ
せ、その結果、脚部1,2の下端に振幅の大きな楕円振動
を起こさせる。左右の脚部1,2の楕円振動は同じ形状と
は限らず、図示する例では、第８図（イ）に示すよう
に、sin波側が比較的横に偏平であるのに対して、同図
（ロ）に示すようにcos波側が縦に偏平となっている。
なお、図示例は、振動源の周波数を91.181kHzに設定し
ている。

第９図及び第10図に示すのは、この発明の他の実施例
であり、レール８の下部に支持枠９に車軸10を支持され
た前後一対の車輪11が設けられている。すなわち、胴部
３の上面には梁部材12が固定されており、この梁部材12
の両端部と上記支持枠９の中央との間には弾性部材（コ
イルばね）13が張設され、このコイルばね13により、脚
部1,2の下面はレール８の上面に、また車輪11はレール
８の下面にそれぞれ圧接されている。このコイルばね13
は負荷される荷重に応じて適宜な弾性係数を有するもの
が選ばれる。この例においては、レールが傾斜したり直
立した状態でも使用ができるという利点を有している。

また、第11図ないし第17図に示すのは、この発明の他
の実施例であり、それぞれ圧電素子6,7の取付位置を変
化させたものである。

第11図は圧電素子6,7を振動体４の角部の内側に取り
付けたもの、第12図は角部外側を突出させてその先端に
取り付けたもの、第13図は角部内側を突出させてその先
端に取り付けたもの、第14図は一方を外側に他方を内側
に取り付けたものである。また、第15図は胴部３の位置
が脚部1,2の上端よりやや下になっており、圧電素子6,7
の軸線が胴部３の軸線と胴部３の端部において交差して
いるもの、第16図は脚部1,2の位置が胴部３の端よりや
や内側になっているもの、第17図は胴部３の位置が脚部
1,2の上端よりやや下になっており、かつ圧電素子6,7の
取付面５が内側に向いているものである。

これらはそれぞれ、構造上の特徴を有しているので、
リニアモータの使用される状況により選択すればよい。
進行方向と位相差の関係は前述したものと異なるものと
なるが、基本的考えかたは同じである。

これらの例においては、胴部３と圧電素子6,7のなす
角度は45度であるが、これに限られず、胴部３と等角度
あるいはその補角をなしていればよい。

また、両圧電素子に付与する電源電圧の位相差を、上
記実施例においては90度としたが、これはこの値が最も
効率が良いと思われるからで、10〜170度の間の適宜の
値でもよい。

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5.0Vの駆動電圧を付与し、駆動電圧周波
数105kHz、圧接力1.0kg・ｆとしたときに、無負荷での
最大速度は0.3m/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、80〜120kHzの範囲で実用的に作動
することを確認した。

なお、上記実施例においては、振動素子としてPZTを
素材とする圧電素子を用いたが、これ以外の振動素子、
例えば磁歪素子などを用いてもよい。

［発明の効果］以上詳述したように、この発明は、弾性体を素材とし
て一対の脚部及びこれを連結する胴部から成る振動体を
構成し、この振動体に前記脚部の軸線に対して斜めに取
り付けられて該振動体を加振する振動素子を取り付けて
なるので、胴部及び脚部にそれぞれ縦振動と撓み振動を
起こさせ、その結果、胴部の先端に振幅の大きい楕円振
動を励起させることができる。従って、振動体に定在波
振動を付与してこれを直線運動に変換することにより、
エネルギー効率の良い超音波リニアモータを提供するこ
とができる。また、振動素子を胴部の端部近傍に一対配
し、これらの交番電源に位相差を与えることにより、縦
振動及び撓み振動を強化し、エネルギー効率を一層向上
させる更に、振動体を脚部の軸線に対して斜めに取り付
けることで、振動を効率よく胴部と脚部に分割して伝達
することができ、この分割して伝達した振動により脚部
の先端に大きな楕円振動を発生できるので、振動体を脚
部の軸線に対して斜めに取り付けるという簡単な構成で
エネルギー伝達効率の良い超音波リニアモータを提供で
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斜視図、第２図はそ
の側面図、第３図はその原理を示すため超音波リニアモ
ータの斜視図、第４図及び第５図は第３図の超音波リニ
アモータのFEMの解析結果を示す図、第６図ないし第８
図はこの発明の超音波リニアモータのFEM解析の結果を
示す図、第９図はこの発明の他の実施例を示す側面図、
第10図はその正面図、第11図ないし第17図はさらに他の
実施例を示す側面図、第18図ないし第20図は従来例を示
す断面図である。 1,2……脚部、３……胴部、４……振動体、6,7……振動
素子（圧電素子）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体を素材として一対の脚部及びこれを
連結する胴部から成る振動体が構成され、この振動体に
は前記脚部の軸線に対して斜めに取り付けられて該振動
体を加振する振動素子が取り付けられてなることを特徴
とする超音波リニアモータ。
【請求項２】上記振動素子は胴部の端部近傍に１つづつ
取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の超
音波リニアモータ。
【請求項３】弾性体を素材として少なくとも一対の脚部
から成る振動体に、振動体の軸線に対して斜めに位置し
て該振動体を加振する振動素子が取り付けられ、該振動
素子の１つにより前記脚部の一端部に縦振動及び撓み振
動が励起自在にされてなることを特徴とする超音波リニ
アモータ。