JP2670343B2

JP2670343B2 - 超音波リニアモータ

Info

Publication number: JP2670343B2
Application number: JP1087288A
Authority: JP
Inventors: 浩一内藤
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1989-04-06
Filing date: 1989-04-06
Publication date: 1997-10-29
Anticipated expiration: 2012-10-29
Also published as: JPH02266881A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、電気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］電気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。

このため、本出願人は、電子機器や精密機械における
駆動源として好適な第６図ないし第７図に示すリニアモ
ータを提供した（たとえば特許第253443号公報、特許第
2525877号公報参照）。

第６図ないし第７図において、1,2は脚部、３はこれ
ら脚部1,2の一端を連結する胴部である。これらは、弾
性材料をコ字状に形成して振動体４を構成している。こ
の振動体４は、その角部が面取されており、その面取面
５には圧電素子（振動素子）6,7が設けられている。

圧電素子6,7は、図示せぬ電源から印加される電圧に
より伸縮するようになっており、この伸縮方向（加振方
向）の端面が上記面取面５に接着剤などを用いて固定さ
れている。

上記振動体４は、レール（案内部材）８に脚部1,2の
下端部を当接させて用いられる。

上記のように構成されたリニアモータにおいては、脚
部1,2および胴部３が斜めの方向から加振されるので、
該脚部1,2、胴部３には軸線方向および軸線に交差する
方向に加振力が伝えられ、該脚部1,2および胴部３に
は、軸線方向に伸縮が繰り返される縦振動と、軸線に交
差する方向にたわみが繰り返される横信号とが合成され
た振動が生じる。そして、脚部1,2の先端部の振動は、
該脚部1,2の軸線方向の振動と、軸線に交差する方向の
振動とが合成された楕円振動となる。したがって、この
楕円振動がレール８に伝えられて、振動体４がレール８
上を移動することになる。

上記のように構成された超音波リニアモータは、振動
体４の構造が簡単で、単に振動体４を加振することによ
って直線的な駆動力を得ることができるので、エネルギ
ー交換効率が高く、高速動作をさせることができるとい
う利点がある。

しかも、構造が簡単であるから、極めてコンパクトに
構成することができ、電子機器や精密機械などのように
取り付けスペースの極めて少ない機器の駆動源として用
いることができる。

［発明が解決しようとする課題］ところが、上記従来の超音波リニアモータにおいて
は、圧電素子6,7の加振力で振動体４を振動させるよう
になっているが、この加振力は、圧電素子6,7が面取面
で伸縮する際の該圧電素子6,7の重心位置の変化によっ
て生じる慣性力を利用したものである。すなわち、圧電
素子6,7には、該圧電素子6,7の慣性力に相当する分の小
さな負荷しかかからない。このため、電気エネルギーか
ら振動エネルギーへの変換効率は高いものの、大きな振
動エネルギーを振動体に提供することが難しく、単に圧
電素子の質量を増大し、これにより慣性力を増して負荷
の増大を図っても、圧電素子6,7自体が大きくなってし
まい、本超音波リニアモータのコンパクト性が失われて
しまうという欠点がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、特
別な方向に取り付けた振動素子の加振方向の両端面を振
動体に接続することで振動素子の負荷を増大してより大
きな振動エネルギーを発揮することのできる超音波リニ
アモータを提供することを目的としている。

［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
性体を素材としてなる少なくとも２本の脚部およびこれ
ら脚部を連結する胴部を具備して振動体を構成し、この
振動体に加振方向の両端面を有する振動素子をその加振
方向を前記脚部または胴部の軸線に交差する方向に向け
て脚部と胴部の間に取り付け、前記振動素子をその両端
面の一方を脚部側に他方を前記胴部側に接触させて振動
体に一体化してなることを特徴とする。

また、本発明において、前記脚部と胴部を振動素子を
介し連結してなる構成とすることができ、前記脚部と胴
部の連結部に孔を形成し、これらの孔の内面に振動素子
を取り付けた構成とすることもでき、更に、前記胴部と
脚部を円弧状に形成し、脚部の軸線を脚部先端面に垂直
な方向としてなることもできる。

［作用］本発明では、振動素子の加振方向を脚部または胴部に
交差する方向に向けて振動素子を振動体に取り付け、加
振方向の両端面の一方を脚部側に他方を胴部側に接触さ
せることで、脚部の先端部に縦振動と横振動を自動的に
効率良く伝達合成させて楕円振動を生じさせ、エネルギ
ー変換効率の高い駆動力を得ることができ、高速動作さ
せることができる。また、このような超音波リニアモー
タにおいては、振動素子の加振方向の両端面が振動体に
よって支持されているから、該振動素子の両端面に直交
する方向に生じる振動の変位が直接、振動体に伝えられ
る。このため、振動素子は、その振動変位によって、直
接、振動体を振動することになるから、振動の負荷が増
加し、大きな振動エネルギーがとりだせる状態になる。
しかも、振動素子の振動の変位が、直接、振動体に伝え
られるから、脚部および胴部がより大きな振幅で振動す
るようになる。したがって、振動体の脚部の先端に振幅
の大きな楕円振動が得られ、これにより、高速かつ高駆
動力で振動体が移動するようになる。

［実施例］以下、第１図ないし第４図を参照してこの発明の実施
例を説明する。

まず、第１図ないし第２図を参照してこの発明の第１
実施例を説明する。

これらの図において、11は振動体であり、21は振動体
11を案内するレール（案内部材）である。

振動体11は、互いに平行な脚部12,13と、これらの脚
部をつなげるための胴部14とを有するものであり、この
振動体11には、胴部14と脚部12,13との境界部に、圧電
素子（振動素子）15が設けられている。そして、前記各
脚部12,13の下端面には、それぞれ摩擦板16が貼付され
ている。

脚部12,13および胴部14は、アルミニウムの材料で断
面がほぼ正方形状に成形されたものであり、それぞれ圧
電素子15との連結面Ａが振動体11の移動方向に対して斜
めに形成され、その傾斜角が該脚部12,13および胴部14
のそれぞれの軸線に対して45゜の角度になっている。圧
電素子15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、図示せぬ電源から印加さ
れる交流電圧により伸縮するようになっており、その伸
縮方法（加振方向）の両端面15aが脚部12,13および胴部
14の各連結面Ａに接着剤等で固定されて連結されてい
る。また、この圧電素子15は、連結面Ａと平行な方向の
断面が各脚部12,13および胴部14とほぼ同一形状に形成
されている。従って、この例では、棒状の脚部12、13あ
るいは胴部14の軸線に傾斜するように加振方向を向けて
圧電素子15が取り付けられていることになる。

そして、上記振動体11の寸法は適宜設計されるが、例
示のものは、脚部12,13、胴部14が共に5mm□に形成さ
れ、脚部12,13のピッチが45mmに形成され、摩擦板16の
底面から胴部14の上面までの高さが20mmに形成されてい
る。また、脚部12,13および胴部14の材質としては、適
度の剛性と弾性を有する弾性材料で形成することが好ま
しく、上記アルミニウムの他に、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。

一方、レール21は、鉄などの剛性を有する材料で一体
に形成されたものであり、その上面には、振動体11の移
動方向を規制する案内溝22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、第１の圧電素子15（第３図において左側）
に、 Va＝Ｅ・sinωｔの交番電圧を付与し、第２の圧電素子15に、 Vb＝Ｅ・cosωｔの交番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。

第１の圧電素子15の振動変位は、脚部12に連結面Ａを
介して直接伝えられるとともに、胴部14にも連結面Ａを
介して直接伝えられ、この胴部14に伝えられた振動変位
がさらに第２の圧電素子15を介して脚部13に伝えられ
る。同様にして、第２の圧電素子15の振動変位は、脚部
13に連結面Ａを介して直接伝えられるとともに、胴部1
4、第１の圧電素子15を介して脚部12に伝えられる。そ
して、脚部12,13、胴部14には、それぞれの軸線に対し
て45゜の方向に傾いた振動変位が伝えられるので、それ
ぞれ軸線方向に縦振動および軸線に交差する方向に横振
動が生じる。そして、この結果として、各脚部12,13の
下端面には、上下方向の縦振動および振動体11の走行方
向の横振動が励起され、これらの振動が合成された楕円
振動が生じる。このように振動体11が振動する振動モー
ドは、振動体11と圧電素子15とを一体にした構造体の振
動特性と、圧電素子15に印加する電源の周波数および左
右の圧電素子15への交番電圧の位相差などにより決定さ
れる。また、上記構造体の振動特性を決める因子として
は、振動体11の材質（弾性率など）、形状（断面形状、
胴部と脚部との長さの比率など）、寸法および振動体11
とレール21との間の圧接力などが挙げられる。

振動体11の材質については、弾性率が大きいほど内部
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変換効率のよい
材質を選択する。また、寸法および形状については、振
動体11の高さが大きく、断面積が小さく、断面が走行方
向に直交する方向に扁平であるほど、横振動の振動変位
が大きくなる。

したがって、寸法、材質、形状の設定、および振動周
波数と左右の圧電素子15の位相差の選択を適切に行え
ば、胴部14と脚部12,13の縦振動および横振動を有効に
起こさせ、その結果、脚部12,13の下端面に振動変位の
大きな楕円振動が励起される。

また、左右の脚部12,13の楕円振動は、同じ形状とは
限らず、図示する例では、脚部12の図中左側の端部が走
行方向に扁平な楕円状に、該脚部12の右側の端部がほぼ
円形状に、脚部13の左側の端部もほぼ円形状に、該脚部
13の右側の端部が進行方向にほぼ直交する方向に縦長の
楕円状になる。

なお、この図示例では、圧電素子15の周波数を70.8KH
zに設定して計算している。

上記のように構成された超音波リニアモータにおいて
は、圧電素子15の振動変位が連結面Ａを介して、直接、
脚部12,13および胴部14に伝わる。このため、圧電素子1
5の伸縮する力が総て脚部12,13および胴部14に伝わるこ
とになるから、従来のように圧電素子の慣性力を利用し
て、振動体を加振する場合に比べて、該圧電素子15にか
かる負荷が大きくなる。すなわち、圧電素子15には、大
きな負荷がかかるようになるから、より大きな電気エネ
ルギーを供給して、該圧電素子15から大きな振動エネル
ギーを取り出すようにすることができるようになる。こ
のため、各脚部12,13の下端面に、より大きな振動の縦
振動および横振動が生じるようになり、それらの振動が
合成されて、該各脚部12,13の下端面には、より大きな
振幅の楕円振動が励起される。

また、圧電素子15の振動の変位が直接脚部12,13や胴
部14に加えられるから、従来のように圧電素子の慣性力
を介して脚部12,13および胴部14を加振する場合に比べ
て、該脚部12,13および胴部14をより大きな振幅で振動
することができるようになる。

したがって、上記のように構成された超音波リニアモ
ータによれば、従来のように圧電素子の慣性力で脚部や
胴部を加振する場合に比べて、各脚部12,13の下端面
に、より大きな振幅の楕円振動が励起されるから、振動
体11の駆動および速度を増大することができるという顕
著な作用効果を奏する。

しかも、圧電素子15が外部に突出されていないので、
該圧電素子15が邪魔になることがなく、極めてコンパク
トな超音波リニアモータを構成することができるという
利点がある。

次に、第４図を参照してこの発明の第２実施例を説明
する。ただし、この図において第１図に示す構成要素と
同様の要素には同一の符号を付しその概略を簡略化す
る。

この実施例における振動体31は、互いに平行な脚部3
2,33とこれらの脚部をつなぐ胴部34とがコ字状に一体に
形成されたものであり、この振動体31には、その角部に
圧電素子35が取り付けられている。

すなわち、振動体31には、各脚部32,33と胴部34との
境界部に、図面に直交する方向に延びる貫通孔Ｈが設け
られており、この貫通孔Ｈは、四角柱状に形成されてい
て、その対抗する内面H1が脚部32,33の軸線に対して45
゜方向に傾けられている。この貫通孔Ｈからは、該貫通
孔Ｈの軸心から各脚部32,33と胴部34との境の外側角部
の方向に延びるスリットＳが形成されている。そして、
スリットＳが形成された部分には、該スリットＳに直交
する方向に該スリットＳの間隙を縮めるためのボルトナ
ット38が設けられている。

また、圧電素子35は、第１実施例と同様のものがその
伸縮方向の端面を内面H1,H1に当接させて貫通孔Ｈに設
けられており、上記ボルトナット38を締め付けることに
よって、内面H1,H1で圧縮されて、該貫通孔Ｈに固定さ
れるようになっている。

上記のように構成された超音波リニアモータにおいて
は、圧電素子35が伸縮方向に圧縮されて取り付けられて
いるため、加振時に圧電素子35内に生じる引張応力が上
記圧縮力によって相殺される。このため、圧電素子35に
は、圧縮応力か、あるいは極めて小さな引張応力しか発
生しない。そして、圧電素子35の場合、圧縮強度に対し
て、引張強度の方が極めて小さいから、上記のよに引張
応力を低下させた分、振動の変位を大きくとることが可
能になる。すなわち、圧電素子35には、第１実施例に示
した以上に大きな負荷がかかることになり、該圧電素子
35に大きな電気エネルギーを供給して、該圧電素子35か
ら大きな振動エネルギーを取り出すことができるように
なる。このため、振動体31は、各脚部32,33の下端面に
より大きな振幅の縦振動および横振動が励起され、それ
らの振動の合成として、該各脚部32,33の下端面には、
より大きな振幅の楕円振動が発生する。

したがって、上記のように構成された超音波リニアモ
ータによれば、圧電素子35の振動変位をそのまま脚部3
2,33や胴部34に伝えることができることとあいまって、
脚部32,33の下端部を大きな振幅で楕円振動させること
ができ、第１実施例の振動体11より振動体31の駆動力や
速度を増大させることができる。また、圧電素子35が振
動体31の貫通孔Ｈ内に設けられているから、該圧電素子
35が邪魔になることがなく、また、振動体31によって、
圧電素子35や、その電気配線等を保護することができる
という利点もある。

次に、第５図を参照して第３実施例を説明する。ただ
し、この図において第４図に示す構成要素と共通する要
素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。

この実施例における振動体41は、脚部42,43と胴部44
が円弧状に一体に形成されたものであり、この振動体41
には、その内部に圧電素子35が取り付けられている。

振動体41は、断面が正方形状の棒状部材で半円弧状に
形成されたものであり、一方の端部が脚部42とされ、他
方の端部が脚部43とされ、その端面B,Bが同一面上に位
置するように平行に形成されている。そして、中心角度
で脚部42の端面Ｂから45゜および135゜の位置に貫通孔
Ｋが形成されており、これらの貫通孔K,Kの間が胴部44
となっている。貫通孔Ｋは、四角柱状に形成されたもの
であり、その対抗する内面K1が各脚部42,43の端面Ｂに
対して45゜の角度で傾けられて、図面に直交する方向に
貫通されている。この貫通孔Ｋから半径方向外側には、
該貫通孔Ｋの軸心を通過する方向にスリットＴが形成さ
れている。そして、スリットＴが形成された部分の外周
には、互いに対向するようにリブ41aが形成されてお
り、これらのリブ41aには、該リブ41aに直交する方向
に、スリットＴの間隙を縮めるためのボルトナット38が
設けられている。

また、圧電素子35は、その伸縮方向の端面を内面K1,K
1に当接させて貫通孔Ｋに設けられており、上記ボルト
ナット38を締め付けることによって、伸縮方向に圧縮さ
れた状態で該貫通孔Ｋに固定されるようになっている。
従って、この例では、端面Ｂに垂直な方向に脚部43の軸
線を定義し、圧電素子35はその加振方向を脚部43の軸線
に傾斜させた状態で振動体41に取り付けられていること
になる。

上記のように構成された超音波リニアモータにおいて
は、振動体41が円弧状のもので一体に形成されているか
ら、該振動体41を簡単に製造することができるという利
点がある。また、その他、第２実施例と同様の作用効果
を奏する。

なお、上記第２実施例および第３実施例においては、
振動体の寸法の記述を省略したが、これらの実施例の振
動体においても、外観寸法や脚部および胴部の断面寸法
が第１実施例のものと同様の寸法を示している。

また、各圧電素子15、35の伸縮方向の端面の向きを、
結果的に振動体の進行方向に対して45゜になるようにし
たが、これに限らず、脚部および胴部の両者に交差する
方向に向いているか、該脚部または胴部に交差する方向
に向いていればよい。

［発明の効果］以上詳述したように、加振方向両端面を有する振動素
子の加振方向を脚部または胴部に交差する方向に向けて
振動素子を振動体に取り付け、両端面の一方を脚部側に
他方を胴部側に接触させたので、脚部の先端部に縦振動
と横振動を自動的に効率良く伝達合成させて楕円振動を
生じさせ、エネルギー変換効率の高い駆動力を得ること
ができ、高速動作させることができる。

また、この発明は、振動端子の加振方向の両端面を振
動体の脚部と胴部に接触させて設けたので、該振動素子
の両端面に直交する方向に生じる振動の変位を直接、振
動体に伝えることができる。このため、振動素子は、そ
の振動変位によって、直接、振動体を振動することにな
るから、該振動素子の振動の負荷が増大し、大きな振動
エネルギーがとりだせる状態になる。しかも、振動素子
の振動の変位が、直接、振動体に伝えられるから、脚部
および胴部がより大きな振幅で振動するようになる。

したがって、従来のように振動変位を慣性力に変換し
てこの力で振動体を加振する場合に比べて、脚部の先端
部に振幅の大きな楕円振動を励起することができ、これ
によって振動体の駆動力および速度を増加させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の第１実施例として示し
た図であって、第１図は超音波リニアモータの正面図、
第２図は同超音波リニアモータの側面図、第３図は同超
音波リニアモータの振動の過程をシミュレーションによ
って解析した結果をしめす図、第４図はこの発明の第２
実施例として示した超音波リニアモータの正面図、第５
図はこの発明の第３実施例として示した超音波リニアモ
ータの正面図、第６図ないし第７図は従来例として示し
た図であって、第６図は超音波リニアモータの正面図、
第７図は同超音波リニアモータの側面図である。 11,31,41……振動体、 12,13,32,33,42,43……脚部、 14,34,44……胴部、 15,35……圧電素子（振動素子）、 21……レール。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体を素材としてなる少なくとも２本の
脚部およびこれら脚部を連結する胴部を具備して振動体
が構成され、この振動体に加振方向の両端面を有する振
動素子がその加振方向を前記脚部または胴部の軸線に交
差する方向に向けて脚部と胴部の間に取り付けられてな
り、前記振動素子がその両端面の一方を脚部側に他方を
前記胴部側に接触させて振動体に一体化されてなること
を特徴とする超音波リニアモータ。
【請求項２】前記脚部と胴部が振動素子を介して連結さ
れてな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】前記脚部と胴部の連結部に孔が形成され、
前記孔の内面に振動素子が取り付けられてなることを特
徴とする請求項１記載の超音波リニアモータ。
【請求項４】前記胴部と脚部が円弧状に形成され、脚部
の軸線が脚部先端面に垂直な方向とされてなることを特
徴とする請求項１記載の超音波リニアモータ。