JP2836130B2 - 電子ミシン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電子ミシンに関し、特に予め設定された情
報に基づいて自動的にパターン縫目を形成する電子ミシ
ンに関する。

［従来技術］ 従来、ミシン針の上下運動に同期させて、記憶装置か
ら送られた出力信号により駆動源を動作させ、加工布を
保持する保持手段或は針をＸ、Ｙの平面内２自由度で移
動して縫製を行なう電子ミシンが知られている。この駆
動源として、高い位置決め精度を実現するために、電磁
石を用いたリニアパルスモータが用いたものが、例えば
特開昭57−39877号，特開昭60−21794号等で提案されて
いる。

これらは、ベルトやプーリを用いずにダイレクトに加
工布の保持手段を駆動することで高位置決め精度を実現
している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述の電子ミシンにおいては、安定駆
動するためのトルクを得ようとすると、モータを大型化
し出力を増加させる必要があった。その結果、モータの
慣性が大きくなりその作動応答性が低下し、場合によっ
ては脱調が発生してモータが駆動しなくなる等の問題が
あった。

また、リニアパルスモータの可動子は、金属等の磁性
体であることが必須条件であり、その点からもモータの
軽量化が困難であった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされた
ものであり、縫い針と加工布の保持手段との平面内相対
位置を変動させる駆動源を小型、軽量化することが可能
であって、その駆動源の作動応答性の良い電子ミシンを
提供することをその目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の電子ミシンは、加
工布を保持する保持手段と、該加工布の縫い針に対する
平面内２自由度の座標位置を記憶した記憶装置とを有
し、該記憶装置からの出力信号に基づき２以上の駆動源
を作動させて、前記保持手段と前記縫り針とを前記平面
内で相対運動させ、該保持手段に保持された加工布にパ
ターン縫目を形成する電子ミシンにおいて、前記駆動源
の少なくとも１つが、相対的に変位可能な被接触物に対
して接触させる駆動部と、交流電圧が印加されると略楕
円振動を発生する超音波振動子とを備えていて、該超音
波振動子によって前記駆動部に略楕円振動を発生させる
構造で、該略楕円振動の周期中、前記駆動部と前記被接
触物との接触圧が高くなる位相においては、両者間に作
用する摩擦力で前記駆動部の変位する方向へ前記被接触
物を変位させる一方、前記駆動部と前記被接触物との接
触圧が低くなる位相においては、前記駆動部が前記被接
触物に対して相対的に変位し、この動作を前記略楕円振
動に伴って周期的に繰り返すことにより、前記被接触物
に対して相対的に直線運動可能なリニアアクチュエータ
によって構成され、該リニアアクチュエータが、前記保
持手段側の部材及び前記縫い針側の部材の内、いずれか
一方の部材に固定されて、他方の部材に前記駆動部を接
触させる位置に配設されていることを特徴とする。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の電子ミシンでは、電気−
機械エネルギ変換素子を利用して機械出力を得るリニア
アクチュエータに対し、記憶装置からの出力信号に基づ
き所定周波数の交流電圧を印加する。すると、リニアア
クチュエータの駆動部に、微小振幅の略楕円振動が励磁
される。

リニアアクチュエータは、保持手段側の部材（すなわ
ち、保持手段自体または保持手段に対して相対的に変位
しない部材）及び縫い針側の部材（すなわち、縫い針に
対して相対的に変位しない部材）の内、いずれか一方の
部材に固定されて、他方の部材に駆動部を接触させる位
置に配設されているので、上記駆動部は、一方の部材に
対しては、略楕円の軌跡を描く変位を繰り返すように振
動する状態になり、他方の部材に対しては、他方の部材
を押圧する方向及び他方の部材の表面に沿った方向の２
方向に振動する状態になる。

この状態においては、駆動部が他方の部材を押圧する
方向へ振動しているので、駆動部と他方の部材との接触
圧は周期的に変動する。

この周期中、駆動部と他方の部材との接触圧が高くな
る位相（以下、第１の位相ともいう）においては、上記
駆動部が他方の部材の表面に沿った方向へ振動する際に
両者間を作用する摩擦力が相対的に大きくなるため、駆
動部とともに他方の部材が同方向へ変位し、その結果、
他方の部材が一方の部材に対して相対的に変位すること
になる。

一方、前記駆動部と前記他方の部材との接触圧が低く
なる位相（以下、第２の位相ともいう）においては、上
記駆動部が他方の部材の表面に沿った方向へ振動する際
に両者間に作用する摩擦力が相対的に小さくなるため、
駆動部が他方の部材に対して相対的に変位する。

上記第1,第２の位相における動作は、前記略楕円振動
に伴って周期的に繰り返される動作であり、上記第１の
位相において駆動部が変位する方向は、略楕円振動の振
幅及び位相に応じて決まる常に同じ方向となるため、他
方の部材は一方の部材に対して相対的に直線運動するこ
とになる。

なお、この直線運動の方向は、略楕円振動する駆動部
が描く軌跡の形状によって決まり、リニアアクチュエー
タ（正確には超音波振動子）に印加する電圧の振幅及び
位相によって調節することができる。

以上説明したような駆動力を利用して、縫い針と加工
布の保持手段とが、相対的に平面内２自由度の運動をし
て、加工布へのパターン縫目の形成が行われる。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して
説明する。

第１図は、本発明の電子ミシンの一実施例の模式的構
成を示す図である。まず、この電子ミシンに利用されて
いる超音波振動子について第２図を参照しつつ説明す
る。それは、特願平１−46866号で本願出願人が提案し
た機械共振器を含んだ超音波振動子である。

図示するように、超音波振動子11は、矩形平板形状を
有する弾性体21の上面に、この弾性体21に曲げ振動を励
振するための第１圧電体22が着設されている。また、弾
性体21においては、前記着設面と略直交する一方の側面
に、この弾性体21に縦振動を励振するための第２圧電体
23a,23cが、他方の側面に同様な第２圧電体23b,23dが着
設されている。

弾性体21の長手方向中心は、この弾性体21を固定する
ための固定ボルト24a及び24bにより固定されている。こ
の固定ボルト24a及び24bの他の一端は、支持材33に固定
されている。

第１圧電体22の上面には、電極26が着設されている。
更に、第２圧電体23aないし23dの上面には電極27aない
し27dが着設されている。また弾性体21自身は、アース
電極を兼ねており、この弾性体21は固定ボルト24a及び2
4bを介して支持材33に接地されている。

更に弾性体21は、その厚さ方向に所定の周波数ｆにお
いて両端自由端２次モードで曲げ振動し、且つ同一の周
波数ｆにより長さ方向に両端自由端１次モードで縦振動
するように形状寸法を調節されている。

一般に、弾性体中を伝播する縦振動の共振周波数は、
その弾性体の長さに依存する。また弾性体の厚さ方向の
曲げ振動の共振周波数は、その弾性対の長さ及び厚さに
依存する。従って、前述のような弾性体21を設計するこ
とは容易であるので、その設計の詳細は省く。

以上のように構成された超音波振動子11の作用は、次
の通りである。

第１圧電体22に周波数ｆの交流電圧を印加して振動さ
せると、弾性体21は曲げ振動２次モードで共振し定在波
が励起される。

また、第２圧電体23aないし23dに周波数ｆの交流電圧
を印加して振動させると、弾性体21は縦振動１次モード
で振動し定在波が励起される。つまり固定ボルト24a及
び24bで固定される位置は各定在波の節となっている。

このとき、第１圧電体22と第２圧電体23aないし23dに
印加する電圧の振幅及び位相を調節すると、弾性体21に
は任意の形状の略楕円振動を発生する事が可能となる。

尚、上記のように、本実施例では縦振動１次モードと
曲げ振動２次モードを励振し、その合成により略楕円振
動を発生する超音波振動子を利用しているが、本発明に
おいては、これに限定されるものではなく、縦振動、曲
げ振動、せん断振動、ねじり振動など、種々の振動モー
ドが利用でき、またモードの次数に関しても、特に限定
はなく、1,2次、それ以上の高次が利用できる。

上述の超音波振動子11を中心として構成されており、
本実施例の電子ミシンにおいて駆動源として利用されて
いるリニアアクチュエータ（超音波モータ）の構成を、
その側面図である第３図（ａ）、そのＡ−Ａ′断面図で
ある第３図（ｂ）に基づき説明する。

この超音波モータ31では、超音波振動子11の底部であ
ってこの超音波振動子11の最大振幅が与えられる両端部
に、それぞれくさび状の駆動部32x,32yが形成されてい
る。この駆動部32x,32yは、例えばプラスチック，セラ
ミック等から成り、鉄，アルミニウム或はセラミック製
のレール34に圧接されている。

この圧接力を与えるための圧接機構は、次の部材から
成る。即ち、固定ボルト24a,24bにて超音波振動子11の
両側面に固定された断面「Ｕ」字状の支持材33と、レー
ル34の下面に沿って伸びた構造であってレール34に当接
するローラベアリング35x,35yを両端部に備える第１の
ガイド36と、支持材33の底板33bt上面と第１のガイド36
下面との間に配置されたコイルバネ37と、コイルバネ37
内に通されたバネガイド38と、コイルバネ37の下端を支
持するバネおさえリング39とから成る。

この圧接機構では、バネガイド38に螺刻されたスクリ
ュー溝に沿ってバネおさえリング39を回転させて、コイ
ルバネ37の伸縮長を変化させることができる。そうして
適宜調整した圧接力でもって、レール34を、ローラベア
リング35x,35yで下方から、駆動部32x,32yで上方から圧
接する。

一方、レール34の両側方においてその走行方向に伸び
るレールガイド40a,40bが、支持材33内面にボルト41a,4
1bによって固定されている。レールガイド40a,40bは、
そのレール34走行方向両端に設けられたローラベアリン
グ42でもって、レール34を側方から挟持する構成をとっ
ている。こうして、超音波モータ31がレール34の横方向
にずれるのが防止されている。さらに、超音波モータ31
は、その両側面に水平方向に伸びる棒状支持材43a,43b
が設けられ、その棒状支持材43a,43bの先端が支持材33
の両側板33sdに開けられた透孔Ha,Hbに挿通されること
によって、超音波振動子11のヨーイングが防止されい
る。更に、超音波モータ31は、その底面に鉛直方向に伸
びる棒状支持材44が設けられ、その棒状支持材44がバネ
ガイド38内に挿通されることによって、超音波振動子11
のローリングが防止されている。

以上のように構成した超音波モータの動作を第４図と
第５図とを参照しつつ次に説明する。

第４図は、超音波振動子11に縦振動VLと曲げ振動VBと
を起こすため、その圧電体22及び23aないし23dに印加す
る入力電圧信号の波形を示した図である。この第３図の
ように、超音波振動子11に交流電気信号を印加して励振
すると、該超音波振動子11は、第５図（ａ）ないし
（ｄ）に示されるような縦振動及び曲げ振動を繰り返
す。即ち、縦振動と曲げ振動の位相の調整によって、縦
振動の伸長時に第５図左側の駆動部32yがレール34に接
するようにされた第５図（ａ）の状態から、時間ととも
に第５図（ｂ）を経て、第５図（ｃ）の状態、即ち縦振
動の収縮時に、第５図右側の駆動部32xがレール34に接
した状態となり、更に第５図（ｄ）の状態を経て第５図
（ａ）に戻るサイクルを繰り返す。このように駆動部32
x,32yとレール34とが接するときに、その摺動部位の摩
擦力に起因する駆動力を超音波モータ31が受ける。その
駆動力は、第５図（ａ）中の矢印C,同図（ｃ）中の矢印
Ｄに示すように上記サイクル中同一方向を向いており、
このようにして超音波モータ31は、所定方向に推力を発
生する。

超音波モータ31の速度は入力信号の電圧値或は位相に
よって調整可能であり、また駆動力方向は該位相によっ
て任意に変えられる。従って、超音波モータ31は、第３
図矢印Ｂのように、レーザ34に沿った両方向に、適宜調
整された速度で移動可能である。

上述の超音波モータ31を利用した本実施例の電子ミシ
ンの構成を、第１図の概略構成図を参照して次に説明す
る。超音波モータ31a,31bの圧接機構の詳細は、第３図
に示したので、第１図では、省いてある。

第１図に示すように、この電子ミシンは、縫い針を備
えたミシン本体と、下糸供給手段（図示せず）を備えた
基台Ｓ上方且つ縫い針58の下方にあり加工布52を保持す
る布枠53と、布枠53を駆動する第1,2の超音波モータ31
A,31B等を中心として構成されている。

縫い針58は、図示しない駆動源により、第１図中の矢
印Ａ方向に往復運動可能な構成を採っている。

布枠53は、４つの辺状の部分（以下単に辺という）53
K,L,M,Nで囲まれた矩形状をしている。その内のミシン
側方に沿う二辺53K,Lには、それぞれ中央近辺にヒンジ
機構HNが設けられており、このヒンジ機構HNより縫い針
58側の布枠53部分は、二重板となっている。この二重板
がヒンジ機構HNによって開閉し、それらの間に布52を挟
持可能である。

かかる布枠53は、ミシン側方に沿う二辺の各々におい
て略中央近辺に亘って伸びるガイド54と、縫い針58から
離れた辺53Mに設置されている第１の超音波モータ31Aと
で支持されている。このガイド54は、両端が支持柱56a,
56bで基台Ｓに固定されているものであって、この上に
布枠53が当接している。

第１の超音波モータ31Aは、それが設置されている布
枠53の辺53Mに沿ったレール34Aを挟んでおり、そのレー
ル34A上を駆動可能である。尚、第１の超音波モータ31A
の布枠53への設置は、図で省略してある第１の超音波モ
ータ31Aの支持部材（第３図での支持部材33に対応す
る）に布枠53を適宜選択した手法で固定することによっ
て、実施されている。

第１の超音波モータ31Aの軌道となるレール34Aは、一
端で第２の超音波モータ31Bに固定・支持されており、
他端でレール34Aに垂直に伸び且つ支持柱56c,56dで支持
されているガイド55に当接・支持されている。第２の超
音波モータ31Bは、レール34Aに垂直に伸びるレール34B
を挟んでおり、そのレール34B上を駆動可能である。

レール34A及び布枠53は軽量化のためにフェノール樹
脂等の高分子材料或はセラミックで形成されている。

前記２つの超音波モータ31A及び31Bを駆動するため，
それらの電極（第２図，第３図で示す電極26,27aないし
27d）には、制御回路59が結合されている。制御回路59
は、周知のCPUや電圧発生回路を中心として構成されて
おり、ここから超音波モータ31A,31Bに電圧を印加する
ことにより、それらを独立に駆動可能である。従って、
布枠53は、平面内２自由度の運動、即ち第１図（ａ）中
のX,Y方向へ独立に運動が可能である。

制御回路59から超音波モータ31A,31Bに印加される電
圧の大きさ・位相は、この制御回路59に接続された記憶
装置60からの信号に基づき決定される。この記憶装置60
は、加工布５にパターン縫い目を形成していく全過程に
おける縫い針58と布枠53との平面内での相対位置を、座
標情報として記憶しているものである。

この様な構成の電子ミシンは、縫い針58の動作に同期
しつつ、記憶装置60からの出力信号に応じて、制御回路
59が超音波モータ31A及び31Bに所定の大きさ・位相の電
圧を送り、それらを駆動することによって、所定のパタ
ーン縫目を加工布52に形成する。

以上のような本実施例の電子ミシンは、次の利点があ
る。

１）布枠53の駆動源としての超音波モータ31A,31Bは、
本質的に小さな重量・体積で、高いエネルギー変換効率
が得られ（例えばDCモータに比べ出力／体積比，出力／
重量比は10倍以上となる）、加えて慣性を大きくする磁
性金属や磁界発生用の巻線を利用しなくてもよいので、
定消費電力で、作動応答性が高い。また、電子ミシン全
体としての小型化、軽量化も可能である。

レール34Aや布枠53が軽量材料で形成されている点か
らも、布枠53を応答性良く作動できる。

２）布枠53は、プーリやベルトを利用することなく、超
音波モータ31A,31Bにおける超音波振動子の変形に基づ
く摩擦力により動くので、位置制御性に優れている。

３）超音波モータ31A,31Bは、電磁式のリニアパルスモ
ータに比べても構成が簡単であるので、電子ミシン全体
の製造も容易となる。また、電磁式のリニアパルスモー
タのように磁気，電磁ノイズを発生しない。

４）超音波モータ31A,31Bに利用されている超音波振動
子11は、曲げ振動と縦振動の節が一致し、弾性体21が励
振方向に振動しない部位で固定ボルト24a,24bで固定さ
れているので、動作が安定し、且つ極めて高い効率で布
枠53が移動する。

尚、上記実施例では、電気−機械エネルギ変換素子と
して圧電素子を用いたが、電歪素子、磁歪素子を利用し
ても良い。また上記実施例では、リニアアクチュエータ
として定在波振動を発生するリニア超音波振動子を用い
たが、これに限定されるものではなく、積層形圧電アク
チュエータ，バイモルフ形圧電アクチュエータ及び進行
波型超音波モータ等、種々のアクチュエータが利用でき
る。

更に、超音波振動子の形状を平板状とする例について
説明したが、略楕円運動が発生するものならばその形状
は平板形状に限定されるものではなく、円板状、円環
状、円筒状、棒状、方形状等、種々の形状が考えられ
る。また、縫い針58を布枠53に対し移動させる構成とす
ることもできし、特開昭50−40620号で開示されている
ミシンのパルスモータをリニアアクチュエータに変えた
構成など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形
が可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれ
ば、縫い針と加工布の保持手段との平面内２自由度の相
対運動を行なう駆動源の小型，軽量化を実現する事がで
き、その作動応答性やそれによる位置制御性の良い電子
ミシンを得る事が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の電子ミシンの一実施例を示す概略構
成図、第２図は、本実施例に用いる超音波振動子の上面
を示す図、第３図は、上記超音波振動子を用いた超音波
モータの構成図、第４図は、超音波振動子の圧電体に印
加する入力電圧信号の波形を示したグラフ、第５図は、
超音波モータの駆動機構を示す説明図である。 11……超音波振動子、60……記憶装置 34,34A,34B……リニアアクチュエータ 52……保持手段、53……加工布 58……縫い針 22,23a乃至23d……電気−機械エネルギ変換素子

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加工布を保持する保持手段と、該加工布の
   縫い針に対する平面内２自由度の座標位置を記憶した記
   憶装置とを有し、該記憶装置からの出力信号に基づき２
   以上の駆動源を作動させて、前記保持手段と前記縫い針
   とを前記平面内で相対運動させ、該保持手段に保持され
   た加工布にパターン縫目を形成する電子ミシンにおい
   て、 前記駆動源の少なくとも１つが、相対的に変位可能な被
   接触物に対して接触させる駆動部と、交流電圧が印加さ
   れると略楕円振動を発生する超音波振動子とを備えてい
   て、該超音波振動子によって前記駆動部に略楕円振動を
   発生させる構造で、前記略楕円振動の周期中、前記駆動
   部と前記被接触物との接触圧が高くなる位相において
   は、両者間に作用する摩擦力で前記駆動部の変位する方
   向へ前記被接触物を変位させる一方、前記駆動部と前記
   被接触物との接触圧が低くなる位相においては、前記駆
   動部が前記被接触物に対して相対的に変位し、この動作
   を前記略楕円振動に伴って周期的に繰り返すことによ
   り、前記被接触物に対して相対的に直線運動可能なリニ
   アアクチュエータによって構成され、 該リニアアクチュエータが、前記保持手段側の部材及び
   前記縫い針側の部材の内、いずれか一方の部材に固定さ
   れて、他方の部材に前記駆動部を接触させる位置に配設
   されていることを特徴とする電子ミシン。