JP2912410B2 - 超音波モータを用いたシリンダ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超音波モータを用いたシリンダ装置に関
し、特にボールねじを備えたシリンダ装置に超音波モー
タが連結され、低速領域における駆動および停止精度が
向上されると同時に、所定の高速領域における高速駆動
が可能とされる超音波モータを用いたシリンダ装置に適
用して有効な技術に関する。

［従来の技術］ 従来のシリンダ装置としては、たとえば特開昭54-339
70号公報に記載されるように、シリンダ装置本体内に摺
動自在に収納され、本体内への流体圧の給排により駆動
されるピストンと、このピストンに回転可能に螺入され
るボールねじと、このボールねじが駆動されるサーボモ
ータとを備え、ボールねじをサーボモータで駆動するこ
とによってピストンを所定の方向に駆動させ、また負荷
に応じた流体圧をシリンダ装置本体内に給排して位置決
めを行う構造のものがある。

そして、上記の構造においては、ピストンの駆動はサ
ーボモータの回転数に依存し、たとえばピストンの最高
駆動速度がサーボモータの最高回転数によって決定さ
れ、また停止および低速駆動時においてはサーボモータ
の回転数と流体圧の給排との制御によって決定される。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、前記のような従来技術においては、サーボ
モータの回転数に限界があり、ボールねじおよびボール
ねじに連結されるピストンを高速で駆動させることがで
きないという問題がある。

また、停止および低速駆動時においても、サーボモー
タの回転数と流体圧の給排との制御が難しく、停止およ
び駆動精度に問題がある。

そこで、本発明者は、起動および停止の低速領域にお
ける駆動精度に優れた超音波モータをボールねじに連結
し、さらに高速領域においては本体内に給排される流体
圧で駆動させることによって低速および高速領域におけ
る駆動精度の向上が可能になることを見い出した。

たとえば、超音波モータとしては、特開昭59-122385
号、特開昭60-22478号公報などに記載されるように超音
波の持つ強力な振動エネルギーを利用し、その概要は高
周波電圧の印加によって励振される圧電体およびこの圧
電体に固定される弾性体を有するステータと、このステ
ータに加圧接触されるロータとを備え、圧電体に90度の
位相差を有する第１の高周波電源および第２の高周波電
源が接続され、これらの第１および第２の高周波電源の
位相を3/4波長ずらした位置で励振させることによって
弾性体上に２つの定在波が発生され、これらの合成によ
って一方向の進行波が形成される。さらに、この進行波
によってロータに進行波と逆方向の推力が発生され、こ
の推力によってロータが進行波と逆方向に駆動される。
これにより、ロータを進行波と逆方向に駆動させ、回転
運動に変換する構造とされるものである。

そこで、本発明の目的は、ピストンに回転可能に螺入
されるボールねじを備えたシリンダ装置に超音波モータ
を連結することにより、低速領域における起動および停
止時の駆動および停止精度の向上が可能にされると同時
に、所定の高速領域においても高精度な高速駆動が可能
とされる超音波モータを用いたシリンダ装置を提供する
ことにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

［課題を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものの
概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明の超音波モータを用いたシリンダ装
置は、高周波電圧の印加により励振される圧電体および
該圧電体に固定される弾性体を有するステータと、該ス
テータに加圧接触されるロータと、該ロータに連動可能
に連結されるシリンダ装置とを備えた超音波モータを用
いたシリンダ装置であって、前記シリンダ装置本体に収
納され、前記ロータに連動可能に連結されるボールねじ
と、該ボールねじが回転可能に螺入され、かつ前記シリ
ンダ装置本体内への流体圧の給排により変位されるピス
トンと、該ピストンに一端が前記ボールねじと反対方向
に連結され、他端が前記シリンダ装置本体の外部に突出
されるピストンロッドとを備え、かつ前記第１および第
２の高周波電源が接続または切断される切換スイッチが
該第１および第２の高周波電源と前記圧電体との間に接
続され、所定の低速領域で前記第１および第２の高周波
電源を接続状態として、前記弾性体上に進行波を発生さ
せることにより前記ピストンロッドを所定の方向に低速
駆動させ、一方所定の高速領域で前記第１または第２の
高周波電源のどちらか一方を切断状態として、前記弾性
体上に定在波を発生させることにより前記ロータのロッ
ク機能を解除し、前記ピストンを流体圧の給排によって
駆動させることにより前記ピストンロッドを所定の方向
に高速駆動させるものである。

また、前記圧電体に前記第１の高周波電源および第２
の高周波電源のどちらも接続されない場合に、前記ステ
ータに加圧接触される前記ロータがセルフロック状態と
なり、前記ピストンロッドがロック状態となるようにし
たものである。

［作用］ 前記した超音波モータを用いたシリンダ装置によれ
ば、高周波電圧の印加により励振される圧電体およびこ
の圧電体に固定される弾性体を有するステータと、この
ステータに加圧接触されるロータと、シリンダ装置本体
内に収納され、ロータに連動可能に連結されるボールね
じと、このボールねじが回転可能に螺入され、かつシリ
ンダ装置本体内への流体圧の給排により変位されるピス
トンと、このピストンに一端がボールねじと反対方向に
連結され、他端がシリンダ装置本体の外部に突出される
ピストンロッドとを備え、かつ第１および第２の高周波
電源が接続または切断される切換スイッチが、これらの
第１および第２の高周波電源と圧電体との間に接続され
ることにより、所定の低速領域においては、第１および
第２の高周波電源を接続状態として、弾性体上に進行波
を発生させることによりロータを駆動し、ボールねじお
よびピストンを介してピストンロッドを所定の方向に低
速駆動させることができる。

一方、所定の高速領域においては、第１または第２の
高周波電源のどちらか一方を切断状態として、弾性体上
に定在波を発生させることによりロータのロック機能を
解除し、ピストンを流体圧の給排によって駆動させるこ
とによりピストンロッドを所定の方向に高速駆動させる
ことができる。

また、圧電体に第１の高周波電源および第２の高周波
電源のどちらも接続されない場合に、ステータに加圧接
触されるロータがセルフロック状態となり、ピストンロ
ッドをロック状態とすることができる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例である超音波モータを用い
たシリンダ装置を示す断面図、第２図（ａ）および
（ｂ）は本実施例の超音波モータを示す概略構成図、第
３図は本実施例の超音波モータの動作を示す説明図、第
４図は本実施例の超音波モータのステータの励振状態を
示す説明図である。

まず、第１図により本実施例の超音波モータを用いた
シリンダ装置の構成を説明する。

本実施例のシリンダ装置は、たとえばシリンダ本体１
内に摺動自在に収納され、外部から供給される流体圧に
より変位されるピストン２と、このピストン２に一端が
連結され、他端がシリンダ本体１の外部に突出されるピ
ストンロッド３と、ピストン２に回転自在に螺入される
ボールねじ４とから構成され、両端がロッドカバー５お
よびエンドカバー６によって密封されている。そして、
エンドカバー６から突出されるボールねじ４の突出端に
超音波モータ７が結合されている。

シリンダ本体１は、たとえば円筒状に形成され、その
両端がＯリング5a,6aを介してロッドカバー５およびエ
ンドカバー６によって密封結合されている。また、ロッ
ドカバー５およびエンドカバー６には、ピストン２によ
って仕切られたシリンダ本体１内の流体室8a,9aに対し
て、流体圧を供給および排出するための給排ポート8,9
が形成されている。そして、給排ポート8,9には、たと
えば４ポート３位置・単動形の制御弁10および減圧弁11
などの切換弁機構が接続され、流体圧源12から供給され
る流体圧によってピストン２が所定の方向に高速駆動さ
れる構造となっている。

ピストン２は、シリンダ本体１の内部にＯリング2aを
介して摺動自在に収納されている。そして、ピストン２
の一端側には、途中まで中空軸状のピストンロッド３の
一端がねじ部3aで螺入されることにより一体結合され、
かつＯリング3bでシールされている。また、ピストンロ
ッド３の他端側は、ロッドカバー５を貫通して外部に突
出され、ロッドカバー５との間にロッドブッシュ5bを介
して密封されている。そして、ピストンロッド３の先端
部に、図示しない他の機器または負荷が取り付けられる
構造となっている。

ボールねじ４は、ピストン２にピストンロッド３の反
対側から螺合され、その内端側がピストン２を貫通して
ピストンロッド３の中空部の中に螺入されている。そし
て、ボールねじ４の回転によってピストン２がシリンダ
本体１内で摺動され、所定の方向に低速駆動される構造
となっている。

超音波モータ７は、エンドカバー６の外部まで突出さ
れるボールねじ４の突出端に取り付けられ、超音波モー
タ７の駆動によってボールねじ４が回転駆動される。ま
た、超音波モータ７には、その回転数を検出するための
ロータリエンコーダ13が接続され、ピストン２の位置が
検出される構造となっている。

また、超音波モータ７は、第２図（ａ）および（ｂ）
に示すように、高周波電圧の印加により励振される圧電
体14aおよびこの圧電体14aに固定される弾性体14bを有
するステータ14と、このステータ14に加圧接触されるロ
ータ15とから構成され、圧電体14aに90度の位相差を有
する第１の高周波電源（ψ_０）16および第２の高周波電
源（ψ₉₀）17が接続されている。

ステータ14は、たとえば高周波電圧が印加されること
によって分極される圧電体14aと、この圧電体14aの上面
に固定される弾性体14bとから構成されている。そし
て、第３図に示すように第１および第２の高周波電源1
6,17の印加によってステータ14上に２つの定在波が発生
され、これらの合成によって一方向の進行波が形成さ
れ、第４図のような励振状態となっている。

ロータ15は、たとえばその内部に図示しないスプリン
グが収納され、このスプリングの圧着力によってステー
タ14に加圧接触されている。そして、ステータ14上に形
成された進行波によって、この進行波と逆方向への推力
が発生され、この推力によってロータ15が進行波と逆方
向に回転される構造となっている。

第１の高周波電源16および第２の高周波電源17は、そ
れぞれの相互間に90度の位相差を備え、第１および第２
の高周波電源16,17の位相を3/4波長ずらした位置で励振
させることによって進行波が形成される構造となってい
る。

また、第１および第２の高周波電源16,17には、これ
らの高周波電源16,17が接続または切断される切換スイ
ッチ18と、セルフロック状態が切り換えられる操作スイ
ッチ19とが接続されている。そして、切換スイッチ18お
よび操作スイッチ19を接続状態とすることによってステ
ータ14上に進行波が発生され、一方操作スイッチ19を切
断状態とすることによってステータ14上に１つの定在波
が発生され、ステータ14とロータ15との摩擦係数および
摩耗が低減され、ロータ15のセルフロック状態が解除さ
れる構造となっている。

次に、本実施例の作用について説明する。

始めに、切換スイッチ18を第２図（ａ）の状態、すな
わち第１および第２の高周波電源16,17が接続される閉
回路とし、高周波電源16,17の印加電圧をステータ14の
圧電体14aに供給する。そして、電圧が印加された圧電
体14aは、第２図（ｂ）のように1/2波長毎に矢印の方向
に分極される。

この時、圧電体14aには第３図のような伸び縮みの伸
縮動作が発生され、圧電体14aに固定された弾性体14b上
に、第１の高周波電源16によって一点鎖線で示す定在波
が発生され、また第２の高周波電源17によって点線で示
す定在波が発生される。

さらに、これらの２つの定在波が合成され、実線で示
す一方向の進行波が形成される。そして、ステータ14に
加圧接触されたロータ15が、弾性体14b上に形成された
進行波と逆方向に回転される。

そして、ロータ15の回転に連動してボールねじ４が同
方向、たとえばピストンロッド３側から見て反時計方向
に回転駆動され、ボールねじ４に螺合されるピストン２
が第１図の右方向に低速駆動される。

続いて、ロータリエンコーダ13による検出によってピ
ストン２の位置が所定の高速領域、すなわち所定の速度
に達した段階で、切換スイッチ18を接続状態とし、閉じ
られていた操作スイッチ19を開いて切断状態として第１
の高周波電源16または第２の高周波電源17のどちらか一
方、この場合に第１の高周波電源16のみが接続される閉
回路として弾性体14b上に一点鎖線の１つの定在波を発
生させる。

これにより、発生された定在波の縦振動によってステ
ータ14とロータ15との摩擦係数が非常に小さくなり、ま
た定在波には横振動、すなわちｘ成分の抵抗がないので
摩耗が低減され、ステータ14とロータ15との間に超音波
べアリング機能を発生させる。

そして、このべアリング機能状態において、流体圧源
12から減圧弁11および制御弁10を介して給排ポート8,9
に流体圧を供給し、低速駆動されたピストン２をさらに
流体圧の供給によって右方向に高速駆動させる。

このように、ピストン２の駆動を超音波モータ７とボ
ールねじ４との組合せによる駆動と、外部から供給され
る流体圧による駆動との切換によって、ピストン２に連
結されるピストンロッド３を軸方向に沿って所定の方向
に低速および高速に駆動させることができるので、たと
えばピストンロッド３の先端部に取り付けられる他の機
器などを制御することができる。

また、ピストンロッド３を停止させたい場合には、切
換スイッチ18を切断状態、すなわち第１および第２の高
周波電源16,17の両方が接続されない状態とし、ステー
タ14に加圧接触されるロータ15がセルフロック状態とな
り、ステータ14とロータ15との間にブレーキ機能を発生
させる。

これにより、ロータ15の停止に連動してボールねじ４
およびピストン２の駆動が停止され、ピストンロッド３
を所定の位置で停止させることができる。

従って、本実施例の超音波モータ７を用いたシリンダ
装置によれば、高周波電圧の印加により励振される圧電
体14aおよびこの圧電体14aに固定される弾性体14bを有
するステータ14と、このステータ14に加圧接触されるロ
ータ15と、シリンダ本体１内に収納され、ロータ15に連
動可能に連結されるボールねじ４と、このボールねじ４
が回転可能に螺入され、かつシリンダ本体１内への流体
圧の給排により変位されるピストン２と、このピストン
２に一端がボールねじ４と反対方向に連結され、他端が
シリンダ本体１の外部に突出されるピストンロッド３と
を備え、かつ第１および第２の高周波電源16,17が接続
または切断される切換スイッチ18および操作スイッチ19
が、これらの第１および第２の高周波電源16,17と圧電
体14aとの間に接続されることにより、起動および停止
時の所定の低速領域において第１および第２の高周波電
源16,17を接続状態とすることによって弾性体14b上に進
行波を発生させ、ロータ15を所定の方向に回転させるこ
とができるので、ボールねじ４およびピストン２を介し
てピストンロッド３を所定の方向に低速駆動させること
ができる。

一方、所定の高速領域においては、第１または第２の
高周波電源16,17のどちらか一方を切断状態とし、弾性
体14b上に定在波を発生させることによってロータ15の
ロック機能を解除し、ピストン２を流体圧の給排によっ
て駆動させることによりピストンロッド３を所定の方向
に高速駆動させることができる。

また、切換スイッチ18が切断状態、すなわち第１およ
び第２の高周波電源16,17が接続されない状態において
は、ステータ14に加圧接触されるロータ15がセルフロッ
ク状態となり、ステータ14とロータ15との間にブレーキ
機能が発生され、ピストンロッド３を停止させることが
できる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づ
き具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更
可能であることはいうまでもない。

たとえば、本実施例の超音波モータ７を用いたシリン
ダ装置については、給排ポート8,9に接続される切換弁
機構として４ポート３位置・単動形の制御弁10および減
圧弁11が接続される場合について説明したが、本発明は
前記実施例に限定されるものではなく、たとえば２つの
３ポート２位置・単動形の制御弁10と減圧弁11との組合
せによる切換弁機構が接続される場合など、他の様々な
変形が可能である。また、シリンダ装置の構造について
も、第１図の構造に限定されるものではない。

また、本実施例のシリンダ装置に用いられる超音波モ
ータ７については、第２図（ａ），（ｂ）、第３図およ
び第４図のような構造および形状に限定されるものでは
なく、また超音波モータ７を駆動する回路についても第
２図（ａ）に示すような回路構成に限られるものではな
い。

［発明の効果］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものに
よって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおり
である。

（１）．高周波電圧の印加により励振される圧電体およ
びこの圧電体に固定される弾性体を有するステータと、
このステータに加圧接触されるロータと、このロータに
連動可能に連結されるシリンダ装置とを備えた超音波モ
ータを用いたシリンダ装置において、シリンダ装置本体
内に収納され、ロータに連動可能に連結されるボールね
じと、このボールねじが回転可能に螺入され、かつシリ
ンダ装置本体内への流体圧の給排により変位されるピス
トンと、このピストンに一端がボールねじと反対方向に
連結され、他端がシリンダ装置本体の外部に突出される
ピストンロッドとを備え、かつ第１および第２の高周波
電源が接続または切断される切換スイッチが、これら第
１および第２の高周波電源と圧電体との間に接続される
ことにより、所定の低速領域においては、第１および第
２の高周波電源を接続状態として、弾性体上に進行波を
発生させることによりロータを駆動し、ボールねじおよ
びピストンを介してピストンロッドを所定の方向に低速
駆動させることができる。

一方、所定の高速領域においては、第１または第２の
高周波電源のどちらか一方を切断状態として、弾性体上
に定在波を発生させることによりロータのロック機能を
解除し、ピストンを流体圧の給排によって駆動させるこ
とによりピストンロッドを所定の方向に高速駆動させる
ことができる。

（２）．圧電体に第１の高周波電源および第２の高周波
電源のどちらも接続されない場合には、ステータに加圧
接触されるロータがセルフロック状態となり、ピストン
ロッドをロック状態とすることができるので、ブレーキ
機能を備えた超音波モータを用いたシリンダ装置を得る
ことができる。

（３）．前記（１）および（２）により、圧電体への高
周波電源の接続および切断によってピストンロッドを所
定の方向に低速回転させたり、または所定の位置で停止
させることができると同時に、シリンダ装置への流体圧
の給排によって高速駆動させることができるので、低速
領域における起動および停止時の駆動および停止精度の
向上と、所定の高速領域における高速駆動精度の向上が
可能とされる超音波モータを用いたシリンダ装置を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である超音波モータを用いた
シリンダ装置を示す断面図、第２図（ａ）および（ｂ）
は本実施例の超音波モータを示す概略構成図、第３図は
本実施例の超音波モータの動作を示す説明図、第４図は
本実施例の超音波モータのステータの励振状態を示す説
明図である。 １……シリンダ本体、２……ピストン、2a……Ｏリン
グ、３……ピストンロッド、3a……ねじ部、3b……Ｏリ
ング、４……ボールねじ、５……ロッドカバー、5a……
Ｏリング、5b……ロッドブッシュ、６……エンドカバ
ー、6a……Ｏリング、７……超音波モータ、８……給排
ポート、8a……流体室、９……給排ポート、9a……流体
室、10……制御弁、11……減圧弁、12……流体圧源、13
……ロータリエンコーダ、14……ステータ、14a……圧
電体、14b……弾性体、15……ロータ、16……第１の高
周波電源（ψ_０）、17……第２の高周波電源（ψ₉₀）、
18……切換スイッチ、19……操作スイッチ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高周波電圧の印加により励振される圧電体
   および該圧電体に固定される弾性体を有するステータ
   と、該ステータに加圧接触されるロータと、該ロータに
   連動可能に連結されるシリンダ装置とを備えた超音波モ
   ータを用いたシリンダ装置であって、前記シリンダ装置
   本体に収納され、前記ロータに連動可能に連結されるボ
   ールねじと、該ボールねじが回転可能に螺入され、かつ
   前記シリンダ装置本体内への流体圧の給排により変位さ
   れるピストンと、該ピストンに一端が前記ボールねじと
   反対方向に連結され、他端が前記シリンダ装置本体の外
   部に突出されるピストンロッドとを備え、かつ前記第１
   および第２の高周波電源が接続または切断される切換ス
   イッチが該第１および第２の高周波電源と前記圧電体と
   の間に接続され、所定の低速領域で前記第１および第２
   の高周波電源を接続状態として、前記弾性体上に進行波
   を発生させることにより前記ピストンロッドを所定の方
   向に低速駆動させ、一方所定の高速領域で前記第１また
   は第２の高周波電源のどちらか一方を切断状態として、
   前記弾性体上に定在波を発生させることにより前記ロー
   タのロック機能を解除し、前記ピストンを流体圧の給排
   によって駆動させることにより前記ピストンロッドを所
   定の方向に高速駆動させることを特徴とする超音波モー
   タを用いたシリンダ装置。
2. 【請求項２】前記圧電体に前記第１の高周波電源および
   第２の高周波電源のどちらも接続されない場合に、前記
   ステータに加圧接触される前記ロータがセルフロック状
   態となり、前記ピストンロッドがロック状態となること
   を特徴とする請求項１記載の超音波モータを用いたシリ
   ンダ装置。