JP4841432B2 - Ultrasonic motor for lead screw - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ねじ付きシャフトとこれに螺合するナットを備えた小型の超音波リニアモータアッセンブリに関する。 The present invention relates to a small ultrasonic linear motor assembly provided with a threaded shaft and a nut screwed into the shaft.
圧電電歪技術、静電技術または電磁技術を利用した変換器は、ナノメートル・スケールで位置決めを正確に行う上で極めて有用である。圧電機器の場合、荷電時と放電時に変形するセラミックコンデンサを形成させ、力変換器や位置アクチュエータを作製する。位置アクチュエータとして使用する場合、圧電セラミックの変形は、ほぼ印加電圧に比例する。圧電アクチュエータは、セラミック長のほぼ0.1%の範囲に限定され、その値は典型的なストローク長の10マイクロメータに相当する。圧電アクチュエータが有する剛性とナノメートル単位の精密さは極めて有用であるが、多くの用途ではさらに多数のストロークが求められる。 A transducer using piezoelectric electrostriction technology, electrostatic technology, or electromagnetic technology is extremely useful for accurate positioning on the nanometer scale. In the case of a piezoelectric device, a ceramic capacitor that deforms during charging and discharging is formed to produce a force transducer and a position actuator. When used as a position actuator, the deformation of the piezoelectric ceramic is approximately proportional to the applied voltage. Piezoelectric actuators are limited to a range of approximately 0.1% of the ceramic length, which corresponds to a typical stroke length of 10 micrometers. The stiffness and nanometer precision of a piezoelectric actuator is extremely useful, but many applications require a greater number of strokes.
セラミックの小さな変形を修正して、より長いストロークを生む圧電モータは、数多く設計・開発されている。 A number of piezoelectric motors have been designed and developed that correct small ceramic deformations and produce longer strokes.
米国特許第3,902,084号には、PZTステッピングモータが記載されているが、その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。このモータは、多数の短いPZTアクチュエータサイクルをまとめるために、クランプ伸長クランプ引込みの動作シーケンスを利用している。このステッピング・リニアアクチュエータは、直流から〜数キロヘルツの周波数で動作し、大きな騒音と振動を生じる。電源がオフのとき、姿勢が保持されない。1ナノメートルより優れた分解能は、200ミリメータを超える行程で達成される。 US Pat. No. 3,902,084 describes a PZT stepping motor, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. This motor utilizes a sequence of clamp extension clamp retraction operations to group a number of short PZT actuator cycles. This stepping linear actuator operates from a direct current to a frequency of up to several kilohertz and generates a large noise and vibration. The posture is not maintained when the power is off. Resolutions better than 1 nanometer are achieved over a stroke of 200 millimeters.
米国特許第5,410,206号には、PZT慣性スティックスリップモータが記載されているが、その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。これに記載されたモータは、シャフトの両端を噛む顎を形成するスプリットナットを利用して、細かいねじを持つシャフトを回転させる。PZTアクチュエータは、非対称交流駆動信号にて、上記の顎を反対方向に高速で動かす。顎の高速運動は、クランプ摩擦に打ち勝って滑りを生む。ジョーの低速運動は、滑りを起こさずにシャフトを回転させる。このスティックスリップモータも、前記のステッピングモータと似たような騒音と振動を生むが、100倍も低速で動き、電源オフでも姿勢を維持する。50ナノメートルより優れた分解能は、25ミリメータを超える行程で達成される。 US Pat. No. 5,410,206 describes a PZT inertial stick-slip motor, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. The motor described therein rotates a shaft with fine threads using a split nut that forms a jaw that bites both ends of the shaft. The PZT actuator moves the jaw at high speed in the opposite direction with an asymmetrical AC drive signal. The high-speed movement of the jaw overcomes the clamping friction and causes slipping. The low speed movement of the jaws causes the shaft to rotate without causing slip. This stick-slip motor also produces noise and vibration similar to the above stepping motor, but moves 100 times slower and maintains its posture even when the power is turned off. Resolutions better than 50 nanometers are achieved with a stroke greater than 25 millimeters.
超音波モータは、高速かつ高トルクで、小型で音の静かな連続運動を実現するために、圧電気振動を利用する。 Ultrasonic motors use piezoelectric vibrations to achieve high-speed, high-torque, small and quiet continuous motion.
最も初期の超音波圧電モータの一つは、米国特許第3,176,167号に開示されている。その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。単一方向に回転するこのモータは、水晶発振器を使用して細い棒を動かし、時計仕掛けを駆動する目的で爪車を駆動させる。 One of the earliest ultrasonic piezoelectric motors is disclosed in US Pat. No. 3,176,167. The entire disclosure is hereby incorporated by reference. This motor, which rotates in a single direction, uses a crystal oscillator to move a thin bar and drive the pinwheel for the purpose of driving the clockwork.
定在波超音波モータの一例は、米国特許第5,453,653号に開示されており、その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。このモータは長方形のPZTプレートを利用し、可動面に予め負荷した接点において超音波振動を発生させる。PZTプレート上の電極パターンは、交流信号に接続され、合わせ面に対して正味(真)の力を発生させるために、接点での二次元振動を必要な振幅と位相で発生させる。この超音波モータは音が静かで、ステッピングモータより100倍速く動き、約3分の1程度の力を生む。一般に、超音波モータは停止と開始が難しく、これが精密さを欠く原因である。マイクロメータ以下の分解能を達成するには、典型的には、閉ループ制御を備えたエンコーダが必要とされる。 An example of a standing wave ultrasonic motor is disclosed in US Pat. No. 5,453,653, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. This motor uses a rectangular PZT plate and generates ultrasonic vibration at a contact point preloaded on the movable surface. The electrode pattern on the PZT plate is connected to an AC signal and generates a two-dimensional vibration at the contact with the required amplitude and phase in order to generate a net (true) force on the mating surface. This ultrasonic motor is quiet, moves 100 times faster than a stepping motor, and produces about a third of the force. In general, ultrasonic motors are difficult to stop and start, which is a cause of lack of precision. To achieve sub-micrometer resolution typically requires an encoder with closed loop control.
超音波振動を利用したねじ式ロッドの駆動装置は、例えば、米国特許第6,147,435号に記載されている。その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。この特許には、「軸方向にせん状の溝を形成させたスクリューロッドと、該スクリューロッドの両対向端を回転自在に保持する一対のスタンドと、前記スクリューロッドを部分的に取り囲み、その軸方向に摺動可能なワークラックと、該ワークラックの片側に固定され、ワークラックからスクリューロッドに伸張する少なくとも一つの第1のスクリューロッド回転装置と、ワークラックの他方の側に固定され、ワークラックからスクリューロッドに伸張する少なくとも一つの第2のスクリューロッド回転装置とを備え、前記第1のスクリューロッド回転装置が、スクリューロッドの溝部と第1の特定な角度で接触する第1振動子と、この第1振動子をスクリューロッドの溝部に向けて特定な圧力で付勢する第1スプリングと、電気的活性化により前記第1振動子を振動させてスクリューロッドを第1の回転方向に回転させる第1の圧電アクチュエータとを有し、前記第2のスクリューロッド回転装置が、スクリューロッドの溝部と第1の特定な角度と逆の第2の特定な角度で接触する第2振動子と、この第2振動子をスクリューロッドの溝部に向けて特定な圧力で付勢する第2スプリングと、電気的活性化により前記第2振動子を振動させてスクリューロッドを第2の方向に回転させる第2の圧電アクチュエータとを有する超音波振動によるスクリューロッド駆動機構」が記載され、特許請求されている。 A screw-type rod driving device using ultrasonic vibration is described in, for example, US Pat. No. 6,147,435. The entire disclosure is hereby incorporated by reference. In this patent, “a screw rod having a spiral groove formed in the axial direction, a pair of stands that rotatably hold both opposing ends of the screw rod, and the shaft partially surrounding the screw rod. A work rack slidable in a direction, at least one first screw rod rotating device fixed to one side of the work rack and extending from the work rack to the screw rod, and fixed to the other side of the work rack, At least one second screw rod rotating device extending from the rack to the screw rod, wherein the first screw rod rotating device is in contact with the groove portion of the screw rod at a first specific angle; A first spring that urges the first vibrator toward the groove of the screw rod with a specific pressure, A first piezoelectric actuator that vibrates the first vibrator to rotate the screw rod in a first rotation direction, and the second screw rod rotating device includes a groove portion of the screw rod and a first specific angle. A second vibrator that makes contact at a second specific angle opposite to the first vibrator, a second spring that urges the second vibrator toward the groove of the screw rod with a specific pressure, and the first activation by electrical activation. A screw rod drive mechanism by ultrasonic vibration having a second piezoelectric actuator that vibrates two vibrators and rotates the screw rod in a second direction is described and claimed.
上記の米国特許第6,147,435号の装置では、「第1のスクリューロッド回転装置」と「第2のスクリューロッド回転装置」の両方が不可欠である。これらは、同特許の図3において、要素16a'、要素16d'(これらは第1のスクリューロッド回転装置を構成する)要素16b'、要素16c'(これらは第2のスクリューロッド回転装置を構成する)として図示されている。そして、要素16a'と要素16d'を超音波振動で活性化させると、スクリューロッド2は一方向に回転し、要素16b'と要素16c' を超音波振動で活性化させると、スクリューロッド2は反対方向に回転する。 In the apparatus of the above-mentioned US Pat. No. 6,147,435, both the “first screw rod rotating device” and the “second screw rod rotating device” are indispensable. In FIG. 3 of the patent, these are the elements 16a ′ and 16d ′ (which constitute the first screw rod rotating device), the elements 16b ′ and 16c ′ (these constitute the second screw rod rotating device). ). When the element 16a ′ and the element 16d ′ are activated by ultrasonic vibration, the screw rod 2 rotates in one direction, and when the element 16b ′ and the element 16c ′ are activated by ultrasonic vibration, the screw rod 2 is Rotate in the opposite direction.
要素16a'及び16d'と要素16b'及び16c'が、同時に活性化することはない。同時に活性化させるのはエネルギーの浪費であろうし、スクリューロッド2は、静止状態のままである。 Elements 16a 'and 16d' and elements 16b 'and 16c' are not activated simultaneously. It will be a waste of energy to activate at the same time, and the screw rod 2 remains stationary.
しかしながら、たとえ要素16a'及び16d'と要素16b'及び16c'が、同時に活性化しなくても、エネルギーの浪費が起こる。活性化されていない一対の要素は、スクリューロッド2のねじと接触したままであり、引きずり摩擦が起こるからである。 However, even if the elements 16a ′ and 16d ′ and the elements 16b ′ and 16c ′ are not activated at the same time, energy is wasted. This is because the pair of elements that are not activated remain in contact with the screw of the screw rod 2 and drag friction occurs.
この引きずり摩擦が米国特許第6,147,435号の装置の問題である。この問題をいくばくかでも解決するために、当該特許のクレーム2では、「前記第1及び第2の圧電アクチュエータの一方を電気的に活性化させた際に、他方の圧電アクチュエータに微量の電流を印加する」ことを提案しているが、それでも当該特許の装置は、決して効率が高いといえない。 This drag friction is a problem with the device of US Pat. No. 6,147,435. In order to solve this problem to some extent, claim 2 of the patent states, “When one of the first and second piezoelectric actuators is electrically activated, a small amount of current is applied to the other piezoelectric actuator. Although it is proposed to “apply”, the device of the patent is nevertheless highly efficient.
本発明の目的は、米国特許6,147,435号に記載された装置より実質的に高性能であり、同程度の大きさの従来技術による超音波式モータで普通達成できるよりも、高出力で、高速な超音波振動による精密なねじ付きシャフト駆動機構を提供することにある。 The object of the present invention is substantially higher performance than the apparatus described in US Pat. No. 6,147,435, which is higher power than is normally achievable with prior art ultrasonic motors of comparable magnitude. Therefore, it is to provide a precise threaded shaft drive mechanism by high-speed ultrasonic vibration.
本発明によれば、ねじ付きシャフトと、これと螺合するナットを備えたねじ付きシャフトアッセンブリを駆動するための装置が提供される。本発明のアッセンブリは、前記ナットに超音波振動を与え、前記シャフトを回転させると同時に軸方向に移動させる手段を備え、また、前記シャフトに軸方向の力を及ぼす手段を備えている。 In accordance with the present invention, an apparatus is provided for driving a threaded shaft assembly having a threaded shaft and a nut threadably engaged therewith. The assembly of the present invention includes means for applying ultrasonic vibration to the nut, rotating the shaft and simultaneously moving in the axial direction, and means for applying an axial force to the shaft.
本発明の具体例の一つでは、小型の超音波リニアモータが、親ねじを回転させて直線運動を生起させる。シリンダが、超音波領域の第1曲げモードの共鳴周波数でねじ込みナットを支持する。シリンダとナットは、変換器(トランスデュサー)より前記の共鳴周波数で励起され、これよりナットをシリンダの端部で軌道運動させる。変換器には、圧電式、電歪式、静電式、電磁式または共鳴振動を起こすその他の任意の装置が使用可能である。±90度の位相シフトで直行する曲げモードを、シリンダに同時に励起させて円軌道を描かせるためには、少なくとも2つの変換器が必要である。ナットにはぴったりしたねじ付きシャフトが内装される。弾力がある軸方向荷重が、低摩擦の連結具を介してシャフトに付加される。ナットはその共鳴周波数で軌道を周回し、シャフトの慣性がこれを中央に保持する。ナットの軌道運動(周回運動)がトルクを生み、これがシャフトを回転させ、直線運動を生起させる。変換器には少なくとも2つの交流駆動信号が必要である。駆動周波数は、機械的周波数を励起させ、ナットが円軌道で周回するように位相を制御しなければならない。駆動信号の振幅と持続時間の調節が速度を制御する。駆動信号間の位相シフトは正又は負の何れでも構わず、この正負がナットの軌道周回方向と、シャフトの回転及び移動の方向を逆向きにする。この実施例およびその他の実施例を以下により詳細に説明する。 In one embodiment of the present invention, a small ultrasonic linear motor rotates a lead screw to cause a linear motion. The cylinder supports the screw nut at the resonance frequency of the first bending mode in the ultrasonic region. Cylinder and nut are excited at the resonant frequency from transducer (trans du Sir), than this is orbiting the nut end of the cylinder. The transducer can be piezoelectric, electrostrictive, electrostatic, electromagnetic, or any other device that causes resonant vibration. At least two transducers are required to cause the cylinder to simultaneously excite a bending mode that is orthogonal with a phase shift of ± 90 degrees to draw a circular orbit . The nut is fitted with a tightly threaded shaft. A resilient axial load is applied to the shaft via a low friction coupling. The nut orbits at its resonant frequency and the inertia of the shaft keeps it in the center. The orbital motion (circular motion) of the nut produces torque, which rotates the shaft and causes linear motion. The converter requires at least two AC drive signals. The driving frequency must excite the mechanical frequency and control the phase so that the nut orbits in a circular path. Adjustment of the amplitude and duration of the drive signal controls the speed. The phase shift between the drive signals may be either positive or negative, and this positive / negative makes the orbiting direction of the nut opposite to the direction of rotation and movement of the shaft. This and other embodiments are described in more detail below.
特定の理論に執着する訳ではないが、本発明に関係する超音波リニアアクチュエータの運転原理は、円筒形チューブが第1の曲げ共鳴で励起し、これによりチューブの一端又は両端を、円筒軸の周囲で回転することなく軌道周回させると、本発明者は考えている。この具体例では、ねじ付きチューブの周りで軌道周回し、シャフトを回転させる接線分力を生むナットが、チューブの一端部に収容される。ねじ同士の摩擦抵抗が、ねじを直接駆動しているので、有益である。このことは、従来の親ねじ駆動様式と著しく異なる点である。従来の駆動様式でのねじの摩擦抵抗は、寄生的であって、ワインドアップや、ガタや、応答の遅れがでる。本発明で用いるらせん状ねじのさらなる長所は、大きな機械的利益を伴って回転運動を平行移動運動に直接変換できることであって、軸方向の力を増幅し、線速度を低減させることができ、その結果として精度を高めることができる。 Without being bound to a particular theory, the principle of operation of an ultrasonic linear actuator related to the present invention is that the cylindrical tube is excited with a first bending resonance, which causes one or both ends of the tube to be The present inventor believes that the orbit is performed without rotating around. In this example, a nut that orbits around a threaded tube and produces a tangential component that rotates the shaft is housed in one end of the tube. The frictional resistance between the screws is beneficial because it drives the screws directly. This is a significant difference from the conventional lead screw drive mode. The frictional resistance of the screw in the conventional driving mode is parasitic, and windup, play, and response delay occur. A further advantage of the helical screw used in the present invention is that it can directly convert rotational motion into parallel motion with great mechanical benefit, which can amplify axial force and reduce linear velocity, As a result, accuracy can be increased.
本発明の具体例では、第1の曲げモードを励起するのに、変換器を使用するのが好ましい。使用可能な変換器には、プレートやスタックを含む圧電材料、磁歪材料、静電材料などが挙げられる。ここに例示したものは、本発明で使用可能な全ての変換器を含むものではない。円筒形チューブ又は類似の形状のブロックに第1の曲げ共鳴を励起させることで、チューブの一端又は両端に軌道周回を生起させることができる材料や機構が、本発明では使用可能である。ここに記載する具体例では、圧電材料が使用されているが、上述したような別の変換器材料を用いても、本発明を具体化することができる。 In embodiments of the present invention, it is preferred to use a transducer to excite the first bending mode. Usable transducers include piezoelectric materials including plates and stacks, magnetostrictive materials, electrostatic materials and the like. What is illustrated here does not include all converters that can be used in the present invention. Any material or mechanism that can cause orbiting at one or both ends of the tube by exciting the first bending resonance in a cylindrical tube or similarly shaped block can be used in the present invention. In the specific example described here, a piezoelectric material is used, but the present invention can also be embodied using another transducer material as described above.
以下に、添付の図面を参照しながら本発明を詳述する。
図1〜図6には、本発明の好ましい実施例での超音波リニアモータ10が描かれている。図に例では、超音波振動を発生させるために、4枚の長方形圧電プレートが使用されている。図示していないが、別の手段を用いても超音波振動を発生させることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1-6 illustrate an ultrasonic
この明細書において、超音波とは、20,000ヘルツを超える動作周波数を指す。その一例として、少なくとも約25,000ヘルツの動作周波数があり、他の例では、少なくとも約50,000ヘルツの動作周波数がある。さらに別の例では、動作周波数が少なくとも約100,000ヘルツの超音波がある。 In this specification, ultrasound refers to an operating frequency exceeding 20,000 hertz. One example is an operating frequency of at least about 25,000 hertz , and another example is an operating frequency of at least about 50,000 hertz. In yet another example, there is ultrasound with an operating frequency of at least about 100,000 hertz.
この明細書において言うリニアモータとは、力を生むか置換を起こすことで、実質的に直線的な運動を生む作動装置を指す。超音波リニアモータに関しては、米国特許第5,982,075号、同第5,134,334号、同第5,036,245号、同第4,857,791などを参照されたい。これら各米国特許明細書の開示事項の全てを、この明細書の一部とする。 The linear motor referred to in this specification refers to an actuator that generates a substantially linear motion by generating force or causing substitution. Regarding ultrasonic linear motors, see US Pat. Nos. 5,982,075, 5,134,334, 5,036,245, 4,857,791, and the like. The entire disclosure of each of these US patent specifications is incorporated herein by reference.
図1〜図6に示す好ましい実施例には、球形のボールチップ26を備えたねじ付きシャフト12が、回転して軸方向の力と運動を発生して状況が示されている。
In the preferred embodiment shown in FIGS. 1-6, the situation is shown where a threaded
ねじ付きシャフト12は、好ましくは、ハウジング14内で動けるように設置されている。ねじ付きシャフト12の長さ15(図5参照)は、好ましくはハウジング14の長さ13より少なくとも約10mm長い。一実施例では、長さ15が長さ13よりも、少なくとも約25mm長い。別の実施例では、長さ15が長さ13よりも、少なくとも約50mm長い。
The threaded
一実施例において、ねじ付きシャフト12の第1固有振動数は、ハウジング14のそれよりの約0.2倍である。別の実施例では、ねじ付きシャフト12は、ハウジング14の第1固有振動数よりも、約0.1倍少ない第1固有振動数を有する。
In one embodiment, the first natural frequency of threaded
この明細書において、第1固有振動数又は第1固有周波数とは、第1の基準振動モードの振動数又は周波数を指す。マグローヒル化学技術用語大辞典(McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms)、第4版、1253頁(McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1989年)参照。また、ユージーン・A・A他著の"マークの機械技術者向け標準ハンドブック(Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers)"の5〜59頁及び5〜70頁(McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1978年)、米国特許第6,125,701号、同第6,591,608号、同第6,525,456号、同第6,439,282号、同第6,170,202号、同第6,101,840号など参照。これら各米国特許明細書の開示事項の全てを参照として、本明細書の一部とする。 In this specification, the first natural frequency or the first natural frequency refers to the frequency or frequency of the first reference vibration mode. See McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms, 4th edition, page 1253 (McGraw-Hill Book Company, New York, New York, 1989). Also, pages 5 to 59 and 5 to 70 of “Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers” by Eugene A. A, et al. (McGraw-Hill Book Company, New York, New York) 1978), US Pat. Nos. 6,125,701, 6,591,608, 6,525,456, 6,439,282, 6,170,202. , No. 6,101,840. The disclosures of each of these US patent specifications are hereby incorporated by reference in their entirety.
図示の実施例において、ナット16の軌道運動は、図18に示すように、軸の中心線と平行な面において、互いに直交して作用する2つの基準振動モードが存在するために生起する。これら2つの直交する基準振動モードは、活性化した変換器(プレート18、20、22及び24のような)と、ハウジング14との相互作用によってもたらされ、こうした相互作用がナット16の軌道運動を生み、ねじ付きシャフト12に回転と平行移動を生起させる。
In the illustrated embodiment, the orbital motion of the
一実施例において、ナット16の第1の固有共振周波数又は固有振動周波数は、好ましくは、モータ10の動作周波数の少なくとも5倍である。従って、ナット16は実質的に剛体であることが望ましい。
In one embodiment, the first natural resonance frequency or natural vibration frequency of the
一実施例において、ねじ付きシャフト12は金属製で、実質的にはステンレス鋼で製造する。この実施例では、ねじ付きシャフト12が、金属製の、実質的に真鍮製のナット16と係合している。
In one embodiment, the threaded
ねじ付きシャフト12及びねじ込みナット16の材料には、磨耗が最小になるにような素材を組み合わせて使用するのが好ましい。
The material of the threaded
図1に示すように、ねじ付きシャフト12は、多数のねじ溝山17を、好ましくは、切欠き形のネジ山を持つ。一実施例によれば、ねじのピッチは、一実施例では、インチ当り約ねじ山250個以下、好ましくは、インチ当りねじ溝約200個以下である。別の実施例では、ねじ17のピッチは、インチ当りねじ溝約100以下であり、別の例ではインチあたりねじ溝約40〜80個である。
As shown in FIG. 1, the threaded
ねじ17は、図18に示すように、ナット16の内ねじ19と係合する。好ましい一実施例では、内ねじ19のピッチは、外ねじ17のピッチと実質的に等しい。
As shown in FIG. 18, the
図示の都合上、図5A、図5B、図18を除いて、ねじ17と内ねじ19とは完全に係合した状態で示されているが、両者の間には径方向に隙間が存在することが好ましく、その間隔は、ねじ17のねじ溝の深さ35及び/又は内ねじ19のねじ溝深さ33の約0.5倍より小さいことが望ましい。この径方向の隙間を図5Aに示す。径方向の間隔を測定手段は周知である。米国特許第6,145,805号、同第5,211,101号、同第4,781,053号、同第4,277,948号、同第6,257,845号、同第6,142,749号など参照。これら各米国特許明細書の開示事項の全てを、参照として本明細書の一部とする。その他の参照文献には、前述の"マークの機械技術者向け標準ハンドブック(Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers)"の8〜9頁(機械素子)がある。
For convenience of illustration, except for FIGS. 5A, 5B, and 18, the
図5Aには、ねじ17と内ねじ19の好ましい係合が図示されている。この図から明らかなように、一方の各ねじは先端部29を有し、他方の各ねじは先端部31を有する。そして、各ねじは、深さ33と深さ35のねじ溝を持つ。
In FIG. 5A, the preferred engagement of
図1に示す好ましい実施例から分かるように、軌道がねじ付きシャフトの回転は、振動ハウジング14に接続されたナット16の超音波による軌道によって引き起こされる。図示の実施例では、ねじ式ナット16はハウジング14に接続されており、この様子は図2に示される。
As can be seen from the preferred embodiment shown in FIG. 1, the rotation of the shaft with the track is caused by the ultrasonic track of the
図2から分かるように、ナット16は、開口部11内に配置され、プレス嵌め又は接着手段にてナットは開口部内に固定される。
As can be seen from FIG. 2, the
図1及び図2に示す好ましい実施例では、ナット16は円筒形ナットであるが、図示していない別の実施例では、ナットは四角形、六角形、八角形などの多角形ナットでも構わない。
In the preferred embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the
図1及び図2の実施例では、多数のセラミックプレート(符号18以下参照)が、ハウジング14の外面37に取り付けられている。
In the embodiment of FIGS. 1 and 2, a number of ceramic plates (see 18 and below) are attached to the
各セラミックプレートは、これにかける電圧、特にその変化に応じて長さを変えることが望ましい。本明細書では、この発明で使用するセラミックプレートを"活性セラミックプレート"と記すこともある。一具体例では、この活性セラミックプレートが、圧電プレート、電歪プレート及びその組合せから成る群から選ばれる。説明の簡潔化のために、少なくとも図1及び図2に示す実施例では、このプレートを圧電プレートとして記載する。 It is desirable that each ceramic plate be changed in length in accordance with the voltage applied thereto, particularly in accordance with the change. In this specification, the ceramic plate used in the present invention may be referred to as an “active ceramic plate”. In one embodiment, the active ceramic plate is selected from the group consisting of a piezoelectric plate, an electrostrictive plate, and combinations thereof. For simplicity of description, at least in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, this plate is described as a piezoelectric plate.
図2の実施例では、4つの圧電プレート18,20,22,24が、ハウジングの外面37に接着されており、これらの圧電プレートは、それぞれの電極21及び23への電気駆動信号を交番させることによって励起させられた時に、ナット16の軌道振動を生成する(図4参照)。
In the embodiment of FIG. 2, four
使用する圧電プレートの数は、例えば、プレート18及び20のように、2枚の場合もあれば、8枚又はそれ以上の圧電プレートを使用する場合もある。使用する圧電プレートの数は、直交する面39,40において運動を励起するのに十分な数である(図2参照)。
The number of piezoelectric plates used may be two, for example, like
説明の簡略化のために、4つの圧電プレート18,20,22,24を使用する場合を例にとる。これらのプレートは、好ましくは、ハウジング14の外面37に密に接着されている。
In order to simplify the explanation, a case where four
図4が示すように、圧電プレート18は、電極21,23で電圧源と接続されている。説明の簡略化のために、電極21及び23は、圧電プレート20についてのみ示してあるが、その他の圧電プレートにも同様の電極が設けられている。
As shown in FIG. 4, the
図4に示す好ましい実施例では、4つの内側電極23の全てが接地25されている。この実施例における圧電材料は、普通に入手出来る低誘電損失が低くて減極電圧が高い"硬質"の組成物である。その一例は、オハイオ州ベッズフォードにあるモーガンマトロック社(Morgan Matroc company)が"PZT−4"という商品名で販売している圧電材料である。この材料は幾つかの重要な特性を一般的に備えている。 In the preferred embodiment shown in FIG. 4, all four inner electrodes 23 are grounded. The piezoelectric material in this example is a commonly available “hard” composition with low dielectric loss and high depolarization voltage. One example is a piezoelectric material sold under the trade name “PZT-4” by Morgan Matroc company in Bedsford, Ohio. This material generally has several important properties.
上記した好ましい圧電材料の誘電損率は、およそ20,000ヘルツ以上の周波数において、約1%未満、好ましくは、0.5%未満である。一例を挙げれば、およそ20,000ヘルツ以上の周波数において、或る圧電材料の誘電損率は約0.4%である。 The dielectric loss factor of the preferred piezoelectric material described above is less than about 1%, preferably less than 0.5%, at a frequency of approximately 20,000 hertz or higher. As an example, at a frequency of approximately 20,000 hertz or higher, the dielectric loss factor of a certain piezoelectric material is about 0.4%.
従って、好ましい圧電材料は、少なくとも約250ピコクーロン/ニュートンの、好ましくは、少なくとも約270ピコクーロン/ニュートンの圧電電荷係数d33を有する。一例を挙げれば、好ましい圧電材料は、約285ピコクーロン/ニュートンの圧電電荷係数d33を有する。 Accordingly, preferred piezoelectric materials have a piezoelectric charge coefficient d33 of at least about 250 picocoulombs / newtons, preferably at least about 270 picocoulombs / newtons. In one example, a preferred piezoelectric material has a piezoelectric charge coefficient d33 of about 285 picocoulombs / Newton.
好ましい圧電材料は、少なくとも約−90ピコクーロン/ニュートンの、好ましくは、少なくとも約−105ピコクーロン/ニュートンの圧電電荷係数d31を有する。一例を挙げれば、好ましい材料の圧電電荷係数d31は、約−115ピコクーロン/ニュートンである。 Preferred piezoelectric materials have a piezoelectric charge coefficient d31 of at least about −90 picocoulombs / newtons, preferably at least about −105 picocoulombs / newtons. In one example, a preferred material has a piezoelectric charge coefficient d31 of about −115 picocoulombs / newtons.
好ましい圧電材料の一つは、圧電電荷係数d33が少なくとも約2500ピコクーロン/ニュートンであり、圧電電荷係数d31が少なくとも約900ピコクーロン/ニュートンである単結晶材料である。 One preferred piezoelectric material is a single crystal material having a piezoelectric charge coefficient d33 of at least about 2500 picocoulombs / newtons and a piezoelectric charge coefficient d31 of at least about 900 picocoulombs / newtons.
その他の適当な圧電材料は、例えば、米国特許第3,736,532号及び同第3,582,540号に記載されている。これらの米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。 Other suitable piezoelectric materials are described, for example, in US Pat. Nos. 3,736,532 and 3,582,540. The entire disclosure of these US patent specifications is hereby incorporated by reference.
さらに言えば、誘電損失が低い圧電材料は当業者に周知であり、そうして材料は米国特許第5,792,379号に記載されている。この米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。 Furthermore, piezoelectric materials with low dielectric loss are well known to those skilled in the art and thus are described in US Pat. No. 5,792,379. The entire disclosure of this US patent specification is hereby incorporated by reference.
本発明で使用される圧電素材の一つは、単結晶の圧電材料である。これらの材料は当業界で周知であって、米国特許第5,446,330号、同第5,739,624号、同第5,814,917号、同第5,763,983号などに記載されている。これらの米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。 One of the piezoelectric materials used in the present invention is a single crystal piezoelectric material. These materials are well known in the art, such as US Pat. Nos. 5,446,330, 5,739,624, 5,814,917, 5,763,983, etc. Are listed. The entire disclosure of these US patent specifications is hereby incorporated by reference.
図4に示す本発明の好ましい実施例において、圧電プレート18,20,22,24の軸長は、印加電圧(Vx/86及びVy/88)と圧電電荷係数d31に比例して変化する。
In the preferred embodiment of the invention shown in FIG. 4, the axial length of the
図4から分かるように、圧電プレート18と20及び圧電プレート22と24は、それぞれ対をなして作用し、ハウジング14(図1〜2参照)を曲げ、軌道共鳴を励起する。交流駆動信号86,88が、ポーリング方向43を持つ圧電プレート20,24及び圧電プレート18,22にそれぞれ印加される。当業者に周知なように、ポーリング方向43は、圧電材料の製造過程で材料中に整列する双極子の方向である。ポーリング方法の参照文献として、米国特許第5,605,659号、同第5,663,606号、同第5,045,747号を挙げる。これら各米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。
As can be seen from FIG. 4, the
各々の一対のプレート18,22とプレート20,24について、電界は一方のプレートのポーリング方向43に関して正であり、他方のプレートのポーリング方向に関して負である。駆動信号Vx86は、好ましくはプレート20,24に印加され、同時に一方のプレートを伸長させると共に、他方のプレートを収縮させる。これによりハウジング14は、平面39(図2参照)でX方向72a/72b(図18参照)に曲がる。同様にして、駆動信号Vy88がプレート18,22に印加され、ハウジング14が平面41(図2参照)でY方向74a/74b(図18参照)に曲げる。
For each pair of
ねじ込みナット16に対向するハウジング端部45は、好ましくはガイドブッシング28で支持されるが、ブッシングの内径とねじ付きシャフト12の外径との間には、僅かな隙間がある(図2参照)。ねじ付きシャフト12は、球形ボールチップ26を介して加わる軸力27を、低摩擦の硬いフラット面にて支える(図5〜6参照)。
The
モータ10の稼動中、ボールチップ26を介して伝達される軸力27は、約0.1〜100ニュートンであることが好ましい。軸力27は、好ましくは駆動出力と同程度である。
The
球形ボールチップ26(図2参照)は、ねじ付きシャフト12を低い摩擦トルクの負荷27(図5参照)に連結するための手段の一つである。回転するシャフトから移動する負荷に運動を伝えるのに、別の手段が採用できることは、当業者は理解出来よう。例えば、或る場合には、転がり軸受けが使用でき、また或る場合には、ねじ付きシャフト12のフラット面と接触する弓状負荷が利用できる。連結手段の参照例には、米国特許第5,769,554号、同第6,325,351号がある。これらの米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。
The spherical ball tip 26 (see FIG. 2) is one of the means for connecting the threaded
図1、図2において、ねじ式ナット16と対向するハウジング14の端部45は、静止カバー58(図21参照)が当接するフランジを備えている。シャフト12とナット16のねじピッチは、軌道上の接線方向の力と運動を、軸方向の力と運動に変換する。このピッチは、力の倍率、減速、分解能の向上、電源遮断時の保持力などを最適化するために任意に選択することができる。
1 and 2, the
図7〜図12に示す超音波リニアモータ30では、好ましくは4つの圧電スタック36,38,40,42(図7〜8参照)を利用して超音波振動を生じさせる。球形ボールチップ26を備えるねじ付きシャフト12は、回転して軸方向の力と運動を生む。振動シリンダ32に接続されたナット16の超音波軌道運動によって回転が起こる。4つの圧電スタック36,38,40,42は、ナット16と対向するシリンダの端部と、ベースリング34に結合されている。これら4つのスタックは、公知の組み立て方法と電気的結線方法を用いて組み立てられ、スタックの内側リードは、好ましくは、まとめて共通アース35と接続されている。各スタックの軸方向の長さは、印加電圧と圧電電荷係数d33に比例して変化する。圧電材料は一般に入手可能な低誘電損失で高減極電圧の"硬質"組成物である。交流電気駆動信号86と88は、各圧電スタック44の外側リードと接続され、ナットの軌道振動を励起する。スタック36,38,40,42はそれぞれ対で働き、チューブを回転させて軌道共振を励起する。交流電気駆動信号Vx86とVy88は、スタック38及び42とスタック36及び40にそれぞれポーリング方向43で印加される。各一対のスタック38及び42とスタック36及び40について、一方のスタックの電界は、ポーリング方向43に関して正であり、他方のスタックの電界は、ポーリング方向に関して負である。駆動信号Vx86は、スタック38及び42に印加され、一方のスタックを伸長すると同時に他方のスタックを収縮させる。これにより、チューブはX方向72a/72bに回転する(図18参照)。同様に、駆動信号Vy88はスタック36及び40に印加され、チューブの端部をY方向74a/74bに動かす(図18参照)。ナット16に対向するベースリング34は、ガイドブッシング28を支持し、このブッシングの内径とシャフトの外径の間には僅かながら隙間が存在する。ねじ付きシャフト12は、球形ボールチップ26を介して付加される軸方向の力27を、低摩擦の硬質フラット面を使用して支持する。ベースリング34は、静止カバー58(図21参照)の接点である。シャフト12とナット16のねじピッチは、軌道の接線方向の力と運動を、軸方向の力と運動に変換する。このピッチは、力の倍率、減速、分解能の向上、電源遮断時の保持力などを最適化するうえで、適当に選ぶことができる。
In the ultrasonic
図13〜17に示す超音波リニアモータ50では、超音波振動を発生させるために、四分円状電極を持つ圧電チューブ54を利用している。球形ボールチップ26を備えたねじ付きシャフト12が回転して軸方向の力と運動を生む。この回転は、振動する圧電チューブ54に接続されたナット16が、超音波で軌道運動することによって発生する。圧電チューブの内径が、連続して電極61であって、この電極は接地63されている。一方、圧電チューブの外径は、4つの別々の電極60,62,64,66に分割されている。圧電材料は、一般に入手可能な低誘電損失で高減極電圧の"硬質"組成物である。電極60,62,64,66の下側にある圧電チューブの軸長は、印加電圧と圧電電荷係数d31に比例して変化する。電極60及び64と電極62及び66は、それぞれ対をなして作用し、チューブを曲げ、軌道共鳴を励起する。交流電気駆動信号86及び88は、電極60及び64と電極62及び66各々にポーリング方向で印加される。電極のペア60及び64と62及び66に対し、一方の電極の電界は、ポーリング方向に関して正であり、他方の電極の電界は、ポーリング方向に関して負である。駆動信号Vx86は、電極60及び64に印加され、一方の電極を伸長させると同時に、他方の電極を収縮させる。これにより、チューブはX方向72a/72bに曲がる(図18参照)。同様にして、駆動信号Vy88が電極62及び66に印加され、チューブをY方向74a/74bに曲げる(図18参照)。
In the ultrasonic
ナット16に対向するチューブ端部は、ベースフランジ52に接合されてガイドブッシング28を支持する。ねじ付きシャフトとブッシングとの間には、僅かな隙間が存在する。ねじ付きシャフト12は、球形ボールチップ26を介して付与される軸方向の力を、低摩擦の硬質フラット面を用いて支える。ベースフランジは、静止カバー58の接点である(図21参照)。シャフト12とナット16のねじピッチは、軌道接線方向の力と運動を、軸方向の力と運動に変換する。このピッチは、力の倍率、減速、分解能の向上、電源遮断時の保持力などを最適化するために、任意に選択することができる。
The tube end facing the
図18及び図19は、図1に示すモータ10の動作と、この動作を行なわすのに使われる対応駆動信号86及び88を示している。圧電プレートは対で働き、一方が伸長(符号70参照)すると、それと同時に他方が収縮(符号69参照)してハウジングを曲げる。交流の駆動信号Vx86とVy88とは、円軌道を生成するうえで、等しい振幅90及び91と、90度の位相シフト92を持つ正弦曲線であることが好ましい。正の位相シフト92は、ナット16に正の軌道方向を付与し、シャフト12に正の回転96と正の移動98を生じさせる。一方、負の位相シフト92は、ナットに負の軌道方向を付与し、シャフトに負の回転と負の移動を生じさせる。図18及び図19には、一方向に回転するモータの単一の軌道サイクルと、これに対応する駆動信号の振幅90及び91が、90度の増加分76,78,80,82,84毎に順を追って示されている。図18には、シリンダの曲がりと軌道運動のX方向は、符号72a、72bで、Y方向は、符号74a、74bで示されている。ナットが或る位置73aでシャフトの側部に接触して反対側の位置に隙間73bが生ずると(図5B参照)、接線方向の力と運動が生まれ、これが軌道サイクル毎にシャフト12を少し回転させる(符号96参照)と共に、移動させる(符号98参照)。1サイクルあたりの回転量及び移動量は、多くの因子に依存し、そうした因子には、軌道の振幅、シャフトに働く力(負荷)27の大きさ、摩擦係数、ねじの表面仕上げ状態などが含まれる。
ナットとシャフトとの接触部分73aでスリップが皆無であるとすれば、サイクル毎の移動は、名目上、直径方向のねじ山間の隙間の大きさに比例する。一般的に、駆動振幅90及び91が増大すると、軌道の直径も増大し、シャフト12とナット16との標準的な接触力も増大し、滑りの程度は減少し、速度は増大し、トルク及び力も増大する。
18 and 19 show the operation of the
If there is no slip at the
超音波周波数は、周期の逆数であり(図19の周期94a及び周期94b参照)、その周波数は、好ましくは両信号について同じで、ハウジング14を曲げる第1の共振周波数と一致する。
The ultrasonic frequency is the reciprocal of the period (see
図20〜25において、モータアッセンブリ100は、モータ10とカバー58と刻み付きノブ102が一体化させたものである。ねじ付きシャフト112は、モータ10の内部に位置している。図21に示すねじ付きシャフト112は、図1に示すねじ付きシャフト12に類似するが、平滑なスピンドル113を組み込まれている点で図1のそれと異なる。スピンドル113は、刻み付きノブ102と連結できるようになっている。カバー58は、フランジ45でモータ10に取り付いている。刻み付きノブ102は、カバー58と接触することなく、シャフト112と共に回転し、平行移動する。
20 to 25, the
図21は、モータアッセンブリ100の分解図であり、図22は、モータアッセンブリ100の断面図である。
FIG. 21 is an exploded view of the
図23A,図23B及び図23Cは、モータアッセンブリ100を図解したものである。図23Aは、図20に示すモータアッセンブリを逆から見た透視図である。図23Bは、ノブ102とシャフト112を備えたモータアッセンブリ100が、符号103の時計方向に回転し、矢印105の方向に平行移動することを図解したものである。比較のため、図23Cには、上記のモータアッセンブリ100が、符号107の反時計方向回転し、矢印109の方向に平行移動する様子を示す。
23A, 23B and 23C illustrate the
簡潔に説明するために、モータアッセンブリの様々な構成要素への電気的接続手段は、図示が省略されている。 For the sake of brevity, electrical connection means to the various components of the motor assembly are not shown.
刻み付きノブ102の付設は、モータアッセンブリ100を手動で、又は手動と電動手段を併用して操作するうえで便利である。従って、このアッセンブリ100は、通常の手動調整と電動式の自動調製の両方が使用可能な微細駆動の代替品として使用することができる。
The attachment of the
図示していないが、刻み付きノブ102に外部モータを機械的に取り付け、これに前記アッセンブリを機械的に動かすための第2手段を担わすこともできる。
Although not shown, it is also possible to mechanically attach an external motor to the
図24Aと図24Bは、調節可能なリニアステージ106を示し、このステージは、モータアッセンブリ100と、これに接続されたリニア移動ステージ104a及び104bとを備えている。図示の例では、モータアッセンブリのカバー58は、底部側のステージ104bに取り付けられ、ボールチップ26は上部側ステージ104aと接触している。刻み付きノブ102が時計回りに動くと、矢印105の方向の直線運動が生まれる。逆に、刻み付きノブ102が半時計回りに動くと、矢印109の方向の直線運動が生じる。
24A and 24B show an adjustable
図24A及び24Bに示す実施例おいて、ピン115及びピン116(破線で概略を図示)を備えたスプリングアッセンブリ111が、矢印109の方向に移動ステージ104a/104bを付勢する。図示の例では、ピン115がアッセンブリの上部の可動部104aに取り付けられ、ピン116がアッセンブリの下部の静止部104bに取り付けられている。スプリングアッセンブリ111は、軸方向の力27(図5〜6参照)を生み出すのに利用される。
In the embodiment shown in FIGS. 24A and 24B, a
図25は、を移動可能なマイクロマニピュレータ120の透視図であって、このものステージ106a、106b、106cは、X軸,Y軸,Z軸に沿って動くことができる。
FIG. 25 is a perspective view of the
以上は、本発明の好ましい実施態様をある程度詳細に説明したものであるが、これら実施態様における構造の細部、バーツの組み合わせやパーツの配置の仕方などは、本発明の技術思想を逸脱しない限り、変更することができる。 The above is a description of the preferred embodiments of the present invention in some detail. However, the details of the structure, the combination of bahts, the arrangement of parts, etc. in these embodiments are not departed from the technical idea of the present invention. Can be changed.
この明細書では、回転軸を持つねじ付きシャフトと、これと係合するナットを備えるシャフトアッセンブリを駆動するための装置が記載され、そのアッセンブリは、前記ナットに超音波振動を生起させて前記シャフトを回転させると同時に軸方向に移動させる。この明細書の教示内容から、ねじ付きシャフトを振動させてナットを回転させると同時に移動させるような類似の装置を、当業者は製作することができよう。 This specification describes an apparatus for driving a shaft assembly comprising a threaded shaft having a rotating shaft and a nut engaged therewith, the assembly causing ultrasonic vibrations in the nut to produce the shaft. Is rotated in the axial direction at the same time. From the teachings of this specification, those skilled in the art will be able to make similar devices that vibrate the threaded shaft to rotate and move the nut at the same time.
Claims (9)
a)前記アッセンブリが、前記ナットに超音波振動を与え、回転軸の方向でシリンダ形状で曲げかつ該ナットを軌道方向に動かし、これにより前記ねじ付きシャフトを回転させると同時に軸方向へ移動させる手段を備え、
b)前記ねじ付きシャフトが負荷と動作可能に接続され、
c)前記アッセンブリが軸方向の力を前記ねじ付きシャフトに付与する手段を更に備えた
前記の駆動用装置。A device for driving a threaded shaft assembly having a threaded shaft having a rotation axis and a nut screwed to the shaft;
a) means for the assembly to apply ultrasonic vibrations to the nut, bend it in a cylinder shape in the direction of the axis of rotation and move the nut in the orbital direction, thereby rotating the threaded shaft and simultaneously moving in the axial direction; With
b) the threaded shaft is operatively connected to a load;
c) The drive apparatus further comprising means for the assembly to apply an axial force to the threaded shaft.
a)前記アッセンブリが、前記ナットに超音波振動を与え、回転軸の方向でシリンダ形状で曲げかつ該ナットを軌道方向に動かし、これにより前記ねじ付きシャフトを回転させると同時に軸方向へ移動させる手段を備え
b)前記ねじ付きシャフトが負荷と動作可能に接続され、
c)前記アッセンブリが軸方向の力を前記ねじ付きシャフトに付与する手段を更に備え、
d)前記ナットを介しての前記シャフトの回転が少なくとも360度である
前記の駆動用装置。A device for driving a threaded shaft assembly having a threaded shaft having a rotation axis and a nut screwed to the shaft;
a) means for the assembly to apply ultrasonic vibrations to the nut, bend it in a cylinder shape in the direction of the axis of rotation and move the nut in the orbital direction, thereby rotating the threaded shaft and simultaneously moving in the axial direction; B) the threaded shaft is operably connected to a load;
c) the assembly further comprising means for applying an axial force to the threaded shaft;
d) The drive device as described above, wherein the shaft rotates through the nut at least 360 degrees.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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