JPH01138980A - 物体移動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、物体を移動する際に、摩擦接触面に働く摩擦
力を任意に減少させることを可能にして、より小さな力
で物体を移動することのできる物体移動装置に関する。

従来の技術 物体を移動させるために古くから用いられている方法と
しては車輪があった。これは平面接触の場合には滑り摩
擦力が抗力として作用するが、車輪を用いると滑り摩擦
力に比してより小さな転がり摩擦力が抗力として作用す
るので物体をより小さな力で移動させることができた。

一方、圧電素子を利用するデバイスとして、たとえば圧
電変成器および圧電振動子がある。圧電変成器としては
種々の振動モードを利用した空中音響変成器、水中音響
変成器、強力超音波変成器、圧電火花発生などがある。

圧電振動子としては、弾性合金に圧電素子を接着して構
成される振動子の圧電音さ、圧電結合子、フィルタ、超
音波モータなどがある。

発明が解決しようとする問題点 物体を移動させるため車輪を用いることは非常に有効な
方法ではあるが、車輪およびそれを取り付ける治具など
の移動させるための余分な構成が必要であった。さらに
付は加えて、車輪をつけたままであると、今度は逆に物
体をしっかりと固定しようとすると車輪は移動しやすく
不便な物となり問題であった。

物体を移動する際にａ振力が作用する摩擦接触面におい
て、その摩擦接触面の形状および各接触面の材質が一定
であれば、摩擦力を任意に減少させるように制御できる
装置はいまだ存在しない。

単純な平面接触のすべり摩擦の場合、２つの物体間に働
く摩擦力として、接触平面に垂直方向の加圧力とＩｌ！
擦係数の積で表される力とが必ず作用する。接触平面に
垂直方向の加圧力は２つの物体Ｐ１の加圧構成によって
決定される。Ｉ！！擦接触面が水平であるとすれば、加
圧力は物体の自重になる。

一方、摩擦係数は２つの物体のそれぞれの摩擦接触面の
材質や表面の状態などによって決定される定数である。

それ故、加圧構成および物体の材料が決まればその物体
間に働く摩擦力を減少させることは不可能であった。

本発明は上記問題点を解決するもので、物体間に働く摩
擦力を任意に減少させて、より小さな力で物体を移動で
きる物体移動装置を提供することを目的とするものであ
る。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明は、弾性体に圧電
素子を装着してなり、物体を支持する固定体を設け、前
記固定体を、物体を移動する際に摩擦力が作用するｆｌ
擦接触面に介在させ、前記圧電素子による超音波振動を
前記固定体に発生させて前記摩擦接触面における摩擦力
を減少させるようにしたものである。

作用 物体を移動させるには、移動させる際の抗力として働＜
＊振力以上の力を物体に加えることによって初めて移動
させることができるが、このときＩｌ［振力は物体の摩
擦接触面に垂直な加圧力に比例し、かつ摩擦接触面のそ
れぞれの材質や形状および表面の状態などによる摩擦係
数に比例することになる。ところが、上記構成により、
摩擦接触面に固定体を介在させると、固定体は弾性体に
圧電素子を装着しているから、圧電素子の両端に電圧を
印加することにより固定体には微小な超音波振動が発生
し、このような微小な超音波振動の発生により、固定体
と摩擦接触面との間に働く摩擦力が減少する。これは、
摩擦接触面における垂直な加圧力は変化しないが、摩擦
接触面の微視的な形状および表面の状態に変化が起こり
、摩擦力が減少したものと考えられる。すなわち、圧電
素子の両端に電圧を印加することにより発生する固定体
の微小な超音波振動により、固定体と摩擦接触面の間に
働＜ｒｉ家力が減少するので、結局物体を動かすのに必
要な力を減少させることができる。

実施例 以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の物体移動装置の基本構成図を示す。圧
電素子１を弾性体２に装着して固定体３が形成され、こ
れを物体４に固定するように構成する。物体４に固定体
３を固定するに゛は、圧電素子１の振動が物体４へ伝わ
る必要がないから、支持台５を用いてできる限り振動の
伝わらないように圧電素子１の側に固定し、弾性体２が
接する摩擦接触面６へより良く振動を伝えるような構成
にする。このように構成された物体移動装置において、
圧電素子の両端に電気信号を与えると、物体を移動させ
るのに要する力が減少する。

原理的には、以下のように考えられる。圧電素子１の両
端に電圧を印加すると圧電素子は機械的に延びたり縮ん
だりする性質を有する。したがつて、圧電素子１を装着
した弾性体２かうなる固定体３は、超音波領域の交流電
圧を加えることにより、圧電素子１による微小な超音波
振動をし続けることになり、その振動が摩擦接触面６に
も伝達される。そして、固定体３は加圧接触させられて
おり、物体４を動かすのにはある一定の力が必要である
にもかかわらず、その力が固定体３の微小な振動により
減少する。第２図に示したように、圧電素子に電圧を印
加していない状態では（ａ）のように固定体３の底面は
摩擦接触面６に常に接触しているが、電圧を印加するこ
とにより固定体３は振動をしだし、弾性体２はたとえば
第２図の（ｂ）　、　（ｃ）のように変形することにな
る。すなわち、（ａ）　、　（ｂ）　、　（ａ）　、　
（ｃ）　、　（ａ）　、　（ｂ）　、　・・・と非常に
速い速度で変形を繰り返す。このような状態で固定体３
を移動しようとする場合、もはや滑り摩擦による抗力が
作用するのではなく、転がり摩擦のようなより小さな摩
擦係数の値となるＩｉＪ擦力振力用すると考えられる。

他方、第２図に示したような変形が非常に速い速度で起
こっているとすると、＊ｍ接触面６に非接触部分が存在
するようになり、加圧力は接触部分にその分だけより加
わることになるはずであるが、非常に速い変形であり、
かつ瞬間的には浮いている状態も存在するので、マクロ
的にみると見かけ上杭力として働く摩擦力が減少したこ
とになると考えられる。

固定体をより良く振動させるためには、圧電素子の両端
に電圧を印加することにより定在波からなる超音波振動
を発生させるようにすることが望ましい。さらに、この
ような超音波振動をさせる際には位置的に勧くことの無
い節が存在するので、振動を阻害することなく物体４を
支持することができる。支持のために用いられる支持台
５は振動を外部へ伝えないようにすることが最も効率的
であるので、少なくともフェルト、ゴムなどの振動を伝
えにくい材質で構成するのが良い。ただし支持強度が必
要な場合は、振動が若干阻害されるが、プラスチックか
らなるビスあるいは金属のビスを用い支持しても良い。

圧電素子としては、内部損失が小さく、大振幅の際の特
性劣化が少ない圧電セラミクス材料を用いるのが好まし
い。圧電セラミクス材料の中でも、チタン酸バリウムや
酸化鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸などの混合系セラミク
スが特性が非常に安定しており好ましい。

弾性体としては、圧電素子から発生する振動を効率良く
伝えるため、ステンレス、鉄鋼、アルミなどの°金属材
料から構成する。金属材料の中でも機械的Ｑ値の大きい
ものを用いるほうが良い。

固定体を振動させる場合に最も効率良く電気信号を機械
的信号に変換するため、圧電素子の両端に超音波領域の
周波数の交流信号を印加することにより超音波振動を発
生させ、固定体を共振させる。

固定体の弾性体に対向する摩擦接触面は通常平面状のも
のが考えられるが、丸みをおびていたり波打っていたり
する非平面状のものであっても十分適用可能である。た
だし、（イ）振動をすべて吸収してしまうような極端に
柔らかい面でないこと、（ロ）物体からかかる圧力によ
り摩擦接触部分が極度にへこんでしまうような圧縮弾性
率が小さい材質から構成されないこと、（ハ）ある程度
の平面性を有すること、などの配慮が必要であや。

物体移動装置の形状としては円板状、円環状、直線状な
どいろいろな形状のものを作成することが可能である。

次に、具体的な一実施例として、円板状からなる物体移
動装置について説明する。物体移動装置の概略図を第３
図に示す。圧電素子７として酸化鉛、チタン酸鉛、ジル
コン酸鉛からなる３成分系の厚さ０．２ｓの圧電セラミ
ックスを用いた。これを円板状に加圧し、蒸着により電
極を設け、分極処理を行なった。電極は８分割し分極方
向が交互になるようにした。、この円板状に加工した圧
電素子７を第３図に示したような弾性体８にエポキシ系
接着剤を用いて加圧上加温することにより接着し、固定
体９を作成した。弾性体８は第３図に示したように振幅
が最大になる下面部分にリング状の突起１０を有するよ
うにした。この弾性体８はステンレスにより作成した。

物体と固定体９の固定は圧電素子７の節となる部分で固
定できるように予め設計し、支持台にて接着固定した。

この円板状の場合には節円が存在するのでその部分でも
固定した。支持台としてはフェルト材を物体との間には
さみ、さらにプラスチック材料で補強するようにして接
者剤を用いて固定体９の圧電素子７と固定した。このよ
うにして作成した固定体９を金属からなる重さ２　Ｋｇ
の物体の底部に支持台を介して固定した。固定方法とし
ては最も簡便なものとしてここでは接肴剤を用いたが、
ビス止めその他いずれの方法を用いても良い。

これを厚さ１闇のプラスチック材を貼付けた金属板状に
置き、圧電素子の両端に固定体が共振する周波数で・あ
る約７０にＨｚの正弦波からなる交流電圧を加えた際に
物体を横方向に滑らして動かすのに必要な力を測定した
。その結果を第１表に示す。

〈以下余白〉 第１表 電圧を全く加えない場合は物体を動かすのにｓｏｏｇｒ
の力が必要であったが、電圧を加えるのに従い驚くべき
ことにトルクが減少してゆき約４０ｖｐｐの電圧を加え
るとほとんどトルクが０となった。理論上は摩擦力は接
触面に垂直な加圧力に比例し、かつ固定体と移動体の材
質や形状および表面の状態などによる摩擦係数に比例す
ることになるにもかかわらず構成を全く変化させずにそ
の摩擦力を減少させることができた。

以上、円板型の物体移動装置について詳しく述べたが、
第４図に示したような円環型のもの、さらにｍ５図に示
した直線状のものなど任意の形状のものを作成すること
が可能である。ここで、７′、７″は圧電素子、８′、
８″は弾性体、９’　、９’は固定体である。

物体移動装置についてのさらに具体的な使用例としは、
例えば冷蔵庫、電子レンジなどの電化製品群および種々
の機械装置群からなる物体を車輪を使わずにより小さな
力で運搬できるようにし、かつ設置状態においては非常
に安定に設置できるというような応用例が考えられる。

発明の効果 以上本発明によれば、弾性体に圧電素子を芸者してなり
、固定体を物体を移動する際に摩擦力が作用するｒａｔ
ｅ接触面に介在させて物体を支持し、前記圧電束子によ
る超音波振動を前記固定体に発生させることにより、前
記摩擦接触面における摩擦力を減少させるので、物体を
移動させるのに要する力を減少させることのできる物体
移１１Ｊ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明、の一実施例の物体移り装置の基本構成
を示す側面図、第２図は同物体移動装置の弾性体の状態
を示す模式図、第３図は円板型の同物体移１１Ｊ装置の
斜視図、第４図は円環型の同物体移動装置の斜視図、第
５図は直線状の同物体移動装置の斜視図である。 １．７．７’、７″・・・圧電素子、２．８．８’　。 ８″・・・弾性体、３，９．９’　、９’・・・固定体
、４・・・物体、５・・・支持台、６・・・摩擦接触面
、１０・・・突起。 代理人　　　森　　本　　義　　弘 第１図 ｂ Ｉ圧電素子 ２　・−弓（μ、）ｆ　？＋ ３−固定薩 ４−重量物 、５−一灸Ｉ寺台 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、弾性体に圧電素子を装着してなり、物体を支持する
   固定体を設け、前記固定体を、物体を移動する際に摩擦
   力が作用する摩擦接触面に介在させ、前記圧電素子によ
   る超音波振動を前記固定体に発生させて前記摩擦接触面
   における摩擦力を減少させるようにした物体移動装置。 ２、圧電素子の両端に電圧を印加することにより定在波
   からなる超音波振動を固定体に発生させる特許請求の範
   囲第１項記載の物体移動装置。 ３、物体は固定体に定在波からなる超音波振動の節部に
   て支持台により支持固定されている特許請求の範囲第１
   項記載の物体移動装置。 ４、圧電素子は圧電セラミクス材料からなる特許請求の
   範囲第１項記載の物体移動装置。 ５、弾性体は金属材料からなる特許請求の範囲第１項記
   載の物体移動装置。 ６、圧電素子の両端に超音波領域の周波数の交流信号を
   印加することにより超音波振動を発生させ固定体を共振
   させる特許請求の範囲第１項記載の物体移動装置。