JPH01268461A - 超音波リニアモータ - 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、圧電素子等の電気・機械変換素子を振動源と
して用いた超音波リニアモータに関する３、〔従来の技
術〕 最近、従来の電磁型モータに代わる新しいモータとして
超音波モータが脚光を浴びている。この超音波モータは
原理的に新しいというだけでなく、従来の電磁型モータ
に比べて次のような利点ををしている。

■　薄型、軽量、コンパクトである。

■　ギヤなしで低速・高トルクが得られる。

■　部品構成が単純で信頼性が高い。

■　磁気的影響の授受がない。

■　バックラッシュがなく位置決めが容易である。

かくしてこれらの利点を生かすへ（、種々の応用技術の
研究が進められている。

超音波モータは大きくは円環型とリニア型に分けられる
。第９図はリニア型の超音波モータの従来例を示す図で
ある。図中左側のランジュバン型圧電振動子１を振動さ
せて、ホーン２の先端を弾性体からなる伝播棒３につき
あてることにより、伝播棒３に屈曲進行波を発生させる
。この屈曲進行波は破線矢印で示すように伝播棒３を右
方向に伝播して行く。そしてこの進行波は伝播棒３の右
端につきあてられている同様なホーン４を介してランジ
ュバン型圧電振動子５を励振させる。この時、図のＬと
Ｒとを適当に選択してインピーダンスマツチングさせ、
この進行波のエネルギーをすべて吸収させる。こうする
と上記進行波は常に定常的に左方から右方に進むことに
なる。

さてこのような屈曲進行波の生じている伝播棒３の表面
にスライダー６をある一定の押圧力で圧接保持させると
、スライダー６は実線矢印で示すように図中右方向へと
移動していく。

第１０図は上記伝播棒３の屈曲進行波とスライダー６と
の関係を模式的に示す斜視図である。なお同図中３３は
伝播棒３に相当する弾性体、６６はスライダー６に相当
する移動体である。第１０図に示すように弾性体３３の
質点Ｐは楕円軌跡を描いている。したがってこの楕円軌
跡を描いている弾性体３３の上に移動体６６を所定圧力
で圧接させると、移動体６６はその進行波の進行方向と
は逆方向に駆動される。

しかし上記の如く構成された超音波リニアモータは、装
置全体が大型化してしまうこと、また進行波が伝播棒３
の他端で吸収されて熱エネルギーに変換されてしまい効
率が悪いこと等の問題点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで本発明者らは次に述べるような構成の超音波リニ
アモータを提案した。

第１１図は本発明者らが既に提案した超音波リニアモー
タの構成図である。Ａは振動子であり、Ｂはスライダー
であり、Ｃは駆動制御系である。

振動子Ａは弾性部材をコの字形に形成した弾性体１０の
直交した二側壁に、板状の圧電素子１１および１２を接
着剤等を用いて固着したものである。

なお圧電素子１１は図中縦方向に、圧電素子１２は横方
向に分極されている。弾性体１ｏはビス１４により基台
１３に固定される。また圧電素子１１．１２の電極面か
らはリード線１５．１６が取出され、これらを介して駆
動制御電圧が印加される。

すなわち駆動制御系Ｃの高周波電源から出力された交流
信号は、一方において電力増幅器１８により増幅された
のち、圧電素子１１に印加される。他方スイッチ１９を
ａ側にした場合には「−９０″移相器」３１により位相
を一９ｏ＠ずらされた高周波電圧が増幅器２ｏを介して
圧電素子１２に印加される。そうするとＡ線上の質点は
、第１２図（ａ）に示す如く楕円振動をする。この時、
スライダーＢを弾性体１ｏの上面に押圧すると、図の右
方向へ移動する。またスイッチ１９をｂ側にした場合に
は、ｒ＋９０”移相器」３２により位相を＋９０°ずら
された高周波電圧が増幅器２０を介して圧電素子１２に
印加される。そうすると線り上の質点は第１２図（ｂ）
に示すような楕円振動をする。この時、スライダーＢを
弾性体１０の上面に押圧すると、スライダーＢは図の左
方向へ移動する。

ところが、上記した単板の圧電素子１１．１２を用いた
超音波リニアモータは、装置の小型化およびエネルギー
変換効率の向上には適しているが、大きな機械的出力が
取出せなかった。

そこ省セ発明の目的は、コンパクトでエネルギー変換効
率が良く、しかも大きな機械的出力を取出すことのでき
る超音波リニアモータを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

そこで本発明は上記課題を解決し目的を達成するために
次のような手段を講じた。すなわち、コの字形をした弾
性部材の第１の方向から第１の圧電素子を駆動して第１
の定在波を発生させ、かつ前記第１の方向とは直交する
第２の方向から第２の圧電素子を駆動して第２の定在波
を発生させ、前記両定在波の合成により弾性部材の一部
に楕円振動ないし傾斜往復振動を発生させ、この部分に
スライダーを押圧させることでスライダーを直線運動さ
せる超音波リニアモータにおいて、前記第１の圧電素子
および第２の圧電素子の少なくとも一方に積層形の圧電
アクチュエータを用いるようにした。

〔作用〕

上記手段を購じたことにより次のような作用を呈する。

振動子に取付けた圧電素子を振動させることにより、振
動子には縦方向および横方向の振動が励起される。そし
て両振動が重わ合わされて、前記振動子上の質点が楕円
振動または傾斜往復振動を行なう。そこでスライダーを
振動子の上面に抑圧保持させると、スライダーは所定方
向へ直線運動する。しかも本発明においては圧電素子と
して積層型の圧電アクチエータを用いているので、大き
な機械的出力を取出せ得る。また圧電素子を駆動する駆
動周波数を従来のように弾性体の固有振動数に合わせな
くても大きな機械的出力が取出せるので、非共振で駆動
してもよく、そのためフィードバック制御を行なう必要
がない。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例の構成を示す斜視図である。

Ａは振動子であり、黄銅、ステンレス鋼。

アルミニューム等の機械的損失の少ない弾性部材からな
る弾性体４０や積層型の圧電素子４１゜４２などから構
成されている。弾性体４０の形状は長方形をした基板４
３上に、コの字形をした部分４４を設けて立方体をなす
中空部分４５を形成し、上記基板４３の一端部を垂直に
折り曲げて、上記コの字形部分４４の外側壁４６に対向
する垂直壁４７としている。この振動子Ａは基台（不図
示）にビス４８により固定されている。積層型圧電素子
４１は上記中空部分４５内に配設されており、その分極
方向は図中縦方向である。また積層型圧電素子４２は前
記コの字形部分の外側壁４６と垂直壁４７との間に配設
されており、その分極方向は図中横方向である。なお積
層型の圧電素子４１．４２はエポキシ系接着剤等を用い
て接着固定されている。また上記圧電素子４１．４２に
はそれぞれリード線１５．１６が接続されており、第１
１図に示す駆動制御系Ｃと同様の駆動制御系に接続され
ている。

このように構成された本実施例によれば、次のような作
用効果を奏する。駆動制御系Ｃを操作して、積層型圧電
素子４１および４２に高周波電圧を印加すると、積層型
圧電素子４１によって、第２図（ａ）に示すようなモー
ドの振動が励起され、積層型圧電素子４２によっては、
第２図（ｂ）に示すようなモードの振動が励起される。

そして上記両モードが重ね合わされて、線分Ｒ上の質点
は、第３図（ａ）または（ｂ）に示すような楕円振動を
する。したがって上記楕円振動をしている質点部分Ｒに
スライダーＢを一定圧力で押圧すれば、スライダーＢは
直線運動を行なう。なおこの時、スイッチ１９がａ側で
あれば、線分Ｒ上の質点は第３図（ａ）に示す楕円振動
を行ない、スライダーＢは図中右方向へ移動する。また
スイッチ１９がｂ側であれば、線分Ｒ上の質点は第３図
（ｂ）に示す楕円振動を行ない、スライダーＢは図中左
方向へ移動する。

第４図は前記実施例の変形例を示す図である。

本例が前記実施例と異なる点は、高周波電源１７からの
出力がスイッチ１９をａ側にしたときは直接に増幅器２
０に導かれ、またスイッチ１９がｂ側のときは１８０°
移相器５０に導かれるようにした点である。

このように構成された本例によれば、積層型圧電索子４
１および４２に高周波電圧が印加されると、振動子Ａの
上面の線分Ｒ上の質点は第５図（ａ）または（ｂ）に示
すような傾斜往復振動を行なう。そこで振動子Ａの上面
にスライダーＢを押圧すれば、スライダーＢは直線運動
を行なう。

なおこの時、線分Ｒが第５図（ａ）に示す直線振動をす
れば、スライダーＢは右方向へ移動し、第５図（ｂ）に
示す直線振動をすれば、スライダーＢは左方向へ移動す
る。

第６図は振動子の変形例を示す図である。本例は第２図
（ｂ）に示すような横モードの振動を発生させる圧電素
子にのみ積層型圧電素子４２を用い、他方の圧電素子と
しては第１］図に示したものと同様の圧電素子１１を用
いた例である。本例によれば、振動子Ａの横モードの振
動により、大きな機械的出力が取出される。

第７図は振動子の他の変形例を示す図である。

本例は第２図（ａ）に示す縦モードの振動を発生させる
圧電素子にのみ積層型圧電素子４１を用い、他方の圧電
素子としては第１１図に示したものと同様の圧電素子１
２を用いた例である。本例によれば、振動子Ａの縦モー
ドの振動により、大きな機械的出力が取出される。

第８図は振動子のさらに別の変形例を示す図である。本
例は第２図（ａ）（ｂ）に示すモードを発生させる圧電
素子として積層バイモルフを用いた例である。同図に示
すように、コの字形をした振動子Ａの直交する二側壁に
積層バイモルフ５１゜５２を固着している。積層バイモ
ルフ５１．５２を用いることにより、単板状の圧電素子
を用いた場合に比して、より大きな機械的出力が取出せ
る。

なお本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能である
のは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、■小型、軽量、コンパクトである、■
正・逆回転可能である、■振動子の形状が単純で低コス
トで量産可能である、■効率が良い、といった効果を奏
する上、■大きな機械的出力が得られるというこれまで
に期待できなかった格別の効果を奏し得る超音波リニア
モータを提供できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の構成を示す図、第２図（ａ
）（ｂ）は振動子の動作モードを示す側面図、第３図（
ａ）（ｂ）は第２図（ａ）（ｂ）に示す動作モードを合
成した楕円振動を示す図、第４図は駆動制御系の変形例
を示す構成図、第５図は第４図の駆動制御系による振動
子の振動状態を示す図、第６図は振動子の変形例を示す
斜視図、第７図は振動子の他の変形例を示す斜視図、第
８図は振動子のさらに別の変形例を示す斜視図である。 第９図は従来の超音波リニアモータの構成図、第１０図
は同従来例の弾性体に生ずる進行波を示す図である。第
１１図は本発明の先行技術である超音波リニアモータの
１連成図、第１２図（ａ）（ｂ）は第１１図に示す振動
子の振動状態を示す図である。 Ａ・・・振動子、Ｂ・・・スライダー、４１．４２・・
・積層型圧電素子。 （ａ）（ｂ） 第５図 第６図 第８図 ｚ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　ｚ（ａ）　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第１
２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　コの字形をした弾性部材の第１の方向から第１の圧電
   素子を駆動して第１の定在波を発生させ、かつ前記第１
   の方向とは直交する第２の方向から第２の圧電素子を駆
   動して第２の定在波を発生させ、前記両定在波の合成に
   より弾性部材の一部に楕円振動ないし傾斜往復振動を発
   生させ、この部分にスライダーを押圧させることでスラ
   イダーを直線運動させる超音波リニアモータにおいて、
   前記第１の圧電素子および第２の圧電素子の少なくとも
   一方に積層形の圧電アクチュエータを用いたことを特徴
   とする超音波リニアモータ。