JPH02164286A - 超音波リニアモータ及びその駆動方法 - 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］ この発明は、圧電素子の超音波振動を駆動源として直線
的変位を得るための超音波リニアモータに関する。

［従来の技術］ 近年、圧電セラミックスを素材とする圧電素子の超音波
振動を駆動源とした超音波モータが開発され、種々の機
器のアクチュエータとして利用されている。このような
超音波モータは、小型で高トルクが期待され、また、電
磁波の発生がないので電磁媒体等への影響がないなどの
長所を有している。

超音波モータは、振動する駆動体と被駆動体とを近接さ
せ、駆動体の送り方向への振動を摩擦を介して被駆動体
に伝達させるようにしている。駆動体は互いに直交する
向きの振動を合成した斜めの直線振動あるいは楕円振動
をするもので、これを構造的に分類すると、振動片型、
岑り振動子型、進行波型の三つの型がある。

振動片型の超音波モータは、第８図に示すように、・縦
に振動する圧電振動子１１及びこれに付設した振動片１
２を被駆動体Ｉ３の接触面に対して斜めに設置して、被
駆動体１３を一定方向に押すことにより駆動するもので
、変換効率が高く、高速作動をさせることができる。

また、岑り振動子型の超音波モータは、第９図に示すよ
うに圧電振動子Ｉ４に岑り結合素子１５を付設したこと
により、振動片型のような直線的振動ではなく、楕円振
動を起こすようにしたものである。

進行波型の超音波モータは、第１０図に示すように、円
環状または円板状に形成した振動体１６に圧電素子１７
を接合し、振動体１６に周方向に進行する撓み振動波を
与えることにより、ロータ１８との接触面を楕円振動さ
せるもので、接触面積が多いために摩耗が少ないなどの
利点を有している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のような従来の技術においては、い
ずれも次のような解決すべき課題があった。

まず、振動片型の超音波モータにおいては、振動片１２
と被駆動体１３の接触が間欠的であるために、回転が不
安定であり、また、被駆動体の送りの方向も一定である
。さらに、ロータ振動片１２の先端の摩耗か激しいなど
の問題がある。

岑り振動子型超音波モータは、その構造上、送りの振動
と摩擦を制御する振動を個別に制御することが難しいこ
と、及びリニアモータとして使用するには、直線運動変
換機構を必要とすることなどの欠点があった。

そして、進行波型超音波モータは、エネルギー変換効率
が低い上、上記と同じように直線運動変換機構が必要に
なるという欠点がある。また、進行波型の超音波リニア
モータとして、円環または円板状の振動体１６の替わり
に直線状の振動体を設置し、これに進行波を与えて振動
を被駆動体に伝達することが考えられるが、この場合に
は、レール全体に進行波を励振させるために一層エネル
ギーの損失が大きくなり、効率が低下するという欠点が
ある。

［課題を解決するための手段］ 上記のような課題を解決するために、この発明は、弾性
体から柱状に形成した振動部材に、この振動部材の軸線
に交差する方向に振動する振動素子を取り付け、上記振
動部材の一端に上記振動部材に対して軸線に交差する方
向に相対移動自在な被駆動体を当接させて構成した超音
波リニアモータを提案し、また、そのように構成した超
音波リニアモータを、振動素子の振動により上記振動部
材に撓み振動と縦振動を励起し、振動部材の被駆動体と
の当接面に撓み振動と縦振動の合成による楕円振動をさ
せて被駆動体を直線的に移動するようにした駆動方法を
提案するものである。そして、エネルギー的に最も効率
的な駆動方法として、振動素子の振動周波数を振動部材
の共振周波数で駆動する方法を提案するものである。

［作用］ このような超音波リニアモータ及びその駆動方法におい
ては、１つの振動素子の振動が振動部材に対してその軸
線方向に平行な成分と直交する成分とに分解されて伝達
される。このうち、軸線に垂直な分力は振動部材に撓み
振動を与え、平行な振動は縦振動を与え、これらは結果
として振動部材の材質、形状及び寸法に応じて適度に増
幅された定在波を付与する。振動部材の端部の被駆動体
への当接面においては、これらの振動の位相差によって
先端面において斜めの直線状または楕円状の振動が生じ
、この振動が振動部材の一端の当接された被駆動体に伝
達されて被駆動体または振動部材が一方向に直線連動す
る。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。

第１図は、この発明の一実施例を示すもので、平滑なレ
ール（被駆動体）■の上に、柱状の振動部材２とこの振
動部材２の上端に固着された縦振動素子３とから構成さ
れた走行体４が移動自在に載置されて構成されている。

上記振動部材２は、適度の剛性と弾性とを有する弾性体
から形成されており、通常はアルミニウム等の金属が使
用されるが、その他、セラミックス、樹脂等が適宜選択
されてよい。振動部材２は断面が矩形（図示例では正方
形）に形成され、下端は軸線に直交する平滑な当接面５
に、上端は走行方向（レールの向き）に向かうに従い上
昇する傾斜面６（図示例では軸線に対して４５度傾斜し
ている）に形成されている。その寸法は、後述するよう
に縦振動素子３の加振により振動部材２の軸方向に励起
される縦振動と、軸に直交する方向の加振により励起さ
れる撓み振動とのバランスを考慮して設定される。縦振
動素子３は振動部材２の傾斜面６の中央に接着剤を用い
て固定されている。

この縦振動素子３は、厚さ方向に分極した圧電セラミッ
クス板を電極を挟んで積層し、交番電圧を付与すること
により縦振動をするようにした周知のものである。

図示する実施例の振動部材２は、素材がアルミニウムで
、寸法は、断面が５ｍｍ口、高さ１２．５＋ｎｍであり
、縦振動素子は寸法が、５ｍｍ口、高さ９ｍｍになって
いる。なお、振動部材２のレールｌへの当接面にポリイ
ミド系の複合材などからなる摩擦材を貼付することによ
り、摩耗量を低減させて円滑な走行を図るようにしても
よい。

レールＩの面には、走行体の走行方向を規制するガイド
溝７が形成された例が図示されているが、このようなガ
イド溝７は結果的に走行体４とレール１の間の摩擦を増
やすので必ずしも好ましくない。また、上記例では、走
行体４の自重により走行体４がレールｌに押し付けられ
ているが、通常はこの圧接力では不足であり、また、こ
の圧接力は負荷などに応じて適宜制御するのが好ましい
。

そこで、走行体とレールの間に、走行体の姿勢をレール
に対して一定に保持するとともに、走行体をレールに対
して一定の圧力で押圧するための機構を付設することが
考えられる。

この構造体Ａの一例を第２図に示す。これは、走行体４
を取り囲む支持体１１と、レールｌの下面にｌＯって転
勤する前後一対のローラ１２を備えた車枠１３と、上記
支持体１１と車枠１３とを弾性部材（コイルばね）１４
を介して連結する連結部材Ｉ５とからなっている。上記
支持体１１は、下方が開口した箱体１６の側壁１７に、
振動部材２の四壁に当接して振動部材２の姿勢を支える
ガイド腕１８が設けられるとともに、箱体１６の天板１
９からは振動部材２を上方から押圧する抑圧部材２０が
垂下して設けられた構成となっており、走行体４を保護
するとともに、走行体４をレールｌに対して一定の姿勢
に保持し、かつレール１に沿って移動自在に支持するよ
うになっている。ガイド腕１８の先端にはボールベアリ
ング（図示路）が埋設されて振動部材２の振動に対する
摩擦抵抗を軽減するようにしている。また、連結部材１
５にはコイルばねｉ４のばね受け２１の位置を調整する
ナツト２２が設けられ、これを回動してコイルばね１４
の付勢圧力を調整することにより、定の圧力で振動部材
２の当接面５をレール２に押圧するようにしている。

以下、上記のように構成された超音波リニアモータの作
用について、主にｐＥＭ（ＦＴ限要素法を用いたコンピ
ュータによるシミュレーション）の結果に基づいて説明
ずろ。

第３図及び第４図は、縦振動素子３に振動部ｉ第２の共
振振動数に近い交番電圧を付与したときのシミュレーシ
ョンの結果を示すらのである。

縦振動素子３に共振振動数の交番電圧を印加することに
よって縦振動と撓み振動の合成された振動が励起される
。振動成分を分解して考え、その概略を説明する。

縦振動は、振動部ｖｒ２の中央を節としてその両端が最
大振幅となるような奇数次の振動となり、撓み振動は中
央から等距離の点に節を持ち両端が最大振幅となる偶数
次の振動となる。

第３図（イ）ないしく二）はこの過程を示すもので、図
中細線は原形を示している。（イ）は縦振動素子３か最
ら伸びた状態、（ロ）は（イ）の状態よりゃや縮んだ状
態、（ハ）は原形よりやや縮んだ状態、（ニ）は最も縮
んだ状態であり、（ニ）から逆の過程で（イ）に戻り、
以下これを繰り返す。これにより、下端部は前後方向と
同時に縦方向に振動するので、下端部はその合成の結果
として、第４図に示すように楕円振動をする。

この楕円振動は、縦振動及び撓み振動の位相差に応じて
傾斜したものとなる。また、振動部材２の下端の位置に
おいてそれぞれ異なる振動をするとともに、縦振動素子
３の振動周波数によっても異なる形状となる。楕円はそ
の偏平度が、主に次の２点により決定される。

■縦振動と撓み振動の位相の差異 ■縦振動と撓み振動の振幅の差異 そして、これらの位相と振幅の差異は、振動部材２の材
質、寸法及び形状と、縦振動素子３自体の寸法、形状、
重量、材質及びその振動周波数などの条件により変化す
る。

振動の周波数を変化させると、縦振動及び撓み振動のモ
ードが変わり、位相差が変化するので、楕円の向きを変
えることもできる。第５図は、振動周波数を８２．０ｋ
ｌｌｚに設定したときのシミュレーション結果を示すも
ので、９２．７ｋＨｚのときとは逆の方向に進行するこ
とが分かる。

振動部材２の材質については、弾性率が大きい程内部摩
耗によるエネルギー損失が少ないが、縦振動及び撓み振
動の変位は小さくなるので、総合的に最もエネルギー効
率のよい材質を選択する。

また、寸法及び形状については、振動部材２の高さが大
きく、断面が小さく、断面が走行方向に直交する方向に
偏平である程、撓み振動の振幅が大きくなる。なお、振
動の解析は振動部材と振動素子とが一体となった構造で
なされる。

（実施例） 第１図に示す実施例の縦振動素子３に、駆動電圧を１２
Ｖとして、圧接力３　ｋｇ−、負荷０〜０．３ｋｇとし
たときの負荷と速度の相関を第６図に示す。

無負荷での最大速度は０　、４１１１／ｓｅｃ、最大推
進力０゜８ｋｇであった。

なお、駆動電圧をピーク間で５．ＯＶとして、圧接力０
．５ｋｇに設定したときに、振動周波数が９０．０−１
１３．０ｋＨｚの範囲で正方向（縦振動素子３の下面側
の方向）へ走行し、８５．８〜８７゜３　ｋＨｚの範囲
において逆方向に走行した。この実施例の共振振動数は
、ＦＥＭによる解析結果では９２．７ｋｌｌｚであった
が、実際に試作した物をインピーダンスアナライザで測
定した結果では９４゜７ｋＨｚであった。

なお、この発明の実施例は上記のものに限定されるしの
ではなく、例えば、傾斜面の傾斜角度は４５度に限られ
ず、これを適宜に設定することにより、振動の垂直成分
と水平成分の比率を変更することができる。また、振動
部材の断面形状は矩形である場合でも、隣接する辺の比
率を適宜に設定してよく、また矩形以外の形状にしても
よい。

振動部材はその一部が柱状に形成されていればよく、例
えば、第７図に示すように、柱状部２５の上端に傾斜部
２６が一体に形成された構成とし、傾斜部の上端に縦振
動素子３を取り付けてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように、この発明は、弾性体から柱状に形
成した振動部材に、この振動部材の軸線に交差する方向
に振動する振動素子を取り付け、上記振動部材の一端に
上記振動部材に対して軸線に交差する方向に相対移動自
在な被駆動体を当接さ仕たものであり、１つの振動素子
の超音波振動を振動部材に伝達させ、振動部材の端部に
振幅が増幅された楕円振動を励起させることにより、簡
単な構成でしかも振動部材の共振振動を利用したエネル
ギー効率の高い超音波リニアモータを提供することがで
きるという優れた効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第２図は他
の実施例を示す断面図、第３図ないし第５図はその振動
の過程をシミュレーションによって解析した結果を示す
図、第６図は実施例の超音波リニアモータの負荷と速度
の関係を示すグラフ、第７図はさらに他の実施例を示す
図、第８図ないし第１θ図は従来例を示す図である。 ｌ ・・レール（被駆動体）、 ２　・・・・・ 振動部材、 ３　・・・ ・縦振動素子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）弾性体から柱状に形成した振動部材に、この振動
   部材の軸線に交差する方向に振動する振動素子を取り付
   け、上記振動部材の一端に上記振動部材に対して軸線に
   交差する方向に相対移動自在な被駆動体を当接させたこ
   とを特徴とする超音波リニアモータ。
2. （２）弾性体から柱状に形成した振動部材に、この振動
   部材の軸線に交差する方向に振動する振動素子を取り付
   け、上記振動部材の一端に上記振動部材に対して軸線に
   交差する方向に相対移動自在な被駆動体を当接させ、上
   記振動素子の振動により上記振動部材に撓み振動と縦振
   動を励起し、振動部材の被駆動体との当接面に撓み振動
   と縦振動の合成による楕円振動をさせることを特徴とす
   る超音波リニアモータの駆動方法。
3. （３）上記振動素子を振動部材の固有振動数において振
   動させることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の
   超音波リニアモータの駆動方法。