JPH03178581A - 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】 置墓≧旦且里豆且 本発明は駆動源として超音波振動エネルギを利用した超
音波リニアモータに関する。

正＆Ｌ妓ｌ 超音波リニアモータは、圧電振動子から発せられる強力
な超音波振動エネルギを駆動源としたモータであって、
モータの小形化・軽量化を図ることができ、応答性、制
御性に優れ、また漏れ磁束が生じないという利点を有し
ている。そして、今日においては、この超音波リニアモ
ータは、光磁気ディスクシステムにおける磁気ヘッドの
駆動や、ＸＹテーブルにおける精密位置制御用等に実用
化されている。

第６図は従来から使用されている超音波リニアモータの
一例としての進行波型超音波リニアモーフを示している
。

この超音波リニアモータは、第１及び第２の圧電振動子
５１ａ、５１ｂと、これら圧電振動子５１ａ、５１ｂに
圧接されるプラスチックや金属等で形成されたレール５
２と、このレール５２に加圧接触したスライダ５３（移
動子）とから構成されている。また、第１の圧電振動子
５１ａには発振器５４が接続され、第２の圧電振動子５
１ｂには抵抗体５５が接続されている。

上記超音波リニアモータにおいては、発振器５４が駆動
されて第１の圧電振動子５１ａからレール５２の表面に
伝播した振動が、第２の圧電振動子５１ｂに接続された
抵抗体５５により消費され、一方向進行波がレール５２
の表面に形成される。すなわち、上記超音波リニアモー
タにおいては、前記進行波は、縦波と横波とが合成され
た楕円軌跡を描きながら、矢印Ａに示したように、レー
ル５２上を進行する。そして、上記楕円軌跡の回転方向
は進行波の進行方向と逆方向に回転しているため、被駆
動物体であるスライダ５３は矢印Ｂ方向に移動する（内
野著：森北出版株式会社、圧電／電歪アクチュエータｐ
、　　１ｓ３参照）。

また、第７図は別の従来例であって、所謂インチワーム
型超音波リニアモータの断面図を示している（前記圧電
／電歪アクチュエークｐ、８６参照）。

この超音波リニアモータは、管状に形成された第１〜第
３の圧電振動子５６ａ〜５６ｃがシャフト５７に遊嵌さ
れると共に、第２の圧電振動子５６ｂが第１及び第３の
圧電振動子５６ａ、５６Ｃに挟持されている。

上記超音波リニアモータにおいては、第１及び第３の圧
電振動子５６ａ、５６ｃの位相を互いにずらせて伸縮運
動を繰り返すことによりこれら圧電振動子５６ａ〜５６
ｃを一方方向に移動させている。すなわち、上記超音波
リニアモータにおいては、まず第１の圧電振動子５６ａ
を矢印Ｃ方向に縮ませてこの第１の圧電振動子５６ａを
シャフト５７に密着させる一方、第３の圧電振動子５６
Ｃを矢印Ｃ方向に伸ばしてこの第３の圧電振動子５６ｃ
をシャフト５７から離間させた状態で、第２の圧電振動
子５６ｂを矢印り方向に伸ばす。この動作により第２の
圧電振動子５６ｂと共に第３の圧電振動子５６ｃち矢印
り方向に移動する。

次いで、第３の圧電振動子５６ｃを矢印Ｃ方向に縮ませ
てこの第３の圧電振動子５６ｃをシャフト５７に密着さ
せる一方、第１の圧電振動子５６ａを矢印Ｃ方向に伸ば
してこの第１の圧電振動子５６ａをシャフト５７から離
間させた状態で、第２の圧電振動子５６ｂを矢印り方向
に縮ませる。

この動作により第１の圧電振動子５６ａも第２の圧電振
動子５６ｂと共に矢印り方向に移動する。

上記インチワーム型超音波リニアモータにおいては、上
記動作を連続的に繰り返すことにより、尺取虫的に第１
〜第３の圧電振動子５６ａ＝５６０を移動させている。

明が　２しようとする’ｌ！ＡＵ 上記従来の進行波型超音波リニアモータ（第６図）にお
いては、上述したように、第１の圧電振動子５１ａによ
ってレール５２に伝播された振動が第２の圧電振動子５
１ｂに接続された抵抗体５５によって消費されることに
より、進行波が得られている。すなわち、前記進行波は
、振動エネルギを第２の圧電振動子５１ｂによって電気
エネルギに変換し、この電気エネルギを抵抗体５５に：
Ｊ：５いて消費することにより得られている。このため
、モータの効率が悪いという課題があった。

また、上記進行波型超音波リニアモータにおいては、レ
ール５２の両端近傍に第１及び第２の圧電振動子５１ａ
、５１ｂが配設されているため、小形化を図る上におい
て限界があるという課題もあった。

また、上記インチワーム型超音波リニアモータ（第７図
）においては、第１及び第３の圧電振動子５６ａ、５６
ｃの位相を互いにずらせて伸縮運動を繰り返すことによ
り尺取虫的に移動させているため、移動速度が遅いとい
う！Ｗ題があった６本発明はこのような課題に鑑み発明
されたちのであって、高効率でありながらしから進行波
の移動速度が速い超音波リニアモータを提供することを
目的としている。

言１　解）するための　Ｆ 上記目的を達成するために本発明に係る超音波リニアモ
ータは、剛体と弾性体とに左右一対の圧電振動子が挟着
されて超音波振動子が構成され、前記弾性体に突起部が
形成され、該突起部が前記レールに圧接されていること
を特徴としている。

尚、ここで剛体とは、前記弾性体よりち変形しにくい剛
体的性質を有するものをいう。

止置 上記構成によれば、超音波振動子が、剛体と弾性体とに
左右一対の圧電振動子が挟着されて構成されているので
、位相をずらせた状態で前記左右一対の圧電振動子に伸
縮運動をさせた場合、前記弾性体が屈曲しながら水平方
向及び垂直方向に振動し、これらが合成されて楕円ｊ１
動が行なわれる。しかも、前記弾性体には突起部が形成
されているので、水平方向の運動成分が大きな楕円運動
がなされる。そして前記突起部が前記レールに圧接され
ているので、超音波振動子は大きなエネルギを有する楕
円運動を駆動源として前記レール上を走行する。

丈思出 以下、本発明に係る実施例を図面に基づき詳説する。

第１図は本発明に係る超音波リニアモータの概略を示す
正面図であって、この超音波リニアモータは、超音波振
動子ｌと、この超音波振動子１が走行するレール２と、
前記超音波振動子１を掴持するフレーム３と、このフレ
ーム３に取り付けられた左右一対のベアリング４ａ、４
ｂ等とがら構成されている。

超音波振動子１は、”略直方体形状の剛体６と弾性体５
とに左右一対の圧電振動子（第１の圧電振動子７ａ及び
第２の圧電振動子７ｂ）が挟持されて構成されている。

弾性体５は、断面形状丁字形に形成されており、この丁
字形の下部が、断面形状略矩形の突起部８となっており
、この突起部８がレール２に圧接されている。また、こ
の弾性体５は、本実施例では薄板状のリン青銅で形成さ
れているが、弾性体的性質を有するものであれば差し支
えない。

剛体６は、断面形状矩形に形成されている。本実施例で
はこの剛体６は弾性体５と同一材料であるリン青銅で形
成され、剛体６の板圧を弾性体５の板圧よりも厚くする
ことにより、剛体的性質を具備するように構成されてい
る。

尚、剛体６に使用する材料としては、弾性体５よりも変
形しにくい剛体的性質を有するものであればよく、本実
施例のものに限定されるものでない。

圧電振動子７ａ　（７ｂ）は、本実施例では所謂積層構
造とされている。すなわち、これら圧電振動子７ａ　（
７ｂ）は、セラミック焼結体９ａ（９ｂ）と、これらセ
ラミック焼結体９ａ　（９ｂ）に埋設されて積層状に形
成された多数の内部電極１０ａ・・・（ｌｏｂ）と、セ
ラミック焼結体９ａ（９ｂ）の両側面に形成された一対
の外部電極１１ａ、１１ａ（ｌｌｂ、１１ｂ）とから構
成されている。そして、これら圧電振動子７ａ　（７ｂ
）は、接着材等を介して弾性体５と剛体６との間に挟着
されている。

レール２は、ステンレスからなり、棒状に形成されてい
る。

さらに、フレーム３は、超音波振動子ｌが拘持可能とな
るように形成されると共に、この超音波振動子ｌがレー
ル２上を矢印Ｘ方向に円滑に走行可能となるように、ベ
アリング４ａ、４ｂに支持されている。すなわち、超音
波振動子１は、上端が一対のセットビス１２ａ、１２ｂ
でもって、また下端が一対の係止部１３ａ、１３ｂでち
ってフレーム３に拘持され、ベアリング４ａ、４ｂを介
してフレーム３と共に矢印Ｘ方向に走行可能に構成され
ている。

このように構成された超音波リニアモータにおいては、
時間的位相を９０°ずらせて圧電振動子７ａ、７ｂを伸
縮運動させることにより弾性体５の突起部８に楕円運動
を行なわせることができる。そして、この楕円運動を駆
動源として超音波振動子１は矢印Ｘ方向への走行が可能
となる。しかも圧電振動子７ａ、７ｂの上部には剛体６
が配設されているので、弾性体５は効率よく変位するこ
とができる。

以下、第２図及び第３図に基づいて上記楕円運動の原理
について説明する。

第２図は時間的位相を９０°ずらせて第１の圧電振動子
７ａ及び第２の圧電振動子７ｂをそれぞれ伸縮運動させ
た場合における時間と変位の関係を示している。図中、
実線が第１の圧電振動子７’ａの変位を示し、破線が第
２の圧電振動子７ｂの変位を示している。また、第３図
■〜■は、時間的位相を９０’ずらせて第１の圧電振動
子７ａ及び第２の圧電振動子７ｂをそれぞれ伸縮運動さ
せた場合における超音波振動子１の状態を順次式してい
る。図中■〜■は、第２図中の■〜■に対応している。

まず、第２図■及び第３図■に示したように、第２の圧
電振動子７ｂが変位「Ｏ」の状態においては、第１の圧
電振動子７ａは矢印Ｙ方向に伸び、弾性体５が屈曲する
。

次いで、第２図■及び第３図■に示したように、第１の
圧電振動子７ａが矢印Ｙ方向に縮むと同時に第２の圧電
振動子７ｂが矢印Ｙ方向に伸び、弾性体５は水平状態と
なる。

次に、第２図■及び第３図■に示したように、第１の圧
電振動子７ａは変位「０」の状態にまで矢印Ｙ方向に縮
むと同時に第２の圧電振動子７ｂは矢印Ｙ方向に伸び、
弾性体５は前記■と逆方向に屈曲する。

次いで、第２図■及び第３図■に示したように、第１の
圧電振動子７ａは変位「Ｏ」の状態からさらに縮むと同
時に第２の圧電振動子７ｂは変位「Ｏ」の状態に戻り、
弾性体５は上記■の場合と同様の方向に屈曲する。

次に、第２図■及び第３図■に示したように、第１の圧
電振動子７ａは矢印Ｙ方向に伸びると同時に第２の圧電
振動子７ｂは矢印Ｙ方向に縮み、弾性体５は水平状態と
なる。

次いで、第２図■及び第３図■に示したように、第１の
圧電振動子７ａは矢印Ｙ方向に伸びて変位「０」の状態
に戻ると同時に第２の圧電振動子７ｂは矢印Ｙ方向に縮
み、弾性体５は前記のと同一方向に屈曲する。

以上の動作が連続的に繰り返され、弾性体５の突起部８
は、第４図に示したように、楕円運動を行なう。そして
、この第４図に示したような楕円運動を駆動源として超
音波振動子１は１ノール２上を矢印Ｘ方向に走行する。

尚、第４図中、■〜■は第２図の■〜■及び第３図の■
〜■に対応している。

第５図は本発明に係る超音波リニアモータの移動速度と
モータ効率との関（系を示している。この第５図から明
らかなように、移動速度１０ｃｍ／Ｓｅｃにおいて最大
効率１２．５％が得られた。また最大移動速度は１９．
５ｃｍ／ｓｅｃであった（効率的２％）。因みに、従来
の進行波型超音波リニアモータ（第６図）においては最
大効率が１．６％であり、また従来のインチワーム型超
音波すニアモーク（第７図）においては最大移動速度が
０、　２　ｃｍ／　ｓｅｃであった。したがって、本発
明は従来例に比べ、高効率であってしかも移動速度の速
い超音波リニアモータを得ることができることが判る。

尚、上記モータ効率は、駆動周波数２３Ｋ　Ｈｚの正弦
波を使用し、５０ｇの負荷を超音波振動子１にかけて測
定した。また、測定に使用した正弦波の最大電圧と最小
電圧の差は７０Ｖであった。

尚、本発明は上記実施例に限定されることはなく要旨を
逸脱しない範囲において変更可能である。例えば、弾性
体の突起部についてち断面形状矩形に限定されることは
なく、断面形状円形であってちよく、また複数個の突起
部が形成されていてちよい。

及旦ユ立逮 以上詳述したように本発明に係る超音波リニアモータは
、該超音波振動子が、剛体と弾性体とに左右一対の圧電
振動子が挟着されて構成され、前記弾性体に突起部が形
成され、該突起部がレールに圧接されているので、時間
的位相をずらせて前記圧電振動子を駆動させた場合、該
突起部は楕円運動を行ない、該楕円運動を駆動源として
超音波振動子をレール上を走行させることができる。

したがって、従来の進行波型超音波リニアモータのよう
に、楕円運動を得るための圧電振動子を設ける必要もな
く、高効率化・小形化を図ることができる。

また、突起部の楕円運動のみで被駆動物体を移動させる
ことができるため、移動速度ち速くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波リニアモータの一実施例を
示した概略正面図、第２図は圧電振動子の変位と時間と
の関係を示した特性図、第３図は圧電振動子を伸縮運動
させた場合における状態変化をｊ１１＠次示した超音波
振動子の正面図、第４図は弾性体の突起部の楕円軌跡を
示した図、第５図は移動速度とモータ効率との関係を示
す特性図、第６図は従来例を示した概念図、第７図は別
の従来例を示した概念図である。 １・・・超音波振動子、２・・・レール、５・・・弾性
体、６・・・剛体、７・・・圧電振動子、８・・・突起
部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）剛体と弾性体とに左右一対の圧電振動子が挟着さ
   れて超音波振動子が構成され、前記弾性体に突起部が形
   成され、該突起部がレールに圧接されていることを特徴
   とする超音波リニアモータ。