JPH03183382A - 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］ この発明は、電子機器や精密機器の駆動源として用いて
好適な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。

ここで、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。また、駆動体は
、芽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
すれば振動片型、捩り振動子型、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１２図に示す竺うに、縦
方向に振動する圧電素子１及びこれ？こｆ設した振動片
２とを被駆動体３の接触面に対し］斜めに設置し、この
振動片２の先端で被駆動体；を一定方向に抑圧すること
によって駆動するもσて、変換効率が高く、高速作動を
させることが１きる。

一方、捩り振動子型の超音波モータは、第１３図に示す
ように、圧電素子４に捩り結合素子５苓付設したことに
より、振動片型のような直線的振動てはなく、楕円振動
を起こさせるものである。

また、進行波型の超音波モータは、第１４図に示すよう
に、円環状あるいは円板状に形成した揚動体６に圧電素
子７を接合し、振動体６に周方向に進行する撓み振動波
を与えることによってロータ８との接触面を楕円振動さ
せるものであり、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、上述した従来の超音波モータは、被駆動
体を直線運動させる場合のアクチュエータとして使用す
るにはそれぞれ以下のような欠点があった。

まず、振動片型の超音波モータは、振動片２と被駆動体
３とが断続的に接触するものであるため、円滑な直線運
動を実現することができず、しかも振動片２の先端の摩
耗が激しい。

また、捩り振動子型の超音波モータは被駆動体を回転運
動させることを目的として構成されているものであるた
め、回転運動を直線運動に変換する機構を必要とし、そ
の分動率の低下が避けられないという欠点があった。

そして、進行波型の超音波モータは、エネルギー変換効
率が低い上、捩り振動子型の超音波モータと同様に直線
運動への変換機構が必要であるという欠点があった。

ここで、進行波型超音波モータの場合には、振動体６を
直線状に展開してこれに進行波を励振させることにより
被駆動体を直線運動させることし考えられるが、かかる
場合には振動体６を被駆動体の移動範囲全長に渡って付
設し、これに進行波を生しさせる必要があるため、エネ
ルギー変換効率がより一層劣化する欠点がある。

この発明は、このような背景の下になされたもので、被
駆動体を効率良く直線運動させることができる超音波リ
ニアモータを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段」 １．８ｉ２課題を解決するために、この発明の超音波リ
ニアモータは、複数の弾性体の間に、分極状態が相違す
る二種類の圧電体が、少なくとも一つづつ」１記振動体
の長平方向に圧縮された状態で挟み込まれて柱状をなす
振動体が構成され、一方の圧電体は上記振動体の長手方
向に一様に分極され、他方の圧電体は上記振動体の長手
方向と直交する方向における一方の側と他方の側とでそ
れぞれ振動体の長手方向に沿って互いに逆向きに分極さ
、れさらに上記振動体に、該振動体と対向して配置され
る被駆動体に当接する脚部が形成されてなるものである
。

ここで、駆動効率を一層向上させるには、上記振動体の
脚部と対向する位置に、上記被駆動体にＩＯって移動自
在な案内部材を配設し、この案内部材と振動体とを弾性
部材で連結することが好ましい。

また、上記脚部は振動体の一端部から長手方向に突出さ
せても良く、あるいは振動体の長手方向と交差する方向
に突出させても良い。

し作用　］ 上記構成によれば、一方の圧電素子が振動体の長手方向
に一様に分極されているので振動体の長手方向に一様に
伸縮する。このため、一方の圧電素子への交番電圧の印
加に伴って振動体はその長手方向に一様に縦振動する。

また、他方の圧電素子は、振動体の長手方向と直交する
方向における一方の側と他方の側とが振動体の長手方向
に沿って互いに逆向きに分極されているため、上記一方
の側が伸長する際には他方の側が収縮するというように
１８０°位相がずれた状態で振動する。このため、他方
の圧電素子への交番電圧の印加により、振動体は長平方
向と直交する方向に曲げ振動する。

以上より、各圧電素子へ交番電圧を印加すれば、振動体
には縦振動及び曲げ振動が同時に発生し、これらの振動
の合成によって脚部先端に楕円振動が発生する。従って
、脚部先端面を被駆動体とを当接さ０°ることにより、
これら脚部先端面と被駆動体との間に上記曲げ振動の方
向に沿った駆動力が発生１〜、これにより被駆動体が直
線的に駆動され、また被駆動体が固定されていれば振動
体自身が直線運動する。

そして、被駆動体に沿って移動自在な案内部材と振動体
とを弾性部祠で連結すれば、脚部の先端面と案内部材と
で被駆動体を挟み込むことにより、弾性部材のばね力で
脚部先端面あるいは突出部先端面が被駆動体７こ押し付
けられ、これにより上記先端面と被駆動体との間の摩擦
力が大きくなって上記駆動力が増大する。

［実施例］ （第１実施例） 以下、第１図ないし第５図を参照して、本発明の第１実
施例を説明する。

第１図に示すように本実施例の超音波リニアモータは、
略円柱状をなす３つの弾性体１０．１１．１２の各接合
面間に２つの圧電素子（圧電体）１３．１４を介在させ
、この状態で上記各弾性体ｌＯ〜ｊ３をポルト１５で同
軸的に結合することにより、全体として略円柱状をなす
振動体１６を構成してなるものである。

第２図及び第３図に示すように、上記各圧電素子１３．
１４は、各弾性体１０〜１２と略同−径をなす円環状に
形成された圧電セラミックス板１７〜２０によって略円
環状をなす電極板２１．２２を挟み込んでなるものであ
る。そして、これら圧電素子１３．１４はいずれも上記
弾性体１０〜Ｉ２を結合するボルト１５によって圧電セ
ラミックス板１７〜２０の厚さ方向に圧縮され、いわゆ
るランジュバン型の圧電素子を構成するようになってい
る。

ここて、各圧電素子１３．１４のうち、振動体１６の上
部に配置される第１の圧電素子１３は、振動体１６の軸
線方向？こ一様に分極されてなるものである。すなわち
第１の圧電素子Ｉ３の圧電セラミックス板Ｉ７．１８は
、第２図に矢印で示すようにいずれも厚さ方向に一様に
分極されるとともに、電極板２１との接合面が同一極性
を示すようにその向きが定められ、上記電極板２１と弾
性体１１．１２との間に印加される交番電圧によって全
体が厚さ方向に一様に縦振動するように構成されている
。

これに対して振動体１６の下部に配置される第２の圧電
素子１４は、第１の圧電索子Ｉ３と異なる方向に分極さ
れている。すなわち、第３図に矢印で示すように第２の
圧電素子Ｉ４の圧電セラミックス板１９．２０は、境界
部ＣＩＳ　（２を境として一方の側と他方の側とが厚さ
方向に沿って互いに逆向きに分極されている。そして、
各圧電セラミックス板１つ、２０は、電極板２２との接
合にあたって、上記境界部Ｑ１、Ｑ２の方向が一致し、
かつ電極板２２の接合面を挟んで同一極性部分が対向す
るように位置決めされて組み付けられており、これｌこ
より圧電素子１４は、電極板２２と弾性体１Ｏ１１１と
の間に印加される交番電圧により、周方向一方の側と他
方の側とが１８０°位相がずれた状態で伸縮するように
なっている。なお、電極板２１．２２の材質としては、
図示の例ではリン青銅が用いられており、この他アルミ
ニウム等が使用できる。

そして、第１図に示すように各圧電素子１３．１４の電
極板２１．２２と上記弾性体ｌＯ〜１２との間には電源
２３が接続され、この電源２３から供給される交番電圧
によって各圧電素子１３．１４がそれぞれ振動するよう
になっている。

また、振動体Ｉ６の先端部（第１図において下端部）は
、当該振動体１６の径方向に縮径する脚部２４が形成さ
れ、この脚部２４の先端面２５は図示せぬ被駆動体への
当接面とされている。そして、この先端面２５は、その
長辺方向（第１図において一点鎖線で示す）が、上記第
２の圧電素子Ｉ４における各圧電セラミックス板Ｉ９．
２０の境界部Ｑ１、Ｑ、２の延びる方向と一致するよう
に形成されている。

次に以上のように構成された超音波リニアモータの作用
について説明する。なお、以下の説明においては、第１
図に示すように脚部２４の先端面２５の短辺方向をＸ軸
、振動体１６の軸方向をｙ軸とし、各軸の符号は図にお
ける矢印方向を正とする。

本実施例の超音波リニアモータを駆動するには、電源２
３によって弾性体１０〜■２と各電極板２１．２２との
間に交番電圧を印加する。これにより振動体１６には、
第１の圧電素子１３による縦振動と、第２の圧電素子Ｉ
４により曲げ振動とが与えられる。

すなわち、第４図（ａ）に示すように、第１の圧電素子
１３の振動に伴って振動体１６には、Ｙ＝Ｖｙ−ｃｏｓ
（ωｔ＋β）・・・・・・■ただし、ｖｙ、振幅 ω：交番電圧の角速度 β：ｙ軸方向の初期位相 で表される縦振動が発生する。

一方、第４図（ｂ）に示すように、第２の圧電素子１４
は、交番電圧の印加によって振動体１６の径方向一端側
と他端側とが逆位相で振動するため、これに伴って振動
体１６には、 Ｘ＝Ｖ、１１ｃｏｓ（ωｔ＋α）・・・・・・■ただし
、Ｖ８・振幅 α：Ｘ軸方向の初期位相 で表される曲げ振動が発生する。

従って、脚部２４の先端面２５には、上式のと■との合
成からｘ−ｙ平面に沿って回転する楕円振動が発生する
こととなる。そして、この楕円振動の方向は、各軸方向
の位相α、βの差によって決定され、α−β−９０°の
場合には第５図（ａ）に示すように時計回りに回転し、
逆にα−β９０°の場合には第５図（ｂ）に示すように
反時計方向に回転する。

この結果、脚部先端面２５とこれに当接する被駆動体（
図示路）との間には、脚部先端面２５が下端に達したと
きのｙＮ１方向成分の向きに駆動力が発生し、従って、
第５図（ａ）に示す場合には被駆動体が−Ｘ方向に、第
５図（ｂ）に示す場合には被駆動体がＸ方向に移動する
。なお、被駆動体を固定した場合には、上記駆動力の反
力によって振動体１６自身が逆方向に移動する。

以−Ｌ説明したように、本実施例によれば、分極方向か
異なる２つの圧電素子Ｉ３．１４を交番電圧を印加して
振動させることにより、脚部先端面２５に楕円振動を発
生させることができるので、容易に直線運動を得ること
かでき、エネルギー変換効率ら良好である。また運動方
向の変換機構を別に設ける必要がなくな−っでより効率
が向」ニする。

さらに本実施例では、振動体１６をいわゆるランツユパ
ン型に構成して圧電素子Ｉ３．１４に予め圧縮力を与え
ているため、圧縮強度に比して４張強度が著しく劣る圧
電セラミックスの欠点を回避し、圧電素子１３、Ｉ４に
より大きな電圧を印加してより大きな駆動力を得ること
ができる。

なお、本実施例では、特に圧電素子の数を二つとしてい
るが、本発明はこれに限るものではなく、例えば縦振動
を発生させる圧電素子１３を三箇所以上に配置する等、
適宜その個数を増加させることが可能である。

ここで、本実施例では振動体１６の脚部先端面２５を振
動体Ｉ６自身の自重によって被駆動体に押し付けている
か、例えば第６図に示すように、被駆動体としてのレー
ルＲの裏面側に該レールＲに沿って転動するローラ（案
内部材）２６を配設し、これらローラ２６と振動体１６
とをばね（弾性部材）２７で連結することによって脚部
先端面２５を強制的に１ノールＲに押圧することもでき
る。

この場合には、脚部先端面２５の楕円運動に伴って該脚
部先端面２５とレールＲとの間に作用する摩擦力が増加
するので、これらの間に発生するＸ軸方向の駆動力も増
大して効率が一層向上する。

また、圧電素子１３．１４の停止時にも振動体１６がレ
ールＲに拘束されるので、レールＲが水平状態に保持さ
れる場合のみならず、上下方向に延びる場合にも使用可
能である。

（第２実施例） 次に第７図ないし第１０図を参照して本発明の第２実施
例を説明する。

第７図に示すように、本実施例の超音波リニアモータは
、断面長方形状をなす３つの弾性体３゜３１．３２の間
に２つの圧電素子３３．３４を介在させ、これらを２本
のボルト３５．３６で一体的に連結して略角柱状をなす
振動体３７を形成してムろものである。

ここで、各圧電素子３３．３４は、長方形状をなず圧型
セラミックス板３８〜４Ｉでリン青銅からなる略長方形
状の電極板４２．４３を挟み込んでなるもので、上記ボ
ルト３５．３６によって圧電セラミックス板３８〜４１
の厚さ方向に圧縮されてランジュバン型圧電素子を構成
する点では上述した第１実施例と同様である。

そして、第８図に矢印で示すように、第１の圧電素子３
３の圧電セラミックス板３８．３９は、振動体３７の長
平方向に一様に分極され、電極板４２との接合面が同一
極性を示すようにそれぞれの向きが定められて組み付け
られている。

一方、第９図に矢印で示すように、第２の圧電素子３４
の圧電セラミックス板４０，４］は、振動体３７の長手
方向に分極されてはいるものの、境界部ｅ３、Ｑ４を境
として」二下方向一方の側と他方の側とが互いに逆向き
に分極されている。これら圧電セラミックス板４０．４
１は、振動体３７への接合に際し、電極板４３との接合
面が該電極板４３を挟んで同一極性を示すように位置決
めされて組み付けられている。

また、第７図に示すように、これら圧電素子３３．３４
が組み込まれた状態で電極板４２．４３と弾性体３０〜
３２との間には電＋１！４４が接続され、この電源４４
から供給される交番電圧により各圧電素子３３．３４が
圧電セラミックス板３８〜４１の分極方向に各々振動す
るようになっている。

そして、振動体３７の両端部には、当該振動体３７の上
方に突出する脚部４５．４６が形成され、それぞれの先
端面４７．４８は、図示せぬ被駆動体との当接面とされ
ている。

しかして、以上のように構成された超音波リニアモータ
にあっても、第１０図（ａ）、（ｂ）に示すように、第
１の圧電素子３３によって振動体３７がその長手方向（
Ｘ軸方向）に縦振動し、第２の圧電素子３４によって振
動体１６が上下方向（ｙ軸方向）に曲げ振動する。そし
て、これらの振動によって脚部先端面４７．４８には、
ともに、Ｘ＝＝Ｖ、−ｃｏｓ（ωｔ　＋ａ） Ｙ　＝　Ｖ　ｙｌｃｏｓ　（ωｔ＋β）で表される振動
が発生ずる。

従って、脚部４５．４６の先端面４７．４８には、上述
の第１実施例と同様にｘ−ｙ平面円で回転する楕円振動
が発生し、この楕円振動の回転方向に応じて脚部先端面
４７．４８と当接する被駆動体が振動体３７の長手方向
に駆動される。なお、この場合の移動の向きは、交番電
圧の位相差（α−β）によって決定されることは上述の
第１実施例と同様である。

ても、上述した第１実施例と同様に圧電素子３３．３４
によって振動体３６を加振することで被駆動体を直線運
動させることができるので、エネルギー効率に優れたア
クチュエータを提供し得る。

なお、本実施例の場合にも圧電素子３３．３４の個数に
ついては、図示の数に限られないことは第１実施例と同
様である。

また、本実施例の超音波リニアモータにおいても、第１
１図７こ示すように被駆動体としてのレールＲの裏面側
にローラ（案内部材）４９を配設し、これらローラ４９
と振動体３７とをばね（弾性部材）５０で連結すること
により、脚部先端面４７．４８とレールＲとの間に生じ
る摩擦力を増大させてより強い駆動ツノを得ることが可
能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、振動体内部に
設けられた二種類の圧電素子によって与えられる異なる
方向への振動により、振動体の脚部の先端面に楕円振動
が発生し、しかも各圧電素ジコバノ型の圧電素子を構成
しているため、脚部先端面ど被駆動体との間に直線的で
かつ大きな駆動力を発生させることがてき、この結果エ
ネルギー効率に優れた直線運動型のアクチュエータを提
供てきる。

また、脚部先端に案内部材を配置してこれと振動体とを
弾性部材で連結する場合には、被駆動体を脚部先端面と
案内部材とで挟み込むことによって、脚部先端面を弾性
部材のばね力で被駆動体に押し付ることかできるため、
脚部先端面と被駆動体との間により大きな摩擦力が生じ
て駆動力が一層増人し、また、圧電素子の静止時にも振
動体か被駆動体に拘束されるので、水平方向のみならず
垂直方向へも直線運動させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第１実施例を示すもので
、第１図はその全体構成を示す斜視図、第２図は第１の
圧電素子の構成を示す斜視図、第３図は第２の圧電素子
の構成を示す斜視図、第４図（ａ）は第１の圧電素子の
振動を示す図、第４図（ｂ）第２の圧電素子の振動を示
す図、第５図（ａ）、（ｂ）は振動体の先端に発生する
楕円振動の軌跡を示す図、 第６図は、第１実施例の変形例を示す図、第７図ないし
第１Ｏ図は本発明の第２実施例を示す図で、第７図は全
体構成を示す斜視図、第８図は第１の圧電素子の構成を
示す図、第９図は第２の圧電素子の構成を示す図、第１
０図（ａ）は第１の圧電素子の振動を示す図、第１０図
（ｂ）は第２の圧電素子の振動を示す図、 第１１図は第２実施例の変形例を示す図、そして第１２
図ないし第１４図は従来の超音波モータの例を示す図で
、第１２図は振動片型の例を示す図、第１３図は捩り振
動子型の例を示す図、第１４図は進行波型の例を示す図
である。 ＩＯ・１１−１２・３０・３Ｉ・３２・・・・・・弾性
体、１３・３３・・・・・・第１の圧電素子、１４・３
４・・・・・・第２の圧電素子、１６・３７・・・・・
・振動体、２６・４９・・・・・・ローラ（案内部材）
、２７・５０・・ばね （弾性部材） Ｒ・・・・・・レール （被駆動体）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の弾性体の間に、分極状態が相違する二種類
   の圧電体が、少なくとも一つづつ上記振動体の長手方向
   に圧縮された状態で挟み込まれて柱状をなす振動体が構
   成され、上記各圧電体のうち一方の圧電体は上記振動体
   の長手方向に一様に分極され、他方の圧電体は上記振動
   体の長手方向と直交する方向における一方の側と他方の
   側とでそれぞれ振動体の長手方向に沿って互いに逆向き
   に分極され、さらに上記振動体には、該振動体と対向し
   て配置される被駆動体に当接する脚部が形成されている
   ことを特徴とする超音波リニアモータ。
2. （２）請求項１記載の超音波リニアモータにおいて、上
   記振動体の脚部と対向する位置に上記被駆動体に沿って
   移動自在な案内部材を配設し、この案内部材と振動体と
   を弾性部材で連結したことを特徴とする超音波リニアモ
   ータ。