JPH03265473A - 超音波モータを用いたシリンダ装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、超音波モータを用いたシリンダ装置に関し、
特にボールねじを備えたシリンダ装置に超音波モータが
連結され、低速領域における駆動および停止精度が向上
されると同時に、所定の高速領域にふける高速駆動が可
能とされる超音波モータを用いたシリンダ装置に適用し
て有効な技術に関する。

［従来の技術］ 従来のシリンダ装置としては、たとえば特開昭５４−３
３９７０号公報に記載されるように、シリンダ装置本体
内に摺動自在に収納され、本体内への流体圧の給排によ
り駆動されるピストンと、このピストンに回転可能に螺
入されるボールねじと、このボールねじが駆動されるサ
ーボモータとを備え、ボールねじをサーボモータで駆動
することによってピストンを所定の方向に駆動させ、ま
た負荷に応じた流体圧をシリンダ装置本体内に給排して
位置決めを行う構造のものがある。

そして、上記の構造においては、ピストンの駆動はサー
ボモータの回転数に依存し、たとえばピストンの最高駆
動速度がサーボモータの最高回転数によって決定され、
また停止および低速駆動時においてはサーボモータの回
転数と流体圧の給排との制御によって決定される。

［発明が解決しようとする課題〕 ところが、前８己のような従来技術においては、サーボ
モータの回転数に限界があり、ボールねじ右よびボール
ねじに連結されるピストンを高速で駆動させることがで
きないという問題がある。

また、停止および低速駆動時においても、サーボモータ
の回転数と流体圧の給排との制御が難しく、停止および
駆動精度に問題がある。

そこで、本発明者は、起動および停止の低速領域におけ
る駆動精度に優れた超音波モータをボールねじに連結し
、さらに高速領域においては本体内に給排される流体圧
で駆動させることによって低速および高速領域における
駆動精度の向上が可能になることを見い出した。

たとえば、超音波モータとしては、特開昭５９１２２３
８５号、特開昭６０−２２４７８号公報などに記載され
るように超音波の持つ強力な振動エネルギーを利用し、
その概要は高周波電圧の印加によって励振される圧電体
およびこの圧電体に固定される弾性体を有するステータ
と、このステータに加圧接触されるロータとを備え、圧
電体に９０度の位相差を有する第１の高周波電源および
第２の高周波電源が接続され、これらの第１および第２
の高周波電源の位相を３／４波長ずらした位置で励振さ
せることによって弾性体上に２つの定在波が発生され、
これらの合成によって一方向の進行波が形成される。さ
らに、この進行波によってロータに進行波と逆方向の推
力が発生され、この推力によってロータが進行波と逆方
向に駆動される。これにより、ロータを進行波と逆方向
に駆動させ、回転運動に変換する構造とされるものであ
る。

そこで、本発明の目的は、ピストンに回転可能に螺入さ
れるボールねじを備えたシリンダ装置に超音波モータを
連結することにより、低速領域における起動および停止
時の駆動および停止精度の向上が可能にされると同時に
、所定の高速領域においても高精度な高速駆動が可能と
される超音波モータを用いたシリンダ装置を提供するこ
とにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

［課題を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明の超音波モータを用いたシリンダ装置
は、高周波電圧の印加により励振される圧電体および該
圧電体に固定される弾性体を有するステータと、該ステ
ータに加圧接触されるロータと、該ロータに連動可能に
連結されるシリンダ装置とを備えた超音波モータを用い
たシリンダ装置であって、前記シリンダ装置本体内に収
納され、前言己ロータに連動可能に連結されるボールね
じと、該ボールねじが回転可能に螺入され、かつ前記シ
リンダ装置本体内−・の流体圧の給排により変位される
ピストンと、該ピストンに一端が前記ボールねじと反対
方向に連結され、他端が前記シリンダ装置本体の外部に
突出されるピストンロッドとを備え、かつ前記第１およ
び第２の高周波電源が接続または切断される切換スイッ
チが該第１および第２の高周波電源と前記圧電体との間
に接続され、所定の低速領域で前記第１および第２の高
周波電源を接続状態として、前記弾性体上に進行波を発
生させることにより前記ピストンロッドを所定の方向に
低速駆動させ、一方所定の高速領域で前記Ｎ１または第
２の高周波電源のどちらか一方を切断状態として、前記
弾性体上に定在波を発生させることにより前記ロータの
ロック機能を解除し、前記ピストンを流体圧の給排によ
って駆動させることにより前記ピストンロッドを所定の
方向に高速駆動させるものである。

また、前配圧電体に前記第１の高周波電源および第２の
高周波電源のどちらも接続されない場合に、前記ステー
タに加圧接触される前記ロータがセルフロック状態とな
り、前記ピストンロッドがロック状態となるようにした
ものである。

［作用］ 前記した超音波モータを用いたシリンダ装置によれば、
高周波電圧の印加により励振される圧電体およびこの圧
電体に固定される弾性体を有するステータと、このステ
ータに加圧接触されるロータと、シリンダ装置本体内に
収納され、ロータに連動可能に連結されるボールねじと
、このボールねじが回転可能に螺入され、かつシリンダ
装置本体内への流体圧の給排により変位されるピストン
と、このピストンに一端がボールねじと反対方向に連結
され、他端がシリンダ装置本体の外部に突出されるピス
トンロッドとを備え、かつ第１および第２の高周波電源
が接続または切断される切換スイッチが、これらの第１
および第２の高周波電源と圧電体との間に接続されるこ
とにより、所定の低速領域においては、第１および第２
の高周波電源を接続状態として、弾性体上に進行波を発
生させることによりロータを駆動し、ボールねじおよび
ピストンを介してピストンロッドを所定の方向に低速駆
動させることができる。

一方、所定の高速領域においては、第１または第２の高
周波電源のどちらか一方を切断状態として、弾性体上に
定在波を発生させることによりロータのロック機能を解
除し、ピストンを流体圧の給排によって駆動させること
によりピストンロッドを所定の方向に高速駆動させるこ
とができる。

また、圧電体に第１の高周波電源および第２の高周波電
源のどちらも接続されない場合に、ステータに加圧接触
されるロータがセルフロック状態となり、ピストンロッ
ドをロック状態とすることができる。

［実施例コ 第１図は本発明の一実施例である超音波モータを用いた
シリンダ装置を示す断面図、第２図（ａ）および０））
は本実施例の超音波モータを示す概略構成図、第３図は
本実施例の超音波モータの動作を示す説胡図、第４図は
本実施例の超音波モータのステータの励振状態を示す説
明図である。

まず、第１図により本実施例の超音波モータを用いたシ
リンダ装置の構成を説明する。

本実施例のシリンダ装置は、たとえばシリンダ本体１内
に摺動自在に収納され、外部から供給される流体圧によ
り変位されるピストン２と、このピストン２に一端が連
結され、他端がシリンダ本体１の外部に突出されるピス
トンロッド３と、ピストン２に回転自在に螺入されるボ
ールねじ４とから構成され、両端がロッドカバー５およ
びエンドカバー６によって密封されている。そして、工
／）’カバー６から突出されるボールねシ４　（７）突
出端に超音波モータ７が結合されている。

シリンダ本体ｌは、たとえば円筒状に形成され、その両
端が０リング５ａ、５ａを介してロッドカバー５および
エンドカバー６によって密封結合されている。また、ロ
ッドカバー５およびエンドカバー６には、ピストン２に
よって仕切られたシリンダ本体ｌ内の流体室８ａ、９ａ
に対して、流体圧を供給および排出するための給排ポー
ト８，９が形成されている。そして、給排ポート８．９
には、たとえば４ポ一ト３位置・単動形の制御弁１０お
よび減圧弁１１などの切換弁機構が接続され、流体圧源
１２から供給される流体圧によってピストン２が所定の
方向に高速駆動される構造となっている。

ピストン２は、シリンダ本体１の内部にＯリング２ａを
介して摺動自在に収納されている。そして、ピストン２
の一端側には、途中まで中空軸状のピストンロッド３の
一端がねじ部３ａで螺入されることにより一体結合され
、かつｏリング３ｂでシールされている。また、ピスト
ンロッド３の他端側は、ロッドカバー５を貫通して外部
に突出され、ロッドカバー５との間１こロツドブツシニ
５ｂを介して密封されている。そして、ピストンロッド
３の先端部に、図示しない他の機器または負荷が取り付
けられる構造となっている。

ボールねじ４は、ピストン２にピストンロッド３の反対
側から螺合され、その内端側がピストン２を貫通してピ
ストンロッド３の中空部の中に螺入されている。そして
、ボールねじ４の回転によってピストン２がシリンダ本
体１内で摺動され、所定の方向に低速駆動される構造と
なっている。

超音波モータ７は、エンドカバー６の外部まで突出され
るボールねじ４の突出端に取り付けられ、超音波モータ
７の駆動によってボールねじ４が回転駆動される。また
、超音波モータ７には、その回転数を検出するためのロ
ークリエンコーダ１３が接続され、ピストン２の位置が
検出される構造となっている。

また、超音波モータ７は、第２図（ａ）およびら）に示
すように、高周波電圧の印加により励振される圧電体１
４ａおよびこの圧電体１４ａに固定される弾性体１４ｂ
を有するステータ１４と、このステータ１４に加圧接触
されるロータ１５とから構成され、圧電体１４ａに９０
度の位相差を有する第１の高周波電源（ψｏ）１６およ
び第２の高周波電源（ψ９゜）１７が接続されている。

ステータ１４は、たとえば高周波電圧が印加されること
によって分極される圧電体１４ａと、この圧電体１４ａ
の上面に固定される弾性体１４ｂとから構成されている
。そして、第３図に示すように第１および第２の高周波
電源１６．１７の印加によってステータ１４上に２つの
定在波が発生され、これらの合成によって一方向の進行
波が形成され、第４図のような励振状態となっている。

ロータ１５は、たとえばその内部に図示しないスプリン
グが収納され、このスプリングの圧着力によってステー
タ１４に加圧接触されている。そして、ステータ１４上
に形成された進行波によって、この進行波と逆方向への
推力が発生され、この推力によってロータ１５が進行波
と逆方向に回転される構造となっている。

第１の高周波電源１６および第２の高周波電源１７は、
それぞれの相互間に９０度の位相差を備え、第１および
第２の高周波電源１６．１７の位相を３／４波長ずらし
た位置で励振させることによって進行波が形成される構
造となっている。

また、第１および第２の高周波電源１６．１７には、こ
れらの高周波電源１６．ＩＴが接続または切断される切
換スイッチ１８と、セルフロック状態が切り換えられる
操作スイッチ１９とが接続されている。そして、切換ス
イッチ１８および操作スイッチ１９を接続状態とするこ
とによってステータ１４上に進行波が発生され、一方操
作スイッチ１９を切断状態とすることによってステータ
１４上に１つの定在波が発生され、ステータ１４とロー
タ１５との摩擦係数および摩耗が低減され、ロータ１５
のセルフロック状態が解除される構造となっている。

次に、本実施例の作用について説明する。

始めに、切換スイッチ１８を第２図（ａ）の状態、すな
わち第１および第２の高周波電源１６．１７が接続され
る閉回路とし、高周波電源１６．１７の印加電圧をステ
ータ１４の圧電体１４ａに供給する。そして、電圧が印
加された圧電体１４ａは、第２図（ｂ）のように１７２
波長毎に矢印の方向に分極される。

この時、圧電体１４ａには第３図のような伸び縮みの伸
縮動作が発生され、圧電体１４ａに固定された弾性体１
４ｂ上に、第１の高周波電源１６によって一点鎖線で示
す定在波が発生され、また第２の高周波電源１７によっ
て点線で示す定在波が発生される。

さらに、これらの２つの定在波が合成され、実線で示す
一方向の進行波が形成される。そして、ステータ１４に
加圧接触されたロータ１５が、弾性体１４ｂ上に形成さ
れた進行波と逆方向に回転される。

そして、ロータ１５０回転に連動してボールねじ４が同
方向、たとえばピストンロッド３側から見て反時計方向
に回転駆動され、ボールねじ４に螺合されるピストン２
が第１図の右方向に低速駆動される。

続いて、ロータリエンコーダ１３による検出によってピ
ストン２の位置が所定の高速領域、すなわち所定の速度
に達した段階で、切換スイッチ１８を接続状態とし、閉
じられていた操作スイッチ１９を開いて切断状態として
第１の高周波電源１６または第２の高周波電源１７のど
ちらか一方、この場合に第１の高周波電源１６のみが接
続される閉回路として弾性体１４ｂ上に一点鎖線の１つ
の定在波を発生させる。

これにより、発生された定在波の縦振動によってステー
タ１４とロータ１５との摩擦係数が非常に小さくなり、
また定在波には横振動、すなわちＸ成分の抵抗がないの
で摩耗が低減され、ステータ１４とロータ１５との間に
超音波ベアリング機能を発生させる。

そして、このベアリング機能状態において、流体圧源１
２から減圧弁１１および制御弁１０を介して給排ボート
８．９に流体圧を供給し、低速駆動されたピストン２を
さらに流体圧の供給によって右方向に高速駆動させる。

このように、ピストン２の駆動を超音波モータ７とボー
ルねじ４との組合せによる駆動と、外部から供給される
流体圧による駆動との切換によって、ピストン２に連結
されるピストンロッド３を軸方向に沿って所定の方向に
低速および高速に駆動させることができるので、たとえ
ばピストンロッド３の先端部に取り付けられる他の機器
などを制御することができる。

また、ピストンロッド３を停止させたい場合には、切換
スイッチ１８を切断状態、すなわち第１および第２の高
周波電源１６．１７の両方が接続されない状態とし、ス
テータ１４に加圧接触されるロータ１５がセルフロック
状態となり、ステータ１４とロータ１５との間にブレー
キ機能を発生させる。

これにより、ロータ１５の停止に連動してボールねじ４
およびピストン２の駆動が停止され、ピストンロッド３
を所定の位置で停止させることができる。

従って、本実施例の超音波モータ７を用いたシリンダ装
置によれば、高周波電圧の印加により励振される圧電体
１４ａおよびこの圧電体１４ａに固定される弾性体１４
ｂを有するステータ１４と、このステータ１４に加圧接
触されるロータ１５と、シリンダ本体１内に収納され、
ロータ１５に連動可能に連結されるボールねじ４と、こ
のボールねじ４が回転可能に螺入され、かつシリンダ本
体１内への流体圧の給排により変位されるピストン２と
、このピストン２に一端がボールねじ４と反対方向に連
結され、他端がシリンダ本体ｌの外部に突出されるピス
トンロッド３とを備え、かつ第１および第２の高周波型
！１６．１７が接続または切断される切換スイッチ１８
および操作スイッチ１９が、これらの第１および第２の
高周波電源１６．１７と圧電体１４ａとの間に接続され
ることにより、起動および停止時の所定の低速領域にお
いて第１および第２の高周波電源１６．１７を接続状態
とすることによって弾性体１４ｂ上に進行波を発生させ
、ロータ１５を所定の方向に回転させることができるの
で、ボールねじ４およびピストン２を介してピストンロ
ッド３を所定の方向に低速駆動させることができる。

一方、所定の高速領域においては、第１または第２の高
周波電源１６．１７のどちらか一方を切断状態とし、弾
性体１４ｂ上に定在波を発生させることによってロータ
１５のロック機能を解除し、ピストン２を流体圧の給排
によって駆動させることによりピストンロッド３を所定
の方向に高速駆動させることができる。

また、切換スイッチ１８が切断状態、すなわち第１およ
び第２の高周波電源１６．１７が接続されない状態にお
いては、ステータ１４に加圧接触されるロータ１５がセ
ルフロック状態となり、ステータ１４とロータ１５との
間にブレーキ機能が発生され、ピストンロッド３を停止
させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。

たとえば、本実施例の超音波モータ７を用いたシリンダ
装置については、給排ポート８．９に接続される切換弁
機構として４ポ一ト３位置・単動形の制御弁１０および
減圧弁１１が接続される場合について説明したが、本発
明は前記実施例に限定されるものではなく、たとえば２
つの３ポ一ト２位置・単動形の制御弁１０と減圧弁１１
との組合せによる切換弁機構が接続される場合など、他
の様々な変形が可能である。また、シリンダ装置の構造
についても、第１図の構造に限定されるものではない。

また、本実施例のシリンダ装置に用いられる超音波モー
タ７については、第２図（ａ）、（ｂ）、第３図および
第４図のような構造および形状に限定されるものではな
く、また超音波モータ７を駆動する回路についても第２
図（ａ）に示すような回路構成に限られるものではない
。

［発明の効果コ 本願において開示される発明のうち、代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりで
ある。

（１）、高周波電圧の印加により励振される圧電体およ
びこの圧電体に固定される弾性体を有するステータと、
このステータに加圧接触されるロータと、このロータに
連動可能に連結されるシリンダ装置とを備えた超音波モ
ータを用いたシリンダ装置において、シリンダ装置本体
内に収納され、ロータに運動可能に連結されるボールね
じと、このボールねじが回転可能に螺入され、かつシリ
ンダ装置本体内への流体圧の給排により変位されるピス
トンと、このピストンに一端がボールねじと反対方向に
連結され、他端がシリンダ装置本体の外部に突出される
ピストンロッドとを備え、かつ第１および第２の高周波
電源が接続または切断される切換スイッチが、これらの
第１および第２の高周波電源と圧電体との間に接続され
ることにより、所定の低速領域においては、第１および
第２の高周波電源を接続状態として、弾性体上に進行波
を発生させることによりロータを駆動し、ボールねじお
よびピストンを介してピストンロッドを所定の方向に低
速駆動させることができる。

一方、所定の高速領域においては、第１または第２の高
周波電源のどちらか一方を切断状態として、弾性体上に
定在波を発生させることによりロータのロック機能を解
除し、ピストンを流体圧の給排によって駆動させること
によりピストンロッドを所定の方向に高速駆動させるこ
とができる。

（２）、圧電体に第１の高周波電源および第２の高周波
電源のどちらも接続されない場合には、ステータに加圧
接触されるロータがセルフロック状態となり、ピストン
ロッドをロック状態とすることができるので、ブレーキ
機能を備えた超音波モータを用いたシリンダ装置を得る
ことができる。

（３）、前記（１）および（２）により、圧電体への高
周波電源の接続および切断によってピストンロッドを所
定の方向に低速回転させたり、または所定の位置で停止
させることができると同時に、シリンダ装置への流体圧
の給排によって高速駆動させることができるので、低速
領域における起動および停止時の駆動および停止精度の
向上と、所定の高速領域における高速駆動精度の向上が
可能とされる超音波モータを用いたシリンダ装置を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である超音波モータを用いた
シリンダ装置を示す断面図、第２図（ａ）および（ｂ）
は本実施例の超音波モータを示す概略構成図、第３図は
本実施例の超音波モータの動作を示す説駄図、第４図は
本実施例の超音波モータのステータの励振状態を示す説
胡図である。 １・・・シリンダ本体、 ２・・　・ピストン、 ２ａ・・０リング、 ３・・・ピストンロッド、 ３ａ・・ねじ部、 ３ｂ・・０リング、 ４・・・ポールねじ、 ５・・・ロッドカバー ５ａ・・０リング、 ５ｂ・・ロッドブツシュ、 ６・・・エンドカバー ６ａ・・○リング、 ７・・・超音波モータ、 ８・・・給排ボート、 ８ａ・・流体室、 ９・・・給排ポート、 ９ａ・・流体室、 １０　・ １１　・ １２　・ １３　・ １４　・ ４ａ ４ｂ １５　・ １６　・ １７　・ １８　・ １９　・ ・制御弁、 ・減圧弁、 ・流体圧源、 ・ロータリエンコーダ、 ・ステータ、 ・圧電体、 ・弾性体、 ・ロータ、 ・第１の高周波電源（ψ。） ・第２の高周波電源（ψｓｏ） ・切換スイッチ、 ・操作スイッチ。 特許 出 願人 ４８８ 株式会社　小金井製作所

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．高周波電圧の印加により励振される圧電体および該
   圧電体に固定される弾性体を有するステータと、該ステ
   ータに加圧接触されるロータと、該ロータに連動可能に
   連結されるシリンダ装置とを備えた超音波モータを用い
   たシリンダ装置であって、前記シリンダ装置本体内に収
   納され、前記ロータに連動可能に連結されるボールねじ
   と、該ボールねじが回転可能に螺入され、かつ前記シリ
   ンダ装置本体内への流体圧の給排により変位されるピス
   トンと、該ピストンに一端が前記ボールねじと反対方向
   に連結され、他端が前記シリンダ装置本体の外部に突出
   されるピストンロッドとを備え、かつ前記第１および第
   ２の高周波電源が接続または切断される切換スイッチが
   該第１および第２の高周波電源と前記圧電体との間に接
   続され、所定の低速領域で前記第１および第２の高周波
   電源を接続状態として、前記弾性体上に進行波を発生さ
   せることにより前記ピストンロッドを所定の方向に低速
   駆動させ、一方所定の高速領域で前記第１または第２の
   高周波電源のどちらか一方を切断状態として、前記弾性
   体上に定在波を発生させることにより前記ロータのロッ
   ク機能を解除し、前記ピストンを流体圧の給排によって
   駆動させることにより前記ピストンロッドを所定の方向
   に高速駆動させることを特徴とする超音波モータを用い
   たシリンダ装置。
2. ２．前記圧電体に前記第１の高周波電源および第２の高
   周波電源のどちらも接続されない場合に、前記ステータ
   に加圧接触される前記ロータがセルフロック状態となり
   、前記ピストンロッドがロック状態となることを特徴と
   する請求項１記載の超音波モータを用いたシリンダ装置
   。