JPH033677A - 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、捩り変位型圧電素子の厚み滑り効果を利用し
て直線運動を得る、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、小形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、
ねじり振動子型、進行波型の三つの型がある。さらに、
進行波型の超音波モータには、回転駆動型とリニア駆動
型がある。

振動片型の超音波モータは、第４図に示すように、縦に
振動する圧電振動子１１１およびこれに付設した振動片
１１２を被駆動体１１３の接触面に対して斜めに設置し
て、被駆動体１１３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、ねじり振動子型の超音波モータは、第５図に示す
ように圧電振動子＋１４にねじり結合素子１１５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。

回転駆動の進行波型の超音波モータは、第６図に示すよ
うに、円環状または円板状に形成した振動体１１６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１１８との接
触面を楕円振動さける乙ので、接触面積か多いために摩
耗が少ないなどの１１１点を存している。

また、リニア駆動の進行波型の超音波モータは、第７図
に示すように、レール部材１２０の両端に圧電振動子１
１９と振動吸収体１２２とを接合して進行波を発生さ仕
、その進行波によって被駆動体＋２１を直線運動させる
ものである。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上述した従来の各超音波モータにあっては、
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１１
２と被駆動体１１３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Ｉ２の先端の摩耗が激しい
などの問題がある。

ねじり振動子型超音波モータは、その構造上、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
るので、装置が大型になる等の欠点がある。

また、回転駆動の進行波型超音波モータは、エネルギ変
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。

そして、リニア駆動の進行波型の超音波リニアモータは
、レール全体に進行波を励振させるために一層エネルギ
の損失が大きくなるとともに装置が大型になり、効率が
低下するという欠点がある。

本発明の目的は、エネルギー効率が高いとともに小型で
あり、かっ、駆動方向を反転させることができる超音波
リニアモータモータを提供することである。

「課題を解決するための手段」 本発明は上記課題を解決するために、一定の軸を中心に
両端が相対的に捩り振動する捩り変位型圧電素子と、前
記捩り変位型圧電素子の表面に前記軸方向に所定路離隔
てて並べて設けられた一対の縦振動素子と、前記各縦振
動素子に当接された板状のレール部材とを具備すること
を特徴としている。

「作用」 捩り変位型圧電素子と縦振動素子とを同一周波数で励振
するとともに両者の振動の位相差を適切に設定すれば、
縦振動素子の端面がレール部材に対して楕円軌道を描く
ように振動する。これにより、捩り偏移型圧電素子と縦
振動素子とがレール部材に対して相対運動する。

「実施例」 次に、本発明の実施例を図面を参照し、説明する。

第１図は本発明の一実施例の斜視図である。また、第２
図は第１図における縦震動素子２の隅部２ａ付近をＰ方
向から見たときの拡大図である。

これらの図において１は円柱状の捩り偏移型圧電素子で
あり、円盤状の圧電素子１ａと、その両端面に圧着され
た２本の金属円ｆｉｌｂ、１ｃとで構成されている。捩
り偏移型圧電素子ｌの外周面の一端１ｄには直方体状の
縦振動素子２の一端が接合されており、縦振動素子２の
他端はレール４に一定の圧力で当接されている。また、
捩り偏移型圧電素子ｌの他端１ｅには、縦振動素子３が
上記と同様に設けられている。また、レール４は固定さ
れている。

上記構成において、圧電素子１ａに交流電圧を印加する
と、金属円柱１ｂ、ｌｃはその交流電圧と同じ周波数で
、中心軸Ｐ−Ｐ’　　に沿って互いに捩るように振動す
る。例えば、ある瞬間にはＰ点から見て金属円柱１ｂが
Ａ方向に捩れ、金属円柱ｌｃはＡ″方向捩れる。また、
縦振動素子２．３に交流電圧を印加すると、縦振動素子
２．３は印加された交流電圧と同じ周波数で縦方向に伸
縮運動（縦振動）する。

したがって、隅部２ａの横方向の変位Ｘがｘ＝Ａｃｏｓ
（ωｔ＋α）・−−（１）（ただし、Ａは溝方向の変位
の振幅値、ωは変位の角周波数、αは変位の初期角） になるような交流電圧を圧電素子１ａに印加するととも
に、隅部２ａの縦方向の変位ｙ、がｙ＋＝Ｂｓｉｎ（ω
ｔ＋α）　　　　　＋＋＋＋＋＋　（２）（ただし、Ｂ
は縦方向の変位の振幅値）になるような交流電圧を縦振
動素子２に印加し、縦振動素子３の隅部３ａの縦方向の
変位ｙ、がｙ＋＝−Ｂｓｉｎ（ωｔ＋α）　　　　−−
−−−−（３）になるような交流電圧（すなわち、縦振
動素子２に印加した交流電圧と同一・振幅、同一周波数
で位相が１８００異なる交流電圧）を縦振動素子３に印
加すると、前述した（１）式〜（３）式において各変位
Ｘ、ｙＩ　ｙ２の角周波数ωは同一であるので、捩り変
位型圧電素子１の捩り振動と、縦振動素子２．３の縦振
動とが同期する。

この動作を第２図を参照して詳述する。図において隅部
２ａは捩り変位型圧電素子ｌの捩り振動により、Ｘ、−
Ｘ方向に振動する。

また、隅部２ａは縦振動素子２の縦振動により、ｙ、−
Ｘ方向に縦振動する。これらの振動が合成されることに
より、隅部２ａは例えば図中Ｑで示すような左回りの楕
円軌道を描（ように振動する。楕円軌道Ｑは、点Ｑ、な
いしＱ、の区間においてレール４と交差している。した
がって、この区間内では、隅部２ａはレール４に圧接し
ながらレール４を右に押すように運動する。レール４は
固定されているので、この運動により、縦振動素子２が
左に移動する。

一方、上記と同様に、縦振動素子３はＰ方向から見て左
に移動する。したがって、第１図において捩り変位型圧
電素子１はＤ゛方向移動する。

また、（１）式に示す変位Ｘを与える交流電圧を捩り変
位型圧電素子ｌに印加するとともに、縦振動素子２．３
に印加する交流電圧の位相をそれぞれ１８０°進めるこ
とにより、 ：／、＝−Ｂｓｉｎ（ωｔ＋α）　　　　−−（４）ｙ
ｔ−Ｂｓｉｎ（ωｔ＋α）　　　　　・＋・＋＋　　（
５）なる変位ｙ１、ｙ、を縦振動素子２．３に励振する
と、第２図における楕円軌道Ｑが右回りになる。

これにより、楕円軌道Ｑが左回りの場合と逆に、捩り変
位型圧電素子１はＤ方向に移動する。

このように、本実施例によれば、縦振動素子２．３に印
加する交流電圧の位相を適宜変更することにより、駆動
方向を反転させることができる。

なお、上記構成の超音波リニアモータを複数個連結すれ
ば、より大きな駆動力が得られる。その好適な一例の平
面図を第３図（イ）に示す。また、同図（ロ）にその側
面図を示す。これらの図において１１．１２は捩り変位
型圧電素子であり、第１図と同様に縦変位型圧電素子１
３〜１６が接合されている。捩り変位型圧電素子１１Ｓ
　１２の中央部は連結棒１７の両端に接合されている。

したがって、縦振動素子１３〜Ｉ６の描く楕円軌道が同
一方向になるようにこれらを励振すれば、第１図に示す
超音波リニアモータの約２倍の駆動力が得られる。

「発明の効果」 以上説明した通り本発明によれば、レール部材に対して
相対運動する捩り偏移型圧電素子と縦振動素子とを直接
励振するので、移動に寄与しない不要な振動がほとんど
ない。また、直接直線運動を得ることができるので、直
線運動変換機構等はもとより不要である。さらに、縦振
動素子の振動の位相を適宜変更することにより、駆動方
向を容易に反転させることもできる。

このように本発明によれば、エネルギー効率が高いとと
もに小型であり、かつ、駆動方向を反転させることがで
きる超音波リニアモータモータを提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図の
要部の拡大図、第３図（イ）は前記実施例の変形例の平
面図、同図（ロ）はその側面図、第４図ないし第７図は
従来の超音波モータの動作説明図である。 １・・・・・・捩り変位型圧電素子、２．３・・・・・
・縦振動素子、４　・・・レール（レール部材）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　一定の軸を中心に両端が相対的に捩り振動する捩り変
   位型圧電素子と、前記捩り変位型圧電素子の表面に前記
   軸方向に所定距離隔てて並べて設けられた一対の縦振動
   素子と、前記各縦振動素子に当接された板状のレール部
   材とを具備することを特徴とする超音波リニアモータ。