JPH04322177A - 超音波アクチュエータ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波の波動エネルギ
ーを利用する超音波アクチュエータに係わり、特に、被
移動体のＸ軸およびＹ軸の２自由度のリニア駆動を、小
形の装置で精度よく行うことができ、しかも長ストロー
ク駆動を可能にするのに好適な超音波アクチュエータに
関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波振動を利用して物体をリニア移動
または回転させる超音波アクチュエータは、従来からつ
ぎのような各種構成のものが提案されている。

【０００３】振動子により励振される所定の距離を有す
る複数の直線型形状の弾性体間を、結合子，共振子或る
いは圧電型振動子等で結合し、弾性体の屈曲振動によっ
て一方向進行波の表面波を発生させ、該表面波の振動エ
ネルギーにより物体を直進運動させるようにした小形・
軽量の表面波リニアモータの固定子（例えば、特開昭６
０−２２４７８号公報）、また、複数個の電歪素子又は
磁歪素子を組合せて、弾性体内に組込構成した超音波振
動子と、一定の方向に移動する動体の一端面を相互に加
圧接触する位置に配置することにより、前記超音波振動
子の表面において励振される横波と縦波の合成された進
行波を、前記動体の一方向運動に変換し、物体を回転さ
せるようにした構成の超音波振動を利用したモータ装置
、および、一定方向に移動する動体を板状部材とし、該
板状部材の表面に単数または複数の弾性体を加圧接触さ
せ、該弾性体表面に２回路以上の磁歪又は電歪素子を固
定配置し、それぞれの回路に印加する高周波電圧の位相
をずらせることにより、弾性体表面において横波と縦波
が合成された進行波を形成して、前記板状部材を一定方
向に直進移動せしめるようにした超音波振動を利用した
リニアモータ装置（例えば、特開昭５８−１４８６８２
号公報）、つぎに、作業軸部と、該作業軸部の一端を支
持する回転子と、該回転子の一つの周方向に配列され、
該回転子と超音波表面波モータを構成して上記回転子を
圧接把持する複数の固定子群とを有し、これら複数の固
定子群が、順逆方向に進行する表面波を発生して上記回
転子に所定方向の回転モーメントを付与する固定子と、
順逆方向に進行する表面波を発生して上記所定方向と交
叉する方向の回転モーメントを付与する他の固定子から
なることを特徴とする構成の調節ロボット等に使用され
る複数自由度関節装置（例えば、特開昭６２−２２８３
９２号公報）等が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の超音波アク
チュエータのうち、表面波リニアモータの固定子は、固
定子に相当する棒状弾性体に一方向進行波の表面波を発
生させ、棒状弾性体上の移動子に直進運動をさせること
が可能であるが、本装置においては該移動子の運動方向
を、任意の進行方向に設定することができないため、本
装置単独ではＸまたはＹのいずれか一軸方向のみに限定
される。従って、これをＸ軸およびＹ軸の２自由度のリ
ニア駆動を可能にするためには、Ｘ軸用およびＹ軸用の
複数の装置を組合せる方法を採らざるを得ず、装置を小
形化することが困難な問題点を有していた。

【０００５】つぎに、前記超音波振動を利用したリニア
モータ装置は、上記表面波リニアモータの固定子の場合
と同様に、弾性体表面における横波と縦波との合成され
た進行波を利用して板状部材を一定方向に直進移動させ
ることが可能であるが、本装置においても、板状部材の
運動方向を他の任意の進行方向へ設定することはできず
、このため、本装置単独ではＸまたはＹのいずれか一軸
方向のみに限定され、これをＸ軸およびＹ軸の２自由度
のリニア駆動を可能にするためには、Ｘ軸用およびＹ軸
用の複数の装置の組合せとなり、装置の小形化が困難と
いう問題点を有していた。

【０００６】さらに、前記複数自由度関節装置は、固定
子が対となることで、超音波表面波モータの球体をなす
回転子の１自由度の回転を得ることができ、作業軸部を
揺動させるものであるから、固定子の対となる数を増す
ことにより回転子に複数自由度の回転をさせることが可
能になり、同時に作業軸部を複数方向に揺動させること
ができる。しかし、本構成は、複数自由度の駆動ではあ
っても、その駆動は回転子に回転モーメントを付与して
回転させる関節装置であり、Ｘ軸およびＹ軸の２自由度
のリニア駆動を可能にするためのものではない。従って
、本装置を使用してリニア駆動を可能にするためには、
別にさらにリニア駆動機構を必要とし、他の従来技術と
同様に装置の小形化が困難という問題点を有していた。

【０００７】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、
被移動体のＸ軸およびＹ軸の２自由度のリニア駆動を、
小形の装置で精度よく行うことができ、しかも長ストロ
ーク駆動を可能にすることができる超音波アクチュエー
タを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明は、中心部を接続された長方形の相対する被振
動板とベース板とからなるケースと、前記被振動板とベ
ース板との間に、一端側を該ベース板に接着し、他端側
を前記被振動板と当接状態にしてＸ軸およびＹ軸方向に
それぞれ対向させて配置した２組の変位発生体と、該２
組の変位発生体と前記ケースとにより構成され、前記被
振動板のＸ軸およびＹ軸方向に進行波となる所定の固有
振動数の表面波を発生する振動子と、片面が前記被振動
板と接触し、他の片面が平滑面を有する平滑部材に支持
されて該平滑面上をＸおよびＹの各軸方向に移動可能な
板状の被移動体と、前記平滑部材を固定する下ベースと
、前記振動子を前記ベース板を介して固設するとともに
、前記被振動板を介して前記被移動体を平滑部材上に所
定の押圧力で押圧可能な上ベースと、前記振動子に前記
所定の固有振動数の表面波を発生させ該表面波により前
記被移動体を移動させるドライバーとを備える構成にし
たものである。

【０００９】そして、前記振動子を構成する変位発生体
は、圧電素子であることが好ましく、また、前記上ベー
スと下ベースとのいずれか、または両方に、前記被移動
体のＸおよびＹの各軸方向の移動を該上下ベースの外部
に伝達可能な開口を設けることが望ましい。

【００１０】また、前記ドライバーは、前記振動子のう
ち、Ｘ軸またはＹ軸のいずれか一方の対向する変位発生
体の電源をＯＦＦにし、他方の変位発生体に位相のずれ
を予め設定した交流電圧を印加するとともに、バイアス
として直流成分を印加し、前記被振動板を所望の屈曲振
動モードとなる固有振動数にて励振可能に構成すること
が望ましく、そして、前記ドライバーは、前記振動子に
発生させる表面波を、Ｘ軸およびＹ軸の２方向に切り替
えて発生可能に構成するとよい。さらに、前記ドライバ
ーは、ＸおよびＹの各軸方向の進行波となる所定の固有
振動数の表面波を、前記被振動板の形状・寸法に応じて
設定可能に構成することが好ましい。

【００１１】

【作用】上記構成としたことにより、ドライバーを作動
して、前記２組の変位発生体のうち１組の電源をＯＦＦ
にし、他の組の変位発生体に交流電圧を印加すると、電
源をＯＦＦにした組の変位発生体は振動せず縮められた
状態になり、交流電圧を印加した組の変位発生体にその
電圧に見合った振動が発生する。この場合、交流電圧を
印加した組の変位発生体に、被振動板を押し付けるよう
にバイアスとして直流成分を印加すると、交流成分の振
動により被振動板にその形状・寸法に応じた平板の屈曲
振動モードに従う振動を発生する。そして、前記交流電
圧を位相のずれを予め設定して印加することにより、被
振動板に楕円振動を発生させ進行波となる固有振動数の
表面波を発生する。この表面波の発生により、被振動板
に接触している被移動体は、該接触面における摩擦力を
介してＸ軸またはＹ軸のいずれか１軸方向へ平滑部材の
平滑面上を移動させられる。この場合、電源をＯＦＦに
した組の変位発生体は振動せず縮められた状態になって
いるから、表面波の進行の妨げはなくそのエネルギーを
ロスすることなく被移動体を移動させられ、また、被移
動体の移動を可能にする被振動板と被移動体との接触面
における摩擦力は、被移動体を下ベースに固定されてい
る平滑部材上に、振動子を介して上ベースにより押圧し
ている押圧力により生じ、その値は押圧力の調整により
適宜に設定される。

【００１２】上記移動方向と直交する他の軸方向への移
動は、電源をＯＦＦにする組と、交流電圧を印加する組
とを上記と反対にして行えばよい。これは、前記ドライ
バーを切り替えることにより容易に可能となる。また、
この場合、被振動板が長方形のため、その屈曲振動モー
ドおよび進行波となる表面波の固有振動数は、ドライバ
ーにて上記と異なる最適値に設定されるから、その異な
る分だけ移動速度が上記と差を生ずる。

【００１３】なお、前記ドライバーは、直交する２組の
変位発生体を同時に励振させることも可能で、この場合
には、振動モードはＸおよびＹの両軸に対する複合した
波動の屈曲振動モードになり、進行波となる固有振動数
の表面波をＸおよびＹの両軸間に発生させることができ
る。従って、Ｘ軸またはＹ軸のいずれか１軸方向への移
動に比べて表面波の進行エネルギーをロスし、その分だ
け移動効率は低下するが、印加する交流電圧および位相
のずれを適宜設定することにより、被移動体の移動方向
をＸ軸およびＹ軸の２自由度のみではなく、Ｘ，Ｙ両軸
間の任意の方向に選定することが可能になる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図７を
参照して説明する。図１は圧電素子を使用した超音波ア
クチュエータの全体側断面図、図２は図１の１部を破断
した全体斜視図、図３は図１における振動子の斜視図、
図４は図３の振動子とドライバーとの接続状態を示す図
、図５は平板の各種振動モードを示す図、図６は表面波
による物体（平板）の移動原理説明図、図７は図１にお
ける被移動体の移動原理説明図である。

【００１５】図１，図２において、１は長方形の被振動
板１ａと、同じく長方形で被振動板１ａに相対している
ベース板１ｂと、被振動板１ａとベース板１ｂとの中心
部を接続する接続部１ｃとからなるケースで、ケース１
は例えば銅合金等を切削して形成される。２はケース１
の被振動板１ａとベース板１ｂとの間に配設されている
複数の圧電素子で、圧電素子２は一端側をベース板１ｂ
に接着剤等にて接着し、他端側を被振動板１ａと当接状
態にして、Ｘ軸およびＹ軸の各方向にそれぞれ対向させ
て２組配置されている。３はケース１に該２組の圧電素
子２を組み込んでなる振動子である。振動子３は後述す
るドライバーにより振動させられ、該振動を被振動板１
ａに伝達して、被振動板１ａのＸおよびＹの各軸方向に
進行波となる所定の固有振動数の表面波を発生させるよ
うになっている。４は片面が被振動板１ａと接触し、他
の片面が平滑面５ａを有する平滑部材５に支持されてい
る板状の被移動体で、被移動体４は平滑面５ａ上をＸお
よびＹの直交する各軸方向に移動可能になっている。こ
こで、平滑部材５は摩擦係数の小さい材料、例えば、摩
擦係数が０．１程度のフッ素系樹脂等の高分子材が使用
される。６は平滑部材５を接着剤７等で固定する下ベー
ス、８は内部に振動子３をベース板１ｂを介してねじ９
により固設している上ベースで、上ベース８は被振動板
１ａを介して被移動体４を平滑部材５上に所定の押圧力
で押圧できるように、下ベース６にボルト１０で捩じ込
まれるようになっている。このボルト１０の捩じ込みを
調整することにより、前記押圧力が適宜に設定可能にな
っている。なお、下ベース６および上ベース８は、例え
ばＳＵＳ等の鋼材で形成される。１１は圧電素子２とケ
ーブル１２で接続されたドライバーで、ドライバー１１
は、圧電素子２に該圧電素子２が共振するように交流電
圧を印加し、振動子３に所定の固有振動数の表面波を発
生させ、被移動体４を所望の方向に所望量だけ移動させ
る駆動機構である。

【００１６】本実施例におけるドライバー１１は、振動
子３の２組の圧電素子２うち、Ｘ軸またはＹ軸のいずれ
か一方の組の圧電素子２ｂ，２ｂの電源をＯＦＦにし、
他方の組の圧電素子２ａ，２ａに予め設定されている位
相のずれた交流電圧を印加するとともに、バイアスとし
て直流成分を印加することができるように構成されてお
り、また、振動子３に発生させる表面波を、Ｘ軸および
Ｙ軸の２方向に切り替えて発生可能であるとともに、被
振動板１ａの形状・寸法に応じて設定可能に構成されて
いる。

【００１７】図３は振動子３の一例を示す外観図で、振
動子３が、長方形の相対する被振動板１ａ，ベース板１
ｂおよび中心部を接続する接続部１ｃからなるケース１
と、被振動板１ａとベース板１ｂとの間の周辺部に、Ｘ
軸およびＹ軸の各方向に対向させて配置した２組で計４
個の圧電素子２ａ，２ａ，２ｂ，２ｂとを組み込んで構
成される状態を示している。各圧電素子２ａ，２ａ，２
ｂ，２ｂは、ケーブル１２を介してドライバー１１より
交流電圧を印加されると、図４に示す矢印ａまたはｂの
方向に共振周波数で振動させられるようになっている。

【００１８】図６の表面波による物体（平板）の移動原
理説明図において、２１は弾性体からなる板状のステー
タ、２２はステータ２１上に載置されている弾性体から
なる移動体である。いま、ステータ２１を図示しない振
動源により振動させると、ステータ２１の表面の粒子は
、縦波成分の振動と横波成分の振動との合成された図に
Ｃで示す楕円運動の波動を行い、図に矢印Ｂで示す方向
に伝搬する表面波を発生する。この状態で移動体２２を
ステータ２１上に適宜の押圧力で押圧すると、移動体２
２は両者の接触面の摩擦力により図に矢印Ａで示す方向
（Ｂと反対方向）に移動させられることになる。

【００１９】図７に示す上記図６の原理に基づく本発明
の移動原理説明図において、前記図６におけるステータ
２１上に発生した表面波を、或る一定の方向へ進行する
進行波とするためには、図７に示す相対する圧電素子２
ａ，２ａを位相をずらした状態で励振する必要がある。 これは、位相をずらして振動させることにより、圧電素
子２ａ，２ａの発生する上下方向の振動エネルギーから
左右（進行）方向の振動エネルギーを引き出し、この上
下方向振動成分と左右（進行）方向振動成分とが合成さ
れて被振動板１ａに進行波となる楕円振動Ｃを形成する
からである。このため、圧電素子２ａ，２ａは、ドライ
バー１１により位相のずれを予め設定した交流電圧が印
加され、楕円運動Ｃの波動から矢印Ｂで示す方向に伝搬
する表面波を発生し、被移動体４を被振動板１ａとの接
触面の摩擦力を介して矢印Ａで示す方向（Ｂと反対方向
）に移動させられることになる。

【００２０】ここで、被振動板１ａは、その形状・寸法
により独自の複数の振動モードを有している。従って、
これらの各種振動モードの中から進行波となり得るもの
を選択し、その振動モードの固有振動数ｆで励振させな
ければならない。図５に示すように、平板には各種の固
有振動数ｆ１，ｆ２，……ｆ６に応じた振動モードが存
在しているが、本実施例においては被振動板１ａを固有
振動数ｆ４で示す振動モードで励振させることとし、ケ
ース１における被振動板１ａとベース板１ｂとの接続部
１ｃの位置を、図に鎖線で示す節線１３上にくるように
配置して振動モードの屈曲振動が乱れないようにしてい
る。

【００２１】上記構成により、ドライバー１１を作動し
て、２組の圧電素子のうち、例えば、Ｙ軸方向に相対す
る圧電素子２ｂ，２ｂの電源をＯＦＦにし、Ｘ軸方向に
相対する圧電素子２ａ，２ａに交流電圧を印加すると、
電源をＯＦＦにした圧電素子２ｂ，２ｂは振動せず縮め
られた状態になり、一方、交流電圧を印加した圧電素子
２ａ，２ａにその電圧に見合った振動が発生する。この
場合、交流電圧を印加した圧電素子２ａ，２ａに、被振
動板１ａを押し付けるようにバイアスとして直流成分を
印加する。被振動板１ａには交流成分の振動により図５
の固有振動数ｆ４で示す振動モードに従う振動を発生す
る。そして、前記交流電圧を位相のずれを予め設定して
印加することにより、被振動板１ａに楕円振動を発生さ
せ進行波となる表面波を発生する。この表面波の発生に
より、被振動板１ａに接触している被移動体４は、接触
面における摩擦力を介してＸ軸方向へ平滑部材５の平滑
面５ａ上を移動させられる。この場合、電源をＯＦＦに
した圧電素子２ｂ，２ｂは振動せず縮められた状態にな
っているため、表面波の進行は一切妨げられず、そのエ
ネルギーをロスすることなく伝搬させることができる。 従って、ドライバー１１により高精度で制御可能な電圧
制御を行うことにより、被移動体４を高い精度で移動さ
せることが可能になる。また、被振動板１ａと被移動体
４との接触面における摩擦力は、被移動体４を下ベース
６に固定されている平滑部材５上に、振動子３を介して
上ベース８により押圧している押圧力により生じ、その
値はボルト１０による押圧力の調整により適宜に設定可
能であるが、この摩擦力は、常に被移動体４の停止トル
クとして作用しているため、該摩擦力より大きい外乱で
ない限り停止精度が確保される利点を有しており、しか
も該停止精度の確保には電力を要しない利点がある。

【００２２】一方、Ｙ軸方向への移動は、圧電素子２ａ
，２ａ側の電源をＯＦＦにし、圧電素子２ｂ，２ｂ側に
交流電圧を印加して上記と同様に行えばよい。これは、
ドライバー１１を切り替えることにより容易に可能であ
る。従って、上記Ｘ軸方向の移動およびＹ軸方向の移動
を、小形の装置で精度よく行うことが可能になり、そし
て、両方向のリニア駆動とも、ドライバー１１により前
記進行波を連続的に供給することで長ストロークの送り
が可能になる。また、この場合、被振動板１ａが長方形
のため、その屈曲振動モードおよび進行波となる表面波
の固有振動数ｆは、ドライバー１１にてＸ軸移動の場合
と異なる値に設定されるから、その異なる分だけ移動速
度が上記と差を生ずることになる。

【００２３】つぎに、図２に示すように、上ベース８に
被移動体４の移動を外部に伝達するためのＸ軸方向の開
口８ａおよびＹ軸方向の開口８ｂを設け、該開口８ａ，
８ｂに被移動体４のＸ軸方向の端面４ａおよびＹ軸方向
の端面４ｂをそれぞれ位置させると、図示していないが
、該端面４ａ，４ｂにブロックを介してハンドを容易に
取り付けることができる。このため、ハンドにより把持
するワークの位置を、所定の基準点から計測して検出す
るＴＶカメラ等の位置検出機能を付加するだけで、Ｘ軸
およびＹ軸の２自由度の位置決めを、高精度で、しかも
自動化可能なシステムとして容易に実現することが可能
になる。

【００２４】なお、図示していないが、被移動体４の移
動を外部に伝達するための開口を、下ベース６側の例え
ば中央部に設け、被移動体４の下面に取付けたハンド装
着用のブロックを該開口から突出させ、該ブロックの先
端部にハンドを取り付ける構成にした２自由度位置決め
システムも可能であり、さらに、上ベース８および下ベ
ース６の両方に開口を設け、それぞれにハンドを取り付
ける構成にした位置決めシステムにすることも可能であ
る。

【００２５】なお、ドライバー１１は、直交する２組の
圧電素子２ａ，２ａ，２ｂ，２ｂを同時に励振させるこ
とも可能である。ただしこの場合には、振動モードはＸ
およびＹの両軸に対する複合した波動の屈曲振動モード
になり、進行波となる固有振動数ｆの表面波をＸおよび
Ｙの両軸間に発生させることになる。従って、Ｘ軸また
はＹ軸のいずれか１軸方向への移動に比べて表面波の進
行エネルギーをロスし、その分だけ移動効率は低下する
が、印加する交流電圧および位相のずれを適宜設定する
ことにより、被移動体４の移動方向をＸ軸およびＹ軸の
２自由度のみに限定されることなく、Ｘ，Ｙ両軸間の任
意の方向に選定することが可能になる。

【００２６】上記実施例は、圧電素子２を使用する場合
について説明したが、圧電素子２に代えて磁歪素子を使
用してもほぼ同様の作用・効果を奏することが可能であ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、被移動体
のＸ軸およびＹ軸の２自由度のリニア駆動を、小形かつ
軽量の装置で精度よく行うことができ、しかも長ストロ
ーク駆動を可能にすることができる効果を奏するほか、
各自由度に対する停止精度の確保、２自由度位置決めシ
ステムの構築等を容易に行うことが可能等の効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の圧電素子を使用した超音波
アクチュエータの全体側断面図である。

【図２】図１の１部を破断した全体斜視図である。

【図３】図１における振動子の斜視図である。

【図４】図３の振動子とドライバーとの接続状態を示す
図である。

【図５】平板の各種振動モードを示す図である。

【図６】表面波による物体（平板）の移動原理説明図で
ある。

【図７】図１における被移動体の移動原理説明図である
。

【符号の説明】

１…ケース、１ａ…被振動板、１ｂ…ベース板、１ｃ…
接続部、２，２ａ，２ｂ…圧電素子、３…振動子、４…
被移動体、５…平滑部材、５ａ…平滑面、６…下ベース
、８…上ベース、８ａ，８ｂ…開口、１０…ボルト、１
１…ドライバー、１２…ケーブル。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心部を接続された長方形の相対する被振
   動板とベース板とからなるケースと、前記被振動板とベ
   ース板との間に、一端側を該ベース板に接着し、他端側
   を前記被振動板と当接状態にしてＸ軸およびＹ軸方向に
   それぞれ対向させて配置した２組の変位発生体と、該２
   組の変位発生体と前記ケースとにより構成され、前記被
   振動板のＸ軸およびＹ軸方向に進行波となる所定の固有
   振動数の表面波を発生する振動子と、片面が前記被振動
   板と接触し、他の片面が平滑面を有する平滑部材に支持
   されて該平滑面上をＸおよびＹの各軸方向に移動可能な
   板状の被移動体と、前記平滑部材を固定する下ベースと
   、前記振動子を前記ベース板を介して固設するとともに
   、前記被振動板を介して前記被移動体を平滑部材上に所
   定の押圧力で押圧可能な上ベースと、前記振動子に前記
   所定の固有振動数の表面波を発生させ該表面波により前
   記被移動体を移動させるドライバーとを備えたことを特
   徴とする超音波アクチュエータ。
2. 【請求項２】前記振動子を構成する変位発生体が、圧電
   素子である請求項１記載の超音波アクチュエータ。
3. 【請求項３】前記上ベースと下ベースとのいずれか、ま
   たは両方に、前記被移動体のＸおよびＹの各軸方向の移
   動を該上下ベースの外部に伝達可能な開口を設けてなる
   請求項１記載の超音波アクチュエータ。
4. 【請求項４】前記ドライバーが、前記振動子のうち、Ｘ
   軸またはＹ軸のいずれか一方の対向する変位発生体の電
   源をＯＦＦにし、他方の変位発生体に位相のずれを予め
   設定した交流電圧を印加するとともに、バイアスとして
   直流成分を印加し、前記被振動板を所望の屈曲振動モー
   ドとなる固有振動数にて励振可能に構成されてなる請求
   項１記載の超音波アクチュエータ。
5. 【請求項５】前記ドライバーが、前記振動子に発生させ
   る表面波を、Ｘ軸およびＹ軸の２方向に切り替えて発生
   可能である請求項１または４記載の超音波アクチュエー
   タ。
6. 【請求項６】前記ドライバーが、ＸおよびＹの各軸方向
   の進行波となる所定の固有振動数の表面波を、前記被振
   動板の形状・寸法に応じて設定可能である請求項１，４
   または５記載の超音波アクチュエータ。