JPH05168257A

JPH05168257A - 超音波振動子を用いてアクチュエータを作動させる方法および装置

Info

Publication number: JPH05168257A
Application number: JP3334908A
Authority: JP
Inventors: Junzo Ono; 順造小野
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 1993-07-02

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、交番電流の周期数が直接にラック
の進行数、または回転機の回転数に置き換えられる構造
とし、単純な機構の計測または制御の装置を提供するこ
とである。【構成】図１において１ａと１ｂと１ｃと１ｄとは同
一の超音波振動子であり、２ａと２ｂと２ｃと２ｄと２
ｅとは同一のラックの歯である。まず、振動子１ａがラ
ックの歯２ａに接している。振動子１ａが伸長してラッ
クの歯２ａを押し、ラックの歯２ａは左方に進行する。
振動子１ａが伸びきった状態を１ｂに、そのときの歯の
状態を２ｂに示す。振動子１ｂは収縮し１ｃとなり、そ
のときのラックの歯の位置を２ｃに示す。さらに振動子
１ｃは収縮しきって１ｄとなる。このときのラックの歯
の位置を２ｄに示す。このサイクルを連続して行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波振動子を用いて
アクチュエータを作動させる方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアクチュエータ装置の線運動はラ
ックにピニオンを噛み合わせて行なっていた。または、
前後運動するカムに爪を取り付けてラックを線運動させ
ていた。従来の回転運動は、普通は電動機を用いるのが
通常であるが、近年、円環状に超音波振動子を並設し
て、その上に円盤を乗せて摺動回転させる超音波モータ
も実現されている。

【０００３】さらに近年、特開昭６３−１０３６７３号
公報「圧電素子モータ」、特開昭６３−１８１６８１号
公報「圧電素子モータ」等が開発されている。前者は、
第１歯車の底面に圧電素子を密着させ、その振動を歯車
底面に伝達させる。この第１歯車と第２歯車の間にスプ
リング力を働かせることにより、第２の歯車に回転力を
与えようとするものである。しかし、この方法は、一方
向回転のみ可能であり、逆回転には、歯車のテーパを逆
に切った逆回転用のモータが必要である。後者は、円環
外歯車の内側に圧電素子を密着させて、円環外歯車の歪
みを円環内歯車に伝達させて回転させるものである。こ
の方法は、円環外歯車の歪み耐久性に問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法または装置
は、歯の進行数をセンサで読み距離または回転数を制御
していた。また、ステッピングモータのステップ数を読
んで回転数制御、またはラックの進行距離の制御を行な
っていた。これらは、計測または制御を行なう際に、多
くの装置を介して行なわれるために装置の構造を複雑に
していた。

【０００５】本発明が解決しようとする課題は、本発明
による方法と装置により、交番電流の周期数が直接にラ
ックの進行数、または回転機の回転数に置き換えられる
構造とし、単純な機構の計測または制御の装置を提供す
ることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、本発明は、まず、超音波振動子の伸縮機
械運動を直接にラックに伝達させて、そのラックを直接
に線運動させることとした超音波振動子を用いてアクチ
ュエータを作動させる方法である。

【０００７】次に、超音波振動子の伸縮機械運動を直接
に歯車に伝達させて、その歯車を直接に回転運動させる
こととした超音波振動子を用いてアクチュエータを作動
させる方法である。

【０００８】次に、前記ラックを前進後退させることと
した前記記載の超音波振動子を用いてアクチュエータを
作動させる方法である。

【０００９】次に、前記歯車を正転逆転させることとし
た前記記載の超音波振動子を用いてアクチュエータを作
動させる方法である。

【００１０】次に、前記超音波振動子を４個を１組と
し、位相を１／２πずつずらした交番電流で、１組以上
の超音波振動子を制御することとした前記記載の超音波
振動子を用いてアクチュエータを作動させる方法であ
る。

【００１１】次に、前記超音波振動子を２個を１組と
し、位相をπずつずらした交番電流で、１組以上の超音
波振動子を制御することとした前記記載の超音波振動子
を用いてアクチュエータを作動させる方法である。

【００１２】また、超音波振動子の伸縮機械運動を直接
にラックに伝達させて、そのラックを直接に線運動させ
ることとした超音波振動子を用いてアクチュエータを作
動させる装置である。

【００１３】また、超音波振動子の伸縮機械運動を直接
に歯車に伝達させて、その歯車を直接に回転運動させる
こととした超音波振動子を用いてアクチュエータを作動
させる装置である。

【００１４】また、前記ラックを前進後退させることと
した前記記載の超音波振動子を用いてアクチュエータを
作動させる装置である。

【００１５】また、前記歯車を正転逆転させることとし
た前記記載の超音波振動子を用いてアクチュエータを作
動させる装置である。

【００１６】また、前記超音波振動子を４個を１組と
し、位相を１／２πずつずらした交番電流で、１組以上
の超音波振動子を制御することとした前記記載の超音波
振動子を用いてアクチュエータを作動させる装置であ
る。

【００１７】また、前記超音波振動子を２個を１組と
し、位相をπずつずらした交番電流で、１組以上の超音
波振動子を制御することとした前記記載の超音波振動子
を用いてアクチュエータを作動させる装置である。

【００１８】また、前記超音波振動子の先端に耐磨耗性
材料を固着したこととした前記記載の超音波振動子を用
いてアクチュエータを作動させる装置である。

【００１９】

【作用】本発明の作用を次に説明する。本発明は、超音
波振動子の伸縮運動を直接に線運動または直接に回転運
動に力伝達させるものである。

【００２０】磁歪振動子の固有振動数は、次の（１）式
で与えられる。

【００２１】

【数１】

【００２２】また、圧電振動子の固有振動数は、次の
（３）式で与えられる。

【００２３】

【数２】

【００２４】この様に、磁歪振動子も圧電振動子も固有
振動数を持つ。この固有振動数に対応する周波数電流を
外部から印加することにより、振動子は共振し伸縮運動
をする。これらの振動子の共振周波数は、一般に２０ｋ
Ｈｚ以上であるため、通常超音波振動子という。この振
動子の伸縮運動を直接にラックまたは歯車の歯に伝達さ
せることにより、振動子の振動数に比例して歯数を動か
すことができる。

【００２５】近年、圧電材料と磁歪材料の歪率が大きく
なり、１０^-3程度のものが実現しており、十分にアクチ
ュエータとして使用可能となった。本発明はこのことに
起因してなされたものである。

【００２６】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。本発明の
基本的実施図を図１に示す。図１において１ａと１ｂと
１ｃと１ｄとは同一の超音波振動子であり、２ａと２ｂ
と２ｃと２ｄと２ｅとは同一のラックの歯である。ま
ず、振動子１ａがラックの歯２ａに接している。振動子
１ａが伸長してラックの歯２ａを押し、ラックの歯２ａ
は左方に進行する。振動子１ａが伸びきった状態を１ｂ
に、そのときの歯の状態を２ｂに示す。振動子１ｂは収
縮し１ｃとなり、そのときのラックの歯の位置を２ｃに
示す。さらに振動子１ｃは収縮しきって１ｄとなる。こ
のときのラックの歯の位置を２ｄに示す。このサイクル
を連続して行なう。このとき、１サイクルでラックの歯
は歯幅の１／４だけ進行する。そのため、歯を連続して
進行させるためには、最低４個１組の超音波振動子を必
要とし、超音波振動子に印加する周波数をそれぞれの超
音波振動子に対して１／２πずつずらしながら供給する
ことが必要である。

【００２７】なお、本装置では、歯の角度を６０°とし
たが、このとき、振動子の先端は３０°の角度を持ち、
歯に接する角度は歯丈をなす線に対して３０°をなすこ
ととした。というのは、振動子１ｂとラックの歯２ｂに
示すように、１ｂが伸びきって１ｃの状態に移行すると
きに、他の振動子がラックの歯を押すときに、振動子１
ｂはラックの歯の進行を妨げないように切り欠きを必要
とするからである。また、このとき、超音波振動子のラ
ックの歯への噛み込み深さは、全歯丈の１／２とする。
このようにすることにより、振動子の先端が歯に接触し
て伸長している状態で、次の歯が進行してくることを妨
げずに次の収縮過程に進行する作動に最適となるからで
ある。この原理を利用することにより、歯の角度を９０
°または１２０°等に設計することができる。

【００２８】図２に、本発明の装置が磁歪振動子の場合
の原理的基本構成を示す。１ｅと１ｆは超音波振動子、
２はラック、３は超音波振動子用ライナー、４はコイ
ル、５は超音波振動子固定用台座である。ここで、１ｅ
の振動子を作動させると左方に進行し、１ｆの振動子を
作動させると右方に進行する。一つの方向の超音波振動
子を４個１組でそれぞれの超音波振動子に１／２πずつ
ずらした交番電流を供給することにより、ラック２は連
続して進行する。他方も同様に構成することにより前進
後退が自在となる。このときの装置の基本構成を図３に
示す。また、４の各コイル４ｅ_iと４ｆ_i（_iは１と２
と３と４をそれぞれ示す）に供給する電流の位相を図４
に示す。

【００２９】磁歪振動子を例にしてこのときの基本回路
の構成したものを図５に示す。コイル４に対する周波数
発振器６のスイッチ９を振動子１ｅと１ｆに対して、Ｏ
Ｎ−ＯＦＦ連動スイッチとすることにより、前進後退運
動を自在とすることができる。

【００３０】次に、超音波振動子の伸縮運動を回転運動
に変換する方法と装置を説明する。基本的な考え方は、
前記したラック２を作動させる場合と同様である。図６
にその原理的基本構成図を示す。図６において、１ｅと
１ｆは超音波振動子、３は振動子ライナー、４はコイ
ル、５は振動子固定用台座、７は歯車、８は歯車カバー
である。

【００３１】ここで、振動子１ｅを伸縮作動させること
により歯車７は左方に回転し、振動子１ｆを伸縮作動さ
せることにより歯車７は右方に回転する。このときも、
ラック２の場合と同様に歯車７は、歯幅の１／４だけ回
転するので、最低４個１組の超音波振動子を必要とし、
超音波振動子に印加する電流の位相をそれぞれの振動子
に対して、図４に示すように１／２πずつずらして供給
することが必要である。また、振動子１ｅ_iと１ｆ_i（
_iは１と２と３と４をそれぞれ示す）に対する電源スイ
ッチを図５に示すようにすることで、正転逆転を自在に
行なうことができる。このときの、基本構成を図７に示
す。

【００３２】次に、超音波振動子のコイルに供給する電
流の位相をπだけずらしてラックと歯車を制御する方法
と装置を説明する。このとき、ラックまたは歯車の歯に
全歯丈分に超音波振動子の伸長長さが入るようにする。
すなわち、例えば、歯角が６０°のときに、超音波振動
子の先端を３０°に切り欠き、ラックまたは歯車の歯の
頂点から歯元に直角に噛み合わせることにより１／２歯
分だけ歯を動かすことができる。

【００３３】この基本説明を図８に示す。図８におい
て、１ａと１ｂと１ｃと１ｄは、同一の超音波振動子で
ある。また、２ａと２ｂと２ｃと２ｄと２ｅは同一の歯
である。いま、超音波振動子１ａが歯２ａに接してお
り、全歯丈分伸長して１ｂとなる。このとき、歯２ａは
１／２歯分進行して２ｂとなる。その後、超音波振動子
は収縮して１ｃ、１ｄとなる。この超音波振動子の運動
により、超音波振動子に供給する電流の位相を１周期与
えることにより１／２歯運動させることができることが
わかる。このことから、超音波振動子を２個１組とし
て、供給する交番電流の位相をπずつずらすことによ
り、超音波振動子の伸縮運動でアクチュエータを作動さ
せることができる。

【００３４】つまり、図９に示す基本構成にして、２個
１組で超音波振動子を作動させ、図５に示した切替えス
イッチを設けることにより、前進後退運動が可能とな
る。図９において、１ｇ₁と１ｇ₂と１ｈ₁と１ｈ₂は
超音波振動子、２はラック、３ｇと３ｈは超音波振動子
用柱、４ｇ₁と４ｇ₂と４ｈ₁と４ｈ₂はコイル、５ｇ
₁と５ｇ₂と５ｈ₁と５ｈ₂は超音波振動子用固定台
座、３ｇと３ｈは超音波振動子用柱、４ｇ₁と４ｇ₂と
４ｈ₁と４ｈ₂はコイル、５ｇ₁と５ｇ₂と５ｈ₁と５
ｈ₂は超音波振動子用固定台座である。

【００３５】また、図１０に示すような基本構成にし、
２個１組で超音波振動子を作動させ、図５に示した切替
えスイッチを設けることにより、歯車７を正転逆転させ
ることができる。この図９と図１０のときの、供給する
電流の位相の状態を図１１に示す。

【００３６】なお、本方法による装置は、超音波振動子
の先端が磨耗し易いことが考えられるため、先端に耐磨
耗性材料を固着することで、磨耗による歯と超音波振動
子の噛み合わせ不良を防止することができる。本発明の
実施例は、磁歪素子にて説明を行なったが、圧電素子に
おいても、同様の制御動作を行なわせることができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明の方法による装置は、超音波振動
子の伸縮運動を直接ラックまたは歯車の歯に伝達させ
て、ラックまたは歯車を直接運動させるので、印加する
交番電流の周期数を直接に進行距離または歯車の回転数
として置き換えることができる。そのため、単純な構成
の装置で、制御装置および計測装置として使用すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的実施図を示す。

【図２】本発明の装置が磁歪振動子の場合の原理的基本
構成を示す。

【図３】ラックを１／２πずつ位相をずらした電流で動
作させる場合の基本構成図である。

【図４】１／２πずつ位相をずらした電流の状態を示し
た図である。

【図５】磁歪振動子を例にした基本回路の構成を現した
ものである。

【図６】超音波振動子の伸縮運動を回転運動に変換する
方法と装置を説明した原理的基本構成図である。

【図７】歯車を１／２πずつ位相をずらした電流で動作
させる場合の基本構成図である。

【図８】超音波振動子のコイルに供給する電流の位相を
πだけずらしてラックと歯車を制御する方法と装置を説
明した図である。

【図９】電流の位相をπだけずらしてラックを制御する
方法と装置の基本構成図である。

【図１０】電流の位相をπだけずらして歯車を制御する
方法と装置の基本構成図である。

【図１１】πずつ位相をずらした電流の状態を示した図
である。

【符号の説明】

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ₁、１
ｇ₂、１ｈ₁、１ｈ₂ 超音波振動子２ラック２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ歯３超音波振動子用ライナー３ｇ、３ｈ超音波振動子用柱４、４ｅ_i、４ｆ_i、４ｇ₁、４ｇ₂、４ｈ₁、４ｈ₂
コイル５、５ｇ₁、５ｇ₂、５ｈ₁、５ｈ₂ 超音波振動子用
固定台座６周波数発振器７歯車８歯車カバー９連動スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波振動子の伸縮機械運動を直接にラ
ックに伝達させて、そのラックを直接に線運動させるこ
とを特徴とする超音波振動子を用いてアクチュエータを
作動させる方法。
【請求項２】超音波振動子の伸縮機械運動を直接に歯
車に伝達させて、その歯車を直接に回転運動させること
を特徴とする超音波振動子を用いてアクチュエータを作
動させる方法。
【請求項３】ラックを前進後退させることを特徴とす
る請求項１記載の超音波振動子を用いてアクチュエータ
を作動させる方法。
【請求項４】歯車を正転逆転させることを特徴とする
請求項２記載の超音波振動子を用いてアクチュエータを
作動させる方法。
【請求項５】超音波振動子を４個を１組とし、位相を
１／２πずつずらした交番電流で、１組以上の超音波振
動子を制御することを特徴とする請求項１、請求項２、
請求項３または請求項４記載の超音波振動子を用いてア
クチュエータを作動させる方法。
【請求項６】超音波振動子を２個を１組とし、位相を
πずつずらした交番電流で、１組以上の超音波振動子を
制御することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項
３または請求項４記載の超音波振動子を用いてアクチュ
エータを作動させる方法。
【請求項７】超音波振動子の伸縮機械運動を直接にラ
ックに伝達させて、そのラックを直接に線運動させるこ
とを特徴とする超音波振動子を用いてアクチュエータを
作動させる装置。
【請求項８】超音波振動子の伸縮機械運動を直接に歯
車に伝達させて、その歯車を直接に回転運動させること
を特徴とする超音波振動子を用いてアクチュエータを作
動させる装置。
【請求項９】ラックを前進後退させることを特徴とす
る請求項７記載の超音波振動子を用いてアクチュエータ
を作動させる装置。
【請求項１０】歯車を正転逆転させることを特徴とす
る請求項８記載の超音波振動子を用いてアクチュエータ
を作動させる装置。
【請求項１１】超音波振動子を４個を１組とし、位相
を１／２πずつずらした交番電流で、１組以上の超音波
振動子を制御することを特徴とする請求項７、請求項
８、請求項９または請求項１０記載の超音波振動子を用
いてアクチュエータを作動させる装置。
【請求項１２】超音波振動子を２個を１組とし、位相
をπずつずらした交番電流で、１組以上の超音波振動子
を制御することを特徴とする請求項７、請求項８、請求
項９または請求項１０記載の超音波振動子を用いてアク
チュエータを作動させる装置。
【請求項１３】超音波振動子の先端に耐磨耗性材料を
固着したことを特徴とする請求項７、請求項８、請求項
９、請求項１０、請求項１１または請求項１２記載の超
音波振動子を用いてアクチュエータを作動させる装置。