JPH0667231B2 - 一方向駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超音波モータ（振動波モータ）などに応用
可能な定在波によって駆動される一方向駆動装置に関す
る。

〔従来の技術〕

電歪素子や圧電素子に交番電圧を印加することにより発
生する超音波振動を、回転運動や直線運動に変換可能で
あることは知られており、こうして得られる運動を駆動
力として利用した超音波モータが各種提案されている。

この超音波モータは巻線コイルを必要としないため、こ
れまでの電磁モータに比べて、構造が簡単で小型化でき
る上に、低速回転時にも高トルクが得られるという利点
があり、近年注目されている。

この種の超音波モータの代表としては以下のものがあ
る。

（１） 棒状の振動体を振動させ、長さ方向に移動する
進行波を利用したモータ。

（２） リング状の振動体に時間的・空間的に位相が異
なる２種類の定在波を発生させ、これらの定在波を合成
して進行波としたモータ。

（３） 縦振動とねじり振動、あるいは縦振動と振動片
の横振動とを合成したモータ。

〔発明が解決しようとする問題点〕

（１）のモータは、棒状の振動体の端部に吸収体を設
け、端部での進行波の反射を打ち消すか、エネルギの帰
還系を設けなければならない。ところが、振動体の端部
に吸収体を設けても、吸収体に吸収された振動が熱に変
わり、効率を上げることができない。また、エネルギの
帰還系を設けると構造が複雑になってしまう。

（２）のモータは、２種類の定在波を重ね合せるなど特
別の配慮が必要で、構成が複雑で効率良く制御すること
が難しい。

（３）のモータも２種類の振動を合成しなければなら
ず、構成が複雑で効率が悪かった。

〔発明の目的〕

この発明は、従来行なわれてきた進行波を使用した方法
や振動合成法とは異なった原理に基づき、振動体に与え
られた定在波を効率良く一方向運動に変換できる一方向
駆動装置を得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

これまでの進行波モータの考えによれば、定在波は互い
に逆方向に進む波の重ね合わされたものであるため、両
方の波の強さが等しければ、物体を特定の方向に移動さ
せることはできない。

しかし実験の結果、定在波は部分的に方向の異なる運動
能力を持っており、その特定の方向の運動能力だけを選
択すれば、物体を特定の方向に移動させることが可能で
あることが分かった。

即ち、弾性体などの振動体に屈曲定在波が励振されてい
る時、その腹部は振動体に対して直角な方向に振動し、
節部は振動体に対して平行な方向に振動するが、腹部、
節部を境として互いに逆向きの運動力が、また振動体の
一方の面内の任意の点と、その裏側の点とは同一方向の
運動能力が存在することが実験的に導き出される。

そこでこの発明は、振動端を有し、振動源により励振さ
れる振動体に発生する定在波の節と腹との間に、定在波
の腹から筋方向への運動成分を選び出す凸部などの抽出
体を設け、この抽出体によって定在波の特定方向の運動
成分を取り出し、抽出体に接触する接触体と振動体とを
特定の方向に相対的に駆動させるようにしたものであ
る。

〔発明の原理〕

前述のように定在波は部分的に方向の異なる運動能力を
持ち、その特定の方法の運動能力だけを選択すれば、物
体を回転あるいは移動できることを発明者は知り得た
が、その裏付けとなる実験について説明する。

第１図のように板状の弾性体（厚さ15mm、幅10mm、長さ
250mmの真鍮棒）１をランジュバンの振動子などの振動
源２により振動（例えば励振周波数43.2KHz）させて、
弾性体１に屈曲定在波を生じさせると共に、弾性体１に
ローラ３を押し当て、その回転方向と位置の関係を調べ
た。

その結果、第２図（Ａ）（Ｂ）のようにＡ〜Ｈ、Ａ′〜
Ｈ′の位置で、回転方向が交互に変わることが分かっ
た。

一方、屈曲波の波長λを λ^２＝４π^２（Ｅ／12ρ）^１／２・ｂ／ω の式から計算してみる。尚、Ｅはヤングの弾性率、ρは
棒の密度、ｂは棒の厚さ、ωは角周波数である。従っ
て、 （Ｅ／ρ）^１／２＝3480×10³ （棒の縦振動の速度） ｂ＝５ ω＝２π×4.32×10⁴ により、 λ＝26.9〔mm〕 となる。

この値と第１図とを比較すると、弾性体１の中央部では
ピッチがほぼ13mmとなっていて、λ／２に近いことが分
かる。

このことからローラ３の回転方向の変わる位置は、定在
波の節あるいは腹であると考えられ、次のように言うこ
とができる。

ローラ３の回転方向は弾性体１の表と裏とでは反対であ
り、節から腹のλ／４の領域で回転は同一方向であり、
隣合う領域では回転方向が互いに逆になる。

ここで、上記のことについて定性的な考察を行う。

厚さ2e（ｅは板の厚さの１／２）の板に振動が厚み方向
の進行波 Uy＝Ａ・sin（ωｔ−kx） （ｋ＝２π／λ） として存在すると、波は進行方向成分 Ux＝−ｅ・Uy′＝ｅ・Ａ・ｋ・cos（ωｔ−kx） を伴い、進行波の各部は楕円運動する。

今、板に定在波が励振されているとして、厚み方向の振
動を Uy＝Asinωｔ・sinkx … とすると、進行波の場合と同様に式はＸ方向成分の振
動を伴い、 Ux＝−ｅ・Uy′＝−ｅ・Ａ・ｋ・sinωｔ・coskx … となる。

，式によると、板の定在波は弦（ｅ＝０）の定在波
と異なり、Uy＝０の節は −ｅ・Ａ・ｋ・sinωｔ でＸ方向に振動していることが分かる。また、 Uy／Ux＝−（１／ek）tankx … から、板の各部は傾きが（−tankx）／（ek）の直線振
動を行っていることになる。（第３図） 以上の考察をもとに板の定在波の振動の模様を考える
と、第４図のようになる。

第４図と前記の実験とを比較すると、ローラ３の回転方
向と振動方向とが対応していることが分かる。

尚、以上の結果を仮定して環状の弾性体に進行波を励振
する場合を考え、上述の結果を検討してみる。環状の弾
性体に進行波を励振する場合は、空間的位置がλ／４ず
れた場所から位相がπ／２ずれた正弦波の定在波を合成
する。

sin（ωｔ−θ） ＝sinωｔ・cosθ−conωｔ・sinθ ＝sinωｔ・cosθ＋sin（ωｔ＋π／12） ・cos（θ＋π／２） 波長がλ／４ずれた定在波を重ね合わせると言うこと
は、第３図において右半分を左半分に重ね合わせること
であり、節Ｎと腹Ｌには全く同種の縦振動、横振動が重
ね合わされる。しかし、その点では必ずしも直交しない
２つの振動が重ね合わされることになる。

２つの振動は時間的に位相がπ／２ずれるから、節Ｎと
腹Ｌとは位相がπだけ異なった同じ楕円運動をすること
がわかるが、その他の点も次に示すように同じ楕円運動
をしていることが分かる。

任意の点のＸ成分； −ｅ・Ａ・ｋ・sinωｔ・coskx −ｅ・Ａ・ｋ・sin（ωｔ＋π／２）・cos（kx＋π／
２） ＝−ｅ・Ａ・ｋ・sin（ωｔ−kx） 任意の点のＹ成分； Asinωｔ・sinkx＋Asin（ωｔ＋π／２）・sin （kx＋π／２） ＝Acos（ωｔ＋kx） 即ち、屈曲定在波として，式を仮定しても、２種類
の定在波による進行波の合成が説明され、，式は実
際の振動に近いと考えられる。

これまでの超音波モータは進行波型であれ、振動合成型
であれ、可動体との接点が楕円運動するように工夫され
てきたが、ここで述べている定在波型のモータでは、振
動は第３図のような直線振動によって可動体を駆動して
いるものと考えられる。

第３図のような直線振動によっても可動体を駆動できる
理由としては、超音波振動の加速度が極めて大きいため
に、可動体が振動に完全には追従できないことが考えら
れるが、これは超音波振動による摩擦の減少という現象
においても現れるものである。

以上のことから、定在波は部分的に回転方向の異なる運
動能力を持っており、その特定の方向だけを選択すれ
ば、物体を特定の方向に移動させることが可能である。

〔第１の実施例〕 この実施例の一方向駆動装置は、第５図及び第６図に示
すように端部を有する振動体（たとえば棒状弾性体）20
と、この振動体20の一端に設けられ、振動体20に一定波
長λの定在波を起こす振動源21と、接触体（例えばスラ
イダ）24とを備えたリニア型の超音波モータである。

振動体20は真鍮やアルミニウムなどの例えば金属性で、
振動部が１／２波長の整数倍の長さ（振動体24の両端は
ここに発生する定在波のλ／４で終端するように振動体
の長さを設定してある）を有し、第６図のように定在波
の節と腹との間（１／４波長間）の位置に、１／４波長
の奇数倍又は偶数倍毎の領域、例えば１／２波長毎に抽
出体（例えば突起などの凸部）23が設けられている。
尚、抽出体23の幅は定在波の１／４波長以下である。

各抽出体23はλ／２毎に１つ設けられ、１波長λを４等
分して区切った単位λ／４区間の偶数番目区間a2,a4に
設けられている。

接触体24はアクリルなどの合成樹脂や金属板などにより
形成され、抽出体23に加圧接触している。

従って、振動体20に定在波を発生させると各抽出体23は
第６図において正側では右上方向に振動する。従って、
抽出体23に接触体24を圧接させると接触体24は図におい
て右方向へ移動する。

以上のことから明らかなように、振動体20を固定し、抽
出体23を各種機器の駆動系の従動側に接続したり、ある
いは従動側要素の一部を接触体とすることで、従動側要
素をリニア駆動させることができる。

以上説明した実施例によれば、振動体20に発生する屈曲
定在波の節と腹との間（１／４波長間）の位置に、１／
４波長の奇数倍又は偶数倍毎の領域に抽出体23を設けた
ので、１／４波長毎に逆向きに生じる運動成分の内、屈
曲安定波の特定方向の運動成分を選び取ることができ、
接触体24を一方向に移動させることができる。従って、
構造が簡単な定在波によるリニア型の振動波モータを実
現できる。

また、振動体20の端部で振動波を反射させ振動体20に定
在波を発生させると共に、定在波の節と腹との間に定在
波の腹から節方向への運動成分を選び出す抽出体23を位
置させたので、振動波のエネルギ帰還系を振動体20の端
部に設ける必要がなく、定在波により振動体24を簡単な
構成で効率的に駆動できる。

〔第２の実施例〕 第７図は振動源として圧電素子25を用いたもので、振動
体20と圧電素子25の間に高周波電源26から特定周波数を
もつ交番電圧を印加することで、振動体20に所定波長の
定在波を励振させるようにした構成のモータである。他
の構成要素は前記実施例と同様である。

〔第３図の実施例〕 第８図のモータは、抽出体27である突起を１波長λを４
等分した単位λ／４区間の奇数番目区間a1,a3に設けて
いる。

この場合、各抽出体27は振動体20に生起する定在波によ
って正側では図において左上方に振動するため、抽出体
27に接触する接触体24は図において左方向に移動する。

〔第４の実施例〕 第９図及び第10図の実施例は、第７図のリニアモータを
改変したものであり、ここでは振動体90の上下両面にλ
／２間隔で抽出体93を設けており、これら両面の抽出体
93からリニア駆動力を得るために、スライダである接触
体94を上下の接触部材94a,94bで構成している。図示の
接触体94は上下の接触部材94a,94bを側面で一体に連結
して中空矩形断面を有するように構成しているが、上下
の接触部材94a,94bを別体に形成してそれぞれを弾発的
に接続して振動体90を上下から押圧挟着するように構成
しても良い。

この実施例において、振動体90の一方の端部に添着させ
た圧電素子などの振動源91を高周波電源96によって励振
させると、振動体90に定在波が発生する。この定在波の
１波長λを４等分したλ／４区間のうち、奇数番目区間
a1,a3（あるいは偶数番目区間a2,a4）に抽出体93を設け
ているため、これらに接している接触体94は矢印方向に
走行する。

〔第５の実施例〕 第11図のリニアモータは非等速の２つの接触体124a,124
bを有したものである。このモータにはそれぞれが同位
相の位置で同間隔の第1,第２の抽出体123a,123bを備え
ているが、各列の抽出体の振動体120の長さ方向の幅が
異なっている。これによって、各抽出体123a,123bがそ
れぞれ接触体124a,124bの与える運動量が異なるため、
接触体124a,124bの走行速度が異なる。

また、第12図のように各抽出体133a,133bの幅が等しく
て同じλ／４区間に配置しながらも、第１の抽出体133a
は節Ｎに近い位置に設け、第２の抽出体133bは腹Ｌに近
い位置に設けることもできる。このモータではそれぞれ
の抽出体の水平方向の運動ベクトルが異なるため、第1,
第２の接触体134a,134bの走行速度が異なる。

尚、抽出体を２列だけ設けたが、異なった幅や位置の抽
出体を３列以上設けて、１つあるいは複数の接触体を３
速以上で駆動することも可能である。

〔変形例〕

以上、この発明の５つの実施例について説明したが、こ
の発明はこれら実施例に限定されるものではなく、例え
ば次のような変形が可能である。

（１） 前記実施例では抽出体に接する接触体が移動す
る例を示したが、接触体を固定して振動体を移動させて
も良い。即ち、振動体と接触体とは相対的に移動するよ
うになっていれば良い。

（２） 抽出体として凸部を示したが、波状の凹凸など
でも良い。

（３） 前記実施例の抽出体はいずれも振動体の表面に
一体に形成された突起であったが、第13図のように別体
の抽出体33を振動体30の表面に接触させて、接触体34と
振動体30との間に挟むようにしても良い。尚、35は抽出
体33をλ／２間隔で保持するリテーナである。従って、
振動体30に定在波を起こすことで、定在波の運動エネル
ギが抽出体33を介して接触体34に伝えられ、これによっ
て接触体34はリニア運動する。

（４） 第14図は抽出体としてローラ43を用いたもの
で、上記同様のリテーナ45によりλ／２間隔で保持され
ている。これも振動体40の定在波エネルギがローラ43を
介して接触体44に伝えられ、接触体44をリニア駆動でき
る。

（５） 前記各実施例では抽出体を偶数番目あるいは奇
数番目の１／４波長の区間に位置させて１／２波長間隔
で配置したが、偶数番目あるいは奇数番目の規則に合致
していれば、必ずしも１／２波長間隔毎に配置する必要
はなく、例えば第15図のように振動体263に設けられた
抽出体269の間隔Ｐを１波長λ毎に設定しても良い。ま
た、抽出体269は効率などの問題を別にすれば等間隔に
設けなくても良い。即ち、変則的な間隔にしても良い。

（６） 第16図のように振動体273の表面の抽出体279は
原則的に定在波の１／４波長区間のうち節Ｎと腹Ｌを含
まない部分に設けることが望ましいが、仮想線279′で
示すように多少は腹Ｌ（あるいは節Ｎ）にはみ出す形態
も許容する。勿論この場合は、腹Ｌないし節Ｎからのは
み出し分は損失となる。

（７） 第17図の抽出体289は一部が所定の１／４波長
区間からはみ出しているが、勿論、この構造はこの発明
の思想に包括される。つまり、抽出体289は振動体283と
の結合部分Ｃが実質的に１／４波長以下であれば良い。
この構造は、抽出体289に接触する接触体との接触面積
が大きくなって摩擦力が高まるので、有効な場合があ
る。

（８） 前記実施例では励振源としてランジュバンの振
動子や圧電セラミックを示したが、磁歪振動子などでも
良い。また、永久磁石や電磁磁石を利用して振動体を振
動させても良い。

（９） 前記実施例では一方向駆動装置として超音波モ
ータを示したが、自動焦点カメラの焦点調整や、テープ
レコーダやフロッピーディスク駆動装置など磁気記録媒
体を使うエレクトロニクス製品、産業用ロボットや工作
機械などの精密位置決め装置にも応用可能である。

また、一方向駆動装置としては必ずしも接触体を備えて
いなくても良く、紙やカード、移動させる必要のある物
などに抽出体を接触させて移動させるようにすることも
できる。

従ってこの場合には、紙やカードが接触体に相当する。
このため、紙送り装置やカード送り装置などにも応用で
きる。

〔発明の効果〕 この発明によれば、特定周波数の振動を発生する振動源
と、振動端を有し、前記振動源により励振される振動体
と、この振動体に発生する定在波の節と腹との間に前記
振動体と前記接触体とに接触して設けられ、前記振動体
に発生した定在波の腹から節方向への運動成分を選び出
して前記接触体に伝達する抽出体とを有し、前記接触体
を前記振動体に対して相対的に一方向に駆動する一方向
駆動装置において、前記抽出体は前記振動体に対して複
数列設けられ、前記接触体は前記複数列の抽出体に対し
て列毎に設けられていると共に、前記抽出体は列毎に任
意の位置に設けられ、振動体側基部の移動方向の幅が列
毎に任意に設定されているので、複数の接触体を一方向
に駆動することができると共に、接触体毎に移動速度や
駆動力を設定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明の原理を説明するための図
で、第１図及び第２図（Ａ）（Ｂ）が弾性体を定在波で
励振した場合のローラの回転方向と位置の関係の説明
図、第３図及び第４図が定在波の振動の模様を示す波形
図である。 第５図及び第６図はこの発明の第１の実施例を示す図で
ある。 第７図はこの発明の第２の実施例を示す図である。 第８図はこの発明の第３の実施例を示す図である。 第９図及び第10図はこの発明の第４の実施例を示す図で
ある。 第11図及び第12図はこの発明の第５の実施例を示す図で
ある。 第13図〜第17図はこの発明の変形例を示す図である。 20……振動体、21……振動源、23……抽出体、24……接
触体、90……振動体、91……振動源、93……抽出体、94
……接触体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】特定周波数の振動を発生する振動源と、振
   動端を有し、前記振動源により励振される振動体と、こ
   の振動体に発生する定在波の節と腹との間に前記振動体
   と前記接触体とに接触して設けられ、前記振動体に発生
   した定在波の腹から節方向への運動成分を選び出して前
   記接触体に伝達する抽出体とを有し、前記接触体を前記
   振動体に対して相対的に一方向に駆動する一方向駆動装
   置において、 前記抽出体は前記振動体に対して複数列設けられ、前記
   接触体は前記複数列の抽出体に対して列毎に設けられて
   いると共に、 前記抽出体は列毎に任意の位置に設けられ、振動体側基
   部の移動方向の幅が列毎に任意に設定されていることを
   特徴とする一方向駆動装置。