JPH0724954Y2 - 超音波リニアモータ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この考案は、電子機器や精密機械における駆動源として
好適な超音波リニアモータに関する。

［従来の技術］ 電子機器や精密機械においては、取付のためのスペース
が少なくてすみかつ厳密な位置決め精度が可能であるよ
うなアクチュエータが要求される。

そこで、本出願人は、製造工程において加工精度をあげ
る必要がなく、かつ構成部材の共振状態を利用した効率
の良い超音波リニアモータを先に提案した（特願昭63−
60714号）。

これは、例えば第５図及び第６図に示すように、互いに
平行な角柱状の脚部１、２の基端を角柱状の胴部３で連
結して振動体４を構成し、この振動体４の両角部に形成
された取付面５に、脚部１、２および胴部３に振動を付
与する振動付与手段（例えば圧電素子）６、７を配設す
る一方で、各脚部１、２の先端と対向する位置に案内ロ
ーラ８、９を配設して各々の回転軸8a、9aを支持枠10に
回転自在に支持させ、さらに支持枠10と振動体４の胴部
３上面の梁部材11とをバネ12で連結してなるものであ
る。

このように構成された超音波リニアモータを移動させる
には、バネ12によって互いに近接する方向に付勢される
各脚部１、２の先端と案内ローラ８、９との間に角柱状
のレール13を介在させて各脚部１、２の先端をレール走
行面13aと密着させ、この状態で振動付与手段６、７を
振動体４の共振周波数で振動させて各脚部１、２の先端
にレール13の長手方向に沿った同一周波数の楕円振動を
生じさせる。

すると、楕円振動の垂直成分（脚部１、２の長手方向の
成分）の変化に伴って各脚部１、２の先端とレール13の
走行面13aとの間の面圧が周期的に変動し、この変動に
伴って楕円振動の水平成分（レール13の長手方向の成
分）のうち各脚部１、２がより下方に変位するときの成
分がより強く各脚部12先端とレール13との間に作用し
て、振動体４がレール13に沿って一方向へ移動する。

［考案が解決しようとする課題］ しかしながら、上述した従来の超音波リニアモータは、
各脚部１、２の先端がレール走行面13aとその全面に渡
ってほぼ密着するのに対して、各案内ローラ８、９は脚
部１、２のほぼ中央付近においてレール裏面13bとレー
ル幅方向に線接触するのみであるため、特にレール13が
薄板状をなす場合や弾性率が小さい材料からなる場合に
は、脚部１、２の長手方向の伸縮に伴ってレール13が案
内ローラ８、９と接触する部分を境界として折れ曲がる
ように変形することがある。

このような場合、各脚部１、２の先端に生じる楕円振動
の垂直成分はレール13を変形させる力として費やされる
ので、レール走行面13aの間の面圧の変動は小さくな
り、この結果、各脚部１、２の先端に生じる楕円振動の
水平成分を、振動体４を一方向に移動させる駆動力とし
て有効に取り出すことができなくなって振動エネルギー
を駆動力に変換する効率が大幅に低下することとなる。

この考案は、このような背景の下になされたもので、薄
板状のレールや弾性率が小さい材料をレールとして用い
ても、振動エネルギーを効率良く駆動力に変換できる超
音波リニアモータを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために、この考案の超音波リニアモ
ータは、先端がレールの表面に当接する少なくとも２本
の弾性材料製の脚部の基端を、同じく弾性材料製の胴部
で連結して構成される振動体と、該振動体の胴部の軸線
方向両端部に胴部の軸線方向に対し傾斜させて形成され
た取付面と、この取付面上に取り付けられて胴部の軸線
方向に交差する方向に振動する振動付与手段と、前記各
脚部の先端と対向する位置に、それぞれ前記レールの長
手方向に沿って複数並設されて前記レールの裏面と当接
する案内ローラと、これら案内ローラと前記振動体とを
連結する連結手段とを具備してなり、前記振動付与手段
が胴部の軸線方向に交差する方向に付加する振動を、胴
部の軸線方向に平行な成分と直交する成分の振動に分割
して前記脚部に伝達し、振動体を走行面に対して相対的
に胴部の軸線方向に直線運動させる構成としたものであ
る。

［作用］ 上記構成によれば、レール表面の各脚部先端と密着する
部分に対応してレール裏面に複数のローラが当接されて
いるので、各脚部の長手方向の伸縮に伴ってレールが周
期的に強く押圧されても、この押圧力は複数の案内ロー
ラに受け止められる。従って、レールの変形が防止され
て、脚部先端に生じる楕円振動が効率良く駆動力に変換
される。

［実施例］ 以下、第１図及び第２図を参照して、本考案の実施例を
説明する。

第１図及び第２図において、符号15、16は互いに平行な
脚部、17はこれら脚部15、16の基端を連結する胴部であ
って、これらは全体が略コ字状に形成されて振動体18を
構成している。

これら脚部15、16及び胴部17の材料及び寸法は適宜選択
されるが、例示のものではアルミニウムを材質とし、胴
部17が5mm□×26mmL、脚部15、16が5mm□×15mmLとされ
ている。振動体18の材質は、この他ジュラルミン、鉄、
真鍮あるいはステンレス鋼などの金属材料、アルミナ、
ガラスあるいは炭化珪素などの無機材料、ポリイミド系
樹脂あるいはナイロンなどの有機材料などが利用でき
る。

振動体18の角部は、この振動体18の脚部15、16の軸線に
対して斜めに面取りされ、例えば、脚部15、16及び胴部
17に対して45°の角度をなすように面取りされており、
その取付面19に圧電素子（振動付与手段）20、21が接着
剤などを用いて取り付けられている。この圧電素子20、
21は、積層型圧電アクチュエータあるいは単板の圧電セ
ラミックスが使用され、図示せぬ電源から印加される交
番電圧によって上記取付面19と直交する方向に超音波振
動するようになっている。圧電素子20、21の寸法も上記
脚部15、16等と同様に適宜選択されるが、例示のもので
は5mm□×9mmLのものを用いた。

そして、各脚部15、16の先端と対向する位置には、それ
ぞれ３個の案内ローラ23が、胴部17の長手方向に沿って
配設されている。これら各案内ローラ23は各脚部15、16
よりも幾らか大きい幅に形成され、その両端に設けられ
た回転軸23aが振動体18を囲む支持枠（連結部材）24の
下部に回転自在に支持されて、胴部17の長手方向に沿っ
て転動自在とされている。

また、上記支持枠24の上部中央には貫通孔25が形成され
ており、この貫通孔25には先端円錐状をなす付勢ピン26
が上下方向に摺動自在に嵌装されている。そして、この
付勢ピン26の先端近傍に形成されたフランジ26aと支持
枠24との間にはバネ27が配設されており、該バネ27によ
って付勢ピン26は常時胴部17に向けて付勢されて、その
先端が胴部17の上面中央に形成された凹部28と係合され
るようになっており、これにより振動体18の各脚部15、
16と各案内ローラ23とは常時互いに近付く方向に付勢さ
れている。

以上のように構成された超音波リニアモータを移動させ
るには、まず、バネ27によって互いに近付く方向に付勢
された脚部15、16の先端と案内ローラ23との間に薄板状
をなすレール29を介在させ、脚部15、16の先端をレール
表面29aと、案内ローラ23をレール裏面29bとそれぞれ密
着させる。

ついで、各圧電素子20、21に振動体18の共振周波数と同
一で位相が異なる交番電圧をそれぞれ印加してこれらを
超音波振動させる。

すると、振動体18は各脚部15、16の長手方向及び胴部17
の長手方向のいずれとも交差する方向に共振周波数で加
振されるため、各脚部15、16は各々の長手方向に共振周
波数で縦振動すると同時にレール29の長手方向にも共振
周波数でたわみ振動する。そして、各脚部15、16の先端
は、これら縦振動とたわみ振動との合成によって同一方
向へ共振周波数で楕円振動する。

ここで、各脚部15、16の先端に楕円振動が生じるとき、
レール表面29aの各脚部15、16の先端と密着する部分は
下方に向かって周期的に強く押圧されるが、これら脚部
15、16に押圧される部分に対応するレール裏面29bに
は、レール幅方向に線接触する案内ローラ23が胴部17の
長手方向に沿って複数当接されているため、各脚部15、
16がレール29を押圧する力はこれら案内ローラ23に受け
止められ、このためレール29の変形は阻止される。従っ
て、各脚部15、16とレール表面29aとの間の面圧は、上
記楕円振動の垂直成分（脚部15、16の長手方向の成分）
の変化に応じて確実に周期的に変動することとなる。

このように各脚部15、16先端とレール表面29aとの間の
面圧が変動すると、これらの間に生じる摩擦力も変動
し、その大きさは各脚部15、16が下方に変位する程大き
くなる。

そして、各脚部15、16の先端に生じる楕円振動の水平成
分によってレール表面29aはレール29の長手方向に蹴り
出されるが、この力（以下、駆動力と称する。）は上記
摩擦力が大きい程より強く作用することから、各脚部1
5、16の先端が楕円状の軌跡を描いて一回転する間に脚
部15、16とレール29との間に働く駆動力の向きは、各脚
部15、16がより下方に変位している時の水平成分の向き
と一致することとなる。ここにおいて、各脚部15、16先
端の楕円振動は同一方向であることから、結果として各
脚部15、16の先端とレール表面29aとの間に生じる駆動
力の向きは一致し、この駆動力の反作用で振動体18自身
は一方向へ移動するのである。

以上説明したように、本実施例では各脚部15、16の変形
が案内ローラ23によって阻止されるので、各脚部15、16
の先端に生じた楕円振動のエネルギーは振動体18をレー
ル29に沿って移動させる駆動力に効率良く変換される。
従って、振動エネルギーの変換効率に優れた実用性の高
い超音波リニアモータが提供できるのである。

なお、本実施例では特に案内ローラ23を各脚部15、16の
先端にそれぞれ３個づつ設けているが、本考案の超音波
リニアモータはこれに限るものではなく、２個あるいは
４個以上でも構わない。

また、本実施例では、特に振動体18を２本の脚部15、16
と胴部17とで略コ字状に形成したが、本考案の超音波リ
ニアモータはこれに限るものではなく、脚部を３本以上
としたり、胴部を湾曲させる等の変形を行うことも当然
に可能である。

さらに、本実施例で例示した各部の寸法、配置、形状等
はあくまで一例であり、これらは使用形態に応じて任意
に設計変更されるものである。ちなみにその一変形例を
第３図及び第４図を用いて以下に説明する。なお、上記
実施例と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明
を省略する。

第３図及び第４図に示す超音波リニアモータは、断面略
Ｖ字状のレール30に沿って振動体18を移動させるため、
各脚部15、16の先端をレール表面30aに沿って山形に形
成すると共に、案内ローラ23をレール裏面30aの各脚部1
5、16の先端面とそれぞれ対応する位置に片側３個づ
つ、すなわち、各脚部15、16に対応する位置にそれぞれ
６個づつ設けたものである。

この変形例によれば、振動体18がレール表面30aと係合
することで振動体18のレール幅方向の移動が規制される
ので、移動中振動体18がレール30から容易に外れないと
いう効果がある。

［考案の効果］ 以上説明したように、この考案によれば、各脚部先端と
対向する位置に配設された複数の案内ローラによって各
脚部先端の伸縮に伴うレールの変形が阻止されるため、
レールに薄板等の弾性率の小さい部材が用いられていて
も、振動体に付与する振動エネルギーを効率良く駆動力
に変換できる。

従って、本考案によれば、レールの材質、形状を選ばな
いエネルギー変換効率に優れた実用性の高い超音波リニ
アモータを提供できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本考案の一実施例を示すもので、第
１図は正面図、第２図は左側面図、第３図及び第４図は
本考案の一実施例を示すもので、第３図は正面図、第４
図は左側面図、第５図及び第６図は従来例を示すもの
で、第５図は正面図、第６図は左側面図である。 15、16……脚部、17……胴部、18……振動体、19……取
付面、20、21……圧電素子（振動付与手段） 23……案内ローラ、24……支持枠（連結手段） 29、30……レール。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】先端がレールの表面に当接する少なくとも
   ２本の弾性材料製の脚部の基端を、同じく弾性材料製の
   胴部で連結して構成される振動体と、該振動体の胴部の
   軸線方向両端部に胴部の軸線方向に対し傾斜させて形成
   された取付面と、この取付面上に取り付けられて胴部の
   軸線方向に交差する方向に振動する振動付与手段と、前
   記各脚部の先端と対向する位置に、それぞれ前記レール
   の長手方向に沿って複数並設されて前記レールの裏面と
   当接する案内ローラと、これら案内ローラと前記振動体
   とを連結する連結手段とを具備してなり、 前記振動付与手段が胴部の軸線方向に交差する方向に付
   加する振動を、胴部の軸線方向に平行な成分と直交する
   成分の振動に分割して前記脚部に伝達し、振動体を走行
   面に対して相対的に胴部の軸線方向に直線運動させる構
   成としたことを特徴とする超音波リニアモータ。