JPH0898567A - 超音波リニアモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、いかなる状況下でも被駆動体に対
する押圧力の調整を自在に行うことができる超音波リニ
アモータを提供する。 【構成】圧電素子１２、１２を駆動源として直方体形状
の弾性体１１に対しその長手方向に沿った伸縮振動と該
長手方向に伝播する横波の屈曲振動を同時に発生させ、
このような弾性体１１を摺動部材１３、１３を介して被
駆動体１４に押圧することで、この被駆動体１４を移動
させるようにしたもので、弾性体１１の屈曲振動の節に
対応する部分に、支持軸１５を貫通して設け、この支持
軸１５に対し、電気的な入力に応じてその変位量を決定
される圧電素子１７より被駆動体１４に対する押圧力を
作用させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気−機械エネルギー
変換素子を駆動源とする超音波リニアモータに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】最近、超音波リニアモータは、これまで
の電磁型モータに比べ、小型でありながら高トルクを得
られるなど、各種の利点を有することから、各分野で使
用されるようになっている。

【０００３】しかして、従来、この種の超音波リニアモ
ータとして、特願平４−３２１０９６号明細書がある。
この明細書に開示されるものは、電気−機械エネルギー
変換素子を駆動源として、並進運動を発生可能にしてお
り、その原理図を図４に示している。

【０００４】図において、１は直方体形状をなす弾性体
で、この弾性体１上面に一対の圧電素子２、２を配設す
るとともに、弾性体１下面に一対の摺動部材３、３を配
設し振動子を構成している。

【０００５】そして、このような振動子において、圧電
素子２、２に正弦波の電圧を印加すると、弾性体１の長
手方向に沿った伸縮振動と、この長手方向に伝播する２
次の定在波となる横波の屈曲振動が同時に励起される。

【０００６】ここで、弾性体１の長さと幅のそれぞれの
寸法は、伸縮振動の一次共振周波数と横波の２次屈曲振
動が一致するように設定されている。これにより、２次
の定在波の振動の腹の位置では、上記２種の振動の変位
が合成され、弾性体１上の質点が楕円形の軌跡に沿って
移動することから、この振動の腹位置に上記摺動部材
３、３を配置することで、これら摺動部材３、３に被駆
動体を押圧することにより、被駆動体を並進運動させる
ようにしている。

【０００７】このような振動子を用いた超音波リニアモ
ータの構成例として、特願平５−７４５６８号明細書が
ある。この明細書に開示されるものは、図５（ａ）
（ｂ）に示すように、図４で述べた圧電素子２、２およ
び摺動部材３、３を有する弾性体１の２次屈曲振動の節
の位置に支持軸５を貫通して設け、この支持軸５の両端
部に付勢台６、６を介して、基端部を支持台８、８に固
定された板バネ７、７の先端部より押圧力を与えること
で、摺動部材３、３を被駆動体４に押し付けるようにし
ている。この場合、弾性体１に押圧力を与える手段とし
ては、上述したものの他に、板バネの取り付け方法を工
夫したものなどが考えられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
構成した超音波リニアモータでは、板バネ７により加え
られる弾性体１への押圧力が変化すると、その駆動推力
が変化することが知られている。つまり、これら押圧力
と駆動推力の関係は、図６に示すようになっており、弾
性体１への押圧力は、モータの特性に大きな影響を与え
る。

【０００９】ところが、上述したように板バネ７を使用
したものでは、使用する板バネによって得られる押圧力
が決まってしまうため、モータの組立ての際に、押圧力
を調整するようなことは不可能であり、仮にこのような
作業を必要とする場合は、予複数種類の板バネを用意し
ておき、これらの中から最適なものを選択するなどしな
ければならず、そのために多大の手間がかかるという問
題点があった。

【００１０】そこで、従来、特開昭６−１０５５７１公
報に開示されるように、上述の板バネに代えて、コイル
バネを用いるとともに、調整ビスによりコイルバネによ
る押圧力を調整可能にしたものがある。

【００１１】ところが、このようにしたものは、例え
ば、モータをステージなどに組み込んだような場合、調
整ビスが奥まった場所に入り込んでしまうと、外部から
調整ビスによる調整が困難になることがあり、このた
め、外部から任意に押圧力を調整できず、ステージに組
み込んだモータを再度取り外して押圧力の調整をしなけ
ればならず、この場合も多大の手間がかかるという問題
点があった。

【００１２】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、いかなる状況下でも被駆動体に対する押圧力の調整
を自在に行うことが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。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１の電気−
機械エネルギー変換素子を駆動源として直方体形状の弾
性体に対しその長手方向に沿った伸縮振動と該長手方向
に伝播する横波の屈曲振動を同時に発生させるととも
に、該弾性体を被駆動部材に押圧させることにより前記
弾性体に対して前記被駆動部材を移動させるようにした
超音波リニアモータにおいて、前記弾性体の屈曲振動の
節に対応する部分に設けられた支持部材と、電気的な入
力に応じて前記支持部材に対しその変位量を前記被駆動
部材に対する押圧力として作用させる第２の電気−機械
エネルギー変換素子とにより構成している。

【００１４】また、本発明は、第１の電気−機械エネル
ギー変換素子を駆動源として直方体形状の弾性体に対し
その長手方向に沿った伸縮振動と該長手方向に伝播する
横波の屈曲振動を同時に発生させるとともに、該弾性体
を被駆動部材に押圧させることにより前記弾性体に対し
て前記被駆動部材を移動させるようにした超音波リニア
モータにおいて、前記弾性体の屈曲振動の節に対応する
部分に設けられた支持部材と、電気的な入力に応じた変
位を発生する第２の電気−機械エネルギー変換素子と、
この第２の電気−機械エネルギー変換素子と前記支持部
材との間に介在され前記第２の電気−機械エネルギー変
換素子での変位量を増幅して前記被駆動部材に対する押
圧力として作用させる押圧力増幅手段とにより構成して
いる。また、本発明は、前記被駆動部材に対し常時一定
の予圧を作用させる予圧発生手段を有する構成としてい
る。

【００１５】

【作用】この結果、本発明によれば、第１の電気−機械
エネルギー変換素子を駆動源として直方体形状の弾性体
に対しその長手方向に沿った伸縮振動と該長手方向に伝
播する横波の屈曲振動を同時に発生させ、このような弾
性体を被駆動部材に押圧することで被駆動部材を移動さ
せるようにしたもので、弾性体の屈曲振動の節に対応す
る部分に支持部材を設け、この支持部材に電気的な入力
に応じてその変位量を決定される第２の電気−機械エネ
ルギー変換素子より前記被駆動部材に対する押圧力を作
用させるようにしている。これにより、仮に、ステージ
などに組み込んだ後に被駆動部材の押圧力の調整を必要
とする場合にも、外部からの電気的な入力により第２の
電気−機械エネルギー変換素子の変位量を変えるのみ
で、任意に対応することができる。

【００１６】また、本発明によれば、第１の電気−機械
エネルギー変換素子を駆動源として直方体形状の弾性体
に対しその長手方向に沿った伸縮振動と該長手方向に伝
播する横波の屈曲振動を同時に発生させ、このような弾
性体を被駆動部材に押圧することで被駆動部材を移動さ
せるようにしたもので、弾性体の屈曲振動の節に対応す
る部分に設けられる支持部材と電気的な入力に応じた変
位を発生する第２の電気−機械エネルギー変換素子との
間に、第２の電気−機械エネルギー変換素子での変位量
を増幅する押圧力増幅手段を介在させて、第２の電気−
機械エネルギー変換素子での変位量を増幅して被駆動部
材に押圧力として作用させるようにしている。これによ
り、第２の電気−機械エネルギー変換素子での僅かな変
位でも、これを増幅した大きな押圧力として、被駆動部
材に作用させることができ、被駆動部材の押圧力を微細
に亘って調整できる。

【００１７】また、本発明によれば、被駆動部材に対し
第２の電気−機械エネルギー変換素子の変位量に応じた
押圧力の他に、常に一定の予圧を予圧発生手段により発
生させるようにしている。これにより、モータ組み立て
の際に、常に一定の押圧力による駆動推力を設定し、モ
ータ組み立ての後に微少な変位量を発生させて被駆動部
材の押圧力を微調整するようにできる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従い説明す
る。 （第１実施例）図１は、第１実施例の概略構成を示して
いる。図において、１０は振動子で、この振動子１０
は、直方体形状をなす弾性体１１を有している。

【００１９】そして、この弾性体１１の上面に、その長
手方向に沿って所定距離開離させて一対の圧電素子１
２、１２を設け、また、弾性体１１の下面に、その長手
方向に沿って一対の摺動部材１３、１３を設けている。

【００２０】この場合、弾性体１１の長さと幅のそれぞ
れの寸法および弾性体１１下面の摺動部材１３、１３の
取り付け位置に関しては、上述した図４で説明したと同
様である。そして、これら摺動部材１３、１３により被
駆動体１４に押圧力を与えるようにしている。

【００２１】弾性体１１の２次屈曲振動の節の位置に支
持軸１５を貫通して設け、この支持軸１５に、付勢台１
６を介して直方体形状の圧電素子１７を取り付けてい
る。この圧電素子１７は、基端部を固定部材１８に固定
し、先端を付勢台１６に取り付けている。この圧電素子
１７は、高電圧の印加により、その長手方向に変位を生
じるもので、この変位は、付勢台１６、支持軸１５を介
して弾性体１１に加えられるようになっている。

【００２２】圧電素子１７には、ケーブル１９を介して
制御部２０を接続している。この制御部２０は、可変抵
抗２０１と高圧アンプ２０２を有し、可変抵抗２０１に
より高圧アンプ２０２の入力電圧を設定するとともに、
この設定された入力電圧に基づいて高圧アンプ２０２よ
り３００Ｖ程度の高電圧を出力し、この出力を圧電素子
１７に与えるようにしている。

【００２３】次に、このように構成した実施例の動作を
説明する。この場合、予め、圧電素子１７に電圧を印加
していない状態、つまり、圧電素子１７に変位が発生し
ていない状態で、弾性体１１の摺動部材１３、１３が被
駆動体１４に押圧力を与えることなく接するようにして
おく。

【００２４】この状態で、超音波リニアモータに所望す
る駆動推力を設定する場合は、制御部２０の可変抵抗２
０１により高圧アンプ２０２の入力電圧を設定する。す
ると、高圧アンプ２０２では、設定された入力電圧を増
幅し、例えば、３００Ｖ程度の高電圧を出力し、この出
力を圧電素子１７に与える。すると、圧電素子１７は、
印加された電圧に比例して、その長手方向に微少量の変
位を発生し、この変位は、付勢台１６、支持軸１５を介
して弾性体１１に与えられる。

【００２５】これにより、弾性体１１の摺動部材１３、
１３は、この時の圧電素子１７の変位に応じた押圧力
で、被駆動体１４に接するようになり、モータ側に所望
の駆動推力を設定できるようになる。

【００２６】以下、同様にして制御部２０の可変抵抗２
０１により高圧アンプ２０２の入力電圧を任意に設定
し、この設定電圧に応じた変位を圧電素子１７に発生さ
せることにより、弾性体１１の摺動部材１３による被駆
動体１４の押圧力を任意に調整することができるように
なる。

【００２７】従って、このような第１実施例によれば、
摺動部材１３による被駆動体４の押圧力をモータ外部に
設けた制御部２０の可変抵抗２０１による入力電圧の設
定により調整できるので、モータをステージなどに組み
込んだ後に押圧力の調整を必要とする場合など、いかな
る状況下でも押圧力の調整を自在に行うことができ、ま
た、従来のようにモータを再度取り外して押圧力の再調
整を行うものと比べ、面倒な作業を回避することもでき
る。

【００２８】なお、この第１実施例において、付勢台１
６と圧電素子１７との間に弾性部材を介在させるように
してもよい。このようにすると、モータ側の振動が直接
圧電素子１７側に伝わらないので圧電素子１７の耐久性
を増すようにできる。ここでの弾性部材は、ゴム、板バ
ネ、コイルバネなどが考えられる。 （第２実施例）図２は、第２実施例の概略構成を示すも
ので、図１と同一部分には同符号を付している。この場
合、付勢台１６と圧電素子１７との間に押圧力増幅部２
１を設けている。この押圧力増幅部２１は、テコの原理
を応用したもので、棒体２１１の一方端を付勢台１６上
部に当接し、他方端を圧電素子１７上部に当接するとと
もに、この棒体２１１の圧電素子１７側に寄った点を支
持部２１２に回動自在に支持するように構成し、圧電素
子１７に発生する変位を増幅して付勢台１６に伝えるよ
うにしている。

【００２９】その他は、図１と同様である。しかして、
この場合も、制御部２０の可変抵抗２０１により高圧ア
ンプ２０２の入力電圧を設定すると、高圧アンプ２０２
では、設定された入力電圧を増幅し、例えば、３００Ｖ
程度の高電圧を出力し、この出力を圧電素子１７に与え
る。すると、圧電素子１７は、印加された電圧に比例し
て、その長手方向に微少量の変位を発生する。この圧電
素子１７の変位は、押圧力増幅部２１のテコの原理を応
用により増幅され、付勢台１６に伝えられ、支持軸１５
を介して弾性体１１に与えられる。この場合、圧電素子
１７での変位が数十μｎであるのに対し、押圧力増幅部
２１を介在させることで、ミリメートル単位の変位を付
勢台１６に伝えることが可能になる。

【００３０】これにより、弾性体１１の摺動部材１３、
１３は、押圧力増幅部２１で増幅された大きな押圧力
で、被駆動体１４に接するようになり、モータ側に所望
の駆動推力を設定できるようになる。

【００３１】従って、このような第２実施例によれば、
圧電素子１７の僅かな変位でも押圧力増幅部２１により
大きな押圧力として得られるので、広範囲に亘って被駆
動体１４の押圧力を調整することができ、精度の高いモ
ータ側の駆動推力設定が可能になる。

【００３２】なお、この第２の実施例において、押圧力
増幅部２１の棒体２１１に代えて、板バネのような弾性
部材を用いてもよい。 （第３実施例）図３は、第３実施例の概略構成を示すも
ので、図１と同一部分には同符号を付している。この場
合、圧電素子１７に予圧発生部２２を設けている。この
予圧発生部２２は、圧電素子１７上部と固定部２３の間
にコイルバネ２２１を設けたもので、このコイルバネ２
２１により一定の押圧力を予圧として圧電素子１７を介
して付勢台１６に与えるようにしている。

【００３３】その他は、図１と同様である。しかして、
このようにすれば、モータ組み立ての際に、予圧発生部
２２の一定の押圧力による駆動推力を設定しておき、モ
ータ組み立ての後に圧電素子１７により微少な変位を発
生させて被駆動体１４の押圧力を微調整するようにでき
るので、さらに精度の高いモータ側の駆動推力の設定が
可能になる。

【００３４】なお、この第３実施例において、付勢台１
６と圧電素子１７との間に弾性部材を介在させるように
してもよい。このようにすると、モータ側の振動が直接
圧電素子１７側に伝わらないので圧電素子１７の耐久性
を増すようにできる。ここでの弾性部材は、ゴム、板バ
ネ、コイルバネなどが考えられる。

【００３５】以上、実施例について説明したが、本発明
明細書中には、以下の発明が含まれる。 （１）第１の電気−機械エネルギー変換素子を駆動源と
して直方体形状の弾性体に対しその長手方向に沿った伸
縮振動と該長手方向に伝播する横波の屈曲振動を同時に
発生させるとともに、該弾性体を被駆動部材に押圧させ
ることにより前記弾性体に対して前記被駆動部材を移動
させるようにした超音波リニアモータにおいて、前記弾
性体の屈曲振動の節に対応する部分に設けられた支持部
材と、電気的な入力に応じて前記支持部材に対しその変
位量を前記被駆動部材に対する押圧力として作用させる
第２の電気−機械エネルギー変換素子とを具備したこと
を特徴とする超音波リニアモータ。

【００３６】このようにすれば、外部からの電気的な入
力により第２の電気−機械エネルギー変換素子の変位量
を変えるのみで被駆動部材の押圧力の調整に対処できる
ことができることから、面倒な作業が伴うことなく、い
かなる状況下でも押圧力の再調整を任意に行うことがで
きる。

【００３７】（２）上述した（１）記載の超音波リニア
モータにおいて、第２の電気−機械エネルギー変換素子
は、圧電素子である。このようにすれば、印加電圧を制
御するのみで、所望する押圧力を得るための変位量を簡
単に得られる。

【００３８】（３）上述した（１）記載の超音波リニア
モータにおいて、支持部材と第２の電気−機械エネルギ
ー変換素子との間に弾性部材を介在させる。このように
すれば、モータ側の振動が直接第２の電気−機械エネル
ギー変換素子側に伝わらないので素子の耐久性を増すよ
うにできる。

【００３９】（４）第１の電気−機械エネルギー変換素
子を駆動源として直方体形状の弾性体に対しその長手方
向に沿った伸縮振動と該長手方向に伝播する横波の屈曲
振動を同時に発生させるとともに、該弾性体を被駆動部
材に押圧させることにより前記弾性体に対して前記被駆
動部材を移動させるようにした超音波リニアモータにお
いて、前記弾性体の屈曲振動の節に対応する部分に設け
られた支持部材と、電気的な入力に応じた変位を発生す
る第２の電気−機械エネルギー変換素子と、この第２の
電気−機械エネルギー変換素子と前記支持部材との間に
介在され前記第２の電気−機械エネルギー変換素子での
変位量を増幅して前記被駆動部材に対する押圧力として
作用させる押圧力増幅手段とを具備したことを特徴とす
る超音波リニアモータ。

【００４０】このようにすれば、第２の電気−機械エネ
ルギー変換素子での僅かな変位でも、これを増幅した押
圧力を被駆動部材に作用させることができるので、被駆
動部材の押圧力を広範囲に亘って調整でき、精度の高い
モータ側の駆動推力の設定が可能になる。

【００４１】（５）上述した（４）記載の超音波リニア
モータにおいて、押圧力増幅手段は、棒体の一方端を弾
性体側に当接し、他方端を第２の電気−機械エネルギー
変換素子側に当接するとともに、この棒体の前記第２の
電気−機械エネルギー変換素子側に寄った点を支持部に
回動自在に支持するように構成している。

【００４２】このようにすれば、簡単な構成にして、確
実に第２の電気−機械エネルギー変換素子での変位量を
増幅し、大きな押圧力として得られる。 （６）上述した（１）と（４）記載の超音波リニアモー
タにおいて、前記被駆動部材に対し常時一定の予力を作
用させる予力発生手段を有している。

【００４３】このようにすれば、モータ組み立ての際
に、一定の押圧力による動推力を設定していて、モータ
組み立ての後に、微少な変位量を発生させて被駆動部材
の押圧力を微調整するようにでき、さらに精度の高いモ
ータ側の駆動推力の設定が可能になる。

【００４４】（７）上述した（６）記載の超音波リニア
モータにおいて、予力発生手段は、弾性部材からなって
いる。 このようにすれば、被駆動部材に対し常時、安定した一
定の予力を作用させるようにできる。

【００４５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、外部
からの電気的な入力により第２の電気−機械エネルギー
変換素子の変位量を変えるのみで被駆動部材の押圧力の
調整に対処できることができることから、面倒な作業が
伴うことなく、いかなる状況下でも押圧力の再調整を任
意に行うことができる。

【００４６】また、第２の電気−機械エネルギー変換素
子での僅かな変位でも、これを増幅した押圧力を被駆動
部材に作用させることができるので、被駆動部材の押圧
力を広範囲に亘って調整でき、精度の高いモータ側の駆
動推力の設定が可能になる。

【００４７】また、モータ組み立ての際に、一定の押圧
力による動推力を設定していて、モータ組み立ての後
に、微少な変位量を発生させて被駆動部材の押圧力を微
調整するようにでき、さらに精度の高いモータ側の駆動
推力の設定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の概略構成を示す図。

【図２】本発明の第２実施例の概略構成を示す図。

【図３】本発明の第３実施例の概略構成を示す図。

【図４】超音波リニアモータの原理を示す図。

【図５】従来の超音波リニアモータの概略構成を示す
図。

【図６】超音波リニアモータの押圧力と駆動推力の関係
を示す図。

【符号の説明】

１１…弾性体、 １２…圧電素子、 １３…摺動部材、 １４…被駆動体、 １５…支持軸、 １６…付勢台、 １７…圧電素子、 １８…固定部材、 １９…ケーブル、 ２０…制御部、 ２０１…可変抵抗、 ２０２…高圧アンプ、 ２１…押圧力増幅部、 ２１１…棒体、 ２１２…支持部、 ２２…予圧発生部、 ２２１…バネ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の電気−機械エネルギー変換素子を
   駆動源として直方体形状の弾性体に対しその長手方向に
   沿った伸縮振動と該長手方向に伝播する横波の屈曲振動
   を同時に発生させるとともに、該弾性体を被駆動部材に
   押圧させることにより前記弾性体に対して前記被駆動部
   材を移動させるようにした超音波リニアモータにおい
   て、 前記弾性体の屈曲振動の節に対応する部分に設けられた
   支持部材と、 電気的な入力に応じて前記支持部材に対しその変位量を
   前記被駆動部材に対する押圧力として作用させる第２の
   電気−機械エネルギー変換素子とを具備したことを特徴
   とする超音波リニアモータ。
2. 【請求項２】 第１の電気−機械エネルギー変換素子を
   駆動源として直方体形状の弾性体に対しその長手方向に
   沿った伸縮振動と該長手方向に伝播する横波の屈曲振動
   を同時に発生させるとともに、該弾性体を被駆動部材に
   押圧させることにより前記弾性体に対して前記被駆動部
   材を移動させるようにした超音波リニアモータにおい
   て、 前記弾性体の屈曲振動の節に対応する部分に設けられた
   支持部材と、 電気的な入力に応じた変位を発生する第２の電気−機械
   エネルギー変換素子と、 この第２の電気−機械エネル
   ギー変換素子と前記支持部材との間に介在され前記第２
   の電気−機械エネルギー変換素子での変位量を増幅して
   前記被駆動部材に対する押圧力として作用させる押圧力
   増幅手段とを具備したことを特徴とする超音波リニアモ
   ータ。
3. 【請求項３】 前記被駆動部材に対し常時一定の予力を
   作用させる予力発生手段を有することを特徴とする請求
   項１または２記載の超音波リニアモータ。