JPS5937673B2 - 超音波振動を利用した一方向駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波振動を利用して往復運動を動体の一方
向運動に変換することを特徴とする超音波振動を利用し
た一方向駆動装置に関するものである。

従来から広く用いられている各種駆動装置はその駆動源
として電磁力を応用したものが大部分であり、各種用途
に使われている。

しかしこれら装置の大きさや重量、回転力等は用いられ
る材料によって一定の制限を受けるものである。

何故ならば上記因子は用いられる材料の磁気的特性、導
電特性等によって決められるものであり、これらの特性
を超えた装置は回転駆動を行うことが不可能となるため
である。

一方、超音波振動を利用した駆動装置として、本発明者
によって、特開昭５５−１２５０５２号（特願昭５４−
３１９５５号）および特開昭５６−１３８４６９号（特
願昭５５−４０６５６号）があり、それぞれ基本原理お
よび実施例が開示されている。

本発明はこれら従来の各種駆動装置と異なり、超音波の
強力な振動エネルギーを移動体の一方向運動に変えるこ
とによって、小形にして軽量な駆動装置を得ることを目
的として考えられたものである。

また、本発明の他の目的は振動片の固有振動数を振動子
の固有振動子に対して３倍とすることにより変換運動の
効率を犬ならしめた駆動装置を得ることにある。

上記の目的を達成する為に、超音波振動の往復運動を移
動体の一方向運動に変換する一方向駆動装置を得んとす
るものである。

以下、図面・を参照して本発明の動作原理及び実施例の
詳細な説明を行う。

第１図は本発明に係る駆動装置の駆動原理を説明するた
めの一部拡大図である。

一般的に、超音波を発生させる振動子として、現在磁歪
型振動子と電歪型振動子の２種類が実用化されており、
それらの振動子は既に知られている。

ここに示した振動子は電歪型振動子であって、とくに、
その具体例としては、ランジュバン型振動子と呼ばれる
ものをあげることができる。

図示の如く、超音波振動子Ａおよび超音波振動千Ｂが振
動体Ｖに固定されており、振動子Ａは矢印ａの如く、Ｙ
軸方向に対して往復振動し、振動子Ｂは矢印すの如くＸ
軸方向に対して往復振動するように構成されている。

すなわち、振動子Ａ。Ｂは振動方向が互に直角になるよ
うに設定される。

振動体Ｖには板状又は棒状の振動片１が固定され、振動
片１の他端側一端面１ａが移動体２の一端面２ａと接す
るように位置され、かつ移動体２の矢印２ｂの方向に対
して適当な角度θを保つ様に傾げて設置しである。

ただし、振動片１の動体面の法線に対する傾きθは、摩
擦角より小さくしておく必要がある。

なぜならば、振動片１が移動体２から受ける力は第５図
に示すように移動体２０法線方向の力ｆｘと接線方向の
力ｆｙの成分として表わされるので、振動片１と移動体
２との摩擦係数μは最大静止摩擦角θｓ ＝ｊａｎ −
’μである。

だから、振動片１の一端面１ａがスリップせずに効率よ
く駆動力を受けるには、振動片１の傾きθは最大静止摩
擦角θＳより小さくしておかなければならない。

なお、第４図に示す如く、振動片１５は、振動体Ｖに固
定されるのみでなく、回転軸１３に対して複数本を連続
して固定する如き実施態様も可能である。

元来、移動体２は矢印２ｂと反対方向に移動可能なもの
であるが、振動片１の一端面１ａを矢印２ｂの方向に強
制的に接触させることによって、矢印２ｂの方向にのみ
移動体２を移動させるのである。

第２図は振動体Ｖおよび振動片１の一端面１ａの振動状
態を示す拡大図であり、振動子Ａ、Ｂに印加する高周波
電流の位相を後述のように９０゜ずらせることによって
、振動体Ｖの端面は楕円の軌跡Ｑを描いて振動し、この
振動に基づいて振動片１の一端面１ａは楕円の軌跡Ｑ′
を描く。

すなわち、軌跡Ｑ′ において、軌跡点Ａ′から軌跡点
Ｂ′ までの間では振動片１は移動体２と接触保持しな
がら、移動体２を矢印２ｂの方向に移動させるが、軌跡
点Ｂ′を通過すると、移動体２と離脱し、その離脱した
状態で軌跡点Ｃ，Ｄ、Ｅを経由して軌跡点Ａ′に復帰す
るように運動する。

移動体２は振動片１と接していると否とに拘わりなく、
慣性力によって移動を続行するものであり、振動片１が
再び軌跡点Ａ′→Ｂ′と保持移動を行うことによって移
動体２の移動が矢印２ｂの方向に継続的に行われること
になる。

第３図は移動体２の移動状態を時間ｔを用いてグラフ化
したものであり、第３図イは振動子ＡＯＹ軸方向に対す
る振動状態を示し、第３図口は振動子ＢＯＸ軸方向に対
する振動状態を示す。

第３図ハおよび第３図二は振動片１の一端面１ａの運動
変位と、速度ｖｙを示している。

なお、時間ｔ１〜ｔ２の間は前記軌跡点Ａ′→Ｂ′の間
に相当し、振動片１と移動体２が接触しつつ移動体２を
矢印２ｂの方向、すなわち＋ＹＸ軸方向移動せしめてい
る。

一方、時間ｔ２〜ｔ３の軌跡点Ｂ′→Ｃ＋Ｄ−＋Ｅ−＋
Ａ′の間に相当し、振動片１と移動体２とが離脱し、か
つ移動体２が慣性移動している状態にある。

ここで、慣性力について付言すると、第３図において移
動体２の移動が振動片１を一方向運動に変換する機構で
あって、振動片１は間欠的に駆動力を受けている。

一方、超音波振動は一般に２０ＫＨｚ以上の振動を取扱
い、慣性力は周波数の２乗に比例するのであるから、本
発明においては十分な慣性力を有し、一様な連続回転を
得ることが可能となるのである。

第３図二から理解されるように、振動片１が軌跡点Ａ′
に達して軌跡点Ｂ′に至るまでの間、すなわち、移動体
２を接触保持しながら矢印２ｂの方向に移動させている
間はｖｙが等しく、軌跡点Ｂ′を通過して軌跡点Ｃ−＋
Ｄ−＋Ｅに至るまでの間はマイナス方向の速度−ｖｙを
示し、軌跡点Ｅを通過してから再び＋ｖｙを示し、以下
同様の動体状態となる。

第３図ホおよび第３図へは本発明の他の実施例を用いた
際の動作状態を示す。

すなわち、振動片１の固有振動数を振動子ＡまたはＢの
固有振動数の３倍とした場合の振動片１の振動状態を示
すものである。

なお、ここで振動片１の固有振動数を振動子ＡまたはＢ
の固有振動数の３倍とした理由を第３図ホおよび第３図
へを用いて説明する。

第３図ホ中、点線Ｊは振動子Ａの振幅を示し、実線には
固有振動数を３倍にした場合の振動片１のみを振動させ
た場合の先端の振幅を示し、実線りは両者（点線Ｊ子実
線Ｋ）を合成した振幅、すなわち、移動体２を実際に移
動させる時の振動片１の一端面１ａの振幅を示す。

第３図へに示す速度−ｖｙのグラフから明らかなように
、合成速度が犬になるとともに移動体２と軌跡点Ａ′と
の接触時と、移動体２と軌跡点Ｂ′ との離脱時におけ
る振動片１の一端面１ａと移動体２の移動速度がほぼ同
一となり、移動体２と振動片１０間に生じるスリップ等
を防止し、かつ摩擦によるエネルギーの損失を僅少とす
ることができるという利点を発揮することが出来るので
ある。

以上の理由から、振動片の固有振動数を振動子の固有振
動子に対して３倍とすることにより変換運動の効率を犬
ならしめることが出来るのである。

第４図は実際の装置に適用した実施例を説明する図であ
り、ケーシング本体１０の内部の一方側には超音波振動
子１１が振動体Ｖを矢印すへの往復振動が可能に装備さ
れ、かつ超音波振動子１２が振動体Ｖをａ方向への捩り
振動をひきおこすよう軸心に対して捩り振動が可能に支
持されている。

また、ケーシング本体１０の他方側には回転軸１３がベ
アリング１４を介して回転可能に内嵌されており、振動
体Ｖと回転軸１３の−゛端面相互に対面するように配置
される。

さらに、振動体Ｖと回転軸１３間において、複数本の振
動片１５が回転軸１３の軸心に対して適当な角度傾けつ
つ、一方体の前記一端面に固定され、かつ振動片の頭部
が接する位置に保持される。

１６はベアリング固定ネジであり、１７は回転軸を固定
するナツト、１８はカバ一部分を示す。

上記装置によれば超音波振動子１１および１２の振動が
振動体Ｖ、振動片１５を介して回転軸１３０回転運動に
変換され、超音波振動を利用した一方向駆動装置として
機能する。

本発明は従来の各種駆動装置と異なり超音波の持つ強力
な振動エネルギーを一方向運動に変換するという手法に
よって成るものであって、強力な回転力、駆動力などを
持つ一方向駆動装置が得られるという大きな効果を有し
ており、従来の駆動装置と比較して、駆動要素を有する
多種の用途に適用が可能になるという点で有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る駆動装置の駆動原理を説明する為
の一部拡大図、第２図は振動状態を説明する図、第３図
は動作状態と時間ｔとの関係を示すグラフ、第４図は実
際の装置に適用した実施例図、第５図は振動片が受ける
力の分力説明図を示す。 Ａ、Ｂ・・・・・・超音波振動子、■・・・・・・振動
体、１・・・・・・振動片、２・・・・・・移動体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 振動体Ｖに、移動体２の移動方向Ｙと同方向に振動
   体Ｖを振動させる第１の超音波振動子Ａと、第１の超音
   波振動子Ａの振動方向に対して直角方向Ｘに振動体Ｖを
   振動させる第２の超音波振動子Ｂとを設げ、第１および
   第２の超音波振動子Ａ。 Ｂが設げられていない振動体Ｖの一端面と、移動体２の
   一端面２ａとを対向配置し、両者間に移動体２の移動方
   向に対して、傾斜角度を有する振動片１を振動体Ｖまた
   は移動体２のいずれか一方の一端面に固定することによ
   り、超音波振動の往復運動を移動体の一方向運動に変換
   することを特徴とする超音波振動を利用した一方向駆動
   装置。 ２ 振動片はその固有振動数が超音波振動子の固有振動
   数に対して３倍となるように設定する事により、超音波
   振動の往復運動を移動体の一方向運動に変換する事を特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の超音波振動を利用
   した一方向駆動装置。