JPH06106031B2 - 超音波リニアモータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超音波リニアモータに関し、さらに詳しく
は、圧電素子による屈曲モードと径方向モードの振動を
使用して被移動体を直線移動させる超音波リニアモータ
に関するものである。

〔従来の技術〕 従来、この種の超音波リニアモータとして、本発明者が
先に提案した（実願昭63−128023号）ものがあり、これ
は第４図、第５図に示すように、弾性体でなる円板状の
基体（11）の両面に円環板状の圧電素子（13）（14）が
それぞれ固着されて円板バイモルフ（15）を形成してい
る。基体（11）の中心には貫通孔（11a）が形成されて
おり、この貫通孔（11a）に円筒状のシャフトスライダ
（12）が貫装されている。シャフトスライダ（12）には
軸線と平行な割り溝（12a）が形成されていて、径方向
へのバネ性をもたせている。

円板バイモルフ（15）は、圧電素子（13）または（14）
に超音波信号を印加したとき、基体（11）が円板屈曲第
二次モードと径方向モードの複合共振を起こす寸法関係
に構成されている。

以上の構成により、円板バイモルフ（15）は圧電素子
（13）あるいは（14）により励振されて、第二次円板屈
曲モードと同時に径方向の伸縮振動を行い、シャフトス
ライダ（12）は、上記径方向モードにより貫通孔（11
a）の周壁への圧着と解放を繰返えす。一方、上記円板
屈曲モードに起因して、シャフトスライダ（12）が軸方
向に左右に振られる。かかる複合共振により、シャフト
スライダ（12）は矢印（A₁）または（A₂）方向に選択的
に移動される。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のような従来の超音波リニアモータでは、円板屈曲
第二次モードと径方向モードの複合共振を起こす寸法関
係が円板バイモルフに要求されることから、円板バイモ
ルフの外径、厚み等に高精度加工を要するという問題が
あった。

この発明は上記の問題を解消するためになされたもの
で、加工精度を緩和しうる超音波リニアモータを得るこ
とを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る超音波リニアモータは、中心部に貫通孔
をもち、圧電効果により円板屈曲モードで振動する基体
と、上記貫通孔に係合して径方向モードで振動する円筒
状圧電素子でなるスライダとを備えている。

〔作用〕

この発明においては、基板およびスライダに超音波領域
の電気信号を印加することにより、円板状基体の屈曲モ
ード振動と、円筒状圧電素子でなるスライダの径方向振
動との共動に対応して、スライダに直線移動を生じさせ
る。

〔実施例〕

第１図、第２図はこの発明の一実施例を示し、円板状の
基体（１）は、円環板状の２枚の圧電素子（1a）（1b）
を互いに接合し、外面に電極（４）を設けて形成されて
いる。スライダ２は円筒状の圧電素子からなっている。

基体（１）を形成する圧電素子（1a）（1b）は、接合面
を共通にして同一寸法のものを接合し、並列接続にして
駆動させたとき、円板屈曲モードの振動が発生するよう
な分極方向（図の矢印Ｐ）になっている。また、基体
（１）の中心電極の引出しは、薄い金属板を共に接合し
て一部を外部へ出すか、あるいは電極をはみ出して行
う。圧電素子（1a）（1b）の接続は、直列でもよく、そ
の場合は分極を並列にしておく。この直列接続駆動で
は、中心電極の引出しが不要になるが、高い電圧を要求
することになるので、使用条件に合せて、並列、直列の
いずれかを選択することとなる。基体（１）の振動モー
ドは、円板屈曲第二次モードを使用している。

基体（１）の中心部に形成された貫通孔（３）に密接し
て配置された円筒状の圧電素子でなるスライダ（２）
は、それ自身が通電駆動により径方向に伸縮してスライ
ダとして機能するもので、内外周面に電極が設けられ、
厚み分極が施されている。

スライダ（２）の外周面と貫通孔（３）の内壁面とは、
耐摩耗性を向上するために、イオンプレーティングメッ
キのような金属メッキ面とするか、あるいは樹脂モーテ
ィングを施す。

スライダ（２）の貫通孔（３）へのはめ込みは、基体
（１）およびスライダ（２）両者への通電が零のときス
ライダ（２）が抜け出さないように調整しておく。

次に動作について説明する。圧電素子（1a）（1b）およ
び（２）への給電方法を第３図に示す。すなわち、円板
バイモルフをなす基体（１）の圧電素子（1a）（1b）に
は信号源（５）から並列に給電し、基体（１）に円板屈
曲モードの振動を発生させる。同時にスライダ（２）に
も同じ電圧を給電すると、貫通孔（３）が矢印（Ａ）の
ように左右に往復する。この矢印（Ａ）のどちらかの側
のスライダ（２）は径方向に大きくなり、そのタイミン
グによって矢印（Ａ）の一方向へ移動する。

反対の給電サイクルでは、スライダ（２）は径方向に収
縮し、基体（１）とスライダ（２）は互いに非接触状態
になる。

このようにして、スライダ（２）は、直線的に一方向へ
移動する。

スライダ（２）を逆方向へ移動させる場合は、スイッチ
（６）を切換えると、スライダ（２）に印加される電圧
の位相は180°ずれて逆相になり、スライダ（２）は逆
方向に移動することになる。

スイッチ（６）は、説明の都合上、ナイフスイッチの切
換えとしたが、実際にはスイッチング素子を使用し、外
部信号よりの指示にしたがう回路となる。

基体（１）の位置固定は、円板屈曲モードの節になる点
を、両側からポイント状に押して固定する。

自励駆動回路は、基体（１）の共振時のインピーダンス
の変化を検知して２端子接続で行うか、または、電極の
一部を分割してフィードバック端子として行う。

円筒状の圧電素子でなるスライダ（２）の寸法は、基体
（１）の共振周波数に近づけた方が、効率を上げる点で
有効であり、径方向の共振か、または、円筒の長さ方向
の共振を対象にする。

なお、基体（１）を形成する圧電素子の並列枚数は、２
枚に限らず、左右対称に４枚でも６枚でもよい。

また、基体（１）を形成する圧電素子（1a）（1b）の分
極を並列して、どちらかの圧電素子に給電したとき他方
の圧電素子から取出した電圧を円筒状の圧電素子でなる
スライダ（２）に印加する方法をとると、多少の時間遅
れでスライダ（２）が太くなるので、さらに効率アップ
になる。スライダ（２）の反対方向への駆動には、基体
（１）による電圧の出し入れを逆にすればよい。

さらに付言すると、スライダ（２）の貫通孔（３）への
嵌合状態を、少しゆるめにしておけば、最後にすべての
電源を開としたとき、基体（１）のスライダ（２）への
クランプ作用がないので、事実上、スライダ（２）はフ
リーになる。つまり、バネなどによるバイアス下での使
用では、電源を開としたとき、どちらか側の決まった位
置へ、瞬間的に、何の努力もなしに、スライダ（２）が
移動する。

動作中におけるスライダ（２）の固定は、スライダ
（２）に直流電圧をかけて径を大きくふくらませればよ
い。したがって、この操作は、スライダ（２）への給電
を、交番電圧と直流電圧が重畳する回路とすることで達
成される。

なお、上記実施例では２枚の圧電素子を積層した基体と
したが、第４図、第５図に示したような基体（11）を用
い、これに屈曲モードの振動のみを発生させ、径方向モ
ードで振動する円筒状の圧電素子を基体に結合してもよ
く、同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

この発明は、以上の説明から明らかなように、中心部に
スライダの貫通孔が形成されて円板屈曲振動する円板状
の基体と、径方向振動する円筒状の圧電素子でなるスラ
イダとの結合により、スライダを左右任意の方向に移動
して一軸アクチュエータとして機能するようにしたの
で、基体とスライダがそれぞれ単一の振動モードを担持
すればよく、したがって、これらの寸法精度を大幅に緩
和することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の側断面図、第２図は第１
図のものの正面図、第３図は当該実施例における駆動回
路の結線図、第４図は従来の超音波リニアモータの側断
面図、第５図は第４図のものの正面図である。 （１）…圧電素子（1a）（1b）でなる基体、（２）…円
筒状の圧電素子でなるスライダ、（３）…貫通孔、
（４）…電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心部に貫通孔が形成され、円環板状の圧
   電素子により超音波領域の屈曲モード振動を発生する円
   板状の基体と、 円筒状の圧電素子でなり、前記貫通孔に軸方向可動に密
   着嵌挿され、超音波領域の径方向モード振動を発生する
   スライダと、 を備えてなる超音波リニアモータ。