(57)【要約】【課題】  耐久性が高くストロークの大きな超音波モータと、機構が簡単な可変剛性バネを、同一の基本原理により実現する。【解決手段】  本発明に係る超音波モータ１は、一端が固定支持された固定端３と、他端外周部が拘束され材軸方向にのみ移動自在とされたローラー端４とを有する棒状部材２の固定端３近傍に一対の圧電素子５、６を装着した構成となっている。静止状態における棒状部材２の材軸方向を直交座標系のＸ軸方向とすると、圧電素子５はＺ軸方向を加振方向とし、圧電素子６はＹ軸方向を加振方向とする。また、棒状部材２に装着された圧電素子５、６の加振波形は、位相のみ９０度シフトした正弦波である。棒状部材２を圧電素子５、６により当該棒状部材２の固有周波数で加振し、棒状部材２を共振させると、棒状部材２は大きく撓みながら回転運動する。そして、棒状部材２が撓むことにより、棒状部材２のローラー端４はＸ軸方向にスライドする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が固定支持された固定端と、他端が材軸方向にのみ移動自在とされたローラー端とを有する棒状部材の材軸方向を直交座標系のＸ軸方向としたとき、Ｙ軸方向およびＺ軸方向をそれぞれ加振方向とする少なくとも一対の並進アクチュエータが前記棒状部材の固定端近傍に装着された構成とされ、
前記一対の並進アクチュエータに印加される加振波は、相互の位相が９０度異なる正弦波であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
一端が固定支持された固定端と、他端が材軸方向にのみ移動自在とされたローラー端とを有する棒状部材の材軸方向を直交座標系のＸ軸方向としたとき、Ｙ軸方向およびＺ軸方向をそれぞれ加振方向とする少なくとも一対の並進アクチュエータが前記棒状部材の固定端近傍に装着された構成とされ、
前記一対の並進アクチュエータに入力される加振波は、相互の位相が９０度異なる正弦波であり、前記加振波の加振周波数を変化させることにより、前記棒状部材のＸ軸方向の剛性を可変とすることを特徴とする可変剛性バネ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータおよび可変剛性バネに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型で高トルクを有し電磁界の影響の無いモータとして超音波モータの開発が進められている。その方式には種々のものがあるが、最も実用化されている方式は、位相の異なる圧電素子の組み合わせにより振動体（ステータ）に楕円運動を起こし、これによる進行波で、振動体に圧接した移動体（ロータ）を回転させるものである（例えば、非特許文献１参照）。また、静的な変位を与える方式として、圧電素子を積層化、あるいは曲げ方向変位を用いるバイモルフ式が多く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
他方、近年、可変剛性や負剛性といった特殊な特性を持つバネ（剛性装置）の開発が盛んである。例えば、特許文献２では、ハードスプリング特性を有する非線形バネを用いて高架橋に敷設された軌道の防振装置を提案している。また、特許文献３では、作用した荷重とそれに伴う変形との間に負の関係を生ずる負の剛性装置を提案している。
【非特許文献１】長松昭男編、「ダイナミクス・ハンドブック」、初版、株式会社朝倉書店、１９９３年１１月、ｐ．３０５−３０６
【特許文献１】特開２００４−２３３４７５号公報  （第３−４頁、第１−３図）
【特許文献２】特開２０００−３０９９０１号公報  （第２−４頁、第１−３図）
【特許文献３】特開２００３−２８７０７９号公報  （第４−５頁、第１−２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１に記載されたモータは、振動体と移動体間の摩擦を利用しているため、制動特性は優れるが、耐久性が低いという難点を有している。また、特許文献１に記載された方式は、静撓みを用いているため、ストロークが小さいという難点がある。
一方、特許文献２や３に記載されたハードスプリングや負の剛性といった復元力特性はバネごとに固有のものであり、荷重帯域が変化した場合、バネの材質や構造などを設計変更しなければならない。また、１つのバネに複数の復元力特性を混在させることは困難である。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、耐久性が高くストロークの大きな超音波モータと、機構が簡単な可変剛性バネを、同一の基本原理により実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波モータは、一端が固定支持された固定端と、他端が材軸方向にのみ移動自在とされたローラー端とを有する棒状部材の材軸方向を直交座標系のＸ軸方向としたとき、Ｙ軸方向およびＺ軸方向をそれぞれ加振方向とする少なくとも一対の並進アクチュエータが前記棒状部材の固定端近傍に装着された構成とされ、前記一対の並進アクチュエータに印加される加振波は、相互の位相が９０度異なる正弦波であることを特徴とする。
【０００７】
ここで、直交座標系のＸ軸方向は、棒状部材が静止している状態における当該棒状部材の材軸方向である。
棒状部材の固定端近傍に装着された一対の並進アクチュエータに、位相が９０度異なる正弦波を印加してＹ軸方向およびＺ軸方向にそれぞれ加振させると、棒状部材は中間部で撓みながらＸ軸を中心として回転運動を行う。この際、一対の並進アクチュエータに入力する正弦波を同振幅にすると、棒状部材はＸ軸を中心として円運動をする。
棒状部材を当該棒状部材の固有周波数で加振し、棒状部材を共振させれば、棒状部材は大きく撓みながら回転運動することになる。そして、棒状部材が撓むことにより、棒状部材のローラー端がＸ軸方向にスライドする。即ち、棒状部材の一端がＸ軸方向に変位するリニア式超音波モータとなる。但し、棒状部材が大きく撓んで遠心力と釣り合った状態の棒状部材の固有振動数Ω１は、微小振動時の固有振動数Ω０より高くなるため、最大撓みを得るためには、棒状部材をΩ０よりも高い周波数で加振する必要がある。
なお、スライド量を大きくする場合は、並進アクチュエータに印加する電圧を大きくすればよい。これにより、棒状部材の撓みが大きくなり、ローラー端のスライド量が増大する。
【０００８】
本発明では、従来のステータ・ロータ間の圧接摩擦を加振原理として用いず、棒状部材の曲げ共振による軸長方向の収縮を加振原理としているため、磨耗がなく耐久性の高いリニア式超音波モータを実現することができる。しかも、棒状部材の共振を利用することにより、大きなストロークを得ることができる。
【０００９】
一方、本発明に係る可変剛性バネは、一端が固定支持された固定端と、他端が材軸方向にのみ移動自在とされたローラー端とを有する棒状部材の材軸方向を直交座標系のＸ軸方向としたとき、Ｙ軸方向およびＺ軸方向をそれぞれ加振方向とする少なくとも一対の並進アクチュエータが前記棒状部材の固定端近傍に装着された構成とされ、前記一対の並進アクチュエータに入力される加振波は、相互の位相が９０度異なる正弦波であり、前記加振波の加振周波数を変化させることにより、前記棒状部材のＸ軸方向の剛性を可変とすることを特徴とする。
【００１０】
本発明においても、上記超音波モータの発明と同様、棒状部材の固定端近傍に装着された一対の並進アクチュエータに、位相が９０度異なる正弦波を印加してＹ軸方向およびＺ軸方向にそれぞれ加振させることにより、棒状部材が中間部で撓みながらＸ軸を中心とする回転運動を行うが、さらに本発明では、並進アクチュエータの加振周波数を変化させることにより、棒状部材のＸ軸方向の剛性を可変とすることができる。
【００１１】
図４は、棒状部材のローラー端におけるＸ軸方向の変位−荷重曲線を示したものである。具体的には、棒状部材がＸ軸を中心として、ある特定周波数で回転している状態において、ローラー端に負荷するＸ軸方向の荷重を変化させたときのローラー端のＸ軸方向の変位を示したものである。なお、棒状部材の引張方向を、荷重および変位の正方向とする。
図中、実線は、棒状部材のローラー端に荷重が作用していない状態における棒状部材の固有周波数（以下、荷重ゼロ時の固有周波数と呼ぶ。）で並進アクチュエータを加振している場合を示し、破線は、荷重ゼロ時の固有周波数よりも低周波で並進アクチュエータを加振した場合、一点鎖線は、荷重ゼロ時の固有周波数よりも高周波で並進アクチュエータを加振した場合をそれぞれ示す。なお、細線は、低周波加振と高周波加振の並存している領域を示す。
棒状部材に圧縮力が作用した場合、棒状部材の固有周波数が減少し、棒状部材に引張力が作用した場合、棒状部材の固有周波数が増大する。従って、棒状部材に圧縮力が作用している場合には、荷重ゼロ時の固有周波数よりも低周波で並進アクチュエータを加振した際に棒状部材が共振し、逆に、棒状部材に引張力が作用している場合には、荷重ゼロ時の固有周波数よりも高周波で並進アクチュエータを加振した際に棒状部材が共振することになる。但し、棒状部材が大きく撓んで遠心力と釣り合った状態の棒状部材の固有振動数Ω１は、微小振動時の固有振動数Ω０より高くなるため、最大撓みを得るためには、棒状部材をΩ０よりも高い周波数で加振する必要がある。
【００１２】
次に、棒状部材のローラー端におけるＸ軸方向の接線剛性について図５の変位−荷重曲線を用いて説明する。接線剛性とは、微小な荷重増加量である荷重増分ΔＦを微小な変位増加量である変位増分ΔＤで除した値で定義され、ｔａｎθに等しい。例えば、変位−荷重曲線のＰ１点の接線剛性は正剛性であり、Ｐ２点の接線剛性は負剛性、Ｐ３点の接線剛性は無限大剛性となる。ここで、正剛性とは、荷重の増加・減少と変位の増加・減少が同じ状態となるときの剛性であり、負剛性とは、荷重の増加・減少と変位の増加・減少が逆の状態となるときの剛性である。
【００１３】
図６は、棒状部材のローラー端におけるＸ軸方向の変位−荷重曲線より、棒状部材のＸ軸方向の接線剛性を求め、剛性−荷重曲線として示したものである。本図においても、図４と同様、実線は、荷重ゼロ時の固有周波数で並進アクチュエータを加振している場合、破線は、荷重ゼロ時の固有周波数よりも低周波で並進アクチュエータを加振した場合、一点鎖線は、荷重ゼロ時の固有周波数よりも高周波で並進アクチュエータを加振した場合をそれぞれ示す。
図６より、並進アクチュエータの加振周波数を変化させることにより、棒状部材のＸ軸方向の接線剛性を可変とすることができることがわかる。なお、図中のＫ０は棒状部材の軸方向剛性であり、共振点から遠ざかるにつれて棒状部材の剛性はＫ０に漸近する。
【００１４】
即ち、本発明では、棒状部材のＸ軸方向の剛性について、棒状部材に装着した並進アクチュエータの加振周波数を変化させることで、正剛性や負剛性あるいは無限大剛性など多様な剛性を実現することができる。加えて、並進アクチュエータの制御は、状態量のフィードバックが不要な開ループ制御であるため、機構が簡単で信頼性も高い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、棒状部材の曲げ共振による軸長方向の収縮を加振原理としているため、磨耗がなく耐久性の高いリニア式超音波モータを実現することができる。
また、本発明によれば、棒状部材に装着した並進アクチュエータの加振周波数を変化させることにより、機構が簡単で信頼性の高い可変剛性バネを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る超音波モータの実施形態について図面に基づいて説明する。
［超音波モータ］
図１は、本発明に係る超音波モータの実施形態の一例を示す概念図である。
図１に示すように、本発明に係る超音波モータ１は、一端が固定支持された固定端３と、他端外周部が拘束され材軸方向にのみ移動自在とされたローラー端４とを有する棒状部材２の固定端３近傍に、並進アクチュエータとして一対の圧電素子５、６を装着した構成となっている。
静止状態における棒状部材２の材軸方向を直交座標系のＸ軸方向（棒状部材２の引張方向を正とする。）とすると、圧電素子５はＺ軸方向を加振方向とし、圧電素子６はＹ軸方向を加振方向とする。
なお、本実施形態では、棒状部材２の断面形状を矩形としているが、これに限るものではなく、円形や十字形や星形などでもよい。
【００１７】
図２（ａ）は、棒状部材２に装着された圧電素子５、６の加振波形を示したものであり、位相のみ９０度シフトした同一周波数の正弦波である。
図２（ｂ）は、上記加振波形による加振点Ｋの動きをＹ−Ｚ平面上で示したものである。
先ず、圧電素子５が正の最大振幅になると、加振点Ｋは、Ｚ軸上をＡ点まで移動する。次いで、圧電素子５の振幅が減少するとともに圧電素子６が加振を開始し、圧電素子５、６が同振幅になると、圧電素子５、６の加振波が合成され、加振点Ｋは、Ａ点からＢ点に移動する。その後、圧電素子５の振幅がゼロになり、圧電素子６が正の最大振幅まで達すると、加振点Ｋは、Ｂ点からＣ点に移動する。以後、加振点Ｋは、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、ＨとＸ軸を中心として円運動をする。
このように、Ｚ軸方向を加振方向とする圧電素子５とＹ軸方向を加振方向とする圧電素子６の加振波形の位相を９０度シフトさせることにより、加振点ＫはＸ軸を中心とする円運動をする。
なお、圧電素子５、６の振幅は同じである必要はなく、異なる振幅を用いることにより、加振点Ｋの動きを楕円運動とすることができる。
【００１８】
棒状部材２の加振点Ｋが円運動すると、棒状部材２は中間部で撓みながら円運動をする（図１では、重心Ｍの動きを示している。）。特に、棒状部材２をその固有周波数で加振することにより、棒状部材２は中間部で大きく撓みながら回転運動することになる。そして、棒状部材２が撓むことにより、棒状部材２のローラー端４はＸ軸の負の方向にスライドする。
棒状部材２が曲げ１次モードで共振する場合に、棒状部材２の撓み量が最大となり、棒状部材２のローラー端４のスライド量も最大となる。従って、圧電素子５、６の加振周波数は、棒状部材２が曲げ１次モードとなるような周波数が好適である。
【００１９】
本発明に係る超音波モータ１では、棒状部材２の曲げ共振によるＸ軸方向の収縮を加振原理としているため、磨耗がなく耐久性の高いリニア式超音波モータを実現することができる。しかも、棒状部材２の共振を利用することにより、大きなストロークを得ることができる。
【００２０】
［可変剛性バネ］
図３は、本発明に係る可変剛性バネの実施形態の一例を示す概念図である。
図３に示すように、本発明に係る可変剛性バネ１１は、一端が固定支持された固定端１３と、他端外周部が拘束され材軸方向にのみ移動自在とされたローラー端１４とを有する棒状部材１２の固定端１３近傍に一対の並進アクチュエータ１５、１６を装着した構成となっている。
静止状態における棒状部材１２の材軸方向を直交座標系のＸ軸方向（棒状部材１２の引張方向を正とする。）とすると、並進アクチュエータ１５はＺ軸方向を加振方向とし、並進アクチュエータ１６はＹ軸方向を加振方向とする。また、棒状部材１２に装着された並進アクチュエータ１５、１６の加振波形は、位相のみ９０度シフトした同一周波数の正弦波である。
なお、並進アクチュエータ１５、１６の振幅は同じである必要はなく、異なる振幅を用いることができる。
【００２１】
９０度シフトした加振波形を有する一対の並進アクチュエータ１５、１６により、加振点ＫがＸ軸を中心とする円運動をすると、棒状部材１２は中間部で撓みながら円運動する。この際、棒状部材１２を固有周波数で加振すれば、棒状部材１２は中間部で大きく撓みながら回転運動する。この際、ローラー端１４にＸ軸の負方向の荷重Ｐ（圧縮荷重）が負荷されれば、棒状部材１２の固有周波数は減少し、ローラー端１４にＸ軸の正方向の荷重Ｐ（引張荷重）が負荷されれば、棒状部材１２の固有周波数は増大する。
【００２２】
図７乃至９は、本発明に係る可変剛性バネの変位−荷重曲線を示したものである。
ローラー端１４にＸ軸方向の圧縮荷重Ｐが負荷される条件において、負剛性バネを実現したい場合、例えば図７（ａ）に示すように、負剛性領域Ｒ１が少なくとも荷重軸の負側（圧縮側）に発生し、且つ、負剛性領域Ｒ１に対応する荷重に圧縮荷重Ｐが含まれるように、並進アクチュエータ１５、１６の加振周波数を調整すればよい。
逆に、ローラー端１４にＸ軸方向の引張荷重Ｐが負荷される条件において、負剛性バネを実現したい場合、例えば図７（ｂ）に示すように、負剛性領域Ｒ２が少なくとも荷重軸の正側（引張側）に発生し、且つ、負剛性領域Ｒ２に対応する荷重に引張荷重Ｐが含まれるように、並進アクチュエータ１５、１６の加振周波数を調整すればよい。
なお、負剛性領域Ｒ１、Ｒ２は、並進アクチュエータ１５、１６の駆動電圧を大きくすることにより、広くとることができる。
【００２３】
また、無限大剛性を実現したい場合には、例えば図８に示すように、並進アクチュエータ１５、１６の加振周波数を調整して所定荷重領域がＲ３の状態となるようにすればよい。
なお、Ｑ点近傍でも無限大剛性となるが、Ｑ点は共振点であり、一種の不安定平衡点であるため、無限大剛性の利用には適していない。
【００２４】
一方、ローラー端１４にＸ軸方向の圧縮荷重Ｐが負荷される場合において、正の低剛性バネを実現したい場合、例えば図９（ａ）に示すように、正の低剛性領域Ｒ４が少なくとも荷重軸の負側（圧縮側）に発生し、且つ、正の低剛性領域Ｒ４に対応する荷重に圧縮荷重Ｐが含まれるように、並進アクチュエータ１５、１６の加振周波数を調整すればよい。
逆に、ローラー端１４にＸ軸方向の引張荷重Ｐが負荷される場合において、正の低剛性バネを実現したい場合、例えば図９（ｂ）に示すように、正の低剛性領域Ｒ５が少なくとも荷重軸の正側（引張側）に発生し、且つ、正の低剛性領域Ｒ５に対応する荷重に引張荷重Ｐが含まれるように、並進アクチュエータ１５、１６の加振周波数を調整すればよい。
なお、正の低剛性領域Ｒ４、Ｒ５は、並進アクチュエータ１５、１６の駆動電圧を大きくすることにより、広くとることができる。
【００２５】
本発明に係る可変剛性バネ１１では、棒状部材１２のローラー端１４にＸ軸方向の所定荷重Ｐが負荷される場合、棒状部材１２に装着した並進アクチュエータ１５、１６の加振周波数を変化させることで、正の低剛性や負剛性あるいは無限大剛性など多様な剛性を実現することができる。加えて、並進アクチュエータ１５、１６の制御は開ループ制御であるため、状態量のフィードバックは不要であり、機構が簡単で信頼性も高い。
【００２６】
次に、本発明に係る可変剛性バネ１１を負剛性バネとして利用する実施例について示す。
図１０は、負剛性バネを用いたロボットハンドの概略図である。
ロボットハンド２０の把持部２１には、対象物２３と接触する部位に、把持部２１の可動方向をバネ方向とする可変剛性バネ２２、２２が装着されており、可変剛性バネ２２、２２は、可変剛性バネ２２、２２に内蔵された並進アクチュエータ（図示省略）の加振周波数を調整して、圧縮荷重時に負剛性となるように設定されている。なお、可変剛性バネ２２、２２は、把持部２１の可動方向のみではなく、可動方向に加えて可動直交方向に装着されていてもよい。
把持部２１を徐々に閉じていくと、ある閉じ量で可変剛性バネ２２、２２と対象物２３が接触し、可変剛性バネ２２、２２には圧縮力が作用する。この時、可変剛性バネ２２、２２は負剛性とされているので、圧縮力がかかると可変剛性バネ２２、２２は伸びて圧縮荷重が再増加し、いち早く荷重平衡点に達して対象物２３を把持することができる。
把持完了後、ロボットハンド２０のアームの移動動作に伴う対象物２３のブレを防ぐためには、並進アクチュエータの加振周波数を切り換えて無限大剛性とすればよい。
【００２７】
図１１は、負剛性バネを用いた昇降機の概略図である。
昇降機３０は、ベース３４に載置された、鉛直方向をバネ方向とする可変剛性バネ３２上に台座３１が設置されたものであり、可変剛性バネ３２は、可変剛性バネ３２に内蔵された並進アクチュエータ（図示省略）の加振周波数を調整して、圧縮荷重時に負剛性となるように設定されている。
対象物３３が台座３１上に載置されると、可変剛性バネ３２は負剛性なので、重力に逆らうように可変剛性バネ３２が鉛直方向に伸び、対象物３３が上昇する。その後、対象物３３を除去すると、台座３１は無荷重となり、可変剛性バネ３２は初期位置に自動的に復帰する。
なお、可変剛性バネ３２を天井などから吊下げ、台座３１を可変剛性バネ３２の下に装着してもよい。この場合は、並進アクチュエータの加振周波数を調整して、引張荷重時に負剛性となるようにすればよい。
【００２８】
以上、本発明に係る超音波モータの実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記の実施形態では、一対の圧電素子または並進アクチュエータを用いているが、二対以上の圧電素子または並進アクチュエータを用いてもよい。要は、本発明において所期の機能が得られればよいのである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る超音波モータの実施形態の一例を示す概念図である。
【図２】（ａ）は棒状部材に装着された一対の圧電素子の加振波形を示し、（ｂ）は加振点の動きをＹ−Ｚ平面上に示した図である。
【図３】本発明に係る可変剛性バネの実施形態の一例を示す概念図である。
【図４】棒状部材のローラー端におけるＸ軸方向の変位−荷重曲線である。
【図５】棒状部材のＸ軸方向の接線剛性を説明するための図である。
【図６】本発明に係る可変剛性バネの剛性−荷重曲線である。
【図７】本発明に係る可変剛性バネの変位−荷重曲線である。
【図８】本発明に係る可変剛性バネの変位−荷重曲線である。
【図９】本発明に係る可変剛性バネの変位−荷重曲線である。
【図１０】負剛性バネを用いたロボットハンドの概略図である。
【図１１】負剛性バネを用いた昇降機の概略図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  超音波モータ
２、１２  棒状部材
３、１３  固定端
４、１４  ローラー端
５、６  圧電素子
１１、２２、３２  可変剛性バネ
１５、１６  並進アクチュエータ
２０  ロボットハンド
２１  把持部
２３、３３  対象物
３０  昇降機
３１  台座
３４  ベース
Ｐ  荷重
Ｋ  加振点
Ｍ  重心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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