(57)【要約】【課題】  コンパクト化、低コスト化、エネルギー消費量の低減を図るとともに、振動エネルギーを大きくして質量の大きい搬送物でも搬送可能とした超音波リニアモータおよび駆動・案内装置を提供すること。【解決手段】  振動梁３に進行波を励起し、その振動によりスライダ１１を駆動する超音波リニアモータにおいて、前記振動梁３の一方の端部に２組以上、他方の端部に一方の端部と同数組以上の駆動素子９１１、９１２、９２１、９２２が付加されていて、略共振する駆動源１、２が構成されていることを特徴とする超音波リニアモータおよび前記超音波リニアモータを用いた駆動・案内装置である。【選択図】図１
2013059231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動梁に進行波を励起し、その振動によりスライダを駆動する超音波リニアモータにおいて、
前記振動梁の一方の端部に２組以上、他方の端部に一方の端部と同数組以上の駆動素子が付加されていて、略共振する駆動源が構成されていることを特徴とする超音波リニアモータ。
【請求項２】
請求項１記載の超音波リニアモータにおいて、
前記振動梁の両端にはより大きな振動体が設けられ、
前記振動体に前記駆動素子が付加されていて略共振する駆動源が構成されていることを特徴とする超音波リニアモータ。
【請求項３】
請求項２記載の超音波リニアモータにおいて、
前記振動体と前記振動梁が段付構造になっていることを特徴とする超音波リニアモータ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３記載の超音波リニアモータにおいて、
前記振動梁の一方の端部および他方の端部にそれぞれ付加された２組以上の駆動素子の位相差を調整する位相差調整部を設けたことを特徴とする超音波リニアモータ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４記載の超音波リニアモータを用いていることを特徴とする駆動・案内装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、精密位置決めシステムに用いる超音波リニアモータとその超音波リニアモータを用いた駆動・案内装置に係り、特に、駆動・案内装置の出力向上を図ることができるように工夫したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波駆動を用いた位置決め装置としては、例えば、特許文献１、特許文献２に示すようなものがある。しかしながら、これら特許文献１、特許文献２に記載されている位置決め装置の場合には次のような問題があった。
【０００３】
まず、特許文献１に記載された位置決め装置及び特許文献２に記載された位置決め装置の何れの場合も、その構成が複雑であるという問題があった。すなわち、ステージの駆動・案内のために超音波振動発生装置と、それとは別に２本の案内レールを使用する構成であり、その為部品点数が多くて構成が複雑化してしまうという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の主要な発明者は、２本の振動梁を用いて駆動と案内の両方を行なうコンパクトな駆動・案内装置を提案している。その構成は特許文献３に開示されている。
【０００５】
さらに、本発明の主要な発明者は、特許文献３に掲載された駆動・案内装置よりも更にコンパクト化、低コスト化、エネルギー消費量の低減を図ることができるように、１本の段付構造からなる振動梁を用いて駆動と案内の両方を行なう駆動・案内装置を提案している。その構成は、特許文献４に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２９８９７３号公報
【特許文献２】特開２００３−３３９１７５号公報
【特許文献３】特開２００７−６８３５０号公報
【特許文献４】特開２０１１−１６０５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の構成によると次のような問題があった。
すなわち、特許文献４に記載されている駆動・案内装置の場合には、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されている装置に比べて装置のコンパクト化を図ることができる。また、１本の振動梁の両端に大きな質量をもつ振動体を設けることにより、大きな進行波振幅を得ることができた。
【０００８】
しかしながら、特許文献４に記載されている駆動・案内装置の構成では、コンパクトにすることにより超音波振動周波数も上がり、また振動体の質量も小さくなったことから振動体から発生することができる進行波振幅の大きさには限度があり、より大きな質量の搬送物を搬送することが困難であるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するべく本願発明の請求項１による超音波リニアモータは、振動梁に進行波を励起し、その振動によりスライダを駆動する超音波リニアモータにおいて、前記振動梁の一方の端部に２組以上、他方の端部に一方の端部と同数組以上の駆動素子が付加されていて、略共振する駆動源が構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項２による超音波リニアモータは、請求項１記載の超音波リニアモータにおいて、前記振動梁の両端にはより大きな振動体が設けられ、前記振動体に前記駆動素子が付加されていて略共振する駆動源が構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項３による超音波リニアモータは、請求項２記載の超音波リニアモータにおいて、前記振動体と前記振動梁が段付構造になっていることを特徴とするものである。
また、請求項４による超音波リニアモータは、請求項１乃至請求項３記載の超音波リニアモータにおいて、前記振動梁の一方の端部および他方の端部にそれぞれ付加された２組以上の駆動素子の位相差を調整する位相差調整部を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項５による駆動・案内装置は、請求項１乃至請求項４記載の超音波リニアモータを用いていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上述べたように、従来の駆動・案内装置の構成では、コンパクトにすることにより超音波振動周波数も上がり、また振動体の質量も小さくなったことから振動体から発生することができる進行波振幅の大きさには限度があり、より大きな質量の搬送物を搬送することが困難であったが、本願発明の請求項１による超音波リニアモータは、振動梁に進行波を励起し、その振動によりスライダを駆動する超音波リニアモータにおいて、前記振動梁の一方の端部に２組以上、他方の端部に一方の端部と同数組以上の駆動素子が付加されていて、略共振する駆動源が構成されているので、振動素子の数を増やすことによってより大きな振動エネルギーを得ることができ、それによって、振動梁においてもより大きな進行波振幅を得ることができるものである。
また、請求項２による超音波リニアモータは、請求項１記載の超音波リニアモータにおいて、前記振動梁の両端にはより大きな振動体が設けられ、前記振動体に前記駆動素子が付加されていて略共振する駆動源が構成されているので、質量の大きな振動体を共振させることにより大きな振動エネルギーを得ることができ、それによって、振動梁においてもより大きな進行波振幅を得ることができるものである。
また、請求項３による超音波リニアモータは、請求項２記載の超音波リニアモータにおいて、前記振動体と前記振動梁が段付構造になっているので、その構成も簡単であり部品点数が増加することもない。
また、請求項４による超音波リニアモータは、請求項１乃至請求項３記載の超音波リニアモータにおいて、前記振動梁の一方の端部および他方の端部にそれぞれ付加された２組以上の駆動素子の位相差を調整する位相差調整部を設けた構成となっているので、各ドライバに印加する交流電力を調整して、例えば各圧電素子に精度の高い逆位相の超音波振動を発生させるように位相差を調節することができるものである。すなわち、最適な共振を発生させることができるものである。
また、請求項５による駆動・案内装置は、請求項１乃至請求項４記載の超音波リニアモータを用いることで、コンパクトでありながら質量の大きい搬送物を搬送することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図で、図１（ａ）は本実施の形態による駆動・案内装置の構成を示す平面図、図１（ｂ）は本実施の形態による駆動・案内装置の正面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）のｃ−ｃ断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す図で、本実施の形態による駆動・案内装置の超音波リニアモータの制御構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の振動体５の振動パターンの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図1乃至図３を参照して本発明の一実施の形態を説明する。
図1は本実施の形態による駆動・案内装置の構成を示す図であり、まず、一対の支柱１、１が離間・配置されていて、これら一対の支柱１，１の間には振動梁３が設置されている。前記振動梁３の両端には振動体５、５が設けられている。すなわち、前記振動梁３の両端部が段付部７、７を挟んでその高さ方向｛図1（ｂ）中、上下方向｝の幅が大きくなっていて、その部分が前記振動体５、５となっているものである。この振動体５、５の部分は振動梁３のほかの部分に比べて質量が大きくなっている。
【００１３】
振動梁３は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属、アルミナ等のセラミックから製造されている。
因みに、本実施の形態における振動梁３はアルミニウム製である。
【００１４】
図１（ｂ）において、振動梁３の一方の端部に設けられた振動体５には圧電素子９１１、９１２｛この実施形態の場合にはピエゾ型圧電素子（ＰＺＴ）｝が、振動体５の上下面に対向して圧電素子２枚１組として合計２組貼り付けられている。また、振動梁３の他方の端部に設けられた振動体５にも圧電素子９２１、９２２が振動体５の上下面に対向して圧電素子２枚１組として合計２組貼り付けられている。それによって、振動体５、５の部分が各々駆動源となっているものである。
なお、本実施の形態では振動体５の上下面に対向して２枚の圧電素子を１対１組として貼り付けられているが、上面のみとしてもよいし、下面のみとしてもよい。すなわち、上面のみで２組以上、または、下面のみで２組以上、あるいは、１組は上面のみ・１組は下面のみ組み合わせとして２組以上としてもよい。
【００１５】
図１（ａ）において、振動梁３にはスライダ１１が移動可能に取り付けられている。前記スライダ１１は次のような構成になっている。図１（ｃ）において、振動梁３を左右方向から挟むように、一対の振動部材１７、１９が４組の締結具２１によって締付・固定されている。締結具２１は両端に雄ねじ部に螺合されたナット２５、２７とから構成されている。上側摩擦板１３、下側摩擦板１５が、上下方向の案内装置、摺動部材１７、１９が左右方向の案内装置を振動梁３と構成している。
【００１６】
摺動部材１７、１９の材質としては、摩擦係数が小さく摩耗が少ない材料であって、且つ、低コストの材料が好ましく、本実施の形態の場合には、潤滑剤入りポリセタール樹脂を使用している。
【００１７】
そして、図１（ｂ）において、振動体５からは、振動梁３に上下方向に振動する進行波を発生させる。この振動梁３における進行波と前記スライダ１１の上側摩擦板１３、下側摩擦板１５とが摩擦接触することになり、それによって、スライダ１１に推力が発生することになる。また、振動梁３と上側摩擦板１３及び下側摩擦板１５の摩擦接触を安定したものとして大きい推力を得るために、各締結具２１の弾性部材２３によって、上側摩擦板１３及び下側摩擦板１５を、振動梁３に押付与圧を付加するようにしている。
【００１８】
次に、図２を用いて駆動装置の構成について説明する。圧電素子９１１にはドライバ１−ａ  ３１１、圧電素子９１２にはドライバ１−ｂ  ３１２、圧電素子９２１にはドライバ２−ａ  ３３１、圧電素子９２２にはドライバ２−ｂ  ３３２が各々接続されている。前記４つのドライバ、ドライバ１−ａ  ３１１、ドライバ１−ｂ  ３１２、ドライバ２−ａ  ３３１、ドライバ２−ｂ  ３３２は圧電素子９１１、９１２、９２１、９２２に交流電力を印加し超音波振動を発生させる。
また、ドライバ１−ａ  ３１１、ドライバ１−ｂ  ３１２には位相差調整部１  ３２が、ドライバ２−ａ  ３３１、ドライバ２−ｂ  ３３２には位相差調整部２  ３４が各々接続されている。
また、ドライバ１−ａ  ３１１、ドライバ１−ｂ  ３１２、ドライバ２−ａ  ３３１、ドライバ２−ｂ  ３３２は位相差制御器３５、振幅増幅器３６に各々接続され、更に位相差制御器３５、振幅制御器３６は位置決めコントローラ３７に接続されている。
また、位置決めコントローラ３７にはスライダ１１の位置を検出するリニアエンコーダ４１が接続されている。
【００１９】
位相差制御器３５は振動梁３に必要な推力を得るために適当な大きさの進行波を励起させたり、スライダ１１の移動方向を切り替えるために進行波の向きを変えたりするために、ドライバ１−ａ  ３１１、ドライバ１−ｂ  ３１２とドライバ２−ａ  ３３１、ドライバ２−ｂ  ３３２の位相差を制御している。
【００２０】
また、振幅制御器３６は進行波の振幅を制御することによって推力の大きさや速度を制御している。また、位置決めコントローラ３７は、駆動・案内装置のスライダ１１の位置を検出するリニアエンコーダ４１からの位置情報に基づき、位相差制御器３５及び振幅制御器３６を用いて各ドライバ１−ａ、ドライバ１−ｂ、ドライバ２−ａ、ドライバ２−ｂを制御するものであり、それによって、スライダ１１を任意に駆動させることができるように構成されている。
【００２１】
また、位相差調整部１  ３２、位相差調整部２  ３４について図３（ａ）を用いて説明する。
位相差調整部１  ３２にはドライバ１−ａ  ３１１、ドライバ１−ｂ  ３１２を介して圧電素子９１１、９１２が接続されている。振動体５に大きな振動エネルギーを与えるための優れた振動方法の一例に圧電素子９１２と圧電素子９１１とを逆位相で振動させる方法が考えられる。
しかし、振動体５の加工精度や圧電素子９１１、９１２の貼付位置や貼付方法等によって、圧電素子９１２と圧電素子９１１とから発生する振動の位相差に誤差が生じて振動体５の振動エネルギーが最大にならない場合がある。
位相差調整部１  ３２は、振動体５の振動エネルギーが最大となるようにドライバ１−ａ  ３１１、ドライバ１−ｂ  ３１２に印加する交流電力の位相を調整して、圧電素子９１１と圧電素子９１２とに精度の高い逆位相の超音波振動を発生させるように位相差を調節する。
また、位相差調整部２  ３４も位相差調整部１  ３２と同様の構成となっている。
図３（ｂ）は振動パターンの他の実施例として、一方の振動体５に圧電素子９１１、９１２、９１３の圧電素子が３組取り付けられた構成としたものである。圧電素子が３組以上取り付けられた場合も各々に図示しないドライバを接続することにより圧電素子９１１、９１２、９１３を振動させる。
圧電素子が３組取り付けられた場合は、圧電素子９１１および９１３は同位相、圧電素子９１２は圧電素子９１１、９１３とは逆位相で振動させる必要がある。
しかし、図３（ａ）の実施例と同様に、振動体５の加工精度や圧電素子９１１、９１２、９１３の貼付位置や貼付方法等によって振動の位相差に誤差が生じるので、図示しない各ドライバを図示しない位相差調整部に接続することによって、振動体５の振動エネルギーが最大となるように圧電素子９１１、９１２、９１３の位相差を調節する。
【００２２】
以上の構成を基にその作用を説明する。まず、左右一対の振動体５（駆動源）が超音波振動することにより振動梁３に進行波が発生する。この進行波に対してはスライダ１１の上側摩擦板１３および下側摩擦板１５が摩擦接触しており、それによって、スライダ１１に推力が発生する。その結果、スライダ１１が適宜移動することになる。
【００２３】
すなわち、位置決めコントローラ３７は、駆動・案内装置のスライダ１１の位置を検出するリニアエンコーダ４１からの位置情報に基づき、位相差制御器３５及び振幅制御器３６を介して各ドライバ３１１、３１２、３３１、３３２を制御する。
その際、位相差調整部１  ３２が振動体５の振動エネルギーが最大になるように圧電素子９１１と９１２との位相差を調整し，振動体５を略共振状態にする。同様に位相差調整部２  ３４が振動体５の振動エネルギーが最大になるように圧電素子９２１と９２２との位相差を調整し，振動体５を略共振状態にする。
それによって、左右の振動体５（駆動源）が各々より大きな超音波振動することにより振動梁３により大きな進行波が発生し、それによって、スライダ１１が適宜の方向により大きな推力で移動して所望の場所に位置決め停止するものである。
【００２４】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。
まず、前記実施の形態の場合には、振動梁３と振動体５を一体化させたものを例に挙げて説明したが、それに限定されるものではない。大きな質量を持つ振動体が構成できれば良く、例えば、厚みの薄い振動梁を延長し、その上下に厚板を貼り付けることにより、大質量の振動体を得るようにしてもよい。
また、振動梁の両端の材質を変えて質量を大きくすることもできる。
また、前記実施の形態では一方の振動体５に２組または３組の圧電素子を設けた場合を例示したが、４組以上でもよいし、また、必ずしも一方と他方の振動体５、５設ける圧電素子の組数が同数でなくてもよい。
【符号の説明】
【００２５】
１  支柱
３  振動梁
５  振動体
７  段付部
９１１  ９１２  ９２１  ９２２  圧電素子
１１  スライダ
１３  上側摩擦板
１５  下側摩擦板
１７  摺動部材
１９  摺動部材
２１  締結具
２３  弾性部材
２５  ナット
【図２】
2013059231.tif 000003
【図１】
2013059231.tif 000004
【図３】
2013059231.tif 000005