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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-08
(45)【発行日】2024-03-18
(54)【発明の名称】小型超音波リニアモータ
(51)【国際特許分類】
B06B 1/06 20060101AFI20240311BHJP
H02N 2/02 20060101ALI20240311BHJP
【ＦＩ】
B06B1/06 A
H02N2/02
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2022503039
(86)(22)【出願日】2020-02-28
(86)【国際出願番号】 JP2020008470
(87)【国際公開番号】W WO2021171600
(87)【国際公開日】2021-09-02
【審査請求日】2023-01-10
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３１年３月１日 ２０１９年度精密工学会春季大会学術講演会予稿集ＣＤ－ＲＯＭで発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 平成３１年３月１３日 東京電機大学において開催された２０１９年度精密工学会春季大会学術講演会で発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年５月１６日 第３１回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム（ＳＥＡＤ３１）予稿集ウェブサイトに掲載 ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｍｅ．ｏｒ．ｊｐ／ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ／ｓｅａｄ３１／
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年５月２３日 東京工業大学において開催された第３１回「電磁力関連のダイナミクス」シンポジウム（ＳＥＡＤ３１）で発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年１１月２３日 ウェブサイトに掲載 ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｓｎａ．２０１９．１１１７６４
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年１１月２５日 第４０回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム（ＵＳＥ２０１９）予稿集ＵＳＢで発表
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和１年１１月２７日 明治大学において開催された第４０回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム（ＵＳＥ２０１９）で発表
(73)【特許権者】
【識別番号】504137912
【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学
(74)【代理人】
【識別番号】110000017
【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】森田 剛
(72)【発明者】
【氏名】田上 裕太郎
【審査官】島倉 理
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－０３２３５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２４６２７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－１４８０８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭６２－１０４５９３（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０６Ｂ １／０６
Ｈ０２Ｎ ２／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧電材料により駆動方向に対する対称性を有する板状に形成された圧電駆動部に金属材料により形成された金属作用部を接着した振動子と、前記振動子に押圧された移動部材と、を有し、前記圧電駆動部の４辺に平行する二方向のうちの一方向に前記圧電駆動部を伸縮振動させる第１伸縮振動と前記圧電駆動部の前記一方向の両端部を前記二方向のうちの他方向に逆位相で伸縮振動させる第２伸縮振動とを用いて前記移動部材を前記一方向に移動させる小型超音波リニアモータであって、前記金属作用部は、前記圧電駆動部と略同形の天板を有する四脚のテーブル状に形成され、前記天板が前記圧電駆動部に接着されており、
前記移動部材は、一対のスライダとして構成されており、前記一対のスライダにより前記金属作用部の少なくとも前記四脚の端部を挟持するように配置されている、
小型超音波リニアモータ。
【請求項2】
請求項１記載の小型超音波リニアモータであって、前記金属作用部は、前記四脚の端部の前記一対のスライダに接触する部位に前記一対のスライダ側に突出する４つの突出摩擦部を有する、
小型超音波リニアモータ。
【請求項3】
請求項１または２記載の小型超音波リニアモータであって、前記金属作用部は、前記天板の裏面中央に前記振動子を外部に固定する固定部を有する、
小型超音波リニアモータ。
【請求項4】
圧電材料により駆動方向に対する対称性を有する板状に形成された圧電駆動部に金属材料により形成された金属作用部を接着した振動子と、前記振動子に押圧された移動部材と、を有し、前記圧電駆動部の４辺に平行する二方向のうちの一方向に前記圧電駆動部を伸縮振動させる第１伸縮振動と前記圧電駆動部の前記一方向の両端部を前記二方向のうちの他方向に逆位相で伸縮振動させる第２伸縮振動とを用いて前記移動部材を前記一方向に移動させる小型超音波リニアモータであって、前記金属作用部は、前記圧電駆動部と略同形の天板を有する四脚のテーブル状に形成され、前記天板が前記圧電駆動部に接着されており、
前記移動部材は、棒状に形成されており、前記金属作用部の前記四脚の端部の内側を押圧するように配置されている、
小型超音波リニアモータ。
【請求項5】
請求項４記載の小型超音波リニアモータであって、前記金属作用部の前記四脚の端部の前記移動部材に接触する部位は、前記移動部材が略正接するように傾斜部として形成されている、
小型超音波リニアモータ。
【請求項6】
請求項５記載の小型超音波リニアモータであって、前記移動部材は、円形断面に棒状に形成されており、
前記圧電駆動部の前記移動部材の移動方向に対して直交する方向の長さをＭとし、前記四脚の前記移動部材の移動方向に対して直交する方向の長さをｗとし、前記傾斜部の傾斜角をθとし、前記移動部材の断面の半径をｒとし、前記傾斜部の前記四脚からの高さをｌとし、ｔａｎα＝ｌ／ｒとしたときに、次式（１）で表わされる傾斜角θの範囲を前記傾斜部の傾斜角とする、
小型超音波リニアモータ。
【数1】
【請求項7】
請求項４ないし６のうちのいずれか１つの請求項に記載の小型超音波リニアモータであって、前記金属作用部は、前記一方向に沿った両側面の中央に前記他方向に突出するように形成され、前記振動子を外部に固定する２つのフランジを有する、
小型超音波リニアモータ。
【請求項8】
請求項１ないし７のうちのいずれか１つの請求項に記載の小型超音波リニアモータであって、前記振動子は、前記第１伸縮振動の共振周波数と前記第２伸縮振動の共振周波数とが略一致するように構成されている、
小型超音波リニアモータ。
【請求項9】
請求項１ないし７のうちのいずれか１つの請求項に記載の小型超音波リニアモータであって、前記振動子は、前記移動部材が押圧されたときに前記第１伸縮振動の共振周波数と前記第２伸縮振動の共振周波数とが略一致するように構成されている、
小型超音波リニアモータ。
【請求項10】
請求項１ないし９のうちのいずれか１つの請求項に記載の小型超音波リニアモータであって、前記振動子は、前記圧電駆動部と前記金属作用部との接着面が中立面となるように構成されている、
小型超音波リニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、小型超音波リニアモータに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、この種の技術としては、圧電材料により略矩形の板状に形成された圧電振動部に下部中央に長手方向に直線状の溝を有する断面がコ字型の金属作用部を接着した振動子と、振動子に押圧された移動部材と、を有する小型超音波リニアモータが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この小型超音波リニアモータは、長手方向に圧電振動部を伸縮振動させる第１伸縮振動と圧電振動部の長手方向の両端部を溝と直交する方向に逆位相で伸縮振動させる第２伸縮振動とを用いて移動部材を長手方向に移動させる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】"対向予圧付与可能な小型リニア超音波モータの設計と試作"，田上裕太郎，森田剛，２０１８年度精密工学会春季大会プログラム，アブストラクト集 第５０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
こうした小型超音波リニアモータを用いる技術では、小型超音波リニアモータの更なる小型化や軽量化、ハイパワー化が望まれている。特に、技手用ロボットハンド、歩行アシストロボット、介護用パワーアシストロボットなどのロボットやカメラのオートフォーカス機構、医療機器、検査装置などの精密機器に用いられる小型超音波リニアモータでは、この課題は顕著なものとなる。
【0005】
本発明の小型超音波リニアモータは、超音波リニアモータの小型化、軽量化、ハイパワー化を図ることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の小型超音波リニアモータは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【0007】
本発明の小型超音波リニアモータは、
圧電材料により駆動方向に対する対称性を有する板状に形成された圧電駆動部に金属材料により形成された金属作用部を接着した振動子と、前記振動子に押圧された移動部材と、を有し、前記圧電駆動部の４辺に平行する二方向のうちの一方向に前記圧電振動部を伸縮振動させる第１伸縮振動と前記圧電振動部の前記一方向の両端部を前記二方向のうちの他方向に逆位相で伸縮振動させる第２伸縮振動とを用いて前記移動部材を前記一方向に移動させる小型超音波リニアモータであって、
前記金属作用部は、前記圧電駆動部と略同形の天板を有する四脚のテーブル状に形成され、前記天板が前記圧電振動部に接着されている、
ことを特徴とする。
圧電材料により駆動方向に対する対称性を有する板状に形成された圧電駆動部に金属材料により形成された金属作用部を接着した振動子と、前記振動子に押圧された移動部材と、を有し、前記圧電駆動部の４辺に平行する二方向のうちの一方向に前記圧電振動部を伸縮振動させる第１伸縮振動と前記圧電振動部の前記一方向の両端部を前記二方向のうちの他方向に逆位相で伸縮振動させる第２伸縮振動とを用いて前記移動部材を前記一方向に移動させる小型超音波リニアモータであって、
前記金属作用部は、前記圧電駆動部と略同形の天板を有する四脚のテーブル状に形成され、前記天板が前記圧電振動部に接着されている、
ことを特徴とする。
【0008】
この本発明の小型超音波リニアモータでは、金属作用部は、金属材料により圧電駆動部と略同形の天板を有する四脚のテーブル状に形成され、天板が前記圧電振動部に接着されている。四脚は連結されていないから、各脚の自由度が大きくなり、四脚のうちの二脚ずつを連結した形状（下部中央に直線状の溝を有する断面がコ字型の形状）の金属作用部を有する従来例の振動子に比して、振動子の第１伸縮振動や第２伸縮振動の励振が容易なものなる。この結果、従来例の振動子を有する超音波リニアモータに比して、モータの小型化、軽量化、ハイパワー化を図ることができる。ここで、「駆動方向に対する対称性」とは、圧電駆動部において移動部材の移動方向の中心軸に対して線対称に形成されていることを意味している。
【0009】
本発明の小型超音波リニアモータにおいて、前記移動部材は、一対のスライダとして構成されており、前記一対のスライダにより前記金属作用部の少なくとも前記四脚の端部を挟持するように配置されているものとすることもできる。こうすれば、一対のスライダを一方向に移動させることができる。
【0010】
この移動部材が一対のスライダとして構成された態様の本発明の小型超音波リニアモータにおいて、前記金属作用部は、前記四脚の端部の前記一対のスライダに接触する部位に前記一対のスライダ側に突出する４つの突出摩擦部を有するものとすることもできる。こうすれば、第１伸縮振動と第２伸縮振動とによる移動部材の移動の際の摩擦を小さくし、移動部材の移動をより効率的に行なうことができる。
【0011】
また、移動部材が一対のスライダとして構成された態様の本発明の小型超音波リニアモータにおいて、前記金属作用部は、前記天板の裏面中央に前記振動子を外部に固定する固定部を有する、ものとすることもできる。天板の裏面中央は、第１伸縮振動のノード点となると共に第２伸縮振動のノード点となるから、振動子が固定部によって外部に固定されても、振動子の第１伸縮振動や第２伸縮振動は阻害されない。
【0012】
本発明の小型超音波リニアモータにおいて、前記移動部材は、棒状に形成されており、前記金属作用部の前記四脚の端部の内側を押圧するように配置されているものとすることもできる。こうすれば、棒状の移動部材を一方向に移動させることができる。
【0013】
この移動部材が棒状に形成された態様の本発明の小型超音波リニアモータにおいて、前記金属作用部の前記四脚の端部の前記移動部材に接触する部位は、前記移動部材が略正接するように傾斜部として形成されているものとすることもできる。こうすれば、第１伸縮振動と第２伸縮振動とに伴って金属作用部の四脚から移動部材に作用する押圧力を移動部材の軸心に近い方向とすることができる。この結果、高推力とすることができる。この場合、前記移動部材は、円形断面に棒状に形成されており、前記圧電駆動部の前記移動部材の移動方向に対して直交する方向の長さをＭとし、前記四脚の前記移動部材の移動方向に対して直交する方向の長さをｗとし、前記傾斜部の傾斜角をθとし、前記移動部材の断面の半径をｒとし、前記傾斜部の前記四脚からの高さをｌとし、ｔａｎα＝ｌ／ｒとしたときに、次式（１）で表わされる傾斜角θの範囲とするものとすることもできる。また、傾斜角は、式（１）で表わされる範囲のうち中央値よりも小さい角度とするものとすることもできる。振動軌跡が水平方向になす角ψと傾斜角θとの角度差（θ－ψ）が値０に近いほど傾斜角の設計は適切となるが、傾斜角θに対する角度差（θ－ψ）の変化をＦＥＭ（有限要素法）シミュレーションと計算から求めると、傾斜角θが小さくなるほど角度差（θ－ψ）も小さくなることが解る。したがって、傾斜角θは、移動部材の半径ｒや傾斜部の高さｌを定めれば、取り得る範囲の中央値より小さい角度とするのが好ましい。
【0014】
【数1】
【0015】
移動部材が棒状に形成された態様の本発明の小型超音波リニアモータにおいて、前記金属作用部は、前記一方向に沿った両側面の中央に前記他方向に突出するように形成され、前記振動子を外部に固定する２つのフランジを有するものとすることもできる。金属作用部の一方向に沿った両側面の中央は、第１伸縮振動のノード点となると共に第２伸縮振動のノード点となるから、振動子がフランジによって外部に固定されても、振動子の第１伸縮振動や第２伸縮振動は阻害されない。
【0016】
本発明の小型超音波リニアモータにおいて、前記駆動部材は、前記第１伸縮振動の共振周波数と前記第２伸縮振動の共振周波数とが略一致するように構成されているものとすることもできる。また、前記駆動部材は、前記移動部材が押圧されたときに前記第１伸縮振動の共振周波数と前記第２伸縮振動の共振周波数とが略一致するように構成されているものとすることもできる。これらのようにすることにより、第１伸縮振動と第２伸縮振動とを位相差をもって同一周波数で励振する際に、励振を容易なものとすることができる。
【0017】
本発明の小型超音波リニアモータにおいて、前記振動子は、前記圧電駆動部と前記金属作用部との接着面が中立面となるように構成されているものとすることもできる。こうすれば、接着面に不要な力が作用するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０の構成の概略を示す斜視図である。
【図3】第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０が備える振動子２２の構成の概略を示す斜視図である。
【図4】位相差φを９０度としたときの位相０度（0 deg）、９０度（90 deg）、１８０度（180 deg）、２７０度（270 deg）のときの振動子２２の変位の様子を模式的に示す説明図である。
【図6】振動子２２に作用する予圧とアドミタンスと周波数との関係の一例を示す説明図である。
【図7】位相差φと一対のスライダ６０の移動スピードとの関係の一例を示す説明図である。
【図8】第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０の構成の概略を示す斜視図である。
【図11】傾斜部１４４ａ～１４４ｄの傾斜角θで高さｌのときに正接する最大半径ｒｍａｘおよび最小半径ｒｍｉｎのスライダ１６０を示す説明図である。
【図12】振動軌跡が水平方向になす角ψと傾斜角θとその法線との関係を示す説明図である。
【図13】傾斜角θに対する角度差（θ－ψ）の変化をＦＥＭ（有限要素法）シミュレーションと計算から求めた一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
次に、本発明を実施するための形態について説明する。図１は、第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０の構成の概略を示す斜視図である。図２は、第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０を図１の下方から見た説明図である。図３は、第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０が備える振動子２２の構成の概略を示す斜視図である。
【0020】
【0021】
【0022】
圧電駆動部３０は、圧電材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）など）により矩形（長さＬ、幅Ｍ、厚みｔｐ）の板状に形成されている。圧電駆動部３０の上面には、長さ方向に略同一幅の３つの電極３２，３４，３６が形成されている。実施形態では小型の超音波リニアモータを想定しているため、長さＬは５０ｍｍ以下で幅Ｍは４０ｍｍ以下、好ましくは長さＬは２０ｍｍ以下で幅Ｍは１０ｍｍ以下が望ましい。なお、厚みｔｐは、３ｍｍ以下が好ましい。
【0023】
金属作用部４０は、金属材料（例えばジュラルミンやチタン合金など）により圧電駆動部３０と略同形（長さＬ、幅Ｍ、厚みｔｍ）の天板にその四隅に断面が矩形の脚４２ａ～４２ｄが取り付けられた四脚テーブル状に形成されている。４つの脚４２ａ～４２ｄは、高さｈ、幅ｗ、奥行きｄの断面が矩形形状に形成されており、その端部の外側（スライダ６０側）の奥行きｄ方向の端部にはスライダ６０側に突出する箱状の突出摩擦部４４ａ～４４ｄが取り付けられている。突出摩擦部４４ａ～４４ｄは、例えば金属作用部４０と同一の材料や、アルミニウム、樹脂などにより形成することができる。実施形態の振動子２２では、図２に示すように、突出摩擦部４４ａ～４４ｄが一対のスライダ６０に当接する。金属作用部４０は、天板の上面が圧電駆動部３０の下面に導通可能に接着されている。このため、圧電駆動部３０に対して、電極３２，３４，３６と金属作用部４０の４箇所の電気的な境界条件を設定することができる。また、図２に示すように、金属作用部４０の裏面中央（四脚４２ａ～４２ｄの間の中央）には中央に円筒状の孔５２が形成された円筒形状の固定部５０が形成されている。振動子２２は、この固定部５０を用いて外部に固定される。
【0024】
一対のスライダ６０は、金属材料や樹脂、木材などにより板状に形成されており、図２に示すように、振動子２２を挟持する部位で振動子２２に対して押圧力としての予圧を作用させる力が外部から加わっている。図１および図２に示すように、一対のスライダ６０は、直線状の板状に形成されているが、振動子２２を挟持する部位で部分的に直線状にみなすことができればよいから、曲線を描く棒状としたり円環状としても構わない。
【0025】
次に、第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０の作動原理について説明する。第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０では、圧電駆動部３０の長さＬ方向に伸縮する第１伸縮振動と、圧電駆動部３０の長さＬ方向の端部が幅Ｍ方向に逆位相で伸縮する第２伸縮振動と、によるインチワーム動作により一対のスライダ６０を長さＬ方向に移動させる。第１伸縮振動は、縦１次振動モード（Ｌ１モード）を用いることができ、次式（２）に示す駆動電圧を電極３２に印加することにより実現することができる。ここで、式（２）中、「Ａ］は振幅であり、「ｆ」は周波数であり、「φ」は第２伸縮振動に対する位相差である。第２伸縮振動は、屈曲２次振動モード（Ｂ２モード）のうち長辺方向のノード線の数ｍがｍ＝１で短辺方向のノード線の数ｎがｎ＝２のＢ１－２モードを用いることができ、式（３），（４）に示す駆動電圧を電極３４，３６に印加することにより実現することができる。式（３），（４）中、「Ｂ」は振幅である。金属作用部４０は天板と四脚４２ａ～４２ｄとを有する四脚構造としていることにより、脚４２ａと脚４２ｂとを連結してリブとすると共に脚４２ｃと脚４２ｄとを連結してリブとする構造（金属作用部の中央に長さＬ方向に沿った溝を形成した構造、以下、「比較例」という。）に比して、各脚４２ａ～４２ｄの自由度が大きい。振動子２２の第２伸縮振動では、リブ構造ではないため、比較例のリブに作用する振動を抑制する剪断力は作用しない。この結果、比較例に比して、振動子２２の第２伸縮振動の励振が容易になる。また、振動子２２の第１伸縮振動では、リブ構造ではないから、振動方向に作用する力は天板にのみ作用し、その応力は２つのリブの断面積の分に相当するだけ比較例に比して大きくなる。金属材料の歪み（伸縮）は作用する応力に比例するから、振動子２２の第１伸縮振動は比較例に比して大きくなる。この結果、比較例に比して、振動子２２の第１伸縮振動の励振が容易になる。即ち、実施形態の小型超音波リニアモータ２０では、金属作用部４０を天板と四脚４２ａ～４２ｄとを有する四脚構造とすることにより、振動子２２の第１伸縮振動や振動子２２の第２伸縮振動の励振を容易なものとすることができる。また、第１実施形態では、圧電駆動部３０と金属作用部４０との接着面が中立面となるように設計した。これにより、圧電駆動部３０と金属作用部４０との接着面に不要な力が作用するのを抑制することができる。
【0026】
【数2】
【0027】
図４は、位相差φを９０度としたときの位相０度（0 deg）、９０度（90 deg）、１８０度（180 deg）、２７０度（270 deg）のときの振動子２２の変位の様子を模式的に示す説明図である。位相０度（0 deg）では、振動子２２は長さＬ方向に伸張する。位相９０度（90 deg）では、振動子２２は長さＬ方向の一方の端部（図中右端部）では幅Ｍ方向に収縮し、反対側の他方の端部（図中左端部）では幅Ｍ方向に伸張する。位相１８０度（180 deg）では、振動子２２は長さＬ方向に収縮する。位相２７０度（270 deg）では、振動子２２は長さＬ方向の他方の端部（図中左端部）では幅Ｍ方向に収縮し、反対側の一方の端部（図中右端部）では幅Ｍ方向に伸張する。このため、位相１８０度（180 deg）から位相２７０度（270 deg）を介して位相０度（0 deg）では、振動子２２の図中右側の端部の突出摩擦部４４ｂ，４４ｃによって一対のスライダ６０を保持しながら長さＬ方向に伸張する。また、位相０度（0 deg）から位相９０度（90 deg）を介して位相１８０度（180 deg）では、振動子２２の図中左側の端部の突出摩擦部４４ａ，４４ｄによって一対のスライダ６０を保持しながら長さＬ方向に収縮する。振動子２２は固定部５０によって外部に固定されているから、一対のスライダ６０は図中右方向に長さＬ方向の伸縮に応じてスライドする。これを繰り返すことにより、一対のスライダ６０を図中右方向にスライドさせることができる。また、位相差φを２７０度（－９０度）とすれば、図４の動作が逆回転方向となるため、一対のスライダ６０を図中左方向にスライドさせることができる。なお、振動子２２の振動は、Ｌ１モードによる第１伸縮振動とＢ１－２モードによる第２伸縮振動とを重ね合わせたものであるから、楕円振動となる。また、振動子２２は、Ｌ１モードのノード点となると共にＢ１－２モードのノード点となる位置に形成された固定部５０により外部に固定されているから、振動子２２の第１伸縮振動や第２伸縮振動（重ね合わせた楕円振動）は阻害されない。
【0028】
上述のインチワーム動作を効率的に行なうためには、振動子２２のＬ１モードの共振周波数とＢ１－２モードの共振周波数が実質的に一致していることが好ましい。振動子２２のＬ１モードの共振周波数やＢ１－２モードの共振周波数は、振動子２２の材質や形状に左右される。このため、振動子２２の圧電駆動部３０や金属作用部４０の材質を設定した場合、振動子２２の形状を調整することによりＬ１モードの共振周波数とＢ１－２モードの共振周波数とを実質的に一致させるのが好ましい。いま、振動子２２として、圧電駆動部３０をチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）により長さＬを２０ｍｍ、幅Ｍを１０ｍｍ、厚みｔｐを２ｍｍとして形成し、金属作用部４０をジュラルミンにより天板の長さＬを２０ｍｍ、幅Ｍを１０ｍｍ、厚みｔｍを２ｍｍ、４つの脚４２ａ～４２ｄの高さｈを２．５ｍｍ～３．０ｍｍ、幅ｗを２．７ｍｍ～３．２ｍｍ、奥行きｄを７ｍｍとしたときを考える。４つの脚４２ａ～４２ｄの高さｈと幅ｗを変化させたときのＬ１モードの共振周波数とＢ１－２モードの共振周波数の変化を図５に示す。図５に示すように、脚４２ａ～４２ｄの高さｈや幅ｗを変化させると、Ｌ１モードやＢ１－２モードの共振周波数が変化する。そのうち、脚４２ａ～４２ｄの高さｈの変化に対するＢ１－２モードの共振周波数の変化が著しい。このことから、Ｌ１モードの共振周波数とＢ１－２モードの共振周波数とを位置させるためには脚４２ａ～４２ｄの高さｈを調整するのが容易であることが解る。
【0029】
図６は、振動子２２に作用する予圧とアドミタンスと周波数との関係の一例を示す説明図である。図６に示すように、予圧を加えることにより共振周波数が高い方にシフトするの解る。このことから、一対のスライダ６０を介して振動子２２に予圧を作用させたときに、振動子２２のＬ１モードの共振周波数とＢ１－２モードの共振周波数とが実質的に一致するように振動子２２の形状を設定するのが好ましいことが解る。
【0030】
これらのことを踏まえて、第１実施形態の実施例として、脚４２ａ～４２ｄの高さｈを２．７ｍｍ、幅ｗを３．０ｍｍ、奥行きｄを７ｍｍとした。また、電極３２，３４，３６については、長さＬ方向の長さを６ｍｍとした。この場合、Ｌ１モードの共振周波数とＢ１－２モードの共振周波数は、８５ｋＨｚ近傍となった。この実施例のＬ１モードの位相差φと一対のスライダ６０の移動速度との関係を図７に示す。図示するように、位相差が０度から１８０度までの移動方向と１８０度から３６０度までの移動方向が逆になることが解る。また、位相差が９０度と２７０度で移動速度が最大速度近傍となることが解る。
【0031】
以上説明した第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０では、金属作用部４０を天板と四脚４２ａ～４２ｄを有する四脚構造としたことにより、四脚４２ａ～４２ｄの自由度が大きくなり、脚４２ａと脚４２ｂとを連結してリブとすると共に脚４２ｃと脚４２ｄとを連結してリブとする構造（金属作用部の中央に長さＬ方向に沿った溝を形成した構造）に比して、Ｌ１モードによる第１伸縮振動やＢ１－２モードによる第２伸縮振動の励振が容易なものなる。この結果、従来例の振動子を有する超音波リニアモータに比して、モータの小型化、軽量化、ハイパワー化を図ることができる。
【0032】
第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０では、金属作用部４０に突出摩擦部４４ａ～４４ｄを設けるものとしたが、突出摩擦部４４ａ～４４ｄを設けないものとしても構わない。
【0033】
次に、第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０について説明する。図８は、第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０の構成の概略を示す斜視図である。図９は、第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０を図８の下方から見た説明図である。図１０は、第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０を図８の左側から見た説明図である。
【0034】
【0035】
【0036】
圧電駆動部１３０は、第１実施形態の圧電駆動部３０と同様に、圧電材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）など）により矩形（長さＬ、幅Ｍ、厚みｔｐ）の板状に形成されている。圧電駆動部１３０の上面にも、同様に、長さ方向に略同一幅の３つの電極１３２，１３４，１３６が形成されている。
【0037】
金属作用部１４０は、第１実施形態の金属作用部４０と同様に、金属材料（例えばジュラルミンやチタン合金など）により圧電駆動部１３０と略同形（長さＬ、幅Ｍ，厚みｔｍ）の天板にその四隅に断面が矩形の脚１４２ａ～１４２ｄが取り付けられた四脚テーブル状に形成されている。４つの脚１４２ａ～１４２ｄは、第１実施形態の脚４２ａ～４２ｄと同様に、高さｈ、幅ｗ、奥行きｄの断面が矩形形状に形成されており、その先端部の内側には、スライダ６０が正接するように傾斜部１４４ａ～１４４ｄが形成されている。第２実施形態の振動子１２２では、図１０に示すように、傾斜部１４４ａ～１４４ｄがスライダ１６０に当接する。また、金属作用部４０の長さＬ方向に沿った辺の側面の中央には、天板の厚みの矩形で中央に貫通孔１５２ａ，１５２ｂが形成されたフランジ１５０ａ，１５０ｂが形成されている。振動子２２は、このフランジ１５２ａ，１５２ｂにより外部に固定される。
【0038】
スライダ１６０は、金属材料や樹脂、木材などにより棒状に形成されており、振動子１２２の脚１４２ａと脚１４２ｄとの間および脚１４２ｂと脚１４２ｃとの間に４つの脚１４２ａ～１４２ｄの傾斜部１４４ａ～１４４ｄに押圧力を作用するように配置されている。なお、スライダ６０は直線状の棒状に形成されているが、振動子１２２に当接する部位で部分的に直線状にみなすことができればよいから、曲線を描く棒状としたり円環状としても構わない。
【0039】
第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０は、第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０と同様に、圧電駆動部１３０の長さＬ方向に伸縮する第１伸縮振動と、圧電駆動部１３０の長さＬ方向の端部が幅Ｍ方向に逆位相で伸縮する第２伸縮振動と、によるインチワーム動作によりスライダ１６０を長さＬ方向に移動させる。第１伸縮振動は、Ｌ１モードを用いることができ、上述の式（２）に示す駆動電圧を電極１３２に印加することにより実現することができる。第２伸縮振動は、Ｂ１－２モードを用いることができ、式（３），（４）に示す駆動電圧を電極１３４，１３６に印加することにより実現することができる。第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０も図４に示すように動作する。位相１８０度（180 deg）から位相２７０度（270 deg）を介して位相０度（0 deg）では、振動子１２２の図中左側の脚１４２ａ，１４２ｄの傾斜部１４４ａ，１４４ｂによってスライダ１６０を保持しながら長さＬ方向に伸張する。また、位相０度（0 deg）から位相９０度（90 deg）を介して位相１８０度（180 deg）では、振動子１２２の図中右側の脚１４２ｂ，１４２ｃの傾斜部１４４ｂ，１４４ｃによって一対のスライダ６０を保持しながら長さＬ方向に収縮する。振動子１２２はフランジ１５０によって外部に固定されているから、スライダ１６０は図中左方向に長さＬ方向の伸縮に応じてスライドする。これを繰り返すことにより、スライダ１６０を図中左方向にスライドさせることができる。また、位相差φを２７０度（－９０度）とすれば、図４の動作が逆回転方向となるため、スライダ１６０を図中右方向にスライドさせることができる。なお、振動子１２２の振動は、Ｌ１モードによる第１伸縮振動とＢ１－２モードによる第２伸縮振動とを重ね合わせたものであるから、楕円振動となる。また、振動子１２２は、Ｌ１モードのノード点となると共にＢ１－２モードのノード点となる位置に形成されたフランジ１５０ａ，１５０ｂにより外部に固定されているから、振動子１２２の第１伸縮振動や第２伸縮振動（重ね合わせた楕円振動）は阻害されない。また、第２実施形態では、圧電駆動部１３０と金属作用部１４０との接着面が中立面となるように設計した。これにより、フランジ１５０は中立面近傍に配置されることになり、フランジ１５０により振動子１２２を外部に固定しても振動子１２２の第１伸縮振動や第２伸縮振動（重ね合わせた楕円振動）を阻害しない。もとより、圧電駆動部１３０と金属作用部１４０との接着面に不要な力が作用するのを抑制することができる。
【0040】
第２実施例の小型超音波リニアモータ１２０では、４つの脚１４２ａ～１４２ｄの傾斜部１４４ａ～１４４ｄとスライダ１６０とが略正接することが肝要である。図１１は、傾斜部１４４ａ～１４４ｄの傾斜角θで高さｌのときに正接する最大半径ｒｍａｘおよび最小半径ｒｍｉｎのスライダ１６０を示す説明図である。図示するように、振動子１２２の傾斜部１４４ａ～１４４ｄに正接可能なスライダ１６０の最大半径ｒｍａｘおよび最小半径ｒｍｉｎは次式（５），（６）により表わすことができる。ここで、Ｍ＝１０ｍｍ、ｈ＝２．７ｍｍ、ｗ＝３ｍｍ、ｌ＝１ｍｍ、θ＝３０度とすると、スライダ１６０の半径ｒは２．３１ｍｍ～２．８９ｍｍとなる。また、スライダ１６０の半径ｒと傾斜部１４４ａ～１４４ｄの高さｌを決めたときに傾斜角θのとることができる範囲は、ｔａｎα＝ｌ／ｒとすれば、式（５），式（６）より上述の式（１）を得ることができる。スライダ１６０の半径ｒ＝２．５ｍｍとし、傾斜部１４４ａ～１４４ｄの高さｌ＝１ｍｍとすると、傾斜角θは２０．３３度～３６．８６度の範囲となる。
【0041】
【数3】
【0042】
第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０の振動子１２２とスライダ１６０の接触面の設計では、余計な摩擦損失を避けるため予圧制御用の振動モードの駆動点における振動軌跡の方向が傾斜面の法線方向とできるだけ一致することが望ましい。したがって、傾斜部１４４ａ～１４４ｄの傾斜角θは重要なものとなる。図１２は、振動軌跡が水平方向になす角ψと傾斜角θとその法線との関係を示す説明図である。振動軌跡が水平方向になす角ψと傾斜角θとの角度差（θ－ψ）が値０に近いほど傾斜角の設計は適切となる。図１３は、傾斜角θに対する角度差（θ－ψ）の変化をＦＥＭ（有限要素法）シミュレーションと計算から求めた一例を示す説明図である。図示するように、傾斜角θが小さくなるほど角度差（θ－ψ）も小さくなることが解る。したがって、傾斜角θは、スライダ１６０の半径ｒや傾斜部１４４ａ～１４４ｄの高さｌを定めれば、取り得る範囲の中央値より小さい角度とするのが好ましい。上述のスライダ１６０の半径ｒ＝２．５ｍｍとし、傾斜部１４４ａ～１４４ｄの高さｌ＝１ｍｍｎ場合、傾斜角θは２０．３３度～２８．６０度が好ましい。
【0043】
以上説明した第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０では、第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０と同様に、金属作用部１４０を天板と四脚１４２ａ～１４２ｄを有する四脚構造としたことにより、四脚１４２ａ～１４２ｄの自由度が大きくなり、脚１４２ａと脚１４２ｂとを連結してリブとすると共に脚１４２ｃと脚１４２ｄとを連結してリブとする構造（金属作用部の中央に長さＬ方向に沿った溝を形成した構造）に比して、Ｌ１モードによる第１伸縮振動やＢ１－２モードによる第２伸縮振動の励振が容易なものなる。この結果、従来例の振動子を有する超音波リニアモータに比して、モータの小型化、軽量化、ハイパワー化を図ることができる。
【0044】
第１実施形態の小型超音波リニアモータ２０や第２実施形態の小型超音波リニアモータ１２０では、圧電駆動部３０，１３０を矩形の板状に形成するものとした。しかし、スライダを移動させるためには、圧電駆動部はスライダの駆動方向の中心軸に対して線対称となるように形成されていればよいから、圧電駆動部を「Ｈ」字形の板状に形成したり、矩形の中央が括れた形状（同一形状の２つの台形を上底で接続した形状）の板状に形成したりしてもよい。この場合、金属作用部の天板も圧電駆動部と同形に形成すればよい。
【0045】
金属作用部１４０は、第１実施形態の圧電駆動部３０と同様に、金属材料（例えばジュラルミンやチタン合金など）により圧電駆動部１３０と略同形（長さＬ、幅Ｍ，厚みｔｍ）の天板にその四隅に断面が矩形の脚１４２ａ～１４２ｄが取り付けられた四脚テーブル状に形成されている。
【0046】
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【0047】
本発明は、小型超音波リニアモータの製造産業などに利用可能である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
