JP2007505599A - 親ねじ用超音波モータ - Google Patents

Abstract

回転軸を持つねじ付きシャフトと、これに螺合するナットを備えたシャフトアッセンブリを駆動するための装置であって、前記ナットに超音波振動を与えることで前記シャフトを回転させると同時に軸方向に移動させることができる装置。前記シャフトは負荷に接続され、その負荷はシャフトに軸方向の力を及ぼす。

Description

本発明は、ねじ付きシャフトとこれに螺合するナットを備えた小型の超音波リニアモータアッセンブリに関する。

圧電電歪技術、静電技術または電磁技術を利用した変換器は、ナノメートル・スケールで位置決めを正確に行う上で極めて有用である。圧電機器の場合、荷電時と放電時に変形するセラミックコンデンサを形成させ、力変換器や位置アクチュエータを作製する。位置アクチュエータとして使用する場合、圧電セラミックの変形は、ほぼ印加電圧に比例する。圧電アクチュエータは、セラミック長のほぼ０．１％の範囲に限定され、その値は典型的なストローク長の１０マイクロメータに相当する。圧電アクチュエータが有する剛性とナノメートル単位の精密さは極めて有用であるが、多くの用途ではさらに多数のストロークが求められる。

セラミックの小さな変形を修正して、より長いストロークを生む圧電モータは、数多く設計・開発されている。

米国特許第３，９０２，０８４号には、ＰＺＴステッピングモータが記載されているが、その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。このモータは、多数の短いＰＺＴアクチュエータサイクルをまとめるために、クランプ伸長クランプ引込みの動作シーケンスを利用している。このステッピング・リニアアクチュエータは、直流から〜数キロヘルツの周波数で動作し、大きな騒音と振動を生じる。電源がオフのとき、姿勢が保持されない。1ナノメートルより優れた分解能は、２００ミリメータを超える行程で達成される。

米国特許第５，４１０，２０６号には、ＰＺＴ慣性スティックスリップモータが記載されているが、その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。これに記載されたモータは、シャフトの両端を噛む顎を形成するスプリットナットを利用して、細かいねじを持つシャフトを回転させる。ＰＺＴアクチュエータは、非対称交流駆動信号にて、上記の顎を反対方向に高速で動かす。顎の高速運動は、クランプ摩擦に打ち勝って滑りを生む。ジョーの低速運動は、滑りを起こさずにシャフトを回転させる。このスティックスリップモータも、前記のステッピングモータと似たような騒音と振動を生むが、１００倍も低速で動き、電源オフでも姿勢を維持する。５０ナノメートルより優れた分解能は、２５ミリメータを超える行程で達成される。

超音波モータは、高速かつ高トルクで、小型で音の静かな連続運動を実現するために、圧電気振動を利用する。

最も初期の超音波圧電モータの一つは、米国特許第３，１７６，１６７号に開示されている。その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。単一方向に回転するこのモータは、水晶発振器を使用して細い棒を動かし、時計仕掛けを駆動する目的で爪車を駆動させる。

定在波超音波モータの一例は、米国特許第５，４５３，６５３号に開示されており、その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。このモータは長方形のＰＺＴプレートを利用し、可動面に予め負荷した接点において超音波振動を発生させる。ＰＺＴプレート上の電極パターンは、交流信号に接続され、合わせ面に対して正味（真）の力を発生させるために、接点での二次元振動を必要な振幅と位相で発生させる。この超音波モータは音が静かで、ステッピングモータより１００倍速く動き、約３分の１程度の力を生む。一般に、超音波モータは停止と開始が難しく、これが精密さを欠く原因である。マイクロメータ以下の分解能を達成するには、典型的には、閉ループ制御を備えたエンコーダが必要とされる。

超音波振動を利用したねじ式ロッドの駆動装置は、例えば、米国特許第６，１４７，４３５号に記載されている。その全開示事項を参照として本明細書の一部とする。この特許には、「軸方向にせん状の溝を形成させたスクリューロッドと、該スクリューロッドの両対向端を回転自在に保持する一対のスタンドと、前記スクリューロッドを部分的に取り囲み、その軸方向に摺動可能なワークラックと、該ワークラックの片側に固定され、ワークラックからスクリューロッドに伸張する少なくとも一つの第1のスクリューロッド回転装置と、ワークラックの他方の側に固定され、ワークラックからスクリューロッドに伸張する少なくとも一つの第２のスクリューロッド回転装置とを備え、前記第１のスクリューロッド回転装置が、スクリューロッドの溝部と第1の特定な角度で接触する第1振動子と、この第1振動子をスクリューロッドの溝部に向けて特定な圧力で付勢する第1スプリングと、電気的活性化により前記第1振動子を振動させてスクリューロッドを第1の回転方向に回転させる第1の圧電アクチュエータとを有し、前記第２のスクリューロッド回転装置が、スクリューロッドの溝部と第１の特定な角度と逆の第２の特定な角度で接触する第２振動子と、この第２振動子をスクリューロッドの溝部に向けて特定な圧力で付勢する第２スプリングと、電気的活性化により前記第２振動子を振動させてスクリューロッドを第２の方向に回転させる第２の圧電アクチュエータとを有する超音波振動によるスクリューロッド駆動機構」が記載され、特許請求されている。

上記の米国特許第６，１４７，４３５号の装置では、「第1のスクリューロッド回転装置」と「第２のスクリューロッド回転装置」の両方が不可欠である。これらは、同特許の図３において、要素１６a'、要素１６ｄ'（これらは第1のスクリューロッド回転装置を構成する）要素１６ｂ'、要素１６ｃ'（これらは第２のスクリューロッド回転装置を構成する）として図示されている。そして、要素１６a'と要素１６ｄ'を超音波振動で活性化させると、スクリューロッド２は一方向に回転し、要素１６ｂ'と要素１６ｃ' を超音波振動で活性化させると、スクリューロッド２は反対方向に回転する。

要素１６a'及び１６ｄ'と要素１６ｂ'及び１６ｃ'が、同時に活性化することはない。同時に活性化させるのはエネルギーの浪費であろうし、スクリューロッド２は、静止状態のままである。

しかしながら、たとえ要素１６a'及び１６ｄ'と要素１６ｂ'及び１６ｃ'が、同時に活性化しなくても、エネルギーの浪費が起こる。活性化されていない一対の要素は、スクリューロッド２のねじと接触したままであり、引きずり摩擦が起こるからである。

この引きずり摩擦が米国特許第６，１４７，４３５号の装置の問題である。この問題をいくばくかでも解決するために、当該特許のクレーム２では、「前記第１及び第２の圧電アクチュエータの一方を電気的に活性化させた際に、他方の圧電アクチュエータに微量の電流を印加する」ことを提案しているが、それでも当該特許の装置は、決して効率が高いといえない。

本発明の目的は、米国特許６，１４７，４３５号に記載された装置より実質的に高性能であり、同程度の大きさの従来技術による超音波式モータで普通達成できるよりも、高出力で、高速な超音波振動による精密なねじ付きシャフト駆動機構を提供することにある。

本発明によれば、ねじ付きシャフトと、これと螺合するナットを備えたねじ付きシャフトアッセンブリを駆動するための装置が提供される。本発明のアッセンブリは、前記ナットに超音波振動を与え、前記シャフトを回転させると同時に軸方向に移動させる手段を備え、また、前記シャフトに軸方向の力を及ぼす手段を備えている。

本発明の具体例の一つでは、小型の超音波リニアモータが、親ねじを回転させて直線運動を生起させる。シリンダが、超音波領域の第1曲げモードの共鳴周波数でねじ込みナットを支持する。シリンダとナットは、変換器より前記に共鳴周波数で励起され、これがナットをシリンダの端部で軌道運動させる。変換器には、圧電式、電歪式、静電式、電磁式または共鳴振動を起こすその他の任意の装置が使用可能である。直角曲げモードのシリンダを±９０0度の位相シフトを伴うシリンダの直角曲げモードを励起させ、同時に円軌道運動と生起させるためには、少なくとも２つの変換器が必要である。ナットにはぴったりしたねじ付きシャフトが内装される。弾力がある軸方向荷重が、低摩擦の連結具を介してシャフトに付加される。ナットはその共鳴周波数で軌道を周回し、シャフトの慣性がこれを中央に保持する。ナットの軌道運動（周回運動）がトルクを生み、シャフトを回転させ、直線運動を生起させる。変換器には少なくとも２つの交流駆動信号が必要である。駆動周波数は、機械的周波数を励起させ、ナットが円軌道で周回するように位相を制御しなければならない。駆動信号の振幅と持続時間の調節が速度を制御する。駆動信号の位相シフトは正又は負の何れでも構わず、これがナットの軌道周回方向と、シャフトの回転及び移動の方向を逆向きにする。この実施例およびその他の実施例を以下により詳細に説明する。

特定の理論に執着する訳ではないが、本発明に関係する超音波リニアアクチュエータの運転原理は、円筒形チューブが第1の曲げ共鳴で励起し、これによりチューブの一端又は両端を、円筒軸の周囲で回転することなく軌道周回させると、本発明者は考えている。この具体例では、ねじ付きチューブの周りで軌道周回し、シャフトを回転させる接線分力を生むナットが、チューブの一端部に収容される。ねじ同士の摩擦抵抗が、ねじを直接駆動しているので、有益である。このことは、従来の親ねじ駆動様式と著しく異なる点である。従来の駆動様式でのねじの摩擦抵抗は、寄生的であって、ワインドアップや、ガタや、応答の遅れがでる。本発明で用いるらせん状ねじのさらなる長所は、大きな機械的利益を伴って回転運動を平行移動運動に直接変換できることであって、軸方向の力を増幅し、線速度を低減させることができ、その結果として精度を高めることができる。

本発明の具体例では、第1の曲げモードを励起するのに、変換器を使用するのが好ましい。使用可能な変換器には、プレートやスタックを含む圧電材料、磁歪材料、静電材料などが挙げられる。ここに例示したものは、本発明で使用可能な全ての変換器を含むものではない。円筒形チューブ又は類似の形状のブロックに第1の曲げ共鳴を励起させることで、チューブの一端又は両端に軌道周回を生起させることができる材料や機構が、本発明では使用可能である。ここに記載する具体例では、圧電材料が使用されているが、上述したような別の変換器材料を用いても、本発明を具体化することができる。

以下に、添付の図面を参照しながら本発明を詳述する。
図1〜図６には、本発明の好ましい実施例での超音波リニアモータ１０が描かれている。図に例では、超音波振動を発生させるために、４枚の長方形圧電プレートが使用されている。図示していないが、別の手段を用いても超音波振動を発生させることができる。

この明細書において、超音波とは、２０，０００ヘルツを超える動作周波数を指す。その一例として、少なくとも約２５，０００ヘルツの動作周波数があり、他の一例として、振動数はであり、他の例では、少なくとも約５０，０００ヘルツの動作周波数がある。さらに別の例では、動作周波数が少なくとも約１００，０００ヘルツの超音波がある。

この明細書において言うリニアモータとは、力を生むか置換を起こすことで、実質的に直線的な運動を生む作動装置を指す。超音波リニアモータに関しては、米国特許第５，９８２，０７５号、同第５，１３４，３３４号、同第５，０３６，２４５号、同第４，８５７，７９１などを参照されたい。これら各米国特許明細書の開示事項の全てを、この明細書の一部とする。

図1〜図６に示す好ましい実施例には、球形のボールチップ２６を備えたねじ付きシャフト１２が、回転して軸方向の力と運動を発生して状況が示されている。

ねじ付きシャフト１２は、好ましくは、ハウジング１４内で動けるように設置されている。ねじ付きシャフト１２の長さ１５（図５参照）は、好ましくはハウジング１４の長さ１３より少なくとも約１０ｍｍ長い。一実施例では、長さ１５が長さ１３よりも、少なくとも約２５ｍｍ長い。別の実施例では、長さ１５が長さ１３よりも、少なくとも約５０ｍｍ長い。

一実施例において、ねじ付きシャフト１２の第１固有振動数は、ハウジング１４のそれよりの約０．２倍である。別の実施例では、ねじ付きシャフト１２は、ハウジング１４の第1固有振動数よりも、約０．１倍少ない第1固有振動数を有する。

この明細書において、第1固有振動数又は第１固有周波数とは、第1の基準振動モードの振動数又は周波数を指す。マグローヒル化学技術用語大辞典（McGraw-Hill Dictionary of Scientific and Technical Terms）、第４版、１２５３頁（McGraw-Hill Book Company, New York, New York, １９８９年）参照。また、ユージーン・Ａ・Ａ他著の"マークの機械技術者向け標準ハンドブック(Mark's Standard Handbook for Mechanical Engineers)"の５〜５９頁及び５〜７０頁（McGraw-Hill Book Company, New York, New York, １９７８年）、米国特許第６，１２５，７０１号、同第６，５９１，６０８号、同第６，５２５，４５６号、同第６，４３９，２８２号、同第６，１７０，２０２号、同第６，１０１，８４０号など参照。これら各米国特許明細書の開示事項の全てを参照として、本明細書の一部とする。

図示の実施例において、ナット１６の軌道運動は、図１８に示すように、軸の中心線と平行な面において、互いに直交して作用する２つの基準振動モードが存在するために生起する。これら２つの直交する基準振動モードは、活性化した変換器（プレート１８、２０、２２及び２４のような）と、ハウジング１４との相互作用によってもたらされ、こうした相互作用がナット１６の軌道運動を生み、ねじ付きシャフト１２に回転と平行移動を生起させる。

一実施例において、ナット１６の第１の固有共振周波数又は固有振動周波数は、好ましくは、モータ１０の動作周波数の少なくとも５倍である。従って、ナット１６は実質的に剛体であることが望ましい。

一実施例において、ねじ付きシャフト１２は金属製で、実質的にはステンレス鋼で製造する。この実施例では、ねじ付きシャフト１２が、金属製の、実質的に真鍮製のナット１６と係合している。

ねじ付きシャフト１２及びねじ込みナット１６の材料には、磨耗が最小になるにような素材を組み合わせて使用するのが好ましい。

図１に示すように、ねじ付きシャフト１２は、多数のねじ溝山１７を、好ましくは、切欠き形のネジ山を持つ。一実施例によれば、ねじのピッチは、一実施例では、インチ当り約ねじ山２５０個以下、好ましくは、インチ当りねじ溝約２００個以下である。別の実施例では、ねじ１７のピッチは、インチ当りねじ溝約１００以下であり、別の例ではインチあたりねじ溝約４０〜８０個である。

ねじ１７は、図１８に示すように、ナット１６の内ねじ１９と係合する。好ましい一実施例では、内ねじ１９のピッチは、外ねじ１７のピッチと実質的に等しい。

図示の都合上、図５Ａ、図５Ｂ、図１８を除いて、ねじ１７と内ねじ１９とは完全に係合した状態で示されているが、両者の間には径方向に隙間が存在することが好ましく、その間隔は、ねじ１７のねじ溝の深さ３５及び／又は内ねじ１９のねじ溝深さ３３の約０．５倍より小さいことが望ましい。この径方向の隙間を図５Ａに示す。径方向の間隔を測定手段は周知である。米国特許第６，１４５，８０５号、同第５，２１１，１０１号、同第４，７８１，０５３号、同第４，２７７，９４８号、同第６，２５７，８４５号、同第６，１４２，７４９号など参照。これら各米国特許明細書の開示事項の全てを、参照として本明細書の一部とする。その他の参照文献には、前述の"マークの機械技術者向け標準ハンドブック(Mark’s Standard Handbook for Mechanical Engineers)"の８〜９頁（機械素子）がある。

図５Ａには、ねじ１７と内ねじ１９の好ましい係合が図示されている。この図から明らかなように、一方の各ねじは先端部２９を有し、他方の各ねじは先端部３１を有する。そして、各ねじは、深さ３３と深さ３５のねじ溝を持つ。

図１に示す好ましい実施例から分かるように、軌道がねじ付きシャフトの回転は、振動ハウジング１４に接続されたナット１６の超音波による軌道によって引き起こされる。図示の実施例では、ねじ式ナット１６はハウジング１４に接続されており、この様子は図２に示される。

図２から分かるように、ナット１６は、開口部１１内に配置され、プレス嵌め又は接着手段にてナットは開口部内に固定される。

図１及び図２に示す好ましい実施例では、ナット１６は円筒形ナットであるが、図示していない別の実施例では、ナットは四角形、六角形、八角形などの多角形ナットでも構わない。

図１及び図２の実施例では、多数のセラミックプレート（符号１８以下参照）が、ハウジング１４の外面３７に取り付けられている。

各セラミックプレートは、これにかける電圧、特にその変化に応じて長さを変えることが望ましい。本明細書では、この発明で使用するセラミックプレートを"活性セラミックプレート"と記すこともある。一具体例では、この活性セラミックプレートが、圧電プレート、電歪プレート及びその組合せから成る群から選ばれる。説明の簡潔化のために、少なくとも図１及び図２に示す実施例では、このプレートを圧電プレートとして記載する。

図２の実施例では、４つの圧電プレート１８，２０，２２，２４が、ハウジングの外面３７に接着されており、これらの圧電プレートは、それぞれの電極２１及び２３への電気駆動信号を交番させることによって励起させられた時に、ナット１６の軌道振動を生成する（図４参照）。

使用する圧電プレートの数は、例えば、プレート１８及び２０のように、２枚の場合もあれば、８枚又はそれ以上の圧電プレートを使用する場合もある。使用する圧電プレートの数は、直交する面３９，４０において運動を励起するのに十分な数である（図２参照）。

説明の簡略化のために、４つの圧電プレート１８，２０，２２，２４を使用する場合を例にとる。これらのプレートは、好ましくは、ハウジング１４の外面３７に密に接着されている。

図４が示すように、圧電プレート１８は、電極２１，２３で電圧源と接続されている。説明の簡略化のために、電極２１及び２３は、圧電プレート２０についてのみ示してあるが、その他の圧電プレートにも同様の電極が設けられている。

図４に示す好ましい実施例では、４つの内側電極２３の全てが接地２５されている。この実施例における圧電材料は、普通に入手出来る低誘電損失が低くて減極電圧が高い"硬質"の組成物である。その一例は、オハイオ州ベッズフォードにあるモーガンマトロック社（Morgan Matroc company）が"ＰＺＴ−４"という商品名で販売している圧電材料である。この材料は幾つかの重要な特性を一般的に備えている。

上記した好ましい圧電材料の誘電損率は、およそ２０，０００ヘルツ以上の周波数において、約１％未満、好ましくは、０．５％未満である。一例を挙げれば、およそ２０，０００ヘルツ以上の周波数において、或る圧電材料の誘電損率は約０．４％である。

従って、好ましい圧電材料は、少なくとも約２５０ピコクーロン／ニュートンの、好ましくは、少なくとも約２７０ピコクーロン／ニュートンの圧電電荷係数ｄ３３を有する。一例を挙げれば、好ましい圧電材料は、約２８５ピコクーロン／ニュートンの圧電電荷係数ｄ３３を有する。

好ましい圧電材料は、少なくとも約−９０ピコクーロン／ニュートンの、好ましくは、少なくとも約−１０５ピコクーロン／ニュートンの圧電電荷係数ｄ３１を有する。一例を挙げれば、好ましい材料の圧電電荷係数ｄ３１は、約−１１５ピコクーロン／ニュートンである。

好ましい圧電材料の一つは、圧電電荷係数ｄ３３が少なくとも約２５００ピコクーロン／ニュートンであり、圧電電荷係数ｄ３１が少なくとも約９００ピコクーロン／ニュートンである単結晶材料である。

その他の適当な圧電材料は、例えば、米国特許第３，７３６，５３２号及び同第３，５８２，５４０号に記載されている。これらの米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。

さらに言えば、誘電損失が低い圧電材料は当業者に周知であり、そうして材料は米国特許第５，７９２，３７９号に記載されている。この米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。

本発明で使用される圧電素材の一つは、単結晶の圧電材料である。これらの材料は当業界で周知であって、米国特許第５，４４６，３３０号、同第５，７３９，６２４号、同第５，８１４，９１７号、同第５，７６３，９８３号などに記載されている。これらの米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。

図４に示す本発明の好ましい実施例において、圧電プレート１８，２０，２２，２４の軸長は、印加電圧（Ｖｘ／８６及びＶｙ／８８）と圧電電荷係数ｄ３１に比例して変化する。

図４から分かるように、圧電プレート１８と２０及び圧電プレート２２と２４は、それぞれ対をなして作用し、ハウジング１４（図１〜２参照）を曲げ、軌道共鳴を励起する。交流駆動信号８６，８８が、ポーリング方向４３を持つ圧電プレート２０，２４及び圧電プレート１８，２２にそれぞれ印加される。当業者に周知なように、ポーリング方向４３は、圧電材料の製造過程で材料中に整列する双極子の方向である。ポーリング方法の参照文献として、米国特許第５，６０５，６５９号、同第５，６６３，６０６号、同第５，０４５，７４７号を挙げる。これら各米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。

各々の一対のプレート１８，２２とプレート２０，２４について、電界は一方のプレートのポーリング方向４３に関して正であり、他方のプレートのポーリング方向に関して負である。駆動信号Ｖｘ８６は、好ましくはプレート２０，２４に印加され、同時に一方のプレートを伸長させると共に、他方のプレートを収縮させる。これによりハウジング１４は、平面３９（図２参照）でＸ方向７２ａ／７２ｂ（図１８参照）に曲がる。同様にして、駆動信号Ｖｙ８８がプレート１８，２２に印加され、ハウジング１４が平面４１（図２参照）でＹ方向７４ａ／７４ｂ（図１８参照）に曲げる。

ねじ込みナット１６に対向するハウジング端部４５は、好ましくはガイドブッシング２８で支持されるが、ブッシングの内径とねじ付きシャフト１２の外径との間には、僅かな隙間がある（図２参照）。ねじ付きシャフト１２は、球形ボールチップ２６を介して加わる軸力２７を、低摩擦の硬いフラット面にて支える（図５〜６参照）。

モータ１０の稼動中、ボールチップ２６を介して伝達される軸力２７は、約０．１〜１００ニュートンであることが好ましい。軸力２７は、好ましくは駆動出力と同程度である。

球形ボールチップ２６（図２参照）は、ねじ付きシャフト１２を低い摩擦トルクの負荷２７（図５参照）に連結するための手段の一つである。回転するシャフトから移動する負荷に運動を伝えるのに、別の手段が採用できることは、当業者は理解出来よう。例えば、或る場合には、転がり軸受けが使用でき、また或る場合には、やねじ付きシャフト１２のフラット面と接触する弓状負荷が利用できる。連結手段の参照例には、米国特許第５，７６９，５５４号、同第６，３２５，３５１号がある。これらの米国特許明細書の開示事項全てを、参照として本明細書の一部とする。

図１、図２において、ねじ式ナット１６と対向するハウジング１４の端部４５は、静止カバー５８（図２１参照）が当接するフランジを備えている。シャフト１２とナット１６のねじピッチは、軌道上の接線方向の力と運動を、軸方向の力と運動に変換する。このピッチは、力の倍率、減速、分解能の向上、電源遮断時の保持力などを最適化するために任意に選択することができる。

図７〜図１２に示す超音波リニアモータ３０では、好ましくは４つの圧電スタック３６，３８，４０，４２（図７〜８参照）を利用して超音波振動を生じさせる。球形ボールチップ２６を備えるねじ付きシャフト１２は、回転して軸方向の力と運動を生む。振動シリンダ３２に接続されたナット１６の超音波軌道運動によって回転が起こる。４つの圧電スタック３６，３８，４０，４２は、ナット１６と対向するシリンダの端部と、ベースリング３４に結合されている。これら４つのスタックは、公知の組み立て方法と電気的結線方法を用いて組み立てられ、スタックの内側リードは、好ましくは、まとめて共通アース３５と接続されている。各スタックの軸方向の長さは、印加電圧と圧電電荷係数ｄ３３に比例して変化する。圧電材料は一般に入手可能な低誘電損失で高減極電圧の"硬質"組成物である。交流電気駆動信号８６と８８は、各圧電スタック４４の外側リードと接続され、ナットの軌道振動を励起する。スタック３６，３８，４０，４２はそれぞれ対で働き、チューブを回転させて軌道共振を励起する。交流電気駆動信号Ｖｘ８６とＶｙ８８は、スタック３８及び４２とスタック３６及び４０にそれぞれポーリング方向４３で印加される。各一対のスタック３８及び４２とスタック３６及び４０について、一方のスタックの電界は、ポーリング方向４３に関して正であり、他方のスタックの電界は、ポーリング方向に関して負である。駆動信号Ｖｘ８６は、スタック３８及び４２に印加され、一方のスタックを伸長すると同時に他方のスタックを収縮させる。これにより、チューブはＸ方向７２ａ／７２ｂに回転する（図１８参照）。同様に、駆動信号Ｖｙ８８はスタック３６及び４０に印加され、チューブの端部をＹ方向７４ａ／７４ｂに動かす（図１８参照）。ナット１６に対向するベースリング３４は、ガイドブッシング２８を支持し、このブッシングの内径とシャフトの外径の間には僅かながら隙間が存在する。ねじ付きシャフト１２は、球形ボールチップ２６を介して付加される軸方向の力２７を、低摩擦の硬質フラット面を使用して支持する。ベースリング３４は、静止カバー５８（図２１参照）の接点である。シャフト１２とナット１６のねじピッチは、軌道の接線方向の力と運動を、軸方向の力と運動に変換する。このピッチは、力の倍率、減速、分解能の向上、電源遮断時の保持力などを最適化するうえで、適当に選ぶことができる。

図１３〜１７に示す超音波リニアモータ５０では、超音波振動を発生させるために、四分円状電極を持つ圧電チューブ５４を利用している。球形ボールチップ２６を備えたねじ付きシャフト１２が回転して軸方向の力と運動を生む。この回転は、振動する圧電チューブ５４に接続されたナット１６が、超音波で軌道運動することによって発生する。圧電チューブの内径が、連続して電極６１であって、この電極は接地６３されている。一方、圧電チューブの外径は、４つの別々の電極６０，６２，６４，６６に分割されている。圧電材料は、一般に入手可能な低誘電損失で高減極電圧の"硬質"組成物である。電極６０，６２，６４，６６の下側にある圧電チューブの軸長は、印加電圧と圧電電荷係数ｄ３１に比例して変化する。電極６０及び６４と電極６２及び６６は、それぞれ対をなして作用し、チューブを曲げ、軌道共鳴を励起する。交流電気駆動信号８６及び８８は、電極６０及び６４と電極６２及び６６各々にポーリング方向で印加される。電極のペア６０及び６４と６２及び６６に対し、一方の電極の電界は、ポーリング方向に関して正であり、他方の電極の電界は、ポーリング方向に関して負である。駆動信号Ｖｘ８６は、電極６０及び６４に印加され、一方の電極を伸長させると同時に、他方の電極を収縮させる。これにより、チューブはＸ方向７２ａ／７２ｂに曲がる（図１８参照）。同様にして、駆動信号Ｖｙ８８が電極６２及び６６に印加され、チューブをＹ方向７４ａ／７４ｂに曲げる（図１８参照）。

ナット１６に対向するチューブ端部は、ベースフランジ５２に接合されてガイドブッシング２８を支持する。ねじ付きシャフトとブッシングとの間には、僅かな隙間が存在する。ねじ付きシャフト１２は、球形ボールチップ２６を介して付与される軸方向の力を、低摩擦の硬質フラット面を用いて支える。ベースフランジは、静止カバー５８の接点である（図２１参照）。シャフト１２とナット１６のねじピッチは、軌道接線方向の力と運動を、軸方向の力と運動に変換する。このピッチは、力の倍率、減速、分解能の向上、電源遮断時の保持力などを最適化するために、任意に選択することができる。

図１８及び図１９は、図１に示すモータ１０の動作と、この動作を行うのに使われる対応駆動信号８６及び８８を示している。圧電プレートは対で働き、一方７０が伸長すると、それと同時に他方６９が収縮６９してハウジングを曲げる。交流駆動信号Ｖｘ８６及びＶｙ８８は、好ましくは、等振幅（符号９０及び９１参照）で、９０度の位相シフト（符号９２参照）の正弦波であり、円軌道を生成する。正の位相シフト９２は、ナット１６に正の軌道運動を付与し、シャフト１２に正の回転９６と正の移動９８を生じさせる。一方、負の位相シフト９２は、ナットに負の軌道運動を付与し、シャフトに負の回転と負の移動を生じさせる。図１９には、一方向の回転について、モータの単一軌道サイクルと、これに対応する駆動信号の振幅９０及び９１が、９０度の増加分７６，７８，８０，８２，８４毎に連続的に示されている。図１８には、シリンダの曲がり具合と軌道運動が、Ｘ方向（符号７２ａ及び７２ｂ参照）と、Ｙ方向（符号７４ａ及び７４ｂ参照）で示されている。ナットが或る位置７３ａでシャフトの側部に接触すると、反対側の位置に隙間７３ｂが生ずるが（図５Ｂ参照）、この接触が、接線方向の力と運動を授け、各軌道サイクル毎にシャフト１２を小規模に回転させ（図１８の符号９６参照）、かつ移動させる（同じく符号９８参照）。１サイクルあたりの回転量及び移動量は、多くの因子に依存し、そうした因子には、、軌道の振幅、シャフトに働く力２７の大きさ、摩擦係数、ねじの表面仕上げ状態などが含まれる。ナットとシャフトとの接触部分７３ａでスリップが皆無であるとすれば、サイクル毎の移動は、名目上、ねじ同士の経方向の隙間の大きさに比例する。一般的に、駆動振幅９０及び９１が増大すると、軌道の直径も増大し、シャフト１２とナット１６との標準的な接触力も増大し、滑りの程度は減少し、速度は増大し、トルク及び力も増大する。

超音波周波数は、周期の逆数であり（図１９の周期９４ａ及び周期９４ｂ参照）、その周波数は、好ましくは両信号について同じで、ハウジング１４を曲げる第1の共振周波数と一致する。

図２０〜２５において、モータアッセンブリ１００は、モータ１０とカバー５８と刻み付きノブ１０２が一体化させたものである。ねじ付きシャフト１１２は、モータ１０の内部に位置している。図２１に示すねじ付きシャフト１１２は、図１に示すねじ付きシャフト１２に類似するが、平滑なスピンドル１１３を組み込まれている点で図１のそれと異なる。スピンドル１１３は、刻み付きノブ１０２と連結できるようになっている。カバー５８は、フランジ４５でモータ１０に取り付いている。刻み付きノブ１０２は、カバー５８と接触することなく、シャフト１１２と共に回転し、平行移動する。

図２１は、モータアッセンブリ１００の分解図であり、図２２は、モータアッセンブリ１００の断面図である。

図２３Ａ，図２３Ｂ及び図２３Ｃは、モータアッセンブリ１００を図解したものである。図２３Ａは、図２０に示すモータアッセンブリを逆から見た透視図である。図２３Ｂは、ノブ１０２とシャフト１１２を備えたモータアッセンブリ１００が、符号１０３の時計方向に回転し、矢印１０５の方向に平行移動することを図解したものである。比較のため、図２３Ｃには、上記のモータアッセンブリ１００が、符号１０７の反時計方向回転し、矢印１０９の方向に平行移動する様子を示す。

簡潔に説明するために、モータアッセンブリの様々な構成要素への電気的接続手段は、図示が省略されている。

刻み付きノブ１０２の付設は、モータアッセンブリ１００を手動で、又は手動と電動手段を併用して操作するうえで便利である。従って、このアッセンブリ１００は、通常の手動調整と電動式の自動調製の両方が使用可能な微細駆動の代替品として使用することができる。

図示していないが、刻み付きノブ１０２に外部モータを機械的に取り付け、これに前記アッセンブリを機械的に動かすための第２手段を担わすこともできる。

図２４Ａと図２４Ｂは、調節可能なリニアステージ１０６を示し、このステージは、モータアッセンブリ１００と、これに接続されたリニア移動ステージ１０４ａ及び１０４ｂとを備えている。図示の例では、モータアッセンブリのカバー５８は、底部側のステージ１０４ｂに取り付けられ、ボールチップ２６は上部側ステージ１０４ａと接触している。刻み付きノブ１０２が時計回りに動くと、矢印１０５の方向の直線運動が生まれる。逆に、刻み付きノブ１０２が半時計回りに動くと、矢印１０９の方向の直線運動が生じる。

図２４Ａ及び２４Ｂに示す実施例おいて、ピン１１５及びピン１１６（破線で概略を図示）を備えたスプリングアッセンブリ１１１が、矢印１０９の方向に移動ステージ１０４ａ／１０４ｂを付勢する。図示の例では、ピン１１５がアッセンブリの上部の可動部１０４ａに取り付けられ、ピン１１６がアッセンブリの下部の静止部１０４ｂに取り付けられている。スプリングアッセンブリ１１１は、軸方向の力２７（図５〜６参照）を生み出すのに利用される。

図２５は、を移動可能なマイクロマニピュレータ１２０の透視図であって、このものステージ１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃは、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿って動くことができる。

以上は、本発明の好ましい実施態様をある程度詳細に説明したものであるが、これら実施態様における構造の細部、バーツの組み合わせやパーツの配置の仕方などは、本発明の技術思想を逸脱しない限り、変更することができる。

この明細書では、回転軸を持つねじ付きシャフトと、これと係合するナットを備えるシャフトアッセンブリを駆動するための装置が記載され、そのアッセンブリは、前記ナットに超音波振動を生起させて前記シャフトを回転させると同時に軸方向に移動させる。この明細書の教示内容から、ねじ付きシャフトを振動させてナットを回転させると同時に移動させるような類似の装置を、当業者は製作することができよう。

４つの長方形圧電プレートを有するモータの透視図。 図１に示すモータの分解図。 図１に示すモータの端面図。 図１に示すモータの電気接続図。 図３のＡ−Ａ線（３０）に沿った断面図 図５の４７の部分の拡大図（モータの電源遮断で、外部負荷がある場合） 図５Ａと同様な拡大図（モータが稼動している場合） 図３のＢ−Ｂ線（３２）に沿った断面図 ４つの圧電スタックを有するモータを透視図。 図７に示すモータの分解図。 図７に示すモータの端面図。 図７に示すモータの電気接続図。 図９のＡ−Ａ線（４８）に沿った断面図。 図９のＢ−Ｂ線（４６）に沿った断面図。 ４つの外部電極付き圧電チューブを有するモータの透視図。 図１３に示すモータの分解図。 図１３に示すモータの端面図。 図１３に示すモータの電気接続図。 図１５のＡ−Ａ線（５６）に沿った断面図 図１に示すモータのナットの軌道運動並びにシャフトの回転及び移動を示す説明図。 図１８に示す運動を生むのに必要な電気駆動信号の略図。 図１のモータとリニアステージを一体化したモータアッセンブリの透視図。 図２０に示すモータアッセンブリの分解図。 図２０に示すモータアッセンブリの断面図。 図２０に示すモータアッセンブリの背面図 図２０に示すモータアッセンブリの回転と順方向への移動を示す説明図。 図２０に示すモータアッセンブリの回転と逆方向への移動を示す説明図。 順方向に移動するリニアステージと一体化したモータアッセンブリの図面。 逆方向に動作するリニアステージと一体化したモータアッセンブリの図面。 三軸ステージシステムと一体化したモータアッセンブリの図面。

Claims (20)

1. 回転軸を持つねじ付きシャフトと、これに螺合するナットを備えたねじ付きシャフトアッセンブリの駆動用装置であって、
   ａ）前記アッセンブリが前記ナットに超音波振動を与え、これにより前記ねじ付きシャフトを回転させると同時に軸方向への移動させる手段を備え、
   ｂ）前記ねじ付きシャフトが動作可能に負荷に接続され、
   ｃ）前記アッセンブリが軸方向の力を前記ねじ付きシャフトに付与する手段を更に備えた
   前記の駆動用装置。
2. 前記アッセンブリが前記ナットを軌道方向に動かす手段を備えた請求項１記載の装置。
3. 前記ナットが実質的に剛体である請求項１記載の装置。
4. 前記ねじ付きシャフトアッセンブリが、内部に配置されたハウジングを更に備えた請求項１記載の装置。
5. 前記ナットがハウジングに取り付けられた請求項４記載の装置。
6. 前記ハウジングが２０，０００サイクル／秒を超える第1曲げ共鳴周波数を有し、第1曲げモードが前記回転軸と平行な面にある請求項５記載の装置。
7. 前記ハウジングが前記の第1曲げ共鳴周波数に等しい第２曲げ共鳴周波数を有し、第２曲げモードが前記第1曲げモードと直交する面にある請求項６記載の装置。
8. 前記ナットを少なくとも約２０，０００周回／秒の周波数で軌道周回させる手段が更に設けられた請求項６記載の装置。
9. 前記ねじ付きシャフトを前記回転軸と実質的に平行な方向に動かす手段が更に設けられた請求項８記載の装置。
10. 前記ねじ付きシャフトを前記回転軸と実質的に平行な方向に動かしながら該シャフトを回転させる手段が更に設けられた請求項８記載の装置。
11. 前記ナットを軌道周回させる手段が、電気エネルギーを力に変換する少なくとも２つの変換器からなる請求項８に記載の装置。
12. 前記変換器が圧電変換器、電歪変換器、磁歪変換器、静電変換器、電磁変換器又はその組合せからなる群から選ばれた請求項１１記載の装置。
13. 前記変換器が圧電変換器である請求項１２記載の装置。
14. 前記圧電変換器が圧電プレートである請求項１３記載の装置。
15. 前記圧電プレートが、約２０，０００ヘルツを超える周波数において、約１％未満の誘電損率を有する圧電素材からなる請求項１４記載の装置。
16. 前記圧電プレートが、約２０，０００ヘルツを超える周波数において、約０．５％未満の誘電損率を有する圧電素材からなる請求項１４記載の装置。
17. 前記ねじ付きシャフトが、インチあたり約４０〜２５０のねじピッチを持つ請求項１記載の装置。
18. 前記ねじ付きシャフトがハウジング内に配置され、ノブに連結されている請求項１記載の装置。
19. 前記のねじ付きシャフトとハウジングに接続されたと接続する可動ステージが更に設けられている請求項１８記載の装置。
20. 互いに接触する少なくとも２つの可動ステージを備え、その可動ステージの各々が請求項１９記載の装置からなる装置。

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