(57)【要約】【課題】装置を小型化でき、重量が減少でき、コストを縮小できる超音波モータを提供する。【解決手段】超音波モータ１は、超音波振動を利用してロッド状の移動子２を直線運動させる超音波モータである。移動子２が、移動子２の固定部材であるプレート３に通されて、固定子４の突起部５に接触している。固定子４には、中央に略円形状の穴を持つ略円板状の形態である圧電素子６と圧電素子７とを積層して構成された、振動子８が取り付けられている。圧電素子６と圧電素子７は、図示しない駆動回路に、図示しない電極を介して電気的に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝部が形成された固定子と、
前記固定子の前記溝部に接触配置されるとともに、前記溝部の延びる方向に長手方向を有する移動子と、
前記固定子と前記移動子との接触部に、前記溝部の延びる方向の楕円形又は円形の超音波振動を発生させて前記移動子を前記溝部の延びる方向に移動させる振動子と、
前記移動子を前記固定子の側に加圧する加圧手段と、
を備える超音波モータ。
【請求項２】
前記振動子は、
厚さ方向に一様の極性を持つ縦振動用の圧電素子と、
直径を挟んだ両側の２つの部分で厚さ方向に互いに逆の極性を持つたわみ振動用の圧電素子と、
を備え、
前記たわみ振動用の圧電素子は極性が逆になる境界線が、前記移動子の長手方向に対して略垂直になるように配置される、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記振動子は、第２のたわみ振動用の圧電素子をさらに備え、
前記第２のたわみ振動用の圧電素子は、極性が逆になる境界線が前記移動子の長手方向に対して略平行になるように配置される、請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記加圧手段は、前記固定子の底部に座ぐり加工をして座ぐり部を形成し、前記座ぐり部の中に圧力発生源を配置したものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記固定子が複数配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記移動子は、端面加工をされている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波モータに係り、特に、ロッド状の移動子を直線運動させる超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波モータが、特許文献１に記載されている。この超音波モータは、円柱形のロッド状の移動子を挟んで一対の固定子を対向配置し、各固定子をそれぞれの両端においてバネ等で連結して移動子を加圧しつつ挟みながら直線運動を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２７６７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された超音波モータは、固定子を二つ必要とするため、装置が大型化し、重量が増加し、コストが増大する問題があった。
【０００５】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、装置を小型化でき、重量が減少でき、コストを縮小できる超音波モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る超音波モータは、溝部が形成された固定子と、固定子の溝部に接触配置されるとともに、溝部の延びる方向に長手方向を有する移動子と、固定子と移動子との接触部に、溝部の延びる方向の楕円形又は円形の超音波振動を発生させて移動子を溝部の延びる方向に移動させる振動子と、移動子を固定子の側に加圧する加圧手段とを備える。
振動子は、厚さ方向に一様の極性を持つ縦振動用の圧電素子と、直径を挟んだ両側の２つの部分で厚さ方向に互いに逆の極性を持つたわみ振動用の圧電素子とを備え、たわみ振動用の圧電素子は極性が逆になる境界線が、移動子の長手方向に対して略垂直になるように配置されてもよい。
振動子は、第２のたわみ振動用の圧電素子をさらに備え、第２のたわみ振動用の圧電素子は、極性が逆になる境界線が移動子の長手方向に対して略平行になるように配置されていてもよい。
加圧手段は、固定子の底部に座ぐり加工をして座ぐり部を形成し、座ぐり部の中に圧力発生源を配置したものであってもよい。
固定子が複数配置されていてもよい。
移動子は、端面加工をされていてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、ロッド状の移動子を直線運動させる超音波モータについて、溝部が形成された固定子と、固定子の溝部に接触配置されるとともに、溝部の延びる方向に長手方向を有する移動子と、固定子と移動子との接触部に、溝部の延びる方向の楕円形又は円形の超音波振動を発生させて移動子を溝部の延びる方向に移動させる振動子と、移動子を固定子の側に加圧する加圧手段とを備えることで、超音波モータを小型、軽量にすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る超音波モータの斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る超音波モータの移動子と圧電素子の配置の概略図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る超音波モータにおいて、楕円形又は円形の超音波振動を発生させる原理を説明するための概略図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る超音波モータの構成を示す斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る超音波モータの移動子と圧電素子の配置の概略図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る超音波モータにおいて、楕円形又は円形の超音波振動を発生させる原理を説明するための概略図である。
【図９】この発明の実施の形態１及び実施の形態２に係る超音波モータの変形例の部分概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る超音波モータ１の構成を示す。超音波モータ１は、超音波振動を利用してロッド状の移動子２を直線運動させる超音波モータである。移動子２が、移動子２の固定部材であるプレート３に通されて、固定子４の突起部５に接触している。固定子４には、中央に略円形状の穴を持つ略円板状の形態である圧電素子６と圧電素子７とを積層して構成された振動子８が取り付けられている。圧電素子６と圧電素子７は、図示しない駆動回路に、図示しない電極を介して電気的に接続されている。説明の便宜上、固定子４の軸心方向をＺ軸と規定し、Ｚ軸に垂直である移動子２の軸心方向をＹ軸と規定し、Ｚ軸およびＹ軸に垂直なＸ軸が規定されるものとする。
【００１０】
図２に示すように、圧電素子６は直径を挟んだ両側の部分で、厚さ方向に互いに逆の極性を持つたわみ振動用であり、圧電素子７は、厚さ方向に一様な極性を持つ縦振動用である。圧電素子６は極性が逆になる境界線Ｌが、移動子２の長手方向に対して略垂直になるように配置される。圧電素子６と圧電素子７は上下の順番が入れ替わっていてもよい。
【００１１】
図３に示すように、固定子４の頂部１９には、凹字形状の溝部１６が形成されて、突起部５が構成されている。溝部１６に、移動子２の長手方向が沿うように移動子２が接触配置される。すなわち、移動子２は溝部１６の延びる方向に長手方向を有している。突起部５は接触部１８にて移動子２に接触している。
【００１２】
図４に示すように、固定子４の中央にはシャフト９があり、プレート３とシャフト９とはねじ部１０でボルト止めされている。固定子４の底部１７には、底部１７を座ぐり加工した空間である座ぐり部１２が設けられている。本発明の超音波モータ１を動作させるには移動子２と、突起部５（図１参照）とを圧接することが必要になる。移動子２を加圧して突起部５に押し付けるため、固定子４の座ぐり部１２に皿ばね１３を備えている。シャフト９にボルト止めされた傘部１１を皿ばね１３で引っ張ることで、移動子２を固定子４の側に加圧している。ここで皿ばね１３は、移動子２を溝部１６に加圧する加圧手段を構成する。プレート３と移動子２との摺動時の摩擦を軽減するため、プレート３にリニアブッシュ１４が設けられている。リニアブッシュ１４は金属製であっても樹脂製であってもよく、代わりに適宜ボールスプラインやボールガイドを使用してもよい。また、プレート３と移動子２との摺動時の磨耗を軽減し、発生する摩耗粉の拭き取りの役目を果たすために潤滑体１５が設けられている。
【００１３】
次に、実施の形態１に係る超音波モータ１の動作について説明する。
駆動回路により交流電圧が圧電素子６と圧電素子７とに印加されると、圧電素子６と圧電素子７とが振動方向の異なる超音波振動を発生する。圧電素子６と圧電素子７に対して位相を９０度シフトした交流電圧を印加することにより、図５（ａ）と図５（ｂ）とに示すように、振動子８にＹ軸方向へのたわみ振動とＺ軸方向への縦振動とを組み合わせた複合振動を発生させる。該複合振動が固定子４に伝達され、固定子４と移動子２との接触部１８には、Ｙ軸−Ｚ軸平面におけるＸ軸周りの楕円形又は円形の超音波振動が発生する。移動子２がこの楕円形又は円形の超音波振動を受けることにより、移動子２はＹ軸方向、すなわち溝部１６の延びる方向へ移動し、結果として移動子２の端部では出力として推力が得られる。このとき、振動子８の縦振動の大きさを制御することで推力の大きさが調節でき、振動子８のたわみ振動の大きさを制御することで速度の大きさが制御できる。また、各振動の位相差を変えることで楕円形又は円形の超音波振動の向きを制御し、移動子２の移動方向を制御できる。
【００１４】
本発明のような直動型の超音波モータでは、固定子４と移動子２との間における摩擦係数に加圧力を乗じた値が最大推力となる。ゆえに、固定子４の突起部５と移動子２との間の摩擦係数が大きいほど得られる推力は大きくなるが、摩擦係数が大きいと摩耗量も大きくなるため超音波モータ１の寿命が著しく低下する。そのため、実施の形態１では、移動子２に超鋼合金などの高硬度材を使用し、突起部５にＳＫＨのような高速度工具鋼を５００Ｎ程度の高い加圧力で圧接することで、超音波モータの特性である摩擦力による自己保持力を利用しつつ、高い推力を実現できる。
【００１５】
また、実施の形態１では高寿命化を図るため、潤滑体１５が設けられている。潤滑体１５は連続気孔体構造の非常に柔らかい樹脂でできており、常に移動子２に接触することで気孔部に溜まっている潤滑オイルが常に一定量供給され、摺動箇所の磨耗を抑えることができる。実施の形態１では振動子側にのみ潤滑体１５を設けているが、プレート３の上側にも潤滑体１５を設けてもよい。
【００１６】
固定子４の突起部５は溝部１６のように凹字形状に加工されているため、この状態で移動子２が加圧された場合、突起部５が加圧力により弾性変形し、ロッド状の移動子２に対して安定して接触するとともに、移動子２を直線状に拘束するため、移動子２がＺ軸回りに回転するのを防止することができる。これにより、使用する固定子が１つでも安定して動作させることができ、固定子４の数を減らすことができるため、超音波モータ１が小型、軽量になる。
【００１７】
皿ばね１３は固定子４の座ぐり部１２に設けられているため、固定子４の内部に皿ばね１３を格納することになり、これにより超音波モータ１が小型、軽量になる。実施の形態１では皿ばねを用いているが、加圧のための圧力発生源はこれに限定されない。たとえば、コイルスプリングや、ガススプリングや、樹脂などを用いてもよい。
【００１８】
このように、溝部１６が形成された固定子４と、固定子４の溝部１６に接触配置されるとともに、溝部１６の延びる方向に長手方向を有する移動子２と、固定子４と移動子２との接触部１８に、溝部１６の延びる方向の楕円形又は円形の超音波振動を発生させて移動子２を溝部１６の延びる方向に移動させる振動子８と、移動子２を固定子４の側に加圧する加圧手段の皿ばね１３とを備えることで、超音波モータ１を小型、軽量にすることが可能になる。
【００１９】
実施の形態１では、Ｙ軸回りの移動子２の回転を規制するガイド機構を設けていないが、Ｙ軸周りに移動子２を回転させる振動の力は、移動子２を固定子４に押し付ける加圧の力に比べて十分に小さいため、Ｙ軸周りの大きな回転はほとんど発生しない。移動子２のＹ軸周りの回転を完全に防止したい場合は、適宜ガイド機構を設けてもよい。
【００２０】
また、実施の形態１では溝部１６の形状は断面が四角形の形状であったが、ロッド状の移動子２に対して安定して接触し、かつ移動子２を直線状に拘束する形状であれば、例えばＶ字形状などその他の形状であってもよい。
【００２１】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る超音波モータの構成を示す。尚、実施の形態２において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この発明の実施の形態２に係る超音波モータは、実施の形態１に対して、移動子２をＹ軸周りに回転させることもできるようにしたものである。
【００２２】
図６に、この発明の実施の形態２に係る超音波モータ１’の構成を示す。固定子４の下部の圧電素子６と圧電素子７との間に、中央に略円形状の穴を持つ略円板状の形態である圧電素子２１を追加して構成された振動子８ａが取り付けられている。圧電素子２１は図示しない駆動回路に、図示しない電極を介して電気的に接続される。圧電素子２１は、中央を境に左右で極性の異なる第２のたわみ振動用であり、図７に示すように極性が逆になる境界線Ｌ’が、移動子２の長手方向に対して略平行になるように配置されている。圧電素子６と圧電素子７と圧電素子２１とは上下の順番が入れ替わっていてもよい。その他の構成は実施の形態１と同じである。
【００２３】
次に実施の形態２に係る超音波モータ１’の動作について説明する。
駆動回路により交流電圧を圧電素子２１と圧電素子７とに印加すると、圧電素子２１と圧電素子７とが振動方向の異なる超音波振動を発生する。このとき、圧電素子６には電圧を印加しない。圧電素子２１と圧電素子７とに対して位相を９０度シフトした交流電圧を印加することにより、図８（ａ）と図８（ｂ）とに示すように、振動子８ａにＸ軸方向へのたわみ振動とＺ軸方向への縦振動とを組み合わせた複合振動を発生させる。該複合振動が固定子４に伝達され、固定子４と移動子２との接触部１８（図３参照）にはＸ軸−Ｚ軸平面におけるＹ軸周りの楕円形又は円形の超音波振動が発生する。移動子２がこの楕円形又は円形の超音波振動を受けることにより、移動子２はＹ軸回りへ回転し、結果として移動子２の端部では出力として回転力が得られる。このとき、振動子８ａの縦振動の大きさを制御することで回転力の大きさが調節でき、振動子８ａのたわみ振動の大きさを制御することで速度の大きさが制御できる。また、各振動の位相差を変えることで楕円形又は円形の超音波振動を制御し、移動子２の回転方向を制御できる。
移動子２にＹ軸方向の直線移動を起こさせたい場合には、圧電素子２１には交流電圧を印加せず、圧電素子６と圧電素子７とに実施の形態１と同様にして交流電圧を印加すればよい。
【００２４】
このように、振動子８ａに第２のたわみ振動用の圧電素子を、極性が逆になる境界線Ｌ’が移動子２の長手方向に対して略平行になるように、さらに追加して配置することで、実施の形態１の作用効果に加え、振動子８ａが一つで移動子２の直線運動と回転運動との２軸の動作が可能になる。
【００２５】
実施の形態２では、Ｙ軸周りの回転移動と、Ｙ軸方向の直線移動とを独立して動作させていたが、圧電素子６、圧電素子７、圧電素子２１に印加する交流電圧の位相を適切に制御することにより、Ｙ軸周りの回転移動と、Ｙ軸方向の直線移動を同時に行うことも可能である。
【００２６】
上記した実施の形態１と、実施の形態２との超音波モータについて、移動子２を固定しておき、移動子２に対して固定子４を超音波モータの推力を用いて移動させるようにしてもよい。また、１つの移動子２に対して、２組以上のプレート３と固定子４とを備えていてもよい。
【００２７】
さらに、図９に示すように、移動子２の外周面の一部を、移動子２の長手方向に沿って端面加工していてもよい。移動子２の端面加工は、例えば、移動子２のＹ軸周りの回転を防止するガイド機構などへ利用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１、１’  超音波モータ、２  移動子、４  固定子、６  （たわみ振動用の）圧電素子、７  （縦振動用の）圧電素子、８、８ａ  振動子、１２  座ぐり部、１３  皿ばね（加圧手段、圧力発生源）、１６  溝部、１７  底部、１８  接触部  ２１  （第２のたわみ振動用の）圧電素子、Ｌ、Ｌ’  境界線。
【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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