(57)【要約】【課題】ロータを直線的に相対移動させることができ、エネルギ巡回効率の良い進行波型超音波モータを提供する。【解決手段】本発明が適用された進行波型の超音波モータのステータ２１は、周回する外側面を有する環状の弾性部材２１と、弾性部材２１の外側面に周回する進行波を発生させる圧電素子２２，３とを備えている。弾性部材２１には、環状の軸方向に貫通する調整孔３７が形成されている。弾性部材２１の外側面には、直線状とされ、ロータ１０が接触する出力面２０が形成されている。このようなステータ１１では、調整孔３７の形状、大きさ又は位置を調整することにより、最適な進行波を発生する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
進行波型の超音波モータのステータにおいて、
周回する外側面を有する環状の弾性部材と、
上記弾性部材の外側面上に周回する進行波を発生させる進行波発生手段とを備え、
上記弾性部材には、環状の軸方向に貫通する調整孔が形成され、
上記外側面には、直線状又は円弧状とされ、ロータが接触する出力面が形成されていること
を特徴とする超音波モータのステータ。
【請求項２】
上記調整孔は、上記出力面の近傍に形成されていること
を特徴とする請求項１記載の超音波モータのステータ。
【請求項３】
上記調整孔は、環状の中心の孔と上記出力面との間の領域に形成されていること
を特徴とする請求項２記載の超音波モータのステータ。
【請求項４】
上記調整孔は、環状の中心孔と上記出力面とに挟まれた領域に、１つ形成されていること
を特徴とする請求項３記載の超音波モータのステータ。
【請求項５】
上記調整孔の平面形状は、平行直線の２つの辺と、当該平行直線の２つの辺の端部同士を結ぶ辺が２つの曲線とから構成された形状となっており、
上記調整孔は、直線の辺が、上記出力面の中心位置と環状の中心孔の中心とを結ぶ直線と平行となるように位置していること
を特徴とする請求項４記載の超音波モータのステータ。
【請求項６】
上記進行波発生手段は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とから構成されており、
上記第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子は、
平板形状とされ、
平板の厚み方向に伸縮し、
上記出力面の中心位置と環状の中心孔の中心とを結ぶ直線を挟んで対称に配置され、
平板の主面の面内方向が環状の軸方向に平行となるように配置され、
上記環状の弾性部材の外側面から内部に向かって、当該環状の弾性部材内に挿入されていること
を特徴とする請求項１記載の超音波モータのステータ。
【請求項７】
上記第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子には、位相が１／４波長異なる同じ周波数の電気信号が入力されること
を特徴とする請求項６記載の超音波モータのステータ。
【請求項８】
上記環状の弾性部材の外周形状は、
上記出力面の中心位置と環状の中心孔の中心とを結ぶ直線を挟んで対称の形状とされているとともに、上記出力面の端辺に鈍角に接続された直線状の第１の側面及び第２の側面と、第１の側面及び第２の側面の出力面が接続されていない辺同士を接続したなだらかな曲線状とされた第３の側面とからなり、
第１の圧電素子は、第１の側面と第３の側面との接続部分から内部に挿入され、
第２の圧電素子は、第２の側面と第３の側面との接続部分から内部に挿入されていること
を特徴とする請求項７記載の超音波モータのステータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、進行波型の超音波モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の直線型の進行波型超音波モータのステータ１００は、図８に示すように、表面に進行波振動が発生する弾性部材からなる長尺状の振動棒１０１と、振動棒１０１の一端から当該振動棒１０１に進行波振動を与える振動源１０２と、振動棒１０１の他端に設けられて振動波エネルギーを吸収する終端部１０３とから構成されていた。
【０００３】
このような従来のリニア型の進行波型超音波モータのステータ１００では、終端部１０３で吸収した振動波エネルギーを電気エネルギーに変換し、振動源１０２に戻すことにより、エネルギーの還流を行っていた。
【０００４】
しかしながら、従来の直線型の進行波型超音波モータでは、振動エネルギーから電気エネルギーへの変換損失があるため、エネルギー効率が非常に悪かった。
【０００５】
一方、従来の回転型の進行波超音波モータ１１０は、図９に示すように、リング状の振動部材１１１が用いられる。従来の回転型の進行波超音波モータ１１０では、Ｓｉｎωｔ及びＣｏｓωｔという１／４の位相差をもった２つの振動モードにより駆動することにより、リング状の振動部材１１１の外側面に進行波が発生する。このため、従来の回転型の進行波超音波モータ１１０では、振動エネルギーがリング状の振動部材１１１の外側面を巡回することとなり、エネルギー効率が非常に良かった。
【０００６】
しかしながら、従来の回転型の進行波超音波モータ１１０では、ステータの形状が円板や円環形状等であり、ロータとステータとを直線的に相対移動させることは困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、以上のような問題を解決することにある。
【０００８】
すなわち、本発明は、ロータを直線的に相対移動させることができる進行波型超音波モータを提供すること、換言すると、機械的にエネルギーの巡回を行うことが可能な直線型の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】
【０００９】
本発明に係る進行波型の超音波モータのステータは、周回する外側面を有する環状の弾性部材と、上記弾性部材の外側面上に周回する進行波を発生させる進行波発生手段とを備え、上記弾性部材には、環状の軸方向に貫通する調整孔が形成され、上記外側面には、直線状又は円弧状とされ、ロータが接触する出力面が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の進行波型の超音波モータのステータは、弾性部材が環状に形成され、当該環状の弾性部材の外側面に直線状又は円弧状とされた出力面が形成され、それとともに上記弾性部材に環状の軸方向に貫通する調整孔が形成されている。
【００１１】
このように本発明では、円環ではない外形形状の弾性部材であっても、調整孔の形状、位置及び大きさを調整することによって、出力面に進行波を発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明が適用された進行波型超音波モータについて説明をする。
【００１３】
全体構成
図１に、本発明が適用された進行波型超音波モータ１の模式的な斜視図を示す。
【００１４】
進行波型超音波モータ１は、図１に示すように、平板の長尺状のロータ１０と、ステータ１１とから構成されている。
【００１５】
ステータ１１には、平面状の出力面２０が形成されている。ステータ１１は、出力面２０の表面に進行波を発生させる。
【００１６】
進行波とは、ある一点から他点へエネルギを輸送する波である。出力面２０に進行波が発生すると、出力面２０の任意の一点は楕円運動をする。つまり、進行波を発生させるには、位相が１／４波長異なる２つの波（例えば、サイン波とコサイン波）を出力面２０に発生させればよい。
【００１７】
ロータ１０は、平面部分がステータ１１の出力面２０に接触し、一定の圧力が加えられている。さらに、ロータ１０は、その長手方向が、出力面２０の進行波の発生方向に一致するように配置されている。
【００１８】
このため、本発明が適用された進行波型超音波モータ１では、ステータ１１の出力面２０に発生する進行波と、当該出力面２０とロータ１０との間の摩擦力とにより、ロータ１０とステータ１１とが進行波の発生方向（すなわち、ロータ１０の長手方向Ｘ１，Ｘ２）に直線的に相対移動をする。
【００１９】
なお、進行波型超音波モータ１では、ステータ１１が固定されロータ１０が移動して、ロータ１０が固定されステータ１１が移動してもよい。
【００２０】
ステータの構成
つぎに、ステータ１１についてさらに詳細に説明をする。
【００２１】
ステータ１１は、図１に示すように、弾性部材からなる振動基材２１と、振動基材２１に対して振動を与える第１の圧電素子２２及び第２の圧電素子２３と、第１の圧電素子２２を電気的に駆動する第１の駆動源２４と、第２の圧電素子２３を電気的に駆動する第２の駆動源２５とを備えている。
【００２２】
図２に振動基材２１の斜視図を示し、図３に振動基材２１の平面図を示す。
【００２３】
振動基材２１は、アルミニウム，リン青銅、ステンレス及び鉄等の弾性を有する材料から構成されている。そのため、振動基材２１は、第１の圧電素子２２及び第２の圧電素子２３により表面を振動させることができる。
【００２４】
振動基材２１は、互いに平行な表面３１と裏面３２とを有する平板形状となっている。
【００２５】
振動基材２１は、表面３１（又は裏面３２）の略中心位置に、厚み方向に貫通する中心孔３３が形成されている。中心孔３３の開口の形状は円となっている。振動基材２１は、中心孔３３が形成されていることにより、全体として中心孔３３を軸とした環状となっている。
【００２６】
なお、以下、中心孔３３の軸のことを環状軸と呼び、この環状軸に平行な方向を環状軸方向ｚと呼ぶ。
【００２７】
振動基材２１は、外周を周回する外側面を有している。外側面は、出力面２０と、左側面３４と、右側面３５と、下側面３６とから構成されている。出力面２０、左側面３４、右側面３５及び下側面３６は、全て環状軸方向ｚに平行な面であり、表面側から向かって時計回りに、出力面２０→右側面３５→下側面３６→左側面３４→出力面２０と連続している。
【００２８】
出力面２０は、長方形の平面である。出力面２０は、中心孔３３の開口中心を通り環状軸方向ｚの垂直な線に対して、垂直であり、且つ、その線が中心を通るように形成されている。
【００２９】
なお、以下、上記の中心孔３３の円形の開口の中心を通り環状軸に対して垂直な線（つまり、環状軸方向ｚに対して垂直、且つ、中心孔３３の中心と出力面２０の中心とを結ぶ線）のことを、垂直中心軸と呼び、この垂直中心軸に平行な方向を垂直中心軸方向ｙと呼ぶ。
【００３０】
左側面３４は、長方形の平面である。左側面３４は、出力面２０を構成する４辺のうち、表面３１及び裏面３２が接続されていない一辺と接続されている。すなわち、左側面３４は、出力面２０に連続した面となっている。また、左側面３４と出力面２０とは、鈍角に接続されている。つまり、環状軸方向ｚから見たときに、図３に示すように、左側面３４と表面３１（又は裏面３２）とで形成される辺３４ａと、出力面２０と表面３１（又は裏面３２）とで形成される辺２０ａとのなす角度（中心孔３３側の角度）は、鈍角である。
【００３１】
右側面３５は、長方形の平面である。右側面３５は、出力面２０を構成する４辺のうち、表面３１，裏面３２及び左側面３４が接続されていない一辺と接続されている。すなわち、右側面３５は、出力面２０に連続した面となっている。また、右側面３５と出力面２０とは、鈍角に接続されている。つまり、環状軸方向ｚから見たときに、図３に示すように、右側面３５と表面３１（又は裏面３２）とで形成される辺３５ａと、出力面２０と表面３１（又は裏面３２）とで形成される辺２０ａとのなす角度（中心孔３３側の角度）は、鈍角である。
【００３２】
下側面３６は、環状軸方向ｚに平行な曲面である。左側面３４を構成する４辺のうち出力面２０及び表面３１及び裏面３２が接続されていない辺と、右側面３５を構成する４辺のうち出力面２０及び表面３１及び裏面３２が接続されていない辺とを、滑らかに連続的に接続する曲面である。具体的には、下側面３６は、環状軸方向ｚから見たときに、左側面３４から右側面３５へ向かう方向の各線が、垂直中心軸方向ｙに垂直な直線３６ａ、直線３６ａに連続した１／４円弧３６ｂ、１／４円弧３６ｂと連続した出力面２０と平行な直線３６ｃ、直線３５ｃに連続した１／４円弧３６ｄ、及び、１／４円弧３６ｄに連続した垂直中心軸方向ｙに垂直な直線３６ｅにより構成されている。
【００３３】
以上のように、振動基材２１では、出力面２０、左側面３４、右側面３５及び下側面３６により外周を周回する外側面が形成されている。外側面は、環状の振動基材２１の外周を周回しているので、その表面に進行波が発生したときに、進行波を巡回させることができる。従って、振動基材２１は、いわゆる回転型の超音波モータのステータと同様に、振動エネルギの伝搬をさせることができる。
【００３４】
なお、左側面３４と下側面３６との間及び右側面３５と下側面３６との間に、切り欠いた空間（詳細後述）が形成されているが、この空間には圧電素子２２，２３が挿入されるので、進行波を巡回させるには特に問題はない。
【００３５】
振動基材２１には、表面３１から裏面３２までを貫通する（すなわち、環状軸方向ｚに平行な方向に貫通する）調整孔３７が形成されている。
【００３６】
調整孔３７は、出力面２０の近傍に形成されている。具体的には、出力面２０と中心孔３３との間に挟まれた領域に形成されている。また、調整孔３７の開口は、中心孔３３より大きい。
【００３７】
調整孔３７の開口形状は、平行な同一の長さの２つの直線３８ａ，３８ｂと、平行な直線３８ａ，３８ｂの２つの辺の端部同士を結ぶ辺が２つの１／２円弧曲線３９ａ，３９ｂとから構成された形状となっている。このような形状の調整孔３７は、平行な直線３８ａ，３８ｂが、垂直中心軸方向ｙに平行とされ、その中心が垂直中心軸上に位置している。
【００３８】
振動基材２１では、調整孔３７の位置、大きさ、形状を調整することにより、外側面に発生する進行波の制御を行うことができる。すなわち、調整孔３７の位置、大きさ、形状を変えることにより、発生する進行波の周波数（周期）特性が変化する。従って、ステータ１１を作製した後、この調整孔３７の位置、大きさ又は形状を適宜調整することによって、目的の周波数の進行波が出力面２０上に発生させることができる。
【００３９】
振動基材２１には、第１の圧電素子２２が挿入される第１の切り欠き空間４１と、第２の圧電素子２３が挿入される第２の切り欠き空間４２とが形成されている。第１の切り欠き空間４１及び第２の切り欠き空間４２は、垂直中心軸を挟んで対称な形状となっている。
【００４０】
第１の切り欠き空間４１は、左側面３４と下側面３６とを接続する辺から、表面３１から裏面３２までを貫通する空間が、内部に進入したものである。第２の切り欠き空間４２は、右側面３５と下側面３６とを接続する辺から、表面３１から裏面３２までを貫通する空間が、内部に進入したものである。
【００４１】
第１の切り欠き空間４１及び第２の切り欠き空間４２は、外側面側に位置する挿入空間４１ａ，４２ａと、挿入空間４１ａ，４２ａに連続した内部側の保護孔４１ｂ，４２ｂとから構成されている。
【００４２】
挿入空間４１ａ，４２ａは、平板形状の圧電素子２２，２３（詳細後述）が環状軸方向ｚに平行な状態で挿入され、その平板の圧電素子２２，２３の表面及び裏面を挟み込むように形成されている。すなわち、挿入空間４１ａ，４２ａは、平面方向の幅が圧電素子２２，２３の厚さとほぼ同等の幅で内部に進入する切り欠き空間である。
【００４３】
保護孔４１ｂ，４２ｂは、挿入空間４１ａ，４２ａの内部側の端部に連続した空間であり、挿入空間４１ａ，４２ａの幅よりも大きい直径の円形の開口とされた孔となっている。保護孔４１ｂ，４２ｂは、切り欠き空間４１，４２を形成する際や、圧電素子２２，２３を挿入する際に、挿入空間４１ａ，４２ａの内部側の端部が応力集中等により壊れたりしないように保護的に設けられた空間である。
【００４４】
図４に第１及び第２の圧電素子２２，２３の斜視図、図５に第１及び第２の圧電素子２２，２３が挿入された状態の振動基材２１を示す。
【００４５】
第１及び第２の圧電素子２２，２３は、振動基材２１の外側面に進行波を発生させるための振動発生手段である。
【００４６】
第１及び第２の圧電素子２２，２３は、図４に示すように、平板状の２つのピエゾ素子５１，５２が、薄板状の電極５３を介して重ねあわされたものである。
【００４７】
平板状のピエゾ素子５１，５２は、ともに厚さ方向ｄに電界が印加されたときに、その厚さ方向ｄに伸縮をするものである。
【００４８】
このような第１及び第２の圧電素子２２，２３は、図５に示すように、第１の切り欠き空間４１及び第２の切り欠き空間４２の挿入空間４１ａ，４２ａに挿入される。第１及び第２の圧電素子２２，２３は、挿入空間４１ａ，４２ａに挿入されると、平板の主面（又は裏面）部分が、振動基材２１に密着する。
【００４９】
ここで、振動基材２１は、導電性の材料からなり、電気的にグランドに接続がされている。さらに、第１の圧電素子２２の電極５３に第１の駆動源２４からの電気信号が供給され、第２の圧電素子２３の電極５３に第２の駆動源２５からの電気信号が供給される。
【００５０】
従って、駆動源２４，２５から所定の周波数の電気信号を発生するとピエゾ素子５１，５２に電気信号が流れ、このため、第１及び第２の圧電素子２２，２３は、厚さ方向に所定の周波数で膨張及び収縮する。
【００５１】
また、第１及び第２の圧電素子２２，２３は、出力面２０に対して、４５°の角度で配置されている（ただし、左右対称）。さらに、第１の圧電素子２２の伸縮方向のベクトルＥ１と、第２の圧電素子２３の伸縮方向のベクトルＥ２が、出力面２０上で合成する。このことにより、出力面２０の表面上で最も効率よく第１及び第２の圧電素子２２，２３から発生された力が合成される。
【００５２】
以上のような構成のステータ１１では、第１の駆動源２４から高周波信号を発生すると、その高周波信号に応じて第１の圧電素子２２が伸縮する。このため、第１の駆動源２４から発生した信号に応じた振動が、振動基材２１に伝搬される。同様に、第２の駆動源２５から高周波信号を発生すると、その高周波信号に応じて第２の圧電素子２３が伸縮する。このため、第２の駆動源２５から発生した信号に応じた振動が、振動基材２１に伝搬される。
【００５３】
ここで、振動基材２１の外側面に進行波を発生するため、第１の駆動源２４と第２の駆動源２５とから、同一周波数（周期）で１／４位相ずれた信号を発生する。例えば、第１の駆動源２４から周波数ω/２πのサイン信号（ｓｉｎωｔ）、第２の駆動源２５から周波数ω/２πのコサイン信号（ｃｏｓωｔ）を発生する。
【００５４】
もっとも、振動の周波数が、ステータ１１自身が有する機械特性と同調してなければ、外側面を巡回するような進行波は発生しない。
【００５５】
そこで、振動基材２１の調整孔３７の位置、大きさ又は形状を調整し、外側面を巡回するような進行波を発生させる。
【００５６】
特に、平面状の出力面２０を有するような特殊形状の弾性部材を、回転型の超音波モータのステータとして用いる場合、調整孔３７のような孔により特性を調整することは、設計者にとっては非常に簡単となる。
【００５７】
具体的な設計例
つぎに、出力面２０に進行波が発生する具体的な設計例を説明する。
【００５８】
まず、振動基材２１の材料は、アルミニウムである。
【００５９】
圧電素子２２，２３は、Ｐｂ（Ｚｒｘ−Ｔｉ１−ｘ）を含んだピエゾ素子である。ピエゾ素子の厚さは、１枚０．５ｍｍである。
【００６０】
振動基材２１は、垂直中心軸に対して、左右対称の形状となっている。
【００６１】
振動基材２１の具体的な寸法は、図６及び下記に示す通りである。
【００６２】
ｔｓｙｓ（振動基材の厚さ）                                  ：５ｍｍ
ｌｔ（出力面２０から調整孔３７までの高さ）                  ：１．５ｍｍ
ｌｆ（出力面２０から調整孔３７の垂直辺の下端までの高さ）    ：２．５ｍｍ
ｌｇ（調整孔３７の垂直辺の下端から保護孔の中心までの高さ）  ：３．１３ｍｍ
ｌｂ（保護孔の中心から下側面３６の下端までの高さ）          ：２．０ｍｍ
ｌｍ（中心孔３３の中心から下側面３６の下端までの高さ）      ：６．０ｍｍ
ｗｔ（出力面２０の幅）                                      ：１．０ｍｍ
ｗｓｅｐ（左右の保護孔の間の空間の幅）                      ：２．６ｍｍ
θ（出力面に対する圧電素子の角度）                          ：４５°
ｆｓｅｐ（調整孔の円弧部分の半径）                          ：１．８ｍｍ
ｒｈ（保護孔の半径）                                        ：０．７５ｍｍ
ｒｃ（中心孔３３の半径）                                    ：０．５ｍｍ
【００６３】
このように設計したステータ１１の特性を図７に示す。
【００６４】
図７（Ａ）は、ピエゾ素子からなる圧電素子２２，２３のアドミッタンスの周波数特性（周波数に対するアドミッタンスの大きさ及び位相）を示している。図７（Ｂ）は、周波数に対する出力面２０の水平方向（出力面２０に平行な方向）の振動の大きさを示しており、図７（Ｃ）は、周波数に対する出力面２０の垂直方向（出力面に直交する方向）の振動の大きさを示している。図７（Ｄ）は、振動基材２１の外側面の全周に亘って、同相の振動が生じているか（つまり、振動が巡回しているか）、異なる位相の振動が生じているかを示す周波数特性図である。
【００６５】
このようなステータ１１では、アドミッタンスが大きい周波数（つまり、圧電素子２２，２３に大きな電流が流れている周波数）で、出力面２０に振動が発生するとともに、外側面に巡回的に発生していることがわかる。
【００６６】
この周波数は、調整孔３７の大きさ、位置及び形状を変えることによって、適宜変化させることができる。
【００６７】
なお、出力面２０の形状は、直線状（平面状）としているが、円弧状にしてもよい。このようにすることによって、円弧部分に円柱状のロータを接触させ、当該円柱状のロータを回転させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明が適用された進行波型の超音波モータの模試的な外観図である。
【図２】ステータの振動基材の斜視図である。
【図３】ステータの振動基材の平面図である。
【図４】圧電素子の斜視図である。
【図５】ステータに圧電素子が挿入された状態の模式的な平面図である。
【図６】ステータの振動基材の寸法例を示す図である。
【図７】ステータの特性を示す図である。
【図８】従来の直線型の進行波型超音波モータのステータを示す図である。
【図９】従来の回転型の進行波型超音波モータのステータを示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  進行波型超音波モータ、  １０  ロータ、  １１  ステータ、  ２０  出力面、  ２１  振動基材、  ２２  第１の圧電素子、  ２３  第２の圧電素子、  ２４  第１の駆動源、  ２５  第２の圧電素子、  ３１  表面、  ３２  裏面、  ３３  中心孔、  ３４  左側面、  ３５  右側面、  ３６  下側面、  ３７  調整孔、  ４１  第１の切り欠き空間、  ４２  第１の切り欠き空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006087233.tif 000005
【図４】
2006087233.tif 000006
【図５】
2006087233.tif 000007
【図６】
2006087233.tif 000008
【図７】
2006087233.tif 000009
【図８】
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【図９】
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