(57)【要約】【課題】振動部材から弾性部材に適切に振動を伝達し、効率よくロータを回転させる超音波モータを得る。【解決手段】圧電体１９は、接着剤２５により貼着面２７に貼り付けられる。接着剤２５は、樹脂系接着剤、例えばエポキシ系接着剤又はアクリル系接着剤が好適である。これにより、圧電体１９の片面全体が貼着面２７に密着する。このとき、環状突起１６ｂの径方向に対する段差１６ｃの長さが圧電体１９の内径よりも短いため、圧電体１９の内周面と段差１６ｃの外周面との間に間隔が空く。製造工程において、貼着面２７の内周側、又は圧電体１９の内周側に多めに接着剤２５を付与すると、圧電体１９を貼着面２７に貼り付けたとき、段差１６ｃの外周面と圧電体１９の内周面との間に接着剤２５がはみ出し、両者の隙間を充填する。【選択図】図６
2011015524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の弾性部材と所定の周波数で振動する振動部材とから成るステータと、
前記弾性部材と前記振動部材との間に設けられる充填部材とを備え、
前記弾性部材は、前記弾性部材の軸に対して直角を成す貼着面を有し、
前記弾性部材は、前記弾性部材と同軸の円筒形状であって、前記貼着面から前記弾性部材の軸方向に突出する環状突起を備え、
前記振動部材は、前記貼着面上であって、前記環状突起の径方向外側に密着し、
前記充填部材は、前記振動部材と前記環状突起との間を充填する超音波モータ。
【請求項２】
前記充填部材は、前記弾性部材に前記振動部材を貼付するために用いられる接着剤である請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記充填部材は樹脂系接着剤から成る請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記充填部材はエポキシ系接着剤から成る請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記充填部材はアクリル系接着剤から成る請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記充填部材は半田から成る請求項１に記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動により形成される進行波を用いて回転力を発生する環状の超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、環状のステータと、ステータの軸方向に回転可能に圧着される環状のロータとを備える超音波モータが知られている。ステータは振動部材と弾性部材とを備え、振動部材は電圧が印加されると振動する。この振動により弾性部材が進行波を発生し、ロータは進行波を受けて回転する（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１１５７５９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、振動部材と弾性部材とが適切に接続されていない場合、ステータの周方向における振幅にばらつきが生じ、効率よくロータを回転させることができない。
【０００５】
本発明は、この問題を鑑みてなされたものであり、振動部材から弾性部材に適切に振動を伝達し、効率よくロータを回転させる超音波モータを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明による超音波モータは、環状の弾性部材と所定の周波数で振動する振動部材とから成るステータと、弾性部材と振動部材との間に設けられる充填部材とを備え、弾性部材は、弾性部材の軸に対して直角を成す貼着面を有し、弾性部材は、弾性部材と同軸の円筒形状であって、貼着面から弾性部材の軸方向に突出する環状突起を備え、振動部材は、貼着面上であって、環状突起の径方向外側に密着し、充填部材は、振動部材と環状突起との間を充填することを特徴とする。
【０００７】
充填部材は、弾性部材に振動部材を貼付するために用いられる接着剤が好ましい。
【０００８】
そして、充填部材は樹脂系接着剤が好適であり、エポキシ系接着剤又はアクリル系接着剤であればなお良い。
【０００９】
充填部材は半田であってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように本発明によれば、振動部材から弾性部材に適切に振動を伝達し、効率よくロータを回転させる超音波モータを得る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による超音波モータの分解斜視図である。
【図２】電極板と周辺回路との接続状態を示したブロック図である。
【図３】電極板をベースから見た背面図である。
【図４】ステータの平面図である。
【図５】図３のＩＶ−ＩＶ線におけるステータの断面図である。
【図６】図３のＩＶ−ＩＶ線におけるステータの断面を一部拡大した図である。
【図７】本発明と従来例による超音波モータの振幅を比較して示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態による超音波モータ１０について、図１から３を用いて説明する。
【００１３】
超音波モータ１０は、出力軸１１、係止板１２、加圧スプリング１３、ロータ１４、ステータ１５、及びベース１７とから主に構成される。
【００１４】
出力軸１１は、超音波モータ１０の回転軸Ｘ上に配置され、超音波モータ１０の回転力を外部に伝達する。
【００１５】
ベース１７は、外部の固定部材に取り付けられ、固定部材に対して出力軸１１が回転自在となるように図示しないベアリングを介して出力軸１１を支持する。
【００１６】
ステータ１５は、円盤形状であって、円盤の中心軸と同軸の円筒穴を有する。円筒穴の径は出力軸１１の径よりも大きく、ステータ１５は出力軸１１と接触しない。ステータ１５は、中心軸が超音波モータ１０の回転軸Ｘと同軸となるようにベース１７に固定される。
【００１７】
係止板１２、加圧スプリング１３、ロータ１４は、円盤形状を有する。これらは、円盤の中心軸と同軸の円筒穴を各々有し、中心軸は回転軸Ｘ上に設けられる。係止板１２及び加圧スプリング１３は、それらの円筒穴と嵌合する出力軸１１に固定される。ロータ１４は、その円筒穴が出力軸１１と遊嵌することにより、軸方向に自由に移動可能である。以下、回転軸Ｘにおいて、ベース１７から係止板１２に向けた方向を正方向として説明する。
【００１８】
ロータ１４、加圧スプリング１３は回転軸Ｘ方向に対し弾性を有する。係止板１２は、ロータ及び加圧スプリング１３を所定の力でステータ１５に押しつける。加圧スプリング１３は、ロータ１４がステータ１５に押しつけられる力を一定に保つ。
【００１９】
ステータ１５は、弾性体である弾性部材１６、振動部材である圧電体１９、及びフレキシブルプリント基板から成る電極板２０により構成される。圧電体１９は、電圧を加えると変形するセラミックから成る。
【００２０】
圧電体１９は、回転軸Ｘ方向において弾性部材１６と電極板２０との間に挟まれる。
【００２１】
弾性部材１６は、導電性を有し、円周方向において等間隔に２４個に分割される櫛歯１６ａを備える。櫛歯１６ａは、回転軸Ｘ正方向に突出し、回転軸Ｘ正負方向、及び円周方向に振動自在である。櫛歯１６ａの頂面は、ロータ１４と接触する。
【００２２】
電極板２０は、薄い円盤形状有し、中心に円盤と同心円の穴部２６を備える。電極板２０において、圧電体１９及び弾性部材１６と接触する面に、第１の印加電極２１、第２の印加電極２４、及び接地電極２２が設けられる。第１の印加電極２１は、円盤の略半周に渡って設けられ、第２の印加電極２４は、円盤の他方の半周に渡って設けられる。第１の印加電極２１及び第２の印加電極２４は、電極板２０の外周まで伸びる部位をそれぞれ有する。穴部２６の全周には、接地電極２２が設けられる。接地電極２２は、穴部２６から電極板２０の外周まで伸びる部位を有する。これらの電極板２０の外周まで伸びる部位を介して電圧が印加される。
【００２３】
第１の印加電極２１は、交流電源４２に直接接続される。第２の印加電極２４は移相器４１を介して交流電源４２に接続される。接地電極２２は接地される。移相器４１は、交流電源４２の移相をπ／２ずらした交流電圧を第２の印加電極２４に印加する。外部検出装置４４は、超音波モータ１０の外部に設けられ、超音波モータ１０の回転数を検出し、入力制御回路４３に送信する。入力制御回路４３は、外部検出装置４４から送信された回転数に応じて、交流電源４２の電圧及び駆動周波数を制御する。接地電極２２及び電極板２０に印加される交流電圧は４００Ｖ、周波数は６０ｋＨｚである。
【００２４】
図２を用いて圧電体１９について説明する。図２は、弾性部材１６側から見た圧電体１９を示す。図に記載した＋及び−は、説明のために記載したものであり、電極に印加される電荷の特性を示すものではない。
【００２５】
圧電体１９は、第１から第５のＡ圧電体３１１、３１３、３１５、３２３、３２５と、第１から第５のＢ圧電体３１２、３１４、３２２、３２４、３２６とから成る。第１から第５のＡ圧電体３１１−３２５及び第１から第５のＢ圧電体３１２−３２６に交流電圧を印加すると、第１から第５のＡ圧電体３１１−３２５においては回転軸Ｘ方向に対する長さが伸張、収縮を繰り返し、第１から第５のＢ圧電体３１２−３２６においては回転軸Ｘ方向に対する長さが収縮、伸張を繰り返す。
【００２６】
第１から第３のＡ圧電体３１１、３１３、３１５及び第１、第２のＢ圧電体３１２、３１４が第１の領域３１０を成し、第４、第５のＡ圧電体３２３、３２５及び第３から第５のＢ圧電体３２２、３２４、３２６が第２の領域３２０を成す。第１の領域３１０と第２の領域３２０との間には、中立領域３０が設けられる。中立領域３０には電圧が印加されない。
【００２７】
第１の領域３１０には第１の印加電極２１が貼り付けられ、第２の領域３２０には第２の印加電極２４が貼り付けられる。そして、第１の印加電極２１及び第２の領域３２０が貼り付けられる面の裏面には、弾性部材１６を介して圧電体１９と接地電極２２が接触する。これにより、圧電体１９が接地される。圧電体１９に電圧が印加されると、第１の領域３１０及び第２の領域３２０が回転軸Ｘ方向に変位するが、第２の領域３２０は、第１の領域３１０に対してπ／２ずれた位相で回転軸Ｘ方向に変位する。
【００２８】
図４から６を用いてステータ１５が備える圧電体１９と弾性部材１６について説明する。
【００２９】
圧電体１９は、回転軸Ｘと一致する軸を有する円盤状の環状体であって、軸方向長さは、径方向長さと比べて短い。
【００３０】
弾性部材１６は、回転軸Ｘと一致する軸を有する略円筒形の環状体であって、回転軸Ｘに対して直角を成す貼着面２７を有する。貼着面２７の裏面から櫛歯１６ａが突出する。
【００３１】
貼着面２７は、回転軸Ｘ上にある中心を有する環状の平面である。貼着面２７の中心には開口部が設けられ、開口部から円筒形状の環状突起１６ｂが回転軸Ｘ方向に突出する。
【００３２】
貼着面２７と環状突起１６ｂとの境界には、段差１６ｃが設けられる。回転軸Ｘ方向における段差１６ｃの長さは、圧電体１９の厚さと略同じである。また、環状突起１６ｂの径方向に対する段差１６ｃの長さは、圧電体１９の内径よりも短い。
【００３３】
圧電体１９は、接着剤２５により貼着面２７に貼り付けられる。接着剤２５は、樹脂系接着剤、例えばエポキシ系接着剤又はアクリル系接着剤が好適である。これにより、圧電体１９の片面全体が貼着面２７に密着する。このとき、環状突起１６ｂの径方向に対する段差１６ｃの長さが圧電体１９の内径よりも短いため、圧電体１９の内周面と段差１６ｃの外周面との間に間隔が空く。製造工程において、貼着面２７の内周側、又は圧電体１９の内周側に多めに接着剤２５を付与すると、圧電体１９を貼着面２７に貼り付けたとき、段差１６ｃの外周面と圧電体１９の内周面との間に接着剤２５がはみ出し、両者の隙間を充填する。
【００３４】
次に、超音波モータ１０の動作について説明する。
【００３５】
電極板２０、すなわち第１から第５のＡ圧電体３１１、３１３、３１５、３２３、３２５と、第１から第５のＢ圧電体３１２、３１４、３２２、３２４、３２６に交流電圧が印加されると、圧電体１９の第１の領域３１０と第２の領域３２０とが、印加電圧に応じて所定の周期で振動する。この振動により、弾性部材１６が回転軸方向及び周方向に振動する。加圧スプリング１３により弾性部材１６に押しつけられるロータ１４は、この振動により回転する。ロータ１４による回転力は出力軸１１を介して外部に伝達される。
【００３６】
図７を用いて本実施形態による超音波モータ１０のシミュレーション結果について説明する。図７は、３種類の超音波モータにおける櫛歯の先端の振幅を計算シミュレーションにより算出して示したグラフである。３種類の超音波モータとは、弾性部材１６と圧電体１９との間に隙間がある超音波モータα、弾性部材１６に圧電体１９を隙間無く接地した超音波モータβと、弾性部材１６と圧電体１９との間に樹脂を充填した本実施形態による超音波モータ１０である。
【００３７】
振幅は、ロータ１４と接触する櫛歯の頂面に設けられた計算点において測定される。計算点は、２４個の櫛歯１つずつ合計２４点が設けられる。
【００３８】
以下に、計算シミュレーションによる各超音波モータの平均振幅及び振幅の標準偏差を示す。
【表１】
2011015524.tif 000003
【００３９】
弾性部材１６と圧電体１９との間に隙間がある超音波モータαにおける振幅の平均は５．２×１０−６メートルであるのに対し、本実施形態による振幅の平均は５．０×１０−６メートルである。一方、隙間がある超音波モータαにおける振幅の標準偏差は６．８×１０−７メートルであるのに対し、本実施形態による振幅の標準偏差は３．１×１０−７メートルである。
【００４０】
先行例は、本実施形態よりも大きな振幅を得るが、標準偏差、すなわち各櫛歯における振幅の差が超音波モータ１０と比較して約２倍と大きいため、安定した回転力を得ることができない。一方、超音波モータ１０は、超音波モータαよりもわずかに振幅が小さいが、標準偏差、すなわち各櫛歯における振幅の差が約１／２となる。そのため、本実施形態によれば、先行例と同水準の平均振幅を得ながら、各櫛歯の振幅の差が小さいことにより安定した回転力を得ることができる。
【００４１】
弾性部材１６と圧電体１９との間に隙間がない超音波モータβにおける振幅の平均は４．８×１０−６メートルであるのに対し、本実施形態による振幅の平均は５．０×１０−６メートルである。一方、隙間がない超音波モータβにおける振幅の標準偏差は２．９×１０−７メートルであるのに対し、本実施形態による振幅の標準偏差は３．１×１０−７メートルである。
【００４２】
先行例は、標準偏差すなわち各櫛歯における振幅の差が本実施形態による超音波モータ１０よりも小さいが、平均振幅が小さいため、大きな回転力を得ることができない。一方、超音波モータ１０は、超音波モータβよりもわずかに標準偏差が大きいが、平均振幅が大きい。そのため、本実施形態によれば、先行例と同水準の標準偏差を得ながら、先行例よりも大きな振幅を得ることができる。
【００４３】
また、弾性部材１６との間に隙間ができないように圧電体１９を設けることは、製造工程において加工及び組み立て精度を上げる必要があり、製造コスト及び歩留まりが悪化するおそれがある。本実施形態では、弾性部材１６及び圧電体１９の加工及び組み立て精度を上げる必要がないため、製造コスト及び歩留まりが悪化することなく、先行例よりも大きな振幅を得ることができる。
【００４４】
本実施形態によれば、圧電体１９から弾性部材１６に適切に振動を伝達し、効率よくロータ１４を回転させることができる。
【００４５】
なお、接着剤２５は樹脂系接着剤に限定されず、圧電体１９と弾性部材１６とを接着可能なものであればよい。
【００４６】
また、弾性部材１６に圧電体１９を貼付するために用いられる接着剤２５を充填部材として用いずに、弾性部材１６に圧電体１９を貼付した後に出現する間隔を新たに接着剤等で充填しても良い。
【００４７】
また、樹脂の代わりに半田を用いて弾性部材１６に圧電体１９を貼付してもよい。
【００４８】
櫛歯１６ａの数は２４個に限定されず、超音波モータ１０に対する要求性能に応じて任意の値を採用しうる。
【００４９】
印加される交流電圧及び周波数は、４００Ｖ及び６０ｋＨｚに限定されない。
【符号の説明】
【００５０】
１０  超音波モータ
１１  出力軸
１２  係止板
１３  加圧スプリング
１４  ロータ
１５  ステータ
１６  弾性部材
１６ａ  櫛歯
１６ｂ  環状突起
１７  ベース
１９  圧電体
２０  電極板
２１  第１の印加電極
２２  接地電極
２４  第２の印加電極
２５  接着剤
２６  穴部
２７  貼着面
３０  中立領域
４１  移相器
４２  交流電源
４３  入力制御回路
４４  外部検出装置
３１０  第１の領域
３２０  第２の領域
Ｘ  回転軸
【図１】
2011015524.tif 000004
【図２】
2011015524.tif 000005
【図３】
2011015524.tif 000006
【図４】
2011015524.tif 000007
【図５】
2011015524.tif 000008
【図６】
2011015524.tif 000009
【図７】
2011015524.tif 000010