(57)【要約】【課題】超音波モータのサイズを制限している機械的ローター保持機構を必要としない小型化ができる超音波モータを提供する。【解決手段】超音波モータのローター４ないしステーター３に磁石そのものを使用して磁力によりローター４自体をステーター３に押圧せしめ、保持のための機械機構を省略して構造をシンプルにし、圧電素子２の振動によるローター４とステーター３間の摩擦力とトルクをローター４に作用する慣性力により変化させて前記ローター４を回転運動させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子に固定されたステーターにローターを押圧保持する場合、ステーターとローターとの少なくとも何れか片方に磁石を用いて磁力を利用してローターを押圧保持せしめるとともに、前記圧電素子の伸縮振動により上記ローターに生じる慣性力を上記ステーターとの接触面に対して垂直方向分力と水平方向分力を与えるように上記接触面を圧電素子振動方向から傾けたことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
請求項１に記載した慣性力の接触面垂直方向分力により、接触面水平方向分力によるローター並進運動にともなう前記ローターとステーター間の摩擦力と該摩擦力によりローターに作用するトルクを変化せしめ、上記トルクによりローターを回転運動せしめることを特徴とした超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転運動する超音波モータに関するものであり、特に小型の精密加工装置や測定装置などの高精度の位置決めが要求される駆動装置として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高精度の位置決めが可能な直線運動や回転運動をするさまざまな超音波モータが提案されており、多くの研究がなされている。一般的な回転運動をする超音波モータは振動子となる圧電素子と移動体であるローター、そして圧電素子の振動をローターに伝達するステーターによって構成される。
【０００３】
超音波モータでは、高周波の正弦波電圧の印加による圧電素子の高周波微小振動をステーター先端の楕円振動として摩擦を介してローターに伝達して該ローターの回転運動を得る。ステーターの楕円振動を安定してローター伝達するためにローターをステーターに押圧せしめる機械機構が重要となり、このため従来の超音波モータでは板ばねやネジを利用した機構が多く用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記機械機構は安定した押圧を確保するために機構が複雑化し複数の部品を必要とするために小型化が困難であり、超音波モータのサイズそのものを制限して小型化ができないといった課題があった。
【０００５】
【課題を解決する手段】
そこで、本発明は上記の問題に鑑み、超音波モータのローターないしステーターに磁石を使用して磁力によりステーターにローター自体を吸着させて押圧せしめ、保持のための機械機構を必要としないシンプルな構造にし、圧電素子の振動によるローターとステーター間の摩擦力と該摩擦力によるトルクを変化させて上記ローターを回転運動させることを特徴とする。
【０００６】
なお、本発明においてローターとステーターとの少なくとも何れか片方に磁石を用い、そして他方を強磁性を有する金属とするか、双方を磁石としてそれぞれの磁極方向を反平行状態に配置することで押圧保持を行っている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は本発明の超音波モータの一実施形態を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【０００８】
図１において、支持部１に固定された圧電素子２のもう一端に円柱体ステーター３を取り付け、円柱体ローター４を圧電素子２とステーター３が作る窪みの部分に配置するものである。なお、ステーター３は円柱体に限定されておらず、ローター４との接触面が圧電素子２の振動方向から傾く形状のものが選択される。
【０００９】
前記ローター４はステーター３とローター４に磁石と強磁性を有する金属を用いてその磁力により保持され、ステーター３とローター４の両方を磁石にした場合はそれぞれの磁石の磁極方向が反平行になるように配置して保持される。
【００１０】
圧電素子２の振動によりローター４にはその変位と反対方向に慣性力が作用するが、ローター４とステーター３の接触面が圧電素子２の振動方向から傾いているために上記慣性力は接触面に対して垂直方向分力と水平方向分力を有する。
【００１１】
正弦波電圧の印加により圧電素子２に伸び変位が生じてステーター３が支持部１から遠ざかる変位過程では、磁力によりステーター３に押圧されたローター４も同様に支持部１から離れる方向に変位して慣性力が作用するが、接触面に対して慣性力は磁力による押圧力と反対方向の垂直方向分力を有しているためにローター４のステーター３方向への押圧力は減少する。
【００１２】
圧電素子２に縮み変位が生じる過程ではローター４には前記の伸び変位過程と反対方向に慣性力が生じ、磁力による押圧力と同方向に慣性力の垂直方向分力を有するためにローター４をステーター３に押圧する力が増加する。
【００１３】
ここで、慣性力の接触面水平方向分力によりステーター３とローター４の間に摩擦力が発生し、ローター４を回転させるトルクとして作用するが、圧電素子２が収縮する過程では押圧力とともに摩擦力が増大するためにローター４はステーター３上を滑ることなく転がる。
【００１４】
上記の収縮過程と反対方向へ慣性力がローター４に作用する圧電素子２が伸長する過程では、押圧力の低下によりステーター３とローター４の間の摩擦力が低下するために上記の収縮過程より低いトルクが反対方向に作用するとともに、ローター４はステーター３上で滑る。
【００１５】
前記の圧電素子２の収縮と伸長過程ではローター４に生じるトルクは互いに反対方向になるが、慣性力と磁力による押圧力方向の相違による摩擦力の変化のために収縮過程におけるトルクが伸長過程のトルクに勝るとともに転がりと滑りが生じ、上記の収縮伸長過程を繰り返すことにより一方向へローター４をステーター３上で継続して転がし回転運動させることができる。
【００１６】
【実施例】
ここで図１に示す本発明の超音波モータを用意し、駆動特性についての実験結果について説明する。
【００１７】
本実験ではＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３系セラミックスからなる長さ９ｍｍの圧電素子２、長さ方向に磁化された円柱形磁石ステーター３、ローター４を用いた。なお、磁石には直径５ｍｍ、長さ５ｍｍのネオジム磁石を用い、ローター４を２２０ｇｆの押圧力でステーター３に押し付けるようにした。
【００１８】
そして、圧電素子２に１５．５Ｖの交流電圧を印加して超音波振動させることによりローター４を回転運動させ、印加電圧周波数とローター４の回転速度を測定した。
【００１９】
その結果、超音波モータの回転速度と印加電圧の関係を図２に示すように、３４ｋＨｚ近傍を除く３０ｋＨｚから４２ｋＨｚの周波数範囲においてローター４を回転させることができた。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば圧電素子に固定されたステーターに磁石を用いて直接ローターを吸着させることでローターをステーターに押圧せしめる複雑な機械機構を省き、超音波モータの構造を単純化して小型化する事ができるようになる。磁力によりローターがステーターに押圧されているためにローターを容易に取り外すことができるためにローターの交換やメンテナンスの作業性を高めることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の超音波モータの一実施形態を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。
【図２】本発明の超音波モータの回転速度と印加電圧周波数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・支持台
２・・・圧電素子
３・・・ステーター
４・・・ローター
【図１】
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【図２】
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