(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
前記ステータにより接触支持されるロータと、
前記ステータを振動させて前記ロータを回転させるステータ振動手段と、
少なくとも停止時に前記ロータの表面に接触した状態で配置される予圧部材と、
前記予圧部材を振動させることにより前記ロータを前記ステータに対して予圧するための予圧部材振動手段と
を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記予圧部材振動手段は、前記予圧部材を前記ステータの振動モードとは異なる振動モードで振動させることにより前記ロータを前記ステータに対して予圧する請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記予圧部材は、前記ステータに弾力的に支持され、
前記ステータ振動手段は、前記予圧部材振動手段を兼ねている請求項１または２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記予圧部材は、バネを介して前記ステータに支持されている請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記予圧部材は、前記ステータから離間して配置され、
前記予圧部材振動手段は、前記予圧部材に取り付けられた圧電素子板を有する請求項１または２に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記予圧部材は、前記圧電素子板により振動するときに形成される節位置で支持される請求項５に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記ロータは略球体状であり、
前記ステータ振動手段は前記ステータを振動させて前記ロータを複数の軸回りに回転させる請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波モータ。
【請求項８】
前記予圧部材は、前記ロータをその周方向に沿って環状に囲むように配置されるリング形状を有する請求項７に記載の超音波モータ。
【請求項９】
前記予圧部材は、前記ロータの表面に接触する部位に低摩擦材からなる当接部材を有する請求項７または８に記載の超音波モータ。
【請求項１０】
前記ステータは、周方向の複数箇所でのみ前記ロータの表面に接触する請求項７〜９のいずれか一項に記載の超音波モータ。
【請求項１１】
前記複数箇所は、前記ロータに対して互いに対称の位置にある請求項１０に記載の超音波モータ。
【請求項１２】
前記ステータ振動手段は、互いに異なる３方向の振動を生じる３対の圧電素子板を有し、これら３方向の振動のうち少なくとも２方向の振動を互いに位相をずらして組み合わせた合成振動を発生させることにより前記ステータの前記ロータとの接触部分に楕円運動を形成する請求項７〜１１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、特にロータをステータに加圧接触させて回転させるモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、超音波振動を利用してロータを回転させる超音波モータが提案され、実用化されている。この超音波モータは、圧電素子を用いてステータの表面に進行波を発生させ、ステータにロータを加圧接触させることによりこれら両者間の摩擦力を介してロータを移動させるものである。
例えば、特許文献１には、ベアリングを介してバネでロータに予圧をかけることによりロータをステータに加圧接触させ、この状態で互いに重ね合わされた複数の圧電素子板に駆動電圧を印加してステータに超音波振動を発生させることでロータを回転させる多自由度超音波モータが開示されている。ここで予圧とは、少なくとも圧電素子に通電しない状態でロータをステータに押しつける圧力のことをいう。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３１２８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、予圧をかけるためにベアリングをロータに接触させるので、摩擦損失に起因してトルクが低下するという問題点があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、高トルクを実現することが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】
【０００５】
この発明に係る超音波モータは、ステータと、ステータにより接触支持されるロータと、ステータを振動させて前記ロータを回転させるステータ振動手段と、少なくとも停止時にロータの表面に接触した状態で配置される予圧部材と、予圧部材を振動させることによりロータをステータに対して加圧するための予圧部材振動手段とを備えたものである。
【０００６】
予圧部材振動手段により、予圧部材をステータの振動モードとは異なる振動モードで振動させてロータをステータに対して予圧するように構成することもできる。
予圧部材をステータに弾力的に支持させ、ステータ振動手段が予圧部材振動手段を兼ねて予圧部材を振動させるように構成することができる。この場合、予圧部材は、バネを介してステータに支持させてもよい。
あるいは、予圧部材をステータから離間して配置し、予圧部材振動手段として予圧部材に圧電素子板を取り付けることもできる。この場合、予圧部材を、圧電素子板により振動するときに形成される節位置で支持することができる。
【０００７】
なお、略球体状のロータを用い、ステータ振動手段によりステータを振動させてロータを複数の軸回りに回転させてもよい。この場合、ロータをその周方向に沿って環状に囲むように配置されるリング形状を有する予圧部材を用いることができる。
好ましくは、予圧部材がロータの表面に接触する部位に低摩擦材からなる当接部材を有している。さらに、ステータが、周方向の複数箇所でのみロータの表面に接触するように構成してもよい。このとき、前記複数箇所は、ロータに対して互いに対称の位置にあることが望ましい。
ステータ振動手段を、互いに異なる３方向の振動を生じる３対の圧電素子板から構成すれば、これら３方向の振動のうち少なくとも２方向の振動を互いに位相をずらして組み合わせた合成振動を発生させることによりステータのロータとの接触部分に楕円運動を形成することができる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、高トルクを実現することができる超音波モータが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【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及び図２に、この発明の実施の形態１に係る超音波モータを示す。基部ブロック１とステータ２との間にステータ振動手段となる円筒状の振動子３が挟持されると共に基部ブロック１とステータ２とが振動子３内に通された連結ボルト４を介して互いに連結されており、超音波モータ全体としてほぼ円柱状の外形を有している。ここで、説明の便宜上、基部ブロック１からステータ２へと向かう円柱状の外形の中心軸をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
振動子３は、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有しており、これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介してステータ２及び基部ブロック１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。
【００１０】
ステータ２には、振動子３に接する面とは反対側に凹部５が形成されており、この凹部５内に球体状のロータ６が収容される。凹部５は、ロータ６の直径より小さな内径を有する小径部７と、ロータ６の直径より大きな内径を有する大径部８とからなり、これら小径部７及び大径部８との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差９が形成されている。
さらに、ステータ２の上部にはＺ軸方向に隣接するように環状の板バネ１０を介してリング形状の予圧部材１１が弾力的に連結されている。この予圧部材１１の内周縁にＸＹ平面上に位置する環状の角部１２が形成されており、ロータ６がステータ２の段差９及び予圧部材１１の角部１２の双方に当接して挟持され、回転自在に支持されている。
【００１１】
ここで、板バネ１０により予圧部材１１がステータ２の方向に付勢されており、予圧部材１１の角部１２を介してロータ６に予圧が作用している。
また、ステータ２と予圧部材１１の間に板バネ１０が介在しているため、振動子３によってステータ２に振動が発生したときに、予圧部材１１がステータ２の振動モードとは異なる振動モードで振動するように構成されている。
【００１２】
例えば、基部ブロック１、ステータ２及び予圧部材１１はそれぞれジェラルミンから形成され、超音波モータ全体が直径４０ｍｍ及び高さ１００ｍｍ程度のほぼ円柱体を形成している。ロータ６としては、直径２５．８ｍｍの鋼球が用いられる。
【００１３】
図３に示されるように、振動子３の第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。
【００１４】
図４に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。
【００１５】
図１及び図３に示されるように、第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃから第１の端子３１ｔが、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃから第２の端子３２ｔが、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃから第３の端子３３ｔがそれぞれ引き出されている。
【００１６】
次に、この実施の形態１に係る超音波モータの動作について説明する。
まず、振動子３に対して、第１の端子３１ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。また、第２の端子３２ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、ステータ２にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の端子３３ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。
【００１７】
そこで、第１の端子３１ｔと第２の端子３２ｔの双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされてロータ６と接触するステータ２の段差９にＹＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ６がＸ軸回りに回転することとなる。
同様に、第２の端子３２ｔと第３の端子３３ｔの双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされてロータ６と接触するステータ２の段差９にＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ６がＹ軸回りに回転することとなる。
さらに、第１の端子３１ｔと第３の端子３３ｔの双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされてロータ６と接触するステータ２の段差９にＸＹ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ６がＺ軸回りに回転することとなる。
【００１８】
このように、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の端子３２ｔ及び第３の端子３３ｔのうち２つの端子を選択し、これら２つの端子の双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、ステータ２に振動が発生し、図５に破線矢印で示されるように、ロータ６と接触するステータ２の段差９に、選択された２つの端子に対応する面内の楕円振動が発生する。
ここで、板バネ１０の付勢力により予圧部材１１の角部１２を介してロータ６に予圧が作用し、ロータ６がステータ２の段差９に対して加圧されているため、これらロータ６と段差９との間の摩擦力によってロータ６に回転力が伝達される。
このとき、予圧部材１１とステータ２との間に介在する板バネ１０により予圧部材１１は図５に実線矢印で示されるようにステータ２の振動モードとは異なる振動モードで振動するので、予圧部材１１の角部１２とロータ６の表面との接触に起因する摩擦損失が大幅に低減され、ロータ６が高トルクで回転することとなる。
【００１９】
また、予圧部材１１は板バネ１０を介してステータ２に連結され、振動子３によるステータ２の振動を利用して予圧部材１１を振動させるため、単純な構成の超音波モータを得ることができる。
また、振動子３が停止されて予圧部材１１が振動しない時には、予圧部材１１の角部１２とロータ６の表面との間の摩擦力が増加することによりこのロータ６を保持することができる。
【００２０】
従って、リング形状の予圧部材１１を通して露出するロータ６の表面部分に図示しないアーム、撮像装置等を取り付けることで、多自由度のアクチュエータ、広視野範囲を対象とするカメラ等を実現することができる。
【００２１】
なお、リング形状の予圧部材１１の角部１２が、ロータ６に全周にわたって接触するのではなく、図６に示されるように、周方向の複数箇所、例えば４箇所でのみロータ６の表面に接触するように構成することもできる。このようにすれば、予圧部材１１とロータ６との接触による摩擦損失がさらに低減され、一層高トルクを実現することが可能となる。この場合、ロータ６の表面に接触する予圧部材１１の複数の接触箇所Ｃは、ロータ６に対して互いに対称の位置にあることが好ましい。
【００２２】
実施の形態２．
図７に、この発明の実施の形態２に係る超音波モータを示す。この超音波モータは、図１に示した実施の形態１の超音波モータにおいて、リング形状の予圧部材１１の内周縁にＸＹ平面上に位置する環状の当接部材１３が取り付けられたものである。当接部材１３はテフロン(登録商標)等の低摩擦材から形成され、ロータ６が当接部材１３により形成される角部１４とステータ２の段差９の双方に当接して挟持され、回転自在に支持されている。
低摩擦材から形成された当接部材１３を介してロータ６に予圧を作用させるため、当接部材１３とロータ６との接触による摩擦損失がさらに低減され、高トルクの超音波モータが実現される。
【００２３】
実施の形態３．
図８に、この発明の実施の形態３に係る超音波モータを示す。この超音波モータは、図１に示した実施の形態１の超音波モータにおいて、ステータ２に板バネ１０を介して弾力的に連結された予圧部材１１の代わりに、ステータ１５からＺ軸方向に離間して予圧部材１６を配置するものである。予圧部材１６に振動子１７を介して保持部材１８が連結されており、保持部材１８がステータ１５の方向に付勢されるように図示しないバネ等を用いてステータ１５あるいは基部ブロック１に対して弾力的に支持されている。
予圧部材１６、振動子１７及び保持部材１８は、いずれも中央に開口部を有するリング形状に形成されており、これらの開口部を通してロータ６が露出している。また、予圧部材１６の内周縁にＸＹ平面上に位置する環状の角部１９が形成されている。
【００２４】
図９に示すように、振動子１７は、電極板１７ａ、圧電素子板１７ｂ及び電極板１７ｃが順次重ね合わされた構造を有している。圧電素子板１７ｂは、その厚み方向に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、電極板１７ａ及び１７ｃ間に交流電圧を印加することにより、この振動子１７を駆動制御することができるように構成されている。このような振動子１７の両面にそれぞれ絶縁シート２０及び２１が配置され、振動子１７はこれら絶縁シート２０及び２１を介して予圧部材１６及び保持部材１８から絶縁された状態で配置されている。
【００２５】
なお、ステータ１５は、実施の形態１におけるステータ２と同様に、基部ブロック１との間に振動子３を挟持した状態で連結ボルト４により互いに連結されており、ステータ１５の振動子３に接する面とは反対側に、ロータ６の直径より小さな内径を有する凹部２２が形成されている。この凹部２２の開口端周縁にＸＹ平面上に位置する環状の角部２３が形成されており、ロータ６がこのステータ１５の角部２３と予圧部材１６の角部１９の双方に当接して挟持され、回転自在に保持されている。
【００２６】
このような構成にしても、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の端子３２ｔ及び第３の端子３３ｔのうち２つの端子を選択し、これら２つの端子の双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、ステータ１５に振動が発生し、ロータ６と接触するステータ１５の角部２３に、選択された２つの端子に対応する面内の楕円振動が発生する。
【００２７】
このとき、図示しないバネ等により保持部材１８がステータ１５の方向に付勢され、予圧部材１６の角部１９を介してロータ６に予圧が作用し、ロータ６がステータ１５の角部２３に対して加圧されているため、これらロータ６と角部２３との間の摩擦力によってロータ６に回転力が伝達される。
ここで、振動子１７を駆動制御すると、予圧部材１６が振動子３によるステータ１５の振動から独立して振動し、これにより予圧部材１６の角部１９とロータ６の表面との接触に起因する摩擦損失が大幅に低減され、ロータ６が高トルクで回転することとなる。
【００２８】
図１０に示されるように、予圧部材１６及び保持部材１８が振動子１７によって振動するときに形成される節位置で固定具２４によりこれら予圧部材１６及び保持部材１８を支持すれば、予圧部材１６の振動に与える影響を最小限に抑えながら、予圧部材１６を支持することができる。
【００２９】
実施の形態４．
図１１に、この発明の実施の形態４に係る超音波モータを示す。この超音波モータは、図８に示した実施の形態３の超音波モータにおいて、リング形状の予圧部材１６の内周縁にＸＹ平面上に位置する環状の当接部材２５が取り付けられたものである。当接部材２５はテフロン(登録商標)等の低摩擦材から形成され、ロータ６が当接部材２５により形成される角部２６とステータ１５の角部２３の双方に当接して挟持され、回転自在に支持されている。
低摩擦材から形成された当接部材２５を介してロータ６に予圧を作用させるため、当接部材２５とロータ６との接触による摩擦損失がさらに低減され、高トルクの超音波モータが実現される。
【００３０】
上記の実施の形態１〜４では、ロータ６が球体状であり、振動子３によりステータ２及び１５を振動させてロータ６を複数の軸回りに回転させる多自由度の超音波モータについて説明したが、これに限定されるものではなく、この発明は、ロータを単一の軸の回りに回転させる１自由度の超音波モータにも適用することができる。
【００３１】
なお、上記実施の形態において、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の３２ｔ、第３の３３ｔのうち２つを選択して印加する交流電圧の位相は９０度シフトさせていたが、９０度に限らず変化させても良い。また、印加する交流電圧の電圧値を変化させてもよい。交流電圧を様々に制御することでステ―タ２，１５に発生する楕円振動を制御することができる。
また、上記実施の形態においてステ―タ２，１５とロータ６との接触は段差９や角部２３のような角部であったが、この構成に限らない。楕円運動が伝達できれば平面で接触するようにしても曲面で接触しても良いし、環状でなくてもよい。
【００３２】
また、上記実施形態において振動子３は互いに異なる３方向の振動としてＺ方向の縦振動と、Ｘ，Ｙ方向のたわみ振動を発生する振動子を用いているが、このように互いに直交する振動でなくても良い。また、３方向の振動を発生させる振動子は第１圧電素子部３１、第２圧電素子部３２、第３圧電素子部３３とそれぞれの方向に対応した圧電素子を用いているが、それぞれの方向の振動を発生させるのに複数の圧電素子部による振動を合成させても良いし、１つの圧電素子部を３つ以上に分極して１つの圧電素子部で２つ以上の方向の振動を発生させても良い。
また、上記実施の形態では３方向のうちの２方向を選択して振動を発生させていたが、３方向に対応した圧電素子全てに交流電圧を印加し、各方向の振動の位相や振幅を制御して合成振動を発生させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る超音波モータを示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る超音波モータを示す平面図である。
【図３】実施の形態１で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。
【図４】実施の形態１で用いられた振動子の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。
【図５】実施の形態１に係る超音波モータの部分拡大断面図である。
【図６】実施の形態１の変形例における予圧部材の形状を示す平面断面図である。
【図７】実施の形態２に係る超音波モータを示す断面図である。
【図８】実施の形態３に係る超音波モータを示す断面図である。
【図９】実施の形態３で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。
【図１０】実施の形態３の変形例に係る超音波モータを示す平面図である。
【図１１】実施の形態４に係る超音波モータを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  基部ブロック、２，１５  ステータ、３，１７  振動子、４  連結ボルト、５，２２  凹部、６  ロータ、７  小径部、８  大径部、９  段差、１０  板バネ、１１，１６  予圧部材、１２，１４，１９，２３，２６  角部、１３，２５  当接部材、１８  保持部材、２０，２１，３４〜３７  絶縁シート、２４  固定具、３１  第１の圧電素子部、３２  第２の圧電素子部、３３  第３の圧電素子部、１７ａ，１７ｃ，３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３２ａ，３２ｃ，３２ｅ，３３ａ，３３ｃ，３３ｅ  電極板、１７ｂ，３１ｂ，３１ｄ，３２ｂ，３２ｄ，３３ｂ，３３ｄ，  圧電素子板、３１ｔ  第１の端子、３２ｔ  第２の端子、３３ｔ  第３の端子、Ｃ  接触箇所。
【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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【図１０】
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【図１１】
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