(57)【要約】【課題】モータ出力が大きな超音波モータを提供する。【解決手段】ステータ２と、圧電素子３と、ベース部材４とはそれぞれ円環形状を有し、これらが同心状に、かつ、圧電素子３がステータ２及びベース部材４に挟まれて配置されている。圧電素子３に、固有値解析で得られた周波数の電圧を厚さ方向に印加することにより、圧電素子３には、ステータ２が接触配置されている面の振動と、ベース部材４が接触配置されている面の振動とが逆位相となる振動が形成される。【選択図】図１
2012196003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子と、
前記振動子に接触配置されるステータと、
前記振動子における前記ステータが接触配置されている面と反対側の面に接触配置され、前記ステータと共に前記振動子を挟み込むためのベース部材と、
前記ステータにおける前記振動子に接触配置する面と反対側の面に接触配置され、前記ステータに予圧により押し付けられた可動子と
を備える超音波モータ。
【請求項２】
前記振動子における前記ステータが接触配置されている面の振動と、前記振動子における前記ベース部材が接触配置されている面の振動とが逆位相である、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記ステータの表面には楕円振動が形成され、
該楕円振動において、前記振動子における前記ステータとの接触面に平行な方向の歪に対する前記接触面に直交する方向の歪の比が０．５以上である、請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記ステータと前記ベース部材とは同材質からなり、かつ、同重量を有する、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】
前記可動子はロータであり、
前記ステータと、前記振動子と、前記ベース部材とはそれぞれ環状部材である、請求項１〜４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、ステータに超音波振動を発生させることにより、ステータに接触するロータを回転させる超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、従来の超音波モータが記載されている。この超音波モータは、ステータに固定した圧電素子に高周波電圧を印加してステータ表面に楕円振動を形成する進行波を生じさせることにより、ステータ表面に加圧接触させたロータを摩擦駆動するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平１−１７３５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような従来の超音波モータでは、圧電素子に印加される電圧の印加方向と直交する方向の変形を利用している。しかしながら、電圧の印加方向と直交する方向の変形は、電圧の印加方向の変形と比較して小さい。このため、振動のパワーが小さくなり、モータ出力が小さいといった問題点があった。
【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、モータ出力が大きな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、振動子と、振動子に接触配置されるステータと、振動子におけるステータが接触配置されている面と反対側の面に接触配置され、ステータと共に振動子を挟み込むためのベース部材と、ステータにおける振動子に接触配置する面と反対側の面に接触配置され、ステータに予圧により押し付けられた可動子とを備える。振動子に電圧を印加すると、振動子におけるステータが接触配置されている面の振動と、振動子におけるベース部材が接触配置されている面の振動とが逆位相となる。これにより、振動子とステータとの接触面に平行な方向の変形よりも大きな、接触面に直交する方向の変形が利用可能になる。
ステータの表面には楕円振動が形成され、この楕円振動において、接触面に平行な方向の歪に対する、接触面に直交する方向の歪の比は０．５以上である。
ステータとベース部材とは同材質からなり、かつ、同重量を有してもよい。
可動子はロータであり、ステータと、振動子と、ベース部材とはそれぞれ環状部材であってもよい。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、ステータ及びベース部材に挟まれるようにして振動子を設け、振動子に電圧を印加することによって、振動子におけるステータが接触配置されている面の振動と、振動子におけるベース部材が接触配置されている面の振動とが逆位相となり、振動子とステータとの接触面に平行な方向の変形よりも大きな、当該接触面に直交する方向の変形が利用可能となるので、モータ出力を大きくすることができる。
【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断面図である。
【図２】実施の形態１に係る超音波モータに設けられた圧電素子の平面図である。
【図３】実施の形態１に係る超音波モータに設けられた圧電素子の振動を説明するための側面図である。
【図４】実施の形態２に係る超音波モータに設けられた圧電素子の平面図である。
【図５】実施の形態２に係る超音波モータに設けられた圧電素子の振動を説明するための側面図である。
【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の断面図を示す。超音波モータ１は、ステータ２と、振動子である圧電素子３と、ベース部材４と、可動子であるロータ５と、固定部材６とを備えている。ステータ２と、圧電素子３と、ベース部材４とはそれぞれ環状部材として円環形状を有し、これらが同心状に、かつ、圧電素子３がステータ２及びベース部材４に挟まれて配置されている。ベース部材４の穴４ａの内周面には、ねじ溝が形成されている。ステータ２の上面には、その外径よりも小さな直径を有する円柱形状の窪み部２ｂが形成されている。ステータ２と、ベース部材４とはそれぞれ、同材質の金属、例えばステンレスからなり、かつ、同重量となっている。  
【００１０】
固定部材６は、下端付近の外周面にねじ溝が形成された円柱形状のボルト部６ａと、ボルト部６ａの上端部に設けられると共にボルト部６ａの外径よりも大きな外径を有する円盤形状のフランジ部６ｂと、フランジ部６ｂの上部に設けられた円柱形状の把持部６ｃとを有している。ボルト部６ａが、ステータ２の穴２ａと、圧電素子３の穴３ａと、ベース部材４の穴４ａとに挿入され、ボルト部６ａのねじ溝が穴４ａのねじ溝と螺合することにより、固定部材６がベース部材４と連結される。この際、フランジ部６ｂが、窪み部２ｂに嵌まり込み、フランジ部６ｂがステータ２をベース部材４の方向に押し付けることにより、圧電素子３がステータ２とベース部材４とによって挟まれて固定される。
【００１１】
ステータ２の上面には、円環形状のロータ５が接触配置されている。すなわち、ステータ２の上側円周面の一部に、ロータ５の下側円周面の一部が、円周方向に沿って接触されて配置される。ロータ５の上面には、その外径よりも小さな直径を有する円柱形状の窪み部５ｂが形成され、窪み部５ｂの下方には、窪み部５ｂの内径よりも小さな内径を有する穴５ａが、窪み部５ｂと同心状に形成されている。固定部材６の把持部６ｃは、穴５ａ及び窪み部５ｂに挿入され、穴５ａの内周面と把持部６ｃとの間には、円環形状の滑り軸受７が設けられている。窪み部５ｂには、円環形状のスラスト軸受８が設けられている。スラスト軸受８の上には皿ばね９が設けられ、予圧調整ナット１０により、皿ばね９がスラスト軸受８に押し付けられて予圧をかけられている。尚、把持部６ｃの上端部分は、予圧調整ナット１０よりも上方に突出しており、図示しない他の装置との接続部分となる。
【００１２】
図２に示されるように、圧電素子３は、周方向に同形状で８つの領域３ｂ〜３ｉに分割されている。各領域３ｂ〜３ｉにはそれぞれ、圧電素子３の厚さ方向に電圧を印加するように、図示しない電極が設けられている。
【００１３】
次に、この発明の実施の形態１に係る超音波モータの動作について説明する。
まず、圧電素子３に印加する電圧の周波数を決定する方法について述べる。圧電素子３の材質と、直径と、厚さとを用い、領域３ｂ，３ｄ，３ｆ，３ｈにＶ１ｓｉｎ（２πｆｔ）の電圧を印加すると共に領域３ｃ，３ｅ，３ｇ，３ｉにＶ２ｓｉｎ（２πｆｔ＋α）の電圧を印加する条件で固有値解析を行い、希望の振動が得られる周波数を決定する。尚、ｆは周波数（ｋＨｚ）、ｔは時間（秒）、Ｖ１及びＶ２は圧電素子３の積層枚数に依存する電圧の定数（実施の形態１では、両者とも１ｋＶとする）、αは定数（実施の形態１ではπ／２とする）である。
【００１４】
ここで、希望の振動とは、圧電素子とステータとの接触面に直交する方向（ステータの厚さ方向）の歪が大きい振動、具体的には、図３に示されるように、圧電素子３の表面に形成される楕円振動において、当該接触面に平行な方向（ステータの周方向）の歪ε１に対する当該接触面に直交する方向の歪ε２の比ε２／ε１が０．５以上となるような振動である。このとき、図３に示されるように、圧電素子３の両表面は互いに逆位相となるように振動する。すなわち、圧電素子３の一方の面の任意の位置ｙが厚さ方向に厚くなる方向へ変異すると、位置ｙに対応する反対側の面の位置ｙ’も厚さ方向に厚くなる方向へ変異し、逆に、圧電素子３の一方の面の任意の位置ｚが厚さ方向に薄くなる方向へ変異すると、位置ｚに対応する反対側の面の位置ｚ’も厚さ方向に薄くなる方向へ変異する。これにより、圧電素子３の各面にはそれぞれ、厚さ方向に突出した２つの山の部分１１（図３には１つのみ図示されている）と、厚さ方向に凹んだ２つの谷の部分１２とが形成される。
例えば、圧電素子３の直径が５０ｍｍ、厚さが２５ｍｍの場合の固有値解析の結果は、ｆ＝６１．３ｋＨｚとなった。
【００１５】
次に、上記の条件における超音波モータ１の動作について説明する。周波数ｆ＝６１．３ｋＨｚとして、領域３ｂ，３ｄ，３ｆ，３ｈにＶ１ｓｉｎ（２πｆｔ）の電圧を印加すると共に領域３ｃ，３ｅ，３ｇ，３ｉにＶ２ｓｉｎ（２πｆｔ＋α）の電圧を印加する。固有値解析結果から得られる周波数（６１．３ｋＨｚ）では理論上は、図３に示されるような希望の振動が得られることになるが、実際には必ずしも希望の振動が得られるかどうかはわからない。そこで、固有値解析結果通りの周波数（６１．３ｋＨｚ）の電圧を圧電素子３に印加した後、圧電素子３の振動状況を観察しながら、周波数の調整を行う。圧電素子３に、図３に示されるような振動が形成されると、ステータ２にも同様の振動が形成される。ステータ２に接するロータ５は、摩擦力により回転する。このとき、ロータ５を回転させるステータ２の振動は、ステータ２の厚さ方向に対する変位によって励起されているため、ステータ２の周方向に対する変位によって励起された振動を利用する場合に比べて、超音波モータ１の出力が大きくなる。
【００１６】
このように、ステータ２及びベース部材４に挟まれて圧電素子３を設け、圧電素子３に電圧を印加することによって、圧電素子３におけるステータ２が接触配置されている面の振動と、圧電素子３におけるベース部材４が接触配置されている面の振動とが逆位相となり、圧電素子３とステータ２との接触面に平行な方向の変形よりも大きな、当該接触面に直交する方向の変形が利用可能となるので、超音波モータ１のモータ出力を大きくすることができる。
【００１７】
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について説明する。尚、実施の形態２において、図１〜３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、圧電素子の構成を変更したものである。
【００１８】
図４に示されるように、圧電素子１３は、周方向に同形状で１２個の領域１３ｂ〜１３ｍに分割されている。各領域１３ｂ〜１３ｍにはそれぞれ、圧電素子１３の厚さ方向に電圧を印加するように、図示しない電極が設けられている。領域１３ｂ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｈ，１３ｊ，１３ｌにはＶ１ｓｉｎ（２πｆｔ）の電圧が印加され、領域１３ｃ，１３ｅ，１３ｇ，１３ｉ，１３ｋ，１３ｍにはＶ２ｓｉｎ（２πｆｔ＋α）の電圧が印加されるようになっている。その他の構成については、実施の形態１と同じである。
【００１９】
実施の形態１と同様にして、圧電素子１３の直径が５０ｍｍ、厚さが２５ｍｍとして固有値解析を行うと、その結果はｆ＝６１．８ｋＨｚとなった。この周波数で各領域１３ｂ〜１３ｍに電圧を印加した後、圧電素子１３の振動状況を観察しながら、周波数の調整を行う。これにより、圧電素子１３には、図５で示されるように、圧電素子１３の両表面が互いに逆位相となるような振動が形成される。実施の形態２では、圧電素子１３の各面にはそれぞれ、厚さ方向に突出した３つの山の部分１１と、厚さ方向に凹んだ３つの谷の部分１２（図５には２つのみ図示されている）とが形成される。
【００２０】
実施の形態２においても、圧電素子３とステータ２との接触面に平行な方向の変形よりも大きな、当該接触面に直交する方向の変形を利用してロータ５（図１参照）を回転させているので、実施の形態１と同様に、超音波モータ１（図１参照）のモータ出力を大きくすることができる。
【００２１】
実施の形態１及び２では、ステータ２及びベース部材４の材質はステンレスであったが、ステンレスに限定するものではない。アルミニウムや黄銅のような他の金属でもよいし、ジルコニアやアルミナ等のセラミックであってもよい。また、ステータ２と、ベース部材４とは、それぞれの材質の硬さと重量とによって決定される圧電素子３、１３を挟み込む力が略等しくすれば、それぞれ別の材質であってもよく、重量もそれぞれ異なっていてもよい。さらに、寸法についても、直径５０ｍｍ及び厚さ２５ｍｍに限定するものではなく、任意の寸法であってもよい。
【００２２】
実施の形態１及び２では、超音波モータ１は回転型のモータであったが、この形態に限定するものではない。圧電素子がステータ及びベース部材に挟まれた構成であれば、リニア型の超音波モータであってもよい。
【００２３】
圧電素子の分割個数についても、実施の形態１のような８個や実施の形態２のような１２個に限定されず、任意の数であってもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１  超音波モータ、２  ステータ、３，１３  圧電素子（振動子）、４  ベース部材、５  ロータ（可動子）。
【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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