(57)【要約】  マルチスポーク式超音波モータであって、モータの技術分野に関する。当該マルチスポーク式超音波モータは、回転軸（1）と、締付スリーブ（2）と、スプリング（3）と、ロータ（4）と、ステータ（5）と、締付ネジ（6）と、圧電セラミック（7）とを備え、前記ロータ（4）、ステータ（5）、スプリング（3）及び締付スリーブ（2）は、順次に回転軸（1）を介して接続されている。前記ステータ（5）は、内部にスポーク形状の歯を有するリング状金属板である。前記ステータ（5）の上面と下面にはいずれもロータ（4）と接触するための同じスポーク形状のステータ歯があり、ロータ（4）とステータ（5）とはスプリング（3）の予圧力で密着されている。前記圧電セラミック（7）はリング状シートであり、ステータ（5）の上、下面に1枚ずつ貼り付けられている。当該モータは、超音波モータの出力電力を向上させることができる。
2020507304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸（1）と、締付スリーブ（2）と、スプリング（3）と、ロータ（4）と、ステータ（5）と、締付ネジ（6）と、圧電セラミック（7）とを含み、前記ロータ（4）、ステータ（5）、スプリング（3）及び締付スリーブ（2）が順次に回転軸（1）を介して接続されているマルチスポーク式超音波モータであって、
前記締付ネジ（6）は締付スリーブの側面中央に位置し、締付ネジ（6）を調節することで締付スリーブ（2）を回転軸（1）に摺動させることにより、スプリング（3）の予圧力を調節し、前記スプリング（3）は締付スリーブ（2）とロータ（4）との間に位置すると共に、ロータ（4）の表面に押し当てられており、
前記ロータ（4）は半球状又はテーパ状であり、前記ステータ（5）は内部にスポーク形状の歯を有するリング状金属板であり、前記ステータ（5）の上面と下面にはいずれもロータ（4）と接触するための同じスポーク形状の歯があり、ロータ（4）とステータ（5）のスポーク形状の歯とはスプリング（3）の予圧力で密着されており、前記圧電セラミック（7）は平坦なリング状シートであり、ステータ（5）のリング状表面の上、下面それぞれに1枚貼り付けられており、
前記ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯と歯元が位置するステータのリング面とは挟角を持ち、前記ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯はステータリングの中心に対して回転対称である、ことを特徴とするマルチスポーク式超音波モータ。
【請求項２】
前記圧電セラミック（7）の内径サイズは、ステータ（5）の外輪表面のサイズと同じであり、上下に1枚ずつの圧電セラミックは厚み方向に沿って分極され、かつ分極方向は逆になっている、ことを特徴とする請求項1に記載のマルチスポーク式超音波モータ。
【請求項３】
超音波モータが動作状態にある時、前記上下に1枚ずつの圧電セラミック（7）は電極により同じ正弦電気信号が印加され、ステータの振動が励起され、ステータのスポーク形状の歯によってロータを回転させるように駆動する、ことを特徴とする請求項1に記載のマルチスポーク式超音波モータ。
【請求項４】
前記ステータ（5）は内部にスポーク形状の歯を有するリング状金属板であり、前記内部のスポーク形状の歯とステータ（5）が位置する平面とは挟角αを持ち、前記挟角αの角度は0°以上90°未満である、ことを特徴とする請求項1に記載のマルチスポーク式超音波モータ。
【請求項５】
前記挟角αの角度は0°以上90°以下である、ことを特徴とする請求項1に記載のマルチスポーク式超音波モータ。
【請求項６】
前記内部のスポーク形状の歯とステータ（5）が位置する平面とは挟角を持ち、前記挟角αは、ステータの内部のスポーク形状の歯をそれぞれ歯元から上や下に向かって折り曲げてステータ（5）のリングが位置する平面から離間させるように形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載のマルチスポーク式超音波モータ。
【請求項７】
前記ステータ（5）の外輪には、平均に分布する若干の穴付き固定構造（10）がある、ことを特徴とする請求項1に記載のマルチスポーク式超音波モータ。
【請求項８】
前記ステータ（5）の表面（9）はポリッシュ処理がなされており、
ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の数は3個であり、
又は、ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の数は6個であり、
又は、ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の数はn個である（n≧3）、ことを特徴とする請求項3に記載のマルチスポーク式超音波モータ。
【請求項９】
モータが動作状態にある時、前記上下に1枚ずつの圧電セラミック（7）の露出部は電極により同じ電気励起信号が印加され、前記電気励起信号は正弦波である、ことを特徴とする請求項1に記載のマルチスポーク式超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超音波モータの技術分野に関し、特にマルチスポーク式超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流モータは、駆動モータとして広く利用されているが、サイズの低減に伴いモータのジュール熱損失が急に大きくなり、その駆動能力が大幅に低下してしまう。一方、超音波モータは、材料の逆圧電効果及び摩擦作用により電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、サイズの低減に伴いモータの機械的特性の低下幅が小さくなり、モータの小型化と微細化に有利である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の進行波型超音波モータは、すばらしい出力性能を有するが、モータのスペースサイズの低減に伴い、部品の加工精度に対する要求が急激に厳しくなりつつある。構造設計により部品の加工精度への要求を低下させることは、現在超音波モータが小型化の面での主な課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、内部スペースに回転対称な歯を有するリングからステータを構成し、摩擦により半球状又はテーパ状ロータを駆動する動作方式により、部品の加工要求を低下させると共に超音波モータの機械的特性を向上させることができる。
【０００５】
本発明の実施例は、超音波モータの出力性能を向上させることができ、耐用年数が長く、製造コストが低いマルチスポーク式超音波モータを提供する。
【０００６】
上記目的を図るために、本発明の実施例は次のような技術方案を採用する。  
【０００７】
本発明の実施例は、
回転軸（1）と、締付スリーブ（2）と、スプリング（3）と、ロータ（4）と、ステータ（5）と、締付ネジ（6）と、圧電セラミック（7）とを備え、前記ロータ（4）、ステータ（5）、スプリング（3）及び締付スリーブ（2）は順次に回転軸（1）を介して接続されており、前記締付ネジ（6）は締付スリーブの側面中央に位置し、締付ネジ（6）を調節することで締付スリーブ（2）を回転軸（1）に摺動させることにより、スプリング（3）の予圧力を調節し、前記スプリング（3）は締付スリーブ（2）とロータ（4）との間に位置すると共に、ロータ（4）の表面に押し当てられており、前記ロータ（4）は半球状又は円錐台状であり、前記ステータ（5）は内部にスポーク形状の歯を有するリング状金属板であり、前記ステータ（5）の上面と下面にはいずれもロータ（4）と接触するための同じステータ歯があり、ロータ（4）とステータ（5）のスポーク形状の歯とはスプリング（3）の予圧力で密着されており、前記圧電セラミック（7）はリング状セラミックシートであり、ステータ（5）の表面の上、下面に1枚ずつ貼り付けられている、マルチスポーク式超音波モータを提供する。
【０００８】
1つの実施形態として、前記ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の中心線と歯元が位置するステータ内輪の接触位置の法線とがなす挟角はθであり、θは必要に応じて設計することが可能である。
【０００９】
1つの実施形態として、前記ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の数を必要に応じて設計することが可能であり、前記スポーク形状の歯はステータリングの円心を頂点として回転対称である。
【００１０】
1つの実施形態として、前記内部のスポーク形状の歯とステータ（5）が位置する平面とは挟角αを持ち、前記挟角αの角度は0°以上90°未満である。
【００１１】
1つの実施形態として、前記挟角αは、ステータの内部のスポーク形状の歯をそれぞれ歯元から上や下に向かって折り曲げてステータ（5）のリングが位置する平面から離間させるように形成されている。
【００１２】
1つの実施形態として、前記ステータ（5）の外輪には、平均に分布する若干の穴付き固定構造（10）がある。
【００１３】
1つの実施形態として、前記ステータ（5）の表面（9）はポリッシュ処理がなされている。
【００１４】
1つの実施形態として、前記ロータ（4）は耐摩耗性材料で製造されている。
【００１５】
1つの実施形態として、前記圧電セラミック（7）の内径サイズは、ステータ（5）の外輪表面のサイズと同じであり、上下に1枚ずつの圧電セラミックは厚み方向に沿って分極され、かつ分極方向は逆になっている。
【００１６】
1つの実施形態として、モータが動作状態にある時、前記上下に1枚ずつの圧電セラミック（7）の露出部は電極により同じ電気励起信号が印加され、前記電気励起信号は正弦波信号である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータは、トルク出力部と回転速度出力部との両方に良好で、かつ構造が簡単でコンパクトであり、加工精度に対する依存性が低く、駆動電圧が低く、励起方式が簡単であると共に、製造コストも低く、出力が安定かつ確実であり、大規模な産業化に適用することができる。マイクロヘリコプターのモータ、マイクロ電子機器のズームシステム例えばカプセル型内視鏡、電子眼球、一眼レフカメラ、スマートフォン等に応用できる。本発明の実施例は、ロボット、医療機器、マイクロマシン及び航空宇宙技術の分野において広い応用展望がある。
本発明の実施例の技術方案をより明確に説明するために、以下、実施例の説明に必要な図面に対して簡単に説明する。勿論、次に描く図面はただ本発明のいくつかの実施例に過ぎず、当業者にとって、創造的労働をせずに、これらの図面に基づいてその他の図面を得ることができることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】は、本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータの構造模式図である。
【図２】図2は、本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータのステータの構造模式図である。
【図３】図3は、本発明の実施例が提供する別のマルチスポーク式超音波モータのステータの構造模式図である。
【図４】図4は、本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータの運転模式図である。
【図５Ａ】図5-Aは、本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータのステータの動作モードが径方向の振動である時の拡張モード模式図である。
【図５Ｂ】図5-Bは、本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータのステータの動作モードが径方向の振動である時の収縮モード模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
当業者が本発明の技術方案をよりよく理解できるために、以下、図面及び具体的な実施形態を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。以下、本発明の実施形態を詳しく説明し、前記実施形態の例を図面に示し、一貫して同じ又は類似する符号は、同じ又は類似する素子、あるいは同じ又は類似する機能を有する素子を示す。以下に図面を参照しながら説明する実施形態は例に過ぎず、本発明を解釈するためのものに過ぎず、本発明を制限するものではない。
【００２０】
当業者にとって、特に断らない限り、ここで使用する全ての言葉（技術用語と科学用語を含む）は、本発明の属する技術の分野における当業者が一般的に理解するものと同じ意味を有することを理解できる。さらに理解すべきことに、例えば一般辞書で定義されたそれらの用語は、従来技術の文脈での意味と一致する意味と理解すべきであり、本願のように定義しない限り、理想的又は正式すぎる意味で解釈しない。
【００２１】
本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータは、超音波モータの出力性能を向上させることができ、耐用年数が長く、製造コストが低い。
【００２２】
上記目的を図るために、本発明の実施例は次のような技術方案を採用する。
【００２３】
本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータは、図1に示すように、回転軸（1）と、締付スリーブ（2）と、スプリング（3）と、ロータ（4）と、ステータ（5）と、締付ネジ（6）と、圧電セラミック（7）とを備え、前記ロータ（4）、ステータ（5）、スプリング（3）及び締付スリーブ（2）が順次に回転軸（1）を介して接続されているマルチスポーク式超音波モータであって、前記締付ネジ（6）は締付スリーブの側面中央に位置し、締付ネジ（6）を調節することで締付スリーブ（2）を回転軸（1）に摺動させることにより、スプリング（3）の予圧力を調節し、前記スプリング（3）は締付スリーブ（2）とロータ（4）との間に位置すると共に、ロータ（4）の表面に押し当てられており、前記ロータ（4）は半球状又はテーパ状であり、前記ステータ（5）は内部にスポーク形状の歯を有するリング状金属板であり、前記ステータ（5）の上面と下面にはいずれもロータ（4）と接触するための同じスポーク形状の歯があり、ロータ（4）とステータ（5）のスポーク形状の歯とはスプリング（3）の予圧力で密着されており、前記圧電セラミック（7）は平坦なリング状シートであり、ステータ（5）のリング状表面の上、下面に1枚ずつ貼り付けられている、ことを特徴とする。
【００２４】
1つの実施形態として、前記ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の数を必要に応じて設計することが可能であり、前記スポーク形状の歯はステータリングの円心を頂点として回転対称である。
【００２５】
前記圧電セラミック（7）の内径サイズは、ステータ（5）の外輪表面のサイズと同じであり、上下に1枚ずつの圧電セラミックは厚み方向に沿って分極され、かつ分極方向は逆になっている。
【００２６】
超音波モータが動作状態にある時、前記上下に1枚ずつの圧電セラミック（7）は電極により同じ正弦電気信号が印加され、ステータの振動が励起され、ステータのスポーク形状の歯によってロータを回転させるように駆動する。
【００２７】
本発明の実施例において、モータのステータ（5）の1次径方向の振動モードを動作モードとする。ステータ（5）の1次径方向の振動モードにより、ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯は大きく変位し、摩擦作用でロータ（4）を駆動する。
【００２８】
1つの実施形態として、図2に示すように、前記ロータ（4）とステータ（5）との接触位置はリング状ステータの内部のスポーク形状の歯の歯面（8）にある。前記ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の中心線と歯元が位置するステータ内輪の接触位置の法線とがなす挟角はθであり、θは必要に応じて設計することが可能である。
【００２９】
1つの実施形態として、前記ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の数を必要に応じて設計することが可能であり、前記スポーク形状の歯は中心対称になっている。
【００３０】
好ましくは、ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の数は6個であり、図2に示すように、ステータの内輪に均一に分布し、スポーク形状の歯（8）のステータのリング平面への投影の挟角が120°であるものを1組とすれば、計2組ある。
【００３１】
本発明の実施例が提供する超音波モータのステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の数は、中心に関して回転対称であれば、他の数であってもよい。図3に示すように、ステータの内部のスポーク形状の歯の数は3個であり、異なる数のスポーク形状の歯がもたらす技術効果も異なっている。本発明の実施例では、内部のスポーク形状の歯が3個であると、モータは高い出力回転速度を得ることができる。内部のスポーク形状の歯が6個であると、モータは高い出力トルクを得ることができる。
【００３２】
本発明の実施例は、θの値を変更することによりモータの出力回転速度とトルクを制御することができる。
【００３３】
1つの実施形態として、図4に示すように、前記ステータ（5）は内部にスポーク形状の歯を有するリング状金属板であって、前記内部のスポーク形状の歯とステータ（5）が位置する平面とは開度αがあり、前記開度αの角度は0°以上90°未満である、ことを特徴としている。
【００３４】
好ましい態様において、前記開度aの角度は0°以上45°以下である。
【００３５】
1つの実施形態として、前記ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の数を必要に応じて設計することが可能であり、前記スポーク形状の歯はステータリングの円心を頂点として回転対称である。
【００３６】
1つの実施形態として、前記挟角αは、ステータの内部のスポーク形状の歯をそれぞれ歯元から上や下に向かって折り曲げてステータ（5）のリングが位置する平面から離間させるように形成されている。
【００３７】
図4に示すように、モータが運転する時、Pはスプリングの予圧力であり、Mは駆動トルクである。挟角αは図面に示すとおりである。本実施例において、挟角αの設計がもたらす有益効果は以下である。
1）、前記挟角の設計は、ステータの振動エネルギーを十分に利用することができ、ステータとロータとの接触が良好になり、モータの出力トルクと回転速度を向上させることができる。
2）、モータの動作時の長時間の接触摩擦によりステータのスポーク形状の歯が摩耗され、上下2つのロータが互いに接触してモータの出力効率が低下するが、挟角の設計により、このようなことを避けることができ、モータの耐用年数を大幅に長くすることができる。
3）、前記挟角の設計はスプリングの役割を果たし、微小なモータシステムにおいて予圧力スプリングを取り替えることができ、省スペースである。
4）、前記挟角の設計により、モータロータを安定した3点で支持し、転動時の回転軸の揺動が軽減され、モータを安定して運転させることができる。
【００３８】
設計の必要に応じて、前記挟角の角度αは
0°≦α≦90°
である。ステータ（5）が動作モードにあることにする。図5-Aは、本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータのステータの動作モードが径方向の振動である時の拡張モード模式図である。図5-Bは、本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータのステータの動作モードが径方向の振動である時の収縮モード模式図である。ステータ（5）の内部のスポーク形状の歯の動作により、非常に大きな径方向の変位を得ることができる。
【００３９】
振動モードの1つの周期Tにおいて、
【数１】
2020507304.tif 000003
である。そのうち、ステータの収縮モードと拡張モードとの時間間隔は半分の周期である。
【００４０】
前記ステータ内輪におけるスポーク形状の歯の変位を大きくするために、本発明はスポーク形状の歯に対して最適化を行い、その長さを変更することで、スポーク形状の歯の1次縦方向の振動モードの周波数とステータの1次径方向の振動モードの周波数とを等しくする。
【００４１】
1つの実施形態として、図2に示すように、前記ステータ（5）の外輪には、平均に分布する3つの方形の円孔付き固定構造（10）がある。
【００４２】
1つの実施形態として、前記ステータ（5）の表面（9）はポリッシュ処理がなされている。
【００４３】
圧電セラミック（7）とステータ（5）とをよりよく接着し、圧電セラミックの接着面の電極とステータの基体とを導通させるために、ステータの表面（9）はポリッシュ処理がなされている。
【００４４】
1つの実施形態として、前記ロータ（4）は耐摩耗性材料から製造されている。
【００４５】
1つの実施形態として、前記圧電セラミック（7）の内径サイズは、ステータ（5）の外輪表面のサイズと同じであり、上下に1枚ずつの圧電セラミックは厚み方向に沿って分極され、かつ分極方向は逆になっている。上下に1枚ずつの圧電セラミックが厚み方向に沿って分極され、かつ分極方向が逆になっている設計により、結線が簡単になり、本実施例において1本のルートの信号だけで電気励起をすることができる。
【００４６】
1つの実施形態として、モータが動作状態にある時、前記上下に1枚ずつの圧電セラミック（7）の露  
【００４７】
出部は電極により同じ電気励起信号が印加され、前記電気励起信号は正弦波である。
本発明の実施例が提供するマルチスポーク式超音波モータは、トルク出力部と回転速度出力部との両方に良好で、かつ構造が簡単でコンパクトであり、加工精度に対する依存性が低く、駆動電圧が低く、励起方式が簡単であると共に、製造コストも低く、出力が安定かつ確実であり、大規模な産業化に適用することができる。マイクロ航空機の動力装置、マイクロ電子機器及び医療機器例えばカプセル型内視鏡の駆動等、並びにマイクロ光学機器のズームシステム例えばカプセル型内視鏡、電子眼球、一眼レフカメラ、スマートフォンレンズ等に応用できる。本発明の実施例は、ロボット、医療機器、マイクロマシン及び航空宇宙技術の分野において広い応用展望がある。
【００４８】
本明細書において、各実施例に対して段階的に説明したが、各実施例の同じ又は類似する部分は互いに参照すればよく、各実施例においても他の実施例との相違点を中心に説明した。特に、装置の実施例の場合、方法の実施例とほぼ類似することから、簡単に説明し、関連部分は方法の実施例における一部の説明を参照すればよい。
【００４９】
以上は本発明の具体的な実施形態に過ぎず、本発明の請求範囲はここに限定されておらず、本技術分野を熟知する如何なる業者は、本発明に開示された技術範囲内で容易に想到できる変化又は置換は、いずれも本発明の請求範囲内に含まれるべきである。したがって、本発明の請求範囲は特許請求の範囲を基準とする。
【図１】
2020507304.tif 000004
【図２】
2020507304.tif 000005
【図３】
2020507304.tif 000006
【図４】
2020507304.tif 000007
【図５−Ａ】
2020507304.tif 000008
【図５−Ｂ】
2020507304.tif 000009
【国際調査報告】
2020507304.tif 000010
2020507304.tif 000011
2020507304.tif 000012
2020507304.tif 000013