【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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic motor that rotates, and is particularly suitable as a driving device that requires high-precision positioning, such as a small precision machining device or a measuring device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, various ultrasonic motors that perform linear motion or rotational motion capable of high-precision positioning have been proposed, and much research has been conducted. An ultrasonic motor that performs a general rotary motion includes a piezoelectric element that is a vibrator, a rotor that is a moving body, and a stator that transmits vibration of the piezoelectric element to the rotor.
[0003]
In an ultrasonic motor, a high-frequency micro-vibration of a piezoelectric element caused by application of a high-frequency sine-wave voltage is transmitted to a rotor via friction as an elliptical vibration of a tip of a stator to obtain a rotational motion of the rotor. In order to stably transmit the elliptical vibration of the stator to the rotor, a mechanical mechanism that presses the rotor against the stator is important. For this reason, a mechanism using a leaf spring or a screw is often used in a conventional ultrasonic motor.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the above mechanical mechanism is difficult to miniaturize because the mechanism is complicated to secure stable pressing and requires a plurality of parts, and the size itself of the ultrasonic motor is limited and the miniaturization cannot be performed. was there.
[0005]
[Means to solve the problem]
In view of the above problems, the present invention uses a magnet for a rotor or a stator of an ultrasonic motor to attract and press the rotor itself to the stator by magnetic force, and does not require a mechanical mechanism for holding. The rotor is rotated by changing the frictional force between the rotor and the stator due to the vibration of the piezoelectric element and the torque due to the frictional force.
[0006]
In the present invention, a magnet is used for at least one of the rotor and the stator, and the other is made of a metal having ferromagnetism, or both are magnets and the respective magnetic poles are arranged in an anti-parallel state so as to be pressed and held. It is carried out.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1A is a plan view showing an embodiment of an ultrasonic motor according to the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along line XX of FIG.
[0008]
In FIG. 1, a columnar stator 3 is attached to the other end of a piezoelectric element 2 fixed to a support portion 1, and a columnar rotor 4 is arranged in a recess formed by the piezoelectric element 2 and the stator 3. Note that the stator 3 is not limited to a cylindrical body, and a stator having a shape in which the contact surface with the rotor 4 is inclined from the vibration direction of the piezoelectric element 2 is selected.
[0009]
The rotor 4 is held by the magnetic force of the stator 3 and the rotor 4 using a magnet and a metal having ferromagnetism. When both the stator 3 and the rotor 4 are magnets, the magnetic pole directions of the respective magnets are antiparallel. So that they are arranged and held.
[0010]
The inertia force acts on the rotor 4 in the direction opposite to the displacement of the rotor 4 due to the vibration of the piezoelectric element 2, but the inertia force is applied to the rotor 4 and the stator 3 because the contact surface is inclined from the vibration direction of the piezoelectric element 2. Has a vertical component and a horizontal component.
[0011]
In the displacement process in which the piezoelectric element 2 is extended and displaced by the application of the sine wave voltage and the stator 3 moves away from the support 1, the rotor 4 pressed by the stator 3 by magnetic force also displaces in the direction away from the support 1. Although an inertial force acts, the inertial force on the contact surface has a vertical component force in a direction opposite to the pressing force by the magnetic force, so that the pressing force of the rotor 4 in the direction of the stator 3 decreases.
[0012]
In the process in which the piezoelectric element 2 undergoes a contraction displacement, an inertial force is generated in the rotor 4 in a direction opposite to the extension displacement process, and the rotor 4 has a vertical component force of the inertial force in the same direction as the pressing force by the magnetic force. The force pressing against the stator 3 increases.
[0013]
Here, a frictional force is generated between the stator 3 and the rotor 4 due to a horizontal component force of the contact surface of the inertia force, and acts as a torque for rotating the rotor 4. Due to the increased force, the rotor 4 rolls without slipping on the stator 3.
[0014]
In the process in which the piezoelectric element 2 in which the inertial force acts on the rotor 4 in the direction opposite to the above-described contraction process expands, the frictional force between the stator 3 and the rotor 4 decreases due to the decrease in the pressing force. As the low torque acts in the opposite direction, the rotor 4 slides on the stator 3.
[0015]
In the process of contraction and extension of the piezoelectric element 2, the torque generated in the rotor 4 is in the opposite direction. However, the torque in the contraction process increases during the contraction process due to the change in frictional force due to the difference in the pressing force direction due to the inertial force and the magnetic force. Rolling and slipping occur while exceeding torque, and the rotor 4 can be continuously rolled and rotated on the stator 3 in one direction by repeating the above-described contraction and extension process.
[0016]
【Example】
Here, the ultrasonic motor of the present invention shown in FIG. 1 is prepared, and an experimental result on drive characteristics will be described.
[0017]
In this experiment, PbZrO 3 -PbTiO 3 based piezoelectric element 2 of the length 9mm made of ceramics, cylindrical magnet stator 3 are magnetized in the longitudinal direction, with a rotor 4. Note that a neodymium magnet having a diameter of 5 mm and a length of 5 mm was used as the magnet, and the rotor 4 was pressed against the stator 3 with a pressing force of 220 gf.
[0018]
Then, the rotor 4 was rotated by applying an AC voltage of 15.5 V to the piezoelectric element 2 and ultrasonically vibrating, and the applied voltage frequency and the rotation speed of the rotor 4 were measured.
[0019]
As a result, as shown in FIG. 2, the relationship between the rotation speed of the ultrasonic motor and the applied voltage was able to rotate the rotor 4 in the frequency range of 30 kHz to 42 kHz excluding the vicinity of 34 kHz.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a complicated mechanical mechanism for pressing the rotor against the stator by directly attracting the rotor using a magnet to the stator fixed to the piezoelectric element is omitted, and the structure of the ultrasonic motor is simplified. It can be made smaller. Since the rotor is pressed against the stator by the magnetic force, the rotor can be easily removed, so that the workability of rotor replacement and maintenance can be improved.
[Brief description of the drawings]
1A is a plan view showing an embodiment of an ultrasonic motor according to the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a rotation speed of an ultrasonic motor of the present invention and an applied voltage frequency.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Support base 2 ... Piezoelectric element 3 ... Stator 4 ... Rotor
