JP2007135270A - 球面超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】球体であるロータを複数のステータで保持する球面超音波モータにおいて、ロータとステータとの接触圧力分布を調整し、回転方向に応じた推進力を得られるようにすることで、駆動トルクが大きく安定した球面超音波モータを提供することである。
【解決手段】球状回転子と、圧電体により円環上に進行波を励起するリング状振動子とを備え、前記球状回転子の周りに複数の前記リング状振動子を配置し、加圧接触させてなる球面超音波モータにおいて、前記球状回転子と前記リング状振動子との接触圧力分布が一方向に偏るように接触させていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は球面超音波モータに関し、詳しくはロータとして球体を用いて、複数のステータによってロータを任意の方向に回転させる球面超音波モータに関する。

従来から、磁力を使わずにステータ側の圧電素子の振動により、そのステータに接するロータを動かすことができる超音波モータの開発が進んでいる。

超音波モータではステータの数やロータの形状を工夫することによって様々な用途に用いることができ、たとえばディスク型やリング型のロータがすでによく知られている。また最近では、ロータを球体にした球面超音波モータの開発も進んできている。

この球面超音波モータによれば、複数のステータによって球体であるロータを任意の方向に回転させることができる。

たとえば特許文献１に記載の発明では、３個のステータのそれぞれの円環状表面の全周がロータに接するようにして、この３個のステータによって球体であるロータを３方向から保持し、この３個のステータの回転方向を制御することによってロータを任意の方向に回転させるようにしている。

特開平１１−８４５２６号公報

ところが、上述の従来技術には以下のような問題があった。

すなわち特許文献１に記載の発明では、３個のステータの回転方向を様々に変えることによって、ロータの回転方向を制御するようにしているが、ロータの回転方向によっては、複数のステータのうちその回転に寄与しないステータの存在は、ロータの回転に対する摩擦抵抗となってしまい、駆動トルクを減少させてしまうことになるという問題があった。

そこで、ロータの回転に寄与しないステータにおいては、ステータの表面に定在波や任意波形の振動を発生させ、そのステータとロータとの接触面積、接触時間を小さくしてロータの回転に対する摩擦抵抗を小さくすることが考えられる。

しかしながら、このようにした場合であっても、そのステータの表面におけるロータ表面への微細な食い込みが発生し、ロータの回転速度やトルクの減少、ロータ回転の不安定化などの悪影響を招き、根本的な解決に至っていなかった。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、球体であるロータを複数のステータで保持する球面超音波モータにおいて、ロータとステータとの接触圧力分布を調整し、回転方向に応じた推進力を得られるようにすることで、駆動トルクが大きく安定した球面超音波モータを提供することを目的とする。

本発明は、球状回転子と、圧電体により円環上に進行波を励起するリング状振動子とを備え、前記球状回転子の周りに複数の前記リング状振動子を配置し、加圧接触させてなる球面超音波モータにおいて、前記球状回転子と前記リング状振動子との接触圧力分布が一方向に偏るように接触させていることを特徴とする。

また本発明は、前記リング状振動子の軸心と前記球状回転子の中心とを偏心させることで、接触圧力分布の偏りを得るようにしたことを特徴とする。

また本発明は、前記リング状振動子の軸心に対し前記球状回転子を偏心する方向に押し付ける加圧手段を設けて、接触圧力分布の偏りを得るようにしたことを特徴とする。

また本発明は、前記球状回転子の中心に対して前記リング状振動子の軸心を偏角させることで、接触圧力分布の偏りを得るようにしたことを特徴とする。

また本発明は、前記球状回転子の回転に従動する回転部と、前記回転部の回転角度を計測する角度計測手段とを設けたことを特徴とする。

また本発明は、球状回転子と、圧電体により円環上に進行波を励起するリング状振動子とを備え、前記球状回転子の周りに複数の前記リング状振動子を配置し、加圧接触させてなる球面超音波モータにおいて、前記リング状振動子の前記球状回転子との接触面の摩擦係数を中心より非対称に変化させたことを特徴とする。

本発明によれば、球体であるロータを複数のステータで保持する球面超音波モータにおいて、ロータとステータとの接触圧力分布を調整し、回転方向に応じた推進力を得られるようにすることで、駆動トルクが大きく安定した球面超音波モータを提供することができる。

また本発明によれば、たとえば２つのステータを用いた２極の球面超音波モータにおいて、従来は円環状のステータ表面の全周がロータに接していたものを、円環状のステータ表面の一部分のみがロータに接するようにしたので、２つのステータでは従来は実現できなかった方向の回転をも可能とすることができ、同じ自由度でありながらステータの数を減らすことができる。これにより、ロータの出力軸とステータの干渉が少ないので可動範囲が広く、小型で、重量や電力、製造コストを低減したアクチュエータを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

なお、以下の実施の形態では、２つのステータでロータを保持、駆動する場合を例に説明するが、本発明はこれに限られるものではなく、ステータが３つ以上であってもかまわない。

図１は、本発明の一実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態による球面超音波モータ１は、球体であるロータ２を２個のステータ３ａおよび３ｂによって保持して回転させる。ステータ３ａのロータ２と接する面には多数の振動片１３ａが設けられ、ステータ３ｂのロータ２と接する面には多数の振動片１３ｂが設けられており、この振動片１３ａおよび１３ｂが振動して進行波を発生し、これによってロータ２が回転させられる。なお、ロータ２には、ロータ２の回転を利用するための出力軸２ａが設けられている。

ステータ３ａはネジなどの止め具４ａによって枠部材４に固定され、またステータ３ｂはネジなどの止め具４ｂによって枠部材４に固定され、ロータ２を適切な強さで押し付けるようにして保持する。

また、本実施の形態の球面超音波モータ１では、枠部材４に固定されてロータ２を押し上げる微少変位発生機構５を備えて構成される。

この微少変位発生機構５は、本実施の形態においては、シャフト５ａと、シャフト５ａに設けられたローラ５ｂと、シャフト５ａの一端を固定する支点部５ｃと、シャフト５ａの他端を持ち上げ固定する止めネジ５ｄとを有して構成される。本実施の形態では、この微少変位発生機構５が、リング状振動子の軸心に対し球状回転子を偏心する方向に押し付ける加圧手段である。

微少変位発生機構は、このような構成のほかにも、ステータの周の部分的にロータに接する強さを偏らせることができるものであればどのようなものでもよく、たとえば圧電素子の伸長する力でロータに接する力を偏らせるものであってもよい。

また、微少変位発生機構を設ける位置も、本実施の形態のようなステータ３ａとステータ３ｂとの中間の位置に限られるものではなく、ロータに接する位置であればどのような位置であってもよい。

図２は、図１に示した球面超音波モータ１を正面から見て、ステータ３ａおよび３ｂの中央位置で切断して示す断面図である。

微少変位発生機構５のシャフト５ａはバネ性を有するたとえばアルミ製の棒であり、そのシャフト５ａの中ほどにはベアリングを有して摩擦抵抗を低減させたローラ５ｂが設けられている。

シャフト５ａの一端はたとえばピンによって構成される支点部５ｃにて枠部材４に固定され、この支点部５ｃを中心にシャフト５ａが回転可能に構成されている。止めネジ５ｄは、シャフト５ａの支点部５ｃとは別の端に設けられ、その端を上下させることが可能なように設けられている。

止めネジ５ｄによってシャフト５ａの支点部５ｃとは別の端を持ち上げると、それにつれてシャフト５ａの中ほどのローラ５ｂが持ち上げられ、ロータ２の底部を押し上げる。これによって、ロータ２には微少変位が発生し、ロータ２は、図２に示すステータ３ａおよび３ｂの部分Ｙからは離れ、部分Ｘにて強く接触するようになる。止めネジ５ｄは、ローラ５ｂが適切な位置まで持ち上げられた状態で固定される。

なお、本実施の形態では、ロータ２がステータ３ａおよび３ｂの部分Ｙから離れるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、ステータ３ａおよび３ｂの周の部分的にロータ２に接する強さを偏らせることによって構成することもできる。

図３は、図１に示した球面超音波モータ１を、図２の断面ＩＩＩ−ＩＩＩにて切断して示す断面図である。

また図４は、図１に示した球面超音波モータ１を、図２の方向ＩＶから見た底面図である。

従来のように微少変位発生機構５を備えていない構成においては、図３に示す矢印Ｌの方向へはロータ２を回転させることはできたが、図４に示す矢印Ｍの方向へはロータ２を回転させることはできなかった。

これに対して本実施の形態の超音波モータ１では、微少変位発生機構５を備えてステータのロータ２への接触部分を偏らせるようにしており、これによって、ステータ３ａおよび３ｂのみを用いて、図３に示す矢印Ｌの方向へロータ２を回転させることも、図４に示す矢印Ｍの方向へロータ２を回転させることも可能となった。

本実施の形態によれば図２に示した部分Ｙにてロータ２とステータ３ａおよび３ｂとの接触がないため、ロータ２を任意方向へ回転させようとしたときの摩擦抵抗がなくなり、ステータ３ａおよび３ｂの進行波の方向、速度を制御することによって所望の回転が得られる。

なお、本実施の形態では、微少変位発生機構５によってロータ２を押し上げたまま固定するようにし、常時ロータ２とステータ３ａおよび３ｂとの接触を偏らせるようにしたが、本発明はこれに限らず、必要に応じてロータ２とステータ３ａおよび３ｂとの接触を偏らせるような制御を行ってもよい。

また、本実施の形態では、微少変位発生機構５を１つだけ設けたが、本発明はこれに限らず、複数の微少変位発生機構を設けてもよい。

次に、図５および図６を参照して本発明の別の実施の形態について説明する。

図５は、本発明の図１とは別の実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。

また図６は、図５に示した球面超音波モータ１００を正面から見て、ステータ３ａおよび３ｂの中央位置で切断して示す断面図である。

この実施の形態において、図１に示した実施の形態と同じ構成については同じ参照番号を付し、詳しい説明を省略する。

この図５および図６に示す実施の形態の球面超音波モータ１００は、図１に示した実施の形態における微少変位発生機構５の代わりに、回転部１０１ａと角度計測手段１０１ｂとからなる加圧手段１０１と、回転部１０２ａと角度計測手段１０２ｂとからなる加圧手段１０２とを有して構成されている。

回転部１０１ａおよび回転部１０２ａは、微少変位発生機構５のローラ５ｂと同様に、ロータ２の回転にともなって回転するローラであり、ロータ２の当接している部分を押し上げる。これによって、ロータ２には微少変位が発生し、ロータ２は、図６に示すステータ３ａおよび３ｂの部分Ｙからは離れ、部分Ｘにて強く接触するようになる。

角度計測手段１０１ｂおよび角度計測手段１０２ｂは、ロータ２の回転にともなう回転部１０１ａおよび回転部１０２ａの回転の角度を、たとえばエンコーダによって計測するものであり、これによって、ロータ２がどの角度位置にあるか、ロータ２の角度検出を行うことができる。

次に、図７を参照して本発明のさらに別の実施の形態について説明する。

図７は、本発明の図１や図５とは別の実施の形態による球面超音波モータを正面から見て、ステータ３ａおよび３ｂの中央位置で切断して示す断面図である。

この実施の形態において、図１や図５に示した実施の形態と同じ構成については同じ参照番号を付し、詳しい説明を省略する。

この図７に示す実施の形態の球面超音波モータ１１０は、ステータ３ａと枠部材４との間に傾斜手段であるテーパワッシャ１１１を設けて構成されている。

このテーパワッシャ１１１は、図７に示すロータ２の部分Ｘ側が厚く、部分Ｙ側が薄く形成してあり、このテーパワッシャ１１１をステータ３ａと枠部材４との間に挿入することによってステータ３ａを傾かせ（図７の例では偏角１°）、これによって、ロータ２は、ステータ３ａおよび３ｂの部分Ｙからは離れ、部分Ｘにて強く接触するようになる。

なお、テーパワッシャ１１１は、ステータ３ａおよび３ｂのどちらか一方に設けてもよいし、両方に設けてもよい。

また、テーパワッシャ１１１を設ける構成においては、図１に示した微少変位発生機構５を設けてもよいし、図５に示した加圧手段１０１および加圧手段１０２を設けてもよい。

次に、図８を参照して本発明のさらに別の実施の形態について説明する。

図８は、本発明の図１や図５や図７とは別の実施の形態による球面超音波モータについて示す図であり、（ａ）は球面超音波モータを正面から見て、ステータ１０３ａおよび１０３ｂの中央位置で切断して示す断面図であり、（ｂ）はステータ１０３ａのロータ２との接触面を示す平面図である。

この実施の形態において、図１に示した実施の形態と同じ構成については同じ参照番号を付し、詳しい説明を省略する。また、ステータ１０３ｂの構造は、ステータ１０３ａと同じであるので、ここでは代表して図８（ｂ）にてステータ１０３ａの構造について説明する。

この図８（ａ）に示す実施の形態の球面超音波モータ１２０は、図１に示した実施の形態におけるステータ３ａおよび３ｂの代わりに、ステータ１０３ａおよび１０３ｂを有して構成されている。

図８（ａ）に示すように、ステータ１０３ａのロータ２と接する面には多数の振動片１１３ａが設けられ、ステータ１０３ｂのロータ２と接する面には多数の振動片１１３ｂが設けられており、この振動片１１３ａおよび１１３ｂが振動して進行波を発生し、これによってロータ２が回転させられる。

ステータ１０３ａの振動片１１３ａとしては、図８（ｂ）に示すように、ロータ２と接触する面の摩擦係数が高い高摩擦係数部１１４や、ロータ２と接触する面の摩擦係数が低い低摩擦係数部１１５が設けられている。

本実施の形態では、このように構成することによって、高摩擦係数部１１４ではロータ２をしっかり保持して駆動し、低摩擦係数部１１５ではロータ２との間で空回りを生じ、先に説明した実施の形態でステータの接触圧力分布の偏りを得るようにした構成と同じ効果を奏し得る。

なお、球面超音波モータ１は、ステータ３ａ、３ｂが取り付けられた枠部材４側を固定し、ロータ２側に駆動対象を取り付けて所望の動作をさせるものでもよいし、ロータ２側を固定し、ステータ３ａ、３ｂが取り付けられた枠部材４側に駆動対象を取り付けて所望の動作をさせるものであってもよい。

本発明の一実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。 図１に示した球面超音波モータ１を正面から見て、ステータ３ａおよび３ｂの中央位置で切断して示す断面図である。 図１に示した球面超音波モータ１を、図２の断面ＩＩＩ−ＩＩＩにて切断して示す断面図である。 図１に示した球面超音波モータ１を、図２の方向ＩＶから見た底面図である。 本発明の図１とは別の実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。 図５に示した球面超音波モータ１００を正面から見て、ステータ３ａおよび３ｂの中央位置で切断して示す断面図である。 本発明の図１や図５とは別の実施の形態による球面超音波モータを正面から見て、ステータ３ａおよび３ｂの中央位置で切断して示す断面図である。 本発明の図１や図５や図７とは別の実施の形態による球面超音波モータについて示す図であり、（ａ）は球面超音波モータを正面から見て、ステータ１０３ａおよび１０３ｂの中央位置で切断して示す断面図であり、（ｂ）はステータ１０３ａのロータ２との接触面を示す平面図である。

符号の説明

１ 球面超音波モータ
２ ロータ
２ａ 出力軸
３ａ、３ｂ ステータ
１３ａ、１３ｂ 振動片
４ 枠部材
５ 微少変位発生機構
５ａ シャフト
５ｂ ローラ
５ｃ 支点部
５ｄ 止めネジ
１０１、１０２ 加圧手段
１０１ａ、１０２ａ 回転部
１０１ｂ、１０２ｂ 角度計測手段
１０３ａ、１０３ｂ ステータ
１１０ 球面超音波モータ
１１３ａ、１１３ｂ 振動片
１２０ 球面超音波モータ

Claims (6)

1. 球状回転子と、圧電体により円環上に進行波を励起するリング状振動子とを備え、前記球状回転子の周りに複数の前記リング状振動子を配置し、加圧接触させてなる球面超音波モータにおいて、
   前記球状回転子と前記リング状振動子との接触圧力分布が一方向に偏るように接触させていることを特徴とする球面超音波モータ。
2. 前記リング状振動子の軸心と前記球状回転子の中心とを偏心させることで、接触圧力分布の偏りを得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の球面超音波モータ。
3. 前記リング状振動子の軸心に対し前記球状回転子を偏心する方向に押し付ける加圧手段を設けて、接触圧力分布の偏りを得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の球面超音波モータ。
4. 前記球状回転子の中心に対して前記リング状振動子の軸心を偏角させることで、接触圧力分布の偏りを得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の球面超音波モータ。
5. 前記球状回転子の回転に従動する回転部と、前記回転部の回転角度を計測する角度計測手段とを設けたことを特徴とする請求項３または４に記載の球面超音波モータ。
6. 球状回転子と、圧電体により円環上に進行波を励起するリング状振動子とを備え、前記球状回転子の周りに複数の前記リング状振動子を配置し、加圧接触させてなる球面超音波モータにおいて、
   前記リング状振動子の前記球状回転子との接触面の摩擦係数を中心より非対称に変化させたことを特徴とする球面超音波モータ。

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