JP2011142732A

JP2011142732A - 超音波モータ

Info

Publication number: JP2011142732A
Application number: JP2010001493A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Kasai; 靖明葛西
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2011-07-21
Also published as: US20110163633A1; US8446068B2

Abstract

【課題】被駆動体の多自由度の駆動を安定して行い得る超音波モータを提供すること。
【解決手段】被駆動体１４を多自由度に駆動可能な超音波モータは、２つの異なる振動モードを同時に励起して、出力面２４に楕円振動を発生する振動子１２と、上記出力面で発生する上記楕円振動を駆動力として駆動される被駆動体１４と、上記出力面と上記被駆動体との間に介在する駆動子３２と、を備え、上記被駆動体は、少なくとも上記出力面に上記駆動子を介して接触する接触部分の面形状が球面を有し、上記楕円振動は、上記出力面上の位置により振動振幅が異なり、上記出力面は、上記楕円運動の振動振幅が周囲と比較して大きい領域を複数有し、上記駆動子は、上記振動振幅が周囲と比較して大きい領域を少なくとも２以上含むような接触部３６を有して、上記出力面上に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被駆動体を多自由度に駆動可能な超音波モータに関する。

超音波振動子に電圧を印加して振動させ、その振動により、これに接触している被駆動体を摩擦駆動する超音波モータが知られている。このような超音波モータは、被駆動体を球体にして出力を取り出すことにより多自由度の駆動源として利用でき、ロボットアームや多関節などの装置に組み込まれ、さらなる応用が期待されている。

このように被駆動体を多自由度に駆動可能な超音波モータとして、例えば、特許文献１では、略球状の面を有する被駆動体と、該被駆動体を少なくとも２軸まわりに回動可能に支持する回動部材支持手段と、電気エネルギーを供給する交番電力供給手段と、該交番電力供給手段により供給された電気エネルギーを機械エネルギーに変換することにより３次元の振動を発生させる振動子と、該振動子と上記被駆動体の略球状の面とが、所定の角度を保ちながら接触するように上記振動子を支持する振動体支持手段と、上記被駆動体の回動によって生じる摩擦を軽減させる回動摩擦緩和手段と、上記被駆動体と上記振動子とが所定の押圧力をもって接触するように、該押圧力を調整する押圧力調整手段と、を備える回転駆動装置を提案している。

特開２００５−１４３１７６号公報

特許文献１に開示されている回転駆動装置では、振動子の出力面である上面中心部と被駆動体の球状の面とは、振動子の出力面の平面と球体の球面との関係より点接触しており、この点接触している部分により、振動子の楕円振動を駆動源として被駆動体を摩擦駆動している。

従って、振動子と被駆動体の球状の面とが直接接触している接触点では、振動子と被駆動体の磨耗により振動子の方が磨耗していき、点接触する位置がその摩耗と共に移動するため、接触位置が常に安定していない。そのことにより、駆動装置として駆動が安定しないという問題がある。

この振動子が摩耗するのを抑制するために、上記特許文献１では、振動子の上端部に摺動部材を設けることを提案しているが、その摺動部材も少ないとはいえ摩耗するので、根本的な解決手段とはなっていない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、被駆動体の多自由度の駆動を安定して行い得る超音波モータを提供することを目的とする。

本発明の超音波モータの一態様は、被駆動体を多自由度に駆動可能な超音波モータであって、
２つの異なる振動モードを同時に励起して、出力面に楕円振動を発生する振動子と、
上記出力面で発生する上記楕円振動を駆動力として駆動される被駆動体と、
上記出力面と上記被駆動体との間に介在する駆動子と、
を備え、
上記被駆動体は、少なくとも上記出力面に上記駆動子を介して接触する接触部分の面形状が球面を有し、
上記楕円振動は、上記出力面上の位置により振動振幅が異なり、
上記出力面は、上記楕円運動の振動振幅が周囲と比較して大きい領域を複数有し、
上記駆動子は、上記振動振幅が周囲と比較して大きい領域を少なくとも２以上含むような接触部を有して、上記出力面上に形成される、
ことを特徴とする。

本発明によれば、振動振幅の大きい少なくとも２以上の領域で被駆動体と接触する駆動子を被駆動体と振動子との間に設けることで、被駆動体との接触状態が安定に保たれるようになるので、被駆動体の多自由度の駆動を安定して行い得る超音波モータを提供することができる。

図１（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る超音波モータの構成を示す断面図であり、図１（Ｂ）は、第１実施形態に係る超音波モータの駆動子の形状を示すと共に該駆動子上の位置と振動振幅との関係を示す図である。図２（Ａ）は、第１実施形態に係る超音波モータの振動子の出力面における振動振幅の大きさを示す図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の平面図である。図３（Ａ）は、従来の超音波モータの駆動量を説明するための図であり、図３（Ｂ）は、第１実施形態に係る超音波モータの駆動量を説明するための図である。図４（Ａ）は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの駆動子の形状を示すと共に該駆動子上の位置と振動振幅との関係を示す図であり、図４（Ｂ）は、第２実施形態の変形例に係る超音波モータの駆動子の形状を示すと共に該駆動子上の位置と振動振幅との関係を示す図であり、図４（Ｃ）は、本発明の第３実施形態に係る超音波モータの駆動子の形状を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態を説明する。

図１（Ａ）に示すように、本発明の第１実施形態に係る超音波モータは、一方が開口された断面四角形の筒状の筐体１０内に、振動子１２と被駆動体１４を収納し、キャップ１６にて筐体１０の開口部を閉じると共に、被駆動体１４に固着された出力軸１８がキャップ１６に設けられた開口部より取り出されるように構成されている。

ここで、筐体１０及びキャップ１６は、ピーク材等、強度の高い樹脂や金属で構成されている。

振動子１２は、角柱状に形成されたジルコン酸チタン酸鉛等の圧電素子を積層したものであり、その圧電素子の積層状態により、Ｘ軸方向に屈曲するＸ方向屈曲部２０とＹ軸方向に屈曲するＹ方向屈曲部２２とを構成している。そして、この振動子１２に所定の交番信号を供給することで、２つの異なる振動モード、例えば縦振動と屈曲振動を同時に励起して、その合成によって振動子１２の上端面である出力面２４に楕円振動を発生させるようになっている。なお、この振動子１２の構成及び出力面２４に発生される楕円振動の詳細については、上記特許文献１に開示されているので、ここではその説明を省略する。

この振動子１２は、樹脂系材料や金属材料でなる振動子ホルダ２６を介して筐体１０に取り付けられることにより、伸縮変形可能に支持されている。また、振動子ホルダ２６と筐体１０との間には、振動子１２の上記被駆動体１４方向への押圧力を調整し、その適正な押圧力を保持するため、バネやゴム材による押圧機構２８と押圧力調整手段３０とが設けられている。

被駆動体１４は、ジルコニア、アルミナ等セラミクス系材料でなり、球形状に形成されている。そして、上記振動子１２の出力面２４で発生する上記楕円振動を駆動力として摩擦駆動される。この場合、Ｘ方向駆動力とＹ方向駆動力とを調整することにより、任意の方向の駆動力を得ることができる。この駆動方法の詳細についても、上記特許文献１に開示されているので、ここではその説明を省略する。なお、被駆動体１４は多自由度に駆動可能であるが、該被駆動体１４に固着された出力軸１８の移動は、キャップ１６の開口部の大きさ・形状によって規制される。

また、本実施形態に係る超音波モータにおいては、振動子１２と被駆動体１４との間に、耐磨耗性を有する樹脂材（ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）にチタン酸カリウムウィスカを含有させた材料、テフロン（登録商標）樹脂、フッ素樹脂等）で形成された駆動子３２を、上記出力面２４上に接着して設けている。この駆動子３２は、図１（Ｂ）に示すように、振動子１２の出力面２４の大きさに合わせた四角形のベース部３４から、振動子１２とは対向する方向つまり被駆動体１４に向かって突出する突出部分を持つ凸形状に形成された接触部３６を有している。

この接触部３６の一方向面（被駆動体１４と接する接触面３８）側は、球形状の被駆動体１４の曲率に合わせて、すり鉢状に加工してある。また、この接触部３６は、上記振動子１２の出力面２４上の直交軸（ＸＹ軸）に対して、対称性を持って配置されるものであり、本実施形態では、接触部３６は点対称となる円環状に配置される。

上記振動子１２の出力面２４は、上述したように楕円振動するものであるが、その出力面２４上の各位置での振動振幅を測定したところ、図２に示すようになっていることが判明した。図２において、ハッチングが細かい程、振動振幅が大きいことを示している。

図２に示すように、出力面２４の楕円振動は、その出力面２４上の位置により振動振幅が異なり、振動振幅が周囲と比較して大きい領域が複数存在することが判明した。この振動振幅は、出力面２４の中央部は小さく、該中央部より対角方向に離れるに従って大きくなり、中央部から一定距離を置いた後は、一方の対角方向についてはそのまま大きくなり、それに直交する対角方向には小さくなっていく。

なお、これは、振動モード、共振周波数を変更することで、対角方向ではなく、軸方向等、任意の方向に振動振幅の大きさが変化していくようにすることができる。

そこで、上記円環状の接触部３６は、この振動振幅が大きい領域を少なくとも２つ以上含むように、その径と配置位置が決定される。本実施形態では、図２の楕円振動において一方の対角方向の振動振幅が大きい２つの領域と、それらの領域よりは若干振動振幅が小さいが中央部よりは非常に大きな振動振幅を持つ他方の対角方向の２つの領域と、を含んでいる。これにより、図１（Ｂ）に示すように、駆動子３２のＡ−Ａ’断面での振動振幅が大きい位置に、被駆動体１４との接触面３８が配されることとなる。

以上のような構成の超音波モータでは、駆動子３２に被駆動体１４と複数箇所で接触する接触部３６を設け、該接触部３６の被駆動体１４と接する接触面３８を、被駆動体１４の曲率に合わせたすり鉢状として被駆動体１４と面接触することにより、被駆動体１４を安定保持できるので、被駆動体１４の接触面の状態が安定することにより、安定した駆動が実現できる。さらに、接触部３６は、上記振動子１２の出力面２４上の直交軸に対して対称性を持って配置される、例えば点対称となる円環状に配置されるので、被駆動体１４を安定して保持できる。

また、駆動子３２の材質として、耐摩耗性の樹脂材を用いているので、被駆動体１４との接触状態が安定に保たれることより、さらに駆動が安定する。

さらに、底面が四角形のベース部３４の上に接触部３６を一体成形して駆動子３２を形成しているので、この駆動子３２の振動子１２への組立性も良好である。

また、駆動子３２は、振動振幅の大きい領域を選択的に取り出すような接触部３６の配置としているので、被駆動体１４は振動子１２の振動振幅が小さい部分には接することなく、振動振幅が大きい箇所で被駆動体１４を駆動することが可能になる。従って、被駆動体１４の駆動量を大きくすることができる。

即ち、図３（Ａ）に示すように、従来は、振動振幅が周りに比べて一番小さくなっている箇所である中央部で、白抜き矢印で示すように被駆動体１４を摩擦駆動している。その時の振動子１２の振動周期１周期で被駆動体１４が回転される角度は、θ１である。

同様に、図３（Ｂ）に示す本実施形態に係る超音波モータでは、振動子１２を振動モード、共振周波数も従来のものと同一とし、且つ、被駆動体１４を重さ、面粗さなども従来のものと同一とした場合に、振動振幅が従来よりも大きい箇所で、白抜き矢印で示すように被駆動体１４を摩擦駆動している。その時の振動子１２の振動周期１周期で被駆動体１４が回転される角度は、θ２である。

ここで、図中の白抜き矢印の長さが振動振幅の大きさを表し、図２に示すように測定されている。

従って、振動周期で被駆動体１４が駆動される量の関係は、θ２＞θ１となり、本実施形態に係る超音波モータの方が大きく駆動できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同じ参照符号を付すことで、その説明を省略する。以下、上記第１実施形態と異なる部分を説明する。その他の部分は上記第１実施形態と同様である。

上記第１実施形態では、駆動子３２は、接触部３６を環状形状に形成している。これに対して、本第２実施形態に係る超音波モータは、図４（Ａ）又は図４（Ｂ）に示すように、円環状の接触部３６の一部を取り除いた線対称のものとしている。即ち、駆動子３２は、振動振幅が周囲と比較して大きい領域を４つ含むような接触部３６を有している。ここで、４つの接触部３６の位置は、望まれる出力軸１８の摺動方向に応じて決定することができる。

このような構成とすることにより、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、本実施形態は、接触部３６を、点対称ではなく線対称となる対称性を持って配置しているので、上記第１実施形態よりも若干落ちるが、被駆動体１４を安定して保持できることに変りはない。

更に、上記第１実施形態では、接触部３６が円環状であるので、振動振幅が大きな領域の駆動力をそのまま利用することはできず、振動振幅が大きな領域とそれ以外の領域の振動振幅による平均の振動振幅による駆動力しか得られない。これに対して、本実施形態では、振動振幅の大きな領域のみを選択的に取り出すことができるので、つまり、大きな駆動力がそのまま利用できるので、上記第１実施形態よりも大きな駆動力が得られる。

なお、接触部３６の個数は４つに限定されるものではなく、対称性を持って２つ以上配置すれば良いことは勿論である。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態を説明する。なお、上記第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同じ参照符号を付すことで、その説明を省略する。以下、上記第１又は第２実施形態と異なる部分を説明する。その他の部分は上記第１又は第２実施形態と同様である。

上記第１又は第２実施形態に係る超音波モータでは、駆動子３２の接触部３６は、ベース部３４から振動子１２とは対向する方向つまり被駆動体１４に向かって垂直に突出する突出部分として構成されている。これに対して、本第３実施形態に係る超音波モータは、図４（Ｃ）に示すように、接触部３６を、上記突出部分が、被駆動体１４に向けて断面積が小さくなっていく先細り形状を有するものとしている。

このような構成とすることにより、上記第１又は第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

さらに、接触部３６において、超音波ホーンのごとく、図中矢印で示すように振動エネルギーを被駆動体１４に向けて集中させていくことができるので、即ち、振動エネルギーのロスを低減することができるので、より駆動力を大きくすることができる。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

例えば、被駆動体１４は球形状である必要はなく、少なくとも駆動子３２と接触する接触部３６分の面形状が球面を有していれば良い。

また、振動子１２のＸ方向屈曲部２０とＹ方向屈曲部２２とは上下逆に配置しても構わない。

１０…筐体、１２…振動子、１４…被駆動体、１６…キャップ、１８…出力軸、２０…Ｘ方向屈曲部、２２…Ｙ方向屈曲部、２４…出力面、２６…振動子ホルダ、２８…押圧機構、３０…押圧力調整手段、３２…駆動子、３４…ベース部、３６…接触部、３８…接触面。

Claims

被駆動体を多自由度に駆動可能な超音波モータであって、
２つの異なる振動モードを同時に励起して、出力面に楕円振動を発生する振動子と、
上記出力面で発生する上記楕円振動を駆動力として駆動される被駆動体と、
上記出力面と上記被駆動体との間に介在する駆動子と、
を備え、
上記被駆動体は、少なくとも上記出力面に上記駆動子を介して接触する接触部分の面形状が球面を有し、
上記楕円振動は、上記出力面上の位置により振動振幅が異なり、
上記出力面は、上記楕円運動の振動振幅が周囲と比較して大きい領域を複数有し、
上記駆動子は、上記振動振幅が周囲と比較して大きい領域を少なくとも２以上含むような接触部を有して、上記出力面上に形成される、
ことを特徴とする超音波モータ。
上記接触部は、上記出力面上の直交軸に対して、対称性を持って配置されることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
上記接触部は、上記直交軸に対して点対称を持って上記出力面上に配置されることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
上記接触部は、上記直交軸に対して線対称を持って上記出力面上に配置されることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
上記接触部は、上記出力面から上記被駆動体に向かって延出する突出部分を持つ凸形状に形成され、
上記突出部分の一部が上記被駆動体と接触する接触面を構成する、
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
上記接触面は、上記被駆動体の球面曲率に合わせたすり鉢形状になっていることを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
上記突出部分は、上記被駆動体に向けて断面積が小さくなっていく先細り形状を有することを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
上記駆動子の材質は、樹脂材を用いたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の超音波モータ。
上記２つの振動モードは、縦振動と屈曲振動であり、その合成によって上記楕円振動が発生されることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の超音波モータ。