JP3673172B2 - 超音波モータ、及びステータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータ、及びステータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波モータとしては、図５及び６に示すような定在波型（所謂ボルト締めランジュバン型）のものがある。この超音波モータは、ステータ５１とロータ５２とを備えている。ステータ５１は、金属ブロック５３，５４、圧電素子５５，５６、電極板５７〜５９、及びボルト６０を備えている。各部材５３〜５９は、図６に示すように円柱状に積層されて、両ブロック５３，５４がボルト６０にて締め付けられることにより連結固定されている。
【０００３】
詳述すると、各ブロック５３，５４は略円筒形状に形成され、その外周面下端側には、切り欠かれることで平坦とされた係合面５３ａ，５４ａが周方向に４つ等角度（９０°）間隔に形成されている。圧電素子５５，５６及び電極板５７〜５９は円板状に形成され、それらの外径は、図６に示すように、係合面５３ａ，５４ａが形成された部位の外径と同じに設定されている。そして、両ブロック５３，５４が圧電素子５５，５６及び電極板５７〜５９を挟んだ状態で、係合面５３ａ，５４ａを図示しない治具（トルクレンチ等）にてそれぞれチャック（狭持）して、両ブロック５３，５４をボルト６０に螺合させて締結している。このように金属ブロック５３，５４に係合面５３ａ，５４ａを設け、治具を係合させて締結するため、ステータ１は容易に組み立てられる。
【０００４】
このステータ１の下部外周、詳しくは下側の金属ブロック５３の外周面上端側には、縦振動が励起されると捩り振動を発生するスリット５３ｂが周方向に複数形成されている。尚、上側の金属ブロック５４の環状の上端面には、薄肉の摩擦材（ライニング材）６１が貼付されている。
【０００５】
ロータ５２は、略円筒状に形成され、図示しない加圧機構によりステータ５１の上面、即ち金属ブロック５４に貼付された摩擦材６１に摺動回転可能に加圧接触されている。ロータ５２の外周には、縦振動が励起されると捩り振動を発生するスリット５２ａが周方向に複数形成されている。
【０００６】
このような超音波モータでは、電極板５７〜５９に、共振周波数（ステータ５１とロータ５２との共通の共振周波数）の高周波電圧が印加されると、圧電素子５５，５６にて縦振動が発生され、該振動に基づいて金属ブロック５３のスリット５３ｂにて捩り振動が発生される。そして、その捩り振動と縦振動とが合成されてステータ５１（摩擦材６１の上端面）に複合振動が生じる。又、ステータ５１（摩擦材６１の上端面）に加圧接触されたロータ５２では、ステータ５１の縦振動成分に基づいてスリット５２ａにて捩り振動が発生される。そして、ステータ５１及びロータ５２の捩り振動成分による推進力でロータ５２が回転する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような超音波モータでは、金属ブロック５４の下端面に電極板５７を介して当接された圧電素子５５の外径が係合面５３ａ，５４ａが形成された部位の外径と同じに設定され、締結時の応力により金属ブロック５４が塑性変形することから、圧電素子５５の一部分に集中して応力がかかることになる。尚、この集中して応力がかかる個所は、係合面５４ａと対応した位置である。例えば、対向する２つの係合面５４ａを挟むように係合されるスパナ等を用いて金属ブロック５４を回転させて締結した場合、図７のＦＥＭ解析にて特定した圧電素子５５における応力分布の模式図に示すように、スパナが係合される２つの係合面５４ａと対応した位置Ｘに集中して大きな応力がかかる。よって、締結時に圧電素子５５が破損したり、締結後に圧電素子５５が破損し易くなるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、圧電素子の破損を低減することができる超音波モータ、及びステータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、圧電素子が複数の金属ブロック体に挟まれた状態で、軸方向に挿通する締結部材により締結されてなるステータと、前記ステータの一端面に回転可能に加圧接触されたロータとを備え、前記ステータに発生する振動により前記ロータを回転駆動する超音波モータにおいて、前記金属ブロック体の少なくとも１つの外周面には、締結時に該金属ブロック体を回転させるための治具が係合される係合部が形成され、前記金属ブロック体が該金属ブロック体の中心軸に対して締結方向に回転する際の前記係合部における締結方向の先端部分には、前記圧電素子側端部に向かうほど面が広くなる切り欠き部が形成されている。
【００１２】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の超音波モータにおいて、前記係合部は、前記ロータ側の前記金属ブロック体の前記圧電素子側端部に形成された。
【００１４】
請求項３に記載の発明では、圧電素子が複数の金属ブロック体に挟まれた状態で、軸方向に挿通する締結部材により締結されてなる超音波モータのステータにおいて、前記金属ブロック体の少なくとも１つの外周面には、締結時に該金属ブロック体を回転させるための治具が係合される係合部が形成され、前記金属ブロック体が該金属ブロック体の中心軸に対して締結方向に回転する際の前記係合部における締結方向の先端部分には、前記圧電素子側端部に向かうほど面が広くなる切り欠き部が形成されている。
【００１５】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、圧電素子の外径は、締結時に治具が係合される係合部が形成された部位の外径より小さく設定されるため、圧電素子の一部にかかる応力が低減される。さらに、金属ブロック体の締結時に治具が係合される係合部における締結方向の先端部分には、圧電素子側端部に向かうほど面が広くなる切り欠き部が形成されるため、圧電素子の一部にかかる応力が低減される。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、係合部がロータ側の金属ブロック体の圧電素子側端部に形成されるため、言い換えると、ロータ接触面から離れて形成されるため、ロータ接触面に悪影響を与え難い。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、金属ブロック体の締結時に治具が係合される係合部における締結方向の先端部分には、圧電素子側端部に向かうほど面が広くなる切り欠き部が形成されるため、圧電素子の一部にかかる応力が低減される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図３に従って説明する。図１及び図２に示すように、超音波モータは、ステータ１とロータ２とを備えている。ステータ１は、下側金属ブロック３、上側金属ブロック４、第１及び第２圧電素子５，６、第１〜第３電極板７〜９、締結部材としてのボルト１０、及び絶縁カラー１１を備えている。
【００２２】
下側及び上側金属ブロック３，４は、導電性金属よりなり、本実施形態ではアルミ合金にて形成されている。下側金属ブロック３は、略円筒状に形成され、その外周面下端側には、切り欠かれることで平坦とされた係合部としての係合面３ａが周方向に４つ等角度（９０°）間隔に形成されている。又、下側金属ブロック３の貫通孔の内周面には雌ネジ３ｂが形成されている。又、下側金属ブロック３の外周面上端側には、縦振動が励起されると捩り振動を発生する複数のスリット（凹部）３ｃが形成されている。尚、下側金属ブロック３の外周には、内周に係合面３ａと対応した直線部を有する環状の固定用リング１２が下方から嵌着されている。この固定用リング１２は、ステータ１の捩り振動を阻害しない位置に配設され、ステータ１を外部の図示しない被固定部に固定するための固定部となる。
【００２３】
上側金属ブロック４は、内外径が下側金属ブロック３と同じ略円筒状に形成され、その外周面下端側には、切り欠かれることで平坦とされた係合部としての係合面４ａが周方向に４つ等角度（９０°）間隔に形成されている。又、上側金属ブロック４の貫通孔の内周面には、雌ネジ４ｂが形成されている。尚、上側金属ブロック４の環状の上端面には薄肉の摩擦材１３が貼付されている。
【００２４】
第１及び第２圧電素子５，６は円板状に形成され、その中心部に貫通孔がそれぞれ形成されている。この第１及び第２圧電素子５，６の内径は、上側金属ブロック４の内径より大きく設定されている（図２参照）。又、第１及び第２圧電素子５，６の外径は、上側金属ブロック４の係合面４ａが形成された部位の外径より小さく設定されている。詳しくは、第１及び第２圧電素子５，６の外径は、上側金属ブロック４の軸中心から係合面３ａまでの最短の長さを半径とした円より小さい径に設定されている（図２参照）。
【００２５】
第１〜第３電極板７〜９は円板状に形成され、その中心部には貫通孔がそれぞれ形成されている。この第１〜第３電極板７〜９の内外径は、第１及び第２圧電素子５，６の内外径と同じに設定されている。
【００２６】
ボルト１０は、略円柱状に形成され、その外周面には雄ネジ１０ａが形成されている。雄ネジ１０ａは、下側及び上側金属ブロック３，４の雌ネジ３ｂ，４ｂと螺合可能な径に設定されている。
【００２７】
絶縁カラー１１は、絶縁性樹脂にて円筒状に形成されている。この絶縁カラー１１は、その外径が前記第１及び第２圧電素子５，６、第１〜第３電極板７〜９の内径と同じに設定され、その内径がボルト１０の外径と同じ（ボルト１０を内嵌可能）に設定されている。
【００２８】
そして、第１及び第２圧電素子５，６と第１〜第３電極板７〜９とを挟んだ下側金属ブロック３と上側金属ブロック４は、その内部を軸線方向に挿通するボルト１０により締結される。詳述すると、図２に示すように、下側金属ブロック３、第３電極板９、第２圧電素子６、第２電極板８、第１圧電素子５、第１電極板７、上側金属ブロック４は、この順で積層され、下側及び上側金属ブロック３，４の雌ネジ３ｂ，４ｂにボルト１０の雄ネジ１０ａが螺合されることにより締結される。尚、このとき、第１及び第２圧電素子５，６は、分極方向がそれぞれ互いに上下逆になるように積層される。又、このとき、第１及び第２圧電素子５，６、第１〜第３電極板７〜９の内周面と、ボルト１０の外周面との間には、絶縁カラー１１が介在される。従って、第１及び第２圧電素子５，６、第１〜第３電極板７〜９の内周面と、ボルト１０の外周面とは電気的に絶縁状態とされる。
【００２９】
ここで、下側金属ブロック３と上側金属ブロック４とは、係合面３ａ，４ａが図示しない治具にてそれぞれチャック（狭持）されて、ボルト１０に螺合されて締結される。このとき、締結時の応力により上側金属ブロック４が塑性変形して、係合面４ａと対応した位置の下端面の径方向外側が大きく下方に突出するが、第１圧電素子５の外径は、上側金属ブロック４の係合面４ａが形成された部位の外径より小さく設定されるため、第１圧電素子５の一部分にかかる応力は従来技術に比べて小さくなる。尚、本実施の形態では、従来技術と同様に、対向する２つの係合面４ａを挟むように係合されるスパナを用いて上側金属ブロック４を回転させて締結している。そして、本実施の形態では、図３のＦＥＭ解析にて特定した第１圧電素子５における応力分布の模式図に示すように、スパナが係合される２つの係合面４ａと対応した位置Ｙにかかる応力が従来技術（図７参照）より小さくなった。
【００３０】
ロータ２は、前記下側金属ブロック３と内外径が同じの略円筒状に形成され、図示しない加圧機構によりステータ１の上端面（摩擦材１３）に摺動回転可能に加圧接触されている。図１に示すように、ロータ２の外周には、縦振動が励起されると捩り振動を発生するスリット２ａが周方向に複数形成されている。
【００３１】
このように構成された超音波モータでは、第１及び第３電極板７，９と、第２電極板８間に、共振周波数（ステータ１とロータ２の共通の共振周波数）の高周波電圧が印加されると、第１及び第２圧電素子５，６にて縦振動が発生され、該振動に基づいて下側金属ブロック３のスリット３ｃにて捩じり振動が発生される。そして、この捩り振動と縦振動とが合成されてロータ２との接触面であるステータ１の上面（摩擦材１３）の上端面に複合振動が生じる。又、ステータ１（摩擦材１３の上端面）に加圧接触されたロータ２では、ステータ１の縦振動成分に基づいてスリット２ａにて捩り振動が発生される。そして、ステータ１及びロータ２の捩り振動成分による推進力でロータ２が回転駆動される。
【００３２】
次に、上記実施の形態の特徴的な効果を以下に記載する。
（１）第１圧電素子５の外径は、締結時に治具が係合される上側金属ブロック４の係合面４ａが形成された部位の外径より小さく設定されるため、第１圧電素子５の一部分にかかる応力が従来技術に比べて小さくなる。よって、締結時及び締結後に第１圧電素子５が破損し難くなる。その結果、超音波モータ（ステータ１）の歩溜り及び耐久性が向上される。
【００３３】
（２）上側金属ブロック４の係合面４ａが、第１圧電素子５側の端部に形成されるため、言い換えると、締結時に治具が係合される係合面４ａがロータ２との接触面から離れて形成されるため、ロータ２との接触面（上側金属ブロック４の上端面（摩擦材１３））を真円とすることができる。また、締結時にロータ２との接触面に歪が生じ難くなる。よって、ロータ２との接触面に悪影響を与え難く、高効率及び高出力でロータ２を回転させることができる。
【００３４】
（３）係合面３ａは、下側金属ブロック３の（スリット３ｃより）下端側に形成されるため、言い換えると、締結時に治具が係合される係合面３ａが第２圧電素子６から離れて形成されるため、第２圧電素子６に応力がかかり難くなる。よって、第２圧電素子６が破損し難くなる。
【００３５】
（４）下側及び上側金属ブロック３，４には、切り欠かれることで平坦とされた係合面３ａ，４ａが形成される。そして、下側金属ブロック３と上側金属ブロック４とは、係合面３ａ，４ａが図示しない治具にてそれぞれチャック（狭持）されて、ボルト１０に螺合されて締結される。よって、容易に係合面３ａ，４ａを形成することができ、且つステータ１を容易に組み付けることができる。
【００３６】
上記実施の形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・上記実施の形態の第１及び第２圧電素子５，６、第１〜第３電極板７〜９を、図４に示すように、その外径が、上側金属ブロック４の係合面４ａが形成された部位の外径と同じに設定された第１及び第２圧電素子２１，２２、第１〜第３電極板２３〜２５に変更する。そして、上側金属ブロック４を、図４に示すように、係合面４ａと同様の係合面２６ａを有し、該係合面２６ａと対応した位置に締結時における第１圧電素子２１の一部への応力を緩和するための応力緩和部としての切り欠き部２６ｂが形成された上側金属ブロック２６に変更する。切り欠き部２６ｂは、係合面２６ａの周方向端部に、第１圧電素子２１側端部に向かうほど面が広くなるように切り欠かれて形成されている。尚、図４に示す切り欠き部２６ｂは、係合面２６ａの時計回り方向（矢印Ａ方向）端部に形成され、上側金属ブロック２６を時計回り方向に回転させて締結する場合に、上側金属ブロック２６の下端面の塑性変形量を小さくし、締結時における第１圧電素子２１の一部への応力を緩和（低減）する。このようにしても、締結時及び締結後に第１圧電素子２１が破損し難くなる。その結果、超音波モータ（ステータ）の歩溜り及び耐久性が向上される。
【００３７】
・上記別例（図４参照）では、係合面２６ａの周方向端部に、第１圧電素子２１側端部に向かうほど面が広くなるように切り欠かれて形成された切り欠き部２６ｂを設けることで、第１圧電素子２１の一部への応力を緩和するとしたが、締結時における第１圧電素子２１の一部への応力を緩和することができれば、切り欠き部２６ｂを他の形状の応力緩和部に変更してもよい。このようにしても、締結時及び締結後に第１圧電素子２１が破損し難くなる。
【００３８】
・上記別例（図４参照）の第１及び第２圧電素子２１，２２、第１〜第３電極板２３〜２５を、上記実施の形態の第１及び第２圧電素子５，６、第１〜第３電極板７〜９に変更してもよい。このようにすると、締結時及び締結後に更に第１圧電素子５が破損し難くなる。
【００３９】
・上記実施の形態の係合面３ａ，４ａを、締結時に治具が回転方向に係合可能であれば他の形状の係合部に変更してもよい。例えば、係合面３ａ，４ａを凹部や凸部に変更してもよい。尚、この場合、係合部に応じて第１及び第２圧電素子５，６、第１〜第３電極板７〜９の外径を適宜変更する必要がある。このようにしても、上記実施の形態の効果（１）〜（３）と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
・上記実施の形態では、係合面３ａ，４ａを下側及び上側金属ブロック３，４の下端側に形成したが、他の個所、例えば下側及び上側金属ブロック３，４の軸線方向中間部に形成してもよい。このようにしても、締結時及び締結後に第１圧電素子５が破損し難くなる。
【００４１】
・上記実施の形態では、係合面３ａ，４ａを下側及び上側金属ブロック３，４の周方向に４つ等角度（９０°）間隔に形成したが、それらの個数や間隔を適宜変更してもよい。このようにしても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
・上記実施の形態では、対向する２つの係合面４ａを挟むように係合されるスパナを用いて上側金属ブロック４を回転させて締結するとしたが、４つの係合面４ａ全てをチャック（狭持）する他の治具を用いて上側金属ブロック４を回転させるようにしてもよい。このようにすると、上記実施の形態（図３参照）に比べて、一箇所の係合面４ａにかかる応力が分散されるため、更に第１圧電素子５の一部分にかかる応力が小さくなる。よって、締結時及び締結後に第１圧電素子５が更に破損し難くなる。
【００４３】
・上記実施の形態のステータ１は、２つの金属ブロック（下側及び上側金属ブロック３，４）を備えたものとしたが、金属ブロックの個数を適宜変更してもよい。例えば、金属ブロックを３つ備えたものとしてもよい。
【００４４】
・上記実施の形態のステータ１は、２つの圧電素子（第１及び第２圧電素子５，６）を備えたものとしたが、圧電素子の個数を適宜変更してもよい。例えば、圧電素子を１つや、３つ備えたものとしてもよい。
【００４５】
・上記実施の形態のステータ１は、３つの電極板（第１〜第３電極板７〜９）を備えたものとしたが、電極板の個数を適宜変更してもよい。例えば、電極板を備えていないもの（金属ブロック自体が電極板の役目を果たすもの）や、２つ備えたものとしてもよい。
【００４６】
・上記実施の形態では、ステータ１とロータ２の両方の捩り振動成分を利用してロータ２を回転させる超音波モータに具体化したが、ステータが発生する捩り振動成分のみを利用してロータを回転させる超音波モータや、ロータが発生する捩り振動成分のみを利用してロータを回転させる超音波モータ等に具体化してもよい。このようにしても、上記実施の形態の効果と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
上記各実施の形態から把握できる技術的思想について、以下にその効果とともに記載する。
（イ）前記ロータの反対側の前記金属ブロック体には、前記圧電素子側端部に縦振動に基づいて捩り振動を発生するスリットが形成され、そのスリットより他端部側に前記係合部が形成されたことを特徴とする超音波モータ。このようにすると、ロータの反対側の金属ブロック体の係合部は、圧電素子側端部に形成された縦振動に基づいて捩り振動を発生するスリットより他端部側に形成されるため、言い換えると、締結時に治具が係合される係合部が圧電素子から離れて形成されるため、圧電素子の一部に応力がかかり難くなる。
【００４８】
（ロ）前記係合部は、前記金属ブロック体の外周面を切り欠かくことで平坦に形成された係合面であることを特徴とする超音波モータ。このようにすると、係合部を容易に形成することができる。
【００４９】
（ハ）前記係合部は、前記金属ブロック体の前記圧電素子側端部に、切り欠かれることで平坦に形成された係合面であり、前記応力緩和部は、前記係合面の周方向端部に、前記圧電素子側端部に向かうほど面が広くなるように形成された切り欠き部であることを特徴とする超音波モータのステータ。このようにすると、係合部を容易に形成することができるとともに、圧電素子の一部にかかる応力が低減される。
【００５０】
（ニ）前記係合部は、ロータが加圧接触される側の前記金属ブロック体の前記圧電素子側端部に形成されたことを特徴とする超音波モータのステータ。このようにすると、係合部がロータ接触面から離れて形成されるため、ロータ接触面に悪影響を与え難い。
【００５１】
（ホ）ロータが加圧接触される反対側の前記金属ブロック体には、前記圧電素子側端部に縦振動に基づいて捩り振動を発生するスリットが形成され、そのスリットより他端部側に前記係合部が形成されたことを特徴とする超音波モータのステータ。このようにすると、ロータが加圧接触される反対側の金属ブロック体の係合部は、圧電素子側端部に形成された縦振動に基づいて捩り振動を発生するスリットより他端部側に形成されるため、言い換えると、締結時に治具が係合される係合部が圧電素子から離れて形成されるため、圧電素子の一部に応力がかかり難くなる。
【００５２】
（ヘ）前記係合部は、前記金属ブロック体の外周面を切り欠かくことで平坦に形成された係合面であることを特徴とする超音波モータのステータ。このようにすると、係合部を容易に形成することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１，２に記載の発明によれば、圧電素子の破損を低減することができる超音波モータを提供することができる。
【００５４】
又、請求項３に記載の発明によれば、圧電素子の破損を低減することができる超音波モータのステータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態における超音波モータの分解斜視図。
【図２】本実施の形態における超音波モータの要部縦断面図。
【図３】ＦＥＭ解析にて特定した第１圧電素子の応力分布の模式図。
【図４】別例における超音波モータの分解斜視図。
【図５】従来技術における超音波モータの分解斜視図。
【図６】従来技術における超音波モータの要部縦断面図。
【図７】ＦＥＭ解析にて特定した圧電素子の応力分布の模式図。
【符号の説明】
１…ステータ、２…ロータ、３…下側金属ブロック（金属ブロック体），４，２６…上側金属ブロック（金属ブロック体）、５，６，２１，２２…第１及び第２圧電素子（圧電素子）、１０…ボルト（締結部材）、３ａ，４ａ，２６ａ…係合面（係合部）、２６ｂ…切り欠き部（応力緩和部）。

Claims (3)

1. 圧電素子（２１，２２）が複数の金属ブロック体（３，２６）に挟まれた状態で、軸方向に挿通する締結部材（１０）により締結されてなるステータ（１）と、
   前記ステータ（１）の一端面に回転可能に加圧接触されたロータ（２）と
   を備え、前記ステータ（１）に発生する振動により前記ロータ（２）を回転駆動する超音波モータにおいて、
   前記金属ブロック体（３，２６）の少なくとも１つの外周面には、締結時に該金属ブロック体（３，２６）を回転させるための治具が係合される係合部（３ａ，２６ａ）が形成されており、
   前記金属ブロック体（２６）が該金属ブロック体（２６）の中心軸に対して締結方向に回転する際の前記係合部（２６ａ）における締結方向の先端部分には、前記圧電素子（２１）側端部に向かうほど面が広くなる切り欠き部（２６ｂ）が形成されていることを特徴とする超音波モータ。
2. 請求項１に記載の超音波モータにおいて、
   前記係合部（２６ａ）は、前記ロータ（２）側の前記金属ブロック体（２６）の前記圧電素子（２１）側端部に形成されたことを特徴とする超音波モータ。
3. 圧電素子（２１，２２）が複数の金属ブロック体（３，２６）に挟まれた状態で、軸方向に挿通する締結部材（１０）により締結されてなる超音波モータのステータにおいて、
   前記金属ブロック体（３，２６）の少なくとも１つの外周面には、締結時に該金属ブロック体（３，２６）を回転させるための治具が係合される係合部（３ａ，２６ａ）が形成され、
   前記金属ブロック体（２６）が該金属ブロック体（２６）の中心軸に対して締結方向に回転する際の前記係合部（２６ａ）における締結方向の先端部分には、前記圧電素子（２１）側端部に向かうほど面が広くなる切り欠き部（２６ｂ）が形成されている超音波モータのステータ。

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