JP4053896B2

JP4053896B2 - 超音波モータ

Info

Publication number: JP4053896B2
Application number: JP2003014905A
Authority: JP
Inventors: 晶彦菰田; 元康谷野; 幸弘松下
Original assignee: Asmo Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: US6882085B2; JP2004229422A; US20040145275A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モ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、略円柱形状の定在波型（所謂ボルト締めランジュバン型）のものがある（例えば、特許文献１参照。）。この超音波モータは、ステータとロータとを備えている。ステータは、２枚の圧電素子が複数の金属ブロックに挟まれた状態で、該圧電素子及び該金属ブロックの内部で軸方向に挿通するボルトにより締結されてなり、略円柱形状に形成されている。このステータの下部外周、即ち下側の金属ブロックの外周には、圧電素子による縦振動に基づいて捩り振動を発生するためのスリット部が圧電素子に隣接して形成されている。ロータは、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の上面、即ち上側の金属ブロックの上端面に摺動回転可能に加圧接触される。
【０００３】
この超音波モータでは、圧電素子に高周波電圧が供給されると、圧電素子にて縦振動が発生されるとともに、スリット部にて縦振動に基づいた捩り振動が発生されることでロータが回転駆動される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１５５２８８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような超音波モータでは、下側の金属ブロックにおいて前記スリット部の下側に、外部（モータケース等）に固定するための固定用凸部がフランジ状に突出して配設されている。しかしながら、上記のような固定用凸部は、超音波モータの駆動時に大きく振動しようとしてしまうという問題がある。言い換えると、固定用凸部は、ステータ（下側の金属ブロック）の下端（下面）を平板上に設置した状態における超音波モータの駆動時に大きく（固定用凸部の下端（下面）の振動速度が速い速度で）振動してしまうという問題がある。このことは、外部（モータケース等）に固定用凸部を固定して超音波モータを駆動させたとき、外部に大きな振動が伝搬されたり、ステータの振動を大きく阻害してしまうことから安定したモータ性能を得られない（抵抗率や回転むらの発生）原因となる。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、固定用凸部の振動を低減することができる超音波モータを提供することにある。
【０００７】
【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に挟まれた状態で締結されてなり、前記金属ブロックに縦振動に基づいて捩り振動を発生するためのスリット部が形成され、前記圧電素子に高周波電圧が印加されることにより振動する略円柱形状のステータと、前記ステータの上端面に摺動可能に加圧接触され、前記ステータの振動に基づいて回転するロータとを備えた超音波モータにおいて、前記金属ブロックは、外部に固定するための固定用凸部を周方向に複数有し、前記固定用凸部を、その固有値が前記ロータを駆動させる高周波電圧の駆動周波数範囲と異なるように設定し、且つ、周方向に複数設けられる前記スリット部の間に配置するとともに、その上端を前記スリット部の下端より上方に配置した。
【０００８】
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、前記固定用凸部の下端を、前記スリット部の下端と同じ高さに配置した。
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に挟まれた状態で締結されてなり、前記金属ブロックに縦振動に基づいて捩り振動を発生するためのスリット部が形成され、前記圧電素子に高周波電圧が印加されることにより振動する略円柱形状のステータと、前記ステータの上端に摺動可能に加圧接触され、前記ステータの振動に基づいて回転するロータとを備えた超音波モータにおいて、前記ステータは、外部に固定するための固定用凸部を周方向に複数有し、前記固定用凸部を、周方向に複数設けられる前記スリット部の間に配置するとともに、その上端を前記スリット部の下端より上方に配置した。
【０００９】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、固定用凸部は、その固有値が前記ロータを駆動させる高周波電圧の駆動周波数範囲と異なるように設定されるため、振動し難くなる。しかも、固定用凸部は、周方向に複数設けられるスリット部の間に配置されるとともに、その上端がスリット部の下端より上方に配置されるため、その振動を更に低減することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、固定用凸部は、その下端がスリット部の下端と同じ高さに配置されるため、その振動を更に低減することができる。
請求項３に記載の発明によれば、固定用凸部は、周方向に複数設けられるスリット部の間に配置されるとともに、その上端がスリット部の下端より上方に配置されるため、その振動を低減することができる。
【００１１】
【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８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、上側金属ブロック３、下側金属ブロック４、第１及び第２圧電素子５，６、第１及び第２電極板７，８、締結部材としてのボルト９、及び絶縁カラー１０を備えている。
【００１２】
上側及び下側金属ブロック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。上側金属ブロック３は、略円筒状に形成されている。上側金属ブロック３の上部には、その内径が大きくされることで、上端面に発生する振動を増幅するためのホーン部３ａが形成されている。又、上側金属ブロック３のホーン部３ａを除く内周面には、雌ネジ３ｂが形成されている。尚、上側金属ブロック３の上端面には薄肉の摩擦材１１が貼付されている。
【００１３】
下側金属ブロック４は、内外径が上側金属ブロック３と同じ略円筒状に形成されている。下側金属ブロック４の上部（図１及び図２中、上部）外周には、励起される縦振動に基づいて捩り振動を発生する振動変換部としてのスリット部（凹部）４ａが形成されている。このスリット部４ａは、周方向に複数（本実施の形態では等角度（６０度）間隔に６個）形成されている。又、スリット部４ａは、（軸直交方向から見て）それぞれ軸方向に対して傾斜している。又、本実施の形態のスリット部４ａは、その下端側に向かうほど上方から見て時計回り方向（右回り方向）に向かって延びるように傾斜してしる。
【００１４】
又、下側金属ブロック４の中央部（軸方向中央部）外周には、外部（図示しないモータケース等）に固定するための固定用凸部４ｂが径方向外側に突出して周方向に複数形成されている。尚、固定用凸部４ｂの詳細については後述することとする。
【００１５】
又、下側金属ブロック４の内周面（図２中、破線で示す）には、雌ネジ４ｃが形成されている。
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、上側及び下側金属ブロック３，４の内径より大きく設定されている。
【００１６】
第１及び第２電極板７，８は略円板状に形成され、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及び第２電極板７，８の内径は、第１及び第２圧電素子５，６の内径と同じに設定されている。
【００１７】
ボルト９は、その外周に雄ネジ９ａが形成された略円柱形状のものであって、前記雌ネジ３ｂ，４ｃに螺合可能とされている。
絶縁カラー１０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１０は、その外径が前記第１及び第２圧電素子５，６、第１及び第２電極板７，８の内径と同じに設定され、その内径がボルト９の雄ネジ９ａの外径と同じ（ボルト９を内嵌可能）に設定されている。
【００１８】
そして、第１及び第２圧電素子５，６と第１及び第２電極板７，８とを挟んだ上側及び下側金属ブロック３，４は、その内部を軸線方向に挿通するボルト９により締結される。詳述すると、下側金属ブロック４、第２電極板８、第２圧電素子６、第１電極板７、第１圧電素子５、上側金属ブロック３は、この順で積層され、その内部に挿通されるボルト９（雄ネジ９ａ）が上側及び下側金属ブロック３，４の雌ネジ３ｂ，４ｃに螺合されることで締結されている。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及び第２電極板７，８の内周面と、ボルト９の雄ネジ９ａの外周面との間には、絶縁カラー１０が介在される。従って、第１及び第２圧電素子５，６、第１及び第２電極板７，８の内周面と、ボルト９の外周面とは電気的に絶縁状態とされる。又、このとき、第２電極板８は、下側金属ブロック４及びボルト９を介して上側金属ブロック３と電気的に接続状態となる。
【００１９】
ロータ２は、前記上側及び下側金属ブロック３，４と直径（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の上面、即ち上側金属ブロック３（摩擦材１１）の上端面に摺動回転可能に加圧接触されている。このロータ２の外周には、励起される縦振動に基づいて捩り振動を発生するロータスリット部（凹部）２ａが周方向に複数形成されている。このロータスリット部２ａは、（軸直交方向から見て）それぞれ軸線方向に対して傾斜している。尚、ロータスリット部２ａは、前記ステータ１のスリット部４ａの逆方向に傾斜している。
【００２０】
このように構成された超音波モータでは、第１及び第２電極板７，８間に、第１の共振周波数ｆ１（例えば、６４ｋＨｚ）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る。すると、該振動に基づいてステータ１のスリット部４ａにて捩じり振動が発生される。このとき、ステータ１の上面、即ち上側金属ブロック３（摩擦材１１）の上端面の振動は、大きな捩り振動と縦振動とが合成された複合振動となっている。すると、ステータ１の縦振動成分による浮力と捩り振動成分による推進力にてロータ２が一方向に（第１の回転特性で）回転する（ステータ主体モード）。
【００２１】
又、第１及び第２電極板７，８間に、第２の共振周波数ｆ２（例えば、６７ｋＨｚ）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る。すると、該振動に基づいてステータ１のスリット部４ａにて捩じり振動が発生される。このとき、ステータ１の上面、即ち上側金属ブロック３（摩擦材１１）の上端面の振動は、前記捩り振動（ステータ主体モード）の反対方向に捩れる小さい捩り振動と縦振動とが合成された複合振動となっている。ここで、ロータ２の固有値（共振周波数）は、前記第２の共振周波数ｆ２と重なるように設定されている。このことから、ロータ２では、ステータ１の振動に基づいて（共振して）ロータスリット部２ａにて大きな捩り振動が発生される。このとき、ロータスリット部２ａにて発生される捩り振動は、自身を他方向（ステータ主体モードの逆方向）に回転させるように働く振動である。よって、ステータ１の縦振動成分による浮力と捩り振動成分による推進力とロータ２自身の捩り振動成分にてロータ２が他方向に（第２の回転特性で）回転する（ロータ主体モード）。
【００２２】
次に、前記固定用凸部４ｂについて詳述する。固定用凸部４ｂは、その固有値（共振周波数）がロータ２を駆動させる高周波電圧の駆動周波数範囲と異なるように設定されている。尚、前記駆動周波数範囲は、前記第１の共振周波数ｆ１（６４ｋＨｚ）から前記第２の共振周波数ｆ２（６７ｋＨｚ）までを含む。又、前記駆動周波数範囲は、状況（製造ばらつきや温度変化等）により変化する前記第１及び第２の共振周波数（ロータ２を駆動させる周波数）の変化範囲を含む。そして、本実施の形態では、駆動周波数範囲は、６０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚに設定されている。即ち、本実施の形態の固定用凸部４ｂは、その固有値（共振周波数）が６０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ内に入らないように、その形状（周方向の幅や軸線方向の高さ等）が設定されている。
【００２３】
上記のように形状が設定された固定用凸部４ｂは、その周方向の位置が周方向に複数設けられる前記スリット部４ａの間に（隣り合うスリット部４ａの間にそれぞれ）配置されるとともに、その上端がスリット部４ａの下端より上方に配置されている。詳しくは、本実施の形態の固定用凸部４ｂは、図１に示すように、その中心点Ｘがスリット部４ａの下端（その中心点）Ｙより上方から見て時計回り方向（右回り方向）に１５度（θ１）ずれるように配置されている。又、本実施の形態の固定用凸部４ｂは、図２に示すように、その下端がスリット部４ａの下端と同じ高さに配置されている。
【００２４】
ここで、上記のような超音波モータ（ステータ１）において、固定用凸部４ｂの位置を変化させた場合の各振動の実験結果について説明する。
まず、周方向位置（角度）−振動速度特性の実験結果を、図３〜６を用いて説明する。周方向位置（角度）は、固定用凸部４ｂの中心点Ｘがスリット部４ａの下端（その中心点）Ｙより上方から見て時計回り方向（右回り方向）にずれた角度である。即ち、図３に示すように、固定用凸部４ｂの中心点Ｘがスリット部４ａの下端（その中心点）Ｙと周方向に一致している状態が、基準角度であり、０度である。又、図４は、固定用凸部４ｂの中心点Ｘがスリット部４ａの下端（その中心点）Ｙより上方から見て時計回り方向（右回り方向）に３０度（θ２）ずれるように配置された超音波モータを示す。尚、この実験は、固定用凸部４ｂの上端がスリット部４ａの下端と同じ高さで一定に配置された状態（図３及び図４参照）で行われている。
【００２５】
図５は、ステータ１の上端面（即ちロータ２との接触面）における周方向位置（角度）−振動速度特性の実験結果である。図５に示すように、ステータ１の上端面には、前記周方向位置（角度）に関わらず、縦振動及び捩り振動が略一定の振動速度で発生している。
【００２６】
図６は、固定用凸部４ｂの下端（下面）における周方向位置（角度）−振動速度特性の実験結果である。尚、この実験は、ステータ１（下側金属ブロック４）の下端（下面）を平板上に設置した状態（固定用凸部４ｂを支持しない状態）で行われている。図６に示すように、固定用凸部４ｂの下端に発生する縦振動は、周方向位置（角度）が１５度の状態で最も小さく（約６ｍ／ｓｅｃに）なっている。これにより、本実施の形態の超音波モータ（図１及び図２参照）では、固定用凸部４ｂの周方向位置（角度）を１５度に設定している。
【００２７】
又、軸方向位置（高さ）−振動速度特性の実験結果を、図３、図４、図７及び図８を用いて説明する。軸方向位置（高さ）は、固定用凸部４ｂの上端（上面）がスリット部４ａの下端Ｙより上下方向に移動した高さである。即ち、図３や図４に示すように、固定用凸部４ｂの上端がスリット部４ａの下端Ｙと上下方向（軸方向）に一致している状態が、基準高さであり、０である。尚、この実験は、固定用凸部４ｂの周方向位置（角度）が３０度（図４参照）で一定に配置された状態で行われている。
【００２８】
図７は、ステータ１の上端面（即ちロータ２との接触面）における軸方向位置（高さ）−振動速度特性の実験結果である。図７に示すように、ステータ１の上端面には、前記軸方向位置（高さ）に関わらず、縦振動及び捩り振動が略一定の振動速度で発生している。
【００２９】
図８は、固定用凸部４ｂの下端（下面）における軸方向位置（高さ）−振動速度特性の実験結果である。尚、この実験は、ステータ１（下側金属ブロック４）の下端（下面）を平板上に設置した状態（固定用凸部４ｂを支持しない状態）で行われている。図８に示すように、固定用凸部４ｂの下端に発生する捩り振動は、軸方向位置（高さ）が下端一致位置（固定用凸部４ｂの下端がスリット部４ａの下端と同じ高さ）に向かうほど小さくなり、下端一致位置の状態で最も小さく（ほぼ０ｍ／ｓｅｃに）なっている。これにより、本実施の形態の超音波モータ（図１及び図２参照）では、固定用凸部４ｂの軸方向位置（高さ）を下端一致位置に設定している。
【００３０】
次に、上記実施の形態の特徴的な作用効果を以下に記載する。
（１）固定用凸部４ｂは、その固有値（共振周波数）がロータ２を駆動させる高周波電圧の駆動周波数範囲（６０ｋＨｚ〜７０ｋＨｚ）と異なるように設定されるため、ロータ２の駆動時に振動し難くなる。しかも、固定用凸部４ｂは、周方向に複数設けられるスリット部４ａの（各）間に配置されるとともに、その上端がスリット部４ａの下端より上方に配置されるため（固定用凸部４ｂの捩り振動は、軸方向位置（高さ）が下端一致位置に向かうほど小さくなることなどから）、その振動を更に低減することができる。よって、外部（図示しないモータケース等）への振動の伝搬を低減することができる。又、固定用凸部４ｂの振動がステータ１の振動を阻害し難くなることから安定したモータ性能（高効率や回転むらの低減）を得ることができる。
【００３１】
（２）固定用凸部４ｂは、軸方向位置（高さ）が下端一致位置（固定用凸部４ｂの下端がスリット部４ａの下端と同じ高さ）に配置されるため、その振動（捩り振動）を更に低減することができる（図７参照）。
【００３２】
（３）上記超音波モータにおいて、固定用凸部４ｂは、固定用凸部４ｂの周方向位置（角度）が１５度に配置されるため、その振動（縦振動）を更に低減することができる（図５参照）。
【００３３】
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。
・上記実施の形態では、固定用凸部４ｂは、軸方向位置（高さ）が下端一致位置（固定用凸部４ｂの下端がスリット部４ａの下端と同じ高さ）に配置されるとしたが、これに限定されない。即ち、固定用凸部４ｂは、その上端がスリット部４ａの下端より少しでも上方に配置されていれば、他の位置（高さ）に変更してもよい。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。
【００３４】
・上記実施の形態では、固定用凸部４ｂは、その周方向位置（角度）が１５度に配置されるとしたが、これに限定されない。即ち、固定用凸部４ｂの上端がスリット部４ａの下端より上方に配置可能となるように、周方向に複数設けられるスリット部４ａの間に配置されれば、他の位置（角度）に変更してもよい。このようにしても、上記実施の形態の効果（１）、（２）と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
・上記実施の形態では、スリット部４ａを６個設けたが、その個数は（例えば、９個等に）適宜変更してもよい。尚、この場合、固定用凸部４ｂの周方向位置（角度）や軸方向位置（高さ）を上記のような実験に基づいて適宜変更することで、その超音波モータでの固定用凸部４ｂの振動を更に低減することができる。
【００３６】
・上記実施の形態では、２つの圧電素子（第１及び第２圧電素子５，６）を備えるとしたが、圧電素子を１つや、３つ以上備えた超音波モータに具体化してもよい。
【００３７】
・上記実施の形態では、両回転の超音波モータに具体化したが、ロータ２を一方向にのみ回転させる超音波モータとしてもよい。尚、上記実施の形態の超音波モータは勿論、用途に応じて一方向のみに回転させる超音波モータとなる。
【００３８】
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）請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、前記スリット部は、回転軸線に対して傾斜していることを特徴とする超音波モータ。このようにすると、縦振動に基づいてスリット部にて捩り振動が発生される超音波モータにおいて、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明の効果を得ることができる。
【００３９】
（ロ）上記（イ）に記載の超音波モータにおいて、前記スリット部は、その下端側に向かうほど周方向の一方に向かって延びるように傾斜して、周方向に等角度間隔に６個設けられ、前記固定用凸部を、その中心点が前記スリット部の下端より周方向の前記一方に１５度ずれるように配置したことを特徴とする超音波モータ。このようにすると、固定用凸部の振動を更に低減することができる。
【００４０】
（ハ）圧電素子が複数の金属ブロックに挟まれた状態で締結されてなり、前記金属ブロックに縦振動に基づいて捩り振動を発生するための振動変換部が形成されるとともに外部に固定するための固定用凸部が周方向に複数形成され、前記圧電素子に高周波電圧が印加されることにより振動する略円柱形状のステータと、前記ステータの上端に摺動可能に加圧接触され、前記ステータの振動に基づいて回転するロータとを備えた超音波モータの製造方法であって、前記固定用凸部の固有値を、前記ロータを駆動させる高周波電圧の駆動周波数範囲と異なるように設定する工程と、前記固定用凸部を、周方向に複数設けられる前記振動変換部の間に配置するとともに、その上端が前記振動変換部の下端より上方に配置する工程とを備えたことを特徴とする超音波モータの製造方法。このようにすると、固定用凸部は、その固有値が前記ロータを駆動させる高周波電圧の駆動周波数範囲と異なるように設定されるため、振動し難くなる。しかも、固定用凸部は、周方向に複数設けられる振動変換部の間に配置されるとともに、その上端が振動変換部の下端より上方に配置されるため、更にその振動を低減することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、固定用凸部の振動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。
【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斜視図。
【図２】本実施の形態における超音波モータの要部断面図。
【図３】超音波モータの実験を説明するための斜視図。
【図４】超音波モータの実験を説明するための斜視図。
【図５】ステータの上端面における周方向位置（角度）−振動速度特性図。
【図６】固定用凸部の下端における周方向位置（角度）−振動速度特性図。
【図７】ステータの上端面における軸方向位置（高さ）−振動速度特性図。
【図８】固定用凸部の下端における軸方向位置（高さ）−振動速度特性図。
【符号の説明】
１…ステータ、２…ロータ、３…上側金属ブロック（金属ブロック）、４…下側金属ブロック（金属ブロック）、４ａ…スリット部、４ｂ…固定用凸部、５，６…第１及び第２圧電素子（圧電素子）、Ｙ…スリット部の下端。

Claims

圧電素子が複数の金属ブロックに挟まれた状態で締結されてなり、前記金属ブロックに縦振動に基づいて捩り振動を発生するためのスリット部が形成され、前記圧電素子に高周波電圧が印加されることにより振動する略円柱形状のステータと、
前記ステータの上端面に摺動可能に加圧接触され、前記ステータの振動に基づいて回転するロータと
を備えた超音波モータにおいて、
前記金属ブロックは、外部に固定するための固定用凸部を周方向に複数有し、
前記固定用凸部を、その固有値が前記ロータを駆動させる高周波電圧の駆動周波数範囲と異なるように設定し、且つ、周方向に複数設けられる前記スリット部の間に配置するとともに、その上端を前記スリット部の下端より上方に配置したことを特徴とする超音波モータ。
請求項１に記載の超音波モータにおいて、
前記固定用凸部の下端を、前記スリット部の下端と同じ高さに配置したことを特徴とする超音波モータ。
圧電素子が複数の金属ブロックに挟まれた状態で締結されてなり、前記金属ブロックに縦振動に基づいて捩り振動を発生するためのスリット部が形成され、前記圧電素子に高周波電圧が印加されることにより振動する略円柱形状のステータと、
前記ステータの上端に摺動可能に加圧接触され、前記ステータの振動に基づいて回転するロータと
を備えた超音波モータにおいて、
前記ステータは、外部に固定するための固定用凸部を周方向に複数有し、
前記固定用凸部を、周方向に複数設けられる前記スリット部の間に配置するとともに、その上端を前記スリット部の下端より上方に配置したことを特徴とする超音波モータ。