JP4465397B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

本発明は、超音波モータに関するものである。

ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）等の圧電素子は、単位体積あたりの蓄積可能な機械的エネルギーが大きく、これを用いて小型・ハイパワーなアクチュエータが実用化されている。これらは一般に超音波モータと称されている。ここで、共振型の超音波モータの基本動作について説明する。

圧電素子に、共振周波数を一致させた複数の振動モードを励起することで楕円運動を得て、摩擦により被駆動体を移動させるタイプの超音波モータが古くから研究されている。たとえば、図１０は、特許文献１（特開２００７−１０６３９３号公報）に記載されている超音波モータを示す。図１１に、特許文献１に開示された超音波振動子１２１の詳細を示す。

この超音波振動子１２１は、補強用のステンレス板１２１１を２枚の圧電素子１２１２、１２１３で挟み込んだ上下鏡面対称の構造を有している。矩形状平板の超音波振動子１２１について、図１２に示される面内方向における１次の伸び縮み振動モード、および図１３に示される面内方向における２次のたわみ振動モードについて略同一の共振周波数を有している。

圧電素子１２１２、１２１３の上には、それぞれ４分割された電極１２１６、１２１７が配されている。電極１２１６、１２１７の対角に位置する電極は、それぞれ結線されている。この２組の電極に、互いに位相が９０°異なる交番電圧、φＡ、φＢを印加する。

これにより、図１４中のＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順で示されるように、上記の両振動モードが位相を９０°異なって励起される。これにより、超音波振動子１２１の先端部に楕円運動が生じる。この先端部を被駆動部に押し当てれば、摩擦力により被駆動部が運ばれる。なお、この押し当てる力は一般的に予圧（preload）と呼ばれる。

この予圧を与える手法として、特許文献１では、図１０に示すように、シャフト１２７を中心に回転する耳軸１２１４を用いて超音波振動子１２１を保持し、その対向する側面に設けられた被牽引部１２２４を、ポール１１２に巻き付けられた弾性体１２９により牽引する構成が提案されている。また、ステンレス板１２１１の頂点にはセラミックからなる接触部１２１５が設けられ、扇型のロータ１２２は、ベアリング１２３を介して、ロータシャフト１２４に、ロータシャフト１２４の軸周りにのみ回転可能に設けられている。

また、非特許文献１には、内接型超音波モータが開示されている。その構造を図１５に示す。超音波振動子２１を２つ用いた、４点接触タイプの超音波モータである。これは前記の構成と同様の超音波振動子２１および２２を、中央のパンタグラフ型予圧機構３により、その頂点部を円筒型ロータ１に、予圧を持って内接させた構成を有する。

図１６に示すように、各頂点Ｐは楕円運動の軌道を描くことにより、全ての頂点Ｐにおいて、同一方向への駆動力を得ることができる。また、非特許文献１には、同様の振動モードを用いる、扇形超音波振動子を用いた４点接触タイプのモータが記されている。これらは、内側から超音波振動子を被駆動部に押し当てるため、上記発明に代表される、ロータの外側から超音波振動子を駆動するタイプのモータに比べて以下のメリットがある。

超音波モータは摩擦力により被駆動体を駆動するため、大きい駆動トルクを得るには予圧を高める必要がある。しかし超音波モータの動作原理上、過剰に予圧を掛けると、楕円運動の全周に渡って、超音波振動子が被駆動部と接触する状態となり、駆動効率の低下が生じる。このため、印加可能な予圧には上限があり、ひいては、これがトルクの上限を決めている。また、大きい予圧は接点領域の摩耗を増長し、モータの寿命を縮めてしまう。

しかし、図１６に示すように４点接触型の内接型超音波モータによれば、４点で摩擦力が得られる。更に、被駆動体が同一であれば、モータのトルクはこれらを合算したものとなるため、同じ予圧においても最大４倍のトルクを得ることが可能になる。また逆に同一のトルクであれば予圧が１／４で済むので接点領域の摩耗が抑えられ、モータの長寿命化に繋がる。

また、ロータの内側に超音波振動子が配されているので、同一径のロータを用いた場合、設置面積の低減が可能である。また、超音波振動子を保持する構成要素と、ロータを保持する構成要素が共有されているので、部品点数を削減することができる。

なお、図１７に示された超音波モータにおいては、扇形の超音波振動子を用いている。基本的に用いる振動モードは類似であるが、超音波振動子２１ａおよび２２ｂのロータ１との接点における楕円運動の一つの軸が、ロータ１の接線方向と一致している。このため、矩形の超音波振動子を用いた場合に比べ大きい振幅を得ることができ、駆動の効率が向上させることができる。
特開２００７−１０６３９３号公報 松永佑介、外３名、「扇型圧電素子を用いたインホール型マイクロ超音波モータ」、超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム論文委員会発行、「第２７回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム」論文予稿集、平成１８年１１月１５日、第４８９頁〜第４９０頁 神田岳文、外３名、「扇形圧電振動子と平面型予圧機構によるマイクロ超音波モータ」、日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス部門発行、「２００７年度日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会」予稿集、２００７年５月１０日、第１Ａ２−Ｂ０１頁

しかし、実際の超音波モータの製作においては必ず加工誤差が伴う。特許文献２に開示される図１６の構成において４点の接触を得ることは難しく、３点での接触、すなわち一つの超音波振動子の両端と、もう一つの超音波振動子の片側どちらかの接触となるという問題があった。これにより、所望の性能が発揮できないという問題があった。

以下、具体的に説明する。なお、以下の説明および図においては、説明の簡便のため、２次元平面内にて説明を行ない、超音波振動子の形状は外形線のみで表す。また、超音波振動子形状は矩形であるものとするが、上記の扇形についても同様である。更に、超音波振動子を保持し、ロータに押しつける機構は機能のみ問題であるので抽象的にピストンの記号を用いて記載する。

図１８を参照して説明する。２つの超音波振動子２１，２２を用いて、ロータ１を駆動するものとする。ロータ１は真円であるものとする。２つの超音波振動子２１，２２は、間に介在するパンタグラフ型予圧機構３によりロータ１に内接させられている。

図１８に示すように、図示において、左側の超音波振動子２１がロータ１に内接しているものとする。予圧機構３により、右側の超音波振動子２２は左側の超音波振動子２１に対してその距離を変えることができる。このため、右側の超音波振動子２２においても１点はロータ１に内接することが可能である。もう１つの超音波振動子２１もロータ１に内接する。超音波振動子２１および２２が理想的に矩形をしており、かつ、これらが平行に配されているなら、４点での接触が可能となる。

しかし、図１９に示したように、実際には超音波振動子の形状には加工誤差が避けられず、厳密に矩形でない場合が殆どである。また、接点の摩耗などの後発的な事象によっても超音波振動子の形状のずれは起こり得る。

その結果、図１９に示されるように、どちらか１つの点のみがロータ１に接し、もう１つの点は図１９に示されたギャップｄだけ離れている状態となる。このため、上記加工誤差による位置ずれが大きい場合、この点が楕円運動を行っても、ロータ１に接することがないため、期待される摩擦力を得ることができない場合が生じる。

これを解消するには、ギャップｄが上記超音波振動子２２の接点における楕円運動の振幅より小さい範囲に維持できるだけの加工誤差が必要である。しかし一般的には、この楕円運動の振幅はサブミクロンオーダーであり、加工精度はこれよりさらに小さいことが要求される。これは、機械加工などの通常の加工方法では極めて達成が困難な範囲である。

以上より、上記構成の超音波モータは、期待されるトルクの３／４までのトルクしか得られないことになる。更に実際には、１点のみ接触している側の超音波振動子について言えば、予圧がこの接触している１点に集中しており、対向する超音波振動子における予圧の２倍となる。このため、トルク、摩耗について、期待される上記の数値よりも更に悪化することが懸念される。

本発明の目的は、背景技術における上記の課題に鑑み、安定して４点全てが内接することが可能な超音波振動子の構成を有する超音波モータを提供することにある。

本発明に基づいた超音波モータにおいては、機械的出力を行なう円筒状ロータと、上記ロータに内接する２頂点を有する複数の超音波振動子と、上記超音波振動子を、上記ロータの内側から外側に向けて押しつける予圧機構を含み、上記超音波振動子は、上記超音波振動子を含む平面内において、上記予圧機構に対して回動可能に設けられている。１自由度回動の自由度が加わることで、４点以上の内接が、加工誤差があっても可能になる。

また、本発明に基づいた超音波モータにおいては、上記回動可能部位が、上記超音波振動子の振動の節に位置する。この構成により、予圧の大小が超音波振動子の駆動に悪影響を及ぼさない構成が実現する。

また、本発明に基づいた超音波モータにおいては、上記超音波振動子は、その振動の節に貫通穴を有し、この貫通穴に通されたシャフトを用いて、上記予圧機構に対して回動可能に保持されている。この構成により、超音波振動子の駆動にほぼ悪影響を与えることなく、振動の節での保持が可能になる。

また、本発明に基づいた超音波モータにおいては、上記超音波振動子は平面形状が長方形であり、上記ロータにはその長辺側面を向けて配されており、上記予圧機構は、その一部が、上記長辺側面に対向する側面の略中央部を押圧する。

上記の構成により、より超音波振動子に対する加工工程が少なく、性能劣化の懸念がより少ない超音波モータを得ることが可能となる。

本発明に基づいた超音波モータによれば、従来の内接型超音波モータの欠点を改善し、４点以上の接点で駆動することのできる、駆動効率の良い、寿命の長い超音波モータを提供することが可能となる。

以下に、本発明の実施の形態に基づいた超音波モータの構造について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰り返さない場合がある。

また、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。

また、本発明における超音波モータは、超音波振動子とロータの配置および摩擦力のやりとりに関わるものであり、２つの超音波振動子が２点で円筒型ロータに内接して駆動する態様の超音波モータであれば適用可能である。よって、本実施の形態に記載の構成は一例であり、たとえば超音波振動子の形状などはこれに限るものではない。たとえば、図１９に示されるような、扇形超音波振動子を用いたものであっても、同様に適用可能である。

（実施の形態１）
図１から図４を参照して、実施の形態１における超音波モータの構成について説明する。なお、図１は、この発明の実施の形態１における超音波モータの全体斜視図であり、図２は、この発明の実施の形態１における超音波モータの分解斜視図である。また、図３は、この発明の実施の形態１における超音波モータの４点接触を説明する模式図であり、図４は、この発明の実施の形態１における超音波モータの他の形態を示す平面模式図である。円筒形状のロータ１に、２つの超音波振動子２１および２２が、それぞれ、接点２１１、２１２(図示省略)、および接点２２１、２２２を介して内接している。

超音波振動子２１および２２は、予圧機構３により、ロータ１に対して、外側に押し広げられる形で押しつけられている。超音波振動子２１は、上記にて説明されているφＡ、φＢに、位相を９０°異ならせて加えられた交番電圧により、図１６を用いて説明したような楕円運動を行なう。

超音波振動子２２は、これに対して鏡面対称の電極配置を有する構成をとっており、上記にて説明されているφＡ、φＢに、位相を９０°異ならせて加えられた交番電圧により、図１６を用いて説明したような楕円運動を行なう。すなわち、ロータ１に内接する全ての接点が、ロータ１を同一方向（図１６においては時計回り）に回転させる楕円運動を行なう。

（予圧機構および超音波振動子保持機構）
図２を参照して、予圧機構および超音波振動子保持機構について説明する。超音波振動子２１および２２は、それぞれその中央に、貫通穴２１３および２２３が設けられている。この穴に、シャフト３１および３２が通され、予圧機構３における、上部パンタグラフ３３および下部パンタグラフ３４が、それぞれこのシャフトの上下端を保持している。

上部パンタグラフ３３および下部パンタグラフ３４は、調整ネジ３５によりその間隔が可変であり、間隔を縮めた際はこのパンタグラフが広がる。更に、超音波振動子２１および２２とロータが接している状態であれば、ロータ１に対する予圧が高まる。逆に、間隔を広げた際には予圧が小さくなる。

シャフト３１および３２と、超音波振動子２１および２２における貫通穴２１３および２２３は円形の略同一断面形状を有するので、超音波振動子２１および２２は、その貫通穴を中心として回動可能である。なお、原理的には、双方の超音波振動子２１および２２が回動可能であることは必須ではなく、どちらか一方のみ回動可能であれば本発明の要件は満たされている。

余分な可動部は、ガタなどで超音波モータの性能悪化の一因となり得るため、排除されるのが好ましい場合がある。この場合、超音波振動子２１および２２どちらかの貫通穴がシャフトに接着されていればよい。逆に、モータの対称性が良い方が、設計外の振動を生じる可能性が減るため、超音波振動子２１および２２の双方が同様の保持条件である方が良い場合もある。

（４点接触となる原理）
図３を参照して、４点接触となる原理について説明する。図３に示された、超音波振動子２２における片方の頂点のみロータ１に接している状態で、予圧機構３を用いて、両超音波振動子間距離をさらに広げる。超音波振動子２２は平面形状が長方形であり、ロータ１にはその長辺側面を向けて配されており、予圧機構３は、その一部が、長辺側面に対向する側面の略中央部を押圧する。

超音波振動子２２が、シャフト３２を中心にして、超音波振動子２２を含む平面内において回動することにより、両頂点の接触が実現する。この際、シャフト３２を中心とした回動は、予圧機構３の押し広げ動作に伴い受動的に行われるので、何ら特別な作業を行なうことなく本発明に記された機能が実現できる。

（振動モードへの影響）
貫通穴２１３および２２３には、ロータ１の外側へ向けての圧力が加えられているため、超音波振動子２１および２２における振動を阻害するおそれがある。そこで、上述した図２に示した貫通穴２１３、２２３は、２つの振動モードの節であり、振動が最も小さい部位である、超音波振動子２１および２２の中心に設けられている。この構成により、貫通穴近辺は殆ど振動しないので、この部位を用いてシャフト３１および３２により超音波振動子２１および２２を拘束した際の影響は最低限に留められる。

（超音波振動子の形状）
本実施の形態では、説明の簡便のため超音波振動子形状を矩形であるとした。しかし、本発明の本質は、現実的に実現困難であった円筒状ロータへの４点での内接を、超音波振動子に新たに１つの回転自由度を加えたことにより、具現化した点にある。すなわち、４点以上で内接することを所望する全ての超音波モータについて適用可能な発明である。たとえば、図１７に示されるような扇形形状の超音波振動子を用いた超音波モータについても、同様の効果が得られる。

さらに、１自由度でロータの半径方向に伸縮する機構と、これに１自由度回動可能な機構を介して保持される超音波振動子の組み合わせであれば、超音波振動子の個数についても、図４に示すように、予圧機構３によりそれぞれ外側に予圧される３つの超音波振動子３２１，３２２および３２３を有する超音波モータや、４以上の超音波振動子を含む超音波モータの採用も可能である。

（予圧機構の形状）
同様に、予圧を与えるパンタグラフ型予圧機構３についても、２つの超音波振動子に、ロータ１の外側に向けて圧力を加える役割を果たす構成要素が、超音波振動子に設けられた回動可能な回転軸を保持している形態であれば、その構成、仕組みに関係なく、本発明の効果は得られるものと捉えられるべきである。

（ロータ）
ロータについても、本実施の形態に記されたものに限定されない。たとえばロータ脱落防止のための溝がロータ１の内部に設けられている構成の採用も可能である。さらに、回転体でなく矩形の溝を用いた超音波モータであっても本発明は同様に適用できる。

（実施の形態２）
図５から図９を参照して、実施の形態２における超音波モータの構成について説明する。なお、説明の簡便のため、上記実施の形態と同じ構成要素については同一番号を付し、その説明を繰り返さない。また、図５は、この発明の実施の形態２における超音波モータの全体斜視図であり、図６は、この発明の実施の形態２における超音波モータの分解斜視図であり、図７は、この発明の実施の形態２における超音波モータに採用される超音波振動子保持部の構造を示す模式図である。また、図８は、この発明の実施の形態２における超音波モータに採用される超音波振動子保持部の他の構造を示す模式図であり、図９は、この発明の実施の形態２における超音波モータに採用される超音波振動子保持部のさらに他の構造を示す模式図である。

（全体の構成）
図５および図６に示すように、超音波振動子４１および４２は、突起４３１を有するパンタグラフ型予圧機構４３によって、ロータ１の外側に押し広げられる構成を有し、ロータ１に内接している。その他は実施の形態１と同様である。

（超音波振動子）
超音波振動子４１および４２は鏡面対称であるので、以下、超音波振動子４２のみについて、図７を参照して説明する。超音波振動子４２は、その側面中央部に凹み４２１を有する。これにより、組み立ての際に突起４３１の、超音波振動子４２に対する位置を定めることができる。また、超音波振動子４２に外力が加わった際、突起４３１の、超音波振動子４２に対する位置がずれるのを防ぐことができる。

このように、突起４３１は、超音波振動子４２と線接触をしているため、超音波振動子４２はその接触線を回転中心とする回動運動を行なうことができる。また、線接触であるので、面外方向へ超音波振動子４２が倒れることも防止できる。

突起４３１が設けられる位置は、背景技術において説明した、２つの振動モードの共振周波数の一致が可能であれば、図８に示されるように、超音波振動子４２そのものに設けられた凹み４２２でも構わない。また、より確実に超音波振動子の倒れを防止するため、図９に示されるように、突起４３１を上下から挟み込む一対のカバー４２３を設けることも可である。

本実施の形態の構成によれば、超音波振動子４２は突起４３１により１自由度回動可能に支持されているので、上記実施の形態１と同様に、何ら特別な操作を必要とせず、４点接触を維持できる。

本実施の形態では、１自由度回動運動の回動中心が超音波振動子４２の側面となるため、図１３に示されるたわみ振動に対しては、振動の節ではないため、この振動に影響をおよぼすことが考えられる。しかし、超音波振動子に貫通穴を通過させる実施の形態１の構成に対して、本実施の形態はより合理的な保持形態が得られる構成であり、加工プロセスがより単純で済み、素子の欠陥発生リスクがより低い構成である。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１における超音波モータの全体斜視図である。 実施の形態１における超音波モータの分解斜視図である。 実施の形態１における超音波モータの４点接触を説明する模式図である。 実施の形態１における超音波モータの他の形態を示す平面模式図である。 実施の形態２における超音波モータの全体斜視図である。 実施の形態２における超音波モータの分解斜視図である。 実施の形態２における超音波モータに採用される超音波振動子保持部の構造を示す模式図である。 実施の形態２における超音波モータに採用される超音波振動子保持部の他の構造を示す模式図である。 実施の形態２における超音波モータに採用される超音波振動子保持部のさらに他の構造を示す模式図である。 背景技術おける外接型超音波モータの構成の一例を示す平面図である。 背景技術おける共振型超音波モータに用いられる超音波振動子の構成の一例を示す分解斜視図である。 図１１における超音波振動子の一つの振動モードを表す模式図である。 図１１における超音波振動子のもう一つの振動モードを表す模式図である。 図１１における超音波振動子の楕円運動を説明する図である。 背景技術における内接型モータの構造を示す全体斜視図である。 背景技術における内接型モータの駆動形態を説明する模式図である。 扇形形状を有する超音波振動子を採用した背景技術における内接型モータの構造を示す全体斜視図である。 背景技術における内接型モータの機能を示す模式図である。 背景技術における内接型モータの課題を示す模式図である。

符号の説明

１ ロータ、３ 予圧機構、２１，２２ 超音波振動子、３１，３２ シャフト、３３ 上部パンタグラフ、３４ 下部パンタグラフ、３５ 調整ネジ、４１，４２ 超音波振動子、４３ パンタグラフ型予圧機構、２１１，２１２，２２１，２２２ 接点、２１３，２２３ 貫通穴、４２１，４２２ 凹み、４３１ 突起、４２３ カバー。

Claims (4)

1. 機械的出力を行う円筒状ロータと、
   前記ロータに内接する２頂点を有する複数の超音波振動子と、
   前記超音波振動子を、前記ロータの内側から外側に向けて押しつける予圧機構と、を備え、
   前記超音波振動子は、前記超音波振動子を含む平面内において、前記予圧機構に対して回動可能に設けられていることを特徴とする、超音波モータ。
2. 前記回動可能部位は、前記超音波振動子の振動の節であることを特徴とする、請求項１記載の超音波モータ。
3. 前記超音波振動子は、その振動の節に貫通穴を有し、この貫通穴に通されたシャフトを用いて、前記予圧機構に対して回動可能に保持されることを特徴とする、請求項２記載の超音波モータ。
4. 前記超音波振動子は平面形状が長方形であり、前記ロータにはその長辺側面を向けて配されており、
   前記予圧機構は、その一部が、前記長辺側面に対向する側面の略中央部を押圧することを特徴とする、請求項２または３記載の超音波モータ。

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