JP4650221B2 - 多自由度超音波モータ - Google Patents

Description

この発明は、多自由度超音波モータに係り、特に球状のロータを複数の軸回りに回転させるモータに関する。

近年、超音波振動を利用してロータを回転させる超音波モータが提案され、実用化されている。この超音波モータは、圧電素子を用いてステータの表面に進行波を発生させ、ステータにロータを加圧接触させることによりこれら両者間の摩擦力を介してロータを移動させるものである。
例えば、特許文献１には、ベアリングを介してバネでロータに予圧をかけることによりロータをステータに加圧接触させ、この状態で互いに重ね合わされた複数の圧電素子板に駆動電圧を印加してステータに超音波振動を発生させることでロータを回転させる多自由度超音波モータが開示されている。ここで予圧とは、少なくとも圧電素子に通電しない状態でロータをステータに押しつける圧力のことをいう。

特開２００４−３１２８０９号公報

しかしながら、予圧をかけるためにベアリングをロータに接触させるので、摩擦損失に起因してトルクが低下するという問題点があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、高トルクを実現することができる多自由度超音波モータを提供することを目的とする。

この発明に係る多自由度超音波モータは、互いに対向して配置される複数のステータと、これら複数のステータにより挟持される略球体状のロータと、複数のステータに共通に設けられると共に複数のステータを互いに同一の方向の駆動力を発生するように振動させてロータを回転させる１つのステータ振動手段とを備えたものである。

複数のステータをステータ振動手段の一方の側に配置すると共に互いに一体に形成することができる。
あるいは、複数のステータを、ステータ振動手段の両側に配置してステータ振動手段を挟むように構成することもできる。この場合、複数のステータは、それぞれロータをその周方向に沿って環状に囲むように配置されるリング形状から形成することができ、また、複数のステータがステータ振動手段により振動するときに形成される節位置でこれらのステータを支持することもできる。

複数のステータのうち少なくとも１つが、周方向の複数箇所でのみロータの表面に接触するように構成してもよい。このとき、前記複数箇所は、ロータに対して互いに対称の位置にあることが望ましい。
また、好ましくは、複数のステータのうち少なくとも１つが、ロータを挟む方向に弾性を有している。
さらに、ステータ振動手段を、互いに異なる３方向の振動を生じる３対の圧電素子板から構成すれば、これら３方向の振動のうち２方向の振動を互いに位相をずらして組み合わせた合成振動を発生させることによりステータのロータとの接触部分に楕円運動を形成することができる。

この発明によれば、高トルクを実現することができる多自由度超音波モータが得られる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１及び図２に、この発明の実施の形態１に係る多自由度超音波モータを示す。基部ブロック１と第１のステータ２との間にステータ振動手段となる円筒状の振動子３が挟持されると共に基部ブロック１と第１のステータ２とが振動子３内に通された連結ボルト４を介して互いに連結されており、多自由度超音波モータ全体としてほぼ円柱状の外形を有している。ここで、説明の便宜上、基部ブロック１から第１のステータ２へと向かう円柱状の外形の中心軸をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
振動子３は、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有しており、これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介してステータ２及び基部ブロック１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。

第１のステータ２には、振動子３に接する面とは反対側に凹部５が形成されており、この凹部５内に略球体状のロータ６が収容される。凹部５は、ロータ６の直径より小さな内径を有する小径部７と、ロータ６の直径より大きな内径を有する大径部８とからなり、これら小径部７及び大径部８との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差９が形成されている。
さらに、第１のステータ２の上部にはＺ軸方向に隣接して環状の第２のステータ１０が配置され、この第２のステータ１０の内周縁にＸＹ平面上に位置する環状の角部１１が形成されている。第２のステータ１０は、多数、例えば１２本の固定用ボルト１２により第１のステータ２に堅固に固定されており、第１のステータ２と第２のステータ１０は振動子３から与えられる振動に対して同一の振動モードで振動する単一のステータ振動体Ｓを形成する。
ロータ６は凹部５内の段差９及び第２のステータ１０の角部１１の双方に当接して挟持され、回転自在に支持されている。

例えば、基部ブロック１、第１のステータ２及び第２のステータ１０はそれぞれジェラルミンから形成され、多自由度超音波モータ全体が直径４０ｍｍ及び高さ１００ｍｍ程度のほぼ円柱体を形成している。ロータ６としては、直径２５．８ｍｍの鋼球が用いられる。

図３に示されるように、振動子３の第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。

図４に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。

図１及び図３に示されるように、第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃから第１の端子３１ｔが、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃから第２の端子３２ｔが、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃから第３の端子３３ｔがそれぞれ引き出されている。

次に、この実施の形態１に係る多自由度超音波モータの動作について説明する。
まず、振動子３に対して、第１の端子３１ｔから第１のステータ２と第２のステータ１０により形成されるステータ振動体Ｓの固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ振動体ＳにＹ軸方向のたわみ振動を発生する。また、第２の端子３２ｔからステータ振動体Ｓの固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、ステータ振動体ＳにＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の端子３３ｔからステータ振動体Ｓの固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ振動体ＳにＸ軸方向のたわみ振動を発生する。

そこで、第１の端子３１ｔと第２の端子３２ｔの双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされてロータ６と接触する第１のステータ２の段差９及び第２のステータ１０の角部１１にそれぞれＹＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ６がＸ軸回りに回転することとなる。
同様に、第２の端子３２ｔと第３の端子３３ｔの双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされてロータ６と接触する第１のステータ２の段差９及び第２のステータ１０の角部１１にそれぞれＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ６がＹ軸回りに回転することとなる。
さらに、第１の端子３１ｔと第３の端子３３ｔの双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされてロータ６と接触する第１のステータ２の段差９及び第２のステータ１０の角部１１にそれぞれＸＹ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ６がＺ軸回りに回転することとなる。

このように、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の端子３２ｔ及び第３の端子３３ｔのうち２つの端子を選択し、これら２つの端子の双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、ステータ振動体Ｓに振動が発生し、図５に破線矢印で示されるように、ロータ６と接触する第１のステータ２の段差９及び第２のステータ１０の角部１１にそれぞれ、選択された２つの端子に対応する面内の楕円振動が発生する。
このとき、第１のステータ２と第２のステータ１０が単一のステータ振動体Ｓを形成しているので、第１のステータ２の段差９と第２のステータ１０の角部１１は互いに同一の振動モードで振動する。このため、ロータ６は、第１のステータ２の段差９と第２のステータ１０の角部１１の双方から回転力が伝達され、高トルクで回転することとなる。

従って、環状の第２のステータ１０を通して露出するロータ６の表面部分に図示しないアーム、撮像装置等を取り付けることで、多自由度のアクチュエータ、広視野範囲を対象とするカメラ等を実現することができる。

なお、第２のステータ１０を第１のステータ２に固定するための固定用ボルト１２は、１２本に限るものではなく、第１のステータ２と第２のステータ１０が互いに同一の振動モードで振動する単一のステータ振動体Ｓを形成するように第２のステータ１０を固定することができれば、固定用ボルト１２の本数に限定されることはない。また、ロータ６を挟んだ状態で第２のステータ１０を第１のステータ２に固着させることができれば、接着等、ボルト以外の固定方法でもよい。ただし、単一のステータ振動体Ｓを形成するためには、第１のステータ２と第２のステータ１０の接触面積全体を利用して接着等することが望ましい。

また、第１のステータ２の段差９及び第２のステータ１０の角部１１の少なくとも一方が、ロータ６に全周にわたって接触するのではなく、図６に示されるように、周方向の複数箇所、例えば４箇所でのみロータ６の表面に接触するように構成することもできる。このようにすれば、第１のステータ２及び第２のステータ１０とロータ６との接触による摩擦損失を低減することができ、さらに高トルクを実現することが可能となる。この場合、ロータ６の表面に接触する第１のステータ２あるいは第２のステータ１０の複数の接触箇所Ｃは、ロータ６に対して互いに対称の位置にあることが好ましい。

実施の形態２．
図７に、この発明の実施の形態２に係る多自由度超音波モータを示す。この多自由度超音波モータは、図１に示した実施の形態１の多自由度超音波モータにおいて、環状の角部１１が内周縁に形成された第２のステータ１０の代わりに、環状の板バネ１３ａを有する第２のステータ１３を用いたものである。環状の板バネ１３ａはロータ６を挟む方向に弾性を有しており、板バネ１３ａの内周縁１３ｂがＸＹ平面上に位置してロータ６の表面に当接している。
実施の形態１の多自由度超音波モータと同様に、第２のステータ１３は１２本の固定用ボルト１２により第１のステータ２に堅固に固定されており、第１のステータ２と第２のステータ１３が同一の振動モードで振動する単一のステータ振動体Ｓを形成している。

この実施の形態２においても、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の端子３２ｔ及び第３の端子３３ｔのうち２つの端子を選択して交流電圧をそれぞれ印加することにより、ステータ振動体Ｓに振動が発生し、ロータ６と接触する第１のステータ２の段差９及び第２のステータ１３の板バネ１３ａの内周縁１３ｂが互いに同一の振動モードで振動して、ロータ６は高トルクで回転する。
このとき、板バネ１３ａの内周縁１３ｂがロータ６の表面に弾力的に当接しているので、ロータ６と第１のステータ２の段差９及び第２のステータ１３の板バネ１３ａの内周縁１３ｂとの間の摩擦力が増加し、ロータ６の回転トルクの増大がなされることとなる。

実施の形態３．
図８に、この発明の実施の形態３に係る多自由度超音波モータを示す。この多自由度超音波モータは、図７に示した実施の形態２の多自由度超音波モータにおいて、凹部５内に環状の段差９が形成された第１のステータ２の代わりに、凹部５内に環状の板バネ１４ａが形成された第１のステータ１４を用いたものである。この第１のステータ１４の板バネ１４ａと第２のステータ１３の板バネ１３ａは共にロータ６を挟む方向に弾性を有しており、板バネ１４ａの内周縁１４ｂと板バネ１３ａの内周縁１３ｂがそれぞれＸＹ平面上に位置してロータ６の表面に当接している。
実施の形態１及び２の多自由度超音波モータと同様に、第２のステータ１３は１２本の固定用ボルト１２により第１のステータ１４に堅固に固定されており、第１のステータ１４と第２のステータ１３が同一の振動モードで振動する単一のステータ振動体Ｓを形成している。

この実施の形態３においても、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の端子３２ｔ及び第３の端子３３ｔのうち２つの端子を選択して交流電圧をそれぞれ印加することにより、ステータ振動体Ｓに振動が発生し、ロータ６と接触する第１のステータ１４の板バネ１４ａの内周縁１４ｂ及び第２のステータ１３の板バネ１３ａの内周縁１３ｂが互いに同一の振動モードで振動して、ロータ６は高トルクで回転する。
このとき、第１のステータ１４の板バネ１４ａの内周縁１４ｂと第２のステータ１３の板バネ１３ａの内周縁１３ｂがそれぞれロータ６の表面に弾力的に当接しているので、ロータ６と第１のステータ１４の板バネ１４ａの内周縁１４ｂ及び第２のステータ１３の板バネ１３ａの内周縁１３ｂとの間の摩擦力が増加し、ロータ６の回転トルクの増大がなされる。

実施の形態４．
図９及び１０に、この発明の実施の形態４に係る多自由度超音波モータを示す。上述した実施の形態１〜３の多自由度超音波モータでは、第１のステータ２あるいは１４と第２のステータ１０あるいは１３が固定用ボルト１２によって互いに一体に形成され、振動子３の一方の側に配置されていたが、この実施の形態４の多自由度超音波モータでは、第１のステータ１５と第２のステータ１６が振動子１７を挟んで振動子１７の両側に配置されている。

第１のステータ１５及び第２のステータ１６は、それぞれロータ６をその周方向に沿って環状に囲むように配置されるリング形状を有しており、ロータ６の直径よりわずかに小さな内径を有する円形の開口部１５ａ及び１６ａが形成されている。ロータ６は、第１のステータ１５の開口部１５ａ及び第２のステータ１６の開口部１６ａを通して＋Ｚ軸方向及び−Ｚ軸方向の双方に露出している。

振動子１７は、ＸＹ平面内で周方向に４分割されており、それぞれ図１１に示すように、電極板１７ａ、圧電素子板１７ｂ及び電極板１７ｃが順次重ね合わされた構造を有している。４分割された振動子１７の圧電素子板１７ｂは、それぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、電極板１７ａ及び１７ｃ間に独立した交流電圧を印加することにより、４分割された振動子１７は互いに独立して駆動制御することができるように構成されている。このような振動子１７が、絶縁シート１８及び１９を介して第１のステータ１５及び第２のステータ１６から絶縁された状態で配置されている。

４分割された振動子１７をそれぞれ独立して駆動制御することにより、ロータ６と接触する第１のステータ１５の開口部１５ａの周縁部及び第２のステータ１６の開口部１６ａの周縁部に所望の面内の楕円振動を発生させて同一の振動モードで振動させることができ、ロータ６を高トルクで回転することが可能となる。
なお、第１のステータ１５及び第２のステータ１６が振動子１７によって振動するときに形成される節位置で固定具２０により第１のステータ１５及び第２のステータ１６を支持すれば、これら第１のステータ１５及び第２のステータ１６の振動に与える影響を最小限に抑えながら、この実施の形態４に係る多自由度超音波モータを支持することができる。

例えば、ステータ１５の開口部１５ａ及び第２のステータ１６の開口部１６ａを通して＋Ｚ軸方向及び−Ｚ軸方向に露出するロータ６の表面部分にそれぞれアーム、撮像装置等を取り付けることで、多自由度で複数のアームを有するアクチュエータ、極めて広い視野範囲を対象とするカメラ等を実現することができる。

なお、上記実施の形態において、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の３２ｔ、第３の３３ｔのうち２つを選択して印加する交流電圧の位相は９０度シフトさせていたが、９０度に限らず変化させても良い。また、印加する交流電圧の電圧値を変化させてもよい。交流電圧を様々に制御することで第１のステ―タ２，１５及び第２のステータ１０，１３，１６に発生する楕円振動を制御することができる。
また、上記実施の形態において、第１のステ―タ２，１５及び第２のステータ１０，１３，１６とロータ６との接触は段差９や角部１１のような角部であったが、この構成に限らない。楕円運動が伝達できれば平面で接触するようにしても曲面で接触しても良いし、環状でなくてもよい。

また、上記実施の形態において、振動子３は互いに異なる３方向の振動としてＺ方向の縦振動と、Ｘ，Ｙ方向のたわみ振動を発生する振動子を用いているが、このように互いに直交する振動でなくても良い。また、３方向の振動を発生させる振動子は第１圧電素子部３１、第２圧電素子部３２、第３圧電素子部３３とそれぞれの方向に対応した圧電素子を用いているが、それぞれの方向の振動を発生させるのに複数の圧電素子部による振動を合成させても良いし、１つの圧電素子部を３つ以上に分極して１つの圧電素子部で２つ以上の方向の振動を発生させても良い。
また、上記実施の形態では、３方向のうちの２方向を選択して振動を発生させていたが、３方向に対応した圧電素子全てに交流電圧を印加し、各方向の振動の位相や振幅を制御して合成振動を発生させてもよい。

この発明の実施の形態１に係る多自由度超音波モータを示す断面図である。 実施の形態１に係る多自由度超音波モータを示す平面図である。 実施の形態１で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。 実施の形態１で用いられた振動子の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。 実施の形態１に係る多自由度超音波モータの部分拡大断面図である。 実施の形態１の変形例におけるステータの形状を示す平面断面図である。 実施の形態２に係る多自由度超音波モータを示す断面図である。 実施の形態３に係る多自由度超音波モータを示す断面図である。 実施の形態４に係る多自由度超音波モータを示す側面図である。 実施の形態４に係る多自由度超音波モータを示す平面図である。 実施の形態４で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 基部ブロック、２，１５ 第１のステータ、３，１７ 振動子、４ 連結ボルト、１８，１９，３４〜３７ 絶縁シート、５ 凹部、６ ロータ、７ 小径部、８ 大径部、９ 段差、１０，１３，１６ 第２のステータ、１１ 角部、１２ 固定用ボルト、２０ 固定具、３１ 第１の圧電素子部、３２ 第２の圧電素子部、３３ 第３の圧電素子部、１３ａ，１４ａ 板バネ、１３ｂ，１４ｂ 内周縁、１５ａ，１６ａ 開口部、１７ａ，１７ｃ，３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３２ａ，３２ｃ，３２ｅ，３３ａ，３３ｃ，３３ｅ 電極板、１７ｂ，３１ｂ，３１ｄ，３２ｂ，３２ｄ，３３ｂ，３３ｄ， 圧電素子板、３１ｔ 第１の端子、３２ｔ 第２の端子、３３ｔ 第３の端子、Ｓ ステータ振動体、Ｃ 接触箇所。

Claims (9)

1. 互いに対向して配置される複数のステータと、
   前記複数のステータにより挟持される略球体状のロータと、
   前記複数のステータに共通に設けられると共に前記複数のステータを互いに同一の方向の駆動力を発生するように振動させて前記ロータを回転させる１つのステータ振動手段と
   を備えることを特徴とする多自由度超音波モータ。
2. 前記複数のステータは、前記ステータ振動手段の一方の側に配置されると共に互いに一体に形成された請求項１に記載の多自由度超音波モータ。
3. 前記複数のステータは、前記ステータ振動手段を挟んで前記ステータ振動手段の両側に配置された請求項１に記載の多自由度超音波モータ。
4. 前記複数のステータは、それぞれ前記ロータをその周方向に沿って環状に囲むように配置されるリング形状を有する請求項３に記載の多自由度超音波モータ。
5. 前記複数のステータが前記ステータ振動手段により振動するときに形成される節位置でこれらステータを支持する請求項３または４に記載の多自由度超音波モータ。
6. 前記複数のステータのうち少なくとも１つは、周方向の複数箇所でのみ前記ロータの表面に接触する請求項１〜５のいずれか一項に記載の多自由度超音波モータ。
7. 前記複数箇所は、前記ロータに対して互いに対称の位置にある請求項６に記載の多自由度超音波モータ。
8. 前記複数のステータのうち少なくとも１つは、前記ロータを挟む方向に弾性を有する請求項１〜７のいずれか一項に記載の多自由度超音波モータ。
9. 前記ステータ振動手段は、互いに異なる３方向の振動を生じる３対の圧電素子板を有し、これら３方向の振動のうち少なくとも２方向の振動を互いに位相をずらして組み合わせた合成振動を発生させることにより前記ステータの前記ロータとの接触部分に楕円運動を形成する請求項１〜８のいずれか一項に記載の多自由度超音波モータ。

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