JP4874604B2

JP4874604B2 - 超音波モータ

Info

Publication number: JP4874604B2
Application number: JP2005261476A
Authority: JP
Inventors: 裕一黒澤
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: US20070057596A1; US7402935B2; JP2007074869A

Description

本発明は超音波モータに関し、特に軸方向及び径方向の長さ寸法を小さくして小型化・薄型化を図った超音波モータに関するものである。

超音波モータは、圧電体に密着し、一体的に設けられ円周配置した櫛歯体からなるステータと、このステータに所定の圧力で当接した回転可能な円板状あるいは円環状のロータとで構成され、ステータの圧電体に高周波電圧を印加して圧電体を振動させ、この振動を圧電体と一体的に設けた櫛歯体によって円周方向に拡大させて櫛歯体を円周方向に向けて進行波動作させることで、圧電体に摩擦係合しているロータを軸回り方向に回転動作させるものである。そのため、ステータに対してロータを圧接させるための構成が必要であり、この圧力源として従来からバネ手段を用いた超音波モータが提案されている。

図７はその一例の断面図であり、モータ取付用の取付穴を有する円板状の台座１４上に円周方向に複数に分極された円形薄板状の圧電体１２が一体的に搭載され、さらにこの上には円周方向に複数の櫛歯１１６を配列した短円筒容器状の櫛歯体１１が一体に設けられており、これら圧電体１２と櫛歯体１１とでステータ１が構成される。また、圧電体１２にはフレキシブル基板１３を介して高周波電圧が印加されるようになっている。前記台座１４の中心には軸穴１４１が開口され、内周面に円筒状のスリーブ１４２が固定されている。また、このスリーブ１４２内にはボールベアリング１５が内装され、このボールベアリング１５によって回転軸３Ａが軸支される。この回転軸３Ａには、円周に沿って延長された周壁部２２の端面が前記櫛歯体１１の各櫛歯１１６に当接された短円筒状をしたロータ２が取着されている。また、スリーブ１４２の図示上側端部と前記ボールベアリング１５との軸方向の間に圧縮コイルスプリング１４３が介挿されており、この圧縮コイルスプリング１４３の軸方向の弾性力によってボールベアリング１５及びこれを支持している回転軸３Ａを図７の下方向に付勢し、この付勢力でロータ２の周壁部２２の下端面をステータ１の櫛歯１１６の上端面に当接させている。

この超音波モータでは、フレキシブル基板１３を通して圧電体１２に高周波電圧を印加すると、圧電体１２が振動し、これと一体の櫛歯体１１が振動し、円周方向に配列されている複数の櫛歯１１６が円周方向に変位される。そのため、櫛歯１１６に当接しているロータ２の周壁部２２が摩擦力によって当該円周方向に移動され、ロータ２及びこれと一体化されている回転軸３Ａが回転される。回転軸３Ａの回転力は回転軸３Ａに取着された歯車１６を介して外部に伝達される。

このように、ロータ２をステータ１に対して所要の圧力で当接するための弾性源としてコイルスプリング１４３を用いているが、当該圧力を得るためにはコイルスプリング１４３の軸方向長さを所要の長さにする必要があり、そのために超音波モータの軸方向の寸法をコイルスプリング１４３の長さよりも小さくすることができない。また、ロータ２に櫛歯体１１の振動を伝達させやすくするためには、櫛歯体１１の接触面とロータ２との接触面の高精度の平行度を保って、換言すれば回転軸３Ａとロータ２での接触面及び櫛歯体１１の接触面が高精度の直角度に保つ必要がある。しかし、それぞれは別体であるから高い部品精度が必要になる。そこで、部品精度を緩和するために、回転軸３Ａが軸心に対して傾く自由度があるほうが望ましい。そこで、ロータ２とボールベアリング１５との軸方向の寸法を所要寸法以上に設定する必要がある。そのため、図７の超音波モータでは、超音波モータの軸方向の寸法を小さくした薄型の超音波モータを実現することは困難になる。また、回転軸３Ａを軸支するためにボールベアリング１５を用いているが、超音波モータに用いられる小型のボールベアリングは一般に高価であるため、低コストの超音波モータを実現する上での障害になる。

この問題に対し、特許文献１に提案されている超音波モータは、短円筒状をしたロータの周壁部で囲まれる円形のディスク部を薄肉の皿ばねとして形成し、このディスク部で得られるばね力を利用してロータの周壁部をステータの櫛歯部に当接する構成がとられている。この特許文献１によればコイルスプリングが不要になるため、超音波モータの薄型化を実現する上で有利である。
特開２０００−６０１５４号公報

特許文献１の超音波モータでは、ロータのディスク部においてばね力を発生させているが、ディスク部を厚くしてばね力を大きくすると周壁部での変形性が悪く、ロータと櫛歯との接触性が悪くなる。逆にディスク部を薄くしてロータと櫛歯との接触性を良くするとばね力が小さくなってしまう。また、この場合に周壁部の変位量を確保することが必要であり、したがってディスク部には所要の径寸法が必要とされるため、ディスク部の半径寸法を小さくするには限界があり、超音波モータの径寸法を小さくすることは難しい。一方、ディスク部はボールベアリングを介して回転軸に取着されるため、ボールベアリングを省略することはできずコストを低減することは難しい。

本発明の目的は、小型化・薄型化を可能にした超音波モータを提供するものである。

本発明は、圧電体及び櫛歯体で構成される円形をしたステータと、回転軸に支持されて櫛歯体に密接される円形のロータとを備える超音波モータであって、ステータとロータとを互いに逆磁極に着磁し、ステータとロータの両者間に生じる軸方向の吸引磁力によってロータをステータに密接したことを特徴とする。さらに、後述する形態の構成を備える。

本発明によれば、ロータとステータの櫛歯体とは磁力によって軸方向に吸着されているので、圧電体が振動してこれと一体の櫛歯体が振動したときに、ロータは吸引磁力によって櫛歯体に対して密接した状態が保持されるため、櫛歯体とロータとの間に生じる摩擦力を大きな状態に保ち、ロータの回転効率を高めることができる。その一方で、従来の超音波モータのようなコイルスプリングが不要であるので超音波モータの軸方向の寸法を短くでき、薄型化が実現できる。また、特許文献１のように、ロータのディスク部にばね力を発生させる必要がないため、ディスク部を任意に設計でき、特にロータにおける櫛歯との十分な接触が可能な板厚に設計でき、設計が容易になる。さらに、次に述べる形態の構成を備えているので次のような効果が得られる。

ここで、回転軸はその一端部においてステータに設けた軸受けにより軸支する。また、回転軸は端部に半球部を有し、ステータに設けた逆円錐面をした軸受面を有する軸受けにおいて滑り軸受けされる。これにより回転軸、ロータの傾き自由度の向上が可能になる。

また、櫛歯体の周囲に配設されてスリットにより円周方向に分離された複数の櫛歯と、当該櫛歯に密接しロータの円周方向に延長される周壁部との互いに密接する各端面を断面がテーパ状をした円錐面で構成することにより、両者の当接によって求心方向の力が発生し、ロータはみそすり運動するものの半径方向の振れが小さく抑えられながら回転動作することが可能になる。

一方、ロータは回転軸にスプライン結合される。ロータが回転する際のみそすり運動によってもロータのみがみそすり運動をし、回転軸は常に軸心がぶれることなく回転され、回転力を出力する。そのため、櫛歯と十分な接触を保つのに必要とされる変位量を確保する場合にディスク部の変形を考慮する必要がなく、ディスク部、すなわちロータの半径寸法を小さくでき、超音波モータの径寸法を小さくして小型化が可能になる。回転軸に設けられるスプラインは、外部機器に噛合する回転出力用の歯車として形成されるため、部品点数が削減できる。また、軸受けにボールベアリングを用いていないので、超音波モータの低コスト化が実現できる。

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例１の超音波モータを上方から見た斜視図、図２は上下を反対に向けた斜視図である。また、図３は軸心を通る縦断面図、図４は図１の部分分解斜視図である。これらの図において、超音波モータはステータ１とロータ２とで構成されており、ステータ１は全体が円形に形成された櫛歯体１１と、この櫛歯体１１の下面に一体化された円環状をした圧電体１２と、圧電体１２の下面に電気接続されたフレキシブル基板１３とで構成される。また、ロータ２は下向きの短円筒状に形成されており、前記ステータ１に回転可能に支持された回転軸３に対して回転方向に一体となるように支持されている。

前記ステータ１の櫛歯体１１は鉄等の強磁性材料で円形の浅皿状に形成され、後述するように所定の磁極に着磁されている。櫛歯体１１の円形をした底板部１１１の中心位置には断面形状が逆テーパ状をした逆円錐形の軸受面を有する軸支持穴１１２が開口されている。この軸支持穴１１２の軸受面は例えば無電解Ｎｉ−Ｐメッキ等のような低摩擦・耐磨耗性の表面処理が施されている。また、前記底板部１１１には前記軸支持穴１１２を直径方向に挟んで２つの取付穴１１３が開口されており、図外の装置に超音波モータを固定する際に利用される。前記底板部１１１の周囲に沿って上方に突出した円周壁１１４が設けられており、この円周壁１１４は表面から所要の深さまで形成された複数の半径方向のスリット１１５により円周方向に配設された多数の櫛歯１１６として構成されている。この櫛歯１１６は上端面が内側下方に向けて傾斜した断面が逆テーパ状をした逆円錐面として形成されるとともに、櫛歯体１１の前述した着磁によって当該櫛歯１１６の上端面はＳ極又はＮ極のいずれか、ここではＮ極の磁極となっている。

前記圧電体１２は図には表れないが円周方向に分極パターンが形成されており、各分極パターンはそれぞれ櫛歯体１１の下面に接着等によって一体化されている。また、図には表れないが圧電体１１の下面には各分極パターンに電圧を印加するための電極が設けられており、前記フレキシブル基板１３はこの電極に電気接続され、当該フレシキブル基板１３を介して前記圧電体１１に所定の高周波電圧を印加するようになっている。

前記ロータ２はＰＰＳ、ナイロン等の熱変形温度が２００℃以上の樹脂にチタン酸カリウムウイスカ等の耐磨耗性物質とＮｄ−Ｆｅ−Ｂ等の磁石微粉末を混合したものとし、射出成形等によって形成される。ロータ２の円形をしたディスク部２１と、このディスク部２１の周囲に沿って下方に突出された周壁部２２とを備えてており、周壁部２２の下端面が前記櫛歯１１体の櫛歯１１６の上端面に密接される。この密接を行うために周壁部２２の下端面は櫛歯１１６の上端面に対向するように断面が内側下方に傾斜したテーパ面からなる逆円錐面として形成されている。また、ディスク部２１の中心には歯車形状をしたスプライン穴２３が開口されており、回転軸３に設けられた歯車部３１にスプライン結合して回転軸３に対して回転方向に一体化されている。前記歯車部３１は回転軸３の上端部から軸方向のほぼ中央位置まで軸方向に延長した状態で形成されており、前記ロータ２のスプライン穴２３は回転軸３の上端部から歯車部３１に嵌合してスプライン結合が行われる。前記回転軸３の下端部は半球面に加工された半球部３２として構成されており、この半球部３２は前記櫛歯体１１の軸支持穴１１２の軸受面に当接され、両者で滑り軸受けが構成される。前記ロータ２は前記櫛歯体１１と逆極性に着磁されており、周壁部２２の下端面は櫛歯１１６の上端面と反対のＳ極の磁極とされている。

この超音波モータでは、フレキシブル基板１３を通して圧電体１２に周波数２０ＫＨｚ以上の超音波領域の高周波電圧を印加し、円周方向に分極した圧電体１２を板厚方向に振動させる。この圧電体１２の振動は一体化されている櫛歯体１１に伝達されて櫛歯体１１は板厚方向に振動され、さらに櫛歯体１１のこの振動はスリット１１５により円周方向に分離された状態で配列されている櫛歯１１６によって円周方向に変位が拡大された振動に変換される。そのため、櫛歯１１６の上端面に密接しているロータ２の周壁部２２は櫛歯１１６の板厚方向及び円周方向の変位に伴って摩擦駆動されて円周方向に移動され、結果としてロータ２はみそすり運動しながら回転される。このロータ２の回転はスプライン結合された回転軸３に伝達され、回転軸３を軸転する。この回転軸３の回転力は歯車部３１に噛合される歯車（図示せず）を介して外部機器を回転駆動する。

この超音波モータの回転動作において、ロータ２の周壁部２２の下端面はＳ極に着磁され、ステータ１の櫛歯１１６の上端面はＮ極に着磁されているので両者は磁力によって軸方向に吸着されている。そのため、圧電体１２が振動してこれと一体の櫛歯体１１が振動し、各櫛歯１１６が円周方向に変位したときに、ロータ２の周壁部２２は吸引磁力によって櫛歯１１６の上端面に密接した状態が保持されるため、これら櫛歯１１６と周壁部２２との間に生じる摩擦力を大きな状態に保ち、ロータ２の回転効率を高めることができる。その一方で、図７に示した超音波モータのようなコイルスプリング１４３が不要であるので超音波モータの軸方向の寸法を短くでき、薄型化が実現できる。また、特許文献１のように、ロータのディスク部にばね力を発生させる必要がないため、ディスク部２１の板厚を任意に設計できる。

また、滑り軸受けでは回転軸３の下端の半球部３２が逆円錐形をした軸支持穴１１２の軸受面に線接触して滑動可能であり、ロータ２は回転軸３に対して軸方向に移動可能でかつ軸線に対して傾動可能なスプライン結合であるので、ロータ２が回転する際にみそすり運動をしても、ロータ２だけがみそすり運動をし、回転軸３は常に軸心がぶれることなく回転され、回転力を出力する。そのため、必要とされる変位量を確保する場合にディスク部２１の変形を考慮する必要がなく、当該ディスク部２１の半径寸法、すなわちロータ２の半径寸法を小さくでき、超音波モータの径寸法を小さくして小型化が可能になる。このとき、ロータ２の周壁部２２の下端面と櫛歯１１６の上端面がそれぞれ逆円錐型をして両者の当接によって求心方向の力が発生するため、ロータ２は中心がぶれることなく回転動作される。また、軸受にボールベアリングを用いていないので、超音波モータの低コスト化を実現することができる。

実施例１では、櫛歯体とロータとをそれぞれ強磁性体又は強磁性体を含む成分で構成して着磁した構成としているが、ロータにマグネット（永久磁石）を一体的に設けて着磁と同じ作用効果を得るようにしてもよい。櫛歯体にマグネットを設けることも可能ではあるが、櫛歯における変位動作を阻害することがない構成とすることが肝要である。

実施例１では、ロータと櫛歯体とが密接する端面を逆円錐型に形成しているが、図５に断面を示すようにロータ２の周壁部２２の下端面が櫛歯体１１６を覆うような円錐型に形成することも可能である。

実施例１では回転軸に半球部を設け、この半球部を逆円錐形の軸受面に接触させて滑り軸受けを構成しているが、回転軸３を自動的に軸心合わせする機能を有する滑り軸受けであれば実施例１以外の構成であってもよい。例えば、図６に示すように、回転軸３の下端部に凹状の円錐面３３を設け、ステータ１の底板部１１１に半球状に突出する半球部１１７を形成してもよい。

さらに、部品点数が増加することを問題としなければ、回転軸の回転力を出力する歯車部を別部品で構成してもよいことは言うまでもない。この場合には、スプラインの構造は歯車形状に限られるものではなく、任意のスプラインで構成することが可能である。

実施例の超音波モータを上方から見た外観斜視図である。実施例の超音波モータの上下を反対にした外観斜視図である。実施例の超音波モータの軸線に沿った断面図である。実施例の超音波モータの部分分解斜視図である。変形例の超音波の断面図である。他の変形例の超音波モータの断面図である。従来の超音波モータの断面図である。

符号の説明

１ステータ
２ロータ
３回転軸
１１櫛歯体
１２圧電体
１３フレキシブル基板
２１ディスク部
２２周壁部
２３スプライン穴
３１歯車部
３２半球部
３３円錐面
１１１底板部
１１２軸支持穴
１１４円周壁
１１５スリット
１１６櫛歯
１１７半球部

Claims

圧電体及び櫛歯体で構成される円形をしたステータと、回転軸に支持されて前記櫛歯体に密接される円形のロータとを備える超音波モータであって、前記ステータとロータとを互いに逆磁極に着磁し、ステータとロータの両者間に生じる軸方向の吸引磁力によってロータをステータに密接させており、前記櫛歯体の周囲領域に配設されてスリットにより円周方向に分離された複数の櫛歯と、当該櫛歯に密接し前記ロータの円周方向に延長される周壁部との互いに密接する各端面を断面がテーパ状をした円錐面で構成し、前記回転軸はその一端部において前記ステータに設けた軸受けにより軸支され、前記回転軸の一端部と前記軸受けの一方は半球部を有し他方に設けた逆円錐面に滑り軸受けされ、前記ロータは前記回転軸にスプライン結合され、当該回転軸に設けられたスプラインは外部機器に噛合する回転出力用の歯車として形成されていることを特徴とする超音波モータ。