JP4981326B2

JP4981326B2 - 球面超音波モータ

Info

Publication number: JP4981326B2
Application number: JP2006036122A
Authority: JP
Inventors: 有佐藤
Original assignee: ダブル技研株式会社
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: JP2007221845A

Description

本発明は球面超音波モータに関し、詳しくはロータとして球体を用いて、複数のステータによってロータを任意の方向に回転させる球面超音波モータに関する。

従来から、磁力を使わずにステータ側の圧電素子の振動により、そのステータに接するロータを動かすことができる超音波モータの開発が進んでいる。

超音波モータではステータの数やロータの形状を工夫することによって様々な用途に用いることができ、たとえばディスク型やリング型のロータがすでによく知られている。また最近では、ロータを球体にした球面超音波モータの開発も進んできている。

この球面超音波モータによれば、複数のステータによって球体であるロータを任意の方向に回転させることができる。

たとえば特許文献１に記載の発明では、３個のステータのそれぞれの円環状表面の全周がロータに接するようにして、この３個のステータによって球体であるロータを３方向から保持し、この３個のステータの回転方向を制御することによってロータを任意の方向に回転させるようにしている。

特開平１１−８４５２６号公報

ところが、上述の従来技術には以下のような問題があった。

すなわち特許文献１に記載の発明では、３個のステータの回転方向を様々に変えることによって、ロータの回転方向を制御するようにしているが、ロータの回転方向によっては、複数のステータのうちその回転に寄与しないステータの存在は、ロータの回転に対する摩擦抵抗となってしまい、駆動トルクを減少させてしまうことになるという問題があった。

そこで、ロータの回転に寄与しないステータにおいては、ステータの表面に定在波や任意波形の振動を発生させ、そのステータとロータとの接触面積、接触時間を小さくしてロータの回転に対する摩擦抵抗を小さくすることが考えられる。

しかしながら、このようにした場合であっても、そのステータの表面におけるロータ表面への微細な食い込みが発生し、ロータの回転速度やトルクの減少、ロータ回転の不安定化などの悪影響を招き、根本的な解決に至っていなかった。このため、このような悪影響を除きながらモータの自由度を高めるためには、ステータを多数設ける必要があり、モータが大型化してしまっていた。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、球体であるロータを複数のステータで保持する球面超音波モータにおいて、複数の自由度を確保しながら小型化、軽量化を実現した球面超音波モータを提供することを目的とする。

本発明は、球状回転子と、圧電体により円環上に進行波を励起するリング状振動子とを備え、前記球状回転子の周りに第１のリング状振動子、第２のリング状振動子、第３のリング状振動子および第４のリング状振動子を配置して加圧接触させてなる球面超音波モータにおいて、一端に前記第１のリング状振動子を設け且つ他端に前記第２のリング状振動子を設けた第１の枠部材と、一端に前記第３のリング状振動子を設け且つ他端に前記第４のリング状振動子を設けた第２の枠部材とを備え、前記第１の枠部材と前記第２の枠部材とを前記球状回転子を挟んで交差する向きで設けたことを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記球状回転子と前記第１ないし第４リング状振動子との接触圧力分布が一方向に偏るように接触させていることを特徴とする。

また本発明は請求項１に記載の発明において、前記球状回転子と前記第１ないし第４リング状振動子との接触面の摩擦係数を中心より非対称に変化させたことを特徴とする。

また本発明は請求項１、２または３に記載の発明において、前記第１の枠部材および前記第２の枠部材がコの字型であることを特徴とする。

本発明によれば、球体であるロータを複数のステータで保持する球面超音波モータにおいて、複数の自由度を確保しながら小型化、軽量化を実現した球面超音波モータを提供することができる。

また本発明によれば、円環状のステータ表面の一部分のみがロータに接するようにしたので、回転方向に応じた推進力を得られる。

また本発明によれば、両端に第１のステータと第２のステータとを設けた第１の枠部材と、両端に第３のステータと第２のステータとを設けた第２の枠部材とを備え、第１のステータと第２のステータとでロータを挟み込むようにして第１の枠部材をロータに取り付け、第３のステータと第４のステータとでロータを挟み込むようにして第２の枠部材をロータに取り付け、円環状のステータ表面の一部分のみがロータに接する、またはロータとステータとの接触面の摩擦係数を中心より非対称に変化させたので、第１の枠部材と第２の枠部材とで回転中心を同一とした４自由度を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。

図１に示すように、本実施の形態による球面超音波モータ１は、球体であるロータ２を、２個のステータ３ａおよび３ｂによって保持して回転させ、さらに２個のステータ６ａおよび６ｂによって保持して回転させる。

ステータ３ａのロータ２と接する面には多数の振動片１３ａが設けられ、ステータ３ｂのロータ２と接する面には多数の振動片１３ｂが設けられており、この振動片１３ａおよび１３ｂが振動して進行波を発生し、これによってロータ２が回転させられる。

また、ステータ６ａのロータ２と接する面には多数の振動片１６ａが設けられ、ステータ３６ｂのロータ２と接する面には多数の振動片１６ｂが設けられており、この振動片１６ａおよび１６ｂが振動して進行波を発生し、これによってロータ２が回転させられる。

ステータ３ａはネジなどの止め具４ａによってコの字形の枠部材４の一端に固定され、またステータ３ｂはネジなどの止め具４ｂによって枠部材４の他端に固定され、ロータ２を適切な強さで押し付けるようにして保持する。

また、ステータ６ａはネジなどの止め具７ａによってコの字形の枠部材７の一端に固定され、またステータ６ｂはネジなどの止め具７ｂによって枠部材７の他端に固定され、ロータ２を適切な強さで押し付けるようにして保持する。

なお、図１に示すように、枠部材４と枠部材７とは、ロータ２を挟んで交差する向きで設けられている。

また、本実施の形態の球面超音波モータ１では、枠部材４側においては枠部材４に固定されてロータ２を押し上げる微少変位発生機構５を備え、枠部材７側においては枠部材７に固定されてロータ２を押し上げる微少変位発生機構８を備えて構成される。

微少変位発生機構５は、本実施の形態においては、シャフト５ａと、シャフト５ａに設けられたローラ５ｂと、シャフト５ａの一端を固定する支点部５ｃと、シャフト５ａの他端を持ち上げ固定する止めネジ５ｄとを有して構成される。

微少変位発生機構５と同様に、微少変位発生機構８は、本実施の形態においては、シャフト８ａと、シャフト８ａに設けられたローラ８ｂと、シャフト８ａの一端を固定する支点部８ｃと、シャフト８ａの他端を持ち上げ固定する止めネジ８ｄとを有して構成される。

本実施の形態では、この微少変位発生機構５および微少変位発生機構８が、リング状振動子の軸心に対し球状回転子を偏心する方向に押し付ける加圧手段である。

微少変位発生機構は、このような構成のほかにも、ステータの周の部分的にロータに接する強さを偏らせることができるものであればどのようなものでもよく、たとえば圧電素子の伸長する力でロータに接する力を偏らせるものであってもよい。

また、微少変位発生機構を設ける位置も、本実施の形態の微少変位発生機構５のようにステータ３ａとステータ３ｂとの中間の位置や、微少変位発生機構８のようにステータ６ａとステータ６ｂとの中間の位置に限られるものではなく、ロータに接する位置であればどのような位置であってもよい。

図２は、図１に示した球面超音波モータ１を図１の方向ＩＩから見た側面図である。

微少変位発生機構５のシャフト５ａはバネ性を有するたとえばアルミ製（樹脂製であっても良い）の棒であり、そのシャフト５ａの中ほどにはベアリングを有して摩擦抵抗を低減させたローラ５ｂが設けられている。

シャフト５ａの一端はたとえばピンによって構成される支点部５ｃにて枠部材４に固定され、この支点部５ｃを中心にシャフト５ａが回転可能に構成されている。止めネジ５ｄは、シャフト５ａの支点部５ｃとは別の端に設けられ、その端をロータ２側または反対側に移動させることが可能なように設けられている。

止めネジ５ｄによってシャフト５ａの支点部５ｃとは別の端をロータ２側に移動させると、それにつれてシャフト５ａの中ほどのローラ５ｂがロータ２の当接部分を押しつける。これによって、ロータ２には微少変位が発生し、ロータ２は、図２に示すステータ３ａおよび３ｂの部分Ｙからは離れ、部分Ｘにて強く接触するようになる。止めネジ５ｄは、ローラ５ｂがロータ２を適切に押しつける位置で固定される。

なお、本実施の形態では、ロータ２がステータ３ａおよび３ｂの部分Ｙから離れるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、ステータ３ａおよび３ｂの周の部分的にロータ２に接する強さを偏らせることによって構成することもできる。

図３は、図１に示した球面超音波モータ１を図２の方向ＩＩＩから見た側面図である。

微少変位発生機構８は微少変位発生機構５と同様の構造であり、微少変位発生機構８のシャフト８ａはバネ性を有するたとえばアルミ製の棒であり、そのシャフト８ａの中ほどにはベアリングを有して摩擦抵抗を低減させたローラ８ｂが設けられている。

シャフト８ａの一端はたとえばピンによって構成される支点部８ｃにて枠部材４に固定され、この支点部８ｃを中心にシャフト８ａが回転可能に構成されている。止めネジ８ｄは、シャフト８ａの支点部８ｃとは別の端に設けられ、その端をロータ２側または反対側に移動させることが可能なように設けられている。

止めネジ８ｄによってシャフト８ａの支点部８ｃとは別の端をロータ２側に移動させると、それにつれてシャフト８ａの中ほどのローラ８ｂがロータ２の当接部分を押しつける。止めネジ８ｄは、ローラ８ｂがロータ２を適切に押しつける位置で固定される。

図４は、図１に示した球面超音波モータ１を図２の方向ＩＶから見た平面図である。

また図５は、図１に示した球面超音波モータ１を図２の方向Ｖから見た底面図である。

本実施の形態の超音波モータ１では、微少変位発生機構５を備えてステータのロータ２への接触部分を偏らせるようにしており、これによって、ステータ３ａおよび３ｂを用いて、ステータ３ａとステータ３ｂとに同じ方向の進行波を生じさせることによって、図３に示す矢印Ｍの方向へロータ２を回転させることもできるし、ステータ３ａとステータ３ｂとに逆方向の進行波を生じさせることによって、図５に示す矢印Ｐの方向へロータ２を回転させることもできる。

また本実施の形態の超音波モータ１では、微少変位発生機構８を備えてステータのロータ２への接触部分を偏らせるようにしており、これによって、ステータ６ａおよび６ｂを用いて、ステータ６ａとステータ６ｂとに同じ方向の進行波を生じさせることによって、図３に示す矢印Ｌの方向へロータ２を回転させることもできるし、ステータ６ａとステータ６ｂとに逆方向の進行波を生じさせることによって、図５に示す矢印Ｑの方向へロータ２を回転させることもできる。

本実施の形態によれば、枠部材４とロータとで２自由度を実現し、また、枠部材７とロータ２とで２自由度を実現したので、ロータ２を仲介して枠部材４と枠部材７とで４自由度を実現することができる。

なお、本実施の形態では、微少変位発生機構５、微少変位発生機構８によってロータ２を押しつけたまま固定するようにし、常時、ロータ２とステータ３ａおよび３ｂとの接触、ロータ２とステータ６ａおよび６ｂとの接触を偏らせるようにしたが、本発明はこれに限らず、必要に応じてロータ２とステータ３ａおよび３ｂとの接触、ロータ２とステータ６ａおよび６ｂとの接触を偏らせるような制御を行ってもよい。

また、ロータ２とステータ３ａおよび３ｂとの接触面、ロータ２とステータ３ａおよび３ｂとの接触面の摩擦係数を中心より非対称に変化させることによって、ロータ２とステータ３ａおよび３ｂとの接触、ロータ２とステータ６ａおよび６ｂとの接触を偏らせるのと同様の効果を発生させるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、１つの枠部材に１つの微少変位発生機構を設けたが、本発明はこれに限らず、１つの枠部材に複数の微少変位発生機構を設けてもよいし、また、微少変位発生機構を設けないで２つの枠部材を交差させて設けるだけでも自由度を高める効果があるし、微少変位発生機構５、８のいずれか一方だけを設けるようにしてもよい。

本発明の一実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。図１に示した球面超音波モータ１を図１の方向ＩＩから見た側面図である。図１に示した球面超音波モータ１を図２の方向ＩＩＩから見た側面図である。図１に示した球面超音波モータ１を図２の方向ＩＶから見た平面図である。図１に示した球面超音波モータ１を図２の方向Ｖから見た底面図である。

符号の説明

１球面超音波モータ
２ロータ
３ａ、３ｂ、６ａ、６ｂステータ
１３ａ、１３ｂ、１６ａ、１６ｂ、振動片
４、７枠部材
５、８微少変位発生機構
５ａ、８ａシャフト
５ｂ、８ｂローラ
５ｃ、８ｃ支点部
５ｄ、８ｄ止めネジ

Claims

球状回転子と、圧電体により円環上に進行波を励起するリング状振動子とを備え、前記球状回転子の周りに第１のリング状振動子、第２のリング状振動子、第３のリング状振動子および第４のリング状振動子を配置して加圧接触させてなる球面超音波モータにおいて、
一端に前記第１のリング状振動子を設け且つ他端に前記第２のリング状振動子を設けた第１の枠部材と、
一端に前記第３のリング状振動子を設け且つ他端に前記第４のリング状振動子を設けた第２の枠部材と
を備え、
前記第１の枠部材と前記第２の枠部材とを前記球状回転子を挟んで交差する向きで設けたことを特徴とする球面超音波モータ。
前記球状回転子と前記第１ないし第４リング状振動子との接触圧力分布が一方向に偏るように接触させていることを特徴とする請求項１に記載の球面超音波モータ。
前記球状回転子と前記第１ないし第４リング状振動子との接触面の摩擦係数を中心より非対称に変化させたことを特徴とする請求項１に記載の球面超音波モータ。
前記第１の枠部材および前記第２の枠部材がコの字型であることを特徴とする請求項１２または３に記載の球面超音波モータ。