JP5118795B2

JP5118795B2 - トルクが向上された積層サンドイッチ型超音波モータ

Info

Publication number: JP5118795B2
Application number: JP2001233154A
Authority: JP
Inventors: 洋介東島; 敏夫馬場
Original assignee: 遠山茂樹
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: JP2003047267A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータに関し、特に、ロータをステータで挟んだサンドイッチ構造を有する、トルクが向上された超音波モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロボット技術はその対象を産業だけでなく人間の生活環境にまで広めてきている。例えば、ペットロボットなどエンターテイメントを重視した物から、警備や掃除など生活に密着した作業を行うロボットなど、様々なものが開発されている。中でも介護等を視野に入れ住環境での動作を目的とした人型ロボットや、人体と同じ大きさや重量で同等の機能を実現することを目的とした義手・義足等に注目が集まっている。こうした中でより軽量・高トルクで高精度なアクチュエータの開発が急務となっている。
【０００３】
現在、ロボット等の多くの制御機器に用いられるアクチュエータとしては電磁式のモータが主流になっている。この電磁式モータを人型ロボットや義手・義足の動力として用いる場合、寸法上の制限から小型のものを選択する必要がある。小型の電磁式モータは高速度・低トルクである為減速器が不可欠になるが、減速器の使用は駆動部分の容積・重量等の肥大化、多自由度関節におけるバックラッシの累積による位置決め精度が低下する等の要因になる。また電磁式モータは、コイルから発生する磁界が、他の精密機器の誤動作の原因になる恐れがある。これらの問題点から、電磁式モータは人型ロボットや義手・義足に用いるアクチュエータとして十分なものとは言えない。
【０００４】
そこで近年、電磁式モータに変わり、ロボット等の関節部分に用いるアクチュエータとして期待されているのが、進行波型超音波モータである。進行波型超音波モータは、圧電体の電歪現象を利用して微少振幅運動をおこし、弾性体である金属性ステータの表面に進行波を励起させる。それにより、ステータ表面に生じた楕円運動にロータを接触させ、摩擦力を利用して駆動力を得るアクチュエータである。
【０００５】
このように、超音波モータは従来の電磁式モータとは根本的に異なる駆動原理を持っており、下記の特徴を有している。
（１）機構が簡単であるため、軽量化・小型化が可能で単位体積あたりの出力トルクが大きい。
（２）接触摩擦による駆動であるので、慣性負荷を直接駆動することが出来る。
（３）応答性が高い。
（４）停止時の保持トルクが大きく、ブレーキ機構が不要である。
（５）コイルを用いない為磁界が発生せず、他の精密機器に対する誤動作の原因にならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、超音波モータは電磁式モータにはない優れた特徴をもつが、義手・義足や人体と同じ大きさのロボットの関節部分に用いる為にはトルクが不足するという欠点がある。このような欠点を解決する為に、両面駆動超音波モータが提案され、これを多層に配置して高出力トルクを得ようとする試みが開示された（特開平１１−２２０８９４号公報）。しかしながら、実際には、提案されたステータの構造ではモータとして動作させることが困難であり、結局、電磁式モータと減速機の組み合わせの代替技術にはなり得ないのが現状である。
【０００７】
そこで本発明者等は、超音波モータのトルクを向上させるために鋭意研究した結果、１枚のロータを２枚のステータで挟むサンドイッチ型超音波モータを、特定の条件下に積層することにより、小型で高トルクの超音波モータとすることが出来ることを見出し本発明に到達した。
従って本発明の目的は、人型ロボットの関節部分等に使用し得る、小型で高トルクの超音波モータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記の目的は、１枚のロータを２枚のステータで挟んだサンドイッチ型超音波モータを２以上積層圧着してなる積層サンドイッチ型超音波モータであって、ステータのロータと接触する凸部裏面の少なくとも１部に圧電体が貼り付けられており、該圧電体表面に空間が確保される如く構成されていると共に、隣り合う超音波モータの２枚のロータ間のステータが、半径の異なる表裏の各凸部で前記２枚のロータとそれぞれ接触する１枚のステータであることを特徴とする、トルクが向上された積層サンドイッチ型超音波モータによって達成された。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波モータの基本的な単位は、１枚のロータを２枚のステータで挟みこんだサンドイッチ型超音波モータである。本発明においては、ロータと接触するステータ部分が厚く、他の部分は薄くなっており、軽量化されていると共に、上記接触部分裏面に圧電体を貼り付けることにより、圧電体のエネルギーを共振エネルギーとして取り出し易くしている。
従って、ステータの断面から言えば、ロータとの接触部は凸部となっており、該凸部裏面の少なくとも１部に、圧電体が貼付されている。ステータの凸部裏面全体に圧電体を貼付することが好ましい。ロータ、ステータ及び圧電体の材質は、公知のものの中から適宜選択して用いれば良い。ロータも、各ステータと接触する部分がそれぞれ厚くなっており、ステータからの受け取りエネルギー効率が高くなるように設計されている。
【００１０】
上記の如く、1枚のロータを2枚のステータで挟み込むことにより、ロータに与える駆動力を増加させ出力トルクを向上させることができるが、この時、２枚の各ステータに入力する周波数が異なるとうなりが生じて出力トルクが減少するので、これを防止する必要がある．このことは、２枚のステータに対して同じ波形発生器からの信号を入力として用いたり、２つの波形発生器を用いて同じ周波数の信号を入力として用いる事によって容易に達成することができる。
【００１１】
本発明の超音波モータは、圧電体に連続して交流電圧を印加することによってステータを振動させるに際し、各分極部分に、位置的・時間的に１/４波長位相をずらした定在波を発生させ、これを弾性体(ステータ)上で合成させて進行波を得、この進行波の進行方向と逆向きにロータを回転させる、進行波型超音波モータである。２枚のステータで１枚のロータを挟み込む場合、２枚のステータの各々に発生する進行波の位相差が１８０°(逆位相)付近になる程、ロータの駆動効率が高くなる（図１参照）。このようにすると２枚のステータがロータを強く挟み込むことになり、高効率でロータを駆動させることができる。本発明においては、ステータに発生する進行波の位相を調節するために、２枚のステータそれぞれに発生する進行波の位相が逆位相になる位置を基準に、２枚のステータの、周方向の相対位置が±５°の範囲となるよう、一方の固定されたステータに対して他方のステータの相対位置（これを２枚のステータのズレ角度とする。）を調節することが好ましい。ステータに貼付される圧電体の分極図は図２に示した通りであり、上記周方向の相対位置とはこの分極図の相対位置を意味する。当然のことながら、進行波型超音波モータのステータ上に発生している進行波の周方向の波数をｎとすると、ロータを高効率で駆動できる相対位置はｎ通りある。
【００１２】
上記のサンドイッチ型超音波モータにおいては、ロータとステータを相互に押し付ける必要があるが、この押付力は、例えば押付けネジの回転により調節可能な板バネを用いる等の、公知の方法によって付与すれば良い。
このように、本発明で使用するサンドイッチ型超音波モータは接触摩擦による駆動であるので、ステータを固定することにより、ロータの慣性負荷を直接駆動することが出来る。従って、応答性が高いだけでなく、停止時の保持トルクも大きいのでブレーキ機構が不要となり、小型軽量化が容易である等の利点がある。
【００１３】
上記のようなサンドイッチ型超音波モータを２以上使用し、共同して１つの軸を回転させれば、出力トルクを大きくすることができる筈であるが複数のサンドイッチ型超音波モータ全体を小型にすることは必ずしも容易ではない。例えば、使用するステータの共振周波数がばらつけば、構成するサンドイッチ型超音波モータ間の回転速度に差が生じ、摩擦損失が発生するので、超音波モータの回転速度に大きく影響する。更に、特開平１１−２２０８９４号公報に開示されているような、同一半径の表裏両面でロータと接触させ、圧電体を該接触面の裏面ではない箇所に貼付させたステータを使用した場合には、モータとして動作しない。これは、圧電体の振動をステータにおけるロータとの接触面に伝えられないからである。従って、このようなステータを使用した超音波モータを複数使用しても（公報の図８参照）稼動しない。
【００１４】
これに対して本発明の積層サンドイッチ型超音波モータは、基本的には、それぞれ独立した複数の前記サンドイッチ型超音波モータを積層するものであるから、個々のサンドイッチ型超音波モータのそれぞれが可動である限り、それらを複数積層すれば、トルクは単１のサンドイッチ型超音波モータのトルクより向上する。しかしながら、トルクの向上は、個々のサンドイッチ型超音波モータの回転速度がバラバラである場合より、近接又は一致する場合により大きくなることが判明した。
【００１５】
従って、本発明においては、夫々モータの回転速度が近接したサンドイッチ型超音波モータを積層することが好ましい。また、モータ全体を小型にするために、使用する複数のサンドイッチ型超音波モータ単位をできるだけ近接させる必要がある。この場合、隣接する超音波モータ単位のステータに貼付した圧電体表面同士、又は、圧電体表面と該圧電体に隣接するステータが接触しないように、圧電体表面に空間を確保することが必要である。このような空間の確保は隣接するステータ間に適宜スペーサーを設けることにより容易に実現することが出来るが、隣接するステータの直径を異なったものとしたり、同じ直径のステータの場合であっても、圧電体が貼付されるステータ中心からの距離を変える事により、スペーサーを不要とすることも可能である。
【００１６】
本発明においては、更に、隣接する超音波モータの相隣接するステータを一体化することも可能である。但し、この場合の表裏の凸部は、夫々他方の裏面と同一となったり他方の裏面を含む関係となってはならず、各凸部裏面の少なくとも一部に圧電体が貼付できるように凸部が設けられる必要がある。具体的には、図３に示すようにステータ表裏の凸部を半径方向にずらせば良い。また、ステータ表裏の凸部の半径方向の位置的なずれは、ロータとステータの間に加わる押し付け力をずらす事でもある。上記した位置的なずれがない場合には、ステータ表裏の同一半径部分を２枚のロータで挟むことになり、ステータの凸部が拘束される為駆動に必要な超音波振動を発生させることが出来ないが、上記した凸部の位置的なずれを設けることによりこの問題を解消することができる。即ち、上記の如く表裏の凸部を半径方向にずらすことにより、圧電体の貼付位置の確保と前記したステータ凸部の拘束の回避を同時に行うことができる。従って、各凸部は他の凸部の裏面と重なることはあっても、完全に重なったり含まれてはならない。本発明においては、特に、上記重なりが小さいことが好ましく、全く重ならない事が更に好ましい。何れにしても圧電体は、各凸部裏面に貼付されるが、各凸部の超音波振動の独立性を確保する上からは、表裏の凸部と各凸部裏面との間に全く重なりがないだけでなく、両凸部の間に対応するステータ円周部の厚みを、ステータの、他の部分の厚みより薄くしておくことが好ましい。
【００１７】
ロータと接触し、これを駆動させるステータ凸部の表面は、ロータとの接触摩擦を大きくする為に、例えば櫛歯状のような、ロータを駆動し易い形状であることが好ましい。同様に、ステータと接触するロータ部分も、摩擦が大きくなるような表面となっていることが好ましい。
以下、本発明を実施例によって更に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
【００１８】
実施例．
直径３０ｍｍのステータを８枚用い、サンドイッチ構造の超音波モータを４段積み重ねて本発明の積層サンドイッチ型超音波モータを作製した。その説明図は図４に示した通りである。図４に示される如く、ステータ２の裏側には、１枚おきに皿バネ３若しくはステータ治具４がネジ５により締結されている。隣接するステータ２は、取りつけられた皿バネ３とステータ治具４のはめあいにより接合されている。又出力軸１に公知の固着手段によって固着されたロータ６を挟んで向かい合うステータ２間の周方向の相対位置は、ステータ治具４のネジ５があたる部分に設けたスリットにより±５°以内に調節されている。皿バネ３は多層構造による平行度誤差を解消する為に取り付けられているが、それ以外にも、ケース７のキー溝及びスリットにはめあいで挿入され、ステータ２の位置決めをする役目がある。押付力は積層構造の上部に取りつけたコイルバネ９により行った。
【００１９】
ステータ２は、黄銅を用いて同じ寸法のものを８枚作製した。ステータ２の櫛歯面裏面に貼付する圧電体８としてはＰＺＴ（ジルコン酸チタン鉛）を使用し、隣り合う部分の分極が逆になるように、図２のように厚み方向にポーリングが施され、接着剤によって貼付された。各圧電体表面には銀を蒸着して電極面とし、該電極面に配線を施した。また、ロータ６は、ガラス繊維を３０重量％含有する６６ナイロンを用いて作製した。
【００２０】
出力軸１に反射マークを貼り、可視光反射式回転測定器によって、非接触で各段の超音波モータの回転速度を測定すると共に、積層サンドイッチ型超音波モータの回転速度を接触式で測定した。また、バネ秤を用いてトルクを測定した。全体の構成は図５に示した通りである。
押し付け力を２ｋｇとし、３４ｋＨ_Ｚ付近で回転速度が一致するサンドイッチ型超音波モータ単位４個を組み合わせた速度近接型の積層サンドイッチ型超音波モータと、３４ｋＨ_Ｚ付近で回転速度の異なるサンドイッチ型超音波モータ４個を組み合わせた、速度分散型の積層サンドイッチ型超音波モータについて最大トルクと最大回転速度を測定した結果は、夫々、図６及び図７に示した通りである。
【００２１】
図６の結果から、最高回転数に関しては、速度近接型の場合と速度分散型の場合は略同程度の結果であると言える。一方、図７の結果から、サンドイッチ型超音波モータの数に対して、速度近接型の場合には出力トルクが直線的に増加するのに対し、速度分散型の場合には直線性は見られず、速度近接型の場合より出力トルクの値が小さくなったものの、出力トルクが増加するという点では両者とも異なることはないことが確認された。
【００２２】
【発明の効果】
積層サンドイッチ型超音波モータは、ある程度ランダムに構成するサンドイッチ型超音波モータを組み合せても、十分に積層構造の効果が得られるので組立て工程を簡素化することが出来、これによって製作コストが低減される。又、更に出力トルクが必要である場合には、構成するサンドイッチ型超音波モータの回転速度が一致するようにステータを組み合わせれば良い。
従って、本発明の積層サンドイッチ型超音波モータは、必要に応じて単位となるサンドイッチ型超音波モータを重ねることによって、回転数や応答性を犠牲にすることなく、所望の出力トルクを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１枚のロータを挟む２枚のステ-タそれぞれに発生した進行波の位相差が１８０°付近となった場合を説明する概念図である。
【図２】圧電体を貼付する時の、分極のさせ方を例示した図である。
【図３】隣接するステータが一体化され、ロータと接触する凸部を表裏に有する場合のステータ断面の説明図である。
【図４】本発明の積層サンドイッチ型超音波モータの説明図である。
【図５】本発明の積層サンドイッチ型超音波モータの構成図である。
【図６】本発明の積層サンドイッチ型超音波モータの最大回転数と、積層するサンドイッチ型超音波モータ単位の段数との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の積層サンドイッチ型超音波モータの最大トルクと、積層するサンドイッチ型超音波モータ単位の段数との関係を示すグラフである。
【符号の簡単な説明】
１．出力軸
２．ステータ
３．皿バネ
４．ステータ治具
５．ネジ
６．ロータ
７．ケース
８．圧電体
９．コイルバネ

Claims

１枚のロータを２枚のステータで挟んだサンドイッチ型超音波モータを２以上積層圧着してなる積層サンドイッチ型超音波モータであって、ステータのロータと接触する凸部裏面の少なくとも１部に圧電体が貼り付けられており、該圧電体表面に空間が確保される如く構成されていると共に、隣り合う超音波モータの２枚のロータ間のステータが、半径の異なる表裏の各凸部で前記２枚のロータとそれぞれ接触する１枚のステータであることを特徴とする、トルクが向上された積層サンドイッチ型超音波モータ。
前記圧電体表面の空間を確保する為に、弾性を有するスペーサが配されている、請求項１に記載されたトルクが向上された積層サンドイッチ型超音波モータ。
前記２枚のステータの各々に逆位相の進行波を発生させる、請求項１又は２に記載されたトルクが向上された積層サンドイッチ型超音波モータ。
ロータと接触する凸部表面が櫛歯状となっている、請求項１〜３の何れかに記載されたトルクが向上された積層サンドイッチ型超音波モータ。
前記１枚のロータを挟む２枚のステータが、該２枚のステータそれぞれに発生する進行波の位相が逆位相になる位置を基準に、周方向の相対位置が±５°の範囲となるように調整されている、請求項３又は４に記載されたトルクが向上された積層サンドイッチ型超音波モータ。