WO2022102673A1 - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

大型化を伴わずしてトルクを大きくすることができる、超音波モータを提供する。　本発明の超音波モータ１は、第１，第２の主面３ａ，３ｂを含む板状の振動体３と、第１の主面３ａ上に設けられている圧電素子（第１，第３の圧電素子１３Ａ，１３Ｃ）とを有するステータ２と、第２の主面３ｂに接触しているロータ５とを備える。圧電素子が、振動体３を振動させることにより、軸方向Ｚを中心として周回する進行波を発生させるように、進行波の周回方向に沿って配置されている。圧電素子は、振動体３を、周回方向に延びる節線を含む振動モードにより振動させる。振動体３の第１，第２の主面３ａ，３ｂのうち少なくとも一方に、質量付加部３ｄが周回方向に沿って設けられており、かつ軸方向Ｚに垂直な方向において、質量付加部３ｄが節線の外側に位置する。

Description

超音波モータ

　本発明は、超音波モータに関する。

　従来、圧電素子によりステータを振動させる超音波モータが種々提案されている。下記の特許文献１には、圧電モータの一例が開示されている。この圧電モータにおいては、固定子の振動を摺動子に伝達させることにより、摺動子を回転させる。固定子における摺動子と接触する部分にのみ、振動伝達用の突起が設けられている。

特開昭６１－７０６０７６号公報

　従来においては、モータのトルクを大きくするためには、固定子、すなわちステータを大型にする必要があった。そのため、モータ全体としても大型にする必要があった。近年、デバイスの小型化が進んでいるが、モータのトルクを大きくすることと、デバイスの小型化に寄与することとの両立は困難であった。

　本発明の目的は、大型化を伴わずしてトルクを大きくすることができる、超音波モータを提供することにある。

　本発明に係る超音波モータは、対向し合う第１の主面及び第２の主面を含む板状の振動体と、前記振動体の前記第１の主面上に設けられている圧電素子とを有するステータと、前記振動体の前記第２の主面に直接的または間接的に接触しているロータとを備え、前記振動体の前記第１の主面及び前記第２の主面を結ぶ方向であって、回転中心に沿う方向を軸方向としたときに、前記圧電素子が、前記振動体を振動させることにより、前記軸方向を中心として周回する進行波を発生させるように、前記進行波の周回方向に沿って配置されており、前記圧電素子が、前記振動体を、前記周回方向に延びる節線を含む振動モードにより振動させ、前記振動体の前記第１の主面及び前記第２の主面のうち少なくとも一方に、質量付加部が前記周回方向に沿って設けられており、かつ前記軸方向に垂直な方向において、前記質量付加部が前記節線の外側に位置する。

　本発明に係る超音波モータによれば、大型化を伴わずしてトルクを大きくすることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータの正面断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態におけるステータの底面図である。 図３は、各振動モードを説明するための模式図である。 図４は、本発明の第１の実施形態における第１の圧電素子の正面断面図である。 図５（ａ）～図５（ｃ）は、第１の実施形態において励振される進行波を説明するための、ステータの模式的底面図である。 図６は、進行波を説明するための、質量付加部が設けられていない場合のステータの模式的正面図である。 図７は、本発明の第１の実施形態の第１の変形例におけるステータの正面断面図である。 図８は、本発明の第１の実施形態の第２の変形例におけるステータの正面断面図である。 図９は、本発明の第１の実施形態の第３の変形例におけるステータの正面断面図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る超音波モータの正面断面図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態におけるステータの正面断面図である。

　以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

　なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

　図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータの正面断面図である。

　超音波モータ１は、ステータ２と、ロータ５とを有する。ステータ２とロータ５とは接触している。ステータ２において生じた進行波により、ロータ５を回転させる。以下において、超音波モータ１の具体的な構成を説明する。

　ステータ２は振動体３を有する。振動体３は円板状である。振動体３は第１の主面３ａ及び第２の主面３ｂを有する。第１の主面３ａ及び第２の主面３ｂは対向し合っている。本明細書において、軸方向Ｚとは、第１の主面３ａ及び第２の主面３ｂを結ぶ方向であって、回転中心に沿う方向をいう。振動体３の中央部には貫通孔３ｃが設けられている。もっとも、貫通孔３ｃの位置は上記に限定されない。貫通孔３ｃは、軸方向中心を含む領域に位置していればよい。さらに、振動体３の形状は円板状には限定されない。軸方向Ｚから見た振動体３の形状は、例えば、正六角形、正八角形または正十角形などの正多角形であってもよい。振動体３は適宜の金属からなる。なお、振動体３は必ずしも金属からなっていなくともよい。振動体３は、例えば、セラミックス、シリコン材料または合成樹脂などの他の弾性体により構成されていてもよい。

　ロータ５は、ロータ本体６と、回転軸７とを有する。ロータ本体６は貫通孔６ｃを有する。貫通孔６ｃは、ロータ本体６の中央に位置する。貫通孔６ｃに回転軸７が挿通されている。もっとも、貫通孔６ｃの位置は上記に限定されない。貫通孔６ｃは、軸方向中心を含む領域に位置していればよい。回転軸７は振動体３の貫通孔３ｃにも挿通されている。なお、振動体３の貫通孔３ｃ及びロータ本体６の貫通孔６ｃは設けられていなくともよい。この場合には、例えば、回転軸７の一端がロータ本体６に接続されていてもよい。さらに、ロータ本体６の形状は上記に限定されない。軸方向Ｚから見たロータ本体６の形状は、例えば、正六角形、正八角形または正十角形などの正多角形であってもよい。

　本明細書においては、軸方向Ｚから見る方向を、平面視または底面視と記載することがある。なお、平面視は、図１における上方から見る方向であり、底面視は、下方から見る方向である。ここで、本実施形態では、振動体３は円板状である。そのため、以下においては、軸方向Ｚに垂直な方向を径方向と記載することがある。

　図２は、第１の実施形態におけるステータの底面図である。

　図２に示すように、振動体３の第１の主面３ａには、複数の圧電素子が設けられている。複数の圧電素子は、軸方向Ｚに平行な軸を中心として周回する進行波を発生させるように、該進行波の周回方向に沿って分散配置されている。軸方向Ｚから見たときに、第１の圧電素子１３Ａ及び第３の圧電素子１３Ｃは軸を挟んで対向し合っている。第２の圧電素子１３Ｂ及び第４の圧電素子１３Ｄは軸を挟んで対向し合っている。複数の圧電素子は、振動体３を、周回方向に延びる節線を含む振動モードにより振動させる。

　図３は、各振動モードを説明するための模式図である。具体的には、図３は、平面視したときの振動体３における各領域の振動の位相を示す。＋の符号が付されている領域と、－の符号が付されている領域とは、振動の位相が互いに逆であることを示す。

　周回方向に延びる節線の本数をＭとし、径方向に延びる節線の本数をＮとしたときに、振動モードは（Ｍ，Ｎ）モードで表すことができる。本実施形態においては、（１，３）モードを利用する。もっとも、振動モードは（１，３）モードには限定されない。Ｍが自然数であり、Ｎが０以上の整数であればよい。

　図１及び図２に示すように、振動体３の第１の主面３ａに質量付加部３ｄが設けられている。より具体的には、質量付加部３ｄは円環状の突起部である。質量付加部３ｄは、振動体３を構成している板状の部材の外周縁付近が折り曲げられてなる。そのため、質量付加部３ｄは、振動体３の外周縁を含む部分に位置している。径方向において、質量付加部３ｄは節線の外側に位置する。質量付加部３ｄが配置されている部分においては、振動体３の厚みが厚くなっており、質量が大きくなっている。なお、質量付加部３ｄは、振動体３の第１の主面３ａ及び第２の主面３ｂのうち少なくとも一方に設けられていればよい。ここで、本明細書において外周縁とは、平面視または底面視における外周縁である。厚みは、軸方向Ｚに沿う寸法である。

　本実施形態の特徴は、振動体３の第１の主面３ａに、周回方向に沿って質量付加部３ｄが設けられており、かつ軸方向Ｚに垂直な方向において、質量付加部３ｄが節線の外側に位置することにある。それによって、超音波モータ１の大型化を伴わずして、トルクを大きくすることができる。この詳細を、本実施形態の圧電素子の構成及び超音波モータの駆動方法と共に、以下において説明する。

　図４は、第１の実施形態における第１の圧電素子の正面断面図である。

　第１の圧電素子１３Ａは圧電体１４を有する。圧電体１４は第３の主面１４ａ及び第４の主面１４ｂを有する。第３の主面１４ａ及び第４の主面１４ｂは対向し合っている。第１の圧電素子１３Ａは、第１の電極１５Ａ及び第２の電極１５Ｂを有する。圧電体１４の第３の主面１４ａ上に第１の電極１５Ａが設けられており、第４の主面１４ｂ上に第２の電極１５Ｂが設けられている。第２の圧電素子１３Ｂ、第３の圧電素子１３Ｃ、及び第４の圧電素子１３Ｄも、第１の圧電素子１３Ａと同様に構成されている。上記各圧電素子の平面視における形状は矩形である。なお、各圧電素子の平面視における形状は上記に限定されず、例えば楕円形などであってもよい。

　ここで、第１の電極１５Ａは、振動体３の第１の主面３ａに接着剤により貼り付けられている。この接着剤の厚みは非常に薄い。従って、第１の電極１５Ａは振動体３に電気的に接続される。

　なお、進行波を発生させるためには、ステータ２は、少なくとも第１の圧電素子１３Ａ及び第２の圧電素子１３Ｂを有していればよい。あるいは、複数の領域に分割された、１個の圧電素子を有していてもよい。この場合には、例えば、圧電素子の各領域が互いに異なる方向に分極されていてもよい。

　ステータ２において、複数の圧電素子を周回方向に分散配置し、駆動することにより進行波を発生させる構造については、例えば、ＷＯ２０１０／０６１５０８Ａ１に開示されている。なお、この進行波を発生させる構造については、以下の説明だけでなく、ＷＯ２０１０／０６１５０８Ａ１に記載の構成を本明細書に援用することにより、詳細な説明については省略することとする。

　図５（ａ）～図５（ｃ）は、第１の実施形態において励振される進行波を説明するための、ステータの模式的底面図である。図６は、進行波を説明するための、質量付加部が設けられていない場合のステータの模式的正面図である。なお、図５（ａ）～図５（ｃ）では、グレースケールにおいて、黒色に近いほど一方の方向の応力が大きく、白色に近いほど他方の方向の応力が大きいことを示す。図６における実線及び破線の曲線は、振動のエネルギーの大きさを模式的に示す。

　図５（ａ）には、三波の定在波Ｘが示されており、図５（ｂ）には、三波の定在波Ｙが示されている。第１～第４の圧電素子１３Ａ～１３Ｄが、中心角３０°の角度を隔てて配置されているとする。各圧電素子は、６０°の中心角を占める周回方向寸法を有するものとする。この場合、三波の定在波Ｘ，Ｙが励振されるため、進行波の波長に対する中心角は１２０°となる。すなわち第１～第４の圧電素子１３Ａ～１３Ｄは、中心角で１２０°／２＝６０°に対応する、周回方向寸法を有する。隣り合う圧電素子が１２０°／４＝３０°の中心角に対応する間隔をあけて隔てられている。この場合、上記のように、位相が９０°異なる三波の定在波Ｘ，Ｙが励振され、両者が合成されて、図５（ｃ）に示す進行波が生じる。

　なお、図５（ａ）～図５（ｃ）における、Ａ＋、Ａ－、Ｂ＋、Ｂ－は、圧電体１４の分極方向を示す。＋は、厚み方向において、第３の主面１４ａから第４の主面１４ｂに向けて分極されていることを意味する。－は、逆方向に分極されていることを示す。Ａは、第１の圧電素子１３Ａ及び第３の圧電素子１３Ｃであることを示し、Ｂは、第２の圧電素子１３Ｂ及び第４の圧電素子１３Ｄであることを示す。

　なお、三波の例を示したが、これに限定されず六波、九波、十二波などの場合も同様に位相が９０°異なる２つの定在波が励振され、両者の合成により進行波が生じる。

　なお、本発明において、進行波を発生させる構成は、図５（ａ）～図５（ｃ）に示した構成に限らず、従来より公知の様々な進行波を発生させる構成を用いることができる。

　図６に示すように、進行波が励振された際、一点鎖線Ｃに示す部分が節線となる。節線の径方向外側において、振動のエネルギーが大きくなっている。これに加えて、図１に示す本実施形態では、節線の径方向外側に質量付加部３ｄが位置する。そのため、節線の径方向外側において質量が大きくなる。質量が大きい部分においては、振動のエネルギーが増加する。よって、ステータ２におけるエネルギー密度を効果的に高めることができる。従って、トルクを大きくすることができる。

　なお、トルクはモータの半径に依存する。該半径は、超音波モータ１においては、ステータ２の作用点を結んだ円形の半径に相当する。この作用点は、より具体的には、ロータ５と接触してロータ５を回転させる部分である。ここで、本実施形態では、質量付加部３ｄが設けられていない場合と比較して、径方向における質量のバランスが、径方向外側に偏る。これにより、質量付加部３ｄが設けられていない場合と比較して、作用点が径方向外側に移行する。よって、上記半径を大きくすることができ、超音波モータ１のトルクを効果的に大きくすることができる。このように、超音波モータ１の大型化を伴わずして、トルクを効果的に大きくすることができる。

　上述したように、本実施形態においては、（Ｍ，Ｎ）モードを利用する。より具体的には、Ｍ＝１であり、Ｎ＝３である。なお、Ｍが２以上である場合には、周回方向に延びる複数本の節線が生じる。この場合には、径方向において、最も外側の節線の外側に、質量付加部３ｄが位置することが好ましい。それによって、作用点を径方向外側により確実に配置することができ、トルクをより確実に大きくすることができる。

　以下において、質量付加部の配置のみが第１の実施形態と異なる、第１の実施形態の第１～第３の変形例を示す。第１～第３の変形例においても、第１の実施形態と同様に、超音波モータの大型化を伴わずして、トルクを効果的に大きくすることができる。

　図７に示す第１の変形例においては、質量付加部３ｄは振動体２３Ａの第２の主面３ｂに設けられている。なお、質量付加部３ｄは第１の主面３ａには設けられていない。

　図８に示す第２の変形例においては、質量付加部３ｄは振動体２３Ｂの第１の主面３ａ及び第２の主面３ｂの双方に設けられている。

　もっとも、質量付加部３ｄは、図１に示す第１の実施形態のように、振動体３の第１の主面３ａのみに設けられていることが好ましい。それによって、質量付加部３ｄをプレス加工によって容易に設けることができる。従って、生産性を高めることができる。なお、現実的には、プレス加工を行う面において、平坦度が損なわれる可能性もある。ここで、第１の主面３ａは複数の圧電素子が設けられる面であるため、平坦度が高いことが好ましい。第１の実施形態の場合には、第２の主面３ｂ側からプレス加工が行われるため、第１の主面３ａの平坦度がより確実に損なわれ難い。よって、生産性を効果的に高めることができる。

　加えて、図１に示すように、質量付加部３ｄはロータ５と接触しない面に配置されている。そのため、質量付加部３ｄの配置は、ロータ５のサイズに制限されず、振動体３を大型化する必要もない。従って、超音波モータ１の小型化をより一層阻害し難い。

　なお、第１の変形例の質量付加部３ｄは、例えば、プレス加工によって設けることができる。第２の変形例の質量付加部３ｄは、例えば、切削加工によって設けることができる。

　図９に示す第３の変形例においては、振動体２３Ｃの第１の主面３ａにおける、外周縁を含まない位置に質量付加部３ｄが設けられている。なお、質量付加部３ｄは節線の径方向外側に配置されている。第３の変形例の質量付加部３ｄは、例えば、切削加工によって設けることができる。もっとも、第１の実施形態のように、外周縁を含むように質量付加部３ｄが配置されていることが好ましい。この場合には、プレス加工により質量付加部３ｄを容易に設けることができる。

　図１０は、第１の実施形態の第４の変形例に係る超音波モータの正面断面図である。

　本変形例は、振動体２３Ｄの第２の主面３ｂ上に、複数の突出部２４が設けられている点において第１の実施形態と異なる。突出部２４は、第２の主面３ｂから軸方向Ｚに突出している。複数の突出部２４は、進行波の周回方向に沿って配置されている。本変形例では、軸方向Ｚから見たときに、複数の突出部２４は円環状に並んでいる。なお、複数の突出部２４は、進行波が励振された際において、節線の径方向内側に位置する。ステータ２２Ｄは、複数の突出部２４において、ロータ５に接触している。

　上記のように、ステータ２２Ｄの突出部２４は、振動体２３Ｄの第２の主面３ｂから軸方向Ｚに突出している。そのため、振動体２３Ｄにおいて進行波が生じたとき、突出部２４の先端はより一層大きく変位する。よって、ステータ２２Ｄにおいて生じさせた進行波によって、ロータ５を効率的に回転させることができる。

　ところで、図１に示す第１の実施形態においては、ロータ５は直接的に振動体３の第２の主面３ｂと接触している。もっとも、ロータ本体６には摩擦材が張り付けられていてもよい。ロータ５は摩擦材を介して間接的に振動体３の第２の主面３ｂと接触していてもよい。この場合には、ロータ５と振動体３との間の摩擦力が大きくなる。それによって、進行波により、ロータ５を効率的に回転させることができる。

　超音波モータ１では、質量付加部３ｄの材料は振動体３の材料と同じであり、かつ質量付加部３ｄは振動体３と一体である。もっとも、質量付加部３ｄは振動体３と別体であってもよい。この例を、以下の第２の実施形態において示す。

　図１１は、第２の実施形態におけるステータの正面断面図である。

　本実施形態は、質量付加部３３ｄが、振動体３３と一体ではない点において、第１の実施形態と異なる。質量付加部３３ｄの材料は、振動体３３の材料とは異なる。上記の点以外においては、本実施形態の超音波モータは第１の実施形態の超音波モータ１と同様に構成されている。

　質量付加部３３ｄは円環状の形状を有する。質量付加部３３ｄは、例えば、振動体３３に用いられている材料と異なる金属や、セラミックスなどからなる。質量付加部３３ｄは、例えば、接着剤または半田などにより振動体３３に接合されていてもよい。

　本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、節線の径方向外側に質量付加部３３ｄが位置する。これにより、ステータ３２における振動のエネルギー密度を効果的に大きくすることができる。加えて、振動体３３を大型にせずして、ステータ３２の作用点を結んだ円形の半径を大きくすることができる。よって、超音波モータの大型化を伴わずして、トルクを効果的に大きくすることができる。

　質量付加部３３ｄの材料の密度は、振動体３３の材料の密度よりも大きいことが好ましい。それによって、質量付加部３３ｄの体積が小さくとも、節線の径方向外側において質量を効果的に大きくすることができる。従って、超音波モータの小型化をより一層阻害し難い。

　１…超音波モータ
　２…ステータ
　３…振動体
　３ａ，３ｂ…第１，第２の主面
　３ｃ…貫通孔
　３ｄ…質量付加部
　５…ロータ
　６…ロータ本体
　６ｃ…貫通孔
　７…回転軸
　１３Ａ～１３Ｄ…第１～第４の圧電素子
　１４…圧電体
　１４ａ，１４ｂ…第３，第４の主面
　１５Ａ，１５Ｂ…第１，第２の電極
　２２Ｄ…ステータ
　２３Ａ～２３Ｄ…振動体
　２４…突出部
　３２…ステータ
　３３…振動体
　３３ｄ…質量付加部

Claims (5)

1. 　対向し合う第１の主面及び第２の主面を含む板状の振動体と、前記振動体の前記第１の主面上に設けられている圧電素子と、を有するステータと、
   　前記振動体の前記第２の主面に直接的または間接的に接触しているロータと、
   を備え、
   　前記振動体の前記第１の主面及び前記第２の主面を結ぶ方向であって、回転中心に沿う方向を軸方向としたときに、前記圧電素子が、前記振動体を振動させることにより、前記軸方向を中心として周回する進行波を発生させるように、前記進行波の周回方向に沿って配置されており、
   　前記圧電素子が、前記振動体を、前記周回方向に延びる節線を含む振動モードにより振動させ、
   　前記振動体の前記第１の主面及び前記第２の主面のうち少なくとも一方に、質量付加部が前記周回方向に沿って設けられており、かつ前記軸方向に垂直な方向において、前記質量付加部が前記節線の外側に位置する、超音波モータ。
2. 　前記質量付加部が、前記振動体の材料と同じ材料からなり、前記振動体と一体である、請求項１に記載の超音波モータ。
3. 　前記質量付加部が、前記振動体の材料と異なる材料からなる、請求項１に記載の超音波モータ。
4. 　前記質量付加部が、前記振動体の外周縁を含む部分に設けられている、請求項１～３のいずれか１項に記載の超音波モータ。
5. 　前記振動体が円板状であり、
   　前記振動体の前記周回方向に延びる節線の本数をＭとし、前記振動体の径方向に延びる節線の本数をＮとしたときに、前記振動モードが（Ｍ，Ｎ）モードにより表される振動モードであり、前記Ｍが自然数であり、前記Ｎが０以上の整数である、請求項１～４のいずれか１項に記載の超音波モータ。

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