WO2022220059A1 - 超音波モータ - Google Patents

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WO2022220059A1
WO2022220059A1 PCT/JP2022/014301 JP2022014301W WO2022220059A1 WO 2022220059 A1 WO2022220059 A1 WO 2022220059A1 JP 2022014301 W JP2022014301 W JP 2022014301W WO 2022220059 A1 WO2022220059 A1 WO 2022220059A1
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WO
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stator
hole
vibrating body
view
plan
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/014301
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English (en)
French (fr)
Inventor
宏志 浅野
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
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Priority to JP2023514553A priority patent/JP7485210B2/ja
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Priority to US18/450,121 priority patent/US20230387830A1/en

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/16Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
    • H02N2/166Motors with disc stator
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/103Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors by pressing one or more vibrators against the rotor
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/12Constructional details

Definitions

  • the present invention relates to ultrasonic motors.
  • Patent Document 1 discloses an example of an ultrasonic motor.
  • the moving body is rotated by a standing wave generated in the vibrating body.
  • a moving body is arranged on one main surface side of the vibrating body, and a vibrating body fixture is arranged on the other main surface side.
  • the vibrating body is provided with a small hole through which the rotating shaft of the moving body is inserted.
  • the vibrating body fixtures fix the main surface of the vibrating body around the small holes and at the vibration nodes of the vibrating body.
  • the vibrating body receives a reaction force from the rotor side when a force is applied to rotate the moving body, that is, the rotor. Therefore, it is necessary to firmly fix the vibrating body in order to prevent the vibrating body from rotating due to the reaction force.
  • the vibrating body is also fixed around the small hole. Since the portion of the vibrating body around the small hole vibrates, if such a portion is firmly fixed, the vibration of the vibrating body will be hindered. Therefore, the characteristics of the ultrasonic motor may deteriorate.
  • An object of the present invention is to provide an ultrasonic motor in which the vibrating body can be effectively fixed and the vibration of the vibrating body is less likely to be disturbed.
  • An ultrasonic motor includes a first main surface and a second main surface facing each other, and a through hole penetrating in a direction in which the first main surface and the second main surface face each other. and a piezoelectric element provided on the first main surface of the vibrating body; and a rotor in contact with the second main surface of the vibrating body.
  • stator fixing member having a body portion arranged on the first main surface side of the vibrating body, and a detent portion extending from the body portion toward the vibrating body side, wherein the stator fixing member
  • the anti-rotation portion and the through hole of the stator have a polygonal shape in plan view, the number of vertexes of the anti-rotation portion and the through hole are the same, and the anti-rotation portion and the through hole are mated.
  • the vibrating body can be effectively fixed, and the vibration of the vibrating body is less likely to be disturbed.
  • FIG. 1 is a front cross-sectional view of an ultrasonic motor according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the ultrasonic motor according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a plan view showing the vicinity of the anti-rotation portion and the first projecting portion of the stator fixing member according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view showing the vicinity of the through hole of the vibrator and the anti-rotation portion of the stator fixing member according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a bottom view of the stator in the first embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a front sectional view of the first piezoelectric element in the first embodiment of the invention.
  • FIGS. 8(a) to 8(c) are schematic bottom views of the stator for explaining traveling waves excited in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a bottom view for explaining the relationship between the shape of the through holes and the positions of the piezoelectric elements in the stator of the first embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a bottom view for explaining the relationship between the shape of the through holes and the positions of the piezoelectric elements in the stator of the second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 is a front cross-sectional view of an ultrasonic motor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the ultrasonic motor according to the first embodiment.
  • the ultrasonic motor 1 has a stator 2, a rotor 4, a case 5, and a shaft member 10.
  • a case 5 houses the stator 2 and the rotor 4 .
  • the case 5 is composed of a stator fixing member 6 as a first case member and a cap member 18 as a second case member.
  • the stator 2 and rotor 4 are in contact.
  • a traveling wave generated in the stator 2 causes the rotor 4 to rotate.
  • the shaft member 10 is inserted through the stator 2 and the rotor 4 and reaches the outside of the case 5 .
  • the shaft member 10 rotates.
  • the rotor 4 may include the shaft member 10 .
  • a specific configuration of the ultrasonic motor 1 will be described below.
  • the stator 2 has a vibrating body 3.
  • the vibrating body 3 is disc-shaped.
  • the vibrating body 3 has a first main surface 3a and a second main surface 3b.
  • the first main surface 3a and the second main surface 3b face each other.
  • the axial direction Z is a direction connecting the first main surface 3a and the second main surface 3b and along the rotation center axis.
  • the shaft member 10 extends parallel to the axial direction Z.
  • the direction viewed from the axial direction Z may be described as plan view or bottom view. Note that the plan view is the direction viewed from above in FIG. 1, and the bottom view is the direction viewed from below.
  • the direction seen from the second main surface 3b side of the vibrating body 3 to the first main surface 3a side is the plan view
  • the direction seen from the first main surface 3a side to the second main surface 3b side is the bottom surface. It is sight.
  • a through hole 3c is provided in the central portion of the vibrating body 3.
  • the vibrating body 3 has an inner surface 3d facing the through hole 3c.
  • the through hole 3c has a regular pentagonal shape. That is, the shape of the through hole 3c in plan view is a regular pentagon.
  • the through hole 3c may be located in a region including the center in the axial direction.
  • the shape of the through hole 3c in plan view may be, for example, a polygonal shape other than a pentagonal shape.
  • the through hole 3c preferably has a regular polygonal shape in plan view.
  • the shape of the vibrating body 3 is not limited to a disc shape.
  • the shape of the vibrating body 3 in plan view may be, for example, a regular polygon such as a regular hexagon, a regular octagon, or a regular decagon.
  • the vibrating body 3 is made of an appropriate metal. Note that the vibrating body 3 does not necessarily have to be made of metal.
  • the vibrating body 3 may be composed of other elastic bodies such as ceramics, silicon material, or synthetic resin, for example.
  • the first main surface 3a of the vibrating body 3 is provided with a plurality of piezoelectric elements.
  • a traveling wave is generated by vibrating the vibrating body 3 with a plurality of piezoelectric elements.
  • the rotor 4 is in contact with the second main surface 3b of the vibrating body 3.
  • the rotor 4 is disc-shaped.
  • a through hole 4 c is provided in the central portion of the rotor 4 .
  • the through hole 4c may be positioned in a region including the center in the axial direction.
  • the shape of the rotor 4 is not limited to the above.
  • the shape of the rotor 4 may be, for example, a regular polygon such as a regular hexagon, a regular octagon, or a regular decagon in plan view.
  • the stator fixing member 6 is a flange in this embodiment.
  • the stator fixing member 6 has a body portion 7 and a detent portion 8 .
  • the body portion 7 has a circular shape.
  • the body portion 7 is arranged on the first main surface 3 a side of the vibrating body 3 .
  • a central portion of the body portion 7 is provided with a first projecting portion 7a.
  • the first projecting portion 7a extends in a direction perpendicular to the main surface of the main body portion 7.
  • the first protrusion 7 a protrudes inside the case 5 . Note that the first projecting portion 7a may not necessarily be provided.
  • a detent part 8 is connected to the first projecting part 7a.
  • a detent portion 8 extends toward the vibrating body 3 from the first projecting portion 7a.
  • the anti-rotation portion 8 is provided integrally with the first projecting portion 7a.
  • the anti-rotation portion 8 is inserted through the through hole 3 c of the vibrating body 3 .
  • the anti-rotation portion 8 is a portion that fixes the vibrating body 3 of the stator 2 and suppresses the rotation of the vibrating body 3 .
  • FIG. 3 is a plan view showing the vicinity of the anti-rotation portion and the first projecting portion of the stator fixing member in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a plan view showing the vicinity of the through-hole of the vibrator and the anti-rotation portion of the stator fixing member in the first embodiment.
  • locking part 8 is shown by the dashed-dotted line.
  • the first projecting portion 7a has a circular shape in plan view. More specifically, the first protrusion 7a has a cylindrical shape. The first projecting portion 7a surrounds the anti-rotation portion 8 in plan view.
  • the shape of the first projecting portion 7a is not limited to the above.
  • the anti-rotation portion 8 has a regular pentagonal shape in plan view. Therefore, the number of vertexes of the polygonal shape in the plan view of the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c of the stator 2 is the same.
  • the shape of the anti-rotation portion 8 in plan view may be a polygonal shape other than a pentagon depending on the shape of the through hole 3c. It is preferable that the anti-rotation portion 8 has a regular polygonal shape in a plan view.
  • the anti-rotation portion 8 includes an outer surface 8a. The outer surface 8a is in contact with the inner surface 3d of the vibrating body 3 of the stator 2. As shown in FIG. More specifically, the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c are fitted.
  • a through hole 8c is provided in the anti-rotation portion 8.
  • the through hole 8c has a circular shape.
  • one continuous through hole is provided in the anti-rotation portion 8 and the first projecting portion 7a.
  • Through hole 8c is part of the through hole.
  • a shaft member 10 is inserted through the one continuous through hole, the through hole 3 c of the stator 2 and the through hole 4 c of the rotor 4 .
  • the through hole 3c of the stator 2 overlaps the through hole 8c of the anti-rotation portion 8 when viewed in a direction orthogonal to the axial direction Z. As shown in FIG.
  • stator fixing member 6 As the material of the stator fixing member 6, for example, resin, metal or ceramics can be used. It is desirable that the stator fixing member 6 and the stator 2 are electrically insulated from each other.
  • the present embodiment is characterized in that the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c of the stator 2 have a polygonal shape in plan view, the number of vertexes of the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c are the same, and the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c are fitted.
  • the vibrating body 3 of the stator 2 can be effectively fixed.
  • the vibrating body 3 is not firmly fixed in the stator fixing member 6 except for the anti-rotation portion 8, the vibration of the vibrating body 3 is less likely to be hindered.
  • the stator fixing member 6 has a second projecting portion 7b.
  • the second protruding portion 7b protrudes from the main body portion 7 toward the outside of the case 5.
  • the second protrusion 7b has a cylindrical shape.
  • the second projecting portion 7b, the first projecting portion 7a, and the anti-rotation portion 8 are provided with one continuous through hole.
  • the inner diameter of the second projecting portion 7b is larger than the inner diameter of the first projecting portion 7a and the inner diameter of the anti-rotation portion 8 .
  • a first bearing portion 19A is provided in the second projecting portion 7b.
  • the shaft member 10 is inserted through the first bearing portion 19A.
  • the shaft member 10 protrudes outside the case 5 through the first bearing portion 19A.
  • the second projecting portion 7b is not limited to a cylindrical shape, and may be cylindrical.
  • the stator fixing member 6 may not necessarily be provided with the second projecting portion 7b.
  • the stator fixing member 6 may not be the first case member, and a first case member separate from the stator fixing member 6 may be provided.
  • the stator fixing member 6 is a part of the case 5, the size of the ultrasonic motor 1 can be reduced.
  • the cap member 18 has a projecting portion 18a.
  • the protruding portion 18 a protrudes outside the case 5 .
  • the projecting portion 18a is cylindrical.
  • Metal, ceramics, resin, or the like, for example, can be used for the cap member 18 .
  • the second case member of case 5 is cap member 18 .
  • the second case member is not limited to the cap member 18 .
  • a case in which the stator 2, the rotor 4, and the like are accommodated may be constructed.
  • a second bearing portion 19B is provided in the projecting portion 18a.
  • the shaft member 10 is inserted through the second bearing portion 19B.
  • the shaft member 10 protrudes outside the case 5 through the second bearing portion 19B.
  • a retaining ring 17 is provided on the shaft member 10 .
  • the retaining ring 17 has an annular shape.
  • the retaining ring 17 surrounds the shaft member 10 in plan view. More specifically, the inner peripheral edge of the retaining ring 17 is positioned within the shaft member 10 .
  • the retaining ring 17 contacts the first bearing portion 19A from the outside in the axial direction Z. As shown in FIG. Thereby, the positional deviation of the shaft member 10 can be suppressed.
  • materials for the shaft member 10 and the snap ring 17 for example, metal or resin can be used.
  • sliding bearings or bearings may be used for the first bearing portion 19A and the second bearing portion 19B.
  • the rotor 4 has a concave portion 4a and a side wall portion 4b.
  • the recess 4a is circular in plan view.
  • the side wall portion 4b is a portion surrounding the recessed portion 4a.
  • the rotor 4 is in contact with the stator 2 at the end face 4d of the side wall portion 4b.
  • the concave portion 4a and the side wall portion 4b may not be provided.
  • the rotor 4 and the shaft member 10 are configured separately.
  • the rotor 4 and the shaft member 10 may be integrally configured. That is, the rotor 4 may include the shaft member 10 .
  • An elastic member 12 is provided on the rotor 4 .
  • the elastic member 12 sandwiches the rotor 4 together with the stator 2 in the axial direction Z.
  • the elastic member 12 has an annular shape. Note that the shape of the elastic member 12 is not limited to the above.
  • a material of the elastic member 12 for example, rubber or resin can be used. However, the elastic member 12 may not be provided.
  • a spring member 16 is arranged on the second bearing portion 19B side of the rotor 4 . More specifically, the spring member 16 of this embodiment is a leaf spring made of metal. An opening 16 c is provided in the central portion of the spring member 16 . The shaft member 10 is inserted through the opening 16c. The shaft member 10 has a wide portion 10a. The width of the wide portion 10 a of the shaft member 10 is wider than the width of other portions of the shaft member 10 . The width of the shaft member 10 is a dimension along the direction perpendicular to the axial direction Z of the shaft member 10 . The inner peripheral edge portion of the spring member 16 is in contact with the wide portion 10a. Thereby, positional deviation between the spring member 16 and the shaft member 10 can be suppressed.
  • the material and configuration of the spring member 16 are not limited to the above.
  • the configuration of the shaft member 10 is also not limited to the above.
  • a friction material may be fixed to the surface of the rotor 4 on the stator 2 side. Thereby, the frictional force applied between the oscillator 3 of the stator 2 and the rotor 4 can be stabilized. In this case, the rotor 4 can be efficiently rotated, and the ultrasonic motor 1 can be efficiently rotationally driven.
  • a plurality of protrusions 3e are provided on the second main surface 3b of the vibrating body 3.
  • the plurality of protrusions 3 e are portions of the vibrating body 3 that are in contact with the rotor 4 .
  • Each protrusion 3 e protrudes in the axial direction Z from the second main surface 3 b of the vibrating body 3 .
  • the plurality of protrusions 3e are arranged in an annular shape. Since the plurality of protrusions 3e protrude from the second main surface 3b in the axial direction Z, when a traveling wave is generated in the vibrating body 3, the tips of the plurality of protrusions 3e are displaced to a greater extent. Therefore, the traveling wave generated in the stator 2 can efficiently rotate the rotor 4 .
  • the plurality of protrusions 3e may not necessarily be provided.
  • FIG. 5 is a bottom view of the stator in the first embodiment.
  • a plurality of piezoelectric elements are provided on the first main surface 3 a of the vibrating body 3 . More specifically, the plurality of piezoelectric elements are a first piezoelectric element 13A, a second piezoelectric element 13B, a third piezoelectric element 13C and a fourth piezoelectric element 13D.
  • the plurality of piezoelectric elements are distributed along the circulating direction of the traveling wave so as to generate a traveling wave circulating around an axis parallel to the axial direction Z. As shown in FIG. When viewed from the axial direction Z, the first piezoelectric element 13A and the third piezoelectric element 13C face each other across the axis.
  • the second piezoelectric element 13B and the fourth piezoelectric element 13D face each other across the axis.
  • FIG. 6 is a front sectional view of the first piezoelectric element in the first embodiment.
  • the first piezoelectric element 13A has a piezoelectric body 14.
  • the piezoelectric body 14 has a third principal surface 14a and a fourth principal surface 14b.
  • the third main surface 14a and the fourth main surface 14b face each other.
  • the first piezoelectric element 13A has a first electrode 15A and a second electrode 15B.
  • a first electrode 15A is provided on the third main surface 14a of the piezoelectric body 14, and a second electrode 15B is provided on the fourth main surface 14b.
  • the first electrode 15A and the second electrode 15B are electrodes for exciting the first piezoelectric element 13A.
  • the second piezoelectric element 13B, the third piezoelectric element 13C, and the fourth piezoelectric element 13D are configured similarly to the first piezoelectric element 13A.
  • Each piezoelectric element has a rectangular shape in plan view. The shape of each piezoelectric element in plan view is not limited to the above, and may be, for example, circular or elliptical
  • the first electrode 15A is attached to the first main surface 3a of the vibrating body 3 with an adhesive.
  • the thickness of this adhesive is very thin. Therefore, the first electrode 15A is electrically connected to the vibrating body 3. As shown in FIG.
  • the stator 2 should have at least the first piezoelectric element 13A and the second piezoelectric element 13B. Alternatively, it may have one piezoelectric element divided into a plurality of regions. In this case, for example, each region of the piezoelectric element may be polarized in different directions. In this specification, one piezoelectric element and a plurality of piezoelectric elements each having a different polarization direction for each region may be referred to as a plurality of polarized piezoelectric elements. In this embodiment, the plurally polarized piezoelectric elements vibrate the vibrating body 3 in a vibration mode including nodal lines extending in the circumferential direction and the radial direction.
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining each vibration mode. Specifically, FIG. 7 shows the phase of vibration in each region of the vibrating body 3 when viewed from above. Regions marked with a + sign and regions marked with a - sign indicate that the vibration phases are opposite to each other.
  • the vibration mode can be expressed as a B(m, n) mode.
  • the B(m, n) mode is used. That is, the number m of nodal lines extending in the circumferential direction and the number n of nodal lines extending in the radial direction may be 0 or any natural number.
  • WO2010/061508A1 a structure in which a plurality of piezoelectric elements are distributed in the circumferential direction and driven to generate traveling waves is disclosed in WO2010/061508A1, for example. It should be noted that the detailed description of the structure for generating this traveling wave will be omitted by omitting not only the following description but also the configuration described in WO2010/061508A1.
  • FIGS. 8(a) to 8(c) are schematic bottom views of the stator for explaining traveling waves excited in the first embodiment.
  • FIGS. 8(a) to 8(c) in the gray scale, the closer to black, the greater the stress in one direction, and the closer to white, the greater the stress in the other direction.
  • FIG. 8(a) shows a three-wave standing wave X
  • FIG. 8(b) shows a three-wave standing wave Y.
  • the first to fourth piezoelectric elements 13A to 13D are arranged with a central angle of 90°.
  • the central angle is determined by multiplying the angle of one wave of 120° by 3/4 to determine the angle of 90°.
  • the first piezoelectric element 13A is arranged at a predetermined place where the amplitude of the three-wave standing wave X is large, and the second to fourth piezoelectric elements 13B to 13D are arranged at intervals of 90° of the central angle.
  • three standing waves X and Y having vibration phases different by 90° are excited, and the two are synthesized to generate a traveling wave shown in FIG. 8(c).
  • A+, A-, B+, and B- in FIGS. 8(a) to 8(c) indicate the polarization directions of the piezoelectric body .
  • + means that it is polarized from the third main surface 14a toward the fourth main surface 14b in the thickness direction.
  • - indicates that it is polarized in the opposite direction.
  • A indicates the first piezoelectric element 13A and the third piezoelectric element 13C
  • B indicates the second piezoelectric element 13B and the fourth piezoelectric element 13D.
  • the configuration for generating traveling waves is not limited to the configurations shown in FIGS. 8A to 8C, and various known configurations for generating traveling waves can be used.
  • the main body portion 7 of the stator fixing member 6 has the first projecting portion 7a as in the present embodiment.
  • the first projecting portion 7a preferably has a circular shape in plan view. Thereby, the stator 2 can be arranged more reliably and stably.
  • the stator fixing member 6 since the stator 2 is firmly fixed at the anti-rotation portion 8, it is not necessary to firmly fix the stator 2 at the first protruding portion 7a. Therefore, even if it has the 1st protrusion part 7a, it is hard to inhibit the vibration of the vibrating body 3 of the stator 2.
  • the diameter of the rotation preventing portion 8 is larger than the diameter of the first protrusion 7a in order to support the stator 2 by the first projecting portion 7a. It is necessary to increase the diameter of the protrusion 7a.
  • the anti-rotation portion 8 is polygonal in plan view as in the present embodiment, for example, the diameter of the circumscribed circle of the polygon and the diameter of the first projecting portion 7a are equal to each other. Even if they are the same, the stator 2 can be supported by the first projections 7a. Thus, the diameter of the first projecting portion 7a can be reduced.
  • the diameter of the first projecting portion 7a may be larger than the diameter of the circumscribed circle of the polygon.
  • the stator 2 can be favorably supported even if the diameter of the first projecting portion 7a is made smaller than when the anti-rotation portion 8 is circular in plan view. Therefore, the entire range of the portion that supports the stator 2 by the first projecting portion 7a can be brought closer to the through hole 3c of the stator 2. As shown in FIG. Therefore, inhibition of the vibration of the stator 2 can be effectively suppressed, and deterioration of the characteristics of the ultrasonic motor 1 can be effectively suppressed.
  • the anti-rotation portion 8 of the stator fixing member 6 and the through hole 3c of the stator 2 have a regular polygonal shape. Thereby, the stability of rotational driving of the ultrasonic motor 1 can be easily enhanced.
  • the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c of the stator 2 have the same number of vertices in the polygonal shape in plan view.
  • the number of vertices of the anti-rotation portion 8 and the number of vertexes of the through hole 3c are preferably five or seven. That is, it is preferable that the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c have a pentagonal shape or a heptagonal shape in plan view.
  • the size of the diameter of the inscribed circle of the anti-rotation portion 8 in plan view is based on the width of the shaft member 10 regardless of the number of vertices of the anti-rotation portion 8 .
  • the distance between the inscribed circle and the circumscribed circle in plan view of the anti-rotation portion 8 increases as the number of vertices of the anti-rotation portion 8 decreases. If the diameter of the inscribed circle is constant and the distance between the inscribed circle and the circumscribed circle is long, the diameter of the circumscribed circle increases. In this case, the diameter of the through hole 3c of the stator 2 needs to be increased.
  • the ultrasonic motor 1 can be miniaturized.
  • the number of vertexes of the anti-rotation portion 8 is too large, the shape of the anti-rotation portion 8 in plan view will approach a circle.
  • the number of vertexes of the anti-rotation portion 8 is seven or less, the resistance of the stator 2 against the rotation of the vibrating body 3 can be effectively increased, and the vibrating body 3 can be effectively fixed. .
  • the vibrating body 3 of the stator 2 vibrates in the B(m, n) mode.
  • the vibration of the vibrating body 3 there are n nodal lines extending in the radial direction.
  • a ⁇ n it is preferable that a ⁇ n.
  • the relationship between the number a and the number n is not limited to the above.
  • FIG. 9 is a bottom view for explaining the relationship between the shape of the through holes and the positions of the piezoelectric elements in the stator of the first embodiment.
  • a dashed-dotted line in FIG. 9 indicates a straight line connecting the apex of the through hole 3c of the vibrating body 3 in the stator 2 and the center of the through hole 3c.
  • Each of the five straight lines shown in FIG. 9 passes through one vertex of the plurality of vertices of the through hole 3c.
  • Each straight line does not pass through the center of each piezoelectric element in plan view.
  • the first electrode 15A is provided on the entire third main surface 14a of the piezoelectric body 14.
  • a second electrode 15B is provided over the entire fourth main surface 14b. Therefore, the center of the first electrode 15A and the center of the second electrode 15B of each piezoelectric element are not positioned on each straight line shown in FIG.
  • the first electrode 15A and the second electrode 15B are electrodes for excitation.
  • the through hole 3c of the stator 2 has a non-circular shape in plan view, it has asymmetry in the circumferential direction.
  • the arrangement of the first electrodes 15A and the second electrodes 15B of the plurality of piezoelectric elements also has asymmetry in the winding direction.
  • the centers of the first electrode 15A and the second electrode 15B of each piezoelectric element are positioned on the straight line connecting the apex of the through hole 3c and the center of the through hole 3c. preferably not.
  • the degree of matching between the asymmetry of the through hole 3c in the winding direction and the asymmetry of the first electrodes 15A and the second electrodes 15B of the plurality of piezoelectric elements can be reduced.
  • the arrangement of the first electrode 15A and the second electrode 15B of each piezoelectric element is not limited to the above.
  • the center of the excitation electrode is not positioned on each straight line shown in FIG.
  • the center of each electrode for excitation is positioned on the straight line connecting the center of the through hole of the stator and the vertex of the through hole. preferably not.
  • the main body portion 7 and the anti-rotation portion 8 of the stator fixing member 6 may be made of different materials. At least the anti-rotation portion 8 is preferably made of resin. As a result, the anti-rotation portion 8 does not easily affect the vibration of the stator 2 . Therefore, it is possible to improve the accuracy of the rotation angle.
  • the stator fixing member 6 may be formed by insert molding, for example. Alternatively, after forming the anti-rotation portion 8 and the main body portion 7 separately, the anti-rotation portion 8 and the main body portion 7 may be joined.
  • FIG. 10 is a bottom view for explaining the relationship between the shape of the through holes and the positions of the piezoelectric elements in the stator of the second embodiment.
  • This embodiment differs from the first embodiment in that the first piezoelectric element 23A, the second piezoelectric element 23B, the third piezoelectric element 23C, and the fourth piezoelectric element 23D have circular shapes in plan view. different from Furthermore, the relationship between the shape of the through hole 3c of the vibrating body 3 in the stator 22 and the arrangement of the plurality of piezoelectric elements is different from that of the first embodiment. Except for the above points, the ultrasonic motor of this embodiment has the same configuration as the ultrasonic motor 1 of the first embodiment.
  • a dashed line in FIG. 10 is a straight line C connecting one of the vertexes of the through hole 3c of the vibrating body 3 in the stator 22 and the center of the through hole 3c. More specifically, straight line C passes between first piezoelectric element 23A and fourth piezoelectric element 23D and between second piezoelectric element 23B and third piezoelectric element 23C. Although not shown except the straight line C, the center of the excitation electrode of each piezoelectric element in the stator 22 is not located on the straight line connecting the center of the through hole 3c and the vertex of the through hole 3c.
  • the two chain double-dashed lines in FIG. 10 are a straight line D and a straight line E that connect the centers of the electrodes of the two piezoelectric elements facing each other with the through hole 3c interposed therebetween.
  • the straight line D is a straight line connecting the centers of the excitation electrodes of the first piezoelectric element 23A and the third piezoelectric element 23C.
  • a straight line E is a straight line connecting the centers of the excitation electrodes of the second piezoelectric element 23B and the fourth piezoelectric element 23D.
  • the center of the through-hole 3c is positioned on the straight line D and the straight line E.
  • Straight line D and straight line E are orthogonal.
  • the angle ⁇ 1 formed by the straight lines C and D is 45°.
  • the angle ⁇ 2 formed by the straight lines C and E is also 45°.
  • the first piezoelectric element 23A and the second piezoelectric element 23B, and the third piezoelectric element 23C and the fourth piezoelectric element 23D are arranged symmetrically with respect to the straight line C as an axis of symmetry. As a result, the ripples in the traveling wave are canceled, so that the ripples can be further suppressed. Therefore, deterioration of the performance of the ultrasonic motor can be further suppressed.
  • the stator fixing member 6 is configured in the same manner as in the first embodiment shown in FIG. 1 and the like. Therefore, as in the first embodiment, the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c of the vibrating body 3 have a polygonal shape in plan view, and the number of vertexes of the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c are the same. , the anti-rotation portion 8 and the through hole 3c are fitted. Thereby, the vibrating body 3 of the stator 2 can be effectively fixed, and the vibration of the vibrating body 3 is hard to be inhibited.
  • Elastic members 13A to 13D First to fourth piezoelectric elements 14 Piezoelectric bodies 14a, 14b Third and fourth main surfaces 15A, 15B First and second electrodes 16 Spring member 16c Opening 17 Retaining ring 18 Cap member 18a Protruding portion 19A, 19B First and second bearing portions 22 Stator 23A to 23D First to fourth piezoelectric elements

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

振動体を効果的に固定することができ、かつ振動体の振動を阻害し難い、超音波モータを提供する。 本発明の超音波モータは、対向し合う第1,第2の主面3a,3bと、第1,第2の主面3a,3bが対向し合う方向に貫通している貫通孔3cと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とを有するステータと、第2の主面3bに接触しているロータと、第1の主面3a側に配置されている本体部と、本体部から振動体3側に延びている回り止め部8とを有するステータ固定部材とを備える。ステータ固定部材の回り止め部8及びステータの貫通孔3cが、平面視において多角形状を有し、回り止め部8及び貫通孔3cの頂点の個数が同じであり、回り止め部8と貫通孔3cとが嵌合している。

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、超音波モータの一例が開示されている。この超音波モータにおいては、振動体において発生した定在波により、移動体を回転させる。振動体の一方主面側に移動体が配置されており、他方主面側に振動体固定具が配置されている。振動体には、移動体の回転軸を挿通させるための小孔が設けられている。振動体固定具は、小孔の周囲及び振動体の振動の節において、振動体の上記主面を固定している。
特開平10-248273号公報
 振動体は、移動体、すなわちロータを回転させるために力を作用させるときに、ロータ側から反力を受ける。そのため、反力により振動体が回転することを防ぐために、振動体を強固に固定することが必要となる。特許文献1に記載の超音波モータにおいては、小孔の周囲においても振動体を固定している。振動体における小孔の周囲の部分は振動するため、このような部分を強固に固定すると、振動体の振動を阻害することとなる。よって、超音波モータの特性が低下することがある。
 本発明の目的は、振動体を効果的に固定することができ、かつ振動体の振動を阻害し難い、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の主面と、前記第1の主面及び前記第2の主面が対向し合う方向に貫通している貫通孔と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の主面に接触しているロータと、前記振動体の前記第1の主面側に配置されている本体部と、前記本体部から前記振動体側に延びている回り止め部とを有するステータ固定部材とを備え、前記ステータ固定部材の前記回り止め部及び前記ステータの前記貫通孔が、平面視において多角形状を有し、前記回り止め部及び前記貫通孔の頂点の個数が同じであり、前記回り止め部と前記貫通孔とが嵌合している。
 本発明に係る超音波モータによれば、振動体を効果的に固定することができ、かつ振動体の振動を阻害し難い。
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の実施形態に係る超音波モータの分解斜視図である。 図3は、本発明の第1の実施形態におけるステータ固定部材の回り止め部及び第1の突出部付近を示す平面図である。 図4は、本発明の第1の実施形態における振動体の貫通孔、及びステータ固定部材の回り止め部付近を示す平面図である。 図5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6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7は、各振動モードを説明するための模式図である。 図8(a)~図8(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9は、本発明の第1の実施形態のステータにおける、貫通孔の形状と圧電素子の位置との関係を説明するための底面図である。 図10は、本発明の第2の実施形態のステータにおける、貫通孔の形状と圧電素子の位置との関係を説明するための底面図である。
 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。図2は、第1の実施形態に係る超音波モータの分解斜視図である。
 図1に示すように、超音波モータ1は、ステータ2と、ロータ4と、ケース5と、軸部材10とを有する。ケース5はステータ2及びロータ4を収納している。なお、ケース5は、第1のケース部材としてのステータ固定部材6、及び第2のケース部材としてのキャップ部材18により構成されている。ステータ2とロータ4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4が回転する。一方で、軸部材10は、ステータ2及びロータ4に挿通されており、ケース5の外側に至っている。ロータ4の回転に伴い、軸部材10が回転する。もっとも、ロータ4が軸部材10を含んでいてもよい。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。
 図2に示すように、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は互いに対向している。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、回転中心軸に沿う方向をいう。軸部材10は、軸方向Zと平行に延びている。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。例えば、振動体3の第2の主面3b側から第1の主面3a側に見る方向が平面視であり、第1の主面3a側から第2の主面3b側に見る方向が底面視である。
 振動体3の中央部には貫通孔3cが設けられている。振動体3は、貫通孔3cに面する内側面3dを有する。平面視において、貫通孔3cは正五角形状である。すなわち、貫通孔3cの平面視における形状は正五角形である。もっとも、貫通孔3cの位置及び形状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。平面視における貫通孔3cの形状は、例えば、五角形以外の多角形であってもよい。貫通孔3cは、平面視において正多角形状であることが好ましい。さらに、振動体3の形状は円板状には限定されない。平面視における振動体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。
 図1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。複数の圧電素子によって振動体3を振動させることにより、進行波を発生させる。
 振動体3の第2の主面3bにロータ4が接触している。ロータ4は円板状である。ロータ4の中央部には貫通孔4cが設けられている。もっとも、貫通孔4cの位置は上記に限定されない。貫通孔4cは、軸方向中心を含む領域に位置していればよい。さらに、ロータ4の形状は上記に限定されない。ロータ4の形状は、平面視において、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。
 図2に示すように、ステータ固定部材6は、本実施形態ではフランジである。ステータ固定部材6は、本体部7と、回り止め部8とを有する。平面視において、本体部7は円状の形状を有する。本体部7は、振動体3の第1の主面3a側に配置されている。本体部7の中央部には第1の突出部7aが設けられている。第1の突出部7aは、本体部7の主面と直交する方向に延びている。より具体的には、第1の突出部7aは、ケース5の内側に突出している。なお、第1の突出部7aは必ずしも設けられていなくともよい。
 第1の突出部7aに回り止め部8が連ねられている。第1の突出部7aから、回り止め部8が、振動体3側に向かい延びている。本実施形態では、回り止め部8は第1の突出部7aと一体として設けられている。回り止め部8は、振動体3の貫通孔3cに挿通されている。なお、回り止め部8は、ステータ2の振動体3を固定し、振動体3の回転を抑制する部分である。
 図3は、第1の実施形態におけるステータ固定部材の回り止め部及び第1の突出部付近を示す平面図である。図4は、第1の実施形態における振動体の貫通孔、及びステータ固定部材の回り止め部付近を示す平面図である。なお、図4においては、回り止め部8を一点鎖線により示す。
 図3に示すように、第1の突出部7aは、平面視において円状の形状を有する。より具体的には、第1の突出部7aは円筒状の形状を有する。第1の突出部7aは、平面視において回り止め部8を囲んでいる。もっとも、第1の突出部7aの形状は上記に限定されない。
 図4に示すように、回り止め部8は、平面視において正五角形状である。よって、回り止め部8及びステータ2の貫通孔3cの、平面視における多角形状の頂点の個数は同じである。平面視における回り止め部8の形状は、貫通孔3cの形状に応じて、五角形以外の多角形であってもよい。回り止め部8は、平面視において正多角形状であることが好ましい。回り止め部8は外側面8aを含む。外側面8aは、ステータ2における振動体3の内側面3dに当接している。より具体的には、回り止め部8と貫通孔3cとが嵌合している。
 回り止め部8には貫通孔8cが設けられている。平面視において、貫通孔8cは円状の形状を有する。図1に示すように、回り止め部8及び第1の突出部7aには、連続した1つの貫通孔が設けられている。貫通孔8cは該貫通孔の一部である。上記連続した1つの貫通孔、ステータ2の貫通孔3c及びロータ4の貫通孔4cに、軸部材10が挿通されている。なお、軸方向Zと直交する方向から見たときに、ステータ2の貫通孔3cは、回り止め部8の貫通孔8cと重なっている。
 ステータ固定部材6の材料としては、例えば、樹脂、金属またはセラミックスを用いることができる。ステータ固定部材6及びステータ2が互いに、電気的に絶縁していることが望ましい。
 本実施形態の特徴は、回り止め部8及びステータ2の貫通孔3cが、平面視において多角形状を有し、回り止め部8及び貫通孔3cの頂点の個数が同じであり、回り止め部8と貫通孔3cとが嵌合していることにある。それによって、ステータ2の振動体3を効果的に固定することができる。さらに、ステータ固定部材6において、回り止め部8以外の部分においては振動体3を強固に固定していないため、振動体3の振動を阻害し難い。
 以下において、本実施形態の構成をさらに詳細に説明する。
 図1に示すように、ステータ固定部材6は第2の突出部7bを有する。第2の突出部7bは、本体部7から、ケース5の外側に向かい突出している。第2の突出部7bは円筒状の形状を有する。第2の突出部7b、第1の突出部7a及び回り止め部8に、連続した1つの貫通孔が設けられている。第2の突出部7bの内径は、第1の突出部7aの内径及び回り止め部8の内径よりも大きい。第2の突出部7b内に、第1の軸受け部19Aが設けられている。軸部材10は第1の軸受け部19Aに挿通されている。軸部材10は、第1の軸受け部19Aを通り、ケース5の外側に突出している。なお、第2の突出部7bは円筒状には限定されず、筒状であればよい。あるいは、ステータ固定部材6には、必ずしも第2の突出部7bは設けられていなくともよい。例えば、ステータ固定部材6は第1のケース部材ではなくともよく、ステータ固定部材6とは別の第1のケース部材が設けられていてもよい。もっとも、ステータ固定部材6がケース5の一部であることにより、超音波モータ1の小型化を進めることができる。
 キャップ部材18は突出部18aを有する。突出部18aはケース5の外側に突出している。突出部18aは円筒状である。キャップ部材18には、例えば、金属、セラミックスまたは樹脂などを用いることができる。本実施形態では、ケース5の第2のケース部材はキャップ部材18である。もっとも、第2のケース部材はキャップ部材18には限定されない。ステータ2及びロータ4などが収納されるケースが構成されていればよい。
 突出部18a内に第2の軸受け部19Bが設けられている。軸部材10は、第2の軸受け部19Bに挿通されている。軸部材10は、第2の軸受け部19Bを通り、ケース5の外側に突出している。
 軸部材10には止め輪17が設けられている。止め輪17は、円環状の形状を有する。平面視において、止め輪17は軸部材10を囲んでいる。より詳細には、止め輪17の内周端縁部は軸部材10内に位置する。止め輪17は第1の軸受け部19Aに、軸方向Zにおける外側から当接している。これにより、軸部材10の位置ずれを抑制することができる。軸部材10及び止め輪17の材料としては、例えば、金属または樹脂などを用いることができる。第1の軸受け部19A及び第2の軸受け部19Bには、例えば、滑り軸受けやベアリングなどを用いてもよい。
 ロータ4は、凹部4aと、側壁部4bとを有する。凹部4aは、平面視において円形である。側壁部4bは、凹部4aを囲んでいる部分である。ロータ4は側壁部4bの端面4dにおいて、ステータ2と接触している。もっとも、凹部4a及び側壁部4bは設けられていなくともよい。ロータ4の材料としては、例えば、金属またはセラミックスなどを用いることができる。本実施形態では、ロータ4と軸部材10とは別体として構成されている。もっとも、ロータ4及び軸部材10が一体として構成されていてもよい。すなわち、ロータ4が軸部材10を含んでいてもよい。
 ロータ4上には弾性部材12が設けられている。弾性部材12は、軸方向Zにおいて、ステータ2と共にロータ4を挟んでいる。弾性部材12は円環状の形状を有する。なお、弾性部材12の形状は上記に限定されない。弾性部材12の材料としては、例えば、ゴムまたは樹脂などを用いることができる。もっとも、弾性部材12は設けられていなくともよい。
 ロータ4の第2の軸受け部19B側には、バネ部材16が配置されている。より具体的には、本実施形態のバネ部材16は金属からなる板バネである。バネ部材16の中央部には、開口部16cが設けられている。開口部16cに軸部材10が挿通されている。軸部材10は幅広部10aを有する。軸部材10の幅広部10aにおける幅は、軸部材10における他の部分の幅よりも広い。なお、軸部材10の幅は、軸部材10の軸方向Zと直交する方向に沿う寸法である。幅広部10aに、バネ部材16の内周端縁部が当接している。これにより、バネ部材16及び軸部材10の間の位置ずれを抑制することができる。もっとも、バネ部材16の材料及び構成は上記に限定されない。軸部材10の構成も上記に限定されるものではない。
 バネ部材16から弾性部材12を介して、ロータ4に弾性力が付与されている。これにより、ロータ4がステータ2に押し当てられている。この場合には、ステータ2及びロータ4の間の摩擦力を高めることができる。よって、ステータ2からロータ4に進行波を効果的に伝搬させることができ、ロータ4を効率的に回転させることができる。従って、超音波モータ1を効率的に回転駆動させることができる。
 ロータ4におけるステータ2側の面には、摩擦材が固定されていてもよい。それによって、ステータ2の振動体3とロータ4との間に加わる摩擦力を安定化させることができる。この場合には、ロータ4を効率的に回転させることができ、超音波モータ1を効率的に回転駆動させることができる。
 振動体3の第2の主面3b上において、複数の突起部3eが設けられている。複数の突起部3eは、振動体3における、ロータ4に接触している部分である。各突起部3eは、振動体3の第2の主面3bから軸方向Zに突出している。平面視において、複数の突起部3eは円環状に並んでいる。複数の突起部3eは、第2の主面3bから軸方向Zに突出しているため、振動体3において進行波が生じたとき、複数の突起部3eの先端はより一層大きく変位する。よって、ステータ2において生じさせた進行波によって、ロータ4を効率的に回転させることができる。なお、複数の突起部3eは必ずしも設けられていなくともよい。
 図5は、第1の実施形態におけるステータの底面図である。
 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。より具体的には、複数の圧電素子は、第1の圧電素子13A、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である。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は軸を挟んで互いに対向している。第2の圧電素子13B及び第4の圧電素子13Dは軸を挟んで互いに対向している。
 図6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は互いに対向している。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1の電極15A及び第2の電極15Bは、第1の圧電素子13Aの励振用の電極である。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、例えば円形または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。本明細書では、領域毎に異なる分極方向を有する1個の圧電素子、及び複数の圧電素子を、複数に分極された圧電素子と記載する場合がある。本実施形態では、複数に分極された圧電素子は、振動体3を、周回方向及び径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7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7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B(m,n)モードで表すことができる。本実施形態においては、B(m,n)モードを利用する。すなわち、周回方向に延びる節線の本数m、及び径方向に延びる節線の本数nが0または任意の自然数であればよい。
 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、詳細な説明は省略することとする。
 図8(a)~図8(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。なお、図8(a)~図8(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8(a)には、三波の定在波Xが示されており、図8(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90°の角度を隔てて配置されているとする。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。中心角は、一波の角度120°に3/4を掛けた角度90°で決定する。三波の定在波Xの振幅が大きい所定の場所に第1の圧電素子13Aを配置し、中心角90°間隔で第2~第4の圧電素子13B~13Dを配置する。この場合、振動の位相が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8(c)に示す進行波が生じる。
 なお、図8(a)~図8(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。本発明において、進行波を発生させる構成は、図8(a)~図8(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。
 以下において、本発明の好ましい形態の例を説明する。図3に戻り、本実施形態のように、ステータ固定部材6の本体部7は、第1の突出部7aを有することが好ましい。これにより、ステータ2をより確実に安定して配置することができる。第1の突出部7aは、平面視において円形の形状を有することが好ましい。それによって、ステータ2をより一層確実に安定して配置することができる。なお、ステータ固定部材6においては、回り止め部8においてステータ2を強固に固定しているため、第1の突出部7aにおいてステータ2を強固に固定することを要しない。よって、第1の突出部7aを有していても、ステータ2の振動体3の振動を阻害し難い。
 ここで、本実施形態と異なり、回り止め部8が平面視において円形である場合、第1の突出部7aによってステータ2を支持するためには、回り止め部8の直径よりも、第1の突出部7aの直径を大きくする必要がある。これに対して、本実施形態のように、回り止め部8が平面視において多角形である場合には、例えば、該多角形の外接円の直径と、第1の突出部7aの直径とを同じとしても、第1の突出部7aによってステータ2を支持することができる。このように、第1の突出部7aの直径を小さくすることができる。もっとも、上記多角形の外接円の直径よりも第1の突出部7aの直径を大きくしてもよい。この場合にも、回り止め部8が平面視において円形である場合よりも、第1の突出部7aの直径を小さくしても、ステータ2を好適に支持することができる。よって、第1の突出部7aによってステータ2を支持する部分の全体の範囲を、ステータ2の貫通孔3cに近づけることができる。従って、ステータ2の振動の阻害を効果的に抑制することができ、超音波モータ1の特性の低下を効果的に抑制することができる。
 平面視において、ステータ固定部材6の回り止め部8及びステータ2の貫通孔3cが正多角形状であることが好ましい。それによって、超音波モータ1の回転駆動の安定性を容易に高めることができる。
 上記のように、回り止め部8及びステータ2の貫通孔3cにおいては、平面視においての多角形状における頂点の個数は同じである。回り止め部8の頂点の個数及び貫通孔3cの頂点の個数は、5個または7個であることが好ましい。すなわち、回り止め部8及び貫通孔3cは、平面視において五角形状または七角形状であることが好ましい。それによって、超音波モータ1を小型にすることができ、かつ振動体を効果的に固定することができる。この理由は以下の通りである。
 回り止め部8の平面視における内接円の直径の大きさは、回り止め部8の頂点の個数によらず、軸部材10の幅に基づく。一方で、回り止め部8の平面視における内接円と外接円との距離は、回り止め部8の頂点の個数が小さいほど長くなる。内接円の直径が一定であり、内接円と外接円との距離が長い場合、外接円の直径は大きくなる。この場合、ステータ2の貫通孔3cの直径を大きくする必要がある。ここで、回り止め部8の頂点の個数が5個以上である場合には、内接円と外接円との距離を十分に短くすることができ、外接円の直径を小さくすることができる。よって、貫通孔3cの直径を小さくすることができ、ステータ2を小型にすることができる。従って、超音波モータ1を小型にすることができる。
 他方、回り止め部8の頂点の個数が多すぎると、回り止め部8の平面視における形状は円形に近づくこととなる。回り止め部8の頂点の個数が7個以下である場合には、ステータ2の振動体3の回転に対する抵抗を効果的に大きくすることができ、振動体3を効果的に固定することができる。
 上記のように、ステータ2の振動体3は、B(m,n)モードにより振動する。振動体3の振動において、径方向に延びる節線はn本である。回り止め部8及びステータ2の貫通孔3cの、平面視における多角形状の頂点の個数をaとしたときに、a≠nであることが好ましい。これにより、進行波に定在波が重畳することを抑制できる。よって、進行波においてリップルが生じることを抑制できる。従って、超音波モータ1の性能の低下を抑制することができる。もっとも、個数a及び本数nの関係は上記に限定されない。
 図9は、第1の実施形態のステータにおける、貫通孔の形状と圧電素子の位置との関係を説明するための底面図である。
 図9中の一点鎖線は、ステータ2における振動体3の貫通孔3cの頂点と、貫通孔3cの中心とを結んだ直線を示す。図9に示す5本の直線はそれぞれ、貫通孔3cの複数の頂点のうち1つの頂点を通る。各直線は、平面視における各圧電素子の中心を通っていない。ここで、図6に示すように、本実施形態では、圧電体14の第3の主面14aの全面に第1の電極15Aが設けられている。同様に、第4の主面14bの全面に第2の電極15Bが設けられている。そのため、図9に示す各直線上に、各圧電素子の第1の電極15Aの中心及び第2の電極15Bの中心は位置していない。なお、上述したように、第1の電極15A及び第2の電極15Bは励振用の電極である。
 ステータ2の貫通孔3cは平面視において非円状の形状を有するため、周回方向における非対称性を有する。複数の圧電素子の第1の電極15A及び第2の電極15Bの配置も、周回方向における非対称性を有する。上記のように、平面視において、貫通孔3cの頂点と、貫通孔3cの中心とを結んだ直線上に、各圧電素子の第1の電極15A及び第2の電極15Bの中心が位置していないことが好ましい。それによって、貫通孔3cの周回方向における非対称性と、複数の圧電素子の第1の電極15A及び第2の電極15Bの非対称性との一致度を低下させることができる。これにより、進行波に定在波が重畳することを抑制でき、進行波においてリップルが生じることを抑制できる。従って、超音波モータ1の性能の低下を抑制することができる。もっとも、各圧電素子の第1の電極15A及び第2の電極15Bの配置は上記に限定されない。
 なお、圧電体14上に、励振用の電極及び他の電極が設けられている場合には、励振用の電極の中心が、図9に示す各直線上に位置していないことが好ましい。領域毎に異なる分極方向を有する1個の圧電素子を用いる場合には、励振用の各電極の中心が、ステータの貫通孔の中心と該貫通孔の頂点とを結んだ直線上に位置していないことが好ましい。
 ところで、ステータ固定部材6の本体部7及び回り止め部8が異なる材料からなっていてもよい。少なくとも回り止め部8が樹脂からなることが好ましい。それによって、回り止め部8が、ステータ2の振動に影響を及ぼし難い。従って、回転角度の精度を高めることができる。回り止め部8が樹脂からなり、かつ本体部7が金属やセラミックスなどからなる場合、例えば、インサート成形などを用いてステータ固定部材6を形成してもよい。あるいは、回り止め部8及び本体部7を別々に形成した後に、回り止め部8及び本体部7を接合してもよい。
 図10は、第2の実施形態のステータにおける、貫通孔の形状と圧電素子の位置との関係を説明するための底面図である。
 本実施形態は、第1の圧電素子23A、第2の圧電素子23B、第3の圧電素子23C及び第4の圧電素子23Dが、平面視において円状の形状を有する点で第1の実施形態と異なる。さらに、ステータ22における振動体3の貫通孔3cの形状と、複数の圧電素子の配置との関係が第1の実施形態と異なる。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と同様の構成を有する。
 図10中の一点鎖線は、ステータ22における振動体3の貫通孔3cの頂点のうち1つと、貫通孔3cの中心とを結んだ直線Cである。より具体的には、直線Cは、第1の圧電素子23A及び第4の圧電素子23Dの間を通り、かつ第2の圧電素子23B及び第3の圧電素子23Cの間を通る。直線C以外は図示しないが、ステータ22における各圧電素子の励振用の電極の中心は、貫通孔3cの中心と貫通孔3cの頂点とを結んだ直線上に位置していない。
 図10中の2本の二点鎖線は、貫通孔3cを挟んで対向し合う2つの圧電素子の電極の中心同士を結んだ直線D及び直線Eである。より具体的には、第1の圧電素子23A及び第3の圧電素子23Cにおける励振用の電極の中心同士を結んだ直線が直線Dである。第2の圧電素子23B及び第4の圧電素子23Dにおける励振用の電極の中心同士を結んだ直線が直線Eである。本実施形態では、直線D上及び直線E上に、貫通孔3cの中心が位置する。直線D及び直線Eは直交する。
 直線C及び直線Dがなす角θ1の角度は45°である。同様に、直線C及び直線Eがなす角θ2の角度も45°である。直線Cを対称軸としたときに、第1の圧電素子23A及び第2の圧電素子23Bと、第3の圧電素子23C及び第4の圧電素子23Dとは線対称に配置されている。それによって、進行波におけるリップルが相殺されるため、リップルをより一層抑制することができる。従って、超音波モータの性能の低下をより一層抑制することができる。
 本実施形態においては、図1などに示す第1の実施形態と同様に、ステータ固定部材6が構成されている。そのため、第1の実施形態と同様に、回り止め部8及び振動体3の貫通孔3cが、平面視において多角形状を有し、回り止め部8及び貫通孔3cの頂点の個数が同じであり、回り止め部8と貫通孔3cとが嵌合している。それによって、ステータ2の振動体3を効果的に固定することができ、かつ振動体3の振動を阻害し難い。
 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…内側面
 3e…突起部
 4…ロータ
 4a…凹部
 4b…側壁部
 4c…貫通孔
 4d…端面
 5…ケース
 6…ステータ固定部材
 7…本体部
 7a,7b…第1,第2の突出部
 8…回り止め部
 8a…外側面
 8c…貫通孔
 10…軸部材
 10a…幅広部
 12…弾性部材
 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
 16…バネ部材
 16c…開口部
 17…止め輪
 18…キャップ部材
 18a…突出部
 19A,19B…第1,第2の軸受け部
 22…ステータ
 23A~23D…第1~第4の圧電素子

Claims (7)

  1.  対向し合う第1の主面及び第2の主面と、前記第1の主面及び前記第2の主面が対向し合う方向に貫通している貫通孔と、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の主面に接触しているロータと、
     前記振動体の前記第1の主面側に配置されている本体部と、前記本体部から前記振動体側に延びている回り止め部と、を有するステータ固定部材と、
    を備え、
     前記ステータ固定部材の前記回り止め部及び前記ステータの前記貫通孔が、平面視において多角形状を有し、前記回り止め部及び前記貫通孔の頂点の個数が同じであり、前記回り止め部と前記貫通孔とが嵌合している、超音波モータ。
  2.  前記ステータ固定部材の前記本体部が、前記振動体側に突出している突出部を有し、
     前記突出部に前記回り止め部が連ねられており、
     平面視において、前記突出部が前記回り止め部を囲んでいる、請求項1に記載の超音波モータ。
  3.  前記突出部が、平面視において円状の形状を有する、請求項2に記載の超音波モータ。
  4.  前記振動体が円板状であり、前記振動体がB(m,n)モードにより振動し、前記振動体の振動において、径方向に延びる節線の本数がn本であり、
     前記ステータ固定部材の前記回り止め部及び前記ステータの前記貫通孔の、平面視における多角形状の前記頂点の個数をa個としたときに、a≠nである、請求項1~3のいずれか1項に記載の超音波モータ。
  5.  前記圧電素子が、圧電体と、前記圧電体上に設けられている励振用の電極と、を有し、
     平面視において、前記ステータの前記貫通孔の前記頂点と、前記貫通孔の中心とを結んだ直線上に、前記圧電素子の前記電極の中心が位置していない、請求項1~4のいずれか1項に記載の超音波モータ。
  6.  平面視において、前記ステータ固定部材の前記回り止め部及び前記ステータの前記貫通孔が正多角形状である、請求項1~5のいずれか1項に記載の超音波モータ。
  7.  前記ステータ固定部材の前記回り止め部の前記頂点の個数、及び前記ステータの前記貫通孔の前記頂点の個数が、5個または7個である、請求項1~6のいずれか1項に記載の超音波モータ。
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