JP4654884B2

JP4654884B2 - Multi-degree-of-freedom ultrasonic motor

Info

Publication number: JP4654884B2
Application number: JP2005326234A
Authority: JP
Inventors: 正己高三; 剛史小寺; 洋彦石川; 浩司前田; 和夫清木
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: JP2007135309A

Description

この発明は、多自由度超音波モータに係り、特に球体状のロータを複数の軸回りに回転させるモータに関する。 The present invention relates to a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor, and more particularly to a motor that rotates a spherical rotor around a plurality of axes.

近年、超音波振動を利用してロータを回転させる超音波モータが提案され、実用化されている。この超音波モータは、圧電素子を用いてステータの表面に進行波を発生させ、ステータにロータを加圧接触させることによりこれら両者間の摩擦力を介してロータを移動させるものである。
例えば、特許文献１には、ベアリングを介してバネでロータに予圧をかけることによりロータをステータに加圧接触させ、この状態で互いに重ね合わされた複数の圧電素子板に駆動電圧を印加してステータに超音波振動を発生させることでロータを回転させる多自由度超音波モータが開示されている。 In recent years, an ultrasonic motor for rotating a rotor using ultrasonic vibration has been proposed and put into practical use. This ultrasonic motor generates a traveling wave on the surface of a stator using a piezoelectric element and moves the rotor through a frictional force between the two by bringing the rotor into pressure contact with the stator.
For example, in Patent Document 1, the rotor is pressed against the stator by preloading the rotor with a spring through a bearing, and a driving voltage is applied to a plurality of piezoelectric element plates that are superposed on each other in this state. Discloses a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor that rotates a rotor by generating ultrasonic vibration.

特開２００４−３１２８０９号公報JP 2004-312809 A

しかしながら、予圧をかけるためにベアリングをロータに接触させるので、摩擦損失に起因してトルクが低下するという問題点があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、高トルクを実現することができる多自由度超音波モータを提供することを目的とする。 However, since the bearing is brought into contact with the rotor in order to apply the preload, there is a problem that the torque is reduced due to friction loss.
The present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor capable of realizing a high torque.

この発明に係る多自由度超音波モータは、ステータと、ステータにより接触支持される略球体状のロータと、ステータを振動させることによりロータを回転させるステータ振動手段と、ロータの表面に対向する予圧部材と、少なくとも前記ロータを回転させる際に予圧部材を振動させて予圧部材からの放射圧によりロータをステータに対して予圧する予圧力を発生するための予圧部材振動手段とを備えるものである。 A multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to the present invention includes a stator, a substantially spherical rotor that is contacted and supported by the stator, stator vibration means that rotates the stator by vibrating the stator, and a preload that faces the surface of the rotor. And a preload member vibrating means for generating a preload that vibrates the preload member at least when the rotor is rotated and preloads the rotor against the stator by the radiation pressure from the preload member.

予圧部材としては、ロータの表面に対応した湾曲形状を有するリング部材、あるいは、それぞれロータの表面に対応した湾曲形状を有する複数の湾曲部材を用いることができる。 As the preload member, a ring member having a curved shape corresponding to the surface of the rotor, or a plurality of curved members each having a curved shape corresponding to the surface of the rotor can be used.

予圧部材をステータから離間して配置し、予圧部材振動手段として予圧部材に圧電素子板を取り付けることができ、この場合、予圧部材が圧電素子板により振動するときに形成される節位置でこの予圧部材を支持することが好ましい。
また、予圧部材をステータと一体に形成し、ステータ振動手段が予圧部材振動手段を兼ねるように構成することもできる。 The preload member can be arranged away from the stator, and a piezoelectric element plate can be attached to the preload member as the preload member vibrating means. In this case, the preload member is formed at a node position formed when the preload member vibrates with the piezoelectric element plate. It is preferable to support the member.
Further, the preload member can be formed integrally with the stator, and the stator vibration means can also serve as the preload member vibration means.

予圧部材は、予圧部材振動手段により振動するときにはロータの表面から離れた状態にあり、振動しないときにはロータの表面に接触してこのロータを保持するように構成してもよい。
また、予圧部材振動手段により振動される予圧部材の振幅を制御することにより、ロータをステータに対して予圧する予圧力の大きさを変化させることもできる。
なお、ステータ振動手段は、互いに異なる３方向の振動を生じる３対の圧電素子板を有し、これら３方向の振動のうち少なくとも２方向の振動を互いに位相をずらして組み合わせた合成振動を発生させることによりステータのロータとの接触部分に楕円運動を形成するように構成することができる。
ここで、本発明において予圧とはロータをステ―タに向けて押し付ける圧力のことをいう。 The preload member may be configured to be separated from the surface of the rotor when vibrated by the preload member vibrating means, and to hold the rotor in contact with the surface of the rotor when not vibrated.
Further, by controlling the amplitude of the preload member vibrated by the preload member vibrating means, the magnitude of the preload for preloading the rotor with respect to the stator can be changed.
The stator vibration means has three pairs of piezoelectric element plates that generate vibrations in three different directions, and generates a combined vibration in which at least two of the three directions of vibration are combined with their phases shifted from each other. Thus, an elliptical motion can be formed at the contact portion of the stator with the rotor.
Here, in the present invention, the preload refers to a pressure that presses the rotor toward the stator.

この発明によれば、高トルクを実現することができる多自由度超音波モータが得られる。 According to the present invention, a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor capable of realizing high torque can be obtained.

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１及び２に、この発明の実施の形態１に係る多自由度超音波モータを示す。基部ブロック１とステータ２との間にステータ振動手段となる円筒状の振動子３が挟持されると共に基部ブロック１とステータ２とが振動子３内に通された連結ボルト４を介して互いに連結されており、多自由度超音波モータ全体としてほぼ円柱状の外形を有している。ここで、説明の便宜上、基部ブロック１からステータ２へと向かう円柱状の外形の中心軸をＺ軸と規定し、Ｚ軸に対して垂直方向にＸ軸が、Ｚ軸及びＸ軸に対して垂直にＹ軸がそれぞれ延びているものとする。
振動子３は、それぞれＸＹ平面上に位置し且つ互いに重ね合わされた平板状の第１〜第３の圧電素子部３１〜３３を有しており、これらの圧電素子部３１〜３３が絶縁シート３４〜３７を介してステータ２及び基部ブロック１から、また互いに絶縁された状態で配置されている。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1 FIG.
1 and 2 show a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to Embodiment 1 of the present invention. A cylindrical vibrator 3 serving as a stator vibration means is sandwiched between the base block 1 and the stator 2, and the base block 1 and the stator 2 are connected to each other via a connecting bolt 4 passed through the vibrator 3. The multi-degree-of-freedom ultrasonic motor as a whole has a substantially cylindrical outer shape. Here, for convenience of explanation, the central axis of the cylindrical outer shape from the base block 1 to the stator 2 is defined as the Z axis, and the X axis is perpendicular to the Z axis and the Z axis and the X axis are Assume that the Y-axis extends vertically.
The vibrator 3 includes first to third piezoelectric element portions 31 to 33 that are located on the XY plane and overlap each other, and these piezoelectric element portions 31 to 33 are insulating sheets 34. Are arranged in a state of being insulated from the stator 2 and the base block 1 through .about.37.

ステータ２には、振動子３に接する面とは反対側に凹部５が形成されており、この凹部５内に球体状のロータ６が収容される。凹部５は、ロータ６の直径より小さな内径を有する小径部７と、ロータ６の直径より大きな内径を有する大径部８とからなり、これら小径部７と大径部８との境界部にＸＹ平面上に位置する環状の段差９が形成されている。ロータ６は凹部５内の段差９に当接することにより回転自在に支持されている。また、ステータ２は、凹部５の開口周縁部からほぼＺ軸方向に突出するように形成された環状のリング部材１０を有している。リング部材１０は、ロータ６を周方向、つまりロータのＸＹ平面方向断面の周方向に沿って囲むように配置され、リング部材１０の先端部１０ａからロータ６の一部が露出している。また、リング部材１０の内面がロータ６の表面に近接して対向している。 A concave portion 5 is formed on the stator 2 on the side opposite to the surface in contact with the vibrator 3, and a spherical rotor 6 is accommodated in the concave portion 5. The recess 5 includes a small-diameter portion 7 having an inner diameter smaller than the diameter of the rotor 6 and a large-diameter portion 8 having an inner diameter larger than the diameter of the rotor 6, and the boundary portion between the small-diameter portion 7 and the large-diameter portion 8 is XY. An annular step 9 located on the plane is formed. The rotor 6 is rotatably supported by contacting the step 9 in the recess 5. Further, the stator 2 has an annular ring member 10 formed so as to protrude substantially in the Z-axis direction from the opening peripheral edge of the recess 5. The ring member 10 is disposed so as to surround the rotor 6 in the circumferential direction, that is, along the circumferential direction of the cross section in the XY plane direction of the rotor, and a part of the rotor 6 is exposed from the tip portion 10 a of the ring member 10. Further, the inner surface of the ring member 10 is opposed to the surface of the rotor 6.

図３に示されるように、リング部材１０は、凹部５の開口周縁部に位置する基端部１０ｂから先端部１０ａに向かうほど、すなわちＺ軸方向に向かうほど徐々に縮径するように形成されると共に、図４に示されるように、リング部材１０の断面は、ロータ６の表面の形状すなわち球面形状に対応して湾曲した円弧形状を有している。 As shown in FIG. 3, the ring member 10 is formed so that the diameter gradually decreases from the proximal end portion 10 b located at the opening peripheral edge of the recess 5 toward the distal end portion 10 a, that is, toward the Z-axis direction. In addition, as shown in FIG. 4, the cross-section of the ring member 10 has an arc shape that is curved corresponding to the shape of the surface of the rotor 6, that is, the spherical shape.

例えば、基部ブロック１とステータ２はジェラルミンから形成され、多自由度超音波モータ全体が直径４０ｍｍ及び高さ１００ｍｍ程度のほぼ円柱体を形成している。ロータ６としては、直径２５．８ｍｍの鋼球が用いられ、ステータ２のリング部材１０は、内径２５．４ｍｍ、厚さを１．５ｍｍで、内面が曲率半径１２．７ｍｍ及び角度２３度の円弧を描くように立ち上がっている。 For example, the base block 1 and the stator 2 are formed of geralumin, and the entire multi-degree-of-freedom ultrasonic motor forms a substantially cylindrical body having a diameter of about 40 mm and a height of about 100 mm. As the rotor 6, a steel ball having a diameter of 25.8 mm is used. The ring member 10 of the stator 2 has an inner diameter of 25.4 mm, a thickness of 1.5 mm, an inner surface having an arc of curvature of 12.7 mm and an angle of 23 degrees. Stand up to draw.

図５に示されるように、振動子３の第１の圧電素子部３１は、それぞれ円板形状を有する電極板３１ａ、圧電素子板３１ｂ、電極板３１ｃ、圧電素子板３１ｄ及び電極板３１ｅが順次重ね合わされた構造を有している。同様に、第２の圧電素子部３２は、それぞれ円板形状を有する電極板３２ａ、圧電素子板３２ｂ、電極板３２ｃ、圧電素子板３２ｄ及び電極板３２ｅが順次重ね合わされた構造を有し、第３の圧電素子部３３は、それぞれ円板形状を有する電極板３３ａ、圧電素子板３３ｂ、電極板３３ｃ、圧電素子板３３ｄ及び電極板３３ｅが順次重ね合わされた構造を有している。 As shown in FIG. 5, the first piezoelectric element portion 31 of the vibrator 3 includes an electrode plate 31a, a piezoelectric element plate 31b, an electrode plate 31c, a piezoelectric element plate 31d, and an electrode plate 31e each having a disc shape. It has a superposed structure. Similarly, the second piezoelectric element portion 32 has a structure in which an electrode plate 32a, a piezoelectric element plate 32b, an electrode plate 32c, a piezoelectric element plate 32d, and an electrode plate 32e each having a disk shape are sequentially stacked. 3 has a structure in which an electrode plate 33a, a piezoelectric element plate 33b, an electrode plate 33c, a piezoelectric element plate 33d, and an electrode plate 33e each having a disk shape are sequentially stacked.

図６に示されるように、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄは、Ｙ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３１ｂと圧電素子板３１ｄは互いに裏返しに配置されている。
第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄは、２分割されることなく全体がＺ軸方向（厚み方向）に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３２ｂと圧電素子板３２ｄは互いに裏返しに配置されている。
第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄは、Ｘ軸方向に２分割された部分が互いに逆極性を有してそれぞれＺ軸方向（厚み方向）に膨張と収縮の反対の変形挙動を行うように分極されており、圧電素子板３３ｂと圧電素子板３３ｄは互いに裏返しに配置されている。 As shown in FIG. 6, the pair of piezoelectric element plates 31b and 31d of the first piezoelectric element portion 31 have portions that are divided into two in the Y-axis direction and have opposite polarities, and each has a Z-axis direction (thickness direction The piezoelectric element plate 31b and the piezoelectric element plate 31d are disposed so as to be reversed with respect to each other.
The pair of piezoelectric element plates 32b and 32d of the second piezoelectric element portion 32 are polarized so as to be expanded or contracted in the Z-axis direction (thickness direction) as a whole without being divided into two. The element plate 32b and the piezoelectric element plate 32d are arranged inside out.
In the pair of piezoelectric element plates 33b and 33d of the third piezoelectric element portion 33, the portions divided into two in the X-axis direction have opposite polarities, and are opposite to expansion and contraction in the Z-axis direction (thickness direction), respectively. The piezoelectric element plate 33b and the piezoelectric element plate 33d are disposed so as to be reversed with respect to each other.

図１に示されるように、第１の圧電素子部３１の両面部分に配置されている電極板３１ａ及び電極板３１ｅと、第２の圧電素子部３２の両面部分に配置されている電極板３２ａ及び電極板３２ｅと、第３の圧電素子部３３の両面部分に配置されている電極板３３ａ及び電極板３３ｅがそれぞれ電気的に接地されている。また、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの間に配置されている電極板３１ｃから第１の端子３１ｔが、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄの間に配置されている電極板３２ｃから第２の端子３２ｔが、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの間に配置されている電極板３３ｃから第３の端子３３ｔがそれぞれ引き出されている。 As shown in FIG. 1, the electrode plates 31 a and 31 e disposed on both surface portions of the first piezoelectric element portion 31 and the electrode plate 32 a disposed on both surface portions of the second piezoelectric element portion 32. The electrode plate 32e and the electrode plate 33a and the electrode plate 33e disposed on both surface portions of the third piezoelectric element portion 33 are electrically grounded. In addition, the first terminal 31 t from the electrode plate 31 c disposed between the pair of piezoelectric element plates 31 b and 31 d of the first piezoelectric element portion 31 is connected to the pair of piezoelectric element plates 32 b of the second piezoelectric element portion 32. And the second terminal 32t from the electrode plate 32c disposed between the second and third electrode elements 32c and 32d to the third terminal from the electrode plate 33c disposed between the pair of piezoelectric element plates 33b and 33d of the third piezoelectric element portion 33. Terminals 33t are respectively drawn out.

次に、この実施の形態１に係る多自由度超音波モータの動作について説明する。
まず、振動子３に対して、第１の端子３１ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第１の圧電素子部３１の一対の圧電素子板３１ｂ及び３１ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＹ軸方向のたわみ振動を発生する。また、第２の端子３２ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第２の圧電素子部３２の一対の圧電素子板３２ｂ及び３２ｄがＺ軸方向に膨張と収縮を繰り返し、ステータ２にＺ軸方向の縦振動を発生する。さらに、第３の端子３３ｔからステータ２の固有振動数に近い周波数の交流電圧を印加すると、第３の圧電素子部３３の一対の圧電素子板３３ｂ及び３３ｄの２分割された部分がＺ軸方向に膨張と収縮を交互に繰り返し、ステータ２にＸ軸方向のたわみ振動を発生する。 Next, the operation of the multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to the first embodiment will be described.
First, when an AC voltage having a frequency close to the natural frequency of the stator 2 is applied from the first terminal 31t to the vibrator 3, the pair of piezoelectric element plates 31b and 31d of the first piezoelectric element portion 31 is divided into two. The portion thus expanded alternately expands and contracts in the Z-axis direction, and generates flexural vibration in the Y-axis direction in the stator 2. Further, when an AC voltage having a frequency close to the natural frequency of the stator 2 is applied from the second terminal 32t, the pair of piezoelectric element plates 32b and 32d of the second piezoelectric element portion 32 repeatedly expands and contracts in the Z-axis direction. The stator 2 generates longitudinal vibration in the Z-axis direction. Further, when an AC voltage having a frequency close to the natural frequency of the stator 2 is applied from the third terminal 33t, the two divided portions of the pair of piezoelectric element plates 33b and 33d of the third piezoelectric element portion 33 are in the Z-axis direction. Then, expansion and contraction are alternately repeated, and flexural vibration in the X-axis direction is generated in the stator 2.

そこで、第１の端子３１ｔと第２の端子３２ｔの双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｙ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされてロータ６と接触するステータ２の段差９にＹＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ６がＸ軸回りに回転することとなる。
同様に、第２の端子３２ｔと第３の端子３３ｔの双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＺ軸方向の縦振動とが組み合わされてロータ６と接触するステータ２の段差９にＸＺ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ６がＹ軸回りに回転することとなる。
さらに、第１の端子３１ｔと第３の端子３３ｔの双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、Ｘ軸方向のたわみ振動とＹ軸方向のたわみ振動とが組み合わされてロータ６と接触するステータ２の段差９にＸＹ面内の楕円振動が発生し、摩擦力を介してロータ６がＺ軸回りに回転することとなる。 Therefore, when an AC voltage having a phase shifted by 90 degrees is applied from both the first terminal 31t and the second terminal 32t, the flexural vibration in the Y-axis direction and the longitudinal vibration in the Z-axis direction are combined to form the rotor 6. Elliptical vibration in the YZ plane is generated in the step 9 of the stator 2 that comes into contact with the rotor 6, and the rotor 6 rotates about the X axis via frictional force.
Similarly, when an AC voltage having a phase shifted by 90 degrees is applied from both the second terminal 32t and the third terminal 33t, the flexural vibration in the X-axis direction and the vertical vibration in the Z-axis direction are combined to form a rotor. The elliptical vibration in the XZ plane is generated at the step 9 of the stator 2 that comes into contact with the rotor 6, and the rotor 6 rotates about the Y axis through the frictional force.
Further, when an AC voltage having a phase shifted by 90 degrees is applied from both the first terminal 31t and the third terminal 33t, the X axis deflection vibration and the Y axis deflection vibration are combined to form the rotor 6. An elliptical vibration in the XY plane is generated in the step 9 of the stator 2 that comes into contact with the rotor 6, and the rotor 6 rotates about the Z-axis via a frictional force.

このように、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の端子３２ｔ及び第３の端子３３ｔのうち２つの端子を選択し、これら２つの端子の双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、ステータ２に振動が発生し、図７に破線矢印で示されるように、ロータ６と接触するステータ２の段差９に、選択された２つの端子に対応する面内の楕円振動が発生する。
ここで、ステータ２は一体に形成されたリング部材１０を有しているため、ステータ２の振動に伴って図７に実線矢印で示されるように、リング部材１０もロータ６に非接触の状態で振動することになる。これにより、リング部材１０から放射される音波の放射圧によってロータ６がステータ２の段差９に対して加圧される。その結果、これらロータ６と段差９との間の摩擦力が大きくなり、ロータ６に効果的に回転力が伝達される。 As described above, the AC voltage obtained by selecting two terminals among the first terminal 31t, the second terminal 32t, and the third terminal 33t of the vibrator 3 and shifting the phase by 90 degrees from both of these two terminals. Is applied to the stator 2, and as shown by broken line arrows in FIG. 7, the in-plane elliptical vibration corresponding to the two selected terminals is formed on the step 9 of the stator 2 in contact with the rotor 6. Occurs.
Here, since the stator 2 has the ring member 10 formed integrally, the ring member 10 is also in a non-contact state with the rotor 6 as shown by a solid arrow in FIG. Will vibrate. Accordingly, the rotor 6 is pressed against the step 9 of the stator 2 by the radiation pressure of the sound wave radiated from the ring member 10. As a result, the frictional force between the rotor 6 and the step 9 is increased, and the rotational force is effectively transmitted to the rotor 6.

上述のように、リング部材１０によりロータ６に非接触の状態で予圧をかけることができるため、リング部材１０とロータ６の表面との間で摩擦損失を生じることがなく、これにより高トルクで高効率な多自由度超音波モータを実現することができる。
また、リング部材１０とロータ６とが接触して騒音等を生じることもない。 As described above, since the preload can be applied to the rotor 6 in a non-contact state by the ring member 10, there is no friction loss between the ring member 10 and the surface of the rotor 6. A highly efficient multi-degree-of-freedom ultrasonic motor can be realized.
Further, the ring member 10 and the rotor 6 do not come into contact with each other to generate noise or the like.

また、リング部材１０はステータ２と一体に設けられ、振動子３によるステータ２の振動を利用してリング部材１０を振動させるため、単純な構成の多自由度超音波モータを得ることができる。
また、振動子３の３つの端子３１ｔ及び３２ｔ及び３３ｔのうち２つを選択して電圧を印加するだけで、ステータ２が振動して段差９にロータ６を回転するための楕円運動が生じると共にリング部材１０によりロータ６に非接触の状態で予圧がかけられ、ロータ６を多自由度で回転させることができる。 Moreover, since the ring member 10 is provided integrally with the stator 2 and vibrates the ring member 10 using the vibration of the stator 2 by the vibrator 3, a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor having a simple configuration can be obtained.
Further, only by selecting two of the three terminals 31t, 32t, and 33t of the vibrator 3 and applying a voltage, the stator 2 vibrates and an elliptical motion for rotating the rotor 6 occurs in the step 9. Preload is applied to the rotor 6 in a non-contact state by the ring member 10, and the rotor 6 can be rotated with multiple degrees of freedom.

また、エアーや静電力、電磁力を用いてロータ６に非接触で予圧をかけることもできるが、エアーの場合には、吸引装置等を設ける必要があるため構成が複雑になるおそれがあり、静電力または電磁力の場合には、静電力または電磁力が周りの機器に影響を及ぼすおそれがあり使用が好ましくないことがある。これに対して、この多自由度超音波モータは、単純な構成であり、静電力や電磁力の使用が好ましくない環境でも用いることができる。 In addition, preload can be applied to the rotor 6 in a non-contact manner using air, electrostatic force, or electromagnetic force. However, in the case of air, the configuration may be complicated because it is necessary to provide a suction device or the like. In the case of electrostatic force or electromagnetic force, the use of electrostatic force or electromagnetic force may be unfavorable because it may affect surrounding equipment. On the other hand, this multi-degree-of-freedom ultrasonic motor has a simple configuration and can be used in an environment where the use of electrostatic force or electromagnetic force is not preferable.

また、振動子３の駆動によりリング部材１０の振幅を制御すれば、リング部材１０から放射される放射圧の大きさを変化させて段差９に対するロータ６の加圧力を変化させることにより、この多自由度超音波モータのトルク制御、位置制御、回転数制御等を行うことができる。 Further, if the amplitude of the ring member 10 is controlled by driving the vibrator 3, the magnitude of the radiation pressure radiated from the ring member 10 is changed to change the applied pressure of the rotor 6 with respect to the step 9, thereby changing the multiple pressure. It is possible to perform torque control, position control, rotation speed control, and the like of the ultrasonic motor with a degree of freedom.

従って、リング部材１０の先端部１０ａを通して露出するロータ６の表面部分に図示しないアーム、撮像装置等を取り付けることで、多自由度のアクチュエータ、広視野範囲を対象とするカメラ等を実現することができる。 Therefore, by attaching an arm, an imaging device, etc. (not shown) to the surface portion of the rotor 6 exposed through the tip 10a of the ring member 10, it is possible to realize a multi-degree-of-freedom actuator, a camera for a wide field of view, and the like. it can.

実施の形態２．
図８を参照して、この発明の実施の形態２に係る多自由度超音波モータを示す。この実施の形態２は、実施の形態１における環状のリング部材１０をその周方向に沿って４つの湾曲部材１１に分割したものである。すなわち、ステータ２は一体に形成される４つの湾曲部材１１を有すると共に、これら４つの湾曲部材１１はロータ６の周方向に沿って互いに間隔を隔てて配置されている。それぞれの湾曲部材１１はロータ６の表面に沿った湾曲形状を有しており、各湾曲部材１１の内面がロータ６の表面に近接して対向している。 Embodiment 2. FIG.
Referring to FIG. 8, a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to Embodiment 2 of the present invention is shown. In the second embodiment, the annular ring member 10 in the first embodiment is divided into four curved members 11 along the circumferential direction thereof. That is, the stator 2 includes four curved members 11 that are integrally formed, and these four curved members 11 are arranged at intervals from each other along the circumferential direction of the rotor 6. Each curved member 11 has a curved shape along the surface of the rotor 6, and the inner surface of each curved member 11 is opposed to the surface of the rotor 6.

このような構成にすれば、４つの湾曲部材１１は互いに分割されてそれぞれ独立しているため振動しやすくなる。したがって、振動子３の駆動によりそれぞれの湾曲部材１１をロータ６に非接触の状態で振動させることにより、ロータ６に効果的に予圧をかけることができる。 With such a configuration, the four bending members 11 are divided from each other and are independent from each other, so that they easily vibrate. Therefore, pre-loading can be effectively applied to the rotor 6 by causing each bending member 11 to vibrate in a non-contact state with the rotor 6 by driving the vibrator 3.

なお、湾曲部材１１は、振動する時も振動しない時もロータ６に対して非接触の状態とすることができるが、図９に示されるように、振動子３が停止されて振動しない時には、その先端部１１ａがロータ６の表面に接触するような構成とすることもできる。このようにすれば、振動子３の停止時に回転していないロータ６の表面に湾曲部材１１の先端部１１ａを接触させてこのロータ６を保持することができる。この場合でも、振動時には湾曲部材１１がロータ６の表面から離れた状態になることが必要である。振動停止時にロータ６に接触している湾曲部材１１も、振動時には湾曲部材１１から放射される音波の放射圧によって、湾曲部材１１自体がロータ６から浮き上がるようにすればよい。
また、４つの湾曲部材１１に限定されず、３つ以下、あるいは５つ以上の湾曲部材に分割されてもよい。 The bending member 11 can be in a non-contact state with respect to the rotor 6 both when it vibrates and when it does not vibrate, but as shown in FIG. 9, when the vibrator 3 is stopped and does not vibrate, It can also be set as the structure where the front-end | tip part 11a contacts the surface of the rotor 6. FIG. In this way, the tip end portion 11a of the bending member 11 can be brought into contact with the surface of the rotor 6 that is not rotating when the vibrator 3 is stopped, and the rotor 6 can be held. Even in this case, the bending member 11 needs to be separated from the surface of the rotor 6 during vibration. The bending member 11 that is in contact with the rotor 6 when the vibration is stopped may also be lifted from the rotor 6 by the radiation pressure of the sound wave emitted from the bending member 11 during vibration.
Moreover, it is not limited to the four bending members 11, You may divide | segment into three or less or five or more bending members.

実施の形態３．
図１０を参照して、この発明の実施の形態３に係る多自由度超音波モータを示す。この実施の形態３は、実施の形態１において、ステータ１２に一体に設けられるリング部材１０の代わりに、ステータ１２から離間してリング部材１３を配置するものである。すなわち、リング部材１３とステータ１２とは、互いに独立した部材としてそれぞれ形成されると共にＺ軸方向に互いに間隔をあけて配置されている。リング部材１３は、実施の形態１のリング部材１０と同様にＺ軸方向に向かうほど徐々に縮径するような形状を有すると共に、その内面がロータ６の表面に近接して対向した状態に配置され、図１１に破線で示されるように支持部材１４により支持されている。また、リング部材１３の外面には、リング部材１３を振動させるための４つの振動子１５が貼付されている。なお、リング部材１３が振動子１５によって振動した場合の振動モードにおいて、節になる部分で支持部材１４によって支持したり振動子１５を貼付けたりするのが好ましい。 Embodiment 3 FIG.
Referring to FIG. 10, a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to Embodiment 3 of the present invention is shown. In the third embodiment, the ring member 13 is arranged apart from the stator 12 instead of the ring member 10 provided integrally with the stator 12 in the first embodiment. In other words, the ring member 13 and the stator 12 are formed as members independent of each other and are spaced from each other in the Z-axis direction. The ring member 13 has a shape that gradually decreases in diameter as it goes in the Z-axis direction, like the ring member 10 of the first embodiment, and is arranged in a state where the inner surface thereof is close to and opposed to the surface of the rotor 6. As shown by the broken lines in FIG. Four vibrators 15 for vibrating the ring member 13 are attached to the outer surface of the ring member 13. In the vibration mode when the ring member 13 is vibrated by the vibrator 15, it is preferable that the ring member 13 is supported by the support member 14 or attached to the vibrator 15 at a portion that becomes a node.

図１２に示すように、各振動子１５は、電極板１５ａ、圧電素子板１５ｂ及び電極板１５ｃが順次重ね合わされた構造を有している。各振動子１５の圧電素子板１５ｂは、その厚み方向に膨張あるいは収縮の変形挙動を行うように分極されており、電極板１５ａ及び１５ｃ間に独立した交流電圧を印加することにより、この振動子１５を駆動制御することができるように構成されている。このような振動子１５の両面にそれぞれ絶縁シート１６及び１７が配置され、振動子１５は一方の絶縁シート１７を介してリング部材１３から絶縁された状態で配置されている。 As shown in FIG. 12, each vibrator 15 has a structure in which an electrode plate 15a, a piezoelectric element plate 15b, and an electrode plate 15c are sequentially stacked. The piezoelectric element plate 15b of each vibrator 15 is polarized so as to perform deformation behavior of expansion or contraction in the thickness direction thereof, and by applying an independent AC voltage between the electrode plates 15a and 15c, 15 can be driven and controlled. Insulating sheets 16 and 17 are arranged on both surfaces of the vibrator 15, respectively, and the vibrator 15 is arranged in a state of being insulated from the ring member 13 through one insulating sheet 17.

なお、ステータ１２は、実施の形態１におけるステータ２と同様に、基部ブロック１との間に振動子３を挟持した状態で連結ボルト４により互いに連結されており、ステータ１２の振動子３に接する面とは反対側に、ロータ６の直径より小さな内径を有する凹部１８が形成されている。この凹部１８の開口端周縁にＸＹ平面上に位置する環状の角部１９が形成され、この角部１９にロータ６が当接して回転自在に保持されている。 The stator 12 is connected to each other by the connecting bolt 4 in a state where the vibrator 3 is sandwiched between the stator 12 and the base block 1 in the same manner as the stator 2 in the first embodiment, and is in contact with the vibrator 3 of the stator 12. A concave portion 18 having an inner diameter smaller than the diameter of the rotor 6 is formed on the side opposite to the surface. An annular corner 19 located on the XY plane is formed on the periphery of the opening end of the recess 18, and the rotor 6 is in contact with the corner 19 and is rotatably held.

このような構成にしても、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の端子３２ｔ及び第３の端子３３ｔのうち２つの端子を選択し、これら２つの端子の双方から位相を９０度シフトさせた交流電圧をそれぞれ印加すると、ステータ１２に振動が発生し、ロータ６と接触するステータ１２の角部１９に、選択された２つの端子に対応する面内の楕円振動が発生する。 Even in such a configuration, two terminals are selected from the first terminal 31t, the second terminal 32t, and the third terminal 33t of the vibrator 3, and the phase is shifted by 90 degrees from both of these two terminals. When each of the AC voltages is applied, vibration is generated in the stator 12, and in-plane elliptical vibration corresponding to the two selected terminals is generated in the corner portion 19 of the stator 12 that is in contact with the rotor 6.

このとき、振動子１５を駆動制御すると、振動子１５の厚み方向、すなわちロータ６の表面に直交する方向の縦振動がリング部材１３に発生し、リング部材１３がロータ６に非接触の状態で振動する。これにより、リング部材１３から放射される音波の放射圧によってロータ６がステータ１２の角部１９に対して加圧される。したがって、上述の実施の形態１と同様に、高トルクで高効率な多自由度超音波モータを実現することができると共にリング部材１３とロータ６との接触による騒音等を防止できる。 At this time, when the vibrator 15 is driven and controlled, longitudinal vibration in the thickness direction of the vibrator 15, that is, the direction orthogonal to the surface of the rotor 6 is generated in the ring member 13, and the ring member 13 is not in contact with the rotor 6. Vibrate. Thereby, the rotor 6 is pressed against the corner portion 19 of the stator 12 by the radiation pressure of the sound wave radiated from the ring member 13. Therefore, similarly to the above-described first embodiment, it is possible to realize a high-torque and high-efficiency multi-degree-of-freedom ultrasonic motor and to prevent noise and the like due to contact between the ring member 13 and the rotor 6.

加えて、この実施の形態３では、リング部材１３は振動子１５により駆動されると共にステータ１２は振動子３により駆動され、リング部材１３をステータ１２と独立して振動させることができるため、振動子１５の駆動によりリング部材１３の振幅を制御することで、この多自由度超音波モータのトルク制御、位置制御、回転数制御等を容易に行うことができる。
また、リング部材１３が振動子１５によって振動するときに形成される節位置で支持部材１４によりリング部材１３を支持することができ、このようにすればリング部材１３の振動に与える影響を最小限に抑えながらリング部材１３を支持することができる。
さらに、図示しないバネ等を用いてステータ１２あるいは基部ブロック１に対して弾力的に支持部材１４を保持することもできる。 In addition, in the third embodiment, the ring member 13 is driven by the vibrator 15 and the stator 12 is driven by the vibrator 3 so that the ring member 13 can be vibrated independently of the stator 12. By controlling the amplitude of the ring member 13 by driving the child 15, torque control, position control, rotation speed control, etc. of the multi-degree-of-freedom ultrasonic motor can be easily performed.
Further, the ring member 13 can be supported by the support member 14 at the node position formed when the ring member 13 is vibrated by the vibrator 15, and in this way, the influence on the vibration of the ring member 13 is minimized. It is possible to support the ring member 13 while suppressing the pressure to a low level.
Furthermore, the support member 14 can be elastically held with respect to the stator 12 or the base block 1 using a spring or the like (not shown).

なお、リング部材１３は、上述の実施の形態２と同様に、その周方向に沿って複数の湾曲部材に分割されてもよく、この場合、複数の湾曲部材はそれぞれ振動時の節位置で支持部材１４により支持されると共に、各湾曲部材に１つの振動子１５が貼付されるように構成することができる。このような構成とすれば、複数の湾曲部材は互いに分割されてそれぞれ独立しているため振動しやすくなり、ロータ６に効果的に予圧をかけることができる。 The ring member 13 may be divided into a plurality of bending members along the circumferential direction thereof, as in the second embodiment, and in this case, the plurality of bending members are respectively supported at node positions during vibration. While being supported by the member 14, it can be configured such that one vibrator 15 is attached to each bending member. With such a configuration, since the plurality of bending members are divided from each other and independent from each other, the bending members are easily vibrated, and the rotor 6 can be preloaded effectively.

リング部材はロータの周方向に配置されたが、放射圧によって予圧力を発生できるのであれば、周方向に限らない。
また、リング部材１３は、上述の実施形態２の変形例のように、ロータ６停止時に接触させるように弾性的に保持するようにし、ロータ６回転時には振動子１５を振動させ、リング部材１３から放射される音波の放射圧によってリング部材１３自体がロータ６から浮き上がるようにしても良い。 Although the ring member is disposed in the circumferential direction of the rotor, the ring member is not limited to the circumferential direction as long as the pre-pressure can be generated by the radiation pressure.
Further, the ring member 13 is elastically held so as to be in contact with the rotor 6 when the rotor 6 is stopped, as in the above-described modification of the second embodiment. The ring member 13 itself may be lifted from the rotor 6 by the radiation pressure of the radiated sound wave.

なお、上記実施の形態において、振動子３の第１の端子３１ｔ、第２の３２ｔ、第３の３３ｔのうち２つを選択して印加する交流電圧の位相は９０度シフトさせていたが、９０度に限らず変化させても良い。また、印加する交流電圧の電圧値を変化させてもよい。交流電圧を様々に制御することでステ―タ２，１２に発生する楕円振動を制御することができる。
また、上記実施の形態においてステ―タ２，１２とロータ６との接触は段差９や角部１９のような角部であったが、この構成に限らない。楕円運動が伝達できれば平面で接触するようにしても曲面で接触しても良いし、環状でなくてもよい。 In the above embodiment, the phase of the alternating voltage applied by selecting two of the first terminal 31t, the second 32t, and the third 33t of the vibrator 3 is shifted by 90 degrees. You may change not only 90 degree | times. Moreover, you may change the voltage value of the alternating voltage to apply. The elliptical vibration generated in the stators 2 and 12 can be controlled by variously controlling the AC voltage.
Further, in the above embodiment, the contact between the stators 2 and 12 and the rotor 6 is a corner such as the step 9 or the corner 19, but is not limited to this configuration. If the elliptical motion can be transmitted, the contact may be made on a flat surface, the contact may be made on a curved surface, or may not be annular.

また、上記実施形態において振動子３は互いに異なる３方向の振動としてＺ方向の縦振動と、Ｘ，Ｙ方向のたわみ振動を発生する振動子を用いているが、このように互いに直交する振動でなくても良い。また、３方向の振動を発生させる振動子は第１圧電素子部３１、第２圧電素子部３２、第３圧電素子部３３とそれぞれの方向に対応した圧電素子を用いているが、それぞれの方向の振動を発生させるのに複数の圧電素子部による振動を合成させても良いし、１つの圧電素子部を３つ以上に分極して１つの圧電素子部で２つ以上の方向の振動を発生させても良い。
また、上記実施の形態では３方向のうちの２方向を選択して振動を発生させていたが、３方向に対応した圧電素子全てに交流電圧を印加し、各方向の振動の位相や振幅を制御して合成振動を発生させてもよい。 In the above embodiment, the vibrator 3 uses vibrators that generate longitudinal vibrations in the Z direction and flexural vibrations in the X and Y directions as vibrations in three different directions. It is not necessary. In addition, the vibrator that generates vibrations in the three directions uses the first piezoelectric element portion 31, the second piezoelectric element portion 32, and the third piezoelectric element portion 33 and piezoelectric elements corresponding to the respective directions. In order to generate vibration, vibrations from a plurality of piezoelectric element units may be combined, or one piezoelectric element unit is polarized into three or more to generate vibrations in two or more directions in one piezoelectric element unit. You may let them.
In the above embodiment, two of the three directions are selected to generate vibration. However, an AC voltage is applied to all the piezoelectric elements corresponding to the three directions, and the phase and amplitude of vibration in each direction are adjusted. A synthetic vibration may be generated by controlling.

この発明の実施の形態１に係る多自由度超音波モータを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the multi-degree-of-freedom ultrasonic motor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 実施の形態１に係る多自由度超音波モータを示す平面図である。1 is a plan view showing a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態１におけるリング部材の形状を示す斜視図である。3 is a perspective view showing a shape of a ring member in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１におけるリング部材を示す部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a ring member in the first embodiment. 実施の形態１で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。3 is a partial cross-sectional view showing a configuration of a vibrator used in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１で用いられた振動子の３対の圧電素子板の分極方向を示す斜視図である。3 is a perspective view showing polarization directions of three pairs of piezoelectric element plates of the vibrator used in Embodiment 1. FIG. 実施の形態１に係る多自由度超音波モータの部分拡大断面図である。2 is a partial enlarged cross-sectional view of the multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態２に係る多自由度超音波モータを示す平面図である。6 is a plan view showing a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to Embodiment 2. FIG. 実施の形態２の変形例に係る多自由度超音波モータの部分拡大断面図である。FIG. 10 is a partial enlarged cross-sectional view of a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to a modification of the second embodiment. 実施の形態３に係る多自由度超音波モータを示す断面図である。5 is a cross-sectional view showing a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態３に係る多自由度超音波モータを示す平面図である。6 is a plan view showing a multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to Embodiment 3. FIG. 実施の形態３で用いられた振動子の構成を示す部分断面図である。6 is a partial cross-sectional view illustrating a configuration of a vibrator used in Embodiment 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１基部ブロック、２，１２ステータ、３，１５振動子、４連結ボルト、５，１８凹部、６ロータ、７小径部、８大径部、９段差、１０，１３リング部材、１０ａ，１１ａ先端部、１０ｂ基端部、１１湾曲部材、１４支持部材、１５ａ，１５ｃ，３１ａ，３１ｃ，３１ｅ，３２ａ，３２ｃ，３２ｅ，３３ａ，３３ｃ，３３ｅ電極板、１５ｂ，３１ｂ，３１ｄ，３２ｂ，３２ｄ，３３ｂ，３３ｄ圧電素子板、１６，１７，３４，３５，３６，３７絶縁シート、１９角部、３１第１圧電素子部、３１ｔ第１の端子、３２第２圧電素子部、３２ｔ第２の端子、３３第３圧電素子部、３３ｔ第３の端子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base block, 2,12 Stator, 3,15 Vibrator, 4 Connection bolt, 5,18 Concave part, 6 Rotor, 7 Small diameter part, 8 Large diameter part, 9 Step, 10, 13 Ring member, 10a, 11a Tip part 10b Base end part, 11 Bending member, 14 Support member, 15a, 15c, 31a, 31c, 31e, 32a, 32c, 32e, 33a, 33c, 33e Electrode plate, 15b, 31b, 31d, 32b, 32d, 33b, 33d Piezoelectric element plate, 16, 17, 34, 35, 36, 37 Insulating sheet, 19 corners, 31 1st piezoelectric element part, 31t 1st terminal, 32 2nd piezoelectric element part, 32t 2nd terminal, 33 3rd piezoelectric element part, 33t 3rd terminal.

Claims

ステータと、
前記ステータにより接触支持される略球体状のロータと、
前記ステータを振動させることにより前記ロータを回転させるステータ振動手段と、
前記ロータの表面に対向する予圧部材と、
少なくとも前記ロータを回転させる際に前記予圧部材を振動させて前記予圧部材からの放射圧により前記ロータを前記ステータに対して予圧する予圧力を発生させるための予圧部材振動手段と
を備えることを特徴とする多自由度超音波モータ。 A stator,
A substantially spherical rotor that is contact-supported by the stator;
Stator vibration means for rotating the rotor by vibrating the stator;
A preload member facing the surface of the rotor;
Preload member vibrating means for generating a preload that vibrates the preload member and preloads the rotor against the stator by a radiation pressure from the preload member when rotating the rotor. Multi-degree-of-freedom ultrasonic motor.

前記予圧部材は、前記ロータの表面に対応した湾曲形状を有するリング部材からなる請求項１に記載の多自由度超音波モータ。 The multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to claim 1, wherein the preload member is a ring member having a curved shape corresponding to a surface of the rotor.

前記予圧部材は、それぞれ前記ロータの表面に対応した湾曲形状を有する複数の湾曲部材からなる請求項１に記載の多自由度超音波モータ。 The multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to claim 1, wherein the preload member includes a plurality of curved members each having a curved shape corresponding to a surface of the rotor.

前記予圧部材は前記ステータから離間して配置され、前記予圧部材振動手段は、前記予圧部材に取り付けられる圧電素子板を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の多自由度超音波モータ。 The multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to any one of claims 1 to 3, wherein the preload member is disposed apart from the stator, and the preload member vibrating means includes a piezoelectric element plate attached to the preload member. .

前記予圧部材は、前記圧電素子板により振動するときに形成される節位置で支持される請求項４に記載の多自由度超音波モータ。 The multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to claim 4, wherein the preload member is supported at a node position formed when vibrating by the piezoelectric element plate.

前記予圧部材は前記ステータと一体に形成され、前記ステータ振動手段は前記予圧部材振動手段を兼ねている請求項１〜３のいずれか一項に記載の多自由度超音波モータ。 The multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to any one of claims 1 to 3, wherein the preload member is formed integrally with the stator, and the stator vibration means also serves as the preload member vibration means.

前記予圧部材は、前記予圧部材振動手段により振動するときには前記ロータの表面から離れた状態にあり、振動しないときには前記ロータの表面に接触してこのロータを保持する請求項１〜６のいずれか一項に記載の多自由度超音波モータ。 7. The preload member is in a state of being separated from the surface of the rotor when vibrated by the preload member vibrating means, and contacts the surface of the rotor and holds the rotor when not vibrated. The multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to item.

前記予圧部材振動手段により振動される前記予圧部材の振幅を制御することにより、前記ロータを前記ステータに対して予圧する予圧力の大きさを変化させる請求項１〜７のいずれか一項に記載の多自由度超音波モータ。 The magnitude | size of the preload which preloads the said rotor with respect to the said stator is changed by controlling the amplitude of the said preload member vibrated by the said preload member vibration means. Multi-degree-of-freedom ultrasonic motor.

前記ステータ振動手段は、互いに異なる３方向の振動を生じる３対の圧電素子板を有し、これら３方向の振動のうち少なくとも２方向の振動を互いに位相をずらして組み合わせた合成振動を発生させることにより前記ステータの前記ロータとの接触部分に楕円運動を形成する請求項１〜８のいずれか一項に記載の多自由度超音波モータ。 The stator vibration means has three pairs of piezoelectric element plates that generate vibrations in three different directions, and generates a combined vibration in which at least two of the three directions of vibration are combined with their phases shifted from each other. The multi-degree-of-freedom ultrasonic motor according to claim 1, wherein an elliptical motion is formed in a contact portion of the stator with the rotor.