JP4654885B2 - Ultrasonic motor - Google Patents
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Description
この発明は、超音波モータに係り、特にロータをステータに加圧接触させて回転させるモータに関する。 The present invention relates to an ultrasonic motor, and more particularly to a motor that rotates a rotor in pressure contact with a stator.
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。ここで予圧とは、少なくとも圧電素子に通電しない状態でロータをステータに押しつける圧力のことをいう。
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
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 a problem, and an object thereof is to provide an ultrasonic motor capable of realizing a high torque.
この発明に係る超音波モータは、ステータと、ステータにより接触支持されるロータと、ステータを振動させて前記ロータを回転させるステータ振動手段と、少なくとも停止時にロータの表面に接触した状態で配置される予圧部材と、予圧部材を振動させることによりロータをステータに対して加圧するための予圧部材振動手段とを備えたものである。 An ultrasonic motor according to the present invention is disposed in a state in which the stator, a rotor that is contacted and supported by the stator, stator vibration means that vibrates the stator and rotates the rotor, and at least in contact with the surface of the rotor when stopped. A preload member and preload member vibrating means for pressurizing the rotor against the stator by vibrating the preload member are provided.
予圧部材振動手段により、予圧部材をステータの振動モードとは異なる振動モードで振動させてロータをステータに対して予圧するように構成することもできる。
予圧部材をステータに弾力的に支持させ、ステータ振動手段が予圧部材振動手段を兼ねて予圧部材を振動させるように構成することができる。この場合、予圧部材は、バネを介してステータに支持させてもよい。
あるいは、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もできる。この場合、予圧部材を、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することができる。
The preload member vibrating means may be configured to vibrate the preload member in a vibration mode different from the vibration mode of the stator to preload the rotor with respect to the stator.
The preload member can be elastically supported by the stator, and the stator vibration means can be configured to vibrate the preload member also as the preload member vibration means. In this case, the preload member may be supported by the stator via a spring.
Alternatively, the preload member can be disposed apart from the stator, and the piezoelectric element plate can be attached to the preload member as the preload member vibrating means. In this case, the preload member can be supported at a node position formed when vibrating by the piezoelectric element plate.
なお、略球体状のロータを用い、ステータ振動手段によりステータを振動させてロータを複数の軸回りに回転させてもよい。この場合、ロータをその周方向に沿って環状に囲むように配置されるリング形状を有する予圧部材を用いることができる。
好ましくは、予圧部材がロータの表面に接触する部位に低摩擦材からなる当接部材を有している。さらに、ステータが、周方向の複数箇所でのみロータの表面に接触するように構成してもよい。このとき、前記複数箇所は、ロータに対して互いに対称の位置にあることが望ましい。
ステータ振動手段を、互いに異なる3方向の振動を生じる3対の圧電素子板から構成すれば、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ことができる。
Note that a substantially spherical rotor may be used, and the rotor may be rotated about a plurality of axes by vibrating the stator by stator vibration means. In this case, a preload member having a ring shape arranged so as to surround the rotor in an annular shape along the circumferential direction thereof can be used.
Preferably, the preload member has an abutting member made of a low friction material at a portion where the preload member contacts the surface of the rotor. Further, the stator may be configured to contact the surface of the rotor only at a plurality of locations in the circumferential direction. At this time, it is desirable that the plurality of locations are symmetrical with respect to the rotor.
If the stator vibration means is composed of three pairs of piezoelectric element plates that generate vibrations in three different directions, a combined vibration in which at least two of the three directions of vibration are combined out of phase with each other is generated. Thus, an elliptical motion can be formed at the contact portion of the stator with the rotor.
この発明によれば、高トルクを実現することができる超音波モータが得られる。 According to the present invention, an 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及び図2に、この発明の実施の形態1に係る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、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.
1 and 2 show an ultrasonic motor according to
The
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及び大径部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。
さらに、ステータ2の上部にはZ軸方向に隣接するように環状の板バネ10を介してリング形状の予圧部材11が弾力的に連結されている。この予圧部材11の内周縁にXY平面上に位置する環状の角部12が形成されており、ロータ6がステータ2の段差9及び予圧部材11の角部12の双方に当接して挟持され、回転自在に支持されている。
A
Further, a ring-
ここで、板バネ10により予圧部材11がステータ2の方向に付勢されており、予圧部材11の角部12を介してロータ6に予圧が作用している。
また、ステータ2と予圧部材11の間に板バネ10が介在しているため、振動子3によってステータ2に振動が発生したときに、予圧部材11がステータ2の振動モードとは異なる振動モードで振動するように構成されている。
Here, the
Further, since the
例えば、基部ブロック1、ステータ2及び予圧部材11はそれぞれジェラルミンから形成され、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の鋼球が用いられる。
For example, the
図3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. 3, the first
図4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. 4, the pair of
The pair of
In the pair of
図1及び図3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 FIGS. 1 and 3, the
次に、この実施の形態1に係る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 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
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
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
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
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5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、板バネ10の付勢力により予圧部材11の角部12を介してロータ6に予圧が作用し、ロータ6がステータ2の段差9に対して加圧されているため、これらロータ6と段差9との間の摩擦力によってロータ6に回転力が伝達される。
このとき、予圧部材11とステータ2との間に介在する板バネ10により予圧部材11は図5に実線矢印で示されるようにステータ2の振動モードとは異なる振動モードで振動するので、予圧部材11の角部12とロータ6の表面との接触に起因する摩擦損失が大幅に低減され、ロータ6が高トルクで回転することとなる。
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
Here, since the preload acts on the
At this time, the
また、予圧部材11は板バネ10を介してステータ2に連結され、振動子3によるステータ2の振動を利用して予圧部材11を振動させるため、単純な構成の超音波モータを得ることができる。
また、振動子3が停止されて予圧部材11が振動しない時には、予圧部材11の角部12とロータ6の表面との間の摩擦力が増加することによりこのロータ6を保持することができる。
Further, since the
Further, when the
従って、リング形状の予圧部材11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
なお、リング形状の予圧部材11の角部12が、ロータ6に全周にわたって接触するのではなく、図6に示されるように、周方向の複数箇所、例えば4箇所でのみロータ6の表面に接触するように構成することもできる。このようにすれば、予圧部材11とロータ6との接触による摩擦損失がさらに低減され、一層高トルクを実現することが可能となる。この場合、ロータ6の表面に接触する予圧部材11の複数の接触箇所Cは、ロータ6に対して互いに対称の位置にあることが好ましい。
In addition, the corner |
実施の形態2.
図7に、この発明の実施の形態2に係る超音波モータを示す。この超音波モータは、図1に示した実施の形態1の超音波モータにおいて、リング形状の予圧部材11の内周縁にXY平面上に位置する環状の当接部材13が取り付けられたものである。当接部材13はテフロン(登録商標)等の低摩擦材から形成され、ロータ6が当接部材13により形成される角部14とステータ2の段差9の双方に当接して挟持され、回転自在に支持されている。
低摩擦材から形成された当接部材13を介してロータ6に予圧を作用させるため、当接部材13とロータ6との接触による摩擦損失がさらに低減され、高トルクの超音波モータが実現される。
FIG. 7 shows an ultrasonic motor according to
Since preload is applied to the
実施の形態3.
図8に、この発明の実施の形態3に係る超音波モータを示す。この超音波モータは、図1に示した実施の形態1の超音波モータにおいて、ステータ2に板バネ10を介して弾力的に連結された予圧部材11の代わりに、ステータ15からZ軸方向に離間して予圧部材16を配置するものである。予圧部材16に振動子17を介して保持部材18が連結されており、保持部材18がステータ15の方向に付勢されるように図示しないバネ等を用いてステータ15あるいは基部ブロック1に対して弾力的に支持されている。
予圧部材16、振動子17及び保持部材18は、いずれも中央に開口部を有するリング形状に形成されており、これらの開口部を通してロータ6が露出している。また、予圧部材16の内周縁にXY平面上に位置する環状の角部19が形成されている。
FIG. 8 shows an ultrasonic motor according to
The
図9に示すように、振動子17は、電極板17a、圧電素子板17b及び電極板17cが順次重ね合わされた構造を有している。圧電素子板17b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17a及び17c間に交流電圧を印加することにより、この振動子17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17の両面にそれぞれ絶縁シート20及び21が配置され、振動子17はこれら絶縁シート20及び21を介して予圧部材16及び保持部材18から絶縁された状態で配置されている。
As shown in FIG. 9, the
なお、ステータ15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15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22が形成されている。この凹部22の開口端周縁にXY平面上に位置する環状の角部23が形成されており、ロータ6がこのステータ15の角部23と予圧部材16の角部19の双方に当接して挟持され、回転自在に保持されている。
The
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15に振動が発生し、ロータ6と接触するステータ15の角部23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
このとき、図示しないバネ等により保持部材18がステータ15の方向に付勢され、予圧部材16の角部19を介してロータ6に予圧が作用し、ロータ6がステータ15の角部23に対して加圧されているため、これらロータ6と角部23との間の摩擦力によってロータ6に回転力が伝達される。
ここで、振動子17を駆動制御すると、予圧部材16が振動子3によるステータ15の振動から独立して振動し、これにより予圧部材16の角部19とロータ6の表面との接触に起因する摩擦損失が大幅に低減され、ロータ6が高トルクで回転することとなる。
At this time, the holding
Here, when the
図10に示されるように、予圧部材16及び保持部材18が振動子17によって振動するときに形成される節位置で固定具24によりこれら予圧部材16及び保持部材18を支持すれば、予圧部材16の振動に与える影響を最小限に抑えながら、予圧部材16を支持することができる。
As shown in FIG. 10, if the preloading
実施の形態4.
図11に、この発明の実施の形態4に係る超音波モータを示す。この超音波モータは、図8に示した実施の形態3の超音波モータにおいて、リング形状の予圧部材16の内周縁にXY平面上に位置する環状の当接部材25が取り付けられたものである。当接部材25はテフロン(登録商標)等の低摩擦材から形成され、ロータ6が当接部材25により形成される角部26とステータ15の角部23の双方に当接して挟持され、回転自在に支持されている。
低摩擦材から形成された当接部材25を介してロータ6に予圧を作用させるため、当接部材25とロータ6との接触による摩擦損失がさらに低減され、高トルクの超音波モータが実現される。
FIG. 11 shows an ultrasonic motor according to
Since the preload is applied to the
上記の実施の形態1〜4では、ロータ6が球体状であり、振動子3によりステータ2及び15を振動させてロータ6を複数の軸回りに回転させる多自由度の超音波モータについて説明したが、これに限定されるものではなく、この発明は、ロータを単一の軸の回りに回転させる1自由度の超音波モータにも適用することができる。
In the first to fourth embodiments described above, the multi-degree-of-freedom ultrasonic motor has been described in which the
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2,15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2,15とロータ6との接触は段差9や角部23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
Further, in the above-described embodiment, the contact between the
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
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.
1 基部ブロック、2,15 ステータ、3,17 振動子、4 連結ボルト、5,22 凹部、6 ロータ、7 小径部、8 大径部、9 段差、10 板バネ、11,16 予圧部材、12,14,19,23,26 角部、13,25 当接部材、18 保持部材、20,21,34〜37 絶縁シート、24 固定具、31 第1の圧電素子部、32 第2の圧電素子部、33 第3の圧電素子部、17a,17c,31a,31c,31e,32a,32c,32e,33a,33c,33e 電極板、17b,31b,31d,32b,32d,33b,33d, 圧電素子板、31t 第1の端子、32t 第2の端子、33t 第3の端子、C 接触箇所。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記ステータにより接触支持されるロータと、
前記ステータを振動させて前記ロータを回転させるステータ振動手段と、
少なくとも停止時に前記ロータの表面に接触した状態で配置される予圧部材と、
前記予圧部材を振動させ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ための予圧部材振動手段と
を備えることを特徴とする超音波モータ。 A stator,
A rotor contacted and supported by the stator;
Stator vibration means for rotating the rotor by vibrating the stator;
A preload member arranged in contact with the surface of the rotor at least when stopped;
An ultrasonic motor comprising: a preload member vibrating means for preloading the rotor with respect to the stator by vibrating the preload member.
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または2に記載の超音波モータ。 The preload member is elastically supported by the stator;
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the stator vibration unit also serves as the preload member vibration unit.
前記予圧部材振動手段は、前記予圧部材に取り付けられた圧電素子板を有する請求項1または2に記載の超音波モータ。 The preload member is spaced apart from the stator;
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the preload member vibration means includes a piezoelectric element plate attached to the preload member.
前記ステータ振動手段は前記ステータを振動させて前記ロータを複数の軸回りに回転させる請求項1〜6のいずれか一項に記載の超音波モータ。 The rotor is substantially spherical,
The ultrasonic motor according to claim 1, wherein the stator vibration unit vibrates the stator to rotate the rotor around a plurality of axes.
Priority Applications (9)
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---|---|---|---|
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