JP2005143297A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 楕円振動を有効的に利用する上での、超音波モータの改良に関する技術を提供することにある。
【解決手段】 超音波モータは、楕円振動が発生し端面に凹部４１２が形成されるステータ４１０と、このステータ４１０の外周面に接触して回転する少なくとも一つの外周側ロータ４４０と、このステータ４１０の前記凹部４１２における内周面に接触して回転する少なくとも一つの内周側ロータ４２０と、を含む。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、定在波型の超音波モータに関する。

定在波型の超音波モータは、縦振動及び捩り振動を合成して、ステータに楕円振動を発生させてロータを駆動するようになっている。ここで、楕円振動の有効的な利用が要望されている。

例えば、効率的に楕円振動を発生させるために、ステータにスリットを形成する技術が、特開平７−７５３５３号公報などに開示されている。このようなスリットは、ステータの一方の端部にのみ形成されている。したがって、このような形状の加工を行うには、ステータの一方の端面からエンドミル加工を行う必要がある。

しかしながら、これによれば、スリット毎に加工を行う必要があり、その数が多くなると、加工に時間がかかるという問題があった。

また、従来の定在波型の超音波モータでは、楕円振動がステータの全体に生じるにも関わらず、端面に生じた楕円振動のみが利用されていたので、出力の取り出す位置が制限されるという問題があった。

このように、従来技術によれば、超音波モータの楕円振動を有効的に利用する上で、製造工程における問題又は出力の取り出し位置における問題があった。
特開平６−３４３２７４号公報 実開平６−７４２１６号公報 特開平３−２２６２７９号公報 特開平８−１０３０８８号公報

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、楕円振動を有効的に利用する上での、超音波モータの改良に関する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は次の特徴を有している。

ステータに形成されるスリットによって楕円振動を発生させる定在波型の超音波モータの製造方法において、
側面の上端から下端に至るスリットを第１のブロックに形成する工程と、
前記第１のブロックを第２のブロックに積み重ねて前記ステータを得る工程と、を含む。

これによれば、ステータが第１及び第２のブロックに分割されているので、スリットの形成が容易になっている。つまり、スリットは、第１のブロックの側面における上端から下端に至るように形成されるので、上下いずれかの端部にのみ形成するよりも、容易に形成することができる。そして、この第１のブロックに第２のブロックを積み重ねれば、一方の端部にのみスリットを有するステータを容易に得ることができる。さらに、スリットの形成が容易になれば、精度も向上させることができる。

ステータに形成されるスリットによって楕円振動を発生させる定在波型の超音波モータの製造方法において、
ブロックの側面に、メタルソーによって、スリットを形成して前記ステータを得る工程を含む。

これによれば、メタルソーによってスリットを形成するので、エンドミル加工よりも簡単にスリットを形成することができる。

ステータに形成されるスリットによって楕円振動を発生させる定在波型の超音波モータの製造方法において、
ブロックの側面に、型によって、スリットを形成して前記ステータを得る工程を含む。

これによれば、型によってスリットを形成するので、複数のスリットを一度に形成することができる。

この型の例として、鋳型又はプレス型が挙げられる。

超音波モータの製造方法において、
前記型によって、はすば歯車を製造する工程と、
はすば歯車をブロックに積み重ねて前記ステータを得る工程を含む。

これによれば、はすば歯車を利用することで、一層簡単にステータを製造することができる。

ステータに形成されるスリットによって楕円振動を発生させる定在波型の超音波モータにおいて、
前記ステータは、側面の上端から下端に至るスリットが形成される第１のブロックと、前記第１のブロックに積み重ねられる第２のブロックと、を含む。

このような超音波モータは、上記方法によって製造することができる。

超音波モータにおいて、
前記ステータの外周面に接触して回転する少なくとも一つのロータを含む。

これによれば、ロータがステータの外周面に接触して回転するので、出力の取り出し位置に多様性のある超音波モータを得ることができる。また、ステータの外周面が広ければ、複数のロータを回転させることもできる。こうして、楕円振動の有効的利用が可能になる。

超音波モータにおいて、
前記ステータは、円筒形をなし、
前記ロータは、リング状をなして、内周面が前記ステータの外周面に接触する。

ステータの外周面にロータを接触させる手段の一つとして、このように、リング状のロータをステータの外側に配置して、ロータの内周面をステータの外周面に接触させてもよい。

超音波モータにおいて、
前記ステータは、前記ロータの回転を案内するガイド部を外周面に有する。

リング状のロータを用いた場合には、このように、ガイド部によってロータの回転位置を維持することが好ましい。

超音波モータにおいて、
前記ステータの端面には凹部が形成され、
前記ステータの前記凹部における内周面に接触して回転する少なくとも一つのロータを含む。

これによれば、ステータの凹部の内周面にロータを接触させるので、複数のロータによる多段駆動も可能になる。

請求項１記載の発明は、楕円振動が発生し端面に凹部が形成されるステータと、このステータの外周面に接触して回転する少なくとも一つの外周側ロータと、このステータの前記凹部における内周面に接触して回転する少なくとも一つの内周側ロータと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、外周側ロータ及び内周側ロータを使用して、二種類の位置から出力を取り出すことができる。しかも、複数の外周側ロータ及び複数の内周側ロータを使用すれば、多段駆動も可能になる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波モータにおいて、
前記ステータの端面に接触して回転する端面側ロータを有することを特徴とする。

これによれば、上述した本発明に係る超音波モータに加えて、従来のロータも使用されるので、楕円振動の効率的な利用がさらに可能になる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図２は、第１実施形態に係る超音波モータの全体を示す図である。この超音波モータは、ロータ１及びステータ１０を含む。ロータ１は、ステータ１０に生じる楕円振動によって回転するようになっている。この楕円振動を発生させるために、ステータ１０は、第１〜第３のブロック１１〜１３、圧電素子１４、１５、電極板１６、１７を有する。これらは、内部に設けられたボルト（図示せず）によって連結されている。

圧電素子１４、１５は、電極板１６、１７から印加された高周波交流電圧によって縦振動するようになっている。この縦振動は、第１〜第３のブロック１１〜１３にも伝達される。

第１のブロック１１の外周面には、スリット１８が斜めに形成されている。このスリット１８が形成されることで、第１のブロック１１に伝達された縦振動から捩り振動が生じるようになる。捩り振動は、第２及び第３のブロック１２、１３に伝達される。そして、縦振動及び捩り振動が合成されて、ステータ１０に楕円振動が発生する。

なお、詳しくは、特開平７−７５３５３号公報などに開示されているので、これ以上の説明を省略する。

本実施形態では、上記第１のブロック１１の形状及び製造方法に特徴がある。図１（Ａ）は第１のブロックの平面図、図１（Ｂ）は、第１及び第２のブロックの分解側面図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。

第１のブロック１１は、図１（Ｃ）に示すように、丸キャップ形状をなしており、中央に上述したボルト（図示せず）を挿通するための穴１１ａが形成されている。また、第１のブロック１１の側面には、斜めのスリット１８が形成されている。

スリット１８は、図１（Ｂ）に示すように、側面において上下端に連続して形成されている。言い換えると、スリット１８は、ブロック１１の両端面に溝が表れるようになり、側面においては内側に貫通するようになっている。

ブロック１１は、金属板にスリット１８を打ち抜いてプレス加工することで製造される。したがって、切削加工が行われないので製造工程が簡単になる。

ブロック１２は、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、ブロック１１の裏側にはまりこむ形状をしている。なお、ブロック１２の中央には、第１〜第３のブロック１１〜１３を上述したボルトによって連結できるように、貫通孔にめねじ１２ａが形成されている。

本実施形態によれば、ブロック１１のスリット１８をプレス加工によって簡単に形成できるので、製造コストの削減が可能になるとともに、加工精度を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、他の実施形態を示す図である。詳しくは、図３（Ａ）は上記第１のブロック１１の変形例の平面図、図３（Ｂ）は上記第１及び第２のブロック１１、１２の変形例の分解側面図である。

同図において、ブロック２１は、円柱状又は厚肉のリング状をなし、外周面にスリット２８が形成されている。このスリット２８は、図３（Ａ）に示すように、両方の端面に表れるようになっている。すなわち、スリット２８は、両端面に貫通して、側面の上端から下端に至るまで形成されている。

このようなスリット２８の形状は、プレス加工による鍛造又は型による鋳造によって形成することができる。あるいは、スリット２８は、両端面に貫通する形状なので切削加工にて形成するときでも工程が容易になる。また、ブロック２１は、はすば歯車に似た形状であるので、これを代用してもよい。

なお、ブロック２２は、金属からなり円柱状をなすものであって、従来のブロックと同様であるため説明を省略する。

（第３実施形態）
次に、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示す第１及び第２のブロック１１、１２の変形例を示す図で、図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は側面図、図４（Ｃ）は一部を切り欠いた側面図である。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示すブロック３１は、側面における一方の端部（図において上端部）にのみスリット３８が形成される点で、従来のスリット付きブロックと同様である。

ただし、本実施形態では、メタルソー（図示せず）にてスリット３８が形成される。すなわち、ブロック３１における側面と端面とで形成される角部３１ａに、メタルソーによって切削加工が施されてスリット３８が形成される。そのため、スリット３８の内部は、図４（Ｃ）に示すように、丸い底部となっている。また、図４（Ａ）に示すように、スリット３８は、ブロック３１の端面において、外周から中心近くに至るまで長い放射線状の溝となっている。

本実施形態によれば、メタルソーによる加工であるため、エンドミル加工に比べて工程が簡単である。

（第４実施形態）
次に、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示すブロック３１の変形例を示す図である。

本実施形態では、スリット４８の溝が表れる側の端面に、めねじ４１ａを削るように凹部４１ｂが形成されている。そして、スリット４８は、凹部４１ｂに至るまで形成されている。

本実施形態によれば、凹部４１ｂの領域では、めねじ４１ｂが形成されていないので、この領域ではボルトによる拘束を受けない。そして、この拘束を受けない領域にスリット４８が貫通しているので、スリット４８を規定する部位も、ボルトによる拘束を受けにくくなる。こうして、スリット４８によって捩り振動が効率的に発生するようになる。

（第５実施形態）
次に、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示すブロック３１の変形例を示す図で、図６（Ａ）は平面図、図６（Ｂ）は側面図である。

本実施形態において、ブロック５１には、一方の端面に溝が表れるようにスリット５８が形成されている。ブロック５１の側面から見ると、スリット５８は、ブロック５１の中心軸に沿って真っ直ぐに立ち下がる壁面５８ａと、斜めに傾斜する壁面５８ｂと、によって形成されている。また、壁面５８ｂは、ブロック５１の端面に近づくにつれて壁面５８ａとの間隔が広がるようになっている。つまり、スリット５８は、テーパが付けられた形状となっている。

本実施形態によれば、スリット５８がテーパ付の形状をなしているので、プレス加工による鍛造又は型による鋳造によってスリット５８を形成するときに、型を容易に抜くことができる。

（第６実施形態）
次に、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すブロック５１の変形例を示す図であり、図７（Ａ）は平面図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。

本実施形態では、ブロック６１の溝が表れる側の端面に、めねじ６１ａを削るように凹部６１ｂが形成されている。そして、スリット６８は、凹部６１ｂに貫通するまで形成されている。

本実施形態によれば、凹部６１ｂの領域ではめねじ６１ｂが形成されていないので、この領域ではボルトによる拘束を受けない。その効果は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に係る実施形態の効果と同様であるので、詳しい説明を省略する。この実施形態においても、プレス加工によってスリット６８を容易に製造することができる。

（第７実施形態）
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、第７実施形態に係る超音波モータを示す図であり、図８（Ａ）は側面図、図８（Ｂ）は平面図である。

この超音波モータ１００は、ステータ１１０及びロータ１２０を有する。ステータ１１０は、第１〜第３のブロック１１１〜１１３、圧電素子１１４、１１５及び電極１１６、１１７を有して円柱形をなす。第２のブロック１１２には、複数のスリット１１８が形成されている。スリット１１８は、超音波モータの製造方法を適用して形成される。詳しくは、上述した実施形態と同様であるので詳しい説明を省略する。

ロータ１２０は、図８（Ｂ）に示すように、内径がステータ１１０よりも大きいリング状をなし、リングの内側にステータ１１０が配置される。ロータ１２０は、図示しない押圧手段を介して、その内周面１２０ａがステータ１１０の外周面１１０ａに接触するようになっている。

本実施形態によれば、電極１１６、１１７に高周波交流電圧を印加すると、圧電素子１１４、１１５の縦振動と、スリット１１８による捩り振動と、が組み合わされて、楕円振動が生じる。この楕円振動は、ステータ１１０の端面のみならず、外周面１１０ａにも生じる。ステータ１１０の外周面１１０ａにはロータ１２０の内周面１２０ａが接触している。したがって、ステータ１１０の外周面１１０ａに生じた楕円振動によって、ロータ１２０を回転させることができる。こうして、楕円振動を有効的に利用することができる。

（第８実施形態）
図９は、第８実施形態に係る超音波モータを示す図である。この超音波モータ２００は、ステータ２１０及びロータ２２０を有する。ステータ２１０は、第１〜第４のブロック２１１〜２１４、圧電素子２１５、２１６及び電極２１７、２１８を有して円柱形をなす。なお、図９には、第１のブロック２１１及び第２のブロック２１２の一部並びにロータ２２０が断面で示されている。

第３のブロック２１３には、複数のスリット２０２が形成されている。スリット２０２も、超音波モータの製造方法を適用して形成される。詳しくは、上述した実施形態と同様であるので詳しい説明を省略する。

第１及び第２のブロック２１１、２１２は、ボルト２１９によって連結されている。また、第１のブロック２１１は、第２のブロック２１２に連結される側の端部において外周面が切り欠かれて、段差面２１１ａ及び小径面２１１ｂが形成されている。段差面２１１ａ及び小径面２１１ｂによって、第１のブロック２１１は、二つの円柱を組み合わせた形状になっている。そして、段差面２１１ａ、小径面２１１ｂ及び第２のブロック２１２の端面２１２ａで、ガイド部２０４が構成される。

このガイド部２０４に、リング状のロータ２２０が配置される。詳しくは、リング状のロータ２２０の内径は、第１のブロック２１１の小径面２１１ｂによって形成される円柱の径にほぼ等しいか、あるいはそれよりもわずかに大きくなっている。こうして、ロータ２２０の内側に、小径面２１１ｂがはまりこむ。そして、第１及び第２のブロック２１１、２１２が連結されると、段差面２１１ａ、小径面２１１ｂ及び端面２１２ａにて形成されるガイド部２０４に、ロータ２２０が配置される。

また、ロータ２２０は、形状を維持できる程度の堅さがあるものの、わずかに弾性変形しうる程度の柔軟性がある材質、例えば樹脂などで形成されており、外側にリング状のスプリング２３０が設けられている。このスプリング２３０は、自然の長さよりも伸びた状態でロータ２２０に設けられている。したがって、ロータ２２０は、スプリング２３０によって、内周側に押圧されるようになっている。そして、ロータ２２０の内周面２２０ａは、ブロック２１１の小径面２１１ｂに接触するようになっている。

本実施形態は、このように構成されている。そして、高周波交流電圧が印加されると、ステータ２１０には、ガイド部２０４の内部も含めて外周面に楕円振動が発生する。このガイド部２０４の一部を構成する小径面２１１ｂには、ロータ２２０の内周面２２０ａが接触している。小径面２１１ｂにも楕円振動が生じている。したがって、ロータ２１０に生じた楕円振動によって、ロータ２２０を回転させることができる。特に、本実施形態によれば、ガイド部２０４が、リング状のロータ２２０の位置決めを行い、その回転の案内をするようになっている。こうして、楕円振動を有効的に利用することができる。

（第９実施形態）
図１０は、第９実施形態に係る超音波モータを示す図である。この超音波モータ３００は、ステータ３１０及びロータ３２０を有する。ステータ３１０は、第１〜第３のブロック３１１〜３１３、圧電素子３１４、３１５及び電極３１６、３１７を有して円柱形をなす。なお、図１０には、第１のブロック３１１の一部が断面で示されている。第２のブロック３１２には、複数のスリット３１８が形成されている。スリット３１８は、超音波モータの製造方法を適用して形成される。詳しくは、上述した実施形態と同様であるので詳しい説明を省略する。

また、第１のブロック３１１には、解放された端面３０２の中央部において、凹部３０４が形成されている。凹部３０４は、ブロック３１１の端面３０２から深さ方向に円筒状に形成される内周面３０４ａと、円形の底面３０４ｂとからなる。底面３０４ｂが描く円と、ブロック３１１の外周が描く円とは、同心円となっている。

ロータ３２０は円盤状をなし、その中心には中心軸３２２が設けられている。中心軸３２２を支持する軸受け（図示せず）は、この中心軸３２２を、その軸とは直角の方向に押圧するようになっている。こうして、ロータ３２０の外周面３２０ａが、ステータ３１０の凹部３０４における内周面３０４ａに接触するようになっている。

本実施形態によれば、高周波交流電圧が印加されると、ステータ３１０の凹部３０４にも楕円振動が発生し、内周面３０４ａに接触するロータ３２０が回転する。こうして、楕円振動を有効的に利用することができる。

（第１０実施形態）
図１１は、本発明を適用した第１０実施形態に係る超音波モータを示す図である。この超音波モータ４００は、図８（Ａ）〜図１０に示す超音波モータ１００、２００、３００を組み合わせ、さらに他のロータも加えたものである。

すなわち、超音波モータ４００は、ステータ４１０及びロータ４２０、４３０、４４０、４５０を有する。

ステータ４１０は、図１０に示す凹部３０４と同様の構成の凹部４１２を有し、同図に示すロータ３２０と同様の構成のロータ４２０が回転するようになっている。

また、ステータ４１０は、図９に示すガイド部２０４と同様の構成のガイド部４１４を有し、同図に示すロータ２２０と同様の構成のロータ４３０が回転するようになっている。

さらに、ステータ４１０の外周面には、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すロータ１２０と同様の構成のロータ４４０の内周面が接触し、このロータ４４０が回転するようになっている。

これに加えて、ステータ４１０における上記凹部４１２とは反対側の端面４１０ａには、円盤状又は円柱状のロータ４５０が接触して回転するようになっている。

このように、本実施形態によれば、４つのロータ４２０、４３０、４４０、４５０によって多段駆動が可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。図１２（Ａ）〜図１２（Ｅ）は、図９に示すガイド部２０４の変形例を示す図である。

図１２（Ａ）において、ステータ５１０の外周面には、三角溝としてガイド部５１２が形成され、ロータ５１４の内周面形状は、これに対応するようになっている。

図１２（Ｂ）において、ステータ５２０の外周面には、丸溝としてガイド部５２２が形成され、ロータ５２４の内周面形状は、これに対応するようになっている。

図１２（Ｃ）において、ステータ５３０の外周面には、リング状のガイド部５３２が設けられている。このガイド部５３２は、断面が角張った形状になっており、ロータ５３４の内周面形状は、これに対応するようになっている。

図１２（Ｄ）において、ステータ５４０の外周面には、リング状のガイド部５４２が設けられている。このガイド部５４２は、断面が丸い形状になっており、ロータ５４４の内周面形状は、これに対応するようになっている。

図１２（Ｅ）において、ステータ５５０の外周面には、リング状のガイド部５５２が設けられている。このガイド部５５２は、断面が三角形状になっており、ロータ５５４の内周面形状は、これに対応するようになっている。

図１（Ａ）は第１実施形態に係る第１のブロックの平面図、図１（Ｂ）は、第１及び第２のブロックの分解側面図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）におけるＣ−Ｃ線断面図である。 第１実施形態に係る超音波モータの全体を示す図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、第２実施形態を示す図である。 図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、第３実施形態を示す図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、第４実施形態を示す図である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、第５実施形態を示す図である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、第６実施形態を示す図である。 図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、第７実施形態に係る超音波モータを示す図である。 図９は、第８実施形態に係る超音波モータを示す図である。 図１０は、第９実施形態に係る超音波モータを示す図である。 図１１は、本発明を適用した第１０実施形態に係る超音波モータを示す図である。 図１２（Ａ）〜図１２（Ｅ）は、ガイド部の変形例を示す図である。

符号の説明

１ ロータ
１０ ステータ
１１、２１ 第１のブロック
１２、２２ 第２のブロック
３１、４１、５１、６１ ブロック
１８、２８、３８、４８、５８、６８ スリット
１１０、２１０、３１０、４１０ ステータ
１２０、２２０、３２０、４２０、４３０、４４０、４５０ ロータ
２０４、４１４ ガイド部
３０４、４１２ 凹部

Claims (2)

1. 楕円振動が発生し端面に凹部が形成されるステータと、このステータの外周面に接触して回転する少なくとも一つの外周側ロータと、このステータの前記凹部における内周面に接触して回転する少なくとも一つの内周側ロータと、を含むことを特徴とする超音波モータ。
2. 請求項１記載の超音波モータにおいて、
   前記ステータの端面に接触して回転する端面側ロータを有することを特徴とする超音波モータ。

Images