JP4874610B2

JP4874610B2 - 超音波モータ

Info

Publication number: JP4874610B2
Application number: JP2005269943A
Authority: JP
Inventors: 裕一黒澤
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: US7456547B2; US20070145859A1; JP2007082369A

Description

本発明は超音波モータに関し、特に供給する電力に対する回転効率を向上した超音波モータに関するものである。

超音波モータは、複数に分極した圧電体を円周配置したステータと、このステータに所定の圧力で当接した回転可能な円板状あるいは円環状のロータとで構成され、ステータの圧電体に高周波電圧を印加して圧電体を振動させ、この振動を圧電体と一体的に設けた櫛歯体によって円周方向に拡大させて櫛歯体を円周方向に向けて進行波動作させることで、圧電体に摩擦係合しているロータを軸回り方向に回転動作させるものである。

図１１は従来の超音波モータの一例の断面図であり、円板状の台座１１の下側に円周方向に複数の櫛歯１２１を配列した短円筒容器状の櫛歯体１２が一体に設けられており、この櫛歯体１２の上面には前記櫛歯１２１に対応して円周方向に複数に分極された円形薄板状の圧電体１３が一体的に搭載され、これら圧電体１３と櫛歯体１２とでステータ１が構成される。また、圧電体１３にはフレキシブル基板１４を介して高周波電圧が印加されるようになっている。前記台座１１の中心の軸穴１１２内には円筒状のスリーブ１５が固定され、このスリーブ１５内にはボールベアリング１７が内装され、このボールベアリング１７によって回転軸３が軸支される。この回転軸３には、周壁部２１の上端面が前記櫛歯体１２の各櫛歯１２１に当接された短円筒状をしたロータ２が取着されている。また、スリーブ１５の下端部と前記ボールベアリング１７との軸方向の間に圧縮コイルスプリング１６が介挿され、この圧縮コイルスプリング１６の軸方向の弾性力によってボールベアリング１７及び回転軸３を付勢してロータ２をステータ１の櫛歯１２１に圧接させている。

この超音波モータでは、フレキシブル基板１４を通して圧電体１３に高周波電圧を印加すると、圧電体１３が振動し、これと一体の櫛歯体１２が振動し、円周方向に配列されている複数の櫛歯１２１が円周方向に変位される。そのため、櫛歯１２１に当接しているロータ２の周壁部２１が摩擦力によって当該円周方向に移動され、ロータ２及びこれと一体化されている回転軸３が回転される。

このように、ロータ２をステータ１に対して所要の圧力で当接しているが、ステータ１の櫛歯体１２の振動を効率良くロータ１の回転運動に変換するためには、ロータ２をステータ１に対して偏りなく圧接させる必要がある。そのため、ロータ２の周壁部２１とステータ１の櫛歯１２１とが圧接する圧接面を数μｍ程度の加工精度で加工する必要があり、また周壁部２１と櫛歯１２１の圧接面が密接するように組立精度を高める必要もある。実際に製造する超音波モータでは、これらの要件を満たすことは難しいため、結果としてロータ２の回転運動の変換損失となり、回転効率の高い超音波モータを得ることが困難である。また、仮に面精度を高めることが可能でも加工コストが高くなり、高コストな超音波モータになる。

特許文献１では、ステータの櫛歯をロータの回転方向に弾性変形可能に構成している。特許文献１では、櫛歯が振動したときにロータの回転方向の弾性変形によってロータに圧接した状態で振動をロータに伝えることができ、ステータとロータとの間の滑りを防止して回転効率を高める上で有効である。
特開２００２−５８２６６号公報

特許文献１の技術では、ステータの櫛歯はロータの回転方向に弾性変形するため、図１１に示したような櫛歯が円周方向に変位して回転力をロータに伝達する構成の超音波モータに適用することはできない。また、適用可能な場合でも、櫛歯は径方向については弾性変形する構成とはなっていないため、櫛歯とロータとの径方向における両者の面精度が悪いと両者間の圧接に偏りが生じることは避けられず、回転効率を向上する上での障害になる。

本発明の目的は、ロータとステータの圧接状態を改善してロータの回転効率を向上した超音波モータを提供するものである。

本発明は、圧電体及び円周方向に配列した多数の櫛歯を備える櫛歯体で構成される円形をしたステータと、回転軸に支持されて櫛歯体に圧接される円形のロータとを備える超音波モータであって、各櫛歯は少なくともロータに圧接する部分が所要の間隔で径方向に配列された複数の針状体で構成されていることを特徴とする。針状体は少なくとも先端部が径方向に弾性変形可能で、円周方向には所要の剛性を有する構成とする。

さらに、針状体は回転軸の軸方向と垂直な方向の断面が円周方向に長く径方向に短い板状に形成され、かつ内径側の辺が外径側の辺よりも短い台形に形成される。また、針状体はそれぞれ独立した板状に形成され、各針状体は基端部が櫛歯体に一体であり、先端部がロータに圧接される構成とする。

本発明によれば、ロータが櫛歯に圧接したときに、櫛歯を構成している針状体は板厚方向、すなわち径方向に弾性変形することで各針状体の先端がロータに確実に圧接し、ロータと櫛歯との摩擦力を所定の摩擦力に保持でき、ステータの振動によるロータへの回転力の伝達効率が高くなる。これにより、ロータやステータの面精度を高めなくともロータの回転効率を向上することが可能になる。特に、針状体の断面を内径側の辺が外径側の辺よりも短い台形に形成することで、針状体が変形する際には全ての針状体が寸法の短い内径側に向けて揃って変形され易くなる。

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は本発明の実施例１の超音波モータの斜視図、図２はその縦断面図である。また、図３は部分分解斜視図である。これらの図において、モータ取付用の取付穴１１１を有する円板状の台座１１の下側に円周方向に複数の櫛歯１２１を配列した短円筒容器状の櫛歯体１２が一体に設けられており、この櫛歯体１２の上面には前記櫛歯１２１に対応して円周方向に複数に分極された円形薄板状の圧電体１３が一体的に搭載され、これら圧電体１３と櫛歯体１２とでステータ１が構成される。また、圧電体１３にはフレキシブル基板１４を介して高周波電圧が印加されるようになっている。前記台座１１の中心には軸穴１１２が開口され、内周面に円筒状のスリーブ１５が固定されている。また、このスリーブ１５内にはボールベアリング１７が内装され、このボールベアリング１７によって回転軸３が軸支され、ワッシャ３１により抜け止めされる。この回転軸３には、周壁部２１の上端面が前記櫛歯体１２の各櫛歯１２１に当接された短円筒状をしたロータ２が取着されている。また、スリーブ１５の下端部と前記ボールベアリング１７との軸方向の間に圧縮コイルスプリング１６が介挿されており、この圧縮コイルスプリング１６の軸方向の弾性力によってボールベアリング１７及びこれを支持している回転軸３を上方向に付勢し、この付勢力でロータ２をステータ１の櫛歯１２１に圧接させている。

図４は前記櫛歯体１２とロータ２の周壁部２１との圧接状態を示す拡大断面図であり、図５は前記櫛歯体１２の上下を反対に向けた斜視図である。前記櫛歯体１２の円周に沿って設けられた多数の櫛歯１２１は、それぞれ径方向に微細間隔を置いて配列された複数個、ここでは各６個の針状体１２２で構成されている。図６（ａ）に図４のＡ−Ａ線断面図を示し、図６（ｂ）に１個の針状体１２２の斜視図を示すように、各針状体１２２は先端部１２２ａの回転軸の軸方向の断面が円弧状をした長方形の薄板状に形成されており、その板厚方向、すなわち櫛歯体１２の径方向に所要の間隔をおいて配列され、それぞれの針状体１２２は基端部１２２ｂにおいて櫛歯体に連結するように櫛歯体１２に一体に形成されている。また、前記針状体１２２は径方向に並んだ６個の針状体が先端部１２２ａにおいてロータ２の周壁部２１の圧接面に接する面積の合計が、ロータ２の周壁部２１との間に生じる摩擦力が所定値となるように各針状体１２２の板厚や先端部１２２ａの円弧形状が設計される。さらに、各針状体１２２は、先端部１２２ａが基端部１２２ｂに対して板厚方向、すなわち櫛歯体１２の径方向に弾性変形が可能な一方で、円周方向には所要の剛性が得られるようにその板厚や円周方向の長さが設計されている。

前記櫛歯１２１を構成している針状体１２２を一体に有する櫛歯体１２は、ＰＰＳ、ナイロン等のような熱変形温度が２００℃以上の樹脂ベースに、チタン酸カリウムウイスカ等の耐磨耗性物質がコンパウンドされている材料で構成されており、射出成形等によって針状体と共に一体に製造される。あるいは、前記櫛歯１２１を構成している針状体１２２は、鉄、ステンレス、リン青銅、黄銅等の金属で形成され、その表面に無電解Ｎｉ−Ｐメッキ等の低摩擦、耐磨耗性の表面処理を施して形成され、これを鉄、ステンレス、リン青銅、黄銅等の金属やＡＢＳ、ＰＣ等の樹脂で円板状に形成した櫛歯体１２に接着や溶接等によって固定して製造される。

この実施例１の超音波モータでは、フレキシブル基板１４を通して圧電体１３に高周波電圧を印加すると、圧電体１３が振動し、これと一体の櫛歯体１２が振動し、円周方向に配列されている複数の櫛歯１２１、すなわち各櫛歯１２１を構成しているそれぞれ６個の針状体１２２が円周方向に変位される。ロータ２の周壁部２１は圧縮コイルスプリング１６のバネ力によって各針状体１２２の先端部１２２ａ、すなわち圧接面に圧接されているため、この圧接によってロータ２の周壁部２１と針状体１２２との圧接面に生じる摩擦力によってロータ２の周壁部２１が円周方向に移動され、ロータ２及びこれと一体化されている回転軸３が回転される。回転軸３の回転力は回転軸３に取着された図には表れない歯車を介して外部に伝達される。

このとき、ロータ２の周壁部２１とステータ１の櫛歯１２１（針状体１２２）の圧接面は所定の摩擦力を得るように設計されているが、両者の圧接面の面精度によって両圧接面が密接していないと目的とする摩擦力を得ることができず、ロータの回転効率が低下することは前述の通りである。実施例１では、ロータ２の周壁部２１が櫛歯１２１の圧接面に圧接したときに、ロータの周壁部の圧接面の面精度が低い場合でも、櫛歯１２１を構成している針状体１２２は図４に示したように板厚方向、すなわち径方向に弾性変形することで各針状体１２２の先端部１２２ａがロータ２の周壁部２１の圧接面に確実に圧接することになる。この場合、図４の例では周壁部２１の圧接面が回転軸と垂直な面に対して外径方向に上方に傾斜した円錐面として形成しているので、各針状体１２２の先端部１２２ａを揃って内径方向に弾性変形させることができる。したがって、一部の針状体が外径方向に弾性変形する等して各針状体１２２が相互に干渉して好適な圧接状態の障害になることはない。これにより、各６個の針状体１２２、すなわち櫛歯１２１とロータ２の周壁部２１の各圧接面が設計通りの面積で圧接した状態が保持され、両者間での摩擦力を所定値に設定することが可能になる。また、各針状体１２２は径方向に弾性変形するが円周方向には所要の剛性が確保されるので、櫛歯体１２が振動したときにそれぞれ６個の針状体１２２によって構成される個々の櫛歯１２１における円周方向の変位によるロータ２への回転力の伝達に損失が生じることはない。これにより、ロータ２の回転効率を向上することができる。

図７（ａ），（ｂ）は実施例２の櫛歯を示す図であり、図６（ａ），（ｂ）と同様の図である。実施例２では、針状体１２３を軸に垂直な断面が台形となるように形成している。ここでは、針状体１２３の内径側の辺１２３ａを外径側の辺１２３ｂよりも短い台形に形成している。これにより、針状体１２３は板厚方向に変形する際には寸法の短い内径側の辺１２３ａに向けて変形され易くなり、ロータ２の周壁部２１の圧接面を図４に示した実施例１のように外径側に向けて上方に傾斜させることなく、回転軸の軸方向と垂直な水平面に形成した場合でも、各針状体を揃って短辺側、すなわち内径側に弾性変形させることができる。

ここで、櫛歯体１２の各櫛歯１２１を構成している針状体の数は実施例のように６個に限られるものではなく、任意の数に設定できる。例えば図８のように各櫛歯１２１を３個の針状体１２４で構成してもよい。これはロータとの間に要求される摩擦力や超音波モータの径寸法、さらには針状体の形状や寸法及び弾性力等の要因に応じて適切な数に設定すればよい。

また、図９のように、各針状体１２５は基端側の板厚を先端側よりも厚く形成して径方向の弾性変形量に節度を与えるようにしてもよい。あるいは、各針状体は必ずしも基端から先端まで独立した板状に形成されるものではなく、図１０のように、先端側の部分のみが板状に分離されて径方向に弾性変形可能な構成の針状体１２６として構成してもよい。この場合においても、各針状体１２６は基端側の板厚を先端側よりも厚くしたテーパ状に形成することも可能である。

実施例１の超音波モータの外観斜視図である。図１の超音波モータの軸方向の断面図である。図１の超音波モータの部分分解斜視図である。櫛歯とロータの圧接部分の拡大断面図である。櫛歯体の上下を反対にした斜視図である。実施例１の櫛歯の図４のＡ−Ａ線断面図と針状体の斜視図である。実施例２の櫛歯の図４のＡ−Ａ線断面図と針状体の斜視図である。針状体の変形例１の断面図である。針状体の変形例２の断面図である。針状体の変形例３の断面図である。従来の超音波モータの一例の断面図である。

符号の説明

１ステータ
２ロータ
３回転軸
１１台座
１２櫛歯体
１３圧電体
１４フレキシブル基板
１５スリーブ
１６圧縮コイルスプリング
１７ボールベアリング
２１周壁部
１２１櫛歯
１２２〜１２６針状体

Claims

圧電体及び円周方向に配列した多数の櫛歯を備える櫛歯体で構成される円形をしたステータと、回転軸に支持されて前記櫛歯体に圧接される円形のロータとを備える超音波モータであって、前記各櫛歯は少なくとも前記ロータに圧接する部分が所要の間隔で径方向に配列された複数の針状体で構成され、前記針状体は少なくとも先端部が径方向に弾性変形可能で、円周方向には所要の剛性を有するとともに、回転軸の軸方向と垂直な方向の断面が円周方向に長く径方向に短い板状に形成され、かつ内径側の辺が外径側の辺よりも短い台形に形成されていることを特徴とする超音波モータ。
前記針状体はそれぞれ独立した板状に形成され、各針状体は基端部が前記櫛歯体に一体であり、先端部が前記ロータに圧接されることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。