WO2013069343A1

WO2013069343A1 - 超音波モータ

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Publication number: WO2013069343A1
Application number: PCT/JP2012/069321
Authority: WO
Inventors: 昭宏鈴木; 真也浅井; 高三　正己; 幹士撰
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2014-05-09
Also published as: DE112012004676T5; CN103931095A; US20140312738A1; JP2013102644A

Abstract

　超音波モータ１のロータ２がステータ３の一対の支持部１１、１２に加圧接触されている。支持部１１、１２の上部には、ロータ２の外周面２ｂの形状に沿って接触面２１、２２がそれぞれ形成されている。接触面２１に段差部２３、２５が形成されるとともに、接触面２２に段差部２４、２５が形成されることにより、ロータ２とステータ３との接触距離が規制される。

Description

超音波モータ

　この発明は超音波モータに係り、特に、超音波モータにおける移動子と固定子との接触部の構成に関する。

　近年、圧電素子等を用いてステータ（固定子）に超音波振動を発生させ、ステータに加圧接触されたロータ（移動子）を両部材間の摩擦力によって回転移動または直線移動させる超音波モータが実現されている。例えば特許文献１には、ステータの一端側に形成された凹部に球体状のロータを配置した振動アクチュエータ（超音波モータ）が記載されている。ロータは、ステータの凹部の開口端にある円環状の角部に対して加圧接触されており、この角部とロータとの間の摩擦力によってロータが回転移動される。また、ステータの凹部内にはグリス等の潤滑剤が収容されており、この潤滑剤をステータとロータとの間に供給可能となっている。

特開２００８－２０６２５１号公報

　超音波モータはロータとステータとの間の摩擦力を利用して駆動力を得るため、これらの部材は経時的に摩耗するものであり、特許文献１に記載の振動アクチュエータはステータに摩耗が生じることが知られている。すなわち、特許文献１に記載の振動アクチュエータの場合、ステータの凹部の角部が球体状のロータに対応した形状に摩耗していくことになる。この場合、ロータとステータとの接触面積は摩耗の進行に伴って増大するため、ステータによるロータの駆動力にも変動が生じる。また、特許文献１に記載の振動アクチュエータはロータとステータとの間に潤滑剤を供給しているが、これらの部材間の面圧も接触面積の増大に伴って変化するため、摩耗が進行すると適切な面圧を維持できなくなり、必要な駆動力を得られなくなる。このように、特許文献１に記載の振動アクチュエータは、ステータの摩耗の進行に伴う駆動力の変動が大きいという問題点を有していた。

　この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、移動子と固定子との接触面積が摩耗の進行に伴って増大することを抑制し、駆動力の変動を小さくすることを実現した超音波モータを提供することを目的とする。

　この発明に係る超音波モータは、回転移動または直線移動をする移動子と、移動子と面接触可能な接触面を有し、移動子を移動させる固定子と、移動子を固定子に対して加圧する予圧手段と、固定子に超音波振動を発生させることにより移動子を移動させる振動手段とを備え、固定子には、移動子との間に隙間を形成する段差部が形成されることを特徴とするものである。

　この発明によれば、移動子と固定子との接触面積が摩耗の進行に伴って増大することを抑制し、駆動力の変動を小さくすることが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る超音波モータの構成を示す断面側面図である。実施の形態１に係る超音波モータの要部を示す部分拡大断面図である。実施の形態１に係る超音波モータの要部を示す部分拡大断面図である。この発明の実施の形態２に係る超音波モータの構成を示す斜視図である。この発明に係る実施形態の変形例を示す部分拡大断面図である。この発明のその他の実施形態に係る超音波モータの要部を示す部分拡大断面図である。この発明のその他の実施形態に係る超音波モータの要部を示す部分拡大断面図である。この発明のその他の実施形態に係る超音波モータの要部を示す部分拡大断面図である。この発明のその他の実施形態に係る超音波モータの要部を示す部分拡大断面図である。

　以下に、この発明の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
　図１に、この発明の実施の形態１に係る超音波モータ１を示す。尚、以下の説明の便宜上、超音波モータ１における上下方向を図１等に示す各矢印によって規定する。
　超音波モータ１は、超音波振動を利用して略円筒形状を有する移動子としてのロータ２を軸方向周り（矢印Ｒ参照）に回転移動させるものであって、ロータ２に接触する固定子としてのステータ３と、ステータ３に超音波振動を発生させる振動手段である圧電素子４とを備えている。尚、本実施形態では、ロータ２の回転方向が移動方向に相当する。

　ステータ３は、その軸部３ａに形成された雄ねじ３ｂを圧電素子４の内周部に形成された雌ねじ４ａに係合させることによって圧電素子４に固定されている。また、ステータ３及び圧電素子４は全体として略円筒状の外形を有しており、ロータ２の軸方向とステータ３及び圧電素子４の軸方向とが直交する配置となっている。尚、圧電素子４は複数の圧電素子板を積層したものであり、これらの圧電素子板に図示しない駆動回路から交流電圧を印加することにより、ステータ３に超音波振動が発生する。

　ロータ２には、その中央部を軸方向に沿って貫通するシャフト５が設けられており、ロータ２の内部に設けられた軸受６ａ、６ｂによってシャフト５が回転可能に支持されている。また、ロータ２の軸方向における中間部には下方側に開口する開口部２ａが形成されており、シャフト５の外周部を囲む保持部材７が開口部２ａの内部に収容されている。保持部材７は、ステータ３及び圧電素子４を貫通するロッド８をシャフト５に対して連結するための部材である。保持部材７とロッド８とは、ロッド８の外周部に形成された雄ねじ８ａを保持部材７に形成された雌ねじ７ａに係合させることによって固定されており、ロッド８の上端部がシャフト５の外周面に当接した状態となっている。

　一方、圧電素子４の下方側に延出するロッド８の下端部には予圧印加用ナット９が取り付けられており、圧電素子４と予圧印加用ナット９との間に予圧バネ１０が設けられている。予圧バネ１０は、所定の荷重で圧縮された状態で圧電素子４と予圧印加用ナット９との間に保持されており、それにより、ロータ２が下方側に向かって付勢されてステータ３に加圧された状態となっている。つまり、本実施の形態に係るロータ２は、ステータ３に対して摺動しながら回転するものであり、ロータ２の摺動方向と、矢印Ｒで示される回転方向とが一致している。ここで、保持部材７、ロッド８、予圧印加用ナット９及び予圧バネ１０は、超音波モータ１における予圧手段を構成するものである。

　図２に示すように、ステータ３は、ロータ２と圧電素子４の上部表面４ｂとの間に配置される円筒状の頭部３ｃを有している。頭部３ｃの上部には、図２の奥行き方向、すなわちロータ２の軸方向に沿って直線状に延びる一対の支持部１１及び支持部１２が上方側に突出するように形成されており、これらの支持部１１及び支持部１２上にロータ２が配置される。また、支持部１１と支持部１２との間に形成された凹部１３内には潤滑剤の供給体１４が設けられている。供給体１４は、柔軟性を有する多孔質の樹脂を材料とした略直方体状の部材にオイルやグリス等の潤滑剤を含浸させたものであって、支持部１１の側面１１ａ、支持部１２の側面１２ｂ及びロータ２の外表面である外周面２ｂに接触するように設けられている。

　ここで、ロータ２とステータ３との接触部の構成について、ステータ３の一方の支持部１１側を示した図３を用いて詳細に説明する。尚、支持部１１ともう一方の支持部１２とは共通の構成を有しているため、支持部１２側の構成要素を括弧付きの符号にて図３に示し、支持部１２側の説明を省略する。
　図３に示すように、支持部１１の上部は、ロータ２の外周面２ｂに沿った円弧状の断面を有するように形成されており、支持部１１の上部表面がロータ２の外周面２ｂに面接触可能な接触面２１を構成している。また、この接触面２１において、ステータ３の軸中心に近い側、すなわち内側に位置する部位には、ロータ２の外周面２ｂとの間に隙間Ｓを形成する微小な段差部２３が設けられている。

　尚、段差部２３は、ステータ３の接触面２１周辺の形状が大きく変わらないように、ロータ２の外周面２ｂから例えば０．１ｍｍ程度離間するように設けられている。したがって、段差部２３を形成したことによって超音波モータ１の振動モードに影響が生じることがないようになっている。また、段差部２３の底部形成面２３ａと接触面２１とをつなぐ側部壁面２３ｂは、ロータ２がステータ３に対して加圧される方向に沿って、すなわち上下方向に沿って延びるように形成されている。

　この段差部２３を設けることにより、ステータ３の接触面２１はロータ２の外周面２ｂに対し、外側（上方側）に位置する縁部Ａと内側（下方側）に位置する縁部Ｂとの間で接触するようになっている。ここで、段差部２３を設けない場合、ロータ２の外周面２ｂとステータ３の接触面２１とは、縁部Ａと図３に示す仮想の縁部Ｃとの間で接触する。つまり、接触面２１に段差部２３を設けることにより、ロータ２の外周面２ｂとステータ３の接触面２１との接触距離が縁部Ａと縁部Ｂとの間の距離に規制された状態となっている。また、接触距離をこのように規制することにより、ロータ２と接触面２１との接触角度、すなわちロータ２の中心Ｏと接触面２１の縁部Ａとを結んだ直線と、ロータ２の中心Ｏと縁部Ｂとを結んだ直線とがなす角度は、段差部２３を設けない場合の角度α１より小さい角度α２となっている。

　また、接触面２１において、ステータ３の軸中心から遠い側、すなわち外側に位置する部位には、縁部Ａから外方側に位置する部位の一部を切り欠いた段差部２５が形成されている。この段差部２５を形成する側部壁面２５ａは、接触面２１の縁部Ａから下方側に向かう方向に沿って、すなわちロータ２がステータ３に対して加圧される方向に沿って形成されており、側部壁面２５ａの下端部から外側に向かって延びるように底部形成面２５ｂが形成されている。ここで、ロータ２がステータ３に対して加圧される方向は下方側に向かう方向となっている。したがって、ステータ３の接触面２１がロータ２の回転に伴って摩耗する場合、その摩耗は、図３の符号２１’で示される一点鎖線のように下方側に向かって進行する。このように摩耗が進行する接触面２１において、段差部２３の側部壁面２３ｂと段差部２５の側部壁面２５ａとは、縁部Ａ及び縁部Ｂから下方側に向かって延びるように形成されている。つまり、本実施形態において、側部壁面２３ｂと側部壁面２５ａとは、ステータ３における、ロータ２との摺動方向の両端に形成されている。よって、ステータ３の接触面２１は、ロータ２の回転に伴って摩耗しても表面積が増大することがなく、ロータ２とステータ３とが常に一定の面積で接触可能となっている。

　次に、この発明の実施の形態１に係る超音波モータ１の動作について説明する。
　図１に示すように、まず圧電素子４の複数の圧電素子板に対して図示しない駆動回路から交流電圧が印加される。交流電圧が印加されると、圧電素子４の各電圧素子板は互いに異なる振動方向の超音波振動を発生し、これらの超音波振動が複合されてステータ３に伝達される。このように超音波振動がステータ３に伝達されると、ステータ３の支持部１１及び支持部１２には、矢印Ｒで示されるロータ２の軸方向周りの超音波楕円振動が発生する。支持部１１及び支持部１２に発生した超音波楕円振動は、支持部１１の接触面２１及び支持部１２の接触面２２と、ロータ２の外周面２ｂとの間に作用する摩擦力を介してロータ２に伝達され、それにより、ロータ２が矢印Ｒで示される方向に回転する。

　ロータ２が回転すると、ステータ３の凹部１３内の供給体１４に含浸された潤滑剤がロータ２の外周面２ｂに付着し、外周面２ｂと支持部１１の接触面２１との間、及び外周面２ｂと支持部１２の接触面２２との間に供給される。ここで、接触面２１の内側及び接触面２２の内側には、微小な段差部２３及び段差部２４がそれぞれ形成されている。これらの段差部２３、２４は、潤滑剤の供給体１４から供給される潤滑剤をロータ２の外周面２ｂと接触面２１、２２との間に引き込むための油溝として機能するため、ロータ２とステータ３とに効率よく潤滑剤を供給することが可能になるとともに、これらの部材の摩耗を低減して耐久性を向上することが可能になっている。また、潤滑剤が供給体１４によって接触面２１、２２に供給されることで、ロータ２の摺動が円滑になるとともに、磨耗による駆動力の変動を抑制することができる。

　以上のように動作する超音波モータ１において、ロータ２はステータ３との間の摩擦力によって回転するため、これらの部材は経時的に摩耗するものであり、この場合にはステータ３側に摩耗が生じる。また、ロータ２及びステータ３を製造する際、これらの部材は所定範囲内の寸法精度で加工されるため、各寸法にはばらつきが生じる。より具体的に説明すると、ステータ３の接触面２１及び接触面２２は、ロータ２の外周面２ｂに沿った形状となるように形成されるが、製造時における寸法のばらつきにより、超音波モータ１の組み付け直後におけるロータ２の外周面とステータ３の接触面２１及び接触面２２との接触状態は異なってくる。

　すなわち、ロータ２の径がステータ３の接触面２１及び接触面２２の径より大きい場合、組み付け直後のロータ２は接触面２１及び接触面２２に対して上部側、すなわち図３に示す縁部Ａ側に接触し、下部側、すなわち縁部Ｂ側で浮いた状態となる。逆に、ロータ２の径がステータ３の接触面２１及び接触面２２の径より小さい場合、組み付け直後のロータ２は接触面２１及び接触面２２に対して下部側（縁部Ｂ側）で接触し、上部側（縁部Ａ側）で浮いた状態となる。このような接触状態の差異を略均一な状態とするため、超音波モータ１を製造する場合、所定時間の慣らし運転を行ってステータ３の接触面２１、２２を摩耗させ、全面的に接触させるようにすることが一般的である。

　ここで、図３に示すように、支持部１１の接触面２１及び支持部１２の接触面２２において内側（下部側）に位置する部位には段差部２３、２４が設けられており、接触面２１、２２とロータ２の外周面２ｂとの接触距離が、縁部Ａと縁部Ｂとの間の距離に規制された状態となっている。したがって、段差部２３を設けない場合と対比すると、ロータ２と接触面２１、２２とが縁部Ａ、Ｂの一方側で接触するとともに他方側で浮いた状態から、ロータ２と接触面２１、２２とが全面的に面接触するまでの時間を短縮できるようになっている。また、接触面２１、２２とロータ２の外周面２ｂとの接触距離が規制されることにより、超音波モータ１の組み付け直後からロータ２と接触面２１、２２とが面接触するまでの間における接触面積や接触角度α２の変化が少ない状態となっているため、慣らし運転の完了後における超音波モータ１の駆動力を所定範囲内に安定させることが可能となっている。

　さらに、接触面２１の段差部２３及び段差部２５において、これらの側部壁面２３ｂ及び側部壁面２５ａは、ロータ２がステータ３に対して加圧される方向である下方側に沿って延びるように形成されている。したがって、ロータ２の回転に伴って、接触面２１が符号２１’で示される一点鎖線のように摩耗したとしても、ロータ２と接触面２１との接触距離、すなわち縁部Ａから縁部Ｂまでの距離は変わることがないため、接触面積や接触角度α２が大きく変わることもない。したがって、ステータ３によるロータ２の駆動力や、ロータ２とステータ３の接触面２１、２２との間の面圧に大きな変動が生じることがなく、それにより、接触面２１、２２の摩耗が進行したとしても、超音波モータ１の駆動力の変動を小さくすることが可能となっている。

　以上に述べたように、ステータ３の接触面２１及び接触面２２に段差部２３、段差部２４、段差部２５及び段差部２６を設け、ロータ２の外周面２ｂと接触面２１、２２との接触距離を規制したので、これらの接触面２１、２２が摩耗しても、ロータ２との接触面積の増大が抑制される。したがって、超音波モータ１の駆動力の変動が小さくなる。

　さらに、超音波モータ１のように、段差部２３、２４の側部壁面２３ｂ、２４ｂ及び段差部２５、２６の側部壁面２５ａ、２６ａを、ロータ２がステータ３に対して加圧される方向に沿って延びるように形成した場合、接触面２１、２２の摩耗の進行に伴ってロータ２と接触面２１、２２との接触面積が増大することがない。すなわち、超音波モータ１の駆動力の変動をさらに小さくすることが可能である。

実施の形態２．
　次に、この発明の実施の形態２に係る超音波モータ３１について図４を用いて説明する。尚、この実施の形態２に係る超音波モータ３１は、実施の形態１に係る超音波モータ１に対し、移動子であるロータの形状を変更したものである。また、以下に説明する実施の形態２において、図１～３に示される符号と同一の符号は同一または同様の構成要素であるため、その詳細な説明は省略する。

　図４に示すように、超音波モータ３１は、球体であるロータ３２と、ロータ３２が接触する固定子であるステータ３３とを備えており、ロータ３２の上部に配置された予圧手段３４によってロータ３２がステータ３３に対して加圧されている。ロータ３２は、圧電素子４がステータ３３に発生させる超音波振動により、多自由度の回転を行うものである。ステータ３３は、圧電素子４の上部とロータ３２との間に配置される頭部３３ａを有している。この頭部３３ａの上部表面には、略円環状に形成された３つの支持部４１～４３が上方側に突出するように設けられており、支持部４１～４３の上部には、ロータ３２の外表面３２ａに対応する球状の接触面４１ａ～４３ａが形成されている。

　これらの接触面４１ａ～４３ａにおいて、ステータ３３の軸中心に近い側、すなわち内周側に位置する部位には、実施の形態１における段差部２３、２４と同様の段差部４１ｂ～４３ｂがそれぞれ形成されている。また、ステータ３３の軸中心から遠い側、すなわち外周側に位置する部位にも、実施の形態１における段差部２５、２６と同様の段差部４１ｃ～４３ｃが形成されている。すなわち、ステータ３３における支持部４１～４３は、実施の形態１における支持部１１、１２と同様の断面形状を有する円環状の部位となっている。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
　以上のように、球体であるロータ３２を備えるように超音波モータ３１を構成しても、実施の形態１と同様の効果、すなわちステータ３３の接触面４１ａ～４３ａの摩耗に伴う駆動力の変動を小さくすることができる。

　実施の形態１、２におけるステータは、接触面の内側と外側とに段差部が設けられるように構成されたが、段差部を設ける位置を限定するものではない。ステータの形状を大きく変えないのであれば他の断面形状とすることも可能であり、例えば図５（ａ）に示すように接触面２１の中間部に段差部２３’をさらに設けることができる。
　また、実施の形態１、２におけるステータの段差部において、側部壁面はステータに対してロータが加圧される方向、すなわち上下方向に沿って延びるように形成されたが、例えば図５（ｂ）に示される側部壁面２３ｂ’や側部壁面２５ａ’のように、上下方向に対して所定の角度をなすように形成することも可能である。この場合においても、ステータの摩耗の進行に伴うロータとステータとの接触面積の増大は低減された状態となるため、実施の形態１、２とほぼ同様の効果を得ることができる。

　実施の形態１におけるステータ３について、図６に示すように、接触面２１、２２は両支持部１１、１２における外側に形成されてもよい。この場合、側部壁面２５ａ（２５ｂ）と支持部１１の側面１１ｂ（支持部１２の側面１２ｂ）とが同一線上に形成されてもよい。

　また、図７に示すように、接触面２１、２２は両支持部１１、１２における内側に、凹部１３と隣接するように形成されていてもよい。この場合、凹部１３を形成する側面１１ａと、側部壁面２３ｂとが同一線上に形成されてもよい。

　また、図８に示すように、両支持部１１、１２自体が接触面２１、２２を形成し、凹部１３が段差部と同一であってもよい。この場合、接触面２１、２２の接触面積、すなわち図８に示される縁部Ａ’から縁部Ｂ’までの領域の面積が、実施形態１（図３に示される縁部Ａから縁部Ｂまでの領域の面積）と同程度である事が望ましい。

　また、図９に示すように、側部壁面は２３ｂのみが形成され、側部壁面２５ａ（図３参照）を有していなくてもよい。

　実施の形態１、２において、移動子は回転移動するロータとしたが、直線移動する超音波モータに用いてもよい。

　実施の形態１において、ロータの形状は円筒状としたが、楕円筒状であってもよい。

　実施の形態２において、ステータの形状は円環状としたが、楕円環状であってもよい。

Claims

　回転移動または直線移動をする移動子と、
　前記移動子と面接触可能な接触面を有し、前記移動子を移動させる固定子と、
　前記移動子を前記固定子に対して加圧する予圧手段と、
　前記固定子に超音波振動を発生させることにより前記移動子を移動させる振動手段と
を備え、
　前記固定子には、前記移動子との間に隙間を形成する段差部が形成されることを特徴とする超音波モータ。
　前記段差部は、前記移動子から離間した底部形成面と、前記接触面と前記底部形成面とをつなぐ側部壁面とを有しており、
　前記側部壁面は、前記移動子が前記固定子に対して加圧される方向に沿って延びるように形成される請求項１に記載の超音波モータ。
　前記側部壁面は、少なくとも前記固定子における前記移動子との移動方向の両端に形成されている請求項２に記載の超音波モータ。
　前記固定子は、前記接触面及び前記段差部が形成される支持部を有する請求項１～３のいずれか一項に記載の超音波モータ。
　前記移動子は回転移動し、かつ前記移動子の外表面が円筒状であり、
　前記固定子は、前記移動子の軸方向に沿って延びる少なくとも２つの支持部を有する請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波モータ。
　前記移動子は回転移動し、かつ前記移動子の外表面が球状であり、
　前記固定子は、略円環状に形成された前記支持部を有する請求項１～４のいずれか一項に記載の超音波モータ。
　前記固定子は、前記接触面に潤滑剤を供給する供給体を有する請求項１～６のいずれか一項に記載の超音波モータ。