JP2007135268A - 超音波モータのステータ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波モータの効率向上とトルクを増大することができるステータを提供することである。
【解決手段】弾性体に固着した複数の圧電体により進行波を形成するステータと、ロータとを備え、前記ステータの進行波形成面に前記ロータを加圧接触させて回転するように構成した超音波モータのステータにおいて、前記ステータの周方向に複数の櫛歯を備え、円周上の法線と所定の角度を有して設けた複数のスリットにより前記櫛歯を形成していることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は超音波モータ等の振動体に用いられるステータに関するものである。

従来から、磁力を使わずにステータ側の圧電素子の振動により、そのステータに接するロータを駆動することができる超音波モータの開発が進んでいる。

超音波モータではステータの数やロータの形状を工夫することによって様々な用途に用いることができ、たとえばディスク型やリング型のロータがすでによく知られている。また最近では、ロータを球体にした球面超音波モータの開発も進んできている。

このような超音波モータのステータは、たとえば平板円環状の圧電素子の所定個所を所定方向に分極させてＡ相およびＢ相を形成して圧電素子部材とし、この圧電素子部材のＡ相、Ｂ相ごとに設けた駆動電極に対して所定電圧を印加して圧電素子部材を固着した弾性体に進行波を発生させる。その進行波形成面にロータを加圧接触させて摩擦によりロータが回転する。

特許文献１や特許文献２には、従来の超音波モータのステータの櫛歯の形状が開示されている。この従来のステータの構造について図面を参照して以下に説明する。

図８は、従来の超音波モータのステータを示す図であり、（ａ）はロータの接触する方向から見た平面図であり、（ｂ）は櫛歯部分の側断面図である。

図８（ａ）に示すように、ステータ２０３ｂのロータ接触面には、ステータ２０３ｂの円周に沿って多数の櫛歯２３３が設けられている。このステータの裏面には、リング状の圧電素子部材が固着されており、交流電圧の印加により伸縮を繰り返し、ステータの周方向に進行波が発生する。

櫛歯２３３は、櫛歯の凸部に加圧接触される図示なきロータを効率よく回転させるために、ロータの回転方向の振動振幅を拡大する効果がある。

従来の超音波モータのステータ２０３ｂでは、図８（ａ）および（ｂ）に示すように、円板状のステータ２０３ｂの円周の法線と一致する方向で放射線状に設けた複数のスリット２３３ａにより櫛歯２３３を形成している。

特開平７−８０７９３号公報 特開２０００−２７０５６９号公報

従来から超音波モータでは効率をより向上させてトルクを増大させることが課題となっていた。

本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、ステータの振動振幅に大きく影響する櫛歯とそれを形成させるスリットの形状を改良して超音波モータの効率向上とトルクを増大することができるステータを提供することを目的とする。

本発明は、弾性体に固着した複数の圧電体により進行波を形成するステータと、ロータとを備え、前記ステータの進行波形成面に前記ロータを加圧接触させて回転するように構成した超音波モータのステータにおいて、前記ステータの周方向に複数の櫛歯を備え、円周上の法線と所定の角度を有して設けた複数のスリットにより前記櫛歯を形成していることを特徴とする。

本発明によれば、櫛歯の長さが長くなるため、振幅が増大し、超音波モータのトルクを増大させることができる。

また本発明によれば、ステータ表面のスリットが円周方向に傾いているため、円周方向の剛性の均一化が図られ、進行波が安定するという効果もある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。

なお、本実施の形態ではロータが球体である球面超音波モータの場合について説明するが、本発明による超音波モータのステータは、円板状のロータに対しても適用することができる。

図１に示すように、本実施の形態による超音波モータ１は、球体のロータ２を、枠部材４に設けられた３個のステータ３ａ、３ｂおよび３ｃによって保持して回転させる。ステータ３ａ、３ｂおよび３ｃのロータ２と接する面には後に図２に示す多数の櫛歯３３が設けられており、この櫛歯３３が振動して進行波を発生し、これによってロータ２が回転させられる。

なお、本実施の形態においては各ステータ３ａ、３ｂ、３ｃの構造は同様であるので、以下では代表してステータ３ｂについて説明する。

図２は、図１に示したステータ３ｂを、ロータ２の接触面から見た平面図である。

図２に示すように、ステータ３ｂのロータ２の接触面には、ステータ３ｂの円周に沿って多数の櫛歯３３が設けられている。これらの櫛歯３３の下には後に図３に示す圧電素子部材３１が設けられており、その圧電素子部材の圧電素子は電圧印加によって伸縮し櫛歯３３を振動させる。超音波モータ１では、この振動を制御することによってロータ２を任意の方向に回転させることができる。

本実施の形態のステータ３ｂでは、図２に示すように、円板状のステータ３ｂの円周の法線と成す角度が１０°となる方向で放射線状に、隣接する櫛歯２３３どうしを分離するスリット３３ａを設け、これによって複数の櫛歯３３のそれぞれを形成している。

図３は、図２に示したステータ３ｂを弾性体３０と圧電素子部材３１とに分解して示す分解斜視図である。

図３に示すように、ステータ３ｂは弾性体３０と圧電素子部材３１とから構成される。

弾性体３０の表面には、図２にも示したように、スリット３３ａで分離された複数の櫛歯３３が設けられている。

圧電素子部材３１は、平板円環状の圧電素子３６と、圧電素子３６のうちの所定の圧電素子片にＡ相のための所定方向の分極をさせるための個別電極３４と、圧電素子３６のうちの所定の圧電素子片にＢ相のための所定方向の分極をさせるための個別電極３５と、Ａ相の圧電素子片を駆動するための駆動電極３８と、Ｂ相の圧電素子片を駆動するための駆動電極３７と、圧電素子３６のうちの所定の圧電素子片に振動検出用の所定方向の分極をさせるための個別電極５０と、圧電素子３６の振動によって個別電極５０下の圧電素子片が発生する電位を検出するための振動検出用電極５１と、Ａ相の駆動電極３８に電圧印加するための配線４０と、Ｂ相の駆動電極３７に電圧印加するための配線４１と、振動検出用電極５１から電位検出するための配線４２とを有して構成される。

個別電極３４、個別電極３５、個別電極５０、振動検出用電極５１、駆動電極３７および駆動電極３８はたとえば銀電極であり、配線４０、配線４１および配線４２のそれぞれは、たとえばハンダ付けによって、配線４０が駆動電極３８に、配線４１が駆動電極３７に、配線４２が振動検出用電極５１に接続される。

図４は、図３に示したステータ３ｂの圧電素子部材３１の構造を示す図であり、（ａ）は圧電素子部材３１の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）を一点鎖線で示す軸Ｘ−Ｘで回転させて裏から見た斜視図であり、（ｃ）は（ａ）の一部を破断して示す部分破断斜視図である。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧電素子部材３１では、平板円環状の圧電素子３６の円周方向の一部をＡ相、円周方向の他の一部をＢ相とし、Ａ相とＢ相とを時間的に位相をずらして駆動して、振動の進行波を発生させる。

図５は、図４（ａ）に示した本実施の形態の圧電素子部材３１の分極方向を示す平面図である。

図４（ａ）に示すように、本実施の形態の圧電素子部材３１は、円周方向左側部分がＡ相とされ、そのＡ相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれたとえば３６°の角度を有して設けられており、また、円周方向右側部分がＢ相とされ、そのＢ相にて分極方向が逆の圧電素子片が交互に、それぞれたとえば３６°の角度を有して設けられている。また、図５に示すように、Ａ相とＢ相とはたとえば１８°ずらして構成されている。

図６は超音波モータのトルクを測定した実験結果を示す図である。

図６においては、図８（ａ）および（ｂ）に示した従来のステータおよび図２に示した本実施の形態のステータのトルクを示し、それぞれにおいてロータをステータに押し付ける押付力を１ｋｇにした場合および１．５ｋｇにした場合でのトルクを示している。

図６を参照してわかるように、押付力を１ｋｇにした場合および１．５ｋｇにした場合のいずれにおいても、図８（ａ）および（ｂ）のようにステータ表面のスリット２３３ａとステータ２０３ｂの円周の法線とが成す角度が０°の場合（図６では０°と示す）よりも、図２のようにステータ表面のスリット３３ａとステータ３ｂの円周の法線とが成す角度が１０°の場合（図６では１０°と示す）の方が、大きなトルクが得られた。

ところで、図２に示した実施の形態では、ステータ表面のスリットとステータの円周の法線とが成す角度を１０°にしたが、本発明はこれに限られるものではなく、必要に応じた角度にすることができる。この一例を図７に示す。

図７は、本発明によるステータの図２とは別の例を示す平面図である。

図７に示すように、この例のステータ１０３ｂでは、円板状のステータ１０３ｂの円周の法線と成す角度が３０°となる方向で放射線状に、隣接する櫛歯１３３どうしを分離するスリット１３３ａを設け、これによって複数の櫛歯１３３のそれぞれを形成している。本発明は、この図７のような構成にすることもできる。

本発明の一実施の形態による球面超音波モータの概略を示す斜視図である。 図１に示したステータ３ｂを、ロータ２の接触面から見た平面図である。 図２に示したステータ３ｂを弾性体３０と圧電素子部材３１とに分解して示す分解斜視図である。 図３に示したステータ３ｂの圧電素子部材３１の構造を示す図であり、（ａ）は圧電素子部材３１の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）を一点鎖線で示す軸Ｘ−Ｘで回転させて裏から見た斜視図であり、（ｃ）は（ａ）の一部を破断して示す部分破断斜視図である。 図４（ａ）に示した本実施の形態の圧電素子部材３１の分極方向を示す平面図である。 超音波モータのトルクを測定した実験結果を示す図である。 本発明によるステータの図２とは別の例を示す平面図である。 従来の超音波モータのステータを示す図であり、（ａ）はロータの接触する方向から見た平面図であり、（ｂ）は櫛歯部分の側断面図である。

符号の説明

１ 位置検出装置
２ ロータ
３ａ、３ｂ、３ｃ ステータ
４ 枠部材
３０ 弾性体
３１ 圧電素子部材
３３ 櫛歯
３３ａ スリット
３４、３５ 固定電極
３６ 圧電素子
３７、３８ 駆動電極
４０、４１ 配線

Claims (2)

1. 弾性体に固着した複数の圧電体により進行波を形成するステータと、ロータとを備え、前記ステータの進行波形成面に前記ロータを加圧接触させて回転するように構成した超音波モータのステータにおいて、
   前記ステータの周方向に複数の櫛歯を備え、円周上の法線と所定の角度を有して設けた複数のスリットにより前記櫛歯を形成していることを特徴とする超音波モータのステータ。
2. 請求項１に記載のステータを備え、前記ステータによって前記ロータを駆動することを特徴とする超音波モータ。

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