TOP特許意匠商標
特許ウォッチ DM通知 Twitter
10個以上の画像は省略されています。
公開番号2021136864
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210913
出願番号2021030616
出願日20210226
発明の名称リニア型超音波モータ
出願人国立大学法人豊橋技術科学大学
代理人個人,個人,特許業務法人SANSUI国際特許事務所
主分類H02N 2/04 20060101AFI20210816BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】 ステータを小型にしつつ進退方向への作動子の駆動を可能にする超音波モータを提供する。
【解決手段】 ステータ2は、超音波周波数の振動に基づく駆動力によって変形可能な板状のステータ本体20と、ステータ本体に形成された挿通孔4と、ステータ本体の適宜位置に設置された複数の超音波発生素子5a〜8bとを備える。超音波発生素子は、ステータ本体を表面方向XYおよび板厚方向Zへ重畳的に変形させることにより、挿通孔の内側周縁の位置を径方向および軸線方向に変化させるものであり、挿通孔の内側周縁には、変化の過程においてスライダに当接する当接領域が形成されている。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
ステータに挿通されるスライダを駆動するリニア型超音波モータであって、
前記ステータは、超音波周波数の振動に基づく駆動力によって変形可能な板状のステータ本体と、該ステータ本体に形成された挿通孔と、前記ステータ本体の適宜位置に設置された複数の超音波発生素子とを備え、
前記超音波発生素子は、前記ステータ本体を表面方向および板厚方向へ重畳的に変形させることにより、前記挿通孔の内側周縁の位置を径方向および軸線方向に変化させるものであり、
前記挿通孔の内側周縁には、前記変化の過程において前記スライダに当接する当接領域が形成されていることを特徴とするリニア型超音波モータ。
続きを表示(約 1,400 文字)【請求項2】
前記挿通孔は、平面視における第一の中心線およびこれと直交する第二の中心線を軸として各対称となる形状に設けられ、第一または第二の中心線のいずれか一方の線上に位置する内側周縁に前記当接領域が形成されている請求項1に記載のリニア型超音波モータ。
【請求項3】
前記超音波発生素子は、前記挿通孔の前記第一の中心線上において前記ステータ本体に駆動力を提供する素子群と、前記第二の中心線上において前記ステータ本体に駆動力を提供する素子群とに区分されて設けられ、一方の素子群が前記ステータ本体の表面方向への変形を導出させ、他方の素子群が前記ステータ本体の板厚方向への変形を導出させるものである請求項2に記載のリニア型超音波モータ。
【請求項4】
前記ステータ本体は、表面方向への変形のための固有振動数と、板厚方向への変形のための固有振動数とを一致させており、
前記超音波発生素子は、前記二つの素子群ごとに少なくとも1個の素子が配置されるものであり、各素子群に配置される素子に対し、相互に特定の位相差を有する周波数の電圧が印加されるものである請求項3に記載のリニア型超音波モータ。
【請求項5】
前記超音波発生素子は、前記二つの素子群ごとに、前記挿通孔を中心とする対称な2箇所に分かれて複数の素子が設けられている請求項3または4に記載のリニア型超音波モータ。
【請求項6】
前記超音波発生素子は、前記二つの素子群ごとに、前記ステータ本体の表面側と裏面側とに対称な状態で同数の素子が設けられている請求項5に記載のリニア型超音波モータ。
【請求項7】
前記超音波発生素子は、前記二つの素子群に区分されつつそれぞれが前記ステータ本体の側面に設けられ、該素子群は、異なる振動モードの素子が配置されるものであり、一方の素子群を構成する素子を縦振動モードとし、他方の素子群を構成する素子を厚みすべり振動モードとするものである請求項3に記載のリニア型超音波モータ。
【請求項8】
前記超音波発生素子は、前記二つの素子群ごとに、前記挿通孔を中心とする対称な2箇所に分かれて複数の素子が設けられており、
それぞれの素子群を構成する対称な2箇所の素子は、相互に分極方向を反転させて設けられ、該素子に対して印加する交流電圧の極性を相互に反転さるものである請求項7に記載のリニア型超音波モータ。
【請求項9】
前記挿通孔は、短尺方向および長尺方向が直交方向に形成される楕円形または矩形に設けられており、前記第一および第二の中心線は前記短尺方向および前記長尺方向に沿ったものであり、一方の素子群は長尺方向の中心線上に配置され、他方の素子群は短尺方向の中心線上に配置されるものである請求項3〜8のいずれかに記載のリニア型超音波モータ。
【請求項10】
前記挿通孔は、円形、楕円形、正方形、正六角形および正八角形の中から選択される形状としてなる請求項1〜8のいずれかに記載のリニア型超音波モータ。
【請求項11】
前記ステータ本体は、外周形状が前記挿通孔の形状と略相似形である請求項10に記載のリニア型超音波モータ。
【請求項12】
前記スライダは、前記ステータ本体に形成される前記当接領域に対して付勢する付勢手段を有するものである請求項1〜8、10または11のいずれかに記載のリニア型超音波モータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、リニア型超音波モータに関し、特に小型化された超音波モータに関するものである。
続きを表示(約 7,400 文字)【背景技術】
【0002】
これまで、超音波モータは、単一または複数の材料によって直方体のステータを構成し、長手方向に挿通部を設けたものであり、ステータの4つの側面に超音波発生素子を貼着して、超音波発生素子により発生する超音波周波数の振動によって作動子を作動させるものであった(特許文献1参照)。そして、ステータに貼着する超音波発生素子に対して印加する電圧の位相を調整することにより、作動子を回転させ、または進退させるものであった。
【0003】
ところが、上記超音波モータによって、作動子を進退させるためには、ステータの表面上の進退方向に複数の超音波発生素子を貼着することが必要であった。これは、ステータの内部表面(作動子との摺接面)を波状に変形させるためであり、ここで生成される波をもって進行波とするためであった。なお、作動子を回転駆動するためには、4つの側面における超音波発生素子に対し、順次90°の位相差を設けて電圧を印加し、回転方向への進行波を生じさせていた。
【0004】
ところで、このような進行波の形成による作動子の駆動状態は、比較的小出力となるため、前記超音波発生素子を多数設置するか、または同一の作動子に対して複数の超音波モータを設置することが必要となっていた。そのため、装置全体が大型化せざるを得ないものであった。そこで、本願発明者らにより、ステータ全体の剛性を低下させることで、小型としながら高出力となる超音波モータを開発している(特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2009−261494号公報
特開2013−183563号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
前掲の特許文献2に開示される技術は、超音波モータを小型化するために、ステータの剛性を低下させるように構成されたものであったが、作動子を進退方向へ駆動するための進行波は、ステータの内部表面を進退方向へ順次波状に変形させる必要があるため、適度な距離を保持しなければならず、進退方向の長さを短縮させることができなかった。
【0007】
また、上記構成の場合には、比較的小さな出力を得る場合であっても、同様に進退方向の所定の長さが必要となり、出力の大小にかかわらず、進退方向の長さを短縮することには限界があった。
【0008】
本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ステータを小型にしつつ進退方向への作動子の駆動を可能にする超音波モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
そこで、本発明は、ステータに挿通されるスライダを駆動するリニア型超音波モータであって、前記ステータは、超音波周波数の振動に基づく駆動力によって変形可能な板状のステータ本体と、該ステータ本体に形成された挿通孔と、前記ステータ本体の適宜位置に設置された複数の超音波発生素子とを備え、前記超音波発生素子は、前記ステータ本体を表面方向および板厚方向へ重畳的に変形させることにより、前記挿通孔の内側周縁の位置を径方向および軸線方向に変化させるものであり、前記挿通孔の内側周縁には、前記変化の過程において前記スライダに当接する当接領域が形成されていることを特徴とする。
【0010】
上記構成によれば、ステータ本体は、表面方向および板厚方向の二方向へ変形可能となっており、表面方向への変形により、挿通孔の内側周縁を径方向へ変化させることができることから、内側周縁に形成される当接領域をスライダに当接させる状態と、当接させない状態とを現出させることができる。また、ステータ本体が板厚方向へ変形する場合には、挿通孔の内側周縁の位置が軸方向へ変化することとなり、当接領域がスライダに当接した状態を維持しつつ軸方向へ変化することにより、当該スライダを進退方向へ移動させることが可能となる。なお、当接領域をスライダに「当接させない状態」とは、現実に当接していない状態の場合のほか、外形的に当接状態にありながら実質的にはスライダを移動させるための推進力(駆動力)を伝達できるような状態でない場合(例えば摺接状態の場合)などもあり得る概念である。また、上記において、「重畳的に変化させる」とは、同時に二方向へ変形する状態のほか、二方向の変形に僅かに重なって出現する場合を含み、さらに、二方向への変形態様が順次遷移する際の移行時に出現する場合を含む意味である。また、挿通孔の「内側周縁」とは、板状のステータ本体に設けられた挿通孔の内周面部分(端面)の場合もあるが、ステータ本体の表面側または裏面側に位置する線状部分(端縁)の場合もあり得る。なお、ステータ本体の板厚方向と挿通孔の軸線方向とは平行となるものであり、ステータ本体の表面方向と挿通孔の径方向とは平行な平面上に存在するものである。
【0011】
前記構成の発明において、前記挿通孔は、平面視における第一の中心線およびこれと直交する第二の中心線を軸として各対称となる形状に設けられ、第一または第二の中心線のいずれか一方の線上に位置する内側周縁に前記当接領域が形成されている構成とすることができる。
【0012】
上記構成の場合には、挿通孔の形状は、直交方向(例えば、挿通孔の軸線を垂直とする場合の上下方向と左右方向)に対向する周縁部分(内側周縁の一部)がそれぞれ対称な形状となり、この二つの対向する周縁部分の一方(例えば上下方向に位置する周縁部分)に、スライダと当接し得る当接領域を形成させることができる。これにより、ステータ本体の変形は、当接領域が形成されている一方の対向周縁部分(例えば、挿通孔の軸線を垂直とする場合の上下方向に位置する周縁部分)について、その位置の変化を制御するように調整すればよいこととなり、他方の対向周縁部分(例えば、挿通孔の軸線を垂直とする場合の左右方向に位置する周縁部分)は、スライダの駆動に寄与しない代わりに当該周縁部分の位置を限られた範囲内において自由に変化させることができる。
【0013】
また、前記構成の発明においては、前記超音波発生素子は、前記挿通孔の前記第一の中心線上において前記ステータ本体に駆動力を提供する素子群と、前記第二の中心線上において前記ステータ本体に駆動力を提供する素子群とに区分されて設けられ、一方の素子群が前記ステータ本体の表面方向への変形を導出させ、他方の素子群が前記ステータ本体の板厚方向への変形を導出させるものとすることができる。
【0014】
上記構成の場合には、一方の素子群によってステータ本体を表面方向へ変形しつつ、他方の素子群によってステータ本体を板厚方向へ変形させることができ、両方向への重畳的な変形状態を出現させることができる。このとき、一方の素子群によるステータ本体への駆動力が伸縮方向に作用するものである場合、この変形に伴って挿通孔の内側周縁を径方向に伸縮させることができ、他方の素子群によるステータ本体への駆動力が屈曲方向に作用するものである場合、この変形に伴って挿通孔の内側周縁を軸線方向に変化させることができる。このような二種類の作動により、一方の素子群によるステータの変形により当接領域の当接および非当接を制御させ、他方の素子群によるステータ本体の変形によりスライダを進退方向へ移動させることが可能となる。すなわち、他方の素子群に基づく挿通孔の内側周縁の変化に応じて、一方の素子群に基づく当接・非当接のタイミングを調整することにより、スライダに対して断続的な推進力を付与することができる。
【0015】
さらに、前記構成の発明において、前記ステータ本体は、表面方向への変形のための固有振動数と、板厚方向への変形のための固有振動数とを一致させており、前記超音波発生素子は、前記二つの素子群ごとに少なくとも1個の素子が配置されるものであり、各素子群に配置される素子に対し、相互に特定の位相差を有する周波数の電圧が印加されるものとすることができる。
【0016】
上記構成の場合には、ステータ本体に対する二種類の変形における固有振動数を一致させるものであることから、超音波発生素子による超音波周波数は、印加される電圧の周波数の位相の差と同じ位相差によって発生することとなり、その超音波周波数の振動に伴う駆動力は、当該位相差に相当するズレを有してステータ本体に作用することとなる。印加電圧の周波数の位相に差を設けることにより、容易にステータ本体に対する二種類の変形を生じさせることができる。なお、特定の位相差とは、例えば45°とすることにより、ステータ本体に対する二種類の変形は重畳的なものとなる。
【0017】
前記のように超音波発生素子が二つの素子群に区分された構成の発明においては、前記超音波発生素子が、前記二つの素子群ごとに、前記挿通孔を中心とする対称な2箇所に分かれて複数の素子を設ける構成とすることができる。
【0018】
上記構成の場合には、二つの素子群ごとに対称な位置にある2箇所に分かれて素子が設けられることから、対向する二組の内側周縁を同時に対称に作動(屈曲方向または伸縮方向へ変形)させることが可能となる。この場合、対向する一組の内側周縁に当接領域を形成させることができることから、スライダに対して両側から推進力を付与することができる。
【0019】
そして、前記構成の発明において、前記超音波発生素子は、前記二つの素子群ごとに、前記ステータ本体の表面側と裏面側とに対称な状態で同数の素子が設けられる構成とすることができる。この場合には、板状のステータ本体に対して、表裏から変形させることができ、伸縮方向への変形には表裏が同じ伸縮状態とすることができ、屈曲方向への変形には、表裏面の一方を外向きに、他方を内向きに屈曲させることにより、変形状態を安定させ、また、これらの相乗効果による駆動力の増加を得ることができる。
【0020】
また、二つの素子群に区分された超音波発生素子を備える構成の前記発明において、当該超音波発生素子は、前記二つの素子群に区分されつつそれぞれが前記ステータ本体の側面に設けられ、該素子群は、異なる振動モードの素子が配置されるものであり、一方の素子群を構成する素子を縦振動モード(伸縮変形モードとも称され、いわゆる31モードである)とし、他方の素子群を構成する素子を厚みすべり振動モード(せん断変形モードとも称され、いわゆる15モードである)とするものとすることができる。
【0021】
上記構成の発明によれば、一方の素子群では、ステータ本体の側面において縦振動モード(いわゆる31モード)により振動する素子が伸縮方向の振動が励起させることとなることから、ステータ本体の壁面を、設置される側面を介して伸縮させることができ、これによりステータ本体の表面方向への変形を導出させることができる。これに対し、他方の素子群では、ステータ本体の側面において厚みすべり振動モード(いわゆる15モード)により振動する素子が曲げ振動を励起させることとなり、当該側面を介して壁面を曲げることによって、ステータ本体の板厚方向への変形を導出させることができる。そして、直交する二つの中心線に沿って、一方がステータ本体を表面方向へ伸縮させ、他方が板厚方向へ曲げることによって、結果的に、第1に挿通孔の内部形状を扁平状態に変形させ、内側周縁の一部をスライダに当接可能とし、当接領域を出現させつつ、第2に当該内側周縁(当接領域)の位置を軸方向へ変動させることができることとなり、当該スライダを進退方向へ移動させることが可能となる。
【0022】
また、上記構成の発明において、前記超音波発生素子は、前記二つの素子群ごとに、前記挿通孔を中心とする対称な2箇所に分かれて複数の素子が設けられており、それぞれの素子群を構成する対称な2箇所の素子は、相互に分極方向を反転させて設けられ、該素子に対して印加する交流電圧の極性を相互に反転さるものとすることができる。
【0023】
このような構成の場合、それぞれの素子群ごとに、2箇所に分かれる素子は同種の振動モードを使用しつつ、ステータ本体の金属部分にグランド線を設けることなく作動させることができる。すなわち、2箇所に分かれて設置される素子は、分極方向が相互に反転されたものであることから、印加される交流電圧の双方の電極を異なる二つの素子に接続することにより、交流電圧の極性が相互に逆転した状態で印加できることとなるから、当該反転した極性の素子に対して、同じ方向への変形性導出させる振動が励起されるものとなる。また、二つの素子群に対し、一方を正弦波、他方を余弦波とすれば、相互の変更を区別させることができる。
【0024】
上記のような発明において、前記挿通孔は、短尺方向および長尺方向が直交方向に形成される楕円形または矩形に設けられており、前記第一および第二の中心線は前記短尺方向および前記長尺方向に沿ったものであり、一方の素子群は長尺方向の中心線上に配置され、他方の素子群は短尺方向の中心線上に配置されるものとすることができる。
【0025】
上記構成の場合には、一方の素子群が挿通孔の長尺方向の中心線上に設けられることから、当該素子群によるステータ本体の表面方向への変形(伸縮)による挿通孔の変形は、短軸方向への伸縮として作用する。また、他方の素子群によるステータ本体の板厚方向への変形(曲げ)による挿通孔の変形は、短尺方向における挿通孔の内側周縁(当接領域)の移動として作用する。その結果、長尺方向における挿通孔の内側周縁は、スライダ表面に当接することなく、当接領域のみをスライダ表面に当接させることができることとなる。これにより、当接領域の移動によるスライダの進退駆動を一層確実にすることができる。
【0026】
なお、前記各構成の発明において、前記挿通孔は、円形、楕円形、正方形、正六角形および正八角形の中から選択される形状とすることができ、また、前記ステータ本体は、外周形状が前記挿通孔の形状と略相似形とすることができる。
【0027】
基本的には、前述のような挿通孔の中心を通過する二つの直交する中心線に対して、それぞれ対称な形状であればよく、八角形以上の正多角形とするものであってもよい。直交する二つの中心線に対して対称となる形状とするのは、屈曲方向と伸縮方向とを対称な二組の内側周縁において同時に作動させることを容易とするためである。
【0028】
さらに、前記各構成の発明において、前記スライダは、前記ステータ本体に形成される前記当接領域に対して付勢する付勢手段を有する構成とすることが好ましい。このような付勢手段としては、スライダの軸線方向に沿って二分割したうえ、両者間にバネ等の弾性体を内設する構成のほか、スライダを断面略C字形とする弾性変形可能な材料で構成する場合などがある。そして、このような付勢手段による付勢方向は、ステータ本体の内側周縁に形成される当接領域に向かって付勢させることにより、当該当接領域によるスライダ表面との当接を確実に行わせることが可能となる。
【発明の効果】
【0029】
本発明によれば、ステータを薄肉板状として構成できることから、ステータを小型にしつつ作動子(スライダ)を進退方向へ駆動させることができる。この場合、作動子(スライダ)を短軸にすれば、超音波モータ全体が小型となり得る。また、携帯端末のように内部に設置領域としての空間が極めて制限されるような場合において、ステータの設置空間を小さくすることができ、この場合には作動子(スライダ)を所定の長さとして設けることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
(a)は本発明の第1の実施形態を示す斜視図であり、(b)はステータの表面側、(c)はステータの裏面側を示す説明図である。
第1の実施形態によけるステータ本体の変形特性を示す説明図である。
第1の実施形態によけるステータ本体の変形特性を示す説明図である。
第1の実施形態におけるステータ本体の固有振動数の調整方法を示す説明図である。
第1の実施形態におけるステータ本体による駆動力の発生を示す説明図である。
第1の実施形態におけるステータ本体による駆動の状態を示す説明図である。
(a)は本発明の第2の実施形態を示す説明図であり、(b)および(c)はステータの変形例を示す説明図である。
(a)はステータの変形例を示す説明図であり、(b)は第2の実施形態の変形例を示す説明図である。
第3の実施形態を示す説明図である。
第3の実施形態におけるステータの変形状態を示す説明図である。
第3の実施形態におけるステータを変形状態を示す説明図である。
第3の実施形態における交流電圧の印加の状態を示す説明図である。
他の実施形態におけるステータを示す説明図である。
第1の実施形態の変形例を示す説明図である。
実験による固有振動数の調整状態を示す説明図である。
ステータ本体に係る他の変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
(【0031】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する

関連特許

国立大学法人豊橋技術科学大学
リニア型超音波モータ
国立大学法人豊橋技術科学大学
半導体発光素子アレイ
国立大学法人豊橋技術科学大学
光活性層及びその製造方法
国立大学法人豊橋技術科学大学
純チタン金属材料の加工方法
新東工業株式会社
ガス測定器
国立大学法人豊橋技術科学大学
形状検索方法および形状検索システム
国立大学法人豊橋技術科学大学
複合絶縁板および複合絶縁板の製造方法
東洋アルミニウム株式会社
無線給電用電極
新東工業株式会社
ガス測定器及びガス測定方法
新東工業株式会社
ガス測定器及びガス測定方法
新東工業株式会社
ガス測定器及びガス測定方法
株式会社テクノ菱和
電極およびプラズマ殺菌水生成装置
国立大学法人豊橋技術科学大学
超音波画像構築方法、装置及びプログラム、並びに信号処理方法
武蔵精密工業株式会社
不良品画像生成プログラムおよび良否判定装置
株式会社ファームシップ
指標値予測装置、指標値予測方法、及びプログラム
シンフォニアテクノロジー株式会社
巻上搬送装置における振れ止め制御システム
国立大学法人豊橋技術科学大学
メタン生成菌に結合する核酸分子並びに核酸分子を用いたメタン生成菌の検出方法、検出キット及び検出試薬
個人
表示器
個人
発電装置
個人
巻線機
個人
分電盤
個人
接続箱
個人
発電機
個人
巻線機
個人
縁カバー
個人
回転電機の鉄心
個人
インバータ駆動法
個人
水のない水車II
個人
野外設置液面センサ
個人
太陽光発電システム
日本電産株式会社
モータ
個人
AC-DCコンバータ
個人
モータとその制御装置
個人
配線モール曲がり接続具
個人
永久磁石を応用した回転体
個人
高層住宅用発電装置
続きを見る