超音波モータユニット

【課題】駆動方向の多自由度化と装置の小型化とを両立した超音波モータユニットを提供すること。
【解決手段】圧電素子と、縦振動及び屈曲振動に共通の節に対応する部位の外周を覆うように圧電素子を保持するホルダ部材と、ホルダ部材を介して前記圧電素子に所定の押圧力を加える押圧部材と、前記圧電素子の一方端面に接し、前記圧電素子の楕円振動により駆動される被駆動部材と、前記圧電素子、前記ホルダ部材、前記押圧部材、及び前記被駆動部材を収容している第２ユニット２０と、前記第２ユニット２０に収容されたシャフト４３が固定されることで第２ユニット２０に対して連結され、前記シャフト４３が駆動されることで変位する関節部を成す第１ユニット１０と、から成るユニットを構成する。該ユニットを複数接続して超音波モータユニットを構成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば圧電素子等の振動子を用いた超音波モータを具備する超音波モータユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして、圧電素子等の振動子の振動を利用した超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータと比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、高分解能である点、静粛性に富む点、及び磁気的ノイズを発生させない点等の利点を有している。
【０００３】
具体的には、振動子に所定の交番電圧を印加して楕円振動を励起し、該楕円振動を駆動源として被駆動部材を摩擦駆動するタイプの超音波モータが知られている。このような超音波モータに関連する技術としては、例えば特許文献１に次のような技術が開示されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１に開示されている振動アクチュエータ駆動装置は、駆動信号により振動する振動子と、該振動子と接触しており、前記振動子の振動により相対運動するリング状の相対運動部材と、前記振動子を支持しつつ前記振動子を前記相対運動部材に対して加圧接触させる加圧支持部材とを具備する。ここで前記加圧支持部材は、リング状のベース部と、該ベース部に片持ち支持された板ばね部と、該板ばね部の自由端部側に設けられた支持ピン部とを備える。この特許文献１に開示されている技術によれば、小さい実装スペースであっても実装可能な振動アクチュエータ駆動装置が提供される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２３５０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に開示されている技術では、被駆動体を所定の平面内のみでしか駆動できない。従って、ｘｙ平面内での駆動に加えて、該ｘｙ平面に垂直なｚ軸方向への駆動も可能に構成する為には、もう一軸分の駆動機構を追加する必要がある。そして、それらの駆動機構を協働させる為には、押圧機構である加圧支持部材についても構成上の技術的工夫が必要となる。また、一軸分の駆動機構を追加した場合には当然ながら当該装置自体が大型化してしまう。つまり、駆動方向の多自由度化は、当該装置の大型化を招いてしまう。
【０００７】
本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、駆動方向の多自由度化と装置の小型化とを両立した超音波モータユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明の一態様による超音波モータユニットは、
複数の圧電活性領域が設けられた断面矩形状の圧電素子であって、前記複数の圧電活性領域に所定の交番信号が印加されることで縦振動及び屈曲振動が励起され、それらが合成された楕円振動が励起される圧電素子と、
前記縦振動及び前記屈曲振動に共通の節に対応する部位の外周を覆うように、前記圧電素子を保持するホルダ部材と、
前記ホルダ部材を介して前記圧電素子に所定の押圧力を加える為の押圧部材と、
前記押圧部材による押圧力を前記ホルダ部材に伝達する押圧補助部材と、
前記圧電素子の一方端面に接し、前記圧電素子の楕円振動により駆動される被駆動部材と、
前記圧電素子、前記ホルダ部材、前記押圧部材、及び前記被駆動部材を収容している超音波モータ収容部材と、
前記超音波モータ収容部材に収容された前記被駆動部材の一部が固定されることで、前記超音波モータ収容部材に対して連結され、前記被駆動部材が駆動されることで変位する関節部を成す動力取り出し部材と、
を具備し、
前記超音波モータ収容部材と前記動力取り出し部材とが連結されて成るユニットが複数接続されて成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、駆動方向の多自由度化と装置の小型化とを両立した超音波モータユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波モータユニットの一構成例を示す側面模式図。
【図２】第１ユニットの一構成例を示す外観斜視図。
【図３Ａ】第２ユニットの一構成例を示す外観斜視図。
【図３Ｂ】第２ユニットを、図３Ａにおいて矢印ｅで示す方向（端面側）から観た図。
【図４Ａ】超音波モータの一構成例を示す図。
【図４Ｂ】超音波モータを構成する圧電素子と押圧補助部材とを示す外観斜視図。
【図４Ｃ】図４Ａにおいて矢印ｅで示す方向（押圧補助部材側）から観た図。
【図５】圧電素子の一構成例を示す図。
【図６】押圧補助部材の一構成例を示す図。
【図７】第３ユニットの一構成例を示す外観斜視図。
【図８】第１ユニットと、第２ユニット／第３ユニットとの連結構造を示す外観斜視図。
【図９】本発明の一実施形態に係る超音波モータユニットを適用した装置の一構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波モータユニットの一構成例を示す側面模式図である。図１に示すように、本一実施形態に係る超音波モータユニットは、３種類のユニット（第１ユニット１０、第２ユニット２０、及び第３ユニット３０）が連結されて成る。以下、各ユニット及び各ユニット間の連結構造について詳細に説明する。
《第１ユニット１０》
図２は、第１ユニット１０の一構成例を示す外観斜視図である。第１ユニット１０は、面取り加工により一対の切り欠け部１０ｃが形成された断面略円環形状の部材である。第１ユニット１０の一方端側（切り欠け部１０ｃ側）には、径方向に貫通した一対の貫通孔部１０ｈが形成されている。また、第１ユニット１０の他方端側は、その内壁面に螺子山（不図示）が形成された螺子孔部である。
【００１２】
一対の貫通孔部１０ｈは、後述する超音波モータ１００の被駆動部材４０を構成するシャフト４３が挿通される貫通孔部である。この貫通孔部１０ｈとシャフト４３とは例えば接着等によって固定される。換言すれば、第１ユニット１０と第２ユニット２０とはシャフト４３を介して連結固定されている。同様に、第１ユニット１０と第３ユニット３０とはシャフト４３を介して連結固定されている。
【００１３】
換言すれば、第１ユニット１０は、シャフト４３を介して超音波モータ１００の出力が伝達される動力取り出し部材である。すなわち、第１ユニット１０は、シャフト４３が駆動されることで変位する関節部を成す。
詳細は後述するが、シャフト４３は、第２ユニット２０及び第３ユニット３０に対しては回動可能に構成されている。
《第２ユニット２０》
図３Ａは、第２ユニット２０の一構成例を示す外観斜視図である。第２ユニット２０は、超音波モータ１００と、該超音波モータ１００を収容する第２ケース部材２０ｃと、を有する。なお、図３Ａにおいては、図面の煩雑化を避ける為、超音波モータ１００については一部の構成部材のみ図示している。
【００１４】
第２ケース部材２０ｃは、断面略円環形状の部材であって、第１ユニット１０に対して連結される凸部２０ｃｔ１，２０ｃｔ２と、超音波モータ１００を収容する為の本体部２０ｃｂと、を備える。詳細は後述するが、凸部２０ｃｔ１，２０ｃｔ２には、それぞれ別個の第１ユニット１０が異なる連結構造により連結される。
【００１５】
図３Ｂは、第２ケース部材２０ｃを、図３Ａにおいて矢印ｅで示す方向（端面側）から観た図である。すなわち、第２ケース部材２０ｃの一方端側に設けられた凸部２０ｃｔ１には、第１ユニット１０の螺子孔部に螺合する螺子山が外周面に形成され、後述するビス７３が螺合する螺子山が内径面に形成されている。また、第２ケース部材２０ｃの他方端側に設けられている凸部２０ｃｔ２には、後述するシャフト４３が挿通される一対の貫通孔部２０ｈが形成されている。
【００１６】
第２ケース部材２０ｃの本体部２０ｃｂの内径面には、当該第２ケース部材２０ｃの長手方向に沿って図３Ｂに示すように回転規制溝部２０ｒが形成されている。この回転規制溝部２０ｒは、超音波モータ１００のホルダ部材５１の凸部５１ｔ（詳細は後述）及び押圧補助部材６０の凸部６１ｔ（詳細は後述）が嵌合する溝部である。
【００１７】
この回転規制溝部２０ｒとホルダ部材５１の凸部５１ｔとが嵌合することにより、ホルダ部材５１と一体化されている圧電素子５０が第２ケース部材２０ｃ内で固定される。
図４Ａは、超音波モータ１００の一構成例を示す図である。超音波モータ１００は、被駆動部材４０と、圧電素子５０と、ホルダ部材５１と、押圧補助部材６０と、押圧部材７０と、を備える。図４Ｂは、超音波モータ１００を構成する圧電素子５０と押圧補助部材６０とを示す外観斜視図である。図４Ｃは、超音波モータ１００を構成する圧電素子５０と押圧補助部材６０とを、図４Ｂにおいて矢印ｅで示す方向（押圧補助部材６０側）から観た図である。図５は、圧電素子５０及びホルダ部材５１の一構成例を示す図である。図６は、押圧補助部材６０の一構成例を示す図である。
【００１８】
前記被駆動部材４０は、図４Ａに示すようにシャフト４３と当接部材４５とを備える。シャフト４３は、当該第２ケース部材２０ｃの凸部２０ｃｔ２に形成された一対の貫通孔部２０ｈに挿通されており、長手方向における中央部近傍にはその外周を覆うように当接部材４５が設けられている。
【００１９】
この当接部材４５は、シャフト４３と共に超音波モータ１００の被駆動部材４０を構成する部材であり、圧電素子５０の一方端面が接するように設けられている略円筒形状の部材である。そして、当接部材４５は、圧電素子５０の楕円振動を駆動源として圧電素子５０によって摩擦駆動される。ここで、当接部材４５とシャフト４３とは固定されているので、シャフト４３は当接部材４５の回転に伴って同様に回転する。
【００２０】
前記圧電素子５０は、図５に示すように略直方体形状を呈し、当該圧電素子５０に励起される縦振動及び屈曲振動の節に対応する部位の外周を覆うように、断面略円環形状のホルダ部材５１が設けられている。このホルダ部材５１は、径方向（押圧部材７０による押圧方向に対して直交する方向）に突出する一対の凸部５１ｔを備えている。この一対の凸部５１ｔは、上述した第２ケース部材２０ｃの回転規制溝部２０ｒに嵌合する。
【００２１】
前記圧電素子５０は、複数の圧電活性領域が設けられた断面矩形状の圧電素子であって、前記複数の圧電活性領域に所定の交番信号が印加されることで縦振動及び屈曲振動が励起され、それらが合成された楕円振動が励起される圧電素子である。なお、圧電素子５０自体の構成は、本一実施形態に係る超音波モータユニットの特徴部ではない為、詳細な説明は省略する。
【００２２】
前記押圧補助部材６０は、図４Ａに示すようにホルダ部材５１と押圧部材７０とに接し、押圧部材７０による押圧力を、ホルダ部材５１を介して圧電素子５０に対して伝達する部材である。この押圧補助部材６０のうちホルダ部材５１と接する一方面は、ホルダ部材５１の端面と略同形状の面である。押圧補助部材６０のうち押圧部材７０と接する他方面は、前記一方面よりも大きい外形形状を呈する面である。そして、押圧補助部材６０は、図４Ｂに示すように断面が前記一方面と同形状である部位と、断面が前記他方面と同形状である部位とから成る。
【００２３】
また、押圧補助部材６０は、図６に示すように径方向（押圧部材７０による押圧方向に対して直交する方向）に突出する一対の凸部６１ｔを備えている。この一対の凸部６１ｔは、上述した第２ケース部材２０ｃの回転規制溝部２０ｒに嵌合する。なお、一対の凸部６１ｔのうち一方は、当該押圧補助部材６０を観る角度に起因して不可視となる為、図４Ｂ及び図６において不図示となっている。
【００２４】
さらに、押圧補助部材６０が圧電素子５０に対して非接触となるように、圧電素子５０を非接触状態で挿入することが可能な形状の貫通孔部６０ｈが当該押圧補助部材６０に設けられている。このように構成することで、当該押圧補助部材６０と圧電素子５０とが非接触となり、押圧補助部材６０が圧電素子５０の振動を妨げることがない。
【００２５】
なお、押圧補助部材６０とホルダ部材５１とを一体的に形成しても勿論よい。
前記押圧部材７０は、図４Ａに示すようにバネ部材７１とビス７３とから成る。このバネ部材７１は、押圧補助部材６０の後端面（ホルダ部材５１に接する端面とは逆側の端面）を押圧するように設けられている。前記ビス７３は、バネ部材７１で押圧補助部材６０を押圧するように、第２ケース部材２０ｃの凸部２０ｃｔ１の内径面に形成された螺子山に螺合されて捻じ込まれる。
【００２６】
上述のように構成することで、第２ケース部材２０ｃの凸部２０ｃｔ１に捻じ込まれたビス７３及びバネ部材７１の弾性力によって、押圧補助部材６０及びホルダ部材５１を介して、圧電素子５０に対して押圧力が印加される。
ところで、前記貫通孔部２０ｈにはベアリング等が設けられており、シャフト４３は回動可能に挿通されている。つまり、シャフト４３は、上述したように第１ユニット１０の貫通孔部１０ｈに対しては挿通された上で固定されており、当該第２ケース部材２０ｃの貫通孔部２０ｈに対しては回動可能に挿通されている。そして、第２ケース部材２０ｃの本体部２０ｃｂ内に収容された超音波モータ１００の出力は、シャフト４３を介して第１ユニット１０に伝達される。
《第３ユニット３０》
図７は、第３ユニット３０の一構成例を示す外観斜視図である。第３ユニット３０は、超音波モータ１００と、該超音波モータ１００を収容する第３ケース部材３０ｃと、を有する。
【００２７】
前記第３ケース部材３０ｃは、断面略円環形状の部材であって、第１ユニット１０に対して連結される凸部３０ｃｔと、超音波モータ１００が収容される本体部３０ｃｂと、から成る。
第３ケース部材３０ｃの一方端側に設けられた凸部３０ｃｔは、シャフト４３が挿通される一対の貫通孔部３０ｈが形成されている。そして、上述の第２ケース部材２０ｃと同様、本体部３０ｃｂ内には超音波モータ１００が収容されている。
【００２８】
本第３ケース部材３０ｃは、本一実施形態に係る超音波モータユニットの終端部を担うケース部材である。従って、前記第２ケース部材２０ｃにおける凸部２０ｃｔ１に相当する部材を有しない。この点が前記第２ケース部材２０ｃとの主な相違点の一つである。ここで、第３ケース部材３０ｃの凸部３０ｃｔは、第２ケース部材２０ｃの凸部２０ｃｔ２に相当する部材である。
【００２９】
ところで、前記貫通孔部３０ｈにはベアリング等が設けられており、シャフト４３は回動可能に挿通されている。つまり、シャフト４３は、第１ユニット１０の貫通孔部１０ｈに対しては挿通された上で固定されており、当該第３ケース部材３０ｃの貫通孔部３０ｈに対しては回動可能に挿通されている。そして、第３ケース部材３０ｃの本体部３０ｃｂ内に収容された超音波モータ１００の出力は、シャフト４３を介して第１ユニット１０に伝達される。
【００３０】
以上説明した第１ユニット１０、第２ユニット２０、及び第３ユニット３０が連結されて成る超音波モータユニットは、図８に示すような外観を呈する。図８は、第１ユニット１０と、第２ユニット２０／第３ユニット３０との連結構造を示す外観斜視図である。
【００３１】
同図に示すように、本一実施形態に係る超音波モータユニットでは、超音波モータ１００を収容した第２ユニット２０（終端部においては第３ユニット３０）の一方端（凸部２０ｃｔ２，３０ｃｔ）が、シャフト４３を介して第１ユニット１０の一方端（貫通孔部１０ｈ）と連結され、該第１ユニット１０の他方端（螺子孔部）は別の第２ユニット２０の一方端（凸部２０ｃｔ１）と螺子止め固定により接続され、該第２ユニット２０の他方端（凸部２０ｃｔ２）は別の第１ユニット１０の一方端（貫通孔部１０ｈ）とシャフト４３を介して連結される。そして、このように第１ユニットと第２ユニットとが交互に連結・接続されて、本一実施形態に係る超音波モータユニットが構成されている。
【００３２】
ここで、シャフト４３を介した第１ユニット１０と第２ユニット２０（第３ユニット３０）との連結部位については、隣接する連結部位間で当該シャフト４３（被駆動部材４０の駆動軸）の向きが、当該超音波モータユニットの周方向に９０度ずれた状態となる。この構成は、当該超音波モータユニットの駆動方向の多自由度化に寄与している。
【００３３】
上述したように、第１ユニット１０は、シャフト４３を介して連結固定されている第２ユニット２０／第３ユニット３０に収容されている超音波モータ１００の出力により駆動される（駆動力取り出し部材として機能する）。換言すれば、第１ユニット１０は、当該超音波モータユニットにおける関節部を成しており、連結された被駆動部材４０の駆動軸に従って特定の方向（図８において矢印ｒで示す方向）に回転駆動される。
【００３４】
詳細には、超音波モータ１００の出力により回転駆動される第２ユニット２０／第３ユニット３０のシャフト４３は、上述したように第１ユニット１０の貫通孔部１０ｈに対して固定されている為、シャフト４３の回転（図８において矢印ｒで示す方向への回転）に伴って当該シャフト４３が固定されている第１ユニット１０自体が同方向に同量回転する。そして、この回転駆動可能域は、当該第１ユニット１０に形成された切り欠け部１０ｃによって拡大されている。
【００３５】
以上説明したように、本一実施形態によれば、駆動方向の多自由度化と装置の小型化とを両立した超音波モータユニットを提供することができる。
すなわち、本一実施形態に係る超音波モータユニットによれば、駆動方向の多自由度化を実現しつつも、超音波モータの押圧機構や支持機構等の複雑化／大型化を回避することができる。
ところで、本一実施形態に係る超音波モータユニットによれば、用途に応じた種々の機能を有する装置を提供することができる。図９は、本一実施形態に係る超音波モータユニットを適用した装置の一構成例を示す図である。なお、同図においては図面の煩雑化を避ける為に、２つの第１ユニット１０と２つの第２ユニット２０と一つの第３ユニット３０とで本一実施形態に係る超音波モータユニットを構成した例を示している。
図９に示す装置は、本一実施形態に係る超音波モータユニットと、支持部１５０と、作用部１６０と、を具備する。
前記支持部１５０は、本一実施形態に係る超音波モータユニットの終端部である第３ユニット３０を支持する部材である。
前記作用部１６０は、本一実施形態に係る超音波モータユニットの先端部に位置する第１ユニット１０または第２ユニット２０に取り付けられるデバイス（例えば鋏等）である。この作用部１６０は、用途に応じた所望の機能を備えるデバイスである。
上述の構成により、駆動方向が多自由度であって所望の機能性を有する装置が提供される。
【００３６】
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００３７】
１０…第１ユニット、１０ｈ…貫通孔部、２０…第２ユニット、２０ｔ１，２０ｔ２…凸部、２０ｂ…本体部、２０ｈ…貫通孔部、２０ｒ…回転規制溝部、３０…第３ユニット、３０ｔ…凸部、３０ｂ…本体部、３０ｈ…貫通孔部、４０…被駆動部材、４３…シャフト、４５…当接部材、５０…圧電素子、５１…ホルダ部材、５１ｔ，６１ｔ…凸部、６０…押圧補助部材、６０ｈ…貫通孔部、７０…押圧部材、７１…バネ部材、７３…ビス、１００…超音波モータ、１５０…支持部、１６０…作用部。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電活性領域が設けられた断面矩形状の圧電素子であって、前記複数の圧電活性領域に所定の交番信号が印加されることで縦振動及び屈曲振動が励起され、それらが合成された楕円振動が励起される圧電素子と、
前記縦振動及び前記屈曲振動に共通の節に対応する部位の外周を覆うように、前記圧電素子を保持するホルダ部材と、
前記ホルダ部材を介して前記圧電素子に所定の押圧力を加える為の押圧部材と、
前記押圧部材による押圧力を前記ホルダ部材に伝達する押圧補助部材と、
前記圧電素子の一方端面に接し、前記圧電素子の楕円振動により駆動される被駆動部材と、
前記圧電素子、前記ホルダ部材、前記押圧部材、及び前記被駆動部材を収容している超音波モータ収容部材と、
前記超音波モータ収容部材に収容された前記被駆動部材の一部が固定されることで、前記超音波モータ収容部材に対して連結され、前記被駆動部材が駆動されることで変位する関節部を成す動力取り出し部材と、
を具備し、
前記超音波モータ収容部材と前記動力取り出し部材とが連結されて成るユニットが複数接続されて成ることを特徴とする超音波モータユニット。
【請求項２】
複数接続された前記ユニットのうち互いに隣接する前記ユニットの前記被駆動部材の駆動軸同士は所定の角度を成す
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータユニット。
【請求項３】
前記動力取り出し部材は、前記被駆動部材に対して固定された部位近傍に切り欠け部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータユニット。
【請求項４】
前記ホルダ部材は、前記圧電素子が挿入される貫通孔が形成された円筒形状の部材であって、前記押圧部材による押圧方向に対して直交する方向に凸である一対の凸部を有し、
前記超音波モータ収容部材は、前記ホルダ部材の前記凸部が嵌合する回転規制溝部を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータユニット。
【請求項５】
前記押圧補助部材は、前記ホルダ部材と接する一方面と、前記押圧部材と接する他方面と、を有し、
前記一方面は、前記ホルダ部材の端面と略同形状を呈し、
前記他方面は、前記一方面よりも大きい外形形状を呈する
ことを特徴とする請求項１または請求項４に記載の超音波モータユニット。

【図１】