超声波马达的制作方法

专利名称：超声波马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声波马达，特别涉及使转子加压接触在定子上而旋 转的马达。
背景技术：
近年来，提出了利用超声波振动使转子旋转的超声波马达并已实 用化。该超声波马达是通过利用压电元件在定子的表面产生行进波、 并使转子加压接触在定子上、通过这两者间的摩擦力使转子移动的结 构。
例如，在专利文献1中，公开了一种多自由度超声波马达，通过 经由轴承由弹簧对转子施加预压力而使转子加压接触在定子上，在此
状态下对相互叠合的多个压电元件板施加驱动电压而在定子中产生超 声波振动，由此使马达旋转。这里所谓的预压力，是指在至少对压电 元件不通电的状态下将转子推压在定子上的压力。
专利文献l:特开2004-312809号公报

发明内容
但是，因为是由于施加预压力而使轴承接触在转子上，所以有因 摩擦损失使转矩降低的问题。
本发明的为了解决这样的问题而做出的，目的是提供一种能够实 现高转矩的超声波马达。
本发明的第1超声波马达具备多个定子，相互对置配置；大致 球体状的转子，由上述多个定子夹持；l个定子振动机构，共用地设在 上述多个定子上，并且使上述多个定子以产生相互相同的方向的驱动 力的方式振动，从而使转子旋转。
本发明的第2超声波马达具备定子；转子，被上述定子接触支 承；定子振动机构，使定子振动而使上述转子旋转；预压部件，以至 少在停止时与上述转子的表面接触的状态配置；预压部件振动机构， 用来通过使上述预压部件振动而向上述定子加压转子。
本发明的第3超声波马达具备定子；大致球体状的转子，被上述定子接触支承；定子振动机构，通过使上述定子振动而使上述转子 旋转；预压部件，对置于上述转子的表面；预压部件振动机构，用来
件的放射压产生向上述定子预压上述^子的预压力。 " 根据本发明，能够得到能够实现高转矩的超声波马达。


图l是表示本发明的实施方式l的超声波马达的剖视图。 图2是表示实施方式1的超声波马达的俯视图。 图3是表示在实施方式1中使用的振子的结构的局部剖视图。 图4是表示在实施方式1中使用的振子的3对压电元件板的分极 方向的立体图。
图5是实施方式1的超声波马达的局部放大剖视图。
图6是表示实施方式1的变形例的定子的形状的俯视剖视图。
图7是表示实施方式2的超声波马达的剖视图。
图8是表示实施方式3的超声波马达的剖视图。
图9是表示实施方式4的超声波马达的侧视图。
图10是表示实施方式4的超声波马达的俯视图。
图11是表示在实施方式4中使用的振子的结构的局部剖视图。
图12是表示实施方式5的超声波马达的剖视图。
图13是表示实施方式5的超声波马达的俯视图。
图14是实施方式5的超声波马达的局部放大剖视图。
图15是表示实施方式5的变形例的预压部件的形状的俯视剖视
图
图16是表示实施方式6的超声波马达的剖视图。
图17是表示实施方式7的超声波马达的剖视图。
图18是表示在实施方式7中使用的振子的结构的局部剖视图。
图19是表示实施方式7的变形例的超声波马达的俯视图。
图20是表示实施方式8的超声波马达的剖视图。
图21是表示本发明的实施方式9的超声波马达的剖视图。
图22是表示实施方式9的超声波马达的俯视图。
图23是表示实施方式9的环部件的形状的立体图。图24是表示实施方式9的环部件的局部剖视图。
图25是实施方式9的超声波马达的部分放大剖视图。
图26是表示实施方式IO的超声波马达的俯视图。
图27是表示实施方式10的变形例的超声波马达的部分放大剖视图。
图28是表示实施方式11的超声波马达的剖视图。 图29是表示实施方式11的超声波马达的俯视图。 图30是表示在实施方式11中使用的振子的结构的局部剖视图。
具体实施例方式
以下，基于

本发明的实施方式。 实施方式1
图1及图2中表示本发明的实施方式1的多自由度超声波马达。 在基部块1与第1定子2之间夹持有作为定子振动机构的圆筒状的振 子3，并且基部块l与第l定子2经由在振子3内通过的连结螺栓4相 互连结，作为多自由度超声波马达整体具有大致圆柱状的外形。这里， 为了便于说明，将从基部块1朝向第1定子2的圓柱状的外形的中心 轴规定为Z轴，设X轴沿相对于Z轴垂直的方向延伸、Y轴相对于Z 轴及X轴垂直地延伸。
振子3具有分别位于XY平面上并且相互叠合的平板状的第1~第 3压电元件部31~33，这些压电元件部31~33以经由绝缘片34 ~ 37 与定子2及基部块1绝缘、并且相互绝缘的状态配置。
在第l定子2上，在与和振子3相接的面的相反侧形成有凹部5， 在该凹部5内收容有大致球体状的转子6。凹部5由具有比转子6的直 径小的内径的小径部7、和具有比转子6的直径大的内径的大径部8构 成，在这些小径部7及大径部8的边界部上形成有位于XY平面上的环 状的阶差9。
进而，在第1定子2的上部，在Z轴方向相邻地配置有环状的第2 定子10,在该第2定子IO的内周缘上形成有位于XY平面上的环状的 角部ll。第2定子10通过多个、例如12根固定用螺栓12牢固地固定 在第1定子2上，第1定子2与第2定子10形成对于从振子3施加的 振动以相同的振动模式振动的单一的定子振动体S。转子6与凹部5内的阶差9及第2定子10的角部11的双方抵接并 被夹持，被旋转自如地支承。
例如，基部块l、第l定子2及第2定子10分别由高强度铝合金 形成，多自由度超声波马达整体形成直径40mm及高度100mm左右的 大致圆柱体。作为转子6，使用直径25.8mm的钢球。
如图3所示，振子3的第l压电元件部31具有依次叠合了分别具 有圆板形状的电极板31a、压电元件板31b、电极板31c、压电元件板 31d及电极板31e的构造。同样，第2压电元件部32具有依次叠合了 分别具有圆板形状的电极板32a、压电元件板32b、电极板32c、压电 元件板32d及电极板32e的构造，第3压电元件部33具有依次叠合了 分别具有圆板形状的电极板33a、压电元件板33b、电极板33c、压电 元件板33d及电极板33e的构造。
如图4所示，第l压电元件部31的一对压电元件板31b及31d的 沿Y轴方向2分割的部分相互具有相反极性，以分别沿Z轴方向(厚 度方向)进行膨胀和收缩的相反的变形动作的方式被分极，压电元件 板31b与压电元件板31d相互翻转而配置。
笫2压电元件部32的一对压电元件板32b及32d不2分割，以整 体沿Z轴方向(厚度方向)进行膨胀和收缩的相反的变形动作的方式 被分极，压电元件板32b与压电元件板32d相互翻转而配置。
第3压电元件部33的一对压电元件板33b及33d的沿X轴方向2 分割的部分相互具有相反极性，以分别沿Z轴方向(厚度方向)进行 膨胀和收缩的相反的变形动作的方式被分极，压电元件板33b与压电 元件板33d相互翻转而配置。
如图1及图3所示，配置在笫1压电元件部31的两面部分上的电 极板31a及电极板31e、配置在第2压电元件部32的两面部分上的电 极板32a及电极板32e、配置在第3压电元件部33的两面部分上的电 极板33a及电极板33e分别电气地接地。此外，从配置在第l压电元件 部31的一对压电元件板31b及31d之间的电极板31c引出第l端子31t、 从配置在第2压电元件部32的一对压电元件板32b及32d之间的电极 板32c引出第2端子32t、从配置在笫3压电元件部33的一对压电元件 板33b及33d之间的电极板33c引出第3端子33t。
接着，对该实施方式1的多自由度超声波马达的动作进行说明。首先，如果对振子3从第1端子31t施加接近于由第l定子2和第 2定子10形成的定子振动体S的固有频率的频率的交流电压，则第1 压电元件部31的一对压电元件板31b及31d的2分割的部分沿Z轴方 向交替地反复膨胀和收缩，在定子振动体S上产生Y轴方向的弯曲振 动。此外，如果从第2端子32t施加接近于定子振动体S的固有频率的 频率的交流电压，则第2压电元件部32的一对压电元件板32b及32d 沿Z轴方向反复膨胀和收缩，在定子振动体S上产生Z轴方向的纵振 动。进而，如果从第3端子33t施加接近于定子振动体S的固有频率的 频率的交流电压，则第3压电元件部33的一对压电元件板33b及33d 的2分割的部分沿Z轴方向交替地反复膨胀和收缩，在定子振动体S 上产生X轴方向的弯曲振动。
所以，如果从第1端子31t和第2端子32t的两者分别施加4吏相位 改变90度的交流电压，则将Y轴方向的弯曲振动与Z轴方向的纵振动 组合，在与转子6接触的第1定子2的阶差9及第2定子IO的角部11 上分别产生YZ面内的椭圆振动，通过摩擦力使转子6绕X轴旋转。
同样，如果从第2端子32t和第3端子33t的两者分别施加^f吏相位 改变90度的交流电压，则将X轴方向的弯曲振动与Z轴方向的纵振动 组合，在与转子6接触的第1定子2的阶差9及第2定子IO的角部11 上分别产生XZ面内的椭圆振动，通过摩擦力使转子6绕Y轴旋转。
进而，如果从第l端子31t和笫3端子33t的两者分别施加^f吏相位 改变90度的交流电压，则将X轴方向的弯曲振动与Y轴方向的弯曲振 动组合，在与转子6接触的第1定子2的阶差9及第2定子IO的角部 11上分别产生XY面内的椭圆振动，通过摩擦力使转子6绕Z轴旋转。
这样，如果选择振子3的第1端子31t、第2端子32t及笫3端子 33t中的两个端子、并从这两个端子的两者分别施加使相位改变90度 的交流电压，则在定子振动体S上产生振动，如图5中虚线箭头所示， 在与转子6接触的第1定子2的阶差9及第2定子10的角部11上分别 产生对应于所选择的两个端子的面内的椭圆振动。
此时，由于第1定子2与第2定子IO形成单一的定子振动体S， 所以第l定子2的阶差9与第2定子10的角部11以相互相同的振动模 式振动。因此，转子6被从第1定子2的阶差9和第2定子10的角部 ll两者传递旋转力，以较高的转矩旋转。因而，通过在经由环状的第2定子10露出的转子6的表面部分上 安装未图示的臂、摄像装置等，能够实现多自由度的驱动器、以大视 野范围为对象的照相机等。
另外，用来将第2定子10固定在笫1定子2上的固定用螺栓12 并不限于12根，只要能够将第2定子10固定以形成第1定子2和第2 定子10以相互相同的振动模式振动的单一的定子振动体S，对固定用 螺栓12的根数中并没有限制。此外，只要能够在夹着转子6的状态下 使第2定子10固接在第1定子2上，也可以是粘接等、螺栓以外的固 定方法。但是，为了形成单一的定子振动体S，优选地利用第1定子2 和第2定子10的接触面积整体进行粘接等。
此外，也可以构成为第1定子2的阶差9及第2定子10的角部11 的至少一方不是遍及全周地与转子6接触，而如图6所示那样，仅在 周向的多个部位、例如4个部位接触在转子6的表面上。如果这样， 则能够减少第1定子2及第2定子IO与转子6的接触带来的摩擦损失， 还能够实现高转矩。在此情况下，接触在转子6的表面上的第1定子2 或第2定子10的多个接触部位C优选地相对于转子6处于相互对称的 位置上。
实施方式2
图7中表示本发明的实施方式2的多自由度超声波马达。该多自 由度超声波马达是在图1所示的实施方式l的多自由度超声波马达中、 代替在内周缘上形成有环状的角部11的第2定子10而使用具有环状 的板簧13a的第2定子13的结构。环状的板簧13a在夹持转子6的方 向上具有弹性，板簧13a的内周缘13b位于XY平面上，抵接在转子6 的表面上。
与实施方式1的多自由度超声波马达同样，第2定子13通过12 根固定用螺栓12牢固地固定在第1定子2上，形成第1定子2与第2 定子13以相同的振动模式振动的单一的定子振动体S。
在该实施方式2中，也通过选择振子3的第1端子31t、第2端子 32t及第3端子33t中的两个端子而分别施加交流电压，在定子振动体 S上产生振动，与转子6接触的第1定子2的阶差9及第2定子13的 板簧13a的内周缘13b以相互相同的振动模式振动，转子6以较高的 转矩旋转。此时，由于板簧13a的内周缘13b弹力地抵接在转子6的表面上， 所以转子6与第1定子2的阶差9及第2定子13的板簧13a的内周缘 13b之间的摩擦力增加，增大了转子6的旋转转矩。
实施方式3
图8中表示本发明的实施方式3的多自由度超声波马达。该多自 由度超声波马达是在图7所示的实施方式2的多自由度超声波马达中、 代替在凹部5内形成有环状的阶差9的第l定子2而使用在凹部5内形 成有环状的板簧14a的第1定子14的结构。该第1定子14的板簧14a 和第2定子13的板簧13a都在夹持转子6的方向上具有弹性，板簧14a 的内周缘14b和板簧13a的内周缘13b分别位于XY平面上，抵接在转 子6的表面上。
与实施方式1及2的多自由度超声波马达同样，第2定子13通过 12根固定用螺栓12牢固地固定在第l定子14上，形成第l定子14与 第2定子13以相同的振动模式振动的单一的定子振动体S。
在该实施方式3中，也通过选择振子3的第1端子31t、第2端子 32t及第3端子33t中的两个端子分别施加交流电压，在定子振动体S 上产生振动，与转子6接触的第l定子14的板簧14a的内周缘14b及 第2定子13的板簧13a的内周缘13b以相互相同的振动模式振动，转 子6以较高的转矩旋转。
此时，由于第1定子14的板簧14a的内周缘14b和第2定子13 的板簧13a的内周缘13b分别弹力地抵接在转子6的表面上，所以转 子6与第1定子14的板簧14a的内周缘14b及第2定子13的板簧13a 的内周缘13b之间的摩擦力增加，增大了转子6的旋转转矩。
实施方式4
图9及图10中表示本发明的实施方式4的多自由度超声波马达。 在上述实施方式1~3的多自由度超声波马达中，第1定子2或14与第 2定子10或13通过固定用螺栓12相互形成为一体，配置在振子3的 一侧，但在该实施方式4的多自由度超声波马达中，第1定子15与第 2定子16隔着振子17配置在振子17的两侧。
第1定子15及第2定子16分别具有沿着其周向以环状包围转子6 而配置的环形状，形成有具有比转子6的直径稍小的内径的圆形的开 口部15a及16a。转子6经由第1定子15的开口部15a及第2定子16的开口部16a沿+Z轴方向及-Z轴方向的两个方向上露出。
振子17在XY平面内沿周向被4分割，分别如图11所示，具有依 次叠合了电极板17a、压电元件板17b及电极板17c的构造。构成为， 4分割的振子17的压电元件板17b以分别在Z轴方向(厚度方向)上 进行膨胀或收缩的变形动作的方式被分极，通过对电极板17a及17c 之间施加独立的交流电压，能够相互独立地驱动控制4分割的振子17。 这样的振子17在经由绝缘片18及19从第1定子15及第2定子16绝 缘的状态下配置。
通过分别独立地驱动控制4分割的振子17，在与转子6接触的笫1 定子15的开口部15a的周缘部及笫2定子16的开口部16a的周缘部上 产生希望的面内的椭圆振动，能够以相同的振动模式振动，能够使转 子6以高转矩旋转。
另外，如果在第1定子15及第2定子16在振子17的作用下振动 时形成的波节位置上通过固定工具20支承笫1定子15及第2定子16， 则能够在将给这些第1定子15及第2定子16的振动带来的影响抑制在 最小限度内的同时支承该实施方式4的多自由度超声波马达。
例如，通过在经由定子15的开口部15a及第2定子16的开口部 16a在+Z轴方向及-Z轴方向上露出的转子6的表面部分上分别安装臂、 摄像装置等，能够实现多自由度且具有多个臂的驱动器、以很大视野 范围为对象的照相机等。
另外，在上述实施方式1 ~4中，选择振子3的第1端子31t、第2 端子32t、第3端子335中的两个而施加的交流电压的相位改变90度， 但并不限于90度，也可以变化。此外，也可以使施加的交流电压的电 压值变化。通过各种各样地控制交流电压，能够控制在第1定子2、 14、 15及第2定子10、 13、 16中产生的椭圆振动。
此外，在上述实施方式1~4中，第1定子2、 15及第2定子10、 13、 16与转子6的接触是阶差9或角部11那样的角部，但并不限于该 结构。只要能够传递椭圆运动，既可以以平面接触、也可以以曲面接 触，也可以不是环状。
此外，在上述实施方式1 4中，振子3使用作为相互不同的3方 向的振动而产生Z方向的纵振动、X、 Y方向的弯曲振动的振子，但也 可以不是这样相互正交的振动。此外，产生3方向的振动的振子使用第1压电元件部31、第2压电元件部32、第3压电元件部33的对应于 各个方向的压电元件，但也可以为了产生各个方向的振动而将多个压 电元件部的振动合成，也可以将1个压电元件部分极为3个以上而通 过1个压电元件部产生两个以上的方向的振动。
此外，在上述实施方式1~4中，选择3个方向中的两个方向而产 生了振动，但也可以对对应于3个方向的所有压电元件施加交流电压、 控制各方向的振动的相位及振幅而产生合成振动。
实施方式5
图12及图13中表示本发明的实施方式5的超声波马达。在基部块 1与定子41之间夹持有作为定子振动机构的圆筒状的振子3，并且基 部块1与定子41经由在振子3内通过的连结螺栓4相互连结，作为超 声波马达整体具有大致圆柱形的外形。这里，为了便于说明，将从基 部块1朝向定子41的圆柱状的外形的中心轴规定为Z轴，X轴沿相对 于Z轴垂直的方向延伸，Y轴相对于Z轴及X轴垂直地延伸。
振子3具有分别位于XY平面上并且相互叠合的平板状的第1~第 3压电元件部31~33，这些压电元件部31~33在经由绝缘片34 ~ 37 从定子41及基部块1并且相互绝缘的状态下配置。
在定子41上，在与和振子3相接的面的相反侧形成有凹部42，在 该凹部42内收容有球体状的转子6。凹部42由具有比转子6的直径小 的内径的小径部43、和具有比转子6的直径大的内径的大径部44构成， 在这些小径部43及大径部44的边界部上形成有位于XY平面上的环状 的阶差45。
进而，在定子41的上部经由环状的板簧46弹力地连结有环形状 的预压部件47，以使其在Z轴方向上相邻。在该预压部件47的内周缘 上形成有位于XY平面上的环状的角部48，转子6抵接在定子41的阶 差45及预压部件47的角部48的两者上而,皮夹持，旋转自如地被支承。
这里，通过板簧46将预压部件47向定子41的方向施力，经由预 压部件47的角部48对转子6作用有预压。
此外，由于在定子41与预压部件47之间夹着板簧46，所以构成 为，当通过振子3在定子41上产生了振动时，预压部件47以与定子 41的振动模式不同的振动模式振动。
例如，基部块1、定子41及预压部件47分别由高强度铝合金形成，超声波马达整体形成直径40mm及高度100mm左右的大致圓柱体。作 为转子6而使用直径25.8mm的钢球。
另外，这里，例如如振子3那样，赋予与上述实施方式1的部分 相同的号码的部分具有与实施方式l的对应的号码的部分相同的结构。
接着，对该实施方式5的超声波马达的动作进行说明。
首先，如果对振子3从第l端子31t施加接近于定子41的固有频 率的频率的交流电压，则第1压电元件部31的一对压电元件板31b及 31d的2分割的部分沿Z轴方向交替地反复膨胀和收缩，在定子41上 产生Y轴方向的弯曲振动。此外，如果从第2端子32t施加接近于定 子41的固有频率的频率的交流电压，则第2压电元件部32的一对压 电元件板32b及32d沿Z轴方向反复膨胀和收缩，在定子41上产生Z 轴方向的纵振动。进而，如果从笫3端子33t施加接近于定子41的固 有频率的频率的交流电压，则第3压电元件部33的一对压电元件板33b 及33d的2分割的部分沿Z轴方向反复膨胀和收缩，在定子41上产生 X轴方向的弯曲振动。
所以，如果从第l端子31t和第2端子32t的两者分别施加使相位 改变90度的交流电压，则将Y轴方向的弯曲振动与Z轴方向的纵振动 组合，在与转子6接触的定子41的阶差45上产生YZ面内的椭圆振动， 通过摩擦力使转子6绕X轴旋转。
同样，如果从第2端子32t和第3端子33t的两者分别施加4吏相位 改变90度的交流电压，则将X轴方向的弯曲振动与Z轴方向的纵振动 组合，在与转子6接触的定子41的阶差45上产生XZ面内的椭圆振动， 通过摩擦力使转子6绕Y轴旋转。
进而，如果从第l端子31t和第3端子33t的两者分别施加使相位 改变90度的交流电压，则将X轴方向的弯曲振动与Y轴方向的弯曲振 动组合，在与转子6接触的定子41的阶差45上产生XY面内的椭圆振 动，通过摩擦力使转子6绕Z轴旋转。
这样，如果选择振子3的第1端子31t、第2端子32t及第3端子 33t中的两个端子、从这两个端子的两者分别施加4吏相位改变90度的 交流电压，则在定子41上产生振动，如图14中虚线箭头所示，在与 转子6接触的定子41的阶差45上产生对应于所选择的两个端子的面 内的椭圆振动。这里，通过板簧46的施力经由预压部件47的角部48对转子6作 用有预压，转子6相对于定子41的阶差45被加压，所以通过这些转 子6与阶差45之间的摩擦力对转子6传递旋转力。
此时，由于在夹在预压部件47与定子41之间的板簧46的作用下 使预压部件47如图14中用实线箭头所示那样以与定子41的振动模式 不同的振动模式振动，所以大幅地降低了起因于预压部件47的角部48 与转子6的表面的接触的摩擦损失，转子6以较高的转矩旋转。
此外，由于预压部件47经由板簧46连结在定子41上，利用振子 3带来的定子41的振动使预压部件47振动，所以能够得到简单的结构 的超声波马达。
此外，在将振子3停止而预压部件47不振动时，能够通过预压部 件47的角部48与转子6的表面之间的摩擦力增加来保持该转子6。
因而，通过在经由环形状的预压部件47露出的转子6的表面部分 上安装未图示的臂、摄像装置等，能够实现多自由度的驱动器、以大 视野范围为对象的照相机等。
另外，环形状的预压部件47的角部48也可以构成为不是遍及整 周接触在转子6上、而是如图15所示那样仅在周向的多个部位、例如 4个部位接触在转子6的表面上。这样，能够进一步降低因预压部件 47与转子6的接触带来的摩擦损失，能够实现更高的转矩。在此情况 下，接触在转子6的表面上的预压部件47的多个接触部位C优选地相 对于转子6处于相互对称的位置上。
实施方式6
图16中表示本发明的实施方式6的超声波马达。该超声波马达是 在图12所示的实施方式5的超声波马达中、在环形状的预压部件47 的内周缘上安装有位于XY平面上的环状的抵接部件49的结构。抵接 部件49由特氟龙(注册商标)等的低摩擦材料形成，转子6抵接在由 抵接部件49形成的角部50和定子41的阶差45的两者上而被夹持，被 旋转自如地支承。
由于经由由低摩擦材料形成的抵接部件49对转子6作用预压，所 以进一步降低了因抵接部件49与转子6的接触带来的摩擦损失，实现 了高转矩的超声波马达。
实施方式7图17中表示本发明的实施方式7的超声波马达。该超声波马达是 在图12所示的实施方式5的超声波马达中、代替经由板簧46弹力地 连结在定子41上的预压部件47、从定子51沿Z轴方向离开而配置预 压部件52的结构。在预压部件52上经由振子53连结着保持部件54， 保持部件54利用未图示的弹簧等弹力地支承在定子51或基部块1上， 以使其被向定子51的方向施力。
预压部件52、振子53及保持部件54都形成为在中央具有开口部 的环形状，转子6经由这些开口部露出。此外，在预压部件52的内周 缘上形成有位于XY平面上的环状的角部55。
如图18所示，振子53具有依次叠合了电极板53a、压电元件板53b 及电极板53c的构造。压电元件板53b以在其厚度方向上进行膨胀或 收缩的变形动作的方式被分极，构成为，通过在电极板53a及53c之间 施加交流电压，能够驱动控制该振子53,在这样的振子53的两面上分 别配置有绝缘片56及57，振子53在经由绝缘片56及57从预压部件 52及保持部件54绝缘的状态下配置。
另外，定子51与实施方式5的定子41同样，在与基部块l之间夹 持有振子3的状态下通过连结螺栓4相互连结，在定子51的与和振子 3相接的面的相反侧，形成有具有比转子6的直径小的内径的凹部58。 在该凹部58的开口端周缘上形成有位于XY平面上的环状的角部59， 转子6抵接在定子51的角部59和预压部件52的角部55两者上而被夹 持，被旋转自如地保持。
在这样的结构中，如果选择振子3的第1端子31t、第2端子32t 及第3端子33t中的两个端子、分别从这两个端子施加使相位改变90 度的交流电压，则在定子51上产生振动，在与转子6接触的定子51 的角部59上产生对应于所选择的两个端子的面内的椭圆振动。
此时，由于通过未图示的弹簧等将保持部件54向定子51的方向 施力、经由预压部件52的角部55对转子6作用预压、将转子6相对于 定子51的角部59加压，所以通过这些转子6与角部59之间的摩擦力 对转子6传递旋转力。
这里，如果驱动控制振子53，则预压部件52从振子3带来的定子 51的振动独立地振动，由此大幅地降低起因于预压部件52的角部55 与转子6的表面的接触的摩擦损失，转子6以较高的转矩旋转。如图19所示，如果在预压部件52及保持部件54在振子53的作用 下振动时形成的波节位置上通过固定工具60支承这些预压部件52及 保持部件54,则能够在将给预压部件52的振动带来的影响抑制在最小 限度内的同时支承预压部件52。
实施方式8
图20中表示本发明的实施方式8的超声波马达。该超声波马达是 在图17所示的实施方式7的超声波马达中、在环形状的预压部件52 的内周缘上安装有位于XY平面上的环状的抵接部件61的结构。抵接 部件61由特氟龙(注册商标)等的低摩擦材料形成，转子6抵接在由 抵接部件61形成的角部62和定子1的角部59的两者上而被夹持，被 旋转自如地支承。
由于经由由低摩擦材料形成的抵接部件61对转子6作用有预压， 所以进一步降低了因抵接部件61与转子6的接触带来的摩擦损失，能 够实现高转矩的超声波马达。
上述实施方式5 ~ 8应用在转子6是球体状、通过振子3使定子41 及51振动而使转子6绕多个轴旋转的多自由度的超声波马达中，但也 可以代替它而应用到使转子绕单一的轴旋转的单自由度的超声波马达 中。
另外，在上述实施方式5 8中，选择振子3的第1端子31t、第2 端子32t、第3端子335中的两个而施加的交流电压的相位改变90度， 但并不限于90度，也可以变化。此外，也可以使施加的交流电压的电 压值变化。通过各种各样地控制交流电压，能够控制在定子41、 51上 产生的椭圆振动。
此外，在上述实施方式5~8中，定子41、 51与转子6的接触是阶 差45或角部59那样的角部，但并不限于该结构。只要能够传递椭圆 运动，既可以以平面接触、也可以以曲面接触，也可以不是环状。
此外，在上述实施方式5 8中，振子3使用作为相互不同的3方 向的振动而产生Z方向的纵振动、X、 Y方向的弯曲振动的振子，但也 可以不是这样相互正交的振动。此外，产生3方向的振动的振子使用 第1压电元件部31、笫2压电元件部32、第3压电元件部33的对应于 各个方向的压电元件，但也可以为了产生各个方向的振动而将多个压 电元件部的振动合成，也可以将1个压电元件部分极为3个以上而通过1个压电元件部产生两个以上的方向的振动。
此外，在上述实施方式中，选择3个方向中的两个方向而产生振 动，但也可以对对应于3个方向的所有压电元件施加交流电压、控制 各方向的振动的相位及振幅而产生合成振动。
实施方式9
图21及图22中表示本发明的实施方式9的多自由度超声波马达。 在基部块1与定子71之间夹持有作为定子振动机构的圆筒状的振子3， 并且基部块1与定子71经由在振子3内通过的连结螺栓4相互连结， 作为多自由度超声波马达整体而具有大致圆柱状的外形。这里，为了 便于说明，将从基部块1朝向定子71的圆柱状的外形的中心轴规定为 Z轴，设X轴沿相对于Z轴垂直的方向延伸、Y轴相对于Z轴及X轴 垂直地延伸。
振子3具有分别位于XY平面上并且相互叠合的平板状的第1~第 3压电元件部31 ~33,这些压电元件部31 ~33在经由绝缘片34 ~ 37 从定子2及基部块1绝缘、并且相互绝缘的状态下配置。
在定子71上，在与和振子3相接的面的相反侧形成有凹部72，在 该凹部72内收容有球体状的转子6。凹部72由具有比转子6的直径小 的内径的小径部73、和具有比转子6的直径大的内径的大径部74构成， 在这些小径部73及大径部74的边界部上形成有位于XY平面上的环状 的阶差75。转子6通过与凹部72内的阶差75抵接而转动自如地被支 承。此外，定子71具有从凹部72的开口周缘部沿大致Z轴方向突出 而形成的环状的环部件76。环部件76将转子6沿着周向、即沿着转子 的XY平面方向截面的周向包围而配置，转子6的一部分从环部件76 的顶端部76a露出。此外，环部件76的内表面接近并对置于转子6的 表面。
如图23所示，环部件76形成为，越是从位于凹部72的开口周缘 部的基端部76b朝向顶端部76a、即越是朝向Z轴方向越逐渐缩径，并 且如图24所示，环部件76的截面具有对应于转子6的表面的形状即 球面形状而弯曲的圆弧形状。
例如，基部块1与定子71由高强度铝合金形成，多自由度超声波 马达整体形成直径40mm及高度100mm左右的大致圆柱体。作为转子 6，使用直径25，8mm的钢球，定子71的环部件76是内径为25.4mm、厚度为1.5mm,内表面以使其描绘曲率半径12.7mm及角度23度的圆 弧的方式竖起。
另外，这里，例如如振子3那样、赋予了与上述实施方式1的部 分相同的标号的部分具有与实施方式1的对应的号码的部分相同的结 构。
接着，对该实施方式9的多自由度超声波马达的动作进行说明。
首先，如果对振子3从第1端子31t施加接近于定子71的固有频 率的频率的交流电压，则第l压电元件部31的一对压电元件板31b及 31d的2分割的部分沿Z轴方向交替地反复膨胀和收缩，在定子71上 产生Y轴方向的弯曲振动。此外，如果从第2端子32t施加接近于定 子71的固有频率的频率的交流电压，则第2压电元件部32的一对压 电元件板32b及32d沿Z轴方向反复膨胀和收缩，在定子71上产生Z 轴方向的纵振动。进而，如果从第3端子33t施加接近于定子71的固 有频率的频率的交流电压，则第3压电元件部33的一对压电元件板33b 及33d的2分割的部分沿Z轴方向反复膨胀和收缩，在定子71上产生 X轴方向的弯曲振动。
所以，如果从第l端子31t和第2端子32t的两者分别施加使相位 改变90度的交流电压，则将Y轴方向的弯曲振动与Z轴方向的纵振动 组合，在与转子6接触的定子71的阶差75上产生YZ面内的椭圓振动， 通过摩擦力使转子6绕X轴旋转。
同样，如果从第2端子32t和笫3端子33t的两者分别施加使相位 改变90度的交流电压，则将X轴方向的弯曲振动与Z轴方向的纵振动 组合，在与转子6接触的定子71的阶差75上产生XZ面内的椭圆振动， 通过摩擦力使转子6绕Y轴旋转。
进而，如果从第l端子31t和第3端子33t的两者分别施加使相位 改变90度的交流电压，则将X轴方向的弯曲振动与Y轴方向的弯曲振 动组合，在与转子6接触的定子71的阶差75上产生XY面内的椭圆振 动，通过摩擦力使转子6绕Z轴旋转。
这样，如果选择振子3的第1端子31t、第2端子32t及第3端子 33t中的两个端子、从这两个端子的两者分别施加使相位改变90度的 交流电压，则在定子71上产生振动，如图25中虚线箭头所示，在与 转子6接触的定子71的阶差75上产生对应于所选择的两个端子的面内的椭圆振动。
这里，由于定子71具有一体形成的环部件76，所以随着定子71 的振动，如图25中用实线表示那样，环部件76也在与转子6非接触 的状态下振动。由此，通过从环部件76放射的声波的放射压向定子71 的阶差75对转子6加压。结果，这些转子6与阶差75之间的摩擦力变 大，能够对转子6有效地传递旋转力。
如上所述，由于能够通过环部件76对转子6在非接触的状态下施 加预压力，所以不会在环部件76与转子6的表面之间产生摩擦损失， 由此能够以高转矩实现高效率的多自由度超声波马达。
此外，也没有环部件76与定子71接触而发生噪音等的情况。
此外，由于环部件76与定子71 —体地设置、利用振子3带来的定 子71的振动使环部件76振动，所以能够得到简单的结构的多自由度 超声波马达。
此外，仅通过选择振子3的3个端子31t、 32t及33t中的两个施加 电压，定子71振动而在阶差75上产生用来使转子6旋转的椭圆运动， 并且通过环部件76对转子6在非接触的状态下施加预压力，能够使转 子6以多自由度旋转。
此外，也可以利用空气或静电力、电磁力非接触地对转子6施加 预压，但在空气的情况下，由于需要设置吸引装置等，所以结构会变 得复杂，在静电力或电磁力的情况下，静电力或电磁力有可能对周边 的设备带来影响，所以有时并不优选使用。相对于此，该多自由度超 声波马达是简单的结构，在静电力及电磁力的使用并不优选的环境中 也能够使用。
此外，如果通过振子3的驱动来控制环部件76的振幅，则通过使 从环部件76放射的放射压的大小变化而使转子6对阶差75的加压力 变化，能够进行该多自由度超声波马达的转矩控制、位置控制、转速 控制等。
因而，通过在经由环部件76的顶端部76a露出的转子6的表面部 分上安装未图示的臂、摄像装置等，能够实现多自由度的驱动器、以 大视野范围为对象的照相机等。
实施方式10
参照图26，表示本发明的实施方式10的多自由度超声波马达。该曲部件77的结构。即，定子71具有一体形成的4个弯曲部件77，并 且这4个弯曲部件77沿着转子6的周向相互隔开间隔配置。各个弯曲 部件77具有沿着转子6的表面的弯曲形状，各弯曲部件77的内表面 接近并对置于转子6的表面。
如果做成这样的结构，则由于4个弯曲部件77相互分割并分别独 立，所以容易振动。因而，通过由振子3的驱动使各个弯曲部件77以 非接触于转子6的状态下振动，能够有效地对转子6施加预压。
另外，弯曲部件77在振动时和不振动时都能够成为相对于转子6 非接触的状态，但也可如图27所示，构成为在将振子3停止而不振动 时，其顶端部77a接触在转子6的表面上的结构。如果这样，则当振 子3的停止时能够使弯曲部件77的顶端部77a接触在不旋转的转子6 的表面上而保持该转子6。在此情况下，在振动时弯曲部件77需要成 为从转子6的表面离开的状态。在振动停止时接触在转子6上的弯曲 部件77只要设为当振动时在从弯曲部件77放射的声波的放射压的作 用下弯曲部件77自身从转子6浮起就可以。
此外，并不限于4个弯曲部件77，也可以分割为3个以下或5个 以上弯曲部件，
实施方式11
参照图28，表示本发明的实施方式11的多自由度超声波马达。该 实施方式11是在实施方式9中、代替一体地设在定子71上的环部件 76、从定子78离开而配置环部件79的结构。即，环部件79与定子78 分别形成为相互独立的部件，并且在Z轴方向上相互隔开间隔配置。 环部件79与实施方式9的环部件76同样具有越是朝向Z轴方向越是 逐渐缩径那样的形状，并且在其内表面接近于转子6的表面而对置的 状态配置，如图29中用虚线表示那样被支承部件80支承。此外，在 环部件79的外表面上粘贴有用来使环部件79振动的4个振子81。另 外，在环部件79在振子81的作用下振动时的振动模式中，优选地在 作为波节的部分处由支承部件80支承或粘贴振子81。
如图30所示，各振子81具有依次叠合了电极板81a、压电元件板 81b及电极板81c的构造。各振子81的压电元件板81b以在其厚度方 向上进行膨胀或收缩的变形动作的方式被分极，构成为，通过在电极板81a及81c之间施加独立的交流电压，能够驱动控制该振子81。在 这样的振子81的两面上分别配置有绝缘片82及83，振子81在经由一 方的绝缘片83从环部件79绝缘的状态下配置。
另外，定子78与实施方式9的定子71同样，在与基部块l之间夹 持有振子3的状态下通过连结螺栓4相互连结，在定子78的与和振子 3相接的面的相反侧，形成有具有比转子6的直径小的内径的凹部84。 在该凹部84的开口端周缘上形成有位于XY平面上的环状的角部85， 转子6抵接在该角部85上，被旋转自如地保持。
在这样的结构中，如果选择振子3的第1端子31t、第2端子32t 及第3端子33t中的两个端子、分别从这两个端子施加使相位改变90 度的交流电压，则在定子78上产生振动，在与转子6接触的定子78 的角部85上产生对应于所选择的两个端子的面内的椭圆振动。
此时，如果驱动控制振子81,则在环部件79上产生振子81的厚 度方向、即正交于转子6的表面的方向的纵振动，环部件79在与转子 6非接触的状态下振动。由此，通过从环部件79放射的声波的放射压 向定子78的角部85对转子6加压。因而，与上述实施方式9同样，能 够实现高转矩、高效率的多自由度超声波马达，并且能够防止环部件 79与转子6的接触带来的噪音等。
除此以外，在该实施方式ll中，环部件79被振子81驱动，并且 定子78被振子3驱动，能够使环部件79与定子78独立地振动，所以 通过振子81的驱动能够控制环部件79的振幅，能够容易地进行该多 自由度超声波马达的转矩控制、位置控制、转速控制等。
此外，能够在环部件79在振子81的作用下振动时形成的波节位 置处通过支承部件80支承环部件79，这样，能够在将给环部件79的 振动带来的影响抑制在最小限度内的同时支承环部件79。
进而，也能够使用未图示的弹簧等将支承部件80弹力地保持在定 子78或基部块1上。
另外，环部件79也可以与上述实施方式10同样、沿着其周向分 割为多个弯曲部件，在此情况下，多个弯曲部件分別在振动时的波节 位置上受支承部件80支承，并且构成为在各弯曲部件上粘贴1个振子 81。如果做成这样的结构，则由于多个弯曲部件相互分割且分别独立， 所以容易振动，能够有效地对转子6施加预压。环部件沿转子的周向配置，但只要能够通过放射压产生预压力， 并不限于周向。
此外，环部件79也可以如上述实施方式10的变形例那样，被弹 性地保持以使其在停止时与转子6接触、在转子6的旋转时使振子81 振动、通过从环部件79放射的声波的放射压使环部件79自身从转子6 浮起。
另外，在上述实施方式9~11中，选择振子3的第1端子31t、第 2端子32t、第3端子335中的两个而施加的交流电压的相位改变90度， 但并不限于卯度，也可以变化。此外，也可以使施加的交流电压的电 压值变化。通过各种各样地控制交流电压，能够控制在定子71、 78上 产生的椭圆振动。
此外，在上述实施方式9~11中，定子71、 78与转子6的接触是 阶差75或角部85那样的角部，但并不限于该结构。只要能够传递椭 圆运动，既可以以平面接触、也可以以曲面接触，也可以不是环状。
此外，在上述实施方式9~11中，振子3使用作为相互不同的3 方向的振动而产生Z方向的纵振动、X、 Y方向的弯曲振动的振子，但 也可以不是这样相互正交的振动。此外，产生3方向的振动的振子使 用第1压电元件部31、第2压电元件部32、第3压电元件部33的对应 于各个方向的压电元件，但也可以为了产生各个方向的振动而将多个 压电元件部的振动合成，也可以将1个压电元件部分极为3个以上而 通过1个压电元件部产生两个以上的方向的振动。
此外，在上述实施方式中，选择3个方向中的两个方向而产生了 振动，但也可以对对应于3个方向的所有压电元件施加交流电压、控 制各方向的振动的相位及振幅而产生合成振动。
权利要求
1、一种超声波马达，其特征在于，具备多个定子，相互对置配置；大致球体状的转子，由上述多个定子夹持；1个定子振动机构，共用地设在上述多个定子上，并且使上述多个定子以产生相互相同的方向的驱动力的方式振动，由此使上述转子旋转。
2、 如权利要求1所述的超声波马达，上述多个定子配置在上述定 子振动机构的一侧并且相互一体地形成。
3、 如权利要求1所述的超声波马达，上述多个定子隔着上迷定子 振动机构配置在上述定子振动机构的两侧。
4、 如权利要求3所述的超声波马达，上述多个定子分别具有沿着 周向环状地包围上述转子配置的环形状.
5、 如权利要求3所述的超声波马达，在上述多个定子由上述定子 振动机构振动时形成的波节位置处支承这些定子。
6、 如权利要求1所述的超声波马达，上述多个定子中的至少l个 仅在周向的多个部位处与上述转子的表面接触。
7、 如权利要求6所述的超声波马达，上述多个部位处于相对于上 述转子相互对称的位置上。
8、 如权利要求1所述的超声波马达，上述多个定子中的至少l个 在夹持上述转子的方向上具有弹性。
9、 如权利要求l所迷的超声波马达，上述定子振动机构具有产生 相互不同的3方向的振动的3对压电元件板，通过产生将这3个方向 的振动中的至少两方向的振动相互错开相位而组合的合成振动，在上 述定子的与上述转子的接触部分上形成椭圆运动。
10、 一种超声波马达，其特征在于，具备定子；转子，被上述定子接触支承；定子振动机构，使上述定子振动而使上述转子旋转； 预压部件，以至少在停止时与上述转子的表面接触的状态配置； 预压部件振动机构，用来通过使上述预压部件振动而将上迷转子 相对于上述定子预压。
11、 如权利要求io所述的超声波马达，上述预压部件振动机构通过使上述预压部件以与上述定子的振动模式不同的振动模式振动，相 对于上述定子预压上述转子。
12、 如权利要求IO所述的超声波马达， 上述预压部件弹力地支承在上述定子上； 上述定子振动机构兼作为上述预压部件振动机构。
13、 如权利要求12所述的超声波马达，上述预压部件经由弹簧支 承在上述定子上。
14、 如权利要求10所述的超声波马达， 上述预压部件从上述定子离开而配置；上述预压部件振动机构具有安装在上述预压部件上的压电元件板。
15、 如权利要求14所述的超声波马达，上述预压部件在由上述压 电元件板振动时形成的波节位置处被支承。
16、 如权利要求10所述的超声波马达， 上述转子是大致球体状；上述定子振动机构使上述定子振动而使上述转子绕多个轴旋转。
17、 如权利要求16所述的超声波马达，上述预压部件具有沿着周 向环状地包围上述转子配置的环形状。
18、 如权利要求16所述的超声波马达，上迷预压部件在与上述转 子的表面接触的部位上具有由低摩擦材料构成的抵接部件。
19、 如权利要求16所述的超声波马达，上述定子仅在周向的多个 部位处与上述转子的表面接触。
20、 如权利要求19所述的超声波马达，上述多个部位处于相对于 上述转子相互对称的位置上。
21、 如权利要求16所述的超声波马达，上述定子振动机构具有产 生相互不同的3个方向的振动的3对压电元件板，通过产生将这3个 方向的振动中的至少两个方向的振动相互错开相位而组合的合成振 动，在上述定子的与上述转子的接触部分上形成椭圆运动。
22、 一种超声波马达，其特征在于，具备定子；大致球体状的转子，被上述定子接触支承；定子振动机构，通过使上述定子振动而使上述转子旋转； 预压部件，对置于上述转子的表面；预压部件振动机构，用来至少在使上述转子旋转时使上述预压部 件振动，通过来自上述预压部件的放射压产生向上述定子预压上述转 子的预压力。
23、 如权利要求22所述的超声波马达，上述预压部件由具有对应 于上述转子的表面的弯曲形状的环部件构成。
24、 如权利要求22所述的超声波马达，上述预压部件由分别具有 对应于上述转子的表面的弯曲形状的多个弯曲部件构成。
25、 如权利要求22所述的超声波马达，上述预压部件从上述定子 离开而配置，上述预压部件振动机构具有安装在上述预压部件上的压 电元件板。
26、 如权利要求25所述的超声波马达，上述预压部件在上述压电 元件板的作用下振动时形成的波节位置处被支承。
27、 如权利要求22所述的超声波马达，上述预压部件与上述定子 一体地形成，上述定子振动机构兼作为上述预压部件振动机构。
28、 如权利要求22所述的超声波马达，上述预压部件在上述预压 部件振动机构的作用下振动时处于从上述转子的表面离开的状态，在 不振动时接触在上述转子的表面上而保持该转子。
29、 如权利要求22所述的超声波马达，通过控制在上迷预压部件 振动机构的作用下振动的上述预压部件的振幅，令向上述定子预压上 述转子的预压力的大小变化。
30、 如权利要求22所述的超声波马达，上述定子振动机构具有产 生相互不同的3个方向的振动的3对压电元件板，通过产生将这3个 方向的振动中的至少两个方向的振动相互错开相位而组合的合成振 动，在上述定子的与上述转子的接触部分上形成椭圆运动。
全文摘要
提供一种能够实现高转矩的超声波马达。如果选择振子(3)的第1端子(31t)、第2端子(32t)及第3端子(33t)中的两个端子、从这两个端子的两者分别施加使相位改变90度的交流电压，则在定子振动体(S)上产生振动，在与转子(6)接触的第1定子(2)的阶差(9)及第2定子(10)的角部(11)上分别产生椭圆振动。由于第1定子(2)与第2定子(10)形成单一的定子振动体(S)，所以第1定子(2)的阶差(9)与第2定子(10)的角部(11)以相互相同的振动模式振动，转子(6)被从第1定子(2)的阶差(9)和第2定子(10)的角部(11)两者传递旋转力，以较高的转矩旋转。
文档编号H02N2/00GK101310433SQ20068004257
公开日2008年11月19日 申请日期2006年7月27日 优先权日2005年11月10日
发明者前田浩司, 小寺刚史, 清木和夫, 石川洋彦, 高三正己 申请人:株式会社丰田自动织机