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ネジ山駆動多面体超音波モータ

国内特許コード P150011689
掲載日 2015年3月30日
出願番号 特願2008-540432
公表番号 特表2009-516491
登録番号 特許第4873269号
出願日 平成18年11月16日(2006.11.16)
公表日 平成21年4月16日(2009.4.16)
登録日 平成23年12月2日(2011.12.2)
国際出願番号 CN2006003088
国際公開番号 WO2007056952
国際出願日 平成18年11月16日(2006.11.16)
国際公開日 平成19年5月24日(2007.5.24)
優先権データ
  • 200510114849.2 (2005.11.18) CN
発明者
  • 周 鐵英
  • 鹿 存躍
  • 陳 宇
  • 傅 徳永
  • 胡 笑平
  • 李 毅
  • 田 斌
  • 王 正平
出願人
  • 清華大学
発明の名称 ネジ山駆動多面体超音波モータ
発明の概要 本発明は、ネジ山付きの超音波モータ駆動機構に関し、超音波応用の分野に属する。その機構は、ネジ山付きのステータとローターとからなり、そのステータが、中空の金属多面体とその多面体に接着される圧電セラミックスシートとから構成される。ステータは、ネジ山によりローターを回転するように駆動するとともに、ネジ山によりローターの回転運動を直線運動に変換する。本発明は、構成が簡単で、他の伝達機構をなくすことができ、微型化により良く適して、微型機械や、光学フォーカスなどの分野において応用見込みがある。
【選択図】図3
従来技術、競合技術の概要



圧電超音波モータは、圧電材料の逆圧電効果を利用して、特定の構成により製造される駆動機構であり、普通、圧電セラミクスと、ステータと、ローターと、予圧機構と、伝達機構などの機能部材からなる。そのような圧電超音波モータは、圧電材料の逆圧電効果によりステータの表面に超音波振動を生じさせるとともに、ステータとローターとの間の摩擦力によりローターを運動させるように駆動する。超音波モータは、普通の電磁モータより優れた下記利点を有する。





1.回転数が低く、トルクが大きくて、減速機構を必要とせずに負荷を直接駆動できる。

2.体積が小さく、構成がフレキシブルであって、パワー/体積比が電磁モータの3~10倍である。

3.起動や停止に対する応答が速くて、応答時間が1ms未満である。

4.電磁妨害を生じることがなく、電磁に妨害されることもない。

5.自己保持トルクを有し、歯車隙間がなく、精密な位置決めが実現できる。

6.運転が静かで、騒音がない。





従来の圧電超音波モータとしては、図1と図2に示された。





図1は、多面体管型超音波モータの構成図である。図1の(1)に示された主要部材の構成として、ステータ13とその外面に接着されている電歪素子(圧電セラミックスシート)11、12とからなる振動体を有する。それらは、圧電管を複数の電極に分割することにより構成され、或いは、複数の圧電シートを圧電管(当該多面体管が金属材料からなり、または、圧電シートと接触する表面が金属導電層である)の外面に接着することにより成型される。その振動体の内面は、滑らかなリング面である。ローターとして、切り込み14を有する円環体15とした円管を利用する。それは、振動体の内面に取り付けられ、進行波超音波モータの駆動原理を利用して圧電セラミックスシートに相応的な駆動電圧を印加する場合、振動体の内面に生じる進行波が円環体に対して回転することができる。円環体15に切り込みを設けるのは、ステータとローターとの接触表面に予圧を増加させるためである。





そのようなモータはレンズフォーカスシステムに応用されることが望ましく、その場合のネジ山伝達システムの構成が図1の(2)に示されている。その図から分かるように、鏡筒15(上記のローター構成に相当する)は、その先端部にネジ山が刻設されている。その鏡筒15は、装置内に移動しない。13は、多面体管型リングであり、その外面に圧電セラミックスシート11、12が接着されている(上記の振動体構成に相当する)。その多面体管13の先端に接着される前ホルダー16が、圧電セラミックスシート11,12と一体に形成されている。前ホルダー16の先端部には、鏡筒15の先端に形成されるネジ山と噛み合うネジ山が刻設されている。固定リングにより、フォーカスレンズ組を前ホルダ16に固定するとともに、その前ホルダーの末端に、鏡筒15の左端のネジ山と噛み合うネジ山が形成されている。振動体は、前ホルダーの端部に接着され、その振動体の内面と鏡筒15の外面とが接触する。圧電セラミックスが電気信号により励起される時、圧電シート11,12及び多面体13が鏡筒15に対し回転駆動され、前ホルダー16も従動に回転する。このように、鏡筒の外面に対し環面駆動を形成する。鏡筒の左端にネジ山が刻設されているから、前ホルダーのネジ山が鏡筒先端のネジ山に対して移動した結果、前ホルダーが軸方向に沿って運動するようになる。従って、直線運動に転換され、フォーカスの目的を達成できる。それは、ネジ山伝達システムと称される。該システムにおいて、圧電励起信号を接触スイッチにより導入する必要がある。





図2の(1)は、多面体管型錐形シャフトにより出力する超音波モータの構造をに示す模式図であり、ステータ21の内面に錐形歯22が形成され、その外面に圧電セラミックス23が接着されて、振動体となる。そのステータ21の内側には、錐形歯22と接触する錐形シャフトがローター24として配置されている。図2の()は、その構造をロボット関節に用いる場合の組立図である。その図に示されるように、振動体の外面にモータケーシング27が嵌められ、その両端には、締め付けネジ28によりモータケーシング27と一体に固定される先端カバー25及び後端カバー26がゴムワシャー29を介して付けられている。この構造により、振動体の回転運動を直接にローターに伝達する。





しかし、上記の構造では、実際に実施する場合に、回転運動を直線運動に変換するには、他の伝達機構(ネジ山伝達またはネジ伝達)が必要である。

産業上の利用分野



この発明は、超音波応用領域に関し、特に、多面体管型超音波モータのネジ山駆動システムの構成設計に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
ステータと、
ローターと、
ステータまたはローターに一体に結合される圧電素子とを有し、
外形が多面体であるネジ山駆動多面体超音波モータにおいて、
ステータ又はローターに多面体に沿う面内屈曲進行波又は定在波が励起され、
前記ステータとローターとの接触する面同士には相互に噛合うネジ山が設けられている
ことを特徴とするネジ山駆動多面体超音波モータ。

【請求項2】
前記ローターは、前記圧電素子を多面体に接着することにより構成され、当該ローターの内面に内ネジ山が形成され、前記ローターには多面体管に沿う面内屈曲進行波が励起され、
上記ローターに対応し、外面に前記ローターの内ネジ山と噛合う外ネジ山が形成されているステータが、前記内ネジ山が形成されるローター内に嵌められる
ことを特徴とする請求項1記載のネジ山駆動多面体超音波モータ。

【請求項3】
前記ステータは、外面の一部に外側に面するボスを有する管体であり、上記外側に面するボスの外面に外ネジ山が形成され、そのステータの残った部分の外面が多面体であり、
前記圧電素子が上記ステータの多面体に接着されて超音波モータのステータを構成し、そのステータに多面体に沿う面内屈曲進行波が励起され、
前記ローターは、内ネジ山を有し、前記ステータボスの外側に嵌められ、ステータのボスの外ネジ山と噛合う管体であり、
ステータ内に、底端がステータの底端に固定支持されるインナー管が挿入されている
ことを特徴とする請求項1記載のネジ山駆動多面体超音波モータ。

【請求項4】
前記ステータは、内面の一部に内側に面するボスを有する管体であり、上記内側に面するボスの内面に内ネジ山が形成され、上記ステータは、上記圧電素子を多面体に接着することにより構成され、前記ローターは、外ネジ山を有し、前記ステータ内に嵌められ、ステータのボスの内ネジ山と噛合う管体である
ことを特徴とする請求項1記載のネジ山駆動多面体超音波モータ。

【請求項5】
前記ステータは、上記圧電素子を多面体に接着することにより構成され、上記ステータの内面に内ネジ山が形成され、上記ステータに多面体管に沿う面内屈曲進行波が励起され、
上記ステータに対応するローターは、前記内ネジ山を有するステータ内に嵌められ、上記ローターの外面に上記ステータと噛合う外ネジ山が形成されている
ことを特徴とする請求項1記載のネジ山駆動多面体超音波モータ。

【請求項6】
前記圧電素子の数は、面内屈曲進行波又は定在波を形成できる1、2、3、4又はそれ以上であり、特に6、8、又は12であり、
その圧電素子は、シート状、弧状シート、柱状であり、或いは全体リング状又は錐形圧電セラミックスを分割してなる
ことを特徴とする請求項1、2、3、4、又は5記載のネジ山駆動多面体超音波モータ。

【請求項7】
前記ステータは、シングルステータ、ダブルステータ又はマルチステータ構成であり、
ステータとローターとのネジ山同士を互いに密着させるように、スプリング又はU型弾性シート或いは磁気素子によりプリテンションを提供し、
前記ネジ山は、断面形状が三角形、台形、矩形、凸面又はその組合せである連続的、間欠的又は特定の軌跡に沿う曲線状のネジ山であり、
前記ネジ山の表面に耐摩耗性処理を実行されており、或いは耐磨耗性材料が塗布されている
ことを特徴とする請求項1、2、3、4、又は5記載のネジ山駆動多面体超音波モータ。

【請求項8】
前記シングルステータ、或いはダブルステータまたはマルチステータの一つは、一端が薄肉の振動バリア区域によりベースに固定されている、又は、一端が直接にベースに固定されている
ことを特徴とする請求項6記載のネジ山駆動多面体超音波モータ。

【請求項9】
前記ローターは、ダブル又はマルチローター構成であり、ステータとローターとのネジ山同士を互いに密着させるように、スプリング又はU型弾性シート或いは磁性素子によりプリテンションを提供し、
前記ローターは、中実又は中空のものである
ことを特徴とする請求項1、2、3、4、又は5記載のネジ山駆動多面体超音波モータ。

【請求項10】
前記ローターは、ダブル又はマルチローター構成であり、前記ステータは、ダブル又はマルチステータ構成であり、
ダブルステータ又はダブルローターを小さな角度でずらして同軸に接着することにより、プリテンションを提供して、ステータとローターとのネジ山対偶をプリテンションする
ことを特徴とする請求項1、2、3、4、又は5記載のネジ山駆動多面体超音波モータ。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2008540432thum.jpg
出願権利状態 登録
分野
  • 電気
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