(57)【要約】【課題】複雑な制御を必要とせずに、駆動効率を落とすことなく低速から高速まで安定した駆動を行うことができる超音波モータを提供する。【解決手段】複数の振動体と回転体を有する超音波モータにおいて、振動子２４に接触する回転体２５と、振動子３４に接触する回転体３５と、回転体３４、３５を駆動連結して、その出力を共通の出力軸４５から取り出す差動機構部４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動体と回転体を有する超音波モータにおいて、
第一の振動体に接触する第一の回転体と、
第二の振動体に接触する第二の回転体と、
前記第一の回転体及び前記第二の回転体を駆動連結して、その出力を共通の出力軸から取り出す差動機構部と、
を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記第一の振動体と前記第一の回転体とを加圧させる第一の加圧手段と、
前記第二の振動体と前記第二の回転体とを加圧させる第二の加圧手段と、
前記第一の振動体を支持する第一の支持手段と、
前記第二の振動体を支持する第二の支持手段とを備え、
前記第一の加圧手段と前記第二の加圧手段、前記第一の支持手段と前記第二の支持手段の少なくとも一方を共通化することを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】
請求項１記載の超音波モータの制御装置であって、
与えられた速度指令に応じて、前記第一の回転体の回転方向と前記第二の回転体の回転方向を異ならせるように、前記第一の振動体と前記第二の振動体に印加する周波数を制御する周波数制御手段を備えることを特徴とする超音波モータの制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の超音波モータを駆動源として備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータ及びその制御装置、並びに超音波モータを備える電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数の振動体と回転体を有する超音波モータは広く知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の超音波モータは、図１２に示すように、ディスク形状に形成された第一及び第二の振動弾性体１２０１、１２０２の間に、電気−機械エネルギー変換素子（圧電素子）１２０３、１２０４を挟持する。
【０００４】
そして、第一の振動弾性体１２０１と第二の振動弾性体１２０２の対向面に合成振動として位相が反転した円または楕円運動を形成し、第一及び第二の振動弾性体の双方またはいずれか一方を振動エネルギーの出力部としている。
【０００５】
上記特許文献１のように、複数の弾性振動体を用いることで、大トルクの出力を得ることができる。また複数の振動エネルギーを共通の回転軸に出力することで、各振動弾性体に接触する各々の接触体の回転ムラも打ち消すことができる。
【０００６】
しかし、上記特許文献１記載の超音波モータは、トルクの増大を実現することが可能であるが、低速での駆動には対応していない。
【０００７】
そこで、超音波モータで安定した低速駆動を実現するための対策が検討されており、特許文献２に記載の技術が提案されている。
【０００８】
特許文献２に提案された技術は、電気―機械エネルギー変換素子に複数の駆動信号を印加して、振動体に進行性振動を励起し、振動体と接触体とを相対移動させる超音波モータの制御装置に関するものである。この制御装置では、進行性振動の最大変位が増加し、かつその最大変位が極大となる位置が移動するように制御する。
【０００９】
そして、その制御法は、複数の駆動信号にそれぞれ振幅変調と位相変調をかけることより、複数の振動で構成する定在波成分を回転させるものである。また、逆向き周波数の異なる進行波を合成させることで、振幅を保ち、振幅の極大値を変化させるものである。
【特許文献１】特開２００１−１６８７５号公報
【特許文献２】特開２００５−２６９８２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら上記特許文献２に提案の技術は、位相変調をかけるため、従来から行われていた、通常の一つの進行波で駆動させる駆動法より駆動効率が落ちる懸念がある。
【００１１】
本発明の目的は、複雑な制御を必要とせずに、駆動効率を落とすことなく低速から高速まで安定した駆動を行うことができる超音波モータ及びその制御装置、並びに電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項１記載の超音波モータは、複数の振動体と回転体を有する超音波モータにおいて、第一の振動体に接触する第一の回転体と、第二の振動体に接触する第二の回転体と、前記第一の回転体及び前記第二の回転体を駆動連結して、その出力を共通の出力軸から取り出す差動機構部とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の超音波モータの制御装置は、請求項１記載の超音波モータの制御装置であって、与えられた速度指令に応じて、前記第一の回転体の回転方向と前記第二の回転体の回転方向を異ならせるように、前記第一の振動体と前記第二の振動体に印加する周波数を制御する周波数制御手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の電子機器は、請求項１記載の超音波モータを駆動源として備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の超音波モータによれば、複雑な制御を必要とせずに、駆動効率を落とすことなく低速から高速まで安定した駆動を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係る超音波モータの構成図である。
【００１８】
超音波モータ１は、第一の駆動部２、第二の駆動部３、差動機構部４、外筒部５、エンコーダ部６によって構成されている。
【００１９】
第一の駆動部２は、振動子２４と、摩擦部２１ａに加圧接触して回転する回転体２５から構成される。
【００２０】
振動子（第一の振動体）２４は、摩擦部２１ａ及びくびれ部２１ｂが一体に形成された振動増幅部２１と、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子２２と、圧電素子２２を挟持する挟持部材２３からなる。
【００２１】
挟持部材２３は、ナット形状になっており、振動増幅部２１に形成されたねじ部２１ｃとかみ合い、圧電素子２２と圧電素子２２に電力を供給するフレキシブルプリント基板２６を挟持している。
【００２２】
回転体（第一の回転体）２５は、内歯車４１ａを有する第一軸４１が圧入されており、回転体２５が回転すると、第一軸４１も同様に回転する。
【００２３】
第二の駆動部３は、第一の駆動部２とほぼ同一の構成を成しており、振動子３４と摩擦部３１ａに加圧接触して回転する回転体３５を備える。
【００２４】
振動子（第二の振動体）３４は、摩擦部３１ａ及びくびれ部３１ｂが一体に形成された振動増幅部３１と、電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子３２と、圧電素子３２を挟持する挟持部材３３からなる。
【００２５】
挟持部材２３と同様に、挟持部材３３も、振動増幅部３１に形成されたねじ部３１ｃとかみ合い、圧電素子３２と圧電素子３２に電力を供するフレキシブルプリント基板３６を挟持している。
【００２６】
回転体（第二の回転体）３５は、加圧ばね３８を圧接した状態で、回り止め３７と嵌合する構造になっている。加圧ばね３８は、第一の加圧手段及び第二の加圧手段を共通化したものである。回り止め３７には、太陽歯車４２ａを有する第二軸４２が圧入されているため、回り止め３７が回転体３５に嵌合された場合は、回転体３５が回転すると第二軸４２も同様に回転する。
【００２７】
圧電素子２２、３２は超音波モータ１に適した分極処理が施されている。
【００２８】
本実施の形態では、複数の圧電素子を積層して一体化し焼結した積層型圧電素子を用いている。この積層型圧電素子を用いることで、単一の板状の圧電素子を用いる場合に比べて、低い印加電圧で大きな変形歪や、大きな力が得られる。
【００２９】
各電圧層の４分割された領域Ａ＋、Ｂ＋、Ａ−、Ｂ−のうち互いに１８０度の位置関係にあるＡ＋、Ａ−の領域で分極極性がプラスとマイナスになるように、同様に、Ｂ＋、Ｂ−の領域で分極極性がプラスとマイナスになるように、電圧を印加して分極処理を行う。
【００３０】
フレキシブルプリント基板２６、３６の圧電素子２２、３２と圧接している面は、電極パターンが形成されており、圧電素子２２、３２の表面電極と電気的に導通している。
【００３１】
また、フレキシブルプリント基板２６、３６の他端は、不図示の外部電源に接続されており、Ａ＋、Ａ−をＡ相、Ｂ＋、Ｂ−をＢ相とし、Ａ相とＢ相は周波数が同一で、電気的に位相が９０度異なる高周波電圧を印加する。
【００３２】
これにより、振動子２４、３４は、それぞれ曲げ振動を発生して、両端部に首ふり運動を生じる。首ふり振動により、両端部の摩擦部２１ａ、３１ａには楕円運動が発生する。
【００３３】
一方、回転体２５、３５には、ばね性のあるステンレス鋼で形成されたツバ状のツバばね２５ａ、３５ａが接合されている。ツバばね２５ａ、３５ａの端面は加圧ばね３８により、摩擦部２１ａ、３１ａにそれぞれ圧接されており、摩擦部２１ａ、３１ａの楕円運動とツバばね２５ａ、３５ａとの摩擦力により、回転体２５、３５は回転駆動を行う。
【００３４】
第一軸４１は中空構造になっており、第二軸４２が回転自在に貫通している。加圧ばね３８による反力は、第一軸４１から軸受け４３を介して第二軸４２に伝達し、さらに軸受け４４、出力軸４５を介して軸受け４６で受けている。
【００３５】
回転体２５の出力は第一軸４１に、回転体３５の出力は第二軸４２に伝達し、第一軸４１、第二軸４２はそれぞれ独立して回転する。
【００３６】
また、第一の駆動部２と第二の駆動部３の間には支持板４７が挟持されており、支持板４７の端部は外筒前部５１に固定されている。支持板４７は、第一の支持手段及び第二の支持手段を共通化したものである。外筒部５は、外筒前部５１と外筒後部５２から構成されている。
【００３７】
支持板４７は、薄板のばね材を用いており、第一、第二の駆動部２、３のスラスト方向は移動自由に、ラジアル方向は回転を規制して固定している。
【００３８】
次に、駆動部の回転力を出力軸４５に伝達する機構である差動機構部４について、図２〜図５を用いて説明する。
【００３９】
図２は、図１における差動機構部４の正面図、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は、図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図５は、図１における差動機構部４の斜視図である。
【００４０】
差動機構部４は、回転体３４、３５（第一軸４１、第二軸４２）を駆動連結して、その出力を共通の出力軸４５から取り出すものである。
【００４１】
差動機構部４は、図２に示すように、第一軸４１と第二軸４２と出力軸４５を備える。
【００４２】
また、差動機構部４は、図３、図４に示すように、第一軸４１の一端に取り付けられた内歯車４１ａと、内歯車４１ａにかみ合い、等間隔に配置された遊星歯車４８ａ、４８ｂ、４８ｃを備える。また、差動機構部４は、遊星歯車４８ａ、４８ｂ、４８ｃにかみ合い、第二軸４２の一端に取り付けられた太陽歯車４２ａを備える。
【００４３】
太陽歯車４２ａには、軸受け４３が取り付けられており、軸受け４３には出力軸４５が回転自由に取り付けられている。
【００４４】
また、遊星歯車４８ａ、４８ｂ、４８ｃには、出力軸４５の遊星歯車軸部４５ａ、４５ｂ、４５ｃがそれぞれ回転自由に取り付けられており、遊星歯車４８ａ、４８ｂ、４８ｃの太陽歯車４２ａに対する公転が、出力軸４５の回転力として出力される。
【００４５】
本実施の形態では、差動機構４として、一般的な遊星歯車減速機構を用いている。ここで図５を用いて、具体的な動作について説明する。
【００４６】
本実施の形態では、内歯車４１ａの歯数Ｎ１は太陽歯車４２ａの歯数Ｎ２の２倍となっており、便宜上説明に使用する回転速度αは回転速度βの２倍とする。
【００４７】
出力軸４５に伝達される出力は、第一軸４１と第二軸４２の回転方向と回転速度だけでなく、機構に作用する負荷との速度トルク特性によって決まるため、一義的には決まらない。
【００４８】
ここでは簡略的に説明するため、出力軸４５にかかる力のつりあいから理論式（１）が成り立つものとして、その一例の代表的なパターンを図６〜図９に示す。尚、計算式では矢印方向ＣＷを＋とし、ＣＣＷを−として計算する。
【００４９】
【数１】
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【００５０】
図６は、図５における第一軸４１が矢印方向ＣＷに、第二軸４２も矢印方向ＣＷに、同回転速度αで回転した場合の回転方向と回転角速度を示す図表である。
【００５１】
このとき、遊星歯車４８ａ、４８ｂ、４８ｃは自転せず、第一軸４１と第二軸４２に連れ回って同回転速度で同軸上を公転するため、出力軸４５は矢印方向ＣＷに同様に回転速度αで回転する。
【００５２】
図７は、図５における第一軸４１が矢印方向ＣＷに角速度αで回転し、第二軸４２が矢印方向ＣＷへ角速度βで回転した場合の回転方向と回転角速度を示す図表である。
【００５３】
この場合、出力軸４５は、式（１）より、矢印方向ＣＷに角速度５／３αで回転する。
【００５４】
図８は、図５における第一軸４１が矢印方向ＣＷに角速度αで回転し、第二軸４２が矢印方向ＣＣＷに角速度βで回転した場合の回転方向と回転角速度を示す図表である。
【００５５】
この場合、出力軸４５は、式（１）より、矢印方向ＣＷに角速度１／２αで回転する。
【００５６】
図９は、図５における第一軸４１が矢印方向にＣＷに角速度βで回転し、第二軸４２が矢印方向ＣＣＷに角速度αで回転した場合の回転方向と回転角速度を示す図表である。
【００５７】
この場合、出力軸４５の角速度は式（１）により０になる。つまり、この場合、遊星歯車４８ａ、４８ｂ、４８ｃは、それぞれ自転はするが、内歯車４１ａの回転と、太陽歯車４２ａの回転の差分で公転はしないため、出力軸４５は回転せずに、停止したままである。
【００５８】
また、図１に示すように、出力軸４５の回転速度を検出するため、出力軸４５にはエンコーダホイール６１が固定されており、エンコーダホイール６１と適切な一定距離をおいた正面位置になるように、エンコーダセンサ６２を外筒前部５１の内側に配置している。
【００５９】
図１０は、本発明の実施の形態に係る、図１の超音波モータ１の制御装置のブロック図である。
【００６０】
本実施の形態の制御装置は、超音波モータ１の速度制御を行うものである。
【００６１】
超音波モータ１に備え付けた速度検出器１１１からの速度情報と外部の制御回路から与えられた速度指令値１１２の偏差に応じて周波数制御回路１１３が駆動信号の周波数を設定する。
【００６２】
各制御パラメータとして、不図示のメモリに予め速度に対して最適な周波数が記憶されており、速度検出器１１１によって検出された速度に応じた制御パラメ−タがメモリから読み出される。
【００６３】
周波数制御回路１１３によって決定された周波数指令はｆ１、ｆ２としてそれぞれ第一の駆動回路（駆動電圧生成回路）１１４及び第二の駆動回路１１５に入力される。
【００６４】
第一の駆動回路１１４から周波数指令ｆ１に応じた駆動信号Φ１１、Φ１２が圧電素子２２に供給され、第二の駆動回路１１５から周波数指令ｆ２に応じた駆動信号Φ２１、Φ２２が圧電素子３２に供給される。
【００６５】
ここで、周波数制御回路１１３が行う制御方法を説明する。
【００６６】
本発明の超音波モータ１は、第一の駆動部２と第二の駆動部３からの出力を、差動機構部４を用いて一つの出力として統合させるため、二つの駆動部を逆方向に駆動させる場合と、同一方向に駆動させる場合が考えられる。
【００６７】
そのため、出力軸４５の速度と速度指令値、駆動信号の周波数等をパラメータとして、これらが所定の値をよぎるポイントを境に、二つの駆動部を同一方向に回転させるか、逆方向に回転させるかを切り替えることが必要である。
【００６８】
図１１は、図１０の制御装置によって実行される超音波モータの駆動周波数制御処理の手順を示すフローチャートである。
【００６９】
本処理は、図１０における周波数制御回路１１３によって実行される。
【００７０】
図１１において、超音波モータ１の駆動を開始すると、ステップＳ１０１では、周波数制御回路１１３は、速度指令値と所定の速度値を比較する。速度指令値が所定の速度値以下であればステップＳ１０２進み、所定の速度より大きければステップＳ１０３へ進む。
【００７１】
ステップＳ１０２では、周波数制御回路１１３は、第一の駆動回路１１４と第二の駆動回路１１５に予め与えられた初期周波数（所定の周波数）を出力する。このとき、第一の駆動部２と第二の駆動部３が逆回転するように、第一の周波数と第二の周波数を設定する。
【００７２】
次に、ステップＳ１０４では、周波数制御回路１１３は、外部から与えられた速度指令値１１２を読み出し、現在の速度値と比較し、比較した値が０でない場合、ステップＳ１０５に進み、第一の駆動回路１１４を第一の周波数で制御する。
【００７３】
一方、ステツプＳ１０３でも、周波数制御回路１１３は、第一の駆動回路１１４と第二の駆動回路１１５に予め与えられた初期周波数（所定の周波数）を出力する。このとき第一の周波数と第二の周波数は同一方向の進行波を形成させる。
【００７４】
次に、ステップＳ１０６では、外部から与えられた速度指令値を読み出し、現在の速度値と比較する。
【００７５】
次にステップＳ１０７で、周波数制御回路１１３は、外部から与えられた速度指令値１１２を読み出し、現在の速度値と比較し、比較した値が０でない場合、ステップＳ１０７に進み、第一の駆動回路１１４を第一の周波数で制御する。
【００７６】
本実施の形態では、第一の周波数を主に制御したが、第二の周波数を制御しても同様の効果がある。
【００７７】
また、本発明の電子機器は、図１の超音波モータ１を駆動源として備える。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態に係る超音波モータの構成図である。
【図２】図１における差動機構部４の正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】図１における差動機構部４の斜視図である。
【図６】図５における第一軸４１が矢印方向ＣＷに、第二軸４２も矢印方向ＣＷに、同回転速度αで回転した場合の回転方向と回転角速度を示す図表である。
【図７】図５における第一軸４１が矢印方向ＣＷに角速度αで回転し、第二軸４２が矢印方向ＣＷへ角速度βで回転した場合の回転方向と回転角速度を示す図表である。
【図８】図５における第一軸４１が矢印方向ＣＷに角速度αで回転し、第二軸４２が矢印方向ＣＣＷに角速度βで回転した場合の回転方向と回転角速度を示す図表である。
【図９】図５における第一軸４１が矢印方向にＣＷに角速度βで回転し、第二軸４２が矢印方向ＣＣＷに角速度αで回転した場合の回転方向と回転角速度を示す図表である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る、図１の超音波モータ１の制御装置のブロック図である。
【図１１】図１０の制御装置によって実行される超音波モータの駆動周波数制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】従来例に係る超音波モータの構成図である。
【符号の説明】
【００７９】
１  超音波モータ
２  第一の駆動部
２２  圧電素子
２４  振動子
２５  回転体
３  第二の駆動部
３２  圧電素子
３４  振動子
３５  回転体
３８  加圧ばね
４  差動機構部
４１  第一軸
４２  第二軸
４５  出力軸
５  外筒部
６  エンコーダ部
１１３  周波数制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010063228.tif 000010
【図８】
2010063228.tif 000011
【図９】
2010063228.tif 000012
【図１０】
2010063228.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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