(57)【要約】【課題】超音波モータに余計な負荷をかけることなく、ステータとロータの固着を解除可能な超音波モータを得る。【解決手段】交流電源４２がＶ０ｃｏｓ（ωｔ）による交流電圧であるとき、スイッチ２５により交流電源４２が第２の印加電極に直接接続されると、第２の振動部材３２０にＶ０ｃｏｓ（ωｔ）による交流電圧が印加される。このとき、圧電体１９のＡ領域における振幅ＡａとＢ領域における振幅Ａｂを加えて得られる振幅Ａｔは以下の式になる。Ａｔ＝（√２）Ａ０ｓｉｎ（２πｘ／λ＋π／４）ｃｏｓ（ωｔ）この式は、振幅が（√２）Ａ０である定在波を示す。そのため、スイッチ２５により交流電源４２が第２の印加電極２４に直接接続されると、スイッチ２５により交流電源４２が移相器４１に接続された場合と比較して、（√２）倍の振幅で圧電体１９が振動することがわかる。【選択図】図２
2011030414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる位相を有する複数の電圧が同時に印加されて進行波を生じるステータと、
前記ステータが生じる進行波により回転するロータとを備え、
所定期間の間、同じ位相を有する複数の電圧を前記ステータに同時に印加して前記ステータに定在波を生じさせる超音波モータ。
【請求項２】
起動時から所定期間の間、同じ位相を有する複数の電圧を前記ステータに同時に印加して前記ステータに定在波を生じさせる請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記ロータの回転を検出する検出部材をさらに備え、
前記ロータが回転していないことを前記検出部材が検出したとき、所定期間、同じ位相を有する複数の電圧を前記ステータに同時に印加して前記ステータに定在波を生じさせる請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記ステータは、所定の波長で振動する第１の振動部材と、第１の振動部材とは別に設けられ、前記所定の波長で振動する第２の振動部材とを備え、
前記第１の振動部材及び前記第２の振動部材は環を形成し、
所定期間の間、同じ位相を有する第１及び第２の電圧を前記第１及び第２の振動部材に各々同時に印加して前記ステータに定在波を生じさせる請求項１から３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記ステータは、所定の波長で振動する第１の振動部材と、第１の振動部材とは別に設けられ、前記所定の波長で振動する第２の振動部材とを備え、
前記第１の振動部材及び前記第２の振動部材は環を形成し、
異なる位相を有する第１及び第２の電圧を前記第１及び第２の振動部材に各々同時に印加して前記ステータに進行波を生じさせる請求項１から３に記載の超音波モータ。
【請求項６】
進行波を生じるステータと、前記ステータが生じる進行波により回転可能であるロータとを備える超音波モータ制御方法であって、
前記ステータに進行波を生じさせるステップと、
前記進行波による前記ロータの回転を検出するステップと、
前記ロータが回転していないことを検出したとき、同じ位相を有する複数の電圧を前記ステータに同時に印加するステップとを備える超音波モータ制御方法。
【請求項７】
進行波を生じるステータと、前記ステータが生じる進行波により回転可能であるロータとを備える超音波モータ制御方法であって、
起動時において前記ロータの回転を検出するステップと、
起動時から所定期間の間、同じ位相を有する複数の電圧を前記ステータに同時に印加するステップとを備える超音波モータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動により形成される進行波を用いて回転力を発生する環状の超音波モータに関し、より詳しくは、超音波モータの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、環状のステータと、ステータの軸方向に回転可能に圧着される環状のロータとを備える超音波モータが知られている。ステータは電圧が印加されることにより進行波を発生し、この進行波によりロータが回転する。
【０００３】
例えば長期間に渡り超音波モータを動作させなかった場合など、ステータとロータが固着してしまい、ロータが回転しなくなることがある。固着を解除するため、ステータに印加する電圧を一時的に上昇させて進行波の振幅を大きくする方法が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−４２７８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ステータに印加する電圧は電圧供給回路の上限に近く、一時的にせよ電圧を上昇させることは電圧供給回路の負荷が大きくなり、超音波モータの寿命を縮めることになる。
【０００６】
本発明は、この問題を鑑みてなされたものであり、超音波モータに余計な負荷をかけることなく、ステータとロータの固着を解除可能な超音波モータ及び超音波モータ制御方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願第１の発明による超音波モータは、異なる位相を有する複数の電圧が同時に印加されて進行波を生じるステータと、ステータが生じる進行波により回転するロータとを備え、所定期間の間、同じ位相を有する複数の電圧をステータに同時に印加してステータに定在波を生じさせることを特徴とする。
【０００８】
超音波モータは、起動時から所定期間の間、同じ位相を有する複数の電圧をステータに同時に印加してステータに定在波を生じさせることが好ましい。
【０００９】
超音波モータは、ロータの回転を検出する検出部材をさらに備え、ロータが回転していないことを検出部材が検出したとき、所定期間、同じ位相を有する複数の電圧をステータに同時に印加してステータに定在波を生じさせてもよい。
【００１０】
ステータは、所定の波長で振動する第１の振動部材と、第１の振動部材とは別に設けられ、所定の波長で振動する第２の振動部材とを備え、第１の振動部材及び第２の振動部材は環を形成し、超音波モータは、所定期間の間、同じ位相を有する第１及び第２の電圧を第１及び第２の振動部材に各々同時に印加してステータに定在波を生じさせることが好ましい。
【００１１】
ステータは、所定の波長で振動する第１の振動部材と、第１の振動部材とは別に設けられ、所定の波長で振動する第２の振動部材とを備え、第１の振動部材及び第２の振動部材は環を形成し、超音波モータは、異なる位相を有する第１及び第２の電圧を第１及び第２の振動部材に各々同時に印加してステータに進行波を生じさせてもよい。
【００１２】
本願第２の発明による超音波モータ制御方法は、進行波を生じるステータと、ステータが生じる進行波により回転可能であるロータとを備える超音波モータ制御方法であって、ステータに進行波を生じさせるステップと、進行波によるロータの回転を検出するステップと、ロータが回転していないことを検出したとき、同じ位相を有する複数の電圧をステータに同時に印加するステップとを備えることを特徴とする。
【００１３】
本願第３の発明による超音波モータ制御方法は、進行波を生じるステータと、ステータが生じる進行波により回転可能であるロータとを備える超音波モータ制御方法であって、起動時においてロータの回転を検出するステップと、起動時から所定期間の間、同じ位相を有する複数の電圧をステータに同時に印加するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明によれば、超音波モータに余計な負荷をかけることなく、ステータとロータの固着を解除可能な超音波モータ及び超音波モータ制御方法を得る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態による超音波モータの分解斜視図である。
【図２】電極板と周辺回路との接続状態を示したブロック図である。
【図３】電極板をベースから見た背面図である。
【図４】固着解除処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一実施形態による超音波モータ１０について、図１から３を用いて説明する。
【００１７】
超音波モータ１０は、出力軸１１、係止板１２、加圧スプリング１３、ロータ１４、ステータ１５、及びベース１７とから主に構成される。
【００１８】
出力軸１１は、超音波モータ１０の回転軸Ｘ上に配置され、超音波モータ１０の回転力を外部に伝達する。
【００１９】
ベース１７は、外部の固定部材に取り付けられ、固定部材に対して出力軸１１が回転自在となるように図示しないベアリングを介して出力軸１１を支持する。
【００２０】
ステータ１５は、円盤形状であって、円盤の中心軸と同軸の円筒穴を有する。円筒穴の径は出力軸１１の径よりも大きく、ステータ１５は出力軸１１と接触しない。ステータ１５は、中心軸が超音波モータ１０の回転軸Ｘと同軸となるようにベース１７に固定される。
【００２１】
係止板１２、加圧スプリング１３、ロータ１４は、円盤形状を有する。これらは、円盤の中心軸と同軸の円筒穴を各々有し、中心軸は回転軸Ｘ上に設けられる。係止板１２及び加圧スプリング１３は、それらの円筒穴と嵌合する出力軸１１に固定される。ロータ１４は、その円筒穴が出力軸１１と遊嵌することにより、軸方向に自由に移動可能である。以下、回転軸Ｘにおいて、ベース１７から係止板１２に向けた方向を正方向として説明する。
【００２２】
ロータ１４、加圧スプリング１３は回転軸Ｘ方向に対し弾性を有する。係止板１２は、ロータ及び加圧スプリング１３を所定の力でステータ１５に押しつける。加圧スプリング１３は、ロータ１４がステータ１５に押しつけられる力を一定に保つ。
【００２３】
ステータ１５は、弾性体である弾性部材１６、振動部材である圧電体１９、及びフレキシブルプリント基板から成る電極板２０により構成される。圧電体１９は、電圧を加えると変形するセラミックから成る。
【００２４】
弾性部材１６は、回転軸Ｘと一致する軸を有する略円筒形の環状体であって、導電性を有する。また、弾性部材１６は、円周方向において等間隔に２４個に分割される櫛歯１６ａを備える。櫛歯１６ａは、回転軸Ｘ正方向に突出し、回転軸Ｘ正負方向、及び円周方向に振動自在である。櫛歯１６ａの頂面は、ロータ１４と接触する。弾性部材１６は、櫛歯１６ａが突出する面の裏面に、回転軸Ｘに対して直角を成す貼着面２７を有する。
【００２５】
圧電体１９は、回転軸Ｘと一致する軸を有する円盤状の環状体であって、軸方向長さは、径方向長さと比べて短い。また、圧電体１９は、回転軸Ｘ方向において弾性部材１６と電極板２０との間に挟まれて、接着剤により貼着面２７に貼り付けられる。接着剤は、樹脂系接着剤、例えばエポキシ系接着剤又はアクリル系接着剤が好適である。これにより、圧電体１９の片面全体が貼着面２７に密着する。
【００２６】
電極板２０は、薄い円盤形状を有し、中心に円盤と同心円の穴部２６を備える。電極板２０において、圧電体１９及び弾性部材１６と接触する面に、第１の印加電極２１、第２の印加電極２４、及び接地電極２２が設けられる。第１の印加電極２１は、円盤の略半周に渡って設けられ、第２の印加電極２４は、円盤の他方の半周に渡って設けられる。第１の印加電極２１及び第２の印加電極２４は、電極板２０の外周まで伸びる部位をそれぞれ有する。穴部２６の全周には、接地電極２２が設けられる。接地電極２２は、穴部２６から電極板２０の外周まで伸びる部位を有する。これらの電極板２０の外周まで伸びる部位を介して電圧が印加される。
【００２７】
第１の印加電極２１は、交流電源４２に直接接続される。第２の印加電極２４は移相器４１を介して交流電源４２に接続される。接地電極２２は接地される。移相器４１は、交流電源４２の位相をπ／２ずらした交流電圧を第２の印加電極２４に印加する。外部検出装置４４は、超音波モータ１０の外部に設けられ、超音波モータ１０の回転数を検出し、入力制御回路４３に送信する。入力制御回路４３は、外部検出装置４４から送信された回転数に応じて、交流電源４２の電圧及び駆動周波数を制御する。接地電極２２及び電極板２０に印加される交流電圧は４００Ｖ、周波数は６０ｋＨｚである。
【００２８】
図２を用いて圧電体１９について説明する。図２は、弾性部材１６側から見た圧電体１９を示す。図に記載した＋及び−は、説明のために記載したものであり、電極に印加される電荷の特性を示すものではない。また、説明のため電力線が圧電体１９に直接接続されるが、実際は、第１の印加電極２１及び第２の印加電極２４に電力線が接続される。
【００２９】
圧電体１９は、第１から第５のＡ圧電体３１１、３１３、３１５、３２３、３２５と、第１から第５のＢ圧電体３１２、３１４、３２２、３２４、３２６とから成る。第１から第５のＡ圧電体３１１−３２５及び第１から第５のＢ圧電体３１２−３２６に交流電圧を印加すると、第１から第５のＡ圧電体３１１−３２５においては回転軸Ｘ方向に対する長さが伸張、収縮を繰り返し、第１から第５のＢ圧電体３１２−３２６においては回転軸Ｘ方向に対する長さが収縮、伸張を繰り返す。
【００３０】
第１から第３のＡ圧電体３１１、３１３、３１５及び第１、第２のＢ圧電体３１２、３１４が、第１の振動部材である第１の領域３１０を成し、第４、第５のＡ圧電体３２３、３２５及び第３から第５のＢ圧電体３２２、３２４、３２６が、第２の振動部材である第２の領域３２０を成す。第１の領域３１０と第２の領域３２０との間には、中立領域３０が設けられる。中立領域３０には、電圧が印加されない。
【００３１】
第１の領域３１０には第１の印加電極２１が貼り付けられ、第２の領域３２０には第２の印加電極２４が貼り付けられる。そして、第１の印加電極２１及び第２の印加電極２４が貼り付けられる面の裏面には、弾性部材１６を介して圧電体１９と接地電極２２が接触する。これにより、圧電体１９が接地される。圧電体１９に電圧が印加されると、第１の領域３１０及び第２の領域３２０が回転軸Ｘ方向に変位するが、第２の領域３２０は、第１の領域３１０に対してπ／２ずれた位相で回転軸Ｘ方向に変位する。
【００３２】
次に、超音波モータ１０の動作について説明する。
【００３３】
電極板２０、すなわち第１から第５のＡ圧電体３１１、３１３、３１５、３２３、３２５と、第１から第５のＢ圧電体３１２、３１４、３２２、３２４、３２６に交流電圧が印加されると、圧電体１９の第１の領域３１０と第２の領域３２０とが、印加電圧に応じて所定の周期で振動する。この振動により、弾性部材１６が回転軸方向及び周方向に振動して、波長λの進行波が弾性部材１６の頂面に生成される。加圧スプリング１３により弾性部材１６に押しつけられるロータ１４は、この進行波により回転する。ロータ１４による回転力は出力軸１１を介して外部に伝達される。なお、第２の領域３２０と第１の領域３１０とのπ／２のずれは、進行波の波長λの１／４、つまりλ／４に相当する。また、第１から第５のＡ圧電体３１１、３１３、３１５、３２３、３２５及び第１から第５のＢ圧電体３１２、３１４、３２２、３２４、３２６の周方向における長さは、進行波の波長λの１／２、つまりλ／２に相当する。
【００３４】
交流電源４２がＶ０ｃｏｓ（ωｔ）による交流電圧であるとき、スイッチ２５により交流電源４２が移相器４１に接続されると、第２の領域３２０にＶ０ｃｏｓ（（ω−π／２）ｔ）による交流電圧が印加される。
【００３５】
このとき、圧電体１９の第１の領域３１０における振幅Ａａと第２の領域３２０における振幅Ａｂは以下の式による。
Ａａ＝Ａ０ｓｉｎ（２πｘ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
Ａｂ＝Ａ０ｓｉｎ（２π（ｘ−λ／４））ｓｉｎ（ωｔ）＝Ａ０ｃｏｓ（２πｘ／λ）ｓｉｎ（ωｔ）
ここで、ｘは圧電体１９の周方向において所定の点を原点とする座標である。
【００３６】
そして、第１の領域３１０における振幅Ａａと第２の領域３２０における振幅Ａｂを加えて得られる振幅Ａｔは以下の式になる。
Ａｔ＝Ａａ＋Ａｂ＝Ａ０ｓｉｎ（２πｘ／λ＋ωｔ）
この式は、振幅がＡ０である進行波がステータ１５に生じることを示すものであるから、ロータ１４がこの式に応じて回転することがわかる。
【００３７】
一方、交流電源４２がＶ０ｃｏｓ（ωｔ）による交流電圧であるとき、スイッチ２５により交流電源４２が第２の印加電極２４に直接接続されると、第２の領域３２０にＶ０ｃｏｓ（ωｔ）による交流電圧が印加される。
【００３８】
このとき、圧電体１９の第１の領域３１０における振幅Ａａと第２の領域３２０における振幅Ａｂは以下の式による。
Ａａ＝Ａ０ｓｉｎ（２πｘ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
Ａｂ＝Ａ０ｓｉｎ（２πｘ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
ここで、ｘは圧電体１９の周方向において所定の点を原点とする座標である。
【００３９】
そして、Ａ領域における振幅ＡａとＢ領域における振幅Ａｂを加えて得られる振幅Ａｔは以下の式になる。
Ａｔ＝Ａａ＋Ａｂ＝（√２）Ａ０ｓｉｎ（２πｘ／λ＋π／４）ｃｏｓ（ωｔ）
この式は、振幅が（√２）Ａ０である定在波を示す。
【００４０】
そのため、スイッチ２５により交流電源４２が第２の印加電極２４に直接接続されると、スイッチ２５により交流電源４２が移相器４１に接続された場合と比較して、（√２）倍の振幅で圧電体１９が振動することがわかる。
【００４１】
次に、図３を用いて、固着解除処理について説明する。固着解除処理は、超音波モータ１０が起動されたときに実行される。
【００４２】
ステップＳ３１では、超音波モータ１０、すなわちロータ１４の回転を外部検出装置４４が検出したか否かを判断する。回転を検出しないとき、処理はステップＳ３２に進み、回転を検出するとき、処理は終了する。
【００４３】
ステップＳ３２では、所定期間、例えば零コンマ数秒間、スイッチ２５を電極側端子２５ａに接続させ、第１の印加電極２１及び第２の印加電極２４に交流電源４２を直接接続する。これにより、Ａ領域及びＢ領域には、振幅が（√２）Ａ０である定在波が発生し、ロータ１４とステータ１５との固着が解除される。
【００４４】
本実施形態によれば、進行波と比較して振幅が大きな定在波をステータ１５に発生させることができ、これによりロータ１４とステータ１５との間に進行波と比較して大きな力を発生させることができる。そのため、ロータ１４とステータ１５との間に加圧スプリング１３が加えている圧力を一時的に緩和して、ロータ１４とステータ１５との固着を解除することができる。
【００４５】
なお、起動時にロータ１４の回転を検出しないときにスイッチ２５を電極側端子２５ａに接続させるのではなく、超音波モータ１０の起動時にスイッチ２５を電極側端子２５ａに所定期間だけ、あるいはロータ１４の回転を検出するまで接続させてもよい。
【００４６】
交流電源４２が生じる交流電圧は、Ｖ０ｃｏｓ（ωｔ）に限定されない。
【００４７】
櫛歯１６ａの数は２４個に限定されず、超音波モータ１０に対する要求性能に応じて任意の値を採用しうる。
【００４８】
また、印加される交流電圧及び周波数は、４００Ｖ及び６０ｋＨｚに限定されない。
【符号の説明】
【００４９】
１０  超音波モータ
１１  出力軸
１２  係止板
１３  加圧スプリング
１４  ロータ
１５  ステータ
１６  弾性部材
１６ａ  櫛歯
１７  ベース
１９  圧電体
２０  電極板
２１  第１の印加電極
２２  接地電極
２４  第２の印加電極
２５  スイッチ
２５ａ  電極側端子
２５ｂ  移相器側端子
２６  穴部
２７  貼着面
３０  中立領域
４１  移相器
４２  交流電源
４３  入力制御回路
４４  外部検出装置
３１０  第１の領域
３２０  第２の領域
Ｘ  回転軸
【図１】
2011030414.tif 000003
【図２】
2011030414.tif 000004
【図３】
2011030414.tif 000005
【図４】
2011030414.tif 000006