(57)【要約】【課題】  耐久性の高い超音波モータを提供するとともに、その原理を利用することにより、高精度微小姿勢変動を可能とし、電磁界の影響の無い人工衛星の姿勢制御装置を提供する。【解決手段】  超音波モータ１０は、回転軸２を中心に有する円盤状のロータ１上に、回転軸２に直交する面に平行に且つ回転軸２に関して点対称な１対の直方体状のビーム３、３が固着されている。各ビーム３の回転軸２側の端部には、回転軸２に直交する面に平行に且つビーム３の材軸に対して所定の角度θを有するように圧電素子４が装着されている。また、ロータ１上には、インバータあるいは水晶振動子、ＬＣＲ回路などで構成される自励発振回路５が備えられている。ロータ１の反対側の面には、図示しないボルトなどによって負荷６が取り付けられている。【選択図】      図１
2005312266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を有し当該回転軸を中心として回転するロータと、前記回転軸に直交する面に平行に且つ前記回転軸に関して点対称に前記ロータに固着される対を成すビームとを備え、当該ビームの一方の端部には前記回転軸に直交する面内に加振する圧電素子を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記圧電素子は、前記ビームの材軸に対して所定の角度を有するように前記ビームの一方の端部に装着されることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記圧電素子は、前記ビームの前記ロータ外縁側の端部に装着されることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記圧電素子に交流電圧を印加する自励発振回路を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項５】
人工衛星の重心軸に直交する面に平行に且つ当該重心軸に関して点対称に前記人工衛星に固着される対を成すビームを備え、当該ビームの一方の端部には前記重心軸に直交する面内に加振する圧電素子を備えることを特徴とする人工衛星の姿勢制御装置。
【請求項６】
前記圧電素子は、前記ビームの材軸に対して所定の角度を有するように前記ビームの一方の端部に装着されることを特徴とする請求項５に記載の人工衛星の姿勢制御装置。
【請求項７】
前記圧電素子は、前記ビームの前記人工衛星外周側の端部に装着されることを特徴とする請求項５または６に記載の人工衛星の姿勢制御装置。
【請求項８】
前記圧電素子に交流電圧を印加する自励発振回路を備えることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の人工衛星の姿勢制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータおよび同原理を利用した人工衛星の姿勢制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型で高トルクを有し電磁界の影響の無いモータとして超音波モータの開発が進められている。その方式には種々のものがあるが、最も実用化されている方式は、位相の異なる圧電素子の組み合わせにより振動体（ステータ）に楕円運動を起こし、これによる進行波で、振動体に圧接した移動体（ロータ）を回転させるものである（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、この方式は、振動体と移動体間の摩擦を利用しているため、制動特性は優れるが、耐久性が低いという難点を持っていた。
モータには、ロボット用モータなど制動特性に主眼をおいたものと、ファン用モータなど回転特性に主眼をおいたものがあるが、回転特性を主眼とする場合、モータの耐久性が重要となるため、摩擦を利用する従来型の超音波モータは好ましいとはいえない。これを解決する方式として、特許文献１では、慣性力を利用するモータが提案されており、バイモルフ型圧電素子の駆動波形を鋸歯状にすることにより慣性力を引き出している。
【非特許文献１】長松昭男編、「ダイナミクス・ハンドブック」、初版、株式会社朝倉書店、１９９３年１１月、ｐ．３０５−３０６
【特許文献１】特開２００３−３０９９８４号公報  （第４頁、第４図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
圧電素子の変位は一般に非常に小さいため、構造体の固有振動数入力による共振現象を利用した振動増幅を行っている。しかし、鋸歯状の波形を固有振動数入力に用いた場合、鋸歯状の波形は単一振動数ではなく、固有振動数以外の多くの振動数成分を含むため、振動増幅率は小さくなる。従って、特許文献１に記載されたモータは、振動増幅の観点から問題がある。
さて、近年、人工衛星の姿勢制御において高精度化が求められている。しかし、従来のホイールを用いた姿勢制御ではホイール自体を小型化することが困難であり、磁気軸受けを用いて摩擦の影響を低減したとしても微小姿勢制御への対応は困難な状況にある。
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、耐久性の高い超音波モータを提供するとともに、その原理を利用することにより、高精度微小姿勢変動を可能とし、電磁界の影響の無い人工衛星の姿勢制御装置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】
【０００４】
上記目的を達成するため、本発明に係る超音波モータでは、回転軸を有し当該回転軸を中心として回転するロータと、前記回転軸に直交する面に平行に且つ前記回転軸に関して点対称に前記ロータに固着される対を成すビームとを備え、当該ビームの一方の端部には前記回転軸に直交する面内に加振する圧電素子を備えることを特徴とする。
【０００５】
図７は、基端部Ｂｂが固定されたビームＢについて、基端部ＢｂをビームＢの材軸に対して角度θの方向Ｋに加振した場合のビームＢの変形状態を示したものであるが、ビームＢの先端部Ｂｔが加振方向Ｋに屈曲した状態で曲げ振動Ｍと縦振動Ｔが重畳した振動が励起される。この間、ビームＢの重心Ｇは、楕円状の軌道ヒステリシスＬを描く。
ここで、軌道ヒステリシスＬとは、ビームＢの重心Ｇの移動軌跡のことである。軌道ヒステリシスＬは、加振入力に対するビームＢの重心Ｇ位置における位相遅れが原因で発生する。
【０００６】
本発明では、回転軸に直交する面に平行に且つ当該回転軸に関して点対称にロータに固着されて対を成すビームが、各ビームに装着された圧電素子によって回転軸に直交する面内に加振されることにより、各ビームが屈曲する。これに伴い、回転軸を回転中心とする偶力トルクが発生し、これによりロータは回転し始め、ロータ始動後は、ビーム重心の軌道ヒステリシスの反作用としてロータは定常回転する。本発明に係る超音波モータの場合、従来の超音波モータにおけるステータとロータ間の摩擦を利用していないため、耐久性は格段に向上する。
【０００７】
ビーム重心の軌道ヒステリシスが楕円またはこれに近い形状の閉ループを描くということは、閉ループの面積に相当する偶力トルクのエネルギーによりロータが回転していると解釈することができる。逆に、ビームが剛体の場合、ビーム重心の軌道ヒステリシスの面積はゼロとなるので、ビームの重心は円弧状の往復運動をしているに過ぎず、ロータは回転しない。
軌道ヒステリシスの利用は宇宙ロボット分野で見られ、人工衛星に装着された多関節剛体ロボットアームのようなベースフリーの多関節アームでは、アーム関節角の時間履歴を工夫することにより、アームの駆動前後における関節角度が不変であるにもかかわらず、ベースである人工衛星の姿勢を変更することができる。これは、角運動量保存則が積分不可能というノンホロノミック（ｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃ）拘束であることに起因しており、人工衛星の姿勢はアームの駆動経路（アーム関節角の時間履歴）に依存する。ここで、ノンホロノミックとは、力学系の拘束条件が可積分でない場合、あるいは、入力の数よりも多くの座標を制御できる場合を指し、系の拘束条件の性質に関する用語である。
【０００８】
また、本発明に係る超音波モータでは、前記圧電素子は、前記ビームの材軸に対して所定の角度を有するように前記ビームの一方の端部に装着されることが好ましい。
１本のビームについて圧電素子を２個使用し、一つをビームの材軸方向に、他の一つをビームの材軸直交方向にそれぞれ装着すれば、ビームの重心は軌道ヒステリシスを描く。しかし、ビームの材軸に対して所定の角度を有するようにビームの一方の端部に圧電素子を装着すれば、１個の圧電素子で、ビームの重心は軌道ヒステリシスを描くことができる。この際、加振角度が４５度付近で軌道ヒステリシスの面積は最大となる。
【０００９】
また、本発明に係る超音波モータでは、前記圧電素子は、前記ビームの前記ロータ外縁側の端部に装着されることが好ましい。
本発明では、圧電素子をビームのロータ外縁側の端部に装着することにより、偶力が大きくなり、これに伴い、軌道ヒステリシスの面積を大きくすることができる。
【００１０】
また、本発明に係る超音波モータでは、前記圧電素子に交流電圧を印加する自励発振回路を備えていてもよい。
本発明では、外部の直流電源などからスリップリングを介して電力が供給される場合、自励発振回路によって交流増幅することにより、圧電素子に交流電圧を印加することができる。
【００１１】
また、本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置では、人工衛星の重心軸に直交する面に平行に且つ当該重心軸に関して点対称に前記人工衛星に固着される対を成すビームを備え、当該ビームの一方の端部には前記重心軸に直交する面内に加振する圧電素子を備えることを特徴とする。
本発明では、人工衛星の重心軸に直交する面に平行に且つ当該重心軸に関して点対称に人工衛星に固着されて対を成すビームが、各ビームに装着された圧電素子によって重心軸に直交する面内に加振されることにより、各ビームが屈曲する。これに伴い、重心軸を回転中心とする偶力トルクが発生し、これにより人工衛星は回転し始め、その後は、ビーム重心の軌道ヒステリシスの反作用として人工衛星は定常回転を行う。その結果、従来困難とされていた人工衛星の高精度微小姿勢変動が可能となるうえ、電磁界の影響の無い人工衛星の姿勢制御装置を実現することができる。
【００１２】
また、本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置では、前記圧電素子は、前記ビームの材軸に対して所定の角度を有するように前記ビームの一方の端部に装着されることが好ましい。
本発明では、ビームの材軸に対して所定の角度を有するようにビームの一方の端部に圧電素子を装着することにより、ビームの重心は軌道ヒステリシスを描くことができる。
【００１３】
また、本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置では、前記圧電素子は、前記ビームの前記人工衛星外周側の端部に装着されることが好ましい。
本発明では、圧電素子をビームの人工衛星外周側の端部に装着することにより、偶力が大きくなり、これに伴い、軌道ヒステリシスの面積を大きくすることができる。
【００１４】
また、本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置では、前記圧電素子に交流電圧を印加する自励発振回路を備えていてもよい。
本発明では、太陽電池などを電源とする場合、自励発振回路によって交流増幅することにより、圧電素子に交流電圧を印加することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回転軸に直交する面に平行に且つ当該回転軸に関して点対称にロータに固着されて対を成すビームを、各ビームに装着された圧電素子が回転軸に直交する面内に加振することによりロータが回転するので、摩擦も無く、耐久性の高い超音波モータを提供することができる。
また、本発明によれば、人工衛星の重心軸に直交する面に平行に且つ当該重心軸に関して点対称に人工衛星に固着されて対を成すビームを、各ビームに装着された圧電素子が重心軸に直交する面内に加振することにより人工衛星が回転するので、高精度微小姿勢変動が可能となり、且つ電磁界の影響の無い人工衛星の姿勢制御装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る超音波モータおよび人工衛星の姿勢制御装置の実施形態について図面に基いて説明する。
図１は、本発明に係る超音波モータの実施形態の一例を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は側断面図である。
本実施形態による超音波モータ１０は、回転軸２を中心に有する円盤状のロータ１上に、回転軸２に直交する面に平行に且つ回転軸２に関して点対称な１対の直方体状のビーム３、３が固着されている。各ビーム３の回転軸２側の端部には、回転軸２に直交する面に平行に且つビーム３の材軸に対して所定の角度θを有するように圧電素子４が装着されている。また、ロータ１上には、インバータあるいは水晶振動子、ＬＣＲ回路などで構成される自励発振回路５が備えられている。一方、ロータ１の反対側の面には、図示しないボルトなどによって負荷６が取り付けられている。
【００１７】
ロータ１と回転軸２間にはベアリング８が介装されており、ロータ１はベアリング８を介して回転軸２に支持されている。また、ロータ１と回転軸２間にはスリップリング７およびブレーキパッド９が介装されている。
圧電素子４への電力は、外部の直流電源Ｖなどからスリップリング７を介して供給される。この際、ロータ１上に備えられた自励発振回路５で交流増幅し、必要に応じて圧電トランスなど電磁作用を用いない小型昇圧装置（図示省略）で昇圧したうえで供給する。ただし、電力供給形態はこの方式に限られるものではなく、圧電素子４に高周波電圧が供給されればよい。従って、電池などの直流電源をロータ１上に搭載した場合はスリップリング７は不要となるし、自励発振回路５を設けずに外部交流電源からスリップリング７を介して直接圧電素子４に電力を供給してもよい。また、スリップリング７の磨耗が気になる場合は、二硫化モリブデンなどの固体潤滑を用いて耐摩耗性を向上させることができる。
一方、ブレーキパッド９は、ロータ１の回転停止を目的としたものではなく、ロータ１停止時にロータ１を保持することを目的としている。本実施形態による超音波モータ１０の場合、ビーム３の振動が停止すれば、外乱が無い限り、ロータ１は停止するため、ロータ１の回転を停止させるためのブレーキは不要となる。
【００１８】
図２乃至図４は、圧電素子をビームに装着する場合の一例を示したものである。
図２は、圧電素子４の加振方向ＫがＸ軸に対してＹ軸の正側の角度を有する方向となるように、基端部３ｂを固定支持されたビーム３内部の重心軸近傍に圧電素子４を装着した場合である。この場合、圧電素子４を加振させると、ビーム３の先端部３ａにはＺ軸回りの撓みＨが生じる。
図３は、圧電素子４の加振方向Ｋは図２の場合と同様であるが、圧電素子４をビーム３の片側面３ｎに装着した場合である。この場合、圧電素子４を加振させると、ビーム３の先端部３ａにＺ軸回りの撓みＨが生じるとともに、圧電素子４の加振位置がビーム３の重心軸から偏心しているため、ビーム３の重心軸に平行な軸回りの捩れＮが発生する。
図４は、圧電素子４、４の加振方向Ｋは図２または図３の場合と同様であるが、圧電素子４、４をビーム３の両側面３ｎ、３ｓにそれぞれ装着した場合である。この場合、圧電素子４、４を同振幅且つ同位相で加振させると、圧電素子４、４によるビーム３の重心軸回りのモーメントは相殺されるため、ビーム３の重心軸回りの捩れＮは発生せず、ビーム３の先端部３ａのＺ軸回りの撓みＨのみ生じる。
本発明に係る超音波モータにおいては、一般に図２または図４に類似する装着方法によればよい。
【００１９】
本実施形態による超音波モータ１０では、回転軸２に直交する面に平行に且つ回転軸２に関して点対称にロータ１に固着される１対のビーム３、３が、回転軸２に直交する面に平行に且つ各ビーム３の材軸に対して所定の角度θを有するように各ビーム３に装着された圧電素子４によって斜め加振Ｋされることにより、各ビーム３は図１の破線のように屈曲する。これに伴い、回転軸２を回転中心とする偶力トルクが発生し、これによりロータ１は右回りに回転し始める。一方、ビーム３の重心Ｇは楕円状の軌道ヒステリシスＬを描き、ロータ１始動後は、ビーム３の重心Ｇの軌道ヒステリシスＬの反作用としてロータ１は右回りに定常回転する。本実施形態による超音波モータ１０の場合、従来の超音波モータにおけるステータとロータ間の摩擦を利用していないため、耐久性が格段に向上する。
また、本実施形態による超音波モータ１０では、圧電素子４自体の変位ヒステリシスを軌道ヒステリシスＬに重畳して利用するため、変位ヒステリシスの補正回路が不要となる。
【００２０】
図５は、本発明に係る超音波モータの回転特性を示す図である。図１ではロータ１が時計回りに回転するものとしているため、ロータ回転角度を負としている。
平均値で見た場合、ロータ１の回転は、始動後速やかに定速回転運動となる。これは、ビーム３の撓み反力とコリオリ力や遠心力などが釣合状態に達するためである。ロータ１の回転速度を変化させる場合は、圧電素子４に印加する電圧を変化させればよい。
【００２１】
図５に示すように、本発明に係る超音波モータは、回転リップルＲとバックラッシュＢを回転特性として有している。他方、超音波モータの回転量を増幅させたり、反転する手段についても検討が必要である。以下これらの点について述べる。
【００２２】
本発明に係る超音波モータでは、偶力に起因する回転リップルＲと呼ばれるロータ回転角度の変動が発生する。この偶力は、回転軸に並進力が作用しないように、１対のビームに装着された圧電素子の加振方向を逆方向としたことによる。従って、偶力を相殺するには、既存の圧電素子と位相が１８０度ずれた圧電素子を装着した新たなビームを図１と同位置に積層して配置すればよい。これにより、並進力は相殺され、しかも回転力は２倍となる。
【００２３】
また、本発明に係る超音波モータでは、圧電素子停止時において、ビームの残留振動によるビーム重心の移動トルクによってバックラッシュＢが発生する。従って、ビーム重心の移動トルクを少なくするため、ビームの重心を回転軸に近づけるとともに、回転軸とビーム重心とを結ぶ方向と圧電素子の加振方向とを極力一致させるようにすればよい。
【００２４】
超音波モータの回転量を増幅するには構造的手段と振動的手段がある。
構造的手段としては、圧電素子が装着されたビームを積層して多層化すればよい。
一方、振動的手段としては、ビームの固有振動数による共振あるいはパラメトリック励振を利用することができる。圧電素子の駆動周波数とビームの固有振動数を一致させることにより、ビームの重心の軌道ヒステリシスの面積が大きくなり、大きなロータ回転量を得ることができる。あるいは、圧電素子の駆動電圧を上げ、且つ圧電素子自体の固有振動数で加振すればよい。駆動振幅を大きくすると、ビームに対する加振方向がビームの材軸に対して斜めであるためパラメトリック励振を起こしやすくなる。その結果、ビームの重心の軌道ヒステリシスの面積が大きくなり、大きなロータ回転量を得ることができる。
また、ビームの固有振動数による共振は、曲げ共振を意図したものであるが、ビームの長さと幅の特定の比率において曲げ振動と縦振動が連成することを用い、軌道ヒステリシスの面積を増加してロータ回転量を大きくすることもできる。
【００２５】
超音波モータを反転させる手段にも構造的手段と振動的手段がある。
構造的手段は、ビーム１本に対し、ビームの材軸に対して正負異なる加振方向を有する２つの圧電素子を用いた配置とし、２つの圧電素子を切り替えることにより正反転が可能となる。
一方、振動的手段は、圧電素子の駆動周波数を切り換えるものである。例えば、ロータを時計回転させる場合に曲げ１次のみの固有振動数を用いて圧電素子を駆動した場合、ロータを反時計回転させるには縦１次のみの固有振動数を用いればよい。これにより、ビーム重心の軌道ヒステリシスが反転し、ロータが反転する。ただし、固有振動数が異なると、一般に振動増幅率（ゲイン）が異なるので、同電圧だと回転方向により回転速度が異なる。従って、例えば、曲げ１次共振の増幅率と縦１次共振の増幅率を２対１とする場合には、曲げ１次固有振動数における駆動電圧と縦１次固有振動数における駆動電圧を１対２とすればよい。
【００２６】
次に、本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置について説明する。
図６は、本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置の実施形態の一例を示す平面図である。
本実施形態による人工衛星の姿勢制御装置２０では、人工衛星１１の重心軸１２に直交する面に平行に且つ重心軸１２に関して点対称な１対の直方体状のビーム１３、１３が人工衛星１１に固着されている。各ビーム１３の重心軸１２側の端部には、重心軸１２に直交する面に平行に且つビーム１３の材軸に対して所定の角度θを有するように圧電素子１４が装着されている。また、人工衛星１１には、インバータあるいは水晶振動子、ＬＣＲ回路などで構成される自励発振回路１５および太陽電池１６が備えられている。
【００２７】
電力は太陽電池１６から供給され、自励発振回路１５で交流増幅された後、圧電素子１４に印加される。
【００２８】
本実施形態による人工衛星の姿勢制御装置２０は、人工衛星１１の重心軸１２に直交する面に平行に且つ重心軸１２に関して点対称に人工衛星１１に固着される１対のビーム１３、１３が、重心軸１２に直交する面に平行に且つ各ビーム１３の材軸に対して所定の角度θを有するように各ビーム１３に装着された圧電素子１４によって斜め加振Ｋされることにより、各ビーム１３は図６の破線のように屈曲する。これに伴い、重心軸１２を回転中心とする偶力トルクが発生し、これにより人工衛星１１は右回りに回転し始める。一方、ビーム１３の重心Ｇは楕円状の軌道ヒステリシスＬを描き、回転開始後は、ビーム１３重心Ｇの軌道ヒステリシスＬの反作用として人工衛星１１は右回りに定常回転する。その結果、従来困難とされていた人工衛星の高精度微小姿勢変動が可能となるうえ、電磁界の影響の無い人工衛星の姿勢制御装置を実現することができる。
【００２９】
以上、本発明に係る超音波モータおよび人工衛星の姿勢制御装置の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記の実施形態では、１対のビームをロータまたは人工衛星に設置しているが、２対以上でもよいことは言うまでもない。
また、上記の実施形態では、圧電素子をビームの回転軸または重心軸側の端部に装着しているが、ロータまたは人工衛星の外周側のビーム端部に装着してもよい。この際、ビームの重心位置を回転軸または重心軸から遠ざけることは、ロータまたは人工衛星の慣性能率を大きくすることになり不利であるため、設計上は、先ず、ビームの重心位置を回転軸に近づけるようにした後、ロータまたは人工衛星の外周側のビーム端部に圧電素子を装着できるか検討したほうがよい。
なお、上記実施形態の説明においては、超音波モータについて詳細に説明したが、これらは全て人工衛星の姿勢制御装置へも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る超音波モータの実施形態の一例を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は側断面図である。
【図２】圧電素子をビーム内の重心軸近傍に装着した例を示したものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】圧電素子のビームの片側面に装着した例を示したものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】圧電素子のビームの両側面に装着した例を示したものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視断面図である。
【図５】本発明に係る超音波モータの回転特性を示す図である。
【図６】本発明に係る人工衛星の姿勢制御装置の実施形態の一例を示す平面図である。
【図７】基端部をビームの材軸に対して角度θの方向に加振した場合のビームの変形状態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ロータ
２  回転軸
３、１３  ビーム
４、１４  圧電素子
５、１５  自励発振回路
６  負荷
７  スリップリング
８  ベアリング
９  ブレーキパッド
１０  超音波モータ
１１  人工衛星
１２  重心軸
１６  太陽電池
２０  姿勢制御装置
【図１】
2005312266.tif 000003
【図２】
2005312266.tif 000004
【図３】
2005312266.tif 000005
【図４】
2005312266.tif 000006
【図５】
2005312266.tif 000007
【図６】
2005312266.tif 000008
【図７】
2005312266.tif 000009