超音波モータ
【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】コサイン波から成る交流電圧が印加される第５のＢ圧電体３２１ｂ、第１のＡ圧電体３１１ａ、及び第２のＡ圧電体３１２ａ、第３のＡ圧電体３１５ａ及び第４のＡ圧電体３１６ａ、第９のＡ圧電体３３１ａ及び第７のＡ圧電体３２７ａ、並びに第７のＢ圧電体３２５ｂ及び第６のＡ圧電体３２４ａが、回転軸Ｘ正方向に各々変位する。マイナスコサイン波から成る交流電圧が印加される第１のＢ圧電体３１３ｂ及び第２のＢ圧電体３１４ｂ、第３のＢ圧電体３１７ｂ及び第４のＢ圧電体３１８ｂ、第７のＡ圧電体３２７ａ及び第８のＢ圧電体３２６ｂ、並びに第５のＡ圧電体３２３ａ及び第６のＢ圧電体３２２ｂが、回転軸Ｘ負方向に各々変位する。これにより振動部材１９の上に波長λの定在波が発生する。定在波の振幅は、進行波の振幅の２倍である。
【解決手段】コサイン波から成る交流電圧が印加される第５のＢ圧電体３２１ｂ、第１のＡ圧電体３１１ａ、及び第２のＡ圧電体３１２ａ、第３のＡ圧電体３１５ａ及び第４のＡ圧電体３１６ａ、第９のＡ圧電体３３１ａ及び第７のＡ圧電体３２７ａ、並びに第７のＢ圧電体３２５ｂ及び第６のＡ圧電体３２４ａが、回転軸Ｘ正方向に各々変位する。マイナスコサイン波から成る交流電圧が印加される第１のＢ圧電体３１３ｂ及び第２のＢ圧電体３１４ｂ、第３のＢ圧電体３１７ｂ及び第４のＢ圧電体３１８ｂ、第７のＡ圧電体３２７ａ及び第８のＢ圧電体３２６ｂ、並びに第５のＡ圧電体３２３ａ及び第６のＢ圧電体３２２ｂが、回転軸Ｘ負方向に各々変位する。これにより振動部材１９の上に波長λの定在波が発生する。定在波の振幅は、進行波の振幅の２倍である。
【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】
本願発明による超音波モータは、回転軸に対して回転自在に取り付けられるロータと、ロータとの接触面に、定在波を生じるステータと、第１の波形を有する第１の交流電圧と、第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とをステータに印加する電源部とを備え、電源部は、第１の交流電圧及び第２の交流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】
接触面は回転軸を中心とする環状であって、ステータは、接触面の周方向に並べられる、進行波を発生させるために必要な周方向長さを有する調整領域と、接触面において調整領域を除いた領域を径方向に２分割して得られる第１の領域と第２の領域とを有し、第１の領域及び第２の領域は、互いに反対方向に振動する複数の第１の振動部及び複数の第２の振動部をそれぞれ有し、調整領域は、第１の振動部または第２の振動部を有し、第１の振動部及び第２の振動部は、調整領域の隣から、接触面の周方向に２つずつ交互に並べられることが好ましい。
【０００９】
第１の振動部は、正電圧を印加すると回転軸に対して平行である第１の方向に突出し、負電圧を印加すると第１の方向と反対方向である第２の方向に突出し、第２の振動部は、正電圧を印加すると第２の方向に突出し、負電圧を印加すると第１の方向に突出することが好ましい。
【００１０】
電源部は、第１の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部と、第１の領域及び調整領域に属する第１の振動部及び第２の振動部と、第２の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部のうちの一部とに対して第１の交流電圧を印加し、第２の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部のうち、第１の交流電圧を印加しない第１の振動部及び第２の振動部に対して第２の交流電圧を印加することが好ましい。
【００１１】
電源部は、第２の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部のうち、調整領域に隣接する第１の振動部または第２の振動部と、その第１の振動部または第２の振動部から調整領域とは反対方向に１つおきに位置する第１の振動部または第２の振動部とに、第１の交流電圧を印加することが好ましい。
【００１２】
電源部は、第２の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部のうち、調整領域から１つおきに位置する第１の振動部または第２の振動部に第２の交流電圧を印加することが好ましい。
【００１３】
定在波は、ステータの全周に渡って偶数個の波を形成することが好ましい。
【００１４】
ステータは、第１の波形を有する第１の交流電圧と、第１の波形に対して所定の長さだけ位相がずれている第３の交流電圧とが同時に印加されることにより進行波を生じることが好ましい。
【００１５】
接触面は回転軸を中心とする環状であって、ステータは、接触面の周方向に並べられる、進行波を発生させるときには交流電圧が印加されない調整領域と、進行波を生成するときに第１の交流電流が印加される第１の領域と、進行波を生成するときに第３の交流電流が印加される第２の領域とを有することが好ましい。
【００１６】
電源部は、起動時から所定期間の間、第１の波形を有する第１の交流電圧と、第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とをステータに印加することが好ましい。
【００１７】
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、電源部は、所定期間、第１の波形を有する第１の交流電圧と、第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とをステータに印加してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
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】
【００１９】
【図１】本願発明による超音波モータの分解斜視図である。
【図２】振動部材を示した図である。
【図３】電極板を示した図である。
【図４】超音波モータと電源部とを示したブロック図である。
【図５】超音波モータと電源部とを示したブロック図である。
【図６】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】
【００２０】
本発明の一実施形態による超音波モータ１０について説明する。
【００２１】
図１を参照して、超音波モータ１０の概略について説明する。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１４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。
【００２７】
ステータ１５は、弾性体である弾性部材１６、振動部材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。弾性部材１６、振動部材１９、及び電極板２０は、回転軸Ｘと一致する軸を有する円盤状である。弾性部材１６は振動部材１９に接着され、振動部材１９は電極板２０に接着される。接着には、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用いられる。
【００２８】
弾性部材１６は、板状の円環である基部１６ｂ及び２４個の櫛歯１６ａを備える。櫛歯１６ａは、弾性部材１６の円周方向において同じ幅を有し、弾性部材１６の円周方向に等間隔を空けて基部１６ｂ上に並べられる。いいかえると、櫛歯１６ａは、基部１６ｂから回転軸Ｘの正方向に、つまりロータ１４に向けて突出する。櫛歯１６ａは、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１６ｃは、ロータ１４と接触する接触面である。弾性部材１６は、導電性を有する材料から成り、接地される。
【００２９】
基部１６ｂにおいて櫛歯１６ａが突出する面の裏面に振動部材１９が取り付けられる。振動部材１９は圧電セラミックスから成る。
【００３０】
次に、図２を用いて振動部材１９の詳細について説明する。図２は、弾性部材１６側から見た振動部材１９を示す。
【００３１】
振動部材１９は、正電荷を加えると伸びる性質を持つＡ圧電体と、縮む性質を持つＢ圧電体から成る。Ａ圧電体及びＢ圧電体は圧電セラミックスである。Ａ圧電体及びＢ圧電体は、振動部材１９の周に沿って並べられ、振動部材１９の周方向に伸縮する。各圧電体どうしの間隔は、同じである。図２において、Ａ圧電体に＋を、Ｂ圧電体に−を記す。これらの＋及び−は、説明のために記載したものであり、圧電体に印加される電荷の特性を示すものではない。
【００３２】
振動部材１９は、第１の領域３１０、第２の領域３２０、及び第３の領域３３０を有する。各領域は、振動部材１９上に環状に配置される。第１の領域３１０において回転軸Ｘを中心とする中心角は１６８．７５度である。同様に、第２の領域３２０の中心角は１６８．７５度、第３の領域３３０の中心角は２２．５度である。
【００３３】
第１の領域３１０及び第２の領域３２０は、４つのＡ圧電体と４つのＢ圧電体を各々有し、第３の領域３３０は１つのＡ圧電体を有する。
【００３４】
第１の領域３１０が有するＡ圧電体は、第１のＡ圧電体３１１ａ、第２のＡ圧電体３１２ａ、第３のＡ圧電体３１５ａ、及び第４のＡ圧電体３１６ａであり、同じくＢ圧電体は、第１のＢ圧電体３１３ｂ、第２のＢ圧電体３１４ｂ、第３のＢ圧電体３１７ｂ、及び第４のＢ圧電体３１８ｂである。第２の領域３２０が有するＡ圧電体は、第５のＡ圧電体３２３ａ、第６のＡ圧電体３２４ａ、第７のＡ圧電体３２７ａ、及び第８のＡ圧電体３２８ａであり、同じくＢ圧電体は、第５のＢ圧電体３２１ｂ、第６のＢ圧電体３２２ｂ、第７のＢ圧電体３２５ｂ、及び第８のＢ圧電体３２６ｂである。そして、第３の領域３３０が有するＡ圧電体は、第９のＡ圧電体３３１ａである。第１のＡ圧電体３１１ａ及び第５のＢ圧電体３２１ｂにおいて回転軸Ｘを中心とする中心角は１１．２５度であり、その他のＡ圧電体及びＢ圧電体において回転軸Ｘを中心とする中心角は２２．５度である。
【００３５】
弾性部材１６側よりも高い電圧を電極板２０側からＡ圧電体及びＢ圧電体に供給すると、Ａ圧電体が周方向に伸び、Ｂ圧電体が縮む。逆に、弾性部材１６側よりも低い電圧を電極板２０側からＡ圧電体及びＢ圧電体に供給すると、Ａ圧電体が周方向に縮み、Ｂ圧電体が伸びる。つまり、弾性部材１６と各印加電極との電圧差に応じてＡ圧電体及びＢ圧電体が周方向に伸縮する。そのため、振動部材１９が全周にわたってゆがみ、回転軸Ｘに沿った変位を生じる。
【００３６】
次に、図３を用いて電極板２０について説明する。説明のため、電極板２０に振動部材１９を接着したときの各圧電体の位置を破線で図３に示す。
【００３７】
電極板２０は、ドーナツ型の薄い円盤であって、振動部材１９と接触する面に、第１から第４の印加電極２１−２４が設けられる。
【００３８】
第１の印加電極２１は、第１の領域３１０の全長に渡って、つまり第１のＡ圧電体３１１ａから第４のＢ圧電体３１８ｂまで設けられ、第１の領域３１０に含まれる圧電体に電荷を供給する。第４のＢ圧電体３１８ｂから第１の印加電極２１の外周に第１の配線２５が伸びる。
【００３９】
第２の印加電極２２は、電極板２０の内周側であって、Ａ圧電体及びＢ圧電体と接触しない位置を通り、第６のＢ圧電体３２２ｂ、第６のＡ圧電体３２４ａ、第８のＢ圧電体３２６ｂ、及び第８のＡ圧電体３２８ａと接触するように、電極板２０の内周から径方向外側に向けて伸びる。第４のＢ圧電体３１８ｂと第９のＡ圧電体３３１ａとの間を通る第２の配線２６に第２の印加電極２２が接続される。
【００４０】
第３の印加電極２３は、第９のＡ圧電体３３１ａに接続され、電極板２０の外周に延びる第３の配線２７に接続される。
【００４１】
第４の印加電極２４は、電極板２０の外周側であって、Ａ圧電体及びＢ圧電体と接触しない位置を通り、第５のＢ圧電体３２１ｂ、第５のＡ圧電体３２３ａ、第７のＢ圧電体３２５ｂ、及び第７のＡ圧電体３２７ａと接触するように、電極板２０の外周から径方向内側に向けて伸びる。電極板２０の外周に延びる第４の配線２８に第４の印加電極２４が接続される。
【００４２】
次に図４を用いて電源部４０の構成について説明する。電源部４０は、波形発生器４１、位相器４２、第１のスイッチ４３、及び第２のスイッチ４４を備える。
【００４３】
波形発生器４１は、電圧出力線４５と接地線４７とに接続され、コサイン波から成る交流電圧を電圧出力線４５に出力する。接地線４７は、波形発生器４１内部で接地され、グランド電位を持つ。
【００４４】
超音波モータ１０の外部に設けられた検出器４８が波形発生器４１に接続される。検出装置は、超音波モータ１０の回転数を検出し、波形発生器４１に送信する。波形発生器４１は、検出器４８から送信された回転数に応じて、交流電圧の電圧及び周波数を制御する。例えば、交流電圧は４００Ｖ、周波数は６０ｋＨｚである。
【００４５】
電圧出力線４５は、位相器４２、第１のスイッチ４３、第２のスイッチ４４、及び第１の配線２５に接続される。すなわち、波形発生器４１が出力した交流電圧は常に第１の配線２５に流れる。
【００４６】
位相器４２は、電圧出力線４５と位相出力線４６とに接続され、電圧出力線４５から交流電圧を受電する。そして、交流電圧の位相を変更して、位相出力線４６に交流電圧を出力する。交流電圧の位相は、超音波モータ１０の駆動パターンに応じて変更される。超音波モータ１０の駆動パターンについては後述する。
【００４７】
位相出力線４６は、第４の配線２８及び第１のスイッチ４３に接続される。すなわち、位相器４２を経た交流電圧が常に第４の配線２８に流れる。
【００４８】
第１のスイッチ４３は、第１の入力端子４３ａ、第２の入力端子４３ｂ、及び第１の出力端子４３ｃを有する。第１の入力端子又は第２の入力端子４３ｂを介して受電した交流電圧のいずれか１つを第１の出力端子４３ｃに出力する。第１の出力端子４３ｃは、第２の配線２６に接続される。第２の入力端子４３ｂは、電圧出力線４５に接続される。すなわち、第１のスイッチ４３が第１の入力端子４３ａと第１の出力端子４３ｃとを接続したとき、位相器４２を経た交流電圧が第２の配線２６に流れる。そして、第１のスイッチ４３が第２の入力端子４３ｂと第１の出力端子４３ｃとを接続したとき、波形発生器４１が出力した交流電圧が第２の配線２６に流れる。
【００４９】
第２のスイッチ４４は、第３の入力端子４４ａ、第４の入力端子４４ｂ、及び第２の出力端子４４ｃを有する。第３の入力端子又は第４の入力端子４４ｂを介して受電した交流電圧のいずれか１つを第２の出力端子４４ｃに出力する。第２の出力端子４４ｃは、第３の配線２７に接続される。第３の入力端子４４ａは、電圧出力線４５に接続される。すなわち、第２のスイッチ４４が第３の入力端子４４ａと第２の出力端子４４ｃとを接続したとき、波形発生器４１が出力した交流電圧が第３の配線２７に流れる。そして、第２のスイッチ４４が第４の入力端子４４ｂと第２の出力端子４４ｃとを接続したとき、第３の配線２７が接地される。
【００５０】
次に、超音波モータ１０の駆動パターンについて説明する。
【００５１】
駆動パターンは、超音波モータ１０が回転する進行波駆動と、超音波モータ１０が回転しない定在波駆動とを有する。進行波駆動は、超音波モータ１０から回転力を取り出すときに用いられ、定在波駆動は、ロータ１４とステータ１５との貼り付きを解除するために用いられる。
【００５２】
図４を用いて進行波駆動について説明する。進行波駆動を行うとき、位相器４２は、電圧出力線４５から受けた交流電圧の位相をπ／２ずらした交流電圧を位相出力線４６に出力する。つまり、Ｖ０ｃｏｓ（ωｔ）による交流電圧を位相器４２が受電するとき、Ｖ０ｃｏｓ（ω−π／２）ｔ＝Ｖ０ｓｉｎ（ωｔ）によるサイン波の交流電圧が位相出力線４６に出力される。そして、第１の入力端子４３ａが第１の出力端子４３ｃに接続され、かつ第４の入力端子４４ｂが第２の出力端子４４ｃに接続される。これにより、コサイン波から成る交流電圧が第１の領域３１０に属する圧電体に印加され、サイン波から成る交流電圧が第２の領域３２０に属する圧電体に印加される。なお、第３の領域３３０を成す第９のＡ圧電体３３１ａには電圧が印加されない。
【００５３】
前述のように、弾性部材１６と各印加電極との電圧差に応じてＡ圧電体及びＢ圧電体が伸縮する。弾性部材１６よりも高い電圧を各印加電極からＡ圧電体及びＢ圧電体に供給すると、Ａ圧電体が回転軸Ｘ正方向に変位し、Ｂ圧電体が回転軸Ｘ負方向に変位する。また、弾性部材１６よりも低い電圧を各印加電極からＡ圧電体及びＢ圧電体に供給すると、Ａ圧電体が回転軸Ｘ負方向に変位し、Ｂ圧電体が回転軸Ｘ正方向に変位する。
【００５４】
このとき、第１の領域３１０における振幅Ａ１と第２の領域３２０における振幅Ａ２は以下の式による。
Ａ１＝Ａ０ｓｉｎ（２πｙ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
Ａ２＝Ａ０ｓｉｎ（２π（ｙ−λ／４）／λ）ｓｉｎ（ωｔ）＝Ａ０ｃｏｓ（２πｙ／λ）ｓｉｎ（ωｔ）
ここで、ｙは振動部材１９の周方向において所定の点を原点とする座標である。
【００５５】
図４に示すステータ１５に記された破線は、弾性部材１６よりも高い電圧を各印加電極がＡ圧電体及びＢ圧電体に印加したときの各圧電体の変位方向を示す。内周側に凸である曲線は、回転軸Ｘ正方向に対する変位を表し、外周側に凸である曲線は、回転軸Ｘ負方向に対する変位を表す。つまり、第１のＡ圧電体３１１ａ及び第２のＡ圧電体３１２ａ、第３のＡ圧電体３１５ａ及び第４のＡ圧電体３１６ａ、第５のＡ圧電体３２３ａ及び第６のＡ圧電体３２４ａ、並びに第７のＡ圧電体３２７ａ及び第８のＡ圧電体３２８ａが、回転軸Ｘ正方向に対して１つの山を作るように各々変位する。そして、第１のＢ圧電体３１３ｂ及び第２のＢ圧電体３１４ｂ、第３のＢ圧電体３１７ｂ及び第４のＢ圧電体３１８ｂ、第５のＢ圧電体３２１ｂ及び第６のＢ圧電体３２２ｂ、並びに第７のＢ圧電体３２５ｂ及び第８のＢ圧電体３２６ｂが、回転軸Ｘ正方向に対して１つの谷を作るように各々変位する。なお、第９のＡ圧電体３３１ａは電圧が印加されないため、自らの力で変位することはない。よって、自らの力で変位しない調整領域が第１の領域３１０と第２の領域３２０との間に設けられる。
【００５６】
各印加電極の電位を所定の周期で上下させると、振動部材１９の上に波長λの波が発生する。振動部材１９の周方向における第９のＡ圧電体３３１ａの長さはλ／８である。第１の領域３１０に印加する交流電圧と第２の領域３２０に印加する交流電圧との位相差がπ／２であること、かつ第１の領域３１０と第２の領域３２０との間にλ／８の間隔が空いていることにより、振動部材１９上の波が、振動部材１９の周方向に進行する進行波となる。
【００５７】
進行波駆動では、第１の領域３１０における振幅Ａ１と第２の領域３２０における振幅Ａ２とを加えて得られる振幅Ａｔは以下の式になる。
Ａｔ＝Ａ１＋Ａ２＝Ａ０ｓｉｎ（２πｙ／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。
【００５８】
ステータ１５に生じた進行波が振動部材１９の頂面１６ｃに進行波を生じさせ、頂面１６ｃに押し当てられているロータ１４を回転軸Ｘ周りに回転させる。これにより、超音波モータ１０が回転力を生じる。
【００５９】
図５を用いて定在波駆動について説明する。定在波駆動を行うとき、位相器４２は、電圧出力線４５から受けた交流電圧の位相をπだけずらした交流電圧を位相出力線４６に出力する。言い換えると、位相器４２は、電圧出力線４５から受けた交流電圧の位相を逆にした交流電圧を出力する。つまり、Ｖ０ｃｏｓ（ωｔ）による交流電圧を位相器４２が受電するとき、−Ｖ０ｃｏｓ（ωｔ）によるマイナスコサイン波の交流電圧が位相出力線４６に出力される。そして、第２の入力端子４３ｂが第１の出力端子４３ｃに接続され、かつ第３の入力端子４４ａが第２の出力端子４４ｃに接続される。これにより、コサイン波から成る交流電圧が、第１の領域３１０に属する圧電体、第９のＡ圧電体３３１ａ、第８のＡ圧電体３２８ａ、第８のＢ圧電体３２６ｂ、第６のＡ圧電体３２４ａ、及び第６のＢ圧電体３２２ｂに印加され、マイナスコサイン波から成る交流電圧が、第５のＡ圧電体３２３ａ、第５のＢ圧電体３２１ｂ、第７のＡ圧電体３２７ａ、及び第７のＢ圧電体３２５ｂに印加される。以下、コサイン波から成る交流電圧が印加される圧電体を第１の圧電体群、マイナスコサイン波から成る交流電圧が印加される圧電体を第２の圧電体群とする。
【００６０】
このとき、第１の圧電体群における振幅Ａ３と第２の圧電体群における振幅Ａ４は以下の式による。
Ａ３＝Ａ０ｃｏｓ（２πｙ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
Ａ４＝Ａ０ｃｏｓ（２πｙ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
ここで、ｙは振動部材１９の周方向において所定の点を原点とする座標である。
【００６１】
図５に示すステータ１５に記された破線は、コサイン波から成る交流電圧とマイナスコサイン波から成る交流電圧とを振動部材１９に印加した場合における特定の瞬間の各圧電体の変位方向を示す。この瞬間では、弾性部材１６よりも高い電圧を第１の圧電体群に印加し、かつ弾性部材１６よりも低い電圧を第２の圧電体群に印加する。
【００６２】
内周側に凸である曲線は、回転軸Ｘ正方向に対する変位を表し、外周側に凸である曲線は、回転軸Ｘ負方向に対する変位を表す。つまり、第５のＢ圧電体３２１ｂ、第１のＡ圧電体３１１ａ、及び第２のＡ圧電体３１２ａ、第３のＡ圧電体３１５ａ及び第４のＡ圧電体３１６ａ、第９のＡ圧電体３３１ａ及び第７のＡ圧電体３２７ａ、並びに第７のＢ圧電体３２５ｂ及び第６のＡ圧電体３２４ａが、回転軸Ｘ正方向に対して１つの山を作るように各々変位する。そして、第１のＢ圧電体３１３ｂ及び第２のＢ圧電体３１４ｂ、第３のＢ圧電体３１７ｂ及び第４のＢ圧電体３１８ｂ、第７のＡ圧電体３２７ａ及び第８のＢ圧電体３２６ｂ、並びに第５のＡ圧電体３２３ａ及び第６のＢ圧電体３２２ｂが、回転軸Ｘ正方向に対して１つの谷を作るように各々変位する。
【００６３】
各印加電極の電位を所定の周期で上下させると、振動部材１９の上に波長λの定在波が発生する。定在波は、振動部材１９の周方向に進行せず、周方向における位置を固定したまま回転軸Ｘに沿って上下を繰り返す波である。
【００６４】
定在波駆動では、第１の圧電体群における振幅Ａ３と第２の圧電体群における振幅Ａ４とを加えて得られる振幅Ａｔは以下の式になる。
Ａｔ＝Ａ３＋Ａ４＝２Ａ０ｃｏｓ（２πｙ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
この式は、振幅が２Ａ０である定在波を示す。よって、定在波駆動における振幅は、進行波駆動における振幅の２倍であることがわかる。
【００６５】
ステータ１５に生じた定在波が振動部材１９の頂面１６ｃに定在波を生じさせる。定在波は回転軸Ｘ軸に沿って進退し、これにより、ステータ１５からロータ１４を引き離す。
【００６６】
次に、図６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。
【００６７】
ステップＳ６１では、超音波モータ１０、すなわちロータ１４の回転を検出器４８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Ｓ６２に進み、回転を検出するとき、処理は終了する。
【００６８】
ステップＳ６２では、超音波モータ１０を定在波駆動する。所定期間、例えば零コンマ数秒間、第２の入力端子４３ｂと第１の出力端子４３ｃとを接続し、かつ第３の入力端子４４ａと第２の出力端子４４ｃとを接続する。これにより、ロータ１４及びステータ１５に振幅が２Ａ０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。
【００６９】
本実施形態によれば、超音波モータに印加する電圧の最大値を変化させることなく、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、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、加圧スプリング１３によるロータ１４とステータ１５との間の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。
【００７０】
なお、ロータ１４の回転を起動時に検出しないときに定在波駆動するのではなく、超音波モータ１０を起動するとき常に、あるいはロータ１４の回転を検出するまで定在波駆動してもよい。
【００７１】
また、本実施形態による振動部材１９は、Ａ圧電体とＢ圧電体とを周方向に対して２つずつ交互に並べているが、３つあるいは４つ以上ずつ交互に並べても良い。連続する複数のＡ圧電体が、進行波における１つの山又は谷を形成するように並べられればよい。Ｂ圧電体についても同様である。
【００７２】
交流電圧は、Ｖ０ｃｏｓ（ωｔ）に限定されない。
【００７３】
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。
【００７４】
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】
【００７５】
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 振動部材
２０ 電極板
４０ 電源部
４１ 波形発生器
４２ 位相器
４３ 第１のスイッチ
４４ 第２のスイッチ
４８ 検出器
Ｘ 回転軸
【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】
本願発明による超音波モータは、回転軸に対して回転自在に取り付けられるロータと、ロータとの接触面に、定在波を生じるステータと、第１の波形を有する第１の交流電圧と、第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とをステータに印加する電源部とを備え、電源部は、第１の交流電圧及び第２の交流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】
接触面は回転軸を中心とする環状であって、ステータは、接触面の周方向に並べられる、進行波を発生させるために必要な周方向長さを有する調整領域と、接触面において調整領域を除いた領域を径方向に２分割して得られる第１の領域と第２の領域とを有し、第１の領域及び第２の領域は、互いに反対方向に振動する複数の第１の振動部及び複数の第２の振動部をそれぞれ有し、調整領域は、第１の振動部または第２の振動部を有し、第１の振動部及び第２の振動部は、調整領域の隣から、接触面の周方向に２つずつ交互に並べられることが好ましい。
【０００９】
第１の振動部は、正電圧を印加すると回転軸に対して平行である第１の方向に突出し、負電圧を印加すると第１の方向と反対方向である第２の方向に突出し、第２の振動部は、正電圧を印加すると第２の方向に突出し、負電圧を印加すると第１の方向に突出することが好ましい。
【００１０】
電源部は、第１の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部と、第１の領域及び調整領域に属する第１の振動部及び第２の振動部と、第２の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部のうちの一部とに対して第１の交流電圧を印加し、第２の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部のうち、第１の交流電圧を印加しない第１の振動部及び第２の振動部に対して第２の交流電圧を印加することが好ましい。
【００１１】
電源部は、第２の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部のうち、調整領域に隣接する第１の振動部または第２の振動部と、その第１の振動部または第２の振動部から調整領域とは反対方向に１つおきに位置する第１の振動部または第２の振動部とに、第１の交流電圧を印加することが好ましい。
【００１２】
電源部は、第２の領域に属する第１の振動部及び第２の振動部のうち、調整領域から１つおきに位置する第１の振動部または第２の振動部に第２の交流電圧を印加することが好ましい。
【００１３】
定在波は、ステータの全周に渡って偶数個の波を形成することが好ましい。
【００１４】
ステータは、第１の波形を有する第１の交流電圧と、第１の波形に対して所定の長さだけ位相がずれている第３の交流電圧とが同時に印加されることにより進行波を生じることが好ましい。
【００１５】
接触面は回転軸を中心とする環状であって、ステータは、接触面の周方向に並べられる、進行波を発生させるときには交流電圧が印加されない調整領域と、進行波を生成するときに第１の交流電流が印加される第１の領域と、進行波を生成するときに第３の交流電流が印加される第２の領域とを有することが好ましい。
【００１６】
電源部は、起動時から所定期間の間、第１の波形を有する第１の交流電圧と、第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とをステータに印加することが好ましい。
【００１７】
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、電源部は、所定期間、第１の波形を有する第１の交流電圧と、第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とをステータに印加してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
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】
【００１９】
【図１】本願発明による超音波モータの分解斜視図である。
【図２】振動部材を示した図である。
【図３】電極板を示した図である。
【図４】超音波モータと電源部とを示したブロック図である。
【図５】超音波モータと電源部とを示したブロック図である。
【図６】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】
【００２０】
本発明の一実施形態による超音波モータ１０について説明する。
【００２１】
図１を参照して、超音波モータ１０の概略について説明する。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１４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。
【００２７】
ステータ１５は、弾性体である弾性部材１６、振動部材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。弾性部材１６、振動部材１９、及び電極板２０は、回転軸Ｘと一致する軸を有する円盤状である。弾性部材１６は振動部材１９に接着され、振動部材１９は電極板２０に接着される。接着には、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用いられる。
【００２８】
弾性部材１６は、板状の円環である基部１６ｂ及び２４個の櫛歯１６ａを備える。櫛歯１６ａは、弾性部材１６の円周方向において同じ幅を有し、弾性部材１６の円周方向に等間隔を空けて基部１６ｂ上に並べられる。いいかえると、櫛歯１６ａは、基部１６ｂから回転軸Ｘの正方向に、つまりロータ１４に向けて突出する。櫛歯１６ａは、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１６ｃは、ロータ１４と接触する接触面である。弾性部材１６は、導電性を有する材料から成り、接地される。
【００２９】
基部１６ｂにおいて櫛歯１６ａが突出する面の裏面に振動部材１９が取り付けられる。振動部材１９は圧電セラミックスから成る。
【００３０】
次に、図２を用いて振動部材１９の詳細について説明する。図２は、弾性部材１６側から見た振動部材１９を示す。
【００３１】
振動部材１９は、正電荷を加えると伸びる性質を持つＡ圧電体と、縮む性質を持つＢ圧電体から成る。Ａ圧電体及びＢ圧電体は圧電セラミックスである。Ａ圧電体及びＢ圧電体は、振動部材１９の周に沿って並べられ、振動部材１９の周方向に伸縮する。各圧電体どうしの間隔は、同じである。図２において、Ａ圧電体に＋を、Ｂ圧電体に−を記す。これらの＋及び−は、説明のために記載したものであり、圧電体に印加される電荷の特性を示すものではない。
【００３２】
振動部材１９は、第１の領域３１０、第２の領域３２０、及び第３の領域３３０を有する。各領域は、振動部材１９上に環状に配置される。第１の領域３１０において回転軸Ｘを中心とする中心角は１６８．７５度である。同様に、第２の領域３２０の中心角は１６８．７５度、第３の領域３３０の中心角は２２．５度である。
【００３３】
第１の領域３１０及び第２の領域３２０は、４つのＡ圧電体と４つのＢ圧電体を各々有し、第３の領域３３０は１つのＡ圧電体を有する。
【００３４】
第１の領域３１０が有するＡ圧電体は、第１のＡ圧電体３１１ａ、第２のＡ圧電体３１２ａ、第３のＡ圧電体３１５ａ、及び第４のＡ圧電体３１６ａであり、同じくＢ圧電体は、第１のＢ圧電体３１３ｂ、第２のＢ圧電体３１４ｂ、第３のＢ圧電体３１７ｂ、及び第４のＢ圧電体３１８ｂである。第２の領域３２０が有するＡ圧電体は、第５のＡ圧電体３２３ａ、第６のＡ圧電体３２４ａ、第７のＡ圧電体３２７ａ、及び第８のＡ圧電体３２８ａであり、同じくＢ圧電体は、第５のＢ圧電体３２１ｂ、第６のＢ圧電体３２２ｂ、第７のＢ圧電体３２５ｂ、及び第８のＢ圧電体３２６ｂである。そして、第３の領域３３０が有するＡ圧電体は、第９のＡ圧電体３３１ａである。第１のＡ圧電体３１１ａ及び第５のＢ圧電体３２１ｂにおいて回転軸Ｘを中心とする中心角は１１．２５度であり、その他のＡ圧電体及びＢ圧電体において回転軸Ｘを中心とする中心角は２２．５度である。
【００３５】
弾性部材１６側よりも高い電圧を電極板２０側からＡ圧電体及びＢ圧電体に供給すると、Ａ圧電体が周方向に伸び、Ｂ圧電体が縮む。逆に、弾性部材１６側よりも低い電圧を電極板２０側からＡ圧電体及びＢ圧電体に供給すると、Ａ圧電体が周方向に縮み、Ｂ圧電体が伸びる。つまり、弾性部材１６と各印加電極との電圧差に応じてＡ圧電体及びＢ圧電体が周方向に伸縮する。そのため、振動部材１９が全周にわたってゆがみ、回転軸Ｘに沿った変位を生じる。
【００３６】
次に、図３を用いて電極板２０について説明する。説明のため、電極板２０に振動部材１９を接着したときの各圧電体の位置を破線で図３に示す。
【００３７】
電極板２０は、ドーナツ型の薄い円盤であって、振動部材１９と接触する面に、第１から第４の印加電極２１−２４が設けられる。
【００３８】
第１の印加電極２１は、第１の領域３１０の全長に渡って、つまり第１のＡ圧電体３１１ａから第４のＢ圧電体３１８ｂまで設けられ、第１の領域３１０に含まれる圧電体に電荷を供給する。第４のＢ圧電体３１８ｂから第１の印加電極２１の外周に第１の配線２５が伸びる。
【００３９】
第２の印加電極２２は、電極板２０の内周側であって、Ａ圧電体及びＢ圧電体と接触しない位置を通り、第６のＢ圧電体３２２ｂ、第６のＡ圧電体３２４ａ、第８のＢ圧電体３２６ｂ、及び第８のＡ圧電体３２８ａと接触するように、電極板２０の内周から径方向外側に向けて伸びる。第４のＢ圧電体３１８ｂと第９のＡ圧電体３３１ａとの間を通る第２の配線２６に第２の印加電極２２が接続される。
【００４０】
第３の印加電極２３は、第９のＡ圧電体３３１ａに接続され、電極板２０の外周に延びる第３の配線２７に接続される。
【００４１】
第４の印加電極２４は、電極板２０の外周側であって、Ａ圧電体及びＢ圧電体と接触しない位置を通り、第５のＢ圧電体３２１ｂ、第５のＡ圧電体３２３ａ、第７のＢ圧電体３２５ｂ、及び第７のＡ圧電体３２７ａと接触するように、電極板２０の外周から径方向内側に向けて伸びる。電極板２０の外周に延びる第４の配線２８に第４の印加電極２４が接続される。
【００４２】
次に図４を用いて電源部４０の構成について説明する。電源部４０は、波形発生器４１、位相器４２、第１のスイッチ４３、及び第２のスイッチ４４を備える。
【００４３】
波形発生器４１は、電圧出力線４５と接地線４７とに接続され、コサイン波から成る交流電圧を電圧出力線４５に出力する。接地線４７は、波形発生器４１内部で接地され、グランド電位を持つ。
【００４４】
超音波モータ１０の外部に設けられた検出器４８が波形発生器４１に接続される。検出装置は、超音波モータ１０の回転数を検出し、波形発生器４１に送信する。波形発生器４１は、検出器４８から送信された回転数に応じて、交流電圧の電圧及び周波数を制御する。例えば、交流電圧は４００Ｖ、周波数は６０ｋＨｚである。
【００４５】
電圧出力線４５は、位相器４２、第１のスイッチ４３、第２のスイッチ４４、及び第１の配線２５に接続される。すなわち、波形発生器４１が出力した交流電圧は常に第１の配線２５に流れる。
【００４６】
位相器４２は、電圧出力線４５と位相出力線４６とに接続され、電圧出力線４５から交流電圧を受電する。そして、交流電圧の位相を変更して、位相出力線４６に交流電圧を出力する。交流電圧の位相は、超音波モータ１０の駆動パターンに応じて変更される。超音波モータ１０の駆動パターンについては後述する。
【００４７】
位相出力線４６は、第４の配線２８及び第１のスイッチ４３に接続される。すなわち、位相器４２を経た交流電圧が常に第４の配線２８に流れる。
【００４８】
第１のスイッチ４３は、第１の入力端子４３ａ、第２の入力端子４３ｂ、及び第１の出力端子４３ｃを有する。第１の入力端子又は第２の入力端子４３ｂを介して受電した交流電圧のいずれか１つを第１の出力端子４３ｃに出力する。第１の出力端子４３ｃは、第２の配線２６に接続される。第２の入力端子４３ｂは、電圧出力線４５に接続される。すなわち、第１のスイッチ４３が第１の入力端子４３ａと第１の出力端子４３ｃとを接続したとき、位相器４２を経た交流電圧が第２の配線２６に流れる。そして、第１のスイッチ４３が第２の入力端子４３ｂと第１の出力端子４３ｃとを接続したとき、波形発生器４１が出力した交流電圧が第２の配線２６に流れる。
【００４９】
第２のスイッチ４４は、第３の入力端子４４ａ、第４の入力端子４４ｂ、及び第２の出力端子４４ｃを有する。第３の入力端子又は第４の入力端子４４ｂを介して受電した交流電圧のいずれか１つを第２の出力端子４４ｃに出力する。第２の出力端子４４ｃは、第３の配線２７に接続される。第３の入力端子４４ａは、電圧出力線４５に接続される。すなわち、第２のスイッチ４４が第３の入力端子４４ａと第２の出力端子４４ｃとを接続したとき、波形発生器４１が出力した交流電圧が第３の配線２７に流れる。そして、第２のスイッチ４４が第４の入力端子４４ｂと第２の出力端子４４ｃとを接続したとき、第３の配線２７が接地される。
【００５０】
次に、超音波モータ１０の駆動パターンについて説明する。
【００５１】
駆動パターンは、超音波モータ１０が回転する進行波駆動と、超音波モータ１０が回転しない定在波駆動とを有する。進行波駆動は、超音波モータ１０から回転力を取り出すときに用いられ、定在波駆動は、ロータ１４とステータ１５との貼り付きを解除するために用いられる。
【００５２】
図４を用いて進行波駆動について説明する。進行波駆動を行うとき、位相器４２は、電圧出力線４５から受けた交流電圧の位相をπ／２ずらした交流電圧を位相出力線４６に出力する。つまり、Ｖ０ｃｏｓ（ωｔ）による交流電圧を位相器４２が受電するとき、Ｖ０ｃｏｓ（ω−π／２）ｔ＝Ｖ０ｓｉｎ（ωｔ）によるサイン波の交流電圧が位相出力線４６に出力される。そして、第１の入力端子４３ａが第１の出力端子４３ｃに接続され、かつ第４の入力端子４４ｂが第２の出力端子４４ｃに接続される。これにより、コサイン波から成る交流電圧が第１の領域３１０に属する圧電体に印加され、サイン波から成る交流電圧が第２の領域３２０に属する圧電体に印加される。なお、第３の領域３３０を成す第９のＡ圧電体３３１ａには電圧が印加されない。
【００５３】
前述のように、弾性部材１６と各印加電極との電圧差に応じてＡ圧電体及びＢ圧電体が伸縮する。弾性部材１６よりも高い電圧を各印加電極からＡ圧電体及びＢ圧電体に供給すると、Ａ圧電体が回転軸Ｘ正方向に変位し、Ｂ圧電体が回転軸Ｘ負方向に変位する。また、弾性部材１６よりも低い電圧を各印加電極からＡ圧電体及びＢ圧電体に供給すると、Ａ圧電体が回転軸Ｘ負方向に変位し、Ｂ圧電体が回転軸Ｘ正方向に変位する。
【００５４】
このとき、第１の領域３１０における振幅Ａ１と第２の領域３２０における振幅Ａ２は以下の式による。
Ａ１＝Ａ０ｓｉｎ（２πｙ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
Ａ２＝Ａ０ｓｉｎ（２π（ｙ−λ／４）／λ）ｓｉｎ（ωｔ）＝Ａ０ｃｏｓ（２πｙ／λ）ｓｉｎ（ωｔ）
ここで、ｙは振動部材１９の周方向において所定の点を原点とする座標である。
【００５５】
図４に示すステータ１５に記された破線は、弾性部材１６よりも高い電圧を各印加電極がＡ圧電体及びＢ圧電体に印加したときの各圧電体の変位方向を示す。内周側に凸である曲線は、回転軸Ｘ正方向に対する変位を表し、外周側に凸である曲線は、回転軸Ｘ負方向に対する変位を表す。つまり、第１のＡ圧電体３１１ａ及び第２のＡ圧電体３１２ａ、第３のＡ圧電体３１５ａ及び第４のＡ圧電体３１６ａ、第５のＡ圧電体３２３ａ及び第６のＡ圧電体３２４ａ、並びに第７のＡ圧電体３２７ａ及び第８のＡ圧電体３２８ａが、回転軸Ｘ正方向に対して１つの山を作るように各々変位する。そして、第１のＢ圧電体３１３ｂ及び第２のＢ圧電体３１４ｂ、第３のＢ圧電体３１７ｂ及び第４のＢ圧電体３１８ｂ、第５のＢ圧電体３２１ｂ及び第６のＢ圧電体３２２ｂ、並びに第７のＢ圧電体３２５ｂ及び第８のＢ圧電体３２６ｂが、回転軸Ｘ正方向に対して１つの谷を作るように各々変位する。なお、第９のＡ圧電体３３１ａは電圧が印加されないため、自らの力で変位することはない。よって、自らの力で変位しない調整領域が第１の領域３１０と第２の領域３２０との間に設けられる。
【００５６】
各印加電極の電位を所定の周期で上下させると、振動部材１９の上に波長λの波が発生する。振動部材１９の周方向における第９のＡ圧電体３３１ａの長さはλ／８である。第１の領域３１０に印加する交流電圧と第２の領域３２０に印加する交流電圧との位相差がπ／２であること、かつ第１の領域３１０と第２の領域３２０との間にλ／８の間隔が空いていることにより、振動部材１９上の波が、振動部材１９の周方向に進行する進行波となる。
【００５７】
進行波駆動では、第１の領域３１０における振幅Ａ１と第２の領域３２０における振幅Ａ２とを加えて得られる振幅Ａｔは以下の式になる。
Ａｔ＝Ａ１＋Ａ２＝Ａ０ｓｉｎ（２πｙ／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。
【００５８】
ステータ１５に生じた進行波が振動部材１９の頂面１６ｃに進行波を生じさせ、頂面１６ｃに押し当てられているロータ１４を回転軸Ｘ周りに回転させる。これにより、超音波モータ１０が回転力を生じる。
【００５９】
図５を用いて定在波駆動について説明する。定在波駆動を行うとき、位相器４２は、電圧出力線４５から受けた交流電圧の位相をπだけずらした交流電圧を位相出力線４６に出力する。言い換えると、位相器４２は、電圧出力線４５から受けた交流電圧の位相を逆にした交流電圧を出力する。つまり、Ｖ０ｃｏｓ（ωｔ）による交流電圧を位相器４２が受電するとき、−Ｖ０ｃｏｓ（ωｔ）によるマイナスコサイン波の交流電圧が位相出力線４６に出力される。そして、第２の入力端子４３ｂが第１の出力端子４３ｃに接続され、かつ第３の入力端子４４ａが第２の出力端子４４ｃに接続される。これにより、コサイン波から成る交流電圧が、第１の領域３１０に属する圧電体、第９のＡ圧電体３３１ａ、第８のＡ圧電体３２８ａ、第８のＢ圧電体３２６ｂ、第６のＡ圧電体３２４ａ、及び第６のＢ圧電体３２２ｂに印加され、マイナスコサイン波から成る交流電圧が、第５のＡ圧電体３２３ａ、第５のＢ圧電体３２１ｂ、第７のＡ圧電体３２７ａ、及び第７のＢ圧電体３２５ｂに印加される。以下、コサイン波から成る交流電圧が印加される圧電体を第１の圧電体群、マイナスコサイン波から成る交流電圧が印加される圧電体を第２の圧電体群とする。
【００６０】
このとき、第１の圧電体群における振幅Ａ３と第２の圧電体群における振幅Ａ４は以下の式による。
Ａ３＝Ａ０ｃｏｓ（２πｙ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
Ａ４＝Ａ０ｃｏｓ（２πｙ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
ここで、ｙは振動部材１９の周方向において所定の点を原点とする座標である。
【００６１】
図５に示すステータ１５に記された破線は、コサイン波から成る交流電圧とマイナスコサイン波から成る交流電圧とを振動部材１９に印加した場合における特定の瞬間の各圧電体の変位方向を示す。この瞬間では、弾性部材１６よりも高い電圧を第１の圧電体群に印加し、かつ弾性部材１６よりも低い電圧を第２の圧電体群に印加する。
【００６２】
内周側に凸である曲線は、回転軸Ｘ正方向に対する変位を表し、外周側に凸である曲線は、回転軸Ｘ負方向に対する変位を表す。つまり、第５のＢ圧電体３２１ｂ、第１のＡ圧電体３１１ａ、及び第２のＡ圧電体３１２ａ、第３のＡ圧電体３１５ａ及び第４のＡ圧電体３１６ａ、第９のＡ圧電体３３１ａ及び第７のＡ圧電体３２７ａ、並びに第７のＢ圧電体３２５ｂ及び第６のＡ圧電体３２４ａが、回転軸Ｘ正方向に対して１つの山を作るように各々変位する。そして、第１のＢ圧電体３１３ｂ及び第２のＢ圧電体３１４ｂ、第３のＢ圧電体３１７ｂ及び第４のＢ圧電体３１８ｂ、第７のＡ圧電体３２７ａ及び第８のＢ圧電体３２６ｂ、並びに第５のＡ圧電体３２３ａ及び第６のＢ圧電体３２２ｂが、回転軸Ｘ正方向に対して１つの谷を作るように各々変位する。
【００６３】
各印加電極の電位を所定の周期で上下させると、振動部材１９の上に波長λの定在波が発生する。定在波は、振動部材１９の周方向に進行せず、周方向における位置を固定したまま回転軸Ｘに沿って上下を繰り返す波である。
【００６４】
定在波駆動では、第１の圧電体群における振幅Ａ３と第２の圧電体群における振幅Ａ４とを加えて得られる振幅Ａｔは以下の式になる。
Ａｔ＝Ａ３＋Ａ４＝２Ａ０ｃｏｓ（２πｙ／λ）ｃｏｓ（ωｔ）
この式は、振幅が２Ａ０である定在波を示す。よって、定在波駆動における振幅は、進行波駆動における振幅の２倍であることがわかる。
【００６５】
ステータ１５に生じた定在波が振動部材１９の頂面１６ｃに定在波を生じさせる。定在波は回転軸Ｘ軸に沿って進退し、これにより、ステータ１５からロータ１４を引き離す。
【００６６】
次に、図６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。
【００６７】
ステップＳ６１では、超音波モータ１０、すなわちロータ１４の回転を検出器４８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Ｓ６２に進み、回転を検出するとき、処理は終了する。
【００６８】
ステップＳ６２では、超音波モータ１０を定在波駆動する。所定期間、例えば零コンマ数秒間、第２の入力端子４３ｂと第１の出力端子４３ｃとを接続し、かつ第３の入力端子４４ａと第２の出力端子４４ｃとを接続する。これにより、ロータ１４及びステータ１５に振幅が２Ａ０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。
【００６９】
本実施形態によれば、超音波モータに印加する電圧の最大値を変化させることなく、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、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、加圧スプリング１３によるロータ１４とステータ１５との間の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。
【００７０】
なお、ロータ１４の回転を起動時に検出しないときに定在波駆動するのではなく、超音波モータ１０を起動するとき常に、あるいはロータ１４の回転を検出するまで定在波駆動してもよい。
【００７１】
また、本実施形態による振動部材１９は、Ａ圧電体とＢ圧電体とを周方向に対して２つずつ交互に並べているが、３つあるいは４つ以上ずつ交互に並べても良い。連続する複数のＡ圧電体が、進行波における１つの山又は谷を形成するように並べられればよい。Ｂ圧電体についても同様である。
【００７２】
交流電圧は、Ｖ０ｃｏｓ（ωｔ）に限定されない。
【００７３】
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。
【００７４】
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】
【００７５】
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 振動部材
２０ 電極板
４０ 電源部
４１ 波形発生器
４２ 位相器
４３ 第１のスイッチ
４４ 第２のスイッチ
４８ 検出器
Ｘ 回転軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に対して回転自在に取り付けられるロータと、
前記ロータとの接触面に、定在波を生じるステータと、
第１の波形を有する第１の交流電圧と、前記第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とを前記ステータに印加する電源部とを備え、
前記電源部は、前記第１の交流電圧及び前記第２の交流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】
前記接触面は前記回転軸を中心とする環状であって、
前記ステータは、前記接触面の周方向に並べられる、進行波を発生させるために必要な周方向長さを有する調整領域と、前記接触面において前記調整領域を除いた領域を径方向に２分割して得られる第１の領域と第２の領域とを有し、
前記第１の領域及び前記第２の領域は、互いに反対方向に振動する複数の第１の振動部及び複数の第２の振動部をそれぞれ有し、
前記調整領域は、前記第１の振動部または前記第２の振動部を有し、
前記第１の振動部及び前記第２の振動部は、前記調整領域の隣から、前記接触面の周方向に交互に並べられる請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記第１の振動部は、正電圧を印加すると前記回転軸に対して平行である第１の方向に突出し、負電圧を印加すると前記第１の方向と反対方向である第２の方向に突出し、
前記第２の振動部は、正電圧を印加すると前記第２の方向に突出し、負電圧を印加すると前記第１の方向に突出する請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記電源部は、
前記第１の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部と、前記第１の領域及び前記調整領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部と、前記第２の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部のうちの一部とに対して第１の交流電圧を印加し、
前記第２の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部のうち、前記第１の交流電圧を印加しない前記第１の振動部及び前記第２の振動部に対して前記第２の交流電圧を印加する請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記電源部は、前記第２の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部のうち、前記調整領域に隣接する前記第１の振動部または前記第２の振動部と、その前記第１の振動部または前記第２の振動部から前記調整領域とは反対方向に１つおきに位置する前記第１の振動部または前記第２の振動部とに、第１の交流電圧を印加する請求項４に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記電源部は、前記第２の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部のうち、前記調整領域から１つおきに位置する前記第１の振動部または前記第２の振動部に第２の交流電圧を印加する請求項４に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記定在波は、前記ステータの全周に渡って偶数個の波を形成する請求項１から６に記載の超音波モータ。
【請求項８】
前記電源部は、起動時から所定期間の間、第１の波形を有する第１の交流電圧と、前記第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とを前記ステータに印加する請求項１から７に記載の超音波モータ。
【請求項９】
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、前記電源部は、所定期間、第１の波形を有する第１の交流電圧と、前記第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とを前記ステータに印加する請求項１から７に記載の超音波モータ。
【請求項１】
回転軸に対して回転自在に取り付けられるロータと、
前記ロータとの接触面に、定在波を生じるステータと、
第１の波形を有する第１の交流電圧と、前記第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とを前記ステータに印加する電源部とを備え、
前記電源部は、前記第１の交流電圧及び前記第２の交流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】
前記接触面は前記回転軸を中心とする環状であって、
前記ステータは、前記接触面の周方向に並べられる、進行波を発生させるために必要な周方向長さを有する調整領域と、前記接触面において前記調整領域を除いた領域を径方向に２分割して得られる第１の領域と第２の領域とを有し、
前記第１の領域及び前記第２の領域は、互いに反対方向に振動する複数の第１の振動部及び複数の第２の振動部をそれぞれ有し、
前記調整領域は、前記第１の振動部または前記第２の振動部を有し、
前記第１の振動部及び前記第２の振動部は、前記調整領域の隣から、前記接触面の周方向に交互に並べられる請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記第１の振動部は、正電圧を印加すると前記回転軸に対して平行である第１の方向に突出し、負電圧を印加すると前記第１の方向と反対方向である第２の方向に突出し、
前記第２の振動部は、正電圧を印加すると前記第２の方向に突出し、負電圧を印加すると前記第１の方向に突出する請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記電源部は、
前記第１の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部と、前記第１の領域及び前記調整領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部と、前記第２の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部のうちの一部とに対して第１の交流電圧を印加し、
前記第２の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部のうち、前記第１の交流電圧を印加しない前記第１の振動部及び前記第２の振動部に対して前記第２の交流電圧を印加する請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記電源部は、前記第２の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部のうち、前記調整領域に隣接する前記第１の振動部または前記第２の振動部と、その前記第１の振動部または前記第２の振動部から前記調整領域とは反対方向に１つおきに位置する前記第１の振動部または前記第２の振動部とに、第１の交流電圧を印加する請求項４に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記電源部は、前記第２の領域に属する前記第１の振動部及び前記第２の振動部のうち、前記調整領域から１つおきに位置する前記第１の振動部または前記第２の振動部に第２の交流電圧を印加する請求項４に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記定在波は、前記ステータの全周に渡って偶数個の波を形成する請求項１から６に記載の超音波モータ。
【請求項８】
前記電源部は、起動時から所定期間の間、第１の波形を有する第１の交流電圧と、前記第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とを前記ステータに印加する請求項１から７に記載の超音波モータ。
【請求項９】
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、前記電源部は、所定期間、第１の波形を有する第１の交流電圧と、前記第１の波形とは逆の位相を有する第２の交流電圧とを前記ステータに印加する請求項１から７に記載の超音波モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２５４６６１（Ｐ２０１１−２５４６６１Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２８０６７（Ｐ２０１０−１２８０６７）
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（０００１１３２６３）ＨＯＹＡ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（０００１１３２６３）ＨＯＹＡ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
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