超音波モータ
【課題】センシング機能を付加した簡略な構成の超音波モータを提供すること。
【解決手段】超音波モータを次のように構成する。すなわち、被駆動体であるシャフト11と、前記シャフト11が挿通される貫通孔5hが形成されたステータ5と、前記ステータ5に設けられ、前記シャフト11を駆動する為の駆動信号が印加される駆動用圧電素子10と、前記ステータ5において、前記シャフト11の駆動軸方向に沿って長さを有するように設けられ、当該超音波モータの外部環境の状態を検出する為の検出信号を出力する検出用圧電素子15と、を超音波モータに具備させる。
【解決手段】超音波モータを次のように構成する。すなわち、被駆動体であるシャフト11と、前記シャフト11が挿通される貫通孔5hが形成されたステータ5と、前記ステータ5に設けられ、前記シャフト11を駆動する為の駆動信号が印加される駆動用圧電素子10と、前記ステータ5において、前記シャフト11の駆動軸方向に沿って長さを有するように設けられ、当該超音波モータの外部環境の状態を検出する為の検出信号を出力する検出用圧電素子15と、を超音波モータに具備させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば圧電素子等から成る超音波振動子の振動を利用する超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして、圧電素子などの振動子の振動を利用した超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータと比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、ストロークが長く高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。
【０００３】
超音波モータでは、摩擦部材である駆動子が設けられた超音波振動子を、該駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付ける。そして、前記駆動子と前記被駆動部材との間の摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。このような超音波モータに関連する技術としては、例えば特許文献１に次のような技術が開示されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１に開示されている超音波モータでは、超音波振動子のうち楕円振動が生じている振動面に沿った方向に穴部が形成され、この穴部内において前記楕円振動が発生している部位に摩擦接触部が配設されている。
ここで、前記超音波振動子は圧電体である矩形状の圧電セラミックスシートが複数枚積層されて成る。それら矩形状の圧電セラミックスシートには、それぞれ４隅に圧電活性化された領域である内部電極が設けられている。それら内部電極において当該圧電セラミックスシートの周縁に露出する部位には、それぞれ対応する位置の内部電極同士で外部電極が設けられて電気的に接続されている。
【０００５】
この外部電極に所定の電気信号が印加されると、前記超音波振動子には、超音波モータとして縦１次振動と屈曲２次振動とが励起される。そして、それらの合成振動である楕円振動が、前記摩擦接触部の配設位置に励起される。この摩擦接触部により取出した駆動力をシャフトに伝達して軸駆動が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２１１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に開示されている超音波モータは、シャフトを軸方向に直進(Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ)駆動可能なように構成されている。このような直進駆動に加えて、その軸周りに回転(Ｒｏｔａｔｉｏｎ)駆動可能なモータは、ＴＲ型モータと称されている。このＴＲ型モータは、一つのモータで複数方向に駆動できるという多機能的な超音波モータである。
そして、特許文献１に開示されているタイプの超音波モータやＴＲ型モータにおいては、シャフトについての接触検知、及び当該モータが配設されている空間の温度検知を行いたいとの要望がある。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術に代表されるように、従来の技術に係る超音波モータは、センシング機能を付加し得るようには構成されていない。
本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、センシング機能を付加した簡略な構成の超音波モータ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】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による超音波モータは、
被駆動体であるシャフトと、
前記シャフトが挿通される貫通孔が形成されたステータと、
前記ステータに設けられ、前記シャフトを駆動する為の駆動信号が印加される駆動用圧電素子と、
前記ステータにおいて、前記シャフトの駆動軸方向に沿って長さを有するように設けられ、当該超音波モータの外部環境の状態を検出する為の検出信号を出力する検出用圧電素子と、
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、センシング機能を付加した簡略な構成の超音波モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図１Ｃ】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置の概略構成例を示す図。
【図３Ａ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図３Ｂ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図３Ｃ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図３Ｄ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図４Ａ】本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図４Ｂ】本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図４Ｃ】本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る超音波モータについて、図面を参照して説明する。
[第１実施形態]
図１Ａ乃至図１Ｃは、それぞれ本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、本第１実施形態に係る超音波モータは、ステータ５と、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４と、検出用圧電素子１５と、シャフト１１と、を具備する。
【００１３】
前記ステータ５は、シャフト１１を挿通する貫通孔５ｈが設けられた略立方体形状の弾性体（例えば金属等）である。
前記駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４は、ステータ５のうち貫通孔５ｈが設けられた面以外の面（側周面）に設けられた圧電素子である。詳細には、各駆動用圧電素子は下記の態様で設けられている。
【００１４】
駆動用圧電素子１０−１と駆動用圧電素子１０−２とは、ステータ５の一側周面において、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。該側周面に隣接する側周面においては、駆動用圧電素子１０−３と駆動用圧電素子１０−４とが、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。
【００１５】
図１Ａ乃至図１Ｃに示す構成例において、駆動用圧電素子１０−１，１０−２は、当該側周面の略全面に渡って設けられている。一方、駆動用圧電素子１０−３，１０−４は、図１Ａ乃至図１Ｃに示す構成例においては、検出用圧電素子１５を設ける為の所定の領域を覆わない態様で設けられている。図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、各駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４及び検出用圧電素子１５は、それぞれ各配設面において対称性を有する態様で配設されている。
【００１６】
図１Ａに示す構成例においては、当該側周面の縁部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
図１Ｂに示す構成例においては、当該側周面の中央部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
【００１７】
図１Ｃに示す構成例においては、当該側周面の中央部近傍で前記軸方向に対して垂直な方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向に対して垂直な方向を長手方向とする）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
前記シャフト１１は、ステータ５に形成された貫通孔５ｈに挿通され、進退駆動及び回転駆動可能なように当該ステータ５によって支持される被駆動体である。このシャフト１１は、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４に所定の駆動信号が印加されて弾性変形するステータ５によって、進退駆動及び回転駆動される。
【００１８】
前記検出用圧電素子１５は、当該超音波モータの外部環境の要素とシャフト１１との接触（衝突を含む；以降同様）の検出、及び、当該超音波モータの外部環境の状態の検出（例えば後述する温度検出）の為に設けられた圧電素子である。
図１Ａに示す構成例においては、検出用圧電素子１５は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の縁部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡って設けられている。
【００１９】
図１Ｂに示す構成例においては、検出用圧電素子１５は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の中央部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡って設けられている。
図１Ｃに示す構成例においては、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の中央部近傍で前記軸方向に対して垂直な方向に略一辺の長さに渡って設けられている。
【００２０】
上述の各図に示す構成例から分かるように、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４及び検出用圧電素子１５は、下記の条件を満たすことが好ましい。
・駆動の為の圧電素子（駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４）と、センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）と、を別個に設けること。
・センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）を、被駆動体（シャフト１１）の軸方向に幅（所定長さ）を有するように形成すること。
・センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）を、振動時に応力が集中する（応力が最大となる）部位である前記軸方向における中央部位近傍を含むように形成する。
【００２１】
なお、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４及び検出用圧電素子１５としては、外部電極が引き出された積層型圧電素子を用いてもよいし、単板型圧電素子を用いてもよい。但し、ステータ５自体の容積を変化させない程度の大きさの圧電素子を用いることが好ましい。
【００２２】
ところで、上述の駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４は、ステータ５が備えるＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｂ相（Ｂ＋，Ｂ−）の駆動電極として機能する。詳細には、駆動用圧電素子１０−１とＡ＋相とが対応し、駆動用圧電素子１０−２とＢ＋相とが対応し、駆動用圧電素子１０−３とＢ−相とが対応し、駆動用圧電素子１０−４とＡ−相とが対応する。また、上述の検出用圧電素子１５は、図２に示すように接地されたステータ５の縦振動を検出するＣ相の振動検出電極として機能する。
【００２３】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータを駆動する為の装置について詳細に説明する。図２は、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置の概略構成例を示す図である。図２に示すように、駆動装置は、発振回路（基準信号生成手段）２１と、制御ＣＰＵ２２と、信号制御回路２３と、信号生成回路２５と、信号出力制御回路２６と、位相差検出回路２８と、ドライブ回路３０と、モニタ信号制御回路４０と、基準温度計５１と、を有する。
【００２４】
前記発振回路２１は、基準信号（クロック信号）を生成し、信号制御回路２３、信号生成回路２５、信号出力制御回路２６、及び位相差検出回路２８に出力する。
前記制御ＣＰＵ２２は、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４に印加する駆動信号を制御する。また、前記制御ＣＰＵ２２は、検出用圧電素子１５から出力された信号（検出信号）を利用して、シャフト１１の接触検出処理、及び当該超音波モータの外部環境／ステータ５の温度検出処理を行う。この制御ＣＰＵ２２によるセンシング処理については、後に詳述する。
【００２５】
前記信号制御回路２３は、前記発振回路２１から入力される基準信号と制御ＣＰＵ２２から入力される周波数指令値とに基づいて、所定の周波数のパルス信号である基準駆動信号を生成し、これを信号生成回路２５に出力する。ここで、制御ＣＰＵ２２は、基準駆動信号の周波数をステータ５の共振周波数またはその近傍の周波数に設定するための周波数指令値を、信号制御回路２３に与える。従って、信号制御回路２３からはステータ５の共振周波数と略同じ周波数の基準駆動信号が出力される。
【００２６】
より詳細には、信号制御回路２３は、周波数制御回路、位相差制御回路、及びパルスエッジ遅れ制御回路から成る。
信号制御回路２３は、前記周波数制御回路として、周波数の設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、駆動信号の周波数を決める基準駆動信号を出力する。
【００２７】
信号制御回路２３は、前記位相差制御回路として、駆動位相差の設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、２つの駆動信号であるＡ相信号とＢ相信号との位相差を制御する。
前記信号出力制御回路２６は、制御ＣＰＵ２２から当該信号出力制御回路２６を介して、直接信号生成回路２５の出力のＯＮ／ＯＦＦ、Ａ相信号、Ｂ相信号の出力順を制御することができる。また、信号出力制御回路２６は、設定値に基づき、信号生成回路２５から出力する駆動信号のパルス数や間欠駆動を行うための出力休止時間を制御する。
【００２８】
前記信号生成回路２５は、基準駆動信号と制御ＣＰＵ２２からのＡ相Ｂ相の位相差指令値とに基づいて、位相差が９０°であるＡ相の基準駆動信号とＢ相の基準駆動信号とを生成する。なお、出力のＯＮ／ＯＦＦ制御は、信号出力制御回路２６によって行われる。
【００２９】
前記ドライブ回路３０は、スイッチング素子で構成されたＨブリッジ回路とインピーダンスマッチング及び昇圧用のコイルとを備えている。このドライブ回路３０は、前記信号生成回路２５から各種駆動信号が入力されると、各駆動交番電圧ＯＵＴＡ＋、ＯＵＴＡ−、ＯＵＴＢ＋、ＯＵＴＢ−を出力する。
【００３０】
ドライブ回路３０はコイルを有しているので、パルス信号である駆動信号は、コイルの働きにより正弦波に近い波形に変換され、正弦波に近いＡ相、Ｂ相の駆動交番電圧が、ステータ５に設けられたＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｂ相（Ｂ＋，Ｂ−）の駆動電極である駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４にそれぞれ印加される。
【００３１】
ここで、ステータ５に励起されている縦振動は、Ｃ相の振動検出電極である検出用圧電素子１５により検出され、この縦振動に比例する電気信号（振動検出信号）はモニタ信号制御回路４０（詳細は後述）を介して位相差検出回路２８に入力される。また、位相差検出回路２８には、信号生成回路２５から何れか一つの駆動信号（例えばＡ相プラス側の駆動信号（駆動用圧電素子１０−１に印加する駆動信号）が入力される。
【００３２】
そして、位相差検出回路２８は、ステータ５の検出用圧電素子１５から出力されてモニタ信号制御回路４０を介して入力された振動検出信号と、信号生成回路２５から入力された駆動信号と、の位相差を検出し、該位相差を制御ＣＰＵ２２に出力する。
前記モニタ信号制御回路４０は、検出用圧電素子１５からの出力信号を波形整形して２値化して前記位相差検出回路２８に出力する。
【００３３】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの制御ＣＰＵ２２による“周波数追尾処理”、“接触検出処理”、及び“温度検出処理”について詳細に説明する。
《周波数追尾処理》
駆動電極（本例におけるところの駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４）に印加する駆動信号と、振動検出電極（本例におけるところの検出用圧電素子１５）からの検出信号と、の位相差(以降、追尾位相差と称する)が、所定の値になるように、駆動信号の周波数を調整しつつ駆動する。
【００３４】
換言すれば、制御ＣＰＵ２２は、位相差検出回路２８からのフィードバック値等に基づいて、基準駆動信号の周波数指令値、及びＡ相Ｂ相の位相差指令値等を作成して出力することで、周波数追尾を行う。
《接触検出処理》
（１）シャフト１１が進退／回転駆動中における接触検出処理
制御ＣＰＵ２２は、前記位相差検出回路２８によって検出された、“ドライブ回路３０の出力である駆動信号（各駆動交番電圧）と、検出用圧電素子１５の出力である検出信号と、の位相差”を、Ａ／Ｄ変換してモニタリングする。ここで、制御ＣＰＵ２２は、前記Ａ／Ｄ変換後の値（以降、Ａ／Ｄ変換値と称する）について、前回のサンプリング値と比較して所定範囲を超えるような変化（例えば急激な変化）があるか否かを判定する。
【００３５】
このＡ／Ｄ変換値の急激な変化は、進退／回転駆動中のシャフト１１が何らかの外部要素に接触したことを示す。従って、このようにＡ／Ｄ変換値をモニタリングして当該Ａ／Ｄ変換値に所定範囲を超えるような変化（例えば急激な変化）があるか否かを判定することで、進退／回転駆動中のシャフト１１が何かに接触したことを検出することができる。
（２）シャフト１１が進退／回転駆動していないとき（当該超音波モータがモータとして機能していないとき）の接触検出処理
制御ＣＰＵ２２は、“シャフト１１の固有振動数”の電圧信号を駆動電極（駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４）に印加する制御を行う。そして、前記位相差検出回路２８によって検出された、“ドライブ回路３０の出力である駆動信号（各駆動交番電圧）と、検出用圧電素子１５の出力である検出信号と、の位相差”を、Ａ／Ｄ変換してモニタリングする。ここで、制御ＣＰＵ２２は、Ａ／Ｄ変換値について、前回のサンプリング値と比較して所定範囲を超えるような値の変化（例えば急激な値の変化）があるか否かを判定する。このＡ／Ｄ変換値の急激な変化は、シャフト１１に何らかの外部要素が接触してきたことを示す。
【００３６】
従って、制御ＣＰＵ２２は、Ａ／Ｄ変換値をモニタリングして、当該Ａ／Ｄ変換値に急激な変化があるか否かを判定することで、シャフト１１に何らかの外部要素が接触してきたことを検出することができる。なお、前記検出用圧電素子１５の出力である検出信号のみを参照して、その周波数の変化の有無について判定することで、接触したか否かを検出することも可能である。
ところで、検出信号の周波数の変化の程度は、シャフト１１に接触した外部要素の硬さに応じて異なる。従って、前記検出用圧電素子１５の出力である検出信号のみを参照して、シャフト１１に接触した外部要素の硬さについても概略判別することも可能である。たとえば、検出信号の周波数が、シャフト１１の固有振動数からどの程度変化するかに基づいて、シャフト１１に接触した外部要素の硬さを概略判別する。
《温度検出処理》
制御ＣＰＵ２２は、検出用圧電素子１５の出力である検出信号をＡ／Ｄ変換し、当該Ａ／Ｄ変換値（電圧値）をモニタリングする。ここで、定常状態の検出用圧電素子１５において温度変化が生じると（当該超音波モータが配設されている空間に温度変化が生じると）、焦電効果により、前記検出信号が変化する（すなわちＡ／Ｄ変換値が変化する）。従って、Ａ／Ｄ変換値の変化をモニタリングし、当該Ａ／Ｄ変換値に変化が生じたか否かを判定することで、検出用圧電素子１５の（当該超音波モータが配設されている空間の）温度変化を検出することができる。
【００３７】
なお、当然ながら、上述の方法で検出する温度変化は相対的な温度の変化である。従って、温度の絶対値を求める場合には、予め基準温度計５１によって基準温度を取得して制御ＣＰＵ２２に記憶しておき、当該基準温度に対して、上述の方法で検出した相対的な温度変化を加減算することで求めればよい。勿論、相対温度のみを求めればよい場合には、基準温度の取得は不要であるので、基準温度計５１も不要である。
【００３８】
以上説明したように、本第１実施形態によれば、センシング機能を付加した簡略な構成の超音波モータを提供することができる。具体的には、本第１実施形態に係る超音波モータによれば、例えば下記のような効果を得ることができる。
・駆動の為の圧電素子（駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４）と、センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）とを別個に配設し、圧電効果（逆圧電効果）及び焦電効果等の物理現象を利用することで、簡略な構造を採るＴＲ型の超音波モータ単体で、シャフト１１の接触についてのセンシング、及び温度についてのセンシングを行うことができる。また、上述のセンシングと周波数追尾とを並行して行うことができるので、効率の良い駆動を行いつつセンシングをすることができる。
・センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）を、振動時に応力が集中する（応力が最大となる）部位である前記軸方向における中央部位近傍を含むように形成することで、良好な検出精度を得ることができる。
[第２実施形態]
以下、本発明の第２実施形態に係る超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、上述の第１実施形態に係る超音波モータとの相違点を説明する。第１実施形態に係る超音波モータとの相違点は、検出用圧電素子の態様である。
【００３９】
図３Ａ乃至図３Ｄは、それぞれ本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。
駆動用圧電素子１０−１と駆動用圧電素子１０−２とは、ステータ５の一側周面において、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。該側周面に隣接する側周面においては、駆動用圧電素子１０−３と駆動用圧電素子１０−４とが、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。
【００４０】
駆動用圧電素子１０−１，１０−２は、図３Ａ乃至図３Ｄに示す構成例において、それら２つの圧電素子で当該側周面の略全面を覆うように設けられている。一方、駆動用圧電素子１０−３，１０−４については、図３Ａ乃至図３Ｄに示すように、検出用圧電素子１５−１，１５−２を設ける為の所定の領域を覆わない態様で設けられている。
【００４１】
図３Ａに示す構成例においては、当該側周面のうち前記軸方向に対して垂直な方向における一方縁部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする領域）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
図３Ｂに示す構成例においては、当該側周面のうち前記軸方向に対して垂直な方向における両側縁部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする領域）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
【００４２】
図３Ｃに示す構成例においては、当該側周面の中央部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする領域）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
図３Ｄに示す構成例においては、当該側周面の中央部近傍で前記軸方向に対して垂直な方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向に対して垂直な方向を長手方向とする領域）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
【００４３】
ところで、本第２実施形態に係る超音波モータでは、センシングの為に、２つの検出用圧電素子１５−１，１５−２が設けられている。
図３Ａに示す構成例においては、検出用圧電素子１５−１，１５−２は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面のうち、前記軸方向に対して垂直な方向における一方縁部近傍で、前記軸方向に並列に設けられている。
【００４４】
図３Ｂに示す構成例においては、検出用圧電素子１５−１，１５−２は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面のうち、前記軸方向に対して垂直な方向における両側縁部近傍で、それぞれ前記軸方向に略一辺の長さに渡って設けられている。
【００４５】
図３Ｃに示す構成例においては、検出用圧電素子１５−１，１５−２は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の中央部近傍で、前記軸方向に並列に設けられている。
図３Ｄに示す構成例においては、検出用圧電素子１５−１，１５−２は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の中央部近傍で、前記軸方向に対して垂直な方向に並列に設けられている。
【００４６】
ここで、前記第１実施形態に係る超音波モータにおける検出用圧電素子１５が当該側周面において占める面積と、本第２実施形態に係る超音波モータにおける検出用圧電素子１５−１と検出用圧電素子１５−２とが当該側周面において各々占める面積の合計値とが等しくなるように構成されているとする。
【００４７】
このように構成することで、検出用圧電素子１５−１の検出信号と、検出用圧電素子１５−２の検出信号との和を算出することで、検出用圧電素子１５の検出信号と同じ値を得ることができる。
以上説明したように、本第２実施形態によれば、前記第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する超音波モータを得ることができる。
【００４８】
なお、本第２実施形態に係る超音波モータでは、検出用圧電素子１５−１の検出信号と検出用圧電素子１５−２の検出信号とを足し合わせる以外にも、種々の演算を施してユーザ所望の信号を得ることができる。
[第３実施形態]
以下、本発明の第３実施形態に係る超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、上述の第１実施形態に係る超音波モータとの相違点を説明する。第１実施形態に係る超音波モータとの相違点は、駆動用圧電素子及び検出用圧電素子の配設態様である。
【００４９】
図４Ａ乃至図４Ｃは、それぞれ本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。本第３実施形態に係る超音波モータでは、駆動用圧電素子と検出用圧電素子とが、ステータ５の互いに異なる側周面に別個に設けられている。
図４Ａに示す例では、駆動用圧電素子１０−１と駆動用圧電素子１０−２とが、ステータ５の一側周面において、シャフト１１の軸方向に並列に、当該一側周面の略全面を覆うように設けられている。該一側周面に隣接する側周面においては、検出用圧電素子１５−１と検出用圧電素子１５−２とが、シャフト１１の軸方向に対して垂直な方向に並列に、当該側周面の略全面を覆うように設けられている。
すなわち、図４Ａに示す例においては、駆動用圧電素子１０−１と検出用圧電素子１５−２、及び駆動用圧電素子１０−２と検出用圧電素子１５−１は、検出用（或いは駆動用）の圧電素子が配設されている面を当該面に水平に時計回り（或いは反時計回り）に９０度回転させた場合に対応する位置関係にある。
【００５０】
図４Ｂに示す例では、駆動用圧電素子１０−１と駆動用圧電素子１０−２とが、ステータ５の一側周面においてシャフト１１の軸方向に並列に設けられている。そして、これら駆動用圧電素子１０−１，１０−２に対して前記軸方向に垂直な方向に並列に、駆動用圧電素子１０−３と駆動用圧電素子１０−４とがそれぞれ設けられている。換言すれば、駆動用圧電素子１０−３と駆動用圧電素子１０−４とは、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。
すなわち、図４Ｂに示す例においても、駆動用圧電素子１０−１と検出用圧電素子１５−３、駆動用圧電素子１０−２と検出用圧電素子１５−１、駆動用圧電素子１０−３と検出用圧電素子１５−４、及び駆動用圧電素子１０−４と検出用圧電素子１５−２は、検出用（或いは駆動用）の圧電素子が配設されている面を当該面に水平に時計回り（或いは反時計回り）に９０度回転させた場合に対応する位置関係にある。
【００５１】
一方、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４が設けられた側周面に隣接する側周面においては、検出用圧電素子１５−１と検出用圧電素子１５−２とが、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。そして、これら検出用圧電素子１５−１，１５−２に対して前記軸方向に垂直な方向に並列に、それぞれ検出用圧電素子１５−３と検出用圧電素子１５−４とがシャフト１１の軸方向に並列に設けられている。換言すれば、検出用圧電素子１５−３と検出用圧電素子１５−４とは、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。
【００５２】
図４Ｃに示す構成例は、図４Ａに示す構成例の一変形例である。駆動用圧電素子１０−１が略“凹”形状に形成され、該駆動用圧電素子１０−１の凹み部分に別途駆動用圧電素子１０−３が設けられている。駆動用圧電素子１０−２も略“凹”形状に形成され、該駆動用圧電素子１０−２の凹み部分に別途駆動用圧電素子１０−４が設けられている。
【００５３】
同様に、検出用圧電素子１５−１が略“凹”形状に形成され、該検出用圧電素子１５−１の凹み部分に別途検出用圧電素子１５−３が設けられている。検出用圧電素子１５−２も略“凹”形状に形成され、該検出用圧電素子１５−２の凹み部分に別途検出用圧電素子１５−４が設けられている。
すなわち、図４Ｃに示す例においても、駆動用圧電素子１０−１と検出用圧電素子１５−２、駆動用圧電素子１０−２と検出用圧電素子１５−１、駆動用圧電素子１０−３と検出用圧電素子１５−４、及び駆動用圧電素子１０−４と検出用圧電素子１５−３は、検出用（或いは駆動用）の圧電素子が配設されている面を当該面に水平に時計回り（或いは反時計回り）に９０度回転させた場合に対応する位置関係にある。
【００５４】
以上説明したように、本第３実施形態によれば、前記第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、下記の効果を奏する超音波モータを提供することができる。
すなわち、互いに同じ形状の駆動用圧電素子及び検出用圧電素子をそれぞれ複数個ずつ利用する為、製造する圧電素子の種類を少なくすることができるという効果を得ることができる。特に、図４Ａに示す構成例を採用した場合には、全ての駆動用圧電素子及び検出用圧電素子が同じ形状となる為、製造する圧電素子の種類は１種類でよい。
【００５５】
以上、第１実施形態乃至第３実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、例えば次のような変形及び応用が可能なことは勿論である。
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００５６】
４…超音波振動子、 ５…ステータ、 ５ｈ…貫通孔、 １０…駆動用圧電素子、 １１…シャフト、 １５…検出用圧電素子、 ２１…発振回路、 ２２…制御ＣＰＵ、 ２３…信号制御回路、 ２５…信号生成回路、 ２６…信号出力制御回路、 ２８…位相差検出回路、 ３０…ドライブ回路、 ４０…モニタ信号制御回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば圧電素子等から成る超音波振動子の振動を利用する超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして、圧電素子などの振動子の振動を利用した超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータと比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、ストロークが長く高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。
【０００３】
超音波モータでは、摩擦部材である駆動子が設けられた超音波振動子を、該駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付ける。そして、前記駆動子と前記被駆動部材との間の摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。このような超音波モータに関連する技術としては、例えば特許文献１に次のような技術が開示されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１に開示されている超音波モータでは、超音波振動子のうち楕円振動が生じている振動面に沿った方向に穴部が形成され、この穴部内において前記楕円振動が発生している部位に摩擦接触部が配設されている。
ここで、前記超音波振動子は圧電体である矩形状の圧電セラミックスシートが複数枚積層されて成る。それら矩形状の圧電セラミックスシートには、それぞれ４隅に圧電活性化された領域である内部電極が設けられている。それら内部電極において当該圧電セラミックスシートの周縁に露出する部位には、それぞれ対応する位置の内部電極同士で外部電極が設けられて電気的に接続されている。
【０００５】
この外部電極に所定の電気信号が印加されると、前記超音波振動子には、超音波モータとして縦１次振動と屈曲２次振動とが励起される。そして、それらの合成振動である楕円振動が、前記摩擦接触部の配設位置に励起される。この摩擦接触部により取出した駆動力をシャフトに伝達して軸駆動が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２１１１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１に開示されている超音波モータは、シャフトを軸方向に直進(Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ)駆動可能なように構成されている。このような直進駆動に加えて、その軸周りに回転(Ｒｏｔａｔｉｏｎ)駆動可能なモータは、ＴＲ型モータと称されている。このＴＲ型モータは、一つのモータで複数方向に駆動できるという多機能的な超音波モータである。
そして、特許文献１に開示されているタイプの超音波モータやＴＲ型モータにおいては、シャフトについての接触検知、及び当該モータが配設されている空間の温度検知を行いたいとの要望がある。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術に代表されるように、従来の技術に係る超音波モータは、センシング機能を付加し得るようには構成されていない。
本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、センシング機能を付加した簡略な構成の超音波モータ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】
【０００９】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による超音波モータは、
被駆動体であるシャフトと、
前記シャフトが挿通される貫通孔が形成されたステータと、
前記ステータに設けられ、前記シャフトを駆動する為の駆動信号が印加される駆動用圧電素子と、
前記ステータにおいて、前記シャフトの駆動軸方向に沿って長さを有するように設けられ、当該超音波モータの外部環境の状態を検出する為の検出信号を出力する検出用圧電素子と、
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、センシング機能を付加した簡略な構成の超音波モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図１Ｂ】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図１Ｃ】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置の概略構成例を示す図。
【図３Ａ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図３Ｂ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図３Ｃ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図３Ｄ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図４Ａ】本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図４Ｂ】本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【図４Ｃ】本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態に係る超音波モータについて、図面を参照して説明する。
[第１実施形態]
図１Ａ乃至図１Ｃは、それぞれ本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、本第１実施形態に係る超音波モータは、ステータ５と、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４と、検出用圧電素子１５と、シャフト１１と、を具備する。
【００１３】
前記ステータ５は、シャフト１１を挿通する貫通孔５ｈが設けられた略立方体形状の弾性体（例えば金属等）である。
前記駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４は、ステータ５のうち貫通孔５ｈが設けられた面以外の面（側周面）に設けられた圧電素子である。詳細には、各駆動用圧電素子は下記の態様で設けられている。
【００１４】
駆動用圧電素子１０−１と駆動用圧電素子１０−２とは、ステータ５の一側周面において、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。該側周面に隣接する側周面においては、駆動用圧電素子１０−３と駆動用圧電素子１０−４とが、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。
【００１５】
図１Ａ乃至図１Ｃに示す構成例において、駆動用圧電素子１０−１，１０−２は、当該側周面の略全面に渡って設けられている。一方、駆動用圧電素子１０−３，１０−４は、図１Ａ乃至図１Ｃに示す構成例においては、検出用圧電素子１５を設ける為の所定の領域を覆わない態様で設けられている。図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、各駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４及び検出用圧電素子１５は、それぞれ各配設面において対称性を有する態様で配設されている。
【００１６】
図１Ａに示す構成例においては、当該側周面の縁部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
図１Ｂに示す構成例においては、当該側周面の中央部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
【００１７】
図１Ｃに示す構成例においては、当該側周面の中央部近傍で前記軸方向に対して垂直な方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向に対して垂直な方向を長手方向とする）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
前記シャフト１１は、ステータ５に形成された貫通孔５ｈに挿通され、進退駆動及び回転駆動可能なように当該ステータ５によって支持される被駆動体である。このシャフト１１は、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４に所定の駆動信号が印加されて弾性変形するステータ５によって、進退駆動及び回転駆動される。
【００１８】
前記検出用圧電素子１５は、当該超音波モータの外部環境の要素とシャフト１１との接触（衝突を含む；以降同様）の検出、及び、当該超音波モータの外部環境の状態の検出（例えば後述する温度検出）の為に設けられた圧電素子である。
図１Ａに示す構成例においては、検出用圧電素子１５は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の縁部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡って設けられている。
【００１９】
図１Ｂに示す構成例においては、検出用圧電素子１５は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の中央部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡って設けられている。
図１Ｃに示す構成例においては、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の中央部近傍で前記軸方向に対して垂直な方向に略一辺の長さに渡って設けられている。
【００２０】
上述の各図に示す構成例から分かるように、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４及び検出用圧電素子１５は、下記の条件を満たすことが好ましい。
・駆動の為の圧電素子（駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４）と、センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）と、を別個に設けること。
・センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）を、被駆動体（シャフト１１）の軸方向に幅（所定長さ）を有するように形成すること。
・センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）を、振動時に応力が集中する（応力が最大となる）部位である前記軸方向における中央部位近傍を含むように形成する。
【００２１】
なお、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４及び検出用圧電素子１５としては、外部電極が引き出された積層型圧電素子を用いてもよいし、単板型圧電素子を用いてもよい。但し、ステータ５自体の容積を変化させない程度の大きさの圧電素子を用いることが好ましい。
【００２２】
ところで、上述の駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４は、ステータ５が備えるＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｂ相（Ｂ＋，Ｂ−）の駆動電極として機能する。詳細には、駆動用圧電素子１０−１とＡ＋相とが対応し、駆動用圧電素子１０−２とＢ＋相とが対応し、駆動用圧電素子１０−３とＢ−相とが対応し、駆動用圧電素子１０−４とＡ−相とが対応する。また、上述の検出用圧電素子１５は、図２に示すように接地されたステータ５の縦振動を検出するＣ相の振動検出電極として機能する。
【００２３】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータを駆動する為の装置について詳細に説明する。図２は、本第１実施形態に係る超音波モータの駆動装置の概略構成例を示す図である。図２に示すように、駆動装置は、発振回路（基準信号生成手段）２１と、制御ＣＰＵ２２と、信号制御回路２３と、信号生成回路２５と、信号出力制御回路２６と、位相差検出回路２８と、ドライブ回路３０と、モニタ信号制御回路４０と、基準温度計５１と、を有する。
【００２４】
前記発振回路２１は、基準信号（クロック信号）を生成し、信号制御回路２３、信号生成回路２５、信号出力制御回路２６、及び位相差検出回路２８に出力する。
前記制御ＣＰＵ２２は、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４に印加する駆動信号を制御する。また、前記制御ＣＰＵ２２は、検出用圧電素子１５から出力された信号（検出信号）を利用して、シャフト１１の接触検出処理、及び当該超音波モータの外部環境／ステータ５の温度検出処理を行う。この制御ＣＰＵ２２によるセンシング処理については、後に詳述する。
【００２５】
前記信号制御回路２３は、前記発振回路２１から入力される基準信号と制御ＣＰＵ２２から入力される周波数指令値とに基づいて、所定の周波数のパルス信号である基準駆動信号を生成し、これを信号生成回路２５に出力する。ここで、制御ＣＰＵ２２は、基準駆動信号の周波数をステータ５の共振周波数またはその近傍の周波数に設定するための周波数指令値を、信号制御回路２３に与える。従って、信号制御回路２３からはステータ５の共振周波数と略同じ周波数の基準駆動信号が出力される。
【００２６】
より詳細には、信号制御回路２３は、周波数制御回路、位相差制御回路、及びパルスエッジ遅れ制御回路から成る。
信号制御回路２３は、前記周波数制御回路として、周波数の設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、駆動信号の周波数を決める基準駆動信号を出力する。
【００２７】
信号制御回路２３は、前記位相差制御回路として、駆動位相差の設定値に基づき、発振回路２１の出力である基準信号のパルス数を基準にして、２つの駆動信号であるＡ相信号とＢ相信号との位相差を制御する。
前記信号出力制御回路２６は、制御ＣＰＵ２２から当該信号出力制御回路２６を介して、直接信号生成回路２５の出力のＯＮ／ＯＦＦ、Ａ相信号、Ｂ相信号の出力順を制御することができる。また、信号出力制御回路２６は、設定値に基づき、信号生成回路２５から出力する駆動信号のパルス数や間欠駆動を行うための出力休止時間を制御する。
【００２８】
前記信号生成回路２５は、基準駆動信号と制御ＣＰＵ２２からのＡ相Ｂ相の位相差指令値とに基づいて、位相差が９０°であるＡ相の基準駆動信号とＢ相の基準駆動信号とを生成する。なお、出力のＯＮ／ＯＦＦ制御は、信号出力制御回路２６によって行われる。
【００２９】
前記ドライブ回路３０は、スイッチング素子で構成されたＨブリッジ回路とインピーダンスマッチング及び昇圧用のコイルとを備えている。このドライブ回路３０は、前記信号生成回路２５から各種駆動信号が入力されると、各駆動交番電圧ＯＵＴＡ＋、ＯＵＴＡ−、ＯＵＴＢ＋、ＯＵＴＢ−を出力する。
【００３０】
ドライブ回路３０はコイルを有しているので、パルス信号である駆動信号は、コイルの働きにより正弦波に近い波形に変換され、正弦波に近いＡ相、Ｂ相の駆動交番電圧が、ステータ５に設けられたＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｂ相（Ｂ＋，Ｂ−）の駆動電極である駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４にそれぞれ印加される。
【００３１】
ここで、ステータ５に励起されている縦振動は、Ｃ相の振動検出電極である検出用圧電素子１５により検出され、この縦振動に比例する電気信号（振動検出信号）はモニタ信号制御回路４０（詳細は後述）を介して位相差検出回路２８に入力される。また、位相差検出回路２８には、信号生成回路２５から何れか一つの駆動信号（例えばＡ相プラス側の駆動信号（駆動用圧電素子１０−１に印加する駆動信号）が入力される。
【００３２】
そして、位相差検出回路２８は、ステータ５の検出用圧電素子１５から出力されてモニタ信号制御回路４０を介して入力された振動検出信号と、信号生成回路２５から入力された駆動信号と、の位相差を検出し、該位相差を制御ＣＰＵ２２に出力する。
前記モニタ信号制御回路４０は、検出用圧電素子１５からの出力信号を波形整形して２値化して前記位相差検出回路２８に出力する。
【００３３】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの制御ＣＰＵ２２による“周波数追尾処理”、“接触検出処理”、及び“温度検出処理”について詳細に説明する。
《周波数追尾処理》
駆動電極（本例におけるところの駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４）に印加する駆動信号と、振動検出電極（本例におけるところの検出用圧電素子１５）からの検出信号と、の位相差(以降、追尾位相差と称する)が、所定の値になるように、駆動信号の周波数を調整しつつ駆動する。
【００３４】
換言すれば、制御ＣＰＵ２２は、位相差検出回路２８からのフィードバック値等に基づいて、基準駆動信号の周波数指令値、及びＡ相Ｂ相の位相差指令値等を作成して出力することで、周波数追尾を行う。
《接触検出処理》
（１）シャフト１１が進退／回転駆動中における接触検出処理
制御ＣＰＵ２２は、前記位相差検出回路２８によって検出された、“ドライブ回路３０の出力である駆動信号（各駆動交番電圧）と、検出用圧電素子１５の出力である検出信号と、の位相差”を、Ａ／Ｄ変換してモニタリングする。ここで、制御ＣＰＵ２２は、前記Ａ／Ｄ変換後の値（以降、Ａ／Ｄ変換値と称する）について、前回のサンプリング値と比較して所定範囲を超えるような変化（例えば急激な変化）があるか否かを判定する。
【００３５】
このＡ／Ｄ変換値の急激な変化は、進退／回転駆動中のシャフト１１が何らかの外部要素に接触したことを示す。従って、このようにＡ／Ｄ変換値をモニタリングして当該Ａ／Ｄ変換値に所定範囲を超えるような変化（例えば急激な変化）があるか否かを判定することで、進退／回転駆動中のシャフト１１が何かに接触したことを検出することができる。
（２）シャフト１１が進退／回転駆動していないとき（当該超音波モータがモータとして機能していないとき）の接触検出処理
制御ＣＰＵ２２は、“シャフト１１の固有振動数”の電圧信号を駆動電極（駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４）に印加する制御を行う。そして、前記位相差検出回路２８によって検出された、“ドライブ回路３０の出力である駆動信号（各駆動交番電圧）と、検出用圧電素子１５の出力である検出信号と、の位相差”を、Ａ／Ｄ変換してモニタリングする。ここで、制御ＣＰＵ２２は、Ａ／Ｄ変換値について、前回のサンプリング値と比較して所定範囲を超えるような値の変化（例えば急激な値の変化）があるか否かを判定する。このＡ／Ｄ変換値の急激な変化は、シャフト１１に何らかの外部要素が接触してきたことを示す。
【００３６】
従って、制御ＣＰＵ２２は、Ａ／Ｄ変換値をモニタリングして、当該Ａ／Ｄ変換値に急激な変化があるか否かを判定することで、シャフト１１に何らかの外部要素が接触してきたことを検出することができる。なお、前記検出用圧電素子１５の出力である検出信号のみを参照して、その周波数の変化の有無について判定することで、接触したか否かを検出することも可能である。
ところで、検出信号の周波数の変化の程度は、シャフト１１に接触した外部要素の硬さに応じて異なる。従って、前記検出用圧電素子１５の出力である検出信号のみを参照して、シャフト１１に接触した外部要素の硬さについても概略判別することも可能である。たとえば、検出信号の周波数が、シャフト１１の固有振動数からどの程度変化するかに基づいて、シャフト１１に接触した外部要素の硬さを概略判別する。
《温度検出処理》
制御ＣＰＵ２２は、検出用圧電素子１５の出力である検出信号をＡ／Ｄ変換し、当該Ａ／Ｄ変換値（電圧値）をモニタリングする。ここで、定常状態の検出用圧電素子１５において温度変化が生じると（当該超音波モータが配設されている空間に温度変化が生じると）、焦電効果により、前記検出信号が変化する（すなわちＡ／Ｄ変換値が変化する）。従って、Ａ／Ｄ変換値の変化をモニタリングし、当該Ａ／Ｄ変換値に変化が生じたか否かを判定することで、検出用圧電素子１５の（当該超音波モータが配設されている空間の）温度変化を検出することができる。
【００３７】
なお、当然ながら、上述の方法で検出する温度変化は相対的な温度の変化である。従って、温度の絶対値を求める場合には、予め基準温度計５１によって基準温度を取得して制御ＣＰＵ２２に記憶しておき、当該基準温度に対して、上述の方法で検出した相対的な温度変化を加減算することで求めればよい。勿論、相対温度のみを求めればよい場合には、基準温度の取得は不要であるので、基準温度計５１も不要である。
【００３８】
以上説明したように、本第１実施形態によれば、センシング機能を付加した簡略な構成の超音波モータを提供することができる。具体的には、本第１実施形態に係る超音波モータによれば、例えば下記のような効果を得ることができる。
・駆動の為の圧電素子（駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４）と、センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）とを別個に配設し、圧電効果（逆圧電効果）及び焦電効果等の物理現象を利用することで、簡略な構造を採るＴＲ型の超音波モータ単体で、シャフト１１の接触についてのセンシング、及び温度についてのセンシングを行うことができる。また、上述のセンシングと周波数追尾とを並行して行うことができるので、効率の良い駆動を行いつつセンシングをすることができる。
・センシングの為の圧電素子（検出用圧電素子１５）を、振動時に応力が集中する（応力が最大となる）部位である前記軸方向における中央部位近傍を含むように形成することで、良好な検出精度を得ることができる。
[第２実施形態]
以下、本発明の第２実施形態に係る超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、上述の第１実施形態に係る超音波モータとの相違点を説明する。第１実施形態に係る超音波モータとの相違点は、検出用圧電素子の態様である。
【００３９】
図３Ａ乃至図３Ｄは、それぞれ本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。
駆動用圧電素子１０−１と駆動用圧電素子１０−２とは、ステータ５の一側周面において、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。該側周面に隣接する側周面においては、駆動用圧電素子１０−３と駆動用圧電素子１０−４とが、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。
【００４０】
駆動用圧電素子１０−１，１０−２は、図３Ａ乃至図３Ｄに示す構成例において、それら２つの圧電素子で当該側周面の略全面を覆うように設けられている。一方、駆動用圧電素子１０−３，１０−４については、図３Ａ乃至図３Ｄに示すように、検出用圧電素子１５−１，１５−２を設ける為の所定の領域を覆わない態様で設けられている。
【００４１】
図３Ａに示す構成例においては、当該側周面のうち前記軸方向に対して垂直な方向における一方縁部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする領域）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
図３Ｂに示す構成例においては、当該側周面のうち前記軸方向に対して垂直な方向における両側縁部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする領域）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
【００４２】
図３Ｃに示す構成例においては、当該側周面の中央部近傍で前記軸方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向を長手方向とする領域）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
図３Ｄに示す構成例においては、当該側周面の中央部近傍で前記軸方向に対して垂直な方向に略一辺の長さに渡る領域（前記軸方向に対して垂直な方向を長手方向とする領域）以外の領域に、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている。
【００４３】
ところで、本第２実施形態に係る超音波モータでは、センシングの為に、２つの検出用圧電素子１５−１，１５−２が設けられている。
図３Ａに示す構成例においては、検出用圧電素子１５−１，１５−２は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面のうち、前記軸方向に対して垂直な方向における一方縁部近傍で、前記軸方向に並列に設けられている。
【００４４】
図３Ｂに示す構成例においては、検出用圧電素子１５−１，１５−２は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面のうち、前記軸方向に対して垂直な方向における両側縁部近傍で、それぞれ前記軸方向に略一辺の長さに渡って設けられている。
【００４５】
図３Ｃに示す構成例においては、検出用圧電素子１５−１，１５−２は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の中央部近傍で、前記軸方向に並列に設けられている。
図３Ｄに示す構成例においては、検出用圧電素子１５−１，１５−２は、駆動用圧電素子１０−３，１０−４が設けられている側周面の中央部近傍で、前記軸方向に対して垂直な方向に並列に設けられている。
【００４６】
ここで、前記第１実施形態に係る超音波モータにおける検出用圧電素子１５が当該側周面において占める面積と、本第２実施形態に係る超音波モータにおける検出用圧電素子１５−１と検出用圧電素子１５−２とが当該側周面において各々占める面積の合計値とが等しくなるように構成されているとする。
【００４７】
このように構成することで、検出用圧電素子１５−１の検出信号と、検出用圧電素子１５−２の検出信号との和を算出することで、検出用圧電素子１５の検出信号と同じ値を得ることができる。
以上説明したように、本第２実施形態によれば、前記第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する超音波モータを得ることができる。
【００４８】
なお、本第２実施形態に係る超音波モータでは、検出用圧電素子１５−１の検出信号と検出用圧電素子１５−２の検出信号とを足し合わせる以外にも、種々の演算を施してユーザ所望の信号を得ることができる。
[第３実施形態]
以下、本発明の第３実施形態に係る超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、上述の第１実施形態に係る超音波モータとの相違点を説明する。第１実施形態に係る超音波モータとの相違点は、駆動用圧電素子及び検出用圧電素子の配設態様である。
【００４９】
図４Ａ乃至図４Ｃは、それぞれ本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。本第３実施形態に係る超音波モータでは、駆動用圧電素子と検出用圧電素子とが、ステータ５の互いに異なる側周面に別個に設けられている。
図４Ａに示す例では、駆動用圧電素子１０−１と駆動用圧電素子１０−２とが、ステータ５の一側周面において、シャフト１１の軸方向に並列に、当該一側周面の略全面を覆うように設けられている。該一側周面に隣接する側周面においては、検出用圧電素子１５−１と検出用圧電素子１５−２とが、シャフト１１の軸方向に対して垂直な方向に並列に、当該側周面の略全面を覆うように設けられている。
すなわち、図４Ａに示す例においては、駆動用圧電素子１０−１と検出用圧電素子１５−２、及び駆動用圧電素子１０−２と検出用圧電素子１５−１は、検出用（或いは駆動用）の圧電素子が配設されている面を当該面に水平に時計回り（或いは反時計回り）に９０度回転させた場合に対応する位置関係にある。
【００５０】
図４Ｂに示す例では、駆動用圧電素子１０−１と駆動用圧電素子１０−２とが、ステータ５の一側周面においてシャフト１１の軸方向に並列に設けられている。そして、これら駆動用圧電素子１０−１，１０−２に対して前記軸方向に垂直な方向に並列に、駆動用圧電素子１０−３と駆動用圧電素子１０−４とがそれぞれ設けられている。換言すれば、駆動用圧電素子１０−３と駆動用圧電素子１０−４とは、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。
すなわち、図４Ｂに示す例においても、駆動用圧電素子１０−１と検出用圧電素子１５−３、駆動用圧電素子１０−２と検出用圧電素子１５−１、駆動用圧電素子１０−３と検出用圧電素子１５−４、及び駆動用圧電素子１０−４と検出用圧電素子１５−２は、検出用（或いは駆動用）の圧電素子が配設されている面を当該面に水平に時計回り（或いは反時計回り）に９０度回転させた場合に対応する位置関係にある。
【００５１】
一方、駆動用圧電素子１０−１，１０−２，１０−３，１０−４が設けられた側周面に隣接する側周面においては、検出用圧電素子１５−１と検出用圧電素子１５−２とが、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。そして、これら検出用圧電素子１５−１，１５−２に対して前記軸方向に垂直な方向に並列に、それぞれ検出用圧電素子１５−３と検出用圧電素子１５−４とがシャフト１１の軸方向に並列に設けられている。換言すれば、検出用圧電素子１５−３と検出用圧電素子１５−４とは、シャフト１１の軸方向に並列に設けられている。
【００５２】
図４Ｃに示す構成例は、図４Ａに示す構成例の一変形例である。駆動用圧電素子１０−１が略“凹”形状に形成され、該駆動用圧電素子１０−１の凹み部分に別途駆動用圧電素子１０−３が設けられている。駆動用圧電素子１０−２も略“凹”形状に形成され、該駆動用圧電素子１０−２の凹み部分に別途駆動用圧電素子１０−４が設けられている。
【００５３】
同様に、検出用圧電素子１５−１が略“凹”形状に形成され、該検出用圧電素子１５−１の凹み部分に別途検出用圧電素子１５−３が設けられている。検出用圧電素子１５−２も略“凹”形状に形成され、該検出用圧電素子１５−２の凹み部分に別途検出用圧電素子１５−４が設けられている。
すなわち、図４Ｃに示す例においても、駆動用圧電素子１０−１と検出用圧電素子１５−２、駆動用圧電素子１０−２と検出用圧電素子１５−１、駆動用圧電素子１０−３と検出用圧電素子１５−４、及び駆動用圧電素子１０−４と検出用圧電素子１５−３は、検出用（或いは駆動用）の圧電素子が配設されている面を当該面に水平に時計回り（或いは反時計回り）に９０度回転させた場合に対応する位置関係にある。
【００５４】
以上説明したように、本第３実施形態によれば、前記第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、下記の効果を奏する超音波モータを提供することができる。
すなわち、互いに同じ形状の駆動用圧電素子及び検出用圧電素子をそれぞれ複数個ずつ利用する為、製造する圧電素子の種類を少なくすることができるという効果を得ることができる。特に、図４Ａに示す構成例を採用した場合には、全ての駆動用圧電素子及び検出用圧電素子が同じ形状となる為、製造する圧電素子の種類は１種類でよい。
【００５５】
以上、第１実施形態乃至第３実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、例えば次のような変形及び応用が可能なことは勿論である。
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００５６】
４…超音波振動子、 ５…ステータ、 ５ｈ…貫通孔、 １０…駆動用圧電素子、 １１…シャフト、 １５…検出用圧電素子、 ２１…発振回路、 ２２…制御ＣＰＵ、 ２３…信号制御回路、 ２５…信号生成回路、 ２６…信号出力制御回路、 ２８…位相差検出回路、 ３０…ドライブ回路、 ４０…モニタ信号制御回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動体であるシャフトと、
前記シャフトが挿通される貫通孔が形成されたステータと、
前記ステータに設けられ、前記シャフトを駆動する為の駆動信号が印加される駆動用圧電素子と、
前記ステータにおいて、前記シャフトの駆動軸方向に沿って長さを有するように設けられ、当該超音波モータの外部環境の状態を検出する為の検出信号を出力する検出用圧電素子と、
を具備することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記検出用圧電素子は、前記ステータのうち前記貫通孔が形成されていない面に設けられている
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】
前記検出用圧電素子が出力する前記検出信号は、
前記駆動用圧電素子に前記駆動信号が印加されている状態で、前記シャフトと当該超音波モータの外部環境の要素とが接触すると変化する信号である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記検出用圧電素子が出力する前記検出信号は、
前記駆動用圧電素子に前記シャフトの固有振動数の電圧信号が印加されている状態で、前記シャフトと当該超音波モータの外部環境の要素とが接触すると変化する信号である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記検出用圧電素子が出力する前記検出信号は、前記ステータにおける焦電効果により、前記ステータの温度変化に伴って変化する信号である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記検出用圧電素子は、
前記ステータの容積を変化させない範囲内で、少なくとも前記ステータの１面において前記シャフトの駆動軸に沿って配置されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記検出用圧電素子は、
前記ステータの前記貫通孔が形成されていない面における中央部位近傍に設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項８】
前記検出用圧電素子は、
前記ステータの前記貫通孔が形成されていない面において、前記シャフトの駆動軸方向または該駆動軸方向に垂直な方向に並列に複数個設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項９】
前記ステータは、前記貫通孔が形成されていない面を複数備え、
前記検出用圧電素子と前記駆動用圧電素子とは、互いに異なる前記貫通孔が形成されていない面に設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項１】
被駆動体であるシャフトと、
前記シャフトが挿通される貫通孔が形成されたステータと、
前記ステータに設けられ、前記シャフトを駆動する為の駆動信号が印加される駆動用圧電素子と、
前記ステータにおいて、前記シャフトの駆動軸方向に沿って長さを有するように設けられ、当該超音波モータの外部環境の状態を検出する為の検出信号を出力する検出用圧電素子と、
を具備することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記検出用圧電素子は、前記ステータのうち前記貫通孔が形成されていない面に設けられている
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】
前記検出用圧電素子が出力する前記検出信号は、
前記駆動用圧電素子に前記駆動信号が印加されている状態で、前記シャフトと当該超音波モータの外部環境の要素とが接触すると変化する信号である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記検出用圧電素子が出力する前記検出信号は、
前記駆動用圧電素子に前記シャフトの固有振動数の電圧信号が印加されている状態で、前記シャフトと当該超音波モータの外部環境の要素とが接触すると変化する信号である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記検出用圧電素子が出力する前記検出信号は、前記ステータにおける焦電効果により、前記ステータの温度変化に伴って変化する信号である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記検出用圧電素子は、
前記ステータの容積を変化させない範囲内で、少なくとも前記ステータの１面において前記シャフトの駆動軸に沿って配置されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記検出用圧電素子は、
前記ステータの前記貫通孔が形成されていない面における中央部位近傍に設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項８】
前記検出用圧電素子は、
前記ステータの前記貫通孔が形成されていない面において、前記シャフトの駆動軸方向または該駆動軸方向に垂直な方向に並列に複数個設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項９】
前記ステータは、前記貫通孔が形成されていない面を複数備え、
前記検出用圧電素子と前記駆動用圧電素子とは、互いに異なる前記貫通孔が形成されていない面に設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【公開番号】特開２０１２−１５１９４３（Ｐ２０１２−１５１９４３Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７２１０（Ｐ２０１１−７２１０）
【出願日】平成２３年１月１７日（２０１１．１．１７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１７日（２０１１．１．１７）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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