JPH07177771A - 超音波モータ及び超音波モータ付電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 効率の高い超音波モータ及び超音波モータ付
電子機器を得る。 【構成】 振動検出手段４１７は、振動体１６の機械的
振動である２つの定在波を電圧信号としてそれぞれ取り
出す。その電圧信号の位相差を位相比較手段４１９で比
較し、その比較結果を移送手段４１１に供給する。移送
手段４１１の出力信号により電力増幅手段４２０に供給
する信号の位相差を調整する。振動体１６の機械的振動
である２つの定在波の電圧信号の振幅を振幅比較手段４
１８で比較し、その比較結果を電力増幅手段４２０に供
給し、電力増幅手段４２０の電力増幅率を調整する。振
動体１６に発生する振動波により移動体２２を動作させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子などの電気−
機械エネルギー変換素子を用いた超音波モータ、超音波
モータの駆動回路及び超音波モータ付電子機器に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータにおいては、以下に
示すような超音波モータが知られていた。図面を参照し
ながらの従来の超音波モータについて説明する。図５
（ａ）は円盤型超音波モータの断面図である。図５
（ｂ）は振動体部１５の斜視図である。円盤型の振動体
部１５に圧電素子１４を張り合わせて振動体１６を構成
している。

【０００３】また、移動体部に対摩擦性材料の摺動板を
張り合わせて移動体２２を構成している。移動体２２は
回転可能なように中心軸と加圧バネにより振動体１６に
所定の圧力で接触する。移動体２２は振動体１６の超音
波振動による楕円運動を摩擦を介して受け、回転する。

【０００４】以下、図６により回転のメカニズムを詳し
く説明する。振動体１６に張り合わせた圧電素子１４
は、印加された電圧の極性と分極方向に応じて伸縮す
る。図６（ａ）のように交互に分極処理した圧電素子１
４に交流電圧を印加すると圧電素子１４は矢印の方向に
伸縮運動する。圧電素子１４の片面が振動体部１５に接
着されているため振動体１６は屈曲変形を起こし、図６
（ａ）のような定在波が発生する。

【０００５】この定在波によって進行波を得る条件は、
進行波の表現式を展開することにより次の（１）式で表
される。 ξ＝ξ0 ｓｉｎ（ｋｘ−ωｔ） ＝ξ0 ｓｉｎ（ｋｘ）ｃｏｓ（ωｔ）−ξ0 ｃｏｓ（ｋｘ）ｓｉｎ（ωｔ） ＝ξ0 ｓｉｎ（ｋｘ）ｓｉｎ（ωｔ＋９０゜） ＋ξ0 ｓｉｎ（ｋｘ＋λ／４）ｓｉｎ（ωｔ） ・・・（１） ここで、ξ：進行波たわみ振動の縦方向振幅 ξ0 ：定在波たわみ振動の縦方向振幅 ω：角速度、ｋ：波数、ｘ：波の進行方向、ｔ：時間 である。

【０００６】従って、図６（ａ）、（ｂ）に示したよう
に、位置的に位相をλ／４ずらした電極パターンを有す
る圧電素子１４を振動体部１５に接着し、時間的に９０
゜位相が異なり、かつ、振幅の等しい２つの交流電圧
Ａ、Ｂを印加するとそれぞれの交流電圧で発生した位相
の異なる２つの定在波の合成により進行波が励振され
る。

【０００７】ここで、進行波の発生している振動体１６
の１点に着目すると、図６の（ｃ）、（ｄ）に示すよう
に、進行波の進む方向とは逆向きの楕円運動が得られ
る。この楕円運動している振動体１６の表面に移動体２
２を加圧接触させることで移動体２２は進行波の進む方
向とは逆の方向に移動する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超音波
モータでは以下のような課題を有していた。それは、時
間的に９０゜位相が異なり、かつ、振幅の等しい２つの
交流電圧Ａ、Ｂを圧電素子に印加しても、必ずしも振動
体に時間的に９０゜位相が異なり、かつ、振幅の等しい
２つの定在波が発生するとは限らないことである。

【０００９】交流電圧の電気信号と振動体の機械的振動
が一致しない原因は、移動体にかかる負荷の変動、温度
変化、圧電素子の分極条件の違い、圧電素子の電極の違
いなどさまざまな要因が考えられる。しかし、これらの
要因を全て取り除くことは不可能である。要因を取り除
くことより、むしろ、振動体の機械的振動の２つの定在
波をなんらかの方法で測定し、その位相差を９０゜に
し、かつ、振幅を一致させるほうが賢明である。

【００１０】位相差及び振幅を調整するという考え方は
従来から有った。その一例として、特開昭６２−１７１
４７５号公報などがある。しかし、特開昭６２−１７１
４７５号公報を含む従来の例は、圧電素子の電極に印加
する２つの交流電圧の位相差が９０゜かつ、２つの交流
電圧の振幅が等しくなるように調整しているに過ぎな
い。つまり、圧電素子の電極に印加する交流電圧をいく
ら調整しても、必ずしも振動体に発生する２つの機械的
振動、つまり、２つの定在波の位相差が９０゜かつ、２
つの定在波の振幅が等しくなるとは限らない、といった
課題が残る。

【００１１】そこで、この発明の目的は、振動体に発生
する２つの機械的振動、つまり、２つの定在波の位相差
がほぼ９０゜となり、かつ、２つの定在波の振幅がほぼ
等しくなる超音波モータを得ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、振動体の２つの定在波を取り出す振動
検出手段と、振動検出手段が取り出した２つの定在波の
振幅の大きさを比較する振幅比較手段と、振幅比較手段
の振幅比較結果により、圧電素子を駆動する交流電圧の
大きさを調整する電力増幅手段と、振動検出手段が取り
出した２つの定在波の位相差を比較する位相比較手段
と、位相比較手段の位相比較結果により、圧電素子を駆
動する交流電圧の位相を調整する移送手段とを有する構
成とした。

【００１３】

【作用】図１は、本発明の超音波モータ及びその駆動回
路の代表的な構成を示すブロック図である。発振回路１
０は、振動体１６の機械的共振周波数に近い周波数で発
振する。移送手段４１１は、発振回路１０の出力信号の
位相を位相比較手段４１９の出力結果に応じて、９０゜
近辺で、例えば、好ましくは、６０゜から１２０゜まで
遅らせるか、あるいは進ませる。

【００１４】電力増幅手段４２０は、発振回路１０と移
送手段４１１からの出力信号を振幅比較手段４１８の出
力結果に応じ、各々電力増幅し、圧電素子１４の駆動用
電極を駆動する。圧電素子１４は、従来の技術で説明し
たように印加された電圧の極性と分極方向に応じて伸縮
し、振動体１６に２つの定在波を発生させる。

【００１５】振動検出手段４１７は、振動体１６に発生
した２つの定在波を電気信号に変換する。振幅比較手段
４１８は、振動体１６の２つの定在波を示す電気信号の
振幅値を比較し、その比較結果を電力増幅手段４２０に
出力する。位相比較手段４１９は、振動体１６の２つの
定在波を示す電気信号の位相差が９０゜であるかを比較
し、その比較結果を移送手段４１１に出力する。

【００１６】以上の動作により、振動体１６の２つの定
在波の振幅がほぼ等しくなり、かつ、位相差がほぼ９０
゜になる。

【００１７】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説
明する。 （１）第一実施例 図２は、本発明の超音波モータ及びその駆動回路の第一
実施例を示すブロック図である。第一実施例では、振動
体１６に発生した２つの定在波を電気信号に変換するた
めに、従来の圧電素子に第１の振動検出用電極１７１と
第２の振動検出用電極１７２を追加した。

【００１８】図７は、第１および第２の振動検出用電極
１７１、１７２の電極パターンの一例を示す図である。
図７中の記号”＋”と”−”は圧電素子１４の分極方向
を示す。また、径方向内側の電極が駆動用電極１４１、
１４２であり、径方向外側の電極が検出用電極１７１、
１７２である。

【００１９】また、斜線を施した部分と施していない部
分は各々共通の電極である。ここで、径方向内側の駆動
用電極１４１、１４２と径方向外側の検出用電極１７
１、１７２は別の電極である。このように、第１および
第２の振動検出用電極１７１、１７２を配置することに
より、振動体１６に発生した２つの定在波を電気信号に
変換することができる。

【００２０】以下、図８から図１７を用いて本発明の超
音波モータ及びその駆動回路の第一実施例を詳細に説明
する。図８は、本発明の超音波モータ及びその駆動回路
の第一実施例を詳細に示すブロック図である。発振回路
１０と移送回路１１は、図１で説明したように動作す
る。増幅率固定増幅器１２０は、発振回路１０からの出
力信号を一定の増幅率で電力増幅あるは電圧増幅し、圧
電素子１４の第１の駆動用電極１４１を駆動する。増幅
率可変増幅器１３０は、可変移送器１１０からの出力信
号を電圧比較器１８０の出力結果に応じ、電力増幅ある
は電圧増幅し、圧電素子１４の第２の駆動用電極１４２
を駆動する。振幅比較回路１８は電圧比較回路１８０と
第１及び第２の整流器１８１、１８２から構成される。
また、位相比較回路１９は９０゜移送器１９０と位相比
較回路１９１から構成される。

【００２１】以下、図８の各構成部品について図９から
図１７を用いて詳しく説明する。図９は、本発明の超音
波モータの可変移送器１１０の構成例を示すブロック図
である。可変抵抗器１１０１、１１０３は位相比較回路
１９１からの電気信号によりその抵抗値が変化する抵抗
素子である。可変抵抗器１１０１、１１０３とコンデン
サー１１０２、１１０４から成る移送回路の出力は、ア
ースから浮いているので、差動アンプによりシングルエ
ンドの出力に変換する。また、可変抵抗器の値が変化す
ると、移送回路のインピーダンスが変化するのでその影
響を受けないように差動アンプは、インスツルメンテー
ションアンプ１１００を用い、ハイインピーダンスの差
動アンプをオペアンプ１１０５、１１０６、１１０７に
より構成する。

【００２２】アースを基準にしたときの発振回路１０の
信号をＥｉ、抵抗１１０１とコンデンサー１１０４の接
続点の信号をＥｏ１、抵抗１１０３とコンデンサー１１
０２の接続点の信号をＥｏ２とし、また、抵抗１１０
１、１１０３の抵抗値をＲ、コンデンサー１１０２、１
１０４の容量値をＣとすると、以下の関係式が成り立
つ。

【００２３】 Ｅｏ＝Ｅｏ１−Ｅｏ２ ・・・（２） Ｅｏ１＝Ｅｉ＊（１／ｊωＣ）／（Ｒ＋１／ｊωＣ） ・・・（３） Ｅｏ２＝Ｅｉ＊Ｒ／（Ｒ＋１／ｊωＣ） ・・・（４） 関係式（２）、（３）、（４）より次の関係式が導かれ
る。

【００２４】 Ｅｏ＝Ｅｉ＊（１／ｊωＣ−Ｒ）／（Ｒ＋１／ｊωＣ） ・・・（５） 関係式（５）よりＥｉとＥｏの位相差θは次の式で示さ
れる。 θ＝ａｒｃｔａｎ（−２ωＣＲ／（（ωＣＲ）² −１）） ・・・（６） 関係式（６）によって判るように、Ｃ又はＲを変化する
ことによって、ＥｉとＥｏの位相差を変えることができ
る。

【００２５】先に、可変抵抗器１１０１、１１０３が位
相比較回路１９１からの電気信号によりその抵抗値が変
化する抵抗素子であると説明したが、可変抵抗器の代り
に可変コンデンサーを用いても実施できる。図１０は、
本発明の超音波モータの増幅率可変増幅器１３０の構成
例を示すブロック図である。増幅率可変増幅器１３０は
電圧比較器１８１からのデジタル信号をアナログ信号に
変換し、乗算器１３１に出力する増幅率制御器１３２
と、増幅率制御器１３２からのアナログ信号と可変移送
器１０からの信号を乗算する乗算器１３２と、乗算器１
３２の出力信号の電力又は電圧を増幅する増幅率固定増
幅器１３３から構成される。

【００２６】以下、増幅率制御器１３２、乗算器１３１
と増幅率固定増幅器１３３の具体的構成例を説明する。
図１１は、本発明の超音波モータの増幅率制御器の構成
例を示すブロック図である。電圧比較器１８１から出力
されるデジタル信号は、電圧比較結果により、＋Ｖｃｃ
または−Ｖｅｅの電位をもつデジタル信号である。電圧
比較器１８１からのデジタル信号が＋Ｖｃｃのときはト
ランジスタＱ８と抵抗ＲＥ２にエミッタ電流が流れる。
トランジスタＱ８のベースにはエミッタ電流／ｈｆｅの
電流が流れ、コンデンサーＣ１を充電する。

【００２７】同様に、電圧比較器１８１からのデジタル
信号が−ＶｅｅのときはトランジスタＱ７と抵抗ＲＥ１
にエミッタ電流が流れ、ベースにはエミッタ電流／ｈｆ
ｅの電流が流れ、コンデンサーＣ１を放電する。以上の
動作により、コンデンサＣ１の電圧は、電圧比較器１８
１からのデジタル信号が＋Ｖｃｃのときと−Ｖｅｅのと
きの時間比率にほぼ比例する。なお、コンデンサーＣ１
のＤＣ的インピーダンスは大きいので、オペアンプ１３
２０でインピーダンスを小さくして乗算器１３１に出力
する。

【００２８】図１２は、本発明の超音波モータの乗算器
１３１の構成例を示すブロック図である。図１２は、い
わゆる二重平衡差動アンプによる乗算器である。一般的
に、平衡差動アンプの出力Ｖｏｄは、入力電位をＶｉｄ
とし、コレクタに接続された抵抗を各々Ｒｃ１、Ｒｃ２
とし、アンプに流れる電流をＩｏとし、定数をＨとする
と、次のようになる。

【００２９】 Ｖｏｄ＝Ｈ＊Ｉｏ＊（Ｒｃ１＋Ｒｃ２）Ｖｉｄ ・・・（７） 二重平衡差動アンプの場合、図１２における出力Ｖｏ
は、重ねの理により、Ｑ１、Ｑ２及び、Ｑ３、Ｑ４の２
組の差動アンプ出力の差となるため、（７）式より、次
のようになる。

【００３０】 Ｖｏ＝Ｈ＊（Ｉｅ１−Ｉｅ２）＊（Ｒｃ１＋Ｒｃ２）＊Ｖｙ ・・・（８） ここで、Ｉｅ１＝Ｉ１＋Ｉｘ、Ｉｅ２＝Ｉ１−Ｉｘであ
るから、 Ｖｏ＝Ｈ＊２＊Ｉｘ＊（Ｒｃ１＋Ｒｃ２）＊Ｖｙ ・・・（９） となる。

【００３１】Ｑ５、Ｑ６のエミッタ間にはＲｅが有るの
で、Ｉｘ＝Ｖｘ／Ｒｅとなり、（９）式は次のようにな
る。 Ｖｏ＝２＊Ｈ＊（Ｒｃ１＋Ｒｃ２）／Ｒｅ＊Ｖｘ＊Ｖｙ ・・・（１０） （１０）式より、図１２の出力Ｖｏは、入力Ｖｘ、Ｖｙ
の積に比例する。

【００３２】以上の動作により、乗算器１３１は可変移
送器１０の出力信号をゲイン制御器１３２の出力電圧だ
け増幅又は減衰し、つまり乗算し、その乗算した結果を
増幅率固定増幅器１２０に出力する。図１３は、本発明
の超音波モータの増幅率固定増幅器１２０の構成例を示
すブロック図である。オペアンプ１２００は乗算器１３
１からの信号のインピーダンスを、変換し、トランス１
２０１に出力する。トランス１２０１はオペアンプ１２
００の出力信号の電圧を昇圧し、第２の駆動用電極１４
２を駆動する。

【００３３】図１４は、本発明の超音波モータの第１及
び第２の整流器１８１、１８２と電圧比較器１８０の構
成例を示すブロック図である。第１及び第２の整流器１
８１、１８２は各々、第１及び第２の振動検出用電極１
７１、１７２からの交流信号を整流する。また、電圧比
較器１８０は、第１及び第２の整流器１８１、１８２が
整流した電圧を比較し、その結果をディジタル信号とし
て増幅率可変増幅器１３０に出力する。

【００３４】以上の動作により、第１及び第２の振動検
出用電極１７１、１７２が出力する交流信号の振幅値を
比較することが出来る。つまり、振動体１６に発生した
２つの定在波の振幅値を比較することが出来る。なお、
Ｒｓ１、Ｒｓ２、Ｒｓ３、Ｒｓ４などを調整すること
で、より正確な比較が可能となる。

【００３５】図１５は、本発明の超音波モータの９０゜
移送器１９０の構成例を示すブロック図である。この９
０゜移送器１９０は、第１の振動検出用電極１７１の交
流信号を９０゜だけ位相を遅らせ、位相比較回路１９１
に出力する。図１６は、本発明の超音波モータの位相比
較回路１９１の構成例を示すブロック図である。また、
図１７は、本発明の超音波モータの位相比較回路１９１
の動作例を示すタイムチャートである。以下、位相比較
回路１９１の動作を図１７のタイムチャートを基に説明
する。

【００３６】コンパレーター１９１０、１９１１は９０
゜移送器１９０と第２の振動検出用電極１７２が出力す
る交流信号を各々ディジタル信号Ｃ、Ｄに変換する。図
１７（ａ）は９０゜移送器１９０の交流信号が第２の振
動検出用電極１７２の交流信号よりも遅れているときの
動作を示している。つまり、ディジタル信号ＣがＤより
も遅れている状態である。このとき、ＥＸＯＲゲートＧ
１の出力信号は図１７（ａ）のように出力される。ま
た、ＥＸＯＲゲートＧ１の出力信号のパルス幅はディジ
タル信号ＣのＤに対する遅れ量に比例して増加する。

【００３７】フリップフロップ１９１３は、データＤＴ
の状態をクロックＣＬの立ち上がりで保持し、出力端子
Ｑに出力する。図１７（ａ）の場合、ディジタル信号Ｃ
がＤよりも遅れている状態であるので、ディジタル信号
Ｄの立ち上がりで、ディジタル信号ＣのＬＯＷが保持さ
れ、出力端子ＱにはＬＯＷが出力される。フリップフロ
ップ１９１３の出力端子ＱがＬＯＷを保持しているの
で、ＮＡＮＤゲートＧ２の出力はＨＩＧＨを出力し、ト
ランジスタＱ１２には電流が流れない。よって、トラン
ジスタＱ１２はコンデンサーＣ５を放電しない。一方、
ＡＮＤゲートＧ３の出力はＥＸＯＲゲートＧ１の出力信
号をそのまま出力するので、ＡＮＤゲートＧ３の出力が
ＨＩＧＨのタイミングで、トランジスタＱ１３に電流が
流れる。よって、トランジスタＱ１３はコンデンサーＣ
５を充電していく。

【００３８】一方、図１７（ｂ）は９０゜移送器１９０
の交流信号が第２の振動検出用電極１７２の交流信号よ
りも進んでいるときの動作を示している。つまり、ディ
ジタル信号ＣがＤよりも進んでいる状態である。このと
き、ＥＸＯＲゲートＧ１の出力信号は図１７（ｂ）のよ
うに出力される。また、ＥＸＯＲゲートＧ１の出力信号
のパルス幅はディジタル信号ＣのＤに対する進み量に比
例して増加する。

【００３９】フリップフロップ１９１３は、図１７Ｄの
場合、ディジタル信号ＣがＤよりも進んでいる状態であ
るので、ディジタル信号Ｄの立ち上がりで、ディジタル
信号ＣのＨＩＧＨが保持され、出力端子ＱにはＨＩＧＨ
が出力される。フリップフロップ１９１３の出力端子Ｑ
がＨＩＧＨを保持しているので、ＮＡＮＤゲートＧ２の
出力はＥＸＯＲゲートＧ１の出力信号の反転を出力す
る。よって、ＮＡＮＤゲートＧ２の出力がＬＯＷのタイ
ミングで、トランジスタＱ１２に電流が流れる。このと
き、トランジスタＱ１２はコンデンサーＣ５を放電して
いく。一方、ＡＮＤゲートＧ３の出力はＬＯＷを出力
し、トランジスタＱ１３には電流が流れない。よって、
トランジスタＱ１３はコンデンサーＣ５を充電しない。

【００４０】オペアンプ１９１２はコンデンサーＣ５の
出力インピーダンスを下げてその電圧を可変移送器１１
０に出力する。以上の動作により、移送比較器１９１
は、９０゜移送器１９０の交流信号と第２の振動検出用
電極１７２の交流信号の位相差に従って変化する電圧が
可変移送器１１０に出力する。

【００４１】以上、図８の各構成部品について図９から
図１７を用いて詳しく説明した。図９から図１７の各構
成部品の動作により、図８の超音波モータにおいては、
振動体１６の２つの定在波の振幅が等しくなり、かつ、
２つの定在波の位相差が９０゜になる。

【００４２】（２）第二実施例 図３は、本発明の超音波モータ及びその駆動回路の第二
実施例を示すブロック図である。第二実施例では、振動
体１６に発生する２つの定在波を電気信号として取り出
すために、第１の電流検出回路１７３と第２の電流検出
回路１７４を追加した。第１及び第２の電流検出回路１
７３、１７４は、それぞれ第１及び第２の電力増幅回路
１２、１３が振動体１６の圧電素子１４の電極を駆動す
るときの駆動電流波形を検出する。ここに、振動体１６
の圧電素子１４を駆動するときの電流波形と振動体１６
に発生する２つの定在波は比例するので、圧電素子１４
の駆動電流波形を第１及び第２の電流検出回路１７３、
１７４により検出することで、振動体１６に発生してい
る２つの定在波の振幅と位相を検出することが出来る。

【００４３】なお、検出した２つの定在波の振幅と位相
を比較するのは図２及び図８における振幅比較回路１８
と位相比較回路１９と同じ構成である。また、振幅比較
回路１８と位相比較回路１９の結果をフィードバック
し、結果に基づき増幅率と移送量を可変する構成も、図
２及び図８における電力増幅回路２０と移送回路１１で
ある。

【００４４】以上の構成により、図３の第二実施例にお
いても図２及び図８と同様に、振動体１６の２つの定在
波の振幅が等しくなり、かつ、２つの定在波の位相差が
９０゜になる様に動作する。図１８は、本発明の超音波
モータ及びその駆動回路の第二実施例をより詳細に示す
ブロック図である。図１８において、第１及び第２の電
流検出回路１７３、１７４はトランス１２０１、１２０
２の出力側のコイルに流れる電流を検出する。コイルに
流れる電流は抵抗ＲＧ１により電圧に変換し、オペアン
プ１７３０と抵抗ＲＧ２、ＲＧ３、及びＲＧ４により電
圧増幅する。なお、抵抗ＲＧ１の抵抗値を抵抗ＲＧ２、
ＲＧ３、及びＲＧ４の抵抗値に比べ無視できるくらい小
さくすれば、トランス１２０１の出力側のコイルに流れ
る電流を抵抗ＲＧ１を流れる電流とほぼ等しくすること
が出来る。

【００４５】以上の動作により、第１及び第２の電流検
出回路１７３、１７４はトランス１２０１、１２０２の
出力側のコイルに流れる電流を検出するので、振動体１
６に発生する２つの定在波を検出できる。なお、振動体
１６の２つの定在波の振幅はほぼ等しくすることが最も
適切であるが、好ましくは、両者の比を０．７から１．
３の間の値にすれば良く、さらに好ましくは、両者の比
を０．９から１．１の間の値にすれば良い。

【００４６】また、２つの定在波の位相差が９０゜にな
るのが最も適切であるが、好ましくは、この２つの定在
波の位相差を６０°から１２０°の間の値にすれば良
く、さらに好ましくは、８０°から１００°の間の値に
すれば良い。ここで、本発明の超音波モータ及びその駆
動回路においては、振動体１６の２つの定在波の振幅は
ほぼ等しくすることと、２つの定在波の位相差が９０゜
になるのことの両者を同時に構成するのが最も適切であ
るが、好ましくは、この構成のうちの少なくとも一方を
備えていても良い。

【００４７】（３）第三実施例 図４は、本発明の振動モータと振動機能付電子時計の構
成を示すブロック図である。振動検出回路１７、振幅比
較回路１８、及び位相比較回路１９から構成される振動
比較回路２１は図１、図２、図８、及び図３と同様に動
作する。

【００４８】振動比較回路２１の比較結果を移送回路１
１と電力増幅回路２０にフィードバックすることによ
り、振動体１６の２つの定在波の振幅が等しくなり、か
つ、位相差が９０゜になる。振動体１６に所定の圧力で
接触する移動体２２が振動体１６の振動により回転する
と、その回転力は出力軸２３１を介して偏心おもり２３
２をも回転させる。偏心おもり２３２の発生する振動に
より振動モータ１を実現している。

【００４９】また、計時回路２４、表示制御回路２８、
及び表示素子２９から構成される電子時計機構３０と振
動モータ１を結合するための外部入力素子２５、モータ
情報記憶回路２６、及びモータ制御回路２７により、振
動機能付電子時計を実現している。

【００５０】計時回路２４は水晶発振回路などの時刻基
準発生素子２４１、時刻基準発生素子２４１からの基準
信号を入力し、各種のタイミング信号を作るタイミング
信号発生回路２４２、読みだし専用メモリと書込み可能
メモリから成るメモリ回路２４３、及び読みだし専用メ
モリに書込まれた処理手順に従い順次処理を行う演算処
理回路２４４から構成される。演算処理回路２４４はタ
イミング信号発生回路２４２からの信号のタイミングに
あわせて、読みだし専用メモリの処理手順に従い、書込
み可能メモリの内容を演算し、その結果を表示制御回路
２８に出力する。表示制御回路はステップモータ、輪
列、指針、及び液晶パネルなどの表示素子２９を制御
し、時刻などを表示する。

【００５１】また、スイッチなどの外部入力素子２５を
操作し、振動モータを動作させる時刻などの情報をモー
タ情報記憶回路２６に記憶させる。演算処理回路２４４
はモータ情報記憶回路２６に記憶されたモータを動作さ
せる時刻などの情報と、メモリ回路２４３で保持してい
る時刻情報を比較しその結果に基づき、モータ制御回路
２７を制御することで振動モータの動作を制御する。

【００５２】以上の動作により、振動機能付電子時計を
実現している。 （４）第四実施例 図１９は、本発明の超音波モータ付駆動装置の第四実施
例を示すブロック図である。

【００５３】移動体２２に固定した出力軸２３１により
歯車などの動力伝達手段５１２を動作させる。 （５）第五実施例 図２０は、本発明の超音波モータ付電子機器の第五実施
例を示すブロック図である。

【００５４】移動体２２と一体に動作する動力伝達手段
５１２と、動力伝達手段５１２の動作に基づいて動作す
る出力手段５１３を設ける。動力伝達手段５１２として
は、好ましくは、歯車や摩擦車等の伝達車を用いる。

【００５５】出力手段５１３としては、好ましくは、電
子時計においては指針を用い、カメラにおいては自動焦
点調節機構やフィルム巻き上げ装置を用い、工作機械に
おいては刃具送り装置や加工部材送り装置を用い、ロボ
ットにおいてはアーム等を用いる。

【００５６】本発明の超音波モータ付電子機器として
は、好ましくは、電子時計、カメラ、プリンタ、印刷
機、工作機械、ロボット、移動装置などが実現できる。

【００５７】

【発明の効果】本発明の超音波モータは、振動体の２つ
の定在波を取り出す振動検出手段と、振動検出手段が取
り出した２つの定在波の振幅の大きさを比較する振幅比
較手段と、振幅比較手段の振幅比較結果により、圧電素
子を駆動する交流電圧の大きさを調整する電力増幅手段
と、振動検出手段が取り出した２つの定在波の位相差を
比較する位相比較手段と、位相比較手段の位相比較結果
により、圧電素子を駆動する交流電圧の位相を調整する
移送手段とを有する構成としたので、以下に記載する効
果を有する。

【００５８】（１）振動体に時間的にほぼ９０゜位相が
異なり、かつ、振幅のほぼ等しい２つの定在波が発生す
るので、電気−機械変換効率の高い超音波モータを実現
できる。 （２）移動体にかかる負荷の変動、使用温度変化、摺動
板の摩擦性の劣化など、使用条件が異なっても、振動体
に時間的にほぼ９０゜位相が異なり、かつ、振幅のほぼ
等しい２つの定在波を発生することが出来る。

【００５９】（３）圧電素子の分極条件の違い、圧電素
子の電極状態の違いなど、製造工程中の製造ばらつきが
有っても、振動体に時間的にほぼ９０゜位相が異なり、
かつ、振幅のほぼ等しい２つの定在波を発生することが
出来る。

【００６０】（４）小型で電気−機械変換効率の高い超
音波モータ付電子時計、超音波モータ付電子機器等を実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波モータ及びその駆動回路の代表
的な構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の超音波モータ及びその駆動回路の第一
実施例を示すブロック図である。

【図３】本発明の超音波モータ及びその駆動回路の第二
実施例を示すブロック図である。

【図４】本発明の振動モータと振動機能付電子時計の構
成を示すブロック図である。

【図５】従来の超音波モータの基本構造を示す図であ
る。

【図６】従来の超音波モータの動作原理図である。

【図７】本発明の超音波モータの電極パターン例を示す
図である。

【図８】本発明の超音波モータ及びその駆動回路の第一
実施例を詳細に示すブロック図である。

【図９】本発明の超音波モータの可変移送器の第一実施
例を示すブロック図である。

【図１０】本発明の超音波モータの増幅率可変増幅器の
第一実施例を示すブロック図である。

【図１１】本発明の超音波モータの増幅率制御器の第一
実施例を示すブロック図である。

【図１２】本発明の超音波モータの乗算器の第一実施例
を示すブロック図である。

【図１３】本発明の超音波モータの増幅率固定増幅器の
第一実施例を示すブロック図である。

【図１４】本発明の超音波モータの整流器と電圧比較器
の第一実施例を示すブロック図である。

【図１５】本発明の超音波モータの９０゜移送器の第一
実施例を示すブロック図である。

【図１６】本発明の超音波モータの位相比較回路の第一
実施例を示すブロック図である。

【図１７】本発明の超音波モータの位相比較回路の動作
例を示すタイムチャートである。

【図１８】本発明の超音波モータ及びその駆動回路の第
二実施例を詳細に示すブロック図である。

【図１９】本発明の超音波モータ付駆動装置の第四実施
例を示すブロック図である。

【図２０】本発明の超音波モータ付電子機器の第五実施
例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 振動モータ １０ 発振回路 １１ 位相回路 １２ 第１の電力増幅回路 １３ 第２の電力増幅回路 １４ 圧電素子 １５ 振動体部 １６ 振動体 １７ 振動検出回路 １８ 振幅比較回路 １９ 位相比較回路 ２０ 電力増幅回路 ２１ 振動比較回路 ２２ 移動体 ２３ 負荷 ２４ 計時回路 ２５ 外部入力素子 ２６ モータ情報記憶回路 ２７ モータ制御回路 ２８ 表示制御回路 ２９ 表示素子 ３０ 電子時計機構 ４１１ 位相手段 ４１２ 第１の電力増幅手段 ４１３ 第２の電力増幅手段 ４１７ 振動検出手段 ４１８ 振幅比較手段 ４１９ 位相比較手段 ４２０ 電力増幅手段 ４２１ 振動比較回路

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電圧により駆動される圧電素子（１
   ４）と、 圧電素子（１４）を接合し、圧電素子（１４）の伸縮運
   動により超音波振動する振動体部（１５）とを有する振
   動体（１６）と、 振動体部（１５）に所定の圧力で接触して振動体（１
   ６）に発生する超音波振動により摩擦駆動する移動体
   （２２）と、 振動体（１６）に発生する２つの定在波を比較する振動
   比較手段（４２１）と、 振動比較手段（４２１）の比較結果により、２つの定在
   波の振幅の大きさがほぼ等しくなるように、圧電素子
   （１４）の駆動電圧を調整する電力増幅手段（４２０）
   と、 振動比較手段（４２１）の比較結果により、２つの定在
   波の位相差がほぼ９０゜になるように、圧電素子（１
   ４）を駆動する交流電圧の位相を調整する移送手段（４
   １１）と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 交流電圧により駆動される圧電素子（１
   ４）と、 圧電素子（１４）を接合し、圧電素子（１４）の伸縮運
   動により少なくとも２つの定在波の合成波である振動波
   により振動する振動体部（１５）と、 圧電素子（１４）と振動体部（１５）からなる振動体
   （１６）に所定の圧力で接触して、振動体（１６）に発
   生する振動波により摩擦駆動する移動体（２２）と、 振動体（１６）の前記２つの定在波を取り出す振動検出
   手段（４１７）と、 振動検出手段（４１７）が取り出した前記２つの定在波
   の振幅の大きさを比較する振幅比較手段（４１８）と、 振幅比較手段（４１８）の振幅比較結果により、圧電素
   子（１４）を駆動する交流電圧の大きさを調整する電力
   増幅手段（４２０）と、 振動検出手段（４１７）が取り出した前記２つの定在波
   の位相差を比較する位相比較手段（４１９）と、 位相比較手段（４１９）の位相比較結果により、圧電素
   子（１４）を駆動する交流電圧の位相を調整する移送手
   段（４１１）と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】 発振回路（１０）と、 発振回路（１０）が出力する交流信号の電力を増幅し、
   圧電素子（１４）を駆動する第１の電力増幅手段（４１
   ２）と、 発振回路（１０）が出力する交流信号の位相を変える移
   送手段（４１１）と、 移送手段（４１１）が出力する交流信号の電力を増幅
   し、圧電素子（１４）を駆動する第２の電力増幅手段
   （４１３）と、 少なくとも２組の電極を有し、各々の電極が第１の電力
   増幅手段（４１２）と第２の電力増幅手段（４１３）が
   出力する交流電圧により駆動される圧電素子（１４）
   と、 圧電素子（１４）を接合し、圧電素子（１４）の圧電効
   果により少なくとも２つの定在波の合成波である振動波
   により振動する振動体部（１５）と、 圧電素子（１４）と振動体部（１５）からなる振動体
   （１６）に所定の圧力で接触して、振動体（１６）に発
   生する振動波により摩擦駆動する移動体（２２）と、 振動体（１６）の前記２つの定在波を電気信号に変換す
   る振動検出手段（４１７）と、 振動検出手段（４１７）が変換した電気信号の振幅の大
   きさを比較し、その結果に基づき、前記電気信号の振幅
   の大きさがほぼ等しくなるように、電力増幅手段（４２
   ０）の増幅率を調整する信号を電力増幅手段（４２０）
   に出力する振幅比較手段（４１８）と、 振動検出手段（４１７）が変換した電気信号の位相差を
   比較し、その結果に基づき、前記電気信号の位相差がほ
   ぼ９０゜になるように、移送手段（４１１）の位相率を
   調整する信号を移送手段（４１１）に出力する位相比較
   手段（４１９）と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
4. 【請求項４】 圧電素子（１４）が少なくとも２組の駆
   動用電極（１４１、１４２）と２組の振動検出用電極
   （１７１、１７２）を有し、２組の振動検出用電極（１
   ７１、１７２）により振動体（１６）の２つの定在波を
   電気信号に変換することを特徴とする請求項２又は請求
   項３に記載の超音波モータ。
5. 【請求項５】 電力増幅手段（４２０）から圧電素子
   （１４）に流入する電流を検出する、少なくとも２組の
   電流検出回路（１７３、１７４）を電力増幅手段（４２
   ０）と圧電素子（１４）の間に設け、２組の電流検出回
   路（１７３、１７４）により振動体（１６）の２つの定
   在波を電気信号に変換することを特徴とする請求項２又
   は請求項３に記載の超音波モータ。
6. 【請求項６】 発振回路（１０）と、 発振回路（１０）が出力する交流信号の電力を増幅し、
   圧電素子（１４）を駆動する第１の電力増幅手段（４１
   ２）と、 発振回路（１０）が出力する交流信号の位相を変える移
   送手段（４１１）と、 移送手段（４１１）が出力する交流信号の電力を増幅
   し、圧電素子（１４）を駆動する第２の電力増幅手段
   （４１３）と、 振動体（１６）に発生する振動波を電気信号に変換する
   振動検出手段（４１７）と、 振動検出手段（４１７）が変換した電気信号の振幅の大
   きさを比較し、その結果に基づき、前記電気信号の振幅
   の大きさがほぼ等しくなるように、電力増幅手段（４２
   ０）の増幅率を調整する信号を電力増幅手段（４２０）
   に出力する振幅比較手段（４１８）と、 振動検出手段（４１７）が変換した電気信号の位相差を
   比較し、その結果に基づき、前記電気信号の位相差がほ
   ぼ９０゜になるように、移送手段（４１１）の位相率を
   調整する信号を移送手段（４１１）に出力する位相比較
   手段（４１９）と、 を有することを特徴とする超音波モータ駆動回路。
7. 【請求項７】 発振回路（１０）と、 発振回路（１０）が出力する交流信号の位相を変える移
   送手段（４１１）と、 発振回路（１０）と移送手段（４１１）が出力する交流
   信号の電力を増幅し、圧電素子（１４）を駆動する電力
   増幅手段（４２０）と、 少なくとも２組の電極を有し、各々の電極が電力増幅手
   段（４２０）の出力する位相の異なる交流電圧により駆
   動される圧電素子（１４）と、 圧電素子（１４）を接合し、圧電素子（１４）の圧電効
   果により少なくとも２つの定在波の合成波である振動波
   で振動する振動体部（１５）と、 圧電素子（１４）と振動体部（１５）からなる振動体
   （１６）に所定の圧力で接触して、振動体（１６）に発
   生する振動波により摩擦移動する移動体（２２）と、 移動体（２２）に接続され、移動体（２２）の回転力を
   偏心おもり（２３２）に伝える出力軸（２３１）と、 出力軸（２３１）に接続され、回転することで振動を発
   生する変心おもり（２３２）と、 振動体（１６）の前記２つの定在波を電気信号に変換す
   る振動検出手段（４１７）と、 振動検出手段（４１７）が変換した電気信号の振幅の大
   きさを比較し、その結果に基づき、前記電気信号の振幅
   の大きさがほぼ等しくなるように、電力増幅手段（４２
   ０）の増幅率を調整する信号を電力増幅手段（４２０）
   に出力する振幅比較手段（４１８）と、 振動検出手段（４１７）が変換した電気信号の位相差を
   比較し、その結果に基づき、前記電気信号の位相差がほ
   ぼ９０゜になるように、移送手段（４１１）の位相率を
   調整する信号を移送手段（４１１）に出力する位相比較
   手段（４１９）と、 を有することを特徴とする振動モータ。
8. 【請求項８】 請求項７記載の振動モータ（１）と、 年月日時分などの計時情報を演算する計時回路（２４）
   と、 計時回路（２４）の出力する計時信号を入力して計時情
   報を表示する表示素子（２９）と、 使用者が振動モータ（１）を駆動する条件を入力するた
   めの外部入力素子（２５）と、 計時回路（２４）の出力する計時信号を入力し、かつ、
   外部入力素子（２５）の出力する外部入力信号を入力し
   て、振動モータ（１）を駆動する駆動情報を記憶するモ
   ータ情報記憶回路（２６）と、 モータ情報記憶回路（２６）の記憶した駆動情報に基づ
   いて振動モータ（１）の駆動の制御を行うモータ制御回
   路（２７）と、 モータ情報記憶回路（２６）の記憶した駆動情報に基づ
   いて表示素子（２９）の表示の制御を行う表示制御回路
   （２８）と、 を有することを特徴とする振動機能付電子時計。
9. 【請求項９】 交流電圧により駆動される圧電素子（１
   ４）と、 圧電素子（１４）を接合し、圧電素子（１４）の伸縮運
   動により超音波振動する振動体部（１５）とを有する振
   動体（１６）と、 振動体部（１５）に所定の圧力で接触して振動体（１
   ６）に発生する超音波振動により摩擦駆動する移動体
   （２２）と、 振動体（１６）に発生する２つの定在波を比較する振動
   比較手段（４２１）と、 振動比較手段（４２１）の比較結果により、２つの定在
   波の振幅の大きさがほぼ等しくなるように、圧電素子
   （１４）の駆動電圧を調整する電力増幅手段（４２０）
   と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
10. 【請求項１０】 交流電圧により駆動される圧電素子
    （１４）と、 圧電素子（１４）を接合し、圧電素子（１４）の伸縮運
    動により超音波振動する振動体部（１５）とを有する振
    動体（１６）と、 振動体部（１５）に所定の圧力で接触して振動体（１
    ６）に発生する超音波振動により摩擦駆動する移動体
    （２２）と、 振動体（１６）に発生する２つの定在波を比較する振動
    比較手段（４２１）と、 振動比較手段（４２１）の比較結果により、２つの定在
    波の振幅の大きさの比が０．７から１．３の間の値にな
    るように、圧電素子（１４）の駆動電圧を調整する電力
    増幅手段（４２０）と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
11. 【請求項１１】 交流電圧により駆動される圧電素子
    （１４）と、 圧電素子（１４）を接合し、圧電素子（１４）の伸縮運
    動により超音波振動する振動体部（１５）とを有する振
    動体（１６）と、 振動体部（１５）に所定の圧力で接触して振動体（１
    ６）に発生する超音波振動により摩擦駆動する移動体
    （２２）と、 振動体（１６）に発生する２つの定在波を比較する振動
    比較手段（４２１）と、 振動比較手段（４２１）の比較結果により、２つの定在
    波の位相差がほぼ９０゜になるように、圧電素子（１
    ４）を駆動する交流電圧の位相を調整する移送手段（４
    １１）と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
12. 【請求項１２】 交流電圧により駆動される圧電素子
    （１４）と、 圧電素子（１４）を接合し、圧電素子（１４）の伸縮運
    動により超音波振動する振動体部（１５）とを有する振
    動体（１６）と、 振動体部（１５）に所定の圧力で接触して振動体（１
    ６）に発生する超音波振動により摩擦駆動する移動体
    （２２）と、 振動体（１６）に発生する２つの定在波を比較する振動
    比較手段（４２１）と、 振動比較手段（４２１）の比較結果により、２つの定在
    波の位相差が６０°から１２０度の間の値になるよう
    に、圧電素子（１４）を駆動する交流電圧の位相を調整
    する移送手段（４１１）と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
13. 【請求項１３】 請求項９乃至請求項１２のいずれか１
    項に記載の超音波モータと、 移動体２２と一体に動作する出力手段（２３１）と、 出力手段（２３１）の動作により動作する動力伝達手段
    （５１２）と、 を有することを特徴とする超音波モータ付駆動装置。
14. 【請求項１４】 請求項９乃至請求項１２のいずれか１
    項に記載の超音波モータと、 移動体２２と一体に動作する動力伝達手段（５１２）
    と、 出力手段（２３１）の動作に基づいて動作する出力手段
    （５１３）と、 を有することを特徴とする超音波モータ付電子機器。