JPH07194151A - 超音波モータ及び超音波モータ付き電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 超音波モータの安定な駆動を行なう。 【構成】 振動体４と移動体６とから構成され、振動体
４に振動波を励振する圧電素子１の分極パターンは、振
動波の節部が形成する同心円状の節部がゼロとなる円弧
の内側に駆動用パターン（１ーＡ）を設け、外側に検出
用パターン（１ーＢ）を設け、振動体の振動状態に応じ
た入力信号を印加することで効率的かつ安定なモータの
駆動が出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電素子の伸縮運動
を利用して駆動力を発生させる超音波モータに関するも
のであり、工作機械、及びカメラ等の電子機器での利用
が可能である。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータの圧電素子のパター
ンを図面に基づいて説明する。例えば、周方向に３つの
波を励振しようとした場合、図１０では１／２波長ごと
に交互に分極処理された２つの駆動用圧電素子パターン
群（横線部１−ｄ−１、及び縦線部１−ｄ−２）を１／
４波長及び３／４波長分の間隔をあけて配置する。これ
ら二つの駆動用圧電素子パターン群（横線部１−ｄ−
１、及び縦線部１−ｄ−２）に時間的に位相の異なる電
気信号を印加することで二つの定在波を発生させ、その
合成として進行波を発生させている。又、駆動に用いな
い圧電素子パターン（１−ｄ−３）に励起されている電
圧を検出し、振動状態を把握し、この情報に基づいたモ
ータ制御を行なっている。

【０００３】例えば特開昭−１５６１６９号公報に従来
のこのような方法で進行波を発生させると共に振動状態
を検出するための圧電素子の分極パターンの例が開示さ
れている。図９においては、１／４波長ごとに圧電素子
のパターンを分割し、これを二つおきに＋、＋、−、−
と交互に分極処理を行なう。この分極されたパターンを
一つおきに短絡し、二つのパターン群（斜線部１−Ｃ−
１、及び非斜線部１−Ｃ−２）とする。この二つのパタ
ーン群に、時間的に位相の異なる二つの高周波電圧を印
加することにより、位置的、時間的に位相のずれた二つ
の定在波が発生し、その合成として進行波が励振でき
る。このような振動波励振方法が知られていた。

【０００４】例えば特開平１３−２８３０７号公報に従
来のこのような方法で進行波を発生させるための圧電素
子の分極パターンの例が開示されている。この進行波の
励振されている振動体の上に移動体を所定の圧力で接触
させると、移動体は振動体の楕円運動を摩擦を介して受
け回転する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の圧電素
子のパターンには以下のような課題があった。 （１）図９に示した圧電素子のパターンでは駆動に使用
しない圧電素子の面積が大きく、高出力を得られにくか
った。 （２）図１０に示した圧電素子のパターンでは圧電素子
全面を駆動に使用しているため、振動体の振動状態を把
握することが出来ず、超音波モータを常に安定な状態で
駆動させることが難しかった。

【０００６】そこで、本発明の目的は、従来のこのよう
な課題を解決するために、圧電素子のパターンを改善
し、小型で高出力・高効率の超音波モータを提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は超音波モータにおいて、振動体の励振に用
いる圧電素子の、径方向に対する振動変位の位相が逆転
する節部が形成する同心円状の円弧を境とし、その内側
を振動体の駆動に使用し、外側を振動体の振動状態検出
素子として利用できるような圧電素子パターンを形成す
る構成とした。

【０００８】

【作用】上記の様に構成した圧電素子を用いた超音波モ
ータにおいては、振動波の節部が形成する同心円上の振
幅がゼロとなる円弧の内側の圧電素子パターンに電気信
号を印加することにより振動波が発生する。振動体に所
定の圧力で接触する移動体は、振動波による力を受け回
転する。この時、振動波の節部が形成する同心円上の振
幅がゼロとなる円弧の外側の圧電素子パターンに励起し
た電圧を検出することにより振動体の振動状況を把握
し、最適な電気信号を印加することで超音波モータの安
定な駆動が出来る。

【０００９】

【実施例】

（１）第一の実施例 以下に本発明の第一の実施例を図面に基づいて説明す
る。図１は本発明の第一の実施例の超音波モータの圧電
素子分極パターンと振動体の変位分布を示す図である。
図２は本発明の圧電素子分極パターンを用いた超音波モ
ータの断面図、図４は本発明の第一の実施例を示すブロ
ック図である。

【００１０】図１において、圧電素子１の振動波励振用
パターン（１−Ａ）は振動体に励振される振動波の節部
が形成する同心円上の振幅がゼロとなる円弧の内側に配
されると共に、周方向に対して１／４波長ごとに分割さ
れている。周方向に対して分割されたパターンの分極方
向は二つおきに異なると共に、周方向に対して一つおき
に短絡され、斜線部１−１と非斜線部１−２の二つの電
極パターン群を構成している。また、振動波の節部が形
成する同心円状の振幅がゼロとなる円弧の外側には振動
体に励振される振動波の振動状態を検出する振動状態検
出用パターン（１−３）が配されている。圧電素子１の
他面はベタ電極となっており三つの電極パターン群（１
−１、１−２、１−３）の共通電極となっている。

【００１１】図２において、中心軸２は支持板３に固定
されている。図１に示したパターンを有する圧電素子１
が接着されている。移動体６の中心には軸受け５が設け
られ、回転可能なように中心軸２に案内されている。ば
ね部材７によって移動体６は振動体４に圧接されてい
る。圧電素子１の前記二つのパターン群（１−１及び１
−２）に時間的に位相の異なる高周波電圧を印加すると
振動体４には位置的、時間的に位相のずれた二つの定在
波が発生し、二つの定在波の合成として進行波が発生す
る。このとき移動体６は振動体の楕円運動を摩擦を介し
て受け回転する。このとき、図４に示したように超音波
モータ（２０）の振動状態検出用パターン（１−３）に
励起される電圧を検出回路（１３）により検出する。比
較回路（１４）により、検出された電圧値と記憶回路
（１５）によりあらかじめ設定されている電圧値の比較
を行ない両者の値が一致するようにモータへの印加信号
を可変することにより超音波モータの安定な駆動が行な
える。

【００１２】（２）第二の実施例 以下に本発明の第二の実施例である圧電素子のパターン
を図面に基づいて説明する。図３は本発明の第二の実施
例の超音波モータの圧電素子分極パターンを示す図であ
る。

【００１３】図３において、圧電素子１の振動波励振用
パターン（１−Ａ）は振動体（４）に励振される振動波
の節部が形成する同心円上の振幅がゼロとなる円弧の内
側に配されると共に、周方向に対して１／４波長ごとに
分割されている。周方向に対して分割されたパターンの
分極方向は二つおきに異なると共に、周方向に対して一
つおきに短絡され、斜線部（１−４）と非斜線部（１−
５）の二つの電極パターン群を構成している。また、振
動波の節部が形成する同心円状の振幅がゼロとなる円弧
の外側には振動体（４）に励振される振動波の振動状態
を検出する振動状態検出用パターンが二つ配されてい
る。二つの振動状態検出用パターン（１−４、１−５）
はその一つづつが二つの電極パターン群に属する一つず
つパターンと振動波の節部が形成する同心円状の振幅が
ゼロとなる円弧を挟んだ位置に配置されている。圧電素
子１の他面はベタ電極となっており四つの電極パターン
群（１−４、１−５、１−６、１−７）の共通電極とな
っている。

【００１４】振動体に接合された圧電素子１の前記二つ
のパターン群（１−４、及び１−５）に時間的に位相の
異なる高周波電圧を印加すると振動体４には位置的、時
間的に位相のずれた二つの定在波が発生し、二つの定在
波の合成として進行波が発生する。このとき移動体６は
振動体の楕円運動を摩擦を介して受け回転する。このと
き図５に示したように、超音波モータ（２０）の二つの
振動状態検出用パターン（１−６、１−７）に励起され
る電圧を検出回路（１４）により検出する。比較回路
（１４）により、検出された二つの電圧値、及び両者の
位相の比較を行ない、検出された二つの電圧値が一致す
ると共に、検出された位相差が予め設定された値と同じ
になるようにモータへの印加信号を可変することにより
超音波モータの最適な駆動が行なえる。

【００１５】（３）第三の実施例 図６は本発明の超音波モータ（２０）の圧電素子パター
ンを用いた自励発振駆動システムの一例を示したブロッ
ク図である。先の実施例に示した超音波モータの検出用
パターン（１−Ｂ）を自励発振駆動のフィードバック電
極とすることで超音波モータの自励発振駆動が可能とな
る。

【００１６】例えば検出用パターン（１−３）に発生し
た振動体の機械的振動に対応した信号を増幅回路（１
８）により増幅し、これを移相回路（１９）を介して駆
動用パターン（１−Ａ）に帰還する。このように検出用
パターン（１−Ｂ）に発生した小さな信号を増幅回路
（１８）、移相回路（１９）を介して増幅、帰還するこ
とで振動体の振動を維持することが出来る。このように
振動している振動体（４）に、移動体（６）を加圧機構
（１０）により所定の圧力で接触させることで移動体
（６）を回転させることが出来る。ここに、移相回路
（１９）は、増幅回路（１８）が出力する信号の位相を
所定の値に変化させる回路である。

【００１７】（４）第四の実施例 図７は、本発明の超音波モータ（２０）を用いた超音波
モータ付き電子機器の第四の実施例のブロック図を示し
たものである。先の実施例に示した超音波モータを用い
て、超音波モータの移動体（６）と一体に動作する動力
伝達機構（１１）と、動力伝達機構（１１）の動作に基
づいて動作する出力機構（１２）とを設ける構成とする
ことにより超音波モータ付き電子機器が実現できる。

【００１８】動力伝達機構としては、好ましくは、歯車
や摩擦車等の伝達車などを用いる。出力機構としては、
好ましくはカメラにおいてはシャッタ駆動装置、レンズ
駆動装置等を、電子時計においては指針等を、ロボット
においてはアーム等を、工作機械においては刃具送り装
置や加工部材等を用いる。

【００１９】本発明の超音波モータ付き電子機器として
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。 （５）第五の実施例 図８は、本発明の超音波モータ（２０）を用いた超音波
駆動装置の第五の実施例のブロック図である。

【００２０】移動体（６）に固定した出力軸（２１）に
より、歯車などの動力伝達機構（１１）を移動させる。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、以上示したように超音波モー
タにおいて、振動体に発生する振動波の節部が形成する
同心円状の振幅がゼロとなる円弧の内側を振動波の励振
に用いると共に、外側を振動体に励振される振動波の振
動状態検出に用いることによりすることにより、以下に
記載する効果を有する。 （１）振動体の励振効率が高くなり、小型で高効率、高
出力のモータが得られる。 （２）振動体の振動状態を常に把握し、これに応じた入
力信号を与えることで、安定性に優れた超音波モータが
得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の超音波モータの圧電素
子分極パターンと振動体の変位分布を示す図である。

【図２】本発明の超音波モータの断面図である。

【図３】本発明の超音波モータの第二の実施例の圧電素
子分極パターンを示す図である。

【図４】本発明の超音波モータの第一実施例を示すブロ
ック図である。

【図５】本発明の超音波モータの第二の実施例を示すブ
ロック図である。

【図６】本発明の超音波モータの第三の実施例を示すブ
ロック図である

【図７】本発明の超音波モータ付電子機器の第四の実施
例を示すブロック図である。

【図８】本発明の超音波モータ駆動装置の第五の実施例
を示すブロック図である。

【図９】従来の圧電素子パターンの例を示す図である。

【図１０】従来の圧電素子パターンの他の例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 圧電素子 ２ 中心軸 ３ 支持板 ４ 振動体 ５ 軸受け ６ 移動体 ７ ばね部材 １０ 加圧機構 １１ 動力伝達機構 １２ 出力機構 １８ 増幅回路 １９ 移相回路 ２０ 超音波モータ ２１ 出力軸

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電素子の伸縮運動を利用して、振動体
   に振動波を励振させることにより、振動体に所定の接触
   する移動体を摩擦駆動させる超音波モータにおいて、 振動体（４）の少なくとも片面に接合された圧電素子
   （１）の振動波励振用パターン（１−Ａ）は、振動体
   （４）に発生する振動波の節部が形成する同心円状の振
   幅がゼロとなる円弧の内側に配置されると共に、 この振動がゼロとなる円弧の外側には振動体の振動状態
   を検出する振動状態検出パターン（１−３）を設けたこ
   とを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の超音波モータにおい
   て、 圧電素子の振動波励振用のパターンは、振動体に励振さ
   れる振動波の１／４波長のピッチごとに放射状に分割さ
   れると共に、 周方向に二つおきに分極方向が異なる様に分極処理し、 振動波励振用のパターン（１−Ａ）を周方向に一つおき
   に短絡し、二つの電極パターン群（１−１、１−２）を
   形成したことを特徴とする超音波モータ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の超音波
   モータにおいて、圧電素子の振動状態検出用パターン
   は、周方向に分割された振動波励振用パターンと周方向
   に対して位相差を持たないことを特徴とする超音波モー
   タ。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の超音波モータにおい
   て、圧電素子の振動状態検出様パターンは二つ設けら
   れ、振動波励振用のパターンにより励振される二つの定
   在波に一つずつ対応し、対応する定在波の節を外した位
   置に設けられたことを特徴とする超音波モータ。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の超音波モータにおい
   て、二つの振動状態検出用パターン（１−６、１−７）
   により検出される二つの電圧値が同じになると共に、二
   つの電圧の位相差が、予め設定された値と同じになるよ
   うに、圧電素子に印加する二つの入力信号を制御したこ
   とを特徴とする超音波モータ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項４のいずか１項に
   記載の超音波モータにおいて、振動状態検出用パターン
   を超音波モータの自励発振駆動のフィードバック電極と
   して用いることを特徴とする超音波モータ。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれか１項
   に記載の超音波モータを有し、 超音波モータ（２０）の移動体（６）に取りつけた出力
   軸（２１）と、出力軸（２１）からの出力トルクを伝達
   するための動力伝達機構（１１）とを有することを特徴
   とする超音波モータ駆動装置。
8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項６のいずれか１項
   に記載の超音波モータを有し、 超音波モータ（２０）の移動体（６）と一体に動作する
   動力伝達機構（１１）と、動力伝達機構（１１）の動作
   に基づいて動作する出力機構（１２）とを有することを
   特徴とする超音波モータ付き電子機器。