JPH09163769A - 超音波モータ装置 - Google Patents

超音波モータ装置

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JPH09163769A
JPH09163769A JP8228750A JP22875096A JPH09163769A JP H09163769 A JPH09163769 A JP H09163769A JP 8228750 A JP8228750 A JP 8228750A JP 22875096 A JP22875096 A JP 22875096A JP H09163769 A JPH09163769 A JP H09163769A
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ultrasonic motor
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electrode
circuit
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朗弘 飯野
Masao Kasuga
政雄 春日
Makoto Suzuki
鈴木　　誠
Kenji Suzuki
賢二 鈴木
Tomosumi Saruwatari
朋澄 猿渡
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/16—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/145—Large signal circuits, e.g. final stages

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便な駆動方式で安定した動作が可能で、か
つ高い環境信頼性を有する超音波モータ装置を得る。 【解決手段】 圧電素子１０２の表面上に形成された複
数の電極群１０３は、昇圧回路５０１により励振駆動さ
れる。圧電素子１０２のもう一方の面には振動体１０１
が接合されており、振動体１０１は電極も兼ねている。
圧電素子１０２と振動体１０１はメカニカルフィルター
として働き、振動体１０１には固有周波数を主成分とす
る信号が発生する。この信号は、増幅回路５０２により
増幅され、昇圧回路５０１に入力される。昇圧回路５０
１により昇圧された信号が電極群１０３に印加され、圧
電素子１０２が励振駆動される。電極群１０３に印加さ
れた駆動信号が、増幅回路５０２と昇圧回路５０１によ
りフィードバックされることにより、圧電素子１０２
は、自励発振を行う。その結果、圧電素子１０２に接着
された振動体１０１も振動し、この振動体１０１に加圧
手段１０９により所定の圧力で接触している移動体１０
８が回転する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、圧電素子が接合
された振動体に発生する振動波により、移動体を摩擦駆
動する超音波モータ装置に属し、特に新たな駆動方式の
超音波モータ装置の技術に属する。
【０００２】
【従来の技術】従来、図１２に示すように可変発振器７
０１により、所定の周波数の駆動信号ｆ0 と、さらに９
０゜位相器７０２により９０゜位相がずれた駆動信号ｆ
1 を生成し、駆動信号ｆ0 とｆ1 は各々電力増幅器７０
３を介して、振動体に接合した圧電素子７０４に印加す
ることで振動体に発生する進行波により、振動体に所定
の圧力で接触する移動体を駆動する超音波モータが知ら
れていた。 例えば、特開昭６２ー９２７８１号公報に
このような構造が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の進行波
型超音波モータの場合には、移動体を回転運動させるた
めに圧電素子７０４に位相の異なる２つの高周波電圧を
印加して振動体に進行波の振動を発生させる必要があ
り、そのため２つの電力増幅器７０３からなる駆動回路
が必要となる。
【０００４】また、環境温度や駆動電圧の変化に対して
振動体の振動特性が変化するために、図１２における電
流検出器７０５、電圧検出器７０６、制御回路７０７等
により、常に印加電圧、周波数、位相などの駆動パラメ
ータを環境の変化に追随させながら駆動を行うことが必
要とされている。このため駆動回路は複雑になる。
【０００５】さらに、電源もこれらの駆動回路を動作し
うるだけの能力が必要となる。このため、電源電圧の低
電圧化および省電力化が難しかった。このように超音波
モータは構造が簡易であるにもかかわらず、駆動回路が
非常に複雑で電源も相応なものが必要になるという問題
があり電子機器、特に小型電子機器等への応用が難しい
という課題を有していた。
【０００６】そこで、この発明の目的は、従来のこのよ
うな課題を解決するため、簡便な駆動方式で安定した動
作が可能で、かつ高い環境信頼性を有する超音波モータ
装置を得ることである。
【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、この発明は圧電素子を接合した振動体を有し圧電素
子の伸縮運動により振動体に発生する振動波によって移
動体を摩擦駆動する超音波モータにおいて、移動体を振
動体に加圧接触するように配置された加圧手段と、片方
の表面上に複数の電極からなる少なくとも１組の電極群
が形成されている圧電素子と、圧電素子の他方の表面に
発生する電圧を入力し、所定の電圧レベルに増幅する増
幅回路と、増幅回路の出力電圧を昇圧し、圧電素子に形
成された電極群を励振駆動する昇圧回路とを有する構成
とし、簡便な駆動方式で高い環境信頼性を有し、かつ低
電圧、低消費電力の超音波モータ装置を実現した。
【０００８】
【発明の実施の形態】上記のように構成された超音波モ
ータ装置の実施の形態を、図１に示したブロック図で説
明する。図１において、圧電素子１０２の表面上には複
数の電極からなる少なくとも１組の電極群１０３が形成
されている。電極群１０３は昇圧回路５０１により駆動
される。励振駆動される圧電素子１０２のもう一方の面
には振動体１０１が接合されており、振動体１０１は電
極も兼ねている。
【０００９】圧電素子１０２と振動体１０１はメカニカ
ルフィルターとして働き、振動体１０１には固有周波数
を主成分とする信号が発生する。この信号は、増幅回路
５０２により増幅され、昇圧回路５０１に入力される。
昇圧回路５０１により昇圧された信号が電極群１０３に
印加され、圧電素子１０２が励振駆動される。電極群１
０３に印加された駆動信号が、増幅回路５０２と昇圧回
路５０１によりフィードバックされることにより、圧電
素子１０２は、自励発振を行う。その結果、圧電素子１
０２に接着された振動体１０１も振動し、この振動体１
０１に加圧手段１０９により所定の圧力で接触している
移動体１０８が回転する。
【００１０】停止信号発生回路６０１は、増幅回路５０
２の動作を制御するためのもので、停止信号により増幅
回路５０２は出力を停止し、圧電素子１０２は自励振動
を停止するため、移動体１０８の回転を任意に停止させ
ることが可能となる。
【００１１】
【実施例】以下に、この発明の実施例を図に基づいて説
明する。図２は、本発明の超音波モータ装置の第１実施
例の具体的な回路構成を示したものである。
【００１２】圧電素子１０２の一方の平面には複数の電
極からなる一組の電極群１０３が形成されており、他方
の平面には、振動体１０１が接着等の手段で接合されて
いる。振動体１０１は、電極としての役割も兼ねてお
り、増幅回路５０２とコンデンサ５０５に電気的に接続
されている。コンデンサ５０５の他端は接地（ＧＮＤ）
されている。
【００１３】増幅回路５０２は、ＮＡＮＤゲート５０７
と抵抗５０６で構成されており、反転増幅を行う。ＮＡ
ＮＤゲート５０７には、振動体１０１からの信号と停止
信号発生回路６０１からの信号が入力される。ＮＡＮＤ
ゲート５０７のもう一方の入力端子には、停止信号発生
回路６０１からの信号が入力される。通常動作状態では
この信号はＨＩＧＨレベルであり、増幅回路５０２が反
転増幅動作可能となる。抵抗５０６はＮＡＮＤゲート５
０７の反転増幅の動作点を決定する。
【００１４】振動体１０１に発生する固有周波数を主成
分とする信号は、増幅回路５０２により電源電圧まで増
幅される。増幅回路５０２の出力は、ＮＯＲゲート５０
９に入力される。ＮＯＲゲート５０９は、信号の位相を
調整するためのもので、停止信号発生回路６０１の出力
がＨＩＧＨレベルの時、ＮＯＲゲート５０９は入力信号
を反転させて出力する。
【００１５】ＮＯＲゲート５０９の出力は、ＮＰＮトラ
ンジスタ５０４のベースに接続されている。トランジス
タ５０４のエミッタは接地され、コレクタは昇圧コイル
５０３と電極群１０３とコンデンサ５１０に接続されて
いる。トランジスタ５０４と昇圧コイル５０３は昇圧回
路５０１を構成する。昇圧回路５０１はＮＯＲゲート５
０９の出力信号を反転昇圧し、圧電素子１０２を励振駆
動することになる。
【００１６】増幅回路５０２と位相調整用ＮＯＲゲート
５０９と昇圧回路５０１と位相調整用コンデンサ５０
５、５１０によりフィードバックループが構成され、振
動体１０１に発生する固有周波数を主成分とする信号は
このフィードバックループにより反転昇圧された駆動信
号となり、圧電素子は安定継続した自励発振を行うこと
となる。
【００１７】昇圧コイルを適切に選ぶことで、電源電圧
の数倍の電圧で圧電素子を励振駆動することが出来る。
このため、たとえ電源が１．５Ｖの銀電池であっても、
昇圧回路の出力は３〜６Ｖとなり、安定して超音波モー
タを回転駆動できる。一方、停止信号発生回路６０１か
らの信号がＬＯＷレベルの時は、増幅回路５０２の出力
はＨＩＧＨレベルのままとなる。またＮＯＲゲート５０
９にも、インバータ５０８を介して停止信号が入力され
ているため、停止信号発生回路６０１の出力がＬＯＷレ
ベルの時、ＮＯＲゲート５０９の出力は常にＬＯＷレベ
ルとなり、上述したフィードバックループが遮断され、
圧電素子１０２は自励振動を停止する。よって、停止信
号発生回路６０１を適宜制御することにより、超音波モ
ータの回転を任意に停止させることができる。
【００１８】図３に、図２の各点の信号を示す。信号ａ
は、振動体１０１に発生する固有周波数を主成分とする
信号である。信号ａは、増幅回路５０２に入力され、増
幅回路５０２は矩形波の信号ｂを出力する。信号ｂはＮ
ＯＲゲート５０９により位相が反転した信号ｃを出力
し、ＮＰＮトランジスタ５０４をＯＮ／ＯＦＦする。Ｎ
ＰＮトランジスタのＯＮ／ＯＦＦにより、昇圧コイル５
０３に数ボルトの逆起電圧ｅが発生する。信号ａと逆起
電圧ｅは位相がほぼ反転しており、これにより圧電素子
１０２は自励発振をおこなう。信号ｄは、停止信号発生
回路６０１からの信号で、信号ｄがＬＯＷレベルになる
と信号ｂはＨＩＧＨレベル、信号ｃはＬＯＷレベルとな
り、自励発振は停止することになる。
【００１９】図４は、本発明の超音波モータ装置の第２
実施例の具体的な回路構成を示したものであり、前記の
第１実施例の回路構成との相違点のみを説明する。図４
において、位相調整用コンデンサ５１１の一端を増幅回
路５０２と位相調整用N O R ゲートの間に接続し、他端
は接地( G N D ) することにより、コンデンサ５１１は
抵抗５１２とによるローパスフィルタを構成しており位
相を調整することができる。尚、抵抗５１３が無くとも
回路動作は可能である。
【００２０】上記回路構成によれば、増幅回路５０２と
位相調整用N O R ゲート５０９と昇圧回路５０１と位相
調整用コンデンサ５１１、５１０によるフィードバック
ループが構成され、振動体１０１に発生する固有振動数
を主成分とする信号はこのフィードバックループにより
反転昇圧された駆動信号となり、圧電素子は安定継続し
た自励発振を行うこととなる。
【００２１】図５は、本発明の超音波モータ装置の第１
実施例の圧電素子の平面図であり、分極処理と電極の構
成を示す。本実施例では、振動体１０１の周方向に２波
長の定在波を励振して移動体１０８を駆動する場合を示
している。圧電素子１０２は一方の平面に周方向に波数
に対して４倍の８等分の扇型に分割され、一つおきに扇
形の電極を形成する。図においては、ａ１、ａ２、ａ
３、ａ４に電極が形成されものとし、これらが電極群１
０３となる。電極群１０３の各電極は結線手段１０４で
短絡してある。また、図に示されるように分極処理
（＋）および（−）が施してある。（＋）、（−）は分
極処理の方向を表しており、圧電素子１０２の振動体１
０１との接合面側に対して正の電界、負の電界を印加し
て分極処理したものである。電極が施された所の分極処
理は、ａ１が＋、ａ２が−、ａ３が＋、ａ４が−と交互
に逆転するようになされている。圧電素子１０２の裏面
には、振動体１０１が接合してある。
【００２２】なお、圧電素子は上に記したように円板形
状のものにほぼ等間隔で分割した電極を形成したものの
代わりに、複数の扇形圧電素子を振動体の平面に円板状
に貼り並べてもよい。 図６および図７は、本発明の第
１実施例の振動体の平面図および縦断面図である。円板
形状の振動体１０１の平面に円板形状の圧電素子１０２
が接着、または薄膜形成手段等により接合してある。
【００２３】振動体１０１の表面上には、移動体１０８
に動力を伝達するための突起１０７を設けている。突起
１０７は、裏面に接合された圧電素子１０２の扇形の電
極の片方の辺に対応するように等間隔で設けられてい
る。また、図８は本発明の超音波モータ装置の第１実施
例の縦断面図である。
【００２４】固定台２０１には中心軸２０２が固定され
ている。圧電素子１０２が接着されている振動体１０１
は中心軸２０２によって固定台２０１と一体となるよう
に中心部近傍で固定支持されている。移動体１０８は、
中心軸２０２により回転案内されており、図示していな
い外部に一端を固定支持された加圧ばね１０９により振
動体１０１に突起１０７を介して所定の圧力で接触す
る。
【００２５】図９および図１０は、本発明の超音波モー
タ装置の第４実施例の振動体の平面図および縦断面図で
あり、第１実施例で用いている振動体との相違点のみを
以下に説明する。圧電素子１０２の一方の表面に形成す
る１組の電極群１０３の構成は第１実施例と同じものが
適応可能である。
【００２６】振動体１０１の表面上には、扇形の各電極
の片方の辺の位置に動力を伝達するためのものであって
第１実施例と同じ形状の突起１０７が設けてあり、突起
１０７が設けられている位置以外の各電極の辺の位置に
は突起１０７と同形状で丈の短い突起１００が設けられ
ている。
【００２７】突起１０７は、移動体１０８に動力を伝達
するためのものであるが、突起１０７と同形状で丈の短
い突起１００は移動体１０８には動力を伝達せず、振動
体１０１の表面上に設けられた複数の突起が結果として
バランス良く配置されるように設けられたもので、丈の
短い突起１００は振動状態の調整に寄与する。
【００２８】また、本実施例においては、移動体１０８
には動力を伝達せず振動体１０１の振動状態の調整のた
めに設けられる丈の短い突起１００を、各突起１０７間
の電極の境界付近に配置しているが、突起１０７の各間
に丈の短い突起を３本、５本といったように奇数本設け
てもよいし、あるいは、突起１０７の各間に周方向に幅
の広い円弧状の突起を設けてもよい。
【００２９】図１１は、本発明の超音波モータ装置の第
３実施例の具体的な回路構成を示すものである。基本的
な回路構成は第２実施例と同じであるが、超音波モータ
の一方の面に２つの電極群１０３、１０５が設けられ、
このうち一方の電極群１０３に昇圧回路５０１より昇圧
された信号が印加される。他方の電極群１０５と振動体
１０１とは、コンデンサ５１３により電気的に接続され
ており、振動体１０１の振動により電極１０３に励起す
る電圧をコンデンサ５１３により振動体１０１にフィー
ドバックすることにより、振動体１０１に発生する振動
を制御し、移動体を高速回転させるために最適なくし歯
先端の楕円振動を発生する。
【００３０】
【発明の効果】この発明は、以上説明したように圧電素
子の表面上に複数の電極からなる電極群を形成し、昇圧
回路により電極群を励振駆動すると共に、圧電素子のも
う一方の面に形成された電極に発生する信号を入力し増
幅した後に昇圧回路に出力する増幅回路と、増幅回路の
動作の実行停止を選択する停止信号発生回路とを有し、
圧電素子を自励発振させることにより移動体を回転させ
るという構成としたので、駆動方式が簡便で高い環境信
頼性を有し、かつ、低電圧駆動、低消費電力という効果
がある。このことは、電池等を電源としても駆動できる
ため、腕時計などの小型電子機器の駆動源として本超音
波モータ装置を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータ装置の実施の形態を示す
ブロック図である。
【図２】本発明の超音波モータ装置の第１実施例の具体
的な回路構成図である。
【図３】本発明の超音波モータ装置の第１実施例の各部
の信号波形を示した説明図である。
【図４】本発明の超音波モータ装置の第２実施例の具体
的な回路構成図である。
【図５】本発明の超音波モータ装置の第１実施例の圧電
素子の表面の具体的な電極構成図である。
【図６】本発明の超音波モータ装置の第１実施例の振動
体の平面図である。
【図７】本発明の超音波モータ装置の第１実施例の振動
体の縦断面図である。
【図８】本発明の超音波モータ装置の第１実施例の縦断
面図である。
【図９】本発明の超音波モータ装置の第２実施例の振動
体の平面図である。
【図１０】本発明の超音波モータ装置の第２実施例の縦
断面図である。
【図１１】本発明の超音波モータ装置の第３実施例の具
体的な回路構成図である。
【図１２】従来の超音波モータ装置の構成を示すブロッ
ク図である。
【符号の説明】
１００ 凸部 １０１ 振動体 １０２ 圧電素子 １０３ 電極群 １０４ 結線手段 １０７ 突起 １０８ 移動体 １０９ 加圧手段 ５０１ 昇圧回路 ５０２ 増幅回路 ５０３ 昇圧コイル ５０４ ＮＰＮトランジスタ ６０１ 停止信号発生回路
フロントページの続き (72)発明者 鈴木 賢二 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコー電子工業株式会社内 (72)発明者 猿渡 朋澄 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコー電子工業株式会社内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電素子（１０２）を接合した振動体
    （１０１）を有し圧電素子（１０２）の伸縮運動により
    振動体（１０１）に発生する振動波によって移動体（１
    ０８）を摩擦駆動する超音波モータにおいて、 移動体（１０８）を振動体（１０１）に加圧接触するよ
    うに配置された加圧手段（１０９）と、 片方の表面上に複数の電極からなる少なくとも１組の電
    極群（１０３）が形成されている圧電素子（１０２）
    と、 圧電素子（１０２）の他方の表面に発生する電圧を入力
    し、所定の電圧レベルに増幅する増幅回路（５０２）
    と、 増幅回路（５０２）の出力電圧を昇圧し、圧電素子（１
    ０２）に形成された電極群（１０３）を励振駆動する昇
    圧回路（５０１）と、を有することを特徴とする超音波
    モータ装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の超音波モータ装置におい
    て、 昇圧回路（５０１）は、少なくとも一組の昇圧コイルと
    トランジスタにより構成されていることを特徴とする超
    音波モータ装置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の超音波モータ装置におい
    て、 増幅回路５０２はフィルタ回路を有することを特徴とす
    る超音波モータ装置。
  4. 【請求項４】 請求項１記載の超音波モータ装置におい
    て、 増幅回路（５０２）は、振動体（１０１）が機械的共振
    状態でもつ誘導性を利用して、振動体（１０１）とコン
    デンサとで構成した共振回路を有することを特徴とする
    超音波モータ装置。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の超音波モータ装置におい
    て、 増幅回路（５０２）の増幅機能の実行および停止を外部
    から選択する停止信号発生回路（６０１）を有すること
    を特徴とする超音波モータ装置。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の超音波モータ装置におい
    て、 圧電素子（１０２）は、一方の表面を４の倍数でＮ個の
    扇形状にほぼ等分割し一つ飛びに扇形電極を形成し、各
    電極は電気的に短絡され電極群（１０３）を形成すると
    ともに、各扇形電極で方向が交互に逆転するような分極
    処理を施してあり、圧電素子（１０２）の他の表面に接
    合された振動体（１０１）は、扇形電極の片方の辺に対
    応する位置に、移動体（１０８）に動力を伝達するため
    の突起（１０７）を有することを特徴とする超音波モー
    タ装置。
  7. 【請求項７】 請求項１記載の超音波モータ装置におい
    て、 圧電素子１０２の一方の表面に２つの電極群１０３およ
    び１０５を設け、この２つの電極群のうち一方の電極群
    には昇圧回路５０１の発生する電圧を印加し、他方の電
    極群は前記圧電素子の他方の表面の電極とコンデンサを
    介して電気的に接続したことを特徴とする超音波モータ
    装置。
  8. 【請求項８】 請求項１記載の超音波モータ装置におい
    て、 圧電素子（１０２）は、一方の表面を４の倍数でＮ個の
    扇形状にほぼ等分割し一つ飛びに扇形電極を形成し、各
    電極は電気的に短絡され電極群（１０３）を形成すると
    ともに、各扇形電極で方向が交互に逆転するような分極
    処理を施してあり、圧電素子（１０２）の他の表面に接
    合された振動体（１０１）は、扇形電極の片方の辺に対
    応する位置に移動体（１０８）に動力を伝達するために
    設けられた突起（１０７）と、各突起（１０７）の間
    に、振動体（１０１）の振動状態を調整するためのもの
    であって突起（１０７）より高さが低く移動体には動力
    を伝達しない凸部（１００）と、を有することを特徴と
    する超音波モータ装置。
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