DE69119807T2

DE69119807T2 - Ultraschallmotor

Info

Publication number: DE69119807T2
Application number: DE69119807T
Authority: DE
Inventors: Tsuneaki Furukawa; Joji Kitahara; Osamu Miyahara; Tomoo Ueda
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-03-12
Filing date: 1991-03-12
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 2011-03-13
Also published as: EP0447172B1; US5237237A; DE69119807D1; EP0447172A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ultraschallmotoren, welche die Schwingungsenergie eines piezoelektrischen Elements in eine Drehbewegung umwandeln, und insbesondere auf Ultraschallmotoren, welche zum Schrittbetrieb zur Verwendung in Zeitmessern und Uhren geeignet sind.
Ultraschallmotoren des Stands der Technik haben eine Wanderwelle oder eine stehende Welle an einem ringförmigen oder scheibenförmigen Vibrator (Stator) durch Anlegen einer Antriebsspannung an einen piezoelektrischen Ring und Verwendung einer Reibungskraft erzeugt, um das ringförmige Bewegungselement (Rotor) in Kontakt mit den an dem Vibrator gebildeten Zähnen zu drehen. Derartige Ultraschallmotoren sind in dem offengelegten japanischen Patent Nr. 58-148682 (GB-Patent Nr. 2 120 462) offenbart.
In diesem Falle war der piezoelektrische Ring mit einer Mehrzahl von Unterelementen versehen, in welchen die Polarisierungsrichtung (Polung) alternierender Elemente von oben nach unten an dem Ring entgegengesetzt war. Durch Verschieben der Phase dieser Unterelemente an zwei Orten an dem Ring sind zwei Reihen piezoelektrischer Unterelemente gebildet worden. Wenn eine Wechselspannung an die oberen und unteren dieser Reihen piezoelektrischer Unterelemente angelegt worden ist, dann sind die Unterelementreihen in der entgegengesetzten Richtung polarisiert worden und sind alternierend und wiederholt in der Umfangsrichtung des piezoelektrischen Rings ausgedehnt und zusammengezogen worden, wodurch eine Gesamtverformung in der Form einer Welle verursacht worden ist. Es ist somit eine Wanderwelle an der Oberfläche des Vibrators erzeugt worden, welcher an dem piezoelektrischen Ring festgelegt war. Die Wanderwelle hat sequentiell die Höhe der an dem Vibrator ausgebildeten Zähne verändert und die Reibungskraft zwischen den Zähnen und den mit den Zähnen in Kontakt stehenden Bewegungselement verursacht, daß das Bewegungselement sich in der vorgeschriebenen Richtung dreht.
Der vorangehend beschriebene Ultraschallmotor hatte jedoch die folgenden Probleme. D.h. wenn eine präzise Positionierungssteuerung des Bewegungselements, wie z.B. in einem Schrittbetrieb und ein Stehenbleiben an vorgeschriebenen Drehpositionen durchgeführt worden ist, ist es erforderlich gewesen, einen Kodierer oder einen anderen Typ eines Positionsrückkopplungssensors anzubringen und eine Rückkopplungssteuerung durchzuführen. Die Anbringung dieses Positionssensors machte es schwierig, den mechanischen Teil der Ausgestaltung kompakt zu gestalten, und das Steuersystem hat eine ziemliche Energiemenge verbraucht. Daher war die Vorrichtung besonders ungeeignet als Ultraschaltmotoren für Zeitmesser und Uhren, welche eine kompakte und energiesparsende Anordnung benötigen.
Die vorliegende Erfindung ist dazu vorgesehen, die vorangehenden Probleme zu lösen, und es ist ihre Aufgabe, einen kompakten Ultraschallmotor mit geringem Energieverbrauch vorzusehen, welcher für einen Schrittbetrieb geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Ultraschallmotor vorgesehen, umfassend einen Vibrator, welcher durch ein piezoelektrisches Ringelement in Schwingung versetzt wird, das eine Mehrzahl von winkelmäßig im Abstand zueinander angeordneten piezoelektrischen Unterelementen aufweist, ein drehbares Element, welches in Kontakt mit dem Vibrator steht und welches dazu eingerichtet ist, durch letzteren gedreht zu werden, und ein Antriebsmittel zum Anlegen von Spannungen an die Unterelemente, um eine Schwingung des Vibrators zu erzeugen, welche eine Drehung des drehbaren Elements bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Element winkelmäßig zueinander im Abstand angeordnete Nicht-Kontaktbereiche aufweist, welche nicht im Kontakt mit dem Vibrator stehen und welche zueinander einen Abstand von der halben Wellenlänge des Vibrators aufweisen.
Vorzugsweise sind die Nicht-Kontaktbereiche durch Nuten oder Einkerbungen gebildet.
Die Unterelemente können alternierend in entgegengesetzte Richtungen polarisiert sein.
Die piezoelektrischen Unterelemente sind vorzugsweise in ersten und zweiten Gruppen angeordnet, welche jeweils mit ersten und zweiten Elektroden oder Gruppen derselben verbunden sind.
Die ersten und zweiten Elektroden oder Gruppen derselben können an einer Seite des piezoelektrischen Ringelements angeordnet sein, wobei eine gemeinsame Elektrode an der entgegengesetzten Seite des piezoelektrischen Ringelements angeordnet ist, wobei das Antriebsmittel erste und zweite Ausgabemittel umfaßt zum Ausgeben jeweils von Antriebssignalen zu den ersten und zweiten Elektroden oder Gruppen derselben sowie dritte Ausgabemittel zum Ausgeben von Antriebssignalen zu der gemeinsamen Elektrode, wobei jedes der Ausgabemittel zusätzlich zu einem Signalausgabezustand auf einen Ausgabezustand mit hoher Impedanz einstellbar ist.
Der Vibrator weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Kontaktbereichen auf, welche das drehbare Element berühren und bezüglich dem Rest des Vibrators bei einer anderen Höhe sind, wobei die Kontaktbereiche bezüglich des Vibrators winkelmäßig symmetrisch angeordnet sind und voneinander mit einem Teil von 2n Teilen der Wellenlänge der Schwingung im Abstand angeordnet sind, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 3 ist.
In einer Ausführungsform umfaßt der Ultraschallmotor der vorliegenden Erfindung ein piezoelektrisches Element an einer Seite eines Vibrators, welcher durch das piezoelektrische Element zur Schwingung angeregt wird, ein drehbares Element, welches in Kontakt mit dem Vibrator ist und durch Reibungskraft gedreht wird, einem piezoelektrischen Ring, welcher an dem piezoelektrischen Element vorgesehen ist und an welchem piezoelektrische Unterelemente, die von oben nach unten in entgegengesetzter Richtung polarisiert sind, alternierend positioniert sind, eine erste Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und eine zweite Gruppe piezoelektrischer Unterelemente, welche um den piezoelektrischen Ring herum gebildet sind, so daß sie mit einer Wellenlänge zur Schwingung angeregt werden können, welche ein ganzer Teil des Umfangs ist und welche im Abstand zueinander angeordnet sind, um eine gegenseitige Phasendifferenz zu erzeugen, und ein Antriebsmittel, welches Wechselspannungen an die erste Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und die zweite Gruppe piezoelektrischer Unterelemente anlegen kann, wobei die Nicht-Kontaktbereiche, welche aus Nuten oder Einkerbungen gebildet sind und dem Vibrator entsprechen, an dem drehbaren Element an der Oberfläche, welche zu dem Vibrator weist, und mit Intervallen angeordnet sind, die die Hälfte der vorgeschriebenen Wellenlänge der Schwingung der ersten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und der zweiten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente sind.
In dieser Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Oberflächenhöhenunterschieden mit Rotationssymmetrie an dem Vibrator an dem Umfang entgegengesetzt zu den Nicht-Kontaktbereichen an der Oberfläche gebildet, welche zu dem drehbaren Element weist, mit einem Abstand, der ein Teil von 2n Teilen (n ist eine ganze Zahl größer oder gleich 3) der vorgeschriebenen Wellenlänge der Schwingung der ersten Gruppe piezoelektrischer Elemente und der zweiten Gruppe piezoelektrischer Elemente ist.
In diesem Falle können die erste Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und die zweite Gruppe piezoelektrischer Unterelemente entlang des piezoelektrischen Rings mit einer räumlichen Differenz angeordnet sein, die ein Viertel der vorgeschriebenen Phase ist, oder die erste Reihe piezoelektrischer Unterelemente und die zweite Reihe piezoelektrischer Unterelemente können entlang des piezoelektrischen Rings mit einer räumlichen Phasendifferenz angeordnet sein, die ein Sechstel der vorgeschriebenen Phase ist.
Die erste Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und die zweite Gruppe piezoelektrischer Unterelemente sind vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Positionierung und die Polarisierungsrichtung ihrer jeweiligen piezoelektrischen Unterelemente linear symmetrisch zueinander an der Oberfläche des piezoelektrischen Rings sind.
Ferner kann das piezoelektrische Element mit einer ersten Elektrode mit leitendem Kontakt an einer Seite der ersten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente, einer zweiten Elektrode mit leitendem Kontakt an einer Seite der zweiten Reihe piezoelektrischer Unterelemente und einer gemeinsamen Elektrode mit leitendem Kontakt an den entgegengesetzten Seiten der ersten und zweiten Gruppen piezoelektrischer Unterelemente versehen sein, wobei die Antriebsmittel mit einem ersten Ausgabeschalter zum Ausgeben von Antriebssignalen zu der ersten Elektrode, einem zweiten Ausgabeschalter zum Ausgeben von Antriebssignalen zu der zweiten Elektrode und einem dritten Ausgabeschalter zum Ausgeben von Antriebssignalen zu der gemeinsamen Elektrode versehen ist, und wobei die Ausgabeschalter zusätzlich zu dem Antriebssignalausgabezustand auf einen Ausgabezustand mit hoher Impedanz einstellbar sind.
In einer Anordnung dreht das Antriebsmittel das drehbare Element intermittierend durch Wiederholen eines ersten Antriebszustands, in welchem Wechselspannungen mit einer vorgeschriebenen gegenseitigen Phasendifferenz zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode und zwischen der zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode angelegt werden, um eine Wanderwelle an dem piezoelektrischen Ring zu erzeugen, und eines zweiten oder dritten Antriebszustands, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird, um eine stehende Welle an dern piezoelektrischen Ring zu erzeugen. In diesem Falle können der erste Antriebszustand, der zweite Antriebszustand und ein Stoppzustand, in welchem keine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird, sequentiell wiederholt werden.
In einer weiteren Anordnung werden ein erster Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird, um eine erste stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring zu erzeugen, ein zweiter Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird, um eine zweite stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring mit der vorgeschriebenen Phasendifferenz zu erzeugen, und ein dritter Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode und zwischen der zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird, um eine zusammengesetzte stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring zu erzeugen, in irgendeiner Abfolge wiederholt, um das drehbare Element zu drehen.
In einer weiteren Anordnung werden ein erster Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird, um eine erste stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring zu induzieren, ein zweiter Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird, um eine zweite stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring zu induzieren, ein dritter Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode und zwischen der zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird, um eine dritte stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring zu induzieren, und ein vierter Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt wird, wobei der mit der gemeinsamen Elektrode verbundene Ausgabeschalter in einem unterbrochenen Zustand ist (Zustand mit hoher Ausgangsimpedanz), um eine vierte stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring zu induzieren, in irgendeiner Abfolge wiederholt.
Durch derartige Mittel expandiert und kontrahiert sich jedes der Unterelemente dann, wenn eine Wechselspannung an die erste Gruppe piezoelektrischer Unterelemente des piezoelektrischen Elements durch das Antriebsmittel angelegt wird, und eine Welle mit der gleichen Wellenlänge wie der durch die piezoelektrischen Unterelemente gebildeten vorgeschriebenen Wellenlängen wird an dem Vibrator um den piezoelektrischen Ring herum gebildet.
Somit können die ersten piezoelektrischen Unterelemente dazu ausgebildet sein, mit einer Wellenlänge zu schwingen, welche ein ganzzahliger Teil des Umfang des piezoelektrischen Rings ist, und somit wird, wenn eine Wechselspannung angelegt wird, der piezoelektrische Ring in die Form einer stehenden Welle verformt, und die an dem Vibrator gebildete Welle wird die erste stehende Welle.
In gleicher Weise wird, wenn eine Wechselspannung an die zweite Gruppe piezoelektrischer Elemente angelegt wird, eine zweite stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring entlang der vorgeschriebenen Wellenlänge der zweiten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente gebildet.
Da die erste Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und die zweite Gruppe piezoelektrischer Unterelemente derart positioniert sind, daß ihre Wellenlängen eine Phasendifferenz aufweisen, ist die zweite stehende Welle bezüglich der ersten stehenden Welle durch diese Phasendifferenz verschoben.
Ferner kann durch Anlegen einer Wechselspannung sowohl an die erste Gruppe piezoelektrischer Unterelemente als auch an die zweite Gruppe piezoelektrischer Unterelemente eine zusammengesetzte stehende Welle aus der ersten stehenden Welle und der zweiten stehenden Welle an dem piezoelektrischen Ring gebildet werden. Da diese zusammengesetzte stehende Welle aus der ersten stehenden Welle und der zweiten stehenden Welle gebildet wird, welche mit einer räumlichen Phasendifferenz zwischen sich erzeugt werden, wird diese eine stehende Welle mit einer Phase, welche sich von den Phasen der ersten und der zweiten stehenden Welle unterscheidet, und wenn eine Wechselspannung mit einer Phase, welche von der ersten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und der zweiten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente verschieden ist, angelegt wird, dann wird die zusammengesetzte stehende Welle eine Wanderwelle.
Die an dem Vibrator erzeugten stehenden Wellen kommen in Kontakt mit Oberflächenhöhenunterschieden der Nicht-Kontaktbereiche des drehbaren Elements und üben eine Belastung von den Antiknoten der stehenden Welle in Richtung der Knoten aus, und der Ort, wo diese Belastung ausgeglichen wird, bestimmt die Ruheposition des drehbaren Elements. Dies bedeutet, daß die Höhenunterschiede in den Nicht- Kontaktbereichen des drehbaren Elements die Belastung von den Antiknoten in Richtung der Knoten der stehenden Wellen durch den Kontakt der Oberflächenhöhenunterschiede in dem Vibrator aufgrund der stehenden Welle mit der Grenze der Nicht-Kontaktbereiche des drehbaren Elements aufnehmen, und sie sind mit den Knoten der stehenden Wellen ausgerichtet, wo die Belastung in der Drehrichtung davor oder dahnach ausgeglichen wird.
Die in dem Vibrator erzeugte Wanderwelle übt eine fließende Belastung auf die Kontaktbereiche des Bewegungselements aus, und die dadurch erzeugte Verbindung dreht das drehbare Element in der zur Ausbreitung entgegengesetzten Richtung.
In dem Falle, in welchem mehrere Höhenunterschiede an dem Vibrator ausgebildet sind, schwingen die Oberflächenhöhenunterschiede, welche erzeugt werden, wenn eine stehende Welle an dem Vibrator erzeugt wird, entlang der stehenden Welle aufwärts und abwärts, da jedoch diese Oberflächenhöhenunterschiede mit Drehsymmetrie in einer Periode gebildet werden, die ein Teil von n Teilen (wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 3 ist) der Hälfte der obigen vorgeschriebenen Wellenlänge ist, kann der gleiche ausgeglichene Belastungszustand an der stehenden Welle beibehalten werden, wenn das drehbare Element mit der Periode der Oberflächenhöhenunterschiede schrittweise bewegt wird, wodurch es möglich wird, einen konstanten Drehwinkel präzise und kontinuierlich beizubehalten.
Wenn die erste Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und die zweite Gruppe piezoelektrischer Unterelemente an der Oberfläche des piezoelektrischen Unterelementrings derart ausgebildet sind, daß sie linear symmetrisch zueinander sind, dann können die Schwingungszustände der ersten stehenden Welle und der zweiten stehenden Welle, d.h. die Amplitude der Welle und die Zeit, die erforderlich ist, bis die Welle sich stabilisiert, gleich gemacht werden.
Eine Wanderwelle kann an dem piezoelektrischen Ring durch Anlegen einer Wechselspannung gebildet werden, welche eine Phasendifferenz sowohl zur ersten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente als auch zur zweiten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente aufweist, die mit einer gegenseitigen Phasendifferenz ausgebildet sind. Wenn ferner eine Wanderwelle an dern Vibrator erzeugt wird, dann werden als Ergebnis daraus die Kontaktabschnitte des drehbaren Elements durch diese Wanderwelle belastet, und das drehbare Element dreht sich in der umgekehrten Richtung.
Nachdem das drehbare Element für die vorgeschriebene Zeitperiode durch diese Wanderwelle gedreht worden ist, wird die erste stehende Welle oder die zweite stehende Welle an dem Vibrator erzeugt, und durch "Anhalten" des drehbaren Elements an den Knoten wird der Schrittbetrieb des drehbaren Elements möglich.
Wenn das drehbare Element intermittierend mit dem vorgeschriebenen Schrittwinkel angetrieben wird, dann kann der Energieverbrauch während des Antriebs durch Hinzufügen einer Stopperiode reduziert werden, während welcher das Antriebssignal nach der Drehperiode und der Ruheperiode nicht angelegt wird.
Wenn die erste stehende Welle, die zweite stehende Welle und die zusammengesetzte stehende Welle durch gegenseitiges Verschieben der ersten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und der zweiten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente um ein Sechstel einer Wellenlänge gebildet werden, dann kann die Position der Knoten der stehenden Welle nachfolgend um ein Sechstel einer Wellenlänge durch sequentielles Bilden dieser Wellen an dem Vibrator bewegt werden, und da die Nicht-Kontaktbereiche des drehbaren Elements sich ebenso um den vorgeschriebenen Winkel bewegen und dann zur Ruhe kommen, wird der Schrittbetrieb des drehbaren Elements möglich.
Wie vorangehend angegeben, kann das Antriebsmittel des Ultraschallmotors mit einem ersten Ausgabeschalter, einem zweiten Ausgabeschalter und einem dritten Ausgabeschalter versehen sein, welche Antriebssignale zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des piezoelektrischen Elements und ihrer gemeinsamen Elektrode zuführen. Wenn man einen Fall annimmt, in welchem diese Ausgabeschalter auf einen unterbrochenen Zustand gestellt werden können (Zustand mit hoher Ausgangsimpedanz), dann kann die erste stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring durch Anlegen von Wechselspannungen von dem ersten Ausgabeschalter und dem dritten Ausgabeschalter zwischen der ersten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode erzeugt werden, die zweite stehende Welle kann durch Anlegen von Wechselspannungen von dem zweiten Ausgabeschalter und dem dritten Ausgabeschalter zwischen der zweiten Elektrode und der gemeinsamen Elektrode erzeugt werden, die dritte stehende Welle kann durch Anlegen von Wechselspannungen von dem ersten Ausgabeschalter, dem zweiten Ausgabeschalter und dem dritten Ausgabeschalter zwischen der ersten Elektrode, der zweiten Elektrode und ihrer gemeinsamen Elektrode erzeugt werden, und die vierte stehende Welle kann durch Anlegen von Wechselspannungen von dem ersten Ausgabeschalter und dem zweiten Ausgabeschalter zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und Einstellen des dritten Ausgabeschalters auf einen Zustand mit hoher Impedanz erzeugt werden. Durch Anlegen von Wechselspannung zwischen den ersten und zweiten Elektroden und Anordnen ihrer gemeinsamen Elektroden in einem offenen Zustand wird diese vierte stehende Welle der gleiche Zustand, wie wenn eine Wechselspannung zwischen der ersten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und der gemeinsamen Elektrode angelegt wird und ebenso zwischen der zweiten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und der gemeinsamen Elektrode, wobei diese Wechselspannungen um 180º zueinander verschoben sind.
D.h., wenn die erste stehende Welle A ist, die zweite stehende Welle B ist und die stehende Welle, welche aus der ersten stehenden Welle und der zweiten stehenden Welle zusammengesetzt ist, die die gleiche Phase aufweisen, A+B ist, dann ist die vierte stehende Welle A+o(B,sUP12(_)) oder
A+o(B,sUP12(_))/A + B
Als Ergebnis daraus werden, wenn die Wellenlängen der ersten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und der zweiten Gruppe piezoelektrischer Unterelemente derart ausgebildet sind, daß sie um ein Viertel einer Wellenlänge zueinander verschoben sind, die jeweiligen vier stehenden Wellen an dem piezoelektrischen Ring derart erzeugt, daß sie um ein Achtel einer Wellenlänge verschoben sind, und daher kann das drehbare Element aufeinanderfolgend durch diese vier stehenden Wellen gedreht werden.
Die Erfindung ist, lediglich anhand von Beispielen, in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in welchen:
Fig. 1 eine Explosionsansicht der mechanischen Hauptstrukturkomponenten einer ersten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht der mechanischen Struktur der ersten Ausführungsform ist;
Fig. 3(a) und 3(b) eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht sind, welche die Struktur eines Rotors der ersten Ausführungsform zeigen;
Fig. 4(a) und 4(b) eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht sind, welche die Struktur eines Stators der ersten Ausführungsform zeigen;
Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) eine Draufsicht, eine Ansicht von unten bzw. eine Seitenansicht sind, welche die Struktur eines piezoelektrischen Elements der ersten Ausführungsform zeigen;
Fig. 6(a) und 6(b) eine Draufsicht bzw. eine Ansicht von unten sind, welche die Struktur eines piezoelektrischen Elements zeigen, das in der ersten Ausführungsform verwendet werden kann und das mit zwei Steuerelektroden versehen ist;
Fig. 7 ein Arbeitsdiagramm ist, welches die Positionsbeziehung von Nuten in dem Rotor der ersten Ausführungsform und der stehenden Wellen zeigt;
Fig. 8 ein schematisches Diagramm ist, welches die Antriebsschaltung der ersten Ausführungsform zeigt;
Fig. 9(a), 9(b) und 9(c) Zeitdiagramme sind, welche den Betrieb der Antriebsschaltung der ersten Ausführungsform zeigen;
Fig. 10 ein schematisches Diagramm ist, welches die Antriebsschaltung einer zweiten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 11(a), 11(b) und 11(c) Zeitdiagramme sind, welche den Betrieb der Antriebsschaltung der zweiten Ausführungsform zeigen;
Fig. 12(1) - (4) Konzeptdiagramme sind, welche die Verbindungszustände in vier Phasen in dem in der zweiten Ausführungsform verwendeten Antrieb zeigen;
Fig. 13(1) - (4) Wellenformdiagramme sind, welche die stehenden Wellen zeigen, die während des Antriebs in der zweiten Ausführungsform erzeugt werden;
Fig. 14(a) und 14(b) eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht sind, welche die Struktur eines piezoelektrischen Elements einer dritten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 15(1) - (3) Konzeptdiagramme sind, welche die Verbindungszustände in jeder der Phasen in einem in der dritten Ausführungsform verwendeten Antrieb sind;
Fig. 16(1) - (3) Wellenformdiagramme sind, welche die während des Antriebs in der dritten Ausführungsform erzeugten stehenden Wellen zeigen;
Fig. 17 ein Graph ist, welcher die Beziehung zwischen der Dicke des Stators und der Resonanzfrequenz bei jeder der Wellenlängen der stehenden Wellen zeigt, die an dem Stator eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden;
Fig. 18 ein schematisches Diagramm der Antriebsschaltung einer vierten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 19(a) - 19(c) Zeitdiagramme sind, welche den Betrieb der Antriebsschaltung der vierten Ausführungsform zeigen;
Fig. 20(1) - (3) verallgemeinerte Diagramme sind, welche die Verbindungszustände in jeder der Phasen des in der vierten Ausführungsform verwendeten Antriebs zeigen;
Fig. 21(1) - (3) Wellenformdiagramme sind, welche die während des Antriebs in der vierten Ausführungsform erzeugten stehenden Wellen zeigen;
Fig. 22 ein verallgemeinertes Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 23 eine Draufsicht einer fünften Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 24 ein Querschnitt der fünften Ausführungsform ist;
Fig. 25 und 26 erklärende Diagramme sind, welche die Anregung von stehenden Wellen in der fünften Ausführungsform zeigen;
Fig. 27 ein erklärendes Diagramm ist, welches einen Antriebszustand darstellt, der demjenigen in Fig. 26 folgt, worin stehende Wellen an Positionen orthogonal zu denjenigen in Fig. 25 gebildet werden;
Fig. 28 ein Zeitdiagramm für die Antriebsschaltung in dem Blockdiagramm der Fig. 22 ist;
Fig. 29 die Konfiguration eines Vibrators zeigt, welcher in der fünften Ausführungsform verwendet werden kann;
Fig. 30 die Konfiguration eines weiteren Vibrators zeigt, welcher in der fünften Ausführungsform verwendet werden kann;
Fig. 31 ein Querschnitt einer sechsten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 32 eine Draufsicht des Stators der sechsten Ausführungsform ist;
Fig. 33 eine Draufsicht eines Stators einer siebten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 34 eine Ansicht eines piezoelektrischen Rings von unten ist, welcher in der siebten Ausführungsform verwendet werden kann;
Fig. 35 eine Draufsicht eines Stators einer achten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 36 eine Seitenansicht eines Stators einer neunten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 37 ein Diagramm ist, welches ein Verfahren zum Anlegen von Spannungen an einen piezoelektrischen Ring eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
Fig. 38 ein Diagramm ist, welches ein weiteres Verfahren zum Anlegen von Spannungen an einen piezoelektrischen Ring eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

Erste Ausführungsform

Die Fig. 1 zeigt einen Rotor 1, einen Stator oder Vibrator 2 und ein piezoelektrisches Ringelement 3, welche die prinzipiellen Teile einer ersten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen. Die Fig. 2 ist ein Querschnitt der ersten Ausführungsform.
Der Rotor 1 ist in Kontakt mit den Oberseiten einer Mehrzahl von Zähnen 5, welche in einem Kreis an dem Stator 2 angeordnet sind. Der Rotor 1 weist eine Rotorwelle 1a auf, welche drehbar an einer Trägerplatte 6 durch ein Lager 6a angebracht ist, so daß sie sich in der axialen Richtung frei verschieben kann. Die untere Oberfläche des Rotors 1 ist gegen die Oberseite der Zähne 5 des Stators 2 durch eine an der Trägerplatte 6 festgelegte Feder 4 gedrückt. Der Rotor 1 ist, wie in Fig. 3 gezeigt, scheibenförmig, wobei die Rotorwelle 1a in seiner Mitte angeordnet ist. Der Rotor 1 weist Nuten 1b auf, welche eine vorgeschriebene Tiefe und Anzahl aufweisen, wobei letztere die gleiche ist wie diejenige der Antiknoten der stehenden Wellen, welche an dem Stator 2 erzeugt werden. Die Nuten 1b sind an dem Außenumfang des Rotors an sechs in gleichem Winkelabstand zueinander angeordneten Orten ausgebildet.
Wie in Fig. 4 gezeigt, sind die Zähne 5 in einem Kreis an der Oberfläche des Stators 2 angeordnet, wobei 48 Zähne 5 vorgesehen sind, welche einen gleichen Winkelabstand zueinander aufweisen und mit dem gleichen radialen Abstand von der Mitte des Stators 2 angeordnet sind. Die Anzahl der Zähne 5 ist, wie in der folgenden Tabelle gezeigt, durch die Zahl von Wellenlängen der an dem Stator 2 erzeugten stehenden Welle und den Schrittwinkel (Drehwinkel), welcher durch den Rotor 1 des Ultraschallmotors erfordert wird, bestimmt. TABELLE Anzahl der Wellenlängen Schrittwinkel Anzahl der Zähne (n: ganze Zahl)
In der obigen Tabelle bezieht sich die mit "Anzahl der Wellenlängen" bezeichnete Spalte auf die Anzahl von Wellenlängen der stehenden Welle, die an dem Stator 2 durch den piezoelektrischen Ring 3 gebildet ist, der "Schrittwinkel" ist der minimale Drehwinkel, welcher durch den Rotor 1 erfordert wird, und die "Anzahl der Zähne" bezeichnet die Anzahl an Zähnen 5, welche an dem Stator 2 gebildet sind. Die Resonanzfrequenz der stehenden Welle verändert sich im wesentlichen gemäß der Dicke und der Form des Stators.
Die Fig. 17 zeigt die Beziehung zwischen der Dicke und der Resonanzfrequenz in einem scheibenförmigen Stator bei jeder Wellenlänge (2 λ bis 5 λ), welche an dem Stator gebildet wird. Die Resonanzfrequenz ist, wenn eine stehende Welle mit 3 λ an einem ringförmigen Stator gebildet ist, durch die unterbrochene Linie gezeigt. In dem Fall des in dieser Ausführungsform verwendeten Stators werden annähernd Resonanzfrequenzen wie die nachfolgend gezeigten erhalten.
3 λ 32 kHz
2 λ 17 kHz
4 λ 50 kHz
In der ersten Ausführungsform wird eine stehende Welle mit einer Resonanzfrequenz von ungefähr 32 kHz dazu verwendet, eine stehende Welle von drei Wellenlängen an dem piezoelektrischen Ring 3 zu bilden.
In der ersten Ausführungsform sind Zähne 5 mit der gleichen Form bei gleichen Winkelintervallen um den gesamten Umfang mit den in der Tabelle gezeigten Anzahlen gebildet. In dem Falle einer stehenden Wellen mit 3 λ und einem Schrittwinkel von 15º können jedoch beispielsweise 24 Gruppen von 5 Zähnen mit einer Mehrzahl von verschiedenen Formen gebildet werden, welche immer noch die Konfigurationsanforderungen der Erfindung erfüllen, solange der Stator 2 eine Oberflächenform aufweist, welche über 24 Drehungen hinweg eine gesamte Rotationssymmetrie aufweist. Selbstverständlich können Einkerbungen oder andere Typen von Höhenunterschieden in der Oberfläche des Stators 2 anstelle von Zähnen gebildet werden.
Das piezoelektrische Element 3 ist an der unteren Oberfläche des Stators 2 festgelegt und, wie in Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) gezeigt, ist das piezoelektrische Element 3 aus einem piezoelektrischen Ring 30 und Elektroden 3a&sub1;, 3a&sub2;, 3a&sub3;, 3b&sub1;, 3b&sub2;, 3b&sub3;, 3c hergestellt, welche aus Silberpaste gebildet sind. Der piezoelektrische Ring 30 weist eine erste Gruppe von piezoelektrischen Unterelementen 30a1, 30a2, 30a3 und eine zweite Gruppe piezoelektrischer Unterelemente 30b1, 30b2, 30b3 auf. Eine A-Phase kann an den piezoelektrischen Unterelementen 30a1, 30a2, 30a3 und eine B- Phase kann an den piezoelektrischen Unterelementen 30b1, 30b2, 30b3 gebildet sein.
Jedes der piezoelektrischen Unterelemente 30a1, 302a, 30a3 und 30b1, 30b2, 30b3 ist in dieser Reihenfolge alternierend in entgegengesetzten Richtungen polarisiert (gepolt). Die Polarisationsrichtungen sind durch + und - in Fig. 5(b) gezeigt.
Eine A-Phasenelektrode 3A und eine B-Phasenelektrode 3B, wie in Fig. 5(a) gezeigt, sind an der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Rings 3 gebildet, und Steuerelektroden 7a, 7b sind an den entgegengesetzten Oberflächen eines piezoelektrischen Unterelements 31 (Fig. 5(c)) gebildet. Die Steuerelektroden 7a, 7b werden zum Erfassen der Stärke der an dem piezoelektrischen Ring 30 erzeugten Welle verwendet. Durch Leiten des erfaßten Wertes zurück zu einer nachfolgend beschriebenen Antriebsschaltung kann die Frequenz des Antriebssignals derart justiert werden, daß sie der Resonanzfrequenz des Stators 2 angepaßt wird, so daß der Ultraschallmotor mit hoher Effizienz betrieben werden kann.
Die Elektrode 3C ist derart eingerichtet, daß sie eine Spannung an ein Unterelement 30c anlegt, welches ein Abstandsmittel zum Erzeugen einer räumlichen Phasendifferenz zwischen den Phasen A und B bildet, wodurch der Antriebsbereich groß gemacht wird.
Wie in Fig. 6 gezeigt, gibt es Fälle, in welchen zwei Steuerelektroden 7a1 und 7a2 verwendet werden, in welchem Falle es möglich ist, die Frequenz des Antriebssignals separat für die stehenden Welle beruhend auf der A-Phase und der B-Phase zu justieren. Insbesondere wenn die A- Phasen- und die B-Phasen-Resonanzfrequenzen des Stators 2 sich aufgrund struktureller Variationen unterscheiden, kann die Antriebseffizienz des Motors weiter verbessert werden, indem separate Antriebsfrequenzen für die A-Phase und die B-Phase eingestellt werden. In diesem Falle nehmen die piezoelektrischen Unterelemente 30a1 und 30a2 jeweils Bögen von 60º an dem piezoelektrischen Ring ein. Eine Steuerelektrode 7b' ist in Fig. 6(b) gezeigt, wobei die Steuerelektrode 7b' sich über die Verbindung der Flächen der Unterelemente 3a&sub3;, 3b&sub3; und der Steuerelektrode 7b der Fig. 5 erstreckt. Wenn eine Spannung an die A-Phase, umfassend die piezoelektrischen Unterelemente 30a1, 30a2 und 30a3, wie in Fig. 5 gezeigt, angelegt wird, dann wird eine stehende Welle mit 3 λ an dem piezoelektrischen Ring 30 erzeugt. In einer entsprechenden Art und Weise nehmen die piezoelektrischen Unterelemente 30b1 und 30b2 jeweils Bögen von 60º ein, und wenn eine Spannung an die B-Phase angelegt wird, dann wird eine stehende Welle von 3 λ an dem piezoelektrischen Ring 30 erzeugt.
Die piezoelektrischen Unterelemente 30a3 und 30b3 nehmen jeweils Bögen von 37,5º ein, das piezoelektrische Unterelement 31 nimmt einen Bogen von 15º ein und das piezoelektrische Unterelement 30c nimmt einen Bogen von 30º ein, und als ein Ergebnis daraus sind die A-Phase und die B-Phase an dem piezoelektrischen Ring derart ausgebildet, daß ihre Perioden gegeneinander um 30º verschoben sind, d.h. um ein Viertel einer Periode.
Wie in Fig. 5(b) gezeigt, sind jedoch die Unterelementelektroden 3a1, 3a2, 3a3, 3c, 3b1, 3b2, 3b3 und 7b für jedes der Unterelemente an der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Rings 3 gebildet. Dadurch, daß die untere Oberfläche, welche in Fig. 5(b) gezeigt ist, in leitendem Kontakt mit der unteren Oberfläche des Stators 2 gebracht wird, wird der Stator 2 selbst eine gemeinsame Elektrode für den piezoelektrischen Ring 3.
Da, wie in Fig. 7 gezeigt, der Rotor 1 die Oberseite der stehenden Welle, welche an dem Stator 2 erzeugt wird, an welchem der piezoelektrische Ring 3, wie vorangehend beschrieben, abgebracht ist, nimmt, wenn die Summen der Belastungen Fa und Fb ungleich sind, welche an den unteren Rändern Pa und Pb der Seitenwände der Kerben 1b durch den Stator 2 ausgeübt werden, der Rotor 1 aufgrund der Belastungsdifferenz ein Kräftepaar auf und wird gedreht.
Wenn jedoch die Nuten 1b des Rotors 1 sich direkt über die Position der Antiknoten n der stehenden Welle bewegen, dann werden die rechten und linken Belastungen Fa und Fb gleich, und daher bleibt der Rotor 1 über dieser ausgeglichenen Position so lange stehen, solange die stehende Welle stabil bleibt.
Daher kann der Drehwinkel des Rotors 1 mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, indem eine stehende Welle an dem Stator 2 erzeugt wird, und eine besonders hohe Zuverlässigkeit kann erreicht werden, wenn der Ultraschallmotor als Antriebsmotor für Zeitmesser und Uhren verwendet wird. Ferner sind in der ersten Ausführungsform Zähne 5, welche symmetrisch winkelmäßig an dem Vibrator 2 angeordnet sind, an dem Stator 2 vorgesehen, wobei die Zähne 5 voneinander um einen Teil von 2n Teilen der Wellenlänge der stehenden Welle beabstandet sind, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 3 ist, und daher bleibt, wenn der Rotor 1 präzise schrittweise gemäß diesem Abstand bewegt wird, die Korrelation zwischen der Form der Nicht-Kontaktbereiche des Rotors 1 und der Oberflächenform des Stators 2 konstant. Im Gegensatz dazu wird die Genauigkeit des Schrittwinkels weiter verbessert, da die Position, an welcher die Belastung zwischen den Nicht-Kontaktbereichen des Rotors 1 und den Zähnen 2 an dem Stator 2 ausgeglichen wird, bezüglich der Phase der stehenden Welle konstant bleibt und da das Intervall des Schrittbetriebs konstant bleibt.
In dem piezoelektrischen Ring 30 sind die A-Phase und die B-Phase derart ausgebildet, daß sie linear symmetrisch bezüglich sowohl der Anordnung als auch der Polarität der Unterelemente sind. Als Ergebnis daraus wird es leichter, die Ausgabecharakteristiken für die Antriebssignale der A- Phase und der B-Phase aneinander anzugleichen, und die Schwingungsstärke bei der Resonanzfrequenz des Stators 2 und die vorgeschriebene Antriebsfrequenz können gleich gemacht werden, wodurch die Antriebseffizienz des Ultraschallmotors verbessert wird.
Die Fig. 8 zeigt ein Beispiel einer Antriebsschaltung, welche Antriebssignale für den piezoelektrischen Ring 30, welcher in Fig. 5 gezeigt ist, liefert. In dieser Antriebsschaltung werden die Antriebssignale für das piezoelektrische Element 3 durch einen mit der A-Phasenelektrode 3A verbundenen Anschluß A, einen mit der B-Phasenelektrode 3B verbundenen Anschluß B und einen gemeinsamen Anschluß oder einer gemeinsamen Elektrode C geliefert, welche mit dem Stator 2 verbunden ist und somit mit den Unterelementelektroden 3a1, 3a2, 3a3, 3c, 3b1, 3b2, 3b3 und 7b verbunden ist.
Die Steuerelektrode 7a erfaßt die Stärke der an dem piezoelektrischen Ring 30 erzeugten Welle.
Ein Steuersignal der vorgeschriebenen Frequenz wird an ein UND-Gatter A&sub1; von einer Oszillationsschaltung OS1 angelegt, und ein Steuersignal, dessen Phase um 90º verzögert ist, wird zu einem UND-Gatter A&sub2; von einer Phasenmodulationsschaltung geliefert. Eine Oszillationsschaltung OS&sub2; liefert jedoch einen Referenzimpuls für monostabile Schaltungen OS2a und OS2b, und diese leiten ein Gattersignal zu den UND- Gattern A&sub1; und A&sub2;.
Während diese Gattersignale zugeführt werden, gibt das UND- Gatter A&sub2; ein Steuersignal zu einem Treiber DA aus, ein Antriebssignal wird synchron zu dem Steuersignal zu dem Anschluß A gesandt, das UND-Gatter A&sub1; gibt ein Steuersignal zu dem Treiber Db aus, und ein Antriebssignal wird in der gleichen Art und Weise zu dem Anschluß B gesandt.
Während dieser Periode wird ein Steuersignal von der konstanten Oszillationsschaltung OS1 zu dem Treiber Dc geleitet, und ein bezüglich des Antriebssignals, welches zu dem Anschluß A und dem Anschluß B geliefert wird, invertiertes Signal wird zu dem Anschluß C geleitet.
Der Betrieb der Antriebsschaltung wird mit Bezug auf das Zeitdiagramm der Fig. 9 erklärt.
Die Fig. 9(a) zeigt den Referenzimpuls der Oszillationsschaltung OS2, und die monostabilen Schaltungen OS2a und OS2b, in welche der Referenzimpuls eingegeben wird, leiten die in Fig. 9(b) und (c) gezeigten Gattersignale jeweils zu den UND-Gattern A&sub1; und A&sub2;.
Als ein Ergebnis machen während der Periode I, welche in Fig. 9 gezeigt ist, beide UND-Gatter A&sub1; und A&sub2; auf, und Antriebssignale mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90º werden an die A-Phase und die B-Phase des piezoelektrischen Elements 3 angelegt. Daher werden die durch die Reihen piezoelektrischer Unterelernente der A-Phase und der B-Phase, welche mit einer gegenseitigen räumlichen Phasendifferenz von einem Viertel einer Periode ausgebildet sind, erzeugten Wellen kombiniert, um eine Wanderwelle an dem piezoelektrischen Ring 30 zu bilden.
In der Periode II wird das UND-Gatter A&sub2; unterbrochen und das Antriebssignal von dem Treiber DA wird nicht zu dem Anschluß A geleitet. Daher wird das Antriebssignal nur zu der B-Phase des piezoelektrischen Rings 30 geleitet, und eine stehende Welle, welche durch die Periode der B-Phase bestimmt ist, wird an dem piezoelektrischen Ring 30 erzeugt. In der Periode III sind beide UND-Gatter A&sub1; und A&sub2; abgeschaltet und kein Antriebssignal wird zu einem der Anschlüsse A oder B geleitet, und so wird keine Spannung an den piezoelektrischen Ring 30 angelegt und keine Welle irgendeiner Art wird erzeugt.
Durch diese Antriebsschaltung wird zunächst eine Wanderwelle an dem Stator 2 in der Periode 1 erzeugt, und da die Kontaktbereiche des Rotors 1 und des Stators 2 in der umgekehrten Richtung der Welle belastet werden, wenn die Welle sich ausbreitet, dreht sich der Rotor 1 kontinuierlich. Dann bleibt in der Periode II, da eine stehende Welle beruhend nur auf der Welle der B-Phase des piezoelektrischen Rings 30 an dem Stator 2 gebildet wird, der Rotor 1 an einer durch die Position der Knoten und Antiknoten der stehenden Welle bestimmten Position stehen. In der Periode III wird keine Welle an dem piezoelektrischen Ring 30 erzeugt, und so wird der Rotor 1 in einem Ruhestand gehalten.
Auf diese Art und Weise kann der Drehwinkel des Rotors 1 durch die Länge der Periode 1 bestimmt werden, und nachdem die Drehung des Rotors 1 in der Periode II zu einem Stillstand gebracht worden ist, geht der Motor in einen Stoppzustand über, in welchem der Rotor durch die Feder 4 in einer Ruheposition gehalten ist, und die Schwingung des piezoelektrischen Rings 30 wird dissipiert.
Der Drehwinkel des Rotors 1 ist durch die Ruheposition aufgrund der stehenden Welle in der Periode II bestimmt, doch selbst wenn eine Verschiebung, welche kleiner als ± 1/4 einer Wellenlänge der stehenden Welle ist, in der Position des Rotors 1 am Endpunkt der Periode I auftritt, kehrt der Rotor 1 aufgrund der ausgeglichenen Belastungen korrekt zu der gleichen Ruheposition zurück. Daher ist es möglich, den Rotor 1 präzise um den vorgeschriebenen Schrittwinkel und bei jeder vorgeschriebenen Zeit zu drehen, ohne die Position des Rotors 1 erfassen zu müssen oder eine Rückkopplungsschaltung vorsehen zu müssen. Ferner wird in der Periode III der Betrieb der Treiber DA und DB angehalten, wodurch die erforderliche Energiemenge verringert wird, und somit ist dieses Antriebsverfahren für Ultraschallmotoren für Zeitmesser und Uhren sehr geeignet.
Wie in Fig. 8 gezeigt, wird die Stärke der an dem piezoelektrischen Ring 30, welcher wie oben beschrieben schwingt, erzeugten Welle durch Erfassen der an der Steuerelektrode 7a konstant erzeugten Spannung erfaßt, und die Erfassungsausgabe wird zu einer Rückkopplungssteuerschaltung 41 geleitet. In der Rückkopplungssteuerschaltung 41 wird die tatsächliche Wellenlänge, welche zu der Zeit erfaßt wird, zu welcher die maximale Stärke erhalten werden sollte, mit der maximalen in dem piezoelektrischen Ring erzeugten Stärke verglichen und die Oszillationsfrequenz der Oszillationsschaltung OS1 wird in Rückkopplung derart gesteuert, daß die erhaltene tatsächliche maximale Stärke gleich der vorher gesetzten maximalen Stärke wird. Daher kann durch die Antriebsschaltung der Fig. 8 der Ultraschallmotor immer mit hoher Effizienz angetrieben werden. In dieser Ausführungsform sind die Nicht-Kontaktbereiche 1b des Rotors 1 in sechs Orten gebildet worden, und der Schrittwinkel war 60º, der Schrittwinkel kann jedoch durch Erhöhen der Frequenz der an dem piezoelektrischen Element 30 gebildeten stehenden Welle und durch Erhöhen der Anzahl an Nicht-Kontaktbereichen des Rotors 1 entsprechend kleiner gemacht werden.
In allen weiteren Ausführungsformen, welche nachfolgend beschrieben werden, weist der Rotor im Winkelabstand zueinander angeordnete Nicht-Kontaktbereiche auf, welche den Nuten 1b in Fig. 1 entsprechen, wobei diese Bereiche nicht in Kontakt mit dem Stator sind und zueinander einen Abstand von der Hälfte der Wellenlänge der Schwingung aufweisen.

Zweite Ausführungsform

In dieser Ausführungsform sind der Rotor 1, der Stator 2 und das piezoelektrische Element 3 die gleichen wie in der ersten Ausführungsform, so daß eine Erklärung derselben hier weggelassen ist, und die gleichen Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Fig. 10 zeigt die Antriebsschaltung des Ultraschallmotors der zweiten Ausführungsform Die Steuersignalausgabe von der Oszillationsschaltung OS1 wird in einen Treiber Dc eingegeben, welcher dann ein Antriebssignal zu einer gemeinsamen Elektrode C des piezoelektrischen Elements 3 ausgibt. Dieses Steuersignal wird durch ein Invertierglied I&sub1; in ein invertiertes Signal umgewandelt und wird dann in einen Treiber DA eingegeben, welcher dann ein Antriebssignal zu einem Anschluß A ausgibt. Eine Auswahlschaltung, umfassend UND-Schaltungen A&sub1; und A&sub2;, eine ODER-Schaltung O&sub1; und ein Invertierglied I2, ist derart ausgebildet, daß sie wahlweise das Steuersignal und ein invertiertes Signal in einen Treiber DB eingibt, welcher ein Antriebssignal zu einem Anschluß B ausgibt. Ein Referenzsignal wird von einer Oszillationsschaltung OS2 ausgegeben und läuft durch eine Zählerschaltung und eine 4-Zustandsgeneratorschaltung, wodurch 1-s Impulssignale sequentiell ausgegeben und in Zustandssignale (1), (2), (3) und (4) umgewandelt werden, so daß sie eine 4-s Sequenz bilden. Zusätzlich zum Eintritt in die Auswahlschaltung steuern diese Zustandssignale Treiber Dc, DA und DB über ODER-Schaltungen O&sub2;, O&sub3; und O&sub4;. Diese Treiber Dc, DA und DB werden jeweils 3-Zustandstreiber, welche, beruhend auf den obigen Zustandssignalen, sowohl hohe als auch niedere Pegel ausgeben und ebenso abgeschaltet werden und auf einen Ausgangszustand mit hoher Impedanz gehen.
Die Fig. 11(a) zeigt die Ausgangszustände der Treiberschaltung DA, welche ein Antriebssignal zu dem Anschluß A liefert, wenn die Zustandssignale (1), (2) und (3) ausgegeben werden und in der Periode IV auf einen Zustand mit hoher Ausgangsimpedanz gehen.
Die Fig. 11(b) zeigt die Ausgangszustände des Treibers DB, welcher ein Antriebssignal zu dem Anschluß B liefert, wenn die Zustandssignale (1), (3) und (4) ausgegeben werden und in der Periode II auf einen Ausgangszustand mit hoher Impedanz gehen.
Die obige Auswählschaltung ist in der Stufe vor dem Treiber DB vorgesehen, und da das Zustandssignal (3) von der 4- Zustandsgeneratorschaltung in die Auswählschaltung eingegeben wird, wird ein Signal (invertiertes Signal), dessen Phase um 180º von dem Antriebssignal des Treibers DA verschoben ist, zu dem Anschluß B in der Periode III ausgegeben.
Die Fig. 11(c) zeigt die Ausgangszustände des Treibers Dc, welcher ein Antriebssignal (invertiertes Signal) zu dem gemeinsamen Anschluß C liefert, wenn die Zustandssignale (1), (2) und (4) ausgegeben werden und in der Periode III auf einen Ausgangszustand mit hoher Impedanz gehen.
Wenn diese Zustandssignale in Abfolge von (1) bis (4) ausgegeben werden, dann wird das piezoelektrische Element 3 durch Verbindung von Zuständen, wie sie in Fig. 12(1) bis 12(4) gezeigt sind, angetrieben. D.h., wenn das Zustandssignal (1) ausgegeben wird, dann wird eine Wechselspannung beruhend auf dem Antriebssignal mit der gleichen Phase sowohl an die A-Phase als auch die B-Phase des piezoelektrischen Rings 30 in der Periode 1 angelegt, wie in Fig. 12(1) gezeigt. Wenn das Zustandssignal (2) ausgegeben wird, dann wird eine Wechselspannung nur an die A-Phase des piezoelektrischen Rings 30 in der Periode II angelegt, wie in Fig. 12(2) gezeigt. Wenn das Zustandssignal (3) ausgegeben wird, dann werden Wechselspannungen, deren Phasen gegenseitig um 180º verschoben sind, an die A-Phase und die B-Phase des piezoelektrischen Rings 30 in der Periode III angelegt, da die gemeinsame Elektrode C, welche gegenüber den Anschlüssen A und B angeordnet ist, abgeschaltet ist und auf ein schwebendes Potential geht, wie in der Fig. 12(3) gezeigt. Wenn schließlich das Zustandssignal (4) ausgegeben wird, dann wird eine Wechselspannung nur an die B-Phase des piezoelektrischen Rings 30 in der Periode IV angelegt.
Auf diese Art und Weise wird durch Ändern des Antriebszustands in den vier Stufen von der Periode 1 zu der Periode IV eine zusammengesetzte stehende Welle A+B, welche durch die stehende Welle A beruhend auf einer Verformung der A-Phase und die stehende Welle B beruhend auf einer Verformung der B-Phase, die zueinander die gleiche Phase aufweisen, erzeugt wird, an dem piezoelektrischen Ring 30 in der Periode 1 erzeugt, wie in Fig. 13(1) gezeigt. In der Periode II wird eine stehende Welle A beruhend auf einer Verformung von nur der A-Phase erzeugt, wie in Fig. 13(2) gezeigt. In der Periode III wird eine zusammengesetzte stehende Welle A+o(B,sUP12(_)), welche durch die stehende Welle A, beruhend auf einer Verformung der A-Phase, und die stehende Welle B, beruhend auf einer Verformung der B- Phase, deren Phasen um 180º verschoben sind, erzeugt wird, erzeugt, wie in Fig. 13(3) gezeigt. In der Periode IV wird die stehende Welle B beruhend auf der Verformung von nur der B-Phase erzeugt. Als Ergebnis daraus sind die Phasen der stehenden Welle, welche von der Periode I zur Periode IV erzeugt werden, verschieden, und die Positionen der Knoten oder Antiknoten dieser stehenden Wellen verschieben sich jeweils sequentiell um ein Achtel einer Wellenlänge. Daher wird ein Schrittbetrieb des Rotors 1 durch sequentielles Wiederholen dieser Phasen möglich.
Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich durch die Tatsache, daß sie nur stehende Wellen verwendet, um einen Schrittbetrieb durchzuführen, und keine Wanderwellen, so wie sie im Stand der Technik verwendet worden sind, verwendet. Da die Position des Rotors 1 lediglich von der Phase der stehenden Welle abhängt, besteht daher absolut keine Veranlassung dafür, daß der Drehwinkel unpräzise wird, wie es bei dem Antrieb durch Wanderwellen der Fall ist. Da der mit der Elektrode, die nicht verwendet wird, verbundene Treiber auf einen Ausgangszustand mit hoher Impedanz gesetzt wird, indem 3-Zustandstreiber, wie z.B. die Treiber Dc, DA und DB der Antriebsschaltung, verwendet werden, kann eine zusammengesetzte stehende Welle, wie z.B. in Fig. 13(3) gezeigt, durch das in Fig. 12(3) gezeigte Verbindungsverfahren erzeugt werden, und die Konfiguration der Antriebsschaltung kann einfacher gemacht werden, als im Stand der Technik. Zusätzlich wird, wenn kein Antriebssignal zu dem Anschluß B oder dem Anschluß A gesandt wird, um eine Verformung nur der A-Phase oder der B-Phase zu erzeugen, der Energiefluß von dem Anschluß, welcher nicht verwendet wird, unterbrochen, so daß die Antriebseffizienz verbessert wird. Da die Zeit zum Stabilisieren des Schwingungszustands, wenn das Schalten auftritt, verkürzt wird, wird darüber hinaus ein Antrieb mit hoher Drehzahl möglich.

Dritte Ausführungsform

Der Ultraschallmotor der dritten Ausführungsform wird zum direkten Antreiben des Sekundenzeigers eines Zeitmessers oder einer Uhr verwendet, und ein piezoelektrisches Element 8, welches in Fig. 14 gezeigt ist, wird anstelle des piezoelektrischen Elements 3 in der ersten Ausführungsform verwendet.
Die Fig. 14 (a) zeigt eine Oberfläche (d.h. die Oberfläche, die nicht mit dem Stator 2 verbunden ist) des piezoelektrischen Elements 8, und an dieser Oberfläche sind eine A- Phasenelektrode 8A, eine B-Phasenelektrode 8B und eine Steuerelektrode 10A ausgebildet.
Die Fig. 14 (b) ist ein Diagramm der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements 8, wobei jede der Unterelementelektroden weggelassen ist, worin die piezoelektrischen Unterelemente 80a1, 80a2, ... 80a9 als die Reihe A piezoelektrischer Unterelemente ausgebildet sind, und worin die piezoelektrischen Unterelemente 80b1, 80b2, ... 80b9 als die Reihe B piezoelektrischer Unterelemente ausgebildet sind, wobei die piezoelektrischen Unterelemente in entgegengesetzten Richtungen alternierend polarisiert sind. Die A- Phase und die B-Phase sind derart eingerichtet, daß sie jeweils eine 10-Perioden-stehende Welle um den Umfang des piezoelektrischen Elements 8 bilden und jedes piezoelektrische Unterelement nimmt ein Winkelbereich von 18º ein. Ein piezoelektrisches Unterelement 80c nimmt einen Winkelbereich von 24º ein, und ein piezoelektrisches Unterelement 81 nimmt einen Winkelbereich von 12º ein. Eine Hälfte des piezoelektrischen Unterelements 80c wird für die Phase A verwendet, und die andere Hälfte wird für die Phase B verwendet. Als Ergebnis daraus sind die A-Phase und die B- Phase an Positionen eingerichtet, welche gegenseitig um ein Sechstel einer Phase verschoben sind.
In dieser Ausführungsform wird ein Rotor 1 verwendet, in dem Nicht-Kontaktbereiche 1b (Fig. 3) an 20 mit gleichem Abstand angeordneten Positionen entlang des Außenumfangs des Rotors 1 angeordnet sind, so daß sie mit der Frequenz der stehenden Wellen 10, die an dem Stator 1 beruhend auf der Deformation des piezoelektrischen Elements 8 erzeugt werden, übereinstimmen, wobei in dieser Ausführungsform zehn stehende Wellen vorhanden sind.
Wie in den Fig. 15(1) bis (3) gezeigt, werden in dem Verfahren, durch welches der Ultraschallmotor der dritten Ausführungsform angetrieben wird, der Antriebszustand (1) welcher den Anschluß B abschaltet und das Antriebssignal zwischen dem Anschluß A und dem gemeinsamen Anschluß eingibt, der Antriebszustand (2), welcher den Anschluß A abschaltet und das Antriebssignal zwischen dem Anschluß B und der gemeinsamen Elektrode C eingibt, und der Antriebszustand (3), welcher die gemeinsame Elektrode C abschaltet und das Antriebssignal mit einer um 180º verschobenen Phase zwischen dem Anschluß A und dem Anschluß B eingibt, in Abfolge wiederholt (eine umgekehrte Reihenfolge ist ebenso möglich), und der Rotor 1 wird jedesmal um ein Sechstel der Wellenlänge an dem Stator 2 schrittweise bewegt. Hier kann die Antriebsschaltung durch wiederholtes Ausgeben der drei Zustandssignale (2) bis (4) in der in der zweiten Ausführungsform beschriebenen und in Fig. 10 gezeigten Schaltungskonfiguration betrieben werden.
In dem Antriebszustand (1), wie in Fig. 16(1) gezeigt, wird eine stehende Welle A beruhend auf der Verformung von nur der A-Phase der Reihe piezoelektrischer Unterelemente erzeugt, in dem Antriebszustand (2), wie in Fig. 16(2) gezeigt, wird die stehende Welle B beruhend auf der Verformung von nur der B-Phase erzeugt und in dem Antriebszustand (3)1 wie in Fig. 16(3) gezeigt, wird eine zusammengesetzte stehende Welle A+o(B,sUP12(_)) als eine Verbindung der stehenden Welle A und der stehenden Welle o(B,sUP12(_)) erzeugt, deren Phase um 180º von derjenigen der stehenden Welle B verschoben ist. Durch sequentielles Wiederholen dieser Antriebszustände (1) bis (3) bewegen sich die Positionen der Knoten oder Antiknoten der stehenden Welle um ein Sechstel der Wellenlänge der stehenden Welle, wodurch es möglich wird, den Rotor 1 wie in der zweiten Ausführungsform schrittweise zu bewegen. Da der Schrittwinkel 6 Grad ist, kann der Sekundenzeiger des Zeitmessers oder der Uhr direkt durch die Drehung des Rotors 1 angetrieben werden, ohne einen Drehübertragungsmechanismus verwenden zu müssen.
Sowohl in der vorangehend beschriebenen zweiten als auch der dritten Ausführungsform könnte der Rotor genau um den Betrag der Phasendifferenz zwischen den stehenden Wellen gedreht werden, wenn nur stehende Wellen verwendet werden; durch Anpassen der Frequenz des Antriebssignals an eine bestimmte Resonanzfrequenz folgt jedoch die Schwingungsverschiebung des piezoelektrischen Elements einem elliptischen Weg, und durch Anpassen der horizontalen Komponente des elliptischen Wegs an die Drehrichtung des Rotors 1 kann die Belastung in der horizontalen Richtung, welche auf der horizontalen Komponente beruht, zum Unterstützen der Drehung des Rotors 1 verwendet werden. Die Periode des Schrittbetriebs kann durch das Intervall der Zustandssignale, etc., variiert werden.

Vierte Ausführungsform

Die Fig. 18 ist eine schematische Wiedergabe der Antriebsschaltung eines Ultraschallmotors der vorliegenden Erfindung. Eine Steuersignalausgabe von einer Oszillatorschaltung OS1 wird in einem Invertierglied Ic zu einem invertierten Signal, so daß ein Antriebssignal zu einem gemeinsamen Anschluß C des piezoelektrischen Elements 3 ausgegeben wird. Dieses Antriebssignal wird ferner in die Treiber Da und Db eingegeben, so daß Antriebssignale zu den Anschlüssen A und B ausgegeben werden. Das Referenzsignal wird von einer Oszillationsschaltung OS2 ausgegeben und durchläuft eine Zählerschaltung und eine 3-Zustandsoszillationsschaltung, wodurch dieses in Zustandssignale (1), (2) und (3) umgewandelt wird, welche sequentiell Ausgangsimpulse bei 1-s Intervallen ausgeben, um 3-s Abfolgen zu bilden. Diese Zustandssignale steuern die Treiber Da und Db über ODER-Schaltungen O1 und O2. Die Treiber Da und Db sind jeweils 3-Zustandstreiber, welche beruhend auf den obigen Zustandssignalen sowohl hohe als auch niedere Pegel ausgeben und abgeschaltet werden und auf einen Ausgangszustand mit hoher Impedanz gehen.
Es folgt eine Beschreibung des Betriebs der vorangehend beschriebenen Antriebsschaltung mit Bezug auf die Fig. 19.
Die Fig. 19(a) zeigt die Ausgangszustände des Treibers Da. Wenn die Zustandssignale (1) und (2) zu dem Treiber Da ausgegeben werden, dann leitet der Treiber Da ein Antriebssignal zu einem Anschluß A, und in der Periode III geht der Treiber auf einen Ausgangszustand mit hoher Impedanz.
Die Fig. 19(b) zeigt den Ausgangszustand des Treibers Db. Wenn die Zustandssignale (1) und (3) zu dem Treiber Db ausgegeben werden&sub1; dann leitet der Treiber ein Antriebssignal zu dem Anschluß B, und in der Periode II geht der Treiber auf einen Ausgangszustand mit hoher Impedanz.
Die Fig. 19(c) zeigt den Ausgangszustand des Treibers Dc, welcher ein invertiertes Signal zu dem gemeinsamen Anschluß C ausgibt.
Wenn diese Zustandssignale in Abfolge von (1) bis (3) ausgegeben werden, dann wird das piezoelektrische Element 3 durch die in Fig. 20(1) bis (3) gezeigten Verbindungszustände angetrieben. D.h., wenn das Zustandssignal (1) ausgegeben wird, dann wird eine Wechselspannung mit der gleichen Phase sowohl an die A-Phase als auch die B-Phase des piezoelektrischen Rings 30 in der Periode 1 beruhend auf dem Antriebssignal angelegt, wie in Fig. 20(1) gezeigt. Und wenn das Zustandssignal (2) ausgegeben wird, dann wird eine Wechselspannung nur an die A-Phase des piezoelektrischen Rings 30 in der Periode II angelegt, wie in Fig. 20(2) gezeigt. Wenn das Zustandssignal (3) ausgegeben wird, dann wird eine Wechselspannung nur an die B-Phase des piezoelektrischen Rings 30 in der Periode III angelegt, wie in Fig. 20(3) gezeigt.
Durch Ändern des Antriebszustands in drei Phasen von der Periode I zur Periode III in dieser Art und Weise wird die zusammengesetzte Welle A+B, welche aus der stehenden Welle beruhend auf der Verformung der A-Phase und der stehenden Welle beruhend auf der Verformung der B-Phase, die gegenseitig die gleiche Phase aufweisen, an dem piezoelektrischen Ring 30 in der Periode 1 erzeugt wird, wie in Fig. 21(1) gezeigt. Die stehende Welle A, beruhend auf der Verformung von nur der A-Phase, wird in der Periode II erzeugt, wie in Fig. 21(2) gezeigt, und die stehende Welle B, welche auf der Verformung von nur der B-Phase beruht, wird in der Periode III erzeugt. Als Ergebnis daraus unterscheiden sich die Phasen der stehenden Wellen von der Periode I zur Periode III, und die Positionen der Knoten oder der Antiknoten dieser stehenden Wellen sind sequentiell um in Sechstel einer Wellenlänge verschoben. Daher wird ein Schrittbetrieb des Rotors 1 durch sequentielles Wiederholen dieser drei Phasen erreicht.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich durch die Tatsache, daß der Betrieb lediglich unter Verwendung von stehenden Wellen durchgeführt wird und daß keine Wanderwellen verwendet werden, wie es beim Stand der Technik der Fall ist. Daher besteht, da die Position des Rotors 1 nur von den Phasen der stehenden Wellen abhängt, kein Spielraum für einen Fehler bei dem Drehwinkel, wie es bei dem Antrieb durch Wanderwellen der Fall ist. Ferner kann durch Verwenden der 3-Zustands-Treiber, wie die Treiber Da und Db der Antriebsschaltung, der mit der nicht verwendeten Elektrode verbundene Treiber auf einen Ausgangszustand mit hoher Impedanz gesetzt werden, wodurch ein Energiefluß von dem nicht verwendeten Anschluß unterbrochen wird, wenn entweder zu dem Anschluß B oder zu dem Anschluß A kein Antriebssignal geleitet wird, um eine Verformung von nur der A-Phase oder der B-Phase zu bewirken, und daher wird, zusätzlich zum Verbessern der Antriebseffizienz, ein Hochgeschwindigkeitsantrieb möglich, da die Zeit zum Stabilisieren des Schwingungszustands, wenn der Antriebszustand umgeschaltet wird, verkürzt werden kann.

Fünfte Ausführungsform

Die Fig. 22 ist ein verallgemeinertes Blockdiagramm des Ultraschallmotors und des Antriebssystems der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 22 ist 101 ein Referenztaktgeber. 102 ist eine Steuerschaltung A, welche den kontinuierlichen Antrieb des Ultraschallmotors steuert. 103 ist die Steuerschaltung B, welche den Schrittantrieb steuert. 104 ist eine Oszillationsschaltung, welche ein Signal zum Oszillieren des an dem Vibratorelement (nicht gezeigt) angebrachten Vibrators erzeugt. 105 ist eine Wellenform-Formungsschaltung A, welche eine Antriebswellenform für einen kontinuierlichen Antrieb liefert, und 106 ist eine Wellenform-Formungsschaltung B, welche eine Antriebswellenform für einen Schrittantrieb erzeugt. Eine Umschalt-Schaltung 107 sendet die Ausgabe von der Wellenform-Formungsschaltung A im Falle des kontinuierlichen Antriebs und die Ausgabe von der Wellenform-Formungsschaltung B im Falle des Schrittantriebs zu einer Antriebsschaltung 108, welche den Vibrator in Schwingung versetzt.
Die Fig. 23 ist eine Draufsicht, welche die Konfiguration des Vibrators des Ultraschallmotors in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und die Fig. 24 ist in Querschnitt der Fig. 23, welcher ein Beispiel der Anregung eines 31-Schwingungsmodus zeigt. Die durchgezogenen Linien zeigen die Form eines Vibrators (Stator) 109, an welchem zwölf Rippen 110 gebildet sind. Die unterbrochenen Linien zeigen die Grenzlinien 111 des Vibratorelements (piezoelektrischer Ring) und der in zwölf Einheiten aufgeteilten Vibratorunterelemente (Elektrodenmuster). Die Grenzlinien 111 entsprechen in dieser Ausführungsform den Positionen der Rippen 110, und die beiden vorhandenen 31- Schwingungsmoden sind derart konfiguriert, daß die Knoten an den Rippen 110 gebildet sind. Die 2-Punkt-Strich-Linien zeigen das Bewegungselement (Rotor 112), an welchem sechs alternierend angeordnete, im Winkelabstand zueinander vorgesehene Nuten 112a und radial auswärts hervorstehende Vorsprünge 113 gebildet sind. Die Vorsprünge 113 sind in Kontakt mit den Zähnen 115 des Vibrators 109, und zusätzlich zum Aufnehmen der Antriebskraft sind sie zum Stoppen an den Schwingungsknoten konfiguriert.
Es folgt eine Beschreibung des Antriebsverfahrens des Ultraschallmotors dieser Ausführungsform Das von dem Referenztaktgeber ausgegebene Signal, welches durch die Steuerschaltung B in Fig. 22 hindurchläuft, wird in der Wellenform-Formungsschaltung B, welche ein eingebautes Invertierglied aufweist, in zwei Pole aufgeteilt: Ein + Signal, welches die ursprüngliche Phase aufweist, und ein - Signal, dessen Phase invertiert ist. Die Oszillationsschaltung regt den Vibrator mit einer 31-Resonanzfrequenz zur Schwingung an, welche sie zu dem Vibrator über die Umschalt-Schaltung und die Antriebsschaltung sendet. Der Betrieb des drehbaren Elements des Ultraschallmotors zu diesem Zeitpunkt wird mit Bezug auf die Fig. 25 beschrieben. Wenn ein Signal mit einer invertierten Phase an die Vibratorunterelemente angelegt wird, die, im Gegensatz zu den mit + bezeichneten Vibratorunterelementen, mit - bezeichnet sind, dann wird eine stehende Welle, welche einen Knoten an der durch die 1-Punkt-Strich-Linie 114 bezeichneten Position erzeugt, angeregt, und die Vorsprünge des Bewegungselements bewegen sich zu dem Knoten und halten an. Das Prinzip der Antriebskraft ist detailliert in der japanischen Patentanmeldung Nr. 1-1273082 beschrieben.
Dann wird das Signal, welches von dem Referenztaktgeber ausgegeben wird, und welches durch die Steuerschaltung A hindurchläuft, in der Wellenform-Formungsschaltung A, welche einen eingebauten 90-Grad-Phasenverschieber und ein Invertierglied aufweist, in Signale aufgeteilt, deren Phasen um 90º verschoben sind und welche dann in + Signale, die die ursprüngliche Phase aufweisen, und - Signale aufgeteilt werden, deren Phase für insgesamt vier Pole invertiert ist. Die Oszillationsschaltung regt den Vibrator mit einer 31-Resonanzfrequenz zur Schwingung an, welche sie zu dern Vibrator über die Umschalt-Schaltung und die Antriebsschaltung sendet. Der Betrieb des drehbaren Elements des Ultraschallmotors zu diesem Zeitpunkt wird mit Bezug auf die Fig. 26 beschrieben. Signale, deren Phase um 90º verschoben ist, werden an die Vibratorunterelemente angelegt, die mit B bezeichnet sind, und welchen die Vibratorunterelemente A gegenüberliegen, und dann werden Signale, deren Phase auf + bzw. - invertiert ist, angelegt. Zu dieser Zeit wird eine Wanderwelle an dem Vibrator erzeugt, und das drehbare Element bewegt sich in der Richtung des Pfeils. Das Prinzip des Antriebs ist detailliert in JP-A-58-148682 erklärt.
Wenn ausreichend Zeit für den Rotor zum Drehen um einen bestimmten Betrag abgelaufen ist (innerhalb der Zeit, die das Bewegungselement zum Drehen um 30º in dieser Ausführungsform benötigt), dann wird das Signal durch die Steuerschaltung A angehalten und wird von der Steuerschaltung B ausgegeben. Das Signal erzeugt zu dieser Zeit die in Fig. 27 gezeigte Stellung durch die Wellenform-Formungsschaltung B. Ein Knoten wird an der in Fig. 27 gezeigten Position 114 gebildet, und die jeweiligen Rotorvorsprünge 113 bewegen sich zu der Knotenposition und halten dort an. Das Signal wird durch die Steuerschaltung B für eine Zeitperiode angehalten, die ausreicht, um den jeweiligen Rotorvorsprüngen 113 zu ermöglichen, daß sie sich zu der Knotenposition bewegen. Der Rotor 30 bewegt sich durch diese Reihe von Betrieben um 30º. Ein Schrittantrieb in 30-Grad-Schritten wird durch Wiederholen dieser Reihe von Betrieben durchgeführt.
Wenn eine Anregung von einer stehenden Welle zu einer stehenden Welle durchgeführt wird, ohne Wanderwellen zu verwenden, dann können die Vorsprünge des Bewegungselements 112 über Antiknoten angeordnet werden, die Rotation kann anhalten, oder eine Rotation in umgekehrter Richtung kann auftreten. Ferner erfordert ein Antrieb, welcher nur Wanderwellen verwendet, eine Rückkopplungssteuerung Durch Durchführen dieses Stehende-Welle-Wanderwelle-Stehende- Welle-Wanderwelle-Betriebs wird ein Schrittbetrieb, welcher keinen Dreherfassungsmechanismus erfordert, möglich.
Die Erklärung dieser Ausführungsform hat einen 31-Modus angenommen, es sind jedoch 21-, 41- und 51-Modi möglich, wobei ein Antrieb in 8 Unterteilungen, 16 Unterteilungen und 20 Unterteilungen möglich wird. Es sind hierzu jedoch Fälle angenommen, in welchen zwei vorhandene Moden verwendet werden. Wenn nur ein Modus in dem 31-, 12-Unterteilungs-Ultraschallmotor dieser Ausführungsform verwendet werden würde, dann wäre beispielsweise nur ein 6-Unterteilungsantrieb anstelle des 31-Modus möglich. Ferner wird, wenn die Wanderwelle gebildet wird, eine Drehung in der umgekehrten Richtung durch Umkehrung der Phasenverschiebung oder durch Umkehrung der Verschiebung der mechanischen Phase ermöglicht. Ferner sind die Polasierungsrichtungen der piezoelektrischen Elemente in dieser Ausführungsform die gleichen, durch Umkehren der ursprünglichen Polarisation der piezoelektrischen Elemente wird es jedoch unnötig, die Signale in den Wellenform-Formungsschaltungen A und B umzukehren.
Die Struktur des Vibrators in dem Ultraschallmotor der fünften Ausführungsform weist zwölf Rippen 110 auf. Die Grenzen der Elektrodenmuster, welche in zwölf Teile unterteilt sind, entsprechen den Positionen der Rippen 110, die Positionen der Rippen 110 können jedoch auch der Mitte der Elektrodenmuster entsprechen, und es ist nicht erforderlich, zwölf Rippen für einen 31-Schwingungsmodus vorzusehen, es kann beispielsweise nur eine vorgesehen sein.
Die Fig. 28 ist ein Zeitdiagramm für einen Fall, in welchem eine Ausführungsform der Erfindung durch ein weiteres Verfahren angetrieben ist, und sie zeigt die Zustände für Signale a bis 1. Wenn beispielsweise ein 31-, 12-Unterteilungsschwingungsmodus angeregt wird und ein Stehende- Welle-Wanderwelle-Stehende-Welle-Wanderwelle-Betrieb in dieser Ausführungsform wiederholt wird, dann wird ein 30- Grad-Schrittantrieb durchgeführt, es wird jedoch eine Wanderwelle angeregt, und die Anregung des Signals wird durch die Steuerschaltung A an einer Position gestoppt, welche um ungefähr 6º voreilt. Dann wird wieder eine Wanderwelle angeregt, und an einer Position, welche um ungefähr 6º voreilt, wird die Anregung des Signals durch die Steuerschaltung A gestoppt; dieser Antrieb wird wiederholt.
Dabei wird ein Schrittantrieb mit einem Zuführwinkel von 6º angeboten, da die Anregung von nur einer Wanderwelle zu einem akkumulierten Fehler bei der Drehung des Rotors führen würde. Daher wird durch Anregen einer stehenden Welle einmal pro vier Anregungen einer Wanderwelle beispielsweise eine Steuerung alle 30º möglich, wodurch ein leicht steuerbarer Schrittantrieb mit 60 Unterteilung pro Drehung des Rotors erreicht wird.
In einem anderen Beispiel kann ein Verfahren verwendet werden, welches kontinuierlich mit Wanderwellen antreibt und welches stehende Wellen nur erzeugt, wenn dies erforderlich ist. Zum Beispiel kann der schnelle Vorlauf oder der Rahmenvorschub in einem VCR vereinfacht werden.
In der fünften Ausführungsform sind Rippen in der Struktur verwendet worden, um die Steifigkeit oder Dichte an den Grenzen zwischen den Vibratorunterelementen des Vibrators zu denjenigen der anderen Teile zu variieren, es können jedoch Schlitze oder Löcher 117 verwendet werden, wie in Fig. 29 gezeigt, die Form des Umfangs kann verändert werden, z.B. kann für eine 31-Modus-Schwingung eine 12-seitige Form vorgesehen sein, wie in Fig. 30 gezeigt, oder andere Mittel können verwendet werden, um die Steifigkeit oder die Masse an den Grenzen oder in der Mitte der Vibratorunterelemente bezüglich derjenigen von anderen Teilen zu variieren, mit dem Ziel der Bildung von Schwingungsknoten an den Grenzen der Unterelemente des Vibrators.
Die Anregung der Wanderwellen ist nicht auf das Verfahren der fünften Ausführungsform, wie in Fig. 26 gezeigt, beschränkt. Beispielsweise kann eine Wanderwelle selbst dann angeregt werden, wenn die Anregung der stehenden Welle der Fig. 25 oder Fig. 27 durch Schwingungsanregung von der Oszillationsschaltung mit einer Frequenz zwischen der Resonanzfrequenz der Vibratorunterelemente, welche mit A bezeichnet sind, und der Resonanzfrequenz der Vibratorunterelemente, welche in Fig. 26 mit B bezeichnet sind, durchgeführt wird.
Ferner ist das Verfahren zur Anregung der stehenden Wellen nicht auf dasjenige der fünften Ausführungsform beschränkt.

Sechste Ausführungsform

Die Fig. 31 ist ein Querschnitt einer sechsten Ausführungsform des Ultraschallmotors der Erfindung, und die Fig. 32 ist eine Draufsicht des Stators der sechsten Ausführungsform, welche in Fig. 31 gezeigt ist.
Ein piezoelektrischer Ring 202, welcher aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist, ist an einem Stator 201 angebracht. Der Stator 201 ist an einem Rahmen 211 durch eine Ankerschraube 216 befestigt. Ein Rotor 203 ist in Kontakt mit Zähnen 201a an dem Stator 201 und ist durch eine Trägerplatte 206 über eine Rotorwelle 203a auf einem Zahnrad 203b zum Übertragen der Drehkraft nach außen getragen. Da die Rotorwelle 203a durch eine Feder 204 nach unten geschoben wird, welche durch eine Schraube 216 an der Trägerplatte 206 festgelegt ist, besteht ein Reibungskontakt zwischen dem Rotor 203 und den Zähnen 201a.
In Fig. 32 sind Knotenpositionen a eines 31-Biegeschwingungsmodus durch durchgezogene Linien bezeichnet, und Knotenpositionen b, welche diese unter rechten Winkeln schneiden, sind durch die 2-Punkt-Strich-Linien bezeichnet. Nuten 241, 242, 243 sind vorgesehen, um die Resonanzfrequenzen an den jeweiligen Knotenpositionen a und b zu justieren. In diesem Falle ist die Resonanzfrequenz an den Knotenpositionen b gering, so daß Teile der Position der Schwingungs-Antiknoten, d.h. Knotenpositionen a, entfernt werden, um die Resonanzfrequenz anzuheben und diese an die Resonanzfrequenz an den Knotenpositionen a anzupassen. Die Resonanzfrequenz des Schwingungsmodus an den Knotenpositionen a wird dabei kaum beeinträchtigt, da sie Teil der entfernten Knoten ist. Selbstverständlich sind der Betrag und der Ort nicht beschränkt, da diese von dem Korrekturbetrag der Resonanzfrequenz abhängen. Wenn man ferner die Position eines Knotens betrachtet, so ist, obgleich ein einer Knotenposition entsprechender Teil wünschenswert ist, die Konfiguration nicht notwendigerweise darauf beschränkt, solange die Resonanzfrequenzen der beiden Knotenpositionen gleich sind. Es kann eine Laserbearbeitung, eine mechanische Bearbeitung, etc. als das Verfahren zum Entfernen verwendet werden.
Da die beiden Modi der flexiblen Schwingung sich in der gleichen Art und Weise ändern, um einen einzigen Modus zu erzeugen, wenn die Resonanzfrequenzen an den beiden Knotenpositionen, welche sich unter rechten Winkeln schneiden, durch das obige Verfahren angepaßt werden, können die Knoten in irgendeiner Richtung mit axialer Symmetrie frei ausgebildet werden. In der Praxis ist es schwierig, die beiden Moden in der gleichen Form zu degenerieren, es kann jedoch nahezu der gleiche Effekt durch Senken des Q-Wertes des Vibrators (Stator) erhalten werden. Insbesondere können Verfahren zur Herstellung des Stators verwendet werden, wie z.B. das Anbringen von schwingungsabsorbierendem Material und die Verwendung von Material mit einer großen Schwingungsdämpfung

Siebte Ausführungsform

Die Fig. 33 ist eine Draufsicht, welche die Statorformen einer siebten Ausführungsform des Ultraschallmotors der vorliegenden Erfindung zeigt. Die siebte Ausführungsform umfaßt einen Stator 301 mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen 311 bis 316, welche an dessen Außenumfang vorgesehen sind. In diesem Falle sind die Vorsprünge 311 bis 316 an sechs Orten angeordnet, die den Knotenpositionen b entsprechen, um die Resonanzfrequenz an den Knotenpositionen a anzuheben. Mit dieser Form ist es leicht, die Vorsprünge zu entfernen, und da der Änderungsbetrag der Resonanzfrequenz bestimmt werden kann, wenn ein Vorsprung an einem Ort entfernt ist, ist die Einstellung leicht.
Die Fig. 34 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines piezoelektrischen Rings 302 von unten, welcher in der siebten Ausführungsform eines Ultraschallmotors der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der piezoelektrische Ring 302 ist in eine Mehrzahl von Vibratorunterelementen unterteilt, und ein Elektrodenmuster 302a ist auf jedem gebildet. Durch Anlegen einer Wechselspannung an jedes der Elektrodenmuster 302a werden die Vibratorunterelemente verzogen, wodurch eine stehende Welle induziert wird. Eine Masse 321 ist an einem Elektrodenmuster 302a angebracht und ist aus Lötmittel oder Klebstoff gebildet. Durch Anbringen der Masse 321 an einer Knotenposition b kann die Resonanzfrequenz an Knotenpositionen a gesenkt werden. Da es leicht ist, die Masse 321 in derartigen Fällen anzubringen oder zu entfernen, besteht keine Gefahr einer Fehljustierung.

Achte Ausführungsform

Die Fig. 35 ist eine Draufsicht eines Stators 401, welcher in einer achten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der Stator 401 weist Zähne 401a und Schlitze oder Vertiefungen 431a und 431b an Knotenpositionen a auf. Da die Steifigkeit eines Teils der Masse des Stators 401 geändert werden kann, können die Resonanzfrequenzen an den Knotenpositionen a und b verändert werden. In dieser Art einer Ausführungsform kann die Wirkung an den jeweiligen Knotenpositionen a und b durch die Form derselben mit einem großen Freiheitsgrad geändert werden.

Neunte Ausführungsform

Die Fig. 36 ist eine Seitenansicht eines Stators 501, welcher in einer neunten Ausführungsform eines Ultraschallmotors gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die neunte Ausführungsform umfaßt einen piezoelektrischen Ring 502, Zähne 501a und ein elastisches Material 541a, 541b, welches an dem Stator 502 angebracht ist. Die Teile, welche in Kontakt stehen, können die Resonanzfrequenz an Knotenpositionen, welche die Antiknoten der Schwingung werden, anheben. In dieser Ausführungsform ist die Anbringung und das Entfernen des elastischen Materials 541a, 541b einfach, und eine Einstellung kann leicht durchgeführt werden.
Die Fig. 37 ist ein erklärendes Diagramm, welches ein erstes Beispiel eines Verfahrens, durch welches Spannungen an einen piezoelektrischen Ring 202 in einem Ultraschallmotor gemäß der vorliegenden Erfindung angelegt werden, zeigt. Die gesamte hintere Oberfläche des piezoelektrischen Rings 202 ist in eine Mehrzahl, d.h. 24, von Elektrodenmustern unterteilt, von welchen beispielsweise jeweils vier dieser Muster, wie in Fig. 37 gezeigt, zu einer einzigen Gruppe kombiniert sind. Durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen jeder zweiten Gruppe und einer gemeinsamen Elektrode C kann ein 31-Schwingungsmodus induziert werden. D.h., Elektrodenmuster 221a bis 221d und 223a bis 223d können gleichzeitig angetrieben werden. Dabei sind die Knotenpositionen bei a gebildet, und daher wird der piezoelektrische Ring 202 leicht verformbar. Dies liegt daran, daß das elektrische Feld, welches durch die Verbiegung erzeugt wird, wenn die Bereiche um die Knotenpositionen b, z.B. Elektrodenmuster 231a, 231b, 232a und 232b, in der orthogonalen Richtung mit der gemeinsamen Elektrode C leitfähig gemacht werden, sich rückwärts und vorwärts bewegen kann. Die gemeinsame Elektrode C ist mit einer Wechselstromquelle 200 verbunden. Daher fällt die um die Knotenpositionen B auftretende Steifigkeit ab, und es wird möglich, die Resonanzfrequenz an den Knotenpunkten A zu senken. In diesem Falle ist der Typ des Schwingungsmodus oder das Schwingungsverfahren in keiner Weise eingeschränkt. Da die Ladung derjenigen Teile, deren relative Steifigkeit gesenkt werden soll, allmählich oder für nur eine bestimmte Zeitperiode durch ein Schaltungsmittel kontinuierlich entladen werden kann, besteht keine bestimmte Beschränkung bei diesem Verfahren. Das Anheben der relativen Steifigkeit kann ebenso durch absichtliches Anlegen einer Spannung erreicht werden.
Die Fig. 38 ist ein erklärendes Diagramm eines zweiten Verfahrens, welches zum Anlegen einer Spannung an den piezoelektrischen Ring in einem Ultraschallmotor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Ein piezoelektrischer Ring 602 weist ein Elektrodenmuster 624a, 624b, 625a und 625b auf, welche jeweils einen 60º Winkel aufweisen. Die Elektrodenmuster, welche mit 624a und 625b bezeichnet sind, sind in einer positiven Richtung polarisiert, und die Elektrodenmuster, welche mit 624b und 625a bezeichnet sind, sind in einer negativen Richtung polarisiert. Die Elektrodenmuster 624a und 625b sind um 30º getrennt. Die Elektrodenmuster 624a und 624b sind zusammen gruppiert, und die Elektrodenmuster 625a und 625b sind zusammen gruppiert. Eine 31-Wanderwellenschwingung wird durch Anlegen von Wechselspannungen mit zueinander um 90º verschobenen Phasen an die beiden Gruppen gebildet. Wenn nur die 624a- und 624b-Gruppe zu dieser Zeit angetrieben wird, dann werden die Knotenpositionen b gebildet, und wenn nur die 625a- und 625b-Gruppe angetrieben wird, dann werden die Knotenpositionen a gebildet. Wie jedoch vorangehend erwähnt, gibt es Fälle, In welchen Knoten nicht an den gewünschten Positionen gebildet werden können und ihre jeweiligen Resonanzfrequenzen sich unterscheiden, wodurch die Ausbildung einer stabilen Wanderwelle nicht möglich wird. Daher sind Einstellmuster 626 und 627 vorgesehen, und beispielsweise ist das Einstellmuster 627 in leitender Verbindung mit der gemeinsamen Elektrode 0 an der Rückseite, um die auftretende Steifigkeit zu verringern und die Resonanzfrequenz in der Richtung der Knotenpositionen a zu senken. Durch diese Einstellung können die Knotenpositionen a und b in der gleichen Art und Weise geändert werden, und die Knoten können in den gewünschten Richtungen gebildet werden, um eine stabile Wanderwelle zu bilden. Der Modus der Wanderwelle, das Anregungsverfahren, die Form und die Position der Elektrodenmuster und das Verfahren, durch welches die Ladung geleitet wird, sind in keiner Weise eingeschränkt.
Durch die vorangehend detailliert beschriebenen Ausführungsformen werden Schwingungsmodi, welche sich unter rechten Winkeln schneiden, in der gleichen Art und Weise durch Erhöhen oder Verringern der Masse und der Steifigkeit und Leiten der Ladung verändert. Ferner ist, da es das Ziel ist, die Resonanzfrequenz einzustellen, bis eine Degeneration vollendet ist, die Erfindung nicht auf die vorangehenden Ausführungsformen beschränkt, und die verschiedenen Mittel können in irgendeiner Art und Weise kombiniert oder ausgeführt werden.
Wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben, ist der Ultraschallmotor mit Nicht-Kontaktbereichen an einem drehbaren Element versehen, welche den Wellenlängen entsprechen, mit welchen die Gruppen piezoelektrischer Unterelemente ausgebildet sind, und es ist eine Mehrzahl von Oberflächenhöhenunterschieden an der Oberfläche des Vibrators mit Rotationssymmetrie in der vorgeschriebenen Wellenlänge vorgesehen, so daß das drehbare Element an einer vorgeschriebenen Position an dem Vibrator als Ergebnis der an dern Vibrator erzeugten stehenden Wellen anhält.
Dadurch werden die folgenden Effekte erreicht.
1) Die an dem Vibrator erzeugten stehenden Wellen üben eine Belastung auf die Nicht-Kontaktbereiche des drehbaren Elements aus, wodurch das drehbare Element an einer vorgeschriebenen relativen Position stoppt, wo die Belastung ausgeglichen wird, und daher wird ein Schrittbetrieb des drehbaren Elements durch Bewegen der stehenden Wellen möglich. Aus diesem Grund werden ein Positionssensor oder eine Rückkopplungsschaltung zum Erfassen der Drehposition des drehbaren Elements und eine Steuerung des Drehbetrags, wie beim Stand der Technik, unnötig, wodurch es möglich wird, den Ultraschallmotor kompakter auszubilden und den Energieverbrauch zu senken.
2) Wenn eine den Schrittbetrieb begleitende Bewegung der stehenden Wellen in einem Fall durchgeführt wird, in dem eine Mehrzahl von Oberflächenhöhenunterschieden mit Rotationssymmetrie in der vorgeschriebenen Periode an dem Vibrator vorgesehen ist, dann treten die Positionen, an welchen die Belastung ausgeglichen wird, immer bei den gleichen Intervallen auf, wodurch ein präziser Schrittbetrieb ermöglicht wird.
3) Wenn die erste Gruppe piezoelektrischer Unterelemente und die zweite Gruppe piezoelektrischer Unterelemente an dem piezoelektrischen Ring derart ausgebildet werden, daß die Positionierung der piezoelektrischen Unterelemente und ihre Polarisierungsrichtung linear symmetrisch zueinander sind, dann kann die Schwingungsstärke bei der vorgeschriebenen Antriebsfrequenz und der Resonanzfrequenz gleich gemacht werden, wodurch die Antriebseffizienz verbessert werden kann.
4) Wenn 3-Zustandstreiber mit einem Ausgangszustand mit hoher Impedanz in dem Antriebsmittel als die Ausgabeschalter verwendet werden, welche die Antriebssignale für jede der Elektroden der piezoelektrischen Elemente ausgeben, dann kann die Antriebseffizienz durch Unterbrechen des Ausgabeschalters, welcher kein Antriebssignal anlegt, in jedem der Antriebszustände verbessert werden, um den Energieverlust von dem piezoelektrischen Ring zu stoppen, und ferner kann die Zeit zum Stabilisieren der Schwingung des piezoelektrischen Rings verkürzt werden. Ferner kann an dem Vibrator eine vierte stehende Welle erzeugt werden, indem der dritte Ausgabeschalter, welcher mit der gemeinsamen Elektrode verbunden ist, auf einen Ausgangszustand mit hoher Impedanz gesetzt wird und eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt wird.
5) Ein Schrittbetrieb kann mit dem gewünschten Drehwinkel durchgeführt werden, und der Energieverbrauch kann unter Verwendung eines Antriebsverfahrens für den Ultraschallmotor verringert werden, in welchem das drehbare Element durch eine Wanderwelle angetrieben wird und durch eine stehende Welle angehalten wird, und eine Stopperiode ist für den Antriebszustand vorgesehen.
6) Da das drehbare Element lediglich unter der Verwendung von stehenden Wellen durch sequentielles Erzeugen einer Mehrzahl von stehenden Wellen mit verschiedenen Phasen an dern Vibrator angetrieben werden kann, kann die Genauigkeit des Schrittwinkels in dem Schrittbetrieb des Bewegungselements verbessert werden.

Claims

1. Ultraschallmotor, umfassend einen Vibrator (2), welcher durch ein piezoelektrisches Ringelement (3) in Schwingung versetzt wird, das eine Mehrzahl von in Winkelabstand zueinander angeordneten piezoelektrischen Unterelementen (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;, 30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;) aufweist, ein drehbares Element (1), welches in Kontakt mit dem Vibrator (2) ist und welches dazu eingerichtet ist, daß es durch letzteren gedreht wird, und ein Antriebsmittel zum Anlegen von Spannungen an die Unterelemente, um eine Schwingung des Vibrators (2) zu erzeugen, welche eine Drehung des drehbaren Elements (1) verursacht,

dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Element (1) im Winkelabstand zueinander angeordnete Nicht-Kontaktbereiche (1b) aufweist, welche nicht in Kontakt mit dem Vibrator (2) stehen und welche zueinander einen Abstand von der Hälfte der Wellenlänge der Schwingung aufweisen.

2. Ultraschallmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nicht-Kontaktbereiche durch Nuten oder Einkerbungen (1b) gebildet sind.

3. Ultraschallmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterelemente (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;, 30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;) alternierend in entgegengesetzte Richtungen polarisiert sind.

4. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Unterelemente in ersten und zweiten Gruppen (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;; 30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;) angeordnet sind, welche jeweils mit ersten und zweiten Elektroden (3a&sub1;, 3a&sub2;, 3a&sub3;; 3b&sub1;, 3b&sub2;, 3b&sub3;) oder Gruppen derselben verbunden sind.

5. Ultraschallmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden oder Gruppen derselben (3a&sub1;, 3a&sub2;; 3a&sub3;, 3b&sub1;, 3b&sub2;, 3b&sub3;) an einer Seite des piezoelektrischen Ringelements (3) angeordnet sind, wobei eine gemeinsame Elektrode vorgesehen ist, die an der entgegengesetzten Seite des piezoelektrischen Ringelements (3) angeordnet ist, wobei das Antriebsmittel erste und zweite Ausgabemittel (DA, DB) umfaßt zum Ausgeben von Antriebssignalen zu den ersten bzw. zweiten Elektroden oder Gruppen derselben sowie dritte Ausgabemittel (Dc) zum Ausgeben von Antriebssignalen zu der gemeinsamen Elektrode, wobei jedes der Ausgabemittel zusätzlich zu einem Antriebssignal-Ausgabezustand auf einen Ausgabezustand mit hoher Impedanz einstellbar ist.

6. Ultraschallmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator (2) eine Mehrzahl von Kontaktbereichen (5) aufweist, welche das drehbare Element (1) berühren und bei einem anderen Nieveau bezüglich des Rests des Vibrators (2) sind, wobei die Kontaktbereiche (5) bezüglich des Vibrators (2) winkelmäßig symmetrisch angeordnet sind und voneinander einen Abstand von einem Teil von 2n Teilen der Wellenlänge der Schwingung aufweisen, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 3 ist.

7. Ultraschallmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel das drehbare Element (1) intermittierend dreht, indem ein erster Antriebszustand, in welchem Wechselspannungen mit einer vorgeschriebenen gegenseitigen Phasendifferenz zwischen der ersten Elektrode (3A) und der gemeinsamen Elektrode (3C) und zwischen der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt werden, um an dem piezoelektrischen Ringelement (3) eine Wanderwelle zu induzieren, und ein zweiter oder dritter Antriebszustand wiederholt werden, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) oder der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement (3) zu induzieren.

8. Ultraschallmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Element intermittierend angetrieben wird, indem ein erster Antriebszustand, ein zweiter oder dritter Antriebszustand und ein Stoppzustand sequentiell wiederholt werden, in welchem keine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) oder der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird.

9. Ultraschallmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel das drehbare Element (1) durch Wiederholen eines ersten Antriebszustands, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine erste stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement (3) zu induzieren, eines zweiten Antriebszustands, in welchem eine Wechselspannung zwischen der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine zweite stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement (3) zu induzieren, und eines dritten Antriebszustands in irgendeiner Abfolge dreht, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) und der gemeinsamen Elektrode (3C) und zwischen der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine dritte stehende Welle an dem plezoelektrischen Ringelement (3) zu induzieren.

10. Ultraschallmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel in irgendeiner Abfolge einen ersten Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine erste stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement (3) zu induzieren, einen zweiten Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine zweite stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement (3) zu induzieren, einen dritten Antriebszustand, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) und der gemeinsamen Elektrode (3C) und zwischen der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine dritte stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement (3) zu induzieren, und einen vierten Antriebszustand wiederholt, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) und der zweiten Elektrode (3B) angelegt wird, wobei ein mit der gemeinsamen Elektrode (3C) verbundener Ausgabeschalter in einem unterbrochenen Zustand ist, um eine vierte stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement (3) zu induzieren.

11. Ultraschallmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel das drehbare Element (1) durch Wiederholen eines ersten Antriebszustands, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine erste stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement (3) zu induzieren, eines zweiten Antriebszustands, in welchem eine Wechselspannung zwischen der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine zweite stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement zu induzieren, und eines dritten Antriebszustands in irgendeiner Abfolge dreht, in welchem eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) und der zweiten Elektrode (3B) angelegt wird, wobei die gemeinsame Elektrode (3C) in einem abgeschalteten Zustand ist, um eine dritte stehende Welle an dem piezoelektrischen Ringelement zu induzieren.

12. Ultraschallmotor, umfassend: ein piezoelektrisches Element (13) an einer Seite eines Vibrators (2), welcher durch das piezoelektrische Element (3) zur Schwingung angeregt wird, ein Bewegungselement (1) welches in Kontakt mit dem Vibrator (2) ist und durch Reibungskraft gedreht wird, einen piezoelektrischen Ring (3) mit einem Umfang, welcher einer an dem piezoelektrischen Element vorgesehenen vorgeschriebenen Wellenlänge entspricht, und an welchem Ring piezoelektrische Unterelemente (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;, 30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;), die von oben nach unten in entgegengesetzter Richtung polarisiert sind, alternierend angeordnet sind, eine erste Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;) und eine zweite Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;), welche entlang des ringförmigen Rings des piezoelektrischen Rings (3) mit einer gegenseitigen räumlichen Phasendifferenz ausgebildet sind, und ein Antriebsmittel, welches Wechselspannungen an die erste Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;) und die zweite Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;) anlegen kann, worin Nicht-Kontaktbereiche, welche aus Nuten oder Einkerbungen (1b) gebildet sind und dem Vibrator (2) entsprechen, an dem Bewegungselement (1) an der dem Vibrator (2) zugewandten Oberfläche in der Drehrichtung und in Intervallen ausgebildet sind, welche der Hälfte der oben angegebenen vorgeschriebenen Wellenlänge entsprechen.

13. Ultraschallmotor nach Anspruch 12, worin die erste Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;) und die zweite Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;) entlang des piezoelektrischen Rings (3) mit einer räumlichen Phasendifferenz Positioniert sind, welche ein Viertel der vorgeschriebenen Wellenlänge ist.

14. Ultraschallmotor nach Anspruch 12, worin die erste Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;) und die zweite Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;) entlang des piezoelektrischen Rings mit einer räumlichen Phasendifferenz positioniert sind, welche ein Sechstel der vorgeschriebenen Wellenlänge ist.

15. Ultraschallmotor nach Anspruch 12, worin die Positionierung der piezoelektrischen Unterelemente (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;, 30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;) und die Richtung der Polarisation der piezoelektrischen Unterelemente der ersten Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30a&sub1;, 30a&sub2;, 30a&sub3;) und der zweiten Reihe piezoelektrischer Unterelemente (30b&sub1;, 30b&sub2;, 30b&sub3;) an der Oberfläche des piezoelektrischen Rings (3) zueinander linear symmetrisch sind.

16. Verfahren zum Antreiben eines Ultraschallmotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Antriebsmittel des Ultraschallmotors ein Bewegungselement (1) intermittierend dreht durch Wiederholen eines ersten Antriebszustands, in welchem Wechselspannungen mit einer vorgeschriebenen gegenseitigen Phasendifferenz zwischen einer ersten Elektrode (3A) und einer gemeinsamen Elektrode (3C) und zwischen einer zweiten Elektrode (3B) und einer gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt werden, um eine Wanderwelle an dem piezoelektrischen Ring zu erzeugen, und eines zweiten oder dritten Antriebszustands, in welchen eine Wechselspannung zwischen der ersten Elektrode (3A) oder der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) oder der zweiten Elektrode (3B) und der gemeinsamen Elektrode (3C) angelegt wird, um eine stehende Welle an dem piezoelektrischen Ring zu induzieren.

17. Verfahren zum Antreiben eines Ultraschallmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 15, worin das Bewegungselement (1) in Kontakt mit Vorsprüngen (5) bewegt wird, welche an dem Vibrator (2) vorgesehen sind, an welchem ein Vibratorelement, das aus einer Mehrzahl von Vibratorunterelementen gebildet ist, angebracht ist, indem der Vibrator (2) in Schwingung versetzt wird, worin die Anregung einer Wanderwelle, die Anregung einer stehenden Welle und das Stoppen der Anregung an dem Vibrator in Zeitabfolge umgeschaltet werden.

18. Verfahren zum Antreiben eines Ultraschallmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 15, worin der Stator (2) mit einer Frequenz nahe dem Resonanzpunkt vorgesehen ist und durch das Vibratorelement (3) gleichzeitig oder in einer zeitlichen Abfolge durch eine Mehrzahl von Schwingungszuständen in Schwingung versetzt wird, wodurch verursacht wird, daß die Steifigkeit und die Masse der schwingenden Teile des Stators (2) teilweise erhöht oder verringert werden.