JP2000078865A - 超音波モータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固定子及び移動子の振動波形間の位置ずれを
抑制可能な超音波モータの駆動方法を提供する。 【解決手段】 本発明は圧接状態で対向配置された固定
子５及び移動子６のそれぞれに設けられた振動子５ｖ，
６ｖの振動に応じて移動子６が移動する超音波モータの
駆動方法を対象とする。この駆動方法においては、振動
子の一方のみを能動的に振動させた時の振動子の他方の
振動を検出して固定子５及び移動子６間の相対位置を検
出する工程と、該検出値に応じて振動子の双方を能動的
に振動させた時の振動子の振動波形が噛合するように振
動子間の振動の位相差を調整する工程とを備えている。
この駆動方法においては、振動子の双方を能動的に振動
させた時の振動子の振動波形が噛合するように振動子間
の振動の位相差を調整するので、固定子５及び移動子６
の振動波形間の位置ずれを抑制することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータの駆
動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超音波モータは、圧接状態で対向
配置された固定子及び移動子を備えており、当該固定子
のみに駆動信号を供給してこれを超音波振動させ、この
振動に応じて移動子が回転移動するモータとして知られ
ている。詳説すれば、駆動信号の供給によって固定子表
面には進行波が発生し、この固定子の進行波と移動子と
の間の摩擦力によって移動子が回転する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本願発明者は、移動子
及び固定子のそれぞれに振動子が設けられており、振動
子への駆動信号の印加によって双方の振動子を振動させ
ると、移動子及び固定子双方の対向表面上に超音波振動
が発生し、この振動に応じて移動子が移動する超音波モ
ータを考案した。この超音波モータにおいては、移動子
及び固定子それぞれの対向表面上に超音波による振動波
が形成され、これらを圧接させることによって当該振動
波形同士が噛合し、移動子及び固定子間の相対的移動が
規制される。このように相対的移動が規制された状態
で、互いの位相をずらすことにより一方の振動波形を他
方に対して移動させると、移動子は固定子に対して相対
的に移動する。

【０００４】しかしながら、固定子の振動波形の山の位
置上に、これに噛合するはずの移動子の振動波形の谷が
常に位置するとは限らず、このような場合にはこれらが
噛合するように移動子が移動したり、滑り状態が生じて
駆動力の損失が生じる。例えば、上記超音波モータに電
源を投入した時には双方の相対位置が不明であって、且
つずれている場合が多いので、この時には移動子の谷が
固定子の山に噛合するように移動してしまう。また、振
動波形間の噛合による位置規制力、換言すれば振動振幅
を主体に摩擦力と固定子・移動子間付勢力の合成された
力であるが、例えば高速回転時にこれを超える駆動力が
加わると、固定子の振動波形の山の位置と移動子の振動
波形の谷の位置とが滑りによってずれてしまう。

【０００５】本発明は、このような課題に鑑みてなされ
たものであり、固定子及び移動子の振動波形間の位置ず
れを抑制可能な超音波モータの駆動方法を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の超音波モータは、圧接状態で対向配置され
た固定子及び移動子のそれぞれに設けられた振動子の振
動に応じて移動子が移動する超音波モータの駆動方法で
あって、振動子の一方のみを能動的に振動させた時の振
動子の他方の振動を検出して固定子及び移動子間の相対
位置を検出する工程と、該検出値に応じて振動子の双方
を能動的に振動させた時の振動子の振動波形が噛合する
ように振動子間の振動の位相差を調整する工程とを備え
ることを特徴とする。

【０００７】本発明の超音波モータによれば、圧接状態
で対向配置された固定子及び移動子の双方を振動させ、
この振動に応じて前記移動子が移動するので、双方の振
動の協動による振動波の噛合が移動子の駆動力を増加さ
せる。

【０００８】この超音波モータの駆動方法においては、
振動子の一方のみを能動的に振動させた時の振動子の他
方の振動を検出して固定子及び移動子間の相対位置を検
出する。例えば、固定子側の振動子を上記一方とする
と、固定子及び移動子が圧接状態で対向配置されている
ので、固定子の振動は移動子に伝達され、移動子におい
ても略同位相の振動が発生する。固定子側の振動子の振
動は能動的に発生させているので、固定子の座標系から
みた振動波位置は特定することができる。移動子の振動
は受動的に発生するが、移動子の座標系からみたこれの
振動波位置は、例えば振動波の位置に応じて異なる信号
を出力する手段を移動子に設ける等の手法を用いること
により、特定することができる。すなわち、固定子の座
標系からみた振動波位置は特定されており、移動子の座
標系からみた振動波位置も特定することができる。固定
子と移動子との間の相対位置は、これらの座標系の相対
位置である。上記の如く、それぞれの振動波は略同位
相、すなわち、それぞれ振動波位置が同一であるので、
座標系間の相対回転位置を求めることができる。なお、
移動子側の振動子を上記一方とすることも可能である。

【０００９】本発明の超音波モータの駆動方法において
は、該検出値に応じて振動子の双方を能動的に振動させ
た時の振動子の振動波形が噛合するように振動子間の振
動の位相差を調整する工程を備えるので、固定子及び移
動子の振動波形間の位置ずれを抑制することができる。

【００１０】また、振動子の双方を振動させている場合
には、相対位置検出値の精度が劣化する。したがって、
本発明に係る超音波モータの駆動方法においては、たと
えそれが短時間であっても、振動子の一方のみを能動的
に振動させた時に振動子の他方の振動を停止させる工程
を更に備えることが望ましい。

【００１１】なお、超音波モータの移動子は直線運動を
行う場合はスライダとして機能し、回転運動を行う場合
はロータとして機能する。また、上記振動の発生につい
ては種々の手法が考えられ、機械的振動機構を用いて振
動を発生させることも可能であり、また、スピーカのよ
うな電磁気的振動機構を用いて振動を発生させることも
可能である。なお、前記停止工程は、移動子が１波長分
移動するごとに少なくとも１度実行されることが好まし
い。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に係る超音波モ
ータについて説明する。同一要素又は同一機能を有する
要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省
略する。

【００１３】図１は、本実施の形態に係る超音波モータ
を示す構成図である。本超音波モータは、機械的駆動機
構からなる超音波モータ本体１と、超音波モータ本体１
の駆動制御を行う制御装置２とから構成される。超音波
モータ本体１は、側壁を構成する円筒形のハウジング３
Ｓと、ハウジング３Ｓの上端及び下端開口を密閉封止す
る円形の蓋部材３Ｕ，３Ｌと、蓋部材３Ｕ，３Ｌ双方の
中央部開口を貫通する回転軸４とを備えており、制御装
置２によって駆動制御される。

【００１４】図２は、超音波モータ本体１を、その軸中
心を通る平面で切った超音波モータ本体１の縦断面図
（I−I矢印断面図）である。超音波モータ本体１のハウ
ジング３Ｓ内には、外周円環状のステータ５及びロータ
６が回転軸４に対して同軸となるように対向配置されて
いる。

【００１５】ステータ５は、ハウジング３Ｓに対して不
動となるように、下部蓋部材３Ｌの外面側からこれに貫
挿されたボルトＢによって、その下部蓋部材３Ｌに固定
されている。

【００１６】回転軸４は、蓋部材３Ｕ，３Ｌの中央部開
口の内面にアウターレースが固定されたボールベアリン
グ９Ｕ，９Ｌのインナーレースに固定されており、ボー
ルベアリング９Ｕ，９Ｌによってハウジング３Ｓに対し
て回転自在に支持されている。

【００１７】ロータ６は、ハウジング３Ｓに対して回転
移動できるように、概略円環状の台座７及び皿バネ８を
介し、ハウジング３Ｓに対して回転可能な回転軸４に固
定されている。したがって、ロータ６がステータ５に対
して相対的に回転すると、回転軸４がハウジング３Ｓに
対して相対的に回転する。ステータ５及びロータ６に回
転駆動用の駆動信号を供給すると、これらの表面には円
周方向に進行する超音波振動波としての進行波が発生
し、それぞれの進行波の噛合によって双方の相対移動が
規制され、この状態で一方の進行波を他方に対して移動
させるとロータ６がステータ５に対して回転する。すな
わち、本超音波モータによれば、圧接状態で対向配置さ
れたステータ５及びロータ６の双方に駆動信号を供給し
て振動させ、この振動に応じてロータ６が移動するの
で、双方の振動の協動による振動波の噛合によって、従
来の摩擦力駆動による超音波モータよりも、ロータ６の
駆動力を増加させることができる。

【００１８】なお、この振動波は、ステータ５の厚み方
向に振幅を有し、円周方向に沿って進行するため、以下
の説明ではこれを回転変位波として説明する。

【００１９】ここで、本超音波モータにおいては、回転
軸４のハウジング３Ｓに対する相対回転位置、換言すれ
ば、ロータ６のステータ５に対する相対回転位置を、一
方の振動を他方で検出することによって検出するように
構成されている。

【００２０】すなわち、本実施の形態に係る超音波モー
タは、従来の位置検出方式とは全く異なる物理現象であ
る超音波振動を位置検出に利用する。ステータ５及びロ
ータ６の一方のみを振動させた場合に、他方の振動を検
出することにより、これらの相対位置を検出することが
可能となる。以下、詳説する。

【００２１】例えば、ステータ５を上記一方とすると、
ステータ５及びロータ６は圧接状態で対向配置されてい
るので、ステータ５の振動はロータ６に伝達され、ロー
タ６においても略同位相の振動が発生する。ステータ５
の振動は能動的に発生させているので、ステータ５の座
標系からみた振動波位置は特定することができる。ロー
タ６の振動は受動的に発生するが、ロータ６の座標系か
らみたこれの振動波位置は、例えば振動波の位置に応じ
て異なる信号を出力する手段をロータ６に設ける等の手
法を用いることにより、特定することができる。

【００２２】すなわち、ステータ５の座標系からみた振
動波位置は特定されており、ロータ６の座標系からみた
振動波位置も特定することができる。ステータ５とロー
タ６との間の相対回転位置は、これらの座標系の相対回
転位置である。上記の如く、それぞれの振動波は略同位
相、すなわち、それぞれ振動波位置が同一であるので、
座標系間の相対回転位置を求めることができる。なお、
ロータ６を上記一方とすることも可能である。

【００２３】相対位置検出に用いられる振動は、進行波
等の回転変位波であってもよいし、また、定在波であっ
てもよい。いずれの場合においても、相対位置検出可能
な上記座標系の関係は成立するからである。

【００２４】本超音波モータにおいては、ステータ５及
びロータ６の他方の振動を直接の位置検出被測定対象源
とすることにより、ステータ５及びロータ６間の相対位
置に応じた信号を出力させることができ、これらの相対
位置を検出し、以って位置検出機能を具備しつつも、従
来のロータリエンコーダが不要となるため、超音波モー
タの小型化を達成することが可能となる。なお、本実施
の形態に係る超音波モータにおいては、ロータリエンコ
ーダは特に必要ではないが、回路構成上の必要に応じて
別途設けることとしてもよい。この位置検出は制御装置
２において行う。以下、この検出原理を用いた超音波モ
ータの詳細な構成について説明する。

【００２５】まず、上記回転変位波又は定在波をステー
タ５表面上に発生させる機械的構成について説明する。
ステータ５は、その金属製弾性体５ｅを圧電振動子５ｖ
によって振動させる。すなわち、ステータ５は、セラミ
ック圧電素子からなる円環状の振動子５ｖと、振動子５
ｖが裏面外周部に貼着された金属からなる円環状の弾性
体５ｅとを備えている。直接の振動部位である弾性体外
周部５ｏと、その内周部５ｉとの間には肉薄円環状の中
間部５ｍが位置し、この中間部５ｍが外周部５ｏの振動
を容易にさせるとともに、内周部５ｉと外周部５ｏとの
間の振動伝達を抑制している。弾性体５ｅの肉厚内周部
５ｉは、弾性体主要振動部位から遠い位置にあるので、
ここをボルトＢにより下部蓋部材３Ｌに固定し、弾性体
５ｅをハウジングに対して不動とする。

【００２６】図１に示した制御装置２から、位置検出用
又は回転駆動用の駆動信号をステータ側振動子５ｖに印
加すると、ステータ５の表面に超音波による振動波、す
なわち、回転変位波或いは定在波が形成される。ロータ
６はステータ５に圧接して対向しているので、双方に回
転変位波が発生した場合にはロータ６を回転させること
ができ、その一方であるステータ５に回転変位波又は定
在波が発生した場合には、これらの振動波の伝達によっ
てロータ６の対向表面上にも超音波による振動波が形成
され、ロータ６のステータ５に対する相対位置を検出す
ることが可能となる。

【００２７】次に、ロータ６表面上の振動波を検出する
機械的構成について説明する。ステータ５の振動波の伝
達によって発生したロータ側金属製弾性体６ｅの振動波
は、これに設けられた圧電素子６ｖによって検出する。
すなわち、ロータ６は、ステータ５と同一構造を有し、
セラミック圧電素子からなる円環状の圧電素子６ｖと、
圧電素子６ｖが上面外周部に貼着された金属からなる円
環状の弾性体６ｅとを備えている。弾性体６ｅの肉厚内
周部６ｉは上記の如く回転軸４に固定され、弾性体６ｅ
は外周部６ｏと内周部６ｉとの間に円環状の肉薄中間部
６ｍを備えている。

【００２８】ステータ５の定在波或いは回転変位波をロ
ータ６に効率的に伝達するように、ロータ６に固定され
た台座７は、回転軸４に内縁部が固定された皿バネ８に
よってロータ６側へ付勢されており、ロータ６の対向表
面はステータ５の対向表面に圧接されている。なお、ス
テータ５及びロータ６間の振動の干渉を抑制するよう
に、ステータ側弾性体５ｅは外周部５ｏ上面に幅狭円環
状の凸部５ｐを有し、ロータ側弾性体６ｅは外周部６ｏ
裏面に幅狭円環状の凸部６ｐを有している。これらの凸
部５ｐ，６ｐは摩擦緩衝部材１０を介して圧接されてい
る。摩擦緩衝部材１０は、樹脂材料等よりなる円環状の
シートであり、凸部５ｐ，６ｐ間の相互干渉を防止して
定在波又は回転変位波を両者に正常に発生させると共
に、金属同士の直接接触を回避して異音の発生を防止
し、更にこれら圧接部５ｐ，６ｐの耐久性を向上させ
る。

【００２９】ステータ内周部５ｉ及び中間部５ｍと、ロ
ータ内周部６ｉ及び中間部６ｍとの間には厚さ数ｍｍ程
度の空間が形成されており、この空間内にロータ側圧電
素子６ｖからの信号を取り出す信号取出機構１１が配置
されている。信号取出機構１１としてはロータリトラン
ス等を用いたものも考えられるが、ここでは簡単のため
ブラシとスリップリングを用いたものであるとする。

【００３０】信号取出機構１１は、回転軸４に対して同
心円状に配置された３つの円環状の導電リングの一部分
を、それぞれロータ５側に折り曲げてなるブラシ１１
ａ，１１ｂ，１１ｃと、それぞれのブラシ１１ａ，１１
ｂ，１１ｃの先端部が接触するように回転軸４に対して
同心円状に配置されたスリップリング１１Ａ，１１Ｂ，
１１Ｃとから構成されている。

【００３１】ブラシ１１ａ，１１ｂ，１１ｃの基端部は
ステータ５に固定され、スリップリング１１Ａ，１１
Ｂ，１１Ｃはロータ６に固定されている。したがって、
ロータ６を回転させた場合においても、ブラシ１１ａ，
１１ｂ，１１ｃの先端部とスリップリング１１Ａ，１１
Ｂ，１１Ｃとは常に接触状態にあり、ブラシ１１ａ，１
１ｂ，１１ｃ及び下部蓋部材３Ｌの外部からこれに直接
接続された導電ワイヤを介してスリップリング１１Ａ，
１１Ｂ，１１Ｃからの信号取出又はこれへの電力供給が
行われる。

【００３２】なお、ステータ５は下部蓋部材３Ｌに対し
て回転しないので、ステータ側振動子５ｖへの電力供給
は、下部蓋部材３Ｌの外部から振動子５ｖへ直接接続さ
れた別の導電ワイヤを介して行われる。

【００３３】この導電ワイヤに接続される振動子５ｖ
は、位置検出用の単相の駆動信号、好ましくはｓｉｎ波
信号又はｃｏｓ波信号の印加によって、弾性体５ｅ対向
表面上に定在波が形成されるように構成されている。

【００３４】また、この導電ワイヤに接続される振動子
５ｖは、２相の駆動信号、好ましくはｓｉｎ波信号及び
ｃｏｓ波信号の印加によって、弾性体５ｅ対向表面上に
回転変位波が形成されるように構成されている。

【００３５】圧電素子６ｖは振動子５ｖの上記振動波が
伝達されることによって、２相の検出信号を導電ワイヤ
を介して出力するように構成されている。以下、上述の
機能を達成する振動子５ｖ，圧電素子６ｖ及び弾性体５
ｅ，６ｅの機械的構成の一例について更に詳説する。

【００３６】図３は、超音波モータ本体１の主要部を一
部分解して示す斜視図である。円環状のステータ側振動
子５ｖは、円環状の圧電セラミック板ＣＭと、圧電セラ
ミック板ＣＭの一方面上に形成された４つの第１電極群
Ｓ１〜Ｓ４、４つの第２電極群Ｃ１〜Ｃ４及び１つのフ
ィードバック用電極ＦＢからなる電極群とを備えてい
る。第１電極群Ｓ１〜Ｓ４及び第２電極群Ｃ１〜Ｃ４
は、それぞれへの正弦波信号の印加によって、振動子５
ｖが周方向全体で５波の定在波を発生し得るように、機
械角で３６゜（λ／２）毎に配置されている。

【００３７】フィードバック用電極ＦＢは、第１電極群
の電極Ｓ１と第２電極群の電極Ｃ１との間に位置し、機
械角で１８°（λ／４）の周方向長を有し、セラミック
板ＣＭのこの部分は厚み方向に分極処理されている。第
１電極群の電極Ｓ４と第２電極群の電極Ｃ４は機械角で
５４°（３λ／４）離隔している。セラミック板ＣＭの
第１電極群Ｓ１〜Ｓ４及び第２電極群Ｃ１〜Ｃ４部分
は、各々隣り合う領域で厚み方向の分極方向が互いに逆
向き（図示＋−参照）となるように分極処理されてい
る。

【００３８】円環状の圧電セラミック板ＣＭの他方面上
には、圧電セラミック板ＣＭの一方面上の第１電極群Ｓ
１〜Ｓ４の形成領域全体に対向する電極ＳＳと、第２電
極群Ｃ１〜Ｃ４の形成領域全体に対向する電極ＣＣと、
フィードバック用電極ＦＢに対向するフィードバック用
電極ＦＢ’とが形成されている。なお、ロータ側圧電素
子６ｖの構造は、ステータ側振動子５ｖの構造と同一で
あるので、ここでは説明を省略する。

【００３９】振動子５ｖ及び圧電素子６ｖは、それぞれ
の一方面、すなわち第１電極群Ｓ１〜Ｓ４、第２電極群
Ｃ１〜Ｃ４及びフィードバック用電極ＦＢが形成された
面が、弾性体５ｅ，６ｅの対向表面と反対側の面に接触
するように、弾性体５ｅ，６ｅに導電性接着剤又は電気
的接触可能な厚みの絶縁性接着剤を介して貼着されてい
る。したがって、振動子５ｖの振動は弾性体５ｅの表面
に振動波を形成し、伝達によって発生した弾性体６ｅの
振動波は圧電素子６ｖに直接伝達される。

【００４０】また、弾性体５ｅ，６ｅはグランドに接続
されており、したがって、それぞれの第１電極群Ｓ１〜
Ｓ４、第２電極群Ｃ１〜Ｃ４及びフィードバック用電極
ＦＢは、弾性体５ｅ，６ｅを介してグランドに接続され
る。

【００４１】ロータ６の相対位置を検出する場合には、
ステータ５側の電極ＳＳ又は電極ＣＣに、ステータ５の
表面が回転変位波又は定在波を発生するように、２相の
駆動信号（Ｖｓ及びＶｃ）又は単相の駆動信号（Ｖｓ又
はＶｃ）が印加される。定在波について詳説すれば、ス
テータ側の振動子５ｖの電極ＳＳ又は電極ＣＣに単相の
正弦波電圧信号（ｓｉｎ波、ｃｏｓ波）からなる位置検
出用の駆動信号を印加すると、１つの電極、例えばＳ１
の周方向長を一振動の波長λの２分の１とするように、
ステータ５表面の周方向全体に亙って不動の複数波長の
定在波が発生する。本例では、ステータ５の一周の長さ
が５λに相当するため、５波長の定在波が発生する。

【００４２】ロータ６を回転駆動させる場合には、ステ
ータ５及びロータ６の電極ＳＳ及び電極ＣＣのそれぞれ
に、ステータ５及びロータ６の表面が回転変位波を発生
するように、９０°位相差を有する２相の駆動信号Ｖ
ｓ，Ｖｃが印加される。

【００４３】回転変位波について詳説すれば、ステータ
５及びロータ６の振動子５ｖの電極ＳＳ及び電極ＣＣの
それぞれに、９０°位相差を有する２相の正弦波電圧信
号（ｓｉｎ波、ｃｏｓ波）からなる回転駆動用の駆動信
号を印加すると、振動子５ｖ及び６ｖは、それぞれ振動
し、各々が弾性体５ｅ，６ｅに貼着されているため、こ
れらの周方向へ沿って進行する回転変位波がステータ５
及びロータ６表面に発生する。

【００４４】振動子５ｖ，６ｖは、弾性体５ｅ，６ｅに
貼着されているので、双方を振動させる場合において
は、その振動が直接弾性体５ｅ，６ｅに伝達される。ま
た、一方の振動子５ｖを振動させて、他方の振動子６ｖ
でこれを検出する場合には、弾性体５ｅに圧接した弾性
体６ｅの対向表面上には同位相の振動波がそれぞれ形成
され、これは弾性体６ｅに貼着された圧電素子６ｖによ
って直接検出される。なお、振動子５ｖ及び圧電素子６
ｖへの電力供給等は、前記導電ワイヤを介して行われ
る。

【００４５】ステータ側振動子５ｖの電極ＳＳ及び電極
ＣＣには、前述の制御装置２から回転変位波又は定在波
を発生させる駆動信号が供給され、供給に応じて振動子
５ｖが振動する。この振動に応じてフィードバック用電
極ＦＢ’から出力されるフィードバック信号である圧電
電圧信号は、制御装置２に入力される。なお、制御装置
２は、入力されたフィードバック信号に基づいて、この
信号と制御装置２内で発生する基準信号との位相差が一
定となるように発振周波数を変化させ、ステータ側振動
子５ｖに供給される駆動信号を制御する。なお、ロータ
側振動子６ｖの電極ＳＳ及び電極ＣＣには、これを振動
させる場合には制御装置２から回転変位波を発生させる
駆動信号が供給され、その振動を検出する場合には電極
ＳＳ及び電極ＣＣから振動に応じた検出信号が出力され
る。

【００４６】ここで、上述の定在波及び回転変位波につ
いて若干の説明をしておく。

【００４７】図４は、単相の駆動信号の印加によって、
５波長の定在波（２点鎖線で示す）が発生した時のステ
ータ５又はロータ６を示す。また、２点鎖線で示される
定在波は径方向に振幅を示すものとする。ここでは、第
１電極群Ｓ１〜Ｓ４により発生する周方向の振幅を径方
向に示した。すなわち、２点鎖線で示される円周外部に
ふくらんだ円弧部分は上方への隆起（山）を示し、円周
内部に入り込んだ円弧部分は下方への沈降（谷）を示す
ものとする。

【００４８】定在波の１波長内の位相を３６０度とすれ
ば、本例の弾性体５ｅ，６ｅの一周あたりには５波長の
波が発生するように構成されているため、弾性体５ｅ，
６ｅの周方向に沿った長さは、位相換算で３６０度の変
化を５度繰り返したものである。すなわち、一周あたり
の位相は都合３６０×５＝１８００度となる。また、こ
れが７波長である場合は、この位相は３６０×７＝２５
２０度となる。

【００４９】一方、回転駆動時に用いられる回転変位波
としての進行波は、９０°位相差を有する２相の駆動信
号のそれぞれの印加によって発生する２つの定在波の重
ね合わせによって発生する。なお、電極群は７波長或い
はこれ以上の波が発生するように更に多く設けられても
よい。

【００５０】図５は、単相の駆動信号Ｖｓのタイミング
チャートであり、横軸は時間ｔ、縦軸は信号レベルＶを
示し、図中のＴは駆動信号の周期を示す。同図中におけ
る駆動信号Ｖｓはｓｉｎ波である。駆動信号Ｖｓの印加
によって、圧電振動子５ｖの或る特定の点（例えばＳ１
の中心点ｓ１）は厚み方向に沿って振動する。この特定
点ｓ１からλ／２離隔した地点ｓ２は分極方向が逆なの
で特定点の振動に対して逆位相で振動する。したがっ
て、図４に示したように単相の駆動信号Ｖｓの印加によ
って、全周方向長が波長の整数倍であるため、振動子５
ｖ及び弾性体５ｅ上には定在波が発生する。なお、駆動
信号は定在波を発生させるものであれば、ｃｏｓ波であ
ってもよく、一方の駆動信号の印加による振動子５ｖの
振動の位相を変えない位相のものであれば、振動子５ｖ
のいずれの電極にこれを印加してもよい。

【００５１】図６は、９０°位相差を有する２相の駆動
信号Ｖｓ、Ｖｃのタイミングチャートであり、横軸は時
間ｔ、縦軸は信号レベルＶを示し、図中のＴは駆動信号
の周期を示す。同図中においてｓｉｎ波はＶｓ、ｃｏｓ
波はＶｃで示される。上述のように、一方の駆動信号Ｖ
ｓ又はＶｃの印加によって、図４及び図５に示したよう
にステータ５表面上には定在波が発生する。双方の駆動
信号Ｖｓ及びＶｃを振動子５ｖに同時に印加すると、ス
テータ５表面上には２つの定在波が同時に発生し、これ
らは重畳される。

【００５２】上記実施の形態においては、ｓｉｎ波信号
が与えられる電極Ｓ１は、これと９０°位相差を有する
ｃｏｓ波信号が与えられる電極Ｃ１に対して振動波のλ
／４（位相＝π／２）だけ離隔している。また、１つの
電極Ｓ１は振動波のλ／２（位相＝π）の長さがある。
このように、駆動信号Ｖｓ及びＶｃに９０°の電気的な
位相差を与え、双方の駆動信号Ｖｓ及びＶｃによって発
生するそれぞれの定在波にλ／４の機械的な位相差を与
えると、２つの定在波の重畳によって進行波、すなわ
ち、振動子５ｖの円周方向に沿って進行する進行波が回
転変位波として発生する。

【００５３】以上、説明したように、単相の駆動信号の
印加によってステータ５上には定在波が発生し、２相の
駆動信号の印加によってロータ５及びステータ６上には
回転変位波が発生する。以下、これらを用いた相対位置
検出及び回転駆動について説明する。

【００５４】まず、定在波を用いた相対位置検出につい
て説明する。

【００５５】図７は、圧電電圧信号から上記相対位置を
検出する原理を説明するための説明図である。図７
（ａ）はステータ側振動子５ｖを展開して示す展開図で
あり、図７（ｂ）はｓｉｎ側電極群Ｓ１〜Ｓ４（ＳＳ）
にのみｓｉｎ波が印加された場合の振動子５ｖの周方向
位置と変位を示すグラフである。なお、図７（ｂ）にお
ける実線は、実際に励振を行う部位の振動によって発生
した変位であり、点線はこの振動の伝播によって発生し
た変位を示す。ここで、振動を受けるロータ側圧電素子
６ｖの電極ＦＢがステータ側振動子５ｖのフィードバッ
ク電極ＦＢに対して相対的にｘ＝λ／２だけずれている
とし、図７（ｃ）は、この場合のロータ側圧電素子６ｖ
を展開して示す展開図である。

【００５６】圧電素子にある大きさの電圧を印加すると
圧電素子は歪むが、圧電素子をこれと同様に歪ませる
と、同様の大きさの電圧が出力される。振動子５ｖを振
動させると、弾性体５ｅが上述のように歪んで表面に定
在波が発生するが、定在波は対向する弾性体６ｅに伝達
されるため、弾性体６ｅが定在波の歪に合わせて歪み、
圧電素子６ｖからは歪に応じた圧電電圧信号Ｖｓ’、Ｖ
ｃ’，Ｖｆｂｓ’が出力される。圧電電圧信号Ｖｓ’、
Ｖｃ’及びＶｆｂｓ’は、それぞれロータ６側の圧電素
子６ｖの電極ＣＣ（Ｃ１〜Ｃ４）、電極ＳＳ（Ｓ１〜Ｓ
４）及び電極ＦＢ’（ＦＢ）からの出力電圧である。

【００５７】この圧電素子６ｖから出力される圧電電圧
信号Ｖｓ’、Ｖｃ’及びＶｆｂｓ’は、例えば個々を出
力する電極の面積が非常に小さい場合には、その振幅が
ステータ５側の位置を示すため、それぞれのみからでも
ステータ５及びロータ６間の相対位置を検出することは
できる。ここでは、この中の２つの信号Ｖｓ’及びＶ
ｃ’を用いた位置検出について説明する。

【００５８】圧電素子６ｖは、振動子５ｖと同様にその
歪に応じてＶｓ’、Ｖｃ’を出力する。例えば、相対位
置ずれ量が零の場合、図７（ａ）に示すステータ側電極
Ｓ１と図７（ｃ）に示すロータ側電極Ｃ１とが重なった
場合、駆動信号がＶｓの最大電位であるならば、図５の
例に倣うと、圧電電圧信号Ｖｓ’はこれに等しく、正弦
波電圧信号となる。この場合、Ｖｃ’は１つの電極内で
発生する電荷が打ち消し合うため振幅が零となる。ここ
では、Ｖｃ’は、振幅が零の正弦波電圧信号とする。ス
テータ５／ロータ６間の相対位置がずれても、それぞれ
の信号Ｖｓ’、Ｖｃ’の位相は変化せず、位置ずれに応
じてその振幅のみがＶｓ’の方は小さくなり、Ｖｃ’の
方は大きくなる。また、ロータ６がステータ５に対して
図７（ｃ）に示すように相対的にｘ＝λ／２ずれている
場合には、信号の関係はこれと逆になる。

【００５９】信号の振幅が相対位置に応じて変化するこ
とに鑑みれば、ロータ６側の電極が大きくても、上記電
極面積が非常に小さい場合と同様に、この相対位置をＶ
ｓ’又はＶｃ’のみに基づいて検出することも可能であ
る。この場合は、検出精度（分解能）が低くなる。検出
精度を考慮すれば、Ｖｓ’及びＶｃ’を用いて、その比
率を求めることによって相対位置を検出することが望ま
しい。

【００６０】本例では、検出精度とその飽和量を考慮し
て、Ｖｓ’及びＶｃ’の位相を適当に調整してそのミキ
シングを行うことにより、相対位置を検出することとす
る。Ｖｓ’及びＶｃ’は、振幅は異なるものの、同一の
定在波を発生源とすることからその電気的な位相は等し
い。振幅のみの異なる正弦関数と余弦関数の和で与えら
れる合成関数の元の正弦関数の位相に対する位相差は、
それぞれの振幅の関係を示している。したがって、正弦
波であるＶｓ’及びＶｃ’の一方に９０度の位相差を設
定し、これらをミキシングすれば、振幅の関係、すなわ
ち、相対位置を基準となる信号Ｖｓ’の位相に対する位
相差として出力することができる。ここで、基準となる
信号Ｖｓ’は、Ｖｓとしてもよい。

【００６１】図８は、制御装置２内のシステム構成を示
すシステム構成図である。圧電素子５ｖ，６ｖ間の矢印
は圧電素子５ｖ，６ｖが相互に配列位置を可変すること
を示している。

【００６２】発振回路２ａ，２ａ’は図示しない制御回
路により制御され、制御回路は外部ホスト装置などから
の指令を受けて、超音波モータの所定の回転・移動を行
わせるべく、発振回路２ａ，２ａ’に所定の周波数差を
与えるよう制御する。

【００６３】相対位置検出時には、スイッチＳＷ１をオ
フ状態とし、ステータ側の電極ＳＳのみにｓｉｎ波の駆
動信号Ｖｓを与える。これに応じて振動子５ｖは振動
し、ステータ５の表面に定在波が発生する。駆動信号Ｖ
ｓは発振回路２ａから出力されるクロックパルス信号を
増幅回路２ｂで増幅することにより生成する。なお、増
幅回路２ｂは高周波成分を遮断する機能も有する。振動
子５ｖに印加される駆動信号Ｖｓの振幅は例えば７５Ｖ
に設定される。

【００６４】すなわち、相対位置の検出時においては、
残りの増幅回路２ｄ，２ｂ’，２ｄ’の駆動電位をスイ
ッチＳＷ１を制御する（オフ状態）ことによって十分に
小さな値ＶＤ２（好ましくは０Ｖ）とし、ステータ５上
に定在波を発生させると共に、検出用圧電電圧信号Ｖ
ｓ’，Ｖｃ’が相対位置のみに応じて出力されるように
する。

【００６５】フィードバック電極ＦＢ’からのフィード
バック信号は、好ましくは位相比較器、ＬＰＦ、電圧制
御発振器を含む発振回路２ａに帰還され、発振回路２ａ
の出力周波数がステータ５の共振周波数に一致するよう
に制御される。

【００６６】駆動信号Ｖｓ＝ｓｉｎωｔの印加によって
ステータ側振動子５ｖの表面で発生した定在波が、ロー
タ側圧電素子６ｖに伝達されると、相対位置に応じて振
幅の異なる２つの検出用圧電電圧信号Ｖｓ’＝Ａｓｉｎ
（ωｔ），Ｖｃ’＝Ｂｓｉｎ（ωｔ）が出力される。Ｖ
ｃ’は移相回路２ｃ”によってその位相を９０度シフト
された後、信号を加算するミキサ回路ＭＸによってＶ
ｓ’に合成され、合成された出力信号Ｖｍ’＝Ｃｓｉｎ
（ωｔ＋Φ）は、必要に応じて増幅回路を含むリミッタ
回路又はコンパレータ等から構成される波形成形回路２
ｇによって方形波に変換されて出力される。なお、Ａ，
Ｂ，Ｃは相対位置により変化する変数、ωは角周波数、
Φは位相を示す。

【００６７】この変換された方形波信号は、相対位置の
検出時（ＳＷ１オフ状態）に入力信号を通過させるゲー
ト回路Ｇを介して方形波の状態の駆動信号Ｖｓと共に位
相検出回路２ｊに入力され、方形波の状態の駆動信号
（Ｖｓの位相）と比較され、位相検出回路２ｊからは位
相差Φ、すなわち相対位置に応じた電圧信号が出力さ
れ、演算回路２ｋに入力される。演算回路２ｋは、位相
差Φから相対位置を算出したり、これの周期的な変化量
を積算してロータ５の移動量を算出して出力する。この
信号は、図示しない制御回路を介して外部ホスト装置な
どへ送られ、回転位置や回転量の情報となる。なお、本
例の検出方法では、１振動波長内での検出となる。例え
ば、本例のように５波長１回転モータの場合、１／５回
転毎にＳＷ１を瞬間的にオフして位置検出し、必要に応
じて駆動信号の補正を行ったり、所定回転位置に移動し
たことを検知するなどの制御が可能となる。

【００６８】なお、信号Ｖｓ’及びＶｃ’は１波長内に
おいて２回レベルの揃う時があるので、このレベルを基
準にしてミキシングレベルを揃えてもよい。ミキシング
レベルは、それぞれの信号のレベルの最大値が等しくな
るように設定する。なお、レベル調整は、移相回路２
ｃ”による損失を考慮してこれらの最大値が結果的に等
しくなるように、換言すれば、正確な相対位置検出がで
きるように行うことが望ましい。

【００６９】本超音波モータは、回転変位波を用いるこ
とにより変位ロックドライブ方式の超音波モータとして
機能する。変位ロックドライブ方式の駆動方法は、従来
の超音波モータの駆動方式とは全く異なるタイプの駆動
方法であり、ステータのみでなく、ロータにおいても回
転変位波を発生させる。これらを圧接させることによっ
て双方の回転変位波が互いに噛合すると、ステータ及び
ロータ間の相対的移動が規制される。このように双方の
相対的移動が規制された状態で、一方の回転変位波を他
方に対して回転移動させると、ロータはステータに対し
て相対的に回転する。

【００７０】変位ロックドライブ方式は、従来のステー
タ及びロータ当接面の微小領域各点間の摩擦力による駆
動方法と異なり、超音波噛面として機能する回転変位波
の噛合による駆動方法のため、駆動力が大きく、また、
移動量の制御精度を向上させることができる。また、変
位ロックドライブ方式によれば、回転変位波間の相対速
度を調整することにより超音波モータを停止状態より最
高速回転の範囲までの最大の変位量で駆動できるので、
これは従来のように低速回転するため摩擦に必要な変位
量を小さくしなければならない駆動方式とは基本的に異
なる。特に、変位ロックドライブ方式によれば、特に低
速の範囲で従来の方式に比べて駆動力が大きい。

【００７１】変位ロックドライブ方式で超音波モータを
駆動させるため、スイッチＳＷ１をオン状態とし、スタ
ータ５及びロータ６の振動子５ｖ，６ｖの電極ＳＳ及び
電極ＣＣに、２相の駆動信号を印加する。

【００７２】ステータ側振動子５ｖの電極ＳＳにｓｉｎ
波の駆動信号Ｖｓを、電極ＣＣにｃｏｓ波の駆動信号Ｖ
ｃを与えると、振動子５ｖは振動し、ステータ５の表面
に回転変位波が発生する。電極ＳＳには既に発振回路２
ａから駆動信号Ｖｓが与えられている。スイッチＳＷ１
はオン状態とされるので、電極ＣＣにはｃｏｓ波の駆動
信号Ｖｃが与えられる。すなわち、駆動信号Ｖｃは、発
振回路２ａからのクロックパルス信号の位相を移相回路
２ｃによって９０度シフトさせた後、これを増幅回路２
ｄで増幅して生成される。

【００７３】ロータ側振動子６ｖを駆動するための発振
回路２ａ’、増幅回路２ｂ’，２ｄ’及び移相回路２
ｃ’の構成は、ステータ側振動子５ｖを駆動するための
発振回路２ａ、増幅回路２ｂ，２ｄ及び移相回路２ｃと
同一であり、移相回路２ｃ’による位相シフト方向はス
テータ５及びロータ６の回転変位波が同一方向に回転す
るように設定される。

【００７４】ロータ６の回転時においては、増幅回路２
ｂ，２ｄ及び増幅回路２ｂ’，２ｄ’の駆動電位を、ス
イッチＳＷ１（オン状態）を制御することによって十分
に大きな値ＶＤ１（例えば電圧振幅２０Ｖ_P-P以上）と
し、十分な振幅の回転変位波（例えば厚み方向変位の振
幅＝０．５〜１．５μｍ又は１〜３μｍ）が形成される
ようにする。

【００７５】なお、図９は、このような回転変位波が噛
合している際のステータ／ロータ接触部分を円周方向に
沿って切った断面図である。

【００７６】この場合において、発振回路２ａ，２ａ’
の周波数及び位相が同一の場合、回転変位波は同一方向
に同一速度で回転するため、ロータ６は停止する。すな
わち、ステータ側弾性体５ｅの凸部５ｐ（図２参照）に
生じる回転変位波Ａとロータ側弾性体６ｅの凸部６ｐに
生じる回転変位波Ｂが恰も歯車が噛み合った如く合致し
てロック作用するが、同相で回転変位するため、ロータ
６は停止する。

【００７７】一方の発振回路２ａ，２ａ’の周波数又は
位相を他方に対してシフトさせると、一方の回転変位波
が他方に対して相対的にシフトするため、ロータ６が回
転する。周波数差が＋Δｆの場合、噛み合っていた回転
変位波Ａ，Ｂのうちの、ロータ側の回転変位波Ｂがステ
ータ側の回転変位波Ａに対して相対的に進む関係が生じ
る。この時、ステータ５は固定されており、噛み合い状
態を保持するよう加圧力がステータ５及びロータ６間に
加えられていることから、この噛み合いを保持しようと
する作用により位相の変化分だけロータ６が回転する。
回転方向は変位波の回転方向と同じである。同様に、周
波数差が−Δｆの場合はロータ６は逆方向に回転する。
また、回転角度差は発振回路２ａ，２ａ’の位相差に従
う。

【００７８】なお、図８においては説明簡略化のため
に、ロータ６の駆動信号の発生源として発振回路２ａ’
を用いたが、実際には厳密な周波数管理が必要なため、
発振回路２ａの信号を基にしてこれに外部ホスト装置か
らの指令に応じて＋Δｆ又は−Δｆを付加することでロ
ータ側の駆動信号を生成する。

【００７９】本実施の形態に係わる変位ロックドライブ
方式の超音波モータにおいては、変位波の進行方向を一
方向に固定しても、変位波Ａ，Ｂ相互の位相関係によっ
て回転方向が定まる。回転方向は変位波の進行方向と位
相差の関係から定まり、変位波の進行方向のみで決定さ
れるものではない。この点は従来の進行波型の超音波モ
ータとは大きく異なる。

【００８０】更に、上記周波数の可変量±Δｆを増減さ
せると、ロータ６の回転速度が増減する。±Δｆ値によ
る回転速度（ｒｐｍ）は、６０×Δｆ／波数で定まるシ
ンクロナス回転速度を示し、例えばロータ６上の一周当
たり５波長の波が発生する本例の５波タイプでは、Δｆ
が１Ｈｚの時、６０×１／５＝１２ｒｐｍとなる。

【００８１】以上、説明したように、変位ロックドライ
ブ方式の超音波モータによれば、圧接状態で対向配置さ
れたステータ５及びロータ６の双方を振動させ、この振
動に応じて前記ロータ６が移動するので、双方の振動の
協動による振動波の噛合によってロータ６の駆動力を増
加させることができる。

【００８２】しかしながら、変位ロックドライブ方式の
超音波モータにおいては、ステータ５の振動波形の山の
位置上に、これに噛合するはずのロータ６の振動波形の
谷が常に位置するとは限らず、このような場合にはこれ
らが噛合するようにロータ６が移動したり、滑り状態が
生じて駆動力の損失が生じる。例えば、本超音波モータ
に電源を投入した時には双方の相対位置が駆動信号の位
相と一致していない場合が多いので、この時には駆動入
力信号の位相に従ってロータ６の谷がステータ５の山に
噛合するように移動してしまう。また、例えば高速回転
時に振動波形間の噛合による位置規制力を超える負荷力
が加わると、ステータ５の振動波形の山の位置とロータ
６の振動波形の谷の位置とが滑りによってずれてしま
う。

【００８３】そこで、本実施の形態に係る超音波モータ
においては、ステータ５及びロータ６間の相対位置を検
出した後、該検出値に応じて振動子５ｖ，６ｖの双方を
能動的に振動させた時の振動子５ｖ，６ｖの振動波形
Ａ、Ｂが噛合するように振動子５ｖ，６ｖの振動の位相
差を調整する。なお、検出された相対位置は、モータ稼
動前のセット条件の設定に用いることもできる。

【００８４】図８を再び参照すると、本実施の形態に係
る超音波モータは、位相検出回路２ｊから出力される位
相差信号（相対位置を示す）が入力される制御回路２ｚ
を具備している。制御回路２ｚは、入力されたステータ
５及びロータ６間の相対位置に応じて、振動波形Ａ、Ｂ
が噛合するように振動子５ｖ，６ｖの振動の位相差を調
整する。振動の位相差は、双方の振動子５ｖ，６ｖに与
えられる駆動信号の位相差であるので、制御回路２ｚは
駆動信号間の位相差を一方の発振回路２ａ’を制御する
ことによって調整する。なお、双方の駆動信号間の位相
差は、他方の発振回路２ａを制御することによって調整
してもよい。

【００８５】換言すれば、上述のように、実際には発振
回路２ａ’から出力される駆動信号は、発振回路２ａか
ら出力される駆動信号から生成されるので、これを調整
すればよい。すなわち、一方の発振回路２ａから出力さ
れた駆動信号の位相を他方に対して相対位置分だけシフ
トさせる。例えば、発振回路２ａから出力されるクロッ
クパルスを分周して、振動子５ｖ，６ｖに印加する駆動
信号を生成する場合においては、このクロックパルスか
ら１つのパルスを間引く又は追加して分周することによ
って、分周されたものの位相を１パルス分シフトさせる
ことができる。

【００８６】このように構成することにより、電源投入
時においては、まず、振動子の一方のみを振動させると
同時に、他方の振動を停止させ、相対位置を検出した
後、いずれかの位相を相対位置に応じて調整し、意図に
反したロータ６の回転移動を抑制する。

【００８７】また、振動波形間の噛合による位置規制力
を超える負荷が加わり、ステータ５の振動波形の山の位
置とロータ６の振動波形の谷の位置とが滑りによって少
しでもずれると、このずれを最小化するように、いずれ
かの位相を相対位置に応じて調整し、駆動力伝達の損失
を低減させる。ロータ６の回転移動時に相対位置を検出
する場合には、ロータ６の振動を間欠的に瞬時停止さ
せ、停止時において相対位置を検出した後、いずれかの
位相を相対位置に応じて調整する。

【００８８】図１０は、図８に示した位置検出装置の特
性（一点鎖線）を示す実測グラフである。横軸はステー
タ／ロータ間の相対回転位置（振動の一波長を３６０度
とする）を示し、縦軸は駆動信号／検出用圧電電圧信号
間の位相差Φを示す。なお、駆動信号の周波数は４８．
０００ｋＨｚである。同図に示すように相対回転位置と
位相差Φとの関係は略線形であり、測定時の読み取り誤
差を含めた測定誤差は±０．５°、検出用圧電信号のＳ
Ｎ比は８０ｄＢ以上を得た。なお、駆動信号の位相がシ
フトすれば、グラフは平行移動し、検出位相も変化す
る。

【００８９】次に、回転変位波を用いた相対位置検出に
ついて説明する。

【００９０】上述のように、圧電素子にある大きさの電
圧を印加すると圧電素子は歪むが、圧電素子をこれと同
様に歪ませると、同様の大きさの電圧が出力される。振
動子５ｖを振動させると、弾性体５ｅが上述のように歪
んで表面に回転変位波が発生するが、回転変位波は対向
する弾性体６ｅに伝達されるため、弾性体６ｅが回転変
位波の歪に合わせて歪み、圧電素子６ｖからは歪に応じ
た圧電電圧信号Ｖｓ’、Ｖｃ’，Ｖｆｂｓ’が出力され
る。圧電電圧信号Ｖｓ’、Ｖｃ’及びＶｆｂｓ’は、そ
れぞれロータ６側の圧電素子６ｖの電極ＣＣ（Ｃ１〜Ｃ
４）、電極ＳＳ（Ｓ１〜Ｓ４）及び電極ＦＢ’（ＦＢ）
からの出力電圧である。

【００９１】このようにして発生した回転変位波の位相
は、駆動信号の位相に比例する。すなわち、駆動信号の
位相が判明すれば、回転変位波の位相、すなわちステー
タ５の座標系に対する回転変位波の位置を求めることが
でき、また、この逆も可能である。

【００９２】上述のように、ステータ側に印加する駆動
信号Ｖｓ、Ｖｃの位相と回転変位波の位相との間には比
例関係がある。これは圧電素子の特性からして、ロータ
６側から出力される圧電電圧信号Ｖｓ’，Ｖｃ’，Ｖｆ
ｂｓ’の位相とこれに発生している回転変位波の位相と
が比例関係にあることを意味する。双方の回転変位波は
ステータ５の座標系からみると略同位相であるという拘
束条件があるので、前述のようにステータ５／ロータ６
間の相対回転位置を求めることができる。

【００９３】図１１は、圧電電圧信号から上記相対位置
を検出する原理を説明するための説明図である。図１１
（ａ）はステータ側振動子５ｖを展開して示す展開図で
あり、図１１（ｂ）はｓｉｎ側電極群Ｓ１〜Ｓ４（Ｓ
Ｓ）にのみｓｉｎ波が印加された場合の振動子５ｖの周
方向位置と変位を示すグラフ、図１１（ｃ）はｃｏｓ側
電極群Ｃ１〜Ｃ４（ＣＣ）にのみｃｏｓ波が印加された
場合の振動子５ｖの周方向位置と変位を示すグラフであ
る。なお、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）における実線
は、実際に励振を行う部位の振動によって発生した変位
であり、点線はこの振動の伝播によって発生した変位を
示す。ここで、振動を受けるロータ側圧電素子６ｖの電
極ＦＢがステータ側振動子５ｖのフィードバック電極Ｆ
Ｂに対して相対的にｘ＝λ／２だけずれているとし、図
１１（ｄ）は、この場合のロータ側圧電素子６ｖを展開
して示す展開図である。

【００９４】ロータ６側の圧電素子６ｖに形成される回
転変位波は進行波である。したがって、この進行波は圧
電素子６ｖの電極群Ｓ１〜Ｓ４に所定位相のｓｉｎ波を
印加することによって発生する定在波と、電極群Ｃ１〜
Ｃ４に所定位相のｃｏｓ波を印加することによって発生
する定在波とを重ね合わせることにより生成される波と
同様である。上記圧電素子の特性からして、圧電素子６
ｖの変位に応じて電極群Ｓ１〜Ｓ４及びＣ１〜Ｃ４から
は、その歪に応じてそれぞれ所定位相の正弦波検出用圧
電電圧信号及びこれと９０°位相差を有する正弦波検出
用圧電電圧信号が出力される。駆動信号に対するこれら
の検出信号の位相差Φは、駆動信号の位相に対応したス
テータ５の座標系と、検出信号の位相に対応したロータ
６の座標系との間の振動波の１波長内での相対位置を示
す。

【００９５】例えば、図１１（ｄ）における電極Ｃ１の
左端を周方向Ｘの基準位置とし、相対位置がＸ＝０から
λ／２（＝αとする）ずれているとする。この場合、上
記信号間の位相差Φは、圧電素子６ｖの分極の極性が他
方とは逆であることとすると、πとなる。換言すれば、
位相差Φがπの場合には、相対位置はλ／２ずれている
ことが判明する。

【００９６】図１２は、この場合の駆動信号Ｖｓ，Ｖｃ
（図１２（ａ））、フィードバック信号Ｖｆｂｓ（図１
２（ｂ））、検出用圧電電圧信号Ｖｓ’，Ｖｃ’，Ｖｆ
ｂｓ’（図１２（ｃ））を示すグラフである。検出用圧
電電圧信号Ｖｓ’，Ｖｃ’，Ｖｆｂｓ’は、それぞれ圧
電素子６ｖの電極ＣＣ（Ｃ１〜Ｃ４）、電極ＳＳ（Ｓ１
〜Ｓ４）及び電極ＦＢ’（ＦＢ）から出力される。

【００９７】以上、説明したように、ステータ５／ロー
タ６間の相対位置に応じて駆動信号／検出用圧電電圧信
号間には、位相差Φが生じる。したがって、この位相差
Φを計測すれば、ステータ５／ロータ６間の一振動波長
内の相対位置を求めることができる。

【００９８】次に、上記位相差Φを検出し、相対位置を
求める制御装置２内の電気的構成について説明する。

【００９９】図１３は、制御装置２内のシステム構成を
示すシステム構成図である。本例では、スイッチＳＷ１
及びＳＷ２を具備している。

【０１００】回転駆動時においては、スイッチＳＷ１及
びＳＷ２を電位ＶＤ１に接続することにより、ステータ
５及びロータ６双方に電極ＳＳ及びＣＣを介して２相の
駆動信号を供給する。換言すれば、ロータ６の回転時に
おいては、増幅回路２ｂ，２ｄ，２ｂ’，２ｄ’の駆動
電位を、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御することによっ
て十分に大きな値ＶＤ１（例えば電圧振幅２０Ｖ_P-P以
上）とし、十分な振幅の回転変位波（例えば厚み方向変
位の振幅＝０．５〜１．５μｍ）が形成されるようにす
る。これによりステータ５及びロータ６双方に回転変位
波が発生し、上述のようにロータ６が回転する。

【０１０１】相対位置検出時においては、スイッチＳＷ
１を電位ＶＤ２に、スイッチＳＷ２をグランド電位に接
続する。これによりロータ６の振動は停止すると共に、
ステータ側の電極ＳＳにはｓｉｎ波の駆動信号Ｖｓ、電
極ＣＣにはｃｏｓ波の駆動信号Ｖｃが与えられ、その表
面に回転変位波が発生する。この回転変位波の振幅が所
定値よりも大きい場合には、その回転変位波に応じてロ
ータ６が回転するが、ここでは、この振幅は所定値以下
であることとし、少なくとも検出時にはそれが微少時間
であってもロータ６が回転しないようにされる。すなわ
ち、相対位置の測定時においては、増幅回路２ｂ，２ｄ
の駆動電位をスイッチＳＷ１を制御することによって十
分に小さな値ＶＤ２（例えば電圧振幅１９Ｖ_P-P以下）
とし、ロータ６が回転しない程度の振幅の回転変位波を
形成する。ＶＤ２は、例えばＶＤ１の１／１０以下に設
定される。

【０１０２】駆動信号Ｖｓ＝ｓｉｎωｔ，Ｖｃ＝ｃｏｓ
ωｔの印加によって、ステータ５の表面で発生した回転
変位波がロータ側圧電素子６ｖに伝達されると、図１２
（ｃ）に示したようにロータ側電極ＣＣ，ＳＳ，ＦＢ’
には、検出用圧電電圧信号Ｖｓ’＝ｓｉｎ（ωｔ＋
Φ），Ｖｃ’＝ｃｏｓ（ωｔ＋Φ），Ｖｆｂｓ’＝ｓｉ
ｎ（ωｔ＋Φ＋π／４）が発生する。本例では、圧電信
号Ｖｆｂｓ’のみを電極ＦＢ’から取り出す。なお、他
の信号も必要に応じて取り出してよい。すなわち、例え
ば２つの信号Ｖｓ’，Ｖｃ’のみを取り出して、これを
Ｖｆｂｓ’と同様に処理してもよく、これらの後段の回
路においてこれらの平均を算出することとすれば、検出
時の測定誤差を低減することも可能である。予め位相差
Φと相対位置、及び位相進み遅れの順序をマトリクス化
しておき、３つの信号Ｖｓ’，Ｖｃ’，Ｖｆｂｓ’を取
り出しておけば相対位置と共に回転方向も求めることが
できる。この場合には後段の回路において、上記の如く
マトリクスから判定して相対位置及び回転方向を含めた
情報を出力する。

【０１０３】リミッタ回路又はコンパレータ等から構成
される波形成形回路２ｇは、検出用圧電電圧信号Ｖｆｂ
ｓ’を方形波に変換して出力する。なお、図８と同様に
波形成形回路２ｇの後段にゲート回路を設けてもよい。
変換されたそれぞれの方形波の位相は、位相検出回路２
ｊによって方形波の状態の駆動信号と比較され、位相検
出回路２ｊからは位相差Φ、すなわち相対位置に応じた
電圧信号が出力され、演算回路２ｋに入力される。

【０１０４】演算回路２ｋは、位相差Φから相対位置を
算出したり、これの周期的な変化量を積算してロータ５
の移動量を算出して出力する。前述のように、この信号
は外部ホスト装置などに送られ、回転制御に利用され
る。なお、上記マトリクスの手法は電磁型モータにおい
てはレゾルバ出力の処理に、光エンコーダ、磁気パルス
エンコーダにおいてはパルス出力のデジタル処理に用い
られており、上記３つの信号を取り出して回転方向を含
めた情報を得ようとする場合には、演算回路２ｋはこれ
ら一般的な手法を用いて構成すればよい。

【０１０５】ここで、本実施の形態に係る超音波モータ
は、位相検出回路２ｊから出力される位相差信号（相対
位置を示す）が入力される制御回路２ｚを具備してい
る。制御回路２ｚは、入力されたステータ５及びロータ
６間の相対位置に応じて、振動波形Ａ、Ｂが噛合するよ
うに振動子５ｖ，６ｖの振動の位相差を調整する。振動
の位相差は、双方の振動子５ｖ，６ｖに与えられる駆動
信号の位相差であるので、制御回路２ｚは駆動信号間の
位相差を例えば一方の発振回路２ａ’を制御することに
よって調整する。なお、駆動信号間の位相差の調整に関
しては、図８に示したものと同一であるので、ここでは
説明を省略する。

【０１０６】図１４は、図１３に示した位置検出装置の
特性（一点鎖線）を示すグラフである。横軸はステータ
／ロータ間の相対回転位置（振動の一波長を３６０度と
する）を示し、縦軸は駆動信号／検出用圧電電圧信号間
の位相差Φを示す。なお、駆動信号の周波数は４８．０
００ｋＨｚであり、振幅は１９Ｖ_P-Pであり、この程度
の振幅の駆動信号で形成される回転変位波によってはロ
ータ６は回転しない。同図に示すように相対回転位置と
位相差Φとの関係は略線形であり、測定時の読み取り誤
差を含めた測定誤差は±０．５°、検出用圧電信号Ｖｆ
ｂｓ’のＳＮ比は８０ｄＢ以上である。

【０１０７】図１５は、別の形態に係る制御装置２のシ
ステム構成図である。本制御装置では、図１３に示した
システムと比較して、フィードバック電極ＦＢ’からで
はなく、その相対位置を示す信号を電極ＳＳ及びＣＣか
ら取り出すこととし、それぞれを波形成形回路２ｇ’，
２ｇ”で方形波に変換した後、これらとステータ５側に
印加される駆動信号との間の位相差を位相検出回路２
ｊ’，２ｊ”で検出し、併せて制御回路２ｚに入力する
こととした点のみが異なる。制御回路２ｚにおいては、
双方の位相差信号を用いて、例えばこれらの平均を算出
して、ステータ５及びロータ６間の相対位置とし、駆動
信号間の位相差を調整する。駆動信号間の位相差の調整
に関しては、上記と同一であるので、ここでは説明を省
略する。また、この場合も図８と同様にゲート回路を設
けることができる。

【０１０８】図１６は、別の形態に係る制御装置２のシ
ステム構成図である。本制御装置では、図１３に示した
システムと比較して、ロータ６の回転移動時にロータ６
の振動を間欠的にごく短時間停止させ、停止時において
相対位置を検出した後、いずれかの位相を相対位置に応
じて調整することとした点のみが異なる。すなわち、本
超音波モータは、ロータ６回転時に駆動信号をロータ側
振動子６ｖに供給し、また、間欠的に供給を停止するゲ
ート回路Ｇ１と、ゲート回路Ｇ１の駆動信号の非供給時
に位相差Φ（相対位置）を示す位相検出器２ｊからの信
号をホールド回路Ｈ１に通過させるゲート回路Ｇ２と、
これらの回路Ｇ１，Ｇ２，Ｈ１のタイミングを発生する
タイミング発生回路Ｔ１と、ゲート回路Ｇ２を通過した
相対位置を示す信号が入力される制御回路２ｚとを備え
ている。制御回路２ｚは、上記と同様に、入力されたス
テータ５及びロータ６間の相対位置に応じて、振動波形
Ａ、Ｂが噛合するように振動子５ｖ，６ｖの振動の位相
差を調整する。ロータ６の振動を停止させる期間は、短
時間であり、その回転が例えば１２０ｒｐｍ＝２ｒｐｓ
の時においても、駆動信号の周波数は約５０ｋＨｚであ
るから、停止期間がその２波程度であれば、回転の連続
性に与える影響は少なく、実用上全く差し支えない。ま
た、前記停止工程は、移動子が１波長分移動するごとに
少なくとも１度実行されることが好ましい。

【０１０９】なお、上記超音波モータは、ステータ５及
びロータ６をそれぞれ固定子及び移動子とするように構
成したものであるが、この移動子は直線運動を行う場合
はスライダとして機能し、回転運動を行う場合はロータ
として機能する。また、上記振動の発生については種々
の手法が考えられる。機械的振動機構を用いて振動を発
生させることも可能であり、また、スピーカのような電
磁気的振動機構を用いて振動を発生させることも可能で
ある。

【０１１０】以上、説明したように、上記実施の形態に
係る超音波モータは、上記従来の位置検出方式とは全く
異なる物理現象である超音波振動を位置検出に利用し
た。すなわち、本超音波モータは、圧接状態で対向配置
された固定子５及び移動子６の双方に駆動信号を供給し
て振動させ、振動に応じて移動子６が移動する超音波モ
ータであって、固定子５及び移動子６の一方の振動を他
方で検出して固定子５及び移動子６間の相対位置に応じ
た信号を出力する。

【０１１１】固定子５及び移動子６の一方に供給される
駆動信号と一方位置との間には一定の関係があり、他方
から出力される検出信号と他方位置との間にも一定の関
係がある。上記実施の形態においては、これらの関係が
位相関係であるため、電気的な後段処理が施しやすく装
置構成が容易となった。

【０１１２】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係る超
音波モータの駆動方法によれば、その相対位置を検出し
て利用することとしたので、回転位置を検出するだけで
なく、固定子及び移動子の振動波形間の位置ずれを抑制
することができ、電源投入時などの意図しない移動を防
止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係る位置検出装置を示す構成
図。

【図２】位置検出装置本体１を、その軸中心を通る平面
で切った位置検出装置本体１の縦断面図（I−I矢印断面
図）。

【図３】位置検出装置本体１の主要部を一部分解して示
す斜視図。

【図４】５波長の定在波（２点鎖線で示す）が発生した
時のステータ５又はロータ６の平面図。

【図５】位置検出に用いられる単相の駆動信号Ｖｓのタ
イミングチャート。

【図６】回転駆動に用いられる９０°位相差を有する２
相の駆動信号Ｖｓ、Ｖｃのタイミングチャート。

【図７】圧電電圧信号から相対位置を検出する原理を説
明するための説明図。

【図８】制御装置２内のシステム構成を示すシステム構
成図。

【図９】回転変位波が噛合している際のステータ／ロー
タ接触部分を円周方向に沿って切った断面図。

【図１０】図８に示した装置による位相／相対位置の特
性（一点鎖線）を示す実測グラフ。

【図１１】圧電電圧信号から相対位置を検出する原理を
説明するための説明図。

【図１２】駆動信号Ｖｓ，Ｖｃ（図１２（ａ））、フィ
ードバック信号Ｖｆｂｓ（図１２（ｂ））、検出用圧電
電圧信号Ｖｓ’，Ｖｃ’，Ｖｆｂｓ’（図１２（ｃ））
を示すグラフ。

【図１３】制御装置２内のシステム構成を示すシステム
構成図。

【図１４】図１３に示した装置による位相／相対位置の
特性（一点鎖線）を示す実測グラフ。

【図１５】別の形態に係る制御装置２のシステム構成
図。

【図１６】別の形態に係る制御装置２のシステム構成
図。

【符号の説明】

５…固定子、６…移動子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA01 AA08 AA09 AA19 BB03 BB13 BB16 BB20 CC06 CC07 DD01 DD15 DD23 DD27 DD35 DD39 DD40 DD53 DD55 DD66 DD75 DD87 DD92 EE03 EE07 EE10 EE22 EE24 FF04 FF08 FF24 FF26 FF27 FF30 FF32 FF33 FF36 FF38 GG20 GG42

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧接状態で対向配置された固定子及び移
   動子のそれぞれに設けられた振動子の振動に応じて前記
   移動子が移動する超音波モータの駆動方法であって、前
   記振動子の一方のみを能動的に振動させた時の前記振動
   子の他方の振動を検出して前記固定子及び前記移動子間
   の相対位置を検出する工程と、該検出値に応じて前記振
   動子の双方を能動的に振動させた時の前記振動子の振動
   波形が噛合するように前記振動子間の振動の位相差を調
   整する工程とを備えることを特徴とする超音波モータの
   駆動方法。
2. 【請求項２】 前記振動子の一方のみを能動的に振動さ
   せた時に前記振動子の他方の振動を停止させる工程を更
   に備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波モー
   タの駆動方法。
3. 【請求項３】 前記停止工程は、前記移動子が１波長分
   移動するごとに少なくとも１度実行されることを特徴と
   する請求項２記載の超音波モータの駆動方法。