JP2000078866A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 位置検出機能を具備しつつも小型化が可能で
ある超音波モータを提供する。 【解決手段】 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
ータである。固定子５及び移動子６の他方の振動は他方
で検出され固定子５及び移動子６間の相対位置に応じた
信号が出力される。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超音波モータの小型化を達
成することが可能となる。

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
配置されたステータ及びロータを備えており、当該ステ
ータのみに駆動信号を供給してこれを超音波振動させ、
この振動に応じてロータ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ステ
ータ表面には進行波が発生し、このステータの進行波と
ロータとの間の摩擦力によってロータが回転する。従来
の超音波モータにおいては、そのロータの回転移動量を
計測するために、抵抗分割式又は光学式のロータリエン
コーダを超音波モータの回転軸に設けていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、抵抗分
割式のロータリエンコーダにおいては、抵抗体の抵抗値
の変化による測定誤差が生じ、光学式のロータリエンコ
ーダにおいてはスリット間の最小間隔によって分解能が
決定されてしまうため、その分解能を向上させることが
できず、また、ロータリエンコーダ自体は超音波モータ
の部品点数を増加させ、その小型化を妨げてしまう。本
発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、
位置検出機能を具備しつつも小型化が可能である超音波
モータを提供することを目的とする。

【０００４】

【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双方に駆動信号を供給して振動さ
せ、この振動に応じて前記移動子が移動する超音波モー
タであって、固定子及び移動子の一方の振動を他方で検
出して固定子及び移動子間の相対位置に応じた信号を出
力することを特徴とする。

【０００５】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に駆動信号を
供給して振動させ、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。

【０００６】更に、本願発明者は、固定子及び移動子の
一方の振動を他方で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ことを見出した。例え
ば、固定子を上記一方とすると、上記超音波モータは、
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。

【０００７】固定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。

【０００８】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、移動子を上
記一方とすることも可能である。

【０００９】換言すれば、本発明の超音波モータによれ
ば、固定子及び移動子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、固定子及び移動子間の相
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
超音波モータの小型化を達成することが可能となる。

【００１０】また、検出時には移動子が移動していない
ことが好ましいので、前記検出時には、固定子及び移動
子の一方にのみ駆動信号が供給され、検出時の駆動信号
の大きさは、固定子及び移動子の一方の振動によって他
方が移動しないように設定されることが好ましい。

【００１１】また、固定子及び移動子の一方に供給され
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。これらの関係が位相関係であれば、電気的
な後段処理が施しやすく、装置構成が容易となる。した
がって、固定子及び移動子間相対位置が信号間位相差に
応じる、換言すれば、前記出力信号が、固定子及び移動
子の一方に供給される駆動信号と、固定子及び移動子の
他方の振動に応じて該他方から出力される検出信号との
間の位相差に応じることとすれば、装置構成を容易にす
ることができる。

【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が、一
方の振動を他方で検出するように構成される。

【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、
本超音波モータは、ステータ５及びロータ６が圧接状態
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】以上のように、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、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。また、
振動子５ｖは、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。

【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の振動波により弾性体５ｅ
の表面に形成される振動波はロータ６に伝達され、弾性
体６ｅ及び圧電素子６ｖを振動させる。

【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
定在波がステータ５の表面に発生する。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表面に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Ｖｓ，
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、ステータ５及びロータ６表面の周方向
へ沿って進行する回転変位波が発生する。

【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、その振動波により弾性体５ｅ，６ｖの表面に振動波
が形成される。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５
ｅ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５
ｖ及び圧電素子６ｖ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、ステータ５表面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ステータ５及びロータ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に定
在波を発生させると、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６
ｅ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Ｖ
ｓ’、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〜Ｃ４）、電極ＳＳ
（Ｓ１〜Ｓ４）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、その振幅及
び位相がステータ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Ｖｃ’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の最大変位であるならば、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】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。

【００６３】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。この時、ゲート回路Ｇはオンしている。

【００６４】フィードバック電極ＦＢ’からのフィード
バック信号は、この図においては説明簡略化のため使用
していないが、好ましくは位相検出器、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。

【００６５】駆動信号Ｖｓ＝ｓｉｎωｔの印加によって
ステータ５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。Ｖｃ’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Ｖｓ’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２ｇ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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】なお、上述のようにして検出された相対位
置は、ロータ６の回転制御に利用することができる。例
えば、モータに電源を投入する直前においては、ロータ
６のステータ５に対する相対位置は不明であるので、モ
ータの起動前に相対位置を検出すれば、回転変位波の噛
合位置を起動時に合せるなど、必要に応じてロータの位
置に対応した処理を行うことができる。また、モータ稼
動前のセット条件を設定する際の測定に用いることもで
きる。

【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を与えられる。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。回転変位波ＢのＡに対する周波数差が＋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＋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】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以上を有する。なお、Ｖｃ’の入力側の
等価容量は４０００ｐＦである。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、検出角度が変化
する。

【００８２】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。

【００８３】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と弾性体５ｅに回転変位波を発生させると、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’、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。

【００８４】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。

【００８５】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、前述のようにスタータ５／ロータ６
間の相対回転位置を求めることができる。

【００８６】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。

【００８７】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の座標系との間の相対位置を示す。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】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。

【００９１】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。

【００９２】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。

【００９３】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。

【００９４】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５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を与えられ、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小時
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，２
ｄ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。

【００９５】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。

【００９６】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。変換されたそれぞれ
の方形波の位相は、位相検出回路２ｊ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。

【００９７】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。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。

【００９８】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４
８．０００ｋＨｚ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Ｖｆｂｓ’のＳＮ比は８０ｄＢ以上を得た。

【００９９】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。

【０１００】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。

【０１０１】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。

【０１０２】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係る超
音波モータによれば、振動検出を利用することとしたの
で、モータ外部に別途エンコーダを取付けることなく、
Ｓ／Ｎの良い位置検出機能を具備したシンプルな小型化
モータを達成することができる。

【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。

【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
   動子の双方に駆動信号を供給して振動させ、前記振動に
   応じて前記移動子が移動する超音波モータであって、前
   記固定子及び前記移動子の一方の振動を他方で検出して
   前記固定子及び前記移動子間の相対位置に応じた信号を
   出力することを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 前記検出時には、前記固定子及び前記移
   動子の一方にのみ駆動信号が供給され、前記検出時の前
   記駆動信号の大きさは、前記固定子及び前記移動子の一
   方の振動によって他方が移動しないように設定されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 【請求項３】 前記出力信号は、前記固定子及び前記移
   動子の一方に供給される駆動信号と、前記固定子及び前
   記移動子の他方の振動に応じて該他方から出力される検
   出信号との間の位相差に応じることを特徴とする請求項
   １に記載の超音波モータ。