JP2001016879A - 超音波モータ及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の圧電素子１０，１０’を用いた超音波
モータ（トラス型アクチュエータ）において、各圧電素
子１０，１０’の共振周波数にばらつきがある場合であ
っても、被駆動部材（ロータ４０）の移動（回転）方向
に関わりなく駆動効率をほぼ一定で、かつほぼ最大値に
維持する。 【解決手段】 ロータの回転方向に応じて、その回転に
最も寄与する（最も負荷の大きい）圧電素子１０又は１
０’の共振周波数で各圧電素子１０，１０’を駆動す
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、圧電素子等の変位
素子を用いたアクチュエータ、特に複数の変位素子の変
位を合成して楕円運動を発生させるトラス型アクチュエ
ータ等の超音波モータにおいて、被駆動部材の移動方向
に関わらず、ほぼ最大の駆動効率が得られる駆動方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧電素子等の変位素子をチッ
プ部材を介して互いに直交するように配置し、各変位素
子を位相が異なる駆動信号で駆動して、チップ部材を楕
円形の軌跡を描くように駆動するトラス型アクチュエー
タが知られている。ところで、圧電素子はその変位量が
小さいため、圧電素子を用いたアクチュエータを効率良
く駆動するためには、共振現象を用いて駆動することが
好ましい。

【０００３】圧電素子は図１４に示す回路と等価である
ため、駆動信号の周波数が共振周波数に近づくと、供給
する電圧と流れる電流の位相差が０に近づく。また、イ
ンピーダンスは最小値に近づき、電圧が一定であれば電
流が増加する。圧電素子の変位量は電流に比例するた
め、２つの圧電素子の共振周波数にずれが存在すると、
２つの圧電素子の変位が異なる。また、駆動信号に与え
た電圧の位相差と各圧電素子に流れる電流に位相差が一
致しなくなり、各圧電素子の変位の合成によって駆動さ
れるチップ部材の軌跡の形状が目的通りにはならない。
また、駆動信号の周波数が共振周波数から外れると、駆
動効率も大きく低下する。そのため、各圧電素子の共振
周波数を一致させることが望ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電素
子は、その製造時のばらつきや組立時のばらつき等によ
り共振周波数特性（インピーダンス特性）に個体差を有
する。また、複数の圧電素子を用いてアクチュエータを
製造する場合、アクチュエータの構成により、さらに各
圧電素子の共振周波数が変化する。一方、圧電素子を保
持するベース部材又はチップ部材の設計（質量調整等）
を工夫することにより、複数の圧電素子の共振周波数を
近似させることは可能であるが、完全に一致させること
は非常に困難である。

【０００５】また、共振周波数は負荷変動や環境条件の
変化により変動するため、共振周波数の変動の影響によ
り駆動効率が一定にならないという問題点を有してい
た。

【０００６】さらに、トラス型アクチュエータ等の超音
波モータの用途拡大に伴い、その小型化が望まれてい
る。一般に、小さな素子で大きな変位を得るには、素子
の機械的Ｑ値を大きくすればよいが、圧電素子等では駆
動信号の周波数が共振周波数から外れると、急激に変位
量が減少する。従って、複数の変位素子の共振周波数の
ずれは、各変位素子の変位量に影響し、被駆動部材の駆
動効率を低下させるという問題点を有していた。

【０００７】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、複数の変位素子の共振周波数がずれ
ている場合であっても被駆動部材の駆動方向に関わら
ず、ほぼ最大の駆動効率が得られ、かつ負荷変動等によ
る影響を受けにくい超音波モータ及びその駆動方法を提
供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の超音波モータは、複数の変位素子を含み、
被駆動部材の駆動方向に応じて少なくとも１つの変位素
子を共振状態で駆動することを特徴とする。

【０００９】上記構成において、被駆動部材の移動に伴
う負荷が最も大きい変位素子を共振周波数で駆動するこ
とが好ましい。

【００１０】さらに、各変位素子の先端部にそれぞれ結
合され、各変位素子の変位を合成するための変位合成部
をさらに含み、各変位素子及び変位合成部でトラス型ア
クチュエータを構成し、変位合成部が楕円運動を行うよ
うに各変位素子を駆動することが好ましい。

【００１１】さらに、各変位素子に流れる電流を検出す
る電流検出部をさらに具備し、共振駆動される変位素子
に供給される駆動信号の電圧と当該変位素子に流れる電
流の位相差が一定となるように駆動信号の周波数を調節
することが好ましい。

【００１２】さらに、共振駆動する変位素子の共振周波
数と同じ周波数を有し、所定の位相差を有する複数の駆
動信号を発生する駆動信号発生部と、被駆動部材の移動
方向に応じて共振駆動する変位素子を択一的に切り替え
ると共に、各変位素子に供給する駆動信号を切り替える
制御部とをさらに具備することが好ましい。

【００１３】さらに、変位素子は複数の圧電素子を電極
を介して積層したものであることが好ましい。

【００１４】または、変位素子は圧電素子と弾性体を含
み、弾性体を共振させることが好ましい。

【００１５】また、本発明の超音波モータの駆動方法
は、複数の変位素子を位相差を有する複数の駆動信号で
それぞれ駆動し、被駆動部材を所定方向に移動させる超
音波モータの駆動方法であって、被駆動部材の移動方向
に応じていずれか１つの変位素子を共振駆動させること
を特徴とする。

【００１６】上記方法において、被駆動部材の移動に伴
う負荷が最も大きい変位素子を共振周波数で駆動するこ
とが好ましい。

【００１７】また、共振駆動される変位素子に供給され
る駆動信号の電圧と当該変位素子に流れる電流の位相差
が一定となるように駆動信号の周波数を調節することが
好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】第１の実施形態 本発明の超音波モータについて、第１の実施形態である
トラス型アクチュエータを例にして説明する。まず、本
実施形態において変位素子として用いる積層型圧電素子
の構成を図１に示す。図１に示すように、積層型圧電素
子１０は、ＰＺＴ等の圧電特性を示す複数のセラミック
薄板１１と電極１２，１３を交互に積層したものであ
り、各セラミック薄板１１と電極１２，１３とは接着剤
等により固定されている。１つおきに配置された各電極
群１２及び１３は、それぞれ信号線１４，１５を介して
駆動電源１６に接続されている。信号線１４と１５の間
に所定の電圧を印加すると、電極１２と１３に挟まれた
各セラミック薄板１１には、その積層方向に電界が発生
し、その電界は１つおきに同じ方向である。従って、各
セラミック薄板１１は、１つおきに分極の方向が同じに
なる（隣り合う２つのセラミック薄板１１の分極方向は
逆となる）ように積層されている。なお、積層型圧電素
子１０の両端部には、保護層１７が設けられている。

【００１９】駆動電源１６により直流の駆動電圧を各電
極１２と１３の間に印加すると、全てのセラミック薄板
１１が同方向に伸び又は縮み、圧電素子１０全体として
伸縮する。電界が小さく、かつ変位の履歴が無視できる
領域では、各電極１２と１３の間に発生する電界と圧電
素子１０の変位は、ほぼ直線的な関係と見なすことがで
きる。この様子を図２に示す。図中、横軸は電界強度
を、縦軸は歪み率を表す。

【００２０】次に、駆動電源１６により交流の駆動電圧
（交流信号）を各電極１２と１３の間に印加すると、そ
の電界に応じて各セラミック薄板１１は同方向に伸縮を
繰り返し、圧電素子１０全体として伸縮を繰り返す。圧
電素子１０には、その構造や電気的特性により決定され
る固有の共振周波数が存在する。交流の駆動電圧の周波
数が圧電素子１０の共振周波数と一致すると、インピー
ダンスが低下し、圧電素子１０の変位が増大する。圧電
素子１０は、その外形寸法に対して変位が小さいため、
低い電圧で駆動するためには、この共振現象を利用する
ことが望ましい。

【００２１】次に、本実施形態のトラス型アクチュエー
タ（以下、単にアクチュエータと称する）の構成を図３
に示す。図３に示すように、２つの変位素子（積層型の
第１圧電素子及び第２圧電素子）１０，１０’を略直角
に交差させて配置し、それらの交差側端部にチップ部材
（変位合成部）２０を接着剤により接合している。一
方、第１及び第２圧電素子１０，１０’の他端部をベー
ス部材（固定部）３０に接着剤により接合している。チ
ップ部材２０の材料としては、安定して高い摩擦係数が
得られ、かつ耐摩耗性に優れた超硬合金（タングステン
・カーバイド等）が好ましい。ベース部材３０の材料と
しては、製造が容易で、かつ強度に優れたステンレス鋼
等が好ましい。また、接着剤としては、接着力及び強度
に優れたエポキシ系樹脂等が好ましい。なお、第１圧電
素子１０及び第２圧電素子１０’は図１に示す圧電素子
１０と実質的に同一である。ベース部材３０はばね４１
により付勢されており、ばね４１の付勢力によりチップ
部材２０はロータ４０とが所定の圧力で接触する。

【００２２】圧電素子１０，１０’をそれぞれ所定の位
相差を有する駆動信号で駆動すると、チップ部材２０は
楕円形（円形を含む）の軌跡を描くように駆動される。
このチップ部材２０を、例えば所定の軸の周りに回転可
能なロータ４０の円筒面に押しつけると、チップ部材２
０の楕円運動（円運動を含む）をロータ４０の回転運動
に変換することが可能となる。または、チップ部材２０
を、例えば棒状部材（図示せず）の平面部に押しつける
ことにより、チップ部材２０の楕円運動を棒状部材の直
線運動に変換することが可能となる。ロータ４０の材料
としては、アルミニウム等の軽量金属が好ましく、チッ
プ部材２０との摩擦による摩耗を防止するため、表面に
アルマイト等の処理を施すことが好ましい。あるいは、
鉄材にタフトライド（窒化処理）を施したものも有効で
ある。

【００２３】次に、ロータ４０とチップ部材２０を完全
剛体としたときのアクチュエータによるロータ４０の回
転原理について説明する。第１圧電素子１０及び第２圧
電素子１０’に印加する正弦波電圧の周波数（圧電素子
の駆動周波数）が小さく、チップ部材２０の回転速度が
遅い場合、ばね４１の付勢力によりアクチュエータ自体
がチップ部材２０の変位に追従してしまい、チップ部材
２０はロータ４０の表面から離反することはなく、ロー
タ４０の表面と接触した状態で往復駆動される。従っ
て、この場合ロータ４０を回転させることはできない。

【００２４】これに対して、第１圧電素子１０及び第２
圧電素子１０’に印加する正弦波電圧の周波数が大き
く、チップ部材２０の回転速度が速い場合、ばね４１の
付勢力によってはアクチュエータ自体がチップ部材２０
の変位に追従できず、チップ部材２０がロータ４０の表
面から一時的に離反する状態が生まれる。従って、チッ
プ部材２０がロータ４０の表面から離反している間にチ
ップ部材２０を所定方向に移動させ、チップ部材２０が
ロータ４０の表面に接触している間に所定方向と反対の
方向に移動させることにより、ロータ４０を回転させる
ことができる。この状態を図４に示す。

【００２５】図４において、（ａ）及び（ｅ）は第１圧
電素子１０及び第２圧電素子１０が共に伸び、チップ部
材２０がロータ４０の表面に接触した状態、（ｂ）は第
１圧電素子１０が縮み第２圧電素子１０’が伸び、チッ
プ部材２０がロータ４０の表面から離反した状態、
（ｃ）は第１圧電素子１０及び第２圧電素子１０が共に
縮み、チップ部材２０がロータ４０の表面から離反した
状態、（ｄ）は第１圧電素子１０が伸び第２圧電素子１
０’が縮んでいるが、アクチュエータがチップ部材２０
の動きに追いつき、チップ部材２０がロータ４０の表面
に接触した状態を示す。図４からわかるように、チップ
部材２０がロータ４０の表面から離反することにより、
ロータ４０を回転させることができる。なお、チップ部
材２０をロータ４０の表面から離反させるための条件
は、本発明の本質部分とは直接関係がないので、その説
明を省略する。

【００２６】次に、第１圧電素子１０及び第２圧電素子
１０’を駆動するための駆動信号について説明する。互
いに直交する独立した２つの運動を合成すると、その交
点は楕円振動の式（Lissajousの式）に従った軌跡を描
く。本実施形態のアクチュエータにおいても、第１圧電
素子１０及び第２圧電素子１０’を駆動するための駆動
信号の振幅や位相差を変化させることにより、種々の軌
跡を得ることができる。各駆動信号の振幅を等しくした
場合において、各駆動信号間の位相差を０°、４５°、
９０°、１３５°及び１８０°とした場合の軌跡をそれ
ぞれ図５の（ａ）〜（ｅ）に示す。

【００２７】このように、チップ部材２０の軌跡を制御
することにより、ロータ４０の回転方向、回転速度、回
転力（トルク）等を制御することができる。具体的に
は、ロータ４０に対してその接線方向におけるチップ部
材２０の軌跡の径を大きくすれば回転速度が上昇する。
また、ロータ４０に対してその法線方向におけるチップ
部材２０の軌跡の径を大きくすれば回転力が上昇する。
さらに、一方の駆動信号の位相を反転すれば回転方向を
反転させることができる。

【００２８】次に、圧電素子の共振特性について説明す
る。図６中、（ａ）は圧電素子の駆動信号の周波数（以
下、単に「周波数」とする）の変化に対するインピーダ
ンスの変化を、（ｂ）は周波数の変化に対する入力電圧
と圧電素子に流れる電流の位相差の変化を、（ｃ）は周
波数の変化に対する圧電素子の変位量の変化を表し、そ
れぞれ横軸を周波数とする。

【００２９】各図の左側から右側に順に注目してゆく。
周波数を徐々に大きくすると、インピーダンスが低下
し、それに伴って圧電素子の変位量が増加する。電圧と
電流の位相差は、通常電流の方が９０度進んでいるが、
共振周波数ｆ_rに近づくと急激に位相差が小さくなる。
周波数が共振周波数ｆ_rになると、インピーダンスが最
低となり、電圧と電流の位相差が０となる。また、圧電
素子の変位量は最大となる。

【００３０】周波数が共振周波数ｆ_rよりも大きくなる
と、インピーダンスが急激に増加し、電流の位相が電圧
の位相よりも遅れるようになる。一方、圧電素子の変位
量は、共振周波数ｆ_rの時をピークとして徐々に減少す
る。周波数がさらに大きくなると、電圧と電流の位相差
がほぼ一定となり、安定する周波数領域が存在する。

【００３１】周波数がさらに大きくなると、電圧と電流
の位相差が小さくなり、反共振周波数ｆ_zの時に、両者
の位相差が０となる。このとき、インピーダンスが最大
となる。周波数が反共振周波数ｆ_zよりも大きくなる
と、インピーダンスが徐々に減少し、電流の位相が電圧
の位相に対して進むようになり、９０度進んだ状態で安
定する。このように、共振周波数ｆ_rの近傍では、入力
電圧の位相と圧電素子に流れる電流の位相の関係（位相
差）が急激に変化することがわかる。

【００３２】例えば、第１圧電素子１０と第２圧電素子
１０’の共振周波数が一致し、かつインピーダンスが揃
っていれば、駆動信号の周波数を共振周波数に一致させ
ても、第１圧電素子１０と第２圧電素子１０’の変位
量、電圧と電流の位相も同様に変化する。従って、電圧
の振幅が等しく、かつ位相差が９０度の２つの駆動信号
を第１圧電素子１０と第２圧電素子１０’に入力する
と、チップ部材２０が円形のの軌跡を描くように駆動さ
れる。

【００３３】ところが、実際には圧電素子の製造上のば
らつきや組立時のばらつき等により第１圧電素子１０と
第２圧電素子１０’の共振周波数やインピーダンスに差
が生じる場合が多い。図７に共振周波数やインピーダン
ス等の特性の異なる２つの圧電素子の共振特性を示す。
図７中、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は図６の場合と同様
である。また、実線は第１圧電素子１０の共振特性を示
し、破線は第２圧電素子１０’の共振特性を表すものと
する。

【００３４】図７中実線で示す第１圧電素子１０の共振
周波数ｆ_aに着目すると、第１圧電素子１０の変位量は
最大であるのに対し、周波数ｆ_aは第２圧電素子１０’
の共振周波数ｆ_b以下であるため、第２圧電素子１０’
の変位量は最大値には達していない。第１圧電素子１０
及び第２圧電素子１０’をそれぞれ第１圧電素子１０の
共振周波数ｆ_aの駆動信号で駆動すると、第１圧電素子
１０の変位量（共振状態）は第２圧電素子１０’の変位
量（非共振状態）よりも大きくなる。この場合、図８
（ａ）に示すように、チップ部材２０の軌跡は、第１圧
電素子１０の変位方向を長軸とする楕円形となる。チッ
プ部材２０がこのような楕円軌跡を描く場合、ロータ４
０は時計方向には回転しやすいが、反時計方向には回転
しにくい。

【００３５】同様に、図７中破線で示す第２圧電素子１
０’の共振周波数ｆ_bに着目すると、第２圧電素子１
０’の変位量は最大であるのに対し、周波数ｆ_bは第１
圧電素子１０の共振周波数ｆ_aを超えているため、第１
圧電素子１０の変位量は最大値よりも低下している。第
１圧電素子１０及び第２圧電素子１０’をそれぞれ第２
圧電素子１０’の共振周波数ｆ_bの駆動信号で駆動する
と、第２圧電素子１０’の変位量（共振状態）は第１圧
電素子１０の変位量（非共振状態）よりも大きくなる。
この場合、図８（ｂ）に示すように、チップ部材２０の
軌跡は、第２圧電素子１０’の変位方向を長軸とする楕
円形となる。チップ部材２０がこのような楕円軌跡を描
く場合、ロータ４０は反時計方向には回転しやすいが、
時計方向には回転しにくい。

【００３６】そこで、本実施形態では、ロータ４０を時
計方向に回転させる場合、回転方向に対してロータ４０
を押す方向に変位する第１圧電素子１０を共振させるべ
く、第１圧電素子１０の共振周波数ｆ_aの駆動信号で駆
動する。また、ロータ４０を反時計方向に回転させる場
合、回転方向に対して突く方向に変位する第２圧電素子
１０’を共振させるべく、第２圧電素子１０’の共振周
波数ｆ_bの駆動信号で駆動する。このように、ロータ４
０の回転方向に応じて共振させる圧電素子を切り替える
ことにより、各回転方向における駆動効率をほぼ同程度
で、かつほぼ最大値にすることができる。

【００３７】次に、本実施形態の駆動回路のブロック構
成を図９に示す。共振周波数検出・追従部５０は、後述
するように周波数可変であり、所定の周波数で正弦波信
号を発生（発振）する。位相制御部５１は、共振周波数
検出・追従部５０からの正弦波信号に対して、所定角度
だけ位相がずれた正弦波信号を発生する。第１増幅器５
４及び第２増幅器５５は、それぞれ互いに位相のずれた
２つの正弦波信号の振幅を増幅し、第１圧電素子１０及
び第２圧電素子１０’に印加する。第１電流検出器５６
及び第２電流検出器５７は、それぞれ第１圧電素子１０
及び第２圧電素子１０’に直列に挿入された抵抗Ｒ₁，
Ｒ₂流れる電流を検出し、検出結果である電流信号を共
振周波数検出・追従部５０及び位相制御部５１に入力す
る。第１スイッチＳＷ１は、共振駆動する圧電素子を選
択するためのものであり、ロータ４０の回転方向に応じ
て、第１電流検出器５６及び第２電流検出器５７からの
電流信号のうち共振周波数検出・追従部５０に入力する
信号を選択する。また、第２スイッチＳＷ２は、ロータ
４０の回転方向を制御するためのものであり、第１増幅
器５３及び第２増幅器５４に入力する正弦波信号の位相
の進み／遅れを制御する。第１スイッチＳＷ１及び第２
スイッチＳＷ２はＣＰＵ５２により制御される。

【００３８】次に、共振周波数検出・追従部５０のブロ
ック構成を図１０に示す。前述のように、駆動信号の周
波数が共振周波数よりも小さい場合及び反共振周波数よ
りも大きい場合、圧電素子に流れる電流の位相は駆動信
号の電圧の位相よりも進んでいる。電流と電圧の位相差
は共振周波数及び反共振周波数の近傍で急激に変化し、
駆動信号の周波数が共振周波数又は反共振周波数と一致
したときに両者の位相差は０となる。また、駆動信号の
周波数が共振周波数と反共振周波数の間では、電流の位
相の方が電圧の位相よりも遅れている。従って、共振周
波数検出・追従部５０により発生した正弦波信号の電圧
の位相と第１電流検出器５６又は第２電流検出器５７に
より検出した電流の位相を比較し、両者が一致するよう
に正弦波信号の周波数を制御することにより、第１圧電
素子１０又は第２圧電素子１０’を共振駆動することが
できる。

【００３９】位相検出部５０１は、共振周波数検出・追
従部５０により発生した正弦波信号の電圧の位相と第１
電流検出器５６又は第２電流検出器５７により検出した
電流の位相を比較し、電流の位相が進んでいる場合はＵ
Ｐ／ＤＯＷＮカウンタ５０３をカウントアップする信号
を出力し、電流の位相が遅れている場合はＵＰ／ＤＯＷ
Ｎカウンタ５０３をカウントダウンする信号を出力す
る。ＵＰ／ＤＯＷＮカウンタ５０３は、位相検出部５０
１からの信号に応じてクロック発生部５０２により発生
されるクロック信号のカウント値を増減する。ＵＰ／Ｄ
ＯＷＮカウンタ５０３のカウント値（ディジタル信号）
は、Ｄ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ）５０４によりアナログ
信号に変換され、電圧制御発振器（ＶＣＯ）５０５に入
力される。電圧制御発振器５０５は、ＵＰ／ＤＯＷＮカ
ウンタ５０３のカウント値に応じた周波数の正弦波信号
を発生する。すなわち、カウントアップすれば周波数が
増加し、カウントダウンすれば周波数は減少する。この
ように、共振周波数検出・追従部５０は、駆動信号の電
圧と圧電素子に流れる電流の位相差を一定（位相差０）
に保つための位相ロックループを構成する。上記論理に
よれば、共振周波数をロックすることができるが、反共
振周波数をロックすることはできない（両者とも位相差
は０であるが）。また、負荷変動や環境条件の変化等に
より共振周波数が変化した場合も、共振周波数検出・追
従部５０により駆動信号の電圧と圧電素子に流れる電流
の位相差が一定となるように駆動信号の周波数を微調整
することができ、常時いずれかの圧電素子を共振駆動す
ることができる。

【００４０】図８（ａ）においてロータ４０を時計方向
に回転させる場合、共振駆動される第１圧電素子１０に
かかる負荷の方が非共振駆動される第２圧電素子１０’
にかかる負荷よりも大きい。逆に、図８（ｂ）において
ロータ４０を反時計方向に回転させる場合、共振駆動さ
れる第２圧電素子１０’にかかる負荷の方が非共振駆動
される第１圧電素子１０にかかる負荷よりも大きい。こ
のように、本実施形態の構成によれば、共振駆動される
圧電素子と大きな負荷がかかる圧電素子が一致している
ので、上記共振周波数検出・追従部５０により駆動信号
の周波数が常に共振駆動される圧電素子の共振周波数と
一致するように制御することにより、負荷変動の影響を
受けない又は非常に受けにくいアクチュエータを提供す
ることができる。

【００４１】第２の実施形態 なお、上記第１の実施形態の説明では、チップ部材２０
を駆動するための２つの変位素子１０，１０’をそれぞ
れ直交するように配置したが、これに限定されるもので
はなく、その他の角度、例えば４５°、１３５°等任意
の角度であってもよい。さらに、変位素子の数は２つに
限定されず、変位素子を３個、あるいはそれ以上用い
て、３自由度又は４自由度の駆動を行うように構成して
もよい。図１１に変位素子を３個用いた例を示す。変位
素子１０，１０’，１０”は、それぞれ図１に示す圧電
素子１０と実質的に同一とする。この場合、被駆動部材
であるロータ４０’は、少なくともチップ部材２０と接
触する面を球面とする。このような３次元的なアクチュ
エータであっても、ロータ４０’の回転方向に応じてい
ずれかの圧電素子の共振周波数の駆動信号で駆動するこ
とにより、被駆動部材の駆動方向に関わらず、ほぼ最大
の駆動効率が得られ、かつ負荷変動等による影響を受け
にくくすることができる。

【００４２】第３の実施形態 上記第１の実施形態では、変位素子として圧電素子を用
いているが、一般に圧電素子はセラミックス材料で作ら
れており、金属材料と比較して振動の減衰が大きく、共
振時の変位拡大率が小さい。また、セラミックスは圧縮
力には強いが引っ張り力には弱く、特に積層型圧電素子
の場合、その接着面で剥がれる可能性もある。そこで、
変位素子として単層の圧電素子と金属製の弾性体を直列
接続したものを用いることもできる。この変位素子を用
いたトラス型アクチュエータの構成を図１２に示す。第
１変位素子６０及び第２変位素子６０’は、それぞれ単
層の圧電素子（セラミックス薄板）６１，６１’と及び
弾性体６２，６２’で構成され、圧電素子６１，６１’
の両面には電極は設けられていない。また、第１変位素
子６０及び第２変位素子６０’は、それぞれ接着剤を用
いずに、ボルト６３，６３’によりチップ部材２０及び
ベース部材３０に固定されている。弾性体６２，６２’
及びベース部材３０をそれぞれ導電性材料で形成し、弾
性体６２，６２’及びベース部材３０の間に駆動電源を
接続し、第１変位素子６０及び第２変位素子６０’をそ
れぞれ上記いずれかの変位素子の共振周波数で駆動す
る。

【００４３】圧電素子６１，６１’を振動源として弾性
体６２，６２’を共振させることにより変位を拡大する
ことができる。また、金属材料の減衰が小さいため変位
がより拡大し、圧電素子６１，６１’に加わる引っ張り
力が小さくなるため、圧電素子６１，６１’の破壊を防
止することも可能である。弾性体６２，６２’の材料と
しては、アルミニウム、チタン、鉄、銅及びそれらの合
金等を用いる。

【００４４】第４の実施形態 上記第１の実施形態では、変位素子として圧電素子を積
層したものを用いたが、変位素子はこれに限定されず、
その他のものであってもよい。例えばボルト締めランジ
ュバン型の振動子７０，７０’を用いたトラス型アクチ
ュエータを図１３に示す。トラス構造にするため、各振
動子７０，７０’の単板の圧電素子７１，７１’の電極
部分にベース部材３０を配置している。また、チップ部
材２０に接続された弾性体７２，７２’の変位を拡大す
るために、弾性体７２，７２’の形状を先端（チップ部
材２０側）ほど細くなるように形成している。その他
は、上記第３の実施形態と同様である。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波モ
ータによれば、複数の変位素子を含み、被駆動部材の駆
動方向に応じて少なくとも１つの変位素子を共振状態で
駆動することを特徴とするので、各変位素子の共振周波
数がずれていても、被駆動部材のいずれの移動方向であ
っても駆動効率をほぼ同じにすることができ、またその
値をほぼ最大値にすることができる。また、各変位素子
の共振周波数を一致させたり、あるいは近似するように
調整する必要がなく、超音波モータの構成及び製造が容
易になり、コストダウンをはかることができる。

【００４６】また、被駆動部材の移動に伴う負荷が最も
大きい変位素子を共振周波数で駆動することにより、負
荷変動による影響を小さくすることができる。

【００４７】さらに、各変位素子の先端部にそれぞれ結
合され、各変位素子の変位を合成するための変位合成部
をさらに含み、各変位素子及び変位合成部でトラス型ア
クチュエータを構成し、変位合成部が楕円運動を行うよ
うに各変位素子を駆動することにより、被駆動部材を回
転させたり、あるいは平行移動させることができる。

【００４８】さらに、各変位素子に流れる電流を検出す
る電流検出部をさらに具備し、共振駆動される変位素子
に供給される駆動信号の電圧と当該変位素子に流れる電
流の位相差が一定となるように駆動信号の周波数を調節
することにより、負荷変動や環境条件の変化等により共
振周波数が変動した場合であっても、変位素子の共振状
態を維持することができ、駆動効率を安定させることが
できる。

【００４９】さらに、共振駆動する変位素子の共振周波
数と同じ周波数を有し、所定の位相差を有する複数の駆
動信号を発生する駆動信号発生部と、被駆動部材の移動
方向に応じて共振駆動する変位素子を択一的に切り替え
ると共に、各変位素子に供給する駆動信号を切り替える
制御部とをさらに具備することにより、非駆動部材の駆
動方向を容易に切り替えることができる。

【００５０】さらに、変位素子は複数の圧電素子を電極
を介して積層したものとすることにより、所望する任意
の変位量を得ることができる。または、変位素子は圧電
素子と弾性体を含み、弾性体を共振させることにより、
圧電素子自体を共振させる必要がなくなり、圧電素子自
体の破損を防止することができる。

【００５１】また、本発明の超音波モータの駆動方法に
よれば、複数の変位素子を位相差を有する複数の駆動信
号でそれぞれ駆動し、被駆動部材を所定方向に移動させ
る駆動方法であって、被駆動部材の移動方向に応じてい
ずれか１つの変位素子を共振駆動させることを特徴とす
るので、被駆動部材の駆動方向に関わらず、ほぼ一定
で、かつほぼ最大の駆動効率で駆動することができる。

【００５２】また、被駆動部材の移動に伴う負荷が最も
大きい変位素子を共振周波数で駆動することにより、負
荷変動の影響を受けにくくすることができる。

【００５３】さらに、共振駆動される変位素子に供給さ
れる駆動信号の電圧と当該変位素子に流れる電流の位相
差が一定となるように駆動信号の周波数を調節すること
により、負荷変動や環境条件の変化等により共振周波数
が変動した場合であっても、変位素子の共振状態を維持
することができ、駆動効率を安定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態であるトラス型アク
チュエータにおいて変位素子として用いる積層型圧電素
子の構成を示す図である。

【図２】 上記積層型圧電素子における各電極の間に発
生する電界と圧電素子の変位の関係を示す図である。

【図３】 第１の実施形態におけるトラス型アクチュエ
ータの構成を示す図である。

【図４】 第１の実施形態におけるアクチュエータによ
りロータを回転させる原理を示す図である。

【図５】 第１の実施形態において、２つの圧電素子に
印加する駆動信号の振幅を等しくし、各駆動信号間の位
相差を変化させた場合の軌跡を示す図である。

【図６】 圧電素子の共振特性を示す図である。

【図７】 共振周波数やインピーダンス等の特性の異な
る２つの圧電素子の共振特性を示す図である。

【図８】 ２つの圧電素子の変位量とチップ部材の軌跡
の関係を示す図である。

【図９】 第１の実施形態の駆動回路のブロック構成を
示す図である。

【図１０】 図９における共振周波数検出・追従部５０
のブロック構成を示す図である。

【図１１】 本発明の第２の実施形態の構成を示す図で
ある。

【図１２】 本発明の第３の実施形態の構成を示す図で
ある。

【図１３】 本発明の第４の実施形態の構成を示す図で
ある。

【図１４】 圧電素子の等価回路を示す図である。

【符号の説明】

１０ ：第１圧電素子（第１変位素子） １０’：第２圧電素子（第２変位素子） ２０ ：チップ部材（変位合成部） ３０ ：ベース部材 ４０ ：ロータ（被駆動部材） ５０ ：共振周波数検出・追従部 ５１ ：位相制御部 ５２ ：ＣＰＵ ５３ ：第１増幅器 ５４ ：第２増幅器 ５６ ：第１電流検出器 ５７ ：第２電流検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5D019 AA21 BB02 BB09 BB14 BB16 BB29 EE02 FF06 GG11 5H680 AA06 BB01 BB13 BB15 CC02 DD01 DD14 DD23 DD27 DD53 DD73 DD88 DD95 EE21 FF04 FF08 FF21 FF26 FF27 FF30 FF31 FF36 GG02 GG20 GG21 GG25 GG27

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の変位素子を含み、被駆動部材の駆
   動方向に応じて少なくとも１つの変位素子を共振状態で
   駆動することを特徴とする超音波モータ。
2. 【請求項２】 被駆動部材の移動に伴う負荷が最も大き
   い変位素子を共振周波数で駆動することを特徴とする請
   求項１記載の超音波モータ。
3. 【請求項３】 各変位素子の先端部にそれぞれ結合さ
   れ、各変位素子の変位を合成するための変位合成部をさ
   らに含み、各変位素子及び変位合成部でトラス型アクチ
   ュエータを構成し、変位合成部が楕円運動を行うように
   各変位素子を駆動することを特徴とする請求項１又は２
   記載の超音波モータ。
4. 【請求項４】 各変位素子に流れる電流を検出する電流
   検出部をさらに具備し、共振駆動される変位素子に供給
   される駆動信号の電圧と当該変位素子に流れる電流の位
   相差が一定となるように駆動信号の周波数を調節するこ
   とを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超音
   波モータ。
5. 【請求項５】 共振駆動する変位素子の共振周波数と同
   じ周波数を有し、所定の位相差を有する複数の駆動信号
   を発生する駆動信号発生部と、被駆動部材の移動方向に
   応じて共振駆動する変位素子を択一的に切り替えると共
   に、各変位素子に供給する駆動信号を切り替える制御部
   とをさらに具備する請求項１から４のいずれかに記載の
   超音波モータ。
6. 【請求項６】 変位素子は複数の圧電素子を電極を介し
   て積層したものであることを特徴とする請求項１から５
   のいずれかに記載の超音波モータ。
7. 【請求項７】 変位素子は圧電素子と弾性体を含み、弾
   性体を共振させることを特徴とする請求項１から５のい
   ずれかに記載の超音波モータ。
8. 【請求項８】 複数の変位素子を位相差を有する複数の
   駆動信号でそれぞれ駆動し、被駆動部材を所定方向に移
   動させる超音波モータの駆動方法であって、被駆動部材
   の移動方向に応じていずれか１つの変位素子を共振駆動
   させることを特徴とする超音波モータの駆動方法。
9. 【請求項９】 被駆動部材の移動に伴う負荷が最も大き
   い変位素子を共振周波数で駆動することを特徴とする請
   求項８記載の超音波モータの駆動方法。
10. 【請求項１０】 共振駆動される変位素子に供給される
    駆動信号の電圧と当該変位素子に流れる電流の位相差が
    一定となるように駆動信号の周波数を調節することを特
    徴とする請求項８又は９記載の超音波モータの駆動方
    法。