JP2001136763A

JP2001136763A - 超音波モータ及び超音波モータ付き電子機器

Info

Publication number: JP2001136763A
Application number: JP31154999A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Iino; 朗弘飯野; Kenji Suzuki; 賢二鈴木; Masao Kasuga; 政雄春日
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2001-05-18
Anticipated expiration: 2019-11-01
Also published as: JP4442965B2; EP1096655A3; US6586860B1; EP1096655A2

Abstract

(57)【要約】【課題】振動体に設けられた圧電素子全体を利用して
駆動が可能な超音波モータについて、移動体の移動方向
の可変が可能な自励発振回路を得ることにある。【解決手段】自励発振回路２０において、電極１２ａ
もしくは１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄには
バッファ２６が、電極１２ｂもしくは１０２ａにはバッ
ファ２７とインバータ２８が接続されている。ここでイ
ンバータ２５、２８およびバッファ２７はトライステー
ト構成のものであり制御端子に入力される信号次第で出
力端子を高インピーダンスの状態、すなわち出力信号を
ＯＦＦにできる。従って、インバータ２５を高インピー
ダンス状態とすることで駆動回路並びに超音波モータを
ＯＦＦにすることができる。またバッファ２７とインバ
ータ２８の何れかを高インピーダンス状態とすることで
移動体の動作方向を可変することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を有する
振動体により移動体を摩擦駆動させる超音波モータ及
び、この超音波モータを用いた電子機器に係わり、特に
超音波モータを振動子として利用することで、自励発振
駆動する超音波モータに関する。

【従来の技術】近年、各種電子機器における新原理アク
チュエータとして、超音波モータが注目され、カメラの
オートフォーカス駆動を初め様々な分野での応用が試み
られている。超音波モータの駆動方式としては、外部の
発振回路により作られた周波信号を圧電素子に印加し、
圧電素子を有する振動体を所定の振動モードで励振する
他励振駆動方式が一般的に採られている。しかし、最近
では、回路構成が複雑なことから、他励振駆動方式に代
わり超音波モータを振動子として利用し、振動子の共振
点で発振させる自励振駆動方式が試みられ、実用化が進
んでいる。このような回路を利用することで、回路の小
型・簡素化が図れ、強いては駆動回路を搭載する機器の
小型化、低価格化が図れる。例えば特公平８−１０７６
８６に、このような超音波モータの自励発振駆動の提案
がされている。

【発明が解決しようとする課題】上記のような自励発振
回路を利用して超音波モータの駆動を行った場合、移動
体の駆動方向を変えるには、駆動信号を印加する圧電素
子の電極を選択し、振動体に発生する振動波の位置的な
位相を変えることで実現している。しかし、この場合、
駆動に使用される圧電素子の実動部分が少なくなり大き
な出力が得られないという問題があった。そこで本発明
は、振動体に設けられた圧電素子全体を利用することで
小型で高出力が得られる超音波モータについて、移動体
の移動方向の可変が可能な自励発振回路を得ることを目
的とする。

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも二
つの電極群を有し、二つの電極群に同相あるいは逆相の
駆動信号を印加することで移動体の駆動方向を可変可能
な超音波モータについて、自励発振駆動を実現させるも
のである。本発明は、圧電素子の一方の面に共通電極を
設け、他方の面に複数の駆動用電極を設け、前記複数の
駆動用電極は結線手段により１つの接続点で接続され、
前記接続点と前記複数の駆動用電極の少なくとも一つの
電極の間に外部から入力される指令信号に従って駆動信
号の位相を逆転させる逆転手段を備えることで、移動体
の移動方向を可変可能とすることを特徴とする。これに
より、圧電素子全体を駆動に使用しながら移動体の駆動
方向を制御できる超音波モータの自励発振駆動が実現で
きる。また、本発明は、前記の超音波モータにおいて振
動体と容量性素子とにより構成されたＬＣ共振回路を利
用するとともに、逆転手段を振動体と容量性素子の間に
設けることを特徴とする。この発明によれば、水晶振動
子で広く使用されているコルピッツ発振回路を利用する
ことで、圧電素子全体を使った駆動での正逆転制御が可
能となる。更に、本発明は、前記の超音波モータであっ
て、前記圧電素子の他方の面に前記複数の駆動用電極と
は別に設けた検出用電極を有し、前記検出用電極から得
られる検出信号を増幅回路で増幅し、前記駆動用電極に
出力することにより自励発振回路を構成することを特徴
とする。この発明によれば、振動帰還型の自励発振回路
を利用することで、圧電素子全体を使った駆動での正逆
転制御が可能となる。更に、本発明は、前記の超音波モ
ータにおいて、前記逆転手段は増幅回路で構成されると
ともに、駆動信号の位相の逆転の有無に係わらず駆動信
号の大きさが同等であることを特徴とする。これによ
り、逆転手段で駆動信号のロスをすること無く、逆に圧
電素子に大きな駆動信号を供給することが可能となり、
安定かつ高出力な駆動が可能となる。また移動体出力
は、移動体の移動方向に関係なく一定となる。更に、本
発明は、前記逆転手段と接続されていない前記駆動用電
極に供給される駆動信号を、前記逆転手段と接続されて
いる前記駆動用電極に供給される駆動信号の大きさと同
等になるように、駆動信号を調整する駆動信号調整回路
を設けたことを特徴とする。これにより、二つの電極に
供給する駆動信号を等しく出来るため、振動体に発生す
る振動のバランスがとれ、安定で高出力な駆動が可能と
なる。更に、本発明によれば、前記の超音波モータを備
えたことを特徴とする超音波モータ付き電子機器が実現
でき、電子機器の小型化が可能となる。

【発明の実施の形態】下図１から図９を参照して本発明
を適用した実施の形態を詳細に説明する。｛実施の形態1｝本発明に適用可能な超音波モータの例
について、説明する。図1（Ａ）及び（Ｂ）に、本発明
の自励発振回路の実施の形態1を示す。図２は、本発明
に適用可能な超音波モータ１の構造を、図３（Ａ）から
（Ｄ）は超音波モータ１の動作原理を示したものであ
る。まず本発明に係わる超音波モータの動作原理につい
て説明する。図２において、円板状の振動体６は、その
中心を支持板９に固定された中心軸１０によって支持さ
れている。振動体６の第1の面には、圧電素子７が接合
されており、第2の面には振動体６の振動変位を拡大
し、移動体８に回転力を与える突起６ａが設けられてい
る。移動体８の中心には軸受け５が設けられ、その中心
を中心軸１０で案内している。また軸受け５の内輪をば
ね部材４によって加圧することにより、振動体６の突起
６ａと移動体８の摩擦部材８ａの間に接触圧を与える。
圧電素子７の圧電効果によって振動体６に励振された振
動波は、摩擦力を介して移動体８の回転力に変換され
る。図３に詳細な動作原理を示す。振動体６に接合され
る圧電素子７は円周方向に４分の1波長毎に分割され、
一つおきに方向が逆になるように厚み方向に分極処理さ
れている。各電極パターンを一つおきに電気的に短絡
し、斜線部１２ａと非斜線部１２ｂの二つの電極パター
ン群を構成する。そして、振動体６の突起６ａがちょう
ど斜線部１２ａもしくは非斜線部１２ｂ電極パターンの
何れかの小電極の中央に位置するように、振動体６と圧
電素子７が接合される。接合面は全体に渡って電極１２
ｃが設けられている。斜線部のパターン群１２ａと非斜
線部のパターン群１２ｂに所定の周波数で位相が同じ駆
動信号が印加されると、振動体６には図３（Ｃ）に示し
たような定在波が発生する。この時上昇した突起６ａは
右に傾くため、これと接する移動体８は右に移動する。
次に、斜線部のパターン群１２ａと非斜線部のパターン
群１２ｂに位相が１８０度異なる信号を印加すると、振
動体６には図３（Ｄ）のような定在波が発生し、移動体
８は今度は左方向に移動する。このように圧電素子の一
方の面を共通電極１２ｃとし、他方の面に二つの電極群
１２ａ、１２ｂを設け、二つの電極群１２ａ、１２ｂに
同相あるいは逆相の駆動信号を印加することにより振動
体に発生する定在波の位置をずらし、振動体に接する移
動体の移動方向を制御することが可能となる。本実施例
の圧電素子７を用いれば、周方向に３つの波数を有する
定在波が励振できる。また周波数によって径方向の節の
数が異なるため、励振する振動モードの径方向に対する
振幅最大部に突起６ａを設けることが好ましい。図４
は、本発明に適用可能な超音波モータの別の例の構造を
示したものである。矩形状の振動体１００は、上面に電
極が設けられた複数の板状圧電素子１０１、１０１、１
０１、１０２、１０２、１０２を一体的に焼結した構造
となっている。詳細には図５（Ａ）から（Ｆ）に示す。
板状圧電素子１０１は、図５（Ｂ）に示すように上面を
4つの電極１０１a、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄに分
割されたものと、図５（Ｃ）に示すように、上面をほぼ
全体に電極１０１ｅが付けられた二つのタイプが有り、
これらを交互に積み重ねたときの接合面は、共通電極と
なっている。板状圧電素子１０２は、図５（Ｄ）に示す
ように上面をほぼ全面に電極１０２ａが設けられたもの
と、図５（Ｅ）に示すように上面をほぼ全面に電極１０
２ｂが付けられた二つのタイプが有り、これらを交互に
積み重ねたときの接合面は、共通電極となっている。当
然の事ながら、板状圧電素子１０１と１０２の接合面も
共通電極となる。各電極には、振動体１００の側面１０
０ａもしくは１００ｂに引き出された引き出し電極１０
６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、１０６ｅ、１０
６ｆがあり、振動体１００全体を焼結後、振動体の側面
１００ａもしくは１００ｂで短絡することにより各電極
は導通される。従って、電極１０１ｅ、１０２ｂは板状
圧電素子１０１、１０２の共通電極となる。このように
振動体の焼結、電極の短絡が終了した後で、電極１０１
ｅ、１０２ｂを基準として各電極には高電圧が印加され
図中の＋、−の方向に分極処理がなされる。電極１０１
ｅ、１０２ｂは引き出し電極１０６ｅにより短絡され
る。ここで、図６に示すように板状圧電素子１０１には
電極１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄを短絡
し、一つの電極群とし、電極１０６eを基準として信号
を印加することで屈曲振動Ａが発生する。板状圧電素子
１０２には、電極１０６ｅを基準として電極１０６ａ、
１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄと同相の信号を電極１０
６ｆに印加することにより、伸び振動Ｂが発生する。振
動体１００にはこれら二つの振動の合成振動Ｃが発生
し、その側面に接触された移動体を駆動することができ
る。例えば、振動体１００の側面の一部に突起１１０を
設けることにより、効率よく出力を取り出すことが可能
である。また、電極１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１
０６ｄと電極１０６ｆに逆相の信号を印加することで、
二つの振動の合成変位の方向を逆転させ、移動体の移動
方向を逆転させることができる。再度、図1に戻って本
発明の自励発振回路の実施の形態1を説明する。図1
（Ａ）において、自励発振回路２０は振動体の一部もし
くは全体となる圧電素子７もしくは１００と、コンデン
サ２２，２４と、抵抗２１、２３とインバータ２５、２
８とバッファ２６，２７とから構成される。図1（Ａ）
は、コルピッツ型の自励発振回路を用いた超音波モータ
の駆動回路を示したものである。コルピッツ型の発振回
路は、共振点と反共振点の間で圧電素子７もしくは１０
０が誘導性となることを利用して発振回路を構成したも
のである。圧電素子７もしくは１００は、二つのコンデ
ンサ２２、２４とでＬＣ共振回路を構成する。インバー
タ２５および帰還抵抗２１により構成された反転増幅回
路は、共振回路からの信号を反転増幅し、共振回路に戻
すことで発振を持続する。抵抗２３は、コンデンサ２４
とでローパスフィルタを構成し、振動体の高次のスプリ
アスモードの信号を遮断する。電極１２ａもしくは１０
１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄにはバッファ２６
が、電極１２ｂもしくは１０２ａにはバッファ２７とイ
ンバータ２８が接続されており、バッファ２６，２７、
インバータ２８の入力部は、接続点２０ｂで一つに接続
される。ここでインバータ２５、２８およびバッファ２
７はトライステート構成のものであり、制御端子２５
ａ、２７ａ、２８ａに入力される信号次第で、能動状
態、非能動状態（高インピーダンス状態）の二つの状態
とすることができる。例えば、制御端子２５ａ、２７
ａ、２８ａにＨｉｇｈレベルの指令信号が入力される
と、インバータ２５、２８及びバッファ２７は、能動状
態すなわちＯＮ状態となり、ＬＯＷレベルの指令信号が
入力されると非能動状態、すなわちＯＦＦ状態となる。
従って、インバータ２５を高インピーダンス状態とする
ことで、駆動回路並びに超音波モータをＯＦＦにするこ
とが出来る。また、バッファ２７とインバータ２８の何
れかを高インピーダンス状態とすることで、移動体の動
作方向を可変することができる。例えばバッファ２７を
ＯＮ状態とし、インバータ２８をＯＦＦ状態とすれば、
電極１２ａもしくは１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１
０１ｄと電極１２ｂもしくは１０２ａには同相の駆動信
号が印加される。しかしバッファ２７をＯＦＦ状態と
し、インバータ２８をＯＮ状態とすれば、電極１２ａも
しくは１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと電極
１２ｂもしくは１０２ａには逆相の駆動信号が印加され
る。バッファ２６は無くとも構わないが、ここではイン
バータ２８、バッファ２７と同様に増幅回路として働
き、またインバータ２８、バッファ２７と同等の出力特
性を有するため、電極１２ａもしくは１０１ａ、１０１
ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと電極１２ｂもしくは１０２ａ
に同等のレベルの信号を供給する。また、位相逆転手段
を増幅回路となるインバータ２８、バッファ２７で構成
することにより、電極１２ｂもしくは１０２ａに供給す
る信号を低下させない効果もある。更に、位相逆転手段
を出力特性が同等なインバータ２８とバッファ２７の選
択方式とすることで、移動体８の出力は移動体の移動方
向によらず一定となる。電極１２ａもしくは１０１ａ、
１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄにバッファ２７、インバ
ータ２８を、電極１２ｂもしくは１０２ａにはバッファ
２６を接続しても構わない。図1（Ｂ）は、図1（Ａ）の
変形例である。自励発振回路２０の中で２０ａ、２０ｂ
の間の構成を変えたものである。ここでは、電極１２ｂ
もしくは電極１０２ａの出力信号を、バッファ４７を通
すかインバータ４８を通すかを外部からの制御信号によ
って決定し、自励発振回路２０に出力信号と同相の信号
を戻すか、あるいは逆相の信号を戻すかを決定する。逆
相の信号を戻した場合には、電極１２ａもしくは１０１
ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと電極１２ｂもしく
は１０２ａに逆相の駆動信号を加えたことと等価とな
り、移動体８の移動方向は逆転する。｛実施の形態２｝図７に、本発明の自励発振回路の実施
の形態２を示す。図８（Ａ）及び（Ｂ）には、本発明に
実施可能な超音波モータの構造を示す。基本的には図４
に示した振動体１００と変わりはなく、板状圧電素子１
０２の電極を図５の（Ｄ）に示した電極から図８の
（Ｂ）に示した電極に変えればよい。ここで、電極１０
６ｇは電極１０２ａとは別に設けられ、振動体１００の
振動状態を検出できるようになっている。各電極１０６
ｇも、側面１００ａで短絡される。圧電素子から構成さ
れる振動体１００には、振動状態検出用電極１０６ｇと
駆動用電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと
１０２ａが設けられている。検出用電極１０６ｇによっ
て検出された信号は、増幅回路によって増幅され、駆動
用電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと１０
２ａに供給されることで振動が持続し、振動帰還型の自
励発振回路３０が構成される。図７においては検出用電
極１０６ｇによって検出された信号は、トライステート
構成インバータ３４，３５と帰還抵抗３１，３３とによ
って構成される増幅回路により増幅される。抵抗３２と
コンデンサ３９とで構成されるローパスフィルタは、振
動体の高次のスプリアスモードの信号を遮断するととも
に、検出された信号の位相を調整し発振周波数を調整す
る。増幅回路、フィルタ回路の構成は、本実施例に示し
たものに限るものではない。電極１０２ａにはバッファ
３７が、電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ
にはトライステート構成のバッファ３８とトライステー
ト構成のインバータ３６が接続されている。実施の形態
１同様に、バッファ３８とインバータ３６のどちらを高
インピーダンス状態にするかによって、電極１０１a、
１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと電極１０２ａに印加す
る信号の位相を同相とするか逆相とするか可変可能であ
り、移動体の移動方向を変えることが可能である。ま
た、インバータ３４，３５を高インピーダンス状態とす
ることで、駆動回路並びに超音波モータ１の駆動をＯＦ
Ｆにすることができる。電極１０２aにバッファ３８、
インバータ３６を、電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１
ｃ、１０１ｄにバッファ３７を接続しても構わない。振
動状態検出用電極１０６ｇは板状圧電素子１０２に設け
たが、板状圧電素子１０１に設けてもよいし、また、板
状圧電素子１０１，１０２とは別の圧電素子に設け、板
状圧電素子１０１，１０２と一体的に焼結しても構わな
い。また、検出用電極を持っていれば超音波モータの構
造に制限はなく、超音波モータ１の圧電素子７に検出用
電極を設ければ、本実施例を実施することができる。｛実施の形態３｝図９に、本発明に係わる超音波モータ
を電子機器に適用した実施の形態３のブロック図を示
す。本電子機器は、前述の振動体６と振動体６により駆
動される移動体８と、移動体８と振動体６に接触圧を与
える加圧手段４と、移動体８と連動して可動する伝達機
構４１と、伝達機構４１の動作に基づいて運動する出力
機構４２を備えることを特徴とする。ここで、伝達機構
４１には、例えば、歯車、摩擦車等の伝達車を用い、こ
れを直接移動体８に形成する。伝達機構４１を省略し、
直接出力機構を設けても構わない。出力機構４２には、
例えば、指示装置や電子時計においては指針あるいは指
針駆動機構やカレンダ等の表示板、あるいは表示板駆動
機構を、コピー機やプリンタにおいてはレーザーの方向
を変えるミラーを、カメラやビデオカメラにおいてはシ
ャッタ駆動機構、絞り駆動機構、レンズ駆動機構、フィ
ルム巻き上げ機構等を、レーザーや光を利用した計測器
や製造装置、センサーにおいては光の遮断・透過や特定
波長の光のみを透過するスリット板やフィルターを、音
響機器のボリュウム等には抵抗値や容量値を可変する接
点機構やギャップ板を、ハードディスクや光ディスクに
おいてはピックアップ駆動機構を用いる。また、移動体
８に出力軸を取り付け、出力軸からトルクを伝達する動
力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ自身で
駆動機構が実現できる。本発明の超音波モータを電子機
器に適用することにより、電子機器の低電圧化、低消費
電力化、小型化、低コスト化が実現できる。超音波モー
タを利用することから当然、磁気の影響を受けずまた、
有害な磁気ノイズも発生しない。

【発明の効果】以上のように、本発明は少なくとも二つ
の電極群を有し、二つの電極群に同相あるいは逆相の駆
動信号を印加することで、移動体の駆動方向を可変可能
な超音波モータについて自励発振駆動を実現させるもの
であり、これにより構成が簡易な自励発振回路を用い
て、圧電素子全体を駆動に使った超音波モータの駆動、
更には移動体の駆動方向を容易に制御できるようにな
る。従って、低電圧で高出力の超音波モータが実現で
き、更には駆動回路、超音波モータの小型化は可能にな
り超音波モータ並びに駆動回路を搭載する電子機器を小
型化できるとともに、低価格化が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の超音波モータの駆動回路の例を示した
ものである。

【図２】本発明の超音波モータの構造の断面図を示した
ものである。

【図３】本発明の超音波モータの駆動原理を示したもの
である。

【図４】本発明の超音波モータの構造の例を示したもの
である。

【図５】本発明の超音波モータの構造の別の例の圧電素
子の電極パターンを示したものである。

【図６】本発明の超音波モータの動作原理の別の例を示
したものである。

【図７】本発明の超音波モータの駆動回路の別の例を示
したものである。

【図８】本発明の超音波モータの圧電素子の電極パター
ンの別の例を示したものである。

【図９】本発明に係わるの超音波モータを電子機器に適
用した例を示したものである。

【符号の説明】

１超音波モータ４加圧機構５軸受け６振動体７、１００圧電素子８移動体９支持板１０中心軸２５，２８，４８，３４，３５，３６インバータ２６，２７，４６，４７，３７，３８バッファ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者春日政雄千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地セイコーインスツルメンツ株式会社内Ｆターム(参考） 5H680 AA00 AA08 AA19 BB01 BB15 BB16 BC01 BC02 CC02 CC06 DD01 DD15 DD23 DD53 DD66 DD74 DD82 DD85 DD92 EE03 EE12 FF32 FF33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子を有する振動体と、前記振動体の振動により駆動される移動体と、前記振動体の振動状態を信号として出力し、この信号を
増幅する増幅回路を有し、この増幅された信号を前記振
動体に帰還し、前記振動体を自励発振させる自励発振回
路と、を有する超音波モータにおいて、片面に共通電極を有し、他方の面に複数の駆動用電極を
有し、この共通電極と駆動用電極の間に駆動信号を入力
することで前記振動体を振動させる前記圧電素子と、前記複数の駆動用電極をひとつの接続点で結線する結線
手段と、前記接続点と前記駆動用電極のうち少なくともひとつの
電極との間に設けられ、外部からの指令信号に基づい
て、前記駆動信号の位相を逆転させる逆転手段と、前記逆転手段により移動方向が可変となる前記移動体
と、を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】前記自励発振回路は、前記振動体と容量
性素子とにより構成されたＬＣ共振回路を有し、前記逆転手段は、前記振動体と前記容量性素子との間に
設けられていることを特徴とする請求項1記載の超音波
モータ。
【請求項３】前記圧電素子は、前記複数の駆動用電極
を有する面に、この複数の駆動用電極とは別に設けた検
出用電極を有し、前記検出用電極から得られる検出信号を前記増幅回路で
増幅し、前記駆動用電極に出力することで前記自励発振
回路を構成することを特徴とする請求項1記載の超音波
モータ。
【請求項４】前記逆転手段は、前記増幅回路で構成さ
れ、前記逆転手段により逆転される前記駆動信号は、その位
相の逆転の有無に係わらず大きさが変わらないことを特
徴とする請求項１〜３記載の超音波モータ。
【請求項５】前記駆動用電極のうち、前記逆転手段と
接続されていない駆動用電極に供給される前記駆動信号
と、前記駆動用電極のうち、前記逆転手段と接続されて
いる駆動用電極に供給される駆動信号の大きさとが同等
になるように、前記駆動信号を調整する駆動信号調整回
路を設けたことを特徴とする請求項１〜４記載の超音波
モータ。
【請求項６】請求項１から請求項５のいずれかに記載
の超音波モータを備えたことを特徴とする超音波モータ
付き電子機器。