JP2001197760A - 超音波モータおよび超音波モータ付電子機器 - Google Patents

超音波モータおよび超音波モータ付電子機器

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JP2001197760A JP2000309534A JP2000309534A JP2001197760A JP 2001197760 A JP2001197760 A JP 2001197760A JP 2000309534 A JP2000309534 A JP 2000309534A JP 2000309534 A JP2000309534 A JP 2000309534A JP 2001197760 A JP2001197760 A JP 2001197760A
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projection
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賢二 鈴木
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政雄 春日
Akihiro Iino
朗弘 飯野
Takayuki Kosaka
貴之 小坂
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/16Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
    • H02N2/163Motors with ring stator
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/145Large signal circuits, e.g. final stages

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正逆転可能であり、円板状の圧電素子に設け
た分極部を全部同時に駆動することが可能にすることに
より、単位体積当たりの出力を大きくした超音波モータ
を提供すること。 【解決手段】 円周方向に4の倍数で分割された分極部
11a、11bを備えた円盤形状の圧電素子11を用い
るとともに、圧電素子11の分極部11a、11bの奇
数個おきの上部に出力取り出し用突起13を設け、分極
部11a、11bの極性は2つ毎に互い違いとし、分極
部11a、11bから1つおきに分極部を選択して成る
第1の分極部群11cと前記第1の分極部群11cに属
さない分極部から成る第2の分極部群11dとを構成
し、第1の分極部群11cと前記第2の分極部群11d
とに入力する交番電圧を同位相にするか位相差180°
にするかの選択により、圧電素子11に発生する定在波
振動と出力取り出し用突起13との相対的な位置関係を
変化さて超音波モータ1の駆動方向を切り換える位相切
換手段とから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータおよ
びこれを用いた超音波モータ付電子機器に係わり、特に
単位体積当たりの出力を増大した超音波モータおよびこ
れを用いた超音波モータ付電子機器に関する。
【0002】
【従来の技術】近時、マイクロメカニクスの分野におい
て、交流電圧などの駆動電圧を加えられた圧電体に発生
する屈曲振動を動力として利用する超音波モータが注目
されている。
【0003】従来の超音波モータの一例としては、例え
ば図20〜図23に示す円板型の超音波モータ100が
ある。
【0004】超音波モータ100は、図20の断面概略
図に示すように、円板状の圧電素子101と、圧電素子
101の上に接着されている弾性部材としての金属製の
振動体102と、弾性部材としての振動体102の上面
に一体的に立設していて当該圧電素子101の振動を変
位拡大して、その出力を取り出すための複数の突起10
3と、突起103に上方より接触して突起103の運動
により摩擦力を介して回転するロータ104と、圧電素
子101、振動体102の中心を貫いていてこれらを基
板110上に保持すると共にロータ104の回転案内の
役割を果たす支持軸105と、ロータ104の回転中心
を下方に押さえて当該ロータ104と突起103との間
に所定の接触圧を確保するバネ106とから概略構成さ
れている。ここで、圧電素子101は基板110上を這
っているリード線107a、107bを介して駆動電圧
を加えられる。
【0005】圧電素子101は、図21の上面概略図に
示すように、周知の圧電材料であるPZTを円板状に成
形して中心に回転軸105を通す孔101cを設けたも
のであり、円周方向に6分割して、この分割部を、分極
方向が互い違いになるように分極し、さらに各分割部を
二等分割してある。その結果、正極性に分極した分極部
101aと、これとは逆極性に分極した分極部101b
とを二つ毎に交互に合計12個ほど配置した構成とな
る。図中のプラス(+)およびマイナス(−)の記号
は、分極の極性を表しており、ここでは圧電素子101
の厚み方向に分極処理が施されており、プラス(+)は
圧電素子101から振動体102に向かう方向に分極処
理がされていることを表し、マイナス(−)は逆に振動
体102から圧電素子101に向かう方向に分極処理が
されていることを表している。
【0006】ここで、突起103は、図21および図2
2の模式図に示すように、分極部の境目にひとつおきに
設けられている。
【0007】また、圧電素子101には、駆動電圧を入
力する電極として、リード線107aに接続している電
極108aと、リード線107bに接続している電極1
08bとが設けられる。電極108aは上記した分極部
を一つおきに覆っており、また、電極108bは電極1
08aと互い違いとなるように分極部を一つおきに覆っ
ている。
【0008】すなわち、電極108aに駆動電圧を入力
すると、図23Aに示すように、圧電素子101には、
電極108aに覆われている各分極部の中央部を腹とす
る定在波が発生する。突起103は、この定在波の腹と
節の中間に、一つおきに位置している。従って、すべて
の突起103の頭部は、円弧状の軌跡を描くため、この
場合は、図23Aの矢印に示すように、ロータ104は
一方向に回転する。この際、突起103は定在波の振動
を増幅する役割も果たしている。
【0009】また、電極108bに駆動電圧を入力した
場合は、図23Bに示すように、圧電素子101には、
電極108bに覆われている各分極部の中央部を腹とす
る定在波が発生するため、すべての突起103の頭部
は、逆向きの円弧状の軌跡を描く。従って、この場合
は、図23Bの矢印に示すようにロータ104は逆方向
に回転する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た超音波モータ100においては、回転方向を切り換え
るために電極108aあるいは電極108bから駆動電
圧を加える電極を選択して駆動していた。このため、圧
電素子101に設けた分極部は全部ではなく半分のみ駆
動されていた。
【0011】すなわち、圧電素子101の全部を同時に
利用していなかったため、超音波モータ100の出力は
その大きさの割には小さかった。
【0012】上記事情に鑑み、本発明は、圧電素子に設
けた分極部の全部を用いて駆動するとともに正逆回転を
可能にするで、単位体積当たりの出力を大きくした超音
波モータおよびこの超音波モータを利用した超音波モー
タ付電子機器を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明は、振動波を発生させる圧電素子と、圧電素
子により発生する振動波によって駆動される移動体とか
らなる超音波モータにおいて、円周方向に4の倍数で分
割された分極部を備えた円盤形状の圧電素子と、圧電素
子の分極部の奇数個おきの上部に設けられ当該圧電素子
によって発生させた定在波振動からモータ駆動力を取り
出すための出力取り出し用突起と、出力取り出し用突起
の上端に当接して出力取り出し用突起によって駆動され
る移動体とを備え、分極部の極性は2つ毎に互い違いと
し、分極部から1つおきに分極部を選択して成る第1の
分極部群と前記第1の分極部群に属さない分極部から成
る第2の分極部群とを構成し、第1の分極部群と前記第
2の分極部群とに入力する交番電圧を同位相にするか位
相差180°にするかの選択により、圧電素子に発生す
る定在波振動と出力取り出し用突起との相対的な位置関
係を変化させ、当該超音波モータの駆動方向を切り換え
る超音波モータであることを特徴とする。
【0014】ここで、分極部に正電圧が印加されると、
正極性に分極処理を施された分極部は伸長し、負極性に
分極処理を施された分極部は収縮する。また、負電圧が
印加されると、その伸縮関係は逆転する。すなわち、本
発明に係る超音波モータによれば、圧電素子の分極部の
すべてに交番電圧を入力して圧電素子に発生する定在波
振動によりモータ駆動を行なうが、分極部が円周方向に
わたり4の倍数に分割した構成をとっており、連続した
4つの分極部で周方向に1波長分の波を発生させるが、
1つおきに分極部を選択して第1および第2の分極部群
を構成しているため、第1および第2の分極部群に入力
する交番電圧の位相を互いに同位相にするか、あるいは
互いに180°の位相差の交番電圧を入力するかによっ
て、出力取り出し用突起と圧電素子に発生する定在波振
動との位置関係が変わり、移動体の回転方向を切り換え
ることが可能になる。つまり、圧電素子に設けた分極部
のすべてに駆動電圧を加えているにもかかわらず駆動方
向を切り換えられる。
【0015】従って、従来のものに比較して単位体積当
たりの出力を大きくし、かつ、駆動方向を切り換えられ
る超音波モータを提供できる。
【0016】また、本発明は、前記の超音波モータにお
いて、第1の分極部群と第2の分極部群の双方に交番電
圧を入力して、圧電素子の中心が節になるとともに径方
向にわたり1つの節(1つの節円)を有する定在波振動
を発生させ、出力取り出し用突起は、前記分極部の奇数
個おきの上部であって、径方向の位置としては圧電素子
の中心と定在波振動の節円の間で振動振幅が最大になる
位置であって、周方向の位置としては分極部の奇数個お
きの上部での各々周方向の中央に設けられている超音波
モータであることを特徴とする。
【0017】この発明によれば、径方向にわたり1つの
節、すなわち1つの節円を有する定在波振動を発生させ
るため、圧電素子には力強い振動が励振される。さらに
は、出力取り出し用突起が、径方向の位置として圧電素
子の中心と定在波振動の節円の間で振動振幅の最も大き
くなる位置で、かつ周方向には1つおきの分極部の上部
の周方向の中央に配置しているため、振動エネルギから
移動体の駆動力に最も効率良く変換できるため、前記の
発明による効果が得られるとともに、より出力の高い超
音波モータが得られる。
【0018】また、本発明は、前記の超音波モータにお
いて、出力取り出し用突起の各々の間に、移動体に接し
ないように出力取り出し用突起より低く形成された振動
のバランス維持用の補助突起を少なくとも1つ備えた超
音波モータであることを特徴とする。
【0019】この発明によれば、圧電素子の一部の分極
部にのみ前記出力取り出し用突起を設けると、当該圧電
素子の全体のバランスは悪くなるが、この発明によれ
ば、前記補助突起を設けることにより、圧電素子により
発生する屈曲定在波振動のバランスを整えら、より安定
した高い出力が得られる。ここで、補助突起は出力取り
出し用突起より低く、移動体に当接することはないた
め、その駆動を妨げることはない。
【0020】また、本発明は、前記の超音波モータにお
いて、当該圧電素子に接合された円盤形状の弾性部材を
有し、出力取り出し用突起および補助突起は円盤形状の
弾性部材の表面に一体的に形成されていることを特徴と
する。
【0021】この発明によれば、突起を圧電素子の上面
に直接設けるより、作製が容易でより安価に突起を設け
られる。
【0022】また、本発明は、前記の超音波モータにお
いて、第1および第2の分極部群に入力する交番電圧を
圧電素子の自励発振により生成させて当該超音波モータ
を駆動するための自励振駆動回路を備え、自励振駆動回
路は、圧電素子の第1の分極部群に出力端子が接続され
る第1の非反転電力増幅器および第1の反転電力増幅器
と、圧電素子の第2の分極部群に出力端子が接続される
第2の電力増幅器(非反転もしくは反転)と、第1の非
反転電力増幅器と第1の反転電力増幅器と前記第2の電
力増幅器とをそれぞれ能動状態あるいは非能動状態にす
ることによりモータの起動、停止および回転方向の切り
換えを行うモータ制御回路と、からなることを特徴とし
ている。
【0023】ここで、第1の非反転電力増幅器と第1の
反転電力増幅器のうちどちらか一方と、第2の電力増幅
器(非反転もしくは反転)とを同時に能動状態にさせて
モータ駆動を行う。ここで、前記第1の非反転電力増幅
器と第1の反転電力増幅器の選択によって超音波モータ
の駆動方向が切り換えられる。
【0024】この発明によれば、超音波モータを非常に
簡便に駆動することができ、使い勝手がよく安価な高出
力な超音波モータを提供できる。
【0025】また、本発明は、円周方向に2の倍数で分
割された分極部を備え、前記分極部の全てに同一の電圧
を入力することで定在波を発生する円盤形状の圧電素子
を有する振動体と、この振動体に設けられ、前記圧電素
子の分極部の面上に設けられた突起と、この突起に当接
し、この突起によって駆動される移動体と、前記複数の
分極部に出力端子が接続される電力増幅器と、前記電力
増幅器を能動状態あるいは非能動状態にすることにより
モータの起動、停止を行なうモータ制御回路とから構成
される自励振駆動回路と、からなる超音波モータである
ことを特徴としている。
【0026】この発明によれば、一方向回転の用途で
は、高い出力が非常に安価で実現できる。また、本発明
は、前記の超音波モータにおいて、自励振駆動回路は、
圧電素子が有する分極部に対して直列に接続されたコン
デンサを有し、圧電素子が機械的な共振状態にあるとき
に有する誘導性とコンデンサとでLC共振回路を構成す
ることにより圧電素子を自励発振させてモータ駆動を行
うことを特徴とする。
【0027】この発明によれば、自励振駆動回路におけ
る周波数選択性を圧電素子が機械的な共振状態にあると
きに有する誘導性とコンデンサとからなるLC共振回路
で得る構成にしているため、安定した自励発振が実現で
き、結果として高出力に加えてより安定性に優れる超音
波モータが得られる。
【0028】また、本発明は、前記の超音波モータを駆
動力源として備えた電子機器(例えば超音波モータ付ア
ナログ時計)であることを特徴とする。
【0029】この発明によれば、従来の超音波モータと
比べて出力の大きい前記の超音波モータを用いるので、
超音波モータをより小型化する、あるいは動力伝達機構
を小型化する、などにより電子時計、計測器、カメラ、
プリンタ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置、記
憶装置などの超音波モータ付電子機器を小さくできる。
【0030】
【発明の実施の形態】<実施の形態1>以下、図1から
図6を用いて本発明の一実施例である超音波モータ1に
ついて詳細に説明する。
【0031】図1は超音波モータ1に用いる圧電素子1
1の構造および突起13の位置を説明する上面概略図で
あり、図2は圧電素子11の電極構造を説明する概略図
である。
【0032】また、図3はリード線107a、107
b、107cの配線を説明する側面展開概略図であり、
図4は自励振駆動回路20の構成を説明する図である。
図5は超音波モータ1の動作を説明する概略図である。
また、図6は振動モードと突起13との位置関係を説明
する図である。
【0033】まず、超音波モータ1の構成について説明
する。
【0034】超音波モータ1は、円板状の圧電素子11
と、圧電素子11の上に接着されている弾性部材として
の振動体12と、弾性部材としての振動体12の上面に
一体的に立設していて当該圧電素子11により発生する
振動体12の振動を増幅する複数の突起13(出力取り
出し用突起)と、突起13の上方より接触する共に当該
突起13から摩擦を介して伝えられる駆動力に伴って回
転するロータ104(移動体)と、圧電素子11、振動
体12の中心を貫いていてこれらを基板110上に保持
すると共にロータ104の回転案内の役割も果たす支持
軸105と、ロータ104の上部の回転中心を下方に押
さえて当該ロータ104と突起13との間に所定の接触
圧を確保するバネ106と、により概略構成される。
【0035】また、圧電素子11の分極構造は図1に示
すように圧電素子101と同じであり、また、振動体1
2や突起13の構造も振動体102や突起103の構造
と同じである。
【0036】すなわち、超音波モータ1は、超音波モー
タ100と概略同じ構成であるが、圧電素子11と突起
13の位置関係が異なり、さらに、自励振駆動回路20
によって駆動させる構成となっている。
【0037】従って、超音波モータ1の全体構成の図示
は省略し、以下、圧電素子11の電極構造と、圧電素子
11の各分極部と突起13の位置関係、駆動原理につい
て詳細に説明する。
【0038】突起13は、図1に示すように、圧電素子
11の分極部11a、11bの上面に一つおきに、当該
分極部のほぼ中央に位置するように配置される。
【0039】また、圧電素子11は、図2Aおよび図3
に示すように、下面には駆動電圧を入力する電極とし
て、リード線107aに接続している電極18aと、リ
ード線107bに接続している電極18bとを備え、ま
た、図2Bおよび図3に示すように、上面には電極18
cをほぼ全面を覆うように備える。圧電素子11に接着
される振動体12はアルミニウム合金でできており、圧
電素子11の電極18cは振動体12と電気的に導通状
態になっている。ここで、電極18cは振動体12を介
してリード107cに接続される。
【0040】また、図中のプラス(+)およびマイナス
(−)の記号は、分極の極性を表しており、ここでは圧
電素子101の厚み方向に分極処理が施されており、プ
ラス(+)は圧電素子101から振動体102に向かう
方向に分極処理がされていることを表し、マイナス
(−)は逆に振動体102から圧電素子101に向かう
方向に分極処理がされていることを表している。
【0041】ここで、電極18aは上記した分極部11
a、11bを一つおきに選択して成る分極部群11c
(第1の分極部群)を覆っており、また、電極18bは
残りの分極部から成る分極部群11d(第2の分極部
群)を覆っているため、電極18aとは互い違いとなる
ように分極部を一つおきに覆うことになる。
【0042】なお、電極18aは、一部を圧電素子11
の内縁部全周に設けることによって各分極部上の電極を
接続して一つの電極を形成しており、また、電極18b
は、一部を圧電素子11の外縁部全周に設けることによ
って各分極部上の電極を接続することにより一つの電極
となっている。
【0043】なお、本実施の形態においては、図3に示
すように、突起13を上面に備えた各分極部はすべて分
極部群11cに属することになる。
【0044】図4に超音波モータ1の自励振駆動回路2
0の構成を示す。自励振駆動回路20は、超音波モータ
1の駆動状態を制御するためのCPU(Central Proces
singUnit)、RAM(Random Access Memory)、ROM
(Read Only Memory)等からなるモータ制御回路21
と、圧電素子11の電極18aに出力端子を接続した第
1の非反転電力増幅器としてのトライ・ステート・バッ
ファ23および第1の反転電力増幅器としてのトライ・
ステート・インバータ24と、圧電素子11の電極18
bに出力を接続した第2の非反転電力増幅器としてのト
ライ・ステート・バッファ25と、振動体12を接着し
た圧電素子11が機械的共振状態であらわす誘導性とL
C共振回路を構成するためのものであって一端を圧電素
子11の電極18cとアルミニウム合金の振動体12を
介して接続し他端を接地したコンデンサ26と、入力端
子をコンデンサ26と圧電素子11の電極18c(振動
体12)に接続するとともに出力端子を制限抵抗28を
介してトライ・ステート・バッファ23とトライ・ステ
ート・インバータ24とトライ・ステート・バッファ2
5の入力端子に接続したプリ・アンプ(前置反転電力増
幅器)としてのトライ・ステート・インバータ30と、
トライ・ステート・インバータ30の入出力端子に並列
接続されてトライ・ステート・インバータ30の動作点
を安定させるための帰還抵抗29と、一端をトライ・ス
テート・バッファ23とトライ・ステート・インバータ
24とトライ・ステート・バッファ25および制限抵抗
28に接続され他端を接地したコンデンサ27と、によ
り概略構成されている。ここで、制限抵抗28とコンデ
ンサ27とで積分回路が構成され、自励振駆動回路20
によって振動体12を接着した圧電素子11が自励発振
するときの発振周波数を駆動に最適な値に設定するとと
もに異常発振(スプリアス発振)を抑制している。
【0045】すなわち、自励振駆動回路20は、振動体
12を接着した圧電素子11を自励発振させてモータを
駆動させる自励発振回路を構成している。また、圧電素
子11の電極18aならびに18bに接続されて圧電素
子11に駆動信号を印加するトライ・ステート・バッフ
ァ23とトライ・ステート・インバータ24とトライ・
ステート・バッファ25およびプリ・アンプとして役割
を果たすトライ・ステート・インバータ30は、周知の
ごとくそれぞれが入出力端子のほかに制御用端子を有し
ており、制御用端子への制御信号により電力増幅器とし
て機能させるか否か(能動状態か非能動状態)を制御で
きる。具体的には、制御信号によって出力端子を高イン
ピーダンス状態にするか否かを制御できる。
【0046】すなわち、自励振駆動回路20は、詳細を
後述するように、モータ制御回路21の出力信号により
プリ・アンプとしてのトライ・ステート・インバータ3
0と圧電素子11に駆動電力を供給するトライ・ステー
ト・バッファ23と、さらにトライ・ステート・バッフ
ァ23およびトライ・ステート・インバータ24のいず
れか一方とを能動状態にすることでモータ駆動を行う。
ここで、超音波モータ1の回転方向はトライ・ステート
・バッファ23とトライ・ステート・インバータ24の
どちらを能動状態にするかによって切り換えられる。当
然のことながら、超音波モータを停止させるときは、モ
ータ制御回路21の出力信号によりすべての電力増幅器
23、24、25および30を非能動状態にする。
【0047】次に、図5を用いて超音波モータ1の動作
原理について説明する。
【0048】まず、図5Aに図示するように、電極18
aと電極18bの双方に同位相の交番電圧が入力され
と、振動体12が接着された圧電素子11には振動の節
が分極部11aと11bの境目にある屈曲定在波振動が
生じることになる。ここで、突起13は振動の腹と左側
の節とのほぼ中間に位置し、突起13は振動とともに弓
なり状の軌跡を描き、突起13が上昇するときに左方向
の変位成分を有するため、突起13の上方より加圧接触
する移動体は左側へ動く。
【0049】次に、図5Bに図示するように、電極18
aと電極18bとに逆位相の駆動電圧が入力されると、
圧電素子11に発生する屈曲定在波振動の位置は、分極
部1つ分ほどずれる。このため、突起13は振動の腹と
右側の節とのほぼ中間に位置し、突起13は振動ととも
に弓なり状の軌跡を描き、突起13が上昇するときに先
とは逆の右方向の変位成分を有するため、移動体は右側
へ動く。
【0050】また、図6を用いて圧電素子11に発生す
る定在波振動のモードと振動体12の表面に一体的に設
けられた突起13との位置関係を詳しく説明する。
【0051】圧電素子11には、自励振駆動回路20に
より図6Aに示すような振動モードを発振させる。すな
わち、周方向に3波(3本の節直径)であって径方向に
は1つの節円を有する定在波振動を自励発振させる。つ
まり、周方向に等分割されている分極部の4つで1波長
分に相当する。本実施の形態では、分極部は12個であ
るため、周方向には3波のモードが励振できる。ここ
で、振動体12に設けられた突起13は、圧電素子11
の分極部11a、11bとの位置関係により、周方向で
は定在波の腹と節との中間に位置するように配置されて
いる。
【0052】また、ここでは1つの節円を有するモード
をモータ駆動に利用しているが、これは節円を持たない
モードより力強い振動が得られ、結果として、超音波モ
ータとしてはより高い出力が得られる様になる。そし
て、突起の径方向の位置としては、図6Bに示すよう
に、圧電素子11を接着した振動体12の中心と節円の
間にあって、最も振動変位が大きくなる位置に配置され
ており、高効率の超音波モータを実現している。
【0053】以上より、本発明の一実施例である超音波
モータ1は、圧電素子11を、正極性に分極した分極部
11aと逆極性に分極した分極部11bとを二つ毎に交
互に配置した構造とし、さらに、これら分極部から一つ
おきに選択して成る分極部群11cと、残りの分極部か
ら成る分極部群11dとに、それぞれ独立に駆動電圧を
加える構成としたので、分極部群11dに加える駆動電
圧の位相を分極部群11cに加える駆動電圧の位相と一
致させるか、位相差を180゜にするか、を選択するこ
とにより、当該超音波モータ1の駆動方向を選択でき
る。
【0054】すなわち、超音波モータ1によれば、円板
状の圧電素子11の全面を利用した駆動で、かつ回転方
向の切り換えが可能なので、単位体積当たりの出力が大
きい正逆回転可能な超音波モータが実現できる。
【0055】なお、超音波モータ1は、図7Aの上面概
略図および図7Bの側面展開概略図に示した変形例のよ
うに、突起13を一つおきに間引いてその数を総計3つ
としてもよい。
【0056】周知のように平面は3点で決まるため、こ
の変形例の構造によれば、ロータ104は突起13の上
で煽ることなく安定して支持されるため、当該超音波モ
ータ1の駆動はより安定する。
【0057】また、本実施の形態では突起13を一体的
に形成したアルミニウム合金の振動体12を圧電素子1
1に接着しているが、振動体12を用いずに、圧電素子
11の表面上に突起を一体的に形成してもよく、セラミ
ックス、金属あるいはプラスチックなどの突起を作製し
て、圧電素子11の表面上に接着等で接合してもよい。
すなわち、振動体12を用いなくても圧電素子11の分
極部の奇数個おきの上部に出力取り出し用の突起があれ
ば、同様の超音波モータが得られる。 <実施の形態2>図8は、本発明の実施の形態2である
超音波モータ2の圧電素子11の電極構造およびリード
線107a、107b、107d、107eを説明する
概略図である。なお、図8Aは下面の図であり、図8B
は振動体12と接着される側である上面の図である。ま
た、図9は、自励振駆動回路20の構成を説明する図で
ある。
【0058】超音波モータ2の構成は、先の超音波モー
タ1と基本的には同じであるが、圧電素子11の電極構
造とリード線107a、107b、107d、107e
ならびに自励振駆動回路20に特徴がある。圧電素子1
1は、図8Aに示すように、振動体12と接着される面
と反対側の面、すなわち下面には駆動電圧を入力する電
極として、リード線107aに接続している電極18a
と、リード線107bに接続している電極18bとを備
え、また、図8Bに示すように、振動体12と接着され
る面、すなわち上面には下面に設けられた電極18a、
18bと同形状かつ同じ位置に電極18d、18eを備
え、それぞれリード線107d、107eに接続されて
いる。ここで、電極18a、18b、18d、18eの
詳細な構成方法や分極の方向などは、実施の形態1にお
ける電極18a、18bと同じであり、説明は省略す
る。
【0059】振動体12は、先の実施の形態1における
超音波モータ1のものと同形状のものを用いているが、
アルマイト処理を施して用いている。この実施の形態2
である超音波モータ2においては、圧電素子11には振
動体12との接着面側も2組の電極18d、18eを設
けてあるため、アルミニウム合金の振動体では、接着に
より電極18dと電極18eとが短絡状態になってしま
うため、アルマイト処理によって振動体12を絶縁化し
ている。また、アルマイト処理を施すことにより、振動
体12の表面が硬化してロータ104との摩擦による突
起13の摩耗を抑制する効果も同時に得られる。
【0060】ここで、リード線107a、107b、1
07d、107eは、短冊形のフレキシブル・プリント
基板である。このフレキシブル・プリント基板は、圧電
素子11の電極18a、18b、18d、18eと接続
が図られる面と反対面に半田メッキが施された銅配線パ
ターンが形成されており、電極18a、18b、18
c、18dとの接続部にスルーホールを設けて、電極と
半田接合される。
【0061】なお、振動体12と接着される面の電極1
8d、18eに接続されたリード線107d、107e
のフレキシブル・プリント基板は、電極18d、18e
と半田接続された後、先端部分を圧電素子11と振動体
12に挟まれる形で、圧電素子11と振動体12とに接
着される。
【0062】つぎに、図9を用いて、自励振駆動回路2
0の構成について説明する。自励振駆動回路20は、超
音波モータ2の駆動状態を制御するためのCPU(Cent
ralProcessing Unit)、RAM(Random Access Memor
y)、ROM(Read Only Memory)等からなるモータ制
御回路21と、圧電素子11の電極18aに出力端子を
接続した第1の非反転電力増幅器としてのトライ・ステ
ート・バッファ23および第1の反転電力増幅器として
のトライ・ステート・インバータ24と、圧電素子11
の電極18bに出力を接続した第2の非反転電力増幅器
としてのトライ・ステート・バッファ25と、振動体1
2を接着した圧電素子11が機械的共振状態であらわす
誘導性とLC共振回路を構成するためのものであって、
一端を圧電素子11の電極18dと接続し他端を接地し
たコンデンサ26aおよび同じく一端を圧電素子11の
電極18eと接続し多端を接地したコンデンサ26b
と、入力端子をコンデンサ26bと圧電素子11の電極
18eに接続するとともに出力端子を制限抵抗28を介
してトライ・ステート・バッファ23とトライ・ステー
ト・インバータ24とトライ・ステート・バッファ25
の入力端子に接続したプリ・アンプ(前置反転電力増幅
器)としてのトライ・ステート・インバータ30と、ト
ライ・ステート・インバータ30の入出力端子に並列接
続されてトライ・ステート・インバータ30の動作点を
安定させるための帰還抵抗29と、一端をトライ・ステ
ート・バッファ23とトライ・ステート・インバータ2
4とトライ・ステート・バッファ25および制限抵抗2
8に接続され他端を接地したコンデンサ27と、により
概略構成されている。ここで、制限抵抗28とコンデン
サ27とで積分回路が構成され、自励振駆動回路20に
よって振動体12を接着した圧電素子11が自励発振す
るときの発振周波数を駆動に最適な値に設定するととも
に異常発振(スプリアス発振)を抑制している。
【0063】すなわち、自励振駆動回路20は、振動体
12を接着した圧電素子11を自励発振させてモータを
駆動させる自励発振回路を構成している。また、圧電素
子11の電極18aならびに18bに接続されて圧電素
子11に駆動信号を印加するトライ・ステート・バッフ
ァ23とトライ・ステート・インバータ24とトライ・
ステート・バッファ25およびプリ・アンプとして役割
を果たすトライ・ステート・インバータ30は、周知の
ごとくそれぞれが入出力端子のほかに制御用端子を有し
ており、制御用端子への制御信号により電力増幅器とし
て機能させるか否か(能動状態か非能動状態)を制御で
きる。具体的には、制御信号によって出力端子を高イン
ピーダンス状態にするか否かを制御できる。
【0064】すなわち、自励振駆動回路20は、モータ
制御回路21の出力信号によりプリ・アンプとしてのト
ライ・ステート・インバータ30と圧電素子11に駆動
電力を供給するトライ・ステート・バッファ23と、さ
らにトライ・ステート・バッファ23およびトライ・ス
テート・インバータ24のいずれか一方とを能動状態に
することでモータ駆動を行う。ここで、超音波モータ2
の回転方向はトライ・ステート・バッファ23とトライ
・ステート・インバータ24のどちらを能動状態にする
かによって切り換えられる。当然のことながら、超音波
モータを停止させるときは、モータ制御回路21の出力
信号によりすべての電力増幅器23、24、25および
30を非能動状態にする。
【0065】本発明の実施の形態2である超音波モータ
は、上述のごとく、圧電素子11の振動体12との接着
面側も分割された電極を用いていることに特徴がある。
先の超音波モータ1では、自励振駆動回路20におい
て、プリ・アンプとしてのトライ・ステート・インバー
タ30に対する帰還信号を取り出す電極を18cとし
て、2つの分極郡に対する共通電極としており、電極1
8aと電極18bに逆相の信号を印加する場合、同相の
信号を印加する場合と比して、帰還信号のレベルが小さ
くなり、自励振駆動を行う際の発振駆動周波数の調整範
囲がやや狭まる。そこで、この超音波モータ2では、帰
還信号を取り出す電極を18aと18bに対する共通電
極18cとせずに、18dおよび18eと分割して、逆
相駆動の場合の帰還信号を得やすくしている。これによ
り、超音波モータ2は、多少コスト高になるが、超音波
モータ1よりも更に高い性能が得られる。 <実施の形態3>図10Aは本発明の実施の形態3であ
る超音波モータ3の突起13、補助突起13aの配置に
ついて説明する上面概略図であり、図10Bは突起1
3、補助突起13aの配置および構成を説明する側面展
開概略図である。
【0066】超音波モータ3は、全体構造は図示しない
が超音波モータ1と概略同じ構成であり、振動体12に
設けた突起の構成および配置を変えたものである。
【0067】すなわち、超音波モータ3は、上述した超
音波モータ1の変形例において、突起13を間引いた部
分に補助突起13aを設けた構成である。
【0068】補助突起13aは、断面形状が突起13と
同じであって、突起13より丈を低くしてロータ104
に当接しないようにしたものであり、その機能は、突起
13を設けることによって崩れた圧電素子11、振動体
12の円周方向のバランスを補正することにある。
【0069】この結果、超音波モータ2は、超音波モー
タ1とほぼ同等の振動特性と超音波モータ1の変形例の
ロータ落着き安定性とを兼ね備えた高い性能が得られ
る。
【0070】なお、超音波モータ3は、図11に示すよ
うに、分極部群11dに属する分極部のすべての上面に
突起13を設け、また、分極部群11cに属する分極部
のすべての上部に補助突起13aを設けた構成としても
よい。
【0071】さらに、図12に示すように、上述した超
音波モータ1の変形例において突起13を備えていない
分極部11a、11bのすべてに補助突起13aを設け
た構成としてもよい。 <実施の形態4>図13Aは本発明の実施の形態4であ
る超音波モータ4の突起13、補助突起13aの配置に
ついて説明する上面概略図であり、図13Bは突起1
3、補助突起13aの配置および構成を説明する側面展
開概略図である。
【0072】超音波モータ4は、全体構造は図示しない
が超音波モータ1および超音波モータ3と概略同じ構成
であり、振動体12に設けた突起の構成および配置を変
えたものである。
【0073】先の超音波モータ3においては、補助突起
13aは1つの分極部に対して1本ずつ配置していた
が、ここでは、出力取り出し用の突起13の各間に等間
隔に3本ずつの補助突起13aを設けている。これによ
って、圧電素子11および振動体12の周方向にわたっ
て突起が配置され、発生する振動に対して、より高い均
一性が確保でき、より優れたモータ特性が得られる。 <実施の形態5>図14は、本発明の実施の形態5であ
る超音波モータ5の圧電素子11の分極構造と、突起1
3の配置を説明する上面概略図である。
【0074】超音波モータ5は、図示しないが超音波モ
ータ1と概略同じ構成であり、圧電素子11の分極構造
と突起13の配置を変えたものである。
【0075】すなわち、超音波モータ5において、圧電
素子11は、円周方向に4分割してなる分割部を、分極
方向が互い違いになるように分極し、さらに各分割部を
二等分割してある。その結果、分極部11aと分極部1
1bとを二つ毎に交互に合計8個配置した構成となる。
また、これら分極部は超音波モータ1と同様に分極部群
11c、11dを形成している。また、突起13は、分
極部群11dに属する分極部のすべてに、総計4つほど
設けられている。実施の形態4までの超音波モータで
が、圧電素子11が12個の分極部を有し、周方向に3
波の定在波を発生させるものであったのに対して、本実
施の形態においては、分極部は8つであって、発生させ
る振動モードは周方向に2波の定在波である。なお、径
方向には、実施の形態4までのものと同様に1つの節
(1つの節円)を有する。
【0076】このような構成の超音波モータ5によれ
ば、超音波モータ1と同様の原理により駆動する超音波
モータを得られる他、分割部の数を減らして分極処理を
容易に行える構造にしたので、製造上の制約は少なく容
易に小型化できる超音波モータを提供できる。
【0077】また、この超音波モータ5においても、図
15に示すように、分極部群11cに属する分極部のす
べてに超音波モータ2と同様の補助突起13aを設けた
構成にしてもよい。
【0078】さらには、実施例4と同様に、補助突起1
3aの配設する位置、本数は各分極部の中央部付近に1
本ずつではなく、突起13の各間に等間隔で複数の補助
突起を配置しても構わない。 <実施の形態6>次に、図16から18を用いて本発明
の実施の形態6である超音波モータ6について説明す
る。
【0079】図16は超音波モータ6に用いる圧電素子
11の構造および突起13の位置を説明する上面概略図
であり、図17は圧電素子11および振動体12の側面
展開概略図であり、図18は超音波モータ5の自励振駆
動回20の構成である。超音波モータ6は、回転方向を
切り換えずに1方向回転の用途に用いる場合のものであ
る。モータの基本構成は、超音波モータ1と同様であ
り、圧電素子11および振動体12の突起13に特徴が
ある。すなわち、圧電素子11はプラス(+)方向に分
極処理を施された分極部11aとマイナス(―)方向に
分極処理を施された分極部11bが周方向にわたり交互
に配置された6つの分極部からなる。振動体12に設け
られた6つの突起13は、各分極部の周方向の中央と分
極部11a、11bの境界線との略中間位置に配置され
る。
【0080】圧電素子11への駆動信号を印加するため
のリード線107は、圧電素子11の振動体12との接
着面との反対側の分極部11aおよび11bの双方に接
続され、リード線107cは、振動体12に接続されて
圧電素子11の振動体12との接着面側と電気的な導通
が図られている。すなわち、圧電素子11の分極部11
a、11bには同一の信号が印加され駆動される。
【0081】また、この1方向回転用途の超音波モータ
6の自励振駆動回路としては、先の図4に示したものを
用いても駆動できるが、自励振駆動回路20を図18に
示すような構成でよく、これによれば回路がより小型で
すみ、コスト的にも安くすることができる。つまり、圧
電素子に電力供給する部分が簡略化され、トライ・ステ
ート・バッファ25のみで構成され、その他の構成は変
わらない。すなわち、プリ・アンプとしてのトライ・ス
テート・インバータ30の出力端子は制限抵抗28を介
してトライ・ステート・バッファ25の入力端子に接続
される。トライ・ステート・バッファ25の出力端子は
リード線107によって圧電素子11の分極部11a、
11bに接続される。モータ制御回路21は、H/L信
号をプリ・アンプとしてのトライ・ステート・インバー
タ30およびトライ・ステート・バッファ25の制御用
端子に出力することで超音波モータを駆動/停止させ
る。ここでは、自励発振により圧電素子11、振動体1
2に発生する定在波は一定位置にしか発生しないため、
超音波モータの駆動方向は1方向となる。以上のよう
に、回転方向が1方向よい場合には、上述のように、よ
り簡単な構造で超音波モータ1と同様の大きな出力を得
ることができる。 <実施の形態7>図19は、本発明の実施の形態7であ
る超音波モータ付アナログ時計7(超音波モータ付電子
機器)の構成を示す断面概略図である。
【0082】超音波モータ付アナログ時計7は、地板1
10の上に固定支持された超音波モータ1と、超音波モ
ータ1の移動体14の外縁に設けられた歯車14aに噛
合するとともに回転軸に秒針51と四番小歯車42aを
備えた四番車42と、四番小歯車42aと噛合する三番
車43と、三番車43の回転軸に設けられた三番小歯車
43aと噛合するとともに回転軸に分針52を備えた分
車44と、分車44に設けられた分小歯車(図示省略)
に噛合した日ノ裏車(図示省略)を介して動力伝達を行
なうとともに分車44と同軸に設けられた筒車45なら
びに時針53とから概略構成されている。
【0083】ここで、三番車43および分車44の歯数
は、四番車42すなわち秒針の回転速度に対して分針の
回転速度が1/60となるように設定されており、ま
た、筒車45の歯数は、図示しない日ノ裏車を介して四
番車42に対して時針の回転速度が1/720となるよ
うに設定されている。
【0084】このような構成の超音波モータ付アナログ
時計7は、超音波モータ1を駆動させて移動体14を回
転させると、四番車42および秒針51は移動体14に
従動回転して秒を表示する。
【0085】また、分車44は三番車を介して四番車4
2に1/60の減速比で従動回転して分を表示する。
【0086】また、筒車45は前記した日ノ裏車を介し
て四番車42に1/720の減速比で従動回転して時を
表示する。
【0087】ここで、超音波モータ付アナログ時計7は
従来より単位体積当たりの出力の大きな超音波モータ1
を用いているのでその大きさを小さくできる。また、従
来よりも重いものを駆動できるため、時刻表示以外にも
年月日などのカレンダー表示、電池残量、方位などの環
境情報、からくり等を表示するなど、さらに多機能化す
ることも可能である。
【0088】なお、時刻情報の表示は、上記のように複
数の輪列と指針により行うほか、移動体14の軸方向に
直接指針や指標を取り付けてもよい。
【0089】また、超音波モータ付アナログ時計7に用
いる超音波モータとしては、当然超音波モータ2、3、
4、5、6も適用可能である。
【0090】また、本発明に係る超音波モータを適用す
る電子機器はアナログ時計に限定されるものではなく、
当然、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、工作機械、
ロボット、移動装置、記憶装置などにも適用可能であ
る。
【0091】
【発明の効果】以上より、本発明によれば、圧電素子に
備えられた円周方向に分割された分極部のすべてに交番
電圧を入力することで前記圧電素子に定在波振動を発生
させて駆動する超音波モータであって、前記分極部の少
なくとも1つの分極部に入力する交番電圧の位相を18
0°変えるかどうかの選択により、当該超音波モータの
駆動方向を切り換えることができる。つまり、圧電素子
と圧電素子に発生する定在波振動との相対的な位置関係
を変化させることが、圧電素子に設けた分極部のすべて
に駆動電圧を加えているにもかかわらず駆動方向を切り
換えられる。すなわち、回転方向の切り換えができると
同時に、圧電素子の分極部をすべてを駆動に用いるた
め、強い励振力で屈曲振動を発生させることができるた
め、単位体積当たりの出力がより大きい超音波モータを
提供できる。従って、超音波モータ付電子機器を小型化
できるなど、その用途はさらに広がる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1である超音波モータに用
いる圧電素子の構造および突起の位置を説明する上面概
略図である。
【図2】同超音波モータの圧電素子の電極構造を説明す
る概略図である。
【図3】同圧電素子のリード線の配線構造を説明する側
面展開概略図である。
【図4】同超音波モータの自励振駆動回路の構成図であ
る。
【図5】同超音波モータの動作を説明する概略図であ
る。
【図6】同超音波モータの振動モードと突起13との位
置関係を説明する図である。
【図7】A、Bは同超音波モータの変形例に用いる圧電
素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図
である。
【図8】A、Bは本発明の実施の形態2である超音波モ
ータ2に用いる圧電素子の電極構造およびリード線を説
明する下面図および上面図である。
【図9】同超音波モータの自励振駆動回路の構成を説明
する図である。
【図10】A、Bは本発明の実施の形態3に用いる圧電
素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図
である。
【図11】A、Bは同超音波モータの一変形例に用いる
圧電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概
略図である。
【図12】A、Bは同超音波モータの他の変形例に用い
る圧電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開
概略図である。
【図13】A、Bは本発明の実施の形態4に用いる圧電
素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図
である。
【図14】A、Bは本発明の実施の形態5に用いる圧電
素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図
である。
【図15】A、Bは同超音波モータの変形例に用いる圧
電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略
図である。
【図16】本発明の実施の形態6である超音波モータに
用いる圧電素子の構造および突起の位置を説明する上面
概略図である。
【図17】同超音波モータの圧電素子および振動体の側
面展開概略図であり、
【図18】同超音波モータの自励振駆動回路の構成図で
ある。
【図19】本発明の実施の形態7である超音波モータ付
アナログ時計の構成を説明する断面概略図である。
【図20】従来例である超音波モータの構成について説
明する断面概略図である。
【図21】同超音波モータに用いる圧電素子の上面概略
図である。
【図22】同超音波モータに用いる出力取り出し用の突
起の配置を説明する側面展開概略図である。
【図23】同超音波モータ動作を説明する模式図であ
る。
【符号の説明】
1、2、3 超音波モータ 11 圧電素子 11a、11b 分極部 11c 分極部群(第1の分極部群) 11d 分極部群(第2の分極部群) 13 突起(出力取り出し用突起) 13a 補助突起 14 ロータ(移動体) 20 自励振駆動回路 40 超音波モータ付アナログ時計(超音波モータ付電
子機器)
フロントページの続き (72)発明者 飯野 朗弘 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 株 式会社エスアイアイ・アールディセンター 内 (72)発明者 小坂 貴之 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 AA01 AA08 AA19 BB01 BB16 BC01 BC04 BC08 BC09 BC10 CC02 CC06 CC10 DD01 DD15 DD23 DD39 DD53 DD66 DD73 DD85 DD92 DD98 EE12 EE24 FF26 FF30 FF32 FF33 GG25

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円周方向に4の倍数で分割された分極部
    を備え、この分極部の極性は2つ毎に互い違いであり、
    この分極部を1つおきに選択して成る第1の分極部群
    と、この第1の分極部群に属さない分極部から成る第2
    の分極部群とを備え、これら分極部群に電圧を入力する
    ことで定在波を発生する円盤形状の圧電素子を有する振
    動体と、 この振動体に設けられ、前記圧電素子の奇数個おきの分
    極部の面上に設けられた突起と、 この突起に当接し、この突起によって駆動される移動体
    と、 前記第1の分極部群と前記第2の分極部群とに入力する
    交番電圧の位相を同位相か位相差180度かを選択する
    ことで、前記移動体の駆動方向を切り換える位相切換手
    段と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
  2. 【請求項2】 前記突起の径方向の位置は、前記第1の
    分極部群と前記第2の分極部群の双方に交番電力を入力
    したときに、前記圧電素子の中心と前記定在波振動の節
    円の間で振動振幅が最大になる位置であり、周方向の位
    置は、前記分極部の奇数個おきの上部の各々周方向の中
    央であ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】 前記突起の間に、前記突起より低く形成
    された補助突起を備えたことを特徴とする請求項1ある
    いは請求項2に記載の超音波モータ。
  4. 【請求項4】 前記圧電素子は円盤形状の弾性部材を有
    し、前記突起及び前記補助突起は、この弾性部材の表面
    に一体形成されていることを特徴とする請求項1ないし
    請求項3のいずれか1つに記載の超音波モータ。
  5. 【請求項5】 前記第1の分極部群に出力端子が接続さ
    れる第1の非反転電力増幅器および第1の反転電力増幅
    器と、 前記第2の分極部群に出力端子が接続される第2の電力
    増幅器と、 前記第1の非反転電力増幅器と前記第1の反転電力増幅
    器と前記第2の電力増幅器とをそれぞれ能動状態あるい
    は非能動状態にすることによりモータの起動、停止およ
    び回転方向の切り換えを行うモータ制御回路とから構成
    される自励振駆動回路と、 を有する請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載
    の超音波モータ。
  6. 【請求項6】 円周方向に2の倍数で分割された分極部
    を備え、この分極部の極性は互い違いであり、2の倍数
    で分割された前記分極部の全てに同一の電圧を入力する
    ことで定在波を発生する円盤形状の圧電素子を有する振
    動体と、 この振動体に設けられ、前記圧電素子の分極部の面上に
    設けられた突起と、 この突起に当接し、この突起によって駆動される移動体
    と、 前記複数の分極部に出力端子が接続される電力増幅器
    と、 前記電力増幅器を能動状態あるいは非能動状態にするこ
    とによりモータの起動、停止を行なうモータ制御回路と
    から構成される自励振駆動回路と、 を有することを特徴とする超音波モータ。
  7. 【請求項7】 前記自励振駆動回路は、前記圧電素子が
    有する前記分極部に対して直列に接続されたコンデンサ
    と、 このコンデンサと前記圧電素子が機械的な共振状態にあ
    るときに有する誘導性とでLC共振回路を構成すること
    により前記圧電素子を自励発振させてモータ駆動を行う
    請求項5または請求項6に記載の超音波モータ。
  8. 【請求項8】 請求項1ないし請求項7のいずれか1つ
    に記載の超音波モータを駆動力源として備えることを特
    徴とする電子機器。
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