JP2008043016A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 縦振動モードおよび屈曲振動モードの双方の振動モードをそれぞれ独立した形で、容易に検出すること。
【解決手段】超音波振動子に設けられるとともに、一の振動モードにおいて同符号の電荷が生じ、かつ、他の振動モードにおいて異符号の電荷が略同量ずつ生ずる領域に配置される内部電極と、内部電極からの電気信号に基づいて検出される振動検出信号と、いずれか一方の駆動交番電圧との位相差φを検出し、該位相差φが基準位相差φｒｅｆとなるような駆動周波数を設定する制御装置３０とを備え、制御装置３０によって設定された駆動周波数の各駆動交番電圧を超音波振動子に印加する。
【選択図】図１１

Description

この発明は、超音波モータに関するものである。

近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
（１）ギヤなしで高トルクが得られる。
（２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
（３）高分解能である。
（４）静粛性に富んでいる。
（５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。

従来の超音波モータとしては、特許文献１に開示された構造のものがある。この特許文献１に開示された超音波モータには、積層圧電素子の一部に振動検出用の内部電極が設けられており、これにより振動モードを検出することができるようになっている。
特開平７−１９３２９１号公報

しかしながら、特許文献１の超音波モータにより検出することができる振動モードは、円柱棒形状振動子に生じる屈曲振動モードのみである。そのため、縦振動モードと屈曲振動モードとを同時に発生する振動子においては、特許文献１に開示された内部電極を用いて各振動モードをそれぞれ独立した形で検出することはできず、別途特別な装置が必要となるといった問題点があった。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、縦振動モードおよび屈曲振動モードの双方の振動モードをそれぞれ独立した形で、容易に検出することができる超音波モータを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、超音波振動子に２相の駆動交番電圧を印加することにより、前記超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、前記超音波振動子に設けられるとともに、一の前記振動モードにおいて同符号の電荷が生じ、かつ、他の前記振動モードにおいて異符号の電荷が略同量ずつ生ずる領域に配置される内部電極と、前記内部電極からの電気信号に基づいて振動検出信号を検出し、該振動検出信号と、いずれか一方の前記駆動交番電圧との位相差を検出し、該位相差が所定の値となるような駆動周波数を設定し、設定された駆動周波数の各前記駆動交番電圧を前記超音波振動子に印加する制御手段とを具備する超音波モータを提供する。

このような構成によれば、一の振動モードにおいて同符号の電荷が生じ、かつ、他の振動モードにおいて異符号の電荷が略同量ずつ生ずる領域に、内部電極が設けられているので、内部電極の出力信号を一の振動モードにおいて発生する電荷に応じた電気信号とすることができる。つまり、他の振動モードにおいては、略同量の異符号の電荷が生ずることにより、当該領域における電荷の総和がゼロとなるので、内部電極の出力信号は、一の振動モードにおいて発生した電荷に応じた信号となる。これにより、超音波振動子に発生している２つの振動モードのうちの一方を独立した形で電気信号として検出することができる。

また、上記構成によれば、内部電極から出力される電気信号に基づいて検出される振動検出信号と、超音波振動子に印加されているいずれか一方の駆動交番電圧との位相差が検出され、更に、この位相差が所定の値となるような駆動周波数が設定され、この駆動周波数が超音波振動子の制御にフィードバックされることとなる。
これにより、超音波振動子に発生している実際の振動モードに応じて駆動交番電圧を制御することができる。

上記超音波振動子における複数の箇所に上記内部電極を配置する場合には、各内部電極を配置する領域に発生する電荷の総和が、上述した条件、つまり、一の振動モードにおいては同符号の電荷が生じ、かつ、他の振動モードにおいては異符号の電荷が略同量ずつ生ずるという条件を満たしていればよい。

上記超音波モータにおいて、前記所定の値がモータ速度に応じて設定されていることとしても良い。
このように、モータ速度に応じて所定の値を決定することで、所望のモータ速度とすることができる。

上記超音波モータにおいて、前記制御手段は、設定した前記駆動周波数及び所定の位相差を有する２相の駆動制御信号を生成する信号発生器と、前記信号発生器から出力される２相の駆動制御信号に基づいて、前記駆動周波数及び所定の位相差の２相の駆動交番電圧を生成して、前記超音波振動子に印加する駆動回路とを備え、前記信号発生器から出力されるいずれか一方の駆動制御信号と前記振動検出信号との位相差を検出することとしても良い。

このような構成によれば、設定した前記駆動周波数及び所定の位相差を持つ２相の駆動制御信号が信号発生器から駆動回路に出力される。駆動回路では、２相の駆動制御信号に基づいて、同一駆動周波数、且つ、所定の位相差の２相の駆動交番電圧が生成され、この２相の駆動交番電圧が超音波振動子に印加される。また、信号発生器から出力された駆動制御信号を用いて、上記位相差が検出される。ここで、信号発生器から駆動回路へ出力される２相の駆動制御信号は、駆動回路から超音波振動子に印加される２相の駆動交番電圧に比べてノイズ成分が少ない。このように、ノイズ成分の少ない駆動制御信号を用いるので、位相差の検出精度を向上させることができる。

上記超音波モータにおいて、前記超音波振動子は、複数の圧電素子が積層された圧電積層体を備え、少なくとも一の前記圧電素子に前記内部電極が設けられていることとしても良い。
また、上記超音波モータにおいて、前記２つの振動モードは、例えば、縦振動モードと屈曲振動モードである。

この発明によれば、縦振動モードおよび屈曲振動モードの双方の振動モードをそれぞれ独立した形で、容易に検出することができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係る超音波モータについて、図を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１に示されるように、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータ１は、被駆動体２に接触配置される超音波振動子３と、該超音波振動子３を被駆動体２に押し付ける押圧手段４とを備えている。被駆動体２は、ベース５に固定された直動ベアリング６の可動部７に固定されている。また、被駆動体２には、超音波振動子３に接触する面に、例えば、ジルコニアセラミックスからなる摺動板８が接着されている。図中符号９は、直動ベアリング６の固定部１０をベース５に固定するためのネジである。

超音波振動子３は、図２から図５に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート（圧電素子）１１の片側面にシート状の内部電極１２（図４参照）を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体１３と、該圧電積層体１３の一側面に接着された２個の摩擦接触子１４と、該摩擦接触子１４が設けられた側面に隣接する側面からピン１５を突出させる振動子保持部材１６とを備えている。

圧電積層体１３は、図３に示されるように、例えば、長さ１８ｍｍ、幅４．４ｍｍ、厚さ２ｍｍの外形寸法を備えている。
圧電積層体１３を構成する圧電セラミックスシート１１は、図４及び図５に示されるように、例えば、厚さ約８０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス素子（以下、ＰＺＴという。）である。ＰＺＴとしては、Ｑｍ値の大きなハード系材料を選択した。Ｑｍ値は約１８００である。
また、内部電極１２は、例えば、厚さ約４μｍの銀パラジウム合金からなっている。積層方向の一端に配置される圧電セラミックスシート１１ａ（図２参照）は内部電極１２を備えていない。それ以外の圧電セラミックスシート１１は、図４に示されるような２種類の内部電極１２を備えている。

図４および図５に示される圧電セラミックスシート１１はそれぞれ、その略全面に内部電極１２を備えている。内部電極１２は、セラミックスシート１１の幅方向の中央部において、セラミックスシート１１の長さ方向に沿って設けられた帯状の内部電極、およびこの内部電極の周囲に配置されて、この内部電極との間に圧電セラミックスシート１１の幅方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開け、かつ圧電セラミックスシート１１の長さ方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて設けられた、略同じ大きさを有する四つの内部電極からなる。図４及び図５に示した帯状の内部電極１２（Ｃ−），１２（Ｃ＋）は、振動検出用の内部電極であり、例えば、図８に示すように、圧電セラミックシート１１を長さ方向に２等分割、幅方向に２等分割して、第１乃至第４の領域に区分した場合、各領域における占有面積が略等しくなるように配置されている。上記各内部電極１２は、圧電セラミックスシート１１の周縁から約０．４ｍｍの隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート１１の周縁まで延びている。

これら内部電極１２を備えた圧電セラミックスシート１１は、図４に示されるものと、図５に示されるものとが交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体１３を構成している。

圧電積層体１３の長さ方向の一端面には６個、圧電積層体１３の長さ方向の他端面には４個の合計１０個の外部電極１７が設けられている。各外部電極１７には、同種の圧電セラミックスシート１１の同一位置に配される全ての内部電極１２が接続されている。これにより、同種の圧電セラミックスシート１１の同一位置に配される内部電極１２は、同一の電位とされるようになっている。なお、これら外部電極１７はそれぞれ、配線（図示せず）を介して後述する制御装置（制御手段）（図１１参照）に接続されている。配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。

圧電積層体１３は、例えば、以下の通りに製造される。
圧電積層体１３を製造するには、まず、圧電セラミックスシート１１を製造する。圧電セラミックスシート１１は、例えば、ＰＺＴの仮焼粉末と所定のバインダとを混合して作成された泥しょうをドクターブレード法によってフィルム上にキャスティングした後に乾燥し、フィルムから剥離することにより製造する。

製造された圧電セラミックスシート１１にはそれぞれ内部電極１２のパターンを有するマスクを用いて内部電極材料を印刷する。そして、最初に、内部電極１２を有しない圧電セラミックスシート１１ａを配置し、次いで、内部電極１２を下向きにして正確に位置決めしつつ、形状の異なる内部電極１２を有する圧電セラミックスシート１１を交互に積層していく。積層された圧電セラミックスシート１１は熱圧着した後に、所定の形状に裁断され、１２００℃程度の温度で焼成されることにより圧電積層体１３が製造される。

また、その後、圧電セラミックスシート１１の周縁に露出している内部電極１２を連結するように、それぞれ外部電極１７となる銀を焼き付けて、外部電極１７を形成する。
最後に、対向する内部電極１２間に直流高電圧を加えることにより圧電セラミックスシート１１を分極処理し、圧電的に活性化する。

次に、このようにして構成された圧電積層体１３の動作について説明する。
圧電積層体１３の長さ方向の一端に形成された６つの外部電極１７を、圧電積層体１３の他側面の側（図において上側）からＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）、およびＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、他端に形成された４つの外部電極１７を、圧電積層体１３の他側面の側（図において上側）からＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、およびＡ相（Ａ＋，Ａ−）とする。Ａ相およびＢ相は駆動用の外部電極であり、Ｃ相は振動検出用の外部電極である。

Ａ相およびＢ相に同位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加すると、図６に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、このとき、前述した圧電セラミックスシート１１の一面の領域に生ずる電荷は、例えば、図８に示すように、圧電セラミックシート１１を第１乃至第４の領域に区分した場合、図９に示すように、全ての領域において正電荷もしくは負電荷が同時に励起された状態となる。

また、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加すると、図７に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。このとき、前述した各領域では図１０に示すような電荷状態となる。すなわち、屈曲振動モードが励起されている場合には、第１乃至第４の領域のうち、対角線上に位置する領域では同符号の電荷が同時に励起され、隣り合う領域では異符号の電荷が同時に励起されていることになる。

次に、Ｃ相からの出力について説明する。Ｃ相は、対応する内部電極が上述した４つの各領域に対する占有面積が略同等になるように配置されていることから、屈曲振動による電荷は相殺され、縦振動にのみ比例した信号が出力されることとなる。なお、どちらの符号の電荷が励起されるかは振動の位相状態によって決まる。

前記摩擦接触子１４は、前記圧電積層体１３の２次の屈曲振動の腹となる２カ所の位置に接着されている。これにより、圧電積層体１３に１次の縦振動が発生したときには、摩擦振動子１４が圧電積層体１３の長さ方向（図２に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体１３に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１４が、圧電積層体１３の幅方向（図２に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
したがって、超音波振動子３のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加することにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図２に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子１４の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。

前記振動子保持部材１６は、図２に示すように、断面略コ字状に形成された保持部１６ａと、該保持部１６ａの両側面から垂直に突出する該保持部１６ａと一体的なピン１５とを備えている。保持部１６ａは、圧電積層体１３の幅方向の一側から圧電積層体１３を囲むようにして、例えば、シリコン樹脂またはエポキシ樹脂により圧電積層体１３に接着されている。保持部１６ａが圧電積層体１３に接着された状態で、保持部１６ａの両側面に一体的に設けられた２つのピン１５は、圧電積層体１３の縦振動と屈曲振動の共通の節となる位置に同軸に配置されるようになっている。

前記押圧手段４は、図１に示されるように、超音波振動子３に対して、その幅方向（Ｚ方向）に、前記摩擦接触子１４とは逆方向に離れた位置においてベース５に固定されるブラケット１８と、該ブラケット１８に対して、前記超音波振動子３の幅方向に移動可能に支持された押圧部材１９と、該押圧部材１９に対して押圧力を加えるコイルスプリング２０と、該コイルスプリング２０による押圧力を調節する調節ネジ２１と、ブラケット１８に対する押圧部材１９の移動を案内するガイドブッシュ２２とを備えている。符号２３は、ブラケット１８をベース５に固定するネジである。

前記押圧部材１９には、前記超音波振動子３を厚さ方向に挟む２つの保持板２４が備えられている。各保持板２４には、前記振動子保持部材１６の２本のピン１５をそれぞれ貫通させる貫通孔２５が設けられている。押圧部材１９に加えられる押圧力は、保持板２４およびその貫通孔２５に貫通するピン１５を介して超音波振動子３に伝達されるようになっている。

前記コイルスプリング２０は、圧縮コイルスプリングであって、前記調節ネジ２１と前記押圧部材１９との間に挟まれている。したがって、ブラケット１８に対する調節ネジ２１の締結位置を変化させることで、弾性変形量を変化させて押圧部材１９を超音波振動子３方向に付勢する押圧力を変化させることができるようになっている。

次に、本実施形態に係る超音波モータ１の制御装置について図１１を参照して説明する。
図１１に示すように、制御装置３０は、駆動パルス発生回路（信号発生器）３１及びドライブＩＣ（駆動回路）３２を備えている。駆動パルス発生回路３１は、図１２に示すように、所定の駆動周波数、及び、所定の位相差θの２相の駆動制御信号を生成し、ドライブＩＣ３２に出力する。所定の位相差θは、例えば、約９０°とされている。
ドライブＩＣ３２は、駆動パルス発生回路３１から入力される２相の駆動制御信号に基づいて、所定の位相差、及び、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧を生成し、各駆動交番信号を上述したＡ相、Ｂ相に対応する外部電極に印加する。

更に、制御装置３０は、振動検出回路３３、位相比較回路３４、周波数制御回路３５、及び周波数設定回路３６を備えている。振動検出回路３３は、図２に示したＣ相の外部電極１７（Ｃ＋，Ｃ−）と配線を介して接続されており、Ｃ相の外部電極１７（Ｃ＋，Ｃ−）からのアナログ電気信号（以下、「Ｃ相電気信号」という。）に基づいて、超音波振動子３に生じている縦振動モードに対応する振動検出信号を生成する。具体的には、配線を介して入力されたＣ相電気信号に対して、レベル調整、ノイズ除去、２値化等の各種信号処理を施してデジタル信号に変換し、処理後のデジタル信号を振動検出信号として出力する。

位相比較回路３４は、振動検出回路３３から出力された振動検出信号とドライブＩＣ３２に入力されるＡ相の駆動制御信号とが入力されるようになっている。位相比較回路３４は、図１３に示すように、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φを求め、更に、この位相差φと予め記憶している基準位相差φｒｅｆとの差分Δφ（＝φ−φｒｅｆ）を求め、この差分Δφに応じた信号を出力する。
ここで、超音波モータ１は、共振周波数において駆動すると効率が良いことが知られている。ところが、共振周波数は環境温度によって変化する。具体的には、図１４に示すように、環境温度が増加すると、共振周波数は減少するという特性を有している。したがって、最大のモータ速度が得られるように超音波モータ１を制御しようとする場合には、温度変化に追従して、共振周波数を変化させる必要がある。

これに対し、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φと共振周波数との間には、図１５に示すように、温度が増加して共振周波数が変化したとしても位相差φは常に一定の値に維持されるという関係がある。これは、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φが常に一定の値となるように、共振周波数を制御すれば、常に一定のモータ速度が得られることを示している。そこで、本実施形態においては、上述のように、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが、常に一定の値となるように、共振周波数を制御することとしている。

本実施形態では、基準位相差φｒｅｆを３π／４に設定し、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが常に基準位相差３π／４となるように共振周波数を制御することとしている。これは、３π／４のときに、共振周波数を取ることなり、図１４に示されるように、超音波モータを最も効率の良い領域で駆動することができるからである。なお、基準位相差φｒｅｆの値については、特に限定されることなく、超音波モータ１の駆動効率、換言すると、所望のモータ速度に応じて設計事項により任意に決定できる。

図１１に戻り、周波数制御回路３５は、位相比較回路３４からの差分Δφが入力されるようになっている。周波数制御回路３５は、差分Δφに基づいて、差分Δφをゼロにするための周波数の変化量Δｆを求め、この周波数の変化量Δｆを出力する。具体的には、差分Δφがプラスの値を示していた場合には、周波数を所定数増加させるための変化量＋Δｆを出力し、差分Δφがマイナスの値を示していた場合には、周波数を所定量減少させるための変化量−Δｆを出力する。このように、本実施形態では、差分Δφに基づく逐次制御を実施する。

周波数設定回路３６は、周波数制御回路３５からの周波数の変化量Δｆが入力されるようになっている。周波数設定回路３５は、例えば、発振器、分周回路等を備えて構成されている。周波数設定回路３５は、周波数を周波数制御回路３５からの変化量Δｆに応じて増減させたクロック信号を生成し、これを上述の駆動パルス発生回路３１に出力する。

なお、駆動パルス発生回路３１には、方向指示回路３７から方向指示信号が入力されるようになっている。駆動パルス発生回路３１は、方向指示信号に応じてドライブＩＣ３２に出力する２相の駆動制御信号の位相差θを変更する。これにより、超音波振動子３の摩擦接触子１４に発生する略楕円振動の向きを正転、または負転に切り替えることができ、この結果、被駆動体２の移動方向を正転方向、負転方向に移動させることができる。

次に、上記制御装置３０の作用について説明する。
まず、駆動パルス発生回路３１から所定の駆動周波数、及び、所定の位相差θ（＝９０°）の２相の駆動制御信号がドライブＩＣ３２に入力され、これに基づいて、所定の位相差、及び、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧が超音波振動子３の上述したＡ相の外部電極１７（Ａ＋，Ａ−）、及びＢ相の外部電極１７（Ｂ＋，Ｂ−）にそれぞれ印加される。これにより、超音波振動子３には、縦振動モードと屈曲振動モードとが同時に励起され、摩擦接触子１４には略楕円振動が発生し、その楕円振動の接線方向に沿って被駆動体２の摺動板８との間の生ずる摩擦力により、被駆動体２が推進されることになる。

一方、超音波振動子３の縦振動モードに応じたＣ相電気信号がＣ相の外部電極１７（Ｃ＋，Ｃ−）及び配線を介して振動検出回路３３に入力される。このＣ相電気信号は、振動検出回路３３において、デジタル信号に変換され、振動検出信号として位相比較回路３４に入力される。位相比較回路３４に入力された振動検出信号は、Ａ相の駆動制御信号と比較されることによって位相差φが求められ、更に、この位相差φと基準位相差φｒｅｆとの差分Δφが求められることにより、差分Δφに応じた信号が周波数制御回路３５に出力される。周波数制御回路３５において、差分Δφの符号（プラス、または、マイナス）に基づいて周波数の変化量Δｆの符号（プラス、または、マイナス）が決められ、この変化量Δｆが周波数設定回路３６に出力される。周波数設定回路３６は、変化量Δｆに応じて周波数を変化させたクロック信号を生成し、これを駆動パルス発生回路３１に出力する。これにより、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが基準位相差φｒｅｆとなるようなフィードバック制御が行われることとなり、温度変化に応じた所望の共振周波数で超音波モータ１を駆動することが可能となる。これにより、温度変化にかかわらずに常に安定したモータ駆動を実現させることができる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る超音波モータ１によれば、縦振動モードにより発生する各領域での電荷の総和は有限値をとり、かつ屈曲振動モードにより発生する各領域での電荷の総和は打ち消されてゼロとなるような位置にＣ相に対応する内部電極１２、つまり、振動検出用の内部電極１２が設けられているので、この振動検出用の内部電極１２を介して縦振動モードのみを検出することができる。
また、周波数を振動子の縦振動振幅が最大となる周波数の近傍に設定することにより、効率よく超音波モータを駆動することができ、高いモータ出力を得ることができる。
更に、本実施形態に係る超音波モータ１によれば、上記Ｃ相電気信号に基づいて縦振動モードの振動検出信号を生成し、この振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φが基準位相差φｒｅｆになるように、２相の駆動制御信号の周波数をフィードバック制御するので、環境温度が変化した場合でも、常にモータ速度を一定に保つことができる。これにより、安定したモータ駆動を実現させることができる。

なお、上記実施形態においては、位相比較回路３４から出力される差分Δφに応じた逐次制御が実施されていたが、これに代えて、例えば、周波数制御回路３５が図１６に示すようなＡ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φと周波数ｆの特性テーブルを保有しており、この特性テーブルを用いて位相差φに応じた周波数ｆを決定するような構成としても良い。
具体的には、位相比較回路３４は、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φを求めると、この位相差φに応じた信号を周波数制御回路３５に出力する。周波数制御回路３５は、入力された位相差φに対応する周波数ｆを図１６に示した特性テーブルを参照して取得し、この周波数ｆを周波数設定回路３６に出力する。これにより、周波数設定回路では、周波数ｆのクロック信号が生成されて、駆動パルス発生回路３１に出力されることとなる。

このような構成によれば、例えば、急激な温度変化が生じたことにより、位相差φが基準位相差φｒｅｆから大きくずれてしまった場合でも、速やかにこのずれ量に応じた周波数ｆを求めることができる。これにより、急激な温度変化に対しても速やかに追従することができ、応答性を向上させることができる。
なお、図１６に示した位相差φ−周波数ｆの特性テーブルに代えて、位相差φをパラメータとした演算式を用いることにより、位相差φに応じた周波数ｆを求めることとしても良い。

また、本実施形態においては、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号とを比較することとしたが、Ａ相の駆動制御信号に代えてＢ相の駆動制御信号を用いることとしても良い。なお、この場合には、基準位相差φｒｅｆをＡ相の駆動制御信号とＢ相の駆動制御信号との位相差θに応じて変更する必要がある。また、２相の駆動制御信号に代えて、ドライブＩＣ３２から超音波モータ１へ印加される２相の交番駆動電圧のいずれか一方を用いることとしても良い。

次に、図１７から図１９に本実施形態の超音波モータの変形例を示す。この変形例では、図４及び図５において、内部電極１２（Ｃ＋，Ｃ−）を挟んで上方、下方の双方に配置されていた駆動用の内部電極１２（Ａ＋，Ａ−）及び内部電極１２（Ｂ＋，Ｂ−）のうち、上方に配置されている内部電極１２（Ａ＋，Ａ−）及び内部電極１２（Ｂ＋，Ｂ−）を除去し、下方に配置された内部電極１２（Ａ＋，Ａ−）及び内部電極１２（Ｂ＋，Ｂ−）のみとする。このように内部電極を配置することにより、内部電極の数を減らすことができ、外部への配線を容易にすることができる。なお、下方に配置された内部電極を除去し、上方に配置された内部電極のみとしても良い。

本発明の第２の実施形態に係る超音波モータについて、図２０および図２４を参照して以下に説明する。
上述した第１の実施形態に係る超音波モータでは、縦振動モードに応じた振動検出信号を用いて周波数制御を行っていた。これに対し、本実施形態に係る超音波モータでは、屈曲振動モードに応じた振動検出信号を用いて周波数制御を行う。
ここで、屈曲振動モードにおける共振周波数についても、上述した縦振動モードにおける共振周波数と同様の性質を有している。つまり、図２０に示すように、屈曲振動モードにおける共振周波数は温度が増加すると減少するが、図２１に示すように、温度が増加して共振周波数が変化したとしても屈曲振動モードに応じた振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φは一定の値を示すこととなる。したがって、屈曲振動モードに応じた振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φが常に一定の値となるように、周波数を制御することによっても、モータ速度を一定に維持することができ、常に安定したモータ効率を得ることができることとなる。

なお、本実施形態では、屈曲振動モードを検出する必要があることから、圧電セラミックスシート１１における内部電極１２の配置等が上述した第１の実施形態に係る配置と異なっている。
以下、屈曲振動モードを検出するための装置構成及び方法について図２２から図２４を参照して説明する。
図２２及び図２３に示されるように、本実施形態に係る超音波モータは、図４及び図５に示した圧電セラミックスシート１１の幅方向において中央に位置する内部電極１２（Ｃ＋，Ｃ−）が省略されるとともに、Ａ相（Ａ＋）の一方（図５において左下に位置する方）がＤ相（Ｄ＋）として、Ａ相（Ａ−）の一方（図４において左下に位置する方）がＤ相（Ｄ−）として、Ｂ相（Ｂ＋）の一方（図５において右下に位置する方）がＣ相（Ｃ＋）として、Ｂ相（Ｂ−）の一方（図４において右下に位置する方）がＣ相（Ｃ−）として使用される。図２４は、本実施形態に係る超音波振動子を示す斜視図である。図２２及び図２３に示した圧電セラミックスシート１１が交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体７３が構成されている。

図２４に示すように、圧電積層体７３の長さ方向の一端に形成された４つの外部電極１７を、圧電積層体１３の他側面の側（図において上側）からＡ相（Ａ＋，Ａ−）、Ｃ相（Ｃ＋，Ｃ−）、他端に形成された４つの外部電極１７を、圧電積層体７３の他側面の側（図において上側）からＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）、およびＤ相（Ｄ＋，Ｄ−）とする。Ａ相およびＢ相は駆動用の外部電極であり、Ｃ相およびＤ相は振動検出用の外部電極である。
続いて、外部電極１７（Ｃ＋）と外部電極Ｄ（Ｄ−）とを配線Ｌ１で結線し、また、外部電極１７Ｃ（Ｃ−）と外部電極１７（Ｄ＋）とを配線Ｌ２で結線し、これら一対の配線Ｓ１，Ｓ２を本実施形態に係る制御装置３０´の振動検出回路３３´の入力側に接続する（図２５参照）。

ここで、Ａ相、Ｂ相に同位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加し、図６に示すような１次の縦振動を励起させると、圧電セラミックスシート１１の一面の領域に生ずる電荷は、図９に示すように、第１乃至第４の領域において正電荷もしくは負電荷が同時に励起された状態となる。つまり、図２２における内部電極１２（Ｄ−）に負の電荷が励起されているときに、図２３における内部電極１２（Ｃ＋）には正の電荷が励起されている状態となり、また、図２２における内部電極１２（Ｃ−）に負の電荷が励起されているときに、図２３における内部電極１２（Ｄ＋）には正の電荷が励起されている状態となる。したがって、配線Ｌ１と配線Ｌ２の出力端子間電圧は、ゼロで一定となる。

また、Ａ相、Ｂ相に逆位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加し、図７に示すような２次の屈曲振動を励起させると、圧電セラミックスシート１１の一面の領域に生ずる電荷は、図１０に示すように、四つの領域のうち、対角線上に位置する領域では同符号の電荷が同時に励起され、隣り合う領域では異符号の電荷が同時に励起されていることになる。つまり、図２２における内部電極１２（Ｄ−）に負の電荷が励起されているときに、図２３における内部電極１２（Ｃ＋）には負の電荷が励起されている状態となり、また、図２２における内部電極１２（Ｃ−）に正の電荷が励起されているときに、図２３における内部電極１２（Ｄ＋）には正の電荷が励起されている状態となる。したがって、配線Ｌ１と配線Ｌ２の出力端子間電圧は、有限な値となり、屈曲振動に比例した信号となる。

図２５に示すように、振動検出回路３３´は、配線Ｌ１と配線Ｌ２の出力端子間の電圧信号に対してレベル調整、ノイズ低減処理、２値化等の所定の信号処理を施すことにより、デジタル電気信号に変換し、このデジタル電気信号を屈曲振動の振動検出信号として位相比較回路３４に出力する。これにより、上述した第１の実施形態と同様、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φを基準位相差φｒｅｆ´に一致させるような周波数制御が行われることとなる。

以上説明してきたように、本実施形態に係る超音波モータによれば、屈曲振動モードにより発生する各領域での電荷の総和は有限値をとり、かつ縦振動モードにより発生する各領域での電荷の総和は打ち消されてゼロとなるような位置に振動検出用の内部電極１２が設けられているので、この振動検出用の内部電極１２を介して屈曲振動モードのみを検出することができる。
更に、本実施形態に係る超音波モータによれば、上記配線Ｌ１、Ｌ２の出力端子間の電圧信号Ｓ１，Ｓ２に基づいて屈曲振動モードの振動検出信号を生成し、この振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φが基準位相差φｒｅｆ´になるように、２相の駆動制御信号の周波数をフィードバック制御するので、環境温度が変化した場合でも、常にモータ速度を一定に保つことができる。これにより、安定したモータ駆動を実現させることができる。

なお、上記各実施形態においては、圧電セラミックスシートとしてＰＺＴを用いたが、これに限定されるものではなく、圧電性を示すものであれば、ＰＺＴ以外の任意の圧電素子を用いてもよい。
また、上記各実施形態においては、内部電極の材質として銀パラジウム合金を用いたが、これに代えて、銀、ニッケル、白金または金を用いてもよい。
さらに、被駆動体２の表面にジルコニアセラミックスからなる摺動板を接着する代わりに、ジルコニアセラミックスを溶射法により被駆動体２の表面に付着させることにしてもよい。
また、上述した実施形態では、振動検出用の内部電極を全層にわたって設けるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、一層にだけもしくは数層にだけ設けるようにすることもできる。

本発明の第１の実施形態に係る超音波モータを示す全体構成図である。 図１の超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。 図２の超音波振動子を構成する圧電積層体を示す斜視図である。 図３の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。 図３の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。 図２の圧電積層体が１次の縦振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。 図２の圧電積層体が２次の屈曲振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。 セラミックスシートに設けられた内部電極に発生する電荷状態を説明するための図であって、セラミックスシートを同じ形（矩形）で同じ面積の四つの領域に分割した図である。 縦振動モードが励起されているときに、図８に示した各領域に励起される電荷状態を示した図である。 屈曲振動モードが励起されているときに、図８に示した各領域に励起される電荷状態を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係る制御装置の概略構成を示したブロック図である。 駆動パルス発生回路により生成される２相の駆動制御信号を示した図である。 位相比較回路の処理を説明するための図である。 縦振動モードにおける周波数−モータ速度の関係を示した図である。 縦振動モードにおける周波数−位相差の特性を示した図である。 周波数制御回路が保有する位相差φ−周波数ｆの特性テーブルの一例を示した図である。 圧電積層体を構成する圧電セラミックシートの変形例を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る超音波モータの超音波振動子の変形例を示す斜視図である。 図１８に示した超音波振動子の外部電極の配置を示した図である。 屈曲振動モードにおける周波数−モータ速度の関係を示した図である。 屈曲振動モードにおける周波数−位相差の特性を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波振動子を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波振動子を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る超音波モータの制御装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 超音波モータ
２ 被駆動体
３ 超音波振動子
１１ セラミックスシート（電気機械変換素子）
１４ 摩擦接触子
３０，３０´ 制御装置
３１ 駆動パルス発生回路
３２ ドライブＩＣ
３３，３３´ 振動検出回路
３４ 位相比較回路
３５ 周波数制御回路
３６ 周波数設定回路

Claims (5)

1. 超音波振動子に２相の駆動交番電圧を印加することにより、前記超音波振動子に異なる２つの振動モードを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、
   前記超音波振動子に設けられるとともに、一の前記振動モードにおいて同符号の電荷が生じ、かつ、他の前記振動モードにおいて異符号の電荷が略同量ずつ生ずる領域に配置される内部電極と、
   前記内部電極からの電気信号に基づいて振動検出信号を検出し、該振動検出信号と、いずれか一方の前記駆動交番電圧との位相差を検出し、該位相差が所定の値となるような駆動周波数を設定し、設定された駆動周波数の各前記駆動交番電圧を前記超音波振動子に印加する制御手段と
   を具備する超音波モータ。
2. 前記所定の値がモータ速度に応じて設定されている請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記制御手段は、
   設定した前記駆動周波数及び所定の位相差を有する２相の駆動制御信号を生成する信号発生器と、
   前記信号発生器から出力される２相の駆動制御信号に基づいて、前記駆動周波数及び所定の位相差の２相の駆動交番電圧を生成して、前記超音波振動子に印加する駆動回路と
   を備え、
   前記信号発生器から出力されるいずれか一方の駆動制御信号と前記振動検出信号との位相差を検出する請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記超音波振動子は、複数の圧電素子が積層された圧電積層体を備え、
   少なくとも一の前記圧電素子に前記内部電極が設けられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波モータ。
5. 前記２つの振動モードは、縦振動モードと屈曲振動モードである請求項１から請求項４に記載の超音波モータ。

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