JP2008160913A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 被駆動体の回転のムラの発生を防ぐとともに、超音波モータの駆動効率を一定に保持することができ、安定したモータ駆動を実現させる。
【解決手段】 超音波モータ１０は、複数の圧電セラミックスシート４６が交互に積層された振動子１，２と、振動子１，２に２相の共通する駆動交番電圧を印加する制御装置６０とを有し、振動子１，２に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、振動子１，２の摩擦接触子５０に略楕円振動を生じさせて、振動子１，２とこれに接触するロータ６とを相対的に移動させるモータあって、制御装置６０が、振動子１，２の振動を検出し平均の振動検出信号を出力する振動検出回路６６と、振動子１，２に印加する２相の駆動交番電圧の何れか一方と平均振動検出信号との位相差を検出する位相比較回路６８と、この位相差が所定の値となるように駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御回路７０とを備える。
【選択図】図１６

Description

本発明は、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、例えば、特許文献１には弾性体に圧電素子を接着した構造の振動子を３個用いた回転モータが開示されている。特許文献１では、各振動子に対して駆動回路をそれぞれ設け、各振動子に対して個別に最適な周波数の信号を与えることにより、各振動子を駆動している。
特開平１１−２３５０６２号公報

上記特許文献１に開示された回転モータでは、各々の振動子の駆動周波数が全く等しい場合は、被駆動体はムラのない回転を行う。しかしながら、駆動周波数にずれが生じた場合には、その駆動周波数の差に対応してうなり現象が生じ、超音波領域の周波数よりかなり低い周波数、たとえば数十Ｈｚ程度の周波数で被駆動体の回転にムラが生じてしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、被駆動体の回転のムラの発生を防ぐとともに、モータの駆動効率を一定に保持することができ、安定したモータ駆動を実現させることができる超音波モータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子と、複数の該超音波振動子に２相の共通する駆動交番電圧を印加する制御部とを有し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各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、前記制御部が、各前記超音波振動子の振動を検出し、平均の振動検出信号を出力する振動検出手段と、各前記超音波振動子に印加する２相の前記駆動交番電圧の何れか一方と前記平均の振動検出信号との位相差を検出する位相比較手段と、該位相比較手段により検出される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御手段とを備える超音波モータを提供する。

本発明によれば、制御部により、複数の超音波振動子に共通する２相の駆動交番電圧が印加されるので、各超音波振動子の駆動周波数を一致させることができる。したがって、各超音波振動子の出力端が略楕円運動することによって回転する被駆動体のうなり現象を低減して、被駆動体の回転にムラが発生するのを防ぐことができる。

また、上記構成によれば、振動検出手段により、各超音波振動子の振動が検出され、各超音波振動子の振動に比例する振動検出信号の平均の振動検出信号が位相比較手段に入力される。位相比較手段では、この平均の振動検出信号が、各超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の何れか一方と比較され、両者間の位相差が検出される。そして、周波数制御手段の作動により、この位相差が所定の値となるように、各超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の周波数が制御される。

これにより、各超音波振動子に適した周波数の駆動交番電圧を印加することができる。さらに、超音波振動子に印加する駆動交番電圧と超音波振動子の振動に比例する振動検出信号との位相差に着目して駆動周波数を制御することにより、例えば、環境温度が変化して周波数特性にずれが生じた場合でも、速やかに駆動周波数をその環境温度の変化に追従させることが可能となる。

この結果、被駆動体の回転のムラの発生を防ぐとともに、超音波モータの駆動効率を一定に保持することができ、安定したモータ駆動を実現させることができる。
なお、振動検出手段とは、第１の実施形態においては、振動子１に設けられたＣ相の内部電極５６（例えば、図９，図10参照）と振動子２に設けられたＣ相の内部電極５６と振動検出回路６６（図１６参照）とを含むものとする。

本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子と、複数の該超音波振動子に２相の共通する駆動交番電圧を印加する制御部とを有し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各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、前記制御部が、各前記超音波振動子の振動を検出し、各振動検出信号を出力する振動検出手段と、各前記超音波振動子に印加する２相の前記駆動交番電圧の何れか一方と各前記振動検出信号との位相差をそれぞれ検出する位相比較手段と、該位相比較手段により検出された複数の前記位相差の内、最大となる位相差を選択する選択手段と、該選択手段により選択される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御手段とを備える超音波モータを提供する。

本発明によれば、制御部により、複数の超音波振動子に共通する２相の駆動交番電圧が印加されるので、各超音波振動子の駆動周波数を一致させることができる。したがって、各超音波振動子の出力端が略楕円運動することによって回転する被駆動体のうなり現象を低減して、被駆動体の回転にムラが発生するのを防ぐことができる。

また、上記構成によれば、振動検出手段により、各超音波振動子の振動が検出され、各超音波振動子の振動に比例する振動検出信号が位相比較手段に入力される。位相比較手段では、各位相検出信号と、各超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の何れか一方とが比較され、その位相差がそれぞれ検出される。そして、これらの位相差の内、最大となる位相差が選択手段によって選択され、周波数制御手段の作動により、選択された位相差が所定の値となるように、各超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の周波数が制御される。

これにより、各超音波振動子に位相差が最大の超音波振動子の共振周波数の駆動交番電圧を印加して、各超音波振動子を駆動させるので、各超音波振動子の駆動力が損なわれることなく、全ての超音波振動子を効率よく駆動させることができる。さらに、超音波振動子に印加する駆動交番電圧と超音波振動子の振動に比例する振動検出信号との位相差に着目して駆動周波数を制御することにより、例えば、環境温度が変化して周波数特性にずれが生じた場合でも、速やかに駆動周波数をその環境温度の変化に追従させることが可能となる。

この結果、被駆動体の回転のムラの発生を防ぐとともに、例えば、各超音波振動子の共振周波数に比較的大きな差がある場合でも、駆動力が大きい安定したモータ駆動を実現させることができる。
なお、振動検出手段とは、第２の実施形態においては、振動子１に設けられたＣ相の内部電極５６（例えば、図９，図10参照）と振動子２に設けられたＣ相の内部電極５６と振動検出回路８２，８４（図２１参照）とを含むものとする。

上記超音波モータにおいては、前記振動検出信号が、各前記超音波振動子の縦振動に比例する縦振動検出信号または屈曲振動に比例する屈曲振動検出信号であってもよい。

本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子に２相の共通する駆動交番電圧を印加し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各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の駆動方法であって、各前記超音波振動子の振動を検出し、平均の振動検出信号を出力する振動検出過程と、各前記超音波振動子に印加する２相の前記駆動交番電圧の何れか一方と前記平均の振動検出信号との位相差を検出する位相比較過程と、該位相比較過程により検出される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御過程とを備える超音波モータの駆動方法を提供する。

本発明によれば、複数の超音波振動子に共通する２相の駆動交番電圧が印加されるので、各超音波振動子の駆動周波数を一致させることができる。したがって、各超音波振動子の出力端が略楕円運動することによって回転する被駆動体のうなり現象を低減して、被駆動体の回転にムラが発生するのを防ぐことができる。

また、上記構成によれば、各超音波振動子の振動が検出され、これらの振動検出信号の平均の振動検出信号が得られる。続いて、この平均の振動検出信号が、各超音波振動子に印加される２相の駆動交番電圧の何れか一方と比較され、両者間の位相差が検出される。そして、この位相差が所定の値となるように、各超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の周波数が制御される。

これにより、各超音波振動子に適した周波数の駆動交番電圧を印加することができる。さらに、超音波振動子に印加する駆動交番電圧と超音波振動子の振動に比例する振動検出信号との位相差に着目して駆動周波数を制御することにより、例えば、環境温度が変化して周波数特性にずれが生じた場合でも、速やかに駆動周波数をその環境温度の変化に追従させることが可能となる。
この結果、被駆動体の回転のムラの発生を防ぐとともに、モータの駆動効率を一定に保持することができ、安定したモータの駆動方法を実現させることができる。

本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子に２相の共通する駆動交番電圧を印加し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各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の駆動方法であって、各前記超音波振動子の振動を検出し、各振動検出信号を出力する振動検出過程と、各前記超音波振動子に印加する２相の前記駆動交番電圧の何れか一方と各前記振動検出信号との位相差をそれぞれ検出する位相比較過程と、該位相比較過程により検出された複数の前記位相差の内、最大となる位相差を選択する選択過程と、該選択過程により選択される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御過程とを備える超音波モータの駆動方法を提供する。

本発明によれば、複数の超音波振動子に共通する２相の駆動交番電圧が印加されるので、各超音波振動子の駆動周波数を一致させることができる。したがって、各超音波振動子の出力端が略楕円運動することによって回転する被駆動体のうなり現象を低減して、被駆動体の回転にムラが発生するのを防ぐことができる。

また、上記構成によれば、各超音波振動子の振動が検出され、振動検出信号が得られる。続いて、各位相検出信号が、各超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の何れか一方と比較され、その位相差がそれぞれ検出される。そして、これらの位相差の内、最大となる位相差が選択され、この位相差が所定の値となるように、各超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の周波数が制御される。

これにより、各超音波振動子に位相差が最大の超音波振動子の共振周波数の駆動交番電圧を印加して、各超音波振動子を駆動させるので、各超音波振動子の駆動力が損なわれることなく、全ての超音波振動子を効率よく駆動させることができる。さらに、超音波振動子に印加する駆動交番電圧と超音波振動子の振動に比例する振動検出信号との位相差に着目して駆動周波数を制御することにより、例えば、環境温度が変化して周波数特性にずれが生じた場合でも、速やかに駆動周波数をその環境温度の変化に追従させることが可能となる。
この結果、被駆動体の回転のムラの発生を防ぐとともに、例えば、各超音波振動子の共振周波数に比較的大きな差がある場合でも、駆動力が大きい安定したモータ駆動を実現させることができる。

上記超音波モータの駆動方法においては、前記振動検出信号が、各前記超音波振動子の縦振動に比例する縦振動検出信号または屈曲振動に比例する屈曲振動検出信号であってもよい。

本発明によれば、被駆動体の回転のムラの発生を防ぐとともに、超音波モータの駆動効率を一定に保持することができ、安定したモータ駆動を実現させることができるという効果を奏する。

以下、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータについて、図面を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本実施形態に係る超音波モータ１０の平面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
本実施形態に係る超音波モータ１０は、図１に示されるように、円環形状をした回転型モータである。
超音波モータ１０は、モータ機構１２と、後述する制御装置（制御部）６０（図１６参照）とを備えている。

上記モータ機構１２は、図２および図５に示されるように、円環状のベース４に対して回転自在に支持された円環状のロータ（被駆動体）６と、該ロータ６に設けられた摺動部材８に接触させられてロータ６に加える回転力を発生する振動子（超音波振動子）１，２と、該振動子１，２を支持する円環状のカバー１４と、該カバー１４に取り付けられ振動子１，２を摺動部材８に押し付ける板バネ保持部材１６とを備えている。
なお、摺動部材８は、例えば、アルミナセラミクスが用いられる。

ベース４およびロータ６の対向面には、相互に対向する円環状のＶ溝１８，２０が設けられ、これらベース４およびロータ６のＶ溝１８，２０の間には、複数のボール２４がリテーナ２６により間隔を空けた状態で挟まれている。
ロータ６には、その一部に半径方向内方に突出する出力取り出し部２８が設けられている。

前記振動子１，２は、図１に示すカバー１４の周方向に間隔を空けて、２箇所に設けられている。
前記板バネ保持部材１６は、振動子１，２に押圧力を付与する板バネ３０を備え、ネジ３２（図１参照）によりカバー１４に固定されるようになっている。図３および図４に示すように、板バネ３０にはその中央部に突起３２が設けられ、振動子１，２の略中央位置に押圧力を加えるようになっている。

図５に示すように、カバー１４には、周方向に間隔を空けて２箇所に、振動子１，２を収容する落とし込み穴３４が設けられている。各落とし込み穴３４には、後述する振動子保持部材５２に固定されたピン５４（図６および図７参照）を周方向に係合させる凹部３６が設けられている。
なお、図２の符号３８はベース４とカバー１４の連結部材を、図３および図４の符号４２はビスを、符号４４はネジ３２を通す穴を示し、図５の符号４０はネジ３２のネジ穴を示している。

次に、上記振動子１，２について詳細に説明する。
振動子１，２は、図６に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート（電気機械変換素子）４６の片側面にシート状の内部電極５６（図９および図１０参照）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４８と、該圧電積層体４８の一側面に接着された２個の摩擦接触子５０（出力端）と、振動子保持部材５２とを備えている。

圧電積層体４８は、図８に示されるように、例えば、長さ２０ｍｍ、幅５．０ｍｍ、厚さ３．２ｍｍの外形寸法とされている。圧電積層体４８を構成する圧電セラミックスシート４６は、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使用することが好ましい。Ｑｍ値は約１８００である。

また、内部電極５６は、図９および図１０に示されるように、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４６ａ（図６〜図８参照）は内部電極５６を備えていない。それ以外の圧電セラミックスシート４６は、図９および図１０に示されるような２種類の内部電極５６を備えている。

図９に示される圧電セラミックスシート（第１の圧電素子）４６は、駆動用の内部電極５６（Ａ＋），５６（Ｂ＋）と、振動検出用の内部電極５６（Ｃ＋）とを備えている。
内部電極５６（Ｃ＋）は、圧電セラミックスシート４６の幅方向の中央部において、圧電セラミックスシート４６の長さ方向に沿って帯状に設けられている。具体的には、内部電極５６（Ｃ＋）は、図１３に示すように、圧電セラミックスシート４６を長手方向に２等分および幅方向に２等分して第１の領域乃至第４の領域からなる４つの領域に区分した場合に、第１から第４の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。

なお、内部電極５６（Ｃ＋）は、上記配置例に代えて、４つの領域のうち、所定の２つの隣接する領域における占有面積が略等しく、また、その他の２つの隣接する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もよい。例えば、第１の領域と第２の領域とが同一占有面積とされ、第３の領域と第４の領域とが同一占有面積とされるように配置されることとしてもよい。この場合、第１の領域と第３の領域とは、占有面積が異なってもよい。また、４つの領域にわたって内部電極５６（Ｃ＋）を配置するのではなく、隣接する２つの領域にわたって内部電極５６（Ｃ＋）を配置することとしてもよい。例えば、内部電極５６（Ｃ＋）を、第３の領域と第４の領域にわたって互いの領域における占有面積が略等しくなるように配置することとしてもよい。

また、駆動用の内部電極５６（Ａ＋），５６（Ｂ＋）は、圧電セラミックスシート４６の長手方向に沿って一列に配置されている。本実施形態では、内部電極５６（Ａ＋）が図１３における第４の領域に、内部電極５６（Ｂ＋）が第３の領域に配置されている。

同様に、図１０に示される圧電セラミックスシート（第２の圧電素子）４６は、駆動用の内部電極５６（Ａ−），５６（Ｂ−）と、振動検出用の内部電極５６（Ｃ−）とを備えている。
内部電極５６（Ｃ−）は、図１０に示した圧電セラミックスシート４６において、図９に示した圧電セラミックスシート４６における内部電極５６（Ｃ＋）に対応する位置に配置されている。同様に、内部電極５６（Ａ−），５６（Ｂ−）についても、図９に示した内部電極５６（Ａ＋），５６（Ｂ＋）にそれぞれ対応する位置に配置されている。

上記各内部電極５６は、圧電セラミックスシート４６の幅方向に、約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて配置されているとともに、圧電セラミックスシート４６の長さ方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて設けられている。なお、各内部電極５６は、その一部が圧電セラミックスシート４６の周縁まで延び、後述する各外部電極５８（図６〜図８参照）に接続されるようになっている。

圧電セラミックスシート４６の中央に帯状に設けられた内部電極５６（Ｃ＋），５６（Ｃ−）は共に略同一の大きさを有し、また、内部電極５６（Ａ＋），５６（Ｂ＋），５６（Ａ−），５６（Ｂ−）は、略同一の大きさを有している。
図９に示される圧電セラミックスシート４６と、図１０に示される圧電セラミックスシート４６とは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４８を構成している。

このようにして構成された圧電積層体４８の長さ方向の端面には、各圧電セラミックスシート４６に配置された同種の内部電極５６（Ａ＋）乃至内部電極５６（Ｃ−）をそれぞれ接続するための外部電極５８がそれぞれ設けられている。
具体的には、図６〜図８に示されるように、圧電積層体４８の長さ方向の一端には、圧電積層体４８の他側面の側（図において上側）からＣ相の外部電極５８（Ｃ＋），Ｂ相の外部電極５８（Ｂ＋），５８（Ｂ−）が設けられ、これに対向する面には、Ｃ相の外部電極５８（Ｃ−），Ａ相の外部電極５８（Ａ＋），５８（Ａ−）が設けられている。

Ａ相およびＢ相の外部電極５８は駆動用の外部電極であり、Ｃ相の外部電極５８は振動検出用の外部電極である。各外部電極５８にはそれぞれ配線が接続されている。この配線は、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。
具体的には、Ａ相の外部電極５８（Ａ＋），５８（Ａ−）にそれぞれ接続される１対の配線、並びに、Ｂ相の外部電極５８（Ｂ＋），５８（Ｂ−）にそれぞれ接続される１対の配線は、図１６に示されるように、それぞれＡ相、Ｂ相の駆動用信号線として、制御装置６０のドライブＩＣ６４に接続される。

また、図１６に示されるように、振動子１のＣ相の外部電極５８（Ｃ＋）および振動子２のＣ相の外部電極５８（Ｃ＋）にそれぞれ接続される１対の配線Ｌ１は、制御装置６０の振動検出回路６６に接続される。
同様に、振動子１のＣ相の外部電極５８（Ｃ−）および振動子２のＣ相の外部電極５８（Ｃ−）にそれぞれ接続される１対の配線Ｌ２は、制御装置６０の振動検出回路６６に接続される。

次に、このようにして構成された圧電積層体４８の動作について説明する。
Ａ相の外部電極５８（Ａ＋），５８（Ａ−）およびＢ相の外部電極５８（Ｂ＋），５８（Ｂ−）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１１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４６に生ずる電荷は、例えば、図１３に示すように、圧電セラミックシート４６を４つの領域に区分した場合、図１４に示すように、第１の領域から第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。

また、Ａ相の外部電極５８（Ａ＋），５８（Ａ−）およびＢ相の外部電極５８（Ｂ＋），５８（Ｂ−）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１２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１５に示すような電荷状態となる。すなわち、屈曲振動が励起されている場合には、第１の領域から第４の領域のうち、対角線上に位置する領域、つまり、第１の領域と第４の領域、第２の領域と第３の領域では同符号の電荷が同時に励起され、隣り合う領域、つまり、第１の領域と第２の領域、第２の領域と第４の領域、第４の領域と第３の領域、第３の領域と第１の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。
なお、対をなす内部電極５６（Ｃ＋），５６（Ｃ−）には、互いに異符号の電荷がそれぞれ励起されることとなる。

以上のことから、隣接する領域に対して均等に分布して配置されているＣ相の内部電極５６（Ｃ＋），５６（Ｃ−）においては、それぞれ屈曲振動による電荷は相殺され、縦振動にのみ比例した電荷が励起された状態となる。従って、Ｃ相の外部電極５８（Ｃ＋）の一対の配線Ｌ１およびＣ相の外部電極５８（Ｃ−）の一対の配線Ｌ２により検出される電気信号は、縦振動に比例した電気信号となる。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。

圧電積層体４８は、例えば、以下の通りに製造される。
圧電積層体４８を製造するには、まず、圧電セラミックスシート４６を製造する。圧電セラミックスシート４６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（図示せず）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４６にはそれぞれ内部電極５６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５６を有しない圧電セラミックスシート４６ａを配置し、次いで、内部電極５６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５６を有する圧電セラミックスシート４６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４６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４８が製造される。

また、その後、圧電セラミックスシート４６の周縁に露出している内部電極５６を連結するように、それぞれ外部電極５８となる銀を焼き付けて、外部電極５８を形成する。
最後に、対向する内部電極５６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４６を分極処理し、圧電的に活性化する。

前記摩擦接触子５０は、前記圧電積層体４８の２次の屈曲振動が極となる２カ所の位置に接着されている。これにより、圧電積層体４８に１次の縦振動が発生したときには、摩擦振動子５０が圧電積層体４８の長さ方向（図６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４８に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子５０が、圧電積層体４８の幅方向（図６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、振動子１，２のＡ相の外部電極５８とＢ相の外部電極５８とに、位相が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６に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子５０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。
なお、摩擦接触子５０は、例えば、ＰＰＳ樹脂中にチタン酸カリウムの繊維、カーボンの繊維、ＰＴＦＥ（４フッ化エチレン）等が混入された素材からなる。

前記振動子保持部材５２は、図６および図７に示されるように、断面略コ字状に形成された保持部５２ａと、該保持部５２ａの両側面から垂直に突出するとともに、該保持部５２ａに対して一体的に取り付けられたピン５４とを備えている。
保持部５２ａは、圧電積層体４８の幅方向の一側から圧電積層体４８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４８に接着されている。保持部５２ａが圧電積層体４８に接着された状態で、保持部５２ａの両側面に一体的に設けられた２つのピン５４は同軸に配置され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１０の制御装置６０について図１６〜図２０を参照して説明する。
図１６に示すように、制御装置６０は、２相の駆動制御信号を発生する駆動パルス発生回路６２と、該駆動パルス発生回路６２から出力される駆動制御信号に基づいて駆動交番電圧を生成するドライブＩＣ６４と、振動子１，２の振動を検出する振動検出回路６６と、該振動検出回路６６から出力される振動検出信号と前記駆動パルス発生回路６２から発生される駆動制御信号との位相差を求める位相比較回路（位相比較手段）６８と、前記位相差に応じて振動子１，２に印加する駆動交番電圧を制御する周波数制御回路（周波数制御手段）７０と、周波数設定回路７２と、方向指示回路７４とを備えている。

駆動パルス発生回路６２は、図１７に示すように、所定の駆動周波数、および、所定の位相差θの２相（Ａ相，Ｂ相）の駆動制御信号を生成し、ドライブＩＣ６４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ＩＣ６４は、駆動パルス発生回路６２から出力される２相の駆動制御信号に基づいて、所定の位相差、および、所定の駆動周波数の２相（Ａ相，Ｂ相）の駆動交番電圧を生成し、各駆動交番電圧を上述したＡ相の外部電極５８（Ａ＋），５８（Ａ−）、並びにＢ相の外部電極５８（Ｂ＋），５８（Ｂ−）に印加する。

本実施形態では、ドライブＩＣ６４からの２相の駆動交番電圧は、図６に示した振動子１の外部電極５８と振動子２の外部電極５８のそれぞれに入力される。なお、例えば、振動子１に対してドライブＩＣ６４´、振動子２に対してドライブＩＣ６４″を用意して、振動子１にはドライブＩＣ６４´からの２相の駆動交番電圧が、振動子２にはドライブＩＣ６４″からの２相の駆動交番電圧が入力されることとしてもよい。

振動検出回路６６は、振動子１の外部電極５８（Ｃ＋）と振動子２の外部電極５８（Ｃ＋）とを接続した配線Ｌ１と、振動子２の外部電極５８（Ｃ−）と振動子２の外部電極５８（Ｃ−）とを接続した配線Ｌ２とに接続されている。振動検出回路６６は、振動子１，２に生じている縦振動を検出して、この縦振動に比例した振動検出信号を生成する。

具体的には、振動子１のＣ相の外部電極５８と振動子２のＣ相の外部電極５８とを配線Ｌ１および配線Ｌ２により並列接続したことにより、振動子１の縦振動の電気信号と振動子２の縦振動の電気信号の平均の電気信号が得られ、この平均の電気信号が振動検出回路６６に入力されることになる。振動検出回路６６は、この電気信号に対して、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平均の振動検出信号（以下、「平均振動検出信号」という。）として出力するようになっている。

位相比較回路６８には、振動検出回路６６から出力された平均振動検出信号とドライブＩＣ６４に入力されるＡ相の駆動制御信号とが入力される。位相比較回路６８は、図１８に示すように、Ａ相の駆動制御信号と平均振動検出信号との位相差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１０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１９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（図中、符号ｆ１０→符号ｆ１０´）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１０を制御しようとする場合には、温度変化に追従して、駆動周波数を変化させる必要がある。
なお、図１９において、横軸は駆動周波数ｆ（ｋＨｚ）を、縦軸はモータ速度を示している。

これに対し、Ａ相の駆動制御信号と平均振動検出信号との位相差φと、共振周波数との間には、図２０に示すように、温度が増加して共振周波数が変化（図中、符合ｆ１０→符合ｆ１０´）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、Ａ相の駆動制御信号と平均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、駆動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平均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、駆動周波数を制御することとしている。
なお、図２０において、横軸は駆動周波数ｆ（ｋＨｚ）を、縦軸は位相差φを示している。

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平均振動検出信号との位相差φが常に基準位相差３π／４となるように駆動周波数を制御することとしている。これは、位相差φが３π／４のときに、駆動周波数を取ることとなり、図１９に示されるように、超音波モータ１０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１０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１６に戻り、周波数制御回路７０は、位相比較回路６８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７０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を周波数設定回路７２へ出力する。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７２は、周波数制御回路７０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７２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７２は、周波数を周波数制御回路７０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６２に出力する。

なお、駆動パルス発生回路６２には、方向指示回路７４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６２は、方向指示信号に応じてドライブＩＣ６４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、振動子１，２の摩擦接触子５０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、図２のロータ６の回転方向をＣＷ方向、ＣＣＷ方向に移動させることができる。

次に、上記制御装置６０の作用について説明する。
まず、駆動パルス発生回路６２から所定の駆動周波数、および、所定の位相差θ（＝９０°）の２相の駆動制御信号がドライブＩＣ６４に入力され、これに基づいて、所定の位相差、および、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧が振動子１および振動子２の上述したＡ相の外部電極５８（Ａ＋），５８（Ａ−）、およびＢ相の外部電極５８（Ｂ＋），５８（Ｂ−）にそれぞれ印加される。
これにより、振動子１および振動子２には、縦振動と屈曲振動とが同時に励起され、摩擦接触子５０に略楕円振動が発生し、その楕円振動の接線方向に沿ってロータ６（図２参照）との間に生ずる摩擦力により、ロータ６が回転させられることになる。

また、振動子１と振動子２の縦振動に応じた電気信号、すなわち、本実施形態においては振動子１と振動子２の平均の電気信号が配線Ｌ１，Ｌ２を介して振動検出回路６６に入力され、振動検出回路６６において、デジタル信号に変換され、平均振動検出信号として位相比較回路６８に入力される。

位相比較回路６８に入力された平均振動検出信号は、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７０へ出力される。
周波数制御回路７０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７２に出力される。

周波数設定回路７２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６２に出力する。
これにより、Ａ相の駆動制御信号と平均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、温度変化に追従した所望の駆動周波数で図１に示した超音波モータ１０を駆動することが可能となる。その結果、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、本実施形態に係る振動子１，２を使用した超音波モータ１０によれば、振動子１と振動子２の縦振動の平均の電気信号を検出し、Ａ相の駆動制御信号と平均振動検出信号との位相差φに基づいて２相の駆動制御信号を生成して、この２相の駆動制御信号に基づく２相の駆動交番電圧を振動子１，２に印加することとしたので、振動子１，２を同一の適した駆動周波数で駆動させることができる。これにより、ロータ６のうなり現象を低減して、ロータ６の回転にムラが発生するのを防ぐことができる。

さらに、本実施形態においては、振動子１の外部電極５８（Ｃ＋）と振動子２の外部電極５８（Ｃ＋）とを配線Ｌ１により接続し、振動子１の外部電極５８（Ｃ−）と振動子２の外部電極５８（Ｃ−）とを配線Ｌ２により接続し、これらの配線Ｌ１，Ｌ２を振動検出回路６６の入力側に接続することとしたので、振動検出回路６６への入力信号を振動子１と振動子２の振動の平均の電気信号とすることができる。これにより、振動子１および振動子２の平均振動検出信号を容易に得ることができる。
なお、上記構成に変えて、振動子１および振動子２の振動を個別に検出し、これらの各振動検出信号を平均化することにより、平均振動検出信号を得ることとしてもよい。

また、本実施形態においては、Ａ相の駆動制御信号と平均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よい。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ＩＣ６４から振動子１，２へ印加される２相の駆動交番電圧のいずれか一方を用いることとしてもよい。

〔第２の実施形態〕
次に、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２１〜図２３を参照して説明する。
本実施形態に係る超音波モータは、その制御装置が、各振動子に対して、それぞれ振動検出回路および位相比較回路を備え、さらに選択回路を備えている点で、上述した第１の実施形態と異なる。以下、本実施形態の超音波モータについて、上述した第１の実施形態に係る超音波モータ１０と構成を共通する箇所には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る超音波モータの制御装置８０を図２１に示す。
制御装置８０は、振動子１の振動を検出する振動検出回路８２と、振動子２の振動を検出する振動検出回路８４と、Ａ相の駆動制御信号と前記振動検出回路８２から出力される振動検出信号との位相差を検出する位相比較回路８６と、Ａ相の駆動制御信号と前記振動検出回路８４から出力される振動検出信号との位相差を検出する位相比較回路８８と、前記位相比較回路８６，８８により検出されたそれぞれの位相差の内、最大となる位相差を選択し、基準位相差φｒｅｆとの差分Δφを出力する選択回路（選択手段）９０とを備えている。

このような構成において、振動子１の縦振動が振動検出回路８２により検出され、その振動検出信号が位相比較回路８６に出力される。位相比較回路８６は、この振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φ１を求め、この位相差φ１を選択回路９０へ出力する。
同様に、振動子２の縦振動が振動検出回路８４により検出され、その振動検出信号が位相比較回路８８に出力される。位相比較回路８８は、この振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φ２を求め、この位相差φ２を選択回路９０へ出力する。

選択回路９０では、上記位相差φ１と位相差φ２の大きい方の振動検出信号が選択され、選択された振動検出信号と基準位相差φｒｅｆとの差分Δφが周波数制御回路７０へ出力される。
周波数制御回路７０は、選択回路９０から与えられた差分Δφに基づいて制御を行う。

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、振動子１，２の振動に比例するそれぞれの振動検出信号と、振動子１，２に印加する共通の２相の駆動制御信号の一方との位相差の大きい方の位相差が所定の値となるように、共通の駆動交番電圧の周波数が制御されるので、振動子１，２の駆動力が損なわれることなく、それぞれを効率よく駆動させることができる。

また、このように、大きい方の位相差に基づいて駆動周波数を調整することにより、以下のような効果を得ることができる。
図２２に振動子１，２の駆動周波数と駆動力の関係の一例を示す。この図において、横軸は駆動周波数ｆ（ｋＨｚ）、縦軸は駆動力を示している。図２２に示すように、例えば、振動子１の共振周波数をｆ１、振動子２の共振周波数をｆ２（ｆ２＞ｆ１）とした場合、各振動子１，２は、それぞれの共振周波数ｆ１，ｆ２で駆動した場合に最大の駆動力を得る。また、駆動周波数が共振周波数ｆ１，ｆ２よりも大きくなると駆動力は緩やかに減少し、駆動周波数が共振周波数ｆ１，ｆ２よりも小さくなると駆動力は急激に減少する。
したがって、駆動周波数が共振周波数からずれる場合、駆動周波数が共振周波数よりも高い方へずれる方が、駆動力の低減を抑制できることとなる。

第１の実施形態では駆動周波数は共振周波数ｆ１，ｆ２のほぼ中間の周波数に設定されるが、この駆動周波数は振動子１にとっては共振周波数ｆ１より高い周波数であるからさほど駆動力は下がらない。しかし、振動子２にとっては共振周波数ｆ２より低い周波数で駆動することになり駆動力の小さいところで使用することになる。結局、振動子1と振動子2を同時に動作させた場合には駆動力が低下してしまうというおそれがある。このような場合には、駆動周波数は出来るだけ共振周波数ｆ２の近傍に設定した方が駆動力をそこなわずに効率よく駆動できる。すなわち、複数個の振動子を用いて駆動する場合にはそのなかで共振周波数が最大の振動子の共振周波数近傍で駆動するのが良いことになる。

ここで、図２３に駆動周波数ｆ（ｋＨｚ）と、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φの関係を示す。この図において、横軸は駆動周波数ｆ（ｋＨｚ）、縦軸は位相差φを示している。図２３に示すように、例えば、駆動周波数ｆａにおいては、Ａ相の駆動制御信号と振動子１の振動検出信号との位相差φ１´より、Ａ相の駆動制御信号と振動子２の振動検出信号との位相差φ２´の方が大きい。このように、同じ駆動周波数でみると、共振周波数の高い振動子２の位相差φの方が共振周波数の低い振動子１の位相差φより常に大きい。よって、位相差φの大きい振動子２の振動検出信号を選択回路９０で選択し、選択した位相差φと基準位相差φｒｅｆとの差分Δφに基づいて制御することにより、振動子１，２を振動子２の共振周波数の駆動周波数で効率よく駆動させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上記各実施形態では、縦振動の振動検出信号を用いることとしたが、これに代えて、屈曲振動の振動検出信号を用いることとしてもよい。この場合、基準位相差φｒｅｆを縦振動の振動検出信号と屈曲振動の振動検出信号との位相差（本実施形態では９０°）に応じて変更する必要がある。

本発明に係る超音波モータを示す概略図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１の超音波モータを構成する板バネ保持部材の裏面を示す概略図である。 図１の超音波モータを構成する板バネ保持部材の側面を示す概略図である。 本発明に係る超音波モータから板バネ保持部材を取り除いた概略図である。 図１の超音波モータの超音波振動子を示す概略図である。 図６の超音波振動子を別の角度から見た概略図である。 図６の超音波振動子を構成する圧電積層体を示す概略図である。 図８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８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８の圧電積層体が１次の縦振動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８の圧電積層体が２次の屈曲振動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。 圧電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、圧電セラミックスシートを４つの領域に区分した図である。 縦振動が励起されているときに、図１３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。 屈曲振動が励起されているときに、図１３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。 Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号を示した図である。 駆動周波数−モータ速度の関係を示した図である。 駆動周波数−位相差の特性を示した図である。 本発明の第２の実施形態に係る制御装置の概略構成を示したブロック図である。 駆動周波数と駆動力の関係を示した図である 駆動周波数と位相差の特性を示した図である

符号の説明

１，２ 振動子（超音波振動子）
６ ロータ（被駆動体）
１０ 超音波モータ
４６ 圧電セラミックスシート（第１の圧電素子，第２の圧電素子）
５０ 摩擦接触子（出力端）
６０ 制御装置（制御部）
６６ 振動検出回路
６６ 位相比較回路（位相比較手段）
７０ 周波数制御回路（周波数制御手段）

Claims (6)

1. 第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子と、複数の該超音波振動子に２相の共通する駆動交番電圧を印加する制御部とを有し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各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、
   前記制御部が、
   各前記超音波振動子の振動を検出し、平均の振動検出信号を出力する振動検出手段と、
   各前記超音波振動子に印加する２相の前記駆動交番電圧の何れか一方と前記平均の振動検出信号との位相差を検出する位相比較手段と、
   該位相比較手段により検出される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御手段と
   を備える超音波モータ。
2. 第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子と、複数の該超音波振動子に２相の共通する駆動交番電圧を印加する制御部とを有し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各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、
   前記制御部が、
   各前記超音波振動子の振動を検出し、各振動検出信号を出力する振動検出手段と、
   各前記超音波振動子に印加する２相の前記駆動交番電圧の何れか一方と各前記振動検出信号との位相差をそれぞれ検出する位相比較手段と、
   該位相比較手段により検出された複数の前記位相差の内、最大となる位相差を選択する選択手段と、
   該選択手段により選択される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御手段と
   を備える超音波モータ。
3. 前記振動検出信号が、各前記超音波振動子の縦振動に比例する縦振動検出信号または屈曲振動に比例する屈曲振動検出信号である請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
4. 第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子に２相の共通する駆動交番電圧を印加し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各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の駆動方法であって、
   各前記超音波振動子の振動を検出し、平均の振動検出信号を出力する振動検出過程と、
   各前記超音波振動子に印加する２相の前記駆動交番電圧の何れか一方と前記平均の振動検出信号との位相差を検出する位相比較過程と、
   該位相比較過程により検出される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御過程と
   を備える超音波モータの駆動方法。
5. 第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された複数の超音波振動子に２相の共通する駆動交番電圧を印加し、各前記超音波振動子に縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、各前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、各前記超音波振動子と各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の駆動方法であって、
   各前記超音波振動子の振動を検出し、各振動検出信号を出力する振動検出過程と、
   各前記超音波振動子に印加する２相の前記駆動交番電圧の何れか一方と各前記振動検出信号との位相差をそれぞれ検出する位相比較過程と、
   該位相比較過程により検出された複数の前記位相差の内、最大となる位相差を選択する選択過程と、
   該選択過程により選択される位相差が所定の値となるように前記駆動交番電圧の周波数を制御する周波数制御過程と
   を備える超音波モータの駆動方法。
6. 前記振動検出信号が、各前記超音波振動子の縦振動に比例する縦振動検出信号または屈曲振動に比例する屈曲振動検出信号である請求項４または請求項５に記載の超音波モータの駆動方法。

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