JP2010233315A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の超音波振動子を備えた超音波モータであって、前記複数の超音波振動子を同時駆動する際の駆動安定性及び駆動自由度を向上させた超音波モータを提供すること。
【解決手段】超音波モータを次のように構成する。すなわち、複数の圧電素子2と、圧電素子2の一方面に設けられた少なくとも一つ以上の駆動子4と、圧電素子2の他方面において縦振動及び屈曲振動の共通の節または節近傍に対応する位置に配設されたホルダ部材10と、ホルダ部材10と係合することで被接触部材13と駆動子4との接触面に対して平行を為す方向における圧電素子2の位置を規制する位置規制部材6と、位置規制部材6に設けられ、ホルダ部材10と係合することで圧電素子2を保持する振動子保持部材16と、圧電素子2の個数と同数の位置規制部材6が設けられたベース部材8と、駆動子4により任意の方向へ摩擦駆動される被接触部材13と、を具備する超音波モータ。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子等から成る超音波振動子の振動を利用する超音波モータに関する。

近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして、圧電素子などの超音波振動子の振動を利用した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と比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、ストロークが長く高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。

超音波モータでは、超音波振動子の振動を、摩擦部材である駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に伝達することで、前記駆動子と前記被駆動部材との間に摩擦力を発生させ、この摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。

このような超音波モータに関連する技術として、例えば特許文献１には次のような技術が開示されている。すなわち、特許文献１には、複数の超音波モータを用いて１つの被回転体を駆動する駆動制御装置であって、第１及び第２超音波モータを駆動する第１及び第２超音波モータ駆動手段と、第１及び第２超音波モータの出力の差を検出する出力差検出手段と、出力差検出手段の測定結果により、第１又は第２超音波モータ駆動手段の双方又は一方を制御する出力差制御手段とを備える駆動制御装置が開示されている。つまり、この特許文献１に開示されている技術は、複数の超音波モータを同時駆動する場合の駆動制御装置に関する技術である。

特開平６−７０５６３号公報

ところで、特許文献１に開示されている技術では、複数の超音波モータを同時駆動して出力軸を駆動させる構成を採っている。このような構成では、出力軸自体を任意の方向に傾けることができない為、駆動の自由度が非常に制限される。

つまり、特許文献１には、複数の超音波モータを同時駆動する為に必要な機械的構成（押圧機構、及び調整機構等）について具体的且つ実際的な開示が為されていない。従って、特許文献１に開示されている技術では、複数の超音波モータの同時駆動における機械的構成が最適化されておらず、更に駆動自由度も非常に低い為、実際の駆動時における阻害要因が大きい。

本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、複数の超音波振動子を備えた超音波モータであって、前記複数の超音波振動子を同時駆動する際の駆動安定性及び駆動自由度を向上させた超音波モータを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による超音波モータは、
駆動子が設けられた圧電素子に２相の駆動信号を印加して当該圧電素子に縦振動及び屈曲振動を励起して楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子により被駆動部材を摩擦駆動する超音波モータであって、
複数の圧電素子と、
前記圧電素子の一方面に設けられた少なくとも一つ以上の駆動子と、
前記圧電素子の他方面において、前記圧電素子の縦振動及び屈曲振動の共通の節または節近傍に対応する位置に配設されたホルダ部材と、
前記ホルダ部材と係合することで、前記被駆動部材と前記駆動子との接触面に対して平行を為す方向における前記圧電素子の位置を規制する位置規制部材と、
前記位置規制部材に設けられ、前記ホルダ部材と係合することで前記圧電素子を保持する振動子保持部材と、
前記圧電素子の個数と同数の前記位置規制部材が設けられたベース部材と、
前記駆動子により、任意の方向へ摩擦駆動される被駆動部材と、
を具備することを特徴とする。

本発明によれば、複数の超音波振動子を備えた超音波モータであって、前記複数の超音波振動子を同時駆動する際の駆動安定性及び駆動自由度を向上させた超音波モータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る超音波モータの正面図（図１に示す矢印Ａで示す方向から観た図）。 重力に逆らって持ち上げられて被接触部材から離間した状態の本一実施形態に係る超音波モータを示す図。 本発明の一実施形態に係る超音波モータを底面側（被接触部材側）から観た図。 本発明の一実施形態に係る超音波モータの側面図（図１に示す矢印Ｂで示す方向から観た図。 振動子保持部材の一構成例を示す図。 振動子保持部材の一構成例を示す図。 振動子保持部材の一構成例を示す図。 振動子保持部材の一構成例を示す図。 振動子保持部材の一構成例を示す図。 本発明の一本実施形態に係る超音波モータの駆動回路の一構成例を示すブロック図。 本発明の一実施形態に係る超音波モータの駆動回路による駆動パターン(停止状態を含めて９つの駆動パターン)のイメージを示す図。 ＣＰＵによる超音波モータの駆動制御の一例のフローチャートを示す図。 駆動条件設定ルーチンのフローチャートを示す図。 第２変形例に係る超音波モータを底面側（被接触部材側）から観た図。

以下、本発明の一実施形態に係る超音波モータについて、図面を参照して説明する。

なお、本一実施形態に係る超音波モータは、その構造系及び制御系の双方において、格別な効果を奏する特有の構成要件を具備している。まず構造系について説明した後、制御系について説明する。

《構造系について》
図１は、本一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す斜視図である。図２は、本一実施形態に係る超音波モータの正面図（図１に示す矢印Ａで示す方向から観た図）である。図３は、重力に逆らって持ち上げられて被接触部材から離間した状態の本一実施形態に係る超音波モータを示す図である。図４は、本一実施形態に係る超音波モータを底面側（被接触部材側）から観た図である。図５は、本一実施形態に係る超音波モータの側面図（図１に示す矢印Ｂで示す方向から観た図である。

図１に示すように超音波モータ１は、圧電素子２と、駆動子４と、位置規制部材６と、ベース部材８と、ホルダ部材１０（図１には不図示）と、制御部材１２と、加圧部材１４と、振動子保持部材１６と、を具備する。そして、超音波モータ１は、圧電素子２に対して相対的に変位される被駆動体である被接触部材１３と駆動子４にて接している。

ここで、圧電素子２、駆動子４、及びホルダ部材１０は超音波振動子１１を構成している（図２参照）。本一実施形態に係る超音波モータは複数の（本例では２個の）超音波振動子１１を具備している。なお、本《構造系について》では、説明の便宜上、これら２個の超音波振動子を区別せずに説明する。

前記圧電素子２は、例えば、矩形状の圧電セラミックスシートの片側面にシート状の内部電極（不図示）を設けたものを複数枚積層して成る矩形状の圧電積層体であり、当該圧電素子２の幅方向の一面には、前記内部電極を電気的に接続するための外部電極（不図示）が設けられている。

この外部電極（不図示）と制御部材１２とは、例えばフレキシブル基板やリード線等の可橈性を有する配線手段により電気的に接続され、各内部電極に対して電圧が印加されると、これに応動して当該圧電素子２には縦振動及び屈曲振動が励起されて楕円振動が生じる。

さらに、圧電素子２の幅方向の一面（前記外部電極（不図示）が設けられた面）のうち縦振動の節又はその近傍且つ屈曲振動の節又はその近傍に対応する位置には、ホルダ部材１０が接着剤等により固着されている。

上述したように圧電素子２にホルダ部材１０及び駆動子４が取り付けられて構成された超音波振動子１１は、ホルダ部材１０が位置規制部材６に係合して位置決めされ且つ振動子保持部材１６により脱落しないように保持される。そして、本一実施形態においては、対を成す２個の圧電素子２が、図１に示すように対向に配置される。なお、位置規制部材６及び振動子保持部材１６による超音波振動子１１の位置決め・保持構造については、後に詳述する。

前記駆動子４は、圧電素子２のうち被接触部材１３に対向する面に、例えば接着剤により接着される等して設けられている。詳細には、圧電素子２の幅方向の一面（前記外部電極が設けられていない面）における屈曲振動の腹位置に、少なくとも１つ以上の駆動子４が接着剤により接着される等して固着されて設けられている。

前記位置規制部材６は、被接触部材１３との接触面に対して平行な方向における圧電素子２の位置決め（位置規制）をする部材であり、ベース部材８に設けられている。詳細には、この位置規制部材６には、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａを挿入する為のガイド部６ａが形成されている。この位置規制部材６に形成されているガイド部６ａが、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａと係合することで、当該圧電素子２の位置決めが為される。

前記ベース部材８は、被接触部材１３と対向する一方面においては位置規制部材６が設けられ、他方面においては制御部材１２及び加圧部材１４が載置される。そして、ベース部材８、制御部材１２、及び加圧部材１４の自重が、位置規制部材６及びホルダ部材１０を介して、対を成す２個の圧電素子２を同時に被接触部材１３に対して押圧する。

前記ホルダ部材１０は、当該超音波振動子１１の短手方向において突起部１０ａを備え、該突起部１０ａが上述した位置規制部材６に形成されているガイド部６ａと係合することにより、当該圧電素子２の位置決めが為される。また、当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間した際には（図３参照）、ホルダ部材１０は振動子保持部材１６と係合することで、圧電素子２が位置規制部材６から脱落することを防ぐ。

前記制御部材１２は、ベース部材８上に載置され、圧電素子２に所定の電圧を印加して当該超音波モータ１の駆動を制御する部材である。具体的には、この制御部材１２は、制御デバイス等が実装された制御基板と、電気を供給する為の電源、例えば乾電池等と、を備える。

前記加圧部材１４は、ベース部材８上に載置され、被接触部材１３に対する駆動子４の押圧力を調節する為の部材である。なお、圧電素子２を高効率で使用する為には、２種類の振動モード(縦1次振動モード及び屈曲2次振動モード)の共振周波数を一致させる必要がある。この為に必要な押圧力を得る為の部材が、前記加圧部材１４である。従って、必要な押圧力を、ベース部材８及び制御部材１２の重量のみで得ることができれば、加圧部材１４が不要であるのは勿論である。

前記振動子保持部材１６は、図２に示すように位置規制部材６の例えば端面部分に設けられ、当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間した際に（図３参照）、超音波振動子１１が脱落することを防ぐ部材である。図２及び図３に示すように、本一実施形態に係る超音波モータ１では、圧電素子２に設けられたホルダ部材１０と位置規制部材６とが係合し、且つ振動子保持部材１６により圧電素子２が保持されることで、超音波振動子１１が位置規制部材６から脱落することを防ぐ。

なお、この振動子保持部材１６の形状及び設ける位置は、当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間した際に（図３参照）、超音波振動子１１が脱落することを防ぐことができる形状及び位置であればよく、本例で示す形状及び位置に限られない。

上述した構造を採ることで、図２に示すように、駆動子４が被接触部材１３と接触することにより、ベース部材８、制御部材１２、及び加圧部材１４の自重が、位置規制部材６及びホルダ部材１０を介して、一対の超音波振動子１１に同時に押圧力が加えられる。つまり、簡易な構成で、複数の超音波振動子１１に同時に押圧力を加えることが可能になる。

つまり、本一実施形態に係る超音波モータ１によれば、被接触部材１３に倣いながら複数の超音波振動子１１へ同時に押圧を加えられる。これにより、当該超音波モータ１の被接触部材１３への接触状態が安定し、被接触部材１３との接触面（ＸＹ平面）上を自在に駆動することが可能となる。

ところで、図３に示すように、当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間すると（被接触部材１３と駆動子４とが非接触になると）、超音波振動子１１は、ホルダ部材１０が位置規制部材６に沿うようにして、自重により重力方向に落下していく。

この場合、上述したような超音波振動子１１の脱落防止の為の手段が講じられていなければ、超音波振動子１１が位置規制部材６から脱落して被接触部材１３と衝突することで破損してしまう可能性がある。なお、仮に、超音波振動子１１を位置規制部材６に対して接着固定してしまうと、被接触部材１３との接触面における接触状態が大きく規制されてしまう為に効率よく平面上を駆動することができない。従って、超音波振動子１１を位置規制部材６に対して接着固定するという手段は現実には採用することはできない。

このような事情を鑑みて、本一実施形態に係る超音波モータにおいては、位置規制部材６の端面部分に振動子保持部材１６を設け、ホルダ部材１０と振動子保持部材１６とが係合するように構成することで、ホルダ部材１０と振動子保持部材１６とが係合している限り如何なる場合であっても超音波振動子１１が脱落しない構造としている。

さらに、位置規制部材６と、ホルダ部材１０と、振動子保持部材１６とにはそれぞれに多少のガタが設けられている為、ベース部材８、制御部材１２、加圧部材１４の自重による押圧力が開放された状態においては、ピッチ、ロール、ヨー方向における自由度が少なからず生まれる。これにより、押圧が開放された状態から、被接触部材１３に倣いながら、複数の超音波振動子１１へ同時に押圧を加えられる為、当該超音波モータ１と被接触部材１３との接触状態が安定し、ＸＹ平面上を自在に駆動させることができる。

なお、詳細は後述するが、複数の超音波振動子１１に所定の駆動信号を印加することにより、平面上において任意の方向に超音波モータ１を駆動させることができる。

以下、前記振動子保持部材１６の様々な構成例について、図６Ａ乃至図６Ｅを参照して説明する。図６Ａ乃至図６Ｅは、それぞれ振動子保持部材１６の一構成例を示す図である。ただし、これらの図においては、振動子保持部材１６の説明に関係しない部材（例えば、被接触部材１３及びベース部材８等の部材）については図示していない。

〔構成例１〕
図６Ａに示す例では、振動子保持部材１６として、位置規制部材６に形成されたガイド部６ａ間の空間よりも若干大きなサイズに加工したブロック部材を用いる。すなわち、前記位置規制部材６に形成されたガイド部６ａ間の空間に、前記ブロック部材（振動子保持部材１６）を圧入して嵌め込むことで、当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間した際に（押圧が開放された状態で）、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａが、嵌め込まれたブロック部材（振動子保持部材１６）に引っかかることにより保持される（超音波振動子１１が脱落しない）。そして、この押圧が開放された状態から、被接触部材１３における接触面に倣いながら複数の超音波振動子１１へ同時に押圧を加えることができる。

なお、ブロック部材（振動子保持部材１６）の形状としては、四角柱形状に限定されず、円柱形状または多角柱形状としても勿論良い。さらには、位置規制部材６に形成されたガイド部６ａ間の空間にブロック部材（振動子保持部材１６）を圧入して嵌め込んだ後に、接着剤で固定しても良い。

〔構成例２〕
図６Ｂに示す例では、振動子保持部材１６として、位置規制部材６に形成されたガイド部６ａ間の空間に対して嵌め込むブロック部材を用いる。前記〔構成例１〕で用いるブロック部材との相違点は、位置規制部材６に形成されたガイド部６ａ間に嵌め込まれた後の保持形態である。前記〔構成例１〕で用いるブロック部材（振動子保持部材１６）は、嵌め込まれる空間よりも若干大きなサイズに加工されている為、嵌め込まれた後には当然ながら脱落せずに保持される（超音波振動子１１が脱落しない）。本〔構成例２〕で用いるブロック部材は、例えば球形状の弾性体である突起部材１６ａを備えている。そして、ブロック部材（振動子保持部材１６）が、位置規制部材６に形成されたガイド部６ａ間の空間に対して嵌め込まれる際には、突起部材１６ａは圧縮される。このようにしてブロック部材（振動子保持部材１６）が嵌め込まれた後には、突起部材１６ａは、元の大きさに戻ろうとする復元力によりガイド部６ａに圧接し、当該ブロック部材（振動子保持部材１６）が位置固定される。

当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間した際に（押圧が開放された状態で）、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａが、嵌め込まれたブロック部材（振動子保持部材１６）に引っかかることにより保持される。そして、この押圧が開放された状態から、被接触部材１３における接触面に倣いながら複数の超音波振動子１１へ同時に押圧を加えることができる。

なお、ブロック部材の形状としては、図６Ｂに示すように四角柱形状や断面Ｔ字形状に限定されず、円柱形状または多角柱形状としても勿論良い。さらには、位置規制部材６に形成されたガイド部６ａに、ブロック部材（振動子保持部材１６）が備える突起部材１６ａが嵌る凹部を設けことで、より嵌め込み具合が向上する。なお、この凹部の代わりに貫通穴を設けても勿論よい。

〔構成例３〕
図６Ｃに示す例では、位置規制部材６に形成されたガイド部６ａに貫通穴を設け、該貫通孔に振動子保持部材１６であるピン状部材を圧入する。ピン状部材の形状としては、例えば円柱形状や多角柱形状等を挙げることができるが、その他の形状であっても勿論よい。さらに、圧入したピン状部材（振動子保持部材１６）を接着剤等によって位置規制部材６に対して固定しても良い。

当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間した際に（押圧が開放された状態で）、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａが、ガイド部６ａに設けられた貫通孔に圧入されたピン状部材（振動子保持部材１６）に引っかかることにより保持される（超音波振動子１１が脱落しない）。そして、この押圧が開放された状態から、被接触部材１３における接触面に倣いながら複数の超音波振動子１１へ同時に押圧を加えることができる。

〔構成例４〕
図６Ｄに示す例では、位置規制部材６のガイド部６ａの側面に沿って、振動子保持部材１６としてＬ字形状板部材を取り付け、前記ガイド部６ａの底面を当該Ｌ字形状板部材が覆うように構成する。Ｌ字形状板部材（振動子保持部材１６）の位置規制部材６への固定方法としては、例えば螺子止めや接着固定等を挙げることができる。なお、図６Ｄに示す例では、振動子保持部材１６であるＬ字形状板部材（振動子保持部材１６）には、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａが見えるように窓部１６ｂが設けられているが、この窓部１６ｂは必須な構成要件ではないことは勿論である。

当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間した際に（押圧が開放された状態で）、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａが、ガイド部６ａの底面を覆うＬ字形状板部材（振動子保持部材１６）に引っかかることにより保持される（超音波振動子１１が脱落しない）。そして、この押圧が開放された状態から、被接触部材１３における接触面に倣いながら複数の超音波振動子１１へ同時に押圧を加えることができる。

〔構成例５〕
図６Ｅに示す例では、位置規制部材６のガイド部６ａの底面に、振動子保持部材１６として平板部材を取り付ける。換言すれば、本〔構成例５〕においては、前記〔構成例４〕において用いるＬ字形状板部材のうち、位置規制部材６のガイド部６ａの側面を覆う板を除いた部材を、振動子保持部材１６として用いる。平板部材の位置規制部材６への固定方法としては、例えば螺子止めや接着固定等を挙げることができる。

当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間した際に（押圧が開放された状態で）、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａが、ガイド部６ａの底面を覆う平板部材（振動子保持部材１６）に引っかかることにより保持される（超音波振動子１１が脱落しない）。そして、この押圧が開放された状態から、被接触部材１３における接触面に倣いながら複数の超音波振動子１１へ同時に押圧を加えることができる。

なお、本〔構成例５〕の変形例として、平板部材ではなくピン状の部材を代わりに用いてもよい。ピン状の部材を用いる場合には、螺子止めに係る部分が或る程度の膨らみを有するものを使用することで、接着する必要がなくなる。

以上、図６Ａ乃至図６Ｅを参照して、振動子保持部材１６の様々な形態を説明したが、基本的には一つの位置規制部材６に対して、少なくとも一つの振動子保持部材１６を配設すれば良い。しかしながら、一つの位置規制部材６に対して、二つの振動子保持部材１６を配設しても勿論良い。

なお、以上説明した例では、ベース部材８の下部に位置規制部材６を配置しているが、このような形態に限定される必然性は勿論ない。従って、例えばベース部材８に、位置規制部材６が入る程度の溝部を設け、該溝部中に位置規制部材６を収納する形態としても勿論よい。

さらには、位置規制部材６に形成されたガイド部６ａを、最低限必要な剛性を確保できる範囲内で平板状に構成しても勿論よい。この場合、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａが係合するように、平板状のガイド部６ａを中抜き加工する。このように構成することで、ホルダ部材１０に設けられた突起部１０ａが、ガイド部６ａの中抜き加工された部位に係合し、当該超音波モータ１が重力に逆らって持ち上げられて被接触部材１３から離間した際にも（押圧が開放された状態でも）、超音波振動子１１が脱落しない。

《制御系について》
以下、本一実施形態に係る超音波モータの制御系について説明する。

図７は、本一本実施形態に係る超音波モータ１の駆動回路の一構成例を示すブロック図である。なお、本《制御系について》では、説明の便宜上、２つの超音波振動子１１を、右側超音波振動子１１ａと左側超音波振動子１１ｂとに弁別して説明する。

超音波振動子１１（右側超音波振動子１１ａ、及び左側超音波振動子１１ｂ）の駆動回路は、図７に示すように、ＣＰＵ１０３と、第１信号生成回路１０５ａと、第２信号生成回路１０５ｂと、発振回路１０７と、第１信号増幅回路１０９ａと、第２信号増幅回路１０９ｂと、を具備する。

前記ＣＰＵ１０３は、外部からの操作指示手段(例えば赤外線リモコン、シリアル通信などの無線あるいは有線の通信手段)によって駆動指示が与えられると、該駆動指示を判別し、該判別結果に基づいて、右側超音波振動子１１ａ及び左側超音波振動子１１ｂについての駆動信号を生成する基となる情報を生成し、それぞれ第１信号生成回路１０５ａ、第２信号生成回路１０５ｂに出力する。

前記第１信号生成回路１０５ａは、右側超音波振動子１１ａに印加する駆動信号を生成する基となる信号を発振回路１０７から入力し、該入力信号と前記ＣＰＵ１０３からの情報とに基づいて、右側超音波振動子１１ａの駆動信号を生成する。

前記第２信号生成回路１０５ｂは、左側超音波振動子１１ｂに印加する駆動信号を生成する基となる信号を発振回路１０７から入力し、該入力信号と前記ＣＰＵ１０３からの情報とに基づいて、左側超音波振動子１１ｂの駆動信号を生成する。

なお、前記第１信号生成回路１０５ａと前記第２信号生成回路１０５ｂとは、それぞれ独立或いは協調して駆動信号を生成する。

前記第１信号増幅回路１０９ａは、前記第１信号生成回路１０５ａにより生成された駆動信号を電気的に増幅する。

前記第２信号増幅回路１０９ｂは、前記第２信号生成回路１０５ａにより生成された駆動信号を電気的に増幅する。

なお、前記第１信号増幅回路１０９ａと前記第２信号増幅回路１０９ｂとは、それぞれ独立或いは協調して駆動信号を電気的に信号増幅する。

そして、前記第１信号増幅回路１０９ａにより電気的に信号増幅された駆動信号は、右側超音波振動子１１ａに印加される。同様に、前記第２信号増幅回路１０９ｂにより電気的に信号増幅された駆動信号は、左側超音波振動子１１ｂに印加される。

なお、この駆動信号の印加は、それぞれ独立あるいは協調して行われる。

以上説明した駆動回路の構成により、右側超音波振動子１１ａ及び左側超音波振動子１１ｂは、それぞれ印加された駆動信号に基づいた駆動力を発生させ、操作指示に従った動作を実現する。ただし、各々の超音波振動子には２相の交番信号が駆動信号としてそれぞれ印加される。

図８は、本一実施形態に係る超音波モータの駆動回路による代表的な駆動パターン(停止状態を含めて９つの駆動パターン)のイメージを示す図である。

すなわち、本一実施形態に係る超音波モータは、図８（ａ）に示す“無動作状態”、図８（ｂ）に示す“前進動作”、図８（ｃ）に示す“後退動作”、図８（ｄ）に示す“右旋回動作”、図８（ｅ）に示す“左旋回動作”、図８（ｆ）に示す“右前旋回動作”、図８（ｇ）に示す“左前旋回動作”、図８（ｈ）に示す“右後旋回動作”、図８（ｉ）に示す“左後旋回動作”を行うことができる。

ここで、図８（ｄ）に示す“右旋回動作”、及び、図８（ｅ）に示す“左旋回動作”は、それぞれ、その場で右／左に旋回する（超音波モータ１をその場で左右回転させる）動作である。他方、図８（ｆ）に示す“右前旋回動作”、及び、図８（ｇ）に示す“左前旋回動作”は、前方に進みながら、それぞれ右／左に旋回する動作である。また、図８（ｈ）に示す“右後旋回動作”、及び、図８（ｉ）に示す“左後旋回動作”は、後退しながら、それぞれ右／左に旋回する動作である。

以下、上述の９つの駆動パターンのうち最も複雑な駆動制御を要する駆動パターンである“右旋回動作”及び“左旋回動作”を行う場合を例に、図９に示すフローチャートを参照して、本一実施形態に係る超音波モータの駆動制御について説明する。図９は、ＣＰＵ１０３による超音波モータ１の駆動制御の一例のフローチャートを示す図である。

例えば赤外線リモコンやシリアル通信等の無線、或いは有線の通信手段等の外部からの操作指示手段（不図示）によって、ＣＰＵ１０３に操作指示が与えられると、ＣＰＵ１０３は図９に示すフローチャートの駆動制御処理を開始する。なお、ＣＰＵ１０３は、その処理速度に応じて或る一定間隔でポーリングし、操作指示手段からの駆動指示について常に更新している。

まず、ＣＰＵ１０３は、操作指示手段による駆動指示で何れの駆動パターン（ｎ）が指示されたかを判定する（ステップＳ１００）。本例においては、ＣＰＵ１０３は、操作指示手段による指示が“無動作指示（ｎ＝ａ）”であるか“旋回動作指示（ｎ＝ｂ）”であるかを判定する(ステップＳ１００)。

前記ステップＳ１００において“無動作指示（ｎ＝ａ）”であると判定した場合、図１０に示すフローチャートの駆動条件設定ルーチンに移行する（ステップＳ１０２）。

駆動条件設定ルーチンに移行すると、まずＣＰＵ１０３は右側超音波振動子１１ａの駆動信号の駆動周波数及び駆動位相を設定する（ステップＳ２００）。ステップＳ１０１から駆動条件設定ルーチンに移行した場合には、“無動作指示（ｎ＝ａ）”であるので、このステップＳ２００では駆動周波数及び駆動位相を出力しない設定とする。

次に、ＣＰＵ１０３は、左側超音波振動子１１ｂの駆動信号の駆動周波数及び駆動位相を設定する(ステップＳ２０１)。ステップＳ１０１から駆動条件設定ルーチンに移行した場合には、“無動作指示（ｎ＝ａ）”であるので、このステップＳ２０１では駆動周波数及び駆動位相を出力しない設定とする。

続いて、ＣＰＵ１０３は、ステップＳ２００における設定及びステップＳ２０１における設定に基づいて、右側超音波振動子１１ａ及び左側超音波振動子１１ｂの駆動信号を出力させない／出力していた駆動信号を停止させるように、第１信号生成回路１０５ａ及び第２信号生成回路１０５ｂ、第１信号増幅回路１０９ａ及び第２信号増幅回路１０９ｂを制御する（ステップＳ２０２、ステップＳ２０３）。そして、当該駆動条件設定ルーチンを抜けて、図９に示すステップＳ１０３に移行して、超音波モータ１は停止する。これ以降は、操作指示手段から次の駆動指示が来るのを待ち続ける状態になる。

ところで、前記ステップＳ１００において“旋回動作指示（ｎ＝ｂ）”であると判定した場合、ＣＰＵ１０３は、当該超音波モータ１を旋回動作させるシーケンスに移行する（ステップＳ１０４）。続いて、ＣＰＵ１０３は、当該“旋回動作指示”が右旋回動作指示であるか、左旋回動作指示であるか、を判定する（ステップＳ１０５）。

前記ステップＳ１０５において“旋回動作指示”が右旋回動作指示であると判定した場合、ＣＰＵ１０３は、図１０に示すフローチャートの駆動条件設定ルーチンに移行する（ステップＳ１０６）。

駆動条件設定ルーチンに移行すると、まずＣＰＵ１０３は右側超音波振動子１１ａの駆動信号の駆動周波数及び駆動位相を設定する（ステップＳ２００）。ステップＳ１０５において右旋回動作指示であると判定した後に駆動条件設定ルーチンに移行した場合には、右側超音波振動子１１ａについては駆動信号を出力しない設定とする。

次に、ＣＰＵ１０３は、左側超音波振動子１１ｂの駆動信号の駆動周波数及び駆動位相を設定する(ステップＳ２０１)。ステップＳ１０５において右旋回動作指示であると判定した後に駆動条件設定ルーチンに移行した場合には、左側超音波振動子１１ｂの駆動信号として例えば駆動周波数８５ＫＨｚ、駆動位相９０度を設定する。なお、これらの値はあくまでも一例であって、これらの値に限定されないことは勿論である。

続いて、ＣＰＵ１０３は、ステップＳ２００における設定及びステップＳ２０１における設定に基づいて、右側超音波振動子１１ａの駆動信号を出力させない／出力していた駆動信号を停止させるように第１信号生成回路１０５ａを制御し（ステップＳ２０２）、左側超音波振動子１１ｂについてはステップＳ２０１で設定した駆動周波数（本例では８５ＫＨｚ）、駆動移相（本例では９０度）の駆動信号を生成するように第２信号生成回路１０５ｂを制御し（ステップＳ２０２）、且つ該駆動信号を電気的に信号増幅して出力するように第２信号増幅回路１０９ｂを制御する（ステップＳ２０３）。

そして、当該駆動条件設定ルーチンを抜けて、図９に示すステップＳ１０８に移行して、超音波モータ１は右旋回動作を開始する（ステップＳ１０８）。詳細には、上述した駆動条件設定ルーチンにおける設定により、自動車に例えれば内輪が停止し且つ外輪が回る状態を作り出すことにより、右側超音波振動子１１ａと左側超音波振動子１１ｂとの出力差を生み、右旋回動作を実現する。

ところで、前記ステップＳ１０５において“旋回動作指示”が左旋回動作指示であると判定した場合、ＣＰＵ１０３は、図１０に示すフローチャートの駆動条件設定ルーチンに移行する（ステップＳ１０７）。

駆動条件設定ルーチンに移行すると、まずＣＰＵ１０３は右側超音波振動子１１ａの駆動信号の駆動周波数及び駆動位相を設定する（ステップＳ２００）。ステップＳ１０５において右旋回動作指示であると判定した後に駆動条件設定ルーチンに移行した場合には、右側超音波振動子１１ａの駆動信号として例えば駆動周波数８５ＫＨｚ、駆動位相９０度を設定する。なお、これらの値はあくまでも一例であって、これらの値に限定されないことは勿論である。

次に、ＣＰＵ１０３は、左側超音波振動子１１ｂの駆動信号の駆動周波数及び駆動位相を設定する(ステップＳ２０１)。ステップＳ１０５において右旋回動作指示であると判定した後に駆動条件設定ルーチンに移行した場合には、左側超音波振動子１１ｂについては駆動信号を出力しない設定とする。

続いて、ＣＰＵ１０３は、ステップＳ２００における設定及びステップＳ２０１における設定に基づいて、右側超音波振動子１１ａについてはステップＳ２０１で設定した駆動周波数（本例では８５ＫＨｚ）、駆動移相（本例では９０度）の駆動信号を生成するように第１信号生成回路１０５ａを制御し（ステップＳ２０２）、且つ該駆動信号を電気的に信号増幅して出力するように第１信号増幅回路１０９ａを制御（ステップＳ２０３）する。また、ＣＰＵ１０３は、左側超音波振動子１１ｂの駆動信号を出力させない／出力していた駆動信号を停止させるように第２信号生成回路１０５ｂを制御する（ステップＳ２０２）。

そして、当該駆動条件設定ルーチンを抜けて、図９に示すステップＳ１０８に移行して、超音波モータ１は左旋回動作を開始する（ステップＳ１０８）。詳細には、上述した駆動条件設定ルーチンにおける設定により、自動車に例えれば内輪が停止し且つ外輪が回る状態を作り出すことにより、右側超音波振動子１１ａと左側超音波振動子１１ｂとの出力差を生み、左旋回動作を実現する。

なお、本一実施形態に係る超音波モータでは、駆動周波数及び駆動位相をパラメータとしているが、パルス幅や駆動電圧をパラメータとして、右側超音波振動子１１ａと左側超音波振動子１１ｂとの出力差を生み、旋回動作を実現しても勿論よい。

ところで、前記振動子保持部材１６、前記位置規制部材６、及び前記ホルダ部材１０については、互いに直接的に係合する部材同士を、互いに異なる材料（固有振動数が互いに異なる材料）で構成することで、駆動時の異音を低減させることができる。なお、前記材料としては、例えば樹脂系材料、ゴム系材料、及び金属系材料等を挙げることができる。

以上説明したように、本一実施形態によれば、複数の超音波振動子を備えた超音波モータであって、前記複数の超音波振動子を同時駆動する際の駆動安定性及び駆動自由度を向上させた超音波モータを提供することができる。

具体的には、上述した構造を採ることで、超音波振動子１１ａ、１１ｂに対する機械的な拘束が非常に小さい為、駆動自由度が高く、且つ複数の超音波振動子１１ａ、１１ｂを共振状態で効率よく駆動するために重力に逆らう方向に装置を保持した時に押圧が開放された状態で保持でき、押圧が開放された状態から被接触部材１３との接触面に倣いながら、複数の超音波振動子１１ａ、１１ｂへ同時に押圧を加えられる。つまり、接触状態が安定し、ＸＹ平面上を自在に駆動する超音波モータを提供することができる。

より詳細には、次のような効果を奏する。

・複数の圧電素子２に働く機械的拘束が非常に小さいことにより、駆動自由度が向上する。

・複数の圧電素子２が備える駆動子４による多点支持により超音波モータ１が自立することにより、駆動状態の安定化が実現する。

・超音波モータの自重を、被駆動体である被接触部材１３への押圧力に変換する構造を採ることにより、構造のシンプル化が実現する。

・超音波モータ１を持ち上げた際の、超音波振動子１１の抜け落ちを防止することで、取り扱いが容易になり、使用用途も広がる。

・被接触部材１３との接触面に倣いながら加圧して押圧力を最適化することにより、駆動状態の安定化が実現する。

また、上述した駆動制御を行うことで、複数の超音波振動子１１にＣＰＵ１０３から独立あるいは協調させるよう駆動信号を与えることにより、被接触部材１３を任意の方向に駆動することが可能になる。

本一実施形態に係る超音波モータは、例えば、部品搬送用ロボット、顕微鏡ステージ上で動くマニュピレータ等への応用が、特に期待される。

つまり、本一実施形態に係る超音波モータ１によれば、駆動安定性（被駆動部材１３に対する相対的な姿勢の保持）、及び、駆動自由度（超音波振動子１１に対する機械的拘束の軽減）が大きく向上するという格別な効果を得ることができる。さらに言えば、非常に簡易な構造の超音波モータで上述の効果を得ることができる。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。

[第１変形例]
第１変形例は、構造系に関する変形例である。

前記ベース部材８に、当該超音波モータの駆動時及び停止時にバランスを取るための補助的なバランス部材（例えば補助輪）を少なくとも一個以上設けても勿論よい。

[第２変形例]
第２変形例は、構造系に関する変形例である。

図１１は、本第２変形例に係る超音波モータ１を底面側（被接触部材１３側）から観た図である。本第２変形例に係る超音波モータ１は、２つの超音波振動子１１のうち一方の超音波振動子を立て、側面（図２の正面図において手前側に見えている面）を被接触部材１３及びベース部材８に対向させるように配設する。この場合、ベース部材８には、立てられた超音波振動子１１を高さ方向に収容可能なように所望の貫通孔部／孔部を設け、２つの超音波振動子１１が備える駆動子４の高さをそろえる必要がある。

換言すれば、前記圧電素子２に設けられた全ての駆動子４における前記被接触部材１３との接触面が同一平面上に位置するように、前記圧電素子２を、前記位置規制部材６を介して前記ベース部材８に配設する。

なお、超音波振動子１１の側面（図２の正面図において手前側に見えている面）は、比較的面積が小さい為、図１１に示すように、少なくとも一つの駆動子を設ければよい。

[第３変形例]
第３変形例は、制御系に関する変形例である。

上述した一実施形態に係る超音波モータでは、自動車に例えれば内輪を停止させ且つ外輪を回す状態を作り出すことにより、右側超音波振動子１１ａと左側超音波振動子１１ｂとの出力差を生み、旋回動作を実現している。

一方、本第３変形例に係る超音波モータでは、右側超音波振動子１１ａ及び左側超音波振動子１１ｂに、互いの駆動信号の位相差が１８０度となるような駆動位相の駆動信号（例えば、右側超音波振動子１１ａには駆動位相９０度の駆動信号、左側超音波振動子１１ｂには駆動位相−９０度の駆動信号）を与えることにより、旋回動作を実現する。

このような駆動制御を行うことにより、旋回における最小回転半径をより小さくすることができる。つまり、より精密な旋回動作を実現することができる。

さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

１…超音波モータ、 ２…圧電素子、 ４…駆動子、 ６…位置規制部材、 ８…ベース部材、 １０…ホルダ部材、 １０ａ…突起部、 １１…超音波振動子、 １１ａ…右側超音波振動子、 １１ｂ…左側超音波振動子、 １２…制御部材、 １３…被接触部材、 １４…加圧部材、 １６…振動子保持部材、 １６ａ…突起部材、 １６ｂ…窓部、 １０３…ＣＰＵ、 １０５ａ…第１信号生成回路、 １０５ｂ…第２信号生成回路、 １０７…発振回路、 １０９ａ…第１信号増幅回路、 １０９ｂ…第２信号増幅回路。

Claims (14)

1. 駆動子が設けられた圧電素子に２相の駆動信号を印加して当該圧電素子に縦振動及び屈曲振動を励起して楕円振動を発生させ、該楕円振動から駆動力を得て前記駆動子により被駆動部材を摩擦駆動する超音波モータであって、
   複数の圧電素子と、
   前記圧電素子の一方面に設けられた少なくとも一つ以上の駆動子と、
   前記圧電素子の他方面において、前記圧電素子の縦振動及び屈曲振動の共通の節または節近傍に対応する位置に配設されたホルダ部材と、
   前記ホルダ部材と係合することで、前記被駆動部材と前記駆動子との接触面に対して平行を為す方向における前記圧電素子の位置を規制する位置規制部材と、
   前記位置規制部材に設けられ、前記ホルダ部材と係合することで前記圧電素子を保持する振動子保持部材と、
   前記圧電素子の個数と同数の前記位置規制部材が設けられたベース部材と、
   前記駆動子により、任意の方向へ摩擦駆動される被駆動部材と、
   を具備することを特徴とする超音波モータ。
2. 当該超音波モータは、自重により前記駆動子から前記被駆動部材への押圧力を生じ、
   前記振動子保持部材は、前記押圧力が開放された際に、前記ホルダ部材と係合することを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記押圧力が開放された状態から、前記駆動子が前記被駆動部材に接触させられて前記押圧力が生じる際に、前記押圧力は、前記駆動子と前記被駆動部材との接触面に応じた方向に生じることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記押圧力は、全ての圧電素子に設けられた全ての駆動子について同時に生じることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
5. 前記振動子保持部材は、１つの前記位置規制部材に対して少なくとも1つ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
6. 前記振動子保持部材は、前記位置規制部材に形成されたガイド部に嵌め込まれるブロック部材であり、該ブロック部材は前記ガイド部に圧入されることで前記ガイド部により保持される、または、前記ブロック部材は前記ガイド部に挿入された後に接着固定されることで前記ガイド部により保持される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
7. 前記振動子保持部材は、前記位置規制部材に形成されたガイド部に嵌め込まれるブロック部材であり、該ブロック部材は、前記ガイド部に挿入された後に前記ガイド部に圧接する突起部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
8. 前記振動子保持部材は、前記位置規制部材に形成されたガイド部に設けられた貫通孔に、圧入される／圧入された後に接着固定される、ピン状部材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。
9. 前記振動子保持部材は、
   前記位置規制部材に形成されたガイド部底面を覆う面と、
   前記ガイド部側面に沿う面と、を備えるＬ字形状板部材であり、
   前記ガイド部側面に沿う面において前記ガイド部に対して固定されるＬ字形状部材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。
10. 前記振動子保持部材は、前記位置規制部材に形成されたガイド部底面を覆う面を備える板状部材であり、前記ガイド部底面を覆う面において前記ガイド部に対して固定されることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
11. 前記複数の圧電素子は対を為す２つの圧電素子であり、これら圧電素子は、線対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
12. 前記複数の圧電素子は同形であり且つ互いに異なる面に駆動子が設けられており、設けられた全ての駆動子について前記被駆動部材との接触面が同一平面上に位置するように、前記複数の圧電素子が、前記位置規制部材を介して、前記ベース部材に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
13. 前記駆動子による出力は、直接的且つ互いに独立して前記被駆動部材に伝達されることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
14. 前記ホルダ部材と、前記位置規制部材と、前記振動子保持部材とは、互いに異なる材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。

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