JP2694313B2 - 超音波モータを用いた電子機器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、超音波モータを用い
た電子時計等の電子機器に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来、電子時計等の電子機器の駆動源と
しては、磁石を用いた直流の電磁モータが使用されてい
た。また、回転検出部材を有する超音波モータは従来知
られていなかった。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の電子時
計等の電子機器には下記の課題があった。 （１）電子時計等の電子機器の駆動源として直流モ−タ
を用いる構造では、モータの変換効率の向上が困難で、
時計の薄型化、小型化、長寿命化がむずかしかった。 （２）電子時計等の電子機器の駆動源として超音波モー
タを用いようとしても、いろいろな構造や環境の条件が
変動すると、ロータの回転速度が変動し、正確な回転速
度の出力が得られなかった。 【０００４】そこで、この発明の目的は、正確な回転速
度の超音波モータを用いて、モータの変換効率が高く、
正確に時刻を表示する、部品点数の少ない、薄型な電子
時計等のような電子機器を得ることにある。 【０００５】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は、超音波モータを用いた電子機器であっ
て、時間基準信号を出力する発振回路と、発振回路の出
力信号を入力して分周する分周回路と、分周回路の出力
信号を入力して所定の出力信号を合成する波形合成回路
と、波形合成回路の出力信号を入力して超音波モータを
駆動する駆動信号を出力するモータ駆動回路と、モータ
駆動回路の出力信号を入力して変形する圧電素子と、圧
電素子を固定してある弾性体と、弾性体に所定の圧力で
接触して回転するロータと、弾性体とロータに所定の圧
力を加える加圧手段と、ロータの回転状態を検出するた
めにロータに設けられた回転検出部材と、回転検出部材
の回転状態を検出して回転状態に対応した出力信号を出
力する回転検出手段と、回転検出手段の出力信号を入力
し分周回路の出力信号を入力して波形合成回路の出力の
動作を制御する制御回路と、ロータの回転により動作す
る出力手段とを有する構成とした。 【０００６】さらに、電子機器において、波形合成回路
が合成する所定の出力信号を、時刻情報を表示するため
の信号とし、出力手段を時間を表示する指示手段とし
て、複数の輪列、複数の指針とともに電子時計を構成し
た。 【０００７】このような構成とすることにより、超音波
モータはあらかじめ定めた正確な速度で回転するため
に、出力部の回転速度が正確に制御できる電子機器を実
現することができる。特に電子時計に応用した場合には
正確な時刻情報を表示する電子時計を実現することがで
きる。 【０００８】 【作用】本発明の超音波モータは、圧電セラミックや圧
電結晶体等の材料からなる圧電素子を用いる。圧電素子
にモータ駆動回路の出力信号を入力すると、圧電素子は
伸縮する。 【０００９】弾性体は弾性材料で作る。圧電素子を弾性
体に接着などにより固定する。圧電素子の伸縮により、
弾性体は変形する。加圧手段は、弾性体とロータの相互
に所定の圧力を加える。ロータに設けられた回転検出部
材は、ロータの回転状態を検出する。回転検出手段は、
回転検出部材の回転状態を検出して、その回転状態に対
応した出力信号を出力する。 【００１０】制御回路は、回転検出手段の出力信号及び
分周回路の出力信号を入力して波形合成回路の出力の動
作を制御する。ロータは、圧電素子に固定した弾性体の
変形により回転する。ロータの回転速度は、回転検出手
段により正確に調整することができる。 【００１１】超音波モータはあらかじめ定めた正確な速
度で回転するために、本発明の電子機器は、出力部の回
転速度が正確に制御できる。特に電子時計の場合には、
正確な時刻情報を表示する。 【００１２】 【実施例】以下に、この発明の実施例を図面に基づいて
説明する。図１は、超音波モータの原理を示す断面図で
ある。地板５に、ロータの軸受を設ける。支持体４は、
厚み方向に弾性変形可能な材料により作る。支持体４
を、地板５の上に組み込む。圧電素子３は、弾性体２の
下面に固定する。圧電素子３は、分極処理されている。 【００１３】ロータ１は、弾性体２に接触する。ロータ
真７は、ロータ１に固定されている。ロータ真７は、地
板５とロータ受６により、回転可能に支持されている。
ロータ１と弾性体２は、支持体４の弾性力により、所定
の圧力で接触している。圧電素子３に制御回路より所定
の電圧を印加すると、圧電素子は伸縮し、弾性体は変形
して、ロータは回転する。 【００１４】図２は、圧電素子による弾性体の変形を示
す原理図で、図３は、超音波モータの回転を示す原理図
である。図２（ａ）において、弾性体２に圧電素子３を
固定する。図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、圧
電素子３に所定の電圧を印加すると、圧電素子３は伸縮
する。 【００１５】ここで、ロータ１を駆動するには、片側の
圧電素子の電極に Ａｓｉｎωｔ、他方の電極に位相が
９０度遅れた Ａｃｏｓωｔの交流電圧を印加する。す
ると、圧電素子３の分極した領域が交互に周方向に伸縮
し、弾性体２に曲げ振動が発生する。 【００１６】図３に示すように、例えば、弾性体２に、
λ／２の圧電素子を、すきまλ／４で固定する。ここ
で、λは波長である。 図３において、＋ｘ方向の波は、 Ｆ＋ｘ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α） −Ａｃｏｓ（ωｔ＋α＋３λ／４） ここで、λ＝２π とすると、 Ｆ＋ｘ＝Ａｃｏｓ（ωｔ＋α） −Ａ〔ｃｏｓ（ωｔ＋α）＊ｃｏｓ（３π／２） −ｓｉｎ（ωｔ＋α）＊ｓｉｎ（３π／２）〕 ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）−Ａｓｉｎ（ωｔ＋α） ＝０ 図３において、−ｘ方向の波は、 Ｆ−ｘ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α） −Ａｃｏｓ（ωｔ＋α−３λ／２） ＝２Ａｓｉｎ（ωｔ＋α） 従って、振動の波は、図３の−ｘ方向にしか進まない。 【００１７】このように、弾性体２に進行波が発生する
ように、圧電素子３を弾性体２に固定する。弾性体２と
ロータ１は、所定の圧力で接触していて、弾性体２とロ
ータ１の間には所定の摩擦力が発生している。 【００１８】圧電素子３に電圧をかけて、弾性体２が変
形して振動波が発生すると、ロータ１は、進行波の進む
方向と逆方向に回転する。ここで、超音波モータにおい
ては、弾性体表面とロータの表面との間の摩擦係数が変
動することにより、両部品の間にすべりが発生する。 【００１９】ここに、弾性体表面とロータの表面との間
の摩擦係数をμとして、弾性体とロータとの加圧力をＷ
とする。圧電モータの駆動力Ｆは、 Ｆ＝μＷ となる。 【００２０】ここで、弾性体の表面状態とロータの表面
状態により、摩擦係数μが変動する。摩擦係数μが変動
すると、ロータの回転速度が変動し、正確な回転速度の
出力が得られなくなる。また、超音波モータの圧電素子
に印加する電圧Ａが変化すると、圧電素子の変位量が変
動する。 【００２１】また、圧電素子の変位量の変動により、弾
性体の振動の振幅が変動する。弾性体の振動の振幅の変
動により、弾性体のロータと接触している点の横方向の
変位量が変動する。ロータの回転速度は、弾性体のロー
タと接触している点の横方向の変位量に比例するので、
ロータの回転速度が変動する。 【００２２】図６は、本発明の超音波モータを用いた電
子機器の実施例を示すブロック図である。発振回路２０
は、水晶振動子（図示しない）などを源振として時間基
準信号を出力する。分周回路２１は、発振回路２０の出
力信号を入力して分周する。波形合成回路２２は、分周
回路２１の出力信号を入力して超音波モータを駆動する
ためのパルスを合成する。モータ駆動回路２３は、波形
合成回路２２の出力信号を入力して超音波モータ３０を
駆動する駆動信号を出力する。 【００２３】圧電素子３は、モータ駆動回路２３の出力
信号を入力して変形する。圧電素子３は、弾性体２に固
定してある。ロータ１は、弾性体２に加圧手段３１によ
り所定の圧力をかけられて接触する。圧電素子３の変形
により、弾性体２に進行波が発生する。弾性体２とロー
タ１は、所定の圧力で接触しているので、弾性体２とロ
ータ１の間の摩擦力により、ロータ１は、進行波の進む
方向と逆方向に回転する。 【００２４】回転検出部材１６は、ロータ１の回転状態
を検出するためにロータ１に設けられている。回転検出
手段１４は、回転検出部材１６の回転状態を検出して、
回転状態に対応した出力信号を出力する。制御回路２５
は、回転検出手段１４の出力信号を入力し、分周回路２
１の出力信号を入力して、波形合成回路２２の出力の動
作を制御する出力手段４０は、ロータ１の回転により動
作する。 【００２５】図４は、本発明を電子時計に適用した場合
の実施例を示す断面図である。地板５に、ロータの軸受
を設ける。支持体４は、厚み方向に弾性変形可能な材料
により作る。支持体４を、地板５の上に組み込む。圧電
素子３は、弾性体２の下面に固定する。圧電素子３は、
分極処理されている。圧電素子３を固定した弾性体２を
支持体４の上に組み込む。 【００２６】ロータ１は、弾性体２に接触する。ロータ
真７は、ロータ１に固定されている。ロータ真７は、地
板５に回転可能に支持されている。ロータ１と弾性体２
は、支持体４の弾性力により、所定の圧力で接触してい
る。圧電素子３に所定の電圧を印加すると、圧電素子３
は伸縮し、弾性体２は変形して、ロータ１は回転する。 【００２７】ロータかな７ａは、ロータ真７に固定され
ている。ロータかな７ａの回転は日の裏車９を介して筒
車８に伝達される。筒車８は、ロータ真７の外周にくみ
こまれ、文字板１１に案内されて回転する。日の裏車９
は、日の裏押さえ１０と日の裏受１５に回転可能に支持
される。ロータ真７に固定されている分針と筒車８に固
定されている時針により時刻を表示する。 【００２８】図５は、本発明に適用する超音波モータの
一例のロータの上面の平面図である。ロータ１は、プラ
スチックなどの絶縁材料で作られている。ロータ１の上
面に６０分割の金属パターン１６とスリットが形成され
ていて、一種のエンコーダを構成する。金属パターン１
６は、ロータかな７ａと導通している。 【００２９】地板５、日の裏車９、ロータ真７、日の裏
押さえ１０、及び、日の裏受１５等は金属で作られてい
る。地板５は、電池（図示しない）のプラスに導通して
ある。ロータ１が回転すると、回転検出ばね１４は間欠
的に６０分割の金属パターン１６と接触、非接触をする
ので、電池のプラスに導通と非導通を繰り返す。 【００３０】制御回路２５と波形成形回路２２とモータ
駆動回路２３の動作により、ロータ１を高速で回転させ
る。回転検出ばね１４が金属パターン１６と接触する
と、回転検出回路２４の信号を受けて、制御回路２５は
波形成形回路２２の動作を停止させる。 【００３１】そして、制御回路２５は、分周回路２１の
信号を入力して、１分間にロータ１が６度回転するよう
に波形成形回路２２の動作を再開させる。なお、ロータ
１の回転速度は必要に応じて各種設定できる。回転検出
手段としては、ロータ１に磁石を固定して磁気検出する
構造や、ロータ１の外周をくし歯状にして電極をはりつ
け、静電容量を検出する構造も適用できる。 【００３２】加圧手段としては、回転検出ばねを用いる
こともできる。 【００３３】 【発明の効果】この発明は、以上説明したように、超音
波モータを用いた電子機器において、時間基準信号を出
力する発振回路と、発振回路の出力信号を入力して分周
する分周回路と、分周回路の出力信号を入力して所定の
出力信号を合成する波形合成回路と、波形合成回路の出
力信号を入力して超音波モータを駆動する駆動信号を出
力するモータ駆動回路と、モータ駆動回路の出力信号を
入力して変形する圧電素子と、圧電素子を固定してある
弾性体と、弾性体に、所定の圧力で接触して回転するロ
ータと、弾性体とロータに所定の圧力を加える加圧手段
と、ロータの回転状態を検出するためにロータに設けら
れた回転検出部材と、回転検出部材の回転状態を検出し
て、回転状態に対応した出力信号を出力する回転検出手
段と、回転検出手段の出力信号を入力し、分周回路の出
力信号を入力して、波形合成回路の出力の動作を制御す
る制御回路と、ロータの回転により動作する出力手段
と、を有する構成とし、さらに、その電子機器におい
て、波形合成回路が合成する所定の出力信号を、時刻情
報を表示するための信号とし、出力手段を時間を表示す
る指示手段として、複数の輪列、複数の指針とともに電
子時計を構成したので、以下に記載する効果を有する。 （１）モータの変換効率が高いため、電子時計等の電子
機器の薄型化、小型化、長寿命化ができる。 （２）モータの構造や環境の条件が変動しても、ロータ
の回転速度が正確に制御できるので、出力部の回転速度
が安定した電子時計等の電子機器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】超音波モータの原理を示す断面図である。 【図２】圧電素子による弾性体の変形を示す原理図であ
る。 【図３】超音波モータの回転を示す原理図である。 【図４】本発明を電子時計に適用した実施例を示す断面
図である。 【図５】本発明に適用する超音波モータの一例のロータ
の上面の平面図である。 【図６】本発明の電子機器の実施例を示すブロック図で
ある。 【符号の説明】 １ ロータ ２ 弾性体 ３ 圧電素子 １４ 回転検出手段 １６ 回転検出部材 ２０ 発振回路 ２１ 分周回路 ２２ 波形成形回路 ２３ モータ駆動回路 ２４ 回転検出回路 ２５ 制御回路 ３０ 超音波モータ ３１ 加圧手段 ４０ 出力手段

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．超音波モータを用いた電子機器であって、 時間基準信号を出力する発振回路（２０）と、 前記発振回路（２０）の出力信号を入力して分周する分
   周回路（２１）と、 前記分周回路（２１）の出力信号を入力して所定の出力
   信号を合成する波形合成回路（２２）と、 前記波形合成回路（２２）の出力信号を入力して超音波
   モータを駆動する駆動信号を出力するモータ駆動回路
   （２３）と、 前記モータ駆動回路（２３）の出力信号を入力して変形
   する圧電素子（３）と、 前記圧電素子（３）を固定してある弾性体（２）と、 前記弾性体（２）に、所定の圧力で接触して回転するロ
   ータ（１）と、 前記弾性体（２）と、前記ロータ（１）に所定の圧力を
   加える加圧手段（３１）と、前記ロータ（１）の回転状態を検出するために前記ロー
   タ（１）に設けられた回転検出部材（１６）と、 前記回転検出部材（１６）の回転状態を検出して、回転
   状態に対応した出力信号を出力する回転検出手段（１
   ４）と、 前記回転検出手段（１４）の出力信号を入力し、前記分
   周回路（２１）の出力信号を入力して、前記波形合成回
   路（２２）の出力の動作を制御する制御回路（２５）
   と、 前記ロータ（１）の回転により動作する出力手段（４
   ０）と、 を有することを特徴とする超音波モータを用いた電子機
   器。 ２．前記波形合成回路（２２）が合成する所定の出力信
   号は、時刻情報を表示するための信号であり、前記出力
   手段（４０）は時間を表示する指示手段（１３）であっ
   て、複数の輪列、複数の指針とともに電子時計を構成す
   る請求項１記載の超音波モータを用いた電子機器。