JP2725134B2

JP2725134B2 - 超音波モータ及び超音波モータ付電子機器

Info

Publication number: JP2725134B2
Application number: JP5118809A
Authority: JP
Inventors: 竜紀井上; 政雄春日; 鈴木　　誠; 賢二鈴木; 不二夫小澤; 皇山崎; 伸一林崎
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1993-05-20
Publication date: 1998-03-09
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JPH0690574A; EP0580447A1; US5416374A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、圧電振動子の伸縮運
動を利用した超音波振動により、移動体を摩擦駆動させ
る超音波モータ及び超音波モータを用いた電子機器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来のエンコーダ等の位置検出手段を使
用せずに所定の移動量のステップ駆動を可能とする超音
波モータは、特公平３−２０７２８１号公報、あるい
は、特公平４−３８１８０号公報に示されるような構成
であった。

【０００３】図２７は、従来のエンコーダ等の位置検出
手段を使用せずに所定の移動量のステップ駆動を可能と
する超音波モータの上面図である。移動体２７０１は４
ヶ所の凸部２７０１ａを有し、突起部２７０２ａを有す
る振動体２７０２と接する例を示す。

【０００４】図２８は振動体２８０２に固定された圧電
振動子２８０３の電極パターン構造と移動体２８０１と
の位置関係を示している。図２９は従来の超音波モータ
がステップ駆動する時の振動状態の様子を示した動作説
明図であり、記号は図２８に対応している。定在波１で
はＡ，Ｂ，ＣとＡの反転，Ｂの反転，Ｃの反転がそれぞ
れ組みになり、互いに１８０度位相がずれて振動してい
る。これにより移動体の凸部２８０１ａは定在波の腹か
ら節に向かって力が作用し、力の釣り合う場所である定
在波１の節の上で位置決めされる。定在波２ではＢ，
Ｃ，Ａの反転とＢの反転，Ｃの反転，Ａがそれぞれ組み
になり、定在波３ではＣ，Ａの反転，Ｂの反転とＣの反
転，Ａ，Ｂがそれぞれ組みとなり、定在波１→定在波２
→定在波３→定在波１→・・・と順次繰り返すことによ
り、節の位置が段階的に移動し、移動体２８０１の凸部
２８０１ａはそれと等しい移動量だけ移動することにな
る。すなわち、図２８に示した超音波モータの電極パタ
ーン構造では、移動体２８０１は１２ステップで１回転
する構成となっている

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のエンコ
ーダ等の位置検出手段を使用しない所定の移動量のステ
ップ駆動可能な超音波モータでは、移動体のステップ駆
動できる移動量は、定在波の間隔あるいは定在波の節の
移動量で決定されてしまうため、移動体のステップ角度
は定在波の節部の間隔あるいは定在波の節部の移動量よ
り小さくにすることはできなかった。

【０００６】そこで、この発明の目的は、従来のこのよ
うな課題を解決するために、移動体のステップ角度を、
定在波の節の間隔あるいは定在波の節の移動量よりも小
さくすることができる超音波モータを提供することにあ
る。

【０００７】

【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、電極パターンを有する圧電振動子と、
前記圧電振動子が固定され、突起部を有する振動体と、
前記振動体に圧接され、前記圧電振動子の伸縮運動によ
り摩擦駆動する移動体と、前記移動体を前記振動体に加
圧接触させる加圧手段を有する超音波モータにおいて、
振動の波数λである前記移動体を駆動するための進行波
を発生し、かつ、前記移動体を停止するための定在波を
１種類、または、２種類以上発生させる超音波振動発生
回路と、前記進行波と前記定在波の作動を切り換える切
替回路と、前記超音波振動発生回路により駆動する少な
くとも一枚以上の前記圧電振動子と、前記移動体は定在
波励振時に前記移動体を停止させるための不均一部を有
し、前記不均一部の数は定在波励振時の節数よりも多
く、かつ、前記移動体の不均一部の数と定在波励振時の
節数とは、２以上の正の整数であるところの公約数を少
なくとも１個以上有する構成とした。

【０００８】

【作用】図１は、本発明の超音波モータの代表的な構成
の一例を示す機能ブロック図である。図１において、発
振回路１０２は、電源１０１により動作して所定の出力
信号を出力する。発振回路１０２には、水晶振動子など
の源振を接続する。分周回路１０３は、発振回路１０２
の出力信号を入力して分周する。計時回路１０４は、分
周回路１０３の出力信号を入力して所定の計時信号を出
力する。

【０００９】超音波振動発生回路１０７は、移動体１１
２を回転させる進行波、あるいは、停止させる定在波を
発生する。進行波発生回路１０５は、移動体１１２を回
転させる進行波を発生する。定在波発生回路１０６は、
移動体１１２を停止させる定在波を発生する。

【００１０】切替回路１０８は、進行波発生回路１０５
の出力信号と、定在波発生回路１０６の出力信号を入力
して、圧電振動子駆動回路１０９に出力パルスを出力す
る動作を制御する。圧電振動子駆動回路１０９は、圧電
振動子１１０に所定の高周波電圧を印加する。複数のく
し歯状の突起部を有する振動体１１１に超音波振動が発
生し、定在波発生時に移動体を停止するための不均一部
を有し、不均一部の数は定在波励振時の節数よりも多い
移動体１１２は回転、停止などの動作をする。加圧手段
１１３は、振動体１１１と移動体１１２を一定の圧力で
加圧する。出力手段１１４は、移動体１１２の動作によ
り動作する。

【００１１】本発明の超音波モータは、移動体の駆動の
ための進行波と、停止のための定在波を適切な状態で切
り換えることにより、移動体は、移動体の不均一部位
置、定在波の節位置、振動体の突起部位置により、力の
釣り合った位置で停止する。すなわち、移動体のステッ
プ角度を、定在波の節の間隔、あるいは、定在波の節の
移動量よりも小さくすることが可能となる。

【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。（実施例１）図２は、本発明の超音波モータの実施例１
のシステムブロック図である。

【００１３】発振回路２０２は、電源２０１により動作
して所定の出力信号を出力する。発振回路２０２には、
水晶振動子などの源振を接続する。分周回路２０３は、
発振回路２０２の出力信号を入力して分周する。計時回
路２０４は、分周回路２０３の出力信号を入力して所定
の計時信号を出力する。

【００１４】電流検出回路２３１は、圧電振動子駆動回
路２０８、圧電振動子２２１、振動体２２２の少なくと
も１ヶ所に接続してあり、超音波モータの負荷状態ある
いは回転状態により変化する出力信号を入力する。超音
波モータが動作して移動体２２３が動作することによ
り、圧電振動子駆動回路２０８、圧電振動子２２１、振
動体２２２の出力する出力信号が変化する。出力信号と
しては、電流を用いることができる。電流検出回路２３
１は、検出した電流に対応した出力信号を出力する。

【００１５】検出信号発生回路２３２は、検出した電流
に対応した検出信号を出力する。駆動パルス記憶回路２
０５は、超音波モータの移動体２２３の回転の状態に対
応して発生するのに適した各種の条件の駆動パルスを記
憶する。駆動パルス発生回路２０６は、駆動パルス記憶
回路２０５の出力信号を入力して駆動パルスを発生す
る。

【００１６】停止パルス記憶回路２１０は、超音波モー
タの移動体２２３の回転の状態に対応して発生するのに
適した各種の条件の停止パルスを記憶する。停止パルス
発生回路２０９は、停止パルス記憶回路２１０の出力信
号を入力して停止パルスを発生する。

【００１７】出力パルス選択回路２０７は、駆動パルス
発生回路２０６の出力信号と、停止パルス発生回路２０
９の出力信号と、検出信号発生回路２３２の検出信号と
を入力して、圧電振動子駆動回路２０８に出力パルスを
出力する動作を制御する。圧電振動子駆動回路２０８
は、圧電振動子２２１に所定の高周波電圧を印加する。
振動体２２２に超音波振動が発生し、定在波発生時に移
動体を停止するための複数の不均一部を有する移動体２
２３は回転などの動作をする。加圧手段２２４は、振動
体２２２と移動体２２３を一定の圧力で加圧する。出力
手段２２５は、移動体２２３の動作により動作する。

【００１８】図３は、本発明の超音波モータの実施例１
の斜視図である。図３に示すように、圧電振動子（Ａ）
５は超音波モータの駆動用の進行波を発生する。圧電振
動子（Ｂ）６は、超音波モータの停止用の定在波を発生
する。移動体２は、定在波発生時に移動体を停止させる
ための不均一部２ａを有し、かつ、一種類の定在波発生
時の節数よりも多く設けられている。振動体３は、複数
のくし歯状の突起部３ａを有し、中心軸（図示しない）
に固定する。中心軸は、固定台７に固定する。移動体２
は摩擦材８を介して、振動体３のくし歯状の突起部３ａ
に接触する。移動体２は中心軸を回転案内として回転可
能に組み込まれる。加圧ばね１は、移動体２を振動体３
のくし歯状の突起部３ａに所定の圧力で加圧する。

【００１９】図４及び図５は、本発明の超音波モータの
実施例１の動作原理を示す説明図である。図４は実施例
１の駆動状態及び振動の様子を示す断面図である。駆動
用の進行波を発生させる圧電振動子（Ａ）５が作動して
いる間は振動体３にはａ１→ａ２、ｂ１→ｂ２と移動す
るような進行波が発生するために、複数の不均一部を有
する移動体２は波の進む方向とは反対方向に駆動する。

【００２０】図５は、実施例１の停止状態及び振動状態
を示す断面図である。この場合、振動体のくし歯状の突
起部は、定在波の節から離した位置に配置してあり、定
在波の１波に対して８本の突起部が配置している。ま
た、移動体２の不均一部はλ／６間隔で等間隔に形成さ
れている。ここで、停止状態の挙動を説明しやすいよう
に、図中では移動体２と振動体３を離して示してある。

【００２１】図５において、圧電振動子（Ａ）５の作動
を停止させ、停止用の定在波を発生させる圧電振動子
（Ｂ）６を作動させると、振動体３には、（ｂ）に図示
するように、ｃ１，ｃ２，ｃ３を節部とするような定在
波が発生し、振動体のくし歯状の突起部３０１１〜３０
１４には（ａ）に図示するような矢印方向に力が作用す
る。このとき、移動体２の不均一部間の側面下端部Ｒａ
とＲｂに作用する力のバランスが異なる場合、移動体２
は回転する。しかし、移動体２が（ａ）に図示した位置
にくると、突起部３０１２，３０１３の移動体２への接
触面は不均一部間２１ａの端部ＲａとＲｂの下に位置し
ている関係となり、側面下端部Ｒａ，Ｒｂの両側から不
均一部間２１ａの内側に向かって力が作用し、不均一部
間２１ａはその力が釣り合う位置である定在波の節部に
位置決めされる。

【００２２】また、不均一部間２１ｂと２１ｃは、振動
体のくし歯状の突起部３０１１、３０１４により、互い
に逆向きの力が作用する。この時、突起部３０１１、３
０１４は、不均一部間２１ｂ，２１ｃの側面下端部Ｒａ
とＲｂの内側に位置しているため、図示した矢印方向の
力は互いに打ち消し合うことになり、不均一部間２１
ｂ，２１ｃは見かけ上、力が作用しないことになる。こ
れにより、移動体２は不均一部間２１ａにより定在波発
生時に位置決めされる。

【００２３】このように、駆動用の進行波で移動体２の
不均一部間を停止用の定在波の節部付近まで駆動させ、
瞬時に定在波に切り換えることにより、正確な分割位置
に移動体２を停止させることができ、かつ、移動体２の
ステップ量は、定在波の節部の移動量より小さくするこ
とができる。実施例１においては、最小ステップ量はλ
／６とすることが可能となる。

【００２４】なお、駆動用の進行波と停止用の定在波の
切り換えるタイミングとしては、移動体２の所定の停止
位置に対して、±（最小ステップ量）／２以内の範囲内
まで駆動用の進行波で移動体２を駆動して、定在波と切
り換えれば良い。また、実施例１では、駆動用の圧電振
動子と停止用の圧電振動子を別々に考えたが、一枚の圧
電振動子でも分割電極パターンと印加電圧箇所の切り換
えでステップ駆動が可能となる。

【００２５】図６は、本発明の超音波モータの実施例１
の移動体の上面図である。図６において、不均一部２ａ
は移動体の円周方向に２０度おきに等間隔に１８ヶ所に
設けてある。また、不均一部２ａの幅は、定在波発生時
に移動体が停止するのに適した幅としてある。

【００２６】図７は、本発明の超音波モータの実施例１
の振動体の上面図である。図７において、振動体は、く
し歯上の突起部３ａを２４本有し、かつ、円周方向に等
間隔に配列されている。図８は、本発明の超音波モータ
の実施例１の振動体と移動体の透視図であり、記号は図
５と対応している。

【００２７】図８において、定在波発生時における波数
を３とした場合の、定在波励振時における振動体と移動
体との位置関係を示している。図５に示した位置関係と
同様に、くし歯状の突起部が定在波の節部から離れた位
置に配置されている場合、定在波発生時の移動体２の停
止位置は、図８に示した位置となる。すなわち、駆動用
の進行波と停止用の定在波を切り換えることにより、移
動体２の最小ステップ角度は２０度となる。また、定在
波の発生によって節部に位置決めされた不均一部間２１
ａは、斜線部で示したような円周方向に６ヶ所に形成さ
れる。

【００２８】ここで、定在波の発生によって節部に位置
決めされる不均一部間は、少なくとも２ヶ所存在すれ
ば、定在波発生時に安定した停止状態が得られる。移動
体の不均一部が円周方向に等間隔に配置され、定在波の
波数が３の場合、振動体に発生する節部は円周方向に６
ヶ所形成されるので、節部に位置決めされた不均一部間
は２ヶ所、３ヶ所、あるいは６ヶ所のいずれか形成され
れば良い。

【００２９】つまり、節部に位置決めされた不均一部数
は、同時に、定在波発生時の節数の公約数となる。すな
わち、円周方向の不均一部数と、定在波発生時の節数と
は、２以上の正の整数であるところの少なくとも１個以
上の公約数を持つ関係となり、かつ、不均一部数は３６
０を割り切ることのできる数となる。

【００３０】また、移動体２に不均一部を設けることに
より、移動体２は摺動面に対して垂直方向に弾性を有す
ることになる。これにより、振動体のくし歯状の突起部
３ａに移動体２の摺動面が全面で接することが可能とな
るので、安定した駆動状態、あるいは、停止状態を得る
ことができる。

【００３１】図９は、本発明の超音波モータの実施例１
の進行波を発生させた時における、移動体の不均一部の
回転位置と、その時に発生する電流波形との比較図であ
る。図９（ａ）は、非接触変位計により測定した、移動
体回転時の不均一部の位置を示し、また、図９（ｂ）
は、その時に発生する電流波形である。不均一部を有す
る移動体を、進行波により定速回転駆動した場合、電流
波形の波高値の包絡線は周期的に変化することになる。

【００３２】図１０は、本発明の超音波モータの実施例
１の圧電素子の電極分割数、振動体のくし歯本数、およ
び移動体の不均一部数と、移動体１回転当りに発生する
電流波形の包絡線の変化回数との関係を示した表であ
る。同図より、進行波駆動時では、圧電素子の電極分割
数、振動体のくし歯本数、移動体の不均一部数により、
移動体１回転当りに発生する電流波形の包絡線の変化回
数は異なることがわかる。

【００３３】例えば、圧電素子の電極分割数１２、振動
体のくし歯本数２２、移動体の不均一部数１５の場合、
１回転当りに発生する包絡線状の電流波形数は６とな
る。また、圧電素子の電極分割数１２、振動体のくし歯
本数２４、移動体の不均一部数１０の場合、１回転当り
に発生する電流波形の包絡線の変化回数は３０となる。
あるいは、圧電素子の電極分割数１２、振動体のくし歯
本数２４、移動体の不均一部数１８の場合、１回転当り
に発生する電流波形の包絡線の変化回数は１８となる。

【００３４】すなわち、図９および図１０に示した電流
波形と移動体の不均一部等との関係を利用することによ
り、超音波モータの回転情報、位置制御等が可能とな
る。図１１は、本発明の超音波モータの実施例１の回路
図である。図１１において、整流増幅回路１１０２は、
圧電振動子１１０１の出力信号を入力して整流し、増幅
する。平滑回路１１０３は、整流増幅回路１１０２の出
力信号を入力して、出力波形を平滑化する。判定回路１
１０４は、平滑回路１１０３の出力信号とあらかじめ定
めてある電圧値Ｖｃｏｍｐとを比較し、移動体の回転状
態を検出する。立ち上げ検出回路１１０５は、判定回路
１１０４の出力信号を入力して、立ち上げ信号の検出を
する。

【００３５】プリセッタブルカウンタ１１０６は、スイ
ッチ１１０７により進行波の駆動信号の出力回数を設定
する。駆動パルス発生回路１１０８は、分周回路１１２
１の出力信号の１ＨｚＱと１６ＨｚＭを入力して、駆動
パルスの出力を制御する。タイマ１１０９は、進行波と
定在波の出力信号の出力時間と進行波と定在波の出力信
号を出力しない時間を設定する。出力パルス選択回路１
１１０は、パルス発生回路１１２２の出力する３００ｋ
ＨｚＱと３００ｋＨｚＭの信号を入力して、進行波と定
在波の出力信号を選択して出力する。

【００３６】ここで、Ｑ信号とＭ信号は、それぞれの信
号の位相が９０度ずれた信号である。パルス発生回路１
１２２の出力する３００ｋＨｚＱと３００ｋＨｚＭの信
号は、超音波モータの構造や仕様により、異なる値を設
定する。圧電振動子駆動回路１１１１は、進行波または
定在波の出力信号を入力して、圧電振動子１１０１を駆
動する出力信号を出力する。

【００３７】図１２は、本発明の超音波モータの実施例
１のタイムチャートである。図１２において、ａ，ｂ，
ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，Ｓｔａｒｔ及びＱｏｕｔは、図１１に
示す本発明の超音波モータの実施例１の回路図の同じ名
称をつけた各点における、信号の波形の概略形状を示し
ている。

【００３８】圧電振動子１１０１の出力した信号ａは、
整流、増幅されて、信号ｂとなる。信号ｂは、平滑され
て信号ｃとなる。信号ｃは、あらかじめ設定された電圧
値Ｖｃｏｍｐとを比較される。信号ｃが電圧値Ｖｃｏｍ
ｐと比較されて信号ｄとなる。信号ｄのタイミングで、
プリセッタブルカウンタ１１０６への入力する信号ｅが
出力される。

【００３９】プリセットカウンタ１１０６は、スイッチ
１１０７の動作により、所定のタイミングで信号ｆを出
力する。信号ｆと信号Ｓｔａｒｔにより、信号Ｑｏｕｔ
を出力する。このような図１２に示されたタイミングで
進行波と定在波の出力を制御する。

【００４０】図１２の区間１２０１で進行波を出力し、
区間１２０２で定在波を出力する。区間１２０３は、再
び進行波を出力する。区間１２０１，区間１２０２及び
区間１２０３は、タイマ１１０９により所定の値に設定
する。ここで、区間１２０１と区間１２０２の間、ある
いは、区間１２０２と区間１２０３の間に進行波も定在
波も出力しない休止区間を設定してもよい。この様な休
止区間を設定することにより、進行波、あるいは、定在
波の出力を切り替えた際、先に出力した信号の残留振動
等の影響を低減する効果も同時に得ることができる。

【００４１】タイマの設定値を種々に設定することによ
り、出力軸を一定時間にあらかじめ定めた角度回転する
超音波モータが実現できる。（実施例２）本発明の超音波モータの実施例２は、駆動
用の進行波と停止用の定在波の発生の切り換えるタイミ
ングを電流検出等を用いずに行う構成である。

【００４２】図１３は、本発明の超音波モータの実施例
２のシステムブロック図である。図１３において、出力
切替タイミング記憶回路１３３１は、あらかじめ定めた
駆動パルスと停止パルスの切り換えタイミングを記憶す
る。出力切替信号発生回路１３３２は、出力切替タイミ
ング記憶回路１３３１の出力信号を入力して駆動パルス
と停止パルスの切り換えタイミング信号を発生する。

【００４３】出力パルス選択回路１３０７は、駆動パル
ス発生回路１３０６の出力信号と停止パルス発生回路１
３０９の出力信号と出力切替信号発生回路１３３２の出
力信号とを入力して、圧電振動子駆動回路１３０８に出
力パルスを出力する動作を制御する。圧電振動子駆動回
路１３０８は、圧電振動子１３２１に所定の高周波電圧
を印加する。振動体１３２２に超音波振動が発生し、定
在波発生時に移動体を停止するための複数の不均一部を
有する移動体１３２３は回転などの動作をする。加圧手
段１３２４は、振動体１３２２と移動体１３２３を一定
の圧力で加圧する。出力手段１３２５は、移動体１３２
３の動作により動作する。

【００４４】（実施例３）本発明の超音波モータの実施
例３は、実施例１に示した移動体および振動体におい
て、振動体のくし歯状の突起部が停止用の定在波の節部
上に配置された構成である。

【００４５】図１４は、実施例３の停止状態及び振動状
態を示す断面図である。この場合、実施例１と同様に、
移動体２の不均一部はλ／６間隔で等間隔に形成されて
いる。また、振動体のくし歯状の突起部は、定在波の１
波に対して８本の突起部が配置しているが、定在波の節
位置にも配置した構成である。

【００４６】図１４において、圧電振動子（Ａ）５の作
動を停止させ、停止用の定在波を発生させる圧電振動子
（Ｂ）６を作動させることにより、振動体３には（ｂ）
に図示するように、ｃ１，ｃ２，ｃ３を節部とするよう
な定在波が発生し、振動体のくし歯上の突起部３０１１
〜３０１４には矢印方向に力が作用する。このとき、移
動体２の不均一部間の側面下端部Ｒａ１とＲｂ１及びＲ
ａ２とＲｂ２に作用する力のバランスが異なる場合、移
動体２は回転する。

【００４７】しかし、移動体２が図１４に示した位置に
くると、突起部３０２１は不均一部間２１ａの側面下端
部Ｒａ１の下に位置し、，突起部３０２３は不均一部間
２１ｂの側面下端部Ｒｂ２の下に位置している関係とな
る。このとき、不均一部間２１ａ及び２１ｂの両側から
内側に向かって側面下端部Ｒａ１，Ｒｂ２に力が作用
し、不均一部間２１ａ及び２１ｂはその力が釣り合う位
置である定在波の節位置に位置決めされる。

【００４８】また、定在波発生時において、振動体のく
し歯上の突起部３０２２は、定在波の節部に位置し、突
起部３０２４は定在波の腹部に位置しているので、不均
一部間２１ｃを駆動する力は発生することはない。これ
により、移動体２は不均一部２１ａ及び２１ｂにより定
在波発生時に位置決めされる。

【００４９】図１５は、本発明の超音波モータの実施例
３の振動体と移動体の透視図であり、記号は図１４と対
応している。図１５において、定在波の波数は３であ
り、定在波発生時における振動体と移動体との位置関係
を示している。定在波の節部に位置決めされる不均一部
間２１ａ，２１ｂは円周方向に６ヶ所形成され、図４に
示した駆動状態と図１４に示した停止状態を切り換える
ことにより、移動体２の最小ステップ角度は２０度とな
る。このことは、実施例１の場合と同様であるが、定在
波の節部と振動体のくし歯状の突起部の位置関係が異な
ることにより、移動体２の停止位置も異なることにな
る。

【００５０】（実施例４）本発明の実施例４は、実施例
１に示した移動体および振動体において、圧電振動子を
１枚とし、また、２種類の定在波を発生する構成であ
る。図１６は、本発明の実施例４の動作説明図である。

【００５１】図１６において、振動体３には、複数に分
割された電極パターン４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを有する
一枚の圧電振動子４が接着等の手段で接合されている。
図中＋，−と記載しているのは、各電極パターン部分の
分極方向を示している。本実施例では図示するように、
順に＋、＋、−、−というように２パターンごとに同方
向に分極処理された電極パターン４ａ、４ｂ，４ｃ，４
ｄが形成されている。この状態で電極パターン４ａ、４
ｂ，４ｃ，４ｄに同位相の高周波電圧信号を印加する
と、振動体３は（ｂ）に図示するようにｂ１、ｂ２、ｂ
３を節部とするような定在波が発生し、実施例（１）で
示した説明により、不均一部間２１ａの中心付近が節部
の中央と一致する位置に停止するように動作する。

【００５２】次に、電極パターン４ａ，４ｃに対して４
ｂ，４ｄに９０度位相の異なる高周波電圧信号を印加す
ると、振動体３は（ｃ）に図示するようにｃ１からｃ２
へ波が移動していくような進行波が励振され、（ａ）に
図示するような複数の不均一部を有する移動体２は波の
方向とは逆方向に移動するように動作する。以上の動作
を繰り返せば、本実施例ではλ／６間隔、つまり、定在
波の波数が３であれば、２０度間隔ごとにステップ駆動
させることが可能であるが、本実施例が先の実施例
（１）、実施例（２）との差異は以下の点である。すな
わち、電極パターン４ａ，４ｃに対して４ｂ，４ｄに１
８０度位相のずれた逆位相の高周波電圧信号を印加する
と、振動体３は、（ｄ）に図示するように、ｄ１〜ｄ４
を節部とするような定在波が発生し、（ａ）に図示する
不均一部間２１ｂが、ｄ１〜ｄ４と一致するような位置
に停止することが可能となる。そして、再び、電極パタ
ーン４ａ，４ｃに対して４ｂ，４ｄに９０度位相の異な
る高周波電圧信号を印加すれば、振動体３には（ｅ）に
図示するようにｅ１からｅ２へ波が移動していくような
進行波が励振され、（ａ）に図示するような複数の不均
一部を有する移動体２は波の方向とは逆方向に移動する
ように動作する。以上に示したような（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｂ）→・・・の動作を繰り返せば、移動体２のステップ角度は実施例
１、実施例２と比べて１／２とすることができる。すな
わち、定在波の波数を３とすれば、１０度ステップが可
能となる。また、移動体の径小化にさいしても少ない不
均一部数で微小なステップ角度の制御が実現できる。

【００５３】本実施例では、１波長を４分割した電極パ
ターンで構成し、振動体のくし歯状の突起部を２４本と
して構成したが、電極パターンの分割数は、振動の波数
をλ、ｎを１以上の正の整数として２ｎλとし、また、
振動体の突起部は、圧電振動子の電極パターン分割数の
整数倍の数とすることにより構成することができる。ま
た、ｎを２以上とすれば、さらに微小なステップ角度の
制御も実現できる。

【００５４】図１７は、本発明の超音波モータの実施例
４における圧電振動子の電極パターンを示す平面図であ
る。この実施例では１波長を４つの分割電極パターンで
構成したと共に、円周方向に対して３波が励振できるよ
うにしたので、１２の分割電極パターンを有している。
したがって、本来ならば１２本のリード線の接続が必要
となるわけであるが、圧電振動子が小型化した場合、多
くのリード線を取り付けると振動が抑制されて、性能が
低下してしまうという問題を生じることになる。そこ
で、本実施例では＋、＋、−、−という順に分極処理し
たものを圧電振動子４の内周及び外周を用いて１つおき
に短絡電極パターンを形成することによって、リード線
の本数を２本で済ますようにしている。

【００５５】（実施例５）本発明の超音波モータの実施
例５は、実施例４で示した移動体の不均一部数を半数と
する構成である。図１８は、本発明の超音波モータの実
施例５の動作説明図である。

【００５６】図１８において、移動体２の不均一部数
は、実施例４で示した移動体の不均一部数の半数の９ヶ
所に形成されている。また、振動体３は突起部が停止用
の定在波（ｂ），（ｄ）の節部ｂ１，ｂ２，ｂ３及びｄ
１〜ｄ４の上に配置された構成である。

【００５７】圧電振動子４の電極パターン４ａ、４ｂ，
４ｃ，４ｄに同位相の高周波電圧信号を印加して、振動
体３に（ｂ）に図示するようにｂ１、ｂ２、ｂ３を節部
とするような定在波が発生する場合、振動体の突起部３
０３４，３０３６の力の釣り合いにより不均一部間２２
ｂの中心付近は節部と一致する位置に停止する。しか
し、不均一部間２２ａ，２２ｃは節部と一致する位置に
はならず、振動体の突起部３０３２，３０３８が不均一
部間２２ａ，２２ｃへ作用する力も互いに打ち消し合う
ことになる。したがって、移動体２は定在波励振により
停止する。そして、進行波と２種類の定在波を（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｂ）→・・・の順に繰り返すことにより、移動体の不均一部数が９ヶ
所であっても、ステップ角度１０度を実現することがで
きる。

【００５８】図１９は、本発明の超音波モータの実施例
５の振動体と移動体の透視図であり、記号は図１８と対
応している。図１９において、定在波励振時における振
動体と移動体との位置関係を示しているが、定在波の節
部に位置している不均一部間は円周方向に３ヶ所形成さ
れる。したがって、定在波の節部に位置している不均一
部間が円周方向に６ヶ所形成される実施例４と比較した
場合、定在波発生時における移動体２の保持トルクの大
きさが変る可能性はあるが、超音波モータの径小化にさ
いしても、更に少ない不均一部で微小なステップ角度の
制御が実現できる。

【００５９】（実施例６）本発明の超音波モータの実施
例６は、最小ステップ角度を６度とした構成である。図
２０は、本発明の超音波モータの実施例６の動作説明図
である。図２０において、定在波の波数は３である。移
動体２の不均一部数は、等間隔に１５ヶ所（２４度間
隔）に形成されている。また、振動体３は突起部が停止
用の定在波（ｂ），（ｄ）の節部ｂ１，ｂ２，ｂ３及び
ｄ１〜ｄ４から離れた位置に配置された構成である。

【００６０】圧電振動子４の電極パターン４ａ、４ｂ，
４ｃ，４ｄに同位相の高周波電圧信号を印加して、振動
体３に（ｂ）に図示するようにｂ１、ｂ２、ｂ３を節部
とするような定在波が発生する場合、不均一部間２３ａ
は、実施例１に示したような、不均一部間２３ａの側面
下端部Ｒａ３、Ｒｂ３の両側から内側に向かって力が作
用して節部ｂ１，ｂ３上で位置決めされる。また、不均
一部間２３ｃ，２３ｄには、実施例２に示したような、
不均一部間２３ｃの側面下端部Ｒａ１、不均一部間２３
ｄの側面下端部Ｒｂ２の両側から内側に向かって力が作
用して節部ｂ２上で位置決めされる。不均一部間２３
ｂ，２３ｅについては、不均一部間２３ｂ，２３ｅに作
用する力は互いに打ち消し合うことになり、不均一部間
２３ｂ，２３ｅには停止する力は作用しない。したがっ
て、移動体２は（ａ）に示した定在波励振により停止す
る。

【００６１】圧電振動子４の電極パターン４ａ、４ｃに
対して，４ｂ，４ｄに１８０度位相のずれた逆位相の高
周波電圧信号を印加して、振動体３に（ｄ）に図示する
ようにｄ１〜ｄ４を節部とするような定在波が発生する
場合、不均一部間２３ｂは節部ｄ１と、また、不均一部
間２３ｄ，２３ｅも節部ｄ１，ｄ３とλ／２０すなわ
ち、６度ずれた位置にあることから、図２０に示した進
行波と２種類の定在波を（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｂ）→・・・の順に繰り返すことにより、ステップ角度６度を実現す
ることができる。

【００６２】図２１は、本発明の超音波モータの実施例
６の振動体と移動体の透視図であり、記号は図２０と対
応している。図２１において、定在波励振時における振
動体と移動体との位置関係を示しており、定在波の節部
に位置している不均一部間は、実施例１及び実施例２と
同様の位置決めをされている不均一部間が各３ヶ所、合
計６ヶ所円周方向に形成されていることから、少ない不
均一部で微小なステップ角度が得られ、また、安定した
ステップ駆動制御が実現できる。

【００６３】（実施例７）本発明の超音波モータの実施
例７は、実施例６に示した移動体の不均一部を更に少な
くして最小ステップ角度を６度とした構成である。図２
２は、本発明の超音波モータの実施例７の動作説明図で
ある。また、図２３は、本発明の超音波モータの実施例
７の振動体と移動体の透視図であり、記号は図２３と対
応している。図２２において、移動体２の不均一部数
は、等間隔に１０ヶ所（３６度間隔）に形成されてい
る。また、振動体３は突起部が停止用の定在波（ｂ），
（ｄ）の節部ｂ１，ｂ２，ｂ３及びｄ１〜ｄ４の上に配
置された構成である。

【００６４】圧電振動子４の電極パターン４ａ、４ｂ，
４ｃ，４ｄに同位相の高周波電圧信号を印加して、振動
体３に（ｂ）に図示するようにｂ１、ｂ２、ｂ３を節部
とするような定在波が発生する場合、不均一部間２４ｃ
の側面下端部Ｒａ，Ｒｂの両側から内側に向かって力が
作用して節部上で位置決めされ、図２３からも明かなよ
うに、図中の斜線部に示したような、円周方向に２ヶ所
形成される。

【００６５】圧電振動子４の電極パターン４ａ、４ｃに
対して、４ｂ，４ｄに１８０度は位相のずれた逆位相の
高周波電圧信号を印加して、振動体３に（ｄ）に図示す
るようにｄ１〜ｄ４を節部とするような定在波が発生す
る場合、不均一部間２４ｂは節部ｄ２と６度ずれた位置
にあるから、図２２に示した進行波と２種類の定在波を（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ｂ）→・・・の順に繰り返すことにより、ステップ角度６度を実現す
ることができる。

【００６６】すなわち、実施例１ないし実施例７で説明
したように、定在波の発生によって節部に位置決めされ
た不均一部間は、少なくとも２ヶ所存在すれば、定在波
発生時に安定した停止状態が得られる。また、定在波発
生時に移動体を停止させるための不均一部を有する移動
体の１回転中の最大ステップ数は、移動体の有する不均
一部数と定在波の節数の合計数（たとえば、一種類の定
在波の節数が６であり、２種類の定在波を切り換えて駆
動する場合、合計数は１２となる）との最小公倍数で表
すことでき、その最小公倍数で３６０度を割った数が最
小ステップ角度はとなる。したがって、ここで示した関
係を応用することにより、任意のステップ角度を得るこ
とが可能となる。

【００６７】（実施例８）本発明の超音波モータの実施
例８は、実施例１に示した不均一部を有する移動体の他
の構成である。図２４は、不均一部間が数枚だけ脱落し
ている移動体の上面図である。図２４において、実施例
１に示した不均一部を１８ヶ所設けた移動体のうち、６
ヶ所だけ脱落した移動体２であるが、このような移動体
においても、定在波励振時の節部に不均一部間が位置決
めされている限りは停止することが可能である。

【００６８】すなわち、移動体は、定在波励振時の節部
の少なくとも１ヶ所に不均一部と不均一部の間が接する
ような構成となる不均一部を有することにより、最小ス
テップ角度によるステップ駆動は可能である。また、不
均一部が形成されていない範囲内に、他の間隔で形成さ
れた不均一部、あるいは、移動体とは関係のない手段等
のものが構成されていても構わない。

【００６９】尚、以上の説明からも明かな様に、本発明
は、リニア型超音波モータにも容易に構成できる。（実施例９）図２５は、本発明の超音波モータ付電子機
器の実施例の平面図である。図２６は、本発明の超音波
モータ付電子機器の実施例の部分断面図である。図２５
は、本発明の超音波モータ付電子機器としてアナログ電
子時計に応用した場合の実施例の機械体の平面図で、図
２６は、その断面図である。

【００７０】図２５、図２６において、地板２５０９に
切り換え機構の構成部品のおしどり２５０７、かんぬ
き、かんぬき押えなどを組み込む。集積回路２５０２
は、回路ブロック２５０５に固定する。水晶振動子２５
０６は、回路ブロック２５０５に固定し、源振とする。
電池２５０１により、集積回路２５０２は動作する。

【００７１】集積回路２５０２は、発振回路、分周回路
計時回路を有する。計時回路の出力信号により、所定の
駆動パルスを超音波モータに出力する。超音波モータ２
５０３は、所定の回転速度で所定の角度回転する。超音
波モータ２５０３の移動体２５０３ａの歯車が秒車２５
０４を１秒間につき６度回転させる。五番車２５０８は
秒車２５０４の回転により回転する。分車２５１１は、
五番車２５０８の回転により１分間につき６度回転す
る。時車２５１２は、日の裏車（図示しない）を介して
分車２５１１の回転により、１日に２回転する。

【００７２】時車２５１２に取り付けた時針（図示しな
い）、分車２５１１に取り付けた分針（図示しない）、
秒車２５０４に取り付けた秒針（図示しない）により、
時刻を表示する。集積回路２５０２は、出力パルス切替
回路を有する。出力パルス切替回路は、適切な仕様の駆
動パルス、あるいは、停止パルスの出力と停止を行う。

【００７３】本発明の超音波モータ付アナログ電子時計
の超音波モータは、微小なステップ駆動の動作を確実に
行うので、正確に時刻を表示する。また、本発明の超音
波モータは、６度のステップ角度を実現できるので、秒
針のダイレクト駆動も可能である。

【００７４】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように、超音
波モータにおいて、振動の波数λである移動体を駆動す
るための進行波を発生し、かつ、移動体を停止するため
の定在波１種類、または、２種類以上発生させる超音波
振動発生回路と、進行波と定在波の作動を切り換える切
替回路と、超音波振動発生回路により駆動する少なくと
も一枚以上の圧電振動子と、移動体は定在波励振時に移
動体を停止させるための不均一部を有し、不均一部の数
は、定在波励振時の節数よりも多く、かつ、移動体の不
均一部の数と定在波励振時の節数とは、２以上の正の整
数であるところの公約数を少なくとも１個以上有する構
成としたので、移動体の駆動のための進行波と、停止の
ための定在波を適切な状態で切り換えることにより、移
動体のステップ角度を、定在波の節部の移動量よりも小
さくすることが可能となる。

【００７５】そして、本発明の超音波モータを電子機器
に適用すれば、正確なステップ駆動する電子機器が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の超音波モータの代表的な構成の一例を
示す機能ブロック図である。

【図２】本発明の超音波モータの実施例１のシステムブ
ロック図である。

【図３】本発明の超音波モータの実施例１の構造の斜視
図である。

【図４】本発明の超音波モータの実施例１の駆動状態及
び振動の様子を示す断面図である。

【図５】本発明の超音波モータの実施例１の停止状態及
び振動の様子を示す断面図である。

【図６】本発明の超音波モータの実施例１の移動体の上
面図である。

【図７】本発明の超音波モータの実施例１の振動体の上
面図である。

【図８】本発明の超音波モータの実施例１の振動体及び
移動体の透視図である。

【図９】本発明の超音波モータの実施例１の移動体の回
転状態と電流波形の比較図である。

【図１０】本発明の超音波モータの実施例１の圧電素子
の電極分割数、振動体のくし歯本数、および、移動体の
不均一部数と、移動体１回転当りに発生する電流波形の
包絡線の変化回数との相関関係をまとめた表である。

【図１１】本発明の超音波モータの実施例１の回路図で
ある。

【図１２】本発明の超音波モータの実施例１のタイミン
グチャート図である。

【図１３】本発明の超音波モータの実施例２のシステム
ブロック図である。

【図１４】本発明の超音波モータの実施例３の停止状態
及び振動の様子を示す断面図である。

【図１５】本発明の超音波モータの実施例３の振動体及
び移動体の透視図である。

【図１６】本発明の超音波モータの実施例４の断面図及
び動作説明図である。

【図１７】本発明の超音波モータの実施例４の圧電振動
子の電極パターンを示す平面図である。

【図１８】本発明の超音波モータの実施例５の断面図及
び動作説明図である。

【図１９】本発明の超音波モータの実施例５の振動体及
び移動体の透視図である。

【図２０】本発明の超音波モータの実施例６の断面図及
び動作説明図である。

【図２１】本発明の超音波モータの実施例６の振動体及
び移動体の透視図である。

【図２２】本発明の超音波モータの実施例７の断面図及
び動作説明図である。

【図２３】本発明の超音波モータの実施例７の振動体及
び移動体の透視図である。

【図２４】本発明の超音波モータの実施例８の移動体の
上面図である。

【図２５】本発明の超音波モータ付電子機器の平面図で
ある。

【図２６】本発明の超音波モータ付電子機器の部分断面
図である。

【図２７】従来の超音波モータの上面図である。

【図２８】従来の超音波モータの圧電振動子の電極パタ
ーン構造と移動体の位置関係を示す図である。

【図２９】従来の超音波モータの動作説明図である。

【符号の説明】

１０１電源１０２発振回路１０３分周回路１０４計時回路１０５進行波発生回路１０６定在波発生回路１０７超音波振動発生回路１０８切替回路１０９圧電振動子駆動回路１１０圧電振動子１１１振動体１１２移動体１１３加圧手段１１４出力手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木賢二東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (72)発明者小澤不二夫東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (72)発明者山崎皇東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (72)発明者林崎伸一東京都江東区亀戸６丁目31番１号セイコー電子工業株式会社内 (56)参考文献特開平４−334980（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電極パターンを有する圧電振動子と、前記圧電振動子が固定され、突起部を有する振動体と、前記振動体に圧接され前記圧電振動子の伸縮運動により
摩擦駆動され、不均一部を有する移動体と、前記移動体を前記振動体に加圧接触させる加圧手段と、前記移動体を駆動するための第1の振動波を発生し、か
つ、前記移動体を停止するための第２の振動波を発生さ
せる超音波振動発生回路と、前記移動体が駆動される時に、前記移動体の有する前記
不均一部により強調される電流波形の波高値の包絡線を
検出する平滑回路と、前記平滑回路の出力信号を入力して、前記移動体の回転
状態を検出する判定回路と、前記判定回路の出力信号に基づいて、前記第1の振動波
と前記第２の振動波の作動を切り替える切替回路と、前記切替回路の出力信号に基づいて、前記圧電素子を駆
動する駆動回路と、を有することを特徴とする超音波モ
ータ。
【請求項２】前記移動体を駆動するための第1の振動
波が進行波で、前記移動体を停止するための第2の振動
波が定在波であることを特徴とする請求項１記載の超音
波モータ。
【請求項３】前記移動体を駆動するための第1の振動
波が進行波で、前記移動体を停止するための第2の振動
波が2種類以上の定在波であることを特徴とする請求項
１記載の超音波モータ。
【請求項４】前記移動体の不均一部の数は、前記第2
の振動波の節数よりも多く、かつ、前記移動体の不均一
部の数と前記第2の振動波の節数とは、2以上の正の整数
であるところの公約数を少なくとも1個以上有すること
を特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項５】前記移動体の不均一部の数は３６０を割
り切ることのできる値である請求項１記載の超音波モー
タ。
【請求項６】前記移動体の不均一部は、前記移動体の
円周方向に等間隔に配置されている請求項１記載の超音
波モータ。
【請求項７】前記不均一部を有する移動体は、前記移
動体の摺動面に対して垂直方向に弾性を有する電極パタ
ーンを有することを特徴とする請求項１記載の超音波モ
ータ。
【請求項８】前記圧電振動子の電極パターンは、円周
方向に等間隔に分割され、かつ前記電極パターンの分割
数は、前記移動体を駆動するための第1の振動波の波数
をλとし、ｎを１以上の正の整数として２ｎλとし、ま
た前記振動体の突起部は、前記圧電振動子の電極パター
ン分割数の整数倍の数を有することを特徴とする請求項
１記載の超音波モータ。
【請求項９】前記移動体は、前記移動体を停止するた
めの第2の振動波の節部の少なくとも１ヶ所に不均一部
と不均一部の間が接するような不均一部を有することを
特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項１０】請求項１記載の超音波モータと、前記
超音波モータの支持手段と、前記移動体の動作により動
作する出力手段を有することを特徴とする超音波モータ
付電子機器。