JP2973527B2 - 超音波モータの駆動方法 - Google Patents
超音波モータの駆動方法Info
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- JP2973527B2 JP2973527B2 JP3003923A JP392391A JP2973527B2 JP 2973527 B2 JP2973527 B2 JP 2973527B2 JP 3003923 A JP3003923 A JP 3003923A JP 392391 A JP392391 A JP 392391A JP 2973527 B2 JP2973527 B2 JP 2973527B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電体による振動エネ
ルギーを回転運動に変換する超音波モータに関し、特
に、ステップ動作に適した時計用の超音波モータの機械
的構造及びその駆動方法に関する。
ルギーを回転運動に変換する超音波モータに関し、特
に、ステップ動作に適した時計用の超音波モータの機械
的構造及びその駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、超音波モータは、圧電体リングに
駆動電圧を印加することにより、円環状又は円板状の振
動体（ステータ）に進行波又は定常波を発生させて、こ
の振動体上に形成された歯と接する円環状の移動体（ロ
ータ）を摩擦力で回転させるものであ。
駆動電圧を印加することにより、円環状又は円板状の振
動体（ステータ）に進行波又は定常波を発生させて、こ
の振動体上に形成された歯と接する円環状の移動体（ロ
ータ）を摩擦力で回転させるものであ。
【０００３】この場合、圧電体リングには、分極処理
（ポーリング）の方向を該リングの表裏逆方向にした各
要素が交互に並列しており、この並列周期をリング上の
２か所で位相をずらすことにより、２つの圧電体要素列
が形成されるようになっている。この圧電体要素列の表
裏に交流電圧を印加すると、逆方向に分極処理された各
要素列は、圧電体リングの円周方向に交互に伸長と収縮
を繰り返し、全体として波形に変形し、圧電体リングに
接着された振動体の表面上に進行波を発生させる。この
進行波は振動体上に形成された歯の高さを順次変動さ
せ、この歯とこれに接触する移動体の表面との摩擦力に
より移動体を所定方向に回転させるようになっている。
（ポーリング）の方向を該リングの表裏逆方向にした各
要素が交互に並列しており、この並列周期をリング上の
２か所で位相をずらすことにより、２つの圧電体要素列
が形成されるようになっている。この圧電体要素列の表
裏に交流電圧を印加すると、逆方向に分極処理された各
要素列は、圧電体リングの円周方向に交互に伸長と収縮
を繰り返し、全体として波形に変形し、圧電体リングに
接着された振動体の表面上に進行波を発生させる。この
進行波は振動体上に形成された歯の高さを順次変動さ
せ、この歯とこれに接触する移動体の表面との摩擦力に
より移動体を所定方向に回転させるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
超音波モータには以下の問題点がある。すなわち、移動
体をステップ動作させる場合又は所定の回転位置で停止
させる場合等、移動体の位置制御を正確に行う場合に
は、エンコーダ等の位置センサを取り付け、フィードバ
ック制御を行う必要がある。この位置センサの取り付け
によって、機械的構成部分の小型化が困難となり、ま
た、この制御系の部分で少なくない電力を消費するとい
う問題点があり、特に、小型化及び省電力化が要求され
る時計用の超音波モータとしては不適当であった。
超音波モータには以下の問題点がある。すなわち、移動
体をステップ動作させる場合又は所定の回転位置で停止
させる場合等、移動体の位置制御を正確に行う場合に
は、エンコーダ等の位置センサを取り付け、フィードバ
ック制御を行う必要がある。この位置センサの取り付け
によって、機械的構成部分の小型化が困難となり、ま
た、この制御系の部分で少なくない電力を消費するとい
う問題点があり、特に、小型化及び省電力化が要求され
る時計用の超音波モータとしては不適当であった。
【０００５】そこで、本発明は上記問題点を解決するも
のであり、その課題は、位置センサ及びフィードバック
制御回路を設置せずに、移動体と振動体の構造形状を特
定し及びその振動体上に定常波を発生させることによ
り、ステップ動作可能な超音波モータとし、その小型化
と省電力化を達成することにある。
のであり、その課題は、位置センサ及びフィードバック
制御回路を設置せずに、移動体と振動体の構造形状を特
定し及びその振動体上に定常波を発生させることによ
り、ステップ動作可能な超音波モータとし、その小型化
と省電力化を達成することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の超音波モータの
駆動方法は、片面に圧電素子を備え、該圧電素子により
加振される振動体と、該振動体と接触状態にあって、摩
擦力により回転駆動される移動体と、を有しており、前
記圧電素子は、その表裏逆方向に分極処理された圧電体
要素が配置された圧電体リングを備え、該圧電体リング
には、その円環に沿って円周の整数分の一の所定周期
で、かつ相互に空間的に位相差をもって形成された第1
の圧電体要素列及び第2の圧電体要素列が設けられ、前
記第1の圧電体要素列および前記第2の圧電体要素列に対
しそれぞれ交流電圧を印加可能な駆動手段を備え、前記
移動体は、前記振動体に加振される定常波の腹の数に等
しい数の切り欠き部を有し、該切り欠き部は互いに等間
隔に位置し、前記第1の圧電体要素列の分極処理方向と
前記第２の圧電体要素列の分極処理方向とは、所定の直
線に関して互い逆対称である超音波モータにおいて、前
記圧電素子は、前記第1の圧電体要素列の片面に導電接
触した第１電極と、前記第2の圧電体要素列の片面に導
電接着した第２電極と、前記第1及び第２の圧電体要素
列の他の面に導電接着した共通電極とを有し、前記駆動
手段は、前記第1電極と前記共通電極との間に交流電圧
を印加して前記圧電体リングに第1の定常波を誘起させ
る第１の駆動状態と、前記第2電極と前記共通電極との
間に交流電圧を印加して前記圧電体リング上に第２の定
常波を誘起する第２の駆動状態と、前記第1電極と前記
共通電極との間及び前記第2電極と前記共通電極との間
に同位相の交流電圧を印加して前記圧電体リング上に第
３の定常波を誘起する第３の駆動状態と、を何れかの順
で繰り返して前記移動体を回転駆動することを特徴と
し、そのことによって上記課題を解決する。
駆動方法は、片面に圧電素子を備え、該圧電素子により
加振される振動体と、該振動体と接触状態にあって、摩
擦力により回転駆動される移動体と、を有しており、前
記圧電素子は、その表裏逆方向に分極処理された圧電体
要素が配置された圧電体リングを備え、該圧電体リング
には、その円環に沿って円周の整数分の一の所定周期
で、かつ相互に空間的に位相差をもって形成された第1
の圧電体要素列及び第2の圧電体要素列が設けられ、前
記第1の圧電体要素列および前記第2の圧電体要素列に対
しそれぞれ交流電圧を印加可能な駆動手段を備え、前記
移動体は、前記振動体に加振される定常波の腹の数に等
しい数の切り欠き部を有し、該切り欠き部は互いに等間
隔に位置し、前記第1の圧電体要素列の分極処理方向と
前記第２の圧電体要素列の分極処理方向とは、所定の直
線に関して互い逆対称である超音波モータにおいて、前
記圧電素子は、前記第1の圧電体要素列の片面に導電接
触した第１電極と、前記第2の圧電体要素列の片面に導
電接着した第２電極と、前記第1及び第２の圧電体要素
列の他の面に導電接着した共通電極とを有し、前記駆動
手段は、前記第1電極と前記共通電極との間に交流電圧
を印加して前記圧電体リングに第1の定常波を誘起させ
る第１の駆動状態と、前記第2電極と前記共通電極との
間に交流電圧を印加して前記圧電体リング上に第２の定
常波を誘起する第２の駆動状態と、前記第1電極と前記
共通電極との間及び前記第2電極と前記共通電極との間
に同位相の交流電圧を印加して前記圧電体リング上に第
３の定常波を誘起する第３の駆動状態と、を何れかの順
で繰り返して前記移動体を回転駆動することを特徴と
し、そのことによって上記課題を解決する。
【０００７】
【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
する。
【０００８】まず、本実施例の超音波モータの機械的構
造部分を説明する。第１図は超音波モータの主要部を構
成するロータ１、ステータ２、及び圧電素子３を示した
ものである。第２図は超音波モータの断面図である。ロ
ータ１は、ステータ２上に環状に植立された複数の歯５
の頂部と接触しており、その回転軸１ａは支持板６に軸
受６ａを介して軸線方向に摺動自在に支承され、支持板
６に固定されたばね４によってロータ１の裏面がステー
タ２上に圧接されるようになっている。ロータ１は、第
３図に示すように、回転軸１ａを中心とする円板状であ
って、その外周には、所定の深さの切り欠き部１ｂがス
テータ２上に発生する定常波の腹の数と等しく、かつ等
間隔になるように、６か所に形成されている。
造部分を説明する。第１図は超音波モータの主要部を構
成するロータ１、ステータ２、及び圧電素子３を示した
ものである。第２図は超音波モータの断面図である。ロ
ータ１は、ステータ２上に環状に植立された複数の歯５
の頂部と接触しており、その回転軸１ａは支持板６に軸
受６ａを介して軸線方向に摺動自在に支承され、支持板
６に固定されたばね４によってロータ１の裏面がステー
タ２上に圧接されるようになっている。ロータ１は、第
３図に示すように、回転軸１ａを中心とする円板状であ
って、その外周には、所定の深さの切り欠き部１ｂがス
テータ２上に発生する定常波の腹の数と等しく、かつ等
間隔になるように、６か所に形成されている。
【０００９】一方、第４図に示すように、ステータ２の
表面には環状に歯５が配列されており、この歯５は等間
隔に５４個並列している。ここで、形成される歯５の数
は、ステータ２上に発生する定常波の波数と、超音波モ
ータのロータ１に要求されるステップ角（ロータ１の回
転角）に応じて、以下の第１表のように定められる。
表面には環状に歯５が配列されており、この歯５は等間
隔に５４個並列している。ここで、形成される歯５の数
は、ステータ２上に発生する定常波の波数と、超音波モ
ータのロータ１に要求されるステップ角（ロータ１の回
転角）に応じて、以下の第１表のように定められる。
【表１】 ここで、波数とは、圧電リング３によってステータ２上
に定常波が何波長分形成されるかを示したものであり、
ステップ角は、ロータ１の要求される最小回転角、歯数
は、ステータ２上に形成される歯の数を示す。なお、定
常波の共振周波数は主としてステータの厚さ、形状等に
応じて変化する。
に定常波が何波長分形成されるかを示したものであり、
ステップ角は、ロータ１の要求される最小回転角、歯数
は、ステータ２上に形成される歯の数を示す。なお、定
常波の共振周波数は主としてステータの厚さ、形状等に
応じて変化する。
【００１０】本実施例では、ほぼ３２ｋＨｚの共振周波
数を有する定常波が用いられて、圧電体リング上に３波
長の定常波が形成される。
数を有する定常波が用いられて、圧電体リング上に３波
長の定常波が形成される。
【００１１】本実施例では、等しい間隔で等しい形状の
歯を第１表に示す数だけ全周に亘って形成するが、例え
ば、波数３でステップ角が２０度の場合には、複数の異
なった形状の歯の組が１８組形成されているものでも良
く、ステータ２が全体として１８回の回転対称性を有す
る表面形状を備えてさえいれば、本発明の構成要件を満
足する。勿論、ステータ２の表面には、歯ではなく、凹
部その他の段差が形成されていても良い。
歯を第１表に示す数だけ全周に亘って形成するが、例え
ば、波数３でステップ角が２０度の場合には、複数の異
なった形状の歯の組が１８組形成されているものでも良
く、ステータ２が全体として１８回の回転対称性を有す
る表面形状を備えてさえいれば、本発明の構成要件を満
足する。勿論、ステータ２の表面には、歯ではなく、凹
部その他の段差が形成されていても良い。
【００１２】次に、ステータ２の裏面上には圧電素子３
が接着されており、この圧電素子３は、第５図（ａ）、
（ｂ）及び（ｃ）に示すように、圧電リング３０と銀ペ
ーストで形成された電極とからなる。圧電リング３０に
は、その円環に沿って圧電体要素３０a1、３０a2、３０
a3、３０a4からなるＡ相と、圧電体要素３０b1、３
０b2、３０b3、３０b4からなるＢ相とが形成されてい
る。これらの各圧電体要素３０a1、３０a2、３０a3、３
０a4と３０b1、３０b2、３０b3、３０b4とは、この順で
交互に逆方向に分極処理（ポーリング）されており、こ
の分極処理の方向を第５図（ｂ）の＋と−で示す。この
圧電体リング３０には、その表面上に第５図（ａ）に示
すＡ相電極３Ａ、Ｂ相電極３Ｂが形成され、更に、圧電
体要素３１の表面には監視電極７ａが形成されている。
この監視電極７ａは、圧電体リング３０上に発生した波
の強度を検出するためのもので、この検出値を駆動回路
に帰還させることによって、駆動信号の周波数をステー
タ２の共振周波数に調整合致させ、高効率で超音波モー
タを駆動させるためのものである。ここで、圧電体要素
３０a1、３０a2は、圧電体リング３０の円環上でそれぞ
れ６０度の角度分を占めており、圧電体要素３０a1、３
０a2、３０a3、３０a4からなるＡ相に電圧を印加する
と、圧電リング３０上に３波長の定常波が形成される。
同様に、圧電体要素３０b1、３０b2もそれぞれ６０度に
設定されており、Ｂ相に電圧を供給すると、圧電リング
３０上に３波長の定常波が形成される。ところで、圧電
体要素３０a4と３０b4はともに２０．０度となるように
それぞれ形成されており、この結果、Ａ相とＢ相とは、
互いにその周期が圧電体リング３０上で４０度、すなわ
ち、１／３周期ずれて形成されていることとなる。
が接着されており、この圧電素子３は、第５図（ａ）、
（ｂ）及び（ｃ）に示すように、圧電リング３０と銀ペ
ーストで形成された電極とからなる。圧電リング３０に
は、その円環に沿って圧電体要素３０a1、３０a2、３０
a3、３０a4からなるＡ相と、圧電体要素３０b1、３
０b2、３０b3、３０b4からなるＢ相とが形成されてい
る。これらの各圧電体要素３０a1、３０a2、３０a3、３
０a4と３０b1、３０b2、３０b3、３０b4とは、この順で
交互に逆方向に分極処理（ポーリング）されており、こ
の分極処理の方向を第５図（ｂ）の＋と−で示す。この
圧電体リング３０には、その表面上に第５図（ａ）に示
すＡ相電極３Ａ、Ｂ相電極３Ｂが形成され、更に、圧電
体要素３１の表面には監視電極７ａが形成されている。
この監視電極７ａは、圧電体リング３０上に発生した波
の強度を検出するためのもので、この検出値を駆動回路
に帰還させることによって、駆動信号の周波数をステー
タ２の共振周波数に調整合致させ、高効率で超音波モー
タを駆動させるためのものである。ここで、圧電体要素
３０a1、３０a2は、圧電体リング３０の円環上でそれぞ
れ６０度の角度分を占めており、圧電体要素３０a1、３
０a2、３０a3、３０a4からなるＡ相に電圧を印加する
と、圧電リング３０上に３波長の定常波が形成される。
同様に、圧電体要素３０b1、３０b2もそれぞれ６０度に
設定されており、Ｂ相に電圧を供給すると、圧電リング
３０上に３波長の定常波が形成される。ところで、圧電
体要素３０a4と３０b4はともに２０．０度となるように
それぞれ形成されており、この結果、Ａ相とＢ相とは、
互いにその周期が圧電体リング３０上で４０度、すなわ
ち、１／３周期ずれて形成されていることとなる。
【００１３】一方、第５図（ｂ）に示すように、圧電体
リング３０の裏面は、各要素毎に要素電極３a1、３a2、
３a3、３c1、３c2、３b1、３b2、３b3、７bが形成され
ている。この第５図（ｂ）に示す裏面側が前記ステータ
２の裏面に導電接着されることにより、このステータ２
自体が圧電リング３０の共通電極となるようになってい
る。
リング３０の裏面は、各要素毎に要素電極３a1、３a2、
３a3、３c1、３c2、３b1、３b2、３b3、７bが形成され
ている。この第５図（ｂ）に示す裏面側が前記ステータ
２の裏面に導電接着されることにより、このステータ２
自体が圧電リング３０の共通電極となるようになってい
る。
【００１４】以上説明したロータ１及び圧電素子３が接
着されたステータ２においては、第６図に示すように、
ステータ２上に発生する定常波の上にロータ１が接触し
ているので、その切り欠き部１ｂの側面下端ＰaとＰbの
ステータ２から及ぼされる応力Ｆa、とＦbの和が異なる
場合には、ロータ１はその応力の差により偶力を受けて
回転する。しかし、ロータ１の切り欠き部１ｂが定常波
の腹ｎの位置の直上にくると、左右の応力Ｆa、Ｆbとは
釣り合うので、定常波が安定している限り、この釣り合
いの位置にロータ１は静止する。従って、ステータ２上
に定常波を発生することによって、ロータ１の回転角を
極めて正確に位置決めすることができ、時計の駆動用モ
ータとして使用する場合に特に高い信頼性を得ることが
できる。更に、本実施例では、ステータ２の上に所定周
期の回転対称性をもつ歯を設けているので、この周期で
ロータ１を精度良くステップ動作させた場合、ロータ１
の非接触部分の形状とステータ２の上の表面形状との相
対関係は常に一定となる。逆に言えば、ロータ１の非接
触部分とステータ２の上の歯との間の応力の釣り合いの
位置は、定常波の位相に対して常に一定であり、ステッ
プ動作の間隔も常に一定となるので、ステップ角の精度
は更に高められる。なお、この圧電体リング３０では、
Ａ相とＢ相の圧電体要素列が互いに線対称となるように
形成されている。この結果、Ａ相とＢ相の駆動信号に対
する出力特性を同一にすることが容易になり、ステータ
２の共振周波数や所定の駆動周波数における振動強度も
同一とすることができるので、超音波モータの駆動効率
を高めることができる。
着されたステータ２においては、第６図に示すように、
ステータ２上に発生する定常波の上にロータ１が接触し
ているので、その切り欠き部１ｂの側面下端ＰaとＰbの
ステータ２から及ぼされる応力Ｆa、とＦbの和が異なる
場合には、ロータ１はその応力の差により偶力を受けて
回転する。しかし、ロータ１の切り欠き部１ｂが定常波
の腹ｎの位置の直上にくると、左右の応力Ｆa、Ｆbとは
釣り合うので、定常波が安定している限り、この釣り合
いの位置にロータ１は静止する。従って、ステータ２上
に定常波を発生することによって、ロータ１の回転角を
極めて正確に位置決めすることができ、時計の駆動用モ
ータとして使用する場合に特に高い信頼性を得ることが
できる。更に、本実施例では、ステータ２の上に所定周
期の回転対称性をもつ歯を設けているので、この周期で
ロータ１を精度良くステップ動作させた場合、ロータ１
の非接触部分の形状とステータ２の上の表面形状との相
対関係は常に一定となる。逆に言えば、ロータ１の非接
触部分とステータ２の上の歯との間の応力の釣り合いの
位置は、定常波の位相に対して常に一定であり、ステッ
プ動作の間隔も常に一定となるので、ステップ角の精度
は更に高められる。なお、この圧電体リング３０では、
Ａ相とＢ相の圧電体要素列が互いに線対称となるように
形成されている。この結果、Ａ相とＢ相の駆動信号に対
する出力特性を同一にすることが容易になり、ステータ
２の共振周波数や所定の駆動周波数における振動強度も
同一とすることができるので、超音波モータの駆動効率
を高めることができる。
【００１５】第７図は、本実施例の超音波モータの駆動
回路を示したものである。発振回路ＯＳ１から出力され
た制御信号はインバータ１ｃを介して反転信号となり圧
電素子３の共通端子Ｃに対し駆動信号が出力されるよう
になっている。また、この制御信号は、ドライバＤa、
Ｄbに入力されて端子Ａ、Ｂに対し駆動信号を出力す
る。一方、基準信号は発振回路ＯＳ２から出力され、カ
ウンタ回路と３ステート発生回路を経由することによっ
て、それぞれ１秒間隔のパルスを順次出力し、３秒間で
１順するように設定された（１）、（２）、（３）の各
ステート信号に変換される。このステート信号はＯＲ回
路Ｏ1、Ｏ2、を介して前記各ドライバＤa、Ｄbを制御す
る。ドライバＤa、Ｄbは、それぞれ３ステートドライバ
となっており、ＨとＬの両レベルを出力する他、上記ス
テート信号に基づいて遮断され、高出力インピーダンス
状態となる。
回路を示したものである。発振回路ＯＳ１から出力され
た制御信号はインバータ１ｃを介して反転信号となり圧
電素子３の共通端子Ｃに対し駆動信号が出力されるよう
になっている。また、この制御信号は、ドライバＤa、
Ｄbに入力されて端子Ａ、Ｂに対し駆動信号を出力す
る。一方、基準信号は発振回路ＯＳ２から出力され、カ
ウンタ回路と３ステート発生回路を経由することによっ
て、それぞれ１秒間隔のパルスを順次出力し、３秒間で
１順するように設定された（１）、（２）、（３）の各
ステート信号に変換される。このステート信号はＯＲ回
路Ｏ1、Ｏ2、を介して前記各ドライバＤa、Ｄbを制御す
る。ドライバＤa、Ｄbは、それぞれ３ステートドライバ
となっており、ＨとＬの両レベルを出力する他、上記ス
テート信号に基づいて遮断され、高出力インピーダンス
状態となる。
【００１６】次に、上記駆動回路の動作を第８図を参照
して説明する。
して説明する。
【００１７】第８図（ａ）はドライバＤaの出力状態を
示したもので、ステート信号（１）、（２）が出力され
た場合に駆動信号を端子Ａに供給し、期間ＩＩＩにおい
ては、高出力インピーダンス状態となる。第８図（ｂ）
はドライバＤbの出力状態を示したもので，ステート信
号（１）、（３）が出力された場合に駆動信号を端子Ｂ
に供給し、期間ＩＩにおいて高出力インピーダンス状態
となる。第８図（ｃ）はインバータ１ｃの出力状態を示
したものであり、ＯＳ１の制御信号の反転信号を共通端
子Ｃに出力している。
示したもので、ステート信号（１）、（２）が出力され
た場合に駆動信号を端子Ａに供給し、期間ＩＩＩにおい
ては、高出力インピーダンス状態となる。第８図（ｂ）
はドライバＤbの出力状態を示したもので，ステート信
号（１）、（３）が出力された場合に駆動信号を端子Ｂ
に供給し、期間ＩＩにおいて高出力インピーダンス状態
となる。第８図（ｃ）はインバータ１ｃの出力状態を示
したものであり、ＯＳ１の制御信号の反転信号を共通端
子Ｃに出力している。
【００１８】このステート信号を順次（１）から（３）
まで出力すると、第９図の（１）乃至（３）に示すよう
な接続状態で圧電素子３が駆動される。すなわち、
（１）のステート信号が出力されると、第９図（１）に
示すように、期間Ｉにおいて駆動信号に基づく交流電圧
が圧電体リング３０のＡ相とＢ相との双方に同位相で印
加され、（２）のステート信号が出力されると、第９図
（２）に示すように、期間ＩＩにおいて圧電体リング３
０のＡ相のみに交流電圧が印加される。
まで出力すると、第９図の（１）乃至（３）に示すよう
な接続状態で圧電素子３が駆動される。すなわち、
（１）のステート信号が出力されると、第９図（１）に
示すように、期間Ｉにおいて駆動信号に基づく交流電圧
が圧電体リング３０のＡ相とＢ相との双方に同位相で印
加され、（２）のステート信号が出力されると、第９図
（２）に示すように、期間ＩＩにおいて圧電体リング３
０のＡ相のみに交流電圧が印加される。
【００１９】最後に、ステート信号（３）が出力される
と、第９図（３）に示すように、期間ＩＩＩにおいて圧
電体リング３０のＢ相のみに交流電圧が印加される。
と、第９図（３）に示すように、期間ＩＩＩにおいて圧
電体リング３０のＢ相のみに交流電圧が印加される。
【００２０】このように、期間ＩからＩＩＩまでの３段
階に駆動状態を変化させることによって、期間Ｉにおい
ては、第１０図（１）に示すように、相互に同位相のＡ
相の変形に基づく定常波とＢ相の変形に基づく定常波と
の合成波Ａ＋Ｂが圧電体リング３０上に発生し、期間Ｉ
Ｉにおいては、第１０図（２）に示すように、Ａ相のみ
の変形に基づく定常波Ａが発生し、更に、期間ＩＩＩに
おいては、Ｂ相のみの変形に基づく定常波Ｂが発生する
ようになっている。その結果、各期間Ｉから期間ＩＩＩ
までに形成される定常波の位相はすべて異なったものと
なり、順次その定常波の節若しくは腹の位置が１／６周
期ずつ移動していくこととなる。したがって、これらの
３段階を順次繰り返すことことにより、ロータ１をステ
ップ動作させることができる。
階に駆動状態を変化させることによって、期間Ｉにおい
ては、第１０図（１）に示すように、相互に同位相のＡ
相の変形に基づく定常波とＢ相の変形に基づく定常波と
の合成波Ａ＋Ｂが圧電体リング３０上に発生し、期間Ｉ
Ｉにおいては、第１０図（２）に示すように、Ａ相のみ
の変形に基づく定常波Ａが発生し、更に、期間ＩＩＩに
おいては、Ｂ相のみの変形に基づく定常波Ｂが発生する
ようになっている。その結果、各期間Ｉから期間ＩＩＩ
までに形成される定常波の位相はすべて異なったものと
なり、順次その定常波の節若しくは腹の位置が１／６周
期ずつ移動していくこととなる。したがって、これらの
３段階を順次繰り返すことことにより、ロータ１をステ
ップ動作させることができる。
【００２１】この実施例は、従来用いられていた進行波
を一切使うことなく、定常波のみでステップ動作を行う
ことに特徴がある。したがって、ロータ１の位置は定常
波の位相にのみ依存するので、進行波による回転駆動の
ように回転角が不正確となる余地が全くない。更に、駆
動回路の各ドライバＤa、Ｄbとして３ステートドライバ
を用いることによって、使用していない電極に接続され
るドライバを高出力インピーダンス状態とすることがで
きるので、Ａ相又はＢ相の何れかのみを変形させようと
して、端子Ｂ又は端子Ａへの駆動信号の供給をしない場
合、使用していない端子からの電力流出がなくなるので
駆動効率が向上するとともに、状態を切り換えた際の振
動状態の安定時間も短縮されるので、高速駆動が可能と
なる。
を一切使うことなく、定常波のみでステップ動作を行う
ことに特徴がある。したがって、ロータ１の位置は定常
波の位相にのみ依存するので、進行波による回転駆動の
ように回転角が不正確となる余地が全くない。更に、駆
動回路の各ドライバＤa、Ｄbとして３ステートドライバ
を用いることによって、使用していない電極に接続され
るドライバを高出力インピーダンス状態とすることがで
きるので、Ａ相又はＢ相の何れかのみを変形させようと
して、端子Ｂ又は端子Ａへの駆動信号の供給をしない場
合、使用していない端子からの電力流出がなくなるので
駆動効率が向上するとともに、状態を切り換えた際の振
動状態の安定時間も短縮されるので、高速駆動が可能と
なる。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、超音波
モータにおいて、移動体に圧電体要素列が形成された周
期に対応した非接触部分を設け、また、振動体の表面上
に所定周期の回転対称性を有する複数の段差を設け、更
に、振動体に発生させた定常波によって移動体を振動体
の所定の位置に静止させることを特徴とするものであ
る。
モータにおいて、移動体に圧電体要素列が形成された周
期に対応した非接触部分を設け、また、振動体の表面上
に所定周期の回転対称性を有する複数の段差を設け、更
に、振動体に発生させた定常波によって移動体を振動体
の所定の位置に静止させることを特徴とするものであ
る。
【００２３】したがって、以下の効果を有する。 振動体に発生した定常波が移動体の非接触部分に応力
を及ぼすことによって、移動体はその応力が釣り合う所
定の相対位置に静止されるので、定常波を移動させるこ
とによって、移動体をステップ駆動させることができ
る。したがって、従来のように、移動体の回転位置を検
出して回転量を制御するための位置センサやフィードバ
ック回路が不要となることから、超音波モータを小型化
することが可能であり、しかも省電力化を図ることがで
きる。 振動体に所定周期の回転対称性をもつ複数の段差を設
ける場合には、定常波の移動に伴って、移動体がステッ
プ動作した際、応力の釣り合う位置が常に同一の間隔で
到来することとなり、高精度のステップ動作が可能とな
る。 圧電体リングに、圧電体要素の配置が互いに線対称と
なるように、第１の圧電体要素列と第２の圧電体要素列
とを形成した場合には、両者の振動特性を同一として、
所定の駆動周波数における振動強度及び共振周波数を同
一とすることができ、その駆動効率を向上させることが
できる。 駆動手段において、圧電素子の各電極に対して駆動信
号を出力する出力スイッチとして、高出力インピーダン
ス状態を備えた３ステートドライバを用いる場合には、
各駆動状態において、駆動信号を印加していない出力ス
イッチを遮断することによって、圧電体リングからの電
力流出を防止しできることから駆動効率の向上を図るこ
とができ、また、圧電体リングの振動の安定時間も短縮
することができる。 複数の位相の異なった定常波を順次振動体上に発生さ
せることにより、定常波のみで移動体を回転駆動するこ
とができるので、移動体をステップ動作させる場合のス
テップ角の精度を向上させることができる。
を及ぼすことによって、移動体はその応力が釣り合う所
定の相対位置に静止されるので、定常波を移動させるこ
とによって、移動体をステップ駆動させることができ
る。したがって、従来のように、移動体の回転位置を検
出して回転量を制御するための位置センサやフィードバ
ック回路が不要となることから、超音波モータを小型化
することが可能であり、しかも省電力化を図ることがで
きる。 振動体に所定周期の回転対称性をもつ複数の段差を設
ける場合には、定常波の移動に伴って、移動体がステッ
プ動作した際、応力の釣り合う位置が常に同一の間隔で
到来することとなり、高精度のステップ動作が可能とな
る。 圧電体リングに、圧電体要素の配置が互いに線対称と
なるように、第１の圧電体要素列と第２の圧電体要素列
とを形成した場合には、両者の振動特性を同一として、
所定の駆動周波数における振動強度及び共振周波数を同
一とすることができ、その駆動効率を向上させることが
できる。 駆動手段において、圧電素子の各電極に対して駆動信
号を出力する出力スイッチとして、高出力インピーダン
ス状態を備えた３ステートドライバを用いる場合には、
各駆動状態において、駆動信号を印加していない出力ス
イッチを遮断することによって、圧電体リングからの電
力流出を防止しできることから駆動効率の向上を図るこ
とができ、また、圧電体リングの振動の安定時間も短縮
することができる。 複数の位相の異なった定常波を順次振動体上に発生さ
せることにより、定常波のみで移動体を回転駆動するこ
とができるので、移動体をステップ動作させる場合のス
テップ角の精度を向上させることができる。
【図１】本発明の超音波モータの本実施例における機械
的構造部分の各構成要素、ロータ１、ステータ２、及び
圧電体素子３の概略構造を示した構成図である。
的構造部分の各構成要素、ロータ１、ステータ２、及び
圧電体素子３の概略構造を示した構成図である。
【図２】本実施例の機械的構造部分の断面図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本実施例のロータ１の構造
を示す平面図及び側面図である。
を示す平面図及び側面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は本実施例のステータ２の構
造を示す平面図及び断面図である。
造を示す平面図及び断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本実施例の圧電素
子３の構造を示す表面図、裏面図及び側面図である。
子３の構造を示す表面図、裏面図及び側面図である。
【図６】ロータ１の切り欠き部と定常波との位置関係を
示す作用図である。
示す作用図である。
【図７】本実施例における駆動回路を示す回路図であ
る。
る。
【図８】（ａ）乃至（ｃ）は本実施例の駆動回路の動作
を示すタイミングチャート図である。
を示すタイミングチャート図である。
【図９】（１）乃至（３）は本実施例の駆動方法におけ
る各段階の接続状態を示す概念図である。
る各段階の接続状態を示す概念図である。
【図１０】（１）乃至（３）は本実施例の駆動時に発生
する定常波を示す波形図である。
する定常波を示す波形図である。
１ ロータ １ｂ 切り欠き部 ２ ステータ ３ 圧電素子 ３Ａ Ａ相電極 ３Ｂ Ｂ相電極 ３０ 圧電体リング ３０a1、３０a2・・・ 圧電体要素 ５ 歯 Ｄa、Ｄb ドライバ Ａ、Ｂ 定常波 Ａ＋Ｂ 合成定常波
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02N 2/10 - 2/16
Claims (1)
- 【請求項１】 片面に圧電素子を備え、該圧電素子によ
り加振される振動体と、該振動体と接触状態にあって、
摩擦力により回転駆動される移動体と、を有しており、
前記圧電素子は、その表裏逆方向に分極処理された圧電
体要素が配置された圧電体リングを備え、該圧電体リン
グには、その円環に沿って円周の整数分の一の所定周期
で、かつ相互に空間的に位相差をもって形成された第1
の圧電体要素列及び第2の圧電体要素列が設けられ、前
記第1の圧電体要素列および前記第2の圧電体要素列に対
しそれぞれ交流電圧を印加可能な駆動手段を備え、前記移動体は、前記振動体に加振される定常波の腹の数
に等しい数の切り欠き部を有し、該切り欠き部は互いに
等間隔に位置し、 前記第1の圧電体要素列の分極処理方向と前記第２の圧
電体要素列の分極処理方向とは、所定の直線に関して互
い逆対称である 超音波モータにおいて、 前記圧電素子は、前記第1の圧電体要素列の片面に導電
接触した第１電極と、前記第2の圧電体要素列の片面に
導電接着した第２電極と、前記第1及び第２の圧電体要
素列の他の面に導電接着した共通電極とを有し、前記駆
動手段は、前記第1電極と前記共通電極との間に交流電
圧を印加して前記圧電体リングに第1の定常波を誘起さ
せる第１の駆動状態と、前記第2電極と前記共通電極と
の間に交流電圧を印加して前記圧電体リング上に第２の
定常波を誘起する第２の駆動状態と、前記第1電極と前
記共通電極との間及び前記第2電極と前記共通電極との
間に同位相の交流電圧を印加して前記圧電体リング上に
第３の定常波を誘起する第３の駆動状態と、を何れかの
順で繰り返して前記移動体を回転駆動することを特徴と
する超音波モータの駆動方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3003923A JP2973527B2 (ja) | 1991-01-17 | 1991-01-17 | 超音波モータの駆動方法 |
| KR1019910003826A KR920005775A (ko) | 1990-03-12 | 1991-03-11 | 초음파 모터 및 그것의 구동방법 |
| US07/667,691 US5237237A (en) | 1990-03-12 | 1991-03-11 | Ultrasonic motor and drive method |
| EP91302040A EP0447172B1 (en) | 1990-03-12 | 1991-03-12 | Ultrasonic motor |
| DE69119807T DE69119807T2 (de) | 1990-03-12 | 1991-03-12 | Ultraschallmotor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3003923A JP2973527B2 (ja) | 1991-01-17 | 1991-01-17 | 超音波モータの駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04236176A JPH04236176A (ja) | 1992-08-25 |
| JP2973527B2 true JP2973527B2 (ja) | 1999-11-08 |
Family
ID=11570666
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3003923A Expired - Fee Related JP2973527B2 (ja) | 1990-03-12 | 1991-01-17 | 超音波モータの駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2973527B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS527002Y2 (ja) * | 1974-11-29 | 1977-02-15 | ||
| JPS63101275U (ja) * | 1986-12-23 | 1988-07-01 |
-
1991
- 1991-01-17 JP JP3003923A patent/JP2973527B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04236176A (ja) | 1992-08-25 |
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Legal Events
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