JP3006042B2

JP3006042B2 - 超音波モータとその駆動方法

Info

Publication number: JP3006042B2
Application number: JP2-181219A
Authority: JP
Inventors: 知雄植田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-04-18
Filing date: 1990-07-09
Publication date: 2000-02-07
Anticipated expiration: 2015-02-07

Description

【発明の詳細な説明】〔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。

〔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、円環状又は円板型の振動体（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る。

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伸縮を繰り返
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。

〔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。

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。

〔課題を解決するための手段〕

本願発明の超音波モータは、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交互に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、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、前記移動体には、前記振動体側の表面上に
回転方向に沿って前記所定周期の半分の間隔で切り欠き
部又は凹部からなる前記振動体に対する非接触部分が形
成されており、該圧電素子によって該振動体に定常波が
加振された場合であって、該非接触部分の位置が該定常
波の節および腹の位置によって定まる所定の位置にない
場合には、該非接触部分の位置が該所定の位置に一致す
るように該定常波が該移動体を回転し、該圧電素子によ
って該振動体に定常波が加振された場合であって、該非
接触部分の位置が該所定の位置にある場合には、該定常
波が該移動体を静止し、そのことによって上記目的が達
成される。

また、振動体には、移動体側の表面上における非接触
部分に対向する周上に、第１の圧電体要素列及び第２の
圧電体要素列の所定周期の2n分の１（ｎは３以上の自然
数）の周期で回転対称性を有する複数の段差を形成する
ものである。

ここに、第１の圧電体要素列と第２の圧電体要素列
は、圧電体リングに沿って空間的に所定周期の1/4の位
相差をもって設置する場合があり、また、第１の圧電体
要素列と第２の圧電体要素列は、圧電体リングに沿って
空間的に所定周期の1/6の位相差をもって設置する場合
もある。

また、第１の圧電体要素列と第２の圧電体要素列は、
両者の圧電体要素の配置及びこの要素の分極処理方向が
圧電リングの面上で相互に線対称となるように形成する
ものである。

更に、圧電素子には、第１の圧電体要素列の片面に導
電接触した第１電極と、第２の圧電体素子の片面に導電
接触した第２電極と、第１及び第２の圧電体要素列の他
の面に導電接触した共通電極とを設け、駆動手段には、
第１電極に駆動信号を出力すべき第１の出力スイッチ、
第２電極に駆動信号を出力すべき第２の出力スイッチ、
及び共通電極に駆動信号を出力すべき第３の出力スイッ
チを設け、更にこれらの出力スイッチを、駆動信号を出
力する状態の他に、高出力インピーダンス状態にも切換
可能とするものである。

次に、上記超音波モータの駆動手段としては、第１電
極と共通電極との間に及び第２電極と共通電極との間
に、相互に所定の位相差を有する交流電圧を印加して圧
電体リング上に進行波を誘起させる第１の駆動状態と、
第１電極又は第２電極と共通電極との間に交流電圧を印
加して圧電体リングに定常波を誘起させる第２又は第３
の駆動状態と、を繰り返して移動体を間欠回転駆動する
ものである。ここに、第１の駆動状態と、第２の駆動状
態と、更に、第１電極及び第２電極と共通電極との間に
交流電圧を印加しない停止状態と、を順次繰り返す場合
もある。

また、他の駆動手段としては、第１電極と共通電極と
の間に交流電圧を印加して圧電体リングに第１の定常波
を誘起させる第１の駆動状態と、第２電極と共通電極と
の間に交流電圧を印加して圧電体リング上に所定の位相
差をもつ第２の定常波を誘起する第２の駆動状態と、第
１電極及び第２電極の双方と共通電極との間に交流電圧
を印加して圧電体リング上に合成定常波を誘起する第３
の駆動状態と、をいずれかの順で繰り返して移動体を回
転駆動するものである。

更に、他の駆動手段としては、第１電極と共通電極と
の間に交流電圧を印加して圧電体リング上に第１の定常
波を誘起する第１の駆動状態と、第２電極と共通電極と
の間に交流電圧を印加して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、第１電極及び第２電極
と共通電極との間に交流電圧を印加して圧電体リング上
に第３の定常波を誘起する第３の駆動状態と、共通電極
に接続される出力スイッチを遮断状態（高出力インピー
ダンス状態）とした上で第１電極と第２電極との間に交
流電圧を印加して圧電体リング上に第４の定常波を誘起
する第４の駆動状態と、を何れかの順で繰り返すもので
ある。

〔作用〕

かかる手段によれば、駆動手段により圧電素子の第１
の圧電体要素列に交流電圧を印加すると、第１の圧電体
要素列の各要素が交互に伸長又は短縮し、圧電体リング
の円環に沿って、その圧電体要素が形成された所定周期
と同一周期の波が振動体上に発生する。ここで、圧電体
リングの円周の整数分の一の周期で第１の圧電体要素列
が形成されているので、交流電圧を印加すると圧電体リ
ングは定常波形状に変形し、振動体上に形成される波は
第１の定常波となる。また、第２の圧電体要素列に交流
電圧を印加すると、同様に第２の圧電体要素列の所定周
期に沿って圧電体リング上に第２の定常波が形成され
る。ここに、第１の圧電体要素列と第２の圧電体要素列
とは、その周期に位相差をもって設置されているので、
この第２の定常波は第１の定常波とはその位相差分ずれ
た定常波となる。更に、第１の圧電体要素列と第２の圧
電体要素列との双方に交流電圧を印加することによっ
て、第１の定常波と第２の定常波との合成波を圧電体リ
ング上に形成することができる。この合成波は、空間的
に位相差をもって生ずる第１の定常波と第２の定常波か
ら合成されるので、どちらの定常波に対しても異なった
位相をもつ定常波となり、また、第１の圧電体要素列と
第２の圧電体要素列に対し、相互に異なった位相の交流
電圧を印加する場合には進行波となる。

振動体に発生した定常波は、移動体の非接触部分の段
差に接触して定常波の腹から節に向かう応力を及ぼし、
その応力が均衡する場所に移動体の静止位置を定める。
つまり、移動体の非接触部分の境界に定常波による振動
体の段差が接触することによって、移動体の非接触部分
の段差が定常波の腹から節の上に向かって応力を受け、
回転方向の前後で応力が釣り合う場所である定常波の節
の上に静止する。

振動体に発生した進行波は、移動体の非接触部分の段
差に変形応力を及ぼし、これによって生じた偶力によ
り、その進行方向に移動体を回転させる。

振動体上に複数の段差が形成されている場合において
は、振動体に定常波が発生すると、形成された段差は、
その定常波に沿って上下に振動するが、この段差は上記
所定周期の半分のｎ分の−（ｎは３以上の自然数）の周
期で回転対称性を有するように形成されているので、移
動体を段差の周期でステップ動作させた場合には、定常
波上で同一の応力の釣合い状態を保つことができ、精度
良く回転角を常に一定に保つことができる。

第１の圧電体要素列と第２の圧電体要素列とを圧電体
リングの表面上において互いに線対称になるように形成
する場合には、第１の定常波と第２の定常波との振動状
態、すなわち、波の振幅や波が安定するのに要する時間
を等しくすることができる。

相互に位相差をもって形成されている第１の圧電体要
素列と第２の圧電体要素列に対し、相互に位相差を有す
る交流電圧を印加することにより、圧電体リング上に進
行波が形成される。これに伴って振動体上にも進行波が
形成されると、この進行波に沿って移動体の非接触部分
の段差部が応力を受け、移動体が波の進行方向に回転す
る。この進行波に沿って移動体を所定時間回転させた
後、第１の定常波又は第２の定常波の何れかを振動体に
発生させて、移動体をその節の上に静止させることによ
り、移動体をステップ動作させることができる。移動体
を所定のステップ角で間欠駆動させる場合には、上記の
回転期間と静止期間とを繰り返すだけではなく、回転期
間と静止期間の後に駆動信号を印加しない停止期間を加
えることによって、駆動時の省電力化を期すことができ
る。

また、第１の圧電体要素列と第２の圧電体要素列とを
相互に1/6周期ずらして形成し、第１の定常波、第２の
定常波及び合成定常波を形成する場合には、これらを順
次振動体上に形成することによって、定常波の節の位置
を逐次1/6周期ずつ移動させることができ、移動体の非
接触部分も所定角度移動して静止することになるので、
移動体のステップ動作が可能となる。

ここで、超音波モータの駆動手段において、圧電素子
の第１電極及び第２電極と共通電極との間に駆動信号を
供給する第１の出力スイッチ、第２の出力スイッチ及び
第３の出力スイッチを設け、これらの出力スイッチを遮
断状態（高出力インピーダンス状態）にすることができ
るものとする場合には、この第１の出力スイッチと第３
の出力スイッチから第１電極と共通電極との間に交流電
圧を印加することによって圧電体リング上に第１の定常
波を発生させ、また、第２の出力スイッチと第３の出力
スイッチから第２電極と共通電極との間に交流電圧を印
加することによって第２の定常波を発生させ、更に、第
１の出力スイッチ、第２の出力スイッチ及び第３の出力
スイッチから第１電極及び第２電極と共通電極との間に
交流電圧を印加することによって第３の定常波を発生さ
せ、更に、第１の出力スイッチ、第２の出力スイッチか
ら第１電極と第２電極との間に交流電圧を印加する一方
で、第３の出力スイッチを高出力インピーダンス状態と
することによって、第４の定常波を発生させることがで
きる。

この第４の定常波は、第１電極と第２電極との間に交
流電圧を印加し、一方、共通電極は開放状態とすること
によって、第１の圧電体要素列と共通電極との間、及び
第２の圧電体要素列と共通電極との間に、相互に位相が
180度ずれた交流信号を印加した場合と同じ状態とな
る。すなわち、第１の定常波をＡ、第２の定常波をＢ、
及び同位相の第１の定常波と第２の定常波とを合成した
定常波をＡ＋Ｂとすると、第４の定常波は、Ａ＋又は
Ａ＋となる。この結果、第１の圧電体要素列と第２の
圧電体要素列の周期を1/4周期ずらした状態で形成する
と、それぞれの４つの定常波は圧電体リング上に1/8周
期ずつずれた状態で発生するので、これらの４つの定常
波によって移動体を逐次回転駆動することができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

＜第１実施例＞まず、第１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の構成するロ
ータ１、ステータ２、及び圧電体リング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。

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48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。

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。第17図には、円板形状のステー
タにおけるその厚さと共振周波数との関係を、ステータ
上に形成される波長数（２λ〜５λ）毎に示してある。
また、リング状ステータにおいて、３波長分の定常波が
形成される場合（３λ）の共振周波数を破線で示してあ
る。本実施例において使用するステータの場合には、ほ
ぼ次のような共振周波数が得られる。

３λ…32kHz ２λ…17kHz ４λ…50kHz 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。

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15度の場合には、複数の異なった形状の
歯の組が24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24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。

次に、ステータ２の裏面上には圧電体素子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30_a1,30_a2,30_a3からなるＡ相と、圧
電体要素30_b1,30_b2,30_b3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30_a1,30_a2,30_a3と30_b1,30_b2,
30_b3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３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。なお、第６図
に示すように、２つの監視電極7_a1,7_a2を設ける場合も
あり、この場合には、Ａ相とＢ相に基づく定常波に対し
て、それぞれ別個に駆動信号の周波数を調整することが
可能であり、特に、構造的なばらつきに起因してＡ相と
Ｂ相に対するステータ２の共振周波数が相互に異なる場
合には、Ａ相とＢ相に対する駆動周波数を別個に設定す
ることにより、モータとしての動作効率を更に高めるこ
とができる。ここで、圧電体要素30_a1,30_a2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30_a1,30_a2,30_a3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30_b1,30_b2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30_a3と30_b3はともに37.5度、圧電体要素31は15度、圧
電体要素30cは30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30度、すなわち、1/4周期ずれて形成
されていることとなる。

一方、第５図（ｂ）に示すように、圧電体リング３の
裏面は、各要素毎に要素電極3_a1,3_a2,3_a3,3_c,3_b1,3_b2,3
_b3,7_b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３の共通電極とな
るようになっている。

以上説明したロータ１及び圧電リング３が接着された
ステータ２においては、第７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P_aとP_bにステータ２か
ら及ぼされる応力F_aとF_b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F_aとF_bとは釣り合うので、定常
波が安定している限り、この釣合いの位置にロータ１は
静止する。従って、ステータ２上に定常波を発生させる
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相がその周期と
要素の極性の双方に関して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。

次に、第５図に示す前記圧電リング30に対し駆動信号
を供給すべき駆動回路の一例を第８図に示す。この駆動
回路では、圧電体素子３に対してそれぞれ、Ａ相電極3A
に接続される端子Ａ、Ｂ相電極3Bに接続される端子Ｂ、
及び要素電極3_a1,3_a2,3_a3,3_c,3_b1,3_b2,3_b3,7_bに接着さ
れたステータ２に接続される共通端子Ｃを通じて、それ
ぞれに駆動信号が供給される。また、監視電極7aから
は、圧電体リング30上に発生した波の強度が検出され
る。

発振回路OSC1からは、所定周波数の制御信号がANDゲ
ートA₁に、また、位相変換回路Φにより90度位相を遅ら
せた制御信号がANDゲートA₂に、それぞれ供給されてい
る。一方、発振回路OSC2は基準パルスをワンショット回
路OS_2aとOS_2bに対して供給し、これらはANDゲートA₁とA
₂にゲート信号を供給する。このゲート信号が供給され
ている間、ANDゲートA₂はドライバD_Aに制御信号を出力
して、これと同期した駆動信号が端子Ａに送出され、AN
DゲートA₁はドライバD_Bに制御信号を出力し、同様に端
子Ｂに駆動信号が送出される。この間、常時発振回路OS
C1からドライバD_Cに制御信号が供給されており、端子Ｃ
には端子Ａ及び端子Ｂに供給される駆動信号に対する反
転信号が供給されるようになっている。

この駆動回路の動作を第９図のタイミングチャートを
参照して説明する。第９図（ａ）は、発振回路OSC2の基
準パルスを示したものであり、この基準パルスが入力さ
れたワンショット回路OS_2aとOS_2bは、第９図（ｂ）と
（ｃ）に示すゲート信号をそれぞれANDゲートA₁とA₂に
対して供給する。この結果、図中に示す期間Ｉにあって
は、ANDゲートA₁とA₂の双方が開くことになり、互いに9
0度の位相差をもつ駆動信号が圧電素子３のＡ相とＢ相
に印加される。したがって、相互に1/4周期の空間的な
ずれをもって形成されたＡ相とＢ相の圧電体要素列から
発生する波が合成され、圧電リング30上には進行波が形
成される。期間IIでは、ANDゲートA₂が遮断され、端子
ＢにはドライバD_Bからの駆動信号が供給されないので、
圧電体リングう30のＡ相にのみ駆動信号が供給され、圧
電体リング30上にはＡ相の周期によって定まる定常波が
発生する。更に、期間IIIにおいては、ANDゲートA₁とA₂
の双方が遮断されて端子ＡとＢはともに駆動信号が供給
されないので、圧電体リング30には電圧が印加されず、
如何なる波も発生しない。

この駆動回路によれば、まず、期間Ｉにおいては、ス
テータ２上に進行波が形成され、波の進行に伴ってその
進行方向にロータ１の非接触部分1bが応力を受けるの
で、ロータ１は連続的に回転する。次に、期間IIにおい
ては、ステータ２上に圧電体リング30のＡ相にのみ基づ
く定常波が形成されるので、この定常波の節及び腹の位
置によって定まる所定の位置にロータ１が静止する。更
に期間IIIにおいては、圧電体リング30上には波が発生
しないので、ロータ１の静止状態がそのまま維持され
る。このようにして、ロータ１の回転角度は期間Ｉの長
さによって定めることができ、期間IIによってロータ１
の回転を静止させた後、期間IIIにあっては、ばね４に
よって静止位置にロータ１が保持された状態で圧電体リ
ング30の振動が消失した停止状態となる。このロータ１
の回転角度は期間IIの定常波による静止位置によって定
まるが、期間Ｉの終了時点におけるロータ１の位置にそ
の定常波の±1/4波長未満に相当するずれが生じた場合
でも、応力の釣合いによって正確に同一の静止位置に復
帰する。したがって、ロータ１の位置を検出して帰還回
路を設ける必要なく、所定のステップ角度で所定時間毎
にロータ１を精度良く回転駆動することができる。しか
も、期間IIIにおいては、ドライバD_A及びD_Bの動作が停
止するので、所要電力が低減され、時計用の超音波モー
タとしては極めて適した駆動方法となる。

一方、第８図に示すように、上記のように振動する圧
電体リング30上に発生した波の強度は、常時監視電極7a
に発生する電圧に基づいて検出されており、この検出出
力は、フィードバック制御回路41に供給される。このフ
ィードバック制御回路では、圧電体リングにおいて発生
すべき最大強度と、かかる最大強度が得られるべき時点
で検出された実際の波の強度とを比較し、実際に得られ
る最大強度が、予め設定されている最大強度となるよう
に、発振回路OSC1の発振周波数をフィードバック制御し
ている。従って、本例の駆動回路によれば、常に、高効
率で超音波モータを駆動させることができる。

なお、本例では、ロータ１の非接触部分1bは６箇所形
成され、ステップ角度は60度となっているが、圧電体リ
ング受30上に形成される定常波の波数を増加させ、ロー
タ１の非接触部分の数もそれに対応させて増加させるこ
とによって、ステップ角をより小さく設定することがで
きる。

＜第２実施例＞次に、本発明の第２実施例を説明する。本実施例にお
いては、ロータ１、ステータ２、及び圧電素子３は第１
実施例と同一であるのでその説明は省略し、同一部分に
は同一符号を付す。

第10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OSC1から出力された制御信号は
ドライバD_Cに入力され、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、インバータI₁を介して反転信号となり、この
反転信号がドライバD_Aに入力されて端子Ａに対し駆動信
号を出力する。更に、端子Ｂには、ドライバD_Bに対して
制御信号と反転信号とを選択的に入力するように、AND
回路A₁,A₂と、OR回路O₁と、インバータI₂と、からなる
選択回路が構成されている。一方、基準信号は発振回路
OSC2から出力され、カウンタ回路と４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、４秒間で１順するように設定された
（１）、（２）、（３）及び（４）の各ステート信号に
変換される。このステート信号は選択回路に導入される
とともに、OR回路O₂,O₃,O₄を介して前記各ドライバD_C,D
_A,D_Bを制御する。ドライバD_C,D_A,D_B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。

次に、上記駆動回路の動作を第11図を参照して説明す
る。

第11図（ａ）はドライバD_Aの出力状態を示したもの
で、ステート信号（１）、（２）及び（３）が出力され
た場合に駆動信号を端子Ａに供給し、期間IVにおいて
は、高出力インピーダンス状態となる。第11図（ｂ）は
ドライバD_Bの出力状態を示したもので、ステート信号
（１）、（３）及び（４）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。このドライバD_Bの前段には上記選択回路
が設けられ、この選択回路には４ステート発生回路から
のステート信号（３）が入力されているので、期間III
においてはドライバD_Aの駆動信号とは180度位相がずれ
た信号（反転信号）が端子Ｂに出力される。第11図
（ｃ）はドライバD_Cの出力状態を示したものであり、ス
テート信号（１）、（２）及び（４）が出力された場合
に反転信号を共通端子Ｃに出力し、期間IIIにおいては
高出力インピーダンス状態となる。

このステート信号を順次（１）から（４）まで出力す
ると、第12図の（１）乃至（４）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12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で圧電体リング
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12図（２）に示すよう
に、期間IIにおいて圧電体リング30のＡ相のみに交流電
圧が印加される。ステート信号（３）が出力されると、
第12図（３）に示すように、端子Ａ及びＢに対向設置さ
れている共通端子Ｃが遮断されて浮遊電位となっている
ことから、期間IIIにおいて圧電体リング30のＡ相とＢ
相には互いに位相が180度異なった交流電圧が印加され
ることとなる。最後に、ステート信号（４）が出力され
ると、第12図（４）に示すように、期間IV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。

このように、期間ＩからIVまでの４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13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IIにおいては、第13
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、期間IIIにおいては、第13図（３）に示す
ように、Ａ相の変形に基づく定常波Ａと、位相が180度
ずれたＢ相の変形に基づく定常波Ｂとの合成波Ａ＋が
発生し、更に、期間IV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IV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1/8周期ずつ移動していくこととなる。した
がって、これらの４段階を順次繰り返すことにより、ロ
ータ１をステップ動作させることができる。

この第２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D_C,D_A,D_B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、第12図（３）に示すような接続方法で第13図（３）
に示すような合成波を発生させることができ、駆動回路
を従来よりも簡単な回路構成とすることができる。その
上、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。

＜第３実施例＞次に、本発明の第３実施例を説明する。この第３実施
例の超音波モータは、時計の秒針を直接駆動するための
ものであり、第１実施例の圧電素子３の代わりに第14図
に示す圧電体素子８を用いる。第14図（ａ）は、圧電体
素子８の表面（ステータ２に接着されていない面）側を
示したものであり、その表面上には、Ａ相電極8A、Ｂ相
電極8B、及び監視電極10が形成されている。第14図
（ｂ）は各要素電極を省略して示した圧電体素子８の裏
面側の図であって、圧電体要素列Ａ相として圧電体要素
80_a1,80_a2,・・・80_a9まで、Ｂ相として圧電体要素8
0_b1,80_b2,・・・80_b9までが形成されており、それぞれ
逆方向に分極処理された圧電体要素が交互に並列してい
る。これらのＡ相とＢ相とは、双方とも圧電体素子８の
全周で10周期の定常波を形成するように、各圧電体要素
がそれぞれ18度ずつを占めるように設定されている。な
お、圧電体要素80cは24度、圧電体要素81は12度に設定
されている。この結果、Ａ相とＢ相は、相互に1/6周期
ずれた位置に設置されていることとなる。

この実施例においては、上記圧電素子８の変形に基づ
いてステータ２上に発生する定常波の波数10に合致させ
るように、ロータ１の外周に沿って等間隔に非接触部分
1bが20か所設置されたものが用いられる。

この超音波モータの駆動方法は、第15図（１）から
（３）までに示すように、それぞれ、端子Ｂを遮断して
端子Ａと共通端子Ｃ間に駆動信号を入力する駆動状態
（１）と、端子Ａを遮断して端子Ｂと共通端子Ｃ間に駆
動信号を入力する駆動状態（２）と、共通端子Ｃを遮断
して端子Ａと端子Ｂに180度位相の異なった駆動信号を
入力する駆動状態（３）と、を順次（逆の順でもよ
い。）繰り返して、ロータ１をステータ２上で1/6周期
ずつステップ動作させるものである。ここで、駆動回路
は、第２実施例において説明した第10図に示す回路構成
において、（２）から（４）までの３種のステート信号
を繰り返し出力することにより、動作させることができ
る。駆動状態（１）では、第16図（１）に示すように、
圧電体要素列Ａ相のみの変形に基づいて定常波Ａが発生
し、駆動状態（２）では、第16図（２）に示すように、
Ｂ相のみの変形に基づいて定常波Ｂが発生し、更に、駆
動状態（３）では、第16図（３）に示すように、定常波
Ａと、定常波Ｂに対して180度位相を異ならせた定常波
との合成波Ａ＋が発生する。この各駆動状態（１）
から（３）までを順次繰り返すことによって、定常波の
節もしくは腹の位置は、定常波の周期1/6周期ずつ移動
していくので、第２実施例と同様にロータ１をステップ
動作させることができる。因みにこのステップ角は６度
であり、回転伝達機構を介することなく、ロータ１の回
転でそのまま直接時計の秒針を駆動することができる。

以上説明した第２実施例及び第３実施例は、ともに定
常波のみで、ロータ１を定常波の位相差分だけ精度良く
回転させ得るものであるが、圧電体には、駆動信号の周
波数を特定の共振周波数に合致させることによって、圧
電体の振動変移が楕円軌道を描く場合があり、この楕円
軌道の上部における水平成分をロータ１の回転方向と合
致させることにより、その水平成分に基づく水平方向の
応力を利用してロータ１の回転を促進させることもでき
る。また、ステップ動作の周期は、上記ステート信号の
間隔等によって種々異なったものとすることができる。

〔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。

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、圧電体要素の配置及びその分極処
理方向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。更に、共通電極に接続される第
３の出力スイッチを高出力インピーダンス状態とし、第
１電極と第２電極との間に高流電圧を印加することによ
って、４番目の定常波を振動体上に発生させることがで
きる。

超音波モータの駆動方法としては、進行波によって
回転駆動し、定常波によって静止し、更に駆動状態の停
止期間を設けることによって、任意の回転角でステップ
動作が可能となり、しかも省電力化を期することができ
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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の超音波モータの第１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。第２図は同第１実施例の機械的構造部分の断面図であ
る。第３図（ａ）及び（ｂ）は同第１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。第４図（ａ）及び（ｂ）は同第１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。第５図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は同第１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。第６図（ａ）及び（ｂ）は２つの監視電極を備えた圧電
素子の構造を示す表面図及び裏面図である。第７図はロータ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。第８図は第１実施例における駆動回路を示す回路図であ
る。第９図（ａ）乃至（ｃ）は第１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。第10図は本発明の第２実施例の駆動回路を示す回路図で
ある。第11図（ａ）乃至（ｃ）は第２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。第12図（１）乃至（４）は第２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。第13図（１）乃至（４）は第２実施例の駆動時に発生す
る定常波を示す波形図である。第14図（ａ）及び（ｂ）は本発明の第３実施例の圧電素
子８の構造を示す表面図及び裏面図である。第15図（１）乃至（３）は第３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。第16図は（１）乃至（３）は第３実施例の駆動時に発生
する定常波を示す波形図である。第17図は、ステータの厚さと共振周波数との関係を、ス
テータ上に形成される定常波の波長数毎に示すグラフで
ある。〔符号の説明〕１……ロータ 1a……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 30_a1,30_a2,・・・……圧電体要素５……歯 D_A,D_B,D_C……ドライバ A,B……定常波Ａ＋B,A＋……合成定常波。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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
素が交互に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、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た超音
波モータにおいて、前記移動体には、前記振動体側の表面上に回転方向に沿
って前記所定周期の半分の間隔で切り欠き部又は凹部か
らなる前記振動体に対する非接触部分が形成されてお
り、該圧電素子によって該振動体に定常波が加振された場合
であって、該非接触部分の位置が該定常波の節および腹
の位置によって定まる所定の位置にない場合には、該非
接触部分の位置が該所定の位置に一致するように該定常
波が該移動体を回転し、該圧電素子によって該振動体に定常波が加振された場合
であって、該非接触部分の位置が該所定の位置にある場
合には、該定常波が該移動体を静止することを特徴とす
る超音波モータ。
【請求項２】前記振動体には、前記移動体側の表面上に
おける前記非接触部分に対向する周上に、前記所定周期
の2n分の１（ｎは３以上の自然数）の周期で回転対称性
を有する複数の段差が形成されていることを特徴とする
請求項第１項に記載の超音波モータ。
【請求項３】前記第１の圧電体要素列と前記第２の圧電
体要素列は、前記圧電体リングに沿って空間的に前記所
定周期の1/4の位相差をもって設置されていることを特
徴とする請求項第１項又は第２項に記載の超音波モー
タ。
【請求項４】前記第１の圧電体要素列と前記第２の圧電
体要素列とは、前記圧電体リングに沿って空間的に前記
所定周期の1/6の位相差をもって設置されていることを
特徴とする請求項第１項又は第２項に記載の超音波モー
タ。
【請求項５】前記第１の圧電体要素列と前記第２の圧電
体要素列は、その圧電体要素の配置及び圧電体要素の分
極処理方向が圧電リングの面上で相互に線対称となって
いることを特徴とする請求項第１項又は第２項に記載の
超音波モータ。
【請求項６】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の圧電体素
子の片面に導電接触した第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触した共通電極とを有
し、前記駆動手段は、前記第１電極に駆動信号を出力す
べき第１の出力スイッチ、前記第２電極に駆動信号を出
力すべき第２の出力スイッチ、及び前記共通電極に駆動
信号を出力すべき第３の出力スイッチを有し、これらの
出力スイッチは、駆動信号を出力する状態の他に、高出
力インピーダンス状態に切換可能であることを特徴とす
る請求項第１項乃至第４項の何れかに記載の超音波モー
タ。
【請求項７】請求項第６項に記載の超音波モータにおい
て、前記駆動手段は、前記第１電極と前記共通電極及び
前記第２電極と前記共通電極との間に、相互に所定の位
相差を有する交流電圧を印加して前記圧電体リング上に
進行波を誘起させる第１の駆動状態と、前記第１電極又
は前記第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に定常波を誘起させる第２又は第
３の駆動状態と、を繰り返して前記移動体を間欠回転駆
動することを特徴とする超音波モータの駆動方法。
【請求項８】前記第１の駆動状態と、前記第２又は第３
の駆動状態と、前記第１電極及び前記第２電極と前記共
通電極との間に交流電圧を印加しない停止状態と、を順
次繰り返して前記移動体を間欠駆動することを特徴とす
る請求項第７項に記載の超音波モータの駆動方法。
【請求項９】請求項第６項に記載の超音波モータにおい
て、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。
【請求項１０】請求項第６項に記載された超音波モータ
において、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上に第１の定常波を誘起
する第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電極及び
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３の定常波を誘起する第３の駆動
状態と、前記共通電極に接続される出力スイッチを遮断
状態とした上で前記第１電極と前記第２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４の定常波を
誘起する第４の駆動状態と、を何れかの順に繰り返すこ
とを特徴とする超音波モータの駆動方法。