JP4350201B2 - 超音波モータおよび超音波モータ付電子機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本発明は、超音波モータおよびこれを用いた超音波モータ付電子機器に係わり、特に、電子機器の小型化ならびに低コスト化を実現する超音波モータおよびこれを用いた超音波モータ付電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、電子機器分野において、圧電セラミクスの圧電効果を利用して弾性部材に伸縮振動や屈曲振動を発生させて、その振動エネルギを摩擦力によってロータの駆動力に変換する超音波モータが注目されている。
この超音波モータは、圧電素子を有する振動体の機械的共振現象を利用したモータであって、その共振周波数近傍の高周波電圧を圧電素子に印加することで駆動する。しかし、振動体の共振周波数は、環境温度や駆動電圧などにより変化するため、安定した駆動を実現するために、その共振周波数の変化にあわせて圧電素子に印加する交番電圧の周波数をコントロールする必要がある。そのため、一般に超音波モータの駆動回路は非常に複雑になるという課題がある。
【０００３】
この課題に対して、高周波電圧を発生する発振器を用いずに、超音波モータの振動体そのものを自励発振させることで駆動を行なう、シンプルな駆動回路で安定駆動が得られる自励振駆動式の超音波モータが知られている（特開平８−２５１９５２号公報参照）。
この超音波モータの主たる開発方向は、超音波モータ付電子機器をさらに小型化ならびに低コスト化することにある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この超音波モータ付電子機器としては、電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置、記憶装置などがある。超音波モータ付電子機器に限らず、これらの電子機器には、一定周波数信号である源信（クロック信号）が必要となり、水晶発振器、セラミック発振器、あるいはＣＲ発振器などといった発振器を搭載する必要がある。
【０００５】
このように、従来の電子機器には発振器を搭載する必要があるため、製造コストが高く、また小型化する上でも問題になっている。さらには、電子機器の集積化、即ち機構部分と電子回路部分の一体構成化を図る場合、この発振器の存在が問題になる。
【０００６】
そこで、本発明者の目的は、超音波モータが超音波領域の高い周波数の圧電振動を利用したモータで有ることに着目し、電子機器から源信（クロック信号）を発生するための発振器を削除することで、安価で小型な電子機器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、上述の課題を解決するために、請求項１に記載するように、振動波を発生するステータとしての圧電振動子と、圧電振動子に発生する振動波により駆動される移動体と、圧電振動子を自励発振させて移動体を駆動する発振駆動回路とからなる超音波モータにおいて、発振駆動回路の発振状態を調整して振動体の自励発振を停止させることなく移動体の駆動のみを停止状態にするための発振状態調整手段を有し、圧電振動子の自励発振により発振駆動回路に生成される周期的信号を電子機器の中央演算処理装置あるいは論理回路などに必要となるクロック信号、すなわち源信としても用いることができるようにした。
【０００８】
この発明によれば、ステータとしての圧電振動子の自励発振を停止させることなく移動体の駆動のみを停止状態にすることができるため、発振駆動回路は常に周期的信号を発生しつづけるため、その周期的信号を電子機器の中央演算処理装置あるいは論理回路などに必要となるクロック信号、すなわち源信としても用いることができるようになる。
【０００９】
以上説明したように、本発明の超音波モータを搭載することで、従来から電子機器において不可欠とされている源信（クロック）の発生源としての水晶発振器に代表される発振器を削除でき、電子機器を従来と比べて小型化できると共に、低価格にて供給できる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の超音波モータにおける発振状態調整手段が出力電圧レベルを変化させることができる可変電源であることが特徴になっている。
この発明によれば、可変電源により発振駆動回路の電源電圧を調整することにより、電子機器の源信となる周期的信号を発生させ続けた状態で超音波モータの駆動と停止および駆動状態を制御することができるようになり、超音波モータを動力源としてのみならず、電子機器における源信としての機能をあわせもたせることができる。すなわち、本発明の超音波モータを搭載することで、電子機器から発振器を削減でき、小型かつ安価な電子機器を提供することができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の超音波モータにおける発振状態調整手段が、発振駆動回路の一構成要素である出力インピーダンスを調整できる電力増幅器であることが特徴になっている。
この発明によれば、電力増幅器の出力インピーダンスを調整することにより、電子機器の源信となる周期的信号を発生させ続けた状態で超音波モータの駆動と停止および駆動状態を制御できる。すなわち、非常に簡単な制御により請求項１あるいは請求項２と同様の効果が得られ、本発明の超音波モータを搭載することで、電子機器から発振器を削減でき、小型かつ安価な電子機器を提供することができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の超音波モータにおける電力増幅器を、複数の電力増幅回路を並列接続して構成されたものとして、複数の電力増幅回路の少なくも１つは常に能動状態に保ち、他の電力増幅回路を選択的に非能動状態にするようにしたことを特徴としている。
この発明によれば、請求項３に記載の発明における電力増幅器の出力インピーダンス調整がより精度よくできるため、より信頼性の高い超音波モータが実現できる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の超音波モータにおける圧電振動子は、少なくとも超音波モータ駆動のための第１の電極と源信を発生させるための第２の電極を有し、発振状態調整手段は、前記発振駆動回路の構成要素であって出力端子を前記第１の電極に接続された第１の電力増幅器と出力端子を前記第２の電極に接続した第２の電力増幅器からなることを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、源信を発生させるための第２の電極に出力端子が接続された第２の電力増幅器は常に能動状態に保ちつつ、超音波モータ駆動のための第１の電極に出力端子が接続された第１の電力増幅器の状態を制御し、すなわち能動状態あるいは非能動状態のいずれの状態にさせるかにより、電子機器の源信となる周期的信号を発生させ続けた状態で超音波モータの駆動と停止および駆動状態を制御する。すなわち、モータ駆動用と源信発生用の励振電極が別けられているため、源信の発生を支持した状態でも複雑なモータ制御が可能になる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波モータであって、振動波を発生するステータとしての圧電振動子と、圧電振動子に発生する振動波により駆動される移動体と、圧電振動子を自励発振させて移動体を駆動する発振駆動回路と、発振駆動回路の発振状態を調整して圧電振動子の自励発振を停止させることなく移動体の駆動のみを停止状態にするための発振状態調整手段とをフォトファブリケーション技術を用いて同一基板上に作製することを特徴としている。
【００１６】
この発明によれば、発振駆動回路などの集積回路を有する超音波モータを一連のプロセスで製造でき超音波モータが非常に低価格で供給できる。これは、電子機器における水晶発振器などの発振器が不要になるために、集積回路と超音波モータ、さらには動力伝達機構をワンチップ上に構成したマイクロ機器が実現できるようになり、さらには、フォトファブリケーション技術を用いることで生産効率は格段に向上し、生産コストを下げられると共に、小型化にも有利となる。また、この超音波モータはワンチップ型であり、従来とは全く異なった構成となるため、その応用範囲も格段に広がる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明は、超音波モータ付電子機器であって、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波モータを有することを特徴としている。
この発明によれば、従来より小さくかつ安価な超音波モータ付電子機器が実現する。
【００１８】
この超音波モータ付電子機器としては、例えば電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置、記憶装置などがある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施例について詳細に説明する。
【００２０】
＜第１の実施例＞
まず、図１〜図７を用いて本発明の第１の実施例である超音波モータ付電子時計１について説明する。
図１は、超音波モータ付電子時計１の構成を説明する図であり、図２は超音波モータ付電子時計１に用いられる超音波モータ１０の断面概略図である。
【００２１】
図３は超音波モータ１０の一構成要素である圧電素子１１および振動体１２の構成を説明する上面概略図であり、図４は超音波モータ１０の動作を説明する概略図である。
図５（Ａ）および同図（Ｂ）はそれぞれ圧電素子１１の電極１７および電極１８の構成を説明する概略図であり、図６はリード線１９と電極１１との接続構造を説明するための振動体１２の縦断面図である。
【００２２】
図７は発振駆動回路２０の電圧波形を説明する図である。
【００２３】
まず、超音波モータ付電子時計１の構成について説明する。
超音波モータ付電子時計１は、超音波モータ１０と、超音波モータ１０の駆動と超音波モータ付電子時計１の源信（クロック）を発生の双方の機能を果たす発振駆動回路２０と、超音波モータ１０の動力を外部に取り出して伝達する動力伝達機構３０と、動力伝達機構３０によって伝達された動力によって駆動する時刻表示針４０と、を主要部とする多機能時計である。
【００２４】
超音波モータ１０は、図２に示すように、円盤状の圧電素子１１（圧電体）と、圧電素子１１を接着した円盤状の振動体１２と、振動体１２の上面に一体的に設けられた複数の突起１３と、振動体１２の中心を固定支持する軸１４と、軸１４を回転案内として回転するロータ１５と、ロータ１５の中心に当接していてロータ１５を突起１３に押しつけるバネ１６と、圧電素子１１に駆動信号を入力する電極１７および電極１８と、電極１７に駆動信号を伝達するリード線１９と、により概略構成されており、軸１４は支持板８０に固定される。
【００２５】
圧電素子１１は、周知の圧電体を円盤状に成形したものであり、図３に示すように、圧電素子１１の一方の表面上には、円周方向に１２等分した大きさであって１つおきの６箇所に電極１７が真空蒸着法で形成されている。また、他方の面には全面の電極１８が形成されており、電極１８を設けた面で振動体１２に接着されている。ここで、図中の記号＋、−は、圧電素子１１の分極方向を表しており、厚み方向に処理した分極の方向は１つおきに交互に逆転するような形で分極処理が施されている。
【００２６】
振動体１２は円盤状の金属であって、本実施の形態ではアルミニウム合金で作製されている。突起１３は圧電素子１１の圧電効果によって振動体に発生させた振動エネルギをロータの動力に変換するためのものである。
また、突起１３は、図３に示すように、圧電素子１１の電極１７の各々の１辺上に位置するように、６本設けられている。
【００２７】
支持板８０に固定された軸１４は金属製であり、円盤の上に、太さの異なる円柱状の棒を２本積み重ねた形状をしている。円盤や２本の棒の断面積は、軸１４が下から上に向かって細くなるように相対的に調節されており、圧電素子１１が接着された振動体１２をその中心で固定支持している。
【００２８】
ロータ１５は、突起１３の動作に従って一方向に回転する。
すなわち、図４に示すように、圧電素子１１の電極１７に、圧電素子１１を接着した振動体１２の共振周波数近傍の交番電圧を印加することにより、圧電効果により振動体１２には円周方向に３波長分の屈曲定在波は発生する。ここで、上述のような突起１３と圧電素子１１の電極１７との位置関係により、この定在波の腹と節の中間位置の一つおきの位置に突起１３が位置する。従って、突起１３が上昇するときには、左方向の変位成分を持つため、上方より突起１３に圧接する物体には、左方向に移動するような力が加わる。このような原理によりロータ１５は一方向に回転する。
【００２９】
ここで、ロータ１５はバネ１６により所定の圧力で突起１３に押さえつけられているため、効率よく突起１３の運動を受けて回転する。また、ロータ１５は摩擦係数が大きく、耐摩耗性に優れたエンジニアリングプラスチックでできている。
【００３０】
圧電素子１１に設けられた６枚の電極１７は、具体的には図５（Ａ）に示すように、方向が交互に逆転するように分極処理を施したのちに、短絡電極１７ａにより圧電素子１１の内周部で短絡された構造を採用しており、駆動信号を印加し易くしている。すなわち、図６に示すように、リード線１９により圧電素子１１の電極１７のすべてに同一の信号を入力するように接続されている。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態である超音波モータ付電子時計１は、超音波モータ１０と、超音波モータ１０の駆動回路と超音波モータ付電子時計１の源信（クロック）の発生源の双方の役割を果たす発振駆動回路２０と、発振駆動回路２０の発生する源信（クロック）を波形整形するためのインバータ２３と、その源信（クロック）を受けて動作するＣＰＵ２５および分周回路２４と、ＣＰＵ２５あるいは分周回路２４からの命令信号に基づいて発振駆動回路２０の状態を制御するためのモータ制御回路２２と、インバータ２３により波形整形された源信パルス（クロック）から１Ｈｚの周波数にまで周波数を下げるための分周回路２４と、超音波モータ１０の動力を外部に取り出して伝達する動力伝達機構３０と、動力伝達機構３０によって伝達された動力によって駆動する時刻表示針４０とから構成されている。
【００３２】
発振駆動回路２０は、リード線１９を介して圧電素子１１の電極１７に出力端子が接続されたモータ駆動用の電力増幅器としてのトライ・ステート・バッファ２１ｂと超音波モータは駆動せずに超音波モータ付電子機器の源信（クロック）を発生させるための電力増幅器としてのバッファ２１ａと、入力端子がコンデンサ１０１および振動体１２を介して圧電素子１１の電極１８とに接続されるとともに出力端子が抵抗１０３を介してバッファ２１ａおよびトライ・ステート・バッファ２１ｂの入力端子に接続された反転電力増幅器としてのインバータ２１ｃと、インバータ２１ｃの動作点を安定させるためにインバータ２１ｃに並列接続された帰還抵抗１０４と、抵抗１０３とで積分回路を構成して発振駆動回路２０の位相調整を行なうコンデンサ１０２と、により構成されている。ここで、振動体１２と圧電素子１１の電極１８とは接着されているが導通が確保されており、同電位になっているためインバータ２１ｃの入力端子は、振動体１２に接続されていても電極１８に接続されていることと同じである。
【００３３】
モータ制御回路２２は、トライ・ステート・バッファ２１ｂの制御端子に制御信号を入力し、トライ・ステート・バッファ２１ｂを能動状態あるいは非能動状態にする。トライ・ステート・バッファ２１ｂが能動状態となり電力増幅器として機能すると、超音波モータ１０の振動体１２は力強く励振され、モータ駆動を行ない、同時に超音波モータ付電子時計１の源信（クロック）を発生する。一方、モータ制御回路２２の制御信号によりトライ・ステート・バッファ２１ｂが非能動状態になると、振動体１２の励振はバッファ２１ａのみによる非常に弱い励振の状態になり、モータとしては機能せず、即ちモータは停止状態になるが、超音波モータ付電子時計１の源信（クロック）としての機能は保持され源信（クロック）は発生し続ける。
【００３４】
次に、図７を用いて、超音波モータ付電子時計１の具体的な動作方法と原理を説明する。発振駆動回路２０において、モータ制御回路２２の出力信号によりトライ・ステート・バッファ２１ｂが非能動状態になっても、バッファ２１ａは常に作動しているため、超音波モータ１０の動作は停止状態になるが、電力増幅率は低いが発振駆動回路２０の回路中の信号レベルは小さいが振動体１２の自励発振は永続する。
【００３５】
以上説明したように、本開発の超音波モータを搭載することで、源信（クロック）の発生源として水晶発振器などを機器から削除でき、本実施の形態においてもＣＰＵ２５、モータ制御回路２２、分周回路２４は正常動作を持続する。
【００３６】
ここで、超音波モータ１０の振動体１２の自励発振を応用しているため、振動体１２の固有振動数が源信（クロック）となり、分周回路２４は上記の固有振動数から超音波モータ付電子時計１の通常時の運針に必要となる１Ｈｚのパルス信号に周波数をおとすためのものであって、モータ制御回路２２は１秒毎に超音波モータ１０を駆動させて１秒ごとのステップ運針を実現している。すなわち、動力伝達機構３０は、歯車であって秒針、分針、時針からなる時計表示針４０に超音波モータの動力を伝達している。なお、この超音波モータ付電子時計１は、ＣＰＵ２５を搭載した多機能電子時計であって、リューズなどによるユーザによる外部命令に対して、所定の情報を表示するための針駆動を行なわせることができ、その場合はＣＰＵから直接モータ制御回路２２に所定の量だけ超音波モータ１０を駆動させるシステムを採用している。
【００３７】
以上のように、発振駆動回路２０は、振動体１２を励振するためのバッファが、電子機器の源信（クロック）としての機能を持たせるためのバッファ２１ａとモータ駆動をさせるためのトライ・ステート・バッファ２１ｂの２つから構成したことに特徴があり、この部分の構成とその使分けの方法が周知の超音波モータの発振駆動回路とは異なる点である。
【００３８】
これにより、従来から電子機器では不可欠であった水晶発振器などの発振器を用いずに電子時計を構成でき、安価で小型の超音波モータ付電子機器を実現できた。なお、本発明によれば、電子時計のみならず計測器、ロボット、工作機械、記憶装置など各種の電子機器も同様の効果が得られ、安価で小型の超音波モータ付電子機器を実現できる。
【００３９】
＜実施の形態２＞
次に、図８および図９を用いて本発明の第２の実施例である超音波モータ付電子時計２について説明する。
図８は、超音波モータ付電子時計２の構成を説明する図であり、図９（Ａ）はモータ制御回路５２あるいはＣＰＵ５５の出力信号を説明する図であり、同図（Ｂ）は電源５６の出力状況を説明する図であり、同図（Ｃ），同図（Ｄ）は図８中のＡ点およびＢ点の電圧波形をそれぞれ説明する図である。
【００４０】
まず、超音波モータ付電子時計２の構成について説明する。
超音波モータ付電子時計２は、超音波モータ１０と、超音波モータ１０の駆動と超音波モータ付電子時計２の源信（クロック）の発生の双方の機能を果たす発振駆動回路５０と、可変電源５６と、可変電源５６の電圧レベルを調整することで超音波モータ１０を駆動状態あるいは停止状態にするモータ制御回路５２と、超音波モータ付電子時計２の全体を制御するためのＣＰＵ５５と、超音波モータ１０の振動体１２が発振駆動回路５０により自励発振することで発生する源信（クロック）を波形整形するインバータ５３と、振動体１２の固有振動数の源信（クロック）より１Ｈｚのパルス信号を作るための分周回路５４と、超音波モータ１０の動力を外部に取り出して伝達する動力伝達機構３０と、動力伝達機構３０によって伝達された動力によって駆動する時刻表示針４０と、を主要部とする多機能時計である。
【００４１】
すなわち、超音波モータ付電子時計２は、超音波モータ付電子時計１と概略同じ構成を有するが、発振駆動回路２０の代わりに発振駆動回路５０を用いている。発振駆動回路２０では振動体１２を励振させる電力増幅器としてバッファ２１ａとトライ・ステート・バッファ２１ｂを並列に組込んだ構成になっているが、発振駆動回路５０ではバッファ５１ａのみの構成になっている点が異なり、可変電源５６を用いることで振動体１２の励振強度を電源電圧のレベルで変えて、超音波モータ１０の駆動と停止をコントロールする方式を採用している。可変電源５６は、周知の可変電源であり、モータ制御回路５２からの指示に従って出力電圧のレベルを変更する。
【００４２】
モータ制御回路５２は、振動体１２の自励発振により発生する超音波モータ付電子時計２の源信（クロック）から分周回路５４によりつくられた１Ｈｚ周期のパルス信号に基づいて、１秒毎に可変電源５６にＨＩＧＨレベルの信号を出力する。可変電源５６は、ＨＩＧＨレベルの信号が入力されると電源の出力レベルを上げて超音波モータ１０を所定の量だけ駆動させる。また、この超音波モータ付電子機器２は、実施の形態１と同様のＣＰＵを搭載した多機能時計であって、時刻表示以外の情報も表示可能であり、リューズ操作により入力された命令により、通常の時刻表示以外の針駆動を行い、日付け等の表示を行なう。この場合は、モータ制御回路５２の出力信号によらず、ＣＵＰの出力信号に基づいて可変電源５６の電圧レベルが変わり、超音波モータ１０が駆動される。
【００４３】
次に、図９を用いて超音波モータ付電子時計２の動作を説明する。可変電源５６の出力電圧は、振動体１２は自励発振するが振動体１２の励振作用が弱く超音波モータ１０の駆動には至らないレベルとなり、モータ制御回路５２あるいはＣＰＵ５５の出力がＨＩＧＨレベルのときには強い励振効果が得られ超音波モータ１０は駆動状態になる。
【００４４】
以上のように、本発明の超音波モータは、電子機器の源信（クロック）としての機能を兼ね備えており、水晶発振器やセラミック発振器などの発振器を搭載しなくても電子機器が構成できる。本実施の形態では、電子時計であるが、工作機械やロボット、情報機器など様々な電子機器に置いても同様の効果が得られ、安価で小型な機器が提供できる。
【００４５】
＜第３の実施例＞
次に、図１０〜図１４を用いて本発明の第３の実施例である超音波モータ付電子時計３について説明する。
図１０は、超音波モータ付電子時計３の構成を説明する図である。
図１１は超音波モータ付電子時計３の一構成要素である超音波モータ６０の一構成要素である振動体２０２および圧電素子６１との接着位置関係を説明する上面概略図であり、図１２は超音波モータ６０の動作を説明する概略図である。
【００４６】
図１３（Ａ）および同図（Ｂ）はそれぞれ圧電素子６１の電極６２，電極６３，電極６４，電極６５の構成を説明する概略図であり、図１４はリード線６６，リード線６７と電極６２，電極６３との接続構造を説明するための振動体２０２の縦断面図である。
【００４７】
まず、超音波モータ付電子時計３の構成について説明する。
超音波モータ付電子時計３は、超音波モータ６０と、超音波モータ６０の駆動回路と超音波モータ付電子時計３の源信（クロック）の発生源の双方の役割を果たす発振駆動回路７０と、発振駆動回路７０の発生する源信（クロック）を波形整形するためのインバータ７３と、その源信（クロック）を受けて動作するＣＰＵ７５および分周回路７４と、ＣＰＵ７５あるいは分周回路７４からの命令信号に基づいて発振駆動回路７０の状態を制御するためのモータ制御回路７２と、超音波モータ７０の動力を外部に取り出して伝達する動力伝達機構３０と、動力伝達機構３０によって伝達された動力によって駆動する時刻表示針４０とから構成されている。
【００４８】
すなわち、超音波モータ付電子時計３は、超音波モータ付電子時計１と概略同じ構成を有するが、超音波モータ１０の代わりに超音波モータ６０を、発振駆動回路２０の代わりに発振駆動回路７０を、それぞれ用いている。
【００４９】
超音波モータ６０の構成としては、基本的には実施の形態１における超音波モータ１０と同じであるが（図２参照）、圧電素子の電極構造および駆動方法が異なる。すなわち、圧電素子１１の代わりに圧電素子６１を用いており、その電極構造としては電極１７と１８の代わりに電極６２、６３、６４と６５を用いている。さらに、圧電素子６１への電圧供給としてのリード線１９の代わりにリード線６６、６７、６８を用いている。
【００５０】
圧電素子６１は、周知の圧電体を円盤状に成形したものであり、図１１に示すように、円周方向に６分割されており、さらにこの分割部を、分極方向が互い違いになるように分極した構成をとる。
さらに、この分割部すべてを半径方向に２分割し、さらに外周側を円周方向に２等分することにより、外周側に超音波モータ６０の駆動用電極６２、６３を構成する電極６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６１ｅ，６１ｆ，６１ｇ，６１ｈ，６１ｉ，６１ｊ，６１ｋ，６１ｌを、また、中心側に超音波モータ付電子時計３の源信発生用電極６４を構成する電極６１ｍ，６１ｎ，６１ｏ，６１ｐ，６１ｑ，６１ｒを備える。なお、前記した源信発生用電極６４は前記した駆動用電極６２、６３よりかなり小さく形成される。
【００５１】
また、図１４に示すように、振動体２０２の突起２０３は、駆動用電極を構成する電極６１ａ、６１ｂ、・ ・ ・、６１ｌの境界線上の一つおきの位置に配置されように圧電素子６１の電極６５の面と振動体２０２とを接着する。
【００５２】
上記の各電極の具体的な構成としては、図１３（Ａ）に示すように、駆動用電極６２を構成する電極６１ａ，６１ｃ，６１ｅ，６１ｇ，６１ｉ，６１ｋは分極処理後に源信発生用電極６４との境界付近で短絡用電極６２ａにより短絡され、リード線６６により発振駆動回路７０に結線される。同様に、駆動用電極６３を構成する電極６１ｂ，６１ｄ，６１ｆ，６１ｈ，６１ｊ，６１ｌが圧電素子６１の外周部で短絡用電極６３ａにより短絡され、リード線６７により発振駆動回路７０に結線される。
【００５３】
また、源信発生用電極６４を構成する電極６１ｍ，６１ｎ，６１ｏ，６１ｐ，６１ｑ，６１ｒは、分極処理後に図中には示していないが短絡用電極６４ａで覆っており、リード線６８により発振駆動回路７０に結線される。
【００５４】
ここで、図１１、図１２、図１３により、超音波モータ６０の動作原理について説明する。圧電素子６１の電極６５の面が振動体２０２に接着され、他方の面の駆動用電極６２、６３および源信発生用電極６４は各々発振駆動回路７０に結線される。この超音波モータ６０は、上述の通り２つの駆動用電極６２、６３を備えており、そのどちらか一方のみを選択して駆動に用いる。駆動用電極６３を用いて駆動する場合、振動体２０２に発生する屈曲定在波と突起２０３の位置関係は図１２（Ａ）のようになり、突起に上方より加圧接触するロータ１５は矢印のように右方向に回転する。逆に、駆動用電極６２を選択して駆動する場合、振動体２０２に発生する屈曲定在波と突起２０３の位置関係は図１２（Ｂ）のようになり、突起に上方より加圧接触するロータ１５は矢印のように左方向に回転する。
【００５５】
ところで、源信発生用電極６４に信号が印加されると、振動体２０２の内周部を小さい面積で励振することとなり、ロータ１５を駆動させるだけの強い励振力は振動体２０２には発生しない。すなわち、この源信発生用電極６４を用いて発振駆動回路７０により自励発振させると、超音波モータ６０は停止状態のままで、超音波モータ付電子時計３の源信（クロック）のみを発生することになる。
【００５６】
次に、図１０に基づいて発振駆動回路７０の構成について説明する。
発振駆動回路７０は、モータ駆動用の電力増幅器として２つトライ・ステート・バッファ７１ａ、７１ｂと、源信発生用の電力増幅器としてのバッファ７１ｃを備えたことが特徴になっている。２つのトライ・ステート・バッファ７１ａ、７１ｂの出力端子は、各々圧電素子６１の駆動用電極６２、６３にリード線６６、６７により接続されており、制御端子は各々モータ制御回路７２に接続されている。また、源信発生用のバッファ７１ｃの出力端子はリード線６８により源信発生用電極６４に接続されている。入力端子がコンデンサ１０１および振動体２０２を介して圧電素子６１の電極６５とに接続されるとともに出力端子が抵抗１０３を介してトライ・ステート・バッファ７１ａ、７１ｂおよびバッファ７１ｃの入力端子に接続された反転電力増幅器としてのインバータ２１ｃを有し、インバータ２１ｃには、動作点を安定させるために帰還抵抗１０４が並列に接続されている。また、抵抗１０３とで積分回路を構成して発振駆動回路７０の位相調整を行なうコンデンサ１０２が備わっている。
【００５７】
ここで、振動体２０２と圧電素子６１の電極６５とは接着されているが導通が確保されており、同電位になっているためインバータ２１ｃの入力端子は、振動体２０２に接続されていても電極６５に接続されていることと同じである。
モータ制御回路７２は、トライ・ステート・バッファ７１ａおよび７１ｂの制御端子に制御信号を入力し、モータ駆動時には回転方向に合わせてどちらか一方のみを能動状態、他方を非能動状態にし、モータを停止させておくときには双方とも非能動状態にする。モータ制御回路７２の出力信号に基づいてトライ・ステート・バッファ７１ａ、７１ｂが双方とも非能動状態にあり、モータが停止しているときも、源信発生用のバッファ７１ｃは常に能動状態を維持し、振動体２０２の自励発振を維持して源信（クロック）を発生し続ける。これにより、超音波モータ付電子時計のＣＰＵ７５、分周回路７４、モータ制御回路７２は正常機能を維持する。
【００５８】
次に、超音波モータ付電子時計３の動作について説明する。モータ制御回路７２は、振動体２０２の自励発振により発生する超音波モータ付電子時計３の源信（クロック）から分周回路７４によりつくられた１Ｈｚ周期のパルス信号に基づいて、モータ駆動命令を出力する。１Ｈｚ周期で出力されるこの命令を受け、トライ・ステート・バッファ７１ａもしくは７１ｂが能動状態となり、１秒毎に超音波モータ１０を所定の量だけ駆動させ時刻表示としての運針動作を得る。また、この超音波モータ付電子機器３は、実施の形態１と同様のＣＰＵを搭載した多機能時計であって、時刻表示以外の情報も表示可能であり、リューズ操作により入力された命令により、通常の時刻表示以外の針駆動を行い、日付け等の表示を行なう。この場合は、分周回路７４の１Ｈｚパルス信号によらず、ＣＵＰの出力信号に基づいてモータ制御回路７２は、トライ・ステート・バッファ７１ａ、７１ｂに駆動命令を出力し、超音波モータ６０を駆動する。
【００５９】
以上より、本発明の第３の実施例である超音波モータ付電子時計３によれば、時刻表示針４０を駆動させるための超音波モータ６０を、圧電素子６１の固有振動を源信（クロック）とするため、水晶振動子などの発信回路を別途設ける必要はない。
従って、超音波モータ付電子時計３は、従来と比べて小型化すると共に、低価格にて供給できる。
【００６０】
また、超音波モータ６０は逆方向にも駆動可能であるため、超音波モータ付電子時計３は、超音波モータ付電子時計１と比べてより複雑な機能を備えることができる。
【００６１】
＜第４の実施例＞
次に、図１５を用いて本発明の第４の実施例である超音波モータ付電子時計４について説明する。
図１５は超音波モータ付電子時計４の構成を説明する斜視概略図である。
【００６２】
超音波モータ付電子時計４は、超音波モータ１１０と、ＩＣ１２０（制御手段）と、超音波モータ１１０のロータから伝えられる動力によって回転する秒針駆動用歯車１３０（動力伝達手段）と、秒針駆動用歯車１３０とかみ合っている分針駆動用歯車１４０（動力伝達手段）と、分針駆動用歯車１４０とかみ合っている時針駆動用歯車１５０（動力伝達手段）と、駆動用ＩＣ１２０に加えられる電圧を安定化するコンデンサ１６０を主要部としており、例えばＳｉ製の基板１００の上にフォトリソグラフィ工程、フォトエッチング工程、フォトエレクトロフォーミング工程からなる、いわゆるフォトファブリケーション技術により形成されるワンチップ型の電子時計である。
【００６３】
超音波モータ１１０の基本構成は、例えば超音波モータ１０や超音波モータ６０と同様の構成であり、電極やリード線は半導体製造技術により、また、圧電素子はスパッタリング法により作製可能な超音波モータである。
【００６４】
ＩＣ１２０は、発振駆動回路２０、５０、７０などの発振駆動回路機能とモータ制御回路２２、５２、７２などのモータ制御回路機能と、ＣＰＵ２５、５５、７５などのＣＰＵ機能、さらには分周回路２４、５４、７４などの分周回路機能などを備えるように設計され、周知の半導体製造技術によって作製可能な集積回路であり、超音波モータ１１０のステータの自励発振を源信（クロック）として用いる。
【００６５】
秒針駆動用歯車１３０は、軸１３１を回転軸とする歯車であり、また、回転軸１３１の頭頂部には秒針１３２が取り付けられる。
この秒針駆動用歯車１３０は、周知のマイクロマシン作製技術、すなわちフォトファブリヶーション技術によって作製可能である。
【００６６】
すなわち、まず、基板１００に回転軸１３１を設ける箇所に、周知のエッチング技術を用いて窪みを形成する。次に、この孔および基板１００の表部を薄くレジストを塗布する。次に、周知のＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を回転軸１３１として必要な厚さほど堆積する。次に、周知のリソグラフィ技術を用いて酸化シリコン膜の不要箇所を除去することにより、秒針駆動用歯車１３０を、回転軸１３１も含めて形成する。この際、前記窪みおよび基板１００の表部に設けたレジストもリソグラフィに用いた溶媒によって除去されるため、秒針駆動用歯車１３０は基板１００の上に回転可能に形成される。
【００６７】
分針駆動用歯車１４０は、軸１４１を回転軸とする歯車であり、また、回転軸１４１の頭頂部には分針１４２が取り付けられる。
この分針駆動用歯車１４０は、秒針駆動用歯車１３０と同様の技術を用いて、秒針駆動用歯車１３０と同時に作製可能である。
【００６８】
時針駆動用歯車１５０は、軸１５１を回転軸とする歯車であり、また、回転軸１５１の頭頂部には時針１５２が取り付けられる。
この分針駆動用歯車１５０は、秒針駆動用歯車１３０と同様の技術を用いて、秒針駆動用歯車１３０と同時に作製可能である。
【００６９】
コンデンサ１６０も、周知の半導体製造技術により作製可能である。
【００７０】
このように、超音波モータ付電子時計４によれば、水晶振動子などの発振器を使用しないことにより、すべての構成要素が同一の基板１００上にコンパクトに製造できる。
従って、超音波モータ付電子時計４は、上述した超音波モータ付電子時計１，２，３と同様の効果を得るほか、一連のプロセスによって作製できるため、その生産効率は格段に向上し、生産コストを下げられると共に、小型化にも有利となる。
【００７１】
また、超音波モータ付電子時計４はワンチップ型であり、従来とは全く異なった構成となるため、その応用範囲も格段に広がる。
【００７２】
なお、本発明は上述した超音波モータ付電子時計１〜４に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形可能である。
例えば、適用する超音波モータは上述した超音波モータ１０，６０のような円盤型に限定されるものではなく、当然直方体型など、他のタイプの超音波モータを適用できる。また、その駆動方式も定在波型には限定されない。
【００７３】
さらに、本発明を適用する超音波モータ付電子機器は超音波モータ付電子時計に限定されるものではなく、当然、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置、記憶装置など、他の電子機器にも適用可能である。この場合は、時刻表示針の代わりに、カメラにおいてはシャッタ駆動機構やレンズ駆動機構などを、記憶装置に用いる場合は該記憶装置内の記憶媒体に情報を読み書きするヘッドを駆動するヘッド駆動機構を、工作機械においては刃具送り機構や加工部材送り機構などを用いる。
【００７４】
【発明の効果】
以上より、請求項１および請求項２に記載の発明によれば、超音波モータ付機器などにおいて水晶振動子などの発信回路を別途設ける必要はなくなるため、超音波モータ付機器を、従来と比べて小型化できると共に、低価格にて供給できる。
【００７５】
また、請求項３に記載の発明によれば、非常に簡単な制御により請求項１の発明の効果が得られる。
また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、より信頼性の高い超音波モータが得られる。
また、請求項５に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、より複雑なモータ制御ができるという効果が得られる。
【００７６】
また、請求項６に記載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、生産効率が高まり、より安価な超音波モータを供給できる。さらには、小型化にも非常に有利となる。
また、請求項７に記載の発明によれば、従来より小さくかつ安価な超音波モータ付電子機器が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である超音波モータ付電子時計１の構成を説明する図である。
【図２】超音波モータ付電子時計１に用いられる超音波モータ１０の断面概略図である。
【図３】超音波モータ１０の一構成要素である圧電素子１１および振動体１２の構成を説明する上面概略図である。
【図４】超音波モータ１０の動作を説明する概略図である。
【図５】図５（Ａ）および同図（Ｂ）はそれぞれ圧電素子１１の電極１７および電極１８の構成を説明する概略図である。
【図６】リード線１９と電極１１との接続構造を説明するための振動体１２の縦断面図である。
【図７】発振駆動回路２０の電圧波形を説明する図である。
【図８】本発明の第２の実施例である超音波モータ付電子時計２の構成を説明する図である。
【図９】図９（Ａ）はモータ制御回路５２あるいはＣＰＵ５５の出力信号を説明する図であり、同図（Ｂ）は電源５６の出力状況を説明する図であり、同図（Ｃ），同図（Ｄ）は図８中のＡ点およびＢ点の電圧波形を説明する図である。
【図１０】本発明の第３の実施例である超音波モータ付電子時計３の構成を説明する図である。
【図１１】超音波モータ付電子時計３の一構成要素である超音波モータ６０の一構成要素である振動体２０２および圧電素子６１との接着位置関係を説明する上面概略図である。
【図１２】超音波モータ６０の動作を説明する概略図である。
【図１３】図１３（Ａ）および同図（Ｂ）はそれぞれ圧電素子６１の電極６２，電極６３，電極６４，電極６５の構成を説明する概略図である。
【図１４】リード線６６，リード線６７と電極６２，電極６３との接続構造を説明するための振動体２０２の縦断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施例である超音波モータ付電子時計４の構成を説明する斜視概略図である。
【符号の説明】
１，２，３，４ 超音波モータ付電子時計
１０ 超音波モータ
１１ 圧電素子
１２ 振動体
１３ 突起
１４ 軸
１５ ロータ
１６ バネ
１７，１８ 電極
１９ リード線
２０ 発振駆動回路
２１ａ バッファ
２１ｂ トライ・ステート・バッファ
２２ モータ制御回路
２３ インバータ
２４ 分周回路
２５ ＣＰＵ
３０ 動力伝達機構
４０ 時刻表示針
１００ 基板
１１０ 超音波モータ
１２０ ＩＣ
１３０ 秒針駆動用歯車
１４０ 分針駆動用歯車
１５０ 時針駆動用歯車

Claims (7)

1. 振動波を発生するステータとしての圧電振動子と、圧電振動子に発生する振動波により駆動される移動体と、圧電振動子を自励発振させて移動体を駆動する発振駆動回路とからなる超音波モータにおいて、
   発振駆動回路の発振状態を調整して圧電振動子の自励発振を停止させることなく移動体の駆動のみを停止状態にするための発振状態調整手段を有し、
   圧電振動子の自励発振により発振駆動回路に生成される周期的信号を電子機器の中央演算処理装置あるいは論理回路などに必要となるクロック信号、すなわち源信としても用いることができるようにした、
   ことを特徴とする超音波モータ。
2. 請求項１に記載の超音波モータにおいて、
   前記発振状態調整手段は、出力電圧レベルを変化させることができる可変電源であって、可変電源により前記発振駆動回路の電源電圧を調整することにより、電子機器の源信となる周期的信号を発生させ続けた状態で超音波モータの駆動と停止および駆動状態を制御する、
   ことを特徴とする超音波モータ。
3. 請求項１に記載の超音波モータにおいて、
   前記発振状態調整手段は、前記発振駆動回路の一構成要素である出力インピーダンスを調整できる電力増幅器であって、電力増幅器の出力インピーダンスを調整することにより、電子機器の源信となる周期的信号を発生させ続けた状態で超音波モータの駆動と停止および駆動状態を制御する、
   ことを特徴とする超音波モータ。
4. 請求項３に記載の超音波モータにおいて、
   前記電力増幅器は、複数の電力増幅回路を並列接続して構成されたものであって、複数の電力増幅回路の少なくも１つは常に能動状態に保ち、他の電力増幅回路を選択的に非能動状態にすることにより、電子機器の源信となる周期的信号を発生させ続けた状態で超音波モータの駆動と停止および駆動状態を制御する、
   ことを特徴とする超音波モータ。
5. 請求項１記載の超音波モータにおいて、
   前記圧電振動子は、少なくとも超音波モータ駆動のための第１の電極と源信を発生させるための第２の電極を有し、
   前記発振状態調整手段は、前記発振駆動回路の構成要素であって出力端子を前記第１の電極に接続された第１の電力増幅器と出力端子を前記第２の電極に接続した第２の電力増幅器からなり、
   源信を発生させるための第２の電極に出力端子が接続された第２の電力増幅器は常に能動状態に保ちつつ、超音波モータ駆動のための第１の電極に出力端子が接続された第１の電力増幅器の状態を制御し、すなわち能動状態あるいは非能動状態のいずれの状態にさせるかにより、電子機器の源信となる周期的信号を発生させ続けた状態で超音波モータの駆動と停止および駆動状態を制御する、
   ことを特徴とする超音波モータ。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の超音波モータにおいて、
   振動波を発生するステータとしての圧電振動子と、
   圧電振動子に発生する振動波により駆動される移動体と、
   圧電振動子を自励発振させて移動体を駆動する発振駆動回路と、
   発振駆動回路の発振状態を調整して圧電振動子の自励発振を停止させることなく移動体の駆動のみを停止状態にするための発振状態調整手段と、
   をフォトファブリケーション技術を用いて同一基板上に作製する、
   ことを特徴とする超音波モータ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の超音波モータを有することを特徴とする超音波モータ付電子機器。

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