JP4442965B2 - 超音波モータ及び超音波モータ付き電子機器 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を有する振動体により移動体を摩擦駆動させる超音波モータ及び、この超音波モータを用いた電子機器に係わり、特に超音波モータを振動子として利用することで、自励発振駆動する超音波モータに関する。
【従来の技術】
近年、各種電子機器における新原理アクチュエータとして、超音波モータが注目され、カメラのオートフォーカス駆動を初め様々な分野での応用が試みられている。超音波モータの駆動方式としては、外部の発振回路により作られた周波信号を圧電素子に印加し、圧電素子を有する振動体を所定の振動モードで励振する他励振駆動方式が一般的に採られている。しかし、最近では、回路構成が複雑なことから、他励振駆動方式に代わり超音波モータを振動子として利用し、振動子の共振点で発振させる自励振駆動方式が試みられ、実用化が進んでいる。
このような回路を利用することで、回路の小型・簡素化が図れ、強いては駆動回路を搭載する機器の小型化、低価格化が図れる。例えば特公平８−１０７６８６に、このような超音波モータの自励発振駆動の提案がされている。
【発明が解決しようとする課題】
上記のような自励発振回路を利用して超音波モータの駆動を行った場合、移動体の駆動方向を変えるには、駆動信号を印加する圧電素子の電極を選択し、振動体に発生する振動波の位置的な位相を変えることで実現している。しかし、この場合、駆動に使用される圧電素子の実動部分が少なくなり大きな出力が得られないという問題があった。
そこで本発明は、振動体に設けられた圧電素子全体を利用することで小型で高出力が得られる超音波モータについて、移動体の移動方向の可変が可能な自励発振回路を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
本発明は、少なくとも二つの電極群を有し、二つの電極群に同相あるいは逆相の駆動信号を印加することで移動体の駆動方向を可変可能な超音波モータについて、自励発振駆動を実現させるものである。
本発明は、共通電極と、二つの駆動用電極を有し、この共通電極と駆動用電極の間に駆動信号を入力することで前記振動体を振動させる前記圧電素子と、前記二つの駆動用電極をひとつの接続点で結線する結線手段と、前記接続点と一方の駆動用電極との間に設けられ、外部からの指令信号に基づいて、前記駆動信号の位相を逆転させるか否かを切り替える切り替え手段と、を備えることで、移動体の移動方向を可変可能とすることを特徴とする。これにより、圧電素子全体を駆動に使用しながら移動体の駆動方向を制御できる超音波モータの自励発振駆動が実現できる。
また、本発明は、前記の超音波モータにおいて振動体と容量性素子とにより構成されたＬＣ共振回路を利用するとともに、前記切り替え手段を振動体と容量性素子の間に設けることを特徴とする。この発明によれば、水晶振動子で広く使用されているコルピッツ発振回路を利用することで、圧電素子全体を使った駆動での正逆転制御が可能となる。
更に、本発明は、前記の超音波モータであって、前記圧電素子の他方の面に前記複数の駆動用電極とは別に設けた検出用電極を有し、前記検出用電極から得られる検出信号を増幅回路で増幅し、前記駆動用電極に出力することにより自励発振回路を構成することを特徴とする。この発明によれば、振動帰還型の自励発振回路を利用することで、圧電素子全体を使った駆動での正逆転制御が可能となる。 更に、本発明は、前記の超音波モータにおいて、前記切り替え手段は増幅回路で構成されるとともに、駆動信号の位相の逆転の有無に係わらず駆動信号の大きさが同等であることを特徴とする。これにより、前記切り替え手段で駆動信号のロスをすること無く、逆に圧電素子に大きな駆動信号を供給することが可能となり、安定かつ高出力な駆動が可能となる。また移動体出力は、移動体の移動方向に関係なく一定となる。
更に、本発明は、前記切り替え手段と接続されていない前記駆動用電極に供給される駆動信号を、前記切り替え手段と接続されている前記駆動用電極に供給される駆動信号の大きさと同等になるように、駆動信号を調整する駆動信号調整回路を設けたことを特徴とする。これにより、二つの電極に供給する駆動信号を等しく出来るため、振動体に発生する振動のバランスがとれ、安定で高出力な駆動が可能となる。
更に、本発明によれば、前記の超音波モータを備えたことを特徴とする超音波モータ付き電子機器が実現でき、電子機器の小型化が可能となる。
【発明の実施の形態】
下図１から図９を参照して本発明を適用した実施の形態を詳細に説明する。
｛実施の形態1｝
本発明に適用可能な超音波モータの例について、説明する。
図1（Ａ）及び（Ｂ）に、本発明の自励発振回路の実施の形態1を示す。
図２は、本発明に適用可能な超音波モータ１の構造を、図３（Ａ）から（Ｄ）は超音波モータ１の動作原理を示したものである。まず本発明に係わる超音波モータの動作原理について説明する。図２において、円板状の振動体６は、その中心を支持板９に固定された中心軸１０によって支持されている。振動体６の第1の面には、圧電素子７が接合されており、第2の面には振動体６の振動変位を拡大し、移動体８に回転力を与える突起６ａが設けられている。移動体８の中心には軸受け５が設けられ、その中心を中心軸１０で案内している。また軸受け５の内輪をばね部材４によって加圧することにより、振動体６の突起６ａと移動体８の摩擦部材８ａの間に接触圧を与える。圧電素子７の圧電効果によって振動体６に励振された振動波は、摩擦力を介して移動体８の回転力に変換される。
図３に詳細な動作原理を示す。振動体６に接合される圧電素子７は円周方向に４分の1波長毎に分割され、一つおきに方向が逆になるように厚み方向に分極処理されている。各電極パターンを一つおきに電気的に短絡し、斜線部１２ａと非斜線部１２ｂの二つの電極パターン群を構成する。そして、振動体６の突起６ａがちょうど斜線部１２ａもしくは非斜線部１２ｂ電極パターンの何れかの小電極の中央に位置するように、振動体６と圧電素子７が接合される。接合面は全体に渡って電極１２ｃが設けられている。
斜線部のパターン群１２ａと非斜線部のパターン群１２ｂに所定の周波数で位相が同じ駆動信号が印加されると、振動体６には図３（Ｃ）に示したような定在波が発生する。この時上昇した突起６ａは右に傾くため、これと接する移動体８は右に移動する。
次に、斜線部のパターン群１２ａと非斜線部のパターン群１２ｂに位相が１８０度異なる信号を印加すると、振動体６には図３（Ｄ）のような定在波が発生し、移動体８は今度は左方向に移動する。このように圧電素子の一方の面を共通電極１２ｃとし、他方の面に二つの電極群１２ａ、１２ｂを設け、二つの電極群１２ａ、１２ｂに同相あるいは逆相の駆動信号を印加することにより振動体に発生する定在波の位置をずらし、振動体に接する移動体の移動方向を制御することが可能となる。
本実施例の圧電素子７を用いれば、周方向に３つの波数を有する定在波が励振できる。
また周波数によって径方向の節の数が異なるため、励振する振動モードの径方向に対する振幅最大部に突起６ａを設けることが好ましい。
図４は、本発明に適用可能な超音波モータの別の例の構造を示したものである。矩形状の振動体１００は、上面に電極が設けられた複数の板状圧電素子１０１、１０１、１０１、１０２、１０２、１０２を一体的に焼結した構造となっている。詳細には図５（Ａ）から（Ｆ）に示す。板状圧電素子１０１は、図５（Ｂ）に示すように上面を4つの電極１０１a、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄに分割されたものと、図５（Ｃ）に示すように、上面をほぼ全体に電極１０１ｅが付けられた二つのタイプが有り、これらを交互に積み重ねたときの接合面は、共通電極となっている。
板状圧電素子１０２は、図５（Ｄ）に示すように上面をほぼ全面に電極１０２ａが設けられたものと、図５（Ｅ）に示すように上面をほぼ全面に電極１０２ｂが付けられた二つのタイプが有り、これらを交互に積み重ねたときの接合面は、共通電極となっている。当然の事ながら、板状圧電素子１０１と１０２の接合面も共通電極となる。
各電極には、振動体１００の側面１００ａもしくは１００ｂに引き出された引き出し電極１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、１０６ｅ、１０６ｆがあり、振動体１００全体を焼結後、振動体の側面１００ａもしくは１００ｂで短絡することにより各電極は導通される。従って、電極１０１ｅ、１０２ｂは板状圧電素子１０１、１０２の共通電極となる。
このように振動体の焼結、電極の短絡が終了した後で、電極１０１ｅ、１０２ｂを基準として各電極には高電圧が印加され図中の＋、−の方向に分極処理がなされる。電極１０１ｅ、１０２ｂは引き出し電極１０６ｅにより短絡される。
ここで、図６に示すように板状圧電素子１０１には電極１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄを短絡し、一つの電極群とし、電極１０６eを基準として信号を印加することで屈曲振動Ａが発生する。板状圧電素子１０２には、電極１０６ｅを基準として電極１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄと同相の信号を電極１０６ｆに印加することにより、伸び振動Ｂが発生する。振動体１００にはこれら二つの振動の合成振動Ｃが発生し、その側面に接触された移動体を駆動することができる。例えば、振動体１００の側面の一部に突起１１０を設けることにより、効率よく出力を取り出すことが可能である。
また、電極１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄと電極１０６ｆに逆相の信号を印加することで、二つの振動の合成変位の方向を逆転させ、移動体の移動方向を逆転させることができる。
再度、図1に戻って本発明の自励発振回路の実施の形態1を説明する。図1（Ａ）において、自励発振回路２０は振動体の一部もしくは全体となる圧電素子７もしくは１００と、コンデンサ２２，２４と、抵抗２１、２３とインバータ２５、２８とバッファ２６，２７とから構成される。
図1（Ａ）は、コルピッツ型の自励発振回路を用いた超音波モータの駆動回路を示したものである。コルピッツ型の発振回路は、共振点と反共振点の間で圧電素子７もしくは１００が誘導性となることを利用して発振回路を構成したものである。圧電素子７もしくは１００は、二つのコンデンサ２２、２４とでＬＣ共振回路を構成する。インバータ２５および帰還抵抗２１により構成された反転増幅回路は、共振回路からの信号を反転増幅し、共振回路に戻すことで発振を持続する。抵抗２３は、コンデンサ２４とでローパスフィルタを構成し、振動体の高次のスプリアスモードの信号を遮断する。
電極１２ａもしくは１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄにはバッファ２６が、電極１２ｂもしくは１０２ａにはバッファ２７とインバータ２８が接続されており、バッファ２６，２７、インバータ２８の入力部は、接続点２０ｂで一つに接続される。ここでインバータ２５、２８およびバッファ２７はトライステート構成のものであり、制御端子２５ａ、２７ａ、２８ａに入力される信号次第で、能動状態、非能動状態（高インピーダンス状態）の二つの状態とすることができる。例えば、制御端子２５ａ、２７ａ、２８ａにＨｉｇｈレベルの指令信号が入力されると、インバータ２５、２８及びバッファ２７は、能動状態すなわちＯＮ状態となり、ＬＯＷレベルの指令信号が入力されると非能動状態、すなわちＯＦＦ状態となる。
従って、インバータ２５を高インピーダンス状態とすることで、駆動回路並びに超音波モータをＯＦＦにすることが出来る。また、バッファ２７とインバータ２８の何れかを高インピーダンス状態とすることで、移動体の動作方向を可変することができる。例えばバッファ２７をＯＮ状態とし、インバータ２８をＯＦＦ状態とすれば、電極１２ａもしくは１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと電極１２ｂもしくは１０２ａには同相の駆動信号が印加される。しかしバッファ２７をＯＦＦ状態とし、インバータ２８をＯＮ状態とすれば、電極１２ａもしくは１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと電極１２ｂもしくは１０２ａには逆相の駆動信号が印加される。
バッファ２６は無くとも構わないが、ここではインバータ２８、バッファ２７と同様に増幅回路として働き、またインバータ２８、バッファ２７と同等の出力特性を有するため、電極１２ａもしくは１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと電極１２ｂもしくは１０２ａに同等のレベルの信号を供給する。また、位相逆転手段を増幅回路となるインバータ２８、バッファ２７で構成することにより、電極１２ｂもしくは１０２ａに供給する信号を低下させない効果もある。更に、位相逆転手段を出力特性が同等なインバータ２８とバッファ２７の選択方式とすることで、移動体８の出力は移動体の移動方向によらず一定となる。
電極１２ａもしくは１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄにバッファ２７、インバータ２８を、電極１２ｂもしくは１０２ａにはバッファ２６を接続しても構わない。
図1（Ｂ）は、図1（Ａ）の変形例である。自励発振回路２０の中で２０ａ、２０ｂの間の構成を変えたものである。ここでは、電極１２ｂもしくは電極１０２ａの出力信号を、バッファ４７を通すかインバータ４８を通すかを外部からの制御信号によって決定し、自励発振回路２０に出力信号と同相の信号を戻すか、あるいは逆相の信号を戻すかを決定する。逆相の信号を戻した場合には、電極１２ａもしくは１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと電極１２ｂもしくは１０２ａに逆相の駆動信号を加えたことと等価となり、移動体８の移動方向は逆転する。
｛実施の形態２｝
図７に、本発明の自励発振回路の実施の形態２を示す。
図８（Ａ）及び（Ｂ）には、本発明に実施可能な超音波モータの構造を示す。
基本的には図４に示した振動体１００と変わりはなく、板状圧電素子１０２の電極を図５の（Ｄ）に示した電極から図８の（Ｂ）に示した電極に変えればよい。
ここで、電極１０６ｇは電極１０２ａとは別に設けられ、振動体１００の振動状態を検出できるようになっている。各電極１０６ｇも、側面１００ａで短絡される。
圧電素子から構成される振動体１００には、振動状態検出用電極１０６ｇと駆動用電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと１０２ａが設けられている。検出用電極１０６ｇによって検出された信号は、増幅回路によって増幅され、駆動用電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと１０２ａに供給されることで振動が持続し、振動帰還型の自励発振回路３０が構成される。
図７においては検出用電極１０６ｇによって検出された信号は、トライステート構成インバータ３４，３５と帰還抵抗３１，３３とによって構成される増幅回路により増幅される。抵抗３２とコンデンサ３９とで構成されるローパスフィルタは、振動体の高次のスプリアスモードの信号を遮断するとともに、検出された信号の位相を調整し発振周波数を調整する。
増幅回路、フィルタ回路の構成は、本実施例に示したものに限るものではない。電極１０２ａにはバッファ３７が、電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄにはトライステート構成のバッファ３８とトライステート構成のインバータ３６が接続されている。実施の形態１同様に、バッファ３８とインバータ３６のどちらを高インピーダンス状態にするかによって、電極１０１a、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄと電極１０２ａに印加する信号の位相を同相とするか逆相とするか可変可能であり、移動体の移動方向を変えることが可能である。
また、インバータ３４，３５を高インピーダンス状態とすることで、駆動回路並びに超音波モータ１の駆動をＯＦＦにすることができる。
電極１０２aにバッファ３８、インバータ３６を、電極１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄにバッファ３７を接続しても構わない。
振動状態検出用電極１０６ｇは板状圧電素子１０２に設けたが、板状圧電素子１０１に設けてもよいし、また、板状圧電素子１０１，１０２とは別の圧電素子に設け、板状圧電素子１０１，１０２と一体的に焼結しても構わない。
また、検出用電極を持っていれば超音波モータの構造に制限はなく、超音波モータ１の圧電素子７に検出用電極を設ければ、本実施例を実施することができる。
｛実施の形態３｝
図９に、本発明に係わる超音波モータを電子機器に適用した実施の形態３のブロック図を示す。
本電子機器は、前述の振動体６と振動体６により駆動される移動体８と、移動体８と振動体６に接触圧を与える加圧手段４と、移動体８と連動して可動する伝達機構４１と、伝達機構４１の動作に基づいて運動する出力機構４２を備えることを特徴とする。
ここで、伝達機構４１には、例えば、歯車、摩擦車等の伝達車を用い、これを直接移動体８に形成する。伝達機構４１を省略し、直接出力機構を設けても構わない。出力機構４２には、例えば、指示装置や電子時計においては指針あるいは指針駆動機構やカレンダ等の表示板、あるいは表示板駆動機構を、コピー機やプリンタにおいてはレーザーの方向を変えるミラーを、カメラやビデオカメラにおいてはシャッタ駆動機構、絞り駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、レーザーや光を利用した計測器や製造装置、センサーにおいては光の遮断・透過や特定波長の光のみを透過するスリット板やフィルターを、音響機器のボリュウム等には抵抗値や容量値を可変する接点機構やギャップ板を、ハードディスクや光ディスクにおいてはピックアップ駆動機構を用いる。
また、移動体８に出力軸を取り付け、出力軸からトルクを伝達する動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ自身で駆動機構が実現できる。
本発明の超音波モータを電子機器に適用することにより、電子機器の低電圧化、低消費電力化、小型化、低コスト化が実現できる。超音波モータを利用することから当然、磁気の影響を受けずまた、有害な磁気ノイズも発生しない。
【発明の効果】
以上のように、本発明は少なくとも二つの電極群を有し、二つの電極群に同相あるいは逆相の駆動信号を印加することで、移動体の駆動方向を可変可能な超音波モータについて自励発振駆動を実現させるものであり、これにより構成が簡易な自励発振回路を用いて、圧電素子全体を駆動に使った超音波モータの駆動、更には移動体の駆動方向を容易に制御できるようになる。
従って、低電圧で高出力の超音波モータが実現でき、更には駆動回路、超音波モータの小型化は可能になり超音波モータ並びに駆動回路を搭載する電子機器を小型化できるとともに、低価格化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータの駆動回路の例を示したものである。
【図２】本発明の超音波モータの構造の断面図を示したものである。
【図３】本発明の超音波モータの駆動原理を示したものである。
【図４】本発明の超音波モータの構造の例を示したものである。
【図５】本発明の超音波モータの構造の別の例の圧電素子の電極パターンを示したものである。
【図６】本発明の超音波モータの動作原理の別の例を示したものである。
【図７】本発明の超音波モータの駆動回路の別の例を示したものである。
【図８】本発明の超音波モータの圧電素子の電極パターンの別の例を示したものである。
【図９】本発明に係わるの超音波モータを電子機器に適用した例を示したものである。
【符号の説明】
１ 超音波モータ
４ 加圧機構
５ 軸受け
６ 振動体
７、 １００ 圧電素子
８ 移動体
９ 支持板
１０ 中心軸
２５，２８，４８，３４，３５，３６ インバータ
２６，２７，４６，４７，３７，３８ バッファ

Claims (3)

1. 圧電素子を有する振動体と、
   前記振動体の振動により駆動される移動体と、
   前記圧電素子に設けられた共通電極と二つの駆動用電極と、
   前記二つの駆動用電極をひとつの接続点で結線する結線手段と、
   一方の端子が前記接続点と導通され他方の端子が接地された第一の容量性素子 と、
   一方の端子が前記共通電極と導通され他方の端子が接地された第二の容量性素子と、
   前記共通電極に入力側の端子が接続され前記接続点に出力側の端子が接続される増幅回路と、
   前記接続点と一方の駆動用電極との間に設けられ、外部からの指令信号に基づいて、前記駆動信号の位相を逆転させるか否かを切り替える切り替え手段と、
   からなり前記振動体を自励発振させる超音波モータであって、
   前記駆動用電極のうち、前記切り替え手段と接続されていない駆動用電極に供給される前記駆動信号と、前記切り替え手段と接続されている駆動用電極に供給される駆動信号の大きさとが同等になるように、前記駆動信号を調整する駆動信号調整回路を設けるとともに、
   前記切り替え手段は、増幅回路で構成され、前記切り替え手段により逆転される前記駆動信号は、その位相の逆転の有無に係わらず大きさが変わらないことを特徴とする超音波モータ。
2. 圧電素子を有する振動体と、
   前記振動体の振動により駆動される移動体と、前記圧電素子に設けられた共通電極と二つの駆動用電極と、
   前記圧電素子の前記二つの駆動用電極を有する面に、前記二つの駆動用電極とは別に設けた検出用電極と、
   前記検出用電極から得られる検出信号を増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路の出力側端子と一方の駆動用電極との間に設けられ、外部からの指令信号に基づいて、前記駆動信号の位相を逆転させるか否かを切り替える切り替え手段と、
   からなり前記振動体を自励発振させる超音波モータであって、
   前記駆動用電極のうち、前記切り替え手段と接続されていない駆動用電極に供給される前記駆動信号と、前記駆動用電極のうち、前記切り替え手段と接続されている駆動用電極に供給される駆動信号の大きさとが同等になるように、前記駆動信号を調整する駆動信号調整回路を設けるとともに、
   前記切り替え手段は、増幅回路で構成され、前記切り替え手段により逆転される前記駆動信号は、その位相の逆転の有無に係わらず大きさが変わらないことを特徴とする超音波モータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の超音波モータを備えたことを特徴とする超音波モータ付き電子機器。

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