JPH04331485A - 振動型駆動装置および振動型駆動装置を駆動源とする装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、棒状弾性体に設けられ
た電気−機械エネルギー変換素子に電気エネルギーを供
給することにより、棒状振動子としての弾性体を振動さ
せ振動子の質点に円又は楕円運動を生じさせ、振動子に
押圧した移動体を摩擦駆動させる超音波モータに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来超音波モータとしては、円環状の弾
性体に曲げ振動を起こし、摩擦力によりレンズ駆動用移
動体を駆動させるタイプのものが、カメラ用ＡＦ機構な
どで、実用化されている。しかしこの従来のタイプのも
のは、リング形状であるため、加圧機構を含めユニット
としては、比較的コスト高であり、中空を要求されない
モータ用としてはコスト上不利である。そこで中実型で
、加圧系などの構成が容易な、図１０乃至図１３に示す
ようなタイプのモータが、近年提案された。

【０００３】ここで上記の提案にかかるモータについて
図１０〜図１３を用いて簡単に説明する。

【０００４】図１０は棒状の超音波モータの振動子の分
解斜視図であり、図１１は超音波モータ（以下ペンシル
型モータと称す）の縦断面図である。

【０００５】図１０に示す振動子は、２枚の圧電素子板
ＰＺＴ１，２を一群とする駆動用のＡ相圧電素子ａ１、
同様に２枚の圧電素子板ＰＺＴ３，４を一群とする駆動
用のＢ相圧電素子ａ２、又同様に２枚の圧電素子板ＰＺ
Ｔ５，６を一群とするセンサ用圧電素子Ｓ１を図示のよ
うに積層すると共に、これら圧電素子板間等にグランド
用電極板Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３、Ａ相駆動用の電極板Ａ、Ｂ
相駆動用の電極板Ｂ、又センサ信号取り出し用の電極板
Ｓが介装されている。そして、これら圧電素子板および
電極板を挟持するように前後に真ちゅう、ステンレス等
の振動減衰の比較的小さい金属製ブロックｂ１，ｂ２を
設け、締結ボルトｃにより金属ブロックｂ１，ｂ２を締
付けることにより一体化し、圧電素子板に圧縮応力を付
与している。

【０００６】このような振動子をペンシル型モータに用
いた例を図１１に示す。この例では、振動子の締結ボル
トｃは、先端部に細径の支柱部ｃ２を有し、この支柱部
ｃ２の先端部に固定された固定部材ｇによりモータ自体
の固定を行えるようにし、又ロータｄ等の回転支持の作
用も兼用している。ロータｄは前金属ブロックｂ１の先
端面に接触し、又ロータｄの内径部にベアリング部材ｅ
を介してバネケースｆが内装されている。バネケースｆ
内に装着されたコイルバネｈは固定部材ｇによって押圧
され、バネケースｆ、ベアリング部材ｅを介してロータ
ｄを前金属ブロックｂ１に加圧接触させる押圧力を付与
する。なお、この例において前金属ブロックｂ１は、先
端部の外周面に周溝ｂ１−１を設けているが、これはこ
の周溝ｂ１−１よりも先端部に大きい振動変位を与える
ためである。

【０００７】Ａ相圧電素子ａ１、及びＢ相圧電素子ａ２
には、夫々電極板を介して駆動信号が供給されるが、ペ
ンシル型モータとしての振動子の駆動方法、及び圧電素
子板の配置について簡単に説明すると、先ず圧電素子板
ＰＺＴ１〜６は全て同一構造に形成されていて、片面側
は直径部分に形成された電極膜非形成部を境にして対称
に電極膜部（図１０中斜線で示す）が形成されている。 そして、これら対称の電極膜部に対応した圧電素子体は
夫々異なる方向に分極処理が施されている。

【０００８】Ａ相圧電素子ａ１、Ｂ相圧電素子ａ２及び
センサ用圧電素子Ｓ１を夫々構成する一対の圧電素子板
は分極方向を正、負逆にして配置し、その直径部が直交
する９０°の位相をずらしてＡ相圧電素子ａ１とＢ相圧
電素子ａ２とが配置されている。又、センサ用圧電素子
Ｓ１は、Ａ相圧電素子ａ１と１８０°ずれた位置に配置
されている。

【０００９】一方、Ａ相圧電素子ａ１とＢ相圧電素子ａ
２には交流電圧が印加されるが、その際、９０°の時間
的位相差を有して交流電圧が夫々印加される。したがっ
て、Ａ相圧電素子ａ１による１次曲げ振動と、Ｂ相圧電
素子ａ２による１次曲げ振動の合成によって、図１２に
示すように、振動子におけるロータとの接触するＡ点は
楕円運動を行う。なお、その運動方向は振動子の形状に
より決まり、Ｚ軸に対し角度α傾むいた面内を楕円運動
する。このとき、加圧接触しているロータが摩擦駆動さ
れる。

【００１０】振動検出用のセンサ素子Ｓ１は、振動子が
振動しているとき、駆動用圧電素子に印加されている交
流電圧と、ある位相差の信号が得られる。

【００１１】図１４に図１１の様にセンサ素子Ｓ１がＡ
相圧電素子ａ１と、１８０°ずれた位置に配置したとき
の、周波数に対するＡ相圧電素子ａ１の印加電圧と、セ
ンサＳ１の出力信号の位相差の関係を示す。上記振動モ
ードで振動体を駆動すると、共振周波数ｆｒ　において
位相差θａ１−ｓ１　は、ＣＷ（時計廻り方向）ＣＣＷ
（反時計廻り方向）共に−９０°になり、共振周波数ｆ
ｒ　より高い周波数では、この位相から徐々にずれてい
く。よって、振動を与えているときにこの位相差θａ１
−ｓ１を−９０°と比較することにより、振動の状態が
共振状態にどれほど近いかを知ることができる。

【００１２】又、この位相差θａ１−ｓ１　は、ある程
度高い周波数になると、不安定領域に入り、共振時の位
相差になったりする場合があるので、ある周波数より高
い周波数の位相差θａ１−ｓ１　は、駆動制御には用い
ないという対策がとられていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、上記
従来例ではある周波数より高い周波数になると、位相差
θａ１−ｓ１　が、信頼できなくなるため、その周波数
をあらかじめ測定しておき、何らかの方法で、その情報
を除外しなければならなかった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を実現する
ための超音波モータの構成の一例は、振動子に設けられ
た駆動用の電気−機械エネルギー変換素子に駆動信号を
印加することにより、該振動子の異なる複数の平面内に
時間的に所定の位相差を有する屈曲振動を励起すると共
に、振動検出用の電気−機械エネルギー変換素子により
検出した検出信号と駆動信号との位相差に基づいて駆動
信号の出力を制御し、該振動子の表面に形成した回転運
動により、該振動子の振動表面に加圧接触している移動
体を摩擦駆動する超音波モータにおいて、該振動検出用
の電気−機械エネルギー変換素子により検出した検出信
号へ駆動信号の誘導ノイズ成分を重畳させることを特徴
とする。

【００１５】

【作用】検出信号が小さいときは、検出信号に重畳させ
た誘導ノイズ成分が明瞭に現れ、駆動信号との位相差と
なり安定した位相差が得られる。

【００１６】

【実施例】以下本発明による超音波モータを図面に示す
実施例に基づいて説明するが、振動子は、上記した図１
０に示す従来例の構成と同一構成とし、したがってＡ相
圧電素子ａ１とＢ相圧電素子ａ２とは、９０°の位相差
を有して配置されているものとする。

【００１７】第１実施例 超音波モータの振動子の駆動は、前述したようにＡ相圧
電素子と、Ｂ相圧電素子とに夫々時間的に９０°の位相
差を有する交流電圧を印加することにより、これら２つ
の１次曲げ振動の合成により駆動に供する振動を振動子
に励振するものであることは前述の通りである。ここで
センサ圧電素子は、振動子の振動によって発生する外力
（機械エネルギー）の変化を電気エネルギーに変換して
センサ信号を出力する。したがって、共振周波数におい
て駆動している場合、Ａ相圧電素子ａ１に給電される駆
動信号と、センサ圧電素子Ｓ１から出力される検出信号
とは９０°の位相差を有することになるので、この差が
９０°となるように駆動回路の周波数を制御すればよい
ことになる。

【００１８】一方、周波数が共振周波数よりもかなり高
くなると、振動の振幅は小さくなる反面、振動数が不安
定となり、共振周波数でもないのに位相差が９０°とな
ったりし、位相差による制御が非共振点で行われること
になる。このため、図１３において、振動が不安定とな
る領域では１８０°の位相差で振動が収束するようにす
れば、非共振周波数で制御されるということが防げるこ
とになる。

【００１９】図２は、本実施例の超音波モータを示す図
で、図２の（ａ）は、振動子に挟持されているセンサ圧
電素子用の電極板Ｓにリード線２０を接続し、このリー
ド線２０をＡ相圧電素子用の電極板Ａに接続されている
駆動信号給電用のリード線２１に巻つけることにより、
駆動信号による誘導ノイズを検出信号に重畳する。

【００２０】図２の（ｂ）は、Ａ相圧電素子ａ１用の電
極板Ａの外部端子部２２と、センサ圧電素子Ｓ１用の電
極Ｓの外部端子部２３とを接近させ、他の電極板の外部
端子部をこれら電極板Ａ、Ｓの外部端子部２２，２３か
ら離して配置し、センサ圧電素子Ｓ１で検出した１次曲
げ振動の検出信号に誘導ノイズ成分として外部端子部２
２，２３間を介してのせるようにしている。

【００２１】図１は、図２に示す振動子を駆動した場合
の、Ａ相圧電素子ａ１の印加交流電圧と、このＡ相圧電
素子ａ１と位置的に１８０°ずれたセンサ圧電素子Ｓ１
との位相差θａ１−ｓ１　と周波数との関係を示す。こ
の場合、周波数ｆ１　より低く、共振周波数ｆｒ　より
高い周波数領域では、振動体も十分に振動しており、セ
ンサ圧電素子Ｓ１の振幅も大きく、図１４に示す従来例
と同じように−１８０°付近から共振周波数ｆｒ　で−
９０°に達するという位相差特性を示す。

【００２２】また、周波数ｆ１　より高い周波数では振
動体の振幅が小さくなり、従って振動体の振幅が小さく
なることによりセンサ圧電素子Ｓ１の振幅も小さくなる
。

【００２３】このような状態になると、振動の振幅にう
ずもれていた駆動信号からの誘導ノイズが検出信号に現
れる。このとき、この誘導ノイズ成分は印加電圧によっ
て生じるものであるから、印加電圧に対し同じ位相関係
のまま発生し続けることになる。よって、Ａ相圧電素子
ａ１と１８０°ずれた誘導ノイズがセンサ圧電素子Ｓ１
に生じているので、位相差θａ１−ｓ１　は−１８０°
に収束することになる。

【００２４】第２実施例 図３は第２実施例を示す。

【００２５】図３の（ａ）では、フェライトまたは鉄製
のヨーク３０にセンサ用のリード線３１と、Ａ相圧電素
子用のリード線２１を巻つけており、図３の（ｂ）では
、鉄心３２にこれらのリード線３１，２１を夫々巻つけ
、磁力により誘導ノイズ成分を発生させている。

【００２６】この場合、各リード線の巻数や巻く方向に
より、誘導ノイズ成分の大きさ、位相等を調整すること
ができる。

【００２７】第３実施例 図４は第３実施例を示す回路図である。

【００２８】図において、１は位相比較器１１からの出
力に基づいて発振器２の駆動周波数を制御するコントロ
ーラ、２は９０°の位相差を有して２相の駆動信号を出
力する発振器、３及び４は発振器２の各出力を増幅する
増幅器、５及び６はコイル、７及び８はコンデンサであ
る。振動子のＡ相圧電素子ａ１には増幅器３からの駆動
信号が入力され、又Ｂ相圧電素子ａ２には増幅器４から
の駆動信号が入力される。

【００２９】９は第１コンパレータで、増幅器３からの
Ａ相駆動信号と後述の第１スレッショルド電圧が入力さ
れる。１０は第２コンパレータで、センサ圧電素子Ｓ１
からの検出信号と後述の第２スレッショルド電圧が入力
される。これら第１コンパレータ９及び第２コンパレー
タ１０の出力は位相比較器１１によりその位相が比較さ
れ、コントローラ１によって超音波モータの駆動制御に
供される。

【００３０】第１スレッショルド電圧は、Ａ相駆動信号
（ＡＳ、図５の（ａ）参照）に対して、Ａ相圧電素子ａ
１への印加電圧のデューティが５０％となるレベルの電
圧、第２スレッショルド電圧は、図５の（ａ）に示すよ
うに、センサ圧電素子Ｓ１の出力に対して、検出電圧が
大きいときは第２コンパレータ１０の出力のデューティ
が約５０％とし、検出電圧が小さくなるに従ってデュー
ティが下がり、Ａ相圧電素子ａ１との共振位相から遠の
き、より小さくなると信号が出なくなるようなレベルと
している。また、位相比較器１１は、第１コンパレータ
９の出力信号Ｈａ１と、第２コンパレータ１０の出力信
号Ｈｓ１の立ち上りの時間差Δｔを、１周期の時間Ｔで
割った値を位相差信号として出力している。

【００３１】但し、第１コンパレータ９の１周期の時間
内に、第２コンパレータ１０の出力がハイレベルになら
ないときは、位相差をある値であるという出力にするよ
うにする。

【００３２】以上述べた構成において、図５の（ａ）に
示すように、駆動出力が高い場合には、第１コンパレー
タ９の１周期において、第１コンパレータ９の出力Ｈａ
１は５０％デューティの矩形波となり、第２コンパレー
タ１０の出力Ｈｓ１はΔｔの遅れを有した約５０％デュ
ーティの矩形波となる。この場合、位相比較器１１は、
位相差信号をΔｔ／Ｔとして出力する。

【００３３】一方、図５の（ｂ）に示すように、駆動周
波数が共振点より離れ、振動振幅が小さい場合、センサ
の出力電圧は第２スレッショルド電圧よりも小さいため
、第２コンパレータ１０からは矩形波が出力されない。 この場合には、位相差比較器１１が所定の値を出力して
図１に示すように周波数にかかわらず位相差を−１８０
°とする。

【００３４】つまり、センサ圧電素子Ｓ１の出力が大き
いときは、実測したセンサ検出信号に基づいて駆動制御
を行ない、センサ圧電素子Ｓ１の出力が小さいときは、
周波数の変化に係らず一定の位相差となるようにしてい
るので、超音波モータを高精度に駆動制御することが可
能となる。

【００３５】第４実施例 図６は第４実施例を示す回路図である。

【００３６】本実施例は、Ａ相圧電素子ａ１に対する駆
動信号を、位相比較器１１の片方の入力側に入力すると
共に、分圧器１７に入力し、この分圧器１７の出力を差
動アンプ１８の（−）側に、又この差動アンプ１８の（
＋）側にセンサ検出信号を入力し、差動アンプ１８の出
力を位相比較器１１の他方の入力側に夫々入力した点が
図４に示す第２実施例の回路と異なり、他の要素は同じ
としている。

【００３７】本構成の回路は、Ａ相圧電素子ａ１の駆動
電圧を分圧器１７で分圧して微小信号とし、この微小信
号を差動アンプ１８によりセンサ検出信号から差し引く
。このときのＡ相圧電素子ａ１への電圧波形と差動アン
プ１８の出力電圧の波形の関係を図７に示す。

【００３８】図７において、共振周波数付近で駆動して
いるとき、（１）に示すＡ相圧電素子ａ１への駆動信号
に対し、センサ検出信号は（２）に示すようにΔｔずれ
て十分大きな信号である。したがって、位相比較器１１
でＡ相圧電素子ａ１の駆動信号と差動アンプ１８の出力
信号とを比較する場合、センサ検出信号は分圧器１２の
出力信号に比べて十分大きいので、差動アンプ１８の出
力信号は分圧器１２の出力信号に影響を受けない。

【００３９】一方、駆動周波数が共振周波数から離れ、
（３）に示すようにセンサ検出信号が小さくなってくる
と、分圧器１７の出力により、共振位相と離れる側へや
やシフトとする。ただ、この領域では位相差信号が少々
シフトとしたところであり、制御上は何ら問題はない。

【００４０】また、共振周波数より十分離れた領域では
、（４）に示すように、センサ検出信号は略０になる。 このとき、差動アンプ１８の出力信号は、Ａ相圧電素子
ａ１に印加している交流電圧と−１８０°ずれた信号の
みになり、位相差θａ１−ｓ１　は常に−１８０°にな
る。よって、本実施例による回路では、センサ検出信号
の大きさが小さくなる共振より外れた領域では位相差θ
ａ１−ｓ１　は−１８０°に収束する。

【００４１】第５実施例 上記の各実施例は、電気的に位相差θａ１−ｓ１　を共
振周波数より高い周波数で一定に収束させるようにして
いるが、本実施例は機械的に行うようにしている。

【００４２】本実施例は、図８に示すように、振動子を
構成する圧電素子板間等に挟持されている電極板におい
て、外部端子部を全て上下方向において一ヶ所に配置し
ている。又、これら外部端子部の向きは、センサ圧電素
子Ｓ１の直径部分に形成されている非電極膜形成部と平
行な方向としている。したがって、Ａ相圧電素子ａ１に
対しても、その非電極膜形成部と外部端子部とは平行と
なっている。

【００４３】すなわち、全ての電極板の外部端子部を上
下方向で一ヶ所に配置すると、外部端子部と直交する方
向（Ｘ方向）の剛性と、平行する方向（Ｙ方向）の剛性
が異なり、周波数の高い微小振動領域では、Ａ相圧電素
子ａ１により励振されるＸ方向の振動が出やすくなる。 このため、本実施例では、このＸ方向振動を取り出し易
い配置にセンサ圧電素子Ｓ１を設けることにより、Ｘ方
向成分のみが取り出せ、それがある一定位相差に落ちつ
くことになる。

【００４４】なお、上記した各実施例において、Ａ相圧
電素子ａ１とセンサ圧電素子の位相差を一定値にするよ
うにしているが、Ｂ相圧電素子ａ２とセンサ圧電素子と
の位相差を一定値にするようにしてもよい。

【００４５】また、上記した第１、第２、第３及び第４
実施例は、棒状の超音波モータに限らず、円環型の超音
波モータに対しても適用することができる。

【００４６】図９は本発明による超音波モータを使用し
て、光学レンズの鏡筒を駆動する場合の構成例である。 １２は移動体ｄと同軸的に接合された歯車で、回転出力
を歯車１３に伝達し、歯車１３と噛み合う歯車を持った
鏡筒１４を回転させる。移動体ｄ及び鏡筒１４の回転位
置、回転速度を検出するために光学式エンコーダスリッ
ト板１５が歯車１３と同軸に配置されフォトカプラ１６
で位置、速度を検出する。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、駆
動信号と検出信号との位相差に基づいて共振周波数での
駆動制御を行う際、共振周波数よりも十分に高い周波数
が一定の位相差に収束するので、周波数全域において位
相差信号を情報として制御に用いることができ、超音波
モータを効率よく駆動制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２に示す第１実施例の周波数対位相差特性を
示す図。

【図２】第１実施例を示す超音波モータの外観斜視図。

【図３】第２実施例を示す超音波モータの外観斜視図。

【図４】第３実施例を示す回路図。

【図５】第４の回路の動作波形図。

【図６】第４実施例を示す回路図。

【図７】図６の回路の動作波形図。

【図８】第５実施例を示す図。

【図９】超音波モータを駆動源とするレンズ駆動装置を
示す図。

【図１０】従来の超音波モータの分解斜視図。

【図１１】従来の超音波モータの断面図。

【図１２】超音波モータの動作原理を示す図。

【図１３】従来の超音波モータの周波数対位相差特性を
示す図。

【符号の説明】

ａ１…Ａ相圧電素子　　　　　　　　　　　　１…コン
トローラａ２…Ｂ相圧電素子　　　　　　　　　　　　
２…発振器Ｓ１…センサ圧電素子　　　　　　　　　　
３，４…増幅器ｃ…ボルト　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　５，６…コイルｄ…移動体　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　７，８…コンデンサｅ…
ベアリング　　　　　　　　　　　　　　　　９…第１
コンパレータｆ…バネケース　　　　　　　　　　　　
　　　　１０…第２コンパレータ ｇ…振動子固定部材　　　　　　　　　　　　１１…位
相比較器ｈ…コイルバネ　　　　　　　　　　　　　　
　　１２…歯車１３…歯車 １４…鏡筒 １５…エンコーダスリット板 １６…フォトカプラ １７…分圧器 １８…差動アンプ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　振動子に設けられた駆動用の電気−機
   械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより
   、該振動子の異なる複数の平面内に時間的に所定の位相
   差を有する屈曲振動を励起すると共に、振動検出用の電
   気−機械エネルギー変換素子により検出した検出信号と
   駆動信号との位相差に基づいて駆動信号の出力を制御し
   、該振動子の表面に形成した回転運動により、該振動子
   の振動表面に加圧接触している移動体を摩擦駆動する超
   音波モータにおいて、該振動検出用の電気−機械エネル
   ギー変換素子により検出した検出信号へ駆動信号の誘導
   ノイズ成分を重畳させることを特徴とする超音波モータ
   。
2. 【請求項２】　　振動子に設けられた駆動用の電気−機
   械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより
   、該振動子の異なる複数の平面内に時間的に所定の位相
   差を有する屈曲振動を励起すると共に、振動検出用の電
   気−機械エネルギー変換素子により検出した検出信号と
   駆動信号との位相差に基づいて駆動信号の出力を制御し
   、該振動子の表面に形成した回転運動により、該振動子
   の振動表面に加圧接触している移動体を摩擦駆動する超
   音波モータにおいて、駆動信号の電圧が第１の基準信号
   の電圧よりも大なる場合に第１の比較信号を出力する第
   １の比較手段と、検出信号の電圧が第２の基準信号の電
   圧よりも大なる場合に第２の比較信号を出力する第２の
   比較手段と、該第１の比較信号と該第２の比較信号に基
   づいて位相を比較する位相比較手段とを有し、該位相比
   較手段は該第２の比較信号が第２の比較手段より出力さ
   れない場合には、位相差を一定にすることを特徴とする
   超音波モータ。
3. 【請求項３】　　振動子に設けられた駆動用の電気−機
   械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより
   、該振動子の異なる複数の平面内に時間的に所定の位相
   差を有する屈曲振動を励起すると共に、振動検出用の電
   気−機械エネルギー変換素子により検出した検出信号と
   駆動信号との位相差に基づいて駆動信号の出力を制御し
   、該振動子の表面に形成した回転運動により、該振動子
   の振動表面に加圧接触している移動体を摩擦駆動する超
   音波モータにおいて、検出信号と大幅に降圧された駆動
   信号とを比較する比較手段と、駆動信号と該比較手段の
   出力信号との位相差を比較する位相比較手段とを有する
   ことを特徴とする超音波モータ。
4. 【請求項４】　　振動子に設けられた駆動用の電気−機
   械エネルギー変換素子に駆動信号を印加することにより
   、該振動子の異なる複数の平面内に時間的に所定の位相
   差を有する屈曲振動を励起すると共に、振動検出用の電
   気−機械エネルギー変換素子により検出した検出信号と
   駆動信号との位相差に基づいて駆動信号の出力を制御し
   、該振動子の表面に形成した回転運動により、該振動子
   の振動表面に加圧接触している移動体を摩擦駆動する超
   音波モータにおいて、振動子に設けられる電気−機械エ
   ネルギー変換素子に駆動信号を供給するため及び電気−
   機械エネルギー変換素子から検出信号を取り出すために
   設けられた電極板の外部端子部を全て上下方向において
   所定の位置に合わせたことを特徴とする超音波モータ。
5. 【請求項５】　　請求項１，２，３又は４に記載の超音
   波モータを駆動源とする装置であって、該超音波モータ
   の移動部材により駆動される出力部材を有することを特
   徴とする装置。