JPH0438180A - 超音波モータとその駆動方法 - 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】 ［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。

〔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〕

上記問題点を解決するために、片面に圧電素子を備え、
この圧電素子により加振される振動体と、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、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
、この圧電体リングは、その円環方向に沿って円周の整
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
素列とを有しており、これらの第１の圧電体要素列と第
２の圧電体要素列に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、本発明が講じた手
段は、 移動体には、振動体側の表面上に回転方向に沿って、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
半分の間隔で、切り欠き部又は凹部からなる振動体に対
する非接触部分を形成するものである。

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！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
！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ｊＥ！（高出力インピ
ーダンス状Ｍ）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、定常汲
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１１極と第２１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１
８０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＋Ｕ又はＡ
＋’Ｅｒ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。

第　　　　１　　　表 ここで、波数とは、圧電リング３によってステータ２上
に定常波が同波要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）毎に示しである。

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であ
る。本実施例において使用するステータの場合には、は
ぼ次のような共振周波数が得られる。

３λ　　・・・　　３２ｋＨ２ ２λ　　−１７ｋ）（ｚ ４　λ−５０ｋＨｚ 本実施例では、はぼ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
．、．３０．、．３０．、からなるＡ相と、圧電体要素
３０．、．３０ｂ２，３０．３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．．。

３０、□、３０．．と３０．、．３０．、．３０ｂ３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）の十と−
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　ｍ＋＋　　７１
１２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３
０．、．３０．２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．、
．３０．、．３０．３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３０ｂ＋、３０ｏ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３０．３と３０１，３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□＋Ｌ！＋３１１１＋　　
３ｃ　＋　　３ｋｌ＋　　３ｂ□、３い、７．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、とＰｂにステータ
２から及ぼされる応力Ｆ、とＦ、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資受けて回転する
。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、とＦ、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の回転角電極めて正
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顧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ｌ
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３
Ａ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３ｍ＋＋　　３＆Ｚ＋　　Ｌ３＋　
　３Ｃ＋　　３ｂｌ＋　　３ｂ！＋　　３ｂ３＋　　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０３０１からは、所定周波数の制御信号がＡＮ
ＤゲートＡ、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）　Ａ　ｔに、それぞ
れ供給されている。一方、発振回路０３Ｃ２は基準パル
スをワンショット回路０３ｚ−とＯ３！、に対して供給
し、これらはＡＮＤゲー）　Ａ　＋　とＡ２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、Ａ
ＮＤゲートＡ：はドライバＤ＾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、ＡＮＤゲ
）Ａ＋　はドライバＤ、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０
３ＣＩからドライバＤＣ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０３Ｃ２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Ｏ８！、とＯ１９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Ａｚ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ＡＩとＡ、の双方が開く
ことになり、互いに９０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■では、ＡＮ
Ｄゲー）Ａｔが遮断され、端子ＢにはドライバＤ、から
の駆動信号が供給されないので、圧電体リング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■においては、ＡＮＤゲー）Ａ＋　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Ｈ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■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■によってロータ１の
回転を静止させた後、期間■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ｌの
回転角度は期間Ｈ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■においては、ドライバＤＡ及びり、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７
ａ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０３ＣＩ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。

く第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０３ＣＩから出力された制御信
号はドライバＤｃ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１１を介して反転信号とな
り、この反転信号がドライバＤＡ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、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Ａ、、Ａ、と、ＯＲ回路０１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０３Ｃ２から出力され、カウ
ンタ回路と４ステ一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０．．０．
．０４を介して前記各ドライバＤｃ、Ｄａ、Ｄｍを制御
する。ドライバＤｃ　、ＤＡ、Ｄｍ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ＤＡ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■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Ｄ３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■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、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ステ一ト発生回路か
らのステート信号（３）が入力されているので、期間■
においてはドライバＤＡ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Ｄｃ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■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１２図（２）に示
すように、期間Ｈ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■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
■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■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■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Ｈにおいては、第１
３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■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、位相カ月８
０度ずれたＢ相の変形に基づく定常波Ｂとの合成波Ａ十
Ｋが発生し、更に、期間■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■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。、ＤＡ、Ｄｓ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１
３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３０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８０．１．　８０−ｚ、　　・・・８０１．まで
、Ｂ相として圧電体要素８０ｂ１．　　Ｂ　Ｏｂｔ。

・・・８０ｂ９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ＬＱ　（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＋ＩＪ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、定常波の周期の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、、．３０．□、・・・・・・圧電体要素５・・・
歯 Ｄａ　、ＤＢ　、Ｄｃ・・・ドライバ Ａ、Ｂ・・・定常波 Ａ＋Ｂ、　Ａ＋ＩＪ・・・合成定常波。 第７図 第２図 第４図 第６図 第８図 第９図 第７７図 第７０図 第１３図 第７２図 ＡＣＱＢ ＡＣ ｓ −〇ｃ Ｃ 第１６図 第７７図 スデーグＪｐｆ（ｒｒｖｒ＋＋

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 　（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いる
   ことを特徴とする超音波モータ。
2. 　（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。
3. 　（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
   。
4. 　（４）　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１／６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
   。
5. 　（５）　前記第１の圧電体要素列と第２の圧電体要素
   列とは、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。
6. 　（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
   。
7. 　（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。
8. 　（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。
9. 　（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。
10. 　（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。