JPH07123752A - 超音波モータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 停止下において超音波モータ内の温度を低下
させないようにして起動を容易にする。 【構成】 信号供給部４７は、発振回路５１及びドライ
ブ回路５５を介した第１の駆動信号ＳＩＮと、発振回路
５１、位相シフト回路５３及びドライブ回路５７を介し
た第２の駆動信号ＣＯＳとを超音波モータＭの圧電振動
板１１に供給して回転駆動する。信号供給部４７は、超
音波モータＭの停止時に、回転制御回路４９及び位相制
御回路５９を介して位相シフト回路５１からの信号φ２
の出力を停止する。第１の駆動信号ＳＩＮのみが供給さ
れた超音波モータＭでは、導電性弾性体９における進行
性振動波の発生が抑えられる一方、圧電振動板１１及び
導電性弾性体９が振動して発熱が生じる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超音波モータ装置に係
り、特に、起動特性を改良した超音波モータ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に超音波モータは、例えば図４に示
すような構成を有している。すなわち、中央の貫通孔に
ラジアル型ベアリング１をはめた基台３に環状の凹部５
を形成し、上端面側（図４中の上側）に一体的に突出す
る凸環部７を有するステータとしての金属製の導電性弾
性体９をその基台３に固定し、図５のようにこの弾性体
９の凸環部７に放射状方向の切込み７ａ（図４では省
略）を形成して凸環部７を周方向に多数分割し、その弾
性体９の他方の端面（図４中下側）であって凸環部７と
重合う位置にリング板状の圧電振動板１１を貼付け、こ
の圧電振動板１１に可撓性プリント基板１３を接続して
外部へ導出している。

【０００３】また、基台３にはカップ状の金属製ケース
１５を被せ、ケース１５の中央突出部内に軸受１７とス
ラスト型ベアリング１９を固定し、ベアリング１、軸受
１７およびベアリング１９でシャフト２１を軸支し、シ
ャフト２１には移動体としての円盤状回転体２３を固定
し、シャフト２１に取付けられたフランジ２５から皿ば
ね２７を介してその回転体２３の周縁部を弾性体９の凸
環部７に圧接させて超音波モータを構成している。そし
て、圧電振動板１１は、図６に示すように、圧電セラミ
ック板からなる圧電振動板素子２９に方向を交互に変え
て厚み方向分極を施した円弧状の第１の分極領域３１
と、同様な分極を施し第１の分極領域３１とλ／４ずれ
た円弧状の第２の分極領域３３とを有し、圧電振動板素
子２９の片面にてそれら第１および第２の分極領域３
１、３３に円弧状の駆動電極３５、３７を形成し、かつ
それら駆動電極３５、３７の間にセンサ電極３９を設け
ている。なお、符号λは圧電振動板１１の主たる共振周
波数である（後述する図９参照）。

【０００４】センサ電極３９部分にも厚み方向の分極が
施されており、上述した可撓性プリント基板１３は、駆
動電極３５、３７およびセンサ電極３９に重ねるように
して接続されている。圧電振動板素子２９の他方の面に
は、図７のように各分極領域毎に個別電極４１が独立し
て形成されており、それら個別電極４１は共通電極とし
て図４の導電性弾性体９を介して共通してプリント基板
１３に導出されている。このような超音波モータでは、
図８に示すように、導電性弾性体９（個別電極４１）側
を共通電極とし、圧電振動板１１の第１の分極領域３１
には交流電源４３から駆動信号としての第１の周波数信
号（電圧）Ｖ〔Ｖ＝Ｖ0 ｓｉｎωｔ〕を、他方第２の分
極領域３３には移相器４５を介してλ／４位相のずれた
同じく駆動信号として第２の周波数信号（電圧）Ｖ’
〔Ｖ’＝Ｖ0 ｓｉｎ（ωｔ±π／２）〕を印加すること
により、圧電振動板１１が振動して導電性弾性体９の上
面には進行性振動波が生じる。

【０００５】この進行性振動波は縦波と横波を伴ってお
り、図８において導電性弾性体９の上面の質点Ａに着目
すると、質点Ａは縦振幅ｕと横振幅ｗで反時計方向の楕
円運動をするから、導電性弾性体９に回転体２３を圧接
させると、回転体２３が導電性弾性体９の質点Ａ、
Ａ’．．．の楕円運動の縦振幅ｕの成分によって矢符Ｘ
方向に移動する。もっとも、このような超音波モータ
は、図９に示すように、主に周波数ｆ0 、ｆ1 、ｆ2 の
３つの共振点を有し、駆動効率の面から最もＱの高い中
間の主たる共振点ｆ0 で起動することが行われているう
え、安定した回転を確保する観点から周波数ｆ0 より若
干高い周波数ｆ3 で駆動することが好ましい。また、起
動時には、周波数ｆ3 より更に高い周波数ｆ4 例えば４
４ＫＨｚの駆動信号を駆動電極３５、３７に加え、その
駆動信号を低い周波数方向へスイープさせて周波数ｆ3
で超音波モータを安定起動させている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た超音波モータは、導電性弾性体９に生じた進行性振動
波によって回転体２３を回転させるために、この回転体
２３を導電性弾性体９の凸環部７にある程度の摩擦力を
もって圧接させる構成となっているから、低温下では起
動がスムースにいかない場合がある。特に、低温下で例
えば導電性弾性体９と回転体２３の間に結露や凍結状態
が生じていると、回転体２３がスムースに起動し難い。
このように従来の超音波モータは、回転体２３に対する
導電性弾性体９の摺動面の状態によって起動特性が良好
でなくなるうえ、その使用温度範囲が狭いのが現状であ
り、改善が望まれていた。本発明はこのような従来の欠
点を解決するためになされたもので、初期駆動特性を改
善した超音波モータ装置の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために本発明は、導電性弾性体と、これに重ねるよう
に接続され当該共振周波数の近傍の第１および第２の周
波数信号の印加によってその導電性弾性体に進行性振動
波を発生させる圧電振動板と、その導電性弾性体に圧接
された移動体とを有する超音波モータと、その移動体の
停止時に進行性振動波の発生を抑えてその圧電振動板を
振動させる副駆動信号を圧電振動板に供給する信号供給
部とを具備している。そして、本発明では、上記第１又
は第２の周波数信号や、同相の上記第１および第２の周
波数信号、又は逆相のそれら第１および第２の周波数信
号をその副駆動信号として出力するよう上記信号供給部
を形成すると良い。さらに、本発明では、共振周波数か
ら離れた周波数信号を副駆動信号として出力するよう上
記信号供給部を形成することも可能である。

【０００８】

【作用】このような手段を備えた本発明では、超音波モ
ータの停止時に、信号供給部から進行性振動波の発生を
抑えてその圧電振動板を振動させる副駆動信号をそれに
供給すると、超音波モータの導電性弾性体における進行
性振動波の発生が抑えられて移動体が移動しないもの
の、圧電振動板や導電性弾性体が振動し、これらに発熱
が生じる。そして、上記第１又は第２の周波数信号の一
方、同相の上記第１および第２の周波数信号、又は逆相
のそれら第１および第２の周波数信号、更には共振周波
数から離れた周波数信号を副駆動信号として出力するよ
う上記信号供給部を形成すると、超音波モータの本来の
駆動に用いる駆動部で実施可能となる。

【０００９】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。なお、超音波モータは例えば上述した構成でよいか
ら、上述した図４〜図８の超音波モータ構成を引用して
説明する。図１は本発明に係る超音波モータ装置の実施
例を示すブロック図である。図１において、本発明の超
音波モータ装置は、概略的には超音波モータＭと、これ
に駆動信号としての第１および第２の周波数信号を供給
する信号供給部４７から構成されている。この信号供給
部４７は、回転制御回路４９、発振回路５１、位相シフ
ト回路５３、ドライブ回路５５、５７、位相制御回路５
９、振幅制御回路６１、温度センサ６３および温度測定
回路６５を有して構成されている。発振回路５１は、例
えば４０ＫＨｚより若干高く安定した周波数ｆ0 の発振
信号φ１を発振出力する公知の可変発振機能を有するも
ので（上述した図９参照）、ドライブ回路５５および位
相シフト回路５３に接続されている。発振回路５１は、
超音波モータＭの起動時には回転制御回路４９からの起
動信号Ｓ１によって周波数ｆ0 よりも若干高い周波数ｆ
1 の発振信号φ１を発振し、超音波モータＭの圧電振動
板１１のセンサ電極３９（図６参照）からのフィードバ
ック信号Ｆ／Ｂに基づき周波数ｆ0 までスイープしなが
ら可変発振するよう形成されている。

【００１０】位相シフト回路５３は、発振回路５１から
の発振信号φ１の位相をλ／４遅らせるものであり、遅
らせた発振信号φ２をドライブ回路５３へ出力させた
り、逆に位相制御回路５９からの指示に基づき発振信号
φ２を発振信号φ１よりλ／４進める機能を有してい
る。また、位相シフト回路５１は、位相制御回路５９か
らの指示に基づき、その発振信号φ２の出力を停止させ
る機能を有している。ドライブ回路５３、５５は、発振
信号φ１、φ２を増幅し、第１および第２の周波数信号
としての周波数電圧Ｖ（ＳＩＮ）およびＶ’（ＣＯＳ）
をトランスを介して超音波モータＭの圧電振動板１１の
駆動電極３５、３７へ印加するものである。なお、便宜
上、トランスはドライブ回路５３、５５に含め、図示を
省略した。

【００１１】振幅制御回路６１は、圧電振動板１１のセ
ンサ電極３９からのフィードバック信号Ｆ／Ｂを整流平
滑してフィードバック信号レベルに応じた直流信号を形
成しするとともに、所定の基準レベル、例えば安定駆動
時のフィードバック信号に応じた直流信号レベルと比較
し、その差が小さくなるように発振回路５１の発振を可
変制御するものである。温度センサ６３は、超音波モー
タＭのケース１５（図１では図示せず、図４参照。）内
に配置して超音波モータＭ内の温度を電気信号として温
度測定回路６５へ出力するものであり、好ましくは導電
性弾性体９や回転体２３（図１では図示せず、図４参
照。）の接触部分、すなわち導電性弾性体９の摺動面付
近に配置すると良い。温度測定回路６５は、温度センサ
６３からの検出信号から温度信号を回転制御回路４９へ
出力するものであり、超音波モータＭ内の摺動面付近の
温度を測定するものである。

【００１２】回転制御回路４９は、超音波モータＭの起
動（ＯＮ）又は停止（ＯＦＦ）を指示する信号の取込み
によって上述した起動信号Ｓ１を出力するとともに、回
転方向すなわち正転（ＣＷ）又は逆転（ＣＣＷ）の選択
を指示する信号の取込みによって対応する方向指示信号
Ｓ２を位相制御回路５９へ出力する機能を有している。
端子Ｐ１、Ｐ２はそれらＯＮ又はＯＦＦを指示する信号
や回転方向を指示する信号の入力端子である。回転制御
回路４９は、超音波モータＭの停止時に、温度測定回路
６５からの温度信号による温度が、所定の基準温度例え
ば２０℃を超えて低下したと検出すると、発熱制御信号
Ｓ３を位相制御回路５９へ出力する機能を有している。
回転制御回路４９は、図示はしないが、演算機能や判断
機能を有するＣＰＵ、このＣＰＵの動作プログラムを格
納したＲＯＭ、演算や判断動作中のデータを一時的に格
納するＲＡＭ等を有するマイクロコンピュータで形成す
ると良い。もっとも、回転制御回路４９の構成内容は任
意である。

【００１３】なお、超音波モータＭの起動や停止の入力
指示、正転（ＣＷ）又は逆転（ＣＣＷ）の入力指示は、
上述した端子Ｐ１やＰ２からの信号の取込みに限らず、
図示しない別の入力機構部品（スイッチ）や電子回路に
よって実施可能である。位相制御回路５９は、回転制御
回路４９からの方向指示信号Ｓ２によって位相シフト回
路５１における発振信号φ２の位相を進めたり遅らせる
機能を有している。位相制御回路５９は、発熱制御信号
Ｓ３を位相シフト回路５１へ出力するとともに、発熱制
御信号Ｓ３に基づいて発振信号φ２の出力を停止させる
ように位相シフト回路５３を制御する機能を有してい
る。

【００１４】次に、上述した本発明の超音波モータ装置
の動作を説明する。図２Ａに示すように回転制御回路４
９に起動を指示する信号が入力されると、ドライブ回路
５５、５７から同図Ｂ、Ｃのような第１および第２の周
波数信号Ｖ（ＳＩＮ波）およびＶ’（ＣＯＳ波）が超音
波モータＭの圧電振動板１１の駆動電極３５、３７へ印
加され、図４の回転体２３を介してシャフト２１が回転
し、停止を指示する信号が入力されると、ドライブ回路
５５、５７からの第１および第２の周波数信号Ｖ（ＳＩ
Ｎ波）およびＶ’（ＣＯＳ波）の供給が停止されてシャ
フト２１の回転が停止する点は、従来の構成と同様であ
る。そして、この超音波モータＭの停止時に、図２Ｄの
ように、温度測定回路６５からの温度信号による温度が
２０℃を超えて低下したと回転制御回路４９が温度検出
すると、回転制御回路４９から発熱制御信号Ｓ３が位相
制御回路５９へ出力され、位相制御回路５９が発振信号
φ２の出力を停止させるように位相シフト回路５３を制
御し、同図Ｂのように、ドライブ回路５５からの第１の
周波数信号Ｖ（ＳＩＮ波）のみが副駆動信号として超音
波モータＭの圧電振動板１１の駆動電極３５に印加され
る。

【００１５】そのため、圧電振動板１１は振動するもの
の、導電性弾性体９には進行性振動波の発生が抑えられ
て定在波が発生し、シャフト２１は回転しない。他方、
圧電振動板１１にはその誘電体損や屈曲振動による発熱
が発生するし、導電性弾性体９にもその屈曲振動による
発熱が生じるとともに、定在波によって導電性弾性体９
が回転体２３をシャフト２１の軸方向に叩くことによる
発熱が生じ、圧電振動板１１、導電性弾性体９およびこ
れらと回転体２３との接触部分の温度が外気より上昇す
る。従って、圧電振動板１１および導電性弾性体９のス
テータ部分およびロータとしての回転体２３近傍の温度
が基準温度から低下しないから、その基準温度を適当に
設定しておけば、超音波モータＭ内がある温度以上に自
動的に保たれ、導電性弾性体９に圧接する回転体２３を
スムースに回転起動させることができるし、導電性弾性
体９と回転体２３間の結露や凍結も発生しない。

【００１６】しかも、第１および第２の周波数信号を超
音波モータＭに供給して通常の回転駆動させる回路構成
をそのまま使用するととも、に若干の構成を付加するだ
けで実施可能となり、構成が簡単となる。また、このよ
うにドライブ回路５５からの第１の周波数信号Ｖ（ＳＩ
Ｎ波）のみを副駆動信号として超音波モータＭに印加し
て導電性弾性体９に定在波を発生させると、導電性弾性
体９と回転体２３間の摩擦が小さくなって回転体３７の
静止トルクが大幅に低下し、シャフト２１が自由回転可
能となる。そのため、シャフト２１に他の機構部品が連
結されていても、超音波モータＭの停止中にその機構部
品やシャフト２１自体を回転させると簡単に回転してそ
れら機構部品や超音波モータ自体を破損しない。

【００１７】上述した実施例では、位相制御回路５９か
らの発熱制御信号Ｓ３に基づき発振信号φ２の出力を停
止させるように信号供給部４７を形成し、進行性振動波
の発生が抑えて圧電振動板１１を振動させるとともに導
電性弾性体９に定在波を発生させる構成であったが、進
行性振動波の発生を抑えて定在波を発生させる構成はこ
れに限定されない。例えば、図２Ｂ、Ｃ（破線）に示す
ように、位相シフト回路５３から発振信号φ１と同相の
発振信号φ２を出力させたり、発振信号φ１の位相をλ
／２異ならせて逆相の発振信号φ２を出力させる構成も
可能であり、そのような発振信号φ２の出力が可能なよ
うに位相シフト回路５３を形成すればよい。しかも、発
振信号φ２の出力停止、同相の発振信号φ２の出力、逆
相の発振信号φ２の出力が選択的に動作可能に位相シフ
ト回路５３を形成するとともに、回転制御回路４９から
それらに対応する発熱制御信号Ｓ３を位相制御回路５９
へ出力するとともに、位相制御回路５９でその発熱制御
信号Ｓ３の内容に応じて位相シフト回路５３を切換え動
作させ、種々の発振信号φ２を出力させる構成も可能で
ある。

【００１８】さらに、上述した構成は、温度センサ６３
および温度測定回路６５を回転制御回路４９に接続した
信号供給部４７を形成し、自動的に圧電振動板１１や導
電性弾性体９近傍の温度を上昇させる構成であったが、
本発明では自動的に温度上昇させる構成に限定されな
い。すなわち、温度センサ６３および温度測定回路６５
を省略し、図示しないスイッチ等によって回転制御回路
４９から発熱制御信号Ｓ３を位相制御回路５９へ出力す
るように形成することも可能である。このように、スイ
ッチ等を手動又は他の機器と連動操作して回転制御回路
４９から発熱制御信号Ｓ３を位相制御回路５９へ出力す
るよう構成すれば、起動前に予め圧電振動板１１や導電
性弾性体９近傍の温度を上昇させることが可能となり、
たとえ導電性弾性体９と回転体２３間に結露が生じてい
ても、スムースに起動させることができる。

【００１９】本発明者は、図１に示す構成において、ド
ライブ回路５５から１３０ＶrMS および１６０ＶrMS の
第１の周波数信号Ｖ（ＳＩＮ波）のみを周波数を変化さ
せて超音波モータＭの圧電振動板１１に供給し、圧電振
動板１１および導電性弾性体９付近の温度を測定した結
果、図３のような特性が得られた。これによると、４２
ＫＨｚ付近で１３０ＶrMS の第１の周波数信号Ｖ（ＳＩ
Ｎ波）を印加したとき、超音波モータＭのステータ部分
が５６℃程度になったし、４３ＫＨｚ付近で１６０ＶrM
S の第１の周波数信号Ｖ（ＳＩＮ波）を印加したとき、
超音波モータＭのステータ部分が４８℃程度になった。
しかも、第１の周波数信号Ｖ（ＳＩＮ波）レベルが高い
方が温度上昇が大きく、超音波モータＭの圧電振動板１
１の主たる共振周波数に近い周波数の方が温度上昇が大
きいことも分った。もっとも、主たる共振周波数から離
れた周波数であっても温度上昇することが分った。

【００２０】従って、本発明の超音波モータ装置では、
超音波モータＭの圧電振動板１１の主たる共振周波数Ｆ
0 （図９参照）に近い周波数の発振信号φ１やφ２を印
加する構成以外に、主たる共振周波数Ｆ0 から離れた周
波数信号をドライブ回路５５、５７から圧電振動板１１
へ印加しても、進行性振動波の発生が抑えて圧電振動板
１１を振動させることが可能であり、回転制御回路４９
から発熱制御信号Ｓ３に基づき離れた周波数信号を発振
するよう、例えば発振回路５１を変更すれば良い。この
ように、主たる共振周波数Ｆ0 から離れた周波数信号を
圧電振動板１１へ供給する構成では、発振信号φ１やφ
２の位相関係は任意で良い。ところで、本発明の超音波
モータ装置の信号供給部４７において、第１および第２
の周波数信号Ｖ（ＳＩＮ波）やＶ’（ＣＯＳ波）を超音
波モータＭの圧電振動板１１へ供給して回転駆動させる
構成は、上述した図１に限定されない。例えば、図１に
おいて発振回路５１から位相シフト回路５３を介してド
ライブ回路５５、５７を接続し、位相シフト回路５３か
ら発振信号φ１をドライブ回路５５へ出力するとともに
位相がλ／４ずれた発振信号φ２をドライブ回路５７へ
出力するよう形成しても良い。また、本発明は回転型モ
ータに限らず、往復型モータにも実施可能である。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の超音波モー
タ装置は、圧電振動板に重ねた導電性弾性体に移動体を
直接又は間接的に圧接させ、その圧電振動板に第１又は
第２の周波数信号を印加してその導電性弾性体に進行性
振動波を発生させる超音波モータと、その移動体の停止
時に進行性振動波の発生を抑えてその圧電振動板を振動
させる副駆動信号を圧電振動板に供給する信号供給部と
を備えたので、超音波モータの停止時に、信号供給部か
ら副駆動信号を圧電振動板に供給するだけで、超音波モ
ータの移動体を移動させずに圧電振動板や導電性弾性体
に発熱を発生させることが可能となり、導電性弾性体の
摺動面の状態が良好となって超音波モータが起動し易く
なり、初期駆動特性を改善できる。そして、上記第１又
は第２の周波数信号の一方、同相の上記第１および第２
の周波数信号、又は逆相のそれら第１および第２の周波
数信号、更には共振周波数から離れた周波数信号を副駆
動信号として出力するよう上記信号供給部を形成すれ
ば、超音波モータの通常の駆動に用いる回路構成を停止
時に用いて実施可能となり、構成が簡単で価格を高騰さ
せない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波モータ装置の実施例を示す
ブロック図である。

【図２】図１の超音波モータ装置の動作を説明する波形
図である。

【図３】本発明の超音波モータ装置に係る特性図であ
る。

【図４】超音波モータの一例を示す半断面図である。

【図５】図４の超音波モータにおいて圧電振動板に導電
性弾性体を重ねた状態を示す半断面図である。

【図６】図４中の圧電振動板を示す底面図である。

【図７】図４中の圧電振動板を示す平面図である。

【図８】図４の超音波モータの動作原理を説明する図で
ある。

【図９】図４の超音波モータの駆動信号を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１、１９ ベアリング ３ 基台 ５ 凹部 ７ 凸環部 ７ａ 切込み ９ 導電性弾性体 １１ 圧電振動板 １３ プリント基板 １５ ケース １７ 軸受 ２１ シャフト ２３ 回転体（移動体） ２５ フランジ ２７ 皿ばね ２９ 圧電振動板素子 ３１ 第１の分極領域 ３３ 第２の分極領域 ３５、３７ 駆動電極 ３９ センサ電極 ４１ 個別電極 ４３ 交流電源 ４５ 移相器 ４７ 信号供給部 ４９ 回転制御回路 ５１ 発振回路 ５３ 位相シフト回路 ５５、５７ ドライブ回路 ５９ 位相制御回路 ６１ 振幅制御回路 ６３ 温度センサ ６５ 温度測定回路 Ｍ 超音波モータ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性弾性体と、これに重ねるように接
   続され当該共振周波数近傍の第１および第２の周波数信
   号の印加によって前記導電性弾性体に進行性振動波を発
   生させる圧電振動板と、前記導電性弾性体に圧接された
   移動体とを有する超音波モータと、 前記移動体の停止時に前記進行性振動波の発生を抑えて
   前記圧電振動板を振動させる副駆動信号を前記圧電振動
   板に供給する信号供給部と、 を具備することを特徴とする超音波モータ装置。
2. 【請求項２】 前記信号供給部は、前記第１又は第２の
   周波数信号を前記副駆動信号として出力するよう形成さ
   れた請求項１記載の超音波モータ装置。
3. 【請求項３】 前記信号供給部は、同相の前記第１およ
   び第２の周波数信号を前記副駆動信号として出力するよ
   う形成された請求項１記載の超音波モータ装置。
4. 【請求項４】 前記信号供給部は、逆相の前記第１およ
   び第２の周波数信号を前記副駆動信号として出力するよ
   う形成された請求項１記載の超音波モータ装置。
5. 【請求項５】 前記信号供給部は、前記共振周波数近傍
   から離れた周波数信号を前記副駆動信号として出力する
   よう形成された請求項１記載の超音波モータ装置。