JPH08214568A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 正確な回転速度で回転し、モータの変換効率
が高く、部品点数の少ない、小型で、長寿命の超音波モ
ータを得る。 【解決手段】 波形成形回路２２は、分周回路２１の出
力信号を入力して超音波モータを駆動するためのパルス
を合成し、モータ駆動回路２３を介して超音波モータ３
０を駆動する。ロータ１は、弾性体２に加圧手段３１に
より所定の圧力をかけられて接触する。圧電素子３の変
形により、弾性体２に進行波が発生すると、弾性体２と
ロータ１の間の摩擦力により、ロータ１は、進行波の進
む方向と逆方向に回転する。回転検出部材１６は、ロー
タ１の回転状態を検出するためにロータ１に設けられて
おり、回転検出手段１４により回転状態を検出して、回
転状態に対応した出力信号を出力する。制御回路２５
は、回転検出手段１４の出力信号にもとづいて波形成形
回路２２の出力の動作を制御する。出力手段４０は、ロ
ータ１の回転により動作する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、回転検出部材を
有する超音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子機器の駆動源としては、磁石
を用いた直流の電磁モータが使用されていた。また、回
転検出部材を有する超音波モータは従来知られていなか
った。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の電磁モ
ータには、電子時計等の電子機器の駆動源として直流モ
−タを用いる構造では、モータの変換効率の向上が困難
で、時計の薄型化、小型化、長寿命化がむずかしいとい
う課題があった。

【０００４】また、超音波モータを電子機器の駆動源と
して適用するときも、回転検出機能がないため、正確な
回転速度の制御がむずかしいという課題があった。そこ
で、この発明の目的は、正確な回転速度で回転し、モー
タの変換効率が高く、部品点数の少ない、小型で、長寿
命の超音波モータを得ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決して、正
確な回転速度で回転し、モータの変換効率が高い超音波
モータを得るために、この発明は、超音波モータを駆動
する駆動信号を出力するモータ駆動回路の出力信号を入
力して変形する圧電振動子と、圧電振動子を固定してあ
る弾性体と、弾性体に所定の圧力で接触して回転するロ
ータと、弾性体とロータに所定の圧力を加える加圧手段
と、ロータと一体に回転する歯車の回転により回転する
出力手段と、ロータの回転状態を検出するために設けら
れロータの回転により回転する回転検出部材と、回転検
出部材の回転状態を検出してその回転状態に対応した出
力信号を出力する回転検出手段と、発振回路の出力する
信号をもとにして制御回路の出力する制御信号により超
音波モータを駆動するための駆動パルスを成形する波形
成形回路と、波形成形回路の出力する信号を入力して超
音波モータを駆動するための駆動信号を圧電素子に出力
するモータ駆動回路とを有する構成とした。そして、出
力手段は、ロータの回転速度よりも低い速度で回転し、
回転検出部材はロータの回転速度に対して等速度もしく
は高い速度で回転する構成とした。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の超音波モータは、圧電セ
ラミックや圧電結晶体等の材料からなる圧電素子を用い
る。圧電素子にモータ駆動回路の出力信号を入力する
と、圧電素子は伸縮する。

【０００７】弾性体は弾性材料で作る。圧電素子を弾性
体に接着などにより固定する。圧電素子の伸縮により、
弾性体は変形する。加圧手段は、弾性体とロータの相互
に所定の圧力を加える。ロータに設けられた回転検出部
材は、ロータの回転状態を検出する。回転検出手段は、
回転検出部材の回転状態を検出して、その回転状態に対
応した出力信号を出力する。

【０００８】出力手段は、ロータと一体に回転する歯車
の回転により回転する。波形成形回路は、発振回路の出
力する信号をもとにして、制御回路の出力する制御信号
により、超音波モータを駆動するための駆動パルスを成
形する。モータ駆動回路は、波形成形回路の出力する信
号を入力して超音波モータを駆動するための駆動信号を
圧電素子に出力する。

【０００９】そして、出力手段は、ロータの回転速度よ
りも低い速度で回転し、回転検出部材は出力手段よりも
高い速度で回転する。モータ駆動回路の出力する信号が
圧電素子に入力されると圧電素子は変形する。圧電素子
の変形により弾性体が変形し、ロータは回転する。

【００１０】ロータの回転速度は、回転検出手段により
正確に調整することができる。

【００１１】

【実施例】以下に、この発明の実施例を図面にもとづい
て説明する。図１は、超音波モータの原理を示す断面図
である。地板５に、ロータの軸受を設ける。支持体４
は、厚み方向に弾性変形可能な材料により作る。支持体
４を、地板５の上に組み込む。圧電素子３は、弾性体２
の下面に固定する。圧電素子３は、分極処理されてい
る。

【００１２】ロータ１は、弾性体２に接触する。ロータ
真７は、ロータ１に固定されている。ロータ真７は、地
板５とロータ受６により、回転可能に支持されている。
ロータ１と弾性体２は、支持体４の弾性力により、所定
の圧力で接触している。圧電素子３に制御回路より所定
の電圧を印加すると、圧電素子は伸縮し、弾性体は変形
して、ロータは回転する。

【００１３】図２は、圧電素子による弾性体の変形を示
す原理図で、図３は、超音波モータの回転を示す原理図
である。図２（ａ）において、弾性体２に圧電素子３を
固定する。図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すように、圧
電素子３に所定の電圧を印加すると、圧電素子３は伸縮
する。

【００１４】ここで、ロータ１を駆動するには、片側の
圧電素子の電極に Ａｓｉｎωｔ、他方の電極に位相が
９０度遅れた Ａｃｏｓωｔの交流電圧を印加する。す
ると、圧電素子３の分極した領域が交互に周方向に伸縮
し、弾性体２に曲げ振動が発生する。

【００１５】図３に示すように、例えば、弾性体２に、
λ／２の圧電素子を、すきまλ／４で固定する。ここ
で、λは波長である。図３において、＋ｘ方向の波は、 Ｆ＋ｘ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α） −Ａｃｏｓ（ωｔ＋α＋３λ／４） ここで、λ＝２π とすると、 Ｆ＋ｘ＝Ａｃｏｓ（ωｔ＋α） −Ａ〔ｃｏｓ（ωｔ＋α）＊ｃｏｓ（３π／２） −ｓｉｎ（ωｔ＋α）＊ｓｉｎ（３π／２）〕 ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α）−Ａｓｉｎ（ωｔ＋α） ＝０ 図３において、−ｘ方向の波は、 Ｆ−ｘ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋α） −Ａｃｏｓ（ωｔ＋α−３λ／２） ＝２Ａｓｉｎ（ωｔ＋α） 従って、振動の波は、図３の−ｘ方向にしか進まない。

【００１６】このように、弾性体２に進行波が発生する
ように、圧電素子３を弾性体２に固定する。弾性体２と
ロータ１は、所定の圧力で接触していて、弾性体２とロ
ータ１の間には所定の摩擦力が発生している。

【００１７】圧電素子３に、例えば図３に示すように、
Ａｓｉｎωｔと−Ａｃｏｓωｔのような電圧をかけて、
弾性体２が変形して振動波が発生すると、ロータ１は、
進行波の進む方向と逆方向に回転する。ここで、超音波
モータにおいては、弾性体表面とロータの表面との間の
摩擦係数が変動することにより、両部品の間にすべりが
発生する。

【００１８】ここに、弾性体表面とロータの表面との間
の摩擦係数をμとして、弾性体とロータとの加圧力をＷ
とする。圧電モータの駆動力Ｆは、 Ｆ＝μＷ となる。

【００１９】ここで、弾性体の表面状態とロータの表面
状態により、摩擦係数μが変動する。摩擦係数μが変動
すると、ロータの回転速度が変動し、正確な回転速度の
出力が得られなくなる。また、超音波モータの圧電素子
に印加する電圧Ａが変化すると、圧電素子の変位量が変
動する。

【００２０】また、圧電素子の変位量の変動により、弾
性体の振動の振幅が変動する。弾性体の振動の振幅の変
動により、弾性体のロータと接触している点の横方向の
変位量が変動する。ロータの回転速度は、弾性体のロー
タと接触している点の横方向の変位量に比例するので、
ロータの回転速度が変動する。

【００２１】図６は、本発明の電子機器の実施例を示す
ブロック図である。発振回路２０は、水晶振動子（図示
しない）などを源振として時間基準信号を出力する。分
周回路２１は、発振回路２０の出力信号を入力して分周
する。波形成形回路２２は、分周回路２１の出力信号を
入力して超音波モータを駆動するためのパルスを合成す
る。モータ駆動回路２３は、波形成形回路２２の出力信
号を入力して超音波モータ３０を駆動する駆動信号を出
力する。

【００２２】圧電素子３は、モータ駆動回路２３の出力
信号を入力して変形する。圧電素子３は、弾性体２に固
定してある。ロータ１は、弾性体２に加圧手段３１によ
り所定の圧力をかけられて接触する。圧電素子３の変形
により、弾性体２に進行波が発生する。弾性体２とロー
タ１は、所定の圧力で接触しているので、弾性体２とロ
ータ１の間の摩擦力により、ロータ１は、進行波の進む
方向と逆方向に回転する。

【００２３】回転検出部材１６は、ロータ１の回転状態
を検出するためにロータ１に設けられている。回転検出
手段１４は、回転検出部材１６の回転状態を検出して、
回転状態に対応した出力信号を出力する。制御回路２５
は、回転検出手段１４の出力信号を入力し、分周回路２
１の出力信号を入力して、波形成形回路２２の出力の動
作を制御する出力手段４０は、ロータ１の回転により動
作する。

【００２４】図４は、本発明にかかる超音波モータを電
子時計に適用したときの一例を示す断面図である。地板
５に、ロータの軸受を設ける。支持体４は、厚み方向に
弾性変形可能な材料により作る。支持体４を、地板５の
上に組み込む。圧電素子３は、弾性体２の下面に固定す
る。圧電素子３は、分極処理されている。圧電素子３を
固定した弾性体２を支持体４の上に組み込む。

【００２５】ロータ１は、弾性体２に接触する。ロータ
真７は、ロータ１に固定されている。ロータ真７は、地
板５に回転可能に支持されている。ロータ１と弾性体２
は、支持体４の弾性力により、所定の圧力で接触してい
る。圧電素子３に所定の電圧を印加すると、圧電素子３
は伸縮し、弾性体２は変形して、ロータ１は回転する。

【００２６】ロータかな７ａは、ロータ真７に固定され
ている。ロータかな７ａの回転は日の裏車９を介して筒
車８に伝達される。筒車８は、ロータ真７の外周にくみ
こまれ、文字板１１に案内されて回転する。ここで、ロ
ータかな７ａの外径は日の裏車９の外径よりも小さく、
日の裏かな９ａの外径は筒車８の外径よりも小さいの
で、ロータ１の回転は減速されて伝達される。

【００２７】そして、日の裏車９は、日の裏押さえ１０
と日の裏受１５に回転可能に支持される。ロータ真７に
固定されている分針と筒車８に固定されている時針によ
り時刻を表示する。図５は、本発明に適用する超音波モ
ータの一例のロータの上面の平面図である。

【００２８】ロータ１は、プラスチックなどの絶縁材料
で作られている。ロータ１の上面に６０分割の金属パタ
ーン１６とスリットが形成されていて、一種のエンコー
ダを構成する。金属パターン１６は、ロータかな７ａと
導通している。

【００２９】地板５、日の裏車８、ロータ真７、日の裏
押さえ１０、及び、日の裏受１５等は金属で作られてい
る。地板５は、電池（図示しない）のプラスに導通して
ある。ロータ１が回転すると、回転検出ばね１４は間欠
的に６０分割の金属パターン１６と接触、非接触をする
ので、電池のプラスに導通と非導通を繰り返す。

【００３０】制御回路２５と波形成形回路２２とモータ
駆動回路２３の動作により、ロータ１を高速で回転させ
る。回転検出ばね１４が金属パターン１６と接触する
と、回転検出回路２４の信号を受けて、制御回路２５は
波形成形回路２２の動作を停止させる。

【００３１】そして、制御回路２５は、分周回路２１の
信号を入力して、１分間にロータ１が６度回転するよう
に波形成形回路２２の動作を再開させる。なお、ロータ
１の回転速度は必要に応じて各種設定できる。回転検出
手段としては、ロータ１に磁石を固定して磁気検出する
構造や、ロータ１の外周をくし歯状にして電極をはりつ
け、静電容量を検出する構造も適用できる。

【００３２】加圧手段としては、回転検出ばねを用いる
こともできる。

【００３３】

【発明の効果】本発明のかかる超音波モータは、小型、
薄型な構造で高い出力トルクの超音波モータが得られ、
しかも、回転速度が正確に制御できるという効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】超音波モータの原理を示す断面図である。

【図２】圧電素子による弾性体の変形を示す原理図であ
る。

【図３】超音波モータの回転を示す原理図である。

【図４】本発明にかかる超音波モータを電子時計に適用
したときの一例を示す断面図である。

【図５】本発明にかかる超音波モータのロータの上面の
平面図である。

【図６】本発明にかかる超音波モータを電子機器に適用
したときの一例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ ロータ ２ 弾性体 ３ 圧電素子 １４ 回転検出手段 １６ 回転検出部材 ２０ 発振回路 ２１ 分周回路 ２２ 波形成形回路 ２３ モータ駆動回路 ２４ 回転検出回路 ２５ 制御回路 ３０ 超音波モータ ３１ 加圧手段 ４０ 出力手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータ駆動回路（２３）の出力信号を入
   力して変形する圧電素子（３）と、 圧電素子（３）を固定した弾性体（２）と、 弾性体（２）に所定の圧力で接触して回転するロータ
   （１）と、 ロータ（１）と一体に回転する歯車（７ａ）と、 弾性体（２）とロータ（１）の相互に所定の圧力を加え
   る加圧手段（３１）と、 ロータ（１）と一体に回転する歯車（７ａ）の回転によ
   り回転する出力手段（４０）と、 ロータ（１）の回転状態を検出するために設けられ、ロ
   ータ（１）の回転により回転する回転検出部材（１６）
   と、 回転検出部材（１６）の回転状態を検出して、その回転
   状態に対応した出力信号を出力する回転検出手段（１
   ４）と、 発振回路（２０）の出力する信号をもとにして、制御回
   路（２５）の出力する制御信号により超音波モータ（３
   ０）を駆動するための駆動パルスを成形する波形成形回
   路（２２）と、 波形成形回路（２２）の出力する信号を入力して超音波
   モータ（３０）を駆動するための駆動信号を圧電素子
   （３）に出力するモータ駆動回路（２３）とを有し、 出力手段（４０）は、ロータ（１）の回転速度よりも低
   い速度で回転し、回転検出部材（１６）はロータ（１）
   の回転速度に対して等速度もしくは高い速度で回転する
   ことを特徴とする超音波モータ。