JPH11318088A

JPH11318088A - 超音波モータ

Info

Publication number: JPH11318088A
Application number: JP10121025A
Authority: JP
Inventors: Motoaki Ito; 元陽伊藤
Original assignee: Star Micronics Co Ltd
Current assignee: Star Micronics Co Ltd
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1998-04-30
Publication date: 1999-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】移動子側に安定した電力供給を実現できる超
音波モータを提供する。【解決手段】超音波モータ１は、回転対称形状を有す
る固定側の弾性部材３０と、回転対称形状を有する移動
側の弾性部材４０と、弾性部材３０に振動を付与する固
定側の圧電素子３１と、弾性部材４０に振動を付与する
移動側の圧電素子４１と、弾性部材４０と一体的に回転
する出力軸１０と、圧電素子４１に非接触で給電するロ
ータリトランス６０と、これらを収納するハウジング２
１、２２などで構成され、ロータリトランス６０内の３
つのトランス回路のうち、中間トランス回路Ｃ２および
最外周トランス回路Ｃ３を２相駆動電力用トランス回路
として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固定子および移動
子の各圧接面に回転変位波をそれぞれ発生させ、２つの
回転変位波の周波数差に応じた回転運動を行なう超音波
モータに関する。また本発明は、移動子の圧接面に回転
変位波を発生させて回転運動を行なう超音波モータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般の進行波型超音波モータは、リング
状の固定子と回転子を互いに圧接し、固定子の裏面にリ
ング状の圧電素子を接合して、固定子の圧接面に進行波
を発生させることによって、圧接点の楕円運動を回転子
の回転運動に変換するように構成される（文献「超音波
モータ入門」、見城尚史・指田年生共著、総合電子出版
社発行、1991年）。

【０００３】こうした超音波モータは、電磁モータと比
べて、コイル巻線や鉄芯等の磁気回路が不要になるため
小型軽量化が図られ、しかも低速回転時にも高いトルク
が得られるという長所があり、カメラレンズ回転機構等
やロボットアクチュエータ等の分野で実用化されてい
る。

【０００４】従来の超音波モータは、固定子表面の進行
波で回転子を摩擦駆動する方式であるため、大きな振幅
の進行波を得るために鋭い共振を有する圧電材料から成
る圧電素子を共振周波数で共振するように駆動してい
る。そのため、移動子の回転速度を可変制御したい場
合、進行波の駆動周波数または駆動電圧を変化させる必
要があるが、圧電素子の駆動周波数や駆動電圧を変化さ
せると圧電素子の振動出力が急激に減少したりトルクが
変化してしまうことになる。その結果、従来の超音波モ
ータでは回転速度の可変制御が極めて困難であり、現実
には典型的なＤＣモータのように一定回転数の出力をオ
ンオフ制御する用途に限られている。

【０００５】そこで、固定子および回転子の両方に圧電
素子をそれぞれ設けて、固定子の進行波と回転子の進行
波との相互作用によって、回転子の回転速度を連続可変
で制御するようにしたダブル駆動型の超音波モータが提
案されている（特許第２６６３１６４号）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】後者のダブル駆動型超
音波モータでは、回転子にも圧電素子を設けるため、回
転する圧電素子に何らかの手段で電力を供給する必要が
ある。該特許明細書にはケースカバーに導電ブラシ、回
転子に導電盤をそれぞれ取り付けた接触式の給電機構が
記載されている。

【０００７】こうした接触式の給電機構では、従来のブ
ラシ付電磁モータと同様に、信頼性や寿命、スパーク、
電磁ノイズの点で実用化分野が限られてくる。

【０００８】一方、前者の進行波型超音波モータに関し
て、固定子ではなく回転子に圧電素子を設けた超音波モ
ータにおいて、スリップリングとブラシとの組合せやロ
ータリトランスを用いた給電方式が提案されている（特
開平４−７１３７１号）。しかしながら、スリップリン
グを用いた構成は具体的に記載されているものの、ロー
タリトランスを用いた具体的な構成は説明されていな
い。

【０００９】本発明の目的は、移動子側に安定した電力
供給を実現できる超音波モータを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転対称の圧
接面を有する固定弾性部材と、固定弾性部材の圧接面に
対向した回転対称の圧接面を有し、回転対称軸回りに角
変位自在に支持された移動弾性部材と、固定弾性部材の
圧接面に周波数Ｆｓの回転変位波を発生するための固定
振動素子と、移動弾性部材の圧接面に周波数Ｆｒの回転
変位波を発生するための移動振動素子とを備え、周波数
Ｆｓと周波数Ｆｒとの周波数差ΔＦに応じた回転速度で
移動弾性部材が角変位する超音波モータであって、移動
弾性部材とともに角変位する移動振動素子にＮ相（Ｎは
２以上の整数）の位相差を持つ駆動電力を供給するため
のロータリトランスを備え、ロータリトランスは、Ｎ個
より多い同心円状のトランス回路を有し、最外周から内
側に順次配置されたＮ個のトランス回路を駆動電力用ト
ランス回路として使用することを特徴とする超音波モー
タである。

【００１１】本発明に従えば、ロータリトランスを用い
て移動振動素子に電力を供給することによって、電力損
失や機械損失が少ない非接触の給電が可能になる。ま
た、移動振動素子をＮ相の駆動電力で駆動する場合、同
心円状に配置された複数のトランス回路のうち最外周か
らＮ個のトランス回路を用いて電力供給を行なうことに
よって、駆動電力の各相間のアンバランスを可級的に低
減化できる。トランス回路が同心円状に配置された場
合、トランス回路を構成するコアの周長が回転中心から
の半径に応じて変化するため、コア半径が小さくなるほ
ど隣接コア間の半径比が大きくなり、その結果、隣接コ
ア間のインダクタンス差が大きくなり、トランス伝達効
率の差が増加する。逆に、最外周のトランス回路ほど隣
接コア間のアンバランスが小さくなるため、Ｎ相駆動電
力の給電用に好適となる。

【００１２】こうしたロータリトランスは固定弾性部材
および移動弾性部材の圧接面から回転対称軸寄りに設け
ることが好ましく、ロータリトランスの収納スペースを
充分確保できるため、モータ全体を小型化でき、しかも
比較的大きなロータリトランスでも使用できるため、高
出力で高効率の給電が可能になる。特に、各弾性部材を
リング状に形成した場合には、リングの内側にロータリ
トランスを収納できるため、省スペース化が図られる。

【００１３】また本発明は、最内周のトランス回路を、
移動弾性部材の圧接面に発生した回転変位波の検出信号
を伝達するための検出信号用トランス回路として使用す
ることを特徴とする。

【００１４】本発明に従えば、移動弾性部材の回転変位
波を検出した検出信号は単相であるため、信号伝達に使
用するトランス回路は１つで足りる。そのため、同心円
状に配置された複数のトランス回路のうち、隣接コア間
の特性差が大きい最内周のトランス回路を使用してもア
ンバランスの問題が生じない。また、バランスを重視す
る他の回路系に好適なより外側のトランス回路を確保で
きる。

【００１５】また本発明は、固定振動素子および移動振
動素子は、固定弾性部材および移動弾性部材の圧接面と
反対側の各面に取り付けられた回転対称の圧電素子であ
り、圧電素子の表面には、２相駆動用の第１駆動電極お
よび第２駆動電極と、振動波形を検出するためのモニタ
電極とが形成され、第１駆動電極および第２駆動電極は
駆動電力用トランス回路に接続され、モニタ電極は検出
信号用トランス回路に接続されていること特徴とする。

【００１６】本発明に従えば、固定振動素子および移動
振動素子として回転対称の圧電素子を用いることによっ
て、固定弾性部材および移動弾性部材の各圧接面に回転
変位波を効率的に発生させることができる。なお、回転
変位波は、各圧接面のある点が波の進行方向および面法
線方向を含む面内で楕円運動する表面波である。対向す
る点同士に周波数差が生ずると、固定弾性部材と移動弾
性部材との間に速度差が生じ、その結果、移動弾性部材
の回転トルクに変換される。

【００１７】また、圧電素子の表面に２相駆動用の第１
駆動電極および第２駆動電極を形成することによって、
圧電素子の周方向に沿って回転変位波を発生させること
が可能になり、さらにモニタ電極を設けて振動波形を検
出することによって圧電素子の駆動回路へのフィードバ
ックが可能になる。そこで、ロータリトランスに２つの
駆動電力用トランス回路および１つの検出信号用トラン
ス回路を形成することによって、互いに独立した電力供
給および信号伝達が可能になる。

【００１８】また本発明は、検出信号用トランス回路を
構成する検出系コアと駆動電力用トランス回路を構成す
る駆動系コアとの間に、磁気結合を抑制するための非磁
性材料が設けられることを特徴とする。

【００１９】本発明に従えば、検出系コアと駆動系コア
との間の磁気結合を抑制するための非磁性材料を設ける
ことによって、圧電素子の駆動信号ラインから検出信号
ラインへのクロストークを大幅に低減化できる。モニタ
電極からの検出信号は、圧電素子の駆動回路へのフィー
ドバック信号として用いられるため、ノイズが混入する
と駆動回路の不安定を引き起こす要因となる。しかも、
この検出信号は圧電効果で得ているため、ノイズの影響
を受けやすいハイインピーダンス出力となっている。し
たがって、大きな電力を伝達する駆動系コアとの磁気結
合を抑制することによって、検出系コアを伝達する検出
信号のＳ／Ｎ比を向上できる。

【００２０】また本発明は、回転対称の圧接面を有する
固定弾性部材と、固定弾性部材の圧接面に対向した回転
対称の圧接面を有し、回転対称軸回りに角変位自在に支
持された移動弾性部材と、移動弾性部材の圧接面に回転
変位波を発生するための移動振動素子とを備え、回転変
位波によって移動弾性部材が角変位する超音波モータで
あって、移動弾性部材とともに角変位する移動振動素子
にＮ相（Ｎは２以上の整数）の位相差を持つ駆動電力を
供給するためのロータリトランスを備え、ロータリトラ
ンスは、Ｎ個より多い同心円状のトランス回路を有し、
最外周から内側に順次配置されたＮ個のトランス回路を
駆動電力用トランス回路として使用することを特徴とす
る超音波モータである。

【００２１】本発明に従えば、ロータリトランスを用い
て移動振動素子に電力を供給することによって、電力損
失や機械損失が少ない非接触の給電が可能になる。ま
た、移動振動素子をＮ相の駆動電力で駆動する場合、同
心円状に配置された複数のトランス回路のうち最外周か
らＮ個のトランス回路を用いて電力供給を行なうことに
よって、駆動電力の各相間のアンバランスを可級的に低
減化できる。トランス回路が同心円状に配置された場
合、トランス回路を構成するコアの周長が回転中心から
の半径に応じて変化するため、コア半径が小さくなるほ
ど隣接コア間の半径比が大きくなり、その結果、隣接コ
ア間のインダクタンス差が大きくなり、トランス伝達効
率の差が増加する。逆に、最外周のトランス回路ほど隣
接コア間のアンバランスが小さくなるため、Ｎ相駆動電
力の給電用に好適となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１（ａ）は本発明の実施の一形
態の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）
中のロータリトランス６０の拡大断面図である。図２、
図３は組立て手順を示す分解斜視図であり、図４は図
２、図３中のロータリトランス６０の拡大断面図であ
る。

【００２３】超音波モータ１は、回転対称形状を有する
固定側の弾性部材３０と、回転対称形状を有する移動側
の弾性部材４０と、弾性部材３０に振動を付与する固定
側の圧電素子３１と、弾性部材４０に振動を付与する移
動側の圧電素子４１と、弾性部材４０と一体的に回転す
る出力軸１０と、圧電素子４１に非接触で給電するロー
タリトランス６０と、これらを収納するハウジング２
１、２２などで構成される。

【００２４】ハウジング２１は、底面および側面から成
る円筒箱状であり、底面の中央に貫通孔が形成され、貫
通孔には断面凸状で中空のベアリングホルダ２０が装着
される。ベアリングホルダ２０の内面には上下方向から
段差部が形成され、これらの段差部には出力軸１０を回
転自在に支持するためのベアリング１５、１６が所定間
隔で装着固定される。

【００２５】出力軸１０はベアリング１５、１６の内リ
ングと略嵌合するように挿入される。ベアリング１６は
出力軸１０中央の軸太部１０ｂの段差面に装着されたス
ペーサ１３に当接して挟持され、ベアリング１５は出力
軸１０の先端から挿入されるスペーサ１２によって挟持
され、さらに出力軸１０の円周溝１０ａにＥリングなど
の抜止め１１を装着することによって出力軸１０とベア
リング１５、１６の内リングとが一体化される。

【００２６】ベアリングホルダ２０の上面には弾性部材
３０が載置され、ベアリング１６の外形と略嵌合するこ
とでセンター合わせを実現している。

【００２７】弾性部材３０は、上面にリング状の圧接面
３０ａを有する肉厚部と、肉厚部を内側から支える肉薄
部３０ｂと、内側のスペーサ１４と略嵌合する取付部と
を有し、肉厚部の厚さ方向の振動を許容する構造を成し
ている。肉厚部の下面には、圧接面３０ａと対向するよ
うにリング円板状の圧電素子３１が接着される。圧接面
３０ａは、圧電素子３１で発生した振動が効率的に集中
するように断面凸状に形成され、その上面にフッ素樹脂
等の低摩擦材料から成るライナ３２が固定される。

【００２８】一方、移動側の弾性部材４０は、弾性部材
３０と同様に、下面にリング状の圧接面４０ａを有する
肉厚部と、肉厚部を内側から支える肉薄部４０ｂと、出
力軸１０にトルクを伝達する取付部とを有し、肉厚部の
厚さ方向の振動を許容する構造を成している。肉厚部の
上面には、圧接面４０ａと対向するようにリング円板状
の圧電素子４１が接着固定される。圧接面４０ａは、圧
電素子４１で発生した振動が効率的に集中するように断
面凸状に形成され、その下面にフッ素樹脂等の低摩擦材
料から成るライナ４２が固定される。

【００２９】こうした弾性部材３０、４０は、振動減衰
が少ない材料、たとえば鉄や真鍮等の金属で形成するこ
とが好ましい。

【００３０】弾性部材４０の取付部には、リング円板状
のばね受け板４５が取り付けられる。ばね受け板４５の
内側が出力軸１０の段差部１０ｄと略嵌合することでセ
ンター合わせを実現している。ばね受け板４５の上面内
側には、２つの突起４３ａを有する係止板４３が取り付
けられる。出力軸１０の基端部１０ｅに形成された切欠
き１０ｇと突起４３ａとが係合することによって、弾性
部材４０の回転トルクが出力軸１０に伝達される。

【００３１】出力軸１０の基端面には板ばね４４が装着
され、出力軸１０の基端中央に形成された突起１０ｆと
板ばね４４の中央に形成された貫通孔と略嵌合すること
でセンター合わせを実現している。

【００３２】板ばね４４は、中央円板と放射状に延出す
る複数の揺動端とで形成され、揺動端がばね受け板４５
を均等に押圧することによって、弾性部材３０と弾性部
材４０との間の圧接力を発生する。

【００３３】ロータリトランス６０は、リング状に形成
された弾性部材３０、４０の肉厚部から内側で、かつ弾
性部材３０、４０の肉薄部および取付部の間に確保した
リング状のスペースに配置される。

【００３４】ロータリトランス６０は、リング状の固定
側コア６１とリング状の移動側コア６２とが所定ギャッ
プ長で対向して構成される。固定側コア６１は、リング
状のスペーサ１４の上に装着される。移動側コア６２
は、出力軸１０の軸太部１０ｂより僅かに太く形成され
た軸太部１０ｃに略嵌合し、段差部１０ｄの段差面に装
着され、出力軸１０と一体的に回転する。

【００３５】次に電気系について説明する。図５（ａ）
は圧電素子３１の分極状態および電極形状を示す平面図
で、図５（ｂ）は圧電素子３１の図５（ａ）とは反対面
の電極形状を示す平面図である。なお、圧電素子４１も
圧電素子３１と同様な分極状態および電極形状を有す
る。

【００３６】リング状の圧電素子３１は、駆動電界を厚
さ方向に印加することによって厚さ方向および周方向に
伸縮し、この伸縮運動が高速に変化することによって振
動を発生するものであり、振動の位相を周方向に沿って
変化させることによって、進行波や定在波等の回転変位
波を形成する。ここでは、一周に５周期の変位波を発生
させる場合を例示しており、図５（ａ）に示すように、
変位波の波長λを単位として、λ／２毎に分極方向が反
転した４つのλ／２分極領域から成る２つのグループ
Ａ、Ｂと、グループＡ、Ｂの間に介在するλ／４分極領
域および３λ／４分極領域とを形成している。こうした
分極領域および電極に対応して、駆動電極３１ａがグル
ープＡに、駆動電極３１ｂがグループＢに、モニタ電極
３１ｃがλ／４分極領域に対応するように形成される。
なお、圧電素子３１が搭載される弾性部材３０が各電極
Ａ、Ｂ、λ／４、３λ／４に対向するリング状の共通電
極として機能し、弾性部材３０はハウジング２１を介し
て接地される。弾性部材４０も圧電素子４１の共通電極
として機能し、ハウジング２１を介して接地される。

【００３７】圧電素子３１に電界を厚さ方向（たとえば
紙面の表から裏）に印加すると、電歪効果によって厚さ
方向および周方向に伸縮し、「＋」で示した正分極領域
では厚さが増加し、「−」で示した負分極領域では厚さ
が減少する。たとえばグループＡに対応した駆動電極３
１ａに正の電圧を印加すると、λ／２毎に変形方向が変
化して、２波長分の波を形成し、分極領域の境界は波の
節となる。駆動電極３１ａの印加電圧を超音波領域の周
波数で変化させると、グループＡから発生する波が圧電
素子３１全体に伝搬するようになる。グループＢも同様
に、駆動電極３１ｂに超音波領域の交流電圧を印加する
と、２波長分の波が圧電素子３１全体に伝搬するように
なり、グループＡの波とグループＢの波とが合成され
る。そこで、駆動電極３１ａにｃｏｓ波、駆動電極３１
ｂにｓｉｎ波を印加して、互いに位相を９０度ずらすこ
とによって、一方向の進行波を発生させることができ
る。

【００３８】図６は、進行波が発生する様子を示すグラ
フである。図６（ａ）は圧電素子３１の直線展開図であ
り、図６（ｇ）は駆動電極３１ａ、３１ｂの電圧波形で
ある。また、図６（ｂ）〜図６（ｆ）は、図６（ｇ）中
の時刻ｔ０〜ｔ４での進行波の波形を示している。時刻
ｔ０では、グループＡだけが振幅１の表面波を発生しリ
ング全体に伝搬している。時刻ｔ１では、グループＡ、
Ｂが振幅１／√２の表面波を９０度位相差で発生し、そ
の合成波は時刻ｔ０と比べてλ／８だけ左方に移動して
いる。時刻ｔ２では、グループＢだけが振幅１の表面波
を発生し、時刻ｔ１と比べてλ／８だけ左方に移動して
いる。以下、時刻ｔ３、ｔ４でも同様にλ／８ずつ左方
に移動しており、時間とともに左方に移動する進行波が
発生することが判る。

【００３９】また、駆動電極３１ａにｓｉｎ波、駆動電
極３１ｂにｃｏｓ波を印加して、位相を反対方向に９０
度ずらした場合は、上述とは反対方向の進行波を発生さ
せることができる。このようにグループＡおよびグルー
プＢの空間的位相差と駆動波形の時間的位相差を関連付
けて駆動することによって、所望の方向に進行する進行
波を発生できる。こうして圧電素子３１の伸縮変化は、
圧電素子３１が弾性部材３０に貼付され一体化している
ことにより、所定の振幅を持つ波となる。そして、位相
の異なる２つの波が合成されて進行波となり、その進行
波が弾性部材３０を伝わって、圧接面３０ａでの進行波
となる。同様に、圧電素子４１の伸縮変化によって発生
した進行波は弾性部材４０を伝わって、圧接面４０ａで
の進行波となる。

【００４０】モニタ電極３１ｃは、圧電効果によって、
圧電素子３１に発生した進行波の振動波形を電気信号と
して検出するものである。駆動電極３１ａ、３１ｂおよ
びモニタ電極３１ｃにはラインＰＡ、ＰＢ、ＰＣがそれ
ぞれ接続され、図１に示すように、ハウジング２１に形
成された引出し孔から外部に引き出される。

【００４１】圧電素子４１についても同様に、駆動電極
４１ａ、４１ｂおよびモニタ電極４１ｃにはラインＱ
Ａ、ＱＢ、ＱＣがそれぞれ接続され、途中にロータリト
ランス６０が介在する。

【００４２】図１では２相駆動用のロータリトランス６
０を使用した例を示し、ロータリトランス６０はライン
ＱＡ、ＱＢ、ＱＣに対応して３つのトランス回路を有す
る。図１（ｂ）に示すように、固定側コア６１および移
動側コア６２には５つのリング状突起が同心円状に形成
され、そのうち外周側の３つの突起がラインＱＡ、ＱＢ
のトランス回路を構成する駆動側コア６１ａ、６２ａと
して機能し、内側２つの突起がラインＱＣのトランス回
路を構成する検出側コア６１ｃ、６２ｃとして機能す
る。各リング状突起は所定角度ごとに溝加工されて、複
数の部分突起を形成し、各部分突起を巻回するようにコ
イルが装着されており、対向するリング状突起同士の磁
気結合によって、電力供給や信号伝達が非接触で行なわ
れる。

【００４３】また、駆動側コア６１ａ、６２ａと検出側
コア６１ｃ、６２ｃとの間には、プラスチック等の非磁
性材料を挿入して、両者コア間の磁気結合を抑制するた
めのセパレータ６１ｂ、６２ｂを形成してもよい。ま
た、こうしたセパレータ６１ｂ、６２ｂを駆動側コア６
１ａ、６２ａと検出側コア６１ｃ、６２ｃとの間だけで
なく、ラインＱＡ、ＱＢ、ＱＣ間全てに挿入してもよ
い。こうした非磁性材料のセパレータ６１ｂ、６２ｂを
設けることによって、各トランス回路間の磁気的結合を
抑制できる。セパレータ６１ｂ、６２ｂは、接着剤充填
により形成してもよい。

【００４４】また、図２〜図４は３相駆動用のロータリ
トランス６０を使用した例を示し、ロータリトランス６
０はラインＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤに対応して４つのト
ランス回路を有する。図４に示すように、固定側コア６
１および移動側コア６２には６つのリング状突起が同心
円状に形成され、そのうち外周側の４つの突起がライン
ＳＡ、ＳＢ、ＳＣのトランス回路を構成する駆動側コア
６１ａ、６２ａとして機能し、内側２つの突起がライン
ＳＤのトランス回路を構成する検出側コア６１ｃ、６２
ｃとして機能する。各リング状突起は所定角度ごとに溝
加工されて、複数の部分突起を形成し、各部分突起を巻
回するようにコイルが装着されており、対向するリング
状突起同士の磁気結合によって、電力供給や信号伝達が
非接触で行なわれる。

【００４５】また、駆動側コア６１ａ、６２ａと検出側
コア６１ｃ、６２ｃとの間には、プラスチック等の非磁
性材料を挿入して、両者コア間の磁気結合を抑制するた
めのセパレータ６１ｂ、６２ｂを形成してもよい。

【００４６】図７は、超音波モータの駆動制御回路の一
例を示すブロック図である。ここでは、ステータを主駆
動、ロータを従駆動とした回路例を示す。超音波モータ
１の弾性部材３０、４０は互いに圧接された状態で、出
力軸１０やハウジング２１等を介して電気的に接地され
る。固定側の弾性部材３０に取り付けられた圧電素子３
１の駆動電極３１ａ、３１ｂおよびモニタ電極３１ｃに
はラインＰＡ、ＰＢ、ＰＣがそれぞれ接続される。ライ
ンＰＡ、ＰＢの途中には、圧電駆動に必要な高電圧を発
生するための昇圧トランス７０、７１が介在する。な
お、昇圧トランス７０、７１は回路基板等に固定され
る。

【００４７】移動側の弾性部材４０に取り付けられた圧
電素子４１の駆動電極４１ａ、４１ｂおよびモニタ電極
４１ｃにはラインＱＡ、ＱＢ、ＱＣがそれぞれ接続さ
れ、途中にロータリトランス６０が介在する。ここで、
ロータリトランス６０の昇圧比Ｎｒを１以下に設定した
場合は、圧電駆動用の高電圧を発生する昇圧トランスが
別に必要になるが、ロータリトランス６０の昇圧比Ｎｒ
を１より大きく設定することによって、昇圧トランス７
０、７１と同様な機能を付与できるため、移動側の昇圧
トランスを省略できる。

【００４８】また、弾性部材３０、４０での進行波の振
幅を同等にするために、固定側と移動側の電気的特性お
よび機械的特性をほぼ一致させることが好ましく、ロー
タリトランス６０の昇圧比Ｎｒと昇圧トランス７０、７
１の昇圧比Ｎｓとの比Ｎｒ／Ｎｓが０．５≦Ｎｒ／Ｎｓ
≦２の範囲にあればアンバランスを解消でき、特にＮｓ
≒Ｎｒがより好ましい。

【００４９】ステータ側の周波数制御発振器８２は、周
波数Ｆｓの超音波駆動信号（たとえば正弦波やパルス
波）を出力し、増幅器８６で増幅された後ラインＰＡに
出力され、昇圧トランス７０によって高電圧に変換さ
れ、圧電素子３１の駆動電極３１ｂに印加される。さら
に、周波数制御発振器８２の超音波駆動信号は、位相を
９０度シフトさせるための移相器８４を経由して増幅器
８８にも入力され、増幅器８８で増幅された後ラインＰ
Ｂに出力され、昇圧トランス７１によって高電圧に変換
され、圧電素子３１の駆動電極３１ａに印加される。

【００５０】また、圧電素子３１のモニタ電極３１ｃに
発生した検出信号は、ラインＰＣを経由して波形整形用
のリミッタ回路９０に入力され、さらに周波数制御発振
器８２にフィードバック信号として入力される。周波数
制御発振器８２は、ＶＣＯ（電圧制御発振器）、位相比
較器およびＬＰＦ（ローパスフィルタ）から成るＰＬＬ
（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）回路等で構
成され、自己駆動状態で動作する。

【００５１】ロータ側は、周波数制御発振器８２が出力
する周波数Ｆｓの超音波駆動信号に基づいて周波数制御
回路８３が周波数Ｆｒの超音波駆動信号（たとえば正弦
波やパルス波）を出力し、増幅器８７で増幅された後ラ
インＱＡに出力され、ロータリトランス６０によって高
電圧に変換され、圧電素子４１の駆動電極４１ａに印加
される。さらに、周波数制御回路８３からの超音波駆動
信号は、位相を９０度シフトさせるための移相器８５を
経由して増幅器８９にも入力され、増幅器８９で増幅さ
れた後ラインＱＢに出力され、ロータリトランス６０に
よって高電圧に変換され、圧電素子４１の駆動電極４１
ｂに印加される。

【００５２】なお、圧電素子４１のモニタ電極４１ｃに
発生した検出信号は、ロータ側を従駆動とした場合には
使用しない。なお、ロータとステータの角度ずれを検知
する場合は、ロータ側およびステータ側の各フィードバ
ック信号を用いて、各信号の位相差を検出することにな
る。

【００５３】周波数制御回路８３は、コンピュータ等か
ら成る外部ホスト装置８０からのコマンドが入力される
と、該コマンドを解析して、周波数制御発振器８２から
の周波数Ｆｓを受けて、周波数Ｆｒを制御する。

【００５４】たとえば、外部ホスト装置８０からのコマ
ンドが回転速度コマンドである場合は、この回転速度に
応じた周波数差ΔＦを保つように発振器８２からの信号
に周波数差ΔＦを加えて、周波数Ｆｒを制御する。する
と、前述のように圧電素子３１、４１は周波数Ｆｓ、Ｆ
ｒの振動を発生し、これらの振動が弾性部材３０、４０
を伝搬して圧接面３０ａ、４０ａで円周方向に沿った変
位成分を持つ回転変位波ＷＡ、ＷＢをそれぞれ発生す
る。圧接面３０ａ、４０ａの回転変位波ＷＡ、ＷＢは周
波数差ΔＦだけシフトしているため、移動側の弾性部材
４０は固定側の弾性部材３０に対して相対的に回転する
ようになり、この回転トルクは図１に示す出力軸１０か
ら取り出される。弾性部材４０の回転速度は、周波数差
ΔＦに比例的に変化するため、周波数制御回路８３が周
波数差ΔＦを精度良く制御することによって、超音波モ
ータ１の回転速度を高精度で制御することができる。

【００５５】また、周波数Ｆｓ、Ｆｒを一致させて周波
数差ΔＦをゼロに制御することによって、超音波モータ
１は静止するとともに、弾性部材３０、４０の間の圧接
力がモータ保持トルクとして機能するため、ブレーキ機
構を省くことができる。

【００５６】外部ホスト装置８０からのコマンドが回転
角コマンドである場合は、回転角コマンドに対応した時
間だけ周波数差ΔＦに対応した所定の回転速度を保持
し、その後周波数Ｆｓ、Ｆｒを一致させることによって
停止する。したがって、ステッピングモータのような回
転角制御も可能になる。

【００５７】このように周波数制御回路８３は、発振器
８２の信号を受け、周波数Ｆｒを任意に制御することに
よって、超音波モータ１の回転速度、回転角、回転方向
等を自由自在に制御できる。

【００５８】図８は、超音波モータの駆動制御回路の他
の例を示すブロック図である。ここでは、ロータを主駆
動、ステータを従駆動とした回路例を示す。

【００５９】周波数制御発振器８２は、周波数Ｆｒの超
音波駆動信号（たとえば正弦波やパルス波）を出力し、
増幅器８７で増幅された後ラインＱＡに出力され、ロー
タリトランス６０によって高電圧に変換され、圧電素子
４１の駆動電極４１ａに印加される。さらに、周波数制
御発振器８２の超音波駆動信号は、位相を９０度シフト
させるための移相器８５を経由して増幅器８９にも入力
され、増幅器８９で増幅された後ラインＱＢに出力さ
れ、ロータリトランス６０によって高電圧に変換され、
圧電素子４１の駆動電極４１ｂに印加される。

【００６０】圧電素子４１のモニタ電極４１ｃに発生し
た検出信号は、ラインＱＣを経由して波形整形用のリミ
ッタ回路９０に入力され、さらに周波数制御発振器８２
にフィードバック信号として入力される。周波数制御発
振器８２は、ＶＣＯ（電圧制御発振器）、位相比較器お
よびＬＰＦ（ローパスフィルタ）から成るＰＬＬ(Phase
Locked Loop )回路等で構成され、自己駆動状態で動作
する。

【００６１】ステータ側は、周波数制御発振器８２が出
力する周波数Ｆｒの超音波駆動信号に基づいて周波数制
御回路８３が周波数Ｆｓの超音波駆動信号（たとえば正
弦波やパルス波）を出力し、増幅器８６で増幅された後
ラインＰＡに出力され、昇圧トランス７０によって高電
圧に変換され、圧電素子３１の駆動電極３１ｂに印加さ
れる。さらに、周波数制御回路８３からの超音波駆動信
号は、位相を９０度シフトさせるための移相器８４を経
由して増幅器８８にも入力され、増幅器８８で増幅され
た後ラインＰＢに出力され、昇圧トランス７１によって
高電圧に変換され、圧電素子３１の駆動電極３１ａに印
加される。

【００６２】また、圧電素子３１のモニタ電極３１ｃに
発生した検出信号は、ステータを従駆動とした場合には
使用しない。なお、ロータとステータの角度ずれを検知
する場合は、ロータ側およびステータ側の各フィードバ
ック信号を用いて、各信号の位相差を検出することにな
る。

【００６３】周波数制御回路８３は、コンピュータ等か
ら成る外部ホスト装置８０からのコマンドが入力される
と、該コマンドを解析して、周波数制御発振器８２から
の周波数Ｆｒを受けて、周波数Ｆｓを制御する。こうし
て外部ホスト装置８０からのコマンドに応じて超音波モ
ータ１の回転速度、回転角、回転方向等を自由自在に制
御できる。

【００６４】図９は、ロータリトランス６０のインダク
タンス特性を示すグラフである。縦軸は、ロータリトラ
ンス６０の最内周トランス回路Ｃ１、中間トランス回路
Ｃ２および最外周トランス回路Ｃ３のインダクタンス
（ｍＨ）（自己インダクタンスと相互インダクタンスの
合成）の対数表示である。横軸は、ロータリトランス６
０の固定側コア６１と移動側コア６２の間のギャップ長
（μｍ）の対数表示である。ここでは、各トランス回路
Ｃ１〜Ｃ３のコイル巻数を１００回に設定している。

【００６５】グラフを見ると、全体的傾向としてギャッ
プ長が狭いほどトランス回路のインダクタンスが増加
し、ギャップ長が広がるとインダクタンスが減少するこ
とが判る。従って、ギャップ長が狭いほどトランス伝達
効率が向上することになる。

【００６６】また、トランス回路同士を比較すると、中
間トランス回路Ｃ２および最外周トランス回路Ｃ３に比
べて最内周トランス回路Ｃ１のインダクタンスが極端に
低下していることが判る。従って、これら３つのトラン
ス回路のうち、中間トランス回路Ｃ２および最外周トラ
ンス回路Ｃ３を２相駆動電力用トランス回路として使用
することによって、駆動電力各相のアンバランスを抑制
できる。また、最内周トランス回路Ｃ１は、モニタ電極
３１ｃに発生した検出信号の伝達用に使用してもアンバ
ランスの問題は生じない。

【００６７】以上の説明では、固定側の弾性部材３０お
よび移動側の弾性部材４０の両方に圧電素子３１、４１
を設けたダブル駆動型の超音波モータの例を示したが、
移動側の弾性部材４０だけに圧電素子４１を設け、固定
側の弾性部材３０には圧電素子３１を設けないシングル
駆動型の超音波モータについても本発明は適用可能であ
る。

【００６８】また以上の説明では、圧電素子３１、４１
をｃｏｓ波およびｓｉｎ波から成る２相の駆動信号で駆
動して進行波を発生させる例を示したが、駆動電極の配
置と対応付けした３相以上の駆動信号で駆動して進行波
を発生させることも可能である。

【００６９】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、ロ
ータリトランスを用いて移動振動素子に電力を供給する
ことによって、省スペースで安定した非接触給電が可能
になるるため、小型で高出力の超音波モータを実現でき
る。

【００７０】また、移動振動素子をＮ相の駆動電力で駆
動する場合、同心円状に配置された複数のトランス回路
のうち最外周からＮ個のトランス回路を用いて電力供給
を行なうことによって、駆動電力の各相間のアンバラン
スを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は本発明の実施の一形態の構成を示
す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のロータリ
トランス６０の拡大断面図である。

【図２】組立て手順を示す分解斜視図である。

【図３】組立て手順を示す分解斜視図である。

【図４】図２、図３中のロータリトランス６０の拡大断
面図である。

【図５】図５（ａ）は圧電素子３１の分極状態を示す平
面図で、図５（ｂ）は圧電素子３１の電極形状を示す平
面図である。

【図６】進行波が発生する様子を示すグラフであり、図
６（ａ）は圧電素子３１の直線展開図、図６（ｇ）は駆
動電極３１ａ、３１ｂの電圧波形、図６（ｂ）〜図６
（ｆ）は、図６（ｇ）中の時刻ｔ０〜ｔ４での進行波の
波形を示す。

【図７】超音波モータの駆動制御回路の一例を示すブロ
ック図である。

【図８】超音波モータの駆動制御回路の他の例を示すブ
ロック図である。

【図９】ロータリトランス６０のインダクタンス特性を
示すグラフである。

【符号の説明】

１超音波モータ１０出力軸１５、１６ベアリング２１、２２ハウジング３０、４０弾性部材３０ａ、４０ａ圧接面３１、４１圧電素子３１ａ、３１ｂ、４１ａ、４１ｂ駆動電極３１ｃ、４１ｃモニタ電極３２、４２ライナ４４板ばね６０ロータリトランス６１固定側コア６２移動側コア７０、７１昇圧トランス８２周波数制御発振器８３周波数制御回路８４、８５移相器８６〜８９増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転対称の圧接面を有する固定弾性部材
と、固定弾性部材の圧接面に対向した回転対称の圧接面を有
し、回転対称軸回りに角変位自在に支持された移動弾性
部材と、固定弾性部材の圧接面に周波数Ｆｓの回転変位波を発生
するための固定振動素子と、移動弾性部材の圧接面に周波数Ｆｒの回転変位波を発生
するための移動振動素子とを備え、周波数Ｆｓと周波数Ｆｒとの周波数差ΔＦに応じた回転
速度で移動弾性部材が角変位する超音波モータであっ
て、移動弾性部材とともに角変位する移動振動素子にＮ相
（Ｎは２以上の整数）の位相差を持つ駆動電力を供給す
るためのロータリトランスを備え、ロータリトランスは、Ｎ個より多い同心円状のトランス
回路を有し、最外周から内側に順次配置されたＮ個のト
ランス回路を駆動電力用トランス回路として使用するこ
とを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】最内周のトランス回路を、移動弾性部材
の圧接面に発生した回転変位波の検出信号を伝達するた
めの検出信号用トランス回路として使用することを特徴
とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】固定振動素子および移動振動素子は、固
定弾性部材および移動弾性部材の圧接面と反対側の各面
に取り付けられた回転対称の圧電素子であり、圧電素子
の表面には、２相駆動用の第１駆動電極および第２駆動
電極と、振動波形を検出するためのモニタ電極とが形成
され、第１駆動電極および第２駆動電極は駆動電力用トランス
回路に接続され、モニタ電極は検出信号用トランス回路
に接続されていることを特徴とする請求項２記載の超音
波モータ。
【請求項４】検出信号用トランス回路を構成する検出
系コアと駆動電力用トランス回路を構成する駆動系コア
との間に、磁気結合を抑制するための非磁性材料が設け
られることを特徴とする請求項３記載の超音波モータ。
【請求項５】回転対称の圧接面を有する固定弾性部材
と、固定弾性部材の圧接面に対向した回転対称の圧接面を有
し、回転対称軸回りに角変位自在に支持された移動弾性
部材と、移動弾性部材の圧接面に回転変位波を発生するための移
動振動素子とを備え、回転変位波によって移動弾性部材
が角変位する超音波モータであって、移動弾性部材とともに角変位する移動振動素子にＮ相
（Ｎは２以上の整数）の位相差を持つ駆動電力を供給す
るためのロータリトランスを備え、ロータリトランスは、Ｎ個より多い同心円状のトランス
回路を有し、最外周から内側に順次配置されたＮ個のト
ランス回路を駆動電力用トランス回路として使用するこ
とを特徴とする超音波モータ。