超音波モータ
【課題】温度変化及び負荷変化等が生じた場合であっても最適な駆動周波数で駆動可能であり、且つ単純な構造でコストダウン及び小型化可能な超音波モータを提供すること。
【解決手段】棒状弾性体11の側面において対向して配置された２個の積層型圧電素子13の伸縮振動を利用して棒状弾性体11に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起して棒状弾性体11の端面に設けられた摩擦子15に楕円運動を励起させてロータを回転させる超音波モータ1における前記積層型圧電素子13を、第１圧電板31と第２圧電板32とを交互に積層して構成する。ここで、前記第１圧電板31は、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電板31の周縁部へ露出している第１内部電極A+,B+を備え、前記第２圧電板32は、前記第１内部電極A+,B+とは逆の極性の内部電極であって複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電板の周縁部へ露出している内部電極A-,B-を備える。
【解決手段】棒状弾性体11の側面において対向して配置された２個の積層型圧電素子13の伸縮振動を利用して棒状弾性体11に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起して棒状弾性体11の端面に設けられた摩擦子15に楕円運動を励起させてロータを回転させる超音波モータ1における前記積層型圧電素子13を、第１圧電板31と第２圧電板32とを交互に積層して構成する。ここで、前記第１圧電板31は、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電板31の周縁部へ露出している第１内部電極A+,B+を備え、前記第２圧電板32は、前記第１内部電極A+,B+とは逆の極性の内部電極であって複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電板の周縁部へ露出している内部電極A-,B-を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換素子を駆動源とする超音波振動子を用いた超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波モータが注目されている。超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
【０００３】
（利点１）ギヤなしで高トルクが得られる。
【０００４】
（利点２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
【０００５】
（利点３）高分解能である。
【０００６】
（利点４）静粛性に富んでいる。
【０００７】
（利点５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【０００８】
ところで、このような超音波モータに関連する技術として、例えば特許文献１には次のような技術が開示されている。
【０００９】
すなわち、特許文献１には、棒状弾性体と、該棒状弾性体の側面に設けられ、該棒状弾性体に対して一体的に設けられた複数の保持用弾性体と、該複数の保持用弾性体により両端を保持された一対の積層型圧電素子であって、その変位方向と前記棒状弾性体の長手方向とが一定の鋭角を有し、かつ、該積層型圧電素子の一対同士は互いに反対方向に傾斜して配置した一対の積層型圧電素子と、積層型圧電素子と前記保持用弾性体との間に設けられた複数の振動検出用の圧電素子と、前記棒状弾性体の端面に設けた摩擦子とを有し、前記一対の積層型圧電素子に対して、前記振動検出用の圧電素子から出力され信号の位相若しくは振幅に応じた所定の周波数、大きさの交番電圧であり互いに位相差を有する交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起して前記棒状弾性体の端面に設けた摩擦子に超音波楕円振動を励起させる超音波振動子が開示されている。
【００１０】
この特許文献１に開示された超音波振動子によれば、環境温度等が変化しても、振動検出用の圧電素子からの信号を利用して最適な周波数に追尾することが可能となり、縦振動モード及び屈曲振動モードの双方の振動モードをそれぞれ独立した形で、容易に検出することが可能になる。
【特許文献１】特開平９−８５１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術によれば、駆動用の圧電素子である前記積層型圧電素子と前記振動検出用の圧電素子との間に、絶縁用のセラミクスである絶縁板を介在させる必要がある。このことが、当該超音波振動子の構造の複雑化を招いている。
【００１２】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、温度変化及び負荷変化等が生じた場合であっても最適な駆動周波数で駆動可能であり、且つ単純な構造でコストダウン及び小型化可能な超音波モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による超音波モータは、棒状弾性体の側面において互いに対向して配置された２個の積層型圧電素子の伸縮振動を利用して、前記棒状弾性体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記棒状弾性体の端面に設けられた摩擦子に楕円運動を励起させて、前記摩擦子によりロータを回転させる超音波モータであって、前記積層型圧電素子は、第１の圧電シートと第２の圧電シートとが交互に積層されて構成され、前記第１の圧電シートは、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電シートの周縁部へ露出している第１の内部電極を備え、前記第２の圧電シートは、前記第１の内部電極とは逆の極性の内部電極であって、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電シートの周縁部へ露出している内部電極を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、温度変化及び負荷変化等が生じた場合であっても最適な駆動周波数で駆動可能であり、且つ単純な構造でコストダウン及び小型化可能な超音波モータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る超音波モータについて図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本第１実施形態に係る超音波モータを構成する超音波振動子１０の上面図である。図２は、超音波振動子１０を、図１に示すα方向から視た図（正面図）である。図３は、超音波振動子１０を図１に示すβ方向から視た図（背面図）である。図４は、超音波振動子１０を図１に示すγ方向から視た図（右側面図）である。図５は、超音波振動子１０を図１に示すδ方向から視た図（左側面図）である。図６は、超音波振動子１０を図１に示すα方向から視た場合の超音波振動子１０の分解図である。
【００１７】
前記超音波振動子１０は、黄銅材（Ｃ２８０１ＰのＯ材）から成る角柱形状の角柱棒状弾性体１１を有している。この角柱棒状弾性体１１は、例えば９ｍｍ×９ｍｍ×４０ｍｍの寸法を持ち、その下端から１６ｍｍの位置に例えば深さ２ｍｍの溝１４が全周に渡り設けられている。
【００１８】
前記角柱棒状弾性体１１の正面及び裏面には、電気機械変換素子たる一対の積層型圧電素子１３が角柱棒状弾性体１１の長さ方向に対して１５°の傾斜角度を持って保持されている。これら積層型圧電素子１３は、寸法が２ｍｍ×３．１ｍｍ×９ｍｍのものである。
【００１９】
前記角柱棒状弾性体１１の先端部には、円環状のフェノール樹脂にアルミナセラミックの砥粒を分散させた砥石からなる摩擦子１５が接合されている。また、前記角柱棒状弾性体１１の中央部には図６に示すように長さ方向に沿った貫通穴１６が設けられ、この穴の一部（正確には縦振動の節位置）にはネジ部２０が設けられている。
【００２０】
ここで、前記積層型圧電素子１３について詳細に説明する。図７は、前記積層型圧電素子１３の分解図である。
【００２１】
図７に示すように、積層型圧電素子１３は、圧電板３１と圧電板３２とが同図に示すように交互に積層されて構成されている。このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００２２】
詳細には、前記圧電板３１は、図７に示すように２分割された内部電極Ａ＋，Ｂ＋を有している。同様に、前記圧電板３２は、図７に示すように２分割された内部電極Ａ−，Ｂ−を有している。
【００２３】
ここで、内部電極（Ａ＋，Ａ−）は駆動用の内部電極である。他方、内部電極(Ｂ＋，Ｂ−)は振動検出用の内部電極である。なお、このようにして各々の内部電極に割り振った駆動用／振動検出用の役割は、異なる割り振りかたをしても勿論よい。
【００２４】
そして、各々の内部電極が露出した面には外部電極が設けられている。詳細には、図８に示すように、内部電極Ａ＋が露出した面には外部電極３３が設けられている。同様に、内部電極Ｂ＋が露出した面には外部電極３４が設けられている。また、直接的には図示していないが、内部電極Ａ−が露出した面には外部電極３３´が設けられ、内部電極Ｂ−が露出した面には外部電極３４´が設けられている。
【００２５】
ここで、超音波振動子１０の組立方法について、図６を参照して説明する。前記積層型圧電素子１３は、角柱棒状弾性体１１の積層体挿入凹部１８に挿入される。また、保持用弾性体１２は、角柱棒状弾性体１１に設けた一対のガイド突起部１７に沿って挿入され、積層型圧電素子１３に付き当てられた後、積層型圧電素子１３に圧縮応力１００Ｎの力を印加された状態で、ビス１９により固定される。また、積層型圧電素子１３と角柱棒状弾性体１１と保持用弾性体１２の当接面とは、すべてはエポキシ系接着剤を用いて固定される。この後、角柱棒状弾性体１１の端面には、摩擦子１５が接着剤を用いて接着される。
【００２６】
なお、図２及び図３に示すように、前記積層型圧電素子１３は、互いに対向する面に前記角柱棒状弾性体１１の軸に対して所定の角度を持って２個配置される。以降、上述した内部電極の接続関係を説明する際に、対向する（互いに逆側に配置された）積層型圧電素子１３における内部電極同士を接続する場合には、一方の内部電極の名称に´を付して表現する（例えば、Ａ´＋，Ｂ´−）。
【００２７】
ここで、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ＋端子とする。同様に、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ−端子とする。以降、このような接続方式を逆接続と称する。これらの端子Ｆ＋，Ｆ−は振動検出用の端子である。つまり、端子Ｆ＋，Ｆ−によって検出した振動検出信号に基づいて、後述する積層型圧電素子１３の捻じれ振動に比例する振動検出信号を得る。
【００２８】
なお、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ＋端子とし、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ−端子とする接続方式を順接続と称する。この順接続によれば、端子Ｆ＋，Ｆ−によって検出した振動検出信号に基づいて、積層型圧電素子１３の縦振動に比例する振動検出信号を得ることができる。
【００２９】
本第１実施形態においては、上述した逆接続により端子Ｆ＋，Ｆ−を構成し、これら端子Ｆ＋，Ｆ−によって検出した振動検出信号に基づいて、積層型圧電素子１３の捻じれ振動に比例する振動検出信号を得るとする。
【００３０】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータ１の制御装置について図９を参照して説明する。
【００３１】
図９に示すように、制御装置１３０は、駆動パルス発生回路（信号発生器）１３１と、ドライブＩＣ（駆動回路）１３２と、振動検出回路１３３と、位相比較回路１３４と、周波数制御回路１３５と、周波数設定回路１３６と、方向指示回路１３７と、を有する。
【００３２】
前記駆動パルス発生回路１３１は、所定の駆動周波数、及び、所定の位相差θの２相の駆動制御信号を生成し、ドライブＩＣ１３２に出力する。所定の位相差θは、例えば、約９０°とされている。
【００３３】
前記ドライブＩＣ１３２は、駆動パルス発生回路１３１から入力される２相の駆動制御信号に基づいて、所定の位相差、及び、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧を生成し、各駆動交番信号を上述したＡ相（上述した内部電極Ａ＋，Ａ−）、Ａ´相（上述した内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に対応する外部電極３３，３３´に印加する。
【００３４】
前記振動検出回路１３３は、振動検出相の端子（Ｆ＋，Ｆ−）と配線を介して接続されており、振動検出相の端子（Ｆ＋，Ｆ−）からのアナログ電気信号（以下、「振動検出相電気信号」という。）に基づいて、超音波振動子１０に生じている捻じれ振動に対応する振動検出信号を生成する。具体的には、配線を介して入力された振動検出相電気信号に対して、レベル調整、ノイズ除去、２値化等の各種信号処理を施してデジタル信号に変換し、処理後のデジタル信号を振動検出信号として出力する。
【００３５】
前記位相比較回路１３４は、振動検出回路１３３から出力された振動検出信号とドライブＩＣ１３２に入力されるＡ相の駆動制御信号とが入力されるようになっている。位相比較回路１３４は、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φを求め、更に、この位相差φと予め記憶している基準位相差φｒｅｆとの差分Δφ（＝φ−φｒｅｆ）を求め、この差分Δφに応じた信号を出力する。
【００３６】
ここで、超音波モータ１は、共振周波数において駆動すると効率が良いことが知られている。ところが、共振周波数は環境温度によって変化する。具体的には、環境温度が増加すると、共振周波数は減少するという特性を有している。したがって、最大のモータ速度が得られるように超音波モータ１を制御しようとする場合には、温度変化に追従して、共振周波数を変化させる必要がある。
【００３７】
これに対し、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φと共振周波数との間には、温度が増加して共振周波数が変化したとしても位相差φは常に一定の値に維持されるという関係がある。これは、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φが常に一定の値となるように、共振周波数を制御すれば、常に一定のモータ速度が得られることを示している。そこで、本第１実施形態においては、上述のように、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが、常に一定の値となるように、共振周波数を制御することとしている。
【００３８】
本第１実施形態では、基準位相差φｒｅｆを３π／４に設定し、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが常に基準位相差３π／４となるように共振周波数を制御することとしている。これは、３π／４のときに、共振周波数を取ることなり、超音波モータを最も効率の良い領域で駆動することができるからである。なお、基準位相差φｒｅｆの値については、特に限定されることなく、超音波モータ１の駆動効率、換言すると、所望のモータ速度に応じて設計事項により任意に決定できる。
【００３９】
前記周波数制御回路１３５は、位相比較回路１３４からの差分Δφが入力されるようになっている。周波数制御回路１３５は、差分Δφに基づいて、差分Δφをゼロにするための周波数の変化量Δｆを求め、この周波数の変化量Δｆを出力する。具体的には、差分Δφがプラスの値を示していた場合には、周波数を所定数増加させるための変化量＋Δｆを出力し、差分Δφがマイナスの値を示していた場合には、周波数を所定量減少させるための変化量−Δｆを出力する。このように、本実施形態では、差分Δφに基づく逐次制御を実施する。
【００４０】
前記周波数設定回路１３６は、周波数制御回路１３５からの周波数の変化量Δｆが入力されるようになっている。周波数設定回路１３６は、例えば、発振器、分周回路等を備えて構成されている。周波数設定回路１３６は、周波数を周波数制御回路１３５からの変化量Δｆに応じて増減させたクロック信号を生成し、これを上述の駆動パルス発生回路１３１に出力する。
【００４１】
なお、駆動パルス発生回路１３１には、方向指示回路１３７から方向指示信号が入力されるようになっている。駆動パルス発生回路１３１は、方向指示信号に応じてドライブＩＣ１３２に出力する２相の駆動制御信号の位相差θを変更する。これにより、超音波振動子１０の摩擦子１５に発生する略楕円振動の向きを正転、または負転に切り替えることができる。
【００４２】
次に、上記制御装置１３０の作用について説明する。
【００４３】
まず、駆動パルス発生回路１３１から所定の駆動周波数、及び、所定の位相差θ（＝９０°）の２相の駆動制御信号がドライブＩＣ１３２に入力され、これに基づいて、所定の位相差、及び、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧が超音波振動子１０の上述したＡ相の外部電極３３（内部電極Ａ＋，Ａ−）、及びＡ´相の外部電極３３´（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）にそれぞれ印加される。これにより、超音波振動子１０には、縦振動と捻じれ振動とが同時に励起され、前記摩擦子１５の位置において楕円振動が励起される。
【００４４】
一方、超音波振動子１０の縦振動モードに応じた振動検出相電気信号が振動検出相の端子（Ｆ＋，Ｆ−）及び配線を介して振動検出回路１３３に入力される。この振動検出相電気信号は、振動検出回路１３３において、デジタル信号に変換され、振動検出信号として位相比較回路１３４に入力される。位相比較回路１３４に入力された振動検出信号は、Ａ相の駆動制御信号と比較されることによって位相差φが求められ、更に、この位相差φと基準位相差φｒｅｆとの差分Δφが求められることにより、差分Δφに応じた信号が周波数制御回路１３５に出力される。周波数制御回路１３５において、差分Δφの符号（プラス、または、マイナス）に基づいて周波数の変化量Δｆの符号（プラス、または、マイナス）が決められ、この変化量Δｆが周波数設定回路１３６に出力される。周波数設定回路１３６は、変化量Δｆに応じて周波数を変化させたクロック信号を生成し、これを駆動パルス発生回路１３１に出力する。これにより、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが基準位相差φｒｅｆとなるようなフィードバック制御が行われることとなり、温度変化に応じた所望の共振周波数で超音波モータ１を駆動することが可能となる。これにより、温度変化にかかわらずに常に安定したモータ駆動を実現させることができる。
【００４５】
以上説明した制御により、振動検出相の捻じれ振動の振動検出信号と、Ａ相の駆動制御信号との位相差が、常に所定の値になるように駆動周波数を変化させる。
【００４６】
ここで、超音波振動子１０の動作について説明する。
【００４７】
上記超音波振動子１０はその寸法が、１箇所に節部を有する共振縦振動（図１０に共振縦振動のモード変位の状態を実線で示す。）及び２箇所に節部を有する共振捻れ振動（図１１に共振捻れ振動のモード変位の状態を実線で示す。）がほぼ同一周波数Ｆｒ（３６ｋＨｚ）で励起できるようなものとなっている。
【００４８】
ねじれ共振振動の場合には、長手方向中心軸上は変位０、つまり節である。従って、図６に示したネジ部２０の位置は縦振動と捻れ振動の共通の節であるといえる。
【００４９】
外部電極３３（内部電極Ａ＋，Ａ−）に周波数３６ｋＨｚで振幅２０Ｖｐ−ｐの交番圧電を印加し、外部電極３３´（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に同一周波数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると、共振縦振動が励起できる。
【００５０】
外部電極３３（内部電極Ａ＋，Ａ−）に周波数３６ｋＨｚで振幅２０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、外部電極３３´（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加すると、共振捻れ振動が励起できる。
【００５１】
外部電極３３（内部電極Ａ＋，Ａ−）に周波数３６ｋＨｚで振幅２０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、外部電極３３´（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に同一周波数、同振幅で位相が９０度異なった交番電圧を印加すると、共振縦振動と共振捻れ振動とが合成されて、前記摩擦子１５の位置において楕円振動が励起できる。
【００５２】
このとき、上述した振動検出用の端子（Ｆ＋，Ｆ−）からは、捻れ振動に比例した検出信号が出力される。
【００５３】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータ１の構成及び動作を、図１２及び図１３を参照して説明する。
【００５４】
図１２は、前記超音波振動子１０を用いた超音波モータ１の側面図であり、図１３は同分解図である。
【００５５】
前記超音波振動子１０の貫通穴１６には軸５１が挿入される。軸５１には、図１３に示すように中央部及び両端部にネジ部５８が設けられており、中央部のネジ部５８は前記超音波振動子１０のネジ部２０と螺合され接着固定される。
【００５６】
前記超音波振動子１０の上端部にロータ５３がスラストベアリング５４及びばね保持体５５を介してバネ５６により押圧固定される。押圧力はナット５７により調節される。円環状のロータ５３の下面には、円環状のジルコニアセラミックスからなる摺動板５２が接着されている。超音波モータ１を固定する場合には、その下部に突き出た軸５１を図示しない基台にねじ込み固定する。
【００５７】
上述したように、超音波振動子１０のＡ相（内部電極Ａ＋，Ａ−）及びＡ´相（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に周波数３６ｋＨｚ、振幅２０Ｖｐ−ｐ、位相差＋９０度又は−９０度の交番電圧を印加する。これにより、ロータ５３が時計廻り又は反時計廻りに回転する。
【００５８】
ところで、温度変動や負荷変動に対して縦共振周波数、捻れ共振周波数は変化する。よって、この変動に対し、駆動周波数を追尾させる必要がある。本第１実施形態に係る超音波モータでは、上述したように振動検出用の端子（Ｆ＋，Ｆ−）からは捻れ振動に比例した振動検出信号が出力される。よって、この振動検出信号を参照することにより共振周波数を追尾させることができる。
【００５９】
つまり、振動検出相の端子（Ｆ＋，Ｆ−）により検出される捻じれ振動の振動検出信号と、Ａ相（内部電極Ａ＋，Ａ−）の駆動制御信号との位相差が、常に所定の値になるように、上述した制御により駆動周波数を変化させる。
【００６０】
なお、本第１実施形態においては、前記振動検出用の端子（Ｆ＋，Ｆ−）の位相により共振周波数を追尾しても、振幅が極大になるようにして追尾をかけてもどちらの方式を採っても良い。また、積層型圧電素子１３を対向する２側面に設けたが、駆動原理に従う範囲で、４側面に設けても良い。このようにすると超音波モータ１の出力を増大させることができる。
【００６１】
以上説明しように、本第１実施形態によれば、温度変化及び負荷変化等が生じた場合であっても最適な駆動周波数で駆動可能であり、且つ単純な構造でコストダウン及び小型化可能な超音波モータを提供することができる。
【００６２】
［第２実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第２実施形態に係る超音波モータについて説明する。なお、説明の重複を避ける為、前記第１実施形態に係る超音波モータとの相違点のみを説明する。
【００６３】
図１４は、本第２実施形態の主な特徴部の一つである積層型圧電素子１３の構成を示す分解図である。
【００６４】
図１４に示すように、積層型圧電素子１３は、圧電板８１と圧電板８２とが同図に示すように交互に積層されて構成されている。このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００６５】
詳細には、前記圧電板８１は、図１４に示すように３分割された内部電極Ａ＋，Ｂ＋，Ｃ＋を有している。同様に、前記圧電板８２は、図１４に示すように３分割された内部電極Ａ−，Ｂ−，Ｃ−を有している。
【００６６】
ここで、内部電極Ａ＋，Ａ−は駆動用の内部電極である。他方、内部電極Ｂ＋，Ｂ−及び内部電極Ｃ＋，Ｃ−は振動検出用の内部電極である。なお、このように各々の内部電極に割り振った駆動用／振動検出用の役割は、異なる割り振りかたをしても勿論よい。
【００６７】
そして、各々の内部電極が露出した面には外部電極が設けられている。詳細には、図１５に示すように、内部電極Ａ＋が露出した面には外部電極８３が設けられている。同様に、内部電極Ｂ＋が露出した面には外部電極８４が設けられている。そして、内部電極Ｃ＋が露出した面には外部電極８５が設けられている。また、直接的には図示していないが、内部電極Ａ−が露出した面には外部電極３３´が設けられ、内部電極Ｂ−が露出した面には外部電極３４´が設けられ、内部電極Ｃ−が露出した面には外部電極３５´が設けられ
ている。
【００６８】
ここで、内部電極Ｂ＋，Ｂ−については、上述した順接続を行う。すなわち、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ１＋端子とし、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ１−端子とする。他方、内部電極Ｃ＋，Ｃ−については、上述した逆接続を行う。すなわち、内部電極Ｃ＋と内部電極Ｃ´−とを接続してＦ２＋端子とする。同様に、内部電極Ｃ−と内部電極Ｃ´＋とを接続してＦ２−端子とする
以上説明した構成により、振動検出相の端子Ｆ１＋，Ｆ１−からは縦振動に比例する振動検出信号を得ることができる。他方、振動検出相の端子Ｆ２＋，Ｆ２−からは捻じれ振動に比例する振動検出信号を得ることができる。そして、捻じれ振動に比例する振動検出信号及び縦振動信号と、印加電圧信号との位相差が常に所定の値になるように駆動周波数を変化させる。
【００６９】
ところで、温度変動や負荷変動に対して縦共振周波数、捻れ共振周波数が変化する。よって、この変動に対し、駆動周波数を追尾させる必要がある。本第２実施形態においては、上述したように端子Ｆ１＋，Ｆ１−からは縦振動に比例する振動検出信号が出力され、端子Ｆ２＋，Ｆ２−からは捻じれ振動に比例する振動検出信号が出力される。よって、これらの信号の振幅、若しくは位相を参照することにより共振周波数を追尾することができる。
【００７０】
なお、振動検出相の端子Ｆ１＋，Ｆ１−から縦振動に比例する振動検出信号を得る為の制御は、当然ながら第１実施形態において説明した端子Ｆ＋，Ｆ−から捻じれ振動に比例する振動検出信号を得る為の制御と同様である。
【００７１】
以上説明したように、本第２実施形態によれば、前記第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００７２】
すなわち、本第２実施形態に係る超音波モータによれば、上述した超音波振動子１０における共振縦振動と共振捻れ振動との合成による前記摩擦子１５の位置における楕円振動の形状を制御することが可能となる。このような制御が可能となることで、当該超音波モータの制御をより効率良く行うことができ、且つ各々の超音波振動子１０間における個体差を吸収することができる。
【００７３】
［第３実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第３実施形態に係る超音波モータについて説明する。なお、説明の重複を避ける為、前記第１実施形態に係る超音波モータとの相違点を中心に説明する。
【００７４】
図１６は、本第３実施形態の主な特徴部の一つである積層型圧電素子１３の構成を示す分解図である。
【００７５】
図１６に示すように、積層型圧電素子１３は、圧電板３１と圧電板３２とが同図に示すように交互に、積層型圧電素子１３の伸縮方向とは直交する方向に積層されて構成されている。つまり、前記第１実施形態との主な相違点は、この圧電板３１及び圧電板３２の積層方向である。なお、このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００７６】
詳細には、前記圧電板３１は、図１６に示すように２分割された内部電極Ａ＋，Ｂ＋を有している。同様に、前記圧電板３２は、図１６に示すように２分割された内部電極Ａ−，Ｂ−を有している。
【００７７】
ここで、内部電極（Ａ＋，Ａ−）は駆動用の内部電極である。他方、内部電極(Ｂ＋，Ｂ−)は振動検出用の内部電極である。なお、このように各々の内部電極に割り振った駆動用／振動検出用の役割は、異なる割り振りかたをしても勿論よい。
【００７８】
そして、各々の内部電極が露出した面には外部電極が設けられている。詳細には、図１７に示すように、内部電極Ａ＋が露出した面には外部電極３３が設けられている。同様に、内部電極Ｂ＋が露出した面には外部電極３４が設けられている。また、内部電極Ａ−が露出した面には外部電極３３´が設けられ、内部電極Ｂ−が露出した面には外部電極３４´が設けられている。
【００７９】
ここで、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ＋端子とする。同様に、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ−端子とする。つまり、本第３実施形態においては、上述した逆接続により端子Ｆ＋，Ｆ−を構成し、これら端子Ｆ＋，Ｆ−によって検出した振動検出信号に基づいて、積層型圧電素子１３の捻じれ振動に比例する振動検出信号を得る。
【００８０】
以上説明したように、本第３実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果を奏する上に、次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００８１】
すなわち、本第３実施形態によれば、圧電板３１と圧電板３２とを交互に積層型圧電素子１３の伸縮方向とは直交する方向に積層して積層型圧電素子１３を構成することで、より薄型の積層型圧電素子１３を実現でき、超音波モータの小型化を実現することができる。
【００８２】
［第４実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第４実施形態に係る超音波モータについて説明する。なお、説明の重複を避ける為、前記第２実施形態に係る超音波モータとの相違点を中心に説明する。
【００８３】
図１８は、本第４実施形態の主な特徴部の一つである積層型圧電素子１３の構成を示す分解図である。
【００８４】
図１８に示すように、積層型圧電素子１３は、圧電板８１と圧電板８２とが同図に示すように交互に、積層型圧電素子の伸縮方向とは直交する方向に積層されて構成される。つまり、前記第２実施形態との主な相違点は、この圧電板８１及び圧電板８２の積層方向である。このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００８５】
詳細には、前記圧電板８１は、図１７に示すように３分割された内部電極Ａ＋，Ｂ＋，Ｃ＋を有している。同様に、前記圧電板８２は、図１７に示すように３分割された内部電極Ａ−，Ｂ−，Ｃ−を有している。
【００８６】
ここで、内部電極（Ａ＋，Ａ−）は駆動用の内部電極である。他方、内部電極(Ｂ＋，Ｂ−)及び内部電極(Ｃ＋，Ｃ−)は振動検出用の内部電極である。なお、このように各々の内部電極に割り振った駆動用／振動検出用の役割は、異なる割り振りかたをしても勿論よい。
【００８７】
そして、各々の内部電極が露出した面には外部電極が設けられている。詳細には、図１９に示すように、内部電極Ａ＋が露出した面には外部電極８３が設けられている。同様に、内部電極Ｂ＋が露出した面には外部電極８４が設けられている。そして、内部電極Ｃ＋が露出した面には外部電極８５が設けられている。また、内部電極Ａ−が露出した面には外部電極８３´が設けられ、内部電極Ｂ−が露出した面には外部電極８４´が設けられ、内部電極Ｃ−が露出した面には外部電極８５´が設けられ
ている。
【００８８】
ここで、内部電極(Ｂ＋，Ｂ−)については、上述した順接続を行う。すなわち、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ１＋端子とし、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ１−端子とする。他方、内部電極(Ｃ＋，Ｃ−)については、上述した逆接続を行う。すなわち、内部電極Ｃ＋と内部電極Ｃ´−とを接続してＦ２＋端子とする。同様に、内部電極Ｃ−と内部電極Ｃ´＋とを接続してＦ２−端子とする
以上説明したように、本第４実施形態によれば、前記第２実施形態と同様の効果を奏する上に、次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００８９】
すなわち、本第４実施形態によれば、圧電板８１と圧電板８２とを交互に積層型圧電素子１３の伸縮方向とは直交する方向に積層して積層型圧電素子１３を構成することで、より薄型の積層型圧電素子１３を実現でき、超音波モータの小型化を実現することができる。
【００９０】
以上、第１実施形態乃至第４実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。
【００９１】
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示する複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波モータを構成する超音波振動子の上面図。
【図２】超音波振動子を図１に示すα方向から視た図（正面図）。
【図３】超音波振動子を図１に示すβ方向から視た図（背面図）。
【図４】超音波振動子を図１に示すγ方向から視た図（右側面図）。
【図５】超音波振動子を図１に示すδ方向から視た図（左側面図）。
【図６】超音波振動子を図１に示すα方向から視た場合の超音波振動子の分解図。
【図７】積層型圧電素子の分解図。
【図８】積層型圧電素子の外観図。
【図９】超音波モータの制御装置のシステム構成例を示す図。
【図１０】共振縦振動のモード変位の状態を示す図。
【図１１】共振捻れ振動のモード変位の状態を示す図。
【図１２】超音波振動子を用いた超音波モータの側面図。
【図１３】超音波振動子を用いた超音波モータの分解図。
【図１４】本発明の第２実施形態における積層型圧電素子の構成を示す分解図。
【図１５】積層型圧電素子の外観図。
【図１６】本発明の第３実施形態における積層型圧電素子の構成を示す分解図。
【図１７】積層型圧電素子の外観図。
【図１８】本発明の第４実施形態における積層型圧電素子の構成を示す分解図。
【図１９】積層型圧電素子の外観図。
【符号の説明】
【００９３】
１…超音波モータ、 １０…超音波振動子、 １１…角柱棒状弾性体、 １２…保持用弾性体、 １３…積層型圧電素子、 １４…溝、 １５…摩擦子、 １６…貫通穴、 １７…ガイド突起部、 １８…積層体挿入凹部、 １９…ビス、 ２０…ネジ部、 ３０…制御装置、 ３１…圧電板、 ３２…圧電板、 ３３…外部電極、 ３４…外部電極、 ３５…外部電極、 ３７…方向指示回路、 ５１…軸、 ５２…摺動板、 ５３…ロータ、 ５４…スラストベアリング、 ５５…保持体、 ５６…バネ、 ５７…ナット、 ５８…ネジ部、 ８１…圧電板、 ８２…圧電板、 ８３…外部電極、 ８４…外部電極、 ８５…外部電極、 １３１…駆動パルス発生回路、 １３２…ドライブＩＣ、 １３３…振動検出回路、 １３４…位相比較回路、 １３５…周波数制御回路、 １３６…周波数設定回路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換素子を駆動源とする超音波振動子を用いた超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして超音波モータが注目されている。超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
【０００３】
（利点１）ギヤなしで高トルクが得られる。
【０００４】
（利点２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
【０００５】
（利点３）高分解能である。
【０００６】
（利点４）静粛性に富んでいる。
【０００７】
（利点５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【０００８】
ところで、このような超音波モータに関連する技術として、例えば特許文献１には次のような技術が開示されている。
【０００９】
すなわち、特許文献１には、棒状弾性体と、該棒状弾性体の側面に設けられ、該棒状弾性体に対して一体的に設けられた複数の保持用弾性体と、該複数の保持用弾性体により両端を保持された一対の積層型圧電素子であって、その変位方向と前記棒状弾性体の長手方向とが一定の鋭角を有し、かつ、該積層型圧電素子の一対同士は互いに反対方向に傾斜して配置した一対の積層型圧電素子と、積層型圧電素子と前記保持用弾性体との間に設けられた複数の振動検出用の圧電素子と、前記棒状弾性体の端面に設けた摩擦子とを有し、前記一対の積層型圧電素子に対して、前記振動検出用の圧電素子から出力され信号の位相若しくは振幅に応じた所定の周波数、大きさの交番電圧であり互いに位相差を有する交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起して前記棒状弾性体の端面に設けた摩擦子に超音波楕円振動を励起させる超音波振動子が開示されている。
【００１０】
この特許文献１に開示された超音波振動子によれば、環境温度等が変化しても、振動検出用の圧電素子からの信号を利用して最適な周波数に追尾することが可能となり、縦振動モード及び屈曲振動モードの双方の振動モードをそれぞれ独立した形で、容易に検出することが可能になる。
【特許文献１】特開平９−８５１７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術によれば、駆動用の圧電素子である前記積層型圧電素子と前記振動検出用の圧電素子との間に、絶縁用のセラミクスである絶縁板を介在させる必要がある。このことが、当該超音波振動子の構造の複雑化を招いている。
【００１２】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、温度変化及び負荷変化等が生じた場合であっても最適な駆動周波数で駆動可能であり、且つ単純な構造でコストダウン及び小型化可能な超音波モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様による超音波モータは、棒状弾性体の側面において互いに対向して配置された２個の積層型圧電素子の伸縮振動を利用して、前記棒状弾性体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記棒状弾性体の端面に設けられた摩擦子に楕円運動を励起させて、前記摩擦子によりロータを回転させる超音波モータであって、前記積層型圧電素子は、第１の圧電シートと第２の圧電シートとが交互に積層されて構成され、前記第１の圧電シートは、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電シートの周縁部へ露出している第１の内部電極を備え、前記第２の圧電シートは、前記第１の内部電極とは逆の極性の内部電極であって、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電シートの周縁部へ露出している内部電極を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、温度変化及び負荷変化等が生じた場合であっても最適な駆動周波数で駆動可能であり、且つ単純な構造でコストダウン及び小型化可能な超音波モータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る超音波モータについて図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本第１実施形態に係る超音波モータを構成する超音波振動子１０の上面図である。図２は、超音波振動子１０を、図１に示すα方向から視た図（正面図）である。図３は、超音波振動子１０を図１に示すβ方向から視た図（背面図）である。図４は、超音波振動子１０を図１に示すγ方向から視た図（右側面図）である。図５は、超音波振動子１０を図１に示すδ方向から視た図（左側面図）である。図６は、超音波振動子１０を図１に示すα方向から視た場合の超音波振動子１０の分解図である。
【００１７】
前記超音波振動子１０は、黄銅材（Ｃ２８０１ＰのＯ材）から成る角柱形状の角柱棒状弾性体１１を有している。この角柱棒状弾性体１１は、例えば９ｍｍ×９ｍｍ×４０ｍｍの寸法を持ち、その下端から１６ｍｍの位置に例えば深さ２ｍｍの溝１４が全周に渡り設けられている。
【００１８】
前記角柱棒状弾性体１１の正面及び裏面には、電気機械変換素子たる一対の積層型圧電素子１３が角柱棒状弾性体１１の長さ方向に対して１５°の傾斜角度を持って保持されている。これら積層型圧電素子１３は、寸法が２ｍｍ×３．１ｍｍ×９ｍｍのものである。
【００１９】
前記角柱棒状弾性体１１の先端部には、円環状のフェノール樹脂にアルミナセラミックの砥粒を分散させた砥石からなる摩擦子１５が接合されている。また、前記角柱棒状弾性体１１の中央部には図６に示すように長さ方向に沿った貫通穴１６が設けられ、この穴の一部（正確には縦振動の節位置）にはネジ部２０が設けられている。
【００２０】
ここで、前記積層型圧電素子１３について詳細に説明する。図７は、前記積層型圧電素子１３の分解図である。
【００２１】
図７に示すように、積層型圧電素子１３は、圧電板３１と圧電板３２とが同図に示すように交互に積層されて構成されている。このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００２２】
詳細には、前記圧電板３１は、図７に示すように２分割された内部電極Ａ＋，Ｂ＋を有している。同様に、前記圧電板３２は、図７に示すように２分割された内部電極Ａ−，Ｂ−を有している。
【００２３】
ここで、内部電極（Ａ＋，Ａ−）は駆動用の内部電極である。他方、内部電極(Ｂ＋，Ｂ−)は振動検出用の内部電極である。なお、このようにして各々の内部電極に割り振った駆動用／振動検出用の役割は、異なる割り振りかたをしても勿論よい。
【００２４】
そして、各々の内部電極が露出した面には外部電極が設けられている。詳細には、図８に示すように、内部電極Ａ＋が露出した面には外部電極３３が設けられている。同様に、内部電極Ｂ＋が露出した面には外部電極３４が設けられている。また、直接的には図示していないが、内部電極Ａ−が露出した面には外部電極３３´が設けられ、内部電極Ｂ−が露出した面には外部電極３４´が設けられている。
【００２５】
ここで、超音波振動子１０の組立方法について、図６を参照して説明する。前記積層型圧電素子１３は、角柱棒状弾性体１１の積層体挿入凹部１８に挿入される。また、保持用弾性体１２は、角柱棒状弾性体１１に設けた一対のガイド突起部１７に沿って挿入され、積層型圧電素子１３に付き当てられた後、積層型圧電素子１３に圧縮応力１００Ｎの力を印加された状態で、ビス１９により固定される。また、積層型圧電素子１３と角柱棒状弾性体１１と保持用弾性体１２の当接面とは、すべてはエポキシ系接着剤を用いて固定される。この後、角柱棒状弾性体１１の端面には、摩擦子１５が接着剤を用いて接着される。
【００２６】
なお、図２及び図３に示すように、前記積層型圧電素子１３は、互いに対向する面に前記角柱棒状弾性体１１の軸に対して所定の角度を持って２個配置される。以降、上述した内部電極の接続関係を説明する際に、対向する（互いに逆側に配置された）積層型圧電素子１３における内部電極同士を接続する場合には、一方の内部電極の名称に´を付して表現する（例えば、Ａ´＋，Ｂ´−）。
【００２７】
ここで、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ＋端子とする。同様に、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ−端子とする。以降、このような接続方式を逆接続と称する。これらの端子Ｆ＋，Ｆ−は振動検出用の端子である。つまり、端子Ｆ＋，Ｆ−によって検出した振動検出信号に基づいて、後述する積層型圧電素子１３の捻じれ振動に比例する振動検出信号を得る。
【００２８】
なお、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ＋端子とし、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ−端子とする接続方式を順接続と称する。この順接続によれば、端子Ｆ＋，Ｆ−によって検出した振動検出信号に基づいて、積層型圧電素子１３の縦振動に比例する振動検出信号を得ることができる。
【００２９】
本第１実施形態においては、上述した逆接続により端子Ｆ＋，Ｆ−を構成し、これら端子Ｆ＋，Ｆ−によって検出した振動検出信号に基づいて、積層型圧電素子１３の捻じれ振動に比例する振動検出信号を得るとする。
【００３０】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータ１の制御装置について図９を参照して説明する。
【００３１】
図９に示すように、制御装置１３０は、駆動パルス発生回路（信号発生器）１３１と、ドライブＩＣ（駆動回路）１３２と、振動検出回路１３３と、位相比較回路１３４と、周波数制御回路１３５と、周波数設定回路１３６と、方向指示回路１３７と、を有する。
【００３２】
前記駆動パルス発生回路１３１は、所定の駆動周波数、及び、所定の位相差θの２相の駆動制御信号を生成し、ドライブＩＣ１３２に出力する。所定の位相差θは、例えば、約９０°とされている。
【００３３】
前記ドライブＩＣ１３２は、駆動パルス発生回路１３１から入力される２相の駆動制御信号に基づいて、所定の位相差、及び、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧を生成し、各駆動交番信号を上述したＡ相（上述した内部電極Ａ＋，Ａ−）、Ａ´相（上述した内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に対応する外部電極３３，３３´に印加する。
【００３４】
前記振動検出回路１３３は、振動検出相の端子（Ｆ＋，Ｆ−）と配線を介して接続されており、振動検出相の端子（Ｆ＋，Ｆ−）からのアナログ電気信号（以下、「振動検出相電気信号」という。）に基づいて、超音波振動子１０に生じている捻じれ振動に対応する振動検出信号を生成する。具体的には、配線を介して入力された振動検出相電気信号に対して、レベル調整、ノイズ除去、２値化等の各種信号処理を施してデジタル信号に変換し、処理後のデジタル信号を振動検出信号として出力する。
【００３５】
前記位相比較回路１３４は、振動検出回路１３３から出力された振動検出信号とドライブＩＣ１３２に入力されるＡ相の駆動制御信号とが入力されるようになっている。位相比較回路１３４は、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φを求め、更に、この位相差φと予め記憶している基準位相差φｒｅｆとの差分Δφ（＝φ−φｒｅｆ）を求め、この差分Δφに応じた信号を出力する。
【００３６】
ここで、超音波モータ１は、共振周波数において駆動すると効率が良いことが知られている。ところが、共振周波数は環境温度によって変化する。具体的には、環境温度が増加すると、共振周波数は減少するという特性を有している。したがって、最大のモータ速度が得られるように超音波モータ１を制御しようとする場合には、温度変化に追従して、共振周波数を変化させる必要がある。
【００３７】
これに対し、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φと共振周波数との間には、温度が増加して共振周波数が変化したとしても位相差φは常に一定の値に維持されるという関係がある。これは、振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φが常に一定の値となるように、共振周波数を制御すれば、常に一定のモータ速度が得られることを示している。そこで、本第１実施形態においては、上述のように、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが、常に一定の値となるように、共振周波数を制御することとしている。
【００３８】
本第１実施形態では、基準位相差φｒｅｆを３π／４に設定し、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが常に基準位相差３π／４となるように共振周波数を制御することとしている。これは、３π／４のときに、共振周波数を取ることなり、超音波モータを最も効率の良い領域で駆動することができるからである。なお、基準位相差φｒｅｆの値については、特に限定されることなく、超音波モータ１の駆動効率、換言すると、所望のモータ速度に応じて設計事項により任意に決定できる。
【００３９】
前記周波数制御回路１３５は、位相比較回路１３４からの差分Δφが入力されるようになっている。周波数制御回路１３５は、差分Δφに基づいて、差分Δφをゼロにするための周波数の変化量Δｆを求め、この周波数の変化量Δｆを出力する。具体的には、差分Δφがプラスの値を示していた場合には、周波数を所定数増加させるための変化量＋Δｆを出力し、差分Δφがマイナスの値を示していた場合には、周波数を所定量減少させるための変化量−Δｆを出力する。このように、本実施形態では、差分Δφに基づく逐次制御を実施する。
【００４０】
前記周波数設定回路１３６は、周波数制御回路１３５からの周波数の変化量Δｆが入力されるようになっている。周波数設定回路１３６は、例えば、発振器、分周回路等を備えて構成されている。周波数設定回路１３６は、周波数を周波数制御回路１３５からの変化量Δｆに応じて増減させたクロック信号を生成し、これを上述の駆動パルス発生回路１３１に出力する。
【００４１】
なお、駆動パルス発生回路１３１には、方向指示回路１３７から方向指示信号が入力されるようになっている。駆動パルス発生回路１３１は、方向指示信号に応じてドライブＩＣ１３２に出力する２相の駆動制御信号の位相差θを変更する。これにより、超音波振動子１０の摩擦子１５に発生する略楕円振動の向きを正転、または負転に切り替えることができる。
【００４２】
次に、上記制御装置１３０の作用について説明する。
【００４３】
まず、駆動パルス発生回路１３１から所定の駆動周波数、及び、所定の位相差θ（＝９０°）の２相の駆動制御信号がドライブＩＣ１３２に入力され、これに基づいて、所定の位相差、及び、所定の駆動周波数の２相の駆動交番電圧が超音波振動子１０の上述したＡ相の外部電極３３（内部電極Ａ＋，Ａ−）、及びＡ´相の外部電極３３´（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）にそれぞれ印加される。これにより、超音波振動子１０には、縦振動と捻じれ振動とが同時に励起され、前記摩擦子１５の位置において楕円振動が励起される。
【００４４】
一方、超音波振動子１０の縦振動モードに応じた振動検出相電気信号が振動検出相の端子（Ｆ＋，Ｆ−）及び配線を介して振動検出回路１３３に入力される。この振動検出相電気信号は、振動検出回路１３３において、デジタル信号に変換され、振動検出信号として位相比較回路１３４に入力される。位相比較回路１３４に入力された振動検出信号は、Ａ相の駆動制御信号と比較されることによって位相差φが求められ、更に、この位相差φと基準位相差φｒｅｆとの差分Δφが求められることにより、差分Δφに応じた信号が周波数制御回路１３５に出力される。周波数制御回路１３５において、差分Δφの符号（プラス、または、マイナス）に基づいて周波数の変化量Δｆの符号（プラス、または、マイナス）が決められ、この変化量Δｆが周波数設定回路１３６に出力される。周波数設定回路１３６は、変化量Δｆに応じて周波数を変化させたクロック信号を生成し、これを駆動パルス発生回路１３１に出力する。これにより、Ａ相の駆動制御信号と振動検出信号との位相差φが基準位相差φｒｅｆとなるようなフィードバック制御が行われることとなり、温度変化に応じた所望の共振周波数で超音波モータ１を駆動することが可能となる。これにより、温度変化にかかわらずに常に安定したモータ駆動を実現させることができる。
【００４５】
以上説明した制御により、振動検出相の捻じれ振動の振動検出信号と、Ａ相の駆動制御信号との位相差が、常に所定の値になるように駆動周波数を変化させる。
【００４６】
ここで、超音波振動子１０の動作について説明する。
【００４７】
上記超音波振動子１０はその寸法が、１箇所に節部を有する共振縦振動（図１０に共振縦振動のモード変位の状態を実線で示す。）及び２箇所に節部を有する共振捻れ振動（図１１に共振捻れ振動のモード変位の状態を実線で示す。）がほぼ同一周波数Ｆｒ（３６ｋＨｚ）で励起できるようなものとなっている。
【００４８】
ねじれ共振振動の場合には、長手方向中心軸上は変位０、つまり節である。従って、図６に示したネジ部２０の位置は縦振動と捻れ振動の共通の節であるといえる。
【００４９】
外部電極３３（内部電極Ａ＋，Ａ−）に周波数３６ｋＨｚで振幅２０Ｖｐ−ｐの交番圧電を印加し、外部電極３３´（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に同一周波数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると、共振縦振動が励起できる。
【００５０】
外部電極３３（内部電極Ａ＋，Ａ−）に周波数３６ｋＨｚで振幅２０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、外部電極３３´（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加すると、共振捻れ振動が励起できる。
【００５１】
外部電極３３（内部電極Ａ＋，Ａ−）に周波数３６ｋＨｚで振幅２０Ｖｐ−ｐの交番電圧を印加し、外部電極３３´（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に同一周波数、同振幅で位相が９０度異なった交番電圧を印加すると、共振縦振動と共振捻れ振動とが合成されて、前記摩擦子１５の位置において楕円振動が励起できる。
【００５２】
このとき、上述した振動検出用の端子（Ｆ＋，Ｆ−）からは、捻れ振動に比例した検出信号が出力される。
【００５３】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータ１の構成及び動作を、図１２及び図１３を参照して説明する。
【００５４】
図１２は、前記超音波振動子１０を用いた超音波モータ１の側面図であり、図１３は同分解図である。
【００５５】
前記超音波振動子１０の貫通穴１６には軸５１が挿入される。軸５１には、図１３に示すように中央部及び両端部にネジ部５８が設けられており、中央部のネジ部５８は前記超音波振動子１０のネジ部２０と螺合され接着固定される。
【００５６】
前記超音波振動子１０の上端部にロータ５３がスラストベアリング５４及びばね保持体５５を介してバネ５６により押圧固定される。押圧力はナット５７により調節される。円環状のロータ５３の下面には、円環状のジルコニアセラミックスからなる摺動板５２が接着されている。超音波モータ１を固定する場合には、その下部に突き出た軸５１を図示しない基台にねじ込み固定する。
【００５７】
上述したように、超音波振動子１０のＡ相（内部電極Ａ＋，Ａ−）及びＡ´相（内部電極Ａ´＋，Ａ´−）に周波数３６ｋＨｚ、振幅２０Ｖｐ−ｐ、位相差＋９０度又は−９０度の交番電圧を印加する。これにより、ロータ５３が時計廻り又は反時計廻りに回転する。
【００５８】
ところで、温度変動や負荷変動に対して縦共振周波数、捻れ共振周波数は変化する。よって、この変動に対し、駆動周波数を追尾させる必要がある。本第１実施形態に係る超音波モータでは、上述したように振動検出用の端子（Ｆ＋，Ｆ−）からは捻れ振動に比例した振動検出信号が出力される。よって、この振動検出信号を参照することにより共振周波数を追尾させることができる。
【００５９】
つまり、振動検出相の端子（Ｆ＋，Ｆ−）により検出される捻じれ振動の振動検出信号と、Ａ相（内部電極Ａ＋，Ａ−）の駆動制御信号との位相差が、常に所定の値になるように、上述した制御により駆動周波数を変化させる。
【００６０】
なお、本第１実施形態においては、前記振動検出用の端子（Ｆ＋，Ｆ−）の位相により共振周波数を追尾しても、振幅が極大になるようにして追尾をかけてもどちらの方式を採っても良い。また、積層型圧電素子１３を対向する２側面に設けたが、駆動原理に従う範囲で、４側面に設けても良い。このようにすると超音波モータ１の出力を増大させることができる。
【００６１】
以上説明しように、本第１実施形態によれば、温度変化及び負荷変化等が生じた場合であっても最適な駆動周波数で駆動可能であり、且つ単純な構造でコストダウン及び小型化可能な超音波モータを提供することができる。
【００６２】
［第２実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第２実施形態に係る超音波モータについて説明する。なお、説明の重複を避ける為、前記第１実施形態に係る超音波モータとの相違点のみを説明する。
【００６３】
図１４は、本第２実施形態の主な特徴部の一つである積層型圧電素子１３の構成を示す分解図である。
【００６４】
図１４に示すように、積層型圧電素子１３は、圧電板８１と圧電板８２とが同図に示すように交互に積層されて構成されている。このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００６５】
詳細には、前記圧電板８１は、図１４に示すように３分割された内部電極Ａ＋，Ｂ＋，Ｃ＋を有している。同様に、前記圧電板８２は、図１４に示すように３分割された内部電極Ａ−，Ｂ−，Ｃ−を有している。
【００６６】
ここで、内部電極Ａ＋，Ａ−は駆動用の内部電極である。他方、内部電極Ｂ＋，Ｂ−及び内部電極Ｃ＋，Ｃ−は振動検出用の内部電極である。なお、このように各々の内部電極に割り振った駆動用／振動検出用の役割は、異なる割り振りかたをしても勿論よい。
【００６７】
そして、各々の内部電極が露出した面には外部電極が設けられている。詳細には、図１５に示すように、内部電極Ａ＋が露出した面には外部電極８３が設けられている。同様に、内部電極Ｂ＋が露出した面には外部電極８４が設けられている。そして、内部電極Ｃ＋が露出した面には外部電極８５が設けられている。また、直接的には図示していないが、内部電極Ａ−が露出した面には外部電極３３´が設けられ、内部電極Ｂ−が露出した面には外部電極３４´が設けられ、内部電極Ｃ−が露出した面には外部電極３５´が設けられ
ている。
【００６８】
ここで、内部電極Ｂ＋，Ｂ−については、上述した順接続を行う。すなわち、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ１＋端子とし、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ１−端子とする。他方、内部電極Ｃ＋，Ｃ−については、上述した逆接続を行う。すなわち、内部電極Ｃ＋と内部電極Ｃ´−とを接続してＦ２＋端子とする。同様に、内部電極Ｃ−と内部電極Ｃ´＋とを接続してＦ２−端子とする
以上説明した構成により、振動検出相の端子Ｆ１＋，Ｆ１−からは縦振動に比例する振動検出信号を得ることができる。他方、振動検出相の端子Ｆ２＋，Ｆ２−からは捻じれ振動に比例する振動検出信号を得ることができる。そして、捻じれ振動に比例する振動検出信号及び縦振動信号と、印加電圧信号との位相差が常に所定の値になるように駆動周波数を変化させる。
【００６９】
ところで、温度変動や負荷変動に対して縦共振周波数、捻れ共振周波数が変化する。よって、この変動に対し、駆動周波数を追尾させる必要がある。本第２実施形態においては、上述したように端子Ｆ１＋，Ｆ１−からは縦振動に比例する振動検出信号が出力され、端子Ｆ２＋，Ｆ２−からは捻じれ振動に比例する振動検出信号が出力される。よって、これらの信号の振幅、若しくは位相を参照することにより共振周波数を追尾することができる。
【００７０】
なお、振動検出相の端子Ｆ１＋，Ｆ１−から縦振動に比例する振動検出信号を得る為の制御は、当然ながら第１実施形態において説明した端子Ｆ＋，Ｆ−から捻じれ振動に比例する振動検出信号を得る為の制御と同様である。
【００７１】
以上説明したように、本第２実施形態によれば、前記第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００７２】
すなわち、本第２実施形態に係る超音波モータによれば、上述した超音波振動子１０における共振縦振動と共振捻れ振動との合成による前記摩擦子１５の位置における楕円振動の形状を制御することが可能となる。このような制御が可能となることで、当該超音波モータの制御をより効率良く行うことができ、且つ各々の超音波振動子１０間における個体差を吸収することができる。
【００７３】
［第３実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第３実施形態に係る超音波モータについて説明する。なお、説明の重複を避ける為、前記第１実施形態に係る超音波モータとの相違点を中心に説明する。
【００７４】
図１６は、本第３実施形態の主な特徴部の一つである積層型圧電素子１３の構成を示す分解図である。
【００７５】
図１６に示すように、積層型圧電素子１３は、圧電板３１と圧電板３２とが同図に示すように交互に、積層型圧電素子１３の伸縮方向とは直交する方向に積層されて構成されている。つまり、前記第１実施形態との主な相違点は、この圧電板３１及び圧電板３２の積層方向である。なお、このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００７６】
詳細には、前記圧電板３１は、図１６に示すように２分割された内部電極Ａ＋，Ｂ＋を有している。同様に、前記圧電板３２は、図１６に示すように２分割された内部電極Ａ−，Ｂ−を有している。
【００７７】
ここで、内部電極（Ａ＋，Ａ−）は駆動用の内部電極である。他方、内部電極(Ｂ＋，Ｂ−)は振動検出用の内部電極である。なお、このように各々の内部電極に割り振った駆動用／振動検出用の役割は、異なる割り振りかたをしても勿論よい。
【００７８】
そして、各々の内部電極が露出した面には外部電極が設けられている。詳細には、図１７に示すように、内部電極Ａ＋が露出した面には外部電極３３が設けられている。同様に、内部電極Ｂ＋が露出した面には外部電極３４が設けられている。また、内部電極Ａ−が露出した面には外部電極３３´が設けられ、内部電極Ｂ−が露出した面には外部電極３４´が設けられている。
【００７９】
ここで、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ＋端子とする。同様に、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ−端子とする。つまり、本第３実施形態においては、上述した逆接続により端子Ｆ＋，Ｆ−を構成し、これら端子Ｆ＋，Ｆ−によって検出した振動検出信号に基づいて、積層型圧電素子１３の捻じれ振動に比例する振動検出信号を得る。
【００８０】
以上説明したように、本第３実施形態によれば、前記第１実施形態と同様の効果を奏する上に、次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００８１】
すなわち、本第３実施形態によれば、圧電板３１と圧電板３２とを交互に積層型圧電素子１３の伸縮方向とは直交する方向に積層して積層型圧電素子１３を構成することで、より薄型の積層型圧電素子１３を実現でき、超音波モータの小型化を実現することができる。
【００８２】
［第４実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第４実施形態に係る超音波モータについて説明する。なお、説明の重複を避ける為、前記第２実施形態に係る超音波モータとの相違点を中心に説明する。
【００８３】
図１８は、本第４実施形態の主な特徴部の一つである積層型圧電素子１３の構成を示す分解図である。
【００８４】
図１８に示すように、積層型圧電素子１３は、圧電板８１と圧電板８２とが同図に示すように交互に、積層型圧電素子の伸縮方向とは直交する方向に積層されて構成される。つまり、前記第２実施形態との主な相違点は、この圧電板８１及び圧電板８２の積層方向である。このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００８５】
詳細には、前記圧電板８１は、図１７に示すように３分割された内部電極Ａ＋，Ｂ＋，Ｃ＋を有している。同様に、前記圧電板８２は、図１７に示すように３分割された内部電極Ａ−，Ｂ−，Ｃ−を有している。
【００８６】
ここで、内部電極（Ａ＋，Ａ−）は駆動用の内部電極である。他方、内部電極(Ｂ＋，Ｂ−)及び内部電極(Ｃ＋，Ｃ−)は振動検出用の内部電極である。なお、このように各々の内部電極に割り振った駆動用／振動検出用の役割は、異なる割り振りかたをしても勿論よい。
【００８７】
そして、各々の内部電極が露出した面には外部電極が設けられている。詳細には、図１９に示すように、内部電極Ａ＋が露出した面には外部電極８３が設けられている。同様に、内部電極Ｂ＋が露出した面には外部電極８４が設けられている。そして、内部電極Ｃ＋が露出した面には外部電極８５が設けられている。また、内部電極Ａ−が露出した面には外部電極８３´が設けられ、内部電極Ｂ−が露出した面には外部電極８４´が設けられ、内部電極Ｃ−が露出した面には外部電極８５´が設けられ
ている。
【００８８】
ここで、内部電極(Ｂ＋，Ｂ−)については、上述した順接続を行う。すなわち、内部電極Ｂ＋と内部電極Ｂ´＋とを接続してＦ１＋端子とし、内部電極Ｂ−と内部電極Ｂ´−とを接続してＦ１−端子とする。他方、内部電極(Ｃ＋，Ｃ−)については、上述した逆接続を行う。すなわち、内部電極Ｃ＋と内部電極Ｃ´−とを接続してＦ２＋端子とする。同様に、内部電極Ｃ−と内部電極Ｃ´＋とを接続してＦ２−端子とする
以上説明したように、本第４実施形態によれば、前記第２実施形態と同様の効果を奏する上に、次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００８９】
すなわち、本第４実施形態によれば、圧電板８１と圧電板８２とを交互に積層型圧電素子１３の伸縮方向とは直交する方向に積層して積層型圧電素子１３を構成することで、より薄型の積層型圧電素子１３を実現でき、超音波モータの小型化を実現することができる。
【００９０】
以上、第１実施形態乃至第４実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。
【００９１】
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示する複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波モータを構成する超音波振動子の上面図。
【図２】超音波振動子を図１に示すα方向から視た図（正面図）。
【図３】超音波振動子を図１に示すβ方向から視た図（背面図）。
【図４】超音波振動子を図１に示すγ方向から視た図（右側面図）。
【図５】超音波振動子を図１に示すδ方向から視た図（左側面図）。
【図６】超音波振動子を図１に示すα方向から視た場合の超音波振動子の分解図。
【図７】積層型圧電素子の分解図。
【図８】積層型圧電素子の外観図。
【図９】超音波モータの制御装置のシステム構成例を示す図。
【図１０】共振縦振動のモード変位の状態を示す図。
【図１１】共振捻れ振動のモード変位の状態を示す図。
【図１２】超音波振動子を用いた超音波モータの側面図。
【図１３】超音波振動子を用いた超音波モータの分解図。
【図１４】本発明の第２実施形態における積層型圧電素子の構成を示す分解図。
【図１５】積層型圧電素子の外観図。
【図１６】本発明の第３実施形態における積層型圧電素子の構成を示す分解図。
【図１７】積層型圧電素子の外観図。
【図１８】本発明の第４実施形態における積層型圧電素子の構成を示す分解図。
【図１９】積層型圧電素子の外観図。
【符号の説明】
【００９３】
１…超音波モータ、 １０…超音波振動子、 １１…角柱棒状弾性体、 １２…保持用弾性体、 １３…積層型圧電素子、 １４…溝、 １５…摩擦子、 １６…貫通穴、 １７…ガイド突起部、 １８…積層体挿入凹部、 １９…ビス、 ２０…ネジ部、 ３０…制御装置、 ３１…圧電板、 ３２…圧電板、 ３３…外部電極、 ３４…外部電極、 ３５…外部電極、 ３７…方向指示回路、 ５１…軸、 ５２…摺動板、 ５３…ロータ、 ５４…スラストベアリング、 ５５…保持体、 ５６…バネ、 ５７…ナット、 ５８…ネジ部、 ８１…圧電板、 ８２…圧電板、 ８３…外部電極、 ８４…外部電極、 ８５…外部電極、 １３１…駆動パルス発生回路、 １３２…ドライブＩＣ、 １３３…振動検出回路、 １３４…位相比較回路、 １３５…周波数制御回路、 １３６…周波数設定回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状弾性体の側面において互いに対向して配置された２個の積層型圧電素子の伸縮振動を利用して、前記棒状弾性体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記棒状弾性体の端面に設けられた摩擦子に楕円運動を励起させて、前記摩擦子によりロータを回転させる超音波モータであって、
前記積層型圧電素子は、第１の圧電シートと第２の圧電シートとが交互に積層されて構成され、
前記第１の圧電シートは、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電シートの周縁部へ露出している第１の内部電極を備え、
前記第２の圧電シートは、前記第１の内部電極とは逆の極性の内部電極であって、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電シートの周縁部へ露出している内部電極を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記圧電シートの積層方向は、前記積層型圧電素子の伸縮方向であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記圧電シートの積層方向は、前記積層型圧電素子の伸縮方向に対して直交する方向であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記複数個は２個であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記複数個は３個であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項１】
棒状弾性体の側面において互いに対向して配置された２個の積層型圧電素子の伸縮振動を利用して、前記棒状弾性体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記棒状弾性体の端面に設けられた摩擦子に楕円運動を励起させて、前記摩擦子によりロータを回転させる超音波モータであって、
前記積層型圧電素子は、第１の圧電シートと第２の圧電シートとが交互に積層されて構成され、
前記第１の圧電シートは、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電シートの周縁部へ露出している第１の内部電極を備え、
前記第２の圧電シートは、前記第１の内部電極とは逆の極性の内部電極であって、複数個に分割され且つ各々の分割領域が当該圧電シートの周縁部へ露出している内部電極を備えることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記圧電シートの積層方向は、前記積層型圧電素子の伸縮方向であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記圧電シートの積層方向は、前記積層型圧電素子の伸縮方向に対して直交する方向であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記複数個は２個であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記複数個は３個であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００９−２５４１９０（Ｐ２００９−２５４１９０Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０１７５９（Ｐ２００８−１０１７５９）
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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