(57)【要約】【課題】モータの形状を大きくすることなく、棒状超音波モータの構造に直接、位置検出器（エンコーダ）および、スケールを組み込む。【解決手段】棒状振動子を固定する支持部材に、移動体（ロータ）の移動量を検出するための移動量検出手段を備え、また回転出力部材にスケールを一体的に備えさせる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気−機械エネルギー変換素子を弾性部材間に挟持すると共に、前記弾性部材間を締結手段により締結して一体化し、前記電気−機械エネルギー変換素子へ時間的に所定の位相差を有する交流電圧を印加することにより、軸を含む異なる複数の平面内に励起した屈曲振動の合成で、駆動面の表面粒子に円又は楕円運動を形成する棒状振動子と、前記棒状振動子の駆動面に加圧接触する移動部材と前記移動部材と一体となり回転する回転出力部材と前記棒状振動子を固定する支持部材とを有し、前記移動体を前記棒状振動子に形成される円又は楕円運動により摩擦駆動する超音波モータにおいて、
前記棒状振動子を固定する支持部材に前記移動体の移動量を検出するための移動量検出手段を備え、また前記回転出力部材にスケールを一体的に備えていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
請求項１記載の超音波モータにおいて、前記棒状振動子を固定する支持部材に前記移動体の移動量を検出するための移動量検出手段は、反射型光学式エンコーダであり、また前記回転出力部材に光学式スケールを一体的に備えていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
請求項２記載の超音波モータにおいて、光学式スケールがマイクロルーフミラーアレイスケールをあることを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】
請求項１記載の超音波モータにおいて、前記棒状振動子を固定する支持部材に前記移動体の移動量を検出するための移動量検出手段は、磁気式センサであり、また前記回転出力部材に磁気式スケールを一体的に備えていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項５】
請求項１記載の超音波モータにおいて、前記棒状振動子を固定する支持部材に前記移動体の移動量を検出するための移動量検出手段を２つを配置し、２つの移動量検出手段が互いに回転軸を中心として対向する位置に配置されていることを特徴とする超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、棒状振動子を用いた超音波モータ、特にカメラ等の光学機器、プリンタ等の事務機器において小型化を実現する棒状の超音波モータの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータはカメラレンズの駆動用途等への製品応用がなされており、円環型のものと棒状型のもの２つが存在する。
【０００３】
図７に棒状振動子の構造（ａ）とその振動モード（ｂ）を示し、現在カメラレンズ駆動等に用いられている超音波モータの構成図を図８に示す（図７、図８は回転対称軸を含んだ平面での断面図である）。
【０００４】
１は第一の弾性体、２は第二の弾性体、３は積層圧電素子（または単板の圧電素子の積層体）、４はシャフト、５はナットであり、部品１〜３は該シャフト４及びナット５によって所定の挟持力が付与されるように締め付けられている。
【０００５】
ロータ７の一方の面は接触幅が小さく、かつ適度なバネ性を有する構造をしており、この面が振動体の摩擦面６に接触する。また、ロータ７のもう一方の面には、ロータといっしょに回転し、モータの出力を伝達するギア８の凹部（又は凸部）と係合するよう凸部（または凹部）が形成されている。さらに、ギア８はモータを取り付けるためのフランジ１０によりシャフト４のスラスト方向に位置が固定されており、前記ロータ７に加圧力を付与するための加圧バネ１５がこのギアとロータとの間に設けられている。
【０００６】
ここにおいて、積層圧電素子３（または単板の圧電素子の積層体）は電極が２つの電極郡にグループ化されており、不図示の電源からそれぞれの電極郡に位相の異なる交流電界を印加すると、振動子には直交する２つの曲げ振動が励振される。この印加電界の位相を調整することにより、２つの振動間に９０度の時間的な位相差を与えることができ、その結果、棒状振動子の曲げ振動は振動子の軸周りに回転する。
【０００７】
この結果、ロータ７に接触する第一の弾性体の上面にはダ円運動が形成され、耐摩耗性を有する部材６に押圧されたロータ７が摩擦駆動されるため、該ロータ７、ギア８、加圧バネ１５が一体となって回転する。
【０００８】
該ギアに連結されている動力伝達系切換え歯車（以下にはシフトギアと略す）と、該シフトギアよりも減速歯車機構の出力軸に近い位置に設けられていて動力伝達をしない（すなわちモータからレンズへの機械的連結機構内にはない）ギアと、を有しており、該ギアには公知のエンコーダ板（スケール）が取り付けられており、該エンコーダ板に形成されているコード化パターンを電気信号に交換するための位置検出器（エンコーダ）からの信号により、位置検出、速度検出を行っている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−２６８７８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここに示したような棒状超音波モータは、以前のリング型振動波モータに比べ非常に小さく、しかも部品加工コストを極力抑えるように単純形状の設計になっている。
【００１０】
しかしながら、世の中のニーズとして、デジタル化、さらなる小型化が望まれており、現在の棒状超音波モータよりも更に小さく、安くしたい、さらには高精度にしたいという要望がある。この要望に応えるためにモータの長さを短くしたり、また比較的コストが高い圧電素子を小さくし（小径、薄型）ローコスト化を実現しようとするモータ構造の提案が別途なされている。また、さきほど従来技術で述べたような、超音波モータとは別体の動力伝達を行わないギアに取り付けられたスケールを使用する構造では十分に小型化がはかれないという課題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、モータの形状を大きくすることなく、棒状超音波モータの構造に直接、位置検出器（エンコーダ）および、スケールを組み込むことにより、小型化、高精度化を実現する超音波モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を達成するため、超音波モータを次の（１）ないし（５）の構成とする。
【００１３】
（１）電気−機械エネルギー変換素子を弾性部材間に挟持すると共に、前記弾性部材間を締結手段により締結して一体化し、前記電気−機械エネルギー変換素子へ時間的に所定の位相差を有する交流電圧を印加することにより、軸を含む異なる複数の平面内に励起した屈曲振動の合成で、駆動面の表面粒子に円又は楕円運動を形成する棒状振動子と、前記棒状振動子の駆動面に加圧接触する移動部材と前記移動部材と一体となり回転する回転出力部材と前記棒状振動子を固定する支持部材とを有し、前記移動体を前記棒状振動子に形成される円又は楕円運動により摩擦駆動する超音波モータにおいて、
前記棒状振動子を固定する支持部材に前記移動体の移動量を検出するための移動量検出手段を備え、また前記回転出力部材にスケールを一体的に備えていることを特徴とする超音波モータ。
【００１４】
（２）前記（１）記載の超音波モータにおいて、前記棒状振動子を固定する支持部材に前記移動体の移動量を検出するための移動量検出手段は、反射型光学式エンコーダであり、また前記回転出力部材に光学式スケールを一体的に備えていることを特徴とする超音波モータ。
【００１５】
（３）前記（２）記載の超音波モータにおいて、光学式スケールがマイクロルーフミラーアレイスケールをあることを特徴とする超音波モータ。
【００１６】
（４）前記（１）記載の超音波モータにおいて、前記棒状振動子を固定する支持部材に前記移動体の移動量を検出するための移動量検出手段は、磁気式センサであり、また前記回転出力部材に磁気式スケールを一体的に備えていることを特徴とする超音波モータ。
【００１７】
（５）前記（１）記載の超音波モータにおいて、前記棒状振動子を固定する支持部材に前記移動体の移動量を検出するための移動量検出手段を２つを配置し、２つの移動量検出手段が互いに回転軸を中心として対向する位置に配置されていることを特徴とする超音波モータ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、モータの位置を検出するためのスケールを取り付けるため、別体のギアを配置することなく、また、形状を大きくすることなく、棒状超音波モータの構造に直接位置位置検出器（エンコーダ）および、スケールを組み込むことにより、小型化、高精度化を実現する超音波モータを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１には本発明による第１の実施形態を示す。図は回転対称軸を含む断面図である。
【００２１】
この図において、１は第１の弾性体（金属材料）、２は第２の弾性体（アルミナなどの耐磨耗性のある材料）、３は積層圧電素子（または単板の圧電素子の積層体）、４はシャフト、５はナットであり、第１の弾性体１とシャフト４は圧入によって一体的に結合されることで弾性体シャフトユニット部品を成し、第２の弾性体２と積層圧電素子３は該弾性体シャフトユニット部品及びナット５によって所定の挟持力が付与されるように締め付けられ、振動子を構成している。
【００２２】
ロータ７の一方の面は接触幅が小さく、かつ適度なバネ性を有する構造をしており、この面が振動子の摩擦面（第２の弾性体２の上部面）に接触する。また、ロータ７のもう一方の面には径方向に形成された凸部（または凹部）、またこれに対向するギア８の下面には径方向に形成された凹部（または凸部）が設けられ、これらロータ７の凸部（または凹部）とギア８の凹部（または凸部）が結合することによって、ロータ７とギア８が周方向に拘束され一体に回転し、ロータ７の回転力がギア８に伝達される。さらに、ギア８（図２は上部側から見た図）は、上部側にエンコーダスケールとしてマイクロルーフミラーアレイ反射体２０（以下ＭＲＡと称す）を配置し、モータを取り付けるためのフランジ１０によりシャフト４のスラスト方向に位置が固定されており、前記ロータ７に加圧力を付与するための加圧バネ１５がこのギアとロータとの間に設けられている。また、フランジ１０上部側（図３は上部側から見た図）には、ＭＲＡから効率的に検出信号を取り出すエンコーダヘッド２１が１つ（または２つ）、質量体として一体的に配置されている。
【００２３】
ここで、図４を用いてＭＲＡの効果を用いたエンコーダについて通常の反射スケールとの差異についてのみ説明する（ＭＲＡの効果を用いたエンコーダについての詳細な説明は特開２００２-３２３３４７号公報に述べられている。）。
【００２４】
図４（ａ）は通常の反射スケールを用いたときの光の軌跡を示している。図からわかるように点光源からの光は発散光でありスケールに反射した後も発散していく。よって、光源とスケールの距離が離れると光源とほぼ同一位置に設けられた受光センサにはほとんど光が戻ってこない。
【００２５】
４図（ｂ）はＭＲＡ反射体を用いたスケールを用いたときの光の軌跡を示している。図からわかるように点光源からの光がＭＲＡスケールを介して光源とほぼ同一位置に設けられた受光センサに戻ってくる。ここでは、ＭＲＡ反射体を用いたスケールを用いているので光源からの集光効率がよくなっている。また、ＭＲＡ反射体を用いたスケールの効果で集光されて戻ってくるため光源とスケールの距離が離れても光量が極端に減ってしまうということは無い。
【００２６】
以上、このＭＲＡ形状を有する反射体のメリットとして、受光部へ導かれる絶対的な光量が従来反射体に比べて大きくとれ、また、反射スケール、センサの距離（ギャップ）変動に対して光量の変化が少なく、１／距離の関係となる。
【００２７】
ここにおいて、積層圧電素子３（または単板の圧電素子の積層体）は電極が２つの電極群にグループ化されており、不図示の電源からそれぞれの電極群に位相の異なる交流電界を印加すると、振動子には直交する２つの曲げ振動が励振される。この印加電界の位相を調整することにより、２つの振動間に９０度の時間的な位相差を与えることができ、その結果、棒状振動子の曲げ振動は振動子の軸周りに回転する。
【００２８】
この結果、ロータ７に接触する第一の弾性体の上面にはダ円運動が形成され、耐摩耗性を有する部材に押圧されたロータ７が摩擦駆動されるため、該ロータ７、ギア８、加圧バネ１５が一体となって回転する。
【００２９】
以上のように、モータのギアにＭＲＡ、フランジ部に質量体としてエンコーダヘッドを一体的に配置することにより、位置検出するための、別体のギアを設けることなく、さらにはモータを大きくすることなく、小型化、高精度化を実現する超音波モータを提供することが可能となる。また、本実施形態ではエンコーダとして、ＭＲＡを用いたが、ギア、フランジ部の取り付け精度が高ければ、通常の反射式エンコーダにおいても実現は可能となる。
【００３０】
また、本実施形態では、フランジ１０上部側にエンコーダヘッド２１を１つ取り付けたものを図示したが、図３の点線部（対向側）に２つ目のエンコーダヘッドを配置することにより、より精度の高い、信頼性の高いの検出信号を取り出すことが可能となる。
【００３１】
（第２の実施形態）
図５には本発明による第２の実施形態を示す。図は回転対称軸を含む断面図である。
【００３２】
これらの図において、１は第１の弾性体（金属材料）、２は第２の弾性体（金属材料）、３は積層圧電素子（または単板の圧電素子の積層体）、４はシャフト、５はナットであり、部品１〜３は該シャフト４及びナット５によって所定の挟持力が付与されるように締め付けられ、振動子を構成している。
【００３３】
ロータ７の一方の面は接触幅が小さく、かつ適度なバネ性を有する構造をしており、この面が振動子の摩擦面６に接触する。また、ロータ７のもう一方の面には径方向に形成された凸部（または凹部）、またこれに対向するギア８の下面には径方向に形成された凹部（または凸部）が設けられ、これらロータ７の凸部（または凹部）とギア８の凹部（または凸部）が結合することによって、ロータ７とギア８が周方向に拘束され一体に回転し、ロータ７の回転力がギア８に伝達される。さらに、ギア８（図６は拡大図）は、上部側にエンコーダスケールとして公知の磁気式スケール２２を配置し、モータを取り付けるためのフランジ１０によりシャフト４のスラスト方向に位置が固定されており、前記ロータ７に加圧力を付与するための加圧バネ１５がこのギアとロータとの間に設けられている。また、フランジ１０上部側には、スケールから検出信号を取り出す磁気センサーヘッド２３が１つ（または２つ）、質量体として一体的に配置されている。磁気センサ、スケールについては、公知であるので、詳細な説明は省略する。
【００３４】
ここにおいて、積層圧電素子３（または単板の圧電素子の積層体）は電極が２つの電極郡にグループ化されており、不図示の電源からそれぞれの電極郡に位相の異なる交流電界を印加すると、振動子には直交する２つの曲げ振動が励振される。この印加電界の位相を調整することにより、２つの振動間に９０度の時間的な位相差を与えることができ、その結果、棒状振動子の曲げ振動は振動子の軸周りに回転する。
【００３５】
この結果、ロータ７に接触する第一の弾性体の上面にはダ円運動が形成され、耐摩耗性を有する部材６に押圧されたロータ７が摩擦駆動されるため、該ロータ７、ギア８、加圧バネ１５が一体となって回転する。
【００３６】
以上のように、モータのギアに磁気式スケール、フランジ部に質量体として磁気センサーヘッドを一体的に配置することにより、モータを大きくすることなく、小型化、高精度化を実現する超音波モータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明における第１の実施形態における超音波モータの構成図
【図２】本発明における第１の実施形態におけるギアの上部側拡大図
【図３】本発明における第１の実施形態におけるフランジの上部側拡大図
【図４】本発明における第１の実施形態の、（ａ）通常の反射スケールを用いたときの光の軌跡、（ｂ）ＭＲＡ反射体を用いたスケールを用いたときの光の軌跡、を表す図
【図５】本発明における第２の実施形態における超音波モータの構成図
【図６】本発明における第２の実施形態におけるギアの上部側拡大図
【図７】従来技術例における、（ａ）棒状振動子の構造、（ｂ）その振動モード、を表す図
【図８】カメラレンズ駆動等に用いられている超音波モータの構成図
【符号の説明】
【００３８】
１  第１の弾性体
２  第２の弾性体
３  積層圧電素子
４  シャフト
５  ナット
６  摩擦面
７  ロータ
８  ギア
９  ベアリング    
１０  フランジ
１１  ナット
１５  加圧バネ
２０  マイクロルーフミラー反射体（ＭＲＡ）
２１  エンコーダヘッド
２２  磁気式エンコーダスケール
２３  磁気センサーヘッド
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図５】
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