(57)【要約】【課題】縦振動および屈曲振動の双方の振動をそれぞれ独立した形で、容易に検出すること。【解決手段】圧電セラミックシートを長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、各領域にまたがって配置されるとともに、各領域における占有面積が略同一になるように内部電極を配置し、該内部電極間の電位差に基づいて縦振動を検出する。【選択図】図１１
2008043123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、
前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、隣接する２つの領域、または、全ての領域に、各前記領域における占有面積が略等しくなるように配置される第１の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記第１の内部電極に対応する位置に配置される第２の内部電極と、
前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との電位差に基づいて前記縦振動を検出する縦振動検出手段と
を具備する超音波モータ。
【請求項２】
第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動と屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、
前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に配置される第１の内部電極と、
前記一の領域に隣接する隣接領域に配置される第２の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に配置される第３の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記隣接領域に対応する領域に配置される第４の内部電極と、
前記第１の内部電極と前記第４の内部電極とに励起される電荷の総和と、前記第２の内部電極と前記第３の内部電極とに励起される電荷の総和との差分に基づいて前記屈曲振動を検出する屈曲振動検出手段と
を具備する超音波モータ。
【請求項３】
第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、
前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に配置される第１の内部電極と、
前記一の領域に隣接する隣接領域に配置される第２の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に配置される第３の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記隣接領域に対応する領域に配置される第４の内部電極と、
前記第１の内部電極と前記第３の内部電極との電位差に基づいて第１の振動検出信号を生成する第１振動検出手段と、
前記第２の内部電極と前記第４の内部電極との電位差に基づいて第２の振動検出信号を生成する第２振動検出手段と、
前記第１の振動検出信号と前記第２の振動検出信号との和をとることにより、前記縦振動を検出するとともに、前記第１の振動検出信号と前記第２の振動検出信号との差をとることにより、前記屈曲振動を検出する第３の振動検出手段と
を具備する超音波モータ。
【請求項４】
第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動及び屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの振動検出方法であって、
前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、隣接する２つの領域、または、全ての領域に、各前記領域における占有面積が略等しくなるように第１の内部電極を配置し、
前記第２の圧電素子において、前記第１の内部電極に対応する位置に第２の内部電極を配置し、
前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との電位差に基づいて前記縦振動を検出する超音波モータの振動検出方法。
【請求項５】
第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動及び屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの振動検出方法であって、
前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に第１の内部電極を配置するとともに、前記一の領域に隣接する隣接領域に第２の内部電極を配置し、
前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に第３の内部電極を配置するとともに、前記隣接領域に対応する領域に第４の内部電極を配置し、
前記第１の内部電極と前記第４の内部電極とに励起される電荷の総和と、前記第２の内部電極と前記第３の内部電極とに励起される電荷の総和との差分に基づいて前記屈曲振動を検出する超音波モータの振動検出方法。
【請求項６】
第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動及び屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの振動検出方法であって、
前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に第１の内部電極を配置するとともに、前記一の領域に隣接する隣接領域に第２の内部電極を配置し、
前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に第３の内部電極を配置するとともに、前記隣接領域に対応する領域に第４の内部電極を配置し、
前記第１の内部電極と前記第３の内部電極との電位差に基づいて第１の振動検出信号を生成し、
前記第２の内部電極と前記第４の内部電極との電位差に基づいて第２の振動検出信号を生成し、
前記第１の振動検出信号と前記第２の信号検出信号との和をとることにより、前記縦振動を検出するとともに、前記第１の振動検出信号と前記第２の信号検出信号との差をとることにより、前記屈曲振動を検出する超音波モータの振動検出方法。
【請求項７】
第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動及び屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、
前記縦振動に比例する縦振動検出信号を出力する縦振動検出手段と、
前記屈曲振動に比例する屈曲振動検出信号を出力する屈曲振動検出手段と、
前記縦振動検出信号と前記屈曲振動検出信号との位相差を検出し、該位相差が予め設定されている所定の基準位相差になるように、前記超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の位相を制御する信号制御手段と
を具備する超音波モータ。
【請求項８】
前記信号制御手段が、前記縦振動検出信号または前記屈曲振動検出信号と何れか一方の前記駆動交番電圧との位相差を検出し、該位相差が所定の値となるように、各前記駆動交番電圧の周波数を制御する請求項７に記載の超音波モータ。
【請求項９】
前記超音波振動子は、交互に積層される第１の圧電素子と第２の圧電素子とを備えており、
前記縦振動検出手段は、
前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、隣接する２つの領域、または、全ての領域に、各領域における占有面積が略等しくなるように配置される第１の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記第１の内部電極に対応する位置に配置される第２の内部電極と
を備え、
前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との電位差に基づいて前記縦振動を検出する請求項７または請求項８に記載の超音波モータ。
【請求項１０】
前記超音波振動子は、交互に積層される第１の圧電素子と第２の圧電素子とを備えており、
前記屈曲振動検出手段は、
前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に配置される第１の内部電極と、
前記一の領域に隣接する隣接領域に配置される第２の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に配置される第３の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記隣接領域に対応する領域に配置される第４の内部電極と
を備え、
前記第１の内部電極と前記第４の内部電極とに励起される電荷の総和と、前記第２の内部電極と前記第３の内部電極とに励起される電荷の総和との差分に基づいて前記屈曲振動を検出する請求項７または請求項８に記載の超音波モータ。
【請求項１１】
第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、
前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に配置される第１の内部電極と、
前記一の領域に隣接する隣接領域に配置される第２の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に配置される第３の内部電極と、
前記第２の圧電素子において、前記隣接領域に対応する領域に配置される第４の内部電極と、
前記第１の内部電極と前記第３の内部電極との電位差に基づいて第１の振動検出信号を生成する第１振動検出手段と、
前記第２の内部電極と前記第４の内部電極との電位差に基づいて第２の振動検出信号を生成する第２振動検出手段と、
前記第１の振動検出信号と前記第２の信号検出信号との和をとることにより、前記縦振動を検出するとともに、前記第１の振動検出信号と前記第２の信号検出信号との差をとることにより、前記屈曲振動を検出する第３の振動検出手段と、
前記縦振動検出信号と前記屈曲振動検出信号との位相差を検出し、該位相差が予め設定されている所定の基準位相差になるように、前記超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の位相を制御する信号制御手段と
を具備する超音波モータ。
【請求項１２】
前記信号制御手段が、前記縦振動検出信号または前記屈曲振動検出信号といずれか一方の前記駆動交番電圧との位相差を検出し、該位相差が所定の値となるように、各前記駆動交番電圧の周波数を制御する請求項１１に記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波モータ及び超音波モータの振動検出方法に関するものである。
【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。この超音波モータは、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。
（１）ギヤなしで高トルクが得られる。
（２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
（３）高分解能である。
（４）静粛性に富んでいる。
（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。
【０００３】
従来の超音波モータとしては、特許文献１に開示された構造のものがある。この特許文献１に開示された超音波モータには、積層圧電素子の一部に振動検出用の内部電極が設けられており、これにより振動を検出することができるようになっている。
【特許文献１】特開平７−１９３２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の超音波モータにより検出することができる振動は、円柱棒形状振動子に生じる屈曲振動のみである。そのため、縦振動と屈曲振動とを同時に発生する振動子においては、特許文献１に開示された内部電極を用いて各振動をそれぞれ独立した形で検出することはできず、別途特別な装置が必要となるといった問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、縦振動および屈曲振動の双方の振動をそれぞれ独立した形で、容易に検出することができる超音波モータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、隣接する２つの領域、または、全ての領域に、各前記領域における占有面積が略等しくなるように配置される第１の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記第１の内部電極に対応する位置に配置される第２の内部電極と、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との電位差に基づいて前記縦振動を検出する縦振動検出手段とを具備する超音波モータを提供する。
【０００７】
このような構成によれば、第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、隣接する２つの領域、または、全ての領域に、各領域における占有面積が略等しくなるように、第１の内部電極が配置されているので、縦振動に比例した電気信号のみを検出することが可能となる。即ち、超音波振動子に縦振動が励起された場合、第１の圧電素子の上記４つの各領域には同一符号の電荷が励起され、また、超音波振動子に屈曲振動が励起された場合、対角線上にある各領域には同符号の電荷が励起されるとともに隣接する領域には異符号の電荷が励起されることとなる。従って、第１の内部電極に励起された電荷の総和は、屈曲振動において電荷は相殺されてゼロとなり、縦振動においては、振動に応じた同一符号の電荷が励起されることとなる。
また、第２の圧電素子においても、第１の内部電極に対応する位置に第２の内部電極が配置されているので、同様に、縦振動に応じた同一符号の電荷が励起されることとなる。ここで、第１の内部電極に励起される電荷は、第２の内部電極に励起される電荷と異符号となる。従って、第１の内部電極から得られる電気信号と第２の内部電極から得られる電気信号との差分（電位差）をとることにより、超音波振動子に発生している縦振動を電気信号として検出することができる。
【０００８】
本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動と屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に配置される第１の内部電極と、前記一の領域に隣接する隣接領域に配置される第２の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に配置される第３の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記隣接領域に対応する領域に配置される第４の内部電極と、前記第１の内部電極と前記第４の内部電極とに励起される電荷の総和と、前記第２の内部電極と前記第３の内部電極とに励起される電荷の総和との差分に基づいて前記屈曲振動を検出する屈曲振動検出手段とを具備する超音波モータを提供する。
【０００９】
このような構成によれば、第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の領域に第１の内部電極を配置するとともに、その隣接領域に第２の内部電極を配置する。また、第２の圧電素子において、該一の領域に対応する領域に第３の内部電極を配置するとともに、該隣接領域に対応する領域に第４の内部電極を配置する。ここで、超音波振動子に縦振動が励起された場合、一の領域及び隣接領域には、同一符号の電荷が励起され、超音波振動子に屈曲振動が励起された場合、一の領域及び隣接領域には、異符号の電荷が励起されることとなる。また、第２の圧電素子において各領域に励起される電荷の符号は、第１の圧電素子の対応する各領域に励起される電荷と逆符号となる。従って、第１の圧電素子における一の領域に設けられた第１の内部電極と、第２の圧電素子における隣接領域に設けられた第４の内部電極とに励起される電荷の総和は、縦振動において電荷が相殺されてゼロとなり、屈曲振動において振動に応じた同一符号の電荷となる。
【００１０】
同様に、第１の圧電素子における隣接領域に設けられた第２の内部電極と、第２の圧電素子における一の領域に設けられた第３の内部電極とに励起される電荷の総和は、縦振動において電荷が相殺されてゼロとなり、屈曲振動において振動に応じた同一符号の電荷となる。そして、第１及び第４の内部電極に励起される電荷の総和は、第２及び第３の内部電極に励起される電荷の総和と、略同量であり、且つ、異符号となる。従って、屈曲振動検出手段において、これらの電荷の差、つまり、電位差をとることにより、屈曲振動を電気信号として検出することができる。
【００１１】
本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に配置される第１の内部電極と、前記一の領域に隣接する隣接領域に配置される第２の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に配置される第３の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記隣接領域に対応する領域に配置される第４の内部電極と、前記第１の内部電極と前記第３の内部電極との電位差に基づいて第１の振動検出信号を生成する第１振動検出手段と、前記第２の内部電極と前記第４の内部電極との電位差に基づいて第２の振動検出信号を生成する第２振動検出手段と、前記第１の振動検出信号と前記第２の振動検出信号との和をとることにより、前記縦振動を検出するとともに、前記第１の振動検出信号と前記第２の振動検出信号との差をとることにより、前記屈曲振動を検出する第３の振動検出手段とを具備する超音波モータを提供する。
【００１２】
このような構成によれば、第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の領域に第１の内部電極を配置するとともに、その隣接領域に第２の内部電極を配置する。また、第２の圧電素子において、該一の領域に対応する領域に第３の内部電極を配置するとともに、該隣接領域に対応する領域に第４の内部電極を配置する。ここで、超音波振動子に縦振動が励起された場合、一の領域及び隣接領域には、同一符号の電荷が励起され、超音波振動子に屈曲振動が励起された場合、一の領域及び隣接領域には、異符号の電荷が励起されることとなる。また、第２の圧電素子において各領域に励起される電荷の符号は、第１の圧電素子において各領域に励起される電荷と逆符号となる。
【００１３】
従って、第１及び第４の内部電極の電位差と第２及び第３の内部電極の電位差とを足し合わせることにより、縦振動に比例した振動検出信号を得ることができ、また、第１及び第４の内部電極の電位差と第２及び第３の内部電極の電位差との差分をとることにより、屈曲振動に比例した振動検出信号を得ることができる。
【００１４】
本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動及び屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの振動検出方法であって、前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、隣接する２つの領域、または、全ての領域に、各前記領域における占有面積が略等しくなるように第１の内部電極を配置し、前記第２の圧電素子において、前記第１の内部電極に対応する位置に第２の内部電極を配置し、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との電位差に基づいて前記縦振動を検出する超音波モータの振動検出方法を提供する。
【００１５】
本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動及び屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの振動検出方法であって、前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に第１の内部電極を配置するとともに、前記一の領域に隣接する隣接領域に第２の内部電極を配置し、前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に第３の内部電極を配置するとともに、前記隣接領域に対応する領域に第４の内部電極を配置し、前記第１の内部電極と前記第４の内部電極とに励起される電荷の総和と、前記第２の内部電極と前記第３の内部電極とに励起される電荷の総和との差分に基づいて前記屈曲振動を検出する超音波モータの振動検出方法を提供する。
【００１６】
本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動及び屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータの振動検出方法であって、前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に第１の内部電極を配置するとともに、前記一の領域に隣接する隣接領域に第２の内部電極を配置し、前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に第３の内部電極を配置するとともに、前記隣接領域に対応する領域に第４の内部電極を配置し、前記第１の内部電極と前記第３の内部電極との電位差に基づいて第１の振動検出信号を生成し、前記第２の内部電極と前記第４の内部電極との電位差に基づいて第２の振動検出信号を生成し、前記第１の振動検出信号と前記第２の信号検出信号との和をとることにより、前記縦振動を検出するとともに、前記第１の振動検出信号と前記第２の信号検出信号との差をとることにより、前記屈曲振動を検出する超音波モータの振動検出方法を提供する。
【００１７】
本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動及び屈曲振動を同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、前記縦振動に比例する縦振動検出信号を出力する縦振動検出手段と、前記屈曲振動に比例する屈曲振動検出信号を出力する屈曲振動検出手段と、前記縦振動検出信号と前記屈曲振動検出信号との位相差を検出し、該位相差が予め設定されている所定の基準位相差になるように、前記超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の位相を制御する信号制御手段とを具備する超音波モータを提供する。
【００１８】
このような構成によれば、超音波振動子に生じている縦振動に比例する縦振動検出信号と屈曲振動に比例する屈曲振動検出信号とが個別に検出され、これら振動検出信号の位相差が所定の基準位相差になるように、超音波振動子に印加される２相の駆動交番電圧の位相差が制御されるので、モータ負荷などの外乱によって超音波振動子に生ずる縦振動と屈曲振動の位相差が変化した場合に、速やかにその変化に追従して２相の駆動交番電圧を調節することができる。これにより、超音波振動子に生ずる縦振動と屈曲振動との位相差を一定の値に保つことが可能となるので、安定したモータ駆動を実現させることができる。
【００１９】
上記超音波モータにおいて、前記信号制御手段が、前記縦振動検出信号または前記屈曲振動検出信号と何れか一方の前記駆動交番電圧との位相差を検出し、該位相差が所定の値となるように、各前記駆動交番電圧の周波数を制御することとしても良い。
【００２０】
このような構成によれば、縦振動検出信号または前記屈曲振動検出信号と何れか一方の駆動交番電圧との位相差が検出され、この位相差が所定の値となるように、２相の駆動交番電圧の周波数が制御されることとなる。これにより、例えば、環境温度が変化することにより、周波数特性にずれが生じた場合でも、速やかに駆動周波数をその環境温度の変化に追従させることができる。この結果、モータの駆動効率を一定に保持することができ、安定したモータ駆動を実現させることができる。
【００２１】
上記超音波モータにおいて、前記超音波振動子は、交互に積層される第１の圧電素子と第２の圧電素子とを備えており、前記縦振動検出手段は、前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、隣接する２つの領域、または、全ての領域に、各前記領域における占有面積が略等しくなるように配置される第１の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記第１の内部電極に対応する位置に配置される第２の内部電極とを備え、前記第１の内部電極と前記第２の内部電極との電位差に基づいて前記縦振動を検出することとしても良い。
このような構成によれば、縦振動を容易に検出することができる。
【００２２】
上記超音波モータにおいて、前記超音波振動子は、交互に積層される第１の圧電素子と第２の圧電素子とを備えており、前記屈曲振動検出手段は、前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に配置される第１の内部電極と、前記一の領域に隣接する隣接領域に配置される第２の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に配置される第３の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記隣接領域に対応する領域に配置される第４の内部電極とを備え、前記第１の内部電極と前記第４の内部電極とに励起される電荷の総和と、前記第２の内部電極と前記第３の内部電極とに励起される電荷の総和との差分に基づいて前記屈曲振動を検出することとしても良い。
このような構成によれば、屈曲振動を容易に検出することができる。
【００２３】
本発明は、第１の圧電素子と第２の圧電素子とが交互に積層された超音波振動子に、縦振動と屈曲振動とを同時に発生させ、前記超音波振動子の出力端に略楕円振動を生じさせて、前記超音波振動子と前記超音波振動子に接触する被駆動体とを相対的に移動させる超音波モータであって、前記第１の圧電素子を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して４つの領域に区分した場合に、一の前記領域に配置される第１の内部電極と、前記一の領域に隣接する隣接領域に配置される第２の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記一の領域に対応する領域に配置される第３の内部電極と、前記第２の圧電素子において、前記隣接領域に対応する領域に配置される第４の内部電極と、前記第１の内部電極と前記第３の内部電極との電位差に基づいて第１の振動検出信号を生成する第１振動検出手段と、前記第２の内部電極と前記第４の内部電極との電位差に基づいて第２の振動検出信号を生成する第２振動検出手段と、前記第１の振動検出信号と前記第２の信号検出信号との和をとることにより、前記縦振動を検出するとともに、前記第１の振動検出信号と前記第２の信号検出信号との差をとることにより、前記屈曲振動を検出する第３の振動検出手段と、前記縦振動検出信号と前記屈曲振動検出信号との位相差を検出し、該位相差が予め設定されている所定の基準位相差になるように、前記超音波振動子に印加する２相の駆動交番電圧の位相を制御する信号制御手段とを具備する超音波モータを提供する。
【００２４】
上記超音波モータにおいて、前記信号制御手段が、前記縦振動検出信号または前記屈曲振動検出信号といずれか一方の前記駆動交番電圧との位相差を検出し、該位相差が所定の値となるように、各前記駆動交番電圧の周波数を制御することとしても良い。
【００２５】
上記発明は、可能な範囲で組み合わせることができるものとする。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、縦振動および屈曲振動の双方の振動をそれぞれ独立した形で、容易に検出することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態に係る超音波モータについて、図を参照して説明する。
〔第１の実施形態〕
図１に示されるように、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータ１は、被駆動体２に接触配置される超音波振動子３と、該超音波振動子３を被駆動体２に押し付ける押圧手段４とを備えている。被駆動体２は、ベース５に固定された直動ベアリング６の可動部７に固定されている。また、被駆動体２には、超音波振動子３に接触する面に、例えば、ジルコニアセラミックスからなる摺動板８が接着されている。図中符号９は、直動ベアリング６の固定部１０をベース５に固定するためのネジである。
【００２８】
超音波振動子３は、図２から図５に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート１１の片側面にシート状の内部電極１２（図４参照）を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体１３と、該圧電積層体１３の一側面に接着された２個の摩擦接触子１４と、該摩擦接触子１４が設けられた側面に隣接する側面からピン１５を突出させる振動子保持部材１６とを備えている。
【００２９】
圧電積層体１３は、図３に示されるように、例えば、長さ１８ｍｍ、幅４．４ｍｍ、厚さ２ｍｍの外形寸法を備えている。
圧電積層体１３を構成する圧電セラミックスシート１１は、図４及び図５に示されるように、例えば、厚さ約８０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス素子（以下、ＰＺＴという。）である。ＰＺＴとしては、Ｑｍ値の大きなハード系材料を選択した。Ｑｍ値は約１８００である。
また、内部電極１２は、例えば、厚さ約４μｍの銀パラジウム合金からなっている。積層方向の一端に配置される圧電セラミックスシート１１ａ（図２参照）は内部電極１２を備えていない。それ以外の圧電セラミックスシート１１は、図４及び図５に示されるような２種類の内部電極１２を備えている。
【００３０】
図４に示される圧電セラミックスシート（第１の圧電素子）１１は、その略全面に内部電極１２を備えている。内部電極１２は、駆動用の内部電極１２（Ａ＋），１２（Ｂ＋）と、振動検出用の内部電極１２（Ｃ＋），１２（Ｄ＋），１２（Ｅ＋）とに分類される。
本実施形態において、内部電極１２（Ｃ＋）は、縦振動検出用の内部電極として、また、１２（Ｄ＋）及び１２（Ｅ＋）は、屈曲振動検出用の内部電極として用いられる。
内部電極１２（Ｃ＋）は、圧電セラミックスシート１１の幅方向の中央部において、圧電セラミックスシート１１の長さ方向に沿って帯状に設けられている。具体的には、縦振動検出用の内部電極１２（Ｃ＋）は、図８に示すように、圧電セラミックスシート１１を長手方向に２等分及び幅方向に２等分して第１の領域乃至第４の領域からなる４つの領域に区分した場合に、第１から第４の各領域における占有面積が略等しくなるように配置されている。
なお、内部電極１２（Ｃ＋）は、上記配置例に代えて、４つの領域のうち、所定の２つの隣接する領域における占有面積が略等しく、また、その他の２つの隣接する領域における占有面積が略等しくなるように配置されてもよい。例えば、第１の領域と第２の領域とが同一占有面積とされ、第３の領域と第４の領域とが同一占有面積とされるように配置されることとしてもよい。この場合、第１の領域と第３の領域とは、占有面積が異なってもよい。また、４つの領域にわたって内部電極１２（Ｃ＋）を配置するのではなく、隣接する２つの領域にわたって内部電極１２（Ｃ＋）を配置することとしてもよい。例えば、内部電極１２（Ｃ＋）を、第３の領域と第４の領域にわたって互いの領域における占有面積が略等しくなるように配置することとしてもよい。
【００３１】
また、屈曲振動検出用の内部電極１２（Ｄ＋）は、圧電セラミックスシートを同様に４つの領域に区分した場合に、いずれか一つの領域に設けられる。本実施形態では、内部電極１２（Ｄ＋）は、図８における第３の領域に設けられている。内部電極１２（Ｅ＋）は、内部電極１２（Ｄ＋）が設けられている領域に隣接する領域、つまり、本実施形態では、図８における第４の領域に設けられている。なお、第４の領域に代えて、第１の領域に設けられていても良い。
また、駆動用の内部電極１２（Ａ＋）及び１２（Ｂ＋）は、圧電セラミックスシート１１の長手方向に沿って一列に配置されている。本実施形態では、内部電極１２（Ａ＋）が図８における第１の領域に、内部電極１２（Ｂ＋）が第２の領域に配置されている。
【００３２】
同様に、図５に示される圧電セラミックスシート（第２の圧電素子）１１は、その略全面に内部電極１２を備えている。内部電極１２は、駆動用の内部電極１２（Ａ−），１２（Ｂ−）と、振動検出用の内部電極１２（Ｃ−），１２（Ｄ−），１２（Ｅ−）とに分類される。
内部電極１２（Ｃ−）は、縦振動検出用の内部電極として、また、１２（Ｄ−）及び１２（Ｅ−）は、屈曲振動検出用の内部電極として用いられる。
内部電極１２（Ｃ−）は、図５に示した圧電セラミックスシート１１において、図４に示した圧電セラミックスシート１１における内部電極（Ｃ＋）に対応する位置に配置されている。同様に、内部電極１２（Ｄ−）及び１２（Ｅ−）についても、図４に示した内部電極１２（Ｄ＋）及び１２（Ｅ＋）にそれぞれ対応する位置に配置されている。
【００３３】
上記各内部電極１２は、圧電セラミックスシート１１の幅方向に、互いに約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて配置されているとともに、圧電セラミックスシート１１の長さ方向に互いに約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて設けられている。
圧電セラミックスシート１１の中央に帯状に設けられた内部電極１２（Ｃ＋）、１２（Ｃ−）はともに略同一の大きさを有し、また、内部電極１２（Ｃ＋），１２（Ｃ−）をそれぞれ囲んで配置される８つの内部電極１２（Ａ＋），１２（Ｂ＋），１２（Ｄ＋），１２（Ｅ＋），１２（Ａ−），１２（Ｂ−），１２（Ｄ−），１２（Ｅ−）は、略同一の大きさを有している。
各内部電極１２は、圧電セラミックスシート１１の周縁から約０．４ｍｍの隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート１１の周縁まで延び、後述する各外部電極１７に接続されるようになっている。
【００３４】
図４に示される圧電セラミックスシート１１と、図５に示される圧電セラミックスシート１１とは交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体１３を構成している。
このようにして構成された圧電積層体１３の長さ方向の端面には、各圧電セラミックスシート１１に配置された同種の内部電極１２（Ａ＋）乃至１２（Ｅ−）をそれぞれ接続するための外部電極１７がそれぞれ設けられている。
具体的には、圧電積層体１３の長さ方向の一端には、圧電積層体１３の他側面の側（図において上側）からＡ相の外部電極１７（Ａ＋），１７（Ａ−），Ｃ相の外部電極１７（Ｃ＋），１７（Ｃ−），Ｄ相の外部電極１７（Ｄ＋），１７（Ｄ−）が設けられ、これに対向する面には、図において上方からＢ相の外部電極１７（Ｂ＋），１７（Ｂ−），Ｅ相の外部電極１７（Ｅ＋），１７（Ｅ−）が設けられている。
【００３５】
Ａ相およびＢ相の外部電極１７は駆動用の外部電極であり、Ｃ相乃至Ｅ相の外部電極１７は振動検出用の外部電極である。各外部電極にはそれぞれ配線が接続されている。この配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。
具体的には、Ａ相の外部電極１７（Ａ＋），（Ａ−）にそれぞれ接続される１対の配線、並びに、Ｂ相の外部電極１７（Ｂ＋），（Ｂ−）にそれぞれ接続される１対の配線は、それぞれＡ相、Ｂ相の駆動用信号線として、図１１に示す制御装置３０のドライブＩＣ３３に接続される。
【００３６】
また、Ｃ相の外部電極１７（Ｃ＋）、Ｃ（−）にそれぞれ接続される１対の配線Ｌ１は、図１１に示す制御装置３０の縦振動検出回路３４に接続される。
一方、外部電極１７（Ｄ＋）及び１７（Ｅ−）に接続される配線は、結線されて１つの配線とされ、外部電極１７（Ｄ−）及び１７（Ｅ＋）に接続される配線は、結線されて１つの配線とされた後、１対の配線Ｌ２として図１１に示す制御装置３０の屈曲振動検出回路３４に接続される。
【００３７】
次に、このようにして構成された圧電積層体１３の動作について説明する。
Ａ相の外部電極１７（Ａ＋，Ａ−）（以下、単に「Ａ相」という。）およびＢ相の外部電極１７（Ｂ＋．Ｂ−）（以下、単に「Ｂ相」という。）に同位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加すると、図６に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、このとき、前述した圧電セラミックスシート１１に生ずる電荷は、例えば、図８に示すように、圧電セラミックシート１１を４つの領域に区分した場合、図９に示すように、第１領域から第４領域において正電荷もしくは負電荷が同時に励起された状態となる。
【００３８】
また、Ａ相およびＢ相に逆位相で共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加すると、図７に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。このとき、前述した各領域では図１０に示すような電荷状態となる。すなわち、屈曲振動が励起されている場合には、第１の領域から第４の領域のうち、対角線上に位置する領域、つまり、第１の領域と第４の領域、第２の領域と第３の領域では同符号の電荷が同時に励起され、隣り合う領域、つまり、第１の領域と第２の領域、第２の領域と第４の領域、第４の領域と第３の領域、第３の領域と第１の領域では異符号の電荷が同時に励起されていることになる。
【００３９】
なお、対をなす内部電極１２には、互いに異符号の電荷が励起されることとなる。つまり、内部電極１２（Ｃ＋）と１２（Ｃ−），１２（Ｄ＋）と１２（Ｄ−），１２（Ｅ＋）と１２（Ｅ−）とには、互いに異符号の電荷がそれぞれ励起されることとなる。
【００４０】
以上のことから、隣接する領域に対して均等に分布して配置されているＣ相の内部電極１２（Ｃ＋）及び１２（Ｃ−）においては、それぞれ屈曲振動による電荷は相殺され、縦振動にのみ比例した電荷が励起された状態となる。従って、Ｃ相の一対の配線Ｌ１により検出される電気信号は、縦振動に比例した電気信号となる。なお、どちらの符号の電荷が励起されるかは振動の位相状態によって決まる。
【００４１】
一方、内部電極１２（Ｄ＋）及び１２（Ｅ−）においては、縦振動による電荷は相殺され、屈曲振動にのみ比例した電荷が励起された状態となる。同様に、内部電極１２（Ｄ−）、１２（Ｅ＋）においては、縦振動による電荷は相殺され、屈曲振動にのみ比例した電荷が励起された状態となる。したがって、一対の配線Ｌ２により検出される電気信号は、屈曲振動に比例した電気信号となる。なお、どちらの符号の電荷が励起されるかは振動の位相状態によって決まる。
【００４２】
前記摩擦接触子１４は、前記圧電積層体１３の２次の屈曲振動の腹となる２カ所の位置に接着されている。これにより、圧電積層体１３に１次の縦振動が発生したときには、摩擦振動子１４が圧電積層体１３の長さ方向（図２に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体１３に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１４が、圧電積層体１３の幅方向（図２に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
【００４３】
したがって、超音波振動子３のＡ相とＢ相とに、位相がずれた共振周波数に対応する駆動交番電圧を印加することにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図２に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子１４の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。
【００４４】
前記振動子保持部材１６は、図２に示すように、断面略コ字状に形成された保持部１６ａと、該保持部１６ａの両側面から垂直に突出する該保持部１６ａと一体的なピン１５とを備えている。保持部１６ａは、圧電積層体１３の幅方向の一側から圧電積層体１３を囲むようにして、例えば、シリコン樹脂またはエポキシ樹脂により圧電積層体１３に接着されている。保持部１６ａが圧電積層体１３に接着された状態で、保持部１６ａの両側面に一体的に設けられた２つのピン１５は、圧電積層体１３の縦振動と屈曲振動の共通の節となる位置に同軸に配置されるようになっている。
【００４５】
前記押圧手段４は、図１に示されるように、超音波振動子３に対して、その幅方向（Ｚ方向）に、前記摩擦接触子１４とは逆方向に離れた位置においてベース５に固定されるブラケット１８と、該ブラケット１８に対して、前記超音波振動子３の幅方向に移動可能に支持された押圧部材１９と、該押圧部材１９に対して押圧力を加えるコイルスプリング２０と、該コイルスプリング２０による押圧力を調節する調節ネジ２１と、ブラケット１８に対する押圧部材１９の移動を案内するガイドブッシュ２２とを備えている。符号２３は、ブラケット１８をベース５に固定するネジである。
【００４６】
前記押圧部材１９には、前記超音波振動子３を厚さ方向に挟む２つの保持板２４が備えられている。各保持板２４には、前記振動子保持部材１６の２本のピン１５をそれぞれ貫通させる貫通孔２５が設けられている。押圧部材１９に加えられる押圧力は、保持板２４およびその貫通孔２５に貫通するピン１５を介して超音波振動子３に伝達されるようになっている。
【００４７】
前記コイルスプリング２０は、圧縮コイルスプリングであって、前記調節ネジ２１と前記押圧部材１９との間に挟まれている。したがって、ブラケット１８に対する調節ネジ２１の締結位置を変化させることで、弾性変形量を変化させて押圧部材１９を超音波振動子３方向に付勢する押圧力を変化させることができるようになっている。
【００４８】
次に、本実施形態に係る超音波モータ１の制御装置について図１１を参照して説明する。
図１１に示すように、制御装置３０は、信号制御部（信号制御手段）５０、縦振動検出回路（縦振動検出手段）３４、屈曲振動検出回路（屈曲振動検出手段）３５を備えている。
信号制御部５０は、周波数設定回路３１、駆動パルス発生回路３２、ドライブＩＣ３３、及び振動位相比較回路３６を備えている。
【００４９】
周波数設定回路３１は、超音波モータ１を駆動するのに必要な周波数、例えば、共振周波数のパルス信号を生成し、このパルス信号を駆動パルス発生回路３２に出力する。
駆動パルス発生回路３２は、図１２に示すように、周波数設定回路３１から入力されるパルス信号を用いて、所定の駆動周波数及び所定の位相差（以下「駆動位相差」という。）θの２相の駆動制御信号を生成し、ドライブＩＣ３３に出力する。所定の位相差θは、例えば、約１２０°とされている。
ドライブＩＣ３３は、駆動パルス発生回路３２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相の外部電極１７（Ａ＋，Ａ−）、並びにＢ相の外部電極１７（Ｂ＋，Ｂ−）に印加する。
【００５０】
縦振動検出回路３４は、上述したように、図２に示した外部電極１７（Ｃ＋，Ｃ−）に接続される一対の配線Ｌ１に接続されており、超音波振動子３に生じている縦振動に比例した振動検出信号を生成する。具体的には、配線Ｌ１を介して入力される電気信号に対して、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縦振動検出信号として出力する。
【００５１】
屈曲振動検出回路３５は、上述したように、一対の配線Ｌ２に接続されており、超音波振動子３に生じている屈曲振動に比例した振動検出信号を生成する。具体的には、配線Ｌ２を介して入力される電気信号に対して、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屈曲振動検出信号として出力する。
【００５２】
振動位相比較回路３６は、縦振動検出回路３４から出力された縦振動検出信号と屈曲振動検出回路３４から出力された屈曲振動検出信号とが入力されるようになっている。振動位相比較回路３６は、縦振動検出信号と屈曲振動検出信号との位相差（以下、「振動位相差」という。）φ１を求め、更に、この振動位相差φ１と予め記憶している基準位相差φ１ｒｅｆとの差分Δφ１（＝φ１−φ１ｒｅｆ）を求め、この差分Δφ１に応じた信号を出力する。
上記基準位相差φ１ｒｅｆは、超音波モータ１の駆動効率に応じて設計事項により任意に決定できる値である。ここで、超音波モータの駆動効率と超音波振動子３の振動位相差φ１との関係を図１３に示す。この図に示すように、振動位相差φ１が１２０°付近のときに超音波モータの駆動効率が最大値をとり、振動位相差φ１が１２０°から離れるにつれて、徐々に駆動効率が低下する。本実施形態では、超音波モータ１を最も効率よく駆動させるために、基準位相差φ１ｒｅｆを１２０°に設定している。
【００５３】
振動位相比較回路３６から出力された差分Δφ１に応じた信号は、駆動パルス発生回路３２に入力される。駆動パルス発生回路３２は、この差分Δφ１がゼロとなるように２相の駆動制御信号の駆動位相差θを調整し、調整後の２相の駆動制御信号を出力する。具体的には、駆動パルス発生回路３２は、差分Δφ１がマイナスの値を示していた場合には、駆動位相差θを所定量増加させ、差分Δφ１がプラスの値を示していた場合には、駆動位相差θを所定量減少させる、いわゆる逐次制御を行う。
【００５４】
なお、駆動パルス発生回路３２には、方向指示回路３７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３２は、方向指示信号に応じてドライブＩＣ３３に出力する２相の駆動制御信号の符号を反転させる。これにより、超音波振動子３の摩擦接触子１４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、この結果、被駆動体２の移動方向を正転方向、負転方向に移動させることができる。
【００５５】
次に、上記制御装置３０の作用について説明する。
まず、周波数設定回路３１から共振周波数のパルス信号が駆動パルス発生回路３２に入力されると、駆動パルス発生回路３２において、所定の駆動周波数、及び、所定の駆動位相差θ（＝１２０°）の２相の駆動制御信号が生成され、ドライブＩＣ３３に出力される。ドライブＩＣ３３では、この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相の駆動交番電圧が生成され、この２相の駆動交番電圧がＡ相、Ｂ相の外部電極１７（Ａ＋，Ａ−）、１７（Ｂ＋，Ｂ−）にそれぞれ印加される。これにより、超音波振動子３には、縦振動と屈曲振動とが同時に励起され、摩擦接触子１４には、図１４に示すような略楕円振動が発生し、この略楕円振動の接線方向に沿って被駆動体２の摺動板８との間の生ずる摩擦力により、被駆動体２が推進されることになる。
【００５６】
このようにして超音波振動子３に縦振動及び屈曲振動が同時に励起されると、縦振動に応じた電気信号が配線Ｌ１を介して縦振動検出回路３４に入力され、超音波振動子３の屈曲振動に応じた電気信号が配線Ｌ２を介して屈曲振動検出回路３５に入力される。これにより、縦振動検出回路３４から縦振動検出信号が、屈曲振動検出回路３４からは屈曲振動検出信号が位相比較回路３６に入力されることとなる。
振動位相比較回路３６では、縦振動検出信号と屈曲振動検出信号との振動位相差φ１が求められ、更に、この振動位相差φ１と基準位相差φ１ｒｅｆとの差分Δφが求められ、この差分Δφに応じた信号が駆動パルス発生回路３２に出力される。
これにより、駆動パルス発生回路３２は、差分Δφがゼロとなるように、２相の駆動制御信号の駆動位相差θを調整する。
【００５７】
以上説明してきたように、本実施形態に係る超音波モータ１によれば、圧電セラミックシート１１において、図８に示した第１の領域から第４の領域において、隣接する領域に対する占有面積が略等しくなるように縦振動検出用の内部電極１２（Ｃ＋），１２（Ｃ−）を配置したので、縦振動により励起される電荷のみを検出することができる。これにより、超音波振動子３に生じている縦振動のみを容易に検出することができる。
【００５８】
また、本実施形態に係る超音波モータ１によれば、圧電セラミックシート１１において、縦振動による電荷の総和が相殺され、屈曲振動においては振動に比例した電荷が励起される位置に内部電極１２（Ｄ＋）及び１２（Ｅ−）、並びに、内部電極１２（Ｄ−）及び１２（Ｅ＋）をそれぞれ配置したので、屈曲振動により励起される電荷のみを検出することができる。これにより、超音波振動子３に生じている屈曲振動のみを容易に検出することができる。
【００５９】
更に、本実施形態に係る超音波モータ１によれば、縦振動及び屈曲振動をそれぞれ検出し、これらの振動位相差φ１を求め、更に、この振動位相差φ１が基準位相差φ１ｒｅｆになるように、２相の駆動交番電圧の駆動位相差θを制御するので、超音波振動子３に励起される縦振動と屈曲振動との振動位相差φ１を常に所望の値（例えば、１２０°）に保持することが可能となる。これにより、モータの駆動効率を一定に保つことができ、安定したモータ駆動を実現させることができる。
【００６０】
なお、上記実施形態においては、駆動パルス発生回路３２が、振動位相比較回路３６から入力される差分Δφに応じて、逐次制御を行っていたが、これに代えて、例えば、駆動パルス発生回路３２が図１５に示すような振動位相差φ１と駆動位相差θとの特性テーブルを保有しており、この特性テーブルを用いて、振動位相差φ１に応じた駆動位相差θを取得し、この駆動位相差の２相の駆動制御信号を生成することとしても良い。
具体的には、振動位相比較回路３６は、縦振動検出信号と屈曲振動検出信号との振動位相差φ１を求めると、この振動位相差φ１に応じた信号を駆動パルス発生回路３２に出力する。駆動パルス発生回路３２は、入力された位相差φ１に対応する駆動位相差θを図１５に示した特性テーブルを参照して取得し、駆動位相差θを持つ２相の駆動制御信号を生成して出力する。
【００６１】
このような構成によれば、例えば、外乱などの要因により、急激に振動変化が生じ、振動位相差φ１が基準位相差φ１ｒｅｆから大きくずれてしまった場合でも、速やかにこのずれ量に応じた駆動位相差θを求めることができる。これにより、急峻な振動変化に対しても速やかに追従することができ、応答性を向上させることができる。
なお、図１５に示した振動位相差φ１−駆動位相差θの特性テーブルに代えて、振動位相差φ１をパラメータとした演算式を用いることにより、振動位相差φ１に応じた駆動位相差θを求めることとしても良い。
なお、本実施形態では、基準位相差φ１ｒｅｆを１２０°としたが、この基準位相差φ１ｒｅｆは、所望のモータ効率に応じて複数設定されており、モータの使用状況に応じて、基準位相差φ１ｒｅｆを切り替えることとしても良い。更に、被駆動体の移動方向に応じて、基準位相差φ１ｒｅｆを切り替えることとしても良い。例えば、図１４に示すような向きで被駆動体を移動させる場合には、振動位相差１２０°のときにモータ効率が最も高くなるが、被駆動体の移動方向を逆方向にした場合には、異なる振動位相差（例えば、６０°）でモータ効率が最も高くなる。従って、この場合には、基準位相差φ１ｒｅｆを６０°に設定することとしても良い。
【００６２】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波モータについて説明する。
本実施形態に係る超音波モータは、その制御装置が周波数追従機能を更に備えている点で、上述した第１の実施形態と異なる。以下、本実施形態の超音波モータについて、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１６に示すように、本実施形態に係る超音波モータは、追尾位相比較回路４０を備えている。追尾位相比較回路４０は、縦振動検出回路３４から出力される縦振動検出信号と、駆動パルス発生回路３２から出力されるＡ相の駆動制御信号とが入力されるようになっている。追尾位相比較回路４０は、縦振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φ２を求め、更に、この位相差φ２と予め記憶している基準位相差φ２ｒｅｆとの差分Δφ２（＝φ２−φ２ｒｅｆ）を求め、この差分Δφ２に応じた信号を出力する。
【００６３】
ここで、超音波モータは、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、図１７に示すように、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。
【００６４】
これに対し、縦振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φ２と共振周波数との間には、図１８に示すように、温度が増加して共振周波数が変化したとしても位相差φ２は常に一定の値に維持されるという関係がある。これは、縦振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φ２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縦振動検出信号との位相差φ２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。
【００６５】
本実施形態では、基準位相差φ２ｒｅｆを３π／４に設定し、Ａ相の駆動制御信号と縦振動検出信号との位相差φ２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となり、図１７に示されるように、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φ２ｒｅｆ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。
【００６６】
図１６に戻り、周波数設定回路３１は、追尾位相比較回路４０からの差分Δφ２が入力されるようになっている。周波数設定回路３１は、差分Δφ２に基づいて、差分Δφ２をゼロにするようにパルス信号の周波数を調節する。具体的には、周波数設定回路３１は、差分Δφ２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たパルス信号を生成し、差分Δφ２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たパルス信号を生成し、このパルス信号を駆動パルス発生回路３２に出力する。このように、本実施形態では、周波数設定回路３１が差分Δφ２に基づく周波数の逐次制御を実施することとしている。
【００６７】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る超音波モータによれば、振動位相差φ１に基づいて２相の駆動交番電圧の駆動位相差θが調整されるとともに、縦振動検出信号とＡ相の駆動制御信号との位相差φ２に基づいて、駆動交番電圧の周波数が調整されることとなるので、環境温度が変化した場合でも、常にモータ速度を一定に保つことができる。これにより、更に安定したモータ駆動を実現させることができる。
【００６８】
なお、上記実施形態においては、周波数設定回路３１が、追尾位相比較回路４０から出力される差分Δφ２に基づいて逐次制御を行うこととしたが、これに代えて、例えば、周波数設定回路３１が図１９に示すようなＡ相の駆動制御信号と縦振動検出信号との位相差φ２と周波数ｆの特性テーブルを保有しており、この特性テーブルを用いて位相差φ２に応じた周波数ｆを決定するような構成としても良い。
具体的には、追尾位相比較回路４０は、Ａ相の駆動制御信号と縦振動検出信号との位相差φ２を求めると、この位相差φ２に応じた信号を周波数設定回路３１に出力する。周波数設定回路３１は、入力された位相差φ２に対応する周波数ｆを図１９に示した特性テーブルを参照して取得し、この周波数ｆのパルス信号を生成して、駆動パルス発生回路３２に出力する。
【００６９】
このような構成によれば、例えば、急激な温度変化が生じたことにより、位相差φ２が基準位相差φ２ｒｅｆから大きくずれてしまった場合でも、速やかにこのずれ量に応じた周波数ｆを求めることができる。これにより、急激な温度変化に対しても速やかに追従することができ、応答性を向上させることができる。
なお、図１９に示した位相差φ２−周波数ｆの特性テーブルに代えて、位相差φ２をパラメータとした演算式を用いることにより、位相差φ２に応じた周波数ｆを求めることとしても良い。
【００７０】
また、本実施形態においては、Ａ相の駆動制御信号と縦振動検出信号とを比較することとしたが、Ａ相の駆動制御信号に代えてＢ相の駆動制御信号を用いることとしても良い。なお、この場合には、基準位相差φ２ｒｅｆをＡ相の駆動制御信号とＢ相の駆動制御信号との位相差θに応じて変更する必要がある。また、２相の駆動制御信号に代えて、ドライブＩＣ３３から超音波モータ１へ印加される２相の駆動交番電圧のいずれか一方を用いることとしても良い。
更に、縦振動検出信号に代えて、屈曲振動検出信号を用いることとしても良い。この場合においても、基準位相差φ２ｒｅｆを縦振動検出信号と屈曲振動検出信号との位相差（本実施形態では１２０°）に応じて変更する必要がある。
【００７１】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態に係る超音波モータについて説明する。
上述した第１の実施形態に係る超音波モータでは、縦振動を検出するための内部電極と、屈曲振動を検出するための内部電極とをそれぞれ設けていたが、本実施形態では、同一の内部電極から得られる信号を用いて縦振動並びに屈曲振動を検出することとしている。
以下、本実施形態の超音波モータについて、第１の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
図２０及び図２１は、本実施形態に係る圧電セラミックシートの内部電極の配置を示した図、図２２は、図２０及び図２１に示した圧電セラミックシートを交互に積層して構成される圧電積層体を示した図である。図２０乃至図２２に示すように、本実施形態に係る圧電セラミックシートは、第１の実施形態に係る内部電極１２（Ｃ＋），１２（Ｃ−）が除去された構成をとる。つまり、本実施形態においては、内部電極１２（Ｄ＋），１２（Ｄ−），１２（Ｅ＋），１２（Ｅ−）を用いて、縦振動及び屈曲振動を検出する。
【００７２】
具体的には、図２３に示すように、Ｄ相の外部電極１７（Ｄ＋）及び１７（Ｄ−）にそれぞれ接続される１対の配線Ｌ３を第１振動検出回路（第１振動検出手段）４１に、Ｅ相の外部電極１７（Ｅ＋）及び（Ｅ−）にそれぞれ接続される１対の配線Ｌ４を第２振動検出回路（第２振動検出手段）４２に接続する。
第１振動検出回路４１は、配線Ｌ３を介して入力される電気信号に対して、ノイズ除去を行い、第１の振動検出信号として振動分離回路（第３振動検出手段）４３に出力する。
【００７３】
第２振動検出回路４２は、配線Ｌ４を介して入力される電気信号に対して、ノイズ除去を行い、第２の振動検出信号として振動分離回路４３に出力する。
振動分離回路４３は、第１の振動検出信号及び第２の振動検出信号が入力されると、これらの信号の和をとることで縦振動検出信号を得、また、これらの信号の差をとることで屈曲振動検出信号を得る。そして、これら縦振動検出信号及び屈曲振動検出信号を振動位相比較回路に出力する。
【００７４】
ここで、図９及び図１０に示したように、内部電極１２（Ｄ＋），１２（Ｄ−）が配置された第３の領域と内部電極１２（Ｅ＋），１２（Ｅ−）が配置されている第４の領域とは、縦振動において同符号の電荷が励起され、屈曲振動において異符号の電荷が励起されるようになっている。
【００７５】
従って、例えば、外部電極１７（Ｄ＋）と１７（Ｄ−）から出力される電気信号に基づいて検出された第１の振動検出信号と外部電極１７（Ｅ＋）と１７（Ｅ−）とから出力される電気信号に基づいて検出された第２の振動検出信号との和をとることは、振動分離回路４３では、実質的に外部電極１７（Ｄ＋）と１７（Ｅ＋）とを結線するとともに、外部電極１７（Ｄ−）と１７（Ｅ−）とを結線することに対応し、この和信号は屈曲振動によって励起された電荷を相殺してゼロとすることになり、結果として縦振動に比例した信号のみを得ることができる。
【００７６】
また、外部電極１７（Ｄ＋）と１７（Ｄ−）から出力される電気信号に基づいて検出された第１の振動検出信号と外部電極１７（Ｅ＋）と１７（Ｅ−）とから出力される電気信号に基づいて検出された第２の振動検出信号との差をとることは、振動分離回路４３では、実質的に外部電極１７（Ｄ＋）と１７（Ｅ−）とを結線するとともに、外部電極１７（Ｄ−）と１７（Ｅ＋）とを結線することに対応し、この差信号は、縦振動によって励起された電荷を相殺してゼロとすることになり、結果として屈曲振動に比例した信号のみを得ることができる。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態に係る超音波モータによれば、上述した第１の実施形態と比較して、振動検出用の内部電極並びに外部電極の数を減らすことができ、装置の簡素化を図ることができる。
【００７８】
なお、図１６に示した第２の実施形態に係る超音波モータにおいても、各圧電セラミックシート１１における内部電極を上述した第３の実施形態と同様とし、また、図２４に示すように、縦振動検出回路３４及び屈曲振動検出回路３５に代えて、第３の実施形態に係る第１振動検出回路４１、第２振動検出回路４２及び振動分離回路４３を適用することとしても良い。
【００７９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態では、振動検出用の内部電極を全層にわたって設けるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、一層にだけもしくは数層にだけ設けるようにすることとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波モータを示す全体構成図である。
【図２】図１の超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。
【図３】図２の超音波振動子を構成する圧電積層体を示す斜視図である。
【図４】図３の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図５】図３の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図６】図２の圧電積層体が１次の縦振動で振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図７】図２の圧電積層体が２次の屈曲振動で振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図８】セラミックスシートに設けられた内部電極に発生する電荷状態を説明するための図であって、セラミックスシートを四つの領域に区分した図である。
【図９】縦振動が励起されているときに、図８に示した各領域に励起される電荷状態を示した図である。
【図１０】屈曲振動が励起されているときに、図８に示した各領域に励起される電荷状態を示した図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る制御装置の概略構成を示したブロック図である。
【図１２】駆動パルス発生回路により生成される２相の駆動制御信号を示した図である。
【図１３】振動位相差とモータ効率との関係を示した図である。
【図１４】振動位相差を１２０°付近に設定した場合に、摩擦接触子に生ずる略楕円振動の一例を示した図である。
【図１５】駆動位相差と振動位相差との関係を示した図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係る制御装置の概略構成を示したブロック図である。
【図１７】縦振動における周波数−モータ速度の関係を示した図である。
【図１８】縦振動における周波数−位相差の特性を示した図である。
【図１９】周波数設定回路が保有する位相差φ−周波数ｆの特性テーブルの一例を示した図である。
【図２０】本発明の第３の実施形態に係る振動検出用の内部電極の配置を説明するための図である。
【図２１】本発明の第３の実施形態に係る振動検出用の内部電極の配置を説明するための図である。
【図２２】図２０及び図２１に示した圧電セラミックシートを積層して構成される超音波振動子の斜視図である。
【図２３】本発明の第３の実施形態に係る制御装置の概略構成を示したブロック図である。
【図２４】本発明の第２の実施形態に係る制御装置の変形例を示した図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  超音波モータ
２  被駆動体
３  超音波振動子
１１  圧電セラミックスシート
１２  内部電極
１４  摩擦接触子
１７  外部電極
３０  制御装置
３１  周波数設定回路
３２  駆動パルス発生回路
３３  ドライブＩＣ
３４  縦振動検出回路
３５  屈曲振動検出回路
３６  振動位相比較回路
４０  追尾位相比較回路
４１  第１振動検出回路
４２  第２振動検出回路
４３  振動分離回路
５０  信号制御部
【図１】
2008043123.tif 000003
【図２】
2008043123.tif 000004
【図３】
2008043123.tif 000005
【図４】
2008043123.tif 000006
【図５】
2008043123.tif 000007
【図６】
2008043123.tif 000008
【図７】
2008043123.tif 000009
【図８】
2008043123.tif 000010
【図９】
2008043123.tif 000011
【図１０】
2008043123.tif 000012
【図１１】
2008043123.tif 000013
【図１２】
2008043123.tif 000014
【図１３】
2008043123.tif 000015
【図１４】
2008043123.tif 000016
【図１５】
2008043123.tif 000017
【図１６】
2008043123.tif 000018
【図１７】
2008043123.tif 000019
【図１８】
2008043123.tif 000020
【図１９】
2008043123.tif 000021
【図２０】
2008043123.tif 000022
【図２１】
2008043123.tif 000023
【図２２】
2008043123.tif 000024
【図２３】
2008043123.tif 000025
【図２４】
2008043123.tif 000026