(57)【要約】【課題】異なる二つの振動を用い、移動方向による特性の違い、モータ個々の特性のばらつきを小さくする超音波モータの駆動回路および超音波モータ付き電子機器の提供。【解決手段】周波信号発生回路１２で得られた特定の周波数の信号は増幅回路９ａで増幅された後、圧電素子１の第一の電極２に加えられる共に、位相設定回路１１で第一の位相量だけ位相がずらされると共に、外部の制御信号を受け位相切換回路１０で第二の位相量だけ位相を進ませるか遅らせるかが決定され、増幅回路９ｂで増幅された後、圧電素子１の第二の電極３に加えられる。【選択図】    図１
2004336858.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を有する振動体の前記圧電素子に第一の信号と第二の信号を印加することにより前記振動体と接する移動体を駆動する超音波モータの駆動回路であって、
前記第一の信号から位相を第一の位相量だけずらす位相設定回路と、
前記位相設定回路からの出力信号を第二の位相量だけ進ませるか遅らせるかを切換る位相切換回路を有し、
前記第二の信号が、前記位相設定回路と前記位相切換回路を経て得られた信号である超音波モータの駆動回路。
【請求項２】
前記第二の位相量は９０度であることを特徴とする請求項１記載の超音波モータの駆動回路。
【請求項３】
圧電素子を有する振動体の前記圧電素子に第一の信号と第二の信号を印加することにより前記振動体と接する移動体を駆動する超音波モータの駆動回路であって、
前記第二の信号は前記第一の信号から位相を第一の位相量だけずらす位相設定回路と、前記位相設定回路からの出力信号を第二の位相量だけ遅らせるか否か、もしくは進ませるか否かを切換る位相切換回路を有し、
前記第二の信号が前記位相設定回路と前記位相切換回路を経て得られた信号である超音波モータの駆動回路。
【請求項４】
前記第二の位相量は１８０度であることを特徴とする請求項３記載の超音波モータの駆動回路。
【請求項５】
前記第一の位相量は前記振動体もしくは前記移動体の駆動状態に応じて可変されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波モータの駆動回路。
【請求項６】
前記第二の位相量は前記振動体もしくは前記移動体の駆動状態に応じて可変されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波モータの駆動回路。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載の超音波モータの駆動回路により駆動され、
圧電素子と、
前記圧電素子に接合された摩擦部材により摩擦駆動される移動体と、
前記移動体と一体に動作する伝達機構と、
前記伝達機構の動作に基づいて動作する出力機構からなる超音波モータ付き電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータおよび超音波モータを用いた電子機器に係り、特に超音波モータの駆動回路及びそれにより駆動される超音波モータ付き電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代アクチュエータとして期待された超音波モータも様々な方式が考案され、最近ではその中でもリニヤ型の超音波モータが注目されている。その駆動原理としては例えば矩形板の縦振動と屈曲振動を用いる場合が多く行われている。この場合、圧電素子に二つ信号を印加させることで振動体の側面に楕円運動を発生させ、振動体と接する移動体を駆動させる。この楕円運動を発生させる為、そして楕円運動の方向を切り替え、移動体の駆動方向を切り替える為に、二つの信号の位相を変えることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１１６１６２号公報（第５−７頁、第４−５図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら二つの異なる振動、例えば縦振動と屈曲振動の共振点の差はモータ個々で異なるとともに二つの振動の励振力も異なるため入力信号に対して発生する振動変位の位相が各振動モードに、しかも駆動周波数によって変化してしまう。これらから、従来の駆動回路による駆動方法では移動方向によって移動体の移動速度、推進力といった出力特性が異なってしまった。そして、超音波モータ個々でも二つの振動モードの固有周波数が若干異なる為、出力特性もばらつきが大きいものになってしまった。そしてこれらの現象の影響度は駆動周波数によっても変化し、温度や負荷等の外部環境によって生じる出力特性の変化も大きかった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで上記課題を解決するために、本発明では圧電素子を有する振動体の前記圧電素子に第一の信号と第二の信号を印加することにより前記振動体と接する移動体を駆動する超音波モータの駆動回路において、前記第二の信号は前記第一の信号から位相を第一の位相量だけずらす位相設定回路と、前記位相設定回路からの出力信号を第二の位相量だけ進ませるか遅らせるかを切換る位相切換回路を経て得られた信号であることを特徴とする駆動回路とする。これによればモータ個々、並びに移動方向に対する出力特性のばらつきは小さくなる。特に前記第二の位相量を９０度とすることでモータ効率は良好となる。
【０００６】
また圧電素子を有する振動体の前記圧電素子に第一の信号と第二の信号を印加することにより前記振動体と接する移動体を駆動する超音波モータの駆動回路において、前記第二の信号は前記第一の信号から位相を第一の位相量だけずらす位相設定回路と、前記位相設定回路からの出力信号を第二の位相量だけ遅らせるか否か、もしくは第二の位相量だけ進ませるか否かを切換る位相切換回路を経て得られた信号であることを特徴とする駆動回路とする。これによればモータ個々、並びに移動方向に対する出力特性のばらつきは小さくなるとともに駆動回路の構成も簡単になる。
【０００７】
特に、前記第二の位相量を１８０度とすることでモータ効率は良好となると共に駆動回路の構成も簡単になり、自励発振回路への適用も容易となる。
【０００８】
また、以上の回路構成において前記第一の位相量もしくは前記第二の位相量は前記振動体もしくは前記移動体の駆動状態に応じて可変される様にすることで、温度や負荷等が変化した場合にもモータの出力特性の変化並びに移動方向による出力特性の差は少ない。
【０００９】
そしてこれらの駆動回路並びにこれで駆動される超音波モータを電子機器に搭載することで小型、低消費電力であることはもとより外部環境に影響されにくく製品個々のばらつきの少ない電子機器が実現できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。
【００１１】
（実施の形態１）
図５は本発明の駆動回路で駆動される超音波モータの構成例を示したものである。圧電素子１で構成される振動体は図示しない支持部材で支持されると共に、図示しない加圧機構２６にて図中矢印の方向に加圧力が加えられ摩擦部材２４と移動体６の間には適度な摩擦力が働く。移動体６は案内部材２５により案内されている。ここで振動体は圧電素子１のみで構成してもよいし、金属等の弾性体と一緒に構成してもかまわない。振動体に縦振動と屈曲振動を同時に励振することにより振動体に設けた摩擦部材２４には移動体６の移動方向の変位と加圧力方向の変位が同時に発生し、この合成変位により移動体は駆動される。また移動体６を固定して、振動体を駆動しても構わない。
【００１２】
本発明の超音波モータに適用可能な振動体の構成を図４、６を用いて説明する。図４において振動体は圧電素子１のみで構成されている。圧電素子１は圧電素子１ａ、１ｂを積層して構成されている。圧電素子１ａの一方には四等分された電極２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが設けられ、圧電素子１の第一の電極２を構成している。圧電素子１ｂの一方の面にはほぼ全面にわたって電極３が設けられ、圧電素子１の第二の電極を構成している。圧電素子１ａと１ｂの接合面には電極４が設けられ、圧電素子１ａと１ｂの共通電極となっている。圧電素子１ａは図中＋、−の方向に厚み方向に分極されている。圧電素子１ｂは全体に渡って厚み方向に同一方向に分極されている。圧電素子１ａの電極２と共通電極４の間に駆動信号を印加すると圧電素子１全体に二次の屈曲振動が励振され、圧電素子１ｂの電極３と共通電極４の間に駆動信号を印加すると一次の縦振動が励振される。ところで、ここで圧電素子１ａ、１ｂの枚数、積層の順序には拘らない。
【００１３】
本振動体を用いて超音波モータを構成し、移動体６の移動方向を変える為には圧電素子１ａと１ｂに加える駆動信号の位相を逆転する必要がある。例えば、周波数発生回路８からの周波信号を増幅回路１ａで増幅し、圧電素子１ａに印加すると共に、周波数発生回路８からの周波信号を移送回路１３を経た後、増幅回路９ｂで増幅し、圧電素子１ｂに加える。移送回路１３で位相を反転することにより二つの異なる振動、即ち縦振動と屈曲振動の位相を反転し、移動体６の移動方向を変える。しかしながら先に述べた様に移動方向によって超音波モータの出力特性が異なることがある。ところで、移送回路１３で変える位相の量を徐々に変えて（増やして）いった場合の推進力の変化を測定した一例を図６に示すが、９０度もしくは−９０度（２７０度）で推進力が最大とならず、ある位相〜更に９０度もしくは−９０度ずれた点で最大となっている。またこの傾向は駆動周波数によってシフトしており、駆動周波数８３ｋＨｚの場合には１５０度で右方向の駆動力が最大となり、３３０度（−３０度）で左方向の推進力が最大となる。駆動周波数８５ｋＨｚを例にとると位相量１２０度を中心にそこから±に同じ量だけ位相をずらすことにより移動方向による超音波モータの出力特性の差は無くなる。特にずらす位相量を９０度とすることにより最も大きな推進力が得られる。また、移送回路１３でずらす位相量をある値とするか、もしくはその値から更に一定量の位相をずらすかを選択することにより移動方向による超音波モータの出力特性の差は無くなる。例えば、駆動周波数８３ｋＨｚの場合、ずらす位相の量を１５０度とするか、そこから更に１８０度ずらすこと即ち３３０度（−３０度）ずらせばよい。ところで、図中の＋、−は移動体の移動方向の違いを示すものである。
【００１４】
次に具体的な駆動回路の構成について図１、２を用いて説明する。図１において、周波信号発生回路１２で得られた特定の周波数の信号は増幅回路９ａで増幅された後、圧電素子１の第一の電極２に加えられる共に、位相設定回路１１で第一の位相量だけ位相がずらされると共に、図示しない外部の制御信号を受け位相切換回路１０で第二の位相量だけ位相を進ませるか遅らせるかが決定される。
【００１５】
先の例（駆動周波数８５ｋＨｚ）においては例えば位相設定回路１１で第一の位相量が１２０度に設定されると共に、位相切換回路１０で第二の位相量が９０度に設定される。そしてこの信号が圧電素子１の第二の電極３に印加される。移動体６の移動方向は位相切換回路１０で位相が進ませられたか、遅らせられたかによって決まる。
【００１６】
また図１において、位相設定回路１１で第一の位相量だけ位相がずらされると共に、位相切換回路１０で第二の位相量だけ位相を進ませるか否か、もしくは遅らせるか否かが決定される方式としても良い。先の例（駆動周波数８５ｋＨｚ）においては位相設定回路１１で２１０度に設定されると共に、位相切換回路１０で第二の位相量を１８０度遅らせるか否かが決定される。この場合、位相切換回路１０では第二の位相量をずらすか否かを選択するのみで良く、駆動回路が簡素化される。
【００１７】
ところで、ここでは第二の電極に周波信号発生回路１２から位相をずらした信号を印加したが、第一の電極にこの信号を印加し、第二の電極には周波信号発生回路１２と同じ位相の信号を加えてもかまわない。
【００１８】
これら第一の位相量、第二の位相量はモータ個々で例えば製造段階において設定されればモータ個々の特性のばらつきは極めて小さくなる。例えば、駆動回路上においてこれらの設定を、可変抵抗や可変容量で変えられる様にすれば良い。
【００１９】
本実施の形態に示す振動体では、二つの信号によって縦振動と屈曲振動が独立に励振される為、本発明の効果は絶大である。しかしながら、同じ信号で縦振動と屈曲振動の両方を励振する方式であっても二つの位相の異なる信号を用いて駆動する方式であれば同様の効果が期待出来る。
【００２０】
（実施の形態２）
図２に実施の形態１の変形例を示す。ここでは図１との違いのみを述べる。先に述べた様に、第二の電極３に印加する信号の位相のずれ量と出力の関係は、駆動周波数によって変化する。即ち温度や負荷等の環境によってこの関係は変化することが推測される。そこで、本実施の形態では移動体６の駆動状態や振動体の振動状態をフィ−ドバックすることにより、実施の形態１における第一の位相量、第二の位相量を最適なものとする。
【００２１】
即ち、移動体６の速度をエンコーダ等のセンサ７によって計測するか、圧電素子１に設けた第三の電極から得られる信号を検出し、振動体の振動状態を検出し、これらを最適状態に保たれる様に、周波信号発生回路１２の周波数、位相設定回路１１での第一の位相量、位相切換回路１０での第二の位相量の何れか、あるいは複数の設定値を可変する。これにより外部の環境によらずモータの特性は安定となる。
【００２２】
（実施の形態３）
図３は実施の形態１、２を自励発振回路に応用した例である。圧電素子１、コンデンサ２２、２３で位相が１８０度変化する共振回路を構成する。共通電極４、コンデンサ２３を経て得られた信号は抵抗１４とスリーステートインバータ１５とで構成される増幅回路により増幅される。そして、コンデンサ２２、バッファ１６を経て第二の電極２に戻され、所定の共振周波数近傍で発振が持続する自励発振回路を構成する。ところで、この発振信号はバッファとなるインバータ１７を介して取り出され、抵抗１８、コンデンサ１９からなるローパスフィルタで第一の位相量だけ位相がずらされると共に、スリーステートバッファ２０もしくはスリーステートインバータ２１の何れかを通して位相が反転するか否かが決定され、第二の電極３に加えられる。
【００２３】
この様に、自励発振回路で周波信号発生回路１２を構成し、インバータ１７、抵抗１８、コンデンサ１９で位相設定回路１１を構成し、スリーステートバッファ２０、スリーステートインバータ２１で位相切換回路１０を構成する。バッファ１６並びにスリーステートバッファ２０、スリーステートインバータ２１は増幅回路９ａ並びに９ｂとしても働く。
【００２４】
本実施の形態によればこの様に、簡単な構成で自励発振回路が構成される。
【００２５】
（実施の形態４）
図７は本発明の駆動回路により駆動される超音波モータ１００を電子機器の駆動源に適用したブロック図を示したものであり、圧電素子１と圧電素子１に接合された摩擦部材２４により摩擦駆動される移動体６と移動体６と一体に動作する伝達機構２７と、伝達機構２７の動作に基づいて動作する出力機構２８からなる。
【００２６】
ここで、伝達機構２７は例えば歯車列、摩擦車等の伝達車を用いる。出力機構２８としては、プリンタにおいては紙送り機構、カメラにおいてはシャッタ駆動機構、レンズ駆動機構、フィルム巻き上げ機構等を、また電子機器や計測器においては指針等を、ロボットにおいてはアーム機構、工作機械においては歯具送り機構や加工部材送り機構等を用いる。
【００２７】
尚、本実施の形態における電子機器としては電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、ロボット、工作機、ゲーム機、光情報機器、医療機器、移動装置等を実現できる。さらに移動体６に出力軸を設け、出力軸からのトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成とすれば、超音波モータ駆動装置を実現できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明では、移動体の移動方向を可変する場合の位相の基準点を位相設定回路によって設定し、そこを基準に位相を切換る。この様な構成とすることで、移動体の移動方向の違いによって生じる出力特性の差を小さくすることが出来る。また、位相設定回路で設定される位相をモータ個々で設定することでモータ個々の特性の差を小さくすることが可能となる。更には移動体の速度等の駆動状態あるいは振動体の振動状態等の情報をフィードバックし、駆動周波数、位相設定回路で設定される位相量、あるいは位相切換回路で設定される位相量を可変することで、常に最適な駆動状態となるため温度や負荷等の外部環境の変化に対してもモータの出力特性の差は小さく、また移動体の移動方向による出力特性の差、モータ個々の出力特性のばらつきも小さく出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波モータ駆動回路の回路構成を示す図である。
【図２】本発明の超音波モータ駆動回路の回路構成の別の例を示す図である。
【図３】本発明の超音波モータの駆動回路を自励発振回路に応用した例を示す図である。
【図４】本発明の超音波モータの振動体の例を示す図である。
【図５】本発明の超音波モータの構成の例を示す図である。
【図６】本発明の超音波モータの駆動信号の位相差と推進力の関係を示す図である。
【図７】本発明の超音波モータを電子機器に応用した場合のブロック図である。
【符号の説明】
１  圧電素子
２、３、４、５  電極
６  移動体
【図１】
2004336858.tif 000003
【図２】
2004336858.tif 000004
【図３】
2004336858.tif 000005
【図４】
2004336858.tif 000006
【図５】
2004336858.tif 000007
【図６】
2004336858.tif 000008
【図７】
2004336858.tif 000009