(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周方向に４の倍数で分割された分極部を備え、この分極部の極性は２つ毎に互い違いであり、この分極部を１つおきに選択して成る第１の分極部群と、この第１の分極部群に属さない分極部から成る第２の分極部群とを備え、これら分極部群に電圧を入力することで定在波を発生する円盤形状の圧電素子を有する振動体と、
この振動体において、前記第１の分極部群を構成する各分極部の周方向の中央に設けられた突起と、
この突起に当接し、この突起によって駆動される移動体と、
前記第１の分極部群と前記第２の分極部群とに入力する交番電圧の位相を同位相か位相差１８０度かを選択することで、前記移動体の駆動方向を切り換える位相切換手段と、
を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記突起の間に、前記突起より低く形成された補助突起を備えた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】
前記圧電素子は円盤形状の弾性部材を有し、前記突起及び前記補助突起は、この弾性部材の表面に一体形成されていることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記第１の分極部群に出力端子が接続される第１の非反転電
力増幅器および第１の反転電力増幅器と、
前記第２の分極部群に出力端子が接続される第２の電力増幅器と、
前記第１の非反転電力増幅器と前記第１の反転電力増幅器と前記第２の電力増幅器とをそれぞれ能動状態あるいは非能動状態にすることによりモータの起動、停止および回転方向の切り換えを行うモータ制御回路とから構成される自励振駆動回路と、
を有する請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記自励振駆動回路は、前記圧電素子が有する前記分極部に対して直列に接続されたコンデンサと、
このコンデンサと前記圧電素子が機械的な共振状態にあるときに有する誘導性とでＬＣ共振回路を構成することにより前記圧電素子を自励発振させてモータ駆動を行う請求項４に記載の超音波モータ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の超音波モータを駆動力源として備えることを特徴とする電子機器。
【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これを用いた超音波モータ付電子機器に係わり、特に単位体積当たりの出力を増大した超音波モータおよびこれを用いた超音波モータ付電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、マイクロメカニクスの分野において、交流電圧などの駆動電圧を加えられた圧電体に発生する屈曲振動を動力として利用する超音波モータが注目されている。
【０００３】
従来の超音波モータの一例としては、例えば図２０〜図２３に示す円板型の超音波モータ１００がある。
【０００４】
超音波モータ１００は、図２０の断面概略図に示すように、円板状の圧電素子１０１と、圧電素子１０１の上に接着されている弾性部材としての金属製の振動体１０２と、弾性部材としての振動体１０２の上面に一体的に立設していて当該圧電素子１０１の振動を変位拡大して、その出力を取り出すための複数の突起１０３と、突起１０３に上方より接触して突起１０３の運動により摩擦力を介して回転するロータ１０４と、圧電素子１０１、振動体１０２の中心を貫いていてこれらを基板１１０上に保持すると共にロータ１０４の回転案内の役割を果たす支持軸１０５と、ロータ１０４の回転中心を下方に押さえて当該ロータ１０４と突起１０３との間に所定の接触圧を確保するバネ１０６とから概略構成されている。ここで、圧電素子１０１は基板１１０上を這っているリード線１０７ａ、１０７ｂを介して駆動電圧を加えられる。
【０００５】
圧電素子１０１は、図２１の上面概略図に示すように、周知の圧電材料であるＰＺＴを円板状に成形して中心に回転軸１０５を通す孔１０１ｃを設けたものであり、円周方向に６分割して、この分割部を、分極方向が互い違いになるように分極し、さらに各分割部を二等分割してある。その結果、正極性に分極した分極部１０１ａと、これとは逆極性に分極した分極部１０１ｂとを二つ毎に交互に合計１２個ほど配置した構成となる。図中のプラス（＋）およびマイナス（−）の記号は、分極の極性を表しており、ここでは圧電素子１０１の厚み方向に分極処理が施されており、プラス（＋）は圧電素子１０１から振動体１０２に向かう方向に分極処理がされていることを表し、マイナス（−）は逆に振動体１０２から圧電素子１０１に向かう方向に分極処理がされていることを表している。
【０００６】
ここで、突起１０３は、図２１および図２２の模式図に示すように、分極部の境目にひとつおきに設けられている。
【０００７】
また、圧電素子１０１には、駆動電圧を入力する電極として、リード線１０７ａに接続している電極１０８ａと、リード線１０７ｂに接続している電極１０８ｂとが設けられる。電極１０８ａは上記した分極部を一つおきに覆っており、また、電極１０８ｂは電極１０８ａと互い違いとなるように分極部を一つおきに覆っている。
【０００８】
すなわち、電極１０８ａに駆動電圧を入力すると、図２３Ａに示すように、圧電素子１０１には、電極１０８ａに覆われている各分極部の中央部を腹とする定在波が発生する。突起１０３は、この定在波の腹と節の中間に、一つおきに位置している。従って、すべての突起１０３の頭部は、円弧状の軌跡を描くため、この場合は、図２３Ａの矢印に示すように、ロータ１０４は一方向に回転する。この際、突起１０３は定在波の振動を増幅する役割も果たしている。
【０００９】
また、電極１０８ｂに駆動電圧を入力した場合は、図２３Ｂに示すように、圧電素子１０１には、電極１０８ｂに覆われている各分極部の中央部を腹とする定在波が発生するため、すべての突起１０３の頭部は、逆向きの円弧状の軌跡を描く。従って、この場合は、図２３Ｂの矢印に示すようにロータ１０４は逆方向に回転する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した超音波モータ１００においては、回転方向を切り換えるために電極１０８ａあるいは電極１０８ｂから駆動電圧を加える電極を選択して駆動していた。このため、圧電素子１０１に設けた分極部は全部ではなく半分のみ駆動されていた。
【００１１】
すなわち、圧電素子１０１の全部を同時に利用していなかったため、超音波モータ１００の出力はその大きさの割には小さかった。
【００１２】
上記事情に鑑み、本発明は、圧電素子に設けた分極部の全部を用いて駆動するとともに正逆回転を可能にするで、単位体積当たりの出力を大きくした超音波モータおよびこの超音波モータを利用した超音波モータ付電子機器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、振動波を発生させる圧電素子と、圧電素子により発生する振動波によって駆動される移動体とからなる超音波モータにおいて、円周方向に４の倍数で分割された分極部を備えた円盤形状の圧電素子と、圧電素子の分極部の奇数個おきの上部に設けられ当該圧電素子によって発生させた定在波振動からモータ駆動力を取り出すための出力取り出し用突起と、出力取り出し用突起の上端に当接して出力取り出し用突起によって駆動される移動体とを備え、分極部の極性は２つ毎に互い違いとし、分極部から１つおきに分極部を選択して成る第１の分極部群と前記第１の分極部群に属さない分極部から成る第２の分極部群とを構成し、第１の分極部群と前記第２の分極部群とに入力する交番電圧を同位相にするか位相差１８０°にするかの選択により、圧電素子に発生する定在波振動と出力取り出し用突起との相対的な位置関係を変化させ、当該超音波モータの駆動方向を切り換える超音波モータであることを特徴とする。
【００１４】
ここで、分極部に正電圧が印加されると、正極性に分極処理を施された分極部は伸長し、負極性に分極処理を施された分極部は収縮する。また、負電圧が印加されると、その伸縮関係は逆転する。すなわち、本発明に係る超音波モータによれば、圧電素子の分極部のすべてに交番電圧を入力して圧電素子に発生する定在波振動によりモータ駆動を行なうが、分極部が円周方向にわたり４の倍数に分割した構成をとっており、連続した４つの分極部で周方向に１波長分の波を発生させるが、１つおきに分極部を選択して第１および第２の分極部群を構成しているため、第１および第２の分極部群に入力する交番電圧の位相を互いに同位相にするか、あるいは互いに１８０°の位相差の交番電圧を入力するかによって、
出力取り出し用突起と圧電素子に発生する定在波振動との位置関係が変わり、移動体の回転方向を切り換えることが可能になる。つまり、圧電素子に設けた分極部のすべてに駆動電圧を加えているにもかかわらず駆動方向を切り換えられる。
【００１５】
従って、従来のものに比較して単位体積当たりの出力を大きくし、かつ、駆動方向を切り換えられる超音波モータを提供できる。
【００１６】
また、本発明は、前記の超音波モータにおいて、第１の分極部群と第２の分極部群の双方に交番電圧を入力して、圧電素子の中心が節になるとともに径方向にわたり１つの節（１つの節円）を有する定在波振動を発生させ、出力取り出し用突起は、前記分極部の奇数個おきの上部であって、径方向の位置としては圧電素子の中心と定在波振動の節円の間で振動振幅が最大になる位置であって、周方向の位置としては分極部の奇数個おきの上部での各々周方向の中央に設けられている超音波モータであることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、径方向にわたり１つの節、すなわち１つの節円を有する定在波振動を発生させるため、圧電素子には力強い振動が励振される。さらには、出力取り出し用突起が、径方向の位置として圧電素子の中心と定在波振動の節円の間で振動振幅の最も大きくなる位置で、かつ周方向には1つおきの分極部の上部の周方向の中央に配置しているため、振動エネルギから移動体の駆動力に最も効率良く変換できるため、前記の発明による効果が得られるとともに、より出力の高い超音波モータが得られる。
【００１８】
また、本発明は、前記の超音波モータにおいて、出力取り出し用突起の各々の間に、移動体に接しないように出力取り出し用突起より低く形成された振動のバランス維持用の補助突起を少なくとも１つ備えた超音波モータであることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、圧電素子の一部の分極部にのみ前記出力取り出し用突起を設けると、当該圧電素子の全体のバランスは悪くなるが、この発明によれば、前記補助突起を設けることにより、圧電素子により発生する屈曲定在波振動のバランスを整えら、より安定した高い出力が得られる。ここで、補助突起は出力取り出し用突起より低く、移動体に当接することはないため、その駆動を妨げることはない。
【００２０】
また、本発明は、前記の超音波モータにおいて、当該圧電素子に接合された円盤形状の弾性部材を有し、出力取り出し用突起および補助突起は円盤形状の弾性部材の表面に一体的に形成されていることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、突起を圧電素子の上面に直接設けるより、作製が容易でより安価に突起を設けられる。
【００２２】
また、本発明は、前記の超音波モータにおいて、第１および第２の分極部群に入力する交番電圧を圧電素子の自励発振により生成させて当該超音波モータを駆動するための自励振駆動回路を備え、自励振駆動回路は、圧電素子の第１の分極部群に出力端子が接続される第１の非反転電力増幅器および第１の反転電力増幅器と、圧電素子の第２の分極部群に出力端子が接続される第２の電力増幅器（非反転もしくは反転）と、第１の非反転電力増幅器と第１の反転電力増幅器と前記第２の電力増幅器とをそれぞれ能動状態あるいは非能動状態にすることによりモータの起動、停止および回転方向の切り換えを行うモータ制御回路と、からなることを特徴としている。
【００２３】
ここで、第１の非反転電力増幅器と第１の反転電力増幅器のうちどちらか一方と、第２の電力増幅器（非反転もしくは反転）とを同時に能動状態にさせてモータ駆動を行う。ここで、前記第１の非反転電力増幅器と第１の反転電力増幅器の選択によって超音波モータの駆動方向が切り換えられる。
【００２４】
この発明によれば、超音波モータを非常に簡便に駆動することができ、使い勝手がよく安価な高出力な超音波モータを提供できる。
【００２５】
また、本発明は、円周方向に２の倍数で分割された分極部を備え、前記分極部の全てに同一の電圧を入力することで定在波を発生する円盤形状の圧電素子を有する振動体と、この振動体に設けられ、前記圧電素子の分極部の面上に設けられた突起と、この突起に当接し、この突起によって駆動される移動体と、前記複数の分極部に出力端子が接続される電力増幅器と、前記電力増幅器を能動状態あるいは非能動状態にすることによりモータの起動、停止を行なうモータ制御回路とから構成される自励振駆動回路と、からなる超音波モータであることを特徴としている。
【００２６】
この発明によれば、一方向回転の用途では、高い出力が非常に安価で実現できる。
また、本発明は、前記の超音波モータにおいて、自励振駆動回路は、圧電素子が有する分極部に対して直列に接続されたコンデンサを有し、圧電素子が機械的な共振状態にあるときに有する誘導性とコンデンサとでＬＣ共振回路を構成することにより圧電素子を自励発振させてモータ駆動を行うことを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、自励振駆動回路における周波数選択性を圧電素子が機械的な共振状態にあるときに有する誘導性とコンデンサとからなるＬＣ共振回路で得る構成にしているため、安定した自励発振が実現でき、結果として高出力に加えてより安定性に優れる超音波モータが得られる。
【００２８】
また、本発明は、前記の超音波モータを駆動力源として備えた電子機器（例えば超音波モータ付アナログ時計）であることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、従来の超音波モータと比べて出力の大きい前記の超音波モータを用いるので、超音波モータをより小型化する、あるいは動力伝達機構を小型化する、などにより電子時計、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置、記憶装置などの超音波モータ付電子機器を小さくできる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
以下、図１から図６を用いて本発明の一実施例である超音波モータ１について詳細に説明する。
【００３１】
図１は超音波モータ１に用いる圧電素子１１の構造および突起１３の位置を説明する上面概略図であり、図２は圧電素子１１の電極構造を説明する概略図である。
【００３２】
また、図３はリード線１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃの配線を説明する側面展開概略図であり、図４は自励振駆動回路２０の構成を説明する図である。図５は超音波モータ１の動作を説明する概略図である。また、図６は振動モードと突起１３との位置関係を説明する図である。
【００３３】
まず、超音波モータ１の構成について説明する。
【００３４】
超音波モータ１は、円板状の圧電素子１１と、圧電素子１１の上に接着されている弾性部材としての振動体１２と、弾性部材としての振動体１２の上面に一体的に立設していて当該圧電素子１１により発生する振動体１２の振動を増幅する複数の突起１３（出力取り出し用突起）と、突起１３の上方より接触する共に当該突起１３から摩擦を介して伝えられる駆動力に伴って回転するロータ１０４（移動体）と、圧電素子１１、振動体１２の中心を貫いていてこれらを基板１１０上に保持すると共にロータ１０４の回転案内の役割も果たす支持軸１０５と、ロータ１０４の上部の回転中心を下方に押さえて当該ロータ１０４と突起１３との間に所定の接触圧を確保するバネ１０６と、により概略構成される。
【００３５】
また、圧電素子１１の分極構造は図１に示すように圧電素子１０１と同じであり、また、振動体１２や突起１３の構造も振動体１０２や突起１０３の構造と同じである。
【００３６】
すなわち、超音波モータ１は、超音波モータ１００と概略同じ構成であるが、圧電素子１１と突起１３の位置関係が異なり、さらに、自励振駆動回路２０によって駆動させる構成となっている。
【００３７】
従って、超音波モータ１の全体構成の図示は省略し、以下、圧電素子１１の電極構造と、圧電素子１１の各分極部と突起１３の位置関係、駆動原理について詳細に説明する。
【００３８】
突起１３は、図１に示すように、圧電素子１１の分極部１１ａ、１１ｂの上面に一つおきに、当該分極部のほぼ中央に位置するように配置される。
【００３９】
また、圧電素子１１は、図２Ａおよび図３に示すように、下面には駆動電圧を入力する電極として、リード線１０７ａに接続している電極１８ａと、リード線１０７ｂに接続している電極１８ｂとを備え、また、図２Ｂおよび図３に示すように、上面には電極１８ｃをほぼ全面を覆うように備える。圧電素子１１に接着される振動体１２はアルミニウム合金でできており、圧電素子１１の電極１８ｃは振動体１２と電気的に導通状態になっている。ここで、電極１８ｃは振動体１２を介してリード１０７ｃに接続される。
【００４０】
また、図中のプラス（＋）およびマイナス（−）の記号は、分極の極性を表しており、ここでは圧電素子１０１の厚み方向に分極処理が施されており、プラス（＋）は圧電素子１０１から振動体１０２に向かう方向に分極処理がされていることを表し、マイナス（−）は逆に振動体１０２から圧電素子１０１に向かう方向に分極処理がされていることを表している。
【００４１】
ここで、電極１８ａは上記した分極部１１ａ、１１ｂを一つおきに選択して成る分極部群１１ｃ（第１の分極部群）を覆っており、また、電極１８ｂは残りの分極部から成る分極部群１１ｄ（第２の分極部群）を覆っているため、電極１８ａとは互い違いとなるように分極部を一つおきに覆うことになる。
【００４２】
なお、電極１８ａは、一部を圧電素子１１の内縁部全周に設けることによって各分極部上の電極を接続して一つの電極を形成しており、また、電極１８ｂは、一部を圧電素子１１の外縁部全周に設けることによって各分極部上の電極を接続することにより一つの電極となっている。
【００４３】
なお、本実施の形態においては、図３に示すように、突起１３を上面に備えた各分極部はすべて分極部群１１ｃに属することになる。
【００４４】
図４に超音波モータ１の自励振駆動回路２０の構成を示す。自励振駆動回路２０は、超音波モータ１の駆動状態を制御するためのＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等からなるモータ制御回路２１と、圧電素子１１の電極１８ａに出力端子を接続した第１の非反転電力増幅器としてのトライ・ステート・バッファ２３および第１の反転電力増幅器としてのトライ・ステート・インバータ２４と、圧電素子１１の電極１８ｂに出力を接続した第２の非反転電力増幅器としてのトライ・ステート・バッファ２５と、振動体１２を接着した圧電素子１１が機械的共振状態であらわす誘導性とＬＣ共振回路を構成するためのものであって一端を圧電素子１１の電極１８ｃとアルミニウム合金の振動体１２を介して接続し他端を接地したコンデンサ２６と、入力端子をコンデンサ２６と圧電素子１１の電極１８ｃ（振動体１２）に接続するとともに出力端子を制限抵抗２８を介してトライ・ステート・バッファ２３とトライ・ステート・インバータ２４とトライ・ステート・バッファ２５の入力端子に接続したプリ・アンプ（前置反転電力増幅器）としてのトライ・ステート・インバータ３０と、トライ・ステート・インバータ３０の入出力端子に並列接続されてトライ・ステート・インバータ３０の動作点を安定させるための帰還抵抗２９と、一端をトライ・ステート・バッファ２３とトライ・ステート・インバータ２４とトライ・ステート・バッファ２５および制限抵抗２８に接続され他端を接地したコンデンサ２７と、により概略構成されている。ここで、制限抵抗２８とコンデンサ２７とで積分回路が構成され、自励振駆動回路２０によって振動体１２を接着した圧電素子１１が自励発振するときの発振周波数を駆動に最適な値に設定するとともに異常発振（スプリアス発振）を抑制している。
【００４５】
すなわち、自励振駆動回路２０は、振動体１２を接着した圧電素子１１を自励発振させてモータを駆動させる自励発振回路を構成している。また、圧電素子１１の電極１８ａならびに１８ｂに接続されて圧電素子１１に駆動信号を印加するトライ・ステート・バッファ２３とトライ・ステート・インバータ２４とトライ・ステート・バッファ２５およびプリ・アンプとして役割を果たすトライ・ステート・インバータ３０は、周知のごとくそれぞれが入出力端子のほかに制御用端子を有しており、制御用端子への制御信号により電力増幅器として機能させるか否か（能動状態か非能動状態）を制御できる。具体的には、制御信号によって出力端子を高インピーダンス状態にするか否かを制御できる。
【００４６】
すなわち、自励振駆動回路２０は、詳細を後述するように、モータ制御回路２１の出力信号によりプリ・アンプとしてのトライ・ステート・インバータ３０と圧電素子１１に駆動電力を供給するトライ・ステート・バッファ２３と、さらにトライ・ステート・バッファ２３およびトライ・ステート・インバータ２４のいずれか一方とを能動状態にすることでモータ駆動を行う。ここで、超音波モータ１の回転方向はトライ・ステート・バッファ２３とトライ・ステート・インバータ２４のどちらを能動状態にするかによって切り換えられる。当然のことながら、超音波モータを停止させるときは、モータ制御回路２１の出力信号によりすべての電力増幅器２３、２４、２５および３０を非能動状態にする。
【００４７】
次に、図５を用いて超音波モータ１の動作原理について説明する。
【００４８】
まず、図５Ａに図示するように、電極１８ａと電極１８ｂの双方に同位相の交番電圧が入力されと、振動体１２が接着された圧電素子１１には振動の節が分極部１１ａと１１ｂの境目にある屈曲定在波振動が生じることになる。ここで、突起１３は振動の腹と左側の節とのほぼ中間に位置し、突起１３は振動とともに弓なり状の軌跡を描き、突起１３が上昇するときに左方向の変位成分を有するため、突起１３の上方より加圧接触する移動体は左側へ動く。
【００４９】
次に、図５Ｂに図示するように、電極１８ａと電極１８ｂとに逆位相の駆動電圧が入力されると、圧電素子１１に発生する屈曲定在波振動の位置は、分極部１つ分ほどずれる。このため、突起１３は振動の腹と右側の節とのほぼ中間に位置し、突起１３は振動とともに弓なり状の軌跡を描き、突起１３が上昇するときに先とは逆の右方向の変位成分を有するため、移動体は右側へ動く。
【００５０】
また、図６を用いて圧電素子１１に発生する定在波振動のモードと振動体１２の表面に一体的に設けられた突起１３との位置関係を詳しく説明する。
【００５１】
圧電素子１１には、自励振駆動回路２０により図６Ａに示すような振動モードを発振させる。すなわち、周方向に３波（３本の節直径）であって径方向には１つの節円を有する定在波振動を自励発振させる。つまり、周方向に等分割されている分極部の４つで１波長分に相当する。本実施の形態では、分極部は１２個であるため、周方向には３波のモードが励振できる。ここで、振動体１２に設けられた突起１３は、圧電素子１１の分極部１１ａ、１１ｂとの位置関係により、周方向では定在波の腹と節との中間に位置するように配置されている。
【００５２】
また、ここでは１つの節円を有するモードをモータ駆動に利用しているが、これは節円を持たないモードより力強い振動が得られ、結果として、超音波モータとしてはより高い出力が得られる様になる。そして、突起の径方向の位置としては、図６Ｂに示すように、圧電素子１１を接着した振動体１２の中心と節円の間にあって、最も振動変位が大きくなる位置に配置されており、高効率の超音波モータを実現している。
【００５３】
以上より、本発明の一実施例である超音波モータ１は、圧電素子１１を、正極性に分極した分極部１１ａと逆極性に分極した分極部１１ｂとを二つ毎に交互に配置した構造とし、さらに、これら分極部から一つおきに選択して成る分極部群１１ｃと、残りの分極部から成る分極部群１１ｄとに、それぞれ独立に駆動電圧を加える構成としたので、分極部群１１ｄに加える駆動電圧の位相を分極部群１１ｃに加える駆動電圧の位相と一致させるか、位相差を１８０゜にするか、を選択することにより、当該超音波モータ１の駆動方向を選択できる。
【００５４】
すなわち、超音波モータ１によれば、円板状の圧電素子１１の全面を利用した駆動で、かつ回転方向の切り換えが可能なので、単位体積当たりの出力が大きい正逆回転可能な超音波モータが実現できる。
【００５５】
なお、超音波モータ１は、図７Ａの上面概略図および図７Ｂの側面展開概略図に示した変形例のように、突起１３を一つおきに間引いてその数を総計３つとしてもよい。
【００５６】
周知のように平面は３点で決まるため、この変形例の構造によれば、ロータ１０４は突起１３の上で煽ることなく安定して支持されるため、当該超音波モータ１の駆動はより安定する。
【００５７】
また、本実施の形態では突起１３を一体的に形成したアルミニウム合金の振動体１２を圧電素子１１に接着しているが、振動体１２を用いずに、圧電素子１１の表面上に突起を一体的に形成してもよく、セラミックス、金属あるいはプラスチックなどの突起を作製して、圧電素子１１の表面上に接着等で接合してもよい。すなわち、振動体１２を用いなくても圧電素子１１の分極部の奇数個おきの上部に出力取り出し用の突起があれば、同様の超音波モータが得られる。
＜実施の形態２＞
図８は、本発明の実施の形態２である超音波モータ２の圧電素子１１の電極構造およびリード線１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｄ、１０７ｅを説明する概略図である。なお、図８Ａは下面の図であり、図８Ｂは振動体１２と接着される側である上面の図である。また、図９は、自励振駆動回路２０の構成を説明する図である。
【００５８】
超音波モータ２の構成は、先の超音波モータ１と基本的には同じであるが、圧電素子１１の電極構造とリード線１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｄ、１０７ｅならびに自励振駆動回路２０に特徴がある。圧電素子１１は、図８Ａに示すように、振動体１２と接着される面と反対側の面、すなわち下面には駆動電圧を入力する電極として、リード線１０７ａに接続している電極１８ａと、リード線１０７ｂに接続している電極１８ｂとを備え、また、図８Ｂに示すように、振動体１２と接着される面、すなわち上面には下面に設けられた電極１８ａ、１８ｂと同形状かつ同じ位置に電極１８ｄ、１８ｅを備え、それぞれリード線１０７ｄ、１０７ｅに接続されている。ここで、電極１８ａ、１８ｂ、１８ｄ、１８ｅの詳細な構成方法や分極の方向などは、実施の形態１における電極１８ａ、１８ｂと同じであり、説明は省略する。
【００５９】
振動体１２は、先の実施の形態１における超音波モータ１のものと同形状のものを用いているが、アルマイト処理を施して用いている。この実施の形態２である超音波モータ２においては、圧電素子１１には振動体１２との接着面側も２組の電極１８ｄ、１８ｅを設けてあるため、アルミニウム合金の振動体では、接着により電極１８ｄと電極１８ｅとが短絡状態になってしまうため、アルマイト処理によって振動体１２を絶縁化している。また、アルマイト処理を施すことにより、振動体１２の表面が硬化してロータ１０４との摩擦による突起１３の摩耗を抑制する効果も同時に得られる。
【００６０】
ここで、リード線１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｄ、１０７ｅは、短冊形のフレキシブル・プリント基板である。このフレキシブル・プリント基板は、圧電素子１１の電極１８ａ、１８ｂ、１８ｄ、１８ｅと接続が図られる面と反対面に半田メッキが施された銅配線パターンが形成されており、電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄとの接続部にスルーホールを設けて、電極と半田接合される。
【００６１】
なお、振動体１２と接着される面の電極１８ｄ、１８ｅに接続されたリード線１０７ｄ、１０７ｅのフレキシブル・プリント基板は、電極１８ｄ、１８ｅと半田接続された後、先端部分を圧電素子１１と振動体１２に挟まれる形で、圧電素子１１と振動体１２とに接着される。
【００６２】
つぎに、図９を用いて、自励振駆動回路２０の構成について説明する。自励振駆動回路２０は、超音波モータ２の駆動状態を制御するためのＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等からなるモータ制御回路２１と、圧電素子１１の電極１８ａに出力端子を接続した第１の非反転電力増幅器としてのトライ・ステート・バッファ２３および第１の反転電力増幅器としてのトライ・ステート・インバータ２４と、圧電素子１１の電極１８ｂに出力を接続した第２の非反転電力増幅器としてのトライ・ステート・バッファ２５と、振動体１２を接着した圧電素子１１が機械的共振状態であらわす誘導性とＬＣ共振回路を構成するためのものであって、一端を圧電素子１１の電極１８ｄと接続し他端を接地したコンデンサ２６ａおよび同じく一端を圧電素子１１の電極１８ｅと接続し多端を接地したコンデンサ２６ｂと、入力端子をコンデンサ２６ｂと圧電素子１１の電極１８ｅに接続するとともに出力端子を制限抵抗２８を介してトライ・ステート・バッファ２３とトライ・ステート・インバータ２４とトライ・ステート・バッファ２５の入力端子に接続したプリ・アンプ（前置反転電力増幅器）としてのトライ・ステート・インバータ３０と、トライ・ステート・インバータ３０の入出力端子に並列接続されてトライ・ステート・インバータ３０の動作点を安定させるための帰還抵抗２９と、一端をトライ・ステート・バッファ２３とトライ・ステート・インバータ２４とトライ・ステート・バッファ２５および制限抵抗２８に接続され他端を接地したコンデンサ２７と、により概略構成されている。ここで、制限抵抗２８とコンデンサ２７とで積分回路が構成され、自励振駆動回路２０によって振動体１２を接着した圧電素子１１が自励発振するときの発振周波数を駆動に最適な値に設定するとともに異常発振（スプリアス発振）を抑制している。
【００６３】
すなわち、自励振駆動回路２０は、振動体１２を接着した圧電素子１１を自励発振させてモータを駆動させる自励発振回路を構成している。また、圧電素子１１の電極１８ａならびに１８ｂに接続されて圧電素子１１に駆動信号を印加するトライ・ステート・バッファ２３とトライ・ステート・インバータ２４とトライ・ステート・バッファ２５およびプリ・アンプとして役割を果たすトライ・ステート・インバータ３０は、周知のごとくそれぞれが入出力端子のほかに制御用端子を有しており、制御用端子への制御信号により電力増幅器として機能させるか否か（能動状態か非能動状態）を制御できる。具体的には、制御信号によって出力端子を高インピーダンス状態にするか否かを制御できる。
【００６４】
すなわち、自励振駆動回路２０は、モータ制御回路２１の出力信号によりプリ・アンプとしてのトライ・ステート・インバータ３０と圧電素子１１に駆動電力を供給するトライ・ステート・バッファ２３と、さらにトライ・ステート・バッファ２３およびトライ・ステート・インバータ２４のいずれか一方とを能動状態にすることでモータ駆動を行う。ここで、超音波モータ２の回転方向はトライ・ステート・バッファ２３とトライ・ステート・インバータ２４のどちらを能動状態にするかによって切り換えられる。当然のことながら、超音波モータを停止させるときは、モータ制御回路２１の出力信号によりすべての電力増幅器２３、２４、２５および３０を非能動状態にする。
【００６５】
本発明の実施の形態２である超音波モータは、上述のごとく、圧電素子１１の振動体１２との接着面側も分割された電極を用いていることに特徴がある。先の超音波モータ１では、自励振駆動回路２０において、プリ・アンプとしてのトライ・ステート・インバータ３０に対する帰還信号を取り出す電極を１８ｃとして、２つの分極郡に対する共通電極としており、電極１８ａと電極１８ｂに逆相の信号を印加する場合、同相の信号を印加する場合と比して、帰還信号のレベルが小さくなり、自励振駆動を行う際の発振駆動周波数の調整範囲がやや狭まる。そこで、この超音波モータ２では、帰還信号を取り出す電極を１８ａと１８ｂに対する共通電極１８ｃとせずに、１８ｄおよび１８ｅと分割して、逆相駆動の場合の帰還信号を得やすくしている。これにより、超音波モータ２は、多少コスト高になるが、超音波モータ１よりも更に高い性能が得られる。
＜実施の形態３＞
図１０Ａは本発明の実施の形態３である超音波モータ３の突起１３、補助突起１３ａの配置について説明する上面概略図であり、図１０Ｂは突起１３、補助突起１３ａの配置および構成を説明する側面展開概略図である。
【００６６】
超音波モータ３は、全体構造は図示しないが超音波モータ１と概略同じ構成であり、振動体１２に設けた突起の構成および配置を変えたものである。
【００６７】
すなわち、超音波モータ３は、上述した超音波モータ１の変形例において、突起１３を間引いた部分に補助突起１３ａを設けた構成である。
【００６８】
補助突起１３ａは、断面形状が突起１３と同じであって、突起１３より丈を低くしてロータ１０４に当接しないようにしたものであり、その機能は、突起１３を設けることによって崩れた圧電素子１１、振動体１２の円周方向のバランスを補正することにある。
【００６９】
この結果、超音波モータ２は、超音波モータ１とほぼ同等の振動特性と超音波モータ１の変形例のロータ落着き安定性とを兼ね備えた高い性能が得られる。
【００７０】
なお、超音波モータ３は、図１１に示すように、分極部群１１ｄに属する分極部のすべての上面に突起１３を設け、また、分極部群１１ｃに属する分極部のすべての上部に補助突起１３ａを設けた構成としてもよい。
【００７１】
さらに、図１２に示すように、上述した超音波モータ１の変形例において突起１３を備えていない分極部１１ａ、１１ｂのすべてに補助突起１３ａを設けた構成としてもよい。
＜実施の形態４＞
図１３Ａは本発明の実施の形態４である超音波モータ４の突起１３、補助突起１３ａの配置について説明する上面概略図であり、図１３Ｂは突起１３、補助突起１３ａの配置および構成を説明する側面展開概略図である。
【００７２】
超音波モータ４は、全体構造は図示しないが超音波モータ１および超音波モータ３と概略同じ構成であり、振動体１２に設けた突起の構成および配置を変えたものである。
【００７３】
先の超音波モータ３においては、補助突起１３ａは１つの分極部に対して１本ずつ配置していたが、ここでは、出力取り出し用の突起１３の各間に等間隔に３本ずつの補助突起１３ａを設けている。これによって、圧電素子１１および振動体１２の周方向にわたって突起が配置され、発生する振動に対して、より高い均一性が確保でき、より優れたモータ特性が得られる。
＜実施の形態５＞
図１４は、本発明の実施の形態５である超音波モータ５の圧電素子１１の分極構造と、突起１３の配置を説明する上面概略図である。
【００７４】
超音波モータ５は、図示しないが超音波モータ１と概略同じ構成であり、圧電素子１１の分極構造と突起１３の配置を変えたものである。
【００７５】
すなわち、超音波モータ５において、圧電素子１１は、円周方向に４分割してなる分割部を、分極方向が互い違いになるように分極し、さらに各分割部を二等分割してある。その結果、分極部１１ａと分極部１１ｂとを二つ毎に交互に合計８個配置した構成となる。また、これら分極部は超音波モータ１と同様に分極部群１１ｃ、１１ｄを形成している。また、突起１３は、分極部群１１ｄに属する分極部のすべてに、総計４つほど設けられている。実施の形態４までの超音波モータでが、圧電素子１１が１２個の分極部を有し、周方向に３波の定在波を発生させるものであったのに対して、本実施の形態においては、分極部は８つであって、発生させる振動モードは周方向に２波の定在波である。なお、径方向には、実施の形態４までのものと同様に１つの節（１つの節円）を有する。
【００７６】
このような構成の超音波モータ５によれば、超音波モータ１と同様の原理により駆動する超音波モータを得られる他、分割部の数を減らして分極処理を容易に行える構造にしたので、製造上の制約は少なく容易に小型化できる超音波モータを提供できる。
【００７７】
また、この超音波モータ５においても、図１５に示すように、分極部群１１ｃに属する分極部のすべてに超音波モータ２と同様の補助突起１３ａを設けた構成にしてもよい。
【００７８】
さらには、実施例４と同様に、補助突起１３ａの配設する位置、本数は各分極部の中央部付近に１本ずつではなく、突起１３の各間に等間隔で複数の補助突起を配置しても構わない。
＜実施の形態６＞
次に、図１６から１８を用いて本発明の実施の形態６である超音波モータ６について説明する。
【００７９】
図１６は超音波モータ６に用いる圧電素子１１の構造および突起１３の位置を説明する上面概略図であり、図１７は圧電素子１１および振動体１２の側面展開概略図であり、図１８は超音波モータ５の自励振駆動回２０の構成である。
超音波モータ６は、回転方向を切り換えずに１方向回転の用途に用いる場合のものである。モータの基本構成は、超音波モータ１と同様であり、圧電素子１１および振動体１２の突起１３に特徴がある。すなわち、圧電素子１１はプラス（＋）方向に分極処理を施された分極部１１ａとマイナス（―）方向に分極処理を施された分極部１１ｂが周方向にわたり交互に配置された６つの分極部からなる。振動体１２に設けられた６つの突起１３は、各分極部の周方向の中央と分極部１１ａ、１１ｂの境界線との略中間位置に配置される。
【００８０】
圧電素子１１への駆動信号を印加するためのリード線１０７は、圧電素子１１の振動体１２との接着面との反対側の分極部１１ａおよび１１ｂの双方に接続され、リード線１０７ｃは、振動体１２に接続されて圧電素子１１の振動体１２との接着面側と電気的な導通が図られている。すなわち、圧電素子１１の分極部１１ａ、１１ｂには同一の信号が印加され駆動される。
【００８１】
また、この１方向回転用途の超音波モータ６の自励振駆動回路としては、先の図４に示したものを用いても駆動できるが、自励振駆動回路２０を図１８に示すような構成でよく、これによれば回路がより小型ですみ、コスト的にも安くすることができる。つまり、圧電素子に電力供給する部分が簡略化され、トライ・ステート・バッファ２５のみで構成され、その他の構成は変わらない。すなわち、プリ・アンプとしてのトライ・ステート・インバータ３０の出力端子は制限抵抗２８を介してトライ・ステート・バッファ２５の入力端子に接続される。トライ・ステート・バッファ２５の出力端子はリード線１０７によって圧電素子１１の分極部１１ａ、１１ｂに接続される。モータ制御回路２１は、Ｈ／Ｌ信号をプリ・アンプとしてのトライ・ステート・インバータ３０およびトライ・ステート・バッファ２５の制御用端子に出力することで超音波モータを駆動／停止させる。ここでは、自励発振により圧電素子１１、振動体１２に発生する定在波は一定位置にしか発生しないため、超音波モータの駆動方向は１方向となる。
以上のように、回転方向が１方向よい場合には、上述のように、より簡単な構造で超音波モータ１と同様の大きな出力を得ることができる。
＜実施の形態７＞
図１９は、本発明の実施の形態７である超音波モータ付アナログ時計７（超音波モータ付電子機器）の構成を示す断面概略図である。
【００８２】
超音波モータ付アナログ時計７は、地板１１０の上に固定支持された超音波モータ１と、超音波モータ１の移動体１４の外縁に設けられた歯車１４ａに噛合するとともに回転軸に秒針５１と四番小歯車４２ａを備えた四番車４２と、四番小歯車４２ａと噛合する三番車４３と、三番車４３の回転軸に設けられた三番小歯車４３ａと噛合するとともに回転軸に分針５２を備えた分車４４と、分車４４に設けられた分小歯車（図示省略）に噛合した日ノ裏車（図示省略）を介して動力伝達を行なうとともに分車４４と同軸に設けられた筒車４５ならびに時針５３とから概略構成されている。
【００８３】
ここで、三番車４３および分車４４の歯数は、四番車４２すなわち秒針の回転速度に対して分針の回転速度が１／６０となるように設定されており、また、筒車４５の歯数は、図示しない日ノ裏車を介して四番車４２に対して時針の回転速度が１／７２０となるように設定されている。
【００８４】
このような構成の超音波モータ付アナログ時計７は、超音波モータ１を駆動させて移動体１４を回転させると、四番車４２および秒針５１は移動体１４に従動回転して秒を表示する。
【００８５】
また、分車４４は三番車を介して四番車４２に１／６０の減速比で従動回転して分を表示する。
【００８６】
また、筒車４５は前記した日ノ裏車を介して四番車４２に１／７２０の減速比で従動回転して時を表示する。
【００８７】
ここで、超音波モータ付アナログ時計７は従来より単位体積当たりの出力の大きな超音波モータ１を用いているのでその大きさを小さくできる。また、従来よりも重いものを駆動できるため、時刻表示以外にも年月日などのカレンダー表示、電池残量、方位などの環境情報、からくり等を表示するなど、さらに多機能化することも可能である。
【００８８】
なお、時刻情報の表示は、上記のように複数の輪列と指針により行うほか、移動体１４の軸方向に直接指針や指標を取り付けてもよい。
【００８９】
また、超音波モータ付アナログ時計７に用いる超音波モータとしては、当然超音波モータ２、３、４、５、６も適用可能である。
【００９０】
また、本発明に係る超音波モータを適用する電子機器はアナログ時計に限定されるものではなく、当然、計測器、カメラ、プリンタ、印刷機、工作機械、ロボット、移動装置、記憶装置などにも適用可能である。
【００９１】
【発明の効果】
以上より、本発明によれば、圧電素子に備えられた円周方向に分割された分極部のすべてに交番電圧を入力することで前記圧電素子に定在波振動を発生させて駆動する超音波モータであって、前記分極部の少なくとも１つの分極部に入力する交番電圧の位相を１８０°変えるかどうかの選択により、当該超音波モータの駆動方向を切り換えることができる。つまり、圧電素子と圧電素子に発生する定在波振動との相対的な位置関係を変化させることが、圧電素子に設けた分極部のすべてに駆動電圧を加えているにもかかわらず駆動方向を切り換えられる。
すなわち、回転方向の切り換えができると同時に、圧電素子の分極部をすべてを駆動に用いるため、強い励振力で屈曲振動を発生させることができるため、単位体積当たりの出力がより大きい超音波モータを提供できる。
従って、超音波モータ付電子機器を小型化できるなど、その用途はさらに広がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１である超音波モータに用いる圧電素子の構造および突起の位置を説明する上面概略図である。
【図２】同超音波モータの圧電素子の電極構造を説明する概略図である。
【図３】同圧電素子のリード線の配線構造を説明する側面展開概略図である。
【図４】同超音波モータの自励振駆動回路の構成図である。
【図５】同超音波モータの動作を説明する概略図である。
【図６】同超音波モータの振動モードと突起１３との位置関係を説明する図である。
【図７】Ａ、Ｂは同超音波モータの変形例に用いる圧電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図である。
【図８】Ａ、Ｂは本発明の実施の形態２である超音波モータ２に用いる圧電素子の電極構造およびリード線を説明する下面図および上面図である。
【図９】同超音波モータの自励振駆動回路の構成を説明する図である。
【図１０】Ａ、Ｂは本発明の実施の形態３に用いる圧電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図である。
【図１１】Ａ、Ｂは同超音波モータの一変形例に用いる圧電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図である。
【図１２】Ａ、Ｂは同超音波モータの他の変形例に用いる圧電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図である。
【図１３】Ａ、Ｂは本発明の実施の形態４に用いる圧電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図である。
【図１４】Ａ、Ｂは本発明の実施の形態５に用いる圧電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図である。
【図１５】Ａ、Ｂは同超音波モータの変形例に用いる圧電素子の構成を説明する上面概略図および側面展開概略図である。
【図１６】本発明の実施の形態６である超音波モータに用いる圧電素子の構造および突起の位置を説明する上面概略図である。
【図１７】同超音波モータの圧電素子および振動体の側面展開概略図であり、
【図１８】同超音波モータの自励振駆動回路の構成図である。
【図１９】本発明の実施の形態７である超音波モータ付アナログ時計の構成を説明する断面概略図である。
【図２０】従来例である超音波モータの構成について説明する断面概略図である。
【図２１】同超音波モータに用いる圧電素子の上面概略図である。
【図２２】同超音波モータに用いる出力取り出し用の突起の配置を説明する側面展開概略図である。
【図２３】同超音波モータ動作を説明する模式図である。
【符号の説明】
１、２、３  超音波モータ
１１  圧電素子
１１ａ、１１ｂ  分極部
１１ｃ  分極部群（第１の分極部群）
１１ｄ  分極部群（第２の分極部群）
１３  突起（出力取り出し用突起）
１３ａ  補助突起
１４  ロータ（移動体）
２０  自励振駆動回路
４０  超音波モータ付アナログ時計（超音波モータ付電子機器）
【図１】
0004499902.tif 000002
【図２】
0004499902.tif 000003
【図３】
0004499902.tif 000004
【図４】
0004499902.tif 000005
【図５】
0004499902.tif 000006
【図６】
0004499902.tif 000007
【図７】
0004499902.tif 000008
【図８】
0004499902.tif 000009
【図９】
0004499902.tif 000010
【図１０】
0004499902.tif 000011
【図１１】
0004499902.tif 000012
【図１２】
0004499902.tif 000013
【図１３】
0004499902.tif 000014
【図１４】
0004499902.tif 000015
【図１５】
0004499902.tif 000016
【図１６】
0004499902.tif 000017
【図１７】
0004499902.tif 000018
【図１８】
0004499902.tif 000019
【図１９】
0004499902.tif 000020
【図２０】
0004499902.tif 000021
【図２１】
0004499902.tif 000022
【図２２】
0004499902.tif 000023
【図２３】
0004499902.tif 000024