(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
全ての電極領域が同一方向に分極された円環状の電気−機械エネルギー変換素子を弾性体に固着し、該電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、位相の異なる複数の振動を合成して成る進行波を発生させる振動波駆動装置において、
該複数の振動の各振動において、該進行波の波長の整数倍の間隔を有して等間隔で位置する電極領域のみを、該振動を発生させるための交番電圧が印加される電極領域とすることを特徴とする振動波駆動装置。
【請求項２】
該交番電圧が印加される電極領域は、各振動において、該進行波の１波長の間隔を有して等間隔で設けられていることを特徴とする請求項１記載の振動波駆動装置。
【請求項３】
該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域は、電気的に開放状態であることを特徴とする請求項１又は２記載の振動波駆動装置。
【請求項４】
該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域は、電気的に接地状態であることを特徴とする請求項１又は２記載の振動波駆動装置。
【請求項５】
該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域のうち少なくとも１つにおいて発生する電圧を検出し、該検出した電圧に応じて該交番電圧の周波数、電圧振幅、あるいは、電圧位相差のうちいずれかを変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の振動波駆動装置の駆動回路。
【請求項６】
該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域のうち少なくとも１つにおいて発生する電圧を用いた自励発振回路を有し、該自励発振回路の出力信号を用いて該交番電圧を生成することを特徴とする請求項１又は２記載の振動波駆動装置の駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は弾性体に振動を発生させ、その振動を利用して弾性体に接触する移動体に駆動力を与える超音波モータ等の振動波駆動装置とその駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
振動波駆動装置の１つであり、ステータを構成する弾性体に進行波を発生させる超音波モータは、弾性体と圧電素子からなるステータに位相の異なる複数の定在波を生じさせ、この定在波を合成することで進行波を発生させるものである。
【０００３】
図７はこの超音波モータの円環状ステータに設けられた圧電素子の電極パターンを示したものである。図７の略右半分の電極領域が第１の定在波（Ａ相）を発生させるための第１の電極群であり、略左半分の電極領域が第２の定在波（Ｂ相）を発生させるための第２の電極群である。第１の電極群に不図示の駆動回路によって駆動信号を印加すると、ステータ全体に第１の定在波振動が生じる。第２の電極群に不図示の駆動回路によって駆動信号を印加すると、ステータ全体に第２の定在波振動が生じる。第１の定在波と第２の定在波は波長λが等しく、第１の電極群と第２の電極群とは互いの位相がこの波長λの１／４だけずれて配置されている。この２つの定在波を時間的に９０度ずらして発生させると、弾性体には進行波が発生する。
【０００４】
上記方式の超音波モータの場合、第１の電極群で発生した第１の定在波は第１の電極群から離れるほど振動振幅が減衰し、振動波長も異なってくる。同様に、第２の電極群で発生した第２の定在波は第２の電極群から離れるほど振動振幅が減衰し、振動波長も異なってくる。
【０００５】
つまり、Ａ相の振動振幅および振動波長は第１の電極群部分と第２の電極群部分で完全に等しい状態とはならず、Ｂ相の振動振幅および振動波長も第１の電極群部分と第２の電極群部分で完全に等しい状態とはならなかった。結果的に第１の定在波と第２の定在波を合成して得られる進行波の振動振幅が場所によって異なってしまい、超音波モータの出力を低下させる原因となっていた。また、振動振幅にムラがある状態で超音波モータを長時間駆動すると、振動体の摩耗量が場所によって異なってしまい、この摩耗量のムラによっても時間と共に出力が低下してしまうという問題点もあった。
【０００６】
上記問題を解決するために特開２０００−３３３４７７号公報では、図８に示すように第１の定在波（Ａ相）を発生させる電極群と第２の定在波（Ｂ相）を発生させるための電極群をそれぞれ分割し、境界を波長λの１／４だけ空けて第１および第２の電極郡が交互に並ぶよう配置している。このような構成にすることにより、定在波の振動振幅が減衰する程度を抑えることができるようになる。
【０００７】
しかし、上記特開２０００−３３３４７７号公報に開示された発明も、振動振幅のムラの程度を多少抑える方法にしかすぎない。ゆえに、第１の定在波と第２の定在波の振動が振動体全体において均等に励振されない現象は解消されておらず、進行波の振幅および波長は依然として部位による差が生じてしまう。
【０００８】
進行波の振幅および波長にムラが生じる原因は他にもある。
【０００９】
図７，８に示した電極パターンは、圧電素子の厚み方向に「＋」方向に分極された電極領域と「−」方向に分極された電極領域とが隣接するように形成されている。この「＋」方向に分極された電極領域のほぼ中央部と「−」方向に分極された電極領域のほぼ中央部では、電気力線は厚み方向と平行に走っているが、「＋」方向に分極された電極領域と「−」方向に分極された電極領域の境界部では、電気力線は厚み方向と直交する方向に電極領域をまたぐように走っている。この電気力線の走る方向によって圧電素子の縦弾性係数には差が生じてしまうため、圧電素子の剛性は部位によって差が生じてしまう。そのために進行波の伝播速度が部分的に変化してしまい、進行波の振動振幅および波長にムラが生じてしまう。
【００１０】
このような分極方向が異なることによる剛性のムラを改善するために、特開２００１−１５７４７３号公報では図９に示す圧電素子の構成が提案されている。この圧電素子の電極パターンは、振動波長λの１／４毎に電極領域を区切り、これらの電極領域を交互に第１の定在波を発生させる第１の電極群、第２の定在波を発生させる第２の電極群として割り当ててある。これらの定在波を発生させるための電極領域は、全ての電極領域において同一方向に分極されている。隣接する電極領域が同一方向に分極されているので、これらの電極領域の電気力線は全て厚み方向と平行に走ることになり、圧電素子の剛性は部位によって差が生じることがない。
【００１１】
なお、図９に示すものは後述するように４相駆動に適した形態であって、３相駆動等の他の駆動形態でも実現できる。そのためには、進行波の波長λに相当する電極領域に合成する定在波の整数倍に等しい電極領域を設け、これらの電極領域を同一方向に分極すればよい。
【００１２】
図９に戻って、３つおきに配置された＋Ａ相の電極領域には同一の駆動振動を印加する。この＋Ａ相の時計回り方向に隣接する＋Ｂ相の電極領域には、＋Ａ相の駆動信号とは時間的に９０度ずれた駆動信号を印加する。この＋Ｂ相の時計回り方向に隣接する−Ａ相の電極領域には、＋Ａ相の駆動信号とは逆の位相となる駆動信号を印加する。そして、−Ａ相の時計回り方向に隣接する−Ｂ相の電極領域には、＋Ｂ相の駆動信号とは逆の位相となる駆動信号を印加する。これらの各電極領域は、駆動信号を印加することで発生する定在波の波長λの１／４の間隔で配置されている。上述した駆動信号を印加すると、圧電素子には互いの位相が波長λの１／４だけずれた第１の定在波と第２の定在波が発生する。第１の定在波を発生させる第１の電極群と第２の定在波を発生させる第２の電極群とは、共に圧電素子の全周にわたって等間隔で配置されているため進行波にムラは生じない。
【００１３】
図１０は図９の圧電素子を使用した超音波モータの回路構成を示すブロック図である。発振回路１で超音波モータの駆動周波数に相当する交流信号を生成し、この交流信号を位相シフタ２に入力し、９０度位相のずれた交流信号を生成する。この９０度位相のずれた交流信号をさらに別の位相シフタ２に入力し、発振回路１による交流信号とは１８０度位相のずれた交流信号を生成する。この１８０度位相のずれた交流信号をさらに別の位相シフタ２に入力し、発振回路１による交流信号とは２７０度位相のずれた交流信号を生成する。このように９０度ずつ位相の異なる交流信号を生成し、それぞれが昇圧回路３によって超音波モータが駆動可能な電圧まで昇圧され、順に９０度ずつ位相のずれた＋Ａ相電圧、−Ａ相電圧、＋Ｂ相電圧、−Ｂ相電圧が生成される。これらの電圧波形を図１１に示す。
【００１４】
この＋Ａ相電圧、−Ａ相電圧、＋Ｂ相電圧、−Ｂ相電圧をそれぞれ上述した＋Ａ相の電極領域、−Ａ相の電極領域、＋Ｂ相の電極領域、−Ｂ相の電極領域に印加すると、振動振幅が均一である進行波が発生する。このような構成をとることで、出力が高く、部分的にステータが摩耗することのない超音波モータを実現することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示すように圧電素子の電極パターンを形成することで進行波の振動振幅は均一にできるが、図１０に示すように４相の交流信号を発生させる回路が必要となり、回路は複雑になってしまっていた。
【００１６】
また、図９に示す構成では、振動体の振動を検出するためのセンサ相となる電極領域を確保できなかった。センサ相となる電極領域を設けると、このセンサ相となる電極領域にだけ駆動信号が印加されないことになり、振動振幅にムラが生じてしまうからである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明は、全ての電極領域が同一方向に分極された円環状の電気−機械エネルギー変換素子を弾性体に固着し、該電気−機械エネルギー変換素子に交番電圧を印加することにより、位相の異なる複数の振動を合成して成る進行波を発生させる振動波駆動装置において、該複数の振動の各振動において、該進行波の波長の整数倍の間隔を有して等間隔で位置する電極領域のみを、該振動を発生させるための交番電圧が印加される電極領域とすることを特徴とするものである。
【００１８】
同様に上記課題を解決するため、本願請求項５記載の発明は、該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域のうち少なくとも１つにおいて発生する電圧を検出し、該検出した電圧に応じて該交番電圧の周波数、電圧振幅、あるいは、電圧位相差のうちいずれかを変化させることを特徴とする上記の振動波駆動装置の駆動回路とするものである。
【００１９】
同様に上記課題を解決するため、本願請求項６記載の発明は、該交番電圧が印加される電極領域以外の電極領域のうち少なくとも１つにおいて発生する電圧を用いた自励発振回路を有し、該自励発振回路の出力信号を用いて該交番電圧を生成することを特徴とする上記の振動波駆動装置の駆動回路とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図である。発振回路１、位相シフタ２、および、昇圧回路３の動作については図１０で説明したものと同様であるので説明を省略する。
【００２１】
また、本実施の形態における圧電素子の電極パターンは、上述した図９の電極パターンと同一であり、全ての電極領域が同一の厚み方向に分極されている。よって周方向の剛性のムラは生じない。
【００２２】
本実施の形態における超音波モータの駆動回路は、全て同一方向に分極された電極領域を有する圧電素子に対して、２相の駆動振動により２相の定在波を発生させ、この２相の定在波を合成して進行波を形成する。
【００２３】
図２に本実施の形態における駆動信号の電圧波形を示す。図９の電極パターンにおける＋Ａ相の電極領域と＋Ｂ相の電極領域のみに、互いの時間的位相が９０度異なる交番電圧を印加する。つまり、進行波を形成するための第１の定在波と第２の定在波のそれぞれにおいて、１波長の一方の腹に相当する電極領域のみに交番電圧を印加することになる。それぞれの定在波を発生させるために交番電圧が印加される電極領域は、円環状の振動体の全周にわたって等間隔に配置されるため、振動振幅を均一にすることができる。このとき−Ａ相の電極領域と−Ｂ相の電極領域は電気的に開放された状態となっている。
【００２４】
図１ではＡ相、Ｂ相それぞれの定在波の腹に相当する電極領域であって、１周期毎に位置する電極領域に交番電圧を印加しているが、本発明はこれに限られるものではない。定在波の２周期毎、あるいは３周期毎に位置する電極といった振動波長の整数倍の領域に対して１箇所の電極領域に交番電圧を印加する形態であっても同様の効果が得ることができる。
【００２５】
以上のように本実施の形態によれば、進行波にムラを生じさせない振動体を有し、かつ、駆動回路を従来よりも減らした超音波モータの駆動回路を構成することができる。本実施の形態では使用しない電極は電気的に開放状態としたが、接地状態としてもよいものとする。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図である。本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、図１に示すようなＡ相およびＢ相の２相の交番電圧を印加して駆動を行う。
【００２７】
本実施の形態では、駆動信号である交番電圧の印加に用いられない電極領域のうち、Ａ相の振動の腹にあたる部分の電極領域の電圧を振動モニタ信号として制御回路４に入力する。これにより、振動体の振動振幅を検知している。
【００２８】
図１０に示す回路構成の場合、振動モニタ信号を得るための電極領域を一つ確保しようとすると、その電極領域にだけ駆動信号が印加されないことになり、振動振幅のムラが生じてしまう。しかし本実施の形態によれば、もともと駆動信号の印加には用いていない電極領域から振動モニタ信号を得るので、駆動信号を円環状の振動体の全周にわたって均等に印加することができ、振動振幅のムラが生じることはない。
【００２９】
制御回路４では振動振幅が所定の値になるように、発振回路１および位相シフタ２の出力を調整して、超音波モータの駆動周波数、駆動電圧、あるいは、２相の交流信号の位相差を制御する。その結果、超音波モータの駆動状態を一定に保つことが可能となる。
【００３０】
また、公知の方法であるので詳細は説明しないが、前記振動モニタ信号と駆動電圧の位相差が所定の値になるように駆動周波数を制御する方法であっても良い。
【００３１】
本実施の形態では振動状態を検出するために、駆動信号を印加しない電極のうち、いずれかの相の定在波の腹にあたる部分の電圧をモニタ信号として使用したが、本発明はこれに限られるものではなく、電圧を供給しない複数の電極の信号を電気的に接続してモニタ信号として使用しても良い。複数の電極の信号を電気的に接続することによって、振動状態を平均化することができる。また、駆動にも検出にも使用されない電極は電気的に開放状態または接地状態のいずれかの状態にしておく。
【００３２】
以上のように本実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態の効果に加え、圧電素子の電極領域から振動モニタ信号を得て超音波モータの駆動状態を一定に保つ制御を行うことが可能となる。
【００３３】
（第３の実施の形態）
図４は本発明の第３の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図である。本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、図１に示すようなＡ相およびＢ相の２相の交番電圧を印加して駆動を行う。
【００３４】
本実施の形態では、駆動信号である交番電圧の印加に用いられない電極領域の電圧をＲＭＳ／ＤＣ変換器８により振幅情報に変換し、その出力を電圧変動検出回路５に入力している。この電圧変動検出手段で検出した電圧変動の回数をカウンタ回路６により計測することにより、超音波モータの回転角度を検出している。以下に詳細を説明する。
【００３５】
超音波モータの振動体は図５に示すように、ロータと接触する部分の変位を拡大するために、くし歯１０１が設けられている。ロータの平面度は厳密には完全な平坦というわけではないので、くし歯とロータの接触に応じた振動ムラが生じる。振動ムラをパルス化し、カウンタでカウント動作をおこなうと、カウント値は超音波モータの移動角度となる。移動角度［ｄｅｇ］は下記の計算で求めることができる。
【００３６】
（移動角度［ｄｅｇ］）＝（カウント値）／（振動体のくし歯の数）×３６０以上のように本実施の形態によれば、圧電素子の電極領域から振幅振幅変動を検出することによって超音波モータの回転角度を求めることができる。この回転角度をもとに超音波モータの制御を行うことにより、従来回転速度や回転位置を制御するために必要であったエンコーダ等のセンサを使用しなくても位置および速度の制御が可能となり、制御回路の低価格化を実現することが可能となる。
【００３７】
なお、これまで説明した実施の形態と同様に、駆動にも検出にも使用されない電極は電気的に開放状態または接地状態のいずれかの状態にしておく。
【００３８】
（第４の実施の形態）
図６は本発明の第４の実施の形態である超音波モータの駆動回路を示すブロック図である。本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、図１に示すようなＡ相およびＢ相の２相の交番電圧を印加して駆動を行う。
【００３９】
本実施の形態では、駆動信号である交番電圧の印加に用いられないＡ相の電極領域の電圧を電圧調整回路７により所定の電圧振幅になるように調整し、位相シフタ２により位相変換を行い、昇圧回路３により昇圧し超音波モータのＡ相駆動用の交番電圧とすることにより自励発振回路を構成している。
【００４０】
Ｂ相には位相シフタ２の信号をさらに別の位相シフタ２で位相変換し、昇圧回路３で昇圧した信号を交番電圧として印加している。
【００４１】
上記構成により超音波モータの振動体の共振周波数の個体差、および振動体の共振周波数の温度や負荷による変化があっても常に超音波モータの駆動を安定して行うことが可能になるとともに、回路を大幅に簡素化することが可能となっている。
本実施の形態においても、これまで説明した実施例と同様に、駆動にも検出にも使用されない電極は電気的に開放状態または接地状態のいずれかの状態にしておく。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では超音波モータの振動振幅ムラを改善するために、圧電素子の分極方向を全て同一方向とし、かつ、円環上の振動体上の圧電素子に均等に電圧を印加するように構成された超音波モータにおいても、これまで必要であった４相の交流信号を２相に減らすことができ、回路の簡素化が可能となっている。
【００４３】
さらに本発明では、圧電素子の電極領域から振動状態の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図。
【図２】図１の回路の駆動信号波形を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図。
【図４】本発明の第３の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図。
【図５】超音波モータの振動体の斜視図。
【図６】本発明の第４の実施の形態である超音波モータの回路構成を示すブロック図。
【図７】定在波の波長λの１／２毎に駆動用の電極領域を設けた従来の圧電素子の電極パターンを示す図。
【図８】定在波の波長λの１／２毎に駆動用の電極領域を設けた従来の圧電素子の電極パターンを示す図。
【図９】定在波の波長λの１／４毎に駆動用の電極領域を設けた従来の圧電素子の電極パターンを示す図。
【図１０】図９の圧電素子を有する超音波モータの従来の回路構成を示すブロック図。
【図１１】図１０の回路の駆動信号波形を示す図。
【符号の説明】
１  発振回路
２  位相シフタ
３  昇圧回路
４  制御回路
５  電圧変動検出回路
６  カウンタ回路
７  電圧調整回路
８  ＲＭＳ／ＤＣ変換器
１０１  くし歯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004086536.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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