JP2007189899A - 超音波モータ及び超音波モータ付電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
大きなトルクを発生させるとともに、トルクを安定させる。
【解決手段】
そこで、上記課題を解決する為に本発明の超音波モータは、圧電素子を有する板状の圧電振動子と、圧電振動子の振動により圧電振動子と相対運動する移動体と、圧電振動子に設けられ、移動体と接する突起と、突起が設けられている圧電振動子の側面と反対側の側面にはバランス用突起と、を備えた。
【選択図】 図５

Description

本発明は、大きなトルクを発生させ、トルクを安定させた超音波モータ及び超音波モータ付き電子機器に関する。

近時、マイクロモータの分野で、圧電素子の圧電効果を利用した超音波モータは、電気的エネルギーから機械的エネルギーへの高い変換効率及び装置構成の小型化、という利点から、注目されている。特に、圧電振動子自体の２モード振動により駆動力を得るタイプの超音波モータは、小型化を図る観点から、広く用いられている（図１４：非特許文献１）。

この超音波モータ１００は、所定分極処理を施し、屈曲振動及び伸縮振動を生じる圧電振動子１０１と、圧電振動子１０１の中心部であり且つ屈曲振動及び伸縮振動の節を挟み込んで支持する支持部材１０２と、支持部材１０２の周縁に固定された加圧部材１０３と、圧電振動子１０１の端面を圧接された移動体１０４からなる。

そして、圧電振動子１０１は、同時に屈曲振動及び伸縮振動を励振して、周面で楕円振動する一方、加圧力は、加圧部材１０３、支持部材１０２を介して、圧電振動子１０１の中心部の振動節に加えられ、圧電振動子１０１と移動体１０４とを周期的に圧接させ、両者の間に摩擦力を生じさせる。そして、移動体１０４は、一方向へ回転させられる。
青柳学、富川義朗 斜対称形圧電板の縦−屈曲結合振動を利用した超音波モータ 第６回電磁力関連のダイナミックスシンポジュウム講演論文集 Ｐ３５５−３６０

しかしながら、従来技術に係わる超音波モータ１００では圧電振動子１０１と移動体１０４とを直接接触させて移動体１０４の回転力に変換していたため、圧電素子からなる圧電振動子１０１の耐摩耗性は小さく、超音波モータ１００の出力(トルク)は不安定なものになってしまった。そこで、耐摩耗性の高い材料からなる突起を圧電振動子１０１に設けて、移動体１０４と接触させる構造を採っても良いが、この場合には圧電振動子１０１の上下で振動のバランスが崩れてしまった。

以上の不安定な振動状態及び摩擦力の変動は、大きなトルクを発生させることができない、また、トルクを変動させるという問題を生じさせていた。

本発明は、上記問題を解決するためなされたものであって、その目的は、大きなトルクを発生させるとともに、トルクや移動スピードを安定させた超音波モータ及び超音波モータ付電子機器を提供する。

そこで、上記課題を解決する為に本発明の超音波モータは、本発明の超音波モータは、圧電素子を有する板状の圧電振動子と、圧電振動子の振動により圧電振動子と相対運動する移動体と、圧電振動子に設けられ、移動体と接する突起と、突起が設けられている圧電振動子の側面と反対側の側面にはバランス用突起と、を有する構造とするこことを特徴とする。

これによれば、圧電振動子の振動のバランスは安定化される。またこれにより圧電振動子の節は圧電振動子の中心に保たれるから振動を抑制せずに圧電振動子を支持することが出来る。従って、超音波モータからは安定に大きなトルクを取り出すことが出来る。

本発明によれば大きなトルクを安定に取り出すことが出来る超音波モータを実現できる。

以下、図１〜図１３を参照して本発明を適用した実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明を適用した実施の形態１に係わる超音波モータを示し、同図（ａ）は正面の構造を、同図（ｂ）は底面の構造を示す。

この超音波モータは、圧電振動子１１と、圧電振動子１１の図中底面に設けた本発明の振動拡大部材１２と、圧電振動子１１の図中上面に設けた低弾性率部材１３と、圧電振動子１１の周囲に配置した本発明の節案内部材としての案内ケース１４と、案内ケース１４の上面に設けた加圧部材１５と、案内ケース１４の側部を嵌め合わせた案内板１６とからなり、振動拡大突起１２の先端は移動体１７に圧接させている。

図２、図３は、圧電振動子の構造、振動状態を示す図である。

圧電振動子１１は、第１の圧電振動子１１１と、第１の圧電振動子１１１に積層させた第２の圧電振動子１１２からなる。各圧電振動子１１１、１１２は、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料を用いて作製される。

第１の圧電振動子１１１は、図中表側を（−）、裏側を（＋）として略全面を厚み方向へ分極処理し、分極部１１１ａとしている。また、表側の全面及び裏側の全面に電極を形成する。

第２の圧電振動子１１２は、矩形体を４分割して、各分割部に対して図中表側を（＋）、裏側を（−）として厚み方向へ分極処理した第１の分極部１１２ａ、第２の分極部１１２ｂ、第３の分極部１１２ｃ、第４の分極部１１２ｄを有する。また、各分極部１１２ａ…１１２ｄの表側にはそれぞれ電極を形成し、他方、第２の圧電振動子１１２の裏側には、全面に対極として電極を形成する。また、第１の分極部１１２ａの電極と第２の分極部１１２ｂの電極とを導線で導通し、第３の分極部１１２ｃと第４の分極部１１２ｄの電極とを導線で導通する。

そして、第１の圧電振動子１１１の分極部１１１ａ、第２の圧電振動子１１２の第１の分極部１１２ａと第２の分極部１１２ｂに駆動信号を入力すると、図２に示すように、伸縮振動Ｖ１が第１の圧電振動子１１１に生じ、屈曲振動Ｖ２及び図示しない伸縮振動が第２の圧電振動子１１２に生じ、一方向に回転する楕円振動Ｖ３が屈曲振動Ｖ２等と伸縮振動Ｖ１とにより圧電振動子１１の各周面に生じる。

このように、第１の圧電振動子１１１、第２の圧電振動子１１２のそれぞれに、伸縮振動Ｖ１、屈曲振動Ｖ２を生じさせるので、圧電振動子１１の楕円振動Ｖ３は大きく変位し、大きなトルクを生じさせる。

一方、第２の圧電振動子１１２の第３の分極部１１２ｃと第４の分極部１１２ｄ、第１の圧電振動子１１１の分極部１１１ａに駆動信号を入力すると、図３に示すように、屈曲振動Ｖ１と１８０°位相の異なる屈曲振動Ｖ４及び図示しない伸縮振動が第２の圧電振動子１１２に生じ、楕円振動Ｖ３と逆方向へ回転する楕円振動Ｖ５が圧電振動子１１に生じる。

なお、第２の圧電振動子１１２のみ用いて、これに生じる屈曲振動Ｖ２、Ｖ４及び伸縮振動により、圧電振動子１１に楕円振動を生じさせてもよい。

図４は、圧電振動子に生じる伸縮振動、屈曲振動の節の位置を示す。

同図（ａ）に示す矩形体の圧電振動子１１に対し、伸縮振動Ｖ１が生じると、同図（ｂ）に示すように、矩形体の長辺の中心が節Ｎ１になる。一方、屈振動Ｖ２、Ｖ４が生じると、矩形体の長辺に沿って等間隔に３箇所が節Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４になる。なお、本実施の形態では、伸縮振動Ｖ１の節Ｎ１と屈曲振動Ｖ２、Ｖ４の節Ｎ３の位置は一致している。

また、図１に示すように、振動拡大部材１２は、圧電振動子１１の移動体１７との圧接部位１１ａ、即ち、短辺の略中央部に固定されている。そして、圧電振動子１１の楕円振動Ｖ３、Ｖ５を拡大させ、大きな振動変位で移動体１７に圧接し、移動体１７との間に大きな摩擦力を生じさせる。

低弾性率部材１３は、圧電振動子１１より弾性率の低い材料、例えば、樹脂、ゴム、プラスチックからなり、圧電振動子１１の伸縮振動Ｖ１、屈曲振動Ｖ２、Ｖ４を案内ケース１４へ伝達させず、伸縮振動Ｖ１等を減衰させない。

案内ケース１４は、正面コの字状の本体と、図中コの字状本体の両腕部から圧電振動子１１へ向かって突出する第１の節案内部１４ａ、１４ａ、第２の節案内部１４ｂ、１４ｂと、本体上部から圧電振動子１１へ向かって突出する突出部１４ｃからなる。ここで、案内ケース１４は、屈曲振動及び伸縮振動を伝達させず、屈曲振動等を減衰させない観点から、圧電振動子１１より弾性率の低い材料、例えば、プラスチック等の樹脂、ゴムで作製する。

第１の節案内部１４ａ、１４ａ、図１（ｂ）に示すように、圧電振動子１１のうち屈曲振動の節Ｎ２に位置し、この圧電振動子１１の節Ｎ２であって、加圧部材１５の加圧する方向と垂直な幅方向の対向する両部位および厚み方向の対向する両部位に当接する。そして、圧電振動子１１は加圧方向に対して垂直な方向へ移動せず、加圧方向に案内されるので、屈曲振動及び伸縮振動は安定し、圧電振動子１１と移動体１７との圧接部位は変位しない。

第２の節案内部１４ｂ、１４ｂは、圧電振動子１１のうち屈曲振動の節Ｎ４に位置し、圧電振動子１１の節Ｎ４であって、加圧部材１５の加圧する方向と垂直な幅方向において、対向する両部位、及び加圧方向に対して垂直な厚み方向において、対向する両部位に対して当接する。

なお、第１の節案内部１４ａ、第２の節案内部１４ｂと圧電振動体１１との間に、圧電振動子１１より弾性率の低いゴム、プラスチック等の樹脂からなる低弾性率のシートを介在させてもよい。

突出部１４ｃは、圧電振動子１１の移動体１７との圧接部１１ａ、即ち、振動拡大部材１２を設けた部位、と反対側の対応する部位に設けられており、加圧部材１５の全ての加圧力を圧電振動子１１に伝える。

加圧部材１５は、例えば、コイルばねを用い、案内ケース１４の突出部１４ｃ、低弾性率部材１３を介して、圧電振動子１１の移動体１７との圧接部位１１ａと反対側の対応する部位を圧接部位へ加圧する。そして、全ての加圧力は、振動拡大部材１２を経由して移動体１７に加わるので、振動拡大部材１２と移動体１７との間に生じる摩擦力は大きくなる。なお、加圧部材１５には、ゴム、板ばね等の弾性部材を用いてもよい。

案内板１６は、案内ケース１４の側部を入り込ませる案内溝１６ａを加圧部材１５の加圧方向に沿って形成し、案内ケース１４を加圧方向へ案内する。

次に、図１から図３に基づいて、超音波モータの使用方法について説明する。

移動体１７を一方向へ移動させる場合、第１の圧電振動子１１１の分極部１１１ａ、第２の圧電振動子１１２の第１の分極部１１２ａ、第２の分極部１１２ｂに駆動信号を入力すればよい。

伸縮振動Ｖ１が第１の圧電振動子１１１に生じ、屈曲振動Ｖ２が第２の圧電振動子１１２に生じ、楕円振動Ｖ３が圧電振動子１１の周面に生じる。楕円振動Ｖ３は、振動拡大部材１２により、拡大させられる。一方、加圧部材１５は、案内ケース１４の突出部１４ｃ、低弾性率部材１３を介して、圧電振動子１１のうち移動体１７との圧接部位１１ａと反対側の対応する部位を圧接部位１１ａへ向かって加圧し、移動体１７上に振動拡大部材１２を圧接させる。

このとき、全ての加圧力が圧電振動子１１と移動体１７との圧接部１１ａに加わり、また、案内ケース１４は、屈曲振動及び伸縮振動に対しても、圧電振動子１１を加圧方向と垂直な方向へ移動させず、加圧方向のみに案内するので、圧電振動子１１に生じる屈曲振動及び伸縮振動は安定し、圧電振動子１１の移動体１７との圧接部位１１ａは滑らないので、圧電振動子１１と移動体１７との間に大きな加圧力が加わる。

そして、振動拡大部材１２と移動体１７との間に、大きな摩擦力が生じ、移動体１７は、一方向へ高速で移動する。

一方、移動体１７を逆方向へ移動させる場合は、第１の圧電振動子１１１の分極部１１１ａ、第２の圧電振動子１１２の第３の分極部１１２ｃ、第４の分極部１１２ｄに駆動信号を入力すればよい。

伸縮振動Ｖ１が第１の圧電振動子１１１に生じ、屈曲振動Ｖ４が第２の圧電振動子１１２に生じ、逆回転の楕円振動Ｖ５が圧電振動子１１の周面に生じ、楕円振動Ｖ５は、振動拡大部材１２により、拡大させられる。一方、加圧部材１５は、案内ケース１４の突出部１４ｃ、低弾性率部材１３を介して、圧電振動子１１のうち移動体１７との圧接部位１１ａと反対側の部位を圧接部位１１ａへ向かって加圧し、移動体１７上に振動拡大部材１２を圧接させる。そして、移動体１７は、逆方向の摩擦力を受け、一の方向と逆の方向へ移動する。

以上より、本実施の形態によれば、加圧部部材１５により、全ての加圧力が圧電振動子１１に設けた振動拡大突起１２と移動体１７との圧接部１１ａに加わるので、大きなトルクを発生させる。

また、案内ケース１４は、屈曲振動及び伸縮振動に対しても、圧電振動子１１を加圧方向と垂直な方向へ移動させずに、加圧方向のみに案内するので、圧電振動子１１に生じる屈曲振動及び伸縮振動は安定する。したがって、圧電振動子１１の移動体１７との圧接部位１１ａは滑らないので、圧電振動子１１の圧接部位１１ａに設けた振動拡大部材１２と移動体１７との間に大きな加圧力が加わり、大きなトルクを発生させるとともに、トルクを安定させる。

また、第１の圧電振動子１１１と第２の圧電振動子１１２とを積層させ、それぞれに、伸縮振動Ｖ１、屈曲振動Ｖ２を生じさせるので、圧電振動子１１の楕円振動Ｖ３は大きく変位し、より大きなトルクを生じさせる。

また、振動拡大部材１２は、圧電振動子１１の楕円振動Ｖ３、Ｖ５を拡大させ、移動体１７との間に大きな摩擦力を生じさせるので、大きなトルクを生じさせ、移動体１７を高速で移動させる。

また、加圧部材１５と圧電振動子１１との間に低弾性率部材１３を介在させるので、屈曲振動及び伸縮振動の伝達を防止し、屈曲振動等を減衰させない。

また、案内ケース１４は、圧電振動子１１より弾性率の低い材料からなるので、屈曲振動及び伸縮振動の伝達を防止し、屈曲振動等を減衰させない。

なお、第１の節案内部１４ａ、第２の節案内部１４ｂと圧電振動体１１との間に、圧電振動子１１より弾性率の低い低弾性率のシートを介在させれば、屈曲振動及び伸縮振動の伝達を防止し、屈曲振動等を減衰させない。

（実施の形態２）
図５は、本発明を適用した実施の形態２に係わる超音波モータを示し、同図（ａ）は正面の構造、同図（ｂ）は底面の構造を示す。

この超音波モータは、圧電振動子１１と、圧電振動子１１の下部に設けた振動拡大部材１２と、圧電振動子１１のうち振動拡大部材１２の反対側に設けたバランス用突起２１と、バランス用突起２１の上面に圧接する加圧部材１５と、圧電振動子１１の伸縮振動の節に当接する本発明の節案内部材としての案内ケース２２からなる。なお、以下実施の形態１と同一の部材については、同一番号を付し説明を省略する。

ここで、バランス用突起２１は、振動拡大部材１２と同一物であり、圧電振動子１１のうち振動拡大部材１２と反対側の対応する部位に設けられている。そして、圧電振動子１１の振動バランスを保ち、屈曲振動及び伸縮振動を安定させる。

案内ケース２２は、図５（ｂ）に示すように、矩形体の内部に略十字状の空間２２ａを成形し、この十字状の空間２２ａに圧電振動子１１を入り込ませ、案内ケース２２の内面を、圧電振動子１１の幅方向において対向する両部位、厚み方向において対向する両部位に当接させる。そして、圧電振動子１１は、加圧方向に対して垂直な方向へ移動せず、加圧方向へ案内される。

次に、この超音波モータの動作について説明する。

圧電振動子１１に屈曲振動及び伸縮振動を生じさせ、周面に楕円振動を生じさせ、楕円振動の変位は、振動拡大部材１２により、拡大する。一方、加圧部材１５はバランス用突起２１を介して圧電振動子１１を加圧し、振動拡大部材１２と移動体１７とを圧接させる。

このとき、案内ケース２２は、加圧方向に対して垂直な方向へ圧電振動子１１を移動させず、屈曲振動及び伸縮振動を安定させるとともに、振動拡大部材１２の移動体１７との圧接部位を変位しない。

また、バランス用突起２１は、圧電振動子１１の上部と下部の慣性モーメント、剛性を等しくし、圧電振動子１１のバランスを保つので、屈曲振動等を安定させ、節を中心に形成する。

そして、移動体１７と振動拡大部材１２との間に摩擦力が生じ、移動体１７は、一方向へ移動する。

以上より、本実施の形態によれば、案内ケース２２により、圧電振動子１１を加圧方向に対して垂直な方向へ移動させず、加圧方向のみへ案内し、屈曲振動及び伸縮振動を安定させるとともに、振動拡大部材１２と移動体１７との圧接部位を滑らせないようにするので、大きな加圧力が圧電振動子１１と移動体１７との間に加わる。その結果、実施の形態１と同様に大きなトルクを発生させるとともに、トルクを安定させる。

また、バランス用突起２１により、圧電振動子１１のバランスを保つようにしたので、屈曲振動及び伸縮振動を安定させる。

（実施の形態３）
図６は、本発明を適用した実施の形態３に係わる超音波モータを示し、（ａ）は正面の構造、（ｂ）は底面の構造を示す。

この超音波モータは、圧電振動子１１と、圧電振動子１１の下面に設けた振動拡大部材２３と、圧電振動子１１の振動節の周囲に設けた本発明の節案内部材として案内ケース２４と、圧電振動子１１の上面に設けた低弾性率部材１３と、低弾性率部材１３の上面に圧接する加圧部材１５からなる。

ここで、低弾性率部材１３は、圧電振動子１１から加圧部材１５へ屈曲振動及び伸縮振動を伝達させず、屈曲振動等を減衰させない。

振動拡大部材２３は、移動体１７との圧接部位に曲面２３ａを有する。この曲面２３ａは、振動拡大部材２３を加圧方向に対して傾けて圧接させたとき、移動体１７との間に生じる摩擦を均一にし、特定の一箇所を激しく摩耗させない。そして、移動体１７に一定の加圧力を加え、移動体１７を一定速度で移動させる。

案内ケース２４は、内部を空洞にした直方体の中に、圧電振動子１１の屈曲振動の節へ向かって突出した第１の節案内部２４ａ、２４ａ、第２の節案内部２４ｂ、２４ｂと、圧電振動子１１の伸縮振動の節に向かって突出した第３の節案内部２４ｃ、２４ｃ、２４ｃを有する。

第１の節案内部２４ａ、２４ａ、第２の節案内部２４ｂ、２４ｂは、圧電振動子１１のうち屈曲振動の節であって加圧方向と垂直な幅方向の対向する両部位に当接する。また、第３の節案内部２４ｃ、２４ｃ、２４ｃは、圧電振動子１１のうち伸縮振動の節であって、加圧方向と垂直な厚み方向において、対向する両側に当接する。

そして、案内ケース２４の第１の節案内部２４ａ、２４ａ、第２の節案内部２４ｂ、２４ｂは、加圧方向に対して垂直な幅方向へ圧電振動子１１を移動させず、また、第３の節案内部２４ｃ、２４ｃ、２４ｃは、加圧方向に対して垂直な厚み方向へ圧電振動子１１を移動させない。即ち、圧電振動子１１は、加圧方向に対して垂直な方向へ移動せず、加圧方向へ案内される。

以上より、本実施の形態によれば、案内ケース２４により、圧電振動子１１を加圧方向に垂直な方向へ移動させず、加圧方向へ案内させるようにしたので、実施の形態１と同様の効果が得られる。

また、振動拡大部材２３のうち移動体１７との圧接部位を曲面２３ａとし、移動体１７との間に生じる摩擦による偏摩耗を防止するようにしたので、移動体１７は一定の加圧力を加えられ、トルクは一定になる。

（実施の形態４）
図７は、本発明を適用した実施の形態４に係わる超音波モータを示し、（ａ）は正面構造、（ｂ）は底面構造を示す。

この超音波モータは、圧電振動子１１と、圧電振動子１１の下面に設けた振動拡大部材１２と、圧電振動子１１の周囲に配置した本発明の節案内部材、案内部材としての案内ケース２５と、圧電振動子１１の伸縮振動の節に固定した固定部材２６、２６と、圧電振動子１１のうち振動拡大部材１２に対して反対側の部位に圧接する加圧部材１５とからなる。

ここで、案内ケース２５は、内部を空洞とした直方体であり、圧電振動子１１の屈曲振動の節の位置で内側へ突出する第１の節案内部２５ａ、２５ａ及び第２の節案内部２５ｂ、２５ｂを有し、直方体の対向する両内面に加圧方向に沿って案内溝２５ｃ、２５ｃを形成している。

第１の節案内部２５ａ、２５ａ、第２の節案内部２５ｂ、２５ｂは、圧電振動子１１のうち屈曲振動の節であって、加圧方向に対して垂直な幅方向において、対向する両部位に当接する。

固定部材２６、２６のそれぞれ端面は、同図（ｂ）に示すように、圧電振動子１１の加圧方向と垂直な厚み方向において、案内溝２５ｃ、２５ｃに対して当接する。

そして、案内ケース２５の第１の節案内部２５ａ、２５ａ、第２の節案内部２５ｂ、２５ｂは、加圧方向に対して垂直な幅方向へ圧電振動子１１を移動させず、加圧方向へ案内する。また、固定部材２６、２６と案内溝２５ｃ、２５ｃは、加圧方向に対して垂直な厚み方向へ圧電振動子１１を移動させず、加圧方向へ案内する。即ち、圧電振動子１１は、加圧方向に対して垂直な方向へ移動せず、加圧方向へ案内されるので、伸縮振動及び屈曲振動は安定し、圧電振動子１１に設けた振動拡大部材１２と移動体１７との圧接部は変位しない。

以上より、本実施の形態によれば、案内ケース２５は、圧電振動子１１を加圧方向と垂直な方向へ移動させず、加圧方向へ案内するようにしたので、実施の形態１と同様に、大きなトルクが得られるとともに、トルクは安定する。

（実施の形態５）
図８は、本発明を適用した実施の形態５に係わる超音波モータの正面の構造を示す。

この超音波モータは、圧電振動子１１と、圧電振動子１１の下面に設けた振動拡大部材１２と、圧電振動子１１の周囲に設けた本発明の節案内部材、端部案内部材としての案内ケース２７と、案内ケース２７の上面に圧接する加圧部材１５と、案内ケース２６の側部を嵌め合わせた案内板１６からなり、振動拡大部材１２の先端は、円盤状の移動体２８に圧接している。

ここで、案内ケース２７は、コの字状の案内ケース本体の両腕から圧電振動子１１の伸縮振動の節に向けて突出する節案内部２７ａ、２７ａと、案内ケース本体の角部から圧電振動子１１へ突出する端部案内部２７ｂを有する。

節案内部２７ａ、２７ａは、圧電振動子１１のうち伸縮振動の節であって、加圧部材１５の加圧する方向と垂直な幅方向において対向する両部位および加圧方向に対して垂直な厚み方向において対向する両部位に対して当接する（図１（ｂ）参照）。

端部案内部２７ｂ、２７ｂは、圧電振動子１１のうち振動拡大部材１２と反対側の端部であって、加圧部材１５の加圧する方向と垂直な幅方向において、対向する両部位及び加圧方向に対して垂直な厚み方向において、対向する両部位、並びに、移動体２７との圧接部と反対側の端面に当接する。

そして、節案内部２７ａ、２７ａ、端部案内部２７ｂ、２７ｂは、圧電振動子１１を加圧方向に対して垂直な方向へ移動させず、加圧方向へ案内する。 また、加圧部材１５は、圧電振動子１１のうち振動拡大部材１２と反対側の対応する部位と振動拡大部材１２とを結ぶ方向へ、案内ケース２７を加圧し、振動拡大部材１２と移動体２８との間に、全ての加圧力が加わる。

次に、この超音波モータの動作について説明する。

圧電振動子１１に伸縮振動及び屈曲振動を生じさせ、また、加圧部材１５により、案内ケース２７を介して圧電振動子１１を加圧し、振動拡大部材１２を移動体２７に圧接させる。

このとき、節案内部２７ａ、２７ａ、端部案内部２７ｂ、２７ｂは、圧電振動子１１を加圧方向に対して垂直な方向へ移動させず、加圧方向へ案内するので、屈曲振動及び伸縮振動は安定し、圧電振動子１１の移動体２８との圧接部位は変位しない。そして、移動体２８は一方向へ回転する。

以上より、本実施の形態によれば、案内ケース２７の節案内部２７ａ、２７ａ、端部案内部２７ｂ、２７ｂは、圧電振動子１１を加圧方向に対して垂直な方向へ移動させず、加圧方向へ案内し、屈曲振動及び伸縮振動を安定させ、圧電振動子１１の移動体２８との圧接部位を変位されないので、大きな加圧力が振動拡大部材１２と移動体２８の圧接部に加わり、大きなトルクを発生させるとともに、トルクを安定させる。

さらに、加圧部材１５により、振動拡大部材１２と反対側の対応する部位から振動拡大部材１２へ加圧するようにしたので、振動拡大部材１２と移動体２８との間に、全ての加圧力が加わり、大きなトルクを発生させる。

（実施の形態６）
図９は、本発明を適用した実施の形態６に係わる超音波モータを示し、（ａ）は側面の構造、（ｂ）は、背面の構造、（ｃ）は底面から観察した構造を示す。 この超音波モータは、積層型の圧電振動子３１と、圧電振動子３１の底面に設けた振動拡大部材１２と、圧電振動子３１の屈曲振動の節に固定された固定部材３２と、圧電振動子３１の上面を圧接する加圧部材１５と、固定部材３２と嵌合した本発明の案内部材としての案内板３３からなり、振動拡大部材１２は、移動体１７に圧接している。

図１０は、圧電振動子の積層構造を示す図である。

圧電振動子３１は、同図（ａ）〜（ｄ）に示す第１の圧電振動子３１１と、第２の圧電振動子３１２と、第３の圧電振動子３１３と、第４の圧電振動子３１４を積層して焼き固めた構造である。

第１の圧電振動子３１１、第２の圧電振動子３１２は、同図（ａ）、（ｂ）に示すように、略全面に図中表側を（＋）、裏側を（−）として分極処理を施し、分極部３１１ａ、３１２ａとしている。また、分極部３１１ａ、３１２ａに対応して表側に電極を形成する。また、屈曲振動の節部に固定部材３２を貫通させる２つの貫通孔３１１ｂ、３１１ｂ、３１２ｂ、３１２ｂを形成している。

第３の圧電振動子３１３、第４の圧電振動子３１４は、同図（ｃ）、（ｄ）に示すように、矩形体を４分割した各分割部に対して表側を（＋）、裏側を（−）として分極処理を施し、第１の分極部３１３ａ、３１４ａ、第２の分極部３１３ｂ、３１４ｂ、第３の分極部３１３ｃ、３１４ｃ、第４の分極部３１３ｄ、３１４ｄとしている。また、屈曲振動の節部に固定部材３２を貫通させる貫通孔３１３ｅ、３１３ｅ、３１４ｅ、３１４ｅを形成している。

また、第１の圧電振動子３１１、第２の圧電振動子３１２、第３の圧電振動子３１３、第４の圧電振動子３１４の裏側には、同図（ｅ）に示すように、略全面に電極を形成し、表側の電極の対極としている。

また、圧電振動子３１の一方の側面には、同図（ｇ）に示すように、第１の側面電極３１ａ、第２の側面電極３１ｂ、第３の側面電極３１ｃを厚み方向へ形成し、反対の側面に第４の側面電極、第５の側面電極を形成する。

第１の側面電極３１ａは、第１の圧電振動子３１１の分極部３１１ａに形成した電極と第２の圧電振動子３１２の分極部３１２ａに形成した電極とを導通させる。第２の側面電極３１ｂは、第３の圧電振動子３１３の第１の分極部３１３ａに形成した電極と第４の圧電振動子３１４の第１の分極部３１４ａに形成した電極とを導通させる。第３の側面電極３１ｃは、第３の圧電振動子３１３の第４の分極部３１３ｄに形成した電極と第４の圧電振動子３１４の第４の分極部３１４ｄに形成した電極とを導通させる。第４の側面電極は、第３の圧電振動子３１３の第２の分極部３１３ｂに形成した電極と第４の圧電振動子３１４の第２の分極部３１４ｂに形成した電極とを導通させる。第５の側面電極は、第３の圧電振動子３１３の第３の分極部３１３ｃに形成した電極と第４の圧電振動子３１４の第
３の分極部３１４ｃに形成した電極とを導通させる。

なお、同図（ｆ）に、例えば第１の圧電振動子３１１を用いて示すように、後述する固定軸３２１、３２１を貫通させる各圧電振動子３１１、３１２、３１３、３１４に貫通孔３１１ｂ、３１２ｂ、３１３ｅ、３１４ｅより径の大きく電極３１１ｃを形成し、電極３１１ｃと固定軸３２１、３２１との間に、円環状の絶縁スペース３１１ｄ、３１１ｄを設けてもよい。このようにすれば、固定軸３２１、３２１と電極３１１ｃとは絶縁され、両者の短絡は防止される。

また、図９に示すように、固定部材３２は、圧電振動子３１に貫通した固定軸３２１と、固定軸３２１の周囲にあって、圧電振動子３１に当接させたゴムシート３２２、３２２と、固定軸３２１とネジで固定したプレート３２３と、プレート３２３と圧電振動子３１との間に配設したナット３２４、３２４とからなる。

固定軸３２１、３２１は、ナット３２４及びプレート３２３を固定する部位の周面にネジを形成している。ゴムシート３２２は、圧電振動子３１より低い弾性率なので、圧電振動子３１から振動もれを防止する。プレート３２３は、同図（ｃ）に示すように、加圧方向に沿って断面台形状に成形している。

この固定部材３２の組立方法は、圧電振動子３１の屈曲振動の節に設けた貫通孔３１１ｂ…３１４ｅに、固定軸３２１を貫通させ、次に、固定軸３２１に沿った圧電振動子３１の両面にゴムシート３２２を当接させた状態で、固定軸３２１にナット３２４、３２４をプレート３２３を通すとともに、固定軸３２１を回転させてナット３２４、３２４を締め、圧電振動子３１に固定させる。

案内板３３は、圧電振動子３１の加圧方向に沿って設けられ、加圧方向に沿って、断面台形状の案内溝３３ａを形成し、この案内溝３３ａにプレート３２３を嵌め合わせている。そして、プレート３２３と対になって、固定部材３２を加圧方向へ案内し、また、断面台形状の案内溝３３ａの下辺と斜辺をプレート３２３に当接させているので、固定部材３２を加圧方向に対して垂直な方向へ移動させない。

加圧部材１５は、圧電振動子３１のうち振動拡大部材１２と反対側の部位を振動拡大部材１２へ加圧する。なお、加圧部材１５は、前述の加圧方向へ固定部材３２の固定軸３２１を加圧してもよいし、プレート３２３の端面を加圧してもよい。

次に、この超音波モータの動作について説明する。

第１の圧電振動子３１１と第２の圧電振動子３１２に伸縮振動を生じさせ、第３の圧電振動子３１３と第４の圧電振動子３１４に屈曲振動を生じさせ、振動拡大部材１２を楕円振動させる。一方、加圧部材１５は、振動拡大部材１２と反対側の対応する部位を振動拡大部材１２へ加圧する。

このとき、案内板３３はプレート３２３とともに、固定部材３２を加圧方向へ案内するとともに、固定部材３２を加圧方向に対して垂直な方向へ移動させない。また、固定部材３２に固定した圧電振動子３１も加圧方向へ案内され、加圧方向に対して垂直な方向へ移動しない。よって、屈曲振動及び伸縮振動は安定し、圧電振動子３１の移動体１７との圧接部位は変位しない。

そして、振動拡大部材１２と移動体１７との間に大きな摩擦力が生じ、移動体１７は高速で移動する。

以上より、本実施の形態によれば、固定部材３２と案内板３３とにより、圧電振動子３１を加圧方向に案内し、加圧方向に対して垂直な方向へ移動させないようにし、屈曲振動及び伸縮振動を安定させ、振動拡大部材１２と移動体１７との圧接部位を滑らせないようにしたので、圧電振動子３１に大きな加圧力を加えられ、大きなトルクを生じさせるとともに、トルクを安定させる。

また、固定軸３２１と電極３１１ｃとの間に絶縁スペース３１１ｄを設けるので、固定軸３２１と電極３１１ｃとは絶縁され、電極３１１ｃと固定軸３２１との短絡は防止される。

また、圧電振動子３１は、第１の圧電振動子３１１と第２の圧電振動子３１２に伸縮振動を生じさせ、第３の圧電振動子３１３と第４の圧電振動子３１４とにより屈曲振動を生じさせるので、さらに大きなトルクを発生させる。

（実施の形態７）
図１１は、本発明を適用した実施の形態７に係わる超音波モータを示し、（ａ）は正面の構造、（ｂ）は側面の構造を示す。

この超音波モータは、圧電振動子３１と、圧電振動子３１の底面に設けた振動拡大部材１２、１２と、圧電振動子３１の振動拡大部材１２、１２と反対側の対応する部位に設けたバランス用突起２１、２１と、バランス用突起２１、２１の上面を加圧する加圧部材１５、１５と、圧電振動子３１の厚み方向に固定された固定部材３６と、固定部材３６に対して当接する案内部材３７から構成されている。

ここで、固定部材３６は、加圧方向に対して垂直な方向へ圧電振動子３１の伸縮振動の節を貫通する固定軸３６ａと、圧電振動子３１と案内部材３７との間に設けたスペーサ３６ｂ、３６ｂからなる。

案内部材３７は、コ字状の各先端部に圧電振動子３１の加圧方向へ延びる案内溝３７ａ、３７ａを形成している。この案内溝３７ａ、３７ａの各側面は、固定軸３６ａのうち加圧方向に対して垂直な圧電振動子３１の厚み方向において、対向する両先端面に当接するとともに、固定軸３６ａのうち加圧方向に対して垂直な圧電振動子３１の長手方向において、対向する両部位に当接している。

そして、案内部材３７は、加圧方向に対して垂直方向へ固定軸３６ａを移動させず、加圧方向へのみ案内し、固定軸３６ａを固定した圧電振動子３１も加圧方向に対して垂直な方向へ移動せず、加圧方向へ案内される。

以上より、本実施の形態によれば、案内部材３７、固定部材３６により、圧電振動子３１を加圧方向に対して垂直な方向へ移動させず、加圧方向へ案内し、屈曲振動及び伸縮振動を安定させ、振動拡大部材１２、１２の移動体１７との圧接部を変位させないようにしたので、移動体１７と振動拡大部材１２、１２との間に大きな加圧力が加わり、大きなトルクを発生させるとともに、トルクを安定させる。

また、加圧部材１５、１５により、圧電振動子３１のうち振動拡大部材１２、１２と反対側の部位を振動拡大部材１２、１２へ向けて加圧するようにしたので、全ての加圧力は、振動拡大部材１２、１２と移動体１７との圧接部位に加わり、大きなトルクを発生させる。

また、圧電振動子３１のうち振動拡大部材１２、１２に対して反対側の部位にバランス用突起２１、２１を設けているので、圧電振動子３１の上部と下部の慣性モーメントは等しくなり、圧電振動子３１のバランスは保たれ、屈曲振動及び伸縮振動は安定する。

（実施の形態８）
図１２は、本発明を適用した実施の形態８に係わる超音波モータを示し、（ａ）は正面の構造、（ｂ）は側面の構造を示す。

この超音波モータは、圧電振動子３１と、圧電振動子３１の底面に設けた振動拡大部材１２、１２と、圧電振動子３１に固定された固定部材４１と、固定部材４１を当接させた案内部材４２、４２と、固定部材４１に圧接させた加圧部材１５からなる。

ここで、固定部材４１は、圧電振動子３１の屈曲振動の節を加圧方向へ垂直な方向へ貫通する固定軸４１ａ、４１ａと、固定軸４１ａ、４１ａの両端部を固定するコ字状部材４１ｃと、コの字状部材４１ｃと圧電振動子３１との間のスペースに設けたスペーサ４１ｂ、４１ｂと、コ字状部材４１ｃの上面から加圧方向と平行に上方へ突出する円柱状部材４１ｄ、４１ｄからなる。

案内部材４２、４２は、断面円環状であり圧電振動子３１の加圧方向へ延びている。また、内周面に固定部材４１の円柱状部材４１ｄ、４１ｄの外周面を当接させ、円柱状部材４１ｄ、４１ｄを摺動自在としている。

そして、案内部材４２、４２は、円柱状部材４１ｄ、４１ｄを加圧方向に対して垂直な方向へ移動させず、加圧方向へ案内する。即ち、固定部材４１に固定する圧電振動子３１は加圧方向に対して垂直な方向へ移動せず、加圧方向へ案内する。

以上より、本実施の形態によれば、固定部材４１、案内部材４２により、圧電振動子３１を加圧方向に対して垂直な方向へ移動させず、加圧方向へ案内するようにし、屈曲振動及び伸縮振動を安定させ、振動拡大部材１２、１２の移動体１７との圧接部位を変位させないようにしたので、振動拡大部材１２、１２と移動体１７との間に大きな加圧力が加えられ、大きなトルクを発生させるとともに、トルクを安定させる。

（実施の形態９）
図１３は、本発明を適用した実施の形態９に係わる超音波モータ付電子機器のブロック図を示す。

超音波モータ付電子機器５０は、前述の圧電振動子５１と、圧電振動子５１により可動される移動体５２と、移動体５２と圧電振動子５１とを加圧する加圧機構５３と、移動体５２と連動して可動する伝達機構５４と、伝達機構５４の動作に基づいて運動する出力機構５５を備えることにより実現する。

ここで、伝達機構５４には、例えば、歯車、摩擦車等の伝達車を用いる。出力機構５５には、例えば、カメラにおいてはシャッタ駆動機構、レンズ駆動機構を、電子時計においては指針駆動機構、カレンダ駆動機構を、工作機械においては刃具送り機構、加工部材送り機構等を用いる。

超音波モータ付電子機器５０としては、例えば、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、移動装置などに適用される。

なお、移動体５２に出力軸を取り付け、出力軸からトルクを伝達するための動力伝達機構を有する構成にすれば、超音波モータ単体で駆動機構が実現される。

本発明の超音波モータは、精密な位置決めが必要とされるステージの他、情報記録機器における読み取りヘッド並びに書き込みヘッドの駆動、デジタルカメラ、ビデオカメラ等におけるレンズの駆動、更には小型、薄型、低消費電力が要求される腕時計における様々な駆動部（カレンダ、指針等）の駆動にも使用可能であり、様々な電子機器の駆動源として適用可能である。

本発明を適用した実施の形態１に係わる超音波モータを示し、（ａ）は正面の構造、同図（ｂ）は底面の構造を示す説明図である。 図１に係わる圧電振動子の構造、振動状態を示す説明図である。 図１に係わる圧電振動子の構造、振動状態を示す説明図である。 図１に係わる圧電振動子に生じる伸縮振動、屈曲振動の節の位置を示す説明図である。 本発明を適用した実施の形態２に係わる超音波モータを示し、同図（ａ）は正面の構造、同図（ｂ）は底面の構造を示す説明図である。 本発明を適用した実施の形態３に係わる超音波モータを示し、（ａ）は正面の構造、（ｂ）は底面の構造を示す説明図である。 本発明を適用した実施の形態４に係わる超音波モータを示し、（ａ）は正面構造、（ｂ）は底面構造を示す説明図である。 本発明を適用した実施の形態５に係わる超音波モータの正面の構造を示す。 本発明を適用した実施の形態６に係わる超音波モータを示し、（ａ）は側面の構造、（ｂ）は、背面の構造、（ｃ）は底面から観察した構造を示す説明図である。 図９に係わる圧電振動子の積層構造を示す説明図である。 本発明を適用した実施の形態７に係わる超音波モータを示し、（ａ）は正面の構造、（ｂ）は側面の構造を示す説明図である。 本発明を適用した実施の形態８に係わる超音波モータを示し、（ａ）は正面の構造、（ｂ）は側面の構造を示す説明図である。 本発明を適用した実施の形態９に係わる超音波モータ付電子機器のブロック図を示す説明図である。 従来技術に係わる超音波モータの構造を示す。

符号の説明

超音波モータ １０
圧電振動子 １１
振動拡大部材 １２
低弾性率部材 １３
案内ケース １４
加圧部材 １５
バランス用突起 ２１
案内ケース ２２
振動拡大突起 ２３
案内ケース ２４
案内ケース ２５
固定部材 ２６
案内ケース ２７
圧電振動子 ３１
絶縁スペース ３１１ｃ
固定部材 ３２
案内板 ３３
固定部材 ３６
案内部材 ３７
固定部材 ４１
案内部材 ４２

Claims (8)

1. 圧電素子を有する板状の圧電振動子と、
   前記圧電振動子の振動により前記圧電振動子と相対運動する移動体と、
   前記圧電振動子に設けられ、前記移動体と接する突起と、
   からなる超音波モータにおいて、
   前記突起が設けられている前記圧電振動子の側面と反対側の側面にはバランス用突起が設けられていることを特徴とする超音波モータ。
2. 前記突起は、前記圧電振動子との境界部の面積が前記移動体との接触面積よりも大きくなる形状を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記突起は前記圧電振動子と前記移動体の相対運動方向に設けられた曲面部を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記突起が設けられている前記圧電振動子の側面と反対側の側面にはバランス用突起が設けられていることを特徴とする請求項1から請求項３のうち何れか１項に記載の超音波モータ。
5. 前記圧電振動子は矩形形状であり、前記圧電振動子に励振される振動は屈曲振動と伸縮振動との合成振動であることを特徴とする請求項１から請求項４のうち何れか１項に記載の超音波モータ。
6. 前記圧電振動子を前記移動体との接触方向に移動可能に案内する案内部材と、前記突起と前記移動体との間に接触圧を与える加圧部材を有することを特徴とする請求項１から請求項５のうち何れか１項に記載の超音波モータ。
7. 前記加圧部材の加圧力は前記バランス用突起に加わることを特徴とする請求項１から請求項６のうち何れか１項に記載の超音波モータ。
8. 請求項１から請求項７のうち何れか１項に記載の超音波モータを備えたことを特徴とする超音波モータ付電子機器。

Images