JP2008283756A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの全円周にわたって同一の回転特性を得ることができる内接型の超音波モータを提供する。
【解決手段】超音波モータ１は、内周面を有するロータ２００と、内周面に２の点で接触する超音波振動子１１と、超音波振動子１１に接続された上側および下側接続部材３０および３１と、上側および下側接続部材３０および３１に設けられ、ロータ２００を内周面の接線方向に移動させながら、超音波振動子と協働してロータ２００の中心の位置を維持し得るように内周面に１点で接触する円盤部材６１と、超音波振動子１１上の２点および円盤部材６１上の１点をロータ２００の中心から内周面に向かって押し付けるように上側および下側接続部材３０および３１を弾性変形させ得る押付機構１０００とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波モータに関するものである。

従来から、圧電素子の振動を利用する超音波モータが用いられている。この超音波振動子は、磁気の影響を受けず、小型であり、高いトルクを有し、高い応答速度を有し、かつ、無通電状態において停止しているなど、電磁モータとは異なる様々な特徴を有している。そのため、超音波振動子は、特に携帯電話のオートフォーカス駆動機構等のための有望な素子である。

超音波振動子が円筒形のロータの内周面に接触している構造、すなわち内接構造を有する超音波モータは、ロータ専用の支持機構を設ける必要がなく、円筒ロータの径が同一であれば、超音波振動子が円筒形のロータの外周面に接触している構造、すなわち外接構造を有する超音波モータに比較して、部品点数を低減することができる。そのため、超音波モータの体積を小さくすることが可能である。

図２８は、特開平１−８１６７１号公報において開示されている超音波モータ９００であって、前述のロータ専用の支持機構を有していない内接構造の超音波モータの一例を示している。超音波モータ９００は、１次縦振動および２次屈曲振動のそれぞれが同一周波数で生じるように設計されたステータ９０１を有している。ステータ９０１には、位相が９０°異なる２つの交流信号が印加される。それにより、ステータ９０１が楕円振動するとともに、ステータ９０１からロータ９０２へ楕円運動が伝達される。その結果、ロータ９０２が回転する。また、ロータ９０２は、ボルト９０３を用いて、ロータ９０２の内周が小さくなるように締め付けられている。それにより、静的な圧縮応力がロータ９０２からステータ９０１へかけられている。
特開平１−８１６７１号公報

特開平１−８１６７１号公報に開示された超音波モータ９００においては、ロータ９０２の回転に起因したロータ９０２またはステータ９０１の摩耗を低減すること必要であるとともに、それらの製造誤差に起因した悪影響を補償することが必要である。そのため、ロータ９０２からステータ９０１へかけられている圧縮応力（予圧）を調整することが必要である。この調整においては、ボルト９０３の締め付け力を調整することが必要である。

しかしながら、この調整によれば、ロータ９０２の径が変化してしまう。したがって、ロータ９０２の径を一定に維持することが必要である場合においては、ボルト９０３の締め付け力の調整を行うことができないという問題が生じる。また、ボルト９０３の締め付け力の調整によれば、ロータ９０２を構成する材料の弾性変形領域においてのみ、ロータ９０２とステータ９０１との間に生じる力を変更することが可能である。たとえば、セラミックなどの脆い材料をロータ材料として用いる場合には、ロータ９０２からステータ９０１へ大きな力をかけることによって互いの間に生じる力を調整することが非常に困難である。

さらに、上述の超音波モータ９００においては、ロータ９０２が完全な円筒ではなく、圧縮応力を調整するための部位において、ロータ９０２が継ぎ目を有している。そのため、継ぎ目の位置においては、ロータ９０２とステータ９０１とが接触していないため、駆動力が得られない。したがって、ロータ９０２の円周全体にわたって均一な回転特性（回転速度、トルク）を得ることが困難である。

さらに、上述の超音波モータ９００においては、１次縦振動および２次屈曲振動を同時に生じさせるために、図２８に示されるように、長辺（Ｄ）に対するステータ９０１の短辺（Ｗ）の比（Ｗ／Ｄ）を０．２６にすることが必要であるため、ロータ９０２の回転面内（ｘ−ｙ面）のステータ９０１の大きさはロータ９０２の径によって決定されてしまう。このため、ステータ９０１の占有面積は、ステータ９０１の存在する高さにおけるロータ９０２の内径によって決定されてしまう。

さらに、上述の超音波モータ９００によれば、図２９に示されるように、ロータ９０２を支持する２点を結ぶ直線がロータ９０２の中心Ｏを横切っている。この構成によれば、ｚ軸方向、すなわち紙面に垂直な方向の力が、ステータ９０１とロータ９０２との接点の位置以外の位置に加えられると、白抜き矢印Ｒ１およびＲ２で示されるように、ロータ９０２がｙ軸まわりに回転してしまう。

さらに、上述の超音波モータ９００においては、ロータ９０２とステータ９０１とが２点のみで接触しているため、図３０に示されるように、ステータ９０１またはロータ９０２が磨耗すると、ステータ９０１が、ロータ９０２に対して、横滑りする、すなわちｘｙ平面内において位置ずれするおそれがある。この横滑りに起因して、ステータ９０１がロータ９０２に食い込んだり、２接点を結ぶ直線がロータの中心からずれてしまったりする。それにより、ロータ９０２がｙ軸まわりに回転してしまう。その結果、ロータ９０２が連続的に回転することができなくなるおそれがある。

なお、前述の問題に類似する問題が、超音波振動子が円形の内周面を有する固定部材の内周面に沿って回転する超音波モータにも生じる。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転運動の全円周にわたって実質的に同一の回転特性を得ることができる内接型の超音波モータを提供することである。

また、前述の問題に類似する問題が、リニア可動子または超音波振動子が往復直線運動する内接型の超音波モータにも生じる。したがって、本発明の他の目的は、リニア可動子または超音波振動子の直線往復運動の全長にわたって実質的に同一の運動特性を得ることができる内接型のリニア超音波モータを提供することである。

本発明の一の局面の超音波モータは、平面視において円形の内周面を有するロータと、内周面に２以上の点で接触する１または２以上の超音波振動子と、１または２以上の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材とを備えている。また、超音波モータは、それぞれが、接続部材に設けられ、ロータを内周面の接線方向に移動させながら、１または２以上の超音波振動子と協働してロータの回転中心の位置を維持し得るように内周面に１点で接触する、１以上の接触機構を備えている。さらに、超音波モータは、１または２以上の超音波振動子上の２以上の点および１以上の接触機構のそれぞれ上の１点をロータの中心から内周面に向かって押し付けるように接続部材を弾性変形させ得る押付機構を備えている。

上記の構成によれば、少なくとも３点が、押付機構によって、ロータの中心から内壁面に向かって押し付けられる。そのため、２点がロータに押し付けられる場合に比較して、ロータの全周にわたって均一な回転特性が得られ易くなる。さらに、ロータの内周面が３以上の点で支持されているため、ロータ回転面内における超音波振動子とロータとの間の滑りおよびロータ回転面に対して垂直な方向における超音波振動子とロータとの間の滑りが、ロータの内周面が２点で支持されている場合に比較して小さくなる。その結果、超音波振動子とロータとの間における安定した接触状態を維持し易くなる。

また、超音波モータは、１または２以上の超音波振動子のそれぞれが長方形の平板形状を有し、２以上の点が長方形の２以上の角部上の点または２以上の角部にそれぞれ設けられた２以上の突起上の点であってもよい。これによれば、簡単な構成で１の超音波振動子上の２点をロータの内周面に接触させることができる。

また、超音波モータは、１または２以上の超音波振動子のそれぞれが円弧状をなしており、２以上の点が、円弧状の外周面上に設けられた２つの突起のそれぞれ上の点または２つの突起のそれぞれに設けられた突起上の点であってもよい。これによれば、同一体積の長方形の平板形状を有する超音波振動子を用いる場合に比較して、内周面の法線方向および接線方向における超音波振動子の振幅が大きくなるため、高いパワーを発生させることができる。

本発明の他の局面の超音波モータは、平面視において円形の内周面を有する固定部材と、内周面に２以上の点で接触する１または２以上の超音波振動子と、１または２以上の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材とを備えている。また、超音波モータは、それぞれが、接続部材に設けられ、内周面の接線方向に移動しながら、１または２以上の超音波振動子と協働して１または２以上の超音波振動子のロータの内周面に沿った回転の中心位置を維持し得るように内周面に１点で接触する、１以上の接触機構を備えている。さらに、超音波モータは、１または２以上の超音波振動子上の２以上の点および１以上の接触機構のそれぞれ上の１点をロータの中心から内周面に向かって押し付けるように接続部材を弾性変形させ得る押付機構を備えている。

上記の構成によれば、前述の一の局面の発明と同様に、ロータの全周にわたって均一な回転特性が得られ易くなるとともに、超音波振動子とロータとの間における安定した接触状態を維持し易くなる。

本発明の他の局面の超音波モータは、平面視において互いに平行な２つの内壁面を有するリニア可動子と、２つの内壁面に２以上の点で接触する１または２以上の超音波振動子と、１または２以上の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材とを備えている。また、超音波モータは、それぞれが、接続部材に設けられ、１または２以上の超音波振動子と協働してリニア可動子を２つの内壁面のそれぞれに平行に移動させ得る状態を維持し得るように、２つの内壁面のいずれかに１点で接触する、１以上の接触機構を備えている。さらに、超音波モータは、１または２以上の超音波振動子上の２以上の点および１以上の接触機構のそれぞれ上の１点を２つの内壁面に対して押し付けるように接続部材を弾性変形させ得る押付機構を備えている。

上記の構成によれば、リニア可動子の内壁面の全長にわたって均一な移動特性が得られ易くなるとともに、超音波振動子とリニア可動子との間における安定した接触状態を維持し易くなる。

超音波モータは、平面視において互いに平行な２つの内壁面を有する固定部材と、２つの内壁面に２以上の点で接触する１または２以上の超音波振動子と、１または２以上の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材とを備えている。また、超音波モータは、それぞれが、接続部材に設けられ、１または２以上の超音波振動子が２つの内壁面のそれぞれに対して平行に移動し得る状態を維持し得るように、内壁面に１点で接触する、１以上の接触機構を備えている。超音波モータは、１または２以上の超音波振動子上の２以上の点および１以上の接触機構のそれぞれ上の１点を２つの内壁面に対して押し付けるように接続部材を弾性変形させ得る押付機構を備えている。

上記の構成によっても、リニア可動子の内壁面の全長にわたって均一な移動特性が得られ易くなるとともに、超音波振動子とリニア可動子との間における安定した接触状態を維持し易くなる。

本発明のさらに他の局面の超音波モータは、平面視において円形の内周面を有するロータと、ロータを内周面の接線方向に移動させ得る状態で、ロータの回転中心の位置を維持し得るように、内周面に３以上の点で接触する複数の超音波振動子と、複数の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材とを備えている。また、超音波モータは、３以上の点をロータの中心から内周面に向かって押し付けるように接続部材を弾性変形させ得る機構を備えている。

上記の構成によれば、ロータに接触する部位はすべて複数の超音波振動子上のいずれかの点である。そのため、ロータと接触機構とが接触する場合に比較して、ロータと接触機構との接触に起因するロータの回転力のロスの分だけ、高いパワーを得ることができる。

また、超音波モータは、複数の超音波振動子のそれぞれが、長方形の平板形状を有しており、３以上の点が、複数の長方形の平板形状を有する超音波振動子の３以上の角部上の点または３以上の角部にそれぞれ設けられた３以上の突起上の点であってもよい。

上記の構成によれば、シンプルな構造でありかつ高いパワーが得られる超音波モータを実現することができる。

超音波モータは、複数の超音波振動子のそれぞれが、円弧状をなしており、３以上の点が、複数の円弧状の超音波振動子の３以上の外周面に設けられた突起上の点であってもよい。

複数の円弧状の超音波振動子によれば、それぞれが同一体積の複数の長方形の平板形状を有する超音波振動子に比較して、ロータの内周面の法線方向における振幅およびロータの内周面の接線方向における振幅のいずれもが大きい。そのため、高いパワーを発生させることができる。

また、別の局面の超音波モータは、平面視において円形の内周面を有する固定部材と、内周面の接線方向に移動し得る状態で、内周面に沿った回転の中心位置を維持し得るように、内周面に３以上の点で接触する複数の超音波振動子とを備えている。また、超音波モータは、複数の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、３以上の点を中心位置から内周面に向かって押し付けるように接続部材を弾性変形させ得る機構とを備えている。

上記の構成によれば、固定部材に接触する部位はすべて複数の超音波振動子上のいずれかの点である。そのため、接触機構と固定部材とが接触する場合に比較して、接触機構と接触機構との接触に起因する超音波振動子の移動力のロスの分だけ、高いパワーを得ることができる。

またさらに別の局面の超音波モータは、平面視において互いに平行な２つの内壁面を有するリニア可動子と、リニア可動子を２つの内壁面に平行な方向に移動させ得る状態で、リニア可動子の移動の方向を維持し得るように、内壁面に３以上の点で接触する複数の超音波振動子とを備えている。また、超音波モータは、複数の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、３以上の点を２つの内壁面に対して押し付けるように接続部材を弾性変形させ得る機構とを備えている。

上記の構成によれば、リニア可動子に接触する部位はすべて複数の超音波振動子上のいずれかの点である。そのため、接触機構とリニア可動子とが接触する場合に比較して、接触機構とリニア可動子との接触に起因するリニア可動子の移動力のロスの分だけ、高いパワーを得ることができる。

また、異なる局面の超音波モータは、平面視において互いに平行な２つの内壁面を有する固定部材と、２つの内壁面に平行な方向に移動し得る状態で、移動の方向を維持し得るように、２つの内壁面に３以上の点で接触する複数の超音波振動子とを備えている。また、超音波モータは、複数の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、３以上の点を２つの内壁面に対して押し付けるように接続部材を弾性変形させ得る機構とを備えている。

上記の構成によれば、固定部材に接触する部位はすべて複数の超音波振動子上のいずれかの点である。そのため、固定部材と接触機構とが接触する場合に比較して、接触機構と固定部材との接触に起因する超音波振動子の移動力のロスの分だけ、高いパワーを得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の超音波モータを説明する。
（実施の形態１）
まず、図１〜図１０を用いて、本発明の実施の形態１の超音波モータを説明する。

図１〜図３に示されるように、本実施の形態１の超音波モータ１は、長方形の平板形状を有する矩形平板タイプの超音波振動子１１、および、超音波振動子１１によって駆動されるロータ２００を備えている。また、超音波モータ１は、ロータ２００に接触する接触機構としての円盤部材６１を備えている。円盤部材６１は、ロータ２００を内周面の接線方向に移動させながら、かつ、ロータ２００を内周面の法線方向に押し付ける。また、超音波モータ１は、装置の本体に接続されたシャフト１００を備えている。

なお、本発明の超音波モータは、超音波振動子がロータの内周面に接触しておりかつ所望の楕円振動を発生させるものであれば、いかなるものであってもよいため、以下の実施の形態に示される構造を有する超音波モータに限定されない。たとえば、超音波振動子の、大きさ、形状、および材料等は、本発明の目的を達成できかつ効果を得ることができるのであれば、いかなるものであってもよい。

＜全体構成＞
前述のように超音波モータ１は、矩形平板タイプの超音波振動子１１を有している。超音波モータ１は長方形の振動板２１を有している。振動板２１は、上側接続部材３０および下側接続部材３１によって、縦振動の節の位置の近傍で支持されている。上側接続部材３０は、シャフト１００に対して、ｚ軸方向の並進運動以外の５つの運動、すなわち、ｘ軸方向の並進運動、ｙ軸方向の並進運動、ｘ軸方向の周り回転運動、ｙ軸周りの回転運動、ｚ軸周り回転運動からなる５つの運動が拘束されるように、接続されている。また、下部接続部材３１は、前述の５つの運動にｚ軸軸方向の並進運動を加えた６つの運動のすべてが拘束されるように、シャフト１００に固定されている。

また、超音波モータ１は、接触機構を備えている。接触機構は、円盤部材６１および円盤支持部材６０を有している。接触機構は、シャフト１００に対して、超音波振動子１１の反対側の上側接続部材３０に取り付けられている。シャフト１００は、図示されていない外部に設けられた装置の本体に固定されている。振動板２１の上側接続部材３０および下側接続部材３１が設けられている辺と反対側の辺の２つの角部が、ロータ２００の内周面に当接している。

また、超音波振動子１１には、電極７１、７２、７３、７４、７５および圧電素子５０のそれぞれが２つずつ設けられている。電極７１、７２、７３、７４、７５および圧電素子５０のそれぞれは、上下方向において面対称に設けられている。電極７１、７２、７３、７４および７５は、所定の信号が入力され得るように、制御装置（図示せず）に電気的に接続されている。

また、本実施の形態の超音波振動子１１においては、圧電素子５０が、逆圧電効果を利用して電極７１、７２、７３、７４および７５に印加された交流電界によって振動する。圧電素子５０の振動は、振動板２１に伝達される。その結果、角部Ｓ１およびＳ２が、それぞれ、矢印Ｅ１およびＥ２で示される楕円軌道を描くように、振動板２１が振動する。その結果、角部Ｓ１およびＳ２に接触しているロータ２００が円軌道Ｃに沿って移動する。すなわち、ロータ２００が回転する。なお、ロータ２００の内径は１０ｍｍである。

＜超音波振動子＞
次に、矩形平板タイプの超音波振動子１１の構造がより詳細に説明される。

図１〜図３に示されるように、超音波振動子１１は、上側主板部４０および下側主板部４１からなる振動板２１、電極７５、２つの圧電素子５０、および電極７１、７２、７３および７４を備えている。

振動板２１を構成する上側主板部４０と下側主板部４１とは上下方向において互いの一方の主表面同士が接触するように設けられている。上側主板部４０および下側主板部４１のそれぞれの他方の主表面上には電極７５の一方の主表面が接着されている。圧電素子５０上の２つの電極７５のそれぞれの他方の主表面上には電極７１、７２、７３および７４が接着されている。

上側主板部４０および下側主板部４１は、それぞれ、幅１．３５ｍｍ、長さ６．０ｍｍ、かつ厚さ０．２ｍｍの平板状部材からなり、図３におけるｘｙ平面に平行であるものとする。また、上側接続部材３０は、上側主板部４０の長辺の中央位置からｘｙ平面に対して斜め上方に延びている。また、下側接続部材３１は、下側主板部４１の長辺の中央位置からｘｙ平面に対して斜め下方に延びている。

上側接続部材３０は、１.０ｍｍ×１.０ｍｍの正方形の貫通孔を有する上側のプレート８０の一の辺およびその一の辺に対向する他の辺に接続されている。下側接続部材３１は、１.０ｍｍ×１.０ｍｍの正方形の貫通孔を有する下側のプレート８０の一の辺およびその一の辺に対向する他の辺に接続されている。上側のプレート８０の正方形の貫通孔と下側のプレート８０の正方形の貫通孔とは、ｘｙ平面に対して垂直な方向の平面視において、同一位置に設けられている。２つのプレート８０のそれぞれの貫通孔の形状は、シャフト１００の外形とほぼ同一である。また、ｘｙ平面に対して垂直な方向の平面視において、プレート８０の貫通孔の中心から超音波振動子１１とロータ２００との接触点までの距離が、ロータ２００の半径と一致する、すなわち、貫通孔８０の中心はロータ２００の中心と一致するように、上側接続部材３０および下側接続部材３１の長さが設定されている。上側主板部４０と下側主板部４１とは互いに接着されている。振動板２１の反対側の端には、前述の接触機構が設けられている。接触機構は円盤部材６１および円盤支持部材６０を有する。円盤部材６１がロータ２００の内周面に接触するように設けられている。円盤部材６１は、ロータ２００の内周面に接触して、ロータ２００を支持するものであり、それとロータ２００との間に生じる摩擦によってロータ２００の回転を阻害しないように、円盤支持部材６０によって、ｚ軸周まわりに回転可能に支持されている。圧電素子５０は、幅１．３５ｍｍ、長さ５．３５ｍｍ、かつ幅０．２ｍｍの長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、ｘｙ平面に対して垂直な方向の平面視において、圧電素子５０の長辺と上側主板部４０の長辺とが重なるように、圧電素子５０は上側主板部４０に対して電極７５が互いの間に介在する状態で固定されている。また、ｘｙ平面に対して垂直な方向の平面視において、圧電素子５０の長辺と下側主板部４１の長辺とが重なるように、圧電素子５０は下側主板部４１に対して電極７５が互いの間に介在する状態で固定されている。

なお、振動板２１および圧電素子５０のそれぞれの寸法および形状は、上述の寸法および形状に限定されず、上述のように、ロータ２００の回転に必要な楕円運動を生じさせることができ、かつ、ロータ２００の内周面に接触することによってロータ２００を回転させることができるのであれば、他の寸法および形状であってもよい。また、振動板２１の材料は、振動の減衰が小さく、共振により大きな振幅の楕円運動が得られるのであれば特に限定されないが、ステンレス等の導電性を有する材料であることが望ましい。また、上側接続部材３０および下側接続部材３１と上側主板部４０および下側主板部４１とは別個の部材からなっていてもよいが、それらが１つの部材で一体的に形成されていることが望ましい。

圧電素子５０は、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）からなっているが、電圧が印加されて振動する素子であれば、いかなる材料からなっていてもよい。圧電素子５０の一方の主表面上には、電極７１、７２、７３、および７４が取り付けられている。電極７１、７２、７３、および７４は圧電素子５０の一方の主表面が実質的に同一の４つの長方形の領域に分割されたとすると、４つの長方形の領域のそれぞれに設けられている。また、圧電素子５０の他方の主表面上には、実質的に長方形の電極７５が設けられている。電極７５は圧電素子５０の他方の主表面と同一の長方形の平面形状を有する平板状部材である。

本実施の形態の矩形平板タイプの超音波振動子１１においては、一方の圧電素子５０は、上側主板部４０に接着された主表面に対向する主表面に対して、電極７５が互いの間に介在する状態で固定されている。他方の圧電素子５０は、下側主板部４１に接着された主表面に対向する主表面に対して、電極７５が互いの間に介在する状態で固定されている。

上側の電極７５は、その長辺と上側主板部４０の長辺とがｚ軸方向に沿って見たときに重なるように、上側主板部４０の主表面に固定されている。下側の電極７５は、その長辺と下側主板部４１の長辺とがｚ軸方向に沿って見たときに重なるように、下側主板部４１の主表面に固定されている。上側の電極７５および下側の電極７５は、それぞれ、銀ペーストなどの導電性接着剤によって上側主板部４０および下側主板部４１に接着されている。なお、導電性接着剤自体に上側の電極７５および下側の電極７５の役割を果たさせることが可能である。この場合、上述の２つの主板部４０および４１と圧電素子５０との接着、および電極７５の形成が同時に行われる。

また、上側主板部４０および下側主板部４１は、振動板２１を構成しており、ｘｙ面について鏡面対称に配置されている。さらに、振動板２１の一方の主表面に取り付けられている圧電素子５０およびそれに取り付けられている電極７１、７２、７３、７４および７５と、振動板２１の他方の主表面に取り付けられている圧電素子５０およびそれに取り付けられている電極７１、７２、７３、７４および７５とは、振動板２１のｘｙ面について鏡面対称に配置されている。そのため、振動板２１の一方の主表面上の圧電素子５０の振動特性と、振動板２１の他方の主表面上の圧電素子５０の振動特性とは実質的に同一である。したがって、本実施の形態の振動板２１は、その面内方向において振動する。また、振動板２１の上側主板部４０および下側主板部４１は長方形であるため、前述の面内方向において、振動板２１の角部Ｓ１およびＳ２は楕円振動する。

次に、図４〜図７を用いて、本実施の形態の矩形平板タイプの超音波振動子１１の駆動方法が説明される。矩形平板タイプの超音波振動子１１が駆動されるときには、所定の信号が、外部に設けられた制御装置（図示せず）から電極７１、７２、７３、７４ および７５へ入力される。なお、振動板２１の一方の主表面側に位置づけられた電極７１、７２、７３、および７４に入力される信号（印加電圧）は、振動板２１の他方の主表面側に位置づけられた電極７１、７２、７３、および７４に入力される信号（印加電圧）に対して、ｘｙ平面に鏡面対称の態様で入力される。

図３に示されるように、電極７１と電極７３とは結線されており、同一の信号（φ１）が入力される。電極７２と電極７４とは、結線されており、同一の信号（φ２）が入力される。したがって、電極７１、７２、７３、７４および７５に入力される信号は、図４に示されるように、４つのモード（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）を有している。また、図５に示されるように、電極７１および電極７３に入力される信号と電極７２および電極７４に入力される信号とは、その位相において９０度のズレを有しているが、同一の振幅および周波数を有している。

上述の超音波振動子１１の振動板２１は、図６に示される伸縮振動および図７に示される屈曲運動との組み合わせの振動を行う。図６に示される伸縮振動によれば、振動板２１は、白抜き矢印で示されるように、長辺方向において圧縮されたり伸張されたりする。それにより、角部Ｓ１およびＳ２のそれぞれは長辺方向に振動する。一方、図７に示される屈曲振動によれば、振動板２１は一のＳ字形状からそれに鏡面対称な他のＳ字形状へ変化する。それにより、振動板２１の角部は、白抜き矢印で示すように、短辺方向において振動する。

伸縮振動の共振周波数と同じ周波数の電圧が、電極７１、７２、７３および７４のそれぞれに同位相で印加されると、振動板２１は図６に矢印で示される方向において、伸縮振動を行う。また、屈曲振動の共振周波数と同一の位相および周波数で変化する電圧（正）が、電極７１および７３それぞれに印加され、電極７１および７３とは逆位相の電圧（負）が、電極７２および７４のそれぞれに印加されると、振動板２１は図７に矢印で示されるように、屈曲振動を行う。なお、２つの電極７５のそれぞれには、常に、基準電位（０Ｖ）が与えられている。また、各電極の形状は、長方形に限定されず、超音波振動子１１が伸縮振動および屈曲振動の双方を生じされることができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。

伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂのそれぞれと同一の周波数および位相の電圧が電極７１および７３に印加され、電極７１および７３と同一の周波数であってかつ位相が＋９０度ずれた電圧が電極７２および７４に印加される。それにより、矩形平板タイプの超音波振動子１１の伸縮振動および屈曲振動が互いの位相が９０度ずれた状態で振動板２１に生じる。その結果、ロータ２００に接触している振動板２１の角部Ｓ１およびＳ２が、図１に矢印Ｅ１およびＥ２で示されるように、楕円振動を行う。

また、電極７１および７３に印加される電圧の周波数と同一の周波数で、電極７１および７３に印加される電圧の位相から−９０度だけずれた位相を有する電圧が電極７２および７４に印加されると、角部Ｓ１およびＳ２は、図１に矢印Ｅ１およびＥ２で示された方向とは逆方向の楕円振動を行う。また、ある一方向にロータ２００が回転している状態で、電極７１、７３および電極７２、７４に入力されている信号のうちいずれか一方の位相が１８０度だけ変化すれば、矩形平板タイプの超音波振動子１１の角部Ｓ１およびＳ２に当接しているロータ２００の回転方向が反転する。

図８にｘｚ断面図が示されている超音波モータ１において、上側主板部４０、下側主板部４１、上側接続部材３０、下側接続部材３１、および円盤支持部材６０は、２枚のステンレス板により形成されている。２枚のステンレス板は、振動板２１の位置および上側主板部６０の位置において接着されている。上側接続部材３０および下側接続部材３１は、それらによってパンタグラフ形状が構成されるように、それぞれ、ｘｙ平面に対して４５度だけ、折り曲げられている。なお、上側主板部４０、下側主板部４１、上側接続部材３０、下側接続部材３１、および円盤支持部材６０のそれぞれの寸法は、図８に示されたようなものであり、円盤部材６１および振動板２１の２つの角部Ｓ１およびＳ２の合計３箇所において、ロータ２００の内周面に接触している。

上述の本実施の形態の超音波モータ１においては、下側接続部材３１のプレート８０とシャフト１００とは固定されているが、上側接続部材３０は、図２に示される押付機構１０００によって押されて、シャフト１００の長さ方向（ｚ方向）に沿って下方へ移動することができる。したがって、押付機構１０００が上側接続部材３０を下側に向かって押し付け、それにより、上側支持部材３０および下側支持部材３１が弾性変形した状態で上側接続部材３０の位置が固定されれば、超音波振動子１１の角部Ｓ１およびＳ２からなる２点ならびに円盤部材６１の円周上の１点が、ロータ２００の内周面に向かって、強く押し付けられる。そのため、ロータ２００と超音波振動子１１との接触の状態が安定する。なお、本実施の形態の押付機構１０００は、上方から下方への力を上側接続部材３０にかけることにより、上側接続部材３０および下側接続部材３１を弾性変形させているが、上述の上側接続部材３０と下側接続部材３１との拘束関係が上下逆になるように、上側接続部材３０および下側接続部材３１をシャフト１００に取り付け、下方から上方への力を下側接続部材３１にかけることにより、上側接続部材３０および下側接続部材３１を弾性変形させてもよい。また、上側接続部材３０および下側接続部材３１の両方を、それぞれ、上述の５つの運動が拘束された状態で、シャフト１００に取り付けてもよい。この場合、押付機構１０００により、上側接続部材３０に対しては上方から下方への力、下側接続部材３１に対しては下方から上方への力をそれぞれかけることにより、上側接続部材３０および下側接続部材３１を弾性変形させる。さらに、本発明の押付機構は、上側接続部材３０および下側接続部材３１のような超音波振動子１１および接触機構に接続された接続部材に力をかけることにより、それらを弾性変形させることができるものであれば、いかなるものであってもよい。要するに、本発明の押付機構は、超音波振動子１１および接触機構をロータ２００の内周面に向かって押し付けることができる機構であれば、いかなるものであってもよい。さらに、２つのプレート８０のそれぞれがｘ−ｙ面に対して平行に広がっているという状態が維持され、押し付け機構１０００とプレート８０との間における摩擦力またはそれらの接着等によって、押付機構１０００とプレート８０との間におけるｚ軸周りの回転すべりが防止されており、かつ、押付機構１０００またはプレート８０がシャフト１００の代わりに本体に接続されていれば、シャフト１００は設けられていなくてもよい。

発明者らの行った圧電解析シミュレーションの結果、縦１次振動および屈曲２次振動が同一の共振周波数で生じる矩形平板タイプの超音波振動子１１においては、電極７１，７２，７３および７４に上述の信号を入力することによって、４つの角部が、図９に示されるように、楕円運動する。このとき、角部Ｓ１の楕円軌道の位相と角部Ｓ２の楕円軌跡との差が約１８０度であることが明らかになっている。

図１０に示されるように、一方の角部Ｓ１に着目すれば、楕円振動の後半の半周期ＷＯＫにおいて、超音波振動子１１がロータ２００の内周面に接触するが、楕円振動の前半の半周期ＷＮＯにおいては、超音波振動子１１がロータ２００の内周面に接触しない。また、他方の角部Ｓ２に着目すれば、楕円振動の前半の半周期ＷＯＫにおいて、超音波振動子１１がロータ２００の内周面に接触するが、楕円振動の後半の半周期ＷＮＯにおいては、超音波振動子１１がロータ２００の内周面に接触しない。したがって、角部Ｓ１および角部Ｓ２からなる２点がロータ２００の内周面に接触する場合には、角部Ｓ１の後半の半周期および角部Ｓ２の前半の半周期において、超音波振動子１１がロータ２００の内周面に接触する。そのため、超音波振動子１１の１周期の全体にわたって、超音波振動子１１は、ロータ２００の内周面に振動を伝達することができる。

また、矩形平板タイプの超音波振動子１１とロータ２００の内周面との間に生じる動摩擦力は、ロータ２００の内周面に対して垂直な方向における力、すなわち内周面の法線方向の力（垂直抗力）と動摩擦係数との積に比例する。ロータ２００のパワーを大きくするために摩擦力を大きくすれば、前述の垂直抗力を大きくする必要がある。ただし、前述の垂直抗力を大きくすると、ロータ２００と超音波振動子１１とが接触する位置において、矩形平板タイプの超音波振動子１１およびロータ２００は、互いの間に生じる垂直抗力に比例して弾性変形する。

例えば、楕円運動の振幅が大きくなると、前述の弾性変形の量が大きくなってしまう。この場合、楕円運動の１周期の間の全てにおいて、ロータ２００と矩形平板タイプの超音波振動子１１とが接触してしまうような事態が生じることも考えられる。このような事態が生じれば、ロータ２００は回転できない。したがって、超音波振動子１１からロータ２００へ加えることができる垂直抗力は、超音波振動子１１およびロータ２００の弾性変形能力を考慮することによって決定された所定値以下の値でなければならない。

本実施の形態においては、ロータ２００と超音波振動子１１とが２点で接触する。そのため、超音波振動子１１からロータ２００へ加えることができる垂直抗力は、ロータ２００と超音波振動子１１とが１点で接触する場合の２倍になる。また、本実施の形態の１つの矩形平板タイプの超音波振動子１１から取り出せる最大パワーは、ロータ２００と超音波振動子１１とが１点で接触する場合に超音波振動子から取り出せる最大パワーの２倍になる。

なお、本実施の形態においては、接触機構として、可動である円盤部材６１が用いられているが、円形の先端を有し、摩擦抵抗が極めて小さな部材であれば、固定された円盤部材が用いられてもよい。接触機構は、ロータ２００を中心から外部へ向かって押すことができかつロータ２００の回転を妨げないものであれば、いかなるものであってもよい。

また、本実施の形態においては、矩形平板タイプの超音波振動子１１の２つの角部Ｓ１およびＳ２のそれぞれおよび円盤部材６１がロータ２００の内周面に接触している。角部Ｓ１およびＳ２に、突起９４および９５が設けられており、突起９４および９５を媒介として超音波振動子１１とロータ２００の内周面とが接触していてもよい。また、図１１に示されるように、矩形平板タイプの超音波振動子１１の１つの角部Ｓ１またはＳ１に設けられた突起９２および２つの円盤部材６１がロータ２００の内周面に接触する超音波モータであってもよい。これによっても、ロータ２００と超音波振動子１１および２つの円盤部材６１とが３点で接触しているため、安定した接触状態が維持され易い。

また、本発明の超音波モータは、１または２以上の円盤部材６１と１または２以上の超音波振動子１１を有し、それらとロータ２００とが３以上の点でロータ２００の内周面と接触していれば、押付機構１０００を用いて、１または２以上の円盤部材６１および１または２以上の超音波振動子１１のそれぞれとロータ２００とは安定した接触状態を維持することができる。ただし、１または２以上の円盤部材６１および１または２以上の超音波振動子１１のそれぞれとロータ２００とが安定した接触状態を維持するためには、図１２に示されるように、たとえば、接点が３つである場合には、それらの３つの接点Ｈ、Ｉ、およびＪがロータ２００の中心Ｏを囲むような位置に配置されることが必要である。また、接点が４以上である場合（たとえば、図２５参照）も同様に、４以上の接点がロータ２００の中心Ｏを囲むように設けられていなければ、ロータ２００を安定して保持することはできない。

また、本実施の形態においては、超音波振動子１１および円盤部材６１が装置本体に固定されており、ロータ２００が回転する超音波モータ１が説明されたが、ロータ２００が、装置本体に固定された固定部材であり、超音波振動子１１および円盤部材６１が固定部材としてのロータ２００の中心まわりにロータ２００の内周面に接触しながら回転する超音波モータであっても、前述の押付機構１０００を用いれば、超音波振動子１１および円盤部材６１と固定部材としてのロータ２００との安定的な接触状態が維持される。

（実施の形態２）
次に、図１３〜図１６を用いて、本発明の実施の形態２の超音波モータを説明する。

図１３に示されるように、超音波モータ２は、２つの矩形平板タイプの超音波振動子１１、シャフト１００、およびロータ２００を備えている。なお、実施の形態１に示された超音波モータ１と同一構成および同一機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は繰り返さない。

本実施の形態における２つの矩形平板タイプの超音波振動子１１は、実施の形態１において説明された矩形平板タイプの超音波振動子１１と同一サイズおよび形状を有する振動板２１、電極７１、７２、７３、７４および７５を備えている。２つの矩形平板タイプの超音波振動子１１は、図１４〜図１６に示されるように、シャフト１００の中心軸を含む平面、すなわち、ロータ２００の回転中心軸を含む平面に対して、鏡面対称に配置されている。

次に、本実施の形態２の超音波モータ２の駆動方法を説明する。
電極７１、７２、７３、７４および７５へ入力される信号は、実施の形態１の電極へ入力される信号と同一である。つまり、電圧は、図４および図５に示される態様で、電極７１、７２、７３および７４に印加される。２つの振動板２１が、それぞれ、角部Ｓ５，Ｓ６、および、角部Ｓ７，Ｓ８を有している。それらの４つの角部Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，およびＳ８がロータ２００の内周面に接触している。

本実施の形態２においては、ロータ２００の内周面に接触する点は、すべて超音波振動子１１上の点である。そのため、本実施の形態の超音波モータ２によれば、実施の形態１の超音波モータ１のような接触機構としての円盤部材６１がロータ２００に接触するものと比較して、ロータ２００の回転抵抗として働く接点が存在しないため、ロータ２００の回転の効率が高い。

図１６に示される超音波モータ２のｘｚ断面図において、上側主板部４０、下側主板部４１、上側接続部材３０、および下側接続部材３１は、２枚のステンレス板によって形成されている。２枚のステンレス板は２つの振動板２１の位置において接着されている。上側接続部材４０および下側接続部材４１は、それぞれ、それらによってパンタグラフ形状が形成されるように、ｘｙ平面に対して４５度だけ折り曲げられている。なお、上側主板部４０、下側主板部４１、上側接続部材３０、および下側接続部材３１のそれぞれの寸法は、図１６に示されているようなものである。

上述の本実施の形態の超音波モータ２においては、下側接続部材３１のプレート８０とシャフト１００とは固定されており、上側接続部材３０は、図１４に示される押付機構１０００によって押されて、シャフト１００の長さ方向（ｚ方向）に沿って下方へ移動することが可能である。したがって、押付機構１０００が上側接続部材３０を下側に向かって押し付け、上側接続部材３０の位置が固定されれば、２つの超音波振動子１１の４つの角部Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７およびＳ８が、ロータ２００の内周面を押し付けることができる。そのため、ロータ２００と２つの超音波振動子１１の４つの角部との接触状態が安定する。なお、本実施の形態の超音波モータにおいては、２つの超音波振動子１１の４つの角部Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７およびＳ８に、それぞれ突起９６および９７を設け、突起９６および９７を媒介として超音波振動子１１とロータ２００の内周面とが接触してもよい。なお、本実施の形態の押付機構１０００は、上方から下方への力を上側接続部材３０にかけることにより、上側接続部材３０および下側接続部材３１を弾性変形させているが、上側接続部材３０と下側接続部材３１との拘束関係が上下逆になるように、上側接続部材３０および下側接続部材３１がシャフト１００に取り付けられ、下方から上方への力を下側接続部材３１にかけることにより、上側接続部材３０および下側接続部材３１を弾性変形させてもよい。また、上側接続部材３０および下側接続部材３１の両方を、上述の５つの運動を拘束するように、シャフト１００に取り付けてもよい。この場合、押付機構１０００により、上側接続部材３０に対しては上方から下方への力、下側接続部材３１に対しては下方から上方への力をそれぞれかけることにより、上側接続部材３０および下側接続部材３１を弾性変形させる。さらに、本発明の押付機構は、上側接続部材３０および下側接続部材３１のような超音波振動子１１および接触機構に接続された接続部材に力をかけることにより、それらを弾性変形させることができるものであれば、いかなるものであってもよい。要するに、本発明の押付機構は、超音波振動子１１および接触機構をロータ２００の内周面に向かって押し付けることができる機構であれば、いかなるものであってもよい。さらに、２つのプレート８０のそれぞれがｘ−ｙ面に対して平行である状態が維持され、押し付け機構１０００とプレート８０との間における摩擦力またはそれらの接着等によって、押付機構１０００とプレート８０との間におけるｚ軸周りの回転すべりが防止されており、かつ、押付機構１０００またはプレート８０がシャフト１００の代わりに本体に接続されていれば、シャフト１００が設けられていなくてもよい。

また、本発明の超音波モータは、複数の超音波振動子１１を有し、それらとロータ２００とが３以上の点でロータ２００の内周面と接触していれば、押付機構１０００を用いて、複数の超音波振動子１１とロータ２００のとは安定した接触状態を維持することができる。ただし、複数の超音波振動子１１とロータ２００とが安定した接触状態を維持するためには、図１２に示されるように、たとえば、接点が３つである場合には、それらの接点Ｈ、Ｉ、およびＪは、ロータ２００の中心Ｏを囲むような位置に設定されることが必要である。また、接点が４以上である場合（たとえば、図２５参照）も同様に、４つの接点がロータ２００の中心Ｏを囲むように設けられていなければ、ロータ２００を安定して保持することはできない。

（実施の形態３）
次に、図１７〜図２５を用いて、本発明の実施の形態３の超音波モータ３を説明する。超音波モータ３は、２つの円弧状平板タイプの超音波振動子１３、シャフト１００、およびロータ２００を備えている。なお、実施の形態１および実施の形態２において説明された超音波モータと同一の構成および同一の機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は特に必要がなければ繰り返さない。

＜超音波振動子＞
ここで、円弧状平板タイプの超音波振動子１３の構造がより詳細に説明される。

図１７〜図１９に示されるように、円弧状平板タイプの超音波振動子１３は振動板２２を備えている。振動板２２は、シャフト１００にｚ軸方向の並進運動以外の５つの運動が拘束されるように接続された上側接続部材３０と、５つの運動に加えてｚ軸方向の並進運動を含む６つの運動のすべてが拘束されるようにシャフト１００に接続された下側接続部材３１と、上側接続部材３０および下側接続部材３１と一体的に形成された上側主板部４２および下側主板部４３を有している。

上側主板部４２および下側主板部４３は、内径５．８ｍｍ、外径９．８ｍｍ、かつ角度９０度を有する円弧状平板によって形成されている。ここで、外側の扇形の円弧に相当する部分を外周部と呼び、外側の扇形と同心の内側の扇形の円弧に相当する部分を内周部と呼ぶ。また、上側接続部材３０および下側接続部材３１は、それぞれ、上側主板部４２および下側主板部４３の内周部の中央位置から延びている。上側接続部材３０および下側接続部材３１の中央位置には、ｘｙ平面に対して垂直な方向から見たときに、一辺０．６ｍｍ角の正方形の貫通孔を有するプレート８０が設けられている。プレート８０の貫通孔はシャフト１００の外形とほぼ同一の形状を有している。ｘｙ平面に対して垂直な方向に見たときに、プレート８０の貫通孔の中心から円弧状平板タイプの超音波振動子１３とロータ２００との接触点までの距離が、ロータ２００の半径と一致するように、すなわち、プレート８０の貫通孔の中心はロータ２００の回転中心と一致するように、上側接続部材３０および下側接続部材３１の長さが設定されている。

上側接続部材３０および下側接続部材３１のそれぞれの上側主板部４２および４３は互いに接着されている。圧電素子５１は、内径５．２ｍｍ、外径９．８ｍｍ、かつ角度９０度の円弧状平板部材である。また、ｘｙ平面に垂直な方向において見たときに圧電素子５１の外周部と上側主板部４２の外周部とが重なるように、上側の圧電素子５１は、上側主板部４２に対して電極７０が間に介在する状態で固定されている。一方、ｘｙ平面に垂直な方向において見たときに下側の圧電素子５１の外周部と下側主板部４３の外周部とが重なるように、下側の圧電素子５１は、下側主板部４３に対して電極７０が間に介在する状態で固定されている。

なお、振動板２２および圧電素子５１のそれぞれの寸法および形状は、上述の寸法および形状に限定されず、他の寸法および形状であってもよい。また、振動板２２の材料は、振動の減衰が小さく、共振により大きな振幅の楕円運動が得られるのであれば、特に限定されないが、ステンレス等の導電性を有する材料であることが望ましい。また、上側接続部材３０および下側接続部材３１と上側主板部４２および下側主板部４３とは別個の部材からなっていてもよいが、それらが１つの部材で一体的に形成されていることが望ましい。

圧電素子５１は、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）からなっているが、電圧が印加されて振動する素子であれば、いかなる材料からなっていてもよい。２つの圧電素子５１のそれぞれの一方の主表面上には、電極７６、７７、７８、および７９が取り付けられている。電極７６、７７、７８、および７９の寸法は図２４に示されているようなものである。また、２つの圧電素子５１のそれぞれの他方の主表面上には電極７０が設けられている。電極７０は圧電素子５１の他方の主表面と同一の円弧状の平面形状を有する平板状部材である。

本実施の形態の円弧状平板タイプの超音波振動子１３においては、上側の圧電素子５１は、上側主板部４２に接着されている主表面とは反対側の主表面に対して、電極７０が間に介在する状態で固定されている。下側の圧電素子５１は、下側主板部４３に接着されている主表面とは反対側の主表面に対して、電極７０が間に介在する状態で固定されている。

上側の電極７０は、ｘｙ平面に垂直な方向に沿って見たときに、その外周部が上側主板部４２の外周部が重なるように、上側主板部４２の一方の主表面に固定されている。下側の電極７０は、ｘｙ平面に垂直な方向に沿って見たときに、その外周部が下側主板部４３の外周部が重なるように、下側主板部４３の一方の主表面に固定されている。２つの電極７０は、それぞれ、銀ペーストなどの導電性接着剤によって上側主板部４２および下側主板部４３に接着されている。なお、導電性接着剤自体に上側の電極７０および下側の電極７０の役割を果たさせてもよい。この場合、上述の２つの主板部４０および４１と圧電素子５０との接着および電極７５の形成が同時に行われる。

また、振動板２２を構成する上側主板部４２および下側主板部４３は、ｘｙ平面に対して鏡面対称に配置されている。さらに、振動板２２の一方の主表面に取り受けられている圧電素子５１と、振動板２２の他方の主表面に取り付けられている圧電素子５１とも、ｘｙ平面に対して鏡面対称に配置されている。上側主板部４２に接着されている電極７６、７７、７８、７９および８０と下側主板部４３に接着されている電極７６、７７、７８、７９および７０とも、ｘｙ面に対して鏡面対称に配置されている。

そのため、振動板２２の一方の主表面上の圧電素子５１の振動特性と、振動板２２の他方の主表面上の圧電素子５１の振動特性とは実質的に同一である。したがって、本実施の形態の振動板２２は、その面内方向において振動する。また、振動板２２の上側主板部４２および下側主板部４３の外周部の両端に位置付けられた２つの角部には、それぞれ、一辺０．２ｍｍの突起９０および９１が設けられている。２つの振動板２２のそれぞれの突起９０および９１が、図１７における位置Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１１およびＳ１２の合計４か所で、ロータ２００の内周面に接触している。２つの突起９０および９１は、図１７において矢印Ｅ９およびＥ１０で示されるように、面内方向において楕円運動する。

次に、図２０〜図２４を用いて、本実施の形態の円弧状平板タイプの超音波振動子１３の駆動方法が説明される。円弧状平板タイプの超音波振動子１３が駆動されるときには、所定の信号が、外部に設けられた制御装置（図示せず）から電極７６、７７、７８、７９および７０へ入力される。なお、振動板２２の一方の主表面側に位置づけられた電極７６、７７、７８、７９に入力される信号（印加電圧）は、振動板２２の他方の主表面側に位置づけられた電極７６、７７、７８、７９に入力される信号（印加電圧）に対して、ｘｙ面に対して鏡面対称に入力される。

図１７に示されるように、電極７６と電極７８とは結線されており、同一の信号（φ１）が入力される。電極７７と電極７９とは、結線されており、同一の信号（φ２）が入力される。したがって、電極７６、７７、７８および７９に入力される信号は、図２２および図２３に示されるように、４つのモード（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）を有している。また、図２３に示されるように、電極７６および電極７８に入力される信号と電極７７および電極７９に入力される信号とは、その位相において９０度のズレを有しているが、同一の振幅および周波数を有している。

上述の円弧状平板タイプの超音波振動子１１の振動板２２は、図２０に示される伸縮振動および図２１に示される屈曲運動との組み合わせの振動を行う。図２０に示される伸縮振動によれば、振動板２２は、白抜き矢印で示されるように、ロータ２００の内周面の接線方向において圧縮されたり伸張されたりする。それにより、角部Ｓ１およびＳ２、すなわち突起９０および９１は、振動板２２の外周部に沿って、すなわちロータ２００の内周面の接線方向に振動する。一方、図２１に示される屈曲振動によれば、振動板２２は、白抜き矢印で示されるように、撓み振動をする。それにより、振動板２２の角部Ｓ１およびＳ２は、すなわち振動板２２の突起９０および９１は、それぞれ、白抜き矢印で示すように、短辺方向、すなわちロータの内周面の法線方向に沿って振動する。

伸縮振動の共振周波数および位相と同一の周波数および位相で変化する電圧が、電極７６、７７、７８および７９のそれぞれに印加されると、振動板２２は、図２０に矢印で示される方向において、伸縮振動を行う。また、屈曲振動の共振周波数および位相と同一の周波数および位相で変化する電圧（正）が、電極７６および７８それぞれに印加され、電極７６および７８とは同一の周波数でかつ逆位相の電圧（負）が、電極７７および７９のそれぞれに印加されると、振動板２２は、図２１に矢印で示されるように、屈曲振動を行う。また、２つの電極７０のそれぞれには、常に、基準電位（０Ｖ）が与えられている。

なお、電極の形状は、円弧形状に限定されず、円弧状平板タイプの超音波振動子１１が伸縮振動および屈曲振動の双方を生じされることができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。

伸縮振動の共振周波数ａおよび屈曲振動の共振周波数ｂのそれぞれと同一の周波数および位相の電圧が電極７６および７８に印加され、電極７６および７８と同一の周波数であってかつ位相が＋９０度だけずれた電圧が電極７７および７９に印加される。それにより、円弧状平板タイプの超音波振動子１１の伸縮振動および屈曲振動が同時に振動板２２に生じる。その結果、４つの突起９０および９１が、図１７に矢印Ｅ９、Ｅ１０、Ｅ１１、およびＥ１２で示されるように、楕円振動を行う。４つの突起９０および９１は、２つの振動板２２のそれぞれの角部Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，およびＳ１２に設けられており、ロータ２００の内周面に接触しているため、ロータ２００は円周方向に回転する。

また、電極７７および７９に電極７６および７８と同一周波数であってかつ位相が−９０度だけずれた電圧が印加されると、図１７に矢印Ｅ９、Ｅ１０、Ｅ１１、およびＥ１２で示された方向とは逆方向の楕円振動が生じる。また、ある一方向にロータ２００が回転している状態で、電極７６、７８および電極７７、７９に入力されている信号のうちいずれか一方の位相が１８０度だけ変化すれば、円弧状平板タイプの超音波振動子１１の突起９０および９１に当接しているロータ２００の回転方向が反転する。

次に、表１を用いて、前述の円弧状平板タイプの超音波振動子１１の振動特性のシミュレーション結果を説明する。

表１は、それぞれが同一の体積を有する円弧状平板タイプの超音波振動子１３および矩形平板タイプの超音波振動子１１の周波数応答解析結果を示している。表１において、Ｖｎは１次縦振動の速度成分および２次屈曲振動のそれぞれのロータ法線方向の振動速度成分を示し、Ｖｔは１次縦振動および２次屈曲振動のそれぞれの接線方向の振動速度成分を示している。表１に示されるように、円弧状平板タイプの超音波振動子１３によれば、縦１次振動および屈曲２次振動のいずれにおいても、接線方向および法線方向のそれぞれの振動速度成分が矩形平板タイプの超音波振動子１１の接線方向および法線方向のそれぞれの振動速度成分よりも大きくなっている。

以上のことから、円弧状平板タイプの超音波振動子１３を駆動源として用いる超音波モータ３によれば、矩形平板タイプの超音波振動子１１を駆動源として用いる超音波モータ１よりも大きなパワーを発生させることが可能になる。

次に、図２４に示される上述の超音波モータ３のｘｚ断面図を用いて、上側主板部４２、下側主板部４３、上側接続部材３０、および下側接続部材３１が説明される。上側主板部４２、下側主板部４３、上側接続部材３０、および下側接続部材３１は、２枚のステンレス板を用いて形成されている。２枚のステンレス板は、２つの振動板２２のそれぞれの位置において接着されている。

上側接続部材３０および下側接続部材３１は、それらによってパンタグラフ形状が形成されるように、それぞれｘｙ平面に対して４５度だけ折り曲げられている。なお、上側主板部４２、下側主板部４３、上側接続部材３０、および下側接続部材３１の寸法は、図２４に示されたようなものである。２つの振動板２２の角部Ｓ１およびＳ２に設けられた４つの突起９０および９１の合計４個所がロータ２００の内周面に接触している。

上述の本実施の形態の超音波モータ３においては、下側接続部材３１のプレート８０とシャフト１００とは固定されており、図１８に示される押付機構１０００によって押されるが、上側接続部材３０はシャフト１００の長さ方向（ｚ方向）に沿って移動することが可能である。したがって、押付機構１０００が上側接続部材３０を下側に向かって押し付け、その位置が固定されれば、２つの超音波振動子１１の４つの角部Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７およびＳ８をロータ２００に強く押し付けることができる。なお、本実施の形態の押付機構１０００は、上方から下方への力を上側接続部材３０にかけることにより、上側接続部材３０および下側接続部材３１を弾性変形させているが、上述の上側接続部材３０と下側接続部材３１との拘束関係が上下逆になるように、上側接続部材３０および下側接続部材３１をシャフト１００に取り付け、下方から上方への力を下側接続部材３１にかけることにより、上側接続部材３０および下側接続部材３１を弾性変形させてもよい。また、上側接続部材３０および下側接続部材３１の両方を、上述の５つの運動が拘束されるように、シャフト１００に取り付けてもよい。この場合、押付機構１０００により、上側接続部材３０に対しては上方から下方への力、下側接続部材３１に対しては下方から上方への力をそれぞれかけることにより、上側接続部材３０および下側接続部材３１を弾性変形させてもよい。さらに、本発明の押付機構は、上側接続部材３０および下側接続部材３１のような超音波振動子１１および接触機構に接続された接続部材に力をかけることにより、それらを弾性変形させることができるものであれば、いかなるものであってもよい。要するに、本発明の押付機構は、超音波振動子１１および接触機構をロータ２００の内周面に向かって押し付けることができる機構であれば、いかなるものであってもよい。さらに、２つのプレート８０のそれぞれがｘ−ｙ面に対して平行な状態が維持され、押し付け機構１０００とプレート８０との間における摩擦力またはそれらの間の接着等によって、押付機構１０００とプレート８０との間におけるｚ軸周りの回転すべりが防止されており、かつ、押付機構１０００またはプレート８０がシャフト１００の代わりに本体に接続されていれば、シャフト１００が設けられていなくてもよい。

また、本発明の超音波モータは、複数の超音波振動子１３を有し、それらとロータ２００とが３以上の点でロータ２００の内周面と接触していれば、押付機構１０００を用いて、複数の超音波振動子１３とロータ２００のとの安定した接触状態を維持することができる。ただし、複数の超音波振動子１３とロータ２００のとは安定した接触状態を維持するためには、図２５に示されるように、接点が４以上である場合には、４つの接点がロータ２００の中心Ｏを囲むように設けられていなければ、ロータ２００を安定して保持することはできない。

（実施の形態４）
次に、図２６を用いて、本実施の形態４の超音波モータ４を説明する。超音波モータ４は、矩形平板タイプの超音波振動子１１、シャフト１００、およびリニア可動子４００を備えている。なお、実施の形態１において説明された超音波モータと同一の構成および同一の機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は特に必要がなければ繰り返さない。

上記実施の形態１の超音波モータ１が回転運動を生じさせるが、本実施の形態の超音波モータ４は、リニア可動子２０００に直線運動を生じさせる。そのため、本実施の形態においては、ロータ２００の代わりに、４つの内壁面によって囲まれた平面的に見て長方形の開口を有するリニア可動子２０００が設けられており、この開口内に超音波振動子１１および接触部材としての円盤部材６１が設けられている。また、超音波振動子１１の一方の長辺の両端にはそれぞれ突起９２および９３が設けられている。これらの事項以外は、本実施の形態の超音波モータ４は、上記実施の形態１の超音波モータ１と同一である。より具体的には、超音波振動子１１、シャフト１００、プレート８０、上側接続部材３０および下側接続部材３１等の構造および機能は、図８に示される上記実施の形態１のそれと同一である。

したがって、押付機構１０００を用いて、プレート８０を上から下、もしくは下から上へ向かって押せば、超音波振動子１１の角部Ｓ１およびＳ２に設けられた２つの突起９２および９３がリニア可動子２０００の内壁面に向かって押し付けられる。なお、２つの押付機構１０００を用いて上側接続部材３０を上から下、および下側接続部材３１を下から上に向かってそれぞれ押してもよい。また、２つのプレート８０のそれぞれがｘ−ｙ面に対して平行な状態が維持され、かつ押付機構１０００またはプレート８０がシャフト１００の代わりに本体に接続されていれば、シャフト１００が設けられていなくてもよい。また、２つの突起９２および９３は、互いに平行な２つの内壁面に接触しながらその２つの内壁面に沿って移動する。したがって、図２６に矢印Ｇで示す方向にリニア可動子２０００が往復直線運動する。

なお、本実施の形態においては、接触機構として、可動である円盤部材６１が用いられているが、円形の先端を有し、摩擦抵抗が極めて小さな部材であれば、固定された円盤部材が用いられてもよい。接触機構は、リニア可動子２０００を内壁面に向かって押すことができかつリニア可動子２０００の往復直線運動を妨げないものであれば、いかなるものであってもよい。

また、本実施の形態においては、矩形平板タイプの超音波振動子１１の２つの角部Ｓ１およびＳ２のそれぞれに設けられた２つの突起９２，９３および円盤部材６１がリニア可動子２０００の互いに平行な２つの内壁面に接触している。しかしながら、図１１に示されるような矩形平板タイプの超音波振動子１１の１つの角部Ｓ１および２つの円盤部材６１がリニア可動子２０００の互いに平行な２つの内壁面に接触する超音波モータであっても、リニア可動子２０００と超音波振動子１１および２つの円盤部材６１とが３点で接触しているため、安定した接触状態が維持される。

また、本発明の超音波モータは、１または２以上の円盤部材６１と１または２以上の超音波振動子１１を有し、それらとリニア可動子２０００の２つの互いに平行な２つの内壁面とが３以上の点で接触していれば、押付機構１０００を用いて、１または２以上の円盤部材６１と１または２以上の超音波振動子１１とリニア可動子２０００とは安定した接触状態を維持することができる。

また、本実施の形態においては、超音波振動子１１および円盤部材６１が装置本体に固定されており、リニア可動子２０００が往復直線運動する超音波モータ４が説明されたが、リニア可動子２０００が、装置本体に固定された固定部材であり、超音波振動子１１および円盤部材６１が固定部材としてのリニア可動子２０００の互いに平行な２つの内壁面に接触しながら移動する超音波モータであっても、前述の押付機構１０００を用いれば、超音波振動子１１および円盤部材６１と固定部材としてのリニア可動子２０００との安定的な接触状態が維持される。

（実施の形態５）
次に、図２７を用いて、本発明の実施の形態５の超音波モータ５を説明する。超音波モータ５は、２つの矩形平板タイプの超音波振動子１１、シャフト１００、およびリニア可動子２０００を備えている。なお、実施の形態１において説明された超音波モータと同一の構成および同一の機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は特に必要がなければ繰り返さない。

本実施の形態の超音波モータ５は、超音波振動子１１および円盤部材６１が２つの超音波振動子１１に置き換えられている点において、実施の形態４の超音波モータ４と異なっている。

本実施の形態の超音波モータ５は、２つの矩形平板タイプの超音波振動子１１、シャフト１００、およびリニア可動子２０００を備えている。なお、実施の形態１において説明された超音波モータと同一の構成および同一の機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は特に必要がなければ繰り返さない。

上記実施の形態２の超音波モータ２が回転運動を生じさせるが、本実施の形態の超音波モータ４は、リニア可動子２０００に直線運動を生じさせる。そのため、本実施の形態においては、ロータ２００の代わりに、４つの内壁面によって囲まれた平面的に見て長方形の開口を有するリニア可動子２０００が設けられており、この開口内に２つの超音波振動子１１が設けられている。また、２つの超音波振動子１１のそれぞれの一方の長辺の両端にはそれぞれ突起９２および９３が設けられている。これらの事項以外は、本実施の形態の超音波モータ５は、上記実施の形態２の超音波モータ２と同一である。より具体的には、超音波振動子１１、シャフト１００、プレート８０、上側接続部材３０および下側接続部材３１等の構造および機能は、図１６に示される上記実施の形態１のそれと同一である。

したがって、押付機構１０００を用いて、プレート８０を上から下、もしくは下から上へ向かって押せば、超音波振動子１１の角部Ｓ１およびＳ２に設けられた２つの突起９２および９３がリニア可動子２０００の内壁面に向かって押し付けられる。なお、２つの押付機構１０００を用いて上側接続部材３０を上から下、および下側接続部材３１を下から上に向かってそれぞれ押してもよい。なお、２つのプレート８０のそれぞれがｘ−ｙ面に対して平行な状態が維持され、かつ押付機構１０００またはプレート８０がシャフト１００の代わりに本体に接続されていれば、シャフト１００が設けられていなくてもよい。また、２つの突起９２および９３は、互いに平行な２つの内壁面に接触しながらその２つの内壁面に沿って移動する。したがって、図２７に矢印で示す方向にリニア可動子２０００が往復直線運動する。

上述の本実施の形態の超音波モータ５によれば、下側接続部材３１のプレート８０とシャフト１００とは固定されており、上側接続部材３０は、押付機構１０００に押されることによって、シャフト１００の長さ方向に沿って移動することが可能である。したがって、押付機構１０００が上側接続部材３０を下側に向かって押し付け、その位置が固定されれば、２つの超音波振動子１１の４つの角部Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７およびＳ８が、リニア可動子２０００の互いに平行な２つの内壁面に押し付けられる。それにより、リニア可動子２０００と超音波振動子１１との接触状態が安定する。

また、本発明の超音波モータは、複数の超音波振動子１１を有し、それらとリニア可動子２０００とが３以上の点でリニア可動子２０００の互いに平行な２つの内壁面に接触していれば、押付機構１０００を用いて、複数の超音波振動子１１とリニア可動子２０００との安定した接触状態を維持することができる。

また、本実施の形態においては、２つの超音波振動子１１が装置本体に固定されており、リニア可動子２０００が直線往復する超音波モータ５が説明されたが、リニア可動子２０００が、装置本体に固定された固定部材であり、２つの超音波振動子１１が固定部材としてのリニア可動子２０００の互いに平行な２つの内壁面に接触しながら移動する超音波モータであっても、前述の押付機構１０００を用いれば、２つの超音波振動子１１と固定部材としてのリニア可動子２０００との安定的な接触状態が維持される。なお、この場合においても、超音波モータ５は、３以上の超音波振動子１１を有し、３以上の超音波振動子１１が３点以上で互いに平行な２つの内壁面に接触していてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の超音波モータをｘｙ平面に垂直な方向に見たときの平面図である。 実施の形態１の超音波モータの斜視図である。 実施の形態１の超音波モータの分解斜視図である。 実施の形態１の超音波振動子の４つのモードを示す図である。 実施の形態１の超音波振動子の入力電圧の位相を示す図である。 実施の形態１の超音波振動子に生じる縦振動を概略的に示す図である。 実施の形態１の超音波振動子に生じる屈曲振動を概略的に示す図である。 実施の形態１の超音波モータをｘｚ平面に沿って切ったときの断面図である。 実施の形態１の超音波モータの４つの角部の楕円運動を示す図である。 実施の形態１の超音波モータの２点接触の原理を説明するための図である。 実施の形態１の変形例の超音波モータの平面図である。 ３つの接触点によって構成された三角形がロータの中心を含む必要があることを説明するための図である。 実施の形態２の超音波モータをｘｙ平面に垂直な方向から見たときの平面図である。 実施の形態２の超音波モータの斜視図である。 実施の形態２の超音波モータの分解斜視図である。 実施の形態２の超音波モータのｘｚ平面に沿って切ったときの断面図である。 実施の形態３の超音波モータをｘｙ平面に垂直な方向に見たときの平面図である。 実施の形態３の超音波モータの斜視図である。 実施の形態３の超音波モータの分解斜視図である。 実施の形態３の超音波振動子に生じる縦振動の概略を示す図である。 実施の形態３の超音波振動子に生じる屈曲振動の概略を示す図である。 実施の形態３の超音波振動子の４つのモードを示す図である。 実施の形態３の超音波振動子の入力電圧の位相を示す図である。 実施の形態３の超音波モータをｘｚ平面に沿って切ったときの断面図である。 ４つの接触点によって構成された四角形がロータの中心を含む必要があることを説明するための図である。 実施の形態４の超音波モータをｘｙ平面に垂直な方向から見たときの平面図である。 実施の形態５の超音波モータをｘｙ平面に垂直な方向から見たときの平面図である。 特開平１−８１６７１号公報に示される超音波モータをｘｙ平面図に垂直な方向に見たときの平面図である。 特開平１−８１６７１号公報に示される超音波モータのｙ軸周りの回転を概略的に示す図である。 特開平１−８１６７１号公報に示される超音波モータの横滑りを概略的に示す図である。

符号の説明

１ 超音波モータ、１１，１２ 矩形平板タイプの超音波振動子、１３ 円弧状平板タイプの超音波振動子、３０ 上側支持部、３１ 下側支持部、６０ 円盤支持部、６１ 円盤部材、１００ シャフト、２００ ロータ。

Claims (12)

1. 平面視において円形の内周面を有するロータと、
   前記内周面に２以上の点で接触する１または２以上の超音波振動子と、
   前記１または２以上の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、
   それぞれが、前記接続部材に設けられ、前記ロータを前記内周面の接線方向に移動させながら、前記１または２以上の超音波振動子と協働して前記ロータの回転中心の位置を維持し得るように前記内周面に１点で接触する、１以上の接触機構と、
   前記１または２以上の超音波振動子上の２以上の点および前記１以上の接触機構のそれぞれ上の１点を前記ロータの中心から前記内周面に向かって押し付けるように前記接続部材を弾性変形させ得る押付機構とを備えた、超音波モータ。
2. 前記１または２以上の超音波振動子のそれぞれが長方形の平板形状を有し、
   前記２以上の点が前記長方形の２以上の角部上の点または前記２以上の角部にそれぞれ設けられた２以上の突起上の点である、請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記１または２以上の超音波振動子のそれぞれが円弧状をなしており、
   前記２以上の点が、前記円弧状の外周面上に設けられた２つの突起のそれぞれ上の点である、請求項１に記載の超音波モータ。
4. 平面視において円形の内周面を有する固定部材と、
   前記内周面に２以上の点で接触する１または２以上の超音波振動子と、
   前記１または２以上の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、
   それぞれが、前記接続部材に設けられ、前記内周面の接線方向に移動しながら、前記１または２以上の超音波振動子と協働して前記１または２以上の超音波振動子の前記ロータの内周面に沿った回転の中心位置を維持し得るように前記内周面に１点で接触する、１以上の接触機構と、
   前記１または２以上の超音波振動子上の２以上の点および前記１以上の接触機構のそれぞれ上の１点を前記ロータの中心から前記内周面に向かって押し付けるように前記接続部材を弾性変形させ得る押付機構とを備えた、超音波モータ。
5. 平面視において互いに平行な２つの内壁面を有するリニア可動子と、
   前記２つの内壁面に２以上の点で接触する１または２以上の超音波振動子と、
   前記１または２以上の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、
   それぞれが、前記接続部材に設けられ、前記１または２以上の超音波振動子と協働して前記リニア可動子を前記２つの内壁面のそれぞれに平行に移動させ得る状態を維持し得るように、前記２つの内壁面のいずれかに１点で接触する、１以上の接触機構と、
   前記１または２以上の超音波振動子上の２以上の点および前記１以上の接触機構のそれぞれ上の１点を前記２つの内壁面に対して押し付けるように前記接続部材を弾性変形させ得る押付機構とを備えた、超音波モータ。
6. 平面視において互いに平行な２つの内壁面を有する固定部材と、
   前記２つの内壁面に２以上の点で接触する１または２以上の超音波振動子と、
   前記１または２以上の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、
   それぞれが、前記接続部材に設けられ、前記１または２以上の超音波振動子が前記２つの内壁面のそれぞれに対して平行に移動し得る状態を維持し得るように、前記内壁面に１点で接触する、１以上の接触機構と、
   前記１または２以上の超音波振動子上の２以上の点および前記１以上の接触機構のそれぞれ上の１点を前記２つの内壁面に対して押し付けるように前記接続部材を弾性変形させ得る押付機構とを備えた、超音波モータ。
7. 平面視において円形の内周面を有するロータと、
   前記ロータを前記内周面の接線方向に移動させ得る状態で、前記ロータの回転中心の位置を維持し得るように、前記内周面に３以上の点で接触する複数の超音波振動子と、
   前記複数の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、
   前記３以上の点を前記ロータの中心から前記内周面に向かって押し付けるように前記接続部材を弾性変形させ得る機構とを備えた、超音波モータ。
8. 前記複数の超音波振動子のそれぞれが、長方形の平板形状を有しており、
   前記３以上の点が、前記複数の長方形の平板形状を有する超音波振動子の３以上の角部上の点または前記３以上の角部にそれぞれ設けられた３以上の突起上の点である、請求項７に記載の超音波モータ。
9. 前記複数の超音波振動子のそれぞれが、円弧状をなしており、
   前記３以上の点が、前記複数の円弧状の超音波振動子の３以上の外周面に設けられた突起上の点である、請求項７に記載の超音波モータ。
10. 平面視において円形の内周面を有する固定部材と、
    前記内周面の接線方向に移動し得る状態で、前記内周面に沿った回転の中心位置を維持し得るように、前記内周面に３以上の点で接触する複数の超音波振動子と、
    前記複数の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、
    前記３以上の点を前記中心位置から前記内周面に向かって押し付けるように前記接続部材を弾性変形させ得る機構とを備えた、超音波モータ。
11. 平面視において互いに平行な２つの内壁面を有するリニア可動子と、
    前記リニア可動子を前記２つの内壁面に平行な方向に移動させ得る状態で、前記リニア可動子の移動の方向を維持し得るように、前記内壁面に３以上の点で接触する複数の超音波振動子と、
    前記複数の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、
    前記３以上の点を前記２つの内壁面に対して押し付けるように前記接続部材を弾性変形させ得る機構とを備えた、超音波モータ。
12. 平面視において互いに平行な２つの内壁面を有する固定部材と、
    前記２つの内壁面に平行な方向に移動し得る状態で、移動の方向を維持し得るように、前記２つの内壁面に３以上の点で接触する複数の超音波振動子と、
    前記複数の超音波振動子のそれぞれに接続された接続部材と、
    前記３以上の点を前記２つの内壁面に対して押し付けるように前記接続部材を弾性変形させ得る機構とを備えた、超音波モータ。

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