JP2010220410A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で楕円振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することである。
【解決手段】超音波モータは、略直方体形状の各辺の比が、略１：１:０．４５となっている振動子１１と、該振動子１１の楕円振動発生面に接して該振動子１１の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータ１５と、を少なくとも備えている。そして、前記振動子１１は、該振動子１１の同一面に発生する輪郭すべり振動と面たわみ振動を、所定の位相差で同時に励起し、該輪郭すべり振動と該面たわみ振動が発生する面と直交する面に生じた楕円振動の発生部位に接触して、ロータ１５を回転駆動させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、超音波振動を駆動力源として被駆動体を駆動する超音波モータに関するものである。

例えば、下記特許文献１には、振動子の縦振動とねじれ振動を合成して楕円振動を発生させ、ロータを回転させる超音波モータが提案されている。そして、下記特許文献１の図１には、振動子の分解斜視図が描かれており、振動子軸方向に対し斜めにカッティングされた弾性体の間に複数枚の圧電素子が挿入された構成となっている。また、該圧電素子の正電極は２分割されており、ここでは、それぞれＡ相、Ｂ相と称するものとする。

ここで、Ａ相とＢ相に同位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子に縦振動を発生させることができる。また、Ａ相とＢ相に逆位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子にねじれ振動を発生させることができる。尚、振動子の溝位置を調整して縦振動の共振周波数と、ねじれ振動の共振周波数を、ほぼ一致するようにしておく。そして、Ａ相とＢ相にπ／２位相の異なる交番電圧を印加すると、縦振動とねじれ振動が同時に発生し、棒状弾性体上面に楕円振動を発生させることができる。棒状弾性体上面にロータを押圧することにより、ロータを時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）に回転させることができる。

特開平９−１１７１６８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された超音波モータは、その図１に示されるように、弾性体を斜めにカットしなければならない、縦振動とねじれ振動の周波数を合わせるために弾性体の一部に溝部を設けなければならない、等の課題があった。また、圧電素子の中央部に穴部を設けてあるので、圧電素子がそれ自体で、若しくは特にシャフトと触れた際には破損しやすい等の課題があった。

したがって本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で楕円振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することである。

すなわち本発明は、略直方体形状の各辺の比が、略１：１:０．４５となっている振動子と、該振動子の楕円振動発生面に接して該振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動される被駆動体と、を少なくとも備えた超音波モータであって、前記振動子は、該振動子の同一面に発生するもので、その短辺を含む面の中心線を軸に両端を前記回転軸方向に振動させる輪郭すべり振動と、該両端を前記回転軸と直交する方向に振動させる面たわみ振動を、所定の位相差で同時に励起し、該輪郭すべり振動と該面たわみ振動が発生する面と直交する面に生じた楕円振動の発生部位に接触して前記被駆動体を回転駆動させることを特徴とする。

本発明によれば、溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で楕円振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る超音波モータを示す外観斜視図である。 図１の振動子を示したもので、（ａ）は振動子の外観斜視図、（ｂ）は（ａ）の振動子に摩擦接触子が接着された状態の振動子の外観斜視図である。 積層圧電素子の圧電シート構成を示す分解斜視図である。 図３のＡ−Ａ′線に沿って示した分極方向を含む積層方向の断面図である。 各振動モードの振動状態を概略的に示したもので、（ａ）は輪郭すべり振動モードの振動状態を概略的に示した図、（ｂ）は面たわみ振動モードの振動状態を概略的に示した図である。 輪郭すべり振動モードについて、図２（ａ）示されるａｂ表面に対して垂直な方向から見た図であり、（ａ）、（ｂ）は互いに位相がπだけずれた振動状態を示した図である。 面たわみ振動モードを上面から見た図であり、（ａ）、（ｂ）は互いに振動の位相がπだけずれた状態を示した図である。 図５（ｂ）の中央部断面３２部分を示した図である。 振動子の辺ａ＝ｂ（一定）として、ｃを変化させた時の、ｃ／ａ値と各モードの共振周波数をプロットした図である。 輪郭すべり振動発生時のａｂ表面の歪み（主歪み）の様子を示した図である。 面たわみ振動発生時のａｂ表面の歪み（主歪み）の様子を示した図である。 輪郭すべり振動と面たわみ振動を発生させるための内部電極パターンについて説明するための図である。 交番力Ｆから各振動モードが励起できることについて説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に於ける圧電シートの構成を示す分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態に於ける積層圧電素子の外観を示す斜視図である。 圧電シート（２）のみを取り出して面たわみ振動について説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る振動子の構成を示すもので、（ａ）は表面側の外観斜視図であり、（ｂ）は裏面側から見た平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
先ず、図１乃至図１３を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータを示す外観斜視図である。また、図２は図１の振動子を示したもので、（ａ）は振動子の外観斜視図、（ｂ）は（ａ）の振動子に摩擦接触子が接着された状態の振動子の外観斜視図である。

この超音波モータ１０は、振動子を構成する積層圧電素子（振動子）１１と、摩擦接触子１２ａ及び１２ｂと、外部電極１３（１３ａ〜１３ｄ）と、ロータ１５と、ベアリング１６と、ばね１７と、ばね保持リング１８と、振動子ホルダ２０と、シャフト固定リング２１と、シャフト２２と、から構成されている。

尚、本第１の実施形態に於いて、振動子１１は圧電素子が複数積層されて構成されている。

摩擦接触子１２ａ及び１２ｂは、積層圧電素子１１の長手方向と直交する面に接着されて、被駆動体であるロータ１５と接触するようになっている。但し、この摩擦接触子１２ａ及び１２ｂは、必ずしも必要なものではない。外部電極１３（１３ａ〜１３ｄ）は、詳細を後述する各相毎に、図２（ａ）及び（ｂ）では、図面の右側面には４箇所と、図には示されないが左側面にも４箇所設けられている。

振動子１１は、図１に示されるように、３つの側面（この場合、下側面、右側面、左側面）のほぼ中央部で振動子ホルダ２０により保持されている。該振動子ホルダ２０の上面部からは振動子１１の上面の中央部に向かって外周にネジが切られたシャフト２２が固定延出され、ベアリング内側面に固定されている。ベアリング１６の外側面は、ロータ１５内側面に固定されており、該ベアリング内側部にはばね１７が接触している。ばね保持リング１８を回転させると該ばね１７は縮められ、その結果、ベアリング１６の内側面に押圧がかけられ、最終的にロータ１５と振動子１１間に所定の押圧力が印加される。

振動子ホルダ２０は、振動子１１のほぼ中央部に固定されてシャフト２２及び振動子１１を保持するための保持部材である。この振動子ホルダ２０は、アルマイト処理が施されたアルミ材料、若しくは絶縁処理が施された金属材料から成るものであって、一体として形成されている。そして、振動子ホルダ２０は、シャフト２２が貫通する上面部２０ａと、振動子１１の側面を覆うように対向配置された側面部２０ｂ、２０ｃと、該側面部２０ｂ、２０ｃの下端部同士を接続する案内部２０ｄ、２０ｅ（２０ｅは図示されない）と、該案内部２０ｄ、２０ｅの中間部から該案内部２０ｄ、２０ｅと直交する方向に延出形成された案内部２０ｆ、２０ｇ（２０ｇは図示されない）と、案内部２０ｆと案内部２０ｇとを接続する底面部２０ｈと、を有して構成されている。

更に、前記側面部２０ｂ、２０ｃの下端部と、底面部２０ｈは、後述するように、輪郭すべり振動モードの節部及び面たわみ振動の節部と、幾何学的にほぼ一致している。そして、振動子１１は、側面部２０ｂと案内部２０ｄとの接続点、側面部２０ｂと案内部２０ｅとの接続点、側面部２０ｃと案内部２０ｄとの接続点、側面部２０ｃと案内部２０ｅとの接続点、案内部２０ｆと底面部２０ｈとの接続点、案内部２０ｇと底面部２０ｈとの接続点、のみで支持されている。

また、シャフト固定リング２１は、振動子ホルダ２０とシャフト２２を固定する部材である。尚、シャフト２２の長手方向を中心軸方向と定義する。

次に、振動子１１について詳細に説明する。

本振動子１１は、図２（ａ）に示されるように、各辺の長さがａ，ｂ,ｃの直方体形状をなしており、圧電セラミクスと内部電極の積層構造を有する積層圧電素子から構成される。

図２（ａ）に於いて、右側面には外部電極（Ａ＋相）１３ａ、外部電極（Ｂ＋相）１３ｂ、外部電極（Ｃ＋相）１３ｃ、外部電極（Ｄ＋相）１３ｄが、設けられている。前記右側面と対向する左側面には、図示されないが、外部電極（Ａ−相）、外部電極（Ｂ−相）、外部電極（Ｃ−相）、外部電極（Ｄ−相）が、同様の位置に設けられている。

尚、図の手前の寸法ａと寸法ｂが作る面をａｂ表面と定義する。また、それと対向する裏面をａｂ裏面と定義する。

図２（ｂ）は、振動子１１の上面で楕円振動が発生する部位に摩擦接触子１２ａ、１２ｂが接着により設けられている様子を示している。摩擦接触子１２ａ、１２ｂは、アルミナやジルコニア等のセラミクス材料、若しくはＰＰＳやＰＥＥＫ等のエンジニアリングプラスチック材料から構成される。詳細は後述するが、この摩擦接触子１２ａ、１２ｂの位置に、図示されるように、ロータ１６を回転させるような向きに、時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）の楕円振動が形成される。

本振動子の外径寸法としては、例えば、ａ＝１０ｍｍ、ｂ＝１０ｍｍ、ｃ＝４．５ｍｍとする。また、摩擦接触子の厚みは０．１ｍｍから１ｍｍ程度とする。

図３は、積層圧電素子の圧電シート構成を示す分解斜視図である。

本積層圧電素子１１は、所定の内部電極パターンが形成された、チタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴと記す）等の薄い圧電シートが積層されて構成されたものである。圧電シート２５は、厚さ１０μｍから１００μｍ程度のＰＺＴ材料から成るもので、圧電シート１（以下、圧電シート（１）と記す）２５ａ、圧電シート２（以下、圧電シート（２）と記す）２５ｂ、圧電シート３（以下、圧電シート（３）と記す）２５ｃ、圧電シート４（以下、圧電シート（４）と記す）２５ｄ、及び圧電シート５（以下、圧電シート（５）と記す）２５ｅを有して構成される。このうち、圧電シート（１）２５ａ、圧電シート（２）２５ｂ、圧電シート（３）２５ｃ、圧電シート（４）２５ｄの一方の面には、それぞれ同様の内部電極２６のパターンが印刷されており、唯一それぞれ側面への延出用電極の位置が異なっている。尚、圧電シート（５）２５ｅは、内部電極が印刷されていない圧電シートである。

本実施形態に於いては、最も外側に１枚の圧電シート（１）２５ａが配置され、該圧電シート（１）２５ａの内部電極２６が設けられている側に、複数枚（ｎ枚）の圧電シート（２）２５ｂ、複数枚（ｎ枚）の圧電シート（３）２５ｃ、が積層され、更に１枚の圧電シート（４）２５ｄ、最後に１枚の圧電シート（５）２５ｅが、配置された構成となっている。そして、圧電シート（１）２５ａには、前述した外部電極１３ｃに接続するための延出電極２７ｃが設けられ、同様に、圧電シート（２）２５ｂには外部電極１３ａに接続するための延出電極２７ａが、圧電シート（３）２５ｃには外部電極１３ｂに接続するための延出電極２７ｂが、圧電シート（４）２５ｄには外部電極１３ｄに接続するための延出電極２７ｄが、それぞれ設けられている。

内部電極２６は、銀−パラジウム合金から成るもので、厚さは数μｍ程度である。内部電極２６は、図示されるように、交差指電極構造となっている。ここで、交差指電極とは、例えば、＋相の電極と−相の電極とが、交互に組み合わされて配置されているような電極を指すものとする。そして、交差指電極は、その側面内でできるだけ大きな面積となるようにするため、実際には、その側面部の一面に形成されている。

交差指内部電極の幅は、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の範囲に設定され、間の絶縁幅も０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の範囲に設定する。詳細は後述するが、交差指電極は略４５度傾けて圧電シート２５のほぼ全面に設けられている。先ず、圧電シート（１）２５ａが１枚積層される。これは振動検出の役目を担っている。その後、圧電シート（２）２５ｂがｎ枚積層（ｎの具体的な数値は、本実施形態では２１であるが、以降ｎと記す）される。これは駆動電極としての役目を担っている。次に、圧電シート（３）２５ｃがｎ枚積層される。これも駆動電極としての役目を担っている。その後、圧電シート（４）２５ｄが１枚積層される。これは振動検出の役目を担っている。

次に、本積層圧電素子１１の作成方法について説明する。

焼成前の圧電シート（１）２５ａに内部電極パターンが印刷されたものを１枚、圧電シート（２）２５ｂに内部電極パターンが印刷されたものをｎ枚、圧電シート（３）２５ｃに内部電極パターンが印刷されたものをｎ枚、圧電シート（４）２５ｄに内部電極パターンが印刷されたものを１枚、最後に内部電極が印刷されていない圧電シート（５）２５ｅを１枚用意する。そして、これらの圧電シートを積層後に、プレス、所定の大きさにカットした後、所定の温度で焼成を行う。その後、外部電極を所定の位置に印刷、焼付けする。その後、分極を行うことで積層圧電素子１１が完成する。

次に、分極について図４を参照して説明する。

図４は、図３のＡ−Ａ′線に沿って示した分極方向を含む積層方向の断面図である。尚、図４に矢印で示した分極ベクトルは、一方の側の極から中央部で多少の膨らみをもって、もう一方の極に向かって分極が形成されている。尚、このべクトルは、電場のべクトルとも一致している。

次に、図２に示される本振動子１１の動作について説明する。

図２（ａ）に示された直方体形状の振動子１１の各辺ａ，ｂ，ｃの各寸法について、ａ＝ｂとし、ｃを適当な値とすることで、輪郭すべり振動の共振周波数と面たわみ振動の共振周波数を一致させるようにしている。

図５は各振動モードの振動状態を概略的に示したもので、（ａ）は輪郭すべり振動モードの振動状態を概略的に示した図、（ｂ）は面たわみ振動モードの振動状態を概略的に示した図である。尚、（ａ）、（ｂ）に於いて、破線は静止時１１ａの形状を示した図、実線はそれぞれの振動モードの振動時１１ｂ、１１ｃの形状を示した図である。

図５（ａ）に示される輪郭すべり振動では、その上面に着目すると、その端部は上下方向に振動する成分を有している。実際は斜め方向に振動している訳であるが、そのべクトルの成分として、矢印で示すような上下方向の振動成分を有している。但し、図からも明らかなように、上面の両端部の上下振動の位相はπだけずれている。また、４つの側面のほぼ中央部には、振動変位がないか、若しくは非常に小さい部位である節線３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄが存在する。

次に、図５（ｂ）に示される面たわみ振動では、その上面に着目すると、その端部は水平方向に振動する成分を有している。但し、図からも明らかなように、上面の両端部の水平振動の位相は同位相である。また、４つの側面のほぼ中央部には、振動変位がないか、若しくは非常に小さい部位である節線３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが存在する。

これら２つの振動を合成して上面端部に楕円振動を発生させる訳であるが、それぞれの振動モードの節線は共通の部位に存在しており、振動子１１を保持する際に、該共通の節部を保持可能となる。

ここで、図６乃至図８を参照して、前述した各振動モードについて詳細に説明する。

図６は輪郭すべり振動モードについて、図２（ａ）示されるａｂ表面に対して垂直な方向から見た図であり、（ａ）と（ｂ）とは位相がπだけずれた振動状態を示している。すなわち、実線で示される振動時１１ｂ₁ と１１ｂ₂ とが、位相πだけずれた状態を表している。尚、図６（ａ）、（ｂ）に示される黒丸３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄの位置が、振動のほぼ節部に対応している。

図７は面たわみ振動モードを上面から見た図であり、（ａ）と（ｂ）は振動の位相がπだけずれた状態を示している。ここで、実線で示される振動時１１ｃ₁ と１１ｃ₂ とが、位相πだけずれた状態を表している。尚、図示矢印は、各頂点の振動変位を示している。

図８は図５（ｂ）の中央部断面３２部分を示した図である。この位置の断面は、図８に示されるように、両端部がちょうど節線３１ｂ、３１ｄの位置に対応しており、中央部が振動変位（膨らみ）を有している。ここで、図８（ａ）と（ｂ）は、振動の位相がπだけずれた状態を示している。このような振動を、面たわみ振動モードとする。

図９は、振動子の辺ａ＝ｂ（一定）として、ｃを変化させた時の、ｃ／ａ値と各モードの共振周波数をプロットした図である。これから、輪郭すべり振動の共振周波数はｃ／ａに依存せず、ほぼ一定の値をとる。しかしながら、面たわみ振動の共振周波数はｃ／ａ値が増えれば増える程、単調に増加する。その結果、輪郭すべり振動の共振周波数と面たわみ振動の共振周波数は、ｃ／ａ値がほぼ０．４５の時に一致することがわかる。

図１０は、その輪郭すべり振動発生時のａｂ表面の歪み（主歪み）の様子を示した図である。輪郭すべり振動時は、ある瞬間には図に示されるような場所で、図１０（ａ）に示されるように、右４５度の方向に伸び歪みが発生し、それと直交する方向には縮み歪みが発生している。図１０（ｂ）は、（ａ）と振動の位相がπだけずれた瞬間の歪みの様子を示した図である。この場合には、逆に右４５度の方向に縮み歪みが発生し、それと直交する方向には伸び歪みが発生している。尚、３３ｏは、ａｂ表面の中心を表している。

また、図５（ａ）からも明らかなように、ａｂ裏面の歪みも全く同様の符号の歪みをしている。尚、歪みの正負は、伸び歪みを正、縮み歪みを負と定義する。

図１１は、面たわみ振動発生時のａｂ表面の歪み（主歪み）の様子を示した図である。面たわみ振動時は、ある瞬間には図に示されるような場所で、図１１（ａ）に示されるように、右４５度の方向に伸び歪みが発生していて、それと直交する方向にも同様に伸び歪みが発生している。それと振動の位相がπだけずれた瞬間の歪みの様子が、図１１（ｂ）に示されている。この場合には、逆に右４５度の方向に縮み歪みが発生していて、それと直交する方向にも同様に縮み歪みが発生している。

尚、図５（ｂ）からも明らかなように、ａｂ裏面の歪みの符号はａｂ表面の符号とは逆の符号の歪みをしている点に注意すべきである。

次に、このような輪郭すべり振動と面たわみ振動を発生させるための内部電極パターンについて、図１２を参照して説明する。

内部電極パターン２６は、ほぼ４５度傾けた交差指電極とすることで、図４にも示されたように、正負の交差指電極間にほぼ面内の分極が生じる。駆動時に、交差指電極に共振周波数に対応した交番電圧を印加すると、ある瞬間には右４５度方向に、図１２（ａ）に示されるような引張力Ｆが働く。これは、電気力線が分極ベクトルの方向に沿って働いており、圧電縦効果による力である。この力は、圧電定数ｅ３３に比例する。

交番電圧印加時には、実は、同時に、圧電横効果も発生しており、図には示されないが、力Ｆと直交する方向に発生している。圧電横効果による力は、圧電定数ｅ３１に比例する。但し、通常用いられるＰＺＴ等の圧電セラミクスではｅ３１の絶対値はｅ３３の絶対値に比べてかなり小さいのが一般的であり、本実施形態に於いては、圧電横効果については考慮しないものとする。

図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示される状態から交番電圧の位相がπだけずれた時点での力を示した図である。この場合、図１２（ａ）に示される例と方向は同じであるが、圧縮力が働く。このようにして、４５度傾いた交差指電極を内部電極として用いることにより、４５度傾いた交番応力を発生させることができる。

このような交番力Ｆから各振動モードが励起できることについて、図１３を参照して説明する。

本実施形態の振動子１１は、図３に示されたように、４５度傾けられた交差指電極が印刷された圧電シートが積層された構造となっている。駆動用の圧電シートに限って考えてみると、図１３の中央面３５を境に、奥側半分領域１１２に圧電シート（２）がｎ枚、手前側半分領域１１１に圧電シート（３）がｎ枚、同数だけ積層され、それぞれ外部電極のＡ相、Ｂ相と電気的に連結されている。図１３に示される奥側半分領域１１２には、Ａ相に加わる交番電圧により、破線で示された矢印の力Ｆ１が働くと考えてよい。また、手前側半分領域１１１には、Ｂ相に加わる交番電圧により、実線で示された矢印の力Ｆ２が働くと考えてよい。

さて、Ａ相とＢ相に同位相で各モードの共振周波数の交番電圧を印加すると、奥側半分領域１１２と手前側半分領域１１１では、同位相の力が発生することになり、図１０、図１１を考慮すると、面たわみ振動は発生せず、輪郭すべり振動のみが発生する。一方、Ａ相とＢ相に逆位相で、各モードの共振周波数の交番電圧を印加すると、奥側半分領域１１２と手前側半分領域１１１では、逆位相の力が発生することになり、同様に図１０、図１１を考慮すると、輪郭すべり振動は発生せず、面たわみ振動のみが発生する。

次に、図１に示されるように構成された超音波モータ１０の動作について説明する。

前述したように、図２（ａ）、（ｂ）に示されるＡ相（この場合Ａ＋相１３ａ）とＢ相（この場合Ｂ＋相１３ｂ）に同位相の交番電圧を印加すると、輪郭すべり振動のみが発生する。また、Ａ相１３ａとＢ相１３ｂに逆位相の交番電圧を印加すると、面たわみ振動のみが発生する。Ａ相１３ａとＢ相１３ｂに同位相、若しくは逆位相以外のある位相差を有する交番電圧を印加すると、輪郭すべり振動と面たわみ振動が同時に励起される。それらは、同時に所定の位相差をもって励起されるために、図２（ｂ）に示されるように、振動子１１の上面端部には楕円振動が発生する。

図５に示されるように、上面の両端部に着目すると、輪郭すべり振動では両端部は逆位相で振動しており、面たわみ振動では同位相で振動している。したがって、楕円振動が発生している場合は、左端部の楕円振動と右端部の楕円振動は回転の向きは逆であり、その位相はπだけずれている。

図１に示されるように構成された超音波モータ１０では、前述したように、楕円振動している摩擦接触子１２ａ、１２ｂがロータ１５と接触することにより、ロータ１５に力を与える。そして、２つの摩擦接触子１２ａ、１２ｂの楕円振動が逆向きとなっているために、ロータ１５に回転力を与え、ロータ１５を回転させることができる。Ａ相１３ａとＢ相１３ｂの位相差を逆にすると、逆方向にロータ１５を回転させることができる。

次に、図３に示される圧電シート（１）２５ａ、圧電シート（４）２５ｄによる振動検出の動作について説明する。

圧電シート（１）２５ａと圧電シート（４）２５ｄは、図１３に示される中央面３５に対して対称に配置されている。駆動用の圧電シート（２）２５ｂと圧電シート（３）２５ｃも、該中央面３５に対して対称に配置されていたのと同様である。駆動時の動作原理を前述したが、振動検出の動作原理は、それの全く逆に考えればよい。

すなわち、図１０に示されるように、輪郭すべり振動のみが励起されている場合は、図１３に示される中央面３５の奥側半分領域１１２も手前側半分領域１１１も、同じ符号の歪みが発生している。その結果、圧電効果により、圧電シート（１）２５ａと圧電シート（４）２５ｄには、同位相で大きさの等しい電圧が発生している。したがって、Ｃ相の＋とＤ相の＋を接続した端子とＣ相の−とＤ相の−を接続した端子間（並列順接続と定義する）には、輪郭すべり振動の大きさ、位相に比例した信号が出力される。

一方、図１１に示されるように、面たわみ振動のみが励起されている場合は、図１３に示される中央面３５の奥側半分領域１１２と手前側半分域１１１では、逆の符号の歪みが発生している。その結果、圧電効果により、圧電シート（１）２５ａと圧電シート（４）２５ｄには、逆位相で大きさの等しい電圧が発生している。したがって、Ｃ相の＋とＤ相の−を接続した端子と、Ｃ相の−とＤ相の＋を接続した端子間（並列逆接続と定義する）には、面たわみ振動の大きさ、位相に比例した信号が出力される。したがって、Ｃ相とＤ相の結線方法（並列順接続若しくは並列逆接続）を選択することにより、輪郭すべり振動若しくは面たわみ振動を独立に検出することが可能である。

次に、このような振動検出相（Ｃ相、Ｄ相）を用いてモータを駆動する方法について説明する。

駆動相であるＡ相若しくはＢ相の信号の位相と振動検出相（例えばＣ相とＤ相を並列逆接続したもの）の位相の位相差は、面たわみ振動の共振周波数での動作時に所定の値Ωをとることが知られている。したがって、この場合には、駆動相と検出相の位相差を常にΩになるように周波数を調整し駆動することで、モータ自身の発熱による温度上昇や周囲環境温度の変化による共振周波数変化や負荷変動による共振周波数変化があった場合でも、常に面たわみ振動の共振周波数近傍で駆動できるので、常に最適な周波数で効率よく駆動することができる。これは、輪郭すべり共振周波数近傍で駆動する場合も同様の考え方で可能である。

このように、第１の実施形態によれば、弾性体の一部に溝部を設ける必要がなく、また圧電素子にも穴部を設ける必要がない。よって、構成が単純になり、試作が容易になるばかりでなく、安定したモータ特性が得られる。更に、本実施形態では圧電素子が積層構造を有しているので、低電圧駆動が可能である。また、振動検出相も設けられているので、その信号を利用して常に最適な周波数で駆動可能である。

また、本実施形態の振動子は、４側面の中央部に２つの振動モードの共通の節が存在するので、そこを保持することが可能である。その場合には、しっかり振動子を固定できるだけでなく、保持部材を介した振動の漏れを最小限に抑えることができ、ひいては高効率のモータを実現することができる。

尚、交差指電極の傾きは本実施形態では４５度としているが、２つのモードが励起できる範囲で、すなわち本実施形態中で述べた原理上可能な範囲で、４５度近傍の任意の角度で設定可能である。また、振動子寸法については、ａ：ｂ：ｃを１：１：０.４５としているが、例えば振動子ホルダの接合やロータの押圧により、共振周波数がずれる場合があり、その場合には、前述した原理に違わぬ範囲で、その比率を多少変更する必要がある。

本実施形態では、振動検出用に圧電シートが２枚用いられていたが、これに限られるものではなく、４枚、８枚等の偶数枚を用いても良い。

本第１の実施形態の超音波モータについて、前述していないが、ロータの外周面を凹凸として、ギヤ係合方式でモータ出力を外部に取り出しても良いし、ロータの外周面からベルトを介して出力を取り出しても良い。

また、本実施形態の振動子は、駆動用圧電シートを挟み込むようにして振動検出用圧電シートを配置しているが、逆に、振動検出用圧電シートを挟み込むようにして駆動用圧電シートを配置しても構わない。更に、本実施形態の振動子は、駆動用圧電シートと振動検出用圧電シートが積層された構成となっているが、駆動用圧電シートのみで構成しても良い。

（第２の実施形態）
次に、図１４乃至図１６を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。

尚、本第２の実施形態に於いては、前述した第１の実施形態とは、振動子の構成のみ異なっている。したがって、ここでは振動子の構成について説明し、その他の超音波モータの基本的な構成及び動作については、前述した第１の実施形態と同じであるので、説明の重複を避けるため、同一の部分には同一の参照番号を付して、その図示及び詳細な説明を省略する。

また、本実施形態に於いても、振動子の外径寸法（ａ：ｂ：ｃ）は前述した第１の実施形態と同様である。

図１４は、本発明の第２の実施形態に於ける圧電シートの構成を示す分解斜視図である。

第２の実施形態に於ける積層圧電素子１１₁ は、全部で２枚の圧電シート（１）４０ａと、全部で２枚の圧電シート（２）４０ｂと、全部で２ｎ枚の圧電シート（３）４０ｃと、全部で２枚の圧電シート（４）４０ｄと、全部で２枚の圧電シート（５）４０ｅと、１枚の圧電シート６（以下、圧電シート（６）と記す）４０ｆとを有して構成される。このうち、圧電シート（１）４０ａ、圧電シート（２）４０ｂ、圧電シート（４）４０ｄ、圧電シート（５）４０ｅは、その縁部に、例えば０．２〜１ｍｍの絶縁部を残して、ほぼ全面に電極が施されている。但し、圧電シート（１）４０ａ、圧電シート（２）４０ｂ、圧電シート（４）４０ｄ、圧電シート（５）４０ｅは、それぞれ設けられている延出用電極２７ｂ₁ 、２７ｂ₂ 、２７ｂ₁₁、２７ｂ₁₂の位置のみが異なっている。

また、圧電シート（３）４０ｃは、前述した第１の実施形態と同様な交差指電極２６が印刷されているもので、偶数枚（全部で２ｎ枚：本実施形態に於いてはｎ＝１８、３６枚）用意される。そして、これらの圧電シート（３）には、延出用電極２７ａ₁ 、２７ａ₂ が設けられている。尚、圧電シート（６）４０ｆは、内部電極が印刷されていない圧電シートである。

以下、圧電シートが積層される順番に従って説明する。

まず、圧電シート（１）４０ａ、圧電シート（２）４０ｂ、圧電シート（１）４０ａ、圧電シート（２）４０ｂの順番で、それぞれ１枚ずつ積層される。次に、圧電シート（３）４０ｃが２ｎ枚積層される。その後、圧電シート（４）４０ｄ、圧電シート（５）４０ｅ、圧電シート（４）４０ｄ、圧電シート（５）４０ｅの順番で、それぞれ１枚ずつ積層される。そして、最後に、内部電極が印刷されていない圧電シート（６）４０ｆが１枚積層される。

本実施形態の積層圧電素子（振動子）１１₁ の作成方法については、前述した第１の実施形態と同様なので説明を省略する。

次に、図１５を参照して、本第２の実施形態の振動子の外観を説明する。

図１５に於いて、右側面には外部電極が形成されている。このうち、最上部には圧電シート（３）４０ｃの延出用電極２７ａ₁ の位置に対応したＡ＋相の外部電極１３ａが、下方には圧電シート（１）４０ａに対応した位置にＢ１＋相の外部電極１３ｂ₁ が、そして、圧電シート（４）４０ｄに対応した位置にはＢ２＋相の外部電極１３ｂ₁₁が、それぞれ設けられている。尚、図１５には示されないが、左側面にも、最上部に圧電シート（３）４０ｃの延出用電極２７ａ₂ に対応した位置にＡ−相の外部電極、下方には圧電シート（２）４０ｂに対応した位置にＢ１−相の外部電極、圧電シート（５）４０ｅに対応した位置にＢ２−相の外部電極が、それぞれ設けられている。

本振動子１１₁ を用いた超音波モータの構成に関しては、前述した第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

次に、このように構成された積層圧電素子１１₁ の動作について説明する。

図１３を参照すると、振動子の中央面３５に対して、本第２の実施形態に於ける圧電シート（３）４０ｃは対称に配置されており、該圧電シート（３）は全てＡ相に属するものである。このＡ相に共振周波数に対応する交番電圧を印加すると、輪郭すべり振動のみが励起される。

次に、面たわみ振動について説明するが、それに先立ち、図１６を参照して、圧電シート（２）のみを取り出してその動作について説明する。

図１６（ａ）は圧電シート（２）４０ｂを示したもので、その表面には、ほぼ全面に内部電極２６が設けられている。また、裏面にも同様な電極が設けられている（圧電シート（１）４０ａが寄与する電極）。さて、分極後、交番電圧が印加されると、圧電横効果により、図１６（ｂ）に示されるような、全体的に拡がったり、縮んだりする振動が行われる。

ここで、図１４及び図１５を参照すると、振動子のＢ１＋相とＢ１−相間に共振周波数の交番電圧が印加されると、圧電シート（１）４０ａと圧電シート（２）４０ｂの圧電シート群は、図１６（ｂ）に示されるような振動を行おうとする。すなわち、静止時１１₁ に対して最大変位時１１₁ ａ最小変位時１１₁ ｂとの間で変位する。しかしながら、それと一体となっている圧電シート（３）４０ｃは変位しないのであるから、振動子全体としては、図５（ｂ）に示される、面たわみ振動が行われることになる。

同様に、振動子のＢ２＋相とＢ２−相間に共振周波数の交番電圧が印加されると、圧電シート（４）４０ｄと圧電シート（５）４０ｅの圧電シート群は、図１６（ｂ）に示されるような振動を行おうとする。しかしながら、それと一体となっている圧電シート（３）４０ｃは変位しないのであるから、振動子全体としては、図５（ｂ）に示される面たわみ振動が行われることになる。

実際の駆動方法は、Ｂ１相とＢ２相とが逆相で駆動される。尚、Ｂ相として、Ｂ１相とＢ２相を用いるのは、振動子全体としての対称性を良くするためである。以降、Ｂ１相とＢ２相は逆相で駆動する条件の下、これらをＢ相と記すことにする。

以上より、Ａ相とＢ相を所定の位相差を持って駆動することにより、振動子上面に楕円振動を励起させることができる。

本振動子１１₁ を用いた超音波モータの駆動方法に関しては、前述した第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

このように、第２の実施形態によれば、前述した第１の実施形態による効果以外に、以下のような効果を得ることができる。

すなわち、輪郭すべり振動と面たわみ振動を独立に励起することができるので、その両振動の大きさ、位相等を自由に変えることができ、結果として自由度の高い楕円振動が形成可能である。

尚、本第２の実施形態では、振動検出素子が設けられていないが、前述した第１の実施形態と同様な考え方で構成可能である。また、その場合の駆動方法も第１の実施形態と同様な方法で実現が可能である。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

図１７は本発明の第３の実施形態に係る振動子の構成を示すもので、（ａ）は表面側の外観斜視図であり、（ｂ）は裏面側から見た平面図である。

尚、本第３の実施形態に於いては、前述した第１及び第２の実施形態とは、振動子の構成のみ異なっている。したがって、ここでは振動子の構成について説明し、その他の超音波モータの基本的な構成及び動作については、前述した第１及び第２の実施形態と同じであるので、説明の重複を避けるため、同一の部分には同一の参照番号を付して、その図示及び詳細な説明を省略する。

また、本実施形態に於いても、振動子の外径寸法（ａ：ｂ：ｃ）は前述した第１及び第２の実施形態と同様である。

本第３の実施形態の振動子が、前述した第１の実施形態と異なるのは、積層構造でない点である。

図１７（ａ）に於いて、振動子の表面には、駆動用の交差指電極４６及び振動検出用の交差指電極４７が、分割して設けられている。交差指電極４６、４７の傾きは４５度である。駆動用交差指電極４６はＡ＋相、Ａ−相のＡ相用電気端子４９ａ₁ 、４９ａ₂ と連結している。外部リード線等は、これらの電気端子４９ａ₁ 、４９ａ₂ で接続する。振動検出用交差指電極４７は、Ｃ＋相、Ｃ−相のＣ相用電気端子５０ｃ₁ 、５０ｃ₂ と連結している。

図１７（ｂ）に示されるように、裏面にも同様に駆動用の交差指電極４６及び振動検出用の交差指電極４７が設けられている。交差指電極の傾きは４５度であり、交差指電極の方向は、表面の交差指電極の方向と同じである。駆動用交差指電極４６はＢ＋相、Ｂ−相のＢ相用電気端子５０ｄ₁ 、５０ｄ₂ と連結している。振動検出用交差指電極４７は、Ｄ＋相、Ｄ−相のＤ相用電気端子と連結している。

本振動子を用いた超音波モータの構成に関しては、前述した第１及び第２の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

次に、このように構成された圧電素子の動作について説明する。

動作に関しては、前述した第１及び第２の実施形態が積層構造であったものが、本第３の実施形態では単板構造となっただけであり、その他の構成については前述した第１及び第２の実施形態と同様なので説明を省略する。また、振動検出電極の信号を用いた周波数フィードバック制御についても、同様であるので説明を省略する。

このように、第３の実施形態によれば、本実施形態の振動子は、低電圧では駆動できないものの、構造が非常に簡単になり、量産性に富む。

尚、本第３の実施形態では、同一面内に駆動用交差指電極と振動検出用交差指電極が分割されて印刷されているとして説明したが、圧電シートに同様に印刷したものを用いて、前述した第１の実施形態のような積層構造の振動子にしても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態以外にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。

更に、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

本発明によれば、溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で楕円振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータが得られる。

１０…超音波モータ、１１、１１₁ …積層圧電素子（振動子）、１２ａ、１２ｂ…摩擦接触子、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…外部電極、１５…ロータ、１６…ベアリング、１７…ばね、１８…ばね保持リング、２０…振動子ホルダ、２１…シャフト固定リング、２２…シャフト、２５…圧電シート、２５ａ…圧電シート１（圧電シート（１））、２５ｂ…圧電シート２（圧電シート（２））、２５ｃ…圧電シート３（圧電シート（３））、２５ｄ…圧電シート４（圧電シート（４））、２５ｅ…圧電シート５（圧電シート（５））、２６…内部電極（交差指電極）、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ…延出用電極、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ…節線、３２…中央部断面、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ…節部、３５…中央面、１１１…手前側半分領域、１１２…奥側半分領域。

Claims (16)

1. 中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する略直方体形状の振動子と、該振動子の楕円振動発生面に接して該振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動される被駆動体と、を少なくとも備えた超音波モータであって、
   前記振動子は、該振動子の同一面に発生する輪郭すべり振動と面たわみ振動を、所定の位相差で同時に励起し、該輪郭すべり振動と該面たわみ振動が発生する面と直交する面に生じた楕円振動の発生部位に接触して前記被駆動体を回転駆動させることを特徴とする超音波モータ。
2. 前記輪郭すべり振動と該面たわみ振動が発生する面と直交する側面のほぼ中央部であって、振動の略節部の位置で該振動子を保持する保持部材を更に具備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. 前記振動子は、前記略直方体形状の各辺の比が、略１：１:０．４５となっていることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
4. 上記振動子の上記回転軸方向に直交する断面形状は、略長方形状であることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
5. 前記被駆動体は回転体であり、前記楕円振動が発生している面内の少なくとも２箇所で前記振動子と接触することを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の超音波モータ。
6. 前記振動子は、前記輪郭すべり振動と前記面たわみ振動が発生する面と直交する方向に圧電シートが積層された積層型圧電素子で構成されることを特徴とする請求項４に記載の超音波モータ。
7. 前記積層型圧電素子は、その並び方向が略４５度傾いた交差指電極が印刷された圧電シートを複数枚積層して成ることを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
8. 前記交差指電極が印刷された圧電シートは、振動発生用として機能することを特徴とする請求項７に記載の超音波モータ。
9. 前記積層方向中央面を境に前記振動発生用圧電シート上の前記交差指電極の圧電シート端部への延出部位が異なっていることを特徴とする請求項８に記載の超音波モータ。
10. 前記交差指電極が印刷された圧電シートの一部が振動発生用として機能し、圧電シートの他の一部が振動検出用として機能することを特徴とする請求項７に記載の超音波モータ。
11. 前記積層方向中央面を境に前記振動発生用圧電シートの前記交差指電極の圧電シート端部への延出部位が異なっており、且つ、前記振動検出用圧電シートの前記交差指電極の圧電シート端部への延出部位が異なっていることを特徴とする請求項１０に記載の超音波モータ。
12. 前記交差指電極が印刷された前記振動発生用圧電シートを挟み込むようにして、前記交差指電極が印刷された振動検出用圧電シートが積層されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波モータ。
13. 前記交差指電極が印刷された前記振動検出用圧電シートを挟み込むようにして前記交差指電極が印刷された駆動用圧電シートが積層されていることを特徴とする請求項１１に記載の超音波モータ。
14. 前記積層型圧電素子は、前記輪郭すべり振動を励起するための略４５度傾けて配設された交差指電極が印刷された圧電シート及び前記面たわみ振動を励起するためのほぼ全面電極が印刷された圧電シートが積層されていることを特徴とする請求項６に記載の超音波モータ。
15. 前記振動子は単板振動子であって、前記輪郭すべり振動と前記面たわみ振動が発生する面の両面に同一方向に略４５度傾けて印刷された交差指電極が印刷されていることを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
16. 前記交差指電極の一部は駆動用交差指電極として機能し、前記交差指電極の他の部分は振動検出用交差指電極として機能することを特徴とする請求項１５に記載の超音波モータ。

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