JP2012055145A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て容易性が良好な超音波モータを提供すること。
【解決手段】超音波モータを次のように構成する。すなわち、縦振動と捻れ振動とが同時に励起されることで楕円振動が励起される積層圧電素子40と、積層圧電素子40の捻れ振動の節位置近傍において一体的に固定された回転規制部材42a1,42a2と、積層圧電素子40の楕円振動が励起される面に当接し、楕円振動を駆動源として回転駆動されるロータ機構部10と、積層圧電素子40の楕円振動が励起される面をロータ機構部10に圧接させる押圧機構部20と、積層圧電素子40を保持する回転規制フレーム31a1,31a2と、回転規制フレーム31a1,31a2に設けられ、回転規制部材42a1,42a2と係合することで、押圧機構部20による押圧方向に対して垂直な面内における積層圧電素子40の回転を規制する溝部32a1,32a2と、を超音波モータに具備させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば圧電素子等の振動子の振動を利用する超音波モータに関する。

近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして、圧電素子等の振動子の振動を利用した超音波モータが注目されている。この超音波モータは、従来の電磁型モータと比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、ストロークが長く高分解能である点、静粛性に富む点、及び磁気的ノイズを発生させない点等の利点を有している。

超音波モータでは、超音波振動子を、摩擦部材である駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付けることで、前記駆動子と前記被駆動部材との間に摩擦力を発生させ、この摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。
例えば、縦振動と捻れ振動とを超音波振動子に同時に発生させることで、それらの振動が合成された楕円振動を当該超音波振動子に発生させ、該楕円振動を利用して前記被駆動部材を駆動する超音波モータが知られている。このような超音波モータに関連する技術としては、例えば特許文献１に次のような技術が開示されている。

この特許文献１に開示されている技術によれば、棒状弾性体の側面において互いに対向して配置された２個の積層圧電素子の伸縮振動を利用して、前記棒状弾性体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記棒状弾性体の端面に設けられた駆動子に楕円運動を励起させて、駆動子によりロータを回転させる超音波モータが開示されている。

詳細には、特許文献１に開示されている超音波モータでは、縦振動の周波数と、捻れ振動の周波数と、を略一致させる為に、前記棒状弾性体に溝部を設けている。そして、この溝部の位置を調整することで、縦振動の周波数と捻れ振動の周波数との共振周波数を略一致させている。

さらに、前記棒状弾性体の中央部には長さ方向に沿った貫通孔が設けられ、該貫通孔にシャフトが挿入されて固定されている。そして、このシャフトを基準にして支持されたロータを、上述した楕円振動から駆動力を得た前記駆動子によって回転させている。

特開平９−１１７１６８号公報

ところで、特許文献１に開示されている超音波モータは、以下の理由により、組み立て容易性が良好であるとは言い難い。
すなわち、特許文献１に開示されている超音波モータでは、積層圧電素子と棒状弾性体とを接着固定しなければならない点、及び、縦振動の周波数と捻れ振動の周波数とを略一致させる為に棒状弾性体に溝部を形成しなくてはならない点、が組み立て容易性を低下させている。そして、このような組立性の不良が、当該超音波モータのモータ性能のばらつきや低下を招くことがある。

本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、組み立て容易性が良好な超音波モータを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様による超音波モータは、
中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、該矩形状を構成する短辺と長辺との比率が所定の値に設定され、前記中心軸方向に伸縮する縦振動と、前記中心軸を捻れ軸とする捻れ振動と、が同時に励起されることで楕円振動が励起される振動子と、
前記振動子のうち前記捻れ振動の節位置近傍において一体的に固定された振動子側係合部と、
前記振動子のうち前記楕円振動が励起される面に当接し、前記楕円振動を駆動源として、前記中心軸を回転軸として回転駆動されるロータ機構部と、
前記振動子を前記ロータ機構部に向かって押圧し、前記振動子の前記楕円振動が励起される面を前記ロータ機構部に圧接させる押圧機構部と、
前記ロータ機構部と前記押圧機構部と共に前記振動子を保持するフレームと、
前記フレームに設けられ、前記振動子側係合部と係合することで、前記押圧機構部による押圧方向に対して垂直な面内における前記振動子の回転を規制するフレーム側被係合部と、
を具備することを特徴とする。

本発明によれば、組み立て容易性が良好な超音波モータを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す分解斜視図。 第１実施形態に係る超音波モータの斜視図。 第１実施形態に係る超音波モータの正面図。 第１実施形態に係る超音波モータの側面図。 積層圧電素子の一構成例を示す図。 縦1次振動モードにおける積層圧電素子の振動状態を破線で示す斜視図。 捻れ２次振動モードにおける積層圧電素子の振動状態を破線で示す斜視図。 積層圧電素子の各振動モードにおける共振周波数特性の一例を示す図。 組立時に積層圧電素子を回転規制フレームの溝部に挿入する様子を示す図。 本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す分解斜視図。 第２実施形態に係る超音波モータの斜視図。 第２実施形態に係る超音波モータの正面図。 組立時に積層圧電素子を回転規制フレームの溝部に挿入する様子を示す図。 スペーサ部材の一構成例を示す図。 本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す分解斜視図。 第３実施形態に係る超音波モータの押圧機構部近傍の拡大図（斜視図）。 第３実施形態に係る超音波モータの押圧機構部近傍の拡大図（正面図）。 組立時に積層圧電素子を回転規制フレームに挿入する様子を示す図。 押圧機構部を構成する押圧軸の固定板への組み付け例を示す斜視図。 第３実施形態に係る超音波モータの側面図である。

以下、本発明の実施形態に係る超音波モータについて、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す分解斜視図である。図２は、第１実施形態に係る超音波モータの斜視図である。図３は、第１実施形態に係る超音波モータの正面図である。図４は、第１実施形態に係る超音波モータの側面図である。

図１に示すように、本第１実施形態に係る超音波モータ１は、ロータ機構部１０と、押圧機構部２０と、フレーム３０と、積層圧電素子４０と、を具備する。
前記ロータ機構部１０は、中心軸１１と、軸受け１２と、歯車１３と、摺動板１４と、を有する。

前記中心軸１１は、後述するロータ機構収容フレーム３１ｂに対して固定された軸部材である。なお、ロータ機構部１０における各構成部材は、この中心軸１１に対して同心状に配設されている。
前記軸受け１２は、中心軸１１に挿通されたベアリング部材である。

前記歯車１３は、軸受け１２に結合され、この軸受け１２を介して中心軸１１に対して回転自在に設けられている。
前記摺動板１４は、後述する駆動子４１に接触するよう配置され、該駆動子による駆動力を歯車１３に伝達する。
前記押圧機構部２０は、バネ２１と、押圧軸２２ａが設けられた固定板２２と、を有する。

前記バネ２１は、後述する積層圧電素子４０を、ロータ機構部１０に対して押圧する為のバネ部材である。このバネ２１は、後述する押圧軸２２ａによって位置決めされている。具体的には、このバネ２１は、例えば板バネやコイルバネ等である。
前記固定板２２は、後述する一対の回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の底面に対して螺子止め或いは接着等により固定された板状部材である。この固定板２２と積層圧電素子４０とによって挟み込まれたバネ２１は、撓んだ状態で積層圧電素子４０をロータ機構部１０に対して押圧する。

前記押圧軸２２ａは、バネ２１の中空領域に挿入されて当該バネ２１を位置決めし、ロータ機構部１０の回転軸と積層圧電素子４０の回転軸とを一致させる略円柱状の部材である。この押圧軸２２ａの一方端は固定板２２に対して挿通され、他方端は積層圧電素子４０の底面のうち捻り振動の節位置に対応する位置（幅方向及び厚み方向の中心位置近傍）に接着等により固定されている。

前記フレーム３０は、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２と、ロータ機構収容フレーム３１ｂと、を有する。
前記回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２は、対向する一対の略板状部材であり、これら回転規制フレーム３１ａ１と回転規制フレーム３１ａ２との間に積層圧電素子４０が挿入される。これら回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２は、後述の係合構造により、積層圧電素子４０を回転規制（歯車１３の回転方向についての回転規制）する。

詳細には、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２のうち積層圧電素子４０に対向する面には、図２乃至図４に示すように、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の長手方向に沿って長孔形状の溝部３２ａ１，３２ａ２が形成されている。詳細は後述するが、この溝部３２ａ１，３２ａ２は、積層圧電素子４０に設けられた回転規制部材４２ａ１，４２ａ２と係合して当該積層圧電素子４０の回転動作を規制する。

前記ロータ機構収容フレーム３１ｂは、前記中心軸１１が固定され、前記中心軸１１が挿通された軸受け１２と歯車１３と摺動板１４とを収容する。
前記積層圧電素子４０は、圧電シートが積層されて成る振動体であり、駆動子４１と、回転規制部材４２ａ１，４２ａ２と、位置決めピン４３と、が設けられている。この積層圧電素子４０の積層構造については後述する。

前記駆動子４１は、前記積層圧電素子４０のうちロータ機構部１０に対向する面に設けられ、摺動板１４に接触している。
前記位置決めピン４３は、前記積層圧電素子４０の上面（ロータ機構部１０に対向する面）のうち長辺方向且つ短辺方向の中心上に、当該上面に対して垂直に凸となるように当該上面に接着固定されている。この位置決めピン４３は、ロータ機構部１０を構成する部材の回転中心に設けられた孔に挿入される。この位置決めピン４３によって、ロータ機構部１０の回転中心と、当該積層圧電素子４０上面の中心とが一致する。

前記回転規制部材４２ａ１，４２ａ２は、積層圧電素子４０の主平面（回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に対向する面）のうち、捻り振動の節位置（当該積層圧電素子４０の振動を阻害せず且つ当該積層圧電素子４０の長手方向端面に励起される捻り振動の振幅を最大とするような位置）に、例えば接着等により固定されている。

詳細には、前記回転規制部材４２ａ１，４２ａ２は、積層圧電素子４０と回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２との間に嵌って積層圧電素子４０と回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２との相対位置を固定する位置決め部材４２ａ１ｓ，４２ａ２ｓと、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の溝部３２ａ１，３２ａ２に挿入される棒状部材４２ａ１ｂ，４２ａ２ｂと、から成る。

図２乃至図４に示すように、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の溝部３２ａ１，３２ａ２と、回転規制部材４２ａ１，４２ａ２の棒状部材４２ａ１ｂ，４２ａ２ｂとが係合することで、積層圧電素子４０の回転（歯車１３の回転と同方向の回転、バネ２１の押圧力の方向に対して垂直な面内の回転）が規制される。換言すれば、図４において両矢印Ｄで示す方向への移動が規制される。

また、回転規制部材４２ａ１，４２ａ２の位置決め部材４２ａ１ｓ，４２ａ２ｓが、積層圧電素子４０と回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２との間で積層圧電素子４０を位置決めする為、図３において両矢印Ｗで示す方向への積層圧電素子４０の移動を規制する。

他方、図４において両矢印Ｈで示す方向については、積層圧電素子４０は、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に形成されている溝部３２ａ１，３２ａ２の範囲内で移動自在である。
以下、積層圧電素子４０の積層構造の一例について説明する。図５は、積層圧電素子４０の一構成例を示す図である。

同図に示すように、積層圧電素子４０は、第１積層部位４１１と、第２積層部位４１２と、第３積層部位４１３と、第４積層部位４１４と、第５積層部位４１５と、から成る。
詳細には、これら各積層部位（第１積層部位４１１、第２積層部位４１２、第３積層部位４１３、第４積層部位４１４、第５積層部位４１５）の積層構成は、次のような積層構成である。なお、各積層部位を構成する第１の圧電シート４０１、第２の圧電シート４０２、及び第３の圧電シート４０３の構成については後述する。
《第１積層部位４１１》
第１積層部位４１１は、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。
《第２積層部位４１２》
第２積層部位４１２は、第１積層部位４１１上に積層された部位であって、第１の圧電シート４０１と第２の圧電シート４０２とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第３積層部位４１３》
第３積層部位４１３は、第２積層部位４１２上に積層された部位であって、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。
《第４積層部位４１４》
第４積層部位４１４は、第３積層部位４１３上に積層された部位であって、第１の圧電シート４０１と第２の圧電シート４０２とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第５積層部位４１５》
第５積層部位４１５は、第４積層部位４１４上に積層された部位であって、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。

以下、前記第１の圧電シート４０１、第２の圧電シート４０２、及び第３の圧電シート４０３について詳細に説明する。
これら第１の圧電シート４０１、第２の圧電シート４０２、及び第３の圧電シート４０３は、矩形のシート状の圧電素子であり、例えばハード系のチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックス素子（ＰＺＴ）から成る。

詳細には、前記第１の圧電シート４０１の電極形成面上には、その長手方向における略中央位置に、＋相の第１内部電極４０１ａと＋相の第２内部電極４０１ｃとが、中心線Ｃ（短辺を２等分する線）に対して対称に設けられている。
同様に、前記第２の圧電シート４０２の電極形成面上には、その長手方向における略中央位置に、−相の第１内部電極４０２ａと−相の第２内部電極４０２ｃとが、中心線Ｃ（短辺を２等分する線）に対して対称に設けられている。

ここで、前記＋相の第１内部電極４０１ａは、矩形形状を呈する第１の圧電シート４０１の一方短辺に向かって延びて露出する端部４０１ａｅを備えている。前記＋相の第２内部電極４０１ｃは、矩形形状を呈する第１の圧電シート４０１の一方短辺に向かって延びて露出する端部４０１ｃｅを備えている。

同様に、前記−相の第１内部電極４０２ａは、矩形形状を呈する第２の圧電シート４０２の一方短辺に向かって延びて露出する端部４０２ａｅを備えている。前記−相の第２内部電極４０２ｃは、矩形形状を呈する第２の圧電シート４０２の一方短辺に向かって延びて露出する端部４０２ｃｅを備えている。

そして、積層圧電素子４０の外形部位（外形面）には、端部４０１ａｅ同士，端部４０１ｃｅ同士，端部４０２ａｅ同士，端部４０２ｃｅ同士をそれぞれ接続（短絡）する外部電極（不図示）が設けられている。ここで、積層圧電素子４０のうち、少なくとも、＋相の第１内部電極４０１ａと−相の第１内部電極４０２ａとが互いに対向する部分、及び、＋相の第２内部電極４０１ｃと−相の第２内部電極４０２ｃとが互いに対向する部分、に活性化領域が形成されている。

詳細には、＋相の第１内部電極４０１ａと−相の第１内部電極４０２ａとの間、及び、＋相の第２内部電極４０１ｃと−相の第２内部電極４０２ｃとの間には高電圧が印加され、各電極が分極されて圧電的に活性化されている。
なお、上述の各内部電極４０１ａ，４０１ｃ，４０２ａ，４０２ｃは、例えば厚さ４μｍの銀パラジウム合金である。

前記第３の圧電シート４０３は、第１の圧電シート４０１及び第２の圧電シート４０２と同形状であって、且つ、内部電極が設けられていないシート状の部材である。
以上説明したように、積層圧電素子４０においては、積層方向（積層圧電素子４０の厚み方向）における中央部位には内部電極の無い絶縁層が設けられており、これにより積層方向（積層圧電素子４０の厚み方向）について圧電活性化領域が２分割されている。また、積層方向における最下位部位及び最上位部位にも内部電極の無い絶縁層が設けられている。ここで、第４積層部位４１４に対応する電極層をＡ相と称し、第２積層部位４１２に対応する電極層をＢ相と称する。

図６Ａは、縦1次振動モードにおける積層圧電素子４０の振動状態を破線で示す斜視図である。図６Ｂは、捻れ２次振動モードにおける積層圧電素子４０の振動状態を破線で示す斜視図である。図６Ａ及び図６Ｂにおいては、振動前の積層圧電素子４０の状態（形状）を実線で示し、各振動モードにおける振動時の積層圧電素子４０の状態（形状）を破線で示している。

ここで、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、略直方体形状の積層圧電素子４０の中心軸１００ｃに直交する断面を構成する短辺の長さをａとし、長辺の長さをｂとし、中心軸１００ｃに沿った高さをｃとする。但し、短辺ａ、長辺ｂ、高さｃの大小関係は、
ａ＜ｂ＜ｃ
であるとする。以降の説明においては、高さｃ方向を、縦1次振動モードの振動の方向とし、且つ、捻れ振動の捻れの軸方向とする。

本第１実施形態に係る超音波モータにおいては、積層圧電素子４０のうち短辺ａ、長辺ｂ、高さｃの各寸法の値を適宜設定することで、縦１次振動モードの共振周波数と、捻れ２次振動モードまたは捻れ３次振動モードの共振周波数と、を略一致させる。
図６Ａ及び図６Ｂにおいてｐ１，ｐ２で示すのは捻れ振動の方向であり、ｑで示すのは縦振動の方向であり、Ｎで示すのは振動の節である。

前記節Ｎは、図６Ａに示す縦１次振動においては、積層圧電素子４０の高さｃ方向の中心位置に１つ存在する。また、図６Ｂに示す捻れ２次振動においては、前記節Ｎは、高さｃ方向の２つの位置に存在する。
ここで、積層圧電素子４０の高さｃを一定として、（短辺の長さａ／長辺の長さｂ）の値を横軸にとり、各振動モードにおける共振周波数の値を縦軸にとると、図７に示す特性を得ることができる。具体的には下記のような特性となる。すなわち、
・縦１次振動モードにおける共振周波数の値は、（ａ／ｂ）の値に依存せず、略一定の値をとる。
・捻れ１次振動モード、捻れ２次振動モード、及び捻れ３次振動モードにおける共振周波数の値は、（ａ／ｂ）の値の増加に従って、増加していく。
・捻れ１次振動モードにおける共振周波数は、（ａ／ｂ）の値がどのような値であっても、縦１次振動モードにおける共振周波数と一致することは無い。
・捻れ２次振動モードにおける共振周波数は、（ａ／ｂ）の値が０．６となる近傍で、縦１次振動モードにおける共振周波数と一致する。
・捻れ３次振動モードにおける共振周波数は、（ａ／ｂ）の値が０．３となる近傍で、縦１次振動モードにおける共振周波数と一致する。

上述したような特性の為、本第1実施形態においては下記のように（ａ／ｂ）の値を設定する。すなわち、
・縦１次振動モードと捻れ２次振動モードとを利用する場合、（ａ／ｂ）の値が０．５５〜０．６５となるように、積層圧電素子４０の短辺の長さａ及び長辺の長さｂを設定する。

つまり本第１実施形態に係る超音波モータにおいては、積層圧電素子４０の中心軸１００ｃ方向に伸縮する縦１次共振振動と、中心軸１００ｃを捻れ軸とする捻れ２次共振振動と、の共振周波数が略一致するように、積層圧電素子４０における短辺の長さａと長辺の長さｂとの比(比率)を設定する。

このようにして共振周波数の調整を行うことができるので、従来の技術では必要とされている共振周波数の調整の為の特別な加工等は一切不要になる。
積層圧電素子４０においては、中心軸１００ｃ(回転軸)方向に沿って伸縮する縦１次共振振動と、中心軸１００ｃを捻れ軸とする捻れ２次共振振動と、が同時に励起されることで、それらの振動が合成されて楕円振動が励起される。

具体的には、上述した第４積層部位４１４に対応する電極層であるＡ相、及び第２積層部位４１２に対応する電極層であるＢ相の各内部電極に、互いに位相が異なる交番電圧を印加することで、積層圧電素子４０の厚み方向（積層方向）に分極されてなる活性化領域において縦1次共振振動と捻れ２次共振振動とが励起され、積層圧電素子４０の端面において楕円振動が励起され、駆動子４１によって摺動板１４が回転駆動される。このように、本第１実施形態に係る超音波モータでは、積層圧電素子４０の圧電横効果を利用して駆動を行う。

詳細には、Ａ相とＢ相とに同位相の交番電圧を印加することで、積層圧電素子４０には縦振動が励起される。また、Ａ相とＢ相とに位相差が１８０度（逆位相）の交番電圧を印加することで、積層圧電素子４０には捻れ振動が励起される。そして、Ａ相とＢ相とに位相差が９０度の交番電圧を印加することで、積層圧電素子４０には縦振動と捻れ振動とが同時に励起され、その端面において楕円振動が励起される。

ところで、本第１実施形態に係る超音波モータでは、図５、図６Ａ、及び図６Ｂに示すように、内部電極４０１ａ，４０１ｃ，４０２ａ，４０２ｃが各圧電シートにおいて設けられている位置は、当該積層圧電素子４０に励起させる捻れ２次振動の腹部に対応する位置である。換言すれば、各内部電極４０１ａ，４０１ｃ，４０２ａ，４０２ｃは、捻り２次振動の応力が最大となる位置に設けられている。

図８は、本第１実施形態に係る超音波モータの実際の組立時に、積層圧電素子４０を回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に挿入する様子を示す図である。同図に示すように、回転規制部材４２ａ１，４２ａ２の棒状部材４２ａ１ｂ，４２ａ２ｂを、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の溝部３２ａ１，３２ａ２に、押圧機構部２０が配設される側（下方側）から挿入することで、積層圧電素子４０をフレーム３０内に収容する。その後、押圧機構部２０を組み付ける。

以上説明したように、本第１実施形態によれば、組み立て容易性が良好な超音波モータを提供することができる。具体的には、本第１実施形態に係る超音波モータは、例えば下記のような効果を奏する。
・簡易な構成で、押圧機構部２０による押圧方向に対して垂直な平面内での積層圧電素子４０の回転動作（ロータ機構部１０の歯車１３の回転方向と同方向への回転動作）を規制することができる。
・縦・屈曲方式のモータを利用する場合であっても、押圧方向に対して垂直な平面内での回転を規制する支持構成が不要となる。
・積層圧電素子４０を上述のように構成することで、組立工数の削減及び低コスト化が実現する。
・組立工程を削減したことで、モータ性能のばらつきが低下し、性能の安定性が向上する。
・回転規制部材４２ａ１，４２ａ２と回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２との係合によって回転規制及び位置決めを行うという簡易な構成を採る為、組立工数を大きく削減することができる。
・回転規制部材４２ａ１，４２ａ２を、超音波モータの出力に直接的に寄与すると考えられる捻り振動を可能な限り阻害しない位置（換言すれば、積層圧電素子４０の長手方向端面に励起される捻り振動振幅を最大にする位置；捻り振動の節位置）に配設することで、良好な駆動効率を実現している。
・内部電極を設けた板状の圧電シートを積層して振動体（積層圧電素子４０）を構成することで、低電圧駆動に適した構成としている。
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態に係る超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、上述の第１実施形態に係る超音波モータとの相違点について説明する。

図９は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す分解斜視図である。図１０は、第２実施形態に係る超音波モータの斜視図である。図１１は、第２実施形態に係る超音波モータの正面図である。図１２は、組立時に積層圧電素子を回転規制フレームに挿入する様子を示す図である。図１３は、スペーサ部材の一構成例を示す図である。

前記第１実施形態に係る超音波モータと本第２実施形態に係る超音波モータとの主な相違点の一つは、積層圧電素子４０の回転規制構造である。
具体的には、前記第１実施形態に係る超音波モータでは、積層圧電素子４０に設けられた回転規制部材４２ａ１，４２ａ２と、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に形成された溝部３２ａ１，３２ａ２とが係合することで、押圧機構部２０による押圧方向に対して垂直な平面内での積層圧電素子４０の回転動作（ロータ機構部１０の歯車１３の回転方向と同方向への回転動作）を規制している。

一方、本第２実施形態に係る超音波モータでは、図９乃至図１１に示すように積層圧電素子４０の捻り振動の節位置に、断面コ字状の回転規制部材４３ａ１，４３ａ２が、当該積層圧電素子４０の両側面方向から例えば接着等により固定されている。
より詳細には、本第２実施形態に係る超音波モータの積層圧電素子４０には、押圧機構部２０による押圧方向に対して垂直な平面内で、当該積層圧電素子４０の捻り振動の節位置における略全周を回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２と共に覆うように、回転規制部材４３ａ１，４３ａ２が設けられている。

ここで、断面コ字状の回転規制部材４３ａ１，４３ａ２と、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２との隙間は、図１２において矢印Ｈで示す方向に積層圧電素子４０が移動可能な程度の最小の隙間である。
図１２は、本第１実施形態に係る超音波モータの実際の組立時に、積層圧電素子４０を回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２内に挿入する様子を示す図である。同図に示すように、積層圧電素子４０の主平面のうち回転規制部材４３ａ１と回転規制部材４３ａ２とに覆われていない部位に、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２が位置するように、押圧機構部２０が配設される側から積層圧電素子４０を挿入する。その後、押圧機構部２０を回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の底面に組み付ける。

ところで、積層圧電素子４０のうち回転規制フレーム３１ａ１と対向する主平面には、回転規制フレーム３１ａ１との間に嵌って当該積層圧電素子４０と回転規制フレーム３１ａ１との相対位置を固定するスペーサ部材４５が設けられている。同様に、積層圧電素子４０のうち回転規制フレーム３１ａ２と対向する主平面には、回転規制フレーム３１ａ２との間に嵌って当該積層圧電素子４０と回転規制フレーム３１ａ２との相対位置を固定するスペーサ部材４５が設けられている。これらスペーサ部材４５により、図１１において矢印Ｗで示す方向の位置決めが為される（移動規制が為される）。

上述の構成により、本第２実施形態に係る超音波モータでは、断面コ字状の回転規制部材４３ａ１，４３ａ２と回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２とが、押圧機構部２０による押圧方向に対して垂直な平面内で接触することで、上述の積層圧電素子４０の回転規制が為される。

なお、本第２実施形態に係る超音波モータでは、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に溝部を形成することは不要である。
以上説明したように、本第２実施形態によれば、第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、次の効果を奏する超音波モータを提供することができる。すなわち、本第２実施形態に係る超音波モータによれば、第１実施形態に係る超音波モータに比べて、捻り振動の中心位置からより離れた位置で積層圧電素子４０を支持するので、上述の回転規制が更に容易となる。

なお、回転規制部材４３ａ１，４３ａ２及びスペーサ部材４５については、積層圧電素子４０よりも振動伝達性が小さい材料（例えば、樹脂材料や硬質ゴム等）で構成してもよい。
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態に係る超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、上述の第１実施形態に係る超音波モータとの相違点について説明する。

図１４は、本発明の第３実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す分解斜視図である。図１５は、第３実施形態に係る超音波モータの押圧機構部近傍の拡大図（斜視図）である。図１６は、第３実施形態に係る超音波モータの押圧機構部近傍の拡大図（正面図）である。図１７は、組立時に積層圧電素子を回転規制フレームに挿入する様子を示す図である。図１８は、押圧機構部を構成する押圧軸の固定板への組み付け例を示す斜視図である。図１９は、第３実施形態に係る超音波モータの側面図である。

前記第１実施形態に係る超音波モータと本第３実施形態に係る超音波モータとの主な相違点の一つは、積層圧電素子４０の回転規制構造である。
具体的には、本第３実施形態に係る超音波モータでは、押圧機構部２０を下記のように構成することで、積層圧電素子４０の回転動作（ロータ機構部１０の歯車１３の回転方向と同方向への回転動作）を規制する。すなわち、本第３実施形態に係る超音波モータの押圧機構部２０は、押圧軸２５ａと、突起部２５ｔ１，２５ｔ２と、圧電素子保持部２５ｂ１，２５ｂ２と、バネ２１と、を備える。

前記バネ２１は、後述する押圧軸２５ａによって位置決めされており、積層圧電素子４０をロータ機構部１０に対して押圧する。具体的には、このバネ２１は、例えば板バネやコイルバネ等である。
前記固定板２２は、一対の回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の底面に対して螺子止め或いは接着等により固定された板状部材であり、フレーム３０に対向する面の中心部位には底面まで貫通している中心孔２２ｈが形成されている。この中心孔２２ｈは、後述する押圧軸２５の径と略同径の貫通孔である。固定板２２と積層圧電素子４０とによって挟み込まれたバネ２１は、撓んだ状態で積層圧電素子４０をロータ機構部１０に向かって押圧する。

前記押圧軸２５ａは、バネ２１の中空領域に挿入されてバネ２１を位置決めし、且つ、ロータ機構部１０の回転軸と積層圧電素子４０の回転軸とを一致させる略円柱状の部材である。この押圧軸２５ａの一方端は、図１８に示すように固定板２２の中心孔２２ｈに挿入され、他方端は積層圧電素子４０を載置可能な形状に形成されている。

前記圧電素子保持部２５ｂ１，２５ｂ２は、押圧軸２５ａ上に載置された積層圧電素子４０を、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２側から挟持し、且つ、積層圧電素子４０と回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２との間に嵌ることで、図１６において矢印Ｗで示す方向における積層圧電素子４０の移動を規制する。

前記突起部２５ｔ１，２５ｔ２は、積層圧電素子４０の主平面に対して垂直を成し、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に向かって凸の突起部であり、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の溝部３２ａ１，３２ａ２に挿入される。
図１７に示すように、突起部２５ｔ１，２５ｔ２を、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の溝部３２ａ１，３２ａ２に、押圧機構部２０が配設される側から挿入することで、積層圧電素子４０をフレーム３０内に収容する。その後、押圧機構部２０を回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の底面に組み付ける。

図１９に示すように、回転規制フレーム３１ａ１の溝部３２ａ１と突起部２５ｔ１とが係合することで（図１９においては不図示であるが、同様に回転規制フレーム３１ａ２と突起部２５ｔ２とが係合する）、積層圧電素子４０の回転（歯車１３の回転と同方向への回転、バネ２１の押圧力の方向に対して垂直な平面内の回転）が規制される。換言すれば、図１９において両矢印Ｄで示す方向への積層圧電素子４０の移動が規制される。

以上説明したように、本第３実施形態によれば、第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、次の効果を奏する超音波モータを提供することができる。すなわち、本第３実施形態に係る超音波モータによれば、押圧機構部２０を上述のように構成するだけで、振動体である積層圧電素子４０の支持及び回転止めを行うことができるので、部品点数の削減が実現する。

以上、第１実施形態乃至第３実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。
さらに、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、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいく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。

１０…ロータ機構部、 １１…中心軸、 １３…歯車、 １４…摺動板、 ２０…押圧機構部、 ２１…バネ、 ２２ａ…押圧軸、 ２２…固定板、 ２２ｈ…中心孔、 ２５ａ…押圧軸、 ２５ｔ１，２５ｔ２…突起部、 ２５ｂ１，２５ｂ２…圧電素子保持部、 ２５…押圧軸、 ３０…フレーム、 ３１ｂ…ロータ機構収容フレーム、 ３１ａ１，３１ａ２…回転規制フレーム、 ３２ａ１，３２ａ２…溝部、 ４０…積層圧電素子、 ４１…駆動子、 ４２ａ１，４２ａ２…回転規制部材、 ４２ａ１ｓ，４２ａ２ｓ…位置決め部材、 ４２ａ１ｂ，４２ａ２ｂ…棒状部材、 ４３…ピン、 ４３ａ１，４３ａ２…回転規制部材、 ４５…スペーサ部材、 ４０１…第１の圧電シート、 ４０２…第２の圧電シート、 ４０３…第３の圧電シート。

Claims (5)

1. 中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、該矩形状を構成する短辺と長辺との比率が所定の値に設定され、前記中心軸方向に伸縮する縦振動と、前記中心軸を捻れ軸とする捻れ振動と、が同時に励起されることで楕円振動が励起される振動子と、
   前記振動子のうち前記捻れ振動の節位置近傍において一体的に固定された振動子側係合部と、
   前記振動子のうち前記楕円振動が励起される面に当接し、前記楕円振動を駆動源として、前記中心軸を回転軸として回転駆動されるロータ機構部と、
   前記振動子を前記ロータ機構部に向かって押圧し、前記振動子の前記楕円振動が励起される面を前記ロータ機構部に圧接させる押圧機構部と、
   前記ロータ機構部と前記押圧機構部と共に前記振動子を保持するフレームと、
   前記フレームに設けられ、前記振動子側係合部と係合することで、前記押圧機構部による押圧方向に対して垂直な面内における前記振動子の回転を規制するフレーム側被係合部と、
   を具備することを特徴とする超音波モータ。
2. 前記フレーム側被係合部は、前記押圧方向を長手方向として前記フレームに形成された長孔部であり、
   前記振動子側係合部は、
   前記振動子と前記フレームとの間に嵌って前記振動子と前記フレームとの相対位置を固定するスペーサ部材と、
   前記フレーム部に形成された前記長孔部に挿入される係合部材と、
   を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記振動子側係合部は、前記押圧方向に対して垂直な面内で、前記振動子の捻れ振動の節位置における略全周を前記フレームと共に覆うように前記振動子の周面に配設された回転規制部材であり、
   前記フレーム側被係合部は、前記フレームのうち前記回転規制部材と接触する部位であり、
   前記振動子のうち前記フレームと対向する主平面には、前記フレームとの間に嵌って前記振動子と前記フレームとの相対位置を固定するスペーサ部材が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
4. 前記振動子側係合部及び前記スペーサ部材は、前記振動子よりも振動伝達性が小さい材質から成る
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の超音波モータ。
5. 前記フレーム側被係合部は、前記押圧方向を長手方向として前記フレーム部に形成された長孔部であり、
   前記振動子側係合部は、
   前記フレーム側から前記振動子を挟持し、前記振動子と前記フレームとの間に嵌って前記振動子と前記フレームとの相対位置を固定する振動子保持部と、
   前記長孔部に挿入される係合突起部材と、
   を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。

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