JP2012143086A - 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得る。
【解決手段】楕円振動が励起される積層圧電素子40と、前記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をロータ機構部10に圧接させる押圧機構部20と、フレーム30と、フレーム30のうち積層圧電素子40に対向する面に設けられ、振動子40をその厚み方向においてフレーム30と共に挟持する挟持部51ｓ1−1〜4および51ｓ2−1〜4と、を超音波モータに具備させ、前記フレーム30及び前記挟持部51ｓ1−1〜4および51ｓ2−1〜4のうち少なくとも一方は、積層圧電素子40の厚み方向について弾性力を有し、前記挟持部51ｓ1−1〜4および51ｓ2−1〜4は、フレーム30と積層圧電素子40とに対して圧接している。
【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、
前記フレームのうち前記振動子に対向する面に設けられ、前記振動子をその厚み方向において前記フレームと共に挟持する挟持部と、
を具備し、
前記フレーム及び前記挟持部のうち少なくとも一方は、前記振動子の厚み方向について弾性力を有しており、
前記挟持部は、前記フレームと前記振動子とに対して圧接している
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正面図。 第１実施形態に係る超音波モータの側面側からの斜視図。 回転規制フレームが有する弾性力（付勢力）の方向を示す図。 組立前の本一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。 積層圧電素子をないものと仮定した本一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。 組立後の本一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図。 組立後の本一実施形態に係る超音波モータにおける挟持部のたわみの一例を示す図。 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。

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。
図１は、本発明の一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、本発明の一実施形態に係る超音波モータの正面図である。図３は、一実施形態に係る超音波モータの側面側からの斜視図である。

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。詳細は図４を参照して後述するが、フレーム３０は、何ら外力が加わらない状態では、回転規制フレーム３１ａ１と回転規制フレーム３１ａ２とが積層圧電素子４０の厚み寸法よりも大きく離間するような付勢力（弾性力）を有している。これにより、積層圧電素子４０を回転規制フレーム３１ａ１と回転規制フレーム３１ａ２との間に挿入（配置）することが容易となる。

前記回転規制フレーム３１ａ１のうち積層圧電素子４０に対向する面には、積層圧電素子４０を挟持する為の挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４が設けられている。同様に、前記回転規制フレーム３１ａ２のうち積層圧電素子４０に対向する面には、積層圧電素子４０を挟持する為の挟持部５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４が設けられている。

以下、挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４について、その構成及び配設位置を詳細に説明する。
図１乃至図３に示す例では、前記挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４は、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に挿入された略棒状形状の部材であり、少なくとも積層圧電素子４０に対向する（接触する）端部は弾性を有しており（例えば樹脂や硬質ゴムを材料として構成されており）、該端部が回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２から積層圧電素子４０に向かって露出している。

このように構成された挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４が、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に形成した孔部に圧入され、或いは挿入された後に接着等で固定されて設けられている（具体的な配設位置については後述する）。

なお、樹脂を材料として挟持部を構成する場合、フレーム３０と一体成形してもよい。さらには、金属（例えばアルミニウム）を材料としてフレーム３０を構成し、且つ、樹脂を材料として挟持を構成する場合、挟持部をインサート成形してもよい。
また、上述の挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４のうち積層圧電素子４０に対向する（接触する）端部を構成する材料は、歯車１３の回転方向と同方向への積層圧電素子４０の変位を規制する程度の硬質性と、積層圧電素子４０の振動をフレーム３０に伝達しにくく且つ積層圧電素子４０の寸法のばらつきを吸収可能な程度の弾性を兼ね備えた材料であれば任意である（一例としては、上述のように硬質ゴムを挙げることができる）。

ここで、各挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４の寸法は、組立後に互いに対向する一対の挟持部の頂点間距離が、組立前の当該超音波モータにおいて積層圧電素子４０の厚み寸法よりも大きい値となるように設定する。

前記回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２において挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ２−１が設けられている位置は、挟持部５１ｓ１−１と挟持部５１ｓ２−１とによって積層圧電素子４０の捻れ振動の節位置（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れ振動の振幅を最大とするような位置）を挟持可能な位置である。これにより、良好な駆動効率が実現する。

また、挟持部５１ｓ１−１と挟持部５１ｓ２−１とは、それぞれ回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２のうち互いに対向する位置に設けられており、積層圧電素子４０をその厚み方向において挟持する。
前記回転規制フレーム３１ａ１において、図３に示すように挟持部５１ｓ１−１が設けられた位置から、当該回転規制フレーム３１ａ１の短手方向に距離Ｌだけ離間した位置に（積層圧電素子４０の捻れ振動の節位置；後に図１１を参照して詳述；以下同様）、挟持部５１ｓ１−１に対して前記短手方向に並列に、挟持部５１ｓ１−２が設けられている。同様に、回転規制フレーム３１ａ２において、挟持部５１ｓ２−１が設けられた位置から、当該回転規制フレーム３１ａ２の短手方向に距離Ｌだけ離間した位置に（積層圧電素子４０の捻れ振動の節位置）、挟持部５１ｓ２−１に対して前記短手方向に並列に、挟持部５１ｓ２−２が設けられている。

さらに、回転規制フレーム３１ａ１において、図３に示すように挟持部５１ｓ１−１が設けられた位置から、当該回転規制フレーム３１ａ１の長手方向に所定距離だけ離間した位置（積層圧電素子４０の捻れ振動の節位置）に、挟持部５１ｓ１−１に対して前記長手方向に並列に、挟持部５１ｓ１−３が設けられている。同様に、回転規制フレーム３１ａ２において、挟持部５１ｓ２−１が設けられた位置から、当該回転規制フレーム３１ａ２の長手方向に所定距離だけ離間した位置（積層圧電素子４０の捻れ振動の節位置）に、挟持部５１ｓ２−１に対して前記長手方向に並列に、挟持部５１ｓ２−３が設けられている。

そして、回転規制フレーム３１ａ１において、図３に示すように挟持部５１ｓ１−２が設けられた位置から、当該回転規制フレーム３１ａ１の長手方向に所定距離だけ離間した位置（積層圧電素子４０の捻れ振動の節位置）に、挟持部５１ｓ１−２に対して前記長手方向に並列に挟持部５１ｓ１−４が設けられている。同様に、回転規制フレーム３１ａ２において、挟持部５１ｓ２−４が設けられた位置から、当該回転規制フレーム３１ａ２の長手方向に距離Ｌだけ離間した位置（積層圧電素子４０の捻れ振動の節位置）に、挟持部５１ｓ２−２に対して前記長手方向に並列に挟持部５１ｓ２−４が設けられている。

上述したように挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４を設けることで、積層圧電素子４０を、積層圧電素子４０の捻れ振動の節位置（捻れ振動を阻害しない位置）における４つの部位（互いに対向する２つの挟持部を一対として４対の挟持部）で挟持することができる。

ここで、挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４は、積層圧電素子４０の捻れ振動の振動軸に対して、等間隔且つ対称に位置するように設けられている。

なお、前記所定距離Ｌは、駆動時に積層圧電素子４０が歯車１３の回転方向に変位しないような距離であり（所定距離未満の距離では回転方向に変位してしまう）、当該積層圧電素子４０の寸法に応じて設計するのが好ましい。
ところで、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。

以下、図４乃至図８を参照して、組立前と組立後における、挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４と、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２との関わりについて詳細に説明する。

図４は、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２が有する付勢力（弾性力）の方向を示す図である。図５は、組立前の本一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。図６は、積層圧電素子４０を無いものと仮定した本一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。図７は、組立後の本一実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。図８は、組立後の本一実施形態に係る超音波モータにおける挟持部のたわみの一例を示す図である。なお、図４乃至図８においては、説明の便宜上、挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４を模式的に大きく図示している。

図４に示すように、フレーム３０は、回転規制フレーム３１ａ１と回転規制フレーム３１ａ２とが両矢印Ｄで示す方向（積層圧電素子４０の主平面に対して略垂直な方向）に開く付勢力（弾性力）を有している。
詳細には、何ら外力が加わらない状態では（当該超音波モータの組立前においては）、当該超音波モータは図５に示す部位Ｐ１を支点として部位Ｐ２が開くことで、回転規制フレーム３１ａ１と回転規制フレーム３１ａ２との間の距離が、積層圧電素子４０の厚み寸法よりも大きい値となる。換言すれば、図４に示すように積層圧電素子４０に対して何れの挟持部も接触しない態様となる。これにより、積層圧電素子４０を回転規制フレーム３１ａ１と回転規制フレーム３１ａ２との間に挿入（配置）することが容易となる。

ここで、図５に示すように、挟持部５１ｓ１−１（５１ｓ２−１）と挟持部５１ｓ１−２（５１ｓ２−２）との間の距離を“Ｄａ”とし、挟持部５１ｓ１−３（５１ｓ２−３）と挟持部５１ｓ１−４（５１ｓ２−４）との間の距離を“Ｄｂ”とし、積層圧電素子の厚みを“Ｔｃ”とする。

すると、図５に示すように当該超音波モータの組立前の状態において各寸法は、
Ｔｃ＜Ｄａ＜Ｄｂ
という関係にある。
組立の際には、回転規制フレーム３１ａ１と回転規制フレーム３１ａ２とによって積層圧電素子４０の主平面を挟み込むように、当該回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に押圧力を印加し、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２と積層圧電素子４０とが略平行を為す状態で、当該回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２の底面を固定板２２に螺子止め等により固定する。

ここで、上述したように弾性力を有する挟持部が、組立後に積層圧電素子４０及び回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２と圧接することでどのように変形するか（撓むか）を説明する。
積層圧電素子４０を無いと仮定した場合、図６に示すように挟持部５１ｓ１−１（５１ｓ２−１）と挟持部５１ｓ１−２（５１ｓ２−２）との間の距離“Ｄａ”は、積層圧電素子４０の厚み“Ｔｃ”よりも小さい値である。同様に、挟持部５１ｓ１−３（５１ｓ２−３）と挟持部５１ｓ１−４（５１ｓ２−４）との間の距離“Ｄｂ”は、積層圧電素子４０の厚み“Ｔｃ”よりも小さい値である。すなわち、
Ｄａ＜Ｔｃ、Ｄｂ＜Ｔｃ，Ｄａ＝Ｄｂ
である。このような寸法に構成することで、当該超音波モータの組立後に、各挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４を、積層圧電素子４０と回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２とに対して加圧接触させて弾性変形させることができる。

組立後の当該超音波モータでは、図７に示すように、挟持部５１ｓ１−１（５１ｓ２−１）と挟持部５１ｓ１−２（５１ｓ２−２）との間、及び、挟持部５１ｓ１−３（５１ｓ２−３）と挟持部５１ｓ１−４（５１ｓ２−４）との間に、厚み“Ｔｃ”の積層圧電素子４０が介在している。このとき、これら挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ２−１，５１ｓ１−２，５１ｓ２−２，５１ｓ１−３，５１ｓ２−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−４は、積層圧電素子４０と回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２とによって挟持・押圧されて弾性変形する。

この弾性変形後には、挟持部５１ｓ１−１（５１ｓ２−１）と挟持部５１ｓ１−２（５１ｓ２−２）との間の距離“Ｄａ”は、積層圧電素子４０の厚み“Ｔｃ”と同じ値になる。同様に、挟持部５１ｓ１−３（５１ｓ２−３）と、挟持部５１ｓ１−４（５１ｓ２−４）との間の距離“Ｄｂ”は、積層圧電素子４０の厚み“Ｔｃ”と同じ値になる。

このとき、各挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ２−１，５１ｓ１−２，５１ｓ２−２，５１ｓ１−３，５１ｓ２−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−４は、図８に示すように（同図においては挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ２−１，５１ｓ１−２，５１ｓ２−２の例を示している）、積層圧電素子４０の厚み方向にΔＤだけ圧縮変形する。つまり、積層圧電素子４０は、外力が印加されない状態の寸法からΔＤだけ圧縮変形させられた（撓んだ）挟持部の弾性力によって、その厚み方向において挟持（加圧状態で保持／支持）される。

上述したように、弾性力を有する部材（回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２、挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ２−１，５１ｓ１−２，５１ｓ２−２，５１ｓ１−３，５１ｓ２−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−４）で振動体（積層圧電素子４０）を挟み込んで支持することで、例えば下記の効果を得ることができる。
・振動体（積層圧電素子４０）の厚み寸法が公差内で変化した場合であっても、該変化を吸収してフレキシブルに対応可能となり、振動体支持（保持）の精度が向上する。
・振動体（積層圧電素子４０）を所謂ガタ無く支持（保持）する事が可能となる。

なお、当然ながら、挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ２−１，５１ｓ１−２，５１ｓ２−２，５１ｓ１−３，５１ｓ２−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−４は全て同一の部材（同じ弾性力を有する部材）であるので、これらによって挟持された積層圧電素子４０が、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に対して傾くことはない。

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９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１０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１１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１０及び図１１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１０及び図１１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。

本一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１０及び図１１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１０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１１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。
上述した挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ１−２，５１ｓ１−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−１，５１ｓ２−２，５１ｓ２−３，５１ｓ２−３，５１ｓ２−４は、積層圧電素子４０のうち捻れ２次振動の節Ｎの位置にて積層圧電素子４０を挟持（加圧状態で支持・保持）するように、回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２において対応する位置に設けられている。

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１２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、本一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。

つまり本一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９、図１０、及び図１１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。

以上説明したように、本一実施形態によれば、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、弾性力を有する挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ２−１，５１ｓ１−２，５１ｓ２−２，５１ｓ１−３，５１ｓ２−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−４を介して、積層圧電素子４０の主平面に対して略垂直な方向に付勢力を有する回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２によって振動体（積層圧電素子４０）を挟持する構成を採ることで、例えば下記の効果を奏する。
・例えば公差内の積層圧電素子４０の寸法変化を吸収することができ、振動体支持（保持）精度が向上する。
・振動体（積層圧電素子４０）をガタ無く支持（保持）する事が可能となる。
・上記の効果により、当該超音波モータのモータ性能の向上が実現する。また、積層圧電素子４０の寸法変化に対する調整機構等が不要となり、部品構成が簡略化し、組立工数も削減される。
・単一の部材で構成した振動体（積層圧電素子４０）に、縦振動と捻り振動とを同時に発生させ、それらの振動が合成された楕円振動によってロータ機構部１０を駆動する構成を採ることで、振動体の構成の簡略化が実現した。
・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。
・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。

以上、一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。
例えば、上述の例では回転規制フレーム３１ａ１，３１ａ２に付勢力（弾性力）を備えさせ、且つ、挟持部５１ｓ１−１，５１ｓ２−１，５１ｓ１−２，５１ｓ２−２，５１ｓ１−３，５１ｓ２−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−４にも弾性力を備えさせた構成としているが、少なくとも何れか一方に弾性力を備えさせれば、上述の効果を実現することができる。

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、 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、 ４０…積層圧電素子、 ４１…駆動子、 ４２ａ１，４２ａ２…回転規制部材、 ４３…ピン、 ５１ｓ１−１，５１ｓ２−１，５１ｓ１−２，５１ｓ２−２，５１ｓ１−３，５１ｓ２−３，５１ｓ１−４，５１ｓ２−４…挟持部、 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 (6)

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、
   前記フレームのうち前記振動子に対向する面に設けられ、前記振動子をその厚み方向において前記フレームと共に挟持する挟持部と、
   を具備し、
   前記フレーム及び前記挟持部のうち少なくとも一方は、前記振動子の厚み方向について弾性力を有しており、
   前記挟持部は、前記フレームと前記振動子とに対して圧接している
   ことを特徴とする超音波モータ。
2. 前記挟持部は、２個で一対を為す凸部が複数対設けられて成り、
   前記一対の凸部は、前記フレームのうち前記振動子に対して互いに対称な位置であって、且つ、互いに対向する位置に設けられた２個の凸部から成る、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記挟持部は、前記フレームのうち、前記振動子の前記捻れ振動の節位置に対応する位置に設けられている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記複数対の凸部は、各対同士が互いに所定間隔以上離間した位置に設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
5. 前記挟持部は、前記振動子の振動を前記フレームに伝達しない材質から成る
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
6. 前記フレームは金属材料から成り、前記挟持部は樹脂材料から成り、
   前記フレームと前記挟持部とは、インサート成形により一体的に構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。

Images