JP2012217229A - 超音波振動子、及び超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡略な構成の超音波振動子及び超音波モータを提供すること。
【解決手段】略直方体形状を呈する当該超音波振動子40の中心軸に垂直な断面を構成する短辺と長辺との長さの比率が、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、の共振周波数を略一致させる比率に設定されており、前記縦振動と前記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超音波振動子40を次のように構成する。すなわち、当該超音波振動子40に励起される前記縦振動の節部且つ前記捻れ振動の腹部に対応する位置に配置された積層圧電素子40p振動子４０と、前記積層圧電素子40pを前記中心軸方向における一方側と他方側とから挟み込む一対の弾性体である第１の弾性体40e1及び第２の弾性体40e2と、を超音波振動子40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超音波振動子、及び該超音波振動子を用いた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、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。

具体的には、例えば、超音波振動子から成る振動体を、摩擦接触子を介して、被駆動部材であるロータに押し付けることで、前記摩擦接触子と前記ロータとの間に摩擦力を発生させ、この摩擦力によって前記ロータを駆動する。
詳細には、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の端面に発生させ、該楕円振動を利用して前記ロータを回転させる。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。

すなわち、特許文献１には、棒状弾性体と、該棒状弾性体の側面において該棒状弾性体に対して一体的に設けられた複数の保持用弾性体と、該複数の保持用弾性体により両端を保持された複数の積層型圧電素子と、これら積層型圧電素子と前記保持用弾性体との間に設けられた複数の振動検出用の圧電素子と、前記棒状弾性体の端面に設けた摩擦子と、該摩擦子に対して押圧手段により押圧された状態で配置されたロータと、前記複数対の積層型圧電素子のうちの各一対に対して、前記振動検出用の圧電素子から出力され信号の位相若しくは振幅に応じた所定の周波数、大きさの交番電圧であり互いに位相差を有する交番電圧を印加する電源手段と、を具備する超音波モータが開示されている。

ここで、前記積層型圧電素子は複数対設けられている。詳細には、前記積層型圧電素子の変位方向と前記棒状弾性体の長手方向とが一定の鋭角を為し、且つ、積層型圧電素子の各対同士が互いに反対方向に傾斜して配置されている。
この特許文献１に開示されている超音波モータでは、前記棒状弾性体に縦振動と捻れ振動とを同時に励起して楕円振動を励起し、前記摩擦子によって前記ロータを回転駆動する。

特開平９−８５１７２号公報

具体的には、特許文献１に開示されている技術では、1対もしくは複数対の積層型圧電素子が、当該積層型圧電素子を挿入可能な凹部を有する保持用弾性体と棒状弾性体との間に保持されている。そして、前記保持用弾性体を前記積層型圧電素子に突き当てて圧縮応力を印加した状態で、前記積層型圧電素子が、棒状弾性体に対してビスで固定される。

従って、この特許文献１に開示されている構造を採用する場合、圧電素子を固定する為の保持用弾性体は必須の構成要件となり、この保持用弾性体及び圧電素子を配置する為の凹部を棒状弾性体に形成しなければならない。従って、特許文献１に開示されている技術では、振動体の構造を簡略化・小型化することは困難である。

本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、簡略な構成の超音波振動子及び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、本発明の第１の態様による超音波振動子は、
略直方体形状を呈する当該超音波振動子の中心軸に垂直な断面を構成する短辺と長辺との長さの比率が、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、の共振周波数を略一致させる比率に設定されており、前記縦振動と前記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超音波振動子であって、
当該超音波振動子に励起される前記縦振動の節部且つ前記捻れ振動の腹部に対応する位置に配置された圧電素子と、
前記圧電素子を前記中心軸方向における一方側と他方側とから挟み込む一対の弾性体と、
を有することを特徴とする。

前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様による超音波モータは、
略直方体形状を呈する当該振動子の中心軸に垂直な断面を構成する短辺と長辺との長さの比率が、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、の共振周波数を略一致させる比率に設定されており、前記縦振動と前記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、
前記振動子の楕円振動発生面に当接し、前記楕円振動によって、前記中心軸を回転軸として回転駆動される被駆動体と、
前記振動子を前記被駆動体に対して押圧し、前記振動子の前記楕円振動発生面を前記被駆動体に対して圧接させる押圧機構部と、
を具備し、
前記振動子は、
前記振動子に励起される前記縦振動の節部且つ前記捻れ振動の腹部に対応する位置に配置された圧電素子と、
前記圧電素子を前記中心軸方向における一方側と他方側とから挟み込む一対の弾性体と、
前記一対の弾性体に与圧を加え、前記一対の弾性体と前記圧電素子とを圧接させる与圧部と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、簡略な構成の超音波振動子及び超音波モータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る超音波振動子を適用した超音波モータの一構成例を示す正面図。 本発明の一実施形態に係る超音波振動子の一構成例を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る積層圧電素子の一構成例を示す図。 積層圧電素子を図２において矢印Ａ１で示す方向から観た斜視図。 積層圧電素子を図２において矢印Ａ２で示す方向から観た斜視図。 振動子の概略構成を示す斜視図。 捻れ１次振動モードにおける振動状態を破線で示した斜視図。 縦１次振動モードにおける振動状態を破線で示した斜視図。 捻れ２次振動モードにおける振動状態を破線で示す斜視図。 捻れ３次振動モードにおける振動状態を破線で示す斜視図。 超音波振動子の寸法と、当該超音波振動子に励起される各振動モードにおける共振周波数の値との相関関係のグラフを示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る超音波振動子を適用した超音波モータの一構成例を示す正面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る超音波振動子の一構成例を示す斜視図である。
図１に示すように、本一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、振動子４０と、与圧機構５０と、摩擦接触子１４と、を具備する。

前記ロータ機構部１０は、シャフト１１と、ベアリング１２と、ロータ１３と、を有する。
前記シャフト１１は、当該シャフト１１の径方向に略円板形状に凸の突起部であるシャフト突起部１１ｔが所定位置に設けられた軸状部材である。このシャフト１１は、後述する振動子４０の貫通孔Ｈに挿通されており、このシャフト１１の両端近傍部位には、後述する調節螺子２５の内径面に形成された螺子山（めねじ）及び固定ナット２３の内径面に形成された螺子山（めねじ）と螺合する螺子山（おねじ）が形成されている。

また、このシャフト１１は、後述するロータ機構部１０の回転軸であり、後述する振動子４０の捻れ振動の軸（捻れ軸）でもある。
前記ベアリング１２は、シャフト１１が挿通された軸受け部材であり、その内径面はシャフト１１の外周面に対して結合され、且つ、その外径面はロータ１３に対して固定されている。つまり、このベアリング１２は、シャフト１１を回転軸としてロータ１３を回転可能に保持する軸受け部材である。

前記ロータ１３は、中心軸に貫通孔が形成された略円板形状を呈し、その上面にはベアリング１２を収容する為の凹み部が形成されている。このロータ１３の凹み部に収容されたベアリング１２は、当該ロータ１３に対して固定されて一体化されている。このロータ１３は、後述する押圧バネ２１と調節螺子２５とによって、振動子４０の上面４０ｕｅに設けられた摩擦接触子１４に向かって押圧され、且つ、回転可能に保持されている被駆動体である。

前記押圧機構部２０は、押圧バネ２１と、調節螺子２５と、を有する。
前記押圧バネ２１は、ベアリング１２を介してロータ１３を、振動子４０に対して押圧する為のバネ部材であり、シャフト１１に挿通されている。具体的には、この押圧バネ２１は、例えば板バネやコイルバネ等である。

前記調節螺子２５は、略円筒形状を呈し、その内径面にはシャフト１１の端部位に形成された螺子山（おねじ）と螺合する螺子山（めねじ）が形成されている。この調節螺子２５をシャフト１１に螺合させて螺子込んでいき、当該調節螺子２５とベアリング１２とで押圧バネ２１を圧縮した状態で挟持する。この圧縮した状態の押圧バネ２１が有する付勢力（押圧力）は、ベアリング１２、ロータ１３、及び摩擦接触子１４を介して、振動子４０に伝達される。換言すれば、ロータ１３は、後述する振動子４０の上面４０ｕｅに設けられた摩擦接触子１４に対して圧接している。

このように、ロータ機構部１０を振動子４０に対して押圧する押圧機構部２０により、後述する摩擦接触子１４によるロータ１３の摩擦駆動が可能となる。
前記振動子４０は、略直方体形状を呈し、中心軸に対応する位置に断面円形状の貫通孔Ｈが形成された積層圧電素子４０ｐと、第１の弾性体４０ｅ１と、第２の弾性体４０ｅ２と、を具備する。

前記積層圧電素子４０ｐは、複数毎の圧電シートが後述するように積層されて成る圧電素子である。この積層圧電素子４０ｐは、振動子４０の長手方向中央部位（換言すれば振動子４０の縦1次振動の節部近傍且つ捻れ2次振動の腹部近傍に対応する位置）に位置するように設けられている。この積層圧電素子４０ｐの詳細な構成は図３乃至図６を参照して後述する。

前記第１の弾性体４０ｅ１及び前記第２の弾性体４０ｅ２は、積層圧電素子４０ｐを、当該振動子４０の中心軸方向（シャフト１１の軸方向；以降、単に中心軸方向と称する）に沿って一方側と他方側とから（図２においては積層圧電素子４０の上下方向から）挟持するように設けられた弾性体（材料としては、例えばＳＵＳ等の金属を挙げることができる）である。

なお、図２においては不図示であるが、第１の弾性体４０ｅ１のうちロータ１３に対向する面（上面）４０ｕｅには、上述のシャフト突起部１１ｔが収容される第１の溝部４０ｅ１−ｓが形成されている。同様に、図２においては不図示であるが、第２の弾性体４０ｅ２のうち当該振動子４０の一端面を構成する面（下面）４０ｄｅには、後述する固定ナット２３が収容される第２の溝部４０ｅ２−ｓが形成されている。

前記摩擦接触子１４は、前記振動子４０の上面４０ｕｅであって楕円振動（詳細は後述する）が発生する部位近傍に例えば接着固定により設けられ、ロータ１３に対して接触（押圧バネ２１による押圧力が掛かった際には“圧接”）する。この摩擦接触子１４は、振動子４０の振動（詳細は後述する）を駆動源として、ロータ１３を摩擦駆動する。

前記与圧機構５０は、上述したシャフト突起部１１ｔと、固定ナット２３と、を具備する。
前記シャフト突起部１１ｔは、シャフト１１が振動子４０の貫通孔Ｈに挿入された際に、第１の弾性体４０ｅ１に形成された第１の溝部４０ｅ１−ｓに収容され、前記中心軸方向において第１の溝部４０ｅ１−ｓと係合し（突き当たり）、前記中心軸方向における振動子４０に対する当該シャフト１１の位置を固定する。

前記固定ナット２３は、振動子４０の貫通孔Ｈに挿通されたシャフト１１のうち第２の弾性体４０ｅ２の下面４０ｄｅ側に露出した部位に捻じ込まれ、第２の弾性体４０ｅ２に形成された第２の溝部４０ｅ２−ｓに収容される。この固定ナット２３は、第２の溝部４０ｅ２−ｓに対して圧接するまで捻じ込まれる。

上述した構成の与圧機構５０によって、振動子４０は、前記中心軸方向における一方側と他方側とから、第１の弾性体４０ｅ１と第２の弾性体４０ｅ２とによって挟み込まれて締め付けられている（与圧を加えられている）。この振動子４０に対する前記中心軸方向における締め付けによって、十分な大きさの圧縮与圧が積層圧電素子４０ｐに対して印加される。

この構造により、積層圧電素子４０ｐの所謂“引っ張り応力”に対する弱さを補うことができる。また、第１の弾性体４０ｅ１及び第２の弾性体４０ｅ２を金属で構成することにより、振動子４０の共振尖鋭度Ｑを高くすることができる。すなわち、積層圧電素子４０ｐにおいて発生した超音波振動の増幅率を大きくすることができる為、振動子４０において大振幅を発生させることが可能となる。

以下、図３乃至図６を参照して、積層圧電素子４０ｐの構成について詳細に説明する。図３は、積層圧電素子４０の一構成例を示す図である。図４Ａは、積層圧電素子４０ｐを図２において矢印Ａ１で示す方向から観た斜視図である。図４Ｂは、積層圧電素子４０ｐを図２において矢印Ａ２で示す方向から観た斜視図である。

図３に示すように、積層圧電素子４０ｐは、３種類の圧電シート（第１の圧電シート４１、第２の圧電シート４２、第３の圧電シート４３：各圧電シートの詳細な構成は後述する）が積層されて成る。
詳細には、積層圧電素子４０ｐは、第１の圧電シート４１と第２の圧電シート４２とが、所定の厚みを呈するまで交互に積層され、且つ、最上位に第３の圧電シート４３が積層されて成る。

以下、上述の各圧電シートの構成について説明する。
上述の第１の圧電シート４１、第２の圧電シート４２、及び第３の圧電シート４３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）から成り、１０μｍから１００μｍ程度の厚みを有する。

詳細は後述するが、これら第１の圧電シート４１及び第２の圧電シート４２には、積層圧電素子４０ｐにおける圧電活性化領域を構成する内部電極が設けられている。各内部電極は、例えば厚さ４μｍの銀パラジウム合金等から成り、各圧電シート４１，４２は厚み方向に分極されている。

ところで、図４Ａに示すように、積層圧電素子４０ｐは、中心軸（貫通孔Ｈ）に垂直な面内において、当該中心軸（貫通孔Ｈ）の周りに９０度毎に区切った（短辺を二等分する二等分線Ｌ１と、長辺を二等分する二等分線Ｌ２とによって区切られた）、４つの領域４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄから成る。

前記第１の圧電シート４１の電極形成面上には、当該積層圧電素子４０ｐの４つの領域４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄに対応する部位に、それぞれ内部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄが形成されている。
同様に、前記第２の圧電シート４２の電極形成面上には、当該積層圧電素子４０ｐの４つの領域４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄにそれぞれ対応する部位に、内部電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄが形成されている。

詳細には、図３に示すように、前記第１の圧電シート４１の電極形成面上には、内部電極４１ａと内部電極４１ｂとが二等分線Ｌ１に対して対称を成すように設けられている。同様に、内部電極４１ｃと内部電極４１ｄとが二等分線Ｌ１に対して対称を成すように設けられている。ここで、内部電極４１ａと内部電極４１ｃとは二等分線Ｌ２に対して対称を為している。同様に、内部電極４１ｂと内部電極４１ｄとは二等分線Ｌ２に対して対称を為している。

ところで、各内部電極には各圧電シートの縁部位に向かって延出された露出部が設けられている。すなわち、第１の圧電シート４１において、内部電極４１ａ，４１ｃには、それぞれ図３に示すように当該第１の圧電シート４１の一方長辺の縁部位に向かって延出された露出部４１ａｅ，４１ｃｅが設けられている。内部電極４１ｂ，４１ｄには、それぞれ当該第１の圧電シート４１の他方長辺の縁部位に向かって延出された露出部４１ｂｅ，４１ｄｅが設けられている。

同様に、前記第２の圧電シート４２の電極形成面上においては、積層された際に内部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄにそれぞれ対応する位置に、内部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄが設けられている。内部電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄには、それぞれ内部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄの露出部４１ａｅ，４１ｂｅ，４１ｃｅ，４１ｄｅが延出されている辺に対応する辺（積層時に重なる辺）に延出された露出部４２ａｅ，４２ｂｅ，４２ｃｅ，４２ｄｅが設けられている。

ここで、露出部４１ａｅと露出部４２ａｅとは、積層時に互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。同様に、露出部４１ｂｅと露出部４２ｂｅとについて、露出部４１ｃｅと露出部４２ｃｅとについて、及び露出部４１ｄｅと露出部４２ｄｅとについても、積層時に互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。

前記第３の圧電シート４３は、内部電極が設けられていない圧電シートである。すなわち、この第３の圧電シート４３は、電気的に絶縁する為の圧電シートである。
また、図３に示すように各圧電シート４１，４２，４３には上述の貫通孔Ｈを構成する貫通孔ｈが、二等分線Ｌ１と二等分線Ｌ２との交点に対応する位置に設けられている。

ところで、上述の各内部電極は、それぞれ外部電極によって下記のように短絡されている。
《領域４０Ａ》
・内部電極４１ａの露出部４１ａｅ同士を、外部電極（Ａ＋相）１０１Ａ＋によって短絡する。
・内部電極４２ａの露出部４２ａｅ同士を、外部電極（Ａ−相）１０１Ａ−によって短絡する。
《領域４０Ｂ》
・内部電極４１ｂの露出部４１ｂｅ同士を、外部電極（Ｂ＋相）１０１Ｂ＋によって短絡する。
・内部電極４２ｂの露出部４２ｂｅ同士を、外部電極（Ｂ−相）１０１Ｂ−によって短絡する。
《領域４０Ｃ》
・内部電極４１ｃの露出部４１ｃｅ同士を、外部電極（Ｃ＋相）１０１Ｃ＋によって短絡する。
・内部電極４２ｃの露出部４２ｃｅ同士を、外部電極（Ｃ−相）１０１Ｃ−によって短絡する。
《領域４０Ｄ》
・内部電極４１ｄの露出部４１ｄｅ同士を、外部電極（Ｄ＋相）１０１Ｄ＋によって短絡する。
・内部電極４２ｄの露出部４２ｄｅ同士を、外部電極（Ｄ−相）１０１Ｄ−によって短絡する。

以下、積層圧電素子４０ｐと、弾性体４０ｅ１、弾性体４０ｅ２とで構成される振動子４０の寸法と、当該振動子４０に励起される各振動モードにおける共振周波数の値との相関関係を、図５Ａ乃至図５Ｅ、図６を参照して説明する。
図５Ａは振動子４０の概略構成を示す斜視図であり、図５Ｂは捻れ１次振動モードにおける振動状態を破線で示した斜視図であり、図５Ｃは縦１次振動モードにおける振動状態を破線で示した斜視図であり、図５Ｄは捻れ２次振動モードにおける振動状態を破線で示す斜視図であり、図５Ｅは捻れ３次振動モードにおける振動状態を破線で示す斜視図である。
図５Ａに示されるように、振動子４０は略直方体形状であり、中心軸１００ｃに直交する矩形状の断面の短辺の長さをａとし、長辺の長さをｂとし、中心軸１００ｃに沿った高さをｃとしている。以下の説明では、高さ方向を、縦１次振動モードの振動の方向、かつ、捻れ振動の捻れの軸方向とする。また、ａ，ｂ，ｃの大小関係はａ＜ｂ＜ｃとする。この寸法は、図２に示す振動子４０の寸法ａ，ｂ，ｃに相当する。
ここで、図５Ｂ乃至図５Ｅには、捻れ振動の方向ｐ１，ｐ２、縦振動の方向ｑ、及び振動の節Ｎを示している。節Ｎは、捻れ１次振動（図５Ｂ）及び縦１次振動（図５Ｃ）では高さ方向の中心位置に１つ存在し、捻れ２次振動（図５Ｄ）では高さ方向の２つの位置に存在し、捻れ３次振動（図５Ｅ）では高さ方向の３つの位置に存在する。
また、捻れ振動時に変位が最大となる位置近傍が捻れ振動の腹であり、捻れ１次振動（図５Ｂ）では、振動子４０の高さ方向の上端、下端近傍、捻れ２次振動（図５Ｄ）では、振動子４０の高さ方向の上端、下端、及び振動子の高さ方向の中心位置近傍、捻れ３次振動（図５Ｅ）では、振動子４０の上下端近傍及び、振動子４０上下端から全長の長さの１／３の長さだけ離れた位置近傍が腹の位置となる。なお、図５Ｂ乃至図５Ｅにおいて、実線は振動前の振動子４０の形状を示しており、破線は振動後の振動子４０の形状を示している。
図６は、振動子４０の寸法と、当該振動子４０に励起される各振動モードにおける共振周波数の値との相関関係のグラフを示す図である。

図６に示すグラフにおいては、（短辺ａ／長辺ｂ）の値を横軸にとり、当該振動子４０に励起される各振動モードにおける共振周波数の値を縦軸にとっている。そして、図６に示すグラフに示すように、振動子４０の寸法と共振周波数の値とは下記の関係を有する。
・縦１次振動モードにおける共振周波数の値は、（短辺ａ／長辺ｂ）の値に依存せず、高さｃに応じた略一定の値をとる。
・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、（短辺ａ／長辺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、（短辺ａ／長辺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、（短辺ａ／長辺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、（短辺ａ／長辺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。

本一実施形態に係る超音波モータでは、縦１次振動モードと捻れ２次振動モードとを利用する。従って、（短辺ａ／長辺ｂ）の値が略０．６となるように、振動子４０の短辺ａ及び長辺ｂの値を設定する。このように設計することで、縦１次振動モードにおける共振周波数と、捻れ２次振動モードにおける共振周波数と、を略一致させることができる。

以下、本一実施形態に係る振動子４０の作用について詳細に説明する。
本一実施形態においては、Ａ相（Ａ＋相、Ａ−相）に対応する圧電活性化領域及びＢ相（Ｂ＋相、Ｂ−相）に対応する圧電活性化領域を駆動の為に利用し、Ｃ相（Ｃ＋相、Ｃ−相）に対応する圧電活性化領域及びＤ相（Ｄ＋相、Ｄ−相）に対応する圧電活性化領域を振動検出の為に利用する。つまり、Ａ相及びＢ相を駆動相とし、Ｃ相及びＤ相を振動検出相とする。
《縦１次振動の励起》
駆動相であるＡ相に対応する外部電極１０１Ａと、Ｂ相に対応する外部電極１０１Ｂとに対して、振動子の縦１次振動／捻れ２次振動の共振周波数に一致させた周波数であって且つ同位相の交流電圧を印加すると、Ａ相及びＢ相に対応する圧電活性化領域は同相で振動し、その結果として、振動子４０には縦１次振動が励起される。このとき、振動検出相であるＣ相に対応する圧電活性化領域とＤ相に対応する圧電活性化領域とには、互いに同一の電位が発生する。
《捻れ２次振動の励起》
駆動相であるＡ相に対応する外部電極１０１Ａと、Ｂ相に対応する外部電極１０１Ｂとに対して、振動子の縦１次振動／捻れ２次振動の共振周波数に一致させた周波数であって且つ逆位相の交流電圧を印加すると、Ａ相及びＢ相に対応する圧電活性化領域は逆相で振動し、その結果として、振動子４０には捻れ２次振動が励起される。このとき、振動検出相であるＣ相に対応する圧電活性化領域とＤ相に対応する圧電活性化領域とには、互いに符号の異なる（逆極性の）電位が発生する。
《縦１次振動と捻れ２次振動とを同時に励起》
駆動相であるＡ相に対応する外部電極１０１Ａと、Ｂ相に対応する外部電極１０１Ｂとに対して、振動子の縦１次振動／捻れ２次振動の共振周波数に一致させた周波数であって且つ所定の位相差（例えば９０度の位相差）の交流電圧を印加すると、振動子４０には縦１次振動と捻れ２次振動とが同時に励起される。このとき、振動子４０の上端面（弾性体４０ｅ１の上面４０ｕｅ）には楕円振動が励起される。この上面４０ｅ１に励起された楕円振動を駆動源として、この上面４０ｕｅに設けられた摩擦接触子１４によりロータ１３が摩擦摺動される（回転駆動される）。

なお、Ａ相に対応する外部電極１０１Ａと、Ｂ相に対応する外部電極１０１Ｂとに印加する交流電圧の位相差を反転させると、振動子４０の上面４０ｕｅに励起される楕円振動の回転方向が反転する。このような性質を利用してロータ１３の回転方向を制御する。

ところで、振動子４０に縦１次振動と捻れ２次振動とが同時に励起された場合、振動検出相であるＣ相に対応する圧電活性化領域に発生した電位と、Ｄ相に対応する圧電活性化領域に発生した電位との差を演算することで、振動検出信号のうち縦１次振動に係る成分が相殺されて、捻れ２次振動に係る成分のみを検出することができる。

これは、Ｃ相に対応する圧電活性化領域とＤ相に対応する圧電活性化領域とは、上述したように縦１次振動モードでは同一振幅且つ同位相の電位を発生し、捻れ２次振動モードでは同一振幅且つ逆位相の電位を発生することによる。
詳細には、上述の外部電極１０１Ｃ−と外部電極１０１Ｄ−との間を電気的に接続し、外部電極１０１Ｃ＋と外部電極Ｄ＋との間の電位差を取り出す（検出する）ことで、振動検出信号として捻れ２次振動成分のみを取り出す（検出する）ことができる。
このようにして取得した振動検出信号と、駆動相に印加する交流電圧との位相差は、共振振動時には所定の位相差となることが知られている。一般に超音波モータはモータ自身の発熱による温度上昇や周囲環境の温度変動、負荷の変動により共振周波数が変動するが、この位相差を所定の値に保つように駆動周波数を制御することで、常に共振周波数付近で駆動することができるので、効率の良い安定した駆動が可能となる。なお、振動検出信号に基づいた周波数追尾に係る技術自体は本願発明の特徴部ではないので、周波数追尾に係る技術については詳細な説明は省略する。

尚、Ｃ相に対応する圧電活性化領域に発生した電位と、Ｄ相に対応する圧電活性化領域に発生した電位との和を演算することで、振動検出信号のうち捻れ２次振動に係る成分が相殺されて、縦１次振動に係る成分のみを検出することができる。詳細には、上述の外部電極１０１Ｃ−と外部電極１０１Ｄ＋との間を電気的に接続し、外部電極１０１Ｃ＋と外部電極Ｄ−との間の電位差を取り出す（検出する）ことで、振動検出信号として縦１次振動成分のみを取り出す（検出する）ことができる。必要に応じて縦１次振動成分を振動検出信号として用いても良い。

以上説明したように、本一実施形態によれば、簡略な構成の超音波振動子及び超音波モータを提供することができる。具体的には、本一実施形態に係る超音波振動子及び超音波モータは、下記の効果を奏する。
・超音波振動子を構成する一つの圧電素子を、当該超音波振動子の中心軸方向について一対の弾性体で挟み込む構造であり、且つ、単純な直方体形状を呈する簡略な構造である。
・超音波振動子を構成する圧電素子が、当該超音波振動子の上下方向（圧電シートの積層方向）について一対の弾性体によって挟み込まれて与圧された状態で保持されている為、上下方向に引っ張る力が当該圧電素子に加えられた場合であっても、破損しにくい。
・一般に、圧電素子は、上下方向に引っ張られる力（引っ張り応力）に対しては脆い為、大きな振幅の振動を励起させること（大きな入力電圧を印加すること）は、当該超音波振動子の破損に繋がってしまう。他方、本一実施形態では、上述したように圧電素子を弾性体で挟み込み且つ与圧を掛けることで、簡略な構造ながら、従来の圧電素子と比較して同じ出力を得る為の入力信号を印加した際の破損可能性を低減させることができる。
・従って、従来の超音波振動子と比較して、本一実施形態に係る超音波振動子には大きな振幅を発生させことができる。また、従来の超音波モータと比較して、本一実施形態に係る超音波モータによれば大きな出力を得ることができる。
・Ｃ相（Ｃ＋相、Ｃ−相）に対応する圧電活性化領域及びＤ相（Ｄ＋相、Ｄ−相）に対応する圧電活性化領域を振動検出の為に利用し、検出した信号に基づいて所謂周波数追尾駆動することで、常に駆動に最適な周波数の駆動信号で安定駆動することが可能となる。

上述したように、本一実施形態に係る超音波振動子は、縦１次振動と捻れ２次振動とを利用する超音波振動子として従来にない構造を採り、該構造に基づく格別な効果を奏するものである。
なお、振動子４０を構成する圧電素子として、本一実施形態においては積層圧電素子４０ｐを用いた例を説明しているが、積層型の圧電素子の代わりに、単板型の圧電素子を用いても同様の効果を得ることができる。

ところで、上述の例では、積層圧電素子４０ｐを、中心軸（貫通孔Ｈ）に垂直な面内において当該中心軸（貫通孔Ｈ）の周りに９０度毎に区切って成る（短辺を二等分する二等分線Ｌ１と、長辺を二等分する二等分線Ｌとによって区切られた）４つの領域４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄの全ての領域に圧電活性化領域を設けているが、これら４つに区切られた領域４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄのうち少なくとも互いに隣接する２つの領域に圧電活性化領域を設ければ駆動が可能となる。
［第１変形例］
以下、本発明の一実施形態に係る超音波振動子及び超音波モータの第１変形例について説明する。説明の重複を避ける為に、上述の一実施形態との相違点について説明する。

本第１変形例に係る超音波振動子及び超音波モータでは、Ａ相（Ａ＋相、Ａ−相）、Ｂ相（Ｂ＋相、Ｂ−相）、Ｃ相（Ｃ＋相、Ｃ−相）、及びＤ相（Ｄ＋相、Ｄ−相）にそれぞれ対応する圧電活性化領域の全てを駆動の為に利用する。つまり、Ａ相、Ｂ相、Ｃ相及びＤ相の全てを駆動相とする。

例えば、Ａ相及びＤ相に第１の交流電圧を印加し、且つ、Ｂ相及びＣ相に第１の交流電圧とは位相の異なる（例えば位相差が９０°である）第２の交流電圧を印加する。
以上説明したように、本第１変形例によれば、前記一実施形態に係る超音波振動子及び超音波モータと同様の効果を奏する上に、駆動に利用する圧電活性化領域を増加させたことで出力を増大させた超音波振動子及び超音波モータを提供することができる。
［第２変形例］
以下、本発明の一実施形態に係る超音波振動子及び超音波モータの第２変形例について説明する。説明の重複を避ける為に、上述の一実施形態との相違点について説明する。

本第２変形例に係る超音波振動子及び超音波モータでは、縦１次振動と捻れ２次振動とをそれぞれ別個の駆動相で振動子４０に励起させる。例えば、Ａ相及びＢ相を利用して捻れ２次振動を振動子４０に励起させ、C相及びD相を利用して振動子４０に縦１次振動を励起させる。

具体的には、Ａ相に対応する外部電極１０１Ａと、Ｂ相に対応する外部電極１０１Ｂとに対して、振動子の縦１次振動／捻れ２次振動の共振周波数に一致させた周波数であって且つ互いに逆位相（位相差１８０°）の交流電圧を印加すると、Ａ相及びＢ相に対応する圧電活性化領域は逆相で振動し、その結果として、振動子４０には捻れ２次振動が励起される。

一方、Ｃ相に対応する外部電極１０１Ｃと、Ｄ相に対応する外部電極１０１Ｄとに対して、振動子の縦１次振動／捻れ２次振動の共振周波数に一致させた周波数であって且つ互いに同位相の交流電圧を印加すると、Ｃ相及びＤ相に対応する圧電活性化領域は同相で振動し、その結果として、振動子４０には縦１次振動が励起される
そして、上述の交流電圧をＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相にそれぞれ対応する外部電極１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄに同時に印加し、且つ、Ａ相及びＢ相に印加する交流電圧と、Ｃ相及びＤ相に印加する交流電圧との位相差を所定の値とすることで、縦１次振動と捻れ２次振動とが同時に振動子４０に励起され、振動子４０の上端面（弾性体４０ｅ１の上面４０ｕｅ）には楕円振動が励起される。この上面４０ｅ１に励起された楕円振動を駆動源として、摩擦接触子１４を介して当該振動子４０に対して加圧接触しているロータ１３が、摩擦接触子１４による摩擦摺動で回転駆動される。

なお、Ａ相及びＢ相に印加する交流電圧と、Ｃ相及びＤ相に印加する交流電圧との位相差を反転させると、振動子４０の上面４０ｕｅに励起される楕円振動の回転方向が反転する。このような性質を利用してロータ１３の回転方向を制御する。

以上説明したように、本第２変形例によれば、前記一実施形態と同様の効果を奏する上に、下記の効果を奏する超音波振動子及び超音波モータを提供することができる。
・駆動に利用する圧電活性化領域を増加させたことにより、出力を増大させることができる。
・縦１次振動と捻れ２次振動とを、互いに別個の圧電活性化領域を利用して振動子４０に励起させる為、振動子４０の上面４０ｕｅに励起させる楕円振動の楕円形状を制御しやすい（当該超音波モータの制御が容易となる）。

なお、本第２変形例では、C相及びD相の両方に対応する圧電活性化領域を駆動の為に利用しているが（駆動相としているが）、何れか一方のみを駆動相として用い、他方を振動検出相として用いても勿論よい。
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…シャフト、 １１ｔ…シャフト突起部、 １２…ベアリング、 １３…ロータ、 １４…摩擦接触子、 ２０…押圧機構部、 ２１…押圧バネ、 ２３…固定ナット、 ２５…調節螺子、 ４０…振動子、 ４０ｐ…積層圧電素子、 ４０ｅ１…第１の弾性体、 ４０ｅ２…第２の弾性体、 ４０ｅ１…第１の溝部、 ４０ｅ２…第２の溝部、 ４０ｕｅ…上面、 ４０ｄｅ…下面、 ４０…積層圧電素子、 ４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ…領域、 ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ…内部電極、 ４１ａｅ，４１ｂｅ，４１ｃｅ，４１ｄｅ、４２ａｅ，４２ｂｅ，４２ｃｅ，４２ｄｅ…露出部、 ４１…第１の圧電シート、 ４２…第２の圧電シート、 ４３…第３の圧電シート、 ５０…与圧機構、 １０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１Ｄ…外部電極。

Claims (8)

1. 略直方体形状を呈する当該超音波振動子の中心軸に垂直な断面を構成する短辺と長辺との長さの比率が、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、の共振周波数を略一致させる比率に設定されており、前記縦振動と前記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超音波振動子であって、
   当該超音波振動子に励起される前記縦振動の節部且つ前記捻れ振動の腹部に対応する位置に配置された圧電素子と、
   前記圧電素子を前記中心軸方向における一方側と他方側とから挟み込む一対の弾性体と、
   を有することを特徴とする超音波振動子。
2. 前記圧電素子は、複数枚の圧電シートが前記中心軸方向に積層されて成る圧電素子であって、前記中心軸方向に分極された複数の圧電活性化領域を有し、
   前記複数の圧電活性化領域は、前記長辺を二等分する第１の二等分線と、前記短辺を二等分する第２の二等分線とによって、前記中心軸周りに９０度毎に区切られた４つの領域のうち少なくとも互いに隣接する２つの領域に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
3. 前記複数の圧電活性化領域は、前記４つの領域の夫々に一つずつ存在し、互いに隣接する２つの領域の圧電活性化領域は当該超音波振動子の駆動の為の圧電活性化領域であり、
   他の２つの領域の圧電活性化領域は当該超音波振動子に励起された振動を検出する為の圧電活性化領域である
   ことを特徴と請求項２に記載の超音波振動子。
4. 前記複数の圧電活性化領域は、前記４つの領域の夫々に一つずつ存在し、全ての領域の圧電活性化領域は当該超音波振動子の駆動の為の圧電活性化領域である
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子。
5. 略直方体形状を呈する当該振動子の中心軸に垂直な断面を構成する短辺と長辺との長さの比率が、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、の共振周波数を略一致させる比率に設定されており、前記縦振動と前記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であって、当該振動子に励起される前記縦振動の節部且つ前記捻れ振動の腹部に対応する位置に配置された圧電素子と、前記圧電素子を前記中心軸方向における一方側と他方側とから挟み込む一対の弾性体と、を備える振動子と、
   前記振動子の楕円振動発生面に当接し、前記楕円振動によって、前記中心軸を回転軸として回転駆動される被駆動体と、
   前記振動子を前記被駆動体に対して押圧し、前記振動子の前記楕円振動発生面を前記被駆動体に対して圧接させる押圧機構部と、
   前記一対の弾性体に与圧を加え、前記一対の弾性体と前記圧電素子とを圧接させる与圧部と、
   を具備することを特徴とする超音波モータ。
6. 前記圧電素子は、複数枚の圧電シートが前記中心軸方向に積層されて成る圧電素子であって、前記中心軸方向に分極された複数の圧電活性化領域を有し、
   前記複数の圧電活性化領域は、前記長辺を二等分する第１の二等分線と、前記短辺を二等分する第２の二等分線とによって、前記中心軸周りに９０度毎に区切られた４つの領域のうち少なくとも互いに隣接する２つの領域に設けられている
   ことを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
7. 前記複数の圧電活性化領域は、前記４つの領域の夫々に一つずつ存在し、互いに隣接する２つの領域の圧電活性化領域は当該振動子の駆動の為の圧電活性化領域であり、他の２つの領域の圧電活性化領域は当該振動子に励起された振動を検出する為の圧電活性化領域である
   ことを特徴と請求項６に記載の超音波モータ。
8. 前記複数の圧電活性化領域は、前記４つの領域の夫々に一つずつ存在し、全ての領域の圧電活性化領域は当該振動子の駆動の為の圧電活性化領域である
   ことを特徴とする請求項７に記載の超音波モータ。

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