JP2013009529A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡略な構成で小型化が容易な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、中心軸方向に伸縮する縦振動と、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、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振動子40を超音波モータに具備させる。振動子40のうち捻れ振動の腹部且つ縦次振動の節部に対応する位置であって、且つ、中心軸に垂直な矩形断面を構成する短辺方向における表面側に捻れ振動励起用活性領域111A1,111A2,111B1,111B2を設ける。振動子40のうち捻れ振動の腹部且つ縦振動の節部に対応する位置であって、且つ、捻れ振動励起用活性領域111A1,111A2,111B1,111B2の配設位置よりも短辺方向における中央部位側に縦振動励起用活性領域111C,111Dを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば圧電素子等の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、駆動子を介して、被駆動部材であるロータに押し付けることで、前記駆動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。このような複雑な構成が、圧電素子の小型化、ひいては超音波モータ自体の小型化を妨げている。

本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、簡略な構成で小型化が容易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、
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、
前記振動子のうち楕円振動が励起される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圧接させる押圧機構部と、
前記振動子のうち捻れ振動の腹部且つ縦次振動の節部に対応する位置であって、且つ、前記中心軸に垂直な矩形断面を構成する短辺方向における表面側に設けられた第１の駆動用活性領域と、
前記振動子のうち捻れ振動の腹部且つ縦振動の節部に対応する位置であって、且つ、前記第１の駆動用活性領域の配設位置よりも前記短辺方向における中央部位側に設けられた第２の駆動用活性領域と、
ことを特徴とする。

本発明によれば、簡略な構成で小型化が容易な超音波モータを提供することができる。

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正面図である。 図２は、振動子の一構成例を示す図である。 図３は、振動子における捻れ２次振動の様子を示す図である。 図４は、振動子における縦１次振動の腹部と、捻れ２次振動の腹部及び節部とを示す図である。 図５は、振動子の内部に存在する駆動電極及び振動検出電極を可視化して示した振動子の斜視図である。 図６は、振動子の高さをＨ、厚さをＴ、幅をＷとし、高さＨを一定として、（厚さ（短辺）Ｔ／幅（長辺）Ｗ）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った場合の特性を示す図である。 図７は、振動子の高さ方向における略中央位置を、当該振動子の長手方向における上下端面に平行に切断した切断面を示す図である。 図８は、図５において矢印Ｒで示す方向から観た振動子（右側面）の一構成例を示す図である。 図９は、図５において矢印Ｌで示す方向から観た振動子（右側面）の一構成例を示す図である。 図１０は、振動子の変形を模式的に示す振動子の右側面図である。 図１１は、振動子の変形を模式的に示す振動子の左側面図である。

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。
［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正面図である。図１に示すように、本第１実施形態に係る超音波モータは、ロータ機構部１０と、押圧機構部２０と、筐体部３０と、振動子４０と、を具備する。

前記ロータ機構部１０は、回転軸１１と、ベアリング１２と、ロータ１３と、を有する。
前記回転軸１１は、略円板形状を呈するロータ１３の中心部位に結合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、この回転軸１１に対して同心状に配設されている。

前記ベアリング１２は、後述する筐体部３０のフレーム３１に保持されており、回転軸１１が挿通された軸受け部材である。
前記ロータ１３は、略円板形状の被駆動部材であって、その中心部位に結合された回転軸１１がベアリング１２に挿通されている。このロータ１３のうち回転軸１１が設けられている面とは逆側の面には、振動子４０上面に設けられている摩擦接触部材１４が当接（圧接）している。そして、このロータ１３は、振動子４０上面に励起される楕円振動を駆動源として摩擦接触部材１４により摺動され、回転軸１１を中心として回転する。

前記押圧機構部２０は、押圧バネ２１と、押圧部材２２と、バネ規制シャフト２３ａが設けられたバネ押さえリング２３と、を有する。
前記押圧バネ２１は、振動子４０をロータ１３に対して押圧する為のバネ部材である。この押圧バネ２１は、押圧部材２２とバネ押さえリング２３とによって挟持され、付勢力を有する状態で保持されている。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。

前記押圧部材２２は、振動子４０の底面（押圧機構部２０に対向する面）の中央部位近傍に設けられた板状部材であり、当該押圧部材２２を介して前記押圧バネ２１の押圧力が振動子４０に伝達される。
前記バネ押さえリング２３は、フレーム３１のうち振動子４０の下端面に対向する面上で回転可能に設けられた環状部材であり、押圧バネ２１を位置決めする棒状部材であるバネ規制シャフト２３ａが螺合されている（バネ押さえリング２３の内径面とバネ規制シャフトの外周面とには、互いに螺合する螺子溝が形成されている）。

前記バネ規制シャフト２３ａは、前記押圧バネ２１の中空部位内に挿通され、その一方端は押圧部材２２に対して固定され、他方端はバネ押さえリング２３及びフレーム３１の底面に形成された貫通孔（不図示）に挿通されている。つまり、バネ規制シャフト２３ａは、押圧バネ２１を位置決めしている。
なお、フレーム３１の底面に形成された貫通孔、及びバネ押さえリング２３の貫通孔（螺子孔）は、振動子４０の回転中心に対応する位置（上述の回転軸１１と同軸となる位置）に形成されている。

ところで、バネ押さえリング２３を回転させてバネ規制シャフト２３ａをその軸方向に移動させることで、押圧バネ２１による押圧力量を調節することができる。換言すれば、バネ押さえリング２３の回転操作のみで、ロータ１３への摩擦接触部材１４の押圧力量を調節することができる。

前記筐体部３０は、フレーム３１と、支持部材３２と、を有する。
前記フレーム３１は、外形が略直方体形状の枠状部材であり、押圧機構部２０と支持部材３２と共に振動子４０を保持する。
前記支持部材３２は、フレーム３１から延出され、振動子４０を囲むように設けられた振動子４０の保持部材であり、捻れ２次振動の節部に対応する位置で振動子４０を挟持している。この支持部材３２が、フレーム３１と共に振動子４０を保持している。

前記振動子４０は、その中心軸（回転軸）に垂直な断面が矩形状（短辺と長辺とが所定の長さ比率を有する矩形状）である略直方体形状の圧電素子である。詳細には後述の積層構造を採り、その上端面（ロータ機構部１０との対向面）にはロータ１３に当接する摩擦接触部材１４が設けられており、下端面（押圧機構部２０との対向面）には押圧部材２２が設けられている。以下、この振動子４０の構成を詳細に説明する。

図２は、振動子４０の一構成例を示す図である。振動子４０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、及び第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）が下記のように積層されて成る。
《第１積層部位Ｌ１》
第１の圧電シート４１と第２の圧電シート４２とがその厚み方向に交互に複数枚積層されて成る。
《第２積層部位Ｌ２》
前記第１積層部位Ｌ１上に形成された積層部位であり、第３の圧電シート４３が少なくとも１枚以上積層されて成る。
《第３積層部位Ｌ３》
前記第２積層部位Ｌ２上に形成された積層部位であり、第１の圧電シート４１と第２の圧電シート４２とがその厚み方向に交互に複数枚積層されて成る。
《第４積層部位Ｌ４》
前記第３積層部位Ｌ３上に形成された積層部位であり、第３の圧電シート４３が少なくとも１枚以上積層されて成る。この第４積層部位Ｌ４は、当該振動子４０の回転中心軸を含む部位である。
《第５積層部位Ｌ５》
前記第４積層部位Ｌ４上に形成された積層部位であり、第１の圧電シート４１と第２の圧電シート４２とがその厚み方向に交互に複数枚積層されて成る。
《第６積層部位Ｌ６》
前記第５積層部位Ｌ５上に形成された積層部位であり、第３の圧電シート４３が少なくとも１枚以上積層されて成る。
《第７積層部位Ｌ７》
前記第６積層部位Ｌ６上に形成された積層部位であり、第１の圧電シート４１と第２の圧電シート４２とがその厚み方向に交互に複数枚積層されて成る。
《第８積層部位Ｌ８》
前記第７積層部位Ｌ７上に形成された積層部位であり、第３の圧電シート４３が少なくとも１枚以上積層されて成る。

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）から成る。第１の圧電シート４１及び第２の圧電シート４２には、厚み方向に分極されてなる活性領域を有する内部電極が設けられている。それら内部電極は、例えば厚さ４μｍの銀パラジウム合金等から成る。

図２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４１ｃとが、中心線Ｃ（短辺を２等分する線）に対して対称を成すように設けられている。

この内部電極４１ａには、図２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が設けられている。内部電極４１ｃには、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４１ｃｅが設けられている。

前記第２の圧電シート４２の電極形成面上には、積層された際に内部電極４１ａに対応する位置に内部電極４２ａが設けられ、内部電極４１ｃに対応する位置に内部電極４２ｃが設けられている。これら内部電極４２ａ，４２ｃには、それぞれ内部電極４１ａ，４１ｃの露出部４１ａｅ，４１ｃｅ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，４２ｃｅ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４１ｃｅと露出部４２ｃｅ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。
ところで、振動子４０の各積層部位において、少なくとも内部電極４１ａと内部電極４２ａとが互いに対向する部分、及び、内部電極４１ｃと内部電極４２ｃとが互いに対向する部分は圧電的に活性化されている。詳細には、内部電極４１ａと内部電極４２ａとの間、及び、内部電極４１ｃと内部電極４２ｃとの間には高電圧が印加され、各電極間が積層方向に分極されている。

ところで、振動子４０を構成する各圧電シート４１，４２の電極形成面のうち、上述した各内部電極４１ａ，４１ｃ，４２ａ，４２ｃが形成されている位置は、縦１次振動の節部且つ捻れ２次振動の腹部に対応する位置（振動子４０の長手方向における略中央部近傍）である（詳細は図面を参照して後述する）。
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。
図３は、振動子４０における捻れ２次振動の様子を示す図である。図４は、振動子４０における縦１次振動の節部、並びに捻れ２次振動の節部及び腹部を示す図である。図３において符号Ｐ２が付されている部位は、振動子４０の捻れ２次振動の腹部である。

図４に示すように、振動子４０の縦１次振動においては、高さ方向の中心位置（近傍）に振動の節部が存在する。また、振動子４０の捻れ２次振動においては、高さ方向の２つの位置（上述した支持部材３２による支持位置（接触））に振動の節部が存在する。

図３及び図４に示すように、振動子４０の捻れ２次振動においては、高さ方向の中心位置（近傍）及び両端（近傍）に振動の腹部が３つ存在する（図３におけるＰ２）。
そして、振動子４０を構成する各圧電シートの電極形成面のうち、上述した各内部電極が形成される位置は、図３及び図４に示す縦１次振動の節部且つ捻れ２次振動の腹部に対応する位置（振動子４０の長手方向における略中央部近傍）である。

なお、第３積層部位Ｌ３及び第５積層部位Ｌ５において用いられる第１の圧電シート４１上の２つの内部電極４１ａ，４１ｃのうち何れか一方の内部電極と、その内部電極に対応する第２の圧電シート４２上の内部電極とについては、必ずしも捻れ２次振動の腹部を含む位置に設けなくても良く、少なくとも縦１次振動の節部を含む位置に設ければ良い。
これは、第３積層部位Ｌ３及び第５積層部位Ｌ５において用いられる第１の圧電シート４１上の２つの内部電極４１ａ，４１ｃのうち何れか一方の内部電極と、その内部電極に対応する第２の圧電シート４２上の内部電極は、振動子４０に縦１次振動のみを励起させる為に用いられる為、捻れ２次振動の腹部近傍に設ける必要性がないからである。

以下、振動子４０の各領域における電極構成について説明する。
図５は、振動子４０の斜視図である。図５においては、説明の便宜上、振動子４０の内部に存在する駆動用活性領域及び振動検出用活性領域（上述の各内部電極により構成される活性領域）を可視化して示し、且つ、各圧電シートについては別個に図示せずに振動子４０として一体的に図示している。

図５は、振動子４０の内部に存在する駆動電極及び振動検出電極を可視化して示した振動子４０の斜視図である。図６は、振動子４０の中心軸方向に沿った高さをｃ、厚さをａ、幅をｂとし、高さｃを一定として、（厚さ（短辺）ａ／幅（長辺）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った場合の特性を示す図である。ここで、各辺の長さの関係は、ａ＜ｂ＜ｃである。

なお、図５においては、説明の便宜上、振動子４０の内部に存在する駆動電極及び振動検出電極（上述の各内部電極により構成される）を可視化して示し、且つ、各圧電シートについては別個に図示せずに振動子４０として一体的に図示している。
図２及び図５に示すように、振動子４０のうち、第１積層部位Ｌ１において内部電極４１ａと内部電極４２ａとが積層されて成る部位は、捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ１を構成している。振動子４０のうち、第１積層部位Ｌ１において内部電極４１ｃと内部電極４２ｃとが積層されて成る部位は、捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ２を構成している。

振動子４０のうち、第３積層部位Ｌ３において内部電極４１ａと内部電極４２ａとが積層されて成る部位は、縦振動励起用活性領域１１１Ｄを構成している。振動子４０のうち、第３積層部位Ｌ３において内部電極４１ｃと内部電極４２ｃとが積層されて成る部位は、振動検出用活性領域１１１Ｆを構成している。

振動子４０のうち、第５積層部位Ｌ５において内部電極４１ａと内部電極４２ａとが積層されて成る部位は、縦振動励起用活性領域１１１Ｃを構成している。振動子４０のうち、第３積層部位Ｌ３において内部電極４１ｃと内部電極４２ｃとが積層されて成る部位は、振動検出用活性領域１１１Ｅを構成している。

振動子４０のうち、第７積層部位Ｌ７において内部電極４１ａと内部電極４２ａとが積層されて成る部位は、捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１を構成している。振動子４０のうち、第７積層部位Ｌ７において内部電極４１ｃと内部電極４２ｃとが積層されて成る部位は、捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ２を構成している。

なお、各活性領域１１１Ａ１，１１１Ａ２，１１１Ｂ１，１１１Ｂ２，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅ，１１１Ｆの詳細については後述する。
ところで、図５に示すように振動子４０の高さをｃ、厚さをａ、幅をｂとする。そして、高さｃを一定として、（厚さ（短辺）ａ／幅（長辺）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６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、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、（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。

本第１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、（ａ／ｂ）の値が略０．６となるように、振動子４０の厚さａ及び幅ｂ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。

図７は、振動子４０の高さ方向（振動の回転中心軸方向）における略中央位置を、当該振動子４０の上下端面に平行に切断した切断面を示す断面図である。以下、上述した各活性領域の具体的な配設位置について説明する。
図５及び図７に示すように、振動子４０の積層方向中央面Ｃ１について対称な位置に、捻れ振動励起用の駆動相（Ａ１相とＢ１相、及びＡ２相とＢ２相）の活性領域（電極）が形成されている。

すなわち、振動子４０のうち捻れ２次振動の腹部且つ縦１次振動の節部に対応する位置であって、且つ、略直方体形状を呈する当該振動子４０の中心軸に垂直な断面を構成する短辺方向の表面側（表層側）に、捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１，１１１Ａ２，１１１Ｂ１，１１１Ｂ２が、積層方向中央面Ｃ１に対して対称に形成されている。

詳細には、図５及び図７に示すように、捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１と捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ１とが積層方向中央面Ｃ１に対して対称に位置し、且つ、捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ２と捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ２とが積層方向中央面Ｃ１に対して対称に位置している。

他方、振動子４０において上述の捻れ振動励起用活性領域の配設位置よりも積層方向中央面Ｃ１側（積層方向中央面Ｃ１寄りの位置）には、図５及び図７に示すように、縦振動励起用の駆動相（Ｃ相、Ｄ相）並びに振動検出用の振動検出相（Ｅ相、Ｆ相）の活性領域（電極）が形成されている。
すなわち、振動子４０のうち捻れ２次振動の腹部且つ縦１次振動の節部に対応する位置であって、且つ、略直方体形状を呈する当該振動子４０の積層方向中央面Ｃ１側に、縦振動励起用活性領域１１１Ｃ，１１１Ｄ及び振動検出用活性領域１１１Ｅ，１１１Ｆが、積層方向中央面Ｃ１に対して対称に形成されている。

詳細には、図５及び図７に示すように、縦振動励起用活性領域１１１Ｃと縦振動励起用活性領域１１１Ｄとが積層方向中央面Ｃ１に対して対称に位置し、且つ、振動検出用活性領域１１１Ｅと振動検出用活性領域１１１Ｆとが積層方向中央面Ｃ１に対して対称に位置している。

ところで、振動子４０の側面には外部電極が設けられている。外部電極は、同一相且つ同一極性の活性領域を成す内部電極の露出部同士を短絡するように形成されている。外部電極は例えば振動子側面の捻れ２次振動の節部近傍に設けることが好ましい。以下、図８及び図９を参照して、振動子４０の側面に設けられた外部電極の構成例について説明する。

図８は、図５において矢印Ｒで示す方向から観た振動子４０（右側面）の一構成例を示す図である。図９は、図５において矢印Ｌで示す方向から観た振動子４０（左側面）の一構成例を示す図である。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。

図８は、図５及び図６に示すＲ方向から観た振動子４０（右側面）の外部電極構成例を示す図である。図９は、図５及び図６に示すＬ方向から観た振動子４０（左側面）の外部電極構成例を示す図である。
振動子４０の右側面においては、図２、図５、図７及び図８に示すように、捻れ振動励起用活性領域（Ｂ１＋相）１１１Ｂ１＋を構成する内部電極４１ａの露出部４１ａｅ同士を外部電極１０１Ｂ１＋により短絡する。捻れ振動励起用活性領域（Ｂ１−相）１１１Ｂ１−を構成する内部電極４２ａの露出部４２ａｅ同士を外部電極１０１Ｂ１−により短絡する。
縦振動励起用活性領域（Ｄ＋相）１１１Ｄ＋を構成する内部電極４１ａの露出部４１ａｅ同士を外部電極１０１Ｄ＋により短絡する。縦振動励起用活性領域（Ｄ−相）１１１Ｄ−を構成する内部電極４２ａの露出部４２ａｅ同士を外部電極１０１Ｄ−により短絡する。
縦振動励起用活性領域（Ｃ＋相）１１１Ｃ＋を構成する内部電極４１ａの露出部４１ａｅ同士を外部電極１０１Ｃ＋により短絡する。縦振動励起用活性領域（Ｃ−相）１１１Ｃ−を構成する内部電極４２ａの露出部４２ａｅ同士を外部電極１０１Ｃ−により短絡する。
捻れ振動励起用活性領域（Ａ１＋相）１１１Ａ１＋を構成する内部電極４１ａの露出部４１ａｅ同士を外部電極１０１Ａ１＋により短絡する。捻れ振動励起用活性領域（Ａ１−相）１０１Ａ１−を構成する内部電極４２ａの露出部４２ａｅ同士を外部電極１０１Ａ１−により短絡する。

振動子４０の左側面においては、図２、図５、図７及び図９に示すように、捻れ振動励起用活性領域（Ａ２＋相）１１１Ａ２＋を構成する内部電極４１ｃの露出部４１ｃｅ同士を外部電極１０１Ａ２＋により短絡する。捻れ振動励起用活性領域（Ａ２−相）１１１Ａ２−を構成する内部電極４２ｃの露出部４２ｃｅ同士を外部電極１０１Ａ２−により短絡する。
振動検出用活性領域（Ｅ＋相）１１１Ｅ＋を構成する内部電極４１ｃの露出部４１ｃｅ同士を外部電極１０１Ｅ＋により短絡する。振動検出用活性領域（Ｅ−相）１１１Ｅ−を構成する内部電極４２ｃの露出部４２ｃｅ同士を外部電極１０１Ｅ−により短絡する。
振動検出用活性領域（Ｆ＋相）１１１Ｆ＋を構成する内部電極４１ｃの露出部４１ｃｅ同士を外部電極１０１Ｆ＋により短絡する。振動検出用活性領域（Ｆ−相）１１１Ｆ−を構成する内部電極４２ｃの露出部４２ｃｅ同士を外部電極１０１Ｆ−により短絡する。
捻れ振動励起用活性領域（Ｂ２＋相）１１１Ｂ２＋を構成する内部電極４１ｃの露出部４１ｃｅ同士を外部電極１０１Ｂ２＋により短絡する。捻れ振動励起用活性領域（Ｂ２−相）１０１Ｂ２−を構成する内部電極４２ｃの露出部４２ｃｅ同士を外部電極１０１Ｂ２−により短絡する。

図１０は、振動子４０の一変形例を模式的に示す振動子４０の右側面図である。図１１は、振動子４０の一変形例を模式的に示す振動子４０の左側面図である。なお、図１０及び図１１は模式図であり、外部電極等の部材は適宜不図示とされている。
以下、本一実施形態に係る超音波モータの駆動方法について説明する。
《捻れ２次振動の励起》
外部電極（Ａ１＋相）１０１Ａ１＋と外部電極（Ａ１−相）１０１Ａ１−との間、及び外部電極（Ａ２＋相）１０１Ａ２＋と外部電極（Ａ２−相）１０１Ａ２−との間に、縦１次振動または捻れ２次振動の共振周波数に対応する周波数の交番電圧を印加する。

他方、外部電極（Ｂ１＋相）１０１Ｂ１＋と外部電極（Ｂ１−相）１０１Ｂ１−との間、及び外部電極（Ｂ２＋相）１０１Ｂ２＋と外部電極（Ｂ２−相）１０１Ｂ２−との間には、上述のＡ１相・Ａ２相の外部電極に印加する交番電圧に対して１８０度の位相差を有する（反転した）交番電圧であって、縦１次振動または捻れ２次振動の共振周波数に対応する周波数の交番電圧を印加する。

このとき、振動子４０は次のように動作する。Ａ１相・Ｂ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１，１１１Ｂ１は、振動子４０の長手方向に伸縮する。ここで、Ａ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１に印加する交番電圧と、Ｂ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ１に印加する交番電圧とは、位相が互いに１８０度異なる。従って、Ａ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１が伸びているときにはＢ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ１は縮み、Ａ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１が縮んでいるときにはＢ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ１は伸びる。このような変形の結果、振動子４０の表側と裏側とで（図７に示す積層方向Ｌの両端側で）、互いに逆方向に伸縮する。このような伸縮運動により、振動子４０には、長手方向に曲げ変形が引き起こされる。

ところで、Ａ２相、Ｂ２相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ２，１１１Ｂ２は、Ａ１相及びＢ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１，１１１Ｂ１と同様に動作し、振動子４０の長手方向の曲げ変形を引き起こす。ここで、Ａ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１は振動子４０の表側（図７に示す積層方向Ｌにおける手前側）にあり、Ａ２相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ２は振動子４０の裏側（図７に示す積層方向Ｌにおける奥側）にあり、Ｂ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ１は振動子４０の裏側（図７に示す積層方向Ｌにおける奥側）にあり、Ｂ２相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ２は振動子４０の表側（図７に示す積層方向Ｌにおける手前側）にある。

従って、図７に示すように、Ａ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１とＢ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ１との表裏関係（積層方向Ｌにおける位置関係）は、Ａ２相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ２とＢ２相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ２との表裏関係とは逆の関係となっている。
つまり、Ａ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１及びＢ１相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ１により引き起こされる曲げ変形と、Ａ２相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ２及びＢ２相の捻れ振動励起用活性領域１１１Ｂ２により引き起こされる曲げ変形とは、その曲げ方向が互いに逆方向となる。
結果として、振動子４０の中心軸を挟んだ両側で互いに異なる方向の曲げ変形が引き起こされ（図１０及び図１１参照）、その結果として振動子４０には中心軸を中心とした捻れ２次振動が励起される。

ここで、Ａ１相、Ａ２相、及びＢ１相、Ｂ２相の捻れ振動励起用活性領域は、捻れ２次振動の腹部を含む領域であって、且つ、当該振動子４０に捻れ２次振動が生じた際に最も大きく変形する領域（振動子４０の表面側（表層側））に形成されている。このように構成することで、捻れ２次振動を効率良く励起することが可能となる。
換言すれば、振動子４０に捻れ２次振動が発生した際に変形量が小さい領域すなわち捻れ２次振動発生への寄与度の小さい領域（振動子４０の積層方向中央面Ｃ１近傍には、捻れ２次振動を励起する為の活性領域を設けない。
《縦１次振動の励起》
外部電極（Ｃ＋相）１０１Ｃ＋と外部電極（Ｃ−相）１０１Ｃ−との間、及び外部電極（Ｄ＋相）１０１Ｄ＋と外部電極（Ｄ−相）１０１Ｄ−との間に、縦１次振動または捻れ２次振動の共振周波数に対応する周波数の交番電圧を印加する。このとき、Ｃ相の縦振動励起用活性領域１１１ＣとＤ相の縦振動励起用活性領域１１１Ｄとが同時に伸縮し、振動子４０には縦１次振動が励起される。
《捻れ２次振動と縦１次振動との合成》
Ａ１相、Ａ２相、Ｂ１相、Ｂ２相、Ｃ相、及びＤ相の各振動励起用活性領域に、上述したように交番電圧を同時に印加した場合、振動子４０には捻れ２次振動と縦１次振動とが同時に励起され、それら振動が合成される。このとき、Ａ１相、Ａ２相（Ｂ１相、Ｂ２相）に印加する交番電圧と、Ｃ相、Ｄ相に印加する交番電圧との位相差を所定の値とすることで、振動子４０の上端面の摩擦接触部材１４が設けられている位置において、ロータ１３を回転させるような向きに、時計回り／反時計回りの楕円振動が励起される。そして、この楕円振動する摩擦接触部材１４に対して圧接しているロータ１３は、その楕円振動の回転の向きに応じた方向に回転する（時計方向または反時計方向の向きに回転動作を行う）。尚、Ａ１相、Ａ２相（Ｂ１相、Ｂ２相）に印加する交番電圧と、Ｃ相、Ｄ相に印加する交番電圧との位相差を反転させると、前述した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ことができる。
《振動検出》
外部電極（Ｅ＋相）１０１Ｅ＋と外部電極（Ｅ−相）１０１Ｅ−との間、及び外部電極（Ｆ＋相）１０１Ｆ＋と外部電極（Ｆ−相）１０１Ｆ−との間に発生する電圧を測定することで、各振動を検出する。

ここで、Ｅ相の振動検出用活性領域１１１Ｅ及びＦ相の振動検出用活性領域１１１Ｆは、縦１次振動の節部且つ捻れ２次振動の腹部を含む位置であって、且つ、積層方向中央面Ｃ１について対称な位置に形成されている。
振動子４０に縦１次振動のみが励起されている場合には、Ｅ相及びＦ相の振動検出用活性領域１１１Ｅ，１１１Ｆには、同一振幅で同位相の電位が発生する。一方、振動子４０に捻れ２次振動のみが励起されている場合には、Ｅ相の振動検出用活性領域１１１ＥとＦ相の振動検出用活性領域１１１Ｆとには、同一振幅で互いに逆位相の電位が発生する。

このような特性を利用して、縦1次振動と捻れ２次振動とが同時に振動子４０に励起された状態では、Ｅ相の振動検出用活性領域１１１Ｅにおいて発生した電位と、Ｆ相の振動検出用活性領域１１１Ｆにおいて発生した電位との差を演算することで、同相成分である縦１次振動成分が相殺されるので、捻れ２次振動成分のみを検出することができる。

例えば、外部電極（Ｅ−相）１０１Ｅ−と外部電極（Ｆ−相）１０１Ｆ−とを電気的に接続し、外部電極（Ｅ＋相）１０１Ｅ＋と外部電極（Ｆ＋相）１０１Ｆ＋との間の電位差を取り出すことで、振動子４０に発生している捻れ２次振動の振幅と位相に比例する信号を検出することができる。

また、Ｅ相の振動検出用活性領域１１１Ｅにおいて発生した電位と、Ｆ相の振動検出用活性領域１１１Ｆにおいて発生した電位との和を演算すると、Ｅ相の振動検出用活性領域１１１ＥとＦ相の振動検出用活性領域１１１Ｆとに発生している信号のうち、互いに逆相の信号である“捻れ２次振動成分”が相殺され、“縦１次振動成分”のみを検出するようにすることができる。

例えば、外部電極（Ｅ−相）１０１Ｅ−と外部電極（Ｆ＋相）１０１Ｆ＋とを接続し、外部電極（Ｅ＋相）１０１Ｅ＋と外部電極（Ｆ−相）１０１Ｆ−との間の電位差を取り出すことで、振動子４０に発生している縦１次振動の振幅と位相に比例した信号を検出することができる。

そして、外部電極（Ｅ相）１０１Ｅと外部電極（Ｆ相）１０１Ｆとの信号取り出しの結線を適宜変えることで、捻れ２次振動と縦１次振動とにそれぞれ対応する振動検出信号を、互いに独立して検出することができる。
ところで、振動検出用活性領域１１１Ｅ，１１１Ｆから取得した振動検出信号と、駆動相である振動励起用活性領域１１１Ａ１，１１１Ａ２，１１１Ｂ１，１１１Ｂ２に印加する交番電圧信号との位相差は、捻れ２次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。
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、共振周波数近傍の周波数で当該超音波モータを駆動することができる。この技術は周波数追尾と称されており、効率の良い安定した駆動の為に利用されている。本一実施形態に係る超音波モータは、上述したように振動検出相である振動検出用活性領域１１１Ｅ，１１１Ｆを有している為、周波数追尾による駆動制御を実行することができる。
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。

以上説明したように、本一実施形態によれば、簡略な構成で小型化が容易な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モータは、例えば下記の効果を奏する。
・超音波振動子に用いる振動体を、圧電素子単体で構成できる。これにより、振動体の構成の簡略化及び超音波モータの構成の簡略化が実現する。具体的には、単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部の形成が不要な振動体（振動子４０）を用いる為、当該超音波モータの部品点数を減少させることができ、製造が容易となる。従って、コストを低減することができる。
・振動子のうち駆動に直接的に寄与する捻れ振動（当該超音波モータの推力方向振動）を励起する為の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１，１１１Ａ２，１１１Ｂ１，１１１Ｂ２を、捻れ２次振動を励起するのに効率的な位置（振動子４０のうち捻れ２次振動の腹部且つ縦１次振動の節部に対応する位置であって、且つ、略直方体形状を呈する当該振動子４０の中心軸に垂直な断面を構成する短辺方向の表面側（表層側））に設けた上に、さらに振動検出用活性領域１１１Ｅ，１１１Ｆをも設けることができる。従って、当該超音波モータの出力を向上させつつ、振動検出信号に基づいた周波数追尾を行うことができる、更なる安定駆動が可能となる。
・内部電極の形状そのものを簡略化できる。さらに各圧電シート４１，４２の内部電極４１ａ，４２ａ，４１ｃ，４２ｃが単純な形状であって、且つ、圧電シート４１，４２に対して比較的大きな面積を持つ為、各圧電シート４１，４２，４３を積層する際に高い位置精度を必要とせず、振動子を小型化する際に有利である。
・縦振動励起用活性領域１１１Ｃ，１１１Ｄ及び振動検出用活性領域１１１Ｅ，１１１Ｆを、振動子４０のうち積層方向中央面Ｃ１側（寄り）に設けることで、当該超音波モータの推力方向の力に寄与する捻れ２次振動を発生させる為の電極にとって最も効率的な領域を、捻れ２次振動励起用活性領域１１１Ａ１，１１１Ａ２，１１１Ｂ１，１１１Ｂ２の為に最大限確保することができる。これにより、超音波モータの出力の増大が実現する。
・縦１次振動と捻れ２次振動とを、それぞれ別個の活性領域（電極）を用いて振動子４０に発生させるので、それぞれの電極（活性領域）に印加する駆動信号の電圧や位相を別個に変更することができ、縦１次振動及び捻れ２次振動の振幅・位相をそれぞれ独立して制御することができる。これにより、振動子４０に発生させる振動の制御が容易になり、当該超音波モータの制御の自由度も向上する。

なお、上述した一実施形態においては、捻れ振動を振動子４０に発生させる為に４つの駆動相（Ａ１相、Ａ２相、Ｂ１相、Ｂ２相）の捻れ振動励起用活性領域１１１Ａ１，１１１Ａ２，１１１Ｂ１，１１１Ｂ２を利用しているが、Ａ１相とＢ１相との２相、Ａ１相とＢ２相との２相、Ａ２相とＢ１相との２相、またはＡ２相とＢ２相との２相だけでも、捻れ２次振動を発生させることができる。つまり、捻れ振動を振動子４０に発生させる為に４つの駆動相の活性領域を設けることは必須ではない。

また、縦振動を振動子４０に発生させる為の駆動相としては、振動子４０の積層方向中央面Ｃ１について対称な２つの領域（Ｃ相、Ｄ相の縦振動励起用活性領域１１１Ｃ，１１１Ｄ）が設けられている。しかしながら、縦振動励起用活性領域は、少なくとも縦振動の節部を含んだ１つの領域に設けられていればよい。

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。

Ｃ１…積層方向中央面、 １０…ロータ機構部、 １１…回転軸、 １２…ベアリング、 １３…ロータ、 １４…摩擦接触部材、 ２０…押圧機構部、 ２１…押圧バネ、 ２２…押圧部材、 ２３ａ…バネ規制シャフト、 ２３…バネ押さえリング、 ３０…筐体部、 ３１…フレーム、 ３２…支持部材、 ４０…振動子、 ４１ａ，４１ｃ，４２ａ，４２ｃ…内部電極、 ４１ａｅ，４１ｃｅ，４２ａｅ，４２ｃｅ…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、 １０１Ａ１，１０１Ａ２，１０１Ｂ１，１０１Ｂ２，１０１Ｃ，１０１Ｄ，１０１Ｅ，１０１Ｆ…外部電極、 １１１Ｅ，１１１Ｆ…振動検出用活性領域、 １１１Ｃ，１１１Ｄ…縦振動励起用活性領域、 １１１Ａ１，１１１Ａ２，１１１Ｂ１，１１１Ｂ２…捻れ振動励起用活性領域。

Claims (5)

1. 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、
   前記振動子のうち楕円振動が励起される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圧接させる押圧機構部と、
   前記振動子のうち捻れ振動の腹部且つ縦次振動の節部に対応する位置であって、且つ、前記中心軸に垂直な矩形断面を構成する短辺方向における表面側に設けられた第１の駆動用活性領域と、
   前記振動子のうち捻れ振動の腹部且つ縦振動の節部に対応する位置であって、且つ、前記第１の駆動用活性領域の配設位置よりも前記短辺方向における中央部位側に設けられた第２の駆動用活性領域と、
   を具備することを特徴とする超音波モータ。
2. 前記振動子は、複数の圧電シートが積層されて成り、
   前記振動子の短辺方向は、前記圧電シートの積層方向である
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記第１の駆動用活性領域及び前記第２の駆動用活性領域は、前記積層方向に分極されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記第１の駆動用活性領域は、前記振動子に捻れ振動を励起する為の活性領域であり、
   前記第２の駆動用活性領域は、前記振動子に縦振動を励起する為の活性領域である
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
5. 前記振動子のうち捻れ振動の腹部且つ縦振動の節部に対応する位置であって、且つ、前記第１の駆動用活性領域の配設位置よりも前記短辺方向における中央部位側には、前記積層方向に分極された振動検出用の活性領域が設けられている
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。

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