JP4888569B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

本発明は、外周縁が円または多角形である振動体を用いた超音波モータに関し、より詳細には、複数の圧電素子がリング状に分散配置されたステータを備える超音波モータに関する。

従来、圧電効果を利用した超音波モータが種々提案されている。下記の特許文献１には、円環状の圧電振動子に円環状の弾性体を貼り合わせてなるステータと、該円環状の弾性体に接触されるローターとを有する超音波モータが開示されている。円環状の圧電振動子は、圧電セラミックスからなる円環状の圧電体の両面に複数の電極が形成されている。複数の電極は、第１及び第２の相の電極群からなる。第１の相の電極群と第２の相の電極群とに、時間的に位相が異なる高周波電圧を印加することにより、２つの定在波が発生する。この２つの定在波の合成により、リング状の弾性体及び圧電振動子の表面に進行波が生じる。

ところで、特許文献１に記載のような円環状の圧電振動子を用いた超音波モータでは、該圧電振動子の作製が困難であった。すなわち、所望とする振動を励振するには、圧電体は正確に円環状に形成されねばならなかった。そのため、円環状の圧電体の外周縁の中心と、内周縁の中心とが同心になるように、高精度に圧電セラミックスを研磨しなければならなかった。さらに、電極形成及び分極においても個別に加工しなければならず、コストが高くなりがちであった。

また、特許文献１に記載の超音波モータでは、円環状の弾性体の片面の全面を円環状の圧電振動子が覆うことになるため、円環状の弾性体の反対側の面をローターと接触させる必要があった。すなわち、ローターと接触される面がリング状弾性体の片面に限定されていた。そのため、設計上の制約が大きかった。

これに対して、下記の特許文献２には、図１２に示すステータを有する超音波モータが開示されている。図１２に示すステータ１０１では、金属などからなる円環状の弾性体１０２が用いられている。弾性体１０２の下面には、周方向に分散配置されるように、複数の突起１０３が形成されている。複数の突起１０３は、径方向に延びる複数のスリット１０４を形成することにより設けられている。

上記円環状の弾性体１０２の上面に、複数の第１の圧電素子１０５ａと、複数の第２の圧電素子１０２ｂとが貼り合わされている。より具体的には、４個の第１の圧電素子１０５ａが配置されている部分からなるＡ相駆動部１０５Ａと、４個の第２の圧電素子１０５ｂが配置されている部分からなるＢ相駆動部１０５Ｂとが設けられている。Ａ相駆動部とＢ相駆動部とにおいて、時間的に位相が異なる定在波が励振される。これらの定在波の合成により進行波が形成される。進行波の波長をλとしたときに、Ａ相駆動部１０５Ａと、Ｂ相駆動部１０５Ｂとは、一方側において、３λ／４の間隔を隔てて、他方側においてλ／４の間隔を隔てて配置されている。

特許文献２に記載の超音波モータの製造に際しては、金属などからなり、かつ加工が容易な円環状の弾性体１０２の上面に矩形の平面形状を有する複数の圧電素子１０５ａ，１０５ｂを貼り付ければよい。従って、圧電セラミックスの煩雑な加工を必要としない。

特公平１−１７３５４号公報 特開平１１−１８７６７７号公報

Ａ相駆動部１０５Ａ及びＢ相駆動部１０５Ｂでは、それぞれ、波数が５である定在波５波が励振される。なお、本明細書では、リング状部分を周方向に伝搬する定在波の波数がＳ（Ｓは自然数）の場合、その波をＳ波と称することとする。これらのＳ倍波の励振を効率良く行うには、１つの圧電素子１０５ａまたは１０５ｂで励振される領域の周長、すなわち進行波の伝搬路に沿う寸法が、λ／２に相当し、該周長λ／２に相当する部分の全領域が励振されることが望ましい。

しかしながら、特許文献２に記載の超音波モータでは、隣り合う矩形の圧電素子１０５ａ及び隣り合う圧電素子１２５ａ間に、矢印Ｃで示す隙間がそれぞれ生じている。よって、励振効率を高めることができなかった。

なお、特許文献２に記載の超音波モータにおいて、上記隙間Ｃを小さくするように、複数の圧電素子１０５ａ，１０５ｂを扇形や台形の形状とすることも考えられる。しかしながら、その場合には、各圧電素子を効率良く安価に形成することができず、コストが高くつくこととなる。

加えて、上記超音波モータでは、ステータ１０１の保持構造が複雑になりがちであった。ステータ１０１では、円環状の圧電体１０２の上面側に複数の圧電素子１０５ａ及び１０５ｂが設けられており、下面側の突出部１０３にローターが接触されて駆動が行われる。そのため、ステータ１０１を保持するためには円環状の弾性体１０２の側面に連結部の一端を連結し、連結部の他端を保持部分に連結しなければならなかった。従って、連結部などを有する保持構造が複雑になりがちであった。

また、上記超音波モータでは、弾性体１０２の圧電素子１０５ａ，１０５ｂが積層されている側とは反対側の面においてローターを接触させねばならず、ローターを接触する面が弾性体１０２の片面に限定されていた。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、製造が容易であり、高効率であり、しかも保持構造の簡略化を図ることができ、さらにローターを駆動する部分の制約が少ない超音波モータを提供することにある。

本発明のある広い局面によれば、外周縁が円または多角形である板状体からなる振動体と、前記振動体を振動させることにより、周回するように進行する３ｎ波（ｎは自然数）の進行波を発生させるために該振動体の片面に固定されており、前記進行波の周回する方向である周方向に沿って分散配置された４ｎ枚の圧電素子とを有し、該前記進行波の波長に対応する前記周方向中心周りの中心角をλ_θとしたときに、各圧電素子が中心角でλ_θ／２に対応する寸法を有し、かつ隣り合う圧電素子同士が前記周方向に沿って中心角でλ_θ／４に対応する間隔をあけて配置されており、各圧電素子は、圧電体と、圧電体の両面に形成された一対の電極とを有し、４ｎ枚の圧電素子において、圧電素子の圧電体が前記周方向において一方側に隣接する圧電素子の圧電体と厚み方向に同一方向に分極されており、前記周方向において他方側に隣接する圧電素子の圧電体と厚み方向において逆方向に分極処理されているステータと、前記ステータに接触されるように配置されており、ステータに生じた３ｎ波の進行波による振動を受けて回転されるローターとを備えることを特徴とする、超音波モータが提供される。

本発明の他の広い局面によれば、外周縁が円または多角形の板状体からなる振動体と、前記振動体を振動させることにより、周回するように進行する（２ｋ＋１）ｎ波（但し、ｋ，ｎは自然数）の進行波を発生させるために該振動体の片面に固定されており、前記振動体の前記進行波の周回する方向である周方向に分散配置された４ｎ枚（ｎは自然数）の圧電素子とを有し、前記各圧電素子は、圧電体と、圧電体の両面に形成された一対の電極とを有し、各圧電素子の圧電体が、前記周方向に並設されたｋ個の分極領域を有し、発生される進行波の波長に対応する前記周方向中心周りの中心角をλ_θとしたときに、各分極領域が中心角でλ_θ／２に対応する寸法を有し、隣り合う圧電素子が前記中心角でλ_θ／４に対応する間隔をあけて配置されており、隣り合う分極領域が厚み方向において逆方向に分極処理されており、前記４ｎ枚の圧電素子において、前記圧電素子のｋ個の分極領域の分極方向は、周方向の一方側において隣接している圧電素子のｋ個の分極領域の分極方向と同一であり、他方側において隣接している圧電素子のｋ個の分極領域の分極方向とは逆極性とされており、（２ｋ＋１）ｎ波の進行波を発生させるステータと、前記ステータに接触され、該ステータに生じた前記進行波による振動を受けて回転されるローターとを備えることを特徴とする、超音波モータが提供される。

本発明に係る超音波モータでは、好ましくは、前記複数の圧電素子が、前記振動体の片面の中心に対し点対称に配置され、その場合には、ステータの製造ばらつきが生じていたり、あるいはローターの加圧状態がアンバランスになったりしていたとしても、これらの影響を受け難い。従って、超音波モータの動作の安定性を高めることができる。

上記圧電素子の形状は特に限定されないが、本発明の別の特定の局面では、矩形の平面形状を有する。矩形の平面形状の圧電素子は、容易に製造することができ、コストを低減することができる。圧電素子が矩形の平面形状を有する場合、好ましくは前記矩形において、第３の辺の中点と、第４の辺の中点との距離が中心角でλ_θ／２に対応する寸法とされている。従って、長辺がλ_θ／２の中心角に対応する長さ矩形の圧電素子を用意するだけでよいので、製造工程を簡略化できる。

本発明に係る超音波モータのさらに別の特定の局面では、振動体を保持する保持部材がさらに備えられ、該保持部材を他の部分に連結することにより、超音波モータを高い効率で駆動することができる。

上記保持部材は特に限定されないが、好ましくは、前記保持部材が前記振動体の第１の面に連結されており、前記振動体の第１の面とは反対側の第２の面側が前記振動体が前記ローターと接触される部分とされている。従って、保持部材を振動体の片面に容易に連結することができるので、保持構造の簡略化を図ることができる。この場合には、振動体の反対側の面を用いてローターを駆動することができる。従って、振動体の側方に余分なスペースを必要としないため、超音波モータの設置スペースを小さくすることも可能となる。

本発明に係る超音波モータのさらに他の特定の局面では、前記振動体の前記ローターと接触される側の面に、前記振動体の面から突出するように設けられた接触子がさらに備えられている。それによって、ローターをより一層効率良く回転駆動することができる。

本発明に係る超音波モータでは、ステータが４ｎ枚の圧電素子が振動体に接合されている構造を有するため、リング状の圧電体を用意する必要がなく、従って煩雑な圧電体の加工工程を必要としない。

加えて、４ｎ枚の圧電素子の圧電素子は、発生される進行波の波長の長さに対応した中心角をλ_θとしたときに、λ_θ／２の中心角に対応する寸法を有しており、かつ隣り合う圧電素子同士が周方向においてλ_θ／４の中心角に対応する間隔を隔てて配置されているため、３ｎ波または（２ｋ＋１）ｎ波の進行波を効率良く発生させることができる。従って、超音波モータの効率を高めることができる。

さらに、上記λ_θ／４の間隔が設けられている領域に、ローターに接触される部材を設けることも可能であるため、振動体のいずれの面をもローターを駆動する面として用いることができる。

さらに、上記圧電素子が接合されている面とは反対側の振動体面を利用して機械的に保持することができるので、保持構造の簡略化も果たすことが可能となる。

図１は、本発明の原理を説明するためステータにおいて励振される定在波と各圧電素子の長さ及び圧電素子間の間隔を説明するための模式的平面図である。 図２は、円環状の振動体において３波の定在波を発生させる構成例を説明するための模式的平面図である。 図３は、円環状の振動体において、６波の定在波を発生させるための構成例を説明するための模式的平面図である。 図４（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータを説明するための図であり、（ａ）はステータの平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 図５（ａ）は図４に示したステータの外観を示す斜視図であり、（ｂ）は圧電素子の断面図である。 図６は、図４及び図５に示したステータを用いた超音波モータを説明するための部分切欠正面断面図である。 図７は、第１の実施形態の超音波モータにおける変位拡大機構としての接触子の機能を説明するための部分切欠正面断面図である。 図８は、第１の実施形態の超音波モータに用いられている保持プレートの模式的平面図である。 図９（ａ）〜（ｃ）は、圧電素子の平面形状の各変形例を示す平面図である。 図１０は、第２の実施形態の超音波モータのステータの模式的平面図である。 図１１は、第３の実施形態の超音波モータのステータの模式的平面図である。 図１２は、従来の超音波モータを説明するための模式的斜視図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータのステータを示す平面図及び（ａ）中のＤ−Ｄ線に沿う断面図であり、図５（ａ）は、該ステータの外観を示す斜視図である。

本実施形態の超音波モータは、図４及び図５（ａ）に示すステータ１を有する。ステータ１は、弾性体からなり、かつリング状の振動体２を有する。リング状の振動体２は、本実施形態では、りん青銅からなる。もっとも、振動体２は、りん青銅などの金属からなる必要は必ずしもない。振動体２は、セラミックス、シリコン材料または合成樹脂などの他の弾性体により形成されていてもよい。上記振動体２は、打ち抜き加工などにより、容易に正確な形状に形成することができる。

なお、リング状とは、円環状や角環状などの中央に開口部を有する様々な形状を広く含むものとする。

本実施形態では、振動体２の外周縁は八角形の形状を有しており、内周縁もまた外周縁の八角形と同心の八角形の形状を有している。振動体２は、中心Ｏに対して点対称な図形である。そして、振動体２の幅方向寸法は、後述の周方向において一定とされている。ここで幅方向寸法とは、振動体２において、内周縁と外周縁とを結ぶ距離をいうものとする。

振動体２の外周縁は、図４（ａ）に示すように、対向し合う第１，第２の長辺２ａ，２ｂ及び対向し合う第３，第４の長辺２ｃ，２ｄと、図４（ａ）において斜め方向に延びる第１〜第４の短辺２ｅ〜２ｈとを有する。

振動体２の片面には、平面形状が矩形の第１〜第４の圧電素子３〜６が積層され、図示しない接着剤により貼り合わされている。矩形の圧電素子３〜６の矩形の長辺は、ここで、第１〜第４の長辺２ａ〜２ｄに沿うように設置されている。

図５（ｂ）に圧電素子３を代表して説明するように、圧電素子３は、圧電体７と、圧電体７の両面に形成された一対の電極８，９とを有する。圧電体７は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなる。上記圧電体７は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスに限らず、ポリフッ化ビニリデンや窒化アルミニウムなどの他の圧電材料からなる圧電体であってもよい。上記圧電体７は、厚み方向に分極処理されている。

電極８，９は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ合金などの適宜の金属材料からなる。

対向し合う第１，第２の圧電素子３，４の圧電体は、厚み方向において逆方向となるように分極処理されている。同様に、対向し合う第３，第４の圧電素子５，６の圧電体も、厚み方向において逆方向において分極処理されている。

圧電素子３〜６の内、対向し合う第１，第２の圧電素子３，４が、Ａ相駆動部を構成するための圧電素子であり、第３，第４の圧電素子５，６は、Ｂ相駆動部を構成するための圧電素子である。Ａ相駆動部については、圧電素子にＡ＋またはＡ−を付して示し、Ｂ相駆動部を構成する圧電素子についてはＢ＋またはＢ−を付している。Ａ＋とＡ−とは、圧電体が、厚み方向において逆方向に分極されていることを意味する。Ｂ相駆動部についても同様に構成されている。

上記第１〜第４の圧電素子３〜６は矩形の平面形状を有する。従って、安価にかつ効率良く製造することができる。もっとも、本発明においては、圧電素子３〜６は、矩形以外の平面形状、例えば扇形などの平面形状を有していてもよい。圧電素子３〜６は、同一の平面形状を有する。圧電素子３〜６の内、圧電素子３を代表して説明することとする。

圧電素子３の第１，第２の短辺の中点と中心Ｏとを結ぶ仮想線を、それぞれ、仮想線Ｅ１，Ｅ２とする。仮想線Ｅ１，Ｅ２のなす角度、すなわち中心角は６０°である。言い換えれば、圧電素子３の第１，第２の短辺の中点間の距離Ｌは、上記中心角６０°に対応する。本実施形態では、３波の定在波が励振され、合成されて３波の進行波が得られる。距離Ｌは、３波の進行波の波長の長さに対応する中心角をλ_θとしたときに、λ_θ／２の中心角に対応する寸法とされている。第２〜第４の圧電素子４〜６の寸法も同じとされている。

上記圧電素子の寸法を中心角で規定するのは、圧電素子の上記寸法は、中心からの径方向距離によって変動することによる。すなわち、前述した仮想線Ｅ１，Ｅ２間の距離は、径方向位置によって変化するため、圧電素子の寸法は、中心角を基準にして表現されている。

なお、本明細書においては、上記周方向とは、振動体において発生される２つの定在波及び該２つの定在波の合成により生じる進行波が周回する方向をいうものとする。また、上記中心角を規定するうえでの中心とは、前述した進行波の周回する方向の中心をいうものとする。この点については、後程、図１を参照して、より詳しく説明することとする。

そして、隣り合う圧電素子間の間隔、すなわち上記周方向に沿う寸法は、上記中心角で３０°に相当する。例えば、図４（ａ）の仮想線Ｅ２と、圧電素子３に隣り合う圧電素子５の圧電素子３側の短辺の中点とを中心Ｏとを結ぶ仮想線をＥ３との間隔は、中心角でλ_θ／４＝３０°である。

従って、隣り合う圧電素子３，５間は、周方向において中心角でλ_θ／４隔てられていることとなる。

なお、本実施形態では、八角形の形状を有するため、短辺２ｅ〜２ｈが位置している領域では、外形寸法が小さくされている。すなわち、上記八角形の形状は、正方形の４つのコーナー部分を面取りした形状に相当する。従って、上記正方形に比べて、該八角形の方が、外形寸法は小さくなり、小型化を進めることができる。面取りされている部分において、リング状振動体の幅が他の部分と同一となるように、矢印Ｇで示すように内方に拡張されている。

もっとも、外形の制約が無い場合には、面取りは必要ではない。従って、外周形状及び内周形状が正方形の形状を有していてもよい。

リング状の振動体は、中心Ｏに対して点対称な形状であることが好ましい。それによって、中心Ｏの周りを進行する進行波をより確実に発生させることができる。また、駆動力のばらつきも生じ難い。従って、組み合わされるステータの製造ばらつきが生じたり、ローターへの加圧接触力がアンバランスになったとしても、これらの影響を受け難い。中心Ｏに対して、点対称な形状については、特に限定されない。すなわち、振動体の外形は、中心Ｏに対して点対称な様々な形状とすることができる。リング状の場合、内周縁の形状も同様に、中心Ｏに対して点対称な形状であることが好ましい。

好ましくは、本実施形態のように、リング状の振動体において、その周方向において、幅方向寸法が一定とされ、それによって、進行波を高い効率で発生させることができる。

本実施形態では、圧電素子３〜６の下面側の電極８すなわち振動体２に接触している側の電極８がグラウンド電位に接続され、反対側の電極９との間に例えばリード線を接続することなどにより駆動電圧としての高周波電圧が印加される。なお、リード線に限らず、フレキシブル基板など柔軟性を有する電気的接続部材を両面の電極に圧着してもよい。

図５（ａ）に示されているように、振動体２の上記隣り合う圧電素子３〜６間の間隔において、上方に突出するように変位拡大構造として接触子１１が設けられている。接触子１１は、本実施形態では円柱状であるが、角柱状であってもよい。

図６に示すように、本実施形態の超音波モータでは、上記ステータ１が保持プレート１２の上面に固定されている。図８は、保持プレート１２の平面図である。保持プレート１２は、中心から外側に延びる複数の保持片１２ａを有する。複数の保持片１２ａ間に間隙が設けられているため、ステータ１における圧電素子３〜６における励振を妨げないように、保持プレート１２上に、ステータ１を保持することが可能とされている。図６に戻り、保持プレート１２の中心側は、この振動を妨げない間隔１７をあけてボルト１３を用いて、保持部材１４に固定されている。保持部材１４は、ベースプレート１５の上面に固定されている。

他方、上記ステータ１と対向するように、ステータ１の上面には、ローター１６が配置されている。ローター１６の下面が、上記接触子１１の上端に圧接されている。

駆動に際し弾性体よりなるリング状の振動体２において進行波が発生すると、接触子１１は、図７に示すようにその先端がより大きく楕円運動することとなる。従って、振動体２において発生した進行波による変位よりも、接触子１１の先端がより大きく変位する。従って、接触子１１の先端に圧接されているローター１６が効果的に回転駆動され、より大きな駆動連度を得ることができる。

上記接触子１１は、耐摩耗性に優れたセラミックス、例えばアルミナにより形成され、上記リング状振動体２の上面に接着等により固定されている。もっとも、上記接触子１１は、セラミックス以外の金属や合成樹脂により形成されてもよい。また、接触子１１は、振動体２と同じ材料で一体に形成されていてもよい。

この場合、振動体２を構成する材料を切削加工することにより振動体２と接触子１１とを同時に形成してもよい。あるいは、振動体２が金属板からなる場合、その一部を機械加工することにより、中空の突出部により接触子１１を形成してもよい。

駆動に際しては、第１，第２の圧電素子３，４間に、同一の３波共振周波数の高周波電圧が印加される。そして、この高周波電圧と位相が異なる高周波電圧が、第３，第４の圧電素子５，６に印加される。この場合、圧電素子３，４または圧電素子５，６に加わる駆動電圧により、それぞれ、１つの３波の定在波が励振される。従って、Ａ相駆動部を構成している圧電素子３，４により、Ａ相の３波定在波が励振され、圧電素子３，４を結ぶ方向と直交する方向に配置された圧電素子５，６において、Ｂ相の３波定在波が励振される。このＡ相とＢ相の駆動電圧に±９０°の位相差を設けることにより、これらの定在波の合成波としての進行波が得られる。この場合、位相差を＋９０°または−９０°とすることにより、ローター１６を正転、もしくは逆転させることができる。

本実施形態の超音波モータ２１では、ステータ１の圧電素子３〜６が設けられている面と同じ面に接触子１１が形成されている。従って、図６に示したように、振動体２の反対側の面である下面を用いて安定にかつ容易にステータ１を保持することができる。よって、保持構造の簡略化を図ることができる。加えて、上記振動体２の下面側を利用して、アース配線等を引き回すことも容易となる。

本実施形態によれば、上記リング状の振動体２を安価にかつ容易に製造することができ、圧電素子３〜６を振動体の片面に貼り付けるだけでステータ１が形成される。従って、ステータ１の製造工程の簡略化及びコストの低減を果たすことができる。加えて、前述したように、保持構造の簡略化を図ることができる。

また、上記のように、Ａ相駆動部としての圧電素子３，４及びＢ相駆動部を構成している圧電素子５，６は、一対の短辺の中点同士の距離が中心角λ_θ／２に対応する寸法とされているため、特許文献２に記載の超音波モータに比べて、効率を効果的に高めることができる。これを、図１〜図３を参照して本発明の原理を説明することにより明確にする。

図１に示すステータ３１では、説明を容易とするため、振動体３２は円環状の形状を有している。円環状の形状の振動体３２を用いて説明するのは、後述する定在波の図示が容易であること、また定在波の発生状況の理解が容易であることによる。

図１に模式的に示すように、円環状の振動体３２において、複数の圧電素子３３〜３５がλ_θ／４の間隔をあけて配置されている。また、圧電素子３３〜３５の上記寸法が中心角でλ_θ／２であり、それぞれの全長に渡る部分においてＡ波またはＢ波が励振されるとする。このような構成により、一点鎖線Ｘで示す円環状の伝搬路に沿って進行する安定な進行波を得ることができる。これを以下において説明する。

図１において、圧電素子３４では、第１，第２の辺３４ａ，３４ｂが、矩形の一対の長辺であり、第１の辺３４ａが中心Ｏ側に位置している。第３，第４の辺３４ｃ，３４ｄは、第１，第２の辺３４ａ，３４ｂを結ぶ、短辺である。圧電素子の上記寸法とは、圧電素子３４を例にとると、第３，第４の辺３４ｃ，３４ｄの中点間の距離である。

Ａ波及びＢ波がそれぞれ定在波となるには、１つの圧電素子の周方向の長さと、隣り合う圧電素子間の周方向に沿う間隔との合計である（λ_θ／２＋λ_θ／４）の整数倍が２πと一致する必要がある。従って、ｎを自然数とし、中心角で表現すると、（λ_θ／２＋λ_θ／４）×ｎ＝２πとなり、ｎ＝４／３（２π／λ_θ）となる。波数をｍとすると、２π／λ_θ＝ｍであるので、
ｎ＝（４／３）ｍ…式（１）となる。

上記式（１）から、波数ｍが３の倍数のときに限り、ｎは自然数となる。従って、リング状の振動体において、波数が３つである３波、波数が６つである６波、波数が９つとなる９波などの励振が可能となる。よって、３ｎ波を得るには、中心角でλ_θ／２に対応する上記寸法の圧電素子を４ｎ枚、隣り合う圧電素子の周方向に沿う間隔を中心角でλ_θ／４として配置すればよいことがわかる。そして、式（１）の関係を満たす限り、振動体は、円環状である必要はなく、前述した実施形態のように、八角形の外形形状を有していてもよく、また他の多角形状であってもよい。さらに、リング状である必要は必ずしもなく、円板や多角形板であってもよいことがわかる。

上記のように、複数の圧電素子を金属などからなる振動体の片面に貼りつければよいため、製造コストの低減を図ることが出来るだけでなく、各圧電素子が貼りつけられている部分においては、中心角でλ_θ／２の寸法の全長にわたる領域で励振することができるので、効率を高めることができる。

さらに、隣り合う圧電素子間に上記λ_θ／４の間隔が形成されるため、上述した接触子１１などの変位拡大機構を形成することが容易となる。また、上記間隔において、フィードバックセンサーを取り付けたり、配線等を形成したりすることも容易となる。従って、小型化を進めることも可能となる。

図２に示すステータ４１では、円環状の振動体４２に、Ａ相駆動部として、一対の第１，第２の圧電素子４３，４４が、Ｂ相駆動部として、一対の第３，第４の圧電素子４５，４６が配置されている。

図２では、ｎ＝１であり、圧電素子が４枚であり、励振される波の波数は３である。従って、λ_θ＝３６０°／３＝１２０°であるため、各圧電素子３３〜３６の周方向に沿う長さは中心角６０°に相当する周長とすればよく、圧電素子４３〜４６において隣り合う圧電素子間の間隔は中心角で３０°となるように配置すればよいことがわかる。この場合のＡ波、Ｂ波は、図２に示す通りとなる。

Ａ相を構成する複数の圧電素子は、中心Ｏに対して点対称に配置されているため、同様に、Ｂ相を構成する複数の圧電素子も、中心Ｏに対して点対称に配置されているため、さらに、Ａ相駆動部とＢ相駆動部も中心Ｏに対して点対称に配置されているため、振動体の製造ばらつきがＡ相及びＢ相の振動ばらつきに影響し難い。

図３は、円環状の振動体を用いた場合に、６波を発生させる場合の構造例を示す。この場合、ｎ＝２とし、８枚の圧電素子５１〜５８を振動体の片面に貼りつければよい。励振される波の波数は６であり、従って６波が励振される。この場合には、λ_θ＝３６０°／６＝６０°となる。従って、各圧電素子５１〜５８の寸法は、中心角で３０°、圧電素子間の間隔は中心角で１５°とすればよいことがわかる。

ｎが３以上の自然数の場合も同様にして、圧電素子の上記寸法に対応する中心角及び圧電素子間の周方向における間隔に対する中心角を容易に設定することができる。

なお、各圧電素子は、単一の圧電体を用いて形成される必要はなく、複数の圧電層を積層してある積層圧電体を用いてもよい。その場合には、より低電圧で駆動することができる。

図９は、圧電素子の平面形状の変形例を示す模式的平面図である。上記実施形態では、圧電素子は矩形の平面形状を有していたが、図９（ａ）に示すように、内側の第１の辺６１ａ及び外側の第２の辺６１ｂが円弧状の圧電素子を用いてもよい。ここでは、第１の辺６１ａ及び第２の辺６１ｂは、定在波が生じる円環と同心であり、かつ該円環よりも小さな径及び大きな径の円の一部である。このように、第１の辺６１ａ及び第２の辺６１ｂが円弧などの曲線である圧電素子６１を用いてもよい。なお、図９（ａ）では、第１，第２の辺６１ａ，６１ｂが円弧であり、第３，第４の辺６１ｃ，６１ｄが中心Ｏに対して径方向に延びる直線の一部である。これに対して、図９（ｂ）に示す圧電素子６２のように、第１，第２の辺６２ａ，６２ｂは同様の円弧であるが、第３，第４の辺６２ｃ，６２ｄは、中心Ｏを通らない直線の一部であってもよい。

また、図９（ｃ）に示すように、第１の辺６３ａが直線状であり、第２の辺６３ｂが円弧などの曲線状の形状を有する圧電素子６３を用いてもよい。第３，第４の辺６３ｃ，６３ｄは直線状とされている。このような圧電素子６１，６２または６３を用いた場合においても、第３，第４の辺の中点間の距離が中心角でλ_θ／２であればよい。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る超音波モータのステータ７１を説明するための模式的平面図である。第２の実施形態では、円環状のステータ７１の上面に、平面形状が矩形の１２枚の圧電素子７２〜８３が貼りつけられている。ここで、λ_θ-＝３６０／９＝４０°より各圧電素子７２〜８３は、上記中心角でλ_θ-／２＝２０°に対応する寸法を有する。すなわち、圧電素子７３を例にとると、その一対の短辺の中点を通り、中心Ｏに向かう仮想線Ｅ１，Ｅ２間の中心角が２０°とされている。これは、前述した式（１）で求められるように、（３６０°／９）／２＝２０°として求められる。そして、隣り合う圧電素子間の間隔は、中心角でλ_θ-／４＝１０°となる。

図１０に示すように、上記１２枚の圧電素子７２〜８３は、１つおきに、Ａ相駆動部またはＢ相駆動部を構成する圧電素子として用いられる。図１０においては、Ａ相駆動部については、圧電素子にＡ＋またはＡ−を付して示し、Ｂ相駆動部を構成する圧電素子についてはＢ＋またはＢ−を付している。

すなわち、圧電素子７２，７４，７６，７８，８０，８２が、Ａ相駆動部を構成している。これらの内、圧電素子７２，７６，８０がＡ＋、圧電素子７４，７８，８２がＡ−である。Ａ＋とＡ−とは、圧電体が、厚み方向において逆方向に分極されていることを意味する。Ｂ相駆動部についても同様に構成されている。従って、Ａ相駆動部とＢ相駆動部とに±９０°の位相差を有する駆動電圧を印加することにより、波数が９である９波の定在波を励振させることができ、Ａ相の９波定在波とＢ相による９波定在波の合成波により、９波進行波が得られる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る超音波モータのステータを示す模式的平面図である。

第１，第２の実施形態では、圧電素子は中心角でλ_θ／２に対応する寸法を有し、隣り合う圧電素子は中心角でλ_θ／４を隔てて配置されていたが、λ_θ／４の間隔を隔てて配置されている１つの圧電素子を、中心角でλ_θ／２の整数倍に合致するように分割した構成としてもよい。すなわち、第１，第２の実施形態における１つの圧電素子において、圧電体の両面に形成されている電極の内、少なくとも一方の電極を分割してもよい。ここでは、複数の圧電素子部に分割し、隣り合う圧電素子部の分極方向が逆方向とされ、圧電素子が中心角でλ_θ／２の整数倍に対応する寸法とされる。言い換えれば、１つの圧電素子において、複数の圧電素子部を間隔を実質的に設けずに配置してもよい。ここでは、複数の圧電素子では、周方向において交互に分極方向が逆とされ、複数の圧電素子部からなる１つの圧電素子が中心角でλ_θ／２の整数倍に対応する寸法とされている。

１つの圧電素子をｋ個（ｋは自然数）の圧電素子部に分割した場合、（ｋ・λ_θ／２＋λ_θ・４）ｎ＝２πとなる。従って、波数ｍ＝２π／λ_θであるため、
ｎ＝４／（２ｋ＋１）ｍ…式（２）となる。よって、４ｎ枚の圧電体を用い、（２ｋ＋１）ｎ波の進行波を励振させることができる。図１１は、ｋ＝２及びｎ＝２の場合の実施形態に相当する。（２ｋ＋１）ｎ＝１０であるため、１０波の進行波が、４ｎ＝４×２＝８枚のそれぞれが２分割された圧電素子により構成されている。すなわち、圧電素子８１〜８８は、それぞれ、第１，第２の分割圧電素子部８１ａ，８１ｂ〜８８ａ，８８ｂを有する。各圧電素子部は、図示のＡ＋、Ａ−、Ｂ−、Ｂ＋で示すように＋方向または−方向に分極処理されている。＋方向または−方向は、圧電体の厚み方向の内−の一方または他方の方向に分極処理されていることを示す。また、Ａ＋及びＡ−はＡ相駆動部を構成している圧電素子部であり、Ｂ＋及びＢ−は、Ｂ相駆動部を構成している圧電素子部であることを示す。

ここでは、λ_θは、中心角で３６０°／１０＝３６°であるため、λ_θ／２＝１８°となる。よって、１つの圧電素子は中心角で１８°の寸法を有し、図１１に示すように、第１，第２の圧電素子部からなる１つの圧電素子は中心角で３６°の寸法を有する。なお、λ_θ／４＝９°となる。従って、隣り合う圧電素子間の間隔は中心角で９°となる。

本実施形態では、Ａ相を駆動する電圧とＢ相を駆動する駆動電圧に±９０°の位相差を与えて駆動することにより、駆動位相が異なる各１０波のＡ相定在波及びＢ相定在波が励振され、これらの合成波として１０波の進行波が得られることになる。

このように、本発明においては、（２ｋ＋１）ｎ波の進行波を４ｎ倍の圧電体を用いて励振することができる。言い換えれば、第１，第２の実施形態は、第３の実施形態におけるｋ＝１の場合に相当するものであることがわかる。

１…ステータ
２…振動体
３〜６…圧電素子
７…圧電体
８，９…電極
１１…接触子
１２…保持プレート
１２ａ…保持片
１３…ボルト
１４…保持部材
１５…ベースプレート
１６…ローター
１７…間隔
２１…超音波モータ
３１…ステータ
３２…振動体
３３〜３６…圧電素子
４１…ステータ
４２…振動体
４３〜４６…圧電素子
５１〜５８…圧電素子
６１〜６３…圧電素子
６１ａ〜６１ｄ…第１〜第４の辺
６２ａ〜６２ｄ…第１〜第４の辺
６３ａ〜６３ｄ…第１〜第４の辺
７１…ステータ
７２〜８８…圧電素子

Claims (10)

1. 外周縁が円または多角形である板状体からなる振動体と、
   前記振動体を振動させることにより、周回するように進行する３ｎ波（ｎは自然数）の進行波を発生させるために該振動体の片面に固定されており、前記進行波の周回する方向である周方向に沿って分散配置された４ｎ枚の圧電素子とを有し、
   該前記進行波の波長に対応する前記周方向中心周りの中心角をλ_θとしたときに、各圧電素子が中心角でλ_θ／２に対応する寸法を有し、かつ隣り合う圧電素子同士が前記周方向に沿って中心角でλ_θ／４に対応する間隔をあけて配置されており、
   各圧電素子は、圧電体と、圧電体の両面に形成された一対の電極とを有し、４ｎ枚の圧電素子において、圧電素子の圧電体が前記周方向において一方側に隣接する圧電素子の圧電体と厚み方向に同一方向に分極されており、前記周方向において他方側に隣接する圧電素子の圧電体と厚み方向において逆方向に分極処理されているステータと、
   前記ステータに接触されるように配置されており、ステータに生じた３ｎ波の進行波による振動を受けて回転されるローターとを備えることを特徴とする、超音波モータ。
2. 外周縁が円または多角形の板状体からなる振動体と、
   前記振動体を振動させることにより、周回するように進行する（２ｋ＋１）ｎ波（但し、ｋ，ｎは自然数）の進行波を発生させるために該振動体の片面に固定されており、前記振動体の前記進行波の周回する方向である周方向に分散配置された４ｎ枚（ｎは自然数）の圧電素子とを有し、
   前記各圧電素子は、圧電体と、圧電体の両面に形成された一対の電極とを有し、各圧電素子の圧電体が、前記周方向に並設されたｋ個の分極領域を有し、発生される進行波の波長に対応する前記周方向中心周りの中心角をλ_θとしたときに、各分極領域が中心角でλ_θ／２に対応する寸法を有し、隣り合う圧電素子が前記中心角でλ_θ／４に対応する間隔をあけて配置されており、隣り合う分極領域が厚み方向において逆方向に分極処理されており、前記４ｎ枚の圧電素子において、前記圧電素子のｋ個の分極領域の分極方向は、周方向の一方側において隣接している圧電素子のｋ個の分極領域の分極方向と同一であり、他方側において隣接している圧電素子のｋ個の分極領域の分極方向とは逆極性とされており、（２ｋ＋１）ｎ波の進行波を発生させるステータと、
   前記ステータに接触され、該ステータに生じた前記進行波による振動を受けて回転されるローターとを備えることを特徴とする、超音波モータ。
3. 前記複数の圧電素子が、前記振動体の片面の中心に対し点対称に配置されている、請求項１または２に記載の超音波モータ。
4. 前記圧電素子が、前記振動体の中心側に位置する第１の辺と、第１の辺と対向している第２の辺と、第１，第２の辺を結ぶ第３，第４の辺とを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波モータ。
5. 前記圧電素子が矩形の平面形状を有する、請求項４に記載の超音波モータ。
6. 前記矩形において、第３の辺の中点と、第４の辺の中点との距離が、前記中心角でλ_θ／２に対応する寸法とされている、請求項５に記載の超音波モータ。
7. 前記振動体を保持する保持部材をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波モータ。
8. 前記保持部材が前記振動体の第１の面に連結されており、前記振動体の第１の面とは反対側の第２の面側において前記振動体が前記ローターと接触される部分とされている、請求項７に記載の超音波モータ。
9. 前記振動体の前記ローターと接触される側の面に、前記振動体の面から突出するように設けられた接触子をさらに備える、請求項８に記載の超音波モータ。
10. 前記振動体が、リング状の平面形状を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の超音波モータ。

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