JP5545825B2 - 超音波モータ - Google Patents

Description

本発明は、超音波モータに関するものである。

例えば、下記特許文献１には、振動子の縦振動とねじれ振動を合成して楕円振動を発生させ、ロータを回転させる超音波モータが提案されている。そして、下記特許文献１の図１には、振動子の分解斜視図が描かれており、振動子軸方向に対し斜めにカッティングされた弾性体の間に複数枚の圧電素子が挿入された構成となっている。また、圧電素子の正電極は２分割されており、ここでは、それぞれＡ相、Ｂ相と称するものとする。

ここで、Ａ相とＢ相に同位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子に縦振動を発生させることができる。また、Ａ相とＢ相に逆位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子にねじれ振動を発生させることができる。尚、振動子の溝位置を調整して縦振動の共振周波数と、ねじれ振動の共振周波数を、ほぼ一致するようにしておく。そして、Ａ相とＢ相にπ／２位相の異なる交番電圧を印加すると、縦振動とねじれ振動が同時に発生し、棒状弾性体上面に楕円振動を発生させることができる。棒状弾性体上面にロータを押圧することにより、ロータを時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）に回転させることができる。

特開平９−１１７１６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された超音波モータは、その図１に示されるように、圧電素子と弾性体が必要になる、弾性体を斜めにカットしなければならない、縦振動とねじれ振動の周波数を合わせるために弾性体の一部に溝部を設けなければならない、構造が複雑であり組立性に難点がある等の課題があった。それ故、全体として振動子の構成が非常に複雑になり、ねじれ共振振動の発生効率が低いという課題を有していた。

したがって本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧電素子の屈曲振動を積極的に使用することによりねじれ共振振動を効率よく発生させることのできる超音波モータを提供することにある。また、本発明は、単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部等が不要であり、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができ、縦振動とねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波モータは、中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、振動子の楕円振動発生面に接して振動子の楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータであって、振動子の回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動とを合成することにより、楕円振動を形成してなり、振動子の回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように、振動子の矩形状の長さ比率を設定し、振動子には、厚みすべり振動し、かつ、ねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動の腹位置に配置されたねじれ圧電体が含まれ、ねじれ３次共振振動の２つの腹に２つのねじれ圧電体をそれぞれ配置していることを特徴としている。

本発明に係る超音波モータは、中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、振動子の楕円振動発生面に接して振動子の楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータであって、振動子の回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動とを合成することにより、楕円振動を形成してなり、振動子の回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように、振動子の矩形状の長さ比率を設定し、振動子には、厚みすべり振動し、かつ、ねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動の腹位置に配置されたねじれ圧電体が含まれ、ねじれ圧電体の分極方向は、ロータの回転軸に垂直であり、かつ、駆動電極への印加方向に垂直であることを特徴としている。

本発明に係る超音波モータにおいては、ねじれ圧電体の駆動電極は振動子の側面に配置されていることが好ましい。

本発明に係る超音波モータにおいては、ねじれ３次共振振動の２つの腹に２つのねじれ圧電体をそれぞれ配置していることが好ましい。

本発明に係る超音波モータにおいては、ねじれ３次共振振動の２つの腹の１つに１つのねじれ圧電体を配置していることが好ましい。

本発明に係る超音波モータにおいては、ねじれ２次共振振動の１つの腹に１つのねじれ圧電体を配置していることが好ましい。

本発明に係る超音波モータは、圧電素子の屈曲振動を積極的に使用することによりねじれ共振振動を効率よく発生させることができるという効果を奏する。また、本発明の超音波モータにおいては、単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部等が不要であり、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができ、縦振動とねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、楕円振動によりロータを回転させることができる、という効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る超音波モータの構成を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る超音波モータの構成を示す分解斜視図である。 （ａ）は、第１実施形態に係る振動子の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は、ねじれ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、（ｃ）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、（ｄ）は、ねじれ２次振動モードにおける振動状態を破線で示した斜視図、（ｅ）は、ねじれ３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る。 振動子の高さを一定として、横軸を短辺の長さ／長辺の長さとしたときの各モードの共振周波数を表したグラフである。 第１実施形態に係るねじれ振動用圧電素子の構成を示す斜視図である。 （ａ）は第１実施形態に係るねじれ振動用圧電素子に駆動信号を印加したときの厚みすべり振動を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。 （ａ）は第１実施形態に係るねじれ振動用圧電素子に対して、図６の場合とは逆方向の駆動信号を印加したときの厚みすべり振動を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。 第１実施形態に係る縦振動用圧電素子の構成を示す、正面上方から見た斜視図である。 （ａ）は第１実施形態に係る縦振動用圧電素子に駆動信号を印加したときの縦振動を示す、正面上方から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。 （ａ）は第１実施形態に係る縦振動用圧電素子に対して、図９の場合とは逆方向の駆動信号を印加したときの振動を示す、正面上方から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。 第１実施形態に係る積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る積層圧電素子の構成を示す斜視図である。 積層後の積層圧電素子の構成を示す側面図と、図３（ｅ）に示すねじれ３次共振振動における振動状態を側面から見た図である。 第２実施形態に係る積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。 第２実施形態に係る積層圧電素子の構成を示す斜視図である。 積層後の積層圧電素子の構成を示す側面図と、図３（ｅ）に示すねじれ３次共振振動における振動状態を側面から見た図である。 第３実施形態に係る積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。 第３実施形態に係る積層圧電素子の構成を示す斜視図である。 積層後の積層圧電素子の構成を示す側面図と、図３（ｄ）に示すねじれ２次共振振動における振動状態を側面から見た図である。

以下に、本発明に係る超音波モータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る超音波モータ１００は、縦１次共振振動とねじれ２次共振振動の合成により楕円振動を発生させるものであり、図１、図２に示すように、振動子１０１及びロータ１０２を備える。
振動子１０１は、中心軸１００ｃ（回転軸）に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する、略直方体形状の圧電素子である。ロータ１０２は、略円板状をなし、その下面が振動子１０１の楕円振動発生面１０１ａに設けた摩擦接触部材１０３ａ、１０３ｂに接し、振動子１０１の楕円振動発生面１０１ａと直交する中心軸１００ｃを回転軸として回転駆動される。

振動子１０１へのロータ１０２の取り付け構造について説明する。
振動子１０１（圧電素子）の節近傍にはホルダ１１０が固着される。振動子１０１の楕円振動発生面１０１ａとホルダ１１０との間には、シャフト１０５、ロータ１０２、ベアリング１０７、押圧バネ１０８、バネ押さえリング１０９が順に配置される。この配置は、中心軸１００ｃに対して同心状に行われる。

ロータ１０２の中央の凹部１０２ａにはベアリング１０７が結合され、ロータ１０２とベアリング１０７には中心軸１００ｃに沿うようにシャフト１０５が挿通される。シャフト１０５の下部は振動子１０１の楕円振動発生面１０１ａ上に接触配置される。

ロータ１０２及びベアリング１０７に挿通されたシャフト１０５の上部先端は、押圧バネ１０８とバネ押さえリング１０９に順に挿通され、さらに、ホルダ１１０の上部の貫通穴１１０ａを通って、ホルダ１１０の上方に配置されたシャフト固定リング１１１に螺合される。これにより、シャフト１０５はホルダ１１０に固定される。

バネ押さえリング１０９とシャフト１０５はネジ溝によって互いに螺合されており、バネ押さえリング１０９を回転させてシャフト１０５に対する位置を変更することにより、押圧バネ１０８の力量を調節してロータ１０２の摩擦接触部材１０３ａ、１０３ｂへの押圧力量を調節することができる。

次に、図３及び図４を参照して、超音波モータ１０に使用される振動子１０１（圧電素子）の共振周波数の一致に関して説明する。

図３（ａ）に示されるように、振動子１０１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１０１ｓの長さをａ、長辺１０１ｆの長さをｂ、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、１次振動モードの振動の方向、かつ、ねじれ振動のねじれの軸方向とする。また、ａ、ｂ、ｃの大小関係はａ＜ｂ＜ｃとする。

振動子１０１においては、ａ、ｂ、ｃの各寸法を適切な値とすることで、縦１次振動モードの共振周波数とねじれ２次振動モード、若しくはねじれ３次振動モードの、共振周波数をほぼ一致させている。

ここで、図３（ｂ）〜（ｅ）には、ねじれ振動の方向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、ねじれ１次振動（図３（ｂ））及び縦１次振動（図３（ｃ））では高さ方向の中心位置に１つ存在し、ねじれ２次振動（図３（ｄ））では高さ方向の２つの位置に存在し、ねじれ３次振動（図３（ｅ））では高さ方向の３つの位置に存在する。

また、図３（ｂ）〜（ｅ）において、実線は振動前の振動子１０１の形状を示しており、破線は振動後の振動子１０１の形状を示している。

図４からわかるように、ａ／ｂを変化させた場合には、縦１次振動モードの共振周波数はａ／ｂに依存せず、ほぼ一定の値をとるが、ねじれ振動の共振周波数は、ａ／ｂ値の増加とともに大きくなっていく。

また、ねじれ１次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂがどのような値をとっても、縦１次振動モードの共振周波数と一致する条件はない。これに対して、ねじれ２次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂ値が０．６となる近傍で、縦１次振動モードの共振周波数と一致する。また、ねじれ３次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂ値が０．３の近傍となるところで、縦１次振動モードの共振周波数と一致する。したがって、第１実施形態の振動子１０１においては、縦１次ねじれ３次振動ではａ／ｂが０．２５〜０．３５、縦１次ねじれ２次振動ではａ／ｂが０．５〜０．６、となるように長さａ、ｂをそれぞれ設定する。

超音波モータ１００においては、振動子１０１の中心軸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をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、を合成することにより、楕円振動を形成する。長さａ、ｂの比（比率）は、振動子１０１の中心軸１００ｃ方向に伸縮する縦１次共振振動と、中心軸１００ｃをねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように設定する。

振動子１０１は、複数の圧電素子を積層接着した積層圧電素子１２０（図１２）からなり、各圧電素子の変形に応じて、縦１次共振振動と、ねじれ３次共振振動と、を発生する。積層圧電素子１２０は、ねじれ振動用圧電素子１３０である第１圧電素子１３１及び第２圧電素子１３２と、縦振動用圧電素子１４０である第３圧電素子１４１及び第４圧電素子１４２と、を備える。
なお、図１、図２においては、各圧電素子及び駆動電極の図示を省略している。

以下に、図５から図７を参照して、積層圧電素子１２０を構成するねじれ振動用圧電素子１３０（ねじれ圧電体）について説明する。ここで、図５は、ねじれ振動用圧電素子１３０の構成を示す、正面上方右側から見た斜視図である。図６（ａ）はねじれ振動用圧電素子１３０に駆動信号を印加したときの厚みすべり振動を示す、正面上方右側から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。図７（ａ）はねじれ振動用圧電素子１３０に対して、図６の場合とは逆方向の駆動信号を印加したときの厚みすべり振動を示す、正面上方右側から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。

図５に示すように、ねじれ振動用圧電素子１３０は、略直方体形状の圧電体である。ねじれ振動用圧電素子１３０には、その側面のうち正面に第１駆動電極１３０ａを設け、正面に対向する背面に第２駆動電極１３０ｂを設けている。第１駆動電極１３０ａと第２駆動電極１３０ｂは、超音波モータ１００の外部の電源（不図示）にそれぞれ接続される。接続には、例えばＦＰＣ（ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｉｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ）を用い、各電極にＦＰＣの一端を固着する。これにより、第１駆動電極１３０ａと第２駆動電極１３０ｂを介してねじれ振動用圧電素子１３０に対して駆動信号が印加される。したがって、駆動電極への印加方向は、信号の電気極性に応じて、第１駆動電極１３０ａから第２駆動電極１３０ｂへ、又は、第２駆動電極１３０ｂから第１駆動電極１３０ａへ向かう方向となる。

ねじれ振動用圧電素子１３０の分極方向Ｐ１は、駆動電極への印加方向に垂直であり、かつ、ねじれ振動用圧電素子１３０の上下方向に垂直な方向に設定する。ねじれ振動用圧電素子１３０は、後述するように、その上下方向をロータ１０２の中心軸１００ｃ（図１、図２）に垂直に一致させるように配置するため、ねじれ振動用圧電素子１３０の分極方向Ｐ１は、駆動電極への印加方向に垂直であり、かつ、ロータ１０２の中心軸１００ｃに垂直な方向となる。

このような構成のねじれ振動用圧電素子１３０に対して駆動信号を印加すると、ねじれ振動用圧電素子１３０は、図６又は図７に示すように厚みすべり振動する。具体的には、図６に示すように、外部の電源の−（マイナス）側を第１駆動電極１３０ａに、＋（プラス）側を第２駆動電極１３０ｂに、それぞれ接続すると、ねじれ振動用圧電素子１３０の正面及び背面が、各面に平行であって、かつ、互いに逆の方向に変形する。これに対して、図７に示すように、外部の電源の＋側を第１駆動電極１３０ａに、−側を第２駆動電極１３０ｂに、それぞれ接続すると、ねじれ振動用圧電素子１３０の正面及び背面は、図６に示す場合と逆の方向に変形する。したがって、第１駆動電極１３０ａと第２駆動電極１３０ｂへ印加する信号に応じてねじれ振動用圧電素子１３０を厚みすべり振動させることができ、ねじれ振動用圧電素子１３０にはずれ変形が生ずる。

次に、図８から図１０を参照して、積層圧電素子１２０を構成する縦振動用圧電素子１４０について説明する。ここで、図８は、縦振動用圧電素子１４０の構成を示す、正面上方右側から見た斜視図である。図９（ａ）は縦振動用圧電素子１４０に駆動信号を印加したときの振動を示す、正面上方右側から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。図１０（ａ）は縦振動用圧電素子１４０に対して、図９の場合とは逆方向の駆動信号を印加したときの縦振動を示す、正面上方右側から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）の右側面図である。

図８に示すように、縦振動用圧電素子１４０は、略直方体形状の圧電体である。縦振動用圧電素子１４０には、その側面のうち正面に第１駆動電極１４０ａを設け、正面に対向する背面に第２駆動電極１４０ｂを設けている。第１駆動電極１４０ａと第２駆動電極１４０ｂは、超音波モータ１００の外部の電源（不図示）にそれぞれ接続される。接続には、例えばＦＰＣを用い、各電極にＦＰＣの一端を固着する。これにより、第１駆動電極１４０ａと第２駆動電極１４０ｂを介して縦振動用圧電素子１４０に対して駆動信号が印加される。したがって、駆動電極への印加方向は、信号の電気極性に応じて、第１駆動電極１４０ａから第２駆動電極１４０ｂへ、又は、第２駆動電極１４０ｂから第１駆動電極１４０ａへ向かう方向となる。

縦振動用圧電素子１４０の分極方向Ｐ２は、駆動電極への印加方向に沿った方向である。縦振動用圧電素子１４０は、後述するように、その上下方向をロータ１０２の中心軸１００ｃ（図１、図２）に垂直に一致させるように配置するため、縦振動用圧電素子１４０の分極方向Ｐ２は、駆動電極への印加方向に沿った方向であり、かつ、ロータ１０２の中心軸１００ｃに垂直な方向となる。

このような構成の縦振動用圧電素子１４０に対して駆動信号を印加すると、縦振動用圧電素子１４０は、図９又は図１０に示すように縦振動する。具体的には、外部の電源の＋と−の一方を第１駆動電極１４０ａに、他方を第２駆動電極１４０ｂに、それぞれ接続すると、縦振動用圧電素子１４０は上下方向（図８から図１０の上下方向）に伸び（図９）、第１駆動電極１４０ａと第２駆動電極１４０ｂへの接続を入れ替えると、縦振動用圧電素子１４０は上下方向に縮む。したがって、第１駆動電極１４０ａと第２駆動電極１４０ｂへ印加する信号に応じて縦振動用圧電素子１４０を縦振動させることができる。

以下、図１１、図１２、及び図１３で、ねじれ３次共振振動を発生させる場合について説明する。積層圧電素子１２０は、中心軸１００ｃに沿って上側から順に、第３圧電素子１４１、第１圧電素子１３１、第２圧電素子１３２、第４圧電素子１４２を積層してなる。ここで、図１１は、積層圧電素子１２０の構成を示す、正面上方右側から見た分解斜視図である。図１２は、積層後の積層圧電素子１２０の構成を示す、正面上方右側から見た斜視図である。

第１圧電素子１３１及び第２圧電素子１３２は、図５から図７に示すねじれ振動用圧電素子１３０と同様の構成であり、互いに同一の形状を備える。第１圧電素子１３１については、第１駆動電極１３１ａがねじれ振動用圧電素子１３０の第１駆動電極１３０ａに対応し、第２駆動電極１３１ｂがねじれ振動用圧電素子１３０の第２駆動電極１３０ｂに対応する。第２圧電素子１３２については、第１駆動電極１３２ａがねじれ振動用圧電素子１３０の第１駆動電極１３０ａに対応し、第２駆動電極１３２ｂがねじれ振動用圧電素子１３０の第２駆動電極１３０ｂに対応する。第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２は、第１駆動電極１３１ａと第１駆動電極１３２ａが積層圧電素子１２０の正面側にそれぞれ配置されるように積層される。

第３圧電素子１４１及び第４圧電素子１４２は、図８から図１０に示す縦振動用圧電素子１４０と同様の構成であり、互いに同一の形状を備える。第３圧電素子１４１については、第１駆動電極１４１ａが縦振動用圧電素子１４０の第１駆動電極１４０ａに対応し、第２駆動電極１４１ｂが縦振動用圧電素子１４０の第２駆動電極１４０ｂに対応する。第４圧電素子１４２については、第１駆動電極１４２ａが縦振動用圧電素子１４０の第１駆動電極１４０ａに対応し、第２駆動電極１４２ｂが縦振動用圧電素子１４０の第２駆動電極１４０ｂに対応する。第３圧電素子１４１と第４圧電素子１４２は、第１駆動電極１４１ａと第１駆動電極１４２ａが積層圧電素子１２０の正面側にそれぞれ配置されるように積層される。

図１３は、積層後の積層圧電素子１２０の構成を示す側面図と、図３（ｅ）に示すねじれ３次共振振動における振動状態を側面から見た図である。
以下に、これまで述べた積層圧電素子１２０の構成についての考え方を述べる。図１３の左側に示す積層圧電素子１２０は、図４に示す、ねじれ３次共振振動が生じるような条件を満たすように、短辺と長辺が構成されている。この結果、図１３の右側に示すねじれ３次共振振動が生じることになる。図１３の右側に示すねじれ３次共振振動の振動状態を波線１５０で示す。波線１５０で示した振動状態の節及び腹の位置に対応するように各圧電素子が配置されている。
具体的には、図１３に示すように、節Ｎ１１に対応するように第１圧電素子１３１と第３圧電素子１４１との境界面１６１を配置し、節Ｎ１２に対応するように第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２との境界面１６２を配置し、節Ｎ１３に対応するように第２圧電素子１３２と第４圧電素子１４２との境界面１６３を配置している。すなわち、ねじれ３次共振振動１５０の節位置に対応するように圧電素子間の境界面を配置している。また、ねじれ３次共振振動１５０の２つの腹に対応するように、第１圧電素子１３１及び第２圧電素子１３２の側面をそれぞれ配置している。
このような構成により、ねじれの応力が最大になる位置がねじれの節になり、ねじれ３次共振振動が効率よく励起される。

第１圧電素子１３１と第２圧電素子１３２には、印加方向が逆となるように、逆位相の駆動信号がそれぞれ印加され、これにより中心軸１００ｃをねじれ軸とするねじれ３次共振振動（図３（ｅ））が生じる。このねじれ３次共振振動と、第３圧電素子１４１及び第４圧電素子１４２による縦１次共振振動（図３（ｃ））と、の合成により、振動子１０１の高さ方向の両端面に楕円振動が発生する。したがって、摩擦接触部材１０３ａ、１０３ｂを介してロータ１０２に楕円振動が伝達される。

以上の構成により、単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部等が不要な振動子１０１を得ることができる。この振動子１０１を用いた超音波モータ１００は、部品点数が少なくなり、製造が容易となるため、コストを低減することができる。さらに、超音波モータ１００は、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができ、縦振動とねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、楕円振動によりロータ１０２を回転させることができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る超音波モータは、振動子１０１に用いる積層圧電素子２２０の構成が第１実施形態に係る積層圧電素子１２０と異なる。積層圧電素子２２０以外の構成は第１実施形態に係る超音波モータ１００と同様であって、同じ部材については同じ参照符号を使用し、積層圧電素子２２０以外の構成についての詳細な説明は省略する。

図１４は、積層圧電素子２２０の構成を示す、正面上方右側から見た分解斜視図である。図１５は、積層後の積層圧電素子２２０の構成を示す、正面上方右側から見た斜視図である。
図１４及び図１５に示すように、積層圧電素子２２０は、中心軸１００ｃに沿って上側から順に、第３素子２５１、第１圧電素子２３１、第２圧電素子２４１を積層してなる。

第３素子２５１は、駆動電極を有しない素子であり、例えば分極処理をしていないセラミックを用いる。

第１圧電素子２３１は、図５から図７に示すねじれ振動用圧電素子１３０と同様の構成を備える。第１圧電素子２３１においては、第１駆動電極２３１ａがねじれ振動用圧電素子１３０の第１駆動電極１３０ａに対応し、第２駆動電極２３１ｂがねじれ振動用圧電素子１３０の第２駆動電極１３０ｂに対応する。この第１圧電素子２３１は、第１駆動電極２３１ａが積層圧電素子２２０の正面側に配置されるように積層される。

第２圧電素子２４１は、図８から図１０に示す縦振動用圧電素子１４０と同様の構成を備える。第２圧電素子２４１においては、第１駆動電極２４１ａが縦振動用圧電素子１４０の第１駆動電極１４０ａに対応し、第２駆動電極２４１ｂが縦振動用圧電素子１４０の第２駆動電極１４０ｂに対応する。この第２圧電素子２４１は、第１駆動電極２４１ａが積層圧電素子２２０の正面側に配置されるように積層される。

図１６は、積層後の積層圧電素子２２０の構成を示す側面図と、図３（ｅ）に示すねじれ３次共振振動における振動状態を側面から見た図である。
以下に、これまで述べた積層圧電素子２２０の構成についての考え方を述べる。図１６の左側に示す積層圧電素子２２０は、図４に示す、ねじれ３次共振振動が生じるような条件を満たすように、短辺と長辺が構成されている。この結果、図１６の右側に示すねじれ３次共振振動が生じることになる。図１６の右側に示すねじれ３次共振振動の振動状態を波線２５０で示す。波線２５０で示した振動状態の節及び腹の位置に対応するように各素子が配置されている。

具体的には、図１６に示すように、節Ｎ２１に対応するように第３素子２５１と第１圧電素子２３１との境界面２６１を配置し、節Ｎ２２に対応するように第１圧電素子２３１と第２圧電素子２４１との境界面２６２を配置している。すなわち、ねじれ３次共振振動２５０の節位置に対応するように素子間の境界面を配置している。また、ねじれ３次共振振動２５０の腹に対応するように、第１圧電素子２３１の側面を配置している。
このような構成により、ねじれの応力が最大になる位置がねじれの節になり、ねじれ３次共振振動が効率よく励起される。

第１実施形態の超音波モータでは、２つのねじれ振動用圧電素子１３１、１３２の上下の境界面にねじれ３次共振振動の節を配置したのに対して、第２実施形態の超音波モータでは、１つのねじれ振動用圧電素子２３１の上下の境界面にねじれ３次共振振動の節を配置している。このようにねじれ３次共振振動の節を配置するねじれ振動用圧電素子が１つであっても、第１実施形態と同じようなねじれ３次共振振動を発生させることができる。

第１圧電素子２３１に駆動信号を印加すると、中心軸１００ｃをねじれ軸とするねじれ３次共振振動（図３（ｅ））が生じる。このねじれ３次共振振動と、第２圧電素子２４１による縦１次共振振動（図３（ｃ））と、の合成により、振動子１０１の高さ方向の両端面に楕円振動が発生する。このとき、発生した共振振動に対応して第３素子２５１も振動する。したがって、摩擦接触部材１０３ａ、１０３ｂを介してロータ１０２に楕円振動が伝達される。
なお、その他の構成、作用、効果については、第１実施形態と同様である。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る超音波モータは、振動子１０１に用いる積層圧電素子３２０の構成、及び、発生するねじれ共振振動がねじれ３次共振振動である点、が第１実施形態に係る積層圧電素子１２０と異なる。積層圧電素子３２０以外の構成は第１実施形態に係る超音波モータ１００と同様であって、同じ部材については同じ参照符号を使用し、積層圧電素子３２０以外の構成についての詳細な説明は省略する。

図１７は、積層圧電素子３２０の構成を示す、正面上方右側から見た分解斜視図である。図１８は、積層後の積層圧電素子３２０の構成を示す、正面上方右側から見た斜視図である。
図１７及び図１８に示すように、積層圧電素子３２０は、中心軸１００ｃに沿って上側から順に、第３素子３５１、第１圧電素子３３１、第２圧電素子３４１を積層してなる。

第３素子３５１は、駆動電極を有しない素子であり、例えば分極処理をしていないセラミックを用いる。

第１圧電素子３３１は、図５から図７に示すねじれ振動用圧電素子１３０と同様の構成を備える。第１圧電素子３３１においては、第１駆動電極３３１ａがねじれ振動用圧電素子１３０の第１駆動電極１３０ａに対応し、第２駆動電極３３１ｂがねじれ振動用圧電素子１３０の第２駆動電極１３０ｂに対応する。この第１圧電素子３３１は、第１駆動電極３３１ａが積層圧電素子３２０の正面側に配置されるように積層される。

第２圧電素子３４１は、図８から図１０に示す縦振動用圧電素子１４０と同様の構成を備える。第２圧電素子３４１においては、第１駆動電極３４１ａが縦振動用圧電素子１４０の第１駆動電極１４０ａに対応し、第２駆動電極３４１ｂが縦振動用圧電素子１４０の第２駆動電極１４０ｂに対応する。この第２圧電素子３４１は、第１駆動電極３４１ａが積層圧電素子３２０の正面側に配置されるように積層される。

図１９は、積層後の積層圧電素子３２０の構成を示す側面図と、図３（ｄ）に示すねじれ２次共振振動における振動状態を側面から見た図である。
以下に、これまで述べた積層圧電素子３２０の構成についての考え方を述べる。図１９の左側に示す積層圧電素子３２０は、図４に示す、ねじれ２次共振振動が生じるような条件を満たすように、短辺と長辺が構成されている。この結果、図１９の右側に示すねじれ２次共振振動が生じることになる。図１９の右側に示すねじれ２次共振振動の振動状態を波線３５０で示す。波線３５０で示した振動状態の節及び腹の位置に対応するように各圧電素子が配置されている。

具体的には、図１９に示すように、節Ｎ３１に対応するように第１圧電素子３３１と第３素子３５１との境界面３６１を配置し、節Ｎ３２に対応するように第１圧電素子３３１と第２圧電素子３４１との境界面３６２を配置している。すなわち、ねじれ２次共振振動３５０の節位置に対応するように素子間の境界面を配置している。また、ねじれ２次共振振動３５０の腹に対応するように、第１圧電素子３３１の側面を配置している。
このような構成により、ねじれの応力が最大になる位置がねじれの節になり、ねじれ３次共振振動が効率よく励起される。

第１実施形態の超音波モータでは、２つのねじれ振動用圧電素子１３１、１３２の上下の境界面にねじれ３次共振振動の節を配置したのに対して、第３実施形態の超音波モータでは、１つのねじれ振動用圧電素子３３１の上下の境界面にねじれ２次共振振動の節を配置している。このようにねじれ２次共振振動の節を配置するねじれ振動用圧電素子が１つであっても、ねじれ２次共振振動を発生させることができる。

第１圧電素子３３１に駆動信号を印加すると、中心軸１００ｃをねじれ軸とするねじれ２次共振振動（図３（ｄ））が生じる。このねじれ２次共振振動と、第２圧電素子３４１による縦１次共振振動（図３（ｃ））と、の合成により、振動子１０１の高さ方向の両端面に楕円振動が発生する。このとき、発生した共振振動に対応して第３素子３５１も振動する。したがって、摩擦接触部材１０３ａ、１０３ｂを介してロータ１０２に楕円振動が伝達される。
なお、その他の構成、作用、効果については、第１実施形態と同様である。

以上のように、本発明に係る超音波モータは、振動とねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、楕円振動によりロータを回転させる超音波モータに適している。

１００ 超音波モータ
１００ｃ 中心軸（回転軸）
１０１ 振動子
１０１ａ 楕円振動発生面
１０１ｆ 長辺
１０１ｓ 短辺
１０２ ロータ
１０３ａ、１０３ｂ 摩擦接触部材
１０５ シャフト
１０７ ベアリング
１０８ 押圧バネ
１０９ バネ押さえリング
１１０ ホルダ
１１１ シャフト固定リング
１２０ 積層圧電素子
１３０ ねじれ振動用圧電素子
１３０ａ 第１駆動電極
１３０ｂ 第２駆動電極
１３１ 第１圧電素子
１３１ａ 第１駆動電極
１３１ｂ 第２駆動電極
１３２ 第２圧電素子
１３２ａ 第１駆動電極
１３２ｂ 第２駆動電極
１４０ 縦振動用圧電素子
１４０ａ 第１駆動電極
１４０ｂ 第２駆動電極
１４１ 第３圧電素子
１４１ａ 第１駆動電極
１４１ｂ 第２駆動電極
１４２ 第４圧電素子
１４２ａ 第１駆動電極
１４２ｂ 第２駆動電極
１６１、１６２、１６３ 境界面
２２０ 積層圧電素子
２３１ 第１圧電素子
２３１ａ 第１駆動電極
２３１ｂ 第２駆動電極
２４１ 第３圧電素子
２４１ａ 第１駆動電極
２４１ｂ 第２駆動電極
２５１ 第３素子
２６１、２６２ 境界面
３２０ 積層圧電素子
３３１ 第１圧電素子
３３１ａ 第１駆動電極
３３１ｂ 第２駆動電極
３４１ 第３圧電素子
３４１ａ 第１駆動電極
３４１ｂ 第２駆動電極
３５１ 第３素子
３６１、３６２ 境界面
Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ１３ 節
Ｎ２１、Ｎ２２ 節
Ｎ３１、Ｎ３２ 節

Claims (6)

1. 中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、前記振動子の楕円振動発生面に接して前記振動子の前記楕円振動発生面と直交する前記中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータであって、
   前記振動子の前記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、前記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動とを合成することにより、前記楕円振動を形成してなり、
   前記振動子の前記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、前記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように、前記振動子の前記矩形状の長さ比率を設定し、
   前記振動子には、厚みすべり振動し、かつ、前記ねじれ２次共振振動又は前記ねじれ３次共振振動の腹位置に配置されたねじれ圧電体が含まれ、
   前記ねじれ３次共振振動の２つの腹に２つの前記ねじれ圧電体をそれぞれ配置していることを特徴とする超音波モータ。
2. 中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、前記振動子の楕円振動発生面に接して前記振動子の前記楕円振動発生面と直交する前記中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータであって、
   前記振動子の前記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、前記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動とを合成することにより、前記楕円振動を形成してなり、
   前記振動子の前記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、前記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように、前記振動子の前記矩形状の長さ比率を設定し、
   前記振動子には、厚みすべり振動し、かつ、前記ねじれ２次共振振動又は前記ねじれ３次共振振動の腹位置に配置されたねじれ圧電体が含まれ、
   前記ねじれ圧電体の分極方向は、前記ロータの回転軸に垂直であり、かつ、駆動電極への印加方向に垂直であることを特徴とする超音波モータ。
3. 前記ねじれ圧電体の駆動電極は前記振動子の側面に配置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. 前記ねじれ３次共振振動の２つの腹に２つの前記ねじれ圧電体をそれぞれ配置していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波モータ。
5. 前記ねじれ３次共振振動の２つの腹の１つに１つの前記ねじれ圧電体を配置していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波モータ。
6. 前記ねじれ２次共振振動の１つの腹に１つの前記ねじれ圧電体を配置していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波モータ。
   

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