JP5586253B2 - 超音波モータ - Google Patents

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し、特に、縦振動と捻れ振動とが同時に励起されて生成された楕円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、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であって、その変位方向と前記棒状弾性体の長手方向とは一定の鋭角を為し且つ該積層型圧電素子の複数対同士が互いに反対方向に傾斜して配置された複数対の積層型圧電素子と、該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。この超音波モータでは、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前記摩擦子に超音波楕円振動を励起させ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。このように、特許文献１に開示されている技術によれば、振動体の構造を簡略化・小型化することは困難である。

さらには、前記複数対の積層圧電素子と保持用弾性体との間に、複数の振動検出用の圧電素子を設ける構造を採る為、必要とされる配線は、１つの相当たり２本の駆動用配線及び２本の振動検出用配線である。つまり、２相駆動を採用する場合には、計８本もの配線が必要となってしまい、このことは小型化を妨げる一つの要因となっている。

本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、配線数を減少させ、振動体の小型化を可能とする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モータは、
中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、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を発生する振動子であって、前記矩形状を構成する短辺と長辺との長さの比率は、前記縦振動の共振周波数と前記捻れ振動の共振周波数とが略一致する値に設定された振動子と、
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、前記矩形状の圧電素子である圧電シートが積層されて成り、
前記圧電シートには駆動用電極と振動検出用電極を構成する内部電極パターンが形成され、
前記駆動用電極と前記振動検出用電極は縦振動の節部近傍且つ捻れ振動の腹部近傍に配置され、
前記振動子の外面のうち第１の面には、前記駆動用電極と導通する外部電極と、前記振動検出用電極と導通する外部電極のうち一方の極性に対応する外部電極と、が形成され、
前記振動子の外面のうち前記第１の面とは異なる第２の面には、前記振動検出用電極と導通する外部電極のうち他方の極性に対応する外部電極が形成されており、
前記駆動用電極及び前記振動検出用電極はそれぞれ２相設けられており、
前記圧電シートに形成された前記内部電極パターンにおいて、前記２相の振動検出用電極のうち一方の極性を構成する電極同士が短絡されている
ことを特徴とする。

本発明によれば、配線数を減少させ、振動体の小型化を可能とする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正面図。 振動子を構成する圧電シートの一構成例を示す図。 振動子の一構成例を示す図。 振動子の一構成例を示す図。 縦振動及び捻れ振動の共振周波数特性を示す図。 図４に示すＸ方向から観た振動子（側面）の一構成例を示す図。 図４に示すＸ方向から観た振動子（側面）の一構成例を示す図。 図４に示すＹ方向から観た振動子（底面）の一構成例を示す図。 振動子の底面における配線例を示す図。 第２実施形態に係る超音波モータの振動子を構成する圧電シートの一構成例を示す図。 振動子の一構成例を示す図。 図１１に示すＸ方向から観た振動子（側面）の一構成例を示す図。 図１１に示すＸ方向から観た振動子（側面）の一構成例を示す図。 図１０に示すＹ方向から観た振動子（底面）の一構成例を示す図。 第３実施形態に係る超音波モータの振動子４０を構成する圧電シートの一構成例を示す図。 振動子の一構成例を示す図。 図１１に示すＸ方向から観た振動子（側面）の一構成例を示す図。 図１６に示すＹ方向から観た振動子（底面）の一構成例を示す図。 変形例に係る超音波モータの振動子を構成する圧電シートの一構成例を示す図。 振動子の一構成例を示す図。 図２０に示すＸ１方向から観た振動子（側面）の一構成例を示す図。 図２０に示すＸ２方向から観た振動子（側面）の一構成例を示す図。 図２０に示すＸ２方向から観た振動子（側面）の一構成例を示す図。

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。

［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（中心軸）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、ロータ１３の中心部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が有するフレーム３１に固定されており、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、中心部に結合された回転軸１１を介して、フレーム３１に固定されたベアリング１２に挿通され、振動子４０上面に設けられている駆動子１４に当接するように配設されている。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駆動子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、バネ規制部材２３ａが設けられた固定板２３と、を有する。

前記押圧バネ２１は、後述する振動子４０を、ロータ１３に対して押圧する為のバネ部材である。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）の略中央部に設けられており、押圧バネ２１の押圧力は、当該押圧部材２２を介して振動子４０に伝達される。

前記固定板２３は、後述するフレーム３１に対して固定され、押圧バネ２１を位置決めする突起部であるバネ規制部材２３ａが設けられている。このバネ規制部材２３ａは、前記押圧バネ２１内に挿通され、押圧バネ２１を位置決めしている。

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、振動子４０をフレーム３１の両側面側から挟持するようにフレーム３１に設けられた互いに対向する支持部材３２ａと支持部材３２ｂとから成る。この支持部材３２は、振動子４０に励起される縦１次振動の節部に対応する位置に設けられている。

前記振動子４０は、後述の構成を採り、その上端面（ロータ機構部１０との対向面）にはロータ１３に当接する駆動子１４が設けられている。

図２は、前記振動子４０を構成する圧電シートの一構成例を示す図である。振動子４０は、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積層されて成り、この積層されて成る積層体の最上位及び中間部位には第３の圧電シート４３が配置されている。

これら第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る。これら第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としては、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）を用いる。詳細は後述するが、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化領域を有する内部電極が設けられている。この内部電極としては、例えば厚さ４μｍの銀パラジウム合金を挙げることができる。

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、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。詳細には、これら内部電極４１ａ，４１ｂは、第１の圧電シート４１の電極形成面上の下記の位置に設けられている。

図３は、振動子４０に励起される縦１次振動の節部及び捻れ２次振動の腹部に対応する圧電シート（第１の圧電シート４１、第２の圧電シート４２）の電極形成面上の位置を示す図である。

図３に示すように、内部電極４１ａ，４１ｂは、振動子４０に励起される縦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に設けられている。また、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の一方短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４１ｂには、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４１ｂｅ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及び内部電極４１ｂにそれぞれ対応する位置に、内部電極４２ａと内部電極４２ｂとが設けられている。内部電極４２ａ，４２ｂには、それぞれ内部電極４１ａ，４１ｂの露出部４１ａｅ，４１ｂｅ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。他方、露出部４１ｂｅと露出部４２ｂｅとは、それぞれ延出されている辺が互いに対応しない辺であるので当然ながら積層時に重なることはない。

以上説明したように、第１の圧電シート４１と、第２の圧電シート４２と、第３の圧電シート４３とを積層することで、図４に示す振動子４０を得ることができる。なお、図４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３及び図４に示すように、振動子４０のうち、内部電極４１ａと内部電極４２ａとが積層されて成る部位は、駆動電極１０１Ａ，１０１Ｂ（詳細は後述する）を構成している。内部電極４１ｂと内部電極４２ｂとが積層されて成る部位は、振動検出電極１０３Ｃ，１０３Ｄ（詳細は後述する）を構成している。そして、これら駆動電極１０１Ａ，１０１Ｂ及び振動検出電極１０３Ｃ，１０３Ｄが振動子４０において占める位置は、振動子４０に励起される振動のうち縦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である。

また、駆動電極１０１Ａと駆動電極１０１Ｂとは、圧電シートの積層方向における中間部位に配設された第３の圧電シートに対して対称を成すように構成されている。振動検出電極１０３Ｃと振動検出電極１０３Ｄとは、圧電シートの積層方向における中間部位に配設された第３の圧電シートに対して対称を成すように構成されている。

ここで、図４に示すように振動子４０の高さをＨ、厚さをＴ、幅をＷとする。そして、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ると、図５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、（Ｔ／Ｗ）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、（Ｔ／Ｗ）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、（Ｔ／Ｗ）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、（Ｔ／Ｗ）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、（Ｔ／Ｗ）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、
・ 縦1次振動モードと捻れ３次振動モードとを利用する場合、（Ｔ／Ｗ）の値が０．２５〜０．３５となるように、振動子４０の厚さＴ及び幅Ｗを設定する。

・ 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、（Ｔ／Ｗ）の値が０．５５〜０．６５となるように、振動子４０の厚さＴ及び幅Ｗを設定する。

本第１実施形態に係る超音波モータにおいては、捻れ振動として捻れ２次振動を利用するので、（Ｔ／Ｗ）の値が略０．６となるように設計する。これにより、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。

図６は、それぞれ図４に示すＸ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。

すなわち、図２、図４、及び図６に示すように、振動検出電極（Ｃ−相）１０３Ｃ−及び振動検出電極（Ｄ−相）１０３Ｄ−を構成する内部電極４１ｂの露出部４１ｂｅ同士を外部電極により短絡する。

図６に示す例では、振動検出電極（Ｃ−相）１０３Ｃ−に対応する露出部４１ｂｅ同士を外部電極１１３Ｃ−によって短絡している。同様に、振動検出電極（Ｄ−相）１０３Ｄ−に対応する露出部４１ｂｅ同士を外部電極１１３Ｄ−によって短絡している。

図８は、図４に示すＹ方向から観た振動子４０（底面）の一構成例を示す図である。図２、図４、及び図８に示すように、振動子４０の底面においては下記のように外部電極を形成する。

・ 駆動電極（Ａ＋相）１０１Ａ＋に対応する露出部４２ａｅ同士を外部電極１１１Ａ＋によって短絡する。

・ 駆動電極（Ａ−相）１０１Ａ−に対応する露出部４１ａｅ同士を外部電極１１１Ａ−によって短絡する。

・ 駆動電極（Ｂ＋相）１０１Ｂ＋に対応する露出部４２ａｅ同士を外部電極１１１Ｂ＋によって短絡する。

・ 駆動電極（Ｂ−相）１０１Ｂ−に対応する露出部４１ａｅ同士を外部電極１１１Ｂ−によって短絡する。

・ 振動検出電極（Ｃ＋相）１０３Ｃ＋に対応する露出部４２ｂｅ同士を外部電極１１３Ｃ＋によって短絡する。

・ 振動検出電極（Ｄ＋相）１０３Ｄ＋に対応する露出部４２ｂｅ同士を外部電極１１３Ｄ＋によって短絡する。

以上説明したように、本第１実施形態においては、振動検出電極に対応する外部電極については一方極性の外部電極を、振動子４０のうち駆動電極の外部電極が設けられている面に設ける。そして、他方極性の外部電極を、振動子４０の別の面（振動子４０の側面）に設ける。そして、図６に示す振動子４０の側面に設けた振動検出電極に対応する外部電極１１３Ｃ−，１１３Ｄ−はリード線等により短絡する。なお、図６に示す外部電極１１３Ｃ−と外部電極１１３Ｄ−とを、図７に示すように外部電極１１３ＣＤ−によって一体的に短絡してもよい。このように構成することで、図９に示すように駆動回路に対して接続する配線数の減少を実現することができる。

図９は、振動子４０の底面における配線例を示す図である。すなわち、駆動回路（不図示）に対して接続する配線は、振動子底面に設けられた６個の外部電極１１１Ａ−，１１１Ａ＋，１１１Ｂ−，１１１Ｂ＋，１１３Ｃ＋，１１３Ｄ＋に対応する６本となる。この接続は、図９に示すようにフレキシブル基板１２０を利用しても良い。

以下、本第１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。

上述したように（Ｔ／Ｗ）の値を略０．６に設定することで、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、が略一致する。

例えば、前記共振周波数で、同位相の交流電圧を、駆動電極（Ａ相）１０１Ａ及び駆動電極（Ｂ相）１０１Ｂに対して印加する。なお、駆動周波数は、縦１次振動と捻れ２次振動との共振周波数に設定する。このとき、駆動電極（Ａ相）１０１Ａに対応する部位と駆動電極（Ｂ相）１０１Ｂに対応する部位とが同相で振動する。この結果、振動子４０は縦振動する。このとき、振動検出電極（Ｃ相）１０３Ｃと振動検出電極（Ｄ相）１０３Ｄとには、同一の電位が発生する。

一方、駆動電極（Ａ相）１０１Ａと駆動電極（Ｂ相）１０１Ｂとに、逆位相（位相差が１８０°）の交流電圧を印加すると、駆動電極（Ａ相）１０１Ａに対応する部位と駆動電極（Ｂ相）１０１Ｂに対応する部位とが逆相で振動する。この結果、振動子４０は捻れ振動を行う。このとき、振動検出電極（Ｃ相）及び振動検出電極（Ｄ相）には、符号の異なる電位が発生する。

そして、上述のような振動特性を有する振動子４０の駆動電極（Ａ相）１０１Ａと駆動電極（Ｂ相）１０１Ｂとに、互いに位相が異なる（例えば位相差が９０°の）交流電圧を印加することで、振動子４０に縦１次振動と捻れ２次振動とを同時に励起することができる。

縦１次振動と捻れ２次振動とが同時に励起された振動子４０においては、その上端面に楕円振動が生じる。ここで、振動子４０の上端面に設けられた駆動子１４は、押圧機構部２０による押圧力でロータ１３に対して押圧されており、振動子４０の上端面における楕円振動により、ロータ１３が回転駆動される。

さらには、駆動電極（Ａ相）１０１Ａに印加する交流電圧と、駆動電極（Ｂ相）１０１Ｂに印加する交流電圧と、の位相差を反転させることで、振動子４０に発生する楕円振動の回転方向を反転させることができ、ロータ１３を逆回転で回転駆動することができる。このように、駆動電極（Ａ相）１０１Ａに印加する交流電圧と、駆動電極（Ｂ相）１０１Ｂに印加する交流電圧と、の位相差を制御することで、ロータ１３の回転方向を制御することができる。

ところで、振動検出電極（Ｃ相）１０３Ｃ及び振動検出電極（Ｄ相）１０３Ｄは、縦１次振動モードにおいては、同一の電位を発生する。他方、捻れ２次振動モードにおいては、互いに符号の異なる電位を発生する。

従って、縦１次振動と捻れ２次振動とが振動子４０に同時に励起された状態では、振動検出電極（Ｃ相）１０３Ｃにおいて発生した電位と、振動検出電極（Ｄ相）１０３Ｄにおいて発生した電位と、の差を演算することで、縦１次振動成分が相殺され、捻れ２次振動に対応する成分のみを検出することができる。

具体的には、外部電極１１３Ｃ−と外部電極１１３Ｄ−とを接続し、外部電極１１３Ｄ＋の電位と外部電極１１３Ｄ＋の電位との差を検出することで、捻れ２次振動に対応する成分のみを検出することができる。

なお、振動検出電極（Ｃ相）１０１Ｃまたは振動検出電極（Ｄ相）１０１Ｄを、図６乃至図８に示す分極方向とは逆に分極することで、縦振動成分のみを検出することも可能である。例えば、振動検出電極（Ｄ相）１０１Ｄの分極方向を逆にした場合、振動子４０の底面には外部電極１１３Ｃ＋及び外部電極１１３Ｄ−が配設される。このとき、外部電極１１３Ｃ＋と外部電極１１３Ｄ−との間には、振動検出電極（Ｃ相）で生じた信号と振動検出電極（Ｄ相）で生じた信号とが加算された信号が生じる。すなわち、逆相成分である捻れ振動成分が相殺されて、縦振動成分のみを検出することができる。

以上説明したように、本第１実施形態によれば、駆動回路に対して接続する配線数を減少させ、振動体の小型化を可能とした超音波モータを提供することができる。

なお、超音波モータを構成する振動子の小型化においては、外部電極の小型化が必要であり、この外部電極の小型化においては、製造上の問題（例えば外部電極間の間隔を詰めることについての限界、及び外部電極自体の大きさを縮小させることについての限界も）も考慮しなくてはならない。このことが振動子の小型化の阻害要因となっており、振動子の小型化を困難なものにしている。

そこで、本第１実施形態に係る超音波モータでは、“駆動回路との接続に係る外部電極を配設する特定の一面（上述の例では底面）”に配設する外部電極数自体（及びそれら外部電極から引き出される配線数）を減少させることで、振動子の小型化を実現した。このように、製造上の制約を克服し、配線数を減少させて小型化を実現したことによる利益は当業者にとっては非常に大きい。

具体的には、本第１実施形態に係る超音波モータは下記のような効果を奏する。

・駆動回路に接続する外部電極のみを特定の一面（上述の例では振動子４０の底面）に配設することで、当該特定の一面における外部電極数及び引き出す配線数を減少させた。（駆動用として４本の配線、及び振動検出用として２本の配線）。

・ 圧電素子単体で振動子を構成し、振動子の構成を簡略化し、小型化を実現した。

・ 振動検出電極により取得した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ので、更なる安定駆動が可能となる。

なお、上述の例では、駆動回路に接続する外部電極を設ける“特定の一面”を振動子４０の“底面”とし、それ以外の外部電極を振動子４０の“側面”に設ける構成としているが、この構成に限られず、駆動回路に接続する外部電極を設ける“特定の一面”を振動子４０の“側面”とし、それ以外の外部電極を振動子４０の“底面”に設ける構成としてしても勿論よい。

［第２実施形態］
以下、本第２実施形態に係る超音波モータについて説明する。なお、説明の重複を避ける為、第１実施形態に係る超音波モータとの相違点について説明する。

本第２実施形態に係る超音波モータにおいては、捻れ振動として捻れ３次振動を利用する。すなわち、前記（Ｔ／Ｗ）の値が略０．３となるように設計する。これにより、縦１次振動モードにおける共振周波数と、捻れ３次振動モードにおける共振周波数と、を略一致させる。なお、駆動周波数は、縦１次振動と捻れ３次振動との共振周波数に設定する。

図１０は、本第２実施形態に係る超音波モータの振動子４０を構成する圧電シートの一構成例を示す図である。振動子４０は、矩形のシート状の圧電素子である第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積層されて成り、この積層されて成る積層体の最上位及び中間部位には第３の圧電シート４３が配置されている。

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と内部電極４１ｃとが、それぞれ振動子４０に励起される捻れ３次振動の腹部に対応する位置に設けられている。詳細には、内部電極４１ａと内部電極４１ｂとは、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。また、内部電極４１ｂと内部電極４１ｃとは中心線Ｃ´（長辺を２等分する線）に対して対称に設けられている。

そして、内部電極４１ａには、当該第１の圧電シート４１の一方短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４１ｂには、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４１ｂｅが設けられている。内部電極４１ｃは、内部電極４１ａと電気的に接続されている。

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、内部電極４１ｂ、内部電極４１ｃにそれぞれ対応する位置に、内部電極４２ａと内部電極４２ｂと内部電極４２ｃとが設けられている。内部電極４２ａには、当該第２の圧電シート４２の一方短辺の縁部位に向かって延出された露出部４２ａｅが設けられている。同様に、内部電極４２ｂには、当該第２の圧電シート４２の前記一方短辺の縁部位に向かって延出された露出部４２ｂｅが設けられている。内部電極４２ｃは、内部電極４２ａと電気的に接続されている。

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形成されている。露出部４１ｂｅと露出部４２ｂｅとは、それぞれ延出されている辺が互いに対応しない辺であるので当然ながら積層時に重なることはない。また、前記第３の圧電シート４３上には、内部電極は設けられていない。

以上説明したように、第１の圧電シート４１と、第２の圧電シート４２と、第３の圧電シート４３とを積層することで、図１１に示す振動子４０を得ることができる。なお、図１１においては、説明の便宜上、振動子４０の内部に存在する電極を可視化して示し、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１０及び図１１に示すように、振動子４０のうち、内部電極４１ａと内部電極４２ａとが積層されて成る部位は、駆動電極１０１Ａ１，１０１Ｂ１（中間部位に配置された第３の圧電シート４３を挟んで一方側（図１１に示す振動子４０の手前側；以下同様）が駆動電極１０１Ａ１、他方側（図１１に示す振動子４０の奥側）が駆動電極１０１Ｂ１；以下同様）を構成している。内部電極４１ｃと内部電極４２ｃとが積層されて成る部位は、駆動電極１０１Ａ２，１０１Ｂ２（中間部位に配置された第３の圧電シート４３を挟んで一方側が駆動電極１０１Ａ２、他方側が駆動電極１０１Ｂ２）を構成している。内部電極４１ｂと内部電極４２ｂとが積層されて成る部位は、振動検出電極１０３Ｃ，１０３Ｄを構成している。

そして、駆動電極１０１Ａ１，１０１Ｂ１，１０１Ａ２，１０１Ｂ２及び振動検出電極１０３Ｃ，１０３Ｄが振動子４０において占める位置は、振動子４０に励起される振動のうち捻れ３次振動の腹部に対応している。

ところで、駆動電極１０１Ａ１，１０１Ａ２はＡ相の駆動電極として機能し、駆動電極１０１Ｂ１，１０１Ｂ２はＢ相の駆動電極として機能する。

図１２は、図１１に示すＸ方向から観た振動子４０（側面）の一構成例を示す図である。

図１０、図１１、及び図１２に示すように、振動検出電極（Ｃ−相）１０３Ｃ−及び振動検出電極（Ｄ−相）１０３Ｄ−を構成する内部電極４１ｂの露出部４１ｂｅ同士を外部電極により短絡する。

図１２に示す例では、振動検出電極（Ｃ−相）１０３Ｃ−に対応する露出部４１ｂｅ同士を外部電極１１３Ｃ−によって短絡している。同様に、振動検出電極（Ｄ−相）１０３Ｄ−に対応する露出部４１ｂｅ同士を外部電極１１３Ｄ−によって短絡している。

図１４は、図１０に示すＹ方向から観た振動子４０（底面）の一構成例を示す図である。同図に示すように、振動子４０の底面においては下記のように外部電極を形成する。

・ 駆動電極（Ａ１＋相）１０１Ａ１＋及び駆動電極（Ａ２＋相）１０１Ａ２＋に対応する露出部４２ａｅ同士を外部電極１１１Ａ＋によって短絡する。

・ 駆動電極（Ａ１−相）１０１Ａ１−及び駆動電極（Ａ２−相）１０１Ａ２−に対応する露出部４１ａｅ同士を外部電極１１１Ａ−によって短絡する。

・ 駆動電極（Ｂ１＋相）１０１Ｂ１＋及び駆動電極（Ｂ２＋相）１０１Ｂ２＋に対応する露出部４２ａｅ同士を外部電極１１１Ｂ＋によって短絡する。

・ 駆動電極（Ｂ１−相）１０１Ｂ１−及び駆動電極（Ｂ２−相），１０１Ｂ２−に対応する露出部４１ａｅ同士を外部電極１１１Ｂ−によって短絡する。

・ 振動検出電極（Ｃ＋相）１０３Ｃ＋に対応する露出部４２ｂｅ同士を外部電極１１３Ｃ＋によって短絡する。

・ 振動検出電極（Ｄ＋相）１０３Ｄ＋に対応する露出部４２ｂｅ同士を外部電極１１３Ｄ＋によって短絡する。

以上説明したように、振動検出電極に対応する外部電極については、一方極性の外部電極を振動子４０のうち駆動電極の外部電極が設けられている面に設け、他方極性の外部電極を別の面（振動子４０の側面）に設ける。そして、図１２に示す振動子４０の側面に設けた振動検出電極に対応する外部電極１１３Ｃ−，１１３Ｄ−はリード線等により短絡する。なお、図１２に示す外部電極１１３Ｃ−と外部電極１１３Ｄ−とを、図１３に示すように外部電極１１３ＣＤ−によって一体的に短絡してもよい。このように構成することで、図１４に示すように駆動回路に対して接続する配線数の減少を実現することができる。

すなわち、駆動回路（不図示）に対して接続する配線は、振動子底面に設けられた６個の外部電極１１１Ａ−，１１１Ａ＋，１１１Ｂ−，１１１Ｂ＋，１１３Ｃ＋，１１３Ｄ＋に対応する６本となる。この接続は、フレキシブル基板（不図示）を利用しても良い。

以上説明したように、本第２実施形態によれば、第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、駆動用電極数を２倍に増やすことができるので駆動力が更に高まった超音波モータを提供することができる。

［第３実施形態］
以下、本第３実施形態に係る超音波モータについて説明する。なお、説明の重複を避ける為、第１実施形態に係る超音波モータとの相違点について説明する。

図１５は、本第３実施形態に係る超音波モータの振動子４０を構成する圧電シートの一構成例を示す図である。すなわち、矩形のシート状の圧電素子である第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積層されて所定の厚みを成し、その上に第３の圧電シート４３が配置され、更に第４の圧電シート４４と第５の圧電シート４５とがその厚み方向に交互に積層されて所定の厚みを成し、最上位には、第３の圧電シート４３が配置される。

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、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。詳細には、内部電極４１ａ及び内部電極４１ｂは、振動子４０における縦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に設けられている。

内部電極４１ｂには、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４１ｂｅが設けられている。ここで、内部電極４１ａと内部電極４１ｂとは電気的に接続されている。

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、内部電極４１ｂにそれぞれ対応する位置に、内部電極４２ａと内部電極４２ｂとが設けられている。

内部電極４２ａには、当該第２の圧電シート４２の一方短辺の縁部位に向かって延出された露出部４２ａｅが設けられている。同様に、内部電極４２ｂには、当該第２の圧電シート４２の前記一方短辺の縁部位に向かって延出された露出部４２ｂｅが設けられている。ここで、露出部４２ａｅと露出部４２ｂｅとは、重ならないように所定間隔ずらして設けられている。

前記第３の圧電シート４３上には、内部電極は設けられていない。

前記第４の圧電シート４４の電極形成面上には、積層された際に内部電極４１ａ，４２ａ及び内部電極４１ｂ，４２ｂにそれぞれ対応する位置に、内部電極４４ａと内部電極４４ｂとが設けられている。内部電極４４ａには、当該第４の圧電シート４４の一方短辺の縁部位に向かって延出された露出部４４ａｅが設けられている。同様に、内部電極４４ｂには、当該第４の圧電シート４４の前記一方短辺の縁部位に向かって延出された露出部４４ｂｅが設けられている。ここで、露出部４４ａｅと露出部４４ｂｅとは、互いに重ならないように所定間隔ずらして設けられている。

前記第５の圧電シート４５の電極形成面上には、積層された際に内部電極４４ａ、内部電極４４ｂにそれぞれ対応する位置に、内部電極４５ａと内部電極４５ｂとが設けられている。

内部電極４５ａには、当該第５の圧電シート４５の一方短辺の縁部位に向かって延出された露出部４５ａｅが設けられている。同様に、内部電極４５ｂには、当該第５の圧電シート４５の前記一方短辺の縁部位に向かって延出された露出部４５ｂｅが設けられている。ここで、露出部４５ａｅと露出部４５ｂｅとは、重ならないように所定間隔ずらして設けられている。

なお、露出部４４ａｅと露出部４５ａｅ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４４ｂｅと露出部４５ｂｅ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。

以上説明したように、第１の圧電シート４１と、第２の圧電シート４２と、第３の圧電シート４３と、第４の圧電シート４４と、第５の圧電シート４５とを積層することで、図１６に示す振動子４０を得ることができる。なお、図１６においては、説明の便宜上、振動子４０の内部に存在する電極を可視化して示し、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１６に示すように、振動子４０のうち、内部電極４４ａと内部電極４５ａとが積層されて成る部位は駆動電極１０１Ａを構成している。内部電極４４ｂと内部電極４５ｂとが積層されて成る部位は駆動電極１０１Ｂを構成している。内部電極４１ａと内部電極４２ａとが積層されて成る部位は振動検出電極１０３Ｃを構成している。内部電極４１ｂと内部電極４２ｂとが積層されて成る部位は振動検出電極１０３Ｄを構成している。

そして、駆動電極１０１Ａ，１０１Ｂ及び振動検出電極１０３Ｃ，１０３Ｄが振動子４０において占める位置は、振動子４０に励起される振動のうち縦１次振動の節部且つ捻れ２次振動の腹部に対応している。

ところで、駆動電極１０１ＡはＡ相の駆動電極として機能し、駆動電極１０１Ｂ１はＢ相の駆動電極として機能する。振動検出電極１０３Ｃ，１０３Ｄは、それぞれ振動子４０の振動を検出する為の電極（Ｃ相、Ｄ相）として機能する。

図１７は、図１１に示すＸ方向から観た振動子４０（側面）の一構成例を示す図である。上述したように内部電極４１ａと内部電極４１ｂとは短絡されている為、振動検出電極（Ｄ−相）１０３Ｄ−を構成する内部電極４１ｂの露出部４１ｂｅ同士を外部電極１１３ＣＤ−により短絡することで、実質的に振動検出電極（Ｃ相）と振動検出電極（Ｄ相）とを短絡したことになる。これにより、配線を更に減少させることができる。

図１８は、図１６に示すＹ方向から観た振動子４０（底面）の一構成例を示す図である。同図に示すように、振動子４０の底面においては下記のように外部電極を形成する。

・ 駆動電極（Ａ＋相）１０１Ａ＋に対応する露出部４５ａｅ同士を外部電極１１１Ａ＋によって短絡する。

・ 駆動電極（Ａ−相）１０１Ａ−に対応する露出部４４ａｅ同士を外部電極１１１Ａ−によって短絡する。

・ 駆動電極（Ｂ＋相）１０１Ｂ＋に対応する露出部４５ｂｅ同士を外部電極１１１Ｂ＋によって短絡する。

・ 駆動電極（Ｂ−相）１０１Ｂ−に対応する露出部４４ｂｅ同士を外部電極１１１Ｂ−によって短絡する。

・ 振動検出電極（Ｃ＋相）１０３Ｃ＋に対応する露出部４２ａｅ同士を外部電極１１３Ｃ＋によって短絡する。

・ 振動検出電極（Ｄ＋相）１０３Ｄ＋に対応する露出部４２ｂｅ同士を外部電極１１３Ｄ＋によって短絡する。

以上説明したように、振動検出電極に対応する外部電極については、一方極性の外部電極を振動子４０のうち駆動電極の外部電極が設けられている面に設け、他方極性の外部電極を別の面（振動子４０の側面）に設けることで、配線数の減少を実現することができる。

以上説明したように、本第３実施形態によれば、第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、振動検出用電極間を内部電極形成面において短絡することで更に配線数を減少させることができる超音波モータを提供することができる。

以上、第１実施形態乃至第３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。

［変形例］
以下、上述の第１実施形態乃至第３実施形態の全てに適用可能な変形例に係る超音波モータについて説明する。なお、説明の重複を避ける為、第１実施形態に係る超音波モータとの相違点について説明する。本変形例においては、駆動回路に接続する外部電極を配設する特定の一面を、振動子４０の側面とする。

図１９は、本変形例に係る超音波モータの振動子４０を構成する圧電シートの一構成例を示す図である。同図に示すように、矩形のシート状の圧電素子である第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積層されて成り、この積層されて成る積層体の最上位及び中間部位には第３の圧電シート４３が配置されている。

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、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。詳細には、内部電極４１ａ及び内部電極４１ｂは、振動子４０に励起される縦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に設けられている。内部電極４１ａには、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４１ｂ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４１ｂｅ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及び内部電極４１ｂにそれぞれ対応する位置に、内部電極４２ａと内部電極４２ｂとが設けられている。内部電極４２ａには、当該第２の圧電シート４２の一方長辺（露出部４１ａｅが延出されている長辺に対応する長辺、以下同様）の縁部位に向かって延出された露出部４２ａｅが設けられている。同様に、内部電極４２ｂには、当該第２の圧電シート４２の前記一方長辺の縁部位に向かって延出された露出部４２ｂｅ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。露出部４１ｂｅと露出部４２ｂｅとは、それぞれ延出されている辺が互いに対応しない辺であるので当然ながら積層時に重なることはない。また、前記第３の圧電シート４３上には、内部電極は設けられていない。

以上説明したように、第１の圧電シート４１と、第２の圧電シート４２と、第３の圧電シート４３とを積層することで、図２０に示す振動子４０を得ることができる。なお、図２０においては、説明の便宜上、振動子４０の内部に存在する電極を可視化して示し、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。

前記第３の圧電シート４３上には、内部電極は設けられていない。

図２０に示すように、振動子４０のうち、内部電極４１ａと内部電極４２ａとが積層されて成る部位は、駆動電極１０１Ａ，１０１Ｂを構成している。内部電極４１ｂと内部電極４２ｂとが積層されて成る部位は、振動検出電極１０３Ｃ，１０３Ｄを構成している。そして、これら駆動電極１０１Ａ，１０１Ｂ及び振動検出電極１０３Ｃ，１０３Ｄが振動子４０において占める位置は、振動子４０に励起される振動のうち縦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である。

詳細には、振動子４０の厚み方向における略中央位置に配設されている第３の圧電シート４３によって、駆動電極１０１は駆動電極（Ａ相）１０１Ａと駆動電極（Ｂ相）１０１Ｂとに分割されている。同様に、振動検出電極１０３は、振動検出電極（Ｃ相）１０３Ｃと振動検出電極（Ｄ相）１０３Ｄとに分割されている。

図２１は、図２０に示すＸ１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。同図に示すように、駆動電極（Ａ−相）１０１Ａ−を構成する内部電極４１ａの露出部４１ａｅ同士を外部電極１１１Ａ−により短絡する。駆動電極（Ａ＋相）１０１Ａ＋を構成する内部電極４２ａの露出部４２ａｅ同士を外部電極１１１Ａ＋により短絡する。駆動電極（Ｂ−相）１０１Ｂ−を構成する内部電極４１ａの露出部４１ａｅ同士を外部電極１１１Ｂ−により短絡する。駆動電極（Ｂ＋相）１０１Ｂ＋を構成する内部電極４２ａの露出部４２ａｅ同士を外部電極１１１Ｂ＋により短絡する。振動検出電極（Ｃ＋相）１０３Ｃ＋を構成する内部電極４２ｂの露出部４２ｂｅ同士を外部電極１１３Ｃ＋により短絡する。振動検出電極（Ｄ＋相）１０３Ｄ＋を構成する内部電極４２ｂの露出部４２ｂｅ同士を外部電極１１３Ｄ＋により短絡する。

図２２及び図２３は、図２０に示すＸ２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。

図２２に示すように、振動検出電極（Ｃ相）１０３Ｃ−を構成する内部電極４１ｂの露出部４１ｂｅ同士を外部電極１１３Ｃ−により短絡する。振動検出電極（Ｄ−相）１０３Ｄ−を構成する内部電極４１ｂの露出部４１ｂｅ同士を外部電極１１３Ｄ−により短絡する。

図２３に示す例では、振動検出電極（Ｃ−相）１０３Ｃ−に対応する露出部４１ｂｅと、振動検出電極（Ｄ−相）１０３Ｄ−に対応する露出部４１ｂｅと、を外部電極１１３ＣＤ−によって一体的に短絡している。このように構成することで、図２２に示す例を採用する場合よりも、更に配線数を減少させることができる。

以上のように、駆動回路に接続する外部電極を配設する一面を、振動子４０の側面としてもよい。

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…回転軸、 １２…ベアリング、 １３…ロータ、 １４…駆動子、 ２０…押圧機構部、 ２１…押圧バネ、 ２２…押圧部材、 ２３ａ…バネ規制部材、 ２３…固定板、 ３０…筐体部、 ３１…フレーム、 ３２…支持部材、 ３２ａ１…支持部材、 ３２ａ２…支持部材、 ４０…振動子、 ５３…駆動子、 ４１…第１の圧電シート、 ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂ…内部電極、 ４１ａｅ…露出部、 ４１ｂｅ…露出部、 ４２…第２の圧電シート、 ４２ａｅ…露出部、 ４２ｂｅ…露出部、 ４３…第３の圧電シート、 ４４…第４の圧電シート、 ４４ａｅ…露出部、 ４４ｂｅ…露出部、 ４５…第５の圧電シート、 ４５ａｅ…露出部、 ４５ｂｅ…露出部、 １０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ａ１，１０１Ｂ１，１０１Ａ２，１０１Ｂ２…駆動電極、 １１１Ａ，１１１Ｂ，１１３Ｃ，１１３Ｄ，１１３ＣＤ…外部電極、 １２０…フレキシブル基板。

Claims (4)

1. 中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、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を発生する振動子であって、前記矩形状を構成する短辺と長辺との長さの比率は、前記縦振動の共振周波数と前記捻れ振動の共振周波数とが略一致する値に設定された振動子と、
   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、前記矩形状の圧電素子である圧電シートが積層されて成り、
   前記圧電シートには駆動用電極と振動検出用電極を構成する内部電極パターンが形成され、
   前記駆動用電極と前記振動検出用電極は縦振動の節部近傍且つ捻れ振動の腹部近傍に配置され、
   前記振動子の外面のうち第１の面には、前記駆動用電極と導通する外部電極と、前記振動検出用電極と導通する外部電極のうち一方の極性に対応する外部電極と、が形成され、
   前記振動子の外面のうち前記第１の面とは異なる第２の面には、前記振動検出用電極と導通する外部電極のうち他方の極性に対応する外部電極が形成されており、
   前記駆動用電極及び前記振動検出用電極はそれぞれ２相設けられており、
   前記圧電シートに形成された前記内部電極パターンにおいて、前記２相の振動検出用電極のうち一方の極性を構成する電極同士が短絡されている
   ことを特徴とする超音波モータ。
2. 前記縦振動は、縦１次振動であり、
   前記捻れ振動は、捻れ２次振動または捻れ３次振動である
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記短辺の長さをＴとし、前記長辺の長さをＷとすると、
   前記捻れ振動が捻れ２次振動である場合は、Ｔ／Ｗの値が略０．６であり、
   前記捻れ振動が捻れ３次振動である場合はＴ／Ｗの値が略０．３である
   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２の面において、前記２相の振動検出用電極のうち一方の極性同士が外部電極により短絡されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。

Images