JP6269222B2 - 圧電モーター - Google Patents

Description

本発明は、圧電モーターに関する。

圧電モーターは、高周波の交流電圧等の駆動電圧を機械的振動に変換する圧電素子と、圧電素子によって駆動される被駆動部材とを有する駆動装置である。

このような圧電モーターの一つの形態として、回転体と、該回転体に当接する当接部を有し、電圧が印加されることで屈曲振動する振動体と、を備える圧電モーターが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の圧電モーターは、圧電素子で生じる振動を、当接部を介して摩擦力として回転体に伝達することで、回転体を所定方向に回転させるように構成されている。そして、この圧電モーターでは、振動体への通電パターンの選択により振動体の振動パターンを変更することにより、回転体を反時計回りと時計回り（正方向と逆方向）のいずれの方向にも回転させることができる。

近年、このような圧電モーターは、ロボットハンド（ロボット）の駆動手段の用途として注目されている。ロボットハンドは、精密かつ正確な動作を必要とするため、ロボットハンドの駆動手段として用いられる圧電モーターでは、回転体の回転速度が反時計回りと時計回りとの双方で安定していることが求められる。

特許３７１９０６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧電モーターでは、製造上のばらつき、当接部の経時的な変形、駆動状態での変動要因等により、回転方向（正方向と逆方向）によって回転体の駆動力（回転力）や回転速度を揃えることが難しく、その回転運動が不均一になってしまうという問題があった。

本発明の目的は、変位方向によって、被駆動体の駆動力に不均一が生じることを低減することができる圧電モーターを提供することである。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
（適用例１）
本発明に係わる圧電モーターは、側面を有する被駆動体と、
前記被駆動体の前記側面に当接する当接部と、該当接部の前記被駆動体と反対側に設けられた圧電素子と、を有し、前記圧電素子に電圧を印加することにより振動して前記被駆動体に力を繰り返し加えることにより前記被駆動体を変位させる振動体と、を備え、
平面視において、前記振動体の中心軸と、前記電圧が印加されていない非駆動状態で前記当接部が当接する前記被駆動体の前記側面の当接点における法線とのなす角度θが、０°＜θ＜３０°の関係を満たすことを特徴とする。

これにより、変位方向によって、被駆動体の駆動力に不均一が生じることを低減することができる。

（適用例２）
本発明に係わる圧電モーターでは、前記振動体は、前記当接部が第１楕円軌道を描くように振動することにより、前記被駆動体の前記側面に当接および離間する第１振動モードと、
前記当接部が前記第１楕円軌道とは異なる第２楕円軌道を描くように振動することにより、前記被駆動体の前記側面に当接および離間する第２振動モードとを、有することが好ましい。
これにより、被駆動体を正方向と逆方向との双方に効率良く駆動させることができる。

（適用例３）
本発明に係わる圧電モーターでは、前記当接点をＸ０とし、前記第１楕円軌道と前記法線との交点をＸ１とし、前記第２楕円軌道と前記法線との交点をＸ２としたとき、
前記当接点Ｘ０から前記交点Ｘ１までの距離と、前記当接点Ｘ０から前記交点Ｘ２までの距離との差が、１０％未満であることが好ましい。

これにより、第１振動モードにおける摩擦力と、第２振動モードにおける摩擦力との差を低減することができ、その結果、被駆動体の正方向の駆動力と逆方向の駆動力とをより近づけることができる。

（適用例４）
本発明に係わる圧電モーターでは、前記当接部が、前記第１振動モードにおいて、前記被駆動体の前記側面への当接を開始した後、前記被駆動体の前記側面からの離間を開始するまでに、前記被駆動体が変位する距離をＬ１とし、前記第２振動モードにおいて、前記被駆動体の前記側面への当接を開始した後、前記被駆動体の前記側面からの離間を開始するまでに、前記被駆動体が変位する距離をＬ２としたとき、
前記距離Ｌ１と、前記距離Ｌ２との差が、１０％未満であることが好ましい。

これにより、接触部が楕円軌道を１回描くときに被駆動体が移動する距離を、第１振動モードと第２振動モードとで近づけることができ、被駆動体の正方向の回転または移動速度と逆方向の回転または移動速度をより近づけることができる。

（適用例５）
本発明に係わる圧電モーターでは、前記被駆動体は、その平面視形状が円形状または長方形状であることが好ましい。

これにより、被駆動体を効率良く駆動させることができ、被駆動体の駆動力に不均一が生じることをより低減することができる。

（適用例６）
本発明に係わる圧電モーターでは、さらに、前記振動体を前記被駆動体へ付勢する付勢手段を備えることが好ましい。

これにより、より大きな駆動力を得ることができ、よって、被駆動体の正方向の回転または移動速度と逆方向の回転または移動速度の双方をより速くすることができる。

本発明の第１実施形態にかかる圧電モーターの平面図である。 図１中のＩ−Ｉ線断面図である。 図１に示す圧電モーターが有する圧電素子の斜視図である。 図１に示す圧電モーターが有する振動体の振動を説明するための図である。 図１に示す圧電モーターが有する振動体の振動を説明するための図である。 図１に示す圧電モーターが有する振動体の振動を説明するための図である。 図１に示す圧電モーターが有する振動体が振動する様子を示す平面図である。 図１に示す圧電モーターが有する振動体が振動する様子を示す平面図である。 図１に示す圧電モーターの主要部（振動体およびローター）を示す平面図であり、（ａ）が図１に示す圧電モーターの主要部を示す図であり、（ｂ）が従来の圧電モーターの主要部を示す図である。 図９に示す振動体が備える凸部の楕円運動を説明するための図である。 図９に示す振動体が備える凸部の楕円運動を説明するための図である。 本発明の第２実施形態にかかる圧電モーターの平面図である。 図１２中のII−II線断面図である。 図１２に示す圧電モーターの主要部（振動体およびスライダ）を示す平面図である。 図１２に示す振動体が備える凸部の楕円運動を説明するための図である。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
≪第１実施形態≫
図１は、本発明の第１実施形態にかかる圧電モーターの平面図であり、図２は、図１中のＩ−Ｉ線断面図であり、図３は、図１に示す圧電モーターが有する圧電素子の斜視図であり、図４〜図６は、図１に示す圧電モーターが有する振動体の振動を説明するための図であり、図７および図８は、図１に示す圧電モーターが有する振動体が振動する様子を示す平面図であり、図９は、図１に示す圧電モーターの主要部（振動体およびローター）を示す平面図であり、（ａ）が図１に示す圧電モーターの主要部を示す図であり、（ｂ）が従来の圧電モーターの主要部を示す図であり、図１０は、図９に示す振動体が備える凸部の楕円運動を説明するための図であり、図１１は、図９に示す振動体が備える凸部の楕円運動を説明するための図である。

なお、以下では、図２中の上側を「上」または「上方」、下側を「下」または「下方」と言う。

また、図１、図２、図４〜図１１には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸が図示されている。Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」という。また、Ｘ軸とＹ軸で規定される平面を「ＸＹ平面」と言い、Ｙ軸とＺ軸で規定される平面を「ＹＺ平面」と言い、Ｘ軸とＺ軸で規定される平面を「ＸＺ平面」と言う。また、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向において、矢印先端側を「＋（正）側」、矢印基端側を「−（負）側」とする。

圧電モーター１は、電圧の印加により振動する振動体２を有する振動部１０と、回転可能な円盤状のローター（被駆動体）５と、振動部１０とローター５とを支持する基台６とを有する。

圧電モーター１は、振動体２が振動することにより、ローター５に動力を伝達して回転（駆動）させる装置である。

以下、圧電モーター１が有する各部について順次説明する。
振動部１０は、振動体２と、振動体２を保持する保持部（保持機構）３と、保持部３を基台６に支持する固定部４と、固定部４に設けられ、振動体２を付勢するコイルばね（付勢手段）７１および７２と、を有する。

振動体２は、長方形の板状をなし、図２および図３の上側から４つの電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄと、板状の圧電素子２２と、凸部２６を有する補強板（シム）２３と、板状の圧電素子２４と、４つの電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄ（図３中、電極２５ａおよび２５ｂは、図示せず、各符号のみを括弧内に示す）と、をこの順に積層して構成されている。なお、図２および図３では、厚さ方向を誇張して示している。

この振動体２は、電圧の印加により圧電素子２２および２４が変形することにより振動して、凸部２６を介してローター５に動力（摩擦力）を伝達して、ローター５を回転させる。

圧電素子２２および２４は、それぞれ、長方形状をなし、補強板２３の両面にそれぞれ固着されている。

これらの圧電素子２２および２４は、電圧を印加することにより、その長手方向に伸縮する。

圧電素子２２および２４の構成材料としては、特に限定されず、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。

この圧電素子２２の上面には、この上面を４つの長方形の領域にほぼ等しく分割し、分割された各領域に、それぞれ、長方形状をなす電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄが設置されている。同様に、圧電素子２４の下面には、この下面を４つの長方形の領域にほぼ等しく分割し、分割された各領域に、それぞれ、長方形状をなす電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄが設置されている。

なお、電極２１ａと電極２５ａ、電極２１ｂと電極２５ｂ、電極２１ｃと電極２５ｃ、および、電極２１ｄと電極２５ｄが、それぞれ、振動体２の厚さ方向に対向して配置されている。

図３に示すように、一方の対角線上の電極２１ａおよび２１ｃと、これらの裏側に位置する電極２５ａおよび２５ｃとは、すべて電気的に接続されている。同様に、他方の対角線上の電極２１ｂおよび２１ｄと、これらの裏側に位置する電極２５ｂおよび２５ｄとは、すべて電気的に接続されている。

補強板２３は、振動体２全体を補強する機能を有しており、振動体２が過振幅、外力等によって損傷するのを防止する。補強板２３の構成材料としては、特に限定されないが、例えばステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、チタンまたはチタン合金、銅または銅系合金等の各種金属材料であるのが好ましい。

この補強板２３は、圧電素子２２および２４よりも厚さが薄い（小さい）ものであることが好ましい。これにより、振動体２を高い効率で振動させることができる。

また、補強板２３は、接地（グランド電位に接続）されており、圧電素子２２および２４に対する共通の電極としての機能をも有している。すなわち、圧電素子２２には、電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃおよび２１ｄのうちの所定の電極と、補強板２３とによって電圧が印加され、圧電素子２４には、電極２５ａ、２５ｂ、２５ｃおよび２５ｄのうちの所定の電極と、補強板２３とによって電圧が印加される。

なお、補強板２３を圧電素子２２および２４に対する共通電極として用いずに、例えば、補強板２３と圧電素子２２との間および補強板２３と圧電素子２４との間に、それぞれ圧電素子２２および圧電素子２４に対する共通電極をさらに設けてもよい。

また、補強板２３の長手方向の一端部（ローター５側の端部）には、凸部（当接部）２６が一体的に形成されている。凸部２６は、振動体２の幅方向中央に位置しており、その先端が平面視で半円状をなしている。

この凸部２６は、振動体２が振動することによりローター５に当接したり、ローター５から離間したりする。

このような振動体２が保持部３に保持（収容）されている。保持部３は、上方に開放する凹部３１１を有する箱状の保持部本体３１と、凹部３１１の開口の一部を塞いで保持部本体３１に、例えば固定ネジによって固定さた蓋体３２と、を有している。

保持部３は、凹部３１１内に振動体２を収容し、振動体２の振動を阻害しない程度に蓋体３２により振動体２を保持している。保持部本体３１および蓋体３２の構成材料としては、特に限定されず、各種金属材料、各種セラミック材料等を用いることができる。

また、振動体２を収容した状態で、保持部本体３１と振動体２との間および振動体２と蓋体３２との間には、それぞれ樹脂製の緩衝部材３４が配置されている。この緩衝部材３４によって、保持部本体３１および蓋体３２への振動体２の振動漏れを低減することができる。なお、緩衝部材３４の構成材料は、樹脂に限定されず、振動体２の振動漏れを低減するものであれば、いかなるものであってもよい。

固定部４は、保持部３に保持された振動体２を、保持部３ごと基台６に支持する機能を有する。この固定部４は、保持部３の下方に設けられた板状のベース４１と、保持部３の図１中左側面に設けられたフレーム４２と、保持部３の図１中右側面に設けられたフレーム４３と、を有している。フレーム４２および４３は、ベース４１に、例えば固定ネジ等によって固定されている。

保持部３とフレーム４２との間には、２つのコイルばね７１および７２が設けられている。コイルばね７１は、その一端がフレーム４２に接触し、他端が保持部本体３１に接触するように、圧縮した状態で配置されている。このコイルばね７１は、自身の弾性力により、保持部３をフレーム４３に向かって付勢している。これにより、保持部３のＸ軸方向の移動が規制されている。

保持部本体３１の右側壁には、フレーム４２に向かって突出する平板（ばね座）３５が形成されている。一方、フレーム４２の下端部には、保持部本体３１に向かって突出する平板（ばね座）４２１が形成されている。コイルばね７２は、その一端が平板４２１に固接触し、他端が平板３５に接触するように、圧縮した状態で配置されている。このコイルばね７２は、自身の弾性力により、保持部３をローター５側に向かって付勢している。これにより、振動体２によるローター５への動力伝達をより効率良く行うことができる。

また、フレーム４３は、保持部３側に、Ｙ軸方向に移動可能に設けられた２つのコロ７３を有している。これにより、振動体２のによるローター５への動力伝達をより効率良く行うことができる。

このような構成の振動部１０のＸ軸方向前方には、ローター５が配置されている。
ローター５は、基台６に立設された棒状の軸部５１を回転中心として、正方向（時計回り）および負方向（反時計回り）に回転自在に保持されている。

そして、このようなローター５の外周面（側面）５２に、振動体２が振動することによって、凸部２６が繰り返し当接する。なお、図１では、非駆動状態（圧電モーター１に電圧を印加していない状態）にて、凸部２６がローター５の外周面５２に当接している当接点を、Ｘ０で示している。また、当接点Ｘ０とは、凸部２６がローター５の外周面５２に平面視で点接触している場合には、その点のことを言い、凸部２６がローター５の外周面５２に若干めり込んで（食い込んで）いる場合には、平面視で凸部２６とローター５との境界の２つの点を結んだ線分の中点における法線と、凸部２６の側面（先端面）との交点のことを言う。
以上、圧電モーター１の基本的な構成について説明した。

次に、圧電モーター１の動作について説明する。
圧電モーター１は、一定周期で振動体２に電圧を印加することで、凸部２６が楕円軌道を描き、ローター５に繰り返し当接することによりローター５を回転させる。

まず、凸部２６が楕円軌道を描く理由を図４〜図８に基づいて説明する。なお、以下の説明では、振動体２に対して正電圧の印加した場合について中心的に説明する。

全ての電極２１ａ〜２１ｄ、２５ａ〜２５ｄに一定周期で正電圧が印加されると、圧電素子２２および２４が伸長および収縮を繰り返す。これに伴って、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、振動体全体は、ＸＹ平面内で、その長手方向（中心軸に沿った方向）に伸縮する動作を繰り返す。このように、振動体２が長手方向に伸縮を繰り返す動作を「伸縮振動」という。

なお、電圧を印加する周波数を変化させていくと、ある特定の周波数となったときに伸縮量が急に大きくなり、一種の共振現象が発生する。伸縮振動で共振が発生する周波数（共振周波数）は、振動体２の物性と、振動体２の寸法（幅Ｗ、長さＬ、厚さＴ）とによって決定される。

また、互いに対角線の位置にある２つの電極２１ａおよび２１ｃと、電極２５ａおよび２５ｃとに一定周期で正電圧が印加されると、圧電素子２２の電極２１ａおよび２１ｃに対応する部分と、圧電素子２４の電極２５ａおよび２５ｃに対応する部分とが、伸縮を繰り返す。これに対して、電極２１ｂおよび２１ｄと、電極２５ｂおよび２５ｄとには、正電圧が印加されないため、圧電素子２２の電極２１ｂおよび２１ｄに対応する部分と、圧電素子２４の電極２５ｂおよび２５ｄに対応する部分とは、伸縮しない。

したがって、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、振動体２全体は、ＸＹ平面内で、ローター５に近い側が右方向に変位し、ローター５から遠い側が左方向に変位するように屈曲する動作を繰り返す。このような動作を「右屈曲振動」という。

一方、互いに対角線の位置にある２つの電極２１ｂおよび２１ｄと、電極２５ｂおよび２５ｄとに一定周期で正電圧を印加すると、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、振動体２全体は、ＸＹ平面内で、図５とは反対に、ローター５に近い側が左方向に変位し、ローター５から遠い側が右方向に変位するように屈曲する動作を繰り返す。このような動作を「左屈曲振動」という。

なお、図５および図６に示す屈曲振動についても、振動体２の物性と、振動体２の寸法（幅Ｗ、長さＬ、厚さＴ）とによって決まる共振周波数が存在する。

上述したとおり、図４に示す伸縮振動の共振周波数も、図５または図６に示す屈曲振動の共振周波数も、振動体２の物性や、振動体２の寸法（幅Ｗ、長さＬ、厚さＴ）によって決定される。したがって、振動体２の寸法（幅Ｗ、長さＬ、厚さＴ）を適切に決定することにより共振周波数を一致または接近させることができる。そして、そのような振動体２に対して、図５または図６に示すような屈曲振動の形態の電圧を共振周波数で印加すると、図５または図６に示す屈曲振動が生じると同時に、共振によって図４の伸縮振動も誘起される。

その結果、図５に示す態様で電圧を印加した場合には、図９（ａ）に示すように、凸部２６の先端（圧電素子と反対側の端）は、図面上で時計回りの楕円軌道（第１楕円軌道）ＣＷを描くように運動する。このような運動を生じる振動体２の振動モードを第１振動モードという。

一方、図６に示す態様で電圧を印加した場合には、振動体２は、図９（ａ）に示すように、凸部２６の先端は、図面上で反時計回りの楕円軌道（第２楕円軌道）ＣＣＷを描くように運動する。このような運動を生じる振動体２の振動モードを第２振動モードという。

なお、以上の説明では振動体２に正電圧を印加するものとして説明したが、圧電素子２２および２４は、負電圧を印加することによっても変形する。したがって、振動体２に負電圧を印加することによって屈曲振動（および伸縮振動）を発生させても良いし、正電圧と負電圧とを繰り返すような交流電圧を印加することによって屈曲振動（および伸縮振動）を発生させても良い。

また、上述した説明では、共振周波数の電圧を印加するものとして説明したが、共振周波数を含んだ波形の電圧を印加すれば十分であり、例えばパルス状の電圧であっても構わない。

振動体２は、このような第１振動モードまたは第２振動モードを利用して、ローター５を回転させる。

具体的には、第１振動モードで振動体２を振動させると、振動体２が伸張する際には、凸部２６は、第１楕円軌道ＣＷ上の点１Ａでローター５に当接し始め、圧接している状態で点１Ａから点２Ａに向かって（図９（ａ）の左から右に向かって）時計回りに移動する。その後、振動体２が収縮する際には、凸部２６は、第１楕円軌道ＣＷ上の点２Ａでローター５から離間し始め、離間している状態で点２Ａから点１Ａ（元の位置）に向かって（図９（ａ）の右から左に向かって）時計回りに移動する。そして、このような動作を繰り返す。

その結果、ローター５は、凸部２６から受ける摩擦力によって図７中矢印ＳＲで示すように反時計回りに回転する。なお、以下では、この第１振動モードで振動体２を振動させることにより凸部２６がローター５に与える摩擦力を、「第１振動モードにおける摩擦力」という。

一方、第２振動モードで振動体２を振動させると、振動体２が伸張する際には、凸部２６は、第２楕円軌道ＣＣＷ上の点１Ｂでローターに当接し始め、圧接している状態で点１Ｂから点２Ｂに向かって（図９（ａ）の右から左に向かって）反時計回りに移動する。その後、振動体２が収縮する際には、凸部２６は、第２楕円軌道ＣＣＷ上の点２Ｂでローター５から離間し始め、離間している状態で点２Ｂから点１Ｂ（元の位置）に向かって（図９（ａ）の左から右に向かって）反時計回りに移動する。そして、このような動作を繰り返す。

その結果、ローター５は、凸部２６から受ける摩擦力によって図８中矢印ＳＬで示すように時計回りに回転する。なお、以下では、この第２振動モードで振動体２を振動させることにより凸部２６がローター５に与える摩擦力を、「第２振動モードにおける摩擦力」という。

このようにローター５は回転するが、ローター５が受ける駆動力（回転力）は、凸部２６との間で生じる摩擦力に等しいため、大きな駆動力を得るためには凸部２６をローター５に押し付けておく必要がある。そこで圧電モーター１では、振動体２を収容している保持部３をコイルばね７１によってローター５側に向けて付勢している（図１参照）。これにより、より大きな駆動力を得ることができ、よって、ローター５の回転速度をより速くすることができる。

また、振動体２は、凸部２６をローター５に押し付けた状態で屈曲振動することによりローター５を回転させるので、振動体２はローター５から屈曲方向の反力を受ける。この反力によって振動体２が移動すると、ローター５に十分な摩擦力を伝えることができず、結果として回転精度も低下する。そこで、圧電モーター１では、図１に示したように、コイルばね７２によって保持部３をフレーム４３側に向かって付勢する構成とすることによって、ローター５からの反力によって振動体２が移動すること（特に、振動体２が回転するように動くこと）を規制している。

このように回転するローター５は、非駆動時には、振動体２が励振せずに凸部２６が圧接した状態を維持するため、凸部２６のとの摩擦力によって停止した状態を維持する。

このようなローター５は、ＳＲ方向の駆動力（回転力）とＳＬ方向との駆動力（回転力）ができる限り等しくなるように設計されていることが好ましい。このためには、第１振動モードにおける摩擦力と、第２振動モードにおける摩擦力との大きさを近づけるようにすればよい。

第１振動モードにおける摩擦力および第２振動モードにおける摩擦力は、それぞれ、非駆動状態にて、ローター５が当接点Ｘ０において法線５０方向に凸部２６から受ける力、いわゆる凸部２６のローター５に対する法線応力に応じて決定される（図９参照）。このため、圧電モーター１では、この凸部２６のローター５に対する法線応力が、第１振動モードと第２振動モードとでほぼ等しくなるように、振動体２に対してローター５を配置している。

図９（ａ）は、圧電モーター１の主要部を示す平面図である。図９（ｂ）には、参考として、従来の圧電モーター１ｍの主要部の構成を図示している。また、図１０（ａ）には、図９（ａ）に示す圧電モーター１の凸部２６の先端が描く楕円軌道を図示し、図１０（ｂ）には、図９（ｂ）に示す圧電モーター１ｍの凸部２６ｍの先端が描く楕円軌道を図示している。

なお、図１０（ａ）および（ｂ）では、圧電モーター１が静止している状態での凸部２６およびローター５を示している。

また、実際には、第１振動モードと第２振動モードとは、同時には起こらないが、説明の便宜上、図１０では、第１楕円軌道ＣＷと第２楕円軌道ＣＣＷとを、重ねて図示している。

図９（ａ）に示す圧電モーター１では、法線５０が振動体２の長手方向に沿った中心線２０に対して所定の角度θをなすように、ローター５が振動体２に対して傾斜している。具体的には、法線５０と中心線２０とのなす角度θは、０°＜θ＜３０°となっている。

このようにローター５を振動体２に対して傾斜させることで、圧電モーター１は、図１０（ａ）に示すように、当接点Ｘ０から第１楕円軌道ＣＷと法線５０との交点Ｘ１までの距離Ｎ１が、当接点Ｘ０から第２楕円軌道ＣＣＷと法線５０との交点Ｘ２までの距離Ｎ２とほぼ等しくなっている。この距離Ｎ１およびＮ２は、凸部２６のローター５に対する法線応力に基づいて決定される。したがって、距離Ｎ１と距離Ｎ２とがほぼ等しく設定された圧電モーター１では、凸部２６のローター５に対する法線応力が第１振動モードと第２振動モードとでほぼ等しくなっていることを意味しており、よって、第１振動モードにおける摩擦力と、第２振動モードにおける摩擦力との差を低減することができる。その結果、ローター５のＳＲ方向の駆動力（回転力）とＳＬ方向の駆動力（回転力）とを近づけることができる。 このようにローター５のＳＲ方向とＳＬ方向との駆動力の差を近づけるためには、前述したとおり、角度θが０°＜θ＜３０°の関係を満足していればよいが、角度θは、３°＜θ＜２５°であることが好ましく、５°＜θ＜２０°であることがより好ましい。これにより、ローター５のＳＲ方向とＳＬ方向との駆動力の差をより近づけ、さらには一致させることができる。

なお、距離Ｎ１と距離Ｎ２との差が、１０％未満であれば、凸部２６のローター５に対する法線応力の第１振動モードと第２振動モードとの差を低減することができ、ローター５のＳＲ方向とＳＬ方向との駆動力を近づけることができる。

これに対して、図９（ｂ）に示す圧電モーター１ｍでは、振動体２ｍの中心線２０ｍと、ローター５ｍの法線５０ｍとが一致している。すなわち、圧電モーター１ｍでは、ローター５ｍが振動体２ｍに対して傾斜していない。

このように配置された圧電モーター１ｍは、図１０（ｂ）に示すように、当接点Ｘ０ｍと交点Ｘ１ｍとの距離Ｎ１ｍが、当接点Ｘ０ｍと交点Ｘ２ｍとの距離Ｎ２ｍよりも小さくなっている。このように距離Ｎ１ｍが距離Ｎ２ｍよりも小さいと、ローター５のＳＲ方向の駆動力が、ＳＬ方向の駆動力よりも小さくなり、その結果、ローター５の回転方向によって駆動力の差が大きくなってしまう。

さらに、圧電モーター１の特性を向上する観点からは、ローター５のＳＲ方向とＳＬ方向との回転速度の差を小さくすることが好ましい。このためには、凸部２６が１回転するとき（その先端が楕円軌道を１回描くとき）にローター５が移動する距離（移動距離）を、第１振動モードと第２振動モードとで近づけることが好ましい。このローター５の移動距離は、凸部２６がローター５の外周面５２に当接し始める点１Ａ（１Ａｍ）または１Ｂ（１Ｂｍ）から、凸部２６が外周面５２から離間し始める点２Ａ（２Ａｍ）または２Ｂ（２Ｂｍ）までのローター５の円周５５（円弧５５１）の長さ（距離）に等しい。

したがって、図１１（ａ）に示すように、第１振動モードにおける円弧５５１の長さＬ１と、第２振動モードにおける円弧５５１の長さＬ２とが、ほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。そこで、本実施形態では、図１１（ａ）に示すように、第１楕円軌道ＣＷと第２楕円軌道ＣＣＷとが交わる４つの交点のうちのローター５の回転方向に沿った２つの交点またはその近傍をローター５の円周５５が通過するように、ローター５を振動体２に対して配置している。こうすることで、第１振動モードと第２振動モードとで、上述したような摩擦力に加え、ローター５の移動距離をも近づけることができる。このため、ローター５のＳＲ方向とＳＬ方向とで、駆動力（回転力）および回転速度の双方をより正確に揃えることができる。

なお、長さ（距離）Ｌ１と長さ（距離）Ｌ２との差が、１０％未満であれば、第１振動モードと第２振動モードとにおけるローター５の移動距離の差を低減することができ、ローター５のＳＲ方向とＳＬ方向との回転速度を近づけることができる。

これに対して、図１１（ｂ）に示す圧電モーター１ｍでは、前記２つの交点またはその近傍をローター５ｍの円周５５ｍが通過するように、ローター５ｍを振動体２ｍに対して配置することが困難であり、第１振動モードにおける円弧５５１ｍの長さＬ１ｍが、第２振動モードにおける円弧５５１ｍの長さＬ２ｍよりも大きくなってしまう。そのため、ローター５ｍのＳＲ方向とＳＬ方向とで、回転速度を揃えることができない。

≪第２実施形態≫
図１２は、本発明の第２実施形態にかかる圧電モーターの平面図であり、図１３は、図１２中のII−II線断面図であり、図１４は、図１２に示す圧電モーターの主要部（振動体およびローター）を示す平面図であり、図１５は、図１２に示す振動体が備える凸部の楕円運動を説明するための図である。

以下、これらの図を参照して本発明の第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

本実施形態では、被駆動体の構成が異なること以外は、前記第１実施形態と同様である。

具体的には、図１２および図１３に示すように、本実施形態の圧電モーター１は、ローター５を備えておらず、その代わりにスライダ８を備えている。

スライダ８は、帯状の板材で構成されおり、その長手方向（軸方向）に移動可能に設置されている。

このスライダ８には、２つのローラー８０ａおよび８０ｂと、スライダ８の移動を規制する２つのストッパー（移動規制手段）８３ａおよび８３ｂが設けられている。

ストッパー８３ａおよび８３ｂは、それぞれ基台６に固定されており、ストッパー８３ａが、ローラー８０ａよりもスライダ８の左側の端部に位置し、ストッパー８３ｂが、ローラー８０ｂよりもスライダ８の右側の端部に位置している。

なお、ストッパーの位置は、これに限らず、例えば、２つのローラー８０ａおよび８０ｂの間に配置してもよい。また、ストッパーの数は、１つであってもよい。

２つのローラー８０ａおよび８０ｂ同士は、所定距離離間して、図１２中左右方向に並設されている。ローラー８０ａおよび８０ｂは、それぞれ、スライダ８の一方（図１２中上側）の面に、スライダ８と平行な姿勢で、正逆両方向に回転可能に中心に位置する軸８１ａおよび８１ｂで支持されている。

また、ローラー８０ａおよび８０ｂの外周面（側面）８５には、それぞれ、溝８２ａおよび８２ｂが外周に沿って形成されている。これらローラー８０ａの溝８２ａ内およびローラー８０ｂの溝８２ｂ内に、それぞれ、スライダ８が配設されている。

このようなスライダ８を備える圧電モーター１では、凸部２６が楕円軌道を描き、スライダ８に繰り返し当接することによりスライダ８が図１２中左右方向に移動する。

具体的には、第１振動モードで振動体２を振動させると、スライダ８は、凸部２６から受ける摩擦力によって図１４中矢印ＴＲで示す方向に移動する。

一方、第２振動モードで振動体２を振動させると、スライダ８は、凸部２６から受ける摩擦力によって図１４中矢印ＴＬで示す方向に移動する。

このような圧電モーター１では、図１４に示すように、非駆動状態で凸部２６が当接するスライダ８の外周面８５の当接点Ｘ０における法線８０（スライダ８の幅方向）と、中心線２０とのなす角度θが、０°＜θ＜３０°となるよう、振動体２に対してスライダ８が配置されている。

このようにスライダ８を振動体２に対して傾斜させることで、圧電モーター１は、図１５（ａ）に示すように、当接点Ｘ０から第１楕円軌道ＣＷと法線８０との交点Ｘ１までの距離Ｎ１が、当接点Ｘ０から第２楕円軌道ＣＣＷと法線８０との交点Ｘ２までの距離Ｎ２とほぼ等しくなっている。このため、凸部２６のスライダ８に対する法線応力が第１振動モードと第２振動モードとでほぼ等しくなっており、よって、第１振動モードにおける摩擦力と、第２振動モードにおける摩擦力との差を低減することができる。そのため、スライダ８のＴＲ方向における駆動力（移動力）とＴＬ方向における駆動力（移動力）とを近づけることができる。

なお、スライダ８のＴＲ方向における駆動力とＴＬ方向における駆動力とを近づけるためには、第１実施形態同様に、角度θが、３°＜θ＜２５°であることが好ましく、５°＜θ＜２０°であることがより好ましい。

また、距離Ｎ１と距離Ｎ２との差が、１０％未満であれば、第１振動モードと第２振動モードとにおける凸部２６のスライダ８に対する法線応力の差を低減することができ、スライダ８のＳＲ方向とＳＬ方向との駆動力を近づけることができる。

さらに、前述したように、圧電モーター１の特性を向上する観点からは、ローター５のＳＲ方向とＳＬ方向との移動速度の差を小さくすることが好ましい。

そこで、本実施形態では、図１５（ｂ）に示すように、前述したような第１楕円軌道ＣＷと第２楕円軌道ＣＣＷとの２つの交点またはその近傍をスライダ８の辺８５１が通過するように、スライダ８を振動体２に対して配置している。こうすることで、第１振動モードと第２振動モードとで、上述したような摩擦力に加え、スライダ８の移動距離をも近づけるすることができる。このため、スライダ８のＴＲ方向とＴＬ方向とでの駆動力（移動力）および移動速度の双方をより正確に揃えることができる。

なお、本実施形態においても、長さ（距離）Ｌ１と長さ（距離）Ｌ２との差が、１０％未満であれば、第１振動モードと第２振動モードとにおけるスライダ８の移動距離の差を低減することができ、スライダ８のＴＲ方向の移動速度とＴＬ方向の移動速度とを近づけることができる。

以上、本発明の圧電モーターを図示の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、圧電モーターを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。

また、本発明の圧電モーターは、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。

また、本発明では、被駆動体は、円盤状のローターや、横断面の形状がほぼ四角形である棒状のスライダに限定されず、例えば、直線や曲線等の所定の経路に沿って移動するもの、揺動するものであれば、その形状は限定されない。被駆動体の形状は、例えば四角形以外の多角形や、楕円等の円形等であってもよい。

また、本発明の圧電モーターは、例えば、各種ロボットの関節の駆動、ハンド等の各種のエンドエフェクターの駆動等、各種の装置の所定の部位の駆動に用いることができる。

１、１ｍ…圧電モーター
１０…振動部
２、２ｍ…振動体
２０、２０ｍ…中心線
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ…電極
２３…補強板
２２、２４…圧電素子
２６、２６ｍ…凸部
３…保持部
３１…保持部本体
３１１…凹部
３２…蓋体
３４…緩衝部材
３５…平板（ばね座）
４…固定部
４１…ベース
４２、４３…フレーム
４２１…平板（ばね座）
７３…コロ
５、５ｍ…ローター
５０、５０ｍ…法線（仮想線）
５１…軸部
５２…外周面（側面）
５５、５５ｍ…円周
５５１、５５１ｍ…円弧
６…基台
７１、７２…コイルばね（付勢手段）
８…スライダ
８０…法線
８０ａ、８０ｂ…ローラー
８１ａ、８１ｂ…軸
８２ａ、８２ｂ…溝
８３ａ、８３ｂ…ストッパー
８５…外周面（側面）
８５１…辺
ＣＷ…第１楕円軌道
ＣＣＷ…第２楕円軌道
Ｎ１、Ｎ１ｍ、Ｎ２、Ｎ２ｍ…距離
Ｌ１、Ｌ１ｍ、Ｌ２、Ｌ２ｍ…長さ
ＳＲ、ＳＬ…矢印
ＴＬ、ＴＲ…矢印
Ｘ０、Ｘ０ｍ…当接点
Ｘ１、Ｘ１ｍ、Ｘ２、Ｘ２ｍ…交点
１Ａ、１Ａｍ、２Ａ、２Ａｍ、１Ｂ、１Ｂｍ、２Ｂ、２Ｂｍ…点
θ…角度

Claims (5)

1. 側面を有する被駆動体と、
   前記被駆動体の前記側面に当接する当接部と、該当接部の前記被駆動体と反対側に設けられた圧電素子と、を有し、前記圧電素子に電圧を印加することにより振動して前記被駆動体に力を繰り返し加えることにより前記被駆動体を変位させる振動体と、を備え、
   前記振動体は、前記当接部が第１楕円軌道を描くように振動することにより、前記被駆動体の前記側面に当接および離間する第１振動モードと、
   前記当接部が前記第１楕円軌道とは回転方向が逆である第２楕円軌道を描くように振動することにより、前記被駆動体の前記側面に当接および離間する第２振動モードとを、有し、
   平面視において、前記振動体の中心軸と、前記電圧が印加されていない非駆動状態で前記当接部が当接する前記被駆動体の前記側面の当接点における法線とのなす角度θが、０°＜θ＜３０°の関係を満たし、
   前記当接点をＸ０とし、前記第１楕円軌道と前記法線との交点をＸ１とし、前記第２楕円軌道と前記法線との交点をＸ２としたとき、
   前記当接点Ｘ０から前記交点Ｘ１までの距離と、前記当接点Ｘ０から前記交点Ｘ２までの距離との差が、１０％未満であることを特徴とする圧電モーター。
2. 前記当接部が、前記第１振動モードにおいて、前記被駆動体の前記側面への当接を開始した後、前記被駆動体の前記側面からの離間を開始するまでに、前記被駆動体が変位する距離をＬ１とし、前記第２振動モードにおいて、前記被駆動体の前記側面への当接を開始した後、前記被駆動体の前記側面からの離間を開始するまでに、前記被駆動体が変位する距離をＬ２としたとき、
   前記距離Ｌ１と、前記距離Ｌ２との差が、１０％未満である請求項１に記載の圧電モーター。
3. 側面を有する被駆動体と、
   前記被駆動体の前記側面に当接する当接部と、該当接部の前記被駆動体と反対側に設けられた圧電素子と、を有し、前記圧電素子に電圧を印加することにより振動して前記被駆動体に力を繰り返し加えることにより前記被駆動体を変位させる振動体と、を備え、
   前記振動体は、前記当接部が第１楕円軌道を描くように振動することにより、前記被駆動体の前記側面に当接および離間する第１振動モードと、
   前記当接部が前記第１楕円軌道とは回転方向が逆である第２楕円軌道を描くように振動することにより、前記被駆動体の前記側面に当接および離間する第２振動モードとを、有し、
   平面視において、前記振動体の中心軸と、前記電圧が印加されていない非駆動状態で前記当接部が当接する前記被駆動体の前記側面の当接点における法線とのなす角度θが、０°＜θ＜３０°の関係を満たし、
   前記当接部が、前記第１振動モードにおいて、前記被駆動体の前記側面への当接を開始した後、前記被駆動体の前記側面からの離間を開始するまでに、前記被駆動体が変位する距離をＬ１とし、前記第２振動モードにおいて、前記被駆動体の前記側面への当接を開始した後、前記被駆動体の前記側面からの離間を開始するまでに、前記被駆動体が変位する距離をＬ２としたとき、
   前記距離Ｌ１と、前記距離Ｌ２との差が、１０％未満であることを特徴とする圧電モーター。
4. 前記被駆動体は、その平面視形状が円形状または長方形状である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電モーター。
5. さらに、前記振動体を前記被駆動体へ付勢する付勢手段を備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧電モーター。

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