JPWO2012056620A1 - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

超音波モータ（１０）は、振動子（５０）および印加手段（発振回路）を備えている。振動子（５０）である第一振動子領域（５１）および第二振動子領域（５２）は、厚さ方向に分極された圧電素子および固定部（３０ａ、３０ｂ）をそれぞれ有する。発振回路は、圧電素子にそれぞれ交番電圧を印加して第一振動子領域（５１）および第二振動子領域（５２）を個別に面拡がり方向に共振させる。超音波モータ（１０）は、振動端部（２３ａ、２３ｂ）同士を連結する連結部（５５）と、この連結部（５５）に設けられた接触子（６０）とを備えている。振動端部（２３ａ、２３ｂ）は、第一振動子領域（５１）および第二振動子領域（５２）の面拡がり方向の共振により固定部（３０ａ、３０ｂ）に対してそれぞれ接離方向に振動する部位である。

Description

本発明は、圧電振動子を用いて移動子を駆動する超音波モータに関する。

近年、圧電素子の微小な振動を駆動源として、レンズなどの小型の移動子を高精度で移動させる超音波モータが提案されている。

この種の超音波モータに関し、特許文献１には、矩形の圧電素子を辺に平行な直交二線分で４つの部分領域に等分して電極をそれぞれ設けるとともに、この電極を切り替えて単極非対称のパルス電圧を通電することが記載されている。この超音波モータは、特許文献１の図３と図５に対比されるように、パルス電圧を通電する対角の２つの電極の選択を切り替えることで、圧電素子の共振方向を左右に反転させる。そしてこの超音波モータは、特許文献１の図７に示されるように、矩形の圧電素子の長辺が折れ曲がるように屈曲振動する。

特開平７−１８４３８２号公報

特許文献１に記載の超音波モータは、パルス電圧が印加されて共振するアクティブ領域の歪みを、これに隣接する開放領域に及ぼして圧電素子の屈曲振動を励起させることを駆動原理とする。このため、隣接する開放領域の剛性によってアクティブ領域の変形が必然的に抑制されてしまい、超音波モータのインピーダンスが大きくエネルギー変換効率が低くなるという問題がある。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、駆動される移動子の変位量が大きくエネルギー変換効率の高い超音波モータを提供するものである。

本発明の超音波モータは、厚さ方向に分極された圧電素子および固定部をそれぞれ有する第一振動子領域および第二振動子領域と、前記圧電素子にそれぞれ交番電圧を印加して前記第一振動子領域および前記第二振動子領域を個別に面拡がり方向に共振させる印加手段と、前記第一振動子領域と前記第二振動子領域とを連結する連結部と、前記連結部に設けられた接触子と、を備え、前記第一振動子領域は、前記共振により前記第一振動子領域の前記固定部に対して接離方向に振動する第一振動部位を含み、前記第二振動子領域は、前記共振により前記第二振動子領域の前記固定部に対して接離方向に振動する第二振動部位を含み、前記連結部は、前記第一振動部位と前記第二振動部位とを連結していることを特徴とする。

また本発明の超音波モータは、前記第一振動部位から前記接触子に向かって延在する第一接続部と、前記第二振動部位から前記接触子に向かって延在する第二接続部と、を有し、前記第一接続部と前記第二接続部の延在方向が互いに交叉していてもよい。

また本発明の超音波モータは、前記第一接続部と前記第二接続部とが互いに交叉して連結されて、前記連結部が鉤型に屈曲して形成されていてもよい。

なお、本発明の各種の構成要素は、個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。

本発明の超音波モータは、第一振動子領域および第二振動子領域がそれぞれ面拡がり方向に共振するときに大きく振動する部位同士が局所的に連結されて接触子が設けられている。これにより、共振する一方の振動子領域の変形が他方の振動子領域の剛性によって抑制されてしまうことが防止され、接触子の変位を十分に得ることができる。これにより、駆動される移動子の変位量が大きくエネルギー変換効率の高い超音波モータを得ることができる。

上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

第一実施形態にかかる超音波モータの構造を示す概略図である。 図２Ａは駆動電極側からみた振動子の斜視図である。図２Ｂは共通電極側からみた振動子の斜視図である。 図２ＡのIII−III線断面図である。 圧電素子のインピーダンスの周波数特性に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。 図５Ａ、図５Ｂは共振周波数における圧電素子の変位モード図である。図５Ａは圧電素子の最大伸び変形の状態を示す。図５Ｂは圧電素子の最大縮み変形の状態を示す。 図６Ａは第一振動子領域を正弦波電圧の印加側（駆動側）として第二振動子領域を無印加側（開放側）とした場合の接触子の変位方向を示す模式図である。図６Ｂは駆動側と開放側とを切り替えた場合の連結部の変位方向を示す模式図である。 図７Ａは第二実施形態にかかる超音波モータを示す平面模式図である。図７Ｂは連結部の近傍に関する部分拡大図である。 共振時の連結部の形状を示す模式図である。 図９Ａは第一変形例にかかる振動子の模式図である。図９Ｂは第二変形例にかかる振動子の模式図である。 第三実施形態にかかる振動子の分解斜視図である。 図１１Ａは、振動子を含む超音波モータの平面図である。図１１Ｂは、図１１ＡのＢ−Ｂ線断面図である。 第四実施形態にかかる超音波モータの構造を示す概略図である。 第五実施形態にかかる超音波モータの構造を示す概略図である。 図１４Ａは、第二振動子領域に印加する正弦波電圧の位相を第一振動子領域よりも９０度進めた場合の接触子の変位方向を示す模式図である。図１４Ｂは、正弦波電圧の位相を変化させた場合の連結部の変位方向を示す模式図である。 第五実施形態の圧電素子のインピーダンスの周波数特性に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。 図１６Ａから図１６Ｄは、共振周波数における圧電素子の変位モード図である。 第六実施形態にかかる振動子の分解斜視図である。 第六実施形態にかかる超音波モータの構造を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態にかかる超音波モータ１０の構造を示す概略図である。図２Ａ、図２Ｂは、振動子５０の斜視図である。
はじめに、本実施形態の超音波モータ１０の概要について説明する。

本実施形態の超音波モータ１０は、振動子５０および印加手段（発振回路８０）を備えている。振動子５０は第一振動子領域５１および第二振動子領域５２を含む。
第一振動子領域５１は、厚さ方向に分極された圧電素子２０ａおよび固定部３０ａを有する。第二振動子領域５２は、厚さ方向に分極された圧電素子２０ｂおよび固定部３０ｂを有する。
発振回路８０は、圧電素子２０ａ、２０ｂにそれぞれ交番電圧を印加して、第一振動子領域５１および第二振動子領域５２を個別に面拡がり方向に共振させる電圧印加手段である。
第一振動子領域５１は、面拡がり方向の共振により固定部３０ａに対して接離方向に振動する第一振動部位（振動端部２３ａ）を含む。第二振動子領域５２は、面拡がり方向の共振により固定部３０ｂに対して接離方向に振動する第二振動部位（振動端部２３ｂ）を含む。
本実施形態の超音波モータ１０は、第一振動部位（振動端部２３ａ）と第二振動部位（振動端部２３ｂ）とを連結する連結部５５と、この連結部５５に設けられた接触子６０と、を備えている。

次に、本実施形態について詳細に説明する。
超音波モータ１０は、接触子６０によって移動子１００を正方向または逆方向（図１の左方）に切り替え駆動する。本実施形態の移動子１００の移動方向は直線方向であり、図１に白抜矢印で示す左右方向に対応する。本実施形態では、図１の右方を移動子１００の正方向とし、図１の左方を逆方向とする。本実施形態の移動子１００は、接触子６０と接触して駆動力をうける付勢面１０２が基台１０４の表面に形成されてなる。基台１０４の裏面にはローラ１０６が設けられている。このほか、移動子１００としては、回転ローラを枢支したものでもよい。この場合の移動方向は回転ローラの周方向（回転方向）となる。

振動子５０は、圧電素子２０に交番電圧を印加することで所定の固有振動数で共振する要素である。振動子５０は、少なくとも第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とからなる。第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とは連結部５５を介して連結されている。

超音波モータ１０は、接触子６０を移動子１００に予圧する付勢手段（弾性部材３３、３４）をさらに備えている。図１に示す弾性部材３３は、第一振動子領域５１の面央部２２に設けられた凹穴である固定部３０ａに対して上端が接続され、下端が設置台１１０に接続されている。同様に、弾性部材３４は、第二振動子領域５２の面央部２２に設けられた凹穴である固定部３０ｂに対して上端が接続され、下端が設置台１１０に接続されている。弾性部材３３、３４は自然状態よりも伸張されており、接触子６０に対して付勢面１０２に押しつける向きに弾性力を常時付与している。

第一振動子領域５１は、略正方形状をなし、厚さ方向に分極された圧電素子２０ａおよびその表裏の主面の略全面に設けられた印加電極を備えている。圧電素子２０ａの面央部２２には、第一振動子領域５１を設置台１１０に固定するための凹穴が固定部３０ａとして設けられている。同様に、第二振動子領域５２もまた略正方形状をなし、厚さ方向に分極された圧電素子２０ｂおよびその表裏の主面の略全面に設けられた印加電極を備えている。圧電素子２０ｂの面央部２２にも凹穴が固定部３０ｂとして設けられている。

図２に示すように、振動子５０は、圧電素子２０と、その表裏の主面の略全体に形成された駆動電極５４ａ、５４ｂおよび共通電極５４ｃとを備えている。
駆動電極５４ａ、５４ｂは、第一振動子領域５１および第二振動子領域５２の一方面に個別に設けられて発振回路８０により交番電圧が選択的に印加される印加電極である。共通電極５４ｃは、圧電素子２０の他方面に第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とにまたがって形成されて交番電圧が同時に印加される印加電極である。

第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とは、同一の大きさの略正方形状をなし、一辺同士が互いに隣接して配置されている。第一振動子領域５１の四つの角部をそれぞれ含む所定面積の領域を、振動端部２３ａおよびコーナー部２３ｉ〜２３ｋとする。同様に、第二振動子領域５２の四つの角部をそれぞれ含む所定面積の領域を、振動端部２３ｂおよびコーナー部２３ｐ〜２３ｒとする。

第一振動子領域５１と第二振動子領域５２との間には凹部３６が設けられている。凹部３６は、第一振動子領域５１または第二振動子領域５２の一方の共振が他方に伝達されることを防止するための低剛性部である。凹部３６は細長形状の貫通スリットでもよく、もしくは非貫通の有底溝でもよい。また、凹部３６は複数の凹穴を配列したものでもよい。このうち本実施形態の凹部３６は貫通スリットであり、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とは互いに分離されている。そして、スリット状の凹部３６を挟む両端にあたる振動端部２３ａおよびコーナー部２３ｋと、振動端部２３ｂおよびコーナー部２３ｒとは、連結部５５、５６によりそれぞれ連結されている。本実施形態の連結部５５、５６は、略正方形状の第一振動子領域５１および第二振動子領域５２の並び方向に平行な辺をそれぞれ伸張させて互いに連結させたものである。

より具体的には、本実施形態の第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とは互いに隣接する矩形状をなしている。凹部３６はスリット状の貫通孔であり、第一振動子領域５１および第二振動子領域５２の近接する辺５１１、５２１同士の間に形成されている。凹部３６は、辺５１１、５２１に沿って延在している。本実施形態の振動子５０は、圧電素子２０ａ、２０ｂを構成する二つの矩形状の領域と、連結部５５、５６を構成する細長形状の領域と、を含む一体の板状の圧電セラミクス（圧電体）からなる。かかる圧電体に駆動電極５４ａ、５４ｂおよび共通電極５４ｃを設けることで第一振動子領域５１と第二振動子領域５２が形成されている。

圧電素子２０ａと圧電素子２０ｂの共振周波数は共通である。本実施形態の超音波モータ１０では圧電素子２０ａ、２０ｂの面拡がり方向の共振モード（変位モードは図６を参照）を用いて接触子６０を駆動する。ここで、圧電素子２０ａ、２０ｂが面拡がり方向に共振するとは、圧電素子２０ａ、２０ｂを構成する各点の主たる面内方向の変位成分が、面直方向の変位成分よりも十分に大きいことをいう。

一方の連結部５５には、第一振動子領域５１および第二振動子領域５２から突出して接触子６０が設けられている。接触子６０は、ジルコニアやアルミナなどの耐摩耗性の材料からなるパッドである。接触子６０は連結部５５と同一材料で一体形成されてもよく、または異種材料からなる小片を連結部５５に結合して接触子６０を構成してもよい。連結部５５、５６は、略正方形状の第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の頂点同士を局所的に連結する帯状のブリッジ部分であり、圧電素子２０ａ、２０ｂの共振に実質的に影響を与えない。

図１に示すように、発振回路８０は、正弦波または三角波などの交番電圧を駆動電圧として出力する出力電圧Ｖ０と、この駆動電圧を印加する電極を切り替えるスイッチＳＷ１とを含む。
スイッチＳＷ１のコモン端子Ｓ０は、発振器８２の一方の出力端子８３に常時接続されている。端子Ｓ１は第一振動子領域５１の駆動電極５４ａと接続され、端子Ｓ２は第二振動子領域５２の駆動電極５４ｂと接続されている。発振器８２の他方の出力端子８４は第一振動子領域５１および第二振動子領域５２の共通電極５４ｃと接続されている。このように、各電極領域に配線を行うだけでよいため、複雑な配線工程は不要である。

発振器８２が出力する駆動電圧は、内部抵抗Ｒ０、出力電圧Ｖ０の交番電圧であり、具体的には正弦波電圧である。かかる正弦波の周波数は、圧電素子２０ａ、２０ｂの面拡がり方向の共振周波数に設定されている。すなわち、本実施形態の超音波モータ１０は、発振器８２により調整された周波数の正弦波電圧が印加される他励方式である。
この状態で、スイッチＳＷ１を端子Ｓ１側に入れると、交番電圧は駆動電極５４ａと共通電極５４ｃに印加される。一方、スイッチＳＷ１を端子Ｓ２側に入れると、交番電圧は駆動電極５４ｂと共通電極５４ｃに印加される。
これにより、スイッチＳＷ１を端子Ｓ１に入れた場合には第一振動子領域５１が共振し、第二振動子領域５２は開放される。逆にスイッチＳＷ１を端子Ｓ２に入れた場合には第二振動子領域５２が共振し、第一振動子領域５１は開放される。このとき、共振側と開放側の振動子領域は凹部３６により実質的に分断されているため、共振側の振動子領域における歪みは、連結部５５、５６を変位させて接触子６０を駆動するにとどまり、開放側の振動子領域には実質的に伝達されない。

図３は、図２ＡのIII−III線断面図である。本実施形態においては、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とに亘る共通の圧電素子２０の表裏面に印加電極が被着されている。すなわち、圧電素子２０と連結部５５とは圧電材料により一体に形成されている。そして、圧電素子２０の一方面には駆動電極５４ａ、５４ｂが個別に積層され、圧電素子２０の他方面には第一振動子領域５１および第二振動子領域５２に亘る共通電極５４ｃが積層されている。

図３に示すように圧電素子２０は厚さ方向に分極されており、駆動電極５４ａまたは５４ｂの一方と、共通電極５４ｃとの間に圧電素子２０の共振周波数の交番電圧を印加することで固有振動する。

図４は、図１および図２の圧電素子２０のインピーダンスの周波数特性に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。シミュレーション条件は、圧電セラミクスからなる圧電素子２０の外形寸法を幅２２ｍｍ、高さ１０ｍｍ、厚さを２ｍｍとし、凹部３６を幅２ｍｍ、高さ（長さ）９ｍｍの長方形の貫通スリットとした。それぞれ１０ｍｍ四方の領域を第一振動子領域５１および第二振動子領域５２とした。
かかる圧電素子２０に対して、第一振動子領域５１に印加する正弦波電圧の周波数を変化させながら圧電素子２０のインピーダンスをシミュレートした。このとき、固定部３０、接触子６０、駆動電極５４ａ、５４ｂおよび共通電極５４ｃの剛性は無視している。

図４に示すように、１９４ｋＨｚの周波数にてインピーダンスが極小値となる周波数が現れた。図５Ａ、図５Ｂは、この共振周波数の正弦波電圧を第一振動子領域５１に印加し、第二振動子領域５２を開放した状態における圧電素子２０を有限要素（ＦＥＭ）解析して得られた変位モード図である。

図５Ａは圧電素子２０の最大伸び変形の状態を示し、図５Ｂは最大縮み変形の状態を示している。なお、変位モード図では変位量の大きい部位を濃色で示し、変位量の少ない部位を淡色で示している。

図５より、圧電素子２０がこの共振周波数において面拡がり方向に振動していることがわかる。そして、図５に示すように、面拡がり方向の共振による第一振動子領域５１および第二振動子領域５２のモード形状は、圧電素子２０の面央部２２を不動点とし、周縁部２４（振動端部２３ａ）を最大変位点とすることを特徴とする。より具体的には、第一振動子領域５１は全体に平面内で伸び縮みするよう振動し、振動端部２３ａおよびコーナー部２３ｉ〜２３ｋは、いずれも固定部３０ａに対して接近または離間を繰り返す。本実施形態の振動子５０は、略正方形領域のそれぞれの面央部２２に振動振幅の小さな領域があるため、安定した支持・固定が容易となる。これに対し、上記の特許文献１の超音波モータは、振動変位の小さな領域が圧電素子の略重心位置のみに存在し、安定して支持・固定することが困難である。なお、本実施形態において、以下、断りなく共振という場合は面拡がり方向の共振モードを意味するものとする。

振動端部２３ａは、第一振動子領域５１の周縁部２４であって、かつ第一振動子領域５１が面拡がり方向に共振したときの変位量が極大となる位置である。同様に、振動端部２３ｂは、第二振動子領域５２の周縁部２４であって、かつ第二振動子領域５２が面拡がり方向に共振したときの変位量が極大となる位置である。言い換えると、振動端部２３ａ、２３ｂは、第一振動子領域５１、第二振動子領域５２が個別に共振したときの接離方向の変位成分がそれぞれ極大となる位置である。

第二振動子領域５２には、振動端部２３ａおよびコーナー部２３ｋの変位が流入して振動端部２３ｂとコーナー部２３ｒは変位しているが、第二振動子領域５２のその他のコーナー部２３ｐ、２３ｑはほとんど変位していない。これにより、圧電素子２０のうち第一振動子領域５１の周縁部２４が主として共振し、また第二振動子領域５２には実質的に共振が発生しないことがわかる。

図５Ａ、図５Ｂに矢印で示すように、本実施形態の圧電素子２０において振動端部２３ａは固定部３０ａに対して接近および離間を繰り返す方向（接離方向）に共振する。言い換えると、振動端部２３ａは第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の並び方向（図中、左右方向）に対して４５度交叉した方向に共振する。
これにより、連結部５５に形成した接触子６０（図１を参照）には、第一振動子領域５１の共振により図５における右上方向に間欠的に駆動力が生じる。

なお、第二振動子領域５２の駆動電極５４ｂに正弦波電圧を印加した場合には、圧電素子２０の変位モード図は図５各図を左右反転したものとなる。したがって、この場合、連結部５５に形成した接触子６０には、第二振動子領域５２の共振により図５における左上方向に間欠的に駆動力が生じる。

図６Ａ、図６Ｂは、正弦波電圧の印加側（駆動側）と、無印加側（開放側）とを切り替えた場合の連結部５５、５６の変位方向を示す模式図である。各図で「ａ」と表記された第一の連結部５５の接触子６０と、「ｂ」と表記された第二の連結部５６の接触子６０の往復運動の軌跡を太線で示す。図示のように、第一の連結部５５と第二の連結部５６のそれぞれにおける接触子６０の軌跡は、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とを隔てる境界ライン（各図にて一点鎖線で図示）に対して斜めに交差する。そして、正弦波電圧の印加側（駆動側）と、無印加側（開放側）とを切り替えることにより、各接触子６０の軌跡は境界ラインを中心に反転する。

図６各図に示すように、印加手段（発振回路８０）は、交番電圧の印加を第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とに切り替えることで、接触子６０の面拡がり方向の変位成分が、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２との並び方向に左右反転する。これにより、本実施形態の超音波モータ１０は、スイッチＳＷ１の切り替えにより移動子１００の駆動方向を正逆反転することができる（図１を参照）。

すなわち、本実施形態の印加手段（発振回路８０）は、第一振動子領域５１の圧電素子２０ａまたは第二振動子領域５２の圧電素子２０ｂに選択的に交番電圧を印加して、接触子６０を往復運動させる。圧電素子２０の面拡がり方向の共振モードにおいて、連結部５５、５６の往復振動の軌跡は直線状をなす。本実施形態の発振回路８０が一方の圧電素子（たとえば圧電素子２０ａ）に一周期以上の交番電圧を印加している間は、他方の圧電素子（たとえば圧電素子２０ｂ）には実質的に電圧を印加しない。そして、スイッチＳＷ１を切り替えて他方の圧電素子（たとえば圧電素子２０ｂ）に一周期以上の交番電圧を印加する間は、一方の圧電素子（たとえば圧電素子２０ａ）には実質的に電圧を印加しない。
このように、本実施形態の印加手段（発振回路８０）は、交番電圧を印加する圧電素子２０ａ、２０ｂの選択を切り替えることで、接触子６０の往復運動の軌跡を変化させる。

ここで、上記の特許文献１の超音波モータは、電気機械的結合係数の低い屈曲振動を用いて駆動するものであるため、高出力を得るためには駆動電圧を大きくする必要がある。これに対し本実施形態の超音波モータ１０は、振動子５０の面拡がり方向の共振モードを用いて接触子６０を駆動するため、振動子５０の屈曲振動に比べて結合係数が大きく、低電圧での駆動を図ることができる。

また、上記の特許文献１の超音波モータは、矩形の圧電素子の対角の２つの電極に給電することで定在波と縦波を同時に誘起させ、これらの２つの波を重ね合わせることで接触子を楕円運動させるものである。ここで、定在波と縦波とは周波数が異なるため、温度や機械負荷に対する特性は互いに相違する。したがって、定在波と縦波とを重ね合わせて駆動する特許文献１の超音波モータは、周囲の温度や機械的負荷によって動作周波数が変化してしまい、動作が不安定となる。これに対し、本実施形態の超音波モータ１０は単一の振動モードを用いることにより、温度や機械負荷の変動に対する調整が不要であって安定した動作が可能である。

また、本実施形態の振動子５０のように、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とを連結しておき、かつこれを移動子１００に対して常時付勢することにより、接触子６０が空回りすることなく移動子１００に好適に駆動力を与えることができる。すなわち、かりに第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とを分離構成し、かつ個別に移動子１００に押圧して常時付勢した場合には、一方（例えば第一振動子領域５１）を駆動する場合に、他方（第二振動子領域５２）の付勢力が抵抗力になるおそれがある。これに対し、一方（第一振動子領域５１）による駆動時に他方（第二振動子領域５２）を移動子１００に非接触とする場合には、移動子１００に押圧力を常時付勢しておくことができず、共振周期内で第一振動子領域５１の接触子６０が移動子１００に対して接触と乖離とが繰り返されることとなる。この場合には接触子６０が摩耗しやすくなったり、接触子６０の空回りが生じたりするおそれがある。よって、本実施形態のように第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とを連結して接触子６０を共通化し、これを移動子１００に対して常時付勢して駆動することで、抵抗力を生じることなく移動子１００を連続的に駆動することができる。また、接触子６０は移動子１００に接触しつづけるため、移動子１００に対して衝撃的に擦れることがなく、接触子６０の摩耗が抑制される。

＜第二実施形態＞
図７Ａは、本実施形態にかかる超音波モータ１０（振動子５０）を示す平面模式図である。図７Ｂは、連結部５５の近傍に関する部分拡大図である。

図７Ａ、図７Ｂに示すように、連結部５５において第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂとは互いに交叉して連結され、連結部５５は鉤型に屈曲して形成されている。ここで、第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂとが互いに連結されているとは、本実施形態のように第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂとが共通の材料により一体形成されている場合のほか、他の部材を介在して第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂとが間接的に接続されている場合を含む。

接触子６０は、連結部５５の少なくとも外側の表面（図７Ｂにおける連結部５５の上縁）に、第一接続部５５ａおよび第二接続部５５ｂよりも硬質の材料が皮膜形成されてなる。

本実施形態の超音波モータ１０において、連結部５５は第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂとを有している。第一接続部５５ａは、圧電素子２０の面拡がり方向の共振時に固定部３０ａに対して接離方向に振動する第一振動部位（振動端部２３ａ）から接触子６０に向かって延在する部分である。第二接続部５５ｂは、同じく固定部３０ｂに対して接離方向に振動する第二振動部位（振動端部２３ｂ）から接触子６０に向かって延在する部分である。そして、第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂの延在方向Ｄ２、Ｄ３は互いに交叉している。

第一接続部５５ａは、振動端部２３ａを基端として、固定部３０ａに対して反対側（図７Ａにおける右上側）に向かって延在し、その先端が接触子６０として機能する。また、第二接続部５５ｂは、振動端部２３ｂを基端として、固定部３０ｂと反対側（図７Ａにおける左上側）に向かって延在し、同じくその先端が接触子６０として機能する。そして、第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂとは、９０度を超え１８０度未満の所定の交叉角度をもって互いに連結されている。

なお、コーナー部２３ｋとコーナー部２３ｒとを接続する他の連結部５６は、連結部５５を上下反転した形状である。具体的には、コーナー部２３ｋを基端として固定部３０ａの反対側に延在する部分と、コーナー部２３ｒを基端として固定部３０ｂの反対側に延在する部分とが屈曲して連結されている。

これにより、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の隣接する辺５１１、５２１と、連結部５５、５６とで画成される凹部３６は長六角形をなしている。

図７Ｂに示すように、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２との並び方向（基準方向Ｄ１：図の左右方向）を基準として、第一接続部５５ａの延在方向Ｄ２は、接離方向Ｄ４よりも浅い角度である。言い換えると、基準方向Ｄ１に対して振動端部２３ａ、２３ｂが共振する角度φに比べて、この基準方向Ｄ１に対して第一接続部５５ａが伸びる角度θの方が小さい。
具体的には、第一接続部５５ａの延在する角度θは３０度であり、振動端部２３ａが共振する角度φは４５度である。なお、振動端部２３ｂの接離方向Ｄ４と基準方向Ｄ１とのなす角も３０度である。

図８は、共振時の連結部５５の形状を示す模式図である。共振前の連結部５５の形状を破線で示す。同図では、共振による振動端部２３ａの変位を省略し、連結部５５の変形のみを表している。駆動電極５４ａに正弦波電圧が印加されて第一振動子領域５１が面拡がり方向に共振すると、振動端部２３ａは駆動電極５４ａの対角線方向（角度φの方向）に変位する。ここで、変位前の第一接続部５５ａは角度φよりも小さな角度θで振動端部２３ａより延在し、先端に第二接続部５５ｂが連結されている。

ここで、第一接続部５５ａおよび第二接続部５５ｂは、いずれも延在寸法が幅寸法よりも大きな細長形状をなしている。このため、第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂは、延在方向の剛性は、これに交叉する方向（幅方向）の剛性に比べて高い。よって、第一振動子領域５１の共振時に振動端部２３ａが固定部３０ａに接離する方向（角度φ方向）に変位すると、第一接続部５５ａは振動端部２３ａに追随してその延在方向に変位する。これに対し、振動端部２３ｂに基端が連結固定された第二接続部５５ｂは、第一接続部５５ａによって幅方向に付勢されて曲げられる。このため、第一接続部５５ａおよび第二接続部５５ｂはリンク機構のように変形して延在する角度θが大きくなる。この結果、共振時に振動端部２３ａが最大変位する位相において、第一接続部５５ａの延在方向は振動端部２３ａの振動方向（角度φ）に略一致する。これにより、第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂとの交叉部にあたる接触子６０において、大きな駆動力を得ることができる。
言い換えると、本実施形態の振動子５０のモード形状は、接触子６０が移動子１００（図１を参照）に対して最大の付勢力を与える位相において第一接続部５５ａ（第二接続部５５ｂ）の延在方向が振動端部２３ａ（振動端部２３ｂ）の変位方向と略一致する。

第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とは、共通の固有振動数にて面拡がり方向の共振が発生するかぎり、その形状は特に限定されない。一例として、第一振動子領域５１および第二振動子領域５２として、互いに略同一の長方形、正方形または円形を挙げることができる。
図９Ａは、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２が略同一の正方形であって、かつ対角線同士が直線状に配置されている第一変形例にかかる振動子５０の模式図である。図９Ｂは、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２が略同一の円形である第二変形例にかかる振動子５０の模式図である。各図において、固定部３０ａを固定して駆動電極５４ａに正弦波電圧を印加した場合の共振方向を両側矢印で示している。

図９Ａに示す第一変形例の振動子５０には、ともに略正方形状の第一振動子領域５１および第二振動子領域５２の周縁部２４のうち一辺の中央部同士を基端として連結部５５が形成されている。そして、連結部５５が延出した辺に隣接するとともに第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とで対向する他の辺同士を連結するようにして、連結部５６が形成されている。連結部５５は、第一振動子領域５１から延出する第一接続部５５ａと、第二振動子領域５２から延出する第二接続部５５ｂとで構成されており、第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂとが交叉して連結されてなる連結部５５の屈曲部には接触子６０が形成されている。このように、連結部５５、５６は、第一および第二実施形態で示したように角部を基端としてもよく、またはこの変形例のように辺央を基端としてもよい。

また、図９Ｂに示す第二変形例の振動子５０のように、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２が円形の場合、周縁部２４の任意の位置より径方向の外側にそれぞれ突出形成した第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂとを連結して連結部５５を構成することができる。
この変形例のように第一振動子領域５１と第二振動子領域５２をそれぞれ円形とすることで、それぞれの振動子において等方的な面拡がり振動が生じるため、周縁部２４の任意の位置から第一接続部５５ａ、第二接続部５５ｂを延出させた場合も接触子６０を好適に駆動することができる。

なお、これらの変形例においても、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２との並び方向（図の左右方向）を基準として、第一接続部５５ａおよび第二接続部５５ｂの各延在方向は、共振時の振動端部２３ａ、２３ｂ（図９にて破断円で図示）の接離方向Ｄ４（図９にて一点鎖線で図示）よりも浅い角度である。そして、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２との間には、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の並び方向に対して交叉する方向（図の上下方向）に延在する貫通孔として、凹部３６が形成されている。

また、第一および第二変形例に代えて、連結部５５の一箇所のみで第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とを連結してもよい。このように、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とは単一箇所のみで連結してもよく、または上記実施形態および変形例で説明したように複数箇所で連結してもよい。単一箇所で連結することで第一振動子領域５１と第二振動子領域５２との結合が低減されて連結部５５の変位を大きくすることができる。また、複数箇所で連結することで固定部３０ａ、３０ｂを中心とする変位モードの対称性を得ることができ、接触子６０の安定した駆動が可能になる。

＜第三実施形態＞
図１０は、本実施形態の振動子５０の分解斜視図である。
本実施形態の振動子５０は、第一振動子領域５１、第二振動子領域５２および連結部５５に亘る金属製のベース部材５８を備えている。第一振動子領域５１および第二振動子領域５２は、交番電圧の印加電極である駆動電極５４ａが形成された圧電素子２０がベース部材５８にそれぞれ接合されて構成されている。

本実施形態の振動子５０は、ベース部材５８の表裏に二枚ずつ、合計四枚の圧電素子２０が被着されたバイモルフ型の圧電振動子である。なお、本実施形態の変形例として、ベース部材５８の一方面側にのみ圧電素子２０を設けてもよい。すなわち、図１０に白抜矢印で示すように、金属板からなるベース部材５８の少なくとも一方の主面の各略正方形領域に、圧電セラミック材料からなる圧電素子２０が貼り付けられている。

ベース部材５８に貼り付けられる側の駆動電極５４ａは、ベース部材５８と電気的に接続される。図１０に矢印で示すように、ベース部材５８を挟んで対向する一対の圧電素子２０の分極方向は、互いに逆向きになるよう配置される。

ベース部材５８は、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の並び方向にあたる長さ方向の中央部に貫通スリット（凹部３６）が形成されている。これにより、ベース部材５８は長さ方向に関して略対象に領域分割されている。第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とは連結部５５、５６により局所的に連結されている。ベース部材５８の主面には、圧電素子２０を嵌め込んで装着するための有底の凹部（図示せず）を設けてもよい。

図１１Ａは本実施形態の振動子５０を含む超音波モータ１０の平面図であり、図１１ＢはそのＢ−Ｂ線断面図である。

本実施形態の超音波モータ１０は、接触子６０の少なくとも一部を外部に露出させて第一振動子領域５１および第二振動子領域５２を収容する筐体９０を備えている。固定部３０ａ、３０ｂは、第一振動子領域５１、第二振動子領域５２の不動点（面央部２２）を筐体９０に固定する部位である。

筐体９０は上側筐体９１と下側筐体９２とからなる。上側筐体９１と下側筐体９２とはネジ９４により着脱可能に固定されている。上側筐体９１と下側筐体９２とを組み合わせることで内部に振動子５０の収容空間が形成される。

それぞれの圧電素子２０とベース部材５８には固定部３０が貫通孔として形成されている。ベース部材５８は、固定部３０に挿入されたネジ２６により下側筐体９２に固定される。

振動子５０のうち接触子６０の先端が筐体９０から突出している。筐体９０を移動子１００に近接して配置し、筐体９０を設置台１１０に対して弾性部材３３、３４で連結することにより、接触子６０が移動子１００に付勢される（図１を参照）。なお、筐体９０はアース接地される。

そして、発振回路８０（図１１では図示せず。図１を参照）により、一方の振動子（例えば第一振動子領域５１）に含まれる一対の圧電素子２０ａの間に正弦波電圧を印加し、他方の振動子（例えば第二振動子領域５２）の一対の圧電素子２０ｂを開放電位とする。具体的には、ベース部材５８を挟む一対の圧電素子２０ａの外表面に対して同位相の正弦波電圧を同時に印加する。そして、ベース部材５８を共通電極とする。
これにより、第一振動子領域５１には面拡がり方向の共振が生じる。そして、ベース部材５８の長辺部中央に設けた接触子６０には、この長辺方向に対して斜め直線方向の軌跡を描く振動が生じる。直線あるいは回転自在などに設置されている移動子１００（図１を参照）に接触子６０が接触することで、これを移動させることができる。
そして、正弦波電圧の給電と開放を第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とで切り替えることにより、移動子１００の移動方向の正逆の切り替えが可能となる。

本実施形態の下側筐体９２は金属製であり、ネジ２６を介してベース部材５８と電気的に接続されている。また、ネジ２６は圧電素子２０の駆動電極５４ａとは絶縁されている。このほか、下側筐体９２を絶縁性の非金属材料で作製し、ベース部材５８をアース接地してもよい。

本実施形態の超音波モータ１０では、金属製のベース部材５８を用いることにより、圧電素子２０のうちベース部材５８に接合される面の駆動電極５４ａを省略することができる。言い換えると、ベース部材５８を圧電素子２０の共通電極として用いるとともに、これに電気接続された下側筐体９２（筐体９０）の外部に出力端子８４（図１を参照）を設けることができる。

＜第四実施形態＞
図１２は、本実施形態の超音波モータ１０の構造を示す概略図である。本実施形態の超音波モータ１０は、第一実施形態と同様に振動子５０を用いて移動子１００を駆動するものであり、発振回路８０が帰還発振器（アンプ）１１２、第１回路Ｃ１および第２回路Ｃ２を含む自励発振回路により構成されていることを特徴とする。振動子５０、弾性部材３３、３４、移動子１００、基台１０４、ローラ１０６および設置台１１０は第一実施形態と共通である。

図１２において、スイッチＳＷ２は２回路４接点の駆動電圧を印加する電極を切替えるためのものであり、第１回路Ｃ１のコモン端子Ｓ００は、帰還発振器１１２の第１の出力端子８３に常時接続されている。また、帰還発振器１１２の第２の出力端子８４は、圧電素子２０の共通電極５４ｃに接続されている。

端子Ｓ０１は駆動電極５４ａと接続され、端子Ｓ０２は駆動電極５４ｂと接続されている。また、帰還発振器１１２の入力端子１１４は、スイッチＳＷ２の第２回路Ｃ２のコモン端子Ｓ１０に接続されている。
端子Ｓ１１は、駆動電極５４ｂとアース端子１１５との間に接続された抵抗Ｒ１１、Ｒ１２の中間に設けられている。端子Ｓ１２は、駆動電極５４ａとアース端子１１６との間に接続された抵抗Ｒ２１、Ｒ２２の中間に設けられている。
帰還発振器１１２の発振周波数は、圧電素子２０ａ、２０ｂの共振周波数に設定されている。

ここで、抵抗Ｒ１１とＲ１２の直列抵抗、および抵抗Ｒ２１とＲ２２の直列抵抗の値は、駆動電圧が印加されない駆動電極５４ａまたは駆動電極５４ｂの一方が実効的に開放となるような高い抵抗値とする。なお、分圧抵抗Ｒ１２およびＲ２２の抵抗値は、帰還発振器１１２に適切な電圧が帰還されるように適宜選択可能である。

この状態で、スイッチＳＷ２を上側に倒すと、駆動電圧が駆動電極５４ａと共通電極５４ｃの間に印加されて第一振動子領域５１は通電される。一方、駆動電極５４ｂはアース端子１１５に接続されて第二振動子領域５２は開放される。これにより第一振動子領域５１は面拡がり方向に共振し、振動端部２３ａは固定部３０ａに対して接離方向に振動する。第一振動子領域５１が伸張して振動端部２３ａが固定部３０ａから離れる方向（同図の左下方向）に移動する位相では、接触子６０は移動子１００の付勢面１０２に押圧されるとともに移動子１００を左方に駆動する。第一振動子領域５１が収縮して振動端部２３ａが固定部３０ａに近づく方向（同図の右上方向）に移動する位相では、弾性部材３４によって接触子６０に与えられる付勢面１０２への付勢力の一部または全部が打ち消される。これにより、当該位相において移動子１００が逆方向（右方）に移動することはない。よって、移動子１００は、共振する第一振動子領域５１により左方に一方的に駆動される。

一方、スイッチＳＷ２を下側に倒すと、駆動電圧は駆動電極５４ｂと共通電極５４ｃの間に印加されて第二振動子領域５２は通電される。一方、駆動電極５４ａはアース端子１１６に接続されて第一振動子領域５１は開放される。これにより第二振動子領域５２は面拡がり方向に共振し、振動端部２３ｂは固定部３０ｂに対して接離方向に振動する。このため、接触子６０は移動子１００を右方に一方的に駆動する。
つまり、本実施形態の超音波モータ１０によれば、スイッチＳＷ２を切り替えるだけで、移動子１００を左右方向に選択的に移動させることができる。

本実施形態の超音波モータ１０では、開放された駆動電極５４ａまたは５４ｂが、コモン端子Ｓ１０を介して入力端子１１４に接続されて、自励発振回路用の帰還電極となる。これにより、機械的負荷状態の変化や周囲温度の変化により圧電素子２０ａ、２０ｂの共振周波数が変化した場合でも自動的にその共振周波数を追尾するため、安定な発振回路８０を構成することができる。

＜第五実施形態＞
図１３は、本実施形態の超音波モータ１０の構造を示す概略図である。本実施形態の超音波モータ１０は、図７Ａに示した第二実施形態の振動子５０を用いて移動子１００を駆動するものである。弾性部材３３、３４、移動子１００、基台１０４、ローラ１０６および設置台１１０は第一実施形態と共通である。図１３では、連結部５５を図中下方に配置して接触子６０を付勢面１０２に当接させ、移動子１００の左右方向に駆動する状態を示している。

本実施形態の印加手段（発振回路８０）は、第一振動子領域５１の圧電素子２０ａに交番電圧を印加する。そして同時に第二振動子領域５２の圧電素子２０ｂに対して、この交番電圧と位相が異なる他の交番電圧を印加する。これにより、連結部５５に設けられた接触子６０は円運動または楕円運動する。
ここで、発振回路８０が圧電素子２０ａと圧電素子２０ｂに交番電圧を同時に印加するとは、圧電素子２０ａに対する印加時間と圧電素子２０ｂに対する印加時間との少なくとも一部同士が重複していることをいう。

本実施形態の発振回路８０は、交番電圧として正弦波電圧を印加するものとする。発振回路８０は、二つの発振器８２ａ、８２ｂを備えている。発振器８２が圧電素子２０ａに印加する正弦波電圧（第一電圧）をＶ０・ｓｉｎ（ωｔ）で表す。発振器８２ｂは、この正弦波電圧と位相が異なる他の交番電圧として、Ｖ０・ｓｉｎ（ωｔ＋θ１）で表される正弦波電圧（第二電圧）を圧電素子２０ｂに印加する。つまり、第二電圧は第一電圧に対して位相が＋θ１だけ進んでいる。

第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の面拡がり方向の共振周波数はω／２πで共通である。よって、圧電素子２０ａ、２０ｂは、第一電圧または第二電圧の印加によりそれぞれ面拡がり方向に共振する。圧電素子２０ａの共振と圧電素子２０ｂの共振には位相差（θ１）がある。矩形の圧電素子２０ａ、２０ｂの頂点にあたる振動端部２３ａ、２３ｂは、この面拡がり方向の共振モードで固定部３０に対して接近および離間する振動部位である。振動端部２３ａ、２３ｂは互いに局所的に連結されて、連結部５５が鉤型に屈曲して形成されている。鉤型の連結部５５の頂点には接触子６０が設けられている。

圧電素子２０の面拡がり方向の共振モードにおいて、振動端部２３ａの振動方向と、振動端部２３ｂの振動方向とは互いに交差する関係にある。そして、上記のように振動端部２３ａ、２３ｂの共振には位相差（θ１）がある。このため、振動端部２３ａ、２３ｂの振動が合成されて、接触子６０は円運動または楕円運動することとなる。

図１４Ａ、図１４Ｂは、正弦波電圧の位相を変化させた場合の連結部５５、５６の変位方向を示す模式図である。具体的には、図１４Ａは、第二振動子領域５２に印加する正弦波電圧の位相を、第一振動子領域５１に印加する正弦波電圧の位相よりも９０度進めた場合の接触子６０の変位方向を示す模式図である。反対に、図１４Ｂは、第二振動子領域５２に印加する正弦波電圧の位相を、第一振動子領域５１に印加する正弦波電圧の位相よりも９０度遅らせた場合の接触子６０の変位方向を示す模式図である。面拡がり方向の共振モードにおける接触子６０の軌跡を太線で示す。各図で「ａ」と表記された第一の連結部５５の接触子６０と、「ｂ」と表記された第二の連結部５６の接触子６０の軌跡は、図示のように楕円（または円）を描く。これらの楕円の長軸または短軸の一方は、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とを隔てる境界ライン６３（各図にて一点鎖線で図示）の上に乗っている。境界ライン６３は、第一の連結部５５と第二の連結部５６とを結ぶラインである。本実施形態の振動子５０は、境界ライン６３に関して鏡面対称形状である。

ここで、第一振動子領域５１に印加する第一電圧をＶ０・ｓｉｎ（ωｔ）とし、第二振動子領域５２に印加する第二電圧をＶ０・ｓｉｎ（ωｔ＋９０°）＝Ｖ０・ｃｏｓ（ωｔ）とする。このとき、図１４Ａに示すように、第一の連結部５５は図中の時計回り（ＣＷ）に楕円運動し、第二の連結部５６は反時計回り（ＣＣＷ）に楕円運動する。
そして、位相差（θ１）を反転して、第二振動子領域５２に印加する第二電圧をＶ０・ｓｉｎ（ωｔ−９０°）＝−Ｖ０・ｃｏｓ（ωｔ）とすると、連結部５５、５６の回転方向は反転する。具体的には、図１４Ｂに示すように、第一の連結部５５は図中の反時計回り（ＣＣＷ）に楕円運動し、第二の連結部５６は時計回り（ＣＷ）に楕円運動する。

なお、位相差（θ１）は−πから＋πの間で特に限定されない。第一接続部５５ａと第二接続部５５ｂ（図７Ｂを参照）を異なる長さまたは異なる剛性にすることで、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の共振の位相差（θ１）がゼロであっても接触子６０を楕円運動させることは可能である。

本実施形態の印加手段（発振回路８０）は、交番電圧（第一電圧）と他の交番電圧（第二電圧）との位相差（θ１）を正負反転または増減させる。すると、接触子６０の円運動もしくは楕円運動の回転方向が反転するか、または、円運動もしくは楕円運動の軌跡が変化する。

より具体的には、発振回路８０は、発振器８２ａ、８２ｂからそれぞれ出力される交番電圧の位相差（θ１）を任意に調整する位相差調整手段（図示せず）を備えている。そして、位相差（θ１）を正負反転（＋θ１→−θ１）すると接触子６０の回転方向が反転するため、移動子１００の移送方向が切り替えられる。また、位相差（θ１）を増減調整することで、接触子６０の円運動または楕円運動の軌跡の離心率が変化するため、移動子１００の送り速度を緩急自在に調整することができる。

図１５は、本実施形態の圧電素子２０のインピーダンスの周波数特性に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。シミュレーション条件としては、圧電セラミクスからなる圧電素子２０の外形寸法を、幅４３ｍｍ、高さ２０ｍｍ、厚さを２ｍｍとした。圧電素子２０の中央の凹部３６を貫通スリットとし、スリット幅を３ｍｍとした。また、図７Ｂに示した第一接続部５５ａおよび第二接続部５５ｂの角度θを３０度とした。そして、それぞれ１０ｍｍ四方の領域を第一振動子領域５１および第二振動子領域５２とした。
かかる圧電素子２０に対して、第一振動子領域５１には第一電圧として正弦波電圧を印加し、第二振動子領域５２には第一電圧との位相差が＋９０度の第二電圧を印加した。そして、これらの周波数を同時に変化させながら圧電素子２０のインピーダンスをシミュレートした。このとき、固定部３０、接触子６０、駆動電極５４ａ、５４ｂおよび共通電極５４ｃ（図１３を参照）の剛性は無視した。

図１５に示すように、９２ｋＨｚの周波数にて圧電素子２０のインピーダンスが極小値となった。
図１６Ａから図１６Ｄは、この共振周波数の正弦波電圧（第一電圧）を第一振動子領域５１に印加し、第二振動子領域５２に上記の第二電圧を印加した状態における圧電素子２０をＦＥＭ解析して得られた変位モード図である。図５と同様に、変位モード図では変位量の大きい部位を濃色で示し、変位量の少ない部位を淡色で示している。

図１６Ａは第一振動子領域５１が面央部２２を中心に平面内で収縮して最大縮み変形の状態を示している。このとき、第一電圧の絶対値は最大（Ｖ０）である。面央部２２は第一振動子領域５１の重心であり、超音波モータ１０において固定部３０が配置される領域である（図１３を参照）。

このとき、第二振動子領域５２の変位はほぼゼロである。第二振動子領域５２に印加される第二電圧は第一電圧よりも９０度だけ位相が進んでいるため、第二電圧の絶対値がゼロになっているためである。

第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の面央部２２同士を通るラインを中心ライン６４として一点鎖線で示す。第一振動子領域５１と第二振動子領域５２とを隔てる境界ライン６３と中心ライン６４とは直交している。図１６Ａの状態で、第一の連結部５５と第二の連結部５６は、境界ライン６３よりも第一振動子領域５１の側に変位している。

第一の連結部５５と第二の連結部５６の接触子６０は、それぞれ円運動する。円運動の軌跡ＣＴを太線で表す。

図１６Ｂは、図１６Ａの状態から位相が９０度進んだ変位モードを示す。図１６Ｂは、第二振動子領域５２が面央部２２を中心に平面内で伸張した最大伸び変形の状態を示している。このとき、第一電圧の絶対値はゼロであり、第一振動子領域５１の変位はほぼゼロである。したがって、第一の連結部５５および第二の連結部５６は、境界ライン６３よりも第一振動子領域５１の側に変位している。

図１６Ｃは、図１６Ｂの状態から、さらに位相が９０度進んだ変位モードを示す。図１６Ｃでは、第二電圧の絶対値は再びゼロとなり、第二振動子領域５２の変位はほぼゼロとなる。一方、第一振動子領域５１は面央部２２を中心に平面内で伸張した最大伸び変形の状態にある。したがって、第一の連結部５５および第二の連結部５６は、境界ライン６３よりも第二振動子領域５２の側に変位している。

図１６Ｄは、図１６Ｃの状態から、さらに位相が９０度進んだ変位モードを示す。図１６Ｄでは、第一電圧の絶対値が再びゼロとなり、第一振動子領域５１の変位はほぼゼロとなる。第二振動子領域５２は面央部２２を中心に平面内で収縮した最大縮み変形の状態にある。したがって、第一の連結部５５および第二の連結部５６は、境界ライン６３よりも第二振動子領域５２の側に変位している。

以上、図１６Ａから図１６Ｄで示すように、第一の連結部５５の接触子６０は時計回りに円運動し、第二の連結部５６の接触子６０は反時計回りに円運動することが分かる。

かかる圧電素子２０を用いた本実施形態の超音波モータ１０は、第一振動子領域５１の固定部３０ａと第二振動子領域５２の固定部３０ｂとを結ぶライン（中心ライン６４）の両側に第一の連結部５５と第二の連結部５６とが設けられている。第一の連結部５５と第二の連結部５６には、接触子６０がそれぞれ設けられている。そして、第一の連結部５５の接触子６０の円運動もしくは楕円運動の回転方向と、第二の連結部５６の接触子６０の円運動もしくは楕円運動の回転方向と、は互いに反対である。本実施形態の超音波モータ１０は、複数箇所の駆動部である第一の連結部５５の接触子６０と第二の連結部５６の接触子６０を同時に駆動することができる。よって、複数個の移動子１００を同時に駆動することができ、また一個の移動子１００の異なる二箇所を同時に付勢して駆動することもできる。

図１３に示す発振器８２ａ、８２ｂの出力信号の位相差（θ１）を調整することで、本実施形態の超音波モータ１０は、接触子６０の描く軌跡を可変とすることが可能である。また、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の共振周波数はω／２πで共通であり単一の振動モードを用いることができる。このため、超音波モータ１０の動作時の温度や機械負荷によってこの共振周波数が変化しても接触子６０の軌跡は不変であって、移動子１００を安定して駆動することができる。

また、図１６各図の変位モード図から明らかなように、第一振動子領域５１と第二振動子領域５２の面央部２２はともに振動振幅の小さな不動点となるため、超音波モータ１０における固定部３０を双方の面央部２２に形成することができる。このため、超音波モータ１０を筐体９０（図１１を参照）に対して複数点で安定して固定することが可能である。

＜第六実施形態＞
図１７は、本実施形態の振動子５０の分解斜視図である。
本実施形態の振動子５０は、第一の圧電素子２０ａおよび第二の圧電素子２０ｂと、連結部５５を含む金属製のフレーム部５９と、を備えている。フレーム部５９は、第一の圧電素子２０ａおよび第二の圧電素子２０ｂをそれぞれ嵌め込んで装着するための貫通孔３８を有している。第一の圧電素子２０ａおよび第二の圧電素子２０ｂの表裏の主面には、電極（駆動電極５４）が設けられている（裏面側の電極は図示省略）。

フレーム部５９は、ステンレス鋼などの金属材料からなる。フレーム部５９は、一対の貫通孔３８と、その間に配置された貫通スリット（凹部３６）と、を備えている。言い換えると、フレーム部５９は、略長方形状の金属板に一対の貫通孔３８および貫通スリット（凹部３６）を穿設したものである。

第一の圧電素子２０ａと第二の圧電素子２０ｂは、厚さ方向に分極された圧電材料に駆動電極５４を被着したものである。両者の分極方向は、図１７に矢印で示すように共通である。第一の圧電素子２０ａおよび第二の圧電素子２０ｂは略正方形をなしている。第一の圧電素子２０ａおよび第二の圧電素子２０ｂは、貫通孔３８に嵌め込まれることによりフレーム部５９に固定される。

フレーム部５９は、矩形の閉環部５９ａ、５９ｂと、これらの閉環部５９ａ、５９ｂのコーナー部同士を連結する連結部５５、５６と、を含む。閉環部５９ａには第一の圧電素子２０ａが嵌め込まれ、閉環部５９ｂには第二の圧電素子２０ｂが嵌め込まれる。

図１８は、本実施形態の超音波モータ１０の構造を示す概略図である。本実施形態の超音波モータ１０は、図１７に示した振動子５０を用いて移動子１００を駆動するものである。弾性部材３３、３４、移動子１００、付勢面１０２、基台１０４、ローラ１０６、設置台１１０および移動子１００の駆動方向は、第五実施形態と共通である。

第一の圧電素子２０ａおよび第二の圧電素子２０ｂの各中央を固定部３０として、弾性部材３３、３４を介して設置台１１０に固定する。スイッチＳＷ１の切り替え操作により、第一の圧電素子２０ａまたは第二の圧電素子２０ｂの一方（図１８では第一の圧電素子２０ａ）に交流電圧Ｖ０を与え、他方（同、第二の圧電素子２０ｂ）を開放電位とする。交流電圧Ｖ０の周波数は、第一の圧電素子２０ａおよび第二の圧電素子２０ｂの面拡がり方向の共振周波数である。かかる交流電圧Ｖ０の印加により、上記一方の圧電素子を含む振動子領域（第一振動子領域５１）には面拡がり振動が生じる。これにより、フレーム部５９の長辺部中央にあたる連結部５５に設けた接触子６０が、この長辺方向（図１８の左右方向）に対して斜め直線方向の軌跡を描く変形を得る。接触子６０が、固定部３０と振動端部２３ａとを結ぶ第一振動子領域５１の対角線方向の略延長線上に位置しているためである。

かかる接触子６０を、直線方向または回転方向に移動自在（図１８では直線方向）に設置されている移動子１００に接触させることで移動子１００は駆動される。そして、スイッチＳＷ１の操作によって第一の圧電素子２０ａまたは第二の圧電素子２０ｂへの給電または開放を切り替えることで、移動子１００の移動方向が正逆に切り替えられる。

本実施形態の超音波モータ１０によれば、第一の圧電素子２０ａおよび第二の圧電素子２０ｂは、面拡がり方向の共振モードにおいて、その面央部を不動点とし四隅が放射方向に伸縮する。このため、当該面央部を固定部３０とすることで、超音波モータ１０を設置台１１０に安定して支持および固定することができる。

また、本実施形態の振動子５０は、フレーム部５９の閉環部５９ａの内部に第一の圧電素子２０ａを嵌め込んで固定するため、フレーム部５９のコーナー部にあたる振動端部２３ａは面拡がり方向に柔軟に変形する。よって、第一の圧電素子２０ａの共振時の変形がフレーム部５９で抑制されることがなく、接触子６０を十分なストロークで変位させることができる。また、第一の圧電素子２０ａをフレーム部５９に嵌め込むことで、超音波モータ１０の厚み寸法の低背化を図ることができる。第二の圧電素子２０ｂに関しても同様である。

なお、本実施形態では一つの発振器を用いて第一の圧電素子２０ａと第二の圧電素子２０ｂに交流電圧Ｖ０を切り替えて印加することを例示したが、本発明はこれに限られない。第五実施形態のように、互いに位相が異なる複数の発振器が出力する正弦波電圧を第一の圧電素子２０ａと第二の圧電素子２０ｂにそれぞれ印加して、接触子６０を円運動または楕円運動させてもよい。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的が達成される限りにおける種々の変形、改良等の態様も含む。
たとえば上記各実施形態において、第一振動子領域５１および第二振動子領域５２は固定部３０ａ、３０ｂの一点でそれぞれ固定することを例示したが、これに限られない。複数点にて第一振動子領域５１および第二振動子領域５２をそれぞれ固定してもよい。この場合において、振動端部２３ａ、２３ｂが固定部に対してそれぞれ接離方向に振動するとは、当該複数点の固定部のうちの一つまたは複数点の固定部の重心位置に対して接近または離間する方向に振動することを意味する。また、上記実施形態では二つの振動子領域を横並びに配置してそれぞれに交番電圧を印加することを例示したが、これに限られない。３以上の振動子領域を配置してもよい。

また、上記実施形態では、面拡がり方向の共振モードにおいて、第一振動子領域５１または第二振動子領域５２の各四箇所の角部が同時に変位する場合を例示したが、本発明はこれに限られない。連結部５５が接続された振動端部２３ａまたは振動端部２３ｂのみが共振する変位モードとしてもよい。具体的には、振動端部２３ａにおける圧電素子２０の厚さを、コーナー部２３ｉ〜２３ｋにおける圧電素子２０の厚さと相違させてもよい。これにより、所定の共振周波数において、もっぱら振動端部２３ａのみを面拡がり方向に共振させることができ、エネルギー変換効率をより高めることが可能である。

上記実施形態の超音波モータ１０は、以下の技術的思想を包含する。
（１）厚さ方向に分極された圧電素子および固定部をそれぞれ有する第一振動子領域および第二振動子領域と、前記圧電素子にそれぞれ交番電圧を印加して前記第一振動子領域および前記第二振動子領域を個別に面拡がり方向に共振させる印加手段と、前記第一振動子領域と前記第二振動子領域とを連結する連結部と、前記連結部に設けられた接触子と、を備え、前記第一振動子領域は、前記共振により前記第一振動子領域の前記固定部に対して接離方向に振動する第一振動部位を含み、前記第二振動子領域は、前記共振により前記第二振動子領域の前記固定部に対して接離方向に振動する第二振動部位を含み、前記連結部は、前記第一振動部位と前記第二振動部位とを連結していることを特徴とする超音波モータ。
（２）前記連結部が、前記第一振動部位から前記接触子に向かって延在する第一接続部と、前記第二振動部位から前記接触子に向かって延在する第二接続部と、を有し、前記第一接続部と前記第二接続部の延在方向が互いに交叉していることを特徴とする上記（１）に記載の超音波モータ。
（３）前記第一接続部と前記第二接続部とが互いに交叉して連結されて、前記連結部が鉤型に屈曲して形成されている上記（２）に記載の超音波モータ。
（４）前記第一振動部位が前記第一振動子領域の周縁部であり、前記第二振動部位が前記第二振動子領域の周縁部であり、かつ、前記接触子が、前記第一振動子領域または前記第二振動子領域が前記面拡がり方向に共振したときの変位量が極大となる位置に設けられている上記（１）から（３）のいずれかに記載の超音波モータ。
（５）前記第一振動子領域と前記第二振動子領域との間に凹部が設けられている上記（１）から（４）のいずれかに記載の超音波モータ。
（６）前記第一振動子領域および前記第二振動子領域が、互いに隣接する矩形状をなし、前記凹部が、前記第一振動子領域および前記第二振動子領域の互いに近接する辺同士の間に形成された、前記辺に沿って延在するスリット状の貫通孔である上記（５）に記載の超音波モータ。
（７）第一および第二の前記圧電素子と、前記圧電素子の表裏面に設けられた電極と、前記連結部を含む金属製のフレーム部と、を備え、前記フレーム部は、前記第一および第二の圧電素子を嵌め込んで装着するための貫通孔を有する上記（１）から（６）のいずれかに記載の超音波モータ。
（８）前記印加手段が、前記第一振動子領域の前記圧電素子に前記交番電圧を印加し、かつ同時に前記第二振動子領域の前記圧電素子に前記交番電圧と位相が異なる他の交番電圧を印加して、前記接触子を円運動または楕円運動させることを特徴とする上記（１）から（７）のいずれかに記載の超音波モータ。
（９）前記印加手段が、前記交番電圧と前記他の交番電圧との位相差を正負反転または増減させる位相差調整手段を含み、前記位相差調整手段が前記位相差を正負反転または増減させることで、前記接触子の前記円運動もしくは前記楕円運動の回転方向が反転し、または前記円運動もしくは前記楕円運動の軌跡が変化することを特徴とする上記（８）に記載の超音波モータ。
（１０）前記第一振動子領域の前記固定部と前記第二振動子領域の前記固定部とを結ぶラインの両側に第一の前記連結部と第二の前記連結部とが設けられ、前記第一の連結部と前記第二の連結部には前記接触子がそれぞれ設けられており、前記第一の連結部の前記接触子の前記円運動もしくは前記楕円運動の回転方向と、前記第二の連結部の前記接触子の前記円運動もしくは前記楕円運動の回転方向と、が互いに反対である上記（８）または（９）に記載の超音波モータ。

（付記１）上記第一振動部位および第二振動部位（極大変位部）が、上記共振による上記接離方向の変位成分が極大となる位置である上記の超音波モータ。
（付記２）上記接触子を移動子に予圧する付勢手段をさらに備える上記の超音波モータ。
（付記３）上記第一振動子領域と上記第二振動子領域とが、互いに略同一の長方形、正方形または円形である上記の超音波モータ。
（付記４）上記面拡がり方向の共振による上記第一振動子領域および上記第二振動子領域の変位モード形状が、上記圧電素子の面央部を不動点とし周縁部を最大変位点とすることを特徴とする上記の超音波モータ。
（付記５）上記第一接続部および上記第二接続部を収容する筐体をさらに備えるとともに、上記固定部が上記不動点を上記筐体に固定する上記の超音波モータ。
（付記６）上記第一振動子領域と上記第二振動子領域との並び方向を基準として、上記第一接続部の延在方向が、上記接離方向よりも浅い角度である上記の超音波モータ。
（付記７）上記接触子が、上記連結部の少なくとも外側の表面に上記第一接続部および上記第二接続部よりも硬質の材料が皮膜形成されてなることを特徴とする上記の超音波モータ。
（付記８）上記印加手段が、交番電圧の印加を上記第一振動子領域と上記第二振動子領域とに切り替えることで、上記接触子の上記面拡がり方向の変位成分が、上記第一振動子領域と上記第二振動子領域との並び方向に反転する上記の超音波モータ。
（付記９）上記第一振動子領域および上記第二振動子領域の一方面に個別に設けられて上記交番電圧が上記印加手段により選択的に印加される駆動電極と、他方面に上記第一振動子領域と上記第二振動子領域とにまたがって形成されて上記交番電圧が同時に印加される共通電極と、を備える。
（付記１０）上記第一振動子領域および上記第二振動子領域における上記圧電素子と上記連結部とが圧電材料により一体に形成されているとともに、上記圧電素子の一方面には上記第一振動子領域および上記第二振動子領域に駆動電極が個別に積層され、上記圧電素子の他方面には上記第一振動子領域および上記第二振動子領域に亘る共通電極が積層されている上記の超音波モータ。
（付記１１）上記第一振動子領域、上記第二振動子領域および上記連結部に亘る金属製のベース部材を備え、上記第一振動子領域および上記第二振動子領域は、上記交番電圧の印加電極が形成された上記圧電素子が上記ベース部材にそれぞれ接合されて構成されている上記の超音波モータ。
（付記１２）上記第一振動子領域と上記第二振動子領域との間に、上記第一振動子領域と上記第二振動子領域の並び方向に対して交叉する方向に延在する凹部が貫通孔として形成されている上記の超音波モータ。
（付記１３）前記印加手段が、前記第一振動子領域の前記圧電素子または前記第二振動子領域の前記圧電素子に選択的に前記交番電圧を印加して、前記接触子を往復運動させる上記の超音波モータ。
（付記１４）前記交番電圧を印加する前記圧電素子の選択を前記印加手段が切り替えることで、前記接触子の往復運動の軌跡が変化することを特徴とする上記の超音波モータ。

この出願は、２０１０年１０月２７日に出願された日本出願特願２０１０−２４０２６９号を基礎とする優先権を主張し、その開示の総てをここに取り込む。

本発明の超音波モータは、厚さ方向に分極された圧電素子および固定部をそれぞれ有する第一振動子領域および第二振動子領域と、前記圧電素子にそれぞれ交番電圧を印加して前記第一振動子領域および前記第二振動子領域を個別に面拡がり方向に共振させる印加手段と、前記第一振動子領域と前記第二振動子領域とを連結する連結部と、前記連結部に設けられた接触子と、を備え、前記第一振動子領域は、前記共振により前記第一振動子領域の前記固定部に対して接離方向に振動する第一振動部位を含み、前記第二振動子領域は、前記共振により前記第二振動子領域の前記固定部に対して接離方向に振動する第二振動部位を含み、前記連結部は、前記第一振動部位と前記第二振動部位とを連結し、前記第一振動子領域と前記第二振動子領域との間に凹部が設けられていることを特徴とする。

Claims (10)

1. 厚さ方向に分極された圧電素子および固定部をそれぞれ有する第一振動子領域および第二振動子領域と、前記圧電素子にそれぞれ交番電圧を印加して前記第一振動子領域および前記第二振動子領域を個別に面拡がり方向に共振させる印加手段と、前記第一振動子領域と前記第二振動子領域とを連結する連結部と、前記連結部に設けられた接触子と、を備え、
   前記第一振動子領域は、前記共振により前記第一振動子領域の前記固定部に対して接離方向に振動する第一振動部位を含み、
   前記第二振動子領域は、前記共振により前記第二振動子領域の前記固定部に対して接離方向に振動する第二振動部位を含み、
   前記連結部は、前記第一振動部位と前記第二振動部位とを連結していることを特徴とする超音波モータ。
2. 前記連結部が、前記第一振動部位から前記接触子に向かって延在する第一接続部と、前記第二振動部位から前記接触子に向かって延在する第二接続部と、を有し、前記第一接続部と前記第二接続部の延在方向が互いに交叉していることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記第一接続部と前記第二接続部とが互いに交叉して連結されて、前記連結部が鉤型に屈曲して形成されている請求項２に記載の超音波モータ。
4. 前記第一振動部位は、前記第一振動子領域の周縁部であって前記面拡がり方向に共振したときの変位量が極大となる位置であり、
   前記第二振動部位は、前記第二振動子領域の周縁部であって前記面拡がり方向に共振したときの変位量が極大となる位置である請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波モータ。
5. 前記第一振動子領域と前記第二振動子領域との間に凹部が設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波モータ。
6. 前記第一振動子領域および前記第二振動子領域が、互いに隣接する矩形状をなし、
   前記凹部が、前記第一振動子領域および前記第二振動子領域の互いに近接する辺同士の間に形成された、前記辺に沿って延在するスリット状の貫通孔である請求項５に記載の超音波モータ。
7. 第一および第二の前記圧電素子と、前記圧電素子の表裏面に設けられた電極と、前記連結部を含む金属製のフレーム部と、を備え、
   前記フレーム部は、前記第一および第二の圧電素子を嵌め込んで装着するための貫通孔を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波モータ。
8. 前記印加手段が、前記第一振動子領域の前記圧電素子に前記交番電圧を印加し、かつ同時に前記第二振動子領域の前記圧電素子に前記交番電圧と位相が異なる他の交番電圧を印加して、前記接触子を円運動または楕円運動させることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の超音波モータ。
9. 前記印加手段が、前記交番電圧と前記他の交番電圧との位相差を正負反転または増減させることで、前記接触子の前記円運動もしくは前記楕円運動の回転方向が反転し、または前記円運動もしくは前記楕円運動の軌跡が変化することを特徴とする請求項８に記載の超音波モータ。
10. 前記第一振動子領域の前記固定部と前記第二振動子領域の前記固定部とを結ぶラインの両側に第一の前記連結部と第二の前記連結部とが設けられ、前記第一の連結部と前記第二の連結部には前記接触子がそれぞれ設けられており、
    前記第一の連結部の前記接触子の前記円運動もしくは前記楕円運動の回転方向と、前記第二の連結部の前記接触子の前記円運動もしくは前記楕円運動の回転方向と、が互いに反対である請求項８または９に記載の超音波モータ。

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