WO2012073850A1

WO2012073850A1 - 超音波モータ

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Publication number: WO2012073850A1
Application number: PCT/JP2011/077303
Authority: WO
Inventors: 坂野　博通
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-06-07
Also published as: JP2012120313A

Abstract

　中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、該矩形状を構成する短辺と長辺との比率が所定の値に設定され、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が励起される積層圧電素子（40）を具備する超音波モータを、次のように構成する。積層圧電素子（40）のうち捻れ軸の延長上に軸状部材である押圧軸（22a）を設ける。また、フレーム（31）のうち積層圧電素子（40）の捻れ軸の延長上の位置に、押圧軸（22a）が挿入される孔部を設ける。さらに、積層圧電素子（40）のうちロータ機構部（10）の回転軸の延長上に位置決めピン（43）を設ける。そして、ロータ機構部（10）のうち回転軸上であって積層圧電素子（40）に対向する面に、位置決めピン（43）が挿入される位置決め孔部（14h,15h）を設ける。

Description

超音波モータ

　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、ストロークが長く高分解能である点、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。

　超音波モータでは、超音波振動子を、摩擦部材である駆動子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付けることで、前記駆動子と前記被駆動部材との間に摩擦力を発生させ、この摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。

　例えば、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に発生させ、該楕円振動を利用して前記被駆動部材を駆動する超音波モータが知られている。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。

　この特許文献１に開示されている技術によれば、棒状弾性体の側面において互いに対向して配置された２個の積層圧電素子の伸縮振動を利用して、前記棒状弾性体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記棒状弾性体の端面に設けられた駆動子に楕円運動を励起させて、駆動子によりロータを回転させる超音波モータが開示されている。

　詳細には、特許文献１に開示されている超音波モータでは、縦振動の周波数と、捻れ振動の周波数と、を略一致させる為に、前記棒状弾性体に溝部を設けている。そして、この溝部の位置を調整することで、縦振動の周波数と捻れ振動の周波数との共振周波数を略一致させている。

　さらに、前記棒状弾性体の中央部には長さ方向に沿った貫通孔が設けられ、該貫通孔にシャフトが挿入されて固定されている。そして、このシャフトを基準にして支持されたロータを、上述した楕円振動から駆動力を得た前記駆動子によって回転させている。

特開平９－１１７１６８号公報

　ところで、特許文献１に開示されている超音波モータは、以下の理由により、組み立て容易性が良好であるとは言い難い。

　すなわち、特許文献１に開示されている超音波モータでは、積層圧電素子と棒状弾性体とを接着固定しなければならない点、及び、縦振動の周波数と捻れ振動の周波数とを略一致させる為に棒状弾性体に溝部を形成しなくてはならない点、が組み立て容易性を低下させている。そして、このような組立性の不良が、当該超音波モータのモータ性能のばらつきや低下を招くことがある。

　本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、組み立て容易性が良好な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、本発明の一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、該矩形状を構成する短辺と長辺との比率が所定の値に設定され、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が励起される振動子と、
　前記振動子のうち前記楕円振動が励起される面に設けられた駆動子と、
　前記駆動子に対して当接し、前記振動子の前記楕円振動を駆動源として、前記中心軸を回転軸として回転駆動されるロータ機構部と、
　前記ロータ機構部に向かって前記振動子を押圧する押圧部と、
　前記ロータ機構部と前記押圧部と共に前記振動子を保持するフレームと、
　前記振動子のうち前記押圧部に対向する面において、前記振動子の前記捻れ軸の延長上に設けられた軸状部材であるホルダ軸と、
　前記フレームのうち前記振動子の前記捻れ軸の延長上の位置に設けられ、前記ホルダ軸が挿入されるホルダ軸挿入孔と、
　前記振動子のうち前記ロータ機構部に対向する面において、前記ロータ機構部の回転軸の延長上に設けられた位置決めピンと、
　前記ロータ機構部のうち前記回転軸上であって前記振動子に対向する面に設けられ、前記位置決めピンが挿入される位置決め孔部と、
　を具備することを特徴とする。

　本発明によれば、組み立て容易性が良好な超音波モータを提供することができる。

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斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る超音波モータのロータ機構部近傍についての分解斜視図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る超音波モータの分解斜視図（伝達部材については不図示）である。図４は、本発明の第１実施形態に係る超音波モータのロータ機構部近傍の正面断面図である。図５は、積層圧電素子の一構成例を示す図である。図６Ａは、縦1次振動モードにおける積層圧電素子の振動状態を破線で示す斜視図である。図６Ｂは、捻れ２次振動モードにおける積層圧電素子の振動状態を破線で示す斜視図である。図７は、積層圧電素子の各振動モードにおける共振周波数特性の一例を示す図である。図８は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す斜視図である。図９は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの押圧機構部近傍の拡大斜視図である。図１０は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータのホルダとフレームとの係わり合いを示す斜視図である。図１１は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータのホルダとフレームとの係わり合いを示す斜視図である。

　以下、本発明の実施形態に係る超音波モータについて、図面を参照して説明する。

［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斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る超音波モータのロータ機構部近傍についての分解斜視図である。図３は、第１実施形態に係る超音波モータの分解斜視図である（伝達部材については不図示）。図４は、本発明の第１実施形態に係る超音波モータのロータ機構部近傍の正面断面図である。

　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、伝達部材１３と、押圧機構部２０と、フレーム３１と、積層圧電素子４０と、を具備する。

　前記フレーム３１は、振動体収容フレーム３１Ｐと、ロータ機構収容フレーム３１Ｒと、を備える。

　まず、フレーム３１について詳細に説明する。

　前記振動体収容フレーム３１Ｐは、互いに対向する一対の板状部材である第１板状部材３１Ｐ１、第２板状部材３１Ｐ２と、当該振動体収容フレームの底面を成す第３板状部材３１Ｐ３と、から成る。

　前記第１板状部材３１Ｐ１には、後述する規制部材５１ａ１を螺子止めする為の複数の螺子孔３１Ｐ１ｓｈが厚み方向に形成されており、且つ、規制部材５１ａ１に設けられた複数の突起部５１ａ１ｔがそれぞれ挿通される複数の貫通孔３１Ｐ１ｔｈが厚み方向に貫通して設けられている。

　同様に、前記第２板状部材３１Ｐ２には、後述する規制部材５１ａ２を螺子止めする為の複数の螺子孔（不図示）が厚み方向に形成されており、且つ、規制部材５１ａ２に設けられた複数の突起部５１ａ２ｔがそれぞれ挿通される複数の貫通孔（不図示）が厚み方向に貫通して設けられている。

　前記第３板状部材３１Ｐ３には、後述するホルダ２２の押圧軸２２ａが挿入される押圧軸挿入孔３１Ｐ３ｈが、当該振動子収容フレーム３１Ｐに配設された積層圧電素子４０の捻れ軸（捻れ振動の中心軸）の延長上の位置に設けられている。

　前記ロータ機構収容フレーム３１Ｒは、ロータ機構部１０を収容する為の凹み部を備えた一対の略板状部材である第１ロータ側面部材３１Ｒ１と第２ロータ側面部材３１Ｒ２と、から成る。これら第１ロータ側面部材３１Ｒ１、第２ロータ側面部材３１Ｒ２には、後述する固定板１６との当接面に、固定板１６を螺子止めする為の螺子孔３１Ｒ１ｈ，３１Ｒ２ｈと、固定板１６に形成された貫通孔１６ｔｈ１，１６ｔｈ２に挿入するピン３１ｔ１，３１ｔ２と、が設けられている。

　前記伝達部材１３は、円筒形状の軸部１３ａと、該軸部１３ａの一端に設けられた歯車部１３ｇと、を備える。この伝達部材１３には、後述する出力部材１５の出力軸１５ａの外径と略同径の貫通孔１３Ｈが、軸部１３ａの長手方向に沿って形成されている。

　詳細には、この貫通孔１３Ｈは、軸部１３ａの中心軸に対して同心であり、出力軸１５ａの外径と略同径の貫通孔である。この貫通孔１３Ｈには、出力軸１５ａが挿入されて固定（結合）されており、この出力軸１５ａの回転に従って当該伝達部材１３は回転する。

　そして、この伝達部材１３は、ロータ機構収容フレーム３１Ｒ上に載置されて固定された固定板１６上に配設されている。そして、後述する固定板１６の貫通孔１６Ｈに挿通されて当該固定板１６上に露出している出力軸１５ａが、伝達部材１３の貫通孔１３Ｈに挿入されて固定（結合）されている。このように、伝達部材１３は、フレーム３１の外部に配設され、出力部材１５の回転に伴って回転する。

　ここで、固定板１６と伝達部材１３との間には、スペーサ１９が、出力軸１５ａに挿通されて介在している。このスペーサ１９は、固定板１６と伝達部材１３との間に配設される円環形状の部材であり、固定板１６と伝達部材１３とを離間させることで、駆動時における両者間の摩擦を防ぐ為の部材である。

　ところで、前記ロータ機構部１０は、軸受け１２と、摺動板１４と、出力部材１５と、固定板１６と、スペーサ１９と、を有する。

　前記軸受け１２は、後述する固定板１６の円筒部１６ｃの内径（貫通孔１６Ｈの径）と略同径の外径の第１円筒部１２ｃ１と、前記円筒部１６ｃの外径と略同径の外径の第２円筒部１２ｃ２と、を備えるベアリング部材である。この軸受け１２の内径は、後述する出力部材１５の出力軸１５ａと略同径であり、出力軸１５ａは当該軸受け１２に挿通される。

　詳細には、この軸受け１２は、内周面が回転可能に構成されたベアリング部材であり、第１円筒部１２ｃ１の外周面は固定板１６の円筒部１６ｃの内周面に対して固定され、第２円筒部１２ｃ２の下端面は出力部材１５の出力基部１５ｂ（詳細は後述）の上端面に接触している。

　前記摺動板１４は、一方面は積層圧電素子４０の上端面に設けられた駆動子４１に接触するよう配置され、他方面は出力部材１５を構成する出力基部１５ｂの下端面に対して、例えば接着等により固定されている略円環形状の部材である。この摺動板１４によって、積層圧電素子４０の振動が駆動子４１を介して駆動力として出力部材１５に伝達される。換言すれば、摺動板１４と出力部材１５とが一つのロータを構成している。

　前記出力部材１５は、出力軸１５ａと、該出力軸１５ａの一方端面（下端面）に接続されている略円盤形状の出力基部１５ｂと、を備える。前記出力軸１５ａは、上述したように伝達部材１３の軸部１３ａに形成された貫通孔１３Ｈに挿入されて例えば接着等により固定される。

　この出力基部１５ｂは、出力軸１５ａが接続されている面とは逆側の面（下端面）が摺動板１４に対して例えば接着等により固定される。詳細には、この出力基部１５ｂは、摺動板１４との対向面には摺動板１４の外径と略同径の凹み部１５ｒが形成されており、この凹み部１５ｒ表面に、摺動板１４が嵌め込まれて例えば接着等により固定される。

　摺動板１４及び出力基部１５ｂには、積層圧電素子４０上面に設けられた位置決めピン４３（詳細は後述）が挿入される貫通孔（位置決めピン挿入孔１４ｈ，１５ｈ）が、それぞれ積層圧電素子４０側の面に形成されている。詳細には、この位置決めピン挿入孔１４ｈ，１５ｈは、それぞれ摺動板１４、出力基部１５ｂ（の凹み部１５ｒ）の中心軸に対応する位置に形成されている。詳細は後述するが、これら位置決めピン挿入孔１４ｈ，１５ｈに、位置決めピン４３を挿入するように組み立てることで、それら部材同士の位置関係が必然的に最適化されて組み上がる。

　前記ロータ機構部１０からの出力は、出力部材１５の出力軸１５ａに固定（結合）された伝達部材１３を介して、当該伝達部材１３の歯車部１３ｇにより外部に伝達される（駆動力が取り出される）。

　前記固定板１６は、板部１６ｂと、該板部１６ｂの一方面に設けられた円筒部１６ｃと、を備える。この固定板１６は、その厚み方向に、軸受け１２の第１部１２ｃの外径と略同径の貫通孔１６ｈが形成されている。固定板１６の貫通孔１６ｈの内周面と、軸受け１２の第１部１２ｃ１の外周面とは、例えば接着等により固定されている。換言すれば、この固定板１６には、接着等により固定された摺動板１４と出力部材１５とから成るロータ部組が、軸受け１２を介して回転自在に配設されている。

　ここで、前記板部１６ｂには、上述したようにロータ機構収容フレーム３１Ｒに設けられたピン３１ｔ１，３１ｔ２が挿入される貫通孔１６ｔｈ１，１６ｔｈ２と、ロータ機構収容フレーム３１Ｒ上に載置された当該板部１６ｂをロータ機構収容フレーム３１Ｒに対して螺子止めする為の貫通孔１６ｐｈ１，１６ｐｈ２と、が形成されている。

　このように、固定板１６は、上述のロータ機構収容フレーム３１Ｒに設けられたピン３１ｔ１，３１ｔ２を基準として位置合わせされ、且つ、螺子ｓｒによりロータ機構収容フレーム３１Ｒに対して固定される。これにより、積層圧電素子４０をロータ機構部１０に向かって加圧する後述するバネ２１の押圧力により、積層圧電素子４０に接着固定された駆動子４１は、ロータ表面（摺動板１４表面）に対して適正な押圧力で接触する。これにより、積層圧電素子の楕円振動が、駆動力としてロータ機構部１０に伝達される。

　前記押圧機構部２０は、バネ２１とホルダ２２とを備える。

　前記バネ２１は、積層圧電素子４０をロータ機構部１０に向かって押圧する為の部材であり、ホルダ２２によって位置決めされる。このバネ２１は、振動体収容フレーム３１Ｐの第３板状部材３１Ｐ３と、積層圧電素子４０と、によって撓んだ状態で挟持される。具体的には、このバネ２１は、例えば板バネやコイルバネ等である。

　前記ホルダ２２は、押圧軸２２ａと固定部２２ｆとを備える。詳細には、押圧軸２２ａと、積層圧電素子４０の長手方向の中心軸（捻れ振動の中心軸）とが一致するように、次のように構成されている。

　前記押圧軸２２ａは、バネ２１が挿通される軸部材である。このホルダ２２の一方端には後述する固定部２２ｆが設けられており、他方端は振動体収容フレーム３１Ｐの第３板状部材３１Ｐ３に形成された押圧軸挿入孔３１Ｐ３ｈに挿通される。詳細は後述するが、固定部２２ｆは積層圧電素子４０の下面に固定されている為、ホルダ２２の押圧軸２２ａが振動体収容フレーム３１Ｐの第３板状部材３１Ｐ３に設けられた押圧軸挿入孔３１Ｐ３ｈに挿入されることで、積層圧電素子４０の位置が規制され、且つ位置決めが為される（積層圧電素子４０がバネ２１による押圧の方向と垂直な方向に移動することが規制される）。

　前記固定部２２ｆは、一方面には押圧軸２２ａが接続され、他方面は、積層圧電素子４０の下面のうち、駆動に寄与する方向についての振動である捻り振動の節位置に対応する位置（幅方向及び厚み方向の中心位置近傍）に、接着等により固定された板状部材である。

　この固定部２２ｆは、押圧軸２２ａと一体的に形成されており、積層圧電素子４０と当該固定部２２ｆとによって挟持されて撓んだ状態のバネ２１とによって、ロータ機構部１０に向かって押圧される。すなわち、前記積層圧電素子４０は、固定部２２ｆを介して、バネ２１によってロータ機構部１０に向かって押圧される。

　なお、前記ホルダ２２は、振動の伝達を低減する材料（例えば樹脂材）等から成る。これにより、積層圧電素子４０の振動が振動体収容フレーム３１Ｐに伝達されてしまうことを低減することができる。

　前記積層圧電素子４０は、圧電シートが積層されて成る振動体であり、駆動子４１と、位置決めピン４３と、が設けられている。詳細は後述するが、積層圧電素子４０の長手方向下端面に接着等により固定されているホルダ２２と、上端面に接着等により固定されている位置決めピン４３とを利用して当該超音波モータを組み立てることで、当該積層圧電素子４０の中心軸（捻れ振動における中心軸）とロータ機構部１０の中心軸（回転軸）とが一致した状態で組み上がる。

　前記駆動子４１は、積層圧電素子４０上面（ロータ機構部１０に対向する面）のうち駆動に最適な楕円振動が発生する位置近傍に設けられており、ロータ機構部１０の摺動板１４に接触している。

　前記位置決めピン４３は、積層圧電素子４０の上面のうち長辺方向且つ短辺方向の中心（ロータ機構部１０の回転軸（中心軸））上に、当該上面に対して垂直に凸となるように当該上面に例えば接着等により固定されている。

　この位置決めピン４３は、上述した摺動板１４、出力部材１５の位置決めピン挿入孔１４ｈ，１５ｈに挿入される。積層圧電素子４０上にロータ機構部１０（摺動板１４、出力部材１５）を配設する際に、位置決めピン４３をピン挿入孔１４ｈ，１５ｈに挿入することで、ロータ機構部１０の回転中心と、積層圧電素子４０上面の中心とが一致する。

　前記規制部材５１ａ１は、複数（本例では２つ）の突起部５１ａ１ｔが厚み方向に凸に設けられた板状部材であり、螺子止めの為の貫通孔５１ａ１ｈが厚み方向に形成されている。同様に、前記規制部材５１ａ２は、複数（本例では２つ）の突起部５１ａ２ｔが厚み方向に凸に設けられた板状部材であり、螺子止めの為の貫通孔５１ａ２ｈが厚み方向に形成されている。

　これら規制部材５１ａ１，５１ａ２は、積層圧電素子４０の主平面（振動体収容フレーム３１Ｐに対向する面）のうち、捻り振動の節位置近傍に、それぞれの突起部５１ａ１ｔ，５１ａ２ｔが接触するように、振動体収容フレーム３１Ｐの外部側から第１板状部材３１Ｐ１、第２板状部材３１Ｐ２に対して当て付けられ、それぞれ貫通孔５１ａ１ｈ，５１ａ２ｈを利用して螺子ｓｒによって螺子止め固定されている。

　このように、規制部材５１ａ１，５１ａ２の突起部５１ａ１ｔ，５１ａ２ｔが、積層圧電素子４０の主平面のうち、当該積層圧電素子４０の捻り振動の節位置に接触した状態で固定されることで、当該積層圧電素子４０の振動を阻害せず（当該積層圧電素子４０の長手方向端面に励起される捻り振動の振幅を減少させず）に、当該積層圧電素子４０の回転（伝達部材１３の回転と同方向の回転、バネ２１の押圧力の方向に対して垂直な面内の回転）が規制される。

　以下、積層圧電素子４０の積層構造の一例について説明する。図５は、積層圧電素子４０の一構成例を示す図である。

　同図に示すように、積層圧電素子４０は、第１積層部位４１１と、第２積層部位４１２と、第３積層部位４１３と、第４積層部位４１４と、第５積層部位４１５と、から成る。

　詳細には、これら各積層部位（第１積層部位４１１、第２積層部位４１２、第３積層部位４１３、第４積層部位４１４、第５積層部位４１５）の積層構成は、次のような積層構成である。なお、各積層部位を構成する第１の圧電シート４０１、第２の圧電シート４０２、及び第３の圧電シート４０３の構成については後述する。

《第１積層部位４１１》
　第１積層部位４１１は、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。

《第２積層部位４１２》
　第２積層部位４１２は、第１積層部位４１１上に積層された部位であって、第１の圧電シート４０１と第２の圧電シート４０２とがその厚み方向に交互に積層されて成る。

《第３積層部位４１３》
　第３積層部位４１３は、第２積層部位４１２上に積層された部位であって、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。

《第４積層部位４１４》
　第４積層部位４１４は、第３積層部位４１３上に積層された部位であって、第１の圧電シート４０１と第２の圧電シート４０２とがその厚み方向に交互に積層されて成る。

《第５積層部位４１５》
　第５積層部位４１５は、第４積層部位４１４上に積層された部位であって、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。

　以下、前記第１の圧電シート４０１、第２の圧電シート４０２、及び第３の圧電シート４０３について詳細に説明する。

　これら第１の圧電シート４０１、第２の圧電シート４０２、及び第３の圧電シート４０３は、矩形のシート状の圧電素子であり、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）から成る。

　詳細には、前記第１の圧電シート４０１の電極形成面上には、その長手方向における略中央位置に、＋相の第１内部電極４０１ａと＋相の第２内部電極４０１ｃ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。

　同様に、前記第２の圧電シート４０２の電極形成面上には、その長手方向における略中央位置に、－相の第１内部電極４０２ａと－相の第２内部電極４０２ｃ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。

　ここで、前記＋相の第１内部電極４０１ａは、矩形形状を呈する第１の圧電シート４０１の一方短辺に向かって延びて露出する端部４０１ａｅを備えている。前記＋相の第２内部電極４０１ｃは、矩形形状を呈する第１の圧電シート４０１の一方短辺に向かって延びて露出する端部４０１ｃｅを備えている。

　同様に、前記－相の第１内部電極４０２ａは、矩形形状を呈する第２の圧電シート４０２の一方短辺に向かって延びて露出する端部４０２ａｅを備えている。前記－相の第２内部電極４０２ｃは、矩形形状を呈する第２の圧電シート４０２の一方短辺に向かって延びて露出する端部４０２ｃｅを備えている。

　そして、積層圧電素子４０の外形部位（外形面）には、端部４０１ａｅ同士，端部４０１ｃｅ同士，端部４０２ａｅ同士，端部４０２ｃｅ同士をそれぞれ接続（短絡）する外部電極（不図示）が設けられている。ここで、積層圧電素子４０のうち、少なくとも、＋相の第１内部電極４０１ａと－相の第１内部電極４０２ａとが互いに対向する部分、及び、＋相の第２内部電極４０１ｃと－相の第２内部電極４０２ｃとが互いに対向する部分、に活性化領域が形成されている。

　詳細には、＋相の第１内部電極４０１ａと－相の第１内部電極４０２ａとの間、及び、＋相の第２内部電極４０１ｃと－相の第２内部電極４０２ｃとの間には高電圧が印加され、各電極が分極されて圧電的に活性化されている。

　なお、上述の各内部電極４０１ａ，４０１ｃ，４０２ａ，４０２ｃは、例えば厚さ４μｍの銀パラジウム合金である。

　前記第３の圧電シート４０３は、第１の圧電シート４０１及び第２の圧電シート４０２と同形状であって、且つ、内部電極が設けられていないシート状の部材である。

　以上説明したように、積層圧電素子４０においては、積層方向（積層圧電素子４０の厚み方向）における中央部位には内部電極の無い絶縁層が設けられており、これにより積層方向（積層圧電素子４０の厚み方向）について圧電活性化領域が２分割されている。また、積層方向における最下位部位及び最上位部位にも内部電極の無い絶縁層が設けられている。ここで、第４積層部位４１４に対応する電極層をＡ相と称し、第２積層部位４１２に対応する電極層をＢ相と称する。

　図６Ａは、縦1次振動モードにおける積層圧電素子４０の振動状態を破線で示す斜視図である。図６Ｂは、捻れ２次振動モードにおける積層圧電素子４０の振動状態を破線で示す斜視図である。図６Ａ及び図６Ｂにおいては、振動前の積層圧電素子４０の状態（形状）を実線で示し、各振動モードにおける振動時の積層圧電素子４０の状態（形状）を破線で示している。

　ここで、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、略直方体形状の積層圧電素子４０の中心軸１００ｃに直交する断面を構成する短辺の長さをａとし、長辺の長さをｂとし、中心軸１００ｃに沿った高さをｃとする。但し、短辺ａ、長辺ｂ、高さｃの大小関係は、
ａ＜ｂ＜ｃ
であるとする。以降の説明においては、高さｃ方向を、縦1次振動モードの振動の方向とし、且つ、捻れ振動の捻れの軸方向とする。

　本第１実施形態に係る超音波モータにおいては、積層圧電素子４０のうち短辺ａ、長辺ｂ、高さｃの各寸法の値を適宜設定することで、縦１次振動モードの共振周波数と、捻れ２次振動モードまたは捻れ３次振動モードの共振周波数と、を略一致させる。

　図６Ａ及び図６Ｂにおいてｐ１，ｐ２で示すのは捻れ振動の方向であり、ｑで示すのは縦振動の方向であり、Ｎで示すのは振動の節である。

　前記節Ｎは、図６Ａに示す縦１次振動においては、積層圧電素子４０の高さｃ方向の中心位置に１つ存在する。また、図６Ｂに示す捻れ２次振動においては、前記節Ｎは、高さｃ方向の２つの位置に存在する。

　ここで、積層圧電素子４０の高さｃを一定として、（短辺の長さａ／長辺の長さｂ）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７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、（ａ／ｂ）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、（ａ／ｂ）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、（ａ／ｂ）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、（ａ／ｂ）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、（ａ／ｂ）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、本第1実施形態においては下記のように（ａ／ｂ）の値を設定する。すなわち、
・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、（ａ／ｂ）の値が０．５５～０．６５となるように、積層圧電素子４０の短辺の長さａ及び長辺の長さｂを設定する。

　つまり本第１実施形態に係る超音波モータにおいては、積層圧電素子４０の中心軸１００ｃ方向に伸縮する縦１次共振振動と、中心軸１００ｃを捻れ軸とする捻れ２次共振振動と、の共振周波数が略一致するように、積層圧電素子４０における短辺の長さａと長辺の長さｂとの比(比率)を設定する。

　このようにして共振周波数の調整を行うことができるので、従来の技術では必要とされている共振周波数の調整の為の特別な加工等は一切不要になる。

　積層圧電素子４０においては、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を捻れ軸とする捻れ２次共振振動と、が同時に励起されることで、それらの振動が合成されて楕円振動が励起される。

　具体的には、上述した第４積層部位４１４に対応する電極層であるＡ相、及び第２積層部位４１２に対応する電極層であるＢ相の各内部電極に、互いに位相が異なる交番電圧を印加することで、積層圧電素子４０の厚み方向（積層方向）に分極されてなる活性化領域において縦1次共振振動と捻れ２次共振振動とが励起され、積層圧電素子４０の端面において楕円振動が励起され、駆動子４１によって摺動板１４が回転駆動される。このように、本第１実施形態に係る超音波モータでは、積層圧電素子４０の圧電横効果を利用して駆動を行う。

　詳細には、Ａ相とＢ相とに同位相の交番電圧を印加することで、積層圧電素子４０には縦振動が励起される。また、Ａ相とＢ相とに位相差が１８０度（逆位相）の交番電圧を印加することで、積層圧電素子４０には捻れ振動が励起される。そして、Ａ相とＢ相とに位相差が９０度の交番電圧を印加することで、積層圧電素子４０には縦振動と捻れ振動とが同時に励起され、その端面において楕円振動が励起される。

　ところで、本第１実施形態に係る超音波モータでは、図５、図６Ａ、及び図６Ｂに示すように、内部電極４０１ａ，４０１ｃ，４０２ａ，４０２ｃが各圧電シートにおいて設けられている位置は、当該積層圧電素子４０に励起させる捻れ２次振動の腹部に対応する位置である。換言すれば、各内部電極４０１ａ，４０１ｃ，４０２ａ，４０２ｃは、捻り２次振動の応力が最大となる位置に設けられている。

　以上説明したように、本第１実施形態によれば、組み立て容易性が良好な超音波モータを提供することができる。具体的には、例えば下記のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。

　具体的には、本第１実施形態によれば、次のような非常に簡易な組立作業で、各構成部材の位置関係が最適化された超音波モータが組み上がる。すなわち、フレーム３１に対して、当該フレーム３１の底面側（押圧機構部２０側）の部材から順に配設していくだけで、積層圧電素子４０の捻れ振動の中心軸と、ロータ機構部１０の回転軸と、が一致した超音波モータが組みあがる。

　詳細には、ホルダ２２を取り付けた積層圧電素子４０と、ホルダ２２によって位置決めしたバネ２１と、を振動体収容フレーム３１Ｐに配設した状態で、固定板１６によって位置決めしたロータ機構部１０を、上側から組み付けてロータ機構収容フレーム３１Ｒに対して固定する。その後、規制部材５１ａ１，５１ａ２を、それぞれ振動体収容フレーム３１Ｐの第１板状部材３１Ｐ、第２板状部材３１Ｐに対して固定する。このような非常に簡略な作業工程で、積層圧電素子４０の捻れ振動の中心軸と、ロータ機構部１０の回転軸と、が一致した超音波モータが組みあがる。

　換言すれば、上述したような各構成部材の位置関係の最適化（積層圧電素子４０の捻れ振動の中心軸と、ロータ機構部１０の回転軸と、の一致）の実現には、主として下記の構成要件が大きく寄与している。

・積層圧電素子４０の長手方向端面に固定部２２ｆで固定されたホルダ２２の押圧軸２２ａを、振動体収容フレーム３１Ｐの底面である第３板状部材３１Ｐ３に設けられた押圧軸挿入孔３１Ｐ３ｈに挿入。

・積層圧電素子４０に固定された位置決めピン４３を、出力部材１５の位置決めピン挿入孔１５ｈに挿入。

・ロータ機構収容フレーム３１Ｒに設けられたピン３１ｔ１，３１ｔ２を、固定板１６に形成された貫通孔１６ｔｈ１，１６ｔｈ２に挿入。

　このように組み上げることで、本第１実施形態に係る超音波モータでは、積層圧電素子４０とフレーム３１との位置決め、積層圧電素子４０と出力部材１５との位置決め（実質的に（積層圧電素子４０とロータ機構部１０との位置決め）、及びフレーム３１と固定板１６との位置決め（実質的にフレーム３１とロータ機構部１０との位置決め）が実現する。つまり、積層圧電素子４０の捻れ振動の中心軸と、ロータ機構部１０の回転軸と、の一致が実現し、当該超音波モータの構成部材の位置関係の最適化が実現する。

　さらに、例えば下記のような効果も得ることができる。

・従来の技術と異なり、単一の部材で矩形形状の振動体（積層圧電素子４０）を実現しているので、この点についても組立容易性は格段に向上している。

・組立工数の削減と共に、組立容易性の向上に伴ってモータ性能の安定性の向上も実現する。

・当該超音波モータの部品点数も削減され、コストも低減する。

・フレーム３１内部に出力部材１５を設け、この出力部材１５によって、フレーム３１外部に設けた伝達部材１３の歯車部１３ｇを回転駆動させる為、フレーム３１は、ロータ機構部１０の外径にのみ合わせて決定すればよく、当該超音波モータ自体を小型化にする事が容易となる。

　なお、積層圧電素子４０に対して接触している部材については、振動の伝達を低減する材料（例えば樹脂材）等で構成することが好ましい。このように構成することで、異音の発生を低減させる等の効果を更に得ることができる。

［第２実施形態］
　以下、本発明の第２実施形態に係る超音波モータについて説明する。説明の重複を避ける為、前記第１実施形態に係る超音波モータとの相違点を説明する。図８は、本第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す斜視図である。図９は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの押圧機構部近傍の拡大斜視図である。図１０は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータのホルダとフレームとの係わり合いを示す斜視図である。図１１は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータのホルダとフレームとの係わり合いを示す斜視図である。

　本第２実施形態に係る超音波モータにおいては、ホルダ２２は下記の構成を採る。すなわちホルダ２２は、押圧軸２２ａと、凸部２２ｔ１，２２ｔ２を備える固定突起部２２ｔと、を備える。詳細には、ホルダ２２は、押圧軸２２ａと積層圧電素子４０の長手方向の中心軸（捻れ振動の中心軸）とが一致するように、次のように構成されている。

　前記押圧軸２２ａは、バネ２１が挿通される軸部材である。この押圧軸２２ａの一方端には積層圧電素子４０の下端面に固定される固定突起部２２ｔが設けられており、他方端は振動体収容フレーム３１Ｐの第３板状部材３１Ｐ３に形成された押圧軸挿入孔３１Ｐ３ｈに挿通される。

　このような構成を採ることで、組立時に当該押圧軸２２ａが振動体収容フレーム３１Ｐの第３板状部材３１Ｐ３に設けられた押圧軸挿入孔３１Ｐ３ｈに挿入されると、必然的に積層圧電素子４０の位置が規制され、位置決めが為される（積層圧電素子４０がバネ２１による押圧の方向と垂直な方向に移動することが規制される）。

　前記固定突起部２２ｔは、図９に示すように積層圧電素子４０の主平面側に凸の凸部２２ｔ１，２２ｔ２を備える棒状部材である。この固定突起部２２ｔは、積層圧電素子４０の下端面のうち、捻り振動の節位置に対応する位置近傍に、接着等により固定された棒状部材である。

　この固定突起部２２ｔの凸部２２ｔ１，２２ｔ２は、後述する振動体収容フレーム３１Ｐに設けられた溝部３１Ｐ１ｓｌ，３１Ｐ２ｓｌにそれぞれ挿入される（図１１参照）。固定突起部２２ｔの凸部２２ｔ１と、振動体収容フレーム３１Ｐに設けられた溝部３１Ｐ１ｓｌとが係合し、且つ、固定突起部２２ｔの凸部２２ｔ２と、振動体収容フレーム３１Ｐに設けられた溝部３１Ｐ２ｓｌとがそれぞれ係合することで、積層圧電素子４０の回転規制（伝達部材１３の回転と同方向の回転、バネ２１の押圧力の方向に対して垂直な面内の回転）が為される。

　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、第１実施形態に係る超音波モータにおける規制部材５１ａ１，５１ａ２を不要とし、積層圧電素子４０の位置規制（支持及び保持）を行う為の部品点数を削減し、コスト低減に寄与するという効果を奏す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２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した各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。

　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。

Claims

　中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、該矩形状を構成する短辺と長辺との比率が所定の値に設定されており、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が励起される振動子と、
　前記振動子のうち前記楕円振動が励起される面に設けられた駆動子と、
　前記駆動子に対して当接し、前記振動子の前記楕円振動を駆動源として、前記中心軸を回転軸として回転駆動されるロータ機構部と、
　前記ロータ機構部に向かって前記振動子を押圧する押圧部と、
　前記ロータ機構部と前記押圧部と共に前記振動子を保持するフレームと、
　前記振動子のうち前記押圧部に対向する面において、前記振動子の前記捻れ軸の延長上に設けられた軸状部材であるホルダ軸と、
　前記フレームのうち前記振動子の前記捻れ軸の延長上の位置に設けられ、前記ホルダ軸が挿入されるホルダ軸挿入孔と、
　前記振動子のうち前記ロータ機構部に対向する面において、前記ロータ機構部の回転軸の延長上に設けられた位置決めピンと、
　前記ロータ機構部のうち前記回転軸上であって前記振動子に対向する面に設けられ、前記位置決めピンが挿入される位置決め孔部と、
　を具備することを特徴とする超音波モータ。
　前記振動子における前記捻れ振動の節位置近傍を、前記フレーム側から挟持する規制部材を含む
　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
　前記ホルダ軸は、前記振動子のうち前記捻れ振動の節位置近傍に設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
　前記位置決めピンは、前記振動子のうち前記捻れ振動の節位置近傍に設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
　前記フレームには、前記押圧部による押圧方向を長手方向とする長孔形状のスリットが形成されており、
　前記ホルダ軸には、前記フレームの前記スリットに挿入され、前記スリットと係合することで、前記押圧方向に垂直な面内における前記振動子の移動を規制する回転規制凸部が設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
　前記ロータ機構部の前記回転駆動の駆動力を、前記フレーム外部へ伝達する伝達部材と、
　前記伝達部材により前記フレーム外部へ伝達された前記駆動力によって回転駆動される歯車と、
　を含むことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。