JP2009254198A - 超音波モータおよび超音波振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】耐衝撃性および耐摩耗性に優れ、かつ、高い効率で駆動することが可能な超音波モータを提供する。
【解決手段】超音波モータは、被駆動体と、被駆動体を駆動させるための圧電素子５０と、中心角が１８０度より大きな円弧形状の内周面を有する切取部６１を含み、圧電素子５０によって振動させられる振動板２１と、振動板２１とは異なる材料からなり、平面視において圧電素子５０と重なる部分の厚さが振動板２１の厚さ以下であり、振動板２１の切取部６１に圧入または嵌め合いによって取り付けられ、被駆動体に接触する接触部６０とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波モータに関するものである。

従来から、圧電素子の振動を利用する超音波振動子を有する超音波モータが用いられている。この超音波振動子は、磁気の影響を受けず、小型であり、高いトルクを有し、高い応答速度を有し、かつ、無通電状態において停止しているなど、電磁モータとは異なる様々な特徴を有している。そのため、超音波モータは、特に小型のカメラレンズのオートフォーカス駆動機構等のための有望な素子である。

超音波振動子に用いられる圧電素子はセラミックスなどの脆い材料により構成されているため、耐衝撃性に劣る。また、超音波振動子と外部に設けられた駆動体、例えばロータとの接触部は、駆動に伴う磨耗が生じ、超音波モータの性能劣化の原因となることが知られている。そこで、たとえば、特開２００５−７３３４１号公報において、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の耐衝撃性および耐摩耗性に優れた材料からなる接触部が振動板に固定された超音波振動子が提案されている。
特開２００５−７３３４１号公報

図１８および図１９は、特開２００５−７３３４１号公報において開示されている超音波振動子９００における接触部であって、前述の耐衝撃性および耐磨耗性に優れた接触部を有する超音波振動子の一例を示している。

図１８に示された超音波振動子９００における接触部９０１は、円弧状外周部を有しており、振動板９０３に設けられた半円形状の内周面を有する切取部に対して外接するように設けられている。この接触部９０１は接着材等により振動板９０３に取り付けられている。

上記の構造によれば、接着剤の接着力は、振動板の長辺方向、つまり、図１８のｘ軸方向の引っ張り力よりも大きくなければならない。この場合に、超音波振動子９００の取り付け作業中または駆動中に、前述の接着力を上回るｘ方向の引っ張り力が接触部９０１と振動板との間に加えられると、接触部９０１は振動板から外れてしまう。

また、図１９に示された超音波振動子９０４における振動板９０５には、円弧状の内周面を有する切取部に突出部９０６が設けられている。また、接触部９０７には係合部９０８が設けられている。また、突出部９０６と係合部９０８との係合により、接触部９０７が振動板９０５から外れてしまうことが防止されている。

しかしながら、前述の構造においては、接触部９０７および振動板９０５にそれぞれ円弧状の部分と直線状の部分とが混在しているため、それらの加工が複雑になる。さらに、超音波振動子９０４においては、図１９に示されたように、振動板９０５と接触部９０７との間に、隙間が存在している。この隙間は、振動板９０５の振動を接触部９０７に効率的に伝達することの妨げとなり、超音波振動子の出力パワーのロスにつながる。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐衝撃性および耐摩耗性に優れ、かつ、高い効率で駆動することが可能な超音波モータを提供することである。

本発明の超音波モータは、被駆動体と、被駆動体を駆動させるための圧電素子と、中心角が１８０度より大きな円弧形状の内周面を有する切取部を含み、圧電素子によって振動させられる振動板と、振動板とは異なる材料からなり、平面視において圧電素子と重なる部分の厚さが振動板の厚さ以下であり、振動板の切取部に圧入または嵌め合いによって取り付けられ、被駆動体に接触する接触部とを備えている。

上記の構成によれば、振動板の円弧状の切取部の内周面の全範囲にわたって、隙間なく接触部の外周面を接触させることができるため、振動板に生じる振動を効率よく接触部に伝達することが可能になる。

上記の構成において、接触部が、円弧形状の曲率半径と実質的に同一の半径を有する円板であってもよい。この構成によれば、回転運動を用いる研磨、研削、または切断等の機械加工のみで接触部を形成することができるため、接触部を容易に形成することができる。

また、接触部の厚さが、振動板の厚さよりも小さいことが望ましい。この構成によれば、接触部を振動板の厚さの範囲内の位置に設置することが容易になる。

また、接触部が、振動板よりも硬度の高い材料により構成されていてもよい。この構成によれば、超音波振動子の耐摩耗性を向上させることが可能になるため、超音波モータの寿命を延ばすことができる。

また、振動板が金属材料により構成され、接触部がセラミック材料により構成されていてもよい。この構成によれば、耐衝撃性と耐磨耗性とを兼ね備えた超音波モータが得られる。

また、金属材料がステンレス鋼であり、セラミック材料が窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）であってもよい。この構成によれば、耐衝撃性と耐摩耗性とを兼ね備え、かつ、高効率で駆動することが可能な超音波モータを提供することが可能になる。

また、振動板の切取部以外の部分が実質的に矩形平板形状を有していてもよい。この構成によれば、耐摩耗性に優れた矩形平板形状を有する超音波モータが得られる。

また、円弧形状の中心点が、矩形平板形状の短辺の中央に位置していてもよい。この構成によれば、振動板、接触部および圧電素子が、振動面内において、線対称に配置される。そのため、縦一次振動とたわみ二次振動との合成により生じる楕円振動が、回転方向にかかわらず同一軌跡を描き易くなる。その結果、制御性に優れた超音波モータが得られる。

また、円弧形状の両端が、矩形平板状振動板の短辺および長辺のそれぞれ上に位置していてもよい。この構成によれば、振動板の長辺および短辺のいずれの上においても接触部と被駆動体との接点を設定することができるため、超音波振動子と被駆動体との位置関係の自由度を増加させることができる。

また、超音波モータは、切取部および接触部以外に、切取部および接触部と同一の形状を有する他の切取部および他の接触部をさらに備えていてもよい。この構成によれば、超音波振動子と被駆動体とを複数箇所で接触させることが可能になる。そのため、超音波モータを高い効率で駆動させることが可能になる。また、超音波振動子の対称性を高めるように接触部を配置すれば、さらに高い効率で超音波モータを駆動させることが可能になる。

また、振動板が円弧状の外周面を有し、接触部が円弧状の外周面の端の位置またはそれ以外の位置に設けられており、被駆動体が円弧状の外周面に内接する円形の内周面を有するロータであってもよい。この構成によれば、高い性能でロータを回転させることができる。

本発明によれば、耐衝撃性および耐摩耗性に優れ、かつ、高い効率で駆動することが可能な超音波モータが得られる。

（実施の形態１）
まず、図１〜図７を用いて、本実施の形態１の超音波モータ１を説明する。

図１に示されるように、本実施の形態１の超音波モータ１は、超音波振動子１０、および、超音波振動子１０によって駆動されるロータ２００を備えている。また、超音波モータ１は、装置の本体１０００に接続された振動子支持シャフト３００およびロータ支持シャフト４００を備えている。

ロータ２００は、厚さ１．５ｍｍかつ外径１０ｍｍの円板形状をなしている。ロータ２００の中心には、ロータ支持シャフト４００が設けられている。ロータ支持シャフト４００は、本体１０００に固定されている。なお、ロータ２００の材料はステンレス（ＳＵＳ）であることが好ましい。ロータ支持シャフト４００には、ロータ２００の高さ位置を調整するための、ロータ支持具４０１が設けられている。それにより、ロータ２００は所定の高さでロータ支持具４０１によって支持される。ロータ支持具４０１はロータ２００のｚ方向のみを拘束するものであり、ロータ２００のｘｙ面内における回転に影響を与えるものではない。

＜全体構成＞
まず、超音波モータの全体構成が、図１を用いて、説明される。超音波モータ１は、超音波振動子１０を有している。超音波振動子１０は振動板２１を有している。振動板２１は、支持用突出部３０によって、振動板２１の長辺の略中心部、つまり、縦振動の節の位置の近傍で支持されている。振動板２１の短辺の略中心部には接触部６０が設けられている。支持用突出部３０には円形の貫通孔３２が開けられている。支持用突出部３０は、振動子支持シャフト３００に対してｘｙ面内において、ｚ軸周りに回転可能に接続されている。振動子支持シャフト３００には、超音波振動子１０の高さ位置を調整するための、振動子支持具３０１が設けられ、超音波振動子１０は所定の高さにおいて固定されている。振動子支持具３０１は超音波振動子１０のｚ方向のみを拘束するものであり、超音波振動子１０のｘｙ面内における回転に影響を与えるものではない。

また、超音波振動子１０には、電極４０、４１、４２、４３、４４および圧電素子５０がそれぞれ２つずつ設けられている。電極４０、４１、４２、４３および４４は、所定の信号が入力され得るように、制御装置５００（図示せず）に電気的に接続されている。

また、本実施の形態の超音波振動子１０においては、電極４０、４１、４２、４３および４４に電気信号が入力されると、圧電素子５０が逆圧電効果を利用して振動する。圧電素子５０の振動により、超音波振動子１０が振動し、その振動が接触部６０に伝達される。そのため、接触部６０の先端が、矢印Ｅ１で示される楕円軌道を描くように振動する。その結果、接触部６０に接触しているロータ２００が円軌道Ｃ１に沿って移動する。すなわちロータ２００がロータ支持シャフト４００まわりに回転する。

＜超音波振動子＞
次に、図２を用いて、超音波振動子１０の構造がより詳細に説明される。図２に示されるように、超音波振動子１０は振動板２１を有している。振動板２１は、振動子支持シャフト３００に固定された支持用突出部３０と、支持用突出部３０と一体的に形成され、振動によってロータ２００を回転させる主板部２２とを有している。主板部２２は、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍかつ厚さ０．２ｍｍの実質的に長方形の平面形状に曲率半径０．５ｍｍの内周面が円弧状の切取部６１を有する平板状部材である。

次に、図３を用いて、振動板２１を説明する。図３に示されるように、切取部６１と主板部２２の長方形の短辺との２つの交点を、それぞれ、ＡおよびＢとすると、切取部６１の内周面によって構成される円弧の中心点Ｃが、直線ＡＢよりも主板部２２の内部側に位置付けられるように切取部６１が設けられている。

また、支持用突出部３０は、主板部２２の一方の長辺の中央位置から主板部２２の短辺方向に平行に延びるように、主板部２２の長辺から突出しており、幅１ｍｍ、長さ２．５ｍｍ、かつ厚さ０．２ｍｍの実質的に長方形の平面形状を有する平板状部材である。支持用突出部３０には直径０．６ｍｍの円形の貫通孔３２が設けられている。貫通孔３２の直径は０．６ｍｍであり、振動子支持シャフト３００の直径とほぼ同一である。

主板部２２の長辺の中央位置から貫通孔３２の中心点までの距離が１．５ｍｍである。圧電素子５０は、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、圧電素子５０の長辺と主板部２２の長辺とが一致するように、圧電素子５０は、主板部２２に対して、互いの間に電極４４が介在する状態で固定されている。

なお、超音波振動子１０の機能は、外部から入力される電気信号を機械的な楕円運動に変換することであり、この機能が実現される限り、振動板２１および圧電素子５０のそれぞれの寸法および形状は、上述の寸法および形状に限定されず、他の寸法および形状であってもよい。また、振動板２１の材料は、特に限定されないが、ステンレス等の導電性を有しかつ上述の圧電素子５０よりも加工性および耐衝撃性に優れた材料であることが望ましい。

また、支持用突出部３０と主板部２２とは、別個の部材からなっていてもよいが、それらが１つの部材で一体的に形成されていることが望ましい。圧電素子５０はチタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）からなっているが、電圧が印加されて振動する素子であれば、他の圧電材料等いかなる材料からなってしてもよい。

圧電素子５０の一方の主表面上には、電極４０、４１、４２、４３が取り付けられている。電極４０、４１、４２、４３は互いに同一の長方形の平面形状を有する平板状部材である。電極４０、４１、４２、４３は、圧電素子５０の一方の主表面が実質的に同一の４つの長方形の領域に分割されたとすると、４つの長方形の領域のそれぞれに設けられている。

また、圧電素子５０の他方の主表面上には、実質的に長方形の電極４４が設けられている。電極４４は、圧電素子５０の他方の主表面と同一の平面形状を有する平板状部材である。本実施の形態の超音波振動子１０においては、２つの圧電素子５０は、それぞれ、主板部２２の一方の主表面および他方の主表面上に、互いの間の電極４４が介在する状態で設けられている。２つの電極４４は、それぞれ、その長辺方向が主板部２２の長辺方向とが一致するように、主板部２２の一方および他方の主表面に固定されている。２つの電極４４は、それぞれ、銀ペーストなどの導電性接着剤によって主板部２２ に接着されている。

また、振動板２１の一方の主表面に取り付けられている圧電素子５０およびそれに取り付けられている電極４０、４１、４２、４３および４４と、振動板２１の他方の主表面に取り付けられている圧電素子５０、およびそれに取り付けられている電極４０、４１、４２、４３および４４とは、振動板２１の厚さ方向において鏡面対称に配置されている。

圧電素子５０は厚さ方向に沿って分極されており、分極の方向は、振動板２１の厚さ方向に対称になっている。したがって、振動板２１の一方の主表面上の圧電素子５０の振動特性と、振動板２１の他方の主表面上の圧電素子５０の振動特性とは実質的に同一である。また、振動板２１の主板部２２は長方形であるため、後述のように、振動板２１の先端は楕円振動する。

主板部２２の支持用突出部３０が設けられている長辺中央部に対向する主板部２２の長辺中央部には押付用突出部３１が設けられている。押付用突出部３１には線状のゴム６００の一端が接着または結束されている。線状のゴム６００の他端は、押付力調整機構７００に接着もしくは結束されている。線状のゴム６００は、その収縮力によって、押付力調整機構７００に対して、押付用突出部３１を引っ張る。それによって、超音波振動子１０の接触部６０がロータ２００の外周部を押す力を調整することができるようになっている。つまり、線状のゴム６００の収縮力の調整によって、超音波振動子１０とロータ２００の当接力が調整される。線状のゴム６００の収縮力の調整は、押付力調整機構７００に巻き付ける線状のゴム６００の長さを調整することにより可能である。

主板部２２の一方の端部に設けられた切取部６１には接触部６０が嵌め込まれている。
接触部６０は、円板形状を有している。接触部６０半径は、切取部６１の曲率半径に対してプラス公差を有すること、すなわち、わずかに大きいことが好ましい。この場合、接触部６０が切取部６１に対して圧入により隙間が形成されないように嵌め込まれる。しかしながら、接触部６０が切取部６１に取り付けられるのであれば、接触部６０の半径は、切取部６１の曲率半径と同一寸法もしくはマイナス公差を有する、すなわちわずかに小さくなるように形成されてもよい。言い換えれば、嵌め合いにより、接触部６０と切取部６１とが取り付けられてもよい。この場合、接合部の補強のために、接着剤によって接触部６０と切取部６１とが接合されることが望ましい。

接触部６０は、ロータ２００と外接し、接触部６０とロータ２００との間の摩擦力によって、超音波振動子１０の楕円運動をロータ２００へ伝達するために設けられている。接触部６０の材料は、主板部２２とは別の材料により構成されている。接触部６０の材料は、主板部２２よりも硬度の高いセラミック材料であることが好ましく、たとえば、後述されるように、窒化珪素セラミックであることが好ましい。

次に、図４〜図７を用いて、本実施の形態の超音波振動子１０の駆動方法が説明される。超音波振動子１０の駆動方法にはさまざまな方法が存在する。しかしながら、本実施の形態においては、超音波振動子１０に縦１次振動モードとたわみ２次振動モードとを同時に励振することによって、超音波振動子１０を駆動する手法が説明される。この手法は、２つの圧電素子５０に設けられた電極４０、４１、４２、４３および４４に、外部に設けられた制御装置５００（図示せず）から電気信号を入力することにより実現される。

振動板２１の一方の主表面側に取り付けられた電極４０、４１、４２、４３および４４に入力される信号（印加電圧）と、振動板２１の他方の主表面側に取り付けられた電極４０、４１、４２、４３および４４に入力される信号（印加電圧）とは、主板部２２に対して鏡面対称に入力される。

図４に示されるように、電極４０と電極４１とは、結線されており、同一の信号（φ１）が入力される。電極４２と電極４３とは、結線されており、同一の信号(φ２)が入力される。したがって、電極４０、４１、４２、４３に入力される信号は、図５に示されるように、４つのモード（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）を有している。また、図５に示されるように、電極４０および電極４１に入力される信号と、電極４２および電極４３に入力される信号とは、同一の振幅および周波数であるが、９０度位相がずれている。

上述の超音波振動子１０の振動板２１は、１次縦振動の共振周波数と２次たわみ振動の共振周波数が約２４０ｋＨｚで略一致している。したがって、上述の信号を電極４０、４１、４２、４３および４４に印加すると、主板部２２は、図６に示される１次縦振動および図７に示される２次たわみ振動との組み合わせの振動を行う。

図６に示される縦振動によれば、振動板２１は、白抜き矢印で示されるように、長辺方向において、圧縮したり、伸張したりする。一方、図７に示されるたわみ振動においては、振動板２１は、一のＳ字形状からそれに鏡面対称な他のＳ字形状へ変化する。

縦振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧が、電極４０、４１、４２および４３のそれぞれに同位相で印加されると、振動板２１は、図６に示される方向において、縦振動を行う。また、屈曲振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧が、電極４０および４１に印加され、電極４０および４１に印加される電圧の周波数と同一の周波数を有しかつ電極４０および４１に印加される電圧とは逆位相を有する電圧が電極４２および４３に印加されると、振動板２１は図７に示されるように、たわみ振動を行う。なお、２つの電極４４のそれぞれには、常に基準電位(０Ｖ)が与えられている。

図６に示される縦振動の共振周波数と、図７に示されるたわみ振動の共振周波数が略一致している振動板２１において、縦振動の共振周波数およびたわみ振動の共振周波数と同一周波数の電圧が電極４０および４１に同位相で印加され、電極４０および電極４１に印加される電圧の周波数と同一周波数を有し、かつ電極４０および電極４１に印加される電圧の位相との比較において＋９０°だけずれた位相を有する電圧が電極４２および電極４３に印加される。それにより、超音波振動子１０の縦振動およびたわみ振動が同時に生じる。その結果、接触部６０が図１に参照符号Ｅ１で示されるように楕円運動する。

また、電極４２および４３に、電極４０および４１と同一周波数であってかつ位相が−９０°だけずれた電圧が印加されると、図１に参照符号Ｅ１で示された方向とは逆方向に楕円運動が生じる。また、ある一方向に楕円運動している状態で、電極４０、４１および電極４２、４３に入力されている電圧のいずれか一方の位相が１８０°変化すれば、接触部６０の楕円運動の回転方向が逆転し、それに接するロータ２００の回転方向が反転する。

ここで、接触部６０の材料による超音波モータ１の特性の違いについて説明する。超音波モータ１は超音波振動子１０に生じた振動を、摩擦力によってロータ２００に伝達することにより、ロータ２００を駆動する。摩擦力は、接触部６０とロータ２００との間の摩擦係数に依存し、摩擦係数は、接触部６０とロータ２００との間の材質に依存する。

また、超音波振動子１０には、接触部６０とロータ２００との接触点において、ロータ２００には予め所定の力が加えられている。超音波振動子１０に生じる楕円振動の振幅は数μｍ以下であるため、接触部６０が柔らかい材料であると、接触部６０の変形により楕円振動が吸収されてしまい、良好な駆動特性が得られないおそれがある。接触部６０の材料とロータ２００の材料との組み合わせにより、超音波モータ１の駆動特性は大きく変化する。そのことが次の表１から分かる。

表１は、ロータ２００の材料がステンレス（ＳＵＳ）である場合における接触部６０の材料と超音波モータ１の出力との関係を示す実験結果である。接触部６０がステンレス（ＳＵＳ）の場合における最大出力を１として規格化し、接触部６０の材料による最大出力の値が表１に示されている。

接触部６０の材料は、ステンレス（ＳＵＳ）、アルミナセラミック（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニアセラミック（ＺｒＯ）、および窒化珪素セラミック（Ｓｉ₃Ｎ₄）のいずれかである。表１に示されるように、接触部６０がセラミック材料（アルミナ、ジルコニア、窒化珪素）である場合には、ステンレス（ＳＵＳ）よりも大きな出力が得られる。また、接触部６０の材料として窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）が用いられると、最大の出力が得られる。

一般に、超音波振動子１０においては、楕円振動の対称性を向上させるために、主板部２２の２つの短辺のそれぞれに切取部６１および接触部６０が設けられていることが好ましい。しかしながら、ロータ２００と接する短辺のみに切取部６１および接触部６０が設けられていても、本発明の目的を達成することは可能である。

（実施の形態２）
次に、図８〜図１０を用いて、本発明の実施の形態２の超音波モータ２を説明する。
図８および９に示されるように、超音波モータ２は、超音波振動子１１とロータ２０１とを備えている。なお、実施の形態１に示された超音波モータ１と同一構成および同一の機能を実現する構成要素には同一参照符号が付され、その説明は繰り返さない。

本実施の形態における超音波振動子１１は、実施の形態１において説明された超音波振動子と同一サイズ、および形状を有する圧電素子５０、電極４０、４１、４２、４３および４４、支持用突出部３０、ならびに押付用突出部３１を備えている。

超音波振動子１１は振動板２３を有している。振動板２３は、振動子支持シャフト３００に固定された支持用突出部３０と、支持用突出部３０と一体的に形成され、振動によってロータ２０１を回転させる主板部２４とを有している。

主板部２４は、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍかつ厚さ０．２ｍｍの実質的に長方形の平面形状に、曲率半径０．５ｍｍの円弧状の切取部６２を有する平板状部材である。

次に、図１０を用いて、振動板２３を説明する。図１０に示されるように、切取部６２と主板部２４の長方形の長辺との交点をＡ’、切取部６２と主板部２４の長方形の短辺との交点をＢ’とすると、切取部６２の円弧の中心点が、直線Ａ’Ｂ’よりも主板部２４の内部側に位置付けられるように切取部６２が設けられている。主板部２４の切取部６２には接触部６０が取り付けられている。接触部６０の半径は、切取部６２の曲率半径に対してプラス公差であることが好ましい。この場合、接触部６０が切取部６２に対して圧入により隙間が形成されることなく接合される。しかしながら、接触部６０と切取部６２に取り付けられるのであれば、接触部６０の半径が切取部６２と同一寸法もしくはマイナス公差を有しており、嵌め合いにより接触部６０が切取部６２に取り付けられてもよい。この場合、接合部の補強のために、接着剤によって接触部６０と切取部６２とを接合してもよい。

本実施の形態によれば、接触部６０は主板部２４の１つの角に設けられている。
なお、本発明の超音波モータ２は、超音波振動子１１がロータ２０１に接触しておりかつ所望の楕円振動を発生させるものであれば、いかなるものであってもよいため、以下の実施の形態に示される構造を有する超音波モータに限定されない。例えば、超音波振動子の大きさ、形状、および材料等は、本発明の目的を達成できかつ効果を得ることができるのであれば、いかなるものであってもよい。

押付用突出部３１には線状のゴム６００の一端が接着または結束されている。線状のゴム６００の他端は、押付力調整機構７００に接着もしくは結束されている。線状のゴム６００は、その収縮力によって、押付力調整機構７００に対して、押付用突出部３１を引っ張る。それによって、超音波振動子１１の接触部６０がロータ２０１の外周部を押す力を調整することができるようになっている。つまり、線状のゴム６００の収縮力の調整によって、超音波振動子１１とロータ２０１の当接力が調整される。

次に、本実施の形態２の超音波モータ２の駆動方法が説明される。超音波振動子１１の駆動方法にはさまざまな方法が存在する。しかしながら、本実施の形態においては、超音波振動子１１に縦１次振動モードとたわみ２次振動モードを同時に励振することにより、超音波振動子１１を駆動する手法が説明される。そのため、２つの圧電素子５０に設けられた電極４０、４１、４２、４３および４４に、外部に設けられた制御装置５００（図示せず）から電気信号が入力される。

電極４０、４１、４２、４３および４４へ入力される信号は、実施の形態１の電極に入力される信号と同一である。つまり、電圧は、図４および図５に示される様態で、電極４０、４１、４２、４３および４４に印加される。上述のように、振動板２３は接触部６０を有している。接触部６０はロータ２０１の外周面に接触している。したがって、図４および図５に示される信号が電極４０、４１、４２、４３に入力されると、図８のＥ２で示されるように超音波振動子１１は楕円運動し、ロータ２０１は図８のＣ２で示される方向に回転する。

電極４０および電極４１に入力される信号または電極４２および電極４３に入力される信号のうちのいずれか一方の位相が１８０°変化すると、超音波振動子１１に生じる楕円運動は図１１のＥ２とは逆向きになるため、ロータ２０１は図１１のＣ２とは逆向きに回転する。

（実施の形態３）
次に、図１１〜図１７を用いて、本発明の実施の形態３の超音波モータ３を説明する。超音波モータ３は、２つの円弧状平板タイプの超音波振動子１２、振動子支持シャフト３０２、およびロータ２０２を備えている。なお、２つの超音波振動子１２は、ロータ２０２の回転中心軸を含む所定の面に対して鏡面対称に配置されているため、以下の説明では、一方の超音波振動子１２のみ説明する。

＜超音波振動子＞
次に、図１２を用いて、超音波振動子１２の構造がより詳細に説明される。図１２に示されるように、円弧状平板タイプの超音波振動子１２は振動板２５を備えている。振動板２５は、振動子支持シャフト３０２にすべての方向における並進運動および回転運動が拘束されるように接続された支持部３３と、支持部３３と一体的に形成された主板部２６とを有している。

主板部２６は、内径５．８ｍｍ、外径９．８ｍｍかつ中心角９０度の円弧状平板によって形成されている。ここで、外側の扇の円弧に相当する部分を外周部と呼び、外側の扇形と同心の内側の扇形の円弧に相当する部分を内周部と呼ぶ。また、支持部３３は、主板部２６の内周部の中央位置から延びている。支持部３３の中央位置には、ｘｙ面内において、一辺０．６ｍｍ角の正方形の貫通孔３４が設けられている。貫通孔３４は振動子支持シャフト３０２の外形とほぼ同一の形状を有している。支持部３３の中心部分の貫通孔３４から主板部２６までバネ３５が延びている。具体的には、貫通孔３４と２つの超音波振動子１２の主板部２６のそれぞれとの間に存在する２つのバネ３５に関しては、２つのバネ長さが互いにほぼ一致するとともに、２つのバネ定数（バネの硬さ）が互いに略一致する。

ｘｙ平面に対して垂直な方向に沿って超音波モータを見たときに、貫通孔３４の中心から円弧状平板タイプの超音波振動子１２とロータ２０２との接触点までの距離が、ロータ２０２の半径と一致するように、すなわち貫通孔３４の中心がロータ２０２の回転中心と一致するように、支持部３３の長さが設定されている。

振動子支持シャフト３０２と主板部２６とはバネ３５によって接続されている。バネ３５は支持部３３の中心から外側に向かって延びる押しバネである。バネ３５が自然長の状態であるときには、貫通孔３４の中心から超音波振動子１２とロータ２０２との接触点までの距離が、ロータ２０２の半径よりも長くなるように、支持部３３の長さが設定されている。つまり、超音波振動子１２が図１１に示されるようにロータ２０２の内部に設置されると、バネ３５は自然長より縮んだ状態になる。したがって、超音波振動子１２はバネ３５によってロータ２０２に押し付けられた状態で保持される。

圧電素子５１は、内径５．２ｍｍ、外形９．８ｍｍ、かつ中心角９０度の円弧状平板部材である。また、ｘｙ平面に垂直な方向において超音波モータを見たときに、圧電素子５１の外周部と主板部２６の外周部とが重なるように、上側の圧電素子５１は、主板部２６に対して、電極４９が間に介在する状態で固定されている。下側の圧電素子５１も、主板部２６に対して、電極４９が間に介在する状態で固定されている。

なお、超音波振動子１２の機能は、外部から入力される電気信号を機械的な楕円運動に変換することであり、この機能が実現される限り、振動板２５および圧電素子５１のそれぞれの寸法および形状は、上述の寸法および形状に限定されず、他の寸法および形状であってもよい。また、主板部２６の材料は、振動の減衰が小さく、共振により大きな振幅の楕円運動が得られるのであれば、特に限定されないが、ステンレス等の導電性を有する材料であることが望ましい。また、支持部３３、バネ３５、および主板部２６は、それぞれ別個の部材からなっていてもよいし、それらが１つの部材で一体的に形成されていてもよい。

圧電素子５１は、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）からなっているが、電圧が印加されて振動する素子であれば、いかなる材料からなっていてもよい。２つの圧電素子５１のそれぞれの一方の主表面上には、電極４５、４６、４７、４８および４９が取り付けられている。図１１に示されたように、電極４５および４７は円弧の外周部側に設置されており、電極４５の面積と電極４７の面積とが同一となるように、円弧の中心部分で区切られている。

また、電極４６および４８は円弧の内周部側に設置されており、電極４６の面積と電極４８の面積とが同一となるように、円弧の中心部分で区切られている。さらに、円弧の内周と外周の中央位置となる半径位置において、電極４５および４８と電極４６および４７とは、それぞれ区切られている。また、２つの圧電素子５１のそれぞれ他方の主表面上には電極４９が設けられている。電極４９は圧電素子５１の他方の主表面と同一の円弧状の平面形状を有する平板状部材である。

上側の圧電素子５１および下側の圧電素子５１のそれぞれの電極４９は、ｘｙ平面において、その外周部が主板部２６の外周部と重なるように、主板部２６の両表面にそれぞれ固定されている。２つの電極４９は、それぞれ、銀ペーストなどの導電性接着剤によって主板部２６に接着されている。なお、導電性接着剤自体に２つの電極４９の役割を果たさせてもよい。この場合、上述の主板部２６と圧電素子５１との接着および電極４９の形成が同時に行われる。

また、主板部２６の両表面に取り付けられている２つの圧電素子５１は、主板部２６に沿った平面、すなわち、ｘｙ平面に対して鏡面対称に配置されている。上側の圧電素子５１に取り付けられている電極４５、４６、４７、４８および４９と、下側の圧電素子５１に取り付けられている電極４５、４６、４７、４８および４９は、ｘｙ平面に対して鏡面対称に配置されている。圧電素子５１は厚さ方向に沿って分極されており、分極の方向は、振動板２５の厚さ方向に対称になっている。

そのため、振動板２５の一方の主表面上の圧電素子５１の振動特性と、振動板２５の他方の主表面上の圧電素子の振動特性とは実質的に同一である。したがって、本実施の形態の振動板２５は、ｘｙ平面に対して対称に電圧が印加された場合、後述のように、ｘｙ面内方向において振動する。

図１３は、主板部２６の平面図である。図１３に示されたように、主板部２６の外周部の両端近傍には、それぞれ曲率半径０．５ｍｍの切取部６３が２つ設けられている。２つの切取部６３と主板部２６の円弧外周部との４つの交点を、それぞれ、Ｄ１、Ｅ１、Ｄ２、Ｅ２とすると、切取部６３の円弧の中心点Ｆ１およびＦ２は、それぞれ、線分Ｄ１Ｅ１および線分Ｄ２Ｅ２よりも主板部２６の内部側に位置付けられるように切取部６３が設けられている。

主板部２６に設けられた切取部６３には接触部６０が設けられている。接触部６０の半径は切取部６３の曲率半径に対してプラス公差であることが好ましい。この場合、接触部６０が切取部６３に対して圧入により隙間が形成されることなく接合される。しかしながら、接触部６０と切取部６３とが互いに装着されるのであれば、接触部６０の半径を切取部６３と同一寸法もしくはマイナス公差を有するように取り付けてもよい。これによれば、接触部６０と切取部６３とが嵌め合いにより取り付けられる。この場合、接合部の補強のために、接着剤によって、接触部６０と切取部６３とが接合されることが望ましい。接触部６０は、ロータ２０２に接し、摩擦力によって超音波振動子１２の楕円運動をロータ２０２へ伝えるために設けられている。

接触部６０の材料は、主板部２６とは別の材料により構成され、主板部２６よりも硬度の高いセラミック材料であることが好ましく、特に、窒化珪素セラミックであることが好ましい。

次に、図１４〜図１７を用いて、本実施の形態３の超音波振動子１２の駆動方法が説明される。超音波振動子１２の駆動方法にはさまざまな方法が存在する。しかしながら、本実施の形態においては、超音波振動子１２に縦１次振動モードとたわみ２次振動モードとを同時に励振することにより、超音波振動子１２を駆動する手法が説明される。そのため、２つの圧電素子５１に設けられた電極４５、４６、４７、４８および４９に、外部に設けられた制御装置５００（図示せず）から電気信号が入力される。

円弧状平板タイプの超音波振動子１２が駆動されるときには、所定の信号が、外部に設けられた制御装置５００（図示せず）から電極４５、４６、４７、４８および４９に入力される。なお、振動板２５の一方の主表面上に位置付けられた電極４５、４６、４７、４８に入力される信号（印加電圧）と、振動板２５の他方の主表面に位置付けられた電極４５、４６、４７、４８に入力される信号（印加電圧）とは、ｘｙ面に対して鏡面対称である。

図１４に示されるように、電極４５と電極４６とは結線されており、同一の信号（φ１）が入力される。電極４７と電極４８とは結線されており、同一の信号（φ２）が入力される。したがって、電極４５、４６、４７および４８に入力される信号は、図１５に示されるように、４つのモード（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）を有している。また、図１５に示されるように、電極４５および電極４６に入力される信号と、電極４７および電極４８に入力される信号とは、同一の振幅および周波数であるが、９０度位相がずれている。

上述の円弧状平板タイプの超音波振動子１２の振動板２５は、図１６に示される縦振動および図１７に示されるたわみ振動との組み合わせの運動を行う。図１６に示される縦振動によれば、振動板２５は、白抜き矢印で示されるように、ロータ２０２の内周面の接線方向において、圧縮されたり伸張されたりする。それにより、２つの接触部６０は、振動板２５の外周部に沿って、すなわちロータ２０２の内周面の接線方向に振動する。一方、図１７に示されるたわみ振動によれば、振動板２５は、白抜き矢印で示されるように振動をする。それにより、振動板２５の２つの接触部６０は、それぞれ白抜き矢印で示すように、短辺方向、すなわちロータの内周面の法線方向に沿って振動する。

縦振動の共振周波数および位相と同一の周波数および位相で変化する電圧が、電極４５、４６、４７，４８および４９のそれぞれに印加されると、振動板２５は、図１６に矢印で示される方向において、伸縮振動を行う。また、たわみ振動の共振周波数および位相と同一の周波数および位相で変化する電圧が、電極４５および４６のそれぞれに印加され、電極４５および４６に印加される電圧の周波数と同一の周波数を有しかつ電極４５および４６に印加される電圧の位相とは逆位相を有する電圧が、電極４７および４８のそれぞれに印加されると、振動板２５は、図１７に矢印で示されるように、屈曲振動を行う。また、２つの電極４９のそれぞれには、常に基準電位（０Ｖ）が与えられている。

なお、電極の形状は、円弧形状に限定されず、円弧状平板タイプの超音波振動子１２が、伸縮振動および屈曲振動の双方を生じさせることができる形状であれば、いかなる形状であってもよい。

振動板２５は、その構造、寸法から、縦振動とたわみ振動の共振周波数が約３５０ｋＨｚで略一致している。縦振動およびたわみ振動の共振周波数と同一の周波数の電圧が電極４５および４６に印加され、電極４５および４６と同一の周波数であってかつ位相が＋９０度だけずれた電圧が電極４７および４８に印加される。それにより、円弧状平板タイプの超音波振動子１２の縦振動およびたわみ振動が同時に振動板２５に生じる。その結果、４つの接触部６０が、図１１に矢印Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、およびＥ６で示されるように、楕円振動を行う。４つの接触部６０は、２つの振動板２５のそれぞれの両端の外周に設けられており、ロータ２０２の内周面に接触しているため、ロータ２０２は円周方向に回転する。

また、電極４６および４７に電極４５および４６と同一周波数であってかつ位相が−９０度だけずれた電圧が印加されると、図１１に矢印Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、およびＥ６で示された方向とは逆方向の楕円振動が生じる。また、ある一方向にロータ２０２が回転している状態で、電極４５、４６および電極４７、４８に入力されている信号のうちいずれか一方の位相が１８０度だけ変化すれば、円弧状平板タイプの超音波振動子１２の接触部６０に当接しているロータ２０２の回転方向が反転する。

なお、上記各実施の形態においては、接触部の厚さは主板部の厚さと同一である。しかしながら、接触部の厚さは、現実的には、主板部の厚さよりもわずかに小さいことが望ましい。たとえば、主板部の厚さが０．２ｍｍであれば、接触部の厚さは０．１９ｍｍ程度であることが望ましい。これは、接触部の厚さが主板部の厚さと同一であると、接触部を切取部に嵌め込むときの作業の困難性のために、接触部の主表面が主板部の主表面よりも突出する状態で、接触部が切取部に嵌め込まれてしまうことがあるためである。この場合、接触部が圧電素子を支持するため、主板部に接着される圧電素子が主板部のほぼ全主表面にわたって主板部に密着することができない。そのため、圧電素子の振動が主板部に伝達され難くなる。しかしながら、接触部の厚さが主板部の厚さよりもわずかに小さければ、たとえ、接触部の取付位置が所望の位置からわずかにずれても、接触部が主板部の厚さの範囲内の位置に取り付けられるため、接触部が主板部の主表面から外側に浮き出ない。そのため、主板部に接着される圧電素子を主板部の主表面に密着させることが可能になる。この場合、接触部の主表面と圧電素子との間にすき間が形成されるが、接触部の面積は主板部の面積に比べて非常に小さいため、振動板と圧電素子との間の接着力の不足の問題が生じることはない。また、被駆動体を駆動するための振動板の楕円運動は、振動板の主表面に平行な平面内で生じる。さらに、振動子から接触部に振動が伝達される部分は、主板部および接触部のそれぞれの接続部分であり、この接続部分同士は、圧入または嵌め合いによって、すき間なく互いに強固に接着または接合されている。したがって、上述の接触部と圧電素子との間にすき間が形成された場合であっても、超音波振動子の駆動力低下等の深刻な問題が生じることはない。

また、上記各実施の形態においては、円板形状の接触部が用いられているが、これは、接触部および切取部の製造を容易にするためである。また、円板形状の接触部および円弧形状の切取部によれば、他の形状を有する接触部および切取部を用いる場合に比較して、接触部を切取部に嵌め込み易いという利点を有している。また、接触部がセラミックのような脆い材料からなる場合には、円板形状の接触部は、角部を有しないため、接触部が欠け難いという利点を有している。

また、上記の超音波モータは、超音波振動子がロータを回転させるために用いられているが、超音波振動子がリニア可動子を往復直線運動させるものであってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の超音波モータの斜視図を示す。 実施の形態１の超音波振動子の分解図を示す。 実施の形態１の振動板の平面図を示す。 実施の形態１の超音波振動子の電極に入力される信号の４つのモードを示す。 実施の形態１の超音波振動子の入力電圧の位相を示す。 実施の形態１の超音波振動子に生じる縦振動のｘｙ面内における概略を示す。 実施の形態１の超音波振動子に生じるたわみ振動のｘｙ面内における概略を示す。 実施の形態２の超音波モータの斜視図を示す。 実施の形態２の超音波振動子の分解図を示す。 実施の形態２の振動板の平面図を示す。 実施の形態３の超音波モータの斜視図を示す。 実施の形態３の超音波振動子の分解図を示す。 実施の形態３の振動板の平面図を示す。 実施の形態３の超音波振動子の４つのモードを示す。 実施の形態３の超音波振動子の入力電圧の位相を示す。 実施の形態３の超音波振動子に生じる縦振動のｘｙ面内における概略を示す。 実施の形態３の超音波振動子に生じるたわみ振動のｘｙ面内における概略を示す。 特開２００５−７３３４１号公報に示された超音波振動子の概略図を示す。 特開２００５−７３３４１号公報に示された超音波振動子の概略図を示す。

符号の説明

１ 超音波モータ、１０ 超音波振動子、２１ 振動板、２２ 主板部、３０ 支持用突出部、３１ 押付用突出部、３２ 貫通孔、３４ 貫通孔、５０ 圧電素子、６０ 接触部、６１ 切取部、２００ ロータ、３００ 振動子支持シャフト、３０１ 振動子支持具、４００ ロータ支持シャフト、４０１ ロータ支持具、５００ 制御装置、６００ 線状のゴム、７００ 押付力調整機構、１０００ 本体。

Claims (11)

1. 被駆動体と、
   前記被駆動体を駆動させるための圧電素子と、
   中心角が１８０度より大きな円弧形状の内周面を有する切取部を含み、前記圧電素子によって振動させられる振動板と、
   前記振動板とは異なる材料からなり、平面視において前記圧電素子と重なる部分の厚さが前記振動板の厚さ以下であり、前記振動板の前記切取部に圧入または嵌め合いによって取り付けられ、前記被駆動体に接触する接触部とを備えた、超音波モータ。
2. 前記接触部が、前記円弧形状の曲率半径と実質的に同一の半径を有する円板である、請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記接触部の厚さが、前記振動板の厚さよりも小さい、請求項１または２に記載の超音波モータ。
4. 前記接触部が、前記振動板よりも硬度の高い材料により構成された、請求項１〜３のいずれかに記載の超音波モータ。
5. 前記振動板が金属材料により構成され、前記接触部がセラミック材料により構成された、請求項４に記載の超音波モータ。
6. 前記金属材料がステンレス鋼であり、前記セラミック材料が窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）である、請求項５に記載の超音波モータ。
7. 前記振動板の前記切取部以外の部分が実質的に矩形平板形状を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の超音波モータ。
8. 前記円弧形状の中心点が、前記矩形平板形状の短辺の中央に位置する、請求項７に記載の超音波モータ。
9. 前記円弧形状の両端が、前記矩形平板状振動板の短辺および長辺のそれぞれ上に位置する、請求項７に記載の超音波モータ。
10. 前記切取部および前記接触部以外に、前記切取部および前記接触部と同一の形状を有する他の切取部および他の接触部をさらに備えた、請求項１に記載の超音波モータ。
11. 前記振動板が円弧状の外周面を有し、
    前記接触部が前記円弧状の外周面の端の位置またはそれ以外の位置に設けられており、
    前記被駆動体は、前記円弧状の外周面に内接する円形の内周面を有するロータである、請求項１に記載の超音波モータ。

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