JP5586252B2 - 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に開示されている超音波モータは、組み立て容易性の高い超音波モータではない。

本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、簡略な構造で組み立て容易性の高い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が、当該振動子に励起される縦振動の共振周波数と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、
前記圧電シートに設けられた複数の内部電極により、第１の分極部及び少なくとも一対の第２の分極部とが前記振動子の内部に構成されており、
前記第１の分極部は、前記縦振動の節部に対応する領域に形成され、当該振動子に縦振動を励起し、
前記一対の第２の分極部は、前記短辺及び前記長辺の少なくとも一方を二等分する中心面に対して対称を為す領域でかつ前記捻れ振動の腹部に対応する２つの領域に形成され、当該振動子に捻れ振動を励起することを特徴とする。

本発明によれば、簡略な構造で組み立て容易性の高い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。 振動子における縦１次振動の節部及び捻れ３次振動の腹部と、各圧電シートに設けられた各内部電極により構成される分極部と、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。 捻れ２次振動モードにおける腹部の位置を示す図。 捻れ３次振動モードにおける腹部の位置を示す図。 図４に示すＸ１方向から観た振動子（一方側面）の一構成例を示す図。 図４に示すＸ２方向から観た振動子（他方側面）の一構成例を示す図。 各分極部に駆動信号を入力する為の一回路構成例を示す図。 図４に示すＸ１方向から観た振動子（一方側面）の一構成例を示す図。 図４に示すＸ２方向から観た振動子（他方側面）の一構成例を示す図。 本発明の第３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。 振動子における縦１次振動の節部及び捻れ２次振動の腹部の位置と、各圧電シートに設けられた各内部電極により構成される分極部の位置と、を示す図。 振動子の一構成例を示す図。 図１５に示すＸ１方向から観た振動子（一方側面）の一構成例を示す図。 図１５に示すＸ２方向から観た振動子（他方側面）の一構成例を示す図。 図１５に示すＸ１方向から観た振動子（一方側面）の一構成例を示す図。 図１５に示すＸ２方向から観た振動子（他方側面）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を挟持するように互いに対向してフレーム３１に設けられた支持部材３２ａと支持部材３２ｂとから成る。この支持部材３２は、例えば振動子４０に励起される捻れ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、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成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４１ｃ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おり、同様に内部電極４１ｂと内部電極４１ｄとが中心線Ｃに対して対称に設けられている。さらに、当該第１の圧電シート４１の電極形成面の略中央部には、内部電極４１ｅが設けられている。詳細には、これら内部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ、４１ｅ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における縦１次振動の節部の位置及び捻れ３次振動の腹部の位置と、各圧電シートに設けられた各内部電極により構成される分極部の位置と、を示す図である。

図３に示すように、内部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄは、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。内部電極４１ｅ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。

そして、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、後述する分極部１０１Ａ１，１０１Ｂ１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、後述する分極部１０１Ａ２，１０１Ｂ２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、後述する分極部１０１Ａ３，１０１Ｂ３を構成している。内部電極４１ｄと内部電極４２ｄとが積層されて成る部位は、後述する分極部１０１Ａ４，１０１Ｂ４を構成している。内部電極４１ｅと内部電極４２ｅとが積層されて成る部位は、後述する分極部１０１Ｌを構成している。

前記内部電極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。同様に、内部電極４１ｂには、当該第１の圧電シート４１の前記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。同様に、内部電極４１ｅには、当該第１の圧電シート４１の前記一方長辺の縁部位に向かって延出された露出部４１ｅｅが設けられている。

前記内部電極４１ｃ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４１ｃｅが設けられている。同様に、内部電極４１ｄには、当該第１の圧電シート４１の前記他方長辺の縁部位に向かって延出された露出部４１ｄｅが設けられている。

そして、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，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅにそれぞれ対応する位置に、内部電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅが設けられている。

これら内部電極４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄには、それぞれ内部電極４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄの露出部４１ａｅ，４１ｂｅ，４１ｃｅ，４１ｄｅ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，４２ｃｅ，４２ｄｅが設けられている。但し、内部電極４２ｅの露出部４２ｅｅは、内部電極４１ｅの露出部４１ｅｅが延出されている長辺と対向する長辺に延出されて設けられている。

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、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４１ｃｅと露出部４２ｃｅ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４１ｄｅと露出部４２ｄｅ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４１ｅｅと露出部４２ｅｅ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。

前記第３の圧電シート４３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。

ここで、分極部１０１Ａ１と分極部１０１Ｂ１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。分極部１０１Ａ２と分極部１０１Ｂ２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。分極部１０１Ａ３と分極部１０１Ｂ３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。分極部１０１Ａ４と分極部１０１Ｂ４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。

前記分極部１０１Ａ１，１０１Ｂ１，１０１Ａ２，１０１Ｂ２，１０１Ａ３，１０１Ｂ３，１０１Ａ４，１０１Ｂ４は、振動子４０に捻れ３次振動を励起する為の分極部であり、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を占める。

前記分極部１０１Ｌは、振動子４０に縦１次振動を励起する為の分極部であり、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を占める。

以下、図５乃至図７を参照して、縦振動及び捻れ振動について詳細に説明する。図５は、縦振動及び捻れ振動の共振周波数特性を示す図である。図６は、捻れ２次振動モードにおける腹部の位置を示す図である。図７は、捻れ３次振動モードにおける腹部の位置を示す図である。

ここで、図４に示すように振動子４０の高さをＨ、厚さ（短辺）をＴ、幅（長辺）をＷとする。そして、高さＨを一定として、（厚さＴ／幅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。

なお、捻れ２次振動モード時の振動子４０は、図６に示すように捻れ振動する。すなわち、同図において、符号Ｐ２が付された部位が捻れ２次振動における腹となる。このように、振動子４０上下端近傍及び、振動子４０上下端から全長の長さの１／２の長さだけ離れた位置近傍が捻れ２次振動の腹の位置Ｐ２となる。

他方、捻れ３次振動モード時の振動子４０は、図７に示すように捻れ振動する。すなわち、同図において、符号Ｐ３が付された部位が捻れ３次振動における腹となる。このように、振動子４０上下端近傍及び、振動子４０上下端から全長の長さの１／３の長さだけ離れた位置近傍が捻れ３次振動の腹の位置Ｐ３となる。なお、本例では、捻れ３次振動を利用する為、図３に示すように位置Ｐ３のうち振動子４０の長手方向中央部に近い方の腹部に分極部を設ける。

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３次振動を利用するので、（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。

図８は、図４に示すＸ１方向から観た振動子４０（一方側面）の一構成例を示す図である。図９は、図４に示すＸ２方向から観た振動子４０（他方側面）の一構成例を示す図である。図８及び図９に示すように、振動子４０における各側面には下記のように外部電極を形成する。

すなわち、振動子４０の前記一方側面においては図８に示すように、
・ 分極部（Ａ３＋相）１０１Ａ３＋に対応する露出部４１ｃｅ同士を外部電極１１１Ａ３＋によって短絡する。

・ 分極部（Ａ３−相）１０１Ａ３−に対応する露出部４２ｃｅ同士を外部電極１１１Ａ３−によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ４＋相）１０１Ｂ４＋に対応する露出部４１ｄｅ同士を外部電極１１１Ｂ４＋によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ４−相）１０１Ｂ４−に対応する露出部４２ｄｅ同士を外部電極１１１Ｂ４−によって短絡する。

・ 分極部（Ｌ−相）１０１Ｌ−に対応する露出部４２ｅｅ同士を外部電極１１１Ｌ−によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ３＋相）１０１Ｂ３＋に対応する露出部４１ｃｅ同士を外部電極１１１Ｂ３＋によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ３−相）１０１Ｂ３−に対応する露出部４２ｃｅ同士を外部電極１１１Ｂ３−によって短絡する。

・ 分極部（Ａ４＋相）１０１Ａ４＋に対応する露出部４１ｄｅ同士を外部電極１１１Ａ４＋によって短絡する。

・ 分極部（Ａ４−相）１０１Ａ４−に対応する露出部４２ｄｅ同士を外部電極１１１Ａ４−によって短絡する。

そして、振動子４０の前記他方側面においては図９に示すように、
・ 分極部（Ａ１＋相）１０１Ａ１＋に対応する露出部４１ａｅ同士を外部電極１１１Ａ１＋によって短絡する。

・ 分極部（Ａ１−相）１０１Ａ１−に対応する露出部４２ａｅ同士を外部電極１１１Ａ１−によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ２＋相）１０１Ｂ２＋に対応する露出部４１ｂｅ同士を外部電極１１１Ｂ２＋によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ２−相）１０１Ｂ２−に対応する露出部４２ｂｅ同士を外部電極１１１Ｂ２−によって短絡する。

・ 分極部（Ｌ＋相）１０１Ｌ＋に対応する露出部４１ｅｅ同士を外部電極１１１Ｌ＋によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ１＋相）１０１Ｂ１＋に対応する露出部４１ａｅ同士を外部電極１１１Ｂ１＋によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ１−相）１０１Ｂ１−に対応する露出部４２ａｅ同士を外部電極１１１Ｂ１−によって短絡する。

・ 分極部（Ａ２＋相）１０１Ａ２＋に対応する露出部４１ｂｅ同士を外部電極１１１Ａ２＋によって短絡する。

・ 分極部（Ａ２−相）１０１Ａ２−に対応する露出部４２ｂｅ同士を外部電極１１１Ａ２−によって短絡する。

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。図１０は、前記の各分極部に駆動信号を入力する為の一回路構成例を示す図である。すなわち、各分極部には下記の交番電圧を印加する。

・ 分極部（Ｌ相）１０１Ｌには、交番電圧Ｖ１を印加する。

・ 分極部（Ａ１相）１０１Ａ１、分極部（Ａ２相）１０１Ａ２、分極部（Ａ３相）１０１Ａ３、分極部（Ａ４相）１０１Ａ４には、前記交番電圧Ｖ１に対して所定の位相差（例えば９０°）を有し、所定の振幅の交番電圧Ｖ２を印加する。

・ 分極部（Ｂ１相）１０１Ｂ１、分極部（Ｂ２相）１０１Ｂ２、分極部（Ｂ３相）１０１Ｂ３、分極部（Ｂ４相）１０１Ｂ４には、前記交番電圧Ｖ２の位相を反転させた交番電圧を印加する。

・ 換言すれば、分極部（Ａ１相）１０１Ａ１に印加する交番電圧と、分極部（Ｂ１相）１０１Ｂ１に印加する交番電圧と、は１８０°の位相差を有する。分極部（Ａ２相）１０１Ａ２に印加する交番電圧と、分極部（Ｂ２相）１０１Ｂ２に印加する交番電圧と、は１８０°の位相差を有する。分極部（Ａ３相）１０１Ａ３に印加する交番電圧と、分極部（Ｂ３相）１０１Ｂ３に印加する交番電圧と、は１８０°の位相差を有する。分極部（Ａ４相）１０１Ａ４に印加する交番電圧と、分極部（Ｂ４相）１０１Ｂ４に印加する交番電圧と、は１８０°の位相差を有する。

・ 交番電圧Ｖ１及び交番電圧Ｖ２の周波数は、縦１次振動の共振周波数と捻れ３次振動の共振周波数とが略一致した周波数とする。

各分極部に上述の駆動信号を入力することで、振動子４０に縦１次振動と捻れ３次振動とを同時に励起することができる。具体的には、分極部（Ｌ相）１０１Ｌにより縦１次振動が励起される。分極部（Ａ１相）１０１Ａ１〜分極部（Ａ４相）１０１Ａ４及び分極部（Ｂ１相）１０１Ｂ１〜分極部（Ｂ４相）１０１Ｂ４により捻れ３次振動が励起される。

このように縦１次振動と捻れ３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。

以上説明したように、本第１実施形態によれば、簡略な構造で組み立て容易性の高い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実施形態に係る超音波モータは例えば下記の効果を奏する。

・ 単一部材で振動体を構成できる為、振動体の構成を簡略化できる。

・ 分極部（Ｌ相）１０１Ｌに印加する駆動信号と、分極部（Ａ１相）１０１Ａ１〜分極部（Ａ４相）１０１Ａ４及び分極部（Ｂ１相）１０１Ｂ１〜分極部（Ｂ４相）１０１Ｂ４に印加する駆動信号と、を調整することで、振動子４０の上端面において生じる楕円振動の楕円形状を制御することができる。

・ つまり、縦振動とねじれ振動とを互いに独立して振動子４０に励起可能な為、当該超音波モータの制御の自由度を向上させることができる。

なお、捻れ振動を励起する為の分極部として、分極部（Ａ１相）１０１Ａ１〜分極部（Ａ４相）１０１Ａ４、及び分極部（Ｂ１相）１０１Ｂ１〜分極部（Ｂ４相）１０１Ｂ４を全て設ける必要性はなく、振動子４０の捻れ振動の腹部近傍において、捻れ振動を励起する為の分極部を少なくとも一つ設ければよい。以下、説明する変形例は、このことを利用した変形例である。

《変形例》
以下、上述の第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。本変形例に係る超音波モータでは、分極部（Ａ３相）１０１Ａ３と分極部（Ｂ３相）１０１Ｂ３とを振動検出の為に用いる。

つまり、本変形例に係る超音波モータでは、捻れ３次振動を振動子４０に励起させる為に４個の分極部を用い、縦１次振動を振動子４０に励起させる為に１個の分極部を用い、振動子４０の振動検出の為に２個の分極部を用いる。

具体的には、下記のように駆動／振動検出する。

・ 縦1次振動の節部近傍に形成した分極部（Ｌ相）１０１Ｌに交番電圧Ｖ１を印加する。

・ 捻れ３次振動の腹部近傍に形成した分極部のうち分極部（Ａ１相）１０１Ａ１及び分極部（Ａ２相）１０１Ａ２には、前記交番電圧Ｖ１に対して所定の位相差（例えば９０°）を有する交番電圧Ｖ２を印加する。

・ 分極部（Ｂ１相）１０１Ｂ１及び分極部（Ｂ２相）１０１Ｂ２には、交番電圧Ｖ２の位相を反転させた交番電圧を印加する。

・ 分極部（Ａ３相）１０１Ａ３及び分極部（Ｂ３相）１０１Ｂ３は、後述するように振動検出の為に使用する。

詳細には、分極部（Ａ３相）１０１Ａ３により検出した振動検出信号と、分極部（Ｂ３相）１０１Ｂ３により検出した振動検出信号と、を加算すると、捻れ３次振動成分が相殺される。従って、縦１次振動成分のみを検出することができる。

そして、分極部（Ａ３相）１０１Ａ３により検出した振動検出信号と、分極部（Ｂ３相）１０１Ｂ３により検出した振動検出信号と、の差分を取ると、同相成分である縦１次振動成分が相殺される。従って、捻れ３次振動成分のみを検出することができる。

このようにして取得した振動検出信号と、駆動信号である交番電圧との位相差を所定の値に保つように駆動周波数を制御することで、より安定した駆動が可能となる。なお、振動検出信号に基づいた周波数追尾に係る技術自体は本願発明の特徴部ではないので、周波数追尾に係る技術については詳細な説明は省略する。

以上説明したように、本変形例によれば、前記第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、構成を複雑化させることなく、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超音波モータを提供することができる。

なお、上述の例では、分極部（Ａ３相）１０１Ａ３及び分極部（Ｂ３相）１０１Ｂ３を振動検出用に使用する例を説明したが、その他の相の分極部（例えば分極部（Ａ４相）１０１Ａ４及び分極部（Ｂ４相）１０１Ｂ４等）を振動検出用に使用しても勿論よい。

［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。

上述の第１実施形態に係る超音波モータとの構成上の主な相違点の一つは、縦１次振動の節部近傍に形成した分極部（Ｌ相）１０１Ｌに対応する各露出部同士を短絡する外部電極の構成である。本第２実施形態においては、外部電極を下記のように形成することで、分極部（Ｌ相）１０１Ｌを実質的に分割して複数の用途に利用する。

図１１は、図４に示すＸ１方向から観た振動子４０（一方側面）の一構成例を示す図である。図１２は、図４に示すＸ２方向から観た振動子４０（他方側面）の一構成例を示す図である。すなわち、振動子４０の側面において下記のように外部電極を形成する。

図１１に示すように一方側面においては、縦１次振動の節部近傍に形成した分極部に対応する露出部４２ｅｅを、積層方向に３分割して外部電極１１１Ｌ−と外部電極１１１Ｃ−と外部電極１０１Ｄ−とを設ける。

図１２に示すように他方側面においては、縦１次振動の節部近傍に形成した分極部（Ｌ相）１０１Ｌに対応する露出部４１ｅｅを、積層方向に３分割して外部電極１１１Ｌ＋と外部電極１１１Ｃ＋と外部電極１０１Ｄ＋とを設ける。

ここで、外部電極１１１Ｃ＋により短絡された内部電極と、外部電極１１１Ｃ−により短絡された内部電極と、によって振動検出用の分極部（Ｃ相）が構成される。外部電極１１１Ｄ＋により短絡された内部電極と、外部電極１１１Ｄ−により短絡された内部電極と、によって振動検出用の分極部（Ｄ相）が構成される。外部電極１１１Ｌ＋により短絡された内部電極と、外部電極１１１Ｌ−により短絡された内部電極と、によって縦１次振動を励起する為の分極部（Ｌ相）が構成される。

そして、分極部（Ｃ相）及び分極部（Ｄ相）は下記のように利用する。

すなわち、分極部（Ｃ相）により検出される振動検出信号と、分極部（Ｄ相）により検出される振動検出信号と、を加算すると、捻れ３次振動成分が相殺される。従って、縦１次振動成分のみを検出することができる。

また、分極部（Ｃ相）により検出される振動検出信号と、分極部（Ｄ相）により検出される振動検出信号と、の差分を取ると、同相成分である縦１次振動成分が相殺される。従って、捻れ３次振動成分のみを検出することができる。

このようにして検出した振動検出信号と、駆動信号である交番電圧との位相差を所定の値に保つように駆動周波数を制御することで、より安定した駆動が可能となる。

以上説明したように、本第２実施形態によれば、前記第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、構成を複雑化させることなく、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超音波モータを提供することができる。

換言すれば、前記第１実施形態に係る超音波モータと同様に、捻れ３次振動を振動子４０に励起する為に４個の分極部を利用し、且つ、縦１次振動を振動子４０に励起する為に１個の分極部を利用した上で、更に振動子４０の振動検出も行う（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。また、上述の《変形例》に係る超音波モータと比較した場合、推力方向の力を生じさせる捻れ３次振動を励起する為の分極部の数を、より多く設けることが可能となる。

しかしながら、捻れ３次振動を励起する為の分極部は、少なくとも１つ設ければよく、上述の《変形例》に係る超音波モータについても充分な推力方向の力を得られることは勿論である。

［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。

本第３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。すなわち、前記（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。そして、この共振周波数を駆動周波数として利用する。

図１３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。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、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４１ｘと内部電極４１ｙと内部電極４１ｚとが設けられている。

詳細には、内部電極４１ｘと内部電極４１ｚ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４１ｙは、当該電極形成面における略中央部に設けられている。なお、内部電極４１ｘ，４１ｙ，４１ｚの詳細な配設位置については後述する。

そして、内部電極４１ｘ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４１ｘｅが設けられている。内部電極４１ｚ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４１ｚｅが設けられている。内部電極４１ｙにも、当該第１の圧電シート４１の前記他方長辺の縁部位に向かって延出された露出部４１ｙｅ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、内部電極４２ｘと内部電極４２ｙと内部電極４２ｚとが設けられている。

詳細には、内部電極４２ｘと内部電極４２ｚ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４２ｙは、当該電極形成面における略中央部に設けられている。なお、内部電極４２ｘ，４２ｙ，４２ｚの詳細な配設位置については後述する。

そして、内部電極４２ｘ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４２ｘｅが設けられている。内部電極４２ｚには、当該第２の圧電シート４２の他方長辺の縁部位に向かって延出された露出部４２ｚｅが設けられている。内部電極４２ｙ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４２ｙｅが設けられている。

前記第３の圧電シート４３には内部電極は設けられていない。

図１４は、振動子４０における縦１次振動の節部及び捻れ２次振動の腹部の位置と、各圧電シートに設けられた各内部電極により構成される分極部の位置と、を示す図である。

図１４に示すように、内部電極４１ｘ，４２ｘ，４１ｚ，４２ｚ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４１ｙ，４２ｙは、縦１次振動の節部に対応する位置に設けられている。

そして、振動子４０のうち、内部電極４１ｘと内部電極４２ｘとが積層されて成る部位は、後述する分極部１０１Ａ２，１０１Ｂ２を構成している。内部電極４１ｚと内部電極４２ｚとが積層されて成る部位は、後述する分極部１０１Ａ１，１０１Ｂ１を構成している。そして、これら分極部１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ａ２，１０１Ｂ２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。

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１５に示す振動子４０を得ることができる。なお、図１５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。

また、振動子４０のうち、内部電極４１ｙと内部電極４２ｙとが積層されて成る部位は、分極部１０１Ｌ（詳細は後述する）を構成している。この分極部１０１Ｌ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次振動の節部である。

図１６は、図１５に示すＸ１方向から観た振動子４０（一方側面）の一構成例を示す図である。図１７は、図１５に示すＸ２方向から観た振動子４０（他方側面）の一構成例を示す図である。

図１６に示すように、振動子４０の一方側面においては、
・ 分極部（Ａ２＋相）１０１Ａ２＋に対応する露出部４１ｘｅ同士を外部電極１１１Ａ２＋によって短絡する。

・ 分極部（Ａ２−相）１０１Ａ２−に対応する露出部４２ｘｅ同士を外部電極１１１Ａ２−によって短絡する。

・ 分極部（Ｌ−相）１０１Ｌ−に対応する露出部４２ｙｅ同士を外部電極１１１Ｌ−によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ２＋相）１０１Ｂ２＋に対応する露出部４１ｘｅ同士を外部電極１１１Ｂ２＋によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ２−相）１０１Ｂ２−に対応する露出部４２ｘｅ同士を外部電極１１１Ｂ２−によって短絡する。

図１７に示すように、振動子４０の他方側面においては、
・ 分極部（Ａ１＋相）１０１Ａ１＋に対応する露出部４１ｚｅ同士を外部電極１１１Ａ１＋によって短絡する。

・ 分極部（Ａ１−相）１０１Ａ１−に対応する露出部４２ｚｅ同士を外部電極１１１Ａ１−によって短絡する。

・ 分極部（Ｌ＋相）１０１Ｌ＋に対応する露出部４１ｙｅ同士を外部電極１１１Ｌ＋によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ１＋相）１０１Ｂ１＋に対応する露出部４１ｚｅ同士を外部電極１１１Ｂ１＋によって短絡する。

・ 分極部（Ｂ１−相）１０１Ｂ１−に対応する露出部４２ｚｅ同士を外部電極１１１Ｂ１−によって短絡する。

以下、本第３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。

・ 分極部（Ｌ相）１０１Ｌには、交番電圧Ｖ１を印加する。

・ 分極部（Ａ１相）１０１Ａ１、分極部（Ａ２相）１０１Ａ２には、前記交番電圧Ｖ１に対して所定の位相差（例えば９０°）を有し、所定の振幅の交番電圧Ｖ２を印加する。

・ 分極部（Ｂ１相）１０１Ｂ１、分極部（Ｂ２相）１０１Ｂ２には、前記交番電圧Ｖ２の位相を反転させた交番電圧を印加する。

・ 換言すれば、分極部（Ａ１相）１０１Ａ１に印加する交番電圧と、分極部（Ｂ１相）１０１Ｂ１に印加する交番電圧と、は１８０°の位相差を有する。分極部（Ａ２相）１０１Ａ２に印加する交番電圧と、分極部（Ｂ２相）１０１Ｂ２に印加する交番電圧と、は１８０°の位相差を有する。

・ 交番電圧Ｖ１及び交番電圧Ｖ２の周波数は、縦１次振動と捻れ２次振動の共振周波数と略一致した周波数とする。

上述のように各分極部に駆動信号を入力することで、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。具体的には、分極部（Ｌ相）１０１Ｌにより縦１次振動が励起される。同時に、分極部（Ａ１相）１０１Ａ１、分極部（Ａ２相）１０１Ａ２及び分極部（Ｂ１相）１０１Ｂ１、分極部（Ｂ２相）１０１Ｂ２により捻れ２次振動が励起される。

このように縦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。

以上説明したように、本第３実施形態によれば、前記第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する超音波モータを提供することができる。

なお、上述の例では、捻れ振動を励起する為の分極部を４相設けているが、捻れ振動を励起する為の分極部は少なくとも２相設ければよい。従って、何れか２相の分極部を振動検出の為に用いてもよい。

［第４実施形態］
以下、本第４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３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。

上述の第３実施形態に係る超音波モータとの構成上の主な相違点の一つは、分極部（Ｌ相）１０１Ｌに対応する各露出部同士を短絡する外部電極の構成である。本第４実施形態においては、外部電極を下記のように形成することで、分極部（Ｌ相）１０１Ｌを実質的に分割して複数の用途に利用する。

図１８は、図１５に示すＸ１方向から観た振動子４０（一方側面）の一構成例を示す図である。図１９は、図１５に示すＸ２方向から観た振動子４０（他方側面）の一構成例を示す図である。すなわち、振動子４０の側面においては下記のように外部電極を形成する。

図１８に示すように一方側面においては、縦１次振動の節部近傍に形成した分極部に対応する露出部４２ｙｅを、積層方向に３分割して外部電極１１１Ｌ−と外部電極１１１Ｃ−と外部電極１０１Ｄ−とを設ける。

図１９に示すように他方側面においては、縦１次振動の節部近傍に形成した分極部に対応する露出部４１ｙｅを、積層方向に３分割して外部電極１１１Ｌ＋と外部電極１１１Ｃ＋と外部電極１０１Ｄ＋とを設ける。

ここで、外部電極１１１Ｃ＋により短絡された内部電極と、外部電極１１１Ｃ−により短絡された内部電極と、によって振動検出用の分極部（Ｃ相）が構成される。外部電極１１１Ｄ＋により短絡された内部電極と、外部電極１１１Ｄ−により短絡された内部電極と、によって振動検出用の分極部（Ｄ相）が構成される。外部電極１１１Ｌ＋により短絡された内部電極と、外部電極１１１Ｌ−により短絡された内部電極と、によって縦１次振動を励起する為の分極部（Ｌ相）が構成される。

そして、分極部（Ｃ相）により検出される振動検出信号と、分極部（Ｄ相）により検出される振動検出信号と、を加算すると、捻れ２次振動成分が相殺される。従って、縦１次振動成分のみを検出することができる。

また、分極部（Ｃ相）により検出される振動検出信号と、分極部（Ｄ相）により検出される振動検出信号と、の差分を取ると、同相成分である縦１次振動成分が相殺される。従って、捻れ２次振動成分のみを検出することができる。

このようにして検出した振動検出信号と、駆動信号である交番電圧との位相差を所定の値に保つように駆動周波数を制御することで、より安定した駆動が可能となる。

以上説明したように、本第４実施形態によれば、前記第３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、構成を複雑化させることなく、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超音波モータを提供することができる。また、推力方向の力を生じさせる捻れ２次振動を励起する為の分極部の数を減少させずに、振動検出を行うことが可能になる。

換言すれば、前記第３実施形態に係る超音波モータと同様に、捻れ２次振動を振動子４０に励起する為に４個の分極部を利用し、且つ、縦１次振動を振動子４０に励起する為に１個の分極部を利用した上で、更に振動子４０の振動検出も行う（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。

以上、第１実施形態乃至第４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。

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、 ３２ａ，３２ｂ…支持部材、 ４０…振動子、 ４１…第１の圧電シート、 ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ…内部電極、 ４１ａｅ，４１ｂｅ，４１ｃｅ，４１ｄｅ，４１ｅｅ…露出部、 ４１ｘ，４１ｙ，４１ｚ…内部電極、 ４１ｘｅ，４１ｙｅ，４１ｚｅ…露出部、 ４２…第２の圧電シート、 ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ…内部電極、 ４２ａｅ．４２ｂｅ，４２ｃｅ，４２ｄｅ，４２ｅｅ…露出部、 ４３…第３の圧電シート、 １０１Ａ１，１０１Ｂ１，１０１Ａ２，１０１Ｂ２，１０１Ａ３，１０１Ｂ３，１０１Ａ４，１０１Ｂ４，１０１Ｌ…分極部、 １０１Ａ１，１０１Ｂ１，１０１Ａ２，１０１Ｂ２，１０１Ａ３，１０１Ｂ３，１０１Ａ４，１０１Ｂ４，…分極部、 １０１Ｄ…外部電極、 １１１Ｌ…外部電極、 １１１Ａ１，１１１Ｂ１，１１１Ａ２，１１１Ｂ２，１１１Ａ３，１１１Ｂ３，１１１Ａ４，１１１Ｂ４，１１１Ｃ，１１１Ｄ…外部電極。

Claims (5)

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が、当該振動子に励起される縦振動の共振周波数と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、
   前記圧電シートに設けられた複数の内部電極により、第１の分極部及び少なくとも一対の第２の分極部とが前記振動子の内部に構成されており、
   前記第１の分極部は、前記縦振動の節部に対応する領域に形成され、当該振動子に縦振動を励起し、
   前記一対の第２の分極部は、前記短辺及び前記長辺の少なくとも一方を二等分する中心面に対して対称を為す領域でかつ前記捻れ振動の腹部に対応する２つの領域に形成され、当該振動子に捻れ振動を励起する
   ことを特徴とする超音波モータ。
2. 前記一対の第２の分極部が、前記短辺又は前記長辺を二等分する中心面に対して対称を為す領域でかつ前記捻れ振動の腹部に対応する２つの領域に形成される構成において、
   前記第１の分極部には第１の交番電圧が印加され、
   前記一対の第２の分極部のうち一方には、前記交番電圧に対して所定の位相差を有する第２の交番電圧が印加され、
   前記一対の第２の分極部のうち他方には、前記第２の交番電圧の位相を反転させた交番電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 前記振動子に励起される捻れ振動の腹部に対応する領域は前記中心軸方向に沿って複数存在している
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
4. 複数の前記第２の分極部のうち少なくとも１つは、前記振動子の振動を検出する為に用いられる
   ことを特徴とする請求項３に記載に記載の超音波モータ。
5. 前記第１の分極部は、前記積層方向に３分割されており、これら３分割された第１の分極部のうち、中央部分の分極部位は当該超音波モータを駆動する為に用いられ、その他の分極部位は前記振動子の振動を検出する為に用いられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。

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