(57)【要約】【課題】溝部が不要で、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で縦共振振動とねじれ共振振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することである。【解決手段】超音波モータは、中心軸に垂直な断面が略長方形状で直方体形状の積層圧電素子２５、２６と、該積層圧電素子２５、２６の楕円振動発生面に接して該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータ１５とを有する。積層圧電素子２５、２６は、中心軸に垂直な断面が長方形状の弾性体２１と、該断面の長手方向の面と対向配置された第１積層圧電素子２５及び第２積層圧電素子２６とから成る。そして、積層圧電素子２５、２６の回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、該回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動またはねじれ３次共振振動とを合成して、楕円振動を形成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に垂直な断面が略長方形状の長さ比率を有する略直方体形状の振動子と、該振動子の楕円振動発生面に接して、該振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータに於いて、
上記振動子は、上記中心軸に垂直な断面が略長方形状で、該略長方形状の一辺を含む第１の側面及び該第１の側面と対をなす第２の側面を有した略直方体形状の弾性体と、上記弾性体の第１の側面に対向して配置された第１の圧電素子と、上記弾性体の第２の側面に対向して配置された第２の圧電素子と、
を具備し、
上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、該回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動若しくはねじれ３次共振振動と、を合成することにより上記楕円振動を形成して上記ロータを回転させることを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
上記第１の圧電素子の分極の方向が上記弾性体の上記第１の側面の面内方向にほぼあり、且つ、上記中心軸方向を見た時の該中心軸とのなす角αが  
０＜α＜π／２  
を満たすように接合されており、
上記第２の圧電素子の分極の方向が上記弾性体の上記第２の側面の面内方向にほぼあり、且つ、上記中心軸方向を見た時の該中心軸とのなす角βが  
β＝−α  
を満たすように接合されていることを特微とする請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
上記分極は、上記ねじれ２次共振振動の２箇所の節部のうちの少なくとも１箇所の節部を含む位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
上記分極は、上記ねじれ３次共振振動の３箇所の節部のうちの少なくとも１箇所の節部を含む位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項５】
上記第１の圧電素子の分極及び第２の圧電素子の分極は、複数の電極パターンが交差して配置された交差指電極により形成されていることを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項６】
上記交差指電極は、駆動用電極と振動検出用電極を備えることを特微とする請求項５に記載の超音波モータ。
【請求項７】
上記第１の圧電素子及び上記第２の圧電素子は、上記交差指電極が上記中心軸に対して所定の角度傾けて配設された圧電シートを複数枚積層された構造の積層型圧電素子であることを特徴とする請求項５若しくは６に記載の超音波モータ。
【請求項８】
上記第１の圧電素子の駆動用交差指電極と上記第２の圧電素子の交差指駆動電極に位相の異なる交番電圧を印加することにより、上記縦１次共振振動と上記ねじれ２次共振振動若しくはねじれ３次共振振動を同時に励起し、上記楕円振動を発生させ、上記ロータを所定の方向に回転させることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項９】
上記第１の圧電素子の振動検出用電極からの信号及び上記第２の圧電素子の振動検出用電極からの信号を並列接続して、それぞれ縦振動若しくはねじれ振動を検出することを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項１０】
上記振動子検出用電極は、上記第１の圧電素子及び第２の圧電素子の上記駆動用電極と同一の面に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の超音波モータ。
【請求項１１】
上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と該回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動の共振周波数がほぼ一致するように上記振動子の上記回転軸に直交する略長方形断面の短辺の長辺に対する比率を略０．６としたことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項１２】
上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と該回転軸をねじれ軸とするねじれ３次共振振動の共振周波数がほぼ一致するように上記振動子の該回転軸に直交する略長方形断面の短辺の長辺に対する比率を略０．３としたことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項１３】
上記弾性体の上記回転軸に一致する部分に設けられた貫通穴と、
上記貫通穴の略中央部に固定されたシャフトと、
上記シャフトに対し回転自在に保持された上記ロータを上記振動子に押圧するばねと、
を更に具備することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項１４】
上記弾性体の略中央部にて一体的に設けられたシャフトと、
上記シャフトに対し回転自在に保持された上記ロータを上記振動子に押圧するばねと、
を更に具備することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の超音波モータ。
【請求項１５】
上記弾性体の第１の側面及び第２の側面は、該弾性体の上記略長方形状の断面の長辺方向を含む面であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動を駆動力源として被駆動体を駆動する超音波モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、下記特許文献１には、振動子の縦振動とねじれ振動を合成して楕円振動を発生させ、ロータを回転させる超音波モータが提案されている。そして、下記特許文献１の図１には、振動子の分解斜視図が描かれており、振動子軸方向に対し斜めにカッティングされた弾性体の間に複数枚の圧電素子が挿入された構成となっている。また、該圧電素子の正電極は２分割されており、ここでは、それぞれＡ相、Ｂ相と称するものとする。
【０００３】
ここで、Ａ相とＢ相に同位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子に縦振動を発生させることができる。また、Ａ相とＢ相に逆位相の交番電圧を印加することで、棒状振動子にねじれ振動を発生させることができる。尚、振動子の溝位置を調整して縦振動の共振周波数と、ねじれ振動の共振周波数を、ほぼ一致するようにしておく。そして、Ａ相とＢ相にπ／２位相の異なる交番電圧を印加すると、縦振動とねじれ振動が同時に発生し、棒状弾性体上面に楕円振動を発生させることができる。棒状弾性体上面にロータを押圧することにより、ロータを時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）に回転させることができる。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１１７１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載された超音波モータは、その図１に示されるように、弾性体を斜めにカットしなければならない、縦振動とねじれ振動の周波数を合わせるために弾性体の一部に溝部を設けなければならない、等の課題があった。また、圧電素子の中央部に穴部を設けてあるので、圧電素子がそれ自体で、若しくは特にシャフトと触れた際には破損しやすい等の課題があった。
【０００６】
したがって本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で縦共振振動とねじれ共振振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち本発明は、中心軸に垂直な断面が略長方形状の長さ比率を有する略直方体形状の振動子と、該振動子の楕円振動発生面に接して、該振動子の該楕円振動発生面と直交する中心軸を回転軸として回転駆動されるロータと、を少なくとも備えた超音波モータに於いて、上記振動子は、上記中心軸に垂直な断面が略長方形状で、該略長方形状の一辺を含む第１の側面及び該第１の側面と対をなす第２の側面を有した略直方体形状の弾性体と、上記弾性体の第１の側面に対向して配置された第１の圧電素子と、上記弾性体の第２の側面に対向して配置された第２の圧電素子と、を具備し、上記振動子の上記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、該回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動若しくはねじれ３次共振振動と、を合成することにより上記楕円振動を形成して上記ロータを回転させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で縦共振振動とねじれ共振振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させる超音波モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波モータを示す外観斜視図である。
【図２】図１の振動子を示したもので、（ａ）は振動子の分解斜視図、（ｂ）は振動子の斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態で用いられる積層圧電素子の構成について説明するもので、（ａ）は圧電シート及び内部電極パターンの例を示した図、（ｂ）は振動子表面に形成された交差指電極の配置例を示した図、（ｃ）は（ｂ）に示される積層圧電素子の積層後の外部電極を示した図である。
【図４】図２（ａ）のＡ−Ａ′線に沿って示した分極方向を含み、且つ、側面に垂直な断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の超音波モータ１０に使用される振動子１１の固有周波数の一致に関して説明するための図である。
【図６】図５の振動子１１の辺ｃを一定として、横軸が短辺の長さ／長辺の長さ（ａ／ｂ）であるような種々の矩形比率に於ける各モードの共振周波数を表した図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の第１の変形例に於ける積層圧電素子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の積層圧電素子を左方向から見た図、（ｃ）は（ａ）の積層圧電素子を右方向から見た図である。
【図８】本発明の第１の実施形態の第２の変形例に於ける積層圧電素子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の積層圧電素子の外部電極を示した図である。
【図９】本発明の第１の実施形態の第２の変形例による分極の様子を示した図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態の第３の変形例に於ける積層圧電素子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の積層圧電素子の外部電極を示した図である。
【図１１】本発明の第４の変形例に於ける積層圧電素子の構成を示したもので、（ａ）は圧電シート及び内部電極パターンの例を示した図、（ｂ）は（ａ）の圧電シート（３）２５ｃの方向から見た透視図、（ｃ）は右側面方向から見た図、（ｄ）は左側面方向から見た図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態の第４の変形例に於ける振動子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の第１圧電素子の電極パターンを示した図、（ｃ）は（ａ）の第２圧電素子の電極パターンを示した図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る超音波モータの振動子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の振動子を組み立てた状態を示した斜視図、（ｃ）は（ｂ）の振動子を上から見た図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態の変形例に係る超音波モータの振動子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の振動子を組み立てた状態を示した斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
(第１の実施形態)
先ず、図１乃至図６を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータを示す外観斜視図である。また、図２は図１の振動子を示したもので、（ａ）は振動子の分解斜視図、（ｂ）は振動子の斜視図である。
【００１３】
この超音波モータ１０は、振動子を構成する振動子１１と、摩擦接触部材１２ａ及び１２ｂと、外部電極１３と、ロータ１５と、ベアリング１６と、ばね１７と、ばね保持リング１８と、シャフト１９と、を少なくとも有して構成されている。
【００１４】
摩擦接触部材１２ａ及び１２ｂは、振動子１１の長手方向と直交する面に接着されてロータ１５と接触するようになっている。そして、摩擦接触部材１２ａ及び１２ｂは、アルミナやジルコニアのセラミクス材料、若しくはＰＰＳやＰＥＥＫ等のエンジニアリングプラスチック材料から成る。詳細は後述するが、この摩擦接触部材１２ａ及び１２ｂの位置に於いては、図２（ｂ）に示されるように、時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）の向きに楕円振動を発生する。但し、この摩擦接触部材１２ａ及び１２ｂは、必ずしも必要なものではない。外部電極１３は、図１及び図２では、図面の左側面には４箇所と、図には示されないが右側面にも４箇所設けられている。
【００１５】
上記ロータ１５は、角柱形状の振動子１１と該振動子１１の頂面に押圧されて回転する。ベアリング１６は、その外側面がロータ内側面に固定されロータ１５を回転自在に保持するもので、シャフト１９が固定されたベアリング内輪と、ロータ１５の内周に固定されたベアリング外輪とで構成される。
【００１６】
ばね１７は、上記ベアリング内輪に押圧力を加えるための弾性部材であり、該ベアリング内側部に接触する。ばね保持リング１８は、上記ばね１７を縮めてばね力を発生させるばね１７の収縮量を制御するためのものである。更に、シャフト１９は、上述したように、振動子１１のほぼ中央部にて固定されている。
【００１７】
尚、シャフト１９の軸の長手方向を中心軸方向と定義する。
【００１８】
振動子１１は、直方体形状で、ステンレス材、黄銅材等の金属材料から成る弾性体２１と、該弾性体２１の両側面に、やはり直方体形状の第１積層圧電素子２５と第２積層圧電素子２６が、接着剤により接着されて構成されている。上記弾性体２１は、その中心部分にシャフト１９が挿通されるべく貫通穴２２が形成されている。そして、この貫通穴２２の軸方向の中央部には、シャフト１９を保持するための雌ネジ部２３が設けられており、シャフト１９中央部の図示されない雄ネジ部が係合、接着される。尚、雌ねじ部２３は、後述するように、振動子１１の縦１次振動の節部とねじれ２次振動の中央の節部と幾何学的にほぼ一致している。
【００１９】
また、各積層圧電素子２５、２６の両側面には、図示されるように、外部電極１３が設けられている。
【００２０】
外部電極１３としては、第１積層圧電素子２５にはＡ−相及びＣ−相、図示されないがその反対側にはＡ＋相及びＣ＋相が存在する。また、第２積層圧電素子２６にはＢ−相及びＤ−相、図示されないがその反対側にはＢ＋相、Ｄ＋相が存在する。
【００２１】
振動子１１の外径寸法としては、ａ＝６ｍｍ、ｂ＝１０ｍｍ、ｃ＝２０ｍｍとする。また、摩擦接触部材１２ａ及び１２ｂの厚みは、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とする。
【００２２】
次に、図３を参照して、本実施形態で用いられる積層圧電素子の構成について説明する。
【００２３】
図３（ａ）は、圧電シート及び内部電極パターンの例を示した図である。
【００２４】
本積層圧電素子２５1 は、所定の内部電極パターンが形成された、チタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴと称する）等の薄い圧電シートが積層されて構成されたものである。圧電シートは、その厚さが１０μｍ〜１００μｍ程度のＰＺＴ材料から成り、圧電シート１（以下、圧電シート（１）と記す）２５ａには内部電極パターン、圧電シート２（以下、圧電シート（２）と記す）２５ｂには内部電極パターン２が、それぞれ印刷されている。
【００２５】
内部電極は、銀−パラジウム合金から成り、厚さは数μｍ程度である。圧電シート（１）２５ａは、図示されるように、交差指電極（上部交差指電極（内部電極）２７と下部交差指電極（内部電極）２８）が２箇所に印刷されている。交差指内部電極の幅は、０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の範囲に設定され、間の絶縁幅も０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度の範囲に設定される。
【００２６】
ここで、交差指電極とは、＋相の電極と−相の電極とが、交互に組み合わされて配置されているような電極を指すものとする。そして、交差指電極は、図３（ａ）では図面の見やすさから二対の交差指電極構成としているが、その面内でできるだけ大きな面積となるようにするため、実際には、図３（ｂ）に示されるように、その面内の一面に形成されるように、更に多くの対の交差指電極構成としても良い。
【００２７】
交差指電極は、図３（ａ）に於いて、中心軸方向（破線で示される）と交差指電極の指の方向との成す角が、図の上部交差指電極２７では、  
０＜θ＜π／２  
とする。分極方向α（破線で示される）は、交差指電極の指の方向と直交する方向であるから、  
α＝π／２−θ  
０＜α＜π／２  
である。尚、角度を測定する向きに関しては、図示されるように、αとθでは逆にとっている。
【００２８】
図３（ａ）に示される下部交差指電極２８の成す角は、図示されるように、φであり、  
φ＝π−θ  
π／２＜φ＜π  
となっている。
【００２９】
また、下部交差指電極２８は、上部交差指電極２７と電気的に並列に接続されていて、その一部は圧電シートの端部にまで延出されている。これら圧電シート（ａ）２５ａがｎ枚積層され、その後圧電シート（２）２５ｂが積層される。この圧電シート（２）２５ｂの電極パターンは圧電シート（１）２５ａと全く同様であるが、端部に延出される電極の位置のみ異なっている。この圧電シート（２）２５ｂは、振動検出用として用いられる。そして、最後に、何も電極が印刷されていない圧電シート３（以下、圧電シート（３）と記す）２５ｃが積層される。
【００３０】
後述するように、本実施形態では、振動子１１を構成した場合に、その振動子１１に生じるねじれ２次振動と縦１次振動が用いられる。したがって、本実施形態の交差指電極の位置は、上部交差指電極２７の中央部はねじれ２次振動の上部節位置近傍に設けられ、下部交差指電極２８の中央部はねじれ２次振動の下部節位置近傍に設けられている。
【００３１】
図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示される積層圧電素子の積層後の外部電極が示されている。
【００３２】
同図に於いて、右側面には、ｎ枚の圧電シート（ａ）２５ａの内部電極と導通するＡ＋（Ｂ＋）相の外部電極１３ａ1 （１３ｂ1 ）と、１枚の圧電シート（２）２５ｂの内部電極と導通するＣ＋（Ｄ＋）相の外部電極１３ｃ1 （１３ｄ1 ）と、が設けられている。尚、図示されないが、反対側の面には、Ａ−（Ｂ−）相の外部電極１３ａ2 （１３ｂ2 ）と、Ｃ−（Ｄ−）相の外部電極１３ｃ2 （１３ｄ2 ）と、が設けられている。
【００３３】
このような構成の積層圧電素子１１を、図２に示される弾性体２１に接着する場合には、該弾性体１２の片面に第１積層圧電素子２５を接着後、弾性体２１の対向する面に別の第２積層圧電素子２６を上下反転させ、且つ、表裏反転させた状態で該弾性体２１に接着する。この理由は、同じ種類の積層圧電素子を用いて、弾性体２１に対して振動検出相のある圧電シート（２）２５ｂ側が振動子１１の外側になるように配置し、且つ、分極の方向が同一の方向になるようにするためである。
【００３４】
次に、本実施形態に於ける積層圧電素子２５、２６の作成方法について説明する。
【００３５】
焼成前の圧電シート（１）２５ａに内部電極パターンが印刷されたものをｎ枚、圧電シート（２）２５ｂに内部電極パターンを印刷されたものを１枚用意する。そして、先ず、圧電シート（１）２５ａがｎ枚積層された後、圧電シート（２）２５ｂが１枚積層され、更に内部電極の印刷されていない圧電シート（３）２５ｃが１枚積層される。
【００３６】
その後、プレスされ、所定の大きさにカットされた後、所定の温度で焼成が行われる。次いで、外部電極１３が所定の位置に印刷、焼付けされる。その後、分極が行われて積層圧電素子２５、２６が完成する。
【００３７】
ここで、分極について、図４を参照して説明する。
【００３８】
図４は、図３（ａ）のＡ−Ａ′線に沿って示した分極方向を含み、且つ、側面に垂直な断面図である。
【００３９】
図４に於いて、矢印Ｐで示される分極ベクトルは、片側の極（＋）から中央部で多少の膨らみをもって、もう片方の極（−）に向かって分極が形成されている。尚、このべクトルは、電場のベクトルとも一致している。また、隣接する内部電極間は例えば３００μｍであり、圧電シートの厚さは例えば１００μｍである。
【００４０】
次に、本振動子１１の動作について説明する。
【００４１】
図５（ａ）に示されるように、振動子１１の形状を直方体形状で、それぞれの辺ａ、ｂ、ｃの各寸法を適切な値とすることで、縦１次振動モード（第１次共振振動）の共振周波数とねじれ２次振動モード（ねじれ２次共振振動）、若しくはねじれ３次振動モード（ねじれ３次共振振動）の、共振周波数をほぼ一致させるようにしている。
【００４２】
尚、図５（ｂ）はねじれ１次振動モード（ねじれ１次共振振動）、図５（ｃ）は縦１次振動モード、図５（ｄ）はねじれ２次振動モード、図５（ｅ）はねじれ３次振動モードの振動状態を概略的に示した図である。また、実線が振動前の振動子１１の形状を示しており、破線が振動後の振動子１１の形状を示している。そして、図中、３０1 、３０2 、３０3 、３０4 、３０5 は振動子１１の振動の節に相当する位置であり、３０4 、３０5 はねじれ２次振動の上部節位置、ねじれ２次振動の下部節位置である。
【００４３】
ここで、直方体の各辺ａ、ｂ、ｃを定義する。いま、辺ｃの方向を、縦１次振動モードの振動の方向、且つ、ねじれ振動のねじれの軸方向とする。また、辺ｃと直交する方向を辺ａの方向、辺ｂの方向とする。ここで、辺ｃに沿って、辺ｃと平行な軸線に垂直な長方形状の各断面の長さ比率をａ＜ｂ＜ｃとすると共に、ａを短辺と称し、ｂを長辺と称するものとして、以下に説明する。
【００４４】
図６は、辺ｃを一定として、横軸が短辺の長さ／長辺の長さ（ａ／ｂ）であるような種々の矩形比率に於ける各モードの共振周波数を表した図である。同図からわかるように、ａ／ｂを変化させた場合には、縦１次振動モードの共振周波数はａ／ｂに依存せず、ほぼ一定の値をとる。しかしながら、ねじれ振動の共振周波数は、ａ／ｂ値が１に近付けば近付くほど単調に大きくなっていく。ねじれ１次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂがどのような値をとっても、縦１次振動モードの共振周波数と一致する条件はない。
【００４５】
しかしながら、ねじれ２次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂ値が０．６近傍の時に一致することが明らかである。また、ねじれ３次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂ値が０．３近傍の時に一致することが明らかである。したがって、本実施形態では、縦１次共振モードとねじれ２次共振モードが用いられるので、振動子１１の各寸法を、ａ／ｂがほぼ０．６となるように設定する。
【００４６】
尚、図６に示された各モードの共振振動の図から、縦１次振動モードの節部は略中央部位、ねじれ２次振動モードの節部は中心軸の任意の部位（及び上部節位置と下部節位置）であるから、弾性体１２の中心軸上のほぼ中央部位が共通の節部となる。したがって、この節部でシャフト１９を保持すれば振動がシャフト１９にほとんど漏れず、ひいては高効率なモータが得られる。
【００４７】
次に、図３（ａ）に示される上部交差指電極２６を用いて、本実施形態に於ける振動子１１の動作について説明する。
【００４８】
先ず、駆動用交差指電極を用いた振動子１１の動作について説明する。
【００４９】
図２（ｂ）に示されるＡ相（Ａ＋相、Ａ−相）及びＢ相（Ｂ＋相、Ｂ−相）に、縦１次振動若しくはねじれ２次振動の共振周波数に対応した交番電圧が印加される。
【００５０】
図３（ａ）には、その際に逆圧電効果により上部交差指電極近傍に発生する力が、べクトルＦで表示されている。図３（ａ）に示される力Ｆは交番力であり、その力をベクトル分解するとＦ１とＦ２となる。力Ｆ１は、図からも明らかなように、縦振動を励起させる伸縮カとなる。また、力Ｆ２は、図から明らかなように、ねじれ２次振動を発生させるねじれカとなる。積層された積層圧電素子についても同様に考えてよい。これらの積層圧電素子１１は、上述したようにして、弾性体１２の両面に接着されている。
【００５１】
図２（ｂ）に戻って説明する。
【００５２】
第１積層圧電素子２５のＡ相に交番電圧が印加されると、上述した理由により、図の力Ｆなるベクトルの交番力が働くことになる。図示されないが、裏面の第２積層圧電素子２６のＢ相に、やはり交番電圧が印加されると、やはり同じベクトル方向の力Ｆなる交番力が発生することになる。
【００５３】
Ａ相、Ｂ相に振動子１１の縦１次振動若しくはねじれ２次振動の共振周波数に対応する周波数であって、位相が同じ交番電圧を印加すると、ベクトルＦの交番力が合成されて、ねじれ力は相殺され、縦１次共振振動のみが発生する。
【００５４】
次に、Ａ相、Ｂ相に同時に逆位相（位相差π）の上記周波数の交番電圧を印加する。すると、ベクトルＦは、第１積層圧電素子２５と第２積層圧電素子２６では逆位相で発生する。したがって、伸縮力は相殺され、逆にねじれ力が働き、ねじれ共振２次振動のみが発生する。
【００５５】
次に、Ａ相、Ｂ相に同時に位相が０、π、−π以外の位相差を与えた場合を考える。この場合には、縦１次振動とねじれ２次振動が同時に起こり、それらの振動が合成された振動となる。この時は、図２（ｂ）に示されるように、振動子１１の摩擦接触部材１２ａ及び１２ｂの位置にロータ１５を回転させるような向きに、時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）の楕円振動が形成される。
【００５６】
振動子１１の摩擦接触部材１２ａ及び１２ｂの位置に楕円振動が発生していると、押圧されているロータ１５は、その楕円振動の回転の向きに従って、時計方向（ＣＷ方向）若しくは反時計方向（ＣＣＷ方向）の向きに回転動作を行うことになる。
【００５７】
尚、残りの一対の下部交差指電極２７の働きについては、ねじれの向きが逆になるので、交差指電極の方向は鈍角になるように設定されているのであり、その他の駆動原理については上述した上部交差指電極２６の場合と同様であるので説明は省略する。
【００５８】
次に、図３に示される圧電シート（２）２５ｂによる振動検出の動作について説明する。
【００５９】
縦１次振動やねじれ２次振動が発生すると、圧電効果により、交差指電極面には電荷が発生する。その場合、図２に於いて、電荷は、Ｃ相（Ｃ＋相，Ｃ−相間）の電圧若しくはＤ相（Ｄ＋相，Ｄ−相間）の電圧となって観測される。駆動用交差指電極での動作では、上述した逆圧電効果により駆動電圧により力が発生しているが、それとは全く逆に、機械的歪により電荷若しくは電圧が発生する。
【００６０】
したがって、縦１次共振振動のみが発生している場合は、Ｃ相とＤ相を並列順接続（Ｃ＋相とＤ＋相を結線し、Ｃ−相とＤ−相を結線：並列順接続相と定義する）すると、その間に発生している電圧は縦１次共振振動の大きさ、位相に比例した信号が得られる。しかし、Ｃ相とＤ相を並列逆接続（Ｃ＋相とＤ−相を結線し、Ｃ−相とＤ＋相を結線：並列逆接続相と定義する）した場合は信号は出力されない。
【００６１】
一方、ねじれ２次振動のみが発生している場合は、Ｃ相とＤ相を並列逆接続（Ｃ＋相とＤ−相を結線し、Ｃ−相とＤ＋相を結線）すると、その間に発生している電圧はねじれ２次振動の大きさ、位相に比例した信号が得られる。しかしながら、Ｃ相とＤ相を並列順接続（Ｃ＋相とＤ＋相を結線し、Ｃ−相とＤ−相を結線）した場合は、信号は出力されない。
【００６２】
したがって、Ｃ相とＤ相の結線方法を選択することにより、縦１次振動若しくはねじれ２次振動を独立に検出することが可能である。
【００６３】
次に、このような振動検出相（Ｃ相、Ｄ相）を用いてモータを駆動する方法について説明する。
【００６４】
駆動相であるＡ相若しくはＢ相の信号の位相と、振動検出相（例えば、Ｃ相とＤ相を並列逆接続したもの）との位相の位相差は、ねじれ２次振動の共振周波数での動作時に所定の値Ωをとることが知られている。したがって、この場合には、駆動相と検出相の位相差を常にΩになるように周波数を調整し駆動することで、モータ自身の発熱による温度上昇や周囲環境温度の変化による共振周波数変化や負荷変動による共振周波数変化があった場合でも、常にねじれ２次の共振周波数近傍で駆動することができる。それ故、常に最適な周波数で効率よく駆動することができる。これは、縦１次共振周波数近傍で駆動する場合も同様の考え方で可能である。
【００６５】
このように、第１の実施形態によれば、弾性体の一部に溝部を設ける必要がなく、また圧電素子にも穴部を設ける必要がない。よって、構成が単純になり、試作が容易になるばかりでなく、安定したモータ特性を得ることができる。
【００６６】
更に、本実施形態では、圧電素子が積層構造を有しているので、低電圧駆動が可能である。また、振動検出相も設けられているので、その信号を利用して常に最適な周波数での駆動が可能である。
【００６７】
（第１の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態に於ける第１の変形例について説明する。
【００６８】
図７は、本発明の第１の実施形態の第１の変形例に於ける積層圧電素子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の積層圧電素子を左方向から見た図、（ｃ）は（ａ）の積層圧電素子を右方向から見た図である。
【００６９】
尚、以下に説明する変形例に於いては、上述した第１の実施形態とは、積層圧電素子の構成のみ異なっている。したがって、ここでは積層圧電素子の構成について説明し、その他の超音波モータの基本的な構成及び動作については、上述した第１の実施形態と同じであるので、説明の重複を避けるため、同一の部分には同一の参照番号を付して、その図示及び詳細な説明を省略する。
【００７０】
図７（ａ）に於いて、圧電シート（１）２５ａの内部電極は、上述した第１の実施形態と同じであるが、上部交差指電極３２の端部引き出し位置と下部交差指電極３３の端部への引き出し位置が異なっている。
【００７１】
また、本第１の変形例では、圧電シートをｎ枚積層後、内部電極が設けられていない圧電シート（３）２５ｃを最後に一枚積層して、積層圧電素子２５2 を構成している。
【００７２】
図７（ｂ）に於いて、積層圧電素子２５2 の右側面には、上部に駆動相としてのＡ＋（Ｂ＋）相の外部電極３３ａ1 （３３ｂ1 ）、下部に振動検出相としてのＣ＋（Ｄ＋）相の外部電極３３ｃ1 （３３ｄ1 ）が設けられている。同様に、積層圧電素子２５2 の左側面には、上部に駆動相としてのＡ−（Ｂ−）相の外部電極３３ａ2 （３３ｂ2 ）、下部に振動検出相としてのＣ−（Ｄ−）相の外部電極３３ｃ2 （３３ｄ2 ）が設けられている。
【００７３】
尚、この積層圧電素子２５2 の全体の構成、駆動方法については、上述した第１の実施形態に記載したものと同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００７４】
この第１の変形例によれば、下部交差指電極の信号全てを振動検出信号として用いることができるので、大きな振動検出信号を得ることができる。
【００７５】
（第２の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態に於ける第２の変形例について説明する。
【００７６】
図８は、本発明の第１の実施形態の第２の変形例に於ける積層圧電素子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の積層圧電素子の外部電極を示した図である。
【００７７】
本第２の変形例では、圧電シート（１）２５ａには、例えばＡ＋（Ｂ＋）相用の一方の片側（右指交差指電極）の交差指電極３５が、圧電シート（２）２５ｂには、例えばＡ−（Ｂ−）相用の他方の片側（左指交差指電極）の交差指電極３６が印刷されている。交差指電極３６は、その指部分が交差指電極３５の指部分の間になるように、その高さ方向（図２（ｂ）のｃ方向）がシフトされて配置されている。
【００７８】
そして、圧電シート（１）２５ａと圧電シート（２）２５ｂが交互に積層され、最後に電極が印刷されていない圧電シート（３）２５ｃが積層される。
【００７９】
外部電極は、図８ｂに示されるように、本第２の変形例では、駆動相Ａ（Ｂ）相のみが設けられている。尚、ここではＡ＋（Ｂ＋）相の外部電極３７ａ1 （３７ｂ1 ）が示されているが、Ａ−（Ｂ−）相の外部電極３７ａ2 （３７ｂ2 ）についても同様である。
【００８０】
図９は、本発明の第１の実施形態の第２の変形例による分極の様子を示した図である。
【００８１】
上述したように、内部電極の正極（Ａ＋（Ｂ＋）相）と負極（Ａ−（Ｂ−）相）が交互に積層されているので、図９に示されるように、分極の方向は僅かに角度ξを有して形成される。すなわち、圧電シート（１）２５ａと圧電シート（２）２５ｂが対となって交差指電極の役目をする。
【００８２】
したがって、面内に正極、負極がある第１の実施形態では電極にはみ出し等が存在する場合には分極中に放電現象が起こる場合が想定されるが、本第２の変形例ではそのような現象を防止することができる。
【００８３】
（第３の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態に於ける第３の変形例について説明する。
【００８４】
図１０は、本発明の第１の実施形態の第３の変形例に於ける積層圧電素子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の積層圧電素子の外部電極を示した図である。
【００８５】
この第３の変形例と上述した第２の変形例との差異は、上部交差指電極４１、４３が駆動電極、下部交差指電極４２、４４が振動検出電極として機能している点である。そして、それぞれの外部電極は、駆動用外部電極４５ａ1 （４５ｂ1 ）、検出用外部電極４５ｃ1 （４５ｄ1 ）となる。
【００８６】
この第３の変形例によれば、上述した第２の変形例と比べて振動検出相を加えることができる。
【００８７】
（第４の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態に於ける第４の変形例について説明する。
【００８８】
本第４の変形例は、振動子の縦１次振動モードとねじれ３次振動モードを同時に励起させて楕円振動を得るものである。
【００８９】
図１１は本発明の第４の変形例に於ける積層圧電素子の構成を示したもので、（ａ）は圧電シート及び内部電極パターンの例を示した図、（ｂ）は（ａ）の圧電シート（３）２５ｃの方向から見た透視図、（ｃ）は右側面方向から見た図、（ｄ）は左側面方向から見た図である。
【００９０】
圧電シート（１）２５ａには、３箇所に交差指電極４６、４７、４８が設けられている。そして、このような構成の圧電シート（１）２５ａがｎ枚積層された後に、同じ内部電極パターンで端部への導出位置が異なる圧電シート（２）２５ｂが１枚積層され、最後に内部電極の印刷されていない圧電シート（３）２５ｃが積層されて、積層圧電素子２５4 が構成される。この場合、圧電シート（１）２５ａの内部電極パターンが駆動電極用であり、圧電シート（２）２５ｂの内部電極パターンが検出用電極である。
【００９１】
ここで、図１１（ｂ）を参照して、３箇所の交差指電極４６、４７、４８の位置について説明する。
【００９２】
上部交差指電極４６の位置は、ねじれ３次振動モードの上部節位置５１に対応した位置に設けられる。また、中央部交差指電極４７の位置は、縦１次振動モードの節位置及びねじれ３次振動モードの中央部節位置５０に対応した位置に設けられる。更に、下部交差指電極４８の位置は、ねじれ３次振動モードの下部節位置５２に対応した位置に設けられる。
【００９３】
外部電極は、圧電シート（１）２５ａが積層された部分で上記端部の導出位置にＡ＋（Ｂ＋）相の外部電極４９ａ1 （４９ｂ1 ）と、Ａ−（Ｂ−）相の外部電極４９ａ2 （４９ｂ2 ）が設けられている。更に、圧電シート（２）２５ｂの上記端部の導出位置には、Ｃ＋（Ｄ＋）相の外部電極４９ｃ1 （４９ｄ1 ）と、Ｃ−（Ｄ−）相の外部電極４９ｃ2 （４９ｄ2 ）が設けられている。
【００９４】
つまり、図１１（ｃ）及び（ｄ）に示されるように、検出用の外部電極４９ｃ1 （４９ｄ1 ）、４９ｃ2 （４９ｄ2 ）は、駆動用の外部電極４９ａ1 （４９ｂ1 ）、４９ａ2 （４９ｂ2 ）よりも低い位置に設けられている。
【００９５】
尚、本第４の変形例の積層圧電素子２５4 を用いて振動子を構成する場合は、振動子の短辺ａの長辺ｂに対する比を、ほぼ０．３程度に設定する必要がある。具体的には、振動子の寸法を、ａ＝３ｍｍ、ｂ＝１０ｍｍ、ｃ＝２０ｍｍとする。
【００９６】
このように、第４の変形例によれば、振動子に縦１次振動モードとねじれ３次振動モードの共通の節部（中央部）が存在するので、その位置で振動子を保持することが可能となる。
【００９７】
（第５の変形例）
次に、本発明の第１の実施形態に於ける第５の変形例について説明する。
【００９８】
図１２は本発明の第１の実施形態の第５の変形例に於ける振動子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の第１圧電素子の電極パターンを示した図、（ｃ）は（ａ）の第２圧電素子の電極パターンを示した図である。
【００９９】
上述した第１の実施形態及び第１乃至第４の変形例では、圧電素子は積層圧電素子を用いてきたが、本第５の変形例では単板の圧電素子を用いている。
【０１００】
すなわち、弾性体２１の両側面に、交差指電極の電極パターンが印刷された第１圧電素子５５と第２圧電素子５６が接着により固定される。圧電素子の電極パターンは、上述した第１の変形例と同様である。第１圧電素子５５側の交差指電極５７ａ1 、５７ａ2 には、駆動用電極のためのＡ＋相の導出部５８ａ1 とＡ−相の導出部５８ａ2 が設けられ、交差指電極５８ａ1 、５８ａ2 には、検出用電極のためのＣ＋相の導出部５８ｃ1 とＣ−相の導出部５８ｃ2 が設けられる。同様に、第２圧電素子５６側の交差指電極５７ｂ1 、５７ｂ2 には、駆動用電極のためのＢ＋相の導出部５８ｂ1 とＢ−相の導出部５８ｂ2 が設けられ、交差指電極５８ｂ1 、５８ｂ2 には、検出用電極のためのＤ＋相の導出部５８ｄ1 とＤ−相の導出部５８ｄ2 が設けられる。
【０１０１】
この第５の変形例によれば、駆動電圧の低電圧化は望めないものの、単純な圧電素子を使用してモータを構成することができる。
【０１０２】
尚、その他の変形例としては、図には示されないが、上述した第１の実施形態に用いられている積層圧電素子の外部電極を全て１つの側面に設けることも可能であり、その場合の効果はフレキシブル基板等による外部配線が容易となる。
【０１０３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【０１０４】
図１３は本発明の第２の実施形態に係る超音波モータの振動子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の振動子を組み立てた状態を示した斜視図、（ｃ）は（ｂ）の振動子を上から見た図である。
【０１０５】
この第２の実施形態に於いては、上述した第１の実施形態とは、弾性体及びシャフトの構成のみ異なっている。したがって、ここでは弾性体及びシャフトの構成について説明し、その他の超音波モータの基本的な構成及び動作については、上述した第１の実施形態と同じであるので、説明の重複を避けるため、同一の部分には同一の参照番号を付して、その図示及び詳細な説明を省略する。
【０１０６】
直方体形状でステンレスや黄銅から成る弾性体６１は、図示されるように、上側面及び下側面からそれぞれ２箇所に縦方向に中央部近傍まで溝部６２が設けられている。そして、該溝部６２によって切断された第１の本体部６１1 と第２の本体部６１2 とが、上記中央部の接合部６１3 によって一体的に構成されている。また、この接合部６１3 には、上記溝部６２に沿って延出された角シャフト６３が一体的に形成されている。更に、この角シャフト６３には、その軸方向に連続的に丸シャフト６４が一体的に形成されている。つまり、弾性体６１の第１の本体部６１1 、第２の本体部６１2 、接合部６１3 、角シャフト６３、丸シャフト６４は、全て一体的に形成されている。
【０１０７】
そして、弾性体６１の両面に、上述した第１の実施形態と同様に、第１積層圧電素子６５と第２積層圧電素子６６が、接着剤を用いて接着されている。
【０１０８】
角シャフト６３の、第１積層圧電素子６５及び第２積層圧電素子６６と対向する面は、該第１積層圧電素子６５及び第２積層圧電素子６６の面との間に間隙を有している。したがって、図１３（ｃ）に示されるように、角シャフト６３の部分は、積層圧電素子６５、６６とは接触しないようになっている。
【０１０９】
尚、丸シャフト６４の一部には、図示されないがネジ部が設けられている。
【０１１０】
また、丸シャフト６４は、本実施形態では角シャフト６３と一体的に形成されたものとしているが、例えば丸シャフト６４と角シャフト６３はネジのようなもので締結されていても良い。
【０１１１】
本第２の実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
【０１１２】
振動子が小型になってきた場合には、上述した第１の実施形態に示すように弾性体に貫通穴をあけて、中央部に雌ネジ部を設けることが難しくなる。その場合には、本第２の実施形態のように、予め弾性体と一体的にシャフトを設けることで解決される。また、接合部の大きさをできるだけ小さくすることで、シャフトを極力振動させないようにすることができる。
【０１１３】
（変形例）
次に、本発明の第２の実施形態に於ける変形例について説明する。
【０１１４】
図１４は本発明の第２の実施形態の変形例に係る超音波モータの振動子の構成を示したもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は（ａ）の振動子を組み立てた状態を示した斜視図である。
【０１１５】
尚、以下に説明する変形例に於いては、上述した第２の実施形態とは、振動子の構成のみ異なっている。したがって、ここでは振動子の構成について説明し、その他の超音波モータの基本的な構成及び動作については、上述した第２の実施形態と同じであるので、説明の重複を避けるため、同一の部分には同一の参照番号を付して、その図示及び詳細な説明を省略する。
【０１１６】
図１４に示されるように、本変形例では上述した第２の実施形態と比べ、２箇所の溝部６２を弾性体７０の上半分の部位のみに設け、連続的に形成された丸シャフト６４と角シャフト６３は、接合部６９にて弾性体６８と一体的に形成されている。
【０１１７】
このように構成すると、上述した第２の実施形態に比べて弾性体の加工領域が減り、より単純な弾性体、振動子を得ることができる。
【０１１８】
尚、上述した実施形態では、圧電素子の側面部に設けられている電極を交差指電極として説明したが、これに限られるものではない。
【０１１９】
また、上述した実施形態に於いて、上記の各辺ａ×ｂ×ｃ（中心軸方向の長さ）の寸法はあくまで好適な例であって、適用しようとする機器や使用用途に応じて次のように適宜変更し得る。例えば、作製完了後の超音波モータに関し、短辺ａと長辺ｂから成る矩形比率ａ／ｂは、図６に示したように、縦１次共振振動とねじれ２次（または３次）共振振動の各共振周波数が一致して同一の値を示す所定比率（図では交差点に相当する矩形比率）が最も好ましく、その近傍範囲（例えば±０．０２以内）に相当するような各共振周波数がほぼ一致する矩形比率に於いてもほぼ同等に使用できる。また、各共振周波数が一致する所定の矩形比率に対する有効範囲（例えば±０．０５以内）の何れかであれば、上述したような本発明の作用効果を享受し得る。
【０１２０】
尚、回転軸方向の長さ（辺ｃ：２０ｍｍ）については、縦方向とねじれ方向に沿って振動し、これら振動を発生させるための電極を配置できるだけの長ささえ有していればよい。したがって、辺ｃの長さを他の長さ（辺ａ及び辺ｂ）に対し所定の比率に設定する必要が無いだけでなく、従来必要であったような溝を介した振動調整用の長さ部分も不要であるので、設計自由度が大きく、且つ簡単で小型な超音波モータを提供できるという利点がある。また、このような３方向の寸法比率ａ／ｂ、ａ／ｃ（またはｂ／ｃ）は、目的に応じて、種々相似の比率で拡大または縮小すれば、任意の寸法の超音波モータを提供でき、これにより大小多様な対象への適用が可能である。
【０１２１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態以外にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。
【０１２２】
更に、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、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾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。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
本発明によれば、溝部が不要であり、圧電素子に穴部を設ける必要が無く、簡単な構造で縦共振振動とねじれ共振振動を容易に励起することができ、超音波振動子に生じる楕円振動によりロータを回転させることができる。
【符号の説明】
【０１２４】
１０…超音波モータ、１１…振動子、１２ａ、１２ｂ…摩擦接触部材、１３、１３ａ1 、１３ａ2 、１３ｂ1 、１３ｂ2 、１３ｃ1 、１３ｃ2 、１３ｄ1 、１３ｄ2 …外部電極、１５…シャフト、１６…ロータ、１７…ばね、１８…ばね保持リング、１９…シャフト、２１…弾性体、２２…貫通穴、２３…雌ねじ部、２５…第１積層圧電素子、２５ａ…圧電シート１（圧電シート（１））、２５ｂ…圧電シート２（圧電シート（２））、２５ｃ…圧電シート３（圧電シート（３））、２６…第２積層圧電素子、２７…上部交差指電極（内部電極）、２８…下部交差指電極（内部電極）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010166673.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2010166673.tif 000013
【図１２】
2010166673.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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