(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次モードの縦振動と２次モードの屈曲振動とを縮退させ、両振動の間に位相差を持たせることにより楕円振動を形成し、前記縦振動の振動方向の長さとして異なる複数の長さを有するように段差が設けられる振動子と、
前記振動子に固定された駆動子に押圧接触し、前記振動子に前記楕円振動が形成されたときに前記振動子に対して一軸方向に相対移動する可動体と、
を含み、
前記段差は、前記振動子における前記縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つ前記縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられ、
前記異なる複数の長さは、第１の長さと、第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さとからなり、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々は、当該長さにより決まるｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動の共振周波数が、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の共振周波数に対して略ｎ倍になる、という長さである、
ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記第２の長さにより決まる３次モードの縦振動の共振周波数が、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の共振周波数に対して略３倍になる、
ことを特徴とする請求項１記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記振動子において、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動と前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々により決まるｎ次モードの縦振動との間の共通の節の位置に、電気機械エネルギー変換素子の電極が配置される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動と前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々により決まるｎ次モードの縦振動との間の振動速度の位相差は、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々について、当該長さにより決まるｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々についてφ≒０となる、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の振動速度の振幅と前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々により決まるｎ次モードの縦振動の振動速度の振幅は、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々について、当該長さにより決まるｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々についてｖ≒ｖ1／ｎとなる、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項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、超音波モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波モータの摺動部の摩耗を低減する方法として各種の方法がある。
例えば非特許文献１には、回転型の超音波モータにおいて、摺動面でのステータの振動速度とスライダの回転速度との速度差を極力無くすことにより摺動面での滑りを減らし、その結果、磨耗が減る、というものが記載されている。
【０００３】
超音波モータは、ステータ（又は振動子）に楕円振動を形成し、その楕円振動が形成されたステータにスライダ（又は可動体）を接触させることにより、スライダを移動させる、ということは公知である。図１２(a) は、その楕円振動の周速度における、スライダの移動方向成分の速度ベクトルを模式的に示す図である。なお、同図(a) では、その速度ベクトルを、横方向矢印として模式的に示している。同図(b) は、その速度ベクトルの大きさの時間的変化をグラフ化したものを示す図である。同図(b) に示したように、その時間的変化Ｖ1は、実線に示したように正弦波となる。一方、スライダの速度の時間的変化Ｖ2は、Ｖ1のように正弦波状に変化することはなく、点線に示したようにほぼ一定の速度になる。同図(b) において両者を比較すると、実線で示されるＶ1と点線で示されるＶ2との交点以外は速度差が生じていることがわかる。これはすなわち、ステータとスライダとの間に、速度差に起因する滑りが発生していることを意味している。滑りが発生すると接触部分の磨耗が増えることは日常の経験からわかっているので、滑りの発生を極力減らすことができれば磨耗を減らすことができると考えられる。そこで、非特許文献１では、滑りを発生し難くして磨耗を減らすための一つの方法として、楕円振動の周速度における、スライダの移動方向成分の速度ベクトルの大きさ（以下、これを「振動速度」という）の時間的変化を正弦波から矩形波にすることが考案されている。同図(c) は、このときの矩形波を示す図である。なお、同図(c) では、矩形波にされた振動速度の時間的変化をＶ3として示している。
【０００４】
矩形波は、フーリエ級数に分解すると次式（１）のように表されることが知られている。
【０００５】
【数１】
0005612940.tif 000002
ここで、ｖ(t)は矩形波、ｖ0は矩形波の振幅である。
【０００６】
この式（１）から、振動速度の時間的変化を矩形波にするためには、その振動速度の振動に、（２ｎ＋１）倍の周波数で且つ振動速度の振幅が１／（２ｎ＋１）倍になるような振動を加算すればよいことがわかる。
【０００７】
非特許文献１では、これを実現するために、３次モードの捩り振動が１次モードの捩り振動に対して略３倍の周波数で且つ振動速度の振幅が略１／３倍になるように、ステータを構成している。これにより、摺動部の磨耗を減らす、というものである。
【０００８】
一方、本出願人が出願した特許文献１には、縦振動（１次モードの縦振動）と屈曲振動（２次モードの屈曲振動）とを用いて楕円振動を形成するリニア型の超音波モータが提案されている。この超音波モータに対しても、非特許文献１に記載の超音波モータの場合と同様に、移動テーブルの移動方向の振動、即ち１次モードの縦振動に、奇数倍の周波数の高調波を付加させて振動速度の波形を矩形波に近づければ、磨耗を低減する効果が期待できるはずである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１３６３１８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Takaaki ISHII, Hisanori TAKAHASHI, Kentaro NAKAMURA and Sadayuki UEHA   A Low-Wear Driving Method of Ultrasonic Motors  Jpn.J.Appl.Phys.Vol.38(1999)pp.3338-3341  Part 1,No.5B,May 1999
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載の超音波モータにおいて、縦振動における１次モードと３次モードとの間での共振周波数の比は、ＦＥＭ（Finite Element Method）による計算及び実測の結果、およそ１：２．７〜１：２．８になっていた。上述のように振動速度の波形を矩形波に近づけるためには、この比を１：３にする必要があることから、この結果では、縦振動の３次モードの共振周波数が若干低くなっていることになる。また、縦振動における１次モードと５次モードとの間での共振周波数の比についても、同様の計算及び実測の結果をみると、１：５よりも若干ずれていた。このように、縦振動における１次モードとｎ次モード（但しｎは３以上の奇数）との間での共振周波数の比はちょうど１：ｎにはならず若干ずれている。従って、このままだと、振動速度の波形を矩形波に近づけることは困難であり、ひいては摺動部の摩耗低減という効果を得ることも困難となる。
【００１２】
本発明は、上記実情に鑑み、リニア型の超音波モータにおいて、振動速度の波形を矩形波に近づけることができ、ひいては摺動部の磨耗を低減することができる、超音波モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の態様に係る超音波モータは、１次モードの縦振動と２次モードの屈曲振動とを縮退させ、両振動の間に位相差を持たせることにより楕円振動を形成し、前記縦振動の振動方向の長さとして異なる複数の長さを有するように段差が設けられる振動子と、前記振動子に固定された駆動子に押圧接触し、前記振動子に前記楕円振動が形成されたときに前記振動子に対して一軸方向に相対移動する可動体と、を含み、前記段差は、前記振動子における前記縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つ前記縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられ、前記異なる複数の長さは、第１の長さと、第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さとからなり、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々は、当該長さにより決まるｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動の共振周波数が、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の共振周波数に対して略ｎ倍になる、という長さである、ことを特徴とする。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る超音波モータは、上記第１の態様において、前記第２の長さにより決まる３次モードの縦振動の共振周波数が、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の共振周波数に対して略３倍になる、ことを特徴とする。
【００１７】
本発明の第３の態様に係る超音波モータは、上記第１又は２の態様において、前記振動子において、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動と前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々により決まるｎ次モードの縦振動との間の共通の節の位置に、電気機械エネルギー変換素子の電極が配置される、ことを特徴とする。
【００１８】
本発明の第４の態様に係る超音波モータは、上記第１乃至３の何れか一つの態様において、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動と前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々により決まるｎ次モードの縦振動との間の振動速度の位相差は、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々について、当該長さにより決まるｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々についてφ≒０となる、ことを特徴とする。
【００１９】
本発明の第５の態様に係る超音波モータは、上記第１乃至４の何れか一つの態様において、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の振動速度の振幅と前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々により決まるｎ次モードの縦振動の振動速度の振幅は、前記第１の長さにより決まる１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々について、当該長さにより決まるｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、前記第２の長さ又は前記第２の長さを含む異なる複数の長さの各々についてｖ≒ｖ1／ｎとなる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、リニア型の超音波モータにおいて、振動速度の波形を矩形波に近づけることができるので、摺動部の磨耗を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例１に係る超音波モータの構成例を模式的に示す図である。
【図２】(a),(b) は、振動子の積層構造を説明する図である。
【図３】(a),(b) は、振動子に設けられている段差を説明する図である。
【図４】長さＬ１に係る縦１次モードの共振振動と長さＬ２に係る縦３次モードの共振振動を示す図である。
【図５】縦モードを発生させたときの節と腹の位置関係を示す図である。
【図６】(a) は振動速度波形の一例を示す図、(b) は振動変位波形の一例を示す図である。
【図７】(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g) は、他の形状により構成された段差の変形例を示す図である。
【図８】(a),(b) は、他の形状により構成された振動子の変形例を示す図である。
【図９】本発明の実施例２に係る超音波モータの構成例を模式的に示す図である。
【図１０】(a),(b) は、振動子に設けられている段差を説明する図である。
【図１１】振動速度波形の一例を示す図である。
【図１２】(a) は楕円振動の周速度におけるスライダの移動方向成分の速度ベクトルを模式的に示す図、(b) は速度ベクトルの大きさの時間的変化をグラフ化したものを示す図、(c) は楕円振動の周速度におけるスライダの移動方向成分の速度ベクトルの大きさの時間的変化が正弦波から矩形波にされたものを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の実施例１に係る超音波モータの構成例を模式的に示す図である。
同図に示したように、本実施例に係る超音波モータは、振動子１、振動子１に接着固定された駆動子２、及び、可動体３を含む、リニア型の超音波モータである。
【００２４】
振動子１は、１次モードの縦振動と２次モードの屈曲振動とを縮退させ、両振動の間に位相差を持たせることにより、楕円振動を形成するものである。可動体３は、振動子１に接着固定された駆動子２に押圧接触し、振動子１に楕円振動が形成されたときに振動子１に対して一軸方向（同図の両矢印に示す左右方向）に相対移動するものである。
【００２５】
振動子１は、材質をＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）とする圧電体（電気機械エネルギー変換素子の一例）を含み、積層構造を有する。
図２(a),(b) は、振動子１の積層構造を説明する図である。
【００２６】
振動子１の積層構造は、同図(a) に示した３種類の単層素子４、５、６を、同図(b) に示した積層順（単層素子４、６、５、６を繰り返す積層順）に積層して一体焼結することにより得られる。
【００２７】
ここで、単層素子４は、圧電体の一表面に５つの電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅを有する。単層素子５は、圧電体の一表面に５つの電極５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅを有する。単層素子６は、圧電体の一表面に１つの電極６ａを有する。
【００２８】
また、これらの単層素子４、５、６を積層する際には、隣接して積層される単層素子間において、一方の単層素子の電極が設けられている面と、他方の単層素子の電極が設けられていない面とが重ね合わせられるようにして積層される。
【００２９】
なお、同図(b) では、説明の便宜のために、７つの単層素子を積層した構造を示しているが、実際には、それよりも多くの単層素子を積層した構造となる。
そして、このような積層構造の振動子１において、電極６ａを負極として、電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに正電圧を印加したときに、電極４ａ、４ｄ、５ａ、５ｄの各電極に対応する圧電体部分が圧電横効果により面積が広がる方向に歪むように分極されると共に、電極４ｂ、４ｃ、５ｂ、５ｃの各電極に対応する圧電体部分が圧電横効果により面積が狭まる方向に歪むように分極される、ように分極処理を行う。また、電極６ａを負極として、電極４ｅ、５ｅに正電圧を印加したときに、電極４ｅ、５ｅに対応する圧電体部分が圧電横効果により面積が広がる方向に歪むように分極される、ように分極処理を行う。
【００３０】
その後、同図(b) に示したように電気的な結線を行い、各単層素子の各電極を、屈曲振動用電極、グランド電極、又は縦振動用電極として用いるようにする。
また、振動子１は、縦振動の振動方向の長さとして異なる複数の長さを有するように、段差が設けられている。
【００３１】
図３(a),(b) は、その段差を説明する図である。
同図(a) は、図２(b) に示した振動子１を模式的に示す図であり、振動子１の斜視図でもある。なお、以下の説明では、振動子１の左右方向と言ったときには図３(a) に示したＸ軸方向を指し、振動子１の厚さ方向と言ったときには同図(a) に示したＹ軸方向を指し、振動子１の高さ方向と言ったときには同図(a) に示したＺ軸方向を指すものとする。
【００３２】
同図(b) は、振動子１を同図(a) のＹ軸方向に沿って見たときの図である。
同図(b) に示したように、本実施例では、振動子１における縦振動の振動方向の長さ（振動子１の左右方向の長さ）として、異なる２つの長さＬ１、Ｌ２（Ｌ１＞Ｌ２）を有するように、振動子１の左右側面に段差が設けられている。なお、この段差は、振動子１における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものでもある。また、この段差は、左右方向の長さをＬ１とする直方体の四隅を切り欠いたときに得られるようなものでもある。ここで、長さＬ１は第１の長さの一例であり、長さＬ２は第２の長さの一例である。
【００３３】
このような構成を有する振動子１において、グランド電極６ａと屈曲振動用電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとの間に交番電圧を印加すると、振動子１は圧電横効果により２次モードの屈曲振動をする。また、グランド電極６ａと縦振動用電極４ｅ、５ｅとの間に交番電圧を印加すると、振動子１は同様に圧電横効果により縦振動をする。ここで、その縦振動について、より詳しく説明する。
【００３４】
なお、以下の説明では、縦振動におけるｎ次振動モードを単に縦ｎ次モードと言い、縦共振振動における振動モードを単に縦共振モードと言い、縦振動における振動モードを単に縦モードと言い、ｎ次振動モードの縦振動を縦ｎ次モード振動と言う。また、屈曲振動におけるｎ次振動モードを単に屈曲ｎ次モードと言い、ｎ次振動モードの屈曲振動を屈曲ｎ次モード振動と言う。
【００３５】
上述のとおり、振動子１は縦振動の振動方向の長さとして２つの長さＬ１、Ｌ２を有することから、長さＬ１に係る縦共振モードが存在し、縦１次モード、縦２次モード、縦３次モード等の振動モードが存在する。長さＬ２についても同様に、長さＬ２に係る縦共振モードが存在し、縦１次モード、縦２次モード、縦３次モード等の振動モードが存在する。長さＬ１に係る縦モードと長さＬ２に係る縦モードとは互いに独立なので、同じ次数の振動モードであっても共振周波数は異なる。そこで、２つの長さＬ１、Ｌ２を適当に選べば、長さＬ１に係る縦１次モードの共振周波数と長さＬ２に係る縦３次モードの共振周波数との比を１：３（限りなく１：３に近い略１：３も含む）にすることができる。長さＬ１に係る縦１次モードの共振振動と長さＬ２に係る縦３次モードの共振振動を、図４に示す。
【００３６】
一般に、圧電素子に交番電圧を印加して振動モードを発生させるときには、振動変位の節の位置を歪ませると振動生成効率が良く振動モードを発生させるが、振動変位の腹の位置を歪ませると振動生成効率が悪く振動モードをほとんど発生させない。縦モードを発生させたときの節と腹の位置関係は、図５に示すように、縦１次モードと縦３次モード等の奇数次の縦モードでは中心位置が節の位置になっており、縦２次モード等の偶数次の縦モードでは中心位置が腹の位置になっている。図２(a),(b) に示した縦振動用電極４ｅ、５ｅとグランド電極６ａとの間に交番電圧を印加して振動子１に縦振動を生成させるとき、ちょうど縦振動用電極４ｅ、５ｅが縦１次モード、縦３次モード等の奇数次の縦モードの節の位置にあたり、縦２次モード等の偶数次の縦モードの腹の位置にあたる。このことから、奇数次の縦モードのみが生成され、偶数次の縦モードはほとんど生成されない。また、印加する交番電圧の周波数スペクトルに含まれない共振周波数をもつ縦共振モードもほとんど生成されない。
【００３７】
なお、上述のとおり、縦振動用電極４ｅ、５ｅが縦１次モード、縦３次モード等の奇数次の縦モードの節の位置にあたることから、長さＬ１に係る縦１次モード振動と長さＬ２に係る縦３次モード振動との間の共通の節の位置に、電気機械エネルギー変換素子の縦振動用電極である電極４ｅ、５ｅが配置されている、ということになる。
【００３８】
このようなことから、本実施例に係る超音波モータでは、長さＬ１に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ２に係る縦３次モード振動の共振周波数との比が１：３（限りなく１：３に近い略１：３も含む）になるように、振動子１の２つの長さＬ１、Ｌ２が決定されている。これにより、図２(a),(b) に示した縦振動用電極４ｅ、５ｅとグランド電極６ａとの間に、長さＬ１に係る縦１次モード振動の共振周波数ｆ0とその３倍の共振周波数３ｆ0のスペクトルをもつ交番電圧を印加すると、長さＬ１に係る縦１次モードの共振振動と長さＬ２に係る縦３次モードの共振振動とを生成することができる。
【００３９】
また、印加する交番電圧のスペクトルの周波数ｆ0と３ｆ0との間の振幅の比を調整すると、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度の振幅と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度の振幅との比を３：１（限りなく３：１に近い略３：１も含む）にすることができる。この場合、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度の振幅と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度の振幅は、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度をｖ2ｓｉｎ（３ωｔ＋φ）としたときに、ｖ2≒ｖ1／３となる。
【００４０】
さらに、印加する交番電圧のスペクトルの周波数ｆ0と３ｆ0との間の位相差を調整すると、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度との間の位相差をゼロ（限りなくゼロに近い略ゼロも含む）にすることができる。この場合、長さＬ１に係る縦１次モード振動と長さＬ２に係る縦３次モード振動との間の振動速度の位相差は、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度をｖ2ｓｉｎ（３ωｔ＋φ）としたときに、φ≒０となる。
【００４１】
また、振動子１において、上述のようにして決定した長さＬ１、Ｌ２以外の、高さ方向の長さや厚み方向の長さ等の形状については、その長さＬ１、Ｌ２を保ったままで、屈曲２次モードの共振周波数が長さＬ１に係る縦１次モードの共振周波数ｆ0と一致するように、決定されている。
【００４２】
このような構成の振動子１において、縦振動用電極４ｅ、５ｅとグランド電極６ａとの間、及び、屈曲振動用電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとグランド電極６ａとの間に、それぞれ周波数ｆ0の異なる図示しない電圧源を接続して交番電圧を印加し、その２つの電圧源により印加される交番電圧の間に位相差を持たせるように調整すると、縦１次モード振動と屈曲２次モード振動とが合成され、駆動子２が固定された位置の振動変位が楕円になる振動が形成される。そして、このときの駆動子２に接する可動体３が移動する。ここで、更に、縦振動用電極４ｅ、５ｅに接続されている電圧源の交番電圧に３ｆ0の周波数成分を合成して印加するようにすると、縦３次モード振動が更に形成される。また、このときの周波数ｆ0と３ｆ0との間のスペクトル成分の振幅及び位相差を上述のように適当に調整すると、縦振動の振動速度の波形を矩形波に近づけることができる。すなわち、その周波数ｆ0と３ｆ0との間のスペクトル成分の振幅を、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度の振幅と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度の振幅との比が３：１になるように調整すると共に、その周波数ｆ0と３ｆ0との間のスペクトル成分の位相差を、長さＬ１に係る縦１次モードの振動速度と長さＬ２に係る縦３次モードの振動速度との間の位相差がゼロになるように調整すると、縦振動の振動速度の波形を矩形波に近づけることができる。このときの振動速度の波形と振動変位の波形との一例を、図６(a),(b) に示す。なお、矩形波に近づけるのは振動速度であり、振動変位の波形は振動速度の波形を積分した形状になるので、同図(a) に示したように振動速度の波形が矩形波に近づくと、同図(b) に示したように振動変位の波形は三角波に近づくことになる。
【００４３】
以上、本実施例に係る超音波モータによれば、縦１次モード振動と縦３次モード振動との間での共振周波数の比が１：３になるように構成することできる。これにより、縦１次モード振動と縦３次モード振動とを同時に生成して振動速度の振幅と位相を調整することによって振動速度波形を矩形波に近づけることができる。このように振動速度波形を矩形波に近づけることによって、摺動面（駆動子２と可動体３との接触面）での滑りが減り、その結果、摺動面の磨耗を減らすことができる。
【００４４】
なお、本実施例に係る超音波モータは、次のような変形が可能である。
例えば、振動子１に設けられる段差は、図３(a) 等に示した形状に限らず、他の形状により構成することも可能である。図７(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g) は、他の形状により構成された段差の変形例を示す図である。但し、何れの例における段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さとして異なる２つの長さＬ１、Ｌ２を有するように設けられたものであり、その２つの長さＬ１、Ｌ２は、長さＬ１に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ２に係る縦３次モード振動の共振周波数との比が１：３（限りなく１：３に近い略１：３も含む）になるように決定されたものである。また、何れの例における段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものである。同図(a) に示した振動子に設けられた段差は、図３(a) 等に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差の例である。図７(b) に示した振動子に設けられた段差は、直方体とする振動子における、高さ方向に平行な角部分を切り欠いたときに得られるような段差の例である。同図(c) に示した振動子に設けられた段差は、同図(b) に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差の例である。同図(d) に示した振動子に設けられた段差は、直方体とする振動子における、高さ方向に平行な角部分と厚み方向に平行な角部分とを切り欠いたときに得られるような段差の例である。同図(e) に示した振動子に設けられた段差は、同図(d) に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差の例である。同図(f) に示した振動子に設けられた段差は、振動子１の左右側面に、高さ方向に平行な段差が複数設けられた例である。同図(g) に示した振動子に設けられた段差は、同図(f) に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差の例である。なお、同図(f),(g) に示した段差は、左右方向の長さをＬ１とする直方体の単層素子と、左右方向の長さをＬ２とする直方体の単層素子とを積層することによって得ることもできる。このような他の形状により構成された段差によっても、上述の図３(a) 等に示した段差の場合と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
また、例えば、振動子１も、図３(a) 等に示した形状に限らず、他の形状により構成することも可能である。図８(a),(b) は、他の形状により構成された振動子１の変形例を示す図である。同図(a) に示した振動子は、円柱体とする振動子において、その左右側面における外周部分を切り欠いたときに得られるような段差が設けられた例である。同図(b) に示した振動子は、同図(a) に示した振動子に対して段差の凹凸関係が逆になった振動子の例である。但し、何れの例における段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さとして異なる２つの長さＬ１、Ｌ２を有するように設けられたものであり、その２つの長さＬ１、Ｌ２は、長さＬ１に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ２に係る縦３次モード振動の共振周波数との比が１：３（限りなく１：３に近い略１：３も含む）になるように決定されたものである。また、何れの例における段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものである。このような他の形状により構成された振動子によっても、上述の図３(a) 等に示した振動子１の場合と同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００４６】
本発明の実施例２に係る超音波モータは、実施例１に係る超音波モータに対して、振動子の形状のみが異なり、その他の構成は同じである。そのため、本実施例の説明では、実施例１に係る超音波モータと同一の構成要素については同一の符号を付している。
【００４７】
図９は、本実施例に係る超音波モータの構成例を模式的に示す図である。
同図に示したように、本実施例に係る超音波モータの振動子１１は、実施例１に係る超音波モータの振動子１に設けられた段差とは異なる形状の段差を有する。すなわち、実施例１に係る振動子１では縦振動の振動方向の長さとして異なる２つの長さＬ１、Ｌ２を有するように段差（いわゆる一段の段差）が設けられていたのに対し、本実施例に係る振動子１１では縦振動の振動方向の長さとして異なる３つの長さを有するように段差（いわゆる二段の段差）が設けられている。
【００４８】
図１０(a),(b) は、振動子１１に設けられている段差を説明する図である。
同図(a) は、振動子１１の斜視図である。なお、本実施例においても実施例１と同様に、振動子１１の左右方向と言ったときには同図(a) に示したＸ軸方向を指し、振動子１１の厚さ方向と言ったときには同図(a) に示したＹ軸方向を指し、振動子１１の高さ方向と言ったときには同図(a) に示したＺ軸方向を指すものとする。
【００４９】
同図(b) は、振動子１１を同図(a) のＹ軸方向に沿って見たときの図である。
同図(b) に示したように、本実施例では、振動子１１における縦振動の振動方向の長さ（振動子１１の左右方向の長さ）として、異なる３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５（Ｌ３＞Ｌ４＞Ｌ５）を有するように、振動子１１の左右側面に段差が設けられている。なお、この段差は、振動子１１における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものでもある。また、その３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５において、長さＬ３は第１の長さの一例であり、長さＬ４は第２の長さの一例である。
【００５０】
ここで、その３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５は、長さＬ３に係る縦１次モード振動の共振周波数と、長さＬ４に係る縦３次モード振動の共振周波数と、長さＬ５に係る縦５次モード振動の共振周波数との比が１：３：５（限りなく１：３：５に近い略１：３：５も含む）になるように、決定されたものである。従って、長さＬ３に係る縦１次モード振動の共振周波数をｆ0とすると、長さＬ４に係る縦３次モード振動の共振周波数は３ｆ0、長さＬ５に係る縦５次モード振動の共振周波数は５ｆ0となる。
【００５１】
また、このようにして決定された長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５以外の、振動子１１における高さ方向の長さや厚み方向の長さ等の形状は、その長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５を保ったままで、屈曲２次モードの共振周波数が長さＬ３に係る縦１次モードの共振周波数ｆ0と一致するように、決定されたものである。
【００５２】
なお、振動子１１は、実施例１に係る超音波モータの振動子１に対して形状は異なるが構造は同じである。従って、各電極の位置関係も当然ながら振動子１と同じであり、長さＬ３に係る縦１次モード振動と、長さＬ４に係る縦３次モード振動と、長さＬ５に係る縦５次モード振動との間の共通の節の位置に、電気機械エネルギー変換素子の縦振動用電極である電極４ｅ、５ｅが配置されている、ということになる。
【００５３】
このような構成の振動子１１において、縦振動用電極４ｅ、５ｅとグランド電極６ａとの間、及び、屈曲振動用電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄとグランド電極６ａとの間に、それぞれ周波数ｆ0の異なる図示しない電圧源を接続して交番電圧を印加し、その２つの電圧源により印加される交番電圧の間に位相差を持たせるように調整すると、縦１次モード振動と屈曲２次モード振動とが合成され、駆動子２が固定された位置の振動変位が楕円になる振動が形成される。そして、このときの駆動子２に接する可動体３が移動する。ここで、更に、縦振動用電極４ｅ、５ｅに接続されている電圧源の交番電圧に３ｆ0と５ｆ0の周波数成分を合成して印加するようにすると、縦３次モード振動と縦５次モード振動が更に形成される。このときの周波数ｆ0と３ｆ0と５ｆ0との間のスペクトル成分の振幅を、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度の振幅と長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度の振幅と長さＬ５に係る縦５次モードの振動速度の振幅との比が５：３：１（限りなく５：３：１に近い略５：３：１も含む）になるように調整すると共に、周波数ｆ0と３ｆ0と５ｆ0との間のスペクトル成分の位相差を、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度と長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度と長さＬ５に係る縦５次モードの振動速度との間の位相差がゼロ（限りなくゼロに近い略ゼロも含む）になるように調整すると、図１１に示すように、縦振動の振動速度の波形を、より矩形波に近づけることができる。
【００５４】
なお、この場合、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度の振幅と、長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度の振幅と、長さＬ５に係る縦３次モードの振動速度の振幅は、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度をｖ3ｓｉｎ（ωｔ）とし、長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度をｖ4ｓｉｎ（３ωｔ＋φ4）とし、長さＬ５に係る縦５次モードの振動速度をｖ5ｓｉｎ（５ωｔ＋φ5）としたときに、ｖ4≒ｖ3／３、ｖ5≒ｖ3／５となる。
【００５５】
また、長さＬ３に係る縦１次モード振動と、長さＬ４に係る縦３次モード振動と、長さＬ５に係る縦５次モード振動との間の振動速度の位相差は、長さＬ３に係る縦１次モードの振動速度をｖ3ｓｉｎ（ωｔ）とし、長さＬ４に係る縦３次モードの振動速度をｖ4ｓｉｎ（３ωｔ＋φ4）とし、長さＬ５に係る縦５次モードの振動速度をｖ5ｓｉｎ（５ωｔ＋φ5）としたときに、φ4≒０、φ5≒０となる。
【００５６】
以上、本実施例に係る超音波モータによれば、縦１次モード振動と縦３次モード振動と縦５次モード振動との間での共振周波数の比が１：３：５になるように構成することできる。これにより、縦１次モード振動と縦３次モード振動と縦５次モード振動とを同時に生成して振動速度の振幅と位相を調整することによって、振動速度波形を、より矩形波に近づけることができる。このように、振動速度波形を、より矩形波に近づけることによって、摺動面（駆動子２と可動体３との接触面）での滑りが、より減少し、その結果、摺動面の磨耗を、より減らすことができる。
【００５７】
なお、本実施例に係る超音波モータは、次のような変形が可能である。
例えば、振動子１１に設けられる段差は、図１０(a) 等に示した形状に限らず、他の形状により構成することも可能である。例えば、図示はしないが、図１０(a) 等に示した段差に対して凹凸関係が逆になった段差とすることも可能である。但し、この場合も、その段差は、振動子における縦振動の振動方向の長さとして異なる３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５を有するように設けられたものであり、その３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５は、長さＬ３に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ４に係る縦３次モード振動の共振周波数と長さＬ５に係る縦５次モード振動の共振周波数との比が１：３：５（限りなく１：３：５に近い略１：３：５も含む）になるように決定されたものであるとする。また、その段差は、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものであるとする。このような他の形状により構成された段差によっても、上述の図１０(a) 等に示した段差の場合と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
また、例えば、振動子１１も、図１０(a) 等に示した形状に限らず、他の形状により構成することも可能である。例えば、図示はしないが、円柱体とする振動子において、その左右側面の外周部分を二段階に切り欠いたときに得られるような段差が設けられた振動子とすることも可能である。但し、この場合の段差も、振動子における縦振動の振動方向の長さとして異なる３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５を有するように設けられたものであり、その３つの長さＬ３、Ｌ４、Ｌ５は、長さＬ３に係る縦１次モード振動の共振周波数と長さＬ４に係る縦３次モード振動の共振周波数と長さＬ５に係る縦５次モード振動の共振周波数との比が１：３：５（限りなく１：３：５に近い略１：３：５も含む）になるように決定されたものであるとする。また、その段差は、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つその縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられたものであるとする。このような他の形状により構成された振動子によっても、上述の図１０(a) 等に示した振動子１１の場合と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
以上、実施例１及び２に係る超音波モータについて説明したが、振動子に設けられる段差は、実施例１及び２で説明したような段差、すなわち振動子における縦振動の振動方向の長さとして２つ又は３つの長さを有するように設けられた段差に限らず、その長さとして４つ以上の長さを有するように設けられた段差とすることも可能である。但し、この場合、その４つ以上の長さは第１の長さと３つ以上の長さとからなり、その３つ以上の長さの各々は、当該長さに係るｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動の共振周波数が、第１の長さに係る１次モードの縦振動の共振周波数に対して略ｎ倍になる、という長さとする。ここで、その３つ以上の長さは第２の長さを含み、その第２の長さに係る３次モードの縦振動の共振周波数が、第１の長さに係る１次モードの縦振動の共振周波数に対して略３倍になる、とすることもできる。また、段差は、振動子における縦振動の振動方向の長さの中心を通り且つ縦振動の振動方向に垂直な面について面対称に設けられるものとする。さらに、振動子において、第１の長さに係る１次モードの縦振動と３つ以上の長さの各々に係るｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動との間の共通の節の位置に、電気機械エネルギー変換素子の電極が配置されるものとする。また、第１の長さに係る１次モードの縦振動と３つ以上の長さの各々に係るｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動との間の振動速度の位相差は、第１の長さに係る１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、３つ以上の長さの各々について、当該長さに係るｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、３つ以上の長さの各々についてφ≒０となる、とする。さらに、第１の長さに係る１次モードの縦振動の振動速度の振幅と３つ以上の長さの各々に係るｎ次モード（ｎは３以上の奇数）の縦振動の振動速度の振幅は、第１の長さに係る１次モードの縦振動の振動速度をｖ1ｓｉｎ（ωｔ）とし、３つ以上の長さの各々について、当該長さに係るｎ次モードの縦振動の振動速度をｖｓｉｎ（ｎωｔ＋φ）としたときに、３つ以上の長さの各々についてｖ≒ｖ1／ｎとなる、とする。このような構成によっても、上述の実施例１及び２に係る超音波モータの場合と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は、上述した各実施例に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良・変更が可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１      振動子
２      駆動子
３      可動体
４      単層素子
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ  電極
５      単層素子
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ  電極
６      単層素子
６ａ    電極
１１    振動子
【図３】
0005612940.tif 000003
【図４】
0005612940.tif 000004
【図５】
0005612940.tif 000005
【図６】
0005612940.tif 000006
【図７】
0005612940.tif 000007
【図８】
0005612940.tif 000008
【図１０】
0005612940.tif 000009
【図１１】
0005612940.tif 000010
【図１２】
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【図１】
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【図２】
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【図９】
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