(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、前記振動子の楕円振動発生面に接して前記振動子の前記楕円振動発生面と直交する前記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であって、
前記振動子の前記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、前記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動とを合成することにより、前記楕円振動を形成してなり、
前記振動子の前記回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、前記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように、前記振動子の前記矩形状の長さ比率を設定し、
前記振動子は、前記中心軸に垂直な面内において複数の領域を有し、
前記複数の領域は、前記中心軸に沿った方向における変位が隣り合う領域で互いに異なり、
前記振動子は、その分極方向に沿った方向に伸縮することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記複数の領域の各領域は単一の方向にそれぞれ変位し、これにより、前記回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動が形成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。
【請求項３】
前記複数の領域の各領域は互いに異なる方向の複数の変位をそれぞれ含み、これにより、前記回転軸をねじれ軸とするねじれ３次共振振動が形成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。
【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、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、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、圧電素子と弾性体が必要になる、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、構造が複雑であり組立性に難点がある等の課題があった。それ故、全体として振動子の構成が非常に複雑になり、ねじれ振動が発生しにくいという課題を有していた。
【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、圧電素子の屈曲振動を積極的に使用することによりねじれ共振振動を効率よく発生させることのできる超音波モータを提供することにある。また、本発明は、単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部等が不要であり、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができ、縦振動とねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る超音波モータは、中心軸に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する振動子と、振動子の楕円振動発生面に接して振動子の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であって、振動子の回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動とを合成することにより、楕円振動を形成してなり、振動子の回転軸方向に伸縮する縦１次共振振動と、回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように、振動子の矩形状の長さ比率を設定し、振動子は、中心軸に垂直な面内において複数の領域を有し、複数の領域は、中心軸に沿った方向における変位が隣り合う領域で互いに異なり、振動子は、その分極方向に沿った方向に伸縮することを特徴としている。
【０００８】
本発明に係る超音波モータにおいては、複数の領域の各領域は単一の方向に変位し、これにより、回転軸をねじれ軸とするねじれ２次共振振動が形成されることが好ましい。
【０００９】
本発明に係る超音波モータにおいては、複数の領域の各領域は異なる方向の変位を含み、これにより、回転軸をねじれ軸とするねじれ３次共振振動が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る超音波モータは、圧電素子の縦振動を積極的に使用することによりねじれ共振振動を効率よく発生させることができるという効果を奏する。また、本発明の超音波モータにおいては、単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部等が不要であり、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができ、縦振動とねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、楕円振動によりロータを回転させることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る超音波モータの構成を示す分解斜視図である。
【図３】（ａ）は、第１実施形態に係る振動子の概略構成を示す斜視図、（ｂ）は、ねじれ１次振動モードにおける振動状態を破線で示した斜視図、（ｃ）は、縦１次振動モードにおける振動状態を破線で示した斜視図、（ｄ）は、ねじれ２次振動モードにおける振動状態を破線で示した斜視図、（ｅ）は、ねじれ３次振動モードにおける振動状態を破線で示した斜視図である。
【図４】振動子の高さを一定として、横軸を短辺の長さ／長辺の長さとしたときの各モードの共振周波数を表したグラフである。
【図５】第１実施形態に係る積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。
【図６】（ａ）は第１実施形態に係る第１圧電シートの構成を示す斜視図、（ｂ）は第２圧電シートの構成を示す斜視図、（ｃ）は第３圧電シートの構成を示す斜視図である。
【図７】（ａ）は第１実施形態に係る積層圧電素子を正面上方から見た斜視図、（ｂ）は積層圧電素子を背面上方から見た斜視図である。
【図８】（ａ）は図７の積層圧電素子の左側面図、（ｂ）は図７の積層圧電素子の右側面図である。
【図９】第１実施形態の積層圧電素子の各領域の変形を示す図であって、正面上方から見た斜視図である。
【図１０】（ａ）は図９の積層圧電素子の左側面図、（ｂ）は図９の積層圧電素子の変形状態を示す左側面図、（ｃ）は図９の積層圧電素子の右側面図、（ｄ）は図９の積層圧電素子の変形状態を示す右側面図である。
【図１１】第２実施形態に係る積層圧電素子の構成を示す分解斜視図である。
【図１２】（ａ）は第２実施形態に係る第１圧電シートの構成を示す斜視図、（ｂ）は第２圧電シートの構成を示す斜視図、（ｃ）は第３圧電シートの構成を示す斜視図である。
【図１３】（ａ）は第２実施形態に係る積層圧電素子を正面上方から見た斜視図、（ｂ）は積層圧電素子を背面上方から見た斜視図である。
【図１４】（ａ）は図１３の積層圧電素子の左側面図、（ｂ）は図１３の積層圧電素子の右側面図である。
【図１５】第２実施形態に係る積層圧電素子の各領域の変形を示す図であって、正面上方から見た斜視図である。
【図１６】（ａ）は図１５の積層圧電素子の左側面図、（ｂ）は図１５の積層圧電素子の変形状態を示す左側面図、（ｃ）は図１５の積層圧電素子の右側面図、（ｄ）は図１５の積層圧電素子の変形状態を示す右側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明に係る超音波モータの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
（第１実施形態）
第１実施形態に係る超音波モータ１００は、縦１次共振振動とねじれ２次共振振動の合成により楕円振動を発生させるものであり、図１、図２に示すように、振動子１０１及びロータ１０２を備える。
振動子１０１は、中心軸１００ｃ（回転軸）に垂直な断面が矩形状の長さ比率を有する、略直方体形状の圧電素子である。ロータ１０２は、略円板状をなし、その下面が振動子１０１の楕円振動発生面１０１ａに設けた摩擦接触部材１０３ａ、１０３ｂに接し、振動子１０１の楕円振動発生面１０１ａと直交する中心軸１００ｃを回転軸として回転駆動される。
【００１４】
振動子１０１へのロータ１０２の取り付け構造について説明する。
振動子１０１（圧電素子）の節近傍にはホルダ１１０が固着される。振動子１０１の楕円振動発生面１０１ａとホルダ１１０との間には、シャフト１０５、ロータ１０２、ベアリング１０７、押圧バネ１０８、バネ押さえリング１０９が順に配置される。この配置は、中心軸１００ｃに対して同心状に行われる。
【００１５】
ロータ１０２の中央の凹部１０２ａにはベアリング１０７が結合され、ロータ１０２とベアリング１０７には中心軸１００ｃに沿うようにシャフト１０５が挿通される。シャフト１０５の下部は振動子１０１の楕円振動発生面１０１ａ上に接触配置される。
【００１６】
ロータ１０２及びベアリング１０７に挿通されたシャフト１０５の上部先端は、押圧バネ１０８とバネ押さえリング１０９に順に挿通され、さらに、ホルダ１１０の上部の貫通穴１１０ａを通って、ホルダ１１０の上方に配置されたシャフト固定リング１１１に螺合される。これにより、シャフト１０５はホルダ１１０に固定される。
【００１７】
バネ押さえリング１０９とシャフト１０５はネジ溝によって互いに螺合されており、バネ押さえリング１０９を回転させてシャフト１０５に対する位置を変更することにより、押圧バネ１０８の力量を調節してロータ１０２の摩擦接触部材１０３ａ、１０３ｂへの押圧力量を調節することができる。
【００１８】
次に、図３及び図４を参照して、超音波モータ１０に使用される振動子１０１（圧電素子）の共振周波数の一致に関して説明する。
【００１９】
図３（ａ）に示されるように、振動子１０１は略直方体形状であり、中心軸１００ｃに直交する矩形状の断面の短辺１０１ｓの長さをａ、長辺１０１ｆの長さをｂ、中心軸１００ｃに沿った高さをｃとしている。以下の説明では、高さ方向を、１次振動モードの振動の方向、かつ、ねじれ振動のねじれの軸方向とする。また、ａ、ｂ、ｃの大小関係はａ＜ｂ＜ｃとする。
【００２０】
振動子１０１においては、ａ、ｂ、ｃの各寸法を適切な値とすることで、縦１次振動モードの共振周波数とねじれ２次振動モード、若しくはねじれ３次振動モードの、共振周波数をほぼ一致させている。
【００２１】
ここで、図３（ｂ）〜（ｅ）には、ねじれ振動の方向ｐ１、ｐ２、縦振動の方向ｑ、及び振動の節Ｎを示している。節Ｎは、ねじれ１次振動（図３（ｂ））及び縦１次振動（図３（ｃ））では高さ方向の中心位置に１つ存在し、ねじれ２次振動（図３（ｄ））では高さ方向の２つの位置に存在し、ねじれ３次振動（図３（ｄ））では高さ方向の３つの位置に存在する。
【００２２】
また、図３（ｂ）〜（ｅ）において、実線は振動前の振動子１０１の形状を示しており、破線は振動後の振動子１０１の形状を示している。
【００２３】
図４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が、ねじれ振動の共振周波数は、ａ／ｂ値の増加とともに大きくなっていく。
【００２４】
また、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。これに対して、ねじれ２次振動モードの共振周波数は、ａ／ｂ値が０．６となる近傍で、縦１次振動モードの共振周波数と一致する。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の近傍となるところで、縦１次振動モードの共振周波数と一致する。したがって、第１実施形態の振動子１０１においては、縦１次ねじれ３次振動ではａ／ｂが０．２５〜０．３５、縦１次ねじれ２次振動ではａ／ｂが０．５〜０．６、となるように長さａ、ｂをそれぞれ設定する。
【００２５】
超音波モータ１００においては、振動子１０１の中心軸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をねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、を合成することにより、楕円振動を形成する。長さａ、ｂの比（比率）は、振動子１０１の中心軸１００ｃ方向に伸縮する縦１次共振振動と、中心軸１００ｃをねじれ軸とするねじれ２次共振振動又はねじれ３次共振振動と、の共振周波数がほぼ一致するように設定する。
【００２６】
振動子１０１は、複数の圧電シートを積層した積層圧電素子１２０からなり、圧電シートの厚み方向に分極されてなる活性化領域により、縦１次共振振動と、ねじれ２次共振振動と、を発生する。以下に、図５から図８を参照して、振動子１０１を構成する積層圧電素子１２０の構成について説明する。ここで、図５は、積層圧電素子１２０の構成を示す分解斜視図である。図６（ａ）は第１圧電シート１３０の構成を示す斜視図、（ｂ）は第２圧電シート１４０の構成を示す斜視図、（ｃ）は第３圧電シート１５０の構成を示す斜視図である。図７（ａ）は、積層圧電素子１２０を正面上方から見た斜視図であり、（ｂ）は積層圧電素子１２０を背面上方から見た斜視図である。図８（ａ）は図７の積層圧電素子１２０の左側面図、（ｂ）は図７の積層圧電素子１２０の右側面図である。
【００２７】
図５に示すように、積層圧電素子１２０は、厚み方向（図５の矢印Ｓ１方向）の最も上側から順に、２枚の第１圧電シート１３０、交互に積層された２組の第３圧電シート１５０及び第２圧電シート１４０、２枚の第１圧電シート１３０、を積層してなる。
【００２８】
なお、積層圧電素子１２０を構成する圧電シートの数及び配置は、振動子１０１の仕様に合わせて任意に選択することができる。
【００２９】
図６に示すように、第１圧電シート１３０、第２圧電シート１４０、及び第３圧電シート１５０は、矩形板状の同一形状を備える。第１圧電シート１３０、第２圧電シート１４０、及び第３圧電シート１５０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素子を用いる。第２圧電シート１４０及び第３圧電シート１５０からなる圧電素子は、内部電極を含み、厚み方向に分極されてなる活性化領域を有する。
【００３０】
第２圧電シート１４０の上面には、印刷によって、内部電極が４つずつ形成されている。また、第３圧電シート１５０の上面にも、印刷によって、内部電極が４つずつ形成されている。
【００３１】
以下、内部電極及び外部電極の具体的な構成について説明する。
図６（ｂ）に示すように、第２圧電シート１４０には、＋相の第１内部電極１４１ａ、＋相の第２内部電極１４２ａ、＋相の第３内部電極１４３ａ、及び＋相の第４内部電極１４４ａが形成されている。＋相の第１内部電極１４１ａと＋相の第３内部電極１４３ａは、第２圧電シート１４０の長手方向（図６の左右方向）の一端側において互いに対向するように離間して配置され、＋相の第２内部電極１４２ａと＋相の第４内部電極１４４ａは、第２圧電シート１４０の長手方向の他端側において互いに対向するように離間して配置されている。
【００３２】
＋相の第１内部電極１４１ａ、＋相の第３内部電極１４３ａは、その端部１４１ｂ、１４３ｂが第２圧電シート１４０の長辺１４０Ｌ、１４０Ｒに露出するようにそれぞれ延びている。＋相の第２内部電極１４２ａ、＋相の第４内部電極１４４ａは、その端部１４２ｂ、１４４ｂが第２圧電シート１４０の長辺１４０Ｌ、１４０Ｒに露出するようにそれぞれ延びている。端部１４１ｂと端部１４３ｂは、第２圧電シート１４０の長手方向において、互いに対応する位置に配置され、端部１４２ｂと端部１４４ｂについても互いに対応するように配置されている。
【００３３】
一方、第３圧電シート１５０には、図６（ｃ）に示すように、−相の第１内部電極１５１ａ、−相の第２内部電極１５２ａ、−相の第３内部電極１５３ａ、及び−相の第４内部電極１５４ａが形成されている。−相の第１内部電極１５１ａと−相の第３内部電極１５３ａは、第３圧電シート１５０の長手方向の一端側において互いに対向するように離間して配置され、−相の第２内部電極１５２ａと−相の第４内部電極１５４ａは、第３圧電シート１５０の長手方向の他端側において互いに対向するように離間して配置されている。
【００３４】
−相の第１内部電極１５１ａ、−相の第３内部電極１５３ａは、その端部１５１ｂ、１５３ｂが第２圧電シート１５０の長辺１５０Ｌ、１５０Ｒに露出するようにそれぞれ延びている。−相の第２内部電極１５２ａ、−相の第４内部電極１５４ａは、その端部１５２ｂ、１５４ｂが第２圧電シート１５０の長辺１５０Ｌ、１５０Ｒに露出するようにそれぞれ延びている。端部１５１ｂと端部１５３ｂは互いに対応する位置に配置され、端部１５２ｂと端部１５４ｂについても互いに対応するように配置されている。
【００３５】
＋相の第１内部電極１４１ａと−相の第１内部電極１５１ａ、＋相の第２内部電極１４２ａと−相の第２内部電極１５２ａ、＋相の第３内部電極１４３ａと−相の第３内部電極１５３ａ、＋相の第４内部電極１４４ａと−相の第４内部電極１５４ａ、は第２圧電シート１４０と第３圧電シート１５０を積層したときに、互いに対応する位置にそれぞれ形成されている。
【００３６】
各内部電極の端部１４１ｂ、１４２ｂ、１４３ｂ、１４４ｂ、１５１ｂ、１５２ｂ、１５３ｂ、１５４ｂには、例えば銀ペーストの印刷によって外部電極が形成される。
【００３７】
端部１４１ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子１２０の前面（正面）１２０Ｆ上の＋相の第１外部電極群１２１Ｆを構成し、端部１４２ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子１２０の前面１２０Ｆ上の＋相の第４外部電極群１２４Ｆを構成する（図７、図８）。
【００３８】
端部１４３ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子１２０の背面１２０Ｒ上の＋相の第１外部電極群１２１Ｒを構成し、端部１４４ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子１２０の背面１２０Ｒ上の＋相の第４外部電極群１２４Ｒを構成する。
【００３９】
端部１５１ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子１２０の前面１２０Ｆ上の−相の第２外部電極群１２２Ｆを構成し、端部１５２ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子１２０の前面１２０Ｆ上の−相の第３外部電極群１２３Ｆを構成する。
なお、図１、図２においては外部電極の図示を省略している。
【００４０】
端部１５３ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子１２０の背面１２０Ｒ上の−相の第２外部電極群１２２Ｒを構成し、端部１５４ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子１２０の背面１２０Ｒ上の−相の第３外部電極群１２３Ｒを構成する。
【００４１】
これらの外部電極は、超音波モータ１００の外部の電源（不図示）にそれぞれ接続される。接続には、例えばＦＰＣ（ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｐｒｉｎｔ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を用い、各電極群にＦＰＣの一端を固着する。
【００４２】
積層圧電素子１２０の前面１２０Ｆ又は背面１２０Ｒに形成された８個の外部電極は、＋相の第１外部電極群１２１Ｆと−相の第２外部電極群１２２Ｆ、−相の第３外部電極群１２３Ｆと＋相の第４外部電極群１２４Ｆ、＋相の第１外部電極群１２１Ｒと−相の第２外部電極群１２２Ｒ、及び、−相の第３外部電極群１２３Ｒと＋相の第４外部電極群１２４Ｒがそれぞれ対となり、４組の相を構成する。
【００４３】
一方、積層圧電素子１２０は、中心軸１００ｃに垂直な面内において、中心軸１００ｃの周りを９０度ごとに分けた、４つの領域１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄを有する（図７、図８）。領域１２０Ａは−相の第３外部電極群１２３Ｆと＋相の第４外部電極群１２４Ｆの相に、領域１２０Ｂは−相の第３外部電極群１２３Ｒと＋相の第４外部電極群１２４Ｒの相に、領域１２０Ｃは＋相の第１外部電極群１２１Ｆと−相の第２外部電極群１２２Ｆの相に、領域１２０Ｄは＋相の第１外部電極群１２１Ｒと−相の第２外部電極群１２２Ｒの相に、それぞれ対応する。
【００４４】
この構成によれば、各相に対して外部の電源から信号を印加すると、信号に対応して各領域が単一方向にそれぞれ変位する。
【００４５】
図９、図１０を参照して、振動子１０１、積層圧電素子１２０の動作について説明する。図９は、積層圧電素子１２０の各領域の変形を示す図であって、正面上方から見た斜視図である。図１０（ａ）は図９の積層圧電素子１２０の左側面図、（ｂ）は図９の積層圧電素子１２０の変形状態を示す左側面図、（ｃ）は図９の積層圧電素子１２０の右側面図、（ｄ）は図９の積層圧電素子１２０の変形状態を示す右側面図である。図９、図１０においては、外部電極の表示を省略している。
【００４６】
図９、図１０に示す例では、外部の電源から、第１外部電極群１２１Ｆと第２外部電極群１２２Ｆとの間、第３外部電極群１２３Ｆと第４外部電極群１２４Ｆとの間、第１外部電極群１２１Ｒと第２外部電極群１２２Ｒとの間、及び、第３外部電極群１２３Ｒと第４外部電極群１２４Ｒとの間、の各相にそれぞれ信号を印加し、これにより、領域１２０Ａ、１２０Ｄをそれぞれ中心軸１００ｃに沿った方向に伸びるように変位させ、領域１２０Ｂ、１２０Ｃをそれぞれ中心軸１００ｃに沿った方向に縮むように変位させている。すなわち、積層圧電素子１２０は、中心軸１００ｃに沿った方向において、隣り合う領域で互いに異なる方向に変位しており、変位方向は分極方向（積層方向Ｓ１）に沿った方向になっている。なお、各領域の変位方向は、隣り合う領域で互いに異なる方向になれば図９、図１０に示す方向と異なっても良い。
【００４７】
このように、４つの領域を変位させると、縦１次共振振動（図３（ｃ））と、中心軸１００ｃをねじれ軸とするねじれ２次共振振動（図３（ｄ））と、の合成により、振動子１０１の高さ方向の両端面に楕円振動が発生する。したがって、摩擦接触部材１０３ａ、１０３ｂを介してロータ１０２に楕円振動が伝達される。また、各領域が上述の方向とは逆の方向に変位するように、それぞれの相に信号を印加すると、逆の方向のねじれ２次共振振動を生じさせることができる。
【００４８】
以上の構成により、単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部等が不要な振動子１０１を得ることができる。この振動子１０１を用いた超音波モータ１００は、部品点数が少なくなり、製造が容易となるため、コストを低減することができる。さらに、超音波モータ１００は、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができ、縦振動とねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、楕円振動によりロータ１０２を回転させることができる。
【００４９】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る超音波モータは、縦１次共振振動とねじれ３次共振振動の合成により楕円振動を発生させる点が第１実施形態に係る超音波モータ１００と異なる。圧電シート以外の構成は第１実施形態に係る超音波モータ１００と同様であって、同じ部材については同じ参照符号を使用し、圧電シート以外の構成についての詳細な説明は省略する。
【００５０】
第２実施形態の振動子は、複数の圧電シートを積層した積層圧電素子２２０からなり、圧電シートの厚み方向に分極されてなる活性化領域により、縦１次共振振動と、ねじれ３次共振振動と、を発生する。以下に、図１１から図１４を参照して、振動子を構成する積層圧電素子２２０の構成について説明する。ここで、図１１は、積層圧電素子２２０の構成を示す分解斜視図である。図１２（ａ）は第１圧電シート２３０の構成を示す斜視図、（ｂ）は第２圧電シート２４０の構成を示す斜視図、（ｃ）は第３圧電シート２５０の構成を示す斜視図である。図１３（ａ）は、積層圧電素子２２０を正面上方から見た斜視図であり、（ｂ）は積層圧電素子２２０を背面上方から見た斜視図である。図１４（ａ）は図１３の積層圧電素子２２０の左側面図、（ｂ）は図１３の積層圧電素子２２０の右側面図である。
【００５１】
図１１に示すように、積層圧電素子２２０は、厚み方向（図１１の矢印Ｓ２方向）の最も上側から順に、２枚の第１圧電シート２３０、交互に積層された２組の第３圧電シート２５０及び第２圧電シート２４０、２枚の第１圧電シート２３０、交互に積層された２組の第３圧電シート２５０及び第２圧電シート２４０、並びに、２枚の第１圧電シート２３０、を積層してなる。
【００５２】
図１２に示すように、第１圧電シート２３０、第２圧電シート２４０、及び第３圧電シート２５０は、矩形板状の同一形状を備える。第１圧電シート２３０、第２圧電シート２４０、及び第３圧電シート２５０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素子を用いる。第２圧電シート２４０及び第３圧電シート２５０からなる圧電素子は、内部電極を含み、厚み方向に分極されてなる活性化領域を有する。
【００５３】
以下、内部電極及び外部電極の具体的な構成について説明する。
図１２（ｂ）に示すように、第２圧電シート２４０には、＋相の第１内部電極２４１ａ、＋相の第２内部電極２４２ａ、＋相の第３内部電極２４３ａ、及び＋相の第４内部電極２４４ａが形成されている。＋相の第１内部電極２４１ａと＋相の第３内部電極２４３ａは、第２圧電シート２４０の長手方向（図１２の左右方向）の一端側において互いに対向するように離間して配置され、＋相の第２内部電極２４２ａと＋相の第４内部電極２４４ａは、第２圧電シート２４０の長手方向の他端側において互いに対向するように離間して配置されている。
【００５４】
＋相の第１内部電極２４１ａ、＋相の第３内部電極２４３ａは、その端部２４１ｂ、２４３ｂが第２圧電シート２４０の長辺２４０Ｌ、２４０Ｒに露出するようにそれぞれ延びている。＋相の第２内部電極２４２ａ、＋相の第４内部電極２４４ａは、その端部２４２ｂ、２４４ｂが第２圧電シート２４０の長辺２４０Ｌ、２４０Ｒに露出するようにそれぞれ延びている。端部２４１ｂと端部２４３ｂは、第２圧電シート２４０の長手方向において、互いに対応する位置に配置され、端部２４２ｂと端部２４４ｂについても互いに対応するように配置されている。
【００５５】
一方、第３圧電シート２５０には、図１２（ｃ）に示すように、−相の第１内部電極２５１ａ、−相の第２内部電極２５２ａ、−相の第３内部電極２５３ａ、及び−相の第４内部電極２５４ａが形成されている。−相の第１内部電極２５１ａと−相の第３内部電極２５３ａは、第３圧電シート２５０の長手方向の一端側において互いに対向するように離間して配置され、−相の第２内部電極２５２ａと−相の第４内部電極２５４ａは、第３圧電シート２５０の長手方向の他端側において互いに対向するように離間して配置されている。
【００５６】
−相の第１内部電極２５１ａ、−相の第３内部電極２５３ａは、その端部２５１ｂ、２５３ｂが第２圧電シート２５０の長辺２５０Ｌ、２５０Ｒに露出するようにそれぞれ延びている。−相の第２内部電極２５２ａ、−相の第４内部電極２５４ａは、その端部２５２ｂ、２５４ｂが第２圧電シート２５０の長辺２５０Ｌ、２５０Ｒに露出するようにそれぞれ延びている。端部２５１ｂと端部２５３ｂは互いに対応する位置に配置され、端部２５２ｂと端部２５４ｂについても互いに対応するように配置されている。
【００５７】
＋相の第１内部電極２４１ａと−相の第１内部電極２５１ａ、＋相の第２内部電極２４２ａと−相の第２内部電極２５２ａ、＋相の第３内部電極２４３ａと−相の第３内部電極２５３ａ、＋相の第４内部電極２４４ａと−相の第４内部電極２５４ａ、は第２圧電シート２４０と第３圧電シート２５０を積層したときに、互いに対応する位置にそれぞれ形成されている。
【００５８】
各内部電極の端部２４１ｂ、２４２ｂ、２４３ｂ、２４４ｂ、２５１ｂ、２５２ｂ、２５３ｂ、２５４ｂには、例えば銀ペーストの印刷によって外部電極が形成される。
【００５９】
端部２４１ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子２２０の前面２２０Ｆ上の＋相の第１外部電極群２２１Ｆ、及び＋相の第５外部電極群２２５Ｆを構成し、端部２４２ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子２２０の前面２２０Ｆ上の＋相の第４外部電極群２２４Ｆ、及び＋相の第８外部電極群２２８Ｆを構成する（図１３、図１４）。
【００６０】
端部２４３ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子２２０の背面２２０Ｒ上の＋相の第１外部電極群２２１Ｒ、及び＋相の第５外部電極群２２５Ｒを構成し、端部２４４ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子２２０の背面２２０Ｒ上の＋相の第４外部電極群２２４Ｒ、及び＋相の第８外部電極群２２８Ｒを構成する。
【００６１】
端部２５１ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子２２０の前面２２０Ｆ上の−相の第２外部電極群２２２Ｆ、及び−相の第６外部電極群２２６Ｆを構成し、端部２５２ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子２２０の前面２２０Ｆ上の−相の第３外部電極群２２３Ｌ、及び−相の第７外部電極群２２７Ｆを構成する。
【００６２】
端部２５３ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子２２０の背面２２０Ｒ上の−相の第２外部電極群２２２Ｒ、及び−相の第６外部電極群２２６Ｒを構成し、端部２５４ｂに形成された外部電極は、積層圧電素子２２０の背面２２０Ｒ上の−相の第３外部電極群２２３Ｒ、及び−相の第７外部電極群２２７Ｒを構成する。
【００６３】
積層圧電素子２２０の前面２２０Ｆ又は背面２２０Ｒに形成された１６個の外部電極は、積層圧電素子２２０の前面２２０Ｆと背面２２０Ｒのそれぞれにおいて４組の相を構成する。具体的には、積層圧電素子２２０の前面２２０Ｆにおいては、＋相の第１外部電極群２２１Ｆと−相の第２外部電極群２２２Ｆ、−相の第３外部電極群２２３Ｆと＋相の第４外部電極群２２４Ｆ、＋相の第５外部電極群２２５Ｆと−相の第６外部電極群２２６Ｆ、−相の第７外部電極群２２７Ｆと＋相の第８外部電極群２２８Ｆ、がそれぞれ対となり、４組の相を構成する。積層圧電素子２２０の背面２２０Ｒにおいては、＋相の第１外部電極群２２１Ｒと−相の第２外部電極群２２２Ｒ、−相の第３外部電極群２２３Ｒと＋相の第４外部電極群２２４Ｒ、＋相の第５外部電極群２２５Ｒと−相の第６外部電極群２２６Ｒ、−相の第７外部電極群２２７Ｒと＋相の第８外部電極群２２８Ｒ、がそれぞれ対となり、４組の相を構成する。
【００６４】
一方、積層圧電素子２２０は、中心軸２００ｃに垂直な面内において、中心軸２００ｃの周りを９０度ごとに分けた、４つの領域２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄを有する（図１３、図１４）。
【００６５】
領域２２０Ａは、−相の第３外部電極群２２３Ｆと＋相の第４外部電極群２２４Ｆ、及び、−相の第７外部電極群２２７Ｆと＋相の第８外部電極群２２８Ｆに対応し、領域２２０Ｂは、−相の第３外部電極群２２３Ｒと＋相の第４外部電極群２２４Ｒ、及び、−相の第７外部電極群２２７Ｒと＋相の第８外部電極群２２８Ｒに対応し、領域２２０Ｃは、＋相の第１外部電極群２２１Ｆと−相の第２外部電極群２２２Ｆ、及び、＋相の第５外部電極群２２５Ｆと−相の第６外部電極群２２６Ｆに対応し、領域２２０Ｄは、＋相の第１外部電極群２２１Ｒと−相の第２外部電極群２２２Ｒ、及び、＋相の第５外部電極群２２５Ｒと−相の第６外部電極群２２６Ｒに対応する。
【００６６】
この構成によれば、各相に対して外部の電源から信号を印加すると、信号に対応して各領域が変位する。各領域は２組の相をそれぞれ含むため、同一領域内であっても各相に対応する部分を異なる方向に変位させることができる。
【００６７】
図１５、図１６を参照して、振動子１０１、積層圧電素子２２０の動作について説明する。図１５は、積層圧電素子２２０の各領域の変形を示す図であって、正面上方から見た斜視図である。図１６（ａ）は図１５の積層圧電素子２２０の左側面図、（ｂ）は図１５の積層圧電素子２２０の変形状態を示す左側面図、（ｃ）は図１５の積層圧電素子２２０の右側面図、（ｄ）は図１５の積層圧電素子２２０の変形状態を示す右側面図である。図１５、図１６においては、外部電極の表示を省略している。
【００６８】
図１５、図１６に示す例では、外部の電源から、各領域の２組の相に対応する外部電極群間にそれぞれ信号を印加する。これにより、領域２２０Ａでは、第３外部電極群２２３Ｆと第４外部電極群２２４Ｆに対応する部分では、中心軸２００ｃに沿った方向に伸び、第７外部電極群２２７Ｆと第８外部電極群２２８Ｆに対応する部分では中心軸２００ｃに沿った方向に縮むように変位する。また、領域２２０Ｂでは、２２３Ｒと２２４Ｒに対応する部分では、中心軸２００ｃに沿った方向に縮み、第７外部電極群２２７Ｒと第８外部電極群２２８Ｒに対応する部分では、中心軸２００ｃに沿った方向に伸びるように変位する。
【００６９】
さらにまた、領域２２０Ｃでは、第１外部電極群２２１Ｆと第２外部電極群２２２Ｆに対応する部分では、中心軸２００ｃに沿った方向に縮み、第５外部電極群２２５Ｆと第６外部電極群２２６Ｆに対応する部分では、中心軸２００ｃに沿った方向に伸びるように変位する。さらに、領域２２０Ｄでは、第１外部電極群２２１Ｒと第２外部電極群２２２Ｒに対応する部分では、中心軸２００ｃに沿った方向に伸び、第５外部電極群２２５Ｒと第６外部電極群２２６Ｒに対応する部分では、中心軸２００ｃに沿った方向に縮むように変位する。
【００７０】
したがって、積層圧電素子２２０は、中心軸２００ｃに沿った方向において、隣り合う領域、隣り合う部分で互いに異なる方向に変位しており、変位方向は分極方向（積層方向Ｓ２）に沿った方向になっている。なお、各領域の変位方向は、隣り合う領域で互いに異なる方向になれば図１５、図１６に示す方向と異なっても良い。
【００７１】
このように、４つの領域を変位させると、縦１次共振振動（図３（ｃ））と、中心軸２００ｃをねじれ軸とするねじれ３次共振振動（図３（ｅ））と、の合成により、振動子１０１の高さ方向の両端面に楕円振動が発生する。したがって、摩擦接触部材１０３ａ、１０３ｂを介してロータ１０２に楕円振動が伝達される。また、各領域の各部分が上述の方向とは逆の方向に変位するように、それぞれの相に信号を印加すると、逆の方向のねじれ３次共振振動を生じさせることができる。
【００７２】
以上の構成により、単一の部材からなり、構造が単純であり、溝部等が不要な振動子１０１を得ることができる。この振動子１０１を用いた超音波モータは、部品点数が少なくなり、製造が容易となるため、コストを低減することができる。さらに、超音波モータは、縦振動とねじれ振動を容易に励起することができ、縦振動とねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、楕円振動によりロータ１０２を回転させることができる。
なお、その他の構成、作用、効果については、第１実施形態と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、本発明に係る超音波モータは、振動とねじれ振動を合成することにより楕円振動を形成し、楕円振動によりロータを回転させる超音波モータに適している。
【符号の説明】
【００７４】
１００    超音波モータ
１００ｃ  中心軸（回転軸）
１０１    振動子
１０１ａ  楕円振動発生面
１０１ｆ  長辺
１０１ｓ  短辺
１０２    ロータ
１０３ａ、１０３ｂ  摩擦接触部材
１０５    シャフト
１０７    ベアリング
１０８    押圧バネ
１０９    バネ押さえリング
１１０    ホルダ
１１１    シャフト固定リング
１２０    積層圧電素子
１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄ  領域
１２０Ｆ  前面
１２０Ｒ  背面
１２１Ｆ  ＋相の第１外部電極群
１２１Ｒ  ＋相の第１外部電極群
１２２Ｆ  −相の第２外部電極群
１２２Ｒ  −相の第２外部電極群
１２３Ｆ  −相の第３外部電極群
１２３Ｒ  −相の第３外部電極群
１２４Ｆ  ＋相の第４外部電極群
１２４Ｒ  ＋相の第４外部電極群
１３０    第１圧電シート
１４０    第２圧電シート
１４０Ｌ、１４０Ｒ  長辺
１４１ａ  ＋相の第１内部電極
１４１ｂ  端部
１４２ａ  ＋相の第２内部電極
１４２ｂ  端部
１４３ａ  ＋相の第３内部電極
１４３ｂ  端部
１４４ａ  ＋相の第４内部電極
１４４ｂ  端部
１５０    第３圧電シート
１５０Ｌ、１５０Ｒ  長辺
１５１ａ  −相の第１内部電極
１５１ｂ  端部
１５２ａ  −相の第２内部電極
１５２ｂ  端部
１５３ａ  −相の第３内部電極
１５３ｂ  端部
１５４ａ  −相の第４内部電極
１５４ｂ  端部
２００ｃ  中心軸（回転軸）
２２０    積層圧電素子
２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄ  領域
２２０Ｆ  前面
２２０Ｒ  背面
２２１Ｆ  ＋相の第１外部電極群
２２１Ｒ  ＋相の第１外部電極群
２２２Ｆ  −相の第２外部電極群
２２２Ｒ  −相の第２外部電極群
２２３Ｆ  −相の第３外部電極群
２２３Ｒ  −相の第３外部電極群
２２４Ｆ  ＋相の第４外部電極群
２２４Ｒ  ＋相の第４外部電極群
２２５Ｆ  ＋相の第５外部電極群
２２５Ｒ  ＋相の第５外部電極群
２２６Ｆ  −相の第６外部電極群
２２６Ｒ  −相の第６外部電極群
２２７Ｆ  −相の第７外部電極群
２２７Ｒ  −相の第７外部電極群
２２８Ｆ  ＋相の第８外部電極群
２２８Ｒ  ＋相の第８外部電極群
２３０    第１圧電シート
２４０    第２圧電シート
２４０Ｌ、２４０Ｒ  長辺
２４１ａ  ＋相の第１内部電極
２４１ｂ  端部
２４２ａ  ＋相の第２内部電極
２４２ｂ  端部
２４３ａ  ＋相の第３内部電極
２４３ｂ  端部
２４４ａ  ＋相の第４内部電極
２４４ｂ  端部
２５０    第３圧電シート
２５０Ｌ、２５０Ｒ  長辺
２５１ａ  −相の第１内部電極
２５１ｂ  端部
２５２ａ  −相の第２内部電極
２５２ｂ  端部
２５３ａ  −相の第３内部電極
２５３ｂ  端部
２５４ａ  −相の第４内部電極
２５４ｂ  端部
【図１】
0005412309.tif 000002
【図２】
0005412309.tif 000003
【図３】
0005412309.tif 000004
【図４】
0005412309.tif 000005
【図５】
0005412309.tif 000006
【図６】
0005412309.tif 000007
【図７】
0005412309.tif 000008
【図８】
0005412309.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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