(57)【要約】【課題】  複数の振動モードを同時に発生させる超音波モータにおいて、各振動モードを効率よく発生させて、安定して高いモータ出力を得る。【解決手段】  電気機械変換素子を備え、該電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、異なる２つの振動モードを同時に発生させて出力端１４に略楕円振動を生じさせる超音波振動子３と、該超音波振動子３の出力端１４を被駆動体２に押し付ける押圧手段４とを備え、該押圧手段４による超音波振動子３の出力端１４の被駆動体２への押圧力が、２つの振動モードの機械的共振周波数をほぼ一致させるように設定されている超音波モータ１を提供する。【選択図】    図１
2006094591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械変換素子を備え、該電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、異なる２つの振動モードを同時に発生させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波振動子と、
該超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付ける押圧手段とを備え、
該押圧手段による超音波振動子の出力端の被駆動体への押圧力が、２つの振動モードの機械的共振周波数をほぼ一致させるように設定されている超音波モータ。
【請求項２】
前記押圧力が、２つの振動モードの機械的共振周波数を一致させる所定の押圧力範囲のほぼ中央値に設定されている請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記駆動周波数が、２つの振動モードの一致した機械的共振周波数以上に設定される請求項１または請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記超音波振動子の出力端における一方の振動モードの振動方向が、前記押圧手段による押圧方向であり、他方の振動モードにおける振動方向が、前記押圧方向とはほぼ直交する方向である請求項１から請求項３のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項５】
２つの振動モードが屈曲振動モードと縦振動モードである請求項１から請求項４のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記被駆動体を直線動作させる請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記被駆動体を回転運動させる請求項１から請求項５のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項８】
電気機械変換素子を備え、該電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、異なる２つの振動モードを同時に発生させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波振動子を備える超音波モータの運転方法であって、
前記超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付ける押圧力が、２つの振動モードの機械的共振周波数をほぼ一致させるように設定されている超音波モータの運転方法。
【請求項９】
前記押圧力が、２つの振動モードの機械的共振周波数を一致させる所定の押圧力範囲のほぼ中央値に設定されている請求項８に記載の超音波モータの運転方法。
【請求項１０】
前記駆動周波数が、２つの振動モードの一致した機械的共振周波数以上に設定される請求項８または請求項９に記載の超音波モータの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波モータとその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁型モータに代わる新しいモータとして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に比べ以下のような利点を有している。
（１）ギヤなしで高トルクが得られる。
（２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
（３）高分解能である。
（４）静粛性に富んでいる。
（５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【０００３】
従来の超音波モータとしては、特許文献１に開示された構造のものがある。この特許文献１に開示された超音波モータは、超音波振動子が押圧ばねにより被駆動体に所定の押圧力で押圧される構成となっている。特許文献１において、押圧力は、縦振動共振周波数と屈曲振動共振周波数が一致する押圧力未満の値に設定されており、かつ、駆動周波数は縦振動共振周波数と屈曲振動共振周波数の間の周波数に設定されていた。このような条件において、超音波振動子には、縦振動と屈曲振動とが励起され、被駆動体が左方向もしくは右方向に駆動されていた。
【特許文献１】特開平９−２２４３８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の超音波モータでは、押圧力が縦振動共振周波数と屈曲振動共振周波数が一致する押圧力未満の値に設定されており、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数が一致していないために、両振動モードの最大振動振幅で利用することができず、モータ出力としても十分な特性が得られないという不都合がある。また、駆動周波数も縦振動モードの共振周波数と屈曲振動モードの共振周波数の間の周波数としていたために、同様に両振動モードの最大振動振幅で利用することができず、やはりモータ出力としても十分な特性が得られないという問題点があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数の振動モードを同時に発生させる超音波モータにおいて、各振動モードを効率よく発生させて、安定して高いモータ出力を得ることができる超音波モータとその運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、電気機械変換素子を備え、該電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、異なる２つの振動モードを同時に発生させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波振動子と、該超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付ける押圧手段とを備え、該押圧手段による超音波振動子の出力端の被駆動体への押圧力が、２つの振動モードの機械的共振周波数をほぼ一致させるように設定されている超音波モータを提供する。
【０００７】
本発明によれば、超音波振動子の電気機械変換素子に、所定の位相差および所定の振動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、異なる２つの振動モードが同時に発生し、超音波振動子の出力点に略楕円振動が発生する。押圧手段の作動により出力端を被駆動体に押し付けておくことにより、出力端と被駆動体との間に生ずる摩擦力によって、出力端の略楕円振動の接線方向に被駆動体が駆動される。
【０００８】
この場合において、押圧手段による押圧力を適宜調節することで、２つの振動モードの機械的共振周波数がほぼ一致するように設定されているので、被駆動体の駆動において、２つの振動モードのほぼ最大の振動振幅を同時に利用することが可能となる。その結果、高いモータ出力を得ることができ、被駆動体を効率的に駆動することが可能となる。
【０００９】
上記発明においては、前記押圧力が、２つの振動モードの機械的共振周波数を一致させる所定の押圧力範囲のほぼ中央値に設定されていることが好ましい。
このようにすることで、何らかの理由で押圧力が若干変動しても、２つの振動モードの機械的共振周波数が一致する押圧力範囲内から外れることなく運転されるので、安定して両振動モードのほぼ最大振動振幅を利用することが可能となる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記駆動周波数が、２つの振動モードの一致した機械的共振周波数以上に設定されることが好ましい。
このようにすることで、駆動周波数の変化に対する振動速度の変化が比較的緩やかな領域で超音波振動子を駆動することができ、安定した制御を行うことが可能となる。
【００１１】
さらに、上記発明においては、前記超音波振動子の出力端における一方の振動モードの振動方向が、前記押圧手段による押圧方向であり、他方の振動モードにおける振動方向が、前記押圧方向とはほぼ直交する方向であることが好ましい。
押圧手段による押圧力の増加とともに、両振動モードの機械的共振周波数が変化するが、押圧方向に振動方向が配される一方の振動モードは押圧力の変化による機械的共振周波数の変化が大きく、一方、押圧手段にほぼ直交する方向に振動方向が配される他方の振動モードは押圧力の変化により機械的共振周波数の変化が比較的小さい。したがって、押圧力の変化に対する両振動モードの機械的共振周波数の変化の差を利用して、押圧手段の作動により押圧力を変化させることで、両振動モードの機械的共振周波数を容易に一致させることができる。
【００１２】
また、上記発明においては、２つの振動モードが屈曲振動モードと縦振動モードであることが好ましい。
振動モードを屈曲振動モードと縦振動モードとで構成することにより、超音波振動子の出力端を相互に直交する２方向に振動させることができ、簡易に略楕円振動を得ることができる。そして、押圧手段の作動により、両振動モードの機械的共振周波数を一致させ、２つの直交する振動の振幅をほぼ最大とした状態で運転するので、高いモータ出力を得ることができる。
【００１３】
上記発明においては、前記被駆動体を直線動作させることとしてもよい
これにより、高いモータ出力の超音波リニアモータを構成することができる。
また、上記発明においては、前記被駆動体を回転運動させることとしてもよい。
これにより、高いモータ出力の超音波回転モータを構成することができる。
【００１４】
本発明は、電気機械変換素子を備え、該電気機械変換素子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、異なる２つの振動モードを同時に発生させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波振動子を備える超音波モータの運転方法であって、前記超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付ける押圧力が、２つの振動モードの機械的共振周波数をほぼ一致させるように設定されている超音波モータの運転方法を提供する。
【００１５】
本発明によれば、超音波振動子の電気機械変換素子に、所定の位相差および所定の振動周波数の２相の交番電圧を供給することにより、異なる２つの振動モードが同時に発生し、超音波振動子の出力点に略楕円振動が発生する。超音波振動子の出力端を被駆動体に押し付けておくことにより、出力端と被駆動体との間に生ずる摩擦力によって、出力端の略楕円振動の接線方向に被駆動体が駆動される。
【００１６】
この場合において、押圧力を適宜調節することで、２つの振動モードの機械的共振周波数をほぼ一致させることができ、被駆動体の駆動において、２つの振動モードのほぼ最大の振動振幅を同時に利用することが可能となる。その結果、超音波モータを高いモータ出力で運転することができ、被駆動体を効率的に駆動することが可能となる。
【００１７】
上記発明においては、前記押圧力が、２つの振動モードの機械的共振周波数を一致させる所定の押圧力範囲のほぼ中央値に設定されていることが好ましい。
このようにすることで、何らかの理由で押圧力が若干変動しても、２つの振動モードの機械的共振周波数が一致する押圧力範囲内から外れることなく運転されるので、安定して両振動モードのほぼ最大振動振幅を利用することが可能となる
【００１８】
さらに、上記発明においては、前記駆動周波数が、２つの振動モードの一致した機械的共振周波数以上に設定されることが好ましい。
このようにすることで、駆動周波数の変化に対する振動速度の変化が比較的緩やかな領域で超音波振動子を駆動することができ、安定した制御を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、異なる２つの振動モードの機械的共振周波数がほぼ一致した状態で超音波振動子を駆動することにより、２つの振動モードのほぼ最大の振動振幅を同時に利用することができる。したがって、高いモータ出力を得ることができ、被駆動体を効率的に駆動することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の第１の実施形態に係る超音波モータについて、図１〜図８を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る超音波モータ１は、図１に示されるように、被駆動体２に接触配置される超音波振動子３と、該超音波振動子３を被駆動体２に押し付ける押圧手段４とを備えている。被駆動体２は、ベース５に固定された直動ベアリング６の可動部７に固定されている。また、被駆動体２には、超音波振動子３に接触する面に、例えば、ジルコニアセラミックスからなる摺動板８が接着されている。図中符号９は、直動ベアリング６の固定部１０をベース５に固定するためのネジである。
【００２１】
超音波振動子３は、図２〜図４に示されるように、矩形板状の圧電セラミックスシート１１の片側面にシート状の内部電極１２（図４参照）を設けたものを複数枚積層してなる直方体状の圧電積層体１３と、該圧電積層体１３の一側面に接着された２個の摩擦接触子１４（出力端）と、該摩擦接触子１４が設けられた側面に隣接する側面からピン１５を突出させる振動子保持部材１６とを備えている。
【００２２】
圧電積層体１３は、図３に示されるように、例えば、長さ１８ｍｍ、幅４．４ｍｍ、厚さ２ｍｍの外形寸法を備えている。
圧電積層体１３を構成する圧電セラミックスシート１１は、図４に示されるように、例えば、厚さ約８０μｍのチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス素子（以下、ＰＺＴという。）である。ＰＺＴとしては、Ｑｍ値の大きなハード系材料を選択した。Ｑｍ値は約１８００である。
また、内部電極１２は、例えば、厚さ約４μｍの銀パラジウム合金からなっている。積層方向の一端に配置される圧電セラミックスシート１１ａは内部電極１２を備えていない。それ以外の圧電セラミックスシート１１は、図４に示されるような２種類の内部電極１２を備えている。
【００２３】
図４（ａ）に示される圧電セラミックスシート１１は、そのほぼ全面に内部電極１２を備えている。内部電極１２は、圧電セラミックスシート１１の長さ方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極１２は、圧電セラミックスシート１１の周縁から約０．４ｍｍの隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート１１の周縁まで延びている。
【００２４】
図４（ｂ）に示される圧電セラミックスシート１１は、その幅方向の略半分に内部電極１２を備えている。内部電極１２は、圧電セラミックスシート１１の長さ方向に約０．４ｍｍの絶縁距離を開けて２つ配列されている。各内部電極１２は、圧電セラミックスシート１１の周縁から約０．４ｍｍの隙間を空けて配置されるとともに、その一部が圧電セラミックスシート１１の周縁まで延びている。
【００２５】
これら内部電極１２を備えた圧電セラミックスシート１１は、図４（ａ）に示される内部電極１２の大きいものと、図４（ｂ）に示される内部電極１２の小さいものとが交互に複数枚積層されることにより、直方体状の圧電積層体１３を構成している。
【００２６】
圧電積層体１３の長さ方向の両端面には２個ずつ、合計４個の外部電極１７が設けられている。各外部電極１７には、同種の圧電セラミックスシート１１の同一位置に配される全ての内部電極１２が接続されている。これにより、同種の圧電セラミックスシート１１の同一位置に配される内部電極１２は、同一の電位とされるようになっている。なお、外部電極１７には図示しない配線が接続されている。配線は、リード線、フレキシブル基板等、可撓性を有する配線であれば任意のものでよい。
【００２７】
圧電積層体１３は、例えば、以下の通りに製造される。
圧電積層体１３を製造するには、まず、圧電セラミックスシート１１を製造する。圧電セラミックスシート１１は、例えば、ＰＺＴの仮焼粉末と所定のバインダとを混合して作成された泥しょうをドクターブレード法によってフィルム上にキャスティングした後に乾燥し、フィルムから剥離することにより製造する。
【００２８】
製造された圧電セラミックスシート１１にはそれぞれ内部電極１２のパターンを有するマスクを用いて内部電極材料を印刷する。そして、最初に、内部電極１２を有しない圧電セラミックスシート１１ａを配置し、次いで、内部電極１２を下向きにして正確に位置決めしつつ、形状の異なる内部電極１２を有する圧電セラミックスシート１１を交互に積層していく。積層された圧電セラミックスシート１１は熱圧着した後に、所定の形状に裁断され、１２００℃程度の温度で焼成されることにより圧電積層体１３が製造される。
【００２９】
また、その後、圧電セラミックスシート１１の周縁に露出している内部電極１２を連結するように、それぞれ外部電極１７となる銀を焼き付けて、外部電極１７を形成する。
最後に、対向する内部電極１２間に直流高電圧を加えることにより圧電セラミックスシート１１を分極処理し、圧電的に活性化する。
【００３０】
次に、このようにして構成された圧電積層体１３の動作について説明する。
圧電積層体１３の長さ方向の一端に形成された２つの外部電極１７をＡ相（Ａ＋，Ａ−）、他端に形成された２つの外部電極１７をＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）とする。Ａ相およびＢ相に同位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図５に示されるような１次の縦振動が励起されるようになっている。また、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図６に示されるような２次の屈曲振動が励起されるようになっている。図５および図６は、有限要素法によるコンピュータ解析結果を示す図である。
【００３１】
前記摩擦接触子１４は、前記圧電積層体１３の２次の屈曲振動の腹となる２カ所の位置に接着されている。これにより、圧電積層体１３に１次の縦振動が発生したときには、摩擦振動子１４が圧電積層体１３の長さ方向（図２に示されるＸ方向）に変位させられるようになっている。一方、圧電積層体１３に２次の屈曲振動が生じたときには、摩擦接触子１４が、圧電積層体１３の幅方向（図２に示されるＺ方向）に変位させられるようになっている。
したがって、超音波振動子３のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数に対応する交番電圧を加えることにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とが同時に発生して、図２に矢印Ｃで示されるように、摩擦接触子１４の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動が発生するようになっている。
【００３２】
前記振動子保持部材１６は、断面略コ字状に形成された保持部１６ａと、該保持部１６ａの両側面から垂直に突出する該保持部１６ａと一体的なピン１５とを備えている。保持部１６ａは、圧電積層体１３の幅方向の一側から圧電積層体１３を囲むようにして、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂により圧電積層体１３に接着されている。保持部１６ａが圧電積層体１３に接着された状態で、保持部１６ａの両側面に一体的に設けられた２つのピン１５は、圧電積層体１３の縦振動と屈曲振動の共通の節となる位置に同軸に配置されるようになっている。
【００３３】
前記押圧手段４は、図１に示されるように、超音波振動子３に対して、その幅方向（Ｚ方向）に、前記摩擦接触子１４とは逆方向に離れた位置においてベース５に固定されるブラケット１８と、該ブラケット１８に対して、前記超音波振動子３の幅方向に移動可能に支持された押圧部材１９と、該押圧部材１９に対して押圧力を加えるコイルスプリング２０と、該コイルスプリング２０による押圧力を調節する調節ネジ２１と、ブラケット１８に対する押圧部材１９の移動を案内するガイドブッシュ２２とを備えている。符号２３は、ブラケット１８をベース５に固定するネジである。
【００３４】
前記押圧部材１９には、前記超音波振動子３を厚さ方向に挟む２つの保持板２４が備えられている。各保持板２４には、前記振動子保持部材１６の２本のピン１５をそれぞれ貫通させる貫通孔２５が設けられている。押圧部材１９に加えられる押圧力は、保持板２４およびその貫通孔２５に貫通するピン１５を介して超音波振動子３に伝達されるようになっている。
【００３５】
前記コイルスプリング２０は、圧縮コイルスプリングであって、前記調節ネジ２１と前記押圧部材１９との間に挟まれている。したがって、ブラケット１８に対する調節ネジ２１の締結位置を変化させることで、弾性変形量を変化させて押圧部材１９を超音波振動子３方向に付勢する押圧力を変化させることができるようになっている。
【００３６】
また、本実施形態に係る超音波モータ１においては、調節ネジ２１が以下のように調節されている。
すなわち、超音波振動子３のＡ相およびＢ相に加える電圧の位相差を９０°または−９０°に設定して、摩擦接触子３近傍における振動速度を３次元ドップラー振動計を用いて測定した結果を図７に示す。図７（ａ）は、調節ネジ２１を完全に弛めて押圧部材１９に押圧力を加えない状態での共振特性を示している。また、図７（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ調節ネジ２１の締結位置を変更した場合の共振特性であって、図７（ｂ）よりも図７（ｃ）における場合の方が押圧力が高くなっている。
【００３７】
これらの図７（ａ）〜（ｃ）を見ると、押圧力を加えない図７（ａ）の状態では、機械的な振動速度が最大値となる機械的振動周波数は、縦振動モードの機械的振動周波数（ｆｌ）の方が、屈曲振動モードの機械的振動周波数（ｆｆ）よりも大きくなっているが、押圧力を加えていくと次第に近接して一致し（図７（ｂ））、さらに押圧していくと、図７（ｃ）に示されるように、両者は逆転して、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）の方が屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）よりも低くなっている。
【００３８】
本実施形態に係る超音波モータ１においては、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）とが一致する図７（ｂ）の状態となるように調節ネジ２１が調節されている。
【００３９】
また、図８に各振動モードにおける機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）の押圧力依存性を表すグラフを示す。
本実施形態に係る超音波モータ１においては、図８に示されるように、押圧手段４により押圧力をかけない場合に、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ０）が屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ０）より高くなっている。具体的には、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ０）は８９．０ｋＨｚ、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ０）は８６．２ｋＨｚである。そして、押圧力を増大させていくと、縦振動モードにおける機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）とが次第に近接していき、押圧力Ｆ１のときに両振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）が一致している。押圧力Ｆ１は、例えば、８００ｇｆ（７．８５Ｎ）、機械的共振周波数（ｆ１）は８９．６ｋＨｚであった。
【００４０】
そして、さらに押圧力を増大させていくと、押圧力Ｆ２まで両振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）は一致しているが、押圧力Ｆ２より増大させていくと、屈曲振動モードにおける機械的共振周波数（ｆｆ）が縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）よりも高い状態となる。押圧力Ｆ２は、例えば、１．４ｋｇｆ（１３．７Ｎ）、機械的共振周波数（ｆ２）は９０．８ｋＨｚであった。
【００４１】
そこで、本実施形態に超音波モータ１においては、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）とが一致する押圧力Ｆ１〜Ｆ２となるように調節ネジ２１を調節している。さらに、押圧力がＦ＝（Ｆ１＋Ｆ２）／２となるように調節ネジ２１を調節することが好ましい。
【００４２】
このように構成された本実施形態に係る超音波モータ１の作用について説明する。
本実施形態に係る超音波モータ１を作動させるには、外部電極１７に接続された配線を介して、位相が９０°異なる高周波電圧（Ａ相およびＢ相）を供給する。
これにより、超音波振動子３に接着された摩擦接触子１４には、縦振動モードと屈曲振動モードとがミックスされた略楕円振動が発生し、その楕円振動の接線方向に沿って被駆動体２の摺動板８との間の生ずる摩擦力により、被駆動体２が推進されることになる。
【００４３】
この場合において、本実施形態に係る超音波モータ１によれば、超音波振動子３に同時に生ずる縦振動モードと屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）が一致するように押圧力Ｆ１〜Ｆ２の範囲に調整されているので、各振動モードの最大の振動振幅を被駆動体２の推進に利用することができ、高い出力を得ることができるという効果を奏する。
【００４４】
また、縦振動モードと屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）が一致する押圧力Ｆが、Ｆ＝（Ｆ１＋Ｆ２）／２となるように調節ネジ２１を調節することにより、何らかの原因で押圧力が変動しても、２つの振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）が一致するように押圧力を維持することができる。したがって、安定して高い出力を得ることができるという利点がある。
【００４５】
さらに、上記のようにして縦振動モードと屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）を一致させた状態で、超音波モータ１を駆動する場合に、Ａ相およびＢ相に加える高周波電圧の周波数は、機械的共振周波数以上の高周波側（図８における領域Ｄ）であることが好ましい。すなわち、図７に示されるように、超音波モータ１の振動特性は、機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）を挟んで低周波側と高周波側とで異なる特性を示している。機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）よりも低周波側は周波数の変化によって急激に振動速度が変化する一方、機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）以上の高周波側は周波数の変化によっても振動速度の変化は緩やかである。したがって、機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）以上の高周波側で超音波モータ１を駆動することにより、周波数が変化しても安定した振動速度を達成することができるという利点がある。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波モータ３０について、図９〜図１１を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係る超音波モータ１と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を省略する。
【００４７】
本実施形態に係る超音波モータ３０は、図９に示されるように、向きが異なる超音波振動子３１が被駆動体２に接触配置されている点において、図１に示す第１の実施形態に係る超音波モータ１と相違している。
本実施形態において、超音波振動子３１は、図１０に示されるように、第１の実施形態と同様の圧電積層体１３を備えているが、摩擦接触子１４が圧電積層体１３の長さ方向の一端に、１カ所設けられている点で、第１の実施形態に係る超音波振動子３と相違している。なお、圧電積層体１３の内部電極１２に接続する外部電極１７は、圧電積層体１３の長さ方向の端面を被駆動体２に近接させるので、外部電極１７周りの配線スペースを確保するために、圧電積層体１３の厚さ方向の一端面まで引き出されている。
【００４８】
このようにして構成された超音波振動子３１においては、圧電積層体１３の長さ方向の一端から引き出した２つの外部電極１７をＡ相（Ａ＋，Ａ−）、他端から引き出した２つの外部電極１７をＢ相（Ｂ＋，Ｂ−）とし、Ａ相およびＢ相に同位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、第１の実施形態と同様に、図５に示される１次の縦振動が励起され、Ａ相とＢ相とに逆位相で共振周波数に対応する交番電圧を加えると、図６に示される２次の屈曲振動が励起される。
【００４９】
圧電積層体１３の長さ方向の一端に設けられている摩擦接触子１４においても、圧電積層体１３に１次の縦振動が発生したときには、圧電積層体１３の長さ方向（図２に示されるＸ方向）に変位させられる一方、２次の屈曲振動が生じたときには、圧電積層体１３の幅方向（図２に示されるＺ方向）に変位させられる。
したがって、超音波振動子３のＡ相とＢ相とに、位相が９０°ずれた共振周波数に対応する交番電圧を加えることにより、１次の縦振動と２次の屈曲振動とを同時に発生させて、摩擦接触子１４の位置において時計回りまたは反時計回りの略楕円振動を発生させることができる。
【００５０】
図１１に各振動モードにおける機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）の押圧力依存性を表すグラフを示す。
本実施形態に係る超音波モータ３０においては、図１１に示されるように、第１の実施形態に係る超音波モータ１とは逆に、押圧手段４により押圧力をかけない場合に、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ０）が縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ０）より高くなっている。具体的には、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ０）が９２．０ｋＨｚ、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ０）が８９．０ｋＨｚである。
【００５１】
そして、押圧力を増大させていくと、縦振動モードにおける機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）とが次第に近接していき、押圧力Ｆ１のときに両振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）が一致している。押圧力Ｆ１は、例えば、８００ｇｆ（７．８５Ｎ）、機械的共振周波数（ｆ１）は９２．６ｋＨｚであった。
【００５２】
そして、さらに押圧力を増大させていくと、押圧力Ｆ２まで両振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）は一致しているが、押圧力Ｆ２より増大させていくと、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）が屈曲振動モードにおける機械的共振周波数（ｆｆ）よりも高い状態となる。押圧力Ｆ２は、例えば、１．４ｋｇｆ（１３．７Ｎ）、機械的共振周波数（ｆ２）は９３．８ｋＨｚであった。
【００５３】
そこで、本実施形態に超音波モータ３０においては、縦振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ）と、屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｆ）とが一致する押圧力Ｆ１〜Ｆ２となるように調節ネジ２１を調節している。さらに、押圧力がＦ＝（Ｆ１＋Ｆ２）／２となるように調節ネジ２１を調節することが好ましい。
【００５４】
このように構成された本実施形態に係る超音波モータ３０によれば、超音波振動子３に同時に生ずる縦振動モードと屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）が一致するように押圧力Ｆ１〜Ｆ２の範囲に調整されているので、各振動モードの最大の振動振幅を被駆動体２の推進に利用することができ、高い出力を得ることができるという効果を奏する。
【００５５】
また、縦振動モードと屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）が一致する押圧力Ｆが、Ｆ＝（Ｆ１＋Ｆ２）／２となるように調節ネジ２１を調節することにより、何らかの原因で押圧力が変動しても、２つの振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）が一致するように押圧力を維持することができる。したがって、安定して高い出力を得ることができるという利点がある。
【００５６】
さらに、上記のようにして縦振動モードと屈曲振動モードの機械的共振周波数（ｆｌ，ｆｆ）を一致させた状態で、超音波モータ３０を駆動する場合に、Ａ相およびＢ相に加える高周波電圧の周波数は、機械的共振周波数以上の高周波側（図１１における領域Ｄ）であることが好ましい。これにより、周波数が変化しても安定した振動速度を達成することができるという利点がある。
【００５７】
なお、上記各実施形態においては、圧電セラミックスシートとしてＰＺＴを用いたが、これに限定されるものではなく、圧電性を示すものであれば、ＰＺＴ以外の任意の圧電素子を用いてもよい。
また、上記各実施形態においては、内部電極の材質として銀パラジウム合金を用いたが、これに代えて、銀、ニッケル、白金または金を用いてもよい。
さらに、被駆動体２の表面にジルコニアセラミックスからなる摺動板を接着する代わりに、ジルコニアセラミックスを溶射法により被駆動体２の表面に付着させることにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【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全体構成図である。
【図２】図１の超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。
【図３】図２の超音波振動子を構成する圧電積層体を示す斜視図である。
【図４】図３の圧電積層体を構成する圧電セラミックスシートを示す斜視図である。
【図５】図２の圧電積層体が１次の縦振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図６】図２の圧電積層体が２次の屈曲振動モードで振動する様子をコンピュータ解析により示す図である。
【図７】図２の超音波振動子の振動速度の押圧力に応じた周波数特性の変化を示すグラフである。
【図８】図２の超音波振動子の各振動モードにおける機械的共振周波数の押圧力依存性を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る超音波モータを示す全体構成図である。
【図１０】図９の超音波モータの超音波振動子を示す斜視図である。
【図１１】図９の超音波振動子の各振動モードにおける機械的共振周波数の押圧力依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５９】
１，３０  超音波モータ
２  被駆動体
３  超音波振動子
４  押圧手段
１１  圧電セラミックスシート（電気機械変換素子）
１４  摩擦接触子（出力端）
ｆｆ，ｆｌ  機械的共振周波数
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２  押圧力
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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