(57)【要約】【課題】設計時間の短縮化、及び設計の低コスト化を図ることができる超音波モータの設計方法を提供する。【解決手段】超音波モータは、一端側ブロックと他端側ブロックとの間に第１及び第２圧電素子が挟持されてボルトにて締結され、一端側ブロックの一端側には凹設されることで振動を増幅するためのホーン部が形成されるステータと、一端側ブロックの一端面に圧接され、ステータの縦振動及び捩り振動に基づいて回転するロータとを備える。設計方法は、ステータの各値をパソコンに入力する入力工程（ステップＳ２）と、各値に基づいたステータにおける共振駆動周波数を、パソコンを用いて算出する駆動周波数算出工程（ステップＳ３）と、共振駆動周波数から所定範囲内に、ホーン部が主となって振動するホーンモードを少なくとも含む不要モードが存在するか否かをパソコンによる解析結果から判定して評価する不要モード評価工程（ステップＳ５）とを備える。【選択図】        図１
2004364391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端側ブロックと他端側ブロックとの間に圧電素子が挟持された状態で締結部材にて締結され、前記一端側ブロックの一端側には凹設されることで振動を増幅するためのホーン部が形成され、前記圧電素子への高周波電圧の印加により振動を発生するステータと、
前記一端側ブロックの一端面に摺動可能に圧接され、前記ステータの縦振動及び捩り振動に基づいて前記ステータの軸中心を中心として回転するロータと
を備える超音波モータの設計方法であって、
前記ステータの各値を演算手段に入力する入力工程と、
前記各値に基づいた前記ステータにおける共振駆動周波数を、前記演算手段を用いて算出する駆動周波数算出工程と、
前記共振駆動周波数から所定範囲内に、前記ホーン部が主となって振動するホーンモードを少なくとも含む不要モードが存在するか否かを前記演算手段による解析結果から判定して評価する不要モード評価工程とを備えたことを特徴とする超音波モータの設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波モータの設計方法において、
前記不要モードは、前記ステータ全体が軸方向に対して曲がるように振動する曲げモードを含むことを特徴とする超音波モータの設計方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の超音波モータの設計方法において、
前記不要モードは、前記ステータの軸中心が凹むように振動するひょうたんモードを含むことを特徴とする超音波モータの設計方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の超音波モータの設計方法において、
前記所定範囲は、前記不要モードの種類毎に応じて設定されることを特徴とする超音波モータの設計方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波モータの設計方法において、
前記不要モード評価工程は、前記演算手段にて前記所定範囲内で所定周波数間隔毎に前記ステータの解析を行うことで前記不要モードの存在を判定することを特徴とする超音波モータの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータの設計方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波モータとしては、定在波型（所謂ボルト締めランジュバン型）のものがある（例えば、特許文献１参照）。このような超音波モータのステータは、一端側ブロックと他端側ブロックとの間に圧電素子が挟持された状態でそれらを貫通するボルトにて締結されてなる。又、ロータは、一端側ブロックの一端面に前記ボルトの軸中心に摺動（回転）可能に圧接される。そして、圧電素子に共振駆動周波数（例えば５０ｋＨｚ）の高周波電圧が印加されると、圧電素子にて縦振動が発生されるとともに、該縦振動に基づき他端側ブロックに形成された傾斜したスリットにて捩り振動が発生される。すると、一端側ブロックの一端面（ロータとの接触面）に複合振動が発生され、その縦振動成分による浮力と、捩り振動成分による推進力とによりロータが回転駆動される。このようなステータにおいて、一端側ブロックの一端側には（一端から）凹設されることで振動を増幅するための、即ちロータとの接触面に大きな複合振動を発生させるためのホーン部が形成される。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−１１１４５２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような超音波モータは、ステータの各形状（軸方向の長さや、直径や、スリットの数や角度等）の微妙な違いで各特性が大きく変化する。このことから、所望（必要な特性）の超音波モータを得るためには、試作品作成とその性能評価（実測）とを繰り返して（試行錯誤しながら）設計することになる。
【０００５】
そこで、試作品を作成する前にパソコン等の演算手段にて予め解析を行い評価する方法が考えられる。
即ち、試作品作成前において、ステータにおける大凡のサイズ等の各形状の値（各値）を演算手段に入力し、例えば共振駆動周波数を算出したり、その共振駆動周波数における縦振動速度や捩り振動速度を算出したりして、それらの算出結果に基づいて評価し、合格したものを試作することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、このような演算手段による超音波モータの設計方法は確立されておらず、試作品作成前に短時間で容易に精度の高い評価を行うことができなかった。即ち、演算による評価で合格した各値を有する試作品が実測評価で合格となる可能性が低く、試作品を作り直す作業の回数が多いという問題がある。このことは、超音波モータの設計時間を長くしたり設計のためのコストを高くする原因となっている。
【０００７】
本龍明の目的は、設計時間の短縮化、及び設計の低コスト化を図ることができる超音波モータの設計方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、一端側ブロックと他端側ブロックとの間に圧電素子が挟持された状態で締結部材にて締結され、前記一端側ブロックの一端側には凹設されることで振動を増幅するためのホーン部が形成され、前記圧電素子への高周波電圧の印加により振動を発生するステータと、前記一端側ブロックの一端面に摺動可能に圧接され、前記ステータの縦振動及び捩り振動に基づいて前記ステータの軸中心を中心として回転するロータとを備える超音波モータの設計方法であって、前記ステータの各値を演算手段に入力する入力工程と、前記各値に基づいた前記ステータにおける共振駆動周波数を、前記演算手段を用いて算出する駆動周波数算出工程と、前記共振駆動周波数から所定範囲内に、前記ホーン部が主となって振動するホーンモードを少なくとも含む不要モードが存在するか否かを前記演算手段による解析結果から判定して評価する不要モード評価工程とを備えた。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の超音波モータの設計方法において、前記不要モードは、前記ステータ全体が軸方向に対して曲がるように振動する曲げモードを含む。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載の超音波モータの設計方法において、前記不要モードは、前記ステータの軸中心が凹むように振動するひょうたんモードを含む。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、請求項２又は３に記載の超音波モータの設計方法において、前記所定範囲は、前記不要モードの種類毎に応じて設定される。
請求項５に記載の発明では、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波モータの設計方法において、前記不要モード評価工程は、前記演算手段にて前記所定範囲内で所定周波数間隔毎に前記ステータの解析を行うことで前記不要モードの存在を判定する。
【００１２】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、不要モード評価工程にて、算出した共振駆動周波数から所定範囲内に、ホーン部が主となって振動するホーンモードを少なくとも含む不要モードが存在するか否かが演算手段による解析結果から判定されて評価される。よって、前記評価に基づいて、その後試作される試作品での実測評価が合格となる可能性が高くなる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、不要モードは、前記ステータ全体が軸方向に対して曲がるように振動する曲げモードを含むため、その後試作される試作品での実測評価が合格となる可能性が更に高くなる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、不要モードは、前記ステータの軸中心が凹むように振動するひょうたんモードを含むため、その後試作される試作品での実測評価が合格となる可能性が更に高くなる。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、前記所定範囲は、前記不要モードの種類毎に応じて設定される。即ち、例えば、ホーンモードと曲げモードとひょうたんモードとでは、効率に大きく影響する共振駆動周波数からの周波数範囲が異なるが、それに応じて所定範囲を設定することで、必要以上に周波数を離すように評価してしまうことが防止される。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、演算手段にて前記所定範囲内で所定周波数間隔毎に前記ステータの解析を行うことで前記不要モードの存在を判定するため、容易に不要モードの存在を判定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施の形態を図１〜図１９に従って説明する。図２及び図３は、本実施の形態における超音波モータの設計方法を用いて製造される超音波モータの斜視図及び要部断面図を示す。
【００１８】
音波モータは、ステータ１とロータ２とを備えている。
ステータ１は、一端側ブロック３、他端側ブロック４、第１及び第２圧電素子５，６、第１及び第２電極板７，８、締結部材としてのボルト９、及び絶縁カラー１０（図３参照）を備えている。
【００１９】
一端側及び他端側ブロック３，４は、導電性金属よりなり、本実施形態ではアルミ合金にて形成されている。
一端側ブロック３は、略円筒状に形成されている。又、一端側ブロック３の一端側（図３中、上側）には、（一端から）凹設されることで、言い換えるとその内径が大きくされることで一端面に発生する振動を増幅するためのホーン部３ａが形成されている。又、一端側ブロック３のホーン部３ａを除く内周面には、雌ネジ３ｂが形成されている。尚、一端側ブロック３の一端面（図３中、上端面）には薄肉の摩擦材１１が貼付されている。
【００２０】
他端側ブロック４は、内外径が一端側ブロック３と同じ略円筒状に形成されている。他端側ブロック４の内周面（図３中、破線で示す）には、雌ネジ４ａが形成されている。又、他端側ブロック４の一端部（図２及び図３中、上部）外周には、励起される縦振動に基づいて捩り振動を発生するためのスリット４ｂが形成されている。このスリット４ｂは、周方向に複数形成され、それぞれ軸線方向に対して傾斜している。又、他端側ブロック４の軸線方向中央（スリット４ｂの基端部）には、径方向外側に延びる固定用凸部４ｃが複数形成されている。
【００２１】
第１及び第２圧電素子５，６は円板状に形成され、その中心部に貫通孔がそれぞれ形成されている。この第１及び第２圧電素子５，６の内径は、一端側及び他端側ブロック３，４の内径より大きく設定されている。
【００２２】
第１及び第２電極板７，８は円板状に形成され、その中心部には貫通孔がそれぞれ形成されている。この第１及び第２電極板７，８の内径は、第１及び第２圧電素子５，６の内径と同じに設定されている。尚、図２及び図３では、第１及び第２電極板７，８を視覚的に分かり易くするために特に誇張して（厚く）図示している。
【００２３】
ボルト９は、その外周に雄ネジ９ａが形成された略円柱形状のものであって、前記雌ネジ３ｂ，４ａに螺合可能とされている。
絶縁カラー１０は、絶縁性樹脂にて円筒状に形成されている。この絶縁カラー１０は、その外径が前記第１及び第２圧電素子５，６、第１及び第２電極板７，８の内径と同じに設定され、その内径がボルト９の雄ネジ９ａの外径と同じ（ボルト９を内嵌可能）に設定されている。
【００２４】
そして、第１及び第２圧電素子５，６と第１及び第２電極板７，８とを挟んだ一端側及び他端側ブロック３，４は、その内部を軸線方向に挿通するボルト９により締結される。詳述すると、他端側ブロック４、第２電極板８、第２圧電素子６、第１電極板７、第１圧電素子５、一端側ブロック３は、この順で積層されている。そして、その内部に挿通されるボルト９（雄ネジ９ａ）が一端側及び他端側ブロック３，４の雌ネジ３ｂ，４ａに螺合されることで締結されている。尚、このとき、第１及び第２圧電素子５，６は、分極方向がそれぞれ互いに上下逆になるように積層される。又、このとき、第１及び第２圧電素子５，６、第１及び第２電極板７，８の内周面と、ボルト９の雄ネジ９ａの外周面との間には、絶縁カラー１０が介在される。従って、第１及び第２圧電素子５，６、第１及び第２電極板７，８の内周面と、ボルト９の外周面とは電気的に絶縁状態とされる。又、このとき、第２電極板８は、他端側ブロック４及びボルト９を介して一端側ブロック３と電気的に接続状態となる。
【００２５】
ロータ２は、前記一端側及び他端側ブロック３，４と外径が同じ略円筒状に形成され、図示しない加圧機構によりステータ１の上面、即ち一端側ブロック３（摩擦材１１）の一端面に軸中心に摺動（回転）可能に加圧接触（圧接）されている。このロータ２の外周には、励起される縦振動に基づいて捩り振動を発生するためのスリット２ａが周方向に複数形成されている。このスリット２ａは、それぞれ軸線方向に対して傾斜している。
【００２６】
このように構成される超音波モータでは、第１及び第２電極板７，８間に、第１の共振駆動周波数（例えば、約５０ｋＨｚ）の高周波電圧が印加されると、第１及び第２圧電素子５，６にて縦振動が発生される。すると、その縦振動に基づいてステータ１のスリット４ｂにて捩じり振動が発生される（縦振動及び捩り振動モード）。このとき、ステータ１の上面、即ち一端側ブロック３（摩擦材１１）の一端面の振動は、大きな捩り振動と縦振動とが合成された複合振動となっている。すると、ステータ１の縦振動成分による浮力と捩り振動成分による推進力にてロータ２が正方向に回転する（ステータ主体のモード）。
【００２７】
一方、第１及び第２電極板７，８間に、第２の共振駆動周波数（例えば、約５３ｋＨｚ）の高周波電圧が印加されると、第１及び第２圧電素子５，６にて縦振動が発生される。すると、その縦振動に基づいてステータ１のスリット４ｂにて捩じり振動が発生される（縦振動及び捩り振動モード）。このとき、ステータ１の上面、即ち一端側ブロック３（摩擦材１１）の一端面の振動は、ロータ２を逆方向（ステータ主体のモードの逆方向）に回転させるための捩り振動と縦振動とが合成された複合振動となっている。ここで、前記ロータ２の共振周波数は前記第２の共振駆動周波数（例えば、約５３ｋＨｚ）と重なる（一致する）ように設定されている。そして、ロータ２では、ステータ１の縦振動に基づいて自身（ロータ２）を逆方向（ステータ主体のモードの逆方向）に回転させるための捩り振動が発生される。よって、ステータ１の縦振動成分による浮力と、ステータ１の捩り振動成分及びロータ２自身の捩り振動成分による推進力にてロータ２が逆方向に回転する（ロータ主体のモード）。
【００２８】
次に、上記のような超音波モータの設計方法について図１のフローに従って説明する。
まずステップＳ１では、演算手段（駆動周波数算出手段及び不要モード評価手段）としてのパソコンに、入力手段としてのキーボードを介して必要な性能（例えばトルクや回転数等の値）を入力する。
【００２９】
次に、ステップＳ２「入力工程」では、ステータ１の各値をパソコンに入力する。詳しくは、本実施の形態では、前記性能に基づいて（考慮して）得られるステータ１の各形状の値（例えば、軸方向の長さや、直径や、ホーン部３ａの径方向幅や、ホーン部３ａの軸方向の長さや、スリット４ｂの数や角度等）をパソコンに入力する。この各値は、必要なトルクや回転数から得られる（適当と思われる）各値の範囲の中から任意に決定される値である。
【００３０】
次に、ステップＳ３「駆動周波数算出工程」では、前記各値に基づいたステータ１における共振駆動周波数（即ち縦振動及び捩り振動が大きくなる（極値）となる周波数）を、前記パソコンを用いて算出する。詳しくは、本実施の形態では、図４及び図１０に示すように、パソコンにて、周波数−振動速度特性（周波数−縦振動速度特性ｖｚ１，ｖｚ２、周波数−捩り振動速度特性ｖθ１，ｖθ２、周波数−径方向振動速度特性ｖｒ１，ｖｒ２）の解析を行う。尚、図４は、第１の各値を有するステータ１ｘの周波数−振動速度特性であり、図１０は、第２の各値を有するステータ１ｙの周波数−振動速度特性である。そして、前記解析結果より第１及び第２の共振駆動周波数（縦振動及び捩り振動の速度が共に極値となる周波数）を算出する。尚、図４では、第１の共振駆動周波数が５０ｋＨｚで、第２の共振駆動周波数が５２．７ｋＨｚとなっていることがわかる。又、図１０では、第１の共振駆動周波数が４８．９ｋＨｚで、第２の共振駆動周波数が５２．７ｋＨｚとなっていることがわかる。
【００３１】
次に、ステップＳ４「特性評価工程」では、前記周波数−縦振動速度特性ｖｚ１，ｖｚ２及び周波数−捩り振動速度特性ｖθ１，ｖθ２の解析結果に基づいて、算出した前記第１及び第２の共振駆動周波数における縦振動及び捩り振動の速度が所定値以上か否かを判定して評価する。尚、前記所定値は、前記必要な性能（例えばトルクや回転数等の値）に基づいて算出される値（性能を満たすことが可能となる値）であって、例えば、縦振動速度が２．０ｍ／ｓ、捩り振動速度が７．０ｍ／ｓに設定される。又、本実施の形態のステップＳ４「特性評価工程」では、前記ステップＳ３「駆動周波数算出工程」で解析しておいた周波数−径方向振動速度特性の解析結果に基づいて、算出した前記第１及び第２の共振駆動周波数における径方向振動の速度が所定値（例えば、１．５ｍ／ｓ）以下か否かを判定して評価する。又、本実施の形態のステップＳ４「特性評価工程」では、算出した前記第１及び第２の共振駆動周波数が、制御可能な範囲で互いの間隔が所定間隔（例えば、１．５ｋＨｚ間隔）以上か否かをも判定して評価する。そして、上記評価が合格の場合（縦振動及び捩り振動の速度が所定値以上で、径方向振動の速度が所定値以下で、第１及び第２の共振駆動周波数が所定間隔以上であると判定されると）、次段のステップＳ５に移行し、不合格の場合、前記ステップＳ２に戻る。尚、勿論、ステップＳ２に戻った場合、前記各値（例えば、軸方向の長さや、直径や、ホーン部３ａの径方向幅や、ホーン部３ａの軸方向の長さや、スリット４ｂの数や角度等の内の少なくとも１つ）は前回入力された値から変更される。又、図４に示す第１の各値を有するステータ１ｘの周波数−振動速度特性と、図１０に示す第２の各値を有するステータ１ｙの周波数−振動速度特性とは、共に合格のものを示す。
【００３２】
次に、ステップＳ５「不要モード評価工程」では、算出した前記第１及び第２の共振駆動周波数から所定範囲内に、ホーン部３ａが主となって振動するホーンモード（図７及び図１３参照）を少なくとも含む不要モードが存在するか否かをパソコンによる解析結果から判定して評価する。尚、勿論、前述したようにロータ２を回転駆動するために必要な縦振動及び捩り振動モードは不要モードに含まれることはない。
【００３３】
詳しくは、本実施の形態の不要モードは、ステータ１全体が軸方向に対して曲がるように振動する曲げモード（図８及び図１４参照）、及び、ステータ１の軸中心が凹むように振動するひょうたんモード（図９及び図１５参照）をも含む。
【００３４】
そして、前記所定範囲は、不要モードの周波数が第１及び第２の共振駆動周波数に対してそれ以上近い値であると縦振動及び捩り振動に悪影響を及ぼす範囲に応じて設定されている。そして、本実施の形態では、所定範囲は、前記不要モードの種類毎に応じて設定され、ホーンモードにおける所定範囲は共振駆動周波数の前後１ｋＨｚ、曲げモードにおける所定範囲は共振駆動周波数の前後９００Ｈｚ、ひょうたんモードにおける所定範囲は共振駆動周波数の前後８００Ｈｚに設定されている。
【００３５】
又、本実施の形態では、パソコンにて、前記所定範囲内で所定周波数（本実施の形態では１００Ｈｚ）間隔毎にステータ１の解析を行うことで不要モードの存在を判定する。よって、例えば、第１の各値を有するステータ１ｘ（第１及び第２の共振駆動周波数が５０ｋＨｚ，５２．７ｋＨｚ）の場合、５０ｋＨｚの前後１ｋＨｚである４９ｋＨｚ〜５１ｋＨｚ、５２．７ｋＨｚの前後１ｋＨｚである５１．７ｋＨｚ〜５３．７ｋＨｚの範囲内で１００Ｈｚ間隔毎に、ステータ１の解析を行う。又、例えば、第２の各値を有するステータ１ｙ（第１及び第２の共振駆動周波数が４８．９ｋＨｚ，５２．７ｋＨｚ）の場合、同様に４７．９ｋＨｚ〜４９．９ｋＨｚ、５１．７ｋＨｚ〜５３．７ｋＨｚの範囲内で１００Ｈｚ間隔毎に、ステータ１の解析を行う。本実施の形態の解析は、前記各値に基づいて行う解析であって、有限要素法（ＦＥＭ：Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ    Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて行う。
【００３６】
図５及び図６は、第１の各値を有するステータ１ｘの第１及び第２共振駆動周波数（５０ｋＨｚ，５２．７ｋＨｚ）において、有限要素法を用いて特定したステータ１ｘの形状を示す。図７は、第１の各値を有するステータ１ｘの周波数が５０．１ｋＨｚにおいて、有限要素法を用いて特定したステータ１ｘの形状（ホーンモードの形状）を示す。ステップＳ５「不要モード評価工程」では、図７に示すように、前記所定範囲内（５０ｋＨｚの前後１ｋＨｚ内）における周波数５０．１ｋＨｚでホーンモードが存在すると判定されるため、前記ステータ１ｘが不合格と判定され、前記ステップＳ２に戻る。勿論、ここでステップＳ２に戻った場合、前記各値（例えば、軸方向の長さや、直径や、ホーン部３ａの径方向幅や、ホーン部３ａの軸方向の長さや、スリット４ｂの数や角度等の内の少なくとも１つ）は前回入力された値から変更される。
【００３７】
尚、因みに、図８は、周波数が５０．７ｋＨｚにおいて、有限要素法を用いて特定したステータ１ｘの形状を示す。図８に示す形状は、曲げモード（詳しくは、ステータ１ｘ全体が２回曲がる曲げ２次モード）を示すが、５０．７ｋＨｚ（曲げモード）が共振駆動周波数の前後９００Ｈｚ（４９．１ｋＨｚ〜５０．９ｋＨｚ、５１．８ｋＨｚ〜５３．６ｋＨｚ）の範囲内であるため、この項目に関しても不合格である。又、因みに、図９は、周波数が５８．８ｋＨｚにおいて、有限要素法を用いて特定したステータ１ｘの形状を示す。図９に示す形状は、ひょうたんモードを示すが、５８．８ｋＨｚ（ひょうたんモード）が共振駆動周波数の前後８００Ｈｚ（４９．２ｋＨｚ〜５０．８ｋＨｚ、５１．９ｋＨｚ〜５３．５ｋＨｚ）の範囲外であるため、この項目に関しては合格である。
【００３８】
次に、図１１及び図１２は、第２の各値を有するステータ１ｙの第１及び第２共振駆動周波数（４８．９ｋＨｚ，５２．７ｋＨｚ）において、有限要素法を用いて特定したステータ１ｙの形状を示す。そして、ステップＳ５「不要モード評価工程」では、図示しない解析結果から前記所定範囲内に不要モード（ホーンモード、曲げモード、ひょうたんモード）が存在しない判定され、前記第２の各値を有するステータ１ｙが合格と判定され、次段のステップＳ６に移行する。
【００３９】
尚、因みに、図１３は、周波数が５０．１ｋＨｚにおいて、有限要素法を用いて特定したステータ１ｙの形状を示す。図１３に示す形状は、ホーンモードを示すが、５０．１ｋＨｚ（ホーンモード）が共振駆動周波数の前後１ｋＨｚ（４７．９ｋＨｚ〜４９．９ｋＨｚ、５１．７ｋＨｚ〜５３．７ｋＨｚ）の範囲外であるため、この項目に関しては合格となる。又、因みに、図１４は、周波数が５０．２ｋＨｚにおいて、有限要素法を用いて特定したステータ１ｙの形状を示す。図１４に示す形状は、曲げモード（詳しくは、曲げ２次モード）を示すが、５０．２ｋＨｚ（曲げモード）が共振駆動周波数の前後９００Ｈｚ（４８．０ｋＨｚ〜４９．８ｋＨｚ、５１．８ｋＨｚ〜５３．６ｋＨｚ）の範囲外であるため、この項目に関しては合格となる。又、因みに、図１５は、周波数が５８．６ｋＨｚにおいて、有限要素法を用いて特定したステータ１ｙの形状を示す。図１５に示す形状は、ひょうたんモードを示すが、５８．６ｋＨｚ（ひょうたんモード）が共振駆動周波数の前後８００Ｈｚ（４８．１ｋＨｚ〜４９．７ｋＨｚ、５１．９ｋＨｚ〜５３．５ｋＨｚ）の範囲外であるため、この項目に関しては合格となる。
【００４０】
次に、ステップＳ６では、前記ステップＳ４及びステップＳ５で合格と判定された各値（即ち、例えば前記第２の各値）の試作品を作成する。
次に、ステップＳ７では、図示しない実測装置にて、試作品の各データ（トルクや回転数等）を実測し、各実測データを評価（必要な性能を上回れるか否か等）する。そして、上記評価が合格の場合、設計が終了となり、不合格の場合、前記ステップＳ２に戻る。
【００４１】
次に、上記実施の形態の特徴的な作用効果を以下に記載する。
（１）ステップＳ５「不要モード評価工程」（不要モード評価手段）にて、算出した第１及び第２共振駆動周波数から所定範囲内に、ホーン部３ａが主となって振動するホーンモードを少なくとも含む不要モードが存在するか否かがパソコンによる解析結果から判定されて評価される。よって、前記評価に基づいて、その後試作される試作品（ステータ１ｙ）での実測評価（ステップＳ７）が合格となる可能性が高くなる。その結果、試作品を作り直す作業の回数を低減することができ、ひいては設計時間の短縮化及び設計の低コスト化を図ることができる。
【００４２】
又、ホーンモードを少なくとも含む不要モードを考慮せずに試作した試作品に比べて、試作した試作品が（効率合格範囲の中においても更に）高効率となる可能性が高くなる。即ち、従来の方法では、不要モードを考慮しないため、各値を僅かに変更するだけで不要モードが所定範囲外となるのを見逃しながらも実測で合格する可能性があったが、本実施の形態では不要モードが考慮されるため、試作品が合格範囲の中においても高効率となる可能性が高くなる。又、回転むらが低減される可能性が高くなる。因みに、図１６は、第１の各値を有するステータ１ｘとロータ２とからなる試作品（超音波モータ）のトルク−回転数Ａ１・入力Ｂ１・出力Ｃ１・効率Ｄ１特性を示す。又、図１７は、第２の各値を有するステータ１ｙとロータ２とからなる試作品（超音波モータ）のトルク−回転数Ａ２・入力Ｂ２・出力Ｃ２・効率Ｄ２特性を示す。図１６及び図１７に示すように、第１の各値を有する試作品に比べて、第２の各値を有する試作品の方が、効率が高いことが分かる。又、因みに、図１８は、第１の各値を有するステータ１ｘとロータ２とからなる試作品（超音波モータ）の周波数−むら特性を示す。又、図１９は、第２の各値を有するステータ１ｙとロータ２とからなる試作品（超音波モータ）の周波数−むら特性を示す。図１８及び図１９に示すように、第１の各値を有する試作品に比べて、第２の各値を有する試作品の方が、むらが少ないことが分かる。
【００４３】
（２）不要モードは、ステータ１全体が軸方向に対して曲がるように振動する曲げモードを含むため、その後試作される試作品での実測評価（ステップＳ７）が合格となる可能性が更に高くなる。又、ホーンモード及び曲げモードを含む不要モードを考慮せずに試作した試作品に比べて、試作した試作品が（効率合格範囲の中においても更に）高効率となる可能性が更に高くなる。又、回転むらが低減される可能性が更に高くなる。
【００４４】
（３）不要モードは、前記ステータの軸中心が凹むように振動するひょうたんモードを含むため、その後試作される試作品での実測評価（ステップＳ７）が合格となる可能性が更に高くなる。又、ホーンモード及びひょうたんモードを含む不要モードを考慮せずに試作した試作品に比べて、試作した試作品が（効率合格範囲の中においても更に）高効率となる可能性が更に高くなる。又、回転むらが低減される可能性が更に高くなる。
【００４５】
（４）前記所定範囲は、不要モードの種類毎に応じて設定される。本実施の形態では、ホーンモードにおける所定範囲は共振駆動周波数の前後１ｋＨｚ、曲げモードにおける所定範囲は共振駆動周波数の前後９００Ｈｚ、ひょうたんモードにおける所定範囲は共振駆動周波数の前後８００Ｈｚに設定される。このように、例えば、ホーンモードと曲げモードとひょうたんモードとでは、効率に大きく影響する共振駆動周波数からの周波数範囲が異なるが、それに応じて所定範囲を設定することで、必要以上に周波数を離すように評価してしまうことが防止される。即ち、例えば、全ての所定範囲を前後１ｋＨｚに設定しひょうたんモードの周波数が共振駆動周波数から９００Ｈｚ離れている場合等では必要以上に評価を不合格としてしまうことになるが、このように必要以上に評価を不合格としてしまうことが防止され、適した評価を行うことができる。その結果、更に設計時間の短縮化及び設計の低コスト化を図ることができる。
【００４６】
（５）ステップＳ５「不要モード評価工程」では、パソコンにて前記所定範囲内で所定周波数（本実施の形態では１００Ｈｚ）間隔毎にステータ１の解析を行うことで不要モードの存在を判定するため、容易に不要モードの存在を判定することができる。
【００４７】
（６）ステップＳ５「不要モード評価工程」では、所定範囲内に不要モードが存在すると判定されるとステップＳ２「入力工程」に戻るため、所定範囲内に不要モードが存在しないと判定されるまで、繰り返しステータ１の各値が変更されて評価が行われる。よって、例えば、多数種類の各値を入力してそれぞれ評価を行い（ステップＳ２〜ステップＳ５を並列的に多数行い）、その中で合格したものを試作する方法の場合に比べて、演算が少なくなる。
【００４８】
（７）ステップＳ２「入力工程」において入力するステータ１の各値は、必要となる性能（例えばトルクや回転数等の値）に基づいて得られるステータ１の各形状の値であるため、必要となる性能に対して各値が大幅に外れることがなく、更に設計時間の短縮化及び設計の低コスト化を図ることができる。
【００４９】
（８）ステップＳ３「駆動周波数算出工程」では、パソコンにて周波数−縦振動速度特性及び周波数−捩り振動速度特性の解析を行うことで共振駆動周波数が算出されるため、駆動周波数が容易且つ確実に算出される。
【００５０】
（９）ステップＳ４「特性評価工程」にて、周波数−縦振動速度特性及び周波数−捩り振動速度特性の解析結果に基づいて、算出した第１及び第２の共振駆動周波数における縦振動及び捩り振動の速度が所定値（例えば、縦振動速度が２．０ｍ／ｓ、捩り振動速度が７．０ｍ／ｓ）以上か否かが判定されて評価される。よって、「不要モード評価工程」及び「特性評価工程」における各評価に基づいて、その後試作される試作品（ステータ１ｙ）での実測評価（ステップＳ７）が合格となる可能性が更に高くなる。
【００５１】
（１０）ステップＳ４「特性評価工程」にて、周波数−径方向振動速度特性の解析結果に基づいて、算出した第１及び第２の共振駆動周波数における径方向振動の速度が所定値（例えば、１．５ｍ／ｓ）以下か否かが判定されて評価される。よって、「不要モード評価工程」及び「特性評価工程」における各評価に基づいて、その後試作される試作品（ステータ１ｙ）での実測評価（ステップＳ７）が合格となる可能性が更に高くなる。
【００５２】
（１１）ステップＳ４「特性評価工程」にて、算出した第１及び第２の共振駆動周波数が、制御可能な範囲で互いの間隔が所定間隔以上か否かが判定されて評価される。よって、「不要モード評価工程」及び「特性評価工程」における各評価に基づいて、その後試作される試作品（ステータ１ｙ）での実測評価（ステップＳ７）が合格となる可能性が更に高くなる。
【００５３】
上記実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、不要モードは、曲げモード及びひょうたんモードを含むとしたが、少なくともホーンモードを含んでいればよい。例えば、ステップＳ５「不要モード評価工程」を、縦振動及び捩り振動に特に悪影響を及ぼすホーンモードが所定範囲内に存在するか否かのみを判定して評価するとしてもよい。このようにすると、更に短時間で簡易的に「不要モード評価工程」を終了させることができる。又、勿論、不要モードをホーンモードと曲げモードのみとして「不要モード評価工程」を行ってもよいし、不要モードをホーンモードとひょうたんモードのみとして「不要モード評価工程」を行ってもよい。
【００５４】
・上記実施の形態では、所定範囲は、不要モードの種類毎に応じて設定されるとしたが、全ての所定範囲を同一範囲、例えば共振駆動周波数の前後１ｋＨｚに設定してもよい。このようにすると、所定範囲の数値データを１つとしながら、その後試作される試作品での実測評価（ステップＳ７）が合格となる可能性を高くすることができる。又、前記不要モードの種類毎に応じて設定される所定範囲は、適宜変更してもよい。
【００５５】
・上記実施の形態では、ステップＳ５「不要モード評価工程」で、前記所定範囲内で所定周波数（本実施の形態では１００Ｈｚ）間隔毎にステータ１の解析を行うことで不要モードの存在を判定するとしたが、他の方法で不要モードの存在を判定するようにしてもよい。又、上記実施の形態では、所定周波数間隔を１００Ｈｚ間隔としたが、５０Ｈｚ間隔や２００Ｈｚ間隔に変更してもよい。
【００５６】
・上記実施の形態では、所定範囲内に不要モードが存在すると判定されるとステップＳ２に戻る方法としたが、多数種類の各値を入力してそれぞれ評価を行い（即ちステップＳ２「入力工程」〜ステップＳ５「不要モード評価工程」を並列的に多数行い）、その中で合格したものを試作する方法に変更してもよい。このようにしても、その後試作される試作品での実測評価（ステップＳ７）が合格となる可能性を高くすることができる。
【００５７】
・上記実施の形態では、ステップＳ４「特性評価工程」で、縦振動及び捩り振動の速度が所定値以上で、径方向振動の速度が所定値以下で、第１及び第２の共振駆動周波数が所定間隔以上であるか否かが判定されて評価されるとしたが、「特性評価工程」におけるこれらの各評価を適宜変更してもよい。例えば、縦振動及び捩り振動の速度が所定値以上か否かのみ判定して評価する「特性評価工程」としてもよいし、その他の評価項目を追加して評価する「特性評価工程」としてもよい。
【００５８】
・上記実施の形態では、演算手段（駆動周波数算出手段及び不要モード評価手段）をパソコンとしたが、勿論ワークステーション等、他の演算手段に変更してもよい。
【００５９】
・上記実施の形態では、入力手段をキーボードとしたが、勿論マウス等、他の入力手段に変更してもよい。
・上記実施の形態では、ロータが正逆回転駆動可能な超音波モータにおいて具体化したが、ロータが一方向にのみ回転される超音波モータにおいて具体化してもよい。この場合、共振駆動周波数は、１つとなる。
【００６０】
・上記実施の形態では、ブロックを２つ（一端側及び他端側ブロック３，４）備えた超音波モータとしたが、例えば、他端側ブロック４が軸方向に（スリット４ｂ側と固定用凸部４ｃ側で）分割されてなるもの、即ち３つ以上のブロックを備えたものに変更してもよい。
【００６１】
・上記実施の形態では、ステータ１を締結する締結部材をボルト９としたが、他の部材（例えば、かしめにより締結するもの）に変更してもよい。
・上記実施の形態のステータ１は、２つの圧電素子（第１及び第２圧電素子５，６）を備えたものとしたが、圧電素子の個数を適宜変更してもよい。例えば、圧電素子を１つや、３つ備えたものとしてもよい。
【００６２】
・上記実施の形態のステータ１は、２つの電極板（第１及び第２電極板７，８）を備えたものとしたが、電極板の個数を適宜変更してもよい。例えば、電極板を備えていないもの（ブロック自体が電極板の役目を果たすもの）や、３つ備えたものとしてもよい。
【００６３】
上記各実施の形態から把握できる技術的思想について、以下にその効果とともに記載する。
（イ）請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波モータの設計方法において、前記不要モード評価工程で前記不要モードが存在すると判定されると前記入力工程に戻ることを特徴とする超音波モータの設計方法。このようにすると、前記不要モードが存在しないと判定されるまで、繰り返し前記ステータの各値が変更されて評価が行われる。よって、例えば、多数種類の各値を入力してそれぞれ評価を行う場合に比べて、演算が少なくなる。
【００６４】
（ロ）請求項１乃至５及び上記（イ）のいずれか１つに記載の超音波モータの設計方法において、前記入力工程における前記各値は、必要となる性能に基づいて得られる前記ステータの各形状の値であることを特徴とする超音波モータの設計方法。このようにすると、入力工程にて、必要となる性能に基づいて得られる前記ステータの各形状が演算手段に入力される。よって、必要となる性能に対して各値が大幅に外れることがなく、更に設計時間の短縮化及び設計の低コスト化を図ることができる。
【００６５】
（ハ）請求項１乃至５、上記（イ）（ロ）のいずれか１つに記載の超音波モータの設計方法において、前記駆動周波数算出工程は、前記演算手段にて周波数−縦振動速度特性及び周波数−捩り振動速度特性の解析を行うことで前記共振駆動周波数を算出することを特徴とする超音波モータの設計方法。このようにすると、前記演算手段にて周波数−縦振動速度特性及び周波数−捩り振動速度特性の解析が行われることでその解析結果より前記共振駆動周波数が算出される。よって、駆動周波数が容易且つ確実に算出される。
【００６６】
（ニ）上記（ハ）に記載の超音波モータの設計方法において、前記周波数−縦振動速度特性及び前記周波数−捩り振動速度特性の解析結果に基づいて、縦振動及び捩り振動の速度が所定値以上か否かを判定して評価する特性評価工程を備えたことを特徴とする超音波モータの設計方法。このようにすると、特性評価工程にて、前記周波数−縦振動速度特性及び前記周波数−捩り振動速度特性の解析結果に基づいて、縦振動及び捩り振動の速度が所定値以上か否かが判定されて評価される。よって、前記不要モード評価工程及び特性評価工程における各評価に基づいて、その後試作される試作品での実測評価が合格となる可能性が高くなる。
【００６７】
（ホ）一端側ブロックと他端側ブロックとの間に圧電素子が挟持された状態で締結部材にて締結され、前記一端側ブロックの一端側には凹設されることで振動を増幅するためのホーン部が形成され、前記圧電素子への高周波電圧の印加により振動を発生する超音波モータのステータの設計方法であって、前記ステータの各値を演算手段に入力する入力工程と、前記演算手段にて前記各値に基づいて前記ステータにおける共振駆動周波数を算出する駆動周波数算出工程と、前記演算手段にて前記共振駆動周波数から所定範囲内に、前記ホーン部が主となって振動するホーンモードを少なくとも含む不要モードが存在するか否かを判定して評価する不要モード評価工程とを備えたことを特徴とする超音波モータのステータの設計方法。このようなステータの設計方法では、不要モード評価工程にて、算出した共振駆動周波数から所定範囲内に、ホーン部が主となって振動するホーンモードを少なくとも含む不要モードが存在するか否かが判定されて評価される。よって、前記評価に基づいて、その後試作される試作品での実測評価が合格となる可能性が高くなる。
【００６８】
（ヘ）一端側ブロックと他端側ブロックとの間に圧電素子が挟持された状態で締結部材にて締結され、前記一端側ブロックの一端側には凹設されることで振動を増幅するためのホーン部が形成され、前記圧電素子への高周波電圧の印加により振動を発生するステータと、前記一端側ブロックの一端面に摺動可能に圧接され、前記ステータの縦振動及び捩り振動に基づいて前記ステータの軸中心を中心として回転するロータとを備える超音波モータの設計装置であって、前記ステータの各値を入力するための入力手段と、入力される前記各値に基づいて前記ステータにおける駆動周波数を算出するための駆動周波数算出手段と、算出した前記駆動周波数から所定範囲内に、前記ホーン部が主となって振動するホーンモードを少なくとも含む不要モードが存在するか否かを判定するための解析を行う不要モード評価手段とを備えたことを特徴とする超音波モータの設計装置。このような超音波モータの設計装置では、算出した共振駆動周波数から所定範囲内に、ホーン部が主となって振動するホーンモードを少なくとも含む不要モードが存在するか否かが判定されて評価される。よって、前記評価に基づいて、その後試作される試作品での実測評価が合格となる可能性が高くなる。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、設計時間の短縮化、及び設計の低コスト化を図ることができる超音波モータの設計方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の超音波モータの設計方法を示すフロー図。
【図２】超音波モータの斜視図。
【図３】超音波モータの要部断面図。
【図４】周波数−振動速度特性図。
【図５】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図６】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図７】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図８】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図９】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図１０】周波数−振動速度特性図。
【図１１】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図１２】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図１３】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図１４】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図１５】ステータをＦＥＭ解析にて特定した模式図。
【図１６】トルク−回転数・入力・出力・効率特性図。
【図１７】トルク−回転数・入力・出力・効率特性図。
【図１８】周波数−むら特性図。
【図１９】周波数−むら特性図。
【符号の説明】
１，１ｘ，１ｙ…ステータ、２…ロータ、３…一端側ブロック、３ａ…ホーン部、４…他端側ブロック、５，６…第１及び第２圧電素子（圧電素子）、９…ボルト（締結部材）。
【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】
2004364391.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004364391.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004364391.tif 000011
【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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【図１７】
2004364391.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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