(57)【要約】【課題】  負荷との接触状態における超音波アクチュエータの電気的特性を小さな計算負荷で短時間に解析する。【解決手段】  第１有限要素モデル５１にて超音波モータの圧電振動子の単体の周期的変形量４１（ステップＭ１）から振幅値４２を求め（ステップＳ１）、この振幅値４２から圧電振動子のヤング率３５や被駆動体に対する押し付け圧力３６等に基づいて接触部のエネルギー損失Ｅ1を算出し（ステップＳ２）、エネルギー損失Ｅ1に等価なエネルギー損失Ｅ2に相当する粘性抵抗値４３から減衰係数ηを求め（ステップＳ３）、圧電振動子と被駆動体の接触部を減衰係数ηに相当する粘性減衰要素で表した第２有限要素モデル５２にて被駆動体を含めた振動解析のシミュレーションにて電気特性７０を算出する（ステップＭ２）ことで圧電振動子等の超音波モータの構造設計を行う（ステップＳ５〜ステップＳ７）。【選択図】  図１
2005348508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータの設計方法であって、
前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換えてシミュレーションすることを特徴とする超音波アクチュエータの設計方法。
【請求項２】
前記圧電振動子による前記被駆動体の駆動に伴うエネルギー損失を計算し、前記エネルギー損失に基づいて前記粘性抵抗を求めることを特徴とする請求項１記載の超音波アクチュエータの設計方法。
【請求項３】
前記シミュレーションにて、前記圧電振動子の駆動時の電気特性を計算することを特徴とする請求項１記載の超音波アクチュエータの設計方法。
【請求項４】
前記電気特性に基づいて前記圧電振動子の形状および／または構造の最適化を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータの設計方法。
【請求項５】
圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータの製造方法であって、
前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換えてシミュレーションして、前記圧電振動子の形状および／または構造を決定することを特徴とする超音波アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
前記圧電振動子による前記被駆動体の駆動に伴うエネルギー損失を計算し、前記エネルギー損失に基づいて前記粘性抵抗を求めることを特徴とする請求項５記載の超音波アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記シミュレーションにて、前記圧電振動子の駆動時の電気特性を計算することを特徴とする請求項５記載の超音波アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
前記電気特性に基づいて前記圧電振動子の形状および／または構造の最適化を行うことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータの製造方法。
【請求項９】
圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータであって、
前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換えてシミュレーションすることで、前記圧電振動子の形状および／または構造の最適化が行われてなることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータの設計プログラムであって、
コンピュータに、前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換える機能と、前記粘性抵抗の情報を用いて前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触状態を数値解析にてシミュレーションする機能と、を実現させることを特徴とする超音波アクチュエータの設計プログラム。
【請求項１１】
圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータの設計プログラムであって、コンピュータに、前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換える機能と、前記粘性抵抗の情報を用いて前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触状態を数値解析にてシミュレーションする機能と、を実現させる設計プログラムが格納されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波アクチュエータの設計および製造技術、ならびに超音波アクチュエータに関し、特に、圧電材料で構成され、振動によって駆動力を発生させるトランデューサを備えた超音波モータ等の電気的特性の解析や構造設計等に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、圧電材料等のトランデューサで構成される振動子の振動によって駆動力を発生させる超音波モータ等の超音波アクチュエータにおいては、振動子と被駆動体（負荷）との間における接触部の振動解析が振動子等の形状や構造の最適化を実現する上で必須となる。
【０００３】
従来、このような超音波モータの振動子等の最適化の手法としては、たとえば特許文献１のように、圧電振動子に対し、等価回路法を用い、接触状態を電気回路的な負荷値として取り扱うことで計算する手法が知られている。
【０００４】
また、たとえば、特許文献２のように、有限要素法を用い、接触状態を微細に区切った時間単位で機械的な拘束として与えた解析を実施し、その機械的な歪の値より圧電方程式を用いて発生する電荷を計算し、電気特性を求める方法が知られている。
【０００５】
たとえば、超音波アクチュエータの一種である超音波モータでは、圧電現象を用いて、電気エネルギーを機械的な変位に変換することで、駆動のエネルギーを取り出す。特に、超音波モータの機械的な共振周波数と、印加する駆動周波数を一致させ、共振現象を使用することで、効率的なエネルギー変換を発生させる方法が用いられている。そのため、超音波モータの駆動時における駆動周波数および共振周波数近辺での、電気的な特性値は、超音波モータの特性を評価する上で重要な要素である。
【０００６】
このような超音波モータの特性を評価する従来の手法として、上述の特許文献１のように、圧電方程式により、機械的な特性も電気的な回路素子として評価する等価回路法を用い、接触状態を回路負荷として計算する手法があった。
【０００７】
しかしながら、等価回路法を用いた方法では、超音波モータを運動方程式に変換して計算するため、形状が単純なものに限られる、という技術的課題がある。
また、特許文献２のように、有限要素法を用い、微小に区切った時間単位で接触状態を機械的な拘束として与えた解析を実施し、その機械的な歪の値から圧電方程式を用いて発生する電荷を計算し、電気特性を求める方法が考えられるが、接触を含む有限要素法解析では、２０ｋＨｚ以上の超音波振動により接触状態が逐次変化するため、時間単位が微小となり、解析を行うための繰り返し計算の量や所要時間が膨大となり、計算負荷が大きく、計算を繰り返して最適な設計案を求めることが困難になる、という技術的課題がある。
【特許文献１】超音波モータ入門、Ｐ１０４、指田著、総合電子出版社、１９９１／０１発行
【特許文献２】Simulation of Piezoelectric Devices by Two- and Three-Dimensional Finite Elements. IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS. FERROELECTRICS. AND FREQUENCY CONTROL. Vol.37.No.3. MAY 1990.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、負荷との接触状態における超音波アクチュエータの電気的特性を小さな計算負荷で短時間に把握できるとともに、適用対象の超音波アクチュエータの形状の自由度が高い解析技術を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、高性能の超音波アクチュエータを短期間に製造することが可能な設計および製造技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、電気エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率の優れた高性能の超音波アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の観点は、圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータの設計方法であって、前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換えてシミュレーションする超音波アクチュエータの設計方法を提供する。
【００１１】
本発明の第２の観点は、圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータの製造方法であって、前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換えてシミュレーションして、前記圧電振動子の形状および／または構造を決定する超音波アクチュエータの製造方法を提供する。
【００１２】
本発明の第３の観点は、圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータであって、前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換えてシミュレーションすることで、前記圧電振動子の形状および／または構造の最適化が行われてなる超音波アクチュエータを提供する。
【００１３】
本発明の第４の観点は、圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータの設計プログラムであって、コンピュータに、前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換える機能と、前記粘性抵抗の情報を用いて前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触状態を数値解析にてシミュレーションする機能と、を実現させる超音波アクチュエータの設計プログラムを提供する。
【００１４】
本発明の第５の観点は、圧電振動子を被駆動体に接触させて駆動する超音波アクチュエータの設計プログラムであって、コンピュータに、前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換える機能と、前記粘性抵抗の情報を用いて前記被駆動体に対する前記圧電振動子の接触状態を数値解析にてシミュレーションする機能と、を実現させる設計プログラムが格納されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供する。
【００１５】
すなわち、本発明は、超音波モータ等の超音波アクチュエータにおいて、電極を有し、被駆動体に対する接触状態と非接触状態を繰り返す圧電体部の接触負荷状態を粘性抵抗に置き換えてシミュレーションするものである。たとえば、超音波モータの接触負荷条件を、接触に伴うエネルギー損失と等価な粘性抵抗に置き換えた有限要素法解析を実施することで、振動子やトランデューサの形状および／または構造の最適化を行うものである。
【００１６】
これにより、本発明によれば、任意の形状の振動子やトランデューサに対して、超音波モータの駆動時におけるエネルギー変換に伴うエネルギー損失、電気特性の計算を短時間に容易に行うことができる。また有限要素法を用いるので、機械的な構成を電気の等価回路に変換してシミュレーションする場合のような適用可能な形状の制約もなく、任意の形状の超音波アクチュエータに適用可能となる。この結果、構造設計の最適化等の所要時間を大幅に短縮でき、電気エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率の優れた高性能の超音波アクチュエータを短期間に製造することが可能となる。
【００１７】
従って、圧電振動子の形状および／または構造が最適化されることによって電気エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率の優れた高性能の超音波アクチュエータを提供することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、負荷との接触状態における超音波アクチュエータの電気的特性を小さな計算負荷で短時間に把握できるとともに、適用対象の超音波アクチュエータの形状の自由度が高い解析技術を実現できる。
【００１９】
また、高性能の超音波アクチュエータを短期間に製造することが可能となる。
また、電気エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率の優れた高性能の超音波アクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法および製造方法の一例を示すフローチャートであり、図２は、本実施の形態の超音波アクチュエータの設計方法におけるシミュレーション方法と、参考技術のシミュレーション方法とを対比して示すフローチャート、図３は、超音波アクチュエータの設計方法および製造方法を実施するシミュレーションシステムの構成の一例を示す概念図、図４は、本実施の形態の超音波アクチュエータの設計方法および製造方法が適用される超音波アクチュエータの構成の一例を概念的に示す斜視図である。
【００２１】
本実施の形態では、超音波アクチュエータの一例として、超音波モータ１０に適用した場合を例に採って説明するが、一般の超音波アクチュエータに広く適用できることは言うまでもない。
【００２２】
図４に例示されるように、本実施の形態の方法が適用される超音波モータ１０は、一例として、Ｚ方向に軸をもち、底面１０ａが図示しない固定部材に支持された棒状の圧電体からなる圧電振動子１３を備えている。この圧電振動子１３の下端側には、一対の電極１１ａおよび電極１１ｂで挟まれた伸縮変形部１１、および一対の電極１２ａおよび電極１２ｂにて挟まれた伸縮変形部１２が設けられた構造となっている。電極１１ａおよび電極１１ｂは、交流電源１１ｃに接続され、電極１２ａおよび電極１２ｂは、交流電源１２ｃに接続されている。圧電振動子１３の上端の接触部１３ａには、当該圧電振動子１３の変位にて駆動される被駆動体１４が配置されている。
【００２３】
そして、電極１１ａ（電極１２ａ）および電極１１ｂ（電極１２ｂ）に、交流電源１１ｃ（交流電源１２ｃ）から交流電力を印加することで、伸縮変形部１１（伸縮変形部１２）がＺ方向に伸縮変形し、この伸縮変形部１１および伸縮変形部１２の伸縮変形にて、圧電振動子１３の全体が変形する。
【００２４】
すなわち、交流電源１１ｃおよび交流電源１２ｃから伸縮変形部１１および伸縮変形部１２に対して適当な位相差の交流電力を印加することで、圧電振動子１３の先端部（接触部１３ａ）は、図４のＺ−Ｘ平面内で楕円運動するように振動し、この楕円運動による被駆動体１４への間欠的な接触によって、被駆動体１４を一方向に移動させる推力が当該被駆動体１４に作用することで、超音波モータとして機能する。
【００２５】
このような超音波モータ１０では、機械的な共振周波数と、交流電源１１ｃや交流電源１２ｃから印加する駆動周波数を一致させ、共振現象を使用することで、効率的なエネルギー変換を達成させることができる。従って、たとえば、超音波モータ１０の駆動時における駆動周波数および共振周波数近辺での電気的な特性値は、超音波モータ１０の特性を評価する上で重要な項目であり、実際の設計では、被駆動体１４の駆動における要求仕様に応じて、圧電振動子１３等の形状や構造の最適化が必要となる。
【００２６】
そこで、本実施の形態では、図３に例示されるようなコンピュータからなるシミュレーションシステム２０を用いて、図１等に例示される設計方法を実施し、超音波モータ１０の形状や構造の最適化を実現する。
【００２７】
本実施の形態のシミュレーションシステム２０は、全体を制御するＭＰＵ２１と、ＭＰＵ２１にて実行されるオペレーティングシステム６１等のソフトウェアやデータが格納される主記憶２２と、外部記憶装置２３と、情報の可視化表示を行うディスプレイ２４、ユーザによる情報の入力に用いられる入力装置２５、可搬性の記録媒体２８に対する情報の記録／再生を行うための媒体ドライブ２６、これらの構成要素を接続する情報伝送路としてのバス２７等で構成されている。
【００２８】
本実施の形態の場合、主記憶２２には、オペレーティングシステム６１の上で動作し、後述の図１のフローチャートのような処理を行うシミュレーションプログラム６２およびエネルギー損失変換プログラム６３と、これらのプログラムによって構築される後述の第１有限要素モデル５１、第２有限要素モデル５２が格納されている。
【００２９】
本実施の形態のシミュレーションプログラム６２およびエネルギー損失変換プログラム６３は、たとえば、記録媒体２８に格納されて流通し、媒体ドライブ２６を介して外部記憶装置２３に実装された後、ＭＰＵ２１からの命令で必要に応じて主記憶２２にロードされて実行される。あるいは、媒体ドライブ２６から直接的に主記憶２２にロードしてもよい。さらには、図示しない通信媒体を介して、外部記憶装置２３に実装するか、あるいは主記憶２２にロードされるようにしてもよい。
【００３０】
図１に例示されるように、本実施の形態の設計方法および製造方法における解析手法は、以下の各工程からなり、これらの工程は、シミュレーションシステム２０のシミュレーションプログラム６２およびエネルギー損失変換プログラム６３にて実現される。
【００３１】
すなわち、本実施の形態の設計方法および製造方法は、解析対象となる超音波モータ１０の第１有限要素モデル５１を生成するモデル生成工程（ステップＭ１）と、第１有限要素モデル５１で接触部の振幅値４２を算出する振幅算出工程（ステップＳ１）と、振幅値４２からエネルギー損失Ｅ1を算出する損失算出工程（ステップＳ２）と、エネルギー損失Ｅ1に基づいた粘性抵抗値４３を設定する損失変換工程（ステップＳ３）と、粘性抵抗値４３に応じた粘性減衰要素を被駆動体１４との接触部に設定した第２有限要素モデル５２を生成するモデル生成工程（ステップＭ２）と、第２有限要素モデル５２より電気特性７０を求める電気特性算出工程（ステップＳ４）を有している。
【００３２】
この構成において、第１有限要素モデル５１は、超音波モータ１０を有限要素法による数値解析が可能な離散的形状データ３１によりモデル化しており、圧電方程式にもとづいた計算を実施することが可能な圧電性を有する素材で構成された圧電振動子１３の圧電材料定数３２を含み、印加した周期的な電気的境界条件３３に対応する圧電振動子１３の周期的変形量４１を計算することができる有限要素モデルである。
【００３３】
振幅算出工程（ステップＳ１）では、上記第１有限要素モデル５１に対し、印加した周期的な電気的境界条件３３の周波数に対応する変形状態とその振幅を算出する手法として、周期的境界条件３４で計算を行う周波数応答解析を実施する。
【００３４】
次に、損失算出工程（ステップＳ２）では、前記振幅算出工程（ステップＳ１）で得られた超音波モータ１０の接触部１３ａにおける振幅値４２と、圧電振動子１３と被駆動体１４と間に印加する押し付け圧力３６、圧電振動子１３の持つヤング率を用いて、超音波モータ１０の圧電振動子１３と被駆動体１４との接触部分における接触距離を計算し、接触距離と摩擦係数から、接触に伴うエネルギー損失Ｅ1を計算する。
【００３５】
次に、損失変換工程（ステップＳ３）では、エネルギー損失変換プログラム６３により、前記損失算出工程（ステップＳ２）で得られたエネルギー損失値に等しくなるように、振幅算出工程（ステップＳ１）で得られた振幅値４２より、粘性抵抗値４３を決定する。
【００３６】
第２有限要素モデル５２は、前記損失変換工程（ステップＳ３）で得られた粘性抵抗値４３に対応する粘性減衰要素１３ｂを、後述の図８のように圧電振動子１３の被駆動体１４に対する接触部１３ａに持つものとして超音波モータ１０を有限要素モデル化したものである。
【００３７】
電気特性算出工程（ステップＳ４）は、前記第２有限要素モデル５２を用いて、周波数応答解析を行うとともに、電気的境界条件３３を与えた電極相当部での発生電荷量を計算し、インピーダンス等の電気特性７０を計算する過程である。得られた電気特性７０は、必要に応じて、対応するパラメータ群３０等とともに外部記憶装置２３に記憶することができる。
【００３８】
そして、ステップＳ４で得られたインピーダンス特性等の電気特性７０が目的の設計条件に適合するか判定し（ステップＳ５）、適合しない場合には、離散的形状データ３１に変更を加えて（ステップＳ７）、ステップＭ１の第１有限要素モデル５１の生成からやり直す。
【００３９】
また、ステップＳ５の判定で、目的の電気特性７０が満足された場合には、その離散的形状データ３１にて、超音波モータ１０の形状の設計案を確定する（ステップＳ６）。
なお、ステップＳ５、ステップＳ７では、必要な条件のもとで圧電振動子１３の形状や構造を変更する等の処理を行い、応答曲面法などを用いて、インピーダンス等の電気特性が使用条件に最適な圧電振動子１３の形状を求めることが可能である。
【００４０】
以下に、より具体的な解析例を示す。上述のように、図４の超音波モータ１０は、伸縮変形部１１および伸縮変形部１２と一体に構成されている圧電振動子１３を備え、この圧電振動子１３から摩擦力を介して、被駆動体１４に駆動力の伝達が行われる構成となっている。
【００４１】
この超音波モータ１０は、圧電振動子１３の伸縮変形部１１および伸縮変形部１２に設けられた駆動用の電極１１ａ、電極１１ｂおよび電極１２ａ、電極１２ｂに位相差をもった交流電圧を加えることで、圧電振動子１３の先端の接触部１３ａが楕円運動を起こし、被駆動体１４との間で接触、非接触を繰り返しながら、摩擦力を介して駆動力を発生させる。図５が、第１有限要素モデル５１であり、底面１０ａに機械的な拘束条件と、駆動のための電気的な境界条件が電極部分に付与されているモデルである。
【００４２】
図６は、振幅算出工程（ステップＳ１）で得られた接触部の楕円軌道を示し、シミュレーションプログラム６２により、たとえばディスプレイ２４に表示することができる。
損失算出工程（ステップＳ２）では、振幅算出工程（ステップＳ１）で得られた楕円軌道の振幅値４２と、圧電振動子１３等の超音波モータ１０の各部の寸法および圧電材料定数３２等の材料定数にもとづき、被駆動体１４に対する平均押圧力における楕円振動の変形量を計算する。図７は押圧による変形量を見込んだ楕円軌道であり、当該楕円軌道の被駆動体１４に接触する上部側の領域が平坦に変形している。この図７の楕円軌道の情報は、シミュレーションプログラム６２により、必要に応じてディスプレイ２４に表示することができる。
【００４３】
変形量と楕円の軌道より、圧電振動子１３と被駆動体１４との接触している距離が計算され、摩擦係数μを用いる式（１）にあげられるような計算を行うことで、１周期あたりの接触部１３ａで生じるエネルギー損失Ｅ1が計算される。
【００４４】
【数１】
2005348508.tif 000003
ただし、式（１）において、ｔ：１周期の時間、Ｐ：押圧力、ｈ：接触状態の変位、μ：摩擦係数、である。
【００４５】
損失変換工程（ステップＳ３）では、加振周波数と振幅算出工程（ステップＳ１）で得られた振幅値４２を用い、エネルギー損失Ｅ2が前工程にて算出されたＥ1と等しくなる粘性抵抗（粘性抵抗値４３）の減衰係数ηを求めるため、例えば式（２）に例示される計算式を用いる。
【００４６】
【数２】
2005348508.tif 000004
ただし、式（２）において、ｔ：１周期の時間、η：減衰係数、ｘ：接触部の変位、である。すなわち、式（２）においてＥ2＝Ｅ1として、ηについて解けば、減衰係数ηが求められる。
【００４７】
図８は、損失変換工程（ステップＳ３）で算出された粘性抵抗値４３による減衰係数ηを表す粘性減衰要素１３ｂを、圧電振動子１３と被駆動体１４との接触部に与えた第２有限要素モデル５２である。
【００４８】
電気特性算出工程（ステップＳ４）では第２有限要素モデル５２を用いて、解析を実施することにより、電極での電荷値が算出され、この値と電気的境界条件より最終的にインピーダンス特性が計算される。有限要素法より電気特性を計算する方法としては、たとえば、上述の特許文献２の技術を用いることができる。
【００４９】
図９は、従来の微小に区切った時間単位で接触状態を機械的な拘束として与えた有限要素法解析で得られたインピーダンス特性である。図１０は、本発明にもとづいた解析によって得られたインピーダンス特性であり、従来の計算手法と同様の結果が得られることが確認できた。
【００５０】
また、従来の計算手法での解析時間は１周波数あたり半日の解析時間が必要であったが、本実施の形態の解析手法では０．５時間程度であり、ほぼ２４倍以上の速度で高速な計算が可能である。
【００５１】
すなわち、図２の（ａ）に示されるように、従来の微小に区切った時間単位で接触状態を機械的な拘束として与えた有限要素法解析を行う場合には、圧電方程式の離散化（ステップ１０１）、各離散時刻での電圧条件の決定（ステップ１０２）、圧電体の変形計算（ステップ１０３）、接触部１３ａの各点での接触判定および拘束条件の設定（ステップ１０４）、接触条件下での収束計算（ステップ１０５）、各点での接触判定、状態変化のチェック（ステップ１０６）、残差力の収束計算および判定（ステップ１０７）、電化分布の取得、インピーダンス計算（ステップ１０８）、等の処理が必要であり、特に、数十ｋＨｚ等の超音波振動の場合、接触部１３ａでの処理に関わるステップ１０４〜ステップ１０６の処理負荷が大きく、所要時間が長くなるが、本実施の形態の場合には、図２（ｂ）に示すように、この接触部１３ａの部分の多重ループで負荷の大きな処理（ステップ１０４〜ステップ１０７）を、ステップＳ２およびステップＳ３において、エネルギー損失に基づいて粘性抵抗値４３に基づく減衰係数ηに変換し、この減衰係数ηを圧電振動子１３と被駆動体１４との接触部に適用した第２有限要素モデル５２にて演算を行うので、所要時間が大幅に短縮され、短時間にインピーダンス等の電気的特性を算出できる。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、圧電振動子１３等を実際に試作する等の煩雑でコストの掛かる工程を要することなく、用途に適した圧電振動子１３の持つ電気特性が計算できる。また、等価回路法を用いたものに比べ、適用可能な形状の設計自由度が高く、圧電振動子１３と被駆動体１４の接触を逐次計算する有限要素法解析にくらべ、計算量を小さくすることができる。その結果、用途や要求仕様等に応じた圧電振動子１３や、電極１１ａ、電極１１ｂ、電極１２ａ、電極１２ｂ、伸縮変形部１１、伸縮変形部１２等の形状および構造の最適解を早く短期間に見つけ出すことができ、超音波モータ１０の設計期間を短縮することができる。
【００５３】
換言すれば、低コストにて、高性能の超音波アクチュエータを短期間に製造することが可能となる。また、被駆動体１４等の負荷の仕様に応じて、圧電振動子１３等の形状を時間的な制約を受けることなく可能な限り最適化できるため、電気エネルギーから機械的エネルギーへの変換効率の優れた高性能の超音波モータ１０を提供することができる。
【００５４】
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
たとえば、上述の説明では、全体が圧電体からなる圧電振動子を用いる場合を例示したが、変位を発生する圧電体部分（伸縮変形部１１、伸縮変形部１２）と、被駆動体に変位や振動を伝達する部分とを別の素材で構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法および製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、参考技術のシミュレーション方法と、本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法におけるシミュレーション方法とを対比して示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法および製造方法を実施するシミュレーションシステムの構成の一例を示す概念図である。
【図４】本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法および製造方法が適用される超音波アクチュエータの構成の一例を概念的に示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法および製造方法における第１有限要素モデルを示す概念図である。
【図６】本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法および製造方法の作用の一例を示す概念図である。
【図７】本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法および製造方法の作用の一例を示す概念図である。
【図８】本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法および製造方法における粘性抵抗要素を含む第２有限要素モデルを示す概念図である。
【図９】本発明の参考技術において微小に区切った時間単位で接触状態を機械的な拘束として与えた有限要素法解析で得られたインピーダンス特性を表す線図である。
【図１０】本発明の一実施の形態である超音波アクチュエータの設計方法および製造方法にもとづいた解析によって得られたインピーダンス特性を表す線図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  超音波モータ
１０ａ  底面
１１  伸縮変形部
１１ａ  電極
１１ｂ  電極
１１ｃ  交流電源
１２  伸縮変形部
１２ａ  電極
１２ｂ  電極
１２ｃ  交流電源
１３  圧電振動子
１３ａ  接触部
１３ｂ  粘性減衰要素
１４  被駆動体
２０  シミュレーションシステム
２１  ＭＰＵ
２２  主記憶
２３  外部記憶装置
２４  ディスプレイ
２５  入力装置
２６  媒体ドライブ
２７  バス
２８  記録媒体
３１  離散的形状データ
３２  圧電材料定数
３３  電気的境界条件
３４  周期的境界条件
３５  ヤング率
３６  押し付け圧力
４１  周期的変形量
４２  振幅値
４３  粘性抵抗値
５１  第１有限要素モデル
５２  第２有限要素モデル
６１  オペレーティングシステム
６２  シミュレーションプログラム
６３  エネルギー損失変換プログラム
７０  電気特性
Ｅ1  機械的な結合として解析された接触部のエネルギー損失
Ｅ2  粘性減衰要素として解析された接触部のエネルギー損失
η  減衰係数
μ  摩擦係数
【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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