(57)【要約】【課題】構成の簡略化、及び出力トルクの高トルク化を実現した超音波モータを提供すること。【解決手段】中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、該矩形状を構成する短辺と長辺との比率が所定の値に設定され、前記中心軸方向に伸縮する縦振動と、前記中心軸を捻れ軸とする捻れ振動と、が同時に励起されることで楕円振動が励起される振動子40を具備する超音波モータを、次のように構成する。すなわち、振動子40の長手方向における一方端面に設けられた摩擦接触子41-1と、振動子40の長手方向における他方端面に設けられた摩擦接触子41-2と、前記摩擦接触子41-1に対して押圧された状態で保持された第１ロータ機構部10-1と、前記摩擦接触子41-2に対して押圧された状態で保持された第２ロータ機構部10-2と、第１ロータ機構部10-1及び第２ロータ機構部10-2の運動によって駆動される出力軸60と、を具備させる。【選択図】図１
2013021788.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、該矩形状を構成する短辺と長辺との比率が所定の値に設定され、前記中心軸方向に伸縮する縦振動と、前記中心軸を捻れ軸とする捻れ振動と、が同時に励起されることで楕円振動が励起される振動子と、
前記振動子の長手方向における一方端面に設けられた第１の摩擦接触子と、
前記振動子の長手方向における他方端面に設けられた第２の摩擦接触子と、
前記第１の摩擦接触子に対して押圧された状態で保持された第１の被駆動体と、
前記第２の摩擦接触子に対して押圧された状態で保持された第２の被駆動体と、
前記第１の被駆動体及び前記第２の被駆動体の運動によって駆動される出力部材と、
を具備することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記出力部材は、
前記第１の被駆動体に対して接触する第１の接触部と、
前記第２の被駆動体に対して接触する第２の接触部と、
を備え、
前記第１の被駆動体の運動は、前記第１の接触部を介して前記出力部材に伝達され、同時に、前記第２の被駆動体の運動が、前記第２の接触部を介して前記出力部材に伝達される
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】
前記第１の接触部は歯車を含み、
前記第１の被駆動体は、前記第１の接触部の歯車と係合する歯車を含み、
前記第２の接触部は歯車を含み、
前記第２の被駆動体は、前記第２の接触部の歯車と係合する歯車を含む
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記振動子には、前記中心軸近傍において前記中心軸に沿った貫通孔が形成されており、
前記第１の被駆動体及び前記第２の被駆動体には、前記中心軸に対応する部位に前記中心軸に沿った貫通孔が形成されており、
前記出力部材は、前記振動子の貫通孔、前記第１の被駆動体の貫通孔、及び前記第２の被駆動体の貫通孔に挿通された軸部材であり、
前記出力部材は、前記第１の被駆動体の内径及び前記第２の被駆動体の内径に対して結合されている
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５】
前記捻れ振動は２次の捻れ振動である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち何れか１つ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、例えば圧電素子等の振動子の振動を利用する超音波モータに関する。
【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、圧電素子等の振動子の振動を利用した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と比較して、ギア無しで低速高推力が得られる点、保持力が高い点、高分解能である点、静粛性に富む点、及び磁気的ノイズを発生させない点等の利点を有している。
【０００３】
超音波モータでは、超音波振動子を、摩擦部材である摩擦接触子を介して、相対運動部材である被駆動部材に押し付けることで、前記摩擦接触子と前記被駆動部材との間に摩擦力を発生させ、この摩擦力によって前記被駆動部材を駆動する。
例えば、縦振動と捻れ振動とを超音波振動子に同時に発生させることで、それらの振動が合成された楕円振動を当該超音波振動子の端面に発生させ、該楕円振動を利用して前記ロータを回転させる。このような超音波モータに関連する技術としては、例えば特許文献１に次のような技術が開示されている。
【０００４】
すなわち、特許文献１には、棒状弾性体と、該棒状弾性体の側面において該棒状弾性体に対して一体的に設けられた複数の保持用弾性体と、該複数の保持用弾性体により両端を保持された複数の積層型圧電素子と、を具備する超音波モータが開示されている。
詳細には、この積層型圧電素子は、その変位方向と前記棒状弾性体の長手方向とは一定の鋭角を為し且つ該積層型圧電素子の複数対同士が互いに反対方向に傾斜して配置された複数対の積層型圧電素子と、該積層型圧電素子と前記保持用弾性体との間に設けられた複数の振動検出用の圧電素子と、前記棒状弾性体の端面に設けた摩擦子と、該摩擦子に対して押圧手段により押圧された状態で配置されたロータと、前記複数対の積層型圧電素子のうちの各一対に対して、前記振動検出用の圧電素子から出力され信号の位相若しくは振幅に応じた所定の周波数、大きさの交番電圧であり互いに位相差を有する交番電圧を印加する電源手段と、を具備する。この超音波モータでは、前記棒状弾性体に縦振動と捻れ振動とを同時に励起して前記摩擦子に超音波楕円振動を励起させて前記ロータを回転駆動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−８５１７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１に開示されている超音波モータは、その組立において、積層圧電素子と棒状弾性体とを接着固定しなければならなく、且つ、縦振動の周波数と捻れ振動の周波数とを略一致させる為に棒状弾性体に溝部を形成しなくてはならない。つまり、特許文献１に開示されている超音波モータは簡略な構成であるとは言い難く、構成の簡略化が望まれている。さらに現在、超音波モータの出力トルクの高トルク化も望まれている。
【０００７】
本発明は、前記の事情に鑑みて為されたものであり、構成の簡略化、及び出力トルクの高トルク化を実現した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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明の一態様による超音波モータは、
中心軸に垂直な断面が矩形状を呈し、該矩形状を構成する短辺と長辺との比率が所定の値に設定され、前記中心軸方向に伸縮する縦振動と、前記中心軸を捻れ軸とする捻れ振動と、が同時に励起されることで楕円振動が励起される振動子と、
前記振動子の長手方向における一方端面に設けられた第１の摩擦接触子と、
前記振動子の長手方向における他方端面に設けられた第２の摩擦接触子と、
前記第１の摩擦接触子に対して押圧された状態で保持された第１の被駆動体と、
前記第２の摩擦接触子に対して押圧された状態で保持された第２の被駆動体と、
前記第１の被駆動体及び前記第２の被駆動体の運動によって駆動される出力部材と、
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、構成の簡略化、及び出力トルクの高トルク化を実現した超音波モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す正面図である。
【図２】図２は、同超音波モータの上面図である。
【図３】図３は、振動子の積層構造例を示す図である。
【図４】図４は、振動子における電極構成の一例を示す図である。
【図５】図５は、図４に示すＸ１方向から観た振動子（右側面）の外部電極構成例を示す図である。
【図６】図６は、図４に示すＸ２方向から観た振動子（左側面）の外部電極構成例を示す図である。
【図７】図７は、縦1次振動モードにおける振動子の振動状態を破線で示す斜視図である。
【図８】図８は、捻れ２次振動モードにおける振動子の振動状態を破線で示す斜視図である。
【図９】図９は、振動子の各振動モードにおける共振周波数特性の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す正面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の実施形態に係る超音波モータについて、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す正面図である。図２は、同超音波モータの上面図である。
【００１２】
図１に示すように、本第１実施形態に係る超音波モータは、当該超音波モータの各構成部材が組み付けられる第１フレーム３０−１及び第２フレーム３０−２と、被駆動体である第１ロータ機構部１０−１及び第２ロータ機構部１０−２と、振動子４０と、該振動子４０に設けられた摩擦接触子４１−１，４１−２と、略シャフト状の出力軸６０と、該出力軸６０に設けられた歯車１３−１,１３−２と、を具備する。
【００１３】
前記第１フレーム３０−１は、出力軸６０以外の構成部材が組み付けられるフレームであり、第１ロータ機構部１０−１と第２ロータ機構部１０−２と振動子４０とが後述する態様で組み付けられている。
【００１４】
前記第２フレーム３０−２は、出力軸６０が組み付けられるフレームである。この第２フレーム３０−２には、ベアリング３０−２ｂ１,３０−２ｂ２を介して、出力軸６０が回転可能に組み付けられている。
詳細は後述するが、前記第１フレーム３０−１と前記第２フレーム３０−２とは、各フレーム３０−１，３０−２に組み付けられた歯車同士（歯車１５−１と歯車１３−１、及び、歯車１５−２と歯車１３−２）が互いに噛み合うように接合されている。
【００１５】
前記第１ロータ機構部１０−１は、摺動板であるロータ１４−１と、軸部材１５−１ｔが設けられた歯車１５−１と、ベアリング部材３０−１ｂ１と、を有する。
前記ロータ１４−１は略円板形状の部材であり、その一方面は摩擦接触子４１−１に対して接触し、他方面は歯車１５−１に対して結合された摺動部材である。このロータ１４−１は、振動子４０の上端面に設けられた摩擦接触子４１−１により摩擦駆動されて回転し、このとき当該ロータ１４−１に結合されている歯車１５−１も同様に回転する。
【００１６】
前記歯車１５−１は、ロータ１４−１に対して例えば接着等によって結合されたロータ１４−１と同軸の歯車であり、後述する第２フレーム３０−２側に設けられた出力軸６０に結合された歯車１３−１と係合する（噛み合う）ように設けられている。この歯車１５−１は、ロータ１４−１と共通の回転軸に対応する位置に軸部材１５−１ｔを備えている。
【００１７】
前記軸部材１５−１ｔは、一方端は歯車１５のうち当該第１ロータ機構部１０−１の回転軸に対応する位置に結合され、他方端はベアリング部材３０−１ｂ１に挿入されている略棒状部材である。当該第１ロータ機構部１０−１の各構成部材は、この軸部材１５−１ｔに対して同心状に配設されている。この軸部材１５−１ｔは、後述するベアリング部材３０−１ｂ１によって回転可能に保持されている。
前記ベアリング部材３０−１ｂ１は、第１フレーム３０−１のうち第１ロータ機構部１０−１に対向する面に配設されたベアリング部材であり、その内径には前記軸部材１５−１ｔが挿入されて結合されている。
【００１８】
前記摩擦接触子４１−１は、振動子４０の長手方向における上端面（第１ロータ機構部１０−１に対向する面）に接着固定等により設けられ、当該振動子４０の振動を第１ロータ機構部１０−１に伝達する為の部材である。
詳細には、摩擦接触子４１−１は、振動子４０の縦振動及び捻り振動の最大振幅が得られる位置、すなわち振動子４０の上端面のうち長辺方向（振動子４０の幅方向）の最外周部位近傍且つ短辺方向（振動子４０の厚み方向）の中央部位近傍の位置に設けられている。
前記第２ロータ機構部１０−２は、摺動板であるロータ１４−２と、軸部材１５−２ｔが設けられた歯車１５−２と、ベアリング部材３０−１ｂ２と、押圧バネ２１と、を有する。
このロータ１４−２は、振動子４０の下端面に設けられた摩擦接触子４１−２により摩擦駆動されて回転し、このとき当該ロータ１４−２に結合されている歯車１５−２も同様に回転する。
【００１９】
前記歯車１５−２は、ロータ１４−２に対して例えば接着等により結合されたロータ１４−２と同軸の歯車であり、後述する出力軸６０に固定された歯車１３−２と係合する（噛み合う）ように設けられている。この歯車１５−２は、ロータ１４−２と共通の回転軸に対応する位置に軸部材１５−２ｔを備えている。
【００２０】
前記軸部材１５−２ｔは、一方端は歯車１５のうち当該第１ロータ機構部１０−２の回転軸に対応する位置に結合され、他方端はベアリング部材３０−１ｂ２に挿入されている略棒状部材である。当該第２ロータ機構部１０−２の各構成部材は、この軸部材１５−２ｔに対して同心状に配設されている。
【００２１】
前記ベアリング部材３０−１ｂ２は、第１フレーム３０−１のうち第１ロータ機構部１０−２に対向する面に配設されたベアリング部材であり、その内径には前記軸部材１５−２ｔが挿入されて結合されている。
前記押圧バネ２１は、後述する振動子４０に対して、第１ロータ機構部１０−１と第２ロータ機構部１０−２とを押圧する為のバネ部材である。この押圧バネ２１の中空領域には軸部材１５−２ｔが挿入され、これにより当該押圧バネ２１は位置決めされている。この押圧バネ２１は、具体的には例えば板バネやコイルバネ等である。
【００２２】
この押圧バネ２１は、図１に示すように当該第１ロータ機構部１０−２の歯車１５−２と第１フレーム３０−１とによって挟み込まれて撓んだ状態で保持され、その付勢力によって第１ロータ機構部１０−１と第２ロータ機構部１０−２とを振動子４０に対して押圧している。
ところで、前記第２フレーム３０−２は、図１に示すように出力軸６０の両端近傍部位において、ベアリング３０−２ｂ１，３０−２ｂ２を介して当該出力軸６０を回転可能に保持している。具体的には、前記ベアリング部材３０−２ｂ１，３０−２ｂ２の内径には出力軸６０が挿通されて結合されている。
この出力軸６０には、図１及び図２に示すように、第１フレーム３０−１側に設けられた第１ロータ機構部１０−１の歯車１５−１と係合する（噛み合う）歯車１３−１と、第２ロータ機構部１０−２の歯車１５−２と係合する（噛み合う）歯車１３−２と、が設けられている。
【００２３】
前記摩擦接触子４１−２は、振動子４０の長手方向における下端面（第２ロータ機構部１０−２に対向する面）に接着固定等により設けられ、当該振動子４０の振動を第２ロータ機構部１０−２に伝達する為の部材である。
詳細には、摩擦接触子４１−２は、振動子４０の縦振動及び捻り振動の最大振幅が得られる位置、すなわち振動子４０の下端面のうち長辺方向（振動子４０の幅方向）の最外周部位近傍且つ短辺方向（振動子４０の厚み方向）の中央部位近傍の位置に設けられている。
【００２４】
以下、振動子４０の積層構造の一例について説明する。図３は、振動子４０の積層構造例を示す図である。
同図に示すように、振動子４０は、第１積層部位４１１と、第２積層部位４１２と、第３積層部位４１３と、第４積層部位４１４と、第５積層部位４１５と、第６積層部位４１６と、第７積層部位４１７と、第８積層部位４１８と、から成る。
【００２５】
詳細には、これら各積層部位（第１積層部位４１１、第２積層部位４１２、第３積層部位４１３、第４積層部位４１４、第５積層部位４１５、第６積層部位４１６、第７積層部位４１７、第８積層部位４１８）の積層構成は、次のような積層構成である。なお、各積層部位を構成する第１の圧電シート４０１、第２の圧電シート４０２、第３の圧電シート４０３、第４の圧電シート４０４、及び第５の圧電シート４０５の構成については後述する。
《第１積層部位４１１》
第１積層部位４１１は、第１の圧電シート４０１と第２の圧電シート４０２とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第２積層部位４１２》
第２積層部位４１２は、第１積層部位４１１上に積層された部位であって、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。
《第３積層部位４１３》
第３積層部位４１３は、第２積層部位４１２上に積層された部位であって、第４の圧電シート４０４と第５の圧電シート４０５とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第４積層部位４１４》
第４積層部位４１４は、第３積層部位４１３上に積層された部位であって、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。
《第５積層部位４１５》
第５積層部位４１５は、第４積層部位４１４上に積層された部位であって、第４の圧電シート４０４と第５の圧電シート４０５とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第６積層部位４１６》
第６積層部位４１６は、第５積層部位４１５上に積層された部位であって、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。
《第７積層部位４１７》
第７積層部位４１７は、第６積層部位４１７上に積層された部位であって、第１の圧電シート４０１と第２の圧電シート４０２とがその厚み方向に交互に積層されて成る。
《第８積層部位４１８》
第８積層部位４１８は、第７積層部位４１７上に積層された部位であって、少なくとも１枚の第３の圧電シート４０３から成る（複数枚の第３の圧電シート４０３から成る場合は、第３の圧電シート４０３がその厚み方向に積層されて成る）。
【００２６】
以下、前記第１の圧電シート４０１、第２の圧電シート４０２、第３の圧電シート４０３、第４の圧電シート４０４、第５の圧電シート４０５、第６の圧電シート４０６、第７の圧電シート４０７、及び第８の圧電シート４０８について詳細に説明する。
これら第１の圧電シート４０１、第２の圧電シート４０２、第３の圧電シート４０３、第４の圧電シート４０４、第５の圧電シート４０５、第６の圧電シート４０６、第７の圧電シート４０７、及び第８の圧電シート４０８は、矩形のシート状の圧電素子であり、例えばハード系のチタン酸ジルコン酸鉛の圧電セラミックス素子（ＰＺＴ）から成る。
【００２７】
詳細には、前記第１の圧電シート４０１の電極形成面上には、その長手方向における略中央位置に、＋相の駆動用内部電極４０１ａと＋相の駆動用内部電極４０１ｃとが、中心線Ｃ（短辺を２等分する線）に対して対称に設けられている。
同様に、前記第２の圧電シート４０２の電極形成面上には、その長手方向における略中央位置に、−相の駆動用内部電極４０２ａと−相の駆動用内部電極４０２ｃとが、中心線Ｃ（短辺を２等分する線）に対して対称に設けられている。
【００２８】
ところで、＋相の駆動用内部電極４０１ａと−相の駆動用内部電極４０２ａとの間、＋相の駆動用内部電極４０１ｃと−相の駆動用内部電極４０２ｃとの間、及び＋相の検出用内部電極４０４ａと−相の検出用内部電極４０５ａとの間には高電圧が印加され、各電極が分極されて圧電的に活性化されている（圧電活性化領域とされている）。
【００２９】
なお、上述の各内部電極４０１ａ，４０１ｃ，４０２ａ，４０２ｃは、例えば厚さ４μｍの銀パラジウム合金である。
前記第３の圧電シート４０３は、第１の圧電シート４０１及び第２の圧電シート４０２と同形状であって、且つ、内部電極が設けられていないシート状の部材である。
【００３０】
前記第４の圧電シート４０４の電極形成面上には、積層時に第１の圧電シート４０１上の駆動用内部電極４０１ａ及び第２の圧電シート上の駆動用内部電極４０２ａに対応する位置に、＋相の検出用内部電極４０４ａが設けられている。
前記第５の圧電シート４０５の電極形成面上には、積層時に第１の圧電シート４０１上の駆動用内部電極４０１ａ及び第２の圧電シート上の駆動用内部電極４０２ａに対応する位置に、−相の検出用内部電極４０５ａが設けられている。
【００３１】
前記＋相の駆動用内部電極４０１ａは、矩形形状を呈する第１の圧電シート４０１の一方長辺に向かって延びて露出する端部４０１ａｅを備えている。前記＋相の駆動用内部電極４０１ｃは、矩形形状を呈する第１の圧電シート４０１の他方長辺に向かって延びて露出する端部４０１ｃｅを備えている。
【００３２】
前記−相の駆動用内部電極４０２ａは、矩形形状を呈する第２の圧電シート４０２の一方長辺（内部電極４０１ａの露出部４０１ａｅが延出されている辺に対応する辺（積層時に重なる辺））に向かって延びて露出する端部４０２ａｅを備えている。前記−相の駆動用内部電極４０２ｃは、矩形形状を呈する第２の圧電シート４０２の他方長辺に向かって延びて露出する端部４０２ｃｅを備えている。
【００３３】
前記＋相の検出用内部電極４０４ａは、矩形形状を呈する第４の圧電シート４０４の一方長辺（内部電極４０１ａの露出部４０１ａｅが延出されている辺に対応する辺（積層時に重なる辺））に向かって延びて露出する端部４０４ａｅを備えている。
前記−相の検出用内部電極４０５ａは、矩形形状を呈する第２の圧電シート４０２の一方長辺（内部電極４０２ａの露出部４０２ａｅが延出されている辺に対応する辺（積層時に重なる辺））に向かって延びて露出する端部４０５ａｅを備えている。
【００３４】
なお、端部４０１ａｅと端部４０２ａｅとは、積層時に互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。同様に、端部４０４ａｅと端部４０５ａｅとは、積層時に互いに重ならないように所定間隔だけずらして設けられている。
上述したように第１の圧電シート４０１と、第２の圧電シート４０２と、第３の圧電シート４０３と、第４の圧電シート４０４と、第５の圧電シート４０５とを積層することで、図４に示すような電極構成の振動子４０を得ることができる。図４は、振動子４０における電極構成の一例を示す図である。
【００３５】
なお、図４においては、説明の便宜上、振動子４０の内部に存在する駆動電極及び振動検出電極（上述の各内部電極により構成される）を可視化して示し、且つ、各圧電シートについては別個に図示せずに振動子４０として一体的に図示している。
図３及び図４に示すように、振動子４０のうち、第１積層部位４１１において駆動用内部電極４０１ａと駆動用内部電極４０２ａとが積層されて成る部位は、駆動電極１０１Ｂ１（詳細は後述する）を構成している。振動子４０のうち、第１積層部位４１１において駆動用内部電極４０１ｃと駆動用内部電極４０２ｃとが積層されて成る部位は、駆動電極１０１Ａ２（詳細は後述する）を構成している。
【００３６】
振動子４０のうち、第３積層部位４１３において検出用内部電極４０４ａと検出用内部電極４０５ａとが積層されて成る部位は、振動検出電極１０１Ｄ（詳細は後述する）を構成している。
振動子４０のうち、第５積層部位４１５において検出用内部電極４０４ａと検出用内部電極４０５ａとが積層されて成る部位は、振動検出電極１０１Ｃ（詳細は後述する）を構成している。
【００３７】
振動子４０のうち、第７積層部位４１７において駆動用内部電極４０１ａと駆動用内部電極４０２ａとが積層されて成る部位は、駆動電極１０１Ａ１（詳細は後述する）を構成している。振動子４０のうち、第７積層部位４１７において駆動用内部電極４０１ｃと駆動用内部電極４０２ｃとが積層されて成る部位は、駆動電極１０１Ｂ２（詳細は後述する）を構成している。
【００３８】
図５は、図４に示すＸ１方向から観た振動子４０（右側面）の外部電極構成例を示す図である。図６は、図４に示すＸ２方向から観た振動子４０（左側面）の外部電極構成例を示す図である。
振動子４０の右側面においては、図３、図４、及び図５に示すように、駆動電極（Ｂ１＋相）１０１Ｂ１＋を構成する駆動用内部電極４０１ａの端部４０１ａｅ同士を外部電極１１３Ｂ１＋により短絡する。駆動電極（Ｂ１−相）１０１Ｂ１−を構成する駆動用内部電極４０２ａの端部４０２ａｅ同士を外部電極１１３Ｂ１−により短絡する。振動検出電極（Ｄ＋相）１０１Ｄ＋を構成する検出用内部電極４０４ａの端部４０４ａｅ同士を外部電極１１３Ｄ＋により短絡する。振動検出電極（Ｄ−相）１０１Ｄ−を構成する検出用内部電極４０５ａの端部４０５ａｅ同士を外部電極１１３Ｄ−により短絡する。振動検出電極（Ｃ＋相）１０１Ｃ＋を構成する検出用内部電極４０４ａの端部４０４ａｅ同士を外部電極１１３Ｃ＋により短絡する。振動検出電極（Ｃ−相）１０１Ｃ−を構成する検出用内部電極４０５ａの端部４０５ａｅ同士を外部電極１１３Ｃ−により短絡する。駆動電極（Ａ１＋相）１０１Ａ１＋を構成する駆動用内部電極４０１ａの端部４０１ａｅ同士を外部電極１１３Ａ１＋により短絡する。駆動電極（Ａ１−相）１０１Ａ１−を構成する駆動用内部電極４０２ａの端部４０２ａｅ同士を外部電極１１３Ａ１−により短絡する。
【００３９】
振動子４０の左側面においては、図３、図４、及び図６に示すように、駆動電極（Ａ２＋相）１０１Ａ２＋を構成する駆動用内部電極４０１ｃの端部４０１ｃｅ同士を外部電極１１３Ａ２＋により短絡する。駆動電極（Ａ２−相）１０１Ａ２−を構成する駆動用内部電極４０２ｃの端部４０２ｃｅ同士を外部電極１１３Ａ２−により短絡する。駆動電極（Ｂ２＋相）１０１Ｂ２＋を構成する駆動用内部電極４０１ｃの端部４０１ｃｅ同士を外部電極１１３Ｂ２＋により短絡する。駆動電極（Ｂ２−相）１０１Ｂ２−を構成する駆動用内部電極４０２ｃの端部４０２ｃｅ同士を外部電極１１３Ｂ２−により短絡する。
【００４０】
以下、上述した構成の振動子４０の振動モードについて詳細に説明する。
図７は、縦1次振動モードにおける振動子４０の振動状態を破線で示す斜視図である。図８は、捻れ２次振動モードにおける振動子４０の振動状態を破線で示す斜視図である。図７及び図８においては、振動前の振動子４０の状態（形状）を実線で示し、各振動モードにおける振動時の振動子４０の状態（形状）を破線で示している。
【００４１】
ここで、図４、図７及び図８に示すように、略直方体形状の振動子４０の中心軸（図７及び図８において符号１００ｃが付された軸）に直交する断面を構成する短辺の長さ（振動子４０の厚さ）をａとし、長辺の長さ（振動子４０の幅）をｂとし、中心軸１００ｃに沿った高さをｃとする。但し、短辺ａ、長辺ｂ、高さｃの大小関係は、
ａ＜ｂ＜ｃ
であるとする。以降の説明においては、高さｃ方向を、縦1次振動モードの振動の方向とし、且つ、捻れ振動の捻れの軸方向とする。
【００４２】
本第１実施形態に係る超音波モータにおいては、振動子４０のうち短辺ａ、長辺ｂ、高さｃの各寸法の値を適宜設定することで、縦１次振動モードの共振周波数と、捻れ２次振動モードの共振周波数と、を略一致させる。
図７及び図８においてｐ１，ｐ２で示すのは捻れ振動の方向であり、ｑで示すのは縦振動の方向であり、Ｎで示すのは振動の節である。
【００４３】
前記節Ｎは、図７に示す縦１次振動においては、振動子４０の高さｃ方向の中心位置に１つ存在する。また、図８に示す捻れ２次振動においては、前記節Ｎは、高さｃ方向の２つの位置の２ヶ所に存在する。
ここで、高さｃを一定として、（厚さ（短辺）ａ／幅（長辺）ｂ）の値を横軸にとり、各振動モードにおける共振周波数の値を縦軸にとると、図９に示す特性を得ることができる。具体的には下記のような特性となる。すなわち、
・ 縦１次振動モードにおける共振周波数の値は、（ａ／ｂ）の値に依存せず、高さｃに応じた略一定の値をとる。
・ 捻れ１次振動モード、捻れ２次振動モード、及び捻れ３次振動モードにおける共振周波数の値は、（ａ／ｂ）の値の増加に従って、増加していく。
・ 捻れ１次振動モードにおける共振周波数は、（ａ／ｂ）の値がどのような値であっても、縦１次振動モードにおける共振周波数と一致することは無い。
・ 捻れ２次振動モードにおける共振周波数は、（ａ／ｂ）の値が０．６となる近傍で、縦１次振動モードにおける共振周波数と一致する。
・ 捻れ３次振動モードにおける共振周波数は、（ａ／ｂ）の値が０．３となる近傍で、縦１次振動モードにおける共振周波数と一致する。
【００４４】
上述したような特性の為、
・ 縦1次振動モードと捻れ３次振動モードとを利用する場合、（ａ／ｂ）の値が０．２５〜０．３５となるように、振動子４０の短辺ａ及び長辺ｂの長さを設定する。
・ 縦１次振動モードと捻れ２次振動モードとを利用する場合、（ａ／ｂ）の値が０．５５〜０．６５となるように、振動子４０の短辺ａ及び長辺ｂの長さを設定する。
【００４５】
本第１実施形態に係る超音波モータにおいては、捻れ振動として捻れ２次振動を利用するので、（ａ／ｂ）の値が略０．６となるように設計する。これにより、縦１次振動モードにおける共振周波数と、捻れ２次振動モードにおける共振周波数と、を略一致させる。
【００４６】
ところで、図５乃至図８に示すように、上述の各内部電極４０１ａ，４０１ｃ，４０２ａ，４０２ｃ，４０４ａ，４０５ａは、振動子４０に励起される縦１次振動の節部であり且つ捻れ２次振動の腹部に対応する位置に設けられている。
以下、上述の構成を採る本第１実施形態に係る超音波モータの作用について詳細に説明する。なお、説明の重複を避ける為、駆動電極についてＡ１相とＡ２相とをＡｎ相と総称し、Ｂ１相とＢ２相とをＢｎ相と総称する。
【００４７】
Ａｎ相、Ｂｎ相の駆動電極に対して、振動子４０の縦１次振動及び捻れ２次振動の共振周波数と略一致する周波数且つ互いに同位相の交流電圧を印加することで、Ａｎ相の駆動電極に対応する圧電活性化領域と、Ｂｎ相の駆動電極に対応する圧電活性化領域とが互いに同相で振動する。この結果、振動子４０は縦振動する。このとき、Ｃ相の振動検出電極に対応する圧電活性化領域と、Ｄ相の振動検出電極に対応する圧電活性化領域とには、同一の振幅、同一の位相の電位が発生する。
【００４８】
他方、Ａｎ相、Ｂｎ相の駆動電極に対して、振動子４０の縦１次振動及び捻れ２次振動の共振周波数と略一致する周波数且つ互いに逆位相（位相差１８０度）の交流電圧を印加することで、Ａｎ相の駆動電極に対応する圧電活性化領域と、Ｂｎ相の駆動電極に対応する圧電活性化領域とが互いに逆相で振動する。この結果、振動子４０は捻れ振動を行う。このとき、Ｃ相の振動検出電極に対応する圧電活性化領域と、Ｄ相の振動検出電極に対応する圧電活性化領域とには、同一の振幅で、逆位相の（逆極性の）電位が発生する。
【００４９】
このように作用する振動子４０のＡｎ相の駆動電極とＢｎ相の駆動電極とに対して、互いに位相の異なる（例えば位相差が９０度の）交流電圧を印加することで、振動子４０には縦１次振動と捻れ２次振動とが同時に励起され、振動子４０の上下端面には楕円振動が形成される。
このとき、上述したように振動子４０に対して押圧された状態で保持された第１ロータ機構部１０−１のロータ１４−１と第２ロータ機構部１０−２のロータ１４−２とが、同時に、振動子４０の楕円振動を駆動源として、それぞれ接触している摩擦接触子４１−１，４１−２による摩擦駆動で回転する。つまり、２つのロータ１４−１，１４−２が同方向に同時に回転駆動される。
【００５０】
このとき、各ロータ機構部１０−１，１０−２における各歯車１５−１，１５−２に係合している（噛み合っている）歯車、すなわち第２フレーム３０−２側に設けられた歯車１３−１，１３−２が同時に駆動され、これら歯車１３−１，１３−２に結合されている出力軸６０が回転する。この出力軸６０は、２つのロータ機構部１０−１，１０−２により駆動される為、従来よりも格段に出力トルクが大きいと言える。
【００５１】
なお、Ａｎ相の駆動電極とＢｎ相の駆動電極とに印加する交流電圧の位相差を反転させることで、振動子４０に発生する楕円振動の回転方向を反転させることできる。これを利用して、各ロータ１４−１，１４−２の回転方向を制御することができる。つまり、出力軸６０の回転方向を制御することができる。
ところで、振動子４０に縦１次振動と捻れ２次振動とが同時に励起された場合、Ｃ相及びＤ相に対応する圧電活性化領域には、縦１次振動と捻れ２次振動に関わる電位（振動検出信号）が同時に励起される。このとき、Ｃ相に対応する圧電活性化領域に発生した電位と、Ｄ相に対応する圧電活性化領域に発生した電位との差を演算することで、振動検出信号のうち縦１次振動に係る成分が相殺されて、捻れ２次振動に係る成分のみを検出することができる。
これは、Ｃ相とＤ相とは、上述したように縦１次振動モードでは同一振幅且つ同一位相の電位を発生し、捻れ２次振動モードでは同一振幅且つ逆位相の電位を発生することによる。
詳細には、上述の外部電極１０１Ｃ−と外部電極１０１Ｄ−との間を電気的に接続し、外部電極１０１Ｃ＋と外部電極１０１Ｄ＋との間を電気的に接続し、外部電極１０１Ｃ＋と外部電極１０１Ｄ＋との間の電位差を取り出す（検出する）ことで、振動検出信号として捻れ２次振動成分のみを取り出す（検出する）ことができる。
尚、Ｃ相に対応する圧電活性化領域に発生した電位と、Ｄ相に対応する圧電活性化領域に発生した電位との和を演算することで、振動検出信号のうち捻れ２次振動に係る成分が相殺されて、縦１次振動に係る成分のみを検出することができる。詳細には、上述の外部電極１０１Ｃ−と外部電極１０１Ｄ＋との間を電気的に接続し、外部電極１０１Ｃ＋と外部電極１０１Ｄ−との間の電位差を取り出す（検出する）ことで、振動検出信号として縦１次振動成分のみを取り出す（検出する）ことができる。必要に応じてこの縦１次振動成分を振動検出信号として用いても良い。
このようにして取得した振動検出信号と、駆動電極に印加する交流電圧との位相差は、共振振動時には所定の位相差となることが知られている。一般に超音波モータはモータ自身の発熱による温度上昇や周囲環境の温度変動、負荷の変動により共振周波数が変動するが、この位相差を所定の値に保つように駆動周波数を制御することで、常に共振周波数付近で駆動することができるので、効率の良い安定した駆動が可能となる。なお、振動検出信号に基づいた周波数追尾に係る技術自体は本願発明の特徴部ではないので、周波数追尾に係る技術については詳細な説明は省略する。
【００５２】
以上説明したように、本第１実施形態によれば、構成の簡略化、及び出力トルクの高トルク化を実現した超音波モータを提供することができる。
すなわち、本第１実施形態に係る超音波モータによれば、上述の構成を採ることで、圧電素子単体で振動子を構成することができるので構成の簡略化が実現し、１つの出力軸を２つのロータによって同時に駆動するので、当該超音波モータの出力トルクの高トルク化が実現する。
[第２実施形態]
以下、本発明の第２実施形態に係る超音波モータについて説明する。図１０は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す正面図である。図１１は、本発明の第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す側面図である。
【００５３】
なお、説明の重複を避ける為、第１実施形態に係る超音波モータとの相違点について説明する。この相違点は、出力軸の配設態様に係る構成であり、本第２実施形態に係る超音波モータでは、振動子４０の回転中心（中心軸近傍）に貫通孔４０Ｈが形成されており、この貫通孔４０Ｈに出力軸６１が挿通されている。
【００５４】
図１０及び図１１に示すように、本第２実施形態に係る超音波モータは、当該超音波モータの各構成部材が組み付けられるフレーム３５と、被駆動体である第１ロータ機構部１０−１及び第２ロータ機構部１０−２と、振動子４０と、該振動子４０に設けられた摩擦接触子４１−１，４１−２と、略シャフト状の出力軸６１と、を具備する。
【００５５】
前記フレーム３５は、当該超音波モータの各構成部材が組み付けられるフレームである。
前記第１ロータ機構部１０−１は、ベアリング部材３０ｂ−１と、摺動板であるロータ１４−１と、を有する。前記第２ロータ機構部１０−２は、押圧バネ２１と、ベアリング部材３０ｂ−２と、摺動板であるロータ１４−２と、を有する。
【００５６】
第１ロータ機構部１０−１のベアリング部材３０ｂ−１と、第２ロータ機構部１０−２のベアリング部材３０ｂ−２とには、出力軸６１が挿通されている。この出力軸６１は、ベアリング部材３０ｂ−１，３０ｂ−２の内径に挿通されて回転可能に保持されている。
ここで、前記出力軸６１は、振動子４０の貫通孔４０Ｈの周面に対しては非接触な状態で保持されており、第１ロータ機構部１０−１におけるロータ１４−１と、第２ロータ機構部１０−２におけるロータ１４−２とに対してのみ結合されている。
【００５７】
図示はしていないが、例えば出力軸６１のうちロータ１４−１，１４−２に対応する位置において径方向に凸部を設け、且つ当該位置におけるロータ１４−１，１４−２の内径に凹部を設け、これら凸部と凹部とを噛み合わせて結合することで、各ロータ１４−１，１４−２の回転を出力軸６１に伝達させることができる。なお、出力軸６１と各ロータ１４−１，１４−２とを、径方向においてＤカットを利用して噛み合わせるような構成を採って結合させても勿論よい。
【００５８】
以上説明したように、本第２実施形態によれば、第１実施形態に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、歯車を不要として更なる構成の簡略化が実現した超音波モータを提供することができる。
上述したように、第１実施形態に係る超音波モータとの主な相違点は、本第２実施形態に係る超音波モータにおいては出力軸６１を、振動子４０、第１ロータ機構部１０−１、及び第２ロータ機構部１０−２に挿通して設けている点である。これにより、各ロータ機構部１０−１，１０−２において歯車を設けることが不要となる。これにより、構成の更なる簡略化が実現し、小型化も更に容易となる。
【００５９】
さらに、上述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示した複数の構成要件の適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示す全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。
【符号の説明】
【００６０】
１０−１…第１ロータ機構部、  １０−２…第２ロータ機構部、  １３−１，１３−２，１５−１，１５−２…歯車、  １４−１，１４−２…ロータ、  １５−１ｔ，１５−２ｔ…軸部材、  ２１…押圧バネ、  ３０−１，３０−２，３５…フレーム、  ３０−１ｂ１，３０−１ｂ２，３０−２ｂ１，３０−２ｂ２，３０ｂ−１，３０ｂ−２…ベアリング部材、  ４０…振動子、  ４０Ｈ…貫通孔、  ４１−１，４１−２…摩擦接触子、  ６０，６１…出力軸、  １０１Ａ１，１０１Ａ２，１０１Ｂ１，１０１Ｂ２…駆動電極、  １０１Ｃ，１０１Ｄ…振動検出電極、  １１３Ａ１，１１３Ａ２，１１３Ｂ１，１１３Ｂ２，１１３Ｃ，１１３Ｄ…外部電極、  ４０１ａ，４０１ｃ，４０２ａ，４０２ｃ…駆動用内部電極、  ４０４ａ，４０５ａ…検出用内部電極、  ４０１ａｅ，４０１ｃｅ，４０２ａｅ，４０２ｃｅ，４０４ａｅ，４０５ａｅ…端部、  ４０１…第１の圧電シート、  ４０２…第２の圧電シート、  ４０３…第３の圧電シート、  ４０４…第４の圧電シート、  ４０５…第５の圧電シート、  ４０６…第６の圧電シート、  ４０７…第７の圧電シート、  ４０８…第８の圧電シート、  ４１１…第１積層部位、  ４１２…第２積層部位、  ４１３…第３積層部位、  ４１４…第４積層部位、  ４１５…第５積層部位、  ４１６…第６積層部位、  ４１７…第７積層部位、  ４１８…第８積層部位。
【図１】
2013021788.tif 000003
【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】
2013021788.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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