(57)【要約】【課題】  ステータの振動エネルギーを効率よくかつ安定的にロータ（作動子）に伝達するとともに、小型化に適した構造を有する超音波アクチュエータを提供する。【解決手段】  超音波発生装置を有するステータ１と、ステータに貫設された作動子孔１３と、作動子孔に貫挿されて回転する柱状の作動子２とを備える。作動子は、作動子孔に遊挿され、その表面が作動子孔の内部表面に対し部分的に当接し、かつ当接する位置において適宜な押圧力が付与されるように配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発生装置を有するステータと、このステータに貫設された作動子孔と、この作動子孔に貫挿されて回転する柱状の作動子とを備える超音波アクチュエータにおいて、
前記作動子は、前記作動子孔に遊挿され、その表面が該作動子孔の内部表面に対し部分的に当接し、かつ該当接する位置において適宜な押圧力が付与されるように配置されていることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記作動子は、作動子孔から突出する両側の少なくとも一方が軸線に対して有角方向へ付勢されるものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記作動子は、作動子孔から突出する片方において軸線を有角方向へ付勢されるものであり、該軸線が前記作動子孔の中心線に対して有角状となることにより、該作動子の表面の一部を前記作動子孔の少なくとも一方の開口部近傍において部分的に当接させるものであることを特徴とする請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記作動子は、作動子孔から突出する両側において相互に逆向き方向へ付勢されるものであり、前記作動子孔の表面の一部を両端開口部近傍の二個所に当接させるものであることを特徴とする請求項２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記作動子は、作動子孔から突出する両側において同じ方向へ付勢されるものであり、該作動子の法線方向に連続する線状部分を前記作動子孔の内部表面に対して線的に当接させ、または該作動子を撓ませることにより該作動子孔の両端開口部近傍の二個所において部分的に当接させるものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
超音波発生装置を有するステータと、このステータに貫設された作動子孔と、この作動子孔に貫挿されて回転する柱状の作動子とを備える超音波アクチュエータにおいて、
前記ステータは、複数の個別ステータによって形成されるとともに、隣接して配置される各個別ステータの作動子孔の中心線が相互に一致しない状態で配置されており、前記作動子は、前記複数の個別ステータの作動子孔を同時に貫挿されることにより、各個別ステータの作動子孔の中心線に対し軸線が有角状となるように配置され、該作動子の表面が各個別ステータの作動子孔の各開口部近傍のいずれかまたは全てにおいて部分的に当接するものであることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記個別ステータは、同種の２個の個別ステータであり、前記作動子は、両ステータの作動子孔に同時に貫挿されており、前記２個の個別ステータの中心線が相互に平行または有角状となる方向へ、一方または双方の個別ステータを付勢してなることを特徴とする請求項６に記載の超音波アクチュエータ。
【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に関し、特に、高トルク、周波数安定性を実現する超音波アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波アクチュエータは、エネルギー密度の大きいアクチュエータとして知られている。エネルギー密度が大きいとは、小さな装置であっても大きな力を発生できることであり、小型化ができるということでもある。従来の超音波アクチュエータは、複数の電歪素子または磁歪素子を組み合わせた振動子を、弾性体の内部に組み込み、当該弾性体の表面に励振される横波と縦波の合成による進行波を、摩擦駆動方式により一方向運動に変換する構成のものであり、上記作動子を回転子とすることにより、当該回転子に対して回転運動を付与する構成のものであった（特許文献１参照）。摩擦駆動であるため、ロータに大きな与圧をかけてステータである振動子に押し付け、ステータの振動をロータに伝達している。上記構成のアクチュエータは、弾性体と作動子（回転子）とを加圧接触させる必要性から、そのための押圧機構を設けることが要求されるものであった。また、回転子を回転させるためには、弾性体を円環状に形成し、その円環に当接する円盤状の回転子を摩擦接触させる構成であるため、その回転子が大きくなってしまい、小型化すべき駆動装置には適さないものとなっていた。
【０００３】
現在、実用化されている回転型の超音波アクチュエータは円盤状のステータに張り付けられた圧電体で励振させ、その縦波と横波が結合して２つの直交する振動成分を発生させている。これらの直交成分は９０度の位相差があり、ステータ表面の点は超音波周波数で楕円軌道を描く。ステータに張り付けられた圧電体は円周に亘って複数枚に分割され、交互に９０度位相差のある電圧を印加することで９０度ずれた二つの定在波が発生して、その結果ステータの面（ロータと接触する面）は進行波を発生する。進行波が発生している面では、弾性変形によって楕円振動が発生することになり、この楕円振動がロータを摺動する。与圧をかけられた円盤状のロータに進行波として伝達する。この場合、ステータに対してロータは面的に圧力をかける押圧機構を設けることによって効率よくステータの振動エネルギーをロータに伝達することができる。このような構成の超音波アクチュエータは、円盤状のステータとロータが必要である上、両者に与圧を与える押圧機構が必要であるため、構造が複雑で小型化できていない。
【０００４】
そこで、円柱状または円筒状の作動子（軸部材または円筒ロータ）を駆動する超音波アクチュエータが開発されている（特許文献２ないし４参照）。これらの技術は、円柱状または円筒状の作動子と摩擦接触するステータが円筒状に形成されており、その円筒状ステータの外部表面に圧電素子を点在させる構成のほかに（特許文献２）、円筒状のステータの内部表面に圧電素子を設け、このステータの内部に摩擦材帯を介して作動子を接触させる構成（特許文献３）であった。さらに、円筒状の固定子（ステータ）の一方表面に分極電極を配列し、他方表面に全面電極を設ける構成としたものがあった（特許文献４）。
【０００５】
しかしながら、ステータを円筒状とする場合、その表面に設けられる圧電素子は、当該円筒状表面に沿った形状としなければならず、その製造が容易なものではなかった。しかも、ロータを作動させるための超音波振動の励起が複雑となり、そのままの構成により小型化することが難しいものであった。そこで、本願の発明者らは、小型化を可能にし得る超音波アクチュエータを開発した（特許文献５および６参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−９６８８１号公報
【特許文献２】実開平２−８３６９５号公報
【特許文献３】特開平３−１９８６７２号公報
【特許文献４】特開平１０−２１０７７６号公報
【特許文献５】ＷＯ２００８／０３８８１７号公報
【特許文献６】特開２００９−２６１４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前掲の特許文献５に開示される技術は、作動子孔の軸線方向に垂直な断面の外周輪郭が四角形となるステータを、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅等の金属材料で構成し、前記四角形側面に超音波発生素子を取り付ける構成であった。また、上記技術では、作動子の駆動トルクを向上させるために、ステータと作動子との摩擦を最適に設定することが必要となるところ、ステータの作動子孔の径と作動子の径とをミクロン単位で調整することが困難なことから、前掲の特許文献６に開示される技術では、ステータを複数の部品により構成することとし、作動子の径に応じてステータの作動子孔の大きさを調整できるように構成していた。
【０００８】
ところが、ステータと作動子との摩擦状態を最適に設定したとしても、本来生じるべきトルクを得ることができない場合があった。その理由としては、圧電素子などの超音波発生素子により励起される超音波振動の共振周波数が上昇することに伴って、共振する超音波振動の振幅が減少することによることが考えられる。更に、この方法ではステータとロータが面的に接触するため、単位面積当たり所定の圧力を得るためにはステータ外部から大きな圧力が必要となり、構造が大きくなる。このことは、アクチュエータを小型化した際には深刻な問題となっていた。また、前掲の特許文献６によれば、複数個のステータをロータに通して使うことで駆動力を増加させることもできるが、基本的にステータとロータの隙間があるために回転数が安定しない上、ステータの数が増えることから、これまた小型化が困難なものとなっていた。
【０００９】
ステータに設けた作動子孔と貫通する作動子を備えた構造の超音波アクチュエータにおいて、ステータの振動エネルギーをロータに伝達して摩擦駆動させるためには、実用化された技術のようにステータ内面とロータ外面とが十分な大きさの圧力が作用するように接触させることが必要である。このため、ステータの作動子孔をテーパ状にし、作動子を逆テーパにして作動子を貫通させた状態で押圧し、両者間に面圧力を発生させる方法が考えられる。しかし、この方法では、小径部分と大径部分との表面の速度に差を生じる結果、回転に伴って作動子が中心軸上で進行する現象が発生し、面圧が極端に上昇する場合には回転が止まってしまうことになる。
【００１０】
本発明は、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、ステータの振動エネルギーを効率よくかつ安定的にロータ（作動子）に伝達するとともに、小型化に適した構造を有する超音波アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、本願の発明者が鋭意研究した結果、ステータの作動子孔と、その作動子孔に挿入させる作動子との接触状態を調整することにより高効率かつ安定性を有する振動エネルギーの伝達が可能であることを確認し、本発明に至ったものである。
【００１２】
すなわち、本発明は、超音波発生装置を有するステータと、このステータに貫設された作動子孔と、この作動子孔に貫挿されて回転する柱状の作動子とを備える超音波アクチュエータにおいて、前記作動子は、前記作動子孔に遊挿され、その表面が該作動子孔の内部表面に対し部分的に当接し、かつ該当接する位置において適宜な押圧力が付与されるように配置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
上記構成によれば、作動子は作動子孔に対して遊嵌された状態となっていることから、ステータ内部において作動子の状態を変化させることができる。このとき、作動子の表面が作動子孔の内部表面に対して部分的に当接させることによって、ステータの振動エネルギーを当該当接部分に集中しつつ伝達させることができる。そして、当該当接位置において作動子が押圧されることにより、当接状態（接触状態）が安定することとなり、ステータの超音波振動を連続的かつ安定的に伝達することが可能となる。
【００１４】
上記構成の発明において、前記作動子は、作動子孔から突出する両側の少なくとも一方が軸線に対して有角方向へ付勢されるものであってもよい。
【００１５】
このような構成において、作動子の一方端のみを軸線に対して有角方向へ付勢する場合には、作動子孔の中心線に対して作動子が斜状となるように押圧されることとなる。これにより、作動子孔の内部表面と作動子表面とが、広い範囲で当接することはなく、極めて部分的に当接することとなり、この部分的な当接により集中して振動エネルギーの伝達を可能にするものである。なお、作動子の両側に対し付勢する場合、相互に逆向きに付勢するときは、上述のように作動子が斜状となる方向へ押圧することとなり、同じ向きに付勢するときは、作動子が作動子孔内において偏心状態となるものである。これらいずれの場合においても、両者の当接状態を部分的なものとすることができる。
【００１６】
さらに、前記構成において、前記作動子は、作動子孔から突出する片方において軸線を有角方向へ付勢されるものであり、該軸線が前記作動子孔の中心線に対して有角状となることにより、該作動子の表面の一部を前記作動子孔の少なくとも一方の開口部近傍において部分的に当接させるものとすることができる。
【００１７】
上記構成によれば、作動子孔に遊嵌される作動子は、作動子孔の内部において傾いた状態（有角状）となり、その傾いた状態によって作動子の表面は、作動子孔の開口部近傍においてのみ部分的に当接させることとなる。この状態を付勢力（押圧力）によって維持させることにより、ステータの振動エネルギーを連続かつ安定的に作動子に伝達することができる。
【００１８】
また、作動子端部を付勢する前記構成の発明において、前記前記作動子は、作動子孔から突出する両側において相互に逆向き方向へ付勢されるものであり、前記作動子孔の表面の一部を両端開口部近傍の二個所に当接させるものとしてもよい。
【００１９】
このような構成の場合には、作動子孔の中心線に対し作動子の軸線を有角状とするうえ、作動子の両端をそれぞれ付勢するため、作動子孔の両端開口部近傍において同様の押圧を付与することができる。そして、作動子孔の両端開口部近傍の二個所において当接されることから、当該二個所から集中的に振動エネルギーの伝達を受けるとともに、仮に一方の当接状態が不良となった場合でも他方の当接位置からエネルギーの伝達を受けることができ、作動子の作動状態を安定させることができる。
【００２０】
さらに、作動子端部を付勢する前記構成の発明において、前記作動子は、作動子孔から突出する両側において同じ方向へ付勢されるものであり、該作動子の法線方向に連続する線状部分を前記作動子孔の内部表面に対して線的に当接させ、または該作動子を撓ませることにより該作動子孔の両端開口部近傍の二個所において部分的に当接させるものとしてもよい。
【００２１】
このような構成の場合には、作動子の軸線は作動子孔の中心線と平行になることが想定されるものの、作動子孔に遊嵌される作動子の表面は、作動子孔の内部表面との間で遊びを形成することとなるため、柱状作動子の母線方向において線状に当接することとなり、その当接状態を部分的なものとすることができる。また、付勢による押圧の程度が大きい場合には、作動子が撓む状態となり得ることから、柱状作動子の母線方向に沿った線状当接部分のうち、さらに一部分のみが当接し得る状態とすることも可能である。
【００２２】
また、本発明は、超音波発生装置を有するステータと、このステータに貫設された作動子孔と、この作動子孔に貫挿されて回転する柱状の作動子とを備える超音波アクチュエータにおいて、前記ステータは、複数の個別ステータによって形成されるとともに、隣接して配置される各個別ステータの作動子孔の中心線が相互に一致しない状態で配置されており、前記作動子は、前記複数の個別ステータの作動子孔を同時に貫挿されることにより、各個別ステータの作動子孔の中心線に対し軸線が有角状となるように配置され、該作動子の表面が各個別ステータの作動子孔の各開口部近傍のいずれかまたは全てにおいて部分的に当接するものであることを特徴とするものである。
【００２３】
上記構成によれば、複数の個別ステータが各作動子孔の中心線を不一致状態で配置されることから、これらの個別ステータの全作動子孔に対し単一の作動子を貫挿させることにより、作動子の軸線は、個別ステータの個々の作動子孔の中心線に対して有角状となるものである。そのため、個別ステータの全作動子孔の開口部近傍の少なくともいずれか一つ、または全ての開口部近傍において、部分的に作動子の表面を当接させることができる。そして、少なくとも二個所の開口部近傍において当接される場合には、ステータ（全ての個別ステータ）と作動子との相対的な位置関係は安定することとなり、両者の一体性を確保することができる。なお、個別ステータの作動子孔の中心線が不一致な状態とは、相互の中心線が平行な場合と、相互に有角状となっている場合とがあり得る。
【００２４】
また、上記構成の発明において、前記個別ステータは、同種の２個の個別ステータであり、前記作動子は、両ステータの作動子孔に同時に貫挿されており、前記２個の個別ステータの中心線が相互に平行または有角状となる方向へ、一方または双方の個別ステータを付勢してなる構成としてもよい。
【００２５】
上記構成によれば、２個の個別ステータによって、作動子孔の合計４つの開口部のうち、少なくとも２個所の開口部近傍において作動子の表面を当接させることができる。そして、その当接個所は２つの個別ステータに分散されることとなるため、両個別ステータによって作動子の軸線方向の移動を制限させることができる。これは、作動子を軸受けによって支持させることと同様の作用を得ることとなる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、ステータ（または個別ステータ）の作動子孔の内部表面に対し、ロータ（作動子）の表面が部分的に当接することとなるから、当該部分的な当接位置から集中的にステータの振動エネルギーの伝達を受けることができ、当該振動エネルギーの伝達を効率的かつ安定的なものとすることができる。
【００２７】
また、ステータとロータ（作動子）との当接部分を限定することから、両者間の接触圧力は僅少で足りることとなり、大きい面圧を付与する場合に比較して小型の構造とすることができる。さらに、ロータ（作動子）に対して所定方向へ付勢する構成による場合には、ステータとロータとの一体性に優れることとなり、軸受け等の使用する必要がなく、小型化に適した構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明にかかる第一の実施形態の基本構成を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面構成図である。
【図２】本発明にかかる第二の実施形態を示す断面図であり、（ａ）は２個のステータを固定するために各々に弾性部材を配置する構成、（ｂ）は２個のステータの内、いずれか一方に弾性部材を配置する構成を示す。
【図３】本発明にかかる第三の実施形態を示す断面図であり、（ａ）は２個のステータの一方対向部分の間隙を拡張させるように弾性部材を配置する構成、（ｂ）は２個のステータの一方対向部分の間隙を縮小させるように弾性部材を配置する構成を示す。
【図４】実験例に使用した超音波アクチュエータの基本構造を示し、（ａ）はロータの両側に錘を取付けた構成、（ｂ）はロータの片端のみに錘を取付けた構成を示す。
【図５】図４（ａ）の構成で与圧の大きさを変えた場合の実験結果を示し、（ａ）は予圧の大きさと得られたトルクとの関係を、横軸を予圧の大きさ、縦軸をトルクとして示したグラフ、（ｂ）は予圧の大きさと回転数との関係を、横軸を予圧の大きさ、縦軸を回転数として示したグラフである。
【図６】図４（ａ）の構成により圧電素子に電圧を印加した後の回転数の時間変化を測定した結果を、横軸を電圧印加後の時間、縦軸を回転数として示したグラフであり、（ａ）は錘の合計が0.119ｇの場合、（ｂ）は錘の合計が0.421ｇの場合である。
【図７】図４ （ｂ）の構成により予圧を変化させた時の圧電素子に電圧を印加したあとの経過時間と回転数の時間変化に関する実験結果を、横軸を電圧印加後の時間、縦軸を回転数として示したグラフであり、（ａ）は錘をつけない場合、（ｂ）は0.12ｇの錘をつけた場合、（c）は1.2ｇの錘をつけた場合である。
【図８】図４（ｂ）の構成において錘の代わりにばねを使って押した場合の電圧印加後の経過時間と回転数の時間変化を、横軸を電圧印加後の時間、縦軸を回転数として示したグラフである。
【図９】図４（ｂ）の構成において錘の代わりにばねを使って押した場合の圧電素子に印加する電圧の周波数を変化させた時の回転数の時間変化とトルクの変化を、横軸を印加電圧の周波数、左縦軸を回転数、右縦軸をトルクとして示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第一の実施形態を示す。図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は断面図である。この図に示すようにステータ１は全体形状が六面体の一組の対向する二面に設けられた本体部１１に作動子孔１３が設けられている。また、六面体の残りの２組の対向する面（４面理論上は２面で可、出力をあげるために４面にしている）には、それぞれ超音波発生素子としての圧電素子１２が装着されている。ロータ（作動子）２は、前記作動子孔１３よりも小さい径の柱状に形成されたものであり、作動子孔１３に挿通するとき、遊嵌された状態となり、ロータ２の表面と作動子孔１３の内部表面との間に僅かながら遊びが形成されるようになっている。
【００３０】
そこで、この遊びを利用して、ロータ（作動子）２の軸線２１は作動子孔１３の中心線１４に対して角度を有した状態（有角状）に配置されるのである。このように、ロータ２の軸線２１が作動子孔１３の中心線１４に対して有角状に配置されることにより、作動子孔１３の両端開口部の近傍においてのみロータ２が当接するようにしているのである。図は、ロータ２の撓み、作動子孔１３の開口部形状を考慮したものではないことから、作動子孔１３口端縁において当接している状態となっているが、厳密には、ロータ２撓んだ場合や、作動子孔１３の穿設状態により、当接位置が変動し得ることから、開口部と断定することなく、開口部近傍で当接するものとしている。ただし、広い範囲で当接され得ないことは上記構成から明らかである。
【００３１】
このように、ロータ２表面が作動子孔１３部表面との間で部分的に当接することにより、ロータ２、当該当接部分から振動エネルギーの伝達を受けることとなる。一見すると、当接しない範囲が大きいため、伝達ロスが大きいようにも思えるが、現実には、部分的な当接位置から振動エネルギーの伝達を受けることにより、ロータは十分なトルクを得ることができ、しかも作動状態にバラつきがなく、安定して作動することとなる。トルクを得るためには、当接位置において十分な密着性（押圧力）を付与する必要がある。押圧によって、摩擦力を向上させ、摩擦伝達の効率を上げるのである。詳細は後述するが、押圧力が大きい程にトルクは向上するが、作動状態が不安定となることがある。そのため、適度なトルクと安定性を得るために、押圧力が調整されることとなる。なお、この押圧力を付与するためには、ロータ２の軸線が有角状態となる方向へ付勢すればよいものである。
【００３２】
ところで、ステータ１の六面体構造物はリン青銅、ステンレス、鉄、金、チタンなどの金属および合金材料、銅に金を被覆したものやガラス、セラミックスなどの無機材料などで構成される。アクチュエータのトルクはステータのヤング率と比重に大きく左右される。ヤング率の小さい材料を使えば共振周波数を小さくすることができる。また、同じヤング率でも比重の大きい材料を選択することにより共振周波数をさげることができるので有利である。比重が大きいのは、ステータがロータへ与える運動量が大きくなるために、大きなトルクを発生するためにも効果がある。また、適用する用途に応じて、材料は選定することができる。また、ヤング率を低減するために、多孔体や六面体の表面にディンプル状に空孔を設けて六面体の見かけのヤング率を下げることもできる。
【００３３】
次に、第二の実施形態について説明する。図２（ａ）,図２（ｂ）は第二の実施形態を示す断面図である。この図に示されているように、本実施形態は、複数（２個）の個別ステータ1ａ，1ｂの集合体によって単一のステータを構成するように設けられている。そして、個別ステータ２個1ａ，1ｂを作動子孔１３ｂの中心線を平行にずらして配置し、そのずらした２個のステータ1ａ，1ｂの作動子孔１３ｂを一連の穴として、そこにロータ２通すように挿通させた構造としている。２個のステータ1ａ，1ｂのずらし量は円柱状の作動子２の直径と作動子孔１３ｂの大きさとの関係と、ロータ２とステータ1ａ，1ｂの間の当接位置１５で必要となる押圧力で決まる。当接位置１５での押圧力が大きいほどアクチュエータへの与圧が大きくなり発生トルクは大きくなる。当接位置１５の押圧力とトルクの関係は後述するようになる。個々のステータ1ａ，1ｂの内径とロータ２の外径の加工精度から両者の隙間は１５μｍ程度となり、仮にアクチュエータ全体を１ｍｍ角に収めようとすれば、１個のステータの軸方向の長さを０．４ｍｍ程度にする必要があり、この場合、ステータ1ａ，1ｂの作動子孔１３ａ，１３ｂの中心線とロータ２の軸線２１の角度は約２．９度程度の角度をつけた構成となる。２個のステータ1ａ，1ｂはケース４に収め、作動子孔１３ａ，１３ｂの中心線がずれるように取付け、ステータ1ａ，1ｂの双方（図２（ａ））または一方（図２（ｂ））とケース４との隙間には、作動子孔１３ａ，１３ｂの中心線が平行に離れる方向へ付勢させるために、ばね構造体もしくはゴムのような弾性部材３を配置するのである。これにより、当接位置１５の圧力を一定にすることができる。このような弾性部材３を使うことにより当接位置１５での圧力は部品の加工精度や摩耗によって変化することなく一定となり、回転数は安定する。図２（ｂ）の実施形態では、ステータの一方1ａはケース内にできるだけ隙間のないように設置して、もう一方のステータ1ｂにのみ弾性部材３を設ける構造とした。これにより、図２（ａ）の構造に比べ弾性部材３を１個にでき構造がより簡素化できる。
【００３４】
上述のように構成された本実施形態では、２個のステータ1ａ，1ｂは隙間なく隣接させてもよいが、それぞれのステータ1ａ，1ｂの振動が相互干渉しないように離すことが望ましい。また、その空間は振動が伝わらなく、個々の振動が減衰しないように固定する構造が望ましい。
【００３５】
本実施形態では２個のステータ1ａ，1ｂに１個のロータ２を挿通させ、４個所の当接位置１５で接触して駆動力を伝達している。このため、個々のステータ1ａ，1ｂに対してそれぞれを個別に回転数制御することで、より精密な回転する制御が可能となる。１個のステータと１個の軸受などでも良いが、２個のステータ1ａ，1ｂを使うことで、ステータ1ａ，1ｂとロータ２の隙間がなくなって、回転数が安定する。また 、２個のステータ1ａ，1ｂのうち一方を、単純なベアリングやテフロン（登録商標）のような低摩擦材料等で構成された軸受けを用いることもできる。この場合は、1ｍｍ角程度にステータと軸受けを収めるためには0.5ｍｍ以下の厚さとする必要があり、低摩擦係数を持つような軸受けの実現は困難である。現在の技術では、直径1.5ｍｍ内径0.5ｍｍの軸受が入手できるが、小型化の制約となる。寸法の制約を除けば、軸受けの摩擦係数はかなり小さく、軸受を使っても良い。
【００３６】
次に、第三の実施形態について説明する。図３（ａ）,図３（ｂ）は第三の実施形態を示す断面図である。本実施形態は、第二の実施形態と同様に、２個の個別ステータ1ａ，1ｂを使用するものであるが、本実施形態では作動子孔１３ａ，１３ｂの中心線１４ａ，１４ｂを相互に有角状に形成させたものである。中心線１４ａ，１４ｂが相互に有角状とする場合は、両作動子孔１３ａ，１３ｂの中心線がハの字状となるように配置している（図参照）。なお、同じ状態ではあるが、図中の上下を反転させることによって、逆ハの字状としてもよい。そして、本実施形態では、上記のように配置した個別ステータ1ａ，1ｂの両方の作動子孔１３ａ，１３ｂに対し、１個のロータ２を同時に貫通させる構成としたものである。両ステータ1ａ，1ｂが対称に配置される場合には、結果として作動子孔１３ａ，１３ｂの内部表面とロータ２の表面は第二の実施形態と同様に４点で当接させることが実現できる。
【００３７】
上記構成の場合、当接位置１５に対する押圧を一定にするために、図３（ａ）に示す形態では、両ステータ1ａ，1ｂの本体部分が間隙を有して対向する一方側において、当該間隙を拡張させる方向へ付勢する弾性部材３を配置する構成とすることができる。この間隙の拡張方向への付勢により、両ステータ1ａ，1ｂの作動子孔１３ａ，１３ｂの中心線１４ａ，１４ｂが形成する有角状の角度が急激となる方向へ強制されることから、当接位置１５に対して押圧力を付与し得ることとなる。なお、この場合には、間隙の小さな対向側では、その位置が容易に変化しないように固定することがより望ましく、特に、この部分の固定としては、大きい間隙における拡張方向の付勢を可能にするため、回動自在に軸支することが望ましい。また、前記とは異なり、図３ （ｂ）に示すように、間隙の小さい対向側に対して、それぞれ外方から対向方向に向かって付勢する弾性部材３を配置する構成としてもよい。この場合においても有角状となっている作動子孔１３ａ，１３ｂの中心線の角度が急激となる方向へ付勢できるものである。なお、この場合は、大きい間隙を有する対向側は、その間隙が変更しないように、固定部材４１を設けることが好ましく、特に、角度調整可能とするため、この固定部材４１に回動自在な状態で固定されることが好ましい。また、弾性部材３としては、第二の実施形態と同様に、バネ構造体またはゴム等により構成することができる。上述したいずれの形態においても、配置したステータ1ａ，1ｂは一体のケース４に収める。ステータ1ａ，1ｂとロータ２の当接位置１５の押圧力は第二の実施形態同様に設定し、弾性部材３によって調整可能である。
【００３８】
次に本構成の超音波アクチュエータの駆動原理を説明する。圧電素子の振動振幅は非常に小さいため、内周面に３波発生する振動モードを利用して振幅を増幅する。このモードを使うことの利点は、ステータの軸方向寸法が固有振動数に依存しないことである。つまり、ステータが立方体に近い六面体のような形状であっても、さらに薄くなった扁平形状であっても、ある程度の大きさの振幅ならびにトルクを発生することができる。
【００３９】
次に、ステータの作動子孔の中心軸を回転中心にとり、周方向角度をθ、穴の半径をrで表す極座標平面で考える。３波の振動モードの固有振動数がfrであれば、圧電素子に周波数frの交流電圧を印加する。ステータは作動子孔の内周面に振動モードを生じ、そのときの半径方向の変位r1は次のような定在波で表される。
【数１】
2016197946.tif 000003
ここで、Arは振動振幅、frは固有振動数（共振周波数）、ｄ1は時間的な初期位相である。
【００４０】
同様に、圧電素子に交流電圧を印加され、もう一つの３波モードが励起されたときに生じる半径方向の変位r2もまた定在波で表される。これは、数１式の定在波から位置的にπ/2ずれているため、次のように表される。
【数２】
2016197946.tif 000004
ここでｄ2は時間的な初期位相である。
【００４１】
初期位相ｄ2を基準にとってゼロとし、数１式の初期位相ｄ1をπ/2とすれば、数１式と数２式で表した２種類の定在波は、位置的にπ/2、時間的にπ/2だけずれることになる。これらは重ね合わせることが可能であり、加法定理によって進行波となる。
【数３】
2016197946.tif 000005
【００４２】
進行波が発生しているステータの作動子孔の内周面では、楕円運動が発生しており、この楕円運動が作動子へ駆動力を伝達し回転が生み出される。この楕円運動は本実施形態では作動子孔と作動子の接触点を通して作動子に伝達される。
【００４３】
以上のように、本発明の実施形態について説明したが、本発明がこれらの実施形態に限定されるものではない。従って、本発明の趣旨の範囲内で種々の形態とすることができる。例えば、第二および第三の実施形態において個別ステータとして、各２個を使用したが、３個以上であってもよい。また、ステータおよびロータの材質は適宜選択することができる。さらに、超音波アクチュエータの駆動原理として、回転駆動を示したがロータの軸線方向への進退駆動も可能である。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明の構成による効果を検証するための実験例について説明する。図４（ａ），（ｂ）は、実験に使用した構成を示している。具体的には、ロータ２の両端（図４（ａ））もしくは片端（図４（ｂ））に錘５を取付けることで、ステータ１とロータ２に与圧を与えるように構成されている。試作したステータ１の金属部は一辺1ｍｍの立方体であり、金属部中心には、ロータ２を通すために直径0.7ｍｍの作動子孔１３が設けられている。ステータ１の材料は、今回の実験ではりん青銅を使用した。金属部の固有振動数を有限要素法でモード解析を行うと、駆動に必要な３波の振動モードが生じるのは約953kHzである。ステータ１の周囲の４つの側面には各１枚（合計４枚）の圧電素子１２が貼り付けられている。圧電素子１２は両面分極であり、そのサイズは1ｍｍ×0.8ｍｍ×厚さ0.2ｍｍである。ロータ２には、穴の直径を測定するために使われる器具であるピンゲージを用いる。実験では、直径0.700ｍｍ、長さ40ｍｍのピンゲージを用いる。このとき、作動子孔１３にピンゲージを挿入する場合、ピンゲージの最大径は約0.702ｍｍであり、作動子孔１３の直径が0.7ｍｍであることから、明らかに遊嵌された状態となり、両者の隙間は約2μｍとなるものである。図４（ａ）はピンゲージ（ロータ）２の両側に錘５を設置し、ピンゲージ（ロータ）２の法線方向に沿った部分が線的に当接し、その部分に与圧を与える構成とした。図４（ｂ）はピンゲージ（ロータ）２の片側にのみ錘５を設置し、ステータ１の作動子孔１３の開口部近傍において、ピンゲージ（ロータ）２と２点で当接させる構成とした。
【００４５】
このような構成を用いて与圧を変えた場合のマイクロ超音波モータの駆動テストを行った。
【００４６】
＜実験１＞  ステータとロータに線的に与圧を与えた場合
ステータに通されたロータの両端に錘を載せることにより与圧の大きさを調整した。実験では、印加電圧の振幅Aは70Vp-pで一定とし、印加電圧の周波数fは930kHzとした。これは最もモータがよく回転する周波数となるようにあらかじめ調整した値である。回転数を測定するためには、ロータの回転をビデオカメラで撮影し、フレームごとの角度変位から計算する。またトルクは、その角加速度と慣性モーメントから算出する。
【００４７】
与圧Nの大きさを変えた場合の、モータが発生する最大トルク、最大回転数の変化を図５ （ａ）と（ｂ）に示す。与圧が増加するにつれ、トルクが上昇していることがわかる。
【００４８】
この結果は、数１式に基づき、ステータとロータに与圧Nが与えられるとき、超音波モータが生じるトルクTは、クーロン摩擦モデルをもちいて、次のように表される。
【数４】
2016197946.tif 000006
ここで、μdは動摩擦係数であり、rはステータに開けられた作動子孔の半径（ロータの外径）である。
【００４９】
このとき、μdを0.5とすると、数４式と実験結果はよく合う。この値は、他の比較的大きい超音波モータの値と比べて、ほぼ同等であった。
【００５０】
また、回転数は、与圧が大きくなるにつれて減少していることがわかる。これは、与圧の上昇に伴って、数５式の左辺第２項において、減衰係数cが上昇していることを意味する。 
【００５１】
また、実験で得られた回転数の時刻歴応答を図６に示す。与圧の大きさが0.119ｇの場合を図6 （ａ）、与圧が0.412ｇである場合を図６（ｂ）に示す。図６ （ｂ）のように与圧が大きい場合は、定常回転に達するまでの時間が長くなるが、これは与圧として与えた分の慣性モーメントの影響である。図中の実線は、数２より導出したものである。このときに、用いた減衰係数と摩擦トルクの値は、N = 0.119ｇの場合c = 1.3 × 10-9 [Nｍ/s]、 Tf = 0 [Nｍ]、   N = 0.412ｇの場合c = 6.8 × 10-9 [Nｍ/s]、 Tf = 0 [Nｍ]、となる。与圧が大きくなるにつれ、粘性係数は約5.2倍である。摩擦トルクは、いずれも概ねゼロである。これは超音波振動を生ずる面によって駆動力が発生されることによるものと考えられる。
【数５】
2016197946.tif 000007
ここで、cは減衰係数、Tfは摩擦トルクである。
【００５２】
＜実験２＞  ステータとロータに点的に与圧を与えた場合（錘を使用）
上記と同様な実験構成でステータに通されたロータの一端に錘をつけることでステータの穴の中心軸に対してロータの中心軸に角度をつけて実験した。（図４（ｂ）配置）実験では、印加電圧の振幅Aは８０Vp-pで一定とし、印加電圧の周波数fは1030kHzとした。この場合、ロータはステータの穴の両端面で接触して点的に与圧を与えられることになる。与圧条件を変化させた時の時刻歴回転数応答特性を図7（ａ）（ｂ）(c)に示す。
【００５３】
図7（ａ）では錘はつけずに全くフリーな状態での回転数の時間変化を示している。この時のトルクは約0.06μNｍであった。回転数は2000ｒｐｍを中心に1000〜3000ｒｐｍで大きく変動していることが分かる。
【００５４】
図7（ｂ）では0.12ｇの錘をステータ端部から5ｍｍの位置に一端のみに取付けた場合を示している。この時のトルクは約0.5μNｍで全くフリーな場合に比べ10倍程度向上した。また、回転数は0.1秒程度で2000ｒｐｍに達し安定した。
【００５５】
図7（ｃ）では1.2ｇの錘をステータ端部から5ｍｍの位置に一端のみに取付けた場合を示している。この場合、一点あたりの与圧の大きさは約5ｇと計算される。この時のトルクは約2μNｍとなり更に４倍向上した。回転数は0.6秒程度で1200ｒｐｍ程度に安定した。
【００５６】
＜実験３＞  ステータとロータに点的に与圧を与えた場合（ばねを使用）
実験３では、実験２と同様の構成で錘の代わりにばねを使用して与圧を与えた条件によるものである。図8では、電圧（80Vp-p，1040kHz）を印加して、回転数を測定した結果を示している。加速度から計算したトルクの最大値は、約10μNｍであった。また、回転数は0.01秒程度で安定しており、錘に比べ１／１０程度まで早く安定した。なお、回転数の安定性はこの実験では錘に比べて劣っているが、実用上問題ない上、ばね力を最適化することで改善できる。
【００５７】
＜実験４＞
実験４では、実験３と同じ条件により、電圧を80Vp-pで一定として周波数を1020ｋHzから1055ｋHzまで変えた場合の回転数とトルクを測定した。図９では、その変化を示している。この図から明らかなとおり、1035ｋHz付近で回転数は最大となるが、トルクはそれよりも高い周波数で最大となる。このように、回転数が最大となる際の周波数とトルクが最大となる際の周波数が大きく異なる現象は、従来では発生せず、ステータ（作動子孔）とロータ（作動子）とが部分的に当接しつつ与圧を受けることによって、生じさせることができるものと判断される。これにより印加電圧の周波数の選択によって同じ回転数でも２種類のトルクを選択することも可能となる。また、与圧の程度によっては、回転数およびトルクが最大値を示す周波数が異なることも想定され、よって、用途に応じて所望の回転数における所望のトルクをロータに付与させることができるものである。
【００５８】
以上の各実験から、ステータ全面（作動子孔内部表面全体）とロータとを圧接させた構造とすることなく、部分的な当接および与圧によって安定した回転数を得ることができることが判明した。すなわち、従来技術では振動面のステータ全面をロータで圧接した構造となっており、所要トルクが得られている。本発明の実施形態による場合は、ステータの振動を回転するロータに伝達するため、ロータをステータに圧接させる必要があるが、ステータとロータを線的に圧接する方法でも所要トルクが得られることが確かめられた。さらに実験結果から回転数が安定することが分かった。更にステータに設けた穴の中心軸とロータの中心軸を傾け２点で点的に圧力を加えることで、線的に接触する方法と同様に所要トルクと回転数安定性を得ることができた。
【符号の説明】
【００５９】
１，１ａ，１ｂ  ステータ
２  ロータ（作動子）
３  弾性部材
４  ケース
５  錘
１１  ステータの本体部
１２  圧電素子
１３，１３ａ，１３ｂ  作動子孔
１４，１４ａ，１４ｂ  作動子孔の中心線
２１  ロータ（作動子）の軸線
４１  固定部材
【図１】
2016197946.tif 000008
【図２】
2016197946.tif 000009
【図３】
2016197946.tif 000010
【図４】
2016197946.tif 000011
【図５】
2016197946.tif 000012
【図６】
2016197946.tif 000013
【図７】
2016197946.tif 000014
【図８】
2016197946.tif 000015
【図９】
2016197946.tif 000016