(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動体と、
前記被駆動体に振動を伝達することによって前記被駆動体を駆動させるように、主たる振動が面内方向において生じる振動板と、
前記被駆動体に接触し得るように、前記振動板の一方の主表面から突出している一方の突起と、
前記振動板の面外方向の振動の低減に寄与するように、前記振動板の他方の主表面から突出している他方の突起とを含む、超音波モータ。
【請求項２】
前記一方の突起が前記被駆動体の外側面に接している、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項３】
前記被駆動体は溝を有し、
前記一方の突起が前記溝の２つの内側面のいずれかに接している、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項４】
前記一方の突起および前記他方の突起が前記振動板の組成とは異なる組成からなる、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記一方の突起が前記振動板の硬度よりも高い硬度を有する、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記一方の突起および前記他方の突起が、前記振動板が介在する状態で、互いに対向するように突出している、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記一方の突起と前記他方の突起とが前記振動板に対して鏡面対称の構造を有している、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項８】
前記被駆動体はロータであり、
前記ロータはシャフトの軸まわりに回転可能に前記シャフトに取り付けられており、
前記超音波振動子は前記シャフトに対して移動可能に前記シャフトに取り付けられている、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項９】
前記一方の突起と前記他方の突起とは前記振動板を貫通する１つの部材を含む、請求項１に記載の超音波モータ。
【請求項１０】
主たる振動が面内方向において生じる振動板と、
前記被駆動体に接触し得るように、前記振動板の一方の主表面から突出している一方の突起と、
前記振動板の面外方向の振動の低減に寄与するように、前記振動板の他方の主表面から突出している他方の突起とを含む、超音波振動子。
【請求項１１】
前記一方の突起および前記他方の突起が、前記振動板が介在する状態で、互いに対向するように突出している、請求項１０に記載の超音波振動子。
【請求項１２】
前記一方の突起と前記他方の突起とが前記振動板に対して鏡面対称の構造を有している、請求項１０に記載の超音波振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波モータおよびそれに用いられる超音波振動子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電素子の振動を利用する超音波モータが用いられている。この超音波モータは、磁気の影響を受けず、小型であり、高いトルクを有し、高い応答速度を有し、かつ、無通電状態において停止しているなど、電磁モータとは異なる様々な特徴を有している。そのため、超音波モータは、特に携帯電話のオートフォーカス駆動機構等のための有望な素子である。
【０００３】
また、超音波モータは、超音波振動子を利用している。超音波振動子は、平板型振動子に生じる平板の面内の楕円運動を平板型振動子の厚さ方向に伝達する機構を備えている。そのような超音波振動子は、上述の機構を有しない超音波モータとの比較において、超音波モータと被駆動体とを重ねて配置することが可能であるという特徴を有している。そのため、超音波モータの面内方向における占有領域を低減することができる。その結果、アクチュエータを小型化することができる。
【０００４】
図１５および図１６は、特開２００５−２８７１０６号公報において開示されている超音波モータ９００を示している。超音波モータ９００は、前述の平板型振動子に生じる平板面内の楕円運動を平板型振動子の厚さ方向において伝達する機構を備えた超音波振動子を利用する超音波モータの一例である。
【特許文献１】特開２００５−２８７１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の超音波モータ９００は、超音波振動子９０１に生じた楕円運動を厚さ方向に伝える突起９０２を備えている。突起９０２は、超音波振動子９０１の鉛直下方向に延びている。そのため、超音波振動子９０１は厚さ方向について非対称な形状を有している。したがって、被駆動体９０３を駆動するための共振モードは面外方向に変位する成分を有する。
【０００６】
面外方向に変位する振動成分は、被駆動体９０３の駆動には寄与しない。そのため、面外方向に変位する振動成分が生じると、超音波振動子９０１のエネルギーロスが生じる。その結果、超音波モータ９００を高い効率で駆動させることが困難になる。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い効率で駆動する超音波モータおよびそれに用いられる超音波振動子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の超音波モータは、被駆動体と、被駆動体に振動を伝達することによって被駆動体を駆動させるように、主たる振動が面内方向において生じる振動板と、被駆動体に接触し得るように、振動板の一方の主表面から突出している一方の突起と、振動板の面外方向の振動の低減に寄与するように、振動板の他方の主表面から突出している他方の突起とを含んでいる。
【０００９】
上記の構成によれば、一方の突起のみならず他方の突起もまた振動板から突出している。そのため、振動板の面外方向の振動が低減される。その結果、面内方向の振動が高い効率で被駆動体に伝達される。
【００１０】
一方の突起が被駆動体の外側面に接していれば、一方の突起に接触するための特別な構造を被駆動体に設ける必要がない。
【００１１】
被駆動体が溝を有しており、一方の突起が溝の２つの内側面のいずれかに接していれば、一方の突起が被駆動体の外側面に接触している場合に比較して、被駆動体の外側面の構造の自由度を高めることができる。
【００１２】
一方の突起および他方の突起が振動板の組成とが異なる組成からなっていれば、超音波振動子の設計の自由度を高くすることができる。
【００１３】
一方の突起が振動板の硬度よりも高い硬度を有していれば、一方の突起と被駆動体との接触によって生じる一方の突起の摩耗の度合を低減することができるため、超音波モータの寿命が長くなる。
【００１４】
一方の突起および他方の突起が、振動板が介在する状態で、互いに対向するように突出していれば、超音波振動子の面外方向における振動の発生を容易に抑制することができる。
【００１５】
一方の突起と他方の突起とが振動板に対して鏡面対称の構造を有していれば、超音波振動子の面外方向における振動の発生を最も確実に抑制することができる。
【００１６】
また、被駆動体がロータであり、ロータがシャフトの軸まわりに回転可能にシャフトに取り付けられており、かつ、超音波振動子がシャフトに対して移動可能にシャフトに取り付けられていることが望ましい。
【００１７】
これによれば、１つのシャフトがロータを回転可能に支持する機能と超音波振動子を移動可能に支持する機能との双方を有している。そのため、ロータを回転可能に支持するシャフトと超音波振動子を移動可能に支持するシャフトとが別個に設けられている超音波モータとの比較において、超音波モータの部品点数が低減される。
【００１８】
一方の突起と他方の突起とが振動板を貫通する１つの部材を含んでいれば、一方の突起および他方の突起の製造が容易である。
【００１９】
本発明の超音波振動子は、主たる振動が面内方向において生じる振動板と、被駆動体に接触し得るように、振動板の一方の主表面から突出している一方の突起と、振動板の面外方向の振動の低減に寄与するように、振動板の他方の主表面から突出している他方の突起とを含んでいる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、高い効率で駆動する超音波モータおよびそれに用いられる超音波振動子が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（実施の形態１）
まず、図１および図２を用いて、本実施の形態１の超音波モータを説明する。
【００２２】
図１および図２に示されるように、本実施の形態１の超音波モータ１は、長方形の平板形状を有する矩形平板タイプの超音波振動子１０、および、超音波振動子１０によって駆動されるロータ２００を備えている。なお、ロータ２００は被駆動体の一例であるが、本発明の被駆動体は直線往復運動する可動子であってもよい。また、超音波モータ１は、円柱状の振動子支持シャフト３００および円柱状のロータ支持シャフト４００を備えている。振動子支持シャフト３００およびロータ支持シャフト４００のそれぞれは、装置の本体１０００に固定されている。
【００２３】
ロータ２００は、厚さ１．５ｍｍかつ外径１０ｍｍの円板形状をなしている。ロータ支持シャフト４００は、ロータ２００の中心部を貫通し、ロータ２００の回転中心軸に沿って延びている。ロータ支持シャフト４００は、側方に突出する円盤状の支持部４０１を有し、支持部の上にロータ２００が載置されている。ロータ２００は、支持部４０１上において、ボールベアリングが介在する状態でロータ支持シャフト４００の周囲に設けられているため、ロータ支持シャフトまわりに回転することができる。つまり、ロータ２００は、ロータ支持シャフト４００および突出部４０１によって、図１および２におけるｘｙ面内の方向において、ｚ軸まわりに回転自由に支持されている。したがって、超音波モータ１は、ロータ２００の外周面に接続された構造に回転往復運動を生じさせることが可能である。
【００２４】
なお、本発明の超音波モータ１は、超音波振動子１０がロータ２００に接触しておりかつ所望の楕円運動を発生させるものであれば、いかなるものであってもよいため、本発明の構成要素以外の構成要素は、以下の実施の形態に示される構造を有する超音波モータの構成要素に限定されない。例えば、超音波振動子の大きさ、形状、および材料等は、本発明の目的を達成できかつ効果を得ることができるのであれば、いかなるものであってもよい。
【００２５】
＜全体構成＞
図１および図２に示される超音波モータ１は、図３に示されるような矩形平板タイプの超音波振動子１０を備えている。超音波振動子１０は振動板２１を含んでいる。振動板２１は、主板部２２および支持用突出部３０を有している。支持用突出部３０は、主板部２２の長辺方向における中心部、つまり、縦振動の節の位置から側方に向かって突出している。図３に示されるように、支持用突出部３０には円形の貫通孔３２が開けられている。振動子支持シャフト３００には、その周面に沿うように円盤状の支持用プレート３３０および３５０が設けられている。支持用プレート３３０および３５０は、それぞれ、支持用突出部３０を上下から挟むように設けられている。超音波振動子１０は、ｘｙ平面内において、振動子支持シャフト３００の回転中心軸まわりに回転可能に支持用プレート３３０および３５０によって支持されている。より具体的に言うと、超音波振動子１０の支持用突出部３０は、支持用プレート３３０および３５０に挟まれた状態で、支持用シャフト３００、支持用プレート３３０および３５０に接触しながら、支持用シャフト３００まわりに回転することができる。したがって、超音波振動子１０の駆動突起６０をロータ２００の外周面に押し付けることができる。
【００２６】
また、超音波振動子１０には、電極４０、４１、４２、４３、４４および圧電素子５０がそれぞれ２つずつ設けられている。電極４０、４１、４２、４３、４４および圧電素子５０のそれぞれは、主板部２２に関して、厚さ方向において面対称に設けられている。電極４０、４１、４２、４３および４４は、所定の信号が入力され得るように、制御装置５００（図示せず）に電気的に接続されている。
【００２７】
また、本実施の形態の超音波振動子１０においては、圧電素子５０が、逆圧電効果を利用して電極４０、４１、４２、４３および４４に印加された交流電界によって振動する。圧電素子５０の振動は、振動板２１に伝達される。そのため、振動板２１の先端が、矢印Ｅ１で示される楕円軌道を描くように振動する。その結果、駆動突起６０に接触しているロータ２００が矢印Ｃ１に沿って移動する。すなわち、ロータ２００が回転する。
【００２８】
＜超音波振動子＞
次に、図３を用いて、超音波振動子１０の構造がより詳細に説明される。図３に示されるように、超音波振動子１０は振動板２１を有している。振動板２１は、振動子支持シャフト３００に対して軸まわりに回転可能に装着された支持用突出部３０と、支持用突出部３０と一体的に形成され、振動によってロータ２００を回転させる主板部２２とを有している。支持用突出部３０は、振動子支持シャフト３００に設けられた支持用プレート３３０および３５０によって振動子支持シャフト３００の軸方向における移動は拘束されるが、振動子支持シャフト３００の軸まわりの回転は拘束されていない。
【００２９】
主板部２２は、幅２ｍｍ、長さ９ｍｍかつ厚さ０．２ｍｍの実質的に長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、支持用突出部３０は、主板部２２の一方の長辺の中央位置から主板部２２の短辺方向に沿って延びるように、主板部２２の長辺から突出しており、幅１ｍｍ、長さ２．５ｍｍ、かつ厚さ０．２ｍｍの実質的に長方形の平面形状を有する平板状部材である。
【００３０】
支持用突出部３０には直径０．６ｍｍの円形の貫通孔３２が設けられている。貫通孔３２の直径は、０．６ｍｍであり、振動子支持シャフト３００の直径とほぼ同一である。主板部２２の長辺の中央位置かから貫通孔３２の中心点までの距離が１．５ｍｍである。圧電素子５０は、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの長方形の平面形状を有する平板状部材である。また、圧電素子５０の長辺と主板部２２の長辺とが一致するように、圧電素子５０は、主板部２２に対して、それらの間に電極４４が挟まれた状態で固定されている。
【００３１】
なお、振動板２１および圧電素子５０のそれぞれの寸法および形状は、上述の寸法および形状に限定されず、他の寸法および形状であってもよい。また、振動板２１の材料は、特に限定されないが、ステンレス等の導電性を有する材料であることが望ましい。また、支持用突出部３０と主板部２２とは、別個の部材からなっていてもよいが、それらが１つの部材で一体的に形成されていることが望ましい。
【００３２】
圧電素子５０は、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）からなっているが、電圧が印加されて振動する素子であれば、いかなる材料からなってしてもよい。圧電素子５０の一方の主表面上には、電極４０、４１、４２、および４３が取り付けられている。電極４０、４１、４２、および４３のそれぞれは、同一の長方形の平面形状を有する平板状部材である。電極４０、４１、４２、および４３のそれぞれは、圧電素子５０の一方の主表面が実質的に同一の４つの長方形の領域に分割されたとすると、その４つの長方形の領域のそれぞれの中に設けられている。ただし、電極４０、４１、４２、および４３は、互いに電気的に導通することがないように、互いに所定の間隔（たとえば、０.２ｍｍ）を置いて設けられている。また、圧電素子５０の他方の主表面上には、実質的に長方形の電極４４が設けられている。電極４４は、圧電素子５０の他方の主表面と同一の平面形状を有する平板状部材である。
【００３３】
本実施の形態の超音波振動子１０においては、２つの圧電素子５０は、それぞれ、主板部２２の一方の主表面および他方の主表面上に、それらの間に電極４４が間に挟まれた状態で設けられている。２つの電極４４は、それぞれ、平面視において、その長辺方向が主板部２２の長辺方向とが重なるように、主板部２２の一方および他方の主表面に固定されている。２つの電極４４は、それぞれ、銀ペーストなどの導電性接着剤によって主板部２２に接着されている。電極４０と電極４１とは配線Ｗ１によって電気的に接続されている。電極４２と電極４３とは配線Ｗ２によって電気的に接続されている。
【００３４】
また、一方の圧電素子５０と他方の圧電素子５０とは、振動板２１の厚さ方向において鏡面対称に配置されている。一方の電極４０、４１、４２、４３および４４と、他方の電極４０、４１、４２、４３および４４とも、振動板２１の厚さ方向において鏡面対称に配置されている。圧電素子５０は厚さ方向に沿って分極しており、分極の方向は、振動板２１の厚さ方向に対称になっている。
【００３５】
したがって、振動板２１の一方の主表面上の圧電素子５０の振動特性と、振動板２１の他方の主表面上の圧電素子５０の振動特性とは実質的に同一である。また、振動板２１の主板部２２は長方形であるため、ｘｙ平面内の方向において、振動板２１の先端は楕円運動する。
【００３６】
主板部２２の支持用突出部３０が設けられている長辺に対向する長辺の中央部には押付力調節用突出部３１が設けられている。押付力調節用突出部３１には、輪ゴム６００が引っ掛けられている。また、輪ゴム６００の他端が、押付力調整機構７００の突出部７０１に引っ掛けられている。なお、押付力調節用突出部７０１に突出部７０１が設けられていない場合には、線状のゴム６００の一端が押付力調節用突出部３１に接着または結束され、線状のゴム６００の他端が押付力調整機構７００に接着もしくは結束されていてもよい。
【００３７】
また、輪ゴムまたは線状のゴム６００は、その収縮力によって、押付力調整機構７００に対して、押付力調節用突出部３１を引っ張る。それによって、超音波振動子１０の駆動突起６０がロータ２００の外周部を押す。したがって、ゴム６００の収縮力を調整することによって、駆動突起６０がロータ２００を押す力を調整することができる。つまり、輪ゴムまたは線状のゴム６００の収縮力の調整によって、超音波振動子１０とロータ２００と間の当接力が調整される。なお、ゴム６００の収縮力は、押付力調整機構７００をその軸まわりに回転させて、ゴム６００の押付力調整機構７００に巻き付いている部分の長さを変化させることによって調整される。押付力調整機構７００は、ゴム６００に引っ張られる力によって自身が自然に回転しまうことを防止するための回転防止機構（図示せず）を装置の本体１０００内に備えている。したがって、作業員が、押付力調整機構７００を軸まわりに回転させてゴム６００の収縮力を調整した後、回転防止手段を操作することによって、円柱状の押付力調整機構７００がその軸まわりに自然に回転してしまうことが防止される。回転防止手段は、たとえば、ラチェット等の機構を利用するものであってもよい。また、押付力調整機構７００とそれが挿入されている装置の本体１０００の孔との間の摩擦力を利用して、円柱状の押付力調整機構７００が自然にその軸まわりに自然に回転してしまうことを防止する手法が採用されてもよい。なお、押付力調整機構７００とゴム６００とは、超音波振動子を被駆動体に押し付ける本発明の押付機構の一例である。押付機構は、超音波振動子を被駆動体に押し付けることができる機構であれば、いかなる機構であってもよい。
【００３８】
主板部２２の一方の端部のロータ２００側の表面には駆動突起６０が接着されている。駆動突起６０は、直径０．４ｍｍかつ長さ１．５ｍｍの円柱形状を有している。主板部２２の駆動突起６０が接着されている面とは反対側の面には、振動バランス突起６１が接着されている。振動バランス突起６１は、直径０．４ｍｍの円柱形状である。後述のように、振動バランス突起６１は、駆動突起６０の寸法と多少異なっていてもよいが、駆動突起６０の長さと略同一の長さを有していれば、最も良好な振動特性が得られる。また、駆動突起６０と振動バランス突起６１とが振動板２１を貫通する１つの部材からなっていてもよい。これによれば、駆動突起６０および振動バランス突起６１の製造が容易である。また、この場合に、駆動突起６０および振動バランス突起６１のそれぞれを構成する部分に他の部材が付加されていてもよい。
【００３９】
駆動突起６０は、その外周面においてロータ２００に接触している。駆動突起６０は、駆動突起６０とロータ２００との間に生じる摩擦力を利用して、超音波振動子１０の楕円運動をロータ２００に伝えるために設けられている。一方、振動バランス突起６１は、超音波振動子１０の面外方向（ｚ方向）の振動成分を低減するために設けられている。
【００４０】
駆動突起６０および振動バランス突起６１は、ロータ２００によって摩耗されないために、かつ、超音波振動子１０の対称性を良好に維持するために、アルミナセラミック等の主板部２２の組成とは異なる組成を有する材料からなることが好ましい。また、駆動突起６０および振動バランス突起６１は、主板部２２よりも高い硬度を有する材料からなることが好ましい。
【００４１】
駆動突起６０および振動バランス突起６１は、同一材料および同一形状を有していることが好ましい。また、駆動突起６０および振動バランス突起６１は、超音波振動子１０の厚さ方向において、振動板２１に対して鏡面対称に設けられていることが好ましい。この構成によれば、後述されるように、縦振動とたわみ振動とが共振している状態において、主板部２２のｘｙ平面についての面外方向における振動の成分は最小になり、主板部２２のｘｙ平面についての面内方向における縦振動およびたわみ振動のそれぞれ振幅が最大になる。
【００４２】
次に、図３〜図８を用いて、本実施の形態の超音波振動子１０の駆動方法が説明される。超音波振動子１０が駆動されるときには、所定の信号が、外部に設けられた制御装置（図示せず）から電極４０、４１、４２、４３および４４へ入力される。なお、振動板２１の一方の主表面側に位置づけられた電極４０、４１、４２、４３および４４に入力される信号（印加電圧）は、振動板２１の他方の主表面に取り付けられた電極４０、４１、４２、４３および４４に入力される信号（印加電圧）に対して鏡面対称に入力される。
【００４３】
図３に示されるように、電極４０と電極４１とは、結線されており、同一の信号（φ１）が入力される。電極４２と電極４３とは、結線されており、同一の信号(φ２)が入力される。したがって、電極４０、４１、４２、４３に入力される信号は、図４に示されるように、４つのモード（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）を有している。また、図５に示されるように、電極４０および電極４１に入力される信号（ｉ）と、電極４２および電極４３に入力される信号（ii）とは、その位相において９０°のずれを有しているが、同一の振幅および周波数を有している。
【００４４】
上述の超音波振動子１０の主板部２２は、図６に示される１次縦振動および図７に示される２次たわみ振動との組み合わせの振動を行う。図６に示される縦振動によれば、振動板２１の主板部２２は、白抜き矢印で示されるように、長辺方向において、(i)押し縮められたり、(ii)初期状態に戻ったり、(iii)引き伸ばされたりする。それにより、駆動突起６０は長辺方向に振動する。一方、図７に示されるたわみ振動においては、振動板２１は、(i)一のＳ字形状から、(ii)初期状態を経て、(i)一のＳ字形状に鏡面対称な(iii)他のＳ字形状へ変化し、その後、(iii)他のＳ字形状から、(ii)初期状態を経て、(iii)他のＳ字形状に鏡面対称な(i)一のＳ字形状へ変化する動作を繰り返す。それにより、図７において白抜き矢印で示されるように、駆動突起６０は短辺方向において振動する。
【００４５】
縦振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧が、電極４０、４１、４２および４３のそれぞれに同位相で印加されると、主板部２２は、図６において白抜き矢印で示される方向において、縦振動を行う。また、屈曲振動の共振周波数と同一の周波数で変化する電圧が、電極４０および４１に印加され、電極４０および４１と同一の周波数かつ逆位相の電圧が電極４２および４３に印加されると、主板部２２は、図７において白抜き矢印で示されるように、たわみ振動を行う。なお、２つの電極４４のそれぞれには、常に基準電位（０ｖ）が与えられている。
【００４６】
図６に示される縦振動の共振周波数と、図７に示されるたわみ振動の共振周波数が略一致している振動板２１において、縦振動の共振周波数およびたわみ振動の共振周波数と同一周波数の電圧が電極４０および４１に同位相で印加され、電極４０および４１と同一周波数であって、かつ位相が＋９０°だけずれた電圧が電極４２および４３に印加される。それにより、超音波振動子１０の縦振動およびたわみ振動が同時に生じる。その結果、駆動突起６０が図１に矢印Ｅ１で示されるように楕円運動する。
【００４７】
また、電極４２および４３に、電極４０および４１と同一周波数であってかつ位相が−９０°だけずれた電圧が印加されると、図１に矢印Ｅ１で示された方向とは逆方向に楕円運動が生じる。また、ある一方向に楕円運動している状態で、電極４０、４１および電極４２、４３に入力されている電圧のいずれか一方の位相が１８０°だけ変化すれば、駆動突起６０の楕円運動の回転方向が反転するため、それに接するロータ２００の回転方向も反転する。
【００４８】
ここで、振動バランス突起６１の効果が説明される。図８は、超音波モータ１の１次縦振動モードの変形形状を示す。また、図９は、超音波モータ１の２次たわみ振動モードの変形形状を示す。図８および図９に示される振動モードは、いずれも、振動バランス突起６１が駆動突起６０の半分の長さを有する場合における振動モードである。
【００４９】
図８および図９に示されたように、前述のような振動バランス突起６１の長さが駆動突起６０の長さと同一でない長さを有する場合には、超音波振動子１０の厚さ方向における形状が鏡面対称ではない。そのため、１次縦振動および２次たわみ振動のいずれもが、超音波振動子１０はｚ方向における振動成分を有する。超音波振動子１が振動バランス突起６１を有しない場合、または、駆動突起６０と振動バランス突起６１とが非対称に設けられている場合には、超音波振動子１の振動はｚ方向における成分を有する。
【００５０】
図１０の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、（振動バランス突起６１の長さ／駆動突起６０の長さ）と長辺方向の振幅との関係、（振動バランス突起６１の長さ／駆動突起６０の長さ）と短辺方向の振幅との関係、および、（振動バランス突起６１の長さ／駆動突起６０の長さ）と厚さ方向の振幅との関係についての周波数２４０ｋＨｚにける有限要素法シミュレーション結果を示すグラフである。要するに、図１０（ａ）〜（ｃ）のすべてのグラフにおいて、横軸は振動バランス突起６１の長さと駆動突起６０の長さとの比を示している。また、図１０は、振幅２４ｖの正弦波信号を電極４０および４１に与えるとともに、電極４０および４１に与えられている正弦波信号から９０度だけ位相がずれた正弦波信号を電極４２および４３に与えた場合の超音波振動子の振幅を算出したときのシミュレーション結果を示している。なお、正弦波信号の周波数は、縦振動およびたわみ振動の共振周波数と略一致している。
【００５１】
図１０の（ａ）および（ｂ）から、振動バランス突起６１の長さが駆動突起６０の長さよりも短い場合には、振動バランス突起６１が長くなるにつれて、長辺方向および横方向のそれぞれの振幅が大きくなることが分かる。また、図１０（ａ）および（ｂ）から、振動バランス突起６１の長さが駆動突起６０の長さと一致する場合に長辺方向および横方向のそれぞれの振幅が最大値となることが分かる。さらに、図１０（ａ）および（ｂ）から、振動バランス突起６１が駆動突起６０の長さよりも長くなると、長辺方向および横方向のそれぞれの振幅は小さくなっていくことも分かる。
【００５２】
一方、図１０の（ｃ）から、振動バランス突起６１の長さが駆動突起６０の長さよりも短い場合には、振動バランス突起６１の長さが長くなるにつれ、厚さ方向における振動板２１の振幅が小さくなっていくことが分かる。また、図１０の（ｃ）から、振動バランス突起６１の長さが駆動突起６０の長さと一致する場合に、振動板２１の厚さ方向における振幅が最小値になることが分かる。さらに、図１０の（ｃ）から、振動バランス突起６１が駆動突起６０の長さよりも長くなると、振動板２１の厚さ方向における振幅が大きくなっていくことも分かる。
【００５３】
振動板２１の長辺方向における振幅および短辺方向における振幅は、それぞれ、ロータ２００の駆動に寄与する。したがって、図１０の（ａ）〜（ｃ）から、振動バランス突起６１が、駆動突起６０より短い場合には、振動バランス突起６１が長くなるにつれて、超音波振動子１０の効率は向上することが分かる。さらに、振動バランス突起６１と駆動突起６０の長さとが一致すれば、超音波振動子１０の効率は最も高いことが分かる。
【００５４】
振動バランス突起６１が超音波振動子１０に設けられていない場合、つまり、図１０の（ａ）〜（ｃ）において、横軸の値がゼロである場合には、超音波振動子１０の厚さ方向の形状が非対称になっている。このように、超音波振動子１０が厚さ方向において非対称な構造を有する場合には、縦振動モードおよびたわみ振動モードが厚さ方向において非対称になる。そのため、超音波振動子１０の位置Ｓは厚さ方向における振動成分を有する。
【００５５】
しかしながら、駆動突起６０に起因して生じる振動板２１の厚さ方向における超音波振動子１０の振動の少なくとも一部が、振動バランス突起６１に起因して生じる振動板２１の厚さ方向における超音波振動子１０の振動によって相殺されるように、振動バランス突起６１が超音波振動子１０に設けられていれば、超音波振動子１０の位置Ｓにおける厚さ方向の振幅が小さくなる。また、振動バランス突起６１の長さが駆動突起６０の長さと一致するときに、超音波振動子１０は、厚さ方向において完全に鏡面対称になる。そのため、縦振動およびたわみ振動の厚さ方向における振動の振幅は最小となる。
【００５６】
さらに、振動バランス突起６１が駆動突起６０よりも長くなることによって、超音波振動子１０の厚さ方向における構造が対称でなくなると、振動板２１の厚さ方向における振動の成分が生じる。さらに、振動バランス突起６１の長さが長くなれば、厚さ方向における振動板２１の振幅が徐々に増加していく。
【００５７】
本実施の形態の超音波モータ１においては、上述の形状および寸法の振動バランス突起６１が採用されているが、超音波モータ１の厚さ方向における振動の振幅を低減させることによって超音波モータ１を高い効率で駆動させることができるのであれば、振動バランス突起６１の形状および寸法は前述のものに限定されない。
【００５８】
（実施の形態２）
次に、図１１および１２を用いて、本発明の実施の形態２の超音波モータ２を説明する。図１１および１２に示されるように、超音波モータ２は、超音波振動子１０とロータ２０１とを備えている。なお、本実施の形態においては、実施の形態１に示された超音波モータ１の構成要素と同一構成および同一の機能を有する超音波モータ２の構成要素には同一参照符号が付されており、特に必要がなければ、その説明は繰り返さない。
【００５９】
本実施の形態における超音波振動子１０は、実施の形態１において説明された超音波振動子１０と同一サイズおよび同一形状を有する振動板２１、電極４０、４１、４２、４３および４４を備えている。
【００６０】
ロータ２０１は、厚さ１．５ｍｍかつ外径１１ｍｍの円板形状をなしており、その中心部をロータ支持シャフト４００が貫通している。ロータ支持シャフト４００に支持部４０１（図示せず）が設けられており、ロータ２０１が支持部４０１上においてロータ支持シャフト４００の周囲に設けられているボールベアリングを利用してロータ支持シャフト４００まわりに回転する態様は、実施の形態１において述べられた態様と同様である。したがって、ロータ２０１は、ロータ支持シャフト４００および支持部４０１によって、図１および２におけるｘｙ面内方向においてｚ軸まわりに回転可能に支持されている。また、実施の形態２の超音波モータ２は、超音波振動子１０の支持用突出部３０は、支持用プレート３３０および３５０に挟まれた状態で、支持用シャフト３００、支持用プレート３３０および３５０に接触しながら、支持用シャフト３００まわりに回転することができる。したがって、超音波振動子１０の駆動突起６０をロータ２０１に押し付けることができる点において、実施の形態１の超音波モータ１と同様の構造を有している。
【００６１】
ロータ２０１は、その外周面と同心円に沿って形成されたリング状溝６３を備えている。リング状溝６３は、ロータ２０１の中心から半径５ｍｍの位置に外周面を有し、かつ、ロータ２０１の中心から半径４．４ｍｍの位置に内周面を有している。リング状溝６３の幅は０．６ｍｍであり、リング状溝６３の溝の深さは０．５ｍｍである。前述のリング状の溝６３の外周面と駆動突起６０とが接触しているいこと以外においては、本実施の形態の超音波モータ２と実施の形態１の超音波モータ１とは同様の構造を有している。なお、リング状の溝６３の外周面と駆動突起６０とが接触していている場合においても、同様の効果を得ることが可能である。
【００６２】
また、本発明の超音波モータは、超音波振動子１０がロータ２０１に接触しておりかつ所望の楕円振動を発生させるものであれば、いかなるものであってもよいため、以下の実施の形態に示される構造を有する超音波モータに限定されない。例えば、超音波振動子の大きさ、形状、および材料等は、本発明の目的を達成できかつ効果を得ることができるのであれば、いかなるものであってもよい。
【００６３】
本実施の形態の超音波モータ２は、超音波振動子１の駆動突起６０がロータ２０１のリング状溝６３の外周面と当接するように設けられている。ただし、駆動突起６０はリング状溝６３の外周面とのみ接し、リング状溝６３の底面および内周面には接しないように配置されている。
【００６４】
押付力調節用突出部３１には、輪ゴム６００が引っ掛けられている。なお、押付力調節用突出部３１に線状のゴム６００の一端が接着または結束されていてもよい。また、輪ゴム６００の他の端が、押付力調整機構７００の突出部７０１に引っ掛けられている。なお、線状のゴム６００の他端が押付力調整機構７００に接着もしくは結束されていてもよい。輪ゴムまたは線状のゴム６００は、その収縮力によって、押付力調整機構７００に向かって、押付力調節用突出部３１を引っ張る。それによって、超音波振動子１０の駆動突起６０がロータ２０１のリング状溝６３の外周部を押す。したがって、輪ゴムまたは線状のゴム６００の収縮力の調整によって、超音波振動子１０とロータ２０１との間の当接力が調整される。
【００６５】
次に、本実施の形態２の超音波モータ２の駆動方法を説明する。電極４０、４１、４２、４３および４４へ入力される信号は、実施の形態１の電極４０、４１、４２、４３および４４に入力される信号と同一である。つまり、電圧は、図４および図５に示される様態で、電極４０、４１、４２、４３および４４に印加される。上述のように、振動板２１は駆動突起６０を有している。駆動突起６０はロータ２０１のリング状溝６３の外周面に接触している。したがって、図４および図５に示される信号が電極４０、４１、４２、４３に入力されると、図１１の矢印Ｅ２で示されるように超音波振動子１０は楕円運動し、ロータ２０１は図１１の矢印Ｃ２で示される方向に回転する。
【００６６】
電極４０および電極４１に入力される信号および電極４２および電極４３に入力される信号のうちのいずれか一方の位相が１８０°だけ変化すると、超音波振動子１０に生じる楕円運動は図１１における矢印Ｅ２とは逆向きになるため、ロータ２０１は図１１における矢印Ｃ２とは逆向きに回転する。
【００６７】
（実施の形態３）
次に、図１３および図１４を用いて、本発明の実施の形態３の超音波モータ３を説明する。図１３および図１４に示されるように、超音波モータ３は、超音波振動子１２とロータ２０２とを備えている。なお、本実施の形態においては、実施の形態１に示された超音波モータ１の構成要素と同一構成および同一の機能を有する超音波モータ３の構成要素には同一参照符号が付され、その説明は繰り返さない。
【００６８】
本実施の形態における超音波振動子１２は、振動板２３を有しており、振動板２３は実施の形態１において説明された超音波振動子１の主板部２２、圧電素子５０、電極４０、４１、４２、４３および４４と同一サイズおよび同一の形状を有する主板部２２、圧電素子５０、電極４０、４１、４２、４３および４４を備えている。さらに、振動板２３は、主板部２２の長辺中心から延びる幅１ｍｍかつ長さ１．５ｍｍの支持押付力調節用突出部３３を有している。
【００６９】
支持押付力調節用突出部３３には、幅０．６ｍｍかつ長さ０．８ｍｍの長孔３４が設けられている。長孔３４の両端部分は半径０．３ｍｍの半円形状になっている。また、支持押付力調節用突出部３３には輪ゴム６００が引っ掛けられている。なお、支持押付力調節用突出部３３に線状のゴム６００の一端が接着または結束されていてもよい。また、輪ゴム６００の他端は、押付力調整機構７００の突出部７０１に引っ掛けられている。ただし、線状のゴム６００の他端が押付力調整機構７００に接着または結束されていてもよい。輪ゴムまたは線状のゴム６００は、その収縮力によって、押付力調整機構７００に向かって、支持押付力調節用突出部３３を引っ張る。それによって、超音波振動子１２の駆動突起６０がロータ２０２の外周面を押す。つまり、輪ゴムまたは線状のゴム６００の収縮力の調整によって、超音波振動子１２とロータ２０２との間の当接力が調整される。
【００７０】
ロータ２０２は、厚さ１．５ｍｍかつ外径１０ｍｍの円板形状をなしている。ロータ２０２の中心部をロータ支持シャフト４００が貫通している。ロータ支持シャフト４００に支持部４０１（図示せず）が設けられており、ロータ２０２が支持部４０１上でロータ支持シャフト４００および支持部４０１に接触しながら回転する態様は、実施の形態１において述べられた態様と同様である。したがって、ロータ２０２は、ロータ支持シャフト４００および突出部４０１によって、図３におけるｘｙ面内方向においてｚ軸まわりに回転可能に支持されている。
【００７１】
本実施の形態においては、ロータ支持シャフト４００は、ロータ２０２のみならず超音波振動子１２をも支持しており、超音波振動子１２は長孔３４を貫通するロータ支持シャフト４００に長孔３４が延びる方向以外の方向における移動が拘束されるように固定されている。したがって、超音波振動子１２をロータ支持シャフト４００に固定する構造としては、たとえば、ロータ支持シャフト４００の周面に設けられた互いに対向する２つの切込み溝に、支持押付力調節用突出部３３の長孔３４の２つの長辺の周辺部が嵌り込んでいる構造が考えられる。この構造によれば、支持押付力調節用突出部３３は、ロータ支持シャフト４００の切込み溝をレールとして、長孔３４が延びる方向に沿って移動することはできるが、長孔３４が延びる方向以外の方向においては移動することができない。また、図１３に示されるように、溝部を有する部材３４０がロータ支持シャフト４００の周面に互いに対向するように設けられており、その部材３４０の溝部に支持押付力調節用突出部３３の長孔３４の周辺部が挿入されている構造が採用されてもよい。この構造によれば、支持押付力調節用突出部３３は溝部を有する部材３４０をレールとして、長孔３４に沿って移動するが、長孔３４が延びる方向以外の方向においては移動することができない。
【００７２】
なお、本発明の超音波モータ３は、超音波振動子１２がロータ２０２に接触しておりかつ所望の楕円振動を発生させるものであれば、いかなるものであってもよいため、以下の実施の形態に示される構造を有する超音波モータに限定されない。例えば、超音波振動子の大きさ、形状、および材料等は、本発明の目的を達成できかつ効果を得ることができるのであれば、いかなるものであってもよい。
【００７３】
次に、本実施の形態３の超音波モータ３の駆動方法を説明する。
電極４０、４１、４２、４３および４４へ入力される信号は、実施の形態１の電極４０、４１、４２、４３および４４に入力される信号と同一である。つまり、電圧は、図４および図５に示される様態で、電極４０、４１、４２、４３および４４に印加される。上述のように、振動板２３は駆動突起６０を有している。駆動突起６０はロータ２０２の外周面に接触している。したがって、図４および図５に示される信号が電極４０、４１、４２、４３に入力されると、図１３における矢印Ｅ３で示されるように、超音波振動子１２は楕円運動し、ロータ２０２は図１３における矢印Ｃ３で示される方向に回転する。
【００７４】
電極４０および電極４１に入力される信号および電極４２および電極４３に入力される信号のいずれか一方の位相が１８０°だけ変化すると、超音波振動子１２に生じる楕円運動の方向は図１３における矢印Ｅ３とは逆向きになるため、ロータ２０２は図１３における矢印Ｃ３とは逆向きに回転する。
【００７５】
なお、前述の各実施の形態の超音波モータは、被駆動体の一例としてロータを備えているが、本発明の超音波モータは、リニアモータであって、被駆動体として、直線運動する可動子を備えていてもよい。直線運動する可動子が被駆動体として用いられる場合には、超音波振動子の駆動突起６０に接触する面は直線状に延びるように形成されていることが必要である。したがって、可動子の外周面と駆動突起とが接触する場合には、可動子の外周面は直線状に延びている必要があり、また、可動子の溝の側面と駆動突起とが接触する場合には、溝の側面が直線状に延びていることが必要である。
【００７６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】実施の形態１の超音波モータの平面図である。
【図２】実施の形態１の超音波モータの斜視図である。
【図３】実施の形態１の超音波振動子の分解斜視図である。
【図４】実施の形態１の超音波振動子の４つのモードを示す図である。
【図５】実施の形態１の超音波振動子の入力電圧の位相を示す図である。
【図６】実施の形態１の超音波振動子に生じるｘｙ面内における縦振動を示す図である。
【図７】実施の形態１の超音波振動子に生じるｘｙ面内におけるたわみ振動を示す図である。
【図８】実施の形態１の超音波振動子に縦振動に起因して生じる３次元変形形状を示す図である。
【図９】実施の形態１の超音波振動子にたわみ振動に起因して生じる３次元変形形状を示す図である。
【図１０】実施の形態１の超音波振動子の振動板の短辺における中心部に生じるｚ方向の振幅のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】実施の形態２の超音波モータの平面図である。
【図１２】実施の形態２の超音波モータの斜視図である。
【図１３】実施の形態３の超音波モータの平面図である。
【図１４】実施の形態３の超音波モータの斜視図である。
【図１５】特開２００５−２８７１０６号公報に示された超音波モータの概略平面図を示す。
【図１６】特開２００５−２８７１０６号公報に示された超音波モータの概略立面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１，２，３  超音波モータ、１０，１２  超音波振動子、２１，２３  振動板、３０  支持用突出部、３１  押付力調節用突出部、３２  孔、３３  支持押付力調節用突出部、３４  長孔、６０  駆動突起、６１  振動バランス突起、３００  振動子支持シャフト、４００  ロータ支持シャフト、７００  押付力調整機構、７０１  突出部。
【図１】
0004979017.tif 000002
【図２】
0004979017.tif 000003
【図３】
0004979017.tif 000004
【図４】
0004979017.tif 000005
【図５】
0004979017.tif 000006
【図６】
0004979017.tif 000007
【図７】
0004979017.tif 000008
【図８】
0004979017.tif 000009
【図９】
0004979017.tif 000010
【図１０】
0004979017.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0004979017.tif 000013
【図１３】
0004979017.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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