超音波モータ
【課題】板状圧電素子及び振動子の製造が容易で、製品の性能ばらつきが小さい超音波モータを提供すること。
【解決手段】縦・捻じり振動方式の超音波モータに次の振動体を具備させる。前記振動体は、板状圧電素子4a21を積層して形成された圧電層部4a2と、積層方向に対して垂直な面と所定の角度θを為す第１の傾斜面を備え、該第１の傾斜面全面で前記圧電層部4a2の一方端面と接する第１の弾性体4a1と、前記第１の傾斜面と平行な第２の傾斜面を備え、該第２の傾斜面全面で前記圧電層部4a2の他端面と接する第２の弾性体4a1’と、を具備し、前記板状圧電素子4a21は、外形面に対して垂直を為す面に電極膜を備え、前記圧電層部4a2には前記板状圧電素子4a21の積層方向に沿って貫通孔Hが設けられ、前記第１の弾性体4a1及び前記第２の弾性体4a1’には前記傾斜面に対して前記角度θを為す面に対して垂直な方向に沿って貫通孔H’が設けられている。
【解決手段】縦・捻じり振動方式の超音波モータに次の振動体を具備させる。前記振動体は、板状圧電素子4a21を積層して形成された圧電層部4a2と、積層方向に対して垂直な面と所定の角度θを為す第１の傾斜面を備え、該第１の傾斜面全面で前記圧電層部4a2の一方端面と接する第１の弾性体4a1と、前記第１の傾斜面と平行な第２の傾斜面を備え、該第２の傾斜面全面で前記圧電層部4a2の他端面と接する第２の弾性体4a1’と、を具備し、前記板状圧電素子4a21は、外形面に対して垂直を為す面に電極膜を備え、前記圧電層部4a2には前記板状圧電素子4a21の積層方向に沿って貫通孔Hが設けられ、前記第１の弾性体4a1及び前記第２の弾性体4a1’には前記傾斜面に対して前記角度θを為す面に対して垂直な方向に沿って貫通孔H’が設けられている。
【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電気機械変換素子を駆動源とする超音波振動子を用いた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超音波モータが注目されている。超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
【０００３】
（利点１）ギヤなしで高トルクが得られる。
【０００４】
（利点２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
【０００５】
（利点３）高分解能である。
【０００６】
（利点４）静粛性に富んでいる。
【０００７】
（利点５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【０００８】
ところで、このような超音波モータに関連する技術として、例えば特許文献１には次のような技術が開示されている。
【０００９】
すなわち、特許文献１には、振動子と、この振動子の高さ方向の一部を占めるように挟持される状態で、かつ、振動子の高さ方向に対して所定の傾斜を持たせて配置されるとともに、厚み方向に分極され各々分割電極を備えた１枚若しくは複数枚の板状圧電素子と、前記振動子に押圧接触させた被駆動体と、を有する縦・捻り振動方式の超音波モータが開示されている。
【００１０】
換言すれば、特許文献１に開示されている超音波モータでは、厚み方向に分極され各々分割電極を備えた一枚もしくは複数枚の板状圧電素子が所定の傾斜を持つように配置されて圧電体が構成され、この圧電体は弾性体の傾斜に平行に且つ振動子の高さ方向の一部を占めるように弾性体に挟持された状態にされている。つまり、特許文献１に開示されている超音波モータは、弾性体と圧電体とを各々傾斜した平面同士で当て付けて組み立てる構成の超音波モータである。
【特許文献１】特開平９−１１７１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、傾斜した平面同士を精度良く当て付けて位置決めしながら行う組み立て作業は、当然ながら非常に困難な作業となる。具体的には、特許文献１に開示されている超音波モータは、その製造上次のような困難性を有している。
【００１２】
第一に、板状圧電素子を、所定の傾斜角度を有する弾性体と平行に積層し且つ弾性体と一致する外形に構成する為に、電極膜形成面と外形面とが所定の傾斜角度を為すように形成する必要がある。この為、当然ながら板状圧電素子の製造難易度が高くなる。
【００１３】
第二に、振動子の形状を円柱形状とする場合には、板状圧電素子の電極膜形成面が楕円形状を呈するように構成する必要があり、この場合には更に板状圧電素子の製造難易度が高くなる。
【００１４】
第三に、弾性体の端面と圧電体（板状圧電素子）の端面とを高精度に位置決めしないと理想的な当てつけが実現しない。更に、弾性体の端面及び圧電体の端面それぞれの平面精度が良好である必要がある。この平面精度が悪い場合には、接触部の面積が変化して振動の伝達に支障が出てしまい性能のばらつきに繋がる。つまり、振動子の製造難易度が高くなる。
【００１５】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、板状圧電素子及び振動子の製造が容易で、製品の性能ばらつきが小さい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】
【００１６】
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、圧電層の伸縮振動を利用して、前記圧電層を含む振動体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記振動体の端面に設けられた駆動子に楕円運動を励起させて、前記駆動子によりロータを回転させる超音波モータであって、前記振動体は、電極膜が形成された板状圧電素子を積層して形成された圧電層と、前記板状圧電素子の積層方向に対して垂直な面と所定の傾斜角度を為す第１の傾斜面を備え、該第１の傾斜面全面において前記圧電層の一方端面と接する第１の弾性体と、前記第１の傾斜面と平行な第２の傾斜面を備え、該第２の傾斜面全面において前記圧電層の他方端面と接する第２の弾性体と、を具備し、前記板状圧電素子は、その外形面及び前記積層方向に対して垂直を為す面に前記電極膜を備え、前記圧電層は、前記板状圧電素子の積層方向に沿って設けられた貫通孔を備え、前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体は、前記第１の傾斜面及び前記第２の傾斜面に対して前記所定の傾斜角度を為す面に対して垂直な方向に沿って設けられた貫通孔を備える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、板状圧電素子及び振動子の製造が容易で、製品の性能ばらつきが小さい超音波モ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】
【００１８】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１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、本第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。図１において、一点鎖線を境に“Ａ側”は超音波モータの側面図であり、一点鎖線を境に“Ｂ側”は超音波モータの側面断面図である。
【００１９】
本第１実施形態に係る超音波モータは、押圧部２と、駆動子３と、振動体４と、中心軸シャフト６と、ロータ８と、を具備する縦・捻じり振動方式の超音波モータである。ここで、前記駆動子３、前記振動体４、及び前記ロータ８には前記中心軸シャフト６を挿入する為の貫通孔が設けられている。
【００２０】
前記押圧部２は、ロータ８の上部端面に配置されており、ナット２ａと、バネ２ｃと、を有する。前記押圧部２は、中心軸シャフト６に設けられた螺子山（不図示）を用いてナット２ａが回転させられてバネ２ｃが撓ませられることで、ロータ８を加圧する押圧力を生じる。
【００２１】
前記駆動子３は、振動体４の上部端面に接着固定されて設けられている。
【００２２】
前記振動体４は、圧電体部４ａと、周波数調整部４ｂと、を有する。前記圧電体部４ａと前記周波数調整部４ｂとは、前記中心軸シャフト６の挿入方向に関して一体となるように接着固定されている。
【００２３】
前記圧電体部４ａの詳細は後述する。前記周波数調整部４ｂは、前記圧電体部４ａの下部端面に例えば接着剤等により固定されており、後述する縦振動と捻り振動の共振周波数差を調整する部材である。具体的には、前記圧電体部４ａと、前記周波数調整部４ｂと、の間に形成される溝位置により、縦振動と捻り振動の共振周波数差が変化する。なお、縦振動と捻り振動の共振周波数は、押圧部２により規定されるロータ８の接触圧力により一致させることができる。
【００２４】
前記中心軸シャフト６は、振動体４の縦振動の節部（前記周波数調整部４ｂ）において例えば螺子等により固定される。また、前記中心軸シャフト６は、ロータ８及び押圧部２の中心位置決めの機能を担っている。
【００２５】
前記ロータ８は、押圧部２により加圧された状態で、駆動子３を介して振動体４により軸方向に回転自在に所定の加圧力（適正力）で押圧される。
【００２６】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの特徴部の一つである前記圧電体部４ａの構成について詳細に説明する。図２は、圧電体部４ａの一構成例を示す側面断面図である。
【００２７】
図２に示すように、圧電体部４ａは、弾性体部４ａ１，４ａ１´と、圧電層部４ａ２と、を備える。図３は、圧電層部４ａ２の一構成例を示す図である。前記圧電層部４ａ２は、圧電的に分極された内部電極を備える板状圧電素子４ａ２１が積層されて形成され、その上下端面を弾性体部４ａ１，４ａ１´により挟持されて構成されている。
【００２８】
詳細には、前記圧電層部４ａ２は、＋極の内部電極が設けられた板状圧電素子４ａ２１と、−極の内部電極が設けられた板状圧電素子４ａ２１と、が交互に積層されて構成されている。このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００２９】
なお、図３においては貫通孔Ｈを断面円形形状の穴部として示しているが、断面四角形状等の他の断面形状の孔部として設けても勿論よい。
【００３０】
前記板状圧電素子４ａ２１は、内部電極としての電極膜が形成された内部電極形成面Ｚと、外形面（側面）Ｙと、が直角を為すように形成されている。そして、この板状圧電素子４ａ２１が、その厚み方向（垂直方向）に積層されて、前記圧電層部４ａ２が構成されている。ここで、前記圧電層部４ａ２は、前記板状圧電素子４ａ２１の内部電極形成面Ｚにおける中央部に対応する位置に、当該板状圧電素子４ａ２１を積層方向に貫通する貫通孔Ｈが設けられている。前記板状圧電素子４ａ２１の材質は、例えば、厚さ１００μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（所謂ＰＺＴ）系圧電セラミックス素子である。
【００３１】
図４は、圧電層部４ａ２における内部電極及び外部電極の配置例を示す図である。前記板状圧電素子４ａ２１における前記内部電極形成面Ｚには、駆動用内部電極１４Ａと、振動検出用内部電極１４Ｂと、が設けられている。これら内部電極の材質としては、例えば、厚さ４μｍの銀パラジウム合金を挙げることができる。
【００３２】
図４に示すように、前記駆動用内部電極１４Ａ及び振動検出用内部電極１４Ｂの各々について、それぞれ同種の内部電極同士を互いに電気的に接続して短絡する外部電極として、＋極の外部電極１５ａと、−極の外部電極１５ｂと、が当該圧電層部４ａ２の外形面（側面）に設けられている。ここで、＋極の外部電極１５ａと−極の外部電極１５ｂとの間に高電圧が印加されることで、この高電圧が印加された外部電極に接続された内部電極が圧電的に活性化されて分極される。
【００３３】
上述したような構成を採り、前記駆動用内部電極１４Ａに適切な電圧を印加することで、振動体４には縦一次振動及び捻り二次振動が生じる。この縦振動と捻り振動とが合成された振動によって、振動体４とロータ８との接触部には楕円振動が生じる。この楕円振動によりロータ８が回転する。なお、当該超音波モータの駆動の為の電圧印加方法については公知の技術である為、ここでは説明を省略する。
【００３４】
ところで、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´は、次のように形成されている。すなわち、前記圧電層部４ａ２との接触面と、当該弾性体部４ａ１，４ａ１´の外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図２に示すθ）を為すように形成されている。換言すれば、前記弾性体部４ａ１は、前記板状圧電素子４ａ２１の積層方向に対して垂直な面と所定の傾斜角度を為す第１の傾斜面を備え、該第１の傾斜面全面において前記圧電層４ａ２の一方端面と接する。同様に、前記弾性体部４ａ１´は、前記第１の傾斜面と平行な第２の傾斜面を備え、該第２の傾斜面全面において前記圧電層部４ａ２の他方端面と接する。
【００３５】
例えば、円柱形状の弾性体を、前記圧電層部４ａ２と接する面と、外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図２に示すθ）を為すように切断して２つに分割することで、弾性体部４ａ１，４ａ１´を製造することができる。ここで、図１及び図２に示すように、前記圧電層部４ａ２と、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´と、はその接触面同士が互いに平行を為し且つ当該接触面全面で接触するように当て付けられている。
【００３６】
ところで、図２乃至図４に示すように、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´には、前記中心軸シャフト６を挿入する為の貫通孔Ｈ´が設けられている。同様に、前記圧電層部４ａ２には、前記中心軸シャフト６を挿入する為の貫通孔Ｈが設けられている。
【００３７】
換言すれば、前記圧電層部４ａ２には、前記板状圧電素子４ａ２１の積層方向に沿って貫通孔Ｈが設けられている。また、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´には、前記第１の傾斜面及び前記第２の傾斜面に対して前記所定の傾斜角度（図２に示すθ）を為す面に対して垂直な方向に沿って貫通孔Ｈ´が設けられている。
【００３８】
このように形成された貫通孔Ｈ，Ｈ´に挿入された前記中心軸シャフト６は、振動体４における縦振動の節の位置で例えば螺子等により固定されている。
【００３９】
上述したように前記弾性体部４ａ１は、前記圧電層部４ａ２との接触面と、当該弾性体部４ａ１の外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図２に示すθ）を為すように形成されている。これにより、前記中心軸シャフト６の軸方向（長手方向）と、圧電層部４ａ２に設けられた貫通孔Ｈ´の軸方向（圧電層部４ａ２の厚み方向）と、は平行を為さない。
【００４０】
そして、前記弾性体部４ａ１に設けられた貫通孔Ｈ´、及び前記圧電層部４ａ２に設けられた貫通孔Ｈに挿入された中心軸シャフト６は、圧電層部４ａ２における貫通孔Ｈ´を形成する面（内径面）に対して、図２、図５Ａ及び図５Ｂに示すように互いに対向する２点（図２、図５Ａ、及び図５Ｂに示す接点ｔ）において接触する。この接点ｔにより、中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２とが、圧電層部４ａ２の面上方向（図５Ａ及び図５Ｂに矢印Ｃで示す方向）に関しての位置決めが為される。上述したように、本第１実施形態に係る超音波モータにおいては、前記圧電層部４ａ２の外径は、内径基準で決定されている。なお、図５Ａは、貫通孔Ｈ´を断面楕円形状で圧電層部４ａ２に形成した場合の圧電層部４ａ２の上面図の一例を示す図である。図５Ｂは、貫通孔Ｈ´を断面正方形状で圧電層部４ａ２に形成した場合の圧電層部４ａ２の上面図の一例を示す図である。
【００４１】
以上説明したように、本第１実施形態によれば、板状圧電素子及び振動子の製造が容易で、製品の性能ばらつきが小さい超音波モータを提供することができる。具体的には、例えば次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００４２】
・圧電層部４ａ２は、板状圧電素子４ａ２１を厚み方向に垂直に積層することで製作可能であるため、従来の圧電体と比較して、加工・製造共に容易であり、結果的に低コストに繋がる。
【００４３】
・圧電層部４ａ２の形状は単純な円形形状もしくは方形形状である為、その上下端面の平行度、平面度を高精度に加工することが容易である（通常の加工工程のみで加工可能であり、特殊な治具等は不要である）。
【００４４】
・従来の圧電体と比較して容易に加工・製造可能な圧電層部４ａ２を使用し、弾性体部４ａ１の高さ方向の傾斜（外形面（側面）に対して所定の傾斜角度θで切断した切断面の傾斜）に合わせて傾けて組立を行うことで、組立工数を削減し且つ低コストを実現できる。
【００４５】
・圧電層部４ａ２の組み立ては内径基準で行うが、従来技術とは異なり中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２の貫通孔Ｈとの接触面積が非常に小さい為、仮に中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２とが接触しても振動体４の振動を阻害することが殆ど無く、接触に起因する異音も殆ど発生しない。
【００４６】
・圧電層部４ａ２の貫通孔Ｈの面精度を、軸方向の側面全てに渡って高精度にする必要が無くなる為、加工が容易となり低コストにも繋がる。
【００４７】
・圧電層部４ａ２を弾性体部４ａ１の高さ方向の傾斜に合わせて傾けて組立を行うことで、組立工数の削減且つ低コストを実現することができる。
【００４８】
本第１実施形態は上述した態様に限定されるものではなく、例えば次のような変形及び応用が可能である。
【００４９】
[第１変形例]
前記圧電層部４ａ２の形状及び前記圧電層部４ａ２に設ける貫通孔Ｈの形状を、例えば図６に示す形状にしてもよい。すなわち、断面円板形状の板状圧電素子４ａ２１を積層して円柱形状の圧電層部４ａ２を構成してもよいし、断面正方形状の板状圧電素子４ａ２１を積層して四角柱形状の圧電層部４ａ２を構成してもよい。また、貫通孔Ｈは、断面円形形状の貫通孔Ｈとしてもよいし、断面正方形状の貫通孔Ｈとしてもよい。
【００５０】
例えば、断面円板形状の板状圧電素子４ａ２１を積層して円柱形状の圧電層部４ａ２を構成し且つ断面円形形状の貫通孔Ｈを設けた場合には、圧電層部４ａ２は図７に示すような外観となる。
【００５１】
[第２変形例]
前記圧電体部４ａを構成する圧電層部４ａ２を複数設けてもよい。図８は、本第２変形例に係る超音波モータの圧電体部の一構成例を示す図である。すなわち、本第２変形例に係る超音波モータの圧電体部４ａでは、例えば図８に示すように、圧電層部４ａ２，４ａ２´により弾性体部４ａ１´´を挟持し、これら圧電層部４ａ２，４ａ２´´を弾性体部４ａ１，４ａ１´で挟持する。
【００５２】
詳細には、弾性体部４ａ１´´は、前記圧電層部４ａ２との接触面と、当該弾性体部４ａ１´´の外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図８に示すθ１）を為すように形成されている。例えば、円柱形状の弾性体を、前記圧電層部４ａ２と接する面と、外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図８に示すθ１）を為すように切断することで、弾性体部４ａ１´´を製造することができる。
【００５３】
ここで、前記圧電層部４ａ２と前記弾性体部４ａ１´´とは、その接触面同士が互いに平行を為し且つ当該接触面全面で接触するように当て付けられている。同様に、前記圧電層部４ａ２と、前記弾性体部４ａ１と、はその接触面同士が互いに平行を為し且つ全面で接触するように当て付けられている。
【００５４】
ところで、前記弾性体部４ａ１´´のうち前記４ａ２´と接触する面は、当該弾性体部４ａ１´´の外形面（側面）に対して垂直な面に対して所定の傾斜角度（図８に示すθ２）を為すように形成されている。同様に、弾性体部４ａ１´は、前記圧電層部４ａ２´との接触面と、当該弾性体部４ａ１´の外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図８に示すθ２）を為すように形成されている。例えば、円柱形状の弾性体を、前記圧電層部４ａ２´と接する面と、外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図８に示すθ２）を為すように切断することで製造することができる。
【００５５】
ここで、前記圧電層部４ａ２´と前記弾性体部４ａ１´とは、その接触面同士が互いに平行を為し且つ当該接触面全面で接触するように当て付けられている。同様に、前記圧電層部４ａ２´と、前記弾性体部４ａ１´´と、はその接触面同士が互いに平行を為し且つ全面で接触するように当て付けられている。
【００５６】
なお、前記θ１、θ２は、圧電体部４ａの構成上最適化された傾斜角度である。
【００５７】
[第３変形例]
前記弾性体部４ａ１，４ａ１´に、図９及び図１０に示すような位置決め印４４を設けてもよい。この位置決め印４４は、当該圧電体部４ａの組み立て（弾性体部４ａ１，４ａ１´と圧電層部４ａ２との組み付け）時に利用する為の目印である。具体的には、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´に例えばスリット加工や溝加工を施すことにより、前記位置決め印４４を形成する。
【００５８】
より詳細には、前記位置決め印４４を、図９及び図１０に示すように弾性体４ａ１，４ａ１´の長径軸上もしくは長手軸上に設けることで、当該弾性体４ａ１，４ａ１´と前記圧電層部４ａ２が備える外部電極中心との位置決め（図９及び図１０に示す矢印Ｌ方向に関する位置決め）を容易にすることができる。
【００５９】
なお、上述したように円柱形状の弾性体を切断して弾性体４ａ１，４ａ１´を製造する場合には、当該切断前に前記位置決め印４４を設けておくことが好ましい。
【００６０】
このように前記位置決め印４４を設けることで、圧電層部４ａ２との位置決めを容易に行うことができ、且つ超音波モータの性能向上に寄与できる。また、圧電体部４ａに断面円形形状の貫通孔Ｈを設ける場合には、前記位置決め印４４の存在は特に有効となる。
【００６１】
［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。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を説明する。図１１は、本第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。図１１において、一点鎖線を境に“Ａ側”は超音波モータの側面図であり、一点鎖線を境に“Ｂ側”は超音波モータの側面断面図である。図１２Ａ乃至図１２Ｃは、本第２実施形態に係る超音波モータが具備する圧電層部４ａ２の一構成例を示す図である。
【００６２】
本第２実施形態に係る超音波モータと第１実施形態に係る超音波モータとの主な相違点は、前記圧電体部４ａが備える前記圧電層部４ａ２の構成である。
【００６３】
本第２実施形態に係る超音波モータでは、板状圧電素子４ａ２１の積層工程において、図１２Ａに示すように矢印Ｓで示される積層方向とは垂直を為す方向に、板状圧電素子４ａ２１を一定量ずつ同一の方向にずらして積層していく。そして、このように板状圧電素子４ａ２１を積層して構成した圧電層部４ａ２の上部端面における中央領域に相当する位置に、断面円形形状もしくは断面方形形状で当該圧電層部４ａ２を貫通する貫通孔Ｈを設ける。
【００６４】
ここで、貫通孔Ｈの径（圧電層部４ａ２の内径）は、図１２Ｃに示すように圧電層部４ａ２が実際に圧電体部４ａに組み付けられた際に、当該圧電層部４ａ２が中心軸シャフト６と接触しないような径である。
【００６５】
以下、前記圧電層部４ａ２の外径と、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´の外径と、の関係について、図１３Ａを参照して説明する。図１３Ａは、前記圧電層部４ａ２の外径と、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´の外径と、の関係の一例を示す模式図である。
【００６６】
ここで、図１３Ａにおいて矢印Ｍで示す方向は、図１１において矢印Ｍで示す方向と同一の方向である。また、図１３Ａにおいて矢印Ｎで示す方向は、矢印Ｍで示す方向と直角を為す方向である。
【００６７】
例えば図１３Ａに示すように、矢印Ｍで示す方向における一方端Ｄにおいて、圧電層部４ａの外形面と弾性体部４ａ１，４ａ１´の外形面とを一致させる。なお、圧電層部４ａ２の外径は、弾性体部４ａ１，４ａ１´の外径よりも小さい外径とする。
【００６８】
このような構成を採ることにより、矢印Ｍで示す方向及び矢印Ｎで示す方向に関して、圧電層部４ａの外形面が弾性体部４ａ１，４ａ１´の外形面よりも突出することが無い。つまり、圧電層部４ａ２を外径基準で構成する。
【００６９】
なお、例えば図１３Ｂに示すように圧電体部４ａ（弾性体部４ａ１，４ａ１´、及び圧電層部４ａ２）を断面正方形状に構成した場合にも、本第２実施形態を適用できることは勿論である。
【００７０】
以上説明したように、本第２実施形態によれば、第１実施に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、例えば次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００７１】
・圧電層部４ａ２に設ける貫通孔Ｈは、板状圧電素子４ａ２１の上部端面に対して垂直に形成すればよい為、当該貫通孔Ｈの形成加工が容易となる。
【００７２】
・圧電体部４ａの外径を基準として組立を行うことを前提に、圧電層部４ａ２の内径寸法及び公差を規定することで、中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２とが接触することが無くなる。
【００７３】
・圧電層部４ａ２の貫通孔Ｈ（内径）は、単純に中心軸シャフト６と接触しない程度に充分大きな径とすれば良い為、内径精度及び公差に高精度が求められない。つまり、製造が容易となる。
【００７４】
・中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２との接触がなくなることで、圧電体部４ａの振動が阻害されない。つまり、超音波モータの効率が向上する。
【００７５】
・中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２との接触がなくなることで、当該接触による異音が発生しない。
【００７６】
・外形基準で圧電層部４ａ２と弾性体部４ａ１，４ａ１´とを形成し、且つ圧電層部４ａ２の内径と中心軸シャフト６とが接触しないように圧電層部４ａ２に貫通孔Ｈを設けている為、中心軸シャフト６に圧電層部４ａ２から振動が伝導しない圧電体部４ａが実現する。
【００７７】
以上、第１実施形態及び第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。例えば、次のような応用例を挙げることができる。
【００７８】
[応用例]
前記第１実施形態に係る超音波モータと、本応用例に係る超音波モータと、の相違点は次の点である。
【００７９】
・前記周波数調整部４ｂを設けず、代わりに前記弾性体部４ａ１´に周波数調整の為の溝部を設ける。換言すれば、前記周波数調整部４ｂと前記弾性体部４ａ１´とを一体的に形成する。
【００８０】
・前記弾性体部４ａ１´に貫通孔Ｈ´を設けず、代わりに前記中心軸シャフト６を挿入する為の貫通孔が形成された軸部を設ける。
【００８１】
・前記弾性体部４ａ１´の前記軸部の先端近傍には螺子山を設ける。
【００８２】
・前記中心軸シャフト６の両端近傍には螺子山を設ける。
【００８３】
・前記弾性体部４ａ１´の軸部に形成した貫通孔に中心軸シャフト６を挿入し、且つ当該中心軸シャフト６に設けた螺子山を利用して、当該中心軸シャフト６を前記弾性体部４ａ１´に対して螺子固定する。なお、この螺子固定は、縦振動の節近傍において行う。
【００８４】
・前記弾性体部４ａ´の軸部に対して、圧電層部４ａ２、弾性体部４ａ１、及びナットを挿入し、該ナットを当該軸部に設けた螺子山に締め込んで、前記圧電層部４ａ２及び前記弾性体部４ａ１を圧縮固定することで、それらを弾性体部４ａ１´と一体的に固定する。
【００８５】
・前記ナットの上面には前記駆動子３を接着固定する。
【００８６】
・前記弾性体部４ａ１´の軸部に挿入した前記中心軸シャフト６に対して、ロータ８、バネ２ｃ、及びバネナットを挿入し、該バネナットを当該中心軸シャフト６に設けた螺子山に締め込んでバネ２ｃを圧縮してロータ８を駆動子３に押圧する。
【００８７】
本応用例によれば、前記第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、次の効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００８８】
すなわち、本応用例に係る超音波モータによれば、接着剤を用いることなくナットの締め込みにより圧電層部４ａ２及び弾性体部４ａ１，４ａ１´を固定するので、組み立て容易性をより向上させることができる。また、前記バネナットによる圧縮力を調整することで、当該超音波モータの性能の更なる向上を図ることが可能となる。
【００８９】
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、開示する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。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】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図。
【図２】圧電体部の一構成例を示す側面断面図。
【図３】圧電層部の一構成例を示す図。
【図４】圧電層部における内部電極及び外部電極の配置例を示す図。
【図５Ａ】貫通孔を断面楕円形状で圧電層部に形成した場合の圧電層部の上面図の一例を示す図である。
【図５Ｂ】貫通孔を断面正方形状で圧電層部に形成した場合の圧電層部の上面図の一例を示す図。
【図６】第１実施形態の第１変形例に係る超音波モータの圧電層部の形状及び貫通孔の形状を示す図。
【図７】円板形状の板状圧電素子を積層して円柱形状の圧電層部を構成し、且つ該圧電層部に断面円形形状の貫通孔を設けた場合の内部電極及び外部電極の配置例を示す図。
【図８】第１実施形態の第２変形例に係る超音波モータの圧電体部の一構成例を示す図。
【図９】第１実施形態の第３変形例に係る超音波モータの圧電体部の一構成例を示す図。
【図１０】第１実施形態の第３変形例に係る超音波モータの圧電体部の一構成例を示す図。
【図１１】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図。
【図１２Ａ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電層部一構成例を示す図。
【図１２Ｂ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電層部一構成例を示す図。
【図１２Ｃ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電層部一構成例を示す図。
【図１３Ａ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電体層部の外径と、弾性体部の外径と、の関係の一例を示す模式図。
【図１３Ｂ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電体層部の外径と、弾性体部の外径と、の関係の一例を示す模式図。
【符号の説明】
【００９１】
Ｈ，Ｈ´…貫通孔、 ２…押圧部、 ２ａ…ナット、 ２ｃ…バネ、 ３…駆動子、 ４…振動体、 ４ａ…圧電体部、 ４ｂ…周波数調整部、 ４ａ１，４ａ１´…弾性体部、 ４ａ２…圧電層部、 ４ａ２１…板状圧電素子、 ６…中心軸シャフト、 ８…ロータ、 １４Ａ…駆動用内部電極、 １４ａ…振動検出用内部電極、 １５ａ，１５ｂ…外部電極、 ４４…位置決め印。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば圧電素子等の電気機械変換素子を駆動源とする超音波振動子を用いた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超音波モータが注目されている。超音波モータは、従来の電磁型モータに比べ以下のような利点を有している。
【０００３】
（利点１）ギヤなしで高トルクが得られる。
【０００４】
（利点２）電気ＯＦＦ時に保持力がある。
【０００５】
（利点３）高分解能である。
【０００６】
（利点４）静粛性に富んでいる。
【０００７】
（利点５）磁気的ノイズを発生せず、また、ノイズの影響も受けない。
【０００８】
ところで、このような超音波モータに関連する技術として、例えば特許文献１には次のような技術が開示されている。
【０００９】
すなわち、特許文献１には、振動子と、この振動子の高さ方向の一部を占めるように挟持される状態で、かつ、振動子の高さ方向に対して所定の傾斜を持たせて配置されるとともに、厚み方向に分極され各々分割電極を備えた１枚若しくは複数枚の板状圧電素子と、前記振動子に押圧接触させた被駆動体と、を有する縦・捻り振動方式の超音波モータが開示されている。
【００１０】
換言すれば、特許文献１に開示されている超音波モータでは、厚み方向に分極され各々分割電極を備えた一枚もしくは複数枚の板状圧電素子が所定の傾斜を持つように配置されて圧電体が構成され、この圧電体は弾性体の傾斜に平行に且つ振動子の高さ方向の一部を占めるように弾性体に挟持された状態にされている。つまり、特許文献１に開示されている超音波モータは、弾性体と圧電体とを各々傾斜した平面同士で当て付けて組み立てる構成の超音波モータである。
【特許文献１】特開平９−１１７１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、傾斜した平面同士を精度良く当て付けて位置決めしながら行う組み立て作業は、当然ながら非常に困難な作業となる。具体的には、特許文献１に開示されている超音波モータは、その製造上次のような困難性を有している。
【００１２】
第一に、板状圧電素子を、所定の傾斜角度を有する弾性体と平行に積層し且つ弾性体と一致する外形に構成する為に、電極膜形成面と外形面とが所定の傾斜角度を為すように形成する必要がある。この為、当然ながら板状圧電素子の製造難易度が高くなる。
【００１３】
第二に、振動子の形状を円柱形状とする場合には、板状圧電素子の電極膜形成面が楕円形状を呈するように構成する必要があり、この場合には更に板状圧電素子の製造難易度が高くなる。
【００１４】
第三に、弾性体の端面と圧電体（板状圧電素子）の端面とを高精度に位置決めしないと理想的な当てつけが実現しない。更に、弾性体の端面及び圧電体の端面それぞれの平面精度が良好である必要がある。この平面精度が悪い場合には、接触部の面積が変化して振動の伝達に支障が出てしまい性能のばらつきに繋がる。つまり、振動子の製造難易度が高くなる。
【００１５】
本発明は、前記の事情に鑑みてなされたものであり、板状圧電素子及び振動子の製造が容易で、製品の性能ばらつきが小さい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】
【００１６】
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、圧電層の伸縮振動を利用して、前記圧電層を含む振動体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記振動体の端面に設けられた駆動子に楕円運動を励起させて、前記駆動子によりロータを回転させる超音波モータであって、前記振動体は、電極膜が形成された板状圧電素子を積層して形成された圧電層と、前記板状圧電素子の積層方向に対して垂直な面と所定の傾斜角度を為す第１の傾斜面を備え、該第１の傾斜面全面において前記圧電層の一方端面と接する第１の弾性体と、前記第１の傾斜面と平行な第２の傾斜面を備え、該第２の傾斜面全面において前記圧電層の他方端面と接する第２の弾性体と、を具備し、前記板状圧電素子は、その外形面及び前記積層方向に対して垂直を為す面に前記電極膜を備え、前記圧電層は、前記板状圧電素子の積層方向に沿って設けられた貫通孔を備え、前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体は、前記第１の傾斜面及び前記第２の傾斜面に対して前記所定の傾斜角度を為す面に対して垂直な方向に沿って設けられた貫通孔を備える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、板状圧電素子及び振動子の製造が容易で、製品の性能ばらつきが小さい超音波モ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】
【００１８】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１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、本第１実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。図１において、一点鎖線を境に“Ａ側”は超音波モータの側面図であり、一点鎖線を境に“Ｂ側”は超音波モータの側面断面図である。
【００１９】
本第１実施形態に係る超音波モータは、押圧部２と、駆動子３と、振動体４と、中心軸シャフト６と、ロータ８と、を具備する縦・捻じり振動方式の超音波モータである。ここで、前記駆動子３、前記振動体４、及び前記ロータ８には前記中心軸シャフト６を挿入する為の貫通孔が設けられている。
【００２０】
前記押圧部２は、ロータ８の上部端面に配置されており、ナット２ａと、バネ２ｃと、を有する。前記押圧部２は、中心軸シャフト６に設けられた螺子山（不図示）を用いてナット２ａが回転させられてバネ２ｃが撓ませられることで、ロータ８を加圧する押圧力を生じる。
【００２１】
前記駆動子３は、振動体４の上部端面に接着固定されて設けられている。
【００２２】
前記振動体４は、圧電体部４ａと、周波数調整部４ｂと、を有する。前記圧電体部４ａと前記周波数調整部４ｂとは、前記中心軸シャフト６の挿入方向に関して一体となるように接着固定されている。
【００２３】
前記圧電体部４ａの詳細は後述する。前記周波数調整部４ｂは、前記圧電体部４ａの下部端面に例えば接着剤等により固定されており、後述する縦振動と捻り振動の共振周波数差を調整する部材である。具体的には、前記圧電体部４ａと、前記周波数調整部４ｂと、の間に形成される溝位置により、縦振動と捻り振動の共振周波数差が変化する。なお、縦振動と捻り振動の共振周波数は、押圧部２により規定されるロータ８の接触圧力により一致させることができる。
【００２４】
前記中心軸シャフト６は、振動体４の縦振動の節部（前記周波数調整部４ｂ）において例えば螺子等により固定される。また、前記中心軸シャフト６は、ロータ８及び押圧部２の中心位置決めの機能を担っている。
【００２５】
前記ロータ８は、押圧部２により加圧された状態で、駆動子３を介して振動体４により軸方向に回転自在に所定の加圧力（適正力）で押圧される。
【００２６】
以下、本第１実施形態に係る超音波モータの特徴部の一つである前記圧電体部４ａの構成について詳細に説明する。図２は、圧電体部４ａの一構成例を示す側面断面図である。
【００２７】
図２に示すように、圧電体部４ａは、弾性体部４ａ１，４ａ１´と、圧電層部４ａ２と、を備える。図３は、圧電層部４ａ２の一構成例を示す図である。前記圧電層部４ａ２は、圧電的に分極された内部電極を備える板状圧電素子４ａ２１が積層されて形成され、その上下端面を弾性体部４ａ１，４ａ１´により挟持されて構成されている。
【００２８】
詳細には、前記圧電層部４ａ２は、＋極の内部電極が設けられた板状圧電素子４ａ２１と、−極の内部電極が設けられた板状圧電素子４ａ２１と、が交互に積層されて構成されている。このような積層化には接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００２９】
なお、図３においては貫通孔Ｈを断面円形形状の穴部として示しているが、断面四角形状等の他の断面形状の孔部として設けても勿論よい。
【００３０】
前記板状圧電素子４ａ２１は、内部電極としての電極膜が形成された内部電極形成面Ｚと、外形面（側面）Ｙと、が直角を為すように形成されている。そして、この板状圧電素子４ａ２１が、その厚み方向（垂直方向）に積層されて、前記圧電層部４ａ２が構成されている。ここで、前記圧電層部４ａ２は、前記板状圧電素子４ａ２１の内部電極形成面Ｚにおける中央部に対応する位置に、当該板状圧電素子４ａ２１を積層方向に貫通する貫通孔Ｈが設けられている。前記板状圧電素子４ａ２１の材質は、例えば、厚さ１００μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（所謂ＰＺＴ）系圧電セラミックス素子である。
【００３１】
図４は、圧電層部４ａ２における内部電極及び外部電極の配置例を示す図である。前記板状圧電素子４ａ２１における前記内部電極形成面Ｚには、駆動用内部電極１４Ａと、振動検出用内部電極１４Ｂと、が設けられている。これら内部電極の材質としては、例えば、厚さ４μｍの銀パラジウム合金を挙げることができる。
【００３２】
図４に示すように、前記駆動用内部電極１４Ａ及び振動検出用内部電極１４Ｂの各々について、それぞれ同種の内部電極同士を互いに電気的に接続して短絡する外部電極として、＋極の外部電極１５ａと、−極の外部電極１５ｂと、が当該圧電層部４ａ２の外形面（側面）に設けられている。ここで、＋極の外部電極１５ａと−極の外部電極１５ｂとの間に高電圧が印加されることで、この高電圧が印加された外部電極に接続された内部電極が圧電的に活性化されて分極される。
【００３３】
上述したような構成を採り、前記駆動用内部電極１４Ａに適切な電圧を印加することで、振動体４には縦一次振動及び捻り二次振動が生じる。この縦振動と捻り振動とが合成された振動によって、振動体４とロータ８との接触部には楕円振動が生じる。この楕円振動によりロータ８が回転する。なお、当該超音波モータの駆動の為の電圧印加方法については公知の技術である為、ここでは説明を省略する。
【００３４】
ところで、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´は、次のように形成されている。すなわち、前記圧電層部４ａ２との接触面と、当該弾性体部４ａ１，４ａ１´の外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図２に示すθ）を為すように形成されている。換言すれば、前記弾性体部４ａ１は、前記板状圧電素子４ａ２１の積層方向に対して垂直な面と所定の傾斜角度を為す第１の傾斜面を備え、該第１の傾斜面全面において前記圧電層４ａ２の一方端面と接する。同様に、前記弾性体部４ａ１´は、前記第１の傾斜面と平行な第２の傾斜面を備え、該第２の傾斜面全面において前記圧電層部４ａ２の他方端面と接する。
【００３５】
例えば、円柱形状の弾性体を、前記圧電層部４ａ２と接する面と、外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図２に示すθ）を為すように切断して２つに分割することで、弾性体部４ａ１，４ａ１´を製造することができる。ここで、図１及び図２に示すように、前記圧電層部４ａ２と、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´と、はその接触面同士が互いに平行を為し且つ当該接触面全面で接触するように当て付けられている。
【００３６】
ところで、図２乃至図４に示すように、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´には、前記中心軸シャフト６を挿入する為の貫通孔Ｈ´が設けられている。同様に、前記圧電層部４ａ２には、前記中心軸シャフト６を挿入する為の貫通孔Ｈが設けられている。
【００３７】
換言すれば、前記圧電層部４ａ２には、前記板状圧電素子４ａ２１の積層方向に沿って貫通孔Ｈが設けられている。また、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´には、前記第１の傾斜面及び前記第２の傾斜面に対して前記所定の傾斜角度（図２に示すθ）を為す面に対して垂直な方向に沿って貫通孔Ｈ´が設けられている。
【００３８】
このように形成された貫通孔Ｈ，Ｈ´に挿入された前記中心軸シャフト６は、振動体４における縦振動の節の位置で例えば螺子等により固定されている。
【００３９】
上述したように前記弾性体部４ａ１は、前記圧電層部４ａ２との接触面と、当該弾性体部４ａ１の外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図２に示すθ）を為すように形成されている。これにより、前記中心軸シャフト６の軸方向（長手方向）と、圧電層部４ａ２に設けられた貫通孔Ｈ´の軸方向（圧電層部４ａ２の厚み方向）と、は平行を為さない。
【００４０】
そして、前記弾性体部４ａ１に設けられた貫通孔Ｈ´、及び前記圧電層部４ａ２に設けられた貫通孔Ｈに挿入された中心軸シャフト６は、圧電層部４ａ２における貫通孔Ｈ´を形成する面（内径面）に対して、図２、図５Ａ及び図５Ｂに示すように互いに対向する２点（図２、図５Ａ、及び図５Ｂに示す接点ｔ）において接触する。この接点ｔにより、中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２とが、圧電層部４ａ２の面上方向（図５Ａ及び図５Ｂに矢印Ｃで示す方向）に関しての位置決めが為される。上述したように、本第１実施形態に係る超音波モータにおいては、前記圧電層部４ａ２の外径は、内径基準で決定されている。なお、図５Ａは、貫通孔Ｈ´を断面楕円形状で圧電層部４ａ２に形成した場合の圧電層部４ａ２の上面図の一例を示す図である。図５Ｂは、貫通孔Ｈ´を断面正方形状で圧電層部４ａ２に形成した場合の圧電層部４ａ２の上面図の一例を示す図である。
【００４１】
以上説明したように、本第１実施形態によれば、板状圧電素子及び振動子の製造が容易で、製品の性能ばらつきが小さい超音波モータを提供することができる。具体的には、例えば次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００４２】
・圧電層部４ａ２は、板状圧電素子４ａ２１を厚み方向に垂直に積層することで製作可能であるため、従来の圧電体と比較して、加工・製造共に容易であり、結果的に低コストに繋がる。
【００４３】
・圧電層部４ａ２の形状は単純な円形形状もしくは方形形状である為、その上下端面の平行度、平面度を高精度に加工することが容易である（通常の加工工程のみで加工可能であり、特殊な治具等は不要である）。
【００４４】
・従来の圧電体と比較して容易に加工・製造可能な圧電層部４ａ２を使用し、弾性体部４ａ１の高さ方向の傾斜（外形面（側面）に対して所定の傾斜角度θで切断した切断面の傾斜）に合わせて傾けて組立を行うことで、組立工数を削減し且つ低コストを実現できる。
【００４５】
・圧電層部４ａ２の組み立ては内径基準で行うが、従来技術とは異なり中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２の貫通孔Ｈとの接触面積が非常に小さい為、仮に中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２とが接触しても振動体４の振動を阻害することが殆ど無く、接触に起因する異音も殆ど発生しない。
【００４６】
・圧電層部４ａ２の貫通孔Ｈの面精度を、軸方向の側面全てに渡って高精度にする必要が無くなる為、加工が容易となり低コストにも繋がる。
【００４７】
・圧電層部４ａ２を弾性体部４ａ１の高さ方向の傾斜に合わせて傾けて組立を行うことで、組立工数の削減且つ低コストを実現することができる。
【００４８】
本第１実施形態は上述した態様に限定されるものではなく、例えば次のような変形及び応用が可能である。
【００４９】
[第１変形例]
前記圧電層部４ａ２の形状及び前記圧電層部４ａ２に設ける貫通孔Ｈの形状を、例えば図６に示す形状にしてもよい。すなわち、断面円板形状の板状圧電素子４ａ２１を積層して円柱形状の圧電層部４ａ２を構成してもよいし、断面正方形状の板状圧電素子４ａ２１を積層して四角柱形状の圧電層部４ａ２を構成してもよい。また、貫通孔Ｈは、断面円形形状の貫通孔Ｈとしてもよいし、断面正方形状の貫通孔Ｈとしてもよい。
【００５０】
例えば、断面円板形状の板状圧電素子４ａ２１を積層して円柱形状の圧電層部４ａ２を構成し且つ断面円形形状の貫通孔Ｈを設けた場合には、圧電層部４ａ２は図７に示すような外観となる。
【００５１】
[第２変形例]
前記圧電体部４ａを構成する圧電層部４ａ２を複数設けてもよい。図８は、本第２変形例に係る超音波モータの圧電体部の一構成例を示す図である。すなわち、本第２変形例に係る超音波モータの圧電体部４ａでは、例えば図８に示すように、圧電層部４ａ２，４ａ２´により弾性体部４ａ１´´を挟持し、これら圧電層部４ａ２，４ａ２´´を弾性体部４ａ１，４ａ１´で挟持する。
【００５２】
詳細には、弾性体部４ａ１´´は、前記圧電層部４ａ２との接触面と、当該弾性体部４ａ１´´の外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図８に示すθ１）を為すように形成されている。例えば、円柱形状の弾性体を、前記圧電層部４ａ２と接する面と、外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図８に示すθ１）を為すように切断することで、弾性体部４ａ１´´を製造することができる。
【００５３】
ここで、前記圧電層部４ａ２と前記弾性体部４ａ１´´とは、その接触面同士が互いに平行を為し且つ当該接触面全面で接触するように当て付けられている。同様に、前記圧電層部４ａ２と、前記弾性体部４ａ１と、はその接触面同士が互いに平行を為し且つ全面で接触するように当て付けられている。
【００５４】
ところで、前記弾性体部４ａ１´´のうち前記４ａ２´と接触する面は、当該弾性体部４ａ１´´の外形面（側面）に対して垂直な面に対して所定の傾斜角度（図８に示すθ２）を為すように形成されている。同様に、弾性体部４ａ１´は、前記圧電層部４ａ２´との接触面と、当該弾性体部４ａ１´の外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図８に示すθ２）を為すように形成されている。例えば、円柱形状の弾性体を、前記圧電層部４ａ２´と接する面と、外形面（側面）に対して垂直な面と、が所定の傾斜角度（図８に示すθ２）を為すように切断することで製造することができる。
【００５５】
ここで、前記圧電層部４ａ２´と前記弾性体部４ａ１´とは、その接触面同士が互いに平行を為し且つ当該接触面全面で接触するように当て付けられている。同様に、前記圧電層部４ａ２´と、前記弾性体部４ａ１´´と、はその接触面同士が互いに平行を為し且つ全面で接触するように当て付けられている。
【００５６】
なお、前記θ１、θ２は、圧電体部４ａの構成上最適化された傾斜角度である。
【００５７】
[第３変形例]
前記弾性体部４ａ１，４ａ１´に、図９及び図１０に示すような位置決め印４４を設けてもよい。この位置決め印４４は、当該圧電体部４ａの組み立て（弾性体部４ａ１，４ａ１´と圧電層部４ａ２との組み付け）時に利用する為の目印である。具体的には、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´に例えばスリット加工や溝加工を施すことにより、前記位置決め印４４を形成する。
【００５８】
より詳細には、前記位置決め印４４を、図９及び図１０に示すように弾性体４ａ１，４ａ１´の長径軸上もしくは長手軸上に設けることで、当該弾性体４ａ１，４ａ１´と前記圧電層部４ａ２が備える外部電極中心との位置決め（図９及び図１０に示す矢印Ｌ方向に関する位置決め）を容易にすることができる。
【００５９】
なお、上述したように円柱形状の弾性体を切断して弾性体４ａ１，４ａ１´を製造する場合には、当該切断前に前記位置決め印４４を設けておくことが好ましい。
【００６０】
このように前記位置決め印４４を設けることで、圧電層部４ａ２との位置決めを容易に行うことができ、且つ超音波モータの性能向上に寄与できる。また、圧電体部４ａに断面円形形状の貫通孔Ｈを設ける場合には、前記位置決め印４４の存在は特に有効となる。
【００６１】
［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。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を説明する。図１１は、本第２実施形態に係る超音波モータの一構成例を示す図である。図１１において、一点鎖線を境に“Ａ側”は超音波モータの側面図であり、一点鎖線を境に“Ｂ側”は超音波モータの側面断面図である。図１２Ａ乃至図１２Ｃは、本第２実施形態に係る超音波モータが具備する圧電層部４ａ２の一構成例を示す図である。
【００６２】
本第２実施形態に係る超音波モータと第１実施形態に係る超音波モータとの主な相違点は、前記圧電体部４ａが備える前記圧電層部４ａ２の構成である。
【００６３】
本第２実施形態に係る超音波モータでは、板状圧電素子４ａ２１の積層工程において、図１２Ａに示すように矢印Ｓで示される積層方向とは垂直を為す方向に、板状圧電素子４ａ２１を一定量ずつ同一の方向にずらして積層していく。そして、このように板状圧電素子４ａ２１を積層して構成した圧電層部４ａ２の上部端面における中央領域に相当する位置に、断面円形形状もしくは断面方形形状で当該圧電層部４ａ２を貫通する貫通孔Ｈを設ける。
【００６４】
ここで、貫通孔Ｈの径（圧電層部４ａ２の内径）は、図１２Ｃに示すように圧電層部４ａ２が実際に圧電体部４ａに組み付けられた際に、当該圧電層部４ａ２が中心軸シャフト６と接触しないような径である。
【００６５】
以下、前記圧電層部４ａ２の外径と、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´の外径と、の関係について、図１３Ａを参照して説明する。図１３Ａは、前記圧電層部４ａ２の外径と、前記弾性体部４ａ１，４ａ１´の外径と、の関係の一例を示す模式図である。
【００６６】
ここで、図１３Ａにおいて矢印Ｍで示す方向は、図１１において矢印Ｍで示す方向と同一の方向である。また、図１３Ａにおいて矢印Ｎで示す方向は、矢印Ｍで示す方向と直角を為す方向である。
【００６７】
例えば図１３Ａに示すように、矢印Ｍで示す方向における一方端Ｄにおいて、圧電層部４ａの外形面と弾性体部４ａ１，４ａ１´の外形面とを一致させる。なお、圧電層部４ａ２の外径は、弾性体部４ａ１，４ａ１´の外径よりも小さい外径とする。
【００６８】
このような構成を採ることにより、矢印Ｍで示す方向及び矢印Ｎで示す方向に関して、圧電層部４ａの外形面が弾性体部４ａ１，４ａ１´の外形面よりも突出することが無い。つまり、圧電層部４ａ２を外径基準で構成する。
【００６９】
なお、例えば図１３Ｂに示すように圧電体部４ａ（弾性体部４ａ１，４ａ１´、及び圧電層部４ａ２）を断面正方形状に構成した場合にも、本第２実施形態を適用できることは勿論である。
【００７０】
以上説明したように、本第２実施形態によれば、第１実施に係る超音波モータと同様の効果を奏する上に、例えば次のような効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００７１】
・圧電層部４ａ２に設ける貫通孔Ｈは、板状圧電素子４ａ２１の上部端面に対して垂直に形成すればよい為、当該貫通孔Ｈの形成加工が容易となる。
【００７２】
・圧電体部４ａの外径を基準として組立を行うことを前提に、圧電層部４ａ２の内径寸法及び公差を規定することで、中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２とが接触することが無くなる。
【００７３】
・圧電層部４ａ２の貫通孔Ｈ（内径）は、単純に中心軸シャフト６と接触しない程度に充分大きな径とすれば良い為、内径精度及び公差に高精度が求められない。つまり、製造が容易となる。
【００７４】
・中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２との接触がなくなることで、圧電体部４ａの振動が阻害されない。つまり、超音波モータの効率が向上する。
【００７５】
・中心軸シャフト６と圧電層部４ａ２との接触がなくなることで、当該接触による異音が発生しない。
【００７６】
・外形基準で圧電層部４ａ２と弾性体部４ａ１，４ａ１´とを形成し、且つ圧電層部４ａ２の内径と中心軸シャフト６とが接触しないように圧電層部４ａ２に貫通孔Ｈを設けている為、中心軸シャフト６に圧電層部４ａ２から振動が伝導しない圧電体部４ａが実現する。
【００７７】
以上、第１実施形態及び第２実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、種々の変形及び応用が可能なことは勿論である。例えば、次のような応用例を挙げることができる。
【００７８】
[応用例]
前記第１実施形態に係る超音波モータと、本応用例に係る超音波モータと、の相違点は次の点である。
【００７９】
・前記周波数調整部４ｂを設けず、代わりに前記弾性体部４ａ１´に周波数調整の為の溝部を設ける。換言すれば、前記周波数調整部４ｂと前記弾性体部４ａ１´とを一体的に形成する。
【００８０】
・前記弾性体部４ａ１´に貫通孔Ｈ´を設けず、代わりに前記中心軸シャフト６を挿入する為の貫通孔が形成された軸部を設ける。
【００８１】
・前記弾性体部４ａ１´の前記軸部の先端近傍には螺子山を設ける。
【００８２】
・前記中心軸シャフト６の両端近傍には螺子山を設ける。
【００８３】
・前記弾性体部４ａ１´の軸部に形成した貫通孔に中心軸シャフト６を挿入し、且つ当該中心軸シャフト６に設けた螺子山を利用して、当該中心軸シャフト６を前記弾性体部４ａ１´に対して螺子固定する。なお、この螺子固定は、縦振動の節近傍において行う。
【００８４】
・前記弾性体部４ａ´の軸部に対して、圧電層部４ａ２、弾性体部４ａ１、及びナットを挿入し、該ナットを当該軸部に設けた螺子山に締め込んで、前記圧電層部４ａ２及び前記弾性体部４ａ１を圧縮固定することで、それらを弾性体部４ａ１´と一体的に固定する。
【００８５】
・前記ナットの上面には前記駆動子３を接着固定する。
【００８６】
・前記弾性体部４ａ１´の軸部に挿入した前記中心軸シャフト６に対して、ロータ８、バネ２ｃ、及びバネナットを挿入し、該バネナットを当該中心軸シャフト６に設けた螺子山に締め込んでバネ２ｃを圧縮してロータ８を駆動子３に押圧する。
【００８７】
本応用例によれば、前記第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、次の効果を奏する超音波モータを提供することができる。
【００８８】
すなわち、本応用例に係る超音波モータによれば、接着剤を用いることなくナットの締め込みにより圧電層部４ａ２及び弾性体部４ａ１，４ａ１´を固定するので、組み立て容易性をより向上させることができる。また、前記バネナットによる圧縮力を調整することで、当該超音波モータの性能の更なる向上を図ることが可能となる。
【００８９】
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、開示する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。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】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図。
【図２】圧電体部の一構成例を示す側面断面図。
【図３】圧電層部の一構成例を示す図。
【図４】圧電層部における内部電極及び外部電極の配置例を示す図。
【図５Ａ】貫通孔を断面楕円形状で圧電層部に形成した場合の圧電層部の上面図の一例を示す図である。
【図５Ｂ】貫通孔を断面正方形状で圧電層部に形成した場合の圧電層部の上面図の一例を示す図。
【図６】第１実施形態の第１変形例に係る超音波モータの圧電層部の形状及び貫通孔の形状を示す図。
【図７】円板形状の板状圧電素子を積層して円柱形状の圧電層部を構成し、且つ該圧電層部に断面円形形状の貫通孔を設けた場合の内部電極及び外部電極の配置例を示す図。
【図８】第１実施形態の第２変形例に係る超音波モータの圧電体部の一構成例を示す図。
【図９】第１実施形態の第３変形例に係る超音波モータの圧電体部の一構成例を示す図。
【図１０】第１実施形態の第３変形例に係る超音波モータの圧電体部の一構成例を示す図。
【図１１】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図。
【図１２Ａ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電層部一構成例を示す図。
【図１２Ｂ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電層部一構成例を示す図。
【図１２Ｃ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電層部一構成例を示す図。
【図１３Ａ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電体層部の外径と、弾性体部の外径と、の関係の一例を示す模式図。
【図１３Ｂ】本発明の第２実施形態に係る超音波モータの圧電体層部の外径と、弾性体部の外径と、の関係の一例を示す模式図。
【符号の説明】
【００９１】
Ｈ，Ｈ´…貫通孔、 ２…押圧部、 ２ａ…ナット、 ２ｃ…バネ、 ３…駆動子、 ４…振動体、 ４ａ…圧電体部、 ４ｂ…周波数調整部、 ４ａ１，４ａ１´…弾性体部、 ４ａ２…圧電層部、 ４ａ２１…板状圧電素子、 ６…中心軸シャフト、 ８…ロータ、 １４Ａ…駆動用内部電極、 １４ａ…振動検出用内部電極、 １５ａ，１５ｂ…外部電極、 ４４…位置決め印。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電層の伸縮振動を利用して、前記圧電層を含む振動体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記振動体の端面に設けられた駆動子に楕円運動を励起させて、前記駆動子によりロータを回転させる超音波モータであって、
前記振動体は、
電極膜が形成された板状圧電素子を積層して形成された圧電層と、
前記板状圧電素子の積層方向に対して垂直な面と所定の傾斜角度を為す第１の傾斜面を備え、該第１の傾斜面全面において前記圧電層の一方端面と接する第１の弾性体と、
前記第１の傾斜面と平行な第２の傾斜面を備え、該第２の傾斜面全面において前記圧電層の他方端面と接する第２の弾性体と、
を具備し、
前記板状圧電素子は、その外形面及び前記積層方向に対して垂直を為す面に前記電極膜を備え、
前記圧電層は、前記板状圧電素子の積層方向に沿って設けられた貫通孔を備え、
前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体は、前記第１の傾斜面及び前記第２の傾斜面に対して前記所定の傾斜角度を為す面に対して垂直な方向に沿って設けられた貫通孔を備える、
ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記第１の弾性体、前記第２の弾性体、及び前記圧電層に設けられた貫通孔には、前記ロータ及び前記駆動子と、当該振動体と、の中心位置決めをする中心軸シャフトが挿入され、
前記圧電層は、前記圧電層に設けられた前記貫通孔を形成する内径と、前記中心軸シャフトと、の接触により位置決め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】
前記板状圧電素子は、前記積層方向とは垂直を為す方向に一定量ずつ同一の方向にずらして積層され、
前記第１の弾性体、前記第２の弾性体、及び前記圧電層に形成された貫通孔には、前記ロータ及び前記駆動子と、前記振動体と、の中心位置決めをする中心軸シャフトが挿入され、
前記圧電層に設けられた前記貫通孔を形成する内径は、前記中心軸シャフトと接触せず、且つ、前記圧電層の外形面と、前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体の外形面と、は少なくとも一部が一致するように構成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４】
前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体は、前記第１の傾斜面及び前記第２の傾斜面に対して前記所定の傾斜角度を為す面に対して垂直な方向に沿って外形面に設けられたスリット部又は溝部を備え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】
前記第１の弾性体および前記第２の弾性体は、円柱形状の弾性体をその上下端面に対して前記所定の傾斜角度を為す角度で切断されて形成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６】
前記板状圧電素子は断面円形形状または断面方形形状であ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１】
圧電層の伸縮振動を利用して、前記圧電層を含む振動体に縦振動と捻じれ振動とを同時に励起し、前記振動体の端面に設けられた駆動子に楕円運動を励起させて、前記駆動子によりロータを回転させる超音波モータであって、
前記振動体は、
電極膜が形成された板状圧電素子を積層して形成された圧電層と、
前記板状圧電素子の積層方向に対して垂直な面と所定の傾斜角度を為す第１の傾斜面を備え、該第１の傾斜面全面において前記圧電層の一方端面と接する第１の弾性体と、
前記第１の傾斜面と平行な第２の傾斜面を備え、該第２の傾斜面全面において前記圧電層の他方端面と接する第２の弾性体と、
を具備し、
前記板状圧電素子は、その外形面及び前記積層方向に対して垂直を為す面に前記電極膜を備え、
前記圧電層は、前記板状圧電素子の積層方向に沿って設けられた貫通孔を備え、
前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体は、前記第１の傾斜面及び前記第２の傾斜面に対して前記所定の傾斜角度を為す面に対して垂直な方向に沿って設けられた貫通孔を備える、
ことを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記第１の弾性体、前記第２の弾性体、及び前記圧電層に設けられた貫通孔には、前記ロータ及び前記駆動子と、当該振動体と、の中心位置決めをする中心軸シャフトが挿入され、
前記圧電層は、前記圧電層に設けられた前記貫通孔を形成する内径と、前記中心軸シャフトと、の接触により位置決め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】
前記板状圧電素子は、前記積層方向とは垂直を為す方向に一定量ずつ同一の方向にずらして積層され、
前記第１の弾性体、前記第２の弾性体、及び前記圧電層に形成された貫通孔には、前記ロータ及び前記駆動子と、前記振動体と、の中心位置決めをする中心軸シャフトが挿入され、
前記圧電層に設けられた前記貫通孔を形成する内径は、前記中心軸シャフトと接触せず、且つ、前記圧電層の外形面と、前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体の外形面と、は少なくとも一部が一致するように構成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４】
前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体は、前記第１の傾斜面及び前記第２の傾斜面に対して前記所定の傾斜角度を為す面に対して垂直な方向に沿って外形面に設けられたスリット部又は溝部を備え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】
前記第１の弾性体および前記第２の弾性体は、円柱形状の弾性体をその上下端面に対して前記所定の傾斜角度を為す角度で切断されて形成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６】
前記板状圧電素子は断面円形形状または断面方形形状であることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【公開番号】特開２０１０−１４８２７９（Ｐ２０１０−１４８２７９Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２４２４６（Ｐ２００８−３２４２４６）
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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