超音波モータ
【課題】 積層型圧電素子に均等且つ簡易に予圧できる超音波モータを提供すること。
【解決手段】 棒状弾性体１２と、棒状弾性体１２に両端を保持され、変位方向と棒状弾性体１２の長手方向との間の角度において鋭角を有した状態で正面１２ａと裏面１２ｂとに配設され、さらに棒状弾性体１２の長手方向において正対して見て互いに反対方向に傾斜して棒状弾性体１２に配置される一対の積層型圧電素子１８と、棒状弾性体１２の先端部に接合されている摩擦子２６と、を具備し、一対の積層型圧電素子１８にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起し、摩擦子２６に超音波楕円運動を励起させる超音波モータ１であって、超音波モータ１は、積層型圧電素子１８を棒状弾性体１２に密着固定するために、積層型圧電素子１８を積層型圧電素子１８の積層方向に沿って同時に且つ均等に予圧する予圧機構８０を具備する。
【解決手段】 棒状弾性体１２と、棒状弾性体１２に両端を保持され、変位方向と棒状弾性体１２の長手方向との間の角度において鋭角を有した状態で正面１２ａと裏面１２ｂとに配設され、さらに棒状弾性体１２の長手方向において正対して見て互いに反対方向に傾斜して棒状弾性体１２に配置される一対の積層型圧電素子１８と、棒状弾性体１２の先端部に接合されている摩擦子２６と、を具備し、一対の積層型圧電素子１８にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起し、摩擦子２６に超音波楕円運動を励起させる超音波モータ１であって、超音波モータ１は、積層型圧電素子１８を棒状弾性体１２に密着固定するために、積層型圧電素子１８を積層型圧電素子１８の積層方向に沿って同時に且つ均等に予圧する予圧機構８０を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を駆動源とし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、圧電素子などの振動子の振動を利用する。超音波モータは、従来の電磁型モータと比較して、ギアなしで低回転高トルクが得られる点、保持力が大きい点、高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず、また、磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。
【０００３】
例えば特許文献１には、１種類の圧電素子を用いて構成でき、構成が簡略な超音波モータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−１２１５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている超音波モータにおいて、基本弾性体の一方の側面と他方の側面とは互いに対向しており、一方の側面と他方の側面とには積層型圧電素子がそれぞれ配置されている。積層型圧電素子を基本弾性体に固定するためには、保持用弾性体等によって基本弾性体に対して積層型圧電素子を予圧する必要が生じる。この予圧とは、積層型圧電素子に加える圧縮力である。また保持用弾性体を用いる際に、組立冶具等の別部品を使用する必要が生じる。
【０００６】
しかしながら保持用弾性体は、一方の側面と他方の側面とにおける積層型圧電素子それぞれに対して、別々に予圧するために、均等に予圧できない虞が生じ（予圧がばらつく虞が生じ）、超音波振動子の性能に影響を及ぼす可能性が生じる。また積層型圧電素子を予圧するために保持用弾性体を用いる際に、組立冶具が必要となり、簡易に予圧できず、予圧に手間がかかってしまう。
【０００７】
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、積層型圧電素子に均等且つ簡易に予圧できる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】
本発明は目的を達成するために、棒状弾性体と、前記棒状弾性体に両端を保持され、変位方向と前記棒状弾性体の長手方向との間の角度において鋭角を有した状態で前記棒状弾性体の対向する２つの側面にそれぞれ配設され、さらに前記棒状弾性体の長手方向において正対して見て互いに反対方向に傾斜して前記棒状弾性体に配置される一対の積層型圧電素子と、前記棒状弾性体の先端部に接合されている摩擦子と、を具備し、一対の前記積層型圧電素子にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起し、前記摩擦子に超音波楕円運動を励起させる超音波モータであって、前記積層型圧電素子を前記棒状弾性体に密着固定するために、前記積層型圧電素子を前記積層型圧電素子の積層方向に沿って同時に且つ均等に予圧する予圧機構を具備することを特徴とする超音波モータを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、積層型圧電素子に均等且つ簡易に予圧できる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の実施形態に係る超音波モータを構成する超音波振動子の上面図である。
【図２】図２は、超音波振動子を図１に示すα方向からみた図（正面図）である。
【図３】図３は、超音波振動子を図１に示すβ方向からみた図（背面図）である。
【図４】図４は、超音波振動子を図１に示すγ方向からみた図（右側面図）である。
【図５】図５は、超音波振動子を図１に示すδ方向から視た図（左側面図）である。
【図６】図６は、超音波振動子を用いた超音波モータの側面図である。
【図７】図７は、超音波振動子を用いた超音波モータの分解図である。
【図８】図８は、第２の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの側面図である。
【図９】図９は、第２の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの分解図である。
【図１０】図１０は、第３の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの分解図である。
【図１１】図１１は、第３の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの側面図である。
【図１２】図１２は、第４の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの分解図である。
【図１３】図１３は、第４の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの側面図である。
【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について詳細に説明する。
図１乃至図７を参照して第１の実施形態について説明する。
超音波モータ１は、図１乃至図７に示すよう、超音波による振動を発生させる超音波振動子１０と、超音波振動子１０の振動が伝達され駆動される被駆動部材であるロータ５３と、被駆動部材（ロータ５３）と超音波振動子１０とに押圧力を与える押圧機構７０と、超音波振動子１０に設けられる後述する積層型圧電素子１８に予圧力を与える予圧機構８０とを有している。
【００１２】
超音波振動子１０は、例えば黄銅材（Ｃ２８０１ＰのＯ材）からなる角柱又は円柱形状の棒状弾性体である基本弾性体１２と、図示しない駆動源により交番電圧が印加され励振する電気機械変換素子である積層型圧電素子１８と、基本弾性体１２の長手方向上端部にて被駆動部材（ロータ５３）に対向して配置され、積層型圧電素子１８による振動を被駆動部材（ロータ５３）に伝達する摺動用駆動子２６とを有している。
【００１３】
図２に示すように基本弾性体１２の正面１２ａに凹部１６ａを有し、図３に示すように正面１２ａに対向する基本弾性体１２の裏面１２ｂに凹部１６ｂを有している。凹部１６ａ，１６ｂは、正面１２ａと裏面１２ｂとに限定される必要はなく、基本弾性体１２の対向する側面１２ｃ，１２ｄに配置されていてもよい。
【００１４】
凹部１６ａは、基本弾性体１２の高さ（長手）方向に対して所望の角度だけ傾けられた状態で正面１２ａに配設されている。凹部１６ｂも凹部１６ａと同様に、基本弾性体１２の高さ（長手）方向に対して凹部１６ａと同じ所望の角度だけ傾けられた状態で裏面１２ｂに配設されている。この場合、凹部１６ａ，１６ｂは、正対して見て逆方向に取付けられている。また凹部１６ａ，１６ｂの傾き角度は、基本弾性体１２の高さ（長手）方向と、凹部１６ａ，１６ｂの長手方向との間において鋭角である。
【００１５】
この凹部１６ａ，１６ｂには、積層型圧電素子１８と、積層型圧電素子１８を保持する後述する保持用弾性体８３とがそれぞれ挿入される。積層型圧電素子１８は、超音波による振動を発生させる振動本体部であり、電気機械変換素子である。保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂにおいて、積層型圧電素子１８よりも基本弾性体１２の基端部１３ａ側に配置される。積層型圧電素子１８と保持用弾性体８３とは、凹部１６ａ，１６ｂに挿入されるため、凹部１６ａ，１６ｂと同様に所望の角度だけ傾けられた状態で配置される。
【００１６】
図４および図５に示すように、積層型圧電素子１８と保持用弾性体８３との側面は、表裏面ともに長手方向で同位置に投影されている。つまり積層型圧電素子１８は、変位方向と基本弾性体１２の長手方向との間の角度において鋭角を有した状態で基本弾性体１２の対向する２つの側面である正面１２ａと裏面１２ｂとにそれぞれ配設される。さらにこれら積層型圧電素子１８は、基本弾性体１２の長手方向において正対して見て互いに反対方向に傾斜して基本弾性体１２に配置される。
【００１７】
なお凹部１６ａに配置されている積層型圧電素子１８と保持用弾性体８３と、凹部１６ｂに配置されている積層型圧電素子１８と保持用弾性体８３とは、基本弾性体１２を挟持していることとなる。またこれら積層型圧電素子１８は、両端を基本弾性体１２（凹部１６ａ，１６ｂと保持用弾性体８３）により保持されていることとなる。
【００１８】
また、凹部１６ａに挿入される積層型圧電素子１８から出されている電気端子は、それぞれＡ端子とＧＮＤ端子とである。また、凹部１６ｂに挿入される積層型圧電素子１８から出されている電気端子は、それぞれＢ端子とＧＮＤ端子とである。
【００１９】
次に積層型圧電素子１８について詳細に説明する。
積層型圧電素子１８は、複数の板状の圧電素子１８ｆが積層され、積層した圧電素子１８ｆを２個の図示しない絶縁板によって挟むことで構成されており、基本弾性体１２の長手方向に対して傾斜して配置されている。このような積層化は接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００２０】
圧電素子１８ｆは、超音波振動子１０の駆動用の圧電素子である。この圧電素子１８ｆは、例えば１００μｍの厚みを有し、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス素子（ＰＺＴ）である。なお圧電素子１８ｆの一部は、例えば振動検出用として用いられても良い。
【００２１】
圧電素子１８ｆの表面と裏面とには、＋用電極と−用電極のいずれかを有している図示しない内部電極が形成されている。上述したように圧電素子１８ｆが積層する際、＋用電極の内部電極を有する圧電素子１８ｆと、−用電極の内部電極を有する圧電素子１８ｆと、が交互に積層する。
【００２２】
内部電極は、例えば４μｍの厚さを有し、例えば銀パラジウム合金である。内部電極の面積は、圧電素子１８ｆの面積に可能な限り近いことが好適である。
【００２３】
なお内部電極同士の積層の際の接続は、それぞれ短絡した外部電極で行う。そして＋用電極の内部電極と−用電極の内部電極との間に高電圧を印加して、圧電素子１８ｆを分極させ、圧電的に活性化させる。
【００２４】
なお積層型圧電素子１８の構成は、上記に限定する必要はない。
【００２５】
超音波振動子１０の上端部である基本弾性体１２の先端部１３ｂには、例えば円環状のフェノール樹脂にアルミナセラミックの砥粒を分散させた砥石からなる摩擦子や複合樹脂である摺動用駆動子２６が接合されている。
【００２６】
超音波モータ１は、一対の積層型圧電素子１８にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起し、摺動用駆動子２６に超音波楕円運動を励起させる。
【００２７】
基本弾性体１２の中心軸上には、貫通孔３０が穿設されている。この貫通孔３０の中心軸上の超音波振動子１０の縦振動の節位置には、メネジ３２が螺刻されている（図７参照）。
【００２８】
貫通孔３０には、後述する第１の弾性体８１における軸５１が嵌装される。この軸５１は、図２に示すように超音波振動子１０の先端部１３ｂから突出する長さを有している。
【００２９】
またこの軸５１には、オネジ５８,オネジ５９が螺刻されている。
オネジ５８は、メネジ３２の配設位置（超音波振動子１０の縦振動の節位置）に対応するように軸５１に配設されている。オネジ５８は、メネジ３２と螺合し、その後、接着固定される。これにより軸５１は、基本弾性体１２の縦振動の節部にて接着固定される。
オネジ５９は、先端部１３ｂから突出する軸５１の先端部に配設されている。オネジ５９は、ナット５７の配設位置に対応するように軸５１に配設されている。このオネジ５９には、ナット５７が嵌合する。
【００３０】
超音波振動子１０の上端部である摺動用駆動子２６には、摺動用駆動子２６によって駆動される円環状のロータ５３が配設される。詳細には、摺動用駆動子２６に対向するロータ５３の下面には、例えば円環状のセラミックスからなる摺動材５３ａが貼付されている。ロータ５３の断面形状と摺動材５３ａの断面形状とは同一であり、ロータ５３は摺動材５３ａを介して摺動用駆動子２６と接触し、駆動される。
【００３１】
またロータ５３の内部には、ラジアルベアリング５４が配置される。またロータ５３の上部には、バネ保持体５５が配設される。バネ保持体５５は、コイルバネ５６を位置決め保持している。
【００３２】
ロータ５３と摺動材５３ａとラジアルベアリング５４とバネ保持体５５とには、軸５１が挿通している。
【００３３】
ロータ５３は、コイルバネ５６によって、バネ保持体５５とラジアルベアリング５４とを介して摺動用駆動子２６に向けて回転可能に押圧固定されている。より詳細には、摺動材５３ａが摺動用駆動子２６に対して押圧固定される。
【００３４】
コイルバネ５６は、バネ保持体５５によって保持され、ナット５７によってバネ保持体５５（軸５１）からの抜けを防止されている。このナット５７は、コイルバネ５６の押圧力を調整する。
【００３５】
つまりコイルバネ５６は、軸５１を螺旋状に囲み、バネ保持体５５によって保持され、ナット５７によって軸５１から外れないように配設される。コイルバネ５６の押圧力は、ナット５７により調節される。コイルバネ５６は、コイルバネ５６の押圧力によって、バネ保持体５５とラジアルベアリング５４とを介してロータ５３を摺動用駆動子２６へと押圧する。
【００３６】
このようにナット５７とコイルバネ５６とバネ保持体５５とラジアルベアリング５４とは、ロータ５３を摺動用駆動子２６に押圧する押圧機構７０である。
【００３７】
基本弾性体１２の基端部１３ａ（下面１２ｇ）には、長手方向に凸設されている凸部１５が配設されている。凸部１５は、後述する第２の弾性体８２に設けられた開口部８２ａに嵌め込まれる。凸部１５には、貫通孔３０と連通している貫通孔１５ａが配設されている。
【００３８】
また超音波モータ１は、超音波振動子１０において、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に密着固定するために、保持用弾性体８３を基本弾性体１２の長手方向に沿って押圧し、積層型圧電素子１８を積層型圧電素子１８の積層方向に沿って予圧する予圧機構８０を有している。この予圧機構８０は、凹部１６ａに挿入される正面１２ａ側の積層型圧電素子１８と、凹部１６ｂに挿入される裏面１２ｂ側の積層型圧電素子１８とをそれぞれ同時に且つ同じ力量で（均等に）予圧する。この予圧とは、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に隙間無く密着固定させるために、保持用弾性体８３を押圧し、積層型圧電素子１８に大気圧よりも高い圧力をかけることであり、積層型圧電素子１８に加える圧縮力を示す。
【００３９】
予圧機構８０が積層型圧電素子１８を予圧し、積層型圧電素子１８が基本弾性体１２に固定される事で、積層型圧電素子１８の振動は基本弾性体１２に伝達される。
【００４０】
予圧機構８０は、基本弾性体１２の基端部１３ａ（下面１２ｇ）側に配設され、基本弾性体１２の長手方向において積層型圧電素子１８を挟んで押圧機構７０や摺動用駆動子２６やロータ５３とは反対側に配設されている。
【００４１】
予圧機構８０は、基本弾性体１２を基本弾性体１２の基端部１３ａ（下面１２ｇ）側から押圧する第１の弾性体８１と、第１の弾性体８１と基本弾性体１２の基端部１３ａとの間に配設され、第１の弾性体８１の押圧力を基本弾性体１２の基端部１３ａに伝達する第２の弾性体８２と、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に密着固定するために、第１の弾性体８１から第２の弾性体８２を介して伝達される押圧力によって、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に向って同時に且つ均等に予圧し、この予圧によって積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に密着固定するように積層型圧電素子１８を保持する保持用弾性体８３とを有している。
【００４２】
第１の弾性体８１は、超音波モータ１の中心軸として貫通孔３０に螺合可能であり、貫通孔３０に挿通される軸５１を有している。第１の弾性体８１は、基本弾性体１２にねじ止めによって固定される。
【００４３】
軸５１は、図２に示すように基本弾性体１２の先端部１３ｂから突出する長さを有している。突出する長さは、図６に示すように摺動用駆動子２６とロータ５３と押圧機構７０とが配設される長さである。このように軸５１は、摺動用駆動子２６とロータ５３と押圧機構７０とを支持する支持軸でもある。軸５１は、上述したようにオネジ５８，５９を有している。また軸５１が貫通孔３０に挿通した際、第１の弾性体８１は、第２の弾性体８２を貫通孔１５ａ（基本弾性体１２）に圧入させ、第２の弾性体８２を第１の弾性体８１と基本弾性体１２とで挟持する。そして第１の弾性体８１は、この圧入によって第２の弾性体８２を基本弾性体１２に固定する。
【００４４】
第２の弾性体８２は、凸部１５が嵌め込まれる開口部８２ａと、第１の弾性体８１によって保持用弾性体８３をそれぞれ押圧する１対の押圧部８２ｂとを有している。
【００４５】
第２の弾性体８２は、第１の弾性体８１が基本弾性体１２にねじ止めされる際に生じる力を、保持用弾性体８３に伝達する。
【００４６】
開口部８２ａは、第２の弾性体８２の長手方向に沿って貫通している。そのため凸部１５が開口部８２ａに嵌め込まれ、軸５１が貫通孔１５ａ，３０を挿通すると、基本弾性体１２と第１の弾性体８１と第２の弾性体８２とは、一体となる。またこのとき基本弾性体１２と第１の弾性体８１と第２の弾性体８２との中心軸は、一致（一体化）する。
【００４７】
押圧部８２ｂは、第１の弾性体８１と基本弾性体１２とのねじ止めによる締結力によって保持用弾性体８３を押圧する。
【００４８】
押圧部８２ｂは、凹部１６ａに挿入される保持用弾性体８３と、凹部１６ｂに挿入される保持用弾性体８３とに対応するように第２の弾性体８２に一対配設されている。押圧部８２ｂは、保持用弾性体８３をそれぞれ同時且つ均等の力で押圧する。
【００４９】
保持用弾性体８３は、押圧部８２ｂにおける押圧力を基に、積層型圧電素子１８を同時に且つ均等に予圧する。保持用弾性体８３は、予圧する際に、この予圧を積層型圧電素子１８の下面１８ｂ側から積層型圧電素子１８の積層方向に沿って積層型圧電素子１８に伝達する伝達部８３ａを有している。伝達部８３ａは、積層型圧電素子１８が載置（当接）する保持用弾性体８３の載置面である。伝達部８３ａは、上述したように積層型圧電素子１８が傾くように、所望に傾けられている。
【００５０】
なお伝達部８３ａに載置する積層型圧電素子１８の載置面である下面１８ｂには、エポキシ樹脂等の接着剤が塗布される。積層型圧電素子１８は接着剤によって保持用弾性体８３に接着しているため、伝達部８３ａが予圧を積層型圧電素子１８に伝達すると、積層型圧電素子１８は保持用弾性体８３を介して基本弾性体１２に密着固定される。このように保持用弾性体８３は、伝達部８３ａによって積層型圧電素子１８を保持し、基本弾性体１２に積層型圧電素子１８を密着固定する。
【００５１】
保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂを介して基本弾性体１２に接着、積層型圧電素子１８と共に基本弾性体１２に両端を保持される。
【００５２】
本実施形態において第２の弾性体８２と保持用弾性体８３とは、別体である。
【００５３】
第２の弾性体８２の外径は、第１の弾性体８１の外径と基本弾性体１２の外径よりも小さい。そのため、第２の弾性体８２と第１の弾性体８１と基本弾性体１２とによって深さ略１ｍｍ〜略２ｍｍの溝部１４が形成される。溝部１４より下方（積層圧電素子１８と反対側）の長さ寸法を変化させ、溝部１４の相対位置を適切（所望）な位置とすることで、共振縦振動モードと共振捻れ振動との共振周波数をほぼ一致させる。
【００５４】
次に本発明の動作方法について説明する。
まず超音波振動子１０の作製方法について説明する。
積層型圧電素子１８は、伝達部８３ａに載置される。下面１８ｂには、接着剤が塗布されている。そのため積層型圧電素子１８は伝達部８３ａに接着される。伝達部８３ａに載置された積層型圧電素子１８を保持する保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂに配置される。
【００５５】
次に凸部１５は、開口部８２ａに嵌め込まれる。このとき押圧部８２ｂは、保持用弾性体８３に当接する。次に軸５１は、貫通孔１５ａ，３０を挿通する。このとき第１の弾性体８１と第２の弾性体８２と基本弾性体１２とは、それぞれの中心軸が一致する。そしてオネジ５８は、メネジ３２に螺合した後に接着固定される。これにより軸５１は、基本弾性体１２の縦振動の節部と接着固定することとなる。
【００５６】
このときオネジ５８とメネジ３２とが、螺合されることで、第２の弾性体８２を基本弾性体１２に圧入し、第２の弾性体８２を基本弾性体１２に固定する。
またこのとき押圧部８２ｂは、保持用弾性体８３を押圧する。
【００５７】
なお第１の弾性体８１のねじ止めを調整することで、押圧力が調整され、この調整に応じて押圧部８２ｂは、基本弾性体１２の基端部１３ａ側から保持用弾性体８３を押圧する。
【００５８】
押圧部８２ｂは、保持用弾性体８３をそれぞれ押圧する。このとき押圧部８２ｂは、凹部１６ａにおける保持用弾性体８３と凹部１６ｂにおける保持用弾性体８３とを同時に且つ同量の押圧力にて押圧する。つまり凹部１６ａにおける保持用弾性体８３と凹部１６ｂにおける保持用弾性体８３とは、押圧部８２ｂによって、同時に且つ均等の押圧力にて押圧される。
【００５９】
これにより保持用弾性体８３において、伝達部８３ａは、この押圧力を基に下面１８ｂ側から積層型圧電素子１８の積層方向に沿って積層型圧電素子１８を予圧する。つまり積層型圧電素子１８は、伝達部８３ａを通じて、押圧力を基に予圧される。
【００６０】
保持用弾性体８３は、積層型圧電素子１８を保持し、積層型圧電素子１８を予圧し、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に隙間無く密着固定する。よって積層型圧電素子１８は、予圧された状態で基本弾性体１２に密着固定される。
【００６１】
なお積層型圧電素子１８は、凹部１６ａ，１６ｂにそれぞれ配設されている。各積層型圧電素子１８は、押圧部８２ｂと伝達部８３ａによって同一の予圧を同時に与えられる。よって凹部１６ａ，１６ｂにそれぞれ配設されている積層型圧電素子１８に対する予圧のばらつきは、抑えられる。
【００６２】
またこのとき、保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂを介して基本弾性体１２に接着、またはねじ止め固定される。
【００６３】
次に、超音波振動子１０の動作について説明する。
超音波振動子１０は、超音波振動子１０の寸法が１次の共振縦振動、および１次の（溝部１４より下方の捻れまで考慮すると２次の）共振捻れ振動がほぼ同一周波数Ｆｒで励起できるようになっている。
共振縦振動は、図２に示す矢印Ｚ方向の振動である。１次の共振捻れ振動は、図１に示す矢印ω方向の振動であり、共振縦振動の振動方向（矢印Ｚ方向）を捻れの軸とする振動である。この周波数近傍には、共振屈曲振動の固有振動はないような形状寸法に形成されている。
【００６４】
まず、Ａ端子に周波数Ｆｒで、振幅Ｖｒの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると共振縦振動が励起される。共振縦振動の節位置は、基本弾性体１２の中心軸上で、超音波振動子１０の長手方向のほぼ中央に存在する。
つぎに、Ａ端子に周波数Ｆｒで、振幅Ｖｒの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加すると共振捻れ振動が励起される。共振捻れ振動では、基本弾性体１２の中心軸上で、長手方向のほぼ中央に節位置がある。
さらに、Ａ端子に周波数Ｆｒで、振幅Ｖｒの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で位相が９０度異なった交番電圧を印加すると共振縦振動と共振捻れ振動が合成されて、摺動用駆動子２６の位置に超音波楕円振動が励起される。
【００６５】
つぎに、図６と図７とを用いて、超音波振動子１０を用いた本実施例の超音波モータ１の動作方法について説明する。図６と図７とにおいて、また上述した超音波振動子１０の作製方法において、軸５１は貫通孔１５ａに挿通され、貫通孔３０（図７参照）に設けられたメネジ３２とオネジ５８とが螺合すると、軸５１は基本弾性体１２の縦振動の節部にて基本弾性体１２に接着固定することとなる。
【００６６】
摺動用駆動子２６（超音波振動子１０の上端部）には、ロータ５３がラジアルベアリング５４およびバネ保持体５５を介して、コイルバネ５６により押圧固定されている。コイルバネ５６の押圧力はナット５７により調節される。ロータ５３は、摺動材５３ａを介して摺動用駆動子２６と当接する。これにより押圧機構７０が形成される。
【００６７】
先に示したように、超音波振動子１０のＡ端子とＢ端子とに、周波数Ｆｒ、振幅Ｖｒ、位相差＋９０度または−９０度の交番電圧を印加する。すると、ロータ５３が摺動用駆動子２６に対して時計回りまたは反時計回りに回転する。
このように本実施形態では、予圧機構８０において、第１の弾性体８１をねじ止めすることで、第２の弾性体８２と伝達部８３ａとによって積層型圧電素子１８を同時に且つ均等の力で簡易に予圧することができる。また本実施形態では、凹部１６ａ，１６ｂにそれぞれ配設されている積層型圧電素子１８に対して、予圧のばらつきを防止でき、超音波モータ１の性能を高く保つことができる。
【００６８】
また本実施形態では、超音波モータ１を作製（組み立てる）する際に、第１の弾性体８１をねじ止めするのみで、積層型圧電素子１８を簡易に予圧することができ、予圧の手間を省くことができる。
【００６９】
また本実施形態では、保持用弾性体８３を用いても冶具などを用いずに第１の弾性体８１をねじ止めするのみで、簡易に超音波モータ１を作製することができ、超音波モータ１を安価にすることができる。
【００７０】
また本実施形態では、第１の弾性体８１のねじ止めを調整することで、予圧を調整することができる。また本実施形態では、予圧機構８０は、基本弾性体１２の長手方向において積層型圧電素子１８を挟んで押圧機構７０や摺動用駆動子２６やロータ５３とは反対側に配設されている。よって本実施形態では、超音波モータ１を作製した後でも、第１の弾性体８１のねじ止めを調整でき、予圧を調整することができる。
【００７１】
また本実施形態では、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に固定する力（予圧）を積層型圧電素子１８に直接的に伝えることができる。よって本実施形態では、効率よく予圧を積層型圧電素子１８に伝達でき、予圧の伝達効率を向上させることができる。
【００７２】
また本実施形態では、第１の弾性体８１によって第２の弾性体８２を基本弾性体１２に圧入し固定することで、第１の弾性体８１の押圧力を第２の弾性体８２を通じて保持用弾性体８３に無駄なく伝達することができる。
【００７３】
また本実施形態では、圧入によって第２の弾性体８２を基本弾性体１２に固定することで、第１の弾性体８１が第２の弾性体８２を基本弾性体１２にねじ止めする際の力を、保持用弾性体８３と基本弾性体１２とに直接伝達することを防止することができる。
【００７４】
次に図８乃至図９を参照して第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と同一の構成については第１の実施形態と同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。
本実施形態において第２の弾性体８２は、保持用弾性体８３と一体（同体）である。
【００７５】
これにより本実施形態では、超音波モータ１の部品数を削減することができ、組立工数を削減でき、より安価な超音波モータ１を提供することができる。また本実施形態では超音波モータ１をより容易に組み立てることができる。
【００７６】
次に図１０乃至図１１を参照して第３の実施形態について説明する。第１，２の実施形態と同一の構成については。第１，２の実施形態と同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。
本実施形態の基本弾性体１２は、下端から例えば１１ｍｍの位置の外周にて、全周に渡って形成（凹設）されている深さ略１ｍｍ〜略２ｍｍの溝部１４を有している。溝部１４より下方（積層圧電素子１４と反対側）の長さ寸法を変化させ、溝部１４の相対位置を適切（所望）な位置とすることで、共振縦振動モードと共振捻れ振動との共振周波数をほぼ一致させる。
【００７７】
溝部１４よりも上方に位置する基本弾性体１２の基端部１３ａの外径Ｄ１は、摺動用駆動子２６側の基本弾性体１２の先端部１３ｂの外径Ｄ２に比べて小さい。つまり基本弾性体１２の基端部１３ａは、基本弾性体１２の先端部１３ｂよりも細径である。基本弾性体１２の基端部１３ａの外周には、ねじ山１２ｈが形成されている。
【００７８】
本実施形態の予圧機構８０は、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に密着固定するために、ねじ山１２ｈを介して保持用弾性体８３をねじ止めすることで保持用弾性体８３を介して積層型圧電素子１８を予圧する押圧リング８４を有している。
【００７９】
押圧リング８４の内径Ｄ３は、基本弾性体１２の基端部１３ａの外径Ｄ１に比べて大きい。押圧リング８４の中心軸は、基本弾性体１２の中心軸と同一直線上に配設される。
【００８０】
また本実施形態の保持用弾性体８３は、リング形状を有している。保持用弾性体８３は、押圧リング８４がねじ山１２ｈを通じて保持用弾性体８３をねじ止めすることで、積層型圧電素子１８それぞれに同時に予圧を加える。
【００８１】
本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また本実施形態では、押圧リング８４と基本弾性体１２の基端部１３ａとは、一体化する。よって本実施形態では、軸５１を介して振動を被駆動材であるロータ５３に効率よく伝達でき、振動のロスを削減することができ、振動の伝達効率を向上させることができる。
【００８２】
次に図１２乃至図１３を参照して第４の実施形態について説明する。第１，２，３の実施形態と同一の構成については。第１，２，３の実施形態と同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。
【００８３】
本実施形態の保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂにおいて、積層型圧電素子１８よりも基本弾性体１２の先端部１３ｂ側に配置される。
保持用弾性体８３は、積層型圧電素子１８の上面１８ａから積層型圧電素子１８を保持する
基本弾性体１２の先端部１３ｂの外径Ｄ２は、基本弾性体１２の基端部１３ａの外径Ｄ１よりも小さい。つまり基本弾性体１２の先端部１３ｂは、基本弾性体１２の基端部１３ａよりも細径である。なお本実施形態の場合、基本弾性体１２の基端部１３ａの外径Ｄ１は、積層型圧電素子１８が配設される基本弾性体１２の中端部の外径と略同一である。基本弾性体１２の先端部１３ｂの外周には、ねじ山１２ｈが形成されている。
【００８４】
この場合、押圧リング８４は、ねじ山１２ｈを通じて基本弾性体１２の先端部１３ｂをねじ止めすることで保持用弾性体８３を介して積層型圧電素子１８を予圧する。このとき押圧リング８４の中心軸は、基本弾性体１２の中心軸と同一直線上に配設される。
【００８５】
これにより本実施形態では、摺動用駆動子２６とロータ５３と押圧機構７０とが配設される基本弾性体１２の先端部１３ｂ側からの組み立てが可能となり、超音波モータ１を容易に組み立てることができる。
【００８６】
また本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。
【符号の説明】
【００８７】
１…超音波モータ、１０…超音波振動子、１２…基本弾性体（棒状弾性体）、１２ａ…正面、１２ｂ…裏面、１２ｃ，１２ｄ…側面、１３ａ…基端部、１３ｂ…先端部、１４…溝部、１５…凸部、１５ａ…貫通孔、１６ａ，１６ｂ…凹部、１８…積層型圧電素子、１８ａ…上面、１８ｂ…下面、１８ｆ…圧電素子、２６…摺動用駆動子（摩擦子）、３０…貫通孔、３２…メネジ、５１…軸、５３…ロータ、５３ａ…摺動材、５４…ラジアルベアリング、５５…バネ保持体、５６…コイルバネ、５７…ナット、５８…オネジ、７０…押圧機構、８０…予圧機構、８１…第１の弾性体、８２ａ…開口部、８２…第２の弾性体、８２ｂ…押圧部、８３…保持用弾性体、８３ａ…伝達部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を駆動源とし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、圧電素子などの振動子の振動を利用する。超音波モータは、従来の電磁型モータと比較して、ギアなしで低回転高トルクが得られる点、保持力が大きい点、高分解能である点、静粛性に富む点、磁気的ノイズを発生せず、また、磁気的ノイズの影響を受けない点等の利点を有している。
【０００３】
例えば特許文献１には、１種類の圧電素子を用いて構成でき、構成が簡略な超音波モータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−１２１５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている超音波モータにおいて、基本弾性体の一方の側面と他方の側面とは互いに対向しており、一方の側面と他方の側面とには積層型圧電素子がそれぞれ配置されている。積層型圧電素子を基本弾性体に固定するためには、保持用弾性体等によって基本弾性体に対して積層型圧電素子を予圧する必要が生じる。この予圧とは、積層型圧電素子に加える圧縮力である。また保持用弾性体を用いる際に、組立冶具等の別部品を使用する必要が生じる。
【０００６】
しかしながら保持用弾性体は、一方の側面と他方の側面とにおける積層型圧電素子それぞれに対して、別々に予圧するために、均等に予圧できない虞が生じ（予圧がばらつく虞が生じ）、超音波振動子の性能に影響を及ぼす可能性が生じる。また積層型圧電素子を予圧するために保持用弾性体を用いる際に、組立冶具が必要となり、簡易に予圧できず、予圧に手間がかかってしまう。
【０００７】
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、積層型圧電素子に均等且つ簡易に予圧できる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】
本発明は目的を達成するために、棒状弾性体と、前記棒状弾性体に両端を保持され、変位方向と前記棒状弾性体の長手方向との間の角度において鋭角を有した状態で前記棒状弾性体の対向する２つの側面にそれぞれ配設され、さらに前記棒状弾性体の長手方向において正対して見て互いに反対方向に傾斜して前記棒状弾性体に配置される一対の積層型圧電素子と、前記棒状弾性体の先端部に接合されている摩擦子と、を具備し、一対の前記積層型圧電素子にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起し、前記摩擦子に超音波楕円運動を励起させる超音波モータであって、前記積層型圧電素子を前記棒状弾性体に密着固定するために、前記積層型圧電素子を前記積層型圧電素子の積層方向に沿って同時に且つ均等に予圧する予圧機構を具備することを特徴とする超音波モータを提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、積層型圧電素子に均等且つ簡易に予圧できる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の実施形態に係る超音波モータを構成する超音波振動子の上面図である。
【図２】図２は、超音波振動子を図１に示すα方向からみた図（正面図）である。
【図３】図３は、超音波振動子を図１に示すβ方向からみた図（背面図）である。
【図４】図４は、超音波振動子を図１に示すγ方向からみた図（右側面図）である。
【図５】図５は、超音波振動子を図１に示すδ方向から視た図（左側面図）である。
【図６】図６は、超音波振動子を用いた超音波モータの側面図である。
【図７】図７は、超音波振動子を用いた超音波モータの分解図である。
【図８】図８は、第２の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの側面図である。
【図９】図９は、第２の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの分解図である。
【図１０】図１０は、第３の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの分解図である。
【図１１】図１１は、第３の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの側面図である。
【図１２】図１２は、第４の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの分解図である。
【図１３】図１３は、第４の実施形態における超音波振動子を用いた超音波モータの側面図である。
【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について詳細に説明する。
図１乃至図７を参照して第１の実施形態について説明する。
超音波モータ１は、図１乃至図７に示すよう、超音波による振動を発生させる超音波振動子１０と、超音波振動子１０の振動が伝達され駆動される被駆動部材であるロータ５３と、被駆動部材（ロータ５３）と超音波振動子１０とに押圧力を与える押圧機構７０と、超音波振動子１０に設けられる後述する積層型圧電素子１８に予圧力を与える予圧機構８０とを有している。
【００１２】
超音波振動子１０は、例えば黄銅材（Ｃ２８０１ＰのＯ材）からなる角柱又は円柱形状の棒状弾性体である基本弾性体１２と、図示しない駆動源により交番電圧が印加され励振する電気機械変換素子である積層型圧電素子１８と、基本弾性体１２の長手方向上端部にて被駆動部材（ロータ５３）に対向して配置され、積層型圧電素子１８による振動を被駆動部材（ロータ５３）に伝達する摺動用駆動子２６とを有している。
【００１３】
図２に示すように基本弾性体１２の正面１２ａに凹部１６ａを有し、図３に示すように正面１２ａに対向する基本弾性体１２の裏面１２ｂに凹部１６ｂを有している。凹部１６ａ，１６ｂは、正面１２ａと裏面１２ｂとに限定される必要はなく、基本弾性体１２の対向する側面１２ｃ，１２ｄに配置されていてもよい。
【００１４】
凹部１６ａは、基本弾性体１２の高さ（長手）方向に対して所望の角度だけ傾けられた状態で正面１２ａに配設されている。凹部１６ｂも凹部１６ａと同様に、基本弾性体１２の高さ（長手）方向に対して凹部１６ａと同じ所望の角度だけ傾けられた状態で裏面１２ｂに配設されている。この場合、凹部１６ａ，１６ｂは、正対して見て逆方向に取付けられている。また凹部１６ａ，１６ｂの傾き角度は、基本弾性体１２の高さ（長手）方向と、凹部１６ａ，１６ｂの長手方向との間において鋭角である。
【００１５】
この凹部１６ａ，１６ｂには、積層型圧電素子１８と、積層型圧電素子１８を保持する後述する保持用弾性体８３とがそれぞれ挿入される。積層型圧電素子１８は、超音波による振動を発生させる振動本体部であり、電気機械変換素子である。保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂにおいて、積層型圧電素子１８よりも基本弾性体１２の基端部１３ａ側に配置される。積層型圧電素子１８と保持用弾性体８３とは、凹部１６ａ，１６ｂに挿入されるため、凹部１６ａ，１６ｂと同様に所望の角度だけ傾けられた状態で配置される。
【００１６】
図４および図５に示すように、積層型圧電素子１８と保持用弾性体８３との側面は、表裏面ともに長手方向で同位置に投影されている。つまり積層型圧電素子１８は、変位方向と基本弾性体１２の長手方向との間の角度において鋭角を有した状態で基本弾性体１２の対向する２つの側面である正面１２ａと裏面１２ｂとにそれぞれ配設される。さらにこれら積層型圧電素子１８は、基本弾性体１２の長手方向において正対して見て互いに反対方向に傾斜して基本弾性体１２に配置される。
【００１７】
なお凹部１６ａに配置されている積層型圧電素子１８と保持用弾性体８３と、凹部１６ｂに配置されている積層型圧電素子１８と保持用弾性体８３とは、基本弾性体１２を挟持していることとなる。またこれら積層型圧電素子１８は、両端を基本弾性体１２（凹部１６ａ，１６ｂと保持用弾性体８３）により保持されていることとなる。
【００１８】
また、凹部１６ａに挿入される積層型圧電素子１８から出されている電気端子は、それぞれＡ端子とＧＮＤ端子とである。また、凹部１６ｂに挿入される積層型圧電素子１８から出されている電気端子は、それぞれＢ端子とＧＮＤ端子とである。
【００１９】
次に積層型圧電素子１８について詳細に説明する。
積層型圧電素子１８は、複数の板状の圧電素子１８ｆが積層され、積層した圧電素子１８ｆを２個の図示しない絶縁板によって挟むことで構成されており、基本弾性体１２の長手方向に対して傾斜して配置されている。このような積層化は接着剤を用いても良いし、一体焼成法によっても良い。
【００２０】
圧電素子１８ｆは、超音波振動子１０の駆動用の圧電素子である。この圧電素子１８ｆは、例えば１００μｍの厚みを有し、例えばチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックス素子（ＰＺＴ）である。なお圧電素子１８ｆの一部は、例えば振動検出用として用いられても良い。
【００２１】
圧電素子１８ｆの表面と裏面とには、＋用電極と−用電極のいずれかを有している図示しない内部電極が形成されている。上述したように圧電素子１８ｆが積層する際、＋用電極の内部電極を有する圧電素子１８ｆと、−用電極の内部電極を有する圧電素子１８ｆと、が交互に積層する。
【００２２】
内部電極は、例えば４μｍの厚さを有し、例えば銀パラジウム合金である。内部電極の面積は、圧電素子１８ｆの面積に可能な限り近いことが好適である。
【００２３】
なお内部電極同士の積層の際の接続は、それぞれ短絡した外部電極で行う。そして＋用電極の内部電極と−用電極の内部電極との間に高電圧を印加して、圧電素子１８ｆを分極させ、圧電的に活性化させる。
【００２４】
なお積層型圧電素子１８の構成は、上記に限定する必要はない。
【００２５】
超音波振動子１０の上端部である基本弾性体１２の先端部１３ｂには、例えば円環状のフェノール樹脂にアルミナセラミックの砥粒を分散させた砥石からなる摩擦子や複合樹脂である摺動用駆動子２６が接合されている。
【００２６】
超音波モータ１は、一対の積層型圧電素子１８にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起し、摺動用駆動子２６に超音波楕円運動を励起させる。
【００２７】
基本弾性体１２の中心軸上には、貫通孔３０が穿設されている。この貫通孔３０の中心軸上の超音波振動子１０の縦振動の節位置には、メネジ３２が螺刻されている（図７参照）。
【００２８】
貫通孔３０には、後述する第１の弾性体８１における軸５１が嵌装される。この軸５１は、図２に示すように超音波振動子１０の先端部１３ｂから突出する長さを有している。
【００２９】
またこの軸５１には、オネジ５８,オネジ５９が螺刻されている。
オネジ５８は、メネジ３２の配設位置（超音波振動子１０の縦振動の節位置）に対応するように軸５１に配設されている。オネジ５８は、メネジ３２と螺合し、その後、接着固定される。これにより軸５１は、基本弾性体１２の縦振動の節部にて接着固定される。
オネジ５９は、先端部１３ｂから突出する軸５１の先端部に配設されている。オネジ５９は、ナット５７の配設位置に対応するように軸５１に配設されている。このオネジ５９には、ナット５７が嵌合する。
【００３０】
超音波振動子１０の上端部である摺動用駆動子２６には、摺動用駆動子２６によって駆動される円環状のロータ５３が配設される。詳細には、摺動用駆動子２６に対向するロータ５３の下面には、例えば円環状のセラミックスからなる摺動材５３ａが貼付されている。ロータ５３の断面形状と摺動材５３ａの断面形状とは同一であり、ロータ５３は摺動材５３ａを介して摺動用駆動子２６と接触し、駆動される。
【００３１】
またロータ５３の内部には、ラジアルベアリング５４が配置される。またロータ５３の上部には、バネ保持体５５が配設される。バネ保持体５５は、コイルバネ５６を位置決め保持している。
【００３２】
ロータ５３と摺動材５３ａとラジアルベアリング５４とバネ保持体５５とには、軸５１が挿通している。
【００３３】
ロータ５３は、コイルバネ５６によって、バネ保持体５５とラジアルベアリング５４とを介して摺動用駆動子２６に向けて回転可能に押圧固定されている。より詳細には、摺動材５３ａが摺動用駆動子２６に対して押圧固定される。
【００３４】
コイルバネ５６は、バネ保持体５５によって保持され、ナット５７によってバネ保持体５５（軸５１）からの抜けを防止されている。このナット５７は、コイルバネ５６の押圧力を調整する。
【００３５】
つまりコイルバネ５６は、軸５１を螺旋状に囲み、バネ保持体５５によって保持され、ナット５７によって軸５１から外れないように配設される。コイルバネ５６の押圧力は、ナット５７により調節される。コイルバネ５６は、コイルバネ５６の押圧力によって、バネ保持体５５とラジアルベアリング５４とを介してロータ５３を摺動用駆動子２６へと押圧する。
【００３６】
このようにナット５７とコイルバネ５６とバネ保持体５５とラジアルベアリング５４とは、ロータ５３を摺動用駆動子２６に押圧する押圧機構７０である。
【００３７】
基本弾性体１２の基端部１３ａ（下面１２ｇ）には、長手方向に凸設されている凸部１５が配設されている。凸部１５は、後述する第２の弾性体８２に設けられた開口部８２ａに嵌め込まれる。凸部１５には、貫通孔３０と連通している貫通孔１５ａが配設されている。
【００３８】
また超音波モータ１は、超音波振動子１０において、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に密着固定するために、保持用弾性体８３を基本弾性体１２の長手方向に沿って押圧し、積層型圧電素子１８を積層型圧電素子１８の積層方向に沿って予圧する予圧機構８０を有している。この予圧機構８０は、凹部１６ａに挿入される正面１２ａ側の積層型圧電素子１８と、凹部１６ｂに挿入される裏面１２ｂ側の積層型圧電素子１８とをそれぞれ同時に且つ同じ力量で（均等に）予圧する。この予圧とは、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に隙間無く密着固定させるために、保持用弾性体８３を押圧し、積層型圧電素子１８に大気圧よりも高い圧力をかけることであり、積層型圧電素子１８に加える圧縮力を示す。
【００３９】
予圧機構８０が積層型圧電素子１８を予圧し、積層型圧電素子１８が基本弾性体１２に固定される事で、積層型圧電素子１８の振動は基本弾性体１２に伝達される。
【００４０】
予圧機構８０は、基本弾性体１２の基端部１３ａ（下面１２ｇ）側に配設され、基本弾性体１２の長手方向において積層型圧電素子１８を挟んで押圧機構７０や摺動用駆動子２６やロータ５３とは反対側に配設されている。
【００４１】
予圧機構８０は、基本弾性体１２を基本弾性体１２の基端部１３ａ（下面１２ｇ）側から押圧する第１の弾性体８１と、第１の弾性体８１と基本弾性体１２の基端部１３ａとの間に配設され、第１の弾性体８１の押圧力を基本弾性体１２の基端部１３ａに伝達する第２の弾性体８２と、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に密着固定するために、第１の弾性体８１から第２の弾性体８２を介して伝達される押圧力によって、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に向って同時に且つ均等に予圧し、この予圧によって積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に密着固定するように積層型圧電素子１８を保持する保持用弾性体８３とを有している。
【００４２】
第１の弾性体８１は、超音波モータ１の中心軸として貫通孔３０に螺合可能であり、貫通孔３０に挿通される軸５１を有している。第１の弾性体８１は、基本弾性体１２にねじ止めによって固定される。
【００４３】
軸５１は、図２に示すように基本弾性体１２の先端部１３ｂから突出する長さを有している。突出する長さは、図６に示すように摺動用駆動子２６とロータ５３と押圧機構７０とが配設される長さである。このように軸５１は、摺動用駆動子２６とロータ５３と押圧機構７０とを支持する支持軸でもある。軸５１は、上述したようにオネジ５８，５９を有している。また軸５１が貫通孔３０に挿通した際、第１の弾性体８１は、第２の弾性体８２を貫通孔１５ａ（基本弾性体１２）に圧入させ、第２の弾性体８２を第１の弾性体８１と基本弾性体１２とで挟持する。そして第１の弾性体８１は、この圧入によって第２の弾性体８２を基本弾性体１２に固定する。
【００４４】
第２の弾性体８２は、凸部１５が嵌め込まれる開口部８２ａと、第１の弾性体８１によって保持用弾性体８３をそれぞれ押圧する１対の押圧部８２ｂとを有している。
【００４５】
第２の弾性体８２は、第１の弾性体８１が基本弾性体１２にねじ止めされる際に生じる力を、保持用弾性体８３に伝達する。
【００４６】
開口部８２ａは、第２の弾性体８２の長手方向に沿って貫通している。そのため凸部１５が開口部８２ａに嵌め込まれ、軸５１が貫通孔１５ａ，３０を挿通すると、基本弾性体１２と第１の弾性体８１と第２の弾性体８２とは、一体となる。またこのとき基本弾性体１２と第１の弾性体８１と第２の弾性体８２との中心軸は、一致（一体化）する。
【００４７】
押圧部８２ｂは、第１の弾性体８１と基本弾性体１２とのねじ止めによる締結力によって保持用弾性体８３を押圧する。
【００４８】
押圧部８２ｂは、凹部１６ａに挿入される保持用弾性体８３と、凹部１６ｂに挿入される保持用弾性体８３とに対応するように第２の弾性体８２に一対配設されている。押圧部８２ｂは、保持用弾性体８３をそれぞれ同時且つ均等の力で押圧する。
【００４９】
保持用弾性体８３は、押圧部８２ｂにおける押圧力を基に、積層型圧電素子１８を同時に且つ均等に予圧する。保持用弾性体８３は、予圧する際に、この予圧を積層型圧電素子１８の下面１８ｂ側から積層型圧電素子１８の積層方向に沿って積層型圧電素子１８に伝達する伝達部８３ａを有している。伝達部８３ａは、積層型圧電素子１８が載置（当接）する保持用弾性体８３の載置面である。伝達部８３ａは、上述したように積層型圧電素子１８が傾くように、所望に傾けられている。
【００５０】
なお伝達部８３ａに載置する積層型圧電素子１８の載置面である下面１８ｂには、エポキシ樹脂等の接着剤が塗布される。積層型圧電素子１８は接着剤によって保持用弾性体８３に接着しているため、伝達部８３ａが予圧を積層型圧電素子１８に伝達すると、積層型圧電素子１８は保持用弾性体８３を介して基本弾性体１２に密着固定される。このように保持用弾性体８３は、伝達部８３ａによって積層型圧電素子１８を保持し、基本弾性体１２に積層型圧電素子１８を密着固定する。
【００５１】
保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂを介して基本弾性体１２に接着、積層型圧電素子１８と共に基本弾性体１２に両端を保持される。
【００５２】
本実施形態において第２の弾性体８２と保持用弾性体８３とは、別体である。
【００５３】
第２の弾性体８２の外径は、第１の弾性体８１の外径と基本弾性体１２の外径よりも小さい。そのため、第２の弾性体８２と第１の弾性体８１と基本弾性体１２とによって深さ略１ｍｍ〜略２ｍｍの溝部１４が形成される。溝部１４より下方（積層圧電素子１８と反対側）の長さ寸法を変化させ、溝部１４の相対位置を適切（所望）な位置とすることで、共振縦振動モードと共振捻れ振動との共振周波数をほぼ一致させる。
【００５４】
次に本発明の動作方法について説明する。
まず超音波振動子１０の作製方法について説明する。
積層型圧電素子１８は、伝達部８３ａに載置される。下面１８ｂには、接着剤が塗布されている。そのため積層型圧電素子１８は伝達部８３ａに接着される。伝達部８３ａに載置された積層型圧電素子１８を保持する保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂに配置される。
【００５５】
次に凸部１５は、開口部８２ａに嵌め込まれる。このとき押圧部８２ｂは、保持用弾性体８３に当接する。次に軸５１は、貫通孔１５ａ，３０を挿通する。このとき第１の弾性体８１と第２の弾性体８２と基本弾性体１２とは、それぞれの中心軸が一致する。そしてオネジ５８は、メネジ３２に螺合した後に接着固定される。これにより軸５１は、基本弾性体１２の縦振動の節部と接着固定することとなる。
【００５６】
このときオネジ５８とメネジ３２とが、螺合されることで、第２の弾性体８２を基本弾性体１２に圧入し、第２の弾性体８２を基本弾性体１２に固定する。
またこのとき押圧部８２ｂは、保持用弾性体８３を押圧する。
【００５７】
なお第１の弾性体８１のねじ止めを調整することで、押圧力が調整され、この調整に応じて押圧部８２ｂは、基本弾性体１２の基端部１３ａ側から保持用弾性体８３を押圧する。
【００５８】
押圧部８２ｂは、保持用弾性体８３をそれぞれ押圧する。このとき押圧部８２ｂは、凹部１６ａにおける保持用弾性体８３と凹部１６ｂにおける保持用弾性体８３とを同時に且つ同量の押圧力にて押圧する。つまり凹部１６ａにおける保持用弾性体８３と凹部１６ｂにおける保持用弾性体８３とは、押圧部８２ｂによって、同時に且つ均等の押圧力にて押圧される。
【００５９】
これにより保持用弾性体８３において、伝達部８３ａは、この押圧力を基に下面１８ｂ側から積層型圧電素子１８の積層方向に沿って積層型圧電素子１８を予圧する。つまり積層型圧電素子１８は、伝達部８３ａを通じて、押圧力を基に予圧される。
【００６０】
保持用弾性体８３は、積層型圧電素子１８を保持し、積層型圧電素子１８を予圧し、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に隙間無く密着固定する。よって積層型圧電素子１８は、予圧された状態で基本弾性体１２に密着固定される。
【００６１】
なお積層型圧電素子１８は、凹部１６ａ，１６ｂにそれぞれ配設されている。各積層型圧電素子１８は、押圧部８２ｂと伝達部８３ａによって同一の予圧を同時に与えられる。よって凹部１６ａ，１６ｂにそれぞれ配設されている積層型圧電素子１８に対する予圧のばらつきは、抑えられる。
【００６２】
またこのとき、保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂを介して基本弾性体１２に接着、またはねじ止め固定される。
【００６３】
次に、超音波振動子１０の動作について説明する。
超音波振動子１０は、超音波振動子１０の寸法が１次の共振縦振動、および１次の（溝部１４より下方の捻れまで考慮すると２次の）共振捻れ振動がほぼ同一周波数Ｆｒで励起できるようになっている。
共振縦振動は、図２に示す矢印Ｚ方向の振動である。１次の共振捻れ振動は、図１に示す矢印ω方向の振動であり、共振縦振動の振動方向（矢印Ｚ方向）を捻れの軸とする振動である。この周波数近傍には、共振屈曲振動の固有振動はないような形状寸法に形成されている。
【００６４】
まず、Ａ端子に周波数Ｆｒで、振幅Ｖｒの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で同位相の交番電圧を印加すると共振縦振動が励起される。共振縦振動の節位置は、基本弾性体１２の中心軸上で、超音波振動子１０の長手方向のほぼ中央に存在する。
つぎに、Ａ端子に周波数Ｆｒで、振幅Ｖｒの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で逆位相の交番電圧を印加すると共振捻れ振動が励起される。共振捻れ振動では、基本弾性体１２の中心軸上で、長手方向のほぼ中央に節位置がある。
さらに、Ａ端子に周波数Ｆｒで、振幅Ｖｒの交番電圧を印加し、Ｂ端子に同一周波数、同振幅で位相が９０度異なった交番電圧を印加すると共振縦振動と共振捻れ振動が合成されて、摺動用駆動子２６の位置に超音波楕円振動が励起される。
【００６５】
つぎに、図６と図７とを用いて、超音波振動子１０を用いた本実施例の超音波モータ１の動作方法について説明する。図６と図７とにおいて、また上述した超音波振動子１０の作製方法において、軸５１は貫通孔１５ａに挿通され、貫通孔３０（図７参照）に設けられたメネジ３２とオネジ５８とが螺合すると、軸５１は基本弾性体１２の縦振動の節部にて基本弾性体１２に接着固定することとなる。
【００６６】
摺動用駆動子２６（超音波振動子１０の上端部）には、ロータ５３がラジアルベアリング５４およびバネ保持体５５を介して、コイルバネ５６により押圧固定されている。コイルバネ５６の押圧力はナット５７により調節される。ロータ５３は、摺動材５３ａを介して摺動用駆動子２６と当接する。これにより押圧機構７０が形成される。
【００６７】
先に示したように、超音波振動子１０のＡ端子とＢ端子とに、周波数Ｆｒ、振幅Ｖｒ、位相差＋９０度または−９０度の交番電圧を印加する。すると、ロータ５３が摺動用駆動子２６に対して時計回りまたは反時計回りに回転する。
このように本実施形態では、予圧機構８０において、第１の弾性体８１をねじ止めすることで、第２の弾性体８２と伝達部８３ａとによって積層型圧電素子１８を同時に且つ均等の力で簡易に予圧することができる。また本実施形態では、凹部１６ａ，１６ｂにそれぞれ配設されている積層型圧電素子１８に対して、予圧のばらつきを防止でき、超音波モータ１の性能を高く保つことができる。
【００６８】
また本実施形態では、超音波モータ１を作製（組み立てる）する際に、第１の弾性体８１をねじ止めするのみで、積層型圧電素子１８を簡易に予圧することができ、予圧の手間を省くことができる。
【００６９】
また本実施形態では、保持用弾性体８３を用いても冶具などを用いずに第１の弾性体８１をねじ止めするのみで、簡易に超音波モータ１を作製することができ、超音波モータ１を安価にすることができる。
【００７０】
また本実施形態では、第１の弾性体８１のねじ止めを調整することで、予圧を調整することができる。また本実施形態では、予圧機構８０は、基本弾性体１２の長手方向において積層型圧電素子１８を挟んで押圧機構７０や摺動用駆動子２６やロータ５３とは反対側に配設されている。よって本実施形態では、超音波モータ１を作製した後でも、第１の弾性体８１のねじ止めを調整でき、予圧を調整することができる。
【００７１】
また本実施形態では、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に固定する力（予圧）を積層型圧電素子１８に直接的に伝えることができる。よって本実施形態では、効率よく予圧を積層型圧電素子１８に伝達でき、予圧の伝達効率を向上させることができる。
【００７２】
また本実施形態では、第１の弾性体８１によって第２の弾性体８２を基本弾性体１２に圧入し固定することで、第１の弾性体８１の押圧力を第２の弾性体８２を通じて保持用弾性体８３に無駄なく伝達することができる。
【００７３】
また本実施形態では、圧入によって第２の弾性体８２を基本弾性体１２に固定することで、第１の弾性体８１が第２の弾性体８２を基本弾性体１２にねじ止めする際の力を、保持用弾性体８３と基本弾性体１２とに直接伝達することを防止することができる。
【００７４】
次に図８乃至図９を参照して第２の実施形態について説明する。第１の実施形態と同一の構成については第１の実施形態と同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。
本実施形態において第２の弾性体８２は、保持用弾性体８３と一体（同体）である。
【００７５】
これにより本実施形態では、超音波モータ１の部品数を削減することができ、組立工数を削減でき、より安価な超音波モータ１を提供することができる。また本実施形態では超音波モータ１をより容易に組み立てることができる。
【００７６】
次に図１０乃至図１１を参照して第３の実施形態について説明する。第１，２の実施形態と同一の構成については。第１，２の実施形態と同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。
本実施形態の基本弾性体１２は、下端から例えば１１ｍｍの位置の外周にて、全周に渡って形成（凹設）されている深さ略１ｍｍ〜略２ｍｍの溝部１４を有している。溝部１４より下方（積層圧電素子１４と反対側）の長さ寸法を変化させ、溝部１４の相対位置を適切（所望）な位置とすることで、共振縦振動モードと共振捻れ振動との共振周波数をほぼ一致させる。
【００７７】
溝部１４よりも上方に位置する基本弾性体１２の基端部１３ａの外径Ｄ１は、摺動用駆動子２６側の基本弾性体１２の先端部１３ｂの外径Ｄ２に比べて小さい。つまり基本弾性体１２の基端部１３ａは、基本弾性体１２の先端部１３ｂよりも細径である。基本弾性体１２の基端部１３ａの外周には、ねじ山１２ｈが形成されている。
【００７８】
本実施形態の予圧機構８０は、積層型圧電素子１８を基本弾性体１２に密着固定するために、ねじ山１２ｈを介して保持用弾性体８３をねじ止めすることで保持用弾性体８３を介して積層型圧電素子１８を予圧する押圧リング８４を有している。
【００７９】
押圧リング８４の内径Ｄ３は、基本弾性体１２の基端部１３ａの外径Ｄ１に比べて大きい。押圧リング８４の中心軸は、基本弾性体１２の中心軸と同一直線上に配設される。
【００８０】
また本実施形態の保持用弾性体８３は、リング形状を有している。保持用弾性体８３は、押圧リング８４がねじ山１２ｈを通じて保持用弾性体８３をねじ止めすることで、積層型圧電素子１８それぞれに同時に予圧を加える。
【００８１】
本実施形態では、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また本実施形態では、押圧リング８４と基本弾性体１２の基端部１３ａとは、一体化する。よって本実施形態では、軸５１を介して振動を被駆動材であるロータ５３に効率よく伝達でき、振動のロスを削減することができ、振動の伝達効率を向上させることができる。
【００８２】
次に図１２乃至図１３を参照して第４の実施形態について説明する。第１，２，３の実施形態と同一の構成については。第１，２，３の実施形態と同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。
【００８３】
本実施形態の保持用弾性体８３は、凹部１６ａ，１６ｂにおいて、積層型圧電素子１８よりも基本弾性体１２の先端部１３ｂ側に配置される。
保持用弾性体８３は、積層型圧電素子１８の上面１８ａから積層型圧電素子１８を保持する
基本弾性体１２の先端部１３ｂの外径Ｄ２は、基本弾性体１２の基端部１３ａの外径Ｄ１よりも小さい。つまり基本弾性体１２の先端部１３ｂは、基本弾性体１２の基端部１３ａよりも細径である。なお本実施形態の場合、基本弾性体１２の基端部１３ａの外径Ｄ１は、積層型圧電素子１８が配設される基本弾性体１２の中端部の外径と略同一である。基本弾性体１２の先端部１３ｂの外周には、ねじ山１２ｈが形成されている。
【００８４】
この場合、押圧リング８４は、ねじ山１２ｈを通じて基本弾性体１２の先端部１３ｂをねじ止めすることで保持用弾性体８３を介して積層型圧電素子１８を予圧する。このとき押圧リング８４の中心軸は、基本弾性体１２の中心軸と同一直線上に配設される。
【００８５】
これにより本実施形態では、摺動用駆動子２６とロータ５３と押圧機構７０とが配設される基本弾性体１２の先端部１３ｂ側からの組み立てが可能となり、超音波モータ１を容易に組み立てることができる。
【００８６】
また本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。
【符号の説明】
【００８７】
１…超音波モータ、１０…超音波振動子、１２…基本弾性体（棒状弾性体）、１２ａ…正面、１２ｂ…裏面、１２ｃ，１２ｄ…側面、１３ａ…基端部、１３ｂ…先端部、１４…溝部、１５…凸部、１５ａ…貫通孔、１６ａ，１６ｂ…凹部、１８…積層型圧電素子、１８ａ…上面、１８ｂ…下面、１８ｆ…圧電素子、２６…摺動用駆動子（摩擦子）、３０…貫通孔、３２…メネジ、５１…軸、５３…ロータ、５３ａ…摺動材、５４…ラジアルベアリング、５５…バネ保持体、５６…コイルバネ、５７…ナット、５８…オネジ、７０…押圧機構、８０…予圧機構、８１…第１の弾性体、８２ａ…開口部、８２…第２の弾性体、８２ｂ…押圧部、８３…保持用弾性体、８３ａ…伝達部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状弾性体と、
前記棒状弾性体に両端を保持され、変位方向と前記棒状弾性体の長手方向との間の角度において鋭角を有した状態で前記棒状弾性体の対向する２つの側面にそれぞれ配設され、さらに前記棒状弾性体の長手方向において正対して見て互いに反対方向に傾斜して前記棒状弾性体に配置される一対の積層型圧電素子と、
前記棒状弾性体の先端部に接合されている摩擦子と、
を具備し、
一対の前記積層型圧電素子にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起し、前記摩擦子に超音波楕円運動を励起させる超音波モータであって、
前記積層型圧電素子を前記棒状弾性体に密着固定するために、前記積層型圧電素子を前記積層型圧電素子の積層方向に沿って同時に且つ均等に予圧する予圧機構を具備することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記予圧機構は、
前記棒状弾性体を前記棒状弾性体の基端部側から押圧する第１の弾性体と、
前記第１の弾性体と前記棒状弾性体の基端部との間に配設され、前記第１の弾性体の押圧力を前記棒状弾性体に伝達する第２の弾性体と、
前記積層型圧電素子を前記棒状弾性体に固定するために、前記第１の弾性体から前記第２の弾性体を介して伝達される押圧力によって、前記積層型圧電素子を前記基本弾性体に向って同時に且つ均等に予圧し、前記積層型圧電素子を保持する前記保持用弾性体と、
を有す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】
前記保持用弾性体は、予圧する際に、前記予圧を積層型圧電素子の積層方向に沿って前記積層型圧電素子に伝達する伝達部を有する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】
前記第１の弾性体は、前記棒状弾性体にねじ止めによって固定されることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記第１の弾性体は、前記第２の弾性体を前記棒状弾性体に圧入させ、圧入によって前記第２の弾性体を前記棒状弾性体に固定することを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記第２の弾性体は、前記保持用弾性体と一体であることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記第１の弾性体と前記第２の弾性体と前記棒状弾性体との中心軸は、一体であることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項１】
棒状弾性体と、
前記棒状弾性体に両端を保持され、変位方向と前記棒状弾性体の長手方向との間の角度において鋭角を有した状態で前記棒状弾性体の対向する２つの側面にそれぞれ配設され、さらに前記棒状弾性体の長手方向において正対して見て互いに反対方向に傾斜して前記棒状弾性体に配置される一対の積層型圧電素子と、
前記棒状弾性体の先端部に接合されている摩擦子と、
を具備し、
一対の前記積層型圧電素子にそれぞれ位相の異なる交番電圧を印加することにより、縦振動と捻れ振動とを同時に励起し、前記摩擦子に超音波楕円運動を励起させる超音波モータであって、
前記積層型圧電素子を前記棒状弾性体に密着固定するために、前記積層型圧電素子を前記積層型圧電素子の積層方向に沿って同時に且つ均等に予圧する予圧機構を具備することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
前記予圧機構は、
前記棒状弾性体を前記棒状弾性体の基端部側から押圧する第１の弾性体と、
前記第１の弾性体と前記棒状弾性体の基端部との間に配設され、前記第１の弾性体の押圧力を前記棒状弾性体に伝達する第２の弾性体と、
前記積層型圧電素子を前記棒状弾性体に固定するために、前記第１の弾性体から前記第２の弾性体を介して伝達される押圧力によって、前記積層型圧電素子を前記基本弾性体に向って同時に且つ均等に予圧し、前記積層型圧電素子を保持する前記保持用弾性体と、
を有す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】
前記保持用弾性体は、予圧する際に、前記予圧を積層型圧電素子の積層方向に沿って前記積層型圧電素子に伝達する伝達部を有する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】
前記第１の弾性体は、前記棒状弾性体にねじ止めによって固定されることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項５】
前記第１の弾性体は、前記第２の弾性体を前記棒状弾性体に圧入させ、圧入によって前記第２の弾性体を前記棒状弾性体に固定することを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項６】
前記第２の弾性体は、前記保持用弾性体と一体であることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記第１の弾性体と前記第２の弾性体と前記棒状弾性体との中心軸は、一体であることを特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１９３５９１（Ｐ２０１０−１９３５９１Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３４０５７（Ｐ２００９−３４０５７）
【出願日】平成２１年２月１７日（２００９．２．１７）
【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９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１７日（２００９．２．１７）
【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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