特許 6140507 超音波モーター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6140507

(24)【登録日】2017年5月12日

(45)【発行日】2017年5月31日

(54)【発明の名称】超音波モーター

(51)【国際特許分類】

   H02N 2/12 20060101AFI20170522BHJP

【ＦＩ】

   H02N2/12

【請求項の数】5

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-74431(P2013-74431)

(22)【出願日】2013年3月29日

(65)【公開番号】特開2014-200139(P2014-200139A)

(43)【公開日】2014年10月23日

【審査請求日】2016年2月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】一色国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】山中 哲

(72)【発明者】

【氏名】大場 佳成

【審査官】 小林 紀和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−１３１１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６３−１３１５９５（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ ２／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

分極極性が逆となる＋分極領域と−分極領域が円環を形成するように配置されてなる圧電体を備えた超音波モーターであって、
前記＋分極領域および−分極領域の表面に、位相が互いに９０゜ずれたＡ相とＢ相の高周波信号が印加されるＡ相電極とＢ相電極のいずれかが形成されて、前記＋と−の分極領域が、Ａ相＋領域とＡ相−領域とＢ相＋領域とＢ相−領域の４種類の分極領域のいずれかに区分され、
前記Ａ相＋領域と前記Ａ相−領域は、前記円環の中心角が１／２波長分の角度に対応する分極領域を有して交互に分極極性が逆となるように円環状にｎ（但し、ｎは２以上の自然数）波長分配置されてなるＡ相の分極パターンから、当該パターンを構成する１／２波長分の分極領域、および当該分極領域を２等分する１／４波長分の領域から合計ｎ／２波長分の領域が選択されて配置され、
前記Ｂ相＋領域と前記Ｂ相−領域は、前記Ａ相の分極パターンを１／４波長に対応する角度で回転させたＢ相の分極パターンから、前記Ａ相＋領域と前記Ａ相−領域の双方に重複しない位置にある分極領域から選択されて配置され、
前記４種類の分極領域の内、少なくとも一種類の分極領域が１／２波長分に対応する角度で前記円環の中心に対して点対称となる位置に配置されている、
ことを特徴とする超音波モーター。

【請求項2】

請求項１において、
前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の一方の相に属する＋分極領域と−分極領域のいずれか一つの特定の分極領域が円環上に９０゜の等角度間隔ごとに４箇所に１／２波長分の角度で配置され、
前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の他方の相に属する＋分極領域と−分極領域が、１／４波長分の角度で、前記特定の分極領域が配置されていない領域に前記円環上に９０゜の等角度間隔で配置されている、
ことを特徴とする超音波モーター。

【請求項3】

請求項１において、
前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の一方の相に属する＋分極領域と−分極領域が、それぞれ１／２波長分に対応する角度で前記円環の中心に対して点対称となる位置に２箇所に配置され、
前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の他方の相に属する＋分極領域と−分極領域の一方の分極領域が１／２波長分に対応する角度で２箇所に回転対称となる位置に配置されている、
ことを特徴とする超音波モーター。

【請求項4】

請求項３において、前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の一方の相に属する＋分極領域と−分極領域が互いに隣接していることを特徴とする超音波モーター。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれかにおいて、前記１／４波長分の角度が２２．５゜であることを特徴とする超音波モーター。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、進行波型超音波モーターに関する。具体的には進行波型超音波モーターのステータを構成する圧電体の改良技術に関する。

【背景技術】

【0002】

周知のごとく、進行波形超音波モーター（以下、超音波モーター）は、円環状の圧電体に弾性体を貼着したステータに円周方向の進行波を発生させて、その進行波を摩擦力を介してロータに伝達することでロータを回転させている。そして、電磁石を用いたモーターと比べ、低速で高トルク、高速応答性、停止時におけるトルクの保持、静粛性、磁気ノイズが発生しない、などの特徴を有している。

【0003】

図１は、超音波モーターの基本構成を示す図であり、この図では、ステータを構成する円環状の圧電体１の分極極性と電極の配置を平面図によって示している。以下では、この図に示した圧電体の面をおもて面とし、このおもて面側を上方とする。なお、ステータを構成する弾性体は、この圧電体１の裏面側に貼着されることになる。

【0004】

圧電体１は円環状に一体成形された圧電セラミックスからなり、ここでは円環の中心角がθ１となる二つの領域（Ａ相領域１０ａ、Ｂ相領域１０ｂ）に区分されている例を示した。各相の領域（１０ａ、１０ｂ）の上面には個別の電極（以下、駆動用電極）が形成されており、圧電体１の裏面には、Ａ相とＢ相に共通の接地電極が形成されている。弾性体が導電性である場合は、その弾性体自体が接地電極となる。

【0005】

Ａ相とＢ相の領域（１０ａ、１０ｂ）はさらに複数の領域（以下、分極領域：１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）に区分されて、各分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）は圧電体１の厚み方向（紙面の法線方向）に分極処理されている。そして、Ａ相とＢ相の各領域（１０ａ、１０ｂ）では、隣接する分極領域（１１ａ−１２ａ、１１ｂ−１２ｂ）の分極極性の方向が逆方向となっている。以下では、図の紙面おもて面側から裏面に向かう分極極性を「＋」、その逆方向を「−」で表すこととし、さらに、例えば、Ａ相領域１０ａに属するとともに分極極性が＋となる分極領域１１ａであれば、この領域を「Ａ＋」と標記することとする。すなわち圧電体１には、「Ａ＋」「Ａ−」「Ｂ＋」「Ｂ−」の４種類の分極領域が存在することになる。

【0006】

ここで、４種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）に区分された圧電体１に対し、Ａ相領域１０ａとＢ相領域１０ｂのいずれかの領域に形成されている駆動用電極と接地電極間に高周波電圧からなる駆動信号を印加したとする。Ａ相とＢ相の領域（１０ａ、１０ｂ）では、隣り合う分極領域（１１ａ−１２ａ、１１ｂ−１２ｂ）の分極極性が逆であることから、各分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）は、駆動信号の１／２波長（１／２λ）分に相当することになる。そして、各分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）は、駆動信号が印加されると円周方向に屈曲振動を起こし、駆動信号の周波数がこの圧電体１を含んで構成されるステータの固有振動数に等しければ、ステータが共振して定在波が発生する。

【0007】

この定在波を利用して円周方向に進行波を発生させるためには、周知のごとく、円周上で隣接する一対の＋極と−極に対応する分極領域（１１ａ−１２ａ、１１ｂ−１２ｂ）に対応する円弧が１波長（λ）分に対応していることを利用し、Ａ相領域１０ａとＢ相領域１０ｂを１／４λ分ずらすとともに、圧電体１においてＡ相領域１０ａとＢ相領域１０ｂの各領域に相互に時間的位相が９０°異なる高周波電圧を印加する。それによって、Ａ相領域１０ａとＢ相領域１０ｂの双方に発生した定在波が相互干渉を起こし進行波が発生する。

【0008】

なお、Ａ相領域１０ａとＢ相領域１０ｂが相対的に１／４λ分ずれていることから、一般的には、分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）を円環状の圧電体１の全領域に亘って隙間無く配置しないようにしている。具体的には、図１に示したように、円周の二箇所に駆動用電極が形成されていない間隙部分（１３、１４）を設けている。一方の間隙部分１３は、１／４λ分の中心角θ２に相当する領域であり、他方の間隙１４は、３／４λ分の中心角θ３（＝３×θ２）に相当する。また、多くの超音波モーターでは、この間隙（１３、１４）に接地用電極を形成し、圧電体１の裏面に形成されている接地電極と接続している。それによって、分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）に対応して形成されている駆動用電極からの配線と、接地用電極からの配線の双方をおもて面から引き出せるようにしている。あるいは、駆動用信号による圧電体１の振動状態を検出するために、当該間隙１４の中央に分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）と同じ形状の「フィードバック電極」などと呼ばれる電極を設ける場合もある。この場合、超音波モーターは、そのフィードバック電極と接地電極間に発生した電圧信号の検出結果に基づいて駆動用信号を制御するように構成されている。

【0009】

なお、超音波モーターの基本的な構造や原理については以下の非特許文献１や２に記載されている。また以下の特許文献１には、図１に示した圧電体１における３／４λ分の間隙部分１４を二分割して３／８λ分に相当する領域を二つ設け、この二つの領域にＡ相とＢ相の分極領域を追加して、圧電体のより広い領域を振動させるようにしている。また特許文献２には、Ａ相領域とＢ相領域をそれぞれ２分割するとともに、それらの領域を間隙を介して等角度間隔で円周上に交互に配置した超音波モーターについて記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特許第２６９４１４２号公報

【特許文献2】特開２０００−３３３４７７号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】新和商事株式会社、”超音波モーターカタログ”、[online]、[平成２５年２月２０日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.shinwa-syoji.com/others/img/motor.pdf＞

【非特許文献2】公益社団法人日本セラミックス協会、”セラミックスアーカイブズ「超音波モーター」”、[online]、[平成２５年２月２０日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.ceramic.or.jp/museum/contents/pdf/2007_6_02.pdf＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

周知のごとく、超音波モーターの性能を評価するための指標として「振幅」と「位相」がある。振幅はトルクの性能を評価する際の指標であり、位相は超音波モーターの共振性能を評価する際の指標である。そして、超音波モーターは共振現象を利用して駆動している以上、モーターの直径を小さくすると振幅が小さくなりトルク性能が劣化するという原理的な問題がある。すなわち、トルク特性を維持したまま小型化を達成することが難しい。一方、位相は圧電体を構成する圧電材料の圧電定数や機械品質係数に依存している。

【0013】

ところで、超音波モーターの主要部である円環状の圧電体を形成する圧電材料としてはＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３（以下、ＰＺＴ）系セラミックスがよく知られている。ＰＺＴは、電気機械結合係数や圧電定数などの圧電特性に優れ、このＰＺＴは、超音波モーターに限らず、センサーやフィルターなどの圧電素子に広く使用されている。その一方で、近年の環境問題に対する配慮から工業製品の「鉛フリー」化が求められている。そして、ＰＺＴにはその鉛が含まれていることから、今後は、圧電材料も鉛（Ｐｂ）が含まれているＰＺＴから鉛を含まない他の圧電材料に置換していく必要がある。

【0014】

鉛を含まない圧電材料（非鉛圧電材料）としては、例えば、一般式Ｋ_ｘＮａ_{（１−ｘ）}ＮｂＯ_３で表される化合物やチタン酸バリウム（Ｂａ_ｎＴｉＯ_３）系の圧電材料などがよく知られている。しかし、現時点においてはＰＺＴに代替するほどの圧電特性（比誘電率、圧電定数、機械品質係数など）を備えた非鉛圧電材料が存在しない。とくに、圧電定数や機械品質係数が不十分であり、位相が低くなる傾向がある。したがって、図１に示したような従来の構成や構造では十分な共振特性が得られない。もちろん、圧電体を構成する材料がどのようなものであっても、超音波モーターの共振性能を向上させることには大きな意義がある。
したがって本発明の目的は、トルク性能と共振性能に優れ、小型で環境問題にも対応可能な超音波モーターを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記目的を達成するための本発明は、分極極性が逆となる＋分極領域と−分極領域が円環を形成するように配置されてなる圧電体を備えた超音波モーターであって、
前記＋分極領域および−分極領域の表面に、位相が互いに９０゜ずれたＡ相とＢ相の高周波信号が印加されるＡ相電極とＢ相電極のいずれかが形成されて、前記＋と−の分極領域が、Ａ相＋領域とＡ相−領域とＢ相＋領域とＢ相−領域の４種類の分極領域のいずれかに区分され、
前記Ａ相＋領域と前記Ａ相−領域は、前記円環の中心角が１／２波長分の角度に対応する分極領域を有して交互に分極極性が逆となるように円環状にｎ（但し、ｎは２以上の自然数）波長分配置されてなるＡ相の分極パターンから、当該パターンを構成する１／２波長分の分極領域、および当該分極領域を２等分する１／４波長分の領域から合計ｎ／２波長分の領域が選択されて配置され、
前記Ｂ相＋領域と前記Ｂ相−領域は、前記Ａ相の分極パターンを１／４波長に対応する角度で回転させたＢ相の分極パターンから、前記Ａ相＋領域と前記Ａ相−領域の双方に重複しない位置にある分極領域から選択されて配置され、
前記４種類の分極領域の内、少なくとも一種類の分極領域が１／２波長分に対応する角度で前記円環の中心に対して点対称となる位置に配置されている、
ことを特徴とする超音波モーターとしている。

【0016】

そして、前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の一方の相に属する＋分極領域と−分極領域のいずれか一つの特定の分極領域が円環上に９０゜の等角度間隔ごとに４箇所に１／２波長分の角度で配置され、
前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の他方の相に属する＋分極領域と−分極領域が、１／４波長分の角度で、前記特定の分極領域が配置されていない領域に前記円環上に９０゜の等角度間隔で配置されている、
ことを特徴とする超音波モーターとすることもできる。

【0017】

あるいは、前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の一方の相に属する＋分極領域と−分極領域が、それぞれ１／２波長分に対応する角度で前記円環の中心に対して点対称となる位置に２箇所に配置され、
前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の他方の相に属する＋分極領域と−分極領域の一方の分極領域が１／２波長分に対応する角度で２箇所に回転対称となる位置に配置されている、
ことを特徴とする超音波モーターとすることもできる。
さらに、前記Ａ相あるいは前記Ｂ相の一方の相に属する＋分極領域と−分極領域が互いに隣接していることを特徴とする超音波モーターとしてもよい。
そして、前記１／４波長分の角度が２２．５゜であることを特徴とする超音波モーターとすることもできる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、トルク特性と共振特性に優れた超音波モーターを提供することができる。それによって、超音波モーターの小型化を達成することができる。また、非鉛圧電材料の利用を可能にして環境に優しい超音波モーターを提供することも期待できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】従来の超音波モーターのステータを構成する圧電体の分極領域の配置の一例を示す図である。

【図2】超音波モーターにおける圧電体の分極領域の配置を説明するための図である。

【図3】本発明の比較例に係る超音波モーターの圧電体の分極領域の配置を示す図である。

【図4】本発明の実施例に係る超音波モーターの圧電体の分極領域の配置を説明するための図である。

【図5】本発明の第１の実施例に係る超音波モーターの圧電体の分極領域の配置を示す図である。

【図6】第１の実施例に係る超音波モーターの位相特性と振幅特性を示す図である。

【図7】第１の実施例に係る超音波モーターにおける圧電体の複素インピーダンス特性を示す図である。

【図8】本発明の第２の実施例に係る超音波モーターの圧電体の分極領域の配置を示す図である。

【図9】本発明の第３の実施例に係る超音波モーターの圧電体の分極領域の配置を示す図である。

【図10】本発明の第４の実施例に係る超音波モーターの圧電体の分極領域の配置を示す図である。

【図11】第２〜第４の実施例に係る超音波モーターの位相特性と振幅特性を示す図である。

【図12】超音波モーターにおける圧電体の分極領域のその他の配置を説明するための図である。

【図13】本発明の第２比較例に係る超音波モーターの圧電体の分極領域の配置を示す図である。

【図14】本発明の第５の実施例に係る超音波モーターの圧電体の分極領域の配置を示す図である。

【図15】第５の実施例に係る超音波モーターの位相特性と振幅特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

＝＝＝本発明の技術思想＝＝＝
本発明の対象となる進行波型超音波モーターの駆動原理は、上述したように、Ａ相とＢ相の駆動信号のそれぞれによって駆動される円環状の圧電体を互いに１／４λ分ずらして配置することで、位相がずれた二つの定在波を干渉させて進行波を発生させることにある。図２に、超音波モーターの圧電体１における分極極性と駆動用電極の配置についての概念を示した。図２（Ａ）はＡ相とＢ相の一方（ここではＡ相とする）の駆動信号によって駆動させる仮想的な圧電体１ａの分極領域（１１ａ、１２ａ）の配置状態（以下、Ａ相分極パターン１ａともいう）を示しており、（Ｂ）は他方の相（Ｂ相）の駆動信号によって駆動させる仮想的な圧電体１ｂの分極領域（１１ｂ、１２ｂ）の配置状態（以下、Ｂ相分極パターン１ｂともいう）を示している。なお、図中では上記４種類の分極領域である、Ａ＋領域１１ａ、Ａ−領域１２ａ、Ｂ＋領域１１ｂ、Ｂ−領域１２ｂを異なるハッチングで示した。

【0021】

図２の（Ａ）と（Ｂ）に示したＡ相とＢ相の分極パターン（１ａ、１ｂ）では、分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が等角度（＝α）間隔で配置されている。ここでは、１／２λ分に相当する中心角が４５゜に設定されている例を示した。また、隣接する分極領域（１１ａ−１２ａ、１１ｂ−１２ｂ）ではその分極極性が逆になっている。

【0022】

つぎに、Ａ相分極パターンの圧電体１ａとＢ相分極パターンの圧電体１ｂに互いに位相が９０゜ずれた高周波信号を印加して、それぞれの圧電体（１ａ、１ｂ）に定在波を発生させ、さらにその定在波を合成して進行波を発生させる。そのためには、図２の（Ａ）と（Ｂ）に示したように、一方の相の分極パターン（１ａ、１ｂ）を他方の相の分極パターン（１ｂ、１ａ）に対して１／４λに相当する２２．５゜だけ回転させた状態となるようにずらせばよい。なお実際の超音波モーターでは、ステータを構成する圧電体が一体成形された円環状の一つの圧電セラミックスであるので、Ａ相分極パターン１ａとＢ相分極パターン１ｂから適宜な分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）を選択して一つの圧電体に円環上に配置することになる。そして、従来の超音波モーターでは円を二等分した一方の半円については、Ａ相分極パターン１ａにおける分極領域（１１ａ、１２ａ）の配置を採用し、他方の半円については、Ｂ相分極パターン１ｂにおける分極領域（１１ｂ、１２ｂ）の配置を採用し、それらの採用された分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）を円環状に配置して一つの圧電体としたものである。

【0023】

図３は、図２（Ａ）と（Ｂ）に示したＡ相とＢ相の分極パターン（１ａ、１ｂ）に基づいて、従来の超音波モーターにおける圧電体１００の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）の配置を説明するための図である。図２（Ａ）に示したＡ相分極パターン１ａにおいて隣接し合う分極領域（１１ａ−１２ａ）の境界線の一つを延長した線分２０に対して１／８λに対応する角度（ここでは１１．２５゜）だけずらした線分２１で円を二等分したとき、一方の半円３０ａについてはＡ相分極パターン１ａの分極領域（１１ａ、１２ａ）を採用し、他方の半円３０ｂについては図２（Ｂ）に示したＢ相分極パターン１ｂの分極領域（１１ｂ、１２ｂ）を採用している。

【0024】

なお、Ａ相とＢ相の分極パターン（１ａ、１ｂ）に属する分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）の一部が円の二等分線２１によって分断され、本来１／２λに対応する角度で配置されている分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）をそのまま配置することができない。ここに示した例では、二等分線２１によってＡ相とＢ相の分極パターン（１ａ、１ｂ）がともに分断された分極領域１１４については、その分極領域１１４を２分割して各相の分極領域（１２ａ（１１４ａ）、１２ｂ（１１４ｂ））に割り当てている。また、Ｂ相分極パターン１ｂの分極領域（図２（Ｂ）符号１５ｂ）のみが分断された箇所については、分断されたＢ相の分極領域１５ｂに駆動用電極を形成せずに間隙１１３としている。いずれにしても、従来の圧電体１００では、円環を二分割した一方の領域３０ａにＡ相の分極領域（１１ａ、１２ａ）のみが配置されたＡ相領域１０ａを形成し、他方の半円領域３０ｂにＢ相の分極領域（１１ｂ、１２ｂ）のみが配置されたＢ相領域１０ｂを形成している。そして、Ａ相とＢ相に対応する振動は、円環を二分割した一方の領域（３０ａ、３０ｂ）に形成されているそれぞれの相の領域（１０ａ、１０ｂ）で発生させており、その一方の領域（１０ａ、１０ｂ）で発生させた振動で他方の相の領域（１０ｂ、１０ａ）や間隙１１３の領域を励振させることで定在波を円環の全周に亘って発生させていることになる。すなわち、円環の半分部分で発生させた振動を、遠い位置にある他方の半円の領域まで伝達させていることになる。

【0025】

しかし、上述したように、非鉛系圧電材料などで圧電体を構成する場合など、位相特性が低い圧電材料からなる円環状の圧電体を用いると、その円環の半分の領域で発生させた振動によって圧電体全体を共振させることが難しくなる。また、円環の半分の領域でのみ振動を発生させているため、その振動の振幅が振動していない領域で減衰してしまう。すなわち、トルク特性の向上に限界がある。これは、圧電体のサイズを小さくするほど顕著になる。

【0026】

そこで本発明者は、Ａ相に対応する分極領域（１１ａ、１２ａ）とＢ相に対応する分極領域（１１ｂ、１２ｂ）を、円環状の圧電体の半分の領域（３０ａ、３０ｂ）ごとに分離して配置するのではなく、円環の全周に亘って分散配置すれば、個々の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）で発生させた振動を遠い領域まで伝える必要が無く、振幅の減衰を低減させることができると考えた。また、圧電材料自体の位相性能が低くても円環の全周に亘って効率的に定在波を発生させることができると考えた。本発明は、このような考察に基づいて鋭意研究を重ねた結果なされたものである。

【0027】

＝＝＝本発明の実施例＝＝＝
本発明の実施例に係る超音波モーターは、円環状の圧電体における分極極性と電極の配置に特徴を有して優れたトルク特性と共振特性を有している。概略的には、図２（Ａ）と（Ｂ）に示したように、分極領域（１１ａと１２ａ、１１ｂと１２ｂ）が等角度間隔に区分されるとともに分極極性が交互に逆となるように円環状に配置された仮想的なＡ相分極パターン１ａと、Ａ相分極パターン１ａに対して相対的に１／４λ分回転させたＢ相分極パターン１ｂとを重ね合わせたときに、Ａ相の分極領域（１１ａ、１２ｂ）とＢ相の分極領域（１１ｂ、２ｂ）が重複する部分について、その一方の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）を選択して実際の圧電体上に配置したものである。

【0028】

具体的には、Ａ相の分極パターンとＢ相の分極パターンとを重ね合わせると、自ずと１／４λに相当する角度ごとにいずれか一方の分極領域が採用可能となる。図４に図２（Ａ）と（Ｂ）に示したＡ相とＢ相の分極パターンを重ね合わせたときに１／４λの角度ごとに採用可能な分極領域を示した。この図に示したように、１／４λに相当する２２．５゜の角度ごとに、Ａ相とＢ相に属する分極領域の内、いずれかの分極領域が選択可能となる。本発明の技術思想は、Ａ相とＢ相の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）を円環状の圧電体の全周に亘って分散配置することにある。すなわち、図１や図３に示した圧電体（１、１００）において設けられていた間隙（１１３、１１４）を無くすことで、円環の全ての領域で振動を発生させている。それによって、間隙（１１３、１１４）の部分についても他の領域での振動で励振させる必要がなくなり、圧電体の振動を効率よく利用できる。その上で、同じ種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）を円環状の圧電体の中心に対して回転対称となる位置、すなわち円環状の圧電体上に配置されているある特定の種類の分極領域を円環の中心周りに３６０°／ｍ（但し、ｍは自然数）だけ回転させると、同じ種類の分極領域に重なるような位置に配置することで、円環を二等分して二つの領域に区分した際、そのどちらの領域にも同じ種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）を存在させ、さらには等角度間隔で回転対称となる位置で同期した振動を発生させることができる。それによって、安定した定在波を発生させることができる。

【0029】

したがって本発明の実施例に係る超音波モーターは、図２に示したＡ相分極パターン１ａとＢ相分極パターン１ｂから選択した１／４λ分あるいは１／２λ分の分極領域が円環状に隙間無く配置されているとともに、上述した４種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）のうち、少なくとも一つの分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が円環の中心Ｏに対して回転対称の位置に配置されている圧電体を備えていることを特徴としている。なお、回転対称となる位置に同じ種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が配置されるようにするためには、Ａ相分極パターン１ａとＢ相分極パターン１ｂには、分極領域が、２λ以上あることが前提となる。

【0030】

以下では、図２に示したように、１／２λに相当する角度を４５゜（ｎ＝４）としたＡ相とＢ相の分極パターン（１ａ、１ｂ）に基づく分極領域の配置の内、本発明の技術思想に基づく分極領域の配置の具体例を本発明の実施例として幾つか挙げる。

【0031】

＝＝第１の実施例＝＝＝
＜圧電体における分極領域の配置＞
本発明の第１の実施例として、まず、４種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）の全てが均等に分散配置された圧電体を挙げる。図５に第１の実施例に係る圧電体１０１の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）の配置状態を示した。この図に示したように、円環状の圧電体１０１の全周に亘り、各分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が１／４λに相当する２２．５゜の間隔で配置されている。具体的には、図２（Ａ）に示したＡ相分極パターンについては１／４λに相当する２２．５゜の角度ごとに分極領域（１１ｂ、１２ａ）が選択されており、Ｂ相分極パターン１ｂについてはＡ相分極パターン１ａから切り出した分極領域（１１ａ、１２ａ）と重ならない位置にある分極領域（１１ｂ、１２ｂ）が選択されている。そして、これら各相のパターン（１ａ、１ｂ）から選択された分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が一つの圧電体１０１上に配置されている。すなわち、各分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が１／４λ分の角度（２２．５゜）で等間隔に円環状に配置され、かつ隣接し合う分極領域（１１ａ−１１ｂ、１１ａ−１２ｂ、１２ａ−１１ｂ、１２ａ−１２ｂ）ではＡ相とＢ相の駆動用電極が交互に形成されている。それによって、全ての種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が９０゜ごとに４箇所に分散配置され、任意の一つの１／４λ分の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）に着目すると、必ず円環の中心Ｏに対して回転対称となる位置に同じ分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が配置されることになる。

【0032】

＜性能評価＞
第１の実施例に係る超音波モーターの性能を評価するために、先に図４に示した圧電体１００（以下、比較例とも言う）と図５に示した第１の実施例に係る圧電体（以下、第１実施例とも言う）１０１に高周波信号を印加し、特性を比較した。図６は、第１実施例１０１と比較例１００の特性を示す図であり、図６（Ａ）は、駆動信号の周波数に対する位相を示しており、（Ｂ）は駆動信号の周波数と圧電体（１００、１０１）の厚さ方向の振幅との関係を示している。図６（Ａ）に示した比較例１００の位相特性曲線２００と第１実施例１０１の位相特性曲線２０１において、共振周波数（約１０４．４ＫＨｚ）の近傍における位相を見ると、第１実施例１０１は比較例１００に対して位相が約３０゜向上している。また（Ｂ）に示した比較例の振幅特性曲線２１０と第１の実施例１０１の位相特性曲線２１１とから、第１実施例１０１では振幅が約４０％向上することが確認できる。

【0033】

さらに、第１実施例１０１と比較例１００の複素インピーダンス特性についても評価した。周知のごとく、圧電体の複素インピーダンスは、圧電素子を等価回路で表現した際の複素インピーダンスに相当する。したがって、圧電体は、共振周波数より低い周波数の駆動信号が印加されると、等価回路と同様に複素インピーダンスにおけるコイル成分が大きくなる。すなわち、印加電圧と発生電流の位相差が０゜以下となり、共振の影響が無い周波数では位相差が−９０゜となる。そして、周波数が共振周波数に近づくのに伴って位相差が上昇し、理想的な圧電体では、共振周波数で駆動されたときにその位相差が０゜となる。

【0034】

一方、駆動周波数を共振周波数より大きくしていくと等価回路におけるコンデンサ成分の影響により、位相差が９０゜に向かって増加していく。なお、駆動周波数が共振周波数より反共振周波数に近づくと位相差は再び−９０゜に向かって減少していくため、位相差は、図５に示したようにある最大値を持つことになる。そして超音波モーターでは、この最大値が位相特性であり、指標の一つとなっている。

【0035】

ここで、図７に第１実施例１０１と比較例１００についてのインピーダンス特性を示した。当該図７に示したように、比較例１０１の複素インピーダンス特性曲線２２０では、共振周波数とは異なる６５ＫＨｚ近辺にピーク２２２が見られる。一方、第１実施例１０１の複素インピーダンス特性曲線２２１にはその６５ＫＨｚ近辺でのピークが消失している。また、第１実施例１０１では、共振周波数近辺で鋭いピーク２２３が現れており、図５に示した位相特性の評価結果と合致している。

【0036】

＝＝＝第２〜第５の実施例＝＝＝
第１の実施例に係る圧電体１０１は、４種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が全て均一に分散された状態で円環状に配置されており、言わば、理想的な配置であった。そして、図６と図７に示したように、第１の実施例に係る圧電体１０１を用いた超音波モーターは、比較例に係る圧電体１００を用いた従来の超音波モーターに対して極めて優れた特性を有することになる。したがって、非鉛系の圧電材料を用いてこの第１の実施例の圧電体１０１を構成すれば、環境に優しく、かつＰＺＴを用いた従来構成の超音波モーターに匹敵する性能を備えた超音波モーターが得られる可能性がある。

【0037】

しかし、本発明の技術思想は、円環状の圧電体を等角度で二等分して二つの領域に区分したときに、そのどちらの領域にも同じ種類の分極領域を存在させて、二等分された双方の領域で同期した振動を発生させることにある。

【0038】

ところで、従来の技術思想では、分極領域は、１／２λ分の領域を基本単位として設計することを前提としていたため、Ａ相とＢ相が重なる領域（例えば図３、符号１１３、１１４）ができ、Ａ相あるいはＢ相の分極領域を円環状の圧電体上に分散して配置することができなかった。一方、本発明の技術思想に基づく第１の実施例に係る圧電体１０１では、１／２λの半分の領域である１／4λに対応する分極領域を区画に際しての基本単位として採用しているのにも拘わらず、従来の技術思想に基づく比較例１００よりも特性が向上している。言い換えれば、１／4λを基本単位とすることでＡ相とＢ相を分散配置することが可能となり、その分散配置による効果が１／4λを区画分けの基本単位とすることによる損失を遙かに上回ったということが確認できた。そこで以下では、このＡ相とＢ相の分極パターンを円環状の圧電体上に分散配置するという本発明の技術思想の有効性を検証するための具体例を第２〜第５の実施例として挙げる。

【0039】

＜第２の実施例＞
図８に本発明の第２の実施例に係る圧電体１０２の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）の配置を示した。第２の実施例における圧電体１０２は、１／２λ分のＡ−領域１２ａが２箇所に互いに円環の中心Ｏに対して回転対称となる位置に配置されている。すなわち、一つのＡ−領域１２ａが４５゜の角度に相当し、４５゜の角度分の領域を有する二つのＡ−領域１２ａが円環の中心Ｏに対して回転対称となる位置に配置されている。

【0040】

＜第３の実施例＞
図９は本発明の第３の実施例に係る圧電体１０３の分極領域（１１ａ、１１ｂ、１２ｂ）を示す図である。この第３の実施例では、図２（Ａ）に示したＡ相分極パターン１ａに含まれるＡ＋領域１１ａとＡ−領域１２ａが、１／４λ分の領域に分割されて、その１／４λに相当する角度２２．５゜を占有すＡ＋領域１１ａとＡ−領域１２ａが９０゜の等角度間隔で配置されている。また、図２（Ｂ）に示したＢ相分極パターン１ｂからは、Ｂ＋領域１１ｂのみが４λ分選択されている。すなわち、Ｂ相分極パターン１ｂ中の全てのＢ＋領域１１ｂが選択され、９０゜の角度ごとに４箇所に均等配置されている。そしてＢ−領域１２ｂは選択されていない。

【0041】

＜第４の実施例＞
図１０は本発明の第４の実施例に係る圧電体１０４の分極領域を示す図である。この第４の実施例では、図２（Ａ）に示したＡ相分極パターン１ａにおける１／２λ分のＡ＋領域１１ａとＡ−領域１２ａがそれぞれ２箇所選択されて、その選択された２箇所ずつのＡ＋領域１１ａとＡ−領域１２ａが回転対称となる位置に配置されている。また、図２（Ｂ）に示したＢ相分極パターン１ｂからは、１／２λ分のＢ＋領域１１ｂが２箇所に回転対称となる位置に配置されている。そして、残りの領域にＢ−領域１２ｂが配置されている。

【0042】

＜第２〜第４の実施例の特性＞
上記第２〜第４の実施例に係る圧電体（１０２〜１０５）について、位相特性と振幅特性を評価した。図１１に第２、第３、および第４の実施例の圧電体（以下、第２実施例１０２、第３実施例１０３、および第４実施例１０４とも言う）の特性を示した。図１１（Ａ）は、駆動信号の周波数に対する位相を示しており、（Ｂ）は駆動信号の周波数に対する圧電体厚さ方向の振幅を示している。なお、図１１（Ａ）（Ｂ）には、先に図６（Ａ）（Ｂ）に示した比較例１００と第１実施例１０１の特性曲線（２００、２１０、２０１、２１１）も示されている。

【0043】

図１１（Ａ）に示したように、第２〜第４実施例（１０２〜１０４）の位相特性曲線（２０２〜２０４）は、その形状がほとんど同じになっている。また（Ｂ）に示したように、振幅特性曲線（２１２〜２１４）についてもその形状がほぼ一致している。そして、図１１（Ａ）（Ｂ）から、第２〜第４実施例（１０２〜１０４）は、第１実施例１０１には劣るものの、比較例１００に対して位相特性が約１０゜向上し、振幅特性は約２５％向上している。したがって、本発明の技術思想に基づく圧電体は、第１実施例１０１のような「理想的」な配置を除けば、ほとんど特性が同じとなり、しかも従来の超音波モーターに対応する比較例１００よりも特性が向上することが立証できた。また、第１の実施例に係る圧電体１０１のように理想的な配置を備えた圧電体を備えた超音波モーターを除けば、本発明の技術思想に基づく圧電体を採用した超音波モーターは、ほぼ同様の特性を有することもわかった。

【0044】

＜第５の実施例＞
上記第１〜第５の実施例に係る圧電体（１０１〜１０４）は、１／２λに対応する角度が４５゜であった。そのため、回転対称となる分極領域が実質的に点対称の位置に配置されていた。そこで、第５の実施例として、１／２λに対応する角度が６０゜となる圧電体を挙げ、本発明が点対称を含む回転対称にまで及んでいることを確認する。

【0045】

図１２は、１／２λに対応する角度が６０゜となる円環状の圧電体における分極極性と駆動用電極の配置についての概念を示した。この図１２は、先に示した図２における１／２λの角度を４５゜から６０゜に変更しているだけで、その他は同様であり、図２（Ａ）はＡ相分極パターン１１０ａを示しており、Ａ相に対応するＡ＋領域１１ａとＡ−領域１２ａが６０゜毎に交互に円環状に配置されている。（Ｂ）はＢ相分極パターン１１０ｂを示しており、同様に、Ｂ相に対応するＢ＋領域１１ｂとＡ−領域１２ｂが６０゜毎に交互に円環状に配置されている。そして、Ａ相パターン１１０ａとＢ相パターン１１０ｂは、位相が１／４λに相当する３０゜の角度だけずれている。

【0046】

図１３は、図１２（Ａ）と（Ｂ）に示したＡ相とＢ相の分極パターン（２０１ａ、２０１ｂ）に基づく従来の超音波モーターにおける圧電体１１０（以下、第２比較例１１０とも言う）の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）の配置を説明するための図である。第２比較例１１０は、図３に示した従来の超音波モーターにおける圧電体１００と同様に、円環を二分割した半分の領域（３０ａ、３０ｂ）のそれぞれにＡ相領域１０ａとＢ相領域１０ｂが配置されており、それぞれの相の領域（１０ａ、１０ｂ）において、図１２に示したＡ相パターン１１０ａの分極領域（１１ａ、１２ａ）とＢ相パターン１１０ｂの分極領域（１１ｂ、１２ｂ）が配置されている。また、Ａ相領域１０ａとＢ相領域１０ａとを分割する円の二等分線２１によって図１２に示したＡ相とＢ相の分極パターン（１１０ａ、１１０ｂ）がともに分断された分極領域１１４については、その分極領域１１４を２分割して３／８λに対応する領域（１１５ａ、１１５ｂ）に分割している。また、Ｂ相分極パターン１１０ｂの分極領域のみが分断された箇所については、間隙１１３としている。

【0047】

図１４は、第５の実施例に係る圧電体１０５（以下、第５実施例１０５とも言う）の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）の配置状態を示している。第２比較例１１０と同様に、図１２に示したＡ相とＢ相のパターン（１１０ａ、１１０ｂ）に基づいているものの、円環状の圧電体１０５の全周に亘り、各分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が１／４λに相当する３０゜の間隔で配置されている。そして、特定の種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂのいずれか）に着目すると、その分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂのいずれか）は、点対称の位置には配置されておらず、回転対称となる位置に配置されている。

【0048】

図１５に、第５実施例１０５と第２比較例１１０の特性を比較して示した。図１５（Ａ）は、駆動信号の周波数に対する位相を示しており、（Ｂ）は駆動信号の周波数と圧電体（１０５、１１０）の厚さ方向の振幅との関係を示している。図１５（Ａ）に示した第２比較例１１０の位相特性曲線２３０と第５実施例１０５の位相特性曲線２３１において、共振周波数（約６５．９ＫＨｚ）の近傍における位相から、第５実施例１０５は第２比較例１１０に対して位相が約４７゜向上していることがわかる。また（Ｂ）に示した第２比較例１１０の振幅特性曲線２４０と第５実施例１０５の位相特性曲線２４１とから、第５実施例１０５では振幅が約０．０２μｍ、割合にして約４０％向上することが確認された。

【0049】

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記第２〜第５実施例（１０２〜１０４）では、４種類の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）の内、仮想的なＡ相分極パターン１ａやＢ相分極パターン１ｂにおいて、所定の規則で回転対称となるように配置されている所定の分極領域が選択されて実際の圧電体上に配置されていたが、当然のことながら、所定の規則に従って配置するのであれば、選択する分極領域の種類はこれらの実施例に限らず、他の種類の分極領域でもよい。例えば、第２実施例１０２では、１／２λ分のＡ−領域１２ａが２箇所に互いに円環の中心Ｏに対して回転対称となる位置に配置されていたが、１／２λ分の他のいずれかの分極領域（１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が２箇所に互いに円環の中心Ｏに対して回転対称となる位置に配置されていてもよい。

【0050】

上記第１〜４実施例では円環における２２．５゜の角度が１／４λに相当し、円環上に４λ分の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が配置されていた。また、第５実施例では３０゜の角度が１／λに相当していた。もちろん、これらの例に限らず、ｎを２以上の自然数として、円環上にｎλ分の分極領域（１１ａ、１２ａ、１１ｂ、１２ｂ）が配置されていれば同様の性能が得られることは容易に予想される。

【符号の説明】

【0051】

１，１００，１０１〜１０５，１１０ 圧電体、１０ａ Ａ相領域、１０ｂ Ｂ相領域、
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ 分極領域

【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14】

【図15】