JPH08336287A

JPH08336287A - 超音波アクチュエータ

Info

Publication number: JPH08336287A
Application number: JP7140654A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Ashizawa; 隆利芦沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1996-12-17
Also published as: US5869917A

Abstract

(57)【要約】【目的】弾性体の駆動面の研磨処理を容易に行うこと
ができ、正確に組み立てることができる超音波アクチュ
エータを提供する。【構成】支持部材７と，支持部材７の外面に設置され
るとともに圧電素子を保持し、端面である駆動面Ｄに駆
動力を発生する弾性体１と，支持部材７の周囲に回動自
在に設置され駆動面Ｄにおいて弾性体１に加圧接触され
る相対運動部材６と，支持部材７及び弾性体１を貫通し
て、支持部材７及び弾性体１を固定する固定部材１３，
１４とを備える超音波アクチュエータにおいて、支持部
材７は、駆動面Ｄと固定部材設置面Ｒとの間の平面とな
る位置において、第１の支持部材７ａ及び第２の支持部
材７ｂに分離自在である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば縦振動モード及
び捩り振動モードといった二つの振動モードを利用した
超音波アクチュエータに関し、特に、その組立性を改良
した超音波アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１３は、縦−捩り振動型の超音波アク
チュエータの従来例を示した斜視図である。従来、この
種の超音波アクチュエータでは、ステータ（固定子）１
０１は、２つの円柱型の振動子１０２，１０３間に捩り
振動用の圧電素子１０４が配置されるとともに、振動子
１０３の上側に縦振動用の圧電素子１０５が配置され
る。捩り振動用の圧電素子１０４は周方向に分極され、
一方、縦振動用の圧電素子１０５は厚み方向に分極され
る。さらに、ロータ（移動子）１０６は、縦振動用の圧
電素子１０５の上側に配置される。

【０００３】ステータ１０１を構成する振動子１０２，
１０３及び圧電素子１０４，１０５は、シャフト１０７
のねじ部に螺合されて固定され、ロータ１０６は、ボー
ルベアリング１０８を介してシャフト１０７に回転可能
に設けられる。シャフト１０７の先端には、ばね１０９
を介してナット１１０が螺合し、ロータ１０６をステー
タ１０１に加圧力Ｆで加圧接触させる。

【０００４】捩り振動用の圧電素子１０４と縦振動用の
圧電素子１０５とは、発振器１１１から発振される同一
周波数の電圧を、移相器１１２により位相制御して駆動
される。

【０００５】捩り振動用の圧電素子１０４はロータ１０
６が回転するための機械変位を与え、一方、縦振動用の
圧電素子１０５はステータ１０１とロータ１０６との間
に働く摩擦力を、圧電素子１０４による捩り振動の周期
に同期させて周期的に変動させることにより、振動を一
方向への運動に変換するクラッチ的役割を果たす。

【０００６】図１４は、従来例にかかるこの超音波アク
チュエータのステータを展開して示した斜視図である。
捩り振動用の圧電素子１０４は、周方向に分極する必要
があるため、圧電材料を図１４に示すように、６〜８個
程度の扇形の小片に一旦分割し、各小片を分極した後に
再度環状に組み合わせていた。なお、符号１０４ａは電
極である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の超音波アクチュエータでは、捩り振動用の圧電素子１
０４を環状に組み合わせるときに、形状精度を出すこと
が難しかった。

【０００８】一方、縦振動用の圧電素子１０５，及び捩
り振動用の圧電素子１０４の面積は、ともに、ステータ
１０６の断面積と略等しいか、又は、ステータ１０６の
断面積よりも小さかった。また、シャフト１０７を貫通
させるために縦振動用の圧電素子１０５，及び捩り振動
用の圧電素子１０４それぞれの中央部に孔を開ける必要
もあり、そのために、縦振動用の圧電素子１０５，及び
捩り振動用の圧電素子１０４それぞれの面積はさらに小
さくなり、超音波アクチュエータの高トルク化及び高回
転化をともに図ることが難しかった。

【０００９】このような問題を解決するために、本出願
人は、既に特願平６−２７５０２２号により、高トルク
及び高回転で駆動することができ、しかも、構造及び製
造がともに容易な縦−捩り振動型の超音波アクチュエー
タを提案した。

【００１０】図１５は、この超音波アクチュエータの構
造を示す断面図である。同図において、中央部に大径部
２０１ａを有する棒状の固定軸２０１の外周面には、円
筒状の弾性体２０２が、大径部２０１ａに螺合する取付
ボルト２０３ａ，２０３ｂにより螺着される。

【００１１】弾性体２０２は、二つの厚肉の半円管状弾
性体２０２ａ，２０２ｂを組み合わせて構成されてお
り、その接合面には、圧電定数ｄ₁₅が大きい捩り振動用
の圧電素子と圧電定数ｄ₃₁が大きい縦振動用の圧電素子
と（ともに図示しない。）がそれぞれ２枚ずつ計４枚挟
持される。

【００１２】弾性体２０２の上端面である駆動面Ｄに
は、中央部に配置されたベアリング２０４により固定軸
２０１に回動自在に配置された相対運動部材である移動
子２０５が、接触する。

【００１３】移動子２０５は、移動子母材２０５ａと，
弾性体２０２の駆動面Ｄに接触する摺動材２０５ｂとか
ら構成され、内周部に嵌合されたベアリング２０４によ
って固定軸２０１に対して位置決めされる。

【００１４】また、移動子２０５は、皿バネ，スプリン
グバネ又は板バネ等の加圧部材２０６により、弾性体２
０２の駆動面Ｄに加圧接触される。このように、固定軸
２０１は、弾性体２０２等からなる固定子を固定すると
ともに移動子２０５を半径方向に回動自在に位置決め
し、超音波アクチュエータとして駆動する際の軸振れの
発生を防止する。この固定軸２０１は、先端にねじ部２
０１ｂが形成され、加圧部材２０６の加圧量を調整する
ためのナット等の調整部材２０７が螺合する。

【００１５】このように構成された超音波アクチュエー
タは、図示しない圧電素子それぞれに同じく図示しない
駆動電圧発生源から駆動電圧を印加されることにより励
振し、弾性体２０２には捩り振動，縦振動が発生する。
捩り振動及び縦振動それぞれの共振周波数が略一致する
と、捩り振動及び縦振動が同時に生じ（縮退）、駆動面
Ｄに楕円運動が発生し、この楕円運動が駆動力となっ
て、加圧接触する移動子２０５が回転する。

【００１６】ところで、弾性体２０２の駆動面Ｄに発生
する楕円運動の軌跡の大きさは、およそ１〜２μｍ程度
である。そのため、弾性体２０２の駆動面Ｄに発生する
楕円運動を、加圧接触する移動子２０５に確実に伝達し
て移動子２０５を駆動するためには、弾性体２０２の駆
動面Ｄに例えばラップ加工等の研磨又は研削処理を行っ
て、所定の表面粗度に管理する必要がある。

【００１７】しかし、図１５に示すように、弾性体２０
２は軸方向に分割された二つの半円管状弾性体２０２
ａ，２０２ｂを組み立てて構成されるため、駆動面２０
２ｃの研磨又は研削処理は、所定の平面精度を得るため
に、弾性体２０２を組み立てた後に行う必要がある。

【００１８】すなわち、図１５に示す超音波アクチュエ
ータの弾性体２０２の駆動面Ｄの研磨又は研削処理を行
うためには、（１）４枚の圧電素子を挟持させるととも
に接着剤を介在させた状態で、固定軸２０１の周囲に半
円管状弾性体２０２ａ，２０２ｂを対向させて配置す
る、（２）半円管状弾性体２０２ａ，２０２ｂを、取付
ボルト２０３ａ，２０３ｂにより固定して半円管状弾性
体２０２ａ，２０２ｂ及び圧電素子を接着する、（３）
接着後に、取付ボルト２０３ａ，２０３ｂを外し、弾性
体２０２を固定軸２０１から抜き出す、（４）弾性体２
０２の駆動面Ｄの研磨又は研削処理を行う、（５）駆動
面Ｄの研磨又は研削処理を終了した弾性体２０２を固定
軸２０１に差し込み、取付ボルト２０３ａ，２０３ｂに
より再度固定する、（６）以下、固定軸２０１に移動子
２０５等を取り付けるという工程をとる必要があった。

【００１９】また、半円管状弾性体２０２ａ，２０２ｂ
及び圧電素子を接着するための接着剤が、取付ボルト２
０３ａ，２０３ｂの周囲に回り込んで、前述の工程
（３）において取付ボルト２０３ａ，２０３ｂが取り外
すことができなくなってしまうおそれもあり、例えば、
取付ボルト２０３ａ，２０３ｂのねじ部にシリコンオイ
ル等を塗布するといった取付ボルトの接合防止策を講ず
る必要もあった。

【００２０】このように、特願平６−２７５０２２号に
より提案した超音波アクチュエータでは、弾性体２０２
の駆動面Ｄの研磨又は研削処理には多大な工数を必要と
し、超音波アクチュエータの量産性を阻害する一因とな
るおそれがあった。

【００２１】さらに、前述の方法で駆動面Ｄの研磨又は
研削後に弾性体２０２と支持部材２０１とを再度組み立
てた時に、支持部材２０１と駆動面Ｄとの間の角度を正
確に９０°とすることが難しいため、駆動面Ｄと移動子
２０５との間に片当たりを生じ、駆動力や駆動効率が減
少したり異音が発生する等の問題を生じるおそれもあっ
た。

【００２２】本発明の目的は、上記の課題を解決し、弾
性体の駆動面の研磨又は研削処理を容易に行うことがで
き、正確に組み立てることができ、さらに組立て精度の
向上により移動子の片当たりを生じることがない超音波
アクチュエータを提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、棒状
の支持部材と，前記支持部材の外面に設置されるととも
に、駆動信号により励振されて電気エネルギーを機械エ
ネルギーに変換する電気−機械エネルギー変換素子を保
持し、端面である駆動面に駆動力を発生する弾性体と，
前記支持部材の周囲に回動自在に設置されるとともに、
前記駆動面において前記弾性体に加圧接触される円筒状
の相対運動部材と，前記支持部材及び前記弾性体を貫通
して、前記支持部材及び前記弾性体を固定する固定部材
とを備え、前記支持部材は、前記駆動面と同一平面とな
る位置，又は前記駆動面と前記固定部材設置面との間の
平面となる位置において、分離自在であることを特徴と
する。

【００２４】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記支持部材は少なくとも相対運動部材設置部が円
柱状であり、前記弾性体は２つの半円筒状の弾性体を組
合わせた円筒状であるとともに、前記電気−機械エネル
ギー変換素子の少なくとも一部は薄板状であってかつ前
記弾性体により挟持され、前記弾性体にｎ次の縦振動及
びｍ次の捩り振動が生じることによって前記駆動面に前
記駆動力が発生することを特徴とする。

【００２５】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
の発明において、分離される二つの前記支持部材それぞ
れの端部には、支持部材保持用の太軸部が設けられるこ
とを特徴とする。

【００２６】

【作用】請求項１又は請求項２の発明は、棒状の支持部
材が、弾性体の駆動面と同一平面となる位置，又はこの
駆動面と固定部材設置面との間の平面となる位置におい
て分離自在であるため、支持部材の外周部への弾性体の
組立後に、相対運動部材側に位置する支持部材を分離す
ることにより、弾性体を支持部材から抜き出すことな
く、障害物なしに駆動面だけが同一平面上に位置するよ
うになる。

【００２７】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
の発明において、分離される二つの支持部材それぞれの
端部に、支持部材保持用の太軸部が設けられるため、超
音波アクチュエータの駆動時の固定トルクが増大するよ
うになる。

【００２８】

【実施例】

（第１実施例）以下、図面等を参照して、実施例を挙げ
て、本発明を詳細に説明する。

【００２９】図１は、本発明にかかる超音波アクチュエ
ータの第１実施例を示す断面図、図２は、図１の超音波
アクチュエータに用いる固定子である弾性体を示した斜
視図である。

【００３０】固定子である弾性体１は、駆動信号により
励振され、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する
電気−機械エネルギー変換素子である圧電素子４，５
と、これらの圧電素子４，５が接合されており、その圧
電素子４，５の励振により１次の縦振動と１次の捩り振
動とが生じることによって、駆動面Ｄに駆動力が発生す
る半円管状弾性体２，３とから構成される。

【００３１】半円管状弾性体２，３は、厚肉の円筒を縦
に２分割した形状の弾性部材であり、その分割面に圧電
素子４，５が挟み込まれる。圧電素子４，５は合計４層
から成っており、２層の圧電素子４は圧電定数ｄ₁₅が大
きい捩り振動用の圧電素子であり、一方、残り２層の圧
電素子５は圧電定数ｄ₃₁が大きい縦振動用の圧電素子で
ある。

【００３２】半円管状弾性体２，３は、図２に示すよう
に、高さ方向の略中心に、圧電素子４，５の積層方向と
平行な方向を指向する貫通孔２ｂ，３ｂが形成される。
この弾性体２，３は、その貫通孔２ｂ，３ｂを用いて固
定部材であるボルト１３，１４で固定されることによ
り、圧電素子４，５を挟み込むとともに、軸方向の中心
に挿入された支持部材である棒状の固定軸７に固定され
る。なお、ボルト１３，１４のねじ部には接着剤が塗布
されており、締めつけられた後に完全に固定される。

【００３３】相対運動部材である移動子６は、移動子母
材６−１と，弾性体１の駆動面Ｄに接触する摺動材６−
２とから厚肉の円環状に構成され、内周部に嵌合された
ベアリング等の位置決め部材８により固定軸７に対して
位置決めされる。

【００３４】また、移動子６は、皿バネ，コイルバネ又
は板バネ等の加圧部材９により、弾性体１の駆動面Ｄに
加圧接触される。支持部材である固定軸７は、半円管状
弾性体２，３の軸方向に形成された中空部２ａ，３ａを
貫通しており、半円管状弾性体２，３等からなる弾性体
１を固定するとともに、移動子６を半径方向に位置決め
する。

【００３５】本実施例では、この固定軸７は、図１に示
すように、第１の固定軸７ａと第２の固定軸７ｂとから
構成されており、これらは弾性体１の駆動面Ｄと固定部
材であるボルト１３，１４の設置面Ｒとの間の平面とな
る位置において、例えば螺合されて接合される。本実施
例では、固定軸７の分離面Ｓが駆動面Ｄとボルト１３，
１４の設置面Ｒとの間に位置するように構成したが、駆
動面Ｄと同一平面となる位置であってもよい。すなわ
ち、分離面Ｓは図１に示す支持部材分離面存在範囲にあ
ればよい。

【００３６】なお、固定軸７のボルト１３，１４螺合部
近傍は大径部となっており、この大径部の外周部が半円
管状弾性体２，３の内周部と接するように構成してい
る。そのため、半円管状弾性体２，３と固定軸７とを均
一に接触させ易く、騒音低減を図れる。

【００３７】第１の固定軸７の先端にはねじ部７ｃが形
成され、このねじ部７ｃに加圧部材９の加圧量を調整す
るナット等の調整部材１０が螺合する。本実施例にかか
る超音波アクチュエータは、以下の工程で組立られる。

【００３８】（第１工程）４枚の圧電素子４，５を挟持
させた状態で、第１の固定軸７ａ及び第２の固定軸７ｂ
が螺合されて構成された固定軸７の周囲に半円管状弾性
体２，３を配置する。この際、圧電素子４，５と半円管
状弾性体２，３との接触部には接着剤を塗布しておく。

【００３９】（第２工程）固定軸７を中心として、対向
するように配置された半円管状弾性体２，３を、ボルト
１３，１４により固定して半円管状弾性体２，３及び圧
電素子４，５を固定・接着する。なお、この際に、固定
軸７の回転軸と，半円管状弾性体２，３の中心軸とが平
行となるように、半円管状弾性体２，３と固定軸７との
位置関係を調整しておく。このようにして、固定軸７を
挿入された弾性体１が組み立てられる。

【００４０】（第３工程）半円管状弾性体２，３及び圧
電素子４，５の固定・接着後に、第１の固定軸７ａを回
転させて第２の固定軸７ｂから外す。

【００４１】この時の弾性体１と第１の固定軸７ｂとの
位置関係を図３に示す。図３に示すように、第１の固定
軸７ａと第２の固定軸７ｂとの分離面Ｓは、弾性体１の
駆動面Ｄと固定部材であるボルト１３，１４の設置面Ｒ
との間の平面となる位置に存在するために、分離面Ｓは
弾性体１の駆動面Ｄより凹んだ位置となり、駆動面Ｄが
障害物なしに同一平面上に位置される。

【００４２】（第４工程）このように、駆動面Ｄが障害
物なしに同一平面上に位置されるため、このままの状態
で、換言すれば、弾性体１から第２の固定軸７ｂを抜き
出すことなく、駆動面Ｄを例えばラップ盤等により研磨
又は研削処理し所定の表面粗さとする。

【００４３】（第５工程）以下、第２の固定軸７ｂに第
１の固定軸７ａに移動子６等を取り付ける。このように
して、弾性体１の駆動面Ｄの研磨又は研削処理が行われ
るため、従来のように、駆動面Ｄの研磨又は研削処理に
際して、弾性体１の組立後に支持部材７を抜き出して再
度組み立てる必要がなくなる。そのため、低コストで組
立てを行うことができるとともに、前述の第２工程で確
保された寸法精度が維持される。また、ボルト１３，１
４を組立て後に分離する必要がないため、ボルトねじ部
にシリコンオイル等を塗布する必要もなくなる。

【００４４】さらに、本実施例によれば、固定軸７ｂの
軸線を基準として駆動面Ｄの研磨を行うことにより、固
定軸７ｂの軸線と駆動面Ｄとの間の垂直精度を向上する
ことができる。このため、弾性体１の駆動面Ｄに対して
移動子６が均一に接触しない現象である、いわゆる片当
たりが解消され、駆動力や駆動効率等が減少することや
異音の発生を低減することができる。さらに、本実施例
によれば、半円管状弾性体２，３の圧電素子４，５とを
ボルト１３，１４で締め付けて固定しているため、弾性
体と圧電素子との剥離等を防止することができる。ま
た、機械的な強度が向上する。

【００４５】図４は、本実施例にかかる超音波アクチュ
エータの駆動回路を説明するブロック図である。本実施
例の駆動回路は、駆動信号を発振する発振部２１と，そ
の駆動信号を（１／４）λ（λ：波長）位相差のある信
号に分ける移相部２２と，捩り振動用の圧電素子４に入
力する駆動信号を増幅するＴ増幅部２３と，縦振動用の
圧電素子５に入力する駆動信号を増幅するＬ増幅部２４
等とから構成される。

【００４６】また、制御回路は、捩り振動を検出する検
出部２５と，検出部２５の検出量に応じて発振部２１の
周波数や電圧等を制御する制御部２６等とから構成され
る。検出部２５は、弾性体１の側面に貼られた圧電素子
２５ａを備えており、捩りに伴って発生する変位を検出
することにより、間接的に捩り変位を検出する。

【００４７】次に、本実施例の超音波アクチュエータに
よって、弾性体の捩り振動と縦振動とを組み合わせて、
駆動面に楕円運動を生ずる駆動原理を説明する。図５
（Ａ）は、本実施例にかかる超音波アクチュエータの固
定子を底面方向から見た図であり、図５（Ｂ）は側面方
向から見た図である。

【００４８】圧電素子４，５は、２つの半円管状弾性体
２，３に挟まれた２群から成っており、圧電素子４，５
の各群は、それぞれ４層から成っていて、２層は圧電定
数ｄ₁₅が大きい捩り振動用の圧電素子４から、残り２層
が圧電定数ｄ₃₁が大きい縦振動用の圧電素子５とから構
成される。

【００４９】前者の圧電素子４は圧電定数ｄ₁₅が大き
く、半円管状弾性体２，３の長手方向に対して剪断変位
を発生させる。圧電素子４は、図５（Ａ）において、円
周方向に対してせん断変形が手前方向Ｘとその反対方向
Ｙとが交互になるように配置される。このときに、手前
側に最大に剪断変形する位置が点対称になり、その反対
側に最大に剪断変形する位置が点対称になると好適であ
る。

【００５０】圧電素子４は、このように配置されるため
に、それぞれ剪断変形したときに、弾性体１に捩り変位
が発生し、端面である駆動面Ｄが捩じれる。後者の圧電
素子５は、図５（Ｂ）に示すように、圧電定数ｄ₃₁が大
きく、半円管状弾性体２，３の長手方向に対して伸縮変
位を発生させる。４つの縦振動用の圧電素子５は、全て
ある電位が印加された場合に同じ方向に変位が生じるよ
うに配置される。

【００５１】以上のように、圧電定数ｄ₁₅が大きい捩り
振動用の圧電素子４と，圧電定数ｄ₃₁が大きい縦振動用
の圧電素子５とを配置した場合に、捩り振動用の圧電素
子４に正弦波電圧を入力することによって、それに応じ
て、弾性体１に捩り振動が発生し、縦振動用の圧電素子
５に正弦波電圧を入力することによって、それに応じ
て、弾性体１に伸縮運動が発生する。

【００５２】図６は、本実施例にかかる超音波アクチュ
エータの弾性体に発生する縦振動と捩り振動とを組み合
わせて、駆動面に楕円運動を生じさせることを説明する
図である。

【００５３】図６に示すように、捩り振動の周期と、伸
縮振動の周期との位相差を（１／４）λ（λ：波長）ず
らすと、駆動面Ｄ上の点Ａには楕円運動が生じる。ｔ＝
（６／４）πの時点では、捩り振動Ｔの変位は左側に最
大であり、一方、縦振動Ｔの変位はゼロである。この状
態では、移動子６は、加圧部材９によって弾性体１の駆
動面Ｄに接触する。

【００５４】この状態から、ｔ＝（７／４）π〜０〜
（２／４）πまでは、捩り振動Ｔは、左側の最大から右
側の最大まで変位し、一方、縦振動Ｔは、ゼロから上側
の最大に変位し再びゼロに戻る。したがって、弾性体１
の駆動面Ｄの点Ａは、移動子６を押しながら右方向に回
転し、移動子６は駆動される。

【００５５】次に、ｔ＝（２／４）π〜（６／４）πま
では、捩り振動Ｔは、右側の最大から左側の最大まで変
位し、一方、縦振動Ｔは、ゼロから下側の最大に変位し
再びゼロに戻る。したがって、弾性体１の駆動面Ｄの点
Ａは、移動子６から離れながら左方向に回転するため、
移動子６は駆動されない。このときに、移動子６は、加
圧部材９により加圧されていても固有振動数が異なるた
め、弾性体１の縮みに追従できない。

【００５６】ここで、図７に示すように、この捩り振動
Ｔの振動数Ｔ１を捩り振動Ｔの共振周波数ω_0Tに略一致
させるとともに、縦振動Ｌの振動数Ｌ１を縦振動Ｌの共
振周波数ω_0Lに略一致させると、共振して楕円運動が拡
大する。

【００５７】捩り振動Ｔの共振周波数ω_0T，及び縦振動
Ｌの共振周波数ω_0Lの近似式を下式及びにより示
す。捩り振動数＝Ｌｓ×（Ｇ／ρ）²／２・・・・・・・縦振動数＝（Ｌｓ＋Ｌｒ）×（Ｅ／ρ）²／２・・・・・・・

【００５８】ただし、Ｌｓ：固定子の長手方向の長さ，
Ｌｒ：移動子の長手方向の長さ，Ｅ：縦弾性率，Ｇ：横
弾性率，ρ：密度である。このように、式及びによ
れば、弾性体１の長手方向の長さを調整することによ
り、捩り振動Ｔの共振周波数ω_0Tと，縦振動Ｌの共振周
波数ω_0Lとを一致させることができる。

【００５９】なお、本実施例では、捩り振動Ｔの共振周
波数ω_0Tを縦振動Ｌの共振周波数ω_0Lよりも高くなるよ
うに、弾性体１の長手方向の長さを予め調整してある。
次に、本実施例の超音波アクチュエータの動作を説明す
る。図４において、発振部２１は、駆動信号を発振して
その駆動信号は移相部２２により２つの（１／４）λ
（λ：波長）位相差のある信号に分割され、それぞれＴ
増幅部２３及びＬ増幅部２４により増幅される。

【００６０】Ｔ増幅部２３によって増幅された駆動信号
は、捩り振動用の圧電素子４に入力され、Ｌ増幅部２４
によって増幅された駆動信号は、縦振動用の圧電素子５
に入力される。縦振動は、縦振動用の圧電素子５により
直接発生するが、捩り振動は、捩り振動用の圧電素子４
の剪断変形により発生する。

【００６１】しかし、移動子６の構造上、回転軸方向の
厚さを大きくできないため、縦振動に対して捩り振動の
振幅は小さくなってしまう場合がある。したがって、Ｔ
増幅部２３の増幅率をＬ増幅部２４よりも大きくすれ
ば、捩り振動の振幅と縦振動の振幅との差が小さくな
り、好適である。

【００６２】弾性体１は、駆動信号が入力された場合に
圧電素子４，５の励振により、１次の捩り振動と１次の
縦振動とが発生し、その振動を合成した楕円振動が駆動
面Ｄに生じる。移動子６は、弾性体１の駆動面Ｄに加圧
されているため、弾性体１から摩擦的に駆動力が伝達さ
れ、駆動される。

【００６３】検出部２５は、弾性体１の捩り振動の振幅
を検出して、制御部２６に出力する。移動子６の駆動速
度や駆動トルクは、弾性体１の振幅値により推定でき
る。したがって、制御部２６は、検出部２５の検出結果
に基づいて、発振部２１の発振子の駆動周波数や電圧を
制御する。

【００６４】制御部２６は、例えば、検出量が所定値よ
りも大きい場合には駆動周波数を高くしたり、電圧を小
さくしたりする制御を行う。逆に、検出量が所定の値よ
りも小さい場合には駆動周波数を低くしたり、電圧を高
くしたりする制御を行う。

【００６５】本実施例では、１次の縦振動の共振周波数
より１次の捩り振動の共振周波数の方を高くしたため、
１次の捩り振動の振幅及び１次の縦振動の振幅は、とも
に、図７に示すようになる。

【００６６】縦振動は、弾性体１と移動子６との間のク
ラッチ的役目を果たし、捩り振動は、移動子６に回転力
を与える役目を果たす。したがって、駆動周波数域は、
捩り振動の共振周波数より高い周波数域とし、この駆動
周波数域によって制御すれば、回転速度や駆動トルクを
制御することができる。縦振動の共振点ω_0Lは、この駆
動周波数域Ｃ内に存在しないために、安定した駆動が得
られ、駆動力や駆動効率を向上させることができる。

【００６７】また、縦振動の共振周波数と捩り振動の共
振周波数とを一致させる設計方法に比較すると、以下の
利点がある。すなわち、従来の方法は、加工公差により
縦振動の共振周波数＜捩り振動の共振周波数となった
り、縦振動の共振周波数＞捩り振動の共振周波数となっ
たりしてしまい、特に、後者の場合には、駆動周波数域
に縦振動の共振点が存在し、安定した駆動が得られない
場合があり、加工公差により性能のばらつきが発生して
いた。

【００６８】しかし、本実施例のように、縦振動の共振
周波数＜捩り振動の共振周波数のように設計すれば、加
工公差により、縦振動と捩り振動の共振周波数の差が縮
まる方向にずれても、縦振動の共振周波数＜捩り共振周
波数の関係が保たれている範囲では、安定した駆動性能
を得ることができ、加工公差による性能の個体差を従来
よりも低減することができる。

【００６９】このとき、縦振動の振幅は、捩り振動の振
幅よりも大きく発生することが多く、縦振動の共振周波
数と捩り振動の共振周波数とがある程度離れていても、
駆動面Ｄに楕円運動を発生させることができ、移動子６
を駆動することができる。

【００７０】図８は、第１実施例の超音波アクチュエー
タを組み込んだ駆動装置の構造を示す断面図である。弾
性体１，移動子６，これらを貫通して支持するとともに
第１部分７ａ及び第２部分７ｂに分離される固定軸７等
を備える、図１に示す超音波アクチュエータは、例えば
レンズ鏡筒の固定筒のような円筒の一部を構成する機器
固定部３１により保持される。

【００７１】この超音波アクチュエータの固定軸７の両
端部には、支持部材保持用の太軸部７ｄ，７ｅが設けら
れており、この太軸部７ｄ，７ｅが、機器固定部３１の
対向面に設けられた押さえ部材３２ａ，３２ｂに装着さ
れ、セットビス３３ａ，３３ｂにより固定されることに
より、超音波アクチュエータが機器固定部３１により保
持される。

【００７２】超音波アクチュエータの移動子母材６−１
の反弾性体側の外縁部には、ねじ部６−３が環状に設け
られており、このねじ部６−３に、回転軸ｌを回転中心
として保持機構（図示しない）により軸支された円筒状
の被駆動部材３４の外周に設けられたねじ部３４ａが噛
合している。

【００７３】超音波アクチュエータを駆動すると、移動
子母材６−１が回転し、移動子母材６−１の外縁部に設
けられたねじ部６−３及び被駆動部材３４の外周に設け
られたねじ部３４ａを介して、被駆動部材３４が駆動さ
れる。

【００７４】このとき、本実施例の超音波アクチュエー
タは、固定軸７が２分割されているため、弾性体１や移
動子６の径に関係なく太軸部７ｄ，７ｅを設け、この太
軸部７ｄ，７ｅを介して機器固定部３１に固定できる。

【００７５】そのため、固定軸７を機器固定部３１に極
めて確実に固定できる。また、固定軸７の固定トルク
（セットビス３３ａ，３３ｂの固定力×太軸部７ｄ，７
ｅの半径）が増大し、駆動に際しても、固定軸７の振動
が低減され、安定した駆動を図ることができる。

【００７６】（第２実施例）図９は、第１実施例の変形
例である。なお、以降の各実施例の説明では、同一の部
分には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略す
る。

【００７７】第１実施例では、検出用の圧電素子２５ａ
は弾性体２又は３の側面に貼付した例で説明したが、貼
付位置は弾性体２又は３の側面に限定されるものでな
く、図９に示すように、圧電素子４，５の間に挟むよう
に配置してもよい。

【００７８】（第３実施例）図１０は、本発明にかかる
超音波アクチュエータの第３実施例を説明する断面図で
ある。

【００７９】固定子である弾性体４１は、駆動信号によ
り励振される電気−機械エネルギー変換素子である圧電
素子４４，４５と，これらの圧電素子４４、４５が接合
されており、その圧電素子４４、４５の励振により１次
の縦振動と２次の捩り振動が生じることによって、駆動
面Ｅに駆動力が発生する半円管状弾性体４２，４３とか
ら構成される。

【００８０】半円管状弾性体４２，４３は、第１大径部
４２ａ，４３ａと、第２大径部４２ｃ，４３ｃと，その
間に形成された小径部４２ｂ，４３ｂとを有した厚肉の
円筒を縦に２つに分割した形状の部材であり、その分割
面に、圧電素子４４，４５が挟み込まれる。

【００８１】第１大径部４２ａ，４３ａの長さは、第２
大径部４２ｃ，４３ｃよりも長くなっている。圧電素子
４４，４５は合計４層から成っており、２層の圧電素子
４４は、圧電定数ｄ₁₅が大きい捩り振動用の圧電素子で
あり、残り２層の圧電素子５５は、圧電定数ｄ₃₁が大き
い縦振動用の圧電素子である。

【００８２】半円管状弾性体４２，４３は、高さ方向の
略中心に、圧電素子４４，４５の積層方向と平行な向き
に貫通孔が形成される。この半円管状弾性体４２，４３
は、その貫通孔を用いてボルト５３，５４とによって固
定されることにより、圧電素子４４，４５を挟み込むと
ともに、軸方向の中心に挿入された固定軸４７に固定さ
れる。

【００８３】移動子４６は、移動子母材４６−１と、弾
性体４１の駆動面Ｅに接触する摺動材４６−２とから構
成されており、内周部に嵌合されたベアリング等による
位置決め部材４８により固定軸４７に対しての位置決め
がなされる。

【００８４】また、移動子４６は、皿バネ，コイルバネ
又は板バネ等の加圧部材４９により、弾性体４１の駆動
面Ｅに加圧接触される。固定軸４７は、前述したよう
に、第１の部分４７ａと第２の部分４７ｂとが螺合する
ことにより構成されており、半円管状弾性体４２，４３
の軸方向に形成された中空部に貫通し、半円管状弾性体
４２，４３等からなる弾性体４１を固定するとともに、
移動子４６を半径方向に位置決めする。この固定軸４７
は、先端にねじ部４７ｃが形成されており、加圧部材４
９の加圧量を調整するナットなどの調整部材５０が螺合
する。

【００８５】図１１は、圧電素子の励振により１次の縦
振動と２次の捩り振動とが生じることを説明する図であ
る。捩り振動と縦振動とが発生する原理は、第１実施例
で説明したものと同様である。しかし、本実施例の半円
管状弾性体４２，４３は、第１大径部４２ａ，４３ａと
第２大径部４２ｃ，４３ｃとの間に捩り剛性の弱い小径
部４２ｂ，４３ｂを有しており、さらに、第１大径部４
２ａ，４３ａの長さが第２大径部４２ｃ，４３ｃより長
い。したがって、捩り振動は、小径部４２ｂ，４３ｂと
第１大径部４２ａ，４３ａの真中とに２つの節が生じる
２次モードとなる。

【００８６】一方、縦振動は、小径部４２ｂ，４３ｂに
よる形状の影響を受け難いために、第１大径部４２ａ，
４３ａ及び第２大径部４２ｃ，４３ｃと小径部４２ｂ，
４３ｂとを含んだ長さの真中に１つの節が生じる１次モ
ードとなる。この場合に、駆動面Ｅは、捩り振動，縦振
動ともに振幅の大きい振動の腹となる。

【００８７】このような超音波アクチュエータでは、第
２大径部４２ｃ，４３ｃの長さの変化に対する捩り振動
の共振周波数の変化よりも縦振動の共振周波数の変化の
方が大きい。したがって、第２大径部４２ｃ，４３ｃの
長さを変えていくことにより、図１２にグラフで示すよ
うに、捩り振動Ｌの共振周波数ω_0Lと縦振動Ｔの共振周
波数ω_0Tとを一致させることができ、また、捩り振動Ｌ
の共振周波数ω_0Lを縦振動Ｔの共振周波数ω_0Tよりも高
くなるようにすることもできる。

【００８８】次に、本実施例の超音波アクチュエータの
動作を説明する。なお、駆動回路は、図４に示す第１実
施例の駆動回路と全く同様である。発振部２１は、駆動
信号を発振し、その駆動信号は移相部２２により２つの
（１／４）λ（λ：波長）位相差のある信号に分割さ
れ、それぞれＴ増幅部２３及びＬ増幅部２４により増幅
される。Ｔ増幅部２３で増幅された駆動信号は、捩り振
動用の圧電素子４４に入力され、一方、Ｌ増幅部２４で
増幅された駆動信号は、縦振動用の圧電素子４５に入力
される。弾性体４１は、駆動信号が入力された場合に、
圧電素子４４，４５の励振により、１次の縦振動と２次
の捩り振動とが生じ、その振動を合成した楕円運動が駆
動面Ｅに生じる。移動子４６は、弾性体４１の駆動面Ｅ
に加圧されるため、弾性体４１から摩擦的に駆動力が伝
達され、駆動される。

【００８９】本実施例においても、固定軸４７が第１の
部分４７ａと第２の部分４７ｂとに分割され、分割面Ｓ
が駆動面Ｅとボルト５３，５４の設置面Ｒとの間に位置
しているため、第１実施例と同様の効果が得られる。

【００９０】また、本実施例では、弾性体４１のみで捩
り振動の共振振動数と縦振動の共振周波数とを決定する
ことができるため、移動子４６の形状を自由に設定でき
るといった利点がある。そのためには、弾性体４１から
移動子４６への振動の伝搬を小さくすることが必要であ
るが、例えば、振動減衰の大きな摺動材４６−２を用い
たり、移動子母材４６−１に減衰性の大きな材料を用い
て、移動子４６自体の振動減衰を大きくすればよい。

【００９１】（変形例）以上説明した実施例に限定され
ることなく、種々の変形や変更が可能であって、それら
も本発明に含まれる。

【００９２】例えば、以上説明してきた実施例では、電
気−機械エネルギー変換素子として圧電素子を用いた
が、これに限定されるものではなく、電気エネルギーを
機械エネルギーに変換することができるものであればよ
い。圧電素子以外に、例えば電歪素子や磁歪素子等を例
示することができる。

【００９３】また、本実施例では、弾性体１に設けた圧
電素子１５ａにより、振動を検出する方法を用いたが、
エンコ−ダ−等により直接回転数を検出して制御部２６
に検出結果を伝達するようにしてもよい。

【００９４】本実施例では、弾性体に１次の捩り振動モ
−ドと１次の縦振動モ−ドが生じるようにした場合（第
１実施例及び第２実施例）と、２次の捩り振動モードと
１次の縦振動モードが生じるようにした場合（第３実施
例）とについて説明したが、弾性体にｍ次の捩り振動モ
−ドとｎ次の縦振動モ−ドとが生じるようにしたもので
も、同様の効果が生じる。

【００９５】さらに、弾性体を固定する支持部材と移動
子の移動方向以外を支持する支持部材とを共通にできる
超音波アクチュエータであれば、支持部材を、第１の支
持部材及び第２の支持部材に分離することにより、同様
の効果が得られる。

【００９６】

【発明の効果】請求項１又は請求項２の発明では、棒状
の支持部材が、弾性体の駆動面と同一平面となる位置，
又はこの駆動面と固定部材設置面との間の平面となる位
置において分離自在であるため、一旦支持部材と組み立
てた弾性体を支持部材から抜き出す必要なく、駆動面の
研磨又は研削を行うことができるために、組立性が顕著
に改善され、製造コストの低減が図られる。

【００９７】また、一旦支持部材と組み立てた弾性体
を、支持部材から抜き出して再度組み立てる必要がない
ため、正確な寸法精度で組み立てることができ、駆動面
と移動子との間における片当たりが解消され、駆動力や
駆動効率の低下や異音の発生が解消される。

【００９８】さらに、一旦支持部材と組み立てた弾性体
を、支持部材から抜き出して再度組み立てる必要がない
ため、一旦取り付けた固定部材を外すための接合防止策
を講ずる必要がなくなり、例えばシリコンオイル塗布工
程等が省略される。

【００９９】請求項３の発明では、請求項１又は請求項
２の発明において、分離される二つの支持部材それぞれ
の端部に、支持部材保持用の太軸部が設けられるため、
駆動時の超音波アクチュエータのがたつきや騒音の発生
が解消される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超音波アクチュエータの第１実施
例を示す断面図である。

【図２】図１に示す超音波アクチュエータに用いる固定
子たる弾性体を示した斜視図である。

【図３】弾性体１と第１の固定軸７ｂとの位置関係を示
す断面図である。

【図４】第１実施例にかかる超音波アクチュエータの駆
動回路を説明するブロック図である。

【図５】図５（Ａ）は、第１実施例にかかる超音波アク
チュエータの固定子を底面方向から見た図であり、図５
（Ｂ）は側面方向から見た図である。

【図６】第１実施例にかかる超音波アクチュエータの弾
性体に発生する縦振動と捩り振動とを組み合わせ、駆動
面に楕円運動を生じさせることを説明する図である。

【図７】第１実施例において、振動振幅と駆動周波数と
の関係を示すグラフである。

【図８】第１実施例の超音波アクチュエータを組み込ん
だ駆動装置の全体を示す断面図である。

【図９】第２実施例の圧電素子の配置を示す説明図であ
る。

【図１０】本発明にかかる超音波アクチュエータの第３
実施例を示す断面図である。

【図１１】圧電素子の励振により１次の縦振動と２次の
捩り振動とが生じることを説明する図である。

【図１２】第２実施例において、振動振幅と駆動周波数
との関係を示すグラフである。

【図１３】縦−捩り振動型の超音波アクチュエータの従
来例を示した斜視図である。

【図１４】従来例にかかる超音波アクチュエータのステ
ータを展開して示した斜視図である。

【図１５】本出願人が特願平６−２７５０２２号により
提案した超音波アクチュエータの構造を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１弾性体（固定子）２，３半円管状弾性体２ａ，２ｂ中空部２ｂ，３ｂ貫通孔４，５圧電素子６移動子（相対運動部材）６−１移動子母材６−２摺動材６−３ねじ部７固定軸（支持部材）７ａ第１の固定軸７ｂ第２の固定軸７ｃねじ部７ｄ，７ｅ太軸部８ベアリング９加圧部材１０ナット１３ボルト１４ボルト２１発振部２２移相部２３Ｔ増幅部２４Ｌ増幅部２５検出部２６制御部３１機器固定部３２ａ，３２ｂ押さえ部材３３ａ，３３ｂセットビス３４被駆動部材３４ａ歯車

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】棒状の支持部材と，前記支持部材の外面
に設置されるとともに、駆動信号により励振されて電気
エネルギーを機械エネルギーに変換する電気−機械エネ
ルギー変換素子を保持し、端面である駆動面に駆動力を
発生する弾性体と，前記支持部材の周囲に回動自在に設
置されるとともに、前記駆動面において前記弾性体に加
圧接触される円筒状の相対運動部材と，前記支持部材及
び前記弾性体を貫通して、前記支持部材及び前記弾性体
を固定する固定部材とを備え、前記支持部材は、前記駆動面と同一平面となる位置，又
は前記駆動面と前記固定部材設置面との間の平面となる
位置において、分離自在であることを特徴とする超音波
アクチュエータ。
【請求項２】請求項１に記載された超音波アクチュエ
ータにおいて、前記支持部材は、少なくとも相対運動部材設置部が円柱
状であり、前記弾性体は２つの半円筒状の弾性体を組合
わせた円筒状であるとともに、前記電気−機械エネルギ
ー変換素子の少なくとも一部は薄板状であってかつ前記
弾性体により挟持され、前記弾性体にｎ次の縦振動及び
ｍ次の捩り振動が生じることによって前記駆動面に前記
駆動力が発生することを特徴とする超音波アクチュエー
タ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載された超音
波アクチュエータにおいて、分離される二つの前記支持部材それぞれの端部には、支
持部材保持用の太軸部が設けられることを特徴とする超
音波アクチュエータ。