JPH1080159A

JPH1080159A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH1080159A
Application number: JP8233767A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Ashizawa; 隆利芦沢; Mitsuhiro Okazaki; 光宏岡崎; Isao Sugaya; 功菅谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1996-09-04
Publication date: 1998-03-24

Abstract

(57)【要約】【課題】先に提案した異形モード縮退型の振動アクチ
ュエータでは、捩じり振動用圧電体が捩じり振動の腹位
置にも跨がって配置されるため、この部分の捩じり振動
用圧電体に入力するエネルギーが無駄になり、駆動効率
が低下する。【解決手段】圧電体２４ａ，２４ｂを３群装着されて
相対運動方向への２次の捩じり振動と相対運動方向と直
交する方向への１次の縦振動とを発生することにより駆
動面Ｄに駆動力を発生する振動子２１と、駆動面Ｄに加
圧接触して振動子２１との間で相対運動を発生する移動
子２２とを備える振動アクチュエータ２０であって、駆
動面Ｄに交差する軸方向について、捩じり振動用圧電体
２４ａが２群装着されるとともに、縦振動用圧電体２４
ｂが１群装着される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動アクチュエー
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】進行波型振動アクチュエータは、例えば
「日経メカニカル，１９８３年２月２８日号」等により
報告されている。この振動アクチュエータは、略述すれ
ば、２相の駆動信号を印加することにより弾性体からな
る固定子の駆動面に超音波の進行波を発生させる。そし
て、この駆動面に加圧接触される移動子が進行波波頭に
おける楕円運動により摩擦的に駆動される。

【０００３】一方、図６は、縦−捩じり振動型の振動ア
クチュエータの構造例を示した斜視図である。従来、こ
の種の振動アクチュエータでは、固定子１０１は、２つ
の円柱型の振動子１０２，１０３の間に円環状の捩じり
振動用圧電体１０４が挟まれて配置されるとともに、振
動子１０３の上側に円環状の縦振動用圧電体１０５が配
置されることによって、構成される。捩じり振動用圧電
体１０４は円周方向に分極される。また、縦振動用圧電
体１０５は厚さ方向に分極される。さらに、移動子１０
６は、縦振動用圧電体１０５の上端面側に配置される。

【０００４】固定子１０１を構成する振動子１０２，１
０３及び圧電体１０４，１０５は、いずれも固定軸１０
７の外面に設けられたねじ部にネジ止めされることによ
り、固定される。また、移動子１０６は、中心部に装着
されたボールベアリング１０８を介して固定軸１０７に
回転自在に取り付けられる。固定軸１０７の先端には、
ばね１０９を介してナット１１０がネジ止めされる。ば
ね１０９のバネ力Ｆにより、移動子１０６を固定子１０
１の端面に加圧接触させる。

【０００５】捩じり振動用圧電体１０４と縦振動用圧電
体１０５とは、ともに、発振器１１１から発振される同
一周波数の駆動電圧を、移相器１１２により適宜位相制
御することにより、駆動される。

【０００６】捩じり振動用圧電体１０４は、移動子１０
６が固定軸１０７の周りに回転するための機械的変位を
与える。一方、縦振動用圧電体１０５は、固定子１０１
と移動子１０６との間に働く摩擦力を、圧電体１０４に
よる捩じ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、固定子１０１に発生した振動を移動子１０
６の一方向への運動に変換するクラッチ的役割を果た
す。

【０００７】図７は、図６に示す振動アクチュエータを
構成する固定子１０１を展開した状態で示す斜視図であ
る。捩じり振動用圧電体１０４は、前述したように、円
周方向に分極する必要がある。そこで、捩じり振動用圧
電体１０４は、圧電材料を、図７に示すように、６〜８
個程度の扇形の小片に一旦分割し、分割した各小片を円
周方向について分極した後に、再度環状に組み合わせる
ことにより、構成されていた。なお、図７における符号
１０４ａは、捩じり振動用圧電体１０４へ駆動電圧を印
加するための電極である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように構
成された従来の振動アクチュエータでは、捩じり振動用
圧電体１０４を環状に組み立てる際に、所望の寸法精度
を確保することが極めて難しかった。

【０００９】一方、図６において、縦振動用圧電体１０
５及び捩じり振動用圧電体１０４それぞれの断面積は、
固定子１０１の断面積と略等しいか、又は、固定子１０
１の断面積よりも少し小さかった。また、固定軸１０７
を中心部に貫通させるために捩じり振動用圧電体１０
４，縦振動用圧電体１０５の中央部に孔を開ける必要が
あった。そのために、捩じり振動用圧電体１０４，縦振
動用圧電体１０５の断面積はさらに小さくなり、振動ア
クチュエータの高トルク化及び高回転化を図ることがい
ずれも難しかった。

【００１０】このような問題を解決するために、本出願
人は、既に、高トルク化及び高回転により駆動すること
が可能であって、しかも構造が単純であって製造も容易
な異形モード縮退型の振動アクチュエータを、例えば特
願平６−１８０２７９号や特願平６−２７５０２２号等
により提案した。

【００１１】図８は、これらの提案にかかる振動アクチ
ュエータ１の構造例を示す縦断面図であり、図９は、図
８の振動アクチュエータ１の制御を示すブロック図であ
り、また、図１０（ａ）は、図８に示す半円柱状の弾性
体２ａ，２ｂに挟まれた状態で保持される振動子２を底
面方向から見た図，図１０（ｂ）は、図８に示す振動子
２を側面方向から見た図である。さらに、図１１は、振
動子２に発生する縦振動と捩じり振動とを組み合わせて
駆動面２ｃに楕円運動を生じさせる振動アクチュエータ
１の駆動原理を示す説明図である。

【００１２】すなわち、図８及び図９において、縦−捩
じり振動型の振動アクチュエータ１の振動子２は、駆動
信号により励振され、電気エネルギーを機械的変位に変
換する電気機械変換素子である圧電体３，４と、これら
の圧電体３，４が接合されており、これらの圧電体３，
４の励振により１次の縦振動と１次の捩じり振動とが生
じることにより、端面である駆動面２ｃに駆動力が発生
する中空半円柱状の弾性体２ａ，２ｂとから構成され
る。

【００１３】弾性体２ａ，２ｂは、厚肉の中空円筒を縦
に２つに分割した形状の弾性部材である。弾性体２ａ，
２ｂの分割面には、圧電体３，４が挟み込まれている。
圧電体３，４は２層ずつ合計４層からなる。４層のうち
の２層の圧電体３は、圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じり振動
用圧電体であり、残り２層の圧電体４は、圧電定数ｄ₃₁
を用いる縦振動用圧電体である。

【００１４】弾性体２ａ，２ｂには、高さ方向の略中心
に、圧電体３，４の積層方向と平行に貫通孔２ｄ，２ｅ
が形成される。この弾性体２ａ，２ｂは、その貫通孔２
ｄ，２ｅを用いてボルト６ａ，６ｂで固定することによ
り、圧電体３，４を挟み込むとともに、軸方向の中心に
挿入された固定軸５にネジ止めされる。

【００１５】相対運動部材である移動子７は、移動子母
材７−１と、移動子母材７−１の端面に貼付されて振動
子２の駆動面２ｃに接触する摺動材７−２とから構成さ
れる。移動子７は、その内周部に嵌合された位置決め部
材であるベアリング８を介して、固定軸５に対して回転
自在に位置決め・固定される。

【００１６】また、移動子７は、加圧部材である皿バネ
９ａにより振動子２側に向けて付勢されることにより、
駆動面２ｃに加圧接触される。固定軸５は、弾性体２
ａ，２ｂの軸方向に形成された中空部に貫通しており、
弾性体２ａ，２ｂ等からなる振動子２を固定・保持する
とともに、移動子７を半径方向について位置決めする。
この固定軸５は、上端部にねじ部が形成されており、皿
バネ９ａの加圧力を調整する加圧力調整部材であるナッ
ト９ｂがネジ止めされる。

【００１７】捩じり振動用圧電体３，縦振動用圧電体４
には、図９に示すように、駆動信号を発振する発振部１
０と，出力された駆動信号を（１／４）λ位相差を有す
る信号に振り分ける移相部１１と，捩じり振動用圧電体
３に入力する駆動信号を増幅するＴ増幅部１３と，縦振
動用圧電体４に入力する駆動信号を増幅するＬ増幅部１
２等とから構成される。

【００１８】また、制御回路１６は、捩じり振動を検出
する検出部１４と，この検出部１４の検出量に応じて発
振部１０から出力される周波数や電圧等を制御する制御
部１５等から構成される。検出部１４は、振動子２の側
面に貼付されて機械的変位を電気エネルギーに変換する
圧電体１４ａを備える。これにより、振動子２に捩じり
に伴って発生する変位量を検出することにより、振動子
２に発生した捩じり変位を間接的に検出する。

【００１９】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すよう
に、圧電体３，４は、２つの弾性体２ａ，２ｂに挟まれ
た２群からなる。圧電体３，４の各群は、それぞれ４層
からなる。４層の圧電体のうち、２層の圧電体は圧電定
数ｄ₁₅を用いる圧電体３から構成され、一方、残り２層
の圧電体は圧電定数ｄ₃₁を用いる圧電体４から構成され
る。

【００２０】圧電体３は圧電定数ｄ₁₅を用いており、弾
性体２ａ，２ｂの長手方向に対して剪断変位を発生させ
る。圧電体３は、図１０（ａ）において、円周方向に対
して剪断変形が手前方向と反対方向とに交互になるよう
に、弾性体２ａ，２ｂの二つの分割面に配置される。

【００２１】圧電体３は、このように配置されることに
より、それぞれが剪断変形した時に、振動子２に捩じり
変位を発生し、振動子２の端面が捩じれる。一方、圧電
体４は圧電定数ｄ₃₁を用いており、弾性体２ａ，２ｂ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
用圧電体４は全てある電位が印加された場合、同じ方向
へ変位が発生するように配置される。

【００２２】以上のように、圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じ
り振動用圧電体３と、圧電定数ｄ₃₁を用いる縦振動用圧
電体４とを配置するとともに、捩じり振動用圧電体３に
正弦波電圧を印加することによって、それに応じて、振
動子２には捩じり運動が発生する。一方、縦振動用圧電
体４に正弦波電圧を印加することによって、それに応じ
て、振動子２には伸縮運動が発生する。

【００２３】このような振動アクチュエータ１では、図
９において、発振部１０及び移相部１１を介して、Ｔ増
幅部１３及びＬ増幅部１２から捩じり振動用圧電体３，
縦振動用圧電体４に駆動信号が印加されると、捩じり振
動用圧電体３，縦振動用圧電体４はそれぞれ励振され、
振動子２には捩じり振動と縦振動とが発生する。

【００２４】すなわち、図１１に示すように、捩じり振
動Ｔの周期と縦振動（伸縮運動）Ｌの周期との位相差を
（１／４）λ（λ：波長）ずらして設定すると、振動子
２の駆動面２ｃの上の定点Ａには楕円運動が発生する。

【００２５】図１１において、駆動信号の周波数をｆと
し、このときの角周波数をω（＝２πｆ）とすると、ｔ
＝（６／４）・（π／ω）の時点では、捩じり振動Ｔの
変位は左側に最大である。一方、縦振動Ｌの変位は零で
ある。この状態では、移動子は、加圧部材によって振動
子２の駆動面２ｃに加圧接触された状態である。

【００２６】この状態から、ｔ＝（７／４）・（π／
ω）〜０〜（２／４）・（π／ω）までは、捩じり振動
Ｔは左側の最大から右側の最大まで変位する。一方、縦
振動Ｌは零から上側の最大に変位し再び零に戻る。した
がって、振動子２の駆動面２ｃは移動子の端面に接触し
て移動子を押しながら右方向に回転し、この回転によっ
て移動子は右方向に回転駆動される。

【００２７】次に、ｔ＝（２／４）・（π／ω）〜（６
／４）・（π／ω）までは、捩じり振動Ｔは右側の最大
から左側の最大まで変位する。一方、縦振動Ｌは零から
下側の最大に変位し再び零に戻る。したがって、振動子
２の駆動面２ｃは、移動子から離れながら左方向に回転
するため、移動子は駆動されない。このときに、移動子
は、前述したように図１１においては図示しない加圧部
材によって振動子２の駆動面２ｃ側に向けて加圧される
が、固有振動数が異なるため、振動子２の縮みに追従す
ることができない。

【００２８】このようにして生じる捩じり振動及び縦振
動それぞれの共振周波数を略一致させると、捩じり振動
と縦振動とが同時に発生し（このような状態を「縮退」
という。）振動子２の駆動面２ｃに捩じり振動と縦振動
との合成である楕円運動が発生して駆動力が発生し、移
動子が回転駆動される。

【００２９】ところで、これらの異形モード縮退型の振
動アクチュエータでは、振動発生用圧電体３，４は、弾
性体２ａ，２ｂの分割面全体に接合されており、一群の
圧電体３が捩じり振動の腹を跨がって２つの節位置に配
置されていた。このような圧電体を用いて振動を発生さ
せるには、発生させる振動の節部に圧電体を配置する
と、最も効率的に振動を発生させることが可能となる。
一方、圧電体を発生させる振動の腹部に配置しても、余
り振動の発生には寄与せず、捩じり振動用圧電体３，縦
振動用圧電体４に入力するエネルギーが余計に必要とな
るだけであった。そのため、振動の腹部に入力するエネ
ルギーが余計に必要となってしまい、駆動効率が向上し
ないといった課題があった。

【００３０】また、従来の異形モード縮退型の振動アク
チュエータでは、１群の圧電体の中に２つの捩じり振動
の節部が存在する。そのため、このように圧電体３に二
つの振動の節部が存在すると、弾性体は、ある周波電圧
を印加されることにより励振して弾性体に捩じり振動を
発生するため、１つの節部において圧電体が弾性体に励
起しょうとする振動と同じ方向への捩じり振動変位が発
生する。しかし、もう一方の節部ではこれとは反対方向
への捩じり振動変位が発生してしまう。したがって、１
群の圧電体により２つの異なった振動変位を発生させよ
うとする場合には、片方の節部では入力エネルギーを充
分に出力に変換することができず、振動振幅が大きくな
らないという課題があった。

【００３１】本発明は、このような課題に鑑み、駆動力
の増加により駆動効率を向上させることが可能な振動ア
クチュエータを提供することを目的とする。

【００３２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、駆動
信号により励振される電気機械変換素子を複数装着さ
れ、第１方向への１次以上の次数の振動と第１方向とは
異なる第２方向への１次以上の次数の振動とを生じて、
端面に駆動力を発生する弾性体と，弾性体の端面に加圧
接触し、弾性体との間で相対運動を発生する相対運動部
材とを備える振動アクチュエータであって、端面に交差
する軸方向について、第１方向への振動を発生する電気
機械変換素子が振動の次数と同じ数装着されるととも
に、第２方向への振動を発生する電気機械変換素子が、
振動の次数と同じ数装着されることを特徴とする。

【００３３】請求項２の発明は、請求項１に記載された
振動アクチュエータにおいて、第１方向への振動を発生
する電気機械変換素子が、軸方向についての中心が振動
の節位置に一致するように、装着されるとともに、第２
方向への振動を発生する電気機械変換素子が、軸方向に
ついての中心が振動の節位置に一致するように、装着さ
れることを特徴とする。

【００３４】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載された振動アクチュエータにおいて、弾性体が柱
状であって、第１方向への振動が、弾性体の軸方向に関
する縦振動であるとともに、第２方向への振動が、弾性
体の軸に関する捩じり振動であることを特徴とする。

【００３５】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明にかかる振動アクチュエ
ータの実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明
する。なお、以降の各実施形態の説明は、振動アクチュ
エータとして、超音波の振動域を利用する超音波アクチ
ュエータを例にとって、行う。

【００３６】図１は、第１実施形態の超音波アクチュエ
ータの構造を示す縦断面図である。本実施形態の超音波
アクチュエータ２０は、振動発生部材である振動子２１
と、振動子２１の一方の端面である駆動面２１ａに加圧
接触して振動子２１との間で相対運動を行う相対運動部
材である移動子２２とを備える。

【００３７】振動子２１は、駆動信号により励振される
電気機械変換素子である圧電体２３ａ，２３ｂと、これ
らの圧電体２３ａ，２３ｂが接合されてそれらの励振に
より１次の縦振動と２次の捩じり振動とが発生すること
により、駆動面Ｄに駆動力が発生する弾性体２４ａ，２
４ｂとから構成される。

【００３８】弾性体２４ａ，２４ｂは、側面に環状かつ
溝状に形成された二つの小径部２１ａ，２１ｂと、小径
部２１ａ，２１ｂによって区切られることにより形成さ
れる三つの大径部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃとを備える厚
肉の円筒体を縦に２つに分割することにより得られる弾
性部材である。

【００３９】弾性体２４ａ，２４ｂの二つの分割面に
は、２層の圧電体２３ａ，２３ｂと電極２５ａ，２５ｂ
が挟み込まれた状態で保持される。小径部２１ａ，２１
ｂは、弾性体２４ａ，２４ｂに発生する捩じり振動の二
つの節部それぞれに配置される。また、捩じり振動用圧
電体２３ａは、二つの捩じり振動の節部に配置されてお
り、縦振動用圧電体２３ｂは、縦振動の節部に配置され
る。

【００４０】弾性体２４ａ，２４ｂは、高さ方向の略中
心に、圧電体２３ａ，２３ｂの積層方向と平行に貫通孔
２６ａ，２６ｂが形成される。弾性体２４ａ，２４ｂ
は、これらの貫通孔２６ａ，２６ｂにボルト２７ａ，２
７ｂを挿入して、後述する固定軸２８の略中央部に形成
された大径部２８ａにネジ止めすることにより、圧電体
２３ａ，２３ｂを挟み込みとともに、弾性体２４ａ，２
４ｂの中心に形成された貫通孔を貫通する固定軸２８に
固定・保持される。

【００４１】移動子２２は、移動子母材２２ａと、振動
子２１の駆動面Ｄに加圧接触する摺動材２２ｂとにより
構成される。移動子母材２２ａの反振動子側の端面中央
縁部には、位置決め部材であるベアリング２９が嵌合さ
れる。ベアリング２９は固定軸２８に対して回転自在に
装着されており、これにより、移動子２２は固定軸２８
に対して回転自在に位置決めされる。

【００４２】移動子母材２２ａの外周面には、出力取り
出し用の歯車２２ｃが形成される。その出力は、図示し
ない被駆動体の歯車へ伝達される。また、移動子２２
は、加圧部材である皿バネ３０（スプリングバネや板バ
ネ等であってもよい。）により加圧力伝達部材３１を介
して、振動子２１の駆動面Ｄに加圧接触される。

【００４３】固定軸２８は、弾性体２４ａ，２４ｂの軸
方向に形成された中空部を貫通しており、振動子２１を
固定・保持するとともに、移動子２２を半径方向につい
て位置決めする。固定軸２８は、先端にネジ部２８ｂが
形成されており、皿バネ３０の加圧力を調整する加圧力
調整部材であるナット３２がネジ止めされる。

【００４４】図２は、振動子２１に装着される圧電体２
３ａ，２３の配置を示す説明図であり、図２（ａ）は振
動子２１の上面図，図２（ｂ）は発生する縦振動及び捩
じり振動の一例を併せて示す振動子２１の側面図であ
る。

【００４５】弾性体２４ａ，２４ｂは、２つの小径部２
１ａ，２１ｂと３つの大径部２１Ａ，２１Ｂ及び２１Ｃ
とを備える厚肉の円筒を縦に２つに分割した形状の弾性
部材である。弾性体２４ａ，２４ｂの分割面には、２層
の圧電体２３ａ，２３ｂと電極２５ａ，２５ｂとが挟み
込まれる。

【００４６】小径部２１ａ，２１ｂは、捩じり振動の二
つの節部Ｘ，Ｚに配置される。捩じり振動用圧電体２５
ａはこれらの節部Ｘ，Ｚを含む位置に配置されており、
縦振動用圧電体２５ｂは縦振動の節部Ｙを含む位置に配
置される。

【００４７】捩じり振動用圧電体２５ａは、周波電圧が
印加されると印加電圧の方向に応じた剪断変形を発生
し、この剪断変形により振動子２１には捩じり振動が発
生する。

【００４８】図２（ｂ）において、上部に位置する第１
捩じり振動用圧電体２３ａ群は、図面上の手前側に位置
する２枚の捩じり振動用圧電体２３ａと、図面上の向こ
う側に位置する２枚の捩じり振動用圧電体２３ａとによ
り構成される。手前側に位置する捩じり振動用圧電体２
３ａと向こう側に位置する捩じり振動用圧電体２３ｂと
の剪断変形が、同じ方向の電圧が印加された場合に、そ
れぞれ反対方向に発生するように、捩じり振動用圧電体
２３ａ群を配置すると、振動子２１にはある方向への捩
じり変位が発生する。例えば、図２に示すように、手前
側２枚の捩じり振動用圧電体２３ａ及び向こう側２枚の
捩じり振動用圧電体２３ａがそれぞれ剪断変形すると、
駆動面Ｄは図２に示すように捩じれる。また、反対方向
の電圧を印加すると、逆向きの剪断変形を発生するた
め、駆動面Ｄは図２とは反対方向に捩じれる。

【００４９】図２（ｂ）において、下部に位置する第２
捩じり振動用圧電体２３ａ群は、図面上の手前側に位置
する２枚の捩じり振動用圧電体２３ａと向こう側に位置
する２枚の捩じり振動用圧電体２３ａとにより構成され
る。第２捩じり振動用圧電体２３ａ群を、手前側に位置
する捩じり振動用圧電体２３ａと向こう側に位置する捩
じり振動用圧電体２３ｂとの剪断変形が同じ方向の電圧
が印加した場合に、それぞれ反対方向になるように、配
置すると、振動子２１にはある方向への捩じりが発生す
る。

【００５０】手前側に位置する２枚の第１捩じり振動用
圧電体２３ａ群と手前側に位置する２枚の第２捩じり振
動用圧電体２３ａ群とは、同じ方向の電圧が印加された
場合に、異なった方向に剪断変形するように、配置す
る。さらに、向こう側に位置する２枚の第２捩じり振動
用圧電体２３ａ群と向こう側に位置する２枚の第２捩じ
り振動用圧電体２３ａ群とは、同じ方向の電圧が印加さ
れた場合に、異なった方向に剪断変形するように、配置
する。例えば、図２に示すように、手前側に位置する２
枚の第２捩じり振動用圧電体２３ａ、及び向こう側に位
置する２枚の第２捩じり振動用圧電体２３ａが剪断変形
すると、駆動面Ｄと対向する位置にある反駆動面は図２
に示す方向とは同方向へ捩じれる。

【００５１】このように、捩じり振動用圧電体２３ａを
配列することにより、第１捩じり振動用圧電体２３ａ群
と第２捩じり振動用圧電体２３ａ群とに同じ周波電圧を
印加すると、捩じり振動の駆動面の捩じり振動方向と反
駆動面の捩じり振動方向が同方向になり、２次の捩じり
振動が励起され易くなる。

【００５２】また、縦振動用圧電体２３ｂは、周波電圧
が印加されることにより伸縮変形し、この伸縮変形によ
り振動子２１には縦振動が発生する。

【００５３】縦振動用圧電体２３ｂ群は、図面上の手前
側に位置する２枚の縦振動用圧電体２３ｂと向こう側に
位置する２枚の縦振動用圧電体２３ｂとにより構成さ
れ、同じ方向の電圧が印加した場合に、それぞれ同方向
に縦変形するように、配置する。以上のように、縦振動
用圧電体２３ｂを配列することにより、縦振動用圧電体
２３ｂ群に同じ周波電圧を印加すると、１次の縦振動が
励起され易くなる。

【００５４】このように構成された本実施形態の超音波
アクチュエータ２０に、２つの（１／４）λ位相差を有
する駆動信号をそれぞれ捩じり振動用圧電体２３ａ及び
縦振動用圧電体２３ｂに入力すると、捩じり振動及び縦
振動それぞれの振動の位相が９０゜ずれて発生し、これ
らの振動を合成した楕円運動が振動子２１の駆動面Ｄに
発生する。

【００５５】図３は、このような振動子２１に発生する
捩じり振動及び縦振動を組み合わせて振動子２１の駆動
面Ｄに楕円運動を発生させることを経時的に示す説明図
である。なお、図３では、説明の便宜上、振動子２１の
駆動面Ｄに加圧接触する移動子は、省略してある。

【００５６】前述したように、捩じり振動の周期と縦振
動の周期との位相差を（１／４）λ（λ：波長）ずらし
て設定すると、振動子２１の駆動面Ｄにおける定点に
は、捩じり振動と縦振動とが合成された楕円運動が発生
する。

【００５７】移動子の角速度をωとすると、ｔ＝（６／
４）・（π／ω）の時点では、捩じり振動の変位は左側
に最大であり、縦振動の変位はゼロである。この状態で
は、移動子は、図示しない加圧部材によって振動子２１
の駆動面Ｄに加圧接触する。

【００５８】この状態から、ｔ＝（７／４）・（π／
ω）〜０〜（２／４）・（π／ω）までは、捩じり振動
は左側の最大から右側の最大まで変位し、縦振動はゼロ
から上側の最大に変位し、再びゼロに戻る。したがっ
て、振動子２１の駆動面Ｄは移動子を押しながら右方向
に回転し、移動子は駆動される。

【００５９】次に、ｔ＝（２／４）・（π／ω）〜（６
／４）・（π／ω）までは、捩じり振動は右側の最大か
ら左側の最大まで変位し、縦振動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、振動子２１の駆
動面Ｄは、移動子から離れながら左方向へ回転するた
め、移動子は駆動されない。このときに、移動子は、加
圧部材により加圧されているが、加圧部材の固有振動数
が超音波振動域より低いため、振動子２１の縮みに追従
することができない。

【００６０】本実施形態では、２次の捩じり振動に対し
て２群の捩じり振動用圧電体２３ａを配置するととも
に、１次の縦振動に対して１群の縦振動用圧電体２３ｂ
を配置することにより、捩じり振動の腹位置に振動用圧
電体が配置されることを防止する。

【００６１】ここで、超音波アクチュエータ２０に入力
される電流を、振動子の等価回路（「超音波モータ入
門」第８１頁，総合電子出版社より引用）から求めてみ
ると、***振点付近を駆動点とした場合の入力電流は以
下のような近似式により示される。なお、ここでは、加
圧等による減衰は無視してある。入力電流Ｉ＝Ｖ・Ｒ・ω²・Ｃ²・・・・・・・

【００６２】Ｃ：振動子のコンデンサ成分（主に圧電体の静電容量）Ｖ：印加電圧Ｒ：振動子の共振抵抗 ω：周波電圧の角速度

【００６３】したがって、本実施形態の超音波アクチュ
エータ２０によれば、振動の発生に余り寄与しない腹位
置に圧電体を配置しないことにより、圧電体の静電容量
が低減され、超音波アクチュエータ２０に入力される電
流を低減することができる。

【００６４】また、本実施形態では、２次の捩じり振動
に対して２群の捩じり振動用圧電体２３ａを配置すると
ともに、１次の縦振動に対して１群の縦振動用圧電体２
３ｂを配置するため、それぞれ、圧電体により励起しよ
うとする捩じり振動変位と実際に励起しようとした弾性
体２４ａ，２４ｂの捩じり振動変位とを略一致させるこ
とができる。したがって、それぞれ捩じり振動と縦振動
とが励起され易くなるため、振動子２１に発生する振動
振幅を大きく確保することでき、超音波アクチュエータ
２０の駆動力や駆動効率を向上させることができる。

【００６５】また、本実施形態では、第１捩じり振動用
圧電体２３ａ群では、中央部と捩じり振動の第１節部と
を一致させている。また、第２捩じり振動用圧電体２３
ｂ群は、中央部と捩じり振動の第２節部とを一致させて
いる。このように第１捩じり振動用圧電体２３ａ群及び
第２捩じり振動用圧電体２３ｂ群を配置することによ
り、自然な捩じり振動が励起され易くなり、捩じり振動
振幅をさらに大きく確保することができる。

【００６６】また、縦振動用圧電体２３ｂ群は、中央部
と縦振動の節部とを一致させている。このように縦振動
用圧電体２３ｂを配置することにより、自然な捩じり振
動が励起され易くなり、縦振動振幅をさらに大きく確保
することができる。以上のように、振動用圧電体２３ｂ
群の中央部と振動の節部とを一致させることにより、縦
振動振幅及び捩じり振動振幅を大きく確保することがで
き、これにより超音波アクチュエータ２０の駆動効率や
駆動力を向上させることができる。さらに、振動エネル
ギーの損失を防止することもできる。

【００６７】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態を説明する。なお、以降の実施形態の説明では、前
述した第１実施形態と相違する部分だけを説明し、共通
する部分については同一の図中符号を付すことにより、
重複する説明を省略する。

【００６８】図４は、第２実施形態の超音波アクチュエ
ータ２０−１の振動子２１−１の構造を示す説明図であ
り、図２（ａ）は振動子２１−１の上面図，図２（ｂ）
は発生する縦振動及び捩じり振動を併せて示す振動子２
１−１の側面図である。

【００６９】移動子２２及び固定軸２８は、第１実施形
態と全く同一の構成であるため、説明を省略する。振動
子２１−１は、駆動信号により励振される電気機械変換
素子である圧電体２３ａ，２３ｂと、これらの圧電体２
３ａ，２３ｂが接合されており、これらの圧電体２３
ａ，２３ｂの励振により１次の縦振動と２次の捩じり振
動とが発生することにより、振動子２１−１の駆動面Ｄ
に駆動力を発生する弾性体２４ａ，２４ｂとから構成さ
れる。

【００７０】弾性体２４ａ，２４ｂは、側面に環状かつ
溝状に形成された２つの小径部２１ａ，２１ｂと、小径
部２１ａ，２１ｂにより区切られることにより形成され
る３つの大径部２１Ａ，２１Ｂ及び２１Ｃとを有する厚
肉の円筒を縦に２つに分割した形状の弾性部材である。

【００７１】弾性体２４ａ，２４ｂの分割面には、２層
の圧電体２３ａ，２３ｂと電極２５ａ，２５ｂとが挟み
込まれている。小径部２１ａ，２１ｂは、捩じり振動の
節部に配置される。

【００７２】弾性体２４ａ，２４ｂに発生する縦振動及
び捩じり振動それぞれの腹位置近傍には、圧電体２３
ａ，２３ｂ及び電極２５ａ，２５ｂと同じ幅の補強部材
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ及び４０ｄが配置される。捩じ
り振動用圧電体２３ａは捩じり振動の節部に配置され、
縦振動用圧電体２３ｂは縦振動の節部に配置される。

【００７３】捩じり振動用圧電体２３ａ群，縦振動用圧
電体２３ｂ群の配置や、周波電圧を印加したときに発生
する変形方向等は、第一実施形態と同一であるため、説
明を省略する。

【００７４】本実施形態においても、２次の捩じり振動
に対して２群の捩じり振動用圧電体２３ａを配置すると
ともに、１次の縦振動に対して１群の縦振動用圧電体２
３ｂを配置することにより、捩じり振動の腹位置に振動
用圧電体を配置しないようにし、これにより、圧電体全
体の静電容量を低減することができる。

【００７５】また、本実施形態においても、２次の捩じ
り振動に対して２群の捩じり振動用圧電体２３ａを配置
するとともに、１次の縦振動に対して１群の縦振動用圧
電体２３ｂを配置することにより、それぞれ、捩じり振
動及び縦振動が励起され易くなるため、振動子２１に発
生する振動振幅を大きく確保することができる。したが
って、超音波アクチュエータ２０の駆動力や駆動効率を
向上させることができる。

【００７６】また、本実施形態でも第１捩じり振動用圧
電体２３ａ群に関して、中央部と捩じり振動の第１節部
とを一致させる。また、第２捩じり振動用圧電体２３ａ
群に関して、中央部と捩じり振動の第２節部とを一致さ
せる。このように、第１捩じり振動用圧電体２３ａ群及
び第２捩じり振動用圧電体２３ａ群を配置することによ
り、振動子２１−１には自然な捩じり振動が励起され易
くなり、捩じり振動振幅をさらに大きく確保することが
できる。

【００７７】一方、縦振動用圧電体２３ｂ群に関して
も、中央部と縦振動の節部とを一致させる。このよう
に、縦振動用圧電体２３ｂ群を配置することにより、振
動子２１−１に自然な捩じり振動が励起され易くなり、
縦振動振幅をさらに大きく確保することができる。以上
のように、振動用圧電体２３ａ，２３ｂ群の中央部を、
振動子２１−１に発生する各振動の節部に一致させるこ
とにより、縦振動振幅及び捩じり振動振幅を大きく確保
することができ、これにより、超音波アクチュエータ２
０−１の駆動効率や駆動力を向上させることができる。

【００７８】（変形形態）以上詳細に説明した各実施形
態では、振動アクチュエータとして超音波の振動域を利
用する超音波アクチュエータを例にとったが、本発明に
かかる振動アクチュエータはこのような態様に限定され
るものではなく、他の振動域を利用する振動アクチュエ
ータについても等しく適用することができる。

【００７９】また、各実施形態では、電気機械変換素子
として圧電体を用いたが、電気エネルギーを機械的変位
に変換することができるものであれば他のものでもよ
い。例えば、圧電体以外に電歪素子を例示することがで
きる。

【００８０】また、各実施形態の説明では、中空円柱状
の弾性体を中心軸を含む縦面で２つに分割し、これらの
分割面に捩じり振動用圧電体及び縦振動用圧電体を挟ん
だ状態で保持する超音波アクチュエータを用いたが、本
発明にかかる振動アクチュエータはこのような態様に限
定されるものではない。駆動信号により励振される電気
機械変換素子を複数装着され、第１方向への１次以上の
次数の振動と第１方向とは異なる第２方向への１次以上
の次数の振動とを生じて、端面に駆動力を発生する弾性
体を用いた振動アクチュエータであれば、振動用圧電体
の配置の如何に関わらず、等しく適用される。

【００８１】図５は、このような超音波アクチュエータ
５０を、発生する縦振動及び捩じり振動の一例とととも
に示す説明図である。円筒状の第１捩じり振動用圧電体
５１ａと、第２捩じり振動用圧電体５１ｂと、縦振動用
圧電体５２と、４個の円筒状の弾性体５３ａ，５３ｂ，
５３ｃ及び５３ｄとにより構成される超音波アクチュエ
ータ５０である。

【００８２】この変形形態においても、捩じり振動の２
つの節部Ｘ，Ｚに捩じり振動用圧電体５１ａ，５１ｂを
配置し、１つの縦振動の節部Ｙに縦振動用圧電体５２を
配置してある。これにより、前述した各実施形態と全く
同様の効果（駆動効率向上）を奏することが可能とな
る。

【００８３】また、本発明にかかる振動アクチュエータ
は、このような態様に限定されるものではなく、ｍ次
（ｍ：自然数）の捩じり振動及びｎ次（ｎ：自然数）の
縦振動を発生する振動子を用いた超音波アクチュエータ
であれば、縦振動用圧電体をｎ群各節部に配置するとと
もに、捩じり振動用圧電体をｍ群各節部に配置すること
により、各実施形態と全く同様の効果を奏することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の超音波アクチュエータの構造を
示す縦断面図である。

【図２】第１実施形態において、振動子に装着される圧
電体の配置を示す説明図であり、図２（ａ）は振動子の
上面図，図２（ｂ）は発生する縦振動及び捩じり振動の
一例を併せて示す振動子の側面図である。

【図３】第１実施形態において、振動子に発生する捩じ
り振動及び縦振動を組み合わせて振動子の駆動面に楕円
運動を発生させることを経時的に示す説明図である。

【図４】第２実施形態において、振動子の構造を示す説
明図であり、図４（ａ）は振動子の上面図，図４（ｂ）
は発生する縦振動及び捩じり振動を併せて示す振動子の
側面図である。

【図５】変形形態の超音波アクチュエータを、発生する
縦振動及び捩じり振動の一例ととともに示す説明図であ
る。

【図６】縦−捩じり振動型の振動アクチュエータの構造
例を示した斜視図である。

【図７】図６に示す振動アクチュエータを構成する固定
子を展開した状態で示す斜視図である。

【図８】異形モード縮退型の振動アクチュエータの構造
例を示す縦断面図である。

【図９】図８の振動アクチュエータの制御を示すブロッ
ク図である。

【図１０】図１０（ａ）は、図８に示す半円柱状の弾性
体に挟まれた状態で保持される振動子を底面方向から見
た図，図１０（ｂ）は、図８に示す振動子を側面方向か
ら見た図である。

【図１１】振動子に発生する縦振動と捩じり振動とを組
み合わせて駆動面に楕円運動を生じさせる振動アクチュ
エータの駆動原理を示す説明図である。

【符号の説明】

２０超音波アクチュエータ２１振動子２１ａ駆動面２１ａ，２１ｂ小径部２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ大径部２２移動子２２ａ移動子母材２２ｂ摺動材２２ｃ歯車２３ａ捩じり振動用圧電体２３ｂ縦振動用圧電体２４ａ，２４ｂ弾性体２５ａ，２５ｂ電極２６ａ，２６ｂ貫通孔２７ａ，２７ｂボルト２８固定軸２８ａ大径部２８ｂネジ部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動信号により励振される電気機械変換
素子を複数装着され、第１方向への１次以上の次数の振
動と前記第１方向とは異なる第２方向への１次以上の次
数の振動とを生じて、端面に駆動力を発生する弾性体
と，前記弾性体の前記端面に加圧接触し、前記弾性体と
の間で相対運動を発生する相対運動部材とを備える振動
アクチュエータであって、前記端面に交差する軸方向について、前記第１方向への
前記振動を発生する電気機械変換素子は前記振動の次数
と同じ数装着されるとともに、前記第２方向への前記振
動を発生する電気機械変換素子は、前記振動の次数と同
じ数装着されることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】請求項１に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記第１方向への前記振動を発生する前記電気機械変換
素子は、前記軸方向についての中心が前記振動の節位置
に一致するように、装着されるとともに、前記第２方向への前記振動を発生する前記電気機械変換
素子は、前記軸方向についての中心が前記振動の節位置
に一致するように、装着されることを特徴とする振動ア
クチュエータ。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載された振動
アクチュエータにおいて、前記弾性体は柱状であって、前記第１方向への前記振動
は、前記弾性体の前記軸方向に関する縦振動であるとと
もに、前記第２方向への前記振動は、前記弾性体の軸に
関する捩じり振動であることを特徴とする振動アクチュ
エータ。