JPH09219982A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特願平６−１８０２７９号等により提案した
振動アクチュエータでは、捩じり振動及び伸縮振動それ
ぞれの腹位置に圧電素子を配置するため、駆動効率がそ
の分だけ向上しない。 【解決手段】 弾性体１３，１４と，弾性体１３，１４
に装着される圧電体１２ａ，１２ｂとを有し、圧電体１
２ａ，１２ｂへの駆動電圧の印加により、弾性体１３，
１４の軸方向についての伸縮振動と捩じり振動とを生じ
て駆動力を発生する振動アクチュエータにおいて、圧電
体１２ａ，１２ｂは、弾性体１３，１４の軸方向に関し
て、伸縮振動又は捩じり振動の腹位置でない装着位置に
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、伸縮振動と捩じり
振動との合成振動を用いた振動アクチュエータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図９は、縦−捩じり振動型の振動アクチ
ュエータの従来例を示した斜視図である。

【０００３】従来、この種の振動アクチュエータでは、
固定子（ステータ）１０１は、２つの円柱型の振動子１
０２，１０３間に捩じり振動用の圧電素子１０４が挟ま
れる。振動子１０３の上側には縦振動用の圧電素子１０
５が配置される。捩じり振動用の圧電素子１０４は周方
向に分極され、縦振動用の圧電素子１０５は厚み方向に
分極される。さらに、相対運動部材（ロータ）１０６は
縦振動用の圧電素子１０５の上側に配置される。

【０００４】固定子１０１を構成する振動子１０２，１
０３及び圧電素子１０４，１０５は、シャフト１０７に
形成されたねじ部に螺合されて固定される。ロータ１０
６は、中心部に配置されたボールベアリング１０８を介
して、シャフト１０７に回転自在に設けられる。シャフ
ト１０７の先端にはナット１１０が螺合し、ボールベア
リング１０８とナット１１０との間にはばね１０９が装
着される。ばね１０９により、ロータ１０６を固定子１
０１の端面に加圧接触させる。

【０００５】捩じり振動用の圧電素子１０４と縦振動用
の圧電素子１０５とは、図９中に模式的に示す発振器１
１１から発振される同一周波数の駆動電圧を、移相器１
１２により位相制御して駆動される。

【０００６】捩じり振動用の圧電素子１０４は、ロータ
１０６が回転するための機械的変位を与える。一方、縦
振動用の圧電素子１０５は、固定子１０１とロータ１０
６との間に働く摩擦力を、圧電素子１０４による捩じり
振動の周期に合わせて周期的に変動させることにより同
期させて、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。

【０００７】図１０は、図９に示す振動アクチュエータ
の固定子１０１を展開して示す斜視図である。捩じり振
動用の圧電素子１０４は、周方向に分極する必要があ
る。そこで、捩じり振動用の圧電素子１０４は、圧電材
料を、図１０に示すように、６〜８個程度の扇形の小片
に一旦分割しておき、各小片を周方向に分極した後に再
度環状に組み合わせることにより組み立てていた。な
お、符号１０４ａは電極である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この図９及び
図１０により示す従来の振動アクチュエータでは、捩じ
り振動用の圧電素子１０４を環状に組み合わせる時に、
形状精度を出すことが難しかった。そのため、圧電素子
１０４と振動子１０３，又は圧電素子１０４同士の密着
性が低下し、圧電素子１０４，１０５の振動が振動子１
０２，１０３には充分に伝達されず、振動アクチュエー
タの駆動効率が低下してしまうという問題があった。

【０００９】また、捩じり振動用の圧電素子１０４は、
扇形の小片を接着して組み立てる際に充分な接着強度を
得るため、少なくとも数ｍｍ程度の厚さが必要となる。
そのため、圧電素子１０４の電極間距離が大きくなって
しまい、駆動に必要な電界を圧電素子１０４に与えるた
めには電極間に高い電圧を印加する必要があった。

【００１０】一方、捩じり振動用の圧電素子１０４及び
縦振動用の圧電素子１０５の面積は、振動子１０２，１
０３の断面積と略等しいか、又は、振動子１０２，１０
３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、捩じり振動用の圧電素子１０４及び
縦振動用の圧電素子１０５の中央部に孔を開ける必要が
あった。そのため、捩じり振動用の圧電素子１０４及び
縦振動用の圧電素子１０５それぞれの面積はさらに小さ
くなり、モータの高トルク化及び高回転化を図ることが
難しかった。

【００１１】そこで、本出願人は、先に特願平６−１８
０２７９号，特願平６−２７５０２２号等により、一次
の伸縮振動（縦振動）と一次（又は二次）の捩じり振動
とを利用した異形モード縮退型の振動子を用いた振動ア
クチュエータを提案した。図１１は、この振動アクチュ
エータに用いる異形モード縮退型の振動子５０の上面図
であり、図１２は、振動子５０の側面図である。

【００１２】振動子５０は、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素子５２ａ，
５２ｂと、これらの圧電素子５２ａ，５２ｂの励振によ
って伸縮振動及び捩じり振動を発生する中空円柱状の弾
性体５１とを備える。

【００１３】弾性体５１は、中空の円柱体５１を中心軸
を含む平面で縦に２分割することによって得られる半弾
性体５３，５４を組み合わせることにより得られる。弾
性体５１の外周面には小径部５１ａが溝状に形成され、
この小径部５１ａによって区切られる二つの部分に、第
１大径部５１Ａ及び第２大径部５１Ｂが形成される。そ
のため、弾性体５１の外周面には、中心軸方向（図１２
における上下方向）に関して、第１大径部５１Ａ，小径
部５１ａ及び第２大径部５１Ｂが順に形成される。

【００１４】半弾性体５３，５４の２つの分割面には、
２層ずつ合計４層の圧電素子５２ａ，５２ｂとこれらの
圧電素子５２ａ，５２ｂに駆動電圧を印加する電極板５
５ａ，５５ｂ及び５５ｃとが挟まれた状態で装着され
る。

【００１５】２つの分割面のそれぞれに装着される圧電
素子５２ａ，５２ｂは２層ずつ合計４層からなる。４層
の圧電素子のうちの２層の圧電素子５２ａは圧電定数ｄ
₁₅を用いることで半弾性体５３，５４の長手方向に対し
て剪断変位を発生する。残り２層の圧電素子５２ｂは圧
電定数ｄ₃₁を用いることで半弾性体５３，５４の長手方
向に対して伸縮変位を発生する。

【００１６】圧電素子５２ａに駆動電圧を印加すると、
半弾性体５３，５４には捩じり変位が発生する。圧電素
子５２ｂに駆動電圧を印加すると、半弾性体５３，５４
には縦変位が発生する。したがって、捩じり振動用の圧
電素子５２ａに正弦波電圧を入力することにより弾性体
５１にはそれに応じて捩じり振動が発生し、縦振動用の
圧電素子５２ｂに正弦波電圧を入力することにより弾性
体５１にはそれに応じて伸縮振動が発生する。

【００１７】さらに、振動子５１の一方の端面である駆
動面Ｄには、回転自在に支持された相対運動部材である
円柱状の移動子（図示しない。）が、適当な加圧力で接
触する。

【００１８】図１３は、図１１及び図１２に示す振動ア
クチュエータにおいて、振動子５１に発生する捩じり振
動（Ｔモード）及び伸縮振動（Ｌモード）を組み合わせ
て駆動面Ｄに楕円運動を発生することを経時的に示す説
明図である。

【００１９】図１３において、ｔ＝（６／４）πの時点
では、捩じり振動Ｔの変位は左側に最大であり、一方、
伸縮振動Ｌの変位は零である。この状態では、移動子
（図示しない。）は、同じく図示しない加圧機構によっ
て振動子５１の駆動面Ｄに加圧接触する。

【００２０】この状態から、ｔ＝（７／４）π〜０〜
（２／４）π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し、一方、伸縮振動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５
１の駆動面Ｄの定点は、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。

【００２１】次に、ｔ＝（２／４）π〜（６／４）πま
では、捩じり振動Ｔは、右側の最大から左側の最大まで
変位し、一方、伸縮振動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５１の駆動面Ｄの
定点は、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、加圧部
材により加圧されていても固有振動数が異なるため、振
動子の縮みに追従しない。

【００２２】ここで、捩じり振動の共振周波数と伸縮振
動の共振周波数とが略一致すると、振動子５１には、捩
じり振動と伸縮振動とが同時に発生し（縮退）、駆動面
Ｄには楕円運動が発生し、駆動力が発生する。

【００２３】楕円運動が発生している際に、捩じり振動
の振動数を捩じり振動の共振周波数に略一致させるとと
もに、伸縮振動の振動数を伸縮振動の共振周波数に略一
致させると、共振して駆動面Ｄにおける楕円運動が拡大
する。

【００２４】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、圧電素子５２ａ，５２ｂは、弾
性体軸方向について、半弾性体５３，５４それぞれの分
割面全体に配置されている。したがって、圧電素子５２
ａ，５２ｂは、捩じり振動の腹位置を跨がって２つの節
位置に配置されていた。

【００２５】一般的に、圧電素子を弾性体に装着し、捩
じり振動及び伸縮振動を発生させる場合、各振動の節位
置を含む位置に圧電素子が配置される。これは、各振動
の節位置は歪み変位が最も大きな位置であるため、各振
動の節部に圧電素子を配置することにより、捩じり振動
及び伸縮振動を極めて効率的に発生させることが可能と
なるからである。

【００２６】ところで、図１１〜図１３により示す異形
モード縮退型の振動アクチュエータでは、捩じり振動及
び伸縮振動それぞれの腹位置にも圧電素子を配置してい
るが、この振動の腹位置は歪み変位が小さい位置であ
る。そのため、腹位置に配置された圧電素子は振動の発
生には余り寄与せず、腹位置に装着された圧電素子に入
力するエネルギーが有効に利用されていない。したがっ
て、振動アクチュエータの駆動効率がその分だけ向上し
ないという課題があった。

【００２７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、弾性
体と，前記弾性体に装着される電気機械変換素子とを有
し、前記電気機械変換素子への駆動電圧の印加により、
前記弾性体の軸方向についての伸縮振動と捩じり振動と
を生じて駆動力を発生する振動アクチュエータにおい
て、前記電気機械変換素子は、前記軸方向に関して、前
記伸縮振動又は前記捩じり振動の腹位置でない位置に、
装着されることを特徴とする。

【００２８】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、前記腹位置は、前記弾性
体の前記軸方向に関する両端部近傍であることを特徴と
する。

【００２９】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、前記腹位置
には、機械的変位を電気エネルギーに変換する機械電気
変換素子又は補強部材が装着されることを特徴とする。

【００３０】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータに
おいて、前記伸縮振動の次数は１次以上であるととも
に、前記捩じり振動の次数は１次以上であることを特徴
とする。

【００３１】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図１は、本発明の第１実施形態にかか
る振動アクチュエータ１を説明する縦断面図である。な
お、以降の各実施形態の説明は、振動アクチュエータと
して超音波の領域の振動数を利用する超音波アクチュエ
ータを例にとって、行う。

【００３２】図１に示す超音波アクチュエータ１を構成
する振動子１０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１２ａ，１２ｂと、これらの圧電
体１２ａ，１２ｂが接合され、圧電体１２ａ，１２ｂの
励振により１次の伸縮振動と２次の捩じり振動とを発生
して駆動面Ｄに駆動力を発生する半弾性体１３，１４と
から構成される。

【００３３】半弾性体１３，１４は、その外周面の軸方
向について第１大径部１１Ａ，第２大径部１１Ｂ，及び
これらの間に小径部１１ａを順に有する厚肉中空状の円
筒体を、中心軸を含む平面で縦に２分割することにより
得られる半円筒体である。半弾性体１３，１４の２つの
分割面には、圧電体１２ａ，１２ｂが挟み込まれた状態
で装着される。

【００３４】第１大径部１１Ａの振動子軸方向長さは、
第２大径部１１Ｂの軸方向長さよりも長く設定される。
本実施形態では、電気エネルギーを機械的変位に変換す
る振動発生用の圧電体１２ａ，１２ｂは、振動子軸方向
に関して、第１大径部１１Ａ，１１Ｂが形成されている
範囲に配置される。

【００３５】また、圧電体１２，１２ｂは、後述する図
２および図３に示すように、２つの分割面それぞれにお
いて２層ずつ合計４層形成される。４層の圧電体のうち
の２層の圧電体１２ａは圧電定数ｄ₁₅を用いることで弾
性体長手方向に関して剪断変位を発生する。残りの２層
の圧電体１２ｂは圧電定数ｄ₃₁を用いることで弾性体長
手方向に対して伸縮変位を発生する。

【００３６】半弾性体１３，１４は、弾性体軸方向の略
中心に、圧電体１２ａ，１２ｂの積層方向と平行な方向
（図１における左右方向）に貫通孔１６，１７が形成さ
れる。

【００３７】形成された貫通孔１６，１７にボルト１８
ａ，１８ｂを挿入し、ボルト１８ａ，１８ｂの先端を、
後述する固定軸１９の大径部１９ａに設けたねじ孔１９
ｂに螺合することにより、半弾性体１３，１４は、圧電
体１２ａ，１２ｂを挟み込んだ状態で保持するととも
に、振動子１０は軸方向の中心を貫通する固定軸１９に
保持される。

【００３８】固定軸１９は、半弾性体１３，１４の軸方
向に形成された中空部を貫通し、前述したように弾性体
１１を固定するとともに、後述する移動子２０を回動自
在に半径方向に位置決め・保持する。

【００３９】相対運動部材である円柱状の移動子２０
は、厚肉円環状の移動子母材２０ａと、移動子母材２０
ａの弾性体１１側の端面に貼付されて駆動面Ｄに接触す
る摺動材２０ｂとから構成される。

【００４０】移動子母材２０ａの反振動子１１側の端面
の内周部には、環状に溝部２０ｃが形成されており、こ
の溝部２０ｃに位置決め部材であるベアリング２１を嵌
合し、このベアリング２１を固定軸１９に装着する。

【００４１】移動子母材２０ａの外周面には、出力取出
し用歯車（図示しない。）が環状に形成される。この出
力取出し用歯車は、図示しない被駆動体に環状に形成さ
れた歯車（図示しない）に噛合する。このようにして、
移動子２０の出力（回転動力）が被駆動体に伝達され
て、被駆動体は駆動される。

【００４２】ベアリング２１は、固定軸１９の端部に形
成されたねじ部１９ｃに螺着される加圧力調整部材であ
るナット２２とベアリング２１との間に装着された加圧
部材である皿バネ２３（スプリングバネや板バネ等であ
ってもよい。）により、振動子１０側に向けて加圧され
る。これにより、移動子２０の振動子側端面が適宜圧力
で振動子１０の駆動面Ｄに向けて加圧接触される。ナッ
ト２２の螺着位置を調節することにより、皿バネ２３の
加圧力が調節される。

【００４３】図２は、本実施形態にかかる超音波アクチ
ュエータに用いる振動子１０を駆動面方向から見た説明
図であり、図３は、本実施形態にかかる超音波アクチュ
エータに用いる振動子１０を側面方向から見た説明図で
ある。

【００４４】弾性体１１は、中空円柱状の弾性体を中心
軸を含む平面で縦に２分割することにより得られる半弾
性体１３，１４を組み合わせることにより、得られる。
中空円柱状の弾性体の側面には小径部１１ａが溝状に形
成される。

【００４５】弾性体１１の外周面には、この小径部１１
ａによって第１大径部１１Ａ及び第２大径部１１Ｂが区
切られて形成される。そのため、弾性体１１の外周面に
は、振動子軸方向に順に第１大径部１１Ａ，小径部１１
ａ及び第２大径部１１Ｂが形成される。

【００４６】弾性体１３，１４それぞれの間の２つの分
割面のうち、弾性体軸方向について第１大径部１１Ａが
形成されている範囲には、圧電素子１２ａ，１２ｂと圧
電素子１２ａ，１２ｂに駆動電圧を印加するための電極
板１５ａ，１５ｂ及び１５ｃとが挟まれた状態で装着さ
れる。

【００４７】２つの分割面のそれぞれに装着される圧電
素子１２ａ，１２ｂは、２層ずつ合計４層からなる。４
層の圧電素子のうちの２層の圧電素子１２ａは、圧電定
数ｄ₁₅を用いることにより弾性体１１の軸方向に対して
剪断変位を発生する。残り２層の圧電素子１２ｂは，圧
電定数ｄ₃₁を用いることにより弾性体１１の軸方向に対
して伸縮変位を発生する。

【００４８】圧電素子１２ａに駆動電圧を印加すると、
弾性体１１には捩じり変位が発生する。また、圧電素子
１２ｂに駆動電圧を印加すると、弾性体１１には伸縮変
位が発生する。

【００４９】圧電素子１２ａは、例えばある正電圧を印
加した場合、図２のように、円周方向に沿って剪断変形
が手前方向とその反対方向とが交互になるように配置さ
れる。手前側に剪断変形する位置が点対称になり、反対
側に剪断変形する位置が点対称になると好適である。ま
た、ある負の電圧を印加した場合は、図２とは逆の方向
に剪断変形する。

【００５０】以上説明したように、捩じり振動用の圧電
素子１２ａと、縦振動用の圧電素子１２ｂとを配置して
おき、捩じり振動用の圧電素子１２ａに正弦波電圧を入
力することにより弾性体１１にはそれに応じて捩じり振
動が発生し、縦振動用の圧電素子１２ｂに正弦波電圧を
入力することにより弾性体１１にはそれに応じて伸縮振
動が発生する。

【００５１】このように構成された振動アクチュエータ
１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の圧電素子１２ａと伸縮振動用の圧
電素子１２ｂとに入力すると、伸縮振動は伸縮振動用の
圧電素子１２ｂによって直接的に発生し、一方、捩じり
振動は弾性体１１に発生する剪断変形によって発生す
る。

【００５２】駆動信号が入力された弾性体１１には、捩
じり振動用の圧電素子１２ａ及び伸縮振動用の圧電素子
１２ｂの励振により、捩じり振動及び伸縮振動が同時に
発生し、これらの振動を合成した楕円運動が駆動面Ｄに
発生する。

【００５３】図４は、このような振動子１１に発生する
捩じり振動及び伸縮振動を組み合わせることにより駆動
面Ｄに楕円運動が発生することを経時的に示す説明図で
ある。なお、図４においては、説明の便宜上、相対運動
部材である移動子は図示しない。

【００５４】図４に示すように、捩じり振動の周期と伸
縮振動の周期との位相差を（１／４）λ（λ：波長）ず
らして設定すると、振動子１１の駆動面Ｄ上には楕円運
動が発生する。

【００５５】図４において、ｔ＝（６／４）πの時点で
は、捩じり振動Ｔの変位は左側に最大であり、伸縮振動
Ｌの変位は零である。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１１の駆動面Ｄに加圧接触
する。

【００５６】この状態から、ｔ＝（７／４）π〜０〜
（２／４）π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、伸縮振動Ｌは、零から
上側の最大に変位して再び零に戻る。したがって、振動
子１１の駆動面Ｄは移動子を押しながら右方向に回転
し、移動子は回転駆動される。

【００５７】次に、ｔ＝（２／４）π〜（６／４）π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、伸縮振動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、弾性体１１の駆動面Ｄ
は、移動子を離れながら、左方向に回転するため、移動
子は駆動されない。このとき、移動子は加圧部材により
加圧されていても、加圧部材の固有振動数が超音波振動
域より低いために、振動子１１の縮み変位に追従するこ
とができない。

【００５８】図５は、圧電体１２ａ，１２ｂの励振によ
って、振動子１０に１次の縦振動と２次の捩じり振動と
が発生することを示す説明図であって、図５（ａ）は上
面図，図５（ｂ）は側面図，図５（ｃ）は発生する捩じ
り振動及び伸縮振動の発生状況例を示すグラフである。

【００５９】本実施形態の超音波アクチュエータにおい
て用いる弾性体１３，１４は、第１大径部１１Ａ，第２
大径部１１Ｂ及びこれらの間に捩じり剛性の弱い小径部
１１ａを有する。

【００６０】さらに、本実施形態の超音波アクチュエー
タでは、第１大径部１１Ａの振動子軸方向長さが第２大
径部１１Ｂの振動子軸方向長さよりも大きく設定され
る。したがって、図５（ｃ）に示すように、捩じり振動
は、小径部１１ａ形成位置と第１大径部１１Ａの振動子
軸方向長さの略真中との２箇所にそれぞれ節が発生する
２次モードとなる。一方、伸縮振動は、小径部１１ａの
形成に起因した形状面の影響を受け難いため、第１大径
部１１Ａ，第２大径部１１Ｂ及び小径部１１ａを含んだ
振動子全長の略真中部分に、１つの節が発生する１次モ
ードとなる。

【００６１】したがって、図５（ｃ）に示すように、第
２大径部１１Ｂは、捩じり振動及び伸縮振動それぞれの
腹位置となる。本実施形態では、図５（ａ）〜図５
（ｃ）に示すように、捩じり振動及び縦振動それぞれの
腹部に相当する第２大径部１１Ｂと第１大径部１１Ａの
駆動面Ｄ側には圧電体１２ａ，１２ｂを配置せずに空隙
としておく。換言すれば、捩じり振動及び縦振動の節部
に圧電体１２ａ，１２ｂを配置し、弾性体軸方向に関し
て、捩じり振動又は伸縮振動の腹位置でない装着位置に
装着する。

【００６２】したがって、本実施形態の超音波アクチュ
エータによれば、圧電体１２ａ，１２ｂの装着面積、す
なわち電圧印加面積が減少するため、圧電体１２ａ，１
２ｂの静電容量を低減することができる。

【００６３】ここで、超音波アクチュエータ１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」
８１頁，総合電子出版社より引用）から求めてみると、
駆動点（反共振点付近）の入力電流は、以下のような近
似式によって示される。 入力電流Ｉ＝Ｖ・Ｒ・ω² ・Ｃｄ² ・・・・・・・

【００６４】ただし、Ｃ：振動子１１のコンデンサ成分
（主に圧電体１２ａ，１２ｂの静電容量） Ｖ：印加電圧 Ｒ：振動子１１の共振抵抗 ω：周波電圧の角速度

【００６５】したがって、振動形成には余り寄与しない
捩じり振動及び伸縮振動の腹位置に配置されていた圧電
体１２ａ，１２ｂを解消することにより、圧電体１２
ａ，１２ｂの静電容量及び入力電流をともに低減するこ
とができる。

【００６６】一方、伸縮振動の節位置には圧電体１２
ａ，１２ｂが配置してあるため、超音波アクチュエータ
１の出力は殆ど低下しない。これにより、出力及び入力
電力量により決定される超音波アクチュエータ１の駆動
効率を向上させることができる。

【００６７】すなわち、本実施形態の超音波アクチュエ
ータ１によれば、１次の伸縮振動及び２次の捩じり振動
の腹位置でない装着位置に圧電体１２ａ，１２ｂを配置
するため、出力を殆ど低下することなく入力エネルギー
を低減することができ、振動アクチュエータ１の駆動効
率を向上させることができる。

【００６８】また、本実施形態の超音波アクチュエータ
１によれば、１次の伸縮振動及び２次の捩じり振動の腹
部となる弾性体１３，１４の端部に、圧電体１２ａ，１
２ｂを配置しないため、端面における楕円運動（出力）
に対する拘束量を殆ど低下することなく入力エネルギー
を低減することができ、超音波アクチュエータ１の駆動
効率を向上させることができる。

【００６９】（第２実施形態）図６は、本発明にかかる
超音波アクチュエータ３１の第２実施形態を示す縦断面
図である。本実施形態の超音波アクチュエータ３１が第
１実施形態の超音波アクチュエータ１と相違するのは、
振動子３２に小径部が二つ形成されている点と、圧電素
子の配置と、さらに、伸縮振動及び捩じり振動それぞれ
の腹位置に機械電気変換素子を配置した点である。

【００７０】振動子３２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３３ａ，３３ｂと、それ
らの圧電体３３ａ，３３ｂが接合され圧電体３３ａ，３
３ｂの励振によって１次の伸縮振動と２次の捩じり振動
とが発生することにより駆動面Ｅに駆動力が発生する中
空円柱状の弾性体３４とから構成される。

【００７１】図７は、本実施形態の超音波アクチュエー
タ３１において用いる振動子３２の構造を詳細に示す説
明図であって、図７（ａ）は振動子３２の上面図，図７
（ｂ）は圧電体３３ａ，３３ｂの装着状況を示す振動子
３２の側面図，図７（ｃ）は振動子３２に発生する伸縮
振動及び捩じり振動の発生状況例を示す説明図である。

【００７２】弾性体３４は、鉄鋼，リン青銅，ステンレ
ス鋼等の金属材料からなり、３つの大径部３４Ａ，３４
Ｂ及び３４Ｃと、２つの小径部３４ａ，３４ｂとをその
外周面に有する中空円柱状の弾性体を、中心軸を含む平
面で縦に２分割することにより得られる二つの半弾性体
３５，３６を組み合わせることにより、構成される。二
つの半弾性体３５，３６の２つの分割面それぞれには、
２層かつ３群からなる圧電体３３ａ，３３ｂと、圧電体
３３ａ，３３ｂとの間で電気的エネルギーの入力及び出
力を行うための電極３７ａ，３７ｂ及び３７ｃとが挟み
込まれた状態で保持される。

【００７３】小径部３４ａ，３４ｂは、弾性体３４に発
生する捩じり振動の節位置に配置される。捩じり振動用
の圧電体３３ａは、捩じり振動の二つの節部を含む位置
に配置される。一方、伸縮（縦）振動用の圧電体３３ｂ
は、縦振動の一つの節部を含む位置に配置される。

【００７４】二つの半弾性体３５，３６それぞれの振動
子長手方向の略中心に、圧電体３３ａ，３３ｂの積層方
向と平行に貫通孔３８ａ，３８ｂが形成される。二つの
半弾性体３５，３６は、貫通孔３８ａ，３８ｂにボルト
３９ａ，３９ｂを挿入し、後述する固定軸４０の略中央
部に設けられた大径部４０ａに形成されたネジ孔４０ｂ
に螺着することにより、圧電体３３ａ，３３ｂを挟み込
むとともに、軸方向の中心に挿入された固定軸４０に保
持される。

【００７５】相対運動部材である移動子４１は、厚肉円
環状の移動子母材４１ａと、移動子母材４１ａの振動子
側端面に装着されて振動子３２の駆動面Ｅに接触する摺
動材４１ｂとから構成される。摺動材は、硬い高分子
材、例えばＰＥＥＫ（７０重量％）−カーボンファイバ
ー（２０重量％）−ＰＴＦＥ（１０重量％）のような複
合材料にすると好適である。移動子母材４１ａの振動子
側端面の内周部には、環状に溝部４１ｃが形成され、こ
の溝部４１ｃに位置決め部材であるベアリング４２が嵌
合されて装着される。このベアリング４２は、固定軸４
０に対して装着されることにより、移動子４１を固定軸
４０に対して回動自在に位置決め・保持する。

【００７６】移動子母材４１ａの反振動子側の外周面に
は、出力取出用のギヤ４１ｄが環状に形成されており、
図示しない被駆動体の歯車と噛合する。これにより、移
動子４１の動力が被駆動体に伝達されて、被駆動体が駆
動される。

【００７７】また、固定軸４０の端部にはネジ部４０ｂ
が形成されており、このネジ部４０ｂに加圧力調整部材
であるナット４３が螺着される。このナット４３とベア
リング４２との間には、加圧部材である皿バネ４４（ス
プリングバネや板バネ等であってもよい。）が、固定軸
４０によって保持される。皿バネ４４のバネ力により、
移動子４１は、振動子３２の駆動面Ｅに加圧接触され
る。

【００７８】このように、固定軸４０は、半弾性体３
５，３６の軸方向と平行な方向に向けて形成された中空
部を貫通し、半弾性体３５，３６等からなる振動子３２
を固定するとともに、移動子４１を半径方向について回
動自在に位置決め・固定する。

【００７９】半弾性体３５，３６は、３つの大径部３４
Ａ，３４Ｂ及び３４Ｃと、２つの小径部３４ａ，３４ｂ
とを有した中空の厚肉円筒体を、中心軸を含む平面で縦
に２分割することにより得られる部材であり、その分割
面に２層かつ３群の圧電体３３ａ，３３ｂと電極３７
ａ，３７ｂ，３７ｃとが挟み込まれる。

【００８０】小径部３４ａ，３４ｂは、捩じり振動の節
部に位置する。捩じり振動用の圧電体３３ａ，３３ａ
は、捩じり振動の節部に配置され、それによって振動子
３２に捩じり振動が発生する。

【００８１】捩じり振動用の圧電体３３ａは、周波電圧
が印加した時に電圧の方向に応じて剪断変形を発生し、
この剪断変形によって捩じり振動が発生する。第１の捩
じり振動用の圧電体３３ａ群は、図面上の手前側２枚の
捩じり振動用の圧電体３３ａと向こう側２枚の捩じり振
動用の圧電体３３ａとから構成される。手前側２枚の捩
じり振動用の圧電体３３ａと向こう側２枚の捩じり振動
用の圧電体３３ａとの剪断変形は、同じ方向の電圧が印
加された場合、それぞれ反対方向に剪断変形するように
配置すると、振動子３２にはある方向への捩じり変位が
発生する。

【００８２】例えば、図７（ａ）に示すように、手前側
の２枚の捩じり振動用の圧電体３３ａ及び向こう側の２
枚の捩じり振動用の圧電体３３ａがそれぞれ剪断変形し
た場合、駆動面Ｅは図７（ａ）中に矢印で示すように捩
じれる。また、反対方向の電圧を印加した場合には、逆
の向きの剪断変形が発生するため、駆動面Ｅは図７
（ａ）中に矢印で示す状態とは反対方向へ捩じれる。

【００８３】第２の捩じり振動用の圧電体３３ａ群は、
手前側２枚の捩じり振動用圧電体３３ａと向こう側２枚
の捩じり振動用の圧電体３３ａとから構成される。手前
側２枚の捩じり振動用の圧電体３３ａと向こう側２枚の
捩じり振動用の圧電体３３ａとの剪断変形は、同じ方向
の電圧を印加するとそれぞれが反対方向に剪断変形する
ように配置すると、振動子３２にはある方向への捩じり
振動が発生する。

【００８４】手前側２枚の第１の捩じり振動用の圧電体
３３ａと手前側２枚の第２の捩じり振動用圧電体３３ａ
とは、同じ方向の電圧が印加されると異なった方向に剪
断変形を生じるように配置する。

【００８５】さらに、向こう側２枚の第１の捩じり振動
用の圧電体３３ａと向こう側２枚の第２の捩じり振動用
圧電体３３群とは、同じ方向の電圧を印加されると異な
った方向に剪断変形を生じるように配置する。

【００８６】例えば、図７（ａ）に示すように、手前側
２枚の第２の捩じり振動用の圧電体３３ａ及び向こう側
２枚の第２の捩じり振動用の圧電体３３ａが剪断変形す
ると、駆動面Ｅと対向する端面Ｆ（反駆動面）は、図７
（ａ）中に矢印で示す方向とは同じ方向へ捩じれる。

【００８７】このように、捩じり振動用の圧電体３３ａ
を配列することにより、第１の捩じり振動用の圧電体３
３ａ群と第２の捩じり振動用の圧電体３３ａ群とに同じ
周波電圧を印加すると、捩じり振動の第１節Ｇより上の
部分と第２節Ｈより上の部分との間で捩じり振動の方向
が同じ方向となり、捩じり２次モードは励振され易くな
る。

【００８８】次に、図７において、伸縮振動用の圧電体
３３ｂは、周波電圧が印加されたときに伸縮変形を生
じ、この伸縮変形により伸縮振動（縦振動）が発生す
る。伸縮振動用の圧電体３３ｂは、手前側２枚の伸縮振
動用の圧電体３３ｂと向こう側２枚の伸縮振動用の圧電
体３３ｂとから構成される。これらの圧電体３３ｂは、
同じ方向の電圧が印加されると、それぞれ同方向に縦変
形するように配置する。

【００８９】以上説明したように、伸縮振動用の圧電体
３３ｂを配置することにより、伸縮振動用の圧電体３３
ｂに同じ周波電圧を印加すると、伸縮１次振動モードは
励起され易くなる。

【００９０】このように構成された超音波アクチュエー
タ３１に、２つの（１／４）λ位相差を有する駆動信号
をそれぞれ伸縮振動用の圧電体３３ｂと捩じり振動用の
圧電体３３ａとに入力すると、伸縮振動と捩じり振動と
の位相差が９０度ずれ、これらの振動を合成した楕円運
動が振動子３２の駆動面Ｅに発生する。

【００９１】本実施形態では、図７（ｂ）に示すよう
に、二つの捩じり振動用の圧電体３３ａ，３３ａのそれ
ぞれ両端側、すなわち振動子３２の伸縮振動及び捩じり
振動それぞれの腹位置の近傍には、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振動用圧電
体ではなく、機械的変位を電気エネルギーに変換する機
械電気変換素子である振動検出用の圧電体４５ａ，４５
ｂが配置される。振動検出用の圧電体４５ａ，４５ｂに
は駆動電圧は印加されず、振動子３２に発生する機械的
変位に応じて電気エネルギーを発生・出力する。

【００９２】したがって、本実施形態においても、第１
実施形態と同様に、振動形成には余り寄与しない振動の
腹位置における振動用圧電体３３ａ，３３ｂを装着しな
いことにより、捩じり振動発生用の圧電体３３ａ，３３
ｂの静電容量を低減して入力電力量を低減することがで
きる。

【００９３】振動検出用の圧電体４５ａ，４５ｂを挟ん
だ位置は、伸縮（縦）振動及び捩じり振動の腹位置の近
傍であるため、伸縮振動及び捩じり振動による機械的歪
みはそれほど大きくない。そのため、この位置に振動検
出用の圧電体４５ａ，４５ｂを設けたことによる振動エ
ネルギーの損失は、振動の節の位置に設けた場合よりも
極めて小さい。したがって、弾性体３５，３６に発生す
る振動を検出することができるとともに、超音波アクチ
ュエータの駆動効率を低減させることは殆どない。

【００９４】（第３実施形態）図８は、本発明にかかる
超音波アクチュエータ３１−１の第３実施形態を示す説
明図であって、図８（ａ）は振動子３２−１の上面図，
図８（ｂ）は圧電体３３ａ，３３ｂの装着状況を示す振
動子３２−１の側面図，図８（ｃ）は振動子３２−１に
発生する伸縮振動及び捩じり振動の発生状況例を示す説
明図である。

【００９５】本実施形態の超音波アクチュエータ３１−
１が、第２実施形態の超音波アクチュエータ３１と相違
するのは、二つの捩じり振動用の圧電体３３ａ，３３ａ
のそれぞれ両端側に、機械的変位を電気エネルギーに変
換する機械電気変換素子である振動検出用の圧電体４５
ａ，４５ｂを配置するのではなく、補強部材４６ａ，４
６ｂを配置した点である。したがって、本実施形態の説
明は、補強部材４６ａ，４６ｂについてのみ行い、その
他の点は図８に図７と同一の符号を付すことにより説明
を省略する。

【００９６】弾性体３５，３６に発生する縦振動及び捩
じり振動の腹位置近傍には、２つの圧電体３３ａ，３３
ｂと同じ幅の高分子材料からなる補強部材４６ａ，４６
ｂが配置される。この補強部材４６ａ，４６ｂは導電性
を有さないものであり、第２実施形態の超音波アクチュ
エータ３１のように機械的変位を電気エネルギーに変換
して外部に出力することにより振動発生状況を出力する
ことはできない。

【００９７】しかし、本実施形態の超音波アクチュエー
タ３１−１においても、各圧電体３３ａ，３３ｂの間に
補強部材４６ａ，４６ｂを形成してあるため、図１１〜
図１３により示す超音波アクチュエータよりも振動用圧
電体３３ａ，３３ｂの電圧印加面積を小さくすることが
可能となる。したがって、さらに圧電体３３ａ，３３ｂ
の静電容量を低減することができ、より入力電力量を低
減することができる。

【００９８】なお、補強部材４６ａ，４６ｂが配置され
る部分は、振動形成にあまり寄与しない振動の腹位置で
あるため、これにより超音波アクチュエータ３１−１の
出力を減少させることなく、入力電力量を低減すること
ができ、振動アクチュエータ３１−１の駆動効率を向上
することができる。

【００９９】さらに、本実施形態の超音波アクチュエー
タ３１−１では、補強部材４６ａ，４６ｂを弾性体３
５，３６の間に挟んだ状態で配置するため、この位置に
何も配置せずに空隙としている場合に比較すると、２つ
の弾性体３５，３６の接合強度が大きくなり、超音波ア
クチュエータ３１−１の耐久性が向上する。

【０１００】（変形形態）各実施形態では、超音波の振
動領域を利用する超音波アクチュエータを例にとって説
明を行ったが、本発明にかかる振動アクチュエータはこ
のような振動領域の振動アクチュエータに限定されるも
のではなく、他の振動領域の振動アクチュエータであっ
ても同様に適用できる。

【０１０１】各実施形態では、弾性体３５，３６に２次
の捩じり振動と１次の伸縮振動とを発生させることによ
り駆動力を得る超音波アクチュエータを例にとって、説
明を行った。しかし、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、複数の
弾性体と，複数の弾性体に装着される電気機械変換素子
とを有し、電気機械変換素子への駆動電圧の印加によ
り、弾性体の軸方向についての１次以上の伸縮振動と１
次以上の捩じり振動とを生じて駆動力を発生する振動ア
クチュエータであれば、入力する電力量の低減に基づく
効率向上といった本発明の効果が奏される。

【０１０２】本実施形態では、弾性体を鉄鋼，リン青
銅，ステンレス鋼としたが、エリンバー材のような共振
尖鋭度の大きい材料を用いると、振幅が大きくなって駆
動特性が向上し、好適である。また、エリンバー材は、
温度により共振周波数の遷移が小さいために、これを弾
性体として用いると、温度変化に対しての超音波アクチ
ュエータの性能変化が小さくなり、制御性が向上すると
いった利点も生じる。

【０１０３】また、本発明にかかる振動アクチュエータ
では、電気機械変換素子又は機械電気変換素子として圧
電素子を用いた。しかし、本発明にかかる超音波アクチ
ュエータはこのような態様に限定されるものではなく、
電気エネルギーと機械的変位との相互変換を行うことが
できる素子であれば等しく適用することができる。例え
ば、圧電素子以外に電歪素子や磁歪素子等を例示するこ
とができる。

【０１０４】さらに、本実施形態では、弾性体が二つの
半弾性体からなる場合を例にとったが、本発明はこのよ
うな態様のみに限定されるものではなく、弾性体が３つ
以上の複数の弾性部材からなる場合であっても等しく適
用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる振動アクチュエ
ータを説明する縦断面図である。

【図２】本発明の第１実施形態にかかる振動アクチュエ
ータに用いる異形モード縮退型の振動子の上面図であ
る。

【図３】本発明の第１実施形態にかかる振動アクチュエ
ータに用いる異形モード縮退型の振動子の側面図であ
る。

【図４】本発明の第１実施形態にかかる振動アクチュエ
ータにおいて、振動子に発生する捩じり振動及び伸縮振
動を組み合わせることにより駆動面Ｄに楕円運動が発生
することを経時的に示す説明図である。

【図５】圧電体の励振によって、振動子に１次の縦振動
と２次の捩じり振動とが発生することを示す説明図であ
って、図５（ａ）は上面図，図５（ｂ）は側面図，図５
（ｃ）は発生する捩じり振動及び伸縮振動の発生状況例
を示すグラフである。

【図６】本発明にかかる超音波アクチュエータの第２実
施形態を示す縦断面図である。

【図７】第２実施形態の超音波アクチュエータにおいて
用いる振動子の構造を詳細に示す説明図であって、図７
（ａ）は振動子の上面図，図７（ｂ）は圧電体の装着状
況を示す振動子の側面図，図７（ｃ）は振動子に発生す
る伸縮振動及び捩じり振動の発生状況例を示す説明図で
ある。

【図８】本発明にかかる超音波アクチュエータの第３実
施形態を示す説明図であって、図８（ａ）は振動子の上
面図，図８（ｂ）は圧電体の装着状況を示す振動子の側
面図，図８（ｃ）は振動子に発生する伸縮振動及び捩じ
り振動の発生状況例を示す説明図である。

【図９】縦−捩じり振動型の振動アクチュエータの従来
例を示した斜視図である。

【図１０】図９に示す振動アクチュエータの固定子を展
開して示す斜視図である。

【図１１】特願平６−１８０２７９号等により提案され
た振動アクチュエータに用いる異形モード縮退型の振動
子の上面図である。

【図１２】特願平６−１８０２７９号等により提案され
た振動アクチュエータに用いる異形モード縮退型の振動
子の側面図である。

【図１３】図１１及び図１２に示す振動アクチュエータ
において、振動子に発生する捩じり振動（Ｔモード）及
び伸縮振動（Ｌモード）を組み合わせて駆動面Ｄに楕円
運動を発生することを経時的に示す説明図である。

【符号の説明】

１，３１，３１−１ 超音波アクチュエータ（振動アク
チュエータ） １０，３２，３２−１ 振動子 １１，３４ 弾性体 １１Ａ，１１Ｂ，３４Ａ〜３４Ｃ 大径部 １１ａ，３４ａ，３４ｂ 小径部 １２ａ，１２ｂ，３３ａ，３３ｂ 圧電体 １３，１４，３５，３６ 半弾性体 １１’，３４ 弾性体 １６，１７，３８ａ，３８ｂ 貫通孔 １８ａ，１８ｂ，３９ａ，３９ｂ ボルト １９，４０ 固定軸 １９ａ，４０ａ 大径部 １９ｂ，４０ｂ ねじ孔 １９ｂ，４０ｂ ねじ部 ２０，４１ 移動子 ２０ａ，４１ａ 移動子母材 ２０ｂ，４１ｂ 摺動材 ２０ｃ，４１ｃ 溝部 ２１，４２ ベアリング ２２，４３ ナット ２３，４４ 皿ばね ３７ａ〜３７ｂ 電極 ４５ａ，４５ｂ 振動検出用の圧電体 ４６ａ，４６ｂ 補強部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 弾性体と，前記弾性体に装着される電気
   機械変換素子とを有し、前記電気機械変換素子への駆動
   電圧の印加により、前記弾性体の軸方向についての伸縮
   振動と捩じり振動とを生じて駆動力を発生する振動アク
   チュエータにおいて、 前記電気機械変換素子は、前記軸方向に関して、前記伸
   縮振動又は前記捩じり振動の腹位置でない位置に、装着
   されることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 【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、 前記腹位置は、前記弾性体の前記軸方向に関する両端部
   近傍であることを特徴とする振動アクチュエータ。
3. 【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、 前記腹位置には、機械的変位を電気エネルギーに変換す
   る機械電気変換素子又は補強部材が装着されることを特
   徴とする振動アクチュエータ。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項に記載された振動アクチュエータにおいて、 前記伸縮振動の次数は１次以上であるとともに、前記捩
   じり振動の次数は１次以上であることを特徴とする振動
   アクチュエータ。