JPH10136667A - 振動アクチュエータ及びその加圧力調整法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特願平６−１８０２７９号等により提案した
異形モード縮退型の振動アクチュエータでは、その量産
の際に、振動子と移動子との間の加圧力の調整を正確に
行うことができない可能性があった。 【解決手段】 ２つの半円柱状弾性部材を組み合わせて
得られる弾性体の軸方向に挟まれた状態で保持される複
数の振動発生用圧電素子に、駆動信号を入力することに
より、弾性体及び振動発生用圧電素子により構成される
振動子に縦振動及び捩じり振動を発生させ、振動子に加
圧接触する相対運動部材との間で相対運動を発生する超
音波アクチュエータの加圧力を、振動発生用圧電素子の
インピーダンス特性を参照して、調整する。

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。さらに具体的には、本発明は、柱状の弾性
体、及びこの弾性体に挟まれた状態で保持される電気機
械変換素子を備える振動子と、相対運動部材と、振動子
と相対運動部材とを加圧接触させる加圧部材とを備える
振動アクチュエータ及びその加圧力調整法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、小型，軽量，低速さらには高
トルクを特徴とする振動アクチュエータは、カメラ等を
始めとして次々に実用化が図られている。この振動アク
チュエータは、近年においても、より一層活発に開発さ
れている。

【０００３】図７は、縦−捩じり振動型の振動アクチュ
エータの従来例を示す斜視図である。従来、この種の振
動アクチュエータでは、固定子（ステータ）１０１で
は、２つの円柱型の振動子１０２，１０３間に、捩じり
振動用圧電素子１０４が挟まれるとともに、振動子１０
３の上側に、縦振動用圧電素子１０５が配置される。捩
じり振動用圧電素子１０４は周方向に分極され、一方、
縦振動用圧電素子１０５は厚さ方向に分極される。さら
に、ロータ１０６は、縦振動用圧電素子１０５の上側に
配置される。

【０００４】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
のねじ部にネジ止めされることにより固定される。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
端は、バネ１０９を介して、ナット１１０がネジ止めさ
れる。これにより、ロータ１０６をステータ１０１に加
圧接触させる。

【０００５】捩じり振動用圧電素子１０４と縦振動用圧
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により位相制御することに
より駆動される。

【０００６】捩じり振動用圧電素子１０４は、ロータ１
０６が回転するための機械的変位を与え、縦振動用圧電
素子１０５は、ステータ１０１とロータ１０６との間に
働く摩擦力を、捩じり振動用圧電素子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。これ
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。

【０００７】図８は、従来例にかかる振動アクチュエー
タ１００のステータ１０１を展開した状態で示す斜視図
である。捩じり振動用圧電素子１０４は、周方向に分極
する必要がある。そのため、圧電材料を、図８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ることにより、環
状の捩じり振動用圧電素子１０４を構成していた。な
お、図８における図中符号１０４ａは捩じり振動用圧電
素子１０４に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、図７におい
て、前述した従来の振動アクチュエータ１００では、捩
じり振動用圧電素子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。

【０００９】一方、縦振動用圧電素子１０５及び捩じり
振動用圧電素子１０４それぞれの面積は、ステータ１０
１の断面積と略等しいか、又は、ステータ１０１の断面
積より小さかった。また、シャフト１０７を貫通させる
ために、捩じり振動用圧電素子１０４及び縦振動用圧電
素子１０５それぞれの中央部に孔を開ける必要があり、
この点からも捩じり振動用圧電素子１０４及び縦振動用
圧電素子１０５それぞれの面積はさらに小さくなってし
まう。これにより、捩じり振動用圧電素子１０４及び縦
振動用圧電素子１０５それぞれの静電容量が増加してし
まう。そのため、ステータ１０１に所望の振動を発生さ
せるためには、捩じり振動用圧電素子１０４及び縦振動
用圧電素子１０５それぞれに高電圧を印加する必要があ
り、装置全体の小型化には限界があった。

【００１０】そこで、本出願人は、先に、特願平６−１
８０２７９号等により、２つの棒状の弾性部材と、これ
ら２つの棒状の弾性部材の間に挟み込まれた状態で保持
される電気機械変換素子（例えば圧電素子）とにより、
少なくとも２つ以上の振動を発生する振動子を構成した
振動アクチュエータを提案した。

【００１１】図９は、これらの提案にかかる振動アクチ
ュエータ２００の構成例を示す縦断面図である。また、
図１０は、図９の振動アクチュエータ２００に用いる振
動子２０１を抽出して示す斜視図である。さらに、図１
１は、振動子２０１の説明図であって、図１１（ａ）は
上面図，図１１（ｂ）は側面図である。

【００１２】振動子２０１は、２種の圧電素子２０４，
２０５と、これら２種の圧電素子２０４，２０５が接合
された弾性体２０２，２０３とにより構成される。圧電
素子２０４，２０５は、ともに、駆動信号により励振さ
れて入力される電気エネルギーを機械的変位に変換して
出力する。弾性体２０２，２０３は、圧電素子２０４，
２０５の励振により縦振動及び捩じり振動を発生し、こ
れらの縦振動及び捩じり振動の合成振動である楕円運動
を駆動面Ｄに発生し、駆動力を発生する。

【００１３】弾性体２０２，２０３は、圧肉の円筒体を
縦に２分割して得られる中空半円柱状を呈する。弾性体
２０２，２０３の２つの分割面それぞれには、圧電素子
２０４，２０５が２層ずつ合計４層挟み込まれた状態で
装着される。

【００１４】２層の圧電素子２０４は、圧電定数ｄ₁₅を
用いる捩じり振動用圧電素子であり、残りの２層の圧電
素子２０５は、圧電定数ｄ₃₁を用いる縦振動用圧電素子
である。

【００１５】弾性体２０２，２０３は、高さ方向の略中
心に圧電素子２０４，２０５の積層方向と略平行な方向
に向けて貫通孔２０２ｂ，２０３ｂが形成される（図９
及び図１０参照）。弾性体２０２，２０３は、これらの
貫通孔２０２ｂ，２０３ｂにボルト２１３を貫通させ、
貫通したボルト２１３の両端部にナット２１４をネジ止
めすることにより、４層の圧電素子２０４，２０５を分
割面に挟んだ状態で、締結・固定される。

【００１６】ボルト２１３は、締結・固定された弾性体
２０２，２０３の中心部に縦方向に形成される中空部を
貫通して設置された固定軸（シャフト）２０７をも貫通
するため、弾性体２０２，２０３は、ボルト２１３を介
して、固定軸２０７に固定される。

【００１７】相対運動部材２０６は、中空圧肉の円筒体
である母材２０６Ａと、母材２０６Ａの振動子２０１側
の端面に接着されて振動子２０１の駆動面Ｄに接触する
中空円環状の摺動材２０６Ｂとにより構成される。

【００１８】母材２０６Ａの反振動子側の端面内縁部に
は、環状に溝部が設けられる。この溝部に、位置決め部
材であるベアリング２０８が嵌め込まれる。ベアリング
２０８は固定軸２０７に取り付けられる。これにより、
相対運動部材２０６は、固定軸２０７に対して回転自在
に装着・位置決めされる。

【００１９】固定軸２０７には、加圧部材であるバネ２
０９が装着され、このバネ２０９を介して、加圧力調整
部材であるナット２１０が固定軸２０７にネジ止めされ
る。ナット２１０のネジ止め位置を調整することによ
り、バネ２０９の変位量が調整される。これにより、相
対運動部材２０６の振動子２０１への加圧力が調整され
る。

【００２０】圧電素子２０４は、図１１（ａ）及び図１
１（ｂ）に示すように、弾性体２０２，２０３の長手方
向に対して剪断変位を発生させる。捩じり振動用圧電素
子２０４は、図１１（ａ）において、円周方向に対して
剪断変形が手前方向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、各捩じり振動用圧電素子
２０４を、手前側に最大剪断変形する位置が点対称にな
るとともにその反対側に最大剪断変形する位置が点対称
になるように配置すると、振動をできるだけ効率的に発
生させる観点から、好ましい。

【００２１】各捩じり振動用圧電素子２０４は、このよ
うに配置されるとともにそれぞれが剪断変形すると、振
動子２０１には捩じり変位が発生し、振動子２０１の駆
動面Ｄが図１１（ａ）に矢印で示す向きに捩じれる。

【００２２】一方、縦振動用圧電素子２０５は、弾性体
２０２，２０３の長手方向に対して伸縮変位を発生させ
る。４つの縦振動用圧電素子２０５は、その全てが、あ
る電位を印加させると同一の方向に変位が生じるよう
に、配置される。

【００２３】以上説明したように、弾性体２０２，２０
３の分割面に、圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じり振動用圧電
素子２０４と、圧電定数ｄ₃₁を用いる縦振動用圧電素子
２０５とを配置し、捩じり振動用圧電素子２０４に正弦
波電圧を入力すると、これにより振動子２０１に捩じり
振動が発生する。また、縦振動用圧電素子２０５に正弦
波電圧を入力すると、これにより振動子２０１に伸縮振
動が発生する。

【００２４】このように、本出願人が提案した振動アク
チュエータ２００は、柱状の弾性体２０２，２０３及び
捩じり振動用圧電素子２０４，縦振動用圧電素子２０５
を組み合わせることにより振動子２０１を構成する。そ
して、捩じり振動用圧電素子２０４，縦振動用圧電素子
２０５の逆圧電効果（二次圧電効果）を利用することに
よって、振動子２０１に少なくとも２つの共振モードを
励振する。この共振によって発生する振幅を、振動子２
０１に加圧接触された相対運動部材２０６の駆動力とし
て利用する。

【００２５】すなわち、この振動アクチュエータ２００
は、振動子２０１に発生する共振による振幅を、摩擦力
を介して相対運動部材２０６（移動子）へ伝達する。こ
の摩擦力を介して得られる相対運動部材２０６の出力特
性は、主に、振動子２０１，相対運動部材２０６それぞ
れの摺動面の間における摩擦係数と、振動子２０１及び
相対運動部材２０６間の加圧力とにより、決定される。

【００２６】したがって、この振動アクチュエータ２０
０では、振動子２０１，相対運動部材２０６それぞれの
摺動面における平面度・表面粗さの精度や、振動子２０
１及び相対運動部材２０６間における加圧力の設定等を
正確に行うことが、量産時における固体差を抑制するた
めには極めて重要である。

【００２７】特に、振動子２０１及び相対運動部材２０
６間における加圧力は、振動アクチュエータ２００の起
動トルク，最高効率さらには最高回転数等の主要特性に
極めて密接に関連する。

【００２８】そのため、振動アクチュエータ２００の最
適加圧力の範囲は、設計段階から出力要求仕様に照らし
て、慎重に検討・決定される。振動子２０１，相対運動
部材２０６の寸法精度がいくら優れていても、加圧力が
設計目標値を逸脱してしまうと、振動アクチュエータ２
００の性能のばらつきどころか、最悪の場合には極端な
性能低下を生じる可能性があるからである。

【００２９】ところで、この振動アクチュエータ２００
の大きな特徴の一つに、「高トルクを得るのに動力伝達
部材たるギヤが不要となるため小型化を図ることができ
る」ことがある。このような特徴を最大限に生かすため
には、振動アクチュエータ２００の本体のみならず加圧
部材の小型化も望まれる。このため、加圧部材は、比較
的設置スペースを要するコイルバネよりも、コンパクト
な皿バネを用いることが望ましい。

【００３０】この皿バネを加圧部材として用いて、振動
アクチュエータ２００の量産を行う場合を考える。振動
アクチュエータ２００の組み立ての際における相対運動
部材２０６の組み込み作業において、加圧部材２０９で
ある皿バネの加圧力調整を行うこと、換言すれば、皿バ
ネによる加圧力の値が幾らであるかを実測して調整する
ことは、極めて困難である。

【００３１】例えば、組み込み作業時に振動子２０１と
相対運動部材２０６との間に圧力センサを挟んでおき、
加圧力測定後に圧力センサを取り外すことは、作業工数
等の観点から、量産時には殆ど実現できない。

【００３２】したがって、量産時には、加圧力調整部材
であるナット２１０の回転数及びピッチからナット２１
０の移動量を直接求めて皿バネ２０９の変形量を算出
し、この算出値に基づいて発生加圧力を求め、求めた値
に基づいて加圧力の調整を行うことになる。

【００３３】しかし、このような加圧力の求め方には様
々な課題がある。第１の課題は、皿バネ２０９の変位量
を正確に求めるのは困難であるとともに計測誤差も存在
するため、加圧力のばらつき幅が相当大きくなってしま
うことである。特に、皿バネ２０９のような小型の加圧
部材では僅かな変位（変形）によって大きなバネ力を発
揮するため、僅かな計測誤差によっても加圧力のばらつ
き幅は相当大きなものとなってしまう。

【００３４】第２の課題は、皿バネ２０９の変位量を正
確に測定することができたと仮定しても、皿バネ２０９
の固体差（バネ定数のバラツキ）は不可避的に存在する
ため、変位量及びバネ定数の積として求められる加圧力
算出値に対する信頼性がやはり低くなってしまうことで
ある。なお、バネ定数のばらつきを平均化するととも
に、変位量をかせぐことにより測定誤差の割合を相対的
に低下することを目的として、使用する皿バネ２０９の
枚数を増加することも考えられる。しかし、これでは、
皿バネ２０９の長所（小型）が喪失されるとともに、振
動アクチュエータ２００の組み立て工数が増加し、量産
性に大きく影響してしまう。

【００３５】このように、この振動アクチュエータ２０
０の量産化のためには、振動子２０１と相対運動部材２
０６との間の加圧力を、簡易かつ確実に設定・調整する
ことができる技術の開発が、強く要請されていた。

【００３６】なお、「新版超音波モータ」（上羽貞行
氏、富川義朗氏共著，トリケップス刊）の第８７頁の図
２６には、振動アクチュエータの共振周波数と加圧力と
の間に相関関係があることが記載されている。すなわ
ち、この図２６によれば、少なくとも一つの振動の共振
周波数を測定することにより、加圧力を求められること
が理解される。

【００３７】しかし、この図２６の関係は、同書第８６
頁の図２５に示す構造の縦−捩じり・縮退型振動モータ
に関する測定結果である。すなわち、「新版超音波モー
タ」の図２５に記載の振動アクチュエータは、円筒状の
弾性体の長手方向略中央部に横向きに圧電素子を挟持さ
せ、圧電素子に圧縮及び引張変位を発生させることによ
り、弾性体に振動を発生させている。

【００３８】これに対し、振動アクチュエータ２００
は、中空円筒状の弾性体に縦向きに圧電素子を挟持さ
せ、圧電素子に剪断変位及び伸縮変位を発生させること
により、弾性体に振動を発生させる。

【００３９】このように、両者の振動アクチュエータ
は、少なくとも、弾性体への圧電素子の配置，及びこれ
に伴う弾性体における振動発生形態の２点において、構
造的及び振動発生原理に関して顕著に相違する。

【００４０】そのため、「新版超音波モータ」の図２５
に記載の振動アクチュエータにおいては少なくとも一つ
の振動の共振周波数を測定することにより加圧力を求め
ているが、これをそのまま振動アクチュエータ２００に
適用することにより同様に加圧力を求めることができる
か否かは、全く不明であった。

【００４１】ここに本発明の目的は、本出願人が特願平
６−１８０２７９号等により提案した振動アクチュエー
タの量産時において、組み立て工程における加圧力の調
整を、極めて正確に行うことができる振動アクチュエー
タ及びその加圧力調整法を提供することである。

【００４２】

【課題を解決するための手段】ところで、本発明者の検
討によれば、前述した振動アクチュエータ２００におい
て、振動子２０１に対する相対運動部材２０６の加圧力
を徐々に大きくしていくと、振動子２０１に発生してい
た縦振動の共振周波数が減衰し消滅の方向へ向かうとと
もに、振動子２０１及び相対運動部材２０６が言わば一
体となった縦振動が出現することがわかった。

【００４３】出現する縦振動は、消滅の方向へ向かう縦
振動よりも低周波側に現れ、加圧力を増加することに伴
って、ある程度まで成長する。本発明者は、このような
過程について詳細に検討・確認を繰り返した結果、加圧
力を徐々に大きくし縦振動の共振周波数が減衰し消滅の
方向に向かう過程においては、振動アクチュエータ２０
０においても、縦振動の共振周波数が加圧力に極めて高
い線形的な相関性を有しながら高周波側にシフトするこ
とを知見し、さらに検討を重ねた結果、本発明を完成す
るに至った。

【００４４】請求項１の発明は、複数の柱状弾性部材
と、複数の柱状弾性部材に柱状弾性部材の軸方向と略平
行な方向に挟まれた状態で保持される複数の電気機械変
換素子とを有し、電気機械変換素子への駆動信号の入力
により少なくとも第１振動及び第２振動を発生する振動
子，振動子との間で相対運動を行う相対運動部材，及び
振動子と相対運動部材とを加圧接触させる加圧部材を備
える振動アクチュエータであって、加圧部材による加圧
力を、電気機械変換素子のインピーダンス特性に基づい
て調整する加圧力調整装置を備えることを特徴とする。

【００４５】請求項２の発明は、複数の柱状弾性部材
と、複数の柱状弾性部材に柱状弾性部材の軸方向と略平
行な方向に挟まれた状態で保持される複数の電気機械変
換素子とを有する振動子に、電気機械変換素子へ駆動信
号を入力することで少なくとも第１振動及び第２振動を
発生させ、弾性体と弾性体に所定の加圧力で加圧接触さ
れた相対運動部材との間に相対運動を発生させる振動ア
クチュエータの加圧力調整方法であって、加圧力を、電
気機械変換素子のインピーダンス特性に基づいて調整す
ることを特徴とする。

【００４６】請求項３の発明は、請求項２に記載された
振動アクチュエータの加圧力調整法において、加圧力の
調整が、予め測定された加圧力及びインピーダンス特性
間の関係に基づいて、行われることを特徴とする。

【００４７】請求項４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、インピーダンス特性が、
電気機械変換素子のインピーダンスと、第１振動及び第
２振動の双方又は一方の共振周波数及び反共振周波数の
双方又は一方とにより構成されるとともに、加圧力が、
共振周波数及び反共振周波数の双方又は一方に影響する
ことを特徴とする。

【００４８】請求項５の発明は、請求項２又は請求項３
に記載された振動アクチュエータの加圧力調整法におい
て、加圧力の調整が、電気機械変換素子のインピーダン
ス特性の参照値を、予め定めた電気機械変換素子のイン
ピーダンス特性の目標値に近づけるように行われること
を特徴とする。

【００４９】請求項６の発明は、請求項５に記載された
振動アクチュエータの加圧力調整法において、インピー
ダンス特性の目標値が、予め、目標とする加圧力を負荷
することにより得られたインピーダンス特性であること
を特徴とする。

【００５０】請求項７の発明は、請求項１又は請求項４
に記載された振動アクチュエータにおいて、第１振動及
び第２振動の双方又は一方が、相対運動部材の振動子と
の間の相対運動に寄与する振動であることを特徴とす
る。

【００５１】請求項８の発明は、請求項１，請求項４又
は請求項７に記載された振動アクチュエータにおいて、
加圧部材が、加圧力を連続的又は段階的に変化させる加
圧部材であることを特徴とする。

【００５２】請求項９の発明は、請求項８に記載された
振動アクチュエータにおいて、加圧部材が、コイルバ
ネ，皿バネ，板バネ又は電磁気力を利用した加圧部材で
あることを特徴とする。

【００５３】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明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。

【００５４】図１は、第１実施形態の超音波アクチュエ
ータ１の構造を示す縦断面図である。同図において、振
動子２は、駆動信号を入力されることにより励振される
電気機械変換素子である圧電体３と、圧電体３をその内
部に軸方向と平行な方向に挟んだ状態で保持するととも
に圧電体３の励振により１次の縦振動（第１振動）と２
次の捩じり振動（第２振動）とが発生することにより駆
動面４ｃに駆動力を発生する弾性体４とから構成され
る。

【００５５】弾性体４は、ステンレス鋼又はアルミニウ
ム合金等の金属材料又はプラスチック材料等の弾性材料
からなる。弾性体４は、中空円柱状の弾性部材を縦に２
つに分割することにより得られる２つの半弾性体４ａ，
４ｂを、再度円柱状に組み合わせることにより、構成さ
れる。

【００５６】弾性体４の外周面には、溝状かつ環状に３
つの小径部５ａ，５ｂ，５ｃが形成される。また、弾性
体４の外周面には、これらの小径部５ａ〜５ｃによって
区切られることにより、４つの大径部５Ａ，５Ｂ，５
Ｃ，５Ｄが形成される。小径部５ａ，５ｂ，５ｃは、弾
性体に発生する１次の縦振動と２次の捩じり振動とを縮
退させるために配置される。

【００５７】弾性体４の２つの分割面それぞれには、後
述する図２に示すように圧電体３ａ，３ｂ及び３ｃが２
層ずつ挟み込まれた状態で保持される。圧電体３ｂは、
圧電定数ｄ₃₁を用いる圧電体であって、弾性体４に発生
する１次の縦振動の節付近（振動子２の長手方向略中央
部）の一箇所に配置される。また、圧電体３ａ，３ｃ
は、いずれも、圧電定数ｄ₁₅を用いる圧電体であって、
弾性体４に発生する２次の捩じり振動の節付近の二箇所
に配置される。

【００５８】弾性体４ａ，４ｂの外周面に形成された４
つの大径部５Ａ〜５Ｄそれぞれの長さ方向の略中心に
は、圧電体３ａ〜３ｃの積層方向と略平行な方向に向け
て貫通孔６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられる。これら
の貫通孔６ａ〜６ｄにボルト７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを
挿入し、ボルト７ａ〜７ｄそれぞれの両端部側にナット
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄをネジ止めすることにより、弾
性体４ａ，４ｂは、２つの分割面に圧電体３ａ〜３ｃを
２層ずつ積層した状態で、締結固定される。

【００５９】また、小径部５ｂであって１次の縦振動の
節付近には、貫通孔９が設けられる。一方、締結固定さ
れた弾性体４ａ，４ｂの中央部には、縦方向に中空部が
形成されており、この中空部と隙間を有した状態で、固
定軸１０が設置される。この固定軸１０の長手方向の貫
通孔９形成位置と一致する位置には、貫通孔９と同一内
径の貫通孔１１が形成される。貫通孔９及び貫通孔１１
には、これらに嵌合する外径を有する支持部材である支
持ピン１２が嵌め合わされる。この支持ピン１２によ
り、弾性体４ａ，４ｂは、固定軸１０に固定・支持され
る。

【００６０】相対運動部材である移動子１３は、中空円
柱体である移動子母材１３ａと、移動子母材１３ａの振
動子２側の端面に貼付されて振動子２の駆動面４ｃに接
触する環状の摺動材１３ｂとにより構成される。

【００６１】移動子母材１３ａは、例えばアルミニウム
合金等の軽合金材料又はステンレス鋼等の鉄鋼材料によ
り構成される。また、摺動材１３ｂは、例えばＰＴＦＥ
等の摺動抵抗低減材により構成される。

【００６２】移動子母材１３ａの反振動子側の端面内周
部には、溝部１４が環状に形成されており、この溝部１
４に位置決め部材であるベアリング１５が嵌合される。
ベアリング１５は、固定軸１０に装着されて位置決めさ
れており、これにより、移動子１２は固定軸１０に対し
て回転自在に装着される。

【００６３】固定軸１０の端部には、加圧力調整部材で
あるナット１６がネジ止めされており、ナット１６と移
動子１３との間には、加圧部材である皿バネ１７，加圧
力伝達部材であるワッシャ１８が、固定軸１０に取付け
られる。

【００６４】皿バネ１７のバネ力により、移動子１２は
振動子２に向けて加圧される。なお、ナット１６のネジ
止め位置を調整することにより、皿バネ１７の変位量が
調整され、これにより加圧力が調整される。皿バネ１７
は、加圧力を連続的に変化させることができる。

【００６５】このように、本実施形態の超音波アクチュ
エータ１では、固定軸１０は、振動子２を固定支持する
とともに、移動子１３を回転自在に支持し、さらに皿バ
ネ１７を支持することにより移動子１２を振動子２に向
けて加圧する。

【００６６】固定軸１０の他端は、超音波アクチュエー
タ搭載機器の固定部１９に固定されており、これによ
り、超音波アクチュエータ１が搭載機器に搭載される。
図２は、本実施形態の超音波アクチュエータ１における
振動子２に装着された圧電素子３ａ〜３ｃの配置を示す
説明図であって、図２（ａ）は中心線よりも左半分を断
面で示す側面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけ
るＡ−Ａ断面，Ｂ−Ｂ断面及びＣ−Ｃ断面を、制御ブロ
ックとともに併せて示す説明図である。

【００６７】本実施形態の振動子２では、圧電体は大別
すると３群の圧電素子３ａ〜３ｃにより構成される。ま
た、各群の圧電素子３ａ〜３ｃはそれぞれ２層から構成
される。前述したように、３群の圧電体のうちの１群の
圧電素子３ｂは、圧電定数ｄ₃₁を用いる圧電体であっ
て、弾性体４ａ，４ｂに発生する１次の縦振動の節付近
の一箇所に配置される。一方、残り２群の圧電素子３
ａ，３ｃは、圧電定数ｄ₁₅を用いる圧電体であって、弾
性体４ａ，４ｂに発生する２次の捩じり振動の節付近の
二箇所に配置される。

【００６８】図２（ｂ）に示すように、圧電定数ｄ₁₅を
用いる圧電素子３ａ，３ｃは、弾性体４ａ，４ｂの長手
方向に対して剪断変位を発生する。図２（ｂ）における
Ａ−Ａ断面，Ｃ−Ｃ断面それぞれにおける２群の圧電素
子３ａ，３ｃは、発生する剪断変形が円周方向に対して
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。また、圧電素子３ａ，３ｃは、Ａ−Ａ断面，Ｃ−
Ｃ断面それぞれにおいて捩じれる方向が逆向きになるよ
うに、配置される。圧電素子３ａ，３ｃが図２（ａ）及
び図２（ｂ）に示すような向きに配置され、圧電素子３
ａ，３ｃがそれぞれ剪断変形すると、振動子２には節数
が二つ存在する２次の捩じり変位が発生する。

【００６９】一方、圧電定数ｄ₃₁を用いる圧電素子３ｂ
は、弾性体４ａ，４ｂの長手方向に対して伸縮変位を発
生する。Ｂ−Ｂ断面における１群の縦振動用圧電体３ｂ
は、全てある電位が印加されると、同じ方向へ変位が発
生するように、配置される。

【００７０】このように、圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じり
振動用圧電素子３ａ，３ｃと、圧電定数ｄ₃₁を用いる圧
電素子３ｂとを配置し、捩じり振動用圧電素子３ａ，３
ｃに正弦波電圧を入力することにより、振動子２にはこ
れに応じて捩じり振動が発生する。一方、縦振動用圧電
素子３ｂに正弦波電圧を入力することにより、振動子２
にはこれに応じて縦振動が発生する。

【００７１】図２（ｂ）に示すように、駆動回路２０
は、駆動信号を発振する発振部２１と、発振された駆動
信号を（１／４）λ位相差のある信号に分ける移相部２
２と、捩じり振動用圧電素子３ａ，３ｃに入力する駆動
信号を増幅するＴ増幅部２３と、縦振動用圧電素子３ｂ
に入力する駆動信号を増幅するＬ増幅部２４とにより構
成される。なお、図２（ａ）に示すように、弾性体４
ａ，４ｂは、接地される。

【００７２】以上のような構成によると、発振部２１は
駆動信号を発振し、発振された駆動信号は移相部２２に
より（１／４）λ位相差のある２つの信号に分割され、
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により増幅された駆動信号は捩じり振
動用圧電素子３ａ，３ｃに入力し、一方、Ｌ増幅部２４
により増幅された駆動信号は縦振動用圧電体３ｂに入力
する。

【００７３】駆動信号が入力された捩じり振動用圧電素
子３ａ，３ｃ及び縦振動用圧電体３ｂはそれぞれ振動を
起こし、振動子２に２次の捩じり振動と１次の縦振動と
を発生させる。

【００７４】図３は、振動子２に発生する２次の捩じり
振動（Ｔ２モード），１次の縦振動（Ｌ１モード）の波
形例を示す説明図である。同図に示すように、駆動信号
が入力された振動子２は、捩じり振動用圧電素子３ａ，
３ｃ及び縦振動用圧電体３ｂの励振により、振動の腹及
び節を有する１次の縦振動（Ｌ１モード）と２次の捩じ
り振動（Ｔ２モード）とが発生する。このとき、捩じり
振動用圧電素子３ａ，３ｃ及び縦振動用圧電体３ｂそれ
ぞれに印加する周期電圧の位相差を（１／４）λ（λ：
波長）ずらして設定すると、１次の縦振動（Ｌ１モー
ド）と２次の捩じり振動（Ｔ２モード）との合成振動で
ある楕円運動が駆動面４ｃに発生する。

【００７５】このとき、捩じり振動（Ｔ２モード）は、
捩じり剛性の弱い小径部５ａ，５ｃの２箇所に節が生
じ、駆動面４ｃは腹となる。一方、縦振動（Ｌ１モー
ド）は、小径部５ｂ付近に節が生じ、駆動面４ｃが腹と
なる。駆動面４ｃに加圧接触する移動子１３は、振動子
２から摩擦的に駆動力を受け、駆動される。

【００７６】図４は、振動子２に発生する縦振動（Ｌ１
モード）及び捩じり振動（Ｔ２モード）を組み合わせて
駆動面４ｃ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４では、説明の便宜上、駆動面
４ｃを介して振動子２に加圧接触する移動子１３は図示
を省略している。

【００７７】振動子２に発生する捩じり振動の周期と縦
振動の周期との位相差を（１／４）λずらして設定する
と、駆動面４ｃ上の点には、楕円運動が発生する。この
際、駆動信号の周波数を、１次の縦振動の固有振動数と
２次の捩じり振動の固有周波数とに近い値に設定する
と、共振して縦振動振幅，捩じり振動振幅ともに拡大さ
れる。これにより、駆動面４ｃには大きな楕円運動が発
生する。

【００７８】図４において、駆動周波数をｆとし、この
時の駆動信号の角周波数をωとすると、ｔ＝０の時に
は、捩じり振動の変位は左側に最大である。一方、縦振
動の変位は零である。この状態では、移動子は、加圧部
材により振動子２側へ向けて加圧されることにより、振
動子２の駆動面４ｃに加圧された状態で接触する。

【００７９】ｔ＝０の時からｔ＝（４／４）・（π／
ω）の時までは、捩じり振動は左側の最大から右側の最
大まで変位する。一方、縦振動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２の駆動面４
ｃは移動子を押しながら右方向へ回転し、移動子は右方
向へ回転駆動される。

【００８０】次に、この時からｔ＝（６／４）・（π／
ω）の時を経てｔ＝（８／４）・（π／ω）の時まで
は、捩じり振動は右側の最大から左側の最大まで変位す
る。一方、縦振動は、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４ｃ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
されているが、加圧部材の固有振動数が超音波振動域よ
りも低いため、移動子は振動子２の縮みに追従しない。

【００８１】本実施形態の超音波アクチュエータ１は、
振動子２単体で捩じり共振振動数と縦共振振動数とを一
致させることができるため、移動子１３の形状を比較的
自由に設定することができるという利点がある。

【００８２】次に、図５は、本実施形態の超音波アクチ
ュエータ１において、インピーダンスと捩じり振動（Ｔ
２モード）の共振周波数との関係の一例を、加圧力毎に
示すグラフであり、圧電素子のインピーダンスと捩じり
振動の共振周波数とからなるインピーダンス特性を示し
ている。ある。なお、図５に示すグラフにおいては、加
圧力ａ＜加圧力ｂ＜加圧力ｃであって共振周波数ｆ１＜
共振周波数ｆ２＜共振周波数ｆ３である。

【００８３】図５のグラフにより示すように、本実施形
態の超音波アクチュエータ１では、振動子２に対する移
動子１３の加圧力を大きくすると、これに伴って、Ｔ２
モードの共振周波数が高周波側に移動していく。

【００８４】このような加圧力と共振周波数との関係を
明確にするため、図６には、加圧力，そのときのＴ２モ
ードの共振周波数それぞれの値の関係をグラフで示す。
例えば、所望の加圧力がＦ（ｇｆ）であるとする。

【００８５】まず、分銅等の錘により正確にＦ₀ （ｇ
ｆ）の加圧力を超音波アクチュエータ１に与え、このと
きのＴ２モードの共振周波数ｆ₀ を読み取っておく。こ
の共振周波数ｆ₀ が目標値となる。

【００８６】次に、皿ばね１７によりＴ２モードの共振
周波数が読み取った共振周波数ｆ₀になるように、ナッ
ト１６の締結量を調整することにより、参照値である共
振周波数の微調整を行うことにより、正確にＦ₀ （ｇ
ｆ）の荷重を与えることが可能となる。

【００８７】なお、本実施形態では、ナット１６を締め
込んでいった際のインピーダンス特性を表示する表示部
を備える加圧力調整装置（図示しない）を備えており、
調整作業者がナット１６を締め込んでいくにつれて変化
するインピーダンス特性をリアルタイムで表示できるよ
うに構成してある。これにより、調整作業者はリアルタ
イムでインピーダンス特性を参照することが可能であ
る。

【００８８】さらに、図７に示すグラフによれば、Ｔ２
モードの共振周波数ｆと加圧力Ｆとの間には、線形性が
認められる。したがって、この線形性を示す関係式を、 Ｔ２モードの共振周波数ｆ＝ａＦ＋ｂ・・・・・ ただし、ａ，ｂ：定数 として一般化することにより、超音波アクチュエータの
固体差が少ない場合には、調整作業をよりいっそう効率
的に行うことが可能である。

【００８９】なお、超音波アクチュエータ毎の固体差が
大きい場合には、超音波アクチュエータ毎に最低２点に
ついて、加圧力，Ｔ２モード共振周波数を計測し、これ
らの計測値から傾きａと切片ｂとを求めて関係式を作成
し、作成した関係式に基づいて再度調整を行うことによ
り、確実に所望値を求めることも可能である。このよう
な方法によれば、分銅を利用して実測するよりの自動化
への適応性が高くなる。

【００９０】このように本実施形態の超音波アクチュエ
ータ１によれば、振動子２と相対運動部材１３との間の
加圧力に相関が大きい振動のインピーダンス特性を利用
することにより、皿バネ１７を用いた場合のような、量
産時における実発生力の測定・調整が非常に難しい場合
についても、極めて正確に所望の加圧力を発生させるこ
とが可能となる。これにより、加圧力のばらつきに起因
した超音波アクチュエータの固体差を抑制することが可
能となり、超音波アクチュエータの量産効率を向上させ
ることができる。

【００９１】（変形形態）第１実施形態では、振動アク
チュエータとして超音波アクチュエータを例にとった
が、本発明はこのような態様に限定されるものではな
く、他の振動域を利用した振動アクチュエータについて
も全く同様に適用することができる。

【００９２】また、第１実施形態では、弾性体４は二つ
の柱状弾性部材４ａ，４ｂの二つに構成されたが、本発
明はこのような態様に限定されるものではなく、３つ又
は４つ以上の柱状弾性部材により構成されていてもよ
い。

【００９３】また、第１実施形態では、固定軸により振
動子，相対運動部材及び加圧部材を支持するように構成
したが、本発明はこのような態様に限定されるものでは
なく、他の支持形態により振動子，相対運動部材及び加
圧部材の少なくとも一つが支持されるものであってもよ
い。

【００９４】また、第１実施形態では、加圧部材として
皿バネを用いたが、本発明はこのような態様に限定され
るものではなく、コイルバネ，皿バネ，板バネ又は電磁
気力を利用した加圧部材を用いてもよい。また、加圧力
を連続的に変化させることができる加圧部材だけでな
く、所定のピッチで段階的に加圧力を変化させることが
できる加圧部材を用いてもよい。

【００９５】また、第１実施形態では、電気機械変換素
子として圧電素子を用いたが、本発明はこのような態様
に限定されるものではなく、電気的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、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を
例示することができる。

【００９６】また、第１実施形態では、弾性体に２次の
捩じり振動と１次の縦振動とが発生する異形モード縮退
型の超音波アクチュエータを例にとったが、本発明はこ
のような態様に限定されるものではなく、弾性体に加圧
力と相関の大きい少なくとも一つの振動を発生する縮退
型の超音波アクチュエータであれば、全く同様の効果を
得ることができる。

【００９７】さらに、第１実施形態では、圧電素子のイ
ンピーダンスと第２振動である捩じり振動の共振周波数
とによりインピーダンス特性を規定したが、本発明はこ
のような態様に限定されるものではなく、電気機械変換
素子である圧電素子のインピーダンス特性と、第１振動
及び第２振動の双方又は一方の、共振周波数及び反共振
周波数の双方又は一方とにより、インピーダンス特性を
規定することが可能である。

【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実施形態の超音波アクチュエータにおける
振動子に装着された圧電素子の配置を示す説明図であっ
て、図２（ａ）は中心線よりも左半分を断面で示す側面
図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ断
面，Ｂ−Ｂ断面及びＣ−Ｃ断面を、制御ブロックととも
に併せて示す説明図である。

【図３】第１実施形態において、振動子に発生する２次
の捩じり振動（Ｔ２モード），１次の縦振動（Ｌ１モー
ド）の波形例を示す説明図である。

【図４】第１実施形態において、振動子に発生する縦振
動（Ｌ１モード）及び捩じり振動（Ｔ２モード）を組み
合わせて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５】第１実施形態の超音波アクチュエータにおい
て、インピーダンスと捩じり振動（Ｔ２モード）の共振
周波数との関係の一例を、加圧力毎に示すグラフであ
る。

【図６】第１実施形態において、加圧力，そのときのＴ
２モードの共振周波数それぞれの値の関係を示すグラフ
である。

【図７】縦−捩じり振動型の振動アクチュエータの従来
例を示す斜視図である。

【図８】従来例にかかる振動アクチュエータのステータ
を展開した状態で示す斜視図である。

【図９】本出願人が先に提案した振動アクチュエータの
構成例を示す縦断面図である。

【図１０】図９の振動アクチュエータに用いる振動子を
抽出して示す斜視図である。

【図１１】図９の振動アクチュエータに用いる振動子の
説明図であって、図１１（ａ）は上面図，図１１（ｂ）
は側面図である。

【符号の説明】

１ 超音波アクチュエータ（振動アクチュエータ） ２ 振動子 ３ａ〜３ｃ 圧電素子（電気機械変換素子） ４，４ａ，４ｂ 弾性体 ４ｃ 駆動面 ５Ａ〜５Ｄ 大径部 ５ａ〜５ｃ 小径部 ６ａ〜６ｄ 貫通孔 ７ａ〜７ｄ ボルト ８ａ〜８ｄ ナット ９ 貫通孔 １０ 固定軸 １１ 貫通孔 １２ 支持ピン １３ 移動子（相対運動部材） １３ａ 移動子母材 １３ｂ 摺動材 １４ 溝部 １５ ベアリング １６ ナット １７ 皿バネ １８ 加圧力伝達部材 １９ 固定部 ２０ 駆動回路 ２１ 発振部 ２２ 移相部 ２３ Ｔ増幅部 ２４ Ｌ増幅部

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の柱状弾性部材と、複数の前記柱状
   弾性部材に当該柱状弾性部材の軸方向と略平行な方向に
   挟まれた状態で保持される複数の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信号の入力により
   少なくとも第１振動及び第２振動を発生する振動子，前
   記振動子との間で相対運動を行う相対運動部材，及び前
   記振動子と前記相対運動部材とを加圧接触させる加圧部
   材を備える振動アクチュエータであって、 前記加圧部材による加圧力を、前記電気機械変換素子の
   インピーダンス特性に基づいて調整する加圧力調整装置
   を備えることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 【請求項２】 複数の柱状弾性部材と、複数の前記柱状
   弾性部材に当該柱状弾性部材の軸方向と略平行な方向に
   挟まれた状態で保持される複数の電気機械変換素子とを
   有する振動子に、前記電気機械変換素子へ駆動信号を入
   力することで少なくとも第１振動及び第２振動を発生さ
   せ、前記弾性体と当該弾性体に所定の加圧力で加圧接触
   された相対運動部材との間に相対運動を発生させる振動
   アクチュエータの加圧力調整方法であって、 前記加圧力を、前記電気機械変換素子のインピーダンス
   特性に基づいて調整することを特徴とする振動アクチュ
   エータの加圧力調整法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載された振動アクチュエー
   タの加圧力調整法において、 前記加圧力の調整は、予め測定された前記加圧力及び前
   記インピーダンス特性間の関係に基づいて、行われるこ
   とを特徴とする振動アクチュエータの加圧力調整法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載された振動アクチュエー
   タにおいて、 前記インピーダンス特性は、前記電気機械変換素子のイ
   ンピーダンスと、前記第１振動及び／又は前記第２振動
   の共振周波数及び／又は反共振周波数とにより構成され
   るとともに、 前記加圧力は、前記共振周波数及び／又は前記反共振周
   波数に影響することを特徴とする振動アクチュエータ。
5. 【請求項５】 請求項２又は請求項３に記載された振動
   アクチュエータの加圧力調整法において、 前記加圧力の調整は、前記電気機械変換素子の前記イン
   ピーダンス特性の参照値を、予め定めた前記電気機械変
   換素子の前記インピーダンス特性の目標値に近づけるよ
   うに行われることを特徴とする振動アクチュエータの加
   圧力調整法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載された振動アクチュエー
   タの加圧力調整法において、 前記インピーダンス特性の前記目標値は、予め、目標と
   する加圧力を負荷することにより得られたインピーダン
   ス特性であることを特徴とする振動アクチュエータの加
   圧力調整法。
7. 【請求項７】 請求項１又は請求項４に記載された振動
   アクチュエータにおいて、 前記第１振動及び／又は前記第２振動は、前記相対運動
   部材の前記振動子との間の相対運動に寄与する振動であ
   ることを特徴とする振動アクチュエータ。
8. 【請求項８】 請求項１，請求項４又は請求項７に記載
   された振動アクチュエータにおいて、 前記加圧部材は、前記加圧力を連続的又は段階的に変化
   させる加圧部材であることを特徴とする振動アクチュエ
   ータ。
9. 【請求項９】 請求項８に記載された振動アクチュエー
   タにおいて、 前記加圧部材は、コイルバネ，皿バネ，板バネ又は電磁
   気力を利用した加圧部材であることを特徴とする振動ア
   クチュエータ。