JPH10163541A

JPH10163541A - 電気機械変換素子，その製造方法，振動アクチュエータ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10163541A
Application number: JP31787196A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Muramatsu; 研一村松
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-11-28
Filing date: 1996-11-28
Publication date: 1998-06-19
Also published as: CN1184373A

Abstract

(57)【要約】【課題】特願平７−２３９６０３号により提案した振
動アクチュエータでは、多数の圧電素子を弾性体に装着
する必要があるために装着工数が多いとともに、各圧電
素子の厚さのばらつきに起因して、圧電素子から弾性体
へのエネルギー伝搬効率が低下する。【解決手段】圧電素子母材に、圧電素子平面方向への
第１ポーリングを行って第１電気機械変換部分２４ｂ，
２４ｄを形成した後、第１電気機械変換部分２４ｂ，２
４ｄの一部を含む部分に圧電素子厚さ方向への第２ポー
リングを行って第２電気機械変換部分２４ｃを形成する
ことにより、厚さ方向及び平面方向に関する電気機械変
換部分２４ｂ，２４ｃ，２４ｄを有する圧電素子２４を
形成し、この圧電素子２４の厚さを一定にする加工を行
ってから、特願平７−２３９６０３号により提案した振
動アクチュエータ２１に装着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気エネルギを機
械的変位に、又は機械的変位を電気エネルギに変換する
電気機械変換素子、この電気機械変換素子の製造法、こ
の電気機械変換素子を用いる振動アクチュエータ及びこ
の振動アクチュエータの製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、縦−捩じり振動型の振動アク
チュエータの従来例の構造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の固定
子（ステータ）１０１では、２つの円柱型の振動子１０
２，１０３間に捩じり振動用圧電素子１０４が配置され
る。また、振動子１０３の上側に縦振動用圧電素子１０
５が配置される。捩じり振動用圧電素子１０４は周方向
に分極される。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、移動子（ロータ）１０６は、
縦振動用圧電素子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の
ねじ部にネジ止めされて固定される。移動子１０６は、
中心部に設けられたボールベアリング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がネジ止め
される。これにより、移動子１０６を固定子１０１に所
定の大きさの加圧力Ｆで加圧された状態で接触させる。

【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、移動子１
０６が回転するための機械的変位を与える。一方、縦振
動用圧電素子１０５は固定子１０１と移動子１０６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１３は、この従来の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
動用圧電素子１０４は、円周方向に複数に分極する必要
がある。そのため、圧電材料を図１３に示すように、６
〜８個程度の扇形の小片に一端分割し、各小片を円周方
向に分極した後に再度環状に組み合わせていた。なお、
図１３における符号１０４ａは捩じり振動用圧電素子１
０４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、前述した従来
の振動アクチュエータでは、捩じり振動用圧電素子１０
４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、ともに、移
動子１０６の断面積と略等しいか、又は、移動子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圧電素子１０５，及び捩じり振
動用圧電素子１０４それぞれの中央部に孔を開ける必要
もあった。そのため、縦振動用圧電素子１０５，及び捩
じ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、振動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。

【００１０】このような問題を解決するために、本出願
人は、既に特開平８−１０３０８９号公報により、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異形モード縮退型の振動アクチュ
エータを提案した。この振動アクチュエータは、一次の
縦振動と一次の捩じり振動とを発生する異形モード縮退
型の振動子を用いるものである。

【００１１】また、本出願人は、特開平８−１４０３７
７号公報により、振動子を構成する円柱状の弾性体の外
周面に、２つの大径部と１つの小径部とを形成すること
により、振動子に１次の縦振動と２次の捩じり振動とを
同時に発生させて、振動アクチュエータを構成できるこ
とを提案した。

【００１２】図１４は、これらの提案にかかる振動アク
チュエータにおいて、振動子１に縦振動と捩じり振動と
発生させ、これらの振動の合成により、振動子駆動面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。

【００１３】振動子１は、２つの半円柱状の弾性部材に
より構成される弾性体２（図１４においては図示しな
い。後述する図１５を参照しながら詳述する。）と、こ
の弾性体２に保持されて電気エネルギを機械的変位に変
換する電気機械変換素子である圧電素子３（図１４にお
いては図示しない。後述する図１５を参照しながら詳述
する。）とにより構成される。圧電素子３は、圧電定数
ｄ₁₅を用いる捩じり振動用圧電素子３ａと圧電定数ｄ₃₁
を用いる縦振動用圧電素子３ｂとによって構成される。

【００１４】これら２種の圧電素子３ａ，３ｂに、図示
しない駆動電圧発生装置から位相差が（π／２）である
２相の交流電圧をそれぞれ印加する。すると、２種の圧
電素子３ａ，３ｂは励振する。これにより、弾性体２に
は、軸方向に関する捩じり振動と軸方向への縦振動とが
それぞれ発生する。これらの縦振動及び捩じり振動それ
ぞれの共振周波数を略一致させると、弾性体２には縦振
動及び捩じり振動が同時に生じる（以下、このような状
態を「縮退」という。）。この縮退により、振動子１の
端面である駆動面Ｄには楕円運動が発生し、この楕円運
動が駆動力として取り出される。

【００１５】図１５及び図１６は、いずれも、この弾性
体２に接合される２種の圧電素子３ａ，３ｂの配置を示
す説明図であり、図１５は振動子１の上面図，図１６は
振動子１の側面図である。

【００１６】図１５及び図１６に示すように、図示例の
振動アクチュエータでは、弾性体２は、中空の略円柱体
を略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２つの半弾性部材２ａ，２ｂを、再度、略円柱状に
組み合わせて、構成される。

【００１７】２つの半弾性部材２ａ，２ｂの２つの分割
面には、捩じり振動用圧電素子３ａ，縦振動用圧電素子
３ｂ及び電極板４が積層された状態で配置される。圧電
素子３ａ，３ｂは、２つの分割面それぞれに、２層ずつ
合計４層配置される。

【００１８】４層のうちの２層の圧電素子３ａは、圧電
定数ｄ₁₅を用いる圧電素子により構成される。一方、残
り２層の圧電素子３ｂは、圧電定数ｄ₃₁を用いる圧電素
子により構成される。前者の圧電定数ｄ₁₅を用いる圧電
素子３ａは、弾性体２の軸方向について剪断変位を発生
する。

【００１９】このような圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じり振
動用圧電素子３ａに駆動電圧を印加すると、弾性体２に
は軸方向に関する捩じり変位が発生する。一方、圧電定
数ｄ₃₁を用いる縦振動用圧電素子３ｂに駆動電圧を印加
すると、弾性体２には軸方向への縦変位が発生する。

【００２０】したがって、捩じり振動用圧電素子３ａに
正弦波電圧を入力することにより、弾性体２にはこれに
応じて捩じり運動が発生する。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、弾性体２には
これに応じて伸縮運動が発生する。

【００２１】ところで、捩じり振動用圧電素子３ａ，縦
振動用圧電素子３ｂを弾性体２に装着して振動を発生さ
せる場合には、捩じり振動に関しては弾性体２に発生す
る捩じり振動の節位置に捩じり振動用圧電素子３ａを配
置する。一方、縦振動に関しては弾性体２に発生する縦
振動の節位置に縦振動用圧電素子３ｂを配置する。この
ように各振動の節位置に各振動用圧電素子を配置するこ
とにより、最も効率的に捩じり振動，縦振動をそれぞれ
発生させることが可能となる。

【００２２】これに対し、捩じり振動用圧電素子３ａ，
縦振動用圧電素子３ｂをそれぞれの振動の腹位置に配置
しても、捩じり振動，縦振動の発生には余り寄与しな
い。そのため、腹位置に配置される圧電素子に入力する
電力量が無駄になって、振動アクチュエータの駆動効率
が低下してしまう。

【００２３】すなわち、前述した図１４〜図１６に示す
構造の振動アクチュエータでは、捩じり振動用圧電素子
３ａ，縦振動用圧電素子３ｂは、いずれも、弾性体２の
分割面全体に接合されることにより挟まれた状態で保持
される。そのため、各振動の節位置だけではなくて腹位
置にも跨がって装着されており、駆動効率の低下は避け
られなかった。

【００２４】また、特に特開平８−１４０３７７号公報
により提案した振動アクチュエータでは、捩じり振動は
２次モードであるため、節位置を２つ有する。一方の節
位置では、捩じり振動用圧電素子３ａが振動子１に励起
しようとする振動と同じ方向への捩じり振動変位を発生
する。これに対し、他方の節位置では、これとは反対方
向への捩じり振動変位を発生する。そのため、捩じり振
動用圧電素子３ａ，縦振動用圧電素子３ｂを用いて２つ
の異なった振動変位を発生させようとすると、他方の節
位置では、入力エネルギを駆動力として充分に出力する
ことができず、振動振幅をある程度以上には大きくする
ことができなかった。

【００２５】そこで、本出願人は、先に特願平７−２３
９６０３号により、ｎ次（ｎ：自然数）の縦振動とｍ次
（ｍ：自然数）の捩じり振動とを発生する振動子を用い
た振動アクチュエータにおいて、縦振動用圧電素子をそ
の中心位置が縦振動の節位置に一致するようにｎ群配置
するとともに、捩じり振動用圧電素子をその中心位置が
捩じり振動の節位置に一致するようにｍ群配置した新型
の振動アクチュエータを提案した。

【００２６】すなわち、この振動アクチュエータでは、
縦振動用圧電素子，捩じり振動用圧電素子が、各振動の
節位置及びその近傍に独立して軸方向に関して配設され
る。そのため、各振動の腹位置には各振動用圧電素子が
配置されておらず、振動振幅を減少させることなく入力
エネルギを低減することが可能となる。

【００２７】また、この提案にかかる振動アクチュエー
タによれば、利用する振動に節位置が複数存在しても、
それぞれ、捩じり振動用圧電素子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する弾性体の捩
じり振動変位とを略一致させることができる。そのた
め、振動振幅を大きくすることが可能であり、さらに振
動エネルギの損失をできるだけ少なくすることも可能で
ある。

【００２８】図１７は、この提案にかかる振動アクチュ
エータにおいて、振動子１１を構成する弾性体１２への
圧電素子１３の装着状況を示す説明図であり、図１７
（ａ）は振動子１１の上面図，図１７（ｂ）は発生する
縦振動，捩じり振動の一例を併せて示す振動子１１の側
面図である。

【００２９】中空円柱状の弾性体１２は、厚肉の中空円
筒状弾性体を略中心軸を含む平面で縦に２分割すること
により得られる半中空円筒状弾性体１２ａ，１２ｂを、
再度円柱状に組み合わせることにより得られる弾性部材
である。この弾性体１２の外周面には、２つの溝部が設
けられることにより形成される２つの小径部１４ａ，１
４ｂと、小径部１４ａ，１４ｂ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１４Ａ，１４Ｂ及び１４
Ｃとが形成される。半中空円筒状弾性体１２ａ，１２ｂ
の２つの分割面それぞれには、２層の圧電素子１３ａ〜
１３ｃと電極１５ａ〜１５ｃとが挟み込まれた状態で装
着される。

【００３０】小径部１４ａ，１４ｂの形成位置は、弾性
体１２に発生する捩じり振動の２つの節位置である。図
示するように、捩じり振動用圧電素子１３ａ，１３ｃ
は、いずれも、捩じり振動の２つの節位置を含む位置に
配置される。また、縦振動用圧電素子１３ｂは、縦振動
の１つの節位置を含む位置に配置される。

【００３１】捩じり振動用圧電素子１３ａ，１３ｃは、
周波電圧が印加されると、電圧印加方向に応じた剪断変
形を発生し、これにより捩じり振動が発生する。すなわ
ち、第１捩じり振動用圧電素子１３ａは、図面上手前側
に位置する２枚の捩じり振動用圧電素子１３ａ−１と図
面上向こう側に位置する２枚の捩じり振動用圧電素子１
３ａ−２とにより構成される。

【００３２】捩じり振動用圧電素子１３ａ−１，１３ａ
−２それぞれの剪断変形は、同じ方向への駆動電圧が印
加されると、それぞれ反対方向に発生する。そのため、
弾性体１２には、軸方向に関する捩じり変位が発生す
る。例えば、図１７（ｂ）に矢印で示すように、捩じり
振動用圧電素子１３ａ−１，１３ａ−２がそれぞれ剪断
変形すると、駆動面Ｄは、図１７（ａ）に矢印で示す方
向へ捩じれる。また、この場合とは逆方向へ駆動電圧を
印加すると、逆向きの剪断変形が発生するため、駆動面
Ｄは図１７（ａ）に矢印で示す方向とは反対方向へ捩じ
れる。

【００３３】また、第２捩じり振動用圧電素子１３ｃ
は、図面上手前側に位置する２枚の捩じり振動用圧電素
子１３ｃ−１と図円上向こう側に位置する２枚の捩じり
振動用圧電素子１３ｃ−２とにより構成される。捩じり
振動用圧電素子１３ｃ−１，１３ｃ−２それぞれの剪断
変形は、同じ方向への電圧が印加されると、それぞれ反
対方向に発生する。そのため、弾性体１２には、軸方向
に関する捩じり変位が発生する。

【００３４】また、第１捩じり振動用圧電素子１３ａ−
１と第２捩じり振動用圧電素子１３ｃ−１とは、同じ方
向への駆動電圧が印加されると、異なった方向へ剪断変
形するように、配置する。さらに、第１捩じり振動用圧
電素子１３ａ−２と第２捩じり振動用圧電素子１３ｃ−
２とは、同じ方向への駆動電圧が印加されると、異なっ
た方向へ剪断変形するように配置される。

【００３５】例えば、図１７（ｂ）に示すように、第２
捩じり振動用圧電素子１３ｃ−１，１３ｃ−２がともに
剪断変形すると、駆動面Ｄは、図１７（ａ）に矢印で示
す方向とは反対方向へ捩じれる。

【００３６】このように、捩じり振動用圧電素子１３
ａ，１３ｃを配列することにより、第１捩じり振動用圧
電素子１３ａと第２捩じり振動用圧電素子１３ｃとに同
じ周波電圧を印加すると、発生する捩じり振動の第一節
及び第二節それぞれにおける振動方向が反対方向とな
り、２次の捩じり振動モードが励起され易くなる。

【００３７】また、縦振動用圧電素子１３ｂは、周波電
圧が印加されたときに振動子軸方向へ伸縮変形を発生
し、これにより弾性体１２には縦振動が発生する。この
縦振動用圧電素子１３ｂは、図面上手前側に位置する２
枚の縦振動用圧電素子１３ｂ−１と図面上向こう側に位
置する２枚の縦振動用圧電素子１３ｂ−２とにより構成
される。縦振動用圧電素子１３ｂは、同じ方向への駆動
電圧が印加されると、それぞれ同方向へ縦変形するよう
に配置される。縦振動用圧電素子１３ｂをこのように配
置することにより、縦振動用圧電素子１３ｂに同じ周波
電圧を印加すると、１次の縦振動モードは励起され易く
なる。

【００３８】このように構成された振動子１１を備える
振動アクチュエータにおいて、（１／４）λ（λ：波
長）位相差がある２つの駆動信号を、縦振動用圧電素子
１３ｂと捩じり振動用圧電素子１３ａ，１３ｃとに入力
すると、縦振動と捩じり振動との振動の位相差が９０°
ずれ、縦振動及び捩じり振動を合成した楕円運動が駆動
面Ｄに発生する。

【００３９】駆動面Ｄに発生するこのような楕円運動
は、図示しない加圧機構により駆動面Ｄに加圧接触され
る移動子（図示しない。）に伝搬される。移動子は図示
しない支持機構により回転自在に支持されるため、一方
向に連続的に駆動される。

【００４０】このように、既に提案されている各種の振
動アクチュエータは、弾性体１２に発生する縦振動及び
捩じり振動を組み合わせ、駆動面Ｄに発生する楕円運動
を移動子に伝達するものである。そのため、少なくと
も、縦振動を発生するための圧電素子１３ｂと捩じり振
動を発生するための圧電素子１３ａ，１３ｃとを弾性体
１２に装着する必要があった。

【００４１】さらに、圧電素子１３ａ〜１３ｃに行う必
要があるポーリング（永久分極処理）の方向は、捩じり
振動用圧電素子１３ａ，１３ｃ，縦振動用圧電素子１３
ｂそれぞれで異なる。

【００４２】図１８は、圧電素子のポーリング方向を示
す斜視図であって、図１８（ａ）は縦振動用圧電素子１
３ｂのポーリング方向を、図１８（ｂ）は捩じり振動用
圧電素子１３ａ，１３ｃのポーリング方向をそれぞれ示
す。

【００４３】縦振動用圧電素子１３ｂと捩じり振動用圧
電素子１３ａ，１３ｃとでポーリング方向が異なるた
め、これらの圧電素子１３ａ〜１３ｃはそれぞれ異なっ
た製造工程により生産されていた。そのため、図１７に
示す振動子を構成するには、少なくとも、４枚の縦振動
用圧電素子１３ｂと８枚の捩じり振動用圧電素子１３
ａ，１３ｃとを、別個に弾性体１２に装着する必要があ
った。

【００４４】このように、図１７に示す振動アクチュエ
ータを構成するために、少なくとも合計１２枚もの多数
の圧電素子１３ａ〜１３ｃを、一枚一枚弾性体１２の所
定の位置に正確に装着しなければならない。したがっ
て、弾性体１２への圧電素子１３ａ〜１３ｃの装着に多
大の工数を要するとともに、所定の位置に正確に装着す
ることが難しく、振動アクチュエータの性能を設計目標
値に維持することが容易ではないという課題があった。

【００４５】さらに、図１７に示す振動アクチュエータ
を高効率で駆動するためには、振動子１１の構成要素で
ある全ての圧電素子１３ａ〜１３ｃが弾性体１２に対し
て有効に、縦変位，捩じり変位を伝達することが必要と
なる。そのためには、全ての圧電素子１３ａ〜１３ｃが
弾性体１２及び電極１５ａ〜１５ｃに対して少しの隙間
も有さずに確実に密着されている必要がある。

【００４６】しかし、図１７に示す振動アクチュエータ
では、装着する圧電素子１３ａ〜１３ｃは、その設置数
が多いとともに全く異なる製造工程で製造されるために
厚さを一定に揃えることが極めて難しい。そのため、全
ての圧電素子１３ａ〜１３ｃを弾性体１２及び電極１５
ａ〜１５ｃに対して少しの隙間も有さずに確実に密着さ
せることは極めて難しい。そのため、振動アクチュエー
タの駆動効率及び性能の低下を回避することはできなか
った。

【００４７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、電気
エネルギを機械的変位に、又は機械的変位を電気エネル
ギに変換する電気機械変換素子であって、電気機械変換
素子の本体が、互いに異なる圧電効果（所定の圧電定数
によって起こされる効果）を発生する複数の電気機械変
換部分を有し、これらの複数の電気機械変換部分が、各
々が異なる方向へ同時に変位自在であることを特徴とす
る。

【００４８】請求項２の発明は、請求項１に記載された
電気機械変換素子において、本体が、複数の電気機械変
換部分によって、異なる振動モードを同時に発生させる
ことを特徴とする。

【００４９】請求項３の発明は、請求項１に記載された
電気機械変換素子において、本体が、複数の電気機械変
換部分によって、本体に同時に発生している異なる振動
モードを同時にかつ独立して電気エネルギに変換可能で
あることを特徴とする。

【００５０】請求項４の発明は、請求項１に記載された
電気機械変換素子において、本体が、複数の電気機械変
換部分によって、異なる振動モードを同時に発生させる
とともに、本体に同時に発生している異なる振動モード
を同時にかつ独立して電気エネルギに変換可能であるこ
とを特徴とする。

【００５１】請求項５の発明は、請求項１に記載された
電気機械変換素子において、複数の電気機械変換部分
が、圧電すべり効果（圧電定数ｄ₁₅により生じる効果）
を発生する第１の電気機械変換部分と、圧電横効果（圧
電定数ｄ₃₁により生じる効果）を発生する第２の電気機
械変換部分とを備えていることを特徴とする。

【００５２】請求項６の発明は、請求項５に記載された
電気機械変換素子において、圧電すべり効果によって捩
じり振動が発生し、圧電横効果によって縦振動が発生す
ることを特徴とする。

【００５３】請求項７の発明は、請求項５に記載された
電気機械変換素子において、第１の電気機械変換部分
が、互いに離間して２つ形成され、第２の電気機械変換
部分が、２つの第１の電気機械変換部分の間に１つ形成
されていることを特徴とする。

【００５４】請求項８の発明は、請求項５に記載された
電気機械変換素子において、第１の電気機械変換部分と
第２の電気機械変換部分とが、本体に隣接して１つずつ
形成されていることを特徴とする。

【００５５】請求項９の発明は、請求項７又は請求項８
に記載された電気機械変換素子において、隣接して配置
された第１の電気機械変換部分と第２の電気機械変換部
分とが、電気エネルギを機械的変位に変換する部分であ
り、これら第１の電気機械変換部分と第２の電気機械変
換部分の配置方向に関して本体の少なくとも一方の端部
側には、さらに、機械的変位を電気エネルギに変換する
部分が形成されていることを特徴とする。

【００５６】請求項１０の発明において、請求項５から
請求項９までのいずれか１項に記載された電気機械変換
素子において、本体が板状に形成されるとともに、第１
の電気機械変換部分と第２の電気機械変換部分それぞれ
の厚さが略等しい範囲にあることを特徴とする。

【００５７】請求項１１の発明は、電気エネルギを機械
的変位に、又は機械的変位を電気エネルギに変換する電
気機械変換素子の母材に複数方向へのポーリングを行う
ことにより、母材に、互いに異なる圧電効果（所定の圧
電定数によって起こされる効果）を発生し、異なる方向
へ同時に変位自在な複数の電気機械変換部分を形成する
ことを特徴とする。

【００５８】請求項１２の発明は、電気エネルギを機械
的変位に変換する電気機械変換素子の母材に対し、第１
のポーリングを行って第１の電気機械変換部分を形成し
た後、第１の電気機械変換部分の一部を含む部分に第２
のポーリングを行うことにより、第１の電気機械変換部
分と異なる圧電効果（所定の圧電定数によって起こされ
る効果）を発生する第２の電気機械変換部分を形成する
ことを特徴とする電気機械変換素子の製造方法である。

【００５９】請求項１３の発明は、請求項１２に記載さ
れた電気機械変換素子の製造方法において、第１の電気
機械変換部分が、圧電すべり効果（圧電定数ｄ₁₅により
生じる効果）を発生し、第２の電気機械変換部分が、圧
電横効果（圧電定数ｄ₃₁により生じる効果）を発生する
ことを特徴とする。

【００６０】請求項１４の発明は、請求項１２に記載さ
れた電気機械変換素子の製造方法において、電気機械変
換素子の母材を板状に形成するとともに、母材の平面方
向に関して所定の間隔をあけて母材の両面に電極対を形
成して複数の電極対を設け、第１のポーリングが、複数
組の電極対のうち、少なくとも１組の隣り合う電極対間
に電界を印加することで行われ、第２のポーリングが、
複数組の電極対のうち、少なくとも一対を構成する各電
極間に電界を印加することで行われることを特徴とす
る。

【００６１】請求項１５の発明は、請求項１４に記載さ
れた電気機械変換素子の製造方法において、第１のポー
リング及び第２のポーリングを行った後に、第１の電気
機械変換部分及び第２の電気機械変換部分それぞれの厚
さを均一化する処理を行うことを特徴とする。

【００６２】請求項１６の発明は、請求項１５に記載さ
れた電気機械変換素子の製造方法において、均一化のた
めの処理は、第１の電気機械変換部分の表面に、第１の
電気機械変換部分の厚さが第２の電気機械変換部分の厚
さと等しくなるように電極を形成すること、第１の電気
機械変換部分の表面に電極を形成してから、第１の電気
機械変換部分及び第２の電気機械変換部分それぞれの厚
さが等しくなるように、第１の電気機械変換部分及び第
２の電気機械変換部分それぞれの表面に形成された電極
の一部を除去すること、又は、第２の電気機械変換部分
に形成された電極と電気機械変換素子の一部とを除去し
て電気機械変換素子の厚さを均一にした後、第１の電気
機械変換部分及び第２の電気機械変換部分それぞれの表
面に電極を形成することにより行われることを特徴とす
る。

【００６３】請求項１７の発明は、請求項１６に記載さ
れた電気機械変換素子の製造方法において、均一化のた
めの処理の過程で電気機械変換素子に電極を形成する際
に、第１の電気機械変換部分及び第２の電気機械変換部
分それぞれの電気機械変換能を喪失させる温度域への加
熱を伴わない形成法を用いることを特徴とする。

【００６４】請求項１８の発明は、請求項１７に記載さ
れた電気機械変換素子の製造方法において、形成法が、
スパッタリング，蒸着等の薄膜形成法又は無電界めっき
法であることを特徴とする。

【００６５】請求項１９の発明は、電気機械変換素子を
有し、電気機械変換素子により複数の異なる種類の振動
が発生する振動子と、振動子との間で相対運動を行う相
対運動部材とを備える振動アクチュエータであって、電
気機械変換素子の本体が、互いに異なる圧電効果（所定
の圧電定数によって起こされる効果）を発生する複数の
電気機械変換部分を有し、複数の電気機械変換部分が、
各々が異なる方向へ同時に変位自在であることを特徴と
する。

【００６６】請求項２０の発明は、請求項１９に記載さ
れた振動アクチュエータにおいて、複数の電気機械変換
部分が、圧電すべり効果（圧電定数ｄ₁₅により生じる効
果）を発生する第１の電気機械変換部分と、圧電横効果
（圧電定数ｄ₃₁により生じる効果）を発生する第２の電
気機械変換部分とを備えていることを特徴とする。

【００６７】請求項２１の発明は、請求項２０に記載さ
れた振動アクチュエータにおいて、振動子が、複数の弾
性部材を組み合わされることで柱状に形成され、電気機
械変換素子が、少なくとも１つの弾性部材に装着される
とともに、複数の振動が、振動子の軸方向に関する捩じ
り振動と、振動子の軸方向に振動する縦振動であること
を特徴とする。

【００６８】請求項２２の発明は、請求項２１に記載さ
れた振動アクチュエータにおいて、電気機械変換素子の
第１の電気機械変換部分が、振動子に発生する捩じり振
動の少なくとも１つの節となる位置を含む位置に存在す
るとともに、電気機械変換素子の第２の電気機械変換部
分が、振動子に発生する縦振動の少なくとも１つの節と
なる位置を含む位置に存在することを特徴とする。

【００６９】請求項２３の発明は、複数の弾性部材の間
に、互いに異なる複数の振動を発生させる電気機械変換
素子を配置する振動アクチュエータの製造方法におい
て、電気機械変換素子が、請求項１から請求項７までの
いずれか１項に記載された電気機械変換素子であること
を特徴とする。

【００７０】請求項２４の発明は、請求項２３に記載さ
れた振動アクチュエータの製造方法において、電気機械
変換素子が、第１の電気機械変換部分が振動子に発生す
る捩じり振動の節となる位置を含む位置に存在し、第２
の電気機械変換部分が振動子に発生する縦振動の節とな
る位置を含む位置に存在するように配置されることを特
徴とする。

【００７１】

【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。また、以降の各実施形態の説明は、電気エネルギを
機械的変位に、又は機械的変位を電気エネルギに変換す
る電気機械変換素子として圧電素子を例にとって、行
う。

【００７２】図１は、第１実施形態の超音波アクチュエ
ータ２１を構成する振動子２２の要素である圧電素子２
４の構成を示す斜視図である。この圧電素子２４は、Ｐ
ＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる矩形薄板状の本
体を有する。この本体は、機能的に異なる５つの電気機
械変換部分に分かれて構成される。本実施形態では、５
つの電気機械変換部分に分けて構成しているが、これに
限定されるものではなく、複数であればよい。例えば２
つ又は３つであってもよい。

【００７３】この５つの電気機械変換部分は、それぞれ
縦振動ピックアップ用電気機械変換部分２４ａと、本発
明における第２電気機械変換部分をなす捩じり振動励振
用電気機械変換部分２４ｂと、本発明における第１電気
機械変換部分をなす縦振動励振用電気機械変換部分２４
ｃと、本発明における第２電気機械変換部分をなす捩じ
り振動励振用電気機械変換部分２４ｄと、捩じり振動ピ
ックアップ用電気機械変換部分２４ｅとにより構成され
る。この圧電素子２４の分極状態は、図１に矢印により
分極方向を示す通りであり、１枚の圧電素子２４中に、
厚さ方向，平面方向にそれぞれ２つずつ合計４つの分極
領域が順次形成される。

【００７４】本実施形態では、縦振動励振用電気機械変
換部分２４ｃは、圧電素子２４の本体の厚さ方向にポー
リングされて形成される。また、捩じり振動励振用電気
機械変換部分２４ｂ，２４ｄは、圧電素子２４の平面方
向にポーリングされて形成される。

【００７５】また、捩じり振動励振用電気機械変換部分
２４ｂ，２４ｄは、図示するように、本体の平面方向に
互いに離間して２つ形成されるとともに、縦振動励振用
電気機械変換部分２４ｃは、捩じり振動励振用電気機械
変換部分２４ｂ，２４ｄの間に形成される。

【００７６】さらに、本実施形態では、捩じり振動励振
用電気機械変換部分２４ｂ，２４ｄの本体の平面方向の
両側に、本体の平面方向に関する機械的変位を電気エネ
ルギに変換する捩じり振動ピックアップ用電気機械変換
部分２４ｅと、本体の厚さ方向に関する機械的変位を電
気エネルギに変換する縦振動ピックアップ用電気機械変
換部分２４ａとが形成される。

【００７７】本実施形態では、縦振動ピックアップ用電
気機械変換部分２４ａ、捩じり振動励振用電気機械変換
部分２４ｂ、縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃ、捩
じり振動励振用電気機械変換部分２４ｄ、及び、捩じり
振動ピックアップ用電気機械変換部分２４ｅそれぞれの
両面には、各電気機械変換部分に駆動電圧を印加するた
めの電極２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅが互
いに離れて形成される。

【００７８】さらに、本実施形態の圧電素子２４では、
縦振動ピックアップ用電気機械変換部分２４ａ、捩じり
振動励振用電気機械変換部分２４ｂ、縦振動励振用電気
機械変換部分２４ｃ、捩じり振動励振用電気機械変換部
分２４ｄ、及び、捩じり振動ピックアップ用電気機械変
換部分２４ｅそれぞれの厚さは、電極２７ａ〜２７ｅの
厚さ分も含めて、全て等しく設定される。

【００７９】本実施形態の圧電素子２４は、以上のよう
に構成される。次に、この圧電素子２４の製造方法を、
添付図面を参照しながら工程毎に詳細に説明する。

【００８０】図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本実施形態で
用いる圧電素子２４の製造方法を工程毎に示す説明図で
ある。略述すれば、この圧電素子２４には２回のポーリ
ングを行うことにより、４つの分極領域が形成される。

【００８１】（第１工程）図２（ａ）に示すように、ポ
ーリング処理を施す前の矩形平板状の圧電素子母材２５
の両面に、第１方向である平面方向について離した状態
で、３つのポーリング用電極２６ａ，２６ｂ及び２６ｃ
を形成する。

【００８２】ポーリング用電極２６ａ〜２６ｃの形成時
点では、圧電素子母材２５へはポーリングは行われてい
ないため、加熱を行っても分極が破壊されることがな
い。そこで、ポーリング用電極２６ａ〜２６ｃの形成
は、銀合金やニッケル合金等を含有するペーストを、所
定の温度域に加熱することにより形成してもよい。

【００８３】ポーリング用電極２６ａの形成位置は、こ
の圧電素子２４を超音波アクチュエータに装着した際
に、縦振動ピックアップのための領域としたい範囲であ
る。また、ポーリング用電極２６ｂの形成位置は、縦振
動励振のための領域としたい範囲である。さらに、ポー
リング用電極２６ｃの形成位置は、圧電素子２４の最端
部であればよく、後続して行うポーリング処理に支障を
来さない範囲であればよい。

【００８４】（第２工程）次に、このようにして、ポー
リング用電極２６ａ〜２６ｃを形成した圧電素子母材２
５について、図２（ｂ）に示すように、ポーリング用電
極２６ａ〜２６ｂ間、ポーリング用電極２６ｂ〜２６ｃ
間にそれぞれ強電界を印加することにより、図２（ｂ）
に矢印で示す平面方向（第１方向）へのポーリング処理
を行う。すなわち、圧電素子母材２５の面内長手方向へ
のポーリングを行うことにより、図２（ｂ）に示す平面
方向（第１方向）への２つの分極領域を形成する。

【００８５】このようにして、捩じり振動励振のための
２つの電気機械変換部分（捩じり振動励振用電気機械変
換部分２４ｂ及び、捩じり振動励振用電気機械変換部分
２４ｄ）と捩じり振動ピックアップのための電気機械変
換部分（捩じり振動ピックアップ用電気機械変換部分２
４ｅ）とが形成される。なお、捩じり振動励振用電気機
械変換部分２４ｄと捩じり振動ピックアップ用電気機械
変換部分２４ｅとは、一体に形成される。

【００８６】（第３工程）次に、対向して配置された一
対のポーリング用電極２６ａ，２６ｂを用いて、図２
（ｃ）に示すように、圧電素子母材２５の厚さ方向に強
電界を印加することにより、圧電素子２４の厚さ方向へ
の分極処理を行う。このような分極処理により、縦振動
励振のための部分（縦振動励振用電気機械変換部分２４
ｃ）と縦振動ピックアップのための部分（縦振動ピック
アップ用電気機械変換部分２４ａ）とが形成される。こ
れにより、図２（ｃ）に示すように、圧電素子母材２５
の厚さ方向，平面方向への２つの分極領域がさらに形成
される。

【００８７】第２工程によるポーリング処理では、ポー
リング処理に使用する電極の配置がポーリング方向と直
交する方向には配置されていない。そのため、ポーリン
グ用電極２６ｂ〜２６ｃの近傍においては正確に平面方
向にポーリングされずに端部近傍が円弧状に曲折する。
しかし、第３工程によるポーリング処理はこの曲折部分
を含んで行うため、第２工程による分極の曲折部分が厚
さ方向に正確にポーリングされ、ポーリング用電極２６
ｂ〜２６ｃの近傍における円弧状の曲折（ポーリング方
向の不正確さ）は問題にならない。

【００８８】（第４工程）次に、このようにして形成さ
れた４つの分極領域を有する圧電素子２４の厚さの均一
化を図る。本実施形態では、圧電素子２４の両面に形成
したポーリング用電極２６ｂ〜２６ｃを研磨することに
より、圧電素子２４を所定の厚さに仕上げる。

【００８９】一般に、圧電素子は、ポーリングの際に電
界印加方向について伸張するとともに電界印加方向と直
交する方向について収縮するという性質を有する。その
ため、圧電素子の板厚方向にポーリングが行われると板
厚が増加し、一方、圧電素子の平面方向にポーリングが
行われると板厚が減少する。したがって、本実施形態の
圧電素子２４では、ポーリングを行うことにより、板厚
が増加する部分（縦振動ピックアップ用電気機械変換部
分２４ａ，縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃ）と板
厚が減少する部分（捩じり振動励振用電気機械変換部分
２４ｂ，捩じり振動励振用電気機械変換部分２４ｄ，捩
じり振動ピックアップ用電気機械変換部分２４ｅ）とが
交互に形成されることになる。そのため、圧電素子２４
に要求する一定板厚を保つことができないおそれがあ
る。

【００９０】そこで、本実施形態では、ポーリング終了
後に、圧電素子２４の両面を研磨することにより、圧電
素子２４の本体を一定の厚さを一定にする。本実施形態
では、圧電素子２４に形成されたポーリング用電極２６
ｂ〜２６ｃと圧電素子２４の一部とを研磨することによ
り、ポーリング後における圧電素子２４の厚さを一定に
するが、本発明にかかる電気機械変換素子の製造法は、
この態様に限定されるものではない。例えば、以下に列
記するようにして、圧電素子２４の本体を一定の厚さに
保つようにしてもよい。

【００９１】（１）捩じり振動励振用電気機械変換部分
２４ｂ，２４ｄ（第１電気機械変換部分）の表面に、捩
じり振動励振用電気機械変換部分２４ｂ，２４ｄの厚さ
が縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃ（第２電気機械
変換部分）の厚さと同じになるように、適宜手段により
電極を形成する。

【００９２】（２）捩じり振動励振用電気機械変換部分
２４ｂ，２４ｄ（第１電気機械変換部分）の表面に電極
を形成してから、縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃ
及び捩じり振動励振用電気機械変換部分２４ｂ，２４ｄ
それぞれの厚さが同じになるように、縦振動励振用電気
機械変換部分２４ｃ及び捩じり振動励振用電気機械変換
部分２４ｂ，２４ｄそれぞれの表面に形成された電極の
一部を適宜手段により除去する。

【００９３】本実施形態では、図２（ｄ）に示すよう
に、研磨後に、均一な厚さに形成された圧電素子２４の
両面の所定の位置に、電気エネルギ入力及び出力用の電
極２７ａ〜２７ｅを、それぞれが電気的に絶縁された状
態で形成する。

【００９４】このようにして、縦振動ピックアップ用電
気機械変換部分２４ａ，捩じり振動励振用電気機械変換
部分２４ｂ，縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃ，捩
じり振動励振用電気機械変換部分２４ｄ，捩じり振動ピ
ックアップ用電気機械変換部分２４ｅが形成される。

【００９５】なお、電気エネルギ入力及び出力用の電極
２７ａ〜２７ｅの形成時には、圧電素子２４に形成され
た分極を破壊しないようにするスパッタリングや蒸着等
の成膜法や無電界めっき等の形成法を用いることが望ま
しい。

【００９６】このようにして、本実施形態では、弾性体
２３を構成する２つの半弾性体２３ａ，２３ｂに挟持さ
れる圧電素子２４の厚さを一定にして、弾性体２３の全
ての部分において発生する縦変位及び捩じり変位を効率
的に半弾性体２３ａ，２３ｂに伝搬することが可能とな
る。

【００９７】換言すれば、弾性体２３に圧電素子２４を
配置するに際し、従来は別個独立の工程により製造され
るために厚さが不均一である圧電素子を一枚ずつ装着し
ていたが、本発明では一体の圧電素子２４として厚さを
揃える加工までを簡単かつ確実に行うことができ、圧電
素子２４の全ての部分において簡単に板厚を揃えること
ができる。

【００９８】したがって、複数の圧電素子の厚さのばら
つきに起因して発生する圧電素子と半弾性体との隙間に
基づいて生じる半弾性体への装着不良が解消され、弾性
体２３へのエネルギ伝搬損失が最小限に抑制される。

【００９９】図３は、第１実施形態の超音波アクチュエ
ータ２１の構成を示す縦断面図である。振動子２２は、
図１に示す構造の本実施形態の圧電素子２４（図３にお
いては図示しない。後述する図４を参照しながら説明す
る。）と、圧電素子２４が接合されて圧電素子２４の励
振によって１次の縦振動及び２次の捩じり振動が発生す
ることにより、駆動面Ｄに駆動力が発生する弾性体２３
とから構成される。

【０１００】振動子２２を構成する弾性体２３は、外周
部に溝部が２つ設けられることにより形成される２つの
小径部２８ａ，２８ｂと、小径部２８ａ，２８ｂにより
区切られることにより形成される３つの大径部２８Ａ，
２８Ｂ及び２８Ｃとを備える中空の厚肉円柱状の弾性体
２３を、その略中心軸を含む平面で縦に２つに分割する
ことにより得られる半弾性体２３ａ，２３ｂを、再度円
柱状に組み合わせることにより、構成される。

【０１０１】弾性体２３の２つの分割面には、それぞ
れ、本実施形態で用いる前述した圧電素子２４が、二層
装着される。弾性体２３の外周面に形成される小径部２
８ａ，２８ｂは、弾性体２３に発生する捩じり振動の二
つの節位置に一致するように形成される。

【０１０２】一方、圧電素子２４の捩じり振動励振用電
気機械変換部分２４ｂ，２４ｄは、捩じり振動の節位置
に配置され、圧電素子２４の縦振動励振用電気機械変換
部分２４ｃは、縦振動の節位置に配置される。

【０１０３】半弾性体２３ａ，２３ｂは、高さ方向の略
中心位置に、圧電素子２４の積層方向と平行な方向（図
面中の左右方向）に貫通孔２９ａ，２９ｂが形成され
る。半弾性体２３ａ，２３ｂは、貫通孔２９ａ，２９ｂ
にボルト３０ａ，３０ｂを挿入し、ボルト３０ａ，３０
ｂを、弾性体２３の軸方向中央部に縦に挿入された固定
軸３１にネジ止めすることにより、圧電素子２４を２つ
の分割面に２層ずつ挟み込んだ状態で保持するとともに
固定軸３１に支持される。

【０１０４】相対運動部材である移動子３２は、中空の
厚肉円柱状の移動子母材３２ａと，移動子母材３２ａの
振動子２２側端面に貼付されて振動子２２の駆動面Ｄに
接触する摺動材３２ｂとから構成される。移動子３２
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３３によって固定軸３１に対して回動自在に位置決
めされる。

【０１０５】移動子母材３２ａの外周面上端部側には、
出力取出用の歯車３４が設けられる。この歯車３４は図
示しない被駆動体の歯車と噛合しており、これにより移
動子３２の回転が被駆動体へ伝達される。

【０１０６】また、移動子母材３２ａは、本実施形態で
は加圧部材である皿バネ３５（スプリングバネや板バネ
等でもよい。）により、振動子２２の駆動面Ｄに加圧接
触される。

【０１０７】固定軸３１は、弾性体２３の軸方向に形成
された中空部に貫通し、振動子２２を固定・保持すると
ともに、移動子３２を半径方向について回動自在に位置
決めする。この固定軸３１の一端には、ねじ部３１ａが
形成され、皿バネ３５の加圧力調整部材であるナット３
６がネジ止めされる。ナット３６の固定軸３１に対する
ネジ止め位置を調整することにより、皿バネ３５の加圧
力が調整される。固定軸３１の他端は、図示しない固定
部に適宜手段により固定される。

【０１０８】図４は、振動子２２への圧電素子２４の装
着状況を示す説明図であり、図４（ａ）は振動子２２の
上面図，図４（ｂ）は発生する縦振動及び捩じり振動の
発生状況を併せて示す振動子２２の側面図である。な
お、図４（ｂ）の側面図は、図３に示す縦断面図とは９
０°ずれた方向から見た側面図である。

【０１０９】２つの半弾性体２３ａ，２３ｂの２つの分
割面には、２層の圧電素子２４が挟み込まれる。弾性体
２３の外周面に形成される小径部２８ａ，２８ｂは、弾
性体２３に発生する捩じり振動の節位置に一致するよう
に設けられる。圧電素子２４の捩じり振動励振用電気機
械変換部分２４ｂ，２４ｄは、弾性体２３に発生する捩
じり振動の節位置を含む位置に配置される。一方、縦振
動励振用電気機械変換部分２４ｃは、弾性体２３に発生
する縦振動の節位置を含む位置に配置される。

【０１１０】捩じり振動励振用電気機械変換部分２４
ｂ，２４ｄは、周波電圧が印加されることにより駆動電
圧の方向に応じた剪断変形を発生し、これにより弾性体
２３には２次の捩じり振動が発生する。

【０１１１】捩じり振動励振用電気機械変換部分２４
ｂ，２４ｄ群は、図面上手前側に位置する捩じり振動励
振用電気機械変換部分２４ｂ−１，２４ｄ−１と、図面
上向こう側に位置する捩じり振動励振用電気機械変換部
分２４ｂ−２，２４ｄ−２とにより構成される。圧電素
子２４に同じ方向への駆動電圧が印加された場合、捩じ
り振動励振用電気機械変換部分２４ｂ−１，２４ｄ−１
による剪断変形と、捩じり振動励振用電気機械変換部分
２４ｂ−２，２４ｄ−２による剪断変形とが、それぞれ
反対方向に発生するように配置すると、振動子２２には
中心軸に関する捩じり振動が発生する。

【０１１２】例えば、図４（ｂ）に示すように、捩じり
振動励振用電気機械変換部分２４ｂ−１，２４ｄ−１と
捩じり振動励振用電気機械変換部分２４ｂ−２，２４ｄ
−２とが剪断変形すると、駆動面Ｄは図４（ａ）に矢印
で示す方向へ捩じれる。また、圧電素子２４にこれとは
反対方向への電圧を印加すると、逆方向への剪断変形が
発生するため、駆動面Ｄは図４（ａ）に矢印で示す方向
とは反対方向へ捩じれる。

【０１１３】このように、圧電素子２４を弾性体２３に
装着して、捩じり振動励振用電気機械変換部分２４ｂ−
１，２４ｄ−１と捩じり振動励振用電気機械変換部分２
４ｂ−２，２４ｄ−２とに同じ周波電圧を印加すると、
図４（ｂ）における弾性体２３に発生する捩じり振動の
第一節Ｅ及び第二節Ｆそれぞれにおける振動方向が反対
方向となり、２次の捩じれ振動モードは励起され易くな
る。

【０１１４】また、圧電素子２４の縦振動励振用電気機
械変換部分２４ｃは、周波電圧が印加されると弾性体軸
方向に伸縮変形を生じ、この伸縮変形により弾性体２３
には縦振動が発生する。

【０１１５】縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃは、
手前側に位置する２枚の縦振動励振用電気機械変換部分
２４ｃ−１と、向こう側に位置する２枚の縦振動励振用
電気機械変換部分２４ｃ−２とから構成される。縦振動
励振用電気機械変換部分２４ｃ−１，２４ｃ−２は、同
じ方向の電圧が印加されると、それぞれ同じ方向へ縦変
形するように配置される。

【０１１６】このように、圧電素子２４を弾性体２３に
装着して、縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃ−１，
２４ｃ−２に同じ周波電圧を印加すると、１次の縦振動
モードは励起され易くなる。

【０１１７】本実施形態の超音波アクチュエータ２１
は、以上のように構成される。この超音波アクチュエー
タ２１に用いる圧電素子２４に形成される捩じり振動励
振用電気機械変換部分２４ｂ，２４ｄと縦振動励振用電
気機械変換部分２４ｃとに、２つの（１／４）λ位相差
を有する駆動信号をそれぞれ入力すると、弾性体２３に
発生する縦振動及び捩じり振動それぞれの位相が９０°
ずれ、これらの振動が合成されることにより駆動面Ｄに
は楕円運動が発生する。

【０１１８】図５は、この振動子２２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５
では、説明の便宜上、振動子２２の駆動面Ｄに加圧接触
する移動子３２と、移動子３２を振動子２２に向けて加
圧接触させる加圧機構とは、ともに図示しない。

【０１１９】すなわち、弾性体２３に発生する捩じり運
動及び縦運動それぞれの周期の位相差を（１／４）λ
（λは波長を示す。）ずらして設定すると、振動子２２
の駆動面Ｄ上の定点には楕円運動が生じる。

【０１２０】すなわち、駆動周波数をｆとし、このとき
の角周波数をω（＝２πｆ）とすると、図５において、
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、一方、縦振動の変位は零であ
る。この状態では、移動子３２は、加圧機構によって振
動子２２の駆動面Ｄに接触する。

【０１２１】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する。一方、縦
振動は、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２２の駆動面Ｄの定点は、移動子３２
を押しながら右方向に向けて回転し、移動子３２は駆動
される。

【０１２２】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
２２の駆動面Ｄは、移動子３２から離れながら左方向に
向けて回転するため、移動子３２は駆動されない。この
ときに、移動子３２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著しく低
いため、振動子２２の縮みに追従しない。

【０１２３】本実施形態では、２次の捩じり振動に対し
て２群の捩じり振動励振用電気機械変換部分２４ｂ−
１，２４ｄ−１及び２４ｂ−２，２４ｄ−２を配置する
とともに、１次の縦振動に対して１群の縦振動励振用電
気機械変換部分２４ｃ−１，２４ｃ−１を配置すること
により、捩じり振動の腹位置に捩じり振動励振用電気機
械変換部分２４ｂ−１，２４ｄ−１及び２４ｂ−２，２
４ｄ−２が配置されることが防止されるとともに、縦振
動の腹位置に縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃ−１
及び２４ｃ−１が配置されることが防止される。これに
より、圧電素子２４の静電容量が低減される。

【０１２４】ここで、このような超音波アクチュエータ
２１に入力される電流は、下記式により近似される。入力電流Ｉ＝Ｖ／（（Ｒ²＋（ωＬ）²）^1/2／ωＣ）・・・・・・・

【０１２５】ただし、Ｃ：超音波アクチュエータ２１のコンデンサ成分（主に
圧電素子の静電容量）Ｖ：印加電圧Ｒ：超音波アクチュエータ２１の抵抗成分 ω：周波電圧の角速度Ｌ：超音波アクチュエータ２１のインダクタンス成分

【０１２６】式に示すように、振動に余り寄与しない
振動の腹位置の部分の励振部を無くすことにより、圧電
素子２４の静電容量Ｃを低減することにより、超音波ア
クチュエータ２１への入力電流を低減することが可能と
なる。したがって、振動アクチュエータ２１の駆動効率
が向上する。

【０１２７】また、本実施形態では、２次の捩じり振動
に対して２群の捩じり振動励振用電気機械変換部分２４
ｂ−１，２４ｄ−１及び２４ｂ−２，２４ｄ−２を配置
するとともに、１次の縦振動に対して１群の縦振動励振
用電気機械変換部分２４ｃ−１及び２４ｃ−１を配置す
ることにより、それぞれ、圧電素子２４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２３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、捩じり振動と縦振動とがそれぞれ励起
され易くなり、それぞれの振動振幅を大きく確保するこ
とができ、超音波アクチュエータ２１の駆動力や駆動効
率を向上させることができる。

【０１２８】また、本実施形態では、圧電素子２４の捩
じり振動励振用電気機械変換部分２４ｂ−１，２４ｄ−
２は、それぞれの中央部が弾性体２３に発生する捩じり
振動の第１節部に一致するように、配置する。また、圧
電素子２４の捩じり振動励振用電気機械変換部分２４ｂ
−２，２４ｄ−２は、その中央部が弾性体２３に発生す
る捩じり振動の第２節部に一致するように、配置する。

【０１２９】このように、捩じり振動励振用電気機械変
換部分２４ｂ−１，２４ｄ−１及び２４ｂ−２，２４ｄ
−２を配置することにより、弾性体２３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可能となる。

【０１３０】また、縦振動励振用電気機械変換部分２４
ｃ−１及び２４ｃ−２は、その中央部が弾性体２３に発
生する縦振動の節部に一致するように、配置する。この
ように、縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃ−１及び
２４ｃ−２を配置することにより、弾性体２３には自然
な捩じり振動が励起され易くなり、縦振動の振幅をさら
に大きく確保することが可能となる。

【０１３１】以上のように、捩じり振動励振用電気機械
変換部分２４ｂ−１，２４ｄ−１及び２４ｂ−２，２４
ｄ−２，縦振動励振用電気機械変換部分２４ｃ−１及び
２４ｃ−２それぞれの中央部と弾性体２３に発生するそ
れぞれの振動の節部とが一致するように、圧電素子２４
を構成・配置することにより、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、超音波アクチュエ
ータ２１の駆動効率や駆動力を向上させることができ
る。

【０１３２】このように、本実施形態の超音波アクチュ
エータ２１は、略述すれば、弾性体２３に挟持させる捩
じり振動用及び縦振動用の圧電素子を、別部品として一
列に配列するのではなく、一枚の圧電素子２４で置換す
る。

【０１３３】したがって、本実施形態の超音波アクチュ
エータ２１によれば、圧電素子２４の部品点数を大幅に
低減することが可能となる。したがって、超音波アクチ
ュエータ２１の生産性が著しく向上する。

【０１３４】また、圧電素子２４の厚さを極めて簡単に
一定にすることができるため、別部品である多数の圧電
素子２４間の厚さの変動を完全に解消することができ、
弾性体２３へのエネルギ伝搬損失を最小限に抑制するこ
とができる。

【０１３５】また、弾性体２３に発生する振動の節位置
が複数存在しても、それぞれ、圧電素子により励起しよ
うとする捩じれ振動変位と実際に励起しようとする弾性
体の捩じれ振動変位とを略一致させることができる。こ
れにより、振動が励起され易くなり、超音波アクチュエ
ータ２１の駆動力や駆動効率を向上させることができ
る。

【０１３６】また、縦振動励振用電気機械変換部分２４
ｃの中心部と縦振動の節位置とを略一致させるととも
に、捩じり振動励振用電気機械変換部分２４ｂ，２４ｄ
の中心部と捩じり振動の節位置とを略一致させるため、
極めて効率的に振動を発生させることができる。

【０１３７】さらに、弾性体２３に発生する振動の節位
置が複数存在しても、振動の腹位置にその振動の励振部
を配置することが解消され、入力エネルギを低減するこ
とができる。これにより、超音波アクチュエータ２１の
駆動効率が向上する。

【０１３８】（第２実施形態）第１実施形態の説明にお
いても詳述したように、本発明では、超音波アクチュエ
ータに一列に配列される多数の圧電素子を一体化して、
一枚の圧電素子板に置換することを最大の特徴とする。

【０１３９】図６は、第２実施形態の超音波アクチュエ
ータ４０に用いる圧電素子４１の構成を示す斜視図であ
る。この圧電素子４１は、機能的に４つの部分に分かれ
て構成される。それぞれが、縦振動ピックアップ用圧電
素子４１ａ，縦振動励振用圧電素子４１ｂ，捩じり振動
励振用圧電素子４１ｃ，捩じり振動ピックアップ用圧電
素子４１ｄに対応する。この圧電素子４１の分極状態
は、図６中に矢印で示す分極方向を呈しており、１枚の
圧電素子４１中に大別すると２つの分極領域（４１ａ，
４１ｂ）及び分極領域（４１ｃ，４１ｄ）を有する。

【０１４０】次に、この圧電素子４１の製造方法につい
て説明する。図７は、この製造方法を工程毎に示す説明
図である。まず、図７（ａ）に示すように、ポーリング
処理を施す前の圧電素子板４２の一方の端面とこれと対
向する端面近傍の平面に、ポーリング用電極４３ａ，４
３ｂを設ける。ポーリング用電極４３ａ，４３ｂの形成
手段は特定の手段には限定されない。この時点では圧電
素子板４２にはポーリングは行われていないためにポー
リング処理が壊れる心配がないからである。そのため、
ポーリング用電極４３ａ，４３ｂの形成は加熱工程を伴
う銀，ニッケル等のペーストを盛り付けることにより行
ってもよい。

【０１４１】次に、図７（ｂ）に示すように、ポーリン
グ用電極４３ａ，４３ｂに強電界を印加することによ
り、圧電素子板４２の面内長手方向へのポーリング処理
を行う。これにより、捩じり振動励振部４１ｃと、捩じ
り振動ピックアップ部４１ｄとが形成される。このポー
リング処理により、図７（ｂ）に示すような分極が形成
される。

【０１４２】次に、図７（ｃ）に示すように、ポーリン
グ用電極４３ｂ，４３ｂを利用して、圧電素子板４２の
板厚方向に強電界を印加することにより、圧電素子板４
２の厚さ方向へのポーリング処理を行う。これにより、
縦振動励振部４１ｂと縦振動ピックアップ部４１ａとの
形成を行う。このポーリング処理により、図７（ｃ）に
示すような分極が形成される。

【０１４３】次に、図７（ｄ）に示すように、このよう
にして形成された２つの分極領域（４１ａ，４１ｂ）及
び分極領域（４１ｃ，４１ｄ）を有する圧電素子板４２
を両面研磨することにより、圧電素子板４２を所定の厚
さに一定に仕上げる。

【０１４４】最後に、図７（ｅ）に示すように、各分極
領域４１ａ〜４１ｄそれぞれの両面に、電気エネルギの
入出力用の電極４４ａ〜４４ｄを形成する。本実施形態
の圧電素子板４２では、電極４４ａ〜４４ｄを含めた分
極領域４１ａ〜４１ｄが、それぞれ縦振動ピックアップ
部，縦振動励振部，捩じり振動励振部，捩じり振動ピッ
クアップ部の４つの機能を備える。

【０１４５】なお、図７（ｅ）においては、電極４４ａ
〜４４ｄの形成は、分極領域４１ａ〜４１ｄについて行
われた分極の破壊を回避するため、圧電素子板４２に対
する加熱をできるだけ行わないようにすることが好まし
い。そのために、電極４４ａ〜４４ｄは、スパッタリン
グ，蒸着等の成膜法又は無電界めっき等の方法により、
形成することが望ましい。

【０１４６】また、前述したように、一般に圧電素子は
ポーリング処理により電界印加方向に伸張するとともに
電界印加方向と直交する方向では収縮する。そのため、
本実施形態においても、圧電素子板４２の厚さは、分極
領域４１ａ，４１ｂでは厚くなるのに対し、分極領域４
１ｃ，４１ｄでは薄くなり、圧電素子板４２の厚さが一
定にならない可能性があるからである。

【０１４７】図７（ｄ）における研磨工程を行って、分
極領域４１ａ，４１ｂ及び分極領域４１ｃ，４１ｄそれ
ぞれの厚さを一定とすることにより、後述する弾性体へ
の振動伝搬を全域において効果的に行うことができる。

【０１４８】換言すれば、従来は独立の工程により製造
していた多数の圧電素子を所定の位置に並列・配置させ
ていたが、本実施形態によれば、一体の圧電素子板４２
として加工までの処理を行うことができる。そのため、
圧電素子板４２の長さ方向及び幅方向の全てにおいて、
極めて容易に厚さを一定にすることができる。

【０１４９】そのため、後述する図１１に示すように、
対向する２つの弾性体の間に挟んだ状態で圧電素子板４
２を配置した場合、圧電素子板４２と２つの弾性体との
間に隙間の発生が抑制され、圧電素子から弾性体へのエ
ネルギ伝搬の損失が最小限に抑制される。

【０１５０】なお、図７では２回のポーリング処理を行
って分極領域４１ａ〜４１ｄを形成したが、１回のポー
リング処理で形成することも可能である。この場合の圧
電素子４１の製造方法を図１９を用いて説明する。

【０１５１】まず、図７（ａ）と同様にして、ポーリン
グ処理を施す前の板状の圧電素子本体４２の一方の端面
にポーリング用電極４３ａを形成する。また、この端面
と対向する端面近傍の平面の一方側にポーリング用電極
４３ｂを、他方側にポーリング用電極４３ｂ’を設ける
（図１９（ａ）参照）。

【０１５２】次に、図１９（ｂ）に示すように、ポーリ
ング用電極４３ｂとポーリング用電極４３ａの間、及び
ポーリング用電極４３ｂとポーリング用電極４３ｂ’と
の間に同時に強電界を印加する。ポーリング用電極４３
ｂとポーリング用電極４３ａに強電界を印加することに
より、捩じり振動励振部４１ｃと、捩じり振動ピックア
ップ部４１ｄとが形成される。また、ポーリング用電極
４３ｂとポーリング用電極４３ｂ’とを用いて圧電素子
４２の板厚方向に強電界を印加することにより、縦振動
励振部４１ｂと縦振動ピックアップ部４１ａとが形成さ
れる。こうして、１回のポーリング処理により、図１９
（ｂ）に示すような分極が形成される。

【０１５３】次に、図１９（ｃ）に示すように、形成さ
れた２つの分極領域（４１ａ，４１ｂ）及び（４１ｃ，
４１ｄ）を有する圧電素子４２を両面研摩する。こうす
ることで、圧電素子４２を所定の厚さで一定に仕上げ
る。

【０１５４】最後に、図１９（ｄ）に示すように、各分
極領域４１ａ〜４１ｄそれぞれの両面に、電気エネルギ
の入出力用の電極４４ａ〜４４ｄを形成する。図１９に
示す方法では、圧電素子４２の製造工程で１回のポーリ
ング処理を行うだけで済み、工程が減ってより生産性が
向上する。このような製造方法は、圧電素子４２の板厚
が薄いときに有効である。なお、圧電素子４２の板厚方
向の分極と長手方向の分極との境界部分では、図７に示
す方法を用いた場合よりもポーリング方向の正確さが劣
ることがある。そのため、この境界部分を避けて電極を
設けてもよい。

【０１５５】なお、図６及び図７に示す例では、縦振動
励振部４１ｂを一つ形成した態様を示したが、本発明は
このような態様に限定されるものではない。図８は、図
６に示す圧電素子４１を変形した圧電素子５１を示す斜
視図である。

【０１５６】図８に示す圧電素子５１では、機能的に５
つの部分に分かれて構成される。それぞれが、縦振動ピ
ックアップ用圧電素子５１ａ，縦振動励振用圧電素子５
１ｂ−１，縦振動励振用圧電素子５１ｂ−２，捩じり振
動励振用圧電素子５１ｃ，捩じり振動ピックアップ用圧
電素子５１ｄが形成されている。

【０１５７】図８に示す圧電素子５１のように、縦振動
励振用圧電素子が二つ形成されると、発生させたい縦変
位量に応じて、入力面積を大幅に変更することが可能と
なる。これにより、超音波アクチュエータの制御の自由
度が大きくなる。

【０１５８】すなわち、捩じり振動に対して１群の捩じ
り振動励振部を配置することにより、２群の捩じり振動
励振部を配置する場合に比較すると、変位量的には若干
減少するものの、振動励振部への入力エネルギを半減す
ることができるため、駆動効率を向上させることが可能
となる。

【０１５９】図９は、図８に示す圧電素子５１の製造方
法を工程毎に示す説明図である。なお、図９に示す製造
方法は図８に示す製造方法と基本的に同一であるので、
相違する部分のみを説明し、図８に示す製造方法と共通
する部分については５０番台に変えた符号を付すことに
より、重複する説明を省略する。

【０１６０】図９（ｅ）において、圧電素子板５２に形
成された各分極領域５１ａ，５１ｂ−１，５１ｂ−２，
５１ｃ及び５１ｄそれぞれの両面に、電気エネルギの入
出力用の電極５４ａ，５４ｂ−１，５４ｂ−２，５４ｃ
及び５４ｄを形成する。このようにして、図８に示す圧
電素子５１が形成される。

【０１６１】図１０は、本実施形態の超音波アクチュエ
ータ６０を示す断面図である。振動子６１は、駆動信号
により励振される電気機械変換素子である本実施形態の
圧電素子４１と，圧電素子４１が接合されており、圧電
素子４１の励振によって１次の縦振動と２次の捩じり振
動とが生じることによって、駆動面６２ｃに駆動力が発
生する弾性体６２とから構成される。

【０１６２】弾性体６２は、側面に溝状に形成される３
つの小径部６２ａ，６２ｂ，６２ｃと、小径部６２ａ〜
６２ｃに区切られることにより形成される４つの大径部
６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃ，６２Ｄとを有した中空厚肉の
弾性体を縦に２つに分割することにより得られる半弾性
体６１ａ，６１ｂを、再度円柱状に組み合わせることに
より得られる。

【０１６３】半弾性体６１ａ，６１ｂの分割面には、圧
電素子４１が挟まれた状態で装着される。小径部６２
ａ，６２ｃは、振動子６１に発生する２次の捩じり振動
の二つの節部に位置する。一方、小径部６２ｂは，振動
子６１に発生する１次の縦振動の節部に位置する。

【０１６４】圧電素子４１に形成された捩じり振動励振
部４１ｃは、２次の捩じり振動の一方の節部を含む位置
に配置され、縦振動励振部４１ｂは、縦振動の節部と捩
じり振動の他方の節部とを含む位置に配置される。

【０１６５】弾性体６２は、各大径部６２Ａ〜６２Ｄそ
れぞれの高さ方向の略中心に、圧電素子４１の厚さ方向
と平行な方向に向けて貫通孔６３ａ〜６３ｄが形成され
る。半弾性体６１ａ及び６１ｂは、これらの貫通孔６３
ａ〜６３ｄにボルト６４ａ〜６４ｄを挿入してナット６
５ａ〜６５ｄをネジ止めすることにより、締結・固定さ
れる。このようにして、弾性体６２は、圧電素子４１を
挟み込んだ状態で保持する。

【０１６６】また、弾性体長手方向の略中心部には、固
定ピン６６の貫通孔が形成されており、固定ピン６６が
弾性体６２と弾性体６２の軸方向に貫通する固定軸６７
とを貫通することにより、弾性体６２は固定軸６７に固
定・保持される。

【０１６７】移動子６８は、厚肉環状の移動子母材６８
ａと，振動子６１側の端面に環状に突設された摺動部に
貼付された摺動材６８ｂとにより構成される。移動子母
材６８ａの反振動子側の端面内周部には、位置決め部材
であるベアリング６９が嵌合されており、このベアリン
グ６９により固定軸６７に対しての位置決めが行われ
る。

【０１６８】移動子母材６８ａの外周面には、駆動力取
出用の歯車が設けられており（図示しない。）、この歯
車に被駆動体の歯車（図示しない。）が噛み合うことに
より、駆動力が外部に出力される。

【０１６９】また、移動子６８は、加圧部材である皿バ
ネ７０（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７１を介して、振動子６１の駆
動面６２ｃに加圧接触される。

【０１７０】固定軸６７は、弾性体６２の軸方向に形成
された中空部を貫通して配置されており、振動子６１を
固定するとともに、移動子６８をその半径方向について
位置決めする。固定軸６７の一方の先端部にはネジ部６
７ａが形成されており、皿バネ７０の加圧力を調整する
加圧力調整部材であるナット７２がネジ止めされる。ナ
ット７２のネジ止め位置を変更することにより、皿バネ
７０のバネ力が変更され、移動子６８の振動子６１への
加圧力が調整される。

【０１７１】図１１は、本実施形態において、振動子に
おける圧電素子の配置を示す説明図である。なお、図１
１の説明においては、圧電素子の配置を中心に説明し、
図１０と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。

【０１７２】圧電素子４１における捩じり振動励振部４
１ｃは、周波電圧が印加したときに電圧の方向に応じた
剪断変形を発生し、これにより、振動子６１には捩じり
振動が発生する。

【０１７３】捩じり振動励振部群は、図面における手前
側２枚の捩じり振動励振部４１ｃと向こう側２枚の捩じ
り振動励振部４１ｃとから構成される。手前側，向こう
側それぞれの捩じり振動励振部４１ｃにより発生する剪
断変形は、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すると、振動子６１にはある方向
への捩じり変位が発生する。

【０１７４】例えば、図１１に示すように捩じり振動励
振部４１ｃを配置すると、手前側２枚及び向こう側２枚
の捩じり振動励振部４１ｃが剪断変形することにより、
振動子６１の駆動面６２ｃは、白抜き矢印で示す方向に
捩じれる。また、反対方向の電圧を印加すると、逆の剪
断変形が発生するため、駆動面６２ｃは図１１に示す方
向とは反対方向へ捩じれる。

【０１７５】また、圧電素子４１における縦振動励振部
４１ｂは、周波電圧が印加したときに伸縮変形し、これ
により、振動子６１には縦振動が発生する。縦振動励振
部群は、図面における手前側２枚の縦振動励振部４１ｂ
と向こう側２枚の縦振動励振部４１ｂとから構成され
る。それぞれの縦振動励振部４１ｂに同じ方向の電圧が
印加した場合に、それぞれ同方向に縦変形するようにす
る。以上のような圧電素子の縦振動励振部４１ｂの配列
にすることにより、全ての縦振動励振部４１ｂ群に同じ
周波電圧を印加すると、縦１次振動モードは励起され易
くなる。

【０１７６】このように構成された超音波アクチュエー
タ６０に、２つの（１／４）λ位相差を有する駆動信号
をそれぞれ縦振動励振部４１ｂと捩じり振動励振部４１
ｃとに入力すると、縦振動と捩じり振動との振動の位相
が９０°ずれ、その振動を合成した楕円運動が駆動面６
２ｃに発生する。

【０１７７】振動の発生原理は、第１実施形態の超音波
アクチュエータ２１と全く同じであるため（図５参
照）、これ以上の説明は省略する。このように、本実施
形態によれば、多数の圧電素子を一枚の圧電素子板に一
体化することにより、圧電素子部品点数を大幅に低減す
ることが可能になる。これにより、圧電素子の超音波ア
クチュエータへの装着工数が大幅に低減されるために生
産性が著しく向上するとともに、多数の圧電素子に不可
避的に存在する厚さのばらつきが解消されるために圧電
素子から弾性体へのエネルギ伝搬の損失が最小限に抑制
される。

【０１７８】（変形形態）以上説明した実施形態では、
振動アクチュエータとして超音波の振動域を用いる超音
波アクチュエータを例にとった。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、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される。

【０１７９】また、第１実施形態では、２つの半弾性部
材により弾性体を構成したが、本発明はこのような態様
のみに限定されるものではない。３つ以上の複数の弾性
部材により弾性体を柱状に構成するようにしてもよい。
また、第１実施形態では、電気機械変換素子である圧電
素子を弾性部材の分割面に挟持させるように配置してい
るが、本発明はこのような態様のみに限定されるもので
はない。例えば、弾性体の外周面に例えば接着等の適宜
手段により装着するようにしてもよい。

【０１８０】また、各実施形態では、１次の縦振動と２
次の捩じり振動とを発生する振動子を備える振動アクチ
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。すなわ
ち、ｎ次（ｎ：自然数）の縦振動とｍ次（ｍ：自然数）
の捩じり振動とを発生する振動子を備える振動アクチュ
エータに対しては、ｎ群の縦振動励振部を各節部に配置
するとともに、ｍ群の捩じり振動励振部を各節部に配置
することにより、実施形態と同様の効果を得られる。

【０１８１】また、各実施形態では、電気機械変換素子
として圧電素子を用いたが、本発明にかかる振動アクチ
ュエータはこのような態様のみに限定されるものではな
い。例えば、圧電素子以外に、電歪素子を用いることも
可能である。

【０１８２】また、第１実施形態では、圧電素子本体の
厚さ方向に関する第２電気機械変換部分を２つ形成する
とともに、圧電素子本体の平面方向に関する第１電気機
械変換部分を１つ形成するが、本発明にかかる振動アク
チュエータはこのような態様のみに限定されるものでは
ない。例えば、第２実施形態に示すように、第１電気機
械変換部分と第２電気機械変換部分とが、圧電素子本体
の平面方向に隣接して１つずつ形成される態様を例示す
ることができる。

【０１８３】また、第１実施形態では、形成された第１
電気機械変換部分２４ｂに隣接させて、平面方向に関す
る機械的変位を電気エネルギに変換する機械電気変換部
分である縦振動ピックアップ用電気機械変換部分２４ａ
を配置するとともに、形成された第１電気機械変換部分
２４ｄに隣接させて、厚さ方向に関する機械的変位を電
気エネルギに変換する機械電気変換部分である捩じり振
動ピックアップ用電気機械変換部分２４ｅを形成してい
る。

【０１８４】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い。すなわ
ち、縦振動ピックアップ用電気機械変換部分２４ａ，捩
じり振動ピックアップ用電気機械変換部分２４ｅの一方
だけを設置してもよく、又は双方ともに設置しなくても
よい。

【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を構成す
る振動子の要素である圧電素子を示す斜視図である。

【図２】第１実施形態で用いる圧電素子の製造方法を工
程毎に示す説明図である。

【図３】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す縦断面図である。

【図４】第１実施形態の振動子への圧電素子の装着状況
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の発生状況を
併せて示す振動子の側面図である。

【図５】第１実施形態の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、駆動面に楕円運動が発生する
ことを経時的に示す説明図である。

【図６】第２実施形態の超音波アクチュエータに用いる
圧電素子の構成を示す斜視図である。

【図７】第２実施形態の圧電素子の製造方法を工程毎に
示す説明図である。

【図８】第２実施形態の圧電素子の変形例を示す斜視図
である。

【図９】第２実施形態の圧電素子の変形例の製造方法を
工程毎に示す説明図である。

【図１０】第２実施形態の超音波アクチュエータを示す
断面図である。

【図１１】第２実施形態において、振動子における圧電
素子の配置を示す説明図である。

【図１２】縦−捩じり振動型の振動アクチュエータの従
来例の構造を示した斜視図である。

【図１３】従来の振動アクチュエータの固定子を展開し
て示した斜視図である。

【図１４】振動子に縦振動と捩じり振動と発生させ、こ
れらの振動の合成により、振動子駆動面に楕円運動を発
生させる振動アクチュエータを経時的に示す説明図であ
る。

【図１５】弾性体に接合される圧電素子の配置を示す振
動子の上面図である。

【図１６】弾性体に接合される圧電素子の配置を示す振
動子の側面図である。

【図１７】先に提案した振動アクチュエータにおいて、
振動子を構成する弾性体への圧電素子の装着状況を示す
説明図であり、図１７（ａ）は振動子の上面図，図１７
（ｂ）は発生する縦振動モード，捩じり振動モードをと
もに示す振動子の側面図である。

【図１８】圧電素子のポーリング方向を示す斜視図であ
って、図１８（ａ）は縦振動用圧電素子のポーリング方
向を、図１８（ｂ）は捩じり振動用圧電素子のポーリン
グ方向をそれぞれ示す。

【図１９】第２実施形態の圧電素子の製造方法の変形例
を工程毎に示す説明図である。

【符号の説明】

２１振動アクチュエータ（超音波アクチュエータ）２２振動子２３弾性体２４圧電素子（電気機械変換素子）２４ａ縦振動ピックアップ用電気機械変換部分２４ｂ捩じり振動励振用電気機械変換部分２４ｃ縦振動励振用電気機械変換部分２４ｄ捩じり振動励振用電気機械変換部分２４ｅ捩じり振動ピックアップ用電気機械変換部分２５圧電素子本体２６ａ〜２６ｅポーリング用電極２７ａ〜２７ｅ電極２８Ａ〜２８Ｃ大径部２８ａ〜２８ｂ小径部２９ａ，２９ｂ貫通孔３０ａ，３０ｂボルト３１固定軸３１ａねじ部３２移動子（相対運動部材）３３ベアリング３４ネジ部３５皿バネ（加圧部材）３６ナット（加圧力調整部材）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気エネルギを機械的変位に、又は機械
的変位を電気エネルギに変換する電気機械変換素子であ
って、前記電気機械変換素子の本体は、互いに異なる圧電効果
を発生する複数の電気機械変換部分を有し、該複数の電
気機械変換部分は、各々が異なる方向へ同時に変位自在
であることを特徴とする電気機械変換素子。
【請求項２】請求項１に記載された電気機械変換素子
において、前記本体は、前記複数の電気機械変換部分によって、異
なる振動モードを同時に発生させることを特徴とする電
気機械変換素子。
【請求項３】請求項１に記載された電気機械変換素子
において、前記本体は、前記複数の電気機械変換部分によって、該
本体に同時に発生している異なる振動モードを同時にか
つ独立して電気エネルギに変換可能であることを特徴と
する電気機械変換素子。
【請求項４】請求項１に記載された電気機械変換素子
において、前記本体は、前記複数の電気機械変換部分によって、異
なる振動モードを同時に発生させるとともに、該本体に
同時に発生している異なる振動モードを同時にかつ独立
して電気エネルギに変換可能であることを特徴とする電
気機械変換素子。
【請求項５】請求項１に記載された電気機械変換素子
において、前記複数の電気機械変換部分は、圧電すべり効果を発生
する第１の電気機械変換部分と、圧電横効果を発生する
第２の電気機械変換部分とを備えていることを特徴とす
る電気機械変換素子。
【請求項６】請求項５に記載された電気機械変換素子
において、前記圧電すべり効果によって捩じり振動が発生し、前記
圧電横効果によって縦振動が発生することを特徴とする
電気機械変換素子。
【請求項７】請求項５に記載された電気機械変換素子
において、前記第１の電気機械変換部分は、互いに離間して２つ形
成され、前記第２の電気機械変換部分は、前記２つの第
１の電気機械変換部分の間に１つ形成されていることを
特徴とする電気機械変換素子。
【請求項８】請求項５に記載された電気機械変換素子
において、前記第１の電気機械変換部分と前記第２の電気機械変換
部分とは、前記本体に隣接して１つずつ形成されている
ことを特徴とする電気機械変換素子。
【請求項９】請求項７又は請求項８に記載された電気
機械変換素子において、隣接して配置された前記第１の電気機械変換部分と前記
第２の電気機械変換部分は、電気エネルギを機械的変位
に変換する部分であり、これら第１の電気機械変換部分
と第２の電気機械変換部分の配置方向に関して前記本体
の少なくとも一方の端部側には、さらに、機械的変位を
電気エネルギに変換する部分が形成されていることを特
徴とする電気機械変換素子。
【請求項１０】請求項５から請求項９までのいずれか
１項に記載された電気機械変換素子において、前記本体は板状に形成されるとともに、前記第１の電気
機械変換部分と前記第２の電気機械変換部分それぞれの
厚さが略等しい範囲にあることを特徴とする電気機械変
換素子。
【請求項１１】電気エネルギを機械的変位に、又は機
械的変位を電気エネルギに変換する電気機械変換素子の
母材に複数方向へのポーリングを行うことにより、前記
母材に、互いに異なる圧電効果を発生し、異なる方向へ
同時に変位自在な複数の電気機械変換部分を形成するこ
とを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
【請求項１２】電気エネルギを機械的変位に変換する
電気機械変換素子の母材に対し、第１のポーリングを行
って第１の電気機械変換部分を形成した後、前記第１の
電気機械変換部分の一部を含む部分に第２のポーリング
を行うことにより、前記第１の電気機械変換部分と異な
る圧電効果を発生する第２の電気機械変換部分を形成す
ることを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
【請求項１３】請求項１２に記載された電気機械変換
素子の製造方法において、前記第１の電気機械変換部分は、圧電すべり効果を発生
し、前記第２の電気機械変換部分は、圧電横効果を発生
することを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
【請求項１４】請求項１２に記載された電気機械変換
素子の製造方法において、前記電気機械変換素子の母材を板状に形成するととも
に、前記母材の平面方向に関して所定の間隔をあけて前
記母材の両面に電極対を形成して複数の電極対を設け、前記第１のポーリングは、前記複数組の電極対のうち、
少なくとも１組の隣り合う電極対間に電界を印加するこ
とで行われ、前記第２のポーリングは、前記複数組の電極対のうち、
少なくとも１対を構成する各電極間に電界を印加するこ
とで行われることを特徴とする電気機械変換素子の製造
方法。
【請求項１５】請求項１４に記載された電気機械変換
素子の製造方法において、前記第１のポーリング及び前記第２のポーリングを行っ
た後に、前記第１の電気機械変換部分及び前記第２の電
気機械変換部分それぞれの厚さを均一化する処理を行う
ことを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
【請求項１６】請求項１５に記載された電気機械変換
素子の製造方法において、前記均一化のための処理は、前記第１の電気機械変換部分の表面に、前記第１の電気
機械変換部分の厚さが前記第２の電気機械変換部分の厚
さと等しくなるように電極を形成すること、前記第１の電気機械変換部分の表面に電極を形成してか
ら、前記第１の電気機械変換部分及び前記第２の電気機
械変換部分それぞれの厚さが等しくなるように、前記第
１の電気機械変換部分及び前記第２の電気機械変換部分
それぞれの表面に形成された電極の一部を除去するこ
と、又は、前記第２の電気機械変換部分に形成された電極と前記電
気機械変換素子の一部とを除去して前記電気機械変換素
子の厚さを均一にした後、前記第１の電気機械変換部分
及び前記第２の電気機械変換部分それぞれの表面に電極
を形成することにより行われることを特徴とする電気機
械変換素子の製造方法。
【請求項１７】請求項１６に記載された電気機械変換
素子の製造方法において、前記均一化のための処理の過程で前記電気機械変換素子
に前記電極を形成する際に、前記第１の電気機械変換部
分及び前記第２の電気機械変換部分それぞれの電気機械
変換能を喪失させる温度域への加熱を伴わない形成法を
用いることを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
【請求項１８】請求項１７に記載された電気機械変換
素子の製造方法において、前記形成法は、スパッタリング，蒸着等の薄膜形成法又
は無電界めっき法であることを特徴とする電気機械変換
素子の製造方法。
【請求項１９】電気機械変換素子を有し、該電気機械
変換素子により複数の異なる種類の振動が発生する振動
子と、該振動子との間で相対運動を行う相対運動部材と
を備える振動アクチュエータであって、前記電気機械変換素子の本体は、互いに異なる圧電効果
を発生する複数の電気機械変換部分を有し、該複数の電
気機械変換部分は、各々が異なる方向へ同時に変位自在
であることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２０】請求項１９に記載された振動アクチュ
エータにおいて、前記複数の電気機械変換部分は、圧電すべり効果を発生
する第１の電気機械変換部分と、圧電横効果を発生する
第２の電気機械変換部分とを備えていることを特徴とす
る振動アクチュエータ。
【請求項２１】請求項２０に記載された振動アクチュ
エータにおいて、前記振動子は、複数の弾性部材を組み合わされることで
柱状に形成され、前記電気機械変換素子は、少なくとも１つの前記弾性部
材に装着されるとともに、前記複数の振動は、前記振動子の軸方向に関する捩じり
振動と、前記振動子の軸方向に振動する縦振動であるこ
とを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２２】請求項２１に記載された振動アクチュ
エータにおいて、前記電気機械変換素子の前記第１の電気機械変換部分
は、前記振動子に発生する捩じり振動の少なくとも１つ
の節となる位置を含む位置に存在するとともに、前記電気機械変換素子の前記第２の電気機械変換部分
は、前記振動子に発生する縦振動の少なくとも１つの節
となる位置を含む位置に存在することを特徴とする振動
アクチュエータ。
【請求項２３】複数の弾性部材の間に、互いに異なる
複数の振動を発生させる電気機械変換素子を配置する振
動アクチュエータの製造方法において、前記電気機械変換素子は、請求項１から請求項７までの
いずれか１項に記載された電気機械変換素子であること
を特徴とする振動アクチュエータの製造方法。
【請求項２４】請求項２３に記載された振動アクチュ
エータの製造方法において、前記電気機械変換素子は、前記第１の電気機械変換部分
が前記振動子に発生する前記捩じり振動の節となる位置
を含む位置に存在し、前記第２の電気機械変換部分が前記振動子に発生する前
記縦振動の節となる位置を含む位置に存在するように配
置されることを特徴とする振動アクチュエータの製造方
法。