JPH10271857A

JPH10271857A - 振動アクチュエータとその製造方法

Info

Publication number: JPH10271857A
Application number: JP10007772A
Authority: JP
Inventors: Tsunemi Gonda; 常躬権田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1998-01-19
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】それ自身の周波数温度特性を改善し、周波数
温度係数が小さく、温度補償を不要とする。【解決手段】弾性体１１と、弾性体１１に接合され、
駆動信号の印加によって、その弾性体を励振する圧電体
１２とを含む振動アクチュエータ１０において、弾性体
１１及び圧電体１２は、その共振周波数の温度係数の符
号が異なり、絶対値の差が所定範囲にある材料を用い
る。例えば、弾性体１１は、金属材料が用いられた場合
には、圧電体１２は、共振周波数の温度係数が正の４０
０以上の材料が用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機械変換素子
によって発生する振動によって駆動力を得る振動アクチ
ュエータに関する。特に、温度補償を最小にする振動ア
クチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の振動アクチュエータでは、弾性
体に接合された圧電体に所定の周波数の駆動電圧を印加
することで前記弾性体を励振し、この弾性体に調和的に
振動を発生させる。そして、この弾性体から駆動力を取
り出すように構成されている。前記駆動電圧の周波数
は、前記圧電体と前記弾性体とで構成される振動子の共
振周波数によって定まる周波数に近い値（以下、駆動周
波数とする）に設定されている。そのため、振動アクチ
ュエータの駆動回路に含まれる発振器は、前記駆動周波
数を含む周辺の周波数が発振できるように設定されてい
る。

【０００３】しかし、振動アクチュエータの周囲の温度
によって、圧電体（振動子）の共振周波数の温度係数
と、前記発振器の発振周波数の温度係数とに差がある場
合には、駆動周波数と発振周波数とがずれてしまい、振
動アクチュエータの安定した駆動が得られないという問
題が生じる。

【０００４】この問題を解決するために、特開昭６３−
１７１１７５号（特公平６−６７２２４号）「超音波モ
ータの駆動装置」は、予め超音波モータの周波数の温度
特性を求め、その超音波モータを駆動する発振器の周波
数の温度特性を、超音波モータの周波数の温度特性に合
わせて、温度補償することを提案している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の駆動装
置では、振動アクチュエータの仕様が変わる毎に、発振
器の周波数の温度特性を設定しなければならず、製造コ
ストが上昇するという問題が生じる。

【０００６】本発明は、振動アクチュエータ自身の周波
数の温度特性を改善し、周波数の温度係数が小さく、温
度補償を最小にする振動アクチュエータ及びその製造方
法を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１の発明では、弾性体と、前記弾性体に接合
されて、駆動信号の印加によって、前記弾性体を励振す
る電気機械変換素子と、を備え、前記弾性体の共振周波
数の温度係数と、前記電気機械変換素子の共振周波数の
温度係数とは、互いの符号が異なり、また、前記温度係
数の絶対値の差が所定の範囲となるように設定されてい
ることを特徴とする振動アクチュエータを提供する。

【０００８】請求項２の発明では、請求項１に記載の振
動アクチュエータにおいて、前記弾性体を、直方体状に
形成し、前記電気機械変換素子を、前記弾性体の一平面
に接合した構成とした。

【０００９】請求項３の発明では、弾性体と、前記弾性
体に接合されて、駆動信号の印加によって、前記弾性体
を励振する電気機械変換素子とを備え、前記弾性体は、
金属材料によって形成され、前記電気機械変換素子は、
共振周波数の温度係数が正の４００以上の材料が用いら
れていることを特徴とする振動アクチュエータを提供す
る。

【００１０】請求項４の発明では、請求項３に記載の振
動アクチュエータにおいて、前記弾性体を、直方体状に
形成し、前記電気機械変換素子を、前記弾性体の一平面
に接合した構成とした。

【００１１】請求項５の発明では、弾性体と電気機械変
換素子とを備え、前記電気機械変換素子に駆動信号を供
給することで電気エネルギを機械的変位に変換して駆動
力を得る振動アクチュエータの製造方法であって、弾性
体を用意する工程と、前記弾性体に前記電気機械変換素
子を接合する工程とを含み、前記電気機械変換素子は、
この電気機械変換素子の共振周波数の温度係数が、前記
弾性体の共振周波数の温度係数の値と符号が逆であり、
また、この電気機械変換素子の共振周波数の温度係数の
絶対値と、前記弾性体の共振周波数の温度係数の絶対値
との差が、所定の範囲となるものから選択されているこ
とを特徴とする振動アクチュエータの製造方法を提供す
る。

【００１２】請求項６の発明では、請求項５に記載され
た振動アクチュエータの製造方法において、前記弾性体
を、直方体状に形成し、前記電気機械変換素子を、前記
弾性体の一平面に接着するようにした。

【００１３】請求項７の発明では、請求項５に記載され
た振動アクチュエータの製造方法において、前記弾性体
を、金属材料によって形成し、前記電気機械変換素子を
共振周波数の温度係数が正の４００以上の材料とした。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面等を参照して、本発明
の実施形態について、さらに詳しく説明する。（第１実施形態）図１は、本発明の振動アクチュエータ
の構成の一実施形態を示す斜視図である。本実施形態の
振動アクチュエータ１０は、矩形平板状の弾性体１１
と、弾性体１１の上面に接合された電気機械変換素子で
ある圧電体１２（２つの駆動用の圧電体１２ａ，１２ｂ
及び２つの振動状態検出用の圧電体１２ｐ，１２ｐ’）
とを備えている。また、弾性体１１と、この弾性体との
間で相対運動を行なう相対運動部材（不図示）との間に
加圧力を発生させる加圧部材（不図示）を備えている。

【００１５】この振動アクチュエータ１０は、圧電体１
２ａには第１の交流電圧が印加され、圧電体１２ｂには
前記第１の交流電圧と電気的に位相が９０度異なる第２
の交流電圧が印加される。また、弾性体１１の本体は、
ＧＮＤ電位に接続される。

【００１６】図２は、本実施形態に係る振動アクチュエ
ータの駆動回路を示すブロック図である。この駆動装置
２０は、制御回路２１と、発振器２２と、移相器２３
と、増幅器２４、２５とを備えている。制御回路２０
は、予め定められた振動アクチュエータの駆動周波数と
駆動電圧及びピックアップ用の圧電体１２ｐ，１２ｐ’
の出力に基づいて、駆動制御信号を設定する。発振器２
２は、制御回路２１の駆動制御信号に基づいて、所定の
周波数の交流電圧を発振し、移相器２３と増幅器２５と
に出力する。増幅器２５は、発振器２２から出力された
交流電圧を増幅して（増幅後の交流電圧を第１の交流電
圧とする）、圧電体１２ｂに印加する。移相器２３は、
発振器２２から出力された交流電圧の位相を９０度異な
らせ、増幅器２４に出力する。そして、増幅器２４は、
移相器２３から出力された交流電圧を増幅して（増幅後
の交流電圧を第２の交流電圧とする）、圧電体１２ａに
印加する。

【００１７】図１のように構成された振動アクチュエー
タ１０において、圧電体１２ａに前記第１の交流電圧が
印加され、圧電体１２ｂに前記第２の交流電圧が印加さ
れると、弾性体１１には、１次の縦振動と４次の屈曲振
動が調和的に発生する。そして、弾性体１１の出力取り
出し部（屈曲振動の腹の位置）には楕円運動が発生す
る。このとき、弾性体１１は、前記加圧部材によって、
相対運動部材に向けて矢印Ｐ方向に加圧されているの
で、前記出力取り出し部と前記相対運動部材とが加圧接
触することになり、両者の摩擦によって駆動力が得られ
る。

【００１８】本実施形態においては、振動アクチュエー
タ１０は、超音波領域の振動を用いた超音波モータとし
て機能する。なお、このような超音波モータとしては、
例えば、第５回電磁力関連のダイナミックシンポジウム
講演会文集の「２２２光ピックアップ移動を目的とした
圧電リニア・平板モータ」や特開平７−１４３７７０号
公報に、その構造が開示されている。

【００１９】本実施形態の振動アクチュエータ１０で
は、弾性体１１の厚さ（ｔ１）と圧電体１２の厚さ（ｔ
２）の比は、ｔ１／ｔ２＝１．１〜６となるように設定
されている。また、本実施形態の振動アクチュエータ１
０は、弾性体１１と圧電体１２とを含む振動子が略一様
な矩形平板状である。この場合に、縦振動の共振周波数
ｆLnと屈曲振動の共振周波数ｆBnは、材料のヤング率を
Ｅ，密度をρとすると、次式によって与えられる。ｆLn＝Ｋ1 （Ｅ／ρ）^1/2・（１／Ｌ）・・・（１）ｆBn＝Ｋ2 （Ｅ／ρ）^1/2・（ｔ／Ｌ²）・・・（２）ここで、Ｋ1 、Ｋ2 は定数、Ｌは、振動子の長さを表
す。また、ｔは、弾性体１１と圧電体１２とで構成され
る振動子の板厚を表す。

【００２０】本実施形態では、弾性体１１は、ステンレ
ス等の金属材料によって作製されている。従って、弾性
体１１は、ヤング率が負の温度係数を有する。さらに、
長さＬに関係する線膨張係数は、正の温度係数を有して
いるために、上記各式の分母に入っているＬは、共振周
波数に負の温度特性を持たせるように作用する。したが
って、数式１，２から、明らかなように、弾性体１１
は、共振周波数ｆLn，ｆBnが、負の温度係数を有する。
つまり、弾性体１１は、金属材料からなる場合には、周
波数温度係数が負になることが分かる。

【００２１】一方、圧電体１２は、ＰＺＴ（米国バーニ
トロン社の商品名）等として知られているＰｂ（Ｚｒ，
Ｔｉ）Ｏ₃からなるセラミックス材料を用いて作製され
ている。本実施形態の圧電体１２は、共振周波数の温度
係数Ｔｋが正の値のもの、具体的には、正の４００以上
のものを用いている。このように、本実施形態によれ
ば、周波数温度係数が負の値を示す弾性体１１と、周波
数温度係数が正の値を示す圧電体１２とを用いているの
で、振動子全体として考えた場合には、周波数温度係数
の小さい振動アクチュエータ１０となる。従って、制御
系による温度補償が不要又は簡単になり、製造コストの
低減を図ることができる。

【００２２】圧電体１２の材料としては、前述したＰＺ
Ｔの他に、ＬｉＴａＯ₃，ＬｉＮｂＯ₃等であって、共
振周波数の温度係数が＋４００以上のものが好適に用い
られる。また、弾性体１１と圧電体１２の厚さの比は、
弾性体１１よりも圧電体１２の方を厚くして、ｔ２／ｔ
１＝１．１〜６となるように設定してもよい。

【００２３】（第２実施形態）図３は、第２実施形態の
振動アクチュエータ（超音波アクチュエータ）の振動子
とこの振動子に発生する振動モードとの関係を示す概略
図である。図３（Ａ）は、振動子に発生する振動モード
を表す説明図である。図３（Ｂ）は、振動子の構成を示
す概略平面図である。図３に示す超音波アクチュエータ
１０−１においては、第１実施形態と相違する部分につ
いてだけ説明することとし、同一の部分については、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。

【００２４】この超音波アクチュエータ１０−１の振動
子１１−１は、弾性体１２−１と、この弾性体１２−１
の一方の平面１２ａに接着された圧電素子４２とを備え
る。この圧電素子４２は、１枚の薄板状に形成されてお
り、その上面には、電極４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２
ｄ、４２ｐ、４２ｐ’が設けられている。これらの電極
のうち、電極４２ａ〜４２ｄは、駆動信号を入力するた
めの振動発生用電極である。また、電極４２ｐ、４２
ｐ’は、弾性体１２−１に発生する振動の状態を検出す
るための振動検出用電極である。弾性体１１−１および
圧電体４２の側面の長手方向の中央部には、それぞれの
厚さ方向に向けて溝部４３ａ、４３ｂが設けられてい
る。これらの溝部４３ａ、４３ｂには、図示していない
支持ピンがはめ込まれるようになっており、これにより
振動子１１−１が支持される。この支持ピンは、図１に
示す加圧方向Ｐについては、振動子１１−１の移動を許
容するようになっている。

【００２５】図３（Ａ）は、振動子１１−１に発生する
４次の屈曲振動の振動子各部における振幅ＡＰと、１次
の縦振動の振動子各部における歪みＳＴを示す。Ｂ４
ａ、Ｂ４ｂ、Ｂ４ｃ、Ｂ４ｄ、Ｂ４ｅは、屈曲振動の振
幅が零となる振動の節を示し、Ｂ４ｆ、Ｂ４ｇは、振幅
が最大となる振動の腹を示している。

【００２６】図３に示すように、それぞれの振動発生用
電極４２ａ〜４２ｄは、弾性体１２−１に発生する４次
の屈曲振動の振幅の節と節との間にほぼ収まるように、
その長さが設定されて配置されている。例えば、振動発
生用電極４２ａの長手方向の長さは、４次の屈曲振動の
節Ｂ４ａと節Ｂ４ｂとの間の距離にほぼ等しく、この屈
曲振動のほぼ半波長分となっている。

【００２７】振動検出用電極４２ｐ、４２ｐ’は、弾性
体１２−１の屈曲振動の節Ｂ４ｂ、Ｂ４ｄに対応させ
て、弾性体１２−１の長辺付近に、振動発生用電極４２
ａ〜４２ｄを局部的に切り欠いて形成された領域に、半
円状に形成されている。振動検出用電極４２ｐは、弾性
体１２−１の一方の長辺側において節Ｂ４ｂを中心に左
右対称に配置され、振動検出用電極４２ｐ’は、弾性体
１２−１の他方の長辺側において節Ｂ４ｄを中心に左右
対称に配置されている。これにより、各電極４２ａ〜４
２ｄ、４２ｐおよび４２ｐ’は、振動子１１−１の中心
に対してほぼ点対称に配置されることになる。

【００２８】以上のように構成された超音波アクチュエ
ータ１０−１においては、例えば、図２の駆動回路２０
の増幅器２２から出力される第１の交流電圧（駆動信
号）は、振動発生用電極４２ａ、４２ｃに入力される。
また、図２の駆動回路２０の増幅器２４から出力される
第２の交流電圧（駆動信号）は、振動発生用電極４２
ｂ、４２ｄに入力される。これにより、圧電素子４２が
弾性体１２−１を励振し、弾性体１２−１に縦は振動お
よび屈曲振動が調和的に発生して楕円運動が生じる。そ
の結果、振動子１１−１と相対運動部材（図示せず）と
の間で相対運動が発生する。弾性体１２−１に発生した
縦振動および屈曲振動によって、圧電体４２に貼付され
た振動検出用電極４２ｐ，４２ｐ’には電気エネルギが
発生する。そして、発生した電気エネルギは、第１の実
施形態と同様、電気信号として制御回路２１に入力し、
駆動信号に対するフィードバック制御に用いられる。

【００２９】本実施形態おいては、弾性体１２−１に１
枚の圧電素子４２を接着し、この圧電素子４２の表面に
電極を設けるため、第１および第２の実施形態に比較し
て製造し易いという利点がある。また、振動の発生に用
いられる圧電素子４２の面積を増やせるため、超音波ア
クチュエータの出力を大きくすることが可能となる。さ
らに、振動発生用電極間の境界と、屈曲振動の節とがほ
ぼ一致しているので、第１の実施形態に比較して屈曲振
動を効率よく発生させることができる。そのため、超音
波アクチュエータの効率も向上させることができる。

【００３０】弾性体１１−１は、オーステナイト系のス
テンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなり、短辺方向の長さ
が約１０ｍｍ、長辺方向の長さが約５２ｍｍ、厚さが約
２．７ｍｍの薄板状に形成されている。また、圧電体４
２には、株式会社トーキン製のＮ−６１を用いている。
この圧電体４２は、短辺方向の長さが約１０ｍｍ、長辺
方向の長さが約４３ｍｍ、厚さが約０．５ｍｍの薄板状
に形成されて、弾性体１１−１に接着されている。弾性
体１１−１、圧電体４２および比較例として用いた圧電
体の各材料の特性値を下表に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】表１に記載された弾性体１１−１と圧電体
４２とを接合した振動アクチュエータ１０−１の単体の
共振周波数の温度係数を測定した結果、−１００ [ppm/
°C]となった。これに対して、従来例の構成の振動アク
チュエータで、前記温度係数を測定した結果、−２００
［ppm/ °C]となった。なお、圧電体４２としては、表
中の製品以外でも、同様の共振周波数温度特性を有する
製品であれば適用できる。例えば、住友金属工業（株）
製の製品名「４Ｂ」（＋４４０ｐｐｍ／℃）や「５Ｅ」
（＋３００ｐｐｍ／℃）を使用することができる。

【００３３】（変形形態）以上の各実施形態では、１次
の縦振動と４次の屈曲振動とを用いた振動アクチュエー
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い。１次以上
の縦振動と１次以上の屈曲振動とを用いる振動アクチュ
エータに対しても適用することができる。

【００３４】また、以上の各実施形態の説明では、電気
機械変換素子として圧電体を用いたが、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。電気エネルギを機械的変位に変換することが
できる素子であればよく、圧電体以外に、電歪素子等を
用いてもよい。

【００３５】また、第１の交流電圧と第２の交流電圧の
間の電気的な位相差を９０度または−９０度としたが、
この値に限定されるものではない。例えば、最も効率の
よい位相差を設定し、その状態で駆動周波数を制御する
ように構成してもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、周波数温度係数の小さな振動アクチュエータが実
現できるので、制御系による温度補償が不要又は簡単に
なり、製造コストの低減を図ることができる、という効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動アクチュエータの第１実施形
態を示す斜視図である。

【図２】第１実施形態にかかる振動アクチュエータの駆
動回路を示したブロック図である。

【図３】第２実施形態の超音波アクチュエータの振動子
とこの振動子に発生する振動モードとの関係を示す概略
図である。

【符号の説明】

１０振動アクチュエータ１１弾性体１２圧電体２０駆動装置２１制御回路２２発振器２３移相器２４，２５増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性体と、前記弾性体に接合されて、駆動信号の印加によって、前
記弾性体を励振する電気機械変換素子と、を備え、前記弾性体の共振周波数の温度係数と、前記電気機械変
換素子の共振周波数の温度係数とは、互いの符号が異な
り、また、前記温度係数の絶対値の差が所定の範囲とな
るように設定されてい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に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記弾性体は、直方体状に形成されており、前記電気機械変換素子は、前記弾性体の一平面に接合さ
れていることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】弾性体と、前記弾性体に接合されて、駆動信号の印加によって、前
記弾性体を励振する電気機械変換素子とを備え、前記弾性体は、金属材料によって形成され、前記電気機械変換素子は、共振周波数の温度係数が正の
４００以上の材料が用いられていることを特徴とする振
動アクチュエータ。
【請求項４】請求項３に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記弾性体は、直方体状に形成されており、前記電気機械変換素子は、前記弾性体の一平面に接合さ
れていることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項５】弾性体と電気機械変換素子とを備え、前
記電気機械変換素子に駆動信号を供給することで電気エ
ネルギを機械的変位に変換して駆動力を得る振動アクチ
ュエータの製造方法であって、弾性体を用意する工程と、前記弾性体に前記電気機械変換素子を接合する工程とを
含み、前記電気機械変換素子は、この電気機械変換素子の共振
周波数の温度係数が、前記弾性体の共振周波数の温度係
数の値と符号が逆であり、また、この電気機械変換素子
の共振周波数の温度係数の絶対値と、前記弾性体の共振
周波数の温度係数の絶対値との差が、所定の範囲となる
ものから選択されてい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６】請求項５に記載された振動アクチュエー
タの製造方法において、前記弾性体は、直方体状に形成されており、前記電気機械変換素子は、前記弾性体の一平面に接着さ
れることを特徴とする振動アクチュエータの製造方法。
【請求項７】請求項５に記載された振動アクチュエー
タの製造方法において、前記弾性体は、金属材料によって形成され、前記電気機械変換素子は、共振周波数の温度係数が正の
４００以上の材料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。