JP2001095269A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 部品点数が少なく、加工が容易であり、しか
も、小形化が可能な振動アクチュエータを提供する。 【解決手段】 所定の回転軸回りに振動するねじり振動
Ｔと、回転軸方向に振動する縦振動Ｌとを行うことで、
回転軸方向の端面に楕円運動を発生させる弾性体１４
と、弾性体１４に縦振動と前記ねじり振動とを発生させ
る圧電素子３４、３６とを備え、圧電素子３４、３６
は、少なくとも、圧電係数ｄ₁₅によって生じる変形によ
って弾性体１４にねじり振動を起こす第１の変換部Ｔを
有し、第１の変換部Ｔは、弾性体１４の外表面に設置さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、縦振動と捩じり振
動を合成して、振動子を励振する振動アクチュエータに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の振動アクチュエータは、
小型，軽量，低速，高トルクを特徴としており、カメラ
製品などを始めとして、次々に実用化が行われ、近年、
その開発もよりいっそう活発に進められてきている。こ
の振動アクチュエータは、弾性体及びこの弾性体に接合
された圧電素子などの電気機械変換素子とを組み合わせ
た振動子と、その振動子に加圧接触された相対運動部材
とを備えており、電気機械変換素子の逆圧電効果によ
り、振動子を共振モードで励振し、この共振により発生
する大振幅を、相対運動部材の駆動力として利用してい
る。

【０００３】振動アクチュエータは、振動子を励振する
振動モードとして、屈曲振動，縦振動，捩じり振動など
をあげることができるが、高トルクを得ようとする場合
には、特に、捩じり振動又は捩じり振動と縦振動の組み
合わせが有効である。この振動アクチュエータは、さら
に高トルクを得ようとする場合に、振動子に捩じり振動
の共振モードを励起することが必要である。

【０００４】従来、この種の振動アクチュエータは、弾
性体に捩じり振動を励起するには、ｄ₁₅と呼ばれる剪断
変形を起こす電気機械変換素子を用いていた。この電気
機械変換素子は、（１）軸方向に垂直に複数配置した
り、（２）弾性体を軸方向に２つ割り（２つ割り型）し
て、その間に平行に配置する（特開平８−１０３０８９
号など）などして、捩じり方向の力を発生させていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記（１）の
振動アクチュエータは、捩じり振動用の電気機械変換素
子を周方向に分極する必要があるので、６〜８個程度扇
型の小片に分割して、各小片を分極した後に、再度環状
に組み合わせていたので、部品点数が多くなると共に、
環状に組み合わせるときに、形状精度をだすことが困難
であるという問題があった。

【０００６】前記（２）の振動アクチュエータは、弾性
体を軸方向に２つ割りして、その間に電気機械変換素子
を挟んで、締め付けるために、弾性体の加工や組立が面
倒であるという問題があった。また、（１）のものと比
較して、小型化には有利であるが、電気機械変換素子の
厚さを維持しながら、極端に小径化を行うと、中空部の
スペースが円形から外れてきて、軸を通すための空間が
確保できないという問題があった。

【０００７】本発明は、部品点数が少なく、加工が容易
であり、しかも、小形化が可能な振動アクチュエータを
提供することを課題とする。

【０００８】

【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では、所定の回転軸回りに振動するねじり
振動と、前記回転軸方向に振動する縦振動とを行うこと
で、前記回転軸方向の端面に楕円運動を発生させる弾性
体と、前記弾性体に前記縦振動と前記ねじり振動とを発
生させる電気機械変換素子と、を備え、該電気機械変換
素子は、少なくとも、圧電係数ｄ₁₅によって生じる変形
によって前記弾性体にねじり振動を起こす第１の変換部
を有し、該第１の変換部は、前記弾性体の外表面に設置
されている振動アクチュエータを提供する。

【０００９】請求項２の発明では、所定の回転軸回りに
振動するねじり振動と、前記回転軸方向に振動する縦振
動とを行うことで、前記回転軸方向の端面に楕円運動を
発生させる弾性体と、前記弾性体に前記縦振動と前記ね
じり振動とを発生させる電気機械変換素子と、を備え、
該電気機械変換素子は、少なくとも、厚みすべり振動を
行うことで前記弾性体にねじり振動を起こす第１の変換
部を有し、該第１の変換部は、前記弾性体の外表面に設
置されている振動アクチュエータを提供する。

【００１０】請求項３の発明では、所定の回転軸回りに
振動するねじり振動と、前記回転軸方向に振動する縦振
動とを行うことで、前記回転軸方向の端面に楕円運動を
発生させる弾性体と、前記弾性体に前記縦振動と前記ね
じり振動とを発生させる電気機械変換素子と、を備え、
該電気機械変換素子は、少なくとも、前記ねじり振動を
発生させる第１の変換部と前記縦振動を発生させる第２
の変換部とを有し、前記第１の変換部は、直方体状に形
成されるとともに、複数の電気エネルギの授受部が共に
露出した状態で、かつ同一平面上に形成されている振動
アクチュエータを提供する。

【００１１】請求項４の発明では、所定の回転軸回りに
振動するねじり振動と、前記回転軸方向に振動する縦振
動とを行うことで、前記回転軸方向の端面に楕円運動を
発生させる弾性体と、前記弾性体に前記縦振動と前記ね
じり振動とを発生させる直方体状の電気機械変換素子
と、を備え、前記弾性体は、前記電気機械変換素子が接
合される平面状の接合面を有し、前記電気機械変換素子
は、少なくとも、前記ねじり振動を発生させる第１の変
換部と前記縦振動を発生させる第２の変換部とを有し、
前記第１の変換部は、前記接合面に対し、該接合面に平
行で、かつ前記回転軸に垂直な方向に力を作用させるこ
とで前記ねじり振動を発生させる振動アクチュエータを
提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面などを参照しながら、
本発明の実施の形態をあげて、さらに詳細に説明する。
なお、以降の各実施形態では、振動アクチュエータとし
て、超音波域の振動を用いる超音波アクチュエータを例
に説明する。 [第１実施形態]図１は、本実施形態の超音波アクチュエ
ータの構成を示す概略断面図である。図２は、図１の超
音波アクチュエータの振動子に励振される振動のモード
を示す説明図である。

【００１３】図１に示す超音波アクチュエータは、振動
子１１と加圧部材２４等を備えている。移動子２１は、
振動子１１から駆動力を得て固定軸２０を回転軸として
回転する。移動子２１は、厚肉の円環状に形成されてお
り、移動子部材２１ａと、移動子部材２１ａの下面に備
えられた摺動材２１ｂとから構成されている。移動子部
材２１ａは、ステンレス鋼、アルミニウム合金等からな
る部材である。また、移動子部材２１ａは、外周面に、
その回転出力を不図示の被駆動体の歯車に伝達するため
の歯車２３を有する。一方、摺動材２１ｂは、高分子材
料等を主成分とし、振動子１１の駆動面Ｄと接触して摺
動するための部材である。

【００１４】移動子２１は、ベアリング２２を介して固
定軸２０に取り付けられている。ベアリング２２は、移
動子２１の固定軸２０回りの回転を可能とするととも
に、移動子２１を固定軸２０の所定の位置に位置決めす
る位置決め部材としての役割を果たしている。固定軸２
０は、移動子２１が取り付けられている位置より上側に
ねじ部２０ａを有し、このねじ部２０ａには、ナットな
どの調整部材２５がねじ止めされている。また、調整部
材２５と移動子２１との間には、皿バネ、コイルバネ又
は板バネ等の加圧部材２４が配置されている。加圧部材
２４は、移動子２１を振動子１１の方向へ加圧するため
の部材である。移動子２１は、この加圧部材２４で発生
する加圧力を受けて、振動子１１の駆動面Ｄに加圧接触
する。また、調整部材２５は、ねじ止めされている位置
を変化させることにより、加圧部材２４を適度に圧縮
し、移動子２１へ加わる加圧力を調整する。

【００１５】振動子１１は、図２に示されるように、１
次の縦振動（Ｌ１モード）と、２次の捩り振動（Ｔ２モ
ード）とを励振されることにより、駆動面Ｄに楕円運動
を発生させる。この振動子１１は、４つの大径部１４
Ａ、１４Ｂ、１４Ｃおよび１４Ｄと、３つの小径部１４
ａ、１４ｂおよび１４ｃとを有する厚肉の円筒状部材で
ある。小径部１４ａおよび１４ｃは、２次の捩り振動の
節部を含む位置に、小径部１４ｂは、１次の縦振動の節
部を含む位置にそれぞれ形成されている。このように、
振動子１１を４つの大径部と３つの小径部とを有する形
状とするのは、振動子１１の剛性を局部的に変化させる
ことにより、１次の縦振動と２次の捩り振動の共振周波
数をほぼ一致させ、振動子１１にいわゆる縮退を生じさ
せるためである。

【００１６】図１に示すように、振動子１１は、小径部
１４ｃの位置において、固定軸２０と垂直に交わる方向
へ振動子１１を貫く貫通孔３０を有する。この貫通孔３
０は、ピン３２を通すための孔部である。ピン３２は、
振動子１１の貫通孔３０と、固定軸２０に設けられてい
る貫通孔２０ｂとを貫通することにより、振動子１１を
固定軸２０に固定する。これにより、振動子１１は、固
定軸２０の主軸方向に対して位置決めされる。また、振
動子１１と固定軸２０との間には、大径部１４Ａおよび
１４Ｄの位置において、筒状部材（カラー）３３が各々
１つずつ配置されている。筒状部材３３は、振動子１１
と固定軸２０との間隙を埋めることにより、振動子１１
を径方向に位置決めする部材である。

【００１７】次に、振動子１１の構成について、さらに
詳しく説明する。図３は、振動子１１の分解斜視図であ
る。また、図４（ａ）は、図１の超音波アクチュエータ
の正面図であり、図４（ｂ）は側面図、図４（ｃ）は背
面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）と９０°異なる
角度から見た状態を示すと共に、圧電素子の分極の方向
（矢印で示す）を表している。

【００１８】図３に示すように、振動子１１は、弾性体
１４と２つの圧電素子３４および３６とから主に構成さ
れている。弾性体１４は、厚肉の略円筒状の部材であっ
て、円筒の中心線に沿って形成された中心穴１４ｆを有
する。この弾性体１４は、鉄鋼、ステンレス鋼又はリン
青銅等の金属材料により形成されている。弾性体１４の
外周面には、前述した小径部１４ａ、１４ｂおよび１４
ｃが設けられている。また、弾性体１４の外周面には、
２つの平面１４ｄおよび１４ｅが設けられている。平面
１４ｄと１４ｅとは、円筒の中心線を挟んで互いに平行
となるように形成されている。

【００１９】平面１４ｄおよび１４ｅは、それぞれ圧電
素子３４および３６を接着剤などにより接合し、圧電素
子３４、３６によって発生する振動を弾性体１４に伝達
するための面である。平面１４ｄは、弾性体１４の下端
から全長にわたって、弾性体１４の中心軸Ａに平行に設
けられた面である。一方、平面１４ｅは、中心軸Ａを中
心に平面１４ｄを１８０°回転させた位置に設けられた
同一形状の面である。なお、中心軸Ａは、弾性体１４の
中心軸であるとともに、移動子２１の回転軸でもある。

【００２０】圧電素子３４、３６は、共に同じ構成を有
する、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。このような電気機械変換素子としては、
例えば、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）を用いることが
できる。圧電素子３４、３６は、中心軸Ａ方向の長さ
が、弾性体１４の長さよりも所定の分だけ短く設定され
ており、下端を弾性体１４の下端と揃えた状態でこの弾
性体１４に接着されている。これらの圧電素子３４、３
６は、それぞれ、２次のねじり振動と電気エネルギとを
相互に変換可能な部分（以下、第１の変換部Ｔという）
と、１次の縦振動と電気エネルギとを相互に変換可能な
部分（以下、第２の変換部Ｌという）とが一体になった
板状の形状を有する。圧電素子３４、３６では、図４
（Ｂ）に示すように、第１の変換部Ｔは、圧電素子３
４、３６の長手方向（図中下向き）に分極されている。
また、第２の変換部Ｌは、弾性体１４との接合面に向か
うように圧電素子３４、３６の厚さ方向に分極されてい
る。第１の変換部Ｔと第２の変換部Ｌとの境界は、弾性
体１４に発生する２次のねじり振動の２つの節位置のう
ち、駆動面に近い側の節と略一致するようになってい
る。

【００２１】第１の変換部Ｔは、圧電素子３４，３６に
おける圧電係数（圧電効果）ｄ₁₅による変形（せん断変
形）を起こし、この変形によって弾性体１４に２次のね
じり振動（以下、Ｔモードという）を発生させる。ま
た、逆に、ねじり振動の振幅に対応した電気エネルギ
（電圧）を発生させることもできる。これに対して、第
２の変換部Ｌは、圧電素子３４，３６における圧電係数
（圧電効果）ｄ₃₁による変形を起こし、この変形によっ
て弾性体１４に１次の縦振動（以下、Ｌモードという）
を発生させる。また、逆に、縦振動の振幅に対応した電
気エネルギ（電圧）を発生させることもできる。

【００２２】圧電素子３４、３６の表裏２つの平面に
は、電気エネルギを授受するための電極が、スクリーン
印刷等の方法を用いて形成されている。まず、表側（弾
性体１４に接合される平面とは反対側の平面）について
説明する。圧電素子３４、３６の第１の変換部Ｔにおい
ては、Ｔモード発生用の駆動信号（交流電圧）を入力す
るための電極３７ａ、３７ａ’と、Ｔモードの振動状態
を検出するための２つのピックアップ用の電極３７ｐが
設けられている。これらの電極は、第１の変換部Ｔ表面
の四隅に配置される。ピックアップ用の電極３７ｐは、
圧電素子１２の駆動面Ｄ側の角に配置される。これら２
つの電極３７ｐは、圧電素子３４、３６の幅方向の中間
部に所定の間隔をおいて配置される。電極３７ａ、３７
ａ’は、圧電素子３４、３６の長さ方向に関して、電極
３７ｐよりも中央側に配置される。また、圧電素子３
４、３６の幅方向に関しては、電極３７ｐとほぼ同じ位
置に配置される。

【００２３】また、圧電素子３４、３６の第２の変換部
Ｌにおいては、Ｌモード発生用の駆動信号（交流電圧）
を入力するための電極３７ｂと、Ｌモードの振動状態を
検出するためのピックアップ用の電極３７ｐ’が設けら
れている。ピックアップ用の電極３７ｐ’は、圧電素子
３４、３６の端部（下端）側に配置される。また、圧電
素子３４、３６の幅方向全体にわたって配置されてい
る。これに対して、電極３７ｂは、圧電素子３４、３６
の長さ方向に関し、電極３７ｐ’よりも中央側（駆動面
Ｄ側）に配置される。また、圧電素子３４、３６の幅方
向全体にわたって配置されている。なお、これら各電極
は、３７ａ、３７ａ’、３７ｂ、３７ｐ、３７ｐ’は、
電気的に独立するように互いに離れた状態で形成されて
いる。

【００２４】これに対して、圧電素子３４、３６の裏側
（弾性体１４との接合面側の平面）においては、図３に
示すように、第２の変換部Ｌの領域全体にわたって電極
３７ｇが設けられている。そして、第１の変換部Ｔの領
域（図３でＸで示す部分）には、電極が設けられていな
い。一般に、振動アクチュエータにおいては、金属製の
弾性体をグランドとして用いるが、本実施形態の場合、
第１の変換部Ｔにおいては、電界は圧電素子３４、３６
の表面に設けられた２つの電極３７ａ、３７ａ’間に生
じることが必要である。圧電素子３４、３６の裏面にも
電極を設けてしまうと、電界が２つの電極３７ａ、３７
ａ’間ではなく、これらの電極３７ａ、３７ａ’と弾性
体１４との間に生じてしまい、圧電係数ｄ₁₅による効果
を得られなくなってしまう。そこで、本実施形態では、
第１の変換部Ｔの領域においては、弾性体１４との接合
面には電極を設けないようにしている。

【００２５】各電極３７ａ、３７ａ’、３７ｂ、３７
ｐ、３７ｐ’は、図４に示すように、それぞれ、後述す
る駆動回路４０と電気的接続をとるための端子が接続さ
れている。つまり、圧電素子３４、３６において、電極
３７ａには端子Ａが、電極３７ａ’には端子Ａ’が、電
極３７ｂには端子Ｂが、電極３７ｐには端子ＰＴが、電
極３７ｐ’には端子ＰＬが、それぞれ接続される。ま
た、電極３７ｇは、弾性体１４を介してグランド用の端
子Ｇと電気的に接続される。

【００２６】図５は、本実施形態の超音波アクチュエー
タの駆動回路４０を示すブロック図である。この駆動回
路４０は、所定の周波数の交流電圧を生成する発振器４
１と、発振器４１からの交流電圧の位相を＋９０°また
は−９０°変える移相器４２と、移相器４２の出力を増
幅して電極３７ａとに接続された端子Ａに出力する増幅
器４３と、移相器４２から出力された交流電圧の位相を
−１８０°変える移相器４４と、移相器４４の出力を増
幅して電極３７ａ’に接続された端子Ａ’に出力する増
幅器４５と、発振器４１からの交流電圧を増幅して電極
３７ｂに接続された端子Ｂに出力する増幅器４６とを備
えている。さらに、電極３７ｐに接続された２つの端子
ＰＴおよび電極３７ｐ’に接続された端子ＰＬから出力
された各ピックアップ信号を入力して、発振器４１から
出力される交流電圧の電圧や周波数を制御する制御器４
７などを備えている。

【００２７】次に、本実施形態の超音波アクチュエータ
の動作について説明する。図６は、圧電素子３４、３６
における、第１の変換部Ｔの構成と変形の状態を示す説
明図である。図６（Ａ）は、第１の変換部Ｔのうち、Ｔ
モードの発生に寄与する領域（以下、Ｔモード励振領域
Ｙという）だけを取り出して、その電極と分極の方向を
示す概略図である。図６（Ｂ）と図６（Ｃ）は、Ｔモー
ド励振領域Ｙにおいて、電極３７ａ、３７ａ’間に電圧
を印加したときに、このＴモード励振領域Ｙが変形した
状態を示す概略図である。

【００２８】Ｔモード励振領域Ｙは、前述のように、圧
電係数（圧電効果）ｄ₁₅による変形を起こして、弾性体
１４に２次のねじり振動を発生させる。このＴモード励
振領域Ｙは、本実施形態においては、圧電素子３４、３
６の長手方向において、略電極３７ａ、３７ａ’が設け
られた長さ分に相当する領域である。図６（Ｂ）に示す
ように、電界の向きが電極３７ａから電極３７ａ’に向
かう場合、Ｔモード励振領域Ｙは、分極方向との関係か
ら、図の上辺側が左側に変位し、下辺側が右側に変位す
る。その結果、略菱型（平行四辺形）状に変形する。ま
た、図６（Ｃ）に示すように、電界の向きが電極３７
ａ’から電極３７ａに向かう場合、Ｔモード励振領域Ｙ
は、図の上辺側が右側に変位し、下辺側が左側に変位し
て、略菱型（平行四辺形）状に変形する。したがって、
電極３７ａ、３７ａ’間に交流電圧を印加すると、Ｔモ
ード励振領域Ｙは、図６（Ｂ）に示す変形と、図６
（Ｃ）に示す変形を交互に繰り返すことによって、厚み
すべり振動を起こす。

【００２９】図７は、本実施形態の超音波アクチュエー
タにおいて、第１の変換部Ｔによって生じる弾性体１４
の変形状態を示す概略図である。圧電素子３４、３６
は、各電極の配置が同じで、かつ対応する電極には互い
に同一の電圧が印加されるので、前記厚みすべり振動の
位相は等しくなる。そのため、弾性体１４のＴモードの
節となる位置（溝部１４ｃ）の表面部に、この弾性体１
４を介して対向する位置に配置された２つの圧電素子３
４、３６の第１の変換部Ｔが、図６（Ｂ）、（Ｃ）のよ
うに変形すると、圧電素子３４、３６は、図７に示すよ
うな矢印ｐ、ｑで表される力を弾性体１４に作用させ
る。この力ｐ、ｑは、各圧電素子３４、３６の平面部
（つまり、平面１４ｄ、１４ｅ）に平行で、かつ中心軸
Ａに垂直な方向を、主なベクトル成分とするものであ
る。そして、力ｐと力ｑは、互いに反対の方向を向いて
いる。したがって、第１の変換部Ｔの変形は、弾性体１
４のＴモードのねじり変形成分と同じベクトル成分を有
する。そのため、圧電素子３４、３６で発生する前記厚
みすべり振動により、結果的に、弾性体１４にＴモード
を発生させることができる。また、第１の変換部Ｔにお
ける、Ｔモード励振領域Ｙ以外の領域も、Ｔモード励振
領域Ｙと同様に振動する。したがって、電極３７ｐから
は、２次のねじり振動（厚みすべり振動）の振幅に対応
した出力（電圧）を取り出すことができる。

【００３０】次に、弾性体１４に縦振動を発生させる過
程について説明する。圧電素子３４、３６は、圧電係数
（圧電効果）ｄ₃₁による変形を起こして、弾性体１４に
１次の縦振動を発生させる。第２の変換部Ｌにおいて、
図４に示すように、電極３７ｂが設けられた領域が、Ｌ
モードの発生に寄与する領域（以下、Ｌモード励振領域
Ｚという）となる。このＬモード励振領域Ｚにおいて、
電極３７ｂと電極３７ｇとの間に交流電圧を印加する
と、Ｌモード励振領域Ｚは、圧電素子３４、３６の長さ
方向に伸縮変形し、縦振動が発生する。その結果、弾性
体１４には、１次の縦振動が発生する。また、第２の変
換部Ｌにおける、Ｌモード励振領域Ｚ以外の領域も、Ｌ
モード励振領域Ｚと同様に振動する。したがって、電極
３７ｐ’からは、１次の縦振動の振幅に対応した出力
（電圧）を取り出すことができる。

【００３１】前述の駆動回路４０によって、Ｔモード励
振領域Ｙに印加される交流電圧と、Ｌモード励振領域Ｚ
に印加される交流電圧との間には略９０°の位相差が設
定されている。そのため、前記２次のねじり振動と前記
１次の縦振動とが合成されることで、弾性体１４の駆動
面Ｄには楕円運動が発生する。そして、この駆動面Ｄに
加圧された状態で接触している移動子２１は、前記楕円
運動によって所定の方向に回転駆動される。

【００３２】また、移相器４２によって、端子Ａに印加
される交流電圧と端子Ｂに印加される交流電圧との位相
差の関係を逆（例えば、＋９０°→−９０°）にすれ
ば、移動子２１の回転方向を逆方向に切り換えることが
できる。図８は、振動子１４の動作を模式的に示す説明
図である。以下、図８を用いて、前述のように９０°の
位相差を有する縦振動と捩り振動を振動子１１に励振さ
せると、駆動面Ｄに楕円運動が生じて移動子２１が一方
の方向へ回転駆動されることを説明する。なお、以下に
おいて、交流電圧の周波数（駆動周波数）をｆとしたと
きの角周波数をω（＝２πｆ）と表示する。

【００３３】図８に示すように、ｔ＝（６／４）×（π
／ω）の時点では、捩り振動の変位は、左側に最大であ
り、縦振動の変位は零である。この状態で移動子２１
は、加圧部材２４によって振動子１１の駆動面Ｄに接触
している。この状態から、ｔ＝（７／４）×（π／ω）
〜０〜（２／４）×（π／ω）までは、捩り振動が左側
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１１の駆動面Ｄは、移動子２１を押しながら
右方向に回転し、移動子２１は駆動される。

【００３４】次に、ｔ＝（２／４）×（π／ω）〜（６
／４）×（π／ω）までは、捩り振動が右側の最大から
左側の最大まで変位する。一方、縦振動は、零から下側
の最大へ変位し再び零に戻る。したがって、振動子１１
の駆動面Ｄは、移動子２１から離れながら左方向に回転
する。よって、移動子２１は駆動されない。このとき
に、振動子１１の振動数が加圧部材２４の固有振動数よ
りも低く設定されていれば、移動子２１は、加圧部材２
４により加圧されていても、振動子１１の縮みに追従す
ることはない。

【００３５】圧電素子３４、３６に交流電圧を印加して
いる間、駆動面Ｄは、上記の楕円運動を繰り返し、その
結果として、移動子２１は、一定の方向に駆動される。
本実施形態の超音波アクチュエータでは、弾性体１４の
外表面に圧電素子３４、３６を設けた構成で、縦振動と
ねじり振動とを発生させるので、以下のような種々の効
果がある。 （１）弾性体１４を複数に分割する必要がないので、極
めて容易に加工することができる。 （２）弾性体１４の駆動面Ｄに、分割時に生じる境界線
が現われなので、平面度がよくなる。そのため、移動子
２１の回転むらを抑えることができる。 （３）圧電素子３４、３６を弾性体１４の外表面に接着
すればよいので、組み立てが容易になる。そのため、接
着時の位置決め精度がよくなり、振動子１１の固体差が
低減される。 （４）圧電素子３４、３６は、中心軸Ａから最も離れた
外表面に力を作用させ、この外表面を作用面としてＴモ
ードの励振を行なう。そのため、モーメントが大きくな
り、励振効率が向上する。

【００３６】例えば、従来の２つ割り型の場合、ねじり
振動を励振する圧電素子で発生する力が励振に最も寄与
する箇所は、溝部（くびれ部）の圧電素子と弾性体とが
接着されている部分であった。そして、圧電素子の露出
部は、励振にはあまり寄与しないため、溝部の径を極端
に小さくすると、励振作用を十分に得ることができなく
なってしまう。しかし、本実施形態の構成によれば、溝
部の径を極端に小さくしても、励振力には殆ど影響しな
い。そのため、溝部の径を小さくして剛性を下げること
により、小さな励振力でもＴモードを発生させ易くな
る。また、共振周波数を大幅に下げることができるよう
になるので、振幅も大きくなる。 （５）圧電素子３４、３６は、ねじり振動と電気エネル
ギとを相互に変換可能な部分（第１の変換部Ｔ）と、縦
振動と電気エネルギとを相互に変換可能な部分（第２の
変換部Ｌ）とが一体に形成されているので、部品点数が
少なくて済む。 （６）振動子１１は、弾性体１４の径を小さくしても、
圧電素子を薄く（小さく）することなく（高出力のま
ま）、十分に支持軸用のスペースを確保することができ
る。 （７）圧電素子３４、３６においては、Ｔモードの節と
なる位置が発熱源となていたが、本実施形態では、圧電
素子３４、３６がほぼ全体露出した形態となっているの
で、放熱効率が極めて高く、温度上昇に起因する振動ア
クチュエータの共振周波数の変化を抑制することができ
る。

【００３７】［第２実施形態］図９は、本発明による振
動アクチュエータの第２実施形態を示す正面図，側面図
及び背面図である。なお、以下に説明する各実施形態で
は、前述した第１実施形態と同様な機能を果たす部分に
は、同一の符号を付すか、末尾に統一した符号を付し
て、重複する説明を適宜省略する。

【００３８】第２実施形態では、Ｔモード励振用の圧電
素子３４ａ，３４ａ’は、第１実施形態と同様にｄ₁₅効
果を利用しているが、Ｌモード励振用の圧電素子３７
ｃ，３７ｃ’は、ｄ₃₃効果を利用している。第１実施形
態は、Ｌモードを励振する場合に、圧電素子３７ｂのｄ
₃₁の効果を利用していた。ｄ₃₁効果は、分極方向（３）
と印加する電界の方向（３）が同じである。そして、圧
電素子３７ｂは、その厚みが変化するときに、面内方向
に拡縮する成分を用いて、Ｌモードを励振している。こ
れには、圧電素子３７ｂの厚み方向に電圧を加えるため
に、高電圧回路を用いなくても高電界を与えられるとい
う利点があった。

【００３９】これに対して、第２実施形態の圧電素子３
７ｃ，３７ｃ’は、ｄ₃₃効果によってＬモードを励振し
ている。ｄ₃₃効果は、ｄ₃₁効果のように分極方向と印加
する電界の方向は同じであるが、Ｌモードの励振には、
分極及び電界方向と同じ方向成分を用いる。この場合
に、圧電素子は、その厚みｍをあまり厚くしてしまう
と、電界が奥行き方向に十分に行き届かない箇所が出て
くる可能性がある。また、電極のパターン間距離ｎを離
しすぎると、電界強度が弱くなりすぎて、発生力が不足
してしまうことも考えられる。しかし、圧電素子３４
Ｂ、３６Ｂの厚みｍや電極３７のパターン間距離ｎ、印
加電圧Ｖなどを十分に最適化すれば、ｄ₃₁効果よりも効
果的な励振を期待できる。

【００４０】その理由を以下に述べる。ｄ₃₁効果は、圧
電素子が厚み方向に伸縮するときに、ポアソン比で定ま
る面内方向の拡縮成分をＬモードの励振に用いている。
しかし、ｄ₃₃効果は、圧電素子の分極及び電界と同じ方
向の伸縮成分を直接用いるので、変形量は、ｄ₃₁効果の
約３倍となる。また、Ｔモードについても、ｄ₁₅効果に
よって励振することを考えると、ｄ₃₃効果と同じ分極方
向［図９（Ｂ）参照］で済むので、圧電素子の構造も単
純化できる。

【００４１】なお、圧電素子３４Ｂ、３６Ｂは、弾性体
１４側の面には、電極パターンを印刷しない。一般に、
振動アクチュエータは、弾性体１４をＧＮＤにするが、
本実施形態の場合には、電界は外側の圧電素子の面に設
けた２つの電極間に生じることが必要である。弾性体１
４側の圧電素子の面には、電極パターンを印刷してしま
うと、電界が２つの電極間ではなく、電極と弾性体の間
に生じてしまうために、ｄ₃₃の効果が得られなくなって
しまう。よって、弾性体１４をＧＮＤにして、かつ、ｄ
₃₃効果を得るには、弾性体１４側の圧電素子の面には、
電極パターンを印刷しないことが必要である。

【００４２】図１０は、第２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。この実施
形態の駆動回路４０Ｂは、所定周波数の交流電圧を発振
する発振器４１と、発振器４１からの交流電圧の位相を
±９０°変える移相器４２と、移相器４２の出力を増幅
して、Ａ端子に接続する増幅器４３と、移相器４２から
の交流電圧の位相を−１８０°変える移相器４４と、移
相器４４の出力を増幅して、Ａ’端子に接続する増幅器
４５と、発振器４１からの交流電圧を増幅して、Ｂ端子
に接続する増幅器４６と、発振器４１からの交流電圧の
−１８０°変える移相器４８と、移相器４８の出力を増
幅して、Ｂ’端子に接続する増幅器４９と、ＰＴ端子及
びＰＬ端子からのピックアップ信号を入力して、発振器
４１の駆動信号（電圧，周波数）を制御する制御器４８
などを備えている。

【００４３】第２実施形態によれば、縦励振用の圧電素
子は、ｄ₃₃効果を利用しているので、変形量がｄ₃₁効果
の約３倍となり、効率のよい励振が可能となる。また、
Ｌモードをｄ₃₃効果、Ｔモードをｄ₁₅効果によって励振
するので、同じ分極方向で済み、圧電素子の構造が単純
化できる。

【００４４】［第３実施形態］図１１は、本発明による
振動アクチュエータの第３実施形態の圧電素子を示す図
である。第３実施形態の圧電素子３８は、幅方向に分極
されており、捩じり振動の部分には、幅方向にピックア
ップ用、グランド用、捩じり励振用の電極３８ｐ，３８
ｇ，３８ａが形成されており、縦振動の部分には、長さ
方向の両側に、グランド用、縦励振用の電極３８ｇ’，
３８ｂ、それらの下側に、ピックアップ用の２つの電極
３８ｐ’が形成されている。

【００４５】第３実施形態は、捩じり励振用の圧電素子
３８ａ、３８ａ’は、ｄ₃₁効果を利用しており、縦励振
用の圧電素子３８ｂ、３８ｂ’は、ｄ₁₅効果を利用して
いる。第３実施形態も、同じ分極方向（幅方向）で済
み、圧電素子の構造が単純化できる。

【００４６】［第４実施形態］図１２は、本発明による
振動アクチュエータの第４実施形態の圧電素子を示す図
である。第４実施形態の圧電素子３９は、長さ方向に分
極されており、捩じり振動の部分には、長さ方向の左側
にグランド用、右側にピックアップ用、捩じり励振用の
電極３９ｇ，３９ｐ，３９ａが形成されており、縦振動
の部分には、幅方向に渡り、縦励振用、グランド用の電
極３９ｂ，３９ｇ’、それらの下側に、ピックアップ用
の電極３９ｐ’が形成されている。

【００４７】第４実施形態は、捩じり励振用の圧電素子
３９ａは、ｄ₃₁効果を利用しており、縦励振用の圧電素
子３９ｂは、ｄ₃₃効果を利用している。第４実施形態
も、同じ分極方向（長さ方向）で済み、圧電素子の構造
が単純化できる。 ［変形形態］以上説明した実施形態に限定されることな
く、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明
の均等の範囲内である。 （１） 本実施形態では、弾性体に捩り２次モード振動
と縦１次モード振動が生じる異形モード縮退型振動子の
場合の、特に捩り２次モードについて説明したが、振動
波を利用したモータであれば、すべて本発明と同様の効
果が得られるために、それらは、本発明にすべて含まれ
る。 （２）第１実施形態において、図６（Ｂ）に示すよう
に、電極３７ａ−１，３７ａ’−１のように、圧電素子
の厚み部分に回り込むように形成してもよい。 （３）弾性体１４は、円筒形に限らず、図１３（Ａ），
（Ｂ）に示すように、外形が４角形や６角形などの多角
形であってもよい。 （４）図１３（Ｃ）に示すように、溝部１４ａの径を小
さく、かつ、平面部１４ｄ，１４ｄをできるだけ深くし
て、圧電素子３４、３６を溝部１４ａ近くに配置するこ
とにより、剛性を下げて、小さな励振力で駆動すること
が可能となる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
弾性体を分割することなく、捩り振動を励振することが
できるので、従来は、困難であった縦−捩り型の振動ア
クチュエータにおいても、生産性の向上、低コスト化、
小型化、効率向上、発熱の低減などを図ることができ
る、という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す概略断面図である。

【図２】図１の超音波アクチュエータの振動子に励振さ
れる振動のモードを示す説明図である。

【図３】本発明による振動アクチュエータの第１実施形
態を示す展開斜視図である。

【図４】第１実施形態に係る振動アクチュエータを示す
正面図，側面図及び背面図である。

【図５】第１実施形態による振動アクチュエータの駆動
回路を示す図である。

【図６】第１実施形態に係る振動アクチュエータの圧電
素子を示す図であって、図４（Ａ）は、Ｔモード励振用
圧電素子のｄ₁₅の部分だけを取り出して、その電極と分
極の方向を説明した図、図４（Ｂ），（Ｃ）は、Ｔモー
ド励振用圧電素子に電圧を印加して、そのときの変形状
態を示した図である。

【図７】第１実施形態に係る振動アクチュエータの弾性
体の変形を示す図である。

【図８】振動子１４の動作を模式的に示す説明図であ
る。

【図９】本発明による振動アクチュエータの第２実施形
態を示す正面図，側面図及び背面図である。

【図１０】第２実施形態に係る振動アクチュエータの駆
動回路を示す図である。

【図１１】第３実施形態による振動アクチュエータの圧
電素子を示す図である。

【図１２】第４実施形態による振動アクチュエータの圧
電素子を示す図である。

【図１３】本発明による振動アクチュエータの弾性体の
他の実施形態を示す図である。

【符号の説明】

１１ 振動子 １４ 弾性体 ３４、３６ 圧電素子 ２０ 回転子 ４０ 駆動回路 ４１ 発振器 ４３，４５，４７ 増幅器 ４２，４４ 移相器 ４８ 制御器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H680 AA02 AA06 AA19 AA20 BB01 BB04 BB12 BB15 BB20 BC01 CC02 CC03 DD02 DD23 DD27 DD28 DD34 DD39 DD44 DD53 DD73 DD74 DD75 EE03 EE12 EE24 FF08 FF30 FF33 FF35 GG02 GG20 GG25 GG27

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の回転軸回りに振動するねじり振動
   と、前記回転軸方向に振動する縦振動とを行うことで、
   前記回転軸方向の端面に楕円運動を発生させる弾性体
   と、 前記弾性体に前記縦振動と前記ねじり振動とを発生させ
   る電気機械変換素子と、を備え、 該電気機械変換素子は、少なくとも、圧電係数ｄ₁₅によ
   って生じる変形によって前記弾性体にねじり振動を起こ
   す第１の変換部を有し、 該第１の変換部は、前記弾性体の外表面に設置されてい
   ることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 【請求項２】 所定の回転軸回りに振動するねじり振動
   と、前記回転軸方向に振動する縦振動とを行うことで、
   前記回転軸方向の端面に楕円運動を発生させる弾性体
   と、 前記弾性体に前記縦振動と前記ねじり振動とを発生させ
   る電気機械変換素子と、を備え、 該電気機械変換素子は、少なくとも、厚みすべり振動を
   行うことで前記弾性体にねじり振動を起こす第１の変換
   部を有し、 該第１の変換部は、前記弾性体の外表面に設置されてい
   ることを特徴とする振動アクチュエータ。
3. 【請求項３】 所定の回転軸回りに振動するねじり振動
   と、前記回転軸方向に振動する縦振動とを行うことで、
   前記回転軸方向の端面に楕円運動を発生させる弾性体
   と、 前記弾性体に前記縦振動と前記ねじり振動とを発生させ
   る電気機械変換素子と、を備え、 該電気機械変換素子は、少なくとも、前記ねじり振動を
   発生させる第１の変換部と前記縦振動を発生させる第２
   の変換部とを有し、 前記第１の変換部は、直方体状に形成されるとともに、
   複数の電気エネルギの授受部が共に露出した状態で、か
   つ同一平面上に形成されていることを特徴とする振動ア
   クチュエータ。
4. 【請求項４】 所定の回転軸回りに振動するねじり振動
   と、前記回転軸方向に振動する縦振動とを行うことで、
   前記回転軸方向の端面に楕円運動を発生させる弾性体
   と、 前記弾性体に前記縦振動と前記ねじり振動とを発生させ
   る直方体状の電気機械変換素子と、を備え、 前記弾性体は、前記電気機械変換素子が接合される平面
   状の接合面を有し、 前記電気機械変換素子は、少なくとも、前記ねじり振動
   を発生させる第１の変換部と前記縦振動を発生させる第
   ２の変換部とを有し、 前記第１の変換部は、前記接合面に対し、該接合面に平
   行で、かつ前記回転軸に垂直な方向に力を作用させるこ
   とで前記ねじり振動を発生させることを特徴とする振動
   アクチュエータ。