JP3550578B2

JP3550578B2 - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JP3550578B2
Application number: JP23960395A
Authority: JP
Inventors: 隆利芦沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2015-09-19
Also published as: JPH0984367A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機械変換素子を接合されて複数の振動モードを発生する振動子と，この振動子に加圧接触される相対運動部材とを備える、いわゆる異形モード縮退型の振動アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の縦振動−捩り振動型の振動アクチュエータの一例を示す斜視図である。
【０００３】
従来、この種の振動アクチュエータでは、ステータ（固定子）１０１は、２つの円柱型の振動子１０２，１０３間に捩り振動用の圧電素子１０４が配置されるとともに、振動子１０３の上側に縦振動用の圧電素子１０５が配置される。捩り振動用の圧電素子１０４は周方向に分極され、一方、縦振動用の圧電素子１０５は厚み方向に分極される。さらに、ロータ（移動子）１０６は、縦振動用の圧電素子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のねじ部に螺合されて固定され、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の先端にはばね１０９を介してナット１１０が螺合し、ロータ１０６をステータ１０１に加圧力Ｆで加圧接触させる。
【０００５】
捩り振動用の圧電素子１０４と縦振動用の圧電素子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により位相制御して駆動される。
【０００６】
捩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、一方、縦振動用の圧電素子１０５はステータ１０１とロータ１０６との間に働く摩擦力を、圧電素子１０４による捩り振動の周期に同期させて周期的に変動させることにより、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している。
【０００７】
図７は、この従来の振動アクチュエータのステータを展開して示した斜視図である。
捩り振動用の圧電素子１０４は、周方向に分極する必要があるため、圧電材料を図７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、前述した従来の振動アクチュエータでは、捩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。
【０００９】
一方、縦振動用の圧電素子１０５，及び捩り振動用の圧電素子１０４それぞれの面積は、ともに、ステータ１０６の断面積と略等しいか、又は、ステータ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の圧電素子１０５，及び捩り振動用の圧電素子１０４それぞれの中央部に孔を開ける必要もあり、そのために、縦振動用の圧電素子１０５，及び捩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】
このような不具合を解決するために、本出願人は、既に特願平６−２７５０２２号により、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、１次の縦振動と１次の捩り振動とを発生するいわゆる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。
【００１１】
図８は、この振動子に縦振動と捩り振動とを組み合わせて駆動面に楕円運動を発生する振動アクチュエータの駆動原理を説明する図であり、図８（Ａ）は上面図，図８（Ｂ）は側面図，図８（Ｃ）は振動子に発生する縦振動モード及び捩り振動モードの波形を示す説明図である。
【００１２】
振動子１は、中空の円柱型弾性体を回転軸を含む平面で縦に２分割した２つの半円柱型弾性体２ａ，２ｂを組み合わせて構成される。２つの半円柱型弾性体２ａ，２ｂの間には、電気機械変換素子である圧電素子４，５が２枚ずつ合計４枚接合されており、駆動信号により圧電素子４，４及び５，５が励振されると、図８（Ｃ）に示すように、振動子１には１次の捩り振動と１次の縦振動とがそれぞれ発生する。
【００１３】
振動子１に発生する縦振動及び捩り振動それぞれの共振周波数が略一致すると、振動子１には縦振動及び捩り振動が同時に発生し（以下、このような状態を「縮退」という。）、振動子１の一方の端面である駆動面６には定点が楕円状に振幅する楕円運動を発生する。
【００１４】
発生した楕円運動は、駆動面６に加圧接触される相対運動部材である移動子７を回転駆動することにより移動子７を駆動する。
図９は、この振動子１の構造を詳細に示す説明図であって、図９（Ａ）は上面図，図９（Ｂ）は側面図である。
【００１５】
振動子１は、中空の円柱体を縦に２分割した半円柱型弾性体２ａ，２ｂを組み合わせたものであって、分割面には、圧電素子４及び圧電素子５と電極板７，８，９を図示するように積層した状態で挟み込んで保持する。
【００１６】
圧電素子４及び圧電素子５は２群からなっており、各群はそれぞれ４層から形成される。４層の圧電素子のうち２層（捩り振動用圧電素子５）は圧電定数ｄ₁₅が大きい圧電体から、残り２層（縦振動用圧電素子４）が圧電定数ｄ₃₁が大きい圧電体から、それぞれ構成される。圧電定数ｄ₁₅が大きい捩り振動用圧電素子５は、振動子１の長手方向に対して剪断変位を発生する。
【００１７】
このような圧電定数ｄ₁₅の大きい捩り振動用圧電素子５に電圧を印加すると振動子１には捩り変位が発生し、圧電定数ｄ₃₁が大きい縦振動用圧電素子４に電圧を印加すると振動子１には縦変位が発生する。
【００１８】
このように、捩り振動用圧電素子５に正弦波電圧を入力することにより振動子１にはこれに応じて捩り運動が発生し、縦振動用圧電体４に正弦波電圧を入力することにより振動子１にはこれに応じて伸縮運動（縦運動）が発生する。
図１０は、このような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の動作を経時的に示す説明図である。
【００１９】
図１０に示すように、捩り振動Ｔの周期と，縦振動Ｌの周期との位相差を（１／４）λ（λ：波長）ずらすと、駆動面６上の定点には楕円運動が発生する。
ｔ＝（６／４）πの時点では、捩り振動Ｔの変位は左側に最大であり、一方、縦振動Ｔの変位は零である。この状態では、移動子７は図示しない加圧部材によって振動子１の駆動面６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、捩り振動Ｔは、左側の最大から右側の最大まで変位し、一方、縦振動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１の駆動面６の定点は、移動子７を押しながら右方向に回転し、移動子７は駆動される。
【００２１】
次に、ｔ＝（２／４）π〜（６／４）πまでは、捩り振動Ｔは、右側の最大から左側の最大まで変位し、一方、縦振動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、移動子７の駆動面６の定点は、移動子７から離れながら左方向に回転するため、移動子７は駆動されない。このときに、移動子７は図示しない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駆動周波数よりも小さいために、振動子１の縮みに追従しない。
【００２２】
縦振動用圧電素子４及び捩り振動用圧電体５に正弦波電圧を入力することにより、振動子１にはこれに応じて捩り振動Ｔが発生するが、この際、振動子１に発生する各振動の節に圧電素子４及び５をそれぞれ配置すると効率的に振動が励振される。
【００２３】
ところで、前述した特願平６−２７５０２２号により提案されている振動アクチュエータは、１次の縦振動と１次の捩り振動とを組み合わせて駆動面６に楕円運動を発生する。そのため、近接したそれぞれの振動の節部を跨ぐように圧電素子を配置するには、縦振動用圧電体４と捩り振動用圧電体５とを積層した状態で重ね合わせて振動子１の分割面に配置する必要があった。
【００２４】
そのため、振動子１は、２つの分割された半円柱状弾性体２ａ，２ｂと、２層の縦振動用圧電体４と、２層の捩り振動用圧電体５と、３層の電極７，８，９とを、例えば接着により積層して組み立てる必要があった。そのため、振動子１の部品点数が増加し、接着の際の組立工程が煩雑化して作業工数が増加するといった課題があった。
【００２５】
また、特願平６−２７５０２２号により提案されている振動アクチュエータは、振動子１の構成部品を接着により接合しており、接着箇所が多いため、長時間にわたる連続駆動時における信頼性や、耐湿性さらには耐温性等の信頼性も低下するといった課題があった。
【００２６】
また、特願平６−２７５０２２号により提案されている振動アクチュエータの振動子１に縦振動及び捩り振動を発生させる場合、捩り振動のほうが縦振動よりも励振され易いという特徴がある。このため、捩り振動用圧電素子５の大きさを縦振動用圧電素子４の大きさより小さくしても、充分に捩り振動を励振することが可能である。すなわち、捩り振動用圧電素子５を小さくすればその分静電容量を小さくすることができ、入力エネルギ−を小さくすることができるため、駆動効率を向上させることができる。
【００２７】
しかし、特願平６−２７５０２２号により提案されている振動アクチュエータにおいては、捩り振動用圧電素子と縦振動用圧電素子とを積層する構造であるために、捩り振動用圧電素子５の大きさ，縦振動用圧電素子４の大きさを変更することは困難であるといった課題があった。
【００２８】
さらに、図８に示すように振動子１に移動子７を加圧接触させた場合、縦振動方向と同一方向に移動子７を加圧する必要がある。このため、移動子７の加圧により振動子１の縦振動が減衰されることがあった。
【００２９】
このような移動子７の加圧による縦振動の減衰をできるだけ小さくするためには、縦振動用圧電素子４の大きさよりも捩り振動用圧電素子５の大きさを大きくする必要がある。しかし、特願平６−２７５０２２号により提案されている振動アクチュエータの振動子１においては、捩り振動用圧電素子５，縦振動用圧電素子４それぞれの大きさを変更することは、同様の理由により困難であるという課題があった。
【００３０】
【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の発明は、２つの弾性体と２つの前記弾性体の間に配置されて駆動信号により励振される電気機械変換素子とを有する振動子と，前記振動子に加圧接触される相対運動部材とを備え、前記電気機械変換素子の励振により、前記振動子に、前記電気機械変換素子と前記弾性体との接合面に対して略平行方向に変位が発生する縦振動と，前記縦振動の変位方向と略同一方向に回転軸を有する捩り振動とを発生させることにより、前記捩り振動の前記回転軸と略直角方向に形成された駆動面に駆動力を発生する振動アクチュエータであって、前記電気機械変換素子は、縦振動発生用電気機械変換素子と捩り振動発生用電気機械変換素子とからなり、前記縦振動発生用電気機械変換素子は前記縦振動の節を含む位置に、前記捩り振動発生用電気機械変換素子は前記捩り振動の節を含む位置に、互いに略同一平面上に位置するように前記接合面の延在方向に並べて配置されることを特徴とする振動アクチュエータである。
【００３１】
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、前記捩り振動発生用電気機械変換素子と前記弾性体との接合面積は、前記縦振動発生用電気機械変換素子と前記弾性体との接合面積よりも小さいことを特徴とするものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明にかかる振動アクチュエータの実施形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
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１０の構造を説明する断面図である。
振動子１１には、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素子１２，１３と、これらの圧電素子１２，１３が接合されており、これらの圧電素子１２，１３の励振により、１次の縦振動と２次の捩り振動とが発生することによって、駆動面１１ｃに駆動力が発生する。
【００３４】
振動子１１は、鉄鋼，ステンレス鋼又はリン青銅等の金属材料から構成されており、４つの大径部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ及び１４Ｄと３つの小径部１４ａ，１４ｂ及び１４ｃとを有した厚肉の円筒を、縦に２つに分割した中空の半円柱状弾性体１１ａ，１１ｂを組み合わせて構成される。半円柱状弾性体１１ａ，１１ｂの間には、２層の圧電体１２，１３と電極１５とが挟み込まれた状態で保持される。
【００３５】
小径部１４ａ，１４ｂ及び１４ｃは、２次の捩り振動の節部を含む位置に形成される。捩り振動用圧電素子１２は発生する捩り振動の節部を含む位置に配置されており、一方、縦振動用圧電素子１３は１次の縦振動の節部を含む位置に配置される。振動子１１を、四つの大径部１４Ａ〜１４Ｄと三つの小径部１４ａ〜１４ｃとを有する形状としたのは、１次の縦振動の共振周波数と２次の捩り振動の共振周波数とを略一致させて縮退を生じさせるためである。なお、捩り振動用圧電素子１２及び縦振動用圧電素子１３はともに図１においては図示されていないが、後述する図２を用いて詳細に説明する。
【００３６】
振動子１１は、その長手方向の略中心に、捩り振動用圧電素子１２及び縦振動用圧電素子１３それぞれの積層方向と平行方向に貫通孔１６ａ，１６ｂが形成される。
【００３７】
半円柱状弾性体１１ａ，１１ｂは、形成された貫通孔１６ａ，１６ｂにボルト１７ａ，１７ｂを挿入してナット１８によって固定することにより、捩り振動用圧電素子１２及び縦振動用圧電素子１３を挟み込む。
【００３８】
また、振動子１１は、長手方向の略中央部に中心側に向けた円環状のフランジ部１９が設けられており、このフランジ部１９を上下方向から、互いに螺合する円柱状の上固定軸２０ｂ及び下固定軸２０ａが挟みこむことにより、振動子１１が内部を挿入する円柱状の固定軸２０により固定される。
【００３９】
相対運動部材である厚肉円環状の移動子２１は、ステンレス鋼やアルミニウム合金等からなる移動子母材２１ａと，振動子１１の駆動面１１ｃに接触する高分子材料等を主成分とする摺動材２１ｂとから構成され、内周部に嵌合されたベアリング等による位置決め部材２２により固定軸２０に対して位置決めされる。
移動子母材２１ａの外周面には、出力取り出し用の歯車２３が設けられており、その出力は図示しない被駆動体の歯車へ伝達される。
【００４０】
また、移動子２１は、皿バネやスプリングバネさらには板バネ等の加圧部材２４により、振動子１１の駆動面１１ａに加圧接触される。
円柱状の固定軸２０は、振動子１１の長手方向（軸方向）に形成された中空部を貫通しており、振動子１１のフランジ部１９を挟み込んで固定するととともに、移動子２１の半径方向についての位置決めを行う。
【００４１】
この固定軸２０は、上固定軸２０ｂ側にネジ部２０ｃが形成されており、加圧部材２４の加圧量を調整するナットなどの調整部材２５が螺着される。
【００４２】
図２は、振動子１１における圧電素子の配置を示す説明図である。
振動子１１は、四つの大径部１４Ａ〜１４Ｄと三つ小径部１４ａ〜１４ｃとを有する厚肉中空の円筒体を縦に２分割した形状の部材であり、その分割面に２層の捩り振動用圧電素子１２及び縦振動用圧電素子１３と電極１５とが挟み込まれている。
【００４３】
小径部１４ａ〜１４ｃは振動の節部に配置される。すなわち、捩り振動用圧電素子１２は発生する捩り振動の節部に配置されており、縦振動用圧電素子１３は発生する縦振動の節部を跨ぐように、それぞれ配置される。
【００４４】
捩り振動圧電素子１２は、圧電定数ｄ₁₅が大きい圧電体から構成され、周波電圧が印加されると電圧の方向に応じた剪断変形を発生し、これにより捩り振動が発生する。
【００４５】
捩り振動圧電素子群は、図面上手前側２枚の捩り振動用圧電素子１２ａと図面上奥側２枚の捩り振動用圧電素子１２ｂとから構成され、手前側の捩り振動用圧電素子１２ａ，及び奥側の捩り振動用圧電素子１２ｂそれぞれの剪断変形が、同じ方向の電圧が印加された場合に反対方向になるように配置すると、振動子１１にはある方向への捩り変位が発生する。
【００４６】
例えば、図２に示すように、手前側の捩り振動用圧電素子１２ａ及び奥側の捩り振動用圧電素子１２ｂが剪断変形すると、駆動面１１ａは図２中で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、逆向きの剪断変形が発生するため、駆動面１１ａは図２と反対方向へ捩じれる。
【００４７】
一方、縦振動用圧電素子１３は、圧電定数ｄ₃₁が大きい圧電体から構成され、周波電圧を印加すると電圧の方向に応じた伸縮変形を発生し、それにより縦振動が発生する。
【００４８】
縦振動用圧電素子１３は、図面上手前側２枚の縦振動用圧電素子１３ａと図面上奥側２枚の縦振動用圧電素子１３ｂとから構成され、同じ方向の電圧を印加された場合にそれぞれ同一方向に縦変形するように配置する。
【００４９】
このように縦振動用圧電素子１３ａ，１３ｂを配置することにより、縦振動用圧電素子群に同じ周波電圧を印加すると、１次の縦振動モードが励起され易くなる。
【００５０】
また、本実施形態では、捩り振動用圧電素子１２の大きさを縦振動用圧電素子１３よりも小さくし、捩り振動用圧電素子１２の表面積が縦振動用圧電素子１３の表面積よりも小さくなるようにする。
【００５１】
図３は、本実施形態の振動子１１を構成する半円柱状弾性体１１ａ及び１１ｂ，縦振動用圧電素子１３ａ及び１３ｂ，捩り振動用圧電素子１２ａ及び１２ｂ，縦振動検出用圧電素子２６ａ及び２６ｂ，捩り振動検出用圧電素子２７ａ及び２７ｂ及び電極１５−１，１５−２，１５−３，１５−４の配置を示す分解図である。なお、図３においては、図示されている部分のみ符号を付し、隠れている部分（符号ｂが付される。）については、振動子１が軸を中心に対称であることから符号を付すことを省略する。
【００５２】
２つの分割された半円柱状弾性体１１ａ，１１ｂの間に縦振動用圧電素子１３ａ及び１３ｂと捩り振動用圧電素子１２ａ及び１２ｂと，縦振動検出用圧電素子２６ａ及び２６ｂと，捩り振動検出用圧電素子２７ａ及び２６ｂと，捩り振動用圧電素子１２ａ及び１２ｂと縦振動用圧電素子１３ａ及び１３ｂとに駆動電圧を印加するための電極１５−１ａ及び１５−１ｂ，１５−２ａ及び１５−２ｂと，縦振動検出用圧電素子２６及び捩り振動検出用圧電素子２７それぞれに電圧を印加するための電極１５−３ａ及び１５−３ｂ，１５−４ａ及び１５−４ｂとが挟まれた状態で保持される。半円柱状弾性体１１ａ及び１１ｂ，縦振動用圧電素子１３，捩り振動用圧電素子１２，及び電極１５は、接着剤により接合される。
【００５３】
また、捩り振動用圧電素子１２ａ，１２ｂよりも振動子１１の駆動面１１ｃ側に捩り振動検出用圧電素子２７ａ，２７ｂが配置されるとともに、縦振動用圧電素子１３ａ，１３ｂよりも反駆動面側に縦振動検出用圧電素子２６ａ，２６ｂが配置される。電極１５−１ａ及び１５−１ｂ，１５−２ａ及び１５−２ｂは、２層の縦振動用圧電素子１３及び２層の捩り振動用圧電素子１２へ同時に駆動信号を印加できるように配置される。
【００５４】
このような構成の振動アクチュエータ１０に２つの１／４λ位相差のある駆動信号を、縦振動用圧電素子１３と捩り振動用圧電素子１２とにそれぞれ入力すると、縦振動及び捩り振動それぞれの振動の位相が９０゜ずれ、これらの振動を合成した楕円運動が振動子１１の駆動面１１ｃに生じる。
【００５５】
図４は、本実施形態の振動子１１に発生する縦振動と捩り振動とを組み合わせて駆動面１１ｃに楕円運動を発生させることを示す説明図である。
このように、捩り運動の周期と伸縮運動の周期との間の位相差を１／４λ（波長）ずらすと、振動子１１の駆動面１１ｃ上には捩り運動及び伸縮運動の合成振動である楕円運動が発生する。
【００５６】
ｔ＝６／４πの時点では、捩り運動の変位は左側に最大であり、縦振動の変位は零である。この状態では移動子２１は加圧部材２４によって振動子１１の駆動面１１ｃに接触している。
【００５７】
この状態から、ｔ＝７／４π〜０〜２／４πまでは、捩り運動は左側の最大から右側の最大まで変位し、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１１ｃは移動子２１を押しながら、右方向に回転して移動子２１は駆動される。
【００５８】
次に、ｔ＝２／４π〜６／４πまでは、捩り運動は右側の最大から左側の最大まで変位し、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１１ｃは移動子２１から離れながら左方向に回転するため、移動子２１は駆動されない。このときに、移動子２１は、加圧部材２４により加圧されていても、加圧部材２４の固有振動数が超音波振動域よりも低いために振動子１１の縮みに追従することができない。
【００５９】
本実施形態では、振動子１１に、１次の縦振動と，１次よりも大きな次数である２次の捩り振動とが発生するように、縦振動及び捩り振動それぞれの次数を異ならせたため、縦振動及び捩り振動それぞれの節の位置を積極的に異ならせることができる。
【００６０】
本実施形態は、従来の振動アクチュエータと同様に、捩り振動用圧電素子１２及び縦振動用圧電素子１３を２つの弾性体により挟み込むように構成されるものの、従来の振動アクチュエータのように、捩り振動用圧電素子１２及び縦振動用圧電素子１３を積層させる必要がなくなり、圧電素子層を４層から２層へ低減することができるとともに電極を３層から１層へ減らすことができる。
【００６１】
このように、本実施形態の振動アクチュエータ１０は、従来の振動アクチュエータに比較して、部品点数を低減することができ、組立工程も簡略化される。
また、半円柱状弾性体１１ａ及び１１ｂ，縦振動用圧電素子１３，捩り振動用圧電素子１２と，電極１５との間の接着層を、従来の８層から４層へと低減することができる。
【００６２】
例えば、半円柱状弾性体１１ａ及び１１ｂと縦振動用圧電素子１３，捩り振動用圧電素子１２とを接着により接合すると、振幅の大きな振動等が振動子１１に発生すると、機械的な強度が最も弱い部分である接着層が剥離してしまうことがある。したがって、接着部分が少なければ少ない程剥離する可能性が低くなり、長時間にわたる連続駆動の際の信頼性が向上する。
【００６３】
また、接着層は温度や湿度等の環境要因の影響を受け易いものもあることから、本実施形態の振動アクチュエータ１０のように、接着層が低減されればされるほど、耐湿性や耐温性等の振動アクチュエータ１０の信頼性を向上することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、振動子１１に、１次の縦振動と１次よりも大きな次数である２次の捩り振動とが発生するように構成したため、捩り振動の励振のために必要な捩り振動用圧電素子１２の配置範囲を小さくすることができる。そのため、捩り振動用圧電素子１２の大きさをより小さくできる。これにより、駆動効率を向上することができる。なお、捩り振動用圧電素子１２を捩り振動の腹部に配置すると、出力に無関係な入力だけが増えてしまう。
【００６５】
なお、駆動域（反共振点）における振動アクチュエータに入力される電流は、振動アクチュエータの等価回路を考えると、下記の近似式▲１▼により示される。
入力電流Ｉ＝Ｖ・Ｒ・Ｃｄ²・ω²・・・・・・・▲１▼
【００６６】
ただし、
Ｃｄ：振動アクチュエータの圧電素子の静電容量
Ｖ：印加電圧
Ｒ：振動アクチュエータの抵抗成分
ω：周波電圧の角速度
【００６７】
したがって、振動にあまり寄与しない部分に圧電素子を設置しないで圧電素子静電容量を減らすことにより、入力電流Ｉを低減することができる。
また、本実施形態では、振動子１１に、１次の縦振動と１次よりも大きな次数である２次の捩り振動とが発生するようにしたことにより、捩り振動用圧電素子１２の大きさを小さくすることができた。このようにして、捩り振動用圧電素子１２の大きさを小さくした分だけ、捩り振動と比較した場合に励振され難い縦振動圧電素子１３の大きさを大きくすることができ、縦振動の振動変位の大きさも向上することができる。
【００６８】
また、本実施形態のような、いわゆる異形モ−ド縮退型の振動アクチュエータでは、振動子１１の駆動面１１ｃにおける楕円運動の運動成分のうちで駆動方向と垂直方向の運動成分は、振動子１１と移動子２１との間のクラッチの役目（動力伝達）をなしている。したがって、楕円運動の運動成分のうちで駆動方向と垂直方向の運動成分が小さくなると、このようなクラッチの役目が不完全になってしまい、駆動力が低下したり、駆動効率が劣化するおそれがある。
【００６９】
しかし、本実施形態の振動アクチュエータのように、縦振動用圧電素子１３を大きくして縦振動変位を大きくすれば、移動子２１の加圧による縦振動の減衰を小さくすることができる。これにより、駆動力や駆動効率の低下を低減することができる。
【００７０】
（第２実施形態）
図５は、本発明にかかる振動アクチュエータの第２実施形態の構成を示す説明図である。
【００７１】
なお、以降の第２実施形態の説明では、第１実施形態と相違する部分のみを説明し、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、適宜説明を省略する。
【００７２】
第１実施形態では、縦振動検出用圧電素子２６ａ及び２６ｂ，捩り振動検出用圧電素子２７ａ及び２７ｂを、振動子１１の駆動面１１ｃ側やこれと対向する面側に配置したが、本実施形態では、縦振動検出用圧電素子２６ａ及び２６ｂ，捩り振動検出用圧電素子２７ａ及び２７ｂを弾性体１１の外径側に、電極１５−１，１５−２，１５−３及び１５−４を内径側に配置した。
【００７３】
縦振動検出用圧電素子２６及び捩り振動検出用圧電素子２７以外の構成、すなわち振動子１１，固定軸２０，移動子２１等の構成や配置は、第１実施形態と全く同様であるため、これ以上の説明は省略する。
【００７４】
本実施形態の振動アクチュエータに用いる振動子１１−１のように、縦振動検出用圧電素子２６及び捩り振動検出用圧電素子２７と電極１５とを長手方向に関して組み合わせて構成することにより、縦振動検出用圧電素子２６及び捩り振動検出用圧電素子２７を長手方向について延長できた分だけ、捩り振動用圧電素子１２の長さと縦振動用圧電素子１３の長さをより大きく異ならせて設定することができる。
【００７５】
また、本実施形態では、一枚の同一の圧電素子１２ａ及び１２ｂ，１３ａ及び１３ｂを用いて、駆動と検出とを併せて行うようにした。
振動検出用電極と駆動信号印加用電極とを別のものとすることにより、検出作用及び励振作用を分けることができる。このようにすることにより、捩り振動用圧電素子１２，縦振動用圧電素子１３，捩り振動検出用圧電素子２７，縦振動検出用圧電素子２６の４枚の圧電素子を、捩り振動用圧電素子１２及び縦振動用圧電素子１３の２枚にすることができ、部品点数をより低減することができる。
【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の構造を説明する断面図である。
【図２】第１実施形態にかかる振動アクチュエータの振動子１１における圧電素子の配置を示す説明図である。
【図３】第１実施形態の振動子を構成する半円柱状弾性体，縦振動用圧電素子，捩り振動用圧電素子，縦振動検出用圧電素子，捩り振動検出用圧電素子及び電極の配置を示す分解図である。
【図４】第１実施形態の振動子に発生する縦振動と捩り振動とを組み合わせて駆動面に楕円運動を発生させることを示す説明図である。
【図５】第２実施形態の振動子を構成する半円柱状弾性体，縦振動用圧電素子，捩り振動用圧電素子，縦振動検出用圧電素子，捩り振動検出用圧電素子及び電極の配置を示す分解図である。
【図６】従来の縦振動−捩り振動型の振動アクチュエータの一例の構造を示す斜視図である。
【図７】従来の振動アクチュエータのステータを展開して示した斜視図である。
【図８】特願平６−２７５０２２号により提案した振動アクチュエータの振動子に縦振動と捩り振動とを組み合わせて駆動面に楕円運動を発生する振動アクチュエータの駆動原理を説明する図であり、図８（Ａ）は上面図，図８（Ｂ）は側面図，図８（Ｃ）は振動子に発生する縦振動モード及び捩り振動モードを示す説明図である。
【図９】特願平６−２７５０２２号により提案した振動アクチュエータの振動子１の構造を詳細に示す説明図であって、図９（Ａ）は上面図，図９（Ｂ）は側面図である。
【図１０】特願平６−２７５０２２号により提案した振動アクチュエータの動作を経時的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０振動アクチュエータ
１１振動子
１１ａ駆動面
１２捩り振動用圧電素子
１３縦振動用圧電素子
１４Ａ〜１４Ｄ大径部
１４ａ〜１４ｃ小径部
１５電極
１６貫通孔
１７ボルト
１８ナット
１９フランジ
２０固定軸
２１移動子（相対運動部材）
２２位置決め部材（ベアリング）
２３歯車
２４加圧部材
２５ナット
２６，２７振動検出用圧電素子

Claims

２つの弾性体と２つの前記弾性体の間に配置されて駆動信号により励振される電気機械変換素子とを有する振動子と，
前記振動子に加圧接触される相対運動部材とを備え、
前記電気機械変換素子の励振により、前記振動子に、前記電気機械変換素子と前記弾性体との接合面に対して略平行方向に変位が発生する縦振動と，前記縦振動の変位方向と略同一方向に回転軸を有する捩り振動とを発生させることにより、前記捩り振動の前記回転軸と略直角方向に形成された駆動面に駆動力を発生する振動アクチュエータであって、
前記電気機械変換素子は、縦振動発生用電気機械変換素子と捩り振動発生用電気機械変換素子とからなり、
前記縦振動発生用電気機械変換素子は前記縦振動の節を含む位置に、前記捩り振動発生用電気機械変換素子は前記捩り振動の節を含む位置に、互いに略同一平面上に位置するように前記接合面の延在方向に並べて配置されること
を特徴とする振動アクチュエータ。
請求項１に記載された振動アクチュエータにおいて、
前記捩り振動発生用電気機械変換素子と前記弾性体との接合面積は、前記縦振動発生用電気機械変換素子と前記弾性体との接合面積よりも小さいこと
を特徴とする振動アクチュエータ。