JP4209463B2 - 超音波アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、屈曲振動を含む複数の振動を行うアクチュエータ本体を備えた超音波アクチュエータに関するものである。

従来より、屈曲振動を含む複数の振動を行うアクチュエータ本体を備えた超音波アクチュエータとしては、特許文献１に開示されたものが知られている。

特許文献１に係る超音波アクチュエータは、圧電素子で構成されたアクチュエータ本体と、該アクチュエータ本体に取り付けられた駆動子とを備えている。

このアクチュエータ本体は、長手方向を有する平板状の圧電素子で構成されており、対角位置にある２対の電極にそれぞれ位相の異なる交流電圧を印加することで、該圧電素子の長手方向への縦振動（所謂、伸縮振動）と該圧電素子の短手方向への屈曲振動とを調和的に発生させている。その結果、駆動子は、該圧電素子の長手方向と短手方向とを含む平面内で周回運動、詳しくは、楕円運動を行う。

前記駆動子は、略半球体に形成されていて、アクチュエータ本体の長辺側面に２つ設けられている。この長辺側面はアクチュエータ本体の屈曲振動の振動方向を向く面であって、アクチュエータ本体が屈曲振動する際にその屈曲振動に従って屈曲変形する面である。これら２つの駆動子は、該長辺側面において、屈曲変位が最も大きくなる屈曲振動の腹の部分に取り付けられている。

このように構成された超音波アクチュエータは、駆動子が被駆動体に当接するように配置されている。その状態で、超音波アクチュエータを駆動すると、アクチュエータ本体の駆動力が前述の如く周回運動する駆動子を介して被駆動体に伝達され、該被駆動体が駆動される。このとき、アクチュエータ本体は被駆動体側に付勢されており、駆動子と被駆動体との間の摩擦力を高めてアクチュエータ本体の駆動力が被駆動体に効率良く伝達するように構成されている。
特開２００４―３０４９６３号公報

しかしながら、特許文献１に係る超音波アクチュエータのように、駆動子をアクチュエータ本体における屈曲振動の振動方向を向く側面、即ち、屈曲変形する面に設ける構成においては、駆動子と該側面との接触面積が大きくなればなるほど、駆動子が該側面の屈曲変形を阻害することになる。

その一方で、駆動子と該側面との接触面積が小さくなればなるほど、駆動子と該側面との間の取付強度が低下してしまう。前述の如く、駆動子と被駆動体との間の摩擦力によってアクチュエータ本体の駆動力を該被駆動体に伝達する構成においては、該駆動子とアクチュエータ本体との間には十分な取付強度が求められる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、駆動子によるアクチュエータ本体の振動の阻害を抑制することと、アクチュエータ本体への駆動子の取付強度を確保することとを両立させることにある。

本発明に係る超音波アクチュエータは、圧電素子を有し、屈曲振動及び縦振動を行うアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体の前記屈曲振動の振動方向を向く側面に取り付けられて、該アクチュエータ本体の振動に従って前記屈曲振動の振動方向と前記縦振動の振動方向とを含む平面内で周回運動することで駆動力を出力する駆動子とを備え、前記駆動子は、取付用の取付面が形成されていて該取付面を介して前記側面に面接触状態で取り付けられ、前記取付面の前記縦振動の振動方向への幅は、前記駆動子の前記縦振動の振動方向への最大幅よりも小さいものとする。

本発明によれば、該取付面の前記縦振動の振動方向への幅を、駆動子の該縦振動の振動方向への最大幅よりも小さくすることによって該駆動子とアクチュエータ本体との接触面積を可及的に小さくして、駆動子が超音波アクチュエータの振動を阻害することを抑制することができると共に、駆動子とアクチュエータ本体とを点接触や線接触ではなく面接触させることで接触面積を確保して駆動子の取付強度を確保することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１に係る駆動装置１は、図１，２に示すように、円盤体２と、該円盤体２を駆動する超音波アクチュエータ３と、該超音波アクチュエータ３を駆動制御する制御装置（図示省略）とを備えている。

前記円盤体２は、回転軸Ｘを中心とする円盤であってアルミナ等で形成されている。この円盤体２は、該回転軸Ｘ回りに回動自在に配設されている。この円盤体２が被駆動体を構成する。

前記超音波アクチュエータ３は、振動を発生させるアクチュエータ本体４と、該アクチュエータ本体４の駆動力を円盤体２に伝達させる駆動子５，５と、該アクチュエータ本体４を収容するケース６と、アクチュエータ本体４とケース６との間に介設されてアクチュエータ本体４を弾性的に支持する支持ゴム７１，７１と、アクチュエータ本体４を前記円盤体２に付勢するための付勢ゴム７２とを備えている。

前記アクチュエータ本体４は、圧電素子４０と、該圧電素子４０に形成された給電電極４１ａ，４１ｂ，…とを有している。

前記圧電素子４０は、チタン酸ジルコン酸鉛や水晶等の圧電材料からなり、平面視略長方形状の平板状に形成されている。詳しくは、圧電素子４０は、略長方形状の互いに対向する一対の主面４０ａ（図１では一方のみ図示）と、この主面４０ａと直交して該主面４０ａの長手方向に延びる、互いに対向する一対の長辺側面４０ｂ，４０ｃと、これら主面４０ａ及び長辺側面４０ｂ，４０ｃの両方と直交して該主面４０ａの短手方向に延びる、互いに対向する一対の短辺側面４０ｄ，４０ｅとを有する略直方体状をしている。

この圧電素子４０の一方の主面４０ａには、４つの給電電極４１ａ，４１ｂ，…が形成されている。詳しくは、これら給電電極４１ａ，４１ｂ，…は、圧電素子４０の主面４０ａをその長手方向及び短手方向にそれぞれ２等分してなる４つの領域にそれぞれ形成されている。そして、これら給電電極４１ａ，４１ｂ，…のうち、対角線方向に位置する給電電極同士、即ち、給電電極４１ａと給電電極４１ｄとが、及び給電電極４１ｂと給電電極４１ｃとがそれぞれワイヤ９ａ，９ｂを介して電気的に接続されている。また、給電電極４１ｃ，４１ｄには、それぞれワイヤ９ｃ，９ｄが接続されており、このワイヤ９ｃ，９ｄはケース６に設けられた貫通孔（図示省略）から外部へ導出されている。つまり、ワイヤ９ｃを介して給電電極４１ｂ，４１ｃに給電することができると共に、ワイヤ９ｄを介して給電電極４１ａ、４１ｄに給電することができる。

一方、圧電素子４０の他方の主面には、その略全面に亘ってグランド電極（図示省略）が形成されている。このグランド電極にはワイヤ９ｅが接続されている。このワイヤ９ｅも、ケース６に設けられた貫通孔（図示省略）から外部へ導出されている。

前記ワイヤ９ａ，９ｂ，…は、各電極に対してはんだによって電気的に接続されているが、このはんだが設けられている場所は、圧電素子４０における、後述する縦振動の１次モード及び屈曲振動の２次モードの節近傍の部分である。つまり、圧電素子４０における振動の節近傍の部分にはんだを介してワイヤ９ａ，９ｂ，…を接続することによって、該はんだが圧電素子４０の振動を阻害することを可及的に抑制することができる。

そして、圧電素子４０の一方の長辺側面４０ｂには、前記駆動子５，５が該長辺側面４０ｂの長手方向（後述する縦振動の振動方向と一致する）に互いに間隔を空けて設けられている。駆動子５，５は、該長手方向において該長辺側面４０ｂの全長の約３０％距離だけその長手方向両端部から内側に入った位置であって、該短手方向（圧電素子４０の厚み方向）において中央位置に配設されている。この位置は、後述する屈曲振動の２次モードの腹の位置であって、屈曲振動が最も大きくなる位置である。この位置に駆動子５，５を設けることで圧電素子４０の屈曲振動をより有効に活用することができる。尚、屈曲振動の２次モードの腹以外の位置であっても、節でない部分、即ち、非ノード部であれば、駆動子５，５を設置することができる。非ノード部であれば屈曲振動によって変位するため、圧電素子４０の屈曲振動を活用することができる。

各駆動子５は、図３に示すように、球体を基本形状として、その一部を平面で切り欠いた形状をしていて、その切り口に円形状の取付面５１が形成されている。各駆動子５は、この取付面５１が接着剤５２を介して圧電素子４０の長辺側面４０ｂに接着されている。また、各駆動子５は、ジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、タングステンカーバイド等で形成されている。

この接着剤５２としては、圧電素子４０の材料及び駆動子５の材料よりも柔らかいことが望ましい。具体的には、合成樹脂、特にエポキシ樹脂、シリコーン樹脂が挙げられる。このような材料を用いることにより圧電素子４０の屈曲振動をできるだけ阻害せずに駆動子５と圧電素子４０との間の固定を実現することができる。

前記ケース６は、樹脂製であって、前記圧電素子４０の他方の長辺側面４０ｃと両短辺側面４０ｄ，４０ｅとを覆う正面視概略コ字形状をしている。このケース６は、前記圧電素子４０の他方の長辺側面４０ｃと平行で且つ略長方形状の長辺壁部６１と、該長辺壁部６１の長手方向両端縁に位置する短辺部に設けられた短辺壁部６２，６２とを有している。長辺壁部６１の内側表面における長手方向中央部且つ短手方向中央部には、後述する付勢ゴム７２を配置するための受け穴部６１ａが形成されている。また、各短辺壁部６２の内側表面における長手方向中央部且つ短手方向中央部には、後述する支持ゴム７１を配置するための受け穴部６２ａが形成されている。

このように構成されたケース６内に前記アクチュエータ本体４が収容されている。アクチュエータ本体４は、圧電素子４０の他方の長辺側面４０ｃが長辺壁部６１と対向するようにしてケース６内に収容されている。このとき、駆動子５，５はケース６から突出している。

また、圧電素子４０の各短辺側面４０ｄ（４０ｅ）とケース６の各短辺壁部６２との間にはそれぞれ支持ゴム７１が介設されている。各支持ゴム７１は、各短辺壁部６２の受け穴部６２ａに嵌り込む共に、圧電素子４０の各短辺側面４０ｄ（４０ｅ）と当接している。この圧電素子４０の両短辺側面４０ｄ，４０ｅは後述する縦振動の腹の部分であるが、支持ゴム７１，７１は弾性体であるため、圧電素子４０の縦振動を阻害することなく、該圧電素子４０を支持することができる。

また、圧電素子４０の他方の長辺側面４０ｃとケース６の長辺壁部６１との間には付勢ゴム７２が介設されている。この付勢ゴム７２は、長辺壁部６１の受け穴部６１ａに嵌り込むと共に、圧電素子４０の長辺側面４０ｃと当接している。

これら支持ゴム７１，７１及び付勢ゴム７２は、シリコーンゴム等で構成されている。

このように構成された超音波アクチュエータ３において、前記ワイヤ９ｃ，９ｄ，９ｅは前記制御装置に接続されている。そして、ワイヤ９ｅをグランドに接続し、ワイヤ９ｃに所定周波数の交流電圧を、ワイヤ９ｄに該交流電圧と位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、圧電素子４０の主面４０ａの対角線方向に位置する一方の対の給電電極４１ａ，４１ｄと他方の対の給電電極４１ｂ，４１ｃとに互いに位相が９０°ずれた交流電圧を印加され、圧電素子４０には、図４に示す縦振動（いわゆる、伸縮振動）の１次モードと、図５に示す屈曲振動の２次モードとが誘起される。つまり、圧電素子４０は、長辺側面４０ｂの長手方向に縦振動を行うと共に、長辺側面４０ｂの法線方向に屈曲振動を行う。

縦振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数はそれぞれ、圧電素子４０の材料、形状等により決定される。さらに、両共振周波数は、圧電素子４０を支持する力及び支持する部分によっても影響を受ける。これらを考慮して、両共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の交流電圧を位相を９０°ずらした状態でワイヤ９ｃ，９ｄのそれぞれに印加することによって、圧電素子４０には、縦振動の１次モードと屈曲振動の２次モードとが調和的に誘起され、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す形状の変化を順番に起こす。

その結果、圧電素子４０に設けられた各駆動子５が該圧電素子４０の主面４０ａと平行な平面（図６における紙面と平行な面）、即ち、圧電素子４０の長辺側面４０ｂの長手方向（縦振動の振動方向）と長辺側面４０ｂの法線方向（屈曲振動の振動方向）を含む平面内で周回運動、詳しくは、略楕円運動を起こす。

このように構成された超音波アクチュエータ３は、駆動子５，５が円盤体２の側周面に当接するように配置される。つまり、超音波アクチュエータ３は、圧電素子４０の長辺側面４０ｂの長手方向と長辺側面４０ｂの法線方向を含む平面、即ち、縦振動の振動方向と屈曲振動の振動方向とを含む平面が円盤体２の回転軸Ｘと直交するように配置される。このとき、円盤体２及び駆動子５，５は、円盤体２の回転軸Ｘに直交する断面、即ち、圧電素子４０の長辺側面４０ｂの長手方向（即ち、縦振動の振動方向）及び屈曲振動の振動方向を含む平面に平行な断面が略円形状（厳密には、各駆動子５は円形状から所定の弓形を切り取った形状）となっている。

このとき、超音波アクチュエータ３は、付勢ゴム７２が圧縮変形して、該付勢ゴム７２の弾性力によって駆動子５，５が円盤体２に付勢された状態で配置されている。つまり、駆動子５，５は、超音波アクチュエータ３が駆動されていない状態においても円盤体２へ付勢されている。ここで、駆動子５，５の中心を結ぶ線分の垂直二等分線上に付勢ゴム７２が配置されていると共に、駆動子５，５が付勢ゴム７２によって該垂直二等分線の方向に付勢されているため、２つの駆動子５，５は略同一の付勢力によって円盤体２へ付勢されており、円盤体２を２つの駆動子５，５でバランス良く、安定して駆動することができる。

この状態で、前述の如く、前記ワイヤ９ｃをグランドに接続し、前記ワイヤ９ｄに所定周波数の交流電圧を、前記ワイヤ９ｅに該交流電圧と位相が９０°ずれた交流電圧を印加することによって、超音波アクチュエータ３は、圧電素子４０に縦振動と屈曲振動との合成振動を発生させ、駆動子５，５に圧電素子４０の主面４０ａと平行な平面内において略楕円運動を行わせる。こうすることで、駆動子５，５は、円盤体２との当接及び離間を周期的に繰り返しながら、摩擦力によって円盤体２をその回転軸Ｘ回りに回転させる。つまり、超音波アクチュエータ３は、円盤体２に対してその周方向へ駆動力を付与している。尚、２つの駆動子５，５は、図６に示すように、それぞれ位相が１８０°ずれた状態で略楕円運動をしているため、円盤体２は駆動子５，５のそれぞれによって交互に駆動される。

ここで、各駆動子５は、圧電素子４０との取付強度を高める観点から、取付面５１を介して圧電素子４０の長辺側面４０ｂに面接触状態で接着されている。しかしながら、駆動子５と長辺側面４０ｂとの接触面積が大きくなればなるほど、該駆動子５が長辺側面４０ｂの変形を広い範囲で拘束して、圧電素子４０の振動を阻害してしまう。そこで、図７に示すように、駆動子５の半径（基本形状である球体の半径）をｒとすると、取付面５１の、長辺側面４０ｂの長手方向（縦振動の振動方向）への幅、即ち、取付面５１の直径ｘは、次の式（１）を満たす。

ｘ＜２ｒ ・・・（１）
つまり、取付面５１の該縦振動の振動方向への幅（取付面５１の直径）は駆動子５の縦振動の振動方向への最大幅（駆動子５の直径）よりも小さく設定されている。

その一方で、本実施形態のように、縦振動の振動方向において、駆動子５の円盤体２との接点ｃにおける法線ｎが長辺側面４０ｂの法線方向に対して傾斜している構成においては、駆動子５に対して円盤体２からの反力が該法線ｎ方向に作用する。ここで、該法線ｎが駆動子５の取付面５１を通過する場合には、該円盤体２からの反力は駆動子の取付面５１に作用して、その一部は該取付面５１及び圧電素子４０の長辺側面４０ｂの剪断方向に作用するものの、残りは該取付面５１及び該長辺側面４０ｂの垂直方向、即ち、駆動子５を長辺側面４０ｂに押圧する方向に作用するため、該反力を取付面５１及び長辺側面４０ｂで受け止めることができる。それに対し、該法線ｎが駆動子５の取付面５１を通過することなく該駆動子５の球面部分を通過する場合には、該円盤体２からの反力は、取付面５１の周縁上の１点を支点として取付面５１を長辺側面４０ｂから浮き上がらせるように作用するため、駆動子５が長辺側面４０ｂから剥離する虞がある。

したがって、駆動子５が長辺側面４０ｃに面接触状態で接着されているとはいっても、駆動子５の長辺側面４０ｂからの剥離を確実に防止するためには、駆動子５の円盤体２との接点ｃにおける法線ｎが駆動子５の取付面５１を通過するように、駆動子５の径や該取付面５１の大きさ等を設定することが好ましい。

換言すれば、円盤体２の半径をＲ、２つの駆動子５，５の中心間の長辺側面４０ｂの長手方向（縦振動の振動方向）への距離をｌとすると、取付面５１の直径ｘは、次の式（２）を満たすことが好ましい。

ｘ＞ｒｌ／（Ｒ＋ｒ） ・・・（２）
こうすることで、円盤体２からの反力を駆動子５の取付面５１を介して圧電素子４０の長辺側面４０ｂで受け止めることができ、駆動子５が長辺側面４０ｂから剥離することを防止することができる。

ただし、前記法線ｎが駆動子５の取付面５１を通過する構成であっても、該法線ｎが長辺側面４０ｂの法線に対して傾斜しすぎると、該円盤体２からの反力のうち、該取付面５１及び該長辺側面４０ｂの垂直方向に作用する成分よりも、該取付面５１及び圧電素子４０の長辺側面４０ｂの剪断方向に作用する成分の方が多くなってしまう場合がある。そこで、取付面５１の直径ｘは次の式（３）を満たすことが好ましい。

こうすることで、円盤体２からの反力のうち、取付面５１及び長辺側面４０ｂの剪断方向に作用する成分を抑制して、駆動子５が長辺側面４０ｂから剥離することを確実に防止することができる。

また、圧電素子４０の屈曲振動の変位は、図８に示すようになる。図８において、横軸は、長辺側面４０ｂの長手方向位置であって長辺側面４０ｂの長手方向の全長を１としたときの相対的な位置を示している。縦軸は、屈曲振動の変位を表す。図中の実線は屈曲振動の変位であり、この屈曲振動の変位は、相対位置が０．３及び０．７付近で極値を持っている。圧電素子４０の屈曲振動を円盤体２へ効率良く伝達させるためには、駆動子５，５を屈曲変位が大きい部分、即ち、これら極値の位置に設けることが好ましい。それに加えて、駆動子５，５を長辺側面４０ｂに接着すると、該駆動子５が長辺側面４０ｂの変形を拘束するため、駆動子５，５は屈曲変位の変化率が小さい部分に設けられることが好ましい。図中の破線は屈曲変位の変化率であるが、前記極値付近は、屈曲変位の変化率が小さいが、極値からずれるにしたがって屈曲変位の変化率も大きくなっている。そのため、駆動子５，５を前記極値近傍に設置した場合であっても、取付面５１は屈曲変位の変化率が小さい範囲内に収まる程度の大きさであることが好ましい。具体的には、長辺側面４０ｂの長手方向の全長をＬとすると、取付面５１の直径ｘは、次の式（４）を満たすことが好ましい。

ｘ＜Ｌ／１０ ・・・（４）
こうすることで、長辺側面４０ｂにおける、屈曲変位の変化率が小さい範囲内に駆動子５を取り付けることができる。その結果、長辺側面４０ｂへの駆動子５の接着が圧電素子４０の屈曲振動を阻害することをさらに抑制することができる。

尚、駆動子５の円盤体２との接点ｃにおける法線ｎが長辺側面４０ｂの法線方向、即ち、屈曲振動の振動方向から傾斜すればするほど、駆動子５の楕円運動のうち駆動力を円盤体２に伝達することができる区間が短くなるため、該法線ｎは長辺側面４０ｂの法線に対してあまり傾斜していない方が好ましい。そこで、駆動子５の半径ｒは、次の式（５）を満たすことが好ましい。

こうすることで、アクチュエータ本体４が発生させる駆動力を効率良く円盤体２に伝達させることができる。

したがって、本実施形態１によれば、駆動子５，５を圧電素子４０の屈曲変形する側面である長辺側面４０ｂに取り付ける構成において、各駆動子５の取付面５１の縦振動の振動方向への幅、即ち、直径ｘを駆動子５の縦振動の振動方向への幅、即ち、直径２ｒよりも小さく設定することによって、各駆動子５と長辺側面４０ｂとの接触面積を小さくして、該駆動子５が長辺側面４０ｂの屈曲変形を阻害することを抑制することができる。つまり、この縦振動の振動方向（長辺側面４０ｂの長手方向）は、屈曲振動が拡がる（伝播する）方向であり、取付面５１の縦振動の振動方向への幅を小さくすることによって、該取付面５１による長辺側面４０ｂの拘束を小さくすることができる。

このとき、駆動子５と長辺側面４０ｂとの接触面積を小さくするとはいっても、両者を点接触や線接触ではなく、駆動子５に取付面５１を形成して該駆動子５を取付面５１を介して長辺側面４０ｂに面接触状態で取り付けることによって、駆動子５と長辺側面４０ｂとの間の取付強度を確保することができる。つまり、駆動子５によるアクチュエータ本体４の侵害の阻害の抑制と駆動子５の取付強度の確保とを両立させることができる。

また、駆動子５，５を、円盤体２の側周面のように、駆動子５，５が設けられた長辺側面４０ｂと平行でない面に当接させる構成においては、被駆動体（円盤体２）から駆動子５，５へ作用する反力が長辺側面４０ｂの法線方向に対して傾斜して作用するため、駆動子５，５の長辺側面４０ｂへの取付強度が特に問題となる。つまり、被駆動体からの反力が駆動子５，５及び長辺側面４０ｂに対して該長辺側面４０ｂの法線方向から傾斜した方向に作用する構成おいては、前述の如く、各駆動子５を取付面５１を介して面接触状態で長辺側面４０ｂに取り付ける構成が特に有効である。

さらに、駆動子５の取付面５１の大きさ、詳しくは、縦振動の振動方向への幅を、駆動子５の円盤体２との接点ｃにおける法線ｎが取付面５１を通過するように設定することによって、駆動子５が円盤体２から受ける反力を取付面５１及び長辺側面４０ｂで受け止めることができ、駆動子５が長辺側面４０ｂから剥離することを防止することができる。

さらに、このとき、前記式（３）を満足するように駆動子５の半径ｒ及び取付面５１の直径ｘを設定することによって、駆動子５が円盤体２から受ける反力のうち、取付面５１及び長辺側面４０ｂの剪断方向への成分が取付面５１及び長辺側面４０ｂの垂直方向への成分よりも多くなることを防止することができ、駆動子５が長辺側面４０ｂから剥離することをより確実に防止することができる。

さらにまた、前記駆動子５，５を圧電素子４０の長辺側面４０ｂにおける屈曲振動の腹の部分に設けることによって、駆動子５，５を長辺側面４０ｂにおいて屈曲変位の変化率が小さい部分に取り付けることができ、駆動子５，５が長辺側面４０ｂの屈曲変形を阻害することをさらに抑制できる。

《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２に係る駆動装置について説明する。実施形態２に係る駆動装置２０１は、超音波アクチュエータ２０３の構成、具体的には、アクチュエータ本体２０４の構成と駆動子２０５の構成とが実施形態１に係る超音波アクチュエータ３と異なる。

詳しくは、アクチュエータ本体２０４は、図９に示すように、共振子２４２と、該共振子２４２内に配設された圧電素子２４０ａ，２４０ｂと、これら圧電素子２４０ａ，２４０ｂにそれぞれ設けられた給電電極（図示省略）とを備えている。

前記共振子２４２は、ステンレスやアルミニウム合金等の金属又はセラミックなどの絶縁体で略直方体状に形成されている。この共振子２４２は、略長方形状の主面２４２ａ（６面のうち面積が最も大きな２面のうちの一方の面）の短手方向の一側には、前記圧電素子２４０ａ，２４０ｂを配設するための２つの配設穴２４２ｃ，２４２ｄが長手方向に並んで形成されている。

前記圧電素子２４０ａ，２４０ｂは、チタン酸ジルコン酸鉛や水晶等の圧電材料からなり、平面視略長方形状の平板状に形成されている。各圧電素子２４０ａ（２４０ｂ）は、対向する一対の面にそれぞれ一様な給電電極（図示省略）が形成されている。これら圧電素子２４０ａ，２４０ｂは、前記共振子２４２の配設穴２４２ｃ，２４２ｄ内に実装されている。

前記各駆動子２０５は、図１０に示すように、円柱を基本形状として、その一部を該円柱の軸に平行な平面で切り欠いた形状をしていて、その切り口に長方形状の取付面２５１が形成されている。各駆動子２０５は、この取付面２５１が接着剤５２を介して共振子２４２の長辺側面２４２ｂ（主面２４２ａと直交して該主面２４２ａの長手方向に延びる側面）に接着されている。また、各駆動子２０５は、ジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、タングステンカーバイド等で形成されている。

この各駆動子２０５は、円柱の軸が長辺側面２４２ｂの短手方向（共振子２４２の厚み方向）と平行になる状態で、長辺側面２４２ｂの長手方向において全長の約３０％距離だけその長手方向両端部から内側に入った位置に配設されている。この位置は、後述する屈曲振動の２次モードの腹の位置であって、屈曲振動が最も大きくなる位置である。

そして、前記圧電素子２４０ａ，２４０ｂそれぞれに所定の交流電流を供給することによって、共振子２４２に縦振動と屈曲振動とを調和的に誘起させる。詳しくは、圧電素子２４０ａ，２４０ｂそれぞれを所定の周波数で交互に縦振動させることによって、共振子２４２が圧電素子２４０ａ，２４０ｂの長手方向、即ち、共振子２４２の長手方向に縦振動を行う。それと同時に、該圧電素子２４０ａ，２４０ｂは共振子２４２の短手方向一側に偏った位置に設けられているため、該共振子２４２の短手方向一側の部分が長手方向の一側（圧電素子２４０ａに対応する部分）と他側（圧電素子２４０ｂに対応する部分）とで交互に伸縮することによって、共振子２４２が全体としてその短手方向に屈曲振動を行う。

縦振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数はそれぞれ、共振子２４２の材料、形状等により決定される。さらに、両共振周波数は、共振子２４２を支持する力及び支持する部分によっても影響を受ける。これらを考慮して、両共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の交流電圧を位相を９０°ずらした状態で圧電素子２４０ａ，２４０ｂのそれぞれに印加することによって、共振子２４２には、縦振動の１次モードと屈曲振動の２次モードとが調和的に誘起され、実施形態１のアクチュエータ本体４と同様に、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すような形状の変化を順番に起こす。その結果、共振子２４２に設けられた各駆動子２０５が該共振子２４２の長辺側面２４２ｂの長手方向（縦振動の方向）と長辺側面２４２ｂの法線方向（屈曲振動の振動方向）を含む平面内で周回運動、詳しくは、略楕円運動を起こす。

前記各駆動子２０５は、実施形態１の駆動子５と同様に、円盤体２の回転軸Ｘに直交する断面、即ち、共振子２４２の長辺側面２４２ｂの長手方向（即ち、縦振動の振動方向）及び屈曲振動の振動方向を含む平面に平行な断面が略円形状（厳密には、各駆動子２０５は円形状から所定の弓形を切り取った形状）となっている。この駆動子２０５，２０５も、前記式（１）〜（５）を満たすように構成されている。ただし、式（１）〜（５）において、ｒは駆動子２０５の基本形状である円柱の半径を表し、ｘは駆動子２０５の取付面２５１の、円柱の軸と直交する方向への幅、即ち、共振子２４２の縦振動の振動方向への幅を表している。

したがって、実施形態２によれば、実施形態１と同様に、駆動子２０５，２０５を共振子２４２の屈曲変形する側面である長辺側面２４２ｂに取り付ける構成において、各駆動子２０５の取付面２５１の縦振動の振動方向への幅ｘを駆動子２０５の縦振動の振動方向への幅、即ち、直径２ｒよりも小さく設定することによって、各駆動子２０５と長辺側面２４２ｂとの接触面積を小さくして、該駆動子２０５が長辺側面２４２ｂの屈曲変形を阻害することを抑制することができる。このとき、駆動子２０５と長辺側面２４２ｂとの接触面積を小さくするとはいっても、両者を点接触や線接触ではなく、駆動子２０５に取付面２５１を形成して該駆動子２０５を取付面２５１を介して長辺側面２４２ｂに面接触状態で取り付けることによって、駆動子２０５と長辺側面２４２ｂとの間の取付強度を確保することができる。

その他、実施形態１と同様の作用・効果を奏することができる。

また、駆動子２０５，２０５を円柱状の形状とすることによって、円盤体２との接触面積が増えるので、磨耗による駆動子２０５，２０５の形状変化が少なくなり、高い信頼性の超音波アクチュエータを実現することができる。

《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

実施形態１では圧電素子４０に略球体の少なくとも一部を平面で切り欠いた形状をしている駆動子５，５を設けた超音波アクチュエータ３を採用し、実施形態２では、圧電素子２４０ａ，２４０ｂを含む共振子２４２に略円柱体の少なくとも一部を該円柱体の軸に平行な平面で切り欠いた形状をしている駆動子２０５，２０５を設けた超音波アクチュエータ２０３を採用しているが、これに限られるものではない。例えば、圧電素子４０に略円柱体の駆動子２０５，２０５を設けた超音波アクチュエータを採用してもよいし、共振子２４２に略球体の駆動子５，５を設けた超音波アクチュエータを採用してもよい。尚、略球体の少なくとも一部を平面で切り欠いた形状をしている駆動子５は、他の部分、例えば、駆動子５と被駆動体との接触部分についても切り欠いた形状であってもよい。同様に、略円柱体の少なくとも一部を該円柱体の軸に平行な平面で切り欠いた形状をしている駆動子２０５は、他の部分、例えば、駆動子２０５と被駆動体との接触部分についても切り欠いた形状であってもよい。

また、前記実施形態１，２では、アクチュエータ本体を構成する圧電素子４０又は共振子２４２が正面視長方形に直方体状に形成されているが、これに限られるものではない。必ずしも、平面視長方形であったり、直方体であったりする必要はなく、屈曲振動及び縦振動を行うアクチュエータ本体における、屈曲振動の振動方向を向く側面に駆動子が設けられた超音波アクチュエータであれば、本発明を採用することができる。

さらに、前記実施形態１，２では、各駆動子５（２０５）を円盤体２の側周面に当接されているが、被駆動体は円盤体に限られるものではない。例えば、平板状の被駆動体の平坦面に各駆動子５（２０５）を当接させるように構成してもよい。駆動子５（２０５）を、平板状の被駆動体の平坦面のように、駆動子５（２０５）が設けられた長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）と平行な面に当接させる構成においては、付勢ゴム７２の付勢力は駆動子５（２０５）と被駆動体の平坦面との接触点に対して長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）と垂直な方向に作用するが、駆動時には駆動子５（２０５）と被駆動体の平坦面との接触点に対して駆動方向に摩擦力も発生する。そして、これらの合力は駆動子５（２０５）と長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）との接合面に対して働き、その方向は長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）と垂直にはならない。したがって、平板状の被駆動体の平坦面に各駆動子５（２０５）を当接させる場合においても、本発明は効果的である。

また、前記実施形態１，２では、各駆動子５（２０５）が当接する円盤体２の側周面は、縦振動の振動方向と屈曲振動の振動方向とに直交する方向において長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）と平行であるため、円盤体２からの反力は縦振動の振動方向と屈曲振動の振動方向とに直交する方向においては長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）に対して直交するように作用するが、これに限られるものではない。すなわち、被駆動体が球体であって駆動子５（２０５）と被駆動体との接点における法線が縦振動の振動方向と屈曲振動の振動方向とに直交する方向において長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）に対して傾斜するように超音波アクチュエータ３（２０３）を被駆動体に対して設置した場合のように、被駆動体からの反力が縦振動の振動方向においてだけでなく、縦振動の振動方向と屈曲振動の振動方向とに直交する方向においても長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）に対して傾斜している構成であってもよい。かかる場合であっても、前記各駆動子５（２０５）の取付面５１（２５１）は、縦振動の振動方向だけでなく、縦振動の振動方向と屈曲振動の振動方向とに直交する方向にも幅を有しているため、縦振動の振動方向と屈曲振動の振動方向とに直交する方向についても駆動子５（２０５）と長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）との間の取付強度を確保することができ、駆動子５（２０５）が長辺側面４０ｂ（２４２ｂ）から剥離することを防止することができる。

さらにまた、前記実施形態１，２では、駆動子は、縦振動の振動方向と屈曲振動の振動方向とを含む平面と平行な断面の形状が略円形状となっているが、これに限られるものではない。すなわち、駆動子の該断面の形状は、必ずしも円形状である必要はなく、多角形状や、多角形状と弓形状とを組み合わせた形状等、任意の断面形状の駆動子を採用することができる。その場合であっても、駆動子の取付面の縦振動の振動方向への幅を、駆動子の縦振動の振動方向への最大幅よりも小さくすればよい。

また、前記実施形態１，２では、各圧電素子にワイヤを介して給電しているが、これに限られるものではなく、任意の給電方法を採用することができる。例えば、支持ゴム及び付勢ゴムを導電性ゴムで構成して、ケースに設けられた給電電極から該支持ゴム及び付勢ゴムを介してアクチュエータ本体の圧電素子に給電するように構成してもよい。

なお、実施形態１，２では、縦振動の１次モードと屈曲振動の２次モードで説明したが、縦振動の１次モードと屈曲振動の４次モードとの組合せや、その他の振動又はモードの組合せでも構わない。

また、アクチュエータ本体とケースとの間の支持体をすべてを弾性体としたが、少なくとも一つを弾性体にしてもよいし、環状の支持体一つのみを圧電素子の周囲部に支持体を貫通するように設け、この支持体の圧電素子との接続近傍部のみを弾性体としても同様の効果を得ることができる。

また、前記実施形態では、圧電素子の表面に給電素子を形成する単板構成を採用しているが、電極層と圧電体層とを積層構造にする積層体の構成でも同様の作用・効果を奏することができる。その場合は、電極層に導通する外部電極を積層体の外周面に形成し、該外部電極にワイヤを接続する又は導電性ゴムで構成され支持ゴム及び付勢ゴムを当接させることによって、該電極層に電圧を印加することができる。

さらに、前記実施形態１では、圧電素子４０の給電電極の構成を、最も単純な、一方の主面の４分割電極と他方の主面の全面電極との組み合わせで説明したが、２分割電極や、５分割電極などその他の電極構成にした場合も、同様の作用・効果を得ることができる。

尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、屈曲振動を含む複数の振動を行うアクチュエータ本体を備えた超音波アクチュエータについて有用である。

図１は、本発明の実施形態１に係る超音波アクチュエータの構成を示す分解斜視図である。 図２は、超音波アクチュエータの構成を示す断面図である。 図３は、駆動子の斜視図である。 図４は、圧電素子の１次モードの縦振動による変位を示す概念図である。 図５は、圧電素子の２次モードの屈曲振動による変位を示す概念図である。 図６は、圧電素子の動作を示す概念図である。 図７は、駆動子及び円盤体の寸法を示す断面図である。 図８は、屈曲振動による変位とその変位の変化率とを示すグラフである。 図９は、実施形態２に係る超音波アクチュエータの構成を示す分解斜視図である。 図１０は、駆動子の斜視図である。

符号の説明

ｃ 接点
ｎ 法線
Ｘ 回転軸
２ 円盤体（被駆動体）
４，２０４ アクチュエータ本体
４０，２４０ａ，２４０ｂ 圧電素子
４０ｂ，２４２ｂ 長辺側面（屈曲振動の振動方向を向く側面）
５，２０５ 駆動子
５１，２５１ 取付面

Claims (10)

1. 圧電素子を有し、屈曲振動及び縦振動を行うアクチュエータ本体と、
   前記アクチュエータ本体の前記屈曲振動の振動方向を向く側面に取り付けられて、該アクチュエータ本体の振動に従って前記屈曲振動の振動方向と前記縦振動の振動方向とを含む平面内で周回運動することで駆動力を出力する駆動子とを備え、
   前記駆動子は、取付用の取付面が形成されていて該取付面を介して前記側面に面接触状態で取り付けられ、
   前記取付面の前記縦振動の振動方向への幅は、前記駆動子の前記縦振動の振動方向への最大幅よりも小さい超音波アクチュエータ。
2. 前記駆動子は、球体の少なくとも一部を平面で切り欠いた形状をしていると共に、その切り口が前記取付面を構成している請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
3. 前記駆動子は、円柱の少なくとも一部を該円柱の軸に平行な平面で切り欠いた形状をしていると共に、その切り口が前記取付面を構成している請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
4. 前記駆動子は、前記アクチュエータ本体の屈曲振動の非ノード部に取り付けられている請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
5. 前記駆動子は、前記アクチュエータ本体の屈曲振動の腹の部分に取り付けられている請求項４に記載の超音波アクチュエータ。
6. 前記駆動子は、前記屈曲振動の振動方向と前記縦振動の振動方向とを含む平面に対して直交する回転軸回りに回転する被駆動体の側周面に当接し、該被駆動体に駆動力を出力する請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
7. 前記駆動子は、該駆動子の前記被駆動体との接点における法線が前記取付面を通過するように構成されている請求項６に記載の超音波アクチュエータ。
8. 前記駆動子は、前記アクチュエータ本体の前記側面において前記縦振動の振動方向に２つ設けられており、
   前記駆動子及び前記被駆動体の、前記屈曲振動の振動方向及び前記縦振動の振動方向を含む平面と平行な断面は共に略円形状であり、
   ２つの前記駆動子の中心間の前記縦振動の振動方向への距離をｌ、該駆動子の半径をｒ、該駆動子の前記取付面の前記縦振動の振動方向への幅をｘ、前記被駆動体の半径をＲとすると、以下の式（２）を満足する請求項６に記載の超音波アクチュエータ。
   ｘ＞ｒｌ／（Ｒ＋ｒ） ・・・（２）
9. 前記駆動子は、以下の式（３）を満足する請求項８に記載の超音波アクチュエータ。
   

   
10. 前記アクチュエータ本体は、１次の縦振動と２次の屈曲振動とを行う請求項１乃至９の何れか１つに記載の超音波アクチュエータ。

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