JPH08242593A

JPH08242593A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH08242593A
Application number: JP7339640A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Okazaki; 光宏岡崎; Michihiro Tobe; 通宏戸部
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-01-06
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1996-09-17
Also published as: US5777424A

Abstract

(57)【要約】【課題】高トルク、高回転により駆動でき、構造が簡
単かつ製造が容易な超音波モータを提供する。【解決手段】２つの半円柱状の弾性部材２，３からな
るステータ１と、ステータ１の端面に配置されるロータ
６と、ステータ１の軸回りの捩じり振動を発生させる圧
電素子４と、ステータ１の軸方向の縦振動を発生させる
圧電素子５と、ロータ６をステータ１に加圧接触させる
皿バネ９とを含み、圧電素子４は、ステータ２の弾性部
材２、３の間に配置されており、ステータ１の外周に一
体又は別体に設けられ、そのステータを支持する支持部
材２ｃ，３ｃを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも２種類
の振動を利用して駆動力を得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】図１７は、縦振動及び捩り振動の２つの
振動を利用した振動アクチュエータの従来例を示す斜視
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１０１は、２つの円柱型の弾性体１０２，１０
３間に、捩り振動用の圧電素子１０４が挟まれている。
そして、弾性体１０３の上側に、縦振動用の圧電素子１
０５が配置されている。捩り振動用の圧電素子１０４
は、周方向に分極されている。また、縦振動用の圧電素
子１０５は、厚み方向に分極されている。さらに、ロー
タ１０６は、縦振動用の圧電素子１０５の上側に配置さ
れている。

【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
に固定（シャフト１０７のねじ部に螺合）されている。
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ている。シャフト１
０７の先端には、ばね１０９を介して、ナット１１０が
螺合しており、ロータ１０６をステータ１０１に加圧接
触させている。

【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１
０６が回転するための機械変位を与える。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。これにより、捩り
振動と縦振動とが合成されて一方向への運動に変換され
る。

【０００７】図１８は、従来の振動アクチュエータの振
動子１０２，１０３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。そこで、圧電材料を、図１８に示すように、６〜
８個程度の扇形の小片に一旦分割していた。そして、各
小片に対してそれぞれ分極処理を行った後に、再び環状
に組み合わせていた。なお、符号１０４ａは電極を示
す。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の振動アクチュエータでは、捩り振動用の圧電素子１
０４を環状に組み合わせるときに、正確な環状にするた
めの形状精度を出すことが難しかった。

【０００９】そこで、２つの棒状の部材と、これら２つ
の棒状の部材の間に挟み込まれた、板状に形成された捩
り振動用の圧電素子とで振動子が構成される振動アクチ
ュエータが提案された。

【００１０】図１９は、このような構成を有する振動ア
クチュエータの一例を示す断面図である。また、図２０
は、図１９の振動アクチュエータに用いる振動子の構成
を示す斜視図である。さらに、図２１は、図１９の振動
アクチュエータの振動子の説明図であり、図２１（ａ）
は上面図，図２１（ｂ）は側面図である。

【００１１】振動子２０１は、圧電素子２０４，２０５
と、これらの圧電素子２０４，２０５が接合された弾性
体２０２，２０３とで構成されている。圧電素子２０
４，２０５は、駆動信号により励振され、電気エネルギ
ーを機械変位に変換する。弾性体２０２，２０３は、圧
電素子２０４，２０５の励振により縦振動と捩り振動と
が生じることによって、駆動面Ｄに駆動力が発生する。

【００１２】弾性体２０２，２０３は、厚肉の円筒を縦
に２つに分割した形状を有し、その分割面に圧電素子２
０４，２０５が挟み込まれている。圧電素子２０４，２
０５は合計４層からなっている。２層の圧電体２０４
は、圧電定数ｄ₁₅を用いる捩り振動用の圧電素子であ
り、残りの２層の圧電素子２０５は、圧電定数ｄ₃₁を用
いる縦振動用の圧電素子である。

【００１３】弾性体２０２，２０３は、高さ方向のほぼ
中心に圧電素子２０４，２０５の積層方向とほぼ平行に
貫通孔２０２ｂ，２０３ｂが形成されている（図１９及
び図２０参照）。この弾性体２０２，２０３は、これら
の貫通孔２０２ｂ，２０３ｂを用いてボルト２１３とナ
ット２１４とで固定されることにより圧電素子２０４，
２０５を挟み込むとともに、軸方向の中心に挿入された
固定軸２０７に固定される。

【００１４】相対運動部材２０６は、母材２０６Ａと、
振動子２０１の駆動面Ｄに接触する摺動材２０６Ｂとで
構成されている。そして、母材２０６Ａの内周部に嵌め
込まれたベアリング等の位置決め部材２０８によって固
定軸２０７に対して位置決めされている。

【００１５】圧電素子２０４は、弾性体２０２，２０３
の長手方向に対して剪断変位を発生させる。圧電素子２
０４は、振動子２０１を上方から見た図２１（ａ）にお
いて、円周方向に対して剪断変形が手前方向Ｘとその反
対方向Ｙとが交互になるように配置されている。このと
きに、手前側に最大剪断変形する位置が点対称になり、
その反対側に最大剪断変形する位置が点対称となるとよ
り好ましい。圧電素子２０４は、このように配置される
ことで、それぞれが剪断変形したときに、振動子２０１
に捩り変位が発生し、振動子２０１の駆動面Ｄが捩じれ
る。

【００１６】圧電素子２０５は、弾性体２０２，２０３
の長手方向に対して伸縮変位を発生させる。４つの縦振
動用の圧電素子２０５は、その全てが、ある電位が印加
されたときに同一の方向に変位が生じるように配置され
ている。

【００１７】以上のように、圧電定数ｄ₁₅を用いる捩り
振動用の圧電素子２０４と、圧電定数ｄ₃₁を用いる縦振
動用の圧電素子２０５とを配置した場合に、捩り振動用
の圧電素子２０４に正弦波電圧を入力することによっ
て、それに応じて振動子２０１に捩り振動が発生する。
また、縦振動用の圧電素子２０５に正弦波電圧を入力す
ることによって、それに応じて振動子２０１に伸縮運動
が発生する。

【００１８】しかし、図１９〜図２１を用いて説明した
振動アクチュエータについては、振動アクチュエータ本
体の支持方法が具体的に検討されていなかった。そのた
め、支持形態によっては、弾性体に発生する振動を減衰
させてしまい、駆動効率を低下させてしまうおそれがあ
った。

【００１９】本発明の目的は、このような、２つの棒状
の部材と、これら２つの棒状の部材の間に挟み込まれ
た、板状に形成された捩り振動用の圧電素子とにより振
動子が構成される振動アクチュエータについて、駆動効
率の低下をできるだけ抑制した支持手段を提供すること
である。

【００２０】

【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つの半円柱状の弾性部材によ
り構成される振動子と、前記振動子の端面に配置される
相対運動部材と、前記振動子の軸回りの捩り振動を発生
させる第１の電気機械変換素子と、前記振動子の軸方向
の縦振動を発生させる第２の電気機械変換素子と、前記
相対運動部材と前記振動子とを加圧接触させる加圧部材
と、前記振動子の外周部に半径方向に張り出して設けら
れ、前記振動子を支持する支持部材とを備えることを特
徴とする振動アクチュエータである。

【００２１】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、前記支持部材は、前記振
動子を構成する前記弾性部材と一体に形成されているこ
とを特徴としている。

【００２２】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
に記載された振動アクチュエータにおいて、前記支持部
材は、前記振動子に発生する前記捩り振動の節の位置に
設けられていることを特徴としている。

【００２３】請求項４の発明は、請求項１から請求項３
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータに
おいて、前記第１の電気機械変換素子は、前記振動子の
前記弾性部材の間に配置されていることを特徴としてい
る。

【００２４】請求項５の発明は、請求項１から請求項４
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータに
おいて、前記振動子の外側に配置され、前記支持部材が
固定されるハウジングを有することを特徴としている。

【００２５】請求項６の発明は、請求項１から請求項５
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータに
おいて、前記第２の電気機械変換素子は、前記振動子の
前記弾性部材の間に配置されていることを特徴としてい
る。

【００２６】請求項７の発明は、請求項１から請求項６
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータに
おいて、前記支持部材は、環状又は分割環状の突起部で
あることを特徴としている。

【００２７】請求項８の発明は、請求項１から請求項７
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータに
おいて、前記支持部材は、前記振動子を３点以上の支持
点で支持することを特徴としている。

【００２８】請求項９の発明は、２つの半円柱状の弾性
部材により構成される振動子と、前記振動子の端面に配
置される相対運動部材と、前記振動子の軸回りの捩り振
動を発生させる第１の電気機械変換素子と、前記振動子
の軸方向の縦振動を発生させる第２の電気機械変換素子
と、前記相対運動部材と前記振動子とを加圧接触させる
加圧部材と、前記振動子の内周部に半径方向に張り出し
て設けられ、前記振動子を支持する支持部材とを備える
ことを特徴としている。

【００２９】請求項１０の発明は、請求項９に記載され
た振動アクチュエータにおいて、前記支持部材は、前記
振動子を構成する前記弾性部材と一体に形成されている
ことを特徴としている。

【００３０】請求項１１の発明は、請求項９又は請求項
１０に記載された振動アクチュエータにおいて、前記支
持部材は、前記振動子に発生する前記捩り振動の節の位
置に設けられていることを特徴としている。

【００３１】請求項１２の発明は、請求項９から請求項
１１までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記第１の電気機械変換素子は、前記振動
子の前記弾性部材の間に配置されていることを特徴とし
ている。

【００３２】請求項１３の発明は、請求項９から請求項
１２までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記第２の電気機械変換素子は、前記振動
子の前記弾性部材の間に配置されていることを特徴とし
ている。

【００３３】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）以下、図面等を参照して、実施形態
について、さらに詳しく説明する。なお、以降の本実施
形態の説明は、振動アクチュエータとして超音波アクチ
ュエータを例にとって行う。

【００３４】図１は、本発明による超音波アクチュエー
タの第１の実施形態を示した断面図である。図２は、図
１の超音波アクチュエータのステータの説明図であり、
図２（ａ）は上面図，図２（ｂ）は斜視図である。

【００３５】超音波アクチュエータのステータ１は、半
円柱状の弾性部材２，３と、それらの弾性部材２，３の
間に挟まれた、４枚の板状の圧電素子４，５（圧電素子
４，５の配置については図３を参照しながら説明す
る。）とによって構成されている。本実施形態では、弾
性部材２，３と圧電素子４，５とは、それぞれ接着によ
り固定されている。なお、接着と併せて、前述した図１
９に示すように、ボルトとナットとを用いて締結して固
定するようにしてもよい。

【００３６】弾性部材２，３それぞれの外周面には、そ
の出力軸方向の所定の位置（本実施形態では略中央部）
に、本発明における支持部材であるフランジ状の突起部
２ｃ，３ｃが半円環状に一体に形成されている。突起部
２ｃ，３ｃは、後述する円筒部材２１，２２によって上
下から挟み込まれることにより、ステータ１を支持す
る。なお、突起部２ｃ，３ｃは、３個以上の突起から構
成されていてもよい。

【００３７】本実施形態では、突起部２ｃ，３ｃは、超
音波アクチュエータを収容するハウジング２０によって
保持される。このハウジング２０は、上下２つに分けら
れ、互いの端部において螺合する円筒部材２１，２２に
よって構成される。

【００３８】円筒部材２１，２２は、それぞれの端部に
ネジ部が形成されており、ステータ１を内部に収容し、
それぞれのネジ部を螺合することにより、突起部２ｃ，
３ｃを挟んで保持した状態でステータ１を固定する。

【００３９】本実施形態では、半円柱状の弾性部材２，
３の加工工程において、突起部２ｃ，３ｃを、例えば切
削加工により加工・成形することができるため、加工作
業が容易である。また、突起部２ｃ，３ｃの形成面と駆
動面１ａとの平行度に関する精度が向上するため、ステ
ータ１とロータ６との片当たりを防止することができ、
超音波アクチュエータの駆動性能が向上する。

【００４０】ロータ６は、円柱型の外形を有し、円筒部
材２１によって回転可能に支持されている。ロータ６の
回転軸には、出力軸７がロータ６のステータ１との摺動
面に対して垂直に設けられる。

【００４１】ロータ６は、ステータ１のロータ６側端面
である駆動面１ａに、摺動材１５を介して接触した状態
で配置される。本実施形態では、摺動材１５はロータ６
のステータ１側端面に貼付されて装着される。

【００４２】出力軸７は、円筒部材２１の内面に装着さ
れたボールベアリング８によって支持されており、ロー
タ６が円筒部材２１に対して回転可能に支持される。ボ
ールベアリング８は、円筒部材２１の軸方向について移
動可能に装着される。

【００４３】ボールベアリング８の反ロータ６側には、
円筒部材２１の内面に装着された皿バネ９が配置されて
おり、さらに、皿バネ９の反ボールベアリング８側には
円筒部材２１の内面に螺着された円環状の皿バネ加圧部
材１０が配置されている。この皿バネ加圧部材１０によ
って、皿バネ９及びボールベアリング８を介して、ロー
タ６がステータ１に向けて加圧される。皿バネ加圧部材
１０の円筒部材２１に対する螺着位置を変更することに
より、ロータ６のステータ１に対する加圧力の大きさを
調整することができる。

【００４４】なお、ステータ１の外面に設けられた突起
部２ｃ，３ｃの厚さを薄くして前述した加圧力の大きさ
によりある程度撓むようにすることにより、ステータ１
の中心軸方向の動きに対してバネ作用による復元力を持
たせることも可能である。すなわち、ロータ６の摺動面
がステータ１の駆動面１ａに対して傾斜して接触して
も、突起部２ｃ，３ｃが撓んで変形することによって、
ステータ１の駆動面１ａとロータ６の摺動面とを面接触
させて完全に密着させることができる。

【００４５】さらに、突起部２ｃ，３ｃの厚さを薄くす
ることにより、ステータ１とロータ６とが均一に接触し
ないで片当たりの状態となることにより発生する超音波
アクチュエータの性能低下（例えば、出力低下，駆動効
率低下，摩耗増大等）を防止することができる。

【００４６】図３は、第１の実施形態に係る超音波アク
チュエータのステータ１の上面図であり、圧電素子の配
置状態を示す。また、図５及び図６は、第１の実施形態
に係る超音波アクチュエータのステータ１に用いる圧電
素子の説明図であり、図５（ａ）及び図６（ａ）は分極
方向を、図５（ｂ）及び図６（ｂ）は電極配置及び電圧
印加時における変形状態を、それぞれ示す。

【００４７】図３において、圧電素子４は、ステータ１
に超音波領域の捩り振動を発生させるための素子であ
る。圧電素子５は、ステータ１に超音波領域の縦振動を
発生させるための素子である。圧電素子４は、振動子１
の中心からみて左上に２枚、右下に２枚それぞれ配置さ
れる。また、圧電素子５は、振動子１の中心からみて右
上に２枚、左下に２枚それぞれ配置される。

【００４８】対向して配置される２枚の圧電素子４の間
には、電極４ｂが配置される。一方、対向して配置され
る２枚の圧電素子５の間には、電極５ｂが配置される。
電極４ｂ，５ｂは、それぞれリン青銅等の金属箔によっ
て形成されている。これらの電極４ｂ，５ｂは、圧電素
子４，５に接着されて固定されている。圧電素子４，５
と弾性部材２，３との間は接地されており、圧電素子４
と圧電素子５との間は接地用電極を介して接地されてい
る。

【００４９】図３は、捩り振動用の圧電素子４，縦振動
用の圧電素子５それぞれの分極方向を示している。捩り
振動用の圧電素子４は、出力軸の方向に分極されてい
る。縦振動用の圧電素子５は、圧電素子５の厚さ方向
（出力軸と略直交する方向）に分極されている。

【００５０】捩り振動用の圧電素子４は、図５（ａ）に
示すように、平板状の圧電素子４の長さ方向に分極され
ている。そのため、図５（ａ）に示す電極４ｂを用いて
電圧を印加すると、図５（ｂ）に示すように圧電素子４
に剪断変形が発生する。この剪断変形を利用してステー
タ１を構成する弾性部材２，３に捩り振動を発生させる
ことができる。

【００５１】一方、縦振動用の圧電素子５は、図６
（ａ）に示すように、平板状の圧電素子５の厚さ方向に
分極されている。そのため、図６（ａ）に示す電極５ｂ
を用いて電圧を印加すると、図６（ｂ）に示すように圧
電素子５に伸び変形が発生する。この伸び変形を利用し
てステータ１を構成する弾性部材２，３に縦振動を発生
させることができる。

【００５２】図７は、本実施形態に係る超音波アクチュ
エータのステータ１に発生する振動モードを示す説明図
である。本実施形態の超音波アクチュエータは、ステー
タ１に超音波領域の一次の縦振動と超音波領域の一次の
捩り振動とを発生し、これらの振動を利用して駆動力を
得るものである。図７に示すように、縦振動の振幅の分
布は、ステータ１及びロータ６の全長に関する振動とし
て表される。一方、捩り振動の振幅の分布は、ステータ
１の全長に関する振動として表される。本実施形態の超
音波アクチュエータでは、ステータ１の略中央部が捩り
振動の節Ｔの位置となる。

【００５３】すなわち、突起部２ｃ，３ｃは、ステータ
１の長手方向に関して捩り振動の節Ｔの位置に設けられ
ている。また、突起部２ｃ，３ｃは、フランジ状に形成
されているため、捩り振動の捩り方向よりも縦振動の伸
縮方向に変形し易い。そのため、本実施形態において突
起部２ｃ，３ｃを支持しても、ステータ１に発生する縦
振動に対する拘束が少ない。

【００５４】また、捩り振動については、捩り振動の節
の位置Ｔを支持することになるため、捩り振動に対する
拘束も少ない。このように、本実施形態において、捩り
振動の節の位置に突起部２ｃ，３ｃを設けてこの突起部
２ｃ，３ｃを超音波アクチュエータの支持部材として利
用すれば、ステータ１に発生する縦振動及び捩り振動の
振動減衰をできるだけ抑制して、大きな振幅を確保する
ことができる。そのため、超音波アクチュエータの性能
低下を防止して超音波アクチュエータを確実に支持する
ことができる。

【００５５】図４は、第１の実施形態に係る超音波アク
チュエータの駆動回路を示すブロック図である。同図に
おいて、駆動信号発生装置３１は、所定の周波数の駆動
信号を発生する。駆動信号発生装置３１の出力は分岐し
て、一方は、位相を９０°進める（又は遅らせる）移相
器３２を介して、増幅器３３に接続されている。また、
他方は、増幅器３４に接続されている。

【００５６】増幅器３３は、捩り振動用出力端子（Ｔ）
を介して超音波アクチュエータの電極４ｂに接続されて
いる。また、増幅器３４は、縦振動用出力端子（Ｌ）を
介して超音波アクチュエータの電極５ｂに接続されてい
る。

【００５７】なお、移相器３２の位相差を調節して最適
値を選ぶことによって、超音波アクチュエータのトル
ク，回転数及び駆動効率をいずれも向上させることがで
きる。

【００５８】捩り振動用の圧電素子４の回転変位が正方
向である場合には、縦振動用の圧電素子５の変位も正方
向（ステータ１とロータ６とが接近・接触する方向）と
なる。そのため、ステータ１の捩り振動はロータ６へ伝
達され、ロータ６は正方向に回転する。

【００５９】捩り振動用の圧電素子４の回転変位が負方
向である場合には、縦振動用の圧電素子５の変位も負方
向（ステータ１とロータ６とが離れる方向）となる。そ
のため、ステータ１の捩り振動はロータ６へは伝達され
ず、ロータ６は回転しない。

【００６０】ステータ１とロータ６とが以上のような一
連の動作を繰り返して行うことにより、ロータ６は一定
方向（正方向）へ回転する。ロータ６を逆転させて負方
向へ回転させるためには、移相器３２の位相差を９０°
から−９０°へと変更すればよい。この変更によって、
ロータ６に伝達される捩り振動の向きが逆方向となり、
ロータ６は負方向へ回転する。

【００６１】本実施形態に係る超音波アクチュエータを
高効率で駆動するためには、捩り振動の共振周波数と縦
振動の共振周波数とを略一致させ、この共振周波数の近
傍の駆動周波数で駆動することにより捩り振動振幅及び
縦振動振幅を同時に増大させることが望ましい。捩り振
動の共振周波数と縦振動の共振周波数とを略一致させる
ためには、ステータ１の材質及び形状，ロータ６の材質
及び形状，摺動材１５の材質及び形状，さらにはロータ
６のステータ１に対する加圧力等を変更することによ
り、最適条件を求めればよい。

【００６２】図８は、第１の実施形態に係る超音波アク
チュエータのハウジングの変形形態を示す斜視図であ
る。なお、図８では、ボールベアリング，皿バネさらに
は皿バネ加圧手段等は図１に示す第１実施形態と同一で
あるため、図示を省略する。

【００６３】図８に示す超音波アクチュエータでは、ハ
ウジング２０が、振動子１の回転軸方向と平行な方向
（いわば縦方向）に分割された２つの半円柱状部材によ
り構成されている。

【００６４】このように構成された第１の実施形態の超
音波アクチュエータでは、ステータ１が突起部２ｃ，３
ｃを介して外側のハウジング２０によって支持されるた
め、超音波アクチュエータ全体の小型化を図りながら、
ステータ１に発生する捩り振動及び縦振動をいずれも減
衰させることなく、確実に支持することができる。

【００６５】また、前述した図１９に示す超音波アクチ
ュエータと異なり、ステータ１の中央部に支持のための
固定軸を貫通させる必要がないため、ステータ１の内部
に配置する圧電素子４，５の面積を大きくすることがで
きる。そのため、小型で高トルク及び高回転型の超音波
アクチュエータを得ることができる。

【００６６】（第２の実施形態）図９は、本発明に係る
超音波アクチュエータの第２の実施形態を示す断面図で
ある。図１０は、第２の実施形態の超音波アクチュエー
タの各種のステータを示す図であって、図１０（ａ）は
切欠きリングを用いた場合の上面図，図１０（ｂ）は切
欠きリングを用いた場合の斜視図，図１（ｃ）は分割リ
ングを用いた場合の上面図である。

【００６７】なお、以下に説明する各実施形態では、前
述した第１の実施形態と同様な機能を果たす部分には、
同一の符号を付すことによって、重複する説明を適宜省
略する。

【００６８】第２の実施形態に係る超音波アクチュエー
タでは、ステータ１の外面であって発生する捩り振動の
節の位置に、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すよう
に別部材の切欠きリング４１を，又は図１０（ｃ）に示
すように分割リング４２を装着する。そして、切欠きリ
ング４１又は分割リング４２を用いることにより、ステ
ータ１を支持する。

【００６９】第２の実施形態では、ステータ１には、長
手方向の略中心であって捩り振動の節位置に相当する外
面に、溝部１ｂが設けられており、その溝部１ｂに切欠
きリング４１又は分割リング４２が嵌め込まれて取り付
けられている。切欠きリング４１又は分割リング４２の
形状，寸法さらには材質等を変更することにより、ステ
ータ１に発生する振動の振幅等を変更することができ
る。

【００７０】このように、第２の実施形態は、所定の駆
動特性を得ようとする際、ステータ１の形状を変更する
ことなく支持部材だけを交換すればよいため、超音波ア
クチュエータの調整・加工が容易である。

【００７１】（第３の実施形態）図１１は、本発明に係
る超音波アクチュエータの第３の実施形態を示す断面図
である。図１２は、第３の実施形態に係る超音波アクチ
ュエータのステータの説明図であり、図１２（ａ）は上
面図，図１２（ｂ）は縦断面図である。

【００７２】第３の実施形態の超音波アクチュエータ
は、ステータ１の外周面のうちの長手方向の略中央部に
環状に溝１ｃが形成されている。また、ステータ１を円
筒部材２３に装着した際に、溝部１ｃに対応する円筒部
材２３の側面には、図１２（ａ）に示すように、弾性部
材２，３の圧電素子４，５と直交する方向にネジ孔２３
ａ，２３ｂ，２３ｃが形成されている。これらのネジ孔
２３ａ〜２３ｃに止めネジ５１，５２，５３をネジ留め
する。そして、止めネジ５１〜５３の先端を、ステータ
１の溝部１ｃに係合することにより、円筒部材２３によ
りステータ１を支持する。

【００７３】図１２（ａ）において、止めネジ５２，５
３は止めネジ５１に対して１２０度の位置に配置してあ
る。このため、弾性部材２，３を安定して支持すること
ができる。また、３点のみの支持であるため、ステータ
１の拘束が少なく、振動の損失（減衰）が少ない。

【００７４】なお、止めネジ５１〜５３の代わりに、ピ
ンなどを用いてもよい。第３の実施形態は、構造が簡単
であるため、加工・製作が容易である。

【００７５】（第４の実施形態）図１３は、本発明に係
る超音波アクチュエータの第４の実施形態を示す説明図
であり、図１３（ａ）は平面図，図１３（ｂ）は斜視図
である。

【００７６】第４の実施形態の超音波アクチュエータ
は、ステータ１の外周面のうちの長手方向の略中央部に
環状に突起部２ｃ，３ｃを形成されて、この突起部２
ｃ，３ｃと突起部形成面における圧電素子積層方向の中
心軸との交点に、キー溝２ｄ，３ｄを形成される。

【００７７】このキー溝２ｄ，３ｄには、正四角柱の形
状のキー６１，６２が振動子軸方向に嵌め込まれて装着
される。キー６１，６２によりステータ１の回転が防止
される。

【００７８】なお、図示していないが、円筒部材（不図
示）の内面の対応する位置にもキー溝が設けられてお
り、ステータ１の突起部２ｃ，３ｃに設けられたキー溝
２ｄ，３ｄ及び円筒部材（不図示）の内面に設けられた
キー溝に、キー６１，６２が嵌め込まれることにより、
円筒部材によってステータ１が保持される。

【００７９】第４の実施形態によれば、ロータ６が駆動
されて回転しても、ロータ６の反力によってステータ１
が回転してしまうことはない。また、図１に示す第１の
実施形態のように、２つの円筒部材２１，２２により突
起部２ｃ，３ｃを挟み込んで固定する必要がない。した
がって、締め込み力を弱めたり、ステータ１の下側（円
筒部材２２）のみで支持してステータ１を固定すること
ができる。そのため、ステータ１を、振動減衰をできる
だけ抑制した状態で支持することができる。

【００８０】（第５の実施形態）図１４は、本発明に係
る超音波アクチュエータの第５の実施形態を示す説明図
であって、図１４（ａ）は平面図，図１４（ｂ）は図１
４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。

【００８１】第５の実施形態の超音波アクチュエータ
は、ステータ１（弾性部材３）の側面であって捩り振動
の節の位置に相当するステータ長手方向略中心部に、溝
１ｃと孔１ｄとが形成されている。そして、溝１ｃにピ
ンネジ（又はピン）５２，５３を係合させ、孔１ｄにピ
ンネジ（又はピン）５４を挿入してある。

【００８２】これにより、ステータ１を支持するととも
に、ステータ１の回転を防止している。第５の実施形態
は、第３の実施形態及び第４の実施形態双方の利点を合
わせ持ったものである。

【００８３】（第６の実施形態）図１５は、本発明に係
る超音波アクチュエータの第６の実施形態を示す断面図
である。図１６は、図１５の超音波アクチュエータのス
テータを抜き出して示した説明図であり、図１６（ａ）
は平面図，図１６（ｂ）は斜視図である。

【００８４】図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すよう
に、本実施形態の超音波アクチュエータのステータ７１
は、４枚の板状の圧電素子７４，７５と，これら圧電素
子７４，７５を挟んで保持した状態で接合される中空半
円筒状の弾性体７２，７３とにより構成されている。

【００８５】弾性体７２，７３は、厚肉の中空円筒体を
縦に２分割した形状を呈し、その２つの分割面に圧電素
子７４，７５が２枚ずつ合計４枚積層された状態で挟み
込まれる。

【００８６】弾性部材７２，７３と圧電素子７４，７５
とは、それぞれ接着により固定されている。なお、接着
と併せて、前述した図１９に示すように、ボルトとナッ
トとを用いて締結することにより固定するようにしても
よい。

【００８７】図１５に示すように、弾性部材２，３の内
周面には、それぞれ、その出力軸方向の所定位置に、振
動子７１を支持する支持部材であるフランジ状の突起部
７２ｃ，７３ｃが略半円環状に一体に形成されている。
なお、本実施形態では、前述した所定位置とは、第１の
実施形態と同様に、捩り振動の節となる位置である。

【００８８】ステータ７１の内部には、軸方向に向けて
固定軸８１が挿入された状態で設置される。この固定軸
８１は、弾性体７２，７３と圧電素子７４，７５それぞ
れの内周側の面に接触しないように配置される。

【００８９】固定軸８１は、上部側固定軸８１ａと下部
側固定軸８１ｂとに分割される。上部側固定軸８１ａの
分割部は、弾性部材２，３の内周面に形成された略半円
環状の突起部７２ｃ及び７３ｃそれぞれの円弧状の端面
により形成される円形状の空間に向けて挿入できるよう
に、先端に直径が段差状に小さい小径部が形成される。
この小径部には雄ネジが形成されている。

【００９０】一方、下部側固定軸８１ｂの分割面の中央
部には、上部側固定軸８１ａの先端に形成された雄ネジ
が螺着する雌ネジが形成される。ステータ７１は、弾性
体７２，７３と圧電素子７４，７５とが接着されて固定
された後に、上部側固定軸８１ａと下部側固定軸８１ｂ
とが突起部７２ｃ，７３ｃを上下から挟み込んだ状態で
ネジ留めされることにより、固定軸８１に固定される。

【００９１】ロータ７６は、厚肉の円環状部材であり、
ステータ７１の駆動面７１ａ側に配置される。その中心
部に上部側固定軸８１ａが挿入される。ロータ７６の反
ステータ７１側の端面中心部には、同一平面となるよう
にボールベアリング８８が埋設される。このボールベア
リング８８は上部側固定軸８１ａに設置されており、ロ
ータ７６はボールベアリング８８を介して上部側固定軸
８１ａに回転可能に支持される。

【００９２】ボールベアリング８８は、上部側固定軸８
１ａに形成されたネジ部８１ｃに螺着される皿バネ加圧
部材８０と、皿バネ加圧部材８０及びボールベアリング
８８間に装着される皿バネ７９とによって、ステータ７
１方向に向けて適当な加圧力で加圧される。皿バネ加圧
部材８０の上部側固定軸８１ａに対する螺着位置を変更
することにより、加圧力を変更することができる。

【００９３】ロータ７６のステータ７１側端面には、摺
動材８５が例えば接着により装着されており、ロータ７
６は摺動材８５を介してステータ７１の駆動面７１ａに
接触する。

【００９４】第６の実施形態においても駆動回路や駆動
原理は、前述した第１の実施形態〜第５の実施形態と同
様であるので、その説明は省略する。本実施形態におい
ては、支持部材７２ｃ，７３ｃを、弾性体７２，７３の
内部に設けてあるため、弾性体７２，７３の外面への出
っ張り部がなくなり、超音波アクチュエータの寸法を小
さくすることができる。

【００９５】また、固定軸８１を用いてはいるものの、
弾性体７２，７３に圧電素子積層方向についての貫通孔
を設ける必要がないため、超音波アクチュエータの製作
及び組立てが容易となる。

【００９６】（他の実施形態）以上説明した各実施形態
には限定されず、種々の変形や変更が可能であって、そ
れらも本発明に含まれる。

【００９７】例えば、電気機械変換素子として、圧電素
子の例をあげて説明したが、電気エネルギーと機械変位
との相互変換を行うことができる素子であればよい。圧
電素子以外に、例えば電歪素子又は磁歪素子を例示する
ことができる。

【００９８】また、各実施形態は、捩り振動用の圧電素
子，縦振動用の圧電素子がいずれも２つの半円柱状の弾
性部材の間に挟まれているが、このような態様のみに限
定されるものではない。縦振動用の圧電素子は、２つの
弾性部材の外周面に軸方向について形成された面取り部
に、例えば接着により装着する態様を例示することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る振動アクチュエータの第１の実施
形態を示した断面図である。

【図２】図１の超音波アクチュエータのステータの説明
図であり、図２（ａ）は上面図，図２（ｂ）は斜視図で
ある。

【図３】第１の実施形態に係る超音波アクチュエータの
ステータの上面図である。

【図４】第１の実施形態に係る超音波アクチュエータの
駆動回路を示すブロック図である。

【図５】第１の実施形態に係る超音波アクチュエータの
ステータに用いる圧電素子の説明図であり、図５（ａ）
は分極方向を、図５（ｂ）は電極配置及び電圧印加時に
おける変形状態を、それぞれ示す。

【図６】第１の実施形態に係る超音波アクチュエータの
ステータに用いる圧電素子の説明図であり、図６（ａ）
は分極方向を、図６（ｂ）は電極配置及び電圧印加時に
おける変形状態を、それぞれ示す。

【図７】第１の実施形態に係る超音波アクチュエータの
ステータに発生する振動モードを示す説明図である。

【図８】第１の実施形態に係る超音波アクチュエータの
ハウジングの変形形態を示す斜視図である。

【図９】本発明に係る振動アクチュエータの第２の実施
形態を示す断面図である。

【図１０】第２の実施形態の超音波アクチュエータの各
種のステータを示す図であって、図１０（ａ）は切欠き
リングを用いた場合の上面図，図１０（ｂ）は切欠きリ
ングを用いた場合の斜視図，図１０（ｃ）は分割リング
を用いた場合の上面図である。

【図１１】本発明に係る振動アクチュエータの第３の実
施形態を示す断面図である。

【図１２】第３の実施形態に係る超音波アクチュエータ
のステータの説明図であり、図１２（ａ）は上面図，図
１２（ｂ）は縦断面図である。

【図１３】本発明に係る振動アクチュエータの第４の実
施形態を示す説明図であり、図１３（ａ）は平面図，図
１３（ｂ）は斜視図である。

【図１４】本発明に係る振動アクチュエータの第５の実
施形態を示す説明図であって、図１４（ａ）は平面図，
図１４（ｂ）は図１４（ａ）におけるＡ−Ａ断面図であ
る。

【図１５】本発明に係る振動アクチュエータの第６の実
施形態を示す断面図である。

【図１６】図１５の超音波アクチュエータのステータを
抜き出して示した説明図であり、図１６（ａ）は平面
図，図１６（ｂ）は斜視図である。

【図１７】縦振動及び捩り振動の２つの振動を利用した
振動アクチュエータの従来例を示す斜視図である。

【図１８】従来の振動アクチュエータの振動子を展開し
て示した斜視図である。

【図１９】振動アクチュエータの一例を示す断面図であ
る。

【図２０】図１９の振動アクチュエータに用いる振動子
の構成を示す斜視図である。

【図２１】図１９の振動アクチュエータの振動子の説明
図であり、図２１（ａ）は上面図，図２１（ｂ）は側面
図である。

【符号の説明】

１，７１ステータ２，３，７２，７３弾性部材２ｄ，３ｄキー溝４，５，７４，７５圧電素子６，７６ロータ７出力軸８，７８ボールベアリング９，７９皿バネ１０，８０皿バネ加圧部材１５摺動材２０ハウジング２１，２２円筒部材３１信号発生装置３２移相器３３，３４増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの半円柱状の弾性部材により構成さ
れる振動子と、前記振動子の端面に配置される相対運動部材と、前記振動子の軸回りの捩り振動を発生させる第１の電気
機械変換素子と、前記振動子の軸方向の縦振動を発生させる第２の電気機
械変換素子と、前記相対運動部材と前記振動子とを加圧接触させる加圧
部材と、前記振動子の外周部に半径方向に張り出して設けられ、
前記振動子を支持する支持部材とを備えることを特徴と
する振動アクチュエータ。
【請求項２】請求項１に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記支持部材は、前記振動子を構成する前記弾性部材と
一体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。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載された振動
アクチュエータにおいて、前記支持部材は、前記振動子に発生する前記捩り振動の
節の位置に設け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１から請求項３までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記第１の電気機械変換素子は、前記振動子の前記弾性
部材の間に配置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】請求項１から請求項４までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記振動子の外側に配置され、前記支持部材が固定され
るハウジングを有することを特徴とする振動アクチュエ
ータ。
【請求項６】請求項１から請求項５までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記第２の電気機械変換素子は、前記振動子の前記弾性
部材の間に配置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７】請求項１から請求項６までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記支持部材は、環状又は分割環状の突起部であること
を特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項８】請求項１から請求項７までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記支持部材は、前記振動子を３点以上の支持点で支持
することを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項９】２つの半円柱状の弾性部材により構成さ
れる振動子と、前記振動子の端面に配置される相対運動部材と、前記振動子の軸回りの捩り振動を発生させる第１の電気
機械変換素子と、前記振動子の軸方向の縦振動を発生させる第２の電気機
械変換素子と、前記相対運動部材と前記振動子とを加圧接触させる加圧
部材と、前記振動子の内周部に半径方向に張り出して設けられ、
前記振動子を支持する支持部材とを備えることを特徴と
する振動アクチュエータ。
【請求項１０】請求項９に記載された振動アクチュエ
ータにおいて、前記支持部材は、前記振動子を構成する前記弾性部材と
一体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。
【請求項１１】請求項９又は請求項１０に記載された
振動アクチュエータにおいて、前記支持部材は、前記振動子に発生する前記捩り振動の
節の位置に設け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１２】請求項９から請求項１１までのいずれ
か１項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記第１の電気機械変換素子は、前記振動子の前記弾性
部材の間に配置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１３】請求項９から請求項１２までのいずれ
か１項に記載された振動アクチュエータにおいて、前記第２の電気機械変換素子は、前記振動子の前記弾性
部材の間に配置されていることを特徴とする振動アクチ
ュエータ。