JPH09205783A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特願平６−１８０２７９号等により提案した
振動アクチュエータでは、弾性体の機械的強度が不足す
るとともに、所定の捩り振動が得られず駆動効率が低下
する。 【解決手段】 電気機械変換素子２２，２３を挟んだ状
態で保持し、１次の縦振動と２次の捩り振動とを生じる
振動子２１と，振動子２１の端面Ｄに加圧接触して駆動
される相対運動部材とを備える振動アクチュエータであ
って、機械的変位を電気エネルギーに変換する機械電気
変換素子２８，２９が、振動子２１における縦振動又は
捩り振動の腹部を含む腹部近傍に挟まれた状態で配置さ
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、振動アクチュエー
タに関する。より具体的には、本発明は、駆動効率を低
下させずに機械的強度及び駆動特性を向上でき、さらに
は発生する振動状態を正確に検知できる振動アクチュエ
ータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、縦−捩り振動型の振動アクチュ
エータの従来例の構造を示した斜視図である。

【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では、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。さらに、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る。一方、縦振動用の圧電素子１０
５は厚さ方向に分極される。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る。ロータ１０６は、中
心部に設けられたボールベアリング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が螺合する。
これにより、ロータ１０６をステータ１０１に所定の加
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により移相制御して駆動
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的変位を与える。一方、縦振
動用の圧電素子１０５は、ステータ１０１とロータ１０
６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９は、この従来の振動アクチュエータの
ステータ１０１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、円周方向に複数に分極する必
要がある。そこで、圧電材料を図９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、図９における
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１０
４を環状に組み合わせる際に、環状の形状精度を出すこ
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１０
７を貫通させるために縦振動用の圧電素子１０５，及び
捩り振動油の圧電素子１０４それぞれの中央部に孔を開
ける必要もあった。そのために、縦振動用の圧電素子１
０５，及び捩り振動用の圧電素子１０４それぞれの面積
はさらに小さくなってしまい、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】このような問題を解決するために、本出願
人は、既に特願平６−２７５０２２号等により、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１０は、特願平６−２７５０２２号等に
より提案した、異形モード縮退型の振動子１１を用いた
振動アクチュエータ１０の説明図であって、図１０
（ａ）は振動アクチュエータ１０の縦断面図，図１０
（ｂ）は図１０（ａ）におけるＡ−Ａ断面図，図１０
（ｃ）は振動子１１に発生する一次の縦振動及び一次の
捩り振動の振動発生状況を示す説明図である。

【００１２】さらに、図１１，図１２は、ともに、圧電
素子の配置を詳細に示す説明図であって、図１１は弾性
体を駆動面方向から見た上面図，図１２は弾性体を側面
方向から見た側面図である。

【００１３】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すよう
に、中空円柱状の弾性体１２は中心軸を含む平面で２分
割される。２分割されたそれぞれ１２ａ，１２ｂの分割
面には、電気エネルギーを機械的変位（歪み）に変換す
る電気機械変換素子である圧電素子１３，１４が挟まれ
るとともに積層された状態で接合されて、保持される。

【００１４】これらの圧電素子１３，１４に図示しない
駆動電圧発生装置から駆動電圧が印加される。これによ
り、各圧電素子１３，１４は励振され、圧電素子１３，
１４の励振により弾性体１２ａ，１２ｂには捩り振動と
縦振動とが発生する。

【００１５】ここで、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、弾性体１２ａ，１２ｂには縦
振動及び捩り振動が同時に発生し（縮退）、弾性体１２
ａ，１２ｂの駆動面１２ｃには楕円運動が発生して駆動
力となる。

【００１６】図１１及び図１２では、いずれも、この弾
性体１２ａ，１２ｂに挟まれた状態で保持される圧電素
子１３，１４の配置を詳細に示す。弾性体１２ａ，１２
ｂは、中心軸方向に関して、図面中の上方から下方に向
けて、第１大径部１５，外径が段差状に小さい小径部１
７，及び第１大径部１５と同一の外径の第２大径部１８
が順次形成される。弾性体１２ａ，１２ｂの外周面に小
径部１７を配したのは、弾性体１２ａ，１２ｂに発生す
る縦振動及び捩り振動それぞれの共振周波数を一致させ
るためである。

【００１７】図１１及び図１２に示すように、中空の円
管状の弾性体１２を縦に２つに分割して得られる２つの
半円管状弾性体１２ａ，１２ｂそれぞれの分割面の第１
大径部１５には、前述した圧電素子１３，１４及び電極
板１６ａ，１６ｂ，１６ｃが挟まれた状態で保持され
る。

【００１８】圧電素子１３，１４は、弾性体１２ａ，１
２ｂの二つの分割面にそれぞれ配置される。二つの分割
面に配置された圧電素子１３，１４は、２層ずつ合計４
層からなっている。

【００１９】４層の圧電素子のうちの２層の圧電素子１
３は、圧電定数ｄ₁₅を用いることで弾性体１２ａ，１２
ｂの長手方向に対して剪断変位を発生する。

【００２０】残り２層の圧電素子１４は、圧電定数ｄ₃₁
を用いることで弾性体１２ａ，１２ｂの長手方向に対し
て伸縮変位を発生する。

【００２１】圧電素子１３に駆動電圧を印加すると、弾
性体１２ａ，１２ｂには捩り変位が発生する。また、圧
電素子１４に駆動電圧を印加すると、弾性体１２ａ，１
２ｂには縦変位が発生する。

【００２２】したがって、捩り振動用圧電素子１３に駆
動信号として正弦波電圧を入力すると、弾性体１２ａ，
１２ｂにはそれに応じて捩り振動が発生する。また、縦
振動用圧電素子１４に駆動信号として正弦波電圧を入力
すると、弾性体１２ａ，１２ｂにはそれに応じて伸縮運
動が発生する。

【００２３】ところで、このような縦振動及び捩り振動
を利用した異形モード縮退型の振動アクチュエータ１０
においては、圧電素子１３，１４を縦振動又は捩り振動
の節部に配置すると、効率的に振動を発生させることが
できる。すなわち、振動の節部は歪み変位の変化量の大
きな位置であるため、この位置に捩り変位を発生する圧
電素子１３を配置することにより、入力に対して大きな
変位を発生させることができる。

【００２４】一方、縦振動，捩り振動それぞれの腹部又
はその近傍に圧電素子を配置しても、腹部は歪み変位の
変化量の小さな位置であるため、弾性体の振動発生には
あまり寄与せず、この位置に配置された圧電素子への入
力エネルギーが無駄になるだけであった。

【００２５】すなわち、特願平６−１８０２７９号等に
より提案した異形モード縮退型の振動アクチュエータに
おいては、図１０，図１１及び図１２に示すように、第
１大径部１５の一部に圧電素子１３，１４を配置するこ
とにより、入力エネルギーに対して高い効率で弾性体１
２ａ，１２ｂに振動を発生させることができる。

【００２６】ところで、本発明者がさらに検討を重ねた
結果、次のことがわかった。つまり、図１０〜図１２に
示すように、振動の発生効率だけを考えて第１大径部１
５の一部に圧電素子１３，１４を配置し、第２大径部１
８には圧電素子１３，１４を配置しないと、圧電素子１
３，１４と弾性体１２ａ，１２ｂとの接合面積が減少
し、弾性体１２ａ，１２ｂの機械的強度が低下してしま
う。このような接合面積の減少は、振動アクチュエータ
１０の耐久性の低下につながり、振動アクチュエータ１
０の適用範囲を著しく減少させてしまう。

【００２７】また、捩り振動用の圧電素子１３に剪断変
形が発生すると、これに応じて弾性体１２ａ，１２ｂに
も剪断変形が発生する。このとき、弾性体１２ａ，１２
ｂには、捩り変位よりも図１３に示すような変位が発生
し易くなるために、振動アクチュエータ１０の駆動特性
が低下してしまうという課題もあった。

【００２８】図１３は、特願平６−２７５０２２号等に
より提案した異形モード縮退型の振動アクチュエータに
おいて、捩り変形発生時の弾性体１２ａ，１２ｂの変形
状態を示す説明図であって、図１３（ａ）は振動子１１
の上面図，図１３（ｂ）は振動子１１の側面図である。

【００２９】図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すよう
に、第２大径部１８に圧電素子１３，１４を配置せずに
空隙としておくと、捩り振動用の圧電素子１３が剪断変
形した際に振動子１１には、小径部１７を起点として振
動子軸方向への変位が発生する。そのため、振動子１１
と図示しない移動子との接触状況が所定の面接触にはな
らずに点接触となり、振動アクチュエータ１０の駆動効
率が低下してしまう。

【００３０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するためになされたものであり、振動アクチュエー
タの振動状態を検知して駆動制御を行うため、機械的変
位（歪み）を電気エネルギーに変換するための機械電気
変換素子であるピックアップを、弾性体の縦振動，捩り
振動それぞれの腹部又はその近傍に配置して、弾性体の
隙間埋めと補強とを兼ねることにより、弾性体の強度低
下を伴うことなく、振動アクチュエータの振動発生効率
の向上を図るものである。

【００３１】すなわち、請求項１の発明は、駆動信号に
より励振される電気機械変換素子を挟んだ状態で保持
し、１次以上の次数の縦振動と１次以上の次数の捩り振
動とを生じて、端面に駆動力を発生する振動子と，前記
振動子の前記端面に加圧接触し、前記振動子との間で相
対運動を発生する相対運動部材とを備える振動アクチュ
エータであって、機械的変位を電気エネルギーに変換す
る機械電気変換素子が、前記振動子における前記縦振動
又は前記捩り振動の腹部を含む腹部近傍に挟まれた状態
で配置されることを特徴とするものである。

【００３２】請求項２の発明は、駆動信号により励振さ
れる電気機械変換素子を挟んだ状態で保持し、１次以上
の次数の縦振動と１次以上の次数の捩り振動とを生じ
て、端面に駆動力を発生する振動子と，前記振動子の前
記端面に加圧接触し、前記振動子との間で相対運動を発
生する相対運動部材とを備える振動アクチュエータであ
って、前記振動子の補強部材が、前記振動子における前
記縦振動又は前記捩り振動の腹部を含む腹部近傍に挟ま
れた状態で配置されることを特徴とするものである。

【００３３】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、前記振動子
は柱状であるとともに、前記腹部は振動子軸方向に沿っ
た端部であることを特徴とするものである。

【００３４】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明を添付図面によって現さ
れた実施形態を参照しながら詳細に説明する。なお、以
降の各実施形態の説明は、振動アクチュエータとして超
音波領域の周波数の振動を利用する超音波アクチュエー
タを例にとって、行う。

【００３５】図１は、本発明にかかる振動アクチュエー
タの第１実施形態である超音波アクチュエータ２０を示
す縦断面図である。振動子２１は、主として、駆動信号
により励振される矩形薄板状の電気機械変換素子である
圧電素子２２，２３と，それらの圧電素子２２，２３が
接合されており圧電素子２２，２３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端面
である駆動面Ｄに縦振動と捩り振動との合成である楕円
振動が駆動力として発生する中空円柱状の弾性体２４
ａ，２４ｂとから構成される。

【００３６】弾性体２４ａ，２４ｂは、中空円柱状の厚
肉の弾性部材２４をその中心軸を含む平面で縦に２分割
して得られ、その分割面を接合面として接合することに
より振動子２１を構成する。

【００３７】弾性体２４ａ，２４ｂの中心軸と平行な方
向に、外径が段差状に変化する第１大径部２５，第２大
径部２６，及びそれらの間の小径部２７が形成されてい
る。第１大径部２５の中心軸と平行な方向の長さは、第
２大径部２６よりも長く設定される。これらの第１大径
部２５，第２大径部２６，及び小径部２７は、いずれも
弾性体２４ａ，２４ｂに発生する縦振動及び捩り振動そ
れぞれの共振周波数を一致させるために設けられる。

【００３８】２つの弾性体２４ａ，２４ｂの２つの分割
面それぞれの第１大径部２５が形成されている範囲に
は、振動発生用の圧電素子２２，２３が積層状態で挟み
込まれる。これらの振動用の圧電素子２２，２３は合計
４層からなっており、４層のうちの２層の圧電素子は圧
電定数ｄ₁₅を用いるように分極された捩り振動用の圧電
素子２２であり、４層のうちの残り２層の圧電素子は圧
電定数ｄ₃₁を用いるように分極された縦振動用の圧電素
子２３である。なお、弾性体２４ａ，２４ｂの間におけ
る圧電素子２２，２３の配置については、図２，図３を
参照しながら後述する。

【００３９】本実施形態の振動アクチュエータ２０で
は、第２大径部２６が形成されている範囲に、機械的変
位を電気エネルギーに変換する機械電気変換素子である
検出用圧電素子（ピックアップ）２８，２９が装着され
る。

【００４０】２つの弾性体２４ａ，２４ｂは、それぞれ
の高さ方向の略中心に、圧電素子２２，２３の積層方向
と平行に中心部を貫通する貫通孔３０ａ，３０ｂが設け
られる。２つの弾性体２４ａ，２４ｂを、それぞれの分
割面を接合面として組み合わせておき、それぞれの貫通
孔３０ａ，３０ｂにそれぞれボルト３１ａ，３１ｂを挿
入して、後述する固定軸３２の大径部３２ａに螺合する
ことにより、弾性体２４ａ，２４ｂが締結される。

【００４１】圧電素子２２，２３は、２つの弾性体２４
ａ，２４ｂそれぞれの分割面によって挟み込まれるよう
にして保持される。弾性体２４ａ，２４ｂの中央に形成
された中空部３３には、略中央部に大径部３２ａを有す
る丸棒状の固定軸３２が挿入される。固定軸３２は、弾
性体２４ａ，２４ｂ等からなる振動子２１を固定すると
ともに、移動子３４を回転自在に位置決めする。この固
定軸３２の大径部３２ａには、前述したボルト３１ａ，
３１ｂが螺合する取付け孔３２ｂが軸方向と直交する方
向に向けて形成されており、ボルト３１ａ，３１ｂが弾
性体２４ａ，２４ｂに設けられた貫通孔３０ａ，３０ｂ
を貫通してこの取付け孔３２ｂに螺合することにより、
弾性体２４ａ，２４ｂが固定軸３２に固定される。

【００４２】相対運動部材である移動子３４は、中空円
柱状の移動子母材３４ａと，移動子母材３４ａの振動子
２１側の端面に貼付された摺動材３４ｂとから構成され
ており、前述した固定軸３２により、弾性体２４ａ，２
４ｂの一方の端面である駆動面Ｄに接触するように、回
転自在に支持される。

【００４３】移動子３４の反振動子側の端面の中心部に
は、環状の溝部３４ｃが形成されており、この溝部３４
ｃに、位置決め部材であるベアリング３５が嵌合されて
いる。このベアリング３５は、固定軸３２に支持されて
おり、これにより、移動子３４が固定軸３２に対して回
転自在に支持される。

【００４４】移動子母材３４ａの外周の側面には、図示
しないが、出力取出し用歯車が形成される。この出力取
出用歯車は、図示しない被駆動体の歯車と螺合してお
り、移動子３４の回転による出力が、被駆動体に伝達さ
れる。

【００４５】固定軸３２の先端にはネジ部３２ｃが形成
されており、このネジ部３２ｃには加圧力調整部材であ
るナット３６が螺合する。さらに、ナット３６とベアリ
ング３５との間には、加圧部材である皿バネ３７（スプ
リングバネや板バネ等であってもよい。）が配置されて
おり、外向きフランジ付きの円柱体である加圧力伝達部
材３８を介して移動子３４を、弾性体２４ａ，２４ｂの
端面に向けて加圧している。

【００４６】ここで、加圧力調整部材であるナット３６
の螺合位置を調整することにより、移動子３４に対する
加圧部材である皿バネ３７の加圧力が調整される。図２
及び図３は、ともに、圧電素子２２，２３の配置を詳細
に示す説明図であって、図２は弾性体２４ａ，２４ｂを
駆動面Ｄの上方から見た上面図であり、図３は弾性体２
４ａ，２４ｂを側面方向から見た側面図である。

【００４７】前述したように、中空円柱状の厚肉の弾性
部材２４を縦に２分割して得られる二つの弾性体２４
ａ，２４ｂのそれぞれの分割面のうち、第１大径部２５
が形成されている範囲には、振動用の圧電素子２２，２
３と，各圧電素子２２，２３に電気エネルギーの入力及
び出力を行うための電極板３９ａ，３９ｂ，３９ｃとが
挟み込まれた状態で保持される。

【００４８】振動用の圧電素子２２，２３は大別すると
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の２層は圧電定数ｄ₁₅を用い
る圧電素子２２から構成され、残り２層の圧電素子は圧
電定数ｄ₃₁を用いる圧電素子２３から構成される。

【００４９】圧電素子２２は、弾性体２４ａ，２４ｂの
長手方向に対して剪断変位を発生する。例えばある正の
電圧を印加した場合、図２において、この圧電素子２２
は、手前方向とその反対方向とに関する剪断変形が、円
周方向について交互になるように配置される。最大に手
前側に剪断変形する位置が点対称になり、最大にその反
対側に剪断変形する位置が点対称になるように配置する
と、駆動面Ｄに発生する捩り変位の振幅が大きくなっ
て、好適である。圧電素子２２がこのように配置されて
それぞれが剪断変形すると、振動子２１には捩り変位が
発生し、駆動面Ｄを含む端面が捩じれる。また、ある負
の電圧を印加した場合には、正の電圧の時とは反対の方
向に圧電体は剪断変形し、駆動面Ｄは反対方向に捩じれ
る。

【００５０】圧電素子２３は、弾性体２４ａ，２４ｂの
長手方向に対して伸縮変位を発生する。４つの縦振動用
の圧電素子２３は、ある電位が印加された場合には全て
同じ方向に変位が発生するように配置する。

【００５１】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２２と，圧電定数ｄ₃₁を用いる縦振動
用の圧電素子２３とを配置して、捩り振動用の圧電素子
２２に正弦波電圧を入力すると振動子２１にはそれに応
じて捩り運動が発生する。一方、縦振動用の圧電素子２
３に正弦波電圧を入力すると振動子２１にはそれに応じ
て伸縮運動が発生する。

【００５２】本実施形態においては、図２及び図３に示
すように、第２大径部２６が形成されている範囲には、
機械的変位を電気エネルギーに変換する機械電気変換素
子である振動検出用の圧電素子２８，２９が４枚挟み込
まれて状態で配置される。なお、この第２大径部２６が
形成されている範囲（駆動面Ｄと反対側の端面）には、
縦振動，捩り振動それぞれの腹が存在しており、圧電素
子２８，２９は、縦振動又は捩り振動の腹部を含む腹部
近傍に配置されている。ここで、腹部近傍とは、圧電素
子を装着しても振動の発生にあまり寄与しない範囲を意
味する。

【００５３】これらの圧電素子２８，２９は、圧電定数
ｄ₁₅を用いる圧電素子と圧電定数ｄ₃₁を用いる圧電素子
とから構成されており、それぞれの圧電素子により、弾
性体に発生する捩り振動の状態と縦振動の状態とがそれ
ぞれ検出される。

【００５４】このように構成された超音波アクチュエー
タ２０の縦振動用の圧電素子２３，捩り振動用の圧電素
子２２それぞれに、２つの（１／４）λ（λ：波長）位
相差がある駆動信号を入力すると、縦振動用の圧電素子
２３により直接的に縦振動が発生するとともに、剪断変
位により捩り振動が発生する。このような駆動信号が入
力された振動子２１は、圧電素子２２，２３の励振によ
り縦振動及び捩り振動が同時に発生し、これらの振動が
合成されて生じる楕円運動が駆動面Ｄに発生する。

【００５５】図４は、このような振動子２１に発生する
縦振動及び捩り振動の合成による楕円運動が駆動面Ｄに
発生することを示す説明図である。前述したように、捩
り振動Ｔの周期及び伸縮振動Ｌの周期それぞれの位相差
を（１／４）λ（λ：波長）だけ設けて設定すると、振
動子２１の駆動面Ｄ上の点には楕円運動が発生する。

【００５６】ｔ＝（６／４）πの時点では、捩り振動Ｔ
の変位は図面上の左側に向けて最大である。一方、縦振
動Ｌの変位は零である。この時点では、図示しない移動
子は、図示しない加圧部材によって振動子２１の駆動面
Ｄに加圧接触している。

【００５７】この状態から、ｔ＝（７／４）π〜０〜
（２／４）πまでの間は、捩り振動Ｔの変位は左側の最
大から右側の最大まで変位する。一方、縦振動Ｌの変位
は零から上側の最大まで変位し、再び零に戻る。したが
って、振動子２１の駆動面Ｄは移動子を押しながら右方
向に回転し、これにともなって移動子は右方向に回転し
て駆動される。

【００５８】次に、ｔ＝（２／４）π〜（６／４）πま
での間は、捩り振動Ｔの変位は右側の最大から左側の最
大まで変位する。一方、縦振動Ｌの変位は零から下側の
最大に変位し、再び零に戻る。したがって、振動子２１
の駆動面Ｄは、移動子から離れながら、左方向に回転す
るため、移動子は駆動されない。なお、移動子は加圧部
材により振動子２１側に向けて加圧されているが、加圧
部材の固有振動数が超音波振動域より著しく低いため、
振動子２１の縮みには追従しない。

【００５９】図５は、圧電素子２２，２３の励振によ
り、振動子２１に１次の縦振動と２次の捩り振動とが発
生することを示す説明図であって、図５（ａ）は振動子
２１の斜視図，図５（ｂ）は振動子２１に発生する縦振
動及び捩り振動の発生状況の一例を示す説明図である。

【００６０】本実施形態の超音波アクチュエータ２０を
構成する振動子２１は、図５（Ａ）にも示すように、第
１大径部２５，第２大径部２６及びそれらの間に捩り剛
性の低い小径部２７を備えているとともに、第１大径部
２５の軸方向長さが第２大径部２６の軸方向長さよりも
著しく長く設定されている。

【００６１】そのため、振動子２１に発生する捩り振動
は、図５（ｂ）において略小径部２７形成位置Ａと，第
１大径部２５の軸方向長さの略中央部Ｂとに２つの振動
の節が発生する２次モードとなる。一方、振動子２１に
発生する縦振動は、振動子２１の軸方向に関する全長に
著しい影響を受け、小径部２７が設定されていることの
影響を余り受けないため、第１大径部２５，第２大径部
２６及び小径部２７を含んだ振動子２１軸方向の全長の
略真中Ｃに１つの振動の節が発生する１次モードとな
る。このように、第２大径部２６は、縦振動及び捩り振
動それぞれの振動の腹の位置となっている。

【００６２】したがって、第１大径部２５に振動発生用
の圧電素子２２，２３を配置するとともに、第２大径部
２６に振動発生用の圧電素子２２，２３以外の補強部材
（本実施形態では機械電気変換素子であるピックアップ
２８，２９）を配置することにより、振動発生に影響の
少ない第２大径部２６への電気エネルギーの入力量を抑
制することができ、入力エネルギーの低減に基づいて駆
動効率を向上させることができる。また、振動発生に影
響の少ない第２大径部２６に何も配置せずに空間を設け
ておく場合に比較して、振動子２１の機械的強度を維持
することができるとともに、振動子２１の耐久性を向上
することができる。

【００６３】さらに、第２大径部２６に、本実施形態の
ように機械電気変換素子であるピックアアップ２８，２
９を配置せず空間にしておくと、図１３を参照しながら
説明した振動が発生し、駆動効率が低下するが、本実施
形態では、第二大径部２６に振動子２１の捩り剛性の補
強を兼ねた振動検出用の圧電素子２８，２９を挟んでい
るため、振動子軸方向と直交する方向への捩り変形が正
確に発生し易くなる。その結果、振動子２１と移動子３
４との接触状況が安定するため、振動アクチュエータ２
０の駆動特性が向上する。

【００６４】さらに、本実施形態では、第二大径部２６
に補強を兼ねて、機械電気変換素子である振動検出用の
圧電素子（ピックアップ）２８，２９を挟んでいるた
め、振動子２１に発生する振動状態を検出することもで
きる。振動状態を検出することにより、超音波アクチュ
エータ２０の駆動制御をより正確に行うことができる。

【００６５】さらに、振動検出用の圧電素子２８，２９
を設置した位置は、縦振動及び捩り振動の腹の位置の近
傍であるため、縦振動及び捩り振動それぞれの機械的歪
みはそれ程大きくない。したがって、この位置に振動検
出用の圧電素子２８，２９を設けると、振動エネルギー
の損失は振動の腹の位置に設けた場合よりも小さくな
る。そのため、駆動効率を殆ど低減させることなく、振
動子２１に発生する振動を正確に検出することができ
る。

【００６６】（第２実施形態）次に、本発明にかかる振
動アクチュエータの第２実施形態を説明する。なお、以
降の各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、共通する部分については同一の図中符
号を付すことにより、重複する説明を適宜省略する。

【００６７】図６は、本発明にかかる振動アクチュエー
タの第２実施形態である超音波アクチュエータを示す縦
断面図である。また、図７は、振動子に配置された振動
用の圧電素子の説明図であって、図７（ａ）は振動子４
１の縦断面図，図７（ｂ）は振動子４１の上面図，図７
（ｃ）は振動子４１に発生する縦振動及び捩り振動の発
生状況を示す説明図である。略述すると、本実施形態の
振動アクチュエータ４０は、振動子４１の形状が第１実
施形態とは異なる。

【００６８】図６及び図７において、振動子４１は、駆
動信号を入力されて励振する電気機械変換素子である１
２枚の圧電素子４２，４３及び４４と，これらの圧電素
子４２，４３及び４４が接合されてこれらの圧電素子４
２，４３及び４４の励振によって１次の縦振動と２次の
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
生する弾性体４５ａ，４５ｂとから構成される。

【００６９】弾性体４５ａ，４５ｂは、中心軸方向につ
いて、三つの大径部４６，４７，４８と，これらの大径
部４６〜４８の間に配された二つ小径部４９，５０とを
有する厚肉の中空円筒状の弾性部材４５を、中心軸を含
む平面で縦に２つに分割して得られる。弾性体４５ａ，
４５ｂのそれぞれの分割面には、２層の圧電素子４２〜
４４と電極５１，５２，５３とが挟み込まれる。

【００７０】小径部４９，５０は、弾性体４５ａ，４５
ｂの中心軸方向について、捩り振動の節部に一致する位
置に形成されている。捩り振動用の圧電素子４２，４４
は、弾性体４５ａ，４５ｂの中心軸方向について、捩り
振動の節部に一致する位置に配置される。一方、縦振動
用の圧電素子４３は、弾性体４５ａ，４５ｂの中心軸方
向について、縦振動の節部に一致する位置に配置され
る。

【００７１】弾性体４５ａ，４５ｂは、３つの大径部４
６，４７，４８と二つ小径部４９，５０とを備える厚肉
円筒状の弾性部材４５を、縦に２つに分割することによ
り得られる弾性体である。

【００７２】それぞれの弾性体４５ａ，４５ｂの分割面
には、２層の圧電素子４２〜４４と電極５１〜５３とが
挟み込まれた状態で保持される。ここで、弾性体４５
ａ，４５ｂに形成された小径部４９，５０は、捩り振動
の節部に位置する。捩り振動用の圧電素子４２，４４は
捩り振動の節部に配置され、縦振動用の圧電素子４３は
縦振動の節部に配置される。

【００７３】捩り振動用の圧電素子４２，４４は、駆動
電圧が印加された場合、駆動電圧の方向に応じた剪断変
形を発生し、発生した剪断変形により捩り振動が発生す
る。

【００７４】第１の捩り振動の圧電素子群４２は、図面
上の手前側２枚の捩り振動用の圧電素子と向こう側２枚
の捩り振動用の圧電素子とから構成される。手前側の捩
り振動用の圧電素子と向こう側の捩り振動用の圧電素子
とにより発生する剪断変形が同じ方向の電圧が印加され
た場合にそれぞれ反対方向になるように、捩り振動用の
圧電素子を配置すると、振動子４５ａ，４５ｂにはある
方向への捩り変位が発生する。

【００７５】例えば、図７に示すように、手前側２枚の
捩り振動用の圧電素子及び向こう側２枚の捩り振動用の
圧電素子がともに剪断変形すると、振動子４１の駆動面
Ｄは、図７（ｂ）に矢印で示す方向へ捩じれる。また、
反対方向の電圧を印加すると、逆方向の剪断変形が発生
するため、駆動面は図７（ｂ）に矢印で示す方向とは反
対方向へ捩じれる。

【００７６】第２の捩り振動用の圧電素子群４４は、手
前側２枚の捩り振動用の圧電素子と，向こう側２枚の捩
り振動用の圧電素子とから構成される。手前側の捩り振
動用の圧電素子と向こう側の捩り振動用圧電体とのそれ
ぞれの剪断変形が同じ方向の電圧が印加した場合にそれ
ぞれ反対方向になるように、捩り振動用の圧電素子を配
置すると、振動子４１にはある方向への捩じれ変位が発
生する。

【００７７】手前側の第１の捩り振動用の圧電素子群４
２と，手前側の第２の捩り振動用の圧電素子群４４と
は、同じ方向の電圧が印加した場合に反対方向に剪断変
形するように、圧電素子を配置する。

【００７８】さらに、向こう側の第１捩り振動用の圧電
素子群４２と，向こう側の第２の捩り振動用の圧電素子
群４４とは、同じ方向の電圧が印加した場合に反対方向
に剪断変形するように、圧電素子を配置する。

【００７９】例えば、図７に示すように、手前側２枚及
び向こう側２枚の第２捩り振動用の圧電素子群４４が剪
断変形すると、反駆動面Ｅは駆動面Ｄとは同じ方向へ捩
じれる。

【００８０】このように捩り振動用の圧電素子４２，４
４を配置しておき、第１の捩り振動用の圧電素子４２
と，第２の捩り振動用の圧電素子４４とに同じ周波電圧
を印加する。このとき、図７（ｃ）における捩り振動の
第１節Ｆより上部分と第２節Ｇより下部分とにおける振
動方向（捩り方向）が同じ向きとなる。そして、この向
きは、第１節Ｆと第２節Ｇとの間の部分の振動方向（捩
じり方向）とは反対向きとなり、２次の捩り振動が励起
され易くなる。

【００８１】一方、縦振動用の圧電素子４３は、周波電
圧が印加されることにより伸縮変形し、この伸縮変形に
よって、振動子４１には、中心軸方向に関する縦振動が
発生する。

【００８２】縦振動用の圧電素子４３は、図面上手前側
２枚の縦振動用の圧電素子と，向こう側２枚の縦振動用
の圧電素子とから構成されており、同じ方向の電圧が印
加されると、それぞれ同じ方向に縦変形するように、配
置される。このように、縦振動用の圧電素子４３を配置
することで、縦振動用の圧電素子群に同じ周波電圧を印
加すると、１次の縦振動が励起され易くなる。

【００８３】これ以外の構成は、第１実施形態と同一で
あるため、これ以上の説明は省略する。このように構成
された超音波アクチュエータ４０に２つの（１／４）λ
（λ：波長）位相差を設定された駆動信号を、縦振動用
の圧電素子４３，捩り振動用の圧電素子４２，４４それ
ぞれに入力すると、縦振動，捩り振動それぞれの振動の
位相差が９０度となり、これらの振動を合成した楕円運
動が駆動面Ｄに発生する。

【００８４】さらに、本実施形態では、捩り振動用の圧
電素子群４２，４４の両端部（駆動面Ｄ側及び反駆動面
Ｅ側）、すなわち振動子４１の縦振動及び捩り振動の腹
の位置の近傍には、機械的変位を電気エネルギーに変換
する振動検出用の圧電素子５４，５５が配置される。

【００８５】振動子４１以外の構成は、第１実施形態と
同様であるため、図６及び図７の説明は省略する。縦振
動及び捩り振動の腹位置の近傍に振動検出用の圧電素子
５４，５５を配置することにより、第１実施形態と同様
に、得られる駆動力を減少させることなく、入力エネル
ギーを低減することができ、駆動効率を向上させること
ができる。

【００８６】さらに、振動子４１の縦振動及び捩り振動
の腹位置の近傍を空隙とするのではなく、振動検出用の
圧電素子５４，５５を配置することにより、この圧電素
子５４，５５が振動子４１の捩り剛性を向上させること
にもなり、振動子４１の機械的な強度を維持して耐久性
の低下を防止することができる。

【００８７】また、駆動面Ｄ付近及び反駆動面Ｅ付近に
補強を担う機械電気変換素子５４，５５を配置しない
と、捩り振動用の圧電素子４２，４４が剪断変形した場
合に、弾性体４１には所望の捩り変位ではなく、前述し
た図１３に示すような振動子軸方向の変位が発生してし
まう。しかし、本実施形態では、この位置に補強部材を
兼ねた検出用圧電素子５４，５５を配置しているため、
振動子４１に正確に捩り変形が発生し易くなり、駆動特
性が向上する。

【００８８】また、振動検出用の圧電素子５４，５５を
挟んで配置することにより、弾性体４１に発生する振動
状態も正確に検知することができる。そのため、超音波
アクチュエータ４０の駆動制御を容易かつ正確に行うこ
とができる。

【００８９】さらに、振動検出用の圧電素子５４，５５
を挟んだ位置は、縦振動及び捩り振動それぞれの腹位置
の近傍であるため、縦振動及び捩り振動それぞれの機械
的歪みはそれ程大きくない。したがって、この位置に振
動検出用の圧電素子５４，５５を配置したことにより、
振動エネルギーの損出は振動の腹の位置に設けた場合よ
りも小さい。したがって、駆動効率を低下させることな
く、弾性体４１の振動を検出できる。また、第２実施形
態では、同一平面上に配置された捩じり振動用の圧電素
子，縦振動用の圧電素子及び振動検出用の圧電素子を別
部材として説明したが、一体化させることも可能であ
る。この場合、単一の圧電素子を用意して、各部におけ
る分極方向を変えればよい。つまり、捩じり振動を発生
させる部分は、圧電定数ｄ₁₅により弾性体に捩じり振動
が発生する方向に分極し、縦振動を発生させる部分は、
圧電定数ｄ₃₁により弾性体に縦振動が発生する方向に分
極すればよい。また、振動を検出する部分についても、
圧電定数ｄ₁₅又は圧電定数ｄ₃₁を用いるように分極すれ
ばよい。単一の圧電素子を用いることで、組立て工程を
簡略化することができる。また、接着箇所が減ることに
より、振動の減衰等を抑えることも可能である。

【００９０】（変形形態）以上詳細に説明した第１実施
形態及び第２実施形態では、電気機械変換素子，機械電
気変換素子として、圧電素子を用いて説明を行ったが、
本発明にかかる振動アクチュエータはかかる態様のみに
限定されるものではなく、機械的変位と電気エネルギー
間の相互変換を行うことができるものであればよい。圧
電素子以外では電歪素子を例示することができる。

【００９１】また、第１実施形態及び第２実施形態で
は、振動子に２次の捩り振動と１次の縦振動とが発生す
る場合を例にとって説明を行った。しかし、本発明にか
かる振動アクチュエータはこのような態様のみに限定さ
れるものではない。例えば、２つの分割された弾性体の
間に電気機械変換素子を設置し、この電気機械変換素子
に外部から駆動電圧を印加することにより、ｎ次の縦振
動及びｍ次の捩り振動を発生させて、これらの合成振動
を駆動力として用いる振動アクチュエータであれば、本
発明により、捩り振動及び縦振動それぞれの振動の腹部
の近傍に機械電気変換素子を配置することにより、第１
実施形態及び第２実施形態と同様に、機械的強度向上，
駆動効率向上さらには容易な駆動制御性を兼備した超音
波アクチュエータを提供することができる。

【００９２】さらに、第１実施形態及び第２実施形態で
は、捩り振動用の圧電素子の両端部（駆動面側及び反駆
動面側）に、振動検出用の圧電素子を設けた。しかし、
本発明にかかる振動アクチュエータはこのような態様の
みに限定されるものではなく、縦振動用の圧電素子と捩
り振動用の圧電素子との間に振動検出用の圧電素子を配
置してもよい。すなわち、縦振動用の圧電素子と捩り振
動用の圧電素子との間も、縦振動又は捩り振動の腹の位
置の近傍であるため、第１実施形態及び第２実施形態で
説明した超音波アクチュエータと全く同様に、入力エネ
ルギーの低減に起因する駆動効率向上，振動子の機械的
強度の向上，さらには振動子に発生する振動検出といっ
た本発明の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる振動アクチュエータの第１実施
形態である超音波アクチュエータを示す縦断面図であ
る。

【図２】第１実施形態において、弾性体を駆動面の上方
から見た上面図である。

【図３】第１実施形態において、弾性体を側面方向から
見た側面図である。

【図４】第１実施形態において、振動子に発生する縦振
動及び捩り振動の合成による楕円運動が駆動面に発生す
ることを示す説明図である。

【図５】第１実施形態において、圧電素子の励振によ
り、振動子に１次の縦振動と２次の捩り振動とが発生す
ることを示す説明図であって、図５（ａ）は振動子の斜
視図，図５（ｂ）は振動子に発生する縦振動及び捩り振
動の発生状況の一例を示す説明図である。

【図６】本発明にかかる振動アクチュエータの第２実施
形態である超音波アクチュエータを示す縦断面図であ
る。

【図７】第２実施形態において、振動子に配置された振
動用の圧電素子の説明図であって、図７（ａ）は振動子
の縦断面図，図７（ｂ）は振動子の上面図，図７（ｃ）
は振動子に発生する縦振動及び捩り振動の発生状況を示
す説明図である。

【図８】縦−捩り振動型の振動アクチュエータの従来例
の構造を示した斜視図である。

【図９】図８に示す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１０】特願平６−２７５０２２号等により提案した
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
の説明図であって、図１０（ａ）は振動アクチュエータ
の縦断面図，図１０（ｂ）は図１０（ａ）におけるＡ−
Ａ断面図，図１０（ｃ）は振動子に発生する一次の縦振
動及び一次の捩り振動の振動発生状況を示す説明図であ
る。

【図１１】特願平６−２７５０２２号等により提案した
異形モード縮退型の振動アクチュエータを駆動面方向か
ら見た上面図である。

【図１２】特願平６−２７５０２２号等により提案した
異形モード縮退型の振動アクチュエータの弾性体を側面
方向から見た側面図である。

【図１３】振動子が捩じり方向ではなく、軸方向に変形
してしまう場合を説明する図である。

【符号の説明】

２０ 超音波アクチュエータ（振動アクチュエータ） ２１ 振動子 ２２，２３ 圧電素子（電気機械変換素子） ２４ａ，２４ｂ 弾性体 ２５ 第１大径部 ２６ 第２大径部 ２７ 小径部 ２８，２９ ピックアップ（機械電気変換素子） ３０ａ，３０ｂ 貫通孔 ３１ａ，３１ｂ ボルト ３２ 固定軸 ３２ａ 大径部 ３２ｂ 取付孔 ３２ｃ ネジ部 ３３ 空隙 ３４ 移動子 ３４ａ 移動子母材 ３４ｂ 摺動材 ３５ ベアリング ３６ ナット ３７ 皿バネ ３８ 加圧力伝達部材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動信号により励振される電気機械変換
   素子を挟んだ状態で保持し、１次以上の次数の縦振動と
   １次以上の次数の捩り振動とを生じて、端面に駆動力を
   発生する振動子と，前記振動子の前記端面に加圧接触
   し、前記振動子との間で相対運動を発生する相対運動部
   材とを備える振動アクチュエータであって、 機械的変位を電気エネルギーに変換する機械電気変換素
   子が、前記振動子における前記縦振動又は前記捩り振動
   の腹部を含む腹部近傍に前記振動子によって挟まれた状
   態で配置されることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 【請求項２】 駆動信号により励振される電気機械変換
   素子を挟んだ状態で保持し、１次以上の次数の縦振動と
   １次以上の次数の捩り振動とを生じて、端面に駆動力を
   発生する振動子と，前記振動子の前記端面に加圧接触
   し、前記振動子との間で相対運動を発生する相対運動部
   材とを備える振動アクチュエータであって、 前記振動子の補強部材が、前記振動子における前記縦振
   動又は前記捩り振動の腹部を含む腹部近傍に前記振動子
   によって挟まれた状態で配置されることを特徴とする振
   動アクチュエータ。
3. 【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、 前記振動子は柱状であるとともに、前記腹部は振動子軸
   方向に沿った端部であることを特徴とする振動アクチュ
   エータ。