JPH09233866A

JPH09233866A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH09233866A
Application number: JP8041113A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Miwa; 聡三輪
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 1997-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】異形モード縮退型の超音波アクチュエータで
は、駆動時の１サイクルにおいて、移動子が駆動方向と
逆方向に駆動されると、駆動効率が低下する。【解決手段】圧電体３ａ，３ｂを有する振動子２と，
振動子２に加圧接触する移動子８とを備え、圧電体３
ａ，３ｂへの駆動電圧の印加により振動子２に捩じり振
動（第１振動）と縦振動（第２振動）とを発生して移動
子８を駆動する超音波アクチュエータ１であって、振動
子２に発生する縦振動の変位に応じて、振動子２と移動
子８との接触を防ぐ接触防止機構７ａを，振動子２及び
移動子８を収容するケース７の内面に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の異なる振動
モードを利用して駆動力を発生す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８は、縦−捩じり振動型の振動アクチ
ュエータの従来例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は、２つの円柱型の振動子１
０２，１０３間に捩じり振動用の圧電素子１０４が配置
される。また、振動子１０３の上側に縦振動用の圧電素
子１０５が配置される。捩じ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）１
０６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
のネジ部に螺合されて固定される。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】捩じ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】捩じ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による捩じり
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
果たす。

【０００７】図９は、この振動アクチュエータのステー
タを展開した状態で示す斜視図である。捩じり振動用の
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、図中の符号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、捩じり振動用の圧電素子１
０４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
じ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，
及び捩じ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った。そのため、縦振動用の圧電素
子１０５，及び捩じ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図ることがともに難しかった。

【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アクチュエー
タを提案した。

【００１１】図６は、縦振動（伸縮振動）及び捩じり振
動を利用した異形モード縮退型の振動アクチュエータを
構成する振動子１００の構造を示す斜視図である。図６
において、二つの弾性体１０１ａ，１０１ｂは、中空円
柱状の弾性体を中心軸を含む平面で縦に２分割すること
により得られる。図６に示す振動子１００は、これら二
つの弾性体１０１ａ，１０１ｂの二つの分割面には、薄
板状の２枚の捩じり振動用の圧電体１０２ａ，及び薄板
状の２枚の縦振動用の圧電体１０２ｂを積層状態で挟
む。そして、二つの弾性体１０１ａ，１０１ｂ及び圧電
体１０２ａ，１０２ｂを，例えば締結して固定すること
により、構成される。

【００１２】捩じり振動用の圧電体１０２ａ及び縦振動
用の圧電体１０２ｂは、いずれも駆動信号を入力される
ことにより励振され、振動子１００には縦振動と捩じり
振動とがそれぞれ生じる。

【００１３】これらの縦振動及び捩じり振動それぞれの
共振周波数が略一致すると、振動子１００には縦振動と
捩じり振動とが同時に発生し（縮退）、振動子１００の
端面である駆動面１０３には楕円運動が発生して駆動力
が発生する。

【００１４】駆動面１０３に発生した駆動力は、駆動面
１０３に加圧接触する移動子（図示しない。）に伝達さ
れ、この移動子が回転駆動される。図７は、この振動子
１００に発生する縦振動及び捩じり振動が組み合わされ
ることにより、駆動面１０３に楕円運動が発生すること
を経時的に示す説明図である。

【００１５】この振動子１００では、捩じり振動Ｔ及び
縦振動Ｌの間の位相差をπ／２だけずらして設定する
と、駆動面１０３上の定点には楕円運動が発生する。

【００１６】図７において、ｔ＝（６π／４）／ω（ω
は振動の角周波数を示す。）の時点では、捩じり振動Ｔ
の変位は左側に最大であり、縦振動Ｌの変位は零であ
る。この状態から、ｔ＝（７π／４）／ω〜０〜（２π
／４）／ωの間は、捩じり振動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
に変位して再び零に戻る。したがって、振動子１００の
駆動面１０３は反時計方向に回転する。

【００１７】次に、ｔ＝（２π／４）／ω〜（６π／
４）／ωの間は、捩じり振動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
変位して再び零に戻る。したがって、振動子１００の駆
動面１０３は時計方向に回転する。

【００１８】この異形モード縮退型の振動アクチュエー
タにおいては、図示しない加圧部材を用いて同じく図示
しない相対運動部材（移動子）を振動子１００の駆動面
１０３に加圧接触させ、ｔ＝（７π／４）／ω〜０〜
（２π／４）／ωの間、つまり縦振動Ｌが零から上側の
最大に変位して再び零に戻る間で、相対運動部材を駆動
する。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ｔ＝（２π
／４）／ω〜（６π／４）／ωの間、つまり縦振動Ｌが
零から下側の最大に変位して再び零に戻る間は、捩じり
振動は、右側の最大から左側の最大まで変位する。この
間の変位の方向は、図示しない相対運動部材の駆動方向
とは逆方向になるため、この間に振動子と相対運動部材
とが接触してしまうと、相対運動部材を駆動方向とは逆
方向へ駆動してしまい、相対運動部材の駆動を妨げるこ
とになってしまう。そのため、振動アクチュエータの駆
動効率が低下してしまう。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、所望の方向へ
の駆動を妨げる方向に働く駆動力を、振動子から相対運
動部材へは伝達しないようにすることにより、前述した
課題の解決を図るものである。

【００２１】請求項１の発明は、電気機械変換素子を有
する振動子と，振動子に向けて加圧されて接触する相対
運動部材とを備え、電気機械変換素子への駆動電圧の印
加により、振動子に、相対運動部材との接触面と平行な
面内で振動する第１振動と，接触面に交差する方向への
第２振動とを発生させることにより、振動子に対し、相
対運動部材を相対運動させる振動アクチュエータにおい
て、振動子の振動状態に応じて、振動子と相対運動部材
との接触を断続的に防ぐ接触防止機構を設けることを特
徴とする。

【００２２】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、接触防止機構は、振動子
の接触面における第２振動の変位振幅が、零の状態か
ら、相対運動部材から離れる方向へ向けて最大となる状
態を介して零の状態となる間、振動子と相対運動部材と
の接触を防ぐことを特徴とする。

【００２３】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、接触防止機
構は、振動子の接触面における第２振動の変位振幅が零
の状態の時の相対運動部材の存在位置よりも振動子側
へ、相対運動部材が移動することを規制する移動規制部
材により構成されることを特徴とする。

【００２４】請求項４の発明は、請求項３に記載された
振動アクチュエータにおいて、相対運動部材及び振動子
の接触面を含む方向についての寸法が相対運動部材のほ
うが振動子よりも大きく、かつ相対運動部材及び振動子
は収容体により収容されるとともに、移動規制部材は、
収容体の内周面に設けられて、相対運動部材の接触面の
うちの振動子と接触しない外縁部に接触して、相対運動
部材を支持する出張り部材であることを特徴とする。

【００２５】請求項５の発明は、請求項３に記載された
振動アクチュエータにおいて、振動子は柱状であり、相
対運動部材及び振動子は、両者の接触方向に貫通する固
定軸により支持される中空体であり、相対運動部材の内
法は、振動子の内法よりも小さく、さらに移動規制部材
は、振動子の中空部に位置する固定軸に設けられて、相
対運動部材の接触面のうちの振動子と接触しない内縁部
に接触して、相対運動部材を支持する出張り部材である
ことを特徴とする。

【００２６】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、第１振動は、次数が１以上の捩じり振動である
とともに、第２振動は、次数が１以上の伸縮振動である
ことを特徴とする。

【００２７】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明の実施形態を添付図面を
参照しながら詳細に説明する。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。

【００２８】図１は、本発明の第１実施形態にかかる超
音波アクチュエータ１を説明する縦断面図である。本実
施形態の超音波アクチュエータ１は、振動発生部材であ
る略円柱状の振動子２と，振動子２に加圧された状態で
接触する相対運動部材である移動子８とを備える。

【００２９】振動子２は、駆動信号により励振されて電
気エネルギーを機械的変位に変換する電気機械変換素子
である圧電体３ａ，３ｂと、これらの圧電体３ａ，３ｂ
を接合して圧電体３ａ，３ｂの励振によって１次の縦振
動と１次の捩じり振動とが生じることにより一方の端面
である駆動面２ａに駆動力を発生する弾性体４とから構
成される。

【００３０】本実施形態において、１次の捩じり振動
は、移動子８との接触面と平行な面内で振動する第１振
動であり、１次の縦振動は、移動子８との接触面と直交
する方向への第２振動である。

【００３１】図２は、振動子２の構造をさらに詳しく示
す説明図であって、図２（ａ）は振動子２の上面図、図
２（ｂ）は側面図である。弾性体４は、弾性材料からな
る円柱体を中心軸を含む平面で縦に２分割することによ
り得られる２つの半円柱状弾性体４ａ，４ｂを、再度組
み合わせることにより得られる。２つの半円柱状弾性体
４ａ，４ｂの接合面には、中心部に空隙４ｃを形成する
ようにして対向する位置の２箇所に、圧電体３ａ，３ｂ
が積層された状態で装着される。

【００３２】圧電体３ａ，３ｂは、電気エネルギーを機
械的変位に変換する電気機械変換素子であって、２層ず
つ合計４層から構成される。４層の圧電体のうちの２層
の圧電体３ａは、圧電定数ｄ₁₅を用いることで半円柱状
弾性体４ａ，４ｂの長手方向について剪断変位を発生す
る。また、残り２層の圧電体３ｂは、圧電定数ｄ₃₁を用
いることで半円柱状弾性体４ａ，４ｂの長手方向につい
て伸縮変位を発生する。

【００３３】さらに、圧電体３ａ，３ｂの間には、圧電
体３ａ，３ｂに駆動電圧を印加するための電極板５ａ，
５ｂ，５ｃが挟み込まれる。半円柱状弾性体４ａ，４ｂ
の外周面における長手方向略中央部には、フランジ６
ａ，６ｂがそれぞれ半円環状に形成される。フランジ６
ａ，６ｂの形成位置は、半円柱状弾性体４ａ，４ｂに発
生する縦振動及び捩じり振動をできるだけ減衰させない
位置である。

【００３４】図１に示すように、ケース７は、振動子２
を収容する円筒状の収容体である。ケース７の内周面に
は、段差状に小径部７ａが形成されている。この小径部
７ａは、振動子２と接触しない移動子８の外縁部に接触
して、移動子８を支持する出張り部材である。本実施形
態においては、小径部７ａは、振動子２に発生する第２
振動である縦振動の振幅に応じて、振動子２と移動子８
との接触を防止する接触防止機構として、機能する。

【００３５】本実施形態の超音波アクチュエータ１で
は、移動子母材８ａの直径ｄ₂は、振動子２の直径ｄ₁
より大きく設定されており、移動子８の下面外縁部は、
ケース７の小径部７ａの上端面に接触する。

【００３６】ケース７に設けられた小径部７ａの上端面
の形成位置は、振動子１に発生する縦振動の変位が零で
ある際に、駆動面２ａに接触する移動子８の下面の位置
と同じ高さの位置である。

【００３７】小径部７ａの下面に、半円柱状弾性体４
ａ，４ｂの外周面に形成されたフランジ６ａ，６ｂの上
面を突き当てておき、ケース７の下端近傍の内周面に形
成されたねじ部７ｂに螺合する環状の固定部材７ｃを螺
着することにより、振動子２はケース７によって固定・
保持される。

【００３８】ケース７によって収容された振動子２の駆
動面２ａには、相対運動部材である移動子８が加圧され
た状態で接触する。移動子８は、反振動子側の端面中央
部に垂直に設置された出力軸９を備える移動子母材８ａ
と、振動子側の端面に貼付された摺動材８ｂとにより構
成される。

【００３９】この移動子８は、ケース７の内周面に装着
されたボールベアリング１０によって、出力軸９の接合
部９ａを保持される。ケース７の上端部側の外周面には
ネジ部７ｃが形成されており、このネジ部７ｃに、環状
の蓋部材１１が螺着される。蓋部材１１の平面中心部に
は、出力軸取出用の孔が形成されており、この孔から移
動子８の出力軸９が外部に向けて取り出される。この孔
には、出力軸９の偏芯を防止するためのベアリング１２
が、蓋部材１１に噛合する環状の固定部材１３によっ
て、固定される。

【００４０】さらに、ベアリング１０と蓋部材１１との
間には、加圧手段である皿バネ１４（スプリングバネや
板バネ等であってもよい。）が装着される。そのため、
ベアリング１０は皿バネ１４のバネ力により振動子２側
に向けて加圧され、移動子８が振動子２側に向けて加圧
される。蓋部材１１のケース７への螺着位置を調節する
ことにより、皿バネ１４のバネ力が調節される。

【００４１】なお、図１には図示していないが、移動子
８の下面外縁部には、小径部７ａの上端面との接触時に
おける摺動抵抗を低減するためにベアリングが装着され
る。

【００４２】本実施形態の超音波アクチュエータ１は、
以上説明したように構成される。次に、図３を参照しな
がら、本実施形態の超音波アクチュエータ１の動作を経
時的に説明する。

【００４３】図３は、上方から見て移動子８を反時計方
向に回転させる場合について、本実施形態の超音波アク
チュエータ１の動作を経時的に示す説明図である。図３
（ａ）、すなわちｔ＝０では、縦振動の変位が最小であ
るとともに捩じり振動の変位が０である。この時、移動
子８はケース７の内周面に形成された小径部７ａによっ
て支持されており、振動子２とは接触しない。

【００４４】図３（ｂ）、すなわちｔ＝（π／４）／ω
では、縦振動の変位が増加し、捩じり振動の変位は左方
向に増加する。図３（ｃ）、すなわちｔ＝（２π／４）
／ωでは、縦振動の変位は０となり、捩じり振動の変位
は左側に最大になる。この時、振動子２は移動子８に接
触する。

【００４５】図３（ｃ）から、捩じり振動の変位は減少
を開始し、縦振動の変位はさらに増加する。そのため、
振動子２は移動子８を支持し始め、移動子８は図面上右
方向に回転し始める。

【００４６】このようにして、ｔ＝（２π／４）／ωで
ある図３（ｃ）からｔ＝（６π／４）／ωである図３
（ｇ）にかけて、振動子２は移動子８を反時計方向に駆
動する。図３（ｇ）、すなわちｔ＝（６π／４）／ωに
おいて、縦振動の変位は再び０となり、捩じり振動の変
位は右側に最大となる。

【００４７】図３（ｇ）からｔ＝（７π／４）／ωであ
る図３（ｈ）において、縦振動の変位はさらに減少し、
捩じり振動の変位は再び減少し始める。捩じり振動の方
向は移動子８の反時計方向の駆動を妨げる方向となる。
しかし、本実施形態では、移動子８は小径部７ａにより
支持され、振動子２の縮み変形には追従しなくなるた
め、振動子２と接触しなくなる。そのため、移動子８
は、この時計方向の捩じり振動の影響は受けない。

【００４８】この後、再び図３（ａ）に移行し、以下こ
れを繰り返す。図３（ａ）〜図３（ｈ）に示すサイクル
を繰り返すことによって、移動子８への駆動を妨げる方
向の振動を確実に遮断することができ、効率よく超音波
アクチュエータ１を駆動することができる。

【００４９】このように、接触防止機構として機能する
小径部７ａは、移動子８が振動子２に発生する縦振動に
よる接触面における変位が零の状態（図３（ｃ），図３
（ｄ）の状態）における移動子８の存在位置よりも振動
子２側へ移動することを規制する移動規制部材として、
機能する。

【００５０】このようにして、大径部７ａは、第２振動
である縦振動による接触面における変位が、零の状態か
ら、移動子８から離れる方向へ向けて最大となる状態を
介して、零の状態になるまでの間において、振動子２と
移動子８との接触を防止する。

【００５１】以上詳細に説明したように、第１実施形態
の超音波アクチュエータ１によれば、移動子８を所定の
方向へ駆動する場合だけ、振動子２の振動を移動子８に
伝達し、移動子８の駆動を妨げる方向への振動の伝達を
確実に遮断するため超音波アクチュエータ１を効率的に
駆動することができる。

【００５２】（第２実施形態）図４は、本発明の第２実
施形態にかかる超音波アクチュエータ２０を示す縦断面
図である。さらに、図５は、この超音波アクチュエータ
２０の振動子２１を示す説明図であって、図５（ａ）は
斜視図，図５（ｂ）は発生する振動モードの一例を示す
グラフである。

【００５３】本実施形態の超音波アクチュエータ２０
は、大別すると、振動発生部材である振動子２１，振動
子２１に加圧接触する相対運動部材である移動子２２，
振動子２１及び移動子２２を貫通状態で支持する固定軸
２３により構成される。

【００５４】振動子２１は、図５（ａ）に示すように、
中空円柱状の弾性体２４を中心軸を含む平面で縦に２分
割することにより得られる半中空円柱体２４ａ，２４ｂ
と、半中空円柱体２４ａ，２４ｂに装着された電気機械
変換素子である圧電体２５ａ，２５ｂとからなる。圧電
体２５ａは、圧電定数ｄ₁₅を用いることで半中空円柱体
２４ａ，２４ｂの長手方向について剪断変位を発生す
る。また、残り２層の圧電体２５ｂは、圧電定数ｄ₃₁を
用いることで半中空円柱体２４ａ，２４ｂの長手方向に
ついて伸縮変位を発生する。

【００５５】弾性体２４は、外周面に段差状の小径部２
６を有する弾性材料からなる。半中空円柱体２４ａ，２
４ｂの二つの接合面それぞれには、圧電体２５ａ，２５
ｂが２層ずつ合計４層積層された状態で挟まれて装着さ
れる。弾性体２４の外周面には、小径部２６によって区
切られることにより、第１大径部２７及び第２大径部２
８が形成される。

【００５６】半中空円柱体２４ａ，２４ｂには、図４に
示すように、圧電体積層方向に貫通孔２９ａ，２９ｂが
形成される。固定軸２３は、振動子２１の中央部に形成
された中空部を貫通しており、長手方向の略中央部に形
成された大径部２３ａには、ねじ孔２３ｂが形成され
る。振動子２１は、前述した貫通孔２９ａ，２９ｂにボ
ルト３０ａ，３０ｂを挿入して大径部２３ａに形成され
たねじ孔２３ｂに螺合することにより、固定軸２３に固
定される。

【００５７】固定軸２３によって固定された振動子２１
の一方の端面である駆動面Ｄには、固定軸２３によって
回転自在に保持された移動子２２が加圧された状態で接
触する。

【００５８】移動子２２は、厚肉円環状の移動子母材２
２ａと，移動子母材２２ａの振動子側端面に貼付された
摺動材２２ｂとにより構成される。移動子母材２２ａの
半振動子側の端面中央部には、環状の溝部２２ｃが形成
されており、この溝部２２ｃにボールベアリング３１が
嵌合・固定されて装着される。このボールベアリング３
１は、固定軸２３に装着されており、移動子２２が固定
軸２３に対して回動自在に支持される。

【００５９】固定軸２３の端部にはネジ部２３ｂが形成
されており、このネジ部２３ｂに加圧力調整部材である
ナット３２が螺着される。ボールベアリング３１とナッ
ト３２との間には、加圧部材である皿バネ３３が装着さ
れており、ナット３２の螺着位置を調整することによ
り、皿バネ３３の加圧力が調整される。

【００６０】さらに、本実施形態の超音波アクチュエー
タ２０では、固定軸２３の大径部２３ａよりも移動子２
２側には、大径部３４が段差状に形成される。本実施形
態では、移動子２２の内径ｄ₄は、大径部３４が形成さ
れている範囲における振動子２１の内径ｄ₃よりも小さ
く設定される。すなわち、内径ｄ₃＞大径部３４の外径
＞内径ｄ₄である。

【００６１】この大径部３４は、本実施形態では、移動
子２２の接触面のうちの振動子２１と接触しない内縁部
に接触して、移動子２２を支持する出張り部材であっ
て、接触防止機構として機能する。すなわち、大径部３
４は、振動子２１に発生する縦振動による接触面におけ
る変位が零の状態における移動子２２の存在位置よりも
振動子２１側へ移動することを規制する移動規制部材で
あって、縦振動における接触面における振幅が零の状態
から、移動子２２から離れる方向へ向けて最大となる状
態を介して、零の状態になるまでの間において、振動子
２１と移動子２２との接触を防ぐ。

【００６２】この大径部３４との干渉を防ぐため、振動
子２１の対応する位置には、内径が段差状に増加する薄
肉部２１ａが形成される。大径部３４の上端面３４ａ
は、振動子２１に発生する縦振動の変位が零である際
に、駆動面Ｄに接触する移動子２２の下面の位置となる
ように、形成する。本実施形態の超音波アクチュエータ
２０は、以上のように構成される。

【００６３】次に、本実施形態の超音波アクチュエータ
２０の動作を説明する。捩じり振動用の圧電体２５ａに
周波電圧Ａ相を印加するとともに、縦振動用の圧電体２
５ｂにＡ相とは位相がπ／２異なる周波電圧Ｂ相を印加
すると、半中空円柱体２４ａ，２４ｂには、２次の捩じ
り振動及び１次の縦振動が発生し、駆動面Ｄにはこれら
の振動の合成である楕円運動が発生する。

【００６４】本実施形態においても、２次の捩じり振動
は、移動子２２との接触面と平行な面内で振動する第１
振動であり、１次の縦振動は、移動子２２との接触面と
直交する方向への第２振動である。

【００６５】すなわち、超音波アクチュエータ２０の１
サイクルについて、ｔ＝０では、縦振動の変位が最小で
あるとともに捩じり振動の変位が０である。この時、移
動子２２は固定軸２３に形成された大径部３４によって
振動子２１とは非接触の状態にある。

【００６６】ｔ＝（π／４）／ωでは、縦振動の変位が
増加し、捩じり振動の変位は左方向に増加する。ｔ＝
（２π／４）／ωでは、縦振動の変位は０となり、捩じ
り振動の変位は左側に最大になる。この時、振動子２１
は移動子２２に接触する。

【００６７】この時から、捩じり振動の変位は減少を開
始し、縦振動の変位はさらに増加する。そのため、移動
子２２は振動子２１に加圧接触し、移動子２２は図面上
右方向に回転し始める。

【００６８】このようにして、ｔ＝（２π／４）／ωか
らｔ＝（６π／４）／ωにかけて、振動子２１は移動子
２２を反時計方向に駆動する。ｔ＝（６π／４）／ωに
おいて、縦振動の変位は再び０となり、捩じり振動の変
位は右側に最大となる。

【００６９】ｔ＝（６π／４）／ωからｔ＝（７π／
４）／ωにかけて、縦振動の変位はさらに減少し、捩じ
り振動の変位は再び減少し始める。捩じり振動の方向は
移動子２２の反時計方向の駆動を妨げる方向である。し
かし、本実施形態では、移動子２２は突起部３４によっ
て振動子２１の縮み変形には追従せず、振動子２２と非
接触状態となる。そのため、この時計方向の捩じり振動
の影響は受けない。

【００７０】以降このサイクルを繰り返す。このような
サイクルを繰り返すことによって、移動子２２への駆動
を妨げる方向の振動を確実に遮断することができ、効率
よく超音波アクチュエータ２０を駆動することができ
る。

【００７１】以上詳細に説明したように、第２実施形態
の超音波アクチュエータ２０によれば、移動子２２を所
定の方向へ駆動する場合だけ、振動子２１の振動を移動
子２２に伝達し、移動子２２の駆動を妨げる方向への振
動の伝達を確実に遮断するため超音波アクチュエータ２
０を効率的に駆動することができる。

【００７２】（変形形態）本発明における接触防止機構
は、第１実施形態により示した小径部７ａ，及び第２実
施形態により示した大径部３４に限定されるものではな
く、振動子と相対運動部材との接触及び非接触に関係す
る第２振動の変位に応じて、振動子と相対運動部材との
接触を防止することができる接触防止機構であれば、等
しく適用することができる。

【００７３】また、各実施形態では、略円柱状の弾性体
に圧電素子が挟持された型の超音波アクチュエータを例
にとったが、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、振動発生
部材である振動子を備える超音波アクチュエータについ
て等しく適用することができる。

【００７４】また、各実施形態では、電気機械変換素子
として圧電素子を用いたが、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、電歪素子や磁歪素子等を例示することができる。

【００７５】さらに、各実施形態では、超音波の振動域
を利用する超音波アクチュエータを振動アクチュエータ
を例にとったが、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、超音波
以外の振動域の振動を利用する振動アクチュエータにつ
いても等しく適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる超音波アクチュ
エータを説明する縦断面図である。

【図２】振動子の構造をさらに詳しく示す説明図であっ
て、図２（ａ）は振動子の上面図、図２（ｂ）は側面図
である。

【図３】上方から見て移動子を反時計方向に回転させる
場合について、第１実施形態の超音波アクチュエータの
動作を経時的に示す説明図である。

【図４】本発明の第２実施形態にかかる超音波アクチュ
エータを示す縦断面図である。

【図５】本発明の第２実施形態にかかる超音波アクチュ
エータの振動子を示す説明図であって、図５（ａ）は斜
視図，図５（ｂ）は発生する振動モードの一例を示すグ
ラフである。

【図６】縦振動及び捩じ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を構成する振動子の構造を示
す斜視図である。

【図７】振動子に発生する縦振動及び捩じり振動が組み
合わされることにより、駆動面に楕円運動が発生するこ
とを経時的に示す説明図である。

【図８】縦−捩じり振動型の振動アクチュエータの従来
例を示した斜視図である。

【図９】振動アクチュエータのステータを展開した状態
で示す斜視図である。

【符号の説明】

１超音波アクチュエータ（振動アクチュエータ）２振動子２ａ駆動面３ａ，３ｂ電気機械変換素子（圧電体）７ケース７ａ小径部（移動規制部材）８移動子（相対運動部材）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移動子（相対運動部材）２３固定軸２５ａ、２５ｂ電気機械変換素子（圧電体）３４大径部（移動規制部材）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気機械変換素子を有する振動子と，前
記振動子に向けて加圧されて接触する相対運動部材とを
備え、前記電気機械変換素子への駆動電圧の印加により、前記
振動子に、前記相対運動部材との接触面と平行な面内で
振動する第１振動と，前記接触面に交差する方向への第
２振動とを発生させることにより、前記振動子に対し、
前記相対運動部材を相対運動させる振動アクチュエータ
において、前記振動子の振動状態に応じて、前記振動子と前記相対
運動部材との接触を断続的に防ぐ接触防止機構を設ける
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、前記接触防止機構は、前記振動子の接触面における前記
第２振動の変位振幅が、零の状態から、前記相対運動部
材から離れる方向へ向けて最大となる状態を介して零の
状態となる間、前記振動子と前記相対運動部材との接触
を防ぐ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、前記接触防止機構は、前記振動子の接触面における前記
第２振動の変位振幅が零の状態の時の前記相対運動部材
の存在位置よりも前記振動子側へ、前記相対運動部材が
移動することを規制する移動規制部材により構成される
ことを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項４】請求項３に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記相対運動部材及び前記振動子の接触面を含む方向に
ついての寸法が前記相対運動部材のほうが前記振動子よ
りも大きく、かつ前記相対運動部材及び前記振動子は収
容体により収容されるとともに、前記移動規制部材は、前記収容体の内周面に設けられ
て、前記相対運動部材の前記接触面のうちの前記振動子
と接触しない外縁部に接触して、前記相対運動部材を支
持する出張り部材であ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３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り、前記相対運動部材及び前記振動子は、両者の接触方向に
貫通する固定軸により支持される中空体であり、前記相対運動部材の内法は、前記振動子の内法よりも小
さく、さらに前記移動規制部材は、前記振動子の中空部
に位置する前記固定軸に設けられて、前記相対運動部材
の前記接触面のうちの前記振動子と接触しない内縁部に
接触して、前記相対運動部材を支持する出張り部材であ
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１振動は、次数が１以上の捩じり振動であるとと
もに、前記第２振動は、次数が１以上の伸縮振動である
ことを特徴とする振動アクチュエータ。