JPH09271187A - 超音波アクチュエータ用振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特定の共振系を利用して移動体の大きな加圧
力に耐え、高推力を得ることができる超音波アクチュエ
ータ用振動子を提供する。 【解決手段】 振動子１の軸方向と平行な中心面を境に
して両側に、第１の圧電体４及び第２の圧電体５が対称
に配置されている。両圧電体４、５はそれぞれ相反する
方向に分極された２層の圧電素子4a，4b、5a，5bと、そ
の間に配置された電極板6a，6bとにより構成されてい
る。対を成す圧電素子4a，4b、5a，5bの分極方向は振動
子１の軸方向と平行で互いに逆方向となっている。圧電
体４，５の第１端部に棒状弾性体２の一端が固定され、
弾性体２の長さは、圧電体４，５の第２端部を固定端と
した状態で弾性体２が縦１次共振振動する際に曲げ２次
振動を随伴励起する長さに設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電素子を用いた超
音波アクチュエータ用振動子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超音波アクチュエータは、電磁式アクチ
ュエータ等の他のアクチュエータに比較して、小型、軽
量、低コストの割りに高推力が得られるという特長があ
る。この種の超音波アクチュエータ用の圧電振動子とし
て、特開昭６３−３１６６７４号公報には、振動子先端
に電気信号により任意の方向に曲線閉路の軌跡を描くこ
とができる圧電振動子が提案されている。図２４に示す
ように、この圧電振動子５１は分極方向が互いに逆にな
った２領域を有する第１の圧電素子５１ａと、全領域が
同じ分極方向を有する第２の圧電素子５１ｂとが基準電
極５２ｃを挟んで積層されている。第１の圧電素子５１
ａには基準電極５２ｃと対向するとともに圧電素子５１
ａを２領域に分割するように電極５２ａ，５２ｂが形成
されている。第２の圧電素子５１ｂには基準電極５２ｃ
と対向するように電極５２ｄが形成されている。圧電振
動子５１の電極５２ａ，５２ｂ側に振動体５３が接着さ
れる。そして、電極５２ａ，５２ｂをリード線５４ａで
短絡した状態で第１の圧電素子５１ａにリード線５４
ａ，５４ｂを介して交流電源５５ａから周期電圧を印加
し、第２の圧電素子５１ｂにリード線５４ｂ，５４ｃを
介して交流電源５５ｂから周期電圧を印加する。

【０００３】第１の圧電素子５１ａのみに周期電圧が印
加されると、圧電素子５１ａは振動体５３の先端部５３
ａに円弧状軌跡の往復運動を発生させる。第２の圧電素
子５１ｂのみに周期電圧が印加されると、圧電素子５１
ｂは振動体５３の先端部５３ａに振動体５３の中心軸方
向に直線状軌跡の往復運動を発生させる。従って、両圧
電素子５１ａ，５１ｂに印加する電圧の周期を異ならせ
たり、同周期で位相を異ならせて、第１，第２の圧電素
子５１ａ，５１ｂにより発生する振動を合成することに
より、振動体５３の先端部５３ａに曲線閉路の軌跡を形
成する振動を生じさせることができる。

【０００４】また、特開平６−１９７５７２号公報に
は、図２５に示すように、円柱状金属ブロック６１、リ
ング状圧電振動子６２、分割電極６３ａ，６３ｂ、リン
グ状圧電振動子６４、リング状電極６５及び金属ブロッ
ク６６を順次当接状態で積層し、ねじ６７で締付け固定
した振動式駆動手段（振動子）６８が提案されている。
この振動式駆動手段６８は分割電極６３ａ，６３ｂのい
ずれか一方とリング状電極６５との間に高周波の交流電
圧を印加することにより、軸方向に縦振動及び屈曲振動
が発生し、駆動面６１ａ上の任意の一点は楕円軌跡を描
いて運動する。振動式駆動手段６８の長さ（金属ブロッ
ク６６の図示下端から駆動面６１ａまでの長さ）を適当
に選ぶと、振動式駆動手段６８は前記縦振動及び屈曲振
動に共振し、縦振動及び屈曲振動の最大振幅が駆動面６
１ａに現れる。そして、交流電圧を印加する分割電極６
３ａ，６３ｂを切り換えることにより、楕円軌跡の運動
方向が変更可能となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６３−３１６６
７４号公報に記載の圧電振動子では、第１の圧電素子５
１ａに、左右の分極方向が異なるものを用いているた
め、圧電素子中心近傍の境界では未分極領域が存在し、
左右に均一な分極処理を施すことが難しいため、左右の
振動特性を合わせ難い。また、この第１の圧電素子５１
ａは、左右両端の最大変位によって振動体５３の先端部
５３ａに円弧状往復振動を生じさせる。そのため、円弧
状往復振動の変位を大きくさせるためには、第１の圧電
素子５１ａの左右両端の距離を大きく取る構造となって
いる。

【０００６】また、第１の圧電素子５１ａの分極方向が
右側と左側で異なっている。その結果、図２６（ａ）に
示すように、圧電振動子５１の左側は、上が伸びた時に
下が縮み、下が伸びた時に上が縮む振動となる。また、
図２６（ｂ）に示すように、右側は上下同じに伸縮す
る。従って、第１の圧電素子５１ａは、第２の圧電素子
５１ｂがある場合、右と左の振動が異なり、かつ圧電素
子が一体構造になっているので、互いに両振動変位の影
響を受けることになり、振動子全体の振動変位が小さく
抑えられてしまい効率の悪い振動子になる可能性があ
る。

【０００７】さらに、振動変位を拡大させるため、第１
の圧電素子５１ａ及び第２の圧電素子５１ｂをそれぞれ
複数ずつ積層化することも提案されているが、上述の不
均一な振動変位特性を生じる第１の圧電素子５１ａ及び
第２の圧電素子５１ｂの組合せを選定しているため、そ
の効果はあまり期待できないと考えられる。従って、こ
の圧電振動子は構造から判断すると比較的低推力用のア
クチュエータ用振動子としては有効であるが、小型で大
きな推力を必要とするアクチュエータ用振動子には適さ
ないと思われる。

【０００８】特開平６−１９７５７２号公報に記載の装
置では、圧電振動子６２、６４を金属ブロック６１、６
６で挟持した構成で縦振動及び屈曲振動の長さ共振を利
用している。従って、振動子の最適な支持固定方法が無
いため、振動の節（ノード）近傍にフランジを設けた
り、外周の数カ所に周辺支持固定部位を設けるなどの必
要があり、装置が大型化するという問題がある。

【０００９】本願発明者は前記の問題を解消するため、
圧電素子の伸縮振動と振動子全体の形状による伸縮振動
以外の振動の合成（連成）振動を利用した超音波アクチ
ュエータ用振動子を提案した（特願平７ー１９６７７４
号）。図２７に示すように、この振動子７１は一対の円
形リング状の弾性体７２の間に、第１の圧電体７３及び
第２の圧電体７４が配置され、六角穴付ボルト７５及び
ナット７６によりワッシャ７７を介して締付け固定され
ている。両圧電体７３、７４はそれぞれ相反する方向に
分極された半割リング状の圧電素子７３ａ，７３ｂ，７
４ａ、７４ｂと、その間に配置された電極板７８ａ、７
８ｂとから構成され、振動子７１の軸方向と平行な中心
面を境にして両側に対称に配置されている。

【００１０】この振動子７１は第１の圧電体７３の電極
板７８ａがアンプ７９及びフェイズシフタ８０を介して
２相発振器８１と接続され、第２の圧電体７４の電極板
７８ｂがアンプ７９を介して２相発振器８１と接続さ
れ、両弾性体７２が接地された状態で使用される。この
振動子７１は第１及び第２の圧電体７３、７４に対して
印加する電圧の位相差を変更して、所定の周波数電圧で
駆動すると、振動子７１の先端等に曲線閉路の軌跡を形
成する振動が生じる。

【００１１】この振動子７１は特定の共振系を利用しな
い振動子であるため、アクチュエータとして利用した場
合に、その推力が１つの振動子を利用した際に数百ｇオ
ーダであった。また、特定の共振系を利用しないため、
その設計の自由度がある反面、高推力を得るための設計
は難しい状況にあった。

【００１２】本発明は前記従来の問題点に鑑みてなされ
たものであって、その目的は特定の共振系を利用して移
動体の大きな加圧力に耐え、高推力を得ることができる
超音波アクチュエータ用振動子を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、振動子の軸方向に対し
て、圧電素子を少なくとも２層に配置し、そのうちの少
なくとも２層の圧電素子を、前記軸方向と平行な面を境
にして第１の圧電体と第２の圧電体とに分割して配置す
るとともに、第１の圧電体と第２の圧電体はそれぞれ前
記軸方向と直交する面を境にして互いに異なる側にそれ
ぞれの分極方向が前記軸方向と平行で互いに逆方向とな
る圧電素子で構成し、その圧電素子の軸方向の第１端部
に棒状弾性体の一端を固定し、その棒状弾性体の長さ
を、前記圧電素子の第２端部を固定端とした状態で棒状
弾性体が縦１次共振振動する際に曲げ２次振動を随伴励
起する長さとした。

【００１４】請求項２に記載の発明では、振動子の軸方
向に対して、圧電素子を少なくとも２層に配置し、その
うちの少なくとも２層の圧電素子を、前記振動子の軸を
中心として、それぞれ９０゜位相がずれた位置に４個の
圧電体に分割し、１組の圧電体は振動子の軸を含む第１
の平面を境にして互いに異なる側に配置し、他の１組の
圧電体は振動子の軸を含むとともに第１の平面と直交す
る第２の平面とを境にして互いに異なる側に配置し、そ
れぞれの分極方向が前記軸方向と平行で互いに逆方向と
なる圧電素子で構成し、その圧電素子の軸方向の第１端
部に棒状弾性体の一端を固定し、前記棒状弾性体の長さ
を、前記圧電素子の第２端部を固定端とした状態で棒状
弾性体が縦１次共振振動する際に曲げ２次振動を随伴励
起する長さとした。

【００１５】請求項３に記載の発明では、請求項１又は
請求項２に記載の発明において、前記棒状弾性体には振
動子の振動の節となる部位近傍に溝状のネック部が形成
されている。

【００１６】請求項４に記載の発明では、請求項１〜請
求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記棒状
弾性体には振動子を前記圧電素子の第２端部側において
固定部に支持するための締結具が螺合される雌ねじ部が
形成されている。

【００１７】請求項１に記載の発明の振動子は、図１に
示すように、振動子１は棒状の弾性体２が圧電素子と対
向する側において、その基端が剛体からなる固定部３に
片持ち状態で固定されて使用される。そして、弾性体２
の縦１次共振長さ共振周波数で第１の圧電体４及び第２
の圧電体５に９０゜の位相差を与えて交流駆動電圧を印
可すると、弾性体２が縦１次共振振動する際に曲げ２次
振動が随伴励起される。振動子１の軸方向と平行な面を
境にして両側に配置された第１の圧電体４及び第２の圧
電体５の伸縮振動により、図２（ａ）〜（ｄ）に示すＩ
〜IVの工程の変位を生じる。

【００１８】図２（ａ）の第Ｉ工程では、第１及び第２
の圧電体４、５が共に伸び、全体としては軸方向の伸び
となる。図２（ｂ）の第II工程では、第２の圧電体５が
伸び、第１の圧電体４が縮むので全体として左方向に曲
げを生じる。図２（ｃ）の第III 工程では、第１及び第
２の圧電体４、５が共に縮むので、全体としては軸方向
に縮むことになる。図２（ｄ）の第IV工程では、第１の
圧電体４が伸び、第２の圧電体５が縮むので全体として
右方向に曲げを生じる。

【００１９】従って、弾性体２の先端面２ａの任意の一
点（例えば質点Ｍ）は図３（ａ）に示すように、楕円軌
跡Ｑの運動を行う。第１の圧電体４に対して第２の圧電
体５が９０゜の遅れとなる位相差で交流駆動電圧が印可
されると、振動子１の先端部近傍の面内歪みは、図２の
工程Ｉ→IV→III →IIの順に生じ、質点Ｍの動きは図３
（ｂ）に示すように、反時計回り方向の楕円軌跡Ｑとな
る。従って、弾性体２の先端面２ａに移動体を載せた場
合、両圧電体４、５に印可する駆動電圧の位相差を１８
０゜変更することにより、方向転換が可能となる。

【００２０】また、第１の圧電体４（Ａ相）のみの駆動
と、第２の圧電体５（Ｂ相）のみの駆動との切り換えに
よって楕円軌跡の方向の切換、即ち、移動体の方向転換
を行うことが可能となる。

【００２１】本発明の振動子は棒状弾性体の縦１次長さ
共振振動を利用するため、振動振幅が大きく取れる。ま
た、振動子の片側を剛体に支持して固定部とするため、
振動子に加わる大きな加圧力に耐え得るようになり、従
来の超音波アクチュエータ用振動子に比べて、高推力の
アクチュエータにできる。また、縦１次共振周波数に対
応する振動子の棒状弾性体の長さと形状を適宜選択する
ことにより、高推力を得るための振動子の設計を簡単に
行える利点がある。

【００２２】請求項２に記載の発明では、第１の平面を
境にしてそれぞれ反対側に位置する圧電体を駆動する場
合と、第２の平面を境にしてしてそれぞれ反対側に位置
する圧電体を駆動する場合とで、移動体の移動方向が９
０゜変更される。

【００２３】請求項３に記載の発明では、振動子の振動
の節となる部位近傍に溝状のネック部が形成されないも
のに比較して、共振の尖鋭度及び動アドミッタンスが良
好となる。

【００２４】請求項４に記載の発明では、棒状弾性体に
形成された雌ねじ部に螺合される締結具を介して、振動
子が圧電素子の第２端部側において固定部（剛体）に支
持される。圧電素子及び弾性体を固定（積層化）する手
段として、接着接合によるものと比較して、締結具を用
いて固定する方が、駆動時に圧電素子がずれ難く、安定
な振動特性を得ることができる。

【００２５】本発明の振動子を利用した超音波アクチュ
エータは、電磁式アクチュエータでは使用が困難な特殊
環境（高磁場下、高真空下等）において、軽量、低速、
高推力が要求される機器類及び装置等に使用する目的に
適している。

【００２６】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、本発明を具体化した第１の
実施の形態を図４〜図１２に基づいて説明する。振動子
１は、図５に示すような、円柱状の弾性体２と、半割リ
ング状の圧電素子４ａ等と、ほぼ半割リング状の電極板
６ａ等とを組み合わせて、締結具としての六角穴付ボル
ト７で基台８に締付け固定することにより形成されてい
る。

【００２７】図４に示すように、振動子１の軸方向と平
行な中心面を境にして両側に、第１の圧電体４及び第２
の圧電体５が対称に配置されている。両圧電体４、５は
それぞれ相反する方向に分極された（振動子１の軸方向
と直交する面を境にして互いに異なる側にそれぞれの分
極方向が振動子の軸方向と平行で互いに逆方向となる）
２層の圧電素子４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂとその間に配置
された電極板６ａ，６ｂにより構成されている。圧電素
子４ａ等の分極方向は矢印で示す。

【００２８】弾性体２は材質を鋼として、外径３０ｍｍ
で中心部近傍に、Ｍ１０の雌ねじ部２ｂが形成されると
ともに、その奥に中空部が形成されている。そして、六
角穴付ボルト７が雌ねじ部２ｂに螺合されるようになっ
ている。弾性体２として、長さが２０ｍｍ、３０ｍｍ、
４０ｍｍ、５０ｍｍの４種類用意した。

【００２９】圧電素子４ａ等は材質をＰＺＴ（ジルコン
酸・チタン酸鉛系の多結晶体）として、外径３０ｍｍ、
内径１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの円形リング状のものを
半割にしたものが使用されている。電極板６ａ，６ｂに
は厚さ０．１ｍｍ程度の銅板を外径３０ｍｍ、内径１０
ｍｍの半割リングの外側に突部を備えた形状に形成した
ものが使用されている。そして、各圧電素子４ａ等と両
電極板６ａ，６ｂとを積層した圧電体４，５を弾性体２
と基台８間に配置したとき、その端面間に隙間がある状
態となるように、各圧電素子４ａ等及び両電極板６ａ，
６ｂはその分割端面が削られた形状となっている。基台
８には材質が鋼で、各辺の長さが１００ｍｍ、厚みが２
０ｍｍのブロックが使用され、その中心に孔８ａが形成
されるとともに、底部に六角穴付ボルト７の頭部を収容
する凹部９が形成されている。

【００３０】そして、第１の圧電体４の電極板６ａをア
ンプ１０及びフェイズシフタ１１を介して２相発振器１
２と接続した。第２の圧電体５の電極板６ｂをアンプ１
０を介して２相発振器１２と接続した。また、基台８を
接地した。弾性体２と基台８とは六角穴付ボルト７によ
り互いに導通された状態にあるため、基台８を接地する
ことにより弾性体２も接地される。

【００３１】基台８をプラスチック製のバイスで固定し
た状態で、４種類の弾性体２を使用した振動子１につい
て共振周波数を測定した。その結果を図６に示す。図６
において、縦軸は縦１次共振周波数ｆ（ｋHz）を示し、
横軸は振動子１の弾性体２の長さＬを示す。図中黒丸印
は測定で得られた４種類の振動子１の共振周波数を示
し、実線は振動子１の材質を鋼として、一端固定、他端
自由の条件で求めた縦１次共振周波数の計算値を示す。
実際に試作した振動子１は計算値よりも約１〜２ｋHz高
い値となったが、ほぼ計算値に一致した。従って、計算
値に対して上述の補正を行えば、振動子の駆動（共振）
周波数を見積もることができる。

【００３２】次に、アクチュエータ用振動子として利用
できるか否かを検討するため、弾性体２の長さ５０ｍｍ
の振動子１を用い、第１の圧電体４及び第２の圧電体５
に対して、電圧の位相差を＋９０°与えて、駆動周波数
を１９．５ｋHzで振動子１を駆動した。そして、振動子
１（弾性体２）にベアリングを押し当てた状態で、ベア
リングの回転方向を観察した。その結果を図７（ａ）に
示す。

【００３３】弾性体２の先端面では、全領域で左方向
（反時計回り方向）にベアリングが回転した。一方、弾
性体２の周面では、圧電体４、５の対向する端面の隙間
と平行で弾性体２の中心軸を含む第１の面Ｐ１（図８に
鎖線で図示）と直交する第２の面Ｐ２（図８に鎖線で図
示）と交差する位置の動きは、先端面から１１〜１２ｍ
ｍ付近でベアリングの回転が停止するノード部位が存在
し、そのノード部位を境にして、ベアリングの回転方向
が変わることがわかった。即ち、基台８から弾性体２の
長さの約７５〜８０％近傍までは右方向（時計回り方
向）の変位の楕円軌跡を生じ、それより先端側では逆方
向となった。

【００３４】弾性体２の周面の変位の楕円軌跡は、第２
の面Ｐ２と交差する線上でもっとも顕著に生じ、第１の
面Ｐ１と交差する線上ではその変位は生じなかった。次
に駆動周波数を１９．５ｋHzに固定し、電圧の位相差を
＋９０°から−９０°に変更して、ベアリングの回転方
向を観察した。その結果を図７（ｂ）に示す。振動子１
の先端面に押し当てたベアリングの回転方向は右方向
（時計回り方向）となり＋９０°の位相差の場合と逆方
向になることが確認された。また、弾性体２の周面にお
けるベアリングの回転方向も、＋９０°の位相差の場合
と比べて逆方向になっているのが確認された。

【００３５】次に同じ駆動周波数で、第１の圧電体４
（Ａ相）のみの駆動状態での振動子１の動きを観察し
た。その結果、図７（ｃ）に示すように、＋９０゜の位
相差を与えて駆動した状態（図７（ａ））とほぼ同じ動
きをしていることがわかった。同様に第２の圧電体５
（Ｂ相）のみの駆動状態での振動子１の動きを観察し
た。その結果、Ａ相のみの駆動状態に比べて逆方向の動
きになることが確認された。即ち、図７（ｄ）に示すよ
うに、−９０゜の位相差を与えて駆動した状態（図７
（ｂ））とほぼ同じ動きをしていることがわかった。

【００３６】これらのことから振動子１の変位の楕円軌
跡の方向転換は、両圧電体４，５に印加する電圧の位相
差の変更あるいは駆動源の切換で行うことが可能であこ
とが判明した。

【００３７】次に振動子１の状態をレーザドップラ振動
（速度）計を用いて、非接触状態で観察した。図７
（ａ）〜（ｄ）の結果を得るためベアリングを用いて観
察した部位について、弾性体２の長さが異なる振動子１
について測定した。測定結果を図９に示す。図９におい
て、振動速度波形ａは弾性体２の先端のａで示す位置に
対応し、振動速度波形ｂは弾性体２のｂで示す位置に対
応し、振動速度波形ｃは弾性体２のｃで示す位置に対応
するものである。振動子１の動きは、ベアリングで観察
した結果と同様にすべての振動子１の弾性体２の長さＬ
の約７５〜８０％近傍で、振動のノード部位が存在し、
上端と下端では振動速度（図９のＸ方向成分）の位相変
化があり、振動の方向が変わっているのが確認された。

【００３８】この測定結果は、図２で示した振動子１全
体の面内歪みにおける曲げ２次の振動成分（図２の第II
工程及び第IV工程に対応）を測定したものである。図９
から明らかなように、弾性体２が縦１次長さ共振（図９
のＹ方向の振動）する長さで、曲げ２次振動（図９のＸ
方向の振動）を随伴励起できる。

【００３９】振動子１の弾性体２の長さを変化させた際
の、振動子１のＸ，Ｙ方向の振幅比Ｙ／Ｘと弾性体２の
長さＬの関係を図１０に示す。弾性体２の長さＬが２０
〜５０ｍｍの間では振動子１の振幅比Ｙ／Ｘの値が１．
８〜３．０程度まで変更できるのがわかる。

【００４０】次に移動体とおもりを兼ねた鋼片を用意
し、振動子１の推力を測定した。図１１に示すように、
振動子１の先端に移動体１３を載置し、バネばかりＳＢ
に振動子１の軸方向と直交する方向（水平方向）に力が
加わる状態で移動体１３とバネばかりＳＢとを連結し、
移動体１３に加えるおもり（図示せず）の重量ＦＷを変
えるとともに、移動体１３が移動したときのバネばかり
ＳＢの計測値を推力Ｆｄとした。比較のため、図２７に
示した振動子７１についても推力Ｆｄを測定した。結果
を図１２に示す。図中、破線は振動子７１、実線は振動
子１の結果を示す。

【００４１】振動子７１は、おもりの重量７kgｆで推力
約５００ｇが得られたが、重量７kgｆを越えた重量を加
えると移動体は動かなかった。一方、振動子１の場合
は、おもりの重量１０kgｆで２．５kgの推力が得られ
た。おもりの重量１０kgｆ以上でもなお移動体１３が動
いたが、測定はおもりの重量１０kgｆで中断した。この
結果から、本発明の振動子１は比較的高い加圧力にも十
分耐えることができ、高推力が得られることがわかっ
た。

【００４２】この実施の形態では以下の効果を有する。 （イ） 振動子１は片持ち状態でその一端側が剛体の固
定部（基台８）に固定された状態で駆動され、棒状弾性
体２が縦１次共振振動する際に曲げ２次振動が随伴励起
される。その結果、振動子１は比較的高い加圧力に十分
耐えることができ、高推力が得られる。

【００４３】（ロ） 棒状弾性体２には振動子１を固定
部（基台８）に支持するための締結具（六角穴付ボルト
７）が螺合される雌ねじ部２ｂが形成されているため、
圧電素子４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ及び弾性体２を固定
（積層化）する手段として、接着接合によるものと比較
して、駆動時に圧電素子がずれ難く、安定な振動特性を
得ることができる。

【００４４】（ハ） 六角穴付ボルト７による締付け部
が振動子１の中心軸となり、中心軸を挟んで対称に配置
された圧電体４，５に生じる伸縮振動による力が曲げ振
動を励起させ易くなる。

【００４５】（ニ） 振動子１を構成する弾性体２の長
さを変更しても、その長さに対応する縦１次共振周波数
で振動子１を駆動することにより、曲げ２次振動が随伴
励起されるため、振動子１の長さの自由度が大きい。

【００４６】（ホ） 振動子１を駆動したとき、弾性体
２の変位の楕円軌跡の向きの変更が、両圧電体４，５に
印加する電圧の位相差の変更あるいは、圧電体４，５を
片側ずつ駆動するとともに、駆動する圧電体を変更する
ことで可能となる。従って、アクチュエータ用振動子と
して使用した場合、移動体１３の方向転換が簡単にな
る。

【００４７】（ヘ） 振動子１が駆動するとき、弾性体
２の先端側の所定位置を挟んで弾性体２の周面に生じる
変位の楕円軌跡の向きが互いに逆方向となるため、弾性
体２の周面を使用することにより、移動体と接触する部
位を軸方向で変えることにより、移動体の方向転換が可
能となる。

【００４８】（第２の実施の形態）次に第２の実施の形
態を図１３に従って説明する。この実施の形態では弾性
体２の形状を変えて、振動子１としての機能を比較し
た。振動子１の構成は弾性体２のみが異なり、その他の
構成はすべて同じにして行った。弾性体２として縦１次
共振長さＬを５０ｍｍで一定にし、図１３に記号XI〜XV
で示す形状の弾性体２を用意した。XI〜XVの弾性体２の
形状寸法は次の通りである。

【００４９】XIは直径３０ｍｍの円柱の先端に、幅１５
ｍｍ、深さ１０ｍｍのＶ溝が形成されている。XII は直
径３０ｍｍの円柱の先端に、軸方向の厚み５ｍｍ、直径
５０ｍｍのフランジが形成されている。

【００５０】XIIIは基端が直径３０ｍｍ、先端が直径２
０ｍｍの円錐台形状に形成されている。XIV は振動子の
節となる部位近傍に、直径２０ｍｍで溝幅５ｍｍのネッ
ク部が形成されている。

【００５１】XVは圧電体４、５の対向する端面の隙間と
平行で弾性体２の中心軸を含む面と直交する面と交差す
る部位の、振動の節となる部位近傍に、深さ５ｍｍで幅
５ｍｍのくびれ部が形成されている。

【００５２】比較例ＳＴＤとして直径３０ｍｍの円柱状
のものを用意した。検討した振動子の動アドミッタンス
特性を比較した結果を図１３に示す。図中○印は共振周
波数（ｆo ）を示し、△は共振の尖鋭度（Ｑ）を示し、
×印は動アドミッタンス（Ｙmo）を示す。

【００５３】ＳＴＤが共振周波数（縦１次共振周波数≒
駆動周波数）ｆo ＝１９．５ｋHzに対して、XI〜XVの弾
性体は１８〜２０ｋHzの範囲に収まった。検討した振動
子の中では共振の尖鋭度（Ｑ）及び動アドミッタンス
（Ｙmo）が良かったものは、振動の節となる部位にネッ
ク部を形成したXIV であった。

【００５４】また、この５種類の弾性体を使用した振動
子に第１の実施の形態と同様にベアリングを当てて振動
子の動きを観察した結果、ＳＴＤと同様な動きをしてい
るのが確認された。

【００５５】この結果から、振動子の弾性体の形状は長
さを決定すれば、弾性体の若干の形状変更は可能である
ことがわかった。なお、この実施の形態では記号XI〜XV
で示すの単独の形状の例を示したが、XI〜XVの類似形状
並びにXI〜XVを複合させた形状としても、振動子として
同様な機能を発揮すると判断できる。

【００５６】（第３の実施の形態）次に第３の実施の形
態を図１４〜図１６に従って説明する。この実施の形態
では図１４に示すように、振動子１の軸を中心として４
個の四半円弧状の圧電体１４，１５，１６，１７が同一
平面上に９０°ずつ位置的に位相をずらした状態で、各
圧電体１４，１５，１６，１７が互いに干渉しない状態
で配置されている。各圧電体１４，１５，１６，１７は
それぞれ一対の圧電素子１４ａ，１４ｂ、１５ａ，１５
ｂ、１６ａ，１６ｂ、１７ａ，１７ｂ間に配置された電
極板１４ｃ，１５ｃ，１６ｃ，１７ｃを介してＡ相ある
いはＢ相の交流駆動電圧がそれぞれ印加されるようにな
っている。

【００５７】電極板１４ｃはアンプ１０及びフェイズシ
フタ１１を介して２相発振器１２に接続され、Ａ相の電
圧が印加されるようになっている。電極板１５ｃはアン
プ１０及びフェイズシフタ１１を介して２相発振器１２
からＡ相の電圧が印加される状態と、アンプ１０を介し
て２相発振器１２からＢ相の電圧が印加される状態とに
スイッチ１８を介して切換接続されるようになってい
る。電極板１６ｃはアンプ１０を介して２相発振器１２
に接続され、Ｂ相の電圧が印加されるようになってい
る。電極板１７ｃはアンプ１０及びフェイズシフタ１１
を介して２相発振器１２からＡ相の電圧が印加される状
態と、アンプ１０を介して２相発振器１２からＢ相の電
圧が印加される状態とにスイッチ１９を介して切換接続
されるようになっている。両スイッチ１８，１９は互い
に連動され、電極板１５ｃがＡ相と接続される場合は電
極板１７ｃがＢ相と接続され、電極板１５ｃがＢ相と接
続される場合は電極板１７ｃがＡ相と接続されるように
なっている。

【００５８】従って、スイッチ１８をＡ相と接続する位
置、即ちスイッチ１９をＢ相と接続する位置に切り換え
た状態では、振動子１は図１６ａに示すように、振動子
１の軸を含み圧電体１５と圧電体１６との対向する端面
と平行な第１の平面を中心として互いに異なる側に、Ａ
相に接続された圧電体１４，１５と、Ｂ相に接続された
圧電体１６，１７とがそれぞれ配置された状態となる。
そして、Ａ相とＢ相とに＋９０°の位相差を与えて２相
駆動で振動子１を駆動すると第１の平面を中心として振
動し、第１の実施の形態の振動子１と同様にその先端面
で移動体を移動させる場合、移動体を図１６（ａ）の左
側に移動させる。Ａ相とＢ相とに−９０°の位相差を与
えて２相駆動で振動子１を駆動すると、移動体を図１６
（ａ）の右側に移動させる。

【００５９】また、スイッチ１８をＢ相と接続する位
置、即ちスイッチ１９をＡ相と接続する位置に切り換え
た状態では、振動子１は図１６（ｂ）に示すように、振
動子１の軸を含み、圧電体１４（圧電体１７）と圧電体
１５（圧電体１６）との対向する端面と平行な第２の平
面を中心として互いに異なる側に、Ａ相に接続された圧
電体１４，１７と、Ｂ相に接続された圧電体１５，１６
とがそれぞれ配置された状態となる。そして、Ａ相とＢ
相とに＋９０°の位相差を与えて２相駆動で振動子１を
駆動すると第２の面を中心として振動し、第１の実施の
形態の振動子１と同様にその先端面で移動体を移動させ
る場合、移動体を図１６（ｂ）の右側に移動させる。Ａ
相とＢ相とに−９０°の位相差を与えて２相駆動で振動
子１を駆動すると、移動体を図１６（ｂ）の左側に移動
させる。

【００６０】即ち、この実施の形態の振動子１は、全体
形状を大きくすることなく、第１の実施の形態の振動子
１と同じ推力で移動体を移動させることができ、スイッ
チ１８，１９を切り換えて駆動する圧電体１４，１５，
１６，１７を選択することにより、移動体の移動方向を
図１５の矢印ＥＷ方向と矢印ＮＳ方向とに切り換えるこ
とができる。

【００６１】（第４の実施の形態）次に多数の振動子１
を使用してアクチュエータに適用した実施の形態を図１
７に従って説明する。長尺の移動体１３の長手方向（図
１７の左右方向）に沿って複数個（この実施の形態では
３個）の振動子１が配設されている。移動体１３を挟ん
で振動子１と反対側にはガイドローラ２０が配置されて
いる。振動子１は第１の実施の形態の振動子１とほぼ同
様に構成されている。振動子１の基端側が支持フレーム
２０ａに対して固定されている。ガイドローラ２０はば
ね等の加圧手段（図示せず）を介して移動体１３を振動
子１側へ押圧する状態に配設されている。各振動子１の
第１の圧電体４の電極板６ａはそれぞれ共通の交流駆動
源２１に接続され、第２の圧電体５の電極板６ｂはそれ
ぞれ共通の交流駆動源２２に接続されている（アンプ、
フェイズシフタ等は図示せず）。

【００６２】各振動子１の第１の圧電体４と第２の圧電
体５に対して＋９０°の位相差で交流駆動源２１，２２
から電圧が印加されると、各振動子１の先端に図１７の
反時計方向回りの変位となる楕円軌跡が発生し、移動体
１３が図１７の左方向へ移動させられる。また、各圧電
体４，５に対して−９０°の位相差の電圧が印加される
と、各振動子１の先端に図１７の時計方向回りの変位と
なる楕円軌跡が発生し、移動体１３が図１７の右方向へ
移動させられる。即ち、この多数の振動子１を使用した
アクチュエータでは２個の交流駆動源２１，２２の印加
電圧の位相差を変更することにより、移動体１３の移動
方向を転換できる。

【００６３】なお、本発明は前記各実施の形態に限定さ
れるものではなく、例えば、次のように具体化してもよ
い。 （１） 図１８に示すように、第１の圧電体４の分極方
向と第２の圧電体５の分極方向とを違えてもよい。即
ち、第１の圧電体４を構成する圧電素子４ａ，４ｂの分
極方向は第１の実施の形態と同じで、第２の圧電体５を
構成する圧電素子５ａ，５ｂの分極方向は第１の実施の
形態と逆方向とする。あるいは、図１８とは逆に、第１
の圧電体４を構成する圧電素子４ａ，４ｂの分極方向は
第１の実施の形態と逆で、第２の圧電体５を構成する圧
電素子５ａ，５ｂの分極方向を第１の実施の形態と同じ
方向としてもよい。この場合、弾性体２に曲げ振動をよ
り励起させ易くなる。

【００６４】（２） 図１９に示すように、弾性体２と
基台８との間に配置される第１の圧電体４を構成する圧
電素子４ａ，４ｂと、第２の圧電体５を構成する圧電素
子５ａ，５ｂとをそれぞれ４層としたり、４層以上の偶
数層構造としてもよい。なお、隣接して対を成す圧電素
子間には接地電極２３を配置する。この場合変位が拡大
する。第１の実施の形態や第３の実施の形態の各圧電体
４，５，１４，１５，１６，１７においても同様に、各
圧電体４，５等の各圧電素子４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ等
を４層以上の偶数構造とすれば、変位が拡大する。

【００６５】（３） 図２０に示すように、弾性体２と
基台８との間に９０°の位置的位相差で配置された圧電
体１４，１５，１６，１７のうち、振動子１の中心軸を
挟んで互いに対向する位置に配置された圧電体１４，１
６を、電極板１４ｃ，１６ｃを介してＡ相及びＢ相の交
流駆動電圧がそれぞれ印加される状態とする（発振器、
フェイズシフタ、アンプ等は図示せず）。また、圧電体
１５，１７を電極板１５ｃ，１７ｃ介してＣ相及びＤ相
の交流駆動電圧がそれぞれ印加される状態とする（発振
器、フェイズシフタ、アンプ等は図示せず）。この場合
は、Ａ相とＢ相との２相駆動で振動子１を駆動する状態
と、Ｃ相とＤ相との２相駆動で振動子１を駆動する状態
とに切り換えることにより、移動体の移動方向を９０゜
変更することができる。

【００６６】（４） 弾性体２の形状は、円柱状に限ら
ず、その軸方向と直交する断面形状が四角形、三角形、
六角形、八角形等の多角柱状のものや中空棒状であって
もよい。そして、第１の圧電体４及び第２の圧電体５等
として対応するリング形状の圧電素子を半割とした形状
や４分割した形状のものを使用する。

【００６７】（５） 圧電素子４ａ，４ｂ等、電極板６
ａ，６ｂ等の厚みを前記実施の形態と異なる値としても
よい。 （６） 振動子１をアクチュエータとして使用する場
合、例えば図２１に示すように、複数の振動子１を剛体
製の支持体２４上に１列に固定し、各振動子１の先端面
が走行面２５と当接する状態で走行面２５上に載置し
て、自走式のアクチュエータ２６を構成してもよい。こ
の場合、各振動子１の第１の圧電体４はアンプ１０、フ
ェイズシフタ１１を介して２相発振器１２に接続され、
第２の圧電体５はアンプ１０を介して２相発振器１２に
接続される。

【００６８】そして、第１の圧電体４と第２の圧電体５
とに位相差を有する印加電圧を供給すると、アクチュエ
ータ２６は図２１の左側あるいは右側へ移動し、その移
動方向は位相差を例えば＋９０°と−９０°に変更する
ことにより方向転換される。また、第３の実施の形態の
振動子１を使用してこのアクチュエータ２６を構成する
と、アクチュエータ２６は図２１の左右方向だけでな
く、紙面と直交する方向にも移動できる。

【００６９】（７） 弾性体２及び圧電素子４ａ，４
ｂ，５ａ，５ｂ等を積層化する手段として、六角穴付ボ
ルト７を使用する代わりに他のボルトを使用してもよ
い。また、図２２に示すように、弾性体２に雄ねじ部２
ｃを突設し、基台８側に形成したねじ穴８ｂに雄ねじ部
２ｃを螺合して圧電素子４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ等を弾
性体２と基台８間に締め付け固定してもよい。また、締
結具等により締め付け固定する形態に限らず、接着接合
する形態であってもよい。しかし、締結具等により締め
付け固定する形態の方が接着接合による固定より好まし
い。また、基台８等に固定する前の取扱を便利にするた
め、弾性体２と圧電体４，５等を接着材で仮固定してお
き、基台８等への固定は締結具を使用して行うようにし
てもよい。

【００７０】（８） 図２３に示すように、第１及び第
２の圧電体４，５の下側に曲げ振動の対称面を挟んで両
側に跨る第３の圧電体２７を配置してもよい。第３の圧
電体２７はリング状の圧電素子２７ａ，２７ｂとその間
に配置されたリング状の電極板２７ｃとから構成されて
いる。

【００７１】前記各実施の形態及び変更例から把握でき
る請求項記載以外の発明について、以下にその効果とと
もに記載する。 （１） 請求項１に記載の発明において、第１の圧電体
と第２の圧電体とはその分極方向が互いに逆方向となる
ように構成されている。この場合、棒状弾性体に曲げ振
動がより励起され易くなる。

【００７２】（２） 請求項１に記載の振動子と、その
振動子を構成する第１及び第２の圧電体への印加電圧の
位相差を±９０°又はその近辺で切換可能とした電源部
を備えた超音波アクチュエータ。この場合、印加電圧の
位相差を±９０°又はその近辺で切り換えるという簡単
な構成で容易に移動体の移動方向を転換できる。

【００７３】（３） 請求項２に記載の４個の圧電体
は、第１の面及び第２の面を挟んでそれぞれ２個ずつ位
置するように配置され、各圧電体にそれぞれ設けられた
電極板は、第１の面を挟んで同じ側に位置する各２個の
圧電体にそれぞれ同じ電圧が印加される状態と、第２の
面を挟んで同じ側に位置する各２個の圧電体にそれぞれ
同じ電圧が印加される状態とに、切り換え可能なスイッ
チを介して電源と接続されるように構成されている。こ
の場合、駆動する圧電体と電源との接続状態をスイッチ
を切り換えて変更することにより、移動体の移動方向を
４方向に切り換えることができるとともに、振動子の全
体形状を大きくすることなく大きな推力を確保できる。

【００７４】（４） 請求項２又は（３）に記載の振動
子と、その振動子を構成する４個の圧電体に対して、振
動子の軸を含む第１の平面を挟んで反対側に位置する圧
電体同士、あるいは第２の平面を挟んで反対側に位置す
る圧電体同士に、駆動電圧を印加するとともに印加電圧
の位相差を±９０°又はその近辺で切換可能とした電源
部を備えた超音波アクチュエータ。この場合、印加電圧
の位相差を±９０°又はその近辺で切り換えるという簡
単な構成で容易に移動体の移動方向を４方向に変更でき
る。

【００７５】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜請求項
４に記載の発明によれば、大きな振幅が得られる共振系
で、大きな加圧力に耐え得る構造のため、高推力のアク
チュエータ用振動子が得られる。

【００７６】請求項２に記載の発明によれば、移動体の
移動方向を直交する４方向（例えば、前後左右の４方
向）に変更することができる。請求項３に記載の発明に
よれば、振動子の振動の節となる部位近傍に溝状のネッ
ク部が形成されないものに比較して、共振の尖鋭度及び
動アドミッタンスが良好となる。

【００７７】請求項４に記載の発明によれば、圧電素子
及び弾性体を接着接合により固定（積層化）するものと
比較して、駆動時に圧電素子がずれ難く、安定な振動特
性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 振動子の構成を示す模式図。

【図２】 振動子先端の変位を示す模式図。

【図３】 変位の楕円軌跡の模式図。

【図４】 第１の実施の形態の振動子構成を示す模式断
面図。

【図５】 （ａ）は圧電素子の斜視図、（ｂ）は電極板
の斜視図、（ｃ）は弾性体の斜視図。

【図６】 弾性体の長さと振動子の共振周波数との関係
を示す線図。

【図７】 （ａ）はＡ，Ｂ相の位相差＋９０°、（ｂ）
はＡ，Ｂ相の位相差−９０°、（ｃ）はＡ相のみ、
（ｄ）はＢ相のみで振動子を駆動した場合の弾性体表面
の変位の楕円軌跡の状態を示す模式図。

【図８】 振動子の曲げ振動の中心面と圧電体の関係を
示す模式平面図。

【図９】 振動子の振動速度波形と振動子の動きを示す
模式図。

【図１０】振動子の振幅比と弾性体長さとの関係を示す
線図。

【図１１】振動子の推力測定方法を示す模式図。

【図１２】振動子の推力とおもりの重量との関係を示す
線図。

【図１３】弾性体の形状と振動子の特性との関係を示す
グラフ。

【図１４】第３の実施の形態の圧電体及び電極板の配置
を示す模式平面図。

【図１５】同じく振動子の模式斜視図。

【図１６】（ａ）は振動子の模式正面図、（ｂ）は振動
子を圧電体１６，１７側から見た模式側面図。

【図１７】第４の実施の形態のアクチュエータの模式
図。

【図１８】変更例の振動子の模式正面図。

【図１９】別の変更例の振動子の模式正面図。

【図２０】変更例の振動子の圧電体及び電極板の配置を
示す模式平面図。

【図２１】自走式アクチュエータの概略側面図。

【図２２】変更例の振動子の模式断面図。

【図２３】別の変更例の振動子の模式正面図。

【図２４】従来装置の概略斜視図。

【図２５】別の従来装置の概略分解斜視図。

【図２６】従来装置の作用を示す模式図。

【図２７】別の振動子の模式図。

【符号の説明】

１…振動子、２…弾性体、４…第１の圧電体、４ａ，４
ｂ…圧電素子、５…第２の圧電体、５ａ，５ｂ…圧電素
子、７…締結具としての六角穴付ボルト、８…固定部と
しての基台、１４〜１７…圧電体、１４ａ〜１７ａ，１
４ａ〜１７ａ…圧電素子。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動子の軸方向に対して、圧電素子を少
   なくとも２層に配置し、そのうちの少なくとも２層の圧
   電素子を、前記軸方向と平行な面を境にして第１の圧電
   体と第２の圧電体とに分割して配置するとともに、第１
   の圧電体と第２の圧電体はそれぞれ前記軸方向と直交す
   る面を境にして互いに異なる側にそれぞれの分極方向が
   前記軸方向と平行で互いに逆方向となる圧電素子で構成
   し、その圧電素子の軸方向の第１端部に棒状弾性体の一
   端を固定し、その棒状弾性体の長さを、前記圧電素子の
   第２端部を固定端とした状態で棒状弾性体が縦１次共振
   振動する際に曲げ２次振動を随伴励起する長さとしたこ
   とを特徴とする超音波アクチュエータ用振動子。
2. 【請求項２】 振動子の軸方向に対して、圧電素子を少
   なくとも２層に配置し、そのうちの少なくとも２層の圧
   電素子を、前記振動子の軸を中心として、それぞれ９０
   ゜位相がずれた位置に４個の圧電体に分割し、１組の圧
   電体は振動子の軸を含む第１の平面を境にして互いに異
   なる側に配置し、他の１組の圧電体は振動子の軸を含む
   とともに第１の平面と直交する第２の平面とを境にして
   互いに異なる側に配置し、それぞれの分極方向が前記軸
   方向と平行で互いに逆方向となる圧電素子で構成し、そ
   の圧電素子の軸方向の第１端部に棒状弾性体の一端を固
   定し、前記棒状弾性体の長さを、前記圧電素子の第２端
   部を固定端とした状態で棒状弾性体が縦１次共振振動す
   る際に曲げ２次振動を随伴励起する長さとしたことを特
   徴とする超音波アクチュエータ用振動子。
3. 【請求項３】 前記棒状弾性体には振動子の振動の節と
   なる部位近傍に溝状のネック部が形成されている請求項
   １又は請求項２に記載の超音波アクチュエータ用振動
   子。
4. 【請求項４】 前記棒状弾性体には振動子を前記圧電素
   子の第２端部側において固定部に支持するための締結具
   が螺合される雌ねじ部が形成されている請求項１〜請求
   項３のいずれか１項に記載の超音波アクチュエータ用振
   動子。