JPH0993962A

JPH0993962A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0993962A
Application number: JP7241070A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Okazaki; 光宏岡崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】平面内での１次元又は２次元への移動と、回
転とが可能なアクチュエータを構成しようとすると、装
置が大型化する。【解決手段】円環状の弾性体１１と、弾性体１１に接
合され、弾性体１１に伸縮振動と屈曲振動とを発生させ
る電気機械変換素子２３と、電気機械変換素子２３に接
合され、電気機械変換素子２３に駆動信号を入力する複
数の電極２３ａ〜２３ｄとで振動アクチュエータを構成
する。この複数の電極２３ａ〜２３ｄをグループ化して
用いることで、弾性体１１に第１の方向への駆動、第２
の方向への駆動および回転駆動とを行う振動を発生させ
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、ＸＹ方向への２次
元移動および回転が可能な振動アクチュエータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超音波アクチュエータに代表される振動
アクチュエータは、低回転で高いトルクが得られるアク
チュエータとして知られている。従来、この種の振動ア
クチュエータは、電気機械変換素子の励振により、円環
状の弾性体に進行性振動波を発生し、その弾性体に加圧
接触している移動子（ロータ）を駆動するようにしてい
た。このアクチュエータは、例えば、レンズ鏡筒に組み
込まれ、移動体の回転により、ＡＦレンズを駆動する用
途に用いられている。

【０００３】一方、リニア型の振動アクチュエータは、
棒状弾性体の一方の端部に加振用の電気機械変換素子を
配置し、他方の端部に進行波の反射を吸収する吸振用の
電気機械変換素子を配置して、弾性体の一方から他方に
向かう進行波を発生させ、その弾性体に加圧接触してい
る移動体を駆動するようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、撮影光学系
の一部を、光軸とほぼ直交する面内で移動させることで
像振れを補正する像振れ補正装置が提案されているが、
前者のアクチュエータでは、駆動方向が異なるので適用
できない。後者のリニア型のアクチュエータでは、円筒
形のレンズ鏡筒には組み込み難いうえ、光軸に垂直な面
のＸ方向、Ｙ方向の２方向に駆動する場合には、装置が
大型化するという問題があった。

【０００５】また、従来の高速低トルクを特徴とする電
磁モータを利用する場合には、出力トルクをかせぐため
に、通常ギア列が必要となる。さらに、駆動対象物を平
面内で２方向に移動させるときには、各々の方向に駆動
対象物を移動させるために、独立したもう１組の電磁モ
ータとギア列が必要となる。このために、装置が大型化
し、重量が増すうえ、ギア列により応答性が低下した
り、騒音が発生するなどの問題があった。

【０００６】さらに、ＡＦレンズに像振れ補正装置を組
み込む場合、移動体の回転と光軸と直交する方向への駆
動が求められるが、それぞれの駆動を別個のアクチュエ
ータで行うと、レンズ鏡筒が大型化するという問題があ
った。本発明の目的は、平面内を１次元又は２次元へ移
動可能であるとともに、回転も可能な振動アクチュエー
タを提供することにある。

【０００７】

【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（以下、第１発明という）は、円環
状の弾性体と、前記弾性体に接合され、該弾性体に伸縮
振動と屈曲振動とを発生させる電気機械変換素子と、前
記電気機械素子に接合され、該電気機械変換素子に駆動
信号を入力する複数の電極とを有する振動アクチュエー
タであって、前記複数の電極を、第１の方向への駆動
時、第２の方向への駆動時および回転駆動時とに応じて
グループ化して使用するように構成した。

【０００８】また、請求項２記載の発明（以下、第２発
明という）では、前記第１発明において、前記弾性体の
外径と内径の比を、前記第１の方向および第２の方向へ
の駆動時に発生させる屈曲振動の共振周波数と、前記伸
縮振動の共振周波数とがほぼ一致する値に設定した。請
求項３記載の発明（以下、第３発明という）では、前記
第１発明において、前記第１の方向および第２の方向へ
の駆動時は、伸縮振動と屈曲振動の縮退により前記弾性
体の所定部分に楕円運動を発生させ、前記回転駆動時
は、屈曲振動により前記弾性体に進行波を発生させて前
記所定部分に楕円運動を発生させるように構成した。

【０００９】請求項４記載の発明では、前記第３発明に
おいて、前記弾性体の所定部分に駆動力取出部材を設け
た。請求項５記載の発明では、前記第３発明において、
前記進行波を２次以上の屈曲振動となるように設定し
た。本発明によれば、電気機械変換素子の励振によっ
て、円環状の弾性体に伸縮振動と屈曲振動とを発生し、
その縮退により、弾性体の所定部分に楕円運動が発生す
るので、面方向（ＸＹ方向）への移動が可能となる。ま
た、前記弾性体に屈曲振動による進行波を発生させて弾
性体の所定部分に楕円運動を発生させているので、この
楕円運動によってＺ軸回りの回転が可能になる。

【００１０】

【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、本発明の
一実施形態について、さらに詳しく説明する。図１〜図
９は、本発明による振動アクチュエータの第１の実施形
態を示した図である。図１は全体の構成を示す模式図、
図２は、弾性体と圧電素子を示す斜視図、図３は、弾性
体の形状と周波数の関係を説明する図、図４は、振動ア
クチュエータの本体部の構成を示す模式図である。ま
た、図５は、弾性体に生じる面外屈曲振動（Ｂ₂₁モー
ド：節円数２、節直径数１）を表す図、図６は、弾性体
に生じる伸縮振動（（Ｒ−１）モード）を表す図、図７
は、駆動力取出部材を説明する図、図８は、振動アクチ
ュエータの動作を説明する説明図、図９は、弾性体に発
生した屈曲進行波の進行状態を示す図である。

【００１１】この振動アクチュエータは、弾性体１１
と、弾性体１１の上面に接合された圧電素子（電気機械
変換素子）２３と、弾性体１１の下面に形成された４個
の駆動力取出部材３１〜３４等から構成されている。弾
性体１１は、図２に示すように、薄い円環状に形成され
た弾性部材であって、ステンレスやアルミニウム等の金
属またはプラスチックなどによって作製されている。こ
の弾性体１１は、図３によって説明されるように、円環
の寸法を設定することにより、伸縮振動（（Ｒ−１）モ
ード：面方向への広がり振動）と、面外屈曲振動（Ｂ₂₁
モード）を一致させることができる。本実施形態では、
円環の内側の孔の径を調整することによって２つの振動
を一致させている。本実施形態においては、伸縮振動と
面外屈曲振動それぞれの共振周波数を略一致させること
ができるので、伸縮振動および面外屈曲振動の振幅を増
大させることができる。そのため、高速での駆動が可能
になる。

【００１２】図３の横軸は、円環の外径２ａと内径２ｂ
（図４参照）の比ｙ＝ｂ／ａを示しており、０の位置で
は孔が開いておらず、１に近づくに従って孔が大きくな
っていく。また、縦軸は、Ｂ₂₁モードの共振周波数ω₂₁
に対する（Ｒ−１）モードの共振周波数ω₀₀の比、すな
わち、ω₂₁／ω₀₀＝｛α₂₁ ²／［2.05・（３）^1/3］｝
・（ｈ／２ａ）を示している。

【００１３】ここで、図３の曲線（Ｄ）は、（Ｒ−１）
モードを示している。また、曲線（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）は、Ｂ₂₁モードの場合であって、ｈ（円板の厚
み）／２ａの値を、３／40、 2.5／40、２／40と異なら
せたものである。図３から明らかなように、厚みｈ＝
2.5mm、外径２ａ＝40mmの場合に、ｙ＝0.6 付近で縮退
が可能である。

【００１４】本実施形態では、（Ｒ−１）モードとＢ₂₁
モードとを縮退させる例で説明する。（Ｒ−１）−Ｂ₂₁
モードのときに生じる同心円状の節１１ａと直線の１１
ｂが図１（Ａ）、図５および図７（Ａ）に示されてい
る。図５（Ａ）と図５（Ｂ）は、直線の節１１ｂが90°
ずれた場合を示している。図６の破線は、（Ｒ−１）モ
ードにおける弾性体の変形形状を表す。

【００１５】圧電素子２３は、図２に示すように、円環
状に形成され、ＰＺＴ等により作製されている。圧電素
子２３は、図１（Ｂ）、図２に示すように一方向に分極
されている。圧電素子２３の上面には、圧電素子２３を
円周方向に略４等分するようにして４つの電極板２３
ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄが、銀ペーストのパターニ
ングまたは金属箔の接着等により設けられている。ま
た、弾性体１１と接する下面のほぼ全域には、グランド
用の電極板が設けられている。

【００１６】駆動力取出部材３１〜３４は、弾性体１１
の屈曲振動と伸縮振動の合成振動により発生する楕円運
動を取り出す部分であり、図４に示す固定部材５１（相
対移動部材）と接触しながら相対移動する。駆動力取出
部材３１〜３４は、図１（Ａ）に示すように、弾性体１
の下面であって、その外縁部の４カ所に９０度毎に設け
られている。駆動力取出部材３１〜３４は、耐摩耗性を
向上させるために、窒化硅素などの球体を取り付けてい
る。

【００１７】これらの駆動力取出部材３１〜３４は、駆
動力を効率よく取り出すために、縦振動の節となる位置
を避けて設けることが望ましい。例えば、図７に示す駆
動力取出部材３１、３１−１、３１−２のように、屈曲
振動モードにより生ずる移動平面に対して略垂直方向の
上下振動の腹の位置にあることが好ましい。この振動ア
クチュエータは、図１（Ｂ）に示すように、２つの圧電
素子２１、２２に高周波電圧（交流電圧）Ａ、Ｂを印加
することによって、屈曲振動と伸縮振動との複合振動が
起きる。そして、この振動により駆動力取出部材３１、
３２、３３、３４の先端に楕円運動を発生させ、駆動力
を発生させる構成になっている。ここで、Ｇはグランド
である。高周波電圧Ａ、Ｂは、π／２の時間的位相差を
有している。なお、２つの圧電素子２１、２２の分極は
互いに逆方向であってもよい。

【００１８】図１に示す駆動回路について説明する。発
振器４１からの高周波信号は、分岐して一方は移相器４
２に入力し、時間的にπ／２だけ移相された後に増幅器
４３に出力される。他方の高周波信号は、直接増幅器４
４に出力される。各増幅器４３、４４は、切替スイッチ
４５Ａ、４５Ｂを介して、圧電素子の各電極板２３ａ、
２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに接続されている。極性反転回
路４６Ａ、４６Ｂは入力した高周波信号の極性を反転し
て出力するもので、弾性体１１を回転駆動する際に用い
る。

【００１９】移相器４２は、駆動制御回路６１から出力
された移動方向回転方向切替信号によって制御される。
また、増幅器４３、４４は、駆動制御回路６１から出力
された速度信号に応じて増幅率を制御する。切替スイッ
チ４５Ａは、内部にスイッチＡ−１、Ａ−２、Ａ−３、
Ａ−４を有し、駆動制御回路６１から出力された並進回
転切替信号に応じて、ＸＹ方向への並進駆動とＺ軸回り
の回転駆動とを切り替える。並進駆動時は、図１におい
て内部のスイッチＡ−１、Ａ−２の接点を全てａ側（図
１の実線の状態）に切り替える。この切り替えに連動し
て、スイッチＡ−３、Ａ−４はオフ状態になる。回転駆
動時は、スイッチＡ−１、Ａ−２の接点を全てｂ側に切
り替えると、この切り替えに連動してスイッチＡ−３、
Ａ−４がオン状態になる。

【００２０】切替スイッチ４５Ｂは、内部にスイッチＢ
−１、Ｂ−２を有し、駆動制御回路６１から出力された
移動軸切替信号に応じて並進駆動時の移動軸を切り替え
る。図１において、Ｘ方向への駆動時は、切替スイッチ
４５Ａが並進駆動に切り替わっている状態（スイッチＡ
−１、Ａ−２の接点が全てａ側で、かつスイッチＡ−
３、Ａ−４がオフの状態）で、切替スイッチ４５Ｂのス
イッチＢ−１の接点をｂ側、スイッチＢ−２の接点をｃ
側に切り替える。これにより、増幅器４３からの出力は
電極板２３ａ、２３ｂに入力し、増幅器４４からの出力
は電極板２３ｂ、２３ｄに入力する。したがって、左側
の電極板２３ａと２３ｂがグループ化され、右側の電極
板２３ｃと２３ｄがグループ化される。このとき、振動
アクチュエータは、Ｘ方向への移動が可能となる。

【００２１】ここで、図８を用いて振動アクチュエータ
がＸ方向へ移動するときの動作を、時間的変化（ｔ１〜
ｔ９）ごとに説明する。なお、図８（Ａ）は、この振動
アクチュエータに入力される２相の高周波電圧Ａ、Ｂの
時間的変化をｔ１〜ｔ９で示している。図８（Ａ）の横
軸は、高周波電圧の振幅を示している。図８（Ｂ）は、
振動アクチュエータの断面の変形の様子を示し、振動ア
クチュエータに発生する屈曲振動の時間的変化（ｔ１〜
ｔ９）を示している。図８（Ｃ）は、振動アクチュエー
タの断面の変形の様子を示し、振動アクチュエータに発
生する伸縮振動の時間的変化（ｔ１〜ｔ９）を示してい
る。図８（Ｄ）は、振動アクチュエータの駆動力取出部
材３１、３２に発生する楕円運動の時間的変化（ｔ１〜
ｔ９）を示している。

【００２２】時間ｔ１において、図８（Ａ）に示すよう
に、電極板２３ａ、２３ｂに入力する高周波電圧Ａは、
正の電圧を発生する。同様に電極板２３ｃ、２３ｄに入
力する高周波電圧Ｂは、同一の正の電圧を発生する。図
８（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ａ、Ｂによる屈曲運
動は互いに打ち消し合い、質点Ｙ１とＺ１とが振幅零と
なる。また、図８（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ、
Ｂによる伸縮振動は伸張する方向に発生する。質点Ｙ２
とＺ２とは矢印で示されるように、節Ｘを中心にして最
大の伸長を示す。その結果、図８（Ｄ）に示すように、
上記両振動が複合され、質点Ｙ１とＹ２との運動の合成
が質点Ｙの運動となり、また、質点Ｚ１とＺ２との運動
の合成が質点Ｚの運動となる。

【００２３】時間ｔ２において、図８（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ｂは零となり、高周波電圧Ａは正の電圧
を発生する。図８（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ａに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１が負方向に振幅し、質
点Ｚ１が正方向に振幅する。また、図８（Ｃ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａによる伸縮振動が発生し、質点Ｙ２
と質点Ｚ２とが時間ｔ１のときよりも縮む。その結果、
図８（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合され、質点
ＹとＺとが時間ｔ１のときよりも左回りに移動する。

【００２４】時間ｔ３において、図８（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは正の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図８（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ及びＢによる屈曲運動が合成されて
増幅され、質点Ｙ１が時間ｔ２のときよりも負方向に増
幅され、最大の負の振幅値を示す。質点Ｚ１が時間ｔ２
のときよりも正方向に増幅され、最大の正の振幅値を示
す。また、図８（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ及び
Ｂによる伸縮振動が互いに打ち消しあい、質点Ｙ２とＺ
２とが元の位置に戻る。その結果、７５（Ｄ）に示すよ
うに、上記両振動が複合され、質点ＹとＺとが時間ｔ２
のときよりも左回りに移動する。

【００２５】時間ｔ４において、図８（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは零となり、高周波電圧Ｂは負の電圧
を発生する。図８（Ｂ）に示すように、高周波電圧Ｂに
よる屈曲運動が発生し、質点Ｙ１は時間ｔ３のときより
も振幅が低下し、質点Ｚ１時間ｔ３のときよりも振幅が
低下する。また、図８（Ｃ）に示すように、高周波電圧
Ｂによる伸縮振動が発生し、質点Ｙ２とＺ２が収縮す
る。その結果、図８（Ｄ）に示すように、上記両振動が
複合され、質点ＹとＺとが時間ｔ３のときよりも左回り
に移動する。

【００２６】時間ｔ５において、図８（Ａ）に示すよう
に、高周波電圧Ａは負の電圧を発生し、同様に高周波電
圧Ｂは同一の負の電圧を発生する。図８（Ｂ）に示すよ
うに、高周波電圧Ａ、Ｂによる屈曲運動は互いに打ち消
し合い、質点Ｙ１とＺ１とが振幅零となる。また、図８
（Ｃ）に示すように、高周波電圧Ａ、Ｂによる伸縮振動
は収縮する方向に発生する。質点Ｙ２とＺ２とは矢印で
示されるように、節Ｘを中心にして最大の収縮を示す。
その結果、図８（Ｄ）に示すように、上記両振動が複合
され、質点ＹとＺとが時間ｔ４のときよりも左回りに移
動する。

【００２７】時間ｔ６〜ｔ９に変化するにしたがって、
上述の原理と同様に屈曲振動及び伸縮振動が発生し、そ
の結果、図８（Ｄ）に示すように、質点Ｙ及び質点Ｚが
左回りに移動し、楕円運動をする。以上の原理により、
この振動アクチュエータは、駆動力取出部材３１、３２
の先端に楕円運動を発生させ、駆動力を発生させる。従
って、駆動力取出部材３１、３２の先端を固定部５１に
加圧すると、弾性体１１は、固定部５１に対してＸ方向
に自走する。

【００２８】Ｙ方向へ移動させるときは、切替スイッチ
４５Ａが並進駆動側に切り替わっている状態で、切替ス
イッチ４５ＢのスイッチＢ−１の接点をａ側、スイッチ
Ｂ−２の接点をｂ側に切り替える。これにより、増幅器
４３の出力は、電極板２３ａ、２３ｃに接続され、増幅
器４４の出力は、電極板２３ｂ、２３ｄに接続される。
したがって、上側の電極板２３ａと２３ｃがグループ化
され、下側の電極板２３ｂと２３ｄがグループ化される
ので、移動方向が90°回転する。このとき、駆動力取出
部材３３、３４の先端を固定部５１に加圧すると、弾性
体１１は、固定部５１に対してＹ方向に自走する。

【００２９】次に、回転駆動時の動作を説明する。回転
駆動では、弾性体１１の円周方向に進行する屈曲振動に
よる進行波を利用する。なお、本実施形態では１次の屈
曲振動を利用している。また、回転速度を高くするため
に屈曲振動の共振を利用し、共振点の近傍で駆動するよ
うに設定してある。回転駆動に際しては、切替スイッチ
４５ＡのスイッチＡ−１、Ａ−２の接点を全てｂ側に切
り替える（図１の点線の状態）と、この切り替えに連動
してスイッチＡ−３、Ａ−４がオン状態になる。また、
切替スイッチ４５ＢのスイッチＢ−１、Ｂ−２は共に中
立の状態（オフ状態）となり、ａ、ｂ、ｃのいずれの接
点にも接続しない状態になる。このとき、増幅器４３の
出力は分岐されて、一方はスイッチＡ−３を通って電極
板２３ａに入力し、他方は極性反転回路４６Ａを介して
電極板２３ｄに入力する。また、増幅器４４の出力は分
岐されて、一方はスイッチＡ−４を通って電極板２３ｂ
に入力し、他方は極性反転回路４６Ｂを介して電極板２
３ｃに入力する。その結果、例えば、発振器４１から s
in波が出力された場合、電極板２３ａには cos波が、電
極板２３ｂには sin波が、電極波２３ｃには-sin波が、
電極板２３ｄには-cos波がそれぞれ入力する。前述のよ
うに、弾性体１１には１次の屈曲振動を発生させるの
で、 cos波または-cos波が入力する電極板２３ａ、２３
ｄと、 sin波または-sin波が入力する電極板２３ｂ、２
３ｃとは、互いに前記屈曲振動の 1/4波長相当分だけ位
置的にずれて配置されていることになる。したがって、
図８に示すように、従来の屈曲振動による進行性振動波
を用いた振動アクチュエータと同様、弾性体１１にはｃ
ｃｗ方向に進行する１次の屈曲振動の進行波（屈曲進行
波）が発生する。図９において、＋の表示の部分は振動
の振幅が正の状態を表し、−の符号は前記振幅が負の状
態を表している。このとき、駆動力取出部材３１、３
２、３３、３４の先端は楕円運動を行い、弾性体１１は
Ｚ軸回り（θ方向）に回転する。図９は、弾性体１１を
１箇所で切断して直線状に延ばした状態を図示したもの
で、屈曲振動の進行波によって弾性体１１が図９（Ｂ）
〜（Ｅ）のように振動し、駆動力取出部材３１の点Ｐ
は、この振動によって楕円運動を行う。

【００３０】移動方向または回転方向を逆向きにすると
きは、移相器４２によって増幅器４３に入力する高周波
信号と増幅器４４に入力する高周波信号の間の位相の進
み具合を逆にすれば（−π／２だけ移相する）よい。ま
た、本実施形態において、駆動力取出部材３１〜３４
は、Ｘ方向及びＹ方向の２方向に対して均等な駆動力が
得られるように、その形状が球状や楕円体などの曲面体
の一部であることが好ましい。

【００３１】本実施形態では１つの圧電素子に４つの電
極を設けた構成としたが、圧電素子２３を４つの圧電素
子に分割して、各素子にそれぞれ電極板２３ａ、２３
ｂ、２３ｃ、２３ｄを設けてもよい。ただし、本実施形
態のように１つの圧電素子で構成すると、素子の接着位
置決めが容易となるので、接着精度が向上する。そのた
め、貼り付け位置のずれにより生じる励振むらが低減さ
れるうえ、移動方向のちがいによる左右差（＋ｘ、−ｘ
方向、＋ｙ、−ｙ方向の移動速度の差）も低減されると
いう効果を奏する。（第２の実施形態）図１１は、本発明の第２の実施形態
における、圧電素子と電極板の配置関係を示す概略平面
図である。本実施形態は、回転駆動時に２次の屈曲振動
を利用するように構成した点で第１の実施形態と相違す
る。なお、本実施形態の説明中、前述の第１の実施形態
と同様の機能を有する構成要件には同一符号を付して、
重複する説明を適宜省略する。

【００３２】図１１に示すように、第１の実施形態にお
ける電極板２３ｃ、２３ｄは、本実施形態においてはそ
れぞれ略２等分に分割され、電極板２３ｃ−１、２３ｃ
−２、２３ｄ−１、２３ｄ−２となっている。そして、
ＸＹ方向への並進駆動時は、電極板２３ｃ−１、２３ｃ
−２のグループと電極板２３ｄ−１、２３ｄ−２のグル
ープとにそれぞれグループ化され、回転駆動時には、電
極板２３ｃ−２、２３ｄ−１がグループ化されるように
構成されている。

【００３３】並進駆動を行う場合、図１１（Ａ）に示す
ように、電極板２３ｃ−１、２３ｃ−２と電極板２３ｄ
−１と２３ｄ−２は、それぞれ第１の実施形態と同様、
１つの電極板２３ｃ、２４ｄとして機能する。従って、
Ｘ方向に駆動する場合は、左側の電極板２３ａ、２３ｂ
をグループ化し、右側の電極板２３ｃ−１、２３ｃ−
２、２３ｄ−１、２３ｄ−２をグループ化すればよい。
そして、第１の実施形態と同様にして、左側のグループ
の各電極板に高周波電圧Ａを印加し、右側のグループの
各電極板に高周波電圧Ａとπ／２の時間的位相差を有す
る高周波電圧Ｂを印加すれば、第１の実施形態と同様の
原理により、振動アクチュエータはＸ方向へ移動する。

【００３４】また、Ｙ方向に駆動する場合は、上側の電
極板２３ａ、２３ｃ−１、２３ｃ−２をグループ化する
とともに、下側の電極板２３ｂ、２３ｄ−１と２３ｄ−
２をグループ化すればよい。そして、上側のグループの
各電極板に高周波電圧Ａを印加し、下側のグループの各
電極板に高周波電圧Ａとπ／２の時間的位相差を有する
高周波電圧Ｂを印加すれば、同様の原理により、振動ア
クチュエータはＹ方向へ移動する。

【００３５】回転駆動時は、図１１（Ｂ）に示すよう
に、電極板２３ａ、２３ｃ−２、２３ｄ−１を用いる。
電極板２３ａに高周波電圧Ａ（Ｃ相とする）を印加し、
グループ化された電極板２３ｃ−２、２３ｄ−１に高周
波電圧Ａとπ／２の時間的位相差を有する高周波電圧Ｂ
（Ｄ相とする）を印加する。本実施形態では、前述のよ
うに、弾性体１１に２次の屈曲振動を発生させるので、
弾性体１１には２波長分の振動が発生している。このと
き、高周波電圧Ａが印加される電極板２３ａと、高周波
電圧Ｂが印加される電極板２３ｃ−２、２３ｄ−１のグ
ループとは、円周を略８等分した大きさを有する電極板
２３ｃ−１を間に介していることから、前記２次の屈曲
振動の 1/4波長相当分だけ位置的にずれて配置されてい
ることになる。その結果、図１２に示すように、従来の
屈曲振動による進行性振動波を用いた振動アクチュエー
タと同様、弾性体１１にはｃｃｗ方向に進行する２次の
屈曲振動の進行波が発生する。図１２において、＋の表
示の部分は振動の振幅が正の状態を表し、−の符号は前
記振幅が負の状態を表している。このとき、駆動力取出
部材３１、３２、３３、３４の先端は楕円運動を行い、
弾性体１１はＺ軸回り（θ方向）に回転する。図１３
は、弾性体１１を１箇所で切断して直線状に延ばした状
態を図示したもので、屈曲振動の進行波によって弾性体
１１が図１３（Ｂ）〜（Ｅ）のように振動し、駆動力取
出部材３１の点Ｐは、この振動によって楕円運動を行
う。

【００３６】移動方向または回転方向を逆向きにすると
きは、図１のように、移相器４２によって高周波電圧Ａ
と高周波電圧Ｂの間の位相の進み具合を逆にすれば（−
π／２だけ移相する）よい。本実施形態においては、回
転駆動時に２次の屈曲振動を用いるので、屈曲振動の共
振点が第１の実施形態のときよりも高くなる。例えば、
１次の屈曲振動を用いると共振点が可聴領域（20 kHz以
下）になって駆動時の騒音が問題になる場合、本実施形
態では駆動周波数を上げることができるので、超音波領
域で駆動させることで騒音を防止することが可能にな
る。（第３の実施形態）図１４は、本発明の第３の実施形態
における、圧電素子と電極板の配置関係を示す概略平面
図である。本実施形態は、回転駆動時に３次の屈曲振動
を利用するように構成した点で第１、第２の実施形態と
相違する。なお、本実施形態の説明中、前述の第１の実
施形態と同様の機能を有する構成要件には同一符号を付
して、重複する説明を適宜省略する。

【００３７】第１の実施形態における電極板２３ａは、
図１４に示すように、図１の電極板２３ａの略 2/3の大
きさを有する電極板２３ａ−３と、略 1/3の大きさを有
する電極板２３ａ−４とに分割されている。また、第１
の実施形態における電極板２３ｂは、電極板２３ｂの略
1/3の大きさを有する２３ｂ−３と略 2/3の大きさを有
する２３ｂ−４に分割されている。同様に、電極板２３
ｃは略 2/3の大きさを有する２３ｃ−３と略 1/3の大き
さを有する２３ｃ−４に分割され、電極板２３ｄは、略
1/3の大きさを有する２３ｄ−３と略 2/3の大きさを有
する２３ｄ−４とに分割されている。

【００３８】これらの電極板は、アクチュエータをＸＹ
方向へ移動させる並進駆動時は、電極板２３ａ−３と電
極板２３ａ−４、電極板２３ｂ−３と電極板２３ｂ−
４、電極板２３ｃ−３と電極板２３ｃ−４、電極板２３
ｄ−３と電極板２３ｄ−４が、各々グループ化されるよ
うに構成されている。また、回転駆動時は、電極板２３
ａ−４と電極板２３ｂ−３がグループ化されるように構
成されている。

【００３９】したがって、並進駆動を行う場合、並進
駆動を行う場合、図１４（Ａ）に示すように、電極板２
３ａ−３と２３ａ−４、電極板２３ｂ−３と２３ｂ−
４、電極板２３ｃ−３と２３ｃ−４、電極板２３ｄ−３
と２３ｄ−４は、それぞれ１つの電極板２３ａ、２３
ｂ、２３ｃ、２４ｄとして機能する。Ｘ方向に駆動する
場合は、左側の電極板２３ａ−３、２３ａ−４、２３ｂ
−３、２３ｂ−４をグループ化し、右側の電極板２３ｃ
−３、２３ｃ−４、２３ｄ−３、２３ｄ−４をグループ
化すればよい。そして、左側のグループの各電極板に高
周波電圧Ａを印加し、右側のグループの各電極板に高周
波電圧Ａとπ／２の時間的位相差を有する高周波電圧Ｂ
を印加すれば、第１の実施形態と同様の原理により、振
動アクチュエータはＸ方向へ移動する。

【００４０】また、Ｙ方向に駆動する場合は、上側の電
極板２３ａ−３、２３ａ−４、２３ｃ−３、２３ｃ−４
をグループ化し、下側の電極板２３ｂ−３、２３ｂ−
４、２３ｄ−３と２３ｄ−４をグループ化すればよい。
そして、上側のグループの各電極板に高周波電圧Ａを印
加し、下側のグループの各電極板に高周波電圧Ａとπ／
２の時間的位相差を有する高周波電圧Ｂを印加すれば、
同様の原理により、振動アクチュエータはＹ方向へ移動
する。

【００４１】回転駆動時は、図１４（Ｂ）に示すよう
に、電極板２３ａ−４と２３ｂ−３をグループ化する。
そして、電極板２３ａ−３に高周波電圧Ａ（Ｃ相（＋）
とする）を印加し、電極板２３ｃ−３には高周波電圧Ａ
とπ／２の時間的位相差を有する高周波電圧Ｂ（Ｄ相
（＋）とする）を入力する。また、グループ化した電極
板２３ａ−４と２３ｂ−３には極性を反転させた高周波
電圧Ａ’（Ｃ相（−）とする）を印加し、電極板２３ｄ
−４には極性を反転させた高周波電圧Ｂ’（Ｄ相（−）
とする）を印加する。つまり、高周波電圧として電極板
２３ａ−３に sin波を入力する場合、電極板２３ａ−４
と２３ｂ−３には-sin波を、電極板２３ｃ−３には cos
波を、電極板２３ｄ−４には-cos波を入力すればよい。

【００４２】本実施形態では、弾性体１１に３次の屈曲
振動を発生させるので、弾性体１１には３波長分の振動
が発生している。このとき、高周波電圧Ａが印加される
電極板２３ａ−３と、高周波電圧Ｂが印加される電極板
２３ｃ−３とは、円周を略12等分した大きさを有する電
極板２３ｃ−４を間に介していることから、前記３次の
屈曲振動の 1/4波長相当分だけ位置的にずれて配置され
ていることになる。その結果、図１５に示すように、従
来の屈曲振動による進行性振動波を用いた振動アクチュ
エータと同様、弾性体１１にはｃｃｗ方向に進行する３
次の屈曲振動の進行波が発生する。図１５において、＋
の表示の部分は振動の振幅が正の状態を表し、−の符号
は前記振幅が負の状態を表している。このとき、駆動力
取出部材３１、３２、３３、３４の先端は楕円運動を行
い、弾性体１１はＺ軸回り（θ方向）に回転する。図１
６は、弾性体１１を１箇所で切断して直線状に延ばした
状態を図示したもので、屈曲振動の進行波によって弾性
体１１が図１６（Ｂ）〜（Ｅ）のように振動し、駆動力
取出部材３１の点Ｐは、この振動によって楕円運動を行
う。

【００４３】移動方向または回転方向を逆向きにすると
きは、図１のように、移相器４２によって高周波電圧Ａ
と高周波電圧Ｂの間の位相の進み具合を逆にすれば（−
π／２だけ移相する）よい。本実施形態においては、回
転駆動時に３次の屈曲振動を用いるので、屈曲振動の共
振点が第１、第２の実施形態のときよりも高くなる。例
えば、１次や２次の屈曲振動を用いると共振点が可聴領
域（20 kHz以下）になって駆動時の騒音が問題になる場
合、本実施形態では駆動周波数を上げることができるの
で、超音波領域で駆動させることで騒音を防止すること
が可能になる。

【００４４】なお、各実施形態において、駆動力取出部
材３１〜３４は、Ｘ方向及びＹ方向の２方向に対して均
等な駆動力が得られるように、その形状が球状や楕円体
などの曲面体の一部であることが好ましい。また、回転
駆動時に用いる進行波の屈曲振動の次数が、１次、２
次、３次の場合について説明したが、これらより大きい
次数の屈曲振動を用いることも可能である。例えば、進
行波を発生させるためには、設定した屈曲振動の 1/4波
長相当分だけ位置的にずれて配置された２つの電極板の
一方に高周波電圧Ａを印加し、他方に高周波電圧Ａとπ
／２の時間的位相差を有する高周波電圧Ｂを印加すれば
よい。このとき、各高周波電圧を印加する電極板は、前
記屈曲振動の 1/2波長相当分の大きさにすればよい。ま
た、隣接する 1/2波長相当分の電極板にも同相の高周波
電圧を印加するときは、極性を反転させて入力させれば
よい。このような条件を満たすようにすると、電極板は
屈曲振動の 1/4波長相当分を最小単位として細分化され
ることになる。ただし、並進駆動時には、前述のよう
に、移動方向に応じて各電極板を２つのグループに分
け、各グループごとに同一の信号が印加される。したが
って、細分化された各電極板に対しては、図１に示すよ
うに、振動アクチュエータの左側と右側（Ｘ方向）、上
側と下側（Ｙ方向）とで各々グループ化できるような配
線を施しておけばよい。

【００４５】以上のように、各実施形態によれば、ＸＹ
方向への並進駆動とＺ軸回りの回転駆動とを１つのアク
チュエータで実現することができる。また、並進駆動お
よび回転駆動を行う振動を発生させる振動子が共通なの
で、アクチュエータの低価格化、小型化を実現できる。
また、本発明は、以上説明した各実施形態に限定される
ことなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、電
気エネルギを機械エネルギに変換するための電気機械変
換素子として、圧電素子を用いた場合を例に説明した
が、電歪素子、磁歪素子などを用いてもよい。

【００４６】さらに、Ｂ₂₁モード（節円数２、節直径数
１の面外屈曲モード）の代わりにＢ ₁₁モード（節円数
１、節直径数１の面外屈曲モード）を用いてもよい。Ｂ
₁₁モードでは、Ｂ₂₁モードを用いる場合と比較して、
（Ｒ−１）モードとＢ₁₁モードの振動が縮退するときの
弾性体の形状が、円環が細くて厚くなる。そのため、駆
動対象物への組込寸法などの制約により外径に対して内
径を大きくしたい、つまり、中心の孔をできるだけ大き
くしたい場合に適している。

【００４７】また、各実施形態では１つの圧電素子に４
つの電極を設けた構成としたが、圧電素子２３を４つの
圧電素子に分割して、各素子にそれぞれ電極板２３ａ、
２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを設けてもよい。ただし、本実
施形態のように１つの圧電素子で構成すると、素子の接
着位置決めが容易となるので、接着精度が向上する。そ
のため、貼り付け位置のずれにより生じる励振むらが低
減されるうえ、移動方向のちがいによる左右差（＋ｘ、
−ｘ方向、＋ｙ、−ｙ方向の移動速度の差）も低減され
るという効果を奏する。

【００４８】また、アクチュエータが固定部５１上を自
走する場合を説明したが、駆動対象物を突起を設けた面
に圧接することでこの駆動対象物を駆動することも可能
である。また、圧電素子２３は、図２に示すように同一
方向（上方向）に分極（ポーリング）しているが、これ
に限定されるものではない。分極方向を変えて、極性を
反転させた信号を入力してもよい。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明の振動アクチュエ
ータによれば、ＸＹ方向への並進駆動とＺ軸回りの回転
駆動の双方を実現することができる。また、円環状の弾
性体を用いているので、円筒部分などへの組み込みが容
易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動アクチュエータの第１の実施
形態の全体の構成を示す模式図である。

【図２】第１の実施形態に係る振動アクチュエータの弾
性体と圧電素子を示す斜視図である。

【図３】第１の実施形態に係る振動アクチュエータの弾
性体の形状と周波数の関係を説明する図である。

【図４】第１の実施形態に係る振動アクチュエータの本
体部の構成を示す模式図である。

【図５】弾性体に生じる面外屈曲振動（Ｂ21モード）を
表す図である。

【図６】弾性体に生じる伸縮振動（（Ｒ−１）モード）
を表す図である。

【図７】駆動力取出部材を説明するための概略図であ
る。

【図８】第１の実施形態に係る振動アクチュエータの動
作を説明する図である。

【図９】弾性体に発生した１次の屈曲進行波の進行状態
を示す概略図である。

【図１０】回転駆動時の弾性体の振動の状態を示す概略
図である。

【図１１】第２の実施形態に係る振動アクチュエータの
圧電素子と電極板の配置関係を示す概略平面図である。

【図１２】弾性体に発生した２次の屈曲進行波の進行状
態を示す概略図である。

【図１３】第２の実施形態における、回転駆動時の弾性
体の振動の状態を示す概略図である。

【図１４】第３の実施形態に係る振動アクチュエータの
圧電素子と電極板の配置関係を示す概略平面図である。

【図１５】弾性体に発生した３次の屈曲進行波の進行状
態を示す概略図である。

【図１６】第３の実施形態における、回転駆動時の弾性
体の振動の状態を示す概略図である。

【主要部分の符号の説明】

１１弾性体２３圧電素子３１、３２、３３、３４駆動力取出部材４１発振器４２移相器４３、４４増幅器４５切替スイッチ４６極性反転回路５１固定部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】円環状の弾性体と、前記弾性体に接合され、該弾性体に伸縮振動と屈曲振動
とを発生させる電気機械変換素子と、前記電気機械素子に接合され、該電気機械変換素子に駆
動信号を入力する複数の電極とを有する振動アクチュエ
ータであって、前記複数の電極を、第１の方向への駆動時、第２の方向
への駆動時および回転駆動時とに応じてグループ化して
使用することを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】前記弾性体の外径と内径の比が、前記第
１の方向および第２方向への駆動時に発生させる屈曲振
動の共振周波数と、前記伸縮振動の共振周波数とがほぼ
一致するように設定されていることを特徴とする請求項
１記載の振動アクチュエータ。
【請求項３】前記第１の方向および第２の方向への駆
動時は、伸縮振動と屈曲振動の縮退により前記弾性体の
所定部分に楕円運動を発生させ、前記回転駆動時は、屈曲振動により前記弾性体に進行波
を発生させて前記所定部分に楕円運動を発生させること
を特徴とする請求項１記載の振動アクチュエータ。
【請求項４】前記弾性体の所定部分に駆動力取出部材
を備えることを特徴とする請求項３記載の振動アクチュ
エータ。
【請求項５】前記進行波が２次以上の屈曲振動である
ことを特徴とする請求項３記載の振動アクチュエータ。