JPH10146070A

JPH10146070A - 振動アクチュエータ及びそのチューニング法

Info

Publication number: JPH10146070A
Application number: JP8319585A
Authority: JP
Inventors: Isao Sugaya; 功菅谷; Takatoshi Ashizawa; 隆利芦沢; Mitsuhiro Okazaki; 光宏岡崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1996-11-29
Publication date: 1998-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】いわゆる縦−捩じり振動縮退型の振動アクチ
ュエータでは、加工公差により、縦振動，捩じり振動そ
れぞれの振動の周波数がずれてしまう。【解決手段】組み立て後の振動アクチュエータの周波
数のずれに応じて、縦振動，捩じり振動それぞれの固有
周波数の変化率に差がある振動子２２の第２大径部２２
ｄの外径Ｄを変化させることにより、振動子２２に発生
する縦振動，捩じり振動の共振周波数を所望の状態に調
整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも２種類
の振動を発生させる異形モード縮退型の振動子を備える
振動アクチュエータ及びそのチューニング法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３２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、
固定子（ステータ）１０１においては、２つの円柱型の
振動子１０２，１０３間に捩じり振動用圧電素子１０４
が配置されるとともに、振動子１０３の上側に縦振動用
圧電素子１０５が配置される。捩じり振動用圧電素子１
０４は周方向に分極される。一方、縦振動用圧電素子１
０５は厚み方向に分極される。さらに、移動子（ロー
タ）１０６は、縦振動用圧電素子１０５の上側に配置さ
れる。

【０００４】固定子１０１を構成する振動子１０２，１
０３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。移動子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が螺合する。これにより、移動子１
０６を固定子１０１に加圧力Ｆで加圧接触させる。

【０００５】捩じり振動用圧電素子１０４と縦振動用圧
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により位相制御することによ
り、駆動される。

【０００６】捩じり振動用圧電素子１０４は、移動子１
０６が回転するための機械的変位を与える。一方、縦振
動用圧電素子１０５は、固定子１０１と移動子１０６と
の間に働く摩擦力を捩じり振動用圧電素子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３３は、この振動アクチュエータの固定
子１０１を展開して示した斜視図である。円環状の捩じ
り振動用圧電素子１０４は周方向に分極しておく必要が
ある。そこで、図３３に示すように、圧電材料を６〜８
個程度の扇形の小片に一旦分割する。そして、各小片毎
に分極処理を行った後に再度環状に組み合わせていた。
なお、図中符号１０４ａは電極である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図３２及び図
３３を用いて説明した従来の振動アクチュエータでは、
捩じり振動用圧電素子１０４を円環状に組み合わせる際
に、形状精度を確保することが難しかった。

【０００９】一方、縦振動用圧電素子１０５，及び捩じ
り振動用圧電素子１０４それぞれの面積は、ともに、移
動子１０６の断面積と略等しいか、又は、移動子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圧電素子１０５，及び捩じり振
動用圧電素子１０４それぞれの中央部に孔を開ける必要
がある。そのため、縦振動用圧電素子１０５，及び捩じ
り振動用圧電素子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、さらに、構造及び
製造がともに簡単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３４は、この異形モード縮退型の振動ア
クチュエータの構造を示す縦断面図である。図３５は、
この振動アクチュエータに用いる振動子の構造を示す説
明図であり、図３５（Ａ）は上面図，図３５（Ｂ）は側
面図である。

【００１２】図３４において、中央部に大径部１ａを有
する丸棒状の固定軸１の外周面には、大径部１ａに螺合
する取付ボルト３ａ，３ｂによって、円筒状の弾性体で
ある振動子２が固定される。

【００１３】振動子２は、図３５（Ａ）又は図３５
（Ｂ）に示すように、二つの厚肉の半円管状弾性体２
ａ，２ｂを組み合わせて構成される。両者の接合面に
は、圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じり振動用圧電素子４と圧
電定数ｄ₃₁を用いる縦振動用圧電素子５とがそれぞれ２
枚ずつ合計４枚挟まれた状態で保持される。なお、半円
管状弾性体２ａ，２ｂは図３４の例と異なり、半円柱状
弾性体や角柱状弾性体等であってもよい。

【００１４】振動子２の上端面である駆動面Ｄには、図
３４に示すように、中央部に配置されたベアリング６に
より固定軸１に回動自在に設置された相対運動部材であ
る移動子７が接触する。

【００１５】移動子７は、厚肉円環状の移動子母材７ａ
と，移動子母材７ａの端面に装着されて振動子２の駆動
面Ｄに接触する円環状の摺動材７ｂとから構成される。
移動子７は、その内周部に嵌め合わされて装着されたベ
アリング６によって、固定軸１に対して位置決めされ
る。

【００１６】また、移動子７は、皿バネ，スプリングバ
ネ又は板バネ等の加圧部材８によりフランジ付の円環状
の加圧力伝達部材９を介して、振動子２の駆動面Ｄに加
圧接触される。

【００１７】このように、固定軸１は、振動子２を固定
するとともに移動子７を半径方向に回転自在に位置決め
することにより、振動アクチュエータとして駆動する際
の軸振れの発生を防止する。この固定軸１の先端にはね
じ部１ｂが形成される。このねじ部１ｂには、加圧部材
８の加圧力を調整するためのナット等の加圧力調整部材
１０がネジ止めされる。

【００１８】このように構成された振動アクチュエータ
において、捩じり振動用圧電素子４，縦振動用圧電素子
５それぞれに図示しない駆動電圧発生装置から駆動電圧
を印加すると、振動子２には超音波領域の振動数の捩じ
り振動及び縦振動が調和的に発生する。捩じり振動及び
縦振動それぞれの共振周波数が略一致すると、捩じり振
動及び縦振動が同時に生じ（以下、このような状態を
「縮退」という。）、駆動面Ｄに捩じり振動及び縦振動
の合成である楕円運動が発生する。この楕円運動が駆動
力となって、加圧接触する移動子７が固定軸１の軸回り
に回転駆動される。

【００１９】このような異形モード縮退型の振動アクチ
ュエータは、振動子２に生じる捩じり振動による回転変
位を、縦振動を用いてクラッチ的に移動子７に伝達する
ため、先のクラッチ作用としての縦振幅を大きく確保す
ることができる。また、移動子７を振動子２に加圧する
予圧力も高く設定することができるため、最大発生トル
クを大きくすることが可能となる等の特徴がある。

【００２０】しかし、前述したように、このような異形
モード縮退型の振動アクチュエータでは、その駆動原理
上、２つ以上の異形モードの振動をできるだけ同一周波
数近傍に設定しなくては、目標とする駆動効率が得られ
ないことが多い。そして、最悪の場合には駆動面に駆動
源である楕円運動を発生することができず、駆動できな
いこともある。

【００２１】そのため、これまでにも２種以上の振動を
同一周波数近傍に設定して駆動面Ｄに楕円運動を発生す
るため、様々なチューニング法（周波数の調整法）が検
討されている。

【００２２】例えば、図３４に示した超音波領域の振動
数の縦振動及び捩じり振動を用いた異形モード縮退型の
振動アクチュエータでは、振動子２に対する移動子７の
予圧力を調整する。これにより、予圧力との相関性が高
い縦振動の駆動周波数をコントロールして、捩じり振動
の駆動周波数に一致させるべくチューニングしていた。

【００２３】しかし、本発明者らが鋭意検討を重ねた結
果、移動子７の予圧力による共振周波数の調整は、ボル
ト，ナットや皿バネ等を用いて行うため、一般的には駆
動周波数の正確なチューニングが困難である。また、経
年変化に伴って予圧力が変化してしまう等のおそれがあ
ることがわかった。

【００２４】また、この異形モード縮退型の振動アクチ
ュエータでは、捩じり振動の周波数は、主として振動子
単体の要因によって決定される。これに対し、縦振動の
周波数は、振動子と移動子とを組合わせた全体の要因に
よって決定される。そのため、移動子に駆動力取り出し
のために接続される外部負荷が、縦振動の共振周波数の
安定性に対して好ましくない外乱的な要因として作用す
るおそれがあることもわかった。

【００２５】さらに、図３４に示すような振動子単体に
よって縦振動及び捩じり振動それぞれの共振周波数を一
致させることを目的として設計した異形モード縮退型の
振動アクチュエータであっても、実際に製作される振動
子は、加工精度等の影響を受けて縦振動及び捩じり振動
それぞれの共振周波数が所望の周波数から微妙にずれる
ことがある。

【００２６】そのため、縦振動の共振周波数が目標値よ
り高く（又は低く）なるものがあったり、捩じり振動の
共振周波数が目標値より高く（又は低く）なるもの等が
ある。したがって、組み立てられた振動アクチュエータ
には、高効率で安定した駆動が得られるものとそうでは
ないものとがあり、振動アクチュエータの性能に個体差
を生じてしまうおそれがあることもわかった。

【００２７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、第１
振動及び第２振動を発生する異形モード縮退型の振動子
を備える振動アクチュエータであって、振動子の一部に
は、加工を加えられることにより縮退時に発生する第１
振動及び第２振動それぞれの共振周波数又は反共振周波
数を所望の状態に調整するための周波数調整部が設けら
れることを特徴とする。

【００２８】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、振動子が、棒状型である
とともに少なくとも一つの小径部を備えることを特徴と
する。

【００２９】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、周波数調整
部が、第１振動及び第２振動それぞれの固有周波数の変
化率に差がある位置に存在することを特徴とする。

【００３０】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、第１振動が１次以上の縦振動であるとともに、
第２振動が１次以上の捩じり振動であることを特徴とす
る。

【００３１】請求項５の発明は、第１振動及び第２振動
を発生する異形モード縮退型の振動子を備える振動アク
チュエータのチューニング法であって、振動子を大径部
と小径部とで構成し、第１振動及び第２振動のいずれか
一方の振動の節が小径部に生じる形状とすることで、第
１振動及び第２振動それぞれの共振周波数又は反共振周
波数を接近又は一致させることを特徴とする。

【００３２】請求項６の発明は、第１振動及び第２振動
を発生する異形モード縮退型の振動子を備える振動アク
チュエータのチューニング法であって、組み立てられた
振動アクチュエータの振動子の一部に加工を加えること
により、振動子に生じる第１振動及び第２振動それぞれ
の共振周波数又は反共振周波数を所望の状態に調整する
ことを特徴とする。

【００３３】請求項７の発明は、請求項６に記載された
振動アクチュエータのチューニング法において、前記の
加工が、第１振動及び第２振動それぞれの固有周波数の
変化率に差がある位置に対して行われることを特徴とす
る。

【００３４】請求項８の発明は、請求項６に記載された
振動アクチュエータのチューニング法において、前記の
加工が、第１振動及び第２振動それぞれの弾性体表面に
おける振幅波形が一方の振動が腹となるとともに他方の
振動が節となる位置に対して行われることを特徴とす
る。

【００３５】請求項９の発明は、請求項６から請求項８
までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータの
チューニング法において、振動子が、少なくとも一つの
小径部を備えることを特徴とする。

【００３６】請求項１０の発明は、請求項５から請求項
９までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ
のチューニング法において、振動子が、第１大径部と，
第２大径部と，これらに隣接する小径部とを備えるとと
もに、前記の加工は、振動子の一部を削除する加工であ
ることを特徴とする。

【００３７】請求項１１の発明は、請求項１０に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、前
記の加工が、第１大径部，第２大径部及び小径部の少な
くとも一つの外径及び長さの双方又は一方を低減する加
工であることを特徴とする。

【００３８】請求項１２の発明は、請求項５から請求項
９までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ
のチューニング法において、振動子が、第１大径部と，
第２大径部と，これらに隣接する小径部とを備えるとと
もに、前記の加工が、振動子のうちの一部に周波数調整
部材を装着する加工であることを特徴とする。

【００３９】請求項１３の発明は、請求項１２に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、前
記の加工が、第１大径部，第２大径部及び小径部の少な
くとも一つの径方向に、周波数調整部材を装着する加工
であることを特徴とする。

【００４０】請求項１４の発明は、請求項５から請求項
８までのいずれか１項に記載された振動アクチュエータ
のチューニング法において、振動子が、第１大径部，第
２大径部，第３大径部及び第４大径部と，これらに隣接
する第１小径部，第２小径部及び第３小径部とを備える
ことを特徴とする。

【００４１】請求項１５の発明は、請求項１４に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、振
動子が、二つの弾性体とこれらに挟持される電気機械変
換素子とを備えるとともに、電気機械変換素子は、第１
振動の節に設けられる第１振動発生用電気機械変換素子
と，第２振動の節に設けられる第２振動発生用電気機械
変換素子とを有することを特徴とする。

【００４２】請求項１６の発明は、請求項１４又は請求
項１５に記載された振動アクチュエータのチューニング
法において、前記の加工が、振動子のうちの一部に周波
数調整部材を装着する加工であることを特徴とする。

【００４３】請求項１７の発明は、請求項１６に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、周
波数調整部材が、振動子に発生する第１振動及び第２振
動の双方又は一方の腹に装着されることを特徴とする。

【００４４】請求項１８の発明は、請求項１７に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、周
波数調整部材が、少なくとも２つ装着されることを特徴
とする。

【００４５】請求項１９の発明は、請求項１６から請求
項１８までのいずれか１項に記載された振動アクチュエ
ータのチューニング法において、周波数調整部材が、質
量及び形状の双方又は一方が異なる他の周波数調整部材
に交換されて装着されることを特徴とする。

【００４６】請求項２０の発明は、請求項１６から請求
項１８までのいずれか１項に記載された振動アクチュエ
ータのチューニング法において、周波数調整部材には、
質量及び形状の双方又は一方が変更される加工が行われ
ることを特徴とする。

【００４７】請求項２１の発明は、請求項２０に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、前
記の加工が、振動子から取り外された状態で行われるこ
とを特徴とする。

【００４８】請求項２２の発明は、請求項１４に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、振
動子が、第１大径部，第２大径部，第３大径部及び第４
大径部と，これらに隣接する第１小径部，第２小径部及
び第３小径部とを備えるとともに、前記の加工が、振動
子の一部を削除する加工であることを特徴とする。

【００４９】請求項２３の発明は、請求項２２に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、前
記の加工が、第１大径部，第２大径部，第３大径部，第
４大径部及び小径部の少なくとも一つの外径及び長さの
双方又は一方を低減する加工であることを特徴とする。

【００５０】請求項２４の発明は、請求項１２，請求項
１３，又は、請求項１６から請求項２１までのいずれか
１項に記載された振動アクチュエータのチューニング法
において、周波数調整部材が、振動子を構成する二つの
弾性体とこれらに挟持される電気機械変換素子とを締結
する機能を備えることを特徴とする。請求項２５の発明
は、請求項２４に記載された振動アクチュエータのチュ
ーニング法において、周波数調整部材が、ボルトである
ことを特徴とする。

【００５１】請求項２６の発明は、請求項２５に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、周
波数調整部材が、ボルトと振動子との間に挟まれるワッ
シャ、又はボルトに螺着されるナットであることを特徴
とする。

【００５２】請求項２７の発明は、請求項２６に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、ワ
ッシャ又はナットには、周波数調整のための削除用突設
部が設けられることを特徴とする。

【００５３】請求項２８の発明は、請求項２７に記載さ
れた振動アクチュエータのチューニング法において、削
除用突設部が、周波数調整の程度が異なる複数の部分を
備えることを特徴とする。

【００５４】請求項２９の発明は、請求項２７又は請求
項２８に記載された振動アクチュエータのチューニング
法において、削除用突設部が、端部が振動子に溝状に形
成された小径部を被うように、延設されており、この端
部を小径部側又は反対側に折り曲げることにより、周波
数調整が行われることを特徴とする。

【００５５】請求項３０の発明は、請求項５から請求項
２９までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タのチューニング法において、第１振動が１次以上の縦
振動であるとともに、第２振動が１次以上の捩じり振動
であることを特徴とする。

【００５６】請求項３１の発明は、請求項５から請求項
２９までのいずれか１項に記載された振動アクチュエー
タのチューニング法において、第１振動が振動子の軸方
向への縦振動であり、第２振動が振動子の軸方向への剪
断変形による捩じり振動であることを特徴とする。

【００５７】請求項１〜請求項３１の本発明における振
動アクチュエータは、振動子に振動を複数発生させ、こ
れらの振動の合成振動を駆動源とする振動アクチュエー
タであるが、振動子に発生する振動は、超音波領域だけ
でなく超音波領域以下の領域の振動も包含する。

【００５８】

【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、以降の各実施形態
は、振動アクチュエータとして超音波アクチュエータを
例にとって説明する。

【００５９】図１は、第１実施形態の異形モード縮退型
の超音波アクチュエータの構造を示す縦断面図である。
図２は、この超音波アクチュエータに用いる振動子の構
造を駆動回路とともに示す説明図であり、図２（Ａ）は
上面図，図２（Ｂ）は側面図である。

【００６０】図１において、中央部に大径部２１ａを有
する棒状の固定軸２１の外周面には、円筒状の振動子２
２が、大径部２１ａに螺合する取付ボルト２３ａ，２３
ｂにより取り付けられる。

【００６１】固定軸２１は、その略中央部に位置するネ
ジ止め部２１ｅにより第１固定軸２１ｂ及び第２固定軸
２１ｃの二つの部分に分割自在の構造となっている。こ
の分割面は振動子２２の端面である駆動面Ｄよりも振動
子２２側へ凹んだ位置に設定してある。そのため、超音
波アクチュエータの組み立ての際に必要となる駆動面Ｄ
の研磨作業が容易になる。

【００６２】振動子２２は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）
に示すように、二つの厚肉の半円管状弾性体２２ａ，２
２ｂを組み合わせて構成される。半円管状弾性体２２ａ
及び２２ｂの接合面には、圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じり
振動用圧電素子２５と、圧電定数ｄ₃₁を用いる縦振動用
圧電素子２４とがそれぞれ２枚ずつ合計４枚挟まれた状
態で保持される。

【００６３】すなわち、振動子２２は、弾性材料からな
る円柱体を回転軸を含む平面で縦に２つに分割した形状
を呈する。この分割面に縦振動用圧電素子２４，捩じり
振動用圧電素子２５を挟み込んだ状態で保持する。な
お、弾性体２２ａ，２２ｂは、この図２（Ａ）及び図２
（Ｂ）に示す円管状の実施形態と異なり、半円柱状であ
ってもよくまたは角柱型であってもよい。

【００６４】このように、振動子２２は、駆動信号によ
り励振される電気機械変換素子である縦振動用圧電素子
２４，捩じり振動用圧電素子２５と，これらの圧電素子
２４，２５が接合され前述した励振により、１次の縦振
動（超音波領域の振動数）と２次の捩じり振動（超音波
領域の振動数）とが生じることで端面である駆動面Ｄに
駆動力を発生する弾性体２２とから構成される。

【００６５】振動子２２は、図１及び図２（Ａ），図２
（Ｂ）に示すように、第１大径部２２ｃ及び第１大径部
２２ｃより長さが短い第２大径部２２ｄと、その間に配
置される小径部２２ｅとを備える。

【００６６】なお、半円管状弾性体２２ａ，２２ｂに挟
まれた状態で保持される縦振動用圧電素子２４，捩じり
振動用圧電素子２５は、振動子２２の長手方向におい
て、第１大径部２２ｃと小径部２２ｅの範囲に配置され
る。第２大径部２２ｄに相当する分割面には、圧電素子
２４，２５と同じ厚さの部材を挟み、第２大径部２２ｄ
の捩じり剛性を高めている。

【００６７】圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じり振動用圧電素
子２５は、弾性体の長手方向に対して剪断変位を発生す
る。捩じり振動用圧電素子２５は、図２（Ａ）におい
て、円周方向に対して剪断変形が手前方向とその反対方
向とが交互になるように配置される。

【００６８】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好適である。捩じり振動用圧電
素子２５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２２に捩じり変位が発生し、端面である駆
動面Ｄが捩じれる。

【００６９】圧電定数ｄ₃₁を用いる縦振動用圧電素子２
４は、振動子２２の長手方向に対して伸縮変位を発生す
る。４つの縦振動用圧電素子２４は、全てある電位が印
加された場合に同じ方向に向けて変位が生じるように、
配置される。

【００７０】圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じり振動用圧電素
子２５と，圧電定数ｄ₃₁を用いる縦振動用圧電素子２４
とを以上のように配置しておき、捩じり振動用圧電素子
２５に駆動信号として正弦波電圧を入力すると、振動子
２２には超音波領域の振動数の捩じり振動が発生する。
一方、縦振動用圧電素子２４に駆動信号として正弦波電
圧を入力すると、振動子２２には超音波領域の振動数の
伸縮運動が発生する。

【００７１】振動子２２には、図１に示すように、高さ
方向の略中心に圧電素子２４，２５の積層方向と平行に
貫通穴２２ｆ，２２ｇが形成される。貫通穴２２ｆ，２
２ｇにボルト２３ａ，２３ｂをそれぞれ貫通させること
により、縦振動用圧電素子２４，捩じり振動用圧電素子
２５を挟み込んで固定した状態で、振動子２２と固定軸
２１とが固定される。

【００７２】振動子２２の上端面である駆動面Ｄには、
図１に示すように、中央部に設置されたベアリング２６
により固定軸２１に回動自在に配置された、相対運動部
材である移動子２７が接触する。

【００７３】移動子２７は、図１に示すように、移動子
母材２７ａと，移動子母材２７ａの端面に例えば接着に
より装着されるとともに振動子２２の駆動面Ｄに接触す
る摺動材２７ｂとから構成される。移動子２７は、その
内周部に嵌合されたベアリング２６によって固定軸２１
に対して位置決めされる。

【００７４】移動子２７は、皿バネ，スプリングバネ又
は板バネ等の加圧部材２８によりフランジを有する加圧
力伝達部材２９を介して、振動子２２側に加圧される。
これにより、移動子２７は、振動子２２の駆動面Ｄに加
圧接触する。

【００７５】このように、固定軸２１は、振動子２２の
略真中の中空部を貫通する。これにより、振動子２２を
固定するとともに移動子２７を半径方向に回動自在に位
置決めする。そのため、超音波アクチュエータとして駆
動する際の軸振れの発生が防止される。また、この固定
軸２１の先端にはねじ部２１ｄが形成される。このねじ
部２１ｄに、加圧部材２８の加圧力を調整するためのナ
ット等の加圧力調整部材３０がネジ止めされる。

【００７６】図２において、駆動回路は、駆動信号を発
振する発振部３１と，発振された駆動信号を（１／４）
λ位相差を有する駆動信号に分ける移相部３２と，捩じ
り振動用圧電素子２５に入力する駆動信号を増幅するＴ
増幅部３３と，縦振動用圧電素子２４に入力する駆動信
号を増幅するＬ増幅部３４とから構成される。

【００７７】以上のような駆動回路によると、発振部３
１は駆動信号を発振し、その駆動信号は移相部３２によ
り２つの（１／４）λ位相差を有する信号に分割され、
それぞれＴ増幅部３３及びＬ増幅部３４により増幅され
る。Ｔ増幅部３３により増幅された駆動信号は捩じり振
動用圧電素子２５に入力され、一方、Ｌ増幅部３４によ
り増幅された駆動信号は縦振動用圧電素子２４に入力さ
れる。駆動信号が入力された振動子２２の駆動面Ｄに
は、縦振動用圧電素子２４，捩じり振動用圧電素子２５
の励振により、超音波領域の振動数の縦振動及び捩じり
振動の合成振動である楕円運動が発生する。

【００７８】図３は、本実施形態で用いる超音波アクチ
ュエータの電気機械変換素子である圧電素子の励振によ
り、振動子に１次の縦振動及び２次の捩じり振動が生じ
ることを示す説明図であって、図３（Ａ）は縦断面図，
図３（Ｂ）は振動子表面に発生する二つの振動の波形例
を示す説明図である。

【００７９】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、
振動子２２には、振動の腹及び節をそれぞれ有する１次
の縦振動（Ｌ１モード）と２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）とが同時に発生する。ここで、捩じり振動用圧電素
子２５及び縦振動用圧電素子２４それぞれに印加する駆
動信号の位相差を（１／４）λだけ（λ：波長）ずらし
て設定すると、１次の縦振動（Ｌ１モード）と２次の捩
じり振動（Ｔ２モード）との合成振動である楕円運動が
駆動面Ｄに発生する。

【００８０】したがって、図３（Ｂ）に示すように、捩
じり振動（Ｔ２モード）は、小径部２２ｅと第１大径部
２２ｃの長さ方向についての略真中部分とのそれぞれに
振動の節が発生する２次モードとなる。一方、縦振動
（Ｌ１モード）は、小径部２２ｅの形状に起因した影響
を受け難いため、第１大径部２２ｃ，第２大径部２２ｄ
及び小径部２２ｅを含んだ全長についての略真中部分に
振動の節が発生する１次モードとなる。

【００８１】図４は、振動子２２の駆動面Ｄに生じる楕
円運動の変化を１周期について示す説明図である。な
お、図４においては、移動子は図示していない。図４に
示すように、捩じり振動（Ｔ２モード）の周期と縦振動
（Ｌ１モード）の周期との位相差を（１／４）λだけ
（λ：波長）ずらして設定すると、振動子２２の駆動面
Ｄ上の定点には楕円運動が発生する。

【００８２】図４において、駆動周波数をｆとしたとき
の角周波数をω（＝２πｆ）とすると、ｔ＝（６／４）
・（π／ω）の時点では、捩じり振動Ｔの変位は図面上
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、移動子は、図示しない加圧部材によって
振動子２２の駆動面Ｄに加圧接触された状態にある。

【００８３】この状態から、ｔ＝（７／４）・（π／
ω）〜０〜（２／４）・（π／ω）までは、捩じり振動
Ｔは、図面上左側へ向けた最大から図面上右側へ向けた
最大まで順次変位する。一方、縦振動Ｌは、零から上側
の最大に変位し再び零に戻るように順次変位する。した
がって、振動子２２の駆動面Ｄの定点は、移動子を押し
ながら図面上右方向へ向けて回転し、この回転によって
振動子２２の駆動面Ｄに加圧接触する移動子は駆動され
る。

【００８４】次に、ｔ＝（２／４）・（π／ω）〜（６
／４）・（π／ω）までは、捩じり振動Ｔは、図面上右
側へ向けて最大から図面上左側へ向けて最大まで順次変
位する。一方、縦振動Ｌは、零から図面上下側へ向けた
最大に変位し再び零に戻るように順次変位する。したが
って、振動子２２の駆動面Ｄの定点は、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。
このときに、移動子は、加圧部材により加圧されている
が、固有振動数が異なるため、振動子２２の縮みには追
従せず、振動子２２の駆動面Ｄから離れた状態にある。

【００８５】ここで、捩じり振動Ｔの振動数Ｔ₁を捩じ
り振動Ｔの共振周波数ω_0Tに略一致させるとともに、縦
振動Ｌの振動数Ｌ₁を縦振動Ｌの共振周波数ω_0Lに略一
致させると、共振して駆動面Ｄにおける楕円運動が拡大
する。

【００８６】本実施形態で用いる超音波アクチュエータ
では、振動子２２だけの寸法を変更することにより、捩
じり振動Ｔの共振周波数ω_0Tと縦振動Ｌの共振周波数ω
_0Lとをともに決定することができる。そのため、移動子
２７の形状の設定に関する自由度が増加する。

【００８７】移動子２７の形状をある程度自由に設定す
るには、振動子２２から移動子２７への振動伝達損失を
できるだけ抑制することが有効である。そのためには、
例えば、振動減衰が大きなフッ素樹脂等からなる摺動材
２７ｂを用いたり、又は、移動子母材２７ａに振動減衰
性が大きなアルミニウム合金等の材料を用いて移動子２
７自体の振動減衰を大きく確保すればよい。

【００８８】本実施形態で用いる超音波アクチュエータ
は、以上のように構成される。次に、図５を参照しなが
ら、本発明にかかる超音波アクチュエータのチューニン
グ法の第１実施形態を説明する。

【００８９】本実施形態では、異形モード縮退型の超音
波アクチュエータにおいて、振動子２２における第２大
径部２２ｄの直径Ｄを変更する加工を加えることによ
り、縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数と捩じり振動
（Ｔ２モード）の共振周波数とを接近又は一致させるチ
ューニング法を示す。すなわち、本実施形態における周
波数調整部は第２大径部２２ｄである。

【００９０】まず、図５は、振動子２２における第２大
径部２２ｄの直径Ｄを変化させた場合に、振動子２２に
発生する縦振動（Ｌ１モード）及び捩じり振動（Ｔ２モ
ード）それぞれの共振周波数がどのように変動するのか
を、有限要素法を用いて解析した結果を示すグラフであ
る。なお、グラフ上に図示された振動子２２は図１とは
上下を逆にして示してある。

【００９１】図５のグラフの縦軸には振動子２２に発生
するＬ１モード及びＴ２モードそれぞれの共振周波数ｆ
(kHz) を、横軸には第２大径部２２ｄの直径Ｄ(mm)を、
それぞれプロットしてある。

【００９２】ここで、例えば、組み立て後の超音波アク
チュエータの共振周波数を測定した結果、図５のグラフ
の例えば第２大径部２２ｄの直径Ｄ＝１４(mm)付近に示
すように、加工公差等の影響により、Ｌ１モードの共振
周波数ｆ_L1(kHz) ＜Ｔ２モードの共振周波数ｆ_T2(kHz)
となっていたとする。

【００９３】この場合、図５のグラフから明かなよう
に、Ｌ１モードの共振周波数ｆ_L1(kHz) の変動に対して
寄与率が高いとともにＴ２モードの共振周波数ｆ_T2(kH
z) の変動に対しては寄与率が低い第２大径部２２ｄ
に、例えば、切削，研削，研摩，溶解，蒸発等により直
径を低減させる加工を施せばよい。すなわち、第２大径
部２２ｄの直径Ｄを１４ｍｍ付近から１２ｍｍ付近へと
低減することにより、Ｌ１モードの共振周波数ｆ_L1(kH
z) をＴ２モードの共振周波数ｆ_T2(kHz) に接近又は一
致させること、すなわち超音波アクチュエータのチュー
ニングを行うことができる。

【００９４】つまり、振動子２２における第２大径部２
２ｄの直径Ｄを１４(mm)程度から１２(mm)程度へ低減す
ると、捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数は６９(k
Hz)程度で殆ど変化しないが、縦振動Ｌ１モードの共振
周波数は５９(kHz) 程度から６９(kHz) 程度へ大幅に上
昇する。

【００９５】このようにして、第２大径部２２ｄに対し
て直径Ｄを低減する加工を行うことにより、捩じり振動
の共振周波数ｆ_T2(kHz) と縦振動の共振周波数ｆ_L1(kH
z) とをともに６９(kHz) 程度で、接近又は一致させる
ことができる。

【００９６】なお、切削，研削，研摩，溶解，蒸発等の
直径を低減する加工は、振動子２２の材質等を勘案して
適宜選択して行えばよく、特定の手段には限定されな
い。逆に、組み立て後の超音波アクチュエータの共振周
波数を測定した結果、図５のグラフの例えば第２大径部
２２ｄの直径Ｄ＝１０(mm)付近に示すように、加工公差
等の影響により、Ｌ１モードの共振周波数ｆ_L1(kHz) ＞
Ｔ２モードの共振周波数ｆ_T2(kHz) となっていたとす
る。

【００９７】この場合には、第２大径部２２ｄに対し
て、接着，溶接，ねじ込み又は嵌合等により直径を増加
させる加工を施すことにより、Ｌ１モードの共振周波数
ｆ_L1(kHz) をＴ２モードの共振周波数ｆ_T2(kHz) に接近
させることが可能となる。

【００９８】なお、直径を増加させる加工とは、例えば
円環状部材である周波数調整部材を、第２大径部２２ｄ
の外面に、前述した接着，溶接，ねじ込み又は嵌合等の
適宜手段により取り付ける加工を意味する。

【００９９】このような直径を増加させる加工を行っ
て、振動子２２の第２大径部２２ｄの直径Ｄを１０(mm)
程度から１２(mm)程度へ増加させることにより、捩じり
振動Ｔ２モードの共振周波数は６９(kHz) 程度で殆ど変
化しないが、縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数は７９
(kHz) 程度から６９(kHz) 程度へ大幅に減少する。

【０１００】このようにして、第２大径部２２ｄに対し
て直径を増加させる加工を行うことにより、捩じり振動
の共振周波数ｆ_T2(kHz) と縦振動の共振周波数ｆ_L1(kH
z) とをともに６９(kHz) 程度で、接近又は一致させる
ことができる。

【０１０１】（第２実施形態）次に、図６を参照しなが
ら、本発明にかかる振動アクチュエータのチューニング
法の第２実施形態を説明する。なお、以降の説明を簡略
化するため、先に説明した実施形態と相違する部分のみ
説明し、重複する部分の説明は省略する。

【０１０２】本実施形態は、小径部２２ｅに対して直径
を変更する加工を行うことにより、異形モード縮退型の
超音波アクチュエータの振動子２２における、Ｌ１モー
ド（縦振動）の共振周波数とＴ２モード（捩じり振動）
の共振周波数とを接近させるチューニング法を示す。

【０１０３】まず、図６は、振動子２２における小径部
２２ｅの直径ｄを変化させることにより振動子２２に発
生するＬ１モード（縦振動）及びＴ２モード（捩じり振
動）それぞれの共振周波数がどのように変化するかを、
有限要素法を用いて解析した結果を示すグラフである。

【０１０４】なお、図６のグラフの縦軸には振動子２２
の共振周波数ｆ(kHz) を、横軸には小径部２２ｅの直径
ｄ(mm)をそれぞれプロットしてある。ここで、例えば、
組み立て後の超音波アクチュエータの共振周波数ｆ(kH
z) を測定した結果、図６のグラフの例えば直径ｄ＝７
(mm)付近に示すように、加工公差等の影響により、Ｌ１
モードの共振周波数ｆ_L1(kHz) ＞Ｔ２モードの共振周波
数ｆ_T2(kHz) となっていたとする。

【０１０５】この場合、図６のグラフから明かなよう
に、Ｌ１モードの共振周波数ｆ_L1(kHz) の変動に対して
寄与率が高いとともにＴ２モードの共振周波数ｆ_T2(kH
z) の変動に対しては寄与率が低い小径部２２ｅに対し
て、第１実施形態と同様に、適宜手段により直径ｄを低
減する加工を施して、直径ｄ＝６．２５(mm)程度に低減
する。すると、Ｌ１モードの共振周波数ｆ_L1(kHz) をＴ
２モードの共振周波数ｆ_T2(kHz) に接近又は一致させる
ことが可能となる。

【０１０６】つまり、小径部２２ｅの直径ｄを７(mm)程
度から６．２５(mm)程度に小さくすると、捩じり振動
（Ｔ２モード）の共振周波数は７２(kHz) 程度から６９
(kHz)程度へとあまり低下しないが、縦振動（Ｌ１モー
ド）の共振周波数は７６(kHz)程度から６９(kHz) 程度
へと大幅に低下する。

【０１０７】そのため、振動子２２の小径部２２ｅに対
して直径を低減する加工を施すことにより、捩じり振動
（Ｔ２モード）の共振周波数ｆ_T2(kHz) と縦振動（Ｌ１
モード）の共振周波数ｆ_L1(kHz) とを６９(kHz) 程度で
接近又は一致させることが可能となる。

【０１０８】逆に、組み立て後の超音波アクチュエータ
の共振周波数を測定した結果、図６の例えば小径部２２
ｅの直径ｄ＝５(mm)付近に示すように、加工公差等の影
響により、Ｌ１モードの共振周波数ｆ_L1(kHz) ＜Ｔ２モ
ードの共振周波数ｆ_T2(kHz)となっていたとする。

【０１０９】この場合には、小径部２２ｅに対して、第
１実施形態と全く同様に、適宜手段により直径ｄを増加
させる加工を施して、直径ｄを５(mm)程度から６．２５
(mm)程度に増加することにより、捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の共振周波数は６７(kHz) 程度から６９(kHz) 程度
へとあまり上昇しないが、縦振動（Ｌ１モード）の共振
周波数は５８(kHz) 程度から６９(kHz) 程度へと大幅に
上昇する。そのため、Ｌ１モードの共振周波数ｆ_L1(kH
z) をＴ２モードの共振周波数ｆ_T2(kHz) に６９(kHz)
程度で接近又は一致させることができる。

【０１１０】（第３実施形態）次に、図７を参照しなが
ら、本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態は、
縦振動及び捩じり振動を生じる異形モード縮退型の超音
波アクチュエータの振動子２２において、第１大径部２
２ｃの略中央部近傍において直径方向に対して何らかの
加工を加えることにより、Ｌ１モードの共振周波数ｆ_L1
(kHz) をＴ２モードの共振周波数ｆ_T2(kHz) に接近又は
一致させるチューニング法を示す。

【０１１１】まず、図７は、第１大径部２２ｃの中央部
付近の直径Ｗ(mm)を変化させることにより振動子２２に
発生する縦振動（Ｌ１モード）及び捩じり振動（Ｔ２モ
ード）それぞれの共振周波数がどのように変化するのか
を、有限要素法を用いて解析した結果を示すグラフであ
る。

【０１１２】なお、図７に示すグラフの縦軸には、振動
子２２に発生する縦振動及び捩じり振動それぞれの共振
周波数ｆ(kHz) を、横軸には第１大径部２２ｃの略中央
部の直径Ｗ(mm)をそれぞれプロットしてある。

【０１１３】ここで、例えば、組み立て後の超音波アク
チュエータの共振周波数を測定した結果、図７のグラフ
の第１大径部２２ｃの略中央部の直径Ｗ(mm)が例えば約
１２(mm)付近に示すように、加工公差等の影響により、
縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数ｆ_L1(kHz) ＜捩じり
振動（Ｔ２モード）の共振周波数ｆ_T2(kHz) となってい
たとする。

【０１１４】この場合、図７に示すグラフから明かなよ
うに、捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数ｆ_T2(kH
z) に対して寄与率が高いとともに縦振動（Ｌ１モー
ド）の共振周波数ｆ_L1(kHz) に対しては寄与率が低い第
１大径部２２ｃに対して、第１実施形態及び第２実施形
態と同様に、直径Ｗを１２(mm)程度から１１．９(mm)程
度へ低減する加工を施す。すると、縦振動（Ｌ１モー
ド）の共振周波数ｆ_L1(kHz)に比較して捩じり振動（Ｔ
２モード）の共振周波数ｆ_T2(kHz) を大幅に低下させる
ことが可能となる。そのため、縦振動（Ｌ１モード）の
共振周波数ｆ_L1(kHz)と捩じり振動（Ｔ２モード）の共
振周波数ｆ_T2(kHz) とを６８．２(kHz) 程度と同一周波
数近傍に設定することができる。

【０１１５】また、逆に、組み立て後の超音波アクチュ
エータの共振周波数を測定した結果、図７に示すグラフ
の第１大径部２２ｃの略中央部の直径Ｗ(mm)が例えば約
１０(mm)付近に示すように、加工公差等の影響により、
縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数ｆ_L1(kHz) ＞捩じり
振動（Ｔ２モード）の共振周波数ｆ_T2(kHz) となってい
たとする。この場合も第１大径部２２ｃに対して、第１
実施形態及び第２実施形態と同様に、直径Ｗを増加させ
る加工を施すことにより、縦振動（Ｌ１モード）の共振
周波数ｆ_L1(kHz) に比較して捩じり振動（Ｔ２モード）
の共振周波数ｆ_T2(kHz) を大幅に上昇させることが可能
となる。すなわち、直径Ｗ(mm)を１１．９(mm)程度とす
ることにより、縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数ｆ_L1
(kHz) と捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数ｆ_T2(k
Hz) とを６８．２(kHz) 程度で同一周波数近傍に設定す
ることができる。

【０１１６】（第４実施形態）図８は、第４実施形態の
超音波アクチュエータを示す断面図である。この超音波
アクチュエータが第１実施形態〜第３実施形態の超音波
アクチュエータと相違するのは、振動子２２に小径部２
２ｅが存在しない点である。

【０１１７】したがって、振動子２２には、節及び腹の
数がともに一つである縦振動（Ｌ１モード），捩じり振
動（Ｔ１モード）が発生する。このような超音波アクチ
ュエータに対しても、第１実施形態と同様に、振動子２
２の外面に直径を低減する加工又は直径を増加させる加
工を行うことにより、Ｌ１モード，Ｔ１モードそれぞれ
の共振周波数を、一致又は接近させるチューニングを行
うことができる。

【０１１８】（第５実施形態）本実施形態では、図１に
示す第１実施形態で用いた超音波アクチュエータと同一
の超音波アクチュエータを用いる。また、第１大径部２
２ｃの直径Ｗ及び第２大径部２２ｄの直径Ｄは、設計目
標値に設定してある。

【０１１９】次に、本実施形態で用いる振動子２２の製
造手順を説明する。まず、第１大径部２２ｃ，小径部２
２ｅ及び第２大径部２２ｄを備える振動子２２におい
て、第２大径部２２ｄの長さを設計目標値よりも少し長
く、加工する。なお、設計目標値とは、１次の縦振動の
共振周波数と２次の捩じり振動の共振周波数とが略一致
する（縮退）長さの計算値である。本実施形態では、第
２大径部２２ｄの長さを約７(mm)とした。

【０１２０】次に、半円管状弾性体２２ａ，２２ｂと縦
振動用圧電素子２４，捩じり振動用圧電素子２５とを接
着剤等を用いて接合する。この時に、１次の縦振動（Ｌ
１モード）の共振周波数と２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の共振周波数とを比較すると、図１３のグラフに示
すように、２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波
数が１次の縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数よりも高
くなる。この理由を図９のグラフを参照しながら説明す
る。

【０１２１】図９のグラフは、本実施形態において製造
した振動子２２の第２大径部２２ｄの長さＬ₂と，１次
の縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数，２次の捩じり振
動（Ｔ２モード）の共振周波数との関係を示すグラフで
ある。

【０１２２】この図９のグラフにより示す二つの振動を
有する振動子２２の寸法，材質及び圧電素子の圧電定数
を、以下に列記する。

【０１２３】（振動子２２のスペック）第１大径部２２ｃの長さＬ₁：２０(mm) 小径部２２ｅの長さＬ₃：１(mm) 大径部２２ｃ，２２ｄの直径と小径部２２ｅの直径との
比：２４／１５材質：ステンレス鋼

【０１２４】（圧電素子２４，２５のスペック）長さ：２０(mm) 厚さ：０．５(mm)

【０１２５】図９に示すグラフによれば、２次の捩じり
振動（Ｔ２モード）の共振周波数は、第２大径部２２ｄ
の長さＬ₂が長くなっても７０(kHz) 程度で余り低下し
ない。これに対し、第２大径部２２ｄの長さＬ₂が長く
なると１次の縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数の低下
率は大きい。

【０１２６】したがって、第２大径部２２ｄの長さＬ₂
を、２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数と１
次の縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数とが縮退する長
さよりも長めに設定すると、図９のグラフ中の例えば７
(mm)付近に示すように、２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の共振周波数のほうが１次の縦振動（Ｌ１モード）
の共振周波数よりも高くなる。

【０１２７】このような寸法で振動子２２を組み立てた
後に、振動子２２の駆動面Ｄと対向する位置の端面を例
えば研削することにより第２大径部２２ｄの長さＬ₂を
短くしていくと、２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の共
振周波数と１次の縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数と
はともに接近していく。そして、第２大径部２２ｄの長
さＬ₂が約４．６(mm)程度になると、２次の捩じり振動
（Ｔ２モード）の共振周波数と１次の縦振動（Ｌ１モー
ド）の共振周波数とはともに７０(kHz) 程度となって、
略一致する。

【０１２８】振動子２２における第２大径部２２ｄの長
さＬ₂の変更は、第１大径部２２ｃ側でない底面、つま
り、駆動面Ｄと反対側に位置する端面を、第１実施形態
〜第４実施形態と同様の手段によって加工していくこと
が簡単かつ確実であって、好適である。

【０１２９】このようにして、チューニングを行った振
動子２２の動作を説明する。駆動信号は、（１／４）λ
（λ：波長）位相差を有する２相であり、それぞれ縦振
動用圧電素子２４と捩じり振動用圧電素子２５とに入力
される。これにより、縦振動用圧電素子２４，捩じり振
動用圧電素子２５は励振され、振動子２２に１次の縦振
動（Ｌ１モード）及び２次の捩じり振動（Ｔ２モード）
とが発生し、これらの振動の合成である楕円運動が駆動
面Ｄに発生する。この駆動面Ｄに加圧された移動子２７
は、摩擦力により駆動力を発生して、駆動される。

【０１３０】図１０は、本実施形態による周波数調整後
の２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数と１次
の縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数との関係を示すグ
ラフである。同図に示すように、振動振幅が最大となる
各振動モードの共振周波数が略一致するため、安定した
駆動特性を得ることができる。したがって、組み立てら
れた超音波アクチュエータの駆動特性の固体差を低減す
ることができる。

【０１３１】（第６実施形態）次に、第６実施形態のチ
ューニング法を説明する。なお、本実施形態において使
用する超音波アクチュエータの構成は、第５実施形態と
同一であるため、その説明は省略する。本実施形態にお
いても、第１大径部２２ｃ，小径部２２ｅ及び第２大径
部２２ｄを備える弾性体を設計する際に、第１大径部２
２ｃの長さを所定値よりも長めに設計し、この設計目標
値に基づいて加工する。この設計目標値とは、１次の縦
振動（Ｌ１モード）の共振周波数と２次の捩じり振動
（Ｔ２モード）の共振周波数とが略一致する（縮退）長
さの計算値である。

【０１３２】次に、弾性体と圧電素子とを接着剤等を用
いて接合する。この時の１次の縦振動（Ｌ１モード）の
共振周波数と２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周
波数との関係を図１５にグラフで示す。

【０１３３】図１５に示すグラフから明らかなように、
１次の縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数のほうが２次
の捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数よりも高くな
る。この理由について、図１１に示すグラフを用いて説
明する。図１１に示すグラフは、実際に製造した振動子
２２の第１大径部２２ｃの長さＬ₁と１次の縦振動（Ｌ
１モード）の共振周波数，２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の共振周波数との関係を示すグラフである。

【０１３４】図１１に示すグラフにおいて、振動子２２
の寸法，材質及び圧電素子２４，２５の圧電定数は、以
下に列記する通りである。

【０１３５】（振動子２２のスペック）第２大径部２２ｄの長さＬ₂：４．５(mm) 小径部２２ｅの長さＬ₃：１(mm) 大径部径と小径部径との比：２４／１５材質：ステンレス鋼

【０１３６】（圧電素子，１枚）長さ：２０(mm) 厚さ：０．５(mm)

【０１３７】図１１に示すグラフによれば、１次の縦振
動（Ｌ１モード）の共振周波数は、第１大径部２２ｃの
長さＬ₁が長くなっても７０(KHz) 程度と大きく低下し
ない。これに対し、２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の
共振周波数ｆ_T2は、第１大径部２２ｃの長さＬ₁が長く
なった時に低下率が大きい。したがって、第１大径部２
２ｃの長さＬ₁を、１次の縦振動（Ｌ１モード）の共振
周波数ｆ_L1と２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周
波数ｆ_T2とが縮退する長さよりも長め（例えば第１大径
部２２ｃの長さＬ₂＝２２(mm)程度）に設計して製作す
ると、図１１のグラフに示すように、１次の縦振動（Ｌ
１モード）の共振周波数ｆ_L1のほうが２次の捩じり振動
（Ｔ２モード）の共振周波数ｆ_T2よりも高くなる。

【０１３８】そして、振動子２２の第１大径部２２ｃの
長さＬ₁を短くして約２０ｍｍに近づけていくと、１次
の縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数ｆ_L1はあまり増加
しない。これに対し、２次の捩じり振動（Ｔ２モード）
の共振周波数ｆ_T2は急激に増加する。そのため、１次の
縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数ｆ_L1と，２次の捩じ
り振動（Ｔ２モード）の共振周波数ｆ_T2とを接近又は一
致させることができる。

【０１３９】ここで、振動子２２の第１大径部２２ｃ
は、振動子２２の駆動面Ｄを、第１実施形態〜第４実施
形態と同様の手段で加工していく方法が簡単かつ確実で
あって、好適である。

【０１４０】図１０は、本実施形態による周波数調整後
の２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数と１次
の縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数との関係を示すグ
ラフである。同図のグラフに示すように、第５実施形態
と同様、振動振幅が最大となる各振動の共振周波数が略
一致するため、安定した駆動特性を得ることができる。
したがって、組み立てられた超音波アクチュエータの駆
動特性の固体差を低減することができる。

【０１４１】（第７実施形態）次に、第７実施形態のチ
ューニング法を説明する。なお、本実施形態において使
用する超音波アクチュエータの構成は、第６実施形態の
ものと同一であるため、その説明は省略する。

【０１４２】本実施形態は、振動子２２に発生する２次
の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波数ｆ_T2と，１
次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波数ｆ_L1とを一致
させるようにチューニングを行うものである。これによ
り、駆動時に、圧電素子２４，２５に入力する電流を小
さくすることができ、超音波アクチュエータの駆動効率
が向上する。

【０１４３】まず、第１大径部２２ｃ，小径部２２ｅ及
び第２大径部２２ｄを有する振動子２２において、第２
大径部２２ｄの長さＬ₂を設計目標値よりも長めに設計
して加工する。この設計目標値とは、１次の縦振動（Ｌ
１モード）の反共振周波数ｆ_L1と２次の捩じり振動（Ｔ
２モード）の反共振周波数ｆ_T2とが略一致する長さであ
る。

【０１４４】次に、弾性体と圧電素子とを接着剤等を用
いて接合する。この時の１次の縦振動（Ｌ１モード）の
反共振周波数ｆ_L1と２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の
反共振周波数ｆ_T2とを比較すると、図３６のグラフに示
すように、２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周
波数ｆ_T2のほうが１次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振
周波数ｆ_L1よりも高くなる。

【０１４５】この理由について、図１４に示すグラフを
用いて説明する。図１４に示すグラフは、本実施形態に
おいて製造した振動子２２の第２大径部２２ｄの長さＬ
₂と，１次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波数
ｆ_L1，２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波数
ｆ_T2との関係を示すグラフである。

【０１４６】この図１４のグラフに示す振動子２２の寸
法，材質及び圧電素子の圧電定数を以下に列記する。

【０１４７】（振動子２２のスペック）第１大径部２２ｃの長さＬ₁：２０(mm) 小径部２２ｅの長さＬ₃：１(mm) 大径部径と小径部径との比：２４／１５材質：ステンレス鋼

【０１４８】（圧電素子，１枚）長さ：２０(mm) 厚さ：０．５(mm)

【０１４９】図１４に示すグラフによれば、２次の捩じ
り振動（Ｔ２モード）の反共振周波数ｆ_T2は、第２大径
部２２ｄの長さＬ₂が短くなっても約７２(kHz) 程度で
大きく増加しない。これに対し、１次の縦振動（Ｌ１モ
ード）の反共振周波数ｆ_L1は、第２大径部２２ｄの長さ
Ｌ₂が短くなった場合に増加率が大きい。

【０１５０】したがって、第２大径部２２ｄの長さＬ₂
を２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波数ｆ_T2
と１次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波数ｆ_L1とが
縮退する長さ（約４．５mm）よりも長めに設計して製作
すると、２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波
数ｆ_T2のほうが１次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周
波数ｆ_L1よりも高くなる。

【０１５１】次に、振動子２２の第２大径部２２ｄの長
さＬ₂を短くしていくと、２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の反共振周波数ｆ_T2は約７２(kHz) 程度で大きく増
加しない。これに対し、１次の縦振動（Ｌ１モード）の
反共振周波数ｆ_L1は大きく増加する。

【０１５２】したがって、第２大径部２２ｄの長さＬ₂
を短くすることにより、２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の反共振周波数ｆ_T2と１次の縦振動（Ｌ１モード）
の反共振周波数ｆ_L1とを接近ないしは一致させることが
できる。

【０１５３】振動子２２の第２大径部２２ｄは、第５実
施形態と同様に、第１大径部２２ｃ側と反対側の底面、
つまり駆動面Ｄと対向する位置の端面を、第５実施形態
と同様の手段によって加工することが、最も簡単かつ確
実であって、好適である。

【０１５４】図１２は、本実施形態による周波数調整後
の２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波数と１
次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波数との関係を示
すグラフである。同図に示すように、インピーダンスが
略最大で入力電流が略最小となる反共振周波数が略一致
するため、入力電流が最も小さくなる駆動周波数におい
て超音波アクチュエータを駆動することができる。その
ため、一方の振動のみが反共振周波数となる場合に比較
すると、駆動効率が向上する。

【０１５５】（第８実施形態）次に、第８実施形態のチ
ューニング法を説明する。本実施形態に用いる超音波ア
クチュエータの構成は、第７実施形態と同一であるた
め、その説明は省略する。

【０１５６】まず、第１大径部２２ｃ，小径部２２ｅ及
び第２大径部２２ｄからなる弾性体において、第１大径
部２２ｃの長さＬ₁を設計目標値よりも長めに設計して
加工する。ここで、設計目標値とは、１次の縦振動（Ｌ
１モード）の反共振周波数ｆ_L1と２次の捩じり振動（Ｔ
２モード）の反共振周波数ｆ_T2とが略一致する長さであ
る。

【０１５７】次に、弾性体と圧電素子とを接着剤等を用
いて接合する。この時の１次の縦振動（Ｌ１モード）の
反共振周波数ｆ_L1と，２次の捩じり振動（Ｔ２モード）
の反共振周波数ｆ_T2とを比較すると、図３７のグラフに
示すように、１次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波
数のほうが２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周
波数よりも高くなっている。

【０１５８】この理由について、図１６に示すグラフを
用いて説明する。図１６に示すグラフは、本実施形態に
おいて製造した振動子２２の第１大径部２２ｃの長さＬ
₁と１次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波数ｆ_L1，
２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波数ｆ_T2と
の関係を示すグラフである。

【０１５９】図１６のグラフに示す縦振動（Ｌ１モー
ド）及び捩じり振動（Ｔ２モード）を発生する振動子２
２の寸法，材質及び圧電素子の圧電定数を、以下に列記
する。

【０１６０】（振動子２２のスペック）第２大径部２２ｄの長さ：４．４(mm) 小径部２２ｅの長さ：１(mm) 大径部径と小径部径との比：２４／１５材質：ステンレス鋼

【０１６１】（圧電素子のスペック，１枚）長さ：２０(mm) 厚さ：０．５(mm)

【０１６２】図１６のグラフによれば、１次の縦振動
（Ｌ１モード）の反共振周波数ｆ_L1は、第１大径部２２
ｃの長さＬ₁が長くなってもあまり低下しない。これに
対し、２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波数
ｆ_T2は、第１大径部２２ｃの長さＬ₁が長くなった時に
低下率が大きい。

【０１６３】したがって、第１大径部２２ｃの長さＬ₁
を、１次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波数ｆ
_L1と，２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波数
ｆ_T2とが縮退する長さ（第２大径部長さ：約２０(mm)）
よりも長めに設計して製作すると、１次の縦振動（Ｌ１
モード）の反共振周波数ｆ_L1のほうが２次の捩じり振動
（Ｔ２モード）の反共振周波数ｆ_T2よりも高くなる。

【０１６４】次に、弾性体と圧電体とを接合した振動子
２２の第１大径部２２ｃの長さＬ₁を短くしていくと、
１次の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波数ｆ_L1の増加
率よりも、２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反共振周
波数ｆ_T2の増加率のほうが大きい。そのため、１次の縦
振動（Ｌ１モード）の反共振周波数ｆ_L1と２次の捩じり
振動（Ｔ２モード）の反共振周波数ｆ_T2とを一致又は接
近させることができる。

【０１６５】本実施形態においても、第１大径部２２ｃ
の長さＬ₁は、駆動面Ｄを研削又は旋削等の適宜手段に
よって削ることが最も簡単かつ確実な方法である。この
ようにしてチューニングを行った超音波アクチュエータ
の振動子２２に発生する２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の反共振周波数ｆ_T2と，１次の縦振動（Ｌ１モー
ド）の反共振周波数ｆ_L1とは、図１２のグラフに示すよ
うに、略一致しているために駆動効率を向上させること
ができる。

【０１６６】なお、図１７には、第１実施形態〜第８実
施形態の超音波アクチュエータについて、周波数調整部
材及び大径部，小径部の寸法変更に伴う共振周波数の変
動について、縦振動及び捩じり振動の変化の傾向につい
て有限要素法により解析した結果を、グラフにまとめて
示す。

【０１６７】図１７のグラフに示すように、第２大径
部に周波数調整部材を付加して第２大径部の長さを増加
すること，第２大径部に周波数調整部材を付加して第
２大径部の直径を増加すること，小径部長さを変更す
ること，小径部の直径を変更すること，小径部長さ
及び第２大径部長さを変更すること，第１大径部の中
央部の直径を変更することのいずれによっても、縦振動
及び捩じり振動それぞれを異なる変化率で変化させるこ
とができ、超音波アクチュエータのチューニングを行う
ことができる。

【０１６８】（第９実施形態）図１８は、第９実施形態
で用いる超音波アクチュエータの構造を示す縦断面図で
あり、図１９は、振動子への圧電素子の配置を示す説明
図であって、図１９（Ａ）は縦断面図，図１９（Ｂ）は
図１９（Ａ）のＡ−Ａ断面，Ｂ−Ｂ断面，Ｃ−Ｃ断面を
それぞれ示す。

【０１６９】図１８に示すように、本実施形態で用いる
超音波アクチュエータは、第１実施形態〜第８実施形態
で示した超音波アクチュエータとは異なり、振動子４１
に、小径部が３つ（第１小径部４１ａ，第２小径部４１
ｂ，第３小径部４１ｃ），大径部が４つ（第１大径部４
１ｄ，第２大径部４１ｅ，第３大径部４１ｆ，第４大径
部４１ｇ）それぞれ設けられたタイプである。

【０１７０】振動子４１は、駆動信号によって励振され
る圧電素子（捩じり振動用圧電素子４２，４３及び縦振
動用圧電素子４４）と、これらの圧電素子４２，４３及
び４４を挟んだ状態で保持する２つの厚肉の半円管状の
弾性体により構成される。弾性体は、圧電素子４２，４
３及び４４の励振によって１次の縦振動（Ｌ１モード）
と２次の捩じり振動（Ｔ２モード）とを発生し、これに
より駆動面Ｄに駆動力を発生させる。

【０１７１】図１８及び図１９に示すように、圧電素子
４２，４３及び４４は、振動子４１の長手方向に沿っ
て、駆動面Ｄ側から捩じり振動用圧電素子４２，縦振動
用圧電素子４４，捩じり振動用圧電素子４３の順で略同
一平面上に配置される。縦振動用圧電素子４４は圧電定
数ｄ₃₁を用いており、振動子４１に生じる１次の縦振動
（Ｌ１モード）の節近傍位置（すなわち、振動子４１の
長手方向の略中央部）に配置される。

【０１７２】捩じり振動用圧電素子４２，４３は圧電定
数ｄ₁₅を用いており、振動子４１に生じる２次の捩じり
振動（Ｔ２モード）の節近傍位置（すなわち、振動子４
１の長手方向の両端側）にそれぞれ配置される。また、
これらの圧電素子４２，４３及び４４は、図１９（ｂ）
に示すように、それぞれ２層ずつ積層されて配置され
る。

【０１７３】図１８に示すように、振動子４１には、４
つの大径部（第１大径部４１ｄ，第２大径部４１ｅ，第
３大径部４１ｆ，第４大径部４１ｇ）のそれぞれ長さ方
向略中心部に圧電素子の積層方向と平行な向きに貫通穴
４５ｄ，４５ｅ，４５ｆ，４５ｇが設けられている。そ
して、これらの貫通穴４５ｄ〜４５ｇを用いてボルト４
６ｄ〜４６ｇ及びナット４７ｄ〜４７ｇにより締結・固
定することにより、圧電素子４２，４３及び４４を挟ん
だ状態で保持する。

【０１７４】振動子４１は、内部を貫通する円柱状の固
定軸５３により支持される。固定軸５３は、振動子４１
の中空部を貫通しており、振動子４１を固定する。さら
に、小径部４１ｂの振動子長手方向略中央部であって、
振動子４１に生じる１次の縦振動（Ｌ１モード）の節付
近には、振動子４１を、固定軸５３に固定するための棒
状の支持部材４８が貫通する。

【０１７５】振動子４１に接触する移動子４９は、移動
子母材４９ａと移動子母材４９ａの端面に装着されて振
動子４１の駆動面Ｄに接触する摺動材４９ｂとから構成
される。そして、その内周部に嵌合された例えばベアリ
ング等による位置決め手段５０によって固定軸５３に対
して位置決めされる。

【０１７６】この位置決め手段５０は、皿バネやスプリ
ングバネや板バネ等の加圧手段５１によりフランジ付の
付勢部材５２を介して振動子４１側へ向けて付勢されて
おり、これにより移動子４９が振動子４１の駆動面Ｄに
向けて加圧される。

【０１７７】固定軸５３は、移動子４９を半径方向に位
置決めする。また、固定軸５３の端部にはネジ部が形成
されており、加圧手段５１の加圧力を調整するための例
えばナット等の加圧力調整部材５４がネジ止めされる。

【０１７８】駆動回路は、図１９（Ｂ）に示すように、
駆動信号を発振する発振部７１と，この駆動信号を（１
／４）λ位相差のある信号に分ける移相部７２と，捩じ
り振動用圧電素子４２，４３に入力する駆動信号を増幅
するＴ増幅部７３と，縦振動用圧電素子４４に入力する
駆動信号を増幅するＬ増幅部７４とから構成される。

【０１７９】次に、図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）を参
照しながら、振動子４１の構造を詳細に説明する。図１
９（Ｂ）に示すように、振動子４１は厚肉の円管体を縦
に２分割した半円管体４１Ａ，４１Ｂを組み合わせたも
のである。半円管体４１Ａ，４１Ｂの分割部に、捩じり
振動用圧電素子４２，４３及び縦振動用圧電素子４４を
挟み込んだ状態で保持する。

【０１８０】なお、本実施形態では、振動子４１の外形
は円柱形状であるが、円柱形状に限定されるものではな
く、例えば角柱形状であってもよい。

【０１８１】圧電定数ｄ₁₅を用いる捩じり振動用圧電素
子４２，４３は、振動子４１の長手方向に対して剪断変
位を発生する。図１９（Ｂ）におけるＡ−Ａ断面及びＣ
−Ｃ断面それぞれにおける捩じり振動用圧電素子４２，
４３は、振動子４１の円周方向に対して剪断変形が手前
方向とその反対方向とが交互に発生するように、配置す
る。

【０１８２】捩じり振動用圧電素子４２，４３がこのよ
うに配置されてそれぞれ剪断変形すると、振動子４１に
２次の捩じり変位が発生する。

【０１８３】圧電定数ｄ₃₁を用いる縦振動用圧電素子４
４は、圧電素子の長手方向に対して伸縮変位を発生す
る。この圧電素子４４は、ある電位が印加された場合に
Ｂ−Ｂ断面に生じる変位が同じ方向になるように、配置
される。

【０１８４】このように、振動子４１に、圧電定数ｄ₁₅
を用いる捩じり振動用圧電素子４２，４３と，圧電定数
ｄ₃₁を用いる縦振動用圧電素子４４とが挟まれて保持さ
れた状態で、捩じり振動用圧電素子４２，４３に駆動信
号として正弦波電圧を入力することにより、振動子４１
には捩じり振動が発生する。また、縦振動用圧電素子４
４に駆動信号として正弦波電圧を入力することにより、
振動子４１には縦振動が発生する。

【０１８５】以上のような構成によると、発振部７１は
駆動信号を発振し、その駆動信号は移相部７２により２
つの（１／４）λ（λ：波長）位相差を有する信号に分
割され、それぞれＴ増幅部７３及びＬ増幅部７４によっ
て増幅される。

【０１８６】Ｔ増幅部７３により増幅された駆動信号
は、捩じり振動用圧電素子４２，４３に入力される。一
方、Ｌ増幅部７４により増幅された駆動信号は、縦振動
用圧電素子４４に入力される。

【０１８７】図２０は、振動子４１に生じる縦振動及び
捩じり振動の縮退時における振動を模式的に示す説明図
である。駆動信号が入力された振動子４１には、捩じり
振動用圧電素子４２，４３及び縦振動用圧電素子４４の
励振により、図２０に示す振動の腹及び節を有する１次
の縦振動（Ｌ１モード）と２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）とが発生する。そして、捩じり振動用圧電素子４
２，４３と縦振動用圧電素子４４とにそれぞれ印加する
駆動信号（正弦波電圧）の位相差を（１／４）λ（λ：
波長）ずらして設定すると、振動子４１の駆動面Ｄには
楕円運動が発生する。

【０１８８】この時、捩じり振動（Ｔ２モード）は、捩
じり剛性の弱い第１小径部４１ａ及び第３小径部４１ｃ
の２箇所に振動の節を発生し、第２小径部４１ｂの略中
央部及び駆動面Ｄに振動の腹を発生する。一方、縦振動
（Ｌ１モード）は、第２小径部４１ｂの略中央部付近に
振動の節を発生し、駆動面Ｄが腹となる。

【０１８９】この駆動面Ｄに加圧接触される移動子４９
は、摩擦的に振動子４１より駆動力を受けて駆動され
る。このとき、前述したように、駆動信号の位相差を
（１／４）λ（λ：波長）ずらして設定すると、駆動面
Ｄ上の点は楕円形状に駆動される。そして、この捩じり
振動（Ｔ２モード）の振動数を捩じり振動の共振周波数
に略一致させるとともに、縦振動（Ｌ１モード）の振動
数を縦振動の共振周波数に略一致させる。すると、捩じ
り振動（Ｔ２モード）及び縦振動（Ｌ１モード）は共振
して、駆動面Ｄにおいて発生する楕円運動が拡大する。

【０１９０】本実施形態では、振動子４１の形状を変更
することのみにより捩じり振動（Ｔ２モード）の共振振
動数と縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数とを決定する
ことができるため、移動子４９の形状についての設定の
自由度が増加する等の特徴がある。

【０１９１】移動子４９の形状をある程度自由に設定す
るには、振動子４１から移動子４９への振動伝搬をでき
るだけ抑制する必要がある。そのためには、摺動材とし
て振動減衰の大きな材料、例えばフッ素樹脂等を用いた
り、又は、移動子母材４９ａに振動減衰の大きな例えば
アルミニウム合金材等からなる材料を用いることにより
移動子４９自体の振動減衰を大きくすること等を行えば
よい。

【０１９２】本実施形態の振動子４１は、第１実施形態
の振動子２２と同様に変形することにより、駆動面Ｄに
楕円運動を発生する。そのため、振動子４１の駆動面Ｄ
に発生する楕円運動の変化については、前述した図４を
参照することにより、説明を省略する。

【０１９３】ここで、捩じり振動Ｔの振動数Ｔ₁を捩じ
り振動Ｔの共振周波数ω_0Tに略一致させるとともに、縦
振動Ｌの振動数Ｌ₁を縦振動Ｌの共振周波数ω_0Lに略一
致させると、共振して楕円運動が拡大する。

【０１９４】本実施形態の超音波アクチュエータは、以
上のように構成される。次に、本実施形態の超音波アク
チュエータのチューニング法を説明する。本実施形態で
は、第１大径部４１ｄ，第２大径部４１ｅ，第３大径部
４１ｆ，第４大径部４１ｇそれぞれの振動子長手方向の
略中央部に挿入されたボルト４６ｄ〜４６ｇ及びナット
４７ｄ〜４７ｇを周波数調整部材とする。そして、これ
らの周波数調整部材の質量を、ボルト４６ｄ〜４６ｇを
頭部分の長さが異なる他のボルト４６ｄ’〜４６ｇ’へ
交換すること（本実施形態では４本とも全て変更する
が、全て変更する必要はない。）により、本実施形態に
おける超音波アクチュエータの振動子４１に生じる、縦
振動（Ｌ１モード）の共振周波数と捩じり振動（Ｔ２モ
ード）の共振周波数とを接近又は一致させるチューニン
グ方法を示す。

【０１９５】なお、周波数調整部材を構成するボルト４
６ｄ〜４６ｇ及びナット４７ｄ〜４７ｇの挿入場所は、
縦振動（Ｌ１モード）及び捩じり振動（Ｔ２モード）と
もに少なくともどちらかの振動の腹位置に設けることに
より、縦振動（Ｌ１モード）及び捩じり振動（Ｔ２モー
ド）それぞれの周波数の微調整を効果的に行うことがで
きる。

【０１９６】図２１は、４本のボルト４６ｄ〜４６ｇに
ついて、同一の材質であって頭部長さが異なる３種類の
交換用ボルト４６ｄ’〜４６ｇ’を振動子４１に装着し
た場合、振動子４１に生じる縦振動（Ｌ１モード）及び
捩じり振動（Ｔ２モード）それぞれの共振周波数がどの
ように変動するかを示すグラフである。

【０１９７】図２１に示すグラフにおいて、縦軸には振
動子４１の共振周波数ｆ(kHz) を、そして横軸には交換
用ボルトの種類（タイプ１，タイプ２，タイプ３）をそ
れぞれプロットしている。なお、交換用ボルトは、タイ
プ１，タイプ２，タイプ３の順で頭部長さが長くなる。

【０１９８】ここで、例えば、組み立て後の超音波アク
チュエータの共振周波数が加工公差等の影響により、図
２１のグラフのタイプ１装着時のように、共振周波数ｆ
_T2(kHz) ＞共振周波数ｆ_L1(kHz) となっていたとする。

【０１９９】この場合、図２１のグラフから明かなよう
に、捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数に対して寄
与率が高く、縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数に対し
ては影響が小さいボルトを交換してボルトの頭部長さを
長くする（つまり振動子４１に装着されている４本のボ
ルト４６ｄ〜４６ｇを交換する。）。このとき、捩じり
振動（Ｔ２モード）の共振周波数の低下率よりも縦振動
（Ｌ１モード）の共振周波数の低下率が小さいため、捩
じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数ｆ_T2(kHz) を縦振
動（Ｌ１モード）の共振周波数ｆ_L1(kHz) に接近又は一
致させることができる。

【０２００】つまり、ボルトの頭部長さを変化させる
と、縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数ｆ_L1(kHz) は殆
ど変化しないものの、捩じり振動（Ｔ２モード）の共振
周波数ｆ_T2(kHz) は大幅に減少する。そのため、捩じり
振動（Ｔ２モード）の共振周波数ｆ_T2(kHz) を縦振動
（Ｌ１モード）の共振周波数ｆ_L1(kHz) に接近又は一致
させることができる。

【０２０１】また、逆に、組み立て後の超音波アクチュ
エータの共振周波数が加工公差等の影響により、図２１
のグラフのタイプ３装着時のように、共振周波数ｆ_T2(k
Hz)＜共振周波数ｆ_L1(kHz) となっていたとする。

【０２０２】この場合、図２１のグラフから明かなよう
に、捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数に対して寄
与率が高く、縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数に対し
ては影響が小さいボルトを交換してボルトの頭部長さを
小さくする（つまり振動子４１に装着されている４本の
ボルト４６ｄ〜４６ｇをタイプ３からタイプ２に交換す
る。）。

【０２０３】このとき、捩じり振動（Ｔ２モード）の共
振周波数の増加率よりも縦振動（Ｌ１モード）の共振周
波数の増加率が小さいため、捩じり振動（Ｔ２モード）
の共振周波数ｆ_T2(kHz) を縦振動（Ｌ１モード）の共振
周波数ｆ_L1(kHz) に接近又は一致させることができる。

【０２０４】（第１０実施形態）第９実施形態では、４
本のボルトを全て同時に交換して周波数調整を行う態様
を示したが、全てのボルトを交換する必要があるもので
はない。例えば、第２大径部４１ｅ，第３大径部４１ｆ
に装着されるボルトだけを交換し、第１大径部４１ｄ及
び第４大径部４１ｇに装着されるボルトは交換しなくと
もよい。

【０２０５】図２２は、（ｉ）第２大径部４１ｅ及び第
３大径部４１ｆに装着されたボルトを交換した場合、
（ｉｉ）第１大径部４１ｄ及び第４大径部４１ｇに装着
されたボルトを交換した場合のそれぞれについて、振動
子に生じる振動波形，及び各位置のボルトの長さを変化
させた場合の各モードの周波数の変動状況を示す説明図
である。

【０２０６】第２大径部４１ｅ及び第３大径部４１ｆの
ボルトを交換する場合は、ボルトの設置位置が縦振動
（Ｌ１モード）及び捩じり振動（Ｔ２モード）それぞれ
の腹位置に存在するため、ボルトによる質量効果及び慣
性効果が両モードに同時に作用する。そのため、周波数
変化は平行移動に近い変化率の小さいものとなる。その
ため、この位置のボルトを交換する場合は、調整代が少
ない微調整に有効であると考えられる。

【０２０７】一方、第１大径部４１ｄ及び第４大径部４
１ｇに装着されたボルトを交換する場合は、ボルトの設
置位置が縦振動（Ｌ１モード）の節位置近傍であって捩
じり振動（Ｔ２モード）の腹位置に存在するため、ボル
トによる質量効果よりも慣性効果、つまり捩じり振動
（Ｔ２モード）に対して大幅にボルトの頭部長さの変化
が影響する。そのため、この位置のボルトを交換するの
は、調整代が大きな粗調整に有効であると考えられる。

【０２０８】また、図２３に示すように、ボルト先端部
の長さや外径を変更したり異種材料を利用して、ボルト
の質量を変更することによっても、超音波アクチュエー
タのチューニングを行うことも可能である。

【０２０９】図２３は、第１大径部４１ｄ及び第４大径
部４１ｇに装着されたボルトの質量を変化させた場合に
ついて、各振動の振動波形と，各振動の周波数の変動状
況を示す説明図である。

【０２１０】同図に示すように、ボルトの設置位置は両
振動の腹に存在するが、ボルトの中央部に対して質量変
更操作を行うと、慣性効果よりも質量効果、つまり捩じ
り振動（Ｔ２モード）よりも縦振動（Ｌ１モード）に対
して大幅に影響を及ぼす。そのため、この位置のボルト
を交換するのは、調整代が大きな粗調整に有効であると
考えられる。

【０２１１】このように一部のボルトだけを交換するこ
とにより、交換による質量変動量が減少し、振動子４１
に生じる捩じり振動（Ｔ２モード）及び縦振動（Ｌ１モ
ード）の微調整を確実に行うことができる。

【０２１２】また、本実施形態では、捩じり振動（Ｔ２
モード）及び縦振動（Ｌ１モード）の共振周波数の調整
のためのパラメータとして、周波数調整部材であるボル
トの長さに着目した。しかし、本発明は、このような態
様のみに限定されるものでない。例えば、周波数調整の
ための他の手段として、ボルト材質，ボルトに嵌め合わ
されるナットやワッシャ等の枚数や材質、及び形状等を
パラメータとして操作することによっても、全く同様に
周波数調整を行うことができる。

【０２１３】図２４は、振動子４１へのボルトの取付部
付近を拡大して示す説明図である。同図に示す実施形態
は、第２大径部４１ｅや第３大径部４１ｆに装着される
ボルト４６ｅ，４６ｆにネジ止めされるナット４７ｅ，
４７ｆ締め付け部に挟み込まれたワッシャ７０ｅ，７０
ｆを用いて、Ｔ２モードの周波数をＬ１モードの周波数
に比較して大きく操作する場合である。

【０２１４】まず、図２５に示すように、内径Ｒ１，外
径Ｒ２さらには厚みｔ等を様々に変更したワッシャ７０
を予め多数枚容易しておく。そして、それぞれのワッシ
ャ７０について、振動子４１に装着した場合の、Ｔ２モ
ード及びＬ１モードそれぞれへの周波数の変動量を計算
や実験により予め求め、各ワッシャと周波数変動量との
テーブル値（対応表）を作成しておく。このように対応
表を作成しておけば、所望の周波数調整を行ってＴ２モ
ード及びＬ１モードそれぞれへの周波数を一致するのは
どの寸法のワッシャ７０と差し替えれば良いのかを一目
して判断することができる。これによれば、場合によっ
ては、ワッシャ７０を抜いたままにしてしまったり、２
枚以上重ねる必要があることも容易に判断できる。

【０２１５】ワッシャ７０は、ボルトやナットに比較し
て低コストであるため、多数枚ストックする必要がある
このような周波数調整手段においては、有利である。ま
た、図２５に示すように、寸法を変えた多数枚のワッシ
ャ７０を準備するのではなく、寸法は一定であって材質
が変更された多数枚のワッシャ７０を準備することによ
っても、全く同様の効果を得ることができる。

【０２１６】また、図２６は、ワッシャ７０−１を別の
ワッシャに取り替えるのではなく、取り外して所定量だ
け削除し（例えば切削）、このワッシャ７０−１を再度
装着する実施形態を示す説明図である。

【０２１７】このように、ワッシャ７０−１の重量を適
宜手段によって変更することによっても全く同様の周波
数微調整効果を得ることができる。また、図２５に示す
実施形態であっても、最適な寸法の寸法のワッシャ７０
が準備されていない場合には、図２６に示す手段により
微調整を行って周波数調整を行うことができる。図２７
は、別の実施形態であって、ワッシャ７０−２の一部に
突設部７１を設けた場合を示す斜視図である。

【０２１８】図２４〜図２６に示す方法では、周波数調
整を行う際には、ボルトの脱着作業が必然的に発生す
る。しかし、これでは調整工数が増加する。また、再締
結の際の締め付け力はトルクレンチにより管理されてい
るものの締め付け力のばらつきが不可避的に発生してし
まう。

【０２１９】このような締め付け力のばらつきは、周波
数のばらつきを発生し、ワッシャの入替えを行って周波
数調整を行おうとしているにもかかわらず、締め付け力
のばらつきにより期待した周波数から再び外れてしまう
おそれもある。

【０２２０】そこで、ボルトの脱着作業を行うことな
く、ワッシャの形状変更（周波数調整）を可能にする手
段を図２７に示す。すなわち、図２７に示すワッシャ７
０−２では、その一部に周波数調整用の突起部７１が突
設されている。

【０２２１】この突起部７１を利用する場合、基本的に
振動子は無調整断階でＴ２モードとＬ１モードとが最適
周波数関係、もしくはずれる場合にはそれよりも距離関
係が接近するように、寸法や公差等を勘案して設計して
おく。

【０２２２】そして、超音波アクチュエータを組み立て
た後、前述の距離関係が接近したものについては、ワッ
シャ７０−２の突起部７１を、ニッパーややすり等の工
具により切断・除去することにより、Ｔ２モードが高周
波側にシフトして距離関係が大きくなり、最適距離関係
となる。

【０２２３】ワッシャ７０−２は薄く、かつ剛性も小さ
いため、ボルトやナットと比較すると、極めて容易に削
除等の調整作業を行うことが可能となる。そのため、振
動子から取り外さずに調整作業を行っても、振動子に悪
影響となる応力や振動を与えることも極めて少なくな
る。

【０２２４】また、前述の距離関係を小さくしたい、つ
まりＴ２モードを低周波側にシフトさせたい場合には、
突起部７１に適当な質量体を付加すればよい。例えば、
計算に基づいて最適量のはんだや接着剤を突起部７１に
付加すればよい。

【０２２５】ワッシャ７０−２は突起部７１を形成され
ているため、この突起部７１に質量体を付加することは
作業性がよく、例えばはんだ付けの場合における熱等の
悪影響が振動子本体に伝搬し難いという効果もある。な
お、前述したように、ボルトの脱着作業を行う場合であ
っても、ワッシャ７０−２のように突起部７１が形成さ
れていれば、この突起部７１に対して作業を行えばよい
ため、作業性向上が向上する。

【０２２６】図２８（ａ）又は図２８（ｂ）は、ワッシ
ャの他の例を示す説明図である。図２８（ａ）に示す例
では、段階的に形成された突起部７１−１を備えるワッ
シャ７０−３を示しており、周波数の調整程度に応じ
て、突起部７１−１の削除位置を変更することにより、
周波数の調整代を拡大してものである。

【０２２７】また、図２８（ｂ）に示す例では、周波数
の調整程度が異なる突起部７１−２（調整代：５０Ｈ
ｚ），７１−３（調整代：１０Ｈｚ）を複数種（図示例
では２種）かつそれぞれ複数形成したワッシャ７０−４
を示しており、周波数の調整程度に応じて、削除する突
起部７１−２，７１−３及びその数を決定することによ
り、周波数の調整代を拡大してものである。

【０２２８】図２９は、図２８に示すように、突起部７
１を削ったり突起部７１に質量体を付加するのではな
く、その一部が小径部４１ｂにより形成される溝部を覆
うように延設される突起部７１を、適宜状態に折り曲げ
ることにより、周波数調整を行うものである。

【０２２９】すなわち、図２９中の状態１，状態２又は
状態３のいずれの場合であっても、振動子４１全体の質
量は一定であるためにＬ１モードの周波数は変動しな
い。これに対し、ワッシャ７０は振動子４１の外周部に
装着されることから、状態１，状態２及び状態３に示す
ような突起部７１の形状の相違は、イナーシャの差を有
し、振動子４１に発生するＴ２モードに大きな影響を及
ぼすことになる。

【０２３０】一般的に、同一の質量体であっても、回転
中心からの距離が大きい位置に装着されると、イナーシ
ャが大きくなる。つまり、イナーシャの大きさは、状態
１＞状態２＞状態３という関係になる。

【０２３１】したがって、周波数の距離関係が最適状態
よりも小さい振動子４１では、突起部７１を状態３に示
すように内部側（回転中心側）に折り曲げる。一方、周
波数の距離関係が最適状態より大きい振動子４１では、
突起部７１を状態１に示すように外部側（回転中心と反
対側）に折り曲げる。

【０２３２】このように、図２９に示すような突起部７
１の変形による手段によれば、突起部７１を定められた
方向に変形させるだけで、極めて容易に周波数調整が可
能となる。

【０２３３】また、図２９に示す例では、図２８に示す
形状の突起部７１−１，７１−２，７１−３を有するワ
ッシャ７０−３，７０−４を用いてもよいことは言うま
でもない。

【０２３４】なお、本発明にかかる超音波アクチュエー
タでは、組み立て工程において、振動子単体で縮退する
か否かの検査工程が設けられると考えられるため、図２
９に示す周波数調整では、折り曲げてから直ちに周波数
調整程度を確認し、この作業を繰り返すことにより折り
曲げの程度を決定すればよい。

【０２３５】また、図２３等により示す本実施形態で
は、長さが異なる３種類のボルトを交換用ボルトとして
用いる場合を例にとったが、本発明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、最初に装着した
ボルトに、質量を低減する加工，質量を付加する加工さ
らには変形加工等を行うことにより、周波数調整部材の
質量を変更することによっても、全く同様に周波数調整
を行うことができる。この場合、ボルトに対する加工
は、振動子から外した状態で行うことが振動子に加工に
伴う損傷を与えることがなく、望ましい。

【０２３６】このように、本発明にかかる超音波アクチ
ュエータのチューニング法によれば、加工公差等によっ
て振動子に生じる２つの振動の共振周波数がずれても、
組み立て後に、振動子の一部に質量を付加する加工又は
質量を低減する加工を行うことにより、振動子の共振周
波数を所望の状態に調整することができる。そのため、
安定した駆動が得られ、駆動力や駆動効率を向上させて
性能の個体差が低減された超音波アクチュエータを製造
することができる。

【０２３７】本発明にかかる超音波アクチュエータのチ
ューニング法によれば、現在の製造技術では、組み立て
時には解消することが難しい複数の振動のずれを、確実
に解消して各振動の共振周波数を所望の状態に調整する
ことができる。そのため、少なくとも２種類の振動を発
生させる異形モード縮退型の振動子を備える超音波アク
チュエータの製造上では極めて重要な技術である。

【０２３８】（第１１実施形態）図３０は、第１１実施
形態の超音波アクチュエータに用いる振動子８０の構造
を示す分解斜視図である。本実施形態で用いる振動子８
０は、図１８に示す第９実施形態で用いる振動子４１へ
の圧電素子の装着態様を変更したものである。

【０２３９】したがって、本実施形態では、振動子８０
における圧電素子８１，８２の装着態様だけを説明する
こととし、同一の部分については、重複する説明を適宜
省略する。

【０２４０】本実施形態では、振動子８０は第９実施形
態と同一の弾性体を用いる。すなわち、弾性体は、中空
円柱状の弾性部材を縦面で２つに分割することにより得
られる２つの半弾性体４１Ａ，４１Ｂを、再度中空円柱
状に組合わせることにより、構成される。

【０２４１】半弾性体４１Ａ，４１Ｂの外周面には、第
９実施形態と同様に、３つの小径部（第１小径部４１
ａ，第２小径部４１ｂ，第３小径部４１ｃ）と、４つの
大径部（第１大径部４１ｄ，第２大径部４１ｅ，第３大
径部４１ｆ，第４大径部４１ｇ）とがそれぞれ設けられ
る。

【０２４２】半弾性体４１Ａ，４１Ｂの２つの分割面に
は、それぞれ圧電素子８１，８２が２層積層された状態
で、配置される。圧電素子８１，８２は、いずれもＰＺ
Ｔ（チタン酸ジルコン酸鉛）から長板状に構成される。
圧電素子８１，８２それぞれの対向面側には、電極８
３，８４が薄膜状に形成される。また、対向する２枚の
圧電素子８１，８２により、電極８３，８４に接触し
て、電極板８５，８６が挟まれた状態で保持される。

【０２４３】なお、圧電素子８１，８２は同一の構成で
あるため、以降の圧電素子に関する説明は、圧電素子８
１について行うこととし、圧電素子８２については適宜
説明を省略する。

【０２４４】圧電素子８１の表面に形成される電極８３
は、駆動面Ｄ側から順に互いに離れた状態で配置され
た、捩じり振動検出用電極８３ａ，捩じり振動発生用電
極８３ｂ，縦振動発生用電極８３ｃ，縦振動発生用予備
電極８３ｄ，及び縦振動検出用電極８３ｅからなる。

【０２４５】圧電素子８１のうちの捩じり振動検出用電
極８３ａ，捩じり振動発生用電極８３ｂが形成された部
分は、長手方向にポーリング処理されることにより、圧
電定数ｄ₁₅を用いて構成される。圧電素子８１のうちの
捩じり振動発生用電極８３ｂが形成された部分は、振動
子８０に発生する２次の捩じり振動の２つの節位置のう
ちの駆動面Ｄ側の節位置を含む位置である。

【０２４６】また、圧電素子８１のうちの縦振動発生用
電極８３ｃ，縦振動発生用予備電極８３ｄ，及び縦振動
検出用電極８３ｅが形成された部分は、厚さ方向にポー
リング処理されることにより、圧電定数ｄ₃₁を用いて構
成される。圧電素子８１のうちの縦振動発生用電極８３
ｃが形成された部分は、振動子８０に発生する１次の縦
振動の節位置を含む位置であり、縦振動発生用予備電極
８３ｄが形成された部分は、振動子８０に発生する２次
の捩じり振動の２つの節位置のうちの反駆動面側の節位
置を含む位置である。

【０２４７】このように一枚の圧電素子８１において、
ポーリング方向が異なる２領域を形成するためには、ま
ず、圧電素子８１の母材の長手方向両端部側にポーリン
グ用電極を設置してポーリングを行うことにより、圧電
素子母材全長について長手方向に関するポーリング処理
を行い、その後に、縦振動発生用電極８３ｃ〜縦振動検
出用電極８３ｅを形成する範囲にだけ厚さ方向へポーリ
ング処理を行う手段を例示することができる。

【０２４８】なお、電極板８５を介して対向する２枚の
圧電素子８１のポーリングの向きは、以下のように設定
される。まず、捩じり振動検出用電極８３ａ，捩じり振
動発生用電極８３ｂが形成された部分は、２枚の圧電素
子８１のポーリング方向が、互いに振動子８０の軸方向
に対して反対向きとなるように形成されている。また、
縦振動発生用電極８３ｃ，縦振動発生用予備電極８３ｄ
及び縦振動検出用電極８３ｅが形成された部分は、２枚
の圧電素子８１のポーリング方向が対向するように形成
されている。

【０２４９】電極板８６を介して対向する２枚の圧電素
子８２のポーリングの向きも、先に説明した２枚の圧電
素子８１と同様に設定されている。また、圧電素子８１
の２枚のポーリングの向きの関係と、圧電素子８２の２
枚のポーリングの向きの関係は、振動子８０の軸に対し
て対称となるように設定されている。

【０２５０】また、各電極８３の形成手段は特に限定さ
れるものではない。本実施形態では、まず、薄膜状に各
電極８３を形成し、その後に形成した各電極８３の表面
を所定量研削した。こうすることで、圧電素子８１の厚
みが、圧電定数ｄ₃₁や圧電定数ｄ₁₅を用いる領域にかか
わらず、一定になるようにした。

【０２５１】対向する２枚の圧電素子８１，８１の間に
は、各電極８３，８３に接するようにして、銅製の電極
板８５，８６が配置される。なお、電極板８５，８６も
同一の構成であるため、以降の説明は電極板８５につい
て行うこととし、電極板８６については説明を省略す
る。

【０２５２】電極板８５は、捩じり振動検出用電極８３
ａ，捩じり振動発生用電極８３ｂ，縦振動発生用電極８
３ｃ，縦振動発生用予備電極８３ｄ，及び縦振動検出用
電極８３ｅにそれぞれ接する、捩じり振動検出用電極板
８５ａ，捩じり振動発生用電極板８５ｂ，縦振動発生用
電極板８５ｃ，縦振動発生用予備電極板８５ｄ，及び縦
振動検出用電極板８５ｅに分割されて構成される。

【０２５３】各電極板８５ａ〜８５ｅには、独立して電
気エネルギーの授受が行われ、これにより、接触する各
電極８３ａ〜８３ｅを介して、対向配置される２枚の圧
電素子８１，８１への電気エネルギーの授受が行われ
る。

【０２５４】本実施形態で用いる超音波アクチュエータ
は、以上のような構成の振動子８０を用いており、これ
以外の構成は第９実施形態の超音波アクチュエータと同
一であるため、振動子８０の構造に関するこれ以上の説
明は省略する。

【０２５５】本実施形態の振動子８０において、電極板
８５ｂ及び電極８３ｂを介して、圧電素子８１に電気エ
ネルギー（駆動信号）を入力すると、圧電素子８１の電
極８３ｂ形成部は圧電定数ｄ₁₅を用いているため、振動
子８０の長手方向に対して剪断変位を発生する。ここ
で、対向して配置される２つの圧電素子８１，８１は、
互いに逆向きの剪断変位を発生するように、配置され
る。また、２つの分割面に配置される圧電素子８１、８
２が発生する剪断変位は、振動子８０の中心に対して対
称となる向きに発生する。

【０２５６】一方、本実施形態の振動子８０において、
電極板８５ｃ及び電極８３ｃを介して、圧電素子８１に
電気エネルギー（駆動信号）を入力すると、圧電素子８
１の電極８３ｃ形成部は圧電定数ｄ₃₁を用いているた
め、振動子８０の長手方向に対して伸縮変位を発生す
る。各圧電素子８１，８２は、圧電素子８１，８２によ
って発生される伸縮変位が全て同一の方向となるよう
に、配置される。

【０２５７】本実施形態では、縦振動発生用予備電極板
８５ｄには電気エネルギーの入力は行われない。すなわ
ち、第９実施形態の振動アクチュエータでは、この位置
に捩じり振動発生用圧電素子を配置した。しかし、その
後の検討により、この位置に捩じり振動発生用圧電素子
を配置しなくとも、振動子８０には同等の振動変位が発
生することが確認された。したがって、本実施形態で
は、この位置には縦振動発生用予備電極板８５ｄと縦振
動発生用予備電極８３ｄとを配置することにより、振動
子８０の内部に空隙が発生することを防止するとともに
不要な電気エネルギーの入力を解消して振動発生効率の
向上を図るものである。

【０２５８】振動子８０は、駆動電圧を印加されること
によって圧電素子８１，８２が励振し、これにより１次
の縦振動（Ｌ１モード）と２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）とを発生し、これらの振動の合成である楕円運動
が、駆動面Ｄに発生する。駆動面Ｄに発生する楕円運動
を利用して、振動子８０に加圧接触する移動子を駆動す
る。

【０２５９】振動子８０に発生した２次の捩じり振動
は、圧電素子８１により、捩じり振動検出用電極８３ａ
及び捩じり振動検出用電極板８５ａを介して、電気エネ
ルギーとして外部に取り出され、図示しない駆動回路に
入力される。また、振動子８０に発生した１次の縦振動
は、圧電素子８１により、縦振動検出用電極８３ｅ及び
捩じり振動検出用電極板８５ｅを介して、電気エネルギ
ーとして外部に取り出され、図示しない駆動回路に入力
される。

【０２６０】これ以外の構成は、第９実施形態と同様で
あるため、振動子８０に関するこれ以上の説明は省略す
る。本実施形態で用いる超音波アクチュエータは、以上
説明したように構成された振動子８０を備えるため、第
９実施形態の振動子４１に比較すると、電気エネルギー
の入力量を低減しながら同等の振幅を確保することがで
きる。これにより、超音波アクチュエータの駆動効率を
改善することができる。

【０２６１】また、本実施形態で用いる振動子８０で
は、圧電素子８１，８２が一体的に構成されるため、構
造が簡素化される。これにより、超音波アクチュエータ
の組み立て作業性が著しく改善され、製造コストを低減
することができる。

【０２６２】（変形形態）以上の各実施形態では、振動
アクチュエータとして超音波アクチュエータを用いた
が、本発明にかかる振動アクチュエータはこのような態
様に限定されるものではなく、他の振動域を利用した振
動アクチュエータについても等しく適用することができ
る。

【０２６３】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、本発明はかかる態様のみに
限定されるものではない。電気機械変換素子は、電気エ
ネルギ−を機械的な変位に変換することができるもので
あれば他のものでもよい。例えば、圧電素子以外に電歪
素子や磁歪素子等を例示することができる。

【０２６４】また、各実施形態では、振動子に２次の捩
じり振動と１次の縦振動とが同時に生じるようにした場
合を例にとって説明したが、本発明はかかる態様のみに
限定されるものではない。例えば、振動子にｍ次の捩じ
り振動（ｍ：自然数）とｎ次の縦振動（ｎ：自然数）と
が生じるようにしたものであっても、全く同様に捩じり
振動及び縦振動それぞれの共振周波数を所望の状態に調
整することが可能である。

【０２６５】すなわち、振動子に、振動子軸方向への縦
振動である第１振動と，振動子軸方向への剪断変形によ
る捩じり振動である第２振動とが同時に生じるようにし
た振動アクチュエータであれば、本発明により、第１振
動及び第２振動それぞれの共振周波数を所望の状態に調
整することができる。

【０２６６】さらに、図３１（Ａ）は、振動子６１の端
面又は駆動面に周波数調整用の突起６１ａを形成し、こ
の突起６１ａを削ることによりチューニングを行う場
合、図３１（Ｂ）は、振動子６１の外周部にリング状に
周波数調整用の出張り部６１ｂを形成し、この出張り部
６１ｂを削ることによりチューニングを行う場合をそれ
ぞれ示す。

【０２６７】図３１（Ａ）に示す態様によれば、突起６
１ａを削ることにより、縦振動（Ｌ１モード）の共振周
波数が高くなる。一方、図３１（Ｂ）に示す態様によれ
ば、出張り部６１ｂを削ることにより、捩じり振動（Ｔ
２モード）の共振周波数が高くなる。

【０２６８】図３１（Ａ）又は図３１（Ｂ）に示すよう
に、振動子の大径部や小径部さらには端面を直接的に削
るのではなく、これらに初めから周波数調整用の突起や
出張り部を設けておき、この突起や出張り部を削ること
によりチューニングを行うようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の異形モード縮退型の超音波アク
チュエータの構造を示す縦断面図である。

【図２】第１実施形態の異形モード縮退型の超音波アク
チュエータに用いる振動子の構造を駆動回路とともに示
す説明図であって、図２（Ａ）は上面図，図２（Ｂ）は
側面図である。

【図３】第１実施形態で用いる超音波アクチュエータの
圧電素子の励振により、振動子に１次の縦振動及び２次
の捩じり振動が生じることを示す説明図であって、図３
（Ａ）は縦断面図，図３（Ｂ）は振動子表面に発生する
２つの振動の波形例を示す説明図である。

【図４】振動子の駆動面において発生する楕円運動の変
化を１周期について示す説明図である。

【図５】第１実施形態において、振動子の第２大径部の
直径を変化させた場合に、振動子に発生する縦振動（Ｌ
１モード）及び捩じり振動（Ｔ２モード）それぞれの共
振周波数がどのように変動するかを、有限要素法を用い
て解析した結果を示すグラフである。

【図６】第２実施形態において、振動子の小径部の直径
を変化させることにより振動子に発生する縦振動（Ｌ１
モード）及び捩じり振動（Ｔ２モード）それぞれの共振
周波数がどのように変動するかを、有限要素法を用いて
解析した結果を示すグラフである。

【図７】第３実施形態において、振動子の第１大径部の
中央部付近における直径を変化させることにより振動子
に発生する縦振動（Ｌ１モード）及び捩じり振動（Ｔ２
モード）それぞれの共振周波数がどのように変動するか
を、有限要素法を用いて解析した結果を示すグラフであ
る。

【図８】第４実施形態にかかる超音波アクチュエータの
構造を示す断面図である。

【図９】第５実施形態において製造した振動子の第２大
径部の長さと，１次の縦振動の共振周波数，２次の捩じ
り振動の共振周波数との関係を示すグラフである。

【図１０】第５実施形態において、周波数調整後の２次
の捩じり振動の共振周波数と１次の縦振動の共振周波数
との関係を示すグラフである。

【図１１】第６実施形態において、製造した振動子の第
１大径部の長さと１次の縦振動（Ｌ１モード）の共振周
波数，２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の共振周波数と
の関係を示すグラフである。

【図１２】周波数調整後の１次の縦振動（Ｌ１モード）
の反共振周波数と２次の捩じり振動（Ｔ２モード）の反
共振周波数との関係を示すグラフである。

【図１３】製造した振動子の１次の縦振動（Ｌ１モー
ド）の反共振周波数ｆ_L1と２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の反共振周波数ｆ_T2とを比較した結果を示すグラフ
であり、ｆ_T2＞ｆ_L1の状態を示す。

【図１４】製造した振動子の第２大径部の長さと，１次
の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波数ｆ_L1，２次の捩
じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波数ｆ_T2との関係を
示すグラフである。

【図１５】製造した振動子の１次の縦振動（Ｌ１モー
ド）の共振周波数ｆ_L1と，２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の共振周波数ｆ_T2とを比較した結果を示すグラフで
あり、ｆ_T2＜ｆ_L1の状態を示す。

【図１６】製造した振動子の第１大径部の長さと、１次
の縦振動（Ｌ１モード）の反共振周波数ｆ_L1，２次の捩
じり振動（Ｔ２モード）の反共振周波数ｆ_T2との関係を
示すグラフである。

【図１７】周波数調整部材及び大径部，小径部の寸法変
更に伴う共振周波数の変動について、まとめて示すグラ
フである。

【図１８】第９実施形態で用いる超音波アクチュエータ
の構造を示す縦断面図である。

【図１９】振動子への圧電素子の配置を示す説明図であ
って、図１９（Ａ）は縦断面図，図１９（Ｂ）は図１９
（Ａ）のＡ−Ａ断面，Ｂ−Ｂ断面，及びＣ−Ｃ断面をそ
れぞれ示す。

【図２０】振動子に生じる縦振動及び捩じり振動の縮退
時における振動を模式的に示す説明図である。

【図２１】第９実施形態の超音波アクチュエータにおい
て用いるボルトについて、同一の材質で頭部長さが異な
る３種類の交換用ボルトを振動子に装着した場合、振動
子に生じる縦振動（Ｌ１モード）及び捩じり振動（Ｔ２
モード）それぞれの共振周波数がどのように変動するか
を示すグラフである。

【図２２】第１０実施形態において、（ｉ）第２大径部
及び第３大径部に装着されたボルトをそれぞれ交換した
場合、（ｉｉ）第１大径部及び第４大径部に装着された
ボルトをそれぞれ交換した場合について、振動子に生じ
る振動波形，及び各位置のボルトの長さを変化させたと
きの各モードの周波数の変動状況を示す説明図である。

【図２３】第１０実施形態において、第１大径部及び第
４大径部に装着されたボルトの質量を変化させた場合に
ついて、各振動の振動波形と，各振動の周波数の変動状
況を示す説明図である。

【図２４】第１０実施形態において、振動子へのボルト
の取付部付近を拡大して示す説明図である。

【図２５】第１０実施形態において、寸法は一定であっ
て材質が変更されたワッシャを示す斜視図である。

【図２６】第１０実施形態において、一旦取り外して所
定量だけ削除し、再度装着される周波数調整用のワッシ
ャを示す説明図である。

【図２７】第１０実施形態において、その一部に周波数
調整用の突起部が形成されたワッシャを示す斜視図であ
る。

【図２８】図２８（ａ）又は図２８（ｂ）は、ワッシャ
の他の例を示す説明図である。

【図２９】その一部が小径部により形成される溝部を覆
うように延設される突起部を、適宜状態に折り曲げるこ
とにより、周波数調整が行われるワッシャを示す説明図
である。

【図３０】第１１実施形態において用いる振動子の構造
を示す分解斜視図である。

【図３１】図３１（Ａ）は、振動子の端面又は駆動面に
周波数調整用の突起を設けた場合、又は、図３１（Ｂ）
は、振動子の大径部に周波数調整用の突起を設けた場合
をそれぞれ示す説明図である。

【図３２】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３３】縦−捩じり振動型の振動アクチュエータの従
来例の固定子を展開して示した斜視図である。

【図３４】異形モード縮退型の振動アクチュエータの構
造を示す縦断面図である。

【図３５】異形モード縮退型の振動アクチュエータに用
いる振動子の構造を示す説明図であり、図３５（Ａ）は
上面図，図３５（Ｂ）は側面図である。

【図３６】製造した振動子の１次の縦振動（Ｌ１モー
ド）の反共振周波数ｆ_L1と２次の捩じり振動（Ｔ２モー
ド）の反共振周波数ｆ_T2とを比較した結果を示すグラフ
であり、ｆ_T2＞ｆ_L1の状態を示す。

【図３７】製造した振動子１次の縦振動（Ｌ１モード）
の反共振周波数ｆ_L1と２次の捩じり振動（Ｔ２モード）
の反共振周波数ｆ_T2とを比較した結果を示すグラフであ
り、ｆ_T2＜ｆ_L1の状態を示す。

【符号の説明】

２１固定軸２１ａ大径部２１ｂ第１固定軸２１ｃ第２固定軸２１ｄねじ部２２振動子２２ａ，２２ｂ半円管状弾性体２２ｃ第１大径部２２ｄ第２大径部２２ｅ小径部２２ｆ２２ｇ貫通孔２３ａ，２３ｂ取付ボルト２４捩じり振動用圧電素子２５縦振動用圧電素子２６ベアリング２７移動子２７ａ移動子母材２７ｂ摺動材２８加圧部材２９加圧力伝達部材３０調整部材４１振動子４１ａ第１小径部４１ｂ第２小径部４１ｃ第３小径部４１ｄ第１大径部４１ｅ第２大径部４１ｆ第３大径部４１ｇ第４大径部４２，４３捩じり振動用圧電素子４４縦振動用圧電素子４５ｄ〜４５ｇ貫通穴４６ｄ〜４６ｇ，４６ｄ’〜４６ｇ’ ボルト４７ｄ〜４７ｇナット４８支持部材４９移動子４９ａ移動子母材４９ｂ摺動材５０位置決め手段５１加圧手段５２付勢部材５３固定軸５４加圧力調整手段６１振動子６１ａ突起６１ｂ出張り部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１振動及び第２振動を発生する異形モ
ード縮退型の振動子を備える振動アクチュエータであっ
て、前記振動子の一部には、加工を加えられることにより縮
退時に発生する前記第１振動及び前記第２振動それぞれ
の共振周波数又は反共振周波数を所望の状態に調整する
ための周波数調整部が設けられ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、前記振動子は、棒状型であるとともに少なくとも一つの
小径部を備え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、前記周波数調整部は、前記第１振動及び前記第２振動そ
れぞれの固有周波数の変化率に差がある位置に存在する
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振動は１次以上の縦振動であるとともに、前記
第２振動は１次以上の捩じり振動であることを特徴とす
る振動アクチュエータ。
【請求項５】第１振動及び第２振動を発生する異形モ
ード縮退型の振動子を備える振動アクチュエータのチュ
ーニング法であって、前記振動子を大径部と小径部とで構成し、前記第１振動
及び前記第２振動のいずれか一方の振動の節が前記小径
部に生じる形状とすることで、前記第１振動及び前記第
２振動それぞれの共振周波数又は反共振周波数を接近又
は一致させることを特徴とする振動アクチュエータのチ
ューニング法。
【請求項６】第１振動及び第２振動を発生する異形モ
ード縮退型の振動子を備える振動アクチュエータのチュ
ーニング法であって、組み立てられた前記振動アクチュエータの前記振動子の
一部に加工を加えることにより、前記振動子に生じる前
記第１振動及び前記第２振動それぞれの共振周波数又は
反共振周波数を所望の状態に調整することを特徴とする
振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項７】請求項６に記載された振動アクチュエー
タのチューニング法において、前記加工は、前記第１振動及び前記第２振動それぞれの
固有周波数の変化率に差がある位置に対して行われるこ
とを特徴とする振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項８】請求項６に記載された振動アクチュエー
タのチューニング法において、前記加工は、前記第１振動及び前記第２振動それぞれの
弾性体表面における振幅波形が一方の振動が腹となると
ともに他方の振動が節となる位置に対して行われること
を特徴とする振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項９】請求項６から請求項８までのいずれか１
項に記載された振動アクチュエータのチューニング法に
おいて、前記振動子は、少なくとも一つの小径部を備えることを
特徴とする振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項１０】請求項５から請求項９までのいずれか
１項に記載された振動アクチュエータのチューニング法
において、前記振動子は、第１大径部と，第２大径部と，これらに
隣接する小径部とを備えるとともに、前記加工は、前記
振動子の一部を削除する加工であることを特徴とする振
動アクチュエータのチューニング法。
【請求項１１】請求項１０に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記加工は、前記第１大径部，前記第２大径部及び前記
小径部の少なくとも一つの外径及び／又は長さを低減す
る加工であることを特徴とする振動アクチュエータのチ
ューニング法。
【請求項１２】請求項５から請求項９までのいずれか
１項に記載された振動アクチュエータのチューニング法
において、前記振動子は、第１大径部と，第２大径部と，これらに
隣接する小径部とを備えるとともに、前記加工は、前記
振動子のうちの一部に周波数調整部材を装着する加工で
あることを特徴とする振動アクチュエータのチューニン
グ法。
【請求項１３】請求項１２に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記加工は、前記第１大径部，前記第２大径部及び前記
小径部の少なくとも一つの径方向に、前記周波数調整部
材を装着する加工であることを特徴とする振動アクチュ
エータのチューニング法。
【請求項１４】請求項５から請求項８までのいずれか
１項に記載された振動アクチュエータのチューニング法
において、前記振動子は、第１大径部，第２大径部，第３大径部及
び第４大径部と，これらに隣接する第１小径部，第２小
径部及び第３小径部とを備えることを特徴とする振動ア
クチュエータのチューニング法。
【請求項１５】請求項１４に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記振動子は、二つの弾性体とこれらに挟持される電気
機械変換素子とを備えるとともに、前記電気機械変換素
子は、前記第１振動の節に設けられる第１振動発生用電
気機械変換素子と，前記第２振動の節に設けられる第２
振動発生用電気機械変換素子とを有することを特徴とす
る振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項１６】請求項１４又は請求項１５に記載され
た振動アクチュエータのチューニング法において、前記加工は、前記振動子のうちの一部に周波数調整部材
を装着する加工であることを特徴とする振動アクチュエ
ータのチューニング法。
【請求項１７】請求項１６に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記周波数調整部材は、前記振動子に発生する前記第１
振動及び／又は前記第２振動の腹に装着されることを特
徴とする振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項１８】請求項１７に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記周波数調整部材は、少なくとも２つ装着されること
を特徴とする振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項１９】請求項１６から請求項１８までのいず
れか１項に記載された振動アクチュエータのチューニン
グ法において、前記周波数調整部材は、質量及び／又は形状が異なる他
の周波数調整部材に交換されて装着されることを特徴と
する振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項２０】請求項１６から請求項１８までのいず
れか１項に記載された振動アクチュエータのチューニン
グ法において、前記周波数調整部材には、質量及び／又は形状が変更さ
れる加工が行われることを特徴とする振動アクチュエー
タのチューニング法。
【請求項２１】請求項２０に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記加工は、前記振動子から取り外された状態で行われ
ることを特徴とする振動アクチュエータのチューニング
法。
【請求項２２】請求項１４に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記振動子は、第１大径部，第２大径部，第３大径部及
び第４大径部と，これらに隣接する第１小径部，第２小
径部及び第３小径部とを備えるとともに、前記加工は、
前記振動子の一部を削除する加工であることを特徴とす
る振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項２３】請求項２２に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記加工は、前記第１大径部，前記第２大径部，前記第
３大径部，前記第４大径部及び前記小径部の少なくとも
一つの外径及び／又は長さを低減する加工であることを
特徴とする振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項２４】請求項１２，請求項１３，又は、請求
項１６から請求項２１までのいずれか１項に記載された
振動アクチュエータのチューニング法において、前記周波数調整部材は、前記振動子を構成する二つの弾
性体とこれらに挟持される電気機械変換素子とを締結す
る機能を備えることを特徴とする振動アクチュエータの
チューニング法。
【請求項２５】請求項２４に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記周波数調整部材は、ボルトであることを特徴とする
振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項２６】請求項２５に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記周波数調整部材は、前記ボルトと前記振動子との間
に挟まれるワッシャ、又は前記ボルトに螺着されるナッ
トであることを特徴とする振動アクチュエータのチュー
ニング法。
【請求項２７】請求項２６に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記ワッシャ又は前記ナットには、周波数調整のための
削除用突設部が設けられることを特徴とする振動アクチ
ュエータのチューニング法。
【請求項２８】請求項２７に記載された振動アクチュ
エータのチューニング法において、前記削除用突設部は、周波数調整の程度が異なる複数の
部分を備えることを特徴とする振動アクチュエータのチ
ューニング法。
【請求項２９】請求項２７又は請求項２８に記載され
た振動アクチュエータのチューニング法において、前記削除用突設部は、端部が前記振動子に溝状に形成さ
れた前記小径部を被うように、延設されており、この端
部を前記小径部側又は反対側に折り曲げることにより、
周波数調整が行われることを特徴とする振動アクチュエ
ータのチューニング法。
【請求項３０】請求項５から請求項２９までのいずれ
か１項に記載された振動アクチュエータのチューニング
法において、前記第１振動は１次以上の縦振動であるとともに、前記
第２振動は１次以上の捩じり振動であることを特徴とす
る振動アクチュエータのチューニング法。
【請求項３１】請求項５から請求項２９までのいずれ
か１項に記載された振動アクチュエータのチューニング
法において、前記第１振動は前記振動子の軸方向への縦振動であり、
前記第２振動は前記振動子の軸方向への剪断変形による
捩じり振動であることを特徴とする振動アクチュエータ
のチューニング法。