JPH10271853A

JPH10271853A - 振動アクチュエータ及びその駆動方法

Info

Publication number: JPH10271853A
Application number: JP9071059A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Ashizawa; 隆利芦沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-03-25
Filing date: 1997-03-25
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】部品点数が少なく、簡単な作業で組立可能で
あり、リ−ド線の誤り接合が生じにくい振動アクチュエ
ータを提供する。【解決手段】所定の軸に平行な縦振動及び所定の軸を
中心とする捩り振動を行う振動子を備える振動アクチュ
エータにおいて、振動子は、縦振動を励振する第１の縦
振動発生源（５１のＪ）及び第２の縦振動発生源（５３
のＪ）と、捩り振動を励振する第１の捩り振動発生源
（５１のＩ）及び第２の捩り振動発生源（５３のＩ）
と、駆動信号を入力するために第１の縦振動発生源及び
第１の捩り振動発生源に共通して用いられる第１の駆動
信号入力部（５７）と、駆動信号を入力するために第２
の縦振動発生源及び第２の捩り振動発生源に共通して用
いられる第２の駆動信号入力部（５８）とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動子の振動を利
用して駆動力を発生する振動アクチュエータに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の振動アクチュエータに
は、例えば、特開平８−１０３０８９号又は特開平８−
１４０３７７号に開示された振動アクチュエータがあ
る。図９は、特開平８−１４０３７７号に開示された振
動アクチュエータ（以下「従来の振動アクチュエータ」
という）を示す断面図、また、図１０は、図９の振動ア
クチュエータの固定子を示す斜面図である。

【０００３】図９に示すように、従来の振動アクチュエ
ータは、シャフト１０７に固定子１０１と移動子１０６
を取り付け、移動子１０６を固定子１０１に加圧接触さ
せる構成となっている。移動子１０６は、移動子母材１
０６−１と、移動子母材の固定子１０１と接触する面に
備えられ、固定子１０１と摺動する摺動材１０６−２と
からなる。また、固定子１０１は、図１０に示すよう
に、厚肉の円筒部材を２分割して得られる弾性体１０２
及び１０３と、２種類の板状の圧電素子１０４、及び１
０５とから構成されている。圧電素子１０４及び１０５
は、弾性体１０２及び１０３の間に挟み込まれており、
固定子１０１は、全体としてほぼ円筒状の形状となるよ
うに組み立てられている。

【０００４】図１１は、固定子１０１の断面図である。
図１１に見られるように、弾性体１０２と１０３との間
には、２枚の圧電素子１０４と２枚の圧電素子１０５と
の計４枚の圧電素子が積層されている。また、２枚の圧
電素子１０４の間には電極板１０４ｂが、２枚の圧電素
子１０５の間には電極板１０５ｂが配置されている。電
極板（１０４ｂ、１０５ｂ）は、圧電素子１０４及び１
０５に励振用の周波電圧を印加するための部材である。

【０００５】ここで、圧電素子１０４は、板厚方向に電
圧を印加されると、固定子１０１の中心軸Ａ１に沿って
伸縮変形を行う素子であり、一方、圧電素子１０５は、
同じように電圧を印加されると、中心軸Ａ１に沿ってせ
ん断変形をする素子である。従来の振動アクチュエータ
では、圧電素子１０４及び１０５に所定の周波電圧を９
０度の位相差をもって印加し、固定子１０１に、中心軸
Ａ１に沿う方向の縦振動と、中心軸Ａ１を中心に捩る方
向の捩り振動とを励振する。この結果、固定子１０１の
端面（以下「駆動面」という）Ｄ１が楕円運動を行い、
その楕円運動の一部が移動子１０６に伝達されて、移動
子１０６が一定の方向に回転する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の振動ア
クチュエータでは、弾性体間に計４枚もの圧電素子が積
層されるために、振動子全体の小型化が図りにくいとい
う問題があった。かかる問題を解決すべく、本願出願人
は、弾性体の間に積層する圧電素子の枚数が少ない振動
アクチュエータを発明し、これを例えば特願平７−２３
９６０３号等で開示している。

【０００７】図１２は、特願平７−２３９６０３号に開
示した振動アクチュエータ（以下「先に開示した振動ア
クチュエータ」という）の振動子を示す分解斜視図であ
る。図１２に見られるように、先に開示した振動アクチ
ュエータの振動子１１０では、捩り振動用の圧電素子１
１４と縦振動用の圧電素子１１５とが、同一の平面内に
並ぶように配置されている。したがって、先に開示した
振動アクチュエータでは、積層される圧電素子の厚みが
減少し、従来の振動アクチュエータより、いっそうの小
型化を図ることが可能であった。

【０００８】しかしながら、先に開示された振動アクチ
ュエータでは、２相の駆動信号をそれぞれ圧電素子１１
４と圧電素子１１５とに印加することにより、相互に所
定の位相差を有する捩り振動と縦振動を弾性体に励振
し、駆動面Ｄ２に楕円運動を発生させる。したがって、
捩り振動用の電極板１１６と縦振動用の電極板１１７と
は相互に絶縁された別部材でなければならず、このため
に振動アクチュエータは、部品点数が多く、構造が複雑
であるという課題があった。

【０００９】また、先に開示した振動アクチュエータで
は、弾性体と圧電素子と、さらには電極板とを接合する
場合に、それぞれの部材間の位置を調整する必要があ
り、このために組立作業が複雑になるという課題点があ
った。さらに、各電極板には、駆動回路からの駆動信号
を伝達するリ−ド線を接合するが、接合カ所は、２つの
捩り振動用の電極板１１６と２つの縦振動用の電極板１
１７との少なくとも計４カ所あり、このために、誤接合
が生じやすいという課題点もあった。

【００１０】そこで、本発明は、この様な課題を解決す
ることにより、部品点数が少なく、簡単な作業で組立可
能であり、リ−ド線の誤り接合が生じにくい振動アクチ
ュエータを提供することを目的とする。

【００１１】

【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に係る発明は、所定の軸に平行な縦振動及
び前記所定の軸を中心とする捩り振動を行う振動子を備
える振動アクチュエータにおいて、前記振動子は、前記
縦振動を励振する第１の縦振動発生源及び第２の縦振動
発生源と、前記捩り振動を励振する第１の捩り振動発生
源及び第２の捩り振動発生源と、駆動信号を入力するた
めに前記第１の縦振動発生源及び前記第１の捩り振動発
生源に共通して用いられる第１の駆動信号入力部と、駆
動信号を入力するために前記第２の縦振動発生源及び前
記第２の捩り振動発生源に共通して用いられる第２の駆
動信号入力部とを有することを特徴とする振動アクチュ
エータである。

【００１２】請求項２に係る発明は、第１の縦振動発生
源及び第２の縦振動発生源により所定の軸に平行な縦振
動を励振され、第１の捩り振動発生源及び第２の捩り振
動発生源により前記所定の軸を中心とする捩り振動を励
振される振動子と、前記第１の縦振動発生源及び前記第
１の捩り振動発生源に第１の駆動信号を入力し、前記第
２の縦振動発生源及び前記第２の捩り振動発生源に前記
第１の駆動信号と所定の位相差を有する第２の駆動信号
を入力する駆動回路とを有することを特徴とする振動ア
クチュエータである。

【００１３】請求項３に係る発明は、請求項１又は請求
項２に記載の振動アクチュエータにおいて、前記縦振動
発生源及び前記捩り振動発生源は圧電素子であることを
特徴とする振動アクチュエータである。請求項４に係る
発明は、請求項３に記載の振動アクチュエータにおい
て、前記圧電素子は、それぞれ異なる方向に分極された
２つの領域を有し、前記縦振動発生源は前記圧電素子の
一方の領域であり、前記捩り振動発生源は前記圧電素子
の他方の領域であることを特徴とする振動アクチュエー
タである。

【００１４】請求項５に係る発明は、請求項３又は請求
項４に記載の振動アクチュエータにおいて、前記第１の
振動発生源及び前記第１の捩り振動発生源は、１つの電
極板より駆動信号を入力され、前記第２の振動発生源及
び前記第２の捩り振動発生源は、前記電極板とは異なる
１つの電極板より駆動信号を入力されることを特徴とす
る振動アクチュエータである。

【００１５】請求項６に係る発明は、請求項１から請求
項５までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記捩り振動発生源及び前記縦振動発生源は、
前記振動子が有する前記所定の軸に略平行な面に力を作
用させることによりそれぞれ前記捩り振動又は前記縦振
動を励振することを特徴とする振動アクチュエータであ
る。

【００１６】請求項７に係る発明は、請求項１から請求
項６までのいずれか１項に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記振動子は、前記所定の軸を中心軸とする円
柱状又は円筒状の部材を前記所定の軸に略平行な分割面
で分割した２つの弾性部材を有し、前記捩り振動発生源
及び前記縦振動発生源は、前記弾性部材の分割面の間に
配置され、前記分割面に力を作用させることによりそれ
ぞれ前記捩り振動又は前記縦振動を励振することを特徴
とする振動アクチュエータである。

【００１７】請求項８に係る発明は、第１の縦振動発生
源及び第２の縦振動発生源により所定の軸に平行な縦振
動を励振され、第１の捩り振動発生源及び第２の捩り振
動発生源により前記所定の軸を中心とする捩り振動を励
振される振動子を備える振動アクチュエータの駆動方法
において、前記第１の縦振動発生源及び前記第１の捩り
振動発生源に第１の駆動信号を入力し、前記第２の縦振
動発生源及び前記第２の捩り振動発生源に前記第１の駆
動信号と所定の位相差を有する第２の駆動信号を入力す
ることを特徴とする振動アクチュエータの駆動方法であ
る。

【００１８】請求項９に係る発明は、第１の捩り振動発
生源及び第２の捩り振動発生源により所定の軸を中心と
する捩り振動を励振される振動子と、前記第１の捩り振
動発生源に第１の駆動信号を入力し、前記第２の捩り振
動発生源に前記第１の駆動信号と所定の位相差を有する
第２の駆動信号を入力する駆動回路とを有することを特
徴とする振動アクチュエータである。請求項１０に係る
発明は、請求項９に記載の振動アクチュエータにおい
て、前記捩り振動発生源は圧電素子であことを特徴とし
ている振動アクチュエータである。

【００１９】請求項１１に係る発明は、請求項９又は請
求項１０に記載の振動アクチュエータにおいて、前記捩
り振動発生源は、前記振動子が有する前記所定の軸に略
平行な面に力を作用させることにより前記捩り振動を励
振することを特徴とする振動アクチュエータである。請
求項１２に係る発明は、第１の捩り振動発生源及び第２
の捩り振動発生源により所定の軸を中心とする捩り振動
を励振される振動子を備える振動アクチュエータの駆動
方法において、前記第１の捩り振動発生源に第１の駆動
信号を入力し、前記第２の捩り振動発生源に前記第１の
駆動信号と所定の位相差を有する第２の駆動信号を入力
することを特徴とする振動アクチュエータである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面等を参照して、本発明
に係る実施形態について、さらに詳しく説明する。な
お、以下の説明は、振動アクチュエータとして、超音波
振動域を利用する超音波アクチュエータを例にとって行
う。（第１実施形態）図１は、本発明に係る振動アクチュエ
ータの第１実施形態を示す断面図である。また、図２
は、図１に示す振動アクチュエータの振動子を示す分解
斜視図である。

【００２１】図１に示すように、本実施形態の振動アク
チュエータ１０は、主に移動子２０、振動子３０から構
成されている。移動子２０は、振動子３０から駆動力を
得て、固定軸１２を回転軸として回転する厚肉の円環状
部材である。移動子２０は、移動子部材２２と、移動子
部材２２の下面に備えられた摺動材２６とから構成され
ている。移動子部材２２は、ステンレス鋼、アルミニウ
ム合金等からなる部材である。また、移動子部材２２
は、外周面に歯車２４を有する。歯車２４は、移動子２
０の回転出力を不図示の被駆動体の歯車に伝達するため
のものである。摺動材２６は、振動子３０の駆動面Ｄと
接触し摺動する部材である。摺動材２６は、摺動特性を
良好とするために、高分子材料等を主成分としている。

【００２２】移動子２０は、ベアリング１８を介して固
定軸１２に取り付けられている。ベアリング１８は、移
動子２０の固定軸回りの回転を可能とするとともに、移
動子２０を固定軸１２の所定の位置に位置決めする位置
決め部材としての役割を果たすものである。

【００２３】固定軸１２は、移動子２０が取り付けられ
ている位置より上側にねじ部１２ａを有し、このねじ部
１２ａには、ナットなどの調整部材１４がねじ止めされ
ている。また、調整部材１４と移動子２０との間には、
皿バネ、スプリングバネ又は板バネ等の加圧部材１６が
配置されている。加圧部材１６は、移動子２０を振動子
３０の方向へ加圧するための部材である。移動子２０
は、この加圧部材１６から加圧力を受け、振動子３０の
駆動面Ｄに加圧接触する。一方、調整部材１４は、ねじ
止めされている位置を変化させることにより、加圧部材
１６を適度に圧縮し、移動子２０へ加わる加圧力を調整
するための部材である。

【００２４】振動子３０は、１次の縦振動と、２次の捩
り振動を行うことにより駆動面Ｄに楕円運動を発生させ
る部材である。振動子３０は、厚肉の円筒状の形状を有
し、その中空部に固定軸１２を通すようにして、固定軸
１２に固定されている。図２に示すように、振動子３０
は、電極板（５７、５８）を圧電素子（５１、５２又は
５３、５４）により挟んだものを、さらに弾性体３２及
び３４とにより挟み込んだ構成をしている。なお、圧電
素子、電極板及び弾性体は、互いに接着剤により接合さ
れる。

【００２５】図１に示すように、弾性体３２及び３４
は、４つの大径部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ及び３０Ｄ
と、３つの小径部３０ａ、３０ｂ及び３０ｃとを有する
厚肉の円筒を縦に２分割した半円柱状の部材であり、鉄
鋼、ステンレス鋼又はリン青銅等の金属材料からなる。
小径部３０ａ及び３０ｃは、２次の捩り振動の節部を含
む位置に、小径部３０ｂは、１次の縦振動の節部を含む
位置に、それぞれ形成されている。このように、振動子
３０を４つの大径部と３つの小径部とを有する形状とす
るのは、振動子３０に励振される縦振動と捩り振動の共
振周波数をほぼ一致させ、振動子３０にいわゆる縮退を
生じさせるためである。

【００２６】振動子３０は、大径部３０Ａ及び３０Ｄの
それぞれに、圧電素子５１〜５４の積層方向と平行な貫
通孔３０Ｅ及び３０Ｆを有する。貫通孔３０Ｅ及び３０
Ｆには、それぞれボルト３６が挿入され、ナット３８に
より固定されている。これにより、弾性体３２及び３４
は、圧電素子５１〜５４を挟み込んだ状態で一体に組ま
れている。

【００２７】また、振動子３０は、小径部３０ａに貫通
孔３０Ｇを有する。貫通孔３０Ｇは、スプリングピン４
０を通すための孔部である。スプリングピン４０は、振
動子３０の貫通孔３０ａと、固定軸１２に設けられてい
る貫通孔１２ｂとを貫通することにより、振動子３０を
固定軸１２に固定し、固定軸１２の主軸方向に振動子３
０を位置決めする部材である。

【００２８】一方、固定軸１２は、外周面の２カ所に溝
部１２ｃ及び１２ｄを有する。溝部１２ｃ及び１２ｄに
は、各々２つずつの位置決め部材４２がはめ込まれる。
位置決め部材４２は、環状の部材をほぼ２分割した形状
の部材であり、溝部１２ｃ等に２個はめ込むことによ
り、固定軸１２の外周を一周する環状部材となる。本実
施形態では、このような径方向位置決め部材を固定軸１
２と振動子３０の間に配置することにより、振動子３０
の径方向の位置決めを行っている。また、固定軸１２の
端部には、溝１２ｅ及び１２ｆが設けられている。溝１
２ｅ、１２ｆは、振動アクチュエータ１０を他の機器等
に備え付けたときに、セットビスをねじ込まれることに
より、固定軸１２の回り止めを行う部位である。

【００２９】前述したように、振動子３０を構成する２
つの弾性体３２及び３４の間には４枚の圧電素子５１〜
５４と２枚の電極板５７、５８とが配置されている。図
２に示されるように、これら圧電素子及び電極板のう
ち、電極板５７は、圧電素子５１及び５２の間に挟まれ
て１つの組をなし、電極板５８は、圧電素子５３及び５
４の間に挟まれて１つの組をなしている。そして、それ
ぞれの組は、振動子３０の中心軸Ａを挟んで対象の位置
に配置されている。

【００３０】圧電素子（５１〜５４）は、弾性体３２、
３４の接合面とほぼ同じ形状をした、１枚の四角形状の
板材である。各圧電素子（５１〜５４）は、図面上側の
領域Ｉと下側の領域Ｊとで分極の方向が異なっている。
領域Ｉは、板厚の方向に電圧を印加すると振動子３０の
中心軸Ａの方向にせん断変形をするように、つまり、圧
電係数ｄ₁₅が大きくなるように分極されている。一方、
領域Ｊは、板厚の方向に電圧を印加すると振動子の中心
軸Ａの方向に伸縮変形をするように、つまり、圧電係数
ｄ₃₁が大きくなるように分極されている。

【００３１】上記２つの領域のうち、領域Ｉは振動子３
０に捩り振動を励振する振動発生源として使用されるも
のであり、領域Ｊは振動子３０に縦振動を励振する振動
発生源として使用されるものである。つまり、本実施形
態では、従来の振動アクチュエータではそれぞれ別個の
部材より構成されていた捩り振動用の振動発生源と、縦
振動用の振動発生源とを１つの圧電素子に一体化してい
る。

【００３２】捩り振動用の振動発生源である領域Ｉは、
振動子３０の小径部３０ａを跨ぐように、すなわち、捩
り振動の節部を跨ぐように配置されている。このような
位置に領域Ｉを配置するのは、弾性体に捩り振動を効率
よく励振するためである。縦振動用の振動発生源である
領域Ｊは、振動子３０の小径部３０ｂを跨ぐように、す
なわち、縦振動の節部を跨ぐように配置されている。こ
れにより、弾性体に縦振動を効率よく励振することが可
能となっている。

【００３３】また、前述したように、圧電素子５１及び
５２の間には１枚の電極板５７が配置されており、この
電極板５７から同時に同一の駆動信号が印加される。ま
た、圧電素子５３及び５４の間には１枚の電極板５８が
配置されており、こちらも、この電極板５８から同時に
同一の駆動信号が印加される。

【００３４】図３は、本実施形態に係る振動子における
圧電素子の配置等と、振動子に励振される振動モードを
示す説明図であり、（ａ）及び（ｂ）がそれぞれ振動子
の上面と側面を示し、（ｃ）が励振される振動モードを
示している。図２において説明したように、４枚の圧電
素子５１から５４は、２つの組みに分けて弾性体３２、
３４の間に配置されている（図３（ａ）参照）。また、
各圧電素子は、電圧を印加するとせん断変形を生じる圧
電定数ｄ₁₅が大きい領域Ｉと、伸縮変形が生じる圧電定
数ｄ₃₁が大きい領域Ｊとから構成されている（図３
（ｂ）中の矢印参照）。

【００３５】圧電素子５１及び５２は、電極板５７に正
の電圧が印加された場合に、上面から見て振動子３０を
反時計回りに捩る力（図３（ａ）の矢印ｍ参照）を発生
させる向きに配置されている。一方、圧電素子５３及び
５４は、電極板５８に正の電圧が印加された場合に、振
動子３０を時計回りに捩る力（図３（ａ）の矢印ｎ参
照）を発生させる向きに配置されている。したがって、
電極板５７に印加する駆動信号（周波電圧）と、電極板
５８に印加する駆動信号とに約（１／２）πの位相差を
持たせると、４つの圧電素子５１〜５４による弾性体３
２、３４を捩る力が合成され、振動子３０に捩れ変形、
さらには捩り振動が発生する。なお、ここで正の電圧と
は、電極板５７、５８に対応した電極となる弾性体３２
又は３４の電位を基準とした電圧をいう。

【００３６】一方、各圧電素子の縦振動を励振する部分
である領域Ｊは、すべて、電極板５７、５８に正の電圧
が印加された場合に、振動子３０の中心軸Ａの方向に延
び変形をするように分極されている。したがって、電極
板５７と５８とに、相互に約（１／２）πの位相差を有
する駆動信号を印加すると、圧電素子５１及び５２の伸
縮変形と、圧電素子５３及び５４の伸縮変形とが合成さ
れ、振動子３０に合成された伸縮変形（縦振動）が発生
する。

【００３７】図４は、本実施形態に係る振動アクチュエ
ータを駆動する駆動回路の概略を示す図である。本実施
形態の駆動回路６０において、速度設定部６２は、移動
子２０の回転速度を設定する部位である。一方、速度検
出部６６は、移動子２０の回転速度を検出する部位であ
る。速度検出部６６は、移動子２０または移動子２０に
より駆動される他の駆動体に装着されたエンコ−ダの出
力を直接読み込む、あるいは、圧電素子５１等の振動を
圧電効果に基づいて検出し、その検出値を速度値に換算
することなどにより速度を検出する。速度指令部６４
は、速度設定部６２で設定された速度値と、速度検出部
６６から検出された速度値とを比較し、それらの値の間
に差がなくなるように発振器６８に指令を出す部位であ
る。

【００３８】発振器６８は、振動アクチュエータの駆動
信号となる周波電圧を出力する回路である。発振器６８
は、速度指令部６４により指定された周波数の駆動信号
を出力する。発振器６８の出力する駆動信号は、増幅器
７２において適当に増幅された後、電極板５７に入力さ
れる。また、発振器６８の出力する駆動信号は、移相器
７０及び増幅器７４を介して電極板５８にも入力され
る。ここで、移相器７０は、入力された駆動信号を（１
／２）πの位相差をもって出力する回路である。また、
増幅器７４は、増幅器７２と同じ機能の回路である。し
たがって、本実施形態の振動アクチュエータでは、電極
板５８に電極板５７と位相が（１／２）π異なる駆動信
号が入力される。

【００３９】図５は、本実施形態に係る振動子に捩り振
動と縦振動が発生する様子を示す説明図である。図５で
は、左側の列から順に、時間、電極板５７に印加される
電圧Ｖ１及び電極板５８に印加される電圧Ｖ２のベクト
ル表示、捩り振動による弾性体の変位、縦振動による弾
性体の変位が示されている。なお、弾性体の変位の表示
において、細線により表示された変位は、それぞれ印加
電圧Ｖ１又はＶ２により発生した変位を、太線により表
示された変位は、細線で表示された変位の合成変位を表
す。また、図中ωは、角周波数（ω＝２πｆ、ｆは駆動
周波数）を表している。

【００４０】図４において説明したように、本実施形態
では、印加電圧Ｖ１とＶ２とが１／２πの位相差を有す
る。このような２つの電圧を印加した場合に、捩り振動
は以下のようにして生じる。

【００４１】まず、ｔ＝０の時点では、印加電圧Ｖ１に
より左側に変位が生じ、また、印加電圧Ｖ２によっても
左側に変位が生じ、その結果、合成された変位は左側に
最大となる。次に、ｔ＝（１／４）×（π／ω）の時点
では、印加電圧Ｖ１により左側に変位が生じるが、印加
電圧Ｖ２は電圧がゼロのために変位が発生せず、合成さ
れた変位はＶ１のみにより生じたものとなる。ｔ＝（２
／４）×（π／ω）の時点では、印加電圧Ｖ１により左
側に変位が生じるが、印加電圧Ｖ２によっては右側に変
位が生じ、合成された変位はゼロとなる。

【００４２】ｔ＝（３／４）×（π／ω）の時点では、
印加電圧Ｖ１はゼロのために変位は発生しないが、印加
電圧Ｖ２により右側に変位が生じ、合成された変位はＶ
２のみにより生じたものと同じになる。ｔ＝（４／４）
×（π／ω）の時点では、印加電圧Ｖ１により右側に変
位が生じ、また、印加電圧Ｖ２によっても右側に変位が
生じ、合成された変位は右側に最大となる。ｔ＝（５／
４）×（π／ω）の時点では、印加電圧Ｖ１により右側
に変位が生じるが、印加電圧Ｖ２はゼロのために変位が
発生せず、合成された変位はＶ１のみにより生じたもの
と同じになる。

【００４３】ｔ＝（６／４）×（π／ω）の時点では、
印加電圧Ｖ１により右側に変位が生じるが、印加電圧Ｖ
２により左側に変位が生じてＶ１による変位を打ち消す
ので、合成された変位はゼロとなる。ｔ＝（７／４）×
（π／ω）の時点では、印加電圧Ｖ１はゼロのために変
位は発生しないが、印加電圧Ｖ２により左側に変位が生
じ、合成された変位はＶ２のみにより生じたものと同じ
になる。ｔ＝（８／４）×（π／ω）の時点では、再び
ｔ＝０と同じ状態に戻る。

【００４４】次に、縦振動の発生について説明する。ｔ
＝０の時点では、印加電圧Ｖ１により上側に変位が生じ
るが、印加電圧Ｖ２により下側に変位が生じ、合成され
た変位はゼロとなる。ｔ＝（１／４）×（π／ω）の時
点では、印加電圧Ｖ１により上側に変位が生じるが、印
加電圧Ｖ２はゼロのために変位が発生せず、合成された
変位はＶ１のみにより生じたものと同じになる。ｔ＝
（２／４）×（π／ω）の時点では、印加電圧Ｖ１によ
り上側に変位が生じ、また、印加電圧Ｖ２により上側に
変位が生じ、合成された変位は上側に最大となる。

【００４５】ｔ＝（３／４）×（π／ω）の時点では、
印加電圧Ｖ１はゼロのために変位は発生しないが、印加
電圧Ｖ２により上側に変位が生じ、合成された変位はに
Ｖ２のみにより生じたものと同じになる。ｔ＝（４／
４）×（π／ω）の時点では、印加電圧Ｖ１により下側
に変位が生じるが、印加電圧Ｖ２により上側に変位が生
じて印加電圧Ｖ１による変位を打ち消すので、合成され
た変位はゼロとなる。ｔ＝（５／４）×（π／ω）の時
点では、印加電圧Ｖ１により下側に変位が生じるが、印
加電圧Ｖ２はゼロのために変位は発生せず、合成された
変位はＶ１のみにより生じたものと同じになる。

【００４６】ｔ＝（６／４）×（π／ω）の時点では、
印加電圧Ｖ１により下側に変位が生じ、また、印加電圧
Ｖ２により下側に変位が生じ、合成された変位は下側に
最大となる。ｔ＝（７／４）×（π／ω）の時点では、
印加電圧Ｖ１はゼロのために変位は発生しないが、印加
電圧Ｖ２により下側に変位が生じ、合成された変位はＶ
２により生じたものと同じになる。ｔ＝（８／４）×
（π／ω）の時点では、再びｔ＝０と同じ状態に戻る。

【００４７】次に、図５で説明した捩り振動及び縦振動
が振動子３０に励振されることにより、振動子３０の駆
動面Ｄに楕円運動が発生することを説明する。図６は、
振動子の駆動面に楕円運動が生じることを示す説明図で
ある。図６では、左側の列から順に、時間、駆動面Ｄに
現れる捩り振動の変位、縦振動の変位、捩り振動と縦振
動の合成変位、振動子の動きを示す模式図が示されてい
る。

【００４８】ｔ＝０の時点では、ねじり運動の変位は、
左側に最大であり、縦振動の変位はゼロである。この状
態では、移動子２０は、加圧部材１６によって振動子３
０の駆動面Ｄに接触している。この状態から、ｔ＝０〜
（４／４）×（π／ω）までは、捩り振動は、左側の最
大から右側の最大まで変位し、縦振動は、ゼロから上側
の最大に変位し、再びゼロに戻る。従って、振動子３０
の駆動面Ｄは、移動子２０を押しながら、右方向に回転
し、移動子２０は駆動される。次に、ｔ＝（４／４）×
（π／ω）〜（８／４）×（π／ω）までは、捩り振動
は、右側の最大から左側の最大まで変位し、縦振動は、
ゼロから下側の最大に変位し再びゼロに戻る。ここで、
振動子３０の振動数は、加圧部材１６の固有振動数より
も低く設定されていれば、移動子２０は、加圧部材１６
により加圧されていても、振動子３０の縮みに追従しな
い。したがって、振動子３０の駆動面Ｄは移動子２０か
ら離れながら左方向に回転し、移動子２０は駆動されな
い。

【００４９】このように、本実施形態では、捩り振動と
縦振動とが約（１／２）πの位相差を持って振動してい
るために、駆動面Ｄに楕円運動が生じる。また、駆動面
Ｄの楕円運動の一部のみがは移動子２０に伝達されるの
で、移動子２０は、一定の方向に回転運動を行う。な
お、発振器６８から出力する駆動信号の周波数を、振動
子３０の縦１次振動モ−ドの固有振動数及び捩り２次振
動モ−ドの固有振動数に近い値にすると、縦振動振幅及
び捩り振動振幅の双方が大きくなり、駆動面Ｄに大きな
楕円運動が得られる。

【００５０】以上説明したように、本実施形態では、圧
電素子５１〜５４を分極方向が異なる２つの領域Ｉ及び
Ｊから構成し、一方の領域Ｉにおいて生じるせん断変形
を利用して捩り振動を、他方の領域Ｊにおいて生じる伸
縮変形を利用して縦振動を振動子３０に励振することと
している。また、圧電素子５１〜５４は、圧電素子５１
及び５２に印加された電圧と、圧電素子５３及び５４に
印加された電圧とが逆電位であるときに、それぞれの圧
電素子から振動子３０に同一方向へ捩ろうとする力が作
用するように、その向きを定めて配置されている。この
結果、本実施形態では、圧電素子５１及び５２と圧電素
子５３及び５４とに、それぞれ一枚の電極板５７又は電
極板５８により電圧を印加する構成とし、電極板５７と
電極板５８に（１／２）πの位相差を有する駆動信号を
入力することにより、振動子３０に縦振動と捩り振動と
を同時に励振することが可能となっている。

【００５１】上記のような構成と、駆動信号の入力方法
を採用したことにより、本実施形態では、圧電素子及び
圧電素子に電圧を印加するための電極板の個数が減少
し、振動アクチュエータのコストダウンが図りやすくな
っている。また、部品点数の減少により、弾性体に圧電
体と電極板とを接合する際の電極板の位置調整等の作業
が簡素になり、組立効率が向上している。さらに、電極
板の個数の減少は、リ−ド線の接合箇所の減少をも意味
し、この結果、振動アクチュエータ製造時の誤接合の問
題が解消されると共に、接合作業自体も簡素化されるこ
ととなった。

【００５２】一方、縦振動用圧電素子に電圧を印加する
ための電極板と捩り振動用の圧電素子に電圧を印加する
ための電極板とを別部材としていた従来の振動アクチュ
エータでは、双方の電極板の間に絶縁確保のためのサブ
ミリメートル程度の間隙を設ける必要があり、これが振
動子のＱ値低下の原因になっていた。これに対し、本実
施形態では、縦振動用の電極板と捩り振動用の電極板と
が一体化されたことから、上記間隙の存在によるＱ値低
下の問題は解消され、振動アクチュエータの駆動効率が
従来より向上することとなった。

【００５３】（第２実施形態）次に、本発明に係る第２
実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第
１実施形態に係る振動アクチュエータと同様な機能を果
たす部分に同一符号を付し、重複する説明を適宜省略す
る。図７は、本実施形態の振動アクチュエータで用いる
振動子を示す分解斜視図である。また、図８は、本実施
形態の振動子における圧電素子の配置等と、振動子に励
振される振動モードを示す説明図であり、（ａ）及び
（ｂ）がそれぞれ振動子の上面と側面を示し、（ｃ）が
励振される振動モードを示している。

【００５４】本実施形態に係る振動子８０は、主に以下
の２点において第１実施形態に係る振動子３０と異な
り、その他の構成に関しては実施的に同一である。振動
子８０が振動子３０と異なる第１の点は、圧電素子の構
成である。すなわち、第１実施形態の振動子３０では、
捩り振動用の圧電素子と縦振動用の圧電素子を１枚の板
状の素子に一体化されているのに対し、本実施形態の振
動子８０では、捩り振動用の圧電素子（８１、８２、８
３、８４）と縦振動用の圧電素子（８５、８６、８７、
８８）とを、別個の２部材としている。

【００５５】ここで、縦振動用の圧電素子８５等は、第
１実施形態の圧電素子５１等の領域Ｊに相当するもので
あり、圧電係数ｄ₃₁が大きくなるように分極され、板厚
方向に電圧を印加されると振動子の中心軸方向に伸縮変
形をする素子である。この縦振動用圧電素子８５等は、
縦振動の節部のある位置を跨ぐように、振動子８０に配
置されている。

【００５６】一方、捩り振動用の圧電素子８１等は、第
１実施形態の圧電素子５１等の領域Ｉに相当するもので
あり、圧電係数ｄ₁₅が大きくなるように分極され、板厚
方向に電圧を印加されると振動子の中心軸方向にせん断
変形をする素子である。図２に示されるように、捩り振
動用の圧電素子８１等は、捩り振動の節部を跨ぐよう
に、振動子８０に配置されている。しかも、圧電素子８
１等は、圧電素子８１及び８２と、圧電素子８３及び８
４とに、相互に位相が（１／２）π異なる周波電圧を入
力した場合に、２次の捩り振動が振動子８０に励振され
るように配置されている。この点で圧電素子８１等は、
第１実施形態の圧電素子５１等の領域Ｉの配置と共通し
ている。

【００５７】上記のように圧電素子を配置した結果、本
実施形態でも、一枚の電極板（５７又は５８）を、縦振
動用の圧電素子（８５及び８６、又は８７及び８８）
と、捩り振動用の圧電素子（８１及び８２、又は８３及
び８４）とに電圧を印加する共通の電極板として用いる
ことが可能となっている。したがって、本実施形態の振
動アクチュエータは、第１実施形態の振動アクチュエー
タと同様の効果を奏する。すなわち、縦振動用の電極板
と捩り振動用の電極板を一体化したことから、従来の課
題点であった部品点数の多さが解消される。また、弾性
体、圧電素子及び電極板を接合する際に、電極板の位置
調整が簡単となる。さらに、リ−ド線の接合箇所は従来
よりも少なくなり、誤接合の可能性が低減される共に、
接合作業が簡素化される。さらにまた、本実施形態で
は、縦振動用の電極板と捩り振動用の電極板とを別部材
にした場合のように双方の電極板の間にサブミリメート
ルの間隙を設ける必要がなく、かかる間隙の存在のため
にＱ値が低下することがなくなり、振動アクチュエータ
の駆動効率が向上している。

【００５８】本実施形態の振動子８０が第１実施形態の
振動子３０と異なる第２の点は、電極板５７、５８と同
一平面であって、圧電素子８１等の間に挟まれる位置に
電極板９４、９５、９６、９７を配置している点であ
る。これらの電極板は、圧電素子８１等が振動した結
果、圧電効果に基づき生じる電圧を検出とするためのも
のである。つまり、圧電素子８１等に発生する電圧は、
電極板９４等を介して外部にあるモニターに伝達され、
外部のモニターでは、その電圧の変化から、圧電素子８
１等の振動の様子が把握されるのである。

【００５９】本実施形態では、圧電素子８５及び８６の
縦振動を検出するために、それらの間に電極板９６を、
また、不図示の圧電素子８７及び８８の縦振動を検出す
るために、それらの間に電極板９７（不図示）を配置し
ている。さらに、圧電素子８１及び８２の捩り振動を検
出するために、それらの間に電極板９４を、また、圧電
素子８３及び８４の捩り振動を検出するために、それら
の間に電極板９５を配置している。ここで、電極板９４
及び９５からの出力は、捩り振動の振幅を表し、これを
検出することで移動子２０の回転速度を推定することが
可能となる。

【００６０】（その他の実施形態）なお、本発明は、上
記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態
は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された
技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効
果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技
術的範囲に包含される。

【００６１】例えば、上記実施形態では、弾性体に１次
の縦振動と２次の捩り振動とを励振する場合について説
明したが、これは、縦振動、捩り振動のいずれについて
も、任意の次数のものを励振することであってもよい。
また、上記実施形態では、圧電定数ｄ₃₁が大きい圧電素
子を用いて弾性体を励振する場合について説明したが、
これは、本発明において使用可能な振動発生源の種類を
何ら制限する意味のものではない。振動発生源は、圧電
素子のみならず電歪素子等、電気エネルギーを機械的変
位に変換する他の素子であってもよい。また、熱エネル
ギーを機械的変位に変換する素子、又は磁気エネルギー
を機械的変位に変換する素子（磁歪素子等）であっても
よい。

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
れば、新規な構造を有し、新規な駆動方法により駆動さ
れる振動アクチュエータが提供され、振動アクチュエー
タの分野における技術の豊富化、設計自由度の増大がも
たらされる。また、特に請求項３に係る発明によれば、
振動発生源が圧電素子であるので、小型で高トルクの振
動モータを提供することが可能である。さらに請求項４
に係る発明によれば、使用する圧電素子の個数を低減す
ることが可能であり、これにより、部品点数が少なく、
組立が容易な振動アクチュエータが提供される。さらに
また、請求項５に係る発明によれば、圧電素子に駆動信
号を入力する電極板の個数を低減することが可能であ
り、さらに、部品点数が少なく、組立が容易な振動アク
チュエータを提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る振動アクチュエータの第１実施形
態を示す断面図である。

【図２】第１実施形態に係る振動子を示す分解斜視図で
ある。

【図３】第１実施形態に係る振動子における圧電素子の
配置等と、振動子に励振される振動モードを示す説明図
である。

【図４】第１実施形態に係る振動アクチュエータを駆動
する駆動回路の概略を示す図である。

【図５】第１実施形態に係る振動子に捩り振動と縦振動
が発生する様子を示す説明図である。

【図６】振動子の駆動面に楕円運動が生じることを示す
説明図である。

【図７】第２実施形態に係る振動子を示す分解斜視図で
ある。

【図８】第２実施形態に係る振動子における圧電素子の
配置等と、振動子に励振される振動モードを示す説明図
である。

【図９】特開平８−１４０３７７号に開示された振動ア
クチュエータを示す断面図である。

【図１０】固定子１０１を示す斜面図である。

【図１１】固定子１０１の断面図である。

【図１２】特願平７−２３９６０３号に開示した振動ア
クチュエータの振動子を示す分解斜視図である。

【符号の説明】

１０振動アクチュエータ１２固定軸１４調整部材１６加圧部材１８ベアリング２０移動子３０振動子３２弾性体５１、５２、５３、５４圧電素子５７、５８電極板６２速度設定部６４速度司令部６６速度検出部６８発振器７０移相器７２、７４増幅器８０移動子８１、８２、８３、８４捩り振動用の圧電素子８５、８６、８７、８８縦振動用の圧電素子９４、９５、９６、９７電極板Ｄ駆動面Ｉ伸縮変形が生じるように分極されている圧電素子の
領域Ｊ厚み伸縮変形が生じるように分極されている圧電素
子の領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の軸に平行な縦振動及び前記所定の
軸を中心とする捩り振動を行う振動子を備える振動アク
チュエータにおいて、前記振動子は、前記縦振動を励振する第１の縦振動発生源及び第２の縦
振動発生源と、前記捩り振動を励振する第１の捩り振動発生源及び第２
の捩り振動発生源と、駆動信号を入力するために前記第１の縦振動発生源及び
前記第１の捩り振動発生源に共通して用いられる第１の
駆動信号入力部と、駆動信号を入力するために前記第２の縦振動発生源及び
前記第２の捩り振動発生源に共通して用いられる第２の
駆動信号入力部とを有することを特徴とする振動アクチ
ュエータ。
【請求項２】第１の縦振動発生源及び第２の縦振動発
生源により所定の軸に平行な縦振動を励振され、第１の
捩り振動発生源及び第２の捩り振動発生源により前記所
定の軸を中心とする捩り振動を励振される振動子と、前記第１の縦振動発生源及び前記第１の捩り振動発生源
に第１の駆動信号を入力し、前記第２の縦振動発生源及
び前記第２の捩り振動発生源に前記第１の駆動信号と所
定の位相差を有する第２の駆動信号を入力する駆動回路
とを有す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に記載の振動アク
チュエータにおいて、前記縦振動発生源及び前記捩り振動発生源は、圧電素子
であ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に記載の振動アクチュエータに
おいて、前記圧電素子は、それぞれ異なる方向に分極された２つ
の領域を有し、前記縦振動発生源は、前記圧電素子の一方の領域であ
り、前記捩り振動発生源は、前記圧電素子の他方の領域であ
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又は請求項４に記載の振動アク
チュエータにおいて、前記第１の振動発生源及び前記第１の捩り振動発生源
は、１つの電極板より駆動信号を入力され、前記第２の振動発生源及び前記第２の捩り振動発生源
は、前記電極板とは異なる１つの電極板より駆動信号を
入力され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
項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記捩り振動発生源及び前記縦振動発生源は、前記振動
子が有する前記所定の軸に略平行な面に力を作用させる
ことによりそれぞれ前記捩り振動又は前記縦振動を励振
することを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項７】請求項１から請求項６までのいずれか１
項に記載の振動アクチュエータにおいて、前記振動子は、前記所定の軸を中心軸とする円柱状又は
円筒状の部材を前記所定の軸に略平行な分割面で分割し
た２つの弾性部材を有し、前記捩り振動発生源及び前記縦振動発生源は、前記弾性
部材の分割面の間に配置され、前記分割面に力を作用さ
せることによりそれぞれ前記捩り振動又は前記縦振動を
励振することを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項８】第１の縦振動発生源及び第２の縦振動発
生源により所定の軸に平行な縦振動を励振され、第１の
捩り振動発生源及び第２の捩り振動発生源により前記所
定の軸を中心とする捩り振動を励振される振動子を備え
る振動アクチュエータの駆動方法において、前記第１の縦振動発生源及び前記第１の捩り振動発生源
に第１の駆動信号を入力し、前記第２の縦振動発生源及び前記第２の捩り振動発生源
に前記第１の駆動信号と所定の位相差を有する第２の駆
動信号を入力することを特徴とする振動アクチュエータ
の駆動方法。
【請求項９】第１の捩り振動発生源及び第２の捩り振
動発生源により所定の軸を中心とする捩り振動を励振さ
れる振動子と、前記第１の捩り振動発生源に第１の駆動信号を入力し、
前記第２の捩り振動発生源に前記第１の駆動信号と所定
の位相差を有する第２の駆動信号を入力する駆動回路と
を有することを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１０】請求項９に記載の振動アクチュエータ
において、前記捩り振動発生源は、圧電素子であることを特徴とす
る振動アクチュエータ。
【請求項１１】請求項９又は請求項１０に記載の振動
アクチュエータにおいて、前記捩り振動発生源は、前記振動子が有する前記所定の
軸に略平行な面に力を作用させることにより前記捩り振
動を励振することを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項１２】第１の捩り振動発生源及び第２の捩り
振動発生源により所定の軸を中心とする捩り振動を励振
される振動子を備える振動アクチュエータの駆動方法に
おいて、前記第１の捩り振動発生源に第１の駆動信号を入力し、前記第２の捩り振動発生源に前記第１の駆動信号と所定
の位相差を有する第２の駆動信号を入力することを特徴
とする振動アクチュエータ。