JPH1094276A

JPH1094276A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH1094276A
Application number: JP8245949A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Ashizawa; 隆利芦沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】特願平６−１８０２７９号等により提案した
振動アクチュエータにおいて、円柱状の弾性体の側面に
ボルト係合用の平面部を形成すると、駆動面も小径化し
て、振動アクチュエータの起動トルクが低下してしま
う。【解決手段】摺動部分１８と一般部分１９とを備え、
振動を発生する振動子１１と，摺動部分１８の端面Ｄを
介して振動子１１に加圧接触する相対運動部材２５とを
備える超音波アクチュエータ１０であって、摺動部分１
８の端面Ｄの面積に基づいて算出される摺動部分等価半
径が、一般部分１９の断面積に基づいて算出される一般
部分等価半径よりも大きいとともに、相対運動部材２５
の等価半径が、一般部分１９の断面積に基づいて算出さ
れる等価半径よりも大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動を発生する振
動子と、この振動子に加圧接触する相対運動部材とを備
える振動アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の縦−捩じり振動型の振動
アクチュエータの従来例の構造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の固定
子（ステータ）１０１では、２つの円柱型の振動子１０
２，１０３の間に捩じり振動用圧電素子１０４が配置さ
れる。また、振動子１０３の上側に縦振動用圧電素子１
０５が配置される。捩じり振動用圧電素子１０４は周方
向に分極される。一方、縦振動用圧電素子１０５は厚さ
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、固定軸（シャフ
ト）１０７に形成されたねじ部にねじ止めされて固定さ
れる。移動子１０６は、その中心部に装着されたボール
ベアリング１０８を介して固定軸１０７に回転可能に設
けられる。固定軸１０７の先端部近傍には、ばね１０９
が配置される。このばね１０９を介して、固定軸１０７
にはナット１１０がネジ止めされ、移動子１０６を固定
子１０１の端面に所定の加圧力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、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してい
る。

【０００７】図８は、この従来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。捩じり振
動用圧電素子１０４は、円周方向に複数に分極する必要
がある。そこで、圧電材料を図８に示すように、６〜８
個程度の扇形の小片に一旦分割し、各小片を円周方向に
分極した後に再度環状に組み合わせていた。なお、図８
における符号１０４ａは、捩じり振動用圧電素子１０４
に駆動電圧を印加するための電極である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の振
動アクチュエータでは、捩じり振動用圧電素子１０４を
環状に組み合わせる時に、目標の形状精度を出すことが
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、固定軸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も
あった。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
なり、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、先に、高トルク及び高回転で駆動することがで
き、しかも、構造及び製造がともに容易な異形モード縮
退型の振動アクチュエータを提案した。

【００１１】例えば、特願平６−１８０２７９号によ
り、一次の縦振動と一次の捩じり振動とを発生する異形
モード縮退型の振動子を用いた振動アクチュエータを、
特願平７−２３９６０３号により、一次の縦振動と二次
の捩じり振動とを発生する異形モード縮退型の振動子を
用いた振動アクチュエータを、提案した。

【００１２】図９は、この異形モード縮退型の振動子１
を用いた振動アクチュエータの構成要素である弾性体２
と，この弾性体２に接合される圧電体３との配置を示す
説明図であり、図９（ａ）は振動子１の上面図，図９
（ｂ）は発生する２種の振動モードを併せて示す振動子
１の側面図である。また、図１０は、この異形モード縮
退型の振動子１を用いた振動アクチュエータを構成する
弾性体２と，この弾性体２に接合される圧電体３との配
置を示す分解斜視図である。なお、図９及び図１０にお
いては、振動子１の端面に加圧接触して振動子１との間
で相対運動を行う移動子は図示しない。

【００１３】両図に示すように、弾性体２は、金属材料
又はプラスチック材料等の弾性材料からなる円柱体を中
心軸を含む平面で縦に２つに分割することにより得られ
る半弾性体２ａ，２ｂを、再度円柱状に組み合わせるこ
とにより、構成される。

【００１４】弾性体２の断面矩形の２つの分割面には、
電気エネルギーを機械的変位に変換する電気機械変換素
子である圧電体３と、圧電体３への電気エネルギーの入
力を行うための電極板４とが挟み込まれた状態で保持さ
れる。

【００１５】圧電体３は、弾性体の中心軸方向（図面中
の上下方向）について配設された２種の圧電体３ａ，３
ｂからなる。圧電体３ａは圧電定数ｄ₁₅を用いる圧電体
により構成される。一方、圧電体３ｂは圧電定数ｄ₃₁を
用いる圧電体により構成される。圧電体３ａ，３ｂは、
それぞれ、２層が向き合った状態で配置される。

【００１６】各圧電体３ａ，３ｂの間には、各圧電体３
ａ，３ｂへの電気エネルギーの入力（駆動電圧の印加）
を行う電極板４ａ，４ｂが配置される。圧電体３ａは、
弾性体２の中心軸方向に対して剪断変位を発生する。こ
れにより、圧電体３ａに駆動電圧を印加すると、弾性体
２には捩じり変位が発生する。一方、圧電体３ｂに駆動
電圧を印加すると、弾性体２には縦変位が発生する。し
たがって、捩じり振動用圧電体３ａに正弦波電圧を入力
することにより振動子１には捩じり振動（図示例では節
数が２である２次の捩じり振動）が発生し、縦振動用圧
電体３ｂに正弦波電圧を入力することにより振動子１に
は縦振動（図示例では節数が１である１次の縦振動）が
発生する。

【００１７】振動子１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が略一致すると、弾性体２には縦
振動及び捩じり振動が同時に生じる（以下、このような
状態を「縮退」という。）。弾性体２の駆動面Ｄには縦
振動及び捩じり振動それぞれの合成である楕円運動が発
生し、これにより振動子１には駆動力が発生する。

【００１８】なお、図９，図１０において、符号３ａ’
は、発生する捩じり変位に応じて電気信号を出力する機
械電気変換素子である捩じり振動検出用圧電体である。
また、符号３ｂ’は、発生する縦変位に応じて電気信号
を出力する機械電気変換素子である縦振動検出用圧電体
である。また、各圧電体３ａ’，３ｂ’の間には、各圧
電体３ａ’，３ｂ’からの電気エネルギーの出力を行う
電極板４ａ’，４ｂ’が配置される。

【００１９】ところで、図９，図１０に示す振動アクチ
ュエータでは、半弾性体２ａ，２ｂと圧電体３ａ，３ｂ
とは接着により接合される。しかし、接着だけによるの
では半弾性体２ａ，２ｂと圧電体３ａ，３ｂとの間の接
合強度が不足するおそれがある。そのため、半弾性体２
ａ，２ｂと圧電体３ａ，３ｂとに圧電体積層方向と平行
な方向への貫通孔を設け、これらの貫通孔にボルトを貫
通させてナットをネジ止めすることにより、接着だけに
よるのではなく半弾性体２ａ，２ｂと圧電体３ａ，３ｂ
とを締結していた。

【００２０】しかし、弾性体２の曲面状の側面では、こ
の側面とボルト，ナットとの接触面積が充分に確保され
ず、必要な締め付けトルクを確保することができない場
合があった。そのため、図１０に示すように、弾性体２
の外周面の固定子軸方向の全長に、弾性体分割面と略平
行に２つの平面部６ａ，６ｂを、例えばフライス加工等
により、形成していた。

【００２１】ところで、図１０に示すように、弾性体外
周面にフライス加工を行って平面部６ａ，６ｂを形成す
ると、弾性体２の駆動面Ｄの外形が円弧部分と直線部分
とを組み合わせた形状となる。そのため、駆動面Ｄを介
して振動子１に加圧された状態で接触する相対運動部材
（移動子）の形状を、この外形に包含される円形としな
ければならなった。そのため、弾性体外周面に平面部６
ａ，６ｂを形成すると、移動子の摺動半径を、平面部６
ａ，６ｂを形成しない場合よりも小さくせざるを得なか
った。

【００２２】ここで、図９及び図１０に示す振動アクチ
ュエータでは、得られる起動トルクは、弾性体２の駆動
面Ｄに接触する相対運動部材の半径に関係し、具体的に
は、下記式により近似される。

【００２３】起動トルク＝加圧力×動摩擦係数×等価摺動半径・・・・・・・ここで、等価摺動半径とは、駆動面Ｄと同一の面積を有
する中空円柱型の弾性体の半径をいう。

【００２４】式からも分かるように、弾性体の摺動半
径（又は等価摺動半径）が小さくなると起動トルクも小
さくなってしまう。したがって、図１０に示すように、
弾性体外周面にフライス加工を行って平面部６ａ，６ｂ
を形成することにより駆動面Ｄにおける等価摺動半径が
小さくなると、振動アクチュエータの起動トルクが小さ
くなってしまうという課題があった。

【００２５】また、得られる起動トルクを小さくするこ
となく振動子１の接合強度を確保するには、振動子１の
外径を大きくするとともに、弾性体外周面に平面部６
ａ，６ｂを形成してボルト及びナットを用いて締結すれ
ばよい。しかし、振動子１自体が大型化してしまい振動
アクチュエータの大きな特徴である小型性が阻害される
とともに、弾性体２の体積が増加する分だけ入力する電
力量も増加して駆動効率が低下してしまうという課題も
あった。

【００２６】なお、振動アクチュエータの大型化を防止
しながら起動トルクの増大を図る手段としては、移動子
の振動子接触面に貼付する摺動材の材質を最適化するこ
とも考えられる。確かに、所望の摺動抵抗を得ることが
できる摺動材を用いれば、起動トルクの増大を図ること
が可能である。しかし、実際にはこのような最適な摺動
材を見出すことは容易ではなく、起動トルクの上昇に伴
って摺動材の摩耗が促進されて振動アクチュエータの耐
久性が低下するおそれがある。また、摺動抵抗が上昇す
ることによる振動アクチュエータの駆動効率の低下も懸
念される。

【００２７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題に
鑑みてなされたものであり、振動子，移動子それぞれの
摺動部分だけを大きくすることにより、振動アクチュエ
ータの大型化を防止しながら、起動トルクの増大を図る
ものである。

【００２８】請求項１の発明は、摺動部分と一般部分と
を備え、振動を発生する振動子と，摺動部分の端面を介
して振動子に加圧接触する相対運動部材とを備える振動
アクチュエータであって、摺動部分の端面の面積に基づ
いて算出される摺動部分等価半径が、一般部分の断面積
に基づいて算出される一般部分等価半径よりも大きいと
ともに、相対運動部材の振動子との接触面の面積に基づ
いて算出される等価半径が、一般部分等価半径よりも大
きいことを特徴とする。

【００２９】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、弾性体と，弾
性体に装着されて弾性体に第１振動を励振する第１振動
用電気機械変換素子と，弾性体に第２振動を励振する第
２振動用電気機械変換素子とを備えることを特徴とす
る。

【００３０】請求項３の発明は、請求項２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次以上の捩
じり振動であるとともに、第２振動が１次以上の縦振動
であることを特徴とする。

【００３１】請求項４の発明は、請求項３に記載された
振動アクチュエータにおいて、捩じり振動が、弾性体の
中心軸に略一致する回転軸に関して変位が発生する捩じ
り振動であり、縦振動が、中心軸に略一致する回転軸に
関して変位が発生する縦振動であるとともに、弾性体
が、摺動部分の端面に、捩じり振動及び縦振動の合成振
動を発生して、相対運動部材との間で相対運動を発生す
ることを特徴とする。

【００３２】請求項５の発明は、請求項１から請求項４
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、弾性体が、複数の部分から円柱状に構成される
とともに、側面における互いに平行な位置に少なくとも
二つの平面部が形成されることを特徴とする。

【００３３】請求項１に記載された本発明にかかる振動
アクチュエータにおいて、「摺動部分等価半径」とは、
振動子の相対運動部材との接触部分である端面が円形で
ある場合、この端面の面積と同一の面積を有する円形の
半径を意味する。さらに、この端面が中空の環状である
場合には、前記の円形とは中空円形（環状）を意味す
る。

【００３４】したがって、摺動部分の端面が円形である
場合には、摺動部分の面積をＳ₀とすると摺動部分等価
半径ｒ₀＝（Ｓ₀／π）^1/2となり、摺動部分が中空円
形である場合には、中空部分の面積をＳ₁とすると摺動
部分等価半径ｒ₀＝（（Ｓ₀＋Ｓ₁）／π）^1/2とな
る。このような等価半径の算出法は、振動子の「一般部
分等価半径」や、相対運動部材の「等価半径」について
も全く同様である。

【００３５】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明にかかる振動アクチュエ
ータを実施形態を参照しながら詳細に説明する。なお、
以降の各実施形態の説明は、振動アクチュエータとして
超音波の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。

【００３６】図１は、第１実施形態の超音波アクチュエ
ータ１０の構成を示す縦断面図であり、図２は、この超
音波アクチュエータ１０に用いる振動子１１を分解した
状態で示す斜視図である。

【００３７】振動子１１は、駆動信号により励振される
電気機械変換素子である圧電体１５と、圧電体１５が接
合されてその励振により１次の縦振動と２次の捩じり振
動とを発生することにより、駆動面Ｄに駆動力が発生す
る弾性体１２とから構成される。

【００３８】弾性体１２は、鉄鋼，ステンレス鋼又はリ
ン青銅等の金属材料からなる。弾性体１２は、中空厚肉
の円筒体を縦面で２つに分割することにより得られる半
弾性体１２ａ，１２ｂを、円筒状に組み合わせることに
より、構成される。

【００３９】半弾性体１２ａ，１２ｂの外周面には、溝
部が形成されることにより、３つの小径部１４ａ，１４
ｂ，１４ｃが形成される。小径部１４ａ，１４ｃは、弾
性体１２に発生する捩じり振動の２つの節位置を跨ぐ位
置に形成され、小径部１４ｂは、弾性体１２に発生する
縦振動の節位置を跨ぐ位置に形成される。これらの小径
部１４ａ〜１４ｃに区切られることによって、４つの大
径部１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ及び１４Ｄが形成される。

【００４０】弾性体１２に、３つの小径部１４ａ〜１４
ｃと４つの大径部１４Ａ〜１４Ｄとを形成したのは、弾
性体１２に発生させる１次の縦振動，２次の捩じり振動
それぞれの共振周波数を略一致させることにより、振動
子１１の駆動面Ｄに縦振動及び捩じり振動の合成である
楕円運動を発生させるためである。

【００４１】図２に示すように、弾性体１２の二つの分
割面には、それぞれ、２層の圧電体１５と電極１６とが
挟み込まれた状態で保持される。圧電体１５，電極板１
６の配置については、後述する図３を参照しながら、詳
述する。

【００４２】弾性体１２の外周面であって弾性体分割面
と略平行な二ヵ所に、平面部１７ａ，１７ｂが形成され
る。これらの平面部１７ａ，１７ｂは、上端面である駆
動面Ｄを含む摺動部分１８までは形成されておらず、弾
性体１２のうちで摺動部分を除く一般部分１９の範囲内
に形成される。これにより、摺動部分１８の駆動面Ｄ−
１の外径は、大径部１４Ａ〜１４Ｄよりも大きく構成さ
れる。

【００４３】そのため、前述の式における等価摺動半
径が第１実施形態の超音波アクチュエータ１０よりも増
大し、式によって算出される起動トルクが大きくな
る。これにより、超音波アクチュエータ１０の駆動性能
（駆動効率）を向上させることが可能となる。なお、平
面部１７ａ，１７ｂは、本実施形態ではフライス削りを
行うことにより形成される。

【００４４】平面部１７ａ，１７ｂには、圧電体１５の
積層方向と平行な方向へ向けて貫通孔２０ａ，２０ｂが
形成される。この弾性体１２ａ，１２ｂと圧電体１５，
電極１６とは、この貫通孔２０ａ，２０ｂにボルト２１
ａ，２１ｂを貫通させてナット２２ａ，２２ｂをネジ止
めすることにより、締結される。また、弾性体１２ａ，
１２ｂそれぞれの内周面における略中央部には、半円環
状にフランジ部２３ａ，２３ｂが形成される。

【００４５】半弾性体１２ａ，１２ｂを、ボルト２１
ａ，２１ｂ及びナット２２ａ，２２ｂにより締結するこ
とにより得られる弾性体１２は、このフランジ部２３
ａ，２３ｂを、互いにねじ部によりねじ止めされる上固
定軸２４ａ及び下固定軸２４ｂによって挟まれることに
よって、固定軸２４に固定・保持される。

【００４６】移動子２５は、ステンレス鋼又はアルミニ
ウム合金等からなる移動子母材２５ａと、移動子母材２
５ａの振動子１１側に円環状に形成された端面に貼付さ
れて振動子１１の駆動面Ｄに接触する高分子材等を主成
分とした円環状の摺動材２５ｂとから構成される。

【００４７】移動子母材２５ａの反振動子側の端面内縁
部には、環状に溝部２５ｃが形成される。この溝部２５
ｃには、位置決め部材であるボールベアリング２６が嵌
め合わされて装着される。また、ボールベアリング２６
は上固定軸２４ａに支持される。これにより、移動子２
５はその半径方向について位置決めされる。

【００４８】移動子母材２５ａの外周面上端側には、出
力取出用の歯車２７が環状に形成される。歯車２７は、
図示しない被駆動体の歯車と噛み合っており、これによ
り、移動子母材２５ａの回転が被駆動体へ回転運動とし
て伝達される。

【００４９】また、移動子２５は、上固定軸２４ａに支
持される加圧部材である皿バネ２８（スプリングバネや
板バネ等であってもよい。）により、振動子１１の駆動
面Ｄに加圧接触される。

【００５０】上固定軸２４ａの上端部側にはねじ部２４
ｃが形成されており、このねじ部２４ｃに皿バネ２８の
加圧力を調整するための加圧力調整部材であるナット２
９がねじ止めされる。ナット２９の上固定軸２４ａへの
ねじ止め位置を調節することにより、皿バネ２８の加圧
力が調整される。

【００５１】図３は、振動子１１を構成する弾性体１２
と圧電体１５との配置を示す説明図であり、図３（ａ）
は振動子１１の上面図，図３（ｂ）は発生する縦振動モ
ード，捩じり振動モードを併せて示す振動子１１の側面
図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、半
弾性体１２ａ，１２ｂの分割面には、２層の圧電体１５
と電極１６とが挟み込まれた状態で保持される。

【００５２】弾性体１２に発生する捩じり振動の節部に
は小径部１４ａが配置される。この小径部１４ａを跨ぐ
位置に、第１振動用電気機械変換素子である捩じり振動
用圧電体１５ａが２層ずつ４枚配置される。一方、弾性
体１２に発生する縦振動の節部には小径部１４ｂが配置
される。この小径部１４ｂを跨ぐ位置に、第２振動用電
気機械変換素子である縦振動用圧電体１５ｂが２層ずつ
４枚配置される。

【００５３】４枚の捩じり振動用圧電体１５ａは、いず
れも、圧電定数ｄ₁₅を用いる圧電体により構成される。
これら４枚の圧電体１５ａは、周波電圧が印加されるこ
とにより駆動電圧の方向に応じた剪断変位を発生し、発
生する剪断変位により半弾性体１２ａ，１２ｂには捩じ
り変位が発生する。

【００５４】４枚の捩じり振動用圧電体１５ａのうちの
２枚は、図面上の手前側に位置する２枚の捩じり振動用
圧電体１５ａ−１であり、残りの２枚は、図面上の向こ
う側に位置する２枚の捩じり振動用圧電体１５ａ−２で
ある。ここで、図３（ｂ）に示すように、手前側に位置
する２枚の捩じり振動用圧電体１５ａ−１の剪断変形
と、向こう側に位置する２枚の捩じり振動用圧電体１５
ａ−２の剪断変形とが、同じ方向の電圧が印加された場
合にそれぞれ反対方向に発生するように、捩じり振動用
圧電体１５ａ−１と捩じり振動用圧電体１５ａ−２とを
配置する。このように、４枚の捩じり振動用圧電体１５
ａを配置することにより、振動子１１にはある方向への
捩じり変位が発生する。

【００５５】例えば、図３（ｂ）に示すように、手前側
２枚の捩じり振動用圧電体１５ａ−１、及び向こう側２
枚の捩じり振動用圧電体１５ａ−２が剪断変形すると、
駆動面Ｄは図３（ａ）に矢印で示す方向へ捩じれる。ま
た、これとは反対方向への電圧を印加することにより、
図３（ａ）に矢印で示す方向とは逆方向への剪断変形が
発生し、駆動面Ｄは図３（ａ）に矢印で示す方向とは反
対方向へ捩じれる。

【００５６】一方、４枚の縦振動用圧電体１５ｂは、い
ずれも、圧電定数ｄ₃₁を用いる圧電体により構成され
る。これらの縦振動用圧電体１５ｂは、周波電圧が印加
されると駆動電圧の方向に応じた伸縮変位（縦変位）を
発生し、発生する縦変位により縦振動が発生する。

【００５７】縦振動用圧電体１５ｂは、手前側２枚の縦
振動用圧電体１５ｂ−１と向こう側２枚の縦振動圧電体
１５ｂ−２とから構成される。これらの縦振動圧電体１
５ｂ−１，１５ｂ−２は、同じ方向への電圧が印加され
ると、それぞれ同じ方向に縦変形するように配置する。
縦振動用圧電体１５ｂ−１，１５ｂ−２をこのように配
置することにより、振動子１１には縦振動が発生する。

【００５８】図２，図３において、半弾性体１２ａ，１
２ｂの２つの分割面それぞれには、捩じり振動用圧電体
１５ａ−１，１５ａ−２、縦振動用圧電体１５ｂ−１，
１５ｂ−２、捩じり振動検出用圧電体１５ａ’、縦振動
検出用圧電体１５ｂ’がそれぞれ２枚ずつ配置される。

【００５９】圧電体１５ａ，１５ｂに電圧を印加する電
極１６ａ，１６ｂと、圧電体１６ａ’，１６ｂ’に発生
する電流値を検出する電極１６ａ’，１６ｂ’とが、そ
れぞれの圧電体に挟まれた状態で、保持される。

【００６０】捩じり振動用圧電体１５ａ，捩じり振動検
出用圧電体１５ａ’，縦振動用圧電体１５ｂ，縦振動検
出用圧電体１５ｂ’は、２層それぞれが同一平面上をな
すように配置される。これらの各圧電体は、駆動面Ｄ側
から反駆動面Ｅ側までに、捩じり振動検出用圧電体１５
ａ’，捩じり振動用圧電体１５ａ，縦振動用圧電体１５
ｂ，縦振動検出用圧電体１５ｂ’の順で配置される。

【００６１】このように、電極１６ａ，１６ａ’，１６
ｂ，１６ｂ’は、それぞれ２層の捩じり振動用圧電体１
５ａ，捩じり振動検出用圧電体１５ａ’，縦振動用圧電
体１５ｂ，縦振動検出用圧電体１５ｂ’の間に配置され
ており、２層の各圧電体への入力及び各圧電体からの出
力を行うことができる。半弾性体１２ａ，１２ｂと、圧
電体１５ａ，１５ａ’，１５ｂ，１５ｂ’と、電極１６
ａ，１６ａ’，１６ｂ，１６ｂ’とは、接着剤により接
着されて接合される。

【００６２】このように構成された振動アクチュエータ
１０に、２つの（１／４）λ（λは波長を示す。）位相
差を有する２つの駆動信号を、それぞれ、捩じり振動用
圧電体１５ａ−１，１５ａ−２と縦振動用圧電体１５ｂ
−１，１５ｂ−２とに入力すると、振動子１１に発生す
る縦振動及び捩じり振動それぞれの位相が９０°ずれ
る。これにより、振動子１１の駆動面Ｄには、これらの
振動を合成した楕円運動が発生する。

【００６３】図４は、この振動子１１に発生する縦振動
（Ｌ）及び捩じり振動（Ｔ）を組み合わせて駆動面Ｄに
楕円運動を発生させることを経時的に示す説明図であ
る。なお、図４では、説明の便宜上、駆動面Ｄを介して
振動子１１に加圧接触する移動子２５は図示を省略して
ある。

【００６４】振動子１１に発生させる捩じり振動の周期
と縦振動の周期との間の位相差を（１／４）λずらして
設定すると、駆動面Ｄ上の点には、楕円運動が発生す
る。この際、駆動信号の周波数を、１次の縦振動の固有
振動数と２次の捩じり振動の固有振動数とに近い値に設
定すると、共振して縦振動振幅，捩じり振動振幅ともに
拡大される。これにより、駆動面Ｄには大きな楕円運動
が発生する。

【００６５】図４において、駆動周波数をｆとし、この
時の駆動信号の角周波数をωとすると、ｔ＝０の時に
は、捩じり振動の変位は左側に最大である。一方、縦振
動の変位は零である。この状態では、移動子は、加圧部
材により振動子１１側へ向けて加圧されることにより、
振動子１１の駆動面Ｄに加圧された状態で接触する。

【００６６】ｔ＝０の時からｔ＝（４／４）・（π／
ω）の時までは、捩じり振動は左側の最大から右側の最
大まで変位する。一方、縦振動は零から上側の最大に変
位して再び零に戻る。したがって、振動子１１の駆動面
Ｄは移動子を押しながら右方向へ回転し、移動子は右方
向へ回転駆動される。

【００６７】次に、この時からｔ＝（６／４）・（π／
ω）の時を経てｔ＝（８／４）・（π／ω）の時まで
は、捩じり振動は右側の最大から左側の最大まで変位す
る。一方、縦振動は、零から下側の最大に変位し、再び
零に戻る。したがって、振動子１１の駆動面Ｄ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、加圧部材の固有振動数が超音波振動域よ
りも低いため、移動子は振動子１１の縮みに追従できな
い。

【００６８】図１〜図４により示した本実施形態の超音
波アクチュエータ１０では、弾性体１２の外周部におい
て、回転軸方向に沿って弾性体分割面と略平行な平面部
１７ａ，１７ｂを、駆動面Ｄまで達しないように形成し
てある。そのため、弾性体１２，圧電体１５及び電極板
１６をボルト及びナットを用いて締結することができる
とともに、駆動面Ｄの形状を円形に維持することがで
き、振動子１１，移動子２５それぞれの等価摺動半径を
平面部１７ａ，１７ｂの形成部分よりも大きく確保する
ことが可能となる。すなわち、振動子１１の端面の面積
に基づいて算出される摺動部分等価半径（本実施形態に
おいては駆動面Ｄの半径と同じである。）が、平面部１
７ａ，１７ｂを形成された一般部分等価半径よりも大き
く形成される。

【００６９】図５は、弾性体１２の外周面に形成した平
面部１７ｂが駆動面Ｄまで達するように形成した場合
（破線で示す。）と達しないように形成した場合（実線
で示す。）とについて、移動子２５に許容される最大摺
動半径の大きさを示す部分拡大図である。

【００７０】図５において、弾性体１２の外周面に形成
した平面部１７ｂが駆動面Ｄまで達するように形成する
と、平面部１７ａ，１７ｂが駆動面Ｄまで達した箇所に
おいて、移動子２５の摺動部分が振動子１１の駆動面Ｄ
からはみ出してしまう。そのため、移動子２５の摺動半
径を大きくすることができなかった。これに対し、本実
施形態の超音波アクチュエータ１０によれば、弾性体１
２の外周面における平面部１７ｂが駆動面Ｄまで達しな
いように形成するため、移動子２５の摺動半径を距離ｘ
₁だけ大きく確保することができる。

【００７１】すなわち、本実施形態における摺動部分等
価半径ｒ₀は、摺動部分である駆動面Ｄの面積をＳ₀と
すると、（Ｓ₀／π）^1/2となる。また、一般部分等価
半径ｒ₁は、平面部１７ａ，１７ｂの形成による断面積
の減少分をΔＳとすると、（（Ｓ₀−ΔＳ）／π）^1/2
となる。したがって、本実施形態では、摺動部分等価半
径ｒ₀は、一般部分等価半径ｒ₁よりも、（Ｓ₀／π）
^1/2−（（Ｓ₀−ΔＳ）／π）^1/2だけ大きいことにな
る。

【００７２】また、本実施形態における相対運動部材２
５の等価半径ｒ₂は、振動子１１の一般部分等価半径ｒ
₁よりも、振動子１１の駆動面Ｄの拡大に伴う相対運動
部材２５の外径拡大によりΔｒだけ大きくなる。

【００７３】ここで、前述したように、本実施形態の超
音波アクチュエータ１０の起動トルクは、摺動面径に関
係し、前記式により算出される。したがって、本実施
形態の超音波アクチュエータ１０によれば、相対運動部
材２５の摺動半径を大きく確保することができるために
大きな起動トルクを得ることができる。また、振動子１
１と移動子２５との摺動面積を大きく確保することがで
きるため、振動子１１と移動子２５との摺動状態が安定
し、超音波アクチュエータ１０の駆動特性を向上させる
ことも可能となる。

【００７４】（第２実施形態）図６は、第２実施形態の
超音波アクチュエータ１０−１の構成要素である振動子
１１−１を分解した状態で示す斜視図である。

【００７５】本実施形態の振動子１１−１が第１実施形
態の振動子１１と相違するのは、摺動部分１８−１の構
造（外径）だけである。したがって、本実施形態の説明
は、この相違部分だけを説明し、同一の部分については
同一の図中符号を付すことにより、重複する説明を省略
する。また、例えば移動子２５の構成や振動子１１−１
の支持方法といった振動子１１−１自体以外の超音波ア
クチュエータ１０−１の構成は、第１実施形態の超音波
アクチュエータ１０と同様であるため、これらに関する
説明も省略する。

【００７６】振動子１１−１の駆動面Ｄ−１の外径は、
平面部１７ａ，１７ｂの形成前における弾性体１２の外
径のままの駆動面Ｄが形成される。そのため、前述の
式における等価摺動半径が図１０に示す従来の超音波ア
クチュエータ１よりも増大し、式によって算出される
起動トルクが大きくなる。これにより、超音波アクチュ
エータ１の駆動性能（駆動効率）を向上させることがで
きる。

【００７７】また、本実施形態によれば、駆動面Ｄ−１
の外径を大きくするだけであって振動子１１−１の大径
部１４Ａ〜１４Ｄの外径は第１実施形態と同じであるた
め、超音波アクチュエータ１０−１全体の大型化や重量
増加をできるだけ抑制できるとともに、振動子１１−１
への入力電力量を低減することができ、超音波アクチュ
エータ１０−１の駆動効率を向上させることも可能とな
る。

【００７８】（変形形態）以上説明した各実施形態で
は、振動アクチュエータとして超音波の振動域を利用し
た超音波アクチュエータを例にとったが、本発明にかか
る振動アクチュエータはこのような態様のみに限定され
るものではなく、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される。

【００７９】また、各実施形態では、振動子，移動子の
外形は、いずれも略円柱型である場合を例にとったが、
本発明にかかる振動アクチュエータはこのような態様に
限定されるものではなく、他の形状（例えば４角形等の
多角形）の振動アクチュエータについても等しく適用さ
れる。振動子，移動子の形状が略円形でない場合の摺動
部分等価半径は、その摺動部分の面積と等しい面積を有
する円形の摺動部分の半径を意味する。

【００８０】また、各実施形態では、摺動部分は一般部
分と一体に構成される場合を例にとったが、本発明にか
かる振動アクチュエータはこのような態様に限定される
ものではなく、別部品として構成されていてもよい。特
に、第１実施形態の場合には、摺動部分と一般部分とを
脱着自在に構成することにより、発生する起動トルクの
大きさを適宜変更することができる。

【００８１】また、各実施形態では、電気機械変換素子
として圧電体を用いたが、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、電
気エネルギーを機械的変位に変換することができるもの
であれば、全て等しく適用することが可能である。圧電
体以外に、例えば電歪素子や磁歪素子等を用いることが
可能である。

【００８２】また、各実施形態では、弾性体に１次の縦
振動と２次の捩じり振動とが生じる場合を例にとった
が、本発明にかかる振動アクチュエータはこのような態
様に限定されるものではなく、弾性体にｍ次（ｍ：自然
数）の縦振動とｎ次（ｎ：自然数）の捩じり振動とを発
生させる振動アクチュエータに対しても、等しく適用す
ることができる。

【００８３】また、各実施形態では、弾性体を中心軸を
含む縦面で２分割する形態を例にとったが、本発明にか
かる振動アクチュエータはこのような態様に限定される
ものではなく、弾性体を任意の縦面で複数に分割する場
合であってもよい。

【００８４】また、各実施形態では、分割した各弾性体
の間に圧電体が挟まれた状態で配置されているが、本発
明にかかる振動アクチュエータはこのような態様のみに
限定されるものではない。弾性体の外周面や一部に適宜
手段によって圧電体の全部又は一部が配置された振動ア
クチュエータであれば等しく適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成を
示す縦断面図である。

【図２】第１実施形態の超音波アクチュエータの構成要
素である振動子を分解した状態で示す斜視図である。

【図３】第１実施形態の超音波アクチュエータにおい
て、振動子を構成する弾性体と圧電体との配置を示す説
明図であり、図３（ａ）は振動子の上面図，図３（ｂ）
は発生する縦振動モード，捩じり振動モードを併せて示
す振動子の側面図である。

【図４】第１実施形態の超音波アクチュエータを構成す
る振動子に発生する縦振動（Ｌ）及び捩じり振動（Ｔ）
を組み合わせて駆動面に楕円運動を発生させることを経
時的に示す説明図である。

【図５】第１実施形態の超音波アクチュエータにおい
て、弾性体の外周面に形成した平面部が駆動面まで達す
るように形成した場合（破線で示す。）と達しないよう
に形成した場合（実線で示す。）とについて、移動子に
許容される最大摺動半径の大きさを示す部分拡大図であ
る。

【図６】第２実施形態の超音波アクチュエータに用いる
振動子を分解した状態で示す斜視図である。

【図７】従来の縦−捩じり振動型の振動アクチュエータ
の従来例の構造を示した斜視図である。

【図８】従来の振動アクチュエータの固定子を展開して
示した斜視図である。

【図９】異形モード縮退型の振動子を用いた振動アクチ
ュエータの構成要素である弾性体と，この弾性体に接合
される圧電体との配置を示す説明図であり、図９（ａ）
は振動子の上面図，図９（ｂ）は発生する２種の振動モ
ードを併せて示す振動子の側面図である。

【図１０】異形モード縮退型の振動子を用いた振動アク
チュエータを構成する弾性体と，この弾性体に接合され
る圧電体との配置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（超音波アクチュエータ）１１振動子１２弾性体１４ａ〜１４ｃ小径部１４Ａ〜１４Ｄ大径部１５ａ，１５ｂ電気機械変換素子（圧電体）１６ａ，１６ｂ電極板１７ａ，１７ｂ平面部１８摺動部分１９一般部分２１ボルト２２ナット２３フランジ２４固定軸２５相対運動部材（移動子）２６ベアリング２８加圧部材２９加圧力調整部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】摺動部分と一般部分とを備え、振動を発
生する振動子と，前記摺動部分の端面を介して前記振動
子に加圧接触する相対運動部材とを備える振動アクチュ
エータであって、前記端面の面積に基づいて算出される摺動部分等価半径
が、前記一般部分の断面積に基づいて算出される一般部
分等価半径よりも大きいとともに、前記相対運動部材の前記振動子との接触面の面積に基づ
いて算出される等価半径が、前記一般部分等価半径より
も大きい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、弾性体と，前記弾性体に装着されて前記
弾性体に第１振動を励振する第１振動用電気機械変換素
子と，前記弾性体に第２振動を励振する第２振動用電気
機械変換素子と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２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次以上の捩じり振動であるとともに、
前記第２振動は１次以上の縦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４】請求項３に記載された振動アクチュエー
タにおいて、前記捩じり振動は、前記弾性体の中心軸に略一致する回
転軸に関して変位が発生する捩じり振動であり、前記縦振動は、前記中心軸に略一致する回転軸に関して
変位が発生する縦振動であるとともに、前記弾性体は、前記端面に、前記捩じり振動及び前記縦
振動の合成振動を発生して、前記相対運動部材との間で
相対運動を発生す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１から請求項４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、前記弾性体は、複数の部分から円柱状に構成されるとと
もに、側面における互いに平行な位置に少なくとも二つ
の平面部が形成されることを特徴とする振動アクチュエ
ータ。