JPH11146673A

JPH11146673A - 振動アクチュエータ

Info

Publication number: JPH11146673A
Application number: JP9307483A
Authority: JP
Inventors: Takatoshi Ashizawa; 隆利芦沢
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 1999-05-28

Abstract

(57)【要約】【課題】特開平９−８４３６７号公報により提案した
振動アクチュエータは、圧電素子および電極板の部品点
数が多く、組立時に装着位置ずれを生じ易い。【解決手段】中空部３５を形成する半円柱状弾性体３
７、３８と、半円柱状弾性体３７、３８の二つの接合部
に設けられる振動発生部４４、４５を有するとともに振
動発生部４４、４５を中空部３５を通過して接続する接
続部４６を有する捩じり振動および縦振動発生用圧電体
３９と、振動発生部４４、４５との間で電気エネルギー
の授受を行う二つの電気エネルギ授受部４７を有すると
ともに二つの電気エネルギ授受部４７を中空部３５を通
過して接続する接続部４８とを有する電極部材４１とを
有する振動子３１を備える振動アクチュエータ３０であ
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、電気機械変換素子
を有し、捩じり振動および縦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に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、本出願人が先に特開平９−８
４３６７号公報により提案した、捩じり振動および縦振
動を利用した異形モ−ド縮退型の振動子を備える振動ア
クチュエータ１を分解状態で示す斜視図である。また、
図１３は、この振動アクチュエータ１を構成する振動子
２を分解状態で示す斜視図である。

【０００３】図１２に示すように、この振動アクチュエ
ータ１は、振動発生源である振動子２と、この振動子２
の一方の端面である駆動面２ａに接触する相対運動部材
３と、振動子２を固定して支持するとともに相対運動部
材３を回転自在に支持する固定軸４と、相対運動部材３
を振動子２の駆動面２ａに向けて加圧する加圧機構５と
を備える。

【０００４】振動子２は２つの半円柱状弾性体７、８を
有する。これらの半円柱状弾性体７、８は互いに突き合
わされて接合されることにより、軸方向へ貫通する中空
部６を有する円筒体を形成する。図１３に詳細に示すよ
うに、半円柱状弾性体７、８の二つの接合面Ａ、Ｂそれ
ぞれの所定位置には、圧電定数ｄ₁₅を用いる２枚の捩じ
り振動発生用圧電素子９と、圧電定数ｄ₃₁を用いる２枚
の縦振動発生用圧電素子１０と、２枚の捩じり振動発生
用圧電素子９に駆動電圧を印加する電極板１１と、２枚
の縦振動発生用圧電素子１０に駆動電圧を印加するため
の電極板１２とが、積層されて配置される。

【０００５】なお、図１３における符号１３は、振動子
２に発生する捩じり振動により電気信号を出力する捩じ
り振動検出用圧電素子であり、検出された電気信号は電
極板１４を介して外部へ出力される。一方、符号１５
は、振動子２に発生する縦振動により電気信号を出力す
る縦振動検出用圧電素子であり、検出された電気信号は
電極板１６を介して外部へ出力される。

【０００６】この振動子２は、半円柱状弾性体７、８の
二つの接合面Ａ、Ｂそれぞれに、各圧電素子９、１０、
１３、１５および電極板１１、１２、１４、１６を配置
して接着することにより中空の円筒体として、形成され
る。そして、中空部６に固定軸４を挿入し、半円柱状弾
性体７、８および固定軸４にそれぞれ設けられた貫通孔
（図示しない）にボルト１７を貫通させてナット１８を
締結することにより、固定軸４に固定されて支持され
る。

【０００７】相対運動部材３は、一方の端面側がフラン
ジ状に拡大された中空の本体１９と、振動子側の端面に
貼付された円環状の摺動材２０とにより構成される。本
体１９の内縁部にはベアリング２１が装着される。この
相対運動部材３は、ベアリング２１を介して固定軸４に
装着されることにより、摺動材２０を振動子２の駆動面
２ａに摺動させながら、固定軸４により回動自在に支持
される。

【０００８】加圧機構５は、中空筒状の加圧力伝達部材
２２と、皿ばね等の加圧部材２３と、固定軸４に刻まれ
たねじ部４ａに噛み合うねじ部２４ａを有するナット２
４とにより、構成される。これらを順次固定軸４に装着
し、ナット２４を固定軸４にねじ止めすることにより、
加圧部材２３の有するばね力が加圧力伝達部材２２を介
してベアリング２１に伝達される。これにより、相対運
動部材３が振動子２に向けて付勢され、振動子２と相対
運動部材３とが加圧接触する。

【０００９】ここで、半円柱状弾性体７、８は捩じり振
動および縦振動それぞれの共振周波数が略一致する
（「縮退」という。）ように、形状が決定されている。
そのため、電極板１１と電極板１２とに２相の周波電圧
をそれぞれ印加すると、振動子２には、捩じり振動と縦
振動とが同時に発生する。そして、振動子２の駆動面２
ａの定点には、発生した捩じり振動および縦振動の合成
振動である楕円振動が発生する。これにより、駆動面２
ａに加圧接触する相対運動部材３が、固定軸４の回りに
一方向へ回転駆動されて、出力が取り出される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように、特開平９
−８４３６７号公報により提案した振動アクチュエータ
１は、それぞれ４枚ずつの捩じり振動発生用圧電素子
９、縦振動発生用圧電素子１０、捩じり振動検出用圧電
素子１３および縦振動検出用圧電素子１５と、それぞれ
２枚ずつの電極板１１、１２、１４および１６とを、半
円柱状弾性体７、８の間の所定位置に正確に装着して組
み立てる必要がある。しかし、部品点数が多いために、
組立ての際に、各圧電素子や各電極板が装着位置ずれを
生じ易いという課題があった。装着位置が適正な位置か
らずれてしまうと、駆動面２ａの定点に発生する楕円振
動の振幅が変化し、駆動効率が低下してしまう。

【００１１】各圧電素子や各電極板の半円柱状弾性体
７、８に対する装着位置ずれを防止するには、例えば専
用治具を用いて慎重に装着作業を行う必要がある。しか
し、装着位置ずれを解消することは極めて難しく、組立
てられる振動アクチュエータ１の個体差を解消すること
が難しかった。

【００１２】また、必然的に組立工程をかなり複雑にせ
ざるを得なくなり、組立てに伴う製造コストが上昇して
しまう。このような製造コストの上昇は、ユーザから低
価格化を要請される振動アクチュエータとしては、極め
て重要な課題である。

【００１３】本発明は、このような従来の技術が有する
課題に鑑み、各圧電素子や各電極板を弾性体の所定の装
着位置へ簡単に装着できるように、従来の振動アクチュ
エータの組立て性を改善することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の本発明は、互
いに接合されて配置されることにより軸方向へ貫通する
中空部を有する筒体を形成する複数の弾性体と、この弾
性体の二つの接合部にそれぞれ設けられて弾性体に捩じ
り振動および縦振動を発生させる電気機械変換素子とを
有する振動子を備える振動アクチュエータであって、電
気機械変換素子が、前記の接合部に設けられる二つの振
動発生部と、二つの振動発生部を接続するとともに中空
部を通過する１または２以上の接続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。

【００１５】請求項２の本発明は、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、二つの振動
発生部との間で電気エネルギーの授受を行う二つの電気
エネルギ授受部と、二つの電気エネルギ授受部を接続す
るとともに中空部を通過する接続部とを有する電極部材
を有することを特徴とする。

【００１６】請求項３の本発明は、請求項１または請求
項２に記載された振動アクチュエータにおいて、電気機
械変換素子の接続部、および、電極部材の接続部のうち
の一方または双方は、弾性体に発生する捩じり振動およ
び縦振動の一方または双方の節位置またはその近傍にお
いて、中空部を通過することを特徴とする。

【００１７】さらに、請求項４の本発明は、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、振動子が、少なくともこの振動子を
被うケーシングにより、支持されることを特徴とする。

【００１８】

【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
の説明では、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る。

【００１９】図１は、本実施形態の超音波アクチュエー
タ３０を示す縦断面図である。本実施形態の超音波アク
チュエータ３０は、振動子（ステータ）３１と、振動子
３１との間で相対運動を行う相対運動部材（ロータ）３
２と、相対運動部材３２を振動子３１に加圧する加圧機
構３３と、振動子３１、相対運動部材３２および加圧機
構３３を覆いながら支持するケーシング３４とを備え
る。以下、これらの構成要素について、順に説明する。

【００２０】〔振動子３１〕振動子３１は、二つの半円
柱状弾性体３７、３８を有する。これらの半円柱状弾性
体３７、３８は、互いに接合されて配置されることによ
り軸方向へ貫通する中空部３５を有する円筒体３６を形
成する。

【００２１】また、振動子３１は、捩じり振動および縦
振動発生用圧電体３９を有する。この捩じり振動および
縦振動発生用圧電体３９は、半円柱状弾性体３７、３８
の二つの接合部に挟持され、駆動信号を入力されること
により励振して円筒体３６に１次の縦振動と２次の捩じ
り振動とを同時に発生する。これにより、円筒体３６の
一方の端面である駆動面３６ａに楕円振動を発生する。
なお、捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９は図１
に示す断面では現れないため、図２および図３を参照し
ながら後述する。

【００２２】半円柱状弾性体３７、３８は、鉄鋼、ステ
ンレス鋼、リン青銅、エリンバ−材等といった共振先鋭
度が大きな金属材料からなる。半円柱状弾性体３７、３
８それぞれの外周面には、３つの小径部４０ａ、４０
ｂ、４０ｃが溝状かつ環状に設けられており、小径部４
０ａ〜４０ｃによって区切られることにより、４つの大
径部４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃおよび４０Ｄが形成され
る。すなわち、半円柱状弾性体３７、３８は、小径部４
０ａ〜４０ｃと大径部４０Ａ〜４０Ｄとを有する厚肉の
円筒状弾性体を縦に２分割することにより、得られる。

【００２３】小径部４０ａおよび４０ｃは、発生する２
次の捩じり振動の二つの節位置を含む位置に、小径部４
０ｂは、発生する１次の縦振動の節位置を含む位置に、
それぞれ設けられる。半円柱状弾性体３７、３８それぞ
れに溝状に小径部４０ａ〜４０ｃを設けたのは、前述し
た１次の縦振動の共振周波数と２次の捩じり振動の共振
周波数とを略一致させて、駆動面３６ａに楕円運動を発
生させるためである。

【００２４】半円柱状弾性体３８の各大径部４０Ａ〜４
０Ｄには、捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９の
積層方向（図１における左右方向）と平行に、貫通孔４
１Ａ〜４１Ｄが形成される。また、半円柱状弾性体３７
の各大径部４０Ａ〜４０Ｄには、同様の方向に、ネジ孔
４２Ａ〜４２Ｄが形成される。

【００２５】半円柱状弾性体３７、３８は、分割面に後
述する圧電体３９と電極板４１とを挟んだ状態で突き合
わされ、貫通孔４１Ａ〜４１Ｄにボルト４３Ａ〜４３Ｄ
を挿入してネジ孔４２Ａ〜４２Ｄにねじ止めすることに
より、締結固定されて円筒体３６とされる。

【００２６】半円柱状弾性体３７、３８それぞれの小径
部４０ａには、後述する支持筒５９に円筒体３６を固定
するためのスプリングピン６２の貫通孔４３が設けられ
ている。この貫通孔４３と支持筒５９に設けられた貫通
孔５９ａとにスプリングピン６２を貫通させることによ
り、振動子３１は支持筒５９に固定保持される。

【００２７】図２は、本実施形態で用いる振動子３１を
構成する半円柱状弾性体３７、３８と、捩じり振動およ
び縦振動発生用圧電体３９と、電極板４１とを分解した
状態で示す斜視図である。

【００２８】軸方向へ貫通する中空部３５を有する円筒
体３６を形成する半円柱状弾性体３７、３８の二つの接
合面Ａ、Ｂには、２枚の捩じり振動および縦振動発生用
圧電体３９と電極板４１とが挟み込まれる。

【００２９】本実施形態では、捩じり振動および縦振動
発生用圧電体３９は、半円柱状弾性体３７、３８それぞ
れの二つの接合部に設けられる二つの振動発生部４４、
４５と、振動発生部４４、４５を接続する１つの接続部
４６とを有し、振動発生部４４、４５および接続部４６
が一体に形成される。なお、図２では、斜線を付した範
囲が捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９における
振動発生部４４、４５の範囲であり、網線を付した範囲
が接続部４６の範囲である。

【００３０】接続部４６は、振動子３１に発生する捩じ
り振動、縦振動をできるだけ減衰させない位置に設ける
ことが望ましく、特に駆動力に直接的に影響する捩じり
振動の節位置やその近傍に設けることが望ましい。ま
た、半円柱状弾性体３７、３８を締結固定するためのボ
ルト４３Ａ〜４３Ｄの貫通部（大径部４０Ａ〜４０Ｄの
振動子長手方向略中央部）や、スプリングピン６２の貫
通部（小径部４０ａの振動子長手方向略中央部）等を避
けた位置に設定される。

【００３１】本実施形態では、接続部４６は、振動子３
１に発生する縦振動の節位置（小径部４０ｂの振動子長
手方向略中央部）に設けられる。これにより、振動子３
１に発生する縦振動を殆ど減衰させない。

【００３２】また、各振動発生部４４、４５には、発生
する２次の捩じり振動の２つの節位置のうちで駆動面３
６ａ側の節位置を跨ぐように捩じり振動発生部４４ａ、
４５ａが設けられる。また、各振動発生部４４、４５の
残余部であって発生する１次の縦振動の節位置を跨ぐよ
うに縦振動発生部４４ｂ、４５ｂが設けられる。

【００３３】この捩じり振動および縦振動発生用圧電体
３９は、例えば、以下に列記する手順〜により形成
される。図２における捩じり振動および縦振動発生用圧電体３
９と同一の外寸を有する矩形平板状のＰＺＴ薄板の、図
２における端面Ｅおよび平面Ｆ（ただし縦振動発生範
囲）に相当する位置にポーリング用電極を取り付けて永
久分極を行うことにより、各振動発生部４４、４５に相
当する範囲に長手方向かつ互いに逆方向への永久分極を
行う。

【００３４】このＰＺＴ薄板の縦振動発生部４４ｂ、
４５ｂに相当する範囲の両面にポーリング用電極を取り
付けて永久分極を行うことにより、縦振動発生部４４
ｂ、４５ｂに相当する範囲に厚さ方向かつ互いに同方向
への永久分極を行う。

【００３５】このＰＺＴ薄板から、各振動発生部４
４、４５と接続部４６とを残して、適宜加工手段（例え
ばフライス加工）により、余剰部分を除去する。このよ
うにして、捩じり振動発生部４４ａ、４５ａおよび縦振
動発生部４４ｂ、４５ｂを有する振動発生部４４、４５
と、これらの接続部４６とを備える捩じり振動および縦
振動発生用圧電体３９が形成される。

【００３６】半円柱状弾性体３７の接合面に装着される
捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９と、半円柱状
弾性体３８の接合面に装着される捩じり振動および縦振
動発生用圧電体３９とは、中空部を対称軸として対称に
配置される。二つの捩じり振動および縦振動発生用圧電
体３９の間には、電極板４１が装着される。

【００３７】本実施形態では、この電極板４１は、駆動
電圧入力用電極板４１ａと駆動電圧入力用電極板４１ｂ
と捩じり振動検出用電極板４１ｃとを有する。駆動電圧
入力用電極板４１ａには、捩じり振動発生部４４ａ、４
５ａに駆動電圧を入力する二つの電気エネルギ授受部４
７とこれらを接続する接続部４８とが形成される。ま
た、駆動電圧入力用電極板４１ｂには、縦振動発生部４
４ｂ、４５ｂに駆動電圧を入力する二つの電気エネルギ
授受部４９とこれらを接続する接続部５０とが形成され
る。さらに、捩じり振動検出用電極板４１ｃには、発生
した捩じり振動により生じた電圧を外部へ導く二つの電
気エネルギ授受部５１とこれらを接続する接続部５２と
が形成される。

【００３８】駆動電圧入力用電極板４１ａは、２枚の捩
じり振動および縦振動発生用圧電体３９それぞれの捩じ
り振動発生部４４ａ、４５ａに接触して配置され、２枚
の捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９へ駆動電圧
を印加する。駆動電圧入力用電極板４１ｂは、２枚の捩
じり振動および縦振動発生用圧電体３９それぞれの縦振
動発生部４４ｂ、４５ｂに接触して配置され、２枚の捩
じり振動および縦振動発生用圧電体３９へ駆動電圧を印
加する。さらに、捩じり振動検出用電極板４１ｃは、２
枚の捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９それぞれ
の捩じり振動発生部４４ａ、４５ａの駆動面３６ａ側に
接触して配置され、発生する捩じり振動により電気信号
を発生する。捩じり振動検出用電極板４１ｃにより発生
した電圧は、外部の駆動制御装置（図示しない）に出力
される。

【００３９】なお、駆動電圧入力用電極板４１ａ、駆動
電圧入力用電極板４１ｂ、捩じり振動検出用電極板４１
ｃには、外部の駆動制御装置に接続されるリード線を半
田付けするために矩形のリード線接続部４１ａ’〜４１
ｃ’が、側方へ向けて突設されている。

【００４０】半円柱状弾性体３７、３８と、２枚の捩じ
り振動および縦振動発生用圧電体３９と、電極板４１と
は、互いに接着剤により接着されて、接合される。

【００４１】本実施形態では、捩じり振動および縦振動
発生用圧電体３９の接続部４６と、各電極板４１ａ〜４
１ｃの接続部４８、５０、５２とは、いずれも、円筒体
３６の中空部３５を直線状に通過して、配置される。

【００４２】本実施形態の振動子３１は、以上説明した
ように、半円柱状弾性体３７、３８と、２枚の捩じり振
動および縦振動発生用圧電体３９と、３枚の電極板４１
ａ〜４１ｃとにより、構成されており、図１３を参照し
ながら説明した従来の振動子２に比較すると、装着する
部品点数が大幅に削減されている。

【００４３】図３は、振動子３１における捩じり振動お
よび縦振動発生用圧電体３９の配置と、発生する捩じり
振動および縦振動との関係を示す説明図であり、図３
(a) は振動子３１の上面図、図３(b) は捩じり振動およ
び縦振動発生用圧電体３９の分極方向を示す説明図、図
３(c) は発生する捩じり振動および縦振動の一例を示す
グラフである。

【００４４】図３(a) 〜図３(c) に示すように、半円柱
状弾性体３７、３８の接合面に配置される２枚の捩じり
振動および縦振動発生用圧電体３９における捩じり振動
発生部４４ａ、４５ａは、発生する捩じり振動の駆動面
側の節部（図３(c) における位置Ｇ）を跨ぐように配置
される。一方、縦振動発生部４４ｂ、４５ｂは、発生す
る縦振動の節部（図３(c) における位置Ｈ）を跨ぐよう
に配置される。

【００４５】捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９
における捩じり振動発生部４４ａ、４５ａは、圧電定数
ｄ₁₅を利用して、捩じり振動を発生する。すなわち、こ
の捩じり振動発生部４４ａ、４５ａへ周波電圧が印加さ
れると、捩じり振動発生部４４ａ、４５ａには電圧印加
方向に応じて剪断変形が発生する。これにより、捩じり
振動を発生する。

【００４６】図３(b) に示すように、捩じり振動は、手
前側の２枚の捩じり振動発生部４４ａ、４５ａと、向こ
う側の２枚の捩じり振動発生部４５ａ、４４ａとによ
り、発生される。各捩じり振動発生部４４ａ、４５ａ
は、手前側の捩じり振動発生部４４ａ、４５ａと向こう
側の捩じり振動発生部４５ａ、４４ａとの剪断変形がそ
れぞれに同じ方向への周波電圧が印加された場合に反対
方向になるように、配置される。これにより、振動子３
１にはある方向への捩じり振動が発生する。例えば、図
３(b) に示すように、手前側の２枚の捩じり振動発生部
４４ａ、４５ａと、向こう側の２枚の捩じり振動発生部
４５ａ、４４ａとが剪断変形すると、駆動面３６ａは、
図３(a) 中に白抜き矢印で示す方向に捩じれる。また、
反対方向の電圧を印加すると、逆向きの剪断変形が発生
するため、駆動面３６ａは反対方向へ捩じれる。

【００４７】一方、捩じり振動および縦振動発生用圧電
体３９における縦振動発生部４４ｂ、４５ｂは、圧電定
数ｄ₃₁を利用して、縦振動を発生する。すなわち、この
縦振動発生部４４ｂ、４５ｂへ周波電圧が印加される
と、縦振動発生部４４ｂ、４５ｂには電圧印加方向に応
じた伸縮変形が発生する。これにより、縦振動が発生す
る。

【００４８】図３(b) に示すように、縦振動は、手前側
の２枚の縦振動発生部４４ｂ、４５ｂと、向こう側の２
枚の縦振動発生部４５ｂ、４４ｂとにより、発生され
る。各縦振動発生部４４ｂ、４５ｂは、手前側の２枚の
縦振動発生部４４ｂ、４５ｂと、向こう側の２枚の縦振
動発生部４５ｂ、４４ｂとの伸縮変形がそれぞれに同じ
方向への周波電圧が印加された場合に同じ方向になるよ
うに、配置される。これにより、振動子３１には伸縮振
動が発生する。

【００４９】〔相対運動部材３２〕図１において、相対
運動部材３２は、ステンレス鋼や銅合金やアルミニウム
合金等により円柱状に形成された移動子母材５３と、高
分子材等を主成分として円板状に形成され、移動子母材
５３の振動子側端面５３ａに貼付された摺動材５４とを
有する。

【００５０】移動子母材５３の振動子側端面５３ａと反
対側の端面５３ｂの中心部には、軸方向（図面上の上下
方向）に平行に削られた二つの平面部を有する出力取出
し部５５が垂直に設けられる。この出力取出し部５５に
嵌まり合う溝部５６ａを有する出力軸５６が設けられて
いる。

【００５１】〔加圧機構３３〕移動子母材５３の端面５
３ｂの中心部に設けられた出力取出し部５５の周囲に
は、ベアリング５７が装着される。また、このベアリン
グ５７の振動子とは反対の側であって出力取出し部５５
の周囲には、後述する固定筒６０により支持されたコイ
ルスプリング５８が装着される。このコイルスプリング
５８のばね力により、ベアリング５７は振動子３１側へ
押し付けられる。これにより、相対運動部材３２は、振
動子３１に適当な加圧力で回動自在に加圧接触する。

【００５２】〔ケーシング３４〕本実施形態のケーシン
グ３４は、支持筒５９、固定筒６０および底板６１とに
より構成され、振動子３１、相対運動部材３２および加
圧機構３３を全て被うとともに、これらの支持を行う。

【００５３】支持筒５９は管状の収容体であって、長手
方向略中央部には、スプリングピン６２を貫通させる貫
通孔５９ａが二つ設けられている。本実施形態では、こ
の貫通孔５９ａと振動子３１に設けられた貫通孔４３と
に、スプリングピン６２を貫通させることにより、振動
子３１に発生する振動をできるだけ減衰させずに、支持
筒５９により振動子３１を固定・保持している。また、
本実施形態では、振動子３１と支持筒５９との間に、リ
ング形状の樹脂材６３ａ、６３ｂを配置することによ
り、振動子３１をその半径方向に関しても位置規制す
る。

【００５４】支持筒５９の上部には、ベアリング５７お
よびコイルスプリング５８を収容して位置規制するとと
もに支持筒５９の内面に嵌まり合う円筒状の収容部６０
ａを有する固定筒６０が装着される。固定筒６０の中心
部には、ベアリング６４を収容する貫通孔６０ｂが設け
られ、貫通孔６０ｂを介して出力軸５６を外部へ導いて
いる。固定筒６０には、本実施形態の超音波アクチュエ
ータ３０を搭載機器へ固定するための固定孔６５ａを有
する取り付け部６５が設けられる。また、固定筒６０に
設けられた貫通孔６０ｃを介して、ボルト６６を、支持
筒５９に設けられたねじ穴５９ｂにねじ止めすることに
より、固定筒６０は支持筒５９に締結固定される。

【００５５】このようにして、本実施形態では、振動子
３１は支持筒５９により固定・保持されるとともに、相
対運動部材３２は支持筒５９に締結固定される固定筒６
０により回転自在に保持される。

【００５６】さらに、また、支持筒５９の下部内周面に
はねじ部５９ｃが環状に設けられる。このねじ部５９ｃ
に、底板６１に環状に突設されたねじ部６１ａをねじ止
めすることにより、支持筒５９に底板６１が締結固定さ
れる。底板６１には中継基板６７が設けられる。この中
継基板６７には、リード線６８を中継して駆動装置（図
示しない）との間で駆動信号の入力や振動情報の発信を
行うためにコネクタ６９が固定される。コネクタ６９を
介して、リード線６８は、各電極板４１ａ〜４１ｃに設
けられたリード線接続部４１ａ’〜４１ｃ’に半田付け
される。なお、接地は、支持筒５９を導電性を有する材
料により形成することにより、支持筒５９から取ること
ができる。

【００５７】図４は、本実施形態の超音波アクチュエー
タ３０の側面図である。支持筒５９の一部には、軸方向
への切欠き部５９ｄが設けられる。これにより、各電極
板４１ａ〜４１ｃに設けられたリード線接続部４１ａ’
〜４１ｃ’が支持筒５９に接触して短絡することが、防
止される。

【００５８】本実施形態の超音波アクチュエータ３０で
は、ケーシング３４により、振動子３１および相対運動
部材３２を支持する。そのため、ケーシング３４の剛性
を高めることで簡単に、支持剛性を高めることが可能と
なった。これにより、従来よりも、駆動効率を向上させ
ることができる。

【００５９】すなわち、図１２により示す特開平９−８
４３６７号公報により提案した振動アクチュエータ１で
は、振動子２および相対運動部材３を貫通する支持軸４
により振動子２および相対運動部材３を支持していた。
そのため、振動子２および相対運動部材３の寸法上の制
約を受けて、支持軸４の径を増加することが難しかっ
た。そのため、振動子２および相対運動部材３に対する
支持剛性が不足しがちであり、振動アクチュエータ１が
大きなトルクを発生すると、トルクの反力により支持軸
４が撓み、その分だけ駆動効率が低下する可能性があっ
た。

【００６０】これに対し、本実施形態によれば、ケーシ
ング３４の剛性を増加することには、振動子３１および
相対運動部材３２の寸法上の制約を受けない。そのた
め、例えばケーシング３４の肉厚を増加することによ
り、振動子３１および相対運動部材３２に対する支持剛
性を簡単に増加することができる。これにより、本実施
形態の超音波アクチュエータ３０が大きなトルクを発生
しても、振動子３１および相対運動部材３２を支持する
ケーシング３４の撓みを確実に解消することができる。
したがって、支持剛性の不足に起因した駆動効率の低下
を抑制することができる。

【００６１】本実施形態の超音波アクチュエータ３０
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３０の作動原理を説明する。

【００６２】図５は、本実施形態の振動子３１に発生す
る２次の捩じり振動（Ｔ２）と１次の縦振動（Ｌ１）と
を組み合わせて、駆動面３６ａに、捩じり振動および縦
振動の合成振動である楕円振動を生じさせることを経時
的に示す説明図である。なお、説明を簡略化して理解を
容易とするため、図５においては、振動子３１だけを示
し、相対運動部材３２、加圧機構３３およびケーシング
３４等は全て省略する。

【００６３】図５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。ｔ＝０の時点で
は、定点Ｉについて、捩じり運動の変位は左側に最大で
あるとともに縦振動の変位はゼロである。この状態で、
相対運動部材３２は、加圧機構３３によって振動子３１
の駆動面３６ａに加圧接触する。

【００６４】このｔ＝０からｔ＝（４／４）・（π／
ω）までは、捩じり運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。したがって、振動子３１の駆動面３６ａは
相対運動部材３２を押しながら、右方向に回転するた
め、これに伴って、相対運動部材３２も右方向へ回転駆
動される。

【００６５】次に、ｔ＝（４／４）・（π／ω）からｔ
＝（８／４）・（π／ω）、すなわちｔ＝０までは、捩
じり運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。した
がって、振動子３１の駆動面３６ａは相対運動部材３２
から離れながら、左方向に回転するため、相対運動部材
３２は駆動されない。なお、このとき、相対運動部材３
２は加圧機構３３により振動子３１に向けて付勢されて
いるが、加圧機構３３の固有振動数は超音波振動域より
も低く、振動子３１の超音波周期の縮みに追従できない
ため、相対運動部材３２は振動子３１に接触しない。

【００６６】このように、本実施形態の振動子３１で
は、捩じり運動の周期と伸縮運動の周期との間の位相差
を約（１／４）λ（ただし、λは波長を示す。）ずらし
て設定すると、駆動面３６ａ上の定点Ｉには楕円運動が
発生する。このとき、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とも
に近い値に設定すると、縦振動振幅および捩じり振動振
幅がともに拡大され、大きな楕円運動が得られる。

【００６７】次に、本実施形態の超音波アクチュエータ
３０を構成する振動子３１の組立てについて、説明す
る。図６は、本実施形態の振動子３１を組み立てる際に
用いる組立て治具７０の構成を示す斜視図である。ま
た、図７は、図６におけるＪ−Ｊ断面図である。

【００６８】組立て治具７０は、半円柱状弾性体３７を
搭載するベ−ス板７１と、ベ−ス板７１の上面７１ａに
垂直に設置されて半円柱状弾性体３７、３８の駆動面３
６ａ側を受ける直方体型の受圧部材７２と、上面７１ａ
に垂直に設置されて半円柱状弾性体３７、３８の駆動面
と反対側の端面を加圧する押圧部材７３と、上面７１ａ
に垂直に設けられて、半円柱状弾性体３７、３８の間に
２枚の捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９と電極
板４１とを積層した状態でこれらのズレを防止する２つ
の側面加圧部材７４とを備える。

【００６９】受圧部材７２、押圧部材７３および２つの
側面加圧部材７４は、いずれも図示しない適宜手段によ
り、セットされる半円柱状弾性体３７、３８に対して、
接近および離間する方向について移動自在に配置され
る。

【００７０】セットされる半円柱状弾性体３７、３８の
駆動面３６ａに接触する受圧部材７２の平面７２ａは、
アルミニウム合金や鉄鋼等の硬質材料により構成され
る。

【００７１】また、押圧部材７３はアルミニウム合金や
鉄鋼等の硬質材料により構成される。押圧部材７３と半
円柱状弾性体３７、３８とが接する平面７３ａには、硬
質ゴム等の易弾性変形材料からなる押圧部７５が装着さ
れる。

【００７２】さらに、図７に示すように、受圧部材７
２、押圧部材７３には、突起部７２ｂ、突起部７３ｂが
それぞれ設けられる。これにより、押圧部材７３により
弾性体を押圧して半円柱状弾性体３７、３８を受圧部材
７２に加圧した場合に、駆動面３６ａに段差を生じず
に、半円柱状弾性体３７、３８に対する所定の位置に２
枚の捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９と電極板
４１とを配置することができる。

【００７３】なお、ベ−ス板７１や側面加圧部材７４、
さらには突起部７２ｂ、７３ｂは、使用に際して大きな
荷重が作用しないため、アルミニウム合金や鉄鋼等の硬
質材料やプラスチック材料等でよい。

【００７４】この組立て治具７０を用いて、本実施形態
の振動子３１は、以下に列記するようにして、組立てら
れる。（１）組立て治具７０の受圧部材７２、押圧部材７３お
よび２つの側面加圧部材７４を、セットされる半円柱状
弾性体３７、３８に接触しない位置に移動させておく。
次に、ベ−ス板７１の平面７１ａの上に、半円柱状弾性
体３７、捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９、電
極板４１（電極板４１ａ〜４１ｃ）、捩じり振動および
縦振動発生用圧電体３９および半円柱状弾性体３８を、
各接触面の全面に接着剤を塗布しながら、この順で積み
重ねる。

【００７５】このように、３枚の電極板４１ａ〜４１ｃ
を個別に設置しても、振動子３１の部品点数を大幅に削
減できるが、本実施形態では、３枚の電極板４１ａ〜４
１ｃを組立て時には接続して１枚に形成しておき、組立
て後に３枚に分割することが、より望ましい。図８は、
このような組立ての際に用いる一体型電極板４１’の構
成例を示す説明図である。

【００７６】この一体型電極板４１’では、リード線接
続部４１ａ’および４１ｃ’が架橋部７６により、リー
ド線接続部４１ｂ’および突設部４１ａ’’が架橋部７
７により、それぞれ接続される。これにより、３枚の電
極板４１ａ〜４１ｃが、一枚の一体型電極板４１’とし
て、形成されている。各電極板４１ａ〜４１ｃそれぞれ
の設置位置関係も所定の装着位置に正確に設定されてい
る。

【００７７】したがって、組立て治具７０による組立て
時には、ベ−ス板７１の平面７１ａの上に半円柱状弾性
体３７を載置した後、図８に示すように捩じり振動およ
び縦振動発生用圧電体３９、一体型電極板４１’、捩じ
り振動および縦振動発生用圧電体３９および半円柱状弾
性体３８を、各接触面の全面に接着剤を塗布しながら、
この順で積み重ねればよい。架橋部７６、７７は、リー
ド線接続部４１ａ’〜４１ｃ’および突設部４１ａ’’
の一部とともに、半円柱状弾性体３７、３８の外周面か
ら、突出しており、架橋部７６、７７は半円柱状弾性体
３７、３８の接合後に切断される。これにより、電極板
の設置数を低減できるとともに、電極板４１ａ〜４１ｃ
の設置位置ずれが解消される。（２）次に、受圧部材７２を移動させ、半円柱状弾性体
３７、３８の駆動面３６ａに押し当てる。

【００７８】（３）次に、２つの側面加圧部材７４を移
動させ、半円柱状弾性体３７、３８の外周面に押し当て
る。（４）次に、押圧部材７３を移動させ、半円柱状弾性体
３７、３８の駆動面３６ａとは反対側の端面を介して、
半円柱状弾性体３７、３８を受圧部材７２側へ加圧す
る。

【００７９】この状態では、接着剤は固化していないた
め、押圧部７５が弾性変形することにより各部品の長手
方向に関する寸法差が吸収される。これにより、駆動面
３６ａに段差を生じずに、半円柱状弾性体３７、３８に
対する所定の位置に２枚の捩じり振動および縦振動発生
用圧電体３９と一体型電極板４１’として接続された電
極板４１ａ〜４１ｃとが正確に配置される。（５）次に、半円柱状弾性体３７、３８をボルト４３Ａ
〜４３Ｄにより、所定の締結力で締結固定する。

【００８０】（６）この後、受圧部材７２、押圧部材７
３および２つの側面加圧部材７４を移動させて、締結固
定された半円柱状弾性体３７、３８から離し、締結固定
された半円柱状弾性体３７、３８を組立て治具７０から
取り出す。そして、オ−ブン等に装入して、接着剤を加
熱・硬化させる。（７）接着剤が硬化した後にオーブン等から抽出し、架
橋部７６、７７を図８における破線を切断線として、切
り落とす。

【００８１】このように、本実施形態によれば、半円柱
状弾性体３７、３８の外部側から、圧電体および電極板
の適正位置への位置決めを行うことが可能となる。した
がって、本実施形態によれば、半円柱状弾性体３７、３
８により形成される中空部に円柱状の内径ズレ防止部材
を挿入して半円柱状弾性体３７、３８に対する圧電体お
よび電極板の装着位置ずれを防止するとともに、組立後
に内径ズレ防止部材を取り除く必要がなくなる。

【００８２】以上詳細に説明したように、本実施形態の
振動子３１によれば、（ａ）捩じり振動、縦振動それぞ
れ専用の圧電体を用いるのではなく、捩じり振動発生部
４４ａおよび縦振動発生部４４ｂを一体化した捩じり振
動および縦振動発生用圧電体４４を用いること、（ｂ）
半円柱状弾性体３７、３８それぞれの二つの接合面に配
置される２枚の捩じり振動および縦振動発生部４４、４
５を接続部４６により接続して一体とした捩じり振動お
よび縦振動発生用圧電体３９を用いること、（ｃ）２枚
の捩じり振動および縦振動発生部４４、４５に装着され
る電極板４１ａ〜４１ｃを、接続部４８、５０、５２に
よりそれぞれ一体化したこと、さらに、（ｄ）組立てに
際しては、電極板４１ａ〜４１ｃを架橋部７６、７７に
より一体化したことにより、半円柱状弾性体３７、３８
の間への圧電体および電極板の装着作業性を大幅に改善
して、半円柱状弾性体３７、３８の所定の装着位置へ簡
単かつ確実に装着できた。

【００８３】（第２実施形態）次に、本発明にかかる振
動アクチュエータの第２実施形態を説明する。なお、以
降の各実施形態の説明では、前述した第１実施形態と相
違する部分についてだけ説明することとし、共通する部
分に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。

【００８４】図９は、本実施形態における電極板４１の
構成を示す斜視図である。本実施形態が第１実施形態と
相違するのは、リード線接続部４１ａ’〜４１ｃ’の形
成位置と、リード線の引回し態様である。

【００８５】すなわち、第１実施形態では、各電極板４
１ａ〜４１ｃの側方にリード線接続部４１ａ’〜４１
ｃ’を形成して半円柱状弾性体３７、３８の外周面に突
出させ、また、支持筒５９の一部に切欠き５９ｄを設け
て短絡防止を図った。

【００８６】これに対し、本実施形態では、図９に示す
ように、電極板４１ａ〜４１ｃの接続部４８、５０、５
２にリード線接続部４１ａ’〜４１ｃ’を設けて、リー
ド線を中空部３５を介して外部へ導くようにしている。

【００８７】本実施形態により、電極板４１ａおよび４
１ｃの架橋部７６−１と、電極板４１ａおよび４１ｂの
架橋部７７−１との側方への突出量を、いずれも小さく
設定することができる。これにより、リード線接続部４
１ａ’〜４１ｃ’と支持筒５９とが接触するおそれがな
くなり、支持筒５９の一部に切欠き５９ｄを設ける必要
がなくなる。そのため、支持筒５９の形状簡素化が図ら
れてより低コスト化を図ることができるとともに、超音
波アクチュエータの気密性向上が図られて、例えば多埃
環境下における使用により適応させることができる。

【００８８】

【変形形態】以上詳細に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に限定されるものではな
く、他の振動域を利用したものについても、等しく適用
される。

【００８９】また、各実施形態の説明では、振動子に２
次の捩じり振動と１次の縦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発生する
捩じり振動、縦振動それぞれの次数には限定されるもの
ではなく、例えば捩じり振動：１次、縦振動：１次等
の、他の次数の捩じり振動および縦振動を利用した振動
アクチュエータについても等しく適用される。

【００９０】また、各実施形態の説明では、電気機械変
換素子が圧電体により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、電気エネルギーと機械エネル
ギーとの間の変換を行うことができる素子であれば等し
く適用される。圧電体以外に、例えば電歪素子や磁歪素
子等を例示することができる。

【００９１】また、各実施形態の説明では、振動子が略
円筒体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、例えば角筒体等の他の筒体であっても等しく適用
される。

【００９２】また、各実施形態の説明では、二つの弾性
体を組み合わせて振動子を構成したが、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、３つまたはそれ以上の数の弾性体により振動
子が構成されていても等しく適用される。

【００９３】また、各実施形態の説明では、電気機械変
換素子、電極板それぞれの接続部が一つである場合を例
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、二つ以上であっ
てもよい。図１０は、５つの接続部７８ａ〜７８ｅを有
する電気機械変換素子３９−１を示す斜視図である。こ
の場合、電気機械変換素子３９−１には、ボルト４３Ａ
〜４３Ｄが貫通する貫通孔７９ａ〜７９ｅが設けられて
おり、これにより、残余部分が接続部７８ａ〜７８ｅと
して作用する。図１０に示す電気機械変換素子３９−１
によれば、電気機械変換素子３９−１への加工量を最小
限にすることができるとともに、ハンドリング時等にお
ける電気機械変換素子３９−１の変形を最小限に抑制す
ることができる。

【００９４】また、各実施形態では、振動発生部４４、
４５と接続部４６とを一体に形成して捩じり振動および
縦振動発生用圧電体３９を構成したが、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、各振動発生部４４、４５および接続部４６を
別部品として形成した後に適宜手段（例えば接着）によ
り接続することにより、捩じり振動および縦振動発生用
圧電体３９を形成してもよい。これにより、特に接続部
４６に対する形状の自由度を増加することができる。す
なわち、捩じり振動および縦振動発生用圧電体３９は、
２つの振動発生部４４、４５が接続部４６により接続さ
れていればよい。

【００９５】また、各実施形態の説明では、電気機械変
換素子３９、電極板４１それぞれの接続部４６、４８等
は中空部３５を直線状に通過す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、曲線状に屈曲して通過する場
合も包含される。図１１は、電気機械変換素子３９−
２、電極板４１−２がいずれも半円柱状弾性体３７、３
８の内周面にならう円弧状に、中空部３５を通過する形
態を示す説明図である。この場合、中空部３５に棒状の
支持軸を挿入して、振動子および相対運動部材の支持を
行うようにしてもよい。前述したように、振動子および
相対運動部材の支持剛性の確保が難しくなるが、振動ア
クチュエータ全体の外寸を小さく抑制することができ、
特に狭隘部への振動アクチュエータの取り付け性を向上
することができる。

【００９６】さらに、各実施形態の説明では、電気機械
変換素子はＰＺＴ板により構成しているが、本発明にか
かる振動アクチュエータは、このような態様に限定され
るものではなく、例えば、素材を型を用いて圧縮成形し
焼結させて形成したり、溶射により弾性体の接合面に直
接に電気機械変換素子を形成してもよい。特に、図１１
に示すように、電気機械変換素子を曲面状に形成する必
要がある場合には、ＰＺＴの加工性の点で溶射によるこ
とが望ましい。

【００９７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１の
本発明によれば、電気機械変換素子の部品点数を半減で
きるため、捩じり振動および縦振動を利用した異形モー
ド縮退型の振動アクチュエータの組立ての際に発生し易
かった圧電素子の装着位置ずれを、組立てコストの上昇
を伴わずに、確実に解消することができる。

【００９８】また、請求項２の本発明によれば、電極板
の部品点数も半減できるため、捩じり振動および縦振動
を利用した異形モード縮退型の振動アクチュエータの組
立ての際に発生し易かった電極板の装着位置ずれを、組
立てコストの上昇を伴わずに、確実に解消することがで
きる。

【００９９】また、請求項３の本発明によれば、圧電素
子および電極板の一方または双方の装着位置ずれを、振
動アクチュエータの性能を低下することなく、確実に解
消することができる。

【０１００】さらに、請求項４の本発明によれば、圧電
素子および電極板の一方または双方の装着位置ずれを、
振動アクチュエータを構成する振動子および相対運動部
材の支持剛性を充分に確保しながら、確実に解消するこ
とができる。

【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を示す縦
断面図である。

【図２】第１実施形態で用いる振動子を構成する半円柱
状弾性体と、捩じり振動および縦振動発生用圧電体と、
電極板とを分解した状態で示す斜視図である。

【図３】振動子における捩じり振動および縦振動発生用
圧電体の配置と、発生する捩じり振動および縦振動との
関係を示す説明図であり、図３(a) は振動子の上面図、
図３(b) は捩じり振動および縦振動発生用圧電体の分極
方向を示す説明図、図３(c) は発生する捩じり振動およ
び縦振動の一例を示すグラフである。

【図４】第１実施形態の超音波アクチュエータの側面図
である。

【図５】第１実施形態の振動子に発生する２次の捩じり
振動（Ｔ２）と１次の縦振動（Ｌ１）とを組み合わせ
て、駆動面に、捩じり振動および縦振動の合成振動であ
る楕円振動を生じさせることを経時的に示す説明図であ
る。

【図６】第１実施形態の振動子を組み立てる際に用いる
組立て治具の構成を示す斜視図である。

【図７】図６におけるＪ−Ｊ断面図である。

【図８】振動子の組立ての際に用いる一体型電極板の構
成例を示す説明図である。

【図９】第２実施形態における電極板の構成を示す斜視
図である。

【図１０】５つの接続部を有する電気機械変換素子を示
す斜視図である。

【図１１】電気機械変換素子、電極板がいずれも半円柱
状弾性体の内面にならう円弧状に中空部を通過する形態
を示す説明図である。

【図１２】本出願人が先に特開平９−８４３６７号公報
により提案した、縦振動および捩じり振動を利用した異
形モ−ド縮退型の振動子を備える振動アクチュエータを
分解状態で示す斜視図である。

【図１３】図１２に示す振動アクチュエータを構成する
振動子を分解状態で示す斜視図である。

【符号の説明】

３０振動アクチュエータ３１振動子３４ケーシング３５中空部３７、３８半円柱状弾性体３９捩じり振動および縦振動発生用圧電体４１電極部材４４、４５振動発生部４６接続部４７電気エネルギ授受部４８接続部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに接合されて配置されることにより
軸方向へ貫通する中空部を有する筒体を形成する複数の
弾性体と、当該弾性体の二つの接合部にそれぞれ設けら
れて前記弾性体に捩じり振動および縦振動を発生させる
電気機械変換素子とを有する振動子を備える振動アクチ
ュエータであって、前記電気機械変換素子は、前記接合部に設けられる二つ
の振動発生部と、二つの当該振動発生部を接続するとと
もに前記中空部を通過する１または２以上の接続部とを
有することを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】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、二つの前記振動発生部との間で電気エネ
ルギーの授受を行う二つの電気エネルギ授受部と、二つ
の当該電気エネルギ授受部を接続するとともに前記中空
部を通過する接続部とを有する電極部材を有することを
特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載された振
動アクチュエータにおいて、前記電気機械変換素子の前記接続部、および／または、
前記電極部材の前記接続部は、前記弾性体に発生する前
記捩じり振動および／または前記縦振動の節位置または
その近傍において、前記中空部を通過することを特徴と
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、前記振動子は、少なくとも当該振動子を被うケーシング
により、支持されることを特徴とする振動アクチュエー
タ。