(57)【要約】超音波アクチュエータは、伸縮振動と屈曲振動とを行う圧電素子１０と、圧電素子１０に設けられ、該圧電素子１０の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子２，２と、圧電素子１０を支持するケース１２と、ケース１２と圧電素子１０との間に設けられ、圧電素子１０の振動の非ノード部に対して圧電素子１０に該振動の振動方向に圧縮力を予め付与する壁面支持体６Ａ，６Ｂ、上面支持体７Ａ，７Ｂ及び底面支持体８とを備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、
前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、
前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、
前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体の振動の非ノード部に対して該アクチュエータ本体に該振動の振動方向に圧縮力を予め付与する予圧手段とを備える超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体における前記駆動子が設けられた位置とは異なる位置に設けられている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体における前記振動の腹の位置に設けられている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体の中心を挟んで両側から該アクチュエータ本体に圧縮力を付与する請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記予圧手段は、弾性体を有し、該弾性体の弾性力によって圧縮力を付与する請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記弾性体は、その弾性率が前記圧電素子の弾性率の１／１００以下である請求項５記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記弾性体は、シリコーンゴムである請求項５記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
駆動力を付与する対象となる可動体に対して前記駆動子が押圧された状態で配設され、
前記予圧手段により付与される圧縮力は、前記駆動子を前記可動体に対して押圧する押圧力よりも大きい請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記アクチュエータ本体は、２次の屈曲振動と１次の縦振動とを行う請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記アクチュエータ本体は、振動方向が互いに異なる第１の振動と第２の振動とを行うと共に、前記予圧手段の圧縮力によって該第１の振動の共振周波数と該第２の振動の共振周波数とが一致するように構成されている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１１】
前記アクチュエータ本体は、振動方向が互いに異なる第１の振動と第２の振動とを行うと共に、前記予圧手段の圧縮力によって該第２の振動の共振周波数が該第１の振動の共振周波数よりも高くなるように構成されている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１２】
前記第１の振動は、前記駆動力の方向と平行な縦振動であり、
前記第２の振動は、屈曲振動である請求項１１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１３】
前記第２の振動は、前記駆動力の方向と平行な縦振動であり、
前記第１の振動は、屈曲振動である請求項１１記載の超音波アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、各種電子機器に用いられる振動アクチュエータに関するものであり、さらに詳しくは電気機械変換素子を用いた超音波アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来の超音波アクチュエータの分解斜視図を図１２に示す。図１１はこのような超音波アクチュエータに実装される圧電素子の斜視図である。【０００３】  圧電素子１０は底面支持体８にてケース１２に支持されており、この圧電素子１０には、図１１に示すように４分割電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが形成され、反対側の圧電素子全面には全面電極（図示せず）が形成されている。【０００４】  ワイヤー４ａは、はんだ５ａにより電極９ａと、はんだ５ｄにより電極９ｄと接続されている。また、ワイヤー４ｂは、はんだ５ｂにより電極９ｂと、はんだ５ｃにより電極９ｃと接続されている。さらに、ワイヤー４ｇは、前記全面電極に接続されている。これらのワイヤー４ａ、４ｂ、４ｇを通じて圧電素子１０に電圧が加えられる。【０００５】  図１２において、圧電素子１０の上面には駆動子２が設けられ、その先端部は可動体３に接触している。この駆動子２の先端部は、前記底面支持体８により可動体３に押圧しており、これにより駆動子２の先端部と可動体３との摩擦力を高めて圧電素子１０の振動を駆動子２を介してより確実に可動体３に伝搬させている。【０００６】  次に、この超音波アクチュエータの駆動方法について簡単に説明する。【０００７】  図３は圧電素子１０の伸縮振動（所謂、縦振動。以下、縦振動ともいう。）の１次モードの変位図、図４は同屈曲振動の２次モードの変位図、図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ圧電素子１０の振動形態を説明するための概念図である。【０００８】  前記ワイヤー４ｇをグランドに接続し、前記ワイヤー４ａには特定周波数の正弦波の基準電圧を、前記ワイヤー４ｂには基準電圧と位相が９０°、または−９０°ずれた電圧を加える。すると、圧電素子１０に図３に示す伸縮振動の１次モードおよび図４に示す屈曲振動の２次モードが誘起される。【０００９】  屈曲振動の共振周波数、および、伸縮振動の共振周波数はそれぞれ圧電素子１０の材料、形状等により決定されるが、この二つの共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を加えることにより、圧電素子１０には、屈曲振動２次モードと伸縮振動１次モードが調和的に誘起され、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す形状の変化を順番に起こす。【００１０】  その結果、圧電素子１０に設けられた駆動子２が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。つまり、圧電素子１０の屈曲振動と伸縮振動の合成により駆動子２が楕円運動を起こす。この楕円運動により駆動子２に支持された可動体３が図１２の矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に可動し、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。【００１１】  なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開２００５−９４９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  前記特許文献１に記載された超音波アクチュエータは、駆動子を圧電素子と一体焼成することで、小型化およびコストダウンが可能なものであるが、超音波アクチュエータの形状を例えば１０ｍｍ以下のように小型化し、また、加えられるパワーが１０ｍＷと１０Ｗとハイパワー化したときに、超音波アクチュエータに加えられるひずみが弾性限界を超えてしまい、破損する虞があるという課題がある。【００１３】  そこで本発明は、小型で、かつハイパワーがかかった時においても破損しにくい超音波アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】  この目的を達成するために、本発明の超音波アクチュエータは、圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体の振動の非ノード部に対して該アクチュエータ本体に該振動の振動方向に圧縮力を予め付与する予圧手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】  本発明の超音波アクチュエータは、予め圧電素子の非ノード部に圧縮力が加えられているので、超音波アクチュエータの作動時に圧電素子に生じる引張応力を小さくすることができ、小型の超音波アクチュエータであってもハイパワーがかかった時において圧電素子が破損しにくいという優れた作用効果を有する。さらに、予圧手段による圧縮力を調整することにより、複数の振動の共振周波数を調整することが可能となるため、ばらつきの少ない超音波アクチュエータを提供することができるという効果も有する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図２】図２は、超音波アクチュエータの断面図である。
【図３】図３は、伸縮振動の１次モードの変位図である。
【図４】図４は、屈曲振動の２次モードの変位図である。
【図５】図５の（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ圧電素子の動作を説明する概念図である。
【図６】図６は、標準的寸法の支持部により圧縮力を付与した状態で支持された超音波アクチュエータの断面図である。
【図７】図７は、標準的寸法よりも大きな寸法の支持部により周波数を調整した超音波アクチュエータの断面図である。
【図８】図８は、標準的寸法よりも小さな寸法の支持部により周波数を調整した超音波アクチュエータの断面図である。
【図９】図９は、その他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。
【図１０】図１０は、別のその他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。
【図１１】図１１は、従来の超音波アクチュエータの圧電素子の斜視図である。
【図１２】図１２は、従来の超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００１７】  １          張出部
２          駆動子
３          可動体
４、４ａ、４ｂ、４ｇ  ワイヤー
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ  はんだ
６Ａ、６Ｂ  壁面支持体
７Ａ、７Ｂ  上面支持体
８          底面支持体
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ  給電電極
１０        圧電素子
１１        開口部
１２        ケース
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。【００１９】  図１は、本実施形態における超音波アクチュエータの分解斜視図、図２は、同断面図である。この超音波アクチュエータは、その長さ、幅が１０ｍｍ以下の小型のものである。【００２０】  図１において、圧電素子１０は略直方体で、一対の主面（前面及び後面）と、これに直交する長さ方向の両端面と、主面と端面に直交する上面および下面とを有している。圧電素子１０は、ケース１２の内部に収容されており、圧電素子１０の長さ方向の両端面と対向するケース１２の内壁面には壁面支持体６Ａ、６Ｂが設けられている。【００２１】  このケース１２の内底面における、圧電素子１０の下面の長さ方向の中央部と対向する位置には底面支持体８が設けられて圧電素子１０を支持している。また、ケース１２の上部には、開口部１１が設けられており、この開口部１１に張り出した張出部１がケース１２に設けられている。そして張出部１と圧電素子１０の上面との間にも上面支持体７Ａ，７Ｂが設けられている。この圧電素子１０がアクチュエータ本体を構成すると共に、ケース１２が基礎部を構成する。【００２２】  前記圧電素子１０の前面には、給電電極９が設けられており、この給電電極９にはんだ５を介してワイヤー４が接続されている。ワイヤー４は、ケース１２に設けられた貫通孔（図示せず）から外部へ導出されている。このワイヤー４を通じて圧電素子１０の給電電極９に電圧を加えることにより圧電素子１０が印加電圧の周波数に応じて振動する。【００２３】  前記はんだ５が設けられている圧電素子１０の部位は、後述する伸縮振動および屈曲振動のノード（節）部周辺であり、ワイヤー４を接続する部位としてこのノード部を使用することにより圧電素子１０の振動におよぼす悪影響、すなわち、はんだ５形成による圧電素子１０への不要な負荷をできるだけ抑制することができる。【００２４】  前記圧電素子１０の上面には、２つの駆動子２，２が設けられている。各駆動子２は、圧電素子１０の振動に従って動作することで駆動力を出力する。これら駆動子２，２は、ケース１２の上部に設けられた開口部１１から突出している。各駆動子２は、圧電素子１０に接着され、容易に分離できなくなっている。【００２５】  このように構成された超音波アクチュエータは、図２に示すように、駆動子２，２が可動体３と当接するように配設される。このとき、超音波アクチュエータは、駆動子２，２が可動体３に押圧されるように、その底面から所定の押圧力（例えば、１Ｎ）を加えられた状態で配設されている。【００２６】  次に、前記構成の超音波アクチュエータの動作について説明する。図５は本発明の超音波アクチュエータの圧電素子１０の動作を示す概念図、図３は伸縮振動の１次モードの変位図、図４は屈曲振動の２次モードの変位図である。【００２７】  図１に示した超音波アクチュエータの底面から所定の押圧力（例えば、１Ｎ）を加えて駆動子２を可動体３に押し付けた状態で、前記ワイヤー４を介して圧電素子１０の特定の給電電極に特定の周波数の交流電圧を加えることによって、圧電素子１０には、図３に示す伸縮振動の１次モード、および図４に示す屈曲振動の２次モード���誘起される。屈曲振動の共振周波数および伸縮振動の共振周波数はそれぞれ圧電素子１０の材料、形状等により決定されるが、この２つの共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を、４つの給電電極９のうち、圧電素子１０の対角線上に位置する給電電極にそれぞれ位相が９０°又は−９０°ずらして加えることにより、圧電素子１０は、屈曲振動２次モードと伸縮振動１次モードとが調和的に誘起される。ここで、伸縮振動１次モードの振動方向は、可動体３の可動方向（即ち、超音波アクチュエータが出力する駆動力の駆動方向）であり、屈曲振動２次モードの振動方向は、可動体３の可動方向とは垂直方向で且つ圧電素子１０と可動体３を結ぶ方向（駆動子２が可動体３を支持する方向）である。【００２８】  そして、圧電素子１０は、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す形状の変化を順番に起こし、その結果、圧電素子１０に設けられた各駆動子２が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。すなわち、圧電素子１０の屈曲振動と伸縮振動との合成により各駆動子２が楕円運動を起こす。駆動子２，２に支持された（即ち、駆動子２，２が当接した）可動体３が、この楕円運動によって図２矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に駆動される。こうして、本実施形態に係る超音波アクチュエータは、アクチュエータとしての役割をなしている。【００２９】  このような構成の超音波アクチュエータに係る圧電素子１０は、複数の振動の腹を有する。ここで、振動の腹とは振動の変位が極大となる箇所であり、本実施形態においては振動の腹の部分は圧電素子１０の長さ方向の両端面に位置する計２箇所の伸縮振動の腹と、圧電素子１０の上面および下面の両端部の４箇所、さらに上面および下面における両端部から圧電素子１０の長さ方向の３０〜４０％内側の部分の４箇所の計８箇所の屈曲振動の腹とがある。すなわち、この超音波アクチュエータは、伸縮振動の腹と屈曲振動の腹とを合わせて１０箇所の振動の腹がある。【００３０】  そして、前記駆動子２，２は、図１，２に示すように、１０箇所の振動の腹のうち、圧電素子１０の上面における両端部から長さ方向の３０〜４０％の部分に設けられている。【００３１】  また、前記壁面支持体６Ａ，６Ｂは、１０箇所の振動の腹のうち、圧電素子１０の長さ方向両端面にそれぞれ設けられている。前記上面支持体７Ａ，７Ｂは、１０箇所の振動の腹のうち、圧電素子１０の上面における両端部にそれぞれ設けられている。【００３２】  尚、前記底面支持体８は、圧電素子１０の下面における長手方向中央部に設けられている。【００３３】  これら前記壁面支持体６Ａ，６Ｂと上面支持体７Ａ，７Ｂと底面支持体８によって圧電素子１０の非ノード部、さらに詳しくは振動の腹に予め応力、即ち、圧縮力を加えている。つまり、これら壁面支持体６Ａ，６Ｂと上面支持体７Ａ，７Ｂと底面支持体８とが予圧手段を構成する。ここで、「非ノード部」とは、振動の節（ノード）以外の部分を意味する。【００３４】  即ち、圧電素子１０の長さ方向両端面に設けられた一対の壁面支持体６Ａ、６Ｂにより圧電素子１０を挟むように伸縮振動の腹の部分を圧電素子１０の伸縮振動の振動方向と平行に応力がかかった状態、即ち、圧縮力が作用した状態で支持す���と共に、張出部１に設けた上面支持体７Ａ、７Ｂと底面支持体８とにより圧電素子１０の屈曲振動の腹の部分を、屈曲振動の振動方向と平行に応力がかかった状態、即ち、圧縮力が作用した状態で支持している。【００３５】  このとき、底面支持体８は圧電素子１０の長手方向中央部に位置する一方、上面支持体７Ａ、７Ｂは圧電素子１０の長手方向中央部からそれぞれ両端部に向かって同じ距離だけ離れた部分に位置する。こうすることで、圧電素子１０に対して屈曲振動の振動方向に作用する圧縮力は、圧電素子１０の長手方向においてその中央部を中心に線対称に作用している。【００３６】  このように構成された超音波アクチュエータは、換言すれば、可動体３の駆動方向に対して垂直方向に振動する第１の振動モードと、前記可動体３の駆動方向に対して平行方向に振動する第２の振動モードを利用して、前記可動体３との間で相対運動を生じさせるものであって、少なくとも圧電素子１０と、前記圧電素子１０へ給電する圧電素子１０上の電極９と、前記圧電素子１０上に形成され、前記圧電素子１０に第１および第２の振動モードを調和的に発生させることにより楕円運動することで前記可動体３を摩擦駆動する駆動子２，２を備え、前記圧電素子１０上の前記第１の振動モードおよび第２の振動モードの腹を含む位置の少なくとも１箇所に、その振動方向と平行に応力を加えている。【００３７】  前記壁面支持体６Ａ、６Ｂと上面支持体７Ａ、７Ｂと底面支持体８とは、いずれも弾性体よりなる。【００３８】  この弾性体は、圧電素子１０及びケース１２より弾性の低いものが用いられる。具体的には、エラストラマー、シリコンゴム、板バネなどが挙げられる。圧電素子１０と比較して１／１００以下の弾性率を有する弾性体を用いることにより、圧電素子１０の振動を妨げず、効率のよい超音波アクチュエータを提供することができる。また、特にシリコンゴムは、周囲の温度が変わっても、その弾性係数は比較的変化しにくいので、超音波アクチュエータの信頼性が向上する。【００３９】  さて、圧電素子１０はセラミックや水晶などの脆性材料で構成されるが、この脆性材料の特徴として圧電素子１０の圧縮強さは、引張強さと比較して数倍ある。超音波アクチュエータを駆動する場合、圧電素子１０を共振により振動させることで、圧電素子１０の内部には、圧縮応力と引張応力とが同じ値だけ発生する。超音波アクチュエータへの印加電圧を上げるなどして１０ｍＷ〜１０Ｗ程度のハイパワーを入力すると、超音波アクチュエータの変位が大きくなって過度の応力が生じる。そうすると、引張応力により圧電素子１０に加えられるひずみが弾性限界を超えてしまい、圧電素子１０が破損に至る場合がある。【００４０】  しかし、本実施形態では、圧電素子１０の振動の腹に予め圧縮力が加えられているので、圧電素子１０に発生する圧縮応力と比較して引張応力が小さくなり、超音波アクチュエータの変位が大きくなっても、引張応力によるひずみが圧電素子１０の弾性限界を超えにくくなり、信頼性が向上する。【００４１】  加える圧縮力は、大きいほど信頼性の向上には効果を発揮するが、あまり大きすぎると、屈曲振動を妨げてしまうので、超音波アクチュエータの押圧力の１倍〜１��倍程度を加えることが望ましい。押圧力は長さ数ｍｍ程度の超音波アクチュエータの場合、通常０．１Ｎ〜１０Ｎ程度であるので、加える圧縮力による圧電素子全体にかかる力は、０．１Ｎ〜１００Ｎ程度になる。押圧力は、通常超音波アクチュエータの体積が増えれば、その体積に応じて増加させる。【００４２】  また、圧電素子１０に加える圧縮力は、圧電素子１０を挟んで対称となる位置に加えることが好ましい。そのことにより、屈曲振動および伸縮振動の対称性が維持されるので、駆動子２の楕円運動が安定し、安定した超音波アクチュエータ特性が得られる。具体的には、長さ方向への伸縮振動の振動方向に対して平行に圧縮力を加える場合は、圧電素子１０の幅方向及び厚み方向において対称となるように加えるのが好ましい。また、幅方向への屈曲振動の振動方向に対して平行に圧縮力を加える場合は、圧電素子１０の長さ方向及び厚み方向において対称となるように圧縮力を加えるのが好ましい。【００４３】  なお、底面支持体８は、圧電素子１０の長さ方向中央部の底面に配置したが、上面支持体６と同じく、圧電素子１０の長さ方向の底面角部の屈曲振動の腹の位置に配置しても良い。【００４４】  なお、圧縮力を加える部分は、振動の腹の部分のみで説明したが、一部の弾性体は腹の部分を含む広い範囲を支持し、圧縮力を加えてもよい。【００４５】  また、本発明における別の効果として、超音波アクチュエータの動作特性を安定化させることができるという効果を有する。【００４６】  詳しく説明すると、超音波アクチュエータは、圧電素子１０に屈曲振動と伸縮振動とを調和的に誘起させることで駆動子２，２に楕円運動を発生させるが、超音波アクチュエータの特性は、屈曲振動の共振周波数と伸縮振動の共振周波数との相対関係により大きく異なり、屈曲振動の共振周波数と伸縮振動の共振周波数との相対関係が設計値からずれると特性が大きく変わってしまう。【００４７】  本実施形態のように超音波アクチュエータを可動体３に押圧する構成においては、特に屈曲振動は、その振動方向が超音波アクチュエータを可動体３に押圧する方向と同一になるので、超音波アクチュエータにかかる実際の押圧力の反力が駆動子２，２を介して圧電素子１０に作用して共振周波数が変化しやすい。外部から加える超音波アクチュエータへの押圧力を一定にした場合においても、超音波アクチュエータによって可動体３を駆動する際に、可動体３の位置が変化したり、各駆動子２と可動体３との接触状態が変化したりするため、超音波アクチュエータに実質的にかかる押圧力が変化し、即ち、圧電素子１０に作用する反力が変化し、屈曲振動の共振周波数が変化する。その結果、伸縮振動と屈曲振動との共振周波数の相対関係が変化し、超音波アクチュエータの特性が不安定になる課題が従来あった。【００４８】  そこで、本発明の超音波アクチュエータでは、特に屈曲振動の腹の部分にあらかじめ圧縮力を付与している。このように、圧電素子１０に予め圧縮力を作用させておくことによって、予め圧縮力を作用させていない構成と比較して、可動体３からの反力の変化が圧電素子１０の屈曲振動の共振周波数に与える影響が小さくなり、安定した超音波アクチュエータの特性が得られる。従って、予め加えられる圧縮力による圧電素子１０全体にかかる力は、超音波アクチュエータの押圧力より大きいことが望ましい。こうすることによって、圧電素子１０に作用する反力による該圧電素子１０の共振周波数への影響を相対的に小さくすることができる。【００４９】  本発明のさらに別の効果として、圧電素子１０に予め付与する圧縮力の大きさを調整する（具体的には、圧縮力を加える弾性体を調整する）ことにより、伸縮振動と屈曲振動との共振周波数の差（即ち、相対関係）を調整できるという優れた機能がある。即ち、圧電体１０の伸縮振動１次モードの共振周波数［Ｈｚ］と屈曲振動２次モードの共振周波数［Ｈｚ］は、おおよそ以下の式（１）および式（２）で表される。【００５０】
【数１】
2007080851.tif 000003
【００５１】
【数２】
2007080851.tif 000004
【００５２】  式（１）、（２）で、Ｌは圧電素子１０の伸縮振動の振動方向の長さ［ｍ］、Ｗは圧電素子１０の屈曲振動の振動方向の長さ［ｍ］、Ｅは圧電素子１０のヤング率［Ｐａ］、ρは圧電素子１０の密度［ｋｇ／ｍ３］である。しかしながら、実際の共振周波数は、製造工程上に起因するばらつきや、圧電素子１０上に接着される駆動子の大きさ、接着される位置のばらつき等によって変動してしまう。【００５３】  そこで、圧電素子１０上に圧縮力を加えることで、共振周波数、特に屈曲振動２次モードの共振周波数を変更させ、所望の共振周波数に近づける。【００５４】  以下、具体的に周波数調整方法を示す。予め圧電素子１０上に駆動子２を形成した状態で、圧電素子の伸縮振動の振動方向の両側の端面から素子の中央部に向かって対向する方向に予め決められた標準的な所定の圧縮力を加えて、屈曲振動２次モードの共振周波数ｆＢ２と伸縮振動一次モードの共振周波数ｆＬ１とを測定する。このとき、設計上は一致している屈曲振動と伸縮振動の共振周波数であるが、物づくり（製造時及び組立時）のばらつきにより、若干差異が生じている場合がある。【００５５】  圧電素子１０は、シリコンゴムなどで形成された壁面支持体６Ａ、６Ｂにより伸縮振動の振動方向と同一方向より圧電素子１０の両端面から中心部に向かって対向する方向に圧縮力を加えた状態で実装されるが、このとき壁面支持体６Ａ、６Ｂの圧縮される方向と垂直方向（即ち、圧電素子１０の短手方向、又は図２の上下方向）の寸法が異なる数種類の壁面支持体６Ａ、６Ｂを用意しておく。そして圧電素子１０をケースに実装するときの壁面支持体６Ａ、６Ｂの寸法を変えることで、圧電素子１０に加わる圧縮力を変えることにより、屈曲振動２次モードの共振周波数を変えることができる。【００５６】  図６〜図８は、周波数調整後の超音波アクチュエータの断面図である。圧電素子１０は、壁面支持体６Ａ、６Ｂによって支持されている。【００５７】  屈曲振動の共振周波数ｆＢ２と伸縮振動の共振周波数ｆＬ１との差が僅差（ｆＢ２≒ｆＬ１）であるときには、図６に示すように、そのまま所定の標準的寸法の壁面支持体６Ａ、６Ｂにより圧電素子１０をケース１２に組み込む。屈曲振動の共振周波数ｆＢ２が伸縮振動の共振周波数ｆＬ１よりも小さい（ｆＢ２＜ｆＬ１）ときには、図７に示すように、前記標準的寸法よりも大きい寸法の壁面支持体６Ａ、６Ｂにより圧電素子１０をケース１２に組み込み、圧電素子１０に標準状態より大きな圧縮力を加える。屈曲振動の共振周波数ｆＢ２が伸縮振動の共振周波数ｆＬ１よりも大きい（ｆＢ２＞ｆＬ１）ときには、図８に示すように、前記標準的寸法よりも小さい寸法の壁面支持体６Ａ、６Ｂにより圧電素子１０をケース１２に組み込み、標準状態より小さい圧縮力を加える。こうすることにより、物づくり上のばらつきがあっても、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを略一致させることができる。【００５８】  なお、前記方法では、伸縮振動の振動方向からのみ圧縮力を加えた状態で予め共振周波数を測定したが、超音波アクチュエータを可動体３に対して押圧して配置し、駆動子２，２を可動体３に摩擦接触させた状態で、共振周波数を測定した方がよ��精度が高くなる。【００５９】  また、壁面支持体６Ａ、６Ｂの大きさにより、圧電素子１０に加える圧縮力を調整したが、壁面支持体６Ａ、６Ｂの材質を変更することで圧電素子１０にかかる圧縮力を調整したり、ケース１２の寸法を変更することで圧電素子１０にかかる圧縮力を調整してもよい。【００６０】  また、伸縮振動の振動方向より圧縮力を加えて周波数の調整を行ったが、屈曲振動の振動方向より圧縮力を加えて、共振周波数の調整を行ってもよい。すなわち、上面支持体７Ａ，７Ｂ及び／又は底面支持体８の寸法、材質等を変えることによって共振周波数の調整を行ってもよい。【００６１】  前記方法では、周波数を調整することで、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを略一致させたが、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりあえて低く調整してもよい。このような超音波アクチュエータにおいては、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを厳密に一致させることが難しい。そこで、かかる超音波アクチュエータは、通常、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数の何れよりも高い駆動周波数で駆動される（即ち、圧電素子１０の各給電電極９には伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧が印加される）。そのような場合において、伸縮振動の共振周波数を屈曲振動の共振周波数よりも高く調整すると、伸縮振動の共振周波数の方が屈曲振動の共振周波数よりも駆動周波数に近いため、圧電素子１０には伸縮振動の方がより支配的に発生する。この伸縮振動の振動方向は可動体３の可動方向と一致しているため、伸縮振動は超音波アクチュエータの最高速度に大きな影響を与える。つまり、伸縮振動の共振周波数を屈曲振動の共振周波数よりも高く設定することによって、雰囲気温度等の変化により圧電素子１０の伸縮振動及び屈曲振動の共振周波数が変化したときでも、圧電素子１０には伸縮振動が支配的に発生するため、駆動周波数を変更して駆動したときの超音波アクチュエータの最高速度が変化しにくいという利点がある。【００６２】  また、周波数を調整するときに、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりあえて高く調整してもよい。前述の如く、振動方向が異なる２つの振動（伸縮振動と屈曲振動）を発生させる超音波アクチュエータは、通常、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数の何れよりも高い駆動周波数で駆動される。一般に、屈曲振動の帯域幅は狭い。そのため、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりも高く調整することによって、屈曲振動の共振周波数が伸縮振動の共振周波数よりも低い場合と比較して、屈曲振動の共振周波数が駆動周波数に近づくため、圧電素子１０に屈曲振動を十分に発生させることができる。一方、伸縮振動の帯域幅は屈曲振動の帯域幅よりも広いため、伸縮振動の共振周波数が駆動周波数から離れていても、圧電素子１０に伸縮振動を発生させることができる。また、駆動周波数が伸縮振動の共振周波数から離れることになると、駆動周波数を変更して超音波アクチュエータを駆動したときの最高速度の変化は、共振周波数の近傍で駆動周波数を変化させる場合と比較して、緩やかになる。そのため、超音波アクチュエータを低速域まで安定して動作させることができるという利点がある。【００６３】  また、周波数を調整するときに壁面支持体６Ａ、６Ｂの両方の大きさを変えたが、片方のみの大きさを変えて、圧電素子１０にかかる圧縮力を調整してもよい。【００６４】  《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。【００６５】  すなわち、前記実施形態では、超音波アクチュエータの駆動力が付与されて駆動される可動体３は平板状であるが、これに限られるものではなく、可動体の構成としては任意の構成を採用することができる。例えば、図９に示すように、可動体は所定の軸Ｘ回りに回動可能な円板体３１であり、超音波アクチュエータの駆動子２，２が該円板体３１の側周面３１ａに当接するように構成されていてもよい。かかる構成の場合、超音波アクチュエータを駆動すると、駆動子２，２の概略楕円運動によって、該円板体３１が所定の軸Ｘ回りに回動させられる。また、図１０に示すように、可動体は所定の軸Ｘ回りに回動可能な円板体３２であり、超音波アクチュエータの駆動子２，２が該円板体３２の平面部３２ａに当接するように構成されていてもよい。かかる構成の場合、超音波アクチュエータを駆動すると、駆動子２，２の概略楕円運動によって、該円板体３２が駆動子２，２と当接部における接線方向に駆動され、結果として該円板体３２が所定の軸Ｘ回りに回動させられる。【００６６】  また、前記実施形態では、圧電セラミック板の表裏にのみ電極を形成する単板構成で説明したが、圧電セラミック板と内部電極を交互に積層する積層構造でも同様の効果が得られる。【００６７】  また、今回は圧電素子１０自体が伸縮振動と屈曲振動とを調和的に発生させていたが、金属などの基板に圧電素子１０を貼り付けた構成や、金属などで共振器を形成し、圧電素子１０を挟み込んだ構成の場合でも同様の効果が得られる。この場合、圧電素子を含んで構成された共振器がアクチュエータ本体を構成し、該共振器をケース内において予め圧縮力を付与した状態に配置する。【００６８】  また、前記実施形態では、圧電素子１０の伸縮振動と屈曲振動との両方の腹の部分に圧縮力を加えているが、圧電素子１０の材質及び超音波アクチュエータ駆動時の圧電素子１０の変形量等を考慮して、破損する可能性が比較的高い方の振動方向の腹の部分にだけ圧縮力を加えるように構成してもよい。【００６９】  尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７０】  本発明の超音波アクチュエータは、予め圧電素子の振動の腹に圧縮力が加えられているので、超音波アクチュエータの作動時に圧電素子に生じる引張応力を小さくすることができ、長さと幅が１０ｍｍ以下のように小型の超音波アクチュエータであっても、１０ｍＷ〜１０Ｗ程度のハイパワーがかかった時において圧電素子が破損しにくいという優れた作用効果を有する。さらに、圧縮力を加える弾性体を調整することにより、各振動の共振周波数を調整することが可能となるため、ばらつきの少ない超音波アクチュエータを提供することができるという効果も有し、特に、小型化が要求される電子機器等に有用である。
【図１】
2007080851.tif 000005
【図２】
2007080851.tif 000006
【図３】
2007080851.tif 000007
【図４】
2007080851.tif 000008
【図５】
2007080851.tif 000009
【図６】
2007080851.tif 000010
【図７】
2007080851.tif 000011
【図８】
2007080851.tif 000012
【図９】
2007080851.tif 000013
【図１０】
2007080851.tif 000014
【図１１】
2007080851.tif 000015
【図１２】
2007080851.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成19年5月29日(2007.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、
前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、
前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、
前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体の振動の非ノード部に対して該アクチュエータ本体に該振動の振動方向に圧縮力を予め付与する予圧手段とを備える超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体における前記駆動子が設けられた位置とは異なる位置に設けられている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項３】
前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体における前記振動の腹の位置に設けられている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記予圧手段は、前記アクチュエータ本体の中心を挟んで両側から該アクチュエータ本体に圧縮力を付与する請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記予圧手段は、弾性体を有し、該弾性体の弾性力によって圧縮力を付与する請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記弾性体は、その弾性率が前記圧電素子の弾性率の１／１００以下である請求項５記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記弾性体は、シリコーンゴムである請求項５記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
駆動力を付与する対象となる可動体に対して前記駆動子が押圧された状態で配設され、
前記予圧手段により付与される圧縮力は、前記駆動子を前記可動体に対して押圧する押圧力よりも大きい請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記アクチュエータ本体は、２次の屈曲振動と１次の縦振動とを行う請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記アクチュエータ本体は、振動方向が互いに異なる第１の振動と第２の振動とを行うと共に、前記予圧手段の圧縮力によって該第１の振動の共振周波数と該第２の振動の共振周波数とが一致するように構成されている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１１】
前記アクチュエータ本体は、振動方向が互いに異なる第１の振動と第２の振動とを行うと共に、前記予圧手段の圧縮力によって該第２の振動の共振周波数が該第１の振動の共振周波数よりも高くなるように構成されている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１２】
前記第１の振動は、前記駆動力の方向と平行な縦振動であり、
前記第２の振動は、屈曲振動である請求項１１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１３】
前記第２の振動は、前記駆動力の方向と平行な縦振動であり、
前記第１の振動は、屈曲振動である請求項１１記載の超音波アクチュエータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子機器に用いられる振動アクチュエータに関するものであり、さらに詳しくは電気機械変換素子を用いた超音波アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波アクチュエータの分解斜視図を図１２に示す。図１１はこのような超音波アクチュエータに実装される圧電素子の斜視図である。
【０００３】
圧電素子１０は底面支持体８にてケース１２に支持されており、この圧電素子１０には、図１１に示すように４分割電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが形成され、反対側の圧電素子全面には全面電極（図示せず）が形成されている。
【０００４】
ワイヤー４ａは、はんだ５ａにより電極９ａと、はんだ５ｄにより電極９ｄと接続されている。また、ワイヤー４ｂは、はんだ５ｂにより電極９ｂと、はんだ５ｃにより電極９ｃと接続されている。さらに、ワイヤー４ｇは、前記全面電極に接続されている。これらのワイヤー４ａ、４ｂ、４ｇを通じて圧電素子１０に電圧が加えられる。
【０００５】
図１２において、圧電素子１０の上面には駆動子２が設けられ、その先端部は可動体３に接触している。この駆動子２の先端部は、前記底面支持体８により可動体３に押圧しており、これにより駆動子２の先端部と可動体３との摩擦力を高めて圧電素子１０の振動を駆動子２を介してより確実に可動体３に伝搬させている。
【０００６】
次に、この超音波アクチュエータの駆動方法について簡単に説明する。
【０００７】
図３は圧電素子１０の伸縮振動（所謂、縦振動。以下、縦振動ともいう。）の１次モードの変位図、図４は同屈曲振動の２次モードの変位図、図５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ圧電素子１０の振動形態を説明するための概念図である。
【０００８】
前記ワイヤー４ｇをグランドに接続し、前記ワイヤー４ａには特定周波数の正弦波の基準電圧を、前記ワイヤー４ｂには基準電圧と位相が９０°、または−９０°ずれた電圧を加える。すると、圧電素子１０に図３に示す伸縮振動の１次モードおよび図４に示す屈曲振動の２次モードが誘起される。
【０００９】
屈曲振動の共振周波数、および、伸縮振動の共振周波数はそれぞれ圧電素子１０の材料、形状等により決定されるが、この二つの共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を加えることにより、圧電素子１０には、屈曲振動２次モードと伸縮振動１次モードが調和的に誘起され、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す形状の変化を順番に起こす。
【００１０】
その結果、圧電素子１０に設けられた駆動子２が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。つまり、圧電素子１０の屈曲振動と伸縮振動の合成により駆動子２が楕円運動を起こす。この楕円運動により駆動子２に支持された可動体３が図１２の矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に可動し、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。
【００１１】
なお、本出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開２００５−９４９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前記特許文献１に記載された超音波アクチュエータは、駆動子を圧電素子と一体焼成することで、小型化およびコストダウンが可能なものであるが、超音波アクチュエータの形状を例えば１０ｍｍ以下のように小型化し、また、加えられるパワーが１０ｍＷと１０Ｗとハイパワー化したときに、超音波アクチュエータに加えられるひずみが弾性限界を超えてしまい、破損する虞があるという課題がある。
【００１３】
そこで本発明は、小型で、かつハイパワーがかかった時においても破損しにくい超音波アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的を達成するために、本発明の超音波アクチュエータは、圧電素子で構成され、又は圧電素子を含んで構成され、振動方向が互いに異なる複数の振動を行うアクチュエータ本体と、前記アクチュエータ本体に設けられ、該アクチュエータ本体の振動に従って動作することで駆動力を出力する駆動子と、前記アクチュエータ本体を支持する基礎部と、前記基礎部と前記アクチュエータ本体との間に設けられ、該アクチュエータ本体の振動の非ノード部に対して該アクチュエータ本体に該振動の振動方向に圧縮力を予め付与する予圧手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の超音波アクチュエータは、予め圧電素子の非ノード部に圧縮力が加えられているので、超音波アクチュエータの作動時に圧電素子に生じる引張応力を小さくすることができ、小型の超音波アクチュエータであってもハイパワーがかかった時において圧電素子が破損しにくいという優れた作用効果を有する。さらに、予圧手段による圧縮力を調整することにより、複数の振動の共振周波数を調整することが可能となるため、ばらつきの少ない超音波アクチュエータを提供することができるという効果も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態における超音波アクチュエータの分解斜視図、図２は、同断面図である。この超音波アクチュエータは、その長さ、幅が１０ｍｍ以下の小型のものである。
【００１８】
図１において、圧電素子１０は略直方体で、一対の主面（前面及び後面）と、これに直交する長さ方向の両端面と、主面と端面に直交する上面および下面とを有している。圧電素子１０は、ケース１２の内部に収容されており、圧電素子１０の長さ方向の両端面と対向するケース１２の内壁面には壁面支持体６Ａ、６Ｂが設けられている。
【００１９】
このケース１２の内底面における、圧電素子１０の下面の長さ方向の中央部と対向する位置には底面支持体８が設けられて圧電素子１０を支持している。また、ケース１２の上部には、開口部１１が設けられており、この開口部１１に張り出した張出部１がケース１２に設けられている。そして張出部１と圧電素子１０の上面との間にも上面支持体７Ａ，７Ｂが設けられている。この圧電素子１０がアクチュエータ本体を構成すると共に、ケース１２が基礎部を構成する。
【００２０】
前記圧電素子１０の前面には、給電電極９が設けられており、この給電電極９にはんだ５を介してワイヤー４が接続されている。ワイヤー４は、ケース１２に設けられた貫通孔（図示せず）から外部へ導出されている。このワイヤー４を通じて圧電素子１０の給電電極９に電圧を加えることにより圧電素子１０が印加電圧の周波数に応じて振動する。
【００２１】
前記はんだ５が設けられている圧電素子１０の部位は、後述する伸縮振動および屈曲振動のノード（節）部周辺であり、ワイヤー４を接続する部位としてこのノード部を使用することにより圧電素子１０の振動におよぼす悪影響、すなわち、はんだ５形成による圧電素子１０への不要な負荷をできるだけ抑制することができる。
【００２２】
前記圧電素子１０の上面には、２つの駆動子２，２が設けられている。各駆動子２は、圧電素子１０の振動に従って動作することで駆動力を出力する。これら駆動子２，２は、ケース１２の上部に設けられた開口部１１から突出している。各駆動子２は、圧電素子１０に接着され、容易に分離できなくなっている。
【００２３】
このように構成された超音波アクチュエータは、図２に示すように、駆動子２，２が可動体３と当接するように配設される。このとき、超音波アクチュエータは、駆動子２，２が可動体３に押圧されるように、その底面から所定の押圧力（例えば、１Ｎ）を加えられた状態で配設されている。
【００２４】
次に、前記構成の超音波アクチュエータの動作について説明する。図５は本発明の超音波アクチュエータの圧電素子１０の動作を示す概念図、図３は伸縮振動の１次モードの変位図、図４は屈曲振動の２次モードの変位図である。
【００２５】
図１に示した超音波アクチュエータの底面から所定の押圧力（例えば、１Ｎ）を加えて駆動子２を可動体３に押し付けた状態で、前記ワイヤー４を介して圧電素子１０の特定の給電電極に特定の周波数の交流電圧を加えることによって、圧電素子１０には、図３に示す伸縮振動の１次モード、および図４に示す屈曲振動の２次モードが誘起される。屈曲振動の共振周波数および伸縮振動の共振周波数はそれぞれ圧電素子１０の材料、形状等により決定されるが、この２つの共振周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を、４つの給電電極９のうち、圧電素子１０の対角線上に位置する給電電極にそれぞれ位相が９０°又は−９０°ずらして加えることにより、圧電素子１０は、屈曲振動２次モードと伸縮振動１次モードとが調和的に誘起される。ここで、伸縮振動１次モードの振動方向は、可動体３の可動方向（即ち、超音波アクチュエータが出力する駆動力の駆動方向）であり、屈曲振動２次モードの振動方向は、可動体３の可動方向とは垂直方向で且つ圧電素子１０と可動体３を結ぶ方向（駆動子２が可動体３を支持する方向）である。
【００２６】
そして、圧電素子１０は、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す形状の変化を順番に起こし、その結果、圧電素子１０に設けられた各駆動子２が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。すなわち、圧電素子１０の屈曲振動と伸縮振動との合成により各駆動子２が楕円運動を起こす。駆動子２，２に支持された（即ち、駆動子２，２が当接した）可動体３が、この楕円運動によって図２矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に駆動される。こうして、本実施形態に係る超音波アクチュエータは、アクチュエータとしての役割をなしている。
【００２７】
このような構成の超音波アクチュエータに係る圧電素子１０は、複数の振動の腹を有する。ここで、振動の腹とは振動の変位が極大となる箇所であり、本実施形態においては振動の腹の部分は圧電素子１０の長さ方向の両端面に位置する計２箇所の伸縮振動の腹と、圧電素子１０の上面および下面の両端部の４箇所、さらに上面および下面における両端部から圧電素子１０の長さ方向の３０〜４０％内側の部分の４箇所の計８箇所の屈曲振動の腹とがある。すなわち、この超音波アクチュエータは、伸縮振動の腹と屈曲振動の腹とを合わせて１０箇所の振動の腹がある。
【００２８】
そして、前記駆動子２，２は、図１，２に示すように、１０箇所の振動の腹のうち、圧電素子１０の上面における両端部から長さ方向の３０〜４０％の部分に設けられている。
【００２９】
また、前記壁面支持体６Ａ，６Ｂは、１０箇所の振動の腹のうち、圧電素子１０の長さ方向両端面にそれぞれ設けられている。前記上面支持体７Ａ，７Ｂは、１０箇所の振動の腹のうち、圧電素子１０の上面における両端部にそれぞれ設けられている。
【００３０】
尚、前記底面支持体８は、圧電素子１０の下面における長手方向中央部に設けられている。
【００３１】
これら前記壁面支持体６Ａ，６Ｂと上面支持体７Ａ，７Ｂと底面支持体８によって圧電素子１０の非ノード部、さらに詳しくは振動の腹に予め応力、即ち、圧縮力を加えている。つまり、これら壁面支持体６Ａ，６Ｂと上面支持体７Ａ，７Ｂと底面支持体８とが予圧手段を構成する。ここで、「非ノード部」とは、振動の節（ノード）以外の部分を意味する。
【００３２】
即ち、圧電素子１０の長さ方向両端面に設けられた一対の壁面支持体６Ａ、６Ｂにより圧電素子１０を挟むように伸縮振動の腹の部分を圧電素子１０の伸縮振動の振動方向と平行に応力がかかった状態、即ち、圧縮力が作用した状態で支持すると共に、張出部１に設けた上面支持体７Ａ、７Ｂと底面支持体８とにより圧電素子１０の屈曲振動の腹の部分を、屈曲振動の振動方向と平行に応力がかかった状態、即ち、圧縮力が作用した状態で支持している。
【００３３】
このとき、底面支持体８は圧電素子１０の長手方向中央部に位置する一方、上面支持体７Ａ、７Ｂは圧電素子１０の長手方向中央部からそれぞれ両端部に向かって同じ距離だけ離れた部分に位置する。こうすることで、圧電素子１０に対して屈曲振動の振動方向に作用する圧縮力は、圧電素子１０の長手方向においてその中央部を中心に線対称に作用している。
【００３４】
このように構成された超音波アクチュエータは、換言すれば、可動体３の駆動方向に対して垂直方向に振動する第１の振動モードと、前記可動体３の駆動方向に対して平行方向に振動する第２の振動モードを利用して、前記可動体３との間で相対運動を生じさせるものであって、少なくとも圧電素子１０と、前記圧電素子１０へ給電する圧電素子１０上の電極９と、前記圧電素子１０上に形成され、前記圧電素子１０に第１および第２の振動モードを調和的に発生させることにより楕円運動することで前記可動体３を摩擦駆動する駆動子２，２を備え、前記圧電素子１０上の前記第１の振動モードおよび第２の振動モードの腹を含む位置の少なくとも１箇所に、その振動方向と平行に応力を加えている。
【００３５】
前記壁面支持体６Ａ、６Ｂと上面支持体７Ａ、７Ｂと底面支持体８とは、いずれも弾性体よりなる。
【００３６】
この弾性体は、圧電素子１０及びケース１２より弾性の低いものが用いられる。具体的には、エラストラマー、シリコンゴム、板バネなどが挙げられる。圧電素子１０と比較して１／１００以下の弾性率を有する弾性体を用いることにより、圧電素子１０の振動を妨げず、効率のよい超音波アクチュエータを提供することができる。また、特にシリコンゴムは、周囲の温度が変わっても、その弾性係数は比較的変化しにくいので、超音波アクチュエータの信頼性が向上する。
【００３７】
さて、圧電素子１０はセラミックや水晶などの脆性材料で構成されるが、この脆性材料の特徴として圧電素子１０の圧縮強さは、引張強さと比較して数倍ある。超音波アクチュエータを駆動する場合、圧電素子１０を共振により振動させることで、圧電素子１０の内部には、圧縮応力と引張応力とが同じ値だけ発生する。超音波アクチュエータへの印加電圧を上げるなどして１０ｍＷ〜１０Ｗ程度のハイパワーを入力すると、超音波アクチュエータの変位が大きくなって過度の応力が生じる。そうすると、引張応力により圧電素子１０に加えられるひずみが弾性限界を超えてしまい、圧電素子１０が破損に至る場合がある。
【００３８】
しかし、本実施形態では、圧電素子１０の振動の腹に予め圧縮力が加えられているので、圧電素子１０に発生する圧縮応力と比較して引張応力が小さくなり、超音波アクチュエータの変位が大きくなっても、引張応力によるひずみが圧電素子１０の弾性限界を超えにくくなり、信頼性が向上する。
【００３９】
加える圧縮力は、大きいほど信頼性の向上には効果を発揮するが、あまり大きすぎると、屈曲振動を妨げてしまうので、超音波アクチュエータの押圧力の１倍〜１０倍程度を加えることが望ましい。押圧力は長さ数ｍｍ程度の超音波アクチュエータの場合、通常０．１Ｎ〜１０Ｎ程度であるので、加える圧縮力による圧電素子全体にかかる力は、０．１Ｎ〜１００Ｎ程度になる。押圧力は、通常超音波アクチュエータの体積が増えれば、その体積に応じて増加させる。
【００４０】
また、圧電素子１０に加える圧縮力は、圧電素子１０を挟んで対称となる位置に加えることが好ましい。そのことにより、屈曲振動および伸縮振動の対称性が維持されるので、駆動子２の楕円運動が安定し、安定した超音波アクチュエータ特性が得られる。具体的には、長さ方向への伸縮振動の振動方向に対して平行に圧縮力を加える場合は、圧電素子１０の幅方向及び厚み方向において対称となるように加えるのが好ましい。また、幅方向への屈曲振動の振動方向に対して平行に圧縮力を加える場合は、圧電素子１０の長さ方向及び厚み方向において対称となるように圧縮力を加えるのが好ましい。
【００４１】
なお、底面支持体８は、圧電素子１０の長さ方向中央部の底面に配置したが、上面支持体６と同じく、圧電素子１０の長さ方向の底面角部の屈曲振動の腹の位置に配置しても良い。
【００４２】
なお、圧縮力を加える部分は、振動の腹の部分のみで説明したが、一部の弾性体は腹の部分を含む広い範囲を支持し、圧縮力を加えてもよい。
【００４３】
また、本発明における別の効果として、超音波アクチュエータの動作特性を安定化させることができるという効果を有する。
【００４４】
詳しく説明すると、超音波アクチュエータは、圧電素子１０に屈曲振動と伸縮振動とを調和的に誘起させることで駆動子２，２に楕円運動を発生させるが、超音波アクチュエータの特性は、屈曲振動の共振周波数と伸縮振動の共振周波数との相対関係により大きく異なり、屈曲振動の共振周波数と伸縮振動の共振周波数との相対関係が設計値からずれると特性が大きく変わってしまう。
【００４５】
本実施形態のように超音波アクチュエータを可動体３に押圧する構成においては、特に屈曲振動は、その振動方向が超音波アクチュエータを可動体３に押圧する方向と同一になるので、超音波アクチュエータにかかる実際の押圧力の反力が駆動子２，２を介して圧電素子１０に作用して共振周波数が変化しやすい。外部から加える超音波アクチュエータへの押圧力を一定にした場合においても、超音波アクチュエータによって可動体３を駆動する際に、可動体３の位置が変化したり、各駆動子２と可動体３との接触状態が変化したりするため、超音波アクチュエータに実質的にかかる押圧力が変化し、即ち、圧電素子１０に作用する反力が変化し、屈曲振動の共振周波数が変化する。その結果、伸縮振動と屈曲振動との共振周波数の相対関係が変化し、超音波アクチュエータの特性が不安定になる課題が従来あった。
【００４６】
そこで、本発明の超音波アクチュエータでは、特に屈曲振動の腹の部分にあらかじめ圧縮力を付与している。このように、圧電素子１０に予め圧縮力を作用させておくことによって、予め圧縮力を作用させていない構成と比較して、可動体３からの反力の変化が圧電素子１０の屈曲振動の共振周波数に与える影響が小さくなり、安定した超音波アクチュエータの特性が得られる。従って、予め加えられる圧縮力による圧電素子１０全体にかかる力は、超音波アクチュエータの押圧力より大きいことが望ましい。こうすることによって、圧電素子１０に作用する反力による該圧電素子１０の共振周波数への影響を相対的に小さくすることができる。
【００４７】
本発明のさらに別の効果として、圧電素子１０に予め付与する圧縮力の大きさを調整する（具体的には、圧縮力を加える弾性体を調整する）ことにより、伸縮振動と屈曲振動との共振周波数の差（即ち、相対関係）を調整できるという優れた機能がある。即ち、圧電体１０の伸縮振動１次モードの共振周波数［Ｈｚ］と屈曲振動２次モードの共振周波数［Ｈｚ］は、おおよそ以下の式（１）および式（２）で表される。
【００４８】
【数１】
2007080851.tif 000017
【００４９】
【数２】
2007080851.tif 000018
【００５０】
式（１）、（２）で、Ｌは圧電素子１０の伸縮振動の振動方向の長さ［ｍ］、Ｗは圧電素子１０の屈曲振動の振動方向の長さ［ｍ］、Ｅは圧電素子１０のヤング率［Ｐａ］、ρは圧電素子１０の密度［ｋｇ／ｍ３］である。しかしながら、実際の共振周波数は、製造工程上に起因するばらつきや、圧電素子１０上に接着される駆動子の大きさ、接着される位置のばらつき等によって変動してしまう。
【００５１】
そこで、圧電素子１０上に圧縮力を加えることで、共振周波数、特に屈曲振動２次モードの共振周波数を変更させ、所望の共振周波数に近づける。
【００５２】
以下、具体的に周波数調整方法を示す。予め圧電素子１０上に駆動子２を形成した状態で、圧電素子の伸縮振動の振動方向の両側の端面から素子の中央部に向かって対向する方向に予め決められた標準的な所定の圧縮力を加えて、屈曲振動２次モードの共振周波数ｆＢ２と伸縮振動一次モードの共振周波数ｆＬ１とを測定する。このとき、設計上は一致している屈曲振動と伸縮振動の共振周波数であるが、物づくり（製造時及び組立時）のばらつきにより、若干差異が生じている場合がある。
【００５３】
圧電素子１０は、シリコンゴムなどで形成された壁面支持体６Ａ、６Ｂにより伸縮振動の振動方向と同一方向より圧電素子１０の両端面から中心部に向かって対向する方向に圧縮力を加えた状態で実装されるが、このとき壁面支持体６Ａ、６Ｂの圧縮される方向と垂直方向（即ち、圧電素子１０の短手方向、又は図２の上下方向）の寸法が異なる数種類の壁面支持体６Ａ、６Ｂを用意しておく。そして圧電素子１０をケースに実装するときの壁面支持体６Ａ、６Ｂの寸法を変えることで、圧電素子１０に加わる圧縮力を変えることにより、屈曲振動２次モードの共振周波数を変えることができる。
【００５４】
図６〜図８は、周波数調整後の超音波アクチュエータの断面図である。圧電素子１０は、壁面支持体６Ａ、６Ｂによって支持されている。
【００５５】
屈曲振動の共振周波数ｆＢ２と伸縮振動の共振周波数ｆＬ１との差が僅差（ｆＢ２≒ｆＬ１）であるときには、図６に示すように、そのまま所定の標準的寸法の壁面支持体６Ａ、６Ｂにより圧電素子１０をケース１２に組み込む。屈曲振動の共振周波数ｆＢ２が伸縮振動の共振周波数ｆＬ１よりも小さい（ｆＢ２＜ｆＬ１）ときには、図７に示すように、前記標準的寸法よりも大きい寸法の壁面支持体６Ａ、６Ｂにより圧電素子１０をケース１２に組み込み、圧電素子１０に標準状態より大きな圧縮力を加える。屈曲振動の共振周波数ｆＢ２が伸縮振動の共振周波数ｆＬ１よりも大きい（ｆＢ２＞ｆＬ１）ときには、図８に示すように、前記標準的寸法よりも小さい寸法の壁面支持体６Ａ、６Ｂにより圧電素子１０をケース１２に組み込み、標準状態より小さい圧縮力を加える。こうすることにより、物づくり上のばらつきがあっても、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを略一致させることができる。
【００５６】
なお、前記方法では、伸縮振動の振動方向からのみ圧縮力を加えた状態で予め共振周波数を測定したが、超音波アクチュエータを可動体３に対して押圧して配置し、駆動子２，２を可動体３に摩擦接触させた状態で、共振周波数を測定した方がより精度が高くなる。
【００５７】
また、壁面支持体６Ａ、６Ｂの大きさにより、圧電素子１０に加える圧縮力を調整したが、壁面支持体６Ａ、６Ｂの材質を変更することで圧電素子１０にかかる圧縮力を調整したり、ケース１２の寸法を変更することで圧電素子１０にかかる圧縮力を調整してもよい。
【００５８】
また、伸縮振動の振動方向より圧縮力を加えて周波数の調整を行ったが、屈曲振動の振動方向より圧縮力を加えて、共振周波数の調整を行ってもよい。すなわち、上面支持体７Ａ，７Ｂ及び／又は底面支持体８の寸法、材質等を変えることによって共振周波数の調整を行ってもよい。
【００５９】
前記方法では、周波数を調整することで、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを略一致させたが、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりあえて低く調整してもよい。このような超音波アクチュエータにおいては、伸縮振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とを厳密に一致させることが難しい。そこで、かかる超音波アクチュエータは、通常、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数の何れよりも高い駆動周波数で駆動される（即ち、圧電素子１０の各給電電極９には伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧が印加される）。そのような場合において、伸縮振動の共振周波数を屈曲振動の共振周波数よりも高く調整すると、伸縮振動の共振周波数の方が屈曲振動の共振周波数よりも駆動周波数に近いため、圧電素子１０には伸縮振動の方がより支配的に発生する。この伸縮振動の振動方向は可動体３の可動方向と一致しているため、伸縮振動は超音波アクチュエータの最高速度に大きな影響を与える。つまり、伸縮振動の共振周波数を屈曲振動の共振周波数よりも高く設定することによって、雰囲気温度等の変化により圧電素子１０の伸縮振動及び屈曲振動の共振周波数が変化したときでも、圧電素子１０には伸縮振動が支配的に発生するため、駆動周波数を変更して駆動したときの超音波アクチュエータの最高速度が変化しにくいという利点がある。
【００６０】
また、周波数を調整するときに、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりあえて高く調整してもよい。前述の如く、振動方向が異なる２つの振動（伸縮振動と屈曲振動）を発生させる超音波アクチュエータは、通常、伸縮振動の共振周波数及び屈曲振動の共振周波数の何れよりも高い駆動周波数で駆動される。一般に、屈曲振動の帯域幅は狭い。そのため、屈曲振動の共振周波数を伸縮振動の共振周波数よりも高く調整することによって、屈曲振動の共振周波数が伸縮振動の共振周波数よりも低い場合と比較して、屈曲振動の共振周波数が駆動周波数に近づくため、圧電素子１０に屈曲振動を十分に発生させることができる。一方、伸縮振動の帯域幅は屈曲振動の帯域幅よりも広いため、伸縮振動の共振周波数が駆動周波数から離れていても、圧電素子１０に伸縮振動を発生させることができる。また、駆動周波数が伸縮振動の共振周波数から離れることになると、駆動周波数を変更して超音波アクチュエータを駆動したときの最高速度の変化は、共振周波数の近傍で駆動周波数を変化させる場合と比較して、緩やかになる。そのため、超音波アクチュエータを低速域まで安定して動作させることができるという利点がある。
【００６１】
また、周波数を調整するときに壁面支持体６Ａ、６Ｂの両方の大きさを変えたが、片方のみの大きさを変えて、圧電素子１０にかかる圧縮力を調整してもよい。
【００６２】
《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００６３】
すなわち、前記実施形態では、超音波アクチュエータの駆動力が付与されて駆動される可動体３は平板状であるが、これに限られるものではなく、可動体の構成としては任意の構成を採用することができる。例えば、図９に示すように、可動体は所定の軸Ｘ回りに回動可能な円板体３１であり、超音波アクチュエータの駆動子２，２が該円板体３１の側周面３１ａに当接するように構成されていてもよい。かかる構成の場合、超音波アクチュエータを駆動すると、駆動子２，２の概略楕円運動によって、該円板体３１が所定の軸Ｘ回りに回動させられる。また、図１０に示すように、可動体は所定の軸Ｘ回りに回動可能な円板体３２であり、超音波アクチュエータの駆動子２，２が該円板体３２の平面部３２ａに当接するように構成されていてもよい。かかる構成の場合、超音波アクチュエータを駆動すると、駆動子２，２の概略楕円運動によって、該円板体３２が駆動子２，２と当接部における接線方向に駆動され、結果として該円板体３２が所定の軸Ｘ回りに回動させられる。
【００６４】
また、前記実施形態では、圧電セラミック板の表裏にのみ電極を形成する単板構成で説明したが、圧電セラミック板と内部電極を交互に積層する積層構造でも同様の効果が得られる。
【００６５】
また、今回は圧電素子１０自体が伸縮振動と屈曲振動とを調和的に発生させていたが、金属などの基板に圧電素子１０を貼り付けた構成や、金属などで共振器を形成し、圧電素子１０を挟み込んだ構成の場合でも同様の効果が得られる。この場合、圧電素子を含んで構成された共振器がアクチュエータ本体を構成し、該共振器をケース内において予め圧縮力を付与した状態に配置する。
【００６６】
また、前記実施形態では、圧電素子１０の伸縮振動と屈曲振動との両方の腹の部分に圧縮力を加えているが、圧電素子１０の材質及び超音波アクチュエータ駆動時の圧電素子１０の変形量等を考慮して、破損する可能性が比較的高い方の振動方向の腹の部分にだけ圧縮力を加えるように構成してもよい。
【００６７】
尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明の超音波アクチュエータは、予め圧電素子の振動の腹に圧縮力が加えられているので、超音波アクチュエータの作動時に圧電素子に生じる引張応力を小さくすることができ、長さと幅が１０ｍｍ以下のように小型の超音波アクチュエータであっても、１０ｍＷ〜１０Ｗ程度のハイパワーがかかった時において圧電素子が破損しにくいという優れた作用効果を有する。さらに、圧縮力を加える弾性体を調整することにより、各振動の共振周波数を調整することが可能となるため、ばらつきの少ない超音波アクチュエータを提供することができるという効果も有し、特に、小型化が要求される電子機器等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図２】図２は、超音波アクチュエータの断面図である。
【図３】図３は、伸縮振動の１次モードの変位図である。
【図４】図４は、屈曲振動の２次モードの変位図である。
【図５】図５の（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ圧電素子の動作を説明する概念図である。
【図６】図６は、標準的寸法の支持部により圧縮力を付与した状態で支持された超音波アクチュエータの断面図である。
【図７】図７は、標準的寸法よりも大きな寸法の支持部により周波数を調整した超音波アクチュエータの断面図である。
【図８】図８は、標準的寸法よりも小さな寸法の支持部により周波数を調整した超音波アクチュエータの断面図である。
【図９】図９は、その他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。
【図１０】図１０は、別のその他の実施形態に係る超音波アクチュエータの斜視図である。
【図１１】図１１は、従来の超音波アクチュエータの圧電素子の斜視図である。
【図１２】図１２は、従来の超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【符号の説明】
【００７０】
１          張出部
２          駆動子
３          可動体
４、４ａ、４ｂ、４ｇ  ワイヤー
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ  はんだ
６Ａ、６Ｂ  壁面支持体
７Ａ、７Ｂ  上面支持体
８          底面支持体
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ  給電電極
１０        圧電素子
１１        開口部
１２        ケース
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007080851.tif 000019
【図２】
2007080851.tif 000020
【図３】
2007080851.tif 000021
【図４】
2007080851.tif 000022
【図５】
2007080851.tif 000023
【図６】
2007080851.tif 000024
【図７】
2007080851.tif 000025
【図８】
2007080851.tif 000026
【図９】
2007080851.tif 000027
【図１０】
2007080851.tif 000028
【図１１】
2007080851.tif 000029
【図１２】
2007080851.tif 000030
【国際調査報告】
2007080851.tif 000031
2007080851.tif 000032