(57)【要約】屈曲振動と伸縮振動とを行う圧電素子１と、圧電素子１における屈曲振動の振動方向を向く面に対して点接触状に取り付けられて、圧電素子１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とを備える。
2007069682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子で構成、又は圧電素子を含んで構成され、少なくとも屈曲振動を含む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おける屈曲振動の振動方向を向く面に対して点接触状又は／及び線接触状に取り付けられて、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を備える超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動子は、前記アクチュエータ本体の前記面に対して接着剤を介して取り付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】
前記接着剤は、前記駆動子及び前記アクチュエータ本体より柔らかい請求項２記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記駆動子は、球状であって、前記アクチュエータ本体の前記面に対して点接触状に取り付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５】
前記アクチュエータ本体の前記面上において前記駆動子と該面との接触部を囲むように設けられた環状体をさらに備え、
前記駆動子は、さらに前記環状体を介して前記アクチュエータ本体の前記面に取り付けられている請求項４記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記駆動子及び前記環状体は、前記アクチュエータ本体の前記面に対して接着剤を介して取り付けられている請求項５記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記環状体は、前記接着剤より堅い請求項６記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
前記アクチュエータ本体は、前記圧電素子と該圧電素子が配設され且つ少なくとも屈曲振動を含む振動方向が互いに異なる複数の振動を行う共振器とを有し、
前記駆動子は、球状であって、前記アクチュエータ本体における屈曲振動の振動方向を向く面に取り付けられている請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記駆動子は、前記アクチュエータ本体の前記面に対して接着剤を介して取り付けられている請求項８記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記接着剤は、前記駆動子及び前記アクチュエータ本体より柔らかい請求項９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の前記面上において前記駆動子と該面との接触部を囲むように設けられた環状体をさらに備え、
前記駆動子は、さらに前記環状体を介して前記アクチュエータ本体の前記面に取り付けられている請求項８記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１２】
前記駆動子及び前記環状体は、前記アクチュエータ本体の前記面に対して接着剤を介して取り付けられている請求項１１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１３】
前記環状体は、前記接着剤より堅い請求項１２記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１４】
前記駆動子は、円柱状であって、その軸が前記アクチュエータ本体が屈曲振動を行う平面に対して直交するように配設されている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１５】
前記アクチュエータ本体は、前記圧電素子と該圧電素子が配設され且つ少なくとも屈曲振動を含む振動方向が互いに異なる複数の振動を行う共振器とを有し、
前記駆動子は、円柱状であって、その軸が前記アクチュエータ本体が屈曲振動を行う平面に対して直交するように配設されている請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１６】
前記駆動子は、前記アクチュエータ本体の前記面において屈曲振動の腹の部分に取り付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１７】
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。
【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、さらに言えば、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。
【背景技術】
【０００２】従来の超音波アクチュエータを図１３、１４に示す。図１３は従来の超音波アクチュエータの圧電素子部の斜視図であり、図１４は同断面図である。【０００３】  圧電素子１００は５ヵ所の支持部１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅにて支持されており、この圧電素子１００には、４分割電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ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１０４ａは、はんだ１０５ａにより電極１０２ａと、はんだ１０５ｄにより電極１０２ｄと接続されている。また、ワイヤー１０４ｂは、はんだ１０５ｂにより電極１０２ｂと、はんだ１０５ｃにより電極１０２ｃと接続されている。さらに、ワイヤー１０４ｇは、前記全面電極に接続されている。これらのワイヤー１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｇを通じて圧電素子１００に電圧が印加される。【０００５】  圧電素子１００の上面には駆動子１０２が設けられ、その先端部は可動体１０３に接触している。この駆動子１０２の先端部は、前記支持部１０１Ｃにより可動体１０３に押圧しており、これにより駆動子１０２の先端部と可動体１０３との摩擦力を高めて圧電素子１００の振動を駆動子１０２を介してより確実に可動体１０３に伝搬させている。【０００６】  次にこの超音波アクチュエータの可動方法について簡単に説明する。【０００７】  図１５、図１６、図１７（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ圧電素子の振動形態を説明する概念図である。【０００８】  前記ワイヤー１０４ｇをグランドに接続し、前記ワイヤー１０４ａには所定周波数の正弦波の基準電圧を、前記ワイヤー１０４ｂには基準電圧と位相が９０°、または−９０°ずれた電圧を印加する。すると、図１５に示すように、圧電素子１００に、屈曲振動の２次モードおよび、図１６に示す伸縮振動（所謂、縦振動。以下、縦振動ともいう。）の一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１００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印加することにより、圧電素子１００には、屈曲２次モードと伸縮１次モードが調和的に誘起され、図１７（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１００に設けられた駆動子１０２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１００の屈曲振動と伸縮振動の合成により駆動子１０２が楕円運動を起こす。この楕円運動により駆動子１０２に支持された可動体１０３が矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に駆動され、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。【００１１】  また、一方で、図１８に示すように、矩形状の圧電素子１１０を用い略半球状の駆動子１１２を複数設けた圧電アクチュエータも提案されている。【００１２】  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２００４−３０４９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】  近年、電子機器の小型化にともない上述した超音波アクチュエータも小型化が求められているが、超音波アクチュエータを小型化した場合、効率を低下させてしまう恐れがあった。【００１４】  すなわち、駆動子の剛性を確保するため駆動子の形状が相対的に大きくなってしまい、上述のように圧電素子の屈曲振動の腹の部分に略半球状の駆動子を設けた構成では圧電素子の屈曲振動を阻害してしまい、その結果、効率を低下させてしまう恐れがあった。【００１５】  そこで本発明は、駆動子による圧電素子の振動を阻害することを抑制し、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】  この目的を達成するために、本発明に係る超音波アクチュエータは、圧電素子で構成、又は圧電素子を含んで構成され、少なくとも屈曲振動を含む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おける屈曲振動の振動方向を向く面に対して点接触状又は／及び線接触状に取り付けられて、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を備えることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】  本発明によれば、駆動子とアクチュエータ本体との接触部をできるだけ少なくすることによりアクチュエータ本体の屈曲振動を駆動子が阻害することを抑制することができ、その結果、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施形態１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、変形例に係る超音波アクチュエータの断面図である。
【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は、伸縮振動の１次モードの変位図である。
【図６】図６の（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ超音波アクチュエータの圧電素子の動作を示す概念図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態２に係る超音波アクチュエータの断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態４に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図９】図９は、変形例に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図１０】図１０は、別の変形例に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図１１】図１１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１２】図１２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１３】図１３は、従来の超音波アクチュエータの圧電素子部の斜視図である。
【図１４】図１４は、従来の超音波アクチュエータの断面図である。
【図１５】図１５は、屈曲振動の２次モードの変位図である。
【図１６】図１６は、伸縮振動の１次モードの変位図である。
【図１７】図１７は、（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１８】図１８は、従来の超音波アクチュエータの圧電素子の断面図である。
【符号の説明】
【００１９】  １、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ  圧電素子
１ａ        共振器
２          駆動子
３          可動体
４          ケース
５Ａ、５Ｃ  壁面支持体
５Ｂ        底面支持体
６          はんだ
８          給電電極
９、９ａ、９ｂ、９ｇ  ワイヤー
１０        接着剤
３２        導電部
３５Ａ、３５Ｃ  壁面支持体
３５Ｂ      底面支持体
３７        引出電極
７１        環状体
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】  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。【００２１】  《発明の実施形態１》
図１は本発明の実施形態１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。【００２２】  図１、２において、ＰＺＴ、水晶等の圧電材料からなる圧電素子１の表面の二箇所に球状の駆動子２，２を設けている。【００２３】  圧電素子１の前面には４分割された給電電極８が設けられ、背面には全面電極（図示せず）が設けられている。この給電電極８及び全面電極にはんだ６にてワイヤー９が接続されており、ワイヤー９はケース４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９を通じて圧電素子１の給電電極８及び全面電極に特定の周波数の交流電圧が印加されることによって、圧電素子１が印加電圧の周波数に応じて振動する。詳しくは、圧電素子１は、その長手方向に伸縮振動すると共に、その短手方向に屈曲振動する。この圧電素子１がアクチュエータ本体を構成する。【００２４】  前記はんだ６が形成されている圧電素子１の部位は、伸縮振動および屈曲振動のノード部周辺であり、ワイヤー９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１の振動におよぼす悪影響、すなわち、はんだ６形成による圧電素子１への不要な負荷をできるだけ抑制しようとするものである。【００２５】  前記駆動子２，２は、接着剤１０にて圧電素子１に接着されている。詳しくは、駆動子２，２は、図２，６に示すように、圧電素子１における屈曲振動の振動方向を向く面（図２，６においては圧電素子１の上面）に接着されている。駆動子２の材料としては、ジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、タングステンカーバイド等が挙げられる。該駆動子２，２が接着される二箇所は、圧電素子１の屈曲振動の腹の略中心に該当する箇所であり、この箇所に駆動子２，２を設けることで圧電素子１の振動をより有効に活用することができる。【００２６】  前記駆動子２，２は、図２に示すように、圧電素子１の上面（即ち、屈曲振動の振動方向を向く面）に対して点接触状に取り付けられている。ここで、「点接触状」とは、駆動子２と圧電素子１とが厳密に接触している状態に限られず、駆動子２と圧電素子１との間に接着剤１０を介在させて該駆動子２と圧電素子１とが実質的に点接触している状態も意味する。【００２７】  前記接着剤１０としては、圧電素子の材料、駆動子の材料よりも柔らかいことが望ましい。具体的には、合成樹脂、特にエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂が挙げられる。このような材料を用いることにより圧電素子１の屈曲振動をできるだけ阻害せずに各駆動子２と圧電素子１の固定を実現することができる。【００２８】  前記圧電素子１は、ケース４に収容されており、ケース４内に設けた支持体５Ａ〜５Ｃにより圧電素子１は支持されている。詳しくは、圧電素子１の伸縮方向（長手方向）が後述する可動体３の可動方向（即ち、超音波アクチュエータの駆動力が出力される駆動方向）と同方向（図２のＡ、Ｂ方向）になるように圧電素子１をケース４内に配置し、この可動体３の可動方向と同方向のケース４内壁面に壁面支持体５Ａ、５Ｃを設けている。また、ケース４の内底面にも裏面支持体５Ｂが設けられ、圧電素子１を支持している。すなわち、圧電素子１は、その長手方向における両端面���ケース４内壁面によって壁面支持体５Ａ，５Ｃを介して支持されている。【００２９】  裏面支持体５Ｂは、前記駆動子２，２が圧力をかけて後述する可動体３を支持する（即ち、可動体３に当接する）ように設けられており、これにより可動体３を安定して動作させることができる。可動体３を支持する２つの駆動子２，２のそれぞれの圧力は、給電電極８に電圧が印加されていない状態で略同一となるように設定されている。【００３０】  前記壁面支持体及び裏面支持体は、板バネ、ゴム等の弾性部材からなり、また図３に示すように、導電部３２を設けることができる。ケース４の壁面内部に引出電極３７を設けるとともにケース４の底面内部にも引出電極３７を設け、壁面支持体３５Ａ、３５Ｃ、裏面支持体３５Ｂの導電部３２を介して圧電素子１の給電電極（図示せず）とを導通させている。【００３１】  前記駆動子２，２は、可動体３を支持（即ち、可動体３と当接）しており、圧電素子１の振動により各駆動子２が略楕円運動をすることによって可動体３が図２のＡ、または、Ｂ方向へ動く。つまり、駆動子２，２は、略楕円運動をしながら、矢印Ａ及びＢの方向へ駆動力を出力している。また、圧電素子１の伸縮振動の振動方向と可動体３の可動方向が同方向であり、屈曲振動の振動方向が可動体３の可動方向と垂直で且つ圧電素子１と可動体３を結ぶ方向（つまり、駆動子２が可動体３を支持する方向）である。【００３２】  可動体３の材料としてはアルミナが挙げられ、駆動子２にアルミナを用いる場合磨耗の観点から、可動体３のアルミナは駆動子２のアルミナよりも柔らかいものを用いることが望ましい。【００３３】  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、給電電極８を設けた圧電素子１と、この圧電素子１の表面に設けた駆動子２，２と、この駆動子２，２により支持される可動体３とを有し、前記圧電素子１は前記給電電極８に給電することにより少なくとも屈曲振動を含む複数の振動が合成された振動をし、この振動により前記駆動子２，２を略楕円運動させて前記可動体３を前記圧電素子１との間で相対運動させるものであって、前記駆動子２，２は、略球形状であるとともに前記圧電素子１の屈曲振動の振動方向の圧電素子表面に実装されている。【００３４】  次に、図４〜図６を用いて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。【００３５】  前記導電部３２を介して圧電素子１の特定の給電電極８に特定の周波数の交流電圧を印加することによって、圧電素子１は、図４に示す屈曲振動の２次モードおよび、図５に示す伸縮振動の１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、それぞれ圧電素子の材料、形状等により決定されるが、この二つの周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を印加させることにより、圧電素子１には屈曲２次モードと伸縮１次モードとが調和的に誘起され、図６（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１に設けられた駆動子２，２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１が紙面と同じ平面内において伸縮振動及び屈曲振動を行い、その結果、駆動子２，２が該平面内で略楕円運動を行う。【００３６��  すなわち、圧電素子１の屈曲振動と伸縮振動との合成により駆動子２，２が楕円運動を起こす。この楕円運動により駆動子２，２が当接する可動体３が図２または図３の矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に駆動され、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。【００３７】  したがって、実施形態１によれば、駆動子２，２の形状を球状とすることによって、各駆動子２と圧電素子１との接触面積を小さくでき、圧電素子１の屈曲振動を阻害することを抑制することができる。その結果、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることができる。ここで、「球状」とは、厳密な球形状に限られず、駆動子２が圧電素子１に対して概略点接触となるような実質的な球形状も含む意味である。【００３８】  《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２に係る超音波アクチュエータについて説明する。【００３９】  前記実施形態１では各駆動子２を接着剤１０を介して点接触状に圧電素子１に取り付けているが、実施形態２に係る超音波アクチュエータでは、図７に示すように、環状体７１を各駆動子２の周囲に配している。つまり、各駆動子２と圧電素子１との接触点の周囲に環状体７１を配置したものである。すなわち、各駆動子２は、圧電素子１に対して点接触状に取り付けられるだけでなく、環状体７１を介しても圧電素子１に取り付けられている。この環状体７１は、各駆動子２及び圧電素子１それぞれに対して線接触状に取り付けられている。尚、各駆動子２と環状体７１、および環状体７１と圧電素子１とは、それぞれ接着剤１０を介して取り付けられている。ただし、各駆動子２は、圧電素子１に対して点接触状には取り付けられておらず、環状体７１を介して線接触状にのみ取り付けられる構成であってもよい。ここで、「線接触状」とは、環状体７１と駆動子２又は圧電素子１とが厳密に接触している状態に限られず、環状体７１と駆動子２又は圧電素子１との間に接着剤１０を介在させて該環状体７１と駆動子２又は圧電素子１とが実質的に線接触している状態も意味する。【００４０】  このように環状体７１を配置させることによって、各駆動子２と環状体７１、および環状体７１と圧電素子１との間で、それぞれの接触点を増やすことができ、これにより駆動子２，２と圧電素子１との接続強度を向上させることができる。環状体７１は、振動を妨げず接着強度を向上させる意味より、駆動子２より柔らかく、接着剤１０より堅い材質が望ましい。具体的には、アルミ、鉄などの金属や硬度の高いエポキシ、フェノールなどの樹脂である。【００４１】  したがって、実施形態２によれば、駆動子２，２の形状を球状とすると共に、各駆動子２と圧電素子１との間に環状体７１を介在させて該各駆動子２を圧電素子１に対して点接触状に取り付けることによって、各駆動子２と圧電素子１との接触面積を小さくすることができ、圧電素子１の屈曲振動を阻害することを抑制することができる。その結果、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることができる。【００４２】  《発明の実施形態３》
続いて、本発明の実施形態３に係る超音波アクチュエータについて説明する。【００４３】  前記実施形態１，２では、駆動子２の形状として球形状を説明したが、円柱状の駆動子を用いることもできる。その場合、各駆動子２は、円柱の軸が該各駆動子２の略楕円運動する平面（即ち、圧電素子１が屈曲振動を行う平面）に対して略直交するように配設されて、圧電素子１表面に実装されている（図１０参照）。このときの断面図は、図２と同様になる。また、この円柱状の各駆動子２は球形状の場合と同様の接着剤１０にて圧電素子１に固定することが望ましい。こうして、各駆動子２は、圧電素子１の上面（即ち、屈曲振動の振動方向を向く面）に対して線接触状に取り付けられている。このとき、各駆動子２と圧電素子１との接触部は線状となり、その接触部は、圧電素子１の屈曲振動の腹の略中心に該当する箇所に位置し、駆動子２の略楕円運動する平面に対して略直交するように延びている。ここで、「線接触状」とは、駆動子２と圧電素子１とが厳密に接触している状態に限られず、駆動子２と圧電素子１との間に接着剤１０を介在させて該駆動子２と圧電素子１とが実質的に線接触している状態も意味する。また、「円柱状」とは、厳密な円柱形状に限られず、駆動子２が圧電素子１に対して概略線接触となるような実質的な円柱形状も含む意味である。【００４４】  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、給電電極８を設けた圧電素子１と、この圧電素子１の表面に設けた駆動子２，２と、この駆動子２，２により支持される可動体３とを有し、前記圧電素子１は前記給電電極８に給電することにより少なくとも屈曲振動を含む複数の振動が合成された振動をし、この振動により前記駆動子２，２を略楕円運動させて前記可動体３を前記圧電素子１との間で相対運動させるものであって、前記駆動子２，２は、略円柱形状であるとともにこの略円柱の軸方向が前記駆動子２，２の略楕円運動する面に略垂直方向になるように前記圧電素子１の屈曲振動の振動方向の圧電素子表面に実装されている。【００４５】  したがって、実施形態３によれば、駆動子２，２の形状を円柱状とすることによって、各駆動子２と圧電素子１との接触面積を小さくして圧電素子１の屈曲振動を阻害することを抑制することができると共に、該各駆動子２をその軸が圧電素子１の屈曲振動を行う平面に対して直交するように配設して圧電素子１に取り付けることによって、圧電素子１の屈曲振動の阻害をさらに抑制することができる。【００４６】  《発明の実施形態４》
次に、本発明の実施形態４に係る超音波アクチュエータについて説明する。【００４７】  図８は、実施形態４に係る超音波アクチュエータの分解斜視図であり、図９、図１０は、実施形態４の変形例に係る超音波アクチュエータである。本実施形態４が実施形態１〜３と異なる点は、圧電素子と駆動子との間に共振器を介在させた点である。すなわち、圧電素子を含んで構成される共振器がアクチュエータ本体を構成する。【００４８】  図８に示す超音波アクチュエータは、金属やセラミックなどで構成した共振器１ａ内に、圧電素子１ｂ、１ｃをはめ込んだ構成となっている。【００４９】  この共振器１ａ内の圧電素子１ｂ、１ｃの特定の給電電極（図示せず）に特定の周波数の交流電圧を印加することにより圧電素子１ｂ、１ｃを駆動源にして、共振器１ａには、図４に示す屈曲振動の２次モードおよび、図５に示す伸縮振動の１次モードが誘起される。【００５０】  詳しくは、圧電素子１ｂ，１ｃは、共振器１ａの短手方向の一側に偏心した状態（即ち、長手方向に延びる中心軸に対して偏心した状態）で配設されている。このように配設された圧電素子１ｂ，１ｃそれぞれに伸縮振動を行わせると、該圧電素子１ｂ，１ｃの伸縮振動に応じて共振器１ａが全体として伸縮振動すると共に、共振器１ａの短手方向の一側に偏心した部分（圧電素子１ｂ，１ｃが配設された部分）が伸縮することにより共振器１ａが全体として屈曲振動を行う。【００５１】  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共振器１ａの材料、形状等により決定されるが、この二つの周波数を略一致させるように共振器１ａを構成し、その近傍の周波数の電圧を印加させることにより、共振器１ａには屈曲２次モードと伸縮１次モードとが調和的に誘起され、該共振器１ａは図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す形状の変化を順番に起こす。その結果、共振器１ａに設けられた駆動子２，２が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。すなわち、共振器１ａの屈曲振動と伸縮振動との合成により駆動子２，２が楕円運動を起こす。この楕円運動により駆動子２，２と当接する可動体３が図２または図３の矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に駆動され、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。【００５２】  このような構成を取ることで、高価な圧電体の体積を減らすことができるので、安価に超音波アクチュエータを構成することができる。【００５３】  図９に示す超音波アクチュエータは、金属やセラミックなどで構成した共振器１ａ内に、圧電素子１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇを貼り付けた構成になっている。このような構成の超音波アクチュエータについても上述のような方法にて駆動子２，２に略楕円運動を起こすことができ、可動体３を駆動させることができる。この構成も実施形態１〜３と比較して高価な圧電体の体積を減らすことができるので、安価に超音波アクチュエータを構成することができる。【００５４】  また、駆動子２の形状として球形状を説明したが、図１０に示すように、円柱状の駆動子２を用いることもできる。その場合、各駆動子２は、円柱の軸が該各駆動子２の略楕円運動する平面（即ち、共振器１ａが屈曲振動を行う面）に対して略直交するように配設され、共振器１ａの表面に��接触状に実装される。このとき、各駆動子２と共振器１ａとの接触部は線状となり、該接触部は、共振器１ａの屈曲振動の腹の略中心に該当する箇所に位置し、駆動子２の略楕円運動する平面に対して略直交するように延びている。また、この円柱状の各駆動子２は球形状の場合と同様の接着剤１０にて共振器１ａに取り付けられることが望ましい。すなわち、アクチュエータ本体が圧電素子１ｂ，１ｃと共振器１ａとで構成されている点以外は、前記実施形態３と同じ構成である。【００５５】  以上のように、各駆動子２の形状を球状又は円柱状としているため、各駆動子２と共振器１ａとの接触部をできるだけ少なくすることによって共振器１ａの屈曲振動を駆動子２，２が阻害することを防止することができ、その結果、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることができる。【００５６】  《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。【００５７】  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１１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１２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。【００５８】  また、裏面支持体５Ｂ，３５Ｂはケース４の内底面に設けたが、ケース４の底面に開口部（図示せず）を設けこの開口部を貫通して圧電素子１を支持するように裏面支持体を構成することも可能である。この場合、裏面支持体は、この超音波アクチュエータが実装される被実装体に設けられており、この被実装体に超音波アクチュエータを実装することにより圧電素子を裏面から支持するとともに駆動子を介して可動体を押圧するものである。このとき裏面支持体は、圧電素子と接する部位付近のみ弾性体で構成し、それ以外の部位を非弾性体で構成してもよい。【００５９】  なお、本実施の形態では、振動モードは伸縮１次モードと屈曲２次モードで説明したが、その他の伸縮１次と屈曲４次など、その他のモードでも構わない。【００６０】  また、壁面支持体すべてを弾性体としたが、少なくとも一つを弾性体にしてもよいし、環状の支持体一つのみを圧電素子の周囲部に支持体を貫通するように設けこの支持体の圧電素子との接続近傍部のみを弾性体としても同様の効果を得ることができる。【００６１】  また、圧電素子の前面、背面に給電電極を形成する単板構成で説明したが、電極と圧電体を積層構造にする積層体の事例でも同様である。その場合は、複数の内部電極と接続され圧電素子の任意の面に形成される外部電極に電圧を印加する事により、駆動子に楕円運動を発生させることができる。【００６２】  また、給電電極の構成は、最も単純な前面の４分割電極と、背面の全面電極の構成で説明したが、２分割電極や、５分割電極などその他の電極構成にした場合も、同様の効果を得ることができる。【００６３】  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】
【００６４】  本発明の超音波アクチュエータは、前記駆動子が前記圧電素子の屈曲振動の振動方向の圧電素子表面に対して点接触状又は線接触状に実装されるという特徴を有し、高効率化が可能なため、特に、高効率化、小型化が要求される電子機器等に有用である。
【図１】
2007069682.tif 000003
【図２】
2007069682.tif 000004
【図３】
2007069682.tif 000005
【図４】
2007069682.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2007069682.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2007069682.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2007069682.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成19年5月18日(2007.5.18)
【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、又は圧電素子を含んで構成され、少なくとも屈曲振動を含む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おける屈曲振動の振動方向を向く面に対して点接触状又は／及び線接触状に取り付けられて、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を備える超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動子は、前記アクチュエータ本体の前記面に対して接着剤を介して取り付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】
前記接着剤は、前記駆動子及び前記アクチュエータ本体より柔らかい請求項２記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
前記駆動子は、球状であって、前記アクチュエータ本体の前記面に対して点接触状に取り付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５】
前記アクチュエータ本体の前記面上において前記駆動子と該面との接触部を囲むように設けられた環状体をさらに備え、
前記駆動子は、さらに前記環状体を介して前記アクチュエータ本体の前記面に取り付けられている請求項４記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記駆動子及び前記環状体は、前記アクチュエータ本体の前記面に対して接着剤を介して取り付けられている請求項５記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記環状体は、前記接着剤より堅い請求項６記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
前記アクチュエータ本体は、前記圧電素子と該圧電素子が配設され且つ少なくとも屈曲振動を含む振動方向が互いに異なる複数の振動を行う共振器とを有し、
前記駆動子は、球状であって、前記アクチュエータ本体における屈曲振動の振動方向を向く面に取り付けられている請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記駆動子は、前記アクチュエータ本体の前記面に対して接着剤を介して取り付けられている請求項８記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記接着剤は、前記駆動子及び前記アクチュエータ本体より柔らかい請求項９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の前記面上において前記駆動子と該面との接触部を囲むように設けられた環状体をさらに備え、
前記駆動子は、さらに前記環状体を介して前記アクチュエータ本体の前記面に取り付けられている請求項８記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１２】
前記駆動子及び前記環状体は、前記アクチュエータ本体の前記面に対して接着剤を介して取り付けられている請求項１１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１３】
前記環状体は、前記接着剤より堅い請求項１２記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１４】
前記駆動子は、円柱状であって、その軸が前記アクチュエータ本体が屈曲振動を行う平面に対して直交するように配設されている請求項１記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１５】
前記アクチュエータ本体は、前記圧電素子と該圧電素子が配設され且つ少なくとも屈曲振動を含む振動方向が互いに異なる複数の振動を行う共振器とを有し、
前記駆動子は、円柱状であって、その軸が前記アクチュエータ本体が屈曲振動を行う平面に対して直交するように配設されている請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１６】
前記駆動子は、前記アクチュエータ本体の前記面において屈曲振動の腹の部分に取り付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１７】
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。
【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、さらに言えば、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。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波アクチュエータを図１３、１４に示す。図１３は従来の超音波アクチュエータの圧電素子部の斜視図であり、図１４は同断面図である。
【０００３】
圧電素子１００は５ヵ所の支持部１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄ、１０１Ｅにて支持されており、この圧電素子１００には、４分割電極１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ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１０４ａは、はんだ１０５ａにより電極１０２ａと、はんだ１０５ｄにより電極１０２ｄと接続されている。また、ワイヤー１０４ｂは、はんだ１０５ｂにより電極１０２ｂと、はんだ１０５ｃにより電極１０２ｃと接続されている。さらに、ワイヤー１０４ｇは、前記全面電極に接続されている。これらのワイヤー１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｇを通じて圧電素子１００に電圧が印加される。
【０００５】
圧電素子１００の上面には駆動子１０２が設けられ、その先端部は可動体１０３に接触している。この駆動子１０２の先端部は、前記支持部１０１Ｃにより可動体１０３に押圧しており、これにより駆動子１０２の先端部と可動体１０３との摩擦力を高めて圧電素子１００の振動を駆動子１０２を介してより確実に可動体１０３に伝搬させている。
【０００６】
次にこの超音波アクチュエータの可動方法について簡単に説明する。
【０００７】
図１５、図１６、図１７（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ圧電素子の振動形態を説明する概念図である。
【０００８】
前記ワイヤー１０４ｇをグランドに接続し、前記ワイヤー１０４ａには所定周波数の正弦波の基準電圧を、前記ワイヤー１０４ｂには基準電圧と位相が９０°、または−９０°ずれた電圧を印加する。すると、図１５に示すように、圧電素子１００に、屈曲振動の２次モードおよび、図１６に示す伸縮振動（所謂、縦振動。以下、縦振動ともいう。）の一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１００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印加することにより、圧電素子１００には、屈曲２次モードと伸縮１次モードが調和的に誘起され、図１７（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１００に設けられた駆動子１０２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１００の屈曲振動と伸縮振動の合成により駆動子１０２が楕円運動を起こす。この楕円運動により駆動子１０２に支持された可動体１０３が矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に駆動され、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。
【００１１】
また、一方で、図１８に示すように、矩形状の圧電素子１１０を用い略半球状の駆動子１１２を複数設けた圧電アクチュエータも提案されている。
【００１２】
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２００４−３０４９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
近年、電子機器の小型化にともない上述した超音波アクチュエータも小型化が求められているが、超音波アクチュエータを小型化した場合、効率を低下させてしまう恐れがあった。
【００１４】
すなわち、駆動子の剛性を確保するため駆動子の形状が相対的に大きくなってしまい、上述のように圧電素子の屈曲振動の腹の部分に略半球状の駆動子を設けた構成では圧電素子の屈曲振動を阻害してしまい、その結果、効率を低下させてしまう恐れがあった。
【００１５】
そこで本発明は、駆動子による圧電素子の振動を阻害することを抑制し、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的を達成するために、本発明に係る超音波アクチュエータは、圧電素子で構成、又は圧電素子を含んで構成され、少なくとも屈曲振動を含む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おける屈曲振動の振動方向を向く面に対して点接触状又は／及び線接触状に取り付けられて、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を備えることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、駆動子とアクチュエータ本体との接触部をできるだけ少なくすることによりアクチュエータ本体の屈曲振動を駆動子が阻害することを抑制することができ、その結果、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることができるものである。
【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】
《発明の実施形態１》
図１は本発明の実施形態１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。
【００２０】
図１、２において、ＰＺＴ、水晶等の圧電材料からなる圧電素子１の表面の二箇所に球状の駆動子２，２を設けている。
【００２１】
圧電素子１の前面には４分割された給電電極８が設けられ、背面には全面電極（図示せず）が設けられている。この給電電極８及び全面電極にはんだ６にてワイヤー９が接続されており、ワイヤー９はケース４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９を通じて圧電素子１の給電電極８及び全面電極に特定の周波数の交流電圧が印加されることによって、圧電素子１が印加電圧の周波数に応じて振動する。詳しくは、圧電素子１は、その長手方向に伸縮振動すると共に、その短手方向に屈曲振動する。この圧電素子１がアクチュエータ本体を構成する。
【００２２】
前記はんだ６が形成されている圧電素子１の部位は、伸縮振動および屈曲振動のノード部周辺であり、ワイヤー９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１の振動におよぼす悪影響、すなわち、はんだ６形成による圧電素子１への不要な負荷をできるだけ抑制しようとするものである。
【００２３】
前記駆動子２，２は、接着剤１０にて圧電素子１に接着されている。詳しくは、駆動子２，２は、図２，６に示すように、圧電素子１における屈曲振動の振動方向を向く面（図２，６においては圧電素子１の上面）に接着されている。駆動子２の材料としては、ジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、タングステンカーバイド等が挙げられる。該駆動子２，２が接着される二箇所は、圧電素子１の屈曲振動の腹の略中心に該当する箇所であり、この箇所に駆動子２，２を設けることで圧電素子１の振動をより有効に活用することができる。
【００２４】
前記駆動子２，２は、図２に示すように、圧電素子１の上面（即ち、屈曲振動の振動方向を向く面）に対して点接触状に取り付けられている。ここで、「点接触状」とは、駆動子２と圧電素子１とが厳密に接触している状態に限られず、駆動子２と圧電素子１との間に接着剤１０を介在させて該駆動子２と圧電素子１とが実質的に点接触している状態も意味する。
【００２５】
前記接着剤１０としては、圧電素子の材料、駆動子の材料よりも柔らかいことが望ましい。具体的には、合成樹脂、特にエポキシ樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂が挙げられる。このような材料を用いることにより圧電素子１の屈曲振動をできるだけ阻害せずに各駆動子２と圧電素子１の固定を実現することができる。
【００２６】
前記圧電素子１は、ケース４に収容されており、ケース４内に設けた支持体５Ａ〜５Ｃにより圧電素子１は支持されている。詳しくは、圧電素子１の伸縮方向（長手方向）が後述する可動体３の可動方向（即ち、超音波アクチュエータの駆動力が出力される駆動方向）と同方向（図２のＡ、Ｂ方向）になるように圧電素子１をケース４内に配置し、この可動体３の可動方向と同方向のケース４内壁面に壁面支持体５Ａ、５Ｃを設けている。また、ケース４の内底面にも裏面支持体５Ｂが設けられ、圧電素子１を支持している。すなわち、圧電素子１は、その長手方向における両端面がケース４内壁面によって壁面支持体５Ａ，５Ｃを介して支持されている。
【００２７】
裏面支持体５Ｂは、前記駆動子２，２が圧力をかけて後述する可動体３を支持する（即ち、可動体３に当接する）ように設けられており、これにより可動体３を安定して動作させることができる。可動体３を支持する２つの駆動子２，２のそれぞれの圧力は、給電電極８に電圧が印加されていない状態で略同一となるように設定されている。
【００２８】
前記壁面支持体及び裏面支持体は、板バネ、ゴム等の弾性部材からなり、また図３に示すように、導電部３２を設けることができる。ケース４の壁面内部に引出電極３７を設けるとともにケース４の底面内部にも引出電極３７を設け、壁面支持体３５Ａ、３５Ｃ、裏面支持体３５Ｂの導電部３２を介して圧電素子１の給電電極（図示せず）とを導通させている。
【００２９】
前記駆動子２，２は、可動体３を支持（即ち、可動体３と当接）しており、圧電素子１の振動により各駆動子２が略楕円運動をすることによって可動体３が図２のＡ、または、Ｂ方向へ動く。つまり、駆動子２，２は、略楕円運動をしながら、矢印Ａ及びＢの方向へ駆動力を出力している。また、圧電素子１の伸縮振動の振動方向と可動体３の可動方向が同方向であり、屈曲振動の振動方向が可動体３の可動方向と垂直で且つ圧電素子１と可動体３を結ぶ方向（つまり、駆動子２が可動体３を支持する方向）である。
【００３０】
可動体３の材料としてはアルミナが挙げられ、駆動子２にアルミナを用いる場合磨耗の観点から、可動体３のアルミナは駆動子２のアルミナよりも柔らかいものを用いることが望ましい。
【００３１】
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、給電電極８を設けた圧電素子１と、この圧電素子１の表面に設けた駆動子２，２と、この駆動子２，２により支持される可動体３とを有し、前記圧電素子１は前記給電電極８に給電することにより少なくとも屈曲振動を含む複数の振動が合成された振動をし、この振動により前記駆動子２，２を略楕円運動させて前記可動体３を前記圧電素子１との間で相対運動させるものであって、前記駆動子２，２は、略球形状であるとともに前記圧電素子１の屈曲振動の振動方向の圧電素子表面に実装されている。
【００３２】
次に、図４〜図６を用いて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。
【００３３】
前記導電部３２を介して圧電素子１の特定の給電電極８に特定の周波数の交流電圧を印加することによって、圧電素子１は、図４に示す屈曲振動の２次モードおよび、図５に示す伸縮振動の１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、それぞれ圧電素子の材料、形状等により決定されるが、この二つの周波数を略一致させ、その近傍の周波数の電圧を印加させることにより、圧電素子１には屈曲２次モードと伸縮１次モードとが調和的に誘起され、図６（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１に設けられた駆動子２，２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１が紙面と同じ平面内において伸縮振動及び屈曲振動を行い、その結果、駆動子２，２が該平面内で略楕円運動を行う。
【００３４】
すなわち、圧電素子１の屈曲振動と伸縮振動との合成により駆動子２，２が楕円運動を起こす。この楕円運動により駆動子２，２が当接する可動体３が図２または図３の矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に駆動され、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。
【００３５】
したがって、実施形態１によれば、駆動子２，２の形状を球状とすることによって、各駆動子２と圧電素子１との接触面積を小さくでき、圧電素子１の屈曲振動を阻害することを抑制することができる。その結果、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることができる。ここで、「球状」とは、厳密な球形状に限られず、駆動子２が圧電素子１に対して概略点接触となるような実質的な球形状も含む意味である。
【００３６】
《発明の実施形態２》
次に、本発明の実施形態２に係る超音波アクチュエータについて説明する。
【００３７】
前記実施形態１では各駆動子２を接着剤１０を介して点接触状に圧電素子１に取り付けているが、実施形態２に係る超音波アクチュエータでは、図７に示すように、環状体７１を各駆動子２の周囲に配している。つまり、各駆動子２と圧電素子１との接触点の周囲に環状体７１を配置したものである。すなわち、各駆動子２は、圧電素子１に対して点接触状に取り付けられるだけでなく、環状体７１を介しても圧電素子１に取り付けられている。この環状体７１は、各駆動子２及び圧電素子１それぞれに対して線接触状に取り付けられている。尚、各駆動子２と環状体７１、および環状体７１と圧電素子１とは、それぞれ接着剤１０を介して取り付けられている。ただし、各駆動子２は、圧電素子１に対して点接触状には取り付けられておらず、環状体７１を介して線接触状にのみ取り付けられる構成であってもよい。ここで、「線接触状」とは、環状体７１と駆動子２又は圧電素子１とが厳密に接触している状態に限られず、環状体７１と駆動子２又は圧電素子１との間に接着剤１０を介在させて該環状体７１と駆動子２又は圧電素子１とが実質的に線接触している状態も意味する。
【００３８】
このように環状体７１を配置させることによって、各駆動子２と環状体７１、および環状体７１と圧電素子１との間で、それぞれの接触点を増やすことができ、これにより駆動子２，２と圧電素子１との接続強度を向上させることができる。環状体７１は、振動を妨げず接着強度を向上させる意味より、駆動子２より柔らかく、接着剤１０より堅い材質が望ましい。具体的には、アルミ、鉄などの金属や硬度の高いエポキシ、フェノールなどの樹脂である。
【００３９】
したがって、実施形態２によれば、駆動子２，２の形状を球状とすると共に、各駆動子２と圧電素子１との間に環状体７１を介在させて該各駆動子２を圧電素子１に対して点接触状に取り付けることによって、各駆動子２と圧電素子１との接触面積を小さくすることができ、圧電素子１の屈曲振動を阻害することを抑制することができる。その結果、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることができる。
【００４０】
《発明の実施形態３》
続いて、本発明の実施形態３に係る超音波アクチュエータについて説明する。
【００４１】
前記実施形態１，２では、駆動子２の形状として球形状を説明したが、円柱状の駆動子を用いることもできる。その場合、各駆動子２は、円柱の軸が該各駆動子２の略楕円運動する平面（即ち、圧電素子１が屈曲振動を行う平面）に対して略直交するように配設されて、圧電素子１表面に実装されている（図１０参照）。このときの断面図は、図２と同様になる。また、この円柱状の各駆動子２は球形状の場合と同様の接着剤１０にて圧電素子１に固定することが望ましい。こうして、各駆動子２は、圧電素子１の上面（即ち、屈曲振動の振動方向を向く面）に対して線接触状に取り付けられている。このとき、各駆動子２と圧電素子１との接触部は線状となり、その接触部は、圧電素子１の屈曲振動の腹の略中心に該当する箇所に位置し、駆動子２の略楕円運動する平面に対して略直交するように延びている。ここで、「線接触状」とは、駆動子２と圧電素子１とが厳密に接触している状態に限られず、駆動子２と圧電素子１との間に接着剤１０を介在させて該駆動子２と圧電素子１とが実質的に線接触している状態も意味する。また、「円柱状」とは、厳密な円柱形状に限られず、駆動子２が圧電素子１に対して概略線接触となるような実質的な円柱形状も含む意味である。
【００４２】
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、給電電極８を設けた圧電素子１と、この圧電素子１の表面に設けた駆動子２，２と、この駆動子２，２により支持される可動体３とを有し、前記圧電素子１は前記給電電極８に給電することにより少なくとも屈曲振動を含む複数の振動が合成された振動をし、この振動により前記駆動子２，２を略楕円運動させて前記可動体３を前記圧電素子１との間で相対運動させるものであって、前記駆動子２，２は、略円柱形状であるとともにこの略円柱の軸方向が前記駆動子２，２の略楕円運動する面に略垂直方向になるように前記圧電素子１の屈曲振動の振動方向の圧電素子表面に実装されている。
【００４３】
したがって、実施形態３によれば、駆動子２，２の形状を円柱状とすることによって、各駆動子２と圧電素子１との接触面積を小さくして圧電素子１の屈曲振動を阻害することを抑制することができると共に、該各駆動子２をその軸が圧電素子１の屈曲振動を行う平面に対して直交するように配設して圧電素子１に取り付けることによって、圧電素子１の屈曲振動の阻害をさらに抑制することができる。
【００４４】
《発明の実施形態４》
次に、本発明の実施形態４に係る超音波アクチュエータについて説明する。
【００４５】
図８は、実施形態４に係る超音波アクチュエータの分解斜視図であり、図９、図１０は、実施形態４の変形例に係る超音波アクチュエータである。本実施形態４が実施形態１〜３と異なる点は、圧電素子と駆動子との間に共振器を介在させた点である。すなわち、圧電素子を含んで構成される共振器がアクチュエータ本体を構成する。
【００４６】
図８に示す超音波アクチュエータは、金属やセラミックなどで構成した共振器１ａ内に、圧電素子１ｂ、１ｃをはめ込んだ構成となっている。
【００４７】
この共振器１ａ内の圧電素子１ｂ、１ｃの特定の給電電極（図示せず）に特定の周波数の交流電圧を印加することにより圧電素子１ｂ、１ｃを駆動源にして、共振器１ａには、図４に示す屈曲振動の２次モードおよび、図５に示す伸縮振動の１次モードが誘起される。
【００４８】
詳しくは、圧電素子１ｂ，１ｃは、共振器１ａの短手方向の一側に偏心した状態（即ち、長手方向に延びる中心軸に対して偏心した状態）で配設されている。このように配設された圧電素子１ｂ，１ｃそれぞれに伸縮振動を行わせると、該圧電素子１ｂ，１ｃの伸縮振動に応じて共振器１ａが全体として伸縮振動すると共に、共振器１ａの短手方向の一側に偏心した部分（圧電素子１ｂ，１ｃが配設された部分）が伸縮することにより共振器１ａが全体として屈曲振動を行う。
【００４９】
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共振器１ａの材料、形状等により決定されるが、この二つの周波数を略一致させるように共振器１ａを構成し、その近傍の周波数の電圧を印加させることにより、共振器１ａには屈曲２次モードと伸縮１次モードとが調和的に誘起され、該共振器１ａは図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す形状の変化を順番に起こす。その結果、共振器１ａに設けられた駆動子２，２が紙面方向から見て略楕円運動を起こす。すなわち、共振器１ａの屈曲振動と伸縮振動との合成により駆動子２，２が楕円運動を起こす。この楕円運動により駆動子２，２と当接する可動体３が図２または図３の矢印Ａまたは矢印Ｂの方向に駆動され、超音波アクチュエータとしての役割をなしている。
【００５０】
このような構成を取ることで、高価な圧電体の体積を減らすことができるので、安価に超音波アクチュエータを構成することができる。
【００５１】
図９に示す超音波アクチュエータは、金属やセラミックなどで構成した共振器１ａ内に、圧電素子１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇを貼り付けた構成になっている。このような構成の超音波アクチュエータについても上述のような方法にて駆動子２，２に略楕円運動を起こすことができ、可動体３を駆動させることができる。この構成も実施形態１〜３と比較して高価な圧電体の体積を減らすことができるので、安価に超音波アクチュエータを構成することができる。
【００５２】
また、駆動子２の形状として球形状を説明したが、図１０に示すように、円柱状の駆動子２を用いることもできる。その場合、各駆動子２は、円柱の軸が該各駆動子２の略楕円運動する平面（即ち、共振器１ａが屈曲振動を行う面）に対して略直交するように配設され、共振器１ａの表面に線接触状に実装される。このとき、各駆動子２と共振器１ａとの接触部は線状となり、該接触部は、共振器１ａの屈曲振動の腹の略中心に該当する箇所に位置し、駆動子２の略楕円運動する平面に対して略直交するように延びている。また、この円柱状の各駆動子２は球形状の場合と同様の接着剤１０にて共振器１ａに取り付けられることが望ましい。すなわち、アクチュエータ本体が圧電素子１ｂ，１ｃと共振器１ａとで構成されている点以外は、前記実施形態３と同じ構成である。
【００５３】
以上のように、各駆動子２の形状を球状又は円柱状としているため、各駆動子２と共振器１ａとの接触部をできるだけ少なくすることによって共振器１ａの屈曲振動を駆動子２，２が阻害することを防止することができ、その結果、超音波アクチュエータとしての効率を向上させることができる。
【００５４】
《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。
【００５５】
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１１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１２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。
【００５６】
また、裏面支持体５Ｂ，３５Ｂはケース４の内底面に設けたが、ケース４の底面に開口部（図示せず）を設けこの開口部を貫通して圧電素子１を支持するように裏面支持体を構成することも可能である。この場合、裏面支持体は、この超音波アクチュエータが実装される被実装体に設けられており、この被実装体に超音波アクチュエータを実装することにより圧電素子を裏面から支持するとともに駆動子を介して可動体を押圧するものである。このとき裏面支持体は、圧電素子と接する部位付近のみ弾性体で構成し、それ以外の部位を非弾性体で構成してもよい。
【００５７】
なお、本実施の形態では、振動モードは伸縮１次モードと屈曲２次モードで説明したが、その他の伸縮１次と屈曲４次など、その他のモードでも構わない。
【００５８】
また、壁面支持体すべてを弾性体としたが、少なくとも一つを弾性体にしてもよいし、環状の支持体一つのみを圧電素子の周囲部に支持体を貫通するように設けこの支持体の圧電素子との接続近傍部のみを弾性体としても同様の効果を得ることができる。
【００５９】
また、圧電素子の前面、背面に給電電極を形成する単板構成で説明したが、電極と圧電体を積層構造にする積層体の事例でも同様である。その場合は、複数の内部電極と接続され圧電素子の任意の面に形成される外部電極に電圧を印加する事により、駆動子に楕円運動を発生させることができる。
【００６０】
また、給電電極の構成は、最も単純な前面の４分割電極と、背面の全面電極の構成で説明したが、２分割電極や、５分割電極などその他の電極構成にした場合も、同様の効果を得ることができる。
【００６１】
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】
【００６２】
本発明の超音波アクチュエータは、前記駆動子が前記圧電素子の屈曲振動の振動方向の圧電素子表面に対して点接触状又は線接触状に実装されるという特徴を有し、高効率化が可能なため、特に、高効率化、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】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の実施形態１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、変形例に係る超音波アクチュエータの断面図である。
【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は、伸縮振動の１次モードの変位図である。
【図６】図６の（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ超音波アクチュエータの圧電素子の動作を示す概念図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態２に係る超音波アクチュエータの断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態４に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図９】図９は、変形例に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図１０】図１０は、別の変形例に係る超音波アクチュエータの分解斜視図である。
【図１１】図１１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１２】図１２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１３】図１３は、従来の超音波アクチュエータの圧電素子部の斜視図である。
【図１４】図１４は、従来の超音波アクチュエータの断面図である。
【図１５】図１５は、屈曲振動の２次モードの変位図である。
【図１６】図１６は、伸縮振動の１次モードの変位図である。
【図１７】図１７は、（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１８】図１８は、従来の超音波アクチュエータの圧電素子の断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ  圧電素子
１ａ        共振器
２          駆動子
３          可動体
４          ケース
５Ａ、５Ｃ  壁面支持体
５Ｂ        底面支持体
６          はんだ
８          給電電極
９、９ａ、９ｂ、９ｇ  ワイヤー
１０        接着剤
３２        導電部
３５Ａ、３５Ｃ  壁面支持体
３５Ｂ      底面支持体
３７        引出電極
７１        環状体
【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】
2007069682.tif 000021
【図２】
2007069682.tif 000022
【図３】
2007069682.tif 000023
【図４】
2007069682.tif 000024
【図５】
2007069682.tif 000025
【図６】
2007069682.tif 000026
【図７】
2007069682.tif 000027
【図８】
2007069682.tif 000028
【図９】
2007069682.tif 000029
【図１０】
2007069682.tif 000030
【図１１】
2007069682.tif 000031
【図１２】
2007069682.tif 000032
【図１３】
2007069682.tif 000033
【図１４】
2007069682.tif 000034
【図１５】
2007069682.tif 000035
【図１６】
2007069682.tif 000036
【図１７】
2007069682.tif 000037
【図１８】
2007069682.tif 000038
【国際調査報告】
2007069682.tif 000039
2007069682.tif 000040